CN112731676A - 光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学系统,包括一显示器及一光学偏振系统,显示器发出一第一线偏振光;光学偏振系统中包括一第一相位延迟片、一第二相位延迟片以及一线偏振片,第一相位延迟片将第一线偏振光转换成一圆偏振光,可解决大视角的色偏,第二相位延迟片将圆偏振光转换成一第二线偏振光,最后线偏振片将第二线偏振光中之杂光滤除后入射一人眼中。由于本发明之光学偏振系统中没有反射元件,因此没有损失光线,可达到百分之百的光利用率。
Description
技术领域
本发明系有关一种光学系统,特别是指一种可解决大视角的色偏并提升光利用率之光学系统。
背景技术
传统的扩增实境和虚拟现实之光学系统中包括显示器、半反半穿透镜、相位延迟片、多层膜反射式偏振片、透镜及线偏振片等光学元件。其中显示器做为光源可发出光线。显示器中包括发出光线的显示屏及虚拟现实光学模组,一般而言,此虚拟现实光学模组都是线偏振片加上相位延迟片的组合,使显示器发出的光为圆偏振光。
显示器发出的圆偏振光到达半反半穿透镜后,只有一半的圆偏振光会穿透半反半穿透镜到达相位延迟片,另有一半圆偏振光则是反射回显示器,此时光利用率只剩50%。接着,圆偏振光穿过相位延迟片后变成线偏振光,此线偏振光通过多层膜反射式偏振片后又会有将近一半的光线被反射,最终通过多层膜反射式偏振片的线偏振光只剩下25%。因此,先前技术中的扩增实境光学系统会浪费太多的光线,而使到达人眼的照度太低。如何提升光利用率为一项须解决的课题。
因此,本发明针对上述习知技术之缺失及未来之需求,提出一种光学系统,有效提升光学系统的光利用率与改善大视角色偏的问题,具体架构及其实施方式将详述于下。
发明内容
本发明之主要目的在提供一种光学系统,其利用二相位延迟片取代先前技术中光学系统内的半穿半反透镜及多层膜反射式偏振片,由于光线不需要经过反射,因此不会丧失能量,可确保光线近乎百分之百被利用。
本发明之另一目的在提供一种光学系统,其中第一相位延迟片之快轴系与第二相位延迟片之快轴互相垂直,使显示器发出的线偏振光经过第一相位延迟片后成圆偏振光,可解决大视角的色偏,再经过第二相位延迟片后变成最初的线偏振光的偏振方向。
为达上述目的,本发明提供一种光学系统,包括:一显示器,发出一第一线偏振光;以及一光学偏振系统,相对显示器设置以接收第一线偏振光,光学偏振系统包括:一第一相位延迟片,将第一线偏振光转换成一圆偏振光;一第二相位延迟片,相对第一相位延迟片设置,将圆偏振光转换成一第二线偏振光;以及一线偏振片,相对第二相位延迟片设置,将第二线偏振光中之杂光滤除后入射一人眼中。
依据本发明之实施例,光学偏振系统更包括一第一透镜,其设置于第一相位延迟片和该第二相位延迟片之间,以放大该显示器之一虚像。
依据本发明之实施例,光学偏振系统更包括一第二透镜,其设于该线偏振片和该人眼之间,或该第二相位延迟片及该线偏振片之间,用以调整该光学偏振系统之像差或焦距。
依据本发明之实施例,第二相位延迟片系贴附于该第一透镜或第二透镜上。
依据本发明之实施例,线偏振片系贴附于第二透镜上。
依据本发明之实施例,第二相位延迟片及线偏振片系互相贴合,再贴附于第一透镜或第二透镜上。
依据本发明之实施例,第一相位延迟片之快轴系与第二相位延迟片之快轴互相垂直。
依据本发明之实施例,线偏振片射出之光线系与显示器发出之第一线偏振光之偏振方向平行。
依据本发明之实施例,显示器中更包括一显示屏及一线偏振单元,线偏振单元位于显示屏与第一相位延迟片之间,显示屏发出之光线经过线偏振单元后,射出第一线偏振光。
依据本发明之实施例,显示器中更包括一显示屏、一相位延迟单元及一线偏振单元,相位延迟单元位于显示屏与线偏振单元之间,线偏振单元位于相位延迟单元与第一相位延迟片之间,显示屏发出之光线经过相位延迟单元及线偏振单元后,射出第一线偏振光。
