TWI687746B

TWI687746B - 近眼擴增實境裝置

Info

Publication number: TWI687746B
Application number: TW108143194A
Authority: TW
Inventors: 黃乙白; 秦宗; 周秉彥; 吳瑞翊; 陳昱廷; 陳韋安
Original assignee: 國立交通大學
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-03-11
Also published as: TW202024752A

Abstract

一種近眼擴增實境裝置，包含一成像單元、一發光單元，及一偏振調控單元。成像單元包括多個具有雙折射性質與正屈光度的成像部。發光單元與該成像單元間隔設置，並包括一透光基板，及多個設置在該透光基板上的畫素組，並能產生一影像光。偏振調控單元能用以改變該影像光與環境光的偏振狀態。

Description

近眼擴增實境裝置

本發明是有關於一種影像裝置，特別是指一種近眼擴增實境裝置。

擴增實境(augmented reality，AR)裝置能將其螢幕上的虛擬世界與現實世界的場景進行結合與互動，為了提供使用者環境影像，擴增實境裝置必須設置合適的光路來生成光學穿透(optical see-through，OST)影像，一般常見的技術架構分成投影式和波導式兩種。

投影式擴增實境裝置著重於輕巧，所以希望內部的光學系統能以最小的架構達到最好的效果，其原理為使用微型投影器與微型顯示器投影出虛擬世界的成像，再藉由一半反射與一半穿透的光學合成器(optical combiner)，直接反射從微型投影器投射出的光源到使用者的眼睛中，以產生放大的虛像，且真實世界的光線會經由光學合成器直接進入使用者的眼睛中，從而讓虛擬影像跟真實影像疊合，以實現擴增實境效果。

然而，光學合成器通常是具有屈光率的自由曲面光學元件，因而容易產生像差，所以需要額外設置自由曲面修正器(freeform corrector)以解決光學合成器對環境影像的扭曲作用。此外，投影式擴增實境裝置的視野(field of view，FOV)與整體系統體積關係密不可分，根據幾何光學，假設適眼距(eye-relief)為D，視野(FOV)為α，光學合成器的直徑一定要大於等於2Dtan(α/2)。因此，若投影式擴增實境裝置要求輕巧簡便，則視野(FOV)會不夠大，導致沉浸感體驗不足。

另一種波導式擴增實境裝置，其原理則是藉由微型顯示器(micro display)發出的光線由一光學元件進入波導，在波導內經過一段距離的反射傳播之後，再透過另一光學元件匯出並進入使用者眼睛中，而波導本身具有穿透性，因此環境影像可以穿透波導直接被使用者看到，其中，前述的光學元件可以是幾何光學反射鏡、繞射光學元件(diffractive optical element，DOE)，或全像光學元件(holographic optical element，HOE)。

然而，波導式擴增實境裝置的視野(FOV)受限於前述的光學元件的工作原理和波導內全反射形成條件。也就是說，繞射光學元件(DOE)的繞射效率會隨視野(FOV)衰減，因此，繞射光學元件(DOE)或全像光學元件(HOE)的波導式擴增實境裝置的視野(FOV)受制於此物理原理而無法過大。此外，若要在波導中發生連續全反射，也需遵守基本幾何關係，種種限制使得現有波導式擴增實境裝置的視野(FOV)都難以超過對角線50°。

由前述兩種技術架構的缺點可得知，投影式擴增實境裝置的視野(FOV)與系統體積關係密不可分；波導式擴增實境裝置的視野(FOV)受制於光學元件的工作原理和波導內全反射形成條件，因此，無論是投影式擴增實境裝置或是波導式擴增實境裝置都無法同時具有高視野(FOV)且體積輕薄。

