虚拟实境显示装置的制作方法

1.本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种虚拟实境显示装置。


背景技术：

2.随着显示技术的进步，为了追求身历其境的感受，使用者已无法满足于只观看平面的图像。为了提供使用者更具有现实感与立体感的视觉娱乐，虚拟实境(virtual reality,vr)成为目前显示技术的新潮流。虚拟实境可利用模拟出一个三维空间的虚拟场景，提供使用者关于视觉等感官体验，可即时观看三维空间或二维空间的图像，甚至进一步能与虚拟图像进行互动。
3.常见的虚拟实境显示装置例如有头戴式显示器(head mounted display,hmd)，其可配戴在使用者的头部。此时，虚拟实境显示装置中的显示器相当靠近人眼。为了让人眼在近距离下也能看清楚显示器所显示的图像，也就是让显示器所显示的图像成像在人眼的视网膜上，显示器与人间之间设有光学元件(例如透镜)，并通过其屈光度(refractive power)改变光的行进路径，而使图像成像在人间的视网膜上。如此一来，使用者便会看到眼睛前方的虚像，而有身历其境的感觉。
4.然而，多数的虚拟实境显示装置中的光学组件之间的距离是固定不变的，无法调整焦距，因此无法适合所有人观看，具有近视或远视的使用者仍需另外配戴矫正视力的眼镜或隐形眼镜才能清楚地观看呈现于眼前的图像。除此之外，虚拟实境显示装置中的光学组件为了配戴舒适度，希望能减轻所使用的光学组件的重量与体积，因此会使用菲涅尔透镜(fresnel lens)取代传统透镜，但菲涅尔透镜的表面是锯齿状的微结构，侧面其中一边是光学成像用的有效区，另一边是能提供脱模方便的非光学有效区，当光线打到非光学有效区的时候会产生杂散光，造成观看品质下降。


技术实现要素：

5.[发明所要解决的问题]
[0006]
本发明提供一种虚拟实境显示装置，能广泛适用于具有不同视力条件的不同使用者。
[0007]
[解决问题的技术手段]
[0008]
本发明的虚拟实境显示装置包括至少一显示器、至少一光学组件以及一成像距离调整器。至少一显示器适于提供一图像光束至一使用者的左眼或右眼。至少一光学组件设置在图像光束的传递路径上，且位于显示器与使用者的左眼或右眼之间，以使图像光束于使用者的左眼或右眼中显示一虚像。至少一显示器具有一主动显示面，主动显示面朝向至少一光学组件以及使用者的左眼或右眼，且相对于使用者双眼连线方向倾斜。至少一光学组件亦相对于使用者双眼连线方向倾斜。成像距离调整器连接于至少一光学组件，适于调整图像光束所显示的虚像相对于使用者的距离。
[0009]
在本发明的一实施例中，上述的光学组件相对于使用者双眼连线方向具有一夹
角，夹角的范围是大于0度，并且小于等于45度。
[0010]
在本发明的一实施例中，上述的成像距离调整器为一间距调整器，以及至少一光学组件为二光学组件，至少一显示器为二显示器，其中间距调整器用以分别调整位于图像光束传递到使用者左眼路径上的显示器与光学组件之间的间距，以及位于图像光束传递到使用者右眼的路径上的显示器与光学组件之间的间距。
[0011]
在本发明的一实施例中，上述的各光学组件包括一可动透镜以及一固定透镜，间距调整器分别使各可动透镜相对各显示器移动。
[0012]
在本发明的一实施例中，上述的间距调整器分别使各显示器相对各光学组件移动。
[0013]
在本发明的一实施例中，上述的光学组件包括至少一可变焦透镜，可变焦透镜适于动态调整图像光束所显示的虚像相对于使用者的左眼或右眼的距离。
[0014]
在本发明的一实施例中，上述的可变焦透镜为液晶透镜，且成像距离调整器为一电压施加器，适于施加电压于可变焦透镜以控制可变焦透镜的液晶转动方向，而调整可变焦透镜的有效焦距。
[0015]
在本发明的一实施例中，上述的光学组件包括至少一菲涅尔透镜，菲涅尔透镜包括多个环绕其光轴的环状结构，每一环状结构具有相连接的且排列于径向上的一有效折射面及一非光学有效面，且菲涅尔透镜的每一个环形齿的非光学有效侧面涂覆有一光吸收材料。
[0016]
在本发明的一实施例中，上述的菲涅尔透镜为凸透镜，且菲涅尔透镜的每一个环形齿的非光学有效侧面为环形齿之靠近菲涅尔透镜的光轴的内侧面。
