CN110161690A - 微型化头戴显示器的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型化头戴显示器的光学系统，其在光学模块后、显示屏前摆放至少一相位延迟元件、部分穿透部分反射元件及反射式偏振元件，使显示屏射出的光线入射后经过多次偏振、反射、再偏振，得到可穿透最后一层反射式偏振元件的偏振光，穿过该反射式偏振元件后入射头戴显示器最后的光学模块再被导入人眼中。本发明中所有光学元件皆在同轴上，通过多次偏振及反射使光线在近似的光程情况下，得到显示屏和最终光学模块之间的最短距离，达到头戴显示器微型化的目的。

Description

微型化头戴显示器的光学系统

技术领域

本发明涉及一种头戴显示器的技术，特别是指一种微型化头戴显示器的光学系统。

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，产生虚像放大效果，增加临场体验感。

图1所示为虚拟现实的头戴显示器，显示屏10投射的影像经过一段光程为d的光路后入射光学模块20，光学模块20再将影像导入到用户的人眼22中，假设光程d为40mm，则头戴显示器的长度由光程d加上光学模块及适眼距和外壳后必然大于40mm，对于戴在头上的眼罩和头盔而言略显笨重，故将头戴显示器的厚度缩小、便于使用者配戴使用为一项重要的课题。

因此，本发明即提出一种微型化头戴显示器的光学系统，有效解决上述问题，具体架构及其实施方式将详述于下：

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种微型化头戴显示器的光学系统，其在头戴显示器的显示屏和光学模块之间设置偏振元件、相位延迟元件、部分反射部分穿透元件等光学元件，利用光线的相位延迟及多次反射达到近似长度的光程，藉以缩短显示屏和光学模块之间的距离，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头戴显示器的光学系统，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，以在缩短显示屏和光学模块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。

为达上述目的，本发明提供一种微型化头戴显示器的光学系统，包括：一显示屏，输出影像并发出偏振光；一部分反射部分穿透元件，对应该显示屏设置，使该偏振光部分反射，部分该偏振光穿透该部分反射部分穿透元件；一第二相位延迟元件，对应该部分反射部分穿透元件，将部分穿透该部分反射部分穿透元件的该偏振光进行相位延迟，成为第二偏振角度的偏振光；一反射式偏振元件，对应该第二相位延迟元件设置，接收该第二偏振角度的偏振光并进行全反射，该第二偏振角度的偏振光经过该第二相位延迟元件及该部分反射部分穿透元件后，反射回该反射式偏振元件并穿透；以及一光学模块，对应该反射式偏振元件，接收穿透该反射式偏振元件的偏振光，并将其导入至少一人眼中。

根据本发明的实施例，该反射式偏振元件为一偏振片，该第二相位延迟元件为一相位延迟片。

根据本发明的实施例，该反射式偏振元件为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镀膜或为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镜片，该第二相位延迟元件为一相位延迟片。

根据本发明的实施例，该反射式偏振元件为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镀膜或为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镜片，而该第二相位延迟元件同样设于该光学模块中并且为在反射式偏振元件之前以及具相位延迟功能的镀膜或为设于该光学模块中并且具相位延迟功能的镜片。

根据本发明的实施例，该显示屏送出并进入该部分反射部分穿透元件的该偏振光为圆偏振光。

根据本发明的实施例，该显示屏送出的该偏振光为线偏振光，于该显示屏及该部分反射部分穿透元件之间更设有一第一相位延迟元件，用以将该偏振光进行第一次相位延迟，成为第一偏振角度的偏振光，并使线偏振光经过该第一相位延迟元件后转换成圆偏振光。

根据本发明的实施例，该反射式偏振元件将该第二偏振角度的偏振光全反射回该第二相位延迟元件，使该第二偏振角度的偏振光穿透该第二相位延迟元件并成为第三偏振角度的偏振光，该第三偏振角度的偏振光再被该部分反射部分穿透元件部分反射回该第二相位延迟元件后，穿透该第二相位延迟元件并成为第四偏振角度的偏振光，该第四偏振角度的偏振光穿透该反射式偏振元件。

