TWI784489B

TWI784489B - 頭戴式顯示器

Info

Publication number: TWI784489B
Application number: TW110114182A
Authority: TW
Inventors: 塗宗偉; 邱奕榮; 黃士挺; 李彥賢
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-11-21
Also published as: US20220334397A1; TW202242484A

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。兩個顯示單元的每一個包括顯示裝置、聚光透鏡以及稜鏡。聚光透鏡重疊於顯示裝置。稜鏡重疊於聚光透鏡以及顯示裝置。聚光透鏡與稜鏡的其中一個的材料包括燧石玻璃，且聚光透鏡與稜鏡的其中另一個的材料包括冕牌玻璃。

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。

頭戴式顯示器通常採用眼罩或頭盔等形式將顯示裝置設置在使用者的眼睛前方，並藉由透鏡元件將顯示裝置輸出的影像光投射至使用者的眼中。現有的頭戴式顯示器雖已針對成像品質進行改良，但針對眼睛直視區域中的色彩分離問題仍有待提升。

本發明提供一種頭戴式顯示器，其具有良好的成像品質。

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。兩個顯示單元的每一個包括顯示裝置、聚光透鏡以及稜鏡。聚光透鏡重疊於顯示裝置。稜鏡重疊於聚光透鏡以及顯示裝置。聚光透鏡與稜鏡的其中一個的材料包括燧石玻璃，且聚光透鏡與稜鏡的其中另一個的材料包括冕牌玻璃。

在本發明的一實施例中，兩個顯示單元的每一個包括多個聚光透鏡。

在本發明的一實施例中，稜鏡位於多個聚光透鏡與顯示裝置之間。

在本發明的一實施例中，稜鏡位於多個聚光透鏡之間。

在本發明的一實施例中，多個聚光透鏡位於稜鏡與顯示裝置之間。

在本發明的一實施例中，稜鏡具有第一表面、第二表面以及第三表面。第二表面與第一表面相對且位於第一表面與顯示裝置之間。第三表面在靠近頭戴式顯示器的內側連接第一表面以及第二表面。第一表面以及第二表面在靠近頭戴式顯示器的外側具有第一夾角。第二表面以及第三表面在靠近頭戴式顯示器的內側具有第二夾角。第一夾角小於第二夾角。

在本發明的一實施例中，第一夾角大於0度且小於或等於60度。

在本發明的一實施例中，稜鏡包括從頭戴式顯示器的內側排列至頭戴式顯示器的外側的多條稜鏡柱。多條稜鏡柱的每一個具有第四表面、第五表面以及第六表面。第五表面與第四表面相對且位於第四表面與顯示裝置之間。第六表面連接第四表面以及第五表面。第四表面以及第五表面之間具有第三夾角。第五表面以及第六表面之間具有第四夾角。第三夾角小於第四夾角。

在本發明的一實施例中，稜鏡包括至少一弧面。

在本發明的一實施例中，兩個顯示單元的每一個更包括繞射元件。繞射元件重疊於聚光透鏡、顯示裝置以及稜鏡。

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的設計來擴增頭戴式顯示器的視場，並藉由聚光透鏡與稜鏡的材料組合來消除色差。因此，頭戴式顯示器可具有大視場以及良好的成像品質。

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至圖4分別是依照本發明的實施例的頭戴式顯示器的示意圖。在圖1至圖4中，除了頭戴式顯示器之外，還示意性繪示出使用者的雙眼，以便於理解頭戴式顯示器與使用者之間的相對關係。在圖1至圖4的任一實施例中，頭戴式顯示器的應用範疇可包括，但不限於，虛擬實境(virtual reality，VR)。

請參照圖1，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兩眼E的前方。兩個顯示單元10之間具有夾角θ。所述夾角θ可以是兩個顯示單元10的兩個內表面SI之間的夾角。替代地，所述夾角θ可以是兩個顯示單元10的兩個外表面SO之間的夾角。夾角θ等於180度表示兩個顯示單元10並列設置在使用者的兩眼E的前方。在本實施例中，兩個顯示單元10之間的夾角θ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兩眼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，即擴增影像在水平方向D1上的成像範圍。

兩個顯示單元10的每一個包括顯示裝置100、聚光透鏡101以及稜鏡102。顯示裝置100、聚光透鏡101以及稜鏡102在顯示裝置100的法線方向D2上排列，且顯示裝置100、聚光透鏡101以及稜鏡102在法線方向D2上彼此重疊。

