TWI619969B - 場曲型虛像顯示系統 - Google Patents

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Abstract

一種場曲型虛像顯示系統，且該場曲型虛像顯示系統適用於一投影鏡組，該場曲型虛像顯示系統包含：一影像源，位於該投影鏡組之一物平面之部分區域；一第一成像群組，具有一前群鏡組與一後群鏡組；以及一第二成像群組，具有一部分反射部分透射面以及一抗反射面，於系統中作為一影像結合器使用；其中，物平面與第一成像群組共軸於系統之一第一光軸；第二成像群組共軸於系統之一第二光軸；物平面透過第一成像群組與第二成像群組形成具有特定場曲型態之一虛像面；影像源位於物平面之部份區域，使虛像面僅有部分區域可被顯示；影像源所在之部份區域中心與物平面中心具有一物偏移量，使虛像面之可顯示之區域與虛像面中心同時產生一像偏移量；由虛像面 的場曲特性，且虛像面之可顯示區域具有像偏移量，使系統所發生之一虛像光軸與第一光軸具有一夾角；利用上述特性可使該系統顯示正確的畫面，同時可避免當眼光軸與虛像光軸共軸時發生投影鏡組與頭部組織干涉的情形。

Description

場曲型虛像顯示系統
本發明屬於一種虛像顯示裝置，特別係關於一種擴增實境型可穿戴式之場曲型虛像顯示系統。
虛像投影是指將一影像源透過光學系統成像，使其成為具有投射距離和放大倍率之虛像，當影像源之光線入射於折射型或反射型光學系統而造成光線發散時可產生虛像，其所在的位置並無光束的實際匯聚故無法以屏幕承接到一真實的像，虛像系統的出瞳面與觀察者的瞳孔重合時可使觀察者看到完整的虛像，此時目鏡與瞳孔之間存在一距離為適眼距。
折射型虛像光學系統多採用於放大鏡、顯微鏡或望遠鏡等裝置，因其用途屬於觀察特定目標，使用時無需同時對眼睛前方之外界環境進行觀察；亦 可不考慮人體穿戴需求，故眼睛前方光學組件的數量、體積及重量等並非設計時要考慮的主要因素。
反射型虛像光學系統因為可以利用反射元件使虛像位置與光學系統光軸間產生轉折，故可使光學系統大部分的元件從眼睛正前方轉移至其他位置，對於穿戴式應用而言可使光學系統的重心較接近頭部而降低力矩，同時也達到美觀的目的；反射元件本身可被製造成具有光線部分反射部分透射特性，使穿戴者可經由反射光觀察到來自影像源的虛像，同時從透射光觀察到外界環境，此類元件用在反射型虛像光學系統稱為影像結合器(Combiner)。
反射型虛像光學系統可分為軸上式與離軸式，其中軸上式光學系統的常見類型，以影像結合器之類型做區分，以波導(Waveguide，參見U.S.Pub.No.2007/0091445)、偏振光束分光器(Polarization beam splitter，參見U.S.Pat.No.7,369,317)以及半反半穿鏡(Half mirror，參見U.S.Pat.No.5,822,127)等為常見；採用軸上式反射型虛像光學系統的設計，為使虛像看起來位於使用者正前方，在偏振光束分光 器以及半反半穿鏡的架構必須裝置具有傾斜45°的平面反射面於人眼前方作為影像結合器的一部分，如此將使影像結合器產生相當厚度，且厚度會隨著系統視場角設計值的增加而遞增。
離軸式光學系統依影像結合器之類型可區分為全像光學元件(Holographic optical element,U.S.Pat.No.5,305,124)和一般光學元件(Optical element)。而本發明係屬於採用一般光學元件作為影像結合器之反射型離軸式虛像顯示系統。
第1A圖表示一反射型離軸式虛像投影系統1000，該系統適用於投影鏡組100，影像源101前方的光學鏡組作為第一成像群組103；以具有凹面曲率的部分反射部分透射鏡作為第二成像群組106，同時也作為影像結合器使用。操作上影像源101透過第一成像群組103成像一實像105於第二成像群組106之焦距內使系統1000產生虛像面108以及出瞳110；上述兩群組不共軸，用以使入射第二成像群組106的中心之主光線113與從第二成像群組106反射之反射主光線113’兩者間具有足夠大的夾角，以期 虛像能位於觀察者的正前方且觀察虛像的同時頭部組織不會與投影鏡組發生干涉。
假設頭戴式顯示裝置的規格為：1.虛像距離觀察者2.5公尺處必須具有長寬比為16：9且對角線長度為60吋的虛像畫面亦即弧矢(Sagittal)有效視場角約須等於30°；2.虛像位必須於觀察者正前方並正向面對觀察者；3.光學系統不能遮蔽人眼111的視野，亦不能與頭部任何組織發生干涉。上述3個條件須被同時滿足時必須達到下列條件：1.來自於實像105兩側的主光線114和115經由第二成像群組106反射產生的反射主光線114’和115’必須各自與反射主光線113’具有15°夾角，才能夠使觀察者看到左右等寬的虛像畫面並具有30°的弧矢有效視角；2.虛像光軸109必須與眼光軸112共軸才能使虛像畫面正對觀察者，其中虛像光軸109的定義為：通過虛像畫面幾何中心之法線；3.投影鏡組100的第一成像群組光軸104與眼光軸112在適眼距25mm時必須具有至少45°以上夾角，也就是說系統1000必須達成45°以上的側向投影才足以避免人體與光學系統的干涉；3. 眼光軸112必須與反射主光線113’重疊才能夠使虛像畫面中心位於人眼正前方，換句話說也就是必須以反射主光線113’來決定眼光軸112。
上述條件第1點可以控制實像105的高度與第二成像群組106的焦長兩者的比值為2 tan(15°)來達成；為滿足上述條件第3點，以第二成像群組106頂點為中心使其進行旋轉，直到第一成像群組光軸104與第二成像群組光軸107具有22.5°夾角，則主光線113和反射主光線113’可達到具有45°夾角；上述離軸設計會造成虛像兩側光程不同而發生，如第1C圖所示之梯形畸變，且系統所形成之虛像面108之光軸109未能與眼光軸112共軸，故未能滿足上述條件第2點。上述條件第2點的不成立以及上述條件第3點成立後帶來的畫面梯形畸變皆因於虛像光軸109與反射主光線113’不共軸，此時可選擇被觀測面116作為虛像畫面以改善梯形畸變並解決虛像光軸109與眼光軸112不共軸的問題，但由於真正的成像面為虛像面108，所以被觀測面116會因景深需求之因素而降低清晰度。
虛像梯形畸變量計算如下： 虛像弧矢視場角 其中H horizo ≡影像源弧矢方向高度M image_real ≡成像系統第一群組放大倍率- f combiner ≡第二成像群組等效焦距 虛像中心放大倍率 其中q C ≡虛像中心像距 以實像為物之中心物距
欲使虛像光軸109與主光線113具有弧矢夾角，則第二成像群組光軸107須在弧矢平面上傾斜使第二成像群組光軸107與第一成像群組光軸104之間具有夾角θ t ，依光束前進方向：實像弧矢方向左側物距 實像弧矢方向右側物距 依人眼觀察虛像方向：虛像弧矢方向左側放大倍率 其中q L ≡虛像左側像距虛像弧矢方向右側放大倍率 其中q R ≡虛像右側像距 由可得虛像左右兩側放大倍率比
