TWI633333B - 用於透視型頭戴式顯示器之薄曲面形接目鏡 - Google Patents

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Abstract

一種用於頭戴式顯示器之接目鏡，其包括用於引導在偏離觀看區域之周邊位置處接收到之顯示光並在觀看區域中沿眼區方向發射該顯示光的光導組件。該光導組件包括面向眼區表面、面向外界表面、及設置於該觀看區域中之面向外界表面中的凹槽。該凹槽具有與該面向外界表面不連續的凹槽表面。一附加組件設置於該凹槽中且具有與該凹槽表面配合之第一表面及與該面向外界表面形成連續外表面之第二表面。一局部反射層沿該凹槽表面與該附加組件之該第一表面間之界面設置。

Description

用於透視型頭戴式顯示器之薄曲面形接目鏡
本揭示大致係關於光學器件之領域，及特定而言但不完全係關於用於頭戴式顯示器之接目鏡。
裝配於頭部的顯示器(「HMD」)或頭戴式顯示器係配戴於頭上或附近的顯示裝置。HMD通常併入一些種類的近眼光學系統來在使用者前方數米處產生放大虛像。單眼顯示器被稱為單目HMD，而雙眼顯示器被稱為雙目HMD。某些HMD僅顯示電腦產生影像(「CGI」)，而其他類型之HMD可將CGI重疊於真實世界景象上。此後者類型之HMD通常包括某些形式之透視接目鏡且可作為用來實現擴增實境的硬體平台。藉由擴增實境，觀看者的外界影像經覆蓋的CGI擴增，亦稱為抬頭顯示器(「HUD」)。
HMD具有許多實際及休閒應用。航空應用容許飛行員不用將眼睛離開飛行路徑便可看到重要的飛行控制資訊。公共安全應用包括地圖的策略顯示器及熱成像。其他應用領域包括電動遊戲、運輸、及電信。隨著技術發展當然有新發現的實際及休閒應用；然而，許多此等應用由於用來實施現有HMD之習知光學系統的成本、尺寸、重量、視野、及效率而受限。
100‧‧‧接目鏡
105‧‧‧光導組件
107‧‧‧附加組件
110‧‧‧顯示來源
111‧‧‧顯示光
115‧‧‧輸入表面
120‧‧‧面向眼區表面
125‧‧‧面向外界表面
130‧‧‧凹槽
135‧‧‧凹槽表面
140‧‧‧全內反射部分
145‧‧‧局部反射部分
150‧‧‧觀看區域
153‧‧‧眼睛
155‧‧‧內表面
160‧‧‧外表面
165‧‧‧局部反射層
170‧‧‧局部反射塗層
200‧‧‧單目頭戴式顯示器
201‧‧‧接目鏡
205‧‧‧鼻樑
210‧‧‧左耳臂
211‧‧‧環境景物光
215‧‧‧右耳臂
220‧‧‧外殼
225‧‧‧外殼
250‧‧‧雙目頭戴式顯示器
251‧‧‧接目鏡
255‧‧‧附加組件
260‧‧‧曲面光導組件
S1‧‧‧面向眼區表面
S2‧‧‧凹槽表面
S3‧‧‧面向外界表面
S4‧‧‧輸入表面
參照以下圖式說明本發明之非限制性及非窮舉性的實施例，其中除非另外明確說明，否則在各個圖中，類似的元件符號指示類似部件。圖式未必係按比例繪製，反而係加強說明所描述之原理。
圖1A係根據本揭示之一實施例，用於頭戴式顯示器之接目鏡的平面圖說明。
圖1B係根據本揭示之一實施例，用於頭戴式顯示器之接目鏡的分解平面圖說明。
圖2A及2B繪示根據本揭示之一實施例，包括透視接目鏡的示範性單目頭戴式顯示器。
圖2C繪示根據本揭示之一實施例，包括透視接目鏡的示範性雙目頭戴式顯示器。
圖3提供根據本揭示之一實施例，用來表徵配合頭戴式顯示器使用之示範性接目鏡之表面的垂度(sag)方程式連同實例係數及座標。
文中說明利用部分及全內反射之頭戴式顯示器之接目鏡之系統及裝置的實施例。以下說明中，陳述許多特定細節以提供對實施例之徹底瞭解。然而，熟悉相關技藝人士當明瞭，文中描述之技術可在沒有一或多個特定細節下，或利用其他方法、組件、材料等來實施。在其他實例中，未詳細顯示或描述熟知之結構、材料、或操作，以避免混淆某些態樣。
