CN113703173B - 结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置及扩增实境装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置，适于使环境光束入射至使用者的眼睛。该结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置包括眼镜镜片以及衍射光学元件。眼镜镜片具有朝向眼睛的第一表面和背向眼睛的第二表面。衍射光学元件配置在眼镜镜片的第一表面上或配置在眼镜镜片的第一表面和第二表面之间，衍射光学元件具有朝向眼睛的第三表面和背向眼睛的第四表面，其中衍射光学元件为衍射光学膜片或衍射光学板。一种扩增实境装置也被提出。

Description

结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置及扩增实境装置

技术领域

本发明涉及一种光学装置及扩增实境(Augmented Reality，AR)装置，尤其涉及一种结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置及扩增实境装置。

背景技术

扩增实境技术为将虚拟世界的视效、音效及空间信息等信息整合至真实环境信息的技术，其不仅展现真实环境的信息，亦同时将虚拟的信息显示出来。现有的扩增实境装置无眼镜功能，有视力矫正需求的使用者必须额外佩戴矫正眼镜，才能获得较清楚的真实环境信息，得到较佳的视觉体验。此外，现有的扩增实境装置在户外使用时，容易受到外界杂散光影响。

发明内容

本发明是针对一种结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置以及一种扩增实境装置，能够提供具有扩增实境效果的眼镜。

本发明的一实施例提出一种结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置，适于使环境光束入射至使用者的眼睛。该结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置包括眼镜镜片以及衍射光学元件(diffractive optical element,DOE)。眼镜镜片具有朝向眼睛的第一表面和背向眼睛的第二表面。衍射光学元件配置在眼镜镜片的第一表面上或配置在眼镜镜片的第一表面和第二表面之间，衍射光学元件具有朝向眼睛的第三表面和背向眼睛的第四表面，其中衍射光学元件为衍射光学膜片或衍射光学板。

本发明的一实施例提出一种扩增实境装置，包括眼镜镜片、衍射光学元件以及投影机。眼镜镜片具有朝向扩增实境装置的用户的眼睛的第一表面和背向眼睛的第二表面。衍射光学元件配置在眼镜镜片的第一表面上或配置在眼镜镜片中，衍射光学元件具有朝向眼睛的第三表面和背向眼睛的第四表面，其中衍射光学元件为衍射光学膜片或衍射光学板。投影机输出图像光束，衍射光学元件设置于图像光束的传递路径上，衍射光学元件将图像光束投射至眼睛。其中，来自外在环境的环境光束在穿透眼镜镜片和衍射光学元件后传递至眼睛。

