TWI796878B - 擴增實境顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種擴增實境顯示裝置，用以對一使用者的一眼睛提供一擴增實境影像。擴增實境顯示裝置包括一曲面目鏡、多個第一微反射鏡及二個第一顯示器。這些第一微反射鏡配置於曲面目鏡上。此二個第一顯示器分別配置於曲面目鏡的相對兩側，每一第一顯示器用以發出一第一影像光束，這些第一微反射鏡用以將此二個第一顯示器所發出的二個第一影像光束成像於眼睛的視網膜上，以形成擴增實境影像。其中，這些第一微反射鏡對眼睛所形成的水平方向視場角是落在80度至110度的範圍內。

Description

擴增實境顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種擴增實境顯示裝置。

隨著顯示技術的進步，虛擬實境(virtual reality,VR)顯示技術與擴增實境(augmented reality,AR)顯示技術逐漸被發展出來。在習知的虛擬實境或擴增實境顯示技術中，是在左眼與右眼分別投射帶有視角差之不同影像，左眼與右眼分別聚焦在不同的平面上，即可產生立體視覺。但現階段有研究指出，此種立體視覺雖可以令人產生立體感，但人眼依然是分別對焦在不同平面相同深度的位置，與人眼在實際空間中之對焦於立體物體的不同深度位置比較，可以發現視覺效果是不盡相同的。因此習知的虛擬實境或擴增實境顯示器可能會造成某部分使用者暈眩的原因之一，這個效應稱之為視覺輻輳調節衝突(vergence-accommodation conflict)。

為了解決視覺輻輳調節衝突，一種習知技術是藉由針孔小鏡來將影像光束反射到人眼，利用針孔成像技術來達到長景深 的效果，如此人眼的對焦距離的範圍可以較廣，而使得雙眼視線相交的距離與人眼對焦距離可以一致，以有效解決視覺輻輳調節衝突。然而，在習知技術中，針孔小鏡的排列方式為排列於一平面上，其所能達成的視場角會不夠大。此外，當視角越大時，其所對應的針孔小鏡的數目會越多，針孔小鏡的橫向排列範圍的長度也會越長，造成採用針孔小鏡的擴增實境顯示器的體積過於龐大。

本發明提供一種擴增實境顯示裝置，其兼具大視場角與良好的空間利用率。

本發明的一實施例提出一種擴增實境顯示裝置，用以對一使用者的一眼睛提供一擴增實境影像。擴增實境顯示裝置包括一曲面目鏡、多個第一微反射鏡及二個第一顯示器。這些第一微反射鏡配置於曲面目鏡上。此二個第一顯示器分別配置於曲面目鏡的相對兩側，每一第一顯示器用以發出一第一影像光束，這些第一微反射鏡用以將此二個第一顯示器所發出的二個第一影像光束成像於眼睛的視網膜上，以形成擴增實境影像。其中，這些第一微反射鏡對眼睛所形成的水平方向視場角是落在80度至110度的範圍內，且對於部分的這些第一微反射鏡而言，不同群的第一微反射鏡是被不同的第一顯示器所提供的第一影像光束所照射。

在本發明的實施例的擴增實境顯示裝置中，採用了曲面 目鏡，這些第一微反射鏡對眼睛所形成的視場角是落在80度至110度的範圍內，且對於部分的這些第一微反射鏡而言，不同群的第一微反射鏡是被不同的第一顯示器所提供的第一影像光束所照射。因此，擴增實境顯示裝置兼具大視場角與良好的空間利用率，因而可以在較小體積的情況下達成較大的視場角。