依据本发明之实施例,第一相位延迟片之快轴或慢轴与线偏振单元之线偏振方向之夹角为45度。
依据本发明之实施例,第一相位延迟片及第二相位延迟片为延迟1/4波长之相位延迟片。
依据本发明之实施例,第一透镜为菲涅耳透镜或凹凸透镜组。
依据本发明之实施例,第二透镜为单凹透镜或单凸透镜。
附图说明
图1为本发明光学系统之第一实施例之示意图。
图2为本发明光学系统之第二实施例之示意图,其与第一实施例差异在于显示器之结构不同。
图3为本发明光学系统之第三实施例之示意图。
图4为本发明光学系统之第四实施例之示意图,其与第三实施例差异在于显示器之结构不同。
图5为本发明光学系统之第五实施例之示意图。
图6为本发明光学系统之第六实施例之示意图,其与第五实施例差异在于显示器之结构不同。
附图标记:
10…光学系统
12、12’…显示器
122…显示屏
123…相位延迟单元
124…线偏振单元
14…光学偏振系统
16…第一相位延迟片
18…第二相位延迟片
20…线偏振片
22…第一透镜
24…第二透镜
26…人眼
具体实施方式
揭露特别以下述例子加以描述,这些例子仅系用以举例说明而已,因为对于熟习此技艺者而言,在不脱离本揭示内容之精神和范围内,当可作各种之更动与润饰,因此本揭示内容之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。在通篇说明书与申请专利范围中,除非内容清楚指定,否则「一」以及「该」的意义包含这一类叙述包括「一或至少一」该元件或成分。此外,如本揭露所用,除非从特定上下文明显可见将复数排除在外,否则单数冠词亦包括复数个元件或成分的叙述。而且,应用在此描述中与下述之全部申请专利范围中时,除非内容清楚指定,否则「在其中」的意思可包含「在其中」与「在其上」。在通篇说明书与申请专利范围所使用之用词(terms),除有特别注明,通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露之内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露之用词将于下或在此说明书的别处讨论,以提供从业人员(practitioner)在有关本揭露之描述上额外的引导。在通篇说明书之任何地方之例子,包含在此所讨论之任何用词之例子的使用,仅系用以举例说明,当然不限制本揭露或任何例示用词之范围与意义。同样地,本揭露并不限于此说明书中所提出之各种实施例。
在此所使用的用词「实质上(substantially)」、「大约(around)」、「约(about)」或「近乎(approximately)」应大体上意味在给定值或范围的20%以内,较佳系在10%以内。此外,在此所提供之数量可为近似的,因此意味着若无特别陈述,可以用词「大约」、「约」或「近乎」加以表示。当一数量、浓度或其他数值或参数有指定的范围、较佳范围或表列出上下理想值之时,应视为特别揭露由任何上下限之数对或理想值所构成的所有范围,不论该等范围是否分别揭露。举例而言,如揭露范围某长度为X公分到Y公分,应视为揭露长度为H公分且H可为X到Y之间之任意实数。
此外,若使用「电(性)耦接」或「电(性)连接」一词在此系包含任何直接及间接的电气连接手段。举例而言,若文中描述一第一装置电性耦接于一第二装置,则代表该第一装置可直接连接于该第二装置,或透过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。另外,若描述关于电讯号之传输、提供,熟习此技艺者应该可以了解电讯号之传递过程中可能伴随衰减或其他非理想性之变化,但电讯号传输或提供之来源与接收端若无特别叙明,实质上应视为同一讯号。举例而言,若由电子电路之端点A传输(或提供)电讯号S给电子电路之端点B,其中可能经过一晶体管开关之源汲极两端及/或可能之杂散电容而产生电压降,但此设计之目的若非刻意使用传输(或提供)时产生之衰减或其他非理想性之变化而达到某些特定的技术效果,电讯号S在电子电路之端点A与端点B应可视为实质上为同一讯号。
