头戴式显示器的制作方法

1.本发明涉及一种显示器，尤其涉及一种头戴式显示器。


背景技术：

2.头戴式显示器通常采用眼罩或头盔等形式将显示设备设置在使用者的眼睛前方，并通过透镜元件将显示设备输出的图像光投射至用户的眼中。为了缩减头戴式显示器的体积及重量，现有的头戴式显示器采用了菲涅尔透镜作为光导引元件，但却因此衍生出严重的杂散光问题。
3.图1是现有的一种头戴式显示器1的局部示意图。请参照图1，显示设备10输出的图像光b在朝用户的眼睛e传递的途中，容易在菲涅尔透镜11的表面s11b发生界面反射r，而形成杂散光s。此外，显示设备10可能反射杂散光s而使杂散光问题更复杂/严重。另外，当显示设备10输出的图像光b入射至菲涅尔透镜结构110的脱模面s110b上时，会偏离设计的光路径而形成杂散光s。上述种种皆导致头戴式显示器1的图像质量劣化。因此，如何在缩减头戴式显示器的体积及重量的同时，改善杂散光问题，便成为研发人员亟欲解决的问题之一。


技术实现要素：

4.本发明提供一种头戴式显示器，其具有良好的显示质量。
5.根据本发明的实施例，头戴式显示器包括分别设置在用户的两眼前方的两个显示单元。每一个显示单元包括显示设备、菲涅尔透镜以及多个蛾眼结构。菲涅尔透镜设置在显示设备与使用者的其中一眼之间。多个蛾眼结构位于显示设备与用户的其中一眼之间的至少一个表面上。
6.在根据本发明的实施例中，菲涅尔透镜的菲涅尔透镜结构与多个蛾眼结构分别位于菲涅尔透镜的相对两表面上。
7.在根据本发明的实施例中，多个蛾眼结构位于菲涅尔透镜的菲涅尔透镜结构上。
8.在根据本发明的实施例中，多个蛾眼结构的每一个的深宽比大于1。
9.在根据本发明的实施例中，多个蛾眼结构的节距小于或等于750纳米。
10.在根据本发明的实施例中，多个蛾眼结构位于显示设备以及菲涅尔透镜上。
11.在根据本发明的实施例中，菲涅尔透镜的菲涅尔透镜结构包括多个导光面以及分别连接相邻两个导光面的多个脱模面，且多个脱模面为抗反射面。
12.在根据本发明的实施例中，多个脱模面的每一个为雾化表面，或者多个脱模面的每一个具有至少一粗糙化结构，所述至少一粗糙化结构的高低差大于0.1微米。
13.在根据本发明的实施例中，两个显示单元的每一个还包括设置在多个脱模面的每一个上的吸光层。
14.在根据本发明的实施例中，两个显示单元的每一个包括多个菲涅尔透镜，且多个菲涅尔透镜依序设置在显示设备与使用者的其中一眼之间。
15.基于上述，由于蛾眼结构提供的渐变等效折射率有助于降低反射率，因此通过在
显示设备与使用者的其中一眼之间的至少一个表面上设置多个蛾眼结构有助于降低头戴式显示器中的界面反射，从而有效改善杂散光问题。因此，本发明实施例的头戴式显示器可具有良好的显示质量。
16.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
17.包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
18.图1是现有的一种头戴式显示器的局部示意图；
19.图2是根据本发明的第一些实施例的一种头戴式显示器的示意图；
20.图3是图2中多个蛾眼结构的局部示意图；
21.图4a至图4h分别是图2中菲涅尔透镜的其他种实施方式的局部示意图；
22.图5至图8分别是根据本发明的第二实施例至第五实施例的头戴式显示器的示意图。
具体实施方式
23.本文中所提到的方向用语，例如：“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而并非用来限制本发明。在附图中，各附图示出的是特定实施例中所使用的方法、结构和/或材料的通常性特征。然而，这些附图不应被解释为界定或限制由这些实施例所涵盖的范围或性质。举例来说，为了清楚起见，各膜层、区域或结构的相对尺寸、厚度及位置可能缩小或放大。