基于上述，本发明的实施例的光学装置及扩增实境装置中，通过将衍射光学元件结合至眼镜镜片，可提供具有扩增实境效果的眼镜。

附图说明

图1是本发明的一实施例的光学装置及扩增实境装置的剖视示意图；

图2是本发明的另一实施例的光学装置及扩增实境装置的剖视示意图；

图3是本发明的另一实施例的光学装置及扩增实境装置的剖视示意图；

图4是本发明的另一实施例的光学装置的剖视示意图；

图5是图4的实施例的光学装置的遮光元件的剖视示意图；

图6是本发明的一实施例的制作遮光元件的制造装置的示意图。

附图标记说明

10、10a、10b、10c:光学装置

100、100a、100b:扩增实境装置

110:眼镜镜片

112:第一子镜片

114:第二子镜片

120:衍射光学元件

120a:衍射光学膜片

120b:衍射光学板

120c:全像光学元件

130:遮光元件

130S:表面

132:条状遮光结构

133:相连部分

134:基底膜片

134a:条状透明结构

140:投影机

20:制造装置

21:膜材

22:滚轮组

22a:第一滚轮

22b:第二滚轮

22c:第一辅助滚轮

22d:第二辅助滚轮

24:模具滚轮

26:注胶设备

28:照光设备

30:条状结构

50:眼睛

A:横截面

H:深度

IL:图像光束

O:物体

OL:实境光束

S1:第一表面

S2:第二表面

S3:第三表面

S3a:入光部

S3b:出光部

S4:第四表面

S5:第五表面

S6:第六表面

S7:第七表面

SL:杂散光束

W:间隔

WL:环境光束

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1是本发明的一实施例的光学装置10及扩增实境装置100的剖视示意图。请参照图1，本实施例的结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置10包括眼镜镜片110以及衍射光学元件120。眼镜镜片110具有朝向眼睛50的第一表面S1和背向眼睛50的第二表面S2。衍射光学元件120配置在眼镜镜片110的第一表面S1上或配置在眼镜镜片110的第一表面S1和第二表面S2之间。也就是说，在本实施例中，衍射光学元件120可配置在眼镜镜片110的第一表面S1的一侧(例如贴合至眼镜镜片110的第一表面S1)或是配置在眼镜镜片110中。在一实施例中，衍射光学元件120可与眼镜镜片110的第一表面S1直接接触，衍射光学元件120可例如是直接以贴附或其他的接合方式固定在眼镜镜片110的第一表面S1上，或直接在眼镜镜片110的第一表面S1上形成衍射光学元件120。然而，在其他的实施例中，也可在衍射光学元件120与眼镜镜片110的第一表面S1之间还设置其他膜层。衍射光学元件120具有朝向眼睛50的第三表面S3和背向眼睛50的第四表面S4。在本实施例中，结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置10，适于使环境光束WL入射至使用者的眼睛50，因此，用户可通过结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置10看见现实世界的场景。通过将衍射光学元件结合至眼镜镜片，本发明的光学装置可提供具有扩增实境效果的眼镜。

进一步地，本发明实施例的眼镜镜片110，可以是矫正近视、远视或老花的透镜。并且，本发明实施例的眼镜镜片110可视实际需求具有两种以上的矫正功能。因此，本发明的光学装置的用户，在光学装置之外可无须额外佩戴矫正眼镜，可减轻使用者的负担，提高使用的便利性。此外，眼镜镜片110可为塑料镜片，以提高本发明的光学装置及扩增实境装置的安全性。本发明实施例的衍射光学元件120具有衍射结构(省略而未示出于图中)。具体而言，衍射光学元件120可为具有衍射结构的衍射光学膜片或衍射光学板。图1的实施例示出衍射光学元件120为衍射光学膜片120a，但是在其他的实施例中，衍射光学元件120亦可以是衍射光学板。本实施例使用衍射光学膜片120a，除了可降低制作成本，衍射光学膜片120a亦可在眼镜镜片110受撞击破裂时，避免眼睛50受到伤害。

此外，在本实施例中，衍射光学元件120经配置使自衍射光学元件120的第三表面S3入射的光束的至少一部分在衍射光学元件120的第三表面S3和第四表面S4之间发生全反射。在此配置下，衍射光学元件120的一部分具有类似于波导元件的导光功能。

图1也示出本发明的一实施例的扩增实境装置100。请参照图1，本实施例的扩增实境装置100包括眼镜镜片110、衍射光学元件120以及投影机140。眼镜镜片110具有朝向扩增实境装置100的用户的眼睛50的第一表面S1和背向眼睛50的第二表面S2。衍射光学元件120配置在眼镜镜片110的第一表面S1上，或配置在该眼镜镜片110的该第一表面S1和该第二表面S2之间。衍射光学元件120具有朝向眼睛50的第三表面S3和背向眼睛50的第四表面S4。其中，眼镜镜片110及衍射光学元件120可具有相似于以上针对结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置10所述的配置方式，在此不再赘述。在本实施例中，投影机140输出图像光束IL，衍射光学元件120设置于图像光束IL的传递路径上，衍射光学元件120将图像光束IL投射至眼睛50。也就是说，投影机140输出的图像光束IL可投射至衍射光学元件120，再经由衍射光学元件120投射至用户的眼睛50。因此，用户可通过衍射光学元件120看见所投射的扩增(Augmented)图像画面。此外，来自外在环境的环境光束WL可在穿透眼镜镜片110和衍射光学元件120后传递至眼睛50。因此，使用者也可同时通过眼镜镜片110和衍射光学元件120看见现实世界的物体，以结合扩增图像画面和现实世界物体图像，实现扩增实境的装置功能。

进一步地，请参照图1，在本实施例中，投影机140输出的图像光束IL投射至衍射光学元件120的第三表面S3。其中，图像光束IL的至少一部分可自第三表面S3的入光部S3a穿透第三表面S3进入衍射光学元件120中。图像光束IL的至少一部分在穿透第三表面S3后，可在衍射光学元件120的第三表面S3和第四表面S4之间发生全反射。图像光束IL的至少一部分，可在衍射光学元件120的第三表面S3和第四表面S4之间发生全反射后，在第三表面S3和第四表面S4的至少其中之一发生衍射且穿透第三表面S3的出光部S3b投射至眼睛50。因此，图像光束IL的至少一部分可穿透第三表面S3而离开衍射光学元件120并投射至使用者的眼睛50。其中，衍射光学元件120位于入光部S3a与出光部S3b之间的部份，具有类似于波导元件的导光功能，能够传递图像光束IL。

