具增强现实的光学系统的制作方法

1.本发明涉及一种光学结构，特别是指一种具增强现实的光学系统。


背景技术：

2.穿戴式装置被认为是继智能手机后最具市场成长潜力的电子产品之一。穿戴式装置依据不同穿戴类型可分成眼镜型、手表型、穿着型、配戴型及贴附型等。穿戴式装置结合虚拟现实(virtual reality,vr)、混合现实(mixed reality,mr)或增强现实(augmented reality,ar)的应用性逐渐提升。以增强现实的眼镜为例，如何将镜片制作的轻薄，以在尽量不改变镜框外型、眼镜重量的前提下，使眼镜同时具备增强现实的效果，为此领域的一项重要课题。
3.目前大多数的增强现实的眼镜都是将显示屏放置在镜片的两侧，便于安装显示屏，但从光线到达人眼直视的位置的距离就会增加，需要加厚的镜片才能达到良好的像差修正。而为了切换镜片的透明光学状态(一般眼镜使用)及增强现实状态(启用显示屏、发出影像光)，目前多数采用绕射或光栅的方式将光线导入人眼，但如此一来会使光学系统更为复杂，无法达到轻薄的目的。
4.因此，本发明针对上述现有技术的缺失及未来的需求，提出一种具增强现实的光学系统，具体架构及其实施方式将详述于下：


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在提供一种具增强现实的光学系统，其通过光线在导光元件内三次反射，不需使用光栅或绕射、散射等光学原理，即可使镜片同时具有矫正眼睛屈光度及增强现实的效果。
6.本发明的另一目的在提供一种具增强现实的光学系统，其将显示屏设置在导光元件的上方，缩短入射面到第二反射面的距离，以达到镜片轻薄化的效果。
7.为达上述目的，本发明提供一种具增强现实的光学系统，包括：一显示屏，发出光线；以及一导光元件，包括一入射面及多个反射面，入射面设于导光元件的顶端且与反射面其中之一出射反射面相邻，其中出射反射面为与一人眼相对的表面，入射面对应显示屏设置，以让光线从入射面进入导光元件，在导光元件内经过反射面三次反射后，自出射反射面将光线导入人眼。
8.依据本发明的实施例，入射面为倾斜面。
9.依据本发明的实施例，反射面更包括一第一反射面以及一第二反射面，第一反射面与出射反射面相对设置，其中出射反射面为靠近人眼的表面，第一反射面为远离人眼的表面，第二反射面设于导光元件的底部。
10.依据本发明的实施例，光线穿透入射面后，依序被第一反射面、出射反射面及第二反射面反射后导入人眼。
11.依据本发明的实施例，出射反射面的上半部用以将被第一反射面反射的光线反射
到第二反射面，而第二反射面反射的光线则从出射反射面的下半部射出导光元件。
12.依据本发明的实施例，光线被第一反射面全反射至出射反射面，出射反射面将被第一反射面全反射的光线再次进行全反射。
13.依据本发明的实施例，第二反射面设有一部分穿透部分反射的镀膜，出射反射面所反射的光线经过第二反射面进行部分穿透部分反射，其中，被第二反射面部分反射的光线会穿透出射反射面到达人眼。
14.依据本发明的实施例，第二反射面为倾斜面。
15.依据本发明的实施例，第一反射面及出射反射面为轴对称曲面，第一反射面及出射反射面的对称轴为同轴设置。
16.依据本发明的实施例，入射面及反射面为球面、非球面或平面其中之一。
17.依据本发明的实施例，入射面及反射面为球面时，其中c为曲率半径的倒数。
18.依据本发明的实施例，入射面及反射面为非球面时，其中a、b、c、d、e等为非球面公式中的参数，c为曲率半径的倒数，k为圆锥系数。
19.依据本发明的实施例，入射面及反射面为平面时，z＝0。
20.依据本发明的实施例，第一反射面与出射反射面曲率的搭配使该导光元件具有屈光度，屈光度的范围在正负8度之间。
21.依据本发明的实施例，显示屏与一y轴的夹角为θ
p
，从显示屏的中心入射第一反射面的光线的入射角为θ
s1
，光学系统符合
22.依据本发明的实施例，导光元件的折射率为n1，第一反射面的曲率半径为r
s1
，出射反射面的曲率半径为r
s2
，光学系统符合
23.依据本发明的实施例，显示屏的中心入射第一反射面的光线高度为h
s1
，第一反射面的曲率半径为r
s1
，光学系统符合
24.依据本发明的实施例，导光元件和一辅助镜片组合成一镜片，第二反射面与辅助镜片邻接。
25.依据本发明的实施例，镜片的形状与一增强现实的眼镜的镜框相符。
附图说明
26.图1及图2为本发明具增强现实的光学系统的镜片的立体图。
