本發(fā)明屬于一種虛像顯示裝置，特別關(guān)于一種擴增實境型可穿戴式的場曲型虛像顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：虛像投影是指將一影像源透過光學(xué)系統(tǒng)成像，使其成為具有投射距離和放大倍率的虛像，當(dāng)影像源的光線入射于折射型或反射型光學(xué)系統(tǒng)而造成光線發(fā)散時可產(chǎn)生虛像，其所在的位置并無光束的實際匯聚故無法以屏幕承接到一真實的像，虛像系統(tǒng)的出瞳面與觀察者的瞳孔重合時可使觀察者看到完整的虛像，此時目鏡與瞳孔之間存在一距離為適眼距。折射型虛像光學(xué)系統(tǒng)多采用放大鏡、顯微鏡或望遠鏡等裝置，因其用途屬于觀察特定目標(biāo)，使用時無需同時對眼睛前方的外界環(huán)境進行觀察；也可不考慮人體穿戴需求，故眼睛前方光學(xué)組件的數(shù)量、體積及重量等并非設(shè)計時要考慮的主要因素。反射型虛像光學(xué)系統(tǒng)因為可以利用反射元件使虛像位置與光學(xué)系統(tǒng)光軸間產(chǎn)生轉(zhuǎn)折，故可使光學(xué)系統(tǒng)大部分的元件從眼睛正前方轉(zhuǎn)移至其他位置，對于穿戴式應(yīng)用而言可使光學(xué)系統(tǒng)的重心較接近頭部而降低力矩，同時也達到美觀的目的；反射元件本身可被制造成具有光線部分反射部分透射特性，使穿戴者可通過反射光觀察到來自影像源的虛像，同時從透射光觀察到外界環(huán)境，此類元件用在反射型虛像光學(xué)系統(tǒng)稱為影像結(jié)合器(Combiner)。反射型虛像光學(xué)系統(tǒng)可分為軸上式與離軸式，其中軸上式光學(xué)系統(tǒng)的常見類型，以影像結(jié)合器的類型做區(qū)分，以波導(dǎo)(Waveguide,參見U.S.Pub.No.2007/0091445)、偏振光束分光器(Polarizationbeamsplitter,參見U.S.Pat.No.7,369,317)以及半反半穿鏡(Halfmirror,參見U.S.Pat.No.5,822,127)等為常見；采用軸上式反射型虛像光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，為使虛像看起來位于使用者正前方，在偏振光束分光器以及半反半穿鏡的架構(gòu)必須裝置具有傾斜45°的平面反射面在人眼前方作為影像結(jié)合器的一部分，如此將使影像結(jié)合器產(chǎn)生相當(dāng)厚度，且厚度會隨著系統(tǒng)視場角設(shè)計值的增加而遞增。離軸式光學(xué)系統(tǒng)依影像結(jié)合器的類型可區(qū)分為全像光學(xué)元件(Holographicopticalelement,U.S.Pat.No.5,305,124)和一般光學(xué)元件(Opticalelement)。而本發(fā)明屬于采用一般光學(xué)元件作為影像結(jié)合器的反射型離軸式虛像顯示系統(tǒng)。圖1A表示一反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)1000，該系統(tǒng)適用于投影鏡組100，影像源101前方的光學(xué)鏡組作為第一成像群組103；以具有凹面曲率的部分反射部分透射鏡作為第二成像群組106，同時也作為影像結(jié)合器使用。操作上影像源101透過第一成像群組103成像一實像105于第二成像群組106的焦距內(nèi)使系統(tǒng)1000產(chǎn)生虛像面108以及出瞳110；上述兩群組不共軸，用以使入射第二成像群組106的中心的主光線113與從第二成像群組106反射的反射主光線113’兩者間具有足夠大的夾角，以期虛像能位于觀察者的正前方且觀察虛像的同時頭部組織不會與投影鏡組發(fā)生干涉。假設(shè)頭戴式顯示裝置的規(guī)格為：1.虛像距離觀察者2.5公尺處必須具有長寬比為16:9且對角線長度為60吋的虛像畫面也即弧矢(Sagittal)有效視場角約須等于30°；2.虛像位必須在觀察者正前方并正向面對觀察者；3.光學(xué)系統(tǒng)不能遮蔽人眼111的視野，也不能與頭部任何組織發(fā)生干涉。上述3個條件須被同時滿足時必須達到下列條件：1.來自于實像105兩側(cè)的主光線114和115通過第二成像群組106反射產(chǎn)生的反射主光線114’和115’必須各自與反射主光線113’具有15°夾角，才能夠使觀察者看到左右等寬的虛像畫面并具有30°的弧矢有效視角；2.虛像光軸109必須與眼光軸112共軸才能使虛像畫面正對觀察者，其中虛像光軸109的定義為：通過虛像畫面幾何中心的法線；3.投影鏡組100的第一成像群組光軸104與眼光軸112在適眼距25mm時必須具有至少45°以上夾角，也就是說系統(tǒng)1000必須達成45°以上的側(cè)向投影才足以避免人體與光學(xué)系統(tǒng)的干涉；3.眼光軸112必須與反射主光線113’重疊才能夠使虛像畫面中心位于人眼正前方，換句話說也就是必須以反射主光線113’來決定眼光軸112。上述條件第1點可以控制實像105的高度與第二成像群組106的焦長兩者的比值為2tan(15°)來達成；為滿足上述條件第3點，以第二成像群組106頂點為中心使其進行旋轉(zhuǎn)，直到第一成像群組光軸104與第二成像群組光軸107具有22.5°夾角，則主光線113和反射主光線113’可達到具有45°夾角；上述離軸設(shè)計會造成虛像兩側(cè)光程不同而發(fā)生，如圖1C所示的梯形畸變，且系統(tǒng)所形成的虛像面108的光軸109未能與眼光軸112共軸，故未能滿足上述條件第2點。上述條件第2點的不成立以及上述條件第3點成立后帶來的畫面梯形畸變皆因于虛像光軸109與反射主光線113’不共軸，此時可選擇被觀測面116作為虛像畫面以改善梯形畸變并解決虛像光軸109與眼光軸112不共軸的問題，但由于真正的成像面為虛像面108，所以被觀測面116會因景深需求的因素而降低清晰度。虛像梯形畸變量計算如下：虛像弧矢視場角其中Hhorizontal≡影像源弧矢方向高度Mimage_real≡成像系統(tǒng)第一群組放大倍率-fcombiner≡第二成像群組等效焦距虛像中心放大倍率其中qC≡虛像中心像距以實像為物的中心物距欲使虛像光軸109與主光線113具有弧矢夾角，則第二成像群組光軸107須在弧矢平面上傾斜使第二成像群組光軸107與第一成像群組光軸104之間具有夾角θt，依光束前進方向：實像弧矢方向左側(cè)物距實像弧矢方向右側(cè)物距依人眼觀察虛像方向：虛像弧矢方向左側(cè)放大倍率其中qL≡虛像左側(cè)像距虛像弧矢方向右側(cè)放大倍率其中qR≡虛像右側(cè)像距由可得虛像左右兩側(cè)放大倍率比若以：影像源101弧矢方向高度8mm第一成像群組103以放大倍率1.1虛像有效視場角為30°為達到光路轉(zhuǎn)折45°，第二成像群組傾角θt須為22.5°虛像中心像距45mm則：由(式1)可知由(式2)可知由(式3)可知由(式4)可知由(式5)可知由(式6)可知由(式7)可知由(式8)可知由上式可知左側(cè)像高約為右側(cè)像高2.24倍的虛像，如圖1C所示。由(式8)可知虛像不發(fā)生梯形畸變的條件為θt＝0或fcombiner＝∞。由于離軸式頭戴顯示裝置必須避開與頭部干涉故θt≠0；且顧及到虛像放大倍率故fcombiner≠∞，故這種實施方式造成的畫面梯形畸變在虛像具有放大倍率且第二成像群組與成像系統(tǒng)光路具有夾角的情形下是必然存在的。也可由莎姆定律(Scheimpflugprinciple)的觀點來解釋虛像光軸109與眼光軸112不共軸的問題。