TWM527966U

TWM527966U - 外掛式資訊顯示影像之光學系統

Info

Publication number: TWM527966U
Application number: TW105204484U
Authority: TW
Inventors: Shih-Po Yeh; Wei-Lung Lai; Chi-Wei Chen; Hsin-I Chen
Original assignee: Min Aik Technology Co Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2016-09-01

Description

外掛式資訊顯示影像之光學系統

本創作係關於一種外掛式資訊顯示影像之光學系統，特別關於一種頭戴式的非對稱曲面稜鏡影像顯示光學系統，該裝置係利用光學系統將圖像投射入眼瞳，而使眼睛能讀取該影像資訊並同時看清外界景物。

習知較為先進的外掛式資訊顯示影像之光學系統，係為一種掛置在頭上，並利用光學裝置將影像投射入眼瞳，以利眼睛自然前視能看到投射的影像資訊，此裝置多半設計掛在眼前或戴在頭上以利於觀看，而現有此類裝置主要分為浸入式和非浸入式兩種，而非浸入式頭戴顯示器為目前之主流，除了可以用於顯示畫面，還可以讓用戶看到顯示屏之後的外界影像；這種特性往往被用於擴增實境，目前市面上的擴增實境的設計，主要是在光學系統中應用了較多的自由曲面的設計，這種多個自由曲面的技術就成為此項產品的主要技術手段之一，雖然此種設計在技術上已逐漸成熟，但是在使用及製造上仍有下列的主要缺點。

首先，習用頭戴式影像光學系統，由於取像設計未臻完善，因此在以頭架將該光學系統置於眼睛前方時，該光學系統一般距離眼睛皆在10-15mm以內，除了造成視覺上的壓迫感之外，對於本身已配有眼鏡之使用者，除非配隱形眼鏡之外，可能無法使用或者使用上將十分不舒適，是習用光學系統主要之缺點。

其次，習用此一類型的光學系統在設計上，對於眼睛視野中所觀察到的圖像視角而言，一般是有一定的限度，例如較知名的GOOGLE GLASS其視角為15度，EPSON的產品最高到23度，這使得觀看前方的影像變得過小，使用者觀看不舒服，是習用光學系統的另外一個缺點。

本創作之主要目的，在以最精簡的二片稜鏡下，經過特別設計的自由曲面弧度，使得本案之光學系統得以和使用者的眼鏡保持適當的距離，不但沒有壓迫感，對於一般外掛眼鏡的使用者亦能輕鬆使用，並且該影像的成像有更大的視角，在觀看影像或指標上更為清楚而舒適。

為達到上述目的，本案可以下列的方式來達成：設一第一稜鏡，至少具有一入光曲面、第一作用面、第二作用面之三個自由曲面；該入光曲面、第一作用面、第二作用面三者所形成的光學焦距為5~20mm之間；再設一透光膜，係設於第一稜鏡之第二作用面上，具有穿透及反射的功能，可決定光線穿透及反射的比例；另設第二稜鏡，係為光線之補償片，具有兩相對的第一作用面及第二作用面，其中第一作用面係與第一稜鏡之第二作用面相對合，而第二作用面則係補償外界影像經過第二稜鏡進入第一稜鏡並從第一稜鏡的第一作用面射出人眼的光線予以導成較平行的平行光以減小變形量；再將一顯像面板，係設於第一稜鏡之入光曲面處，能將影像射入第一稜鏡，經第一作用面全反射之後，再經第二作用面反射至第一作用面後，再穿透第一作用面射入眼瞳在視網膜成像，並且人的眼瞳透過第一稜鏡及第二稜鏡看見外界影像時，亦可保持清晰。

據此得到一視角大，而且可輕鬆設在與眼睛較長距離配置的入瞳顯示影像之光學系統。

本創作之另一目的，在將上述第一稜鏡後方透光膜的透光率設計在30%-70%之間，則可以依需要設成不同亮度的光學系統。

本創作之又一目的，在將上述第一稜鏡的非入光曲面、第一作用面、第二作用面之其他位置，係予以切設成平面或磨成霧面，以避免外界光線的干擾。

本創作之再一目的，在將第一稜鏡及第二稜鏡係相互粘合，並在第一稜鏡上端設有提供頭架調整配掛的固定耳；或將第一稜鏡、第二稜鏡及顯像面板係全部或局部以框架予以固定組合，以便於提供頭架的調整配掛角度更為方便。

