TWI736431B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種頭戴式顯示裝置包括影像源、第一透鏡組、第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片。影像源適於發出影像光束。第一透鏡組設置於影像光束的傳遞路徑上，且具有負屈光率。第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片設置於影像光束的傳遞路徑上。第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片依序排列，且第一透鏡組設置於第一部分穿透部分反射元件與第一反射式偏振片之間。

Description

頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種頭戴式顯示裝置。

習知之擴增實境眼鏡可配戴於使用者之頭部，並且使用者可通過擴增實境眼鏡之鏡片觀看環境之景物。此外，擴增實境眼鏡可利用投影裝置將影像光束投射於鏡片之顯影區域上顯示一影像。然而，習知之擴增實境眼鏡對使用者所提供之顯示影像的視野（field of view；FOV）過小，影響其所提供的視覺效果。此外，習知的擴增實境眼鏡也存在厚度過厚的問題。

本揭露提供一種頭戴式顯示裝置，適於拓展顯示影像的視野且厚度薄。

本揭露一實施例的頭戴式顯示裝置包括影像源、第一透鏡組、第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片。影像源適於發出影像光束。第一透鏡組設置於影像光束的傳遞路徑上，且具有負屈光率。第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片設置於影像光束的傳遞路徑上。第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片依序排列，且第一透鏡組設置於第一部分穿透部分反射元件與第一反射式偏振片之間。

基於上述，影像光束能在第一部分穿透部分反射元件與第一反射式偏振片之間來回傳遞多次，而多次穿過具有負屈光率的第一透鏡組。藉此，頭戴式顯示裝置能在不過度增加整體厚度的情況下拓展顯示影像的視野。

現將詳細地參考本揭露的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於附圖中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。

圖1為本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置的示意圖。

圖2示意性地繪出一影像光束l1在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置中的傳遞路徑。

圖3示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10中的傳遞路徑及其偏振態的變化。

為了圖面的簡潔起見，圖1及圖2示意性地繪出第一光學結構1的第一透鏡組G1及第二透鏡組G2、第二光學結構2的第三透鏡組G3及第四透鏡組G4，而省略第一光學結構1的其它構件及第二光學結構2的其它構件。

此外，於本揭露的圖式中所繪製之影像光束l1及環境光束l2傳遞路徑僅為示意，並不一定代表影像光束l1及環境光束l2的實際傳遞路徑。

請參照圖1及圖2，頭戴式顯示裝置10包括影像源3及第一光學結構1。影像源3適於發出一影像光束l1。第一光學結構1設置於影像光束l1的傳遞路徑上。第一光學結構1適於增加使用者眼睛E觀看影像源3所提供之影像的視野（field of view；FOV）。請參照圖2，換言之，透過第一光學結構1的作用，通過第一光學結構1的一邊緣且由第一光學結構1出射之影像光束l1與光軸I的夾角α’會大於從第一光學結構1之一邊緣入射之影像光束l1與光軸I的夾角α。

請參照圖1、圖2及圖3，第一光學結構1包括第一透鏡組G1，設置於影像光束l1的傳遞路徑上，且具有負屈光率（refractive power）。舉例而言，在本實施例中，第一透鏡組G1可包括具有負屈光率的第一透鏡L1。換言之，在本實施例中，第一透鏡組G1可選擇性地包括一個透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第一透鏡組G1也可包括多個透鏡，只要第一透鏡組G1整體的屈光率為負即可，本揭露並不限制第一透鏡組G1所包括之透鏡的數量。

在本實施例中，第一透鏡L1可以是一般的凹透鏡，所述凹透鏡可為雙凹透鏡、平凹透鏡或凹凸透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第一透鏡L1也可以是特殊的透鏡，例如但不限於：菲涅爾透鏡、自由曲面透鏡、雙曲度透鏡或柱狀透鏡。

請參照圖3，第一光學結構1還包括第一偏振片P1、第一波片W1、第一部分穿透部分反射元件TR1、第二波片W2及第一反射式偏振片RP1。第一偏振片P1、第一波片W1、第一部分穿透部分反射元件TR1、第二波片W2以及第一反射式偏振片RP1設置於影像光束l1的傳遞路徑上且依序排列。具有負屈光率的第一透鏡組G1設置於第一部分穿透部分反射元件TR1與第一反射式偏振片RP1之間。舉例而言，在本實施例中，第一透鏡組G1可選擇性地設置於第二波片W2與第一反射式偏振片RP1之間。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第一透鏡組G1可選擇性地設置於第一部分反射部分穿透元件TR1與第二波片W2之間。