40:來自外界的光

50:眼睛

100、100a、100b、100c、100d:擴增實境顯示裝置

110:第一顯示器

112:第一影像光束

120:第二顯示器

122:第二影像光束

130、130d:曲面目鏡

132:第一微反射鏡

132b:第二微反射鏡

140:第一光學元件

150:第二光學元件

W1:寬度

x、y、z:方向

θ1:水平方向視場角

圖1A是本發明的一實施例的擴增實境顯示裝置的上視示意圖。

圖1B是圖1A的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。

圖2為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。

圖3為本發明的又一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。

圖4為本發明的再一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。

圖5為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。

圖1A是本發明的一實施例的擴增實境顯示裝置的上視 示意圖，而圖1B是圖1A的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的擴增實境顯示裝置100用以對一使用者的一眼睛50提供一擴增實境影像。擴增實境顯示裝置100包括一曲面目鏡130、多個第一微反射鏡132及二個第一顯示器110。這些第一微反射鏡132配置於曲面目鏡130上。在本實施例中，曲面目鏡130例如是由透明材料所製成，此透明材料例如為塑膠或玻璃。第一微反射鏡132可位於曲面目鏡130的內部，被透明材料所包覆，如圖1A所繪示。或者，在其他實施例中，第一微反射鏡132也可以位於曲面目鏡130的表面上，例如是曲面目鏡130的朝向眼睛50的表面，或是曲面目鏡130的背對眼睛50的表面。在本實施例中，每一第一微反射鏡132的寬度W1小於眼睛50的瞳孔的直徑(例如是小於4毫米)，例如是每一第一微反射鏡132在各方向上的寬度皆小於瞳孔的直徑(例如是小於4毫米)，也就是說，每一第一微反射鏡132例如為一個針孔小鏡。

此二個第一顯示器110分別配置於曲面目鏡130的相對兩側，每一第一顯示器110用以發出一第一影像光束112，這些第一微反射鏡132用以將此二個第一顯示器110所發出的二個第一影像光束112成像於眼睛50的視網膜上，以形成擴增實境影像。其中，這些第一微反射鏡132對眼睛50所形成的水平方向視場角θ1是落在80度至110度的範圍內，其中水平方向視場角θ1例如是在xy平面上展開的視場角，x方向平行於使用者的兩個眼睛50的連線方向，y方向為使用者的頭部的正前方的方向，z方向為 從使用者的頸部往頭頂的方向，x方向、y方向及z方向彼此垂直。在一實施例中，這些第一微反射鏡132對眼睛50所形成的水平方向視場角θ1是落在90度至110度的範圍內。在圖1A中，是繪示在使用者的右眼前的一個擴增實境顯示裝置100為例，而在實際使用時，可在使用者的右眼與左眼的每一個眼睛的前方都配置一個擴增實境顯示裝置100，配置於左眼的擴增實境顯示裝置100相對於圖1A之配置於右眼的擴增實境顯示裝置100在內部元件的擺設與形狀上為鏡像對稱(即左右對稱)，此時，相對於使用者的雙眼而言的兩個擴增實境顯示裝置100所一起達到的水平方向視場角可以是落在160度至220度的範圍內，在一實施例中例如是落在180度至220度的範圍內。

此外，對於部分的這些第一微反射鏡132而言，不同群的第一微反射鏡132是被不同的第一顯示器110所提供的第一影像光束112所照射。具體而言，在本實施例中，此二個第一顯示器110是分別配置於曲面目鏡130的左側與右側，其中左側與右側是相對於使用者的眼睛50而言。而對於靠近曲面目鏡130的左端的一群第一微反射鏡132而言，是被位於右側的第一顯示器110所提供的第一影像光束112所照射，並將此第一影像光束112反射至眼睛50。對於靠近曲面目鏡130的右端的一群第一微反射鏡132而言，是被位於左側的第一顯示器110所提供的第一影像光束112所照射，並將此第一影像光束112反射至眼睛50。

在本實施例中，由於這些第一微反射鏡132為於曲面目 鏡130上分散配置的針孔小鏡，因此可以在使用者的眼睛50的前方形成虛像，且針孔小鏡可以有效提升此虛像的景深，進而有效解決視覺輻輳調節衝突。另外，由於這些第一微反射鏡132分散於曲面目鏡130上，因此可以有效運用眼睛50的視野範圍的空間，進而達到大的水平方向視場角θ1。

此外，來自外界的光40可以穿透曲面目鏡130而傳遞至眼睛50。如此一來，使用者的眼睛50可以同時看到外界的景物與第一顯示器110所形成的虛像，以達到擴增實境的效果。

