TWI750380B - 擴增實境系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種在明亮外部條件下使用之擴增實境系統(2)。該擴增實境系統包含：一投影機(6)；一實質上透明光學組件(4)，其將擴增實境光提供至一使用者；及一雜散光拒斥層(12)。該雜散光拒斥層(12)進一步包括複數個板條(16)，該複數個板條(16)係按複數個各自角度配置，以有效地減少來自外部環境之高角度入射光到達該透明光學組件(4)。

Description

擴增實境系統
本發明係關於一種擴增實境系統及一種用於改良在諸如日光之強光條件下之使用的技術。
頭戴式擴增實境系統可戴在一使用者之頭上以藉由供應額外光而擴增一使用者對真實世界之感知。已知頭戴式系統包含眼鏡及頭盔結構。擴增實境系統亦包含可在運載工具中(諸如在汽車、卡車中或亦在飛機駕駛艙中)實施之抬頭顯示器。
擴增實境光可使用一波導結構提供至使用者。繞射光柵定位於波導上或波導中以將來自一投影機之光耦合至一波導中。接著，可使用另一繞射光柵結構將光自波導耦出且朝向一使用者。可採用其他擴增實境技術來產生類似結果。例如，稜鏡投影機或基於稜鏡之設計擴增實境系統可使用多個透鏡或稜鏡來控制光自一顯示組件至一使用者之光學路徑。
在此等應用中，光學組件(諸如波導或稜鏡)通常為透明的，使得使用者可觀看來自投影機之光以及來自其等外部環境之光。
然而，許多擴增實境系統在其等在強光條件(包含日光)下使用時存在困難。此等困難可因意欲用於控制來自投影機之光的光學組件亦可與來自外部世界之光相互作用而產生。
明確言之，已發現，當來自一外部源之入射光線遇到一光學組件時，一些光線可繞射或折射朝向一使用者之眼睛。若光源足夠明亮，則此等雜散光線可在使用者之視域內產生一不受歡迎的彩虹效應(rainbow effect)。此彩虹效應可減損一使用者對外部環境之視覺或降低擴增電腦產生之資訊的可見度。當外部環境中存在之一強光相對於使用者之視線成一高角度時，彩虹效應尤為嚴重；成問題光源之實例包含成高仰角之聚光燈、一內部環境中之吸頂燈、或太陽在高空中且使用者之視線在水平面上時之太陽。
類似地，特定擴增實境技術不可或缺之反射或折射結構亦可能遭受類似不想要的光線偏轉。
本發明之一目的係改良在不同照明條件下使用擴增實境系統之能力，且減少一使用者所經歷之非所要光學效應。
根據本發明之一態樣，提供一種擴增實境系統，其包括：一投影機；一實質上透明光學組件，其經配置以接收來自該投影機之光且將擴增實境光提供至一使用者之假想眼睛位置；及一雜散光拒斥(stray light rejection)層，其用於該實質上透明光學組件，其中該雜散光拒斥層包括複數個板條，其中該複數個板條各自包括一軸，且其中該複數個板條之該等軸按複數個各自角度配置，其中該複數個板條之該等軸各自引導朝向使用者之假想眼睛位置。
以此方式，一使用者可在具有減少的雜散光問題之情況下在明亮外部條件下(例如，在具有極少雲量之一晴天戶外環境中)觀看經投影擴增實境影像。雜散光拒斥層可有利地減少外部光之高角度入射光線到達實質上透明光學組件。雜散光之此拒斥繼而可減少可由實質上透明光學組件繞射或折射朝向一使用者之眼睛的入射光量。有利地，此減少諸如彩虹之非所要光學效應。類似地，其他擴增實境技術可同樣受益。
擴增實境系統可為一頭戴式擴增實境系統，其中該擴增實境系統進一步包括一頭部支架(head mounting)，該頭部支架經組態以將實質上透明光學組件間隔在相對於使用者之假想眼睛位置的一位置處。
