CN111708168A - 头戴式虚拟现实显示装置及其光学系统 - Google Patents

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Abstract

在此揭示一种头戴式虚拟现实显示装置及其光学系统，其包括：一出射光瞳；一线偏振器；一反射偏光器，其设置于该出射光瞳与该线偏振器之间；一相位延迟器，其设置于该线偏振器以及该反射偏光器之间，其中该相位延迟器之快轴与该线偏振器之穿透轴之间夹角为15度，并且该相位延迟器之快轴与该反射偏光器穿透轴之夹角为‑15度；该光学系统尚包括一部分反射器，其设置于该相位延迟器以及该反射偏光器之间，并且与该相位延迟器耦合。

Description

头戴式虚拟现实显示装置及其光学系统
技术领域
本发明系关于一种头戴式虚拟现实(Virtual Reality,VR)显示设备之领域，特别是一种头戴式虚拟现实(VR)显示装置及其光学系统。
背景技术
近年来随着科技的发展，虚拟现实(VR)的应用层面越来越广泛，包含：影音观赏、医学、游戏乃至于拟真训练等领域；藉由虚拟现实显示装置以及相关设备，使用者得以在不受地点限制的情况下，有身历其境的实境体验。
目前虚拟现实的显示技术，常见于搭配穿戴式虚拟现实显示装置的应用，又称VR眼镜；然而，习用常见的穿戴式显示设备需要将显示器置于光学系统(或称镜片组)前方一定的距离，才得以达到视觉放大或视野增广的效果，因此可能导致产品在外观上有庞大、厚重的疑虑，更可能导致使用者穿戴时的不适或携带时的不便。
举例而言，目前市面上习知的虚拟现实显示装置，镜片组的焦距约为45mm，总长度则约为63mm，且得将显示器(光源)设置于凸透镜组前方约40mm，方才可获得约5-6倍的放大率，以及大约90度的视野(field of view,FOV)。
有鉴于此，本领域亟需一种改良的头戴式虚拟现实显示装置之光学系统，能够克服习用装置的不足。
发明内容
发明内容旨在提供本揭示内容的简化摘要，以使阅读者对本揭示内容具备基本的理解。此发明内容并非本揭示内容的完整概述，且其用意并非指出本发明实施例的重要/关键组件或界定本发明的范围。
在理解先前技术的基础上，本案发明人本于从事相关产业制造及开发的多年经验，提供一种头戴式虚拟现实显示装置及其光学系统。本案发明人为该光学系统界定相关参数，搭配偏振光学组件之应用，得以缩短光路，进而缩小整体装置体积以及减轻装置重量。
据此，在本说明之一些态样中提供一种光学系统，包括：一出射光瞳；一线偏振器；一反射偏光器，其设置于该出射光瞳与该线偏振器之间；一相位延迟器，其设置于该线偏振器以及该反射偏光器之间，其中该相位延迟器之快轴与该线偏振器之穿透轴之间夹角为15度，并且该相位延迟器之快轴与该反射偏光器穿透轴之夹角为-15度；该光学系统尚包括一部分反射器，其设置于该相位延迟器以及该反射偏光器之间，并且与该相位延迟器耦合。
在本说明之一些态样中提供一种头戴式虚拟现实显示装置，包括：一影像表面，其与一观察者之人眼相对；一线偏振器，与该影像表面耦合；以及一光学系统，设置于该影像表面以及该观察者之人眼之间。该光学系统包括：一反射偏光器，设置为靠近该观察者之人眼；一相位延迟器，设置于该线偏振器以及该反射偏光器之间，该相位延迟器之快轴与该线偏振器之穿透轴之间夹角为15度，并且该相位延迟器之快轴与该反射偏光器之穿透轴之间夹角为-15度；以及ㄧ部分反射器，设置于该相位延迟器以及该反射偏光器之间，并且与该相位延迟器耦合。
根据本说明之一些实施方式，该相位延迟器系一二分之一相位延迟器。
根据本说明之一些实施方式，该光学系统进一步包括一第一透镜，该第一透镜具有相对之一第一光学表面及一第二光学表面，该第一光学表面与该部分反射器以及该相位延迟器耦合，而该第二光学表面与该反射偏光器耦合。
根据本说明之一些实施方式，该第一光学表面以及该第二光学表面皆沿二正交轴突出，并朝向该线偏振器。
根据本说明之一些实施方式，该第二光学表面之曲率半径大于该第一光学表面之曲率半径。
根据本说明之一些实施方式，该光学系统进一步包括一第二透镜设置于该反射偏光器与该出射光瞳之间；较佳地，该第二透镜设置于该反射偏光器与该观察者之人眼之间。
根据本说明之一些实施方式，该第一透镜的中心厚度大于该第二透镜的中心厚度。
根据本说明之一些实施方式，该第二透镜具有相对之一第三光学表面及一第四光学表面，该第三光学表面设置为靠近该反射偏振器，该第四光学表面设置为靠近该出射光瞳；较佳地，该第四光学表面设置为靠近该观察者之人眼。
