TWI656360B - Asymmetric curved surface image display optical system - Google Patents

Abstract

一種非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，主要係在一第一稜鏡的前、後方分別設有第二稜鏡及第三稜鏡，該第一稜鏡在靠近眼睛側設有一出光平面，恰與第二稜鏡的入光平面以一空氣間隙相對，這個平面可作為檢測自由曲面之基準；而第二稜鏡靠近眼睛的出光平面，又與第三稜鏡靠近視野外側的側平面相互平行，使得外界影像更為清晰；當顯像面板將光線射入第一稜鏡，經出光平面全反射至反射弧面再穿過了出光平面，經過空氣間隙，並且進入第二稜鏡的入光平面、出光平面，再經眼瞳在視網膜成像。

Description

非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統

本發明係關於一種非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統；特別關於一種頭戴式的非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，該裝置係利用光學系統將圖像投射入眼瞳，而使眼睛能讀取該影像資訊並同時看清外界景物。

目前較為先進的非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，已發展至配合光學裝置將影像投射入眼瞳，以利眼睛自然前視能看到投射的影像資訊，此裝置多半設計掛在眼前或戴在頭上以利於觀看，而現有此類裝置主要分為浸入式和非浸入式兩種，而非浸入式頭戴顯示器為未來之主流，除了可以用於顯示畫面，還可以讓用戶看到顯示屏之後的外界影像；這種特性往往被用於擴增實境，目前市面上的擴增實境的設計，主要是在光學系統中應用了較多的自由曲面的設計，這種多個自由曲面的技術就成為此項產品的主要技術手段之一，雖然此種設計在技術上已獲得許多的改善，但是在使用及製造上仍有下列的主要缺點。

首先，由於習用在主要的光學鏡片上設有多個自由曲面，若想要看清楚顯示屏後的外界影像，則在該光學鏡片的自由曲面後方，都要加上補償鏡片，但是由於光學鏡片的第一面採用曲面或自由曲面的設 計，會使得後面的補償鏡片設計無法完全補償前方的所有視場，造成透過顯示屏後方的外界影像清晰度不佳，致使無法達到更完美的境界。

再則，自由曲面的製造，雖然因目前有超精密加工技術可以克服，但是針對射出品的量測驗證及補正則是仍有極大的困難，這些困難主要來自於無法有良好的定位方式來進行量測，因為無法有一個基準面作為測量產品零件公差的基準，也就很難進行射出品的補正，因此在此一製程就需要花費較多的檢驗時間及人力成本，慢慢的實驗以做出較佳的補正鏡片。

因此，如何發展一成本低，能對主要光學鏡片作一定位檢驗及補正的結構，除了可以增加影像的清晰度，而且可以使補正工作更為精準，節省製造時間及人力、物力的成本，是業界仍需努力的方向。

本發明之主要目的，在針對上述習用的缺失，考量此光學裝置中，將靠近眼睛的光學元件的那一表面設計為平面，再將靠近外界影像的那一面也設計為平面，此二平面平行，則眼睛看外界影像就像透過一個玻璃窗片看外面，不會影響人眼看外部影像，可以得到清晰的影像，解決了習用第一項的缺點。

本發明之另一目的，在解決量測補正的問題，故將光學系統中間元件的反射面也設計為平面，所以自由曲面的元件製作時，就可以用該平面做基準面來進行量測及補正，如此便解決了習用第二項的缺點。

為達到上述的目的，本發明可以用下列的方式來達成： 設一第一稜鏡，在一端設有入光凹弧，另在靠近眼睛側設有一出光平面，而在第一稜鏡之靠近視野外側設有一自由曲面的反射弧面；再設一第二稜鏡，具有一入光平面及出光平面，其中該入光平面係與第一稜鏡之出光平面相對，並留有一空氣間隙，且該出光平面係對向於眼睛；另設一第三稜鏡，係為光線之補償片，具有一承載凹弧，此凹弧同第一稜鏡靠近視野外側的自由曲面的反射弧面，能相對靠抵(或黏合)在第一稜鏡之反射弧面，並在靠近視野外側設有一側平面，該側平面係與第二稜鏡的出光平面設為平行；更設一顯像面板，係設於第一稜鏡之入光凹弧處；該顯像面板上的影像光線穿過第一稜鏡之入光凹弧射向出光平面，經出光平面全反射至反射弧面，再被反射並穿過了出光平面，經過空氣間隙，並且進入第二稜鏡的入光平面、出光平面，再經眼瞳在視網膜成像。