第一光學結構1的第一偏振片P1、第一波片W1、第一部分穿透部分反射元件TR1、第二波片W2及第一反射式偏振片RP1適於使影像光束l1多次地穿過第一透鏡組G1，進而拓展使用者E觀看到之由影像源3所提供之顯示影像的視野。

以下配合圖3舉例說明影像光束l1的傳遞路徑及其偏振態的變化，以闡明本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10拓展顯示影像視野的機制。

請參照圖3，在本實施例中，影像光束l1在進入第一光學結構1之前不具有特定偏極態；不具有特定偏極態的影像光束l1通過第一偏振片P1後具有第一線偏振態；具有第一線偏振態且來自於第一偏振片P1的影像光束l1通過第一波片W1後具有第一旋轉偏振態；具有第一旋轉偏振態且來自於第一波片W1的影像光束l1的一部分通過第一部分穿透部分反射元件TR1，影像光束l1的一部分通過第一部分穿透部分反射元件TR1後仍具有第一旋轉偏振態；具有第一旋轉偏振態且來自於第一部分穿透部分反射元件TR1的影像光束l1的一部分會通過第二波片W2，影像光束l1的一部分通過第二波片W2後具有第二線偏振態；具有第二線偏振態S且來自於第二波片W2的影像光束l1的一部分傳向第一反射式偏光片RP1且被第一反射式偏光片RP1反射，影像光束l1的一部分被第一反射式偏光片RP1反射後仍具有第二線偏振態S；具有第二線偏振態S且來自於第一反射式偏光片RP1之影像光束l1的一部分通過第二波片W2，影像光束l1的一部分通過第二波片W2後具有第二旋轉偏振態；具有第二旋轉偏振態且來自於第二波片W2之影像光束l1的一部分被第一部分穿透部分反射元件TR1部分地反射，被第一部分穿透部分反射元件TR1部分地反射之影像光束l1的一部分仍具有第二旋轉偏振態；具有第二旋轉偏振態且來自於第一部分穿透部分反射元件TR1之影像光束l1的一部分通過第二波片W2，影像光束l1的一部分通過第二波片W2後具有第一線偏振態；具有第一線偏振態且來自於第二波片W2之影像光束l1的一部分能通過第一反射式偏光片RP1進而為使用者的眼睛E所接收。

如上所述，透過依序排列的第一偏振片P1、第一波片W1、第一部分穿透部分反射元件TR1、第二波片W2及第一反射式偏振片RP1，影像光束l1可在第一部分穿透部分反射元件TR1與第一反射式偏振片RP1之間來回傳遞；之後，才從第一光學結構1出射。第一透鏡組G1設置於第一光學結構1之第一部分穿透部分反射元件TR1與第一反射式偏振片RP1之間，因此影像光束l1在從第一光學結構1出射前會多次穿過第一透鏡組G1。由於影像光束l1多次穿過具有負屈光率的第一透鏡組G1，因此由影像光束l1的發散程度能被同一第一透鏡組G1多次擴大，進而拓展顯示影像的視野。

值得一提的是，相較於利用透鏡組本身之屈光率的改變來拓展顯示影像的視野，利用第一偏振片P1、第一波片W1、第一部分穿透部分反射元件TR1、第二波片W2及第一反射式偏振片RP1來展顯示影像的視野，還能使頭戴式顯示裝置10具有薄型化的優勢，更符合使用者的期待。

舉例而言，在本實施例中，第一偏振片P1的穿透軸TA可選擇性地平行於影像光束l1的入射面；第一偏振片P1的穿透軸TA與第一波片W1的光軸夾一角度；第一波片W1可選擇性地為四分之一波片；亦即，第一波片W1引進的相對相移（relative phase shift）可以是

；第二波片W2 的光軸可實質上與第一波片W1的光軸平行；第二波片W2可選擇性地為四分之一波片；亦即，第二波片W2所引進的相對相移（relative phase shift）可以是

