CN117055215A - 光学显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学显示系统，包含扩增实境元件及透镜元件。所述扩增实境元件具有输出表面，用以将来自所述扩增实境元件的组合影像导向观看者的眼睛。所述透镜元件设置于所述输出表面与所述观看者的眼睛间，并包括聚焦透镜单元及可变焦透镜单元。所述聚焦透镜单元邻近所述输出表面设置，用于移动来自所述组合影像的组合光束的焦点。所述可变焦透镜单元远离所述输出表面设置，用于持续性地改变经由所述聚焦透镜单元聚焦形成的组合光束的焦点。由此，光学显示系统具有较宽广的光焦度可调整范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学显示系统，特别涉及一种较宽广的光焦度可调整范围的光学显示系统。
背景技术
适用于扩增实境(Augmented Reality，AR)等系统的近眼显示器可用于在观看者的视场(field of view，FOV)中创造结合了虚拟图像及真实影像的组合影像。为了提供所述观看者更良好的视场效果，所述近眼显示器与使用者双眼间的距离通常保持在限制范围内(例如15mm至20mm)。然而，当所述观看者佩戴有眼镜时，则会造成所述观看者的双眼与所述近眼显示器间的间距无法维持在前述的限制范围中，进而影响到视场效果的呈现。此外，若额外再提供专门供所述观看者配戴的眼镜来观看影像，则会在使用上造成麻烦。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学显示系统，具有较宽广的光焦度(opticalpower)可调整范围。
本发明光学显示系统，包含扩增实境元件及透镜元件。
所述扩增实境元件包括输出表面，用以将来自所述扩增实境元件的组合影像导向观看者的眼睛。
所述透镜元件设置于所述输出表面及所述观看者的眼睛间，包括邻近所述输出表面设置的聚焦透镜单元、及远离所述输出表面设置的可变焦透镜单元，所述聚焦透镜单元用于移动来自所述组合影像的组合光束的焦点，所述可变焦透镜单元用于持续性地改变经由所述聚焦透镜单元所聚焦形成的组合光束的焦点。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述聚焦透镜单元为定焦透镜。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述聚焦透镜单元为偏振无依赖透镜。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述可变焦透镜单元为电控可调焦液晶透镜。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述可变焦透镜单元为偏振无依赖透镜。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述可变焦透镜单元为偏振依赖透镜，所述透镜元件还包括一设置于所述可变焦透镜单元上游的偏振器。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述聚焦透镜单元及所述可变焦透镜单元分别为偏振无依赖液晶透镜。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述聚焦透镜单元及所述可变焦透镜单元分别为偏振依赖液晶透镜，且所述透镜元件还包括设置于所述聚焦透镜单元与所述可变焦透镜单元上游的偏振器。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述扩增实境元件包括具有所述输出表面的波导单元，用于使用于形成虚拟图像的第一光束、及来自真实世界的第二光束合并并经由所述输出表面对外输出，而形成所述组合影像。
较佳地，本发明所述的光学显示系统，其中，所述波导单元具有至少一波导，所述至少一波导具有输入耦合区域及输出耦合区域，所述输入耦合区域用于偏转来自一光供应元件的第一光束，使其于所述至少一波导中传播，当所述第一光束于所述至少一波导中传播并撞击所述输出耦合区域时，所述输出耦合区域能将所述第一光束经由所述输出表面导向至所述观看者的眼睛。
本发明的有益效果在于利用所述聚焦透镜单元与所述可变焦透镜单元搭配组合，以令所述透镜元件可具有多种不同的光焦度，进而使所述光学显示系统具有较宽广的光焦度可调整范围，因此适用于需配戴眼镜或矫正视力的眼镜的观看者，而无需额外配戴眼镜，即可直接观看来自所述扩增实境元件的组合影像。
附图说明
图1是示意图，说明本发明光学显示系统的第一实施例；
图2是示意图，说明所述光学显示系统的第二实施例；
