CN211698438U

CN211698438U - 近眼光学系统

Info

Publication number: CN211698438U
Application number: CN202020138585.4U
Authority: CN
Inventors: 简宏达
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: JP7568180B2; US11754838B2; CN112782852B; CN112782852A; JP2021076840A; US20210141228A1

Abstract

一种近眼光学系统，用于接收影像光束，近眼光学系统包括第一光波导，用于使影像光束在第一方向上扩张，且包括第一表面、第二表面、多个第一反射斜面及多个第二反射斜面。第一表面具有第一入光区，第二表面与第一表面相对。第二表面具有凹陷区域，凹陷区域与第一入光区对准，凹陷区域具有平坦底面及相对的第一倾斜侧壁与第二倾斜侧壁。这些第一反射斜面设置于第二表面，且这些第二反射斜面设置于第二表面。这些第一反射斜面、凹陷区域及这些第二反射斜面沿着第一方向依序排列，且第一倾斜侧壁、平坦底面及第二倾斜侧壁沿着第一方向依序排列。所述近眼光学系统可有效扩张视角范围，且具有高光效率及高影像均匀度。

Description

近眼光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学系统，且特别是涉及一种近眼光学系统。

背景技术

头戴式显示器HMD(Head/Helmet-mounted displays，HMDs)等近眼光学系统的历史可以追溯到1970年代的美国军方。利用一个投影装置，将显示组件上的影像或文字信息投影到用户的眼中。

近年来，随着微型显示组件的发展：分辨率越来越高、尺寸、功耗越来越小的成长趋势，以及云端科技的发展：随时随地可从云端下载大量信息，而免去将庞大数据库随身携带的麻烦。近眼光学系统发展成为一种携带式 (portable)显示设备。除了在军事领域外，其他诸如工业生产、仿真训练、 3D显示、医疗、运动、和电子游戏等相关领域也有所成长而占据了重要的地位。

近眼光学系统若能提供大视场角，则对使用者的人眼来说即是可以看到更大的影像画面。当采用波导来传递影像光束时，视场角主要受到于波导的材料及形状因子(formfactor)，因此习知的波导所能提供的视场角受到限制，而无法满足需求。

实用新型内容

本实用新型提供一种近眼光学系统，可有效扩张视角范围，且具有高光效率及高影像均匀度。

一种近眼光学系统，用于接收影像光束，近眼光学系统包括第一光波导，用于使影像光束在第一方向上扩张，且包括第一表面、第二表面、多个第一反射斜面及多个第二反射斜面。第一表面具有第一入光区，第二表面与第一表面相对。第二表面具有凹陷区域，与第一入光区对准，凹陷区域具有平坦底面及相对的第一倾斜侧壁与第二倾斜侧壁。这些第一反射斜面设置于第二表面，且这些第二反射斜面设置于第二表面。这些第一反射斜面、凹陷区域及这些第二反射斜面沿着第一方向依序排列，且第一倾斜侧壁、平坦底面及第二倾斜侧壁沿着第一方向依序排列。

在本实用新型的实施例的近眼光学系统中，其第一光波导采用具有平坦底面及相对的第一倾斜侧壁与第二倾斜侧壁的凹陷区域，将影像光束分为三个部分。如此一来，可在两个相对的方向上扩张视角范围，且使近眼光学系统具有高光效率及高影像均匀度。

