CN110244459A - 增强现实装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强现实装置,包括至少一光学模块。此至少一光学模块的每一者由显示侧至目侧依序包括透明显示器、第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜具有负屈光度。第二透镜具有负屈光度。第三透镜具有正屈光度。光学模块中具有屈光度的透镜的数量为三片,其中光学模块的透明显示器用以发出光束,且光束依序经由第一透镜、第二透镜以及第三透镜射入位于目侧的使用者的眼睛,以使眼睛观看到位于显示侧的增强现实虚像。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学装置,且特别是有关于一种增强现实装置。
背景技术
近眼显示装置,例如虚拟现实、增强现实或混合实境等装置为未来显示装置的使用趋势之一。由于目前的近眼显示装置大多采用非直视型的系统,例如使用分光镜、波导片或反射镜将显示信息投射至使用者的眼睛,使得近眼显示装置的光学系统效率低于35%。因此,非直视型的近眼显示装置耗电量过高而不利于长时间配戴使用。再者,若使用直视型的近眼显示装置,并要求可视视角大于70度,其近眼显示装置的系统厚度会大于100毫米。因此,直视型的近眼显示装置有体积过大的问题。
此外,目前的近眼显示装置的可视距离(即使用者的眼睛与光学系统的距离)皆小于50毫米。可视距离小于50毫米对使用者而言无法有舒适的观看感。而且,目前的增强现实装置都必须搭配特定的载具。因此,使用者无法依喜好而使用不同的载具。再者,目前的增强现实装置都有遮蔽使用者视野的问题。因此,若将增强现实装置利用在行车导航上,则有行车安全的隐忧。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明目的在于提供一种增强现实装置,其具有效率高的光学系统,且可进一步降低遮蔽使用者视野的问题。
具体地说,本发明的一实施例的增强现实装置包括至少一光学模块。至少一光学模块的每一者由显示侧至目侧依序包括透明显示器、第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜具有负屈光度。第二透镜具有负屈光度,其中第二透镜的目侧面以及显示侧面的至少其中之一于近光轴处为凹面或同等于凹面光学效果的结构,且第二透镜的目侧面以及显示侧面的至少其中之一为非球面。第三透镜具有正屈光度,其中第三透镜的目侧面以及显示侧面的至少其中之一于近光轴处为凸面或同等于凸面光学效果的结构,且第三透镜的目侧面以及显示侧面的至少其中之一为非球面。至少一光学模块的每一者中具有屈光度的透镜的数量为三片,其中至少一光学模块的透明显示器用以发出光束,且光束依序经由第一透镜、第二透镜以及第三透镜射入位于目侧的使用者的眼睛,以使眼睛观看到位于显示侧的增强现实虚像。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块的所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜为菲涅耳透镜、具有连续曲面的透镜、柱状透镜或其组合。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块的所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜其中两者为菲涅耳透镜,且另一者为具有连续曲面的透镜。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块满足以下条件:-0.5<f3/f1<-2.5,-0.5<f3/f2<-2.5,及0.65<f1/f2<1.75,其中f1为所述第一透镜的焦距,f2为所述第二透镜的焦距,且f3为所述第三透镜的焦距。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块满足以下条件:0.6<D1/f3<1.7,其中D1为所述透明显示器的显示面至所述第三透镜的显示侧面的距离,且f3为所述第三透镜的焦距。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块满足以下条件:0.5<T1/f3<2.3,其中T1为所述透明显示器的显示面至所述第三透镜的目侧面的距离,且f3为所述第三透镜的焦距。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块为多个光学模块,且所述多个光学模块排列成阵列。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块具有可挠性。
在本发明的一实施例中,所述第一透镜的目侧面于近光轴处为凹面,且所述第一透镜的所述目侧面为非球面。
在本发明的一实施例中,所述第一至第三透镜的显示侧面为平面。
在本发明的一实施例中,所述至少一光学模块为多个光学模块,所述多个光学模块的多个第一透镜所形成的第一组透镜、多个第二透镜所形成的第二组透镜及多个第三透镜所形成的第三组透镜中的至少其中一组透镜互相连接成一体成型的柱状菲涅耳透镜、互相连接成一体成型的柱状透镜、形成柱状透镜阵列、形成圆环状菲涅耳透镜阵列或形成具有连续曲面的透镜的阵列。
在本发明的一实施例中,所述第一组透镜、所述第二组透镜及所述第三组透镜中的至少其中一组透镜形成所述圆环状菲涅耳透镜阵列或形成所述具有连续曲面的透镜的阵列,且所述圆环状菲涅耳透镜阵列或所述具有连续曲面的透镜的阵列为线形阵列或面形阵列。