可了解如在此所使用的用词「包含(comprising)」、「包含(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包含(involving)」等等,为开放性的(open-ended),即意指包含但不限于。另外,本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外,摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用,并非用来限制本发明之申请专利范围。
本发明提供一种光学系统,其不但简化光学系统的镜片数量及种类,更省略了反射式镜片,如部分穿透部分反射透镜、反射镜、反射式偏振片等元件,避免光线反射后造成能量散失,而使达到人眼的光线不到50%的问题。
请参考图1,其为本发明光学系统10之第一实施例之示意图。本发明之光学系统10包括一显示器12及一光学偏振系统14,相对彼此设置。显示器12做为光源,用以发出一第一线偏振光至光学偏振系统14,再由光学偏振系统14入射一人眼26中。于第一实施例中,显示器12内包括一显示屏122及一线偏振单元124,线偏振单元124位于显示屏122与光学偏振系统14之间。在本实施例中,显示屏122发出的光线不限制偏振方向。当显示屏122发出光线时,光线经过线偏振单元124后就会变成线偏振光,而射出第一线偏振光至光学偏振系统14。光学偏振系统14中包括一第一相位延迟片16、一第二相位延迟片18及一线偏振片20,依序排列于光学偏振系统14中。第一相位延迟片16与线偏振单元124相对设置。换句话说,线偏振单元124位于显示屏122与第一相位延迟片16之间。第一相位延迟片16为延迟1/4波长之相位延迟片,亦即1/4波片,用以将第一线偏振光转换成一圆偏振光,以解决大视角的色偏。第二相位延迟片18相对于第一相位延迟片16设置,也是1/4波片,用以将圆偏振光再转换成一第二线偏振光。最后,利用相对于第二相位延迟片18设置的线偏振片20将第二线偏振光中之杂光滤除后,滤除杂光的第二线偏振光入射人眼26中。
于第一相位延迟片16和第二相位延迟片18之间更可设置一第一透镜22,其在扩增实境光学系统中的作用,在于用以放大显示器12所发出之一虚像。第一透镜22可为菲涅耳透镜或凹凸透镜组,但不在此限。此外,光学偏振系统14中更可包括一第二透镜24,于第一实施例中第二透镜24设置于线偏振片20和人眼26之间,其作用在于调整光学偏振系统14之像差或焦距。此第二透镜24可为单凹透镜或单凸透镜,但不在此限。
本发明中,第一相位延迟片16之快轴X1系与第二相位延迟片18之快轴X2互相垂直;此外,第一相位延迟片16之快轴X1或慢轴也与线偏振单元124之线偏振方向之夹角为45度,如此一来,可使显示器12发出的第一线偏振光经过第一相位延迟片16后成圆偏振光,再经过第二相位延迟片18后变成与最初的第一线偏振光的偏振方向相同。举例而言,假设显示器12射出的光线的线偏振角度为90度(亦可为45度、135度或其他角度),只要第一相位延迟片16的快轴X1或慢轴与线偏振单元124之线偏振方向之夹角为45度,且第一相位延迟片16之快轴X1系与第二相位延迟片18之快轴X2互相垂直,则最终射出的第二线偏振光的偏振方向即可回到原来显示器12射出的第一线偏振光的偏振方向。
