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TWI599797B - 透視型近眼顯示光學系統 - Google Patents

透視型近眼顯示光學系統 Download PDF

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TWI599797B
TWI599797B TW104130129A TW104130129A TWI599797B TW I599797 B TWI599797 B TW I599797B TW 104130129 A TW104130129 A TW 104130129A TW 104130129 A TW104130129 A TW 104130129A TW I599797 B TWI599797 B TW I599797B
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振潮 黃
寶榮 鄭
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晶典有限公司
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Description

透視型近眼顯示光學系統
本發明係關於一種透視型近眼顯示光學系統，特別是一種垂直式且應用半透半反玻璃片提供影像之透視型近眼顯示光學系統，並可用於頭戴式擴增實境顯示系統。
透視型顯示光學系統(See-through display)係一讓使用者得以同時觀看外在影像以及投射影像之裝置，達到實像與虛像疊加而不遮蔽視野之效果。習知之透視型顯示光學系統有使用LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)或OLED(Organic Light-Emitting Diode，有機發光二極體)作為顯示器元件，惟前者色彩飽和度及畫質皆不佳，而後者在壽命及成本上仍有無法克服之困難，且製程複雜以致無法有效量產。另有其他習知近眼顯示光學系統為提升影像品質，以致光學系統之設計過於複雜，並導致相應增加額外重量及體積。再者，習知透視型顯示光學系統未能與其他聲光效果元件相 互搭配發揮加成作用，以致使用者無法同步結合聲音影像，即時接收並融合視覺與聽覺感官認知，並立即輸出使用者當下所需視聽整合資訊，以致錯失許多廣泛應用於日常生活方式以改善起居或提昇娛樂品質之機會。除此之外，習知透視型顯示光學系統未深入體察使用者實際使用狀況，導致使用過程中因習知設計不符人體工學而相應而生諸多生理不適及使用不便之處，且忽略現今有效能源管理節能減碳之綠色趨勢世界潮流，徒增無益能源耗損加重消費者費用上負擔。故有必要提供另一透視型近眼顯示光學系統，有效提升使用者之視覺效果和使用意願。
為達成上述目的，本發明提供一種透視型近眼顯示光學系統，係以一個或複數個發光二極體照明系統產生光源，由一個或複數個前偏光片集中光源至一偏極化分光鏡(Polarization Beam Splitter，PBS)，而一矽基液晶面板(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)接收該光源後，投射一圖像穿透一後偏光片及一光學目鏡，再經由一半透半反玻璃片(Beam Splitter)輸出至使用者眼前，同時該半透半反玻璃片也把外界視野傳送至使用者眼前，達到透視的效果。