莎姆定律：當(dāng)物平面與成像系統(tǒng)平面不平行時，則物平面、像平面與成像系統(tǒng)平面的延伸將共交于有限遠的一點。如圖1B-1所示，由第一成像群組所發(fā)生的實像面105為物平面105’以及第二成像群組平面為成像系統(tǒng)平面106-1兩者光軸夾角22.5°，以使第一成像群組與通過虛像中心的主光線具有45°夾角，此時物平面105’、虛像面108-1和成像系統(tǒng)平面106-1三平面的延伸面共交于P1點。請參考圖1B-2和圖1B-3，其中第一成像群組103、物平面105’皆與圖1B-1相同；成像系統(tǒng)平面106-1往物平面105’靠近1.4mm產(chǎn)生成像系統(tǒng)平面106-2、虛像面108-2和虛像光軸109-2；成像系統(tǒng)平面106-2再往物平面105’靠近2.1mm產(chǎn)生成像系統(tǒng)平面106-3、虛像面108-3和虛像光軸109-3。因此圖1B-1、圖1B-2和圖1B-3表示出物平面105’與成像系統(tǒng)平面106-1的中心距離從10.8mm逐漸縮減至7.3mm的變化情形，上述兩平面的光軸夾角不變，隨著中心距離改變而發(fā)生變化的是系統(tǒng)放大倍率、共交點P1、P2與P3、虛像面108-1、108-2與108-3和虛像光軸109-1、109-2與109-3。觀察圖1B-1、圖1B-2和圖1B-3可知虛像光軸109-1、109-2和109-3與眼光軸112的夾角隨著系統(tǒng)放大倍率愈小則愈小，反之，隨著系統(tǒng)放大倍率愈大，則上述兩光軸夾角愈大，也即穿戴者側(cè)向觀察虛像的程度愈大。關(guān)于解決反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題，先前技術(shù)提出以全像光學(xué)元件作為影像結(jié)合器的想法，如U.S.Pat.No.3,940,204提出以全像光學(xué)元件作為影像結(jié)合器，且物平面對第一成像群組傾斜的設(shè)計；也如U.S.Pat.No.4,763,990提出以全像光學(xué)元件作為影像結(jié)合器，且區(qū)分第一成像群組至少為兩群并使其相互不共軸的設(shè)計。此外全像光學(xué)元件對波長變化較為靈敏，為了處理彩色影像，U.S.Pat.No.5,305,124采用三層式全像光學(xué)元件解決全像光學(xué)元件的波段涵蓋問題以達成具有全彩的畫面。采用一般光學(xué)元件作為影像結(jié)合器的系統(tǒng)也有可能解決反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題如U.S.Pat.No.4,026,641提出采用環(huán)形面作為影像結(jié)合器的反射面，且需要物面為環(huán)形面來作搭配；也如U.S.Pat.No.5,576,887提出使用環(huán)形面作為影像結(jié)合器的反射面，并使物平面對第一成像群組作大幅度的傾斜和位移；也如U.S.Pat.No.7,542,209提出使用橢圓面作為影像結(jié)合器的反射面、第一成像群組須具有楔型棱鏡、物平面對第一成像群組作傾斜和位移、將第一成像群組分成至少兩群并使其不共軸等特征。技術(shù)實現(xiàn)要素：依據(jù)上述分類，本發(fā)明屬于采用一般光學(xué)元件作為影像結(jié)合器的反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)。本發(fā)明揭露一種場曲型虛像顯示系統(tǒng)，且場曲型虛像顯示系統(tǒng)適用于一投影鏡組，場曲型虛像顯示系統(tǒng)包含：一影像源位于投影鏡組的一物平面的部分區(qū)域；一第一成像群組具有一前群鏡組與一后群鏡組；以及一第二成像群組具有一部分反射部分透射面以及一抗反射面，在系統(tǒng)中作為一影像結(jié)合器使用；其中，物平面與第一成像群組共軸于系統(tǒng)的一第一光軸；第二成像群組共軸于系統(tǒng)的一第二光軸；該物平面透過第一成像群組與第二成像群組形成具有特定場曲型態(tài)的一虛像面；影像源位于物平面的部份區(qū)域，使虛像面僅有部分區(qū)域可被顯示；影像源所在的部份區(qū)域中心與物平面中心具有物偏移量，使虛像面的可顯示的區(qū)域與虛像面中心同時產(chǎn)生像偏移量；由虛像面的場曲特性，且虛像面的可顯示區(qū)域具有像偏移量，使系統(tǒng)所發(fā)生的虛像光軸與第一光軸具有一夾角。利用上述特性可使系統(tǒng)顯示正確的畫面，同時可避免當(dāng)眼光軸與虛像光軸共軸時發(fā)生投影鏡組與頭部組織干涉的情形。更進一步地，該第一成像群組包含：一前群鏡組、一光瞳以及一后群鏡組；其中，該影像源以及該前群鏡組相對于該光瞳位于相同一側(cè)；該后群鏡組與該第二成像群組相對于該光瞳為相同另一側(cè)；依光線前進方向該影像源以及該前群鏡組位于光瞳之前，該后群鏡組與該第二成像群組位于光瞳之后；其中，第一成像群組所包含的光學(xué)元件除光瞳之外，其余元件的有效區(qū)中心均各自具有偏移量；位于光瞳之前的光學(xué)元件有效區(qū)偏移方向與影像源偏移方向相同，且越遠離光瞳的元件其有效區(qū)偏移量越大；位于光瞳之后的光學(xué)元件有效區(qū)偏移方向與影像源偏移方向相反，且越遠離光瞳的元件其有效區(qū)偏移量越大；因元件有效區(qū)偏移量而發(fā)生的元件無效區(qū)可被切除，用以避免發(fā)生干涉并減少體積和重量。更進一步地，該部份反射部份透射面可利用平移與旋轉(zhuǎn)該第二光軸，以進行優(yōu)化影像品質(zhì)。更進一步地，第一成像群組的該后群鏡組中具有至少一個一第一環(huán)形面，且該第二成像群組中該部份反射部份透射面必為一第二環(huán)形面。更進一步地，該投影鏡組具有足夠厚度的背焦棱鏡(組)時可以容納反射式、穿透式以及自發(fā)光式影像源的照明系統(tǒng)。更進一步地，該系統(tǒng)可搭載一數(shù)字微鏡裝置及其照明系統(tǒng)、一硅基液晶及其照明系統(tǒng)、或一液晶顯示器及其照明系統(tǒng)、或一有機發(fā)光二極管、或一微型發(fā)光二極管陣列。更進一步地，畫面發(fā)生線條彎曲的月形畸變，可調(diào)整影像源電子訊號做前期畸變來改善其弧矢月形畸變或子午月形畸變。更進一步地，調(diào)整影像源電子訊號方法為控制畫面中間縱向線條的曲率半徑使其為無窮大來調(diào)整弧矢月形畸變；或控制畫面中間橫向線條的曲率半徑使其為無窮大來調(diào)整子午月形畸變。更進一步地，該第二成像群組包含：一部分反射部分透射面以及一抗反射面；其中，抗反射面的面形搭配部分反射部分透射面的面形設(shè)計，可使該第二成像群組具有或不具有度數(shù)，用以配合具有健康視力者、近視者以及遠視者觀察外界環(huán)境時所需。更進一步地，調(diào)整影像源到第一成像群組之間的空氣間隙可使不論具有健康視力者、近視者以及遠視者皆能觀察到清晰的系統(tǒng)虛像。附圖說明圖1A為一種反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)1000圖1B-1為反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)1000，符合莎姆定律且中心物距約10.8mm的光路示意圖。圖1B-2為反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)1000，符合莎姆定律且中心物距約9.4mm的光路示意圖。圖1B-3為反射型離軸式虛像投影系統(tǒng)1000，符合莎姆定律且中心物距7.3mm的光路示意圖。圖1C為圖1A中虛像面的梯形畸變示意圖。