附图说明

图1A与图1B是本实用新型的一个实施例的近眼光学系统在两个不同方向上的剖面示意图。

图2A与图2B是本实用新型的另一实施例的近眼光学系统在两个不同方向上的剖面示意图。

图3为本实用新型的又一实施例的近眼光学系统的第一光波导与补偿波导的剖面示意图。

具体实施方式

图1A与图1B是本实用新型的一个实施例的近眼光学系统在两个不同方向上的剖面示意图。请参照图1A与图1B，本实施例的近眼光学系统100用于接收影像光束112，而影像光束112例如是由投影机(projector)110所发出，而投影机110例如是微投影机(picoprojector)。近眼光学系统100包括第一光波导200，用于使影像光束112在第一方向D1上扩张，第一光波导 200包括第一表面210、第二表面220、多个第一反射斜面222及多个第二反射斜面226。第一表面210具有第一入光区A1，第二表面220与第一表面210 相对。第二表面220具有凹陷区域230，其与第一入光区A1对准且相对应。凹陷区域230具有平坦底面232及相对的第一倾斜侧壁234与第二倾斜侧壁 236。这些第一反射斜面222设置于第二表面220，且这些第二反射斜面226 设置于第二表面220。在本实施例中，这些第一反射斜面222、凹陷区域230 及这些第二反射斜面226沿着第一方向D1依序排列，且第一倾斜侧壁234、平坦底面232及第二倾斜侧壁236沿着第一方向D1依序排列。进一步说明，沿着第一方向D1的正方向以及第一方向D1的反方向，这些第一反射斜面 222以及这些第二反射斜面226以凹陷区域230为中心区域排列。

在本实施例中，第一光波导200还包括多个第一反射表面224及多个第二反射表面228。这些第一反射表面224设置于第二表面220，其中这些第一反射表面224与这些第一反射斜面222在第一方向D1上交替排列。这些第二反射表面228设置于第二表面220，其中这些第二反射斜面226与这些第二反射表面228在第一方向D1上交替排列。在本实施例中，平坦底面232、第一倾斜侧壁234、第二倾斜侧壁236、这些第一反射斜面222、这些第二反射斜面226、这些第一反射表面224及这些第二反射表面228都为反射面，且其上可镀有反射层，例如金属反射层。

在本实施例中，影像光束112经由第一入光区A1进入第一光波导200后，影像光束112被平坦底面232反射以形成影像光束112的第一部分112a，且经由第一表面210离开第一光波导200，影像光束112被第一倾斜侧壁234 反射以形成影像光束112的第二部分112b，影像光束112的第二部分112b 被这些第一反射表面224反射、被这些第一反射斜面222反射并经由第一表面210离开第一光波导200。影像光束112被第二倾斜侧壁236反射以形成影像光束112的第三部分112c，影像光束112的第三部分112c被这些第二反射表面228反射、被这些第二反射斜面226反射并经由第一表面210离开第一光波导200。

在本实施例中，近眼光学系统100还包括第二光波导120、偏振分光面140 及四分之一波片(quarter waveplate)130。第二光波导120用于使影像光束 112在第二方向D2上扩张，在本实施例中，第二方向D2垂直于第一方向 D1，而当使用者配戴近眼光学系统100时，第一方向D1例如是水平方向，第二方向D2例如是铅直方向(重力方向)。然而，在其他实施例中，也可以是第一方向D1为铅直方向，而第二方向D2为水平方向。在本实施例中，第一表面210配置于第二光波导120与第二表面220之间。

参考图1B，偏振分光面(Polarizing Beam Splitting Surface)140倾斜配置于第二光波导120中，且四分之一波片130配置于第二光波导120与第一表面210之间。来自投影机110的影像光束112进入第二光波导120后，依序穿透偏振分光面140与四分之一波片130而传递至第一光波导200的第一入光区A1。接着，如同上述影像光束112的第一部分112a、第二部分112b及第三部分112c经过上述路径后，从第一表面210离开第一光波导200。从第一表面210离开第一光波导200的影像光束112依序穿透四分之一波片130，进入第二光波导120及被偏振分光面140反射，而使影像光束112在第二光波导120中往第二方向D2传递。在本实施例中，来自投影机110的影像光束112对偏振分光面140而言例如为P偏振光束或非偏振光束，因此，穿透偏振分光面140的影像光束112为P偏振光束，接着影像光束112通过四分之一波片130后进入第一光波导200，经由第一光波导200内部的反射与传递，从第一表面210离开第一光波导200的影像光束112在穿透四分之一波片130后，会被转成S偏振光束，而其会被偏振分光面140反射，而使影像光束112在第二光波导120中往第二方向D2传递。