其中矽基液晶面板作為顯示器元件部份可為色序式或者是色濾式之矽基液晶，具有體積小、解析度高、對 比度高、反應時間快、成本低以及製造較簡單等之優點。此外本發明並應用半透半反玻璃片於此透視型近眼顯示光學系統，其可為塑膠材料以減輕其重量，有效降低使用者使用上負擔，並改善習知技術易於碎裂的特性，增加其耐用程度，以及節省製造上成本。該半透半反玻璃片亦可與該光學目鏡形成45°角度得到較佳顯示圖像，使用者也可以調校該角度位置，從而獲得更佳之影像視野，於配合所擷取之外在圖像後，提供使用者高畫質(High Definition,HD)之透視式顯示效果。另外本發明亦因設有前偏光片、偏極化分光鏡及後偏光片，有效濾除干擾之光線，從而在配合矽基液晶面板之使用下，得以較簡單的光學系統得到較佳的成像品質。而該發光二極體照明系統可為複數之紅色、綠色和藍色發光二極體，或是一個白色發光二極體。又本發明可為垂直式之光學系統設計，有效減少使用者視野遮蔽之範圍，達到可觀看大面積影像之目的。
本發明另一目的在於提供一種透視型近眼顯示光學系統，與一互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)圖像感應器(簡稱「圖像感應器」)及驅動系統板相互搭配共同使用以提供輸出至使用者眼前之圖像，以作為一透視型頭戴式擴增實境顯示系統。其間運作方式係先由二圖像感應器擷取外在圖像，將之傳輸至一驅動系統板，驅動系統板再將之進一步處理後產生 另一圖像，之後將該新生成之圖像輸出至本發明之二透視型近眼顯示光學系統(簡稱「光學系統」)。其中該圖像感應器、該驅動系統板及該光學系統之數量並不以上述之數目為限。
本發明之透視型近眼顯示光學系統可更進一步與聲音接收器、耳機及框架相互搭配共同使用，讓使用者除得觀看輸出圖像之外，也得以同時或先後聆聽輸出之聲音。其間運作方式係於該光學系統顯示圖像之同時或前後，由二聲音接收器記錄外在聲音，之後將之傳輸至一驅動系統板後輸出至二耳機，另有一框架可安裝在使用者頭部，用於搭載上述之該光學系統、該圖像感應器、該耳機和該聲音接收器。其中該聲音接收器、該耳機及該框架之數量並不以上述之數目為限。
在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，此技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。
以上之概述與接下來之詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明之申請專利範圍。而有關本發明之其他目的與優點，將在後續之說明與圖示加以闡述。
100‧‧‧透視型近眼顯示光學系統
110‧‧‧矽基液晶面板
120‧‧‧偏極化分光鏡
130‧‧‧後偏光片
140‧‧‧光學目鏡
150‧‧‧前偏光片
160‧‧‧發光二極體照明系統
170‧‧‧半透半反玻璃片
200‧‧‧色序式透視型近眼顯示光學系統
211‧‧‧藍色發光二極體照明系統
212‧‧‧綠色發光二極體照明系統
213‧‧‧紅色發光二極體照明系統
220‧‧‧前偏光片
230‧‧‧雙色分光鏡
240‧‧‧偏極化分光鏡
250‧‧‧矽基液晶面板
260‧‧‧後偏光片
270‧‧‧光學目鏡
280‧‧‧半透半反玻璃片
300‧‧‧透視型頭戴式擴增實境顯示系統
310‧‧‧透視型近眼顯示光學系統
320‧‧‧圖像感應器
330‧‧‧耳機
340‧‧‧聲音接收器
350‧‧‧框架
351‧‧‧折疊式框架
360‧‧‧驅動系統板
第1圖為本發明第一實施例之示意圖。
第2圖為本發明第二實施例之示意圖。
第3A圖為本發明第三實施例之前視圖。
第3B圖為本發明第三實施例之後視圖。
第1圖為本發明第一實施例之示意圖，圖中所示者為一色濾式(color filter)透視型近眼顯示光學系統100之正面外觀。圖中所示者係本發明之實施例，其包含一矽基液晶面板(LCOS)110、一偏極化分光鏡(Polarization Beam Splitter，PBS)120、一後偏光片130、一光學目鏡140、一前偏光片150、一白色發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)照明系統160和一半透半反玻璃片(Beam Splitter)170。其中該矽基液晶面板110有一彩色濾光片(未顯示)。當該白色發光二極體照明系統160產生一光源，前偏光片150會將該光源集中至該偏極化分光鏡120，該偏極化分光鏡120會反射光源至該矽基液晶面板110之彩色濾光片，將白光分成紅、綠和藍色等三色光，然後該矽基液晶面板110自驅動系統板(未顯示)接收圖像，並將之投射至該後偏光片130及光學目鏡140，藉由光學目鏡140將圖像放大並投射至該半透半反玻璃片170，再透過該半透半反玻璃片170輸出至使用者眼前。該半透半反玻璃片170同時也把外面之視野傳送到使用者眼前，這樣使用 者會同時看見在矽基液晶面板110顯示之圖像及外面之視野畫面，達到透視效果。
