CN106896496A - 场曲型虚像显示系统 - Google Patents

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Abstract

一种场曲型虚像显示系统，且该场曲型虚像显示系统适用于一投影镜组，该场曲型虚像显示系统包含：一影像源，位于该投影镜组的一物平面的部分区域；一第一成像群组，具有一前群镜组与一后群镜组；以及一第二成像群组，具有一部分反射部分透射面以及一抗反射面，在系统中作为一影像结合器使用；其中，物平面与第一成像群组共轴于系统的一第一光轴；第二成像群组共轴于系统的一第二光轴；物平面透过第一成像群组与第二成像群组形成具有特定场曲型态的一虚像面；影像源位于物平面的部份区域，使虚像面仅有部分区域可被显示；影像源所在的部份区域中心与物平面中心具有一物偏移量，使虚像面的可显示的区域与虚像面中心同时产生一像偏移量。

Description

场曲型虚像显示系统
技术领域
本发明属于一种虚像显示装置，特别关于一种扩增实境型可穿戴式的场曲型虚像显示系统。
背景技术
虚像投影是指将一影像源透过光学系统成像，使其成为具有投射距离和放大倍率的虚像，当影像源的光线入射于折射型或反射型光学系统而造成光线发散时可产生虚像，其所在的位置并无光束的实际汇聚故无法以屏幕承接到一真实的像，虚像系统的出瞳面与观察者的瞳孔重合时可使观察者看到完整的虚像，此时目镜与瞳孔之间存在一距离为适眼距。
折射型虚像光学系统多采用放大镜、显微镜或望远镜等装置，因其用途属于观察特定目标，使用时无需同时对眼睛前方的外界环境进行观察；也可不考虑人体穿戴需求，故眼睛前方光学组件的数量、体积及重量等并非设计时要考虑的主要因素。
反射型虚像光学系统因为可以利用反射元件使虚像位置与光学系统光轴间产生转折，故可使光学系统大部分的元件从眼睛正前方转移至其他位置，对于穿戴式应用而言可使光学系统的重心较接近头部而降低力矩，同时也达到美观的目的；反射元件本身可被制造成具有光线部分反射部分透射特性，使穿戴者可通过反射光观察到来自影像源的虚像，同时从透射光观察到外界环境，此类元件用在反射型虚像光学系统称为影像结合器(Combiner)。
反射型虚像光学系统可分为轴上式与离轴式，其中轴上式光学系统的常见类型，以影像结合器的类型做区分，以波导(Waveguide,参见U.S.Pub.No.2007/0091445)、偏振光束分光器(Polarization beam splitter,参见U.S.Pat.No.7,369,317)以及半反半穿镜(Half mirror,参见U.S.Pat.No.5,822,127)等为常见；采用轴上式反射型虚像光学系统的设计，为使虚像看起来位于使用者正前方，在偏振光束分光器以及半反半穿镜的架构必须装置具有倾斜45°的平面反射面在人眼前方作为影像结合器的一部分，如此将使影像结合器产生相当厚度，且厚度会随着系统视场角设计值的增加而递增。
离轴式光学系统依影像结合器的类型可区分为全像光学元件(Holographicoptical element,U.S.Pat.No.5,305,124)和一般光学元件(Opticalelement)。而本发明属于采用一般光学元件作为影像结合器的反射型离轴式虚像显示系统。
图1A表示一反射型离轴式虚像投影系统1000，该系统适用于投影镜组100，影像源101前方的光学镜组作为第一成像群组103；以具有凹面曲率的部分反射部分透射镜作为第二成像群组106，同时也作为影像结合器使用。操作上影像源101透过第一成像群组103成像一实像105于第二成像群组106的焦距内使系统1000产生虚像面108以及出瞳110；上述两群组不共轴，用以使入射第二成像群组106的中心的主光线113与从第二成像群组106反射的反射主光线113’两者间具有足够大的夹角，以期虚像能位于观察者的正前方且观察虚像的同时头部组织不会与投影镜组发生干涉。
假设头戴式显示装置的规格为：1.虚像距离观察者2.5公尺处必须具有长宽比为16:9且对角线长度为60吋的虚像画面也即弧矢(Sagittal)有效视场角约须等于30°；2.虚像位必须在观察者正前方并正向面对观察者；3.光学系统不能遮蔽人眼111的视野，也不能与头部任何组织发生干涉。上述3个条件须被同时满足时必须达到下列条件：1.来自于实像105两侧的主光线114和115通过第二成像群组106反射产生的反射主光线114’和115’必须各自与反射主光线113’具有15°夹角，才能够使观察者看到左右等宽的虚像画面并具有30°的弧矢有效视角；2.虚像光轴109必须与眼光轴112共轴才能使虚像画面正对观察者，其中虚像光轴109的定义为：通过虚像画面几何中心的法线；3.投影镜组100的第一成像群组光轴104与眼光轴112在适眼距25mm时必须具有至少45°以上夹角，也就是说系统1000必须达成45°以上的侧向投影才足以避免人体与光学系统的干涉；3.眼光轴112必须与反射主光线113’重叠才能够使虚像画面中心位于人眼正前方，换句话说也就是必须以反射主光线113’来决定眼光轴112。
上述条件第1点可以控制实像105的高度与第二成像群组106的焦长两者的比值为2tan(15°)来达成；为满足上述条件第3点，以第二成像群组106顶点为中心使其进行旋转，直到第一成像群组光轴104与第二成像群组光轴107具有22.5°夹角，则主光线113和反射主光线113’可达到具有45°夹角；上述离轴设计会造成虚像两侧光程不同而发生，如图1C所示的梯形畸变，且系统所形成的虚像面108的光轴109未能与眼光轴112共轴，故未能满足上述条件第2点。上述条件第2点的不成立以及上述条件第3点成立后带来的画面梯形畸变皆因于虚像光轴109与反射主光线113’不共轴，此时可选择被观测面116作为虚像画面以改善梯形畸变并解决虚像光轴109与眼光轴112不共轴的问题，但由于真正的成像面为虚像面108，所以被观测面116会因景深需求的因素而降低清晰度。
虚像梯形畸变量计算如下：
虚像弧矢视场角
其中Hhorizontal≡影像源弧矢方向高度
Mimage_real≡成像系统第一群组放大倍率
-fcombiner≡第二成像群组等效焦距
虚像中心放大倍率
其中qC≡虚像中心像距
以实像为物的中心物距
欲使虚像光轴109与主光线113具有弧矢夹角，则第二成像群组光轴107须在弧矢平面上倾斜使第二成像群组光轴107与第一成像群组光轴104之间具有夹角θt，依光束前进方向：
实像弧矢方向左侧物距
实像弧矢方向右侧物距
依人眼观察虚像方向：
虚像弧矢方向左侧放大倍率
其中qL≡虚像左侧像距
虚像弧矢方向右侧放大倍率
其中qR≡虚像右侧像距
由可得虚像左右两侧放大倍率比
若以：
影像源101弧矢方向高度8mm
第一成像群组103以放大倍率1.1
虚像有效视场角为30°
为达到光路转折45°，第二成像群组倾角θt须为22.5°