根据本说明之一些实施方式，该线偏振器与该相位延迟器之间距，小于该反射偏光器与该第三光学表面之间距。
根据本说明之一些实施方式，该第三光学表面以及该第四光学表面皆沿二正交轴突出，并朝向该线偏振器。
根据本说明之一些实施方式，该第三光学表面之曲率半径大于该第四光学表面之曲率半径。
根据本说明之一些实施方式，该光学系统之畸变率小于等于25％，并且该光学系统之色像差值小于等于0.5mm。
在参阅下文实施方式后，本发明所属技术领域中具有通常知识者当可轻易了解本发明之基本精神及其发明目的，以及本发明所采用之技术手段与实施态样。
附图说明
为让本发明的上述与其他目的、特征、优点与实施例能更浅显易懂，所附图式之说明如下：
图1是依据本说明一实施方式所示之光学系统的剖面图；
图2是依据本说明一实施方式所示之光学系统的光路示意图；
图3是依据本说明一实施方式所示之光学系统的仿真光路追迹图；
4图4是依据本说明一实施方式所示之光学系统的调制转换函数数据图；
5图5是依据本说明一实施方式所示之光学系统的色像差数据图；
6图6是依据本说明一实施方式所示之光学系统的畸变量据图。
根据惯常的作业方式，图中各种特征与组件并未依实际比例绘制，其绘制方式是为了以最佳的方式呈现与本发明相关的具体特征与组件。此外，在不同图式间，以相同或相似的组件符号指称相似的组件及部件。
附图标记：
100：光学系统
101：出射光瞳(观察者之人眼)
102：影像表面
110：第一透镜
111：第一光学表面
112：第二光学表面
120：第二透镜
121：第三光学表面
122：第四光学表面
130：线偏振器
140：相位延迟器
150：部分反射器
160：反射偏光器
D1：第一间距
D2：第二间距
D3：第三间距
OP1：第一线性偏振光态
OP2：第二线性偏振光态
OP3：第三线性偏振光态
F1：第一发射点
F2：第二发射点
F3：第三发射点
F4：第四发射点
F5：第五发射点
F6：第六发射点
F7：第七发射点
具体实施方式
本节将透过以下实施例详细说明本发明之内容，唯该等实施例仅供例示之用，熟习此项技术者当可轻易思及多种修改及变化之方式。以下将详述本发明之多种实施例。在本说明书及后附之申请专利范围中，除非上下文另外载明，否则「一」及「该」亦可解释为复数。此外，在本说明书及后附之申请专利范围中，除非另外载明，否则「设置于某物之上」可视为直接或间接以贴附或其他形式与某物之表面接触，该表面之界定应视说明书内容之前后/段落语意以及本说明所属领域之通常知识予以判断。
虽然用以界定本发明的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或一范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，是本发明所属领域中具有通常知识者的考虑而定。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。
为解决先前技术所存在的问题，本说明提出一种新颖的光学系统，该光学系统可应用于头戴式虚拟现实显示装置之光学系统。透过光学参数的界定与设计，搭配偏振光学组件之应用，可提供一具备较短光路、高视野、高对比度、低色像及/或低失真之系统。
实施例
图1为依据本说明一实施方式所示之光学系统的剖面图，而图2为依据本说明一实施方式所示之光学系统的光路示意图，图1-2之中皆提供一x-y-z坐标，其定义一组互相正交的x轴、y轴以及z轴。请共同参阅图1-2，该光学系统100定义有一出射光瞳101，该出射光瞳101可经调适以重叠一观察者之人眼范围；较佳地，该出射光瞳于应用层面可视为该观察者之人眼。沿z轴相对于该出射光瞳101设置的系一影像表面102，其可为影像形成装置之输出表面，诸如显示器面板，可发射未经偏振之光。例如：液晶显示器(LCD)或液晶覆硅(LCoS)显示器面板。在ㄧ些实施例当中可使用弯曲的显示面板，例如可弯曲的有机发光二极管(OLED)显示器。
在本说明之一些实施方式中，提供一包括该光学系统100之一头戴式显示器装置，其中该出射光瞳101即可视为对应该观察者之人眼，而该影像表面102可理解为，沿z轴相对于该观察者之人眼所设置。除此之外，可依习用之头戴式显示器装置进行功能性的因应设置，例如：额外设置一或复数个目镜，或者设置一头戴式显示器外壳；本说明并不予以限定。