因此，本發明的目的，即在提供一種近眼擴增實境裝置。

於是，本發明近眼擴增實境裝置的其中一實施態樣包含一成像單元、一發光單元，及一偏振調控單元。

該成像單元包括多個具有雙折射性質與正屈光度的成像部。

該發光單元與該成像單元間隔設置，包括一透光基板，及多個畫素組，該透光基板具有一鄰近該成像單元的第一表面，及一相反該第一表面的第二表面，該等畫素組分別對應該等成像部而間隔地設置在該第一表面上，並能產生往該成像單元方向行進的影像光。

該偏振調控單元包括多片第一偏振片，及一第二偏振片，該等第一偏振片分別設置在該等畫素組上，該第二偏振片設置在該第二表面，當該影像光經該等第一偏振片時，會轉化成一具有第一方向偏振的偏振光並被該成像單元偏折，當一外界環境光經該第二偏振片時，會轉化成一具有與該第一方向垂直的第二方向偏振的偏振光，且不被該成像單元偏折。

此外，本發明近眼擴增實境裝置的其中另一實施態樣包含一成像單元、一發光單元，及一偏振調控單元。

該成像單元包括多個具有雙折射性質與正屈光度的成像部。

該發光單元與該成像單元間隔設置，包括一透光基板，及多個設置在該透光基板上的畫素，並能產生往該成像單元方向行進的影像光。

該偏振調控單元與該成像單元間隔設置並位在相反該發光單元的一側，並包括一電控調整層，及一偏振片，該電控調整層位在該成像單元與該偏振片之間，該影像光或一外界環境光經該成像單元會被分裂成一具有第一方向偏振的偏振光與一具有第二方向偏振的偏振光，當該電控調整層施加電壓時，使具有第二方向偏振的偏振光的偏振狀態不變，當該電控調整層不施加電壓時，使具有第一方向偏振的偏振光改變成具有第二方向偏振的偏振光。

本發明的功效在於，透過該發光單元產生影像光且能讓環境光直接穿透，並使用該成像單元具有雙折射性質與正屈光度的特性，能將該影像光進行偏折延伸形成虛像並匯聚光線且具放大效果，進而兼顧高透光性與高視野，且搭配該偏振調控單元控制經該成像單元偏折的影像光進入使用者的眼睛，而控制環境光不被該成像單元偏折而進入使用者的眼睛，從而讓使用者能看到正常而不被扭曲的外界環境影像，還能透過該等成像部能將該影像光個別的點聚焦在不同深度的平面上，從而產生有深度又有角度資訊的3D影像。

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至圖2，本發明近眼擴增實境裝置的一第一實施例適用於供一使用者配戴在其眼睛E前方，該近眼擴增實境裝置包含一鄰近該使用者的眼睛E的成像單元2，及與該成像單元2間隔設置的一發光單元3與一偏振調控單元4。其中，圖2是圖1由使用者的眼睛E的視角所呈現的正視局部圖，而本實施例中的該成像單元2與該發光單元3的表面為平面，但整體具有不小於使用者的適眼距(eye relief)的曲率而呈曲面結構，但不限於此，也可以是不具曲率的平板態樣。

該成像單元2包括兩相間隔設置的且為平面的基材21，及設置在該等基材21之間的雙折射材料22，其中一該基材21具有多個陣列排列的穿透區210，該雙折射材料22為能受一電壓而扭曲排列成具正屈光度，因此，該等穿透區210與該雙折射材料22共同構成多個成像部20，使得該等成像部20具有雙折射性質與正屈光度。

詳細地說，於本實施例中，該等基材21是選用具有透明導電層的透明玻璃，而該雙折射材料22是以選自液晶為例作說明，在其中一該基材21的表面刻劃出多個陣列排列且呈六角形結構以構成該等透光區210，每一個呈六角形結構的透光區210搭配具有雙折射性質的液晶材料，並透過在該等基材21施加電壓，使液晶排列成具正屈光度，從而構成該成像部20。