在本实施例中，第二光波导120可具有在第二方向D2上排列的多个反射斜面122，其可将在第二光波导120中传递的影像光束112反射至使用者的眼睛50，以使影像光束112的影像经由眼睛50的角膜与水晶体的聚光作用而成像于眼睛50的视网膜上。也就是说，近眼光学系统100会在眼睛50前方形成虚像，而第二光波导120位于眼睛50与此虚像之间。第一方向D1与第二方向D2可垂直于第三方向D3，而第三方向D3可以是平行于或约略平行于眼睛50的直视方向。此外，在本实施例中，眼睛50除了可以看到近眼光学系统100所显示的虚像镜外，还可以透过第二光波导120看到第二光波导120后方的周遭景物，也就是说，环境光束穿过第二光波导120而被眼睛 50接受，因此近眼光学系统100可以作为扩增实境显示器。

在本实施例中，这些第一反射表面224与这些第二反射表面228相对于第一表面210的倾斜角θ1与θ2都大于80度。此外，在本实施例中，第一倾斜侧壁234与第二倾斜侧壁236呈镜像对称，这些第一反射斜面222与这些第二反射斜面226呈镜像对称，且这些第一反射表面224与这些第二反射表面228呈镜像对称。上述的镜像对称是以凹陷区域230为参考基准。

在本实施例的近眼光学系统100中，其第一光波导200采用具有平坦底面232及相对的第一倾斜侧壁234与第二倾斜侧壁236的凹陷区域230，将影像光束112分为三个部分。如此一来，可在两个相对的方向上(即第一方向D1 上及第一方向D1的反方向上)扩张视角范围，且使近眼光学系统100提高光效率及影像的均匀度，以及加大视场角。此外，在本实施例的近眼光学系统100中，与一般波导利用两相对表面的全反射特性不同，本实施例中影像光束112在被第一倾斜侧壁234与第二倾斜侧壁236反射后直接射向第一反射表面224与第一反射斜面222所形成的取光结构及第二反射表面228与第二反射斜面226所形成的取光结构，且并没有在第一光波导200中进行全反射传播。所以，本实施例的近眼光学系统能够准确地将影像光束112传递至眼睛50，且可提高光效率。此外，由于第一光波导200没有像一般波导利用两相对表面的全反射特性，因此在取光结构的设计时可有效避免大视场角的影像光束112受小视场角的影像光束112的取光结构的影响，也就是本实施例可独立分开设计不同视场角下的取光结构，可独立调整部分视场角的影像光束112，且可借此提高影像均匀度。取光结构例如是棱镜柱结构。

此外，在本实施例中，平坦底面232在第一方向D1上的宽度小于影像光束112入射凹陷区域230时在第一方向D1上的宽度。此外，第一反射表面 224相对于第一表面210的倾斜角θ1(或第二反射表面228相对于第一表面 210的倾斜角θ2)加上第一反射斜面222相对于第一表面210的倾斜角θ3 (或第二反射斜面226相对于第一表面210的倾斜角θ4)，再加上第一倾斜侧壁234相对于第一表面210的倾斜角θ5(或第二倾斜侧壁236相对于第一表面210的倾斜角θ6)所得到的和例如为180度。此外，第一反射斜面222、第二反射斜面226、第一反射表面224及第二反射表面228可视为从基准参考平面221往上突出的取光结构的表面，其中基准参考平面221可平行于第一表面210与第二表面220，且平坦底面232可平行于第一表面210。在本实施例中，相邻的两个取光结构是紧邻的。然而，在其他实施例中，相邻的两个取光结构之间也可以有间隙，且相邻的两个取光结构之间的第二表面220 是沿着基准参考平面221将两取光结构连接起来。