本說明書全文中提及「一個實施例」或「一實施例」意指結合該實施例描述之特定特徵、結構、或特性包含在本發明之至少一個實施例中。因此，在本說明書全文中各處出現的片語 「在一個實施例中」或「在一實施例中」不一定皆係指相同實施例。此外，特定特徵、結構、或特性可以任何適當方式組合於一或多個實施例中。
圖1A及1B繪示根據本揭示之一實施例用於頭戴式顯示器之接目鏡100。圖1A係平面圖說明，而圖1B係其之分解平面圖說明。接目鏡100之說明實施例包括光導組件105、附加組件107、及顯示來源110。光導組件105之說明實施例包括輸入表面115、面向眼區表面120、面向外界之表面125、凹槽130(圖1B)、凹槽表面135、全內反射(「TIR」)部分140(圖1A)、局部反射部分145、及觀看區域150。附加組件107包括內表面155及外表面160。在說明實施例中，沿凹槽表面135與內表面155之間的界面設置局部反射層165及沿面向眼區表面120設置局部反射塗層170。
在TIR部分140中，控制顯示光111之光路徑，使得在面向眼區及面向外界表面120及125處的反射係藉由TIR達成。在局部反射部分145中，光路徑在面向眼區表面120及凹槽表面135上之入射角係小於臨界角，使得不再發生TIR，因此係仰賴易漏的局部反射來引導顯示光111。此等局部反射可經由各種不同技術達成。在一些實施例中，局部反射層165及局部反射塗層170提供用來引導顯示光111的漏溢反射邊界。在其他實施例中，省略局部反射塗層170且在局部反射部分145中仰賴菲涅爾(Fresnel)反射。
在說明實施例中，局部反射層165及局部反射塗層170分別係設置於局部反射部分145內之面向眼區側120及面向外界側125。在其他實施例中，局部反射塗層170可塗布整個面向眼區表面120，但該塗層沿TIR部分140實際上未被使用，乃因由於 TIR發生內部反射之故。局部反射層165及局部反射塗層170可以習知的分光器(例如，非極化分光器膜)實施。可根據設計需求選擇分光比，但在一實施例中，係以50/50分光器實施。
在其他實施例中，局部反射層165及局部反射塗層170係以極化分光器(「PBS」)實施。在PBS實施例中，顯示來源110輸出具有經選擇為實質上自局部反射層/塗層反射之偏極化的極化光。PBS設計可用來提高光學系統的效率。然而，當以PBS實施時，可有利地使用低應力材料(例如，低應力塑膠或玻璃)來降低雙折射對光學設計的影響。可經由液晶顯示器(「LCD」)、矽基液晶(「LCoS」)顯示器，使用外部偏光濾光器、或用其他方式產生極化顯示光。
在又其他實施例中，局部反射塗層170係使用角度敏感的多層干涉塗層實施，以實質上反射具有第一入射角的顯示光111，同時實質上透射具有第二入射角的顯示光111。藉由將在局部反射塗層170上之局部反射次數限制為僅兩次反射，可設計在第一次入射時實質上反射且在第二次入射時實質上透射的角度敏感性設計來提高光學效率。舉例來說，參照圖1A，在顯示光111進入局部反射部分145後，其在位置(1)處在局部反射塗層170上之第一入射角導致大於50%之顯示光111反射(例如，80%反射)。在位置(2)處在局部反射塗層170上之第二入射角較接近垂直且導致大於50%之顯示光111透射(例如，80%透射)。在一實施例中，多層干涉塗層係經特定調整以反射/透射紅、綠、及藍光之窄帶的三重陷波濾光片(triple notch filter)。
在又其他實施例中，省略局部反射塗層170且未將面向眼區表面120塗布局部反射層。替代地，使用菲涅爾反射來局部反射顯示光111。菲涅爾反射利用在面向眼區表面120處的折射 率邊界。然而，歸因於菲涅爾反射的極化相依性，應使用低應力材料(例如，低應力塑膠或玻璃)來降低雙折射對光學設計的影響。