在本實施例中，兩個顯示單元10的每一個包括多個(如兩個)聚光透鏡101，且顯示裝置100、稜鏡102以及多個聚光透鏡101沿著法線方向D2依序排列。換句話說，稜鏡102位於多個聚光透鏡101與顯示裝置100之間。然而，顯示單元10中的各元件的數量或多個元件的排列順序可依需求改變。在一實施例中，兩個顯示單元10的每一個可包括一個或多個聚光透鏡101。在一實施例中，稜鏡102可位於多個聚光透鏡101之間。在一實施例中，多個聚光透鏡101可位於稜鏡102與顯示裝置100之間。以下實施例皆可同此改良，於下便不再重述。

顯示單元10的外表面SO可定義為顯示裝置100、聚光透鏡101以及稜鏡102中最遠離使用者的一眼E的元件的背對該眼E的表面，且顯示單元10的內表面SI可定義為顯示裝置100、聚光透鏡101以及稜鏡102中最靠近使用者的一眼E的元件的面向該眼E的表面。在圖1的架構下，顯示單元10的外表面SO為顯示裝置100背對稜鏡102的表面，且顯示單元10的內表面SI為兩個聚光透鏡101中較靠近使用者的一眼E的聚光透鏡101面向該眼E的表面。當顯示單元10中的多個元件的排列順序改變時，顯示單元10的內表面SI隨之改變。舉例來說，當多個聚光透鏡101位於稜鏡102與顯示裝置100之間時，顯示單元10的內表面SI為稜鏡102面向使用者的一眼E的表面。

顯示裝置100適於提供帶有影像資訊(例如灰階、色彩等資訊)的影像光。舉例來說，顯示裝置100可以是液晶顯示器，但不以此為限。

聚光透鏡101與稜鏡102堆疊在顯示裝置100與使用者的一眼E之間，且聚光透鏡101與稜鏡102適於將顯示裝置100輸出的影像光傳遞至使用者的眼E中。

聚光透鏡101與稜鏡102的其中一個的材料包括燧石玻璃，且聚光透鏡101與稜鏡102的其中另一個的材料包括冕牌玻璃。燧石玻璃具有高折射係數及低阿貝數。冕牌玻璃具有低折射係數及高阿貝數。利用兩種玻璃的色散作用會相互補償(抵銷)的特性來消色差，從而提高成像品質。

在圖1至圖4的實施例中，每一個聚光透鏡101示意性繪示成平板狀。然而，每一個顯示單元10所包括的聚光透鏡101的數量、每一個聚光透鏡101的光學參數設計(如曲率、折射率、與其他元件之間的距離等)可依照設計需求改變。具體地，每一個顯示單元10可包括一個或多個聚光透鏡101。當顯示單元10包括多個聚光透鏡101，多個聚光透鏡101可具有相同或不同的光學參數設計。此外，設置在兩眼E前方的兩個顯示單元10可具有相等或不等數量的聚光透鏡101，且所述相等或不等數量的聚光透鏡101可具有相同或不同的光學參數設計。

在圖1中，稜鏡102具有第一表面S1、第二表面S2以及第三表面S3。第二表面S2與第一表面S1相對且位於第一表面S1與顯示裝置100之間。第三表面S3在靠近頭戴式顯示器1的內側X2連接第一表面S1以及第二表面S2。第一表面S1以及第二表面S2在靠近頭戴式顯示器1的外側X1具有第一夾角θ1。第二表面S2以及第三表面S3在靠近頭戴式顯示器1的內側X2具有第二夾角θ2。第一夾角θ1小於第二夾角θ2。舉例來說，第一夾角θ1與第二夾角θ2可同為銳角。或者，第一夾角θ1可為銳角，且第二夾角θ2可為直角或鈍角。藉由銳角指向頭戴式顯示器1的外側X1的設計，可有效消除眼睛較常關注區域(包括眼睛直視區域R)的色差。

在一實施例中，第一夾角θ1大於0度且小於或等於60度，可具有較佳的成像品質，且有利於頭戴式顯示器1的輕薄化。在一實施例中，第一夾角θ1大於或等於20度且小於或等於30度，可進一步提升成像品質以及輕薄化的效果。第二夾角θ2的角度範圍可依需求改變，於此不多加限制。