虚像中心像距45mm则：
由(式1)可知
由(式2)可知
由(式3)可知
由(式4)可知
由(式5)可知
由(式6)可知
由(式7)可知
由(式8)可知
由上式可知左侧像高约为右侧像高2.24倍的虚像，如图1C所示。由(式8)可知虚像不发生梯形畸变的条件为θt＝0或fcombiner＝∞。由于离轴式头戴显示装置必须避开与头部干涉故θt≠0；且顾及到虚像放大倍率故fcombiner≠∞，故这种实施方式造成的画面梯形畸变在虚像具有放大倍率且第二成像群组与成像系统光路具有夹角的情形下是必然存在的。
也可由莎姆定律(Scheimpflug principle)的观点来解释虚像光轴109与眼光轴112不共轴的问题。莎姆定律：当物平面与成像系统平面不平行时，则物平面、像平面与成像系统平面的延伸将共交于有限远的一点。如图1B-1所示，由第一成像群组所发生的实像面105为物平面105’以及第二成像群组平面为成像系统平面106-1两者光轴夹角22.5°，以使第一成像群组与通过虚像中心的主光线具有45°夹角，此时物平面105’、虚像面108-1和成像系统平面106-1三平面的延伸面共交于P1点。
请参考图1B-2和图1B-3，其中第一成像群组103、物平面105’皆与图1B-1相同；成像系统平面106-1往物平面105’靠近1.4mm产生成像系统平面106-2、虚像面108-2和虚像光轴109-2；成像系统平面106-2再往物平面105’靠近2.1mm产生成像系统平面106-3、虚像面108-3和虚像光轴109-3。因此图1B-1、图1B-2和图1B-3表示出物平面105’与成像系统平面106-1的中心距离从10.8mm逐渐缩减至7.3mm的变化情形，上述两平面的光轴夹角不变，随着中心距离改变而发生变化的是系统放大倍率、共交点P1、P2与P3、虚像面108-1、108-2与108-3和虚像光轴109-1、109-2与109-3。观察图1B-1、图1B-2和图1B-3可知虚像光轴109-1、109-2和109-3与眼光轴112的夹角随着系统放大倍率愈小则愈小，反之，随着系统放大倍率愈大，则上述两光轴夹角愈大，也即穿戴者侧向观察虚像的程度愈大。
关于解决反射型离轴式虚像投影系统所产生的问题，先前技术提出以全像光学元件作为影像结合器的想法，如U.S.Pat.No.3,940,204提出以全像光学元件作为影像结合器，且物平面对第一成像群组倾斜的设计；也如U.S.Pat.No.4,763,990提出以全像光学元件作为影像结合器，且区分第一成像群组至少为两群并使其相互不共轴的设计。此外全像光学元件对波长变化较为灵敏，为了处理彩色影像，U.S.Pat.No.5,305,124采用三层式全像光学元件解决全像光学元件的波段涵盖问题以达成具有全彩的画面。
采用一般光学元件作为影像结合器的系统也有可能解决反射型离轴式虚像投影系统所产生的问题如U.S.Pat.No.4,026,641提出采用环形面作为影像结合器的反射面，且需要物面为环形面来作搭配；也如U.S.Pat.No.5,576,887提出使用环形面作为影像结合器的反射面，并使物平面对第一成像群组作大幅度的倾斜和位移；也如U.S.Pat.No.7,542,209提出使用椭圆面作为影像结合器的反射面、第一成像群组须具有楔型棱镜、物平面对第一成像群组作倾斜和位移、将第一成像群组分成至少两群并使其不共轴等特征。
发明内容
依据上述分类，本发明属于采用一般光学元件作为影像结合器的反射型离轴式虚像投影系统。
本发明揭露一种场曲型虚像显示系统，且场曲型虚像显示系统适用于一投影镜组，场曲型虚像显示系统包含：一影像源位于投影镜组的一物平面的部分区域；一第一成像群组具有一前群镜组与一后群镜组；以及一第二成像群组具有一部分反射部分透射面以及一抗反射面，在系统中作为一影像结合器使用；其中，物平面与第一成像群组共轴于系统的一第一光轴；第二成像群组共轴于系统的一第二光轴；该物平面透过第一成像群组与第二成像群组形成具有特定场曲型态的一虚像面；影像源位于物平面的部份区域，使虚像面仅有部分区域可被显示；影像源所在的部份区域中心与物平面中心具有物偏移量，使虚像面的可显示的区域与虚像面中心同时产生像偏移量；由虚像面的场曲特性，且虚像面的可显示区域具有像偏移量，使系统所发生的虚像光轴与第一光轴具有一夹角。利用上述特性可使系统显示正确的画面，同时可避免当眼光轴与虚像光轴共轴时发生投影镜组与头部组织干涉的情形。
更进一步地，该第一成像群组包含：一前群镜组、一光瞳以及一后群镜组；其中，该影像源以及该前群镜组相对于该光瞳位于相同一侧；该后群镜组与该第二成像群组相对于该光瞳为相同另一侧；依光线前进方向该影像源以及该前群镜组位于光瞳之前，该后群镜组与该第二成像群组位于光瞳之后；其中，第一成像群组所包含的光学元件除光瞳之外，其余元件的有效区中心均各自具有偏移量；位于光瞳之前的光学元件有效区偏移方向与影像源偏移方向相同，且越远离光瞳的元件其有效区偏移量越大；位于光瞳之后的光学元件有效区偏移方向与影像源偏移方向相反，且越远离光瞳的元件其有效区偏移量越大；因元件有效区偏移量而发生的元件无效区可被切除，用以避免发生干涉并减少体积和重量。
更进一步地，该部份反射部份透射面可利用平移与旋转该第二光轴，以进行优化影像品质。
更进一步地，第一成像群组的该后群镜组中具有至少一个一第一环形面，且该第二成像群组中该部份反射部份透射面必为一第二环形面。
更进一步地，该投影镜组具有足够厚度的背焦棱镜(组)时可以容纳反射式、穿透式以及自发光式影像源的照明系统。
更进一步地，该系统可搭载一数字微镜装置及其照明系统、一硅基液晶及其照明系统、或一液晶显示器及其照明系统、或一有机发光二极管、或一微型发光二极管阵列。
更进一步地，画面发生线条弯曲的月形畸变，可调整影像源电子讯号做前期畸变来改善其弧矢月形畸变或子午月形畸变。
更进一步地，调整影像源电子讯号方法为控制画面中间纵向线条的曲率半径使其为无穷大来调整弧矢月形畸变；或控制画面中间横向线条的曲率半径使其为无穷大来调整子午月形畸变。
更进一步地，该第二成像群组包含：一部分反射部分透射面以及一抗反射面；其中，抗反射面的面形搭配部分反射部分透射面的面形设计，可使该第二成像群组具有或不具有度数，用以配合具有健康视力者、近视者以及远视者观察外界环境时所需。
更进一步地，调整影像源到第一成像群组之间的空气间隙可使不论具有健康视力者、近视者以及远视者皆能观察到清晰的系统虚像。
附图说明
图1A为一种反射型离轴式虚像投影系统1000
图1B-1为反射型离轴式虚像投影系统1000，符合莎姆定律且中心物距约10.8mm的光路示意图。
图1B-2为反射型离轴式虚像投影系统1000，符合莎姆定律且中心物距约9.4mm的光路示意图。
图1B-3为反射型离轴式虚像投影系统1000，符合莎姆定律且中心物距7.3mm的光路示意图。
