CN106569333A - 透视型近眼显示光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的透视型近眼显示光学系统，可用于头戴式扩增实境显示系统，是以一发光二极管照明系统产生光源，由一前偏光片集中光源至一偏极化分光镜，而一硅基液晶面板接收光源后，投射一图像穿透一后偏光片及一光学目镜，再经由一半透半反玻璃片输出至使用者眼前，同时该半透半反玻璃片也把外界视野传送至使用者眼前，达到透视的效果。

Description

透视型近眼显示光学系统
技术领域
本发明是关于一种透视型近眼显示光学系统，特别是一种垂直式且应用半透半反玻璃片提供影像的透视型近眼显示光学系统，并可用于头戴式扩增实境显示系统。
背景技术
透视型显示光学系统(See-through display)是一让使用者得以同时观看外在影像以及投射影像的装置，达到实像与虚像叠加而不遮蔽视野的效果。已知的透视型显示光学系统有使用LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)或OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)作为显示器元件，只是前者色彩饱和度及画质皆不佳，而后者在寿命及成本上仍有无法克服的困难，且制程复杂以致无法有效量产。另有其他已知近眼显示光学系统为提升影像品质，以致光学系统的设计过于复杂，并导致相应增加额外重量及体积。
再者，已知透视型显示光学系统未能与其他声光效果元件相互搭配发挥加成作用，以致使用者无法同步结合声音影像，即时接收并融合视觉与听觉感官认知，并立即输出使用者当下所需视听整合信息，以致错失许多广泛应用于日常生活方式以改善起居或提升娱乐品质的机会。除此之外，已知透视型显示光学系统未深入体察使用者实际使用状况，导致使用过程中因已知设计不符人体工学而相应而生诸多生理不适及使用不便之处，且忽略现今有效能源管理节能减碳的绿色趋势世界潮流，徒增无益能源耗损加重消费者费用上负担。故有必要提供另一透视型近眼显示光学系统，有效提升使用者的视觉效果和使用意愿。
发明内容
为达成上述目的，本发明提供一种透视型近眼显示光学系统，是以一个或多个发光二极管照明系统产生光源，由一个或多个前偏光片集中光源至一偏极化分光镜(Polarization Beam Splitter，PBS)，而一硅基液晶面板(Liquid Crystalon Silicon，LCOS)接收该光源后，投射一图像穿透一后偏光片及一光学目镜，再经由一半透半反玻璃片(Beam Splitter)输出至使用者眼前，同时该半透半反玻璃片也把外界视野传送至使用者眼前，达到透视的效果。
其中硅基液晶面板作为显示器元件部分可为色序式或者是色滤式的硅基液晶，具有体积小、解析度高、对比度高、反应时间快、成本低以及制造较简单等优点。此外本发明并应用半透半反玻璃片于此透视型近眼显示光学系统，其可为塑胶材料以减轻其重量，有效降低使用者使用上负担，并改善已知技术易于碎裂的特性，增加其耐用程度，以及节省制造上成本。该半透半反玻璃片亦可与该光学目镜形成45°角度得到较佳显示图像，使用者也可以调校该角度位置，从而获得更佳的影像视野，于配合所撷取的外在图像后，提供使用者高画质(High Definition,HD)的透视式显示效果。另外本发明亦因设有前偏光片、偏极化分光镜及后偏光片，有效滤除干扰的光线，从而在配合硅基液晶面板的使用下，得以较简单的光学系统得到较佳的成像品质。而该发光二极管照明系统可为多个的红色、绿色和蓝色发光二极管，或是一个白色发光二极管。又本发明可为垂直式的光学系统设计，有效减少使用者视野遮蔽的范围，达到可观看大面积影像的目的。
本发明另一目的在于提供一种透视型近眼显示光学系统，与一互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)图像感应器(简称“图像感应器”)及驱动系统板相互搭配共同使用以提供输出至使用者眼前的图像，以作为一透视型头戴式扩增实境显示系统。其间运作方式是先由二图像感应器撷取外在图像，将之传输至一驱动系统板，驱动系统板再将之进一步处理后产生另一图像，之后将该新生成的图像输出至本发明的二透视型近眼显示光学系统(简称“光学系统”)。其中该图像感应器、该驱动系统板及该光学系统的数量并不以上述的数目为限。