在本實施例中，稜鏡102為六面體，且稜鏡102還具有與第三表面S3相對的表面S、頂表面(未繪示)以及底表面(未繪示)。六面體中的每一個表面例如皆為平面。然而，稜鏡102的表面總數或每一個表面的曲面設計(如平面、球面、非球面、曲率半徑等)可依需求改變，而不以圖1所顯示的為限。

請參照圖2，頭戴式顯示器1A與圖1的頭戴式顯示器1的主要差異如下所述。在頭戴式顯示器1A的每一個顯示單元10A中，稜鏡102A包括從頭戴式顯示器1A的內側X2排列至頭戴式顯示器1A的外側X1的多條稜鏡柱1020。多條稜鏡柱1020例如相互連接且分別沿著入射紙面的方向延伸。

多條稜鏡柱1020的每一個具有第四表面S4、第五表面S5以及第六表面S6。第五表面S5與第四表面S4相對且位於第四表面S4與顯示裝置100之間。第六表面S6連接第四表面S4以及第五表面S5。第四表面S4以及第五表面S5之間具有第三夾角θ3。第五表面S5以及第六表面S6之間具有第四夾角θ4。第三夾角θ3小於第四夾角θ4。第三夾角θ3與第四夾角θ4可同為銳角。或者，第三夾角θ3可為銳角，且第四夾角θ4可為直角或鈍角。藉由銳角指向頭戴式顯示器1A的外側X1的設計，可有效消除眼睛較常關注區域(包括眼睛直視區域R)的色差。此外，藉由多條稜鏡柱1020的設計可有效縮減頭戴式顯示器1A在法線方向D2上的厚度以及頭戴式顯示器1A整體的重量。

在一實施例中，第三夾角θ3大於0度且小於或等於60度，可具有較佳的成像品質，且有利於頭戴式顯示器1A的輕薄化。在一實施例中，第三夾角θ3大於或等於20度且小於或等於30度，可進一步提升成像品質以及輕薄化的效果。第四夾角θ4的角度範圍可依需求改變，於此不多加限制。

請參照圖3，頭戴式顯示器1B與圖1的頭戴式顯示器1的主要差異如下所述。在頭戴式顯示器1B的每一個顯示單元10B中，稜鏡102B包括至少一弧面。在圖3中，第一表面S1為朝使用者的一眼E凸出的弧面，且第二表面S2為平面。然而，稜鏡102B的每一個表面的光學參數設計及相鄰兩表面之間的夾角可依需求改變。在一實施例中，第一表面S1可以是凹入稜鏡102B內部的弧面，且第二表面S2可以是朝顯示裝置100凸出的弧面。在一實施例中，第一表面S1可以是朝使用者的一眼E凸出的弧面，且第二表面S2可以是朝顯示裝置100凸出的弧面。在一實施例中，稜鏡102B可以是膠合鏡組。

稜鏡102B的弧面設計除了可轉折光路與補償色差之外，還可提供聚光的效果，而有助於縮減頭戴式顯示器1B在法線方向D2上的厚度。此外，由於稜鏡102B的弧面可分擔部分的聚光效果，因此聚光透鏡101所需提供的聚光效果得以降低，而有助於降低聚光透鏡101的製造難度。

請參照圖4，頭戴式顯示器1C與圖1的頭戴式顯示器1的主要差異如下所述。在頭戴式顯示器1C的每一個顯示單元10C中，稜鏡102C為五面體。具體地，稜鏡102C具有第一表面S1至第三表面S3、頂表面(未繪示)以及底表面(未繪示)。五面體中的每一個表面例如皆為平面。然而，稜鏡102C的表面總數或每一個表面的曲面設計可依需求改變，而不以圖4所顯示的為限。

在頭戴式顯示器1C中，兩個顯示單元10C的每一個還包括繞射元件(diffractive optical element，DOE)103，以輔助消除色差。繞射元件103在法線方向D2上重疊於聚光透鏡101、顯示裝置100以及稜鏡102C。繞射元件103可先形成在基板(如玻璃；未繪示)上再設置在顯示裝置100與使用者一眼E之間的任一位置處。替代地，繞射元件103可先形成在薄膜(未繪示)上再貼附至顯示裝置100與使用者一眼E之間的至少一表面上。替代地，繞射元件103可直接形成在顯示裝置100與使用者一眼E之間的至少一表面上。