图2是本发明的另一实施例的光学装置10a及扩增实境装置100a的剖视示意图。请参照图2，本实施例的光学装置10a及扩增实境装置100a类似于图1的光学装置10及扩增实境装置100，而两者的主要差异如下所述。在本实施例中，衍射光学元件120为全像光学元件120c(Holographic optical element,HOE)。也就是说，衍射光学元件120经配置使自该衍射光学元件120的该第三表面S3入射的光束在该第三表面S3上发生反射式衍射。在本实施例中，图像光束IL投射至衍射光学元件120的第三表面S3。图像光束IL在衍射光学元件120的第三表面S3上发生反射式衍射且将图像光束IL的至少一部分投射至眼睛50。

图3是本发明的另一实施例的光学装置10b及扩增实境装置100b的剖视示意图。请参照图3，本实施例的光学装置10b及扩增实境装置100b类似于图1的光学装置10及扩增实境装置100，而两者的主要差异如下所述。在本实施例中，衍射光学元件120配置在该眼镜镜片110的该第一表面S1和该第二表面S2之间。在本实施例中，眼镜镜片110可以还包括第一子镜片112与第二子镜片114，衍射光学元件120配置在第一子镜片112与第二子镜片114之间。具体来说，第一子镜片112包括眼镜镜片110的第一表面S1和背向第一表面S1的第五表面S5，第二子镜片114包括眼镜镜片110的第二表面S2和背向第二表面S2的第六表面S6，通过将第一子镜片112的第五表面S5与第二子镜片114的第六表面S6分别贴合至衍射光学元件120的第三表面S3和第四表面S4，将衍射光学元件120包覆在眼镜镜片110之中。

本实施例的衍射光学元件120类似于图1、图2中所示的衍射光学元件120。本实施例的衍射光学元件120可具有相似于以上针对图1、图2的实施例的衍射光学元件120的配置。在本实施例中，衍射光学元件120为衍射光学板120b。在其他的实施例中，衍射光学元件120亦可更换为类似于图1、图2中所示的衍射光学膜片。

在本实施例中，衍射光学元件120可经配置使自衍射光学元件120的第三表面S3入射的光束的至少一部分在衍射光学元件120的第三表面S3和第四表面S4之间发生全反射。请再参照图3，本实施例的扩增实境装置100b，投影机140输出的图像光束IL穿过眼镜镜片110的第一表面S1投射至衍射光学元件120的第三表面S3(图3的示意图中省略绘第一子镜片112中的图像光束IL)。其中，图像光束IL的至少一部分可自第三表面S3的入光部S3a穿透第三表面S3进入衍射光学元件120中。图像光束IL的至少一部分在穿透第三表面S3后，可在衍射光学元件120的第三表面S3和第四表面S4之间发生全反射。图像光束IL的至少一部分，可在衍射光学元件120的第三表面S3和第四表面S4之间发生全反射后，在第三表面S3和第四表面S4的至少其中之一发生衍射且穿透衍射光学元件120的第三表面S3的出光部S3b以及眼镜镜片110的第一表面S1投射至眼睛50(图3的示意图中省略绘第一子镜片112中的图像光束IL)。其中，衍射光学元件120位于入光部S3a与出光部S3b之间的部份，具有类似于波导元件的导光功能，能够传递图像光束IL。

在其他的实施例中，衍射光学元件120也可以为全像光学元件，当投影机140输出的图像光束IL穿过眼镜镜片110的第一表面S1投射至衍射光学元件120的第三表面S3，图像光束IL可在衍射光学元件120的第三表面S3上发生反射式衍射，且将图像光束IL的至少一部分穿透眼镜镜片110的第一表面S1投射至眼睛50。

图4是本发明的另一实施例的光学装置10c的剖视示意图。图5是图4的实施例的光学装置10c的遮光元件130的剖视示意图。请参照图4，本实施例的光学装置10c类似于图1的光学装置10，而两者的主要差异如下所述。在本实施例中，结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置10c还包括设置在眼镜镜片110的第二表面S2上的遮光元件130。遮光元件130可通过贴附的方式固定在眼镜镜片110的第二表面S2上，也可直接在眼镜镜片110的第二表面S2上制作遮光元件130。遮光元件130包括多个条状遮光结构132。如图4所示出，多个条状遮光结构132可以将来自外在环境的杂散光束SL(例如：太阳直射光束)吸收或反射，但来自物体O的实境光束OL(例如：使用者视域中的树木所反射的光线)则可自多个条状遮光结构132之间的间隙入射至使用者的眼睛50。通过遮光元件130，本发明的光学装置或扩增实境装置可遮蔽杂散光束SL，减少进入使用者的眼睛50的杂散光，但允许大部分的实境光束OL通过。因此，当本发明的光学装置或扩增实境装置在户外使用时，较不容易受到外界杂散光的影响。