10‧‧‧第一稜鏡

11‧‧‧入光凹弧

11A‧‧‧延伸區

11A0‧‧‧側邊

12‧‧‧出光平面

13‧‧‧反射弧面

14‧‧‧收束端

20‧‧‧第二稜鏡

21‧‧‧入光平面

22‧‧‧出光平面

23‧‧‧端面

30‧‧‧第三稜鏡

31‧‧‧承載凹弧

32‧‧‧側平面

33‧‧‧端面

34‧‧‧抵端

40‧‧‧顯像面板

50‧‧‧眼瞳

L1‧‧‧光線

S‧‧‧間隙

A‧‧‧夾角

第1圖係本發明第一種實施例之結構組合圖。

第2圖係本發明第一種實施例之結構分解圖。

第3圖係本發明第一種實施例之實施例俯視圖。

第4圖係本發明第一種實施例之動作示意圖一。

第4-1圖係本發明第一種實施例之動作示意圖二。

第5圖係本發明之第二種實施例結構圖。

第6圖係本發明之第三種實施例結構分解圖。

第7圖係本發明之第三種實施例結構組合圖。

第8圖係本發明之第三種實施例動作示意圖。

請參看第1、2圖所示，係為本發明之第一種較佳實施例，至少包含有：一第一稜鏡10，在一端(上端或下端)設有入光凹弧11，該入光凹弧11可為一球面弧、非球面弧或自由曲面，而在第一稜鏡10之靠近眼睛側，則設有一出光平面12，該出光平面12之一端係與入光凹弧11相鄰，而在第一稜鏡10之靠近視野外側設有一自由曲面的反射弧面13，且該反射弧面13一端與入光凹弧11相鄰，而另端則與出光平面12相交而形成第一稜鏡10的收束端14；該反射弧面13上係鍍膜以增加反射之效果。

一第二稜鏡20，為一楔形稜鏡，具有一入光平面21、出光平面22及一端面23，其中該入光平面21係與第一稜鏡10之出光平面12相對，並留有一空氣間隙S，該間隙S之目的在使光線在第一稜鏡10內以大角度射向出光平面12時，能造成全反射，不致於干擾第二稜鏡20；而出光平面22則係對向眼睛；其中，該入光平面21及出光平面22間的夾角A在15-30度之間最為恰當。

一第三稜鏡30，係為光線之補償片，具有一承載凹弧31，能相對貼靠在第一稜鏡10之反射弧面13，並在靠近視野外側設有一側平面32，該側平面32係與第二稜鏡20的出光平面22設為平行，此一目的在使眼睛看外界影像就像透過一個玻璃窗片看外面，不會影響人眼看外部影像，因此影像更為清晰；為使第三稜鏡30與第一稜鏡10、第二稜鏡20的對合更為完整，再分別設有端面33及抵端34使搭配更為緊實貼合。

在實際的實施上，該第二稜鏡20及第三稜鏡30係可以一體 成型的方式構成，即以第三稜鏡30之下方側面抵端34和第二稜鏡20之入光平面21的下方光學未作用處相結合，而以一體成型的方式構成，而該第二稜鏡20及第三稜鏡30間恰可供第一稜鏡10罝入，因為此處為簡易之變換未另以圖式說明。

上述第三稜鏡30之承載凹弧31貼靠在第一稜鏡10之反射弧面13上，是包括但不限於使用緊密抵靠、粘合或加一空氣間隙等方式貼靠。

請參看第1圖所示之第一稜鏡10、第二稜鏡20、第三稜鏡30於下端非有效光線所經過之處，係可如第5圖所示，在下方予以切齊，以節省空間及材料，亦屬本發明之範疇。

請參看第1、2、3圖所示，一顯像面板40，係設於第一稜鏡10之入光凹弧11處；該顯像面板40可為自發光面板或反射光源之面板，能將影像射入第一稜鏡10內，該顯像面板40以0.3吋至0.75吋為最適當。

請配合參看第2、3、4圖所示，顯像面板40若以自發光面板為實施例時，在該顯像面板40上的影像光線L1穿過第一稜鏡10之入光凹弧11射向出光平面12，會經出光平面12全反射至鍍膜的反射弧面13，再被反射並穿過了出光平面12，經過空氣間隙S，並且進入第二稜鏡20的入光平面21、出光平面22，再經眼瞳50在視網膜成像，而外界影像須進入眼瞳50在視網膜上成像，則如第4-1圖所示，由於本發明之第一稜鏡10、第二稜鏡20及第三稜鏡30所組成的光學系統，將靠近眼睛的第二稜鏡20出光平面22和第三稜鏡30的側平面32設為平行，這使得眼睛看外界影像就像透過一個玻璃窗片看外面，不會影響人眼看外部影像，可以得到更清晰的影像。