图1C为图1A中虚像面的梯形畸变示意图。
图2A为具有凹面型态场曲虚像面207和±60°弧矢视场角的虚像投影系统2000的光路示意图。
图2B为具有凹面型态场曲虚像面207和±60°弧矢视场角的虚像投影系统2000的立体模型示意图。
图2C为具有凹面型态场曲虚像面207和±60°弧矢视场角的虚像投影系统2000与被观测面207’的立体模型示意图。
图2D为图2C中被观测面207’的图像畸变示意图。
图3A为具有包含±15°弧矢视场角的区域面301和虚像投影系统3000的光路示意图。
图3B为具有包含±15°弧矢视场角的区域面301和反射型虚像投影系统3000的立体模型示意图。
图3C为具有包含±15°弧矢视场角的区域面301和反射型虚像投影系统3000与被观测面301’的立体模型示意图。
图3D为图3C中被观测面301’的图像畸变示意图。
图4A为具有凹面型态场曲虚像面，包含±15°弧矢视场角的区域面301和包含+30°至+60°弧矢视场角的区域面501的虚像投影系统3000和虚像投影系统5000的立体模型差异示意图。
图4B为具有凹面型态场曲虚像面，包含±15°弧矢视场角的被观测面301’、+30°至+60°弧矢视场角的被观测面501’、虚像投影系统3000和虚像投影系统5000的立体模型差异示意图。
图5A为具有+30°至+60°弧矢视场角的区域面501和虚像投影系统5000的光路示意图。
图5B为具有+30°至+60°弧矢视场角的区域面501和虚像投影系统5000的立体模型示意图。
图5C为具有+30°至+60°弧矢视场角的被观测面501’和虚像投影系统5000的立体模型示意图。
图5D为图5C中被观测面501’的图像畸变示意图。
图5E为「场曲型虚像显示系统」的特征示意图。
图6A为具有虚像面207的虚像投影系统2000，在第二成像群组旋转及位移后，转变为具有虚像面607的虚像投影系统6000的光路差异示意图。
图6B为具有虚像面207的虚像投影系统2000，在第二成像群组旋转及位移后，转变为具有虚像面607的虚像投影系统6000的立体模型差异示意图。
图7A为具有虚像面207的虚像投影系统2000，在第二成像群组中部分反射部分透射面和后群镜组中至少各一光学面从圆对称面修改为环形面后，转变为具有虚像面707的虚像投影系统7000的光路差异示意图。
图7B为具有虚像面207的虚像投影系统2000，在第二成像群组中部分反射部分透射面和后群镜组中至少各一光学面从圆对称面修改为环形面后，转变为具有虚像面707的虚像投影系统7000的立体模型差异示意图。
图8A为搭配数字微镜装置与RTIR棱镜组的投影系统示意图。
图8B为搭配数字微镜装置与TIR棱镜组的投影系统示意图。
图8C为搭配硅基液晶与方块状偏振分光器的投影系统示意图。
图8D为搭配硅基液晶与片状偏振分光器的投影系统示意图。
图9A为以曲率半径拟合图5D虚像月形畸变的示意图。
图9B-1为图9A的曲率半径拟合线条示意图。
图9B-2为图9B-1利用调整影像源电子讯号做前期畸变后的虚像畸变示意图。
图10A为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在系统第一光轴与Z轴共轴、且背焦光路为直光路时的光路示意图。
图10B为图10A的背焦棱镜由直角棱镜取代后的光路示意图。
图10C为图10B的元件无效区域被切除后的光路示意图。
图10D为在图10C搭配数字微镜装置及其照明系统后的光路示意图。
图10E为在图10C搭配硅基液晶及其照明系统后的光路示意图。
图10F为在图10C搭配液晶显示器及其照明系统后的光路示意图。
图10G为在图10C搭配有机发光二极管或微型发光二极管阵列后的光路示意图。
图10H为将图10C「场曲型虚像显示系统10000」进行旋转及位移使其出瞳光轴与Z轴共轴的光路示意图。
图10I为在图10H导入类眼光学系统1015并使「场曲型虚像显示系统10000」的出瞳与类眼光学系统的入瞳两者重叠后的光路示意图。
图10J为图10I中类视网膜面1016以波长520nm进行光线追迹的全域图像和照度分布模拟图。
图11A为本发明实施例「场曲型虚像显示系统」穿戴于标准尺寸头部模型时的立体模型图。
图11B为本发明实施例「场曲型虚像显示系统」搭配数字微镜装置及其照明系统后穿戴于标准尺寸头部模型时的立体模型图。
图11C为本发明实施例「场曲型虚像显示系统」的影像结合器与人眼视野角相关性的示意图。
图12A为本发明实施例「场曲型虚像显示系统」虚像共轭面的调制转换函数图。
图12B-1为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」装置类眼光学系统后，在类视网膜面1016以波长626nm进行光线追迹的清晰度模拟图。
图12B-2为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」装置类眼光学系统后，在类视网膜面1016以波长520nm进行光线追迹的清晰度模拟图。
图12B-3为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」装置类眼光学系统后，在类视网膜面1016以波长454nm进行光线追迹的清晰度模拟图。
图13A为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面+Y方向的相对照度图。
图13B为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面-X方向的相对照度图。
图13C为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面+X方向的相对照度图。
图14A为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面+Y方向的光学畸变量。
图14B为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面-X方向的光学畸变量。
图14C为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面+X方向的光学畸变量。
图14D为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」装置类眼光学系统后，在类视网膜上以波长520nm进行光线追迹的影像畸变模拟图。
图15A为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面的切向影像清晰度的公差分析图。
图15B为本发明实施例「场曲型虚像显示系统10000」在虚像共轭面的径向影像清晰度的公差分析图。
附图标记