在一些实施例中，遮光元件130可还包括基底膜片134，基底膜片134设置于条状遮光结构132与眼镜镜片110的第二表面S2之间。请参照图4及图5，本实施例的遮光元件130为包括多个条状遮光结构132的膜片，多个条状遮光结构132设置在基底膜片134上，而基底膜片134贴附于眼镜镜片110的第二表面S2上。在一些实施例中，基底膜片134可更具有多个条状透明结构134a，多个条状透明结构134a与多个条状遮光结构132嵌合。也就是说，多个条状遮光结构132可以设置在多个条状透明结构134a所形成的凹槽中。举例而言，多个条状透明结构134a可例如是通过紫外线固化制作，多个条状遮光结构132可以是在多个条状透明结构134a形成后，在相邻的条状透明结构134a之间的凹槽中填入吸光材料而形成。如图5所示出，本实施例的遮光元件130，在相邻的条状遮光结构132之间可具有由吸光材料形成的相连部分133，相连部分133相对于条状遮光结构132具有较薄的厚度，因此相连部分133对于光的穿透性不会产生太大的影响。在其他的实施例中，多个条状遮光结构132也可以直接设置在眼镜镜片110的表面上，例如可在眼镜镜片110的第二表面S2上制作凹槽并填入吸光材料以形成多个条状遮光结构132。本文所称的透明，是指可使光线通过。在本发明的实施例中，条状透明结构134a的透光度高于条状遮光结构132。

在一些实施例中，可进一步地依使用需求，在遮光元件130与眼镜镜片110的第二表面S2之间设置其他的膜层(未示出)，或是在遮光元件130背向第二表面S2的第七表面S7上设置其他的膜层(未示出)。在本实施例中，每一条状遮光结构132是沿大致水平的方向设置，以遮蔽来自上方的杂散光，并可在遮挡杂散光的同时，在水平方向仍保持宽阔的视域。

此外，在本实施例中，多个条状遮光结构132可由黑色染料等黑色遮光材料制作而成。在一些实施例中，也可使用光致变色材料(例如：包含氯化银或其他卤素的材料)制作条状遮光结构132，在环境光线较强的情况下转变为遮光材料。本发明不以此为限。

进一步地，在本实施例中，多个条状透明结构134a符合：H/W≧1，其中H为条状透明结构134a的深度，W为条状透明结构134a底部的间隔。在此条件下，条状遮光结构132可具有较深的深度H，遮蔽杂散光的效果佳。此外，本实施例的条状透明结构134a具有梯形横截面A。在图5所示出的剖面上，条状透明结构134a的横截面A为梯形。如以下将说明的，设置条状透明结构134a的横截面A为梯型有利于基底膜片134的制作。

图6是本发明的一实施例的制作遮光元件130的制造装置20的示意图。在本实施例中，制造装置20包括滚轮组22、模具滚轮24、注胶设备26以及照光设备28。滚轮组22可包括第一滚轮22a、第二滚轮22b、第一辅助滚轮22c以及第二辅助滚轮22d。在本实施例中，膜材21固定在第一滚以及第二滚轮22b上，其中膜材21可为任意材质。在本实施例中，膜材21为可透光的材料膜层。模具滚轮24可具有多个齿模，在本实施例中，齿模具有梯形的横截面，以形成具有梯形横截面的条状结构，但本发明不以此为限。将齿模设置为具有梯形的横截面，可有利于后续的脱模程序。

当本实施例的制造装置20用以制作基底膜片134或遮光元件130时，第一滚轮22a将膜材21展开并朝向模具滚轮24输送。第一辅助滚轮22c将膜材21夹置于第一辅助滚轮22c与模具滚轮24之间，第二辅助滚轮22d将膜材21夹置于第二辅助滚轮22d与模具滚轮24之间。注胶设备26将胶材注入在膜材21与模具滚轮24之间。照光设备28可设置于膜材21背向模具滚轮24的一侧，当膜材21通过照光设备28时，照光设备28可发出光束，使被注入在膜材21与模具滚轮24之间的胶材发生固化，而在膜材21上形成对应于齿模的形状的条状结构30。在本实施例中，胶材可例如是紫外线光固化材料，照光设备28可例如是紫外光灯，但本发明不以此为限。条状结构30固化成形之后，第二滚轮22b则将完成制作的条状结构30与膜材21一起卷入收回。图6示出制作完成的条状结构30，该条状结构30可作为基底膜片134的多个条状透明结构134a。在一些实施例中，也可在收卷之前先行在条状结构30之间的多个凹槽中填入吸光材料，本发明对此不作限制。

