TWI826954B - 擴增實境光學系統及頭戴式顯示器 - Google Patents

Abstract

一種擴增實境光學系統及頭戴式顯示器，在頭戴式顯示器的主鏡架內裝設有擴增實境顯示模組，擴增實境顯示模組是由顯示屏發出影像光束，向下方導至第一部分穿透部分反射元件和第二部分穿透部分反射元件，經過多次的反射來匯聚成像，而產生擴增實境的效果；同時，在主鏡架的內側或外側裝設有可拆卸的屈光調節模組，屈光調節模組包含至少一屈光調節鏡片，以實現屈光度調節，進而為屈光不正的使用者提供更為清晰的影像，並可靈活地拆卸或替換屈光調節模組，大大提高使用便利性。

Description

擴增實境光學系統及頭戴式顯示器

本發明係有關一種擴增實境技術領域，特別是指一種擴增實境光學系統及頭戴式顯示器。

擴增實境（augmented reality，簡稱AR）是虛擬實境（virtual reality，簡稱VR）所衍生出來的一種技術，主要是藉由攝影機擷取現實空間的場景並進行定位，並透過電腦程式的即時運算，將虛擬的物件與資訊添加至現實空間中，再透過顯示器來呈現虛擬與現實資訊之結合。

目前以頭戴式顯示器（Head-mounted display）為最常見的擴增實境裝置。頭戴式顯示器通常是用眼罩或頭盔的形式，讓顯示屏靠近配戴者的眼部，顯示屏所輸出的虛擬影像投射到配戴者的眼中，讓虛擬影像和周遭環境作結合，來獲得現實中無法直接獲取的資訊。

然而，目前的頭戴式顯示器的光學顯示模組不能調節屈光度，無法滿足非正常視力使用者的觀看需求。非正常視力使用者，特別是指包括近視、遠視、老花或散光等屈光不正者在使用頭戴式顯示器時，還得配戴視力矯正眼鏡來矯正視力才能看清楚顯示畫面，視力矯正眼鏡本身佔有一定的空間和重量，增加了使用者的麻煩，也容易感到不舒適；而視力矯正眼鏡和頭戴式顯示器之間也可能在結構上產生衝突，不一定可以同時配戴，大大影響了使用者的體驗效果。

本發明之主要目的在提供一種擴增實境光學系統及頭戴式顯示器，將擴增實境顯示模組和屈光調節模組作結合，並分別安裝在頭戴式顯示器的主鏡架和可拆卸的子鏡架中，讓屈光不正的使用者不必再配戴視力矯正眼鏡，也能觀看到清晰的虛擬影像，從而獲得完整的擴增實境之使用體驗。

本發明之另一目的在提供一種擴增實境光學系統及頭戴式顯示器，其屈光調節模組安裝於可拆卸的子鏡架中，可以根據使用者的使用需求或視力程度容易地拆卸跟替換，藉以提高使用便利性，並可降低使用成本。

為達上述目的，本發明提供一種擴增實境光學系統，應用於具有主鏡架與子鏡架之頭戴式顯示器，子鏡架可拆卸地裝設於主鏡架的內側或外側，擴增實境光學系統包括擴增實境顯示模組和屈光調節模組，擴增實境顯示模組安裝於主鏡架內，並包括：一顯示屏，用以發出影像光束；一第一部分穿透部分反射元件，設置於顯示屏下方，接收來自顯示屏之影像光束，並使影像光束部分穿透、部分反射；以及一第二部分穿透部分反射元件，鄰近第一部分穿透部分反射元件，使第一部分穿透部分反射元件所反射之影像光束經由第二部分穿透部分反射元件接收，再由第二部分穿透部分反射元件反射回第一部分穿透部分反射元件並穿透第一部分穿透部分反射元件，再射入人眼中。屈光調節模組安裝於子鏡架內，屈光調節模組包含至少一屈光調節鏡片，屈光調節鏡片對應第一部分穿透部分反射元件或第二部分穿透部分反射元件設置。