承上，该第二偏振角度的偏振光中，部分穿透该第二相位延迟元件的偏振光为线偏振光，而被该反射式偏振元件反射后穿透该第二相位延迟元件的偏振光为圆偏振光。

根据本发明的实施例，该反射式偏振元件所反射的该第二偏振角度的偏振光为线偏振光，该反射式偏振元件所穿透的该第四偏振角度的偏振光为线偏振光。

根据本发明的实施例，该显示屏送出的该偏振光为无特定偏振态，于该显示屏及该部分反射部分穿透元件之间更设有一线偏振片及一第一相位延迟元件，该线偏振片设于该显示屏及该第一相位延迟元件之间，该显示屏提供的该偏振光经过该线偏振片后成为线偏振光，该第一相位延迟元件再将该线偏振光进行第一次相位延迟，成为第一偏振角度的偏振光，并使该第一偏振角度的偏振光转换成圆偏振光。

根据本发明的实施例，该光学模块为非球面透镜、菲涅尔透镜(Fresnel lens)或多片透镜的组合。

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2A及图2B为本发明微型化头戴显示器的光学系统的一实施例的示意图。

图3A为本发明微型化头戴显示器的光学系统的另一实施例的示意图。

图3B及图3C为传统的头戴显示器及本发明图3A中头戴显示器的光学系统的比对示意图。

图4为本发明微型化头戴显示器的光学系统的再一实施例的示意图。

图5为本发明微型化头戴显示器的光学系统的又一实施例的示意图。

附图标记说明：10-显示屏；11-线偏振片；12-第一相位延迟元件；14-部分反射部分穿透元件；16-第二相位延迟元件；18-反射式偏振元件；20-光学模块；22-人眼。

具体实施方式

本发明提供一种微型化头戴显示器的光学系统，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，因此头戴显示器的大小愈小愈好，本发明的目的即在于利用多个透镜将光线进行多次反射，在近似长度的光程下使光学模块和显示屏之间的距离缩短，以达到将头戴显示器微型化的目的。

请参考图2A及图2B，其为本发明中微型化头戴显示器的光学系统的一实施例示意图，包括一显示屏10、一部份反射部分穿透元件14、一第二相位延迟元件16、一反射式偏振元件18及一光学模块20，首先请参考图2A，在此实施例中，显示屏10输出影像，并发出偏振光，如图中所示的偏振光1；部分反射部分穿透元件14对应显示屏10设置，其将入射的偏振光1部分反射回显示屏10，剩余的则穿透该部分反射部分穿透元件14，在一较佳实施例中，该部分反射部分穿透元件14为一半反射、一半穿透；另外，在此实施例中，第二相位延迟元件16为一独立的相位延迟片，反射式偏振元件18为一独立的偏振片，第二相位延迟元件16对应部分反射部分穿透元件14设置，将穿透该部分反射部分穿透元件14的偏振光1进行第二次相位延迟，成为第二偏振角度的偏振光2；反射式偏振元件18对应第二相位延迟元件16设置，会将偏振光2全反射回第二相位延迟元件16，而偏振光2穿透第二相位延迟元件16后，会再被偏振一次，成为第三偏振角度的偏振光3。

接着请参考图2B，第三偏振角度的偏振光3穿透第二相位延迟元件16并到达部分反射部分穿透元件14后，再被部分反射部分穿透元件14部分反射回第二相位延迟元件16后(部分穿透的部分为能量损失)，并在穿透第二相位延迟元件16后被偏振，成为第四偏振角度的偏振光4，此时偏振光4的第四偏振角度符合反射式偏振元件18的穿透条件，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18并入射对应的光学模块20，由光学模块20将偏振光4导入至少一人眼22中。

在一第一实施例中，显示屏10所发出的光线为具有45度偏振的圆偏振光，因此第一偏振角度为45度(亦即偏振光1为45度偏振光)，而第二相位延迟元件16为45度偏振元件，第二偏振角度为90度(亦即偏振光2为90度偏振光)，第三偏振角度为135度(亦即偏振光3为135度偏振光)，第四偏振角度为180度(亦即偏振光4为180度偏振光)。在此实施例中，反射式偏振元件18仅提供180度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