該發光單元3與該成像單元2間隔設置，包括一透光基板31，及多個畫素組32，該透光基板31具有一鄰近該成像單元2的第一表面311，及一相反該第一表面311的第二表面312，該等畫素組32分別對應該等成像部20而間隔地設置在該第一表面311上，並能產生穿透該成像單元2而投射進該使用者的眼睛E內的影像光I(每一個該像素組32均會發光，圖1僅是以單一個像素組32為例作說明)，使用者可透過該透光區210與該透光基板31看到外界的環境光A。

詳細地說，每一組該畫素組32是對應每一個該透光區210設置，也就是說，每一個該透光區210向該發光單元3的正投影會涵蓋一個畫素組32，而該等畫素組32是不被外界的環境光A穿透，因此，於本實施例中，每一個該畫素組32向該透光區210(成像部20)的正投影的面積不大於該透光區210(成像部20)的面積的25%。更佳地，該畫素組32與呈六角形的該透光區210的面積比約為25%比75%，且該等畫素組32可選自微發光二極體(micro LED)、有機發光二極體(OLED)，或具有液晶的薄膜電晶體(也就是薄膜電晶體液晶顯示器TFT-LCD)，於本實施例是以微發光二極體為例做說明，使得該發光單元3構成一曲面型微發光二極體顯示器。

該偏振調控單元4包括多片第一偏振片41，及一第二偏振片42，該等第一偏振片41分別設置在該等畫素組32上，該第二偏振片42設置在該透光基板31的第二表面312，當該影像光I經該等第一偏振片41時，會轉化成一具有第一方向偏振的偏振光，當一外界環境光A經該第二偏振片42時，會轉化成一具有與該第一方向垂直的第二方向偏振的偏振光，且不通過該等第一偏振片41。於本實施例中，該第一偏振片41與該第二偏振片42為具有方向相互垂直的線偏振片，且具有第一方向偏振的該偏振光為p偏振光，具有第二方向偏振的該偏振光為s偏振光。

詳細地說，該等第一偏振片41與該第二偏振片42的方向垂直，使得該等第一偏振片41能讓通過的光產生s偏振光，而該第二偏振片42能讓通過的光產生p偏振光(相對於水平面)。因此，透過讓該成像單元2的該等成像部20具正屈光度並貼近該使用者的眼睛E設置，且讓該成像單元2與該發光單元3之間存在適當的間隔距離，並搭配該偏振調控單元4，從而利用空間多工原理進行工作。

更詳細地說，由於該成像單元2為具有雙折射特性，該等畫素組32產生無偏極化的影像光I，往該成像單元2投射之前，會先被該等第一偏振片41轉化為p偏振光，進而被該成像單元2偏折而進入使用者的眼睛E中，其中，考量整體裝置的透光性而將每一個該畫素組32的面積縮小至該穿透區210的25%，使得該畫素組32的有效發光面積也同時被縮小，但透過該成像單元2的該等成像部20陣列排列並具有正屈光度具有放大效果，且相鄰的該等成像部20將該畫素組32投射的影像光I產生的虛像彼此相互拼接，形成大視角的曲面結構虛像，進而兼顧了高透光性與高視野(FOV)，此外，當外界無偏極化的環境光A通過該第二偏振片42而偏極化為s偏振光後，進而不被該成像單元2裝置偏折而進入該使用者的眼睛E中，從而讓使用者能看到正常而不被扭曲的外界環境影像。

此處要特別說明的是，本實施例的該成像單元2與該發光單元3整體呈曲面結構且不小於適眼距的曲率半徑，在不同視角，該發光單元3發出的該影像光I被該成像單元2偏折後進入使用者的眼睛E的部分，更貼接近近軸光線，因此，成像像差可以大幅下降，視野(FOV)會因此而上升，整個系統體積也能壓縮得更小。此外，該成像單元2包括多個陣列排列且具正屈光度的成像部20，能將該影像光I個別的點透過該等陣列排列的成像部20聚焦在不同深度的平面上，從而產生有深度又有角度資訊的3D影像。

