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TWI755954B - 頭戴型顯示器之光學系統 - Google Patents

頭戴型顯示器之光學系統 Download PDF

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TWI755954B
TWI755954B TW109142278A TW109142278A TWI755954B TW I755954 B TWI755954 B TW I755954B TW 109142278 A TW109142278 A TW 109142278A TW 109142278 A TW109142278 A TW 109142278A TW I755954 B TWI755954 B TW I755954B
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TW
Taiwan
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lens
optical system
mounted display
fresnel
head
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TW109142278A
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洪淩桂
施富斌
游鴻文
Original Assignee
雙瑩科技股份有限公司
大陸商東莞雙瑩光電科技有限公司
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Abstract

一種頭戴型顯示器之光學系統，包括從人眼到顯示屏依次排列的第一透鏡和第二透鏡，第一透鏡和第二透鏡分別為具有第一折射率和第二折射率的透鏡，且第一透鏡和第二透鏡中只有其中一者為菲涅爾透鏡，並滿足
Figure 01_image001
，
Figure 01_image003
、

Description

頭戴型顯示器之光學系統
本發明係有關一種光學元件之技術，特別是指一種頭戴型顯示器之光學系統。
虛擬實境（virtual reality，VR）是一種利用電腦技術產生一個三維空間的虛擬影像，並將其影像投射至使用者眼中，令使用者感受到身臨其境的技術。目前用來實現虛擬實境之技術，多半是令使用者將虛擬實境裝置穿戴在頭部，同時令虛擬實境裝置中的顯示螢幕貼近使用者的眼部，使用者即可在一個短距離看到放大數倍的顯示影像。
一般的頭戴型顯示器（Head-mounted display，HMD）是將具有兩眼視差的立體效果訊號，即雙眼不同的影像資料，分別傳送到設置於雙眼前方的顯示屏並投射在光學系統上後，光學系統能調整影像的聚焦位置，以將影像近距離投射在使用者的眼睛，令使用者透過頭戴型顯示器觀賞到一個廣視角的畫面，產生虛擬實境影像。
但目前虛擬實境裝置的缺點在於，其光學系統在實行大視場角（Field of View, FOV）設計上，要配合加大屏幕尺寸才能保證影像品質，導致虛擬實境裝置的體積就會加大許多，較為笨重，造成使用者穿戴上的不適，產生使用者無法長時間穿戴等問題。為此，由菲涅爾透鏡所構成的光學系統具有較大視場角，且兼顧虛擬實境裝置的微小化。然而，一般單片式菲涅爾透鏡的光學系統視場角越大，像差則越大；另外，現有使用多片式菲涅爾透鏡的光學系統，則因為雜散光交互影響較為嚴重，而影響觀看體驗，因此不易設計及實行於虛擬實境裝置上。
有鑑於此，本發明之主要目的在提供一種頭戴型顯示器之光學系統，具有雙片式的透鏡設計，可大幅降低大視場處的像差及校正場曲，有助於周邊影像品質的提昇，可降低鏡組重量與體積，而兩透鏡僅其中一者採用菲涅爾透鏡，能有效避免雜散光的產生，令成像更為清晰。
為達上述之目的，本發明提供一種頭戴型顯示器之光學系統，其包括第一透鏡和第二透鏡，第一透鏡為具有第一折射率之透鏡，第一透鏡之第一側面朝向人眼，而第二透鏡為具有第二折射率之透鏡，第二透鏡之第一側面朝向第一透鏡之第二側面，第二透鏡之第二側面朝向顯示屏；其中，頭戴型顯示器之光學系統滿足以下條件： 第一透鏡與第二透鏡中只有其中一者為菲涅爾透鏡，且
Figure 02_image001
，
Figure 02_image003
、
Figure 02_image005
分別為第一透鏡與第二透鏡之焦距。
根據本發明之實施例，其中第二透鏡之第二側面為菲涅爾面，第二透鏡之第一側面以及第一透鏡之第一側面和第二側面為球面或非球面。
根據本發明之實施例，其中第一透鏡之第二側面為菲涅爾面，第一透鏡之第一側面以及第二透鏡之第一側面和第二側面為球面或非球面。
根據本發明之實施例，其中第二透鏡之第一側面和第二側面為菲涅爾面，第一透鏡之第一側面和第二側面為球面或非球面。
根據本發明之實施例，其中光學系統更滿足
Figure 02_image019
，
Figure 02_image021
為第一折射率，
Figure 02_image023
為第二折射率。
根據本發明之實施例，其中光學系統更滿足
Figure 02_image025
，S為第一透鏡和第二透鏡之間的間距。
根據本發明之實施例，其中光學系統更滿足
Figure 02_image027
，
Figure 02_image011
為第一透鏡之第二側面的光學有效半徑，
Figure 02_image029
為第二透鏡之第一側面的光學有效半徑。
根據本發明之實施例，其中光學系統更滿足
Figure 02_image031
，
Figure 02_image033
為光學系統之有效焦距，
Figure 02_image007
為可視範圍半徑。
根據本發明之實施例，其中光學系統更滿足
Figure 02_image035
，
Figure 02_image033
為光學系統之有效焦距，
