TWI710801B

TWI710801B - 頭戴式顯示器

Info

Publication number: TWI710801B
Application number: TW108148680A
Authority: TW
Inventors: 邱奕榮; 黃士挺; 李彥賢; 塗宗偉; 石維國
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-11-21
Also published as: TW202127097A

Abstract

一種頭戴式顯示器，其包括兩個顯示單元。兩個顯示單元之間的夾角大於0度且小於180度。兩個顯示單元中的每一個包括拼接式顯示模組以及光學組件。拼接式顯示模組包括多個顯示面板以及至少一透鏡元件。多個顯示面板中的至少一個的解析度大於1000PPI。所述至少一透鏡元件設置在多個顯示面板的前方，且所述至少一透鏡元件在多個顯示面板的拼接處具有擴光結構。光學組件設置在拼接式顯示模組的前方。

Description

頭戴式顯示器

本發明是有關於一種顯示器，且特別是有關於一種頭戴式顯示器。

隨著顯示技術的進步，使用者已無法滿足於只觀看平面的影像。為了提供使用者更具有現實感與立體感的視覺娛樂，虛擬實境(Virtual Reality，VR)成為目前顯示技術的新潮流。虛擬實境是利用模擬出一個三維空間的虛擬場景，提供使用者關於視覺等感官體驗，讓使用者能夠及時觀看三維空間的影像，甚至進一步能與虛擬影像進行互動。目前常見的虛擬實境顯示器包括頭戴式顯示器。現有的頭戴式顯示器雖可具有大視場(Field of view，FOV)，但是存在清晰度不佳的問題。因此，如何改善清晰度不佳的問題，以提升使用者身歷其境的感受，便成為研發人員亟欲解決的問題之一。

本發明提供一種頭戴式顯示器，其可有效改善清晰度不佳的問題。

本發明的一實施例的一種頭戴式顯示器包括兩個顯示單元。兩個顯示單元之間的夾角大於0度且小於180度。兩個顯示單元中的每一個包括拼接式顯示模組以及光學組件。拼接式顯示模組包括多個顯示面板以及至少一透鏡元件。多個顯示面板中的至少一個的解析度大於1000PPI (Pixels per Inch)。所述至少一透鏡元件設置在多個顯示面板的前方，且所述至少一透鏡元件在多個顯示面板的拼接處具有擴光結構。光學組件設置在拼接式顯示模組的前方。

在本發明的一實施例中，多個顯示面板中的每一個的對比度至少為十萬比一。

在本發明的一實施例中，多個顯示面板中的每一個的解析度等於2000PPI。

在本發明的一實施例中，多個顯示面板中的至少一個的解析度小於1000PPI，且解析度小於1000PPI的所述至少一個顯示面板設置在解析度大於1000PPI的所述至少一個顯示面板的周邊。

在本發明的一實施例中，所述至少一透鏡元件的數量為多個。多個透鏡元件分別設置在多個顯示面板的前方，且多個透鏡元件中的每一個在對應的顯示面板上的正投影大於所述對應的顯示面板的顯示區域。

在本發明的一實施例中，多個透鏡元件中的每一個為弧形柱狀透鏡。

在本發明的一實施例中，擴光結構包括菲涅耳透鏡結構。

在本發明的一實施例中，菲涅耳透鏡結構的脫膜面上設置有吸光層。

在本發明的一實施例中，通過光學組件的中心且垂直於光學組件的參考線通過使用者的眼球的中心。

在本發明的一實施例中，光學組件包括一個或多個菲涅耳透鏡。

基於上述，在本發明的實施例中，藉由兩個顯示單元斜向設置在使用者的雙眼的前方，使頭戴式顯示器具有大視場。此外，藉由至少一個解析度大於1000PPI的顯示面板與其他顯示面板拼接形成的顯示模組來提升顯示單元的解析度(即Pixels per Inch，PPI)，使角解析度(即Pixels per Degree，PPD)對應提升，進而有效改善清晰度不佳的問題。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本文中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。

在附圖中，各圖式繪示的是特定實施例中所使用的方法、結構或材料的通常性特徵。然而，這些圖式不應被解釋為界定或限制由這些實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，各膜層、區域或結構的相對尺寸、厚度及位置可能縮小或放大。

在下述實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號，且將省略其贅述。此外，不同實施例中的特徵在沒有衝突的情況下可相互組合，且依本說明書或申請專利範圍所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本專利涵蓋的範圍內。

本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名分立（discrete）的元件或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限，也並非用以限定元件的製造順序或設置順序。此外，一元件/膜層設置在另一元件/膜層上（或上方）可涵蓋所述元件/膜層直接設置在所述另一元件/膜層上（或上方），且兩個元件/膜層直接接觸的情況；以及所述元件/膜層間接設置在所述另一元件/膜層上（或上方），且兩個元件/膜層之間存在一或多個元件/膜層的情況。