在本发明的一实施例中,所述柱状透镜阵列为线形阵列或面形阵列。
基于上述,由于本发明实施例的增强现实装置为直视型的设计,因此增强现实装置具有良好的光学系统效率。此外,至少一光学模块使用透明显示器,因此可进一步降低遮蔽使用者视野的问题。再者,由于本发明的实施例的光学模块采用上述的屈光度(折射率)与面形设计,因此可使背景影像清楚成像,并且增强现实虚像的像距可大于明视距离。
附图说明
图1A为依据本发明实施例的一种增强现实装置的示意图;
图1B为图1A的远视图;
图2为依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第一种示例;
图3为依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第二种示例;
图4为依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第三种示例;
图5为依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第四种示例;
图6为依据本发明实施例的增强现实装置的调制传递函数的曲线图;
图7A至图7C为依据本发明实施例的增强现实装置的系统光斑图;
图8A为依据本发明实施例的增强现实装置的场曲像差图;
图8B为依据本发明实施例的增强现实装置的畸变像差图。
符号说明:
100:增强现实光学装置;
101、101A、101B、101C、101D:光学模块;
102:显示侧;
103:目侧;
110:透明显示器;
115B、115C、115D:透明显示器组;
113:显示面;
120、120A、120B:第一透镜;
122、132、142:显示侧面;
123、133、143:目侧面;
125B、125C、125D:第一组透镜;
130、130A、130B:第二透镜;
135B、135C、135D:第二组透镜;
140、140A、140B、140C:第三透镜;
145B、145C、145D:第三组透镜;
150:增强现实虚像;
160:框架;
A:光轴;
C1、C2、C3、C4、C5、C6:曲线;
D1、D2、D3、D4、T1:距离;
E:眼睛;
LB:光束。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂,下文特举实施例,并配合说明书附图作详细说明如下。
图1A是依据本发明实施例的一种增强现实装置的示意图。图1B是图1A的远视图。请参照图1A与图1B,本实施例的增强现实装置100包括至少一光学模块101。至少一光学模块101的每一者由一显示侧102至一目侧103依序包括一透明显示器110、一第一透镜120、一第二透镜130以及一第三透镜140,其中目侧103是靠近使用者眼睛E的一侧,且显示侧102是靠近透明显示器110的一侧。
在本实施例中,第一透镜120具有负屈光度(折射率),其中第一透镜120的目侧面123于近光轴A处为凹面,且第一透镜120的目侧面123为非球面。第二透镜130具有负屈光度,其中第二透镜130的目侧面133以及显示侧面132的至少其中之一于近光轴A处为凹面或同等于凹面光学效果的结构(例如是用以使光发散的液晶透镜),且第二透镜130的目侧面133以及显示侧面132的至少其中之一为非球面。第三透镜140具有正屈光度,其中第三透镜140的目侧面143以及显示侧面142的至少其中之一于近光轴A处为凸面或同等于凸面光学效果的结构(例如是用以使光会聚的液晶透镜),且第三透镜140的目侧面143以及显示侧面142的至少其中之一为非球面。此至少一光学模块101的每一者中具有屈光度的透镜的数量为三片,其中光学模块101的透明显示器110用以发出光束LB,且光束LB依序经由第一透镜120、第二透镜130以及第三透镜140射入位于目侧103的使用者的眼睛E,以使眼睛E观看到位于显示侧102的增强现实虚像150。
在本实施例中,透明显示器110是指使用者可透过显示器同时看到显示器后的背景影像以及显示器的显示影像。也就是说,使用者可透过透明显示器110同时看到在增强现实装置100的显示侧102的背景影像以及增强现实虚像150。透明显示器110例如是有机发光二极管显示器、液晶显示器或其他适当的显示器,且透明显示器110的形式不限于如图中所绘示的7段显示器,其亦可以是一般具有矩形画素阵列的平面显示器而可以显示一整面的影像。
图2是依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第一种示例。图3是依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第二种示例。图4是依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第三种示例。图5是依据本发明实施例的增强现实装置的光学模块的第四种示例。
请参照图2至图5,举例来说,本发明实施例的光学模块101的第一透镜120、第二透镜130以及第三透镜140可为菲涅耳透镜(Fresnel lens)、具有连续曲面的透镜、柱状透镜或其组合。例如图2的光学模块101A的第一透镜120A、第二透镜130A以及第三透镜140A为具有圆对称的圆环状菲涅耳透镜。
在一实施例中,光学模块101的第一透镜120、第二透镜130以及第三透镜140其中两者为菲涅耳透镜,且另一者为具有连续曲面的透镜。例如在图3中的光学模块101B的第一透镜120B与第二透镜130B为柱状菲涅耳透镜,且第三透镜140B为柱状透镜。例如在图4中的光学模块101C的第一透镜120A与第二透镜130A为具有圆对称的圆环状菲涅耳透镜,且第三透镜140C为具有连续曲面的透镜。