；第一偏振片P1的穿透軸TA與第一反射式偏振片RP1的穿透軸TA實質上可平行。

在上述之第一偏振片P1的穿透軸TA、第一波片W1的光軸、第二波片W2 的光軸及第一反射式偏振片RP1的穿透軸TA的相對位置關係、第一波片W1引進的相對相移及第二波片W2所引進的相對相移下，舉例而言，在本實施例中，影像光束l1通過第一偏振片P1後可具有P偏振態P；具有P偏振態P且來自於第一偏振片P1的影像光束l1通過第一波片W1後可具有左旋圓偏振態L；具有左旋圓振態L且來自於第一波片W1的影像光束l1的一部分會穿過第一部分穿透部分反射元件TR1，影像光束l1的一部分穿過第一部分穿透部分反射元件TR1後仍具有左旋圓振態L；具有左旋圓振態L且來自於第一部分穿透部分反射元件TR1的影像光束l1的一部分會通過第二波片W2，影像光束l1的一部分通過第二波片W2後具有S偏振態S；具有S偏振態S且來自於第二波片W2之影像光束l1的一部分會第一次穿過第一透鏡組G1，而傳向第一反射式偏光片RP1；具有S偏振態S且來自於第一透鏡組G1之影像光束l1的一部分會被第一反射式偏光片RP1反射，而第二次穿過第一透鏡組G1；影像光束l1的一部分第二次穿過第一透鏡組G1後會通過第二波片W2；具有S偏振態S且來自於第一透鏡組G1之影像光束l1的一部分通過第二波片W2後具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第二波片W2之影像光束l1的一部分被第一部分穿透部分反射元件TR1部分反射，具有右旋圓偏振態R之影像光束l1的一部分被第一部分穿透部分反射元件TR1部分反射後仍具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第一部分穿透部分反射元件TR1之影像光束l1的一部分通過第二波片W2，具有右旋圓偏振態R之影像光束l1的一部分通過第二波片W2後具有P偏振態P；具有P偏振態P且來自於第二波片W2之影像光束l1的一部分第三次穿過第一透鏡組G1；具有P偏振態P之影像光束l1的一部分在第三次穿過第一透鏡組G1之後仍具有P偏振態P，而可通過第一反射式偏光片RP1，進而為使用者的眼睛E所接收。

在本實施例中，第一部分穿透部分反射元件TR1的反射率及穿透率例如分別是50%及50%；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第一部分穿透部分反射元件TR1的反射率及穿透率也可分別是其它數值，例如但不限於：30%及70%。此外，在本實施例中，第一部分穿透部分反射元件TR1之分別朝向第一側A1及第二側A2的第一表面及第二表面例如都是平面；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第一部分穿透部分反射元件TR1之所述第一表面及所述第二表面的至少一者也可以是非平面，例如但不限於：凹面、凸面或自由曲面等。

在本實施例中，第一反射式偏振片RP1之分別朝向第一側A1及第二側A2的第一表面及第二表面例如都是平面；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第一反射式偏振片RP1之所述第一表面及所述第二表面的至少一者也可以是非平面，例如但不限於：凹面、凸面或自由曲面等。

請參照圖3，在本實施例中，第一光學結構1還可選擇性地包括第二透鏡組G2。第二透鏡組G2具有正屈光率，其中第二透鏡組G2及第一透鏡組G1由第一側A1至第二側A2沿光軸I依序排列。在本實施例中，第一透鏡組G1的第一焦點F1與第二透鏡組G2的第二焦點F2實質上重合，但本揭露不以此為限。

舉例而言，在本實施例中，第二透鏡組G2可包括具有正屈光率的第二透鏡L2。換言之，在本實施例中，第二透鏡組G2可選擇性地包括一個透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第二透鏡組G2也可包括多個透鏡，只要第二透鏡組G2整體的屈光率為正即可，本揭露並不限制第二透鏡組G2包括之透鏡的數量。

在本實施例中，第二透鏡L2可以是一般的凸透鏡，所述凸透鏡可為雙凸透鏡、平凸透鏡或凹凸透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第二透鏡L2也可以是特殊的透鏡，例如但不限於：菲涅爾透鏡、自由曲面透鏡、雙曲度透鏡或柱狀透鏡。

在本實施例中，第二透鏡L2可選擇性地設置於第一波片W1與第一部分穿透部分反射元件TR1之間。然而，本揭露不限於此，第二透鏡L2也可設置於其它位置。以下將於後續段落中配合其它圖式舉例說明之。

