CN110515208A - 短距离的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短距离的光学系统，其依序包括一显示屏、包含一反射式偏振片、一第一相位延迟片、一部分穿透部分反射元件及至少一光学元件的光学模块及至少两个透镜组，此至少两个透镜组分别放置在光学模块中的所述等元件的任一侧。显示屏输出影像并发出光线后，经反射式偏振片使光线部分穿透、部分反射，穿透的光线经第一相位延迟片进行第一次相位延迟后，通过部分穿透部分反射元件部分穿透，部分则反射回第一相位延迟片及反射式偏振片进行第二次及第三次相位延迟，接着，经过第三次相位延迟的光线通过光学元件进行第四次相位延迟，再经由透镜组将影像导入至少一人眼中。

Description

短距离的光学系统

技术领域

本发明有关一种光学系统，特别是指一种可应用于头戴显示器之短距离的光学系统。

背景技术

头戴显示器(Head-mounted display)是用于显示图像及色彩的设备，通常是用眼罩或头盔的形式，将显示屏贴近使用者的眼睛，通过光路调整焦距以在近距离中对眼睛投射画面，产生虚拟实境的效果，增加配戴者的临场感。

图1所示为虚拟实境的头戴显示器的光学系统示意图，显示屏10投射出影像，经过一段光程为d的光路后入射至透镜组22，此透镜组22为单一透镜或多个透镜的组合，用以将影像导入至使用者的人眼24中，假设光程d为40mm，而头戴显示器的长度为光程d加上透镜组的厚度、适眼距、外壳等，其总和对于戴在头上的眼罩和头盔而言略显笨重，对使用者的鼻梁、头顶、颈部都会造成负担无法久戴，故而目前技术致力于将头戴显示器中光学系统的长度缩短，以使头戴显示器的厚度缩小，便于使用者配戴使用。

因此，本发明即提出一种短距离的光学系统，除了可将光学系统的距离缩短之外，更可扩大视场，有效解决上述该等问题，具体架构及其实施方式容后详述。

发明内容

本发明之主要目的在提供一种短距离的光学系统，其在显示屏和透镜组之间设置反射式偏振片、相位延迟片、部分穿透部分反射元件等光学元件，利用光线的相位延迟及多次反射达到近似或相同长度的光程，藉以缩短显示屏和透镜组之间的距离，最终可用以将头戴显示器微型化。

本发明之另一目的在提供一种短距离的光学系统，其将所有光学元件设在同轴上，依据显示屏的偏振情况进行调整，以在缩短显示屏和透镜组之间的距离的前提下增加光学系统配置的变化性与灵活性。

本发明之再一目的在提供一种短距离的光学系统，其可应用于头戴显示器、游戏机等产品上之广角镜头或广角目镜，利用二透镜组进行焦距调节，短距离、视场大，可达到良好的像差校正。

为达上述目的，本发明提供一种短距离的光学系统，包括：一显示屏，输出影像并发出光线；一光学模块，包括：一反射式偏振片，对应该显示屏设置，使该光线中垂直偏振光穿透、水平偏振光反射；一第一相位延迟片，对应该反射式偏振片设置，接收穿透该反射式偏振片的所述光线，并进行第一次相位延迟；一部分穿透部分反射元件，对应该第一相位延迟片设置，使经第一次相位延迟的所述光线部分穿透该部分穿透部分反射元件，部分则反射回该第一相位延迟片进行第二次及第三次相位延迟；至少一光学元件，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的所述光线，并进行第四次相位延迟；以及至少两个透镜组，分别设置于该光学模块中至少两个者的任一侧，以调节焦距并将影像导入至少一人眼中。

根据本发明之实施例，该光学元件包括：一第二相位延迟片，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的所述偏振光，并进行第四次相位延迟；以及一线偏振片，对应第二相位延迟片设置，线偏振片用以让只经过两次相位延迟的偏振光不要通过并只让经过四次相位延迟的偏振光通过。