Figure 02_image011
為第一透鏡之第二側面的光學有效半徑。
根據本發明之實施例，其中光學系統更滿足
Figure 02_image037
，
Figure 02_image039
為第一透鏡之色散係數，
Figure 02_image041
為第二透鏡之色散係數。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參照第1圖，其繪示本發明頭戴型顯示器之光學系統之第一實施例之示意圖。本實施例的光學系統1包括並排設置於人眼52和顯示屏50之間的第一透鏡10和第二透鏡12。其中，第一透鏡10靠近人眼52側，其為具有第一折射率
Figure 02_image021
之透鏡，第二透鏡20靠近顯示屏50側，其為具有第二折射率
Figure 02_image023
之透鏡。具體而言，光學系統1之第一折射率
Figure 02_image021
和第二折射率
Figure 02_image023
滿足
Figure 02_image019
。再者，光學系統1之第一透鏡10和第二透鏡12之間的間距
Figure 02_image009
可滿足
Figure 02_image025
公厘(mm)。
本發明中，第一透鏡10包括第一側面101和第二側面102，第一側面101為朝向人眼52的表面，第二側面102為朝向顯示屏50方的表面；第二透鏡12包括第一側面121和第二側面122，第一側面121為朝向第一透鏡10之第二側面102的表面，第二側面122為朝向顯示屏50方的表面。本發明中，第一透鏡10與第二透鏡12中只有其中一者為菲涅爾透鏡（Fresnel lens）；舉例而言，第二透鏡12之第二側面122可為菲涅爾面，其餘三面非菲涅爾面之表面，也就是第二透鏡12之第一側面121以及第一透鏡10之第一側面101和第二側面102為球面或非球面；或者，第一透鏡10之第二側面102為菲涅爾面，其餘三面非菲涅爾面之表面，也就是第一透鏡10之第一側面101以及第二透鏡12之第一側面121和第二側面122為球面或非球面；又或者，第二透鏡12之第一側面121和第二側面122同時為菲涅爾面，其餘兩面非菲涅爾面之表面，也就是第一透鏡10之第一側面101和第二側面102為球面或非球面。
本發明之光學系統1的結構較佳為滿足以下條件（1）～（5）中任一者或多者： （1）
Figure 02_image001
； 其中
Figure 02_image003
、
Figure 02_image005
分別為第一透鏡10與第二透鏡12之焦距。 （2）
Figure 02_image027
； 其中
Figure 02_image011
為第一透鏡10之第二側面102的光學有效半徑，
Figure 02_image029
為第二透鏡12之第一側面121的光學有效半徑。 （3）
Figure 02_image031
； 其中
Figure 02_image033
為光學系統1之有效焦距，
Figure 02_image007
為可視範圍半徑。
Figure 02_image043
； 其中
Figure 02_image033
為光學系統1之有效焦距，
Figure 02_image011
為第一透鏡之第二側面的光學有效半徑。 （5）
Figure 02_image037
； 其中
Figure 02_image039
為第一透鏡10之色散係數(或阿貝數)，
Figure 02_image041
為第二透鏡12之色散係數(或阿貝數)。
上述條件（1），條件(2)、(3)可以有效增大視角，並達到良好的像差平衡，條件(4)可增大視角，並達到輕薄化，而條件(5)則可產生良好的色差修正，並有效提高觀影對比度。
接著，請參照以下實驗數據，以證明本發明之光學系統具有良好的成像效果。
在第1圖之第一實施例中，第二透鏡12為菲涅爾透鏡，且第二透鏡12之第二側面122為菲涅爾面，其餘三面非菲涅爾面之表面為非球面。此實施例之光學系統1的有效焦距
Figure 02_image045
mm，兩倍水平方向上的半視場角2ω=100°，第一透鏡10之有效焦距f1 = 765 mm，第二透鏡12之有效焦距f2 = 21.6 mm，光學系統1的總長
Figure 02_image047
mm，可視範圍半徑
Figure 02_image049
mm的條件下，第一透鏡10及第二透鏡12分別表示為L1、L2，透鏡參數(表一)以及非球面係數(表二)如下：
表面 表面型態 曲率半徑 厚度 折射率 阿貝數 半徑 透鏡
光圈 球面 無限 15 　 　 2 　
2 非球面 2500 6.7 1.53000 56.0 20.4 L1
3 非球面 -488.240299 1 　 　 21.2
4 非球面 220.7268123 6.7 1.49000 57.4 25 L2
5 菲涅爾面 -11.1019216 20.1 　 　 25
6 球面 無限         　
表一、透鏡參數
透鏡面 K A B C D E
2 0.000 -1.606E-05 7.241E-08 -9.589E-11 3.453E-14 0.000E+00
3 46.949 -1.699E-05 8.694E-08 -4.692E-10 5.471E-13 0.000E+00
4 0.000 1.020E-05 -2.574E-09 1.420E-12 3.320E-16 0.000E+00
5 -0.976 1.087E-05 -4.975E-09 1.955E-10 -2.023E-13 0.000E+00
表二、非球面係數
上表二中之A、B、C、D、E、K等為非球面公式中之參數，非球面公式為
Figure 02_image051
，其中C=1/R，R為曲率半徑，K為圓錐係數。
第2圖所示為本發明之第二實施例的光學系統1’，第一透鏡10為菲涅爾透鏡，且第一透鏡10之第二側面102為菲涅爾面，其餘三面非菲涅爾面之表面為非球面。此實施例之光學系統1’的有效焦距
Figure 02_image053