為考慮本發明案在使用上的舒適性，請參看第6、7、8圖所 示，為本發明第三種實施例，和第1、2圖第一種實施例結構的差異點，在將第一稜鏡10之入光凹弧11至收束端14間設有延伸區11A，使該延伸區11A的側邊11A0與第二稜鏡20的出光平面22形成一距離，即拉長入光凹弧11至第二稜鏡20間的水平距離，使得顯像面板40對眼瞳50上方的視覺壓迫感消除或減輕，也可以避免上方面板40光線對眼瞳50的干擾，在使用上將更為舒適；但是本結構和第一及第二實施例的主要特徵皆相同，且使用更為舒適。

由於本發明案的設計具有巧思，故在使用及製造上具有如下的優點：

1．如第4-1及第8圖所示，由於本發明之第一稜鏡10、第二稜鏡20及第三稜鏡30所組成的光學系統，將靠近眼睛的第二稜鏡20出光平面22和第三稜鏡30的側平面32設為平行，這使得眼睛看外界影像就像透過一個玻璃窗片看外面，不會影響人眼看外部影像，可以得到更清晰的影像，改善了習用的曲面的缺點，是本發明突破習用缺點之處，為本發明主要的優點。

2．如第1、2及6、7圖所示，由於本發明之第一稜鏡10將其中的出光平面12設計為平面，所以具有自由曲面的元件在製作時，就可以用該平面做基準面來進行量測及補正，得到更正確的精密度，讓製程更為簡便而快速，更使得製造時各零件間也具有同一規格標準，在生產上將更為方便。

3．由於本發明案之設計上減少了自由曲面的設計，大幅減少了製造的成本及時間，更適合量產，能降低成本，為本發明之再一優點。

唯，以上所述之結構，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本創作實施之範圍；故當熟習此技藝所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本創作之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，例如：大致改變元件之形狀或尺寸，配合其他的反射膜，或使用不同的稜鏡材質(不管是玻璃或者光學塑膠)以及更改顯像面板之種類，但係運用本發明之特徵者，皆應涵蓋於本發明之特徵內。

Claims (12)

1. 一種非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，至少包括有：一第一稜鏡，在一端設有入光凹弧，另在靠近眼睛側設有一出光平面，而在第一稜鏡之靠近視野外側設有一自由曲面的反射弧面；一第二稜鏡，具有一入光平面及出光平面，其中該入光平面係與第一稜鏡之出光平面相對，並留有一空氣間隙，且該出光平面係對向於眼睛；一第三稜鏡，係為光線之補償片，具有一承載凹弧，能相對貼靠在第一稜鏡之反射弧面，並在靠近視野外側設有一側平面，該側平面係與第二稜鏡的出光平面設為平行；一顯像面板，係設於第一稜鏡之入光凹弧處；該顯像面板上的影像光線穿過第一稜鏡之入光凹弧射向出光平面，經出光平面全反射至反射弧面，再被反射並穿過了出光平面，經過空氣間隙，並且進入第二稜鏡的入光平面、出光平面，再經眼瞳在視網膜成像。
2. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第一稜鏡之入光凹弧為一球面弧。
3. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第一稜鏡之入光凹弧為一非球面弧。
4. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第一稜鏡之入光凹弧為一自由曲面。
5. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第一稜鏡之反射弧面上設有鍍膜。
6. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第一稜鏡之出光平面及反射弧面之一端分別與入光凹弧相鄰，而另端則相交形成第一稜鏡的收束端。
7. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第二稜鏡係為一入光平面、出光平面及一反射端面所構成的楔形稜鏡。
8. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中顯像面板為自發光面板或非自發光面板的其中之一。
9. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第三稜鏡之承載凹弧貼靠在第一稜鏡之反射弧面上，是以緊密抵靠、粘合或加一空氣間隙的其中一種為之。
10. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中第二稜鏡及第三稜鏡係為一體成型。
11. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中，第二稜鏡入光平面及出光平面間的夾角在15-30度之間。
12. 根據申請專利範圍第1項之非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，其中，第一稜鏡之入光凹弧至收束端間設有延伸區，拉長入光凹弧至第二稜鏡間的水平距離。