TWI785003B - 擴增實境成像系統 - Google Patents

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Abstract

揭露一種用於擴增實境成像系統中的光學系統。該光學系統包含一光引導裝置及一投影光學裝置。該光引導裝置係用以引導輸入光以傳播至一成像平面，該輸入光包含代表欲投影之一擴增影像的光及代表一外部場景之一實像的輸入光。該投影光學裝置具有一固定視野且在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區。該投影光學裝置係用以影響該代表擴增影像之光及該代表實像的光中至少一者的傳播，俾以對於該複數不同區域的每一區域而言，該代表擴增影像之光的一部分及該代表實像之光的一部分與該投影光學裝置之該區域的互動係引導擴增影像光及實像光之該等部分而沿著對應至該一區域之該聚焦參數的一實質上相同的輸出路徑傳播。

Description

擴增實境成像系統
本發明大致上係屬於擴增實境技術，且關於在擴增實境系統中投影光的光學系統及方法。尤其，此類光學系統可被包含於透視近眼顯示器、或頭戴式顯示器(如頭盔式或眼鏡安裝型顯示器)內，其具有反射被投影之影像的能力並允許使用透視。
近眼顯示器為一種穿戴式裝置，其在使用者的視野前產生顯示影像。近眼顯示器包含此類主元件如影像產生器和光學結合器。影像產生器例如使用空間光調制器(SLM)或類似的裝置以提供數位重製的影像，空間光調制器(SLM)或類似的裝置通常包含由準直透鏡呈像至無限遠並藉由反射或部分反射表面(或複數表面)而傳輸至觀看者眼中的像素陣列，反射或部分反射表面(或複數表面)針對非透視與透視應用具有結合器的功用。對於擴增實境顯示器而言，光學結合器將來自外界的光與來自影像產生器的光結合成為對呈像光學裝置與眼睛之視覺數據的單一呈現。
近眼顯示器將影像資訊呈現至觀看者的觀看瞳孔(亦被稱為「眼箱(eyeboxes)」，當觀看瞳孔和觀看者之眼睛之瞳孔對準時，會在觀看者的視野內產生虛擬影像。近眼顯示器的結合器或波導會將影像資訊自觀看者之視野外的位置朝向觀看者的眼睛傳遞。
適合用於擴增實境系統中之此類波導的各種實例係記載於下列共讓渡與本申請案之受讓人的專利公開文獻中：US8098439；US7643214；US8000020；US7724442；US8004765；US7577326；US6829095；US2015138451；WO16075689；WO16103251；US9513481；US9551880；US9551874。在此類波導中，載帶擴增影像的光係藉由下列方式受到引導：全內反射至一部分反射表面，然後自該部分反射表面反射至觀看者。
在此領域中需要一種新穎方案將光學裝置配置於擴增實境系統中使用。應瞭解，在擴增實境系統中，虛擬影像被擴增至實景影像上。因此，在擴增實境系統中，在透視近眼顯示器中使用的高品質影像應同時針對系統之整個視野內的實像及虛擬/擴增影像而提供並針對不同距離的真實物體與虛擬物體而提供。
為了能夠對觀看擴增影像與實像兩者的觀看者提供舒適度，在許多情況中需修改擴增影像與實像任一者或兩者。已知施用電子控制的動態透鏡能讓使用者動態控制影像焦點。
在透視近眼顯示器中所謂的「靜態」擴增實境系統(亦即，在系統視野內，系統具有固定的光學特性，如視野、光學功率/聚焦參數的輪廓)中，情況是不同的。本發明藉著使用所謂的靜態光學系統而改善擴增影像與實像兩者對觀看者的同時出現，達到所需的舒適度。為達此目的，配置本發明的光學系統，俾使分別代表擴增影像與實像之經投影的光部分沿著遠距虛擬物體與實物用之一共同光學路徑及較近距離虛擬物體與實物用之一共同光學路徑而傳播至觀看者的眼睛(成像平面)。在此方面應注意，雖然在下文中將本發明用於光學系統之視野之上部與下部中的焦點變化作為示例，但本發明之原理不限於此實例， 焦點變化可應用至系統之視野各處的任何其他部分(或複數部分)/區塊(或複數區塊)。
在大部分情況中，在擴增實境系統中不用對一外部場景的實像做任何事，亦即遠距與近距物體係以原狀呈現予觀看者。然而在某些情況中，實像投影係以類似於多焦透鏡(如漸進透鏡)之投影的方式進行，俾使擴增影像與外界(實像)兩者聚焦至實物遙遠之FOV之上部的無限遠處及實物通常靠近之FOV之下部的無限遠處。這需要修改代表被投影之實像的光。
在大部分情況中，欲適當擴增在實景影像上之虛擬影像的呈現係待改善的。這係藉由影響/修改代表被投影之擴增影像之光的收斂(聚焦)而達成。代表擴增影像之光的收斂可在此光與光結合表面互動之前受到影響，因此留下實像光不受影響，其中光結合表面係結合擴增影像光與實像光之輸出傳播路徑。
在某些情況中，系統配置需要擴增影像投影在使用者的眼睛的正前方受到影響，亦即在擴增影像與實像光束兩者的結合投影路徑中受到影響。因此，此效應待針對實像呈現進行補償。
本發明提供一種用於擴增實境系統中的新穎光學系統(有時被稱為影像投影器)。本發明的影像投影器配置有一固定視野(FOV)及該FOV內之複數光學特性的固定輪廓，該影像投影器影響傳播通過其中的光，俾以產生一虛擬聚焦平面，該虛擬聚焦平面相對於該影像投影器的一光軸為傾斜的。
根據本發明之某些實施例，提供一種用於擴增實境成像系統中的光學系統，該光學系統包含：一光引導裝置，係用以引導輸入光沿著一大致傳播方向而傳播至一成像平面，該輸入光包含代表欲投影之一擴增影像之光以及代表一外部場景之一實像的輸入光； 一投影光學裝置，具有一固定視野且在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區，該投影光學裝置係用以影響代表擴增影像之光之至少一者的傳播，俾以對於該複數不同區域的每一區域而言，該代表擴增影像之光的一部分及該代表實像之光的一部分與該區域的互動係引導該代表擴增影像之光及該代表實像之光之該等部分而沿著對應至該區域之該聚焦參數的一實質上相同的輸出路徑，藉此對於該代表擴增影像之光與該代表實像之光之該等部分，在該成像平面中提供複數對焦影像。
應瞭解，當論及該擴增實境成像系統如透視近眼顯示器或頭戴式顯示器，「成像平面(imaging plane)」一詞實際上係指所謂的「眼箱(eyebox)」。後者為一空間體積，在此空間體積內成像系統形成可有效觀看的影像，此空間體積代表出射瞳尺寸與適眼距之組合。
一般而言，光引導裝置係用以定義在代表擴增影像之輸入光與代表實像之輸入光之複數光學路徑中的至少一光結合表面，該光結合表面係用以反射此些光中的一者並將其他者朝向該成像平面傳輸。在該透視近眼擴增實境系統中，該光結合表面反射該擴增影像光並傳輸該實像光。在某些實施例中，該光引導裝置包含一導光光學元件(LOE)，LOE對於來自於一外在源的光而言是可穿透的，且用以引導在其內部的光(擴增影像光)傳播至一光輸出表面或引導來自該光輸出表面的光。例如，此類LOE可用以藉由自其複數內主表面的全內反射而引導光通過其中，並藉由與一或多個部分反射或繞射之表面的光互動而自其輸出光，每一部分反射或繞射之表面做為上述的光結合表面，用以引導該擴增影像光及該實像光。
該複數不同視區係由該投影光學裝置的複數區域所定義，俾以當使用該光學系統時，當使用者移動其瞳孔以觀察不同距離之物體時，此些區域係與使用者的視線在不同角位向上對準(相交)。例如，該投影光學裝置針對遠距 與近距物體可以不同聚焦參數/光學功率而定義遠視與近視區域(類似於雙焦透鏡)、或可具有類似於漸進透鏡之光學功率/聚焦參數輪廓。是以，大致上，不同聚焦參數的此些區域可被施行為橫跨視野之複數離散區域或連續變化的焦點。