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的設計來擴增頭戴式顯示器的視場，並藉由聚光透鏡與稜鏡的材料組合來消除色差。因此，頭戴式顯示器可具有大視場以及良好的成像品質。在一實施例中，可藉由稜鏡的銳角指向頭戴式顯示器的外側的設計來有效消除眼睛較常關注區域(包括眼睛直視區域)的色差。在一實施例中，可藉由稜鏡的銳角的角度範圍設計來提升成像品質，並實現頭戴式顯示器的輕薄化。在一實施例中，可藉由多條稜鏡柱的設計來有效縮減頭戴式顯示器在顯示裝置的法線方向上的厚度以及頭戴式顯示器整體的重量。在一實施例中，可藉由稜鏡的弧面設計來提供聚光的效果，進而有助於縮減頭戴式顯示器在顯示裝置的法線方向上的厚度或有利於聚光透鏡的製造。在一實施例中，可藉由繞射元件的設置來輔助消除色差。

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、1A、1B、1C:頭戴式顯示器 10、10A、10B、10C:顯示單元 100:顯示裝置 101:聚光透鏡 102、102A、102B、102C:稜鏡 103:繞射元件 1020:稜鏡柱 D1:水平方向 D2:法線方向 E:眼 R:眼睛直視區域 S:表面 S1:第一表面 S2:第二表面 S3:第三表面 S4:第四表面 S5:第五表面 S6:第六表面 SI:內表面 SO:外表面 X1:外側 X2:內側 θ:夾角 θ1:第一夾角 θ2:第二夾角 θ3:第三夾角 θ4:第四夾角

圖1至圖4分別是依照本發明的實施例的頭戴式顯示器的示意圖。

1:頭戴式顯示器 10:顯示單元 100:顯示裝置 101:聚光透鏡 102:稜鏡 D1:水平方向 D2:法線方向 E:眼 R:眼睛直視區域 S:表面 S1:第一表面 S2:第二表面 S3:第三表面 SI:內表面 SO:外表面 X1:外側 X2:內側 θ:夾角 θ1:第一夾角 θ2:第二夾角

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的每一個包括：顯示裝置；聚光透鏡，重疊於所述顯示裝置；以及稜鏡，重疊於所述聚光透鏡以及所述顯示裝置，其中所述聚光透鏡與所述稜鏡的其中一個的材料包括燧石玻璃，且所述聚光透鏡與所述稜鏡的其中另一個的材料包括冕牌玻璃，其中當使用者配戴所述頭戴式顯示器時，所述顯示裝置、所述聚光透鏡以及所述稜鏡位於所述使用者的眼睛前方，且所述聚光透鏡以及所述稜鏡位於所述使用者的眼睛與所述顯示裝置之間。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中所述兩個顯示單元的每一個包括多個所述聚光透鏡。
如請求項2所述的頭戴式顯示器，其中所述稜鏡位於所述多個聚光透鏡與所述顯示裝置之間。
如請求項2所述的頭戴式顯示器，其中所述稜鏡位於所述多個聚光透鏡之間。
如請求項2所述的頭戴式顯示器，其中所述多個聚光透鏡位於所述稜鏡與所述顯示裝置之間。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中所述稜鏡具有第一表面、第二表面以及第三表面，所述第二表面與所述第一表面相對且位於所述第一表面與所述顯示裝置之間，所述第三表面在靠近所述頭戴式顯示器的內側連接所述第一表面以及所述第二表面，所述第一表面以及所述第二表面在靠近所述頭戴式顯示器的外側具有第一夾角，所述第二表面以及所述第三表面在靠近所述頭戴式顯示器的內側具有第二夾角，且所述第一夾角小於所述第二夾角。
如請求項6所述的頭戴式顯示器，其中所述第一夾角大於0度且小於或等於60度。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中所述稜鏡包括從所述頭戴式顯示器的內側排列至所述頭戴式顯示器的外側的多條稜鏡柱，所述多條稜鏡柱的每一個具有第四表面、第五表面以及第六表面，所述第五表面與所述第四表面相對且位於所述第四表面與所述顯示裝置之間，所述第六表面連接所述第四表面以及所述第五表面，所述第四表面以及所述第五表面之間具有第三夾角，所述第五表面以及所述第六表面之間具有第四夾角，且所述第三夾角小於所述第四夾角。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中所述稜鏡包括至少一弧面。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中所述兩個顯示單元的每一個更包括：繞射元件，重疊於所述聚光透鏡、所述顯示裝置以及所述稜鏡。