TWM596873U - 微型頭戴式顯示器之光學系統 - Google Patents

Abstract

本創作為一種微型頭戴式顯示器之光學系統，包括一部分反射部分穿透元件對應顯示裝置設置，以將其發出的偏振光部分穿透出去；相位延遲元件對應部分反射部分穿透元件設置，以對偏振光相位延遲，成為另一偏振態之偏振光；一第一透鏡對應部分反射部分穿透元件與相位延遲元件設置，以接收偏振光，調節偏振光焦距；反射式偏振元件接收另一偏振態之偏振光並反射，使另一偏振態之偏振光經過相位延遲元件及部分反射部分穿透元件後，再反射回反射式偏振元件並穿透至第二透鏡，以將其導入偏振光人眼中。本創作利用光線的相位延遲及多次反射達到近似長度的光程，可縮短顯示裝置和光學模系統的距離，且雙透鏡的設置，能修正像差，並擴大視場角。

Description

微型頭戴式顯示器之光學系統

本創作係有關一種光學元件、系統或儀器，特別是指一種微型頭戴式顯示器之光學系統。

虛擬實境(virtual reality，VR)是指一種利用電腦技術產生一個三維空間的虛擬影像，並將其影像投射至使用者眼中，令使用者感受到身入其境的技術。目前用來實現虛擬實境之技術，多半是令使用者將虛擬實境裝置穿戴在頭部，使虛擬實境裝置中的顯示螢幕能貼近使用者的眼部，令使用者在一個短距離能看到屏寬超過90度的顯示影像。

請參照第一圖，以說明一般頭戴式顯示器之技術，習知頭戴式顯示器包括有顯示螢幕90以及一光學模組92，顯示螢幕90的影像可投射在光學模組92上，使光學模組92能調整影像的聚焦位置，將影像近距離投射在人眼94。顯示螢幕90所投射的影像會經過一段光程為d的光路後，再進入到光學模組92，舉例來說，若光程d為40公厘(mm)，則頭戴顯示器中顯示螢幕90與光學模組92的距離就至少為40公厘(mm)，除此之外加上光學模組92、適眼距以及戴式顯示器外殼，使得頭戴式顯示器後必然大於40mm。

因此，目前的頭戴式顯示器結構使得裝置相當笨重，當使用者穿戴在頭上時，可能因頭戴式顯示器體積過大或重量過重，造成穿戴上的不適，令使用者無法長時間穿戴等問題產生，故將頭戴顯示器的厚度縮小、便於使用者配戴使用為一項重要的課題。

有鑑於此，本創作遂針對上述習知技術之缺失，提出一種，以有效克服上述之該等問題。

本創作之主要目的在提供一種微型頭戴式顯示器之光學系統，其透過雙透鏡的設置，能有效修正影像的像差，並擴大視場角的範圍。

本創作之另一目的在提供一種微型頭戴式顯示器之光學系統，其在頭戴顯示器的光學系統設置反射式偏振元件、相位延遲元件、部分反射部分穿透元件等光學元件，利用光線的相位延遲及多次反射達到近似長度的光程，藉以縮短顯示裝置和光學模系統之間的距離，以將頭戴顯示器微型化。

為達上述之目的，本創作提供一種微型頭戴式顯示器之光學系統，其可接收顯示裝置之輸出影像及其偏振光，光學系統包括一部分反射部分穿透元件對應顯示裝置設置，部分反射部分穿透元件可將偏振光部分反射，部分穿透出部分反射部分穿透元件；一相位延遲元件對應部分反射部分穿透元件設置，相位延遲元件接收穿透部分反射部分穿透元件之偏振光，並對其進行相位延遲，成為另一偏振態之該偏振光；一第一透鏡對應部分反射部分穿透元件與相位延遲元件設置，以接收該偏振光，調節偏振光焦距；一反射式偏振元件對應相位延遲元件設置，以接 收另一偏振態之偏振光並反射，使另一偏振態之偏振光經過相位延遲元件及部分反射部分穿透元件後，再反射回反射式偏振元件並穿透至一第二透鏡，第二透鏡對應反射式偏振元件設置，接收穿透反射式偏振元件之偏振光，並將其導入人眼中。