于该出射光瞳101以及该影像表面102之间，该光学系统101设置有一线偏振器130、一相位延迟器140、一部分反射器150以及一反射偏光器160。该线偏振器130可设置于该影像表面102以及该出射光瞳101之间，较佳地可直接设置于该影像表面102上。该反射偏光器160设置为靠近该出射光瞳101，该相位延迟器140设置于该线偏振器130以及该反射偏光器160之间，而该部分反射器150设置于该相位延迟器140以及该反射偏光器160之间；其中，该相位延迟器之快轴与该线偏振器之穿透轴之间夹角为15度，并且该相位延迟器之快轴与该反射偏光器之穿透轴之间夹角为-15度。
该线偏振器130用以将非/未经偏振之光线转变为线性偏振光。该相位延迟器140可为一聚合物延迟膜或一聚合物延迟涂层，且较佳地，其可为依据该复数所欲或预定波长中至少一个波长的二分之一波长；换句话说，该相位延迟器140可为一二分之一相位延迟器。该部分反射器150可具有至少30％之一平均光学反射率以及一平均光学透射率，较佳地，分别在30％至70％之范围内。该反射偏光器160可实质上反射一具有第一线性偏光态OP1之光，并实质上透射一具有第三线性偏光态OP3之光。在本说明之一些实施方式中，该反射偏光器160可为一线栅偏光器。
请继续参阅图1-2之实施内容，该光学系统100又包括一第一透镜110以及一第二透镜120；该第一透镜110设置于该线偏振器130以及该出射光瞳101之间，并于靠近该线偏振器130之一侧设有一第一光学表面111，相对地则设有一第二光学表面112；该第二透镜120设置于该第一透镜110与该出射光瞳101之间，并于靠近该第一透镜110之一侧设有一第三光学表面121，相对地则设有一第四光学表面122。较佳地，该相位延迟器140与该部分反射器150耦合，并共同设置于该第一光学表面111上；该反射偏光器160则设置于该第二光学表面112上；进一步而言，该第一透镜110、该相位延迟器140、该部分反射器150以及该反射偏光器160可共同设置为一光学堆栈。
根据本说明之一些实施方式，该第一透镜110、该第二透镜120、该线偏振器130、该相位延迟器140、该部分反射器150以及该反射偏光器160系沿z轴设置；该第一透镜110以及该第二透镜120具有正屈光力；具体而言，该第一光学表面111、该第二光学表面112、该第三光学表面113以及该第四光学表面114皆沿互相正交之x以及y轴突出，并朝向该线偏振器130。依据本说明之一些实施方式，该第一光学表面111之曲率半径小于该第二光学表面112之曲率半径，较佳地，该第一光学表面111之曲率半径约为27.9mm，该第二光学表面112之曲率半径约为33.1mm；该第三光学表面121之曲率半径则大于该第四光学表面122之曲率半径，较佳地，该第三光学表面之曲率半径约为38mm，该第四光学表面122之曲率半径约为20mm。另依据本说明之一些实施方式，该第一透镜110之中心厚度大于该第二透镜120之中心厚度，较佳地，该第一透镜110之中心厚度约为9.6mm，该第二透镜120之中心厚度约为2mm。
依据本说明之一些实施方式，该线偏振器130与该相位延迟器140之间距为第一间距D1；该反射偏光器160与第三光学表面121之间距为第二间距D2；该第四光学表面122与该出射光瞳101之间距为第三间距D3。其中，较佳地，该第二间距D2之长度大于该第一间距D1，而该第二间距D2之长度与该第三间距D3之长度接近，较佳地，该第二间距D2之长度与该第三间距D3之长度相同。
图3系依据本说明一实施方式所示之光学系统的仿真光路追迹图。请共同参阅图2-3，由于该相位延迟器140之快轴系设置为与该线偏振器130穿透轴之夹角为15度，并设置为与该反射偏光器160穿透轴之夹角为-15度(未绘示于图中)；此外，依据此实施方式而言，该相位延迟器140系一二分之一相位延迟器，因此可进一步理解，光自该影像表面102沿z轴方向发射，经过该线偏振器130后经偏振为一线性偏振光线，该线性偏振光线经过该相位延迟器140后转变为该具第一线性偏振光态OP1之光线，该具第一线性偏振光态OP1之光线的偏振方向，与该线性偏振光线之偏振方向的夹角为30度；而该具第一线性偏振光态OP1之光线沿z轴方向行进至该反射偏光器160时，经反射并转变为一第二线性偏振光态OP2之光线，该具第二线性偏振光态OP2之光线的偏振方向，与该线性偏振光线之偏振方向的夹角为60度；接着沿-z轴方向行进至该部分反射器150时，部分反射并转变为该具第三线性偏光态OP3之光线，该具第三线性偏振光态OP3之光线的偏振方向，与该线性偏振光线之偏振方向的夹角为120度；该具第三线性偏光态OP3之光线沿z轴方向行进并穿透该反射偏光器。更具体而言，该第一线性偏光态OP1与该第三线性偏光态OP3实质上互为正交。于其他不同的实施例当中，该相位延迟器140亦可系一四分之一相位延迟器。