圖2A為具有凹面型態(tài)場曲虛像面207和±60°弧矢視場角的虛像投影系統(tǒng)2000的光路示意圖。圖2B為具有凹面型態(tài)場曲虛像面207和±60°弧矢視場角的虛像投影系統(tǒng)2000的立體模型示意圖。圖2C為具有凹面型態(tài)場曲虛像面207和±60°弧矢視場角的虛像投影系統(tǒng)2000與被觀測面207’的立體模型示意圖。圖2D為圖2C中被觀測面207’的圖像畸變示意圖。圖3A為具有包含±15°弧矢視場角的區(qū)域面301和虛像投影系統(tǒng)3000的光路示意圖。圖3B為具有包含±15°弧矢視場角的區(qū)域面301和反射型虛像投影系統(tǒng)3000的立體模型示意圖。圖3C為具有包含±15°弧矢視場角的區(qū)域面301和反射型虛像投影系統(tǒng)3000與被觀測面301’的立體模型示意圖。圖3D為圖3C中被觀測面301’的圖像畸變示意圖。圖4A為具有凹面型態(tài)場曲虛像面，包含±15°弧矢視場角的區(qū)域面301和包含+30°至+60°弧矢視場角的區(qū)域面501的虛像投影系統(tǒng)3000和虛像投影系統(tǒng)5000的立體模型差異示意圖。圖4B為具有凹面型態(tài)場曲虛像面，包含±15°弧矢視場角的被觀測面301’、+30°至+60°弧矢視場角的被觀測面501’、虛像投影系統(tǒng)3000和虛像投影系統(tǒng)5000的立體模型差異示意圖。圖5A為具有+30°至+60°弧矢視場角的區(qū)域面501和虛像投影系統(tǒng)5000的光路示意圖。圖5B為具有+30°至+60°弧矢視場角的區(qū)域面501和虛像投影系統(tǒng)5000的立體模型示意圖。圖5C為具有+30°至+60°弧矢視場角的被觀測面501’和虛像投影系統(tǒng)5000的立體模型示意圖。圖5D為圖5C中被觀測面501’的圖像畸變示意圖。圖5E為「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」的特征示意圖。圖6A為具有虛像面207的虛像投影系統(tǒng)2000，在第二成像群組旋轉(zhuǎn)及位移后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑撓衩?07的虛像投影系統(tǒng)6000的光路差異示意圖。圖6B為具有虛像面207的虛像投影系統(tǒng)2000，在第二成像群組旋轉(zhuǎn)及位移后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑撓衩?07的虛像投影系統(tǒng)6000的立體模型差異示意圖。圖7A為具有虛像面207的虛像投影系統(tǒng)2000，在第二成像群組中部分反射部分透射面和后群鏡組中至少各一光學(xué)面從圓對稱面修改為環(huán)形面后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑撓衩?07的虛像投影系統(tǒng)7000的光路差異示意圖。圖7B為具有虛像面207的虛像投影系統(tǒng)2000，在第二成像群組中部分反射部分透射面和后群鏡組中至少各一光學(xué)面從圓對稱面修改為環(huán)形面后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑撓衩?07的虛像投影系統(tǒng)7000的立體模型差異示意圖。圖8A為搭配數(shù)字微鏡裝置與RTIR棱鏡組的投影系統(tǒng)示意圖。圖8B為搭配數(shù)字微鏡裝置與TIR棱鏡組的投影系統(tǒng)示意圖。圖8C為搭配硅基液晶與方塊狀偏振分光器的投影系統(tǒng)示意圖。圖8D為搭配硅基液晶與片狀偏振分光器的投影系統(tǒng)示意圖。圖9A為以曲率半徑擬合圖5D虛像月形畸變的示意圖。圖9B-1為圖9A的曲率半徑擬合線條示意圖。圖9B-2為圖9B-1利用調(diào)整影像源電子訊號做前期畸變后的虛像畸變示意圖。圖10A為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在系統(tǒng)第一光軸與Z軸共軸、且背焦光路為直光路時的光路示意圖。圖10B為圖10A的背焦棱鏡由直角棱鏡取代后的光路示意圖。圖10C為圖10B的元件無效區(qū)域被切除后的光路示意圖。圖10D為在圖10C搭配數(shù)字微鏡裝置及其照明系統(tǒng)后的光路示意圖。圖10E為在圖10C搭配硅基液晶及其照明系統(tǒng)后的光路示意圖。圖10F為在圖10C搭配液晶顯示器及其照明系統(tǒng)后的光路示意圖。圖10G為在圖10C搭配有機發(fā)光二極管或微型發(fā)光二極管陣列后的光路示意圖。圖10H為將圖10C「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」進行旋轉(zhuǎn)及位移使其出瞳光軸與Z軸共軸的光路示意圖。圖10I為在圖10H導(dǎo)入類眼光學(xué)系統(tǒng)1015并使「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」的出瞳與類眼光學(xué)系統(tǒng)的入瞳兩者重疊后的光路示意圖。圖10J為圖10I中類視網(wǎng)膜面1016以波長520nm進行光線追跡的全域圖像和照度分布模擬圖。圖11A為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」穿戴于標(biāo)準尺寸頭部模型時的立體模型圖。圖11B為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」搭配數(shù)字微鏡裝置及其照明系統(tǒng)后穿戴于標(biāo)準尺寸頭部模型時的立體模型圖。圖11C為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」的影像結(jié)合器與人眼視野角相關(guān)性的示意圖。圖12A為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」虛像共軛面的調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)圖。圖12B-1為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」裝置類眼光學(xué)系統(tǒng)后，在類視網(wǎng)膜面1016以波長626nm進行光線追跡的清晰度模擬圖。圖12B-2為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」裝置類眼光學(xué)系統(tǒng)后，在類視網(wǎng)膜面1016以波長520nm進行光線追跡的清晰度模擬圖。圖12B-3為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」裝置類眼光學(xué)系統(tǒng)后，在類視網(wǎng)膜面1016以波長454nm進行光線追跡的清晰度模擬圖。圖13A為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面+Y方向的相對照度圖。圖13B為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面-X方向的相對照度圖。圖13C為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面+X方向的相對照度圖。圖14A為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面+Y方向的光學(xué)畸變量。