在一第二实施例中，显示屏10具有不同的偏振态，其第一偏振角度为135度(亦即偏振光1为135度偏振光)，但同样发出圆偏振光，而第二相位延迟元件16同样为45度偏振元件，第二偏振角度为0或180度(亦即偏振光2为0或180度偏振光)，第三偏振角度为45度(亦即偏振光3为45度偏振光)，第四偏振角度为90度(亦即偏振光4为90度偏振光)。在此实施例中，反射式偏振元件18仅提供90度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

在图2A、图2B的实施例中，显示屏10所发出的偏振光1为圆偏振光；部分穿透第二相位延迟元件16的偏振光2为线偏振光，而被反射式偏振元件18反射的偏振光2同样为线偏振光，但经过第二相位延迟元件16后的偏振光3变成圆偏振光。此偏振光3原本是圆偏振光，但被部分穿透第二相位延迟元件16反射后，再次通过第二相位延迟元件16后，偏振光4变成线偏振光，直到穿透反射式偏振元件18的偏振光4仍为线偏振光。

在本发明中，光学模块20为非球面透镜、菲涅尔透镜(Fresnel lens)或多片透镜的组合。

图3A为本发明微型化头戴显示器的光学系统的另一实施例的示意图。若显示屏10发出的不是圆偏振光而是线偏振光，则如图3A所示，需在显示屏10后增加一第一相位延迟元件12，将显示屏10所发出的偏振光转换为圆偏振光，并进行第一次相位延迟，变成第一偏振角度的偏振光1。偏振光1经过部分反射部分穿透元件14后，部分被反射回第一相位延迟元件12，剩余的则穿透该部分反射部分穿透元件14；部分穿透该部分反射部分穿透元件14的偏振光1接着通过第二相位延迟元件16，经过第二次相位延迟后成为第二偏振角度的偏振光2；偏振光2被反射式偏振元件18全反射回第二相位延迟元件16，穿透第二相位延迟元件16后被再次偏振为第三偏振角度的偏振光3。偏振光3穿透第二相位延迟元件16并到达部分反射部分穿透元件14后，再被部分反射部分穿透元件14部分反射回第二相位延迟元件16后(部分穿透的部分为能量损失)，并在穿透第二相位延迟元件16后被偏振，成为第四偏振角度的偏振光4，此时偏振光4的第四偏振角度符合反射式偏振元件18的穿透条件，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18并入射对应的光学模块20，由光学模块20将偏振光4导入至少一人眼22中。

在一第三实施例中，显示屏10射出的偏振光为0度线偏振光，第一相位延迟元件12为45度偏振元件，因此第一偏振角度为45度(亦即偏振光1为45度偏振光)，而第二相位延迟元件16为45度偏振元件，第二偏振角度为90度(亦即偏振光2为90度偏振光)，第三偏振角度为135度(亦即偏振光3为135度偏振光)，第四偏振角度为180度(亦即偏振光4为180度偏振光)。在此实施例中，反射式偏振元件18仅提供180度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

在一第四实施例中，显示屏为射出的偏振光为90度线偏振光，而第一相位延迟元件12为45度偏振元件，因此第一偏振角度为135度(亦即偏振光1为135度偏振光)，第二相位延迟元件16同样为45度偏振元件，第二偏振角度为0或180度(亦即偏振光2为0或180度偏振光)，第三偏振角度为45度(亦即偏振光3为45度偏振光)，第四偏振角度为90度(亦即偏振光4为90度偏振光)。在此实施例中，反射式偏振元件18仅提供90度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

