CN214751111U - 超短距目镜系统 - Google Patents

Abstract

一种超短距目镜系统，其包括一显示屏、一光学模块及多个透镜，光学模块包含在显示屏前依序设置的反射式偏振片、第一相位延迟片、部分穿透部分反射元件、第二相位延迟片及线偏振片，多个透镜包括第一透镜、第二透镜及第三透镜，并分别设置在光学模块中至少一者的任一侧。本实用新型利用对于光线进行多次的相位延迟和反射，实现超短距的光学架构，同时，通过在此架构上搭配三透镜进行焦距调节，可在大视场达到良好的像差性能与影像质量。

Description

超短距目镜系统

技术领域

本实用新型有关光学技术领域，特别是指一种可应用于头戴显示器的超短距目镜系统。

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，产生虚拟现实的效果，增加佩戴者的临场感。

图1所示为虚拟现实的头戴显示器的目镜系统示意图，显示屏10投射出影像，经过一段光程为d的光路后入射至透镜40，此透镜40为单一透镜或多个透镜的组合，用以将影像导入至用户的人眼24中。假设光程d为40mm，则头戴显示器的长度为光程d加上透镜的厚度、适眼距、外壳等，其总和对于戴在头上的眼罩和头盔而言略显笨重，且对使用者的鼻梁、头顶、颈部都会造成负担而无法久戴。因此，目前技术人员致力于将头戴显示器中目镜系统的长度缩短，以使头戴显示器的厚度缩小，便于使用者佩戴。

此外，为了让头戴显示器所提供的虚拟图像能够重现视觉效果，目镜系统还必须提供高规格的影像质量，以满足消费者对于体验虚拟现实的视觉需求。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种超短距目镜系统，其在光学架构上采用三透镜设计，以达到良好的像差平衡，提高影像质量，同时也可保持目镜系统的超短距以及大视角。此目镜系统可应用于头戴显示器、游戏机等产品上设置的广角镜头或广角目镜，给用户更为完美的视觉体验。

本实用新型的另一目的在于提供一种超短距目镜系统，其在显示屏后、人眼之前依序设置反射式偏振片、第一相位延迟片、部分穿透部分反射元件、第二相位延迟片和线偏振片等光学元件，利用光线的多次相位延迟及反射而达到缩短目镜系统的整体长度，可用以将头戴显示器微型化。

为达上述目的，本实用新型提供一种超短距目镜系统，包括有一显示屏、一光学模块与多个透镜。其中，显示屏用以输出影像并发出光线。光学模块包括：一反射式偏振片，对应显示屏设置，使光线中垂直偏振光穿透、水平偏振光反射；一第一相位延迟片，对应反射式偏振片设置，接收穿透反射式偏振片的光线，并进行第一次相位延迟；一部分穿透部分反射元件，对应第一相位延迟片设置，使经第一次相位延迟的光线部分穿透于前述部分穿透部分反射元件，部分则反射回第一相位延迟片进行第二次相位延迟及第三次相位延迟；一第二相位延迟片，对应部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透的前述部分穿透部分反射元件且经过第二次相位延迟、第三次相位延迟的光线，并进行第四次相位延迟；以及一线偏振片，对应第二相位延迟片设置，用以让只经过两次相位延迟的光线不要通过并只让经过四次相位延迟的光线通过。多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜，分别设置于光学模块中至少一者的任一侧，将显示屏所输出的该影像导入至少一人眼中，且第三透镜为最靠近显示屏的透镜，第一透镜为最靠近人眼的透镜；同时，超短距目镜系统必须满足下列条件(1)和(2)：

(1)

及

(2)

其中，f₁为该第一透镜的有效焦距；

f₂为该第二透镜的有效焦距；

f₃为该第三透镜的有效焦距；

F为该超短距目镜系统的有效焦距；

R₁为该第一透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；

R₂为该第一透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径；

R₃为该第二透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；

R₄为该第二透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径；

R₅为该第三透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；及

R₆为该第三透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径。

根据本实用新型的实施例，前述透镜包括单片透镜或多片式透镜。其中，单片透镜为球面透镜、非球面透镜或菲涅尔透镜；多片式透镜是由球面透镜、非球面透镜和菲涅尔透镜中的至少一种所构成。

根据本实用新型的实施例，超短距目镜系统，更满足下列条件(3)～(6)中任一者：

(3)

(4)

(5)

及

(6)