图3是示意图，说明本发明光学显示系统的第三实施例；
图4是示意图，说明本发明光学显示系统的第四实施例。
具体实施方式
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。有关本发明的相关技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。此外，要说明的是，本发明图式仅为表示元件间的结构及/或位置相对关系，与各元件的实际尺寸并不相关，且于说明内容与申请范围中所使用的方向性术语(例如：前方、后方、左、右、顶部、底部等)仅旨在于帮助描述所说明的内容，而不该以任何形式被视为本发明的限制条件。
参阅图1，说明本发明光学显示系统的第一实施例，包含扩增实境元件100及透镜元件200。
所述扩增实境元件100包括输出表面101，用于将来自所述扩增实境元件100的组合影像导向观看者的眼睛10。
在本实施例中，所述扩增实境元件100包括具有所述输出表面101的波导单元11，用以使用于形成虚拟图像V的第一光束12、及来自真实世界的第二光束13合并，并经由所述输出表面101对外输出，而形成组合影像。
所述波导单元11可以具有单一个或是多个波导。在本实施例中，如图1所示，所述波导单元11具有三个波导111、112、113，而可将所述第一光束12导引成三道部分光121、122、123，且每一波导111、112、113具有输入耦合区域(in-coupling region)114、115、116，及输出耦合区域(out-coupling region)117、118、119。所述输入耦合区域114、115、116分别用于将自光供应元件300产生的第一光束12偏转成分别行进于相应的所述波导111、112、113中的部分光121、122、123。在本实施例中，所述光供应元件300包括光源31、用以调变来自所述光源31的光束的光调变器32(即一显示器)、及用以将来自所述光调变器32的光束投影至所述波导单元11的投影透镜33，且自所述投影透镜33输出的光束可被视为所述第一光束12。当于所述波导111、112、113中行进的所述部分光121、122、123入射相应的所述输出耦合区域117、118、119时，所述输出耦合区域117、118、119将相应的部分光121、122、123经由所述输出表面101导向至所述观看者的眼睛10。
要说明的是，所述扩增实境元件100也可以为其它合适的扩增实境装置，而不以前述的举例为限。
所述透镜元件200设置于所述输出表面101与所述观看者的眼睛10间，包括聚焦透镜单元21A及可变焦透镜单元22A。
所述聚焦透镜单元21A邻近所述输出表面101设置，用于移动一来自所述组合影像的组合光束的焦点(focus)。所述聚焦透镜单元21A为定焦透镜(fixed focus lens)，可选自实心透镜(solid lens)、凹透镜、平凹透镜、凸透镜、平凸透镜、自由曲面透镜(freeformoptical lens)、或其他合适的光学透镜。在本实施例中，如图1所示，所述聚焦透镜单元21A为偏振无依赖透镜(polarization-independent lens)。
所述可变焦透镜单元22A远离所述输出表面101设置，用于持续性地改变经由所述聚焦透镜单元21A所聚焦形成的所述组合光束的焦点。在一些实施例中，所述可变焦透镜单元22A为电控可调焦液晶透镜。在本实施例中，所述可变焦透镜单元22A为偏振无依赖透镜，并具有第一透镜221及第二透镜222。且所述第一透镜221具有多个位于其中的第一液晶分子2210，所述第二透镜222具有多个位于其中的第二液晶分子2220。
当所述组合光束沿Z方向被导入所述透镜元件200时(见图1)，所述第一液晶分子2210的长轴沿着于由Z方向及X方向共同定义而成的XZ平面排列，所述第二液晶分子2220的长轴则沿着于一由所述Z方向及Y方向共同定义而成的YZ平面排列，且所述第一液晶分子2210的排列方向基本上垂直于所述第二液晶分子2220的排列方向。
在本实施例中，所述可变焦透镜单元22A具有一有限制的光焦度(optical power)可调整范围(例如：介于-2D至+2D)。因此，在所述透镜元件200仅包含所述可变焦透镜单元22A的条件下，所述光学显示系统可适用于例如需要使用其屈亮度(diopter)介于-2D至+2D的镜片进行视力矫正的人。当所述聚焦透镜单元21A(例如具有光焦度-6D)结合了所述可变焦透镜单元22A(例如具有可调整的光焦度范围-2D至+2D)，则所述光学显示系统可适用例如需要使用其屈亮度介于-8D至-4D的镜片进行视力矫正的人。