1000、2000、3000、5000、6000、7000、10000：系统；100、200、300、500、600、700：投影镜组；101、302、502、1001、1018、1019、1020、1021、1022：影像源；103、106、203、206、606、704、706、1003、1004：成像群组；106-1～106-3：成像系统平面；104、107、109、109-1～109-3、204、303、513’、522、523、605、608、1009、1010：光轴；105、205、705：实像；105’、201、1008：物平面；P1～P3：共交点；108、108-1～108-3、207、607、707：虚像面；110、209、1013：出瞳；111：眼；112、513、1011：眼光轴；113～115：主光线；116、207’、301’、501’：被观测面；113’～115’：反射主光线；202、1002：背焦棱镜(组)；1014：直角棱镜；208、1006：光瞳；210、526、604：顶点；301、501、521：区域面；503、1005：前群镜组；504、703、1007：后群镜组；505：部分反射部分透射面；506：抗反射面；507、515、518、524：中心；510：虚像面中心；511：虚像可显示区域中心；514：前群有效区；517：后群有效区；520：第二群组有效区；509、512、516、519、525：偏移量；527：夹角；701：圆对称镜；901～903、902’：曲率半径；L1、L3、L8：非球面镜；L2、L4～L6：球面镜；L7、702：环形面镜；L9：影像结合器；S7a、S7b、S9a、S9b：表面；1015：类眼光学系统；1016；类视网膜。
具体实施方式
由图1A、图1B-1、图1B-2和图1B-3可观察到具有高放大倍率的虚像光轴109无法与眼光轴112具有共轴的情形，若能设计系统所成的虚像位于图1A所示的被观测面116，即能提升画面清晰度并改善虚像两侧光程差所造成的畸变。本发明提出第一个观点是形成一具有适当凹面型态场曲的虚像面，使此虚像面的一部分区域在位置上能够适配于图1A所示的被观测面116，利用上述特性作为系统优化的基础原理。
光学摄像系统在像平面发生桶形畸变(Barrel distortion)的情形是常见的，特别是超广角镜或鱼眼镜，这种情况表示摄影镜头的成像面形成凸面型态场曲。将具有这种特性的摄像系统导入实像投影镜头的应用时其效果正好相反，当平面影像源被投射于有限远处的屏幕上发生枕形畸变(Pincushion distortion)，也就是说投影的像形成凹面型态的场曲；而虚像投影系统可利用上述特性来形成具有凹面型态场曲的虚像面。
图2A表示一场曲型虚像投影系统2000，该系统2000适用于投影镜组200。投影镜组200包含：一物平面201、一背焦棱镜(组)202、一第一成像群组203、一第二成像群组206，其中第二成像群组206为一具有部分反射部分透射功能的凹面镜，在系统2000中作为影像结合器使用。系统2000利用第一成像群组203将物平面201成像出具有凹面型态场曲的实像205，并使实像205位于第二成像群组206的焦距内，实像205透过第二成像群组203在远方成像一放大正立虚像面207，其中，虚像面207的场曲特性与实像205可同样具有凹面型态场曲。图2B将图2A模型化以表现出立体效果，为了方便说明，本实施例虚像面207的场曲型态被设计为具有球面特性，但本发明在应用上不限于具有球面特性的场曲型态。上述球面型态场曲的曲率中心位于投影镜组200的出瞳209位置；出瞳209被定义为人眼的入瞳，球面上任意顶点所形成的切平面其通过顶点的法线皆通过出瞳209中心。Z轴与投影镜组200的光轴204共轴，X轴表示画面弧矢方向且Y轴表示画面子午(Meridional)方向，弧矢方向有效视场角为±60°且子午方向有效视场角为±29°；如图2C所示，本实施例以虚像面207与光轴204的交点为场曲面顶点210，并且建立一个通过上述顶点210的切平面作为影像被观测面207’，而被观测面207’的大小必须能够涵盖上述有效视场角范围，此时被观测面207’中心法线与投影镜组光轴(Z轴)共轴。图2D显示被观测面207’的畸变画面。由图2A、图2B、图2C以及图2D可说明：当虚像投影系统的成像面具有凹面型态场曲虚像面，则其画面发生枕形畸变。
如图3A所示，场曲型虚像投影系统3000将一有效面积小于物平面的影像源302放置于投影镜组200的物平面部分区域所形成，该系统3000适用于投影镜组300，投影镜组300与投影镜组200具有相同光轴204。投影镜组300只成像出小于虚像面207的虚像区域面301，其中区域面301具有光轴303。在此实施例中，影像源302的面积与位置被设定为使虚像区域面301的光轴303与虚像面207的光轴204共轴，并且具有弧矢方向±15°的有效视场角范围及子午方向约±8.37°的有效视场角范围。图3B将图3A模型化以表现出立体效果；如图3C所示，在本实施例中该区域面301与光轴204的交点即为上例场曲型虚像投影系统2000的顶点210，同样可建立一个通过该顶点210的切平面作为影像被观测面301’，而被观测面301’的大小必须能够涵盖上述有效视场角范围；此时被观测面301’中心法线与投影镜组300的光轴204(Z轴)共轴；图3D显示被观测面301’的画面畸变情形。由图3A、图3B、图3C以及图3D可说明：
1.在物平面201选择部分区域面积，就能够得到位于虚像面207上的虚像可显示区域。
2.虚像光轴303与投影镜组300光轴204共轴时，画面无梯形畸变。
3.选取凹面型态场曲虚像面207的部份区域进行投影时，相较于图2D其畸变量较小。
4.虚像光轴303与投影镜组300光轴204不具有夹角时，出瞳209位于投影镜组300的光路有效区中，因此无法避免与穿戴者头部发生干涉。
为使投影镜组200与虚像光轴具有夹角以达到侧向投影的目的，可利用调整影像源在物平面上所占区域位置使影像源中心与物平面中心具有偏移量来达成，进行上述调整相当于在虚像面207上选取不同于区域面301的其他区域面，且该区域面中心与光轴204具有偏移量。如图4A所示，将图2A中投影镜组200的光轴204以出瞳209为中心对Y轴旋转45°后形成光轴513’并通过另一虚像区域面501中心，并依虚像区域面501与光轴513’交点作为顶点526定义出如图4B所示的被观测面501’，由于虚像面具有球面型态场曲，且球面曲率中心位于出瞳209，故此时被观测面501’光轴513’与光轴204具有45°夹角。