在本實施例的擴增實境顯示裝置100中，採用了曲面目鏡130，這些第一微反射鏡對眼睛所形成的視場角是落在80度至110度的範圍內，且對於部分的這些第一微反射鏡132而言，不同群的第一微反射鏡132是被不同的第一顯示器110所提供的第一影像光束112所照射。因此，擴增實境顯示裝置100兼具大視場角與良好的空間利用率，因而可以在較小體積的情況下達成較大的視場角。

在本實施例中，擴增實境顯示裝置100更包括多個第二微反射鏡132b及二個第二顯示器120。這些第二微反射鏡132b配置於曲面目鏡130上，其中如同第一微反射鏡132，這些第二微反射鏡132b可以配置於曲面目鏡130的透明材料中，或是配置於曲面目鏡130的透明材料的表面上。在本實施例中，每一第二微反射鏡132b的寬度小於眼睛50的瞳孔的直徑(例如是小於4毫米)，例如是每一第二微反射鏡132b在各方向上的寬度皆小於瞳 孔的直徑(例如是小於4毫米)，也就是說，每一第二微反射鏡132b例如為一個針孔小鏡。

此二個第二顯示器120分別配置於曲面目鏡130的另相對兩側，例如是分別配置於曲面目鏡130的上側與下側，其中上側與下側是相對於使用者的眼睛50而言。每一第二顯示器120用以發出一第二影像光束122，這些第二微反射鏡132b用以將二個第二顯示器120所發出的二個第二影像光束122成像於眼睛50的視網膜上，以形成擴增實境影像。

在本實施例中，對於部分的這些第二微反射鏡132b而言，不同群的第二微反射鏡132b是被不同的第二顯示器120所提供的第二影像光束122所照射。舉例而言，在本實施例中，靠近曲面目鏡130上端的那一群第二微反射鏡132b是被上側的第二顯示器120所發出的第二影像光束122所照射，且將此第二影像光束122反射至眼睛50。此外，靠近曲面目鏡130下端的那一群第二微反射鏡132b是被下側的第二顯示器120所發出的第二影像光束122所照射，且將此第二影像光束122反射至眼睛50。本實施例採用位於上下兩側的第二顯示器120可提高擴增實境顯示裝置100的鉛直方向視場角(即在yz平面上展開的視場角)。

在本實施例中，曲面目鏡130是在一個維度上彎曲，也就是在xy平面上彎曲，而在yz平面上則是呈直線形而不彎曲，而第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b的排列也是在一個維度上呈彎曲分布。然而，在另一實施例中，曲面目鏡130可以是在 二個維度上彎曲，也就是在xy平面上彎曲，且在yz平面上也彎曲，而第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b的排列也是在二個線度上呈彎曲分布。在本實施例中，由於第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b呈曲面排列，而能夠繞至眼睛50的側邊甚至側邊的後方，而能夠達到較大的水平方向視場角θ1。

由於眼睛50會旋轉，入射眼睛50的第一影像光束112與第二影像光束122將遵循眼睛旋轉後的瞳孔位置來做設計，外側(耳側)影像則由外側的第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b負責傳遞影像，前方影像由前方的第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b負責，內側(鼻側)影像由內側的第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b負責。

在本實施例中，此二個第一影像光束112具有一第一偏振方向(例如是P偏振方向)，此二個第二影像光束122具有一第二偏振方向(例如是S偏振方向)。這些第一微反射鏡132適於反射具有第一偏振方向的光，且適於讓具有第二偏振方向的光穿透，也就是適於反射第一影像光束112，且適於讓第二影像光束122穿透。這些第二微反射鏡132b適於反射具有第二偏振方向的光，且適於讓具有第一偏振方向的光穿透，也就是適於反射第二影像光束122，且適於讓第一影像光束112穿透。因此，第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b在曲面目鏡130上配置的位置也可以重疊或部分重疊。在其他實施例中，也可以是第一偏振方向為S偏振方向，而第二偏振方向為P偏振方向。換言之，第一微反射 鏡132與第二微反射鏡132b可以是偏振分光鏡。在其他實施例中，第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b也可以是部分穿透部分反射鏡，例如半穿透半反射鏡。