在操作期間，顯示來源110自偏離觀看區域150的周邊位置向光導組件105發射顯示光111。顯示來源110可使用各種不同的顯示技術來實施，包括LCD、有機發光二極體(「OLED」)顯示器、LCoS顯示器等等。顯示光111可包括電腦產生影像。
顯示光111係通過輸入表面115入射至光導組件105中。在說明實施例中，輸入表面115係沒有屈光力的平坦表面。在其他實施例中，輸入表面115可具有具備屈光力的曲率，以向顯示光111施加透鏡功能。
在顯示光111通過輸入表面115進入光導組件105中後，其進入TIR部分140。在光導組件105的TIR部分140內，光學路徑的入射角係使得顯示光111經由TIR自面向眼區表面120及面向外界表面125內部反射。TIR係實質上無損失的反射，因此具光學效率。在說明實施例中，初始反射係出自面向外界表面125，而在TIR部分140內總共發生四次TIR反射。在其他實施例中，可實施更多或更少的TIR反射。可藉由選擇具高折射率的材料來達成較高次數的TIR反射。較高折射率材料使臨界角較接近垂直，因此TIR反射可在使用漏溢反射之前沿光導組件105之長度進一步地維持。
顯示光111經TIR部分140內的TIR反射引導至局部反射部分145。在說明實施例中，一旦顯示光111進入局部反射部分145，局部反射層165及局部反射塗層170即維持反射。此等反射由於局部反射塗層/層的固有性質通常將係損耗性的。然而，局部反射層/塗層165及170容許入射角在到達觀看區域150 內之面向眼區表面120上的發射區域之前接近垂直。在觀看區域150內，顯示光111沿眼區方向朝眼睛153離開光導組件105。在各種實施例中，局部反射部分145使單一射線的顯示光111在面向眼區表面120與凹槽表面135之間局部反射三次並在(2)處發生部分透射。雖然一些顯示光111在漏溢反射(1)處離開光導組件105，但其不會沿被眼睛153看到的軌跡離開。反之，部分透射(2)係沿眼區方向離開。
面向眼區表面120、面向外界表面125、及凹槽表面135係為曲面，其當顯示光111在光導組件105內反射時賦予其反射屈光力。面向眼區表面120亦在顯示光111於觀看區域150中由光導組件105朝眼睛153發射時賦予其折射屈光力。此等表面的曲率共同作用來利用各連續反射及最終折射調整顯示光111的聚散度，而放大及虛擬移動由顯示光111呈現給眼睛153的影像。影像經自眼睛153向後虛擬移動一使得眼睛153能夠使近眼影像舒適地對焦的距離(例如，1米至10米)。換言之，光導組件105的彎曲側面作用而將顯示光111自周邊位置輸送至觀看區域150，同時並使影像準直或幾近準直，而無需在顯示來源110與光導組件105之間之個別或額外的準直透鏡。此接目鏡100之設計減少光學組件之數目並減小其製造及組裝複雜度。
圖3呈現明確說明面向眼區表面120(S1)、凹槽表面135(S2)、面向外界表面125(S3)、及輸入表面(S4)之實例曲率的垂度方程式與實例係數值。圖3亦呈現用來定位S1至S4的實例座標。當然，可實施其他曲率、平坦表面、及座標。特定而言，儘管表面S1及S3之說明實施例係描述一球形表面，但在其他實施例中，可將此等表面中之一或多者描述為自由形式表面、旋轉對稱非球形表面、歪像非球形表面、圓環表面、任尼 克多項式(Zernike polynomial)表面、徑向基底函數表面、x-y多項式表面、非均勻有理B樣條(non-uniform rational b-spline)表面等等。
