TW202403392A - 用於近眼光場擴增實境顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種用於近眼光場擴增實境（augmented reality, AR）顯示裝置，係包括一光場產生器，用以生成一光場作為輸出；以及一鳥盆式目鏡，連接該光場產生器，接收來自該光場產生器之該光場並將其投射至眼睛，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之光線分成兩束，其中一束再由該合成器反射。藉此，本發明所提三種用於近眼光場擴增實境的鳥盆式目鏡均可向眼睛傳遞光場，並提供低光圈數（或稱焦比）與高動眼框，可有效擴增視野並提高眼睛能夠接收光場的範圍。

Description

用於近眼光場擴增實境顯示裝置

本發明係有關於一種用於近眼光場擴增實境（augmented reality, AR）顯示裝置，尤指涉及一種用於可穿戴擴增實境眼鏡的目鏡，特別係指三種用於近眼光場擴增實境的鳥盆式目鏡。

隨著科技的發展，有愈來愈多虛擬實境（Virtual Reality, VR）與 擴增實境相關的研究與產品問世，這兩種科技得以結合現實世界與虛擬物件。目前市場上的AR/VR頭戴式近眼顯示器雖擁有不錯的立體效果，但因視覺輻輳調節衝突（Vergence Accommodation Conflict, VAC），若使用時間拉長，容易造成暈眩、噁心及噁吐感等不適症狀。這是因為眼球裡的水晶體在觀看物體時，會根據物體遠近而調整焦距。而雙眼判斷距離遠近的方法，是根據兩個眼球光軸之間的角度。然而，這些顯示器的成像平面鎖定在固定位置，與其所要顯示的3D物體位置不一致，因此會有VAC的問題，造成眼睛與身體的不適，甚至暈眩，尤其是在觀看近距離虛擬物體的時候最為嚴重。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 提供一種用於近眼光場擴增實境顯示裝置，於其中所提三種用於近眼光場擴增實境的鳥盆式目鏡均可向眼睛傳遞光場，並提供低光圈數（或稱焦比）與高動 眼框，可有效擴增視野並提高眼睛能夠接收光場的範圍。

為達以上之目的，本發明係一種用於近眼光場擴增實境顯示裝 置，係包括：一光場產生器，用以生成一光場作為輸出；以及一鳥盆式目鏡，連接該光場產生器，接收來自該光場產生器之該光場並將其投射至眼睛，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之光線分成兩束，其中一束再由該合成器反射。

於本發明上述實施例中，該光場產生器所欲生成之該光場係由 一或數個子視圖表示，每一子視圖對應一子光場，每一子視圖代表一組具有相同角座標的光線集合。其實現方式包含但不限於顯示面板與鏡片陣列的組合、微透鏡陣列、雷射掃描器（laser beam scanner）、以及點光源或點光源陣列與空間光調變器（spatial light modulator）的組合。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡係能維持所接收該光場 的光場結構，並使所投射之該光場能夠被該眼睛接收與感知。其中該維持光場結構的定義為，來自該光場中具有相同空間座標但不同角度座標之該些光線在經過該鳥盆式目鏡及該眼睛瞳孔而抵達視網膜時，能夠維持彼此間之角度關係。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡中該分光鏡與該合成器 組合位置與該光場產生器的結合具有三種不同類型，分別為第一鳥盆式目鏡類型、第二鳥盆式目鏡類型、及第三鳥盆式目鏡類型。

於本發明上述實施例中，該第一鳥盆式目鏡類型之該光場產生 器係放置在該鳥盆式目鏡上方，該合成器放置在該眼睛前方，該光場產生器投射之該光場由該鳥盆式目鏡從上方接收，並使上方投射的該光場在進入該眼睛之前先通過該分光鏡分光後，再經由該合成器反射後投射至該眼睛。

於本發明上述實施例中，該第二鳥盆式目鏡類型之該光場產生 器係放置在該鳥盆式目鏡上方，該合成器放置在該眼睛下方，該光場產生器投射之該光場由該鳥盆式目鏡從上方接收，並使上方投射的該光場在進入該眼睛之前先通過該分光鏡分光後，再經由該合成器反射後投射至該眼睛。