再者,在本实施例中,至少一光学模块101为多个光学模块101,且这些光学模块101排列成阵列。举例来说,这些光学模块101的多个第一透镜120所形成的第一组透镜、多个第二透镜130所形成的第二组透镜及多个第三透镜140所形成的第三组透镜中的至少其中一组透镜可互相连接成一体成型的柱状菲涅耳透镜、互相连接成一体成型的柱状透镜、形成柱状透镜阵列、形成圆环状菲涅耳透镜阵列或形成具有连续曲面的透镜的阵列。而且,第一组透镜、第二组透镜及第三组透镜中的至少其中一组透镜形成圆环状菲涅耳透镜阵列或形成具有连续曲面的透镜的阵列,且圆环状菲涅耳透镜阵列或具有连续曲面的透镜的阵列为线形阵列或面形阵列。
例如图3的第一组透镜125B的多个第一透镜120B与第二组透镜135B的多个第二透镜130B分别互相连接成一体成型的柱状菲涅耳透镜,且第三组透镜145B的多个第三透镜140B互相连接成一体成型的柱状透镜或多个第三透镜140B连接成线形阵列的柱状透镜阵列。例如图4的第一组透镜125C的多个第一透镜120A与第二组透镜135C的多个第二透镜130A分别形成圆环状菲涅耳透镜阵列,且第三组透镜145C的多个第三透镜140C形成具有连续曲面的透镜的阵列。而且,第一组透镜125C、第二组透镜135C与第三组透镜145C为线形阵列。例如图5的至少一光学模块101D的第一组透镜125D的多个第一透镜120A、第二组透镜135D的多个第二透镜130A以及第三组透镜145D的多个第三透镜140A形成圆环状菲涅耳透镜阵列,且为面形阵列。
此外,上述图5的圆环状菲涅耳透镜阵列为2乘2阵列。但本发明不以此为限,图3、图4以及图5的透镜阵列也可为m乘n阵列,或是上述线形阵列与m乘n阵列的组合,其中m与n为正整数。例如图3中的第三组透镜145B可为m乘n阵列。也就是说,第三组透镜145B可为一体成型的柱状透镜或柱状透镜阵列,其中柱状透镜阵列可为线形阵列或面形阵列。当m=1且n=1时,第三组透镜145B为一体成型的柱状透镜。当m=1且n>1时,第三组透镜145B为线形阵列。当m>1时,第三组透镜145B为线形阵列,举例而言,多个柱状透镜的每一者沿着第一方向延伸,且这些柱状透镜沿着第二方向排列,且第一方向垂直于第二方向。当n>1且m>1时,第三组透镜145B为面形阵列。
再者,为了对应上述图3至图5的第一透镜组125B至125D、第二透镜组135B至135D以及第三透镜组145B至145D可为透镜阵列,图3至图5的至少一透明显示器110可为多个透明显示器110,其数量可相同于各个透镜组的数量而形成透明显示器阵列。例如图3与图4的透明显示器组115B与115C为线形透明显示器阵列,且图5的透明显示器组115D为2乘2面形透明显示器阵列。此外,由于至少一透明显示器110可为透明显示器阵列,使得眼睛E观看到位于显示侧102的至少一增强现实虚像150可为增强现实虚像阵列。因此,增强现实装置100可进一步增加显示信息的数量。
值得一提的是,在本实施例中,第一透镜120、第二透镜130以及第三透镜140的材质例如是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)或聚碳酸酯(polycarbonate,PC)。再者,可制作薄型化的第一透镜120、第二透镜130以及第三透镜140以使至少一光学模块101可具有可挠性。因此,增强现实装置100除了可适应各种载具的表面曲度而设置其表面上,也可增加显示的视野角度。
此外,为了便于使用本发明实施例的增强现实装置100,增强现实装置100可被设置于框架内,例如图3与图4的框架160。
基于上述,由于本发明实施例的增强现实装置为直视型的设计。因此增强现实装置具有良好的光学系统效率。此外,至少一光学模块使用透明显示器,因此可进一步降低遮蔽使用者视野的问题。再者,至少一光学模块的第一透镜、第二透镜以及第三透镜可为透镜阵列,且至少一光学模块的透明显示器可对应地为透明显示器阵列。因此,增强现实装置可进一步增加显示信息的数量。此外,增强现实装置的至少一光学模块可具有可挠性。因此,增强现实装置除了可适应各种载具的表面曲度而设置其表面上,也可增加显示的视野角度。
基于上述本发明实施例的增强现实光学装置100的说明,以下将详述本发明实施例的增强现实光学装置100的光学规格。
表一是依照本发明实施例的增强现实光学装置的各个光学元件的光学数据。请参照图1A、图1B与表一,光学元件之间的距离是以光线方向逆追迹(reversely tracking)为准则。也就是说,本发明实施例的增强现实光学装置100是以透明显示器110的显示面113发出光束LB。光束LB依序经由第一透镜120、第二透镜130以及第三透镜140射入位于目侧103的使用者的眼睛E,以使眼睛E观看到位于显示侧102的增强现实虚像150。然而,在表一中的距离是假设光线方向逆追迹:由在目侧103的使用者的眼睛E的位置发出平行成像光线,再依序经由第三透镜140、第二透镜130以及第一透镜120后在透明显示器110的显示面113聚焦成像。
表一:
首先,由表一的曲率半径的数值可知,本实施例的第一至第三透镜120至140的显示侧面122至142为平面,且第一透镜120及第二透镜130的目侧面123及133于近光轴A处为凹面以及第三透镜140的目侧面143于近光轴A处为凸面。其中,表一的曲率半径是指近光轴A处的曲率半径。
