TWI818537B - 光學顯示系統 - Google Patents

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毛章年
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Abstract

一種光學顯示系統，包含一擴增實境元件，及一透鏡元件。該擴增實境元件具有一輸出表面，用以將一來自該擴增實境元件的組合影像導向一觀看者的眼睛。該透鏡元件設置於該輸出表面與該觀看者的眼睛之間，並包括一聚焦透鏡單元，及一可變焦透鏡單元。該聚焦透鏡單元鄰近該輸出表面設置，用於移動一來自該組合影像之組合光束的焦點。該可變焦透鏡單元遠離該輸出表面設置，用於持續性地改變經由該聚焦透鏡單元聚焦形成之組合光束的焦點。

Description

光學顯示系統
本發明是有關於一種光學顯示系統，特別是指一種較寬廣的光焦度可調整範圍的光學顯示系統。
一適用於擴增實境(Augmented Reality，AR)等系統的近眼顯示器可用於在一觀看者的視場(field of view，FOV)中創造一結合了一虛擬影像及一真實影像的組合影像。為了提供該觀看者更良好的視場效果，該近眼顯示器與使用者雙眼間的距離通常保持在一限制範圍內(例如15mm至20mm)。然而，當該觀看者佩戴有眼鏡時，則會造成該觀看者的雙眼與該近眼顯示器間的間距無法維持在前述的限制範圍中，進而影響到視場效果的呈現。此外，若額外再提供一專門供該觀看者配戴的眼鏡來觀看影像，則會在使用上造成麻煩。
因此，本發明的目的，即在提供一種光學顯示系統，具有一較寬廣的光焦度(optical power)可調整範圍。
於是，本發明光學顯示系統，包含一擴增實境元件，及一透鏡元件。
該擴增實境元件包括一輸出表面，用以將一來自該擴增實境元件的組合影像導向一觀看者的眼睛。
該透鏡元件設置於該輸出表面及該觀看者的眼睛之間，包括一鄰近該輸出表面設置的聚焦透鏡單元，及一遠離該輸出表面設置的可變焦透鏡單元，該聚焦透鏡單元用於移動一來自該組合影像之一組合光束的焦點，該可變焦透鏡單元用於持續性地改變經由該聚焦透鏡單元所聚焦形成之組合光束的焦點。
本發明的功效在於：利用該聚焦透鏡單元與該可變焦透鏡單元搭配組合，以令該透鏡元件可具有多種不同的光焦度，進而使該光學顯示系統具有較寬廣的光焦度可調整範圍，因此適用於需配戴眼鏡或矯正視力之眼鏡的觀看者，而無需額外配戴眼鏡，即可直接觀看來自該擴增實境元件的組合影像。
100:擴增實境元件
101:輸出表面
11:波導單元
111、112、113:波導
114、115、116:輸入耦合區域
117、118、119:輸出耦合區域
12:第一光束
121、122、123:部分光
13:第二光束
200:透鏡元件
21A、21B、21C:聚焦透鏡單元
211、212:液晶透鏡
2110、2120:液晶分子
22A、22B:可變焦透鏡單元
221:第一透鏡
2210:第一液晶分子
222:第二透鏡
2220:第二液晶分子
23:偏振器
300:光供應元件
31:光源
32:光調變器
33:投影透鏡
10:眼睛
X、Y、Z:方向
V:虛擬影像
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是一示意圖，說明本發明光學顯示系統的一第一實施例；圖2是一示意圖，說明該光學顯示系統的一第二實施例；圖3是一示意圖，說明該光學顯示系統的一第三實施例；及圖4是一示意圖，說明該光學顯示系統的一第四實施例。
在本發明被詳細描述前，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。有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關，且於說明內容與申請範圍中所使用的方向性術語(例如：前方、後方、左、右、頂部、底部等)僅旨在於幫助描述所說明的內容，而不該以任何形式被視為本發明的限制條件。
參閱圖1，說明本發明光學顯示系統的一第一實施例，包含一擴增實境元件100，及一透鏡元件200。
該擴增實境元件100包括一輸出表面101，用於將一來自該擴增實境元件100的組合影像導向一觀看者的眼睛10。
在本實施例中，該擴增實境元件100包括一具有該輸出表面101的波導單元11，用以使一用於形成虛擬影像V的第一光束 12，及一來自真實世界的第二光束13合併，並經由該輸出表面101對外輸出，而形成一組合影像。
該波導單元11可以具有單一個或是多個波導。在本實施例中，如圖1所示，該波導單元11具有三個波導111、112、113，而可將該第一光束12導引成三道部分光121、122、123，且每一波導111、112、113具有一輸入耦合區域(in-coupling region)114、115、116，及一輸出耦合區域(out-coupling region)117、118、119。該等輸入耦合區域114、115、116分別用於將自一光供應元件300產生的第一光束12偏轉成分別行進於相應的該等波導111、112、113中的部分光121、122、123。在本實施例中，該光供應元件300包括一光源31、一用以調變來自該光源31之光束的光調變器32(即一顯示器)，及一用以將來自該光調變器32的光束投影至該波導單元11的投影透鏡33，且自該投影透鏡33輸出的光束可被視為該第一光束12。當於該等波導111、112、113中行進的該等部分光121、122、123入射相應的該等輸出耦合區域117、118、119時，該等輸出耦合區域117、118、119將相應的部分光121、122、123經由該輸出表面101導向至該觀看者的眼睛10。