在某些實施例中，該投影光學裝置包含一擴增影像投影單元，該擴增影像投影單元在代表該擴增影像之輸入光朝向該光引導裝置傳播時位於代表該擴增影像之輸入光的一光學路徑上。在此情況中，該投影光學裝置係用以影響代表被投影之該擴增影像之光的傳播，但不影響代表場景之該實像之輸入光的傳播。
擴增影像投影單元可包含具有複數不同聚焦參數的至少一透鏡。
在某些其他實施例中，該投影光學裝置包含具有相同視野、且在自該光引導裝置新出現之光的光學路徑上具有分隔關係的一擴增影像投影單元及一實像投影單元。換言之，在此配置中，該投影光學裝置影響該擴增影像光與該實像光。此些投影單元中的每一投影單元具有複數不同聚焦參數，其可被實施為橫跨視野之複數離散區域或連續變化的焦點。該擴增影像投影單元與該實像投影單元係以相反對稱的方式配置，俾使該實像投影單元的複數聚焦參數補償該擴增影像投影單元之複數不同聚焦參數的複數效應。該擴增影像投影單元與該實像投影單元係設置在該光引導裝置的相對側(位於固定位置處)。
應瞭解，位於該光引導單元之輸出處的一擴增影像投影單元實際上與代表該擴增影像的光和代表該實像的光兩者互動(影響其傳播)。因此對於此類實施例而言，「擴增影像投影單元」一詞僅用以與僅和代表該實像之光互動的「實像投影單元」區別；但應適當瞭解及解讀擴增影像投影單元的配置與功能。
此類單元的每一者可包含至少一透鏡，其中此些單元的複數透鏡具有類似的光學特性(複數不同的聚焦參數)且係位於沿著一共同光軸之複數實質上平行的分隔平面中，但針對該光引導裝置的一平面係以相反對稱方式擺設方位。因此，此些單元對於通過其的光施加相反的光學效應。
在上述的任何實施例中，該投影光學裝置包含具有下列配置之一者的至少一透鏡：雙焦透鏡、三焦透鏡、連續變焦距透鏡(漸進透鏡)；其可以是由下列的一者實現：折射透鏡、繞射透鏡、菲涅耳透鏡、或反射表面。
在本發明的某些其他實施例中，該光學系統包含一光引導裝置與一光學投影裝置，其中此些單元中的每一者皆為一多單元組件/裝置。更具體而言，該光引導裝置包含至少兩個光引導單元的一陣列，每一光引導單元係以如上所述的方式配置，即引導該擴增影像光朝向一光輸出表面(光結合表面)並傳輸該實像光以與該光輸出表面互動；且該光投影裝置包含複數光投影單元之一陣列。此配置俾使所有的此些單元，即複數光引導單元與複數光投影單元，係沿著一共同軸以分隔關係設置，使得該實像光依次傳播通過所有此些單元(與其互動)。又，每一光引導單元係包夾於該複數光投影單元的兩者之間。
在此類多單元光引導裝置中，選擇性地操作每一光引導單元。更具體而言，每一光引導單元可獨立操作，即可與其自己的擴增影像源相關；或者其所有者(或其至少一部分)可與一共同影像源相關，該共同影像源係用以選擇地切換以將該擴增影像光引導至該複數光引導單元中的一者。
每一光投影單元係配置(如具有光學輪廓)俾以取決於複數光引導單元中的哪一者在一成像期間中操作，而使各別的光投影單元(即和擴增影像光與實像光兩者皆互動的光投影單元)影響通過其的光傳播，俾使該擴增影像光與各別光投影單元的互動提供一期望效應(焦距變化)，但該實像光與各別光投影單元在該實像光通過該系統途中的互動不引發任何焦距變化。
本發明亦包含一種擴增實境系統，該擴增實境系統包含一擴增影像源及上述之光學系統，該擴增影像源產生代表欲投影至一觀看者之一擴增影像的輸入光。該擴增影像源可包含一影像產生器與一準直模組，俾使該光引導裝置所接收到之該輸入光為代表該欲投影之擴增影像之準直光。
根據本發明之另一廣泛態樣，提供一種用於擴增實境成像系統中的光學系統，該光學系統包含：一光傳輸波導，係用以接收代表欲投影之一擴增影像之輸入光、引導代表該擴增影像的該輸入光、及耦合該光離開該波導以沿著朝向一成像平面的一輸出路徑傳播；一投影光學裝置，包含一擴增影像投影單元及一實像投影單元，每一單元具有一固定視野及在其複數不同區域處的複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區，該擴增影像投影單元與該實像投影單元係位於沿著一共同光軸實質平行且處於該光傳輸波導之複數相對側的複數分隔平面中，且該擴增影像投影單元與該實像投影單元相對於該波導係以相反對稱的方式設置，俾使該實像投影單元之該複數不同聚焦參數補償該擴增影像投影單元之該複數不同聚焦參數的複數效應、俾使該代表擴增影像的光及該代表實像的光與該複數不同區域之每一者的互動引導該代表擴增影像的光及該代表實像的光沿著一實質上相同的輸出路徑，藉此針對該代表擴增影像的光及該代表實像的光在該成像平面上提供複數對焦影像。
根據更另一廣泛態樣，本發明提供一種用於擴增實境成像系統中的光學系統，該光學系統包含：一光引導裝置，包含至少一光結合板，該至少一光結合板係用以引導代表一擴增影像的輸入光以沿著一預定方向上之一輸出路徑傳播並用以引導代表一場景之一實像的輸入光沿著該輸出路徑傳播； 一投影光學裝置，具有一固定視野且在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區，該投影光學裝置包含一擴增影像投影單元，該擴增影像投影單元在代表該擴增影像之輸入光朝向該光引導裝置傳播時位於代表該擴增影像之輸入光的一光學路徑上，俾以在使用該光學系統時，使用者的視線在不同角位向上與該複數不同區域相交，藉此對不同距離之複數物體提供對焦觀看。
本發明之更另一態樣提供一種擴增實境成像系統中用的光學系統，該光學系統包含：一光引導裝置，包含至少一光結合板，該至少一光結合板係用以引導代表一擴增影像的輸入光以沿著一預定方向上之一輸出路徑傳播並用以引導代表一場景之一實像的輸入光沿著該輸出路徑傳播；一投影光學裝置，具有一固定視野且在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區，該光學裝置包含一實像投影單元，該實像投影單元在代表該實像之光朝向該光引導裝置傳播時位於代表該實像之光的一光學路徑上，該光引導裝置結合該代表實像的光與該代表被投影之擴增影像的光並引導其沿著一共同路徑到達一成像平面。
根據本發明之更另一廣泛態樣，提供一種擴增實境成像系統中用的光學系統，該光學系統包含：一光引導裝置，係用以引導輸入光以傳播至一成像平面，該輸入光包含代表欲投影之一擴增影像的光及代表一外部場景之一實像的輸入光，其中該光引導裝置包含沿著該系統之一光軸以分隔關係設置之至少兩個光引導單元的一陣列，該至少兩個光引導單元係用以選擇性地使其中一者涉及在一成像期間內；及 一投影光學裝置，具有一固定視野且在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區，該投影光學裝置包含沿著該系統之該光軸以分隔關係設置的複數光投影單元，俾使該複數光引導單元之每一者係包夾於該複數光投影單元的一對光投影單元之間，取決於在該成像期間中所涉及之選定的光引導單元，該複數光投影單元中的一或多者係位於朝向該選定光引導單元傳播之該代表實像之光的一光學路徑上，且其他該光投影單元中的一或多者係位於該選定光引導單元的輸出處且位於該代表擴增影像的光及該代表實像的光兩者的光學路徑中，其中該複數光投影單元係用以在該代表實像的光上引發一補償光學效應，俾使該代表擴增影像之光的一部分分別與該一或多個光投影單元之一或多個區域的互動在該代表擴增影像之光之該部分上引發焦距變化的一期望效應、並使該代表實像之光的一部分與該其他投影單元之該一或多者之一或多個區域的互動在該代表實像的光之該部分上引發該補償光學效應，是以維持該代表實像之光之該部分的一焦距實質上不變。
