TWI779789B

TWI779789B - 具擴增實境之光學系統

Info

Publication number: TWI779789B
Application number: TW110130915A
Authority: TW
Inventors: 洪淩桂; 施富斌
Original assignee: 雙瑩科技股份有限公司; 大陸商東莞雙瑩光電科技有限公司
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2022-10-01
Also published as: TW202309601A

Abstract

一種具擴增實境之光學系統，包括一顯示屏，發出光線；以及一導光元件，包括一入射面及複數反射面，入射面設於導光元件之頂端且與反射面其中之一出射反射面相鄰，出射反射面為與一人眼相對之表面，顯示屏與入射面相對設置，以讓光線從入射面進入導光元件，在導光元件內經過該些反射面三次反射後，從出射反射面將光線導入人眼。本發明將顯示屏設置在導光元件的上方，藉由兩次全反射和一次部分穿透部分反射，使鏡片同時具有矯正眼睛屈光度及擴增實境的效果，更讓光學系統的厚度減小，達到輕薄的效果。

Description

具擴增實境之光學系統

本發明係有關一種光學結構，特別是指一種具擴增實境之光學系統。

穿戴式裝置被認為是繼智慧型手機後最具市場成長潛力的電子產品之一。穿戴式裝置依據不同穿戴類型可分成眼鏡型、手錶型、穿著型、配戴型及貼附型等。穿戴式裝置結合虛擬實境（Virtual Reality, VR）、混合實境（Mixed Reality, MR）或擴增實境（Augmented Reality, AR）的應用性逐漸提升。以AR眼鏡為例，如何將鏡片製作的輕薄，以在盡量不改變鏡框外型、眼鏡重量的前提下，使眼鏡同時具備擴增實境的效果，為此領域的一項重要課題。

目前大多數的AR眼鏡都是將顯示屏放置在鏡片的兩側，便於安裝顯示屏，但從光線到達人眼直視的位置的距離就會增加，需要加厚的鏡片才能達到良好的像差修正。而為了切換鏡片的透明光學狀態（一般眼鏡使用）及擴增實境狀態（啟用顯示屏、發出影像光），目前多數採用繞射或光柵的方式將光線導入人眼，但如此一來會使光學系統更為複雜，無法達到輕薄的目的。

因此，本發明針對上述習知技術之缺失及未來之需求，提出一種具擴增實境之光學系統，具體架構及其實施方式將詳述於下：

本發明之主要目的在提供一種具擴增實境之光學系統，其透過光線在導光元件內三次反射，不需使用光柵或繞射、散射等光學原理，即可使鏡片同時具有矯正眼睛屈光度及擴增實境的效果。

本發明之另一目的在提供一種具擴增實境之光學系統，其將顯示屏設置在導光元件的上方，縮短入射面到第二反射面的距離，以達到鏡片輕薄化的效果。

為達上述目的，本發明提供一種具擴增實境之光學系統，包括：一顯示屏，發出光線；以及一導光元件，包括一入射面及複數反射面，入射面設於導光元件之頂端且與反射面其中之一出射反射面相鄰，其中出射反射面為與一人眼相對之表面，入射面對應顯示屏設置，以讓光線從入射面進入導光元件，在導光元件內經過反射面三次反射後，自出射反射面將光線導入人眼。

依據本發明之實施例，入射面為傾斜面。

依據本發明之實施例，反射面更包括一第一反射面以及一第二反射面，第一反射面與出射反射面相對設置，其中出射反射面為靠近人眼之表面，第一反射面為遠離人眼之表面，第二反射面設於導光元件之底部。

依據本發明之實施例，光線穿透入射面後，依序被第一反射面、出射反射面及第二反射面反射後導入人眼。

依據本發明之實施例，出射反射面之上半部用以將被第一反射面反射之光線反射到第二反射面，而第二反射面反射之光線則從出射反射面之下半部射出導光元件。

依據本發明之實施例，光線被第一反射面全反射至出射反射面，出射反射面將被第一反射面全反射之光線再次進行全反射。

依據本發明之實施例，第二反射面設有一部分穿透部分反射之鍍膜，出射反射面所反射之光線經過第二反射面進行部分穿透部分反射，其中，被第二反射面部分反射的光線會穿透出射反射面到達人眼。