若以：影像源101弧矢方向高度8mm第一成像群組103以放大倍率1.1虛像有效視場角為30°為達到光路轉折45°，第二成像群組傾角θ t 須為22.5°虛像中心像距45mm則： 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
由上式可知左側像高約為右側像高2.24倍之虛像，如第1C圖所示。由(式8)可知虛像不發生梯形畸變的條件為θ t =0或f combiner =∞。由於離軸式頭戴顯示裝置必須避開與頭部干涉故θ t ≠0；且顧及到虛像放大倍率故f combiner ≠∞，故這種實施方式造成的畫面梯形畸變在虛像具有放大倍率且第二成像群組與成像系統光路具有夾角的情形下是必然存在的。
亦可由莎姆定律(Scheimpflug principle)的觀點來解釋虛像光軸109與眼光軸112不共軸的問題。莎姆定律：當物平面與成像系統平面不平行時，則物平面、像平面與成像系統平面的延伸將共交於有限遠的一點。如第1B-1圖所示，由第一成像群組所發生的實像面105為物平面105’以及第二成像群組平面為成像系統平面106-1兩者光軸夾角22.5°，以使第一成像群組與通過虛像中心的主光線具有45°夾角，此時物平面105’、虛像面108-1和成像系統平面106-1三平面的延伸面共交於P1點。
請參考第1B-2圖和第1B-3圖，其中第一成像群組103、物平面105’皆與第1B-1圖相同；成像系統平面106-1往物平面105’靠近1.4mm產生成像系統平面106-2、虛像面108-2和虛像光軸109-2；成像系統平面106-2再往物平面105’靠近2.1mm產生成像系統平面106-3、虛像面108-3和虛像光軸109-3。因此1B-1圖、1B-2圖和1B-3圖表示出物平面105’與成像系統平面106-1的中心距離從10.8mm逐漸縮減至7.3mm的變化情形，上述兩平面之光軸夾角不變，隨著中心距離改變而發生變化的是系統放大倍率、共交點P1、P2與P3、虛像面108-1、108-2與108-3和虛像光軸109-1、109-2與109-3。觀察第1B-1圖、第1B-2圖和第1B-3圖可知虛像光軸109-1、109-2和109-3與眼光軸112的夾角隨著系統放大倍率愈小則愈小，反之，隨者系統放大倍率愈大，則上述兩光軸夾角愈大，亦即穿戴者側向觀察虛像的程度愈大。
關於解決反射型離軸式虛像投影系統所產生的問題，先前技術提出以全像光學元件作為影像 結合器的想法，如U.S.Pat.No.3,940,204提出以全像光學元件作為影像結合器，且物平面對第一成像群組傾斜的設計；亦如U.S.Pat.No.4,763,990提出以全像光學元件作為影像結合器，且區分第一成像群組至少為兩群並使其相互不共軸的設計。此外全像光學元件對波長變化較為靈敏，為了處理彩色影像，U.S.Pat.No.5,305,124採用三層式全像光學元件解決全像光學元件的波段涵蓋問題以達成具有全彩的畫面。
採用一般光學元件作為影像結合器的系統亦有可能解決反射型離軸式虛像投影系統所產生的問題如U.S.Pat.No.4,026,641提出採用環形面作為影像結合器之反射面，且需要物面為環形面來作搭配；亦如U.S.Pat.No.5,576,887提出使用環形面作為影像結合器之反射面，並使物平面對第一成像群組作大幅度的傾斜和位移；亦如U.S.Pat.No.7,542,209提出使用橢圓面作為影像結合器之反射面、第一成像群組須具有楔型稜鏡、物平面對第一成像群組作傾斜和位移、將第一成像群組分成至少兩群並使其不共軸 等特徵。
依據上述分類，本發明屬於採用一般光學元件作為影像結合器的反射型離軸式虛像投影系統。
本發明揭露一種場曲型虛像顯示系統，且場曲型虛像顯示系統適用於一投影鏡組，場曲型虛像顯示系統包含：一影像源位於投影鏡組之一物平面之部分區域；一第一成像群組具有一前群鏡組與一後群鏡組；以及一第二成像群組具有一部分反射部分透射面以及一抗反射面，於系統中作為一影像結合器使用；其中，物平面與第一成像群組共軸於系統之一第一光軸；第二成像群組共軸於系統之一第二光軸；該物平面透過第一成像群組與第二成像群組形成具有特定場曲型態之一虛像面；影像源位於物平面之部份區域，使虛像面僅有部分區域可被顯示；影像源所在之部份區域中心與物平面中心具有物偏移量，使虛像面之可顯示之區域與虛像面中心同時產生像偏移量；由虛像面的場曲特性，且虛像面之可顯示區域具有像 偏移量，使系統所發生之虛像光軸與第一光軸具有一夾角。利用上述特性可使系統顯示正確的畫面，同時可避免當眼光軸與虛像光軸共軸時發生投影鏡組與頭部組織干涉的情形。
1000、2000、3000、5000、6000、7000、10000‧‧‧系統
100、200、300、500、600、700‧‧‧投影鏡組
101、201、302、502、1001、1018、1019、1020、1021、1022‧‧‧影像源
103、106、203、206、606、704、706、1003、1004‧‧‧成像群組
106-1~106-3‧‧‧成像系統平面
104、107、109、109-1~109-3、204、303、513’、522、523、605、608、1009、1010‧‧‧光軸
105、205、705、1012‧‧‧實像
105’、201、1008‧‧‧物平面
P1~P3‧‧‧共交點
108、108-1~108-3、207、607、707‧‧‧虛像面
110、209、1013‧‧‧出瞳
111‧‧‧眼
112、513、1011‧‧‧眼光軸
113~115‧‧‧主光線
116、207’、301’、501’‧‧‧被觀測面
113’~115’‧‧‧反射主光線
202、1002、1014‧‧‧背焦稜鏡組
208、1006‧‧‧光瞳
210、526、604‧‧‧頂點
301、501、521‧‧‧區域面
503、1005‧‧‧前群鏡組
504、703、1007‧‧‧後群鏡組
505‧‧‧部分反射部分透射面
506‧‧‧抗反射面
507、515、518、524‧‧‧中心
510‧‧‧虛像面中心
511‧‧‧虛像可顯示區域中心
514‧‧‧前群有效區
517‧‧‧後群有效區
520‧‧‧第二群組有效區
509、512、516、519、525‧‧‧偏移量
527‧‧‧夾角
701‧‧‧圓對稱鏡
901~903、902’‧‧‧曲率半徑
L1、L3、L8‧‧‧非球面鏡
L2、L4~L6‧‧‧球面鏡
L7、702‧‧‧環形面鏡
L9‧‧‧影像結合器
S7a、S7b、S9a、S9b‧‧‧表面