图2为本发明光学系统10之第二实施例之示意图,其系对第一实施例中的显示器12之结构稍作变化,但产生的功效不变。第二实施例之光学系统10包括一显示器12’及一光学偏振系统14,相对彼此设置。显示器12’做为光源,用以发出一第一线偏振光至光学偏振系统14,再由光学偏振系统14入射一人眼26中。于第二实施例中,显示器12’内包括一显示屏122、一相位延迟单元123及一线偏振单元124,相位延迟单元123位于显示屏122与线偏振单元124之间,线偏振单元124位于相位延迟单元123与光学偏振系统14之间,显示屏122发出的光线不限制偏振方向,经过相位延迟单元123及线偏振单元124后就会变成线偏振光,射出第一线偏振光。光学偏振系统14中依序包括一第一相位延迟片16、一第一透镜22、一第二相位延迟片18、一线偏振片20及一第二透镜24。第一相位延迟片16与线偏振单元124相对设置。换句话说,线偏振单元124位于显示屏122与第一相位延迟片16之间。第一相位延迟片16为延迟1/4波长之相位延迟片,亦即1/4波片,用以将第一线偏振光转换成一圆偏振光,可解决大视角的色偏,此圆偏振光经过第一透镜22将显示器12’所发出的虚像进行放大。第二相位延迟片18相对于第一相位延迟片16设置,也是1/4波片,用以将圆偏振光再转换成一第二线偏振光,最后利用相对于第二相位延迟片18设置的线偏振片20将第二线偏振光中之杂光滤除。滤除杂光的第二线偏振光经过第二透镜12,藉以调整光学偏振系统14之像差或焦距后,再入射一人眼26中。
图3为本发明光学系统10之第三实施例之示意图。第三实施例所揭露的光学系统10包括一显示器12及一光学偏振系统14,相对彼此设置。显示器12做为光源,用以发出一第一线偏振光至光学偏振系统14,再由光学偏振系统14入射一人眼26中。于第三实施例中,显示器12内包括一显示屏122及一线偏振单元124。在本实施例中,显示屏122发出的光线不限制偏振方向。当显示屏122发出光线时,光线经过线偏振单元124后就会变成线偏振光,射出第一线偏振光至光学偏振系统14。光学偏振系统14中依序包括一第一相位延迟片16、一第一透镜22、一第二相位延迟片18、一线偏振片20及一第二透镜24。第一相位延迟片16与线偏振单元124相对设置。换句话说,线偏振单元124位于显示屏122与第一相位延迟片16之间。第一相位延迟片16为延迟1/4波长之相位延迟片,亦即1/4波片,用以将第一线偏振光转换成一圆偏振光,可解决大视角的色偏,此圆偏振光经过第一透镜22将显示器12所发出的虚像进行放大。第二相位延迟片18相对于第一相位延迟片16设置,也是1/4波片,用以将圆偏振光再转换成一第二线偏振光,最后利用相对于第二相位延迟片18设置的线偏振片20将第二线偏振光中之杂光滤除。滤除杂光的第二线偏振光经过第二透镜12,藉以调整光学偏振系统14之像差或焦距后,再入射一人眼26中。特别的是,本发明中的第二相位延迟片18和线偏振片20可分别黏附在第一透镜22或第二透镜24上,例如以镀膜的形式在第一透镜22上贴附相位延迟薄膜,或以镀膜的形式在第二透镜24上贴附线偏振膜。此模式可产生多种组合,包括第二相位延迟片18贴附于第一透镜22或第二透镜24上、以及线偏振片20贴附于第二透镜24上。此外,第二相位延迟片18及线偏振片20还可互相贴合后,再贴附于第一透镜22或第二透镜24上。图3所示之第三实施例中便是将第二相位延迟片18及线偏振片20互相贴合,但未贴附在任一透镜上。
图4为本发明光学系统10之第四实施例之示意图,其系对第三实施例中的显示器12之结构稍作变化,但产生的功效不变。第四实施例所揭露的光学系统10包括一显示器12’及一光学偏振系统14,相对彼此设置。显示器12’做为光源,用以发出一第一线偏振光至光学偏振系统14,再由光学偏振系统14入射一人眼26中。于第四实施例中,显示器12’内包括一显示屏122、一相位延迟单元123及一线偏振单元124。在本实施例中,显示屏122发出的光线不限制偏振方向。当显示屏122发出光线时,光线经过相位延迟单元123及线偏振单元124后就会变成线偏振光,射出第一线偏振光至光学偏振系统14。光学偏振系统14中依序包括一第一相位延迟片16、一第一透镜22、一第二相位延迟片18、一线偏振片20及一第二透镜24。第一相位延迟片16与线偏振单元124相对设置。换句话说,线偏振单元124位于显示屏122与第一相位延迟片16之间。