CN114326105A - 扩增实境眼镜 - Google Patents

Abstract

一种扩增实境眼镜，用以配戴于使用者的眼睛前方，扩增实境眼镜包括至少一图像源以及多个反射镜。至少一图像源被设置以提供至少一图像光束至眼睛，其中至少一图像光束具有多个子光束。多个反射镜被设置于至少一图像光束的路径上，以分别反射这些子光束。至少一图像光束入射这些反射镜前具备至少一第一宽度，自这些反射镜反射后具备至少一第二宽度，且至少一第二宽度大于至少一第一宽度。

Description

扩增实境眼镜

技术领域

本发明涉及一种光学装置，尤其涉及一种扩增实境眼镜。

背景技术

随着显示技术的进步，扩增实境(augmented reality)显示技术逐渐普及，大量应用于人们的生活中。扩增实境技术使得人眼能够同时看到实际物体及虚拟图像，并且，虚拟图像可以和实际物体互动。

然而，目前的扩增实境技术尚有许多待改进之处，例如，虚拟图像和实际物体互动时无法同时对焦于人眼，甚至虚拟图像本身可能有辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict，VAC)问题。具体来说，当虚拟现实装置提供的图像光进入双眼，左右眼会分别对焦在左眼看到的虚像成像处和右眼看到的虚像成像处，然而，大脑却是将双眼直视的视线交会位置视为是图像的位置，当双眼对焦的位置不同于双眼直视的视线交会位置时，会使得人脑混乱，易产生头晕现象，这就是VAC现象。

此外，由于扩增实境技术属于近眼显示光学，若是可视范围(Eye box)小于眼睛瞳孔，所看到的图像可能呈现扭曲、显色错误，甚至不显示内容。如何在兼顾视场(Field ofview)的状况下，具备充足的可视范围，也是重要的议题。

发明内容

本发明提供一种扩增实境眼镜，没有辐辏调节冲突，且具有充足的可视范围及视场。

根据本发明一实施例，提供一种扩增实境眼镜，用以配戴于使用者的眼睛前方，扩增实境眼镜包括至少一图像源以及多个反射镜。至少一图像源被设置以提供至少一图像光束至眼睛，其中至少一图像光束具有多个子光束。多个反射镜被设置于至少一图像光束的路径上，以分别反射这些子光束。至少一图像光束入射这些反射镜前具备至少一第一宽度，自这些反射镜反射后具备至少一第二宽度，且至少一第二宽度大于至少一第一宽度。

基于上述，本发明实施例提供的扩增实境眼镜通过多个反射镜反射图像光束，由于这些反射镜可产生长景深(Depth of field)，虚拟图像的对焦范围大，可以避免辐辏调节冲突，且图像光束自这些反射镜反射后的宽度增加了，提升了可视范围。