頭部支架可幫助定位實質上透明光學組件使得板條定向成使其等軸引導朝向使用者之假想眼睛位置。使用者之假想眼睛位置可表示一共同焦點，藉此可判定複數個各自角度。在使用中，歸因於不同頭部形狀，，相同頭部支架可針對不同使用者眼睛將實質上透明光學組件間隔在一不同位置處。較佳地，軸經定向朝向一假想眼睛位置，該位置可判定為一使用者眼睛之一平均預期位置。
較佳地，從使用者之假想眼睛位置判定與一假想前視方向之複數個角度。以此方式，可藉由假想前視方向與其中使用者之假想眼睛位置充當一共同焦點之軸之間的一角度判定一板條之一軸。各角度可為用於判定線性板條之軸的一平面角度。或者，各角度可為用於判定具有一彎曲部分之板條的一立體角度。在另一實例中，一些角度可為相對於使用者之假想眼睛位置水平安置之線性板條的平面角度，且其他角度可為相對於使用者之假想眼睛位置垂直安置之線性板條的平面角度。
各板條之至少一部分可為彎曲的。以此方式，複數個板條可阻擋來自水平方向及垂直方向兩者之高角度入射光。各板條可具有具彎曲端部之一筆直水平區段，其中端部彎曲朝向實質上透明光學組件之一水平中心線(與使用者之假想眼睛位置或視線之一中心線一致)彎曲。
各板條可為圍繞假想前視方向之一平截頭體，使得複數個板條形成一組嵌套平截頭體。複數個板條中之各平截頭體可為一截頭圓錐體。複數個圓形板條將看似沿假想前視位置至一使用者之一組同心圓。或者，各板條可為丸狀，其中板條具有在各端部上具有半平截頭體之兩個平面區段。在另一實例中，各平截頭體可為一截頭稜錐體。
較佳地，各板條之輪廓尺寸及雜散拒斥層與使用者之假想眼睛位置之間的距離經選擇使得複數個板條對於使用者實質上不可見。以此方式，在使用者沿複數個板條之軸看時，該使用者可能不會明顯注意到擴增實境系統中之板條。有利地，一使用者可觀看一板條之最薄可能輪廓或最小橫截面。因此，複數個板條可最小程度地妨礙一使用者觀看雜散光拒斥層以外的實體世界。通常，一人眼能夠看見大約50微米之一粒度。例如，各板條可係小於50微米厚。另外，複數個板條可被間隔在遠離使用者之假想眼睛位置之一距離處，使得使用者無法聚焦於複數個板條上。
較佳地，複數個板條進一步經配置使得各板條之間存在具有至少一預定距離之一間隙。以此方式，一使用者可能不會明顯注意到經配置於擴增實境系統中之複數個板條。例如，若複數個板條之各板條之間的預定尺寸過小，則可能存在一集光視覺減損。
較佳地，頭部支架從一使用者之視角界定一垂直方向，且複數個板條宜經配置以拒斥垂直方向上之雜散光。以此方式，在使用者之視線於水平面上時，複數個板條可減少相對於頭部支架從上行或下行方向入射的高角度雜散光。
各板條可為線性的，且複數個板條可係相對於使用者之假想眼睛位置水平安置。在大多數情形中，使用者之視線係在水平面上，且期望減少來自從該水平面垂直位移之光源的非所要光學效應。例如，在一直立位置中之一使用者可能經歷從頭頂之太陽傳輸或來自從使用者視線下方之反射的高角度雜散光。或者，一些板條可係相對於使用者之假想眼睛位置水平安置，且其他角度可係相對於使用者之假想眼睛位置垂直安置。
雜散光拒斥層可為一黏著膜。以此方式，雜散光拒斥層可係與波導分離，且被可固定至實質上透明光學組件之一表面上之一組件。
較佳地，擴增實境系統之實質上透明光學組件包括定位成面向一使用者之一內表面及定位成面向外部環境之一外表面，且其中雜散光拒斥層黏著至外表面上。以此方式，一雜散光拒斥層可黏著至一實質上透明光學組件之外表面上且減少外部入射光線到達實質上透明光學組件。