其中，f_s4为该部分穿透部分反射元件反射面的焦距；

f_s5为该反射式偏振片反射面的焦距；

TTL为该超短距目镜系统的总长；及

ω为该超短距目镜系统的半场视角。

根据本实用新型的实施例，反射式偏振片、第一相位延迟片、部分反射部分穿透元件、第二相位延迟片和线偏振片中至少一者为薄膜材料或光学镀膜，并以涂布、镀膜或黏合的方式设置于前述透镜中至少一者或至少一平板玻璃上。

据本实用新型的实施例，部分穿透部分反射元件所反射回第一相位延迟片的第一偏振光经过第一相位延迟片的第二次相位延迟后，通过第一相位延迟片到达反射式偏振片，并在反射式偏振片上完成反射，再反射回第一相位延迟片进行第三次相位延迟，形成第二偏振光，第二偏振光穿过第一相位延迟片及部分穿透部分反射元件到达第二相位延迟片。

根据本实用新型的实施例，该第一、第二、第三、第四次相位延迟皆增加1/4波长的奇数倍的相位延迟，使到达人眼的光线共延迟1个波长的整数倍。

根据本实用新型的实施例，显示屏送出并进入反射式偏振片的光线为线偏振光；进一步地，线偏振光经过第一相位延迟片后转换成左圆偏振光或右圆偏振光。

根据本实用新型的实施例，显示屏送出并进入反射式偏振片的光线为圆偏振光，于显示屏与反射式偏振片之间更设有一第三相位延迟片或一圆偏振片，使圆偏振光经过第三相位延迟片或圆偏振片后转换为线偏振光。

根据本实用新型的实施例，显示屏送出并进入反射式偏振片的光线为非偏振光，于显示屏与反射式偏振片之间更设有另一线偏振片，使非偏振光经过此另一线偏振片后转换为线偏振光。

底下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

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2为本实用新型超短距目镜系统的实施例的示意图。

图3A至图3C为本实用新型超短距目镜系统的步骤流程图。

图4A至图4E为本实用新型超短距目镜系统中三透镜的不同配置的示意图。

附图标记说明：10-显示屏；12-反射式偏振片；14-第一相位延迟片；16-部分穿透部分反射元件；18-第二相位延迟片；20-线偏振片；22-透镜；24-人眼；26-平板玻璃；30-第一透镜；32-第二透镜；34-第三透镜；40-透镜；d-光程。

具体实施方式

本实用新型提供一种超短距目镜系统，应用于头戴显示器，其利用多个光学元件将光线进行多次反射，更在这些光学元件中搭配有多个透镜，其能有效达到像差平衡，提升影像的质量，并在相同长度的光程下使整体目镜系统缩短，将头戴显示器微型化。

请参考图2，其为本实用新型超短距目镜系统的实施例的示意图。本实施例的超短距目镜系统包括在一显示屏10和至少人眼24之间依序包括一反射式偏振片12、一第一相位延迟片14、一部分穿透部分反射元件16、一第二相位延迟片18、一线偏振片20及三透镜22。其中，显示屏10输出影像并发出光线，此光线为偏振光或非偏振光，当光线是偏振光时，偏振光可为线偏振光、圆偏振光或其他的偏振态；在此实施例中，偏振光为线偏振光。进一步而言，此实施例中的线偏振光的偏振方向与光路垂直；反射式偏振片12对应显示屏10设置，接收显示屏10所发出的偏振光，并将偏振光部分穿透、部分反射，特别是本实用新型所采用的反射式偏振片12包含与光路垂直和平行两种偏振方向，垂直为穿透轴，水平为反射轴；第一相位延迟片14对应反射式偏振片12设置，用以接收从反射式偏振片12部分穿透的偏振光，并进行第一次相位延迟；部分穿透部分反射元件16对应该第一相位延迟片14设置，接收通过第一相位延迟片14的光线并将通过的光线部分反射、部分穿透；第二相位延迟片18对应部分穿透部分反射元件16设置，接收部分穿透部分反射元件16的光线，并进行相位延迟；线偏振片20对应第二相位延迟片18设置，线偏振片20是用以让只经过两次相位延迟的偏振光不要通过并只让经过四次相位延迟的偏振光通过，通过透镜22将影像导入人眼24中。

特别的是，本实用新型中第一相位延迟片14的快慢轴与反射式偏振片12的穿透轴夹45度角，可增加1/4波长的相位延迟。

此外，本实用新型中的三透镜22，分别设置于光学模块中至少一元件的任一侧，以图2的实施例为例，三透镜22设在部分穿透部分反射元件16和第一相位延迟片14之间。每一透镜皆可为单片透镜或多片式透镜；具体来说，透镜可为球面透镜、非球面透镜和菲涅尔透镜(Fresnel lens)中的一种单片透镜，或者，可为由球面透镜、非球面透镜和菲涅尔透镜中的至少一种组合而成的多片式透镜。