根据本发明之另一实施例，该光学元件为一圆偏振片。

根据本发明之实施例，该部分穿透部分反射元件所反射回该第一相位延迟片的光线经过该第一相位延迟片的第二次相位延迟后，通过该第一相位延迟片到达该反射式偏振片，并在该反射式偏振片上完成全反射，让该光线再反射回该第一相位延迟片并进行第三次相位延迟，接着光线穿过该第一相位延迟片及该部分穿透部分反射元件到达该第二相位延迟片。

根据本发明之实施例，该第一、第二、第三、第四次相位延迟皆增加1/4波长的奇数倍的相位延迟，使到达该透镜组的光线共延迟1个波长的整数倍。

根据本发明之实施例，该显示屏送出并进入该反射式偏振片的所述光线为线偏振光。该线偏振光经过该第一相位延迟片后转换可为左圆偏振光或右圆偏振光。

根据本发明之实施例，该第二相位延迟片及该人眼之间更包括一线偏振片，用以让只经过两次相位延迟的光线不要通过并只让经过四次相位延迟的光线通过。

根据本发明之实施例，该人眼及至该透镜组之间可放置至少一平板玻璃，该透镜组至该显示屏之间亦可放置至少一平板玻璃，并于该平板玻璃上设置对应的该光学模块中的至少一者，其材质可为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或粘合等的形式置于该平板玻璃上。

附图说明

图1为现有技术中头戴显示器的显示屏与人眼之间光程之示意图。。

图2为本发明短距离的光学系统之一实施例之示意图。

图3A至图3C为本发明短距离的光学系统之步骤流程图。

图4A至图4E为本发明短距离的光学系统中二透镜组之不同配置之示意图。

附图标记列表：10-显示屏；12-反射式偏振片；14-第一相位延迟片；16-部分穿透部分反射元件；18-第二相位延迟片；20-线偏振片；22-透镜组；24-人眼；26-平板玻璃；30-第一透镜组；32-第二透镜组。

具体实施方式

本发明提供一种短距离的光学系统，其应用于头戴显示器，特别是头戴显示器的虚拟实境系统，由于是戴在使用者的头上，若体积太大、太长则难以固定在使用者的头部而会受重力影响下坠，更会对使用者的头部和颈部造成负担，因此头戴显示器的大小愈小愈好，特别是长度必须缩短，而本发明之目的即在于利用多片透镜将光线进行多次反射，在相同长度的光程下使整体光学系统缩短，以达到将头戴显示器微型化之目的。

请参考图2，其为本发明短距离的光学系统之一实施例之示意图，包括在一显示屏10和至少人眼24之间依序包括一反射式偏振片12、一第一相位延迟片14、一部分穿透部分反射元件16、一第二相位延迟片18、一线偏振片20及二透镜组22，其中，显示屏10输出影像并发出光线，此光线为偏振光或非偏振光，在此实施例中，偏振光为线偏振光，进一步而言，此实施例中之线偏振光的偏振方向与光路垂直；反射式偏振片12对应显示屏10设置，接收显示屏10所发出的偏振光，并将该偏振光部分穿透、部分反射，特别是本发明所采用之反射式偏振片12包含与光路垂直和平行两种偏振方向，垂直为穿透轴，水平为反射轴；第一相位延迟片14对应反射式偏振片12设置，用以接收从反射式偏振片12部分穿透的偏振光，并进行第一次相位延迟；部分穿透部分反射元件16对应该第一相位延迟片14设置，接收通过第一相位延迟片14的光线并将通过的光线部分反射、部分穿透；第二相位延迟片18对应部分穿透部分反射元件16设置，接收部分穿透部分反射元件16的光线，并进行相位延迟；线偏振片20对应第二相位延迟片18设置，线偏振片20用以让只经过两次相位延迟的偏振光不要通过并只让经过四次相位延迟的偏振光通过，通过透镜组22将影像导入人眼24中。

特别的是，本发明中第一相位延迟片14之快慢轴与反射式偏振片12之穿透轴夹45度角，可增加1/4波长的相位延迟。

此外，本发明中的至至少两个透镜组，别设置于该光学模块中至少两个元件的任一侧，以图2之实施例为例，二透镜组22分别设在第一相位延迟片14的两侧。每一透镜组皆可为单片透镜或多片透镜，且透镜可为非球面透镜、菲涅尔透镜(Fresnel lens)或多片透镜的组合。

