CN112505920A - 微型化短距离光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微型化短距离光学系统，其依序包括一显示屏、一反射式偏振元件、一第一相位延迟片、一部分穿透部分反射元件、至少一光学元件及设于上述元件任一侧的一透镜。光学元件可为一圆偏振片或是一第二相位延迟片及一线偏振片的组合。显示屏输出影像并发出光线后，光线在反射式偏振元件及部分穿透部分反射元件之间反射两次，使光线通过第一相位延迟片三次，当光线经过三次相位延迟后，经过第三次相位延迟的光线穿透该部分穿透部分反射元件，并通过光学元件进行第四次相位延迟，最后经过四次相位延迟的光线经由一透镜导入至少一人眼中，而仅设置单一透镜可让本发明的光学系统整体厚度更小，达到微型化的目的。
Description
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的微型化短距离光学系统。
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，将显示屏贴近用户的眼睛，通过光路调整焦距以在近距离中对眼睛投射画面，产生虚拟现实的效果，增加佩戴者的临场感。
图1所示为虚拟现实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的光路后入射至光学模块23，此光学模块23为单一透镜或多个透镜的组合，用以将影像导入至用户的人眼24中，假设光程d为40mm，而头戴显示器的长度为光程d加上光学模块的厚度、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，便于使用者佩戴使用。
因此，本发明即提出一种微型化短距离光学系统，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
本发明的主要目的在于提供一种微型化短距离光学系统，其在显示屏前和光学模块之间设置反射式偏振元件、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，藉以缩短显示屏和光学模块之间的距离，最终可用以将头戴显示器微型化。
本发明的另一目的在于提供一种微型化短距离光学系统，其在反射式偏振元件、第一相位延迟片、部分穿透部分反射元件、第二相位延迟片及线偏振片中任一元件的任一侧设置单一片透镜，在调节焦距的前提下更可达到微型化的目的。
本发明的再一目的在于提供一种微型化短距离光学系统，其可应用于头戴显示器、游戏机等产品上的广角镜头或广角目镜，仅利用单一透镜进行焦距调节，可最大化使装置的厚度缩短，达到短距离、视场大、具有良好的像差校正等优点。
为达上述目的，本发明提供一种微型化短距离光学系统，包括：一显示屏，输出影像并发出偏振或非偏振的光线；一反射式偏振元件，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，对应该反射式偏振元件设置，接收部分穿透该反射式偏振元件的该光线，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该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、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟，再让经过第四次相位延迟的光线通过而只经过两次相位延迟的光线无法通过；以及一透镜，设于该反射式偏振元件、该第一相位延迟片、该部分穿透部分反射元件及该光学元件中任一元件的任一侧，以调节焦距，并将影像导入至少一人眼中。
根据本发明的实施例，该显示屏与至透镜之间以及该透镜至该人眼之间更可包括一至多片平板玻璃。
根据本发明的实施例，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、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟；以及一线偏振片，对应该第二相位延迟片设置，该线偏振片用以让只经过两次相位延迟的光线不要通过，并让经过第四次相位延迟的光线通过。
根据本发明的实施例，该光学元件为一圆偏振片。
根据本发明的实施例，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元件，并在该反射式偏振元件上完成反射，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，且该透镜可设于该第二相位延迟片及该线偏振片中任一者的任一侧。
根据本发明的实施例，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，使到达该人眼的光线共延迟一个波长的整数倍。
根据本发明的实施例，该显示屏送出并进入该反射式偏振元件的该光线为偏振光时，其可为线偏振光、圆偏振光或其他偏振态，且该显示屏及该反射式偏振元件之间更可依据该显示屏的偏振情况可增加至少一线偏振片、圆偏振片或相位延迟片以调整该显示屏的偏振态，新增的材质可为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或黏合等的形式设置于该显示屏或该反射式偏振元件上。该线偏振光经过该第一相位延迟片后可转换成左圆偏振光或右圆偏振光。
根据本发明的实施例，该显示屏的可视范围半径为H，该光学系统的总长为TTL，该眼睛到该光学系统的最近元件表面中心的距离为E，该光学系统的半视场角为ω，则
且
且
根据本发明的实施例，该光学系统的有效焦距为F，该透镜靠近该眼睛的一侧的曲率半径为R1，靠近该显示屏的一侧的曲率半径为R2，
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的示意图。
图2为本发明微型化短距离光学系统的一实施例的示意图。
图3为本发明微型化短距离光学系统的一实施例的分解图
图4A至图4C为本发明微型化短距离光学系统的步骤流程图。
图5A至图5C为本发明微型化短距离光学系统中单一透镜的不同配置的实施例示意图。
附图标记说明：10-显示屏；12-反射式偏振元件；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；23-光学模块；24-人眼；26-平板玻璃。
具体实施方式
本发明提供一种微型化短距离光学系统，其应用于头戴显示器，特别是头戴显示器的虚拟现实系统，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，而本发明的目的即在于利用多个光学元件将光线进行多次反射，更在这些光学元件之间仅设置单一透镜调节焦距，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的目的。
