CN206339785U - 用于近眼显示器的穿透式目镜 - Google Patents

Abstract

一种用于近眼显示器的穿透式目镜，其包含一第一棱镜、一第二棱镜以及一部分反射层，其中该第一棱镜设有一入射面、一平面状的第一全内反射面与一第一接合面，该第二棱镜设有一第二接合面、一平面状的第二全内反射面与一反射面，该部分反射层系设置于该第二棱镜其第二接合面与第一棱镜其第一接合面之间，且第二棱镜与第一棱镜两者系沿着第二接合面与第一接合面而相互接合，以构成完整的穿透式目镜；藉此，本实用新型可增加光线于棱镜内的行程距离，可有效缩小穿透式目镜的厚度或是增加产品的视角，俾令用户可更轻松地接收影像的内容或讯息，进而使本实用新型可达到更佳的产品效能与实用性。

Description

用于近眼显示器的穿透式目镜

技术领域

本实用新型有关于光学技术领域，尤指一种用于近眼显示器的穿透式目镜。

背景技术

近眼显示器(Near Eye Display，NED)或头戴显示器(Head Mount Display，HMD，或称Head Wearable Display)是一种配戴在头部上或周围的显示设备，其中，有些类型的近眼显示器或头戴显示器具备有穿透式目镜(see-through eyepiece)，而可迭合(superimpose)显示器的图像与外界的真实场景，在各方面如交通(如提供驾驶或飞行的辅助信息)或娱乐上均具有很大的应用空间，同时也可应用于扩增实境(Augmented Reality，AR)上，现有的穿透式近眼显示器或头戴显示器，如US2013070338A1、US2015177519A1等专利前案所揭示者，主要由一微型显示器结合一由透明材质如玻璃或塑料所制成的导光部件(light guide component)，从而当微型显示器的影像(光线)由该导光部件的一个角度或表面射入后，即可透过光学的反射等动作或原理，使人眼可由该导光部件的另一个角度或表面上看到或接收到该影像，同时也可由该透明的导光部件看到外界的场景(externalscene)，然而，前述现有的穿透式近眼显示器，其导光部件的厚度(thickness，从导光部件面向眼睛的一侧往导光部件面向外部场景的一侧来计算)较厚且视角(Field of View，FOV，或称Angle of View，AOV)较小，不仅产品较为笨重，且用户接收影像的内容讯息时也较为吃力与不便。

此外，亦有业者采用自由曲面光学(freeform optics)来设计该导光部件，此种技术方案虽然可以提高视角，但却不可避免的会造成影像或外部场景变形失真(distortion)的问题，虽然此等失真可以透过额外的光学结构设计来补偿或改善，但却会因此增加整体设计的复杂度及成本，大幅减损其实用性，因此，如何针对上述缺点加以改进，即为本案申请人所欲解决的技术困难点所在。

发明内容

有鉴于现有穿透式近眼显示器的上述缺点，因此本实用新型的目的在于发展一种可降低厚度或增加视角的穿透式目镜。

为达成以上的目的，本实用新型提供一种用于近眼显示器的穿透式目镜，其包含一第一棱镜、一第二棱镜以及一部分反射层，其中：该第一棱镜设有一入射面，用于接收来自一显示设备的光线进入该第一棱镜，该第一棱镜还设有一平面状的第一全内反射面与一第一接合面；该第二棱镜设有一第二接合面、一平面状的第二全内反射面与一反射面，该反射面上镀设有一反射层，该部分反射层系设置于该第二棱镜其第二接合面与第一棱镜其第一接合面之间，且第二棱镜与第一棱镜两者系沿着第二接合面与第一接合面而相互接合，以构成完整的穿透式目镜，并使该第一全内反射面与第二全内反射面相互平行且分别位于该穿透式目镜的相对两侧，且该入射面与反射面也分别位于该穿透式目镜的相对两侧。

其中，该入射面为曲面状或非球面状，且该入射面上设有二元绕射结构，又该反射面亦为曲面状或非球面状。

其中，该部分反射层为分光器。

其中，该反射层为铝层或银层。

其中，该部分反射层的倾角θ满足以下条件：θ≧(θ_c+θ')/2，θ'＝arcsin(sinα/n)，θ_c＝arcsin(1/n)，其中，θ_c为全反射的临界角，α为半视角(half angle of view)，n为该第二棱镜的折射率。