根據本創作之實施例，其中部分反射部分穿透元件係設置在第一透鏡上。

根據本創作之實施例，微型頭戴式顯示器之光學系統更包括一平面光學元件設置在第一透鏡與第二透鏡之間，令相位延遲元件及反射式偏振元件設置在平面光學元件上。

根據本創作之實施例，其中第二透鏡相鄰第一透鏡之一側設有一第二平面部，令相位延遲元件及反射式偏振元件設置於第二平面部。

根據本創作之實施例，其中反射式偏振元件係設置在第二透鏡上。

根據本創作之實施例，其中相位延遲元件係設置在一平面光學元件上。

根據本創作之實施例，微型頭戴式顯示器之光學系統更包括一平面光學元件，設置於顯示裝置以及第一透鏡之間，部分反射部分穿透元件及相位延遲元件係設置在平面光學元件上。

根據本創作之實施例，其中第一透鏡相鄰顯示裝置設置之一側具有一第一平面部，令部分反射部分穿透元件及相位延遲元件設置於第一平面部。

茲為對本創作之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後。

10:部分反射部分穿透

12:第一透鏡

122:第一平面部

14:相位延遲元件

16:反射式偏振元件

18:平面光學元件

20:第二透鏡

202:第二平面部

2:顯示裝置

90:顯示裝置

92:光學模組

94:人眼

A:偏振光

B:偏振光

C:偏振光

D:偏振光

第一圖係為先前技術中頭戴顯示器的顯示裝置與人眼之間的光程示意圖。

第二A圖係為本創作之第一實施例示意圖。

第二B圖係為本創作之第一實施例偏振光之光路示意圖。

第三圖係為本創作之第二實施例示意圖。

第四圖係為本創作之第三實施例示意圖。

第五圖係為本創作之第四實施例示意圖。

第六圖係為本創作之第五實施例示意圖。

本創作提供一種微型頭戴式顯示器之光學系統，其能有效修正影像的像差，並擴大視場角的範圍，且能利用光線的相位延遲及多次反射達到近似長度的光程，藉以縮短顯示裝置和光學系統之間的距離，將頭戴式顯示器微型化。

為了能瞭解本創作的結構設計，在此先詳述微型頭戴式顯示器之光學系統的結構組成，本創作之光學系統可供安裝在微型頭戴式顯示器中，光學系統接收微型頭戴式顯示器中顯示裝置的輸出影像及其偏振 光，以呈現屏寬超過90度的顯示影像供使用者觀賞。請參照第二A圖，本實施例之光學系統係設置在微型頭戴式顯示器內，且位於顯示裝置2前端，光學系統之結構由顯示裝置2依序互相對應設置有一部分反射部分穿透元件10、一第一透鏡12、一相位延遲元件14、一反射式偏振元件16、一平面光學元件18及一第二透鏡20。其中第一透鏡12及第二透鏡20可為非球面透鏡、菲涅爾透鏡或多片透鏡之組合。

由顯示裝置2輸出之偏振光之型態可為線偏振光、圓偏振光或其他偏振態，因此顯示裝置2及部分穿透部分反射元件10之間更可依據顯示裝置2之偏振情況增加一個或複數個偏振調整元件(圖中未示)，偏振調整元件可為線偏振元件、圓偏振元件、相位延遲元件或反射式偏振元件以對應調整顯示裝置2之偏振態。偏振調整元件可為薄膜材料或光學鍍膜等以塗佈、鍍膜或黏合等的形式設置於顯示裝置2或部分穿透部分反射元件10上。

請持續參照第二A圖，部分反射部分穿透元件10對應顯示裝置2設置，本實施例之部分反射部分穿透元件10可透過黏貼或鍍膜的方式對應設置在第一透鏡12上。平面光學元件18可為平面玻璃對應設置在第一透鏡12與第二透鏡20之間，令相位延遲元件14及反射式偏振元件16透過黏貼或鍍膜的方式，設置在平面光學元件18上。