在圖3的實施例中，第一透鏡組G1的焦距、第二透鏡組G2的焦距及第一光學結構1的放大率例如為下表一所示，但本揭露不以此為限。

第二透鏡組G2的焦距	第一透鏡組G1的焦距	第一光學結構1 的放大率
25mm	-60mm	1.25x
40mm	-80mm	1.5x
100mm	-100mm	3x

[表一]

請參照圖1及圖3，在本實施例中，頭戴式顯示裝置10可選擇性地做為擴增實境裝置，而頭戴式顯示裝置10還可選擇性地包括導光元件WG及第二光學結構2。

圖4示意性地繪出一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置中的傳遞路徑。

請參照圖1、圖3及圖4，導光元件WG設置於影像光束l1的傳遞路徑上，且用以將影像源3發出的影像光束l1導入第一光學結構1。第一光學結構1及第二光學結構2分別設置於導光元件WG的相對兩側。第二光學結構2用以抵銷第一光學結構1對環境光束l2造成的放大作用，而讓使用者的眼睛E觀看到正常大小的環境影像。換言之，第二光學結構2是一補償光學結構。

請參照圖3，在本實施例中，第二光學結構2可包括第三透鏡組G3、第三偏振片P3、第五波片W5、第三部分穿透部分反射元件TR3、第六波片W6、第二反射式偏振片RP2及第四透鏡組G4。第三偏振片P3、第五波片W5、第三部分穿透部分反射元件TR3、第六波片W6及第二反射式偏振片RP2依序排列。第三透鏡組G3具有負屈光率，且第三透鏡組G3設置於第三部分穿透部分反射元件TR3與第二反射式偏振片RP2之間。

第四透鏡組G4具有正屈光率。具有負屈光率的第三透鏡組G3及具有正屈光率的第四透鏡組G4由第一側A1至第二側A2沿光軸I依序排列。具有負屈光率的第一透鏡組G1及具有正屈光率的第二透鏡組G2由第二側A2至第一側A1沿光軸I依序排列。換言之，第一光學結構1之正透鏡組及負透鏡組的排列方向與第二光學結構2之正透鏡組及負透鏡組的排列方向相反。

舉例而言，在本實施例中，第三透鏡組G3可包括具有負屈光率的第三透鏡L3。換言之，在本實施例中，第三透鏡組G3可選擇性地包括一個透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第三透鏡組G3也可包括多個透鏡，只要第三透鏡組G3的整體屈光率為負即可，本揭露並不限制第三透鏡組G3包括之透鏡的數量。

在本實施例中，第三透鏡L3可以是一般的凹透鏡，所述凹透鏡可為雙凹透鏡、平凹透鏡或凹凸透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第三透鏡L3也可以是特殊的透鏡，例如但不限於：菲涅爾透鏡、自由曲面透鏡、雙曲度透鏡或柱狀透鏡。

舉例而言，在本實施例中，第四透鏡組G4可包括具有正屈光率的第四透鏡L4。換言之，在本實施例中，第四透鏡組G4可選擇性地包括一個透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第四透鏡組G4也可包括多個透鏡，只要第四透鏡組G4的整體屈光率為正即可，本揭露並不限制第四透鏡組G4包括之透鏡的數量。

在本實施例中，第四透鏡L4可以是一般的凸透鏡，所述凸透鏡可為雙凸透鏡、平凸透鏡或凹凸透鏡。然而，本揭露不限於此，在其它實施例中，第四透鏡L4也可以是特殊的透鏡，例如但不限於：菲涅爾透鏡、自由曲面透鏡、雙曲度透鏡或柱狀透鏡。

舉例而言，在本實施例中，第三偏振片P3的穿透軸TA可選擇性地平行於環境光束l2的入射面；第三偏振片P3的穿透軸TA與第五波片W5的光軸夾一角度；第五波片W5可選擇性地為四分之一波片；亦即，第五波片W5所引進的相對相移（relative phase shift）可以是

；第六波片W6 的光軸實質上平行於第五波片W5的光軸；第六波片W6可選擇性地為四分之一波片；亦即，第六波片W6所引進的相對相移（relative phase shift）可以是