本發明亦提供一種擴增實境成像系統中用的光學系統，該光學系統包含：一光引導裝置，係用以引導輸入光以傳播至一成像平面，該輸入光包含代表欲投影之一擴增影像的光及代表一外部場景之一實像的輸入光；一投影光學裝置，具有一固定視野且在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區，該投影光學裝置包含一光投影單元，該光投影單元位於該代表擴增影像之光及該代表實像之光自該光引導裝置輸出並朝向一成像平面傳播之一光學路徑中，該光投影單元具有定義該複數不同聚焦參數的一預定光學功率輪廓，該複數不同聚焦參數係根據一觀看者之一個人多焦透鏡的一光學功率輪廓所配置，並用以在該代表實像之光上引發一補償光學效應，俾以對於該投影光學裝置之複數區域的每一區域 而言，該代表擴增影像之光及該代表實像之光之一部分與該區域的互動在該光上引發一焦點變化，該焦點變化補償欲由光與多焦透鏡之一對準區域互動所依次引發的一焦點變化。
4:影像產生器
5:擴增影像源
6:準直模組
16:光引導介面
18:光波
20:波導
21:光輸入區域
22:光引導介面/部分反射表面
24:眼睛
25:瞳孔
26:下表面
28:上表面
50:個人漸進透鏡
75:箭頭
77:方向
80:背表面
82:透鏡
82’:表面
84:表面
86:表面
90:眼箱
100:光學系統
184:表面
186:表面
200:成像系統/顯示器
202:光學系統
202A:單元
202B:單元
205:擴增影像源
210:光引導裝置
210a:光引導單元
210b:光引導單元
210c:光引導單元
240:投影光學裝置
240A:擴增影像投影單元
240B:擴增影像投影單元
240B’:光投影單元
240B”:光投影單元
240B''':光投影單元
240C:實像投影單元
CL:中央線
CP,CPF,CPN:投影路徑
FO:遠距物體
FP:焦點平面
FPa,FPb,FPc:虛擬焦點平面
FPN,FPF:焦點位置
IP:成像平面
Laug:擴增影像光
Lreal:實像光
NO:近距物體
OP1:光學路徑
P:透鏡表面之高度/位置
R:位置
r:位置
RO:實物
ROF:遠距實物
RON:近距實物
為了更瞭解文中所揭露的標的並例示其可如何實際實施，現在將參考附圖以非限制性實例的方式說明實施例，其中：圖1概略例示抬頭顯示系統中所用之波導結構中的光傳播方案；圖2A與2B分別例示在傳統的擴增實境系統中及使用本發明之光學系統的系統中擴增影像的呈現效果；圖3A與4A以方塊圖例示分別使用本發明之不同實施例之光學系統之擴增實境系統的兩實例；圖3B與4B分別更具體地例示圖3A與4A之實施例的系統配置；圖5與6分別更具體地例示在圖4A之系統配置中擴增影像投影單元與實像投影單元所影響的光傳播方案；圖7例示在圖4A之系統配置中擴增影像投影單元與實像投影單元所影響的光傳播方案，其中此些單元係以雙焦透鏡實施；圖8例示使用圖4A之實施例之光學系統收斂之兩眼顯示系統的操作；圖9例示非對稱形狀之眼箱的FOV；圖10A例示圖4A之實施例之光學系統用在被設計成用於個人漸進透鏡前之漸進近眼顯示器中；圖10B例示用於被設計成用於個人漸進透鏡前之擴增實境系統中之本發明之光學系統的更另一實施例； 圖11概略例示根據本發明更另一實施例之光學系統的配置與操作，其中光學投影裝置可僅包含實像投影單元；圖12更具體例示在圖4A或圖11之各種自雙眼影像收斂的任一實施例中實像投影單元所產生的光傳播方案；圖13更具體例示在圖4A或圖10A之實施例中投影光學裝置在光傳播上所產生的效應；圖14A至14C例示在擴增影像及實像投影單元中的透鏡配置；及圖15概略例示本發明之投影光學裝置的更另一實例，其中光引導裝置與光投影裝置兩者皆被配置為多單元組件。
本發明提供一種用於擴增實境成像系統中的新穎光學系統，擴增實境成像系統例如為透視近眼顯示器或抬頭顯示系統。在此背景下，首先參考圖1，圖1概略例示使用本發明相關領域之光學系統之某已知抬頭顯示系統的大致配置及操作原理。
圖1例示在光學系統100中的光傳播方案，光學系統100包含被配置為光引導光學元件(LOE)或基板以引導光以全內反射(TIR)通過其中的光傳輸波導20(如平面波導)。波導20具有光輸入區域21(光輸入區域21係與擴增影像源5的輸出對準(擴增影像源5包含影像產生器4及可能的準直模組6))及以適當位向設置於波導內的光引導介面16與22。
如所示，自擴增影像源5輸出且經適當準直之代表擴增影像的複數光波18與反射性介面16(反射性介面16反射此些光波)互動，俾使此些光波因全內反射而困在平面波導基板20內。在自基板20之主要下表面與上表面26、28經歷數次反射後，被困住的光波到達部分反射表面(或複數部分反射表面)22， 部分反射表面22耦合光離開波導而使光沿著朝向觀看者之眼睛24之瞳孔25的大致傳播方向傳播。
如圖中所示，已知在光學裝置100中使用一光學元件如透鏡82能將擴增影像光Laug及實像光Lreal聚焦至一指定焦點平面上且能選擇性地修正觀看者眼睛的其他像差，如散光。此類光學系統係記載於例如上述共讓渡予本申請案之受讓人的公開案WO 2016/103251中。
現在參考圖2A與2B，其概略例示不管是否使用修正透鏡82皆無可避免地出現在傳統擴增實境系統如圖1所示之系統100中的效應。圖2A例示在上述圖1之系統100中被呈現至使用者/觀看者的虛擬/擴增影像。如所見，被呈現至使用者的影像(在本實例中為文字)在光學系統100所定義的焦點平面(或共軛平面)中為「扁平的」影像。因此，在此類扁平影像中，文字中的所有字母(特徵)皆具有相同的尺寸與虛擬距離，這是因為光學系統的固定預定光學功率(如準直模組所定義)。
圖2B例示在某些擴增實境應用中所期望之以不同呈現方式呈現之相同文字的擴增影像。如所見，相同的原始扁平影像/文字似乎相對於系統之光軸為傾斜的。因此，在虛擬影像中字母的尺寸有所變化，俾使對應至近距物體的字母(特徵)似乎大於對應至遠距物體的字母(特徵)。在本實例中，特徵的尺寸逐漸變化。換言之在擴增文字影像中的較大字母似乎出現在較靠近使用者的虛擬距離處，而較小字母似乎出現在較遠離使用者的虛擬距離處，即便在影像源所產生之擴增影像中它們在實際上全部具有相同的尺寸/大小及角位向(相對於視線而言)。因此，文件(擴增影像)將以傾斜平面即不垂直於擴增實境成像系統所定義之光軸的方式呈現於觀看者之前。擴增影像的呈現係與下面將更進一步說明的焦點與收斂距離一致。
如下面將更進一步說明的，本發明之光學系統提供達到在圖2B中所例示之上述擴增影像呈現/投影效果、但不影響場景之實像之呈現/投影。亦應瞭解，考慮到圖2B之特定但非限制性實例，虛擬物體出現的焦點距離的變化可依相反方向：擴增文字影像中的較大字母似乎出現在較遠離使用者的虛擬距離處，而較小字母似乎出現在較靠近使用者的虛擬距離處，即便在影像源所產生之擴增影像中它們在實際上全部具有相同的尺寸/大小及角位向(相對於視線而言)；在較靠近與較遠離之距離處的字母/特徵可具有不同尺寸，但所造成的焦點變化使它們以看似相同尺寸的方式出現。