〔本創作〕

10‧‧‧第一稜鏡

11‧‧‧入光曲面

12‧‧‧第一作用面

13‧‧‧第二作用面

14‧‧‧固定耳

20‧‧‧透光膜

30‧‧‧第二稜鏡

31‧‧‧第一作用面

32‧‧‧第二作用面

40‧‧‧顯像面板

50‧‧‧眼瞳

L1‧‧‧光線

L2‧‧‧光線

L3‧‧‧光線

L4‧‧‧光線

L5‧‧‧光線

L6‧‧‧光線

第1圖係本創作之立體結構外觀圖。

第2圖係本創作之立體結構分解圖。

第3圖係本創作之立體結構剖視圖。

第4圖係本創作之剖視結構分解示意圖。

第5圖係本創作之光線作用說明示意圖1。

第6圖係本創作之光線作用說明示意圖2。

第7圖係本創作之俯視實施例圖。

請參看第1、2、3、4圖所示，本創作至少包含有：第一稜鏡10，至少具有入光曲面11、第一作用面12、第二作用面13之三個自由曲面；該入光曲面11係向外凸出，並設在第一稜鏡10之一端(上端或下端)；而第一作用面12係在入光曲面11斜對面，也是在第一稜鏡10之靠近眼睛側；第二作用面13係設於入光曲面11及第一作用面12的斜對面，為一向外凸出，且在第一稜鏡10之靠近視野外側；其特徵在：該入光曲面11、第一作用面12、第二作用面13三者所形成的光學焦距在5~20mm之間；而在第一稜鏡10的非入光曲面11、第一作用面12、第二作用面13之其他位置，則依需要予以切設成平面或磨成霧面，以避免外界光線的干擾。

一透光膜20，係設於第一稜鏡10之第二作用面13後方，具有穿透/反射的功能，可決定光線穿透及反射的比例，較佳的實施例中，該穿透及反射的比例為50：50或40：60或30：70，即反射率在30-70之間，可依第一稜鏡10的材質或顯像面板40的強度而設計調整；該透光膜20的較佳實施例係鍍設在第一稜鏡10之第二作用面13上。

第二稜鏡30，係為光線之補償片，具有兩相對的第一作用面31及第二作用面32，其中第一作用面31係與第一稜鏡10之第二作用面13相對合，而第二作用面32則補償外界影像(如第5、6圖的右側進入)導成較平行的平行光以減小變形量；上述之透光膜20的另一種實施位置即設在第二稜鏡30之第一作用面31上。

一顯像面板40，係設於第一稜鏡10之入光曲面11處；該顯像面板40可為自發光面板或反射光源之面板，能將影像射入第一稜鏡10內。請參看第3、4、5、7圖所示，顯像面板40若以自發光面板為實施例時，在該顯像面板40上的影像光線L1穿過第一稜鏡10之入光曲面11，將光線L2導向第一作用面12，此時由於係為大角度射入，故光線L2是全反射，反射的光線L3射向第二作用面13；在第二作用面13處在透光膜20的作用，部份的光線L5穿透第二作用面，其他光線L4則被反射至第一稜鏡10之第一作用面12，此時由於角度較小沒有滿足全反射角的條件，所以穿出了該第一作用面12，再射入眼瞳50在視網膜成像；請參看第6圖所示，人的眼瞳50透過本創作第一稜鏡10及第二稜鏡30看見外界影像時，光線L6被第二稜鏡30導正或校正為平行光，這使得眼睛看外界影像就像透過一個玻璃窗片看外面，不會影響人眼看外部影像，可以得到更清晰的影像。

請參看第1、2圖所示，本創作在實際上運用時，該第一稜鏡10及第二稜鏡30係相互粘合，搭配顯像面板40而形成一光學系統，為使本創作亦於架設在頭架(圖中未示)，該第一稜鏡10可在上端設有固定耳14，該固定耳14可以一體成型，提供頭架的調整配掛的角度。同時，該第一稜鏡10及第二稜鏡30在非光線經過的入光曲面11、第一作用面12,31及第二作用面13,32等實際作用面上之外的面予以磨成霧面，以減少設計外的光線進入光學系統至眼睛影響對比度；然而該第一稜鏡10、第二稜鏡30及顯像面板40亦可以全部或局部以框架予以固定組合，則係習知的運用，不再贅述。

本創作除了具有新穎進步性及實用性，因設計優良，故在使用上特具有如下諸項優點：

1.由於本創作設計上，將第一稜鏡分別設有：入光曲面、第一作用面、第二作用面等三個自由曲面；其特徵將上述三個自由曲面予以特殊設計，具有特定的焦段，在實際測試時能得到34度的視角，較目前類似結構的主流產品的15-23度的視角更大幅提昇，因此能使眼睛看出的投影數據畫面較大並且更為清楚，為本創作之主要優點。

2.由於本創作的特殊設計，使得光學系統得以和使用者的眼睛保持25mm以上的距離仍十分清楚，不但沒有壓迫感，對於一般原本戴眼鏡的使用者亦能輕鬆使用本創作，更能符合使用的方便性，是本創作之另一優點。

唯，以上所述之結構，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用以限定本創作實施之範圍；故當熟習此技藝所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本創作之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，例如使用材質及尺寸大小的變更，或者外加其他的搭配支架或頭罩，但是光學系統仍係本創作特徵，則皆應涵蓋於本創作之特徵內。