；第二反射式偏振片RP2的穿透軸TA實質上可平行於第三偏振片P3的穿透軸TA。

在上述之第三偏振片P3的穿透軸TA、第五波片W5的光軸、第六波片W6 的光軸及第二反射式偏振片RP2的穿透軸TA的相對位置關係、第五波片W5引進的相對相移及第六波片W6引進的相對相移下，舉例而言，在本實施例中，環境光束l2在進入頭戴式顯示裝置10前不具特定的偏振態，環境光束l2通過第三偏振片P3後可具有P偏振態P；具有P偏振態P且來自於第三偏振片P3的環境光束l2通過第五波片W5後可具有左旋圓偏振態L；具有左旋圓振態L且來自於第五波片W5的環境光束l2的一部分在通過第三部分穿透部分反射元件TR3後仍具有左旋圓振態L；具有左旋圓振態L且來自於第三部分穿透部分反射元件TR3的環境光束l2的一部分通過第六片W6後具有S偏振態S；具有S偏振態S來自於第六波片W6的環境光束l2第一次穿過第三透鏡組G3，且傳向第二反射式偏光片RP2；具有S偏振態S且來自於第三透鏡組G3之環境光束l2的一部分被第二反射式偏光片RP2反射，並第二次穿過第三透鏡組G3；第二次穿過第三透鏡組G3且具有S偏振態S之環境光束l2的一部分穿通過第六波片W6，環境光束l2的一部分通過第六波片W6後具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第六波片W6之環境光束l2的一部分被第三部分穿透部分反射元件TR3部分反射後仍具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第三部分穿透部分反射元件TR3之環境光束l2的一部分通過第六波片W6後具有P偏振態P；具有P偏振態P且來自於第六波片W6的環境光束l2的一部分第三次穿過第三透鏡組G3，並傳向第二反射式偏光片RP2；具有P偏振態P且來自於第三透鏡組G3之環境光束l2的一部分可通過第二反射式偏光片RP1，進而依序通過第四透鏡組G4、導光元件WG及第一光學結構1而傳遞至使用者的眼睛E5。其中，環境光束l2的一部分在第一光學結構1的傳遞路徑及偏振態變化與影像光束l1在第一光學結構1的傳遞過程及偏振態變化相同或相似，於此便不再重述。

下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重述。

圖5示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10A中的傳遞路徑及其偏振態的變化。

圖5的頭戴式顯示裝置10A與圖3的頭戴式顯示裝置10類似，兩者主要的差異在於：兩者之第二透鏡組G2的設置位置不同。具體而言，在圖3的實施例中，第二透鏡組G2是選擇性地設置於第一波片W1與第一部分穿透部分反射元件TR1之間；但，在圖5的實施例中，第二透鏡組G2是選擇性地設置於導光元件WG與第一偏振片P1之間。

在本實施例中，第二透鏡組G2被移至導光元件WG後方，而第一偏振片P1、第一波片W1、第一部分穿透部分反射元件TR1及第二波片W2可互相連接成一片複合光學膜片。藉此，頭戴式顯示裝置10A的厚度可進一步縮減。

圖6示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10B中的傳遞路徑及其偏振態的變化。圖6的頭戴式顯示裝置10B與圖3的頭戴式顯示裝置10類似，兩者主要的差異在於：兩者之第二透鏡組G2的設置位置不同。具體而言，在圖3的實施例中，第二透鏡組G2是選擇性地設置於第一波片W1與第一部分穿透部分反射元件TR1之間；但，在圖6的實施例中，第二透鏡組G2是選擇性地設置於第二波片W2與第一透鏡組G1之間。

在本實施例中，第二透鏡組G2被移至第一透鏡組G1前方，而第一偏振片P1、第一波片W1、第一部分穿透部分反射元件TR1及第二波片W2可互相連接成一片複合光學膜片。藉此，頭戴式顯示裝置10B的厚度可進一步縮減。

在圖6的實施例中，第一透鏡組G1的焦距、第二透鏡組G2的焦距及第一光學結構1的放大率可例如可以為下表二所示，但本揭露不以此為限。

第二透鏡組G2的焦距	第一透鏡組G1的焦距	第一光學結構1 的放大率
25mm	-20mm	1.25x
30mm	-20mm	1.5x
100mm	-30mm	3.33x

[表二]