圖1是依照本發明的一實施例的一種頭戴式顯示器1的示意圖。在圖1中，除了頭戴式顯示器1之外，還示意性繪示出使用者的雙眼E，以便於理解頭戴式顯示器1與使用者的雙眼E之間的相對關係。

請參照圖1，頭戴式顯示器1的應用範疇可包括虛擬實境，但不以此為限。頭戴式顯示器1適於固定在使用者的頭上，以將影像光束B投射至使用者的雙眼E，讓使用者看到虛擬影像。

頭戴式顯示器1包括兩個顯示單元10。兩個顯示單元10分別設置在使用者的雙眼E的前方。兩個顯示單元10之間具有夾角。所述夾角可以指兩個顯示單元10的兩個外表面SO之間的夾角θ1。替代地，所述夾角可以指兩個顯示單元10的兩個內表面SI之間的夾角θ2。兩個顯示單元10之間的夾角等於180度表示兩個顯示單元10並列設置在使用者的雙眼E的前方。在本實施例中，兩個顯示單元10之間的夾角(如夾角θ1或夾角θ2)大於0度且小於180度。換句話說，兩個顯示單元10是斜向設置在使用者的雙眼E的前方。藉此設計，可提升頭戴式顯示器1水平方向D1上的視場(field of view，FOV)，即擴增虛擬影像在水平方向D1上的成像範圍。

兩個顯示單元10中的每一個包括顯示模組100以及光學組件101。在每一個顯示單元10中，光學組件101設置在顯示模組100的前方。具體地，光學組件101設置在來自顯示模組100的影像光束B的傳遞路徑上且位於顯示模組100與使用者的一眼E之間。在圖1的架構下，顯示單元10的外表面SO為顯示模組100背對光學組件101的表面，且顯示單元10的內表面SI為光學組件101面向該眼E的表面。對應地，夾角θ1為兩個顯示單元10中的兩個顯示模組100之間的夾角，而夾角θ2為兩個顯示單元10中的兩個光學組件101之間的夾角。舉例來說，夾角θ1可落在120°至130°的範圍內，即120°≦θ1≦130°，但不以此為限。夾角θ2可落在130°至140°的範圍內，即130°≦θ2≦140°，但不以此為限。

顯示模組100用於提供顯示光束B。顯示光束B為帶有影像資訊(例如灰階、色彩等資訊)的光束。舉例來說，顯示模組100可包括液晶顯示模組、有機發光二極體顯示模組或發光二極體顯示模組，但不以此為限。

光學組件101用於將影像光束B傳遞至使用者的眼E中。舉例來說，光學組件101可包括一個或多個透鏡元件(未繪示)但不以此為限。所述一個或多個透鏡元件可包括凸透鏡、凹透鏡或上述兩個的組合。當光學組件101包括多個透鏡元件，多個透鏡元件可具有相同或不同的光學參數設計。此外，設置在雙眼E前方的兩個顯示單元10可具有相等或不等數量的透鏡元件，且所述相等或不等數量的透鏡元件可具有相同或不同的光學參數設計。在一些實施例中，所述一個或多個透鏡元件可為一個或多個菲涅耳透鏡，以使頭戴式顯示器1輕薄化。在一些實施例中，通過光學組件101的中心C且垂直於光學組件101的參考線L通過使用者的眼球的中心。如此，無論兩個顯示單元10之間的夾角(如夾角θ1或夾角θ2)如何改變，頭戴式顯示器1皆可具有良好的光學效果。

一般來說，頭戴式顯示器的光學效果可從清晰度、解析度、對比度、角解析度、銳利度(sharpness)或雜散光等因素來評斷。在上述因素中，清晰度會與解析度、對比度、角解析度、銳利度或雜散光等因素相關，其中解析度、對比度、角解析度或銳利度與頭戴式顯示器的清晰度呈正相關，而雜散光與頭戴式顯示器的清晰度呈負相關。此外，在相同的解析度下，視場越大，角解析度越小。人眼的角分辨率為1/60度。以視力1.0為例，人眼每1度可分辨60個畫素。因此，如果頭戴式顯示器的角解析度小於60PPD，使用者容易察覺到因角解析度不足所造成的鋸齒顆粒感。

以水平視場為160°且垂直視場為175°為例，顯示模組在水平方向上須具有9600(i.e. 160*60)個畫素且在垂直方向上須具有10500(i.e. 175*60)個畫素，以滿足角解析度等於60PPD的要求。在頭戴式顯示器1的架構下，為了改善清晰度且使顯示模組100的角解析度為60PPD以上，顯示模組100的解析度須為2000PPI以上。然而，目前市面上解析度為2000PPI以上的顯示模組的尺寸都不夠大，而不適用於頭戴式顯示器1。