mm，兩倍水平方向上的半視場角2ω=100°，第一透鏡10之有效焦距f1 = 27.9 mm，第二透鏡12之有效焦距f2 = 119.8mm，光學系統1’的總長
Figure 02_image055
mm，可視範圍半徑
Figure 02_image049
mm的條件下，透鏡參數(表三)以及非球面係數(表四)如下：
表面 表面型態 曲率半徑 厚度 折射率 阿貝數 半徑 透鏡
光圈 球面 無限 15 　 　 2 　
2 非球面 248.7265058 5.5 1.49000 57.4 22 L1
3 菲涅爾面 -14.48924042 1 　 　 22
4 非球面 79.43953969 3 1.64000 22.4 22.5 L2
5 非球面 -3851.704485 19.1     22.5
6 球面 無限         　
表三、透鏡參數
透鏡面 K A B C D E F
2 82.492 1.360E-08 3.434E-09 2.342E-11 -5.449E-14 7.438E-17 0.000E+00
3 -0.707 -3.312E-08 -3.691E-08 2.035E-11 6.881E-14 2.022E-16 0.000E+00
4 9.171 4.608E-08 -3.033E-10 -3.999E-13 5.419E-17 1.692E-18 0.000E+00
5 0.000 3.398E-06 2.502E-08 4.134E-11 -6.001E-16 -1.135E-16 0.000E+00
表四、非球面係數
第3圖所示為本發明之第三實施例的光學系統1’’，第二透鏡12為菲涅爾透鏡，且第二透鏡12之第一側面121和第二側面122同時為菲涅爾面，其餘兩面非菲涅爾面之表面為非球面。此實施例之光學系統1’’的有效焦距
Figure 02_image057
mm，兩倍水平方向上的半視場角2ω=110°，第一透鏡10之有效焦距f1 =83.2 mm，第二透鏡12之有效焦距f2 = 36.6mm，光學系統1’’的總長
Figure 02_image059
mm，可視範圍半徑
Figure 02_image061
mm的條件下，透鏡參數(表五)以及非球面係數(表六)如下：
表面 表面型態 曲率半徑 厚度 折射率 阿貝數 半徑 透鏡
光圈 球面 無限 15 　 　 2 　
2 非球面 -30.49115768 8.6 1.53000 56.0 21.4 L1
3 非球面 -19.85066873 1 　 　 23.2
4 菲涅爾面 217.7681922 2 1.49000 57.4 29.2 L2
5 菲涅爾面 -19.67147398 24.6     28.8
6 球面 無限         　
表五、透鏡參數
透鏡面 K A B C D E F
2 -76.413 4.897E-06 9.814E-10 -4.692E-12 -9.310E-15 0.000E+00 0.000E+00
3 -6.789 3.181E-06 -9.423E-09 2.552E-12 -3.199E-15 0.000E+00 0.000E+00
4 0.000 -3.554E-06 -6.227E-10 3.257E-12 7.712E-15 0.000E+00 0.000E+00
5 -0.658 -1.155E-05 8.124E-09 1.245E-11 1.286E-14 0.000E+00 0.000E+00
表六、非球面係數
本發明之第一至第三實施例的結構於各項條件公式中的數據彙整如下表七：
條件 第一實施例 第二實施例 第三實施例
Figure 02_image063
 0.047 0.044 0.039
Figure 02_image065
 1.18 1.02 1.26
Figure 02_image067
 0.93 1.00 0.94
Figure 02_image069
 0.50 0.52 0.52
Figure 02_image071
 7.53 6.32 7.53
Figure 02_image073
 1.32 1.28 1.32
Figure 02_image075
 1.00 1.00 1.00
表七、數據彙整列表
綜上所述，本發明所提供之頭戴型顯示器之光學系統利用二透鏡之組合，並僅將其中一透鏡設置為菲涅爾透鏡來進行焦距調節，可在小屏幕、大視場角的設計下達到良好之像差校正，且可降低鏡組之重量與體積，同時，可以有效地抑制雜散光，從而令影像品質獲得優化，可以提昇使用者實境體驗的視覺感受。再者，本發明所提供之頭戴型顯示器之光學系統的可視範圍為：Ф28mm～Ф52mm，適用屏幕 2 吋～3 吋，且特別可適用於頭戴型顯示器、遊戲機等產品上的廣角鏡頭或廣角目鏡。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1、1’、1’’ :光學系統 10:第一透鏡 101:第一側面 102:第二側面 12:第二透鏡 121:第一側面 122:第二側面 50:顯示屏 52:人眼
Figure 02_image007
:可視範圍半徑
Figure 02_image009
:間距
Figure 02_image011
:光學有效半徑
Figure 02_image029
:光學有效半徑
Figure 02_image077
:光學系統之半視場角
Figure 02_image079
:光學系統的總長
第1圖為本發明頭戴型顯示器之光學系統之第一實施例之示意圖。 第2圖為本發明頭戴型顯示器之光學系統之第二實施例之示意圖。 第3圖為本發明頭戴型顯示器之光學系統之第三實施例之示意圖。
1:光學系統
10:第一透鏡
101:第一側面
102:第二側面
12:第二透鏡
121:第一側面
122:第二側面
50:顯示屏
52:人眼
H:可視範圍半徑
S:間距
SD 2:光學有效半徑
SD 3:光學有效半徑
ω:光學系統之半視場角
TTL:光學系統的總長