再者,表一的距离是以光学元件所在的那一面与下一列的光学元件所在的那一面的两者之间的距离,其单位为毫米(mm)。由于光学元件之间的距离是以光线方向逆追迹为准则,因此增强现实虚像150的下一个光学元件为使用者的眼睛E,且两者之间的距离D4为-500毫米。其余光学元件之间的距离依此类推,在此则不再赘述。
值得一提的是,本实施例的透明显示器110的显示面113与使用者的眼睛E之间的距离D2约95.8毫米。而且,增强现实虚像150与透明显示器110的显示面113之间的距离D3约404.2毫米。因此,增强现实虚像150为放大虚像,使得使用者可清楚看到显示信息。再者,由于本实施例的增强现实虚像150与透明显示器110的显示面113之间的距离D3大于250毫米,因此使用者可清楚看见透明显示器的显示信息且具有较舒适的观看感。
再者,本实施例的增强现实光学装置100的系统厚度:透明显示器110的显示面113至第三透镜140的目侧面143的距离T1约25.8毫米。因此,增强现实光学装置100具有薄型化的优点。
在本实施例中,光学模块101满足以下条件:
-0.5<f3/f1<-2.5,-0.5<f3/f2<-2.5,及0.65<f1/f2<1.75
其中f1为第一透镜120的焦距,f2为第二透镜130的焦距,且f3为第三透镜140的焦距。
在本实施例中,光学模块101满足以下条件:
0.6<D1/f3<1.7
其中距离D1为透明显示器110的显示面113至第三透镜140的显示侧面142的距离。
在本实施例中,光学模块101满足以下条件:
0.5<T1/f3<2.3。
附带一提,表一的半直径(Semi-Diameter)代表光线可通过各光学元件的区域。此外,机构半直径(Mech Semi-Dia)定义了机构用的边缘,其包括各光学元件在半直径之外的曲面的延伸。
表二:
表二是依照本发明实施例的增强现实光学装置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜的目侧面非球面系数。请参照表二,非球面多项式可用下列公式表示:
其中,x为光轴A方向的偏移量(sag),c’是密切球面(Osculating Sphere)的半径的倒数,也就是接近光轴A处的曲率半径的倒数,K是二次曲面系数,y是非球面高度,即为从透镜中心往透镜边缘的高度。A至H分别代表非球面多项式的各阶非球面系数。在本实施例中,目侧面123与目侧面133为菲涅耳表面,而表二中的非球面系数是用以描述菲涅耳表面中的每一个齿的有效折射面的面形,而不是用来描述相邻两个有效折射面之间的连接面的面形。此外,在本实施例中,目侧面143为连续曲面。
图6是依据本发明实施例的增强现实装置的调制传递函数(modulation transferfunction,MTF)的曲线图。图7A至图7C是依据本发明实施例的增强现实装置的系统光斑图。图8A是依据本发明实施例的增强现实装置的场曲像差图。图8B是依据本发明实施例的增强现实装置的畸变像差图。
请先参照图6,图6为本发明实施例的增强现实装置100的调制传递函数的曲线图,其中纵轴最大值为1,并代表光线可完全通过,且横轴为空间频率,单位为周期/毫米。曲线C1至C6分别代表在不同角度所量测到的曲线。例如实线曲线C2、C3与C5分别是子午(Meridonial)方向上0度、3.5度与7.0度的曲线,且虚线曲线C1、C4与C6分别是弧矢(Sagittal)方向上3.5度、7.0度与0度的曲线。实线曲线C2与虚线曲线C6为两个重合的曲线。此外,图6是以波长为550奈米的光来作模拟的。
请再参照图7A至图8B,图7A至图8B是以波长为550奈米的光来作模拟的,而图8A的虚曲线是对应弧矢方向的曲线,而实曲线是对应子午方向的曲线。图8A与图8B的纵轴是半视场角,单位为度。由图6至图8B可知,本发明实施例的增强现实装置100具有良好的光学质量。
综上所述,由于本发明实施例的增强现实装置为直视型的设计。因此增强现实装置具有良好的光学系统效率。此外,至少一光学模块使用透明显示器,因此可进一步降低遮蔽使用者视野的问题。再者,至少一光学模块的第一透镜、第二透镜以及第三透镜可为透镜阵列,且至少一光学模块的透明显示器可对应地为透明显示器阵列。因此,增强现实装置可进一步增加显示信息的数量。此外,增强现实装置的至少一光学模块可具有可挠性。因此,增强现实装置除了可适应各种载具的表面曲度而设置其表面上,也可增加显示的视野角度。
除此之外,本发明实施例的增强现实装置的透明显示器位在系统焦距内,使得增强现实装置所产生的增强现实虚像具有影像平面延伸的效果。因此,增强现实装置所投射的增强现实虚像不会影响使用者观看背景影像(可视为无穷远处的平行光)而更进一步降低遮蔽使用者视野的问题。而且,利用本发明实施例的增强现实装置所产生的增强现实虚像为放大虚像,因此使用者可清楚看到显示信息。再者,由于增强现实虚像与透明显示器之间的距离大于250毫米,因此使用者可清楚看见透明显示器的显示信息且具有较舒适的观看感。也就是说,本发明实施例的增强现实装置的光学模块使用三片菲涅耳透镜或两片菲涅耳透镜与一片具有连续曲面的透镜,使得背景影像可清楚成像,并且增强现实虚像与透明显示器之间的距离可大于人眼的明视距离。此外,本发明实施例的增强现实光学装置的系统厚度小于26毫米。因此,增强现实光学装置具有薄型化的优点。
虽然本发明以上述实施例公开,但具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明,任何本技术领域技术人员,在不脱离本发明的构思和范围内,作一些的变更和完善,故本发明的权利保护范围以权利要求书为准。
Claims (13)
1.一种增强现实装置,其特征在于,包括:
至少一光学模块,所述至少一光学模块的每一者由显示侧至目侧依序包括:
透明显示器;
