TWI579590B - An optical system for displaying motion information images and a display device thereof - Google Patents

Description

可顯示運動資訊影像的光學系統及其顯示裝置

本發明係關於一種光學系統及其顯示裝置，尤指一種可顯示運動資訊影像的光學系統及其顯示裝置。

由20世紀初期的陰極射線管開始，至今已分別發展出運用液晶、電漿、全像、投影及發光二極體等各種不同技術的顯示裝置，並以其各自擁有的特殊顯示優勢，來因應不同需求的市場與消費者。

隨著行動科技的發展，除了智慧型手機之外，各種穿戴式的技術與裝置的功能也越來越多樣，可以藉由無線訊號如聲波或電磁波等方式遙控，並可藉由連上無線網路與其他設備或雲端裝置進行互動，能夠輕鬆的把日常生活中的時間、天氣、行程表或電子地圖等資訊顯示予使用者作參考，甚至具有拍照功能。目前在市面上有一種頭戴式顯示器產品為谷歌眼鏡(Google Project Glass)，其係藉由一置於眼鏡頂側以不阻擋前方視野的微投影機，將投影出之影像透過一稜鏡投影至使用者的視網膜上形成一實像，由於稜鏡的特殊設計可以讓微投影機所投射出來的光線(Layer)與現實生活的光線(Reality)混合，因此在視網膜中成像時，就會產生虛擬影像與實際影像混合的效果。

然而，如谷歌眼鏡使用微投影機的方式藉以讓使用者產生視覺的是投影在視網膜上的實像，其原生投影之影像的放大率有限。因此有必要針對現有技術之產品結構做進一步的改進。

有鑑於此，本發明的主要目的係提供一可顯示運動資訊影像的光學系統及其顯示裝置，其係透過虛像顯示(Virtual Image Display,VID)技術，藉以讓使用者產生視覺的是光路徑方向之可逆性所產生的虛像，具有較佳影像縱深分辨率及影像放大率。

為達成前述之創作目的所採取的主要技術手段係令該可顯示運動資訊影像的光學系統包含有：一載具，供使用者頭戴；一顯示裝置，其包含有：一資訊盒，係設置於該載具上，該資訊盒內設有一微處理器及一顯示單元，其中該微處理器係電連接該顯示單元，且該顯示單元發出的光形成一光路徑；及一透明體，係設置於該資訊盒上，並位於使用者的視線上，該透明體的一表面上係設置有一部份穿透式鍍膜面鏡，且該部份穿透式鍍膜面鏡的一表面設置有一第一光學薄膜；其中該顯示單元與該第一光學薄膜之間無設置任何光學元件，使該第一光學薄膜直接接收位於該光路徑上的光，且該第一光學薄膜直接反射所接收的光；該部分穿透式鍍膜面鏡與使用者視線之間更設置有一第一凸透鏡，以接收從該第一光學薄膜所反射的光。

本創作藉由該顯示單元、該透明體及該部份穿透式鍍膜面鏡的組合，建構出一可顯示運動資訊影像的虛像顯示裝置，係根據光學的反射定律以及光路徑之方向的可逆性，使該顯示單元發出的光射入該部份穿透式鍍膜面鏡上時，配戴該載具的使用者會在該部份穿透式鍍膜面鏡中看到一正立等大或正立放大的虛像，並藉以該第一凸透鏡矯正該虛像於人眼中的成像位置，供使用者清楚地觀看該顯示單元的運動資訊影像，而部份穿透式鍍膜面鏡所生成的 虛像具有較佳的影像縱深分辨率及影像放大率，達成具較佳的顯示空間利用率，與較佳的視覺辨識或警示效果。