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

图1A是人眼的视觉行为示意图；

图1B是透镜成像及针孔成像的示意图；

图2、图3A、图3B及图4是根据本发明实施例的扩增实境眼镜示意图；

图5及图6是根据本发明实施例的扩增实境眼镜的部分结构的示意图；

图7是根据本发明一实施例的扩增实境眼镜的部分结构的平面示意图。

附图标号说明：

100、200、300、400、700:扩增实境眼镜

110、111、112:图像源

1101、1111、1121、1131、1141、IN1:图像光束

120、220、320、420、520、620、720PR、720PL:透光板

120L、220L、320L、420L、520L、620L:第一表面

120R、220R、320R、420R、520R、620R:第二表面

120T、220T、320T、520T、620T:第三表面

121～126、721R、721L:反射镜

131～136、141～143、151～153:子光束

420P:棱镜

420P1:第一面

420P2:第二面

620M:微结构

721RA、721LA:反射镜配置区

AD1:单眼对焦距离

DOF1、DOF2:景深

EY1、EY2、EY、EY11、EY12:眼睛

L1:透镜

LS1:长边

LS2:短边

PH1:针孔

VP1、IG1、IG2:位置

VD1:双眼辐辏距离

W11、W12、W21、W22、W41、W42、W43、W51、W52、W61、W62:宽度

θ:夹角

具体实施方式

参照图1A，其示出人眼的视觉行为示意图。在图1A中，类似于扩增实境眼镜的工作原理，以图像源分别对双眼EY1及EY2提供图像光束。在此应当说明的是，为了清楚说明的目的，未在图1A中示出图像源及入射眼睛的图像光束，仅示出由图像光束产生的虚像所对应的光路。在这个示例中，图像光束致使双眼EY1及EY2辐辏于位置VP1(也就是双眼EY1及EY2直视的视线交会于位置VP1)，并使用户的大脑认为在位置VP1看到图像。然而，双眼EY1及EY2分别对焦于位置IG1及IG2。可以看到，双眼EY1及EY2各自的单眼对焦距离AD1并不同于双眼辐辏距离(binocular vergence distance)VD1。由于单眼对焦距离AD1与双眼辐辏距离VD1不匹配，违背正常视觉生理机制，使得人脑混乱，易产生头晕现象，也就是引发辐辏调节冲突。

为了解决上述辐辏调节冲突的问题，请参照图1B，其示出了透镜成像及针孔成像的示意图。在图1B中，以图像源提供图像光束IN1，当图像光束IN1经过透镜L1而成像，具备景深DOF1。当图像光束IN1经过针孔PH1而成像，具备景深DOF2。可以看到，以针孔成像具备的景深DOF2比起以透镜成像具备的景深DOF1长。具体而言，利用针孔效应(Pinholeeffect)，可以加长景深。因此，对于图1A所示的辐辏调节冲突，可以通过针孔效应来加长景深，增加眼睛对焦的范围，使得双眼辐辏的位置落在景深范围内，避免辐辏调节冲突。

参照图2，其示出根据本发明一实施例的扩增实境眼镜示意图。扩增实境眼镜100用以配戴于使用者的眼睛EY前方。扩增实境眼镜100包括图像源110以及多个反射镜121至123，图像源110提供图像光束1101，图像光束1101具有多个子光束131至133，图像光束1101经反射镜121至123反射后，朝眼睛EY行进，其中反射镜121反射子光束131，反射镜122反射子光束132，反射镜123反射子光束133。图像光束1101入射多个反射镜121至123前具备第一宽度W11，图像光束1101自多个反射镜121至123反射后具备第二宽度W12，第二宽度W12大于第一宽度W11。具体而言，通过适当配置图像源110以及多个反射镜121至123的位置及定向(Orientation)，可以达成将图像光束1101的宽度自第一宽度W11增大为第二宽度W12的功效，以提供充足的可视范围。

应当说明的是，眼睛EY可以是使用者的右眼和/或左眼，例如扩增实境眼镜100仅对使用者双眼中的右眼或左眼提供图像光束1101，或是对使用者的右眼以及左眼都提供图像光束1101。

根据本发明一实施例，扩增实境眼镜100还包括透光板120。透光板120包括远离眼睛EY的第一表面120L、靠近眼睛EY的第二表面120R以及靠近图像源110的第三表面120T，多个反射镜121至123设置在第一表面120L。图像光束1101自多个反射镜121至123反射后，自透光板120的第二表面120R射出，而往使用者的眼睛EY的方向传递。根据本发明一实施例，透光板120可以是镜片。眼睛EY接受来自第二表面120R的图像光束1101后，会使图像光束1101在视网膜成像，而感到在眼睛EY前方有一虚像。另一方面，来自外界的物体的光可以依序穿透第一表面120L与第二表面120R而传递至眼睛EY。如此一来，用户便能够同时看到图像源110所提供的图像及外界的物体，而达到扩增实境的效果。

根据本发明一实施例，多个反射镜121至123中的每一个的最大宽度小于3毫米，因此，每个反射镜具备针孔效应，使得进入眼睛EY的图像光束1101的景深长。对于同时提供图像光束1101给用户的右眼以及左眼的扩增实境眼镜100而言，以具备针孔效应的多个反射镜121至123来将图像光束1101反射至使用者的双眼，由图像光束1101所产生的虚像的景深长，双眼辐辏的位置可以落在景深范围内，得以避免辐辏调节冲突。在一些实施例中，部分的多个反射镜121至123可以是具备针孔效应的曲面反射镜。

根据本发明一实施例，扩增实境眼镜100的图像源110可以是显示面板，并且由显示面板的显示面提供图像光束1101，显示面板的显示面与透光板120的第三表面120T之间具备夹角θ，夹角θ可以大于或等于零度。通过改变夹角θ的大小，可以改变多个子光束131至133入射多个反射镜121至123的入射角，进而改变多个子光束131至133自多个反射镜121至123反射后的行进方向，并改变第二宽度W12的大小。应当说明的是，扩增实境眼镜100的图像源110并不限于是显示面板，在一些实施例中，图像源110可以是投影机。

