CN116819770A - 扩增实境光学系统及头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扩增实境光学系统及头戴式显示器，在头戴式显示器的主镜架内装设有扩增实境显示模块，扩增实境显示模块是由显示屏发出影像光束，向下方导至第一部分穿透部分反射元件和第二部分穿透部分反射元件，经过多次的反射来汇聚成像，而产生扩增实境的效果；同时，在主镜架的内侧或外侧装设有可拆卸的屈光调节模块，屈光调节模块包含至少一屈光调节镜片，以实现屈光度调节，进而为屈光不正的使用者提供更为清晰的影像，并可灵活地拆卸或替换屈光调节模块，大大提高使用便利性。

Description

扩增实境光学系统及头戴式显示器

技术领域

本发明有关一种扩增实境技术领域，特别是指一种扩增实境光学系统及头戴式显示器。

背景技术

扩增实境(augmented reality，简称AR)是虚拟实境(virtual reality，简称VR)所衍生出来的一种技术，主要是通过摄影机撷取现实空间的场景并进行定位，并通过计算机程序的实时运算，将虚拟的物件与信息添加至现实空间中，再通过显示器来呈现虚拟与现实信息的结合。

目前以头戴式显示器(Head-mounted display)为最常见的扩增实境装置。头戴式显示器通常是用眼罩或头盔的形式，让显示屏靠近配戴者的眼部，显示屏所输出的虚拟影像投射到配戴者的眼中，让虚拟影像和周遭环境作结合，来获得现实中无法直接获取的信息。

然而，目前的头戴式显示器的光学显示模块不能调节屈光度，无法满足非正常视力使用者的观看需求。非正常视力使用者，特别是指包括近视、远视、老花或散光等屈光不正者在使用头戴式显示器时，还得配戴视力矫正眼镜来矫正视力才能看清楚显示画面，视力矫正眼镜本身占有一定的空间和重量，增加了使用者的麻烦，也容易感到不舒适；而视力矫正眼镜和头戴式显示器之间也可能在结构上产生冲突，不一定可以同时配戴，大大影响了使用者的体验效果。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种扩增实境光学系统及头戴式显示器，将扩增实境显示模块和屈光调节模块作结合，并分别安装在头戴式显示器的主镜架和可拆卸的子镜架中，让屈光不正的使用者不必再配戴视力矫正眼镜，也能观看到清晰的虚拟影像，从而获得完整的扩增实境的使用体验。

本发明的另一目的在提供一种扩增实境光学系统及头戴式显示器，其屈光调节模块安装于可拆卸的子镜架中，可以根据使用者的使用需求或视力程度容易地拆卸跟替换，以提高使用便利性，并可降低使用成本。

为达上述目的，本发明提供一种扩增实境光学系统，应用于具有主镜架与子镜架的头戴式显示器，子镜架可拆卸地装设于主镜架的内侧或外侧，扩增实境光学系统包括扩增实境显示模块和屈光调节模块，扩增实境显示模块安装于主镜架内，并包括：一显示屏，用以发出影像光束；一第一部分穿透部分反射元件，设置于显示屏下方，接收来自显示屏的影像光束，并使影像光束部分穿透、部分反射；以及一第二部分穿透部分反射元件，邻近第一部分穿透部分反射元件，使第一部分穿透部分反射元件所反射的影像光束经由第二部分穿透部分反射元件接收，再由第二部分穿透部分反射元件反射回第一部分穿透部分反射元件并穿透第一部分穿透部分反射元件，再射入人眼中。屈光调节模块安装于子镜架内，屈光调节模块包含至少一屈光调节镜片，屈光调节镜片对应第一部分穿透部分反射元件或第二部分穿透部分反射元件设置。