[0017]
在本发明的一实施例中，上述的菲涅尔透镜为凹透镜，且菲涅尔透镜的每一个环形齿的非光学有效侧面为环形齿之远离菲涅尔透镜的光轴的外侧面。
[0018]
[发明的效果]
[0019]
基于上述，本发明的实施例的虚拟实境显示装置通过光学组件与显示器皆相对于使用者双眼连线方向倾斜的配置，可以扩大虚拟实境显示装置的可视角范围，而可无死角覆盖使用者双眼全视野的可视范围，而提供更写实的虚拟实境的感官体验。并且，虚拟实境显示装置通过成像距离调整器的配置，适于调整图像光束所显示的虚像相对于使用者的距离，因此能配合使用者的视力状况进行视力地矫正，具有近视或远视的使用者不需另外配戴矫正视力的眼镜或隐形眼镜即能清楚地观看呈现于眼前的图像，而可广泛适用于具有不同视力条件的不同使用者。另一方面，本发明的实施例的虚拟实境显示装置通过在光学组件的菲涅尔透镜的非光学有效区涂覆光吸收材料，以阻止光线由非光学有效区通过光学组件，可以改善杂散光问题，提升虚拟实境的观赏品质。
[0020]
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
[0021]
图1是依照本发明的一实施例的一种虚拟实境显示装置的架构示意图；
[0022]
图2a是一般人眼的立体视野示意图；
[0023]
图2b是现有的虚拟实境显示装置于人眼中的立体视野示意图；
[0024]
图2c是图1的虚拟实境显示装置于人眼中的立体视野示意图；
[0025]
图3是图1的一种光学组件的架构示意图；
[0026]
图4a与图4b是图3的光学组件的不同菲涅尔透镜的架构示意图；
[0027]
图5是图1的另一种光学组件的架构示意图。
[0028]
附图标记说明
[0029]
100：虚拟实境显示装置
[0030]
110、110r、110l、510：光学组件
[0031]
111m：可动透镜
[0032]
111f：固定透镜
[0033]
120、120r、120l：显示器
[0034]
130、530：成像距离调整器
[0035]
130s：间距调整器
[0036]
512z：可变焦透镜
[0037]
530e：电压施加器
[0038]
bm：光吸收材料
[0039]
el：双眼连线方向
[0040]
es：光学有效侧面
[0041]
ey、eyl、eyr：眼睛
[0042]
fl1、fl2：菲涅尔透镜
[0043]
il、il1、il2：图像光束
[0044]
l1、l2、l3：光线
[0045]
nr：非光学有效区
[0046]
ns：非光学有效侧面
[0047]
o：光轴
[0048]
rt：环形齿
[0049]
s：表面
[0050]
s120：主动显示面
[0051]
sp1、sp2：间距
[0052]
θ1、θ2、θ3：夹角
具体实施方式
[0053]
图1是依照本发明的一实施例的一种虚拟实境显示装置的架构示意图。请参照图1，在本实施例中，虚拟实境显示装置100包括至少一显示器120、至少一光学组件110以及一成像距离调整器130，并可适用于头戴式装置。显示器120适于提供图像光束il至使用者的眼睛ey，让使用者观赏虚拟图像，例如三维的虚拟图像。举例而言，在本实施例中，显示器120可以是液晶显示器(lcd)、有机发光二极体显示器(oled)、可挠式类型显示器或是其它的显示器等，用以提供左右眼图像画面。
[0054]
具体而言，如图1所示，在本实施例中，光学组件110则设置在图像光束il的传递路径上，且位于显示器120与使用者的左眼eyl或右眼eyr之间，以使图像光束il于使用者的左
眼eyl或右眼eyr中显示一虚像。举例而言，在本实施例中，至少一显示器120为二显示器120r与120l，而可以是分别提供给使用者左右眼ey观看的两个显示器120，至少一光学组件110为二光学组件110r与110l，并分别对应显示器120r与120l而设置。如图1所示，在本实施例中，显示器120r提供图像光束il1至使用者的右眼eyr，显示器120l提供图像光束il2至使用者的左眼eyl。光学组件110r位在图像光束il1到使用者的右眼eyr的传递路径上，而光学组件110l位在图像光束il2到使用者的左眼eyl的传递路径上。