参照图3A以及图3B，其分别示出根据本发明实施例的扩增实境眼镜示意图。在图3A中，扩增实境眼镜200包括图像源110、透光板220以及多个反射镜121至126。透光板220具备第一表面220L、第二表面220R以及第三表面220T。图像源110提供图像光束1101，图像光束1101具有多个子光束131至136，且多个子光束131至136自透光板220的第三表面220T进入透光板220。多个反射镜121至126设置在透光板220的第一表面220L，且多个子光束131至136分别入射多个反射镜121至126时的入射角彼此不同，其中反射镜121反射子光束131，反射镜122反射子光束132，反射镜123反射子光束133，反射镜124反射子光束134，反射镜125反射子光束135，反射镜126反射子光束136。多个子光束131至136自多个反射镜121至126反射后，自透光板220的第二表面220R射出透光板220，并朝眼睛EY行进。图像光束1101入射多个反射镜121至126前具备第一宽度W21，图像光束1101自多个反射镜121至126反射后具备第二宽度W22，第二宽度W22大于第一宽度W21。具体而言，通过适当配置图像源110以及多个反射镜121至126的位置及定向，可以达成将图像光束1101的宽度自第一宽度W21增大为第二宽度W22的功效，提供充足的可视范围，也就是扩展了眼盒(eye box)。

相较于图3A中的扩增实境眼镜200，在图3B中，扩增实境眼镜300包括图像源110、透光板320以及多个反射镜121至126。透光板320具备第一表面320L、第二表面320R以及第三表面320T。图像光束1101自透光板320的第三表面320T进入透光板320，图像光束1101的多个子光束131至136分别在反射镜121至126反射后，自透光板320的第二表面320R射出透光板320，并朝眼睛EY行进。图3B与图3A所示的扩增实境眼镜不同在于，透光板320中的多个反射镜121至126的定向与透光板220中的多个反射镜121至126的定向不同。具体而言，相较于图3A中的多个反射镜121至126，图3B中的多个反射镜121至126的法线彼此不互相平行，射入眼睛EY的多个子光束131至136所提供的视场较大。换句话说，通过改变多个反射镜121至126的定向，增加了眼睛EY的视场。

具体而言，在扩增实境眼镜的透光板(例如镜片)尺寸固定的情况下，可视范围越大，视场就越小，相对的，可视范围越小，视场就越大。然而，根据本实施例的示例，通过在扩增实境眼镜300的透光板320中设置多个反射镜121至126，并适当配置多个反射镜121至126的定向，扩增实境眼镜300可以具备良好的可视范围以及视场。

参照图4，其示出根据本发明一实施例的扩增实境眼镜示意图。扩增实境眼镜400包括第一图像源111、第二图像源112、透光板420以及多个反射镜121至126。透光板420包括第一表面420L、第二表面420R以及棱镜420P，其中棱镜420P具备第一面420P1以及第二面420P2。多个反射镜121至126被设置在透光板420的第一表面420L。第一图像源111提供图像光束1111，且图像光束1111自棱镜420P的第一面420P1入射至多个反射镜121至123。第二图像源112提供图像光束1121，且图像光束1121自棱镜420P的第二面420P2入射透光板420后，在透光板420的第二表面420R反射(例如是全反射)，然后入射多个反射镜124、125、126，再被多个反射镜124至126反射。具体而言，图像光束1111具有多个子光束141至143，图像光束1121具有多个子光束151至153，其中子光束141在反射镜121反射，子光束142在反射镜122反射，子光束143在反射镜123反射。子光束151在透光板420的第二表面420R反射后，在反射镜124反射。子光束152在透光板420的第二表面420R反射后，在反射镜125反射。子光束153在透光板420的第二表面420R反射后，在反射镜126反射。然后，多个子光束141至143以及多个子光束151至153自透光板420的第二表面420R射出，并朝眼睛EY行进。在一些实施例中，多个子光束151至153在透光板420的第二表面420R全反射，再分别入射多个反射镜124至126。