10‧‧‧鏡架

11‧‧‧鏡框

12‧‧‧側臂

13‧‧‧鏡片

20‧‧‧資訊盒

21‧‧‧微處理器

22‧‧‧顯示單元

221‧‧‧光路徑

23‧‧‧無線感測單元

24‧‧‧電池

30‧‧‧透明體

31‧‧‧部份穿透式鍍膜面鏡

32‧‧‧第一光學薄膜

33‧‧‧第一凸透鏡

圖1：為本創作之第一較佳實施例的立體外觀圖。

圖2A至2B：為本創作之第一較佳實施例的成像示意圖。

圖3：為本創作之第一較佳實施例的光路徑示意圖。

以下配合圖式，進一步闡述本創作為達成創作目的所採取的技術手段。

請參閱圖1及圖3所示，為本創作之第一較佳實施例，其包含有一載具、一資訊盒20及一透明體30。在本實施例中，該載具係一眼鏡鏡架，該眼鏡鏡架10係具有一鏡框11及二相對的側臂12，在本實施例中，該鏡架10係為一U字形結構，該資訊盒20係設置於該鏡框11一端及相鄰的側臂12上，且在本實施例中，該透明體30係可拆卸地設置於該資訊盒20的一端，且位於該鏡架10的鏡框11前方，亦即位於使用者之視線上一表面上。

該鏡架10的鏡框係設置有二鏡片13，且其中一鏡片13係鄰近於該透明體30，在本實施例中，該鏡片13可為玻璃、PET及壓克力等可透光材質所組成，用以罩設於人的肉眼之外。

該資訊盒20用以處理資料並輸出影像，其內設有一微處理器21、一顯示單元22、一無線感測單元23及一電池24；其中該微處理器21係電連接該顯示單元22及該無線感測單元23，分別用以處理輸出影像及傳輸無線訊 號；在本實施例中，該顯示單元22係朝該透明體30設置，用以顯示影像資料，其發出的光形成一光路徑221；在本實施例中，該無線感測單元23係用以傳遞無線訊號予任一相容協定與頻譜的電子裝置，在本實施例中，該電子裝置可包含如GPS定位裝置、距離/速度檢測裝置、運動/生理檢測裝置及氣候/環境檢測裝置等之其中一種或複數種；該電池24係電連接且供應電力予該微處理器21、該顯示單元22及該無線感測單元23。在本實施例中，該無線感測單元23可包含有游泳速度感測器、自行車速度感測器、行走速度感測器、滑雪速度感測器。

該透明體30係可拆卸地設置於該資訊盒20上鄰近該鏡架10之鏡框11的一端，在本實施例中，該透明體30可為玻璃、PET及壓克力等可透光材質所組成。在本實施例中，該透明體30遠離該資訊盒20之一表面上係設置有一部份穿透式鍍膜面鏡31，該部份穿透式鍍膜面鏡31位於該顯示單元22的光路徑221上且直接地接收該顯示單元22所發出的光，使人眼得以藉由該部份穿透式鍍膜面鏡31而觀察到一虛像。該部份穿透式鍍膜面鏡31可為玻璃、PET及壓克力等可透光材質所組成，該部份穿透式鍍膜面鏡31之其中一表面設置有一第一光學薄膜32，該第一光學薄膜32係為一部分穿透及部分反射式的薄膜。該第一光學薄膜32所採用的薄膜材料為鋁、鉻或鎳等具備高反射率特性的金屬，可採用化學鍍膜或真空濺鍍等方式製備，本實施例中，係藉由控制薄膜的材料與厚度等參數，以影響該第一光學薄膜32之穿透率及反射率的比例，使該第一光學薄膜32對可見光的頻譜波段可達到部分穿透及部分反射的效果，因此當該部份穿透式鍍膜面鏡31在反射該顯示單元22所發出的光時，使用者仍可透過該部份穿透式鍍膜面鏡31看到前方景物，而並不會對於前方視野造成遮蔽與限縮。進一步而言，該第一光學薄膜32可選擇使用單層或多層材料製備，選擇採用多層材料時，可匹配不同材料的光學特性與膜厚進行對於特定光學波段的最佳化。

請參閱圖3所示，在本實施例中，眼睛與成像之直線光路徑上進一步設有一第一凸透鏡33，該第一凸透鏡33係設置於該部份穿透式鍍膜面鏡31與使用者眼睛之間，並供該顯示單元22的光路徑221通過，該第一凸透鏡33係用以矯正該虛像於使用者眼睛中之成像位置，使該虛像能夠清晰的成像於使用者眼睛的視網膜上，而讓使用者觀察到清晰的虛像。