此外，由图3可以进一步理解，在本说明之一实施方式中，定义有于该影像表面102上半部发射出光之七个发射点。分别为第一发射点F1，位于该影像表面102之中心点；第二发射点F2，距离该第一发射点F1约3.8mm；第三发射点F3，距离该第一发射点F1约7.8mm；第四发射点F4，距离该第一发射点F1约10mm，第五发射点F5，距离该第一发射点F1约12mm；第六发射点F6，距离该第一发射点F1约13.5mm；第七发射点F7，距离该第一发射点F1约14mm；依据上述七个发射点可进一步仿真并测定下列光学性质。
光学性质
图4至图6系依据上述内容之光学性质相关数据。图4系依据本说明一实施方式所示之光学系统的调制转换函数数据图；图5系依据本说明一实施方式所示之光学系统的色像差数据图；而图6系依据本说明一实施方式所示之光学系统的畸变量据图。
首先，依据本说明之一实施方式，该第一透镜110之材料为聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)，具有1.49之折射率；而该第二透镜120之材料为环烯烃共聚合体(cyclic olefin copolymer，COC)，具有1.54之折射率；该光学系统100中，第一间距D1为1mm，第二间距D2为9mm，而第三间距D3亦为9mm；又，该第一光学表面111之曲率半径约为27.9mm，该第二光学表面112之曲率半径约为33.1mm，该第三光学表面之曲率半径约为38mm，而该第四光学表面122之曲率半径约为20mm。此外，该第一透镜110之中心厚度约为9.6mm，该第二透镜120之中心厚度约为2mm。搭配上述参数，可依据本说明之实施方式进一步理解，该光学系统100之焦距约可缩短为16.5mm，并且可理解该光学系统总长小于等于30.1mm；此外其视野(FOV)约为91度，而其放大率约可达成6倍。
依据图3所绘示之内容可理解，该影像表面102设有该第一发射点F1，该第一发射点F1对应该影像表面102之中心；进一步可对应该光学系统100之中心视场。又，测定中心视场之调制转换函数(MTF)可显示分辨率以及对比度信息，进一步得评估光学系统之效能。因此更进一步请参阅第4图，第4图之纵轴显示的是调制转换函数，而其横轴则显示空间频率(即对应分辨率，单位为周期/毫米，cycles/mm)；而虚线所示为绕射极限(即光学系统之性能极限)，实线所示则为中心视场。因此可理解该光学系统100中心视场的MTF数值达到0.5时，对应的空间频率为16周期/毫米，也就是该光学系统100之MTF50值为16周期/毫米。
色像差为一常见之光学问题，其系因不同光之波长无法令光学系统聚集至同一焦平面，不同波长的色光聚集至不同焦平面即形成色像差，而色像差为评估一光学系统之重要指针。请参阅图5，图5所示之横轴为横向色差，纵轴为物高(毫米)；以可见之三色光而言，红光为长波长，绿光为短波长，蓝光为短波长，而图5所示之虚线即为短波长光与长波长光之差值，实线则为短波长与中波长光之差值。藉由图5所揭示内容可理解，该光学系统100之横向色差小于等于0.5mm。
光学系统中，畸变(Distortion)会导致放大倍率随视场位置改变而发生明显的变化，亦即对应光学系统失真的状况。请参阅图6，图6之纵轴为物高(单位为毫米)，而横轴则为畸变率(即几何失真度，具体而言系放大倍率变化百分比，单位为％)，因此综合来看，即为从图像中心至图像边角之间所对应之几何失真度。因此可进一步透过图6理解该光学系统100之成像畸变率约为25％。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，熟习此项技术者可在未背离本发明之精神及范畴之情况下进行诸多变更及修改，且均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (22)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：
一出射光瞳；
一线偏振器；
一反射偏光器，设置于该线偏振器与该出射光瞳之间；
一相位延迟器，设置于该线偏振器以及该反射偏光器之间，其中该相位延迟器之快轴与该线偏振器之穿透轴之间夹角为15度，并且该相位延迟器之快轴与该反射偏光器之穿透轴之间夹角为-15度；以及