本实用新型中具体的步骤流程请参考图3A至图3C，首先于图3A中，显示屏10输出影像，并发出偏振光到反射式偏振片12，反射式偏振片12使偏振光部分穿透至第一相位延迟片14、部分则反射回显示屏10，而穿透反射式偏振片12的部分穿透的偏振光经过第一相位延迟片14之后，会进行第一次相位延迟，再到达部分穿透部分反射元件16；接着请参考图3B，经过第一次相位延迟的偏振光在部分穿透部分反射元件16处部分穿透，部分则反射回第一相位延迟片14进行第二次相位延迟，此处的部分穿透部分反射元件16的偏振光为能量损失，而经过第一次相位延迟的偏振光穿透第一相位延迟片14后到达反射式偏振片12；接着请再参考图3C，反射式偏振片12将经过第二次相位延迟的偏振光进行反射，反射回第一相位延迟片14，进行第三次相位延迟，再经过部分穿透部分反射元件16，其部分穿透的偏振光(经过第三次相位延迟)到达第二相位延迟片18，并进行第四次相位延迟；接着，经第四次相位延迟的偏振光穿透第二相位延迟片18，在线偏振片20进行筛选，只让经过四次相位延迟的偏振光通过线偏振片20，并被透镜22导入至少一人眼24中。

由于本实用新型中第一相位延迟片14及第二相位延迟片18皆为1/4波长的奇数倍相位延迟，故经过四次相位延迟后共延迟一个波长的整数倍。

线偏振光通过第一相位延迟片14后会转变成圆偏振光，包括左圆偏振光或右圆偏振光两种。但当部分圆偏振光被部分穿透部分反射元件16反射回第一相位延迟片14后，又会变为线偏振光，之后虽然还会再通过第一相位延迟片14并转换成圆偏振光，然而通过第二相位延迟片18后，仍会转换成回线偏振光。

另外，本实用新型在显示屏10及反射式偏振片12之间，更可依据显示屏10的偏振情况增加一个或多个线偏振片、圆偏振片或相位延迟片，以调整显示屏10的偏振态，而线偏振片、圆偏振片和相位延迟片的材质可为薄膜材料或光学镀膜，其可利用涂布、镀膜或黏合的形式设置于显示屏10或反射式偏振片12上。举例来说，若显示屏10发出的光线不是线偏振光而是圆偏振光，则需在显示屏10后增加一第三相位延迟片或一圆偏振片，使显示屏10发出的圆偏振光经过第三相位延迟片或圆偏振片后转换成线偏振光；或者，若显示屏10发出的光线是在无特定偏振态下的非偏振光，则需在显示屏10后增加另一线偏振片，使显示屏10发出的非偏振光经过此线偏振片后转换成线偏振光。

图4A至图4E中为三透镜的多种不同配置方法的实施例，此三透镜分别为第一透镜30、第二透镜32及第三透镜34，其中第三透镜34为最靠近显示屏10的透镜，第一透镜30为最靠近人眼24的透镜。此实施例并非用于限制本实用新型中透镜的配置方法，只要是在反射式偏振片12、第一相位延迟片14、部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18及线偏振片20中至少一者的任一侧设置透镜、共至少三组用以调焦的透镜便包含在本案的范围中。

进一步说明，反射式偏振片12、第一相位延迟片14、部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18及线偏振片20等光学元件的材质可为薄膜材料或为光学镀膜等，以涂布、镀膜或黏合等的方式置于上述透镜中至少一个或至少一平板玻璃上，举例而言，反射式偏振片12及部分穿透部分反射元件16可为在透镜上的镀膜，或是本身具反射式偏振功能的镜片或为薄膜形式的光学材料贴在透镜上，因此，本实用新型可将反射式偏振片12及第一相位延迟片14设为一体，部分穿透部分反射元件16及第二相位延迟片18设为一体，举例而言，如图4A所示，反射式偏振片12及第一相位延迟片14为同一透镜组34(此实施例中第三透镜组34为单片透镜)，例如在第一相位延迟片14靠近显示屏10侧设置反射式偏振膜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，而在第一透镜组30的左侧，则依序设有部分穿透部分反射元件16(此实施例中为部分穿透部分反射膜)、第二相位延迟片18、线偏振片20及平板玻璃26。换言之，在图4A的实施例中，第一透镜30设在第二透镜32和部分穿透部分反射元件16之间，第二透镜32设在第一透镜30和第三透镜34之间，第三透镜34则设在第二透镜32和反射式偏振片12、第一相位延迟片14之间。此实施例的具体数据如下表一及表二：

