TWI786525B

TWI786525B - 光場產生裝置

Info

Publication number: TWI786525B
Application number: TW110102467A
Authority: TW
Inventors: 黃君偉; 劉昶樂; 陳宏銘; 施光祖
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-12-11
Also published as: TW202229981A; FR3119247A1

Abstract

本裝置係一種光場產生裝置，包括一顯示面板（或雷射束掃描器）、一陣列式投顯鏡組及一融合鏡組所構成。其中分隔為數個子區域之顯示面板上發出的景像，經由該陣列式投顯鏡組，在共同光欄的位置後，再進入該融合鏡組形成一個立體的光場實像；由此經由目鏡組將影像送入眼睛。藉此，本發明設計一種用於近眼觀看以減少大多數擴張實境（Augmented reality, AR）及混合實境（Mixed reality, MR）設備中現有的人眼散光適應衝突（Vergence accommodation conflict, VAC）的光場產生裝置。該設計將近眼光場顯示視為一個光場再現過程，該過程將光場產生裝置輸出的圖像進行融合並降低像差。

Description

光場產生裝置

本發明係有關於一種光場產生裝置，特別係指用於近眼觀看以減少大多數擴張實境（Augmented reality, AR）及混合實境（Mixed reality, MR）設備中現有的人眼散光適應衝突（Vergence accommodation conflict, VAC）的光場產生裝置。

近年來，諸如Google Glasses、Vive與Oculus Rift之類的虛擬實境（Virtual reality, VR）、擴張實境（Augmented reality, AR）或混合實境（Mixed reality, MR）設備都基於立體視覺原理產生三維（Three-dimensionality, 3D）感覺。對於流行度而言，很難做到這一點的原因之一係由於顯示器之間的距離，適眼距短而無法使人眼長期觀看舒服。同樣，由於調節不會隨眼睛的自然發散而改變，從而導致眾所周知的融合衝突，即人眼散光適應衝突（Vergence accommodation conflict, VAC）會使觀看者長時間使用設備後感到噁心。

本案申請人曾提出一美國專利US 2020/0166734 Al為頭戴式顯示裝置及其近眼光場顯示裝置，此近眼光場顯示裝置係通過設置雙遠心透鏡組，以大幅提高近眼光場顯示裝置的影像品質；然而，其面板及光機體積過大，導致無法實現在目前VR與AR的人因工程之尺寸上。另一美國專利US 7620309 B2為全光照相機，係藉由在主透鏡與感光元件之間***一片微透鏡陣列（Micro-lens array）以獲取四維光場。置於該感光元件之前的微透鏡陣列能夠在光線聚集於該感光元件之前，將各光線的行進路線進行分離。若是沒有此微透鏡陣列，光場中的各光線將會在該感光元件上匯集而顯像；但是，加總而使得光場中的角度資訊在攝影機取樣的過程中散失。

鑑於配合VR投影器，與工業4.0人機介面等視覺裝置之發展，擬眼擴張實境多視場顯示應用才開始研發，市場規模正在起步；為提昇在視網膜形成光場成像在AR與VR上的應用；使得綜整顯示資訊在眼睛視網膜上具進一步提昇影像之擬真品質，以實現光場眼境的實用化及普及化。因此發展一套可解決相關VAC問題與前案技術缺點之發明實有必要。

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將近眼光場顯示視為一個光場再現過程，該過程將光場產生裝置輸出的圖像進行融合並降低像差之光場產生裝置。

為達以上之目的，本發明係一種光場產生裝置，係適用於近眼光場顯示，其包括：一顯示面板，該顯示面板將被切分為數個子區域，每一子區域將顯示各場角光場資訊；一陣列式投顯鏡組，係將分隔為數個子區域之顯示面板上發出的景像，經由該陣列式投顯鏡組，在共同光欄的位置後；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成像平面上，形成一個立體的光場實像；藉上述光場產生裝置產生的光場實像會經由一目鏡組將影像送入眼睛之瞳孔，使該光場產生裝置投放的影像會投影在視網膜上且被感知為由近乎無限遠之影像所發出。