大致而言，本發明之光學系統意圖改善呈現予觀看者的擴增影像與實像兩者。在本發明中此係藉著配置光學系統俾使分別代表擴增影像與實像之經投影的光部分沿著共同的光學路徑(或複數共同的光學路徑)傳播至觀看者的眼睛(成像平面)而達成。例如，近距物體之擴增影像與實像沿著一共同投影路徑(即相同的收斂/相同的焦點距離)傳播，而遠距物體之擴增影像與實像沿著一共同投影路徑傳播。
為達此目的，本發明之光學系統包含額外特別設計的投影光學裝置。在本發明的某些實施例中，投影光學裝置係用以將光學功率的變化施加至擴增影像上，但避免在投影的實像上有此類變化。在某些其他實施例中，投影光學裝置係用以將光學功率變化施加至擴增影像與實像兩者上，俾以在成像平面中擴增影像受到修改但實像被維持。在更另一實施例中，本發明之光學系統係用以僅影響代表實像的光。以此方式虛擬影像及外界兩者皆被聚焦至實物遙遠的遠視區(上FOV)中的無限遠處及實物通常靠近的近視區(下FOV)中的無限遠處。
參考圖3A與4A，其藉由方塊圖例示在使用本發明之光學系統202之擴增實境應用中所用的成像系統200的兩個實施例。為了促進瞭解，在所有實例中使用相同的參考標號來識別相同的元件。
一般而言，擴增實境成像系統200包含此類主部件(功能及結構部件)如可根據本發明配置及操作的擴增影像源205、光引導裝置210、及投影光學裝置240。系統200之所有配置的共同點為：光引導裝置210係用以引導輸入光Laug及輸入光Lreal沿著一大致傳播方向而傳播至一成像平面(即傳播至觀看者的眼睛)，輸入光Laug代表欲投影之一擴增影像，輸入光Lreal代表一外部場景之一實像。此類光引導裝置210可具有定義一或多光束之結合表面(如部分反射及/或繞射表面)的任何適合配置，每一表面係用以反射/繞射擴增影像光Laug及使實像光Lreal穿透而達到成像平面。
本發明之投影光學裝置240具有固定視野(FOV)，並且在裝置的複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，對應至在該FOV內之複數不同視區(至少第一視區與第二視區)。一般而言，此類至少第一視區與第二視區係由至少遠視區與近視區所構成。
應瞭解，為了本申請案之目的，複數不同視區為投影光學裝置240的複數實體區域，對應至在其FOV中之複數不同聚焦參數。投影光學裝置240的此些區域為當觀看者移動其瞳孔以觀察不同距離之物體時觀看者之視線以不同位向相交的複數區域。
投影光學裝置240係配置俾使其每一聚焦參數(對應至每一區域)針對擴增影像光Laug在成像平面IP中提供對焦影像。至於場景的實像，其不會受到投影光學裝置240的影響，因此基於觀看者的視力而被觀看者看到。如下面將更進一步例示的，觀看者可使用或可不使用其眼鏡或隱形鏡片而據以定義其視力。換言之，投影光學裝置240的每一聚焦參數及裝置的一對應區域定義 了擴增影像的一不同焦點。大致上，投影光學裝置240係用以影響代表擴增影像的光Laug。是以例如，在擴增影像中之遠距物體與近距物體的影像會受到投影光學裝置240之各別不同聚焦參數(如光學功率)的影響。
參考圖3A之實施例，投影光學裝置240包含位於自擴增影像源205朝向光引導裝置210傳播之光Laug之光學路徑OP1上的擴增影像投影單元240A。因此，投影光學裝置240僅在擴增影像光Laug與光引導裝置210互動之前影響擴增影像光Laug的傳播，但實像光Lreal的傳播維持不變。是以例如，如在圖2B中所例示地可產生傾斜的擴增影像但實景不會受裝置202影響。
如上所述，投影光學裝置240係配置在橫跨其視野具有複數不同聚焦參數。此些不同聚焦參數係與對應之複數不同視區相關，複數不同視區為投影光學裝置240的複數不同區域，當(觀看者配戴)使用系統時此些投影光學裝置240的複數不同區域係與使用者觀看不同距離之物體時其視線的不同角位向對準。
是以，影像源205所產生之代表擴增影像的準直光Laug在擴增影像投影單元240A的特定區域處與擴增影像投影單元240A互動(如通過其間)並經歷各別的聚焦/收斂(由該特定區域的聚焦參數所定義)，然後被光引導裝置210的部分反射表面(光結合表面)朝向投影路徑CP反射而聚焦於成像平面IP(觀看者的眼睛或眼箱)上。同時，沿著路徑CP傳播的實像光Lreal與光引導裝置210的部分反射表面互動(如通過其間)但不被改變，然後繼續沿著其原始投影路徑CP傳播而被聚焦至成像平面IP(觀看者的眼睛)上。
應瞭解，一般而言，若光部分Laug與Lreal的傳播路徑係對應至相同的焦點距離，則光部分Laug與Lreal的傳播路徑會被結合至共同輸出投影路徑CP中。是以，在如圖3A所例示之僅具有擴增影像投影單元240A之投影光學裝置240的特定配置中，擴增影像光Laug的焦點距離在與擴增影像投影單元240A 之互動區處受到影響而受到適當修改。此類擴增影像投影單元240A的操作將在下面參考圖3B更具體說明。
大致上，對於本發明之所有實施例而言，投影光學裝置240可包含一或多個透鏡如雙焦透鏡、三焦透鏡、連續變焦距透鏡(漸進透鏡)、及/或在其視野內具有複數變化之聚焦參數的任何其他的光學裝置或組件。當一虛擬物體自投影光學裝置之FOV的上部移動至FOV的下部時，其焦點距離因此改變且擴增影像光線的收斂因此改變。在圖4A的實施例中，投影光學裝置240為包含擴增影像投影單元240B與實像投影單元240C的兩部件裝置，擴增影像投影單元240B與實像投影單元240C係沿著一共同光軸以空間分離之平行平面的方式分別設置在光引導裝置210的相對兩側處。擴增影像投影單元240B及實像投影單元240C中的每一者皆具有相同固定視野FOV。相對於成像平面，擴增影像投影單元240B係設置於光引導裝置210的前側處，而實像投影光學單元240C係設置於光引導裝置210的後側處。因此，實像投影單元240C係位於實像光Lreal的光學路徑上，而擴增影像投影單元240B係位於實像光Lreal與擴增影像光Laug兩者的光學路徑上。就配置的光學特性為固定的(即視野、橫跨FOV的光學功率/聚焦輪廓)而言，光引導裝置210與投影光學裝置240的配置為「靜態的(static)」。
如上所述，光引導裝置210可具有任何適當的配置，如具有用以引導向其入射之擴增影像光與實像光之至少一光結合表面(部分反射/繞射表面)。例如，在圖4A的實施例中，光引導裝置210係配置為光學透明導光光學元件LOE，其具有用以藉由全內反射引導擴增影像光Laug之全反射內主要表面、及用以將光Laug朝向投影路徑反射但對外部光Lreal為透明的藉此使實像Lreal穿透朝向觀看者傳播的至少一部分反射表面。
對擴增影像投影單元240B(及上面參考圖3A所述之單元240A)的需求可與上面參考圖2A-2B所述之「傾斜」效應的需求相關。然而，在擴增 影像投影單元240B被配置於擴增影像光Laug之輸出路徑上的配置中，此類擴增影像投影單元240B不可避免地亦會影響實像光Lreal。為此，提供實像投影單元240C，用以補償擴增影像投影單元240B在實像光Lreal上的效應。