根據本發明之實施例，前述子鏡架裝設於主鏡架的內側，屈光調節鏡片位於第一部分穿透部分反射元件和人眼之間。

根據本發明之實施例，前述顯示屏固定在影像光束的最短光程位置處。

根據本發明之實施例，前述子鏡架裝設於主鏡架的外側，屈光調節鏡片位於第二部分穿透部分反射元件遠離人眼的一側。

根據本發明之實施例，前述顯示屏可作上下位移來調整顯示屏相對於第一部分穿透部分反射元件的距離，以調節焦距。

根據本發明之實施例，前述第一部分穿透部分反射元件具有一傾斜角度，以使影像光束的光路轉折。

根據本發明之實施例，前述第一部分穿透部分反射元件和第二部分穿透部分反射元件為平面或曲面，且其表面為鍍膜或貼覆膜片。

根據本發明之實施例，前述屈光調節鏡片滿足 f ＜ -0.1公尺或 f ＞ 0.1公尺的條件，f為屈光調節鏡片之焦距。

根據本發明之實施例，前述屈光調節鏡片為近視鏡片、遠視鏡片、散光鏡片或老花鏡片。

根據本發明之實施例，前述顯示屏和第一部分穿透部分反射元件之間更設有一透鏡，以將影像光束導入第一部分穿透部分反射元件。

另外，本發明也提供一種頭戴式顯示器，包括前述擴增實境光學系統以及主鏡架和子鏡架，子鏡架為可拆卸地裝設於主鏡架的內側或外側。

根據本發明之實施例，前述子鏡架通過磁性吸附或夾持於主鏡架。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

請參照第1圖和第2圖，其分別為本發明第一實施例之頭戴式顯示器及其擴增實境光學系統10之剖面圖和分解圖。本實施例之擴增實境光學系統10設置在頭戴式顯示器內，頭戴式顯示器具有主鏡架20和子鏡架30，並將子鏡架30可拆卸地裝設於主鏡架20的外側（第1圖右側），例如，子鏡架30可以通過磁性吸附或夾持於主鏡架20上。擴增實境光學系統10包括擴增實境顯示模組110和屈光調節模組120，且擴增實境顯示模組110安裝於主鏡架20中（第1圖左側），屈光調節模組120安裝於子鏡架30中。擴增實境顯示模組110上方設有一顯示屏111，顯示屏111的下方設置有一第一部分穿透部分反射元件112，第一部分穿透部分反射元件112遠離人眼40的一側設置有一第二部分穿透部分反射元件113。屈光調節模組120包含一屈光調節鏡片121，屈光調節鏡片121對應第二部分穿透部分反射元件113設置，並位於第二部分穿透部分反射元件113遠離人眼40的一側。

如第2圖所示，在第一實施例中，顯示屏111發出影像光束130，往下傳送至第一部分穿透部分反射元件112。第一部分穿透部分反射元件112接收影像光束130並將通過之影像光束130部分反射至第二部分穿透部分反射元件113，其餘的則穿透第一部分穿透部分反射元件112。第二部分穿透部分反射元件113接收第一部分穿透部分反射元件112所反射的影像光束130，並將通過之影像光束130部分再反射回第一部分穿透部分反射元件112，其餘的則穿透第二部分穿透部分反射元件113，而反射回第一部分穿透部分反射元件112的影像光束130經第一部分穿透部分反射元件112部份反射後，其餘的影像光束130則穿透第一部分穿透部分反射元件112而導入人眼40中。另一方面，環境光束140會通過屈光調節鏡片121，經由第二部分穿透部分反射元件113部份反射後，其餘的環境光束140則依序通過第二部分穿透部分反射元件113和第一部分穿透部分反射元件112，並經由第一部分穿透部分反射元件112部份反射至顯示屏111，其餘部份則穿透第一部分穿透部分反射元件112而導入人眼40中。藉此，使人眼40得以觀看到經過屈光調節鏡片121予以屈光矯正後疊加在現實環境中來自顯示屏111的虛擬影像。

在本發明中所設置之第一部分穿透部分反射元件112和第二部分穿透部分反射元件113各別可為平面或曲面，且可以於平面或曲面的基材表面以塗佈方式形成具功能性之鍍膜或者貼覆膜片。而在第一實施例中，第一部分穿透部分反射元件112形成單面的鍍膜114，而第二部分穿透部分反射元件形成雙面的鍍膜115，以達到將影像光束130部份穿透、部份反射的作用，且第一部分穿透部分反射元件112為具有一傾斜角度，以使影像光束130的光路轉折，而能夠接收顯示屏111的影像光束130並反射至第二部分穿透部分反射元件113。

在本發明中所設置之屈光調節模組120可依據使用者需求對應設置一個或多個屈光調節鏡片121，例如，雙眼皆為近視100度的人，就對應設置有一組100度的屈光調節鏡片121，其它近視度數則為其它相對應度數之屈光調節鏡片121。此外，本發明中之屈光調節鏡片121可為近視鏡片、遠視鏡片、散光鏡片或老花鏡片。大致而言，屈光調節鏡片121會滿足 f ＜ -0.1公尺或 f ＞ 0.1公尺的條件，f為屈光調節鏡片121之焦距。