參閱圖3，本發明近眼擴增實境裝置的一第二實施例的結構大致相同於該第一實施例，不同處在於，該成像單元2的態樣。具體地說，於該第二實施例中，該成像單元2並非平面，而是直接讓該基材21具有多個陣列排列的凸出部23，並在該凸出部23內設置雙折射材料22，使該等凸出部23與其內的雙折射材料22構成該等成像部2。詳細地說，該等凸出部23是呈具有正屈光度的透鏡態樣，且該雙折射材料22選自石英，而直接構成具有雙折射性質與正屈光度的該成像部20，無須如該第一實施例施加電壓。

參閱圖4與圖5，本發明近眼擴增實境裝置的一第三實施例的結構大致相同於該第一實施例，不同處在於，該發光單元3與該偏振調控單元4。具體地說，該發光單元3包括多個直接設置並佈滿該透光基板31的畫素321，換句話說，每一個該透光區210向該發光單元3的正投影，該等畫素321是佈滿每一個該透光區210，其中，於該第三實施例中，每一個該畫素321是使微發光二極體(micro LED)微例做說明，且每一個畫素321本身具有部分透光與部分不透光(即發光處)(如圖5所示)。該偏振調控單元4與該成像單元2間隔設置並位在相反該發光單元3的一側，並包括一電控調整層43，及一偏振片44，該電控調整層43位在該成像單元2與該偏振片44之間，該影像光I或外界環境光A經該成像單元2會被分裂成一具有第一方向偏振的偏振光(即前述的p偏振光)與一具有第二方向偏振的偏振光(即前述的s偏振光)，當該電控調整層43施加電壓時，使具有第二方向偏振的偏振光(s偏振光)的偏振狀態不變，當該電控調整層43不施加電壓時，使具有第二方向偏振的偏振光(s偏振光)改變成具有第一方向偏振的偏振光(p偏振光)。

適用於本實施例的該電控調整層43是選用扭曲向列型液晶(twisted nematic(TN) liquid crystal)模組；且該成像單元2的態樣也與該第一實施例及第二實施例相同，可以是兩個呈平面的基材21中間夾設液晶材料，或是在基材21上形成凸出部23並使用石英材料，從而構成具有雙折射性質與正屈光度的該成像部20。

詳細地說，該第三實施例的近眼擴增實境裝置主要是利用兩個時間狀態的時間多工原理工作，在第一時間狀態時，對該電控調整層43(TN液晶模組)施加電壓時，能不改變穿透其的s偏振光，使該發光單元3產生無偏極化的影像光I，穿過該成像單元2後分裂為s偏振光與p偏振光，只有p偏振光可以穿過該偏振片44進入使用者的眼睛E，並且，無偏極化的環境光A不會被該成像單元2偏折，進而不會被該電控調整層43(TN液晶模組)改變偏振狀態，而不能穿過該偏振片44，從而不被使用者看不到；在第二時間狀態時，不對該電控調整層43(TN液晶模組)施加電壓時，此時該發光單元3不發光，無偏極化的環境光A通過該發光單元3與該成像單元2時仍存在p偏振光與s偏振光，但由於該成像單元2具有雙折射性質，因此會對p偏振光聚焦，而不會對s偏振光聚焦，當經聚焦的p偏振光與未經聚焦的s偏振光進入該電控調整層43(TN液晶模組)時，未經聚焦的s偏振光會被改變為p偏振光，而經聚焦的p偏振光會被轉換成s偏振光，經轉換得到的p偏振光與s偏振光經過該偏振片44時，僅會讓p偏振光通過而阻擋s偏振光，從而讓未經聚焦的s偏振光經該電控調整層43轉換成p偏振光而穿透該偏振片44被使用者看到。透過將該第一時間狀態與該第二時間狀態兩者快速切換，令使用者將兩個時間狀態融合，進而看到平滑的擴增實境融合影像。