更具體而言，擴增影像投影單元240B及實像投影單元240C具有相同FOV。擴增影像投影單元240B及實像投影單元240C中的每一者係配置為具有對應至其在視野內之複數不同區域之複數不同聚焦參數，且單元240B與240C係以相對於光引導裝置210之一平面以相反對稱的方式對準。這意味著，橫跨擴增影像投影單元240B之FOV的光學功率輪廓(即具有複數不同聚焦參數的複數不同區域)係以相反對稱的方式與實像投影單元240C的光學功率輪廓對準。此類對準導致當實像光Lreal沿著其原始方向傳播時，實像光Lreal通過單元240C並於其中經歷焦點修改(假使投影單元240B施加失焦效果，則投影單元240C施加對應的聚焦效果)，接著藉由實像光Lreal傳播通過能將有效(非補償性之)焦點修改施加至擴增影像光Laug的擴增投影單元240B而補償實像光Lreal在單元240C經歷的焦點修改。是以，此處使用實像投影單元240C作為補償光學單元，使擴增影像投影單元240B在光Lreal上的光學效應無效。
例如，實像與擴增影像投影單元240B與240C可包含漸進透鏡(橫跨透鏡之FOV有連續變化的焦點)，其係以如下相反對稱的方式對準：此些透鏡中的一者可為具有自透鏡下部即FOV之下部(通常用以觀看近距物體)朝向透鏡上部即FOV上部(通常用以觀看遠距物體)而連續增加之光學功率的漸進透鏡，且其他具有相同FOV之透鏡為具有自透鏡下部朝向透鏡上部而連續減少之光學功率的漸進透鏡。
現參考圖3B，更具體例示圖3A實施例之系統200的操作。在此實施例中，投影光學裝置240僅包含位於朝向光引導裝置傳播之擴增影像光Laug之光學路徑OP1上的擴增影像投影單元240A。來自影像源205之輸入擴增影像 光Laug與擴增影像投影單元240A之一區域互動(如通過其間)，擴增影像投影單元240A具有一特定的固定FOV及在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數。在非限制性的本實例中，擴增影像投影單元240A包含具有連續變化之焦點的一透鏡如漸進透鏡。如上所述，本發明之原理不限於使用漸進透鏡亦不限於連續變化之焦點的任何其他配置。擴增影像光Laug的傳播收斂係藉由與透鏡之該區域的互動所修改，其係根據該區域處之聚焦參數。以此方式修改且具有該傳播收斂的擴增影像光Laug入射至光引導裝置210的光結合表面上，光引導裝置210將此光引導至使用者的眼睛(成像平面)。是以，擴增影像光與具有不同聚焦參數之透鏡240A之複數不同區域之每一區域的互動提供在距離成像平面之一不同虛擬距離處之各別擴增物體/特徵的呈現，代表離觀看者較近或較遠處的虛擬物體/特徵。
如圖中所示，擴增影像光Laug藉由與具有不同聚焦參數之透鏡之複數不同區域之互動所導致的收斂修改提供虛擬物體的不同呈現。在本實例中，此類不同呈現係例示為使用者所觀察到之近距物體NO與遠距物體FO的呈現。
如圖3B中所示，觀看者看穿近眼顯示器200的光引導裝置210而見到來自虛擬物體FO與NO的擴增影像光。擴增影像光通過透鏡240A，透鏡240A以橫跨透鏡的不同方式改變虛擬影像的焦點。擴增影像光與具有最小負光學功率之透鏡240A的一部分互動，而提供被呈現為遠距物體FO(如在6公尺處)的虛擬物體。擴增影像光與具有較強負光學功率之單元240A(如透鏡)的一部分互動，而提供被呈現為近距物體NO(如在1公尺處)的虛擬物體。單元240A的連續焦點變化使虛擬物體的呈現沿著虛擬聚焦平面FP產生距離的連續變化。
考慮到投影光學裝置之連續變化焦點的實例，其產生一虛擬聚焦平面FP。在此背景下應瞭解，大致上對本發明的所有實施例而言，虛擬焦點輪廓可為連續的或可為不連續的，例如針對橫跨投影光學裝置之複數不同聚焦參 數之複數離散區域的情況而言其可為不連續的。換言之，虛擬焦點輪廓的形狀係對應至橫跨投影光學裝置之FOV的焦點/光學功率輪廓。
亦如圖中所示，自遠距實物RO(如6公尺)傳播的實像光Lreal通過光引導裝置210的光結合表面而進入觀看者的眼睛中。是以在此實例中，漸進透鏡240A僅被導入擴增影像光Laug的光學路徑中，但來自實際「世界」的光Lreal不會受到系統之光學元件的影響。
應注意，大致上對本發明的所有實施例而言，在系統200中施用投影光學裝置240可藉著修改系統的光學元件達成、藉著在內部導入投影光學裝置240(或其透鏡的一或多者)達成、或藉著修改光引導裝置210的表面(對「世界」產生最少的扭曲)達成。下面將更進一步說明。
是以，投影光學裝置240A提供，具有對應至近距與遠距虛擬物體之收斂的擴增影像光部分受到耦合而沿著不同的投影路徑CPN與CPF離開光引導裝置210，不同的投影路徑CPN與CPF為源於近距與遠距實物RO之實像光的共同路徑。
參考圖4B，其特別例示圖4A實施例之系統的操作實例，其中投影光學裝置240包含擴增影像投影單元240B及實像投影單元240C。擴增影像投影單元240B係位於自光引導裝置210輸出之擴增影像光Laug與實像光Lreal兩者的光學路徑上。光引導裝置210可為光傳輸波導，其藉著自其主要表面(如圖1中所示)的全內反射而引導擴增影像輸入光Laug，並藉著自部分反射表面的反射而使擴增影像輸入光Laug耦合離開。此為使實像光Lreal穿透的光結合表面。實像投影單元240C係位於實像光Lreal的光學路徑上。
在此特定但非限制性的實例中，投影單元240B與240C具有相反對稱之漸進透鏡的形式。如上所述應瞭解，複數投影單元大致上在橫跨相同視 野中具有相反對稱的焦點/光學功率輪廓，且此些輪廓可對應至連續變化的焦點或具有不同焦點的複數離散區域。
觀看者看穿近眼顯示系統200的光學系統202並見到來自虛擬物體(在此實例中為遠距與近距物體FO與NO)的光。為達此目的，擴增影像投影單元240B(如漸進透鏡)提供光Laug及光Lreal與透鏡之相同區域互動而在此些光部分的兩者上引發各別的收斂。更具體而言，透鏡240B的上部(FOV的上部)將最小負光學功率應用至正在互動的光，因此各別的虛擬影像看似源於遠距物體FO(如6公尺)。透鏡240B的下部(FOV的下部)將較強的負光學功率應用至虛擬影像光，因此虛擬影像看似源於近距物體NO(如1公尺)。透鏡240B之連續的焦點變化會在虛擬聚焦平面FO中產生連續的變化。如上所述，虛擬焦點輪廓的形狀係大致上對應至橫跨投影光學裝置240之FOV的焦點/光學功率輪廓。
在此配置中，實像光藉由擴增投影單元240B經歷和擴增影像光相同的焦點變化(收斂變化)。然而，實像光並不需要此類變化。因此，提供如上述配置的補償實像投影單元240C。實像相關的漸進透鏡240C係與光引導裝置210相鄰且置於光引導裝置210的相反側，漸進透鏡240C之設計使其具有與透鏡240B相反的光學功率輪廓。以此方式，實際的「世界」物體不會受系統影響。
參考圖5與6，其更具體地例示分別受圖4A之系統配置中之擴增影像投影單元與實像投影單元所影響的光傳播方案。
如圖5中所示，光引導裝置210之波導針對與物體NO與FO相關之兩虛擬影像的每一者輸出擴增影像光Laug的平行光束。當此光通過擴增影像投影單元(在此實例中擴增影像投影單元為漸進發散透鏡240B)時，在透鏡240B之不同互動位置/區域處的光經歷不同量的發散。因此，兩虛擬物體FO與NO看似位於不同虛擬距離處。是以，以此方式所修改的擴增影像光線到達成像平面處，亦即在空間中觀看者經歷經設計之效能的位置處。應注意，點FO與NO 僅為實例，擴增影像投影單元240B可產生實際上連續的虛擬聚焦平面或任何其他離散的(如雙焦透鏡的)焦點輪廓。虛擬焦點輪廓的位向可為非上下。其亦可具有側位向。