应当说明的是，棱镜420P的第一面420P1的法线以及第二面420P2的法线与透光板420的第二表面420R的法线之间的夹角彼此不同。图像光束1111入射棱镜420P的第一面420P1前，具备宽度W41，图像光束1121入射棱镜420P的第二面420P2前，具备宽度W42。利用上述棱镜420P的第一面420P1、棱镜420P的第二面420P2以及透光板420的第二表面420R之间的配置关系，并适当配置多个反射镜121至126的位置及定向，图像光束1111以及图像光束1121自透光板420的第二表面420R射出时的总宽度W43大于宽度W41以及宽度W42，提供良好的可视范围。在一些实施例中，可以进一步改变扩增实境眼镜400的多个反射镜121至126的定向，使得部分的多个反射镜121至126的法线彼此不平行，以同时得到良好的可视范围及视场。

接下来请参照图5及图6，其分别示出根据本发明实施例的扩增实境眼镜的部分结构的示意图。在图5中，自图像源(未示出)射出的图像光束1131进入透光板520。应当说明的是，为了说明的目的，图5仅示出透光板520的部分结构，省略了透光板520的其他结构，以免模糊了理解的焦点。

透光板520具备第一表面520L、第二表面520R以及第三表面520T。透光板520的第三表面520T是曲面，其可视为前述实施例中透光板120的第三表面120T、透光板220的第三表面220T、透光板320的第三表面320T的一种实施方式。

由于第三表面520T是曲面，且图像光束1131在第三表面520T发生折射(自疏介质到密介质)，可以看到，图像光束1131穿透第三表面520T前具备宽度W51，图像光束1131穿透第三表面520T进入透光板520后具备宽度W52，宽度W52大于宽度W51。除此之外，相较于图像光束1131穿透第三表面520T前，图像光束1131穿透第三表面520T后具备较大的发散角。

由于图像光束1131穿透第三表面520T后具备较大的发散角，图像光束1131的多个子光束得以分别入射设置于透光板520的例如第一表面520L的多个反射镜(未示出)，达到如前述实施例所述的避免辐辏调节冲突、提供良好的可视范围以及视场等功效。关于图像光束在多个反射镜反射的详细描述，可参考前述各个实施例的描述细节，在此不再赘述。

在图6中，自图像源(未示出)射出的图像光束1141进入透光板620。透光板620具备第一表面620L、第二表面620R以及第三表面620T。透光板620的第三表面620T具备微结构620M，且第三表面620T可视为前述实施例中透光板120的第三表面120T、透光板220的第三表面220T、透光板320的第三表面320T的一种实施方式。

在本实施例中，微结构620M的剖面具有多个三角形，但是本发明不限于此，微结构620M的剖面可以具有不同于三角形的其他形状。微结构620M被设置以使得图像光束1141在穿透第三表面620T后的宽度W62大于图像光束1141在穿透第三表面620T前的宽度W61。并且，相较于图像光束1141穿透第三表面620T前，图像光束1141穿透第三表面620T后具备较大的发散角。

由于图像光束1141穿透第三表面620T后具备较大的发散角，图像光束1141的多个子光束得以分别入射设置于透光板620的例如第一表面620L的多个反射镜(未示出)，达到如前述实施例所述的避免辐辏调节冲突、提供良好的可视范围以及视场等功效。关于图像光束在多个反射镜反射的详细描述，可参考前述各个实施例的描述细节，在此不再赘述。

接下来参照图7，其示出根据本发明一实施例的扩增实境眼镜的部分结构的平面示意图。扩增实境眼镜700包括透光板720PR及720PL，分别配置以对应用户的右眼EY11以及左眼EY12。具体而言，扩增实境眼镜700还包括图像源(未示出)以提供图像光束。图像光束通过在透光板720PR上的多个反射镜721R上反射而进入右眼EY11，并通过在透光板720PL上的多个反射镜721L上反射而进入左眼EY12，其中多个反射镜721R以二维方式设置于第一反射镜配置区721RA，多个反射镜721L以二维方式设置于第二反射镜配置区721LA，以同时优化垂直方向及水平方向的可视范围及视场。

第一反射镜配置区721RA及第二反射镜配置区721LA皆具备长边LS1及短边LS2，长边LS1平行于使用者的右眼EY11及左眼EY12的连线方向，短边LS2垂直于使用者的右眼EY11及左眼EY12的连线方向，且长边LS1大于20毫米，短边LS2大于12毫米，以确保可视范围在水平方向上及垂直方向上皆大于瞳孔的尺寸。