頭部支架可包括：一框架，其中實質上透明光學組件及投影機安裝於該框架上；及一透明基板，其中雜散光拒斥層黏著至該透明基板上。以此方式，可具有與實質上透明光學組件完全分離之一雜散光拒斥層。此可容許一頭戴式擴增實境系統內之更多設計組態或定向，其中一投影機可將光傳輸至一實質上透明光學組件中。例如，安裝在一框架上之一投影機可將光從外表面投影至一實質上透明光學組件中，但其將必須按投影光線不會被雜散光拒斥層不利地減少的角度定位或定向。
較佳地，複數個板條係不透明的。以此方式，複數個板條可阻擋來自外部環境之入射光。在另一實例中，來自外部環境之高角度入射光可因複數個板條將光反射遠離實質上透明光學組件而減少。
較佳地，實質上透明光學組件係一波導。
較佳地，擴增實境系統進一步包括：一輸入繞射光學元件，其經組態以接收來自投影機之光且將其耦合至波導中；及一輸出繞射光學元件，其經組態以將光自波導耦出朝向一使用者。
擴增實境系統可為一抬頭顯示擴增實境系統。例如，擴增實境系統可併入至一運載工具儀錶板中。或者，擴增實境系統可為可定位於一儀錶板上或在一駕駛艙中之一獨立裝置。在另一實例中，擴增實境系統可併入至一擋風玻璃中。一使用者可使用一運載工具中之座位調整來匹配或緊密匹配使用者之實際眼睛位置與擴增實境系統中之使用者之假想眼睛位置。
如圖1a及圖1b中展示，一頭戴式擴增實境系統2具有一波導4及一投影機6，其中投影機6經配置以將光提供至波導4。頭戴式擴增實境系統2具有一頭部支架8，波導4及投影機6固定於頭部支架8上。頭部支架8進一步經組態以將波導4間隔在相對於一使用者之假想眼睛位置10的一位置處。在一個配置中，頭部支架8係類似於一副護目鏡之一框架的一框架。在另一配置中，頭部支架8係一頭盔。熟習此項技術者將容易想到除一波導外之替代光學組件，例如於一頭戴式擴增實境系統中使用之一稜鏡(參見圖3)。
一雜散光拒斥層12係定位於波導4之外表面上。雜散光拒斥層12包括一透明基底材料14及複數個板條16。複數個板條16或遮光體按複數個角度係配置於雜散光拒斥層12中。在一個配置中，複數個板條16係由一不透明光阻擋材料製成。另外，複數個板條16可將光反射遠離波導4。在圖1中描繪之實施例中，僅存在少量板條16，但在其他實施例中，可提供較大量板條16。
一輸入繞射光學元件18係定位於波導4上，以接收來自投影機6之光且將光耦合至波導4中。一輸出繞射光學元件20係定位於波導4上，以將波導4內之光自波導4耦出朝向使用者。以此方式，來自投影機6之光可擴增一使用者對外部世界之視圖，其等亦可透過透明波導4感知外部世界。
頭部支架8經組態以將波導4及雜散拒斥層12定位在距使用者之假想眼睛位置10之一所要距離處，使得一使用者無法聚焦於複數個板條16上。使用者之假想眼睛位置10係一一般使用者之眼睛可能定位之一空間位置。已預期使用者將具有不同形狀之頭部，且在任何個別情況中，一使用者之眼睛的實際位置可能稍微不同於使用者之假想眼睛位置10。人眼無法容易聚焦於少於6.5 cm遠之一物件。因此，一頭戴式擴增實境系統可將一雜散拒斥層12定位在距使用者之假想眼睛位置10少於6.5 cm遠之處。例如，頭部支架8經組態以將雜散光拒斥層12間隔在遠離使用者之假想眼睛位置10達2 cm至3 cm之一筆直水平距離處。因此，波導4及雜散光拒斥層12意欲用於「近眼」應用。