1015‧‧‧類眼光學系統
1016‧‧‧類視網膜
第1A圖係為一種反射型離軸式虛像投影系統1000
第1B-1圖係為反射型離軸式虛像投影系統1000，符合莎姆定律且中心物距約10.8mm之光路示意圖。
第1B-2圖係為反射型離軸式虛像投影系統1000，符合莎姆定律且中心物距約9.4mm之光路示意圖。
第1B-3圖係為反射型離軸式虛像投影系統1000，符合莎姆定律且中心物距7.3mm之光路示意圖。
第1C圖係為第1A圖中虛像面之梯形畸變示意圖。
第2A圖係為具有凹面型態場曲虛像面 207和±60°弧矢視場角的虛像投影系統2000之光路示意圖。
第2B圖係為具有凹面型態場曲虛像面207和±60°弧矢視場角的虛像投影系統2000之立體模型示意圖。
第2C圖係為具有凹面型態場曲虛像面207和±60°弧矢視場角的虛像投影系統2000與被觀測面207’之立體模型示意圖。
第2D圖係為第2C圖中被觀測面207’之圖像畸變示意圖。
第3A圖係為具有包含±15°弧矢視場角的區域面301和虛像投影系統3000之光路示意圖。
第3B圖係為具有包含±15°弧矢視場角的區域面301和反射型虛像投影系統3000之立體模型示意圖。
第3C圖係為具有包含±15°弧矢視場角的區域面301和反射型虛像投影系統3000與被觀測面301’之立體模型示意圖。
第3D圖係為第3C圖中被觀測面301’之 圖像畸變示意圖。
第4A圖係為具有凹面型態場曲虛像面，包含±15°弧矢視場角之區域面301和包含+30°至+60°弧矢視場角之區域面501的虛像投影系統3000和虛像投影系統5000之立體模型差異示意圖。
第4B圖係為具有凹面型態場曲虛像面，包含±15°弧矢視場角的被觀測面301’、+30°至+60°弧矢視場角的被觀測面501’、虛像投影系統3000和虛像投影系統5000之立體模型差異示意圖。
第5A圖係為具有+30°至+60°弧矢視場角的區域面501和虛像投影系統5000之光路示意圖。
第5B圖係為具有+30°至+60°弧矢視場角的區域面501和虛像投影系統5000之立體模型示意圖。
第5C圖係為具有+30°至+60°弧矢視場角的被觀測面501’和虛像投影系統5000之立體模型示意圖。
第5D圖係為第5C圖中被觀測面501’之 圖像畸變示意圖。
第5E圖係為「場曲型虛像顯示系統」之特徵示意圖。
第6A圖係為具有虛像面207的虛像投影系統2000，在第二成像群組旋轉及位移後，轉變為具有虛像面607的虛像投影系統6000之光路差異示意圖。
第6B圖係為具有虛像面207的虛像投影系統2000，在第二成像群組旋轉及位移後，轉變為具有虛像面607的虛像投影系統6000之立體模型差異示意圖。
第7A圖係為具有虛像面207的虛像投影系統2000，在第二成像群組中部分反射部分透射面和後群鏡組中至少各一光學面從圓對稱面修改為環形面後，轉變為具有虛像面707的虛像投影系統7000之光路差異示意圖。
第7B圖係為具有虛像面207的虛像投影系統2000，在第二成像群組中部分反射部分透射面和後群鏡組中至少各一光學面從圓對稱面修改為環 形面後，轉變為具有虛像面707的虛像投影系統7000之立體模型差異示意圖。
第8A圖係為搭配數位微鏡裝置與RTIR稜鏡組之投影系統示意圖。
第8B圖係為搭配數位微鏡裝置與TIR稜鏡組之投影系統示意圖。
第8C圖係為搭配矽基液晶與方塊狀偏振分光器之投影系統示意圖。
第8D圖係為搭配矽基液晶與片狀偏振分光器之投影系統示意圖。
第9A圖係為以曲率半徑擬合第5D圖虛像月形畸變的示意圖。
第9B-1圖係第9A圖之曲率半徑擬合線條示意圖。
第9B-2圖係第9B-1圖利用調整影像源電子訊號做前期畸變後之虛像畸變示意圖。
第10A圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」在系統第一光軸與Z軸共軸、且背焦光路為直光路時之光路示意圖。
第10B圖係第10A圖之背焦稜鏡由直角稜鏡取代後之光路示意圖。
第10C圖係第10B圖之元件無效區域被切除後之光路示意圖。
第10D圖係於第10C圖搭配數位微鏡裝置及其照明系統後之光路示意圖。
第10E圖係於第10C圖搭配矽基液晶及其照明系統後之光路示意圖。
第10F圖係於第10C圖搭配液晶顯示器及其照明系統後之光路示意圖。
第10G圖係於第10C圖搭配有機發光二極體或微型發光二極體陣列後之光路示意圖。
第10H圖係將第10C圖「場曲型虛像顯示系統10000」進行旋轉及位移使其出瞳光軸與Z軸共軸之光路示意圖。
第10I圖係於第10H圖導入類眼光學系統1015並使「場曲型虛像顯示系統10000」之出瞳與類眼光學系統之入瞳兩者重疊後之光路示意圖。
第10J圖係第10I圖中類視網膜面1016 以波長520nm進行光線追跡之全域圖像和照度分布模擬圖。
第11A圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統」穿戴於標準尺寸頭部模型時之立體模型圖。
第11B圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統」搭配數位微鏡裝置及其照明系統後穿戴於標準尺寸頭部模型時之立體模型圖。
第11C圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統」之影像結合器與人眼視野角相關性之示意圖。
第12A圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統」虛像共軛面之調制轉換函數圖。
第12B-1圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」裝置類眼光學系統後，於類視網膜面1016以波長626nm進行光線追跡之清晰度模擬圖。
第12B-2圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」裝置類眼光學系統後，於類視 網膜面1016以波長520nm進行光線追跡之清晰度模擬圖。
第12B-3圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」裝置類眼光學系統後，於類視網膜面1016以波長454nm進行光線追跡之清晰度模擬圖。
第13A圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」於虛像共軛面+Y方向之相對照度圖。
第13B圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」於虛像共軛面-X方向之相對照度圖。
