TWI647485B - Head-mounted virtual object imaging device - Google Patents
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Abstract
一種頭戴式虛擬物件成像裝置包含一殼體、一影像光產生模組及一透鏡單元。一相關於一使用者所在環境的環境實景的第一影像光束進入該殼體並沿一第一方向向外射出至眼睛。該影像光產生模組所產生的一含有一虛擬物件的影像且行進在一不同於該第一方向的第二方向的第二影像光束的一部分自該透鏡單元射出後行進在該第一方向以便從該殼體向外射出至該眼睛，以致該眼睛觀看到該環境實景的實像及該虛擬物件的虛像。該透鏡單元包括沿著一平行於該第二方向的軸線排列且彼此間隔的兩變焦透鏡模組及一允許該第一影像光束通過的分光鏡模組。
Description
本發明是有關於一種成像裝置，特別是指一種頭戴式虛擬物件成像裝置。
現有頭戴式虛擬物件成像裝置例如可作為一擴增實境(AR)系統能使得使用者同時看到環境實景以及成像裝置所產生的虛像。
在不考慮眼球轉動的狀況下，人眼在水平方向的視野約為150度，然而，現有的成像裝置所提供的虛像相對於人眼在水平方向的可視範圍大約為40度，不及人眼在水平方向的視野的三分之一，因而無法提供使用者更沉浸的視覺感受。此外，現有的成像裝置也無法改變虛像的成像位置。因此，上述技術仍無法提供使用者多樣化的視覺效果，而有很大的改良的空間。
因此，本發明之目的，即在提供一種頭戴式虛擬物件成像裝置，能克服上述現有技術的至少一缺陷。
於是，本發明頭戴式虛擬物件成像裝置適於配戴在一使用者頭部，該頭戴式虛擬物件成像裝置包含一殼體、一影像光產生模組及一透鏡單元。該殼體具有一第一透光部、及一鄰近該使用者眼睛且在一第一方向上相反於該第一透光部的第二透光部，該第一透光部允許一來自該使用者所在環境並相關於環境實景的第一影像光束進入該殼體，該第二透光部允許該第一影像光束從該殼體內部向外射出。該影像光產生模組設於該殼體內，具有一顯示有一虛擬物件的影像的顯示面，該影像光產生模組根據該顯示面所顯示的該影像產生一第二影像光束，該第二影像光束自該影像光產生模組射出且行進在一不同於該第一方向的第二方向。該透鏡單元設於該殼體內，組配來允許該第二影像光束經過以使得該第二影像光束的一部分自該透鏡單元射出且行進在該第一方向以便經由該第二透光部從該殼體內部向外射出，以致該使用者眼睛不僅能觀看到相關於該環境實景的實像，而且能觀看到對應於該虛擬物件的虛像，該透鏡單元包括沿著一平行於該第二方向的第一軸線排列且彼此間隔的一具有可變的一第一焦距的第一變焦透鏡模組、一具有一可變的一第二焦距的第二變焦透鏡模組、及一允許該第一影像光束通過的分光鏡模組，該第一變焦透鏡模組相較於該第二變焦透鏡模組及該分光鏡模組更為鄰近該影像光產生模組。該虛像相對於該使用者眼睛之成像位置至該分光鏡模組的中心的距離與該分光鏡模組的中心至該第二變焦透鏡模組的中心的距離的總和被定義為一等效像距，該等效像距可隨著該第一焦距及該第二焦距其中至少一者的改變而改變。該虛像的大小相對於顯示於該顯示面的該虛擬物件的大小的倍率可隨該等效像距、該第一焦距及該第二焦距其中至少一者的改變而改變。
本發明之功效在於：藉由該透鏡單元的配置，能以改變該第一焦距及/或該第二焦距的方式來改變該等效像距(意即，改變虛像的成像位置)以及該虛像的大小相對於顯示於該顯示面的該虛擬物件的大小的倍率(意即，放大虛像或者縮小虛像)，如此，能提供使用者多樣化的視覺效果。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明頭戴式虛擬物件成像裝置100的第一實施例適於配戴在一使用者頭部，該頭戴式虛擬物件成像裝置100包含一殼體1、一影像光產生模組2及一透鏡單元3。