[0055]
进一步而言，如图1所示，在本实施例中，显示器120具有一主动显示面s120，主动显示面s120朝向至少一光学组件110以及使用者的左眼eyl或右眼eyr，且相对于使用者双眼连线方向el倾斜。另一方面，光学组件110亦相对于使用者双眼连线方向el倾斜。如此，虚拟实境显示装置100通过显示器120与光学组件110皆相对于使用者的双眼连线方向el倾斜的配置，而能够扩展使用者在水平视线平面的视野，进而能在维持立体视觉效果的状况下，提升使用者的视野范围。以下将搭配图2a至图2c进行进一步地解说。
[0056]
图2a是一般人眼的立体视野示意图。图2b是现有的虚拟实境显示装置于人眼中的立体视野示意图。图2c是图1的虚拟实境显示装置于人眼中的立体视野示意图。请参照图2a，一般而言，人的双眼重合视域有124度，而在人眼观看到的范围内，只有这124度视角内的物体才有立体感。换句话说，只有这双眼重合视域的124度内观看到的物体截面，才能让人类的双眼感受到立体视觉。
[0057]
然而，如图2b所示，当光学组件110平行双眼连线方向el摆放(平行纸面的水平方向)，即光学组件110相对于使用者双眼连线方向el具有的夹角是0度时，使用者可以获得最好的立体效果，此时，对双眼重合视域而言，虚拟实境显示装置100所提供的可视角θ的范围约有132度。但是此时虚拟实境显示装置100的全范围的可视角范围并不足使用者的全视野范围，亦即小于180度。
[0058]
因此，如图1与图2c所示，在本实施例中，显示器120与光学组件110皆相对于使用者的双眼连线方向el倾斜，而分别相对于使用者双眼连线方向el具有夹角θ1、θ2。举例而言，在本实施例中，光学组件110相对于使用者双眼连线方向el具有的夹角θ2的范围是大于0度，并且小于等于45度。并且，如图1所示，在本实施例中，对应于使用者左眼eyl的光学组件110与对应于使用者右眼eyr的光学组件110之间具有一夹角θ3。
[0059]
如此，如图2c所示，在本实施例中，当相对于使用者双眼连线方向el具有的夹角θ2为45度左右时，对双眼重合视域而言，虚拟实境显示装置100所提供的可视角θ范围约为64度左右，而仍可获得基本的立体视觉效果。但虚拟实境显示装置100的可视角范围此时明显大于180度，而可无死角覆盖使用者双眼ey全视野的可视范围，而提供更写实的虚拟实境的感官体验。
[0060]
另一方面，在本实施例中，虚拟实境显示装置100的成像距离调整器130适于调整图像光束il所显示的虚像相对于使用者的距离，而能配合使用者的视力状况进行视力地矫正，而可广泛适用于具有不同视力的不同使用者。以下将搭配图3至图5进行进一步地解说。
[0061]
图3是图1的一种光学组件的架构示意图。图4a与图4b是图3的光学组件的不同菲涅尔透镜的架构示意图。如图1与图3所示，在本实施例中，虚拟实境显示装置100的成像距离调整器130为一间距调整器130s，连接光学组件110与显示器120，并能用以调整光学组件110与显示器120彼此的间距。间距调整器130s可以包括齿轮或是其他的间距调整器130s会
用到的机械元件，例如齿条、滑轨、螺丝、弹簧等，或是上述元件或其他适当机械元件的组合。此外，本发明的实施例所示出的间距调整器130s的配置位置仅为示意，任何所属技术领域中技术人员可依据需要做适当变化，本发明对此并不限制。
[0062]
具体来说，请参照图1与图3，位于图像光束il1传递到使用者右眼eyr路径上的显示器120r与光学组件110r之间的间距为sp1，而位于图像光束il2传递到使用者左眼eyl路径上的显示器120l与光学组件110l之间的间距为sp2。举例来说，sp1可以是沿着光学组件110r的光轴方向上显示器120r与光学组件110r之间的距离，sp2可以是沿着光学组件110l的光轴方向上显示器120l与光学组件110l之间的距离，本发明对光学组件110与显示器120彼此间距的测量方式并不加以限制。
[0063]