藉此，本实用新型可增加光线于棱镜内的行程距离，可有效缩小穿透式目镜的厚度，或是提高产品的视角，俾令用户可更轻松地接收影像的内容或讯息，进而使本实用新型可达到更佳的产品效能与实用性。

附图说明

图1为本实用新型的一实施例的分解示意图。

图2为本实用新型的一实施例的组合示意图。

图3为本实用新型的一实施例的侧面剖视示意图。

图3A为本实用新型的一实施例其半视角与部分反射层的倾角的对应关系示意图。

图4为本实用新型的一实施例的动作示意图。

附图标记说明：3-第一棱镜；31-入射面；32-第一全内反射面；33-第一接合面；4-第二棱镜；41-第二接合面；42-第二全内反射面；43-反射面；44-反射层；45-倾角；5-部分反射层；6-显示设备；61-显示光线；62-显示光线；7-眼睛；H-厚度。

具体实施方式

请参阅图1、图2与图3所示，本实用新型提供一种用于近眼显示器的穿透式目镜，其包含一第一棱镜3、一第二棱镜4以及一部分反射层(partially reflective layer)5，其中：

该第一棱镜3与第二棱镜4的材质可采用玻璃或光学等级的塑料(optical gradeplastic)，在本实施例中优选采用塑料，以便具有轻量化的优势，该第一棱镜3设有一曲面状(curved)或非球面状(aspheric)的入射面(input surface)31，通常该入射面31上可刻设有二元绕射结构(binary diffractive optical elements，DOEs)，用于消除倍率色差，但该二元绕射结构的具体细部构造属本技术领域的通常知识且非本案发明点所在，故图式中并未绘出且不予详述，该入射面31用以接收来自一显示设备6的光线进入该第一棱镜3，该显示设备6具体可为液晶覆硅(LCoS，Liquid Crystal on Silicon)显示器或是有机发光二极管(OLED)显示器，在本实施例中，该显示设备6较佳可采用无需背光模块的有机发光二极管显示器，藉此可兼具节省空间的优点，此外，该第一棱镜3还设有一平面状(即平坦无弯曲)的第一全内反射面(total internal reflection surface)32与一第一接合面(interface surface)33；

该第二棱镜4设有一第二接合面41、一平面状的第二全内反射面42与一曲面状或非球面状的反射面43，该反射面43上镀设有一反射层44，用以形成一曲面镜(curvedmirror)，更具体地说，形成一凹面镜(concave mirror)，该反射层44可为铝层或银层，又，该部分反射层5设置于该第二棱镜4其第二接合面41与第一棱镜3其第一接合面33之间，且第二棱镜4与第一棱镜3两者沿着第二接合面41与第一接合面33而相互接合，以构成完整的穿透式目镜，并使该第一全内反射面32与第二全内反射面42相互平行且分别位于该穿透式目镜的相对两侧，且该入射面31与反射面43也分别位于该穿透式目镜的相对两侧，例如，在依本实施例所绘示的图1与图2中，该第一全内反射面32与第二全内反射面42分别位于穿透式目镜的前、后两侧，而入射面31与反射面43则分别位于穿透式目镜的上、下两侧，在此，可以一提的是，该第二全内反射面42即穿透式目镜朝向使用者眼睛的那一面，而第一全内反射面32则为穿透式目镜朝向外部场景的那一面；

其中，该部分反射层5具体可以是传统的分光器(beam splitter)例如非偏振的分光器(non-polarized beam splitter)，也可以采用偏振分光器(polarized beamsplitter，PBS)；