本发明中具体之步骤流程请参考图3A至图3C，首先于图3A中，显示屏10输出影像，并发出偏振光到反射式偏振片12，反射式偏振片12使该偏振光部分穿透至第一相位延迟片14、部分则反射回显示屏10，而穿透反射式偏振片12的部分穿透的偏振光经过第一相位延迟片14之后，会进行第一次相位延迟，再到达部分穿透部分反射元件16；接着请参考图3B，经过第一次相位延迟的偏振光在部分穿透部分反射元件16处部分穿透，部分则反射回第一相位延迟片14进行第二次相位延迟，此处之部分穿透部分反射元件16的偏振光为能量损失，而经过第一次相位延迟的偏振光穿透第一相位延迟片14后到达反射式偏振片12；接着请再参考图3C，反射式偏振片12将经过第二次相位延迟的偏振光进行反射，反射回第一相位延迟片14，进行第三次相位延迟，再经过部分穿透部分反射元件16，其部分穿透的偏振光(经过第三次相位延迟)到达第二相位延迟片18，并进行第四次相位延迟；接着，经第四次相位延迟的偏振光穿透第二相位延迟片18，在线偏振片20进行筛选，只让经过四次相位延迟的偏振光通过线偏振片20，并被透镜组22导入至少一人眼24中。

由于本发明中第一相位延迟片14及第二相位延迟片18皆为1/4波长的奇数倍相位延迟，故经过四次相位延迟后共延迟1个波长的整数倍。

线偏振光通过第一相位延迟片14后会转变成圆偏振光，包括左圆偏振光或右圆偏振光两种。但当部分圆偏振光被部分穿透部分反射元件16反射回第一相位延迟片14后，又会变为线偏振光，之后虽然还会再通过第一相位延迟片14并转换成圆偏振光，然而通过第二相位延迟片18后，仍会转换成回线偏振光。

图4A至图4E中为二透镜组之多种不同配置方法之实施例，此二透镜组分别为第一透镜组30及第二透镜组32，但此实施例并非限制本发明中透镜组之配置方法，只要是在反射式偏振片12、第一相位延迟片14、部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18及线偏振片20中至少一者的任一侧设置透镜组、共至少两组用以调焦的透镜组便包含在本案之范围中。

进一步说明，反射式偏振片12、第一相位延迟片14、部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18及线偏振片20等光学元件之材质可为薄膜材料或为光学镀膜等，以涂布、镀膜或粘合等的形式置于至少一平板玻璃或透镜上，举例而言，反射式偏振片12及部分穿透部分反射元件16可为在透镜上之镀膜，或是本身具反射式偏振功能之镜片或为薄膜形式的光学材料贴在透镜上，因此，本发明可将反射式偏振片12及第一相位延迟片14设为一体，部分穿透部分反射元件16及第二相位延迟片18设为一体，举例而言，如图4A所示，反射式偏振片12及第一相位延迟片14为同一透镜组32(此实施例中第二透镜组32为单片透镜)，例如在第一相位延迟片14靠近显示屏10侧设置反射式偏振膜或是利用特殊材料达到同一镜片具有相位延迟及反射式偏振的功能，而在第一透镜组30的左侧，则依序设有部分穿透部分反射元件16(此实施例中为部分穿透部分反射膜)、第二相位延迟片18、线偏振片20及平板玻璃26。换言之，在图4A之实施例中，第一透镜组30设在第一相位延迟片14和部分穿透部分反射元件16之间，第二透镜组则设在反射式偏振片12和第一相位延迟片14之间。此实施例之具体数据如下表一：

表一

上表中之A、B、C、D、E等为非球面公式中之参数，非球面公式为

其中C＝1/R，R为曲率半径。此外，表中f为光学系统的有效焦距，ω为光学系统的半视场角，H为显示屏的可视范围半径，f1及f2分别为第一、第二透镜组的有效焦距，Nd为折射率(Refractive index)，Vd为阿贝数(Abbe number)或色散系数(V-number)。

