TWI826113B - 以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
一種以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，係包括一雷射束掃描器，用以輸出多束往外發射的雷射光束；一準直模組，連接該雷射束掃描器，將該些雷射光束準直為互相平行的遠心光束並輸出；一光場產生模組，連接該準直模組，將該些遠心光束轉換為可視光場並輸出；以及一目鏡，連接該光場產生模組，將該可視光場投射至眼睛。由上述可知，本發明係以雷射掃描光束進行設計之專利，使用該雷射束掃描器當光源產生光場，為了讓雷射光束可與該光場產生模組對接，於兩者中間加入該準直模組，可將原本發散的光變成準直，再輸入至該光場產生模組，最後通過該目鏡投射至眼睛，藉此產生的光場係提供顯示使用而非相機用途，可產生連續對焦平面，使光場的效果變好。
Description
本發明係有關於一種以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，
尤指涉及一種以雷射掃描光束進行設計之技術，特別係指可產生連續對焦平面，使光場的效果變好，可供顯示使用而非相機用途者。
按，使用雷射束掃描器８的傳統顯示系統如第８圖所示，係將往外發散的雷射光束通過目鏡９將影像直接投射到眼睛１０上，當眼睛１０看進去時候是經過目鏡９會看見像是發散的光，無法使虛實影像景深一致而達到完全融合效果，導致所呈現的虛實整合場景不夠自然。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可產生連續對焦平面，使光場的效果變好，可供顯示使用而非相機用途之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置。
為達以上之目的，本發明係一種以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，係包括：一雷射束掃描器，用以輸出多束往外發射的雷射光束；一準直模組，連接該雷射束掃描器，將來自該雷射束掃描器之該些雷射光束準直為遠心光束（telecentric light），並輸出該些互相平行的遠心光束；一光場產生模組，連接該準直模組，接收來自該準直模組之該些遠心光束，將該些遠心光束轉換為可視光場，並輸出該可視光場；以及一目鏡，連接該光場產生模組，接收來自該光場產生模組之該可視光場並將其投射至眼睛。
於本發明上述實施例中，該雷射束掃描器包含一雷射二極體及一數控掃描鏡。
於本發明上述實施例中，其根據一光場資料，該雷射束掃描器之該數控掃描鏡沿一水平方向及一垂直方向來回投射雷射光束，在每一水平及垂直方向投射之該雷射光束對應該光場資料之一像素，該光場資料由一或數個子光場圖像組成。
於本發明上述實施例中，根據該像素的強度與顏色，該雷射束掃描器在掃描時調控該雷射光束的強度與顏色。
於本發明上述實施例中，該雷射束掃描器在每一瞬時發射的該雷射光束對應至一子光場圖像之一像素，在一個掃描週期會掃遍所有子光場圖像中的所有像素。
於本發明上述實施例中，該準直模組與該光場產生模組之間更包括一光耦合模組，該光耦合模組接收來自該準直模組之該些遠心光束，用於調整該些遠心光束的密度，並將調整後的該些遠心光束輸出到該光場產生模組。
於本發明上述實施例中，該準直模組與光耦合模組係可進一步整合成一模組。
於本發明上述實施例中，該光場產生模組輸出之該可視光場係由數個子光場所組成，每一子光場之光束具有相同的角座標。
於本發明上述實施例中，該光場產生模組係對應一子光場圖像產生一子光場。
於本發明上述實施例中，該近眼顯示裝置為一擴增實鏡（augmented reality, AR）裝置以及一虛擬實境（virtual reality, VR）裝置其中之一或其組合。
於本發明上述實施例中，該目鏡為自由曲面反射式目鏡（freeform reflective eyepiece）或鳥盆式目鏡（birdbath eyepiece），而該鳥盆式目鏡為一具有曲面反射及穿透之目鏡組，由一分光鏡（beam splitter）與一合成器（combiner）組成，以該分光鏡將該光場產生模組所投射之該可視光場之光線分成兩束，其中一束再由該合成器反射並準直。
於本發明上述實施例中，該可視光場由各空間座標所發出之光束經該鳥盆式目鏡之該合成器反射後，會形成一比眼睛瞳孔大小更細小之光束。
於本發明上述實施例中，該光場產生模組將該些遠心光束之掃描區域分割為數個子區域，使通過該些子區域一相同位置的該些遠心光束匯聚於一共交點，所有共交點集合成一融合面（fusion plane），以產生該可視光場。
於本發明另一實施例中，該光耦合模組係可將調整後的該些遠心光束直接輸出到該目鏡，形成非光場之一般近眼顯示裝置。
請參閱『第１圖～第７圖』所示，係分別為本發明以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置之第一實施架構示意圖、本發明之雷射束掃描器在每一水平及垂直方向投射之光束對應光場資料之一像素示意圖、本發明之雷射束掃描器在一個掃描週期掃遍所有子光場圖像中之所有像素示意圖、本發明之光場產生模組對應一子光場圖像產生一子光場示意圖、本發明以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置之第二實施架構示意圖、本發明以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置之第三實施架構示意圖、以及本發明第三實施架構以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置與反射式目鏡整合之實施態樣示意圖。如圖所示：本發明係一種以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，係包括一雷射束掃描器１、一準直模組２、一光場產生模組３、以及一目鏡４所構成。