第一相位延迟片16为延迟1/4波长之相位延迟片,亦即1/4波片,用以将第一线偏振光转换成一圆偏振光,可解决大视角的色偏,此圆偏振光经过第一透镜22将显示器12’所发出的虚像进行放大。第二相位延迟片18相对于第一相位延迟片16设置,也是1/4波片,用以将圆偏振光再转换成一第二线偏振光,最后利用相对于第二相位延迟片18设置的线偏振片20将第二线偏振光中之杂光滤除。滤除杂光的第二线偏振光经过第二透镜12,藉以调整光学偏振系统14之像差或焦距后,再入射一人眼26中。特别的是,本发明中的第二相位延迟片18和线偏振片20可分别黏附在第一透镜22或第二透镜24上,例如以镀膜的形式在第一透镜22上贴附相位延迟薄膜,或以镀膜的形式在第二透镜24上贴附线偏振膜。此模式可产生多种组合,包括第二相位延迟片18贴附于第一透镜22或第二透镜24上、以及线偏振片20贴附于第二透镜24上。此外,第二相位延迟片18及线偏振片20还可互相贴合后,再贴附于第一透镜22或第二透镜24上。图4所示之第四实施例中便是将第二相位延迟片18及线偏振片20互相贴合,但未贴附在任一透镜上。
图5为本发明光学系统10之第五实施例之示意图。第五实施例所揭露的光学系统10包括一显示器12及一光学偏振系统14,相对彼此设置。显示器12做为光源,用以发出一第一线偏振光至光学偏振系统14,再由光学偏振系统14入射一人眼26中。于第五实施例中,显示器12内包括一显示屏122及一线偏振单元124。在本实施例中,显示屏122发出的光线不限制偏振方向。当显示屏122发出光线时,光线经过线偏振单元124后就会变成线偏振光,射出第一线偏振光至光学偏振系统14。光学偏振系统14中依序包括一第一相位延迟片16、一第一透镜22、一第二相位延迟片18、一第二透镜24及一线偏振片20。第一相位延迟片16与线偏振单元124相对设置。换句话说,线偏振单元124位于显示屏122与第一相位延迟片16之间。第一相位延迟片16为延迟1/4波长之相位延迟片,亦即1/4波片,用以将第一线偏振光转换成一圆偏振光,可解决大视角的色偏,此圆偏振光经过第一透镜22将显示器12所发出的虚像进行放大。第二相位延迟片18相对于第一相位延迟片16设置,也是1/4波片,用以将圆偏振光再转换成一第二线偏振光。第二线偏振光经过第二透镜12,藉以调整光学偏振系统14之像差或焦距后,最后利用线偏振片20将第二线偏振光中之杂光滤除,再入射一人眼26中。
图6为本发明光学系统10之第六实施例之示意图,其系对第五实施例中的显示器12之结构稍作变化,但产生的功效不变。第六实施例所揭露的光学系统10包括一显示器12’及一光学偏振系统14,相对彼此设置。显示器12’做为光源,用以发出一第一线偏振光至光学偏振系统14,再由光学偏振系统14入射一人眼26中。于第六实施例中,显示器12’内包括一显示屏122、一相位延迟单元123及一线偏振单元124。在本实施例中,显示屏122发出的光线不限制偏振方向。当显示屏122发出光线时,光线经过相位延迟单元123及线偏振单元124后就会变成线偏振光,射出第一线偏振光至光学偏振系统14。光学偏振系统14中依序包括一第一相位延迟片16、一第一透镜22、一第二相位延迟片18、一第二透镜24及一线偏振片20。第一相位延迟片16与线偏振单元124相对设置。换句话说,线偏振单元124位于显示屏122与第一相位延迟片16之间。第一相位延迟片16为延迟1/4波长之相位延迟片,亦即1/4波片,用以将第一线偏振光转换成一圆偏振光,此圆偏振光经过第一透镜22将显示器12’所发出的虚像进行放大。第二相位延迟片18相对于第一相位延迟片16设置,也是1/4波片,用以将圆偏振光再转换成一第二线偏振光。第二线偏振光经过第二透镜12,藉以调整光学偏振系统14之像差或焦距后,最后利用线偏振片20将第二线偏振光中之杂光滤除,再入射一人眼26中。