27.图3及图4为本发明具增强现实的光学系统的光学路径及角度的示意图。
28.图5为本发明具增强现实的光学系统应用在眼镜上的示意图。
29.图6及图7为将图5的眼镜配戴在人脸上的示意图。
30.图8至图11为本发明具增强现实的光学系统的其他实施例的示意图。
31.附图标记列表：10-具增强现实的光学系统；12-显示屏；14-镜片；142-导光元件；
144-辅助镜片；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-镜框。
具体实施方式
32.本发明提供一种具增强现实的光学系统，其可应用在近视眼镜、平光眼镜或远视眼镜，使这三种眼镜兼具增强现实的效果，让使用者方便配戴。此外，更通过将显示屏设置在镜片上方的设计，使导光元件的厚度轻薄仍可达到增强现实的效果，让整体光学系统更为轻薄。
33.请同时参考图1、图2、图3及图4，其中图1及图2为本发明具增强现实的光学系统10的镜片14的立体图，图3及图4为本发明具增强现实的光学系统10的光学路径及角度的示意图。本发明的具增强现实的光学系统10包括一显示屏12及一导光元件142，其中显示屏12用以发出光线，特别是包含影像的影像光；导光元件142为片状，包括一入射面162及多个反射面，入射面162设于导光元件142的顶端，显示屏12与入射面162相对设置，从入射面162的上方发出光线，光线向下从入射面162进入导光元件142。光线在导光元件142内经过三次反射后，被导光元件142导入人眼18。
34.更具体来说，入射面162为倾斜面，显示屏12与入射面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与出射反射面166相对设置，出射反射面166为靠近人眼18的表面，第一反射面164则为远离人眼18的表面。入射面162与第一反射面164及出射反射面166相邻。更进一步来说，第一反射面164及出射反射面166为轴对称曲面，第一反射面164及出射反射面166的对称轴为同轴设置。出射反射面166分为两个部分，上半部为反射面，下半部则为出射面。第二反射面168设于导光元件142的底部，为一倾斜面。当光线穿透入射面162后，依序被第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168反射后导入人眼18。
35.本发明设置三个反射面的原因在于，若只有两次反射，则导光元件142的厚度需要更厚才能达到良好的像差修正。若反射三次，则导光元件142可更薄而达到好的像差修正效果。
36.第二反射面168设有一部分穿透部分反射的镀膜(图中未示)，因此第二反射面168具有部分穿透部分反射的效果。当显示屏12发出光线时，到达第二反射面168的光线会部分穿透第二反射面168射向前方，部分则反射向人眼18。当显示屏12没有启动时，则人眼18可直接通过第一反射面164或第二反射面168看到外界影像。
37.光线的详细路径如下：光线穿透入射面162后，被第一反射面164全反射至出射反射面166的上半部。由于出射反射面166的上半部为反射面，因此被第一反射面164全反射的光线会再次被出射反射面166的上半部进行全反射，反射到第二反射面168。当出射反射面166的上半部所反射的光线经过第二反射面168后，会进行部分穿透部分反射，其中，被第二反射面168部分反射的光线会穿透出射反射面166的下半部，到达人眼18，让人眼18看到显示屏12所显示的影像、同时看到外界影像，达到增强现实的目的。
38.导光元件142和一辅助镜片144组合成一镜片14，导光元件142底部的第二反射面168与辅助镜片144邻接，通过与导光元件142的底部贴合、黏合或其它方式组合在一起。设置辅助镜片144的目的是为了使镜片14的形状与一增强现实的眼镜的镜框相符。且由于使
用者也会通过辅助镜片144看到外部影像，因此，在材质选择上，辅助镜片144会与导光元件142一致。因为若辅助镜片144与导光元件142的材质不一致，则折射率也不同，使用者通过镜片看到外界景像会因为镜片光程差的差异而造成景象不连续。使用者可直接配戴包含本发明的具增强现实的光学系统10的眼镜，无须在原有的近视眼镜或远视眼镜及增强现实的眼镜之间切换配戴。