於本發明上述實施例中，該第三鳥盆式目鏡類型之該光場產生 器係放置在該鳥盆式目鏡側邊，並在該光場產生器與該鳥盆式目鏡之光路中設有一中繼透鏡（relay lens），該合成器放置在該眼睛前方，該光場產生器投射之該光場穿過該中繼透鏡以延長光路並增加視野（Field of view, FOV）後，由該鳥盆式目鏡從側面接收該光場，通過該分光鏡分光，並經由該合成器反射後投射至該眼睛。

於本發明上述實施例中，該分光鏡與該中繼透鏡之間具有避免 遮擋視線的一延長距離，而該延長距離係介於25 mm－40 mm範圍之間。

於本發明上述實施例中，該中繼透鏡係可進一步整合在該鳥盆 式目鏡中。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡中該合成器之反射表面 焦距大於或等於該中繼透鏡延長後之該光場的出光面與該鳥盆式目鏡中該合成器之反射表面的距離（以光程計算）。其中，該光場的出光面定義為該光場產生器所投射之光場實像成像面。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡之光瞳直徑大於或等於 該中繼透鏡延長後之該光場的出光面，以完整接收來自該中繼透鏡延長後之該光場。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡以該合成器之反射表面 參數對來自該中繼透鏡延長後之該光場中含有相同空間座標但不同角度座標的光線角度關係進行優化，使來自該中繼透鏡延長後之該光場中具有相同空間座標但不同角度座標之該些光線在經過該鳥盆式目鏡及該眼睛瞳孔而抵達視網膜時，能夠維持彼此間之角度關係。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡的該合成器的反射表面 焦距大於或等於該光場產生器所投射之該光場的出光面與該鳥盆式目鏡中該合成器之反射表面的距離（以光程計算）。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡之光瞳直徑大於或等於 該光場產生器所投射之該光場的出光面，以完整接收來自該光場產生器所產生之該光場。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡以該合成器之反射表面 \參數對來自該光場產生器所產生之該光場中含有相同空間座標但不同角度座標的光線角度關係進行優化，使來自該光場產生器所產生之該光場中具有相同空間座標但不同角度座標之該些光線在經過該鳥盆式目鏡及該眼睛瞳孔而抵達視網膜時，能夠維持彼此間之角度關係。

於本發明上述實施例中，該鳥盆式目鏡中之該合成器反射該光 場中由任一空間座標所發出之光束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，該鳥盆式目鏡係具備至少2屈光度 （diopter）的景深（Depth of Field, DOF）。

於本發明上述實施例中，該分光鏡為一平面鏡。

於本發明上述實施例中，該合成器為一曲面鏡。

請參閱『第１圖～第１２圖』所示，係分別為本發明用於近眼 光場擴增實境（augmented reality, AR）顯示裝置之結構示意圖、本發明第一鳥盆式目鏡類型之組合架構示意圖、本發明第二鳥盆式目鏡類型之組合架構示意圖、本發明第三鳥盆式目鏡類型之組合架構示意圖、本發明第一鳥盆式目鏡類型之示意性側剖視圖、本發明第一鳥盆式目鏡類型之示意性立體視圖、本發明第一鳥盆式目鏡類型用於可穿戴擴增實境眼鏡上之實施態樣示意圖、本發明第二鳥盆式目鏡類型之示意性側剖視圖、本發明第二鳥盆式目鏡類型之示意性立體視圖、本發明第二鳥盆式目鏡類型用於可穿戴擴增實境眼鏡上之實施態樣示意圖、本發明第三鳥盆式目鏡類型用於可穿戴擴增實境眼鏡上之實施態樣示意圖、及本發明改變光場產生器之光圈數以提升整體裝置之動眼框示意圖。如圖所示：本發明係一種用於近眼光場擴增實境顯示裝置，係包括一光場產生器１、以及一鳥盆式目鏡２所構成。

上述所提之光場產生器１用以生成一光場作為輸出。

該鳥盆式目鏡２連接該光場產生器１，接收來自該光場產生器 １之該光場並將其投射至眼睛３。該鳥盆式目鏡２為一具有曲面反射及穿透之目鏡組，由一平面鏡的分光鏡（beam splitter）２１與一曲面鏡的合成器（combiner）２２組成，以該分光鏡２１將該光場之光線分成兩束，其中一束再由該合成器２２反射。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之用於近眼光場擴增實境顯示裝置。