24.在实施例中，相同或相似的元件将采用相同或相似的标号，且将省略其赘述。此外，不同实施例中的特征在没有冲突的情况下可相互组合，且依本说明书或权利要求所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。另外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名分立(discrete)的元件或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限，也并非用以限定元件的制造顺序或设置顺序。
25.图2是根据本发明的第一些实施例的一种头戴式显示器的示意图。请参照图2，头戴式显示器2包括两个显示单元20分别设置在用户的两眼(左眼el及右眼er)前方。每一个显示单元20包括显示设备200、菲涅尔透镜201以及多个蛾眼结构202。
26.显示设备200适于提供带有图像信息(例如灰阶、色彩等信息)的图像光b。举例来说，显示设备200可以是液晶显示器，但不以此为限。
27.菲涅尔透镜201设置在显示设备200与使用者的左眼el(或右眼er)之间，且菲涅尔透镜201适于将显示设备200输出的图像光b导引至用户的左眼el(或右眼er)中。菲涅尔透镜201具有菲涅尔透镜结构2010，且菲涅尔透镜结构2010包括多个导光面s2010a以及分别连接相邻两个导光面s2010a的多个脱模面s2010b。当菲涅尔透镜结构2010作为凸透镜时，脱模面s2010b会比对应的导光面s2010a更靠近菲涅尔透镜结构2010的中心。相反地，当菲涅尔透镜结构2010作为凹透镜时，脱模面s2010b会比对应的导光面s2010a更远离菲涅尔透镜结构2010的中心。图2示意性示出菲涅尔透镜结构2010作为凸透镜的架构。
28.多个蛾眼结构202位于显示设备200与使用者的其中一眼之间的至少一个表面上。举例来说，多个蛾眼结构202可位于菲涅尔透镜201的内表面si(面向显示设备200的表面)或外表面so(面向使用者的表面)上。此外，菲涅尔透镜201的菲涅尔透镜结构2010的设置表面也可以是菲涅尔透镜201的内表面si或外表面so。图2示意性示出菲涅尔透镜结构2010与多个蛾眼结构202分别位于菲涅尔透镜201的相对两表面上，其中菲涅尔透镜结构2010位于菲涅尔透镜201的外表面so上，且多个蛾眼结构202位于菲涅尔透镜201的内表面si上。通过将多个蛾眼结构202设置在菲涅尔透镜201的内表面si上，可避免人为或环境因素对多个蛾眼结构202造成损伤(如刮伤)及污染(如灰尘或指纹)，而有助于延长头戴式显示器2的使用寿命。然而，多个蛾眼结构202的设置表面以及多个蛾眼结构202与菲涅尔透镜结构2010的相对设置关系不以图2所显示的为限。举例来说，菲涅尔透镜结构2010可位于菲涅尔透镜201的内表面si上，且多个蛾眼结构202可位于菲涅尔透镜201的外表面so上。替代地，多个蛾眼结构202也可位于显示设备200与使用者的其中一眼之间的其他表面的至少一个上。
29.图3是图2中多个蛾眼结构202的局部示意图。请参照图3，蛾眼结构202为纳米级柱状结构，且蛾眼结构202的宽度w(或直径)朝远离所述多个蛾眼结构202的设置表面s202的方向x递减。此处，所述多个蛾眼结构202的设置表面s202可以是图2中显示设备200与使用者的其中一眼之间的任一个表面。
30.由于蛾眼结构202的宽度w朝方向x递减，因此在平行于设置表面s202的截面cs中，空气占据的面积随着截面cs与设置表面s202之间的距离dt的增加而增加，且多个蛾眼结构202占据的面积随着距离dt的增加而减少。由于空气的折射率小于蛾眼结构202的折射率，因此截面cs所在处的等效折射率随着距离dt的增加而减少。也即，等效折射率沿着方向x递减。
31.依据反射率公式，当两个介质的折射率差距越大，在两个介质的界面处的反射率越高。因此，将提供渐变等效折射率的蛾眼结构202设置在折射率差距大的两个介质的界面处，有助于降低该界面处的反射率(界面反射)。例如，可在显示设备200与使用者的其中一眼之间的至少一个表面上(有接口反射问题的任何一个表面)设置多个蛾眼结构202，以降低头戴式显示器2中的界面反射，从而有效改善杂散光问题。