依據本發明之實施例，第二反射面為傾斜面。

依據本發明之實施例，第一反射面及出射反射面為軸對稱曲面，第一反射面及出射反射面之對稱軸為同軸設置。

依據本發明之實施例，入射面及反射面為球面、非球面或平面其中之一。

依據本發明之實施例，入射面及反射面為球面時，

，其中C為曲率半徑的倒數。

依據本發明之實施例，入射面及反射面為非球面時，

，其中A、B、C、D、E等為非球面公式中之參數，C為曲率半徑的倒數，K為圓錐係數。

依據本發明之實施例，入射面及反射面為平面時，Z=0。

依據本發明之實施例，第一反射面與出射反射面曲率的搭配使該導光元件具有屈光度，屈光度的範圍在正負8度之間。

依據本發明之實施例，顯示屏與一Y軸的夾角為

，從顯示屏的中心入射第一反射面的光線的入射角為

，光學系統符合

。

依據本發明之實施例，導光元件之折射率為n ₁，第一反射面之曲率半徑為R _S1，出射反射面之曲率半徑為R _S2，光學系統符合

。

依據本發明之實施例，顯示屏之中心入射第一反射面之光線高度為H _S1，第一反射面之曲率半徑為R _S1，光學系統符合

。

依據本發明之實施例，導光元件和一輔助鏡片組合成一鏡片，第二反射面與輔助鏡片鄰接。

依據本發明之實施例，鏡片之形狀與一AR眼鏡之鏡框相符。

本發明提供一種具擴增實境之光學系統，其可應用在近視眼鏡、平光眼鏡或遠視眼鏡，使這三種眼鏡兼具擴增實境的效果，讓使用者方便配戴。此外，更藉由將顯示屏設置在鏡片上方的設計，使導光元件的厚度輕薄仍可達到擴增實境的效果，讓整體光學系統更為輕薄。

請同時參考第1A圖、第1B圖、第2A圖及第2B圖，其中第1A圖及第1B圖為本發明具擴增實境之光學系統10之鏡片14之立體圖，第2A圖及第2B圖為本發明具擴增實境之光學系統10之光學路徑及角度之示意圖。本發明之具擴增實境之光學系統10包括一顯示屏12及一導光元件142，其中顯示屏12用以發出光線，特別是包含影像的影像光；導光元件142為片狀，包括一入射面162及複數反射面，入射面162設於導光元件142之頂端，顯示屏12與入射面162相對設置，從入射面162之上方發出光線，光線向下從入射面162進入導光元件142。光線在導光元件142內經過三次反射後，被導光元件142導入人眼18。

更具體來說，入射面162為傾斜面，顯示屏12與入射面162平行。反射面包括一第一反射面164、一出射反射面166及一第二反射面168。其中，第一反射面164與出射反射面166相對設置，出射反射面166為靠近人眼18之表面，第一反射面164則為遠離人眼18之表面。入射面162與第一反射面164及出射反射面166相鄰。更進一步來說，第一反射面164及出射反射面166為軸對稱曲面，第一反射面164及出射反射面166之對稱軸為同軸設置。出射反射面166分為兩個部分，上半部為反射面，下半部則為出射面。第二反射面168設於導光元件142之底部，為一傾斜面。當光線穿透入射面162後，依序被第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168反射後導入人眼18。

本發明設置三個反射面的原因在於，若只有兩次反射，則導光元件142的厚度需要更厚才能達到良好的像差修正。若反射三次，則導光元件142可更薄而達到好的像差修正效果。

第二反射面168設有一部分穿透部分反射之鍍膜（圖中未示），因此第二反射面168具有部分穿透部分反射的效果。當顯示屏12發出光線時，到達第二反射面168的光線會部分穿透第二反射面168射向前方，部分則反射向人眼18。當顯示屏12沒有啟動時，則人眼18可直接透過第一反射面164或第二反射面168看到外界影像。

光線的詳細路徑如下：光線穿透入射面162後，被第一反射面164全反射至出射反射面166的上半部。由於出射反射面166的上半部為反射面，因此被第一反射面164全反射之光線會再次被出射反射面166的上半部進行全反射，反射到第二反射面168。當出射反射面166之上半部所反射之光線經過第二反射面168後，會進行部分穿透部分反射，其中，被第二反射面168部分反射的光線會穿透出射反射面166的下半部，到達人眼18，讓人眼18看到顯示屏12所顯示的影像、同時看到外界影像，達到擴增實境的目的。