本发明的透视型近眼显示光学系统可更进一步与声音接收器、耳机及框架相互搭配共同使用，让使用者除得观看输出图像之外，也得以同时或先后聆听输出的声音。其间运作方式是于该光学系统显示图像的同时或前后，由二声音接收器记录外在声音，之后将之传输至一驱动系统板后输出至二耳机，另有一框架可安装在使用者头部，用于搭载上述的该光学系统、该图像感应器、该耳机和该声音接收器。其中该声音接收器、该耳机及该框架的数量并不以上述的数目为限。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1为本发明第一实施例的示意图。
图2为本发明第二实施例的示意图。
图3A为本发明第三实施例的前视图。
图3B为本发明第三实施例的后视图。
图中元件标号说明如下：
100：透视型近眼显示光学系统
110：硅基液晶面板
120：偏极化分光镜
130：后偏光片
140：光学目镜
150：前偏光片
160：发光二极管照明系统
170:半透半反玻璃片
200：色序式透视型近眼显示光学系统
211：蓝色发光二极管照明系统
212：绿色发光二极管照明系统
213：红色发光二极管照明系统
220：前偏光片
230：双色分光镜
240：偏极化分光镜
250：硅基液晶面板
260：后偏光片
270：光学目镜
280：半透半反玻璃片
300：透视型头戴式扩增实境显示系统
310：透视型近眼显示光学系统
320：图像感应器
330：耳机
340：声音接收器
350：框架
351：折叠式框架
360：驱动系统板
具体实施方式
图1为本发明第一实施例的示意图，图中所示者为一色滤式(color filter)透视型近眼显示光学系统100的正面外观。图中所示者是本发明的实施例，其包含一硅基液晶面板(LCOS)110、一偏极化分光镜(Polarization Beam Splitter，PBS)120、一后偏光片130、一光学目镜140、一前偏光片150、一白色发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)照明系统160和一半透半反玻璃片(BeamSplitter)170。其中该硅基液晶面板110有一彩色滤光片(未显示)。当该白色发光二极管照明系统160产生一光源，前偏光片150会将该光源集中至该偏极化分光镜120，该偏极化分光镜120会反射光源至该硅基液晶面板110的彩色滤光片，将白光分成红、绿和蓝色等三色光，然后该硅基液晶面板110自驱动系统板(未显示)接收图像，并将之投射至该后偏光片130及光学目镜140，借由光学目镜140将图像放大，再透过该半透半反玻璃片170输出至使用者眼前。该半透半反玻璃片170同时也把外面的视野传送到使用者眼前，这样使用者会同时看见在硅基液晶面板110显示的图像及外面的视野画面，达到透视效果。
本发明另提供一种色序式(color sequential)透视型近眼显示光学系统200，图2为第二实施例的示意图。该光学系统200包括一硅基液晶型面板250、一偏极化分光镜240、多个前偏光片220、一后偏光片260、一双色分光镜(DichroicMirror)230、一光学目镜270、蓝色发光二极管照明系统211、绿色发光二极管照明系统212以及红色发光二极管照明系统213。其中，该蓝色LED照明系统211、该绿色发光二极管照明系统212以及红色发光二极管照明系统213会分别输出光源至各自对应的前偏光片220，该前偏光片220会将光源集中至该双色分光镜230，该双色分光镜230再反射光源至该偏极化分光镜240，该偏极化分光镜240会反射光源至该硅基液晶面板250，该硅基液晶面板250自驱动系统板(未显示)接收图像后，再将之投射至该后偏光片260及光学目镜270，透过该半透半反玻璃片280输出图像至使用者眼前。该半透半反玻璃片280同时也把外面的视野，传送到使用者眼前，这样使用者会同时看见在硅基液晶面板250显示的图像及外面的视野画面，而达到透视效果。由于色序式透视型近眼显示光学系统200不使用彩色滤光片，光源不会因经过彩色滤光片而被吸收，导致色彩饱和度和光效率下降。相反地以蓝色、绿色和红色发光二极管照明系统取而代之，无须彩色滤光片即能提供高色彩饱和度光源，显著改善色滤式透视型近眼显示光学系统100会减损光效率的缺点。