根据本发明的实施例，前述子镜架装设于主镜架的内侧，屈光调节镜片位于第一部分穿透部分反射元件和人眼之间。

根据本发明的实施例，前述显示屏固定在影像光束的最短光程位置处。

根据本发明的实施例，前述子镜架装设于主镜架的外侧，屈光调节镜片位于第二部分穿透部分反射元件远离人眼的一侧。

根据本发明的实施例，前述显示屏可做上下位移来调整显示屏相对于第一部分穿透部分反射元件的距离，以调节焦距。

根据本发明的实施例，前述第一部分穿透部分反射元件具有一倾斜角度，以使影像光束的光路转折。

根据本发明的实施例，前述第一部分穿透部分反射元件和第二部分穿透部分反射元件为平面或曲面，且其表面为镀膜或贴覆膜片。

根据本发明的实施例，前述屈光调节镜片满足f<-0.1米或f>0.1米的条件，f为屈光调节镜片的焦距。

根据本发明的实施例，前述屈光调节镜片为近视镜片、远视镜片、散光镜片或老花镜片。

根据本发明的实施例，前述显示屏和第一部分穿透部分反射元件之间还设有一透镜，以将影像光束导入第一部分穿透部分反射元件。

另外，本发明也提供一种头戴式显示器，包括前述扩增实境光学系统以及主镜架和子镜架，子镜架为可拆卸地装设于主镜架的内侧或外侧。

根据本发明的实施例，前述子镜架通过磁性吸附或夹持于主镜架。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本发明第一实施例的头戴式显示器的剖面图。

图2为本发明第一实施例的扩增实境光学系统的分解图。

图3为本发明第二实施例的头戴式显示器的剖面图。

图4为本发明第二实施例的扩增实境光学系统的分解图。

图5为本发明第三实施例的扩增实境光学系统的分解图。

图6为本发明第四实施例的扩增实境光学系统的分解图。

附图标记说明：10-扩增实境光学系统；20-主镜架；30-子镜架；40-人眼；110-扩增实境显示模块；111-显示屏；112-第一部分穿透部分反射元件；113-第二部分穿透部分反射元件；114-镀膜；115-镀膜；116-透镜；120-屈光调节模块；121-屈光调节镜片；130-影像光束；140-环境光束。

具体实施方式

本发明的实施例将通过下文配合相关图式进一步加以解说。尽可能的，于图式与说明书中，相同标号代表相同或相似构件。于图式中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于图式中或描述于说明书中的元件，为所属技术领域中具有通常技术者所知的形态。本领域的通常技术者可依据本发明的内容而进行多种的改变与修改。

请参照图1和图2，其分别为本发明第一实施例的头戴式显示器及其扩增实境光学系统10的剖面图和分解图。本实施例的扩增实境光学系统10设置在头戴式显示器内，头戴式显示器具有主镜架20和子镜架30，并将子镜架30可拆卸地装设于主镜架20的外侧(图1右侧)，例如，子镜架30可以通过磁性吸附或夹持于主镜架20上。扩增实境光学系统10包括扩增实境显示模块110和屈光调节模块120，且扩增实境显示模块110安装于主镜架20中(图1左侧)，屈光调节模块120安装于子镜架30中。扩增实境显示模块110上方设有一显示屏111，显示屏111的下方设置有一第一部分穿透部分反射元件112，第一部分穿透部分反射元件112远离人眼40的一侧设置有一第二部分穿透部分反射元件113。屈光调节模块120包含一屈光调节镜片121，屈光调节镜片121对应第二部分穿透部分反射元件113设置，并位于第二部分穿透部分反射元件113远离人眼40的一侧。

如图2所示，在第一实施例中，显示屏111发出影像光束130，往下传送至第一部分穿透部分反射元件112。第一部分穿透部分反射元件112接收影像光束130并将通过的影像光束130部分反射至第二部分穿透部分反射元件113，其余的则穿透第一部分穿透部分反射元件112。第二部分穿透部分反射元件113接收第一部分穿透部分反射元件112所反射的影像光束130，并将通过的影像光束130部分再反射回第一部分穿透部分反射元件112，其余的则穿透第二部分穿透部分反射元件113，而反射回第一部分穿透部分反射元件112的影像光束130经第一部分穿透部分反射元件112部分反射后，其余的影像光束130则穿透第一部分穿透部分反射元件112而导入人眼40中。另一方面，环境光束140会通过屈光调节镜片121，经由第二部分穿透部分反射元件113部分反射后，其余的环境光束140则依序通过第二部分穿透部分反射元件113和第一部分穿透部分反射元件112，并经由第一部分穿透部分反射元件112部分反射至显示屏111，其余部分则穿透第一部分穿透部分反射元件112而导入人眼40中。以此，使人眼40得以观看到经过屈光调节镜片121予以屈光矫正后叠加在现实环境中来自显示屏111的虚拟影像。