於本發明上述實施例中，該顯示面板上任一子區域，其顯示之影像會成像於一成像平面上。

於本發明上述實施例中，該顯示面板上所有子區域顯示之影像，皆會在該成像平面上成像，並且彼此重合。

於本發明上述實施例中，該顯示面板上所有子區域顯示之影像皆為相同時，其在該成像平面上之成像彼此重合且彼此近似。

於本發明上述實施例中，該融合鏡組為聚焦透鏡系統，該陣列式投顯鏡組為準直透鏡陣列，該準直透鏡陣列由陣列式準直透鏡組成，每一準直透鏡由數個透鏡群組成，且該準直透鏡個數與該顯示面板之子區域個數相關聯。

於本發明上述實施例中，該顯示面板與該準直透鏡陣列之間的距離、該準直透鏡陣列與該聚焦透鏡系統之間的距離，係與該準直透鏡陣列之焦距及該聚焦透鏡系統之焦距相關聯。

於本發明上述實施例中，該陣列式投顯鏡組與該融合鏡組合成的 F值（f-number）為2到10之間。

請參閱『第１圖～第７圖』所示，係分別為本發明光場產生裝置之架構示意圖、本發明光場產生裝置之光路示意圖、本發明光場產生裝置之MTF圖、本發明光場產生裝置之三階像差圖、本發明光場產生裝置在VR應用架構示意圖、本發明光場產生裝置在VR應用示意圖、以及本發明光場產生裝置在AR應用架構示意圖。如圖所示：本發明係一種光場產生裝置１，係包括一顯示面板１１、一陣列式投顯鏡組１２及一融合鏡組１３所構成，用以將光顯示在一個成像平面１４上。其中分隔為數個子區域之顯示面板１１上發出的景像，經由該陣列式投顯鏡組１２，在共同光欄的位置後，再進入該融合鏡組１３形成一個立體的光場實像；由此經由目鏡組將影像送入眼睛。

為了驗證設計並檢查使用者所感知的光場品質，本發明在光學設計軟體CodeV中實現了所提光場產生裝置１，並對模擬結果進行檢查。本發明所設計之光場產生裝置１如第１圖所示，所有場角的主光線在成像平面１４重合，如第２圖所示。在模擬中，本發明採用幾種眼睛模型，並通過調整眼睛模型中的參數來模擬目鏡組的變形，以進行再聚焦。為了檢查顯示光場的清晰度，本發明分析了第３圖所示裝置的調制傳遞函數（modulation transfer function, MTF）。根據以字母為測試圖案的人類視覺感知研究，人眼的字母視力為5弧分。

在本實驗中，眼球的直徑約為17毫米（mm），視網膜上5弧分圖像的大小約為25微米（μm）。因此，至少需要20個周期/毫米（cycles/mm）才能解析字母。如第３圖顯示，在20個cycles/mm下，本發明的設計在MTF中可以達到30%。因此，顯示的光場效果清晰，遠近效果好，景焦深。

此外，三階像差分析結果如第４圖所示。通過比較本裝置與獨立眼睛模型的三階像差，可以看到目鏡組將光場產生裝置的像差降到了與原始眼睛模型相似的水平，在各種視場角中僅有變形存在。從第４圖中亦發現，由於視網膜的曲率，變形度相對較高，而變形其實就是光融合的重要效果；換言之，本發明可達到良好的效果。