該殼體1具有一第一透光部11、及一鄰近該使用者眼睛91且在一第一方向D
1上相反於該第一透光部11的第二透光部12，該第一透光部11允許一來自該使用者所在環境並相關於環境實景的第一影像光束進入該殼體1，該第二透光部12允許該第一影像光束從該殼體1內部向外射出，而進入使用者的眼睛91，以使得使用者能看見相關於環境實景的實像92。在本實施例中，該第一透光部11及該第二透光部12例如皆為一孔洞，但不以此為限，亦可被實施為一透光片。圖1雖未示出該第一影像光束，應可理解的是，該第一影像光束例如是行進在該第一方向D
1且通過該殼體1後進入使用者的眼睛91。
該影像光產生模組2設於該殼體1內，在本實施例中，該影像光產生模組2例如包含一具有一顯示面211的反射式顯示面板(LCOS panel)21、一偏振分光模組22、及一發光模組23，並且該反射式顯示面板(LCOS panel)21、該偏振分光模組22、及該發光模組23沿著一平行於該第一方向D
1的第二軸線L
2排列。此外，該偏振分光模組22例如包含一偏振分光稜鏡(Polarizing Beam Splitter)，且該發光模組23例如包含多個發光二極體(LED)，但不在此限。
更明確地，該發光模組23產生一在該第一方向D
1且朝向該偏振分光模組22行進的光束。然後，該偏振分光模組22將該光束偏振後產生一朝向該顯示面211的偏振光束，以使得該偏振光束被該顯示面211反射後與該顯示面211所顯示的一虛擬物件的影像結合後所形成的影像光束經該偏振分光模組22分光處理而產生一第二影像光束。最後，該第二影像光束自該偏振分光模組22射出後行進在一不同於該第一方向D
1的第二方向D
2以便進入該透鏡單元3。
該透鏡單元3設於該殼體1內且例如包括一第一變焦透鏡模組31、一分光鏡模組33、及一第二變焦透鏡模組32。在本實施例中，該第一變焦透鏡模組31、該分光鏡模組33、及該第二變焦透鏡模組32係沿著一平行於該第二方向D
2的第一軸線L
1並以逐漸遠離該影像光產生模組2且彼此相間隔的方式依序排列並且應注意的是，該第一變焦透鏡模組31相較於該第二變焦透鏡模組32及該分光鏡模組33更為鄰近該影像光產生模組2。
該第一變焦透鏡模組31具有可變的一第一焦距
。在本實施例中，該第一變焦透鏡模組31例如僅包含一具有該第一焦距
的第一變焦液晶透鏡311，但不在此限，而在其他實施態樣中，該第一變焦透鏡模組31亦可包含一變焦液體透鏡。該第一變焦液晶透鏡311具有一液晶層(其可具有一單層或多層結構)，該液晶層可經由施加不同的電壓而改變其本身的折射率分布，藉此改變該第一變焦液晶透鏡311的該第一焦距
，換言之，該第一變焦液晶透鏡311可根據不同的施加電壓而操作成一正透鏡(凸透鏡)或一負透鏡(凹透鏡)。
該第二變焦透鏡模組32具有可變的一第二焦距
。在本實施例中，該第二變焦透鏡模組32例如包括一具有一可變的第三焦距
的第二變焦液晶透鏡321、及一相較於該第二變焦液晶透鏡321更遠離該分光鏡模組33的凹面鏡322，並不以此為限。相似於該第一變焦液晶透鏡311，該第二變焦液晶透鏡321可根據不同的施加電壓而操作成一正透鏡(凸透鏡)或一負透鏡(凹透鏡)。在本實施例中，該凹面鏡322及該第二變焦液晶透鏡321之組合的一等效焦距即為該第二焦距
。在此情況下，該第二焦距
係根據該凹面鏡322之焦距
及該第三焦距
而決定，並與該凹面鏡322之焦距
及該第三焦距
的關係被表示成式一：
……….(式一)
更明確地，來自該影像光產生模組23且行進在該第二方向D
2的該第二影像光束在依序通過該第一變焦透鏡模組31(該第一變焦液晶透鏡311)、該分光鏡模組33及該第二變焦液晶透鏡321後，被該凹面鏡322反射，然後再依序通過該第二變焦液晶透鏡321及該分光鏡模組33，並經由該分光鏡模組33分光處理，以致該第二影像光束的一部分自該分光鏡模組33射出後行進在該第一方向D