為了改善高解析度顯示模組的尺寸過小問題，頭戴式顯示器1的每一個顯示單元10中的顯示模組100採用拼接式顯示模組。關於拼接式顯示模組的實施態樣請參照圖2至圖7。圖2是圖1中顯示模組100的一種正視示意圖。圖3至圖5是圖2中剖線I-I’的三種剖面示意圖。圖6是圖5中擴光結構ST的放大圖。圖7是圖1中顯示模組100的另一種正視示意圖。

請參照圖2及圖3，拼接式顯示模組(顯示模組100)包括多個顯示面板1000以及至少一透鏡元件1002。在一些實施例中，如圖2及圖3所示，顯示模組100可包括四個顯示面板1000以及四個透鏡元件1002，其中四個顯示面板1000排列成陣列，且四個透鏡元件1002分別設置在四個顯示面板1000的前方。具體地，四個透鏡元件1002設置在來自四個顯示面板1000的影像光束B的傳遞路徑上且位於光學組件101(參照圖1)與四個顯示面板1000之間。然而，顯示模組100中的顯示面板1000的數量、透鏡元件1002的數量或顯示面板1000與透鏡元件1002之間的相對設置關係可依需求改變，而不以此為限。

多個顯示面板1000用於提供顯示光束B。舉例來說，多個顯示面板1000中的每一個可包括液晶顯示面板、有機發光二極體顯示面板或發光二極體顯示面板，但不以此為限。

多個顯示面板1000中的至少一個的解析度大於1000PPI。在本實施例中，四個顯示面板1000的解析度可皆大於1000PPI。舉例來說，每一個顯示面板1000為解析度為2000PPI的2.89吋的顯示面板，且四個顯示面板1000拼接成一塊5.78吋的解析度為2000PPI的拼接式顯示面板，但不以此為限。藉由拼接式顯示模組(顯示模組100)包括多個解析度大於1000PPI的顯示面板，來提升顯示單元的解析度，使角解析度對應提升，進而可有效改善清晰度不佳的問題。在一些實施例中，多個顯示面板1000中的每一個的對比度可至少為十萬比一，以進一步提升清晰度。

多個透鏡元件1002可用於擴光。具體地，多個透鏡元件1002在多個顯示面板1000的拼接處P具有擴光結構ST。擴光結構ST用於擴大影像光束B的照射範圍，使得影像光束B的照射面積大於顯示面板1000的顯示區R的面積，從而實現窄邊框或是無邊框(即相鄰顯示面板所提供的影像畫面之間無明顯的分界)的設計。在一些實施例中，如圖3所示，多個透鏡元件1002中的每一個在對應的顯示面板1000上的正投影大於所述對應的顯示面板1000的顯示區域R。此外，多個透鏡元件1002中的每一個可為弧形柱狀透鏡。

在一些實施例中，如圖4所示，顯示模組100中透鏡元件1002的數量可為一，且透鏡元件1002可設置在多個顯示面板1000的前方，即透鏡元件1002位於光學組件101(參照圖1)與多個顯示面板1000之間。透鏡元件1002的擴光結構ST可為凹陷結構，且所述凹陷結構可具有兩個凸出且相互連接的弧面，但不以此為限。

在一些實施例中，如圖5所示，透鏡元件1002的擴光結構ST可包括菲涅耳透鏡結構。菲涅耳透鏡結構可有效降低透鏡元件1002的厚度，而有助於使拼接式顯示面板輕薄化。此外，菲涅耳透鏡結構可有效降低拼接式顯示面板在拼接處P的高低差，而有助於降低拼接處P的影像與中心影像的差異。在一些實施例中，透鏡元件1002可由模鑄方式形成。如圖6所示，菲涅耳透鏡結構的脫膜面(非光學有效面)SB上可設置有吸光層AL，以阻止顯示光束從脫膜面SB通過透鏡元件1002，進而改善雜散光問題，提升虛擬影像的顯示品質(如清晰度)。吸光層AL的材質可包括黑色光阻、黑色油墨、摻有黑色碳粉的樹脂或其他適當的材料。在脫膜面SB上設置吸光層AL的方法可包括曝光顯影製程或塗覆等，但不以此為限。