再者，本发明所使用的半透半反玻璃片170、280可为塑胶材料，以减轻透视型近眼显示光学元件重量，有效降低使用者使用上负担，并改善已知技术易于碎裂的特性，增加其耐用程度，以及节省制造上成本。本发明的半透半反玻璃片170、280得与光学目镜140、270形成45°角度以得到较佳显示图像，使用者也可以调校该角度位置，从而获得更佳的影像视野，于配合所撷取的外在图像后，提供使用者高画质(High Definition,HD)的透视式显示效果。另外本发明亦因设有前偏光片150、220及偏极化分光镜120、240及后偏光片130、260，有效滤除干扰的光线以提高对比度，从而在配合硅基液晶面板110、250的使用下，得以较简单的光学系统得到较佳的成像品质。
本发明第三实施例是将透视型近眼显示光学系统310用于透视型头戴式扩增实境显示系统300，可与图像感应器320、驱动系统板360等相互搭配共同使用，图3A为此实施例的前视图，图3B为此实施例的后视图。此实施例是由二图像感应器320撷取外在图像后，将之传输至一驱动系统板360，经该驱动系统板360处理后可输出单一图像或多重图像至二光学系统310。其中该图像感应器320、该驱动系统板360及该光学系统310的数量并不以上述的数目为限。又该单一图像包括外在图像、该驱动系统板360所下载或储存的内在图像以及两者整合后的整合图像；该多重图像包括左右(上下)分别显示两图像(Picture by Picture,PBP)、母子图像(Picture in Picture,PIP)或环绕图像(Pictureout Picture,POP)。
请继续参考图3A、3B，本发明的透视型近眼显示光学系统310可更进一步与音频输出装置搭配应用。让使用者除得观看输出图像之外，也得同时或先后聆听输出的声音。此音频输出过程是在该光学系统310显示图像的同时或前后，由二声音接收器340记录外在声音至该驱动系统板360，经该驱动系统板处理后再输出另一声音至二耳机330。其中该声音接收器340、该耳机330及该驱动系统板360的数量并不以上述的数目为限。
于此实施例中除了使用者可手动调整切换该耳机330输出的声音，使其分离或混合播放由该声音接收器340所记录的外在声音或该驱动系统板360所下载或储存多媒体信息所产生的内在声音之外，本发明更使该耳机330可依据该驱动系统板360所发出的信号，分离或混合拨放该外在声音或内在声音。换言之，驱动系统板360可以依据声音接收器340所接收的外在声音大小、方向或频率高低而自动切换该耳机330输出的音源。举例而言，最初该耳机330仅输出内在声音，之后当该声音接收器340检测到特定频率的外在声音，如人声、动物声、鞭炮声或脚步声时，或当外在声音达到一定的强度大小时，该驱动系统板360会依据出厂或使用者设定，自动切换该耳机330的输出模式，由仅输出内在声音改成仅输出外在声音，或是仍同时输出内在和外在声音，但略为调整两者的输出强度大小。
除此之外，本发明的此实施例进一步包含产生立体影音功能。各该图像感应器320可依其设置的位置不同，透过多角度撷取外在图像，再经过该驱动系统板360处理后，于各该光学系统310显示单一或多重图像，进而利用使用者的视差达到立体影像的效果，简言之，该光学系统310具有将原始影像或图档以立体方式显示的功能。同理，各该声音接收器340可依其设置的位置不同，透过多角度撷取外在声音，再经过该驱动系统板360处理后，于各该耳机330输出高音质的多声道立体音效。搭配前开的自动切换音源功能，此实施例能改善已知技术使用者无法掌握外在环境变化的缺点。更甚者，该驱动系统板360亦可进一步包含多媒体播放器的功能，或者WiFi的功能。
又在此实施例中，本发明具有一可安装在该使用者头部的框架350，用于承载该图像感应器320、该光学系统310、该耳机330及该声音接收器340。第3A、3B图所示者是该驱动系统板360位于该框架350内，惟该驱动系统板360亦得直接设于该框架350外(未显示)，两者间得以有线或无线方式传输信号。
此外该框架350进而包含一可上下自由移动的折叠式框架351，使该光学系统310及该图像感应器320得选择性设置于该折叠式框架351上，该折叠式框架351亦可以和该框架350分离。此设计可降低使用透视型近眼显示光学系统过后所造成的视觉疲累等身体不适，以及使用完毕所相应产生的收纳问题，并得改善视野遮蔽等已知技术缺点，更甚者有节省电力的功能。具体方式请参考图3A，当使用者不愿视野被遮蔽或感到疲累时，可将该折叠式框架351沿虚线箭头向上的方向拉，此时依出厂或使用者设定，该光学系统310的屏幕会自动关闭或进入休眠状态，以节省电力消耗。若使用者欲再使用本发明，将该折叠式框架351往虚线箭头向下的方向拉，即可开启屏幕或解除休眠状态。另外，若使用者只想应用该耳机330接收来自驱动系统板的声音时，直接将该折叠式框架351拆除即可。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (14)