第13C圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」於虛像共軛面+X方向之相對照度圖。
第14A圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」於虛像共軛面+Y方向之光學畸變量。
第14B圖係為本發明實施例「場曲型虛 像顯示系統10000」於虛像共軛面-X方向之光學畸變量。
第14C圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」於虛像共軛面+X方向之光學畸變量。
第14D圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」裝置類眼光學系統後，於類視網膜上以波長520nm進行光線追跡之影像畸變模擬圖。
第15A圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」於虛像共軛面的切向影像清晰度之公差分析圖。
第15B圖係為本發明實施例「場曲型虛像顯示系統10000」於虛像共軛面的徑向影像清晰度之公差分析圖。
由第1A圖、第1B-1圖、第1B-2和第1B-3圖可觀察到具有高放大倍率之虛像光軸109無法與眼光軸112具有共軸的情形，若能設計系統所成 之虛像位於第1A圖所示之被觀測面116，即能提升畫面清晰度並改善虛像兩側光程差所造成的畸變。本發明提出第一個觀點是形成一具有適當凹面型態場曲的虛像面，使此虛像面的一部分區域在位置上能夠適配於第1A圖所示之被觀測面116，利用上述特性作為系統優化的基礎原理。
光學攝像系統於像平面發生桶形畸變(Barrel distortion)的情形是常見的，特別是超廣角鏡或魚眼鏡，這種情況表示攝影鏡頭之成像面形成凸面型態場曲。將具有這種特性的攝像系統導入實像投影鏡頭的應用時其效果正好相反，當平面影像源被投射於有限遠處的屏幕上發生枕形畸變(Pincushion distortion)，也就是說投影的像形成凹面型態的場曲；而虛像投影系統可利用上述特性來形成具有凹面型態場曲的虛像面。
第2A圖表示一場曲型虛像投影系統2000，該系統2000適用於投影鏡組200。投影鏡組200包含：一物平面201、一背焦稜鏡(組)202、一第一成像群組203、一第二成像群組206，其中第二成 像群組206係為一具有部分反射部分透射功能之凹面鏡，在系統2000中作為影像結合器使用。系統2000利用第一成像群組203將物平面201成像出具有凹面型態場曲的實像205，並使實像205位於第二成像群組206之焦距內，實像205透過第二成像群組203於遠方成像一放大正立虛像面207，其中，虛像面207之場曲特性與實像205可同樣具有凹面型態場曲。第2B圖將第2A圖模型化以表現出立體效果，為了方便說明，本實施例虛像面207之場曲型態被設計為具有球面特性，但本發明在應用上不限於具有球面特性的場曲型態。上述球面型態場曲的曲率中心位於投影鏡組200之出瞳209位置；出瞳209被定義為人眼的入瞳，球面上任意頂點所形成之切平面其通過頂點的法線皆通過出瞳209中心。Z軸與投影鏡組200之光軸204共軸，X軸表示畫面弧矢方向且Y軸表示畫面子午(Meridional)方向，弧矢方向有效視場角為±60°且子午方向有效視場角為±29°；如第2C圖所示，本例以虛像面207與光軸204的交點為場曲面頂點210，並且建立一個通過上述頂點210之切平面作為 影像被觀測面207’，而被觀測面207’的大小必須能夠涵蓋上述有效視場角範圍，此時被觀測面207’中心法線與投影鏡組光軸(Z軸)共軸。第2D圖顯示被觀測面207’的畸變畫面。由第2A圖、第2B圖、第2C圖以及第2D圖可說明：當虛像投影系統的成像面具有凹面型態場曲虛像面，則其畫面發生枕形畸變。
如第3A圖所示，場曲型虛像投影系統3000係將一有效面積小於物平面的影像源302放置於投影鏡組200的物平面部分區域所形成，該系統3000適用於投影鏡組300，投影鏡組300與投影鏡組200具有相同光軸204。投影鏡組300只成像出小於虛像面207的虛像區域面301，其中區域面301具有光軸303。在此實施例中，影像源302的面積與位置被設定為使虛像區域面301之光軸303與虛像面207之光軸204共軸，並且具有弧矢方向±15°的有效視場角範圍及子午方向約±8.37°的有效視場角範圍。第3B圖將第3A圖模型化以表現出立體效果；如第3C圖所示，在本例中該區域面301與光軸204的交點即為 上例場曲型虛像投影系統2000之頂點210，同樣可建立一個通過該頂點210之切平面作為影像被觀測面301’，而被觀測面301’的大小必須能夠涵蓋上述有效視場角範圍；此時被觀測面301’中心法線與投影鏡組300之光軸204(Z軸)共軸；第3D圖顯示被觀測面301’的畫面畸變情形。由第3A圖、第3B圖、第3C圖以及第3D圖可說明：
1.在物平面201選擇部分區域面積，就能夠得到位於虛像面207上的虛像可顯示區域。
2.虛像光軸303與投影鏡組300光軸204共軸時，畫面無梯形畸變。
3.選取凹面型態場曲虛像面207的部份區域進行投影時，相較於第2D圖其畸變量較小。
4.虛像光軸303與投影鏡組300光軸204不具有夾角時，出瞳209位於投影鏡組300的光路有效區中，因此無法避免與穿戴者頭部發生干涉。
為使投影鏡組200與虛像光軸具有夾角以達到側向投影的目的，可利用調整影像源在物平面上所佔區域位置使影像源中心與物平面中心具有偏 移量來達成，進行上述調整相當於在虛像面201上選取不同於區域面301的其他區域面，且該區域面中心與光軸204具有偏移量。如第4A圖所示，將第2A圖中投影鏡組200之光軸204以出瞳209為中心對Y軸旋轉45°後形成光軸513’並通過另一虛像區域面501中心，並依虛像區域面501與光軸513’交點作為頂點526定義出如第4B圖所示的被觀測面501’，由於虛像面具有球面型態場曲，且球面曲率中心位於出瞳209，故此時被觀測面501’光軸513’與光軸204具有45°夾角。
如第5A圖所示，將一有效面積小於物平面的影像源502放置於第2A圖中投影鏡組200的物平面部分區域可形成一場曲型虛像投影系統5000，系統5000適用於投影鏡組500，投影鏡組500與投影鏡組200具有相同光軸204，此時投影鏡組500只成像出較小於虛像面207的虛像區域面501，其中區域面501具有光軸513’。在此實施例中，影像源502的面積與位置被設定為使光軸513’與虛像面207弧矢方向+45°的視場角共軸，並且具有弧矢方向+30° 至+60°的有效視場角範圍及子午方向約±8.37°的有效視場角範圍。第5B圖將第5A圖模型化以表現出立體效果；如第5C圖所示，以上述兩者交點為頂點可建立一個切平面作為影像被觀測面501’，而被觀測面501’的大小必須能夠涵蓋上述有效視場角範圍；此時被觀測面501’中心法線與區域面501光軸513’共軸且投影鏡組500光軸204與區域面501光軸513’具有45°夾角；本實施例定義眼光軸513共軸於光軸513’，用以表示人眼正向觀察區域面501。第5D圖顯示被觀測面501’的畫面畸變情形，如圖所示，全畫面縱向線條皆呈彎曲，彎曲方向皆相同但具有不同曲率，這種畸變型態在本發明「場曲型虛像投影系統」中稱為「弧矢月形畸變」。第5A圖、第5B圖、第5C圖以及第5D圖可說明：