表一、透镜参数

表二、非球面系数

上表二中的A、B、C、D、E、K等为非球面公式中的参数，非球面公式为

其中C＝1/R，R为曲率半径，K为圆椎系数。此外，表中L1、L2、L3分别代表第一、第二及第三透镜，f1、f2及f3分别为第一、第二及第三透镜的有效焦距，f_s4为部分穿透部分反射元件反射面的焦距，f_s5为反射式偏振片反射面的焦距，f为超短距目镜系统的有效焦距，ω为超短距目镜系统的半视场角，TTL为超短距目镜系统的总长，Nd为折射率(Refractive index)，Vd为阿贝数(Abbenumber)或色散系数(V-number)。

图4B所示为另一实施例，反射式偏振片12与第一相位延迟片14皆设在第二透镜32的右侧，部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18及线偏振片20则皆设在第一透镜30的左侧。此实施例的具体数据如下表三和表四：

表三、透镜参数

表四、非球面系数

图4C、图4D及图4E为另外三种第一透镜30、第二透镜32及第三透镜34的配置方式，由于第一透镜30、第二透镜32及第三透镜34可为单片透镜或多片式透镜的组合，且可为凹透镜、凸透镜等，凹凸方向也可变化，因此会产生多种不同的组合。

图4C的实施例中，反射式偏振片12及第一相位延迟片14设在第三透镜34的左侧，第一相位延迟片14的左侧为第二透镜32，部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18及线偏振片20皆设在第三透镜的左侧。此实施例的具体数据如下表五和表六：

表五、透镜参数

表六、非球面系数

图4D的实施例中，和图4C的实施例不同的是，此实施例的第二相位延迟片18及线偏振片20作成独立元件。此实施例的具体数据如下表七和表八：

表七、透镜参数

表八、非球面系数

图4E的实施例中，反射式偏振片12、第一相位延迟片14作成独立元件，并设于第三透镜34的右侧，部分穿透部分反射元件16、第二相位延迟片18及线偏振片20依序设于第一透镜30的右侧。此实施例的具体数据如下表九和表十：

表九、透镜参数

表十、非球面系数

进一步说明，本实用新型可将第二相位延迟片18与线偏振片20设为一体，举例而言，如图4E所示，第二相位延迟片18与线偏振片20皆在同一透镜30的同一侧，可等效于圆偏振片的功能。

本实用新型的超短距目镜系统可达到较大视角、系统距离缩短及良好像差校正的效果，请参考图4A，超短距目镜系统必须满足下列条件(1)和(2)：

(1)

及

(2)

其中，f₁为该第一透镜的有效焦距；

f₂为该第二透镜的有效焦距；

f₃为该第三透镜的有效焦距；

F为该超短距目镜系统的有效焦距；

R₁为该第一透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；

R₂为该第一透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径；

R₃为该第二透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；

R₄为该第二透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径；

R₅为该第三透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；及

R₆为该第三透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径。

较佳地，本实用新型的超短距目镜系统满足下列条件(3)至(6)中任一者：

(3)

(4)

(5)

及

(6)

其中，f_s4为该部分穿透部分反射元件反射面的焦距；

f_s5为该反射式偏振片反射面的焦距；

TTL为该超短距目镜系统的总长；及

ω为该超短距目镜系统的半场视角。

上述条件(1)、(3)、(4)可达到降低系统厚度及具有光学放大效果，条件(2)可达到良好的像差平衡，可获得较佳的影像质量，而条件(5)、(6)则可达到较大视角及轻薄化的优点。

本实用新型利用偏振原理将光路在光学系统内做内部折反射达到将显示屏到人眼之间的距离缩短的效果，以图4A至图4E为例，图中偏振光从显示屏10发出后至人眼24前的光学元件的光学路径经过多次的反射，假设图4A至图4E的实施例中，光线从显示屏10到人眼24前的光学元件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到透镜22的光程d几近相同，但由于在图4A至图4E实施例中，显示屏10到人眼的光路是经过多次反射加总而得到的，因此实际上从显示屏10到人眼的长度会远小于图1中从显示屏10到人眼24的长度，达到缩短光学系统的长度的目的。