在本发明中所设置的第一部分穿透部分反射元件112和第二部分穿透部分反射元件113分别可为平面或曲面，且可以于平面或曲面的基材表面以涂布方式形成具功能性的镀膜或者贴覆膜片。而在第一实施例中，第一部分穿透部分反射元件112形成单面的镀膜114，而第二部分穿透部分反射元件形成双面的镀膜115，以达到将影像光束130部分穿透、部分反射的作用，且第一部分穿透部分反射元件112为具有一倾斜角度，以使影像光束130的光路转折，而能够接收显示屏111的影像光束130并反射至第二部分穿透部分反射元件113。

在本发明中所设置的屈光调节模块120可依据使用者需求对应设置一个或多个屈光调节镜片121，例如，双眼皆为近视100度的人，就对应设置有一组100度的屈光调节镜片121，其它近视度数则为其它相对应度数的屈光调节镜片121。此外，本发明中的屈光调节镜片121可为近视镜片、远视镜片、散光镜片或老花镜片。大致而言，屈光调节镜片121会满足f<-0.1米或f>0.1米的条件，f为屈光调节镜片121的焦距。

在第一实施例中，显示屏111设置为可做上下位移来调整显示屏111相对于第一部分穿透部分反射元件112的距离，作用在于调节焦距；在子镜架30尚未装上时(即拆卸下来的情况)，有屈光不正问题的使用者会看不清楚来自显示屏111的虚拟影像，且外界环境也会不清晰，当装上子镜架30后，使用者可以看清外界环境，但若是虚拟影像看起来还是模糊，此时则可上下调整显示屏111的位置来调节焦距，即可矫正观看虚拟影像的清晰度。

请参照图3和图4，其分别为本发明第二实施例的头戴式显示器及其扩增实境光学系统10的剖面图和分解图。和第一实施例不同之处在于，本实施例的头戴式显示器是将子镜架30可拆卸地装设于主镜架20的内侧，使得屈光调节模块120中的屈光调节镜片121是对应第一部分穿透部分反射元件112设置，并位于第一部分穿透部分反射元件112和人眼40之间。

如图4所示，在第二实施例中，显示屏111发出影像光束130，往下传送至第一部分穿透部分反射元件112。第一部分穿透部分反射元件112接收影像光束130并将通过的影像光束130部分反射至第二部分穿透部分反射元件113，其余的则穿透第一部分穿透部分反射元件112。第二部分穿透部分反射元件113接收第一部分穿透部分反射元件112所反射的影像光束130，并将通过的影像光束130部分再反射回第一部分穿透部分反射元件112，其余的则穿透第二部分穿透部分反射元件113，而反射回第一部分穿透部分反射元件112的影像光束130经第一部分穿透部分反射元件112部分反射后，其余的影像光束130则穿透第一部分穿透部分反射元件112，再通过屈光调节镜片121而导入人眼40中。另一方面，环境光束140经由第二部分穿透部分反射元件113部分反射后，其余的环境光束140则依序通过第二部分穿透部分反射元件113和第一部分穿透部分反射元件112，并经由第一部分穿透部分反射元件112部分反射至显示屏111，其余部分则穿透第一部分穿透部分反射元件112后，再通过屈光调节镜片121而导入人眼40中，从而人眼40可以观看到经过屈光调节镜片121予以屈光矫正后叠加在现实环境中来自显示屏111的虚拟影像。

在第二实施例中，显示屏111可直接固定在影像光束130的最短光程位置处，从而缩短显示屏111和第一部分穿透部分反射元件112之间的距离，以缩小扩增实境光学系统10的体积，使头戴式显示器的尺寸微小化；在子镜架30尚未装上时(即拆卸下来的情况)，有屈光不正问题的使用者会看不清楚显示屏111上的虚拟影像，且外界环境也会不清晰，当装上子镜架30后，由于人眼的屈光不正已经被屈光调节镜片121所矫正，此时使用者对于显示屏111的虚拟影像和外界环境皆可看清。另外，显示屏111也可设置为可做上下位移来调整显示屏111相对于第一部分穿透部分反射元件112的距离；若是屈光调节镜片121的矫正有极限时，为了看清楚显示屏111的虚拟影像，此时则可再调整显示屏111的上下位置来帮助调节焦距。