1.在物平面201選擇偏離物平面中心的有效區域位置中心，就能夠得到一個位於虛像面207上且偏離虛像面中心510的虛像可顯示區域中心511。
2.虛像光軸513’與投影鏡組500光軸204具有45°夾角時，出瞳209不位於投影鏡組500的光路有效區 中，足夠避免與穿戴者頭部發生干涉，且畫面無梯形畸變。
3.選取凹面型態場曲虛像面的部份區域進行投影時，相較於第2D圖其畸變量變小。
4.光軸513’與光軸204不共軸時，畫面發生月形畸變，且畫面彎曲程度隨離軸程度遞增。
觀察第5A圖可發現被觀測面501’與第1A圖所示之被觀測面116方位非常接近，並可達成：消除虛像兩側光程差、虛像光軸與眼光軸共軸、以及投影系統光路與通過虛像中心的主光線間具有足夠夾角等重要特性。此外全系統所有光學面皆共軸，卻可達到離軸設計的側像投影效果，其離軸特徵來自各元件有效區的分布。
綜合上述概念，可以得知一場曲型虛像顯示系統必須具有能夠將物平面成像為一具有凹面型態場曲虛像面的投影鏡組，並且將影像源裝置於投影鏡組物平面的部分區域中。
請同時參考第5A圖與第5E圖，本發明之場曲型虛像顯示系統5000適用於投影鏡組500， 投影鏡組500包含：影像源502位於投影鏡組500之一物平面201之部分區域；第一成像群組203具有一前群鏡組503與一後群鏡組504；以及第二成像群組206具有部分反射部分透射面505以及抗反射面506，且第二成像群組206於場曲型虛像顯示系統5000中作為影像結合器使用。
其中，物平面光軸共軸於第一成像群組203光軸且共軸於光軸522，第二成像群組206之光軸共軸於光軸523，在本實施例中光軸522與光軸523皆共軸於系統5000之光軸204；物平面201透過第一成像群組203形成具有場曲之實像面205，實像面205透過第二成像群組206形成具有凹面型態場曲之虛像面207
影像源502位於物平面201之部份區域，使實像面205僅發生實像區域面521，因此虛像面207亦僅有虛像區域面501可被顯示；影像源502所在之部份區域中心508與物平面中心507具有物偏移量509，使虛像可顯示區域中心511與虛像面中心510同時產生像偏移量512；由虛像面的場曲特性，使系 統500所發生之一虛像有效區域光軸513’與眼光軸513共軸的同時能夠與光軸204具有一夾角527；利用上述特性可使系統5000顯示正確的畫面，同時可避免當眼光軸513與虛像光軸513’共軸時投影鏡組500與頭部組織發生干涉。
第一成像群組203包含光瞳208；影像源502、一背焦稜鏡(組)202以及前群鏡組503相對於光瞳208位於相同一側；後群鏡組504與第二成像群組206相對於光瞳208位於相同另一側。依光線前進方向，影像源502以及前群鏡組503位於光瞳208之前，後群鏡組504與第二成像群組206位於光瞳208之後。
其中，前群有效區514其區域中心515與第一光軸204具有偏移量516並偏向影像源502所在側，且前群鏡組503中光學元件愈遠離光瞳208之偏移量516愈大；後群有效區517其區域中心518與光軸204具有偏移量519並偏離影像源502所在側，且後群鏡組504中光學元件愈遠離光瞳208之偏移量519愈大；第二成像群組有效區520其區域中心524 與光軸204具有偏移量525並偏離影像源502所在側；光學元件無效區應儘可能被切除以避免發生干涉情形亦可減少體積和重量。
由虛像顯示系統5000可說明本發明「場曲型虛像顯示系統」具有以下特徵：
1.「場曲型虛像顯示系統」由虛像投影鏡組構成，且其成像面為具有凹面型態場曲之虛像面。
2.如第5E圖所示，虛像顯示系統5000適用於投影鏡組500，投影鏡組500包含一影像源502、一背焦稜鏡(組)202、一第一成像群組203、一第二成像群組206，其中第一成像群組203包含一前群鏡組503、第一光瞳208和一後群鏡組504，其中第二成像群組206是一個具有部分反射部分透射功能的光學元件並作為影像結合器使用。
3.第一成像群組203必須能夠成一實像205，此一實像205位於第二成像群組206的焦距內使系統發生虛像。
4.如第5E圖所示，影像源502位於虛像投影系統之物平面201的部份區域，影像源502所在區域中心 相對於投影鏡組200之光軸204具有弧矢或子午偏移量，若其偏移量為弧矢方向，則投影畫面法線保持在弧矢面(Sagittal plane)上旋轉，造成虛像光軸與投影鏡組光軸皆位於弧矢面上，且上述兩者具有夾角，此狀態於本發明「場曲型虛像投影系統」中稱為弧矢側向投影；若其偏移量為子午方向，則投影畫面法線保持在子午面上旋轉，造成虛像光軸與投影鏡組光軸皆位於子午面(Meridional plane)上，且上述兩者具有夾角，此狀態於本發明「場曲型虛像投影系統」中稱為子午側向投影；影像源502所佔物平面之區域比例與側向投影畫面可視角範圍相關；影像源502所在之區域中心偏移量與虛像光軸513’及投影鏡組200之光軸204夾角相關。
5.如第5E圖所示，投影鏡組200所包含的光學元件除光瞳208之外，其餘元件之有效區中心均各自具有偏移量。位於光瞳208前方的光學元件有效區偏移方向與影像源偏移方向相同，且越遠離光瞳208之元件其有效區偏移量越大；位於光瞳208後方的光學元件有效區偏移方向與影像源偏移方向相反， 且越遠離光瞳208之元件其有效區偏移量越大。因元件有效區偏移量而發生的元件無效區應儘可能被切除，用以避免發生干涉並減少體積和重量。
6.如第4特徵所述，當弧矢側向投影狀態成立時，投影畫面縱向線條發生彎曲，此狀態於本發明「場曲型虛像投影系統」中稱為「弧矢月形畸變」；當子午側向投影狀態成立時，投影畫面的橫向線條發生彎曲，此狀態於本發明「場曲型虛像投影系統」中稱為「子午月形畸變」。