在本實施例中，第一顯示器110與第二顯示器120例如是液晶顯示器、有機發光二極體顯示器或其他適當的顯示器。若第一顯示器110與第二顯示器120為液晶顯示器，則液晶顯示器本身所發出的光即有偏振方向，可以藉由調整液晶顯示器的配置，來使第一顯示器110所發出的第一影像光束112具有第一偏振方向，且使第二顯示器120所發出的第二影像光束122具有第二偏振方向。若第一顯示器110與第二顯示器120為有機發光二極體顯示器，則此顯示器的發光面可設有偏振片，以使第一顯示器110所發出的第一影像光束112具有第一偏振方向，且使第二顯示器120所發出的第二影像光束122具有第二偏振方向。

圖2為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。請參照圖2，本實施例的擴增實境顯示裝置100a與圖1A與圖1B的擴增實境顯示裝置100類似，而兩者的差異如下所述。相較於圖1A與圖1B的擴增實境顯示裝置100，本實施例的擴增實境顯示裝置100a具有第二顯示器120而不具有如圖1B的第一顯示器110，且擴增實境顯示裝置100a具有第二微反射鏡132b，而不具有如圖1B的第一微反射鏡132。如此也可藉由配置於上下兩側的第二顯示器120(也可將其稱作配置於上下兩側的兩個第一顯示器)來形成供眼睛50觀看的虛像，並具有大的水平視場角。 在本實施例中，第二微反射鏡132b可以是一般的鏡面反射鏡，而非偏振分光鏡。

圖3為本發明的又一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。請參照圖3，本實施例的擴增實境顯示裝置100b與圖1A與圖1B的擴增實境顯示裝置100類似，而兩者的差異如下所述。相較於圖1A與圖1B的擴增實境顯示裝置100，本實施例的擴增實境顯示裝置100b具有第一顯示器110而不具有如圖1B的第二顯示器120，且擴增實境顯示裝置100b具有第一微反射鏡132，而不具有如圖1B的第二微反射鏡132b。如此也可藉由配置於左右兩側的第一顯示器110來形成供眼睛50觀看的虛像，並具有大的水平視場角。在本實施例中，第一微反射鏡132可以是一般的鏡面反射鏡，而非偏振分光鏡。

圖4為本發明的再一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。請參照圖4，本實施例的擴增實境顯示裝置100c與圖1A與圖1B的擴增實境顯示裝置100類似，而兩者的差異如下所述。本實施例的擴增實境顯示裝置100c更包括二個第一光學元件140及二個第二光學元件150。每一第一光學元件140配置於一相鄰的第一顯示器110與曲面目鏡130之間，且位於相鄰的第一顯示器110所發出的一第一影像光束112的傳遞路徑上。每一第二光學元件150配置於一相鄰的第二顯示器120與曲面目鏡130之間，且位於相鄰的第二顯示器120所發出的一第二影像光束122的傳遞路徑上。在本實施例中，此二個第一光學元件140與此二個第二 光學元件150為具有平滑曲面的透鏡、自由曲面透鏡或菲涅耳透鏡，其可延伸第一顯示器110與第二顯示器120對眼睛50所產生的虛像的像距，以利於人眼以較為舒適的方式觀看，另一方面也可藉此在達到相同大小的虛像的前提下減小第一顯示器110與第二顯示器120的尺寸。或者，在其他實施例中，此二個第一光學元件140與此二個第二光學元件150也可以是起偏器(即偏振片)或波片(wave plate)，其中波片例如為二分之一波片或四分之一波片。此外，在另一實施例中，二個第二光學元件150也可套用至圖2的擴增實境顯示裝置100a中。再者，在又一實施例中，二個第一光學元件140也可以套用在圖3的擴增實境顯示裝置100b中。