图4B所示为另一实施例，反射式偏振片12设在显示屏10上，第一相位延迟片14设在反射式偏振片12之左侧，部分穿透部分反射元件16亦可通过镀膜或材料选择而做在第二透镜组32上，第二相位延迟片18及线偏振片20则分别在第一透镜组30之右侧。此实施例之具体数据如下表二：

表二

图4C、图4D及图4E为另外三种第一透镜组30及第二透镜组32之配置方式，由于第一透镜组30及第二透镜组32可为单片透镜或多片透镜的组合，且可为凹透镜、凸透镜等，凹凸方向也可变化，因此会产生多种不同的组合。

图4C之实施例中，第二透镜组32设于第一相位延迟片14和部分穿透部分反射元件16之间，此实施例的部分穿透部分反射元件16为设于第二透镜组32左侧之镀膜，而反射式偏振片12设在第二透镜组32右侧、第一相位延迟片之右侧；第一透镜组30则设在部分穿透部分反射元件16和第二相位延迟片18之间，此实施例之具体数据如下表三：

表三

图4D之实施例中，第一透镜组30和第二透镜组32皆设于第一相位延迟片14和部分穿透部分反射元件16之间，其中反射式偏振片12和第一相位延迟片14皆设于第二透镜组32之右侧，反射式偏振片12设在第一相位延迟片14之右侧，而部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18、线偏振片20及平板玻璃26皆设于第一透镜组30之左侧，其中部分穿透部分反射元件16为设在第一透镜组30上之镀膜。此实施例之具体数据如下表四：

表四

图4E之实施例中，从全反射之位置更可看出此配置将反射式偏振片12设于显示屏10之左侧，第一透镜组30和第二透镜组32皆设于第一相位延迟片14与部分穿透部分反射元件16之间，在第一透镜组30之左侧依序为部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18、线偏振片20及平板玻璃26。此实施例之具体数据如下表五：

表五

进一步说明，本发明可将第二相位延迟片18与线偏振片20设为一体，举例而言，如图4D所示，相位延迟片18与线偏振片20在同一透镜30的同一侧，可等效于圆偏振片之功能。

本发明可达到较大视角、系统距离缩短及良好像差校正之效果，请参考图4A，其中第一透镜组30为L1，其有效焦距为f1，第二透镜组32为L2，其有效焦距为f2，F为光学系统的有效焦距，ω为光学系统的半视场角，H为显示屏的可视范围半径，R1～R4为图中所示位置的曲率半径，E为眼睛(光圈)到最近光学元件表面中心的距离，TTL为光学系统的总长，可得到以下公式：

上述公式(1)、(4)、(5)可达到良好的像差校正，而公式(2)、(3)、(6)则可达到较大视角、系统距离缩短(轻薄化)之优点。

本发明利用偏振原理将光路在光学系统内做内部折反射达到将显示屏到人眼之间的距离缩短的效果，以图4A至图4E为例，图中偏振光从显示屏10发出后至人眼24前的光学元件的光学路径经过多次的反射，假设图4A至图4E之实施例中，光线从显示屏10到人眼24前的光学元件的每一次反射的长度加总后的光程为d，与图1之现有技术中显示屏10到透镜组22的光程d几近相同，但由于在图4A至图4E实施例中，显示屏10到人眼的光路是经过多次反射加总而得到的，因此实际上从显示屏10到人眼的长度会远小于图1中从显示屏10到人眼24的长度，达到缩短光学系统之长度的目的。

综上所述，本发明所提供之短距离的光学系统在显示屏后、人眼前依序摆放包含多个光学元件之一光学模块，利用光线多次反射达到光学系统的长度缩短之目的，且利用相位延迟片进行四次相位延迟，使偏振光的偏振态最后到达人眼时与一开始从显示屏发射的偏振态相位延迟一个波长的整数倍。本发明更利用双透镜组之设计达到良好的像差校正的效果，适用于广角镜头或广角目镜，视角可达50度以上，且由于光学系统之长度缩短，故应用光学系统之产品(如头戴显示器)可达到轻薄、微型化之目的。

唯以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施之范围。故即凡依本发明权利要求所述的特征及精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明之专利权利要求内。