本發明另提供一種色序式(color sequential)透視型近眼顯示光學系統200，第2圖為第二實施例之示意圖。該光學系統200包括一矽基液晶型面板250、一偏極化分光鏡240、複數個前偏光片220、一後偏光片260、一雙色分光鏡(Dichroic Mirror)230、一光學目鏡270、藍色發光二極體照明系統211、綠色發光二極體照明系統212以及紅色發光二極體照明系統213。其中，該藍色LED照明系統211、該綠色發光二極體照明系統212以及紅色發光二極體照明系統213會分別輸出光源至各自對應之前偏光片220，該前偏光片220會將光源集中至該雙色分光鏡230，該雙色分光鏡230再反射光源至該偏極化分光鏡240，該偏極化分光鏡240會反射光源至該矽基液晶面板250，該矽基液晶面板250自驅動系統板(未顯示)接收圖像後，再將之投射至該後偏光片260及光學目鏡270，透過該半透半反玻璃片280輸出圖像至使用者眼前。該半透半反玻璃片280同時也把外面之視野，傳送到使用者眼前，這樣使用者會同時看見在矽基液晶面板250顯示之圖像及外面之視野畫面，而達到透視效果。由於色序式透視型近眼顯示光學系統200不使用彩色濾光片，光源不會因經過彩色濾光片而被吸收，導致色彩飽和度和光效率下降。相反地以藍色、綠色和紅色發光二極體照明系統取而代之，無須彩色濾光片即 能提供高色彩飽和度光源，顯著改善色濾式透視型近眼顯示光學系統100會減損光效率之缺點。
再者，本發明所使用之半透半反玻璃片170、280可為塑膠材料，以減輕透視型近眼顯示光學元件重量，有效降低使用者使用上負擔，並改善習知技術易於碎裂的特性，增加其耐用程度，以及節省製造上成本。本發明之半透半反玻璃片170、280得與光學目鏡140、270形成45。角度以得到較佳顯示圖像，使用者也可以調校該角度位置，從而獲得更佳之影像視野，於配合所擷取之外在圖像後，提供使用者高畫質(High Definition,HD)之透視式顯示效果。另外本發明亦因設有前偏光片150、220及偏極化分光鏡120、240及後偏光片130、260，有效濾除干擾之光線以提高對比度，從而在配合矽基液晶面板110、250之使用下，得以較簡單的光學系統得到較佳的成像品質。
本發明第三實施例係將透視型近眼顯示光學系統310用於透視型頭戴式擴增實境顯示系統300，可與圖像感應器320、驅動系統板360等相互搭配共同使用，第3A圖為此實施例之前視圖，第3B圖為此實施例之後視圖。此實施例係由二圖像感應器320擷取外在圖像後，將之傳輸至一驅動系統板360，經該驅動系統板360處理後可輸出單一圖像或多重圖像至二光學系統310。其中該圖像感應器320、該驅動系統板360及該光學系統310之數量並不以上述之數目為限。又該單 一圖像包括外在圖像、該驅動系統板360所下載或儲存之內在圖像以及兩者整合後之整合圖像；該多重圖像包括左右(上下)分別顯示兩圖像(Picture by Picture,PBP)、母子圖像(Picture in Picture,PIP)或環繞圖像(Picture out Picture,POP)。
請繼續參考第3A、3B圖，本發明之透視型近眼顯示光學系統310可更進一步與音訊輸出裝置搭配應用。讓使用者除得觀看輸出圖像之外，也得同時或先後聆聽輸出之聲音。此音訊輸出過程係在該光學系統310顯示圖像之同時或前後，由二聲音接收器340記錄外在聲音至該驅動系統板360，經該驅動系統板處理後再輸出另一聲音至二耳機330。其中該聲音接收器340、該耳機330及該驅動系統板360之數量並不以上述之數目為限。