第一透镜,具有负屈光度;
第二透镜,具有负屈光度,其中所述第二透镜的目侧面以及显示侧面的至少其中之一于近光轴处为凹面或同等于凹面光学效果的结构,且所述第二透镜的所述目侧面以及显示侧面的至少其中之一为非球面;以及
第三透镜,具有正屈光度,其中所述第三透镜的目侧面以及显示侧面的至少其中之一于近光轴处为凸面或同等于凸面光学效果的结构,且所述第三透镜的所述目侧面以及显示侧面的至少其中之一为非球面,所述至少一光学模块的每一者中具有屈光度的透镜的数量为三片,其中
所述至少一光学模块的所述透明显示器用以发出光束,且所述光束依序经由所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜射入位于所述目侧的使用者的眼睛,以使所述眼睛观看到位于所述显示侧的增强现实虚像。
2.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块的所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜为菲涅耳透镜、具有连续曲面的透镜、柱状透镜或其组合。
3.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块的所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜其中两者为菲涅耳透镜,且另一者为具有连续曲面的透镜。
4.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块满足以下条件:
-0.5<f3/f1<-2.5,-0.5<f3/f2<-2.5,及0.65<f1/f2<1.75
其中f1为所述第一透镜的焦距,f2为所述第二透镜的焦距,且f3为所述第三透镜的焦距。
5.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块满足以下条件:
0.6<D1/f3<1.7
其中D1为所述透明显示器的显示面至所述第三透镜的显示侧面的距离,且f3为所述第三透镜的焦距。
6.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块满足以下条件:
0.5<T1/f3<2.3
其中T1为所述透明显示器的显示面至所述第三透镜的目侧面的距离,且f3为所述第三透镜的焦距。
7.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块为多个光学模块,且所述多个光学模块排列成阵列。
8.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块具有可挠性。
9.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述第一透镜的目侧面于近光轴处为凹面,且所述第一透镜的所述目侧面为非球面。
10.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述第一至第三透镜的显示侧面为平面。
11.如权利要求1所述的增强现实装置,其特征在于,所述至少一光学模块为多个光学模块,所述多个光学模块的多个第一透镜所形成的第一组透镜、多个第二透镜所形成的第二组透镜及多个第三透镜所形成的第三组透镜中的至少其中一组透镜互相连接成一体成型的柱状菲涅耳透镜、互相连接成一体成型的柱状透镜、形成柱状透镜阵列、形成圆环状菲涅耳透镜阵列或形成具有连续曲面的透镜的阵列。
12.如权利要求11所述的增强现实装置,其特征在于,所述第一组透镜、所述第二组透镜及所述第三组透镜中的至少其中一组透镜形成所述圆环状菲涅耳透镜阵列或形成所述具有连续曲面的透镜的阵列,且所述圆环状菲涅耳透镜阵列或所述具有连续曲面的透镜的阵列为线形阵列或面形阵列。
13.如权利要求11所述的增强现实装置,其特征在于,所述柱状透镜阵列为线形阵列或面形阵列。
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Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105702171A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-06-22 | 京东方科技集团股份有限公司 | 显示装置及显示方法 |
TWI757732B (zh) | 2020-05-05 | 2022-03-11 | 大立光電股份有限公司 | 攝像用光學透鏡組、取像裝置及電子裝置 |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN2278227Y (zh) * | 1996-02-09 | 1998-04-08 | 财团法人工业技术研究院 | 小型照相机变焦镜头 |
JP2013109050A (ja) * | 2011-11-18 | 2013-06-06 | Showa Optronics Co Ltd | 接眼レンズ |
TW201326895A (zh) * | 2011-12-26 | 2013-07-01 | Lockheed Corp | 使用一或多個菲涅耳透鏡(fresnel lenses)之頭戴式顯示裝置 |
CN104536129A (zh) * | 2014-12-17 | 2015-04-22 | 青岛歌尔声学科技有限公司 | 一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备 |