圖6顯示實像光傳播的光學方案。來自遠距與近距實物ROF與RON的光線入射至實像投影單元240C(變焦透鏡)上。透鏡240C的複數不同區域具有複數不同聚焦參數，此些不同區域與遠距與近距物體相關之光線互動，並且將各別不同的焦點變化施加至此些光線上，然後此些光線通過光引導裝置210(波導)。以此方式，自光引導裝置210(波導)所發出之預定距離之RON與ROF的實像光及擴增影像光線皆為已經準直(聚焦至無限遠處)之光，且藉此受到關聯。雖然在圖中並未特別顯示，但應瞭解，實像及擴增影像光接著可能會通過透鏡240B而產生虛擬成像平面。
圖7例示使用投影光學裝置240之雙焦配置之本發明之光學系統的操作，投影光學裝置240包含以如上所述之方式配置的擴增影像投影單元(雙焦透鏡)240B及實像投影單元(相反雙焦透鏡)240C。如所示，在此配置中焦點輪廓FP具有離散焦點距離/位置FPF與FPN的形式，以產生兩個分離相異的虛擬影像。FOV的上部產生焦點位置FPF而FOV的下部產生焦點位置FPN。以類似的方式，可使用三焦透鏡及任何其他離散焦點值之透鏡，產生對應的離散值焦點輪廓。
圖8以自我解釋方式例示用於兩眼顯示系統中之光學系統202的配置。系統202包含兩個類似的單元202A與202B。每一此類單元係以上述圖4A實施例的方式配置。然而應瞭解，可使用圖3A實施例以及可使用下面參考圖11所述的另一實施例。
應瞭解，單元202A與202B中的投影光學裝置240係相對於位於其間並與其光軸平行之中央線CL以相反對稱的方式配置。針對每一聚焦參數而 言，由單元202A與202B所產生的虛擬物體在空間中重合。這係針對虛擬物體NO與FO例示於圖示中。虛擬物體之焦點距離的漸進變化係伴隨擴增影像投影單元所輸出之擴增影像光線之收斂的連續變化。應注意，在某些情況中，將收斂設計得(即配置各別透鏡)小於焦點的標稱值，以維持觀看者之不同眼距的餘裕。
圖9顯示在擴增實境應用中之光學系統202之元件之形狀/幾何特徵的某些實例。如所示，(左眼及右眼的)眼箱對於介於其間且與其光軸垂直的中央線CL而言具有相反對稱形狀。又，此些光學元件中的每一者可具有非對稱形狀，因為短距觀察大多使用較窄的FOV且眼睛傾向於收斂。亦如圖中所示，相同的道理與兩眼的單眼箱相關，其中可將FOV配置為「肖像」。
參考圖10A，其例示在觀看者所用之個人漸進透鏡(在眼鏡市場中已知的)前使用本發明之光學系統。在此實施例中，個人漸進透鏡50比光學系統202更靠近，即相對於傳播至使用者眼睛之光而言，個人漸進透鏡50係位於光學系統202之下游。在系統具有圖4A之大致配置的此非限制性實例中，漸進透鏡50的位置更靠近擴增影像投影單元240B。大致上，本發明之光學系統可便利地被漸進眼鏡的使用者所使用。在兩眼配置中，擴增影像之光線的收斂可根據個人漸進透鏡50的焦點輪廓進行。然而，由於漸進眼鏡在兩眼之間導入最小的收斂或無收斂(藉此產生調節-收斂的不一致，尤其是在近距離處)，因此根據本發明所引發之虛擬影像光線的收斂(修改)可被設為最小或無。藉此，設定虛擬影像光線的收斂以產生調節-收斂一致性。
參考圖10B，其概略地例示本發明之具有稍微不同之配置的光學系統202，光學系統202被配置為具有個人多焦眼鏡50之觀看者欲使用的擴增實境系統。在此實施例中，系統202包含光引導裝置210及投影光學裝置，投影光學裝置僅包含位於光引導裝置210之輸出處的擴增影像投影單元240B。對於 觀看者較喜歡使用近眼顯示器而毋需脫掉其眼鏡且在橫跨FOV各處虛擬影像以及「世界」皆被聚焦至無限遠處的情況，此類配置可能是有利的。這是因為在大多數的情況中眼鏡亦修正像差。在此實施例中，配置擴增影像投影單元(如多焦透鏡)240B以抵銷眼鏡50之漸進焦點(大致上的焦點變化)的光學效應或使其無效。是以，光投影單元240B具有根據觀看者之個人多焦透鏡之預定光學功率輪廓所配置之預定光學功率輪廓(定義複數不同聚焦參數(橫跨FOV))，使其相對於系統之光軸相反對稱。因此，對於單元240B之複數區域的每一者而言，擴增影像光及實像光之一部分與此區域的互動會在互動光上引發焦點變化，且此焦點變化會補償光與多焦透鏡50之對準區域之互動所連續引發的焦點變化。
現參考圖11，其概略例示根據本發明更另一實施例之光學系統202的配置與操作實例。在此實施例中，系統包含光引導裝置210及投影光學裝置240，光引導裝置210定義了用以反射/繞射擴增影像光並使實像光穿透的至少一光結合表面/板，投影光學裝置240可僅包含實像投影單元240C。如上所述，在某些情況中，欲進行之實像投影係類似於多焦透鏡(如漸進透鏡)之投影，其俾使擴增影像及外界兩者皆被聚焦至FOV之上部中(在上部中實物為遠ROF)及FOV的下部中(在下部中實物通常為近RON)的無限遠處。這需要修改代表被投影之實像的光。在此配置中，觀看者見到被聚焦至無限遠處的實像及虛擬影像。
圖12更具體地例示圖11所例示之本發明之光學系統所產生之光傳播方案。應注意，在漸進透鏡中可能難以達到針對橫跨FOV之實像光收斂的可變補償。元件RO代表藉由漸進透鏡所成像之遠距實物。對於與每一眼相關的傳播路徑而言，光線Lreal(實線)是平行的，但在眼睛之間其並非平行的。可以電子方式產生虛擬影像使其具有所需的光圖案(以虛線表示)。當同時觀察實物與虛擬物體時，這是便利的。然而，當僅觀察虛擬影像時，收斂以擬合點虛線所代表的調節會更便利。
圖13概略地例示本發明之光學系統的優異特徵。應瞭解，雖然其以圖4A與4B的光學系統配置例示，但對於所有系統配置如上圖3A-3B及11的系統配置以及下面參考圖15之實例亦相同為真。如箭頭75所示，使用包含本發明之光學系統之近眼顯示系統的觀看者正在相對於顯示系統而移動其頭。因此，虛擬聚焦平面FP為箭頭75所示的路徑。然而，可以電子方式設定虛擬影像，以維持空間上的相對關係並且似乎以方向77沿著焦點平面FP上移及更進一步遠離。系統之配置讓使用者能依所需而改變焦點或虛擬距離。或者，使用者可將虛擬物體上移至視野中但不移動頭。這將會具有相同的結果：物體將上移並沿著箭頭遠離。大致上，觀看者可使用此些方法中的兩者以改變物體距離並使其與實物距離相關聯。
參考圖14A至14C，其例示投影光學裝置如漸進透鏡(或複數漸進透鏡)的某些幾何特徵。多焦透鏡(如漸進透鏡)的設計為習知的方法。然而對於本申請案的目的而言，多焦透鏡應較佳地佔據光學系統的最小體積。若透鏡的背表面80被設計成與光引導裝置210(波導)的相鄰外表面順形，則可達到佔據最小體積的目標。在大部分情況中，其為平表面(如圖14A-14B中所例示)。為了達到最佳的光學效能，相反的透鏡亦應相鄰且具有順形的背表面82。只要此表面能維持波導內的全內反射，其可附接至光引導裝置210(波導)。此些特徵以及能達到此些特徵之製造技術的各種實例皆記載於上述之共讓渡予本後案之受讓人的WO 2016/103251中及共同審理中的申請案PCT/2016/050523中。針對本發明的此態樣將上述文獻包含於此作為參考。
根據本發明，可修改表面84與86的形狀以產生所需的漸進光學功率。可基於加權平均而設計此些形狀。
如圖14C中所示，面對波導之透鏡的表面可非為平面的。這可例示於圖中，針對眾多透鏡中之一透鏡的表面82’。然而應瞭解，在任何上述的一實施例中可針對一或多個透鏡使用此特徵。