本發明提出第二個觀點是調整「場曲型虛像投影系統」之投影鏡組中第二成像群組的位置和角度，使第二光軸與第一光軸兩者不共軸，用以改變場曲型虛像顯示系統之場曲特性。如第6A圖所示，第二成像群組206以部分反射部分透射面之頂點604為中心在弧矢方向旋轉3°後系統具有新的投影鏡組600，其中包含第二成像群組606且該第二成像群組606具有光軸605，此時出瞳位置平移14.5mm，並產生具有光軸608的另一虛像面607，虛像面607為虛像面207曲率中心平移至新的出瞳位置後，以其為中 心旋轉13.6°。第6B圖將第6A圖模型化以表現出立體效果，觀察第6B圖可理解到，被觀測面501’的成像結果將對應虛像面607而有不同的呈現，這種效應提供了調整虛像面的機制亦使系統優化的自由度變得更多。
本發明提出第三個觀點是導入環形面於「場曲型虛像投影系統」中第二成像群組之部分反射部分透射面，並且系統在第一成像群組中的後群鏡組中導入至少一環形面，使之與該具有環形面之第二成像群組作為搭配，以能夠使「場曲型虛像顯示系統」之場曲面具有弧矢(Sagittal)/子午(Meridional)之非對稱特性。
應用於光學元件面形的曲線方程式如下：
其中c≡曲率，r≡徑向距離，k≡二次曲面係數，a4、a6、a8、a10、a12、a14為非球面係數，上述所有環形面若使用於弧矢側向投影時，環形面於弧矢面上之曲線方程式可具有曲率半徑、二次曲面係數以及非球面係數，而子午面上之曲線方程式只具有 曲率半徑；若使用於子午側向投影時，環形面於子午面上之曲線方程式可具有曲率半徑、二次曲面係數以及非球面係數，而弧矢面上之曲線方程式只具有曲率半徑。請參考第7A圖，將投影鏡組200後群鏡組中之一圓對稱鏡701置換為一環形面鏡702，並將投影鏡組200第二成像群組206置換成部分反射部分透射面為環形面的第二成像群組706，則系統具有新的成像群組700，其中包含後群鏡組703、第一成像群組704、實像705以及虛像面707。第7B圖將第7A圖模型化以表現出立體效果，觀察第7B圖可比較虛像面207和虛像面707在弧矢(Sagittal)/子午(Meridional)對稱與非對稱性的差異，這種非對稱效果在優化「場曲型虛像顯示系統」的圖像畸變以及影像全域清晰度時有非常好的效果。本發明提出第四個觀點是當「場曲型虛像顯示系統」具有足夠大的背焦稜鏡(組)時，可同時因應反射式、穿透式以及自發光式影像源的導入。以目前的技術而言，反射式影像源以數位微鏡裝置(DMD)和矽基液晶(LCOS)為主；穿透式影像源以液晶顯示器(LCD)為主；自發光影像源以有機發光二 極體(OLED)、微型發光二極體陣列(mLED)等。
虛像顯示器係屬於投影系統的範疇，利用使系統投射出虛像的方式，將人眼光學系統包含在成像系統中，則整個光學系統以影像源作為物面而視網膜作為像面。一般投影系統可區分為照明系統與成像系統，「場曲型虛像顯示系統」與人眼光學系統兩者組合後成為投影系統中的成像系統；而照明系統則為影像源提供光源，對系統效率和畫面均勻性影響甚鉅，對於各種不同種類的影像源，需要個別規格的照明系統才能發揮系統最好的效果。反射式影像源主要為數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device,DMD)和矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)兩類，具有開口率、解析度和光學利用效率的優勢。第8A圖和第8B圖示意數位微鏡裝置的光線操作模式，第8C圖和第8D圖示意矽基液晶的光線操作模式，由上述操作模式可知系統具有足夠大的背焦稜鏡(組)時必能夠同時滿足上述兩種影像源的照明系統需求。
需要補充說明的是：當「場曲型虛像顯 示系統」必須同時能夠導入反射式影像源、穿透式影像源以及自發光影像源時，才有設計背焦稜鏡(組)於系統內的必要，是否有背焦稜鏡(組)對「場曲型虛像顯示系統」本身並沒有影響。若系統確定只採用穿透式或自發光影像源，諸如：LCD、OLED、mLED等...可不須導入背焦稜鏡(組)於該系統。
本發明提出第五個觀點是利用調整影像源電子訊號做前期畸變來改善本發明第一觀點之第六特徵所提到畫面線條彎曲的現象，系統所發生畫面線條彎曲的現象須利用調整影像源電子訊號做前期畸變來改善其弧矢月形畸變或子午月形畸變，調整影像源電子訊號方法為控制畫面中間直線的曲率半徑使其成為無窮大。觀察第5D圖可發現畫面略呈弧矢月形畸變，請參考第9A圖，將其左邊界、中央以及右邊界三個因畸變而發生彎曲的線條分別以901、902以及903來表示其曲率半徑之絕對值，觀察第9A圖可知曲率半徑901>902>903，透過調整影像源電子訊號使通過虛像畫面之中心之曲率半徑絕對值902成為無窮大即可改善月形畸變。如圖第9B-1圖和第 9B-2圖所示，利用訊號調整使畫面每一橫列上所有畫素一起作平移，當曲率半徑902被調整為無窮大時為曲率半徑902’，使位於中央的曲線成為直線狀態時，可達到左邊界彎曲方向反轉且右邊界彎曲程度減少的結果，如此畫面呈現幾何對稱。相較於發生梯形畸變的系統，上述調整方式能大幅度減少畫素的耗損而改善影像失真的問題。
本發明提出第六個觀點是使「場曲型虛像投影系統」之投影鏡組中的第二成像群組可具有或不具有度數，用以配合具有健康視力者、近視者以及遠視者觀察外界環境時之所需。請參考第5A圖，系統5000中的第二成像群組206具有部分反射部分透射面505與抗反射面506，使上述兩個表面具有面形差異時即可使第二成像群組206具有度數。
本發明提出第七個觀點是調整使「場曲型虛像投影系統」的背焦空氣間隙使不論具有健康視力者、近視者或遠視者皆能觀察到清晰的系統虛像。
本發明提出場曲型虛像顯示系統10000作為實施例，如第10A圖所示，場曲型虛像顯 示系統10000包含一物平面1008、一影像源1001位於物平面1008之部分區域、一背焦稜鏡(組)1002、第一成像群組1003以及第二成像群組1004。第一成像群組1003中包含前群鏡組1005、光瞳1006和後群鏡組1007；依光線前進方向，位於前群鏡組1005的元件依序為非球面鏡L1、球面鏡L2和非球面鏡L3；位於後群鏡組1007的元件依序為球面鏡L4、球面鏡L5、球面鏡L6、環形面鏡L7和非球面鏡L8，其中環形面鏡L7包含一光入射表面S7a以及光出射表面S7b；光瞳1006位於前群鏡組1005和後群鏡組1007之間。第一成像群組1003共軸於第一光軸1009；第二成像群組1004包含一個環形面鏡L9具有不同於第一光軸1009之第二光軸1010，環形面鏡L9包含朝向人眼的表面S9a以及朝向外界環境的表面S9b，其中表面S9a具有部份反射部分透射功能，屬於虛像成像系統的一部分；而表面S9b具有抗反射功能，不屬於虛像成像系統的一部分。環形面鏡L9在系統10000中作為影像結合器(Combiner)，系統10000之出瞳1013與環形面鏡L9之間具有26mm之適眼距 (Eye relief)，出瞳1013具有5mm最大有效直徑並與人眼瞳孔重疊，且具有不同於第一光軸1009和第二光軸1010之眼光軸1011。