CN105137590A (zh) * | 2015-09-28 | 2015-12-09 | 深圳纳德光学有限公司 | 大视场角目镜光学系统 |
CN106526851A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-03-22 | 玉晶光电(厦门)有限公司 | 目镜光学系统 |
US20170171533A1 (en) * | 2013-11-25 | 2017-06-15 | Tesseland Llc | Immersive compact display glasses |
US20170219828A1 (en) * | 2016-01-28 | 2017-08-03 | Coretronic Corporation | Head-mounted display |
US20170248769A1 (en) * | 2016-02-26 | 2017-08-31 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Aberration corrected optical system for near-eye displays |
CN107703620A (zh) * | 2016-08-08 | 2018-02-16 | 坦前科技股份有限公司 | 虚拟实境用的放大透镜组 |
Family Cites Families (43)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5829858A (en) * | 1997-02-18 | 1998-11-03 | Levis; Maurice E. | Projector system with light pipe optics |
US6731434B1 (en) * | 2001-05-23 | 2004-05-04 | University Of Central Florida | Compact lens assembly for the teleportal augmented reality system |
KR100910393B1 (ko) * | 2007-08-31 | 2009-08-04 | (주)쓰리디아이에스 | 넓은 시야각을 갖는 실감 영상 디스플레이 장치 |
US8269652B2 (en) | 2009-04-02 | 2012-09-18 | GM Global Technology Operations LLC | Vehicle-to-vehicle communicator on full-windshield head-up display |
US9632315B2 (en) * | 2010-10-21 | 2017-04-25 | Lockheed Martin Corporation | Head-mounted display apparatus employing one or more fresnel lenses |
US8872766B2 (en) | 2011-05-10 | 2014-10-28 | Raytheon Company | System and method for operating a helmet mounted display |
BR112014003888A2 (pt) * | 2011-08-19 | 2017-03-21 | Visual Physics Llc | sistema ótico opcionalmente transferível com uma espessura reduzida |
US9646522B2 (en) | 2012-06-29 | 2017-05-09 | Intel Corporation | Enhanced information delivery using a transparent display |
US9841537B2 (en) | 2012-07-02 | 2017-12-12 | Nvidia Corporation | Near-eye microlens array displays |
KR102028720B1 (ko) | 2012-07-10 | 2019-11-08 | 삼성전자주식회사 | 위험 요소에 대한 정보를 디스플레이하는 투명 디스플레이 장치 및 그 방법 |
KR101365978B1 (ko) | 2012-09-10 | 2014-02-24 | 한국과학기술연구원 | 헤드 마운티드 디스플레이 및 이를 이용한 컨텐츠 표시 방법 |
US9395543B2 (en) | 2013-01-12 | 2016-07-19 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Wearable behavior-based vision system |
JP6160154B2 (ja) | 2013-03-22 | 2017-07-12 | セイコーエプソン株式会社 | 頭部装着型表示装置を利用した情報表示システム、頭部装着型表示装置を利用した情報表示方法、および、頭部装着型表示装置 |
JP6225546B2 (ja) | 2013-08-02 | 2017-11-08 | セイコーエプソン株式会社 | 表示装置、頭部装着型表示装置、表示システムおよび表示装置の制御方法 |