圖7示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10C中的傳遞路徑及其偏振態的變化。

圖7的頭戴式顯示裝置10C與圖3的頭戴式顯示裝置10類似，兩者主要的差異在於：圖7之頭戴式顯示裝置10C的第一光學結構1還包括第二偏振片P2、第三波片W3、第二部分穿透部分反射元件TR2及第四波片W4；圖7之頭戴式顯示裝置10C的第二光學結構2還包括第七波片W7、第四部分穿透部分反射元件TR4及第八波片W8。

請參照圖7，第一光學結構1還包括第二偏振片P2、第三波片W3、第二部分穿透部分反射元件TR2及第四波片W4，設置於影像光束l1的傳遞路徑上。第二偏振片P2、第三波片W3、第二部分穿透部分反射元件TR2、第四波片W4、第一反射式偏振片RP1、第二波片W2、第一部分穿透部分反射元件TR1、第一波片W1及第一偏振片P1由第一側A1至第二側A2沿光軸I依序排列，且第二透鏡組G2設置於第二部分穿透部分反射元件TR2與第一反射式偏振片RP1之間。

第二偏振片P2、第三波片W3、第二部分穿透部分反射元件TR2、第四波片W4及第一反射式偏振片RP1適於使影像光束l1多次地穿過第二透鏡組G2，以增加入射至第一透鏡組G1之影像光束l1與光軸I的夾角（未繪示），而使頭戴顯示裝置10C之顯示影像的視野更進一步地拓展，以下配合圖7舉例說明之。

舉例而言，在本實施例中，第二偏振片P2的穿透軸TA可選擇性地平行於影像光束l1的入射面；第三波片W3的光軸與第二偏振片P2的穿透軸TA夾有一角度；第三波片W3可選擇性地為四分之一波片；亦即，第三波片W3所引進的相對相移（relative phase shift）可以是

；第四波片W4的光軸可實質上與第三波片W3 的光軸平行；第四波片W4可選擇性地為四分之一波片；亦即，第四波片W4所引進的相對相移（relative phase shift）可以是

；第一反射式偏振片RP1的穿透軸TA與第二偏振片P2的穿透軸TA實質上平行。

舉例而言，在本實施例中，影像光束l1通過第二偏振片P2後可具有P偏振態P；具有P偏振態P且來自於第二偏振片P2的影像光束l1通過第三波片W3後可具有左旋圓偏振態L；具有左旋圓振態L且來自於第三波片W3的影像光束l1的一部分在穿過第二部分穿透部分反射元件TR2後仍具有左旋圓振態L；具有左旋圓振態L且來自於第二部分穿透部分反射元件TR2的影像光束l1的一部分在通過第四波片W4後具有S偏振態S；具有S偏振態S且來自於第四波片W4的影像光束l1的一部分第一次通過第二透鏡組G2；具有S偏振態S且來自於第二透鏡組G2的影像光束l1被第一反射式偏光片RP1反射後仍具有S偏振態S；具有S偏振態S且來自於第一反射式偏光片RP1之影像光束l1的一部分第二次通過第二透鏡組G2；具有S偏振態S且來自於第二透鏡組G2之影像光束l1的一部分通過第二波片W2後具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第四波片W4之影像光束l1的一部分被第二部分穿透部分反射元件TR2部分地反射後仍具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第二部分穿透部分反射元件TR2之影像光束l1的一部分通過第四波片W4後具有P偏振態P；具有P偏振態P且來自於第四波片W4之影像光束l1的一部分第三次通過第二透鏡組G2；具有P偏振態P且來自於第二透鏡組G2之影像光束l1的一部分可通過第一反射式偏光片RP1；影像光束l1可通過第一反射式偏光片RP1後可多次穿過第一透鏡組G1，進而為使用者的眼睛E所接收，其機制與前述圖3的實施例類似，本領域具有通常知識者參照圖7及前述說明應可知曉，於此便不再重述。

在本實施例中，第二部分穿透部分反射元件TR2的反射率及穿透率例如分別是50%及50%；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第二部分穿透部分反射元件TR2的反射率及穿透率也可以是其它數值，例如但不限於：30%及70%。此外，在本實施例中，第二部分穿透部分反射元件TR2之分別朝向第一側A1及第二側A2的第一表面及第二表面例如都是平面；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第二部分穿透部分反射元件TR2之所述第一表面及所述第二表面的至少一者也可以是非平面，例如但不限於：凹面、凸面或自由曲面等。