如图5A所示，将一有效面积小于物平面的影像源502放置于图2A中投影镜组200的物平面部分区域可形成一场曲型虚像投影系统5000，系统5000适用于投影镜组500，投影镜组500与投影镜组200具有相同光轴204，此时投影镜组500只成像出较小于虚像面207的虚像区域面501，其中区域面501具有光轴513’。在此实施例中，影像源502的面积与位置被设定为使光轴513’与虚像面207弧矢方向+45°的视场角共轴，并且具有弧矢方向+30°至+60°的有效视场角范围及子午方向约±8.37°的有效视场角范围。图5B将图5A模型化以表现出立体效果；如图5C所示，以上述两者交点为顶点可建立一个切平面作为影像被观测面501’，而被观测面501’的大小必须能够涵盖上述有效视场角范围；此时被观测面501’中心法线与区域面501光轴513’共轴且投影镜组500光轴204与区域面501光轴513’具有45°夹角；本实施例定义眼光轴513共轴于光轴513’，用以表示人眼正向观察区域面501。图5D显示被观测面501’的画面畸变情形，如图所示，全画面纵向线条皆呈弯曲，弯曲方向皆相同但具有不同曲率，这种畸变型态在本发明「场曲型虚像投影系统」中称为「弧矢月形畸变」。图5A、图5B、图5C以及图5D可说明：
1.在物平面201选择偏离物平面中心的有效区域位置中心，就能够得到一个位于虚像面207上且偏离虚像面中心510的虚像可显示区域中心511。
2.虚像光轴513’与投影镜组500光轴204具有45°夹角时，出瞳209不位于投影镜组500的光路有效区中，足够避免与穿戴者头部发生干涉，且画面无梯形畸变。
3.选取凹面型态场曲虚像面的部份区域进行投影时，相较于图2D其畸变量变小。
4.光轴513’与光轴204不共轴时，画面发生月形畸变，且画面弯曲程度随离轴程度递增。
观察图5A可发现被观测面501’与图1A所示的被观测面116方位非常接近，并可达成：消除虚像两侧光程差、虚像光轴与眼光轴共轴、以及投影系统光路与通过虚像中心的主光线间具有足够夹角等重要特性。此外全系统所有光学面皆共轴，却可达到离轴设计的侧像投影效果，其离轴特征来自各元件有效区的分布。
综合上述概念，可以得知一场曲型虚像显示系统必须具有能够将物平面成像为一具有凹面型态场曲虚像面的投影镜组，并且将影像源装置于投影镜组物平面的部分区域中。
请同时参考图5A与图5E，本发明的场曲型虚像显示系统5000适用于投影镜组500，投影镜组500包含：影像源502位于投影镜组500的一物平面201的部分区域；第一成像群组203具有一前群镜组503与一后群镜组504；以及第二成像群组206具有部分反射部分透射面505以及抗反射面506，且第二成像群组206在场曲型虚像显示系统5000中作为影像结合器使用。
其中，物平面光轴共轴于第一成像群组203光轴且共轴于光轴522，第二成像群组206的光轴共轴于光轴523，在本实施例中光轴522与光轴523皆共轴于系统5000的光轴204；物平面201透过第一成像群组203形成具有场曲的实像面205，实像面205透过第二成像群组206形成具有凹面型态场曲的虚像面207
影像源502位于物平面201的部份区域，使实像面205仅发生实像区域面521，因此虚像面207也仅有虚像区域面501可被显示；影像源502所在的部份区域中心508与物平面中心507具有物偏移量509，使虚像可显示区域中心511与虚像面中心510同时产生像偏移量512；由虚像面的场曲特性，使系统5000所发生的一虚像有效区域光轴513’与眼光轴513共轴的同时能够与光轴204具有一夹角527；利用上述特性可使系统5000显示正确的画面，同时可避免当眼光轴513与虚像光轴513’共轴时投影镜组500与头部组织发生干涉。
第一成像群组203包含光瞳208；影像源502、一背焦棱镜(组)202以及前群镜组503相对于光瞳208位于相同一侧；后群镜组504与第二成像群组206相对于光瞳208位于相同另一侧。依光线前进方向，影像源502以及前群镜组503位于光瞳208之前，后群镜组504与第二成像群组206位于光瞳208之后。
其中，前群有效区514其区域中心515与第一光轴204具有偏移量516并偏向影像源502所在侧，且前群镜组503中光学元件愈远离光瞳208的偏移量516愈大；后群有效区517其区域中心518与光轴204具有偏移量519并偏离影像源502所在侧，且后群镜组504中光学元件愈远离光瞳208的偏移量519愈大；第二群组有效区520其区域中心524与光轴204具有偏移量525并偏离影像源502所在侧；光学元件无效区应尽可能被切除以避免发生干涉情形也可减少体积和重量。
由虚像显示系统5000可说明本发明「场曲型虚像显示系统」具有以下特征：
1.「场曲型虚像显示系统」由虚像投影镜组构成，且其成像面为具有凹面型态场曲的虚像面。
2.如图5E所示，虚像显示系统5000适用于投影镜组500，投影镜组500包含一影像源502、一背焦棱镜(组)202、一第一成像群组203、一第二成像群组206，其中第一成像群组203包含一前群镜组503、第一光瞳208和一后群镜组504，其中第二成像群组206是一个具有部分反射部分透射功能的光学元件并作为影像结合器使用。
3.第一成像群组203必须能够成一实像205，此一实像205位于第二成像群组206的焦距内使系统发生虚像。
4.如图5E所示，影像源502位于虚像投影系统的物平面201的部份区域，影像源502所在区域中心相对于投影镜组200的光轴204具有弧矢或子午偏移量，若其偏移量为弧矢方向，则投影画面法线保持在弧矢面(Sagittal plane)上旋转，造成虚像光轴与投影镜组光轴皆位于弧矢面上，且上述两者具有夹角，此状态在本发明「场曲型虚像投影系统」中称为弧矢侧向投影；若其偏移量为子午方向，则投影画面法线保持在子午面上旋转，造成虚像光轴与投影镜组光轴皆位于子午面(Meridional plane)上，且上述两者具有夹角，此状态在本发明「场曲型虚像投影系统」中称为子午侧向投影；影像源502所占物平面的区域比例与侧向投影画面可视角范围相关；影像源502所在的区域中心偏移量与虚像光轴513’及投影镜组200的光轴204夹角相关。
5.如图5E所示，投影镜组200所包含的光学元件除光瞳208之外，其余元件的有效区中心均各自具有偏移量。位于光瞳208前方的光学元件有效区偏移方向与影像源偏移方向相同，且越远离光瞳208的元件其有效区偏移量越大；位于光瞳208后方的光学元件有效区偏移方向与影像源偏移方向相反，且越远离光瞳208的元件其有效区偏移量越大。因元件有效区偏移量而发生的元件无效区应尽可能被切除，用以避免发生干涉并减少体积和重量。
6.如第四特征所述，当弧矢侧向投影状态成立时，投影画面纵向线条发生弯曲，此状态在本发明「场曲型虚像投影系统」中称为「弧矢月形畸变」；当子午侧向投影状态成立时，投影画面的横向线条发生弯曲，此状态在本发明「场曲型虚像投影系统」中称为「子午月形畸变」。