32.在图2中，多个蛾眼结构202位于菲涅尔透镜201的内表面si上，因此有助于降低在菲涅尔透镜201的内表面si发生界面反射所形成的杂散光。此外，由于在菲涅尔透镜201的内表面si处形成的杂散光(即被菲涅尔透镜201的内表面反射的光)会朝显示设备200传递而接着被显示设备200反射，使杂散光问题更复杂/严重(例如形成鬼影)，因此降低在菲涅尔透镜201的内表面si处形成的杂散光还有助于改善鬼影问题。因此，头戴式显示器2可具有良好的显示质量。
33.多个蛾眼结构202所在处的等效折射率的变异速率可从多个蛾眼结构202的每一个的深度d与宽度w进行设计。当多个蛾眼结构202的每一个的深宽比(深度d与宽度w的比)大于1时，等效折射率的变异不会过于剧烈，而可实现等效折射率渐变的效果。
34.另外，多个蛾眼结构202的节距p可依据头戴式显示器2所使用的波长范围进行设计。当波长范围限于可见光时，多个蛾眼结构202的节距p例如小于或等于750纳米。
35.依据不同的需求，头戴式显示器2可进一步包括其他元件或膜层。举例来说，头戴式显示器2可进一步包括至少一抗反射层(未示出)，以进一步降低头戴式显示器2中的界面
反射。所述至少一抗反射层可设置在显示设备200与使用者的其中一眼之间的至少一个表面上，例如设置在显示设备200面向菲涅尔透镜201的表面上，以降低在所述表面处的界面反射。然而，所述至少一抗反射层的设置表面不以此为限。以下实施例也可依需求而进一步设置所述至少一抗反射层，于下便不再重述。
36.另外，由于入射脱模面s2010b的光也会形成杂散光并影响图像质量(例如形成图像拖影)，因此可进一步将菲涅尔透镜结构2010的多个脱模面s2010b设计成抗反射面，以降低杂散光的指向性，使传递至使用者眼中的杂散光的光强度降低，从而有效改善诸如图像拖影等问题。
37.图4a至图4h分别是图2中菲涅尔透镜201的其他种实施方式的局部示意图。如图4a至图4g所示，可通过改变制作菲涅尔透镜201的模具，来改变脱模面s2010b的形貌，例如使图2所示的平滑的脱模面s2010b改变成图4a至图4g所示的非平滑(崎岖不平)的脱模面s2010b，从而达到抗反射的效果。或者，如图4h所示，两个显示单元20(参照图2)的每一个还可包括设置在多个脱模面s2010b的每一个上的吸光层203，通过吸光层203吸收传递至脱模面s2010b的光，以达到抗反射的效果。
38.在图4a中，菲涅尔透镜结构2010的多个脱模面s2010b的每一个为雾化表面(粗糙化表面)。在图4b至图4g中，菲涅尔透镜结构2010的多个脱模面s2010b的每一个具有至少一粗糙化结构。所述粗糙化结构可以是凹部p1或凸部p2。所述凹部p1(或所述凸部p2)的形状可以是圆弧状或锯齿状。此外，粗糙化结构的高低差hl大于0.1微米，以有效将杂散光大范围扩散，使传递至使用者眼中的杂散光的光强度有效降低。所述高低差hl定义为凹部p1的最凹陷处(或凸部p2的最凸出处)与参考平面rf之间的距离。所述参考平面rf为脱模面s2010b的最高处与最低处连线所形成的表面。
39.如图4b及图4e所示，菲涅尔透镜结构2010的多个脱模面s2010b的每一个可具有两个粗糙化结构，如一个凹部p1及一个凸部p2。在图4b中，凹部p1及凸部p2的形状皆为圆弧状。在图4e中，凹部p1及凸部p2的形状皆为锯齿状。
40.如图4c及图4f所示，菲涅尔透镜结构2010的多个脱模面s2010b的每一个可具有两个粗糙化结构，如两个凹部p1。在图4c中，两个凹部p1的形状皆为圆弧状。在图4f中，两个凹部p1的形状皆为锯齿状。
41.如图4d及图4g所示，菲涅尔透镜结构2010的多个脱模面s2010b的每一个可具有两个粗糙化结构，如两个凸部p2。在图4d中，两个凸部p2的形状皆为圆弧状。在图4g中，两个凸部p2的形状皆为锯齿状。