頭部支架8經組態以在配戴於使用者之頭上時從使用者之視角界定一垂直方向。當使用者之視線在水平面上時，複數個板條16經配置以拒斥垂直方向上之雜散光。例如，各板條可係相對於垂直方向水平定位，使得可阻擋來自頭頂或一使用者之視線下方的雜散光。
一雜散光拒斥層12係定位於波導4之外表面上以防止來自外部環境之非所要高角度雜散光到達波導4。在一個實例中，雜散光拒斥層12係可黏貼至波導4之一外表面上之一黏著膜。或者，雜散光拒斥層12及波導4可作為一單一組件存在，其中複數個板條16經配置朝向該單一組件之外表面。
複數個板條16之各者具有一軸，且軸按複數個角度配置。板條16經配置使得軸之各者引導朝向使用者之假想眼睛位置10。以此方式，在輪廓上向使用者之假想眼睛位置呈現板條之薄邊緣。板條16之配置意謂一使用者幾乎察覺不到此等邊緣。例如，一板條可具有一薄立方體形狀，其中一較大矩形截面阻擋雜散光且佩戴該系統之一使用者僅可看見立方體板條之一邊緣或一較小矩形截面。熟習此項技術者將容易想到板條之替代形狀。
各板條之尺寸亦可經選擇以最小化對一使用者之可見度。例如，各板條可為10微米厚且200微米長。另外，複數個板條16配置於波導4內使得各板條之間存在具有一最小尺寸之一間隙，以容許來自外部環境之所要光穿過雜散光拒斥層12而至波導4中。例如，各板條之間之最小間隙距離可為115微米，以確保足夠外部光通過雜散光拒斥層12。
在使用中，一使用者將使用頭部支架8來將頭戴式擴增實境系統2定位於其等頭上。使用者之眼睛將定位成靠近頭部支架所界定之使用者之假想眼睛位置10。板條16將定向成使軸實質上定向朝向使用者之眼睛位置。板條16經定向且經定位使得其等可以拒斥高仰角之光但可繼續容許使用者正常觀看。板條16之配置有利地減少諸如彩虹之非所要光學效應。
圖2係頭戴式擴增實境系統102之一實施例，其中一頭部支架108包括一框架，一波導104、一投影機106及一透明基板122安裝在該框架上。頭部支架108經組態以將波導104間隔在相對於一使用者之假想眼睛位置110之一位置處。透明基板122係與波導104分離之一組件。一雜散光拒斥層112黏著至透明基板122之一表面上。雜散光拒斥層112包括一透明基底材料114及複數個板條116。複數個板條116按複數個角度配置於雜散光拒斥層112中。
一輸入繞射光學元件118定位於波導104上以接收來自投影機106之光且將光耦合至波導104中。一輸出繞射光學元件120定位於波導104上以將波導104內之光自波導104耦出朝向使用者。
透明基板122可用作一屏障以保護波導104使其免受實體損壞，及/或用作雜散光拒斥層112可黏著於其上之一表面。在一個配置中，頭部支架108係具有作為透明基板122之一遮陽板結構之一頭盔。
圖3係頭戴式擴增實境系統202之另一實施例，其中一頭部支架208包括一框架，一稜鏡204及一投影機206安裝在該框架上。頭部支架208經組態以將稜鏡204間隔在相對於一使用者之假想眼睛位置210之一位置處。一雜散光拒斥層212定位於稜鏡204之外表面上以防止來自外部環境之非所要高角度雜散光到達稜鏡204。雜散光拒斥層212包括一透明基底材料214及複數個板條216。複數個板條216按複數個角度配置於雜散光拒斥層212中。
在一個實例中，雜散光拒斥層212係可黏貼至稜鏡204之一外表面上的一黏著膜。或者，雜散光拒斥層212及稜鏡204可作為一單一組件存在，其中複數個板條216經配置朝向該單一組件之外表面。
如圖4中展示，一抬頭顯示擴增實境系統302具有一波導304及一投影機306，其中投影機306經配置以將光提供至波導304。波導304經組態以界定一使用者之假想眼睛位置308。