此外，请再配合参阅图3与图3A所示，在设计如本实用新型的穿透式目镜时，依光学原理可知，用户的眼睛7所能看的视角的一半—即半视角(half angle of view)α—是由该显示设备6的尺寸及穿透式目镜的焦距(focal length)所决定，故该半视角α为一已知数，同时，再令该部分反射层5的倾角45(angle of inclination，即该部分反射层5与第二全内反射面42之间的夹角)的大小为θ，如此一来，请继续参阅图3A所示，若光线以该半视角α的入射角度由空气进入该第二棱镜4的第二全内反射面42并产生折射，且折射角为θ'，折射后的光线经过部分反射层5的反射后可在该第二全内反射面42上产生全内反射(totalinternal reflection)，则依几何学原理，可计算出光线在该第二全内反射面42上产生全内反射时的入射角为2θ－θ'，可知2θ－θ'必须大于等于全反射的临界角θ_c，如此一来，该部分反射层5其倾角45的大小θ在设计上须满足以下条件：

θ≧(θ_c+θ')/2，其中，θ'为光线由空气进入第二全内反射面42时所产生的折射角，θ_c为全反射的临界角，更进一步的，依司乃尔定律(Snell'sLaw)，可求出θ'＝arcsin(sinα/n)，θ_c＝arcsin(1/n)，其中n为该第二棱镜4的折射率(refractive index)，从本实用新型结构可知，只要在符合上述条件下尽可能地采用越小的倾角45，对应先前技术的专利前案所揭示者的设计，即可降低该穿透式目镜的厚度；若比照原先专利前案所揭示者的设计的厚度，则本实用新型将可以获得更大的视角。

底下说明本实用新型的工作原理：请参阅图4所示，藉由上述结构，本实用新型只需将显示设备6倾斜达一定角度，使之不与该第一棱镜3的第一全内反射面32相平行，即可轻易地令显示设备6产生的显示光线(display light)61由该第一棱镜3的入射面31进入第一棱镜3，并在该第一全内反射面32上产生全反射，接下来，该显示光线61会通过该部分反射层5，并在该第二棱镜4的第二全内反射面42上产生全反射，然后，该显示光线61会在由反射面43与反射层44所构成的凹面镜上产生反射同时被放大，如此一来，被放大后的显示光线62会再依序经过该第二全内反射面42的全反射以及该部分反射层5的反射，最后即可到达使用者的眼睛7，从而令使用者可看到显示设备6的影像，同时，用户也可透过本实用新型看到外部场景。

请继续参阅图1与图4所示，本实用新型结构简单，可利于大量生产，且透过适当地配置该倾角45，即可轻易地利用全反射原理来显示该显示设备6的影像，从而，与现有的穿透式目镜相比，在具备相同视角(FOV或AOV)的前提下，本实用新型可有效缩小穿透式目镜的厚度H；或者，在具备相同厚度的前提下，本实用新型可达到更大的视角，从而令用户可更轻松地接收影像的内容或讯息，进而使本实用新型可达到更佳的产品效能与实用性。

以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于近眼显示器的穿透式目镜，其包含一第一棱镜、一第二棱镜以及一部分反射层，其特征在于：

该第一棱镜设有一入射面，用于接收来自一显示设备的光线进入该第一棱镜，该第一棱镜还设有一平面状的第一全内反射面与一第一接合面；

该第二棱镜设有一第二接合面、一平面状的第二全内反射面与一反射面，该反射面上镀设有一反射层，该部分反射层设置于该第二棱镜其第二接合面与第一棱镜其第一接合面之间，且第二棱镜与第一棱镜两者沿着第二接合面与第一接合面而相互接合，以构成完整的穿透式目镜，并使该第一全内反射面与第二全内反射面相互平行且分别位于该穿透式目镜的相对两侧，且该入射面与反射面也分别位于该穿透式目镜的相对两侧。

2.如权利要求1所述的用于近眼显示器的穿透式目镜，其特征在于，该入射面为曲面状或非球面状，该入射面上设有二元绕射结构，且该反射面亦为曲面状或非球面状。

3.如权利要求1所述的用于近眼显示器的穿透式目镜，其特征在于，该部分反射层为分光器。

4.如权利要求1所述的用于近眼显示器的穿透式目镜，其特征在于，该反射层为铝层或银层。

5.如权利要求1所述的用于近眼显示器的穿透式目镜，其特征在于，该部分反射层的倾角θ满足以下的条件：

θ≧(θ_c+θ')/2，θ'＝arcsin(sinα/n)，θ_c＝arcsin(1/n)，

其中，θ_c为全反射的临界角，α为半视角，n为该第二棱镜的折射率。