在本发明之一具体实施例中,假设显示器12做为光源发出光线,通过线偏振单元124时是45度线偏振光,通过第一相位延迟片16后是左旋圆偏振光,再通过第二相位延迟片18后呈45度线偏振光。线偏振片20与显示器12同样为45度偏振,则最终通过线偏振片20的第二线偏振光与显示器12发出的第一线偏振光的偏振方向平行。
因此,藉由本发明所提供之改善虚拟现实及扩增实境光利用率之光学系统,利用二个相位延迟片及一个线偏振片之结构,不但可使最终通过线偏振片的线偏振光与显示器发出的线偏振光的偏振方向平行,且由于没有光线反射造成能量耗损,可达到近乎百分之百的光利用率。本发明之光学系统结构简单,可应用在裸眼3D眼镜、新型的菲涅耳透镜、或是非反射折射式光学式系统使用。
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。故即凡依本发明申请范围所述之特征及精神所为之均等变化或修饰,均应包括于本发明之申请专利范围内。
Claims (16)
1.一种光学系统,其特征在于,包括:
显示器,发出第一线偏振光;以及
光学偏振系统,相对所述显示器设置以接收所述第一线偏振光,所述光学偏振系统包括:
第一相位延迟片,将所述第一线偏振光转换成圆偏振光;
第二相位延迟片,相对所述第一相位延迟片设置,将所述圆偏振光转换成第二线偏振光;以及
线偏振片,相对所述第二相位延迟片设置,将所述第二线偏振光中之杂光滤除后入射人眼中。
2.如权利要求1所述之光学系统,其特征在于,其中所述光学偏振系统更包括第一透镜,其设置于所述第一相位延迟片和所述第二相位延迟片之间,以放大所述显示器之虚像。
3.如权利要求2所述之光学系统,其特征在于,其中所述第二相位延迟片系贴附于所述第一透镜上。
4.如权利要求2所述之光学系统,其特征在于,其中所述第二相位延迟片及所述线偏振片系互相贴合,再贴附于所述第一透镜上。
5.如权利要求2所述之光学系统,其特征在于,其中所述第一透镜为菲涅耳透镜或凹凸透镜组。
6.如权利要求1所述之光学系统,其特征在于,其中所述光学偏振系统更包括第二透镜,其设于所述线偏振片和所述人眼之间,或所述第二相位延迟片及所述线偏振片之间,用以调整所述光学偏振系统之像差或焦距。
7.如权利要求6所述之光学系统,其特征在于,其中所述第二相位延迟片系贴附于所述第二透镜上。
8.如权利要求6所述之光学系统,其特征在于,其中所述线偏振片系贴附于所述第二透镜上。
9.如权利要求6所述之光学系统,其特征在于,其中所述第二相位延迟片及所述线偏振片系互相贴合,再贴附于所述第二透镜上。
10.如权利要求6所述之光学系统,其特征在于,其中所述第二透镜为单凹透镜或单凸透镜。
11.如权利要求1所述之光学系统,其特征在于,其中所述第一相位延迟片之快轴系与所述第二相位延迟片之快轴互相垂直。
12.如权利要求1所述之光学系统,其特征在于,其中所述线偏振片射出之光线系与所述显示器发出之所述第一线偏振光之偏振方向平行。
13.如权利要求1所述之光学系统,其特征在于,其中所述显示器包括显示屏及线偏振单元,所述线偏振单元位于所述显示屏与所述第一相位延迟片之间,所述显示屏发出之光线经过所述线偏振单元后,射出所述第一线偏振光。
14.如权利要求1所述之光学系统,其特征在于,其中所述显示器包括显示屏、相位延迟单元及线偏振单元,所述相位延迟单元位于所述显示屏与所述线偏振单元之间,所述线偏振单元位于所述相位延迟单元与所述第一相位延迟片之间,所述显示屏发出之光线经过所述相位延迟单元及所述线偏振单元后,射出所述第一线偏振光。
15.如权利要求13或14所述之光学系统,其特征在于,其中所述第一相位延迟片之快轴或慢轴与所述线偏振单元之线偏振方向之夹角为45度。
16.如权利要求1所述之光学系统,其特征在于,其中所述第一相位延迟片及所述第二相位延迟片为延迟1/4波长之相位延迟片。
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