请同时参考图2及图3，其分别为本发明微型化短距离光学系统的一实施例的示意图及分解图，在本发明微型化短距离光学系统中，于一显示屏10和至少一人眼24之间依序包括一反射式偏振元件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及一透镜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，当光线是偏振光时，此该偏振光可为线偏振光、圆偏振光或其他偏振态，在此实施例中，光线为线偏振光，进一步而言，此实施例中的线偏振光的偏振方向与光路垂直；反射式偏振元件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的反射式偏振元件12包含与光路垂直和平行两种偏振方向，可使垂直的偏振光穿透，水平偏振光反射；第一相位延迟片14对应反射式偏振元件12设置，用以接收从反射式偏振元件12部分穿透的偏振光，并进行第一次、第二次及第三次相位延迟，其中第一次及第三次相位延迟的偏振光向人眼24的方向，而第二次相位延迟的偏振光则是向显示屏10的方向；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，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件16的光线，并进行第四次相位延迟；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，而透镜22设置于上述光学系统中任一元件的任一侧，将影像导入人眼24中。
在本发明中所设置的单一透镜22，其可为凸透镜，如图3所示，透镜22可设于反射式偏振元件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中的任一侧，作用在于调节焦距，不论设在上述任意二光学元件之间，最终可达到缩短光学系统的效果，而在图2的实施例中，透镜22设于线偏振片20的左侧，靠近人眼24。
特别的是，本发明中第一相位延迟片14的快慢轴与反射式偏振元件12的穿透轴夹45度角，可增加1/4波长的相位延迟。
此外，本发明中的透镜22可为非球面透镜、菲涅尔透镜(Fresnel lens)或多片透镜的组合。
本发明中具体的步骤流程请参考图4A至图4C，首先于图4A中，显示屏10输出影像，并发出偏振光到反射式偏振元件12，反射式偏振元件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，而穿透反射式偏振元件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4B，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，此处的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后到达反射式偏振元件12；接着请再参考图4C，反射式偏振元件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波长的相位延迟的奇数倍，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。
在显示屏10及反射式偏振元件12之间，更可依据显示屏10的偏振情况增加至少一线偏振片、圆偏振片或相位延迟片，以调整显示屏10的偏振态，而新增的材质可为薄膜材料或为光学镀膜等，其以涂布、镀膜或黏合等形式设置于显示屏10或反射式偏振元件12上。
本发明可达到较大视角、系统距离缩短及良好像差校正的效果，请参考图2，其中透镜22为L，其有效焦距为f，光学系统的有效焦距为F，光学系统的半视场角为ω，显示屏10的可视范围半径为H，R1～R2分别为透镜22左右两面的曲率半径，眼睛(光圈)到光学系统的最近元件表面中心距离为E，光学系统的总长为TTL，可得到以下公式：
上述公式(3)可达到良好的像差校正，而公式(1)、(2)、(4)则可达到较大视角、系统距离缩短(轻薄化)的优点。
图2的实施态样可得到具体的实验数据如下表一：
表一
上表中的A、B、C、D、E等为非球面公式中的参数，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为透镜的有效焦距，Nd为折射率(Refractive index)，Vd为阿贝数(Abbe number)或色散系数(V-number)。
本发明中，反射式偏振元件12及部分穿透部分反射元件16可为在透镜22上涂布一层具反射式偏振功能的镀膜，或是本身具反射式偏振功能的镜片或为薄膜形式的光学材料贴在透镜22上，因此，本发明可将反射式偏振元件12贴附在第一相位延迟片14上、将反射式偏振元件12贴附在透镜22上、将部分穿透部分反射元件16贴附在第一相位延迟片14上、将部分穿透部分反射元件16贴附在第二相位延迟片18上、将部分穿透部分反射元件16贴附在透镜22上等等，从而产生多种不同实施态样。
除了图2的实施态样之外，以下在图5A至图5C中说明其他多种不同的透镜22配置方式的实施态样，但此些实施态样并非限制本发明中透镜22的配置方法，只要是在反射式偏振元件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22的结构便包含在本发明的范围内。
在图5A所示的实施例中，透镜22设在第一相位延迟片14和部分穿透部分反射元件16之间，此部分穿透部分反射元件16设置在透镜22上，此外，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5A所示，第二相位延迟片18与线偏振片20在同一透镜22的同一侧，可等效于圆偏振片的功能，则可将第二相位延迟片18及线偏振片20利用一圆偏振片取代。本实施例中另在偏振光入射人眼24之前增设一平板玻璃26，以起到保护的作用。此实施例的具体数据如下表二：
表二
图5B所示为另一实施例，反射式偏振元件12设在第一相位延迟片14上，透镜22设于第一相位延迟片14及部分穿透部分反射元件16之间，与图5A的实施例相同的是，第二相位延迟片18及线偏振片20可利用一圆偏振片取代，并在偏振光入射人眼24之前增设一平板玻璃26。此实施例的具体数据如下表三：
表三
图5C的实施例中，透镜22设于反射式偏振元件12及第一相位延迟片14之间，此实施例的反射式偏振元件12设置于透镜22右侧，部分穿透部分反射元件16则可设置于第一相位延迟片14的左侧或第二相位延迟片18的右侧，与图5A的实施例相同的是，第二相位延迟片18及线偏振片20可利用一圆偏振片取代，并在偏振光入射人眼24之前增设一平板玻璃26。此实施例的具体数据如下表四：