此外，在本实施例中，离凹陷区域230最远的取光结构的第一反射表面 224至凹陷区域的中心在第一方向D1上的距离小于h/tan(2*(θ5)-90° -arcsin(sin(φ/n)+w/2)，其中h为平坦底面232至基准参考平面221在第三方向D3上(即垂直于第一表面210的方向上)的距离，φ为影像光束112在入射第二光波导120前在空气中的最大输出角度，n为第一光波导200的材料的折射率，w为平坦底面232在第一方向D1上的宽度。在一个实施例中，当大于上述距离时，将不会有影像光束112入射。

图2A与图2B是本实用新型的另一实施例的近眼光学系统在两个不同方向上的剖面示意图。请参照图2A与图2B，本实施例的近眼光学系统100a 类似于图1A与图1B的近眼光学系统100，而两者的主要差异如下所述。在本实施例的近眼光学系统100a中，第一光波导200a的凹陷区域230的平坦底面232a为光透射面，然而第一倾斜侧壁234、第二倾斜侧壁236、这些第一反射斜面222及这些第二反射斜面226都为反射面，其上可镀有反射层，例如金属反射层。

在本实施例中，第一光波导200a不包括第一反射表面224与第二反射表面228，取而代之的，第一光波导200a包括多个第一透射表面224a及多个第二透射表面228a。这些第一透射表面224a设置于第二表面220，其中这些第一反射斜面222与这些第一透射表面224a在第一方向D1上交替排列。这些第二透射表面228a设置于第二表面220，其中这些第二透射表面228a与这些第二反射斜面226在第一方向D1上交替排列。

在本实施例中，来自投影机110的影像光束112经由第一入光区A1进入第一光波导200a后，影像光束112穿透平坦底面232a以形成影像光束112 的第一部分112a而离开第一光波导200a，影像光束112被第一倾斜侧壁234 反射以形成影像光束112的第二部分112b，影像光束112的第二部分112b 穿透这些第一透射表面224a及被这些第一反射斜面222反射而离开第一光波导200a，且影像光束112被第二倾斜侧壁236反射以形成影像光束112的第三部分112c，影像光束112的第三部分112c穿透这些第二透射表面228a及被这些第二反射斜面226反射而离开第一光波导200a。

在本实施例中，近眼光学系统100a还包括补偿波导205，配置于第二表面220上，其中这些第一透射表面224a、这些第一反射斜面222、这些第二透射表面228a及这些第二反射斜面226形成多个棱镜表面结构229，而补偿波导205面向第一光波导200a的表面206具有互补于凹陷区域230与这些棱镜表面结构229的表面结构207。详细的说，补偿波导205的表面结构207 互补与第一光波导200a的表面206。

参考图2B，在本实施例中，影像光束112的上述第一部分112a、第二部分112b及第三部分112c经由上述路径离开第一光波导200a后，传递至第二光波导120在朝向第二表面220的表面121的第二入光区A2，而从第二入光区A2进入第二光波导120。举例而言，影像光束112在离开第一光波导200a 后，先是穿透补偿波导205，而后从第二入光区A2进入第二光波导120。也就是说，第二入光区A2用于接收来自第一光波导200a的第二表面220的影像光束112。

在本实施例中，第一倾斜侧壁234与第二倾斜侧壁236呈镜像对称，这些第一反射斜面222与这些第二反射斜面226呈镜像对称，且这些第一透射表面224a与这些第二透射表面228a呈镜像对称。在本实施例中，第一倾斜侧壁234、第二倾斜侧壁236、这些第一反射斜面222及这些第二反射斜面226 相对于第一表面210的倾斜角都相等。