一雜散光拒斥層310定位於波導304之外表面上。雜散光拒斥層310包括一透明基底材料312及複數個板條314。複數個板條314或遮光體按複數個角度配置於雜散光拒斥層310中。在一個配置中，複數個板條314係由一不透明光阻擋材料製成。另外，複數個板條314可將光反射遠離波導304。
在圖4中描繪之實施例中，僅存在少量板條314，但在其他實施例中，可提供較大量板條314。各板條之薄邊緣之尺寸(在輪廓上向使用者之假想眼睛位置呈現)及板條之數目經選擇使得使用者幾乎察覺不到該複數個板條314。
一輸入繞射光學元件316定位於波導304上以接收來自投影機306之光且將光耦合至波導304中。一輸出繞射光學元件318定位於波導304上以將波導304內之光自波導304耦出朝向使用者。以此方式，來自投影機306之光可擴增一使用者對外部世界之視圖，其等亦可透過透明波導304感知外部世界。
圖5係在從一使用者之假想眼睛位置在一假想前視方向上的雜散光拒斥層412之另一實施例。雜散光拒斥層412包括一透明基底材料414及複數個板條416。複數個板條416或遮光體按複數個角度配置於雜散光拒斥層412中。
複數個板條416之各者具有一軸，且軸按複數個角度配置。複數個角度係從使用者之假想眼睛位置判定之複數個立體角度，使得板條416經配置使得軸之各者引導朝向使用者之假想眼睛位置。以此方式，在輪廓上向使用者之假想眼睛位置呈現板條之薄邊緣。板條416之配置意謂一使用者幾乎察覺不到此等邊緣。
各板條具有一平截頭體或一圓錐體之區段的形狀，使得一板條在一二維或正面視圖中呈現圓形。複數個板條416係透明基底材料414中之一組嵌套圓錐體，且在面向使用者之視線時看似一組同心圓。熟習此項技術者將容易想到板條之替代形狀，諸如丸狀、稜錐體或橢圓形板條。
熟習此項技術者將容易想到在一擴增實境系統中使用之一雜散光拒斥層之替代組態。
2‧‧‧頭戴式擴增實境系統4‧‧‧透明光學組件/波導6‧‧‧投影機8‧‧‧頭部支架10‧‧‧使用者之假想眼睛位置12‧‧‧雜散光拒斥層/雜散拒斥層14‧‧‧透明基底材料16‧‧‧板條18‧‧‧輸入繞射光學元件20‧‧‧輸出繞射光學元件102‧‧‧頭戴式擴增實境系統104‧‧‧波導106‧‧‧投影機108‧‧‧頭部支架110‧‧‧使用者之假想眼睛位置112‧‧‧雜散光拒斥層114‧‧‧透明基底材料116‧‧‧板條118‧‧‧輸入繞射光學元件120‧‧‧輸出繞射光學元件122‧‧‧透明基板202‧‧‧頭戴式擴增實境系統204‧‧‧稜鏡206‧‧‧投影機208‧‧‧頭部支架210‧‧‧使用者之假想眼睛位置212‧‧‧雜散光拒斥層214‧‧‧透明基底材料216‧‧‧板條302‧‧‧抬頭顯示擴增實境系統304‧‧‧波導306‧‧‧投影機308‧‧‧使用者之假想眼睛位置310‧‧‧雜散光拒斥層312‧‧‧透明基底材料314‧‧‧板條316‧‧‧輸入繞射光學元件318‧‧‧輸出繞射光學元件412‧‧‧雜散光拒斥層414‧‧‧透明基底材料416‧‧‧板條
現參考圖式以實例方式描述本發明之實施例，其中： 圖1a係一使用者之頭上的一頭戴式擴增實境系統之一側視圖； 圖1b係圖1a中展示之擴增實境系統之一詳細側視圖； 圖2係本發明之另一實施例中之另一擴增實境系統之一詳細側視圖； 圖3係本發明之另一實施例中之另一擴增實境系統之一側視圖； 圖4係作為一抬頭顯示系統之擴增實境系統之一側視圖；及 圖5係本發明之另一實施例中之複數個板條之前視圖。