综上所述，本发明实施例提供的扩增实境眼镜通过多个反射镜反射图像光束，由于这些反射镜的景深长，虚拟图像的对焦范围大，可以避免辐辏调节冲突，且图像光束自这些反射镜反射后的宽度增加了，提升了可视范围。可选地，也可以通过调整这些反射镜的定向来增加视场，使得扩增实境眼镜得以避免辐辏调节冲突，并提供良好的可视范围及视场。

Claims (13)

1.一种扩增实境眼镜，其特征在于，用以配戴于使用者的眼睛前方，所述扩增实境眼镜包括：

至少一图像源，设置以提供至少一图像光束至所述眼睛，其中所述至少一图像光束具有多个子光束；以及

多个反射镜，设置于所述至少一图像光束的路径上，以分别反射所述多个子光束；

其中所述至少一图像光束入射所述多个反射镜前具备至少一第一宽度，自所述多个反射镜反射后具备至少一第二宽度，且所述至少一第二宽度大于所述至少一第一宽度。

2.根据权利要求1所述的扩增实境眼镜，其特征在于，至少部分所述多个子光束分别入射至少部分所述多个反射镜时的入射角彼此不同。

3.根据权利要求1所述的扩增实境眼镜，其特征在于，至少部分所述多个反射镜是平面反射镜，且多个所述平面反射镜的法线不互相平行。

4.根据权利要求1所述的扩增实境眼镜，其特征在于，至少部分所述多个反射镜是曲面反射镜。

5.根据权利要求1所述的扩增实境眼镜，其特征在于，还包括至少一透光板，所述至少一透光板包括远离所述眼睛的至少一第一表面及靠近所述眼睛的至少一第二表面，其中所述多个反射镜被设置在所述至少一第一表面。

6.根据权利要求5所述的扩增实境眼镜，其特征在于，所述至少一透光板包括至少一棱镜，设置于所述至少一图像光束的路径上，且具备第一面以及第二面，所述至少一图像源具备第一图像源及第二图像源，其中所述第一图像源提供的多个第一子光束自所述棱镜的所述第一面入射至少部分所述多个反射镜，且所述第二图像源提供的多个第二子光束自所述棱镜的所述第二面入射所述至少一透光板后，在所述至少一透光板的所述至少一第二表面反射并入射至少部分所述多个反射镜。

7.根据权利要求6所述的扩增实境眼镜，其特征在于，所述棱镜的所述第一面的法线以及所述第二面的法线与所述至少一透光板的所述至少一第二表面的法线之间的夹角彼此不同。

8.根据权利要求5所述的扩增实境眼镜，其特征在于，所述至少一透光板包括至少一第三表面，所述第三表面设置于所述至少一图像光束的路径上，其中所述至少一图像光束穿透所述第三表面前具备至少一第三宽度，所述至少一图像光束穿透所述第三表面后具备至少一第四宽度，且所述至少一第四宽度大于所述至少一第三宽度。

9.根据权利要求5所述的扩增实境眼镜，其特征在于，所述至少一透光板包括至少一第三表面，所述第三表面设置于所述至少一图像光束的路径上，其中所述至少一图像光束穿透所述第三表面前具备至少一第一发散角，所述至少一图像光束穿透所述第三表面后具备至少一第二发散角，且所述至少一第二发散角大于所述至少一第一发散角。

10.根据权利要求5所述的扩增实境眼镜，其特征在于，所述至少一透光板包括至少一第三表面，所述第三表面设置于所述至少一图像光束的路径上，且所述第三表面是曲面。

11.根据权利要求5所述的扩增实境眼镜，其特征在于，所述至少一透光板包括至少一第三表面，所述第三表面设置于所述至少一图像光束的路径上，且所述第三表面具有微结构。

12.根据权利要求1所述的扩增实境眼镜，其特征在于，对应所述眼睛的所述多个反射镜设置于反射镜配置区，所述反射镜配置区具备长边及短边，所述长边平行于所述使用者的双眼的连线的方向，所述短边垂直于所述方向，且所述长边大于20毫米，所述短边大于12毫米。

13.根据权利要求1所述的扩增实境眼镜，其特征在于，每一反射镜的最大宽度小于3毫米。

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