類似於對眼鏡之漸進透鏡所進行的，此些透鏡之面對表面之形狀的最佳化方法可包含各種參數。藉此說明透鏡之外表面的推導基本方法。然而應瞭解，可使用其他已知的適合方法。
根據基本方法，使用下列參數：r為透鏡表面上的位置；R為在虛擬聚焦平面FP上欲準直之物體實空間上的位置；P為透鏡表面之高度/位置，透鏡表面被設計用來自來自波導之波前相關點R而產生波前(大部分情況中為平面波)且可利用光學模擬軟體加以推導；f為取決於各種參數如構成瞳孔之眼箱90的位置(例如眼箱外的光線不重要)的加權函數。
因此透鏡表面84的輪廓P(r)被平均為：
Figure 107102423-A0305-02-0027-1
 可使用更複雜的疊代，以最佳化透鏡表面如表面86與84。亦可最佳化投影光學裝置的所有表面/介面(如表面80、82(或82’)、84、及86)。
如圖14B更進一步例示的，欲用來作為本發明之系統中之投影光學單元的光學透鏡可基於菲涅耳透鏡。如圖中所示，此類透鏡的表面186與184具有相同的光學特性，分別如上面圖14A實例的表面86與84。如已知，使用菲涅耳透鏡能對光學系統提供更少的重量及更小的尺寸。
圖15概略例示根據本發明之更另一實例所配置的投影光學裝置240。此實例的投影光學裝置240的配置大致上係類似於圖4A實施例，即包含光引導裝置210及位於擴增影像光與實像光兩者之光學路徑上的投影光學裝置240。然而在此實例中，光引導裝置210及投影光學裝置240皆被配置為多單元 裝置/組件。更具體而言，光引導裝置210包含一陣列(通常至少兩光引導單元)-在此實例中顯示三個此類光引導單元210a、210b、210c；且投影光學裝置240包含複數光投影單元之陣列-在此實例中顯示單元240B’、240B”、240B'''、240C。應瞭解，光投影單元240C為僅與實像光互動但不與擴增影像光互動的唯一單元。陣列中的每一光引導單元係以如上所述的方式配置，即用於引導擴增影像輸入光朝向光輸出表面(光結合表面)但使實像光穿透而與光輸出表面互動。複數光引導單元與複數光投影單元係沿著一共同軸(系統之光軸)以分隔關係配置。每一光引導單元(通常為所有光引導單元中的至少一者或至少部分者)係被包夾於兩個光投影單元之間。如圖中所示，光引導單元210a係位於光投影單元240C與240B’之間；光引導單元210b係位於光投影單元240B’與240B”之間；光引導單元210c係位於光投影單元240B”與240B'''之間。
因此，實像光依次傳播通過所有此些單元(與其互動)。至於複數光引導單元，其每一者係選擇性地操作。更具體而言，每一光引導單元可獨立操作：每一光引導單元可與其自己的擴增影像源相關，在此情況中複數影像源可選擇性地以一對一的方式操作、或複數影像源中的至少部分者或全部者可同時操作。或者，複數光引導單元中的至少某些者或全部者可與一共同影像源相關。在後者之情況中，共同影像源可選擇性地在不同操作模式之間切換而將擴增影像光引導至複數光引導單元中的不同一或多者。在特定成像期間中可依序進行光引導單元及/或欲操作之影像源的選擇(系統掃描複數光引導單元並將適當的擴增影像注入至每一者)；及/或使用基於眼追蹤系的系統(系統使用眼追蹤裝置識別觀看者正在看之處(即視線的位向)，並考慮到在該區域處的虛擬影像焦點而將影像注入至適合的波導)。
光投影單元210a、210b、210c中的每一者皆具有一光學輪廓(橫跨FOV有不同聚焦參數)，俾以取決於為了在成像期間操作所選定的光引導單元 (或複數光引導單元)，各別的光投影單元(即與擴增影像光與實像光兩者互動的光投影單元)影響通過系統的光傳播。為達此目的，配置光投影單元240B’、240B”、240B'''、240C的光學輪廓，俾使擴增影像光與各別光投影單元的互動提供一期望效應(焦距變化)，但實像光在通過系統途中與各別光投影單元的互動不引發任何焦距變化。
是以，在圖15的實例中，光引導單元(波導)210a、210b、210c共同形成光引導裝置210，且光投影單元240B’、240B”、240B'''、240C(橫跨固定FOV具有不同聚焦參數/光學功率輪廓的透鏡)共同形成投影光學裝置240。形成上述擴增影像投影裝置及實像投影裝置之投影光學裝置240中之某些單元的組合在各種成像期間可不同。在此處，複數透鏡中的至少兩者為漸進透鏡。是以，複數虛擬焦點平面FPa、FPb、及FPc可藉由以擴增影像投影單元及波導方式操作的複數光投影單元所產生，且實像投影單元(或複數實像投影單元)(透鏡(或複數透鏡)如240C)補償現實世界的像差。可根據影響漸進透鏡240B’、240B”、240B'''之擴增影像而任意修改虛擬焦點平面FPa、FPb、及FPc的位向。
應瞭解，在圖15的配置中，配置所有光投影單元(透鏡)的光學功率輪廓，以使其一或多者的光學效應(焦點變化)係選擇性地被一或多其他者所補償，俾以應配置一特定期間中擴增影像投影單元的透鏡(或複數透鏡)及該期間中實像投影單元的透鏡，以補償由擴增影像投影單元所引發之實像光修正。
更具體而言，針對圖15的實例，透鏡240C係用以針對透鏡240B’、240B”、及240B'''(針對僅操作波導210a的情況)所引發的效應而施加補償/相反效應；透鏡240B’與240C係用以針對透鏡240B”與240B'''(如僅操作波導210b)所引發的實像修改而進行補償，且透鏡240C、240B’、240B”係用以針對透鏡240B'''(僅操作波導210C)的效應而進行補償。
是以，本發明提供一種用於擴增實境系統(如透視近眼顯示系統)中之光學系統的新穎配置與操作解決方案。本發明之技術能使用具有固定視野的光學系統，但針對橫跨被應用至被投影至成像平面(眼箱)之擴增影像光及/或實像光之視野而提供所需的焦距變化。
200‧‧‧成像系統/顯示器
202‧‧‧光學系統
205‧‧‧擴增影像源
210‧‧‧光引導裝置
240‧‧‧投影光學裝置
240A‧‧‧擴增影像投影單元
CP‧‧‧投影路徑
IP‧‧‧成像平面
Laug‧‧‧擴增影像光
Lreal‧‧‧實像光
OP1‧‧‧光學路徑

Claims (20)

  1. 一種用於擴增實境成像系統中的光學系統，該光學系統包含：用以產生一擴增影像之一影像產生器及用以將該擴增影像聚焦至無限遠處之一準直模組；包含一透明光傳輸波導之一光引導裝置，該透明光傳輸波導係用以藉由全內反射而引導輸入光以傳播至一成像平面，該輸入光包含經準直之代表欲投影之擴增影像之光以及代表一外部場景之一實像的輸入光；及一投影光學裝置，具有光學特性之固定輪廓且在其複數不同區域處具有複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至該視野內之複數不同視區，該投影光學裝置係用以影響該代表擴增影像之光及該代表實像的光中至少一者的傳播，俾以對於該複數不同區域的每一區域而言，該代表擴增影像之光的一部分及該代表實像之光的一部分與該區域的互動引導該代表擴增影像之光之該部分及該代表實像之光之該部分而沿著對應至該區域之該聚焦參數的一實質上相同的輸出傳播路徑，藉此對於該代表擴增影像之光之該部分及該代表該外部場景之實像之光之該部分而言，在該成像平面中提供複數對焦影像，其中該複數不同視區係由該投影光學裝置的該複數不同區域所定義，俾以在使用該光學系統時，使用者的視線在其複數不同的角位向上與該複數不同區域相交。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該複數不同聚焦參數之該複數不同區域為在該投影光學裝置之該視野內以分隔關係設置之複數離散區域。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該投影光學裝置具有橫跨該視野的一連續變化焦點，藉此該複數不同區域具有該複數不同聚焦參數。