参阅图2，说明本发明光学显示系统的第二实施例，所述第二实施例与所述第一实施例相似，其差异在于所述第二实施例的可变焦透镜单元22B为具有多个第一液晶分子2210的偏振依赖透镜。且于所述第二实施例中，所述透镜元件200还包括设置于所述可变焦透镜单元22B上游的偏振器23，而可使经由所述聚焦透镜单元21A聚焦的组合光束被偏振转换，以通过所述可变焦透镜单元22B。
在一些实施例中，所述可变焦透镜单元22B可选自电控可调焦液晶透镜。
在本实施例中，是以所述偏振器23设置于所述聚焦透镜单元21A及所述可变焦透镜单元22B间(见图2)为例进行说明。然，在其它实施例中，所述偏振器23也可以视需求设置于所述输出表面101与所述聚焦透镜单元21A间。
参阅图3，说明本发明光学显示系统的第三实施例，所述第三实施例与所述第一实施例相似，其差异在于所述第三实施例的聚焦透镜单元21B为用以提供固定焦点(focus)的偏振无依赖液晶透镜，并具有两个液晶透镜211、212，且其中一液晶透镜211中的液晶分子2110沿着所述X方向排列，另一液晶透镜212中的液晶分子2120则沿着所述Y方向排列。
参阅图4，说明本发明光学显示系统的第四实施例，所述第四实施例与所述第二实施例相似，其差异在于所述第四实施例的聚焦透镜单元21C为提供固定焦点的偏振依赖透镜，且所述偏振器23设置于所述聚焦透镜单元21C与所述可变焦透镜单元22B的上游。
通过使用配置有所述透镜元件200的光学显示系统，所述观看者可以直接观看来自所述扩增实境元件100的组合影像，而无需额外配戴眼镜或其它用于矫正视力的眼镜。
综上所述，本发明光学显示系统的透镜元件100利用所述聚焦透镜单元21A、21B、21C与所述可变焦透镜单元22A、22B搭配组合，以取得多种不同的光焦度，而可具有较宽广的光焦度可调整范围，用以移动来自所述组合影像的组合光束的焦点，因此适用于更多具有不同视力的观看者，而无需额外配戴眼镜，即可直接观看来自所述扩增实境元件200产生的组合影像，故确实可达成本发明的目的。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种光学显示系统，其特征在于，包含：
扩增实境元件，包括输出表面，用以将来自所述扩增实境元件的组合影像导向观看者的眼睛；及
透镜元件，设置于所述输出表面及所述观看者的眼睛间，包括邻近所述输出表面设置的聚焦透镜单元、及远离所述输出表面设置的可变焦透镜单元，所述聚焦透镜单元用于移动来自所述组合影像的组合光束的焦点，所述可变焦透镜单元用于持续性地改变经由所述聚焦透镜单元所聚焦形成的组合光束的焦点。
2.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述聚焦透镜单元为定焦透镜。
3.根据权利要求2所述的光学显示系统，其特征在于，所述聚焦透镜单元为偏振无依赖透镜。
4.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述可变焦透镜单元为电控可调焦液晶透镜。
5.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述可变焦透镜单元为偏振无依赖透镜。
6.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述可变焦透镜单元为偏振依赖透镜，所述透镜元件还包括设置于所述可变焦透镜单元上游的偏振器。
7.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述聚焦透镜单元及所述可变焦透镜单元分别为偏振无依赖液晶透镜。
8.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述聚焦透镜单元及所述可变焦透镜单元分别为偏振依赖液晶透镜，且所述透镜元件还包括设置于所述聚焦透镜单元与所述可变焦透镜单元上游的偏振器。
9.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述扩增实境元件包括具有所述输出表面的波导单元，用于使用于形成虚拟图像的第一光束、及来自真实世界的第二光束合并并经由所述输出表面对外输出，而形成所述组合影像。
10.根据权利要求9所述的光学显示系统，其特征在于，所述波导单元具有至少一波导，所述至少一波导具有输入耦合区域及输出耦合区域，所述输入耦合区域用于偏转来自光供应元件的第一光束，使其于所述至少一波导中传播，当所述第一光束于所述至少一波导中传播并撞击所述输出耦合区域时，所述输出耦合区域能将所述第一光束经由所述输出表面导向至所述观看者的眼睛。
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