42.应说明的是，菲涅尔透镜结构2010的多个脱模面s2010b的每一个所具有的粗糙化结构的数量及粗糙化结构的形状可依需求改变，而不以图4b至图4g所显示的为限。在其他实施例中，脱模面s2010b所具有的粗糙化结构的数量可为一或大于二。此外，当脱模面s2010b的粗糙化结构的数量大于或等于二时，粗糙化结构的形状可以是圆弧状、锯齿状或上述两个形状的组合。另一提的是，以下实施例中的脱模面s2010b也可同上述改良为抗反射面，于下便不再重述。
43.图5至图8分别是根据本发明的第二实施例至第五实施例的头戴式显示器3、4、5、6的示意图。请参照图5，头戴式显示器3与图2的头戴式显示器2的主要差异如下所述。在头戴式显示器3的显示单元30中，菲涅尔透镜结构2010的设置表面是菲涅尔透镜201的内表面
si，且多个蛾眼结构202位于菲涅尔透镜201的菲涅尔透镜结构2010上，例如位于菲涅尔透镜结构2010的多个导光面s2010a上，但不以此为限。举例来说，多个蛾眼结构202也可位于多个导光面s2010a以及多个脱模面s2010b上。
44.请参照图6，头戴式显示器4与图2的头戴式显示器2的主要差异如下所述。在头戴式显示器4的显示单元40中，多个蛾眼结构202除了位于菲涅尔透镜201上之外，还位于显示设备200上。因此，可进一步降低在显示设备200与空气的接口处发生的接口反射。本发明的任一些实施例皆可同此改良，于下便不再重述。
45.请参照图7，头戴式显示器5与图5的头戴式显示器3的主要差异如下所述。头戴式显示器5的显示单元50还包括位于显示设备200与菲涅尔透镜201之间的光学膜204。此外，多个蛾眼结构202除了位于菲涅尔透镜201上之外，还位于光学膜204上。具体地，光学膜204可以是依需求而设置在显示设备200与菲涅尔透镜201之间的任何光学元件或光学层。通过将多个蛾眼结构202设置在光学膜204上，有助于降低在光学膜204与空气的接口处发生的接口反射。图7示意性示出多个蛾眼结构202位于光学膜204的其中一表面上。然而，在其他实施例中，多个蛾眼结构202可位于光学膜204的相对两表面上。本发明的任一些实施例皆可同此改良，于下便不再重述。
46.请参照图8，头戴式显示器6与图2的头戴式显示器2的主要差异如下所述。头戴式显示器6的显示单元60包括多个菲涅尔透镜(如菲涅尔透镜205及菲涅尔透镜201)，且多个菲涅尔透镜(如菲涅尔透镜205及菲涅尔透镜201)依序设置在显示设备200与使用者的其中一眼之间。图8省略示出多个蛾眼结构以及每一个菲涅尔透镜的菲涅尔透镜结构。然而，所述多个蛾眼结构可设置在显示设备200与使用者的其中一眼之间的多个表面(如显示设备200面向菲涅尔透镜205的表面、菲涅尔透镜205的内表面si、菲涅尔透镜205的外表面so、菲涅尔透镜201的内表面si、菲涅尔透镜201的外表面so、光学膜(如果有的话)的内表面或外表面)的至少一个上。此外，菲涅尔透镜205(或菲涅尔透镜201)的菲涅尔透镜结构可位于菲涅尔透镜205(或菲涅尔透镜201)的外表面so或内表面si上。
47.综上所述，由于蛾眼结构提供的渐变等效折射率有助于降低反射率，因此通过在显示设备与使用者的其中一眼之间的至少一个表面上设置多个蛾眼结构有助于降低头戴式显示器中的界面反射，从而有效改善杂散光问题。因此，本发明实施例的头戴式显示器可具有良好的显示质量。在一些实施例中，可在显示设备与使用者的其中一眼之间的至少一个表面上设置抗反射层，以进一步降低界面反射。在另一些实施例中，可将菲涅尔透镜结构的多个脱模面设计成抗反射面，以降低杂散光的指向性，使传递至使用者眼中的杂散光的光强度降低。在又一些实施例中，多个蛾眼结构可设置在显示设备或光学膜(如果有的话)上。在再一些实施例中，显示单元可包括多个菲涅尔透镜，且多个蛾眼结构可设置在所述多个菲涅尔透镜中的至少一个上。
48.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。