依據本發明的第一觀點，如第10A圖所示，成像系統物平面1008經由第一成像群組1003成一實像1012位於第二成像群組1004之焦距內，使系統產生一具有凹面形態場曲之虛像面，影像源1001面積位於物平面1008的一部份區域內，故虛像畫面亦位於具有凹面形態場曲之虛像面的一部份區域內。在第10A圖中X軸表示系統弧矢方向，Y軸表示系統子午方向，依據本發明的第一觀點之第四特徵，由影像源1001中心與物平面1008中心的偏移量，可知本實施例屬於弧矢側向投影，並使第一光軸1009與眼光軸1011具有一夾角，在本實施例中上述夾角為46.3°。
依據本發明的第二觀點，如第10A圖所示，第二光軸1010相對於第一光軸1009在弧矢面發生位移與旋轉。
依據本發明的第三觀點，如第10A圖 所示，第二成像群組1004的反射表面S9a為環形面；此外後群鏡組1007中的環形面鏡L7其表面S7a和表面S7b亦屬環形面。
依據本發明的第四觀點，位於系統背焦之材料具有足夠厚度用以因應反射式影像源的導入。將第10A圖之背焦材料建立為直角稜鏡，如第10B圖所示，透過直角稜鏡1014使場曲型虛像顯示系統10000之光路轉折90°後，可觀察到所有光線確實足以通過直角稜鏡1014。如第10C圖所示，依本發明第一觀點之第五特徵，將元件無效區切除。第10D圖表示本實施例使用數位微鏡裝置(DMD)1018作為影像源時的一種具體實施方式。第10E圖表示本實施例使用矽基液晶(LCOS)1019作為影像源時的其中一種具體實施方式。第10F圖表示本實施例使用液晶顯示器(LCD)1020作為影像源時的其中一種具體實施方式。第10G圖表示本實施例使用有機發光二極體(OLED)1021和微型發光二極體陣列(mLED)1022作為影像源時的其中一種具體實施方式。在「場曲型虛像顯示系統」中，背焦長度以及材料可 隨系統需求可以有不同的設計值，包含其他參數如視場角、第一成像群組與眼光軸夾角和適眼距等皆具有靈活調整的空間。
以真實光線追跡進行光學模擬以驗證場曲型虛像顯示系統10000是必要的，但由於虛像無法以屏幕承接，要進行真實光線追跡必須先設計能夠模擬人眼功能之類眼光學系統，並以類眼光學系統中的類式網膜來承接虛像。如第10H圖所示，首先定義眼光軸朝向正Z軸，因考慮到出瞳必須與眼共軸，所以調整場曲型虛像顯示系統10000使其旋轉及位移直至出瞳與Z軸共軸，接下來如第10I所示，導入類眼光學系統1015於場曲型虛像顯示系統10000，並使前者入瞳與後者出瞳之位置重疊。模型建立完成後以影像源作為模擬系統發光源進行光線追跡得到類視網膜1016(E12)表面的光線分布如第10J圖所示，人眼觀察到的畫面呈現弧矢月形畸變。依據本發明第一觀點之第四特徵，本實施例屬於弧矢側向投影；依據本發明的第一觀點之第六特徵，本實施例經由影像源產生的虛像呈現弧矢月形畸變，畫面縱向線條發生 彎曲；依據本發明第五觀點，上述弧矢月形畸變可利用電子訊號作前期畸變，使畫面中心縱向線條之曲率半徑成為無限大來改善全畫面的畸變情形。
依據本發明的第六觀點，表面S9b的面形搭配表面S9a設計可使環形面鏡L9具有或不具有度數，用以配合具有健康視力者、近視者以及遠視者觀察外界環境時所需。
依據本發明的第七觀點，調整影像源1001到非球面鏡L1之間的空氣間隙使不論具有健康視力者、近視者以及遠視者皆能觀察到清晰的系統虛像。
本實施例場曲型虛像顯示系統1000自虛像面至影像源各元件參數及詳細佈局方式如表一所示；上述類眼光學系統自虛像面至類視網膜1016(E12)各元件參數及詳細佈局方式如表二所示。
上述實施例已包含發明內容提出的所有觀點和特徵，以下提供各式圖樣及分析數據作為場曲型虛像顯示系統10000效能之佐證。
當本實施例搭配液晶顯示器、有機發 光二極體或微型發光二極體陣列等影像源時整體系統具有較小體積，第11A圖顯示本實施例搭配有機發光二極體且穿戴於標準尺寸頭部模型時的情形；當本實施例搭配數位微鏡裝置或矽基液晶等影像源時整體系統具有較大體積，第11B圖顯示本實施例搭配數位微鏡裝置且佩戴於標準尺寸頭部模型時的情形；觀察第11A圖和第11B圖可知裝置除了與頭部組織不會發生干涉外，第一成像群組亦可避開人眼側向視野達到80°角。如第11C圖所示，為了使視野在更廣闊的範圍內不會遭遇鏡片邊緣造成的視覺阻礙，影像結合器可放大尺寸直到至少涵蓋弧矢視角±60°以及子午視角±45°，此時虛像畫面來自影像結合器部份區域，而眼光軸1101同時通過虛像與外界環境視野中心。
第12A圖以調制轉換函數(Modulation Transfer Function,MTF)來顯示畫面中心、畫面50%場域以及畫面邊緣的清晰度，調制轉換函數線對設定為93lp/mm，換算影像源畫素尺寸為5.4微米，畫面解析度為720P。此外，本發明為慎重起見在全畫面 區域平均分布的位置取樣121個取樣點進行三波長之真實光線追跡，如第12B-1圖、第12B-2圖和第12B-3圖在類視網膜1016(E12)的成像模擬，其中三波長分別為626nm、520nm以及454nm，每個取樣點追跡8百萬條光線，模擬平均誤差為3.8%，從上述模擬可觀察到全域三色解析度可接受，同時亦可觀察到色差最大值約為3微米，位於454nm畫面右側。
相對照度顯示於第13A圖、第13B圖和第13C圖，分別表示畫面自中心至+Y、-X和+X三個方向的亮度遞減程度，其中X軸代表畫面弧矢方向且Y軸代表畫面子午方向，由於在本實施例中+Y和-Y方向是對稱的故省略-Y方向的相對照度圖，觀察第13B圖可知畫面亮度朝-X方向遞減最多，但在-100%場域仍高於80%，此外前述本發明第五觀點時曾提及第10I圖在類視網膜E12的照度分布模擬，其模擬結果亦可做為畫面均勻度的參考。
畸變度顯示於第14A圖、第14B圖和第14C圖，分別表示畫面自中心至+Y、-X和+X三個方向的畸變程度，其中X軸代表畫面弧矢方向且Y 軸代表畫面子午方向，由於+Y和-Y方向是對稱的故省略-Y方向的畸變圖，觀察第14A圖可知畫面畸變朝+Y方向最為嚴重，在100%場域約為5%。而在顯示系統中視訊畸變更為重要，由第14D圖在類視網膜E12的畸變模擬，可發現子午視訊畸變約為1.2%，弧矢視訊畸變約為2.3%，依據本發明第五觀點在調整影像源電子訊號做前期畸變後，可在耗損約1%畫素的情形下使畫面最大視訊畸變降為1.2%以下。
由於本發明之第一成像群組所有元件共軸亦與影像源所屬之物平面共軸，故在生產良率上相較於前述先前技術應有較好的表現。表三說明本實施例進行公差分析時所設定的公差項目及範圍：
第15A圖和第15B圖為系統畫面影像清晰度的良率與調製轉換函數(MTF)的關係圖，其中， 縱座標為良率；橫坐標為調製轉換函數。第15A圖說明本實施例在人眼有效瞳孔直徑達4mm時，以調制轉換函數30%作為影像清晰度優劣區分基準，切向影像品質良率約99%；第15B圖說明本實施例在人眼有效瞳孔直徑達4mm時，以調制轉換函數30%作為影像清晰度優劣區分基準，徑向影像品質良率約86%。