一部分反射器，设置于该相位延迟器以及该反射偏光器之间，并且与该相位延迟器耦合。
2.如权利要求1所述之光学系统，其中该相位延迟器系一二分之一相位延迟器。
3.如权利要求1所述之光学系统，该光学系统进一步包括一第一透镜，该第一透镜具有相对之一第一光学表面及一第二光学表面，该第一光学表面与该部分反射器耦合，而该第二光学表面与该反射偏光器耦合。
4.如权利要求3所述之光学系统，其中该第一光学表面以及该第二光学表面皆沿二正交轴突出，并朝向该线偏振器。
5.如权利要求4所述之光学系统，其中该第二光学表面之曲率半径大于该第一光学表面之曲率半径。
6.如权利要求3所述之光学系统，该光学系统进一步包括一第二透镜设置于该反射偏光器与该出射光瞳之间。
7.如权利要求6所述之光学系统，其中该第一透镜的中心厚度大于该第二透镜的中心厚度。
8.如权利要求6所述之光学系统，其中该第二透镜具有相对之一第三光学表面及一第四光学表面，该第三光学表面设置为靠近该反射偏振器，该第四光学表面设置为靠近该出射光瞳；该第三光学表面以及该第四光学表面皆沿二正交轴突出，并朝向该线偏振器，且该第三光学表面之曲率半径大于该第四光学表面之曲率半径。
9.如权利要求8所述之光学系统，其中该线偏振器与该相位延迟器之间距，小于该反射偏光器与该第三光学表面之间距。
10.如权利要求1所述之光学系统，其中该光学系统成像之畸变率小于等于25％。
11.如权利要求1所述之光学系统，其中该光学系统成像之色像差值小于等于0.5mm。
12.一种头戴式虚拟现实显示装置，其特征在于，其包括：
一影像表面，面向一观察者之人眼；
一线偏振器，与该影像表面耦合；以及
一光学系统，设置于该影像表面以及该观察者之人眼之间，其包括：
一反射偏光器，设置为靠近该观察者之人眼；
一相位延迟器，设置于该线偏振器以及该反射偏光器之间，该相位延迟器之快轴与该线偏振器之穿透轴之间夹角为15度，并且该相位延迟器之快轴与该反射偏光器之穿透轴之间夹角为-15度；以及
一部分反射器，设置于该相位延迟器以及该反射偏光器之间，并且与该相位延迟器耦合。
13.如权利要求12所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该相位延迟器系一二分之一相位延迟器。
14.如申请专利范围请求项12所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该光学系统进一步包括一第一透镜，该第一透镜具有相对之一第一光学表面及一第二光学表面，该第一光学表面与该部分反射器耦合，而该第二光学表面与该反射偏光器耦合。
15.如权利要求14所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该第一光学表面以及该第二光学表面皆沿二正交轴突出，并朝向该线偏振器。
16.如权利要求15所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该第二光学表面之曲率半径大于该第一光学表面之曲率半径。
17.如权利要求14所述之头戴式虚拟现实显示装置，其进一步包括一第二透镜设置于该反射偏光器与该观察者之人眼之间。
18.如权利要求17所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该第一透镜的中心厚度大于该第二透镜的中心厚度。
19.如权利要求17所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该第二透镜具有相对之一第三光学表面及一第四光学表面，该第三光学表面设置为靠近该反射偏振器，该第四光学表面设置为靠近该观察者之人眼；该第三光学表面以及该第四光学表面皆沿二正交轴突出，并朝向该线偏振器，且该第三光学表面之曲率半径大于该第四光学表面之曲率半径。
20.如权利要求19所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该线偏振器与该相位延迟器之间距，小于该反射偏光器与该第三光学表面之间距。
21.如权利要求12所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该头戴式显示器装置成像之畸变率小于等于25％。
22.如权利要求12所述之头戴式虚拟现实显示装置，其中该头戴式显示器装置成像之色像差值小于等于0.5mm。
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