圖14B為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面-X方向的光學(xué)畸變量。圖14C為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面+X方向的光學(xué)畸變量。圖14D為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」裝置類眼光學(xué)系統(tǒng)后，在類視網(wǎng)膜上以波長520nm進行光線追跡的影像畸變模擬圖。圖15A為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面的切向影像清晰度的公差分析圖。圖15B為本發(fā)明實施例「場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000」在虛像共軛面的徑向影像清晰度的公差分析圖。附圖標(biāo)記1000、2000、3000、5000、6000、7000、10000：系統(tǒng)；100、200、300、500、600、700：投影鏡組；101、302、502、1001、1018、1019、1020、1021、1022：影像源；103、106、203、206、606、704、706、1003、1004：成像群組；106-1～106-3：成像系統(tǒng)平面；104、107、109、109-1～109-3、204、303、513’、522、523、605、608、1009、1010：光軸；105、205、705：實像；105’、201、1008：物平面；P1～P3：共交點；108、108-1～108-3、207、607、707：虛像面；110、209、1013：出瞳；111：眼；112、513、1011：眼光軸；113～115：主光線；116、207’、301’、501’：被觀測面；113’～115’：反射主光線；202、1002：背焦棱鏡(組)；1014：直角棱鏡；208、1006：光瞳；210、526、604：頂點；301、501、521：區(qū)域面；503、1005：前群鏡組；504、703、1007：后群鏡組；505：部分反射部分透射面；506：抗反射面；507、515、518、524：中心；510：虛像面中心；511：虛像可顯示區(qū)域中心；514：前群有效區(qū)；517：后群有效區(qū)；520：第二群組有效區(qū)；509、512、516、519、525：偏移量；527：夾角；701：圓對稱鏡；901～903、902’：曲率半徑；L1、L3、L8：非球面鏡；L2、L4～L6：球面鏡；L7、702：環(huán)形面鏡；L9：影像結(jié)合器；S7a、S7b、S9a、S9b：表面；1015：類眼光學(xué)系統(tǒng)；1016；類視網(wǎng)膜。具體實施方式由圖1A、圖1B-1、圖1B-2和圖1B-3可觀察到具有高放大倍率的虛像光軸109無法與眼光軸112具有共軸的情形，若能設(shè)計系統(tǒng)所成的虛像位于圖1A所示的被觀測面116，即能提升畫面清晰度并改善虛像兩側(cè)光程差所造成的畸變。本發(fā)明提出第一個觀點是形成一具有適當(dāng)凹面型態(tài)場曲的虛像面，使此虛像面的一部分區(qū)域在位置上能夠適配于圖1A所示的被觀測面116，利用上述特性作為系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)原理。光學(xué)攝像系統(tǒng)在像平面發(fā)生桶形畸變(Barreldistortion)的情形是常見的，特別是超廣角鏡或魚眼鏡，這種情況表示攝影鏡頭的成像面形成凸面型態(tài)場曲。將具有這種特性的攝像系統(tǒng)導(dǎo)入實像投影鏡頭的應(yīng)用時其效果正好相反，當(dāng)平面影像源被投射于有限遠處的屏幕上發(fā)生枕形畸變(Pincushiondistortion)，也就是說投影的像形成凹面型態(tài)的場曲；而虛像投影系統(tǒng)可利用上述特性來形成具有凹面型態(tài)場曲的虛像面。圖2A表示一場曲型虛像投影系統(tǒng)2000，該系統(tǒng)2000適用于投影鏡組200。投影鏡組200包含：一物平面201、一背焦棱鏡(組)202、一第一成像群組203、一第二成像群組206，其中第二成像群組206為一具有部分反射部分透射功能的凹面鏡，在系統(tǒng)2000中作為影像結(jié)合器使用。系統(tǒng)2000利用第一成像群組203將物平面201成像出具有凹面型態(tài)場曲的實像205，并使實像205位于第二成像群組206的焦距內(nèi)，實像205透過第二成像群組203在遠方成像一放大正立虛像面207，其中，虛像面207的場曲特性與實像205可同樣具有凹面型態(tài)場曲。圖2B將圖2A模型化以表現(xiàn)出立體效果，為了方便說明，本實施例虛像面207的場曲型態(tài)被設(shè)計為具有球面特性，但本發(fā)明在應(yīng)用上不限于具有球面特性的場曲型態(tài)。上述球面型態(tài)場曲的曲率中心位于投影鏡組200的出瞳209位置；出瞳209被定義為人眼的入瞳，球面上任意頂點所形成的切平面其通過頂點的法線皆通過出瞳209中心。Z軸與投影鏡組200的光軸204共軸，X軸表示畫面弧矢方向且Y軸表示畫面子午(Meridional)方向，弧矢方向有效視場角為±60°且子午方向有效視場角為±29°；如圖2C所示，本實施例以虛像面207與光軸204的交點為場曲面頂點210，并且建立一個通過上述頂點210的切平面作為影像被觀測面207’，而被觀測面207’的大小必須能夠涵蓋上述有效視場角范圍，此時被觀測面207’中心法線與投影鏡組光軸(Z軸)共軸。圖2D顯示被觀測面207’的畸變畫面。由圖2A、圖2B、圖2C以及圖2D可說明：當(dāng)虛像投影系統(tǒng)的成像面具有凹面型態(tài)場曲虛像面，則其畫面發(fā)生枕形畸變。如圖3A所示，場曲型虛像投影系統(tǒng)3000將一有效面積小于物平面的影像源302放置于投影鏡組200的物平面部分區(qū)域所形成，該系統(tǒng)3000適用于投影鏡組300，投影鏡組300與投影鏡組200具有相同光軸204。投影鏡組300只成像出小于虛像面207的虛像區(qū)域面301，其中區(qū)域面301具有光軸303。在此實施例中，影像源302的面積與位置被設(shè)定為使虛像區(qū)域面301的光軸303與虛像面207的光軸204共軸，并且具有弧矢方向±15°的有效視場角范圍及子午方向約±8.37°的有效視場角范圍。圖3B將圖3A模型化以表現(xiàn)出立體效果；如圖3C所示，在本實施例中該區(qū)域面301與光軸204的交點即為上例場曲型虛像投影系統(tǒng)2000的頂點210，同樣可建立一個通過該頂點210的切平面作為影像被觀測面301’，而被觀測面301’的大小必須能夠涵蓋上述有效視場角范圍；此時被觀測面301’中心法線與投影鏡組300的光軸204(Z軸)共軸；圖3D顯示被觀測面301’的畫面畸變情形。由圖3A、圖3B、圖3C以及圖3D可說明：1.在物平面201選擇部分區(qū)域面積，就能夠得到位于虛像面207上的虛像可顯示區(qū)域。2.虛像光軸303與投影鏡組300光軸204共軸時，畫面無梯形畸變。3.選取凹面型態(tài)場曲虛像面207的部份區(qū)域進行投影時，相較于圖2D其畸變量較小。4.虛像光軸303與投影鏡組300光軸204不具有夾角時，出瞳209位于投影鏡組300的光路有效區(qū)中，因此無法避免與穿戴者頭部發(fā)生干涉。