上述光場產生器１係以光線之掃描區域顯示數個子光場，使通 用該些子光場相同位置的光線匯聚於一共交點，所有共交點集合成一融合面（fusion plane）１０，以此方式產生該光場。

於本發明之一較佳具體實施例中，該光場產生器１包括：一顯 示光源，該顯示光源用於顯示數個子光場，每一子光場將顯示各場角光場資訊；一陣列式投顯鏡組，係將顯示光源上發出之數個子光場的光線，經由該陣列式投顯鏡組，匯聚在共同光欄的位置後面；以及一融合鏡組，係將經過該陣列式投顯鏡組的光顯示在一融合面１０上，形成一個立體的光場實像。於其中，該顯示光源亦可為一雷射束掃描器，該雷射束掃描器之掃描區域範圍被切分為數個子光場，每一子光場將顯示各場角光場資訊。

上述鳥盆式目鏡２中該分光鏡２１與該合成器２２組合位置與 該光場產生器１的結合具有三種不同類型，分別為第一鳥盆式目鏡類型Ａ，如第２圖所示、第二鳥盆式目鏡類型Ｂ，如第３圖所示、以及第三鳥盆式目鏡類型Ｃ，如第４圖所示。

於本發明之一較佳具體實施例中，該第一鳥盆式目鏡類型Ａ之 該光場產生器１係放置在該鳥盆式目鏡２上方，該合成器２２放置在該眼睛３前方，該光場產生器１投射之該光場由該鳥盆式目鏡２從上方接收，並使上方投射的該光場在進入該眼睛３之前先通過該分光鏡２１分光後，再經由該合成器２２反射後的投射至該眼睛３，如第５～７圖所示，其中第７圖為本發明用於可穿戴擴增實境眼鏡４上之實施態樣。

於本發明之一較佳具體實施例中，該第二鳥盆式目鏡類型Ｂ之 該光場產生器１係放置在該鳥盆式目鏡２上方，該合成器２２放置在該眼睛３下方，該光場產生器１投射之該光場由該鳥盆式目鏡２從上方接收，並使上方投射的該光場在進入該眼睛３之前先通過該分光鏡２１分光後，再經由該合成器２２反射後的投射至該眼睛３，如第８～１０圖所示，其中第１０圖為本發明用於可穿戴擴增實境眼鏡４上之實施態樣。

於本發明之一較佳具體實施例中，該第三鳥盆式目鏡類型Ｃ之 該光場產生器１係放置在該鳥盆式目鏡２側邊，並在該光場產生器１與該鳥盆式目鏡２之光路中設有一中繼透鏡（relay lens）２３，該合成器２２放置在該眼睛３前方，該光場產生器１投射之該光場穿過該中繼透鏡２３以延長光路並增加視野（Field of view, FOV）後，由該鳥盆式目鏡２從側面接收該光場，通過該分光鏡２１分光，並經由該合成器２２反射後投射至該眼睛３，如第１１圖所示，該光場產生器１沿著眼鏡框放置在眼鏡４的每一側，且該中繼透鏡２３可進一步整合在該鳥盆式目鏡２中。此種設計結構需要更長的光路將該光場從該光場產生器１投射到眼睛３，並且必須延長該分光鏡２１與該中繼透鏡２３之間的距離，以避免遮擋視線，因此該分光鏡２１與該中繼透鏡２３之間具有一介於25 mm－40 mm範圍之間的延長距離。