图3B及图3C为图1中传统的头戴显示器及本发明图3A中头戴显示器的光学系统的比对示意图。本发明可将第一相位延迟元件12及部分反射部分穿透元件14设为一组，第二相位延迟元件16及反射式偏振元件18为一组，举例而言，第二相位延迟元件16及反射式偏振元件18可为同一镜片，例如在第二相位延迟片16靠近光学模块20侧设置反射式偏振功能的镀膜，做为反射式偏振元件18，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，同理，第一相位延迟元件12及部分反射部分穿透元件14亦可透过镀膜或材料选择而做在同一镜片上。众所周知，镜片的厚度会影响折射率及光程，当镜片愈厚时，折射率愈高，因此光程的差异也愈高，但误差极小，仍在可允许的范围内，因此图3B和图3C可说具有几近相同的光程d(图中虚线总长度)，但本发明的光学系统具有较短的后焦距离，可将传统头戴显示器的后焦距离缩短为0.3～0.7倍，而可达到与传统头戴显示器同样清晰的影像效果。

图4为本发明微型化头戴显示器的光学系统的再一实施例的示意图。若显示屏10并无特定偏振态，则如图4所示，需在显示屏10之后、第一相位延迟元件12之前增加一线偏振片11，将显示屏10所射出的偏振光先转换成线偏振光，线偏振光通过第一相位延迟元件12后变成第一偏振角度的偏振光1，且偏振光1变成圆偏振光。偏振光1经过部分反射部分穿透元件14后，部分被反射回第一相位延迟元件12，剩余的则穿透该部分反射部分穿透元件14；部分穿透该部分反射部分穿透元件14的偏振光1接着通过第二相位延迟元件16，经过第二次相位延迟后成为第二偏振角度的偏振光2；偏振光2被反射式偏振元件18全反射回第二相位延迟元件16，穿透第二相位延迟元件16后被再次偏振为第三偏振角度的偏振光3。偏振光3穿透第二相位延迟元件16并到达部分反射部分穿透元件14后，再被部分反射部分穿透元件14部分反射回第二相位延迟元件16后(部分穿透的部分为能量损失)，并在穿透第二相位延迟元件16后被偏振，成为第四偏振角度的偏振光4，此时偏振光4的第四偏振角度符合反射式偏振元件18的穿透条件，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18并入射对应的光学模块20，由光学模块20将偏振光4导入至少一人眼22中。

于一第五实施例中，若第一相位延迟元件12、第二相位延迟元件16为45度偏振元件，部分反射部分穿透元件14为一半反射一半穿透，反射式偏振元件18仅提供180度偏振光穿透，则在显示屏10未有特定偏振态的状态下，先经过线偏振片11后变为一线偏振光，接着通过第一相位延迟元件12后增加了45度的相位延迟，使通过第一相位延迟元件12的为45度偏振光1，之后经过部分穿透部分反射元件14使45度偏振光1部分穿透，经过第二相位延迟元件16后，其偏振转为90度相位延迟的偏振光2，并在反射式偏振元件18上完成全反射，让反射后的光再度通过第二相位延迟元件16，将偏振光3的相位从90度延迟调整成延迟了135度，接着再通过部分穿透部分反射元件14，使其反射回第二相位延迟元件16，此时偏振光3的相位延迟从135度被调整为原本偏振态的180度偏振光4，即可入射至光学模块20中。

在一第六实施例中，显示屏10同样无特定偏振态，但线偏振片11射出90度的线偏振光，第一相位延迟元件12为45度偏振元件，因此第一偏振角度为135度(亦即偏振光1为135度偏振光)，而第二相位延迟元件16同样为45度偏振元件，第二偏振角度为0或180度(亦即偏振光2为0或180度偏振光)，第三偏振角度为45度(亦即偏振光3为45度偏振光)，第四偏振角度为90度(亦即偏振光4为90度偏振光)。在此实施例中，反射式偏振元件18仅提供90度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

本发明中所有元件皆在同轴上，并依据头戴显示器的显示屏的偏振状况，利用图3A及图4的显示屏10及线偏振片11做增减进行调整，总而言之，若显示屏10射出的是圆偏振光，便不需要设置线偏振片11及第一相位延迟元件12；若显示屏10射出的是线偏振光，则需设置第一相位延迟元件12；若显示屏10射出的是无特定偏振态的偏振光，则需同时设置线偏振片11及第一相位延迟元件12。