為使投影鏡組200與虛像光軸具有夾角以達到側(cè)向投影的目的，可利用調(diào)整影像源在物平面上所占區(qū)域位置使影像源中心與物平面中心具有偏移量來達成，進行上述調(diào)整相當(dāng)于在虛像面207上選取不同于區(qū)域面301的其他區(qū)域面，且該區(qū)域面中心與光軸204具有偏移量。如圖4A所示，將圖2A中投影鏡組200的光軸204以出瞳209為中心對Y軸旋轉(zhuǎn)45°后形成光軸513’并通過另一虛像區(qū)域面501中心，并依虛像區(qū)域面501與光軸513’交點作為頂點526定義出如圖4B所示的被觀測面501’，由于虛像面具有球面型態(tài)場曲，且球面曲率中心位于出瞳209，故此時被觀測面501’光軸513’與光軸204具有45°夾角。如圖5A所示，將一有效面積小于物平面的影像源502放置于圖2A中投影鏡組200的物平面部分區(qū)域可形成一場曲型虛像投影系統(tǒng)5000，系統(tǒng)5000適用于投影鏡組500，投影鏡組500與投影鏡組200具有相同光軸204，此時投影鏡組500只成像出較小于虛像面207的虛像區(qū)域面501，其中區(qū)域面501具有光軸513’。在此實施例中，影像源502的面積與位置被設(shè)定為使光軸513’與虛像面207弧矢方向+45°的視場角共軸，并且具有弧矢方向+30°至+60°的有效視場角范圍及子午方向約±8.37°的有效視場角范圍。圖5B將圖5A模型化以表現(xiàn)出立體效果；如圖5C所示，以上述兩者交點為頂點可建立一個切平面作為影像被觀測面501’，而被觀測面501’的大小必須能夠涵蓋上述有效視場角范圍；此時被觀測面501’中心法線與區(qū)域面501光軸513’共軸且投影鏡組500光軸204與區(qū)域面501光軸513’具有45°夾角；本實施例定義眼光軸513共軸于光軸513’，用以表示人眼正向觀察區(qū)域面501。圖5D顯示被觀測面501’的畫面畸變情形，如圖所示，全畫面縱向線條皆呈彎曲，彎曲方向皆相同但具有不同曲率，這種畸變型態(tài)在本發(fā)明「場曲型虛像投影系統(tǒng)」中稱為「弧矢月形畸變」。圖5A、圖5B、圖5C以及圖5D可說明：1.在物平面201選擇偏離物平面中心的有效區(qū)域位置中心，就能夠得到一個位于虛像面207上且偏離虛像面中心510的虛像可顯示區(qū)域中心511。2.虛像光軸513’與投影鏡組500光軸204具有45°夾角時，出瞳209不位于投影鏡組500的光路有效區(qū)中，足夠避免與穿戴者頭部發(fā)生干涉，且畫面無梯形畸變。3.選取凹面型態(tài)場曲虛像面的部份區(qū)域進行投影時，相較于圖2D其畸變量變小。4.光軸513’與光軸204不共軸時，畫面發(fā)生月形畸變，且畫面彎曲程度隨離軸程度遞增。觀察圖5A可發(fā)現(xiàn)被觀測面501’與圖1A所示的被觀測面116方位非常接近，并可達成：消除虛像兩側(cè)光程差、虛像光軸與眼光軸共軸、以及投影系統(tǒng)光路與通過虛像中心的主光線間具有足夠夾角等重要特性。此外全系統(tǒng)所有光學(xué)面皆共軸，卻可達到離軸設(shè)計的側(cè)像投影效果，其離軸特征來自各元件有效區(qū)的分布。綜合上述概念，可以得知一場曲型虛像顯示系統(tǒng)必須具有能夠?qū)⑽锲矫娉上駷橐痪哂邪济嫘蛻B(tài)場曲虛像面的投影鏡組，并且將影像源裝置于投影鏡組物平面的部分區(qū)域中。請同時參考圖5A與圖5E，本發(fā)明的場曲型虛像顯示系統(tǒng)5000適用于投影鏡組500，投影鏡組500包含：影像源502位于投影鏡組500的一物平面201的部分區(qū)域；第一成像群組203具有一前群鏡組503與一后群鏡組504；以及第二成像群組206具有部分反射部分透射面505以及抗反射面506，且第二成像群組206在場曲型虛像顯示系統(tǒng)5000中作為影像結(jié)合器使用。其中，物平面光軸共軸于第一成像群組203光軸且共軸于光軸522，第二成像群組206的光軸共軸于光軸523，在本實施例中光軸522與光軸523皆共軸于系統(tǒng)5000的光軸204；物平面201透過第一成像群組203形成具有場曲的實像面205，實像面205透過第二成像群組206形成具有凹面型態(tài)場曲的虛像面207影像源502位于物平面201的部份區(qū)域，使實像面205僅發(fā)生實像區(qū)域面521，因此虛像面207也僅有虛像區(qū)域面501可被顯示；影像源502所在的部份區(qū)域中心508與物平面中心507具有物偏移量509，使虛像可顯示區(qū)域中心511與虛像面中心510同時產(chǎn)生像偏移量512；由虛像面的場曲特性，使系統(tǒng)5000所發(fā)生的一虛像有效區(qū)域光軸513’與眼光軸513共軸的同時能夠與光軸204具有一夾角527；利用上述特性可使系統(tǒng)5000顯示正確的畫面，同時可避免當(dāng)眼光軸513與虛像光軸513’共軸時投影鏡組500與頭部組織發(fā)生干涉。第一成像群組203包含光瞳208；影像源502、一背焦棱鏡(組)202以及前群鏡組503相對于光瞳208位于相同一側(cè)；后群鏡組504與第二成像群組206相對于光瞳208位于相同另一側(cè)。依光線前進方向，影像源502以及前群鏡組503位于光瞳208之前，后群鏡組504與第二成像群組206位于光瞳208之后。其中，前群有效區(qū)514其區(qū)域中心515與第一光軸204具有偏移量516并偏向影像源502所在側(cè)，且前群鏡組503中光學(xué)元件愈遠離光瞳208的偏移量516愈大；后群有效區(qū)517其區(qū)域中心518與光軸204具有偏移量519并偏離影像源502所在側(cè)，且后群鏡組504中光學(xué)元件愈遠離光瞳208的偏移量519愈大；第二群組有效區(qū)520其區(qū)域中心524與光軸204具有偏移量525并偏離影像源502所在側(cè)；光學(xué)元件無效區(qū)應(yīng)盡可能被切除以避免發(fā)生干涉情形也可減少體積和重量。由虛像顯示系統(tǒng)5000可說明本發(fā)明「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」具有以下特征：1.「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」由虛像投影鏡組構(gòu)成，且其成像面為具有凹面型態(tài)場曲的虛像面。2.如圖5E所示，虛像顯示系統(tǒng)5000適用于投影鏡組500，投影鏡組500包含一影像源502、一背焦棱鏡(組)202、一第一成像群組203、一第二成像群組206，其中第一成像群組203包含一前群鏡組503、第一光瞳208和一后群鏡組504，其中第二成像群組206是一個具有部分反射部分透射功能的光學(xué)元件并作為影像結(jié)合器使用。3.第一成像群組203必須能夠成一實像205，此一實像205位于第二成像群組206的焦距內(nèi)使系統(tǒng)發(fā)生虛像。4.如圖5E所示，影像源502位于虛像投影系統(tǒng)的物平面201的部份區(qū)域，影像源502所在區(qū)域中心相對于投影鏡組200的光軸204具有弧矢或子午偏移量，若其偏移量為弧矢方向，則投影畫面法線保持在弧矢面(Sagittalplane)上旋轉(zhuǎn)，造成虛像光軸與投影鏡組光軸皆位于弧矢面上，且上述兩者具有夾角，此狀態(tài)在本發(fā)明「場曲型虛像投影系統(tǒng)」中稱為弧矢側(cè)向投影；若其偏移量為子午方向，則投影畫面法線保持在子午面上旋轉(zhuǎn)，造成虛像光軸與投影鏡組光軸皆位于子午面(Meridionalplane)上，且上述兩者具有夾角，此狀態(tài)在本發(fā)明「場曲型虛像投影系統(tǒng)」中稱為子午側(cè)向投影；影像源502所占物平面的區(qū)域比例與側(cè)向投影畫面可視角范圍相關(guān)；影像源502所在的區(qū)域中心偏移量與虛像光軸513’及投影鏡組200的光軸204夾角相關(guān)。