照明系統對投影系統效率影響甚鉅，以本實施例搭配數位微鏡裝置時之照明系統之效率模擬可為佐證，自LED光源至數位微鏡裝置之各元件參數及詳細佈局方式如表四所示：
上例以三色LED作為光源，分別為波長626nm的紅光LED、波長520nm的綠光LED和波長454nm的藍光LED，以上三個LED發光面必須共同屬於1.609mm×1.094mm面積範圍的平面內，也就是說 三個LED屬於同一封裝。效率模擬結果如表五所示：
類視網膜1016(E12)可得26.57%的幾何光效率，此外需考慮到實際上光線前進時遭遇各個介面必然發生不同程度的光通量衰減，如表三所示，因此當三色LED所組成的光源總輸出光通量為1流明，且影像結合器之反射面具有約4%反射率時，最終抵達類視網膜E12光通量為0.0061流明，其中影像結合器反射面之約4%反射率是由影像結合器材料介面本身產生之反射率，若需增減此反射率可由光學鍍膜來達成。由前述第10H圖所示，類眼光學系統 1015與本實施例組合而成的實像成像系統具有一放大倍率，故可依此放大倍率與影像源尺寸求出在類視網膜1016(E12)上的實像面積；此外由類眼光學系統1015的入瞳尺寸與有效焦距可求出光束成像於類視網膜1016(E12)的立體角。由輝度定義L≡/(A．Ω)，其中L≡輝度，≡光通量，A≡光分布面積，Ω≡立體角，可得知類視網膜1016(E12)可看到輝度約8853尼特的虛像，當類眼光學系統1015被置換為真實人眼時亦可觀察到同樣輝度。依此方式可推算出本實施例搭配各種影像源及其照明系統時的虛像輝度如表六所示：
由表六可看出各種型態的影像源其光源亦各自不同，在光源輸出光通量固定為1流明的條件下，虛像輝度可有數倍甚至數十倍的差異。搭配數位微鏡裝置與矽上液晶的系統雖然體積較大，但光利用效率也相對較高，其中搭配矽基液晶的系統因必須 使用偏振光導致50%以上的效率耗損。使用液晶顯示器或具有自發光特性的有機發光二極體和微型光發二極體陣列，此三者雖然無需掛載式照明系統而體積較小，但由於發光角度太寬廣導致光利用效率相對較低，其中採用背光模組的液晶顯示器由於面板本身效率不彰的緣故，所以表現出最低的輝度。因此本發明在效率最高的組合下可使LED三色光源在總輸出1流明，且影像結合器反射面無需鍍膜的情形下，即可讓使用者觀察到輝度8853nit、弧矢視場角將近30°的畫面，值得一提的是在白天使用的LED電視牆其輝度規格為大於5000nit。

Claims (10)

  1. 一種場曲型虛像顯示系統，且該場曲型虛像顯示系統適用於一投影鏡組，該場曲型虛像顯示系統包含：一影像源，位於該投影鏡組之一物平面之部分區域；一第一成像群組，具有一前群鏡組與一後群鏡組；以及一第二成像群組，具有一部分反射部分透射面以及一抗反射面，於該系統中作為一影像結合器使用；其中，該物平面與該第一成像群組共軸於該系統之一第一光軸；該第二成像群組共軸於該系統之一第二光軸；該物平面透過該第一成像群組形成具有凹面型態場曲之一實像面；該實像面透過該第二成像群組形成具有凹面型態場曲之一虛像面；該影像源位於該物平面之部份區域，使該虛像面僅有部分區域可被顯示；該影像源所在之部份區域中心與該物平面中心具有一物偏移量，使該虛像面之可顯示之區域與該虛像面中心同時產生一像偏移量；由該虛像面的場曲特性，且該虛像面之可顯示區域具有該像偏移量，使該系統所發生之一虛像光軸與該第一光軸具有一夾角；利用上述特性可使該系統顯示正確的畫面，同時可避免當人眼之一眼光軸與該虛像光軸共軸發生該投影鏡組與一頭部組織干涉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該第一成像群組包含：一前群鏡組、一光瞳以及一後群鏡組；其中，該影像源以及該前群鏡組相對於該光瞳位於相同一側；該後群鏡組與該第二成像群組相對於該光瞳為相同另一側。依光線前進方向該影像源以及該前群鏡組位於光瞳之前，該後群鏡組與該第二成像群組位於光瞳之後；其中，第一成像群組所包含的光學元件除光瞳之外，其餘元件之有效區中心均各自具有偏移量。位於光瞳之前的光學元件有效區偏移方向與影像源偏移方向相同，且越遠離光瞳之元件其有效區偏移量越大；位於光瞳之後的光學元件有效區偏移方向與影像源偏移方向相反，且越遠離光瞳之元件其有效區偏移量越大。因元件有效區偏移量而發生的元件無效區可被切除，用以避免發生干涉並減少體積和重量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該部份反射部份透射面可利用平移與旋轉該第二光軸，以進行優化影像品質。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，第一成像群組之該後群鏡組中具有至少一個一第一環形面，且該第二成像群組中該部份反射部份透射面必為一第二環形面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該投影鏡組具有足夠厚度之背焦稜鏡(組)時可以容納反射式、穿透式以及自發光式影像源之照明系統。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之系統，其中，該系統可搭載一數位微鏡裝置及其照明系統、一矽基液晶及其照明系統、或一液晶顯示器及其照明系統、或一有機發光二極體、或一微型發光二極體陣列。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其畫面發生線條彎曲的月形畸變，可調整影像源電子訊號做前期畸變來改善其弧矢月形畸變或子午月形畸變。
  8. 如請求項7所述之系統，其特徵在於，調整影像源電子訊號方法為控制畫面中間縱向線條的曲率半徑使其為無窮大來調整弧矢月形畸變；或控制畫面中間橫向線條的曲率半徑使其為無窮大來調整子午月形畸變。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該第二成像群組包含：一部分反射部分透射面以及一抗反射面；其中，抗反射面之面形搭配部分反射部分透射面之面形設計，可使該第二成像群組具有或不具有度數，用以配合具有健康視力者、近視者以及遠視者觀察外界環境時所需。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之系統，調整影像源到第一成像群組之間的空氣間隙可使不論具有健康視力者、近視者以及遠視者皆能觀察到清晰的系統虛像。
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