本发明利用近似光程可达到相同影像的原理将头戴显示器的长度缩短，举例而言，图3A中从显示屏10至光学模块20的光学路径经过多次的反射，因此若图3A的实施例中从显示屏10到光学模块20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20的光程d几近相同，但由于图3A实施例中显示屏10到光学模块20的光路经过多次反射加总，因此实际从显示屏10到光学模块20的长度会远小于图1中从显示屏10到光学模块20的长度，达到缩短头戴显示器长度的目的。

此外，本发明中还可将反射式偏振元件18、或反射式偏振元件18及第二相位延迟元件16一起设于光学模块中，若只有反射式偏振元件设在光学模块中，则其可为具反射式偏振功能的镀膜；若二者皆设在光学模块中，则如图5所示，反射式偏振元件18为具反射式偏振功能的镀膜，而第二相位延迟元件16为在反射式偏振元件18之前、具相位延迟功能的镀膜。如此一来，还可使后焦距离更短。

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 (10)

1.一种微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，包括：

一显示屏，输出影像并发出偏振光；

一部分反射部分穿透元件，对应该显示屏设置，使该偏振光部分反射，部分该偏振光穿透该部分反射部分穿透元件；

一第二相位延迟元件，对应该部分反射部分穿透元件设置，接收部分穿透该部分反射部分穿透元件的该偏振光，并进行相位延迟，成为第二偏振角度的偏振光；

一反射式偏振元件，对应该第二相位延迟元件设置，接收该第二偏振角度的偏振光并进行全反射，该第二偏振角度的偏振光经过该第二相位延迟元件及该部分反射部分穿透元件后，反射回该反射式偏振元件并穿透；以及

一组光学模块，对应该反射式偏振元件设置，接收穿透该反射式偏振元件的偏振光，并将其导入至少一人眼中。

2.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该反射式偏振元件为一偏振片，该第二相位延迟元件为一相位延迟片。

3.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该反射式偏振元件为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镀膜或者为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镜片，该第二相位延迟元件为一相位延迟片。

4.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该反射式偏振元件为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镀膜或者为设于该光学模块中并且具反射式偏振功能的镜片，该第二相位延迟元件同样设于该光学模块中并且为在该反射式偏振元件之前以及具相位延迟功能的镀膜或者该第二相位延迟元件为设于该光学模块中并且具相位延迟功能的镜片。

5.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该显示屏送出并进入该部分反射部分穿透元件的该偏振光为圆偏振光。

6.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该显示屏送出的该偏振光为线偏振光，于该显示屏及该部分反射部分穿透元件之间更设有一第一相位延迟元件，用以将该偏振光进行第一次相位延迟，成为第一偏振角度的偏振光，并使线偏振光经过该第一相位延迟元件后转换成圆偏振光。

7.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该第二偏振角度的偏振光中，部分穿透该第二相位延迟元件的偏振光为线偏振光，而被该反射式偏振元件反射后穿透该第二相位延迟元件的偏振光为圆偏振光。

8.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该反射式偏振元件将该第二偏振角度的偏振光全反射回该第二相位延迟元件，使该第二偏振角度的偏振光穿透该第二相位延迟元件并成为第三偏振角度的偏振光，该第三偏振角度的偏振光再被该部分反射部分穿透元件部分反射回该第二相位延迟元件后，穿透该第二相位延迟元件并成为第四偏振角度的偏振光，该第四偏振角度的偏振光穿透该反射式偏振元件，其中该反射式偏振元件所反射的该第二偏振角度的偏振光为线偏振光，该反射式偏振元件所穿透的该第四偏振角度的偏振光为线偏振光。

9.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该显示屏送出的该偏振光为无特定偏振态，于该显示屏及该部分反射部分穿透元件之间更设有一线偏振片及一第一相位延迟元件，该线偏振片设于该显示屏及该第一相位延迟元件之间，该显示屏提供的该偏振光经过该线偏振片后成为线偏振光，该第一相位延迟元件再将该线偏振光进行第一次相位延迟，成为第一偏振角度的偏振光，并使该第一偏振角度的偏振光转换成圆偏振光。

10.如权利要求1所述的微型化头戴显示器的光学系统，其特征在于，该光学模块为非球面透镜、菲涅尔透镜或多片透镜的组合。