5.如圖5E所示，投影鏡組200所包含的光學(xué)元件除光瞳208之外，其余元件的有效區(qū)中心均各自具有偏移量。位于光瞳208前方的光學(xué)元件有效區(qū)偏移方向與影像源偏移方向相同，且越遠離光瞳208的元件其有效區(qū)偏移量越大；位于光瞳208后方的光學(xué)元件有效區(qū)偏移方向與影像源偏移方向相反，且越遠離光瞳208的元件其有效區(qū)偏移量越大。因元件有效區(qū)偏移量而發(fā)生的元件無效區(qū)應(yīng)盡可能被切除，用以避免發(fā)生干涉并減少體積和重量。6.如第四特征所述，當(dāng)弧矢側(cè)向投影狀態(tài)成立時，投影畫面縱向線條發(fā)生彎曲，此狀態(tài)在本發(fā)明「場曲型虛像投影系統(tǒng)」中稱為「弧矢月形畸變」；當(dāng)子午側(cè)向投影狀態(tài)成立時，投影畫面的橫向線條發(fā)生彎曲，此狀態(tài)在本發(fā)明「場曲型虛像投影系統(tǒng)」中稱為「子午月形畸變」。本發(fā)明提出第二個觀點是調(diào)整「場曲型虛像投影系統(tǒng)」的投影鏡組中第二成像群組的位置和角度，使第二光軸與第一光軸兩者不共軸，用以改變場曲型虛像顯示系統(tǒng)的場曲特性。如圖6A所示，第二成像群組206以部分反射部分透射面的頂點604為中心在弧矢方向旋轉(zhuǎn)3°后系統(tǒng)具有新的投影鏡組600，其中包含第二成像群組606且該第二成像群組606具有光軸605，此時出瞳位置平移14.5mm，并產(chǎn)生具有光軸608的另一虛像面607，虛像面607為虛像面207曲率中心平移至新的出瞳位置后，以其為中心旋轉(zhuǎn)13.6°。圖6B將圖6A模型化以表現(xiàn)出立體效果，觀察圖6B可理解到，被觀測面501’的成像結(jié)果將對應(yīng)虛像面607而有不同的呈現(xiàn)，這種效應(yīng)提供了調(diào)整虛像面的機制也使系統(tǒng)優(yōu)化的自由度變得更多。本發(fā)明提出第三個觀點是導(dǎo)入環(huán)形面在「場曲型虛像投影系統(tǒng)」中第二成像群組的部分反射部分透射面，并且系統(tǒng)在第一成像群組中的后群鏡組中導(dǎo)入至少一環(huán)形面，使之與該具有環(huán)形面的第二成像群組作為搭配，以能夠使「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」的場曲面具有弧矢(Sagittal)/子午(Meridional)的非對稱特性。應(yīng)用于光學(xué)元件面形的曲線方程式如下:其中c≡曲率，r≡徑向距離，k≡二次曲面系數(shù)，a4、a6、a8、a10、a12、a14為非球面系數(shù)，上述所有環(huán)形面若使用于弧矢側(cè)向投影時，環(huán)形面在弧矢面上的曲線方程式可具有曲率半徑、二次曲面系數(shù)以及非球面系數(shù)，而子午面上的曲線方程式只具有曲率半徑；若使用于子午側(cè)向投影時，環(huán)形面在子午面上的曲線方程式可具有曲率半徑、二次曲面系數(shù)以及非球面系數(shù)，而弧矢面上的曲線方程式只具有曲率半徑。請參考圖7A，將投影鏡組200后群鏡組中的一圓對稱鏡701置換為一環(huán)形面鏡702，并將投影鏡組200第二成像群組206置換成部分反射部分透射面為環(huán)形面的第二成像群組706，則系統(tǒng)具有新的投影鏡組700，其中包含：后群鏡組703、第一成像群組704、實像705以及虛像面707。圖7B將圖7A模型化以表現(xiàn)出立體效果，觀察圖7B可比較虛像面207和虛像面707在弧矢(Sagittal)/子午(Meridional)對稱與非對稱性的差異，這種非對稱效果在優(yōu)化「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」的圖像畸變以及影像全域清晰度時有非常好的效果。本發(fā)明提出第四個觀點是當(dāng)「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」具有足夠大的背焦棱鏡(組)時，可同時因應(yīng)反射式、穿透式以及自發(fā)光式影像源的導(dǎo)入。以目前的技術(shù)而言，反射式影像源以數(shù)字微鏡裝置(DMD)和硅基液晶(LCOS)為主；穿透式影像源以液晶顯示器(LCD)為主；自發(fā)光影像源以有機發(fā)光二極管(OLED)、微型發(fā)光二極管陣列(mLED)等。虛像顯示器屬于投影系統(tǒng)的范疇，利用使系統(tǒng)投射出虛像的方式，將人眼光學(xué)系統(tǒng)包含在成像系統(tǒng)中，則整個光學(xué)系統(tǒng)以影像源作為物面而視網(wǎng)膜作為像面。一般投影系統(tǒng)可區(qū)分為照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)，「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」與人眼光學(xué)系統(tǒng)兩者組合后成為投影系統(tǒng)中的成像系統(tǒng)；而照明系統(tǒng)則為影像源提供光源，對系統(tǒng)效率和畫面均勻性影響甚巨，對于各種不同種類的影像源，需要個別規(guī)格的照明系統(tǒng)才能發(fā)揮系統(tǒng)最好的效果。反射式影像源主要為數(shù)字微鏡裝置(DigitalMicromirrorDevice,DMD)和硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCOS)兩類，具有開口率、解析度和光學(xué)利用效率的優(yōu)勢。圖8A和圖8B示意數(shù)字微鏡裝置的光線操作模式，圖8C和圖8D示意硅基液晶的光線操作模式，由上述操作模式可知系統(tǒng)具有足夠大的背焦棱鏡(組)時必能夠同時滿足上述兩種影像源的照明系統(tǒng)需求。需要補充說明的是：當(dāng)「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」必須同時能夠?qū)敕瓷涫接跋裨?、穿透式影像源以及自發(fā)光影像源時，才有設(shè)計背焦棱鏡(組)在系統(tǒng)內(nèi)的必要，是否有背焦棱鏡(組)對「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」本身并沒有影響。若系統(tǒng)確定只采用穿透式或自發(fā)光影像源，諸如：LCD、OLED、mLED等…可不須導(dǎo)入背焦棱鏡(組)于該系統(tǒng)。本發(fā)明提出第五個觀點是利用調(diào)整影像源電子訊號做前期畸變來改善本發(fā)明第一觀點的第六特征所提到畫面線條彎曲的現(xiàn)象，系統(tǒng)所發(fā)生畫面線條彎曲的現(xiàn)象須利用調(diào)整影像源電子訊號做前期畸變來改善其弧矢月形畸變或子午月形畸變，調(diào)整影像源電子訊號方法為控制畫面中間直線的曲率半徑使其成為無窮大。觀察圖5D可發(fā)現(xiàn)畫面略呈弧矢月形畸變，請參考圖9A，將其左邊界、中央以及右邊界三個因畸變而發(fā)生彎曲的線條分別以901、902以及903來表示其曲率半徑的絕對值，觀察圖9A可知曲率半徑901>902>903，透過調(diào)整影像源電子訊號使通過虛像畫面的中心的曲率半徑絕對值902成為無窮大即可改善月形畸變。