US20150143234A1 (en) | 2013-10-22 | 2015-05-21 | Forbes Holten Norris, III | Ergonomic micro user interface display and editing |
JP5900468B2 (ja) | 2013-11-21 | 2016-04-06 | コニカミノルタ株式会社 | Ar表示装置、処理内容設定装置、処理内容設定方法およびプログラム |
US9551873B2 (en) | 2014-05-30 | 2017-01-24 | Sony Interactive Entertainment America Llc | Head mounted device (HMD) system having interface with mobile computing device for rendering virtual reality content |
US10371944B2 (en) | 2014-07-22 | 2019-08-06 | Sony Interactive Entertainment Inc. | Virtual reality headset with see-through mode |
WO2016059781A1 (en) | 2014-10-15 | 2016-04-21 | Seiko Epson Corporation | Head-mounted display device, method of controlling head-mounted display device, and computer program |
US10140768B2 (en) | 2014-10-17 | 2018-11-27 | Seiko Epson Corporation | Head mounted display, method of controlling head mounted display, and computer program |
GB201421849D0 (en) | 2014-12-09 | 2015-01-21 | The Technology Partnership Plc | Display system |
CN105812777B (zh) | 2015-01-21 | 2018-02-09 | 成都理想境界科技有限公司 | 双目ar头戴显示设备及其信息显示方法 |
TWM504249U (zh) | 2015-01-23 | 2015-07-01 | Min Aik Technology Co Ltd | 頭戴式顯示裝置及其光學鏡頭 |
US10162412B2 (en) | 2015-03-27 | 2018-12-25 | Seiko Epson Corporation | Display, control method of display, and program |
JP6558733B2 (ja) | 2015-04-21 | 2019-08-14 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 運転支援方法およびそれを利用した運転支援装置、運転制御装置、車両、運転支援プログラム |
WO2016203792A1 (ja) | 2015-06-15 | 2016-12-22 | ソニー株式会社 | 情報処理装置、情報処理方法及びプログラム |
CA2991644C (en) | 2015-07-06 | 2022-03-01 | Frank Jones | Methods and devices for demountable head mounted displays |
TWM516332U (zh) | 2015-11-11 | 2016-02-01 | Jarvish Inc | 具視線死角輔助功能的安全帽 |
TWI585462B (zh) * | 2015-12-01 | 2017-06-01 | 中強光電股份有限公司 | 頭戴型顯示裝置 |
TWI589929B (zh) | 2016-01-28 | 2017-07-01 | 中強光電股份有限公司 | 頭戴式顯示裝置 |
US10459230B2 (en) | 2016-02-02 | 2019-10-29 | Disney Enterprises, Inc. | Compact augmented reality / virtual reality display |
KR102600453B1 (ko) * | 2016-02-19 | 2023-11-10 | 삼성전자주식회사 | 옵티칼 렌즈 어셈블리 및 이를 포함한 전자 장치 |
WO2017192996A2 (en) | 2016-05-05 | 2017-11-09 | Watson Robert D | Surgical stereoscopic visualization system with movable head mounted display |
WO2018008232A1 (ja) | 2016-07-04 | 2018-01-11 | ソニー株式会社 | 情報処理装置、情報処理方法、及びプログラム |
CN109212740B (zh) * | 2016-07-14 | 2021-01-26 | 浙江舜宇光学有限公司 | 目镜 |