在本实施例中，间距调整器130s可分别调整显示器120r与光学组件110r的间距sp1与显示器120l与光学组件110l的间距sp2，而改变间距sp1与sp2可分别调整光学组件110r与110l的成像距离，即图像光束il所显示的虚像相对于使用者的距离。举例而言，间距调整器130s调整间距sp1与sp2的方式可为使各显示器120相对各光学组件110移动，但本发明不以此为限。在本实施例中，各光学组件110亦可具有一可动透镜111m以及一固定透镜111f的配置，而间距调整器130s亦可透过分别使各可动透镜111m相对各显示器120移动的方式，来调整间距sp1与sp2。此外，间距调整器130s亦可依据使用者左右眼的视力状况来调整成像距离，以适应双眼视力不同的使用者。
[0064]
具体而言，在本实施例中，虚拟实境显示装置100适于调整图像光束il所显示的虚像相对于使用者的距离的范围。举例而言，在间距调整器130s透过分别使各可动透镜111m相对各显示器120移动的方式来调整间距sp1与sp2的实施例中，如图1与图3所示，当间距sp1或间距sp2为36毫米，成像距离(即图像光束il所显示的虚像相对于使用者的距离)的范围约为0.5米，而可适用于近视度数为200度左右的使用者；而当间距sp1或间距sp2被调整为35、34或33毫米，成像距离(即图像光束il所显示的虚像相对于使用者的距离)的范围也会对应地改为至约为0.4、0.333或0.285米，而可适用于近视度数为250、300或350度左右的使用者。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。
[0065]
如此，虚拟实境显示装置100即可通过成像距离调整器130(即间距调整器130s)的配置，而能适于调整图像光束il所显示的虚像相对于使用者的距离，进而能配合使用者的视力状况进行视力地矫正，具有近视或远视的使用者不需另外配戴矫正视力的眼镜或隐形眼镜即能清楚地观看呈现于眼前的图像，而可广泛适用于具有不同视力条件的不同使用者。
[0066]
此外，请参照图4a与图4b，图4a与图4b是图3的光学组件110的不同菲涅尔透镜的架构示意图。图4a示出了图3的实施例的光学组件中的菲涅尔透镜的凸透镜形式的剖面示意图，图4b示出了图3的实施例的光学组件中的菲涅尔透镜的凹透镜形式的剖面示意图。在图3的实施例中，光学组件110可以是由一片菲涅尔透镜(fresnel lens)或由多片菲涅尔透镜组合而成，也可以是由其它具有类似功能光学透镜组合而成，或是这些光学透镜的组合，本发明对此并不限制。在本实施例中，光学组件110包括至少一个菲涅尔透镜fl1。举例来说，光学组件110的菲涅尔透镜fl1的微结构表面s可以是背对使用者的眼睛ey而面向显示器120。在本实施例中，菲涅尔透镜fl1的表面s具有锯齿状的微结构，具有多个环形齿rt，每一个环形齿rt的侧面，其中一边是光学成像用的光学有效侧面es，另一边是非光学有效侧
面ns。本实施例中菲涅尔透镜fl1的每一个环形齿rt的非光学有效侧面ns涂覆有光吸收材料bm。光线l1入射到光学有效侧面es，经过菲涅尔透镜fl1折射而通过光学组件110变成光线l2，另一方面，光线l3入射到非光学有效侧面ns，会被光吸收材料bm吸收而无法通过光学组件110。也就是说在本实施例中，菲涅尔透镜fl1的这些非光学有效侧面ns形成非光学有效区nr，并且菲涅尔透镜fl1的非光学有效区nr涂覆有光吸收材料bm。
[0067]
光吸收材料bm例如是黑色油墨、掺有黑色碳粉的树脂或其他适当的材料。举例而言，在本实施例中，这些光吸收材料bm可通过旋涂制程或微影制程涂覆于菲涅尔透镜fl1的非光学有效侧面ns上。然而，本发明并不限制光吸收材料bm的材料种类或涂覆方式，其可由本领域技术人员依据实际应用情况作适当选择。
[0068]
具体来说，本实施例的菲涅尔透镜fl可以是凸透镜，例如图2a所示，菲涅尔透镜fl1是凸透镜，具有多个环形齿rt，且菲涅尔透镜fl1的每一个环形齿rt的非光学有效侧面ns属于非光学有效区nr，其中非光学有效侧面ns为环形齿rt之靠近该菲涅尔透镜fl1的光轴o的内侧面。然而，如图4b所示，本发明另一实施例的菲涅尔透镜fl也可以是凹透镜，菲涅尔透镜fl2是凹透镜，具有多个环形齿rt，且菲涅尔透镜fl2的每一个环形齿rt的非光学有效侧面ns属于该非光学有效区nr，其中非光学有效侧面ns为环形齿rt之远离菲涅尔透镜fl2的光轴o的外侧面。本发明对菲涅尔透镜fl的形式并不加以限制。