本发明提出第二个观点是调整「场曲型虚像投影系统」的投影镜组中第二成像群组的位置和角度，使第二光轴与第一光轴两者不共轴，用以改变场曲型虚像显示系统的场曲特性。如图6A所示，第二成像群组206以部分反射部分透射面的顶点604为中心在弧矢方向旋转3°后系统具有新的投影镜组600，其中包含第二成像群组606且该第二成像群组606具有光轴605，此时出瞳位置平移14.5mm，并产生具有光轴608的另一虚像面607，虚像面607为虚像面207曲率中心平移至新的出瞳位置后，以其为中心旋转13.6°。图6B将图6A模型化以表现出立体效果，观察图6B可理解到，被观测面501’的成像结果将对应虚像面607而有不同的呈现，这种效应提供了调整虚像面的机制也使系统优化的自由度变得更多。
本发明提出第三个观点是导入环形面在「场曲型虚像投影系统」中第二成像群组的部分反射部分透射面，并且系统在第一成像群组中的后群镜组中导入至少一环形面，使之与该具有环形面的第二成像群组作为搭配，以能够使「场曲型虚像显示系统」的场曲面具有弧矢(Sagittal)/子午(Meridional)的非对称特性。
应用于光学元件面形的曲线方程式如下:
其中c≡曲率，r≡径向距离，k≡二次曲面系数，a4、a6、a8、a10、a12、a14为非球面系数，上述所有环形面若使用于弧矢侧向投影时，环形面在弧矢面上的曲线方程式可具有曲率半径、二次曲面系数以及非球面系数，而子午面上的曲线方程式只具有曲率半径；若使用于子午侧向投影时，环形面在子午面上的曲线方程式可具有曲率半径、二次曲面系数以及非球面系数，而弧矢面上的曲线方程式只具有曲率半径。请参考图7A，将投影镜组200后群镜组中的一圆对称镜701置换为一环形面镜702，并将投影镜组200第二成像群组206置换成部分反射部分透射面为环形面的第二成像群组706，则系统具有新的投影镜组700，其中包含：后群镜组703、第一成像群组704、实像705以及虚像面707。图7B将图7A模型化以表现出立体效果，观察图7B可比较虚像面207和虚像面707在弧矢(Sagittal)/子午(Meridional)对称与非对称性的差异，这种非对称效果在优化「场曲型虚像显示系统」的图像畸变以及影像全域清晰度时有非常好的效果。本发明提出第四个观点是当「场曲型虚像显示系统」具有足够大的背焦棱镜(组)时，可同时因应反射式、穿透式以及自发光式影像源的导入。以目前的技术而言，反射式影像源以数字微镜装置(DMD)和硅基液晶(LCOS)为主；穿透式影像源以液晶显示器(LCD)为主；自发光影像源以有机发光二极管(OLED)、微型发光二极管阵列(mLED)等。
虚像显示器属于投影系统的范畴，利用使系统投射出虚像的方式，将人眼光学系统包含在成像系统中，则整个光学系统以影像源作为物面而视网膜作为像面。一般投影系统可区分为照明系统与成像系统，「场曲型虚像显示系统」与人眼光学系统两者组合后成为投影系统中的成像系统；而照明系统则为影像源提供光源，对系统效率和画面均匀性影响甚巨，对于各种不同种类的影像源，需要个别规格的照明系统才能发挥系统最好的效果。反射式影像源主要为数字微镜装置(Digital Micromirror Device,DMD)和硅基液晶(LiquidCrystal on Silicon,LCOS)两类，具有开口率、解析度和光学利用效率的优势。图8A和图8B示意数字微镜装置的光线操作模式，图8C和图8D示意硅基液晶的光线操作模式，由上述操作模式可知系统具有足够大的背焦棱镜(组)时必能够同时满足上述两种影像源的照明系统需求。
需要补充说明的是：当「场曲型虚像显示系统」必须同时能够导入反射式影像源、穿透式影像源以及自发光影像源时，才有设计背焦棱镜(组)在系统内的必要，是否有背焦棱镜(组)对「场曲型虚像显示系统」本身并没有影响。若系统确定只采用穿透式或自发光影像源，诸如：LCD、OLED、mLED等…可不须导入背焦棱镜(组)于该系统。
本发明提出第五个观点是利用调整影像源电子讯号做前期畸变来改善本发明第一观点的第六特征所提到画面线条弯曲的现象，系统所发生画面线条弯曲的现象须利用调整影像源电子讯号做前期畸变来改善其弧矢月形畸变或子午月形畸变，调整影像源电子讯号方法为控制画面中间直线的曲率半径使其成为无穷大。观察图5D可发现画面略呈弧矢月形畸变，请参考图9A，将其左边界、中央以及右边界三个因畸变而发生弯曲的线条分别以901、902以及903来表示其曲率半径的绝对值，观察图9A可知曲率半径901>902>903，透过调整影像源电子讯号使通过虚像画面的中心的曲率半径绝对值902成为无穷大即可改善月形畸变。如图图9B-1和图9B-2所示，利用讯号调整使画面每一横列上所有画素一起作平移，当曲率半径902被调整为无穷大时为曲率半径902’，使位于中央的曲线成为直线状态时，可达到左边界弯曲方向反转且右边界弯曲程度减少的结果，如此画面呈现几何对称。相较于发生梯形畸变的系统，上述调整方式能大幅度减少画素的耗损而改善影像失真的问题。
本发明提出第六个观点是使「场曲型虚像投影系统」的投影镜组中的第二成像群组可具有或不具有度数，用以配合具有健康视力者、近视者以及远视者观察外界环境时的所需。请参考图5A，系统5000中的第二成像群组206具有部分反射部分透射面505与抗反射面506，使上述两个表面具有面形差异时即可使第二成像群组206具有度数。
本发明提出第七个观点是调整使「场曲型虚像投影系统」的背焦空气间隙使不论具有健康视力者、近视者或远视者皆能观察到清晰的系统虚像。
本发明提出场曲型虚像显示系统10000作为实施例，如图10A所示，场曲型虚像显示系统10000包含一物平面1008、一影像源1001位于物平面1008的部分区域、一背焦棱镜(组)1002、第一成像群组1003以及第二成像群组1004。第一成像群组1003中包含前群镜组1005、光瞳1006和后群镜组1007；依光线前进方向，位于前群镜组1005的元件依序为非球面镜L1、球面镜L2和非球面镜L3；位于后群镜组1007的元件依序为球面镜L4、球面镜L5、球面镜L6、环形面镜L7和非球面镜L8，其中环形面镜L7包含一光入射表面S7a以及光出射表面S7b；光瞳1006位于前群镜组1005和后群镜组1007之间。第一成像群组1003共轴于第一光轴1009；第二成像群组1004包含一个环形面镜L9具有不同于第一光轴1009的第二光轴1010，环形面镜L9包含朝向人眼的表面S9a以及朝向外界环境的表面S9b，其中表面S9a具有部份反射部分透射功能，属于虚像成像系统的一部分；而表面S9b具有抗反射功能，不属于虚像成像系统的一部分。环形面镜L9在系统10000中作为影像结合器(Combiner)，系统10000的出瞳1013与环形面镜L9之间具有26mm的适眼距(Eye relief)，出瞳1013具有5mm最大有效直径并与人眼瞳孔重叠，且具有不同于第一光轴1009和第二光轴1010的眼光轴1011。