本實施例微型頭戴式顯示器之具體數據如下表一：

表一中F為光學系統之有效焦距，該光學系統之總長為TTL，ω為光學系統之半視場角，f₁為第一透鏡組的有效焦距，f₂為第二透鏡組的有效焦距，Nd為折射率，Vd為阿貝數。A、B、C、D、E、F等為非球面公式中之參數，K為圓錐係數，非球面公式為

，其中C=1/R，R為曲率半徑。

接著說明顯示裝置2發出之偏振光進入光學系統時的傳遞狀態，請參照第二B圖，如圖所示，當顯示裝置2發射第一偏振態的偏振光A後，第一偏振態的偏振光A進入到第一透鏡12上的部分反射部分穿透元件10，以將顯示裝置2發射的第一偏振態的偏振光A部分反射，部分穿透出部分反射部分穿透元件10以進入第一透鏡12，接著第一偏振態的偏振光A會持續穿透出第一透鏡12，以進入到平面光學元件18上的相位延遲元件14，相位延遲元件14接收到第一偏振態的偏振光A，會對其進行相位延遲，成為第二偏振態之偏振光B後，第二偏振態之偏振光B進入到反 射式偏振元件16，令反射式偏振元件16反射第二偏振態之偏振光B，使第二偏振態之偏振光B再進入過相位延遲元件14，產生一第三偏振態之偏振光C，第三偏振態之偏振光C反射回部分反射部分穿透元件10後，再反射回相位延遲元件14以產生第四偏振態之偏振光D至反射式偏振元件16並穿透，最後第四偏振態之偏振光D會進入到第二透鏡20，以將第四偏振態之偏振光D導入人眼中。

請持續參照第二B圖，舉例來說，當顯示裝置2所發出之光線為圓偏振光，因此第一偏振光為相位差1/4波長的偏振光(亦即偏振光A為圓偏振光)，而相位延遲元件14為產生1/4波長相位延遲之元件，相位延遲元件14接收到第一偏振光A，會對其進行相位延遲，成為第二偏振光B，第二偏振光為相位差1/2波長的偏振光(亦即偏振光B為線偏振光)，二度經過相位延遲元件14後產生的第三偏振光為相位差3/4波長的偏振光(亦即偏振光C為圓偏振光)，三度經過而相位延遲元件14後產生的第四偏振光為相位差1個波長的偏振光(亦即偏振光D為線振光)。在此實施例中，偏振光B與偏振光D偏振光的線偏振方向互相垂直，反射式偏振元件16僅提供偏振光D的線偏振方向進行穿透，對偏振光B的偏振方向進行反射，因此偏振光D可穿透反射式偏振元件。

因此，本實施例透過第一透鏡12與第二透鏡20雙透鏡的設置，能有效修正影像的像差，並提升視場角的範圍，且在頭戴顯示器的顯示裝置2和光學模組之間設置反射式偏振元件16、相位延遲元件14、部分反射部分穿透元件10等光學元件，能利用光線的相位延遲及多次反射達到近似長度的光程，藉以縮短顯示裝置2和光學系統之間的距離，以將頭 戴顯示器微型化。

除上述結構之外，本創作更提供第二實施例之結構，如第三圖所示，本實施例光學系統之結構由顯示裝置2之一側依序對應設置一部分反射部分穿透元件10、一第一透鏡12、一相位延遲元件14、一反射式偏振元件16以及一第二透鏡20。其中部分反射部分穿透元件10與上述第一實施例相同，以黏貼或鍍膜的方式對應設置在第一透鏡12上。第二透鏡20上且相鄰第一透鏡12之一側設有一第二平面部202，第二透鏡20之第二平面部202可供相位延遲元件14及反射式偏振元件14以黏貼或鍍膜的方式設置於第二平面部202上。此實施例微型頭戴式顯示器之具體數據如下表二：