於此實施例中除了使用者可手動調整切換該耳機330輸出之聲音，使其分離或混合播放由該聲音接收器340所記錄之外在聲音或該驅動系統板360所下載或儲存多媒體資訊所產生之內在聲音之外，本發明更使該耳機330可依據該驅動系統板360所發出之訊號，分離或混合撥放該外在聲音或內在聲音。換言之，驅動系統板360可以依據聲音接收器340所接收之外在聲音大小、方向或頻率高低而自動切換該耳機330輸出之音源。舉例而言，最初該耳機330僅輸出內在聲音，之後當該聲音接收器340偵測到特定頻率之外在聲音，如人聲、動 物聲、鞭炮聲或腳步聲時，或當外在聲音達到一定之強度大小時，該驅動系統板360會依據出廠或使用者設定，自動切換該耳機330之輸出模式，由僅輸出內在聲音改成僅輸出外在聲音，或是仍同時輸出內在和外在聲音，但略為調整兩者之輸出強度大小。
除此之外，本發明之此實施例進一步包含產生立體影音功能。各該圖像感應器320可依其設置之位置不同，透過多角度擷取外在圖像，再經過該驅動系統板360處理後，於各該光學系統310顯示單一或多重圖像，進而利用使用者之視差達到立體影像之效果，簡言之，該光學系統310具有將原始影像或圖檔以立體方式顯示之功能。同理，各該聲音接收器340可依其設置之位置不同，透過多角度擷取外在聲音，再經過該驅動系統板360處理後，於各該耳機330輸出高音質之多聲道立體音效。搭配前開之自動切換音源功能，此實施例能改善習知技術使用者無法掌握外在環境變化的缺點。更甚者，該驅動系統板360亦可進一步包含多媒體播放器之功能，或者WiFi之功能。
又在此實施例中，本發明具有一可安裝在該使用者頭部之框架350，用於承載該圖像感應器320、該光學系統310、該耳機330及該聲音接收器340。第3A、3B圖所示者係該驅動系統板360位於該框架350內，惟該驅動系統板360亦得直接設於該框架350外(未顯示)，兩者間得以有線或無線方式 傳輸訊號。
此外該框架350得更進而包含一可上下自由移動之折疊式框架351，使該光學系統310及該圖像感應器320得選擇性設置於該摺疊式框架351上，該折疊式框架351亦可以和該框架350分離。此設計可降低使用透視型近眼顯示光學系統過後所造成之視覺疲累等身體不適，以及使用完畢所相應產生的收納問題，並得改善視野遮蔽等習知技術缺點，更甚者有節省電力之功能。具體方式請參考第3A圖，當使用者不願視野被遮蔽或感到疲累時，可將該折疊式框架351沿虛線箭頭向上之方向拉，此時依出廠或使用者設定，該光學系統310之螢幕會自動關閉或進入休眠狀態，以節省電力消耗。若使用者欲再使用本發明，將該折疊式框架351往虛線箭頭向下之方向拉，即可開啟螢幕或解除休眠狀態。另外，若使用者只想應用該耳機330接收來自驅動系統板之聲音時，直接將該折疊式框架351拆除即可。
熟知本發明技術之人應清楚了解本發明不受限於上開說明之實施方式之細節，本發明得以其他特定形式實施而不脫離本發明之基本屬性，實施方式僅係說明而非限制本發明，本發明以專利申請範圍為依據，而非以上開說明為依據，申請專利範圍之意義及均等範圍中之所有變形均屬本發明之範圍。
100‧‧‧透視型近眼顯示光學系統
110‧‧‧矽基液晶面板
120‧‧‧偏極化分光鏡
130‧‧‧後偏光片
140‧‧‧光學目鏡
150‧‧‧前偏光片
160‧‧‧發光二極體照明系統
170‧‧‧半透半反玻璃片

Claims (14)

  1. 一透視型近眼顯示光學系統，包含：一發光二極體照明系統，用以產生一光源；一偏極化分光鏡；一前偏光片，用以將該光源集中至該偏極化分光鏡；一後偏光片；一光學目鏡；一矽基液晶面板自該偏極化分光鏡接收光源後，投射一圖像至該後偏光片進而至該光學目鏡，其中該矽基液晶面板為色序式或色濾式之矽基液晶；及一半透半反玻璃片，用以傳輸該經過光學目鏡之該圖像以及外面視野至使用者眼前，其中該圖像係由該光學目鏡投射至該半透半反玻璃片。