1以便經由該第二透光部12從該殼體1內部向外射出。於是，該使用者眼睛91不僅能觀看到相關於該環境實景的實像92，而且能觀看到對應於該顯示面211所顯示的該虛擬物件的虛像93。
圖2示例性地說明該第一實施例的該第二影像光束的一等效光路，其中，該第一變焦透鏡模組31的中心與該第二變焦透鏡模組32的中心的距離被定義為一第一長度d，該第二影像光束自該顯示面211中心依序行進到偏振分光模組22中心及該第一變焦透鏡模組31中心所行經的光徑長度被定義為一第二長度p(即物距)，該虛像93相對於該使用者眼睛91之成像位置至該分光鏡模組33的中心的距離d
1(見圖1)與該分光鏡模組33的中心至該第二變焦透鏡模組33的中心的距離d
2(見圖1)的總和被定義為一等效像距q。
以下將詳細地說明該第一實施例如何改變該虛像93的成像位置(亦即，該等效像距q)。
依據圖2所示的該等效光路以及成像定理，該第二焦距
與該第一焦距
、該第一長度d、該第二長度p、及該等效像距q之間的關係能被獲得如式二：
......(式二)
由式二可獲得該等效像距q與該第一焦距
、該第二焦距
、該第一長度d及該第二長度p的關係如式三：
……(式三)
從式三可看出，由於該第一長度d及該第二長度p是預先設定而不可變的，因此，該等效像距q係根據該第一焦距
及該第二焦距
而決定，換言之，該等效像距q可隨著該第一焦距
及該第二焦距
其中至少一者的改變而改變，藉此能改變該虛像93的成像位置。如此，當選擇性改變該第一焦距
及/或該第二焦距
時，使用者會感觀到正在靠近或者遠離使用者的該虛像93，藉此提供使用者多樣化的視覺效果。
以下將詳細地說明該第一實施例如何改變該虛像93的清晰度或視角。
值得注意的是，該虛像93的大小相對於顯示於該顯示面211的該虛擬物件的大小的倍率M係根據該等效像距q、該第一焦距
、該第一長度d及該第二長度p而決定。換言之，該倍率M可隨該等效像距q、該第一焦距
及該第二焦距
其中至少一者的改變而改變。更明確地，該倍率M與該等效像距q、該第一焦距
、該第一長度d及該第二長度p的關係被表示成式四：
……(式四)。
在p=1.5cm、q= -200cm、d =2.5cm的情況下，根據式二，可獲得該第一焦距
的倒數(
，即該第一變焦液晶透鏡311的屈光度)與該第二焦距
的倒數(
，即該第二變焦透鏡模組32的屈光度)之間關係的實驗模擬結果，如圖3所示，並且根據式四，可獲得該第一焦距
的倒數(
)與該倍率M之間關係的實驗模擬結果，如圖4所示。
從圖4的曲線可看出，當
的值趨近於零時，M的值趨近50(此倍率，M=50，通常是現有AR系統所能提供的固定倍率)；而當該第一變焦液晶透鏡311的屈光度從-103m
-1增加到55.6m
-1時，M的值從25(=50/2)增加到約104(＞50´2)。因此，本實施例藉由適當地決定
，可在一自約25至約104的範圍內選擇所欲的倍率M，相較於現有AR系統，能提供相對縮小至約0.5倍至相對放大到約2倍的倍率，故確實能達到多樣化視覺效果。
另一方面，在不改變該顯示面211所顯示的該虛擬物件所包含的總像素的情況下，藉由縮小該倍率M能使該虛像93具有相對較高的清晰度；而藉由增加該倍率M，能增加該虛像93相對於人眼在水平方向的可視範圍(但該虛像93會有相對較低的清晰度)，如此可提供使用者更加沉浸的視覺感受。
參閱圖5，本發明頭戴式虛擬物件成像裝置200的一第二實施例為該第一實施例的一變化實施例，且該第二實施例不同於該第一實施例之處在於該影像光產生模組2為一背光式顯示面板。在本實施例中，該背光式顯示面板還設有一背光源(圖未示)，並在結合該背光源所發出的光下顯示該虛擬物件的影像，以產生該第二影像光束。相似於該第一實施例，該第二實施例所產生的該第二影像光束同樣地具有如圖2所示的一等效光路，並且該第二實施例同樣地能以相同於該第一實施例所述方式來改變該虛像93的成像位置、大小及清晰度。