图3为本实用新型的又一实施例的近眼光学系统的第一光波导与补偿波导的剖面示意图。请参照图3，本实施例的第一光波导200b与补偿波导205b 与图2A中的第一光波导200a与补偿波导205类似，而两者的主要差异如下所述。在本实施例的第一光波导200b中，这些第一反射斜面222b与第一表面210的距离H1沿着第一方向D1递增，且这些第二反射斜面226b与第一表面210的距离H2沿着第一方向D1递减。换言之，第一反射斜面222b与第二反射斜面226b至第一表面210的距离H1与H2都是越靠近凹陷区域230 越大，而越远离凹陷区域230越小。如此一来，距离凹陷区域230较远的第一反射斜面222b与第二反射斜面226b也能够接收到足够光强度的影像光束 112，因此可以有效维持影像画面的亮度均匀度。此外，在本实施例中，第一反射表面224b配置于相邻的两个第一反射斜面222b之间，且第二反射表面 228b配置于相邻的两个第二反射斜面226b之间。上述的第一反射斜面222b 与第二反射斜面226b至第一表面210的距离H1与H2是以平均值计算获得的数值。

综上所述，在本实用新型的实施例的近眼光学系统中，其第一光波导采用具有平坦底面及相对的第一倾斜侧壁与第二倾斜侧壁的凹陷区域，来将影像光束分为三个部分。如此一来，可在两个相对的方向上扩张视角范围，且使近眼光学系统具有高光效率及高影像均匀度。对于以上所述内容，仅为本实用新型的较佳实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，即大凡依本实用新型申请专利范围及实用新型说明内容所作的简单等效变化与修饰，都仍属本实用新型专利涵盖的范围内。另外，本实用新型的任一实施例或申请专利范围不须达成本实用新型所揭露的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档检索的作用，并非用来限制本实用新型的权利范围。另外，说明书中提及的“第一”、“第二”等用语，仅用以表示组件的名称，并非用来限制组件数量上的上限或下限。

Claims

1.一种近眼光学系统，用于接收影像光束，其特征在于，所述近眼光学系统包括：

第一光波导，用于使所述影像光束在第一方向上扩张，且包括：

第一表面，具有第一入光区；

第二表面，与所述第一表面相对，所述第二表面具有凹陷区域，所述凹陷区域与所述第一入光区对准，所述凹陷区域具有平坦底面及相对的第一倾斜侧壁与第二倾斜侧壁；

多个第一反射斜面，设置于所述第二表面；以及

多个第二反射斜面，设置于所述第二表面，其中所述多个第一反射斜面、所述凹陷区域及所述多个第二反射斜面沿着第一方向依序排列，且所述第一倾斜侧壁、所述平坦底面及所述第二倾斜侧壁沿着所述第一方向依序排列。

2.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其中所述平坦底面、所述第一倾斜侧壁、所述第二倾斜侧壁、所述多个第一反射斜面及所述多个第二反射斜面都为反射面。

3.根据权利要求2所述的近眼光学系统，其中所述第一光波导还包括：

多个第一反射表面，设置于所述第二表面，其中所述多个第一反射表面与所述多个第一反射斜面在所述第一方向上交替排列；以及

多个第二反射表面，设置于所述第二表面，其中所述多个第二反射斜面与所述多个第二反射表面在所述第一方向上交替排列。

4.根据权利要求3所述的近眼光学系统，其中所述影像光束经由所述第一入光区进入所述第一光波导后，所述影像光束被所述平坦底面反射以形成所述影像光束的第一部分，且经由所述第一表面离开所述第一光波导，所述影像光束被所述第一倾斜侧壁反射以形成所述影像光束的第二部分，所述影像光束的所述第二部分被所述多个第一反射表面反射、被所述多个第一反射斜面反射并经由所述第一表面离开所述第一光波导，且所述影像光束被所述第二倾斜侧壁反射以形成所述影像光束的第三部分，所述影像光束的所述第三部分被所述多个第二反射表面反射、被所述多个第二反射斜面反射并经由所述第一表面离开所述第一光波导。