表二中F為光學系統之有效焦距，該光學系統之總長為TTL，ω為光學系統之半視場角，f1為第一透鏡組的有效焦距，f2為第二透鏡組的有效焦距，Nd為折射率，Vd為阿貝數。A、B、C、D、E、F等為非 球面公式中之參數，K為圓錐係數，非球面公式為

，其中C=1/R，R為曲率半徑。

本實施例偏振光進入光學系統時的傳遞狀態與上述第一實施例相同，顯示裝置2發出第一偏振態的偏振光後，穿透部分反射部分穿透元件10進入第一透鏡12，再進入到相位延遲元件14，成為第二偏振態之偏振光後進入反射式偏振元件16，再反射回相位延遲元件14產生第三偏振態之偏振光至部分反射部分穿透元件10後，再反射回相位延遲元件14以產生第四偏振態之偏振光至反射式偏振元件及第二透鏡20，以導入人眼中。因此第二實施例偏振光的傳遞狀態皆係透過進入相位延遲元件14，以改變偏振光的偏振態，且改變的狀態及折射方式與上述第一實施例相同，因此不再詳細贅述。

請參照第四圖，以說明本創作第三實施例，本實施例光學系統之結構由顯示裝置2依序對應設置一第一透鏡12、一部分反射部分穿透元件10、一相位延遲元件14、一平面光學元件18、一反射式偏振元件16以及一第二透鏡20。其中部分反射部分穿透元件10以黏貼或鍍膜的方式設置在第一透鏡12上；相位延遲元件14以黏貼或鍍膜的方式設置在平面光學元件18上；反射式偏振元件16以黏貼或鍍膜的方式鍍膜設置在第二透鏡20的表面。此實施例之微型頭戴式顯示器具體數據如下表三：

表三中F為光學系統之有效焦距，該光學系統之總長為TTL，ω為光學系統之半視場角，f1為第一透鏡組的有效焦距，f2為第二透鏡組的有效焦距，Nd為折射率，Vd為阿貝數。A、B、C、D、E、F、G等為非球面公式中之參數，K為圓錐係數，非球面公式為

，其中C=1/R，R為曲率半徑。

本實施例偏振光進入光學系統時的傳遞狀態與上述第一實施例相同，顯示裝置2發出第一偏振態的偏振光後，穿透第一透鏡12及部分反射部分穿透元件10，再進入到相位延遲元件14，成為第二偏振態之偏振光後進入反射式偏振元件16，再反射回相位延遲元件14產生第三偏振態之偏振光至部分反射部分穿透元件10後，再反射回相位延遲元件14以產生第四偏振態之偏振光至反射式偏振元件及第二透鏡20，以導入人眼中。因此第三實施例偏振光的傳遞狀態皆係透過進入相位延遲元件14，以改變偏振光的偏振態，且改變的狀態及折射方式與上述第一實施例相 同，因此不再詳細贅述。

請參照第五圖，以說明本創作第四實施例，本實施例光學系統之結構由顯示裝置2依序對應設置一部分反射部分穿透元件10、一相位延遲元件14、一平面光學元件18、一第一透鏡12、一反射式偏振元件16以及一第二透鏡20。其中部分反射部分穿透元件10及相位延遲元件14係以黏貼或鍍膜的方式鍍膜設置在平面光學元件18表面；反射式偏振元件16以黏貼或鍍膜的方式鍍膜在第二透鏡20表面。此實施例之微型頭戴式顯示器具體數據如下表四：

表四中F為光學系統之有效焦距，該光學系統之總長為TTL，ω為光學系統之半視場角，f1為第一透鏡組的有效焦距，f2為第二透鏡組的有效焦距，Nd為折射率，Vd為阿貝數。A、B、C、D、E、F、G等為非球面公式中之參數，K為圓錐係數，非球面公式為