1.一透视型近眼显示光学系统，包含：
一发光二极管照明系统，用以产生一光源；
一偏极化分光镜；
一前偏光片，用以将该光源集中至该偏极化分光镜；
一后偏光片；
一光学目镜；
一硅基液晶面板，自该偏极化分光镜接收光源后，投射一图像至该后偏光片进而至该光学目镜，其中该硅基液晶面板为色序式或色滤式的硅基液晶；及
一半透半反玻璃片，用以传输经过该光学目镜的该图像以及外面视野至使用者眼前。
2.如权利要求1所述的透视型近眼显示光学系统，其特征在于，该发光二极管照明系统为多个的红色、绿色和蓝色发光二极管，或是白光二极管。
3.如权利要求1所述的透视型近眼显示光学系统，其特征在于，该半透半反玻璃片的位置和该光学目镜形成45°角度，且允许使用者调校该角度位置，从而获得更佳的影像视野。
4.如权利要求1所述的透视型近眼显示光学系统，其特征在于，该半透半反玻璃片为塑胶材料。
5.一透视型头戴式扩增实境显示系统，该系统包括：
至少一声音接收器，用于记录一外在声音；
一个或多个互补式金属氧化物半导体图像感应器，各自用于撷取一外在图像；
至少一驱动系统板可储存或下载多媒体资料以产生一内在声音以及一内在图像，并可自该声音接收器输入该外在声音及自该图像感应器输入该外在图像，并可输出一声音及一图像；
二耳机，各自可输出自该驱动系统板输入的该声音，而该耳机所发出的声音是该声音接收器接收的外在声音、该驱动系统板的内在声音或两者的混合；
一个或多个透视型近眼显示光学元件，各自包含：一发光二极管照明系统，用以产生一光源；一偏极化分光镜；一前偏光片，用以将该光源集中至该偏极化分光镜；一后偏光片；一光学目镜；一硅基液晶面板，是由色序式或是色滤式的硅基液晶所形成，且自该偏极化分光镜接收光源后，投射一图像至该后偏光片进而至该光学目镜；以及一半透半反玻璃片，用以传输经过该光学目镜的该图像以及外面视野至使用者眼前；以及
一可安装在使用者头部的头戴式框架，用于搭载该透视型近眼显示光学元件、该互补式金属氧化物半导体图像感应器、该耳机和该声音接收器。
6.如权利要求5所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，该半透半反玻璃片为塑胶材料。
7.如权利要求5所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，该驱动系统板功能包括多媒体播放器、WiFi或立体显示原始影像或图档的功能。
8.如权利要求5所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，允许使用者手动切换该耳机输出该内在声音或该外在声音或两者的混合。
9.如权利要求5所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，该驱动系统板依据该外在声音大小、方向或频率高低而自动切换该耳机输出该内在声音或该外在声音或两者的混合。
10.如权利要求5所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，该驱动系统板输出单一或多重图像。
11.如权利要求5所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，该框架包含一可相对人体眼睛上下自由移动的折叠式框架。
12.如权利要求11所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，该透视型近眼显示光学元件及该图像感应器设置于该折叠式框架。
13.如权利要求11所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，当该折叠式框架向上拉时，该透视型近眼显示光学元件会关闭或该透视型头戴式扩增实境显示系统进入休眠状态；当该折叠式框架向下拉时，该透视型近眼显示光学元件会开启或该透视型头戴式扩增实境显示系统解除休眠状态。
14.如权利要求11所述的透视型头戴式扩增实境显示系统，其特征在于，该折叠式框架为可拆除式。
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