在一實施例中，面向眼區表面120及面向外界表面125皆係在TIR部分140中經由TIR及在局部反射部分145中經由局部反射來反射顯示光111的透明表面。由於接目鏡100對外部觀察者而言將呈現為透明接目鏡，因而透明表面達成期望的工業設計特徵。接目鏡100進一步藉由在面向眼區與面向外界表面120及125之間約4毫米厚的厚度而達成期望的工業設計特徵。所說明之設計可藉由水平約6.47毫米及垂直7.27毫米之入眼窗口(eyebox)、及約18毫米之適眼距(eye relief)提供15度的對角視野(「FOV」)。在一實施例中，接目鏡100自近端至遠端係約30毫米至34毫米長。當然，可實施其他尺寸。
參照圖1B，光導組件105之說明實施例包括形成於觀看區域150中之面向外界表面125中的凹槽130。凹槽130包括與附加組件107之內表面155配合的凹槽表面135。凹槽表面135係與面向外界表面125不連續的表面。在說明實施例中，在面向外界表面125與凹槽表面135之間的不連續處形成凹槽肩部。凹槽肩部使得能夠將附加組件107安裝至凹槽130中並提供平滑、連續的外表面，同時在附加組件107的尖端處維持供機械強度用的厚度。在其他實施例中，面向外界表面125及凹槽表面135係不連續的表面，其與彼此形成不具有凹槽肩部的不連續相交。因此，凹槽表面135包括任何自面向外界表面125之連續延伸後退，以利於添加附加組件107的表面。類似地，凹槽130可呈現各種形狀，包括溝槽、凹壁、楔形等等。
局部反射層165係沿凹槽表面135與內表面155之間的界面 設置。可在將附加組件107裝配至光導組件105之前，將局部反射層165塗布於任一表面上。在一實施例中，該等組件係使用光學黏著劑接合在一起。光導組件105及附加組件107可由兩種具有相同折射率的不同材料製成，或兩者為相同材料。
由於局部反射層/塗層165及170僅係局部反射性，且光導組件105及附加組件107係由光學透射性材料(例如，透明塑膠)製成，因而觀看區域150容許至少一部分的環境景物光通達眼睛153。因此，接目鏡100作為光學組合器運作，其組合外部景物光與沿著眼區方向通過觀看部分150發射至眼睛153中的顯示光111。以此方式，接目鏡100可向眼睛153展示擴增實境。
如說明，附加組件107係接合至光導組件105的凹槽130中。內表面155係經設計成具有與凹槽表面135之曲率平滑配合的曲率。此外，外表面160與面向外界表面125形成平滑、連續的外表面。在一實施例中，外表面(包括面向外界表面125)及面向眼區表面120係具有使彼此對通過環境光之屈光力實質上抵消之互補曲率的球形表面。換言之，進入外表面160之環境景物光的輸入角度實質上等於離開面向眼區側120之環境景物光的輸出角度。因此，接目鏡100實質上無透鏡作用地使至少一部分的環境景物光通過觀看區域150，因而容許使用者在接目鏡100前方具有實質上不失真的周圍環境景觀。在其他實施例中，面向外界表面125及面向眼區表面120係具有不互補曲率的表面，其共同對通過的環境光提供矯正透鏡放大率。
如所提及，附加組件107及光導組件105係由具有相同或相似折射率的材料製成。此可移除通過觀看區域150到達眼睛153之環境景物光在內表面155與凹槽表面135之間之界面處的屈光力。然而，局部反射層165的曲率向內部顯示光111施加透鏡放 大率。由於局部反射層165具有具較大曲率的較陡峭角度，因此施加至顯示光111之屈光力的實質部分係由局部反射層165所施加。在一些實施例中，局部反射層165亦可係曲面，以向使用者引介特定的矯正處方。在一實施例中，局部反射層165係自由形式表面。
光導組件105係由具有較空氣高之折射率的材料製成，以於TIR部分140內誘導TIR。光導組件105可由光學級塑膠(例如，Zeonex E-330-R)、玻璃等等製成。在一實施例中，該組件係經射出成形，然後再加工以添加下文論述的各種光學塗層/層。附加組件107可由與光導組件105相同或相似的材料使用相似的製造技術製成。在一實施例中，附加組件107係由具有與光導組件105實質上相似折射率的材料製成。