  4. 如申請專利範圍第3項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該光引導裝置包含至少一板，該板具有至少部分反射性或繞射性的表面且係用以反射或繞射該代表擴增影像之光並傳輸該代表實像之光朝向該成像平面。
  5. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該複數不同聚焦參數包含在該投影光學裝置之至少第一與第二區域處的至少第一與第二聚焦參數，該至少第一與第二區域係對應至用以觀察遠距物體與近距物體的至少遠視區與近視區。
  6. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該投影光學裝置係用以影響穿過其之光傳播俾以產生一虛擬聚焦平面，該虛擬聚焦平面相對於該光學系統的一光軸為傾斜的。
  7. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該投影光學裝置包含一擴增影像投影單元，當該代表擴增影像之輸入光朝向該光引導裝置傳播時，該擴增影像投影單元係位於該代表擴增影像之輸入光的一光學路徑上。
  8. 如申請專利範圍第7項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該投影光學裝置係用以影響被投影的該代表擴增影像之光的傳播，但不影響該代表場景之實像之輸入光的傳播。
  9. 如申請專利範圍第7項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該擴增影像投影單元包含至少一透鏡，該至少一透鏡具有該複數不同聚焦參數。
  10. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其係用以用於欲置於一觀察者之一個人多焦透鏡之前的一擴增實境系統中，該投影光學裝置包含位於自該光引導裝置輸出並朝向該成像平面傳播之光之一光學路徑上的一光投影單元，該光投影單元具有定義該複數不同聚焦 參數的一預定光學功率輪廓，該複數不同聚焦參數補償該觀察者之該個人多焦透鏡的一光學功率輪廓。
  11. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該投影光學裝置包含一擴增影像投影裝置及一實像投影裝置，該擴增影像投影裝置及該實像投影裝置中的每一者包含至少一各別的投影單元且具有光學特性之該固定輪廓及該複數不同區域處的該複數不同聚焦參數，該複數不同區域係對應至在該視野內之該複數不同視區，該擴增影像投影裝置及該實像投影裝置係沿著一共同光軸以分隔關係但相反對稱的方式設置，俾使該實像投影裝置之該複數聚焦參數補償該擴增影像投影裝置之該複數不同聚焦參數的複數效應。
  12. 如申請專利範圍第11項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該擴增影像投影裝置及該實像投影裝置係設置在該光引導裝置之相反側的固定位置處，俾使該實像投影裝置係位於朝向該光引導裝置傳播之該代表實像之光的一光學路徑上，且該擴增影像投影裝置係位於該代表擴增影像之光及該代表實像之光兩者之光學路徑中之該光引導裝置的輸出處。
  13. 如申請專利範圍第11項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該擴增影像投影裝置及該實像投影裝置中的每一者包含至少一透鏡，該擴增影像投影裝置及該實像投影裝置的該複數透鏡具有類似的光學特性且係位於沿著該共同光軸之複數實質上平行的分隔平面中、但針對該光引導裝置的一平面係以相反對稱方式配置，藉此對通過的光施加相反的光學效應。
  14. 如申請專利範圍第11項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中： 該光引導裝置包含至少兩個光引導單元的一陣列，該至少兩個光引導單元係沿著該系統的一光軸以分隔關係配置，該至少兩個光引導單元可操作以選擇性地使其中一者涉及在一成像期間內；及該投影光學裝置包含沿著該系統之一光軸以分隔關係設置的複數光投影單元，俾使該複數光引導單元中的每一者係位於該複數光投影單元之間，取決於在該成像期間內所涉及之該選定光引導單元，俾使該複數光投影單元中的一或多者係位於朝向該選定光引導單元傳播之該代表實像之光的一光學路徑上，且其他該複數光投影單元中的一或多者係位於該選定光引導單元的輸出處且位於該代表擴增影像之光及該代表實像之光兩者的光學路徑中。
  15. 如申請專利範圍第14項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該複數光投影單元中的每一者皆包含至少一透鏡，該至少一透鏡具有定義該複數不同聚焦參數的一預定光學功率輪廓，該複數光投影單元中的每一者係配置俾使該選定光引導單元的位置定義該複數光投影單元中與該代表擴增影像之光及該代表實像之光互動的選定一或多者，並定義該其他光投影單元中僅與該代表實像之光互動的一或多者。
  16. 如申請專利範圍第15項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該複數光投影單元係用以在該代表實像之光上引發一補償光學效應，俾使該代表擴增影像之光的一部分分別與該一或多個光投影單元之一或多個區域的互動在該代表擴增影像之光的該部分上引發焦距變化的一期望效應，且該代表實像之光的一部分與該其他光投影單元之該一或多者之一或多個區域的互動在該代表實像之光的該部分上引發該補償光學效應，是以維持該代表實像之光之該部分的一焦距實質上不變。
  17. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該投影光學裝置包含位於朝向該光引導裝置傳播之該代表實像 之光之一光學路徑上的一實像投影裝置，該光引導裝置結合該代表實像之光與被投影的該代表擴增影像之光。
  18. 如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的光學系統，其中該投影光學裝置包含至少一透鏡，該至少一透鏡具有下列組態中的一者：雙焦透鏡、三焦透鏡、連續變焦距透鏡。
  19. 一種擴增實境系統，包含：至少一擴增影像源，用以產生代表欲投影至一觀看者之一擴增影像之輸入光；及如申請專利範圍第1-4項中任一項之用於擴增實境成像系統中的一光學系統。
  20. 如申請專利範圍第19項之擴增實境系統，其中該擴增影像源包含一影像產生器及一準直模組，由該光引導裝置所接收之該輸入光為經準直之該代表欲投影之擴增影像之光。
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