如圖圖9B-1和圖9B-2所示，利用訊號調(diào)整使畫面每一橫列上所有畫素一起作平移，當(dāng)曲率半徑902被調(diào)整為無窮大時為曲率半徑902’，使位于中央的曲線成為直線狀態(tài)時，可達到左邊界彎曲方向反轉(zhuǎn)且右邊界彎曲程度減少的結(jié)果，如此畫面呈現(xiàn)幾何對稱。相較于發(fā)生梯形畸變的系統(tǒng)，上述調(diào)整方式能大幅度減少畫素的耗損而改善影像失真的問題。本發(fā)明提出第六個觀點是使「場曲型虛像投影系統(tǒng)」的投影鏡組中的第二成像群組可具有或不具有度數(shù)，用以配合具有健康視力者、近視者以及遠視者觀察外界環(huán)境時的所需。請參考圖5A，系統(tǒng)5000中的第二成像群組206具有部分反射部分透射面505與抗反射面506，使上述兩個表面具有面形差異時即可使第二成像群組206具有度數(shù)。本發(fā)明提出第七個觀點是調(diào)整使「場曲型虛像投影系統(tǒng)」的背焦空氣間隙使不論具有健康視力者、近視者或遠視者皆能觀察到清晰的系統(tǒng)虛像。本發(fā)明提出場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000作為實施例，如圖10A所示，場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000包含一物平面1008、一影像源1001位于物平面1008的部分區(qū)域、一背焦棱鏡(組)1002、第一成像群組1003以及第二成像群組1004。第一成像群組1003中包含前群鏡組1005、光瞳1006和后群鏡組1007；依光線前進方向，位于前群鏡組1005的元件依序為非球面鏡L1、球面鏡L2和非球面鏡L3；位于后群鏡組1007的元件依序為球面鏡L4、球面鏡L5、球面鏡L6、環(huán)形面鏡L7和非球面鏡L8，其中環(huán)形面鏡L7包含一光入射表面S7a以及光出射表面S7b；光瞳1006位于前群鏡組1005和后群鏡組1007之間。第一成像群組1003共軸于第一光軸1009；第二成像群組1004包含一個環(huán)形面鏡L9具有不同于第一光軸1009的第二光軸1010，環(huán)形面鏡L9包含朝向人眼的表面S9a以及朝向外界環(huán)境的表面S9b，其中表面S9a具有部份反射部分透射功能，屬于虛像成像系統(tǒng)的一部分；而表面S9b具有抗反射功能，不屬于虛像成像系統(tǒng)的一部分。環(huán)形面鏡L9在系統(tǒng)10000中作為影像結(jié)合器(Combiner)，系統(tǒng)10000的出瞳1013與環(huán)形面鏡L9之間具有26mm的適眼距(Eyerelief)，出瞳1013具有5mm最大有效直徑并與人眼瞳孔重疊，且具有不同于第一光軸1009和第二光軸1010的眼光軸1011。依據(jù)本發(fā)明的第一觀點，如圖10A所示，成像系統(tǒng)物平面1008通過第一成像群組1003成一實像1012位于第二成像群組1004的焦距內(nèi)，使系統(tǒng)產(chǎn)生一具有凹面形態(tài)場曲的虛像面，影像源1001面積位于物平面1008的一部份區(qū)域內(nèi)，故虛像畫面也位于具有凹面形態(tài)場曲的虛像面的一部份區(qū)域內(nèi)。在圖10A中X軸表示系統(tǒng)弧矢方向，Y軸表示系統(tǒng)子午方向，依據(jù)本發(fā)明的第一觀點的第四特征，由影像源1001中心與物平面1008中心的偏移量，可知本實施例屬于弧矢側(cè)向投影，并使第一光軸1009與眼光軸1011具有一夾角，在本實施例中上述夾角為46.3°。依據(jù)本發(fā)明的第二觀點，如圖10A所示，第二光軸1010相對于第一光軸1009在弧矢面發(fā)生位移與旋轉(zhuǎn)。依據(jù)本發(fā)明的第三觀點，如圖10A所示，第二成像群組1004的反射表面S9a為環(huán)形面；此外后群鏡組1007中的環(huán)形面鏡L7其表面S7a和表面S7b也屬環(huán)形面。依據(jù)本發(fā)明的第四觀點，位于系統(tǒng)背焦的材料具有足夠厚度用以因應(yīng)反射式影像源的導(dǎo)入。將圖10A的背焦材料建立為直角棱鏡，如圖10B所示，通過直角棱鏡1014使場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000的光路轉(zhuǎn)折90°后，可觀察到所有光線確實足以通過直角棱鏡1014。如圖10C所示，依本發(fā)明第一觀點的第五特征，將元件無效區(qū)切除。圖10D表示本實施例使用數(shù)字微鏡裝置(DMD)作為影像源1018時的一種具體實施方式。圖10E表示本實施例使用硅基液晶(LCOS)作為影像源1019時的其中一種具體實施方式。圖10F表示本實施例使用液晶顯示器(LCD)作為影像源1020時的其中一種具體實施方式。圖10G表示本實施例使用有機發(fā)光二極管(OLED)和微型發(fā)光二極管陣列(mLED)作為影像源1021、1022時的其中一種具體實施方式。在「場曲型虛像顯示系統(tǒng)」中，背焦長度以及材料可隨系統(tǒng)需求可以有不同的設(shè)計值，包含其他參數(shù)如視場角、第一成像群組與眼光軸夾角和適眼距等皆具有靈活調(diào)整的空間。以真實光線追跡進行光學(xué)模擬以驗證場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000是必要的，但由于虛像無法以屏幕承接，要進行真實光線追跡必須先設(shè)計能夠模擬人眼功能的類眼光學(xué)系統(tǒng)，并以類眼光學(xué)系統(tǒng)中的類式網(wǎng)膜來承接虛像。如圖10H所示，首先定義眼光軸朝向正Z軸，因考慮到出瞳必須與眼共軸，所以調(diào)整場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000使其旋轉(zhuǎn)及位移直至出瞳與Z軸共軸，接下來如圖10I所示，導(dǎo)入類眼光學(xué)系統(tǒng)1015于場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000，并使前者入瞳與后者出瞳的位置重疊。模型建立完成后以影像源作為模擬系統(tǒng)發(fā)光源進行光線追跡得到類視網(wǎng)膜1016(E12)表面的光線分布如圖10J所示，人眼觀察到的畫面呈現(xiàn)弧矢月形畸變。依據(jù)本發(fā)明第一觀點的第四特征，本實施例屬于弧矢側(cè)向投影；依據(jù)本發(fā)明的第一觀點的第六特征，本實施例通過影像源產(chǎn)生的虛像呈現(xiàn)弧矢月形畸變，畫面縱向線條發(fā)生彎曲；依據(jù)本發(fā)明第五觀點，上述弧矢月形畸變可利用電子訊號作前期畸變，使畫面中心縱向線條的曲率半徑成為無限大來改善全畫面的畸變情形。依據(jù)本發(fā)明的第六觀點，表面S9b的面形搭配表面S9a設(shè)計可使環(huán)形面鏡L9具有或不具有度數(shù)，用以配合具有健康視力者、近視者以及遠視者觀察外界環(huán)境時所需。依據(jù)本發(fā)明的第七觀點，調(diào)整影像源1001到非球面鏡L1之間的空氣間隙使不論具有健康視力者、近視者以及遠視者皆能觀察到清晰的系統(tǒng)虛像。本實施例場曲型虛像顯示系統(tǒng)1000自虛像面至影像源各元件參數(shù)及詳細布局方式如表一所示；上述類眼光學(xué)系統(tǒng)自虛像面至類視網(wǎng)膜1016(E12)各元件參數(shù)及詳細布局方式如表二所示。表一表一(續(xù))表二上述實施例已包含