在第一實施例中，顯示屏111設置為可作上下位移來調整顯示屏111相對於第一部分穿透部分反射元件112的距離，作用在於調節焦距；在子鏡架30尚未裝上時（即拆卸下來的情況），有屈光不正問題的使用者會看不清楚來自顯示屏111的虛擬影像，且外界環境也會不清晰，當裝上子鏡架30後，使用者可以看清外界環境，但若是虛擬影像看起來還是模糊，此時則可上下調整顯示屏111的位置來調節焦距，即可矯正觀看虛擬影像的清晰度。

請參照第3圖和第4圖，其分別為本發明第二實施例之頭戴式顯示器及其擴增實境光學系統10之剖面圖和分解圖。和第一實施例不同之處在於，本實施例之頭戴式顯示器是將子鏡架30可拆卸地裝設於主鏡架20的內側，使得屈光調節模組120中的屈光調節鏡片121是對應第一部分穿透部分反射元件112設置，並位於第一部分穿透部分反射元件112和人眼40之間。

如第4圖所示，在第二實施例中，顯示屏111發出影像光束130，往下傳送至第一部分穿透部分反射元件112。第一部分穿透部分反射元件112接收影像光束130並將通過之影像光束130部分反射至第二部分穿透部分反射元件113，其餘的則穿透第一部分穿透部分反射元件112。第二部分穿透部分反射元件113接收第一部分穿透部分反射元件112所反射的影像光束130，並將通過之影像光束130部分再反射回第一部分穿透部分反射元件112，其餘的則穿透第二部分穿透部分反射元件113，而反射回第一部分穿透部分反射元件112的影像光束130經第一部分穿透部分反射元件112部份反射後，其餘的影像光束130則穿透第一部分穿透部分反射元件112，再通過屈光調節鏡片121而導入人眼40中。另一方面，環境光束140經由第二部分穿透部分反射元件113部份反射後，其餘的環境光束140則依序通過第二部分穿透部分反射元件113和第一部分穿透部分反射元件112，並經由第一部分穿透部分反射元件112部份反射至顯示屏111，其餘部份則穿透第一部分穿透部分反射元件112後，再通過屈光調節鏡片121而導入人眼40中，從而人眼40可以觀看到經過屈光調節鏡片121予以屈光矯正後疊加在現實環境中來自顯示屏111的虛擬影像。

在第二實施例中，顯示屏111可直接固定在影像光束130的最短光程位置處，從而縮短顯示屏111和第一部分穿透部分反射元件112之間的距離，藉以縮小擴增實境光學系統10的體積，使頭戴式顯示器的尺寸微小化；在子鏡架30尚未裝上時（即拆卸下來的情況），有屈光不正問題的使用者會看不清楚顯示屏111上的虛擬影像，且外界環境也會不清晰，當裝上子鏡架30後，由於人眼的屈光不正已經被屈光調節鏡片121所矯正，此時使用者對於顯示屏111的虛擬影像和外界環境皆可看清。另外，顯示屏111也可設置為可作上下位移來調整顯示屏111相對於第一部分穿透部分反射元件112的距離；若是屈光調節鏡片121的矯正有極限時，為了看清楚顯示屏111的虛擬影像，此時則可再調整顯示屏111的上下位置來幫助調節焦距。

此外，本發明中的擴增實境顯示模組110可進一步包括用以導引光線的透鏡116。如第5圖和第6圖所示，在第三實施例和第四實施例中，於顯示屏111和第一部分穿透部分反射元件112之間設有一透鏡116，此透鏡116可以是單片透鏡或多片透鏡組成的透鏡組，透鏡116可以是凸透鏡、凹透鏡或凸透鏡和凹透鏡任意組合等，且凹凸方向也可以任意變化。透鏡116可以顯示屏111所發出的影像光束130導入第一部分穿透部分反射元件112，並配合其他元件來共同完成成像。