本發明所提鳥盆式目鏡２之功能及達成該功能之方法如下： 1. 該鳥盆式目鏡２中該合成器２２之反射表面參數對來自該第一、二鳥盆式目 鏡類型Ａ、Ｂ中該光場產生器１所投射之該光場或該第三鳥盆式目鏡類型Ｃ中 該中繼透鏡２３延長後之該光場中，含有相同空間座標但不同角度座標的光線 角度關係進行優化，使該鳥盆式目鏡２能夠維持該光場中具有相同空間座標但 不同角度座標的光線間的角度關係，亦即來自該光場產生器１或該中繼透鏡 ２３所產生之該光場中，具有相同空間座標但不同角度座標之該些光線在經過 該鳥盆式目鏡２及該眼睛３瞳孔而抵達視網膜時，能夠維持彼此間之角度關係。 2. 該鳥盆式目鏡２中之該合成器２２反射該光場中由任一空間座標所發出之光束後會形成一比眼睛３瞳孔大小更細小之光束，使該鳥盆式目鏡２具備至少2屈光度（diopter）的景深（Depth of Field, DOF）。 3. 該鳥盆式目鏡２之光瞳直徑大於或等於該第一、二鳥盆式目鏡類型Ａ、Ｂ中該光場產生器１所投射之該光場或該第三鳥盆式目鏡類型Ｃ中該中繼透鏡２３延長後之該光場的出光面，使該鳥盆式目鏡２能完整接收來自該光場產生器１或該中繼透鏡２３所產生之該光場 4. 該鳥盆式目鏡２的該合成器２２的反射表面焦距大於或等於該第一、二鳥盆式目鏡類型Ａ、Ｂ中該光場產生器１所投射之該光場或該第三鳥盆式目鏡類型Ｃ中該中繼透鏡２３延長後之該光場的出光面與該鳥盆式目鏡２中該合成器２２之反射表面的距離（以光程計算），使該鳥盆式目鏡既能維持所接收該光場的光場結構，並可使所投射之該光場能夠被該眼睛３接收與感知。其中，光場的出光面定義為光場產生器１所投射之光場實像成像面。

第１２圖(a)為具有較大光圈數（或稱焦比）的光場產生器１， 其動眼框（eyebox）為5.7 mm，第１２圖(b)為具有較小光圈數的光場產生器１，其動眼框為10.6 mm。由結果顯示可知，透過改變光場產生器１的光圈數去提升 整個近眼光場擴增實境顯示裝置的動眼框。因此，本發明所提三種用於近眼光 場擴增實境的鳥盆式目鏡２均可向眼睛傳遞光場，並提供低光圈數與高動眼框。

綜上所述，本發明係一種用於近眼光場擴增實境顯示裝置，可 有效改善習用之種種缺點，所提三種用於近眼光場擴增實境的鳥盆式目鏡均可向眼睛傳遞光場，並提供低光圈數（或稱焦比）與高動眼框，可有效擴增視野並提高眼睛能夠接收光場的範圍，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。

1:光場產生器 10:融合面 2:鳥盆式目鏡 21:分光鏡 22:曲面鏡的合成器 23:中繼透鏡 3:眼睛 4:眼鏡 Ａ:第一鳥盆式目鏡類型 Ｂ:第二鳥盆式目鏡類型 Ｃ:第三鳥盆式目鏡類型

第１圖，係本發明用於近眼光場擴增實境顯示裝置之結構示意圖。 第２圖，係本發明第一鳥盆式目鏡類型之組合架構示意圖。 第３圖，係本發明第二鳥盆式目鏡類型之組合架構示意圖。 第４圖，係本發明第三鳥盆式目鏡類型之組合架構示意圖。 第５圖，係本發明第一鳥盆式目鏡類型之示意性側剖視圖。 第６圖，係本發明第一鳥盆式目鏡類型之示意性立體視圖。 第７圖，係本發明第一鳥盆式目鏡類型用於可穿戴擴增實境眼鏡上之實施態樣示意圖。 第８圖，係本發明第二鳥盆式目鏡類型之示意性側剖視圖。 第９圖，係本發明第二鳥盆式目鏡類型之示意性立體視圖。 第１０圖，係本發明第二鳥盆式目鏡類型用於可穿戴擴增實境眼鏡上之實施態樣示意圖。 第１１圖，係本發明第三鳥盆式目鏡類型用於可穿戴擴增實境眼鏡上之實施態樣示意圖。 第１２圖，係本發明改變光場產生器之光圈數以提升整體裝置之動眼框示意圖。

1:光場產生器

2:鳥盆式目鏡

21:分光鏡

22:曲面鏡的合成器

3:眼睛

Claims (18)