综上所述，在本发明的实施例的光学装置及扩增实境装置中，通过将衍射光学元件结合至眼镜镜片，可提供具有扩增实境效果的眼镜。此外，在一些实施例中，本发明的光学装置及扩增实境装置可设置遮光元件以遮蔽杂散光，并提升使用体验。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置，其特征在于，适于使环境光束入射至使用者的眼睛，所述光学装置包括：

眼镜镜片，具有朝向所述眼睛的第一表面和背向所述眼睛的第二表面；

衍射光学元件，配置在所述眼镜镜片的所述第一表面上或配置在所述眼镜镜片的所述第一表面和所述第二表面之间，所述衍射光学元件具有朝向所述眼睛的第三表面和背向所述眼睛的第四表面，其中所述衍射光学元件为衍射光学膜片或衍射光学板；以及

遮光元件，设置在所述眼镜镜片的所述第二表面上，所述遮光元件包括多个条状遮光结构。

2.根据权利要求1所述的结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置，其特征在于，所述眼镜镜片包括第一子镜片与第二子镜片，所述衍射光学元件配置在所述第一子镜片与所述第二子镜片之间。

3.根据权利要求1所述的结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置，其特征在于，所述衍射光学元件经配置使自所述衍射光学元件的所述第三表面入射的光束的至少一部分在所述衍射光学元件的所述第三表面和所述第四表面之间发生全反射。

4.根据权利要求1所述的结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置，其特征在于，所述遮光元件还包括基底膜片，所述基底膜片设置于所述多个条状遮光结构与所述眼镜镜片的所述第二表面之间，且所述基底膜片具有多个条状透明结构，所述多个条状透明结构与所述多个条状遮光结构嵌合，所述多个条状透明结构具有梯形横截面。

5.根据权利要求4所述的结合眼镜功能与扩增实境功能的光学装置，其特征在于，所述多个条状透明结构符合：H/W≥1，其中H为所述多个条状透明结构的深度，W为所述多个条状透明结构底部的间隔。

6.一种扩增实境装置，其特征在于，包括：

眼镜镜片，具有朝向所述扩增实境装置的用户的眼睛的第一表面和背向所述眼睛的第二表面；

衍射光学元件，配置在所述眼镜镜片的所述第一表面上或配置在所述眼镜镜片的所述第一表面和所述第二表面之间，所述衍射光学元件具有朝向所述眼睛的第三表面和背向所述眼睛的第四表面，其中所述衍射光学元件为衍射光学膜片或衍射光学板；

投影机，输出图像光束，所述衍射光学元件设置于所述图像光束的传递路径上，所述衍射光学元件将所述图像光束投射至所述眼睛；以及

遮光元件，设置在所述眼镜镜片的所述第二表面上，所述遮光元件包括多个条状遮光结构；

其中，来自外在环境的环境光束在穿透所述眼镜镜片和所述衍射光学元件后传递至所述眼睛。

7.根据权利要求6所述的扩增实境装置，其特征在于，所述图像光束投射至所述衍射光学元件的所述第三表面；其中所述图像光束的至少一部分在穿透所述第三表面后，在所述衍射光学元件的所述第三表面和所述第四表面之间发生全反射，且其中所述图像光束的至少一部分在所述衍射光学元件的所述第三表面和所述第四表面之间发生全反射后，在所述第三表面和所述第四表面的至少其中之一发生衍射且穿透所述第三表面投射至所述眼睛。

8.根据权利要求6所述的扩增实境装置，其特征在于，所述图像光束投射至所述衍射光学元件的所述第三表面；所述图像光束在所述衍射光学元件的所述第三表面上发生反射式衍射且将所述图像光束的至少一部分投射至所述眼睛。

9.根据权利要求6所述的扩增实境装置，其特征在于，所述眼镜镜片包括第一子镜片与第二子镜片，所述衍射光学元件配置在所述第一子镜片与所述第二子镜片之间。

10.根据权利要求6所述的扩增实境装置，其特征在于，所述遮光元件还包括基底膜片，所述基底膜片设置于所述多个条状遮光结构与所述眼镜镜片的所述第二表面之间，且所述基底膜片具有多个条状透明结构，所述多个条状透明结构与所述多个条状遮光结构嵌合，所述多个条状透明结构具有梯形横截面。

11.根据权利要求10所述的扩增实境装置，其特征在于，所述多个条状透明结构符合：H/W≥1，其中H为所述多个条状透明结构的深度，W为所述多个条状透明结构底部的间隔。