綜上所述，根據本發明所提供之擴增實境光學系統及頭戴式顯示器，主要是以主鏡架中的擴增實境顯示模組為基礎，再藉由搭配可活動拆卸的子鏡架而可選擇性地附加上屈光調節模組的功能，使得屈光不正的使用者不需要在頭戴顯示器之外還要同時配戴視力矯正眼鏡，即可清楚看到疊加在現實環境中的來自顯示屏的虛擬影像，從而可提高擴增實境體驗的舒適度及便利性。並且，使用者可根據使用用途和視力程度的不同，容易自行拆卸和替換屈光調節模組，其操作方便，靈活度高，甚至可達到多人共用，使用成本大幅降低，並且讓屈光不正的使用者和正常視力的一般使用者都能夠享受到完整的擴增實境的體驗效果。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10:擴增實境光學系統 20:主鏡架 30:子鏡架 40:人眼 110:擴增實境顯示模組 111:顯示屏 112:第一部分穿透部分反射元件 113:第二部分穿透部分反射元件 114:鍍膜 115:鍍膜 116:透鏡 120:屈光調節模組 121:屈光調節鏡片 130:影像光束 140:環境光束

第1圖為本發明第一實施例之頭戴式顯示器之剖面圖。 第2圖為本發明第一實施例之擴增實境光學系統之分解圖。 第3圖為本發明第二實施例之頭戴式顯示器之剖面圖。 第4圖為本發明第二實施例之擴增實境光學系統之分解圖。 第5圖為本發明第三實施例之擴增實境光學系統之分解圖。 第6圖為本發明第四實施例之擴增實境光學系統之分解圖。

40:人眼

111:顯示屏

112:第一部分穿透部分反射元件

113:第二部分穿透部分反射元件

114:鍍膜

115:鍍膜

121:屈光調節鏡片

130:影像光束

140:環境光束

Claims (11)

1. 一種擴增實境光學系統，應用於一頭戴式顯示器，該頭戴式顯示器具有一主鏡架與一子鏡架，該子鏡架可拆卸地裝設於該主鏡架的內側或外側，該擴增實境光學系統包括：一擴增實境顯示模組，安裝於該主鏡架內，並包括：一顯示屏，用以發出一影像光束；一第一部分穿透部分反射元件，設置於該顯示屏下方，接收來自該顯示屏之該影像光束，並使該影像光束部分穿透、部分反射；及一第二部分穿透部分反射元件，鄰近該第一部分穿透部分反射元件，使該第一部分穿透部分反射元件所反射之該影像光束經由該第二部分穿透部分反射元件接收，再由該第二部分穿透部分反射元件反射回該第一部分穿透部分反射元件並穿透該第一部分穿透部分反射元件，再射入一人眼中；及一屈光調節模組，安裝於該子鏡架內，該屈光調節模組包含至少一屈光調節鏡片，該至少一屈光調節鏡片對應該第一部分穿透部分反射元件或該第二部分穿透部分反射元件設置；其中，該第一部分穿透部分反射元件具有一傾斜角度，以使該影像光束的光路轉折。
2. 如請求項1所述之擴增實境光學系統，其中該子鏡架裝設於該主鏡架的內側，該屈光調節鏡片位於該第一部分穿透部分反射元件和該人眼之間。
3. 如請求項2所述之擴增實境光學系統，其中該顯示屏固定在該影 像光束的最短光程位置處。
4. 如請求項1所述之擴增實境光學系統，其中該子鏡架裝設於該主鏡架的外側，該屈光調節鏡片位於該第二部分穿透部分反射元件遠離該人眼的一側。
5. 如請求項1所述之擴增實境光學系統，其中該顯示屏可作上下位移來調整該顯示屏相對於該第一部分穿透部分反射元件的距離，以調節焦距。
6. 如請求項1所述之擴增實境光學系統，其中該第一部分穿透部分反射元件和該第二部分穿透部分反射元件為平面或曲面，且其表面係鍍膜或貼覆膜片。
7. 如請求項1所述之擴增實境光學系統，其中該屈光調節鏡片滿足f<-0.1公尺或f>0.1公尺的條件，f為該屈光調節鏡片之焦距。
8. 如請求項1所述之擴增實境光學系統，其中該屈光調節鏡片為近視鏡片、遠視鏡片、散光鏡片或老花鏡片。
9. 如請求項1所述之擴增實境光學系統，其中該顯示屏和該第一部分穿透部分反射元件之間更設有一透鏡，以將該影像光束導入該第一部分穿透部分反射元件。
10. 一種頭戴式顯示器，包括如請求項1~9任一項所述之擴增實境光學系統以及該主鏡架和該子鏡架，該子鏡架為可拆卸地裝設於該主鏡架的內側或外側。
11. 如請求項10所述之頭戴式顯示器，其中該子鏡架通過磁性吸附或夾持於該主鏡架。