要說明的是，該擴增實境元件100也可以為其它合適的擴增實境裝置，而不以前述之舉例為限。
該透鏡元件200設置於該輸出表面101與該觀看者的眼睛10之間，包括一聚焦透鏡單元21A，及一可變焦透鏡單元22A。
該聚焦透鏡單元21A鄰近該輸出表面101設置，用於移動一來自該組合影像之一組合光束的焦點(focus)。該聚焦透鏡單元21A為一定焦透鏡(fixed focus lens)，可選自一實心透鏡(solid lens)、一凹透鏡、一平凹透鏡、一凸透鏡、一平凸透鏡、一自由曲面透鏡(freeform optical lens)，或其他合適的光學透鏡。在本實施例中，如圖1所示，該聚焦透鏡單元21A為一偏振無相依透鏡(polarization-independent lens)。
該可變焦透鏡單元22A遠離該輸出表面101設置，用於持續性地改變經由該聚焦透鏡單元21A所聚焦形成的該組合光束的焦點。在一些實施例中，該可變焦透鏡單元22A為一電控可調焦液晶透鏡。在本實施例中，該可變焦透鏡單元22A為一偏振無相依透鏡，並具有一第一透鏡221，及一第二透鏡222。且該第一透鏡221具有多數位於其中的第一液晶分子2210，該第二透鏡222具有多數位於其中的第二液晶分子2220。
當該組合光束沿一Z方向被導入該透鏡元件200時(見圖1)，該等第一液晶分子2210的長軸沿著於一由一Z方向及一X方向共同定義而成的一XZ平面排列，該等第二液晶分子2220的長軸則沿著於一由該Z方向及一Y方向共同定義而成的一YZ平面排列，且 該等第一液晶分子2210的排列方向基本上垂直於該等第二液晶分子2220的排列方向。
在本實施例中，該可變焦透鏡單元22A具有一有限制的光焦度(optical power)可調整範圍(例如：介於-2D至+2D)。因此，在該透鏡元件200僅包含該可變焦透鏡單元22A的條件下，該光學顯示系統可適用於例如需要使用其屈光度(diopter)介於-2D至+2D的鏡片進行視力矯正的人。當該聚焦透鏡單元21A(例如具有光焦度-6D)結合了該可變焦透鏡單元22A(例如具有一可調整的光焦度範圍-2D至+2D)，則該光學顯示系統可適用例如需要使用其屈光度介於-8D至-4D的鏡片進行視力矯正的人。
參閱圖2，說明本發明光學顯示系統的一第二實施例，該第二實施例與該第一實施例相似，其差異在於該第二實施例的可變焦透鏡單元22B為一具有多數第一液晶分子2210的偏振相依透鏡。且於該第二實施例中，該透鏡元件200還包括一設置於該可變焦透鏡單元22B上游的偏振器23，而可使經由該聚焦透鏡單元21A聚焦的一組合光束被偏振轉換，以通過該可變焦透鏡單元22B。
在一些實施例中，該可變焦透鏡單元22B可選自一電控可調焦液晶透鏡。
在本實施例中，是以該偏振器23設置於該聚焦透鏡單元21A，及該可變焦透鏡單元22B之間(見圖2)為例進行說明。然，在 其它實施例中，該偏振器23也可以視需求設置於該輸出表面101與該聚焦透鏡單元21A之間。
參閱圖3，說明本發明光學顯示系統的一第三實施例，該第三實施例與該第一實施例相似，其差異在於該第三實施例的聚焦透鏡單元21B為一用以提供一固定焦點(focus)的偏振無相依液晶透鏡，並具有兩個液晶透鏡211、212，且其中一液晶透鏡211中的液晶分子2110沿著該X方向排列，令一液晶透鏡212中的液晶分子2120則沿著該Y方向排列。
參閱圖4，說明本發明光學顯示系統的一第四實施例，該第四實施例與該第二實施例相似，其差異在於該第四實施例的聚焦透鏡單元21C為一提供一固定焦點的偏振相依透鏡，且該偏振器23設置於該聚焦透鏡單元21C與該可變焦透鏡單元22B的上游。
藉由使用配置有該透鏡元件200的光學顯示系統，該觀看者可以直接觀看來自該擴增實境元件100的組合影像，而無須額外配戴眼鏡或其它用於矯正視力的眼鏡。
綜上所述，本發明光學顯示系統的透鏡元件200利用該聚焦透鏡單元21A、21B、21C與該可變焦透鏡單元22A、22B搭配組合，以取得多種不同的光焦度，而可具有較寬廣的光焦度可調整範圍，用以移動來自該組合影像之組合光束的焦點，因此適用於更多具有不同視力的觀看者，而無需額外配戴眼鏡，即可直接觀看 來自該擴增實境元件100產生的組合影像，故確實可達成本發明的目的。
在以上的說明中，基於解釋之目的，已闡述了許多具體細節，以供充分理解對前述實施例。然而，顯而易見的是，對本領域技術者而言，在未提供該些具體細節中的情況下，仍能實踐一個或多個其它實施例。且應當理解的是，在整份說明書中對「一些實施例」或是帶有序號指示的實施例等，意味著包括在本發明實施例中所揭示的特定特徵、結構或特性。應當進一步理解的是，在整份說明書中，為了簡化本發明公開之內容，並以利於理解本發明各種方面之目的，有時會將多種不同的特徵組合在單一實施例、圖式或一段敘述中。在適當的情況下，來自一個實施例的特定細節可以與來自另一個實施例的特徵或特定細節一起執行。
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。
100:擴增實境元件
101:輸出表面
11:波導單元
111、112、113:波導
114、115、116:輸入耦合區域
117、118、119:輸出耦合區域
12:第一光束
121、122、123:部分光
13:第二光束
200:透鏡元件
21A:聚焦透鏡單元
22A:可變焦透鏡單元
221:第一透鏡
2210:第一液晶分子
222:第二透鏡
2220:第二液晶分子
300:光供應元件
31:光源
32:光調變器
33:投影透鏡
10:眼睛
X、Y、Z:方向
V:虛擬影像