在本實施例中，第一光學結構1的第二偏振片P2、第三波片W3、第二部分穿透部分反射元件TR2、第四波片W4及第一反射式偏振片RP1能使環境光束l2多次地穿過第二透鏡組G2後才為使用者的眼睛E所接收；為使第二光學結構2能補償第一光學結構1之第二偏振片P2、第三波片W3、第二部分穿透部分反射元件TR2、第四波片W4及第一反射式偏振片RP1對環境光束l2造成的光學作用，第二光學結構2可進一步包括第七波片W7、第四部分穿透部分反射元件TR4及第八波片W8。

第七波片W7、第四部分穿透部分反射元件TR4及第八波片W8設置於環境光束l2的傳遞路徑上。第三偏振片P3、第五波片W5、第三部分穿透部分反射元件TR3、第六波片W6、第二反射式偏振片RP2、第七波片W7、第四部分穿透部分反射元件TR4及第八波片W8由第一側A1至第二側A2沿光軸I依序排列，且第四透鏡組G4設置於第四部分穿透部分反射元件TR4與第二反射式偏振片RP2之間。

第二反射式偏振片RP2、第七波片W7、第四部分穿透部分反射元件TR4及第八波片W8適於使環境光束l2多次穿過第四透鏡組G4並能通過第一光學結構1的第二偏振片P2，以下配合圖7舉例說明其機制。

舉例而言，在本實施例中，第七波片W7的光軸與第二部分穿透部分反射片RP2的穿透軸TA夾有一角度；第七波片W7可選擇性地為四分之一波片；亦即，第七波片W7所引進的相對相移可以是

；第八波片W8的光軸可實質上與第七波片W7 的光軸平行；第八波片W8可選擇性地為四分之一波片；亦即，第八波片W8所引進的相對相移可以是

；第二反射式偏振片RP2的穿透軸TA與第一光學結構1之第二偏振片P2的穿透軸TA實質上平行。

環境光束l2入射第二光學結構2後會多次穿過第三透鏡組G3，並於穿出第二反射式偏振片RP2後具有P偏極態P，其傳遞過程及偏極態的變化與圖3的實施例類似，於此便不再重述。

具有P偏極態P且來自於第二反射式偏振片RP2的環境光束l2第一次穿過第四透鏡組G4，環境光束l2第一次穿過第四透鏡組G4後仍具有P偏極態P；具有P偏極態P且來自於第四透鏡組G4的環境光束l2通過第七波片W7後可具有左旋圓偏振態L；具有左旋圓振態L且來自於第七波片W7的環境光束l2的一部分被第四部分穿透部分反射元件TR4反射，環境光束l2的一部分被第四部分穿透部分反射元件TR4反射後仍具有左旋圓振態L；具有左旋圓振態L且來自於第四部分穿透部分反射元件TR4的環境光束l2的一部分通過第七波片W7後可具有S偏振態S；具有S偏振態S且來自於第七波片W7的環境光束l2第二次穿過第四透鏡組G4；具有S偏振態S且來自於第四透鏡組G4的環境光束l2被第二反射式偏光片RP2反射後仍具有S偏振態S；具有S偏振態S且來自於第二反射式偏光片RP2的環境光束l2的一部分第三次通過第四透鏡組G4；具有S偏振態S且來自於第四透鏡組G4的環境光束l2通過第七波片W7後具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第七波片W7的環境光束l2的一部分穿過第四部分穿透部分反射元件TR4仍具有右旋圓偏振態R；具有右旋圓偏振態R且來自於第四部分穿透部分反射元件TR4之環境光束l2的一部分穿過第八波片W8後具有P偏振態P；具有P偏振態P且來自於第八波片W8之環境光束l2可依序通過導光元件WG及第一光學結構1的第二偏振片P2，而進 而被使用者的眼睛E所接收。其中，環境光束l2進入第一光學結構1後之傳遞過程及其偏振態的變化與影像光束l1進入第一光學結構1後之傳遞過程及其偏振態相同，於此便不再重述。