  2. 如申請專利範圍第1項之透視型近眼顯示光學系統，其中該發光二極體照明系統為複數之紅色、綠色和藍色發光二極體，或是白光二極體。
  3. 如申請專利範圍第1項之透視型近眼顯示光學系統，其中該半透半反玻璃片之位置和該光學目鏡形成45°角度，而使用者也可以調校該角度位置，從而獲得更佳之影像視野。
  4. 如申請專利範圍第1項之透視型近眼顯示光學系統，其中該半透半反玻璃片可為塑膠材料。
  5. 一透視型頭戴式擴增實境顯示系統，該系統包括：至少一聲音接收器，用於記錄一外在聲音； 一或複數個互補式金屬氧化物半導體圖像感應器，各自用於擷取一外在圖像；至少一驅動系統板可儲存或下載多媒體資料以產生一內在聲音，以及一內在圖像，並可自該聲音接收器輸入該外在聲音及自該圖像感應器輸入該外在圖像，並可輸出一聲音及一圖像；二耳機，各自可輸出自該驅動系統板輸入之該聲音，而該耳機所發出之聲音可以是該聲音接收器接收之外在聲音、該驅動系統板之內在聲音或兩者之混合；一或複數個透視型近眼顯示光學元件，各自包含一發光二極體照明系統，用以產生一光源；一偏極化分光鏡；一前偏光片，用以將該光源集中至該偏極化分光鏡；一後偏光片；一光學目鏡；一矽基液晶面板，可以是色序式或是色濾式之矽基液晶所形成，可自該偏極化分光鏡接收光源後，投射一圖像至該後偏光片進而至該光學目鏡；以及一半透半反玻璃片，用以傳輸該經過光學目鏡之該圖像以及該外面視野至使用者眼前，其中該圖像係由該光學目鏡投射至該半透半反玻璃片；以及一可安裝在使用者頭部之頭戴式框架，用於搭載該透視型近眼顯示光學元件、該互補式金屬氧化物半導體圖像感應器、該耳機和該聲音接收器。
  6. 如申請專利範圍第5項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其 中該半透半反玻璃片可為塑膠材料。
  7. 如申請專利範圍第5項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中該驅動系統板功能包括多媒體播放器、WiFi或立體顯示原始影像或圖檔之功能。
  8. 如申請專利範圍第5項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中使用者可手動切換該耳機輸出該內在聲音或該外在聲音或兩者之混合。
  9. 如申請專利範圍第5項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中該驅動系統板依據該外在聲音大小、方向或頻率高低而自動切換該耳機輸出該內在聲音或該外在聲音或兩者之混合。
  10. 如申請專利範圍第5項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中該驅動系統板可輸出單一或多重圖像。
  11. 如申請專利範圍第5項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中該框架包含一可相對人體眼睛上下自由移動之折疊式框架。
  12. 如申請專利範圍第11項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中該透視型近眼顯示光學元件及該圖像感應器設置於該折疊式框架。
  13. 如申請專利範圍第12項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中當該折疊式框架向上拉時，該透視型近眼顯示光學元件會關閉或該透視型頭戴式擴增實境顯示系統進入休眠狀態；當該折疊式框架向下拉時，該透視型近眼顯示光學元件會開啟或該透視型頭戴式擴增實境顯示系統解除休眠狀態。
  14. 如申請專利範圍第11項之透視型頭戴式擴增實境顯示系統，其中該折疊式框架為可拆除式。
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