[0069]
因此在本实施例中，通过在菲涅尔透镜fl的非光学有效区nr上涂覆光吸收材料bm，以阻止光线由非光学有效区通过光学组件110，进而能改善杂散光问题，而提升虚拟实境的观赏品质。
[0070]
另一方面，请参照图5，图5是图1的另一种光学组件的架构示意图，而示出了图1的实施例的光学组件中的液晶透镜的剖面示意图。具体而言，如图5所示，在本实施例中，光学组件510包括至少一可变焦透镜512z。举例而言，在本实施例中，可变焦透镜512z可为液晶透镜，而光学组件510可以是由一片液晶透镜或由多片液晶透镜组合而成，也可以是由其它具有类似功能光学透镜组合而成，或是这些光学透镜的组合，本发明对此并不限制。
[0071]
具体而言，在本实施例中，成像距离调整器530为一电压施加器530e，并连接于该至少一光学组件510的可变焦透镜512z，且适于施加电压于可变焦透镜512z以控制可变焦透镜512z的液晶转动方向，而调整可变焦透镜512z的有效焦距，如此，可变焦透镜512z适于动态调整图像光束il所显示的虚像相对于使用者的左眼eyl或右眼eyr的距离。
[0072]
更详细而言，如图5所示，液晶透镜的运作原理为当未施加电压于液晶透镜时，液晶透镜的液晶分子的长轴方向依照配向膜(alignment layer)的配向方向排列。此时，当光线通过液晶层时，光线的相位将不受影响。然而，如图5所示，当施加电压于液晶透镜时，液晶分子受到液晶透镜内的上下电极层之间的电场驱动而偏转，其中位于电极层边缘位置的电场因为边缘效应而具有梯度变化。并且，由于液晶分子的长轴方向依电场方向排列，因此当光线通过液晶层时，光线的相位将随液晶层中的液晶分子偏转而产生折射，而且随着不同位置的液晶分子的偏转角度不同而产生折射率变化，其相位变化如同渐变式折射率透镜。
[0073]
如此，如图5所示，在本实施例中，光学组件510可通过施加适当的电压在液晶透镜(即可变焦透镜512z)上来控制液晶转动方向，以改变液晶透镜的不同位置的折射率变化，进而能调整液晶透镜(即可变焦透镜512z)的有效焦距，而适于动态调整图像光束il所显示
的虚像相对于使用者的左眼eyl或右眼eyr的距离。
[0074]
如此一来，由于图5的光学组件510适于动态调整图像光束il所显示的虚像相对于使用者的左眼eyl或右眼eyr的距离，因此当图5的光学组件510应用至前述图1的虚拟实境显示装置100时，亦能使虚拟实境显示装置100达到类似的效果与优点，在此就不再赘述。
[0075]
如此一来，虚拟实境显示装置100即可通过成像距离调整器530(即电压施加器530e)的配置来调整液晶透镜(即可变焦透镜512z)的有效焦距，而能动态调整图像光束il所显示的虚像相对于使用者的左眼eyl或右眼eyr的距离，进而能配合使用者的视力状况进行视力地矫正，具有近视或远视的使用者不需另外配戴矫正视力的眼ey镜或隐形眼ey镜即能清楚地观看呈现于眼ey前的图像，而可广泛适用于具有不同视力条件的不同使用者。
[0076]
综上所述，本发明的实施例的虚拟实境显示装置通过光学组件与显示器皆相对于使用者双眼连线方向倾斜的配置，可以扩大虚拟实境显示装置的可视角范围，而可无死角覆盖使用者双眼全视野的可视范围，而提供更写实的虚拟实境的感官体验。并且，虚拟实境显示装置通过成像距离调整器的配置，适于调整图像光束所显示的虚像相对于使用者的距离，因此能配合使用者的视力状况进行视力地矫正，具有近视或远视的使用者不需另外配戴矫正视力的眼镜或隐形眼镜即能清楚地观看呈现于眼前的图像，而可广泛适用于具有不同视力条件的不同使用者。另一方面，本发明的实施例的虚拟实境显示装置通过在光学组件的菲涅尔透镜的非光学有效区涂覆光吸收材料，以阻止光线由非光学有效区通过光学组件，可以改善杂散光问题，提升虚拟实境的观赏品质。
[0077]
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。