表四
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光学系统长度缩短的效果，如图2及图5A至图5C的实施例所示，图中偏振光从显示屏10发出后至人眼24前的光学模块(图中未示)的光学路径经过多次的反射，假设光线从显示屏10到光学模块的每一次反射的长度加总后的光程为d，与图1的现有技术中显示屏10到光学模块23的光程d几近相同，但由于在图2及图5A至图5C的实施例中，偏振光从显示屏10发出后，至人眼24前的光学模块的这段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到光学模块的长度会远小于图1中从显示屏10到光学模块23的长度，达到缩短光学系统的长度的目的。
下表五为图2、图5A～图5C的实施例套入上述公式(1)～(4)的计算结果。
表五
综上所述，本发明所提供的微型化短距离光学系统在显示屏后、光学模块前依序摆放多个光学元件，利用光线多次反射达到光学系统的长度缩短的目的，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光学模块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。本发明更利用单一透镜的设计达到短距离微型化的目的，且仍可保持良好的像差校正，适用于广角镜头或广角目镜，视角可达50度以上。
以上所述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。故即凡依本发明权利要求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保护范围内。
Claims (13)
1.一种微型化短距离光学系统，其特征在于，包括：
一显示屏，输出影像并发出偏振或非偏振的光线；
一反射式偏振元件，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，对应该反射式偏振元件设置，接收部分穿透该反射式偏振元件的该光线，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该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、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟，再让经过第四次相位延迟的光线通过而只经过两次相位延迟的光线无法通过；以及
一透镜，设于该反射式偏振元件、该第一相位延迟片、该部分穿透部分反射元件及该光学元件中任一者的任一侧，将该显示屏所输出的该影像导入至少一人眼中。
2.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该人眼至该透镜之间包括一至多片平板玻璃，且该透镜至该显示屏之间更包括一至多片平板玻璃，并于该平板玻璃上设置对应的一至多个光学元件，其材质为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或黏合等的形式设置于该平板玻璃上。
3.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，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、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟；以及
一线偏振片，对应该第二相位延迟片设置，该线偏振片用以让只经过两次相位延迟的光线不要通过，并让经过第四次相位延迟的光线通过。
4.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该光学元件为一圆偏振片。
5.如权利要求3所述的微型化短距离光学系统，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元件，并在该反射式偏振元件上完成反射，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，接着该光线再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，且该透镜设于该第二相位延迟片及该线偏振片中任一者的任一侧。
6.如权利要求3所述的微型化短距离光学系统，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，使到达该人眼的该光线共延迟一个波长的整数倍。
7.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该显示屏送出并进入该反射式偏振元件的该光线为偏振光时，其为线偏振光、圆偏振光或其他偏振态，且该显示屏及该反射式偏振元件之间更依据该显示屏的偏振情况增加一个或多个线偏振片、圆偏振片或相位延迟片以调整该显示屏的偏振态，其为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或黏合等的形式设置于该显示屏或该反射式偏振元件上。
8.如权利要求7所述的微型化短距离光学系统，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.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该显示屏的可视范围半径为H，该光学系统的总长为TTL，
10.如权利要求1或9所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该该显示屏的可视范围半径为H，该光学系统的总长为TTL，该眼睛到该光学系统的最近元件表面中心距离为E，
11.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该光学系统的有效焦距为F，该透镜靠近该眼睛的一侧的曲率半径为R1，靠近该显示屏的一侧的曲率半径为R2，
12.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该光学系统的有效焦距为F，该光学系统的半视场角为ω，该光学系统的总长为TTL，
13.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该透镜为非球面透镜、菲涅尔透镜或多片透镜的组合。
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