以下實施例僅舉例以供了解本發明之細節與內涵，但不用於限制本發明之申請專利範圍。

本發明於一具體實施例中，提出一種適用於近眼光場顯示的光場產生裝置１，該光場產生裝置１的光場透鏡為目鏡組２，其架構如第５、６圖所示。

上述所提之光場產生裝置１包含該顯示面板１１、該陣列式投顯鏡組１２及該融合鏡組１３，該顯示面板１１被切分為數個子區域，而該陣列式投顯鏡組１２可為準直透鏡陣列，該準直透鏡陣列由陣列式準直透鏡１２１組成，該準直透鏡１２１個數與該顯示面板１１之子區域個數相關聯，且每一準直透鏡１２１由數個透鏡群組成，而該融合鏡組１３可為聚焦透鏡系統。其中，該顯示面板１１與該準直透鏡陣列之間的距離、該準直透鏡陣列與該聚焦透鏡系統之間的距離，係與該準直透鏡陣列之焦距及該聚焦透鏡系統之焦距相關聯；該陣列式投顯鏡組與該融合鏡組合成的F值（f-number）為2到10之間。

當運用在擴張實境（Augmented reality, AR）與混合實境（Mixed reality, MR）時，由該光場產生裝置１將光場投射出，經過該目鏡組２後，將準直之近眼光場呈現給一使用者之眼睛；其中，該光場產生裝置１內該顯示面板１１之每一子區域將顯示各場角光場資訊，該陣列式投顯鏡組１２之準直透鏡１２１將可使從該顯示面板１１發出的光準直成為平行光，該融合鏡組１３再將經過該陣列式投顯鏡組１２的光匯聚於一成像平面１４上。於本實施例中，對於該顯示面板１１上任一子區域，其顯示之影像會成像於一成像平面１４上；對於該顯示面板１１上所有子區域顯示之影像，皆會在該成像平面１４上成像，並且彼此重合；當該顯示面板１１上所有子區域顯示之影像皆為相同時，其在該成像平面１４上之成像彼此重合且彼此近似；該顯示面板１１亦可為雷射束掃描器。

由上述該光場產生裝置１發射的光束在經過由數個鏡片２１組成之目鏡組２後，會入射進眼睛３之瞳孔，該光場產生裝置１投放的影像會投影在視網膜上且被感知為由近乎無限遠之影像所發出。

本發明所提光場產生裝置１除了上述第５圖所示在VR的應用架構之外，亦可為第７圖所示在AR的應用架構。在該第７圖中，本發明提出一種多重顯示裝置來演示近眼AR的光場產生裝置１，其適合於近眼光場顯示。該光場產生裝置１的光場透鏡為目鏡組２，此實施例設計目的係使用45度雙向分色平面玻璃４來減少同軸與離軸光線的像差。

藉此，本發明設計一種用於近眼觀看以減少大多數立體VR設備中現有的人眼散光適應衝突（Vergence accommodation conflict, VAC）的光場產生裝置。該設計將近眼光場顯示視為一個光場再現過程，該過程將光場產生裝置輸出的圖像進行融合並降低像差。通過使用眼睛模型，可以驗證生成的光場的3D感知（3D perception）。所提光場產生裝置已通過焦距可調攝像機進行驗證，並證明其功能可免於VAC的問題，使得AR得以實現。

綜上所述，本發明係一種光場產生裝置，可有效改善習用之種種缺點，使用中繼透鏡模組為近眼VR顯示裝置重現光場，並專門設計光場產生裝置的目鏡組，以融合相機陣列捕獲的光場，並同時使軸內外光線的像差最小化，且本裝置已通過焦距可調攝像機進行驗證，並證明其功能可免於人眼散光適應衝突（Vergence accommodation conflict, VAC）的問題，使得擴張實境（Augmented reality, AR）得以實現，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:光場產生裝置 11:顯示面板 12:陣列式投顯鏡組 121:準直透鏡 13:融合鏡組 14:成像平面 2:目鏡組 21:鏡片 3:眼睛 4:雙向分色平面玻璃

第１圖，係本發明光場產生裝置之架構示意圖。第２圖，係本發明光場產生裝置之光路示意圖。第３圖，係本發明光場產生裝置之MTF示意圖。第４圖，係本發明光場產生裝置之三階像差示意圖。第５圖，係本發明光場產生裝置在VR應用架構示意圖。第６圖，係本發明光場產生裝置在VR應用示意圖。第７圖，係本發明光場產生裝置在AR應用架構示意圖。