Claims (10)

  1. 一種光學顯示系統，包含：一擴增實境元件，包括一輸出表面，用以將一來自該擴增實境元件的組合影像導向一觀看者的眼睛；及一透鏡元件，設置於該輸出表面及該觀看者的眼睛之間，包括一鄰近該輸出表面設置的聚焦透鏡單元，及一遠離該輸出表面設置的可變焦透鏡單元，該聚焦透鏡單元用於移動一來自該組合影像之一組合光束的焦點，該可變焦透鏡單元用於持續性地改變經由該聚焦透鏡單元所聚焦形成之組合光束的焦點。
  2. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該聚焦透鏡單元為一定焦透鏡。
  3. 如請求項2所述的光學顯示系統，其中，該聚焦透鏡單元為一偏振無相依透鏡。
  4. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該可變焦透鏡單元為一電控可調焦液晶透鏡。
  5. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該可變焦透鏡單元為一偏振無相依透鏡。
  6. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該可變焦透鏡單元為一偏振相依透鏡，該透鏡元件還包括一設置於該可變焦透鏡單元上游的偏振器。
  7. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該聚焦透鏡單元及該可變焦透鏡單元分別為一偏振無相依液晶透鏡。
  8. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該聚焦透鏡單元 及該可變焦透鏡單元分別為一偏振相依液晶透鏡，且該透鏡元件還包括一設置於該聚焦透鏡單元與該可變焦透鏡單元上游的偏振器。
  9. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該擴增實境元件包括一具有該輸出表面的波導單元，用於使一用於形成虛擬影像的第一光束，及一來自真實世界的第二光束合併並經由該輸出表面對外輸出，而形成該組合影像。
  10. 如請求項9所述的光學顯示系統，其中，該波導單元具有至少一波導，該至少一波導具有一輸入耦合區域，及一輸出耦合區域，該輸入耦合區域用於偏轉來自一光供應元件的第一光束，使其於該至少一波導中傳播，當該第一光束於該至少一波導中傳播並撞擊該輸出耦合區域時，該輸出耦合區域能將該第一光束經由該輸出表面導向至該觀看者的眼睛。
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