導光元件142和一輔助鏡片144組合成一鏡片14，導光元件142底部的第二反射面168與輔助鏡片144鄰接，通過與導光元件142的底部貼合、黏合或其它方式組合在一起。設置輔助鏡片144的目的是為了使鏡片14之形狀與一AR眼鏡之鏡框相符。且由於使用者也會透過輔助鏡片144看到外部影像，因此，在材質選擇上，輔助鏡片144會與導光元件142一致。因為若輔助鏡片144與導光元件142的材質不一致，則折射率也不同，使用者透過鏡片看到外界景像會因為鏡片光程差的差異而造成景象不連續。使用者可直接配戴包含本發明之具擴增實境之光學系統10的眼鏡，無須在原有的近視眼鏡或遠視眼鏡及AR眼鏡之間切換配戴。

本發明中，入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168為球面、非球面或平面其中之一。當入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168為球面時，具擴增實境之光學系統10符合公式

，其中C為曲率半徑的倒數。當入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168為非球面時，具擴增實境之光學系統10符合公式

，其中A、B、C、D、E等為非球面公式中之參數，C為曲率半徑的倒數，K為圓錐係數。當入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168為平面時，具擴增實境之光學系統10符合公式Z=0。

本發明中為了使人眼18可透過導光元件142看到外界影像，也就是外界光會先通過第一反射面164再通過出射反射面166到達人眼18，進而使具擴增實境之光學系統10的眼鏡兼具AR眼鏡及近視眼鏡、遠視眼鏡或平光眼鏡的效果。因此，利用第一反射面164與出射反射面166間的曲率搭配，使導光元件142具有屈光度，屈光度的範圍在正負8度之間。

此外，由於顯示屏12為傾斜的，因此還需定義顯示屏12的傾斜角及其入射到第一反射面164的夾角。假設顯示屏12與Y軸的夾角為

，從顯示屏12的中心入射第一反射面164的光線的入射角為

，則具擴增實境之光學系統10符合

，可達到良好的像差畸變修正。

此外，由於光線在導光元件142內部經過折射與反射，因此需要定義導光元件142的折射率及第一反射面164、出射反射面166的曲率半徑之間的關係。假設導光元件142之折射率為n ₁，第一反射面164之曲率半徑為R _S1，出射反射面166之曲率半徑為R _S2，則具擴增實境之光學系統10符合

，可達到良好的屈光度矯正。

再者，光線進入導光元件142後觸及的第一個面，也就是觸及到第一反射面164的位置與人眼18之間的距離（高度）也是一個重要的參數，其代表導光元件142的縱向長度是否夠短，不會超過一般眼鏡片的縱向長度。而要調整顯示屏12之中心入射第一反射面164之光線高度H _S1，還需要配合調整第一反射面之曲率半徑為R _S1，在本發明中，當具擴增實境之光學系統10符合

時，為可達到較大視角及輕薄化的較佳範圍。

第3圖為本發明具擴增實境之光學系統應用在眼鏡上之示意圖。如圖所示，鏡片14為導光元件142及輔助鏡片144的組合，且組合後之尺寸符合鏡框20之大小。鏡框20的左右兩邊分別設置有一顯示屏12。將第3圖之眼鏡配戴在人臉上，如第4A圖及第4B圖所示。使用者配戴此眼鏡時，若顯示屏12未啟用，一般情況可當作平光眼鏡、近視眼鏡或遠視眼鏡使用。當顯示屏12發出影像光時，使用者便可看到擴增實境的影像。

第5A圖至第5D圖為不同鏡片14之實施例，其中第5A圖為第一實施例，其鏡片14為平光眼鏡的鏡片。第5B圖為第二實施例，其鏡片14也是平光眼鏡的鏡片。第5C圖為第三實施例，其鏡片14為-2.25度的近視眼鏡的鏡片。第5D圖為第四實施例，其鏡片14為+2.75度的遠視眼鏡的鏡片。各實施例之參數如下表一，對應公式的最佳數值如下表二：

	參數	第一實施例	第二實施例	第三實施例	第四實施例
1		48.6°	55.0°	53.2°	30.44°
2		54.2°	57.45°	55.4°	48.8°
3	n ₁	1.543	1.543	1.543	1.543
4	R _S1	-200	無限	-400	-65
4	R _S2	-200	無限	-151	-98
6	H _S1	20.55	20.64	19.65	20.6

表一

	公式	第一實施例	第二實施例	第三實施例	第四實施例
1		0.896	0.957	0.960	0.624
2		0	0	0.00224	-0.00281
3		5.87	0	2.81	17.58