，其中C=1/R，R為曲率半徑。

本實施例偏振光進入光學系統時的傳遞狀態與上述第一實施例相同，顯示裝置2發出第一偏振態的偏振光後，穿透部分反射部分穿透元件10進入到相位延遲元件14，成為第二偏振態之偏振光後進入第一透鏡12及反射式偏振元件16，反射式偏振元件16再反射回相位延遲元件14產生第三偏振態之偏振光至部分反射部分穿透元件10後，再反射回相位延遲元件14以產生第四偏振態之偏振光至反射式偏振元件16及第二透鏡20，以導入人眼中。因此第四實施例偏振光的傳遞狀態皆係透過進入相位延遲元件14，以改變偏振光的偏振態，且改變的狀態及折射方式與上述第一實施例相同，因此不再詳細贅述。

請參照第六圖，以說明本創作第五實施例，本實施例光學系統之結構由顯示裝置2依序對應設置一部分反射部分穿透元件10、一相位延遲元件14、一第一透鏡12、一反射式偏振元件16以及一第二透鏡20。其中第一透鏡12相鄰顯示裝置2之一側具有一第一平面部122，令部分反射部分穿透元件10及相位延遲元件14以黏貼或鍍膜的方式設置於第一平面部122上；反射式偏振元件16以黏貼或鍍膜的方式設置在第二透鏡20表面。此實施例之微型頭戴式顯示器具體數據如下表五：

表五中F為光學系統之有效焦距，該光學系統之總長為TTL，ω為光學系統之半視場角，f1為第一透鏡組的有效焦距，f2為第二透鏡組的有效焦距，Nd為折射率，Vd為阿貝數。A、B、C、D、E、F等為非球面公式中之參數，K為圓錐係數，非球面公式為

，其中C=1/R，R為曲率半徑。

本實施例偏振光進入光學系統時的傳遞狀態與上述第一實施例相同，顯示裝置2發出第一偏振態的偏振光後，穿透部分反射部分穿透元件10進入到相位延遲元件14，成為第二偏振態之偏振光後進入第一透鏡12及反射式偏振元件16，反射式偏振元件16再反射回相位延遲元件14產生第三偏振態之偏振光至部分反射部分穿透元件10後，再反射回相位延遲元件14以產生第四偏振態之偏振光至反射式偏振元件16及第二透鏡20，以導入人眼中。因此第五實施例偏振光的傳遞狀態皆係透過進入相位延遲元件14，以改變偏振光的偏振態，且改變的狀態及折射方式與上述第一實施例相同，因此不再詳細贅述。

請參考第二A圖、第三圖至第六圖，本創作可達到較大視角、系 統距離縮短及良好像差校正之效果，如下列公式所示：

其中f₁為第一透鏡12的有效焦距，f₂為第二透鏡20的有效焦距，F為光學系統之有效焦距，ω為光學系統之半視場角，R₁、R₂分別為第二透鏡20二表面的曲率半徑，R₃、R₄分別為第一透鏡12二表面的曲率半徑，TTL為光學系統之總長。當符合公式(1)可使光路達到良好的折反射效果，有效縮短總長；符合公式(2)、(3)有效增大視角，並達到良好的像差平衡；符合公式(4)可增大視角並達到輕薄化；符合公式(5)可達到良好的色差修正，並有效提高觀影對比度。

下列表六為第二A圖、第一實施例至第五實施例套入上述公式(1)~(5)之計算結果。

由上述表六可知，本創作實施例皆能滿足上述公式(1)至公式(5)，故使用本創作之結構能令光路達到良好的折反射效果，有效縮短總長；有效增大視角，並達到良好的像差平衡；可增大視角並達到輕薄化；可達到良好的色差修正，並有效提高觀影對比度等功效。

綜上所述，本創作透過第一透鏡與第二透鏡雙透鏡的設置，能有效修正影像的像差，並提升視場角的範圍，且在頭戴顯示器設置反射式偏振元件、相位延遲元件、部分反射部分穿透元件等光學元件，利用光線的相位延遲及多次反射達到近似長度的光程，藉以縮短顯示屏和光學系統之間的距離，以將頭戴顯示器微型化。