在一些實施例中，如圖7所示，多個顯示面板1000中的至少一個的解析度可大於1000PPI，且多個顯示面板1000中的至少一個的解析度可小於1000PPI。圖7示意性繪示出解析度大於1000PPI的一個顯示面板1000A1以及解析度小於1000PPI的一個顯示面板1000A2，其中顯示面板1000A2設置在顯示面板1000A1的周邊。舉例來說，顯示面板1000A2可由多個顯示面板拼接而成，或者由鏤空顯示面板的中心而形成。在圖7的架構下，顯示模組100也可包括至少一透鏡元件1002，且所述至少一透鏡元件1002在多個顯示面板1000的拼接處P可具有擴光結構ST(參見圖3至圖6)，以實現窄邊框或是無邊框的設計。在一些實施例中，顯示面板1000A1可為解析度為2000PPI的顯示面板，而顯示面板1000A2可為解析度為600PPI至800PPI的顯示面板，但不以此為限。

由於人眼在觀看大視角影像時，影像品質需求並不高，因此可使用高解析度小尺寸顯示面板1000A1設置在拼接式顯示面板的中心區域(小視角影像的顯示區域)，而外圍大視角影像的顯示區域使用低解析度的顯示面板1000A2。如此，有助於縮減拼接式顯示面板整體的成本。

綜上所述，在本發明的實施例中，藉由兩個顯示單元斜向設置在使用者的雙眼的前方，使頭戴式顯示器具有大視場。此外，藉由至少一個解析度大於1000PPI的顯示面板與其他顯示面板拼接形成的顯示模組來提升顯示單元的解析度，使角解析度對應提升，進而有效改善清晰度不佳的問題。

在一些實施例中，光學組件中的透鏡元件可為菲涅耳透鏡，以使頭戴式顯示器輕薄化。在一些實施例中，拼接式顯示模組中的每一個顯示面板的對比度可至少為十萬比一，以進一步提升清晰度。在一些實施例中，拼接式顯示模組可由多個高解析度顯示面板拼接而成。在一些實施例中，可藉由在多個顯示面板的前方設置至少一透鏡元件，且所述至少一透鏡元件在多個顯示面板的拼接處具有擴光結構，以實現窄邊框或是無邊框的設計。在一些實施例中，擴光結構可包括菲涅耳透鏡結構，以使拼接式顯示面板輕薄化以及降低拼接處的影像與中心影像的差異。在一些實施例中，菲涅耳透鏡結構的脫膜面(非光學有效面)上可設置有吸光層，以改善雜散光問題，提升虛擬影像的顯示品質(如清晰度)。在一些實施例中，拼接式顯示模組可由高解析度顯示面板以及低解析度顯示面板拼接而成，以縮減拼接式顯示面板整體的成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1:頭戴式顯示器 10:顯示單元 100:顯示模組 101:光學組件 1000、1000A1、1000A2:顯示面板 1002:透鏡元件 AL:吸光層 B:影像光束 C:中心 D1:水平方向 E:眼 L:參考線 P:拼接處 R:顯示區域 SB:脫膜面 SI:內表面 SO:外表面 ST:擴光結構 θ1、θ2:夾角

圖1是依照本發明的一實施例的一種頭戴式顯示器的示意圖。圖2是圖1中顯示模組的一種正視示意圖。圖3至圖5是圖2中剖線I-I’的三種剖面示意圖。圖6是圖5中擴光結構的放大圖。圖7是圖1中顯示模組的另一種正視示意圖。

1000:顯示面板

1002:透鏡元件

P:拼接處

R:顯示區域

ST:擴光結構

Claims

一種頭戴式顯示器，包括：兩個顯示單元，其中所述兩個顯示單元之間的夾角大於0度且小於180度，且所述兩個顯示單元中的每一個包括：拼接式顯示模組，包括：多個顯示面板，所述多個顯示面板中的至少一個的解析度大於1000PPI；以及至少一透鏡元件，設置在所述多個顯示面板的前方，且所述至少一透鏡元件在所述多個顯示面板的拼接處具有擴光結構；以及光學組件，設置在所述拼接式顯示模組的前方；其中所述至少一透鏡元件的數量為多個，所述多個透鏡元件分別設置在所述多個顯示面板的前方，且所述多個透鏡元件中的每一個在對應的顯示面板上的正投影大於所述對應的顯示面板的顯示區域。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示器，其中所述多個顯示面板中的每一個的對比度至少為十萬比一。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示器，其中所述多個顯示面板中的每一個的解析度等於2000PPI。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示器，其中所述多個顯示面板中的至少一個的解析度小於1000PPI，且解析度小於 1000PPI的所述至少一個顯示面板設置在解析度大於1000PPI的所述至少一個顯示面板的周邊。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示器，其中所述多個透鏡元件中的每一個為弧形柱狀透鏡。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示器，其中所述擴光結構包括菲涅耳透鏡結構。
如申請專利範圍第6項所述的頭戴式顯示器，其中所述菲涅耳透鏡結構的脫膜面上設置有吸光層。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示器，其中通過所述光學組件的中心且垂直於所述光學組件的參考線通過使用者的眼球的中心。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示器，其中所述光學組件包括一個或多個菲涅耳透鏡。