參閱圖6，本發明頭戴式虛擬物件成像裝置300的一第三實施例為該第二實施例的一變化實施例，且該第三實施例與該第二實施例不同之處在於該透鏡單元3’的該第二變焦透鏡模組32是位於該第一變焦透鏡模組31及該分光鏡模組33之間。此外，該第二變焦透鏡模組32僅包括一具有該第二焦距
的第二變焦液晶透鏡321(省略了第一/二實施例所用的該凹面鏡322(圖1及圖5))。在此情況下，該第二變焦透鏡模組32的該第二焦距
即為該第二變焦液晶透鏡321的該第三焦距
，並且該第二影像光束行進在該第二方向D
2依序通過該第一變焦透鏡模組31、該第二變焦透鏡模組32及該分光鏡模組33，並經由該分光鏡模組33的分光處理，該第二影像光束的一部分行進在該第一方向D
1經由該第二透光部12自該殼體1內部射出。因此，同樣地相似於該第一實施例，該第三實施例所產生的該第二影像光束亦具有如圖2所示的一等效光路，並且該第三實施例同樣地能以相同於該第一實施例所述方式來改變該虛像93的成像位置、大小及清晰度。
值得注意的是，在前述的所有實施例中，平行於該第一方向D
1(垂直於該第一軸線L
1)的該第一影像光束是通過該分光鏡模組33，且該第一變焦透鏡模組31、該第二變焦透鏡模組32及該分光鏡模組33是彼此相間隔地排列在該第一軸線L
1上，因此，該第一影像光束確實未通過該第一變焦透鏡模組31或該第二變焦透鏡模組32，如此，在改變該第一焦距
或該第二焦距
的過程中，能維持該使用者所觀看的該環境實體的實像92的清晰度。
綜上所述，本發明藉由該透鏡單元3(3’)的配置，能以改變該第一焦距
及/或該第二焦距
的方式，來改變虛像93的成像位置及/或增加虛像93的清晰度或視角，藉此提供使用者多樣化的視覺效果。此外，該使用者所觀看的該環境實體的實像92的清晰度能保持不變，而不會受到該第一焦距
或該第二焦距
的改變的影響，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100、100’、100’’‧‧‧頭戴式虛擬物件成像裝置
1‧‧‧殼體
11‧‧‧第一透光部
12‧‧‧第二透光部
2‧‧‧影像光產生模組
21‧‧‧反射式顯示面板
211‧‧‧顯示面
22‧‧‧偏振分光模組
23‧‧‧發光模組
3‧‧‧透鏡單元
31‧‧‧第一變焦透鏡模組
311‧‧‧第一液晶變焦透鏡
32‧‧‧第二變焦透鏡模組
321‧‧‧第二變焦液晶透鏡
322‧‧‧凹面鏡
33‧‧‧分光鏡模組
91‧‧‧眼睛
92‧‧‧實像
93‧‧‧虛像
D
1‧‧‧第一方向
D
2‧‧‧第二方向
L
1‧‧‧第一軸線
L
2‧‧‧第二軸線
d
1‧‧‧距離
d
2‧‧‧距離
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，示例性地說明本發明頭戴式虛擬物件成像裝置的一第一實施例； 圖2是一示意圖，示例性地說明該第一實施例的一等效光路； 圖3是一實驗模擬圖，示例性地說明該第一實施例在p=1.5cm、q= -200cm、d =2.5cm的情況下第一焦距的倒數與第二焦距的倒數之間的關係； 圖4是一實驗模擬圖，示例性地說明該第一實施例在p=1.5cm、q= -200cm、d =2.5cm的情況下第一焦距的倒數與倍率之間的關係； 圖5是一示意圖，示例性地說明本發明頭戴式虛擬物件成像裝置的一第二實施例； 及 圖6是一示意圖，示例性地說明本發明頭戴式虛擬物件成像裝置的一第三實施例。
Claims (6)