唯以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用來限定本創作實施之範圍。故即凡依本創作申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本創作之申請專利範圍內。

10:部分反射部分穿透

12:第一透鏡

14:相位延遲元件

16:反射式偏振元件

18:平面光學元件

20:第二透鏡

2:顯示裝置

Claims (18)

1. 一種微型頭戴式顯示器之光學系統，其可接收顯示裝置之輸出影像及其偏振光，該光學系統包括：一部分反射部分穿透元件，對應該顯示裝置設置，使該偏振光部分反射，部分穿透出該部分反射部分穿透元件；一相位延遲元件，對應該部分反射部分穿透元件設置，接收穿透該部分反射部分穿透元件之該偏振光，並對其進行相位延遲，成為另一偏振態之該偏振光；一第一透鏡，對應該部分反射部分穿透元件與該相位延遲元件設置，以接收該偏振光，調節該偏振光焦距；一反射式偏振元件，對應該相位延遲元件設置，接收另一偏振態之該偏振光並反射，使另一偏振態之該偏振光經過該相位延遲元件及該部分反射部分穿透元件後，再反射回該反射式偏振元件並穿透；以及一第二透鏡，對應該反射式偏振元件設置，接收穿透該反射式偏振元件之該偏振光，並將其導入人眼。
2. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該部分反射部分穿透元件可設置在第一透鏡上。
3. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，更可包括一平面光學元件，對應設置在該第一透鏡與該第二透鏡之間，令該相位延遲元件及該反射式偏振元件設置在該平面光學元件上。
4. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該第二透鏡相鄰該第一透鏡之一側設有一第二平面部，令該相位延遲元件及該反射式偏振元件設置於該第二平面部。
5. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該反射式 偏振元件可設置在該第二透鏡上。
6. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該相位延遲元件可設置在一平面光學元件上。
7. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，更可包括一平面光學元件，設置於該顯示裝置以及該第一透鏡之間，該部分反射部分穿透元件及該相位延遲元件係設置在該平面光學元件上。
8. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該第一透鏡相鄰該顯示裝置設置之一側具有一第一平面部，令該部分反射部分穿透元件及該相位延遲元件設置於該第一平面部。
9. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該顯示裝置輸出之該偏振光可為線偏振光、圓偏振光或其他偏振態。
10. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該顯示裝置及該部分穿透部分反射元件之間更可設置至少一偏振調整元件，偏振調整元件可為薄膜材料或為光學鍍膜，以塗佈、鍍膜或黏合等的形式設置於該顯示裝置或該部分穿透部分反射元件上。
11. 如請求項10所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該偏振調整元件可為線偏振元件、圓偏振元件、該相位延遲元件或該反射式偏振元件。
12. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該光學系統滿足

    

    ，該F為該光學系統之有效焦距，該f₁為該第一透鏡之有效焦距，該f₂為該第二透鏡之有效焦距。
13. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該光學系統滿足

    

    ，該F為該光學系統之有效焦距，該R₁為該第二 透鏡靠近該人眼之一側之曲率半徑，該R₂為靠近該顯示裝置之一側之曲率半徑。
14. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該光學系統滿足

    

    ，該F為該光學系統之有效焦距，該R₃為該第一透鏡靠近該人眼之一側之曲率半徑，該R₄為靠近該顯示裝置之一側之曲率半徑。
15. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該光學系統滿足

    

    ，該F為該光學系統之有效焦距，該ω為該光學系統之半視場角，該TTL為該光學系統之總長。
16. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該光學系統滿足

    

    ，該Vd₁為該第一透鏡之阿貝數(Abbe number)，該Vd₂為該第二透鏡之阿貝數。
17. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該第一透鏡可為球面、非球面透鏡、菲涅爾透鏡或多片透鏡之組合。
18. 如請求項1所述之微型頭戴式顯示器之光學系統，其中該第二透鏡可為球面、非球面透鏡、菲涅爾透鏡或多片透鏡之組合。

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