此外，本发明中的扩增实境显示模块110可进一步包括用以导引光线的透镜116。如图5和图6所示，在第三实施例和第四实施例中，于显示屏111和第一部分穿透部分反射元件112之间设有一透镜116，此透镜116可以是单片透镜或多片透镜组成的透镜组，透镜116可以是凸透镜、凹透镜或凸透镜和凹透镜任意组合等，且凹凸方向也可以任意变化。透镜116可以显示屏111所发出的影像光束130导入第一部分穿透部分反射元件112，并配合其他元件来共同完成成像。

综上所述，根据本发明所提供的扩增实境光学系统及头戴式显示器，主要是以主镜架中的扩增实境显示模块为基础，再通过搭配可活动拆卸的子镜架而可选择性地附加上屈光调节模块的功能，使得屈光不正的使用者不需要在头戴显示器之外还要同时配戴视力矫正眼镜，即可清楚看到叠加在现实环境中的来自显示屏的虚拟影像，从而可提高扩增实境体验的舒适度及便利性。并且，使用者可根据使用用途和视力程度的不同，容易自行拆卸和替换屈光调节模块，其操作方便，灵活度高，甚至可达到多人共享，使用成本大幅降低，并且让屈光不正的使用者和正常视力的一般使用者都能够享受到完整的扩增实境的体验效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明权利要求书所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种扩增实境光学系统，应用于一头戴式显示器，其特征在于，该头戴式显示器具有一主镜架与一子镜架，该子镜架可拆卸地装设于该主镜架的内侧或外侧，该扩增实境光学系统包括：

一扩增实境显示模块，安装于该主镜架内，并包括：

一显示屏，用以发出一影像光束；

一第一部分穿透部分反射元件，设置于该显示屏下方，接收来自该显示屏的该影像光束，并使该影像光束部分穿透、部分反射；及

一第二部分穿透部分反射元件，邻近该第一部分穿透部分反射元件，使该第一部分穿透部分反射元件所反射的该影像光束经由该第二部分穿透部分反射元件接收，再由该第二部分穿透部分反射元件反射回该第一部分穿透部分反射元件并穿透该第一部分穿透部分反射元件，再射入一人眼中；及

一屈光调节模块，安装于该子镜架内，该屈光调节模块包含至少一屈光调节镜片，该至少一屈光调节镜片对应该第一部分穿透部分反射元件或该第二部分穿透部分反射元件设置。

2.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该子镜架装设于该主镜架的内侧，该屈光调节镜片位于该第一部分穿透部分反射元件和该人眼之间。

3.如权利要求2所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该显示屏固定在该影像光束的最短光程位置处。

4.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该子镜架装设于该主镜架的外侧，该屈光调节镜片位于该第二部分穿透部分反射元件远离该人眼的一侧。

5.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该显示屏能够做上下位移来调整该显示屏相对于该第一部分穿透部分反射元件的距离，以调节焦距。

6.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该第一部分穿透部分反射元件具有一倾斜角度，以使该影像光束的光路转折。

7.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该第一部分穿透部分反射元件和该第二部分穿透部分反射元件为平面或曲面，且其表面为镀膜或贴覆膜片。

8.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该屈光调节镜片满足f<-0.1米或f>0.1米的条件，f为该屈光调节镜片的焦距。

9.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该屈光调节镜片为近视镜片、远视镜片、散光镜片或老花镜片。

10.如权利要求1所述的扩增实境光学系统，其特征在于，该显示屏和该第一部分穿透部分反射元件之间还设有一透镜，以将该影像光束导入该第一部分穿透部分反射元件。

11.一种头戴式显示器，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的扩增实境光学系统以及该主镜架和该子镜架，该子镜架为可拆卸地装设于该主镜架的内侧或外侧。

12.如权利要求11所述的头戴式显示器，其特征在于，该子镜架通过磁性吸附或夹持于该主镜架。