39.本发明中，入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168为球面、非球面或平面其中之一。当入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168为球面时，具增强现实的光学系统10符合公式其中c为曲率半径的倒数。当入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168为非球面时，具增强现实的光学系统10符合公式其中a、b、c、d、e等为非球面公式中的参数，c为曲率半径的倒数，k为圆锥系数。当入射面162、第一反射面164、出射反射面166及第二反射面168为平面时，具增强现实的光学系统10符合公式z＝0。
40.本发明中为了使人眼18可通过导光元件142看到外界影像，也就是外界光会先通过第一反射面164再通过出射反射面166到达人眼18，进而使具增强现实的光学系统10的眼镜兼具增强现实的眼镜及近视眼镜、远视眼镜或平光眼镜的效果。因此，利用第一反射面164与出射反射面166间的曲率搭配，使导光元件142具有屈光度，屈光度的范围在正负8度之间。
41.此外，由于显示屏12为倾斜的，因此还需定义显示屏12的倾斜角及其入射到第一反射面164的夹角。假设显示屏12与y轴的夹角为θ
p
，从显示屏12的中心入射第一反射面164的光线的入射角为θ
s1
，则具增强现实的光学系统10符合可达到良好的像差畸变修正。
42.此外，由于光线在导光元件142内部经过折射与反射，因此需要定义导光元件142的折射率及第一反射面164、出射反射面166的曲率半径之间的关系。假设导光元件142的折射率为n1，第一反射面164的曲率半径为r
s1
，出射反射面166的曲率半径为r
s2
，则具增强现实的光学系统10符合可达到良好的屈光度矫正。
43.再者，光线进入导光元件142后触及的第一个面，也就是触及到第一反射面164的位置与人眼18之间的距离(高度)也是一个重要的参数，其代表导光元件142的纵向长度是否够短，不会超过一般眼镜片的纵向长度。而要调整显示屏12的中心入射第一反射面164的光线高度h
s1
，还需要配合调整第一反射面的曲率半径为r
s1
，在本发明中，当具增强现实的光学系统10符合时，为可达到较大视角及轻薄化的较佳范围。
44.图5为本发明具增强现实的光学系统应用在眼镜上的示意图。如图所示，镜片14为导光元件142及辅助镜片144的组合，且组合后的尺寸符合镜框20的大小。镜框20的左右两边分别设置有一显示屏12。将图5的眼镜配戴在人脸上，如图6及图7所示。使用者配戴此眼镜时，若显示屏12未启用，一般情况可当作平光眼镜、近视眼镜或远视眼镜使用。当显示屏
12发出影像光时，使用者便可看到增强现实的影像。
45.图8至图11为不同镜片14的实施例，其中图8为第一实施例，其镜片14为平光眼镜的镜片。图9为第二实施例，其镜片14也是平光眼镜的镜片。图10为第三实施例，其镜片14为-2.25度的近视眼镜的镜片。图11为第四实施例，其镜片14为+2.75度的远视眼镜的镜片。各实施例的参数如下表一，对应公式的最佳数值如下表二：
46.参数第一实施例第二实施例第三实施例第四实施例1θ
p
48.6
°
55.0
°
53.2
°
30.44
°
2θ
s1
54.2
°
57.45
°
55.4
°
48.8
°
3n11.5431.5431.5431.5434r
s1-200无限-400-654r
s2-200无限-151-986h
s1
20.5520.6419.6520.6
47.表一
[0048][0049]
表二
[0050]
综上所述，本发明所提供的具增强现实的光学系统可应用在近视眼镜、平光眼镜或远视眼镜，使这三种眼镜兼具增强现实的效果，让使用者方便配戴。此外，由于一般显示屏水平较长垂直较短，因此本发明将显示屏设置在镜片上方的设计，缩短导光元件的高度，使导光元件的高度及厚度皆轻薄仍可达到增强现实的效果，使增强现实的眼镜更轻薄。再者，此光学系统中无任何绕射、干涉元件与自由曲面，只用非球面与球面或平面，因此结构单纯并能达到良好的像差修正，且制造性较高。在功能性上，使用本发明的光学系统的增强现实的眼镜能同时达到屈光矫正的要求。
[0051]
唯以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明申请范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。