依据本发明的第一观点，如图10A所示，成像系统物平面1008通过第一成像群组1003成一实像1012位于第二成像群组1004的焦距内，使系统产生一具有凹面形态场曲的虚像面，影像源1001面积位于物平面1008的一部份区域内，故虚像画面也位于具有凹面形态场曲的虚像面的一部份区域内。在图10A中X轴表示系统弧矢方向，Y轴表示系统子午方向，依据本发明的第一观点的第四特征，由影像源1001中心与物平面1008中心的偏移量，可知本实施例属于弧矢侧向投影，并使第一光轴1009与眼光轴1011具有一夹角，在本实施例中上述夹角为46.3°。
依据本发明的第二观点，如图10A所示，第二光轴1010相对于第一光轴1009在弧矢面发生位移与旋转。
依据本发明的第三观点，如图10A所示，第二成像群组1004的反射表面S9a为环形面；此外后群镜组1007中的环形面镜L7其表面S7a和表面S7b也属环形面。
依据本发明的第四观点，位于系统背焦的材料具有足够厚度用以因应反射式影像源的导入。将图10A的背焦材料建立为直角棱镜，如图10B所示，通过直角棱镜1014使场曲型虚像显示系统10000的光路转折90°后，可观察到所有光线确实足以通过直角棱镜1014。如图10C所示，依本发明第一观点的第五特征，将元件无效区切除。图10D表示本实施例使用数字微镜装置(DMD)作为影像源1018时的一种具体实施方式。图10E表示本实施例使用硅基液晶(LCOS)作为影像源1019时的其中一种具体实施方式。图10F表示本实施例使用液晶显示器(LCD)作为影像源1020时的其中一种具体实施方式。图10G表示本实施例使用有机发光二极管(OLED)和微型发光二极管阵列(mLED)作为影像源1021、1022时的其中一种具体实施方式。在「场曲型虚像显示系统」中，背焦长度以及材料可随系统需求可以有不同的设计值，包含其他参数如视场角、第一成像群组与眼光轴夹角和适眼距等皆具有灵活调整的空间。
以真实光线追迹进行光学模拟以验证场曲型虚像显示系统10000是必要的，但由于虚像无法以屏幕承接，要进行真实光线追迹必须先设计能够模拟人眼功能的类眼光学系统，并以类眼光学系统中的类式网膜来承接虚像。如图10H所示，首先定义眼光轴朝向正Z轴，因考虑到出瞳必须与眼共轴，所以调整场曲型虚像显示系统10000使其旋转及位移直至出瞳与Z轴共轴，接下来如图10I所示，导入类眼光学系统1015于场曲型虚像显示系统10000，并使前者入瞳与后者出瞳的位置重叠。模型建立完成后以影像源作为模拟系统发光源进行光线追迹得到类视网膜1016(E12)表面的光线分布如图10J所示，人眼观察到的画面呈现弧矢月形畸变。依据本发明第一观点的第四特征，本实施例属于弧矢侧向投影；依据本发明的第一观点的第六特征，本实施例通过影像源产生的虚像呈现弧矢月形畸变，画面纵向线条发生弯曲；依据本发明第五观点，上述弧矢月形畸变可利用电子讯号作前期畸变，使画面中心纵向线条的曲率半径成为无限大来改善全画面的畸变情形。
依据本发明的第六观点，表面S9b的面形搭配表面S9a设计可使环形面镜L9具有或不具有度数，用以配合具有健康视力者、近视者以及远视者观察外界环境时所需。
依据本发明的第七观点，调整影像源1001到非球面镜L1之间的空气间隙使不论具有健康视力者、近视者以及远视者皆能观察到清晰的系统虚像。
本实施例场曲型虚像显示系统1000自虚像面至影像源各元件参数及详细布局方式如表一所示；上述类眼光学系统自虚像面至类视网膜1016(E12)各元件参数及详细布局方式如表二所示。
表一
表一(续)
表二
上述实施例已包含发明内容提出的所有观点和特征，以下提供各式图样及分析数据作为场曲型虚像显示系统10000效能的佐证。
当本实施例搭配液晶显示器、有机发光二极管或微型发光二极管阵列等影像源时整体系统具有较小体积，图11A显示本实施例搭配有机发光二极管且穿戴于标准尺寸头部模型时的情形；当本实施例搭配数字微镜装置或硅基液晶等影像源时整体系统具有较大体积，图11B显示本实施例搭配数字微镜装置且佩戴于标准尺寸头部模型时的情形；观察图11A和图11B可知装置除了与头部组织不会发生干涉外，第一成像群组也可避开人眼侧向视野达到80°角。如图11C所示，为了使视野在更广阔的范围内不会遭遇镜片边缘造成的视觉阻碍，影像结合器可放大尺寸直到至少涵盖弧矢视角±60°以及子午视角±45°，此时虚像画面来自影像结合器部份区域，而眼光轴1101同时通过虚像与外界环境视野中心。
图12A以调制转换函数(Modulation Transfer Function,MTF)来显示画面中心、画面50％场域以及画面边缘的清晰度，调制转换函数线对设定为93lp/mm，换算影像源画素尺寸为5.4微米，画面解析度为720P。此外，本发明为慎重起见在全画面区域平均分布的位置取样121个取样点进行三波长的真实光线追迹，如图12B-1、图12B-2和图12B-3在类视网膜1016(E12)的成像模拟，其中三波长分别为626nm、520nm以及454nm，每个取样点追迹8百万条光线，模拟平均误差为3.8％，从上述模拟可观察到全域三色解析度可接受，同时也可观察到色差最大值约为3微米，位于454nm画面右侧。
相对照度显示于图13A、图13B和图13C，分别表示画面自中心至+Y、-X和+X三个方向的亮度递减程度，其中X轴代表画面弧矢方向且Y轴代表画面子午方向，由于在本实施例中+Y和-Y方向是对称的故省略-Y方向的相对照度图，观察图13B可知画面亮度朝-X方向递减最多，但在-100％场域仍高于80％，此外前述本发明第五观点时曾提及图10I在类视网膜E12的照度分布模拟，其模拟结果也可做为画面均匀度的参考。
畸变度显示于图14A、图14B和图14C，分别表示画面自中心至+Y、-X和+X三个方向的畸变程度，其中X轴代表画面弧矢方向且Y轴代表画面子午方向，由于+Y和-Y方向是对称的故省略-Y方向的畸变图，观察图14A可知画面畸变朝+Y方向最为严重，在100％场域约为5％。而在显示系统中视讯畸变更为重要，由图14D在类视网膜E12的畸变模拟，可发现子午视讯畸变约为1.2％，弧矢视讯畸变约为2.3％，依据本发明第五观点在调整影像源电子讯号做前期畸变后，可在耗损约1％画素的情形下使画面最大视讯畸变降为1.2％以下。
由于本发明的第一成像群组所有元件共轴也与影像源所属的物平面共轴，故在生产良率上相较于前述先前技术应有较好的表现。表三说明本实施例进行公差分析时所设定的公差项目及范围：
表三
图15A和图15B为系统画面影像清晰度的良率与调制转换函数(MTF)的关系图，其中，纵座标为良率；横坐标为调制转换函数。图15A说明本实施例在人眼有效瞳孔直径达4mm时，以调制转换函数30％作为影像清晰度优劣区分基准，切向影像品质良率约99％；图15B说明本实施例在人眼有效瞳孔直径达4mm时，以调制转换函数30％作为影像清晰度优劣区分基准，径向影像品质良率约86％。