Claims (16)

1.一种短距离的光学系统，其特征在于，包括：

一显示屏，输出影像并发出光线；

一光学模块，包括：

一反射式偏振片，对应该显示屏设置，使该光线部分穿透、部分反射；

一第一相位延迟片，对应该反射式偏振片设置，接收部分穿透该反射式偏振片的所述光线，并进行第一次相位延迟；

一部分穿透部分反射元件，对应该第一相位延迟片设置，使经该第一次相位延迟的所述光线部分穿透该部分穿透部分反射元件，部分则反射回该第一相位延迟片进行第二次及第三次相位延迟；

至少一光学元件，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的所述光线，并进行第四次相位延迟，并让只经过两次相位延迟的光线不要通过而只让经过四次相位延迟的光线通过；以及

至少两个透镜组，分别设置于该光学模块中至少一者的任一侧，以调节焦距并将影像导入至少一人眼中。

2.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该人眼及至该透镜组之间可放置至少一平板玻璃，该透镜组至该显示屏之间亦可放置至少一平板玻璃，并于该平板玻璃上设置对应的该光学模块中的至少一者，其材质可为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或粘合等的形式置于该平板玻璃上。

3.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该光学元件包括：

一第二相位延迟片，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的所述偏振光，并进行第四次相位延迟；以及

一线偏振片，对应第二相位延迟片设置，线偏振片用以让只经过两次相位延迟的偏振光不要通过并只让经过四次相位延迟的偏振光通过。

4.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该光学元件为一圆偏振片。

5.根据权利要求3所述的短距离的光学系统，其特征在于，该部分穿透部分反射元件所反射回该第一相位延迟片的光线经过该第一相位延迟片的第二次相位延迟后，通过该第一相位延迟片到达该反射式偏振片，并在该反射式偏振片上完成反射，让该光线再反射回该第一相位延迟片并进行第三次相位延迟，接着光线穿过该第一相位延迟片及该部分穿透部分反射元件到达该第二相位延迟片。

6.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该第一、第二、第三、第四次相位延迟皆增加1/4波长的奇数倍的相位延迟，使到达该人眼的光线共延迟一个波长的整数倍。

7.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该显示屏送出并进入该反射式偏振片的所述光线可为线偏振光、圆偏振光或其他偏振态，且该显示屏与该反射式偏振片之间可视该显示屏偏振情况新增线偏振片、圆偏振片或相位延迟片以调整该显示屏的偏振态，其个数不限制于一个且材质可为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或粘合等的形式放置于该显示屏或该反射式偏振片之上。

8.根据权利要求7所述的短距离的光学系统，其特征在于，该线偏振光经过该第一相位延迟片后转换成左圆偏振光或右圆偏振光。

9.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该至少两个透镜组包括一第一透镜组及一第二透镜组，该第一透镜组的有效焦距为f1，该第二透镜组的有效焦距为f2，该光学系统的有效焦距为F，

10.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该至少两个透镜组包括一第一透镜组及一第二透镜组，该显示屏的可视范围半径为H，该光学系统的总长为TTL，

11.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该至少两个透镜组包括一第一透镜组及一第二透镜组，该显示屏的可视范围半径为H，该光学系统的总长为TTL，该眼睛到该光学模块中最近者的表面中心的距离为E，

12.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该至少两个透镜组包括一第一透镜组及一第二透镜组，该光学系统的有效焦距为F，该部分穿透部分反射元件的曲率半径为R1，该第二相位延迟片的曲率半径为R2，

13.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该至少两个透镜组包括一第一透镜组及一第二透镜组，该光学系统的有效焦距为F，该第一相位延迟片的曲率半径为R3，该反射式偏振片的曲率半径为R4，

14.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该至少两个透镜组包括一第一透镜组及一第二透镜组，该光学系统的有效焦距为F，光学系统的半视场角为ω，该光学系统的总长为TTL，

15.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该透镜组包括单片透镜或多片透镜。

16.根据权利要求1所述的短距离的光学系统，其特征在于，该透镜组可为非球面透镜、菲涅尔透镜或多片透镜的组合。