上述所提之雷射束掃描器１在每一瞬時往外發射一束雷射光束，在一掃描週期內輸出多束雷射光束。
該準直模組２連接該雷射束掃描器１，將來自該雷射束掃描器１之該些雷射光束準直為遠心光束（telecentric light），並輸出該些互相平行的遠心
光束。
該光場產生模組３連接該準直模組２，接收來自該準直模組２之該些遠心光束，將該些遠心光束轉換為可視光場，並輸出該可視光場。其中，該可視光場之定義為一合成光場之所有光線方向與位置皆與真實場景之光線方向與位置一致，則該光場即為可視光場；換言之，該可視光場能提供眼睛如同真實場景的視覺感受。
該目鏡４連接該光場產生模組３，接收來自該光場產生模組３之該可視光場並將其投射至眼睛７瞳孔而抵達視網膜７１。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置。
上述光場產生模組３將該些遠心光束之掃描區域分割為數個子區域，使通過該些子區域一相同位置的該些遠心光束匯聚於一共交點，所有共交點集合成一融合面（fusion plane），以產生該可視光場。
於本發明之一較佳具體實施例中，該雷射束掃描器１包含一雷射二極體１１及一數控掃描鏡１２。根據一光場資料，該雷射束掃描器１之該數控掃描鏡１２沿一水平方向及一垂直方向來回投射雷射光束，在每一水平及垂直方向投射之該雷射光束對應該光場資料之一像素ａ，該光場資料由一或數個子光場圖像組成，如第２圖所示。
根據該像素的強度與顏色，該雷射束掃描器１在掃描時調控該雷射光束的強度與顏色。
該雷射束掃描器１在每一瞬時發射的該雷射光束對應至一子光場圖像之一像素，在一個掃描週期會掃遍所有子光場圖像中的所有像素，如第３圖所示。
於本發明之一較佳具體實施例中，該準直模組２與該光場產生模組３之間更包括一光耦合模組５。該光耦合模組５接收來自該準直模組２之該些遠心光束，用於調整該些遠心光束的密度，並將調整後的該些遠心光束輸出到該光場產生模組３，如第４圖所示。
該光場產生模組３輸出之該可視光場係由數個子光場所組成，每一子光場之光束具有相同的角座標。於其中，一個四維光場之光線可以用四個座標來定義，其中兩個為角座標，另兩個為空間座標，角座標描述光線的方向，而空間座標描述光線的位置。
該光場產生模組３係對應一子光場圖像產生一子光場，如第３或４圖所示。
於本發明之一較佳具體實施例中，該光耦合模組５係可將調整後的該些遠心光束直接輸出到該目鏡４，形成非光場之一般近眼顯示裝置，如第５圖所示。由此可見，本發明所提技術深具彈性，可以產生新穎光場AR眼鏡或一般AR眼鏡。
於本發明之一較佳具體實施例中，該準直模組２與光耦合模組５係可進一步整合成一準直光耦合模組６，如第６、７圖所示，其中第７圖為本發明與反射式目鏡整合之實施態樣。
本發明所提近眼顯示裝置可為一擴增實鏡（augmented reality, AR）裝置以及一虛擬實境（virtual reality, VR）裝置其中之一或其組合。在使用該光場產生模組３時必須配合一目鏡４才能構成一個完整的AR系統，如第７圖所示。因此要展現光場產生模組３的光場效果，本身就需要配合一個目鏡４，而該目鏡４可為自由曲面反射式目鏡（freeform reflective eyepiece）或鳥盆式目鏡（birdbath eyepiece），其中該鳥盆式目鏡相較其它的目鏡是能夠以較大的體積具有較為良好的視場角（Field of view, FOV），使影像呈現效果較好，換言之，該鳥盆式目鏡具有體積小、視野好、及短小輕薄的特性。
由上述可知，本發明所提以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝
置，係以雷射掃描光束進行設計之專利，所產生的光場係提供顯示使用而非相機用途。本發明使用雷射束掃描器當光源產生光場，為了讓雷射光束可與光場產生模組對接，於兩者中間加入一準直模組，可將原本發散的光變成準直，再輸入至光場產生模組，最後通過目鏡投射至眼睛，藉此可產生連續對焦平面，使光場的效果變好。
綜上所述，本發明係一種以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，可有效改善習用之種種缺點，使用雷射束掃描器當光源產生光場，為了讓雷射光束可與光場產生模組對接，於兩者中間加入一準直模組，可將原本發散的光變成準直，再輸入至光場產生模組，最後通過目鏡投射至眼睛，藉此產生的光場係提供顯示使用而非相機用途，可產生連續對焦平面，使光場的效果變好，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定
本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
（本發明部分）
1:雷射束掃描器
11:雷射二極體
12:數控掃描鏡
2:準直模組
3:光場產生模組
4:目鏡
5:光耦合模組
6:準直光耦合模組
7:眼睛
71:視網膜
ａ:光場資料之一像素
（習用部分）
8:雷射束掃描器
9:目鏡
10:眼睛