照明系统对投影系统效率影响甚巨，以本实施例搭配数字微镜装置时的照明系统的效率模拟可为佐证，自LED光源至数字微镜装置的各元件参数及详细布局方式如表四所示：
表四
上例以三色LED作为光源，分别为波长626nm的红光LED、波长520nm的绿光LED和波长454nm的蓝光LED，以上三个LED发光面必须共同属于1.609mm×1.094mm面积范围的平面内，也就是说三个LED属于同一封装。效率模拟结果如表五所示：
表五
类视网膜1016(E12)可得26.57％的几何光效率，此外需考虑到实际上光线前进时遭遇各个介面必然发生不同程度的光通量衰减，如表三所示，因此当三色LED所组成的光源总输出光通量为1流明，且影像结合器的反射面具有约4％反射率时，最终抵达类视网膜E12光通量为0.0061流明，其中影像结合器反射面的约4％反射率是由影像结合器材料介面本身产生的反射率，若需增减此反射率可由光学镀膜来达成。由前述图10H所示，类眼光学系统1015与本实施例组合而成的实像成像系统具有一放大倍率，故可依此放大倍率与影像源尺寸求出在类视网膜1016(E12)上的实像面积；此外由类眼光学系统1015的入瞳尺寸与有效焦距可求出光束成像于类视网膜1016(E12)的立体角。由辉度定义L≡φ/(A·Ω)，其中L≡辉度，φ≡光通量，A≡光分布面积，Ω≡立体角，可得知类视网膜1016(E12)可看到辉度约8853尼特的虚像，当类眼光学系统1015被置换为真实人眼时也可观察到同样辉度。依此方式可推算出本实施例搭配各种影像源及其照明系统时的虚像辉度如表六所示：
表六
影像源 光源(1流明) 辉度(nit)
数字微镜装置(DMD) 3色LED同一封装 8853.0212
硅基液晶(LCOS) 3色LED同一封装 3884.4562
液晶显示(LCD) 背光板 243.4651
有机发光二极管(OLED) 自发光源 1485.1398
微型发光二极管数组(mLED) 自发光源 1485.1398
由表六可看出各种型态的影像源其光源也各自不同，在光源输出光通量固定为1流明的条件下，虚像辉度可有数倍甚至数十倍的差异。搭配数字微镜装置与硅上液晶的系统虽然体积较大，但光利用效率也相对较高，其中搭配硅基液晶的系统因必须使用偏振光导致50％以上的效率耗损。使用液晶显示器或具有自发光特性的有机发光二极管和微型光发二极体阵列，此三者虽然无需挂载式照明系统而体积较小，但由于发光角度太宽广导致光利用效率相对较低，其中采用背光模组的液晶显示器由于面板本身效率不彰的缘故，所以表现出最低的辉度。因此本发明在效率最高的组合下可使LED三色光源在总输出1流明，且影像结合器反射面无需镀膜的情形下，即可让使用者观察到辉度8853nit、弧矢视场角将近30°的画面，值得一提的是在白天使用的LED电视墙其辉度规格为大于5000nit。

Claims (10)

1.一种场曲型虚像显示系统，且该场曲型虚像显示系统适用于一投影镜组，其特征在于，该场曲型虚像显示系统包含：
一影像源，位于该投影镜组的一物平面的部分区域；
一第一成像群组，具有一前群镜组与一后群镜组；以及
一第二成像群组，具有一部分反射部分透射面以及一抗反射面，在该系统中作为一影像结合器使用；
其中，该物平面与该第一成像群组共轴于该系统的一第一光轴；该第二成像群组共轴于该系统的一第二光轴；该物平面透过该第一成像群组形成具有凹面型态场曲的一实像面；该实像面透过该第二成像群组形成具有凹面型态场曲的一虚像面；该影像源位于该物平面的部份区域，使该虚像面仅有部分区域可被显示；该影像源所在的部份区域中心与该物平面中心具有一物偏移量，使该虚像面的可显示的区域与该虚像面中心同时产生一像偏移量；由该虚像面的场曲特性，且该虚像面的可显示区域具有该像偏移量，使该系统所发生的一虚像光轴与该第一光轴具有一夹角；利用上述特性可使该系统显示正确的画面，同时可避免当人眼的一眼光轴与该虚像光轴共轴发生该投影镜组与一头部组织干涉。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该第一成像群组包含：
一前群镜组、一光瞳以及一后群镜组；
其中，该影像源以及该前群镜组相对于该光瞳位于相同一侧；该后群镜组与该第二成像群组相对于该光瞳为相同另一侧；依光线前进方向该影像源以及该前群镜组位于光瞳之前，该后群镜组与该第二成像群组位于光瞳之后；
其中，第一成像群组所包含的光学元件除光瞳之外，其余元件的有效区中心均各自具有偏移量；位于光瞳之前的光学元件有效区偏移方向与影像源偏移方向相同，且越远离光瞳的元件其有效区偏移量越大；位于光瞳之后的光学元件有效区偏移方向与影像源偏移方向相反，且越远离光瞳的元件其有效区偏移量越大；因元件有效区偏移量而发生的元件无效区可被切除，用以避免发生干涉并减少体积和重量。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该部份反射部份透射面可利用平移与旋转该第二光轴，以进行优化影像品质。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一成像群组的该后群镜组中具有至少一个一第一环形面，且该第二成像群组中该部份反射部份透射面必为一第二环形面。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该投影镜组具有足够厚度的背焦棱镜(组)时可以容纳反射式、穿透式以及自发光式影像源的照明系统。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，该系统可搭载一数字微镜装置及其照明系统、一硅基液晶及其照明系统、或一液晶显示器及其照明系统、或一有机发光二极管、或一微型发光二极管阵列。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，画面发生线条弯曲的月形畸变，可调整影像源电子讯号做前期畸变来改善其弧矢月形畸变或子午月形畸变。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，调整影像源电子讯号方法为控制画面中间纵向线条的曲率半径使其为无穷大来调整弧矢月形畸变；或控制画面中间横向线条的曲率半径使其为无穷大来调整子午月形畸变。
9.如权利要求1项所述的系统，其特征在于，该第二成像群组包含：
一部分反射部分透射面以及一抗反射面；
其中，抗反射面的面形搭配部分反射部分透射面的面形设计，可使该第二成像群组具有或不具有度数，用以配合具有健康视力者、近视者以及远视者观察外界环境时所需。
10.如权利要求1项所述的系统，其特征在于，调整影像源到第一成像群组之间的空气间隙可使不论具有健康视力者、近视者以及远视者皆能观察到清晰的系统虚像。
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