請參閱圖2A所示，在本實施例中，欲成像物體與該部分穿透式鍍膜面鏡31之距離為5公分，依據推論可得形成於該部分穿透式鍍膜面鏡31前的虛像與使用者眼睛的距離為10公分，然而正常人眼與物體間應保持的明視距離為15公分到35公分左右，因此在圖2A的狀態下，該虛像在人眼中的成像位置會超越眼球中的視網膜位置，而讓使用者無法觀察到清晰的虛像。因此，本實施例中所採用的矯正結構如圖2B所示，於使用者眼睛與該部分穿透式鍍膜面鏡31之間增設有該第一凸透鏡33，藉由該第一凸透鏡33對於通過光線之匯聚效果進而改變最終成像位置，使該虛像得以成像於人眼之視網膜上，而讓使用者觀察到清晰的虛像。

請參閱圖3所示，在使用本實施例時，該顯示單元22的光路徑係射入該部份穿透式鍍膜面鏡31，使該部份穿透式鍍膜面鏡31藉由光的可逆性而產生一正立放大虛像，並使人眼透過該鏡片13得以觀察到該部份穿透式鍍膜面鏡13中的正立放大虛像。

本創作藉由該顯示單元22、該透明體30及該部份穿透式鍍膜面鏡31的組合，建構出一低成本的虛像顯示器，係根據光學的反射定律以及光路徑之方向的可逆性，使該顯示單元22發出的光射入該部份穿透式鍍膜面鏡31上時，配戴該載具的使用者會透過該第一凸透鏡33於該部份穿透式鍍膜面鏡31中看到一正立虛像，供使用者觀看該顯示單元的資訊影像，而部份穿透式鍍膜面 鏡31所生成的虛像具有較佳的影像縱深分辨率及影像放大率，達成具較佳的顯示空間利用率，與較佳的視覺辨識或警示效果。

以上所述僅是本創作的較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。

10‧‧‧鏡架

11‧‧‧鏡框

12‧‧‧側臂

13‧‧‧鏡片

20‧‧‧資訊盒

30‧‧‧透明體

31‧‧‧部份穿透式鍍膜面鏡

Claims (8)

1. 一種顯示裝置，其包含：一資訊盒，其內設有一微處理器及一顯示單元，其中該微處理器係電連接該顯示單元，且該顯示單元發出的光形成一光路徑；一透明體，係設置於該資訊盒上，並位於使用者的視線上，該透明體的一表面上係設置有一部份穿透式鍍膜面鏡，且該部份穿透式鍍膜面鏡的一表面設置有一第一光學薄膜；其中該顯示單元與該第一光學薄膜之間無設置任何光學元件，使該第一光學薄膜直接接收位於該光路徑上的光，且該第一光學薄膜直接反射所接收的光；該部分穿透式鍍膜面鏡與使用者視線之間更設置有一第一凸透鏡，以接收從該第一光學薄膜所反射的光。
2. 如請求項1所述之顯示裝置，其中該部份穿透式鍍膜面鏡係設置於該透明體遠離該資訊盒之一表面上。
3. 如請求項1或2所述之顯示裝置，其中該資訊盒中進一步包含有一無線感測單元，該無線感測單元係電連接該微處理器。
4. 如請求項3所述之顯示裝置，其中該資訊盒中進一步包含有一電池，該電池係電連接該微處理器、該顯示單元及該無線感測單元。
5. 一種可顯示運動資訊影像的光學系統，其包含：一載具，供使用者頭戴；一顯示裝置，係如請求項1至4中任一項所述之顯示裝置，且該顯示裝置係設置於該載具上。
6. 如請求項5所述之可顯示運動資訊影像的光學系統，其中該載具具有一鏡框及二相對的側臂。
7. 如請求項6所述之可顯示運動資訊影像的光學系統，其中該鏡框係設置有一鏡片，且該鏡片係鄰近於該透明體。
8. 如請求項7所述之可顯示運動資訊影像的光學系統，其中該無線感測單元包含有游泳速度感測器、自行車速度感測器、行走速度感測器、滑雪速度感測器。