Claims (8)

  1. 一種頭戴型顯示器之光學系統，其包括：一第一透鏡，為具有一第一折射率之透鏡，該第一透鏡之一第一側面朝向一人眼；以及一第二透鏡，為具有一第二折射率之透鏡，該第二透鏡之一第一側面朝向該第一透鏡之一第二側面，該第二透鏡之一第二側面朝向一顯示屏；其中，該頭戴型顯示器之光學系統滿足以下條件：該第一透鏡與該第二透鏡中只有其中一者為菲涅爾透鏡，且0<
    Figure 109142278-A0305-02-0012-2
    +
    Figure 109142278-A0305-02-0012-3
    0.05，該f 1、f 2分別為該第一透鏡與該第二透鏡之焦距；0.85
    Figure 109142278-A0305-02-0012-5
    1.7，SD 2為該第一透鏡之該第二側面的光學有效半徑，SD 3為該第二透鏡之該第一側面的光學有效半徑；及0.85
    Figure 109142278-A0305-02-0012-6
    1.6，F為該光學系統之有效焦距，H為可視範圍半徑。
  2. 如請求項1所述之頭戴型顯示器之光學系統，其中該第二透鏡之該第二側面為菲涅爾面，該第二透鏡之該第一側面以及該第一透鏡之該第一側面和該第二側面為球面或非球面。
  3. 如請求項1所述之頭戴型顯示器之光學系統，其中該第一透鏡之該第二側面為菲涅爾面，該第一透鏡之該第一側面以及該第二透鏡之該第一側面和該第二側面為球面或非球面。
  4. 如請求項1所述之頭戴型顯示器之光學系統，其中該第二透鏡之該第一側面和該第二側面為菲涅爾面，該第一透鏡之該第一側面和該第二側面 為球面或非球面。
  5. 如請求項1所述之頭戴型顯示器之光學系統，其中該光學系統更滿足1.15
    Figure 109142278-A0305-02-0013-8
    1.41，n 1為該第一折射率，n 2為該第二折射率。
  6. 如請求項1所述之頭戴型顯示器之光學系統，其中該光學系統更滿足0
    Figure 109142278-A0305-02-0013-11
    S
    Figure 109142278-A0305-02-0013-12
    20公厘(mm)，S為該第一透鏡和該第二透鏡之間的間距。
  7. 如請求項1所述之頭戴型顯示器之光學系統，其中該光學系統更滿足0.35
    Figure 109142278-A0305-02-0013-9
    0.85，F為該光學系統之有效焦距，SD 2該為第一透鏡之該第二側面的光學有效半徑。
  8. 如請求項1所述之頭戴型顯示器之光學系統，其中該光學系統更滿足5.85
    Figure 109142278-A0305-02-0013-10
    7.8，Vd 1為該第一透鏡之色散係數，Vd 2為該第二透鏡之色散係數。
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