- 一種頭戴式虛擬物件成像裝置，適於配戴在一使用者頭部，該頭戴式虛擬物件成像裝置包含：一殼體，具有一第一透光部、及一鄰近該使用者眼睛且在一第一方向上相反於該第一透光部的第二透光部，該第一透光部允許一來自該使用者所在環境並相關於環境實景的第一影像光束進入該殼體，該第二透光部允許該第一影像光束從該殼體內部向外射出；一影像光產生模組，設於該殼體內，具有一顯示有一虛擬物件的影像的顯示面，該影像光產生模組根據該顯示面所顯示的該影像產生一第二影像光束，該第二影像光束自該影像光產生模組射出且行進在一不同於該第一方向的第二方向；及一透鏡單元，設於該殼體內，組配來允許該第二影像光束經過以使得該第二影像光束的一部分自該透鏡單元射出且行進在該第一方向以便經由該第二透光部從該殼體內部向外射出，以致該使用者眼睛不僅能觀看到相關於該環境實景的實像，而且能觀看到對應於該虛擬物件的虛像，該透鏡單元包括沿著一平行於該第二方向的第一軸線排列且彼此間隔的一具有可變的一第一焦距的第一變焦透鏡模組、一具有一可變的一第二焦距的第二變焦透鏡模組、及一允許該第一影像光束通過的分光鏡模組，該第一變焦透鏡模組相較於該第二變焦透鏡模組及該分光鏡模組更為鄰近該影像光產生模組； 其中，該虛像相對於該使用者眼睛之成像位置至該分光鏡模組的中心的距離與該分光鏡模組的中心至該第二變焦透鏡模組的中心的距離的總和被定義為一等效像距，該等效像距可隨著該第一焦距及該第二焦距其中至少一者的改變而改變；其中，該虛像的大小相對於顯示於該顯示面的該虛擬物件的大小的倍率可隨該等效像距、該第一焦距及該第二焦距其中至少一者的改變而改變。
- 如請求項1所述的頭戴式虛擬物件成像裝置，其中，該第一變焦透鏡模組的中心與該第二變焦透鏡模組的中心的距離被定義為一第一長度，該第二影像光束自該顯示面到該第一變焦透鏡模組所行經的光徑長度被定義為一第二長度，該等效像距係根據該第一焦距、該第二焦距、該第一長度及該第二長度而決定並與該第一焦距、該第二焦距、該第一長度及該第二長度的關係被表示成：
- 如請求項2所述的頭戴式虛擬物件成像裝置，其中，該倍率係根據該等效像距、該第一焦距、該第一長度及該第二長度而決定，並與該等效像距、該第一焦距、該第一長度及該第二長度的關係被表示成
- 如請求項3所述的頭戴式虛擬物件成像裝置，其中，對於該透鏡單元：該分光鏡模組係位於該第一變焦透鏡模組及該第二變焦透鏡模組之間；該第一變焦透鏡模組包括一具有該第一焦距的第一變焦液晶透鏡；該第二變焦透鏡模組包括一具有一可變的第三焦距的第二變焦液晶透鏡、及一相較於該第二變焦液晶透鏡更遠離該分光鏡模組的凹面鏡，且該第二焦距係根據該凹面鏡之焦距及該第三焦距而決定並與該凹面鏡之焦距及該第三焦距的關係被表示成
- 如請求項3所述的頭戴式虛擬物件成像裝置，其中，該影像光產生模組包含沿一平行於該第一方向的第二軸線且依序排列的一具有該顯示面的反射式顯示面板、一偏振分光模組、及一發光模組，該發光模組產生一在該第一方向且朝向該偏振分光模組行進的光束，該偏振分光模組將該 光束偏振後產生一朝向該顯示面的偏振光束，以使得該偏振光束被該顯示面反射後與該顯示面上的該影像結合後所形成的影像光束經該偏振分光模組分光處理而產生該第二影像光束。
- 如請求項3所述的頭戴式虛擬物件成像裝置，其中，對於該透鏡單元：該第二變焦透鏡模組是位於該第一變焦透鏡模組及該分光鏡模組之間；該第一變焦透鏡模組包括一具有該第一焦距的第一變焦液晶透鏡；該第二變焦透鏡模組包括一具有該第二焦距的第二變焦液晶透鏡；及該第一變焦液晶透鏡及該第二變焦液晶透鏡其中每一者可根據不同的施加電壓而操作成一正透鏡或一負透鏡。
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2018
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