發(fā)明內(nèi)容提出的所有觀點和特征，以下提供各式圖樣及分析數(shù)據(jù)作為場曲型虛像顯示系統(tǒng)10000效能的佐證。當(dāng)本實施例搭配液晶顯示器、有機發(fā)光二極管或微型發(fā)光二極管陣列等影像源時整體系統(tǒng)具有較小體積，圖11A顯示本實施例搭配有機發(fā)光二極管且穿戴于標(biāo)準尺寸頭部模型時的情形；當(dāng)本實施例搭配數(shù)字微鏡裝置或硅基液晶等影像源時整體系統(tǒng)具有較大體積，圖11B顯示本實施例搭配數(shù)字微鏡裝置且佩戴于標(biāo)準尺寸頭部模型時的情形；觀察圖11A和圖11B可知裝置除了與頭部組織不會發(fā)生干涉外，第一成像群組也可避開人眼側(cè)向視野達到80°角。如圖11C所示，為了使視野在更廣闊的范圍內(nèi)不會遭遇鏡片邊緣造成的視覺阻礙，影像結(jié)合器可放大尺寸直到至少涵蓋弧矢視角±60°以及子午視角±45°，此時虛像畫面來自影像結(jié)合器部份區(qū)域，而眼光軸1101同時通過虛像與外界環(huán)境視野中心。圖12A以調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(ModulationTransferFunction,MTF)來顯示畫面中心、畫面50％場域以及畫面邊緣的清晰度，調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)線對設(shè)定為93lp/mm，換算影像源畫素尺寸為5.4微米，畫面解析度為720P。此外，本發(fā)明為慎重起見在全畫面區(qū)域平均分布的位置取樣121個取樣點進行三波長的真實光線追跡，如圖12B-1、圖12B-2和圖12B-3在類視網(wǎng)膜1016(E12)的成像模擬，其中三波長分別為626nm、520nm以及454nm，每個取樣點追跡8百萬條光線，模擬平均誤差為3.8％，從上述模擬可觀察到全域三色解析度可接受，同時也可觀察到色差最大值約為3微米，位于454nm畫面右側(cè)。相對照度顯示于圖13A、圖13B和圖13C，分別表示畫面自中心至+Y、-X和+X三個方向的亮度遞減程度，其中X軸代表畫面弧矢方向且Y軸代表畫面子午方向，由于在本實施例中+Y和-Y方向是對稱的故省略-Y方向的相對照度圖，觀察圖13B可知畫面亮度朝-X方向遞減最多，但在-100％場域仍高于80％，此外前述本發(fā)明第五觀點時曾提及圖10I在類視網(wǎng)膜E12的照度分布模擬，其模擬結(jié)果也可做為畫面均勻度的參考?；兌蕊@示于圖14A、圖14B和圖14C，分別表示畫面自中心至+Y、-X和+X三個方向的畸變程度，其中X軸代表畫面弧矢方向且Y軸代表畫面子午方向，由于+Y和-Y方向是對稱的故省略-Y方向的畸變圖，觀察圖14A可知畫面畸變朝+Y方向最為嚴重，在100％場域約為5％。而在顯示系統(tǒng)中視訊畸變更為重要，由圖14D在類視網(wǎng)膜E12的畸變模擬，可發(fā)現(xiàn)子午視訊畸變約為1.2％，弧矢視訊畸變約為2.3％，依據(jù)本發(fā)明第五觀點在調(diào)整影像源電子訊號做前期畸變后，可在耗損約1％畫素的情形下使畫面最大視訊畸變降為1.2％以下。由于本發(fā)明的第一成像群組所有元件共軸也與影像源所屬的物平面共軸，故在生產(chǎn)良率上相較于前述先前技術(shù)應(yīng)有較好的表現(xiàn)。表三說明本實施例進行公差分析時所設(shè)定的公差項目及范圍：表三圖15A和圖15B為系統(tǒng)畫面影像清晰度的良率與調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)的關(guān)系圖，其中，縱座標(biāo)為良率；橫坐標(biāo)為調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)。圖15A說明本實施例在人眼有效瞳孔直徑達4mm時，以調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)30％作為影像清晰度優(yōu)劣區(qū)分基準，切向影像品質(zhì)良率約99％；圖15B說明本實施例在人眼有效瞳孔直徑達4mm時，以調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)30％作為影像清晰度優(yōu)劣區(qū)分基準，徑向影像品質(zhì)良率約86％。照明系統(tǒng)對投影系統(tǒng)效率影響甚巨，以本實施例搭配數(shù)字微鏡裝置時的照明系統(tǒng)的效率模擬可為佐證，自LED光源至數(shù)字微鏡裝置的各元件參數(shù)及詳細布局方式如表四所示：表四上例以三色LED作為光源，分別為波長626nm的紅光LED、波長520nm的綠光LED和波長454nm的藍光LED，以上三個LED發(fā)光面必須共同屬于1.609mm×1.094mm面積范圍的平面內(nèi)，也就是說三個LED屬于同一封裝。效率模擬結(jié)果如表五所示：表五類視網(wǎng)膜1016(E12)可得26.57％的幾何光效率，此外需考慮到實際上光線前進時遭遇各個介面必然發(fā)生不同程度的光通量衰減，如表三所示，因此當(dāng)三色LED所組成的光源總輸出光通量為1流明，且影像結(jié)合器的反射面具有約4％反射率時，最終抵達類視網(wǎng)膜E12光通量為0.0061流明，其中影像結(jié)合器反射面的約4％反射率是由影像結(jié)合器材料介面本身產(chǎn)生的反射率，若需增減此反射率可由光學(xué)鍍膜來達成。由前述圖10H所示，類眼光學(xué)系統(tǒng)1015與本實施例組合而成的實像成像系統(tǒng)具有一放大倍率，故可依此放大倍率與影像源尺寸求出在類視網(wǎng)膜1016(E12)上的實像面積；此外由類眼光學(xué)系統(tǒng)1015的入瞳尺寸與有效焦距可求出光束成像于類視網(wǎng)膜1016(E12)的立體角。由輝度定義L≡φ/(A·Ω)，其中L≡輝度，φ≡光通量，A≡光分布面積，Ω≡立體角，可得知類視網(wǎng)膜1016(E12)可看到輝度約8853尼特的虛像，當(dāng)類眼光學(xué)系統(tǒng)1015被置換為真實人眼時也可觀察到同樣輝度。依此方式可推算出本實施例搭配各種影像源及其照明系統(tǒng)時的虛像輝度如表六所示：表六影像源光源(1流明)輝度(nit)數(shù)字微鏡裝置(DMD)3色LED同一封裝8853.0212硅基液晶(LCOS)3色LED同一封裝3884.4562液晶顯示(LCD)背光板243.4651有機發(fā)光二極管(OLED)自發(fā)光源1485.1398微型發(fā)光二極管數(shù)組(mLED)自發(fā)光源1485.1398由表六可看出各種型態(tài)的影像源其光源也各自不同，在光源輸出光通量固定為1流明的條件下，虛像輝度可有數(shù)倍甚至數(shù)十倍的差異。搭配數(shù)字微鏡裝置與硅上液晶的系統(tǒng)雖然體積較大，但光利用效率也相對較高，其中搭配硅基液晶的系統(tǒng)因必須使用偏振光導(dǎo)致50％以上的效率耗損。使用液晶顯示器或具有自發(fā)光特性的有機發(fā)光二極管和微型光發(fā)二極體陣列，此三者雖然無需掛載式照明系統(tǒng)而體積較小，但由于發(fā)光角度太寬廣導(dǎo)致光利用效率相對較低，其中采用背光模組的液晶顯示器由于面板本身效率不彰的緣故，所以表現(xiàn)出最低的輝度。因此本發(fā)明在效率最高的組合下可使LED三色光源在總輸出1流明，且影像結(jié)合器反射面無需鍍膜的情形下，即可讓使用者觀察到輝度8853nit、弧矢視場角將近30°的畫面，值得一提的是在白天使用的LED電視墻其輝度規(guī)格為大于5000nit。當(dāng)前第1頁1 2 3