接目鏡100的外表面可經塗布抗指紋塗層。舉例來說，在一實施例中，至少在TIR部分140中的面向眼區及面向外界表面120及125經塗布抗指紋塗層，以減小指紋油對此等表面處之全內反射的影響。抗指紋或疏油性塗層係技藝中所知曉。
圖2A及2B繪示根據本揭示之一實施例，使用接目鏡201的單目頭戴式顯示器200。圖2A係頭戴式顯示器200的透視圖，而圖2B係其俯視圖。接目鏡201可利用如以上論述之接目鏡100的實施例實施。接目鏡201係安裝至包括鼻樑205、左耳臂210、及右耳臂215的框架總成。外殼220及225可包含各種電子器件，包括微處理器、介面、一或多個無線收發器、電池、相機、揚聲器、顯示來源等。儘管圖2A及2B繪示單目實施例，但頭戴式顯示器200亦可實施為具有兩個當配戴顯示器200時各與使用者的各別眼睛對準之接目鏡201的雙目顯示器。
透視接目鏡201係緊固至眼鏡配置中，因此頭戴式顯示器 可配戴在使用者的頭上。左及右耳臂210及215安置於使用者的耳朵上，而鼻樑205安置於使用者的鼻上。框架總成係經塑形及定尺寸以將觀看區域150定位於使用者的眼睛前方。可使用具有其他形狀的其他框架總成(例如，傳統眼鏡框架、單一相連耳機元件、頭帶、護目鏡型眼鏡等)。
如所提及，圖2A及2B繪示具有僅覆蓋一部分使用者視野之小型透視接目鏡的單目實施例。在其他實施例中，可延伸透視接目鏡的面向眼區及面向外界表面以形成雙目框架中的完整眼鏡透鏡。圖2C繪示包括兩個延伸跨越使用者視野之實質部分之透視接目鏡251的雙目頭戴式顯示器250。附加組件255可設置於使用者的中心視景以覆蓋其視野的大部分。如前所述，顯示光11可於周邊鏡腳區域發射至接目鏡215中且經TIR引導朝向附加組件255。附加組件255可接合至設置於各透視接目鏡251之曲面光導組件260內的凹槽中。亦如以上所論述，此等完整的眼鏡透鏡可作為處方或非處方透鏡實施。
頭戴式顯示器200或250之說明實施例可向使用者展現擴增實境。接目鏡201或251容許使用者經由環境景物光211看見真實世界影像。左及右顯示器影像(圖2C中繪示之雙目實施例)可藉由安裝於使用者中心視景外側之周邊角落中的顯示來源110產生。顯示光111作為重疊於環境景物光211上之虛擬影像被使用者作為擴增實境看見。如前所述，在一些實施例中，接目鏡201或251的外表面可不具有互補曲率來向環境景物光211賦予處方矯正。
本發明之說明實施例的以上描述(包括說明於摘要中者)不意欲為詳盡無遺或欲將本發明限制於所揭示的精確形式。雖然本文中對於說明目的描述本發明之特定實施例及實例，但如熟 悉相關技藝人士所當明瞭，在本發明之範疇內可能有各種修改。
可係依據以上詳細說明對本發明進行此等修改。不應將以下申請專利範圍中所使用之術語解釋為將本發明限制於說明書中所揭示之特定實施例。反之，本發明之範疇係應完全由以下申請專利範圍來確定，該等申請專利範圍應根據申請專利範圍詮釋的確立原則來解釋。

Claims (20)

  1. 一種用於頭戴式顯示器之接目鏡，該接目鏡包括：用於引導在偏離觀看區域之周邊位置處接收到之顯示光並在觀看區域中沿眼區方向發射該顯示光的曲面光導組件，該曲面光導組件包括：面向眼區表面；面向外界表面；及與該面向外界表面不連續的凹槽表面；具有與該凹槽表面配合之第一表面及與該光導組件之該面向外界表面形成連續外表面之第二表面的附加組件，其中該面向眼區表面、該面向外界表面、該凹槽表面、該第一表面、該第二表面及該外表面全部為曲面；及沿該凹槽表面與該附加組件之該第一表面間之界面設置的局部反射層。
  2. 如請求項1之接目鏡，其中該曲面光導組件包括：經定向成在周邊位置處接收顯示光進入該曲面光導組件中的輸入表面；及接近該輸入表面設置以使用自面向眼區及面向外界表面之TIR引導通過該輸入表面接收之顯示光的全內反射(「TIR」)部分。