圖5為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的立體示意圖。請參照圖5，本實施例的擴增實境顯示裝置100d與圖1A與圖1B的擴增實境顯示裝置100類似，而兩者的差異在於在本實施例的擴增實境顯示裝置100d中，曲面目鏡130d可以是在二個維度上彎曲，也就是在xy平面上彎曲，且在yz平面上也彎曲，而第一微反射鏡132與第二微反射鏡132b的排列也是在二個線度上呈彎曲分布。

綜上所述，在本發明的實施例的擴增實境顯示裝置中，採用了曲面目鏡，這些第一微反射鏡對眼睛所形成的視場角是落在80度至110度的範圍內，且對於部分的這些第一微反射鏡而言，不同群的第一微反射鏡是被不同的第一顯示器所提供的第一 影像光束所照射。因此，擴增實境顯示裝置兼具大視場角與良好的空間利用率，因而可以在較小體積的情況下達成較大的視場角。

40:來自外界的光

50:眼睛

100:擴增實境顯示裝置

110:第一顯示器

112:第一影像光束

120:第二顯示器

122:第二影像光束

130:曲面目鏡

132:第一微反射鏡

132b:第二微反射鏡

W1:寬度

x、y、z:方向

θ1:水平方向視場角

Claims (10)

1. 一種擴增實境顯示裝置，用以對一使用者的一眼睛提供一擴增實境影像，該擴增實境顯示裝置包括：一曲面目鏡；多個第一微反射鏡，配置於該曲面目鏡上；二個第一顯示器，分別配置於該曲面目鏡的相對兩側，每一第一顯示器用以發出一第一影像光束，該些第一微反射鏡用以將該二個第一顯示器所發出的二個第一影像光束成像於該眼睛的視網膜上，以形成該擴增實境影像；多個第二微反射鏡，配置於該曲面目鏡上；以及二個第二顯示器，分別配置於該曲面目鏡的另相對兩側，每一第二顯示器用以發出一第二影像光束，該些第二微反射鏡用以將該二個第二顯示器所發出的二個第二影像光束成像於該眼睛的視網膜上，以形成該擴增實境影像，其中對於部分的該些第二微反射鏡而言，不同群的第二微反射鏡是被不同的第二顯示器所提供的第二影像光束所照射，其中，該些第一微反射鏡對該眼睛所形成的水平方向視場角是落在80度至110度的範圍內，且對於部分的該些第一微反射鏡而言，不同群的第一微反射鏡是被不同的第一顯示器所提供的第一影像光束所照射，該二個第一影像光束具有一第一偏振方向，該二個第二影像光束具有一第二偏振方向，該些第一微反射鏡適於反射具有該第一偏振方向的光，且適於讓具有該第二偏振方向 的光穿透，該些第二微反射鏡適於反射具有該第二偏振方向的光，且適於讓具有該第一偏振方向的光穿透。
2. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中每一第一微反射鏡的寬度小於該眼睛的瞳孔的直徑。
3. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該曲面目鏡在一個維度上彎曲。
4. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該曲面目鏡在二個維度上彎曲。
5. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，更包括：二個第一光學元件，每一第一光學元件配置於一相鄰的第一顯示器與該曲面目鏡之間，且位於該相鄰的第一顯示器所發出的一第一影像光束的傳遞路徑上；以及二個第二光學元件，每一第二光學元件配置於一相鄰的第二顯示器與該曲面目鏡之間，且位於該相鄰的第二顯示器所發出的一第二影像光束的傳遞路徑上。
6. 如請求項5所述的擴增實境顯示裝置，其中該二個第一光學元件與該二個第二光學元件為具有平滑曲面的透鏡、自由曲面透鏡或菲涅耳透鏡。
7. 如請求項5所述的擴增實境顯示裝置，其中該二個第一光學元件與該二個第二光學元件為起偏器或波片。
8. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些第一微反射鏡對該眼睛所形成的水平方向視場角是落在90度至110度的範圍內。
9. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該二個第一顯示器是分別配置於該曲面目鏡的上側與下側，其中該上側與該下側是相對於該使用者的該眼睛而言。
10. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該二個第一顯示器是分別配置於該曲面目鏡的左側與右側，其中該左側與該右側是相對於該使用者的該眼睛而言。

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