1. 一種用於近眼光場擴增實境（augmented reality, AR）顯示裝置，係包括： 一光場產生器，用以生成一光場作為輸出；以及 一鳥盆式目鏡，連接該光場產生器，接收來自該光場產生器之該光場並將其投射至眼睛，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之光線分成兩束，其中一束再由該合成器反射。
2. 依申請專利範圍第１項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡係能維持所接收該光場的光場結構，並使所投射之該光場能夠被該眼睛接收與感知；於其中維持該光場結構之定義為，來自該光場中具有相同空間座標但不同角度座標之該些光線在經過該鳥盆式目鏡及該眼睛瞳孔而抵達視網膜時，能夠維持彼此間之角度關係。
3. 依申請專利範圍第１項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡中該分光鏡與該合成器組合位置與該光場產生器的結合具有三種不同類型，分別為第一鳥盆式目鏡類型、第二鳥盆式目鏡類型、及第三鳥盆式目鏡類型。
4. 依申請專利範圍第３項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該第一鳥盆式目鏡類型之該光場產生器係放置在該鳥盆式目鏡上方，該合成器放置在該眼睛前方，該光場產生器投射之該光場由該鳥盆式目鏡從上方接收，並使上方投射的該光場在進入該眼睛之前先通過該分光鏡分光後，再經由該合成器反射後投射至該眼睛。
5. 依申請專利範圍第３項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝 置，其中，該第二鳥盆式目鏡類型之該光場產生器係放置在該鳥盆式目鏡上方，該合成器放置在該眼睛下方，該光場產生器投射之該光場由該鳥盆式目鏡從上方接收，並使上方投射的該光場在進入該眼睛之前先通過該分光鏡分光後，再經由該合成器反射後投射至該眼睛。
6. 依申請專利範圍第３項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該第三鳥盆式目鏡類型之該光場產生器係放置在該鳥盆式目鏡側邊，並在該光場產生器與該鳥盆式目鏡之光路中設有一中繼透鏡（relay lens），該合成器放置在該眼睛前方，該光場產生器投射之該光場穿過該中繼透鏡以延長光路並增加視野（Field of view, FOV）後，由該鳥盆式目鏡從側面接收該光場，通過該分光鏡分光，並經由該合成器反射後投射至該眼睛。
7. 依申請專利範圍第６項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該分光鏡與該中繼透鏡之間具有避免遮擋視線的一延長距離，而該延長距離係介於25 mm－40 mm範圍之間。
8. 依申請專利範圍第６項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該中繼透鏡係可進一步整合在該鳥盆式目鏡中。
9. 依申請專利範圍第６項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡中該合成器之反射表面焦距大於或等於該中繼透鏡延長後之該光場的出光面與該鳥盆式目鏡中該合成器之反射表面的距離（以光程計算）；於其中，該光場的出光面定義為該光場產生器所投射之光場實像成像面。
10. 依申請專利範圍第６項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡之光瞳直徑大於或等於該中繼透鏡延長後之該光場的出光面，以完整接收來自該中繼透鏡延長後之該光場。
11. 依申請專利範圍第６項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝 置，其中，該鳥盆式目鏡以該合成器之反射表面參數對來自該中繼透鏡延長後之該光場中含有相同空間座標但不同角度座標的光線角度關係進行優化，使來自該中繼透鏡延長後之該光場中具有相同空間座標但不同角度座標之該些光線在經過該鳥盆式目鏡及該眼睛瞳孔而抵達視網膜時，能夠維持彼此間之角度關係。
12. 依申請專利範圍第４或５項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡的該合成器的反射表面焦距大於或等於該光場產生器所投射之該光場的出光面與該鳥盆式目鏡中該合成器之反射表面的距離（以光程計算）。
13. 依申請專利範圍第４或５項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡之光瞳直徑大於或等於該光場產生器所投射之該光場的出光面，以完整接收來自該光場產生器所產生之該光場。
14. 依申請專利範圍第４或５項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡以該合成器之反射表面參數對來自該光場產生器所產生之該光場中含有相同空間座標但不同角度座標的光線角度關係進行優化，使來自該光場產生器所產生之該光場中具有相同空間座標但不同角度座標之該些光線在經過該鳥盆式目鏡及該眼睛瞳孔而抵達視網膜時，能夠維持彼此間之角度關係。
15. 依申請專利範圍第１項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡中之該合成器反射該光場中由任一空間座標所發出之光束後會形成一比眼睛瞳孔大小更細小之光束。
16. 依申請專利範圍第１或１５項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該鳥盆式目鏡係具備至少2屈光度（diopter）的景深（Depth of Field, DOF）。
17. 依申請專利範圍第１項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該分光鏡為一平面鏡。
18. 依申請專利範圍第１項所述之用於近眼光場擴增實境顯示裝置，其中，該合成器為一曲面鏡。

Images