5.根据权利要求4所述的近眼光学系统，还包括：

第二光波导，用于使所述影像光束在第二方向上扩张，其中所述第一表面配置于所述第二光波导与所述第二表面之间；

偏振分光面，倾斜配置于所述第二光波导中；以及

四分之一波片，配置于所述第二光波导与所述第一表面之间，其中所述影像光束进入所述第二光波导后，依序穿透所述偏振分光面与所述四分之一波片而传递至所述第一光波导的所述第一入光区，且从所述第一表面离开所述第一光波导的所述影像光束依序穿透所述四分之一波片、进入所述第二光波导及被所述偏振分光面反射，而使所述影像光束在所述第二光波导中往所述第二方向传递。

6.根据权利要求3所述的近眼光学系统，其中所述多个第一反射表面与所述多个第二反射表面相对于所述第一表面的倾斜角大于80度。

7.根据权利要求3所述的近眼光学系统，其中所述第一倾斜侧壁与所述第二倾斜侧壁呈镜像对称，所述多个第一反射斜面与所述多个第二反射斜面呈镜像对称，且所述多个第一反射表面与所述多个第二反射表面呈镜像对称。

8.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其中所述平坦底面为光透射面，且所述第一倾斜侧壁、所述第二倾斜侧壁、所述多个第一反射斜面及所述多个第二反射斜面都为反射面。

9.根据权利要求8所述的近眼光学系统，其中所述第一光波导还包括：

多个第一透射表面，设置于所述第二表面，其中所述多个第一反射斜面与所述多个第一透射表面在所述第一方向上交替排列；以及

多个第二透射表面，设置于所述第二表面，其中所述多个第二透射表面与所述多个第二反射斜面在所述第一方向上交替排列。

10.根据权利要求9所述的近眼光学系统，其中所述影像光束经由所述第一入光区进入所述第一光波导后，所述影像光束穿透所述平坦底面以形成所述影像光束的第一部分而离开所述第一光波导，所述影像光束被所述第一倾斜侧壁反射以形成所述影像光束的第二部分，所述影像光束的所述第二部分穿透所述多个第一透射表面及被所述多个第一反射斜面反射而离开所述第一光波导，所述影像光束被所述第二倾斜侧壁反射以形成所述影像光束的第三部分，所述影像光束的所述第三部分穿透所述多个第二透射表面及被所述多个第二反射斜面反射而离开所述第一光波导。

11.根据权利要求10所述的近眼光学系统，还包括：

第二光波导，用于使所述影像光束在第二方向上扩张，所述第二光波导在朝向所述第二表面的表面具有第二入光区，所述第二入光区用于接收来自所述第二表面的所述影像光束。

12.根据权利要求9所述的近眼光学系统，还包括一补偿波导，配置于所述第二表面上，其中所述多个第一透射表面、所述多个第一反射斜面、所述多个第二透射表面及所述多个第二反射斜面形成多个棱镜表面结构，而所述补偿波导的面向所述第一光波导的表面具有与所述凹陷区域与所述多个棱镜表面结构互补的表面结构。

13.根据权利要求9所述的近眼光学系统，其中所述第一倾斜侧壁与所述第二倾斜侧壁呈镜像对称，所述多个第一反射斜面与所述多个第二反射斜面呈镜像对称，且所述多个第一透射表面与所述多个第二透射表面呈镜像对称。

14.根据权利要求8所述的近眼光学系统，其中所述多个第一反射斜面与所述第一表面的距离沿着所述第一方向递增，且所述多个第二反射斜面与所述第一表面的距离沿着所述第一方向递减。

15.根据权利要求8所述的近眼光学系统，其中所述第一倾斜侧壁、所述第二倾斜侧壁、所述多个第一反射斜面及所述多个第二反射斜面相对于所述第一表面的倾斜角都相等。

16.根据权利要求1所述的近眼光学系统，其中所述第一倾斜侧壁与所述第二倾斜侧壁呈镜像对称，且所述多个第一反射斜面与所述多个第二反射斜面呈镜像对称。