綜上所述，本發明近眼擴增實境裝置，該發光單元3產生虛擬影像光I且能讓環境光A直接穿透，並透過該成像單元2具有雙折射性質與正屈光度的特性，能將該影像光I進行偏折延伸形成虛像並匯聚光線，且搭配該偏振調控單元4控制經該成像單元2偏折的影像光I進入使用者的眼睛E，而控制環境光A不被該成像單元2偏折而進入使用者的眼睛E，從而讓使用者能看到正常而不被扭曲的外界環境影像；此外，具正屈光度的該等成像部20，能將該影像光I個別的點透過該等陣列排列的成像部20聚焦在不同深度的平面上，從而產生有深度又有角度資訊的3D影像；再進一步讓該成像單元2與該發光單元3整體呈曲面結構，在不同視角，該發光單元3發出的該影像光I被該成像單元2偏折後進入使用者的眼睛E的部分，更貼接近近軸光線，成像像差可大幅下降，視野(FOV)會因此而上升，整個系統體積也能壓縮得更小，從而改善現有投影式與波導式擴增實境裝置視場角度不足，體積不夠輕便等問題，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2:成像單元 32:畫素組 20:成像部 321:畫素 21:基材 4:偏振調控單元 210:穿透區 41:第一偏振片 22:雙折射材料 42:第二偏振片 23:凸出部 43:電控調整層 3:發光單元 44:偏振片 31:透光基板 A:環境光 311:第一表面 E:眼睛 312:第二表面 I:影像光

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖面側視示意圖，說明本發明近眼擴增實境裝置的一第一實施例；圖2是一正視示意圖，輔助圖1說明本發明該第一實施例；圖3是一剖面側視示意圖，說明本發明近眼擴增實境裝置的一第二實施例；圖4是一剖面側視示意圖，說明本發明近眼擴增實境裝置的一第三實施例；及圖5是一正視示意圖，輔助圖4說明本發明該第三實施例

2:成像單元

20:成像部

21:基材

210:穿透區

22:雙折射材料

3:發光單元

31:透光基板

311:第一表面

312:第二表面

32:畫素組

4:偏振調控單元

41:第一偏振片

42:第二偏振片

A:環境光

E:眼睛

I:影像光

Claims

一種近眼擴增實境裝置，包含：一成像單元，包括多個陣列設置且具有雙折射性質與正屈光度的成像部；一發光單元，與該成像單元間隔設置，包括一透光基板，及多個設置在該透光基板上的畫素，並能產生往該成像單元方向行進的影像光，且每一個該成像部對該發光單元的正投影覆蓋多個該畫素；及一偏振調控單元，與該成像單元間隔設置並位在相反該發光單元的一側，並包括一電控調整層，及一偏振片，該電控調整層位在該成像單元與該偏振片之間，該影像光或一外界環境光經該成像單元會被分裂成一具有第一方向偏振的偏振光與一具有第二方向偏振的偏振光，當該電控調整層施加電壓時，使具有第二方向偏振的偏振光的偏振狀態不變，當該電控調整層不施加電壓時，使具有第二方向偏振的偏振光改變成具有第一方向偏振的偏振光。
如請求項1所述的近眼擴增實境裝置，其中，該成像單元包括兩相間隔設置的基材，及設置在該等基材之間的雙折射材料，該雙折射材料能受一電壓而扭曲排列成具正屈光度。
如請求項2所述的近眼擴增實境裝置，其中，該雙折射材料選自液晶。
如請求項1所述的近眼擴增實境裝置，其中，該成像單元包括一具有多個陣列排列的凸出部的基材，及設置在該基材並位在該凸出部內的雙折射材料，該等凸出部與其內的雙折射材料構成該等成像部。
如請求項4所述的近眼擴增實境裝置，其中，該雙折射材料選自石英或液晶。
如請求項1所述的近眼擴增實境裝置，其中，該電控調整層為扭曲向列型液晶模組。
如請求項1所述的近眼擴增實境裝置，其中，具有第一方向偏振的該偏振光為p偏振光，具有第二方向偏振的該偏振光為s偏振光。