US10997616B2 (en) | 2016-11-23 | 2021-05-04 | Observa, Inc. | System and method for correlating collected observation campaign data with sales data |
CN106970463A (zh) * | 2017-01-11 | 2017-07-21 | 玉晶光电(厦门)有限公司 | 目镜光学系统 |
US10504397B2 (en) * | 2017-01-31 | 2019-12-10 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Curved narrowband illuminant display for head mounted display |
CN106610527A (zh) | 2017-02-24 | 2017-05-03 | 关春东 | 一种近眼显示光学装置 |
CN106666909B (zh) | 2017-03-02 | 2023-10-13 | 浙江雷邦光电技术有限公司 | 具有改进型头盔安装结构的消防头盔 |
US10444516B2 (en) | 2017-04-05 | 2019-10-15 | North Inc. | Head-worn display apparatus having flexible stems |
CN106991924A (zh) | 2017-06-05 | 2017-07-28 | 联想(北京)有限公司 | 一种显示屏以及智能眼镜 |
AU2018383595B2 (en) | 2017-12-11 | 2024-06-13 | Magic Leap, Inc. | Waveguide illuminator |
-
2019
- 2019-03-05 CN CN201910163739.7A patent/CN110244459B/zh active Active
- 2019-03-08 US US16/296,256 patent/US11415798B2/en active Active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN2278227Y (zh) * | 1996-02-09 | 1998-04-08 | 财团法人工业技术研究院 | 小型照相机变焦镜头 |
JP2013109050A (ja) * | 2011-11-18 | 2013-06-06 | Showa Optronics Co Ltd | 接眼レンズ |
TW201326895A (zh) * | 2011-12-26 | 2013-07-01 | Lockheed Corp | 使用一或多個菲涅耳透鏡(fresnel lenses)之頭戴式顯示裝置 |
US20170171533A1 (en) * | 2013-11-25 | 2017-06-15 | Tesseland Llc | Immersive compact display glasses |
CN104536129A (zh) * | 2014-12-17 | 2015-04-22 | 青岛歌尔声学科技有限公司 | 一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备 |
CN105137590A (zh) * | 2015-09-28 | 2015-12-09 | 深圳纳德光学有限公司 | 大视场角目镜光学系统 |
US20170219828A1 (en) * | 2016-01-28 | 2017-08-03 | Coretronic Corporation | Head-mounted display |
US20170248769A1 (en) * | 2016-02-26 | 2017-08-31 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Aberration corrected optical system for near-eye displays |
CN107703620A (zh) * | 2016-08-08 | 2018-02-16 | 坦前科技股份有限公司 | 虚拟实境用的放大透镜组 |
CN106526851A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-03-22 | 玉晶光电(厦门)有限公司 | 目镜光学系统 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
SATOSHI HASEGAWA: "Lens Accommodation to the Stereoscopic Vision on HMD", 《VIRTUAL AND MIXED REALITY》 * |
张航: "蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计", 《光学仪器》 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110244459B (zh) | 2021-10-08 |
US20190278081A1 (en) | 2019-09-12 |
US11415798B2 (en) | 2022-08-16 |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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