4‧‧‧透明光學組件/波導
6‧‧‧投影機
8‧‧‧頭部支架
10‧‧‧使用者之假想眼睛位置
12‧‧‧雜散光拒斥層/雜散拒斥層
14‧‧‧透明基底材料
16‧‧‧板條
18‧‧‧輸入繞射光學元件
20‧‧‧輸出繞射光學元件

Claims (16)

  1. 一種擴增實境系統，其包括：一投影機；一實質上透明光學組件，其包含經定位以面向一使用者之一內表面以及經定位以面向一外部環境之一外表面，該實質上透明光學組件經配置以接收來自該投影機之光，且將擴增實境光提供至該使用者之假想眼睛位置；及一雜散光拒斥層，用於該實質上透明光學組件，其中該雜散光拒斥層配置於該實質上透明光學組件之同一側，以作為該實質上透明光學組件之該外表面，且該雜散光拒斥層包括複數個板條，其中該複數個板條各自進一步包括一軸，且其中該複數個板條之該等軸係於該雜散光拒斥層內按從該使用者之假想眼睛位置判定與一假想前視方向之複數個各自角度配置，其中該複數個板條之該等軸各自引導朝向該使用者之假想眼睛位置；其中該雜散光拒斥層經組態以避免來自於該外部環境的高於該等角度之一者的高角度入射光線到達該實質上透明光學組件以及產生由該高角度入射光線的繞射所造成彩虹效應。
  2. 如請求項1之擴增實境系統，其係一頭戴式擴增實境系統，其進一步包括一頭部支架，該頭部支架經組態以將該實質上透明光學組件間隔在相對於該使用者之假想眼睛位置之一位置處。
  3. 如請求項1或2之擴增實境系統，其中各板條的至少一部分係彎曲 的。
  4. 如請求項1或2之擴增實境系統，其中各板條係圍繞該假想前視方向之一平截頭體，使得該複數個板條形成一組嵌套平截頭體。
  5. 如請求項4之擴增實境系統，其中各平截頭體係一截頭圓錐體。
  6. 如請求項1或2之擴增實境系統，其中各板條的輪廓尺寸及該雜散拒斥層與該使用者之假想眼睛位置之間的距離經選擇，使得該複數個板條對於使用者係實質上不可見。
  7. 如請求項1或2之擴增實境系統，其中該複數個板條進一步經配置使得各板條之間存在具有至少一預定尺寸之一間隙。
  8. 如請求項2之擴增實境系統，其中該頭部支架從一使用者之視角界定一垂直方向，且其中該複數個板條經配置以拒斥該垂直方向上之雜散光。
  9. 如請求項8之擴增實境系統，其中各板條係線性的，且其中該複數個板條係相對於該使用者之假想眼睛位置水平安置。
  10. 如請求項1、2、8或9之擴增實境系統，其中該雜散光拒斥層係一黏著膜。
  11. 如請求項10之擴增實境系統，其中該雜散光拒斥層黏著至該實質上透明光學組件之該外表面上。
  12. 如請求項2之擴增實境系統，其中該頭部支架包括：一框架，其中將該實質上透明光學組件及該投影機安裝在該框架上；及一透明基板，其中該雜散光拒斥層黏著至該透明基板上。
  13. 如請求項1、2、8、9、11或12之擴增實境系統，其中該複數個板條係不透明的。
  14. 如請求項1、2、8、9、11或12之擴增實境系統，其中該實質上透明光學組件係一波導。
  15. 如請求項14之擴增實境系統，進一步包括：一輸入繞射光學元件，其經組態以接收來自該投影機之光，且將其耦合至該波導中；及一輸出繞射光學元件，其經組態以將光自該波導耦出朝向一使用者。
  16. 如請求項1之擴增實境系統，其係一抬頭顯示擴增實境系統。
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