综上所述，本实用新型所提供的超短距目镜系统利用对于光线进行多次的相位延迟和反射，实现超短距的光学架构，同时，通过在此架构上搭配三透镜进行焦距调节，可在短距离、大视场下达到良好的像差性能与影像质量。再者，本实用新型所提供的超短距目镜系统可用于近视调节的功能，成像范围为:Ф7mm～Ф52mm，适用屏幕0.3吋～3吋，提供小尺寸屏幕更高的影像质量，且由于目镜系统的长度缩短，故应用光学系统的产品可达到轻薄、微型化的目的，特别可适用于头戴显示器、游戏机等产品上的广角镜头或广角目镜。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围。故即凡依本实用新型申请范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本实用新型的保护范围内。

Claims (12)

1.一种超短距目镜系统，其特征在于，包括：

一显示屏，输出影像并发出光线；

一光学模块，包括：

一反射式偏振片，对应该显示屏设置，接收来自该显示屏的该光线，并使该光线部分穿透、部分反射；

一第一相位延迟片，对应该反射式偏振片设置，接收部分穿透该反射式偏振片的该光线，并进行第一次相位延迟；

一部分穿透部分反射元件，对应该第一相位延迟片设置，使经该第一次相位延迟的该光线，部分穿透该部分穿透部分反射元件，部分则反射回该第一相位延迟片进行第二次相位延迟及第三次相位延迟；

一第二相位延迟片，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过第二次相位延迟、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟；以及

一线偏振片，对应该第二相位延迟片设置，用以让只经过两次相位延迟的该光线不要通过并只让经过四次相位延迟的该光线通过；以及

多个透镜，包括一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜，分别设置于该光学模块中至少一者的任一侧，将该显示屏所输出的该影像导入至少一人眼中，且该第三透镜为最靠近该显示屏的透镜，该第一透镜为最靠近该人眼的透镜；

该超短距目镜系统系满足下列条件(1)和(2)：

(1)

及

(2)

其中，f₁为该第一透镜的有效焦距；

f₂为该第二透镜的有效焦距；

f₃为该第三透镜的有效焦距；

F为该超短距目镜系统的有效焦距；

R₁为该第一透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；

R₂为该第一透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径；

R₃为该第二透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；

R₄为该第二透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径；

R₅为该第三透镜靠近该人眼的一侧的曲率半径；及

R₆为该第三透镜靠近该显示屏的一侧的曲率半径。

2.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，该多个透镜包括单片透镜或多片式透镜。

3.如权利要求2所述的超短距目镜系统，其特征在于，该单片透镜为球面透镜、非球面透镜或菲涅尔透镜。

4.如权利要求2所述的超短距目镜系统，其特征在于，该多片式透镜是由球面透镜、非球面透镜和菲涅尔透镜中的至少一种所构成。

5.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，更满足下列条件(3)～(6)中任一者：

(3)

(4)

(5)

及

(6)

其中，f_s4为该部分穿透部分反射元件反射面的焦距；

f_s5为该反射式偏振片反射面的焦距；

TTL为该超短距目镜系统的总长；及

ω为该超短距目镜系统的半场视角。

6.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，该反射式偏振片、该第一相位延迟片、该部分反射部分穿透元件、该第二相位延迟片和该线偏振片中至少一者为薄膜材料或光学镀膜，并以涂布、镀膜或黏合的方式设置于该多个透镜中至少一者或至少一平板玻璃上。

7.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，该部分穿透部分反射元件所反射回该第一相位延迟片的该光线经过该第一相位延迟片的该第二次相位延迟后，通过该第一相位延迟片到达该反射式偏振片，并在该反射式偏振片上完成反射，让该光线再反射回该第一相位延迟片进行该第三次相位延迟，接着该光线穿过该第一相位延迟片及该部分穿透部分反射元件到达该第二相位延迟片。

8.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，第一次相位延迟、第二次相位延迟、第三次相位延迟、第四次相位延迟皆增加四分之一波长的奇数倍的相位延迟，使到达该人眼的光线共延迟一个波长的整数倍。

9.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，该显示屏送出并进入该反射式偏振片的该光线为线偏振光。

10.如权利要求9所述的超短距目镜系统，其特征在于，该线偏振光经过该第一相位延迟片后转换成左圆偏振光或右圆偏振光。

11.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，该显示屏送出并进入该反射式偏振片的该光线为圆偏振光，于该显示屏与该反射式偏振片之间更设有一第三相位延迟片或一圆偏振片，使该圆偏振光经过该第三相位延迟片或该圆偏振片后转换为线偏振光。

12.如权利要求1所述的超短距目镜系统，其特征在于，该显示屏送出并进入该反射式偏振片的该光线为非偏振光，于该显示屏与该反射式偏振片之间更设有另一线偏振片，使该非偏振光经过该另一线偏振片后转换为线偏振光。

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