  3. 如請求項2之接目鏡，其中該曲面光導組件包括：遠離該輸入表面設置以接收來自該TIR部分之顯示光及經由在該面向眼區表面與該局部反射層間的漏溢局部反射引導該顯示光的局部反射部分。
  4. 如請求項3之接目鏡，其中該顯示光係沿該曲面光導組件內 的光路徑引導，在沿眼區方向離開該曲面光導組件之前經由TIR來反射該顯示光四次及經由局部反射來反射該顯示光三次。
  5. 如請求項3之接目鏡，其進一步包括：設置於該面向眼區表面上且至少沿該局部反射部分延伸的局部反射塗層。
  6. 如請求項5之接目鏡，其中該局部反射塗層包括分光器。
  7. 如請求項5之接目鏡，其中該局部反射塗層包括角度敏感的多層干涉塗層，以在該顯示光自TIR部分進入局部反射部分後的第一次入射時實質上反射該顯示光，及在該顯示光進入局部反射部分後的第二次入射時實質上透射該顯示光。
  8. 如請求項1之接目鏡，其中該曲面光導組件及該附加組件具有實質上相等的折射率。
  9. 如請求項8之接目鏡，其中該曲面光導組件及該附加組件係透明的且該觀看區域係透視的。
  10. 如請求項1之接目鏡，其中該面向眼區表面及該面向外界表面係具有當環境光通過時使彼此的屈光力實質上抵消之互補曲率的球形表面。
  11. 如請求項1之接目鏡，其中該面向眼區表面及該面向外界表面係具有不互補曲率的球形表面，其共同對環境光提供矯正透鏡放大率。
  12. 如請求項1之接目鏡，其中該凹槽表面具有不同於該面向眼區表面及該面向外界表面之互補曲率的自由形式曲率。
  13. 一種頭戴式顯示器，其包括：在周邊位置處產生顯示光的顯示來源；用於引導該顯示光至偏離該周邊位置之觀看區域並在該觀 看區域中沿眼區方向發射該顯示光的光導組件，該光導組件包括：面向眼區表面；面向外界表面；及設置於該觀看區域中之面向外界表面中的凹槽，該凹槽具有與該面向外界表面不連續的凹槽表面；設置於該凹槽中之附加組件，該附加組件具有與該凹槽表面配合之第一表面及與該光導組件之該面向外界表面形成連續外表面之第二表面，其中該面向眼區表面、該面向外界表面、該凹槽表面、該第一表面、該第二表面及該外表面全部為曲面；沿該凹槽表面與該附加組件之該第一表面間之界面設置的局部反射層；及用來支撐該光導組件及該顯示來源以配戴於使用者之頭上，且觀看區域定位於使用者之眼睛前方的框架總成。
  14. 如請求項13之頭戴式顯示器，其中該光導組件包括：經定向成在周邊位置處接收顯示光進入該光導組件中的輸入表面；及接近該輸入表面設置以使用自面向眼區及面向外界表面之TIR引導通過該輸入表面接收之顯示光的全內反射(「TIR」)部分。
  15. 如請求項14之頭戴式顯示器，其中該光導組件包括：遠離該輸入表面設置以接收來自該TIR部分之顯示光及經由在該面向眼區表面與該局部反射層間的漏溢局部反射引導該顯示光的局部反射部分。
  16. 如請求項15之頭戴式顯示器，其中該顯示光係沿該光導組件 內的光路徑引導，在沿眼區方向離開該光導組件之前經由TIR來反射該顯示光四次及經由局部反射來反射該顯示光三次。
  17. 如請求項15之頭戴式顯示器，其進一步包括：設置於該面向眼區表面上且至少沿該局部反射部分延伸的局部反射塗層。
  18. 如請求項17之頭戴式顯示器，其中該局部反射塗層包括分光器。
  19. 如請求項17之頭戴式顯示器，其中該局部反射塗層包括角度敏感的多層干涉塗層，以在該顯示光自TIR部分進入局部反射部分後的第一次入射時實質上反射該顯示光，及在該顯示光進入局部反射部分後的第二次入射時實質上透射該顯示光。
  20. 如請求項13之頭戴式顯示器，其中該光導組件及該附加組件具有實質上相等的折射率，且其中該光導組件及該附加組件係透明的且該觀看區域係透視的。
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