表二

綜上所述，本發明所提供之具擴增實境之光學系統可應用在近視眼鏡、平光眼鏡或遠視眼鏡，使這三種眼鏡兼具擴增實境的效果，讓使用者方便配戴。此外，由於一般顯示屏水平較長垂直較短，因此本發明將顯示屏設置在鏡片上方的設計，縮短導光元件的高度，使導光元件的高度及厚度皆輕薄仍可達到擴增實境的效果，使AR眼鏡更輕薄。再者，此光學系統中無任何繞射、干涉元件與自由曲面，只用非球面與球面或平面，因此結構單純並能達到良好的像差修正，且製造性較高。在功能性上，使用本發明之光學系統的AR眼鏡能同時達到屈光矯正的要求。

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:具擴增實境之光學系統 12:顯示屏 14:鏡片 142:導光元件 144:輔助鏡片 162:入射面 164:第一反射面 166:出射反射面 168:第二反射面 18:人眼 20:鏡框

第1A圖及第1B圖為本發明具擴增實境之光學系統之鏡片之立體圖。第2A圖及第2B圖為本發明具擴增實境之光學系統之光學路徑及角度之示意圖。第3圖為本發明具擴增實境之光學系統應用在眼鏡上之示意圖。第4A圖及第4B圖為將第3圖之眼鏡配戴在人臉上之示意圖。第5A圖至第5D圖為本發明具擴增實境之光學系統之其他實施例之示意圖。

10:具擴增實境之光學系統

12:顯示屏

142:導光元件

144:輔助鏡片

162:入射面

164:第一反射面

166:出射反射面

168:第二反射面

18:人眼

Claims

一種具擴增實境之光學系統，包括：一顯示屏，發出光線；以及一導光元件，包括一入射面及複數反射面，該入射面設於該導光元件之頂端且與該等反射面其中之一出射反射面相鄰，其中該出射反射面為與一人眼相對之表面，該入射面對應該顯示屏設置，以讓該光線從該入射面進入該導光元件，在該導光元件內經過該等反射面三次反射後，自該出射反射面將該光線導入人眼；其中，該等反射面更包括一第一反射面以及一第二反射面，該第一反射面與該出射反射面相對設置，其中該出射反射面為靠近該人眼之表面，該第一反射面為遠離該人眼之表面，該第二反射面設於該導光元件之底部，且該第一反射面與該出射反射面曲率的搭配使該導光元件具有屈光度，該屈光度的範圍在正負8度之間。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該入射面為傾斜面。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該光線穿透該入射面後，依序被該第一反射面、該出射反射面及該第二反射面反射後導入該人眼。
如請求項3所述之具擴增實境之光學系統，其中該出射反射面之上半部用以將被該第一反射面反射之光線反射到該第二反射面，而該第二反射面反射之光線則從該出射反射面之下半部射出該導光元件。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該光線被該第一反射面全反射至該出射反射面，該出射反射面將被該第一反射面全反射之光線再次進行全反射。
如請求項3所述之具擴增實境之光學系統，其中該第二反射面設有一部分穿透部分反射之鍍膜，該出射反射面所反射之光線經過該第二反射面進行部分穿透部分反射，其中，被該第二反射面部分反射的光線會穿透該出射反射面到達人眼。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該第二反射面為傾斜面。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該第一反射面及該出射反射面為軸對稱曲面，該第一反射面及該出射反射面之對稱軸為同軸設置。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該入射面及該等反射面為球面、非球面或平面其中之一。
如請求項9所述之具擴增實境之光學系統，其中該入射面及該等反射面為球面時，
，其中C為曲率半徑的倒數。
如請求項9所述之具擴增實境之光學系統，其中該入射面及該等反射面為非球面時，
(D)y ¹⁰+(E)y ¹²+…，其中A、B、C、D、E等為非球面公式中之參數，C為曲率半徑的倒數，K為圓錐係數。
如請求項9所述之具擴增實境之光學系統，其中該入射面及該等反射面為平面時，Z=0。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該顯示屏與一Y軸的夾角為θ _p，從該顯示屏的中心入射該第一反射面的光線的入射角為θ _S1，該光學系統符合
。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該導光元件之折射率為n₁，該第一反射面之曲率半徑為R_S1，該出射反射面之曲率半徑為R_S2，該光學系統符合
。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該顯示屏之中心入射該第一反射面之光線高度為H_S1，該第一反射面之曲率半徑為 R_S1，該光學系統符合
。
如請求項1所述之具擴增實境之光學系統，其中該導光元件和一輔助鏡片組合成一鏡片，該第二反射面與該輔助鏡片鄰接。
如請求項16所述之具擴增實境之光學系統，其中該鏡片之形狀與一AR眼鏡之鏡框相符。