1:光場產生裝置

11:顯示面板

12:陣列式投顯鏡組

121:準直透鏡

13:融合鏡組

14:成像平面

Claims

一種光場產生裝置，係適用於近眼光場顯示，其包括：一顯示面板，該顯示面板將被切分為數個子區域，每一子區域將顯示各場角光場資訊；一陣列式投顯鏡組，係將分隔為數個子區域之顯示面板上發出的景像，經由該陣列式投顯鏡組，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成像平面上，形成一個立體的光場實像；藉上述光場產生裝置產生的光場實像會經由一目鏡組將影像送入眼睛之瞳孔，使該光場產生裝置投放的影像會投影在視網膜上且被感知為由近乎無限遠之影像所發出。
依申請專利範圍第1項所述之光場產生裝置，其中，該顯示面板上任一子區域，其顯示之影像會成像於該成像平面上。
依申請專利範圍第2項所述之光場產生裝置，其中，該顯示面板上所有子區域顯示之影像，皆會在該成像平面上成像，並且彼此重合。
依申請專利範圍第3項所述之光場產生裝置，其中，該顯示面板上所有子區域顯示之影像皆為相同時，其在該成像平面上之成像彼此重合且彼此近似。
依申請專利範圍第1項所述之光場產生裝置，其中，該融合鏡組為聚焦透鏡系統，該陣列式投顯鏡組為準直透鏡陣列，該準直透鏡陣列由陣列式準直透鏡組成，每一準直透鏡由數個透鏡群組成，且該準直透鏡個數與該顯示面板之子區域個數相關聯。
依申請專利範圍第5項所述之光場產生裝置，其中，該顯示面板與該準直透鏡陣列之間的距離、該準直透鏡陣列與該聚焦透鏡系統之間的距離，係與該準直透鏡陣列之焦距及該聚焦透鏡系統之焦距相關聯。
如申請專利範圍第1項所述之光場產生裝置，其中，該陣列式投顯鏡組與該融合鏡組合成的F值(f-number)為2到10之間。
一種光場產生裝置，係適用於近眼光場顯示，其包括：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區域，每一子區域將顯示各場角光場資訊；一陣列式投顯鏡組，係將分隔為數個子區域之雷射束掃描器發出的景像，經由該陣列式投顯鏡組，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成像平面上，形成一個立體的光場實像；藉上述光場產生裝置產生的光場實像會經由一目鏡組將影像送入眼睛之瞳孔，使該光場產生裝置投放的影像會投影在視網膜上且被感知為由近乎無限遠之影像所發出。
依申請專利範圍第8項所述之光場產生裝置，其中，該雷射束掃描器之掃描區域範圍上任一子區域，其顯示之影像會成像於該成像平面上。
依申請專利範圍第9項所述之光場產生裝置，其中，該雷射束掃描器之掃描區域範圍上所有子區域顯示之影像，皆會在該成像平面上成像，並且彼此重合。
依申請專利範圍第10項所述之光場產生裝置，其中，該雷射束掃描器之掃描區域範圍上所有子區域顯示之影像皆為相同時，其在該成像平面上之成像彼此重合且彼此近似。
依申請專利範圍第8項所述之光場產生裝置，其中，該融合鏡組為聚焦透鏡系統，該陣列式投顯鏡組為準直透鏡陣列，該準直透鏡陣列由陣列式準直透鏡組成，每一準直透鏡由數個透鏡群組成，且該準直透鏡個數與該雷射束掃描器之子區域個數相關聯。
依申請專利範圍第12項所述之光場產生裝置，其中，該雷射束掃描器與該準直透鏡陣列之間的距離、該準直透鏡陣列與該聚焦透鏡系統之間的距離，係與該準直透鏡陣列之焦距及該聚焦透鏡系統之焦距相關聯。
如申請專利範圍第8項所述之光場產生裝置，其中，該陣列式投顯鏡組與該融合鏡組合成的F值為2到10之間。