第１圖，係本發明以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置之第一實施架構示
意圖。
第２圖，係本發明之雷射束掃描器在每一水平及垂直方向投射之光束對應光場
資料之一像素示意圖。
第３圖，係本發明之雷射束掃描器在一個掃描週期掃遍所有子光場圖像中之所
有像素示意圖。
第４圖，係本發明之光場產生模組對應一子光場圖像產生一子光場示意圖。
第５圖，係本發明以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置之第二實施架構示
意圖。
第６圖，係本發明以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置之第三實施架構示
意圖。
第７圖，係本發明第三實施架構以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置與反
射式目鏡整合之實施態樣示意圖。
第８圖，係使用雷射束掃描器的傳統顯示系統架構示意圖。
1:雷射束掃描器
2:準直模組
3:光場產生模組
4:目鏡
7:眼睛
71:視網膜
Claims (13)
- 一種以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，係包括：一雷射束掃描器，用以輸出多束往外發射的雷射光束；一準直模組，連接該雷射束掃描器，將來自該雷射束掃描器之該些雷射光束準直為遠心光束(telecentric light)，並輸出該些互相平行的遠心光束；一光場產生模組，連接該準直模組，接收來自該準直模組之該些遠心光束，將該些遠心光束轉換為可視光場，並輸出該可視光場；以及一目鏡，連接該光場產生模組，接收來自該光場產生模組之該可視光場並將其投射至眼睛。
- 依申請專利範圍第1項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該雷射束掃描器包含一雷射二極體及一數控掃描鏡。
- 依申請專利範圍第2項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其根據一光場資料，該雷射束掃描器之該數控掃描鏡沿一水平方向及一垂直方向來回投射雷射光束，在每一水平及垂直方向投射之該雷射光束對應該光場資料之一像素，該光場資料由一或數個子光場圖像組成。
- 依申請專利範圍第3項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，根據該像素的強度與顏色，該雷射束掃描器在掃描時調控該雷射光束的強度與顏色。
- 依申請專利範圍第4項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該雷射束掃描器在每一瞬時發射的該雷射光束對應至一子光場圖像之一像素，在一個掃描週期會掃遍所有子光場圖像中的所有像素。
- 依申請專利範圍第1項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該準直模組與該光場產生模組之間更包括一光耦合模組， 該光耦合模組接收來自該準直模組之該些遠心光束，用於調整該些遠心光束的密度，並將調整後的該些遠心光束輸出到該光場產生模組。
- 依申請專利範圍第6項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該準直模組與光耦合模組係可進一步整合成一模組。
- 依申請專利範圍第3項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該光場產生模組輸出之該可視光場係由數個子光場所組成，每一子光場之光束具有相同的角座標。
- 依申請專利範圍第8項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該光場產生模組係對應一子光場圖像產生一子光場。
- 依申請專利範圍第1項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該近眼顯示裝置為一擴增實鏡(augmented reality,AR)裝置以及一虛擬實境(virtual reality,VR)裝置其中之一或其組合。
- 依申請專利範圍第1項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該目鏡為自由曲面反射式目鏡(freeform reflective eyepiece)或鳥盆式目鏡(birdbath eyepiece)，而該鳥盆式目鏡為一具有曲面反射及穿透之目鏡組，由一分光鏡(beam splitter)與一合成器(combiner)組成，以該分光鏡將該光場產生模組所投射之該可視光場之光線分成兩束，其中一束再由該合成器反射。
- 依申請專利範圍第11項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該可視光場由各空間座標所發出之光束經該鳥盆式目鏡之該合成器反射後，會形成一比眼睛瞳孔大小更細小之光束。
- 依申請專利範圍第1項所述之以雷射束掃描器產生光場的近眼顯示裝置，其中，該光場產生模組將該些遠心光束之掃描區域分割為數個子 區域，使通過該些子區域一相同位置的該些遠心光束匯聚於一共交點，所有共交點集合成一融合面(fusion plane)，以產生該可視光場。
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