在本實施例中，第四部分穿透部分反射元件TR4的反射率及穿透率例如分別是50%及50%；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第四部分穿透部分反射元件TR4的反射率及穿透率也可以是其它數值，例如但不限於：30%及70%。在本實施例中，第四部分穿透部分反射元件TR4之分別朝向第一側A1及第二側A2的第一表面及第二表面例如都是平面；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第四部分穿透部分反射元件TR4之所述第一表面及所述第二表面的至少一者也可以是非平面，例如但不限於：凹面、凸面或自由曲面等。

在本實施例中，第二反射式偏振片RP2之分別朝向第一側A1及第二側A2的第一表面及第二表面例如都是平面；但本揭露不限於此，在其它實施例中，第二反射式偏振片RP2之所述第一表面及所述第二表面的至少一者也可以是非平面，例如但不限於：凹面、凸面或自由曲面等。

在圖7的實施例中，第一透鏡組G1的焦距、第二透鏡組G2的焦距及第一光學結構1的放大率可例如可以為下表三所示，但本揭露不以此為限。

第二透鏡組G2的焦距	第一透鏡組G1的焦距	第一光學結構1 的放大率
100mm	-80mm	1.25x
300mm	-200mm	1.5x
300mm	-100mm	3x

[表三]

此外，需說明的是，在上述的各實施例中，頭戴式顯示裝置10、10A、10B、10C是以做為擴增實境擴增（Augmented Reality，AR）裝置為示例。然而，本揭露不限於此，頭戴式顯示裝置10、10A、10B、10C也可至少省略第二光學結構2的設置，而做為虛擬實境（virtual reality，VR）裝置使用。該些虛擬實境裝置亦在所欲保護的範疇內。

綜上所述，本揭露一實施例的頭戴式顯示裝置包括影像源、第一透鏡組、第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片。影像源適於發出影像光束。第一透鏡組設置於影像光束的傳遞路徑上，且具有負屈光率。第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片設置於影像光束的傳遞路徑上。第一偏振片、第一波片、第一部分穿透部分反射元件、第二波片及第一反射式偏振片依序排列，且第一透鏡組設置於第一部分穿透部分反射元件與第一反射式偏振片之間。

在上述架構下，影像光束能在第一部分穿透部分反射元件與第一反射式偏振片之間來回傳遞多次，而多次穿過具有負屈光率的第一透鏡組。藉此，頭戴式顯示裝置能在不過度增加整體厚度的情況下拓展顯示影像的視野。

1:第一光學結構 2:第二光學結構 3:影像源 10、10A、10B、10C:頭戴式顯示裝置 A1:第一側 A2:第二側 E:眼睛 F1:第一焦點 F2:第二焦點 G1:第一透鏡組 G2:第二透鏡組 G3:第三透鏡組 G4:第四透鏡組 I:光軸 L:左旋圓偏振態 L1:第一透鏡 L2:第二透鏡 L3:第三透鏡 L4:第四透鏡 l1:影像光束 l2:環境光束 P:P偏振態 P1:第一偏振片 P2:第二偏振片 P3:第三偏振片 RP1:第一反射式偏振片 RP2:第二反射式偏振片 R:右旋圓振態 S:S偏振態 TA:穿透軸 TR1:第一部分穿透部分反射元件 TR2:第二部分穿透部分反射元件 TR3:第三部分穿透部分反射元件 TR4:第四部分穿透部分反射元件 WG:導光元件 W1:第一波片 W2:第二波片 W3:第三波片 W4:第四波片 W5:第五波片 W6:第六波片 W7:第七波片 W8:第八波片 α、α’:夾角

圖1為本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖2示意性地繪出一影像光束l1在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置中的傳遞路徑。 圖3示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10中的傳遞路徑及其偏振態的變化。 圖4示意性地繪出一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置中的傳遞路徑。 圖5示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10A中的傳遞路徑及其偏振態的變化。 圖6示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10B中的傳遞路徑及其偏振態的變化。 圖7示意性地繪出一影像光束l1及一環境光束l2在本揭露一實施例之頭戴式顯示裝置10C中的傳遞路徑及其偏振態的變化。

1:第一光學結構

2:第二光學結構

10:頭戴式顯示裝置

A1:第一側

A2:第二側

E:眼睛

F1:第一焦點

F2:第二焦點

G1:第一透鏡組

G2:第二透鏡組

G3:第三透鏡組

G4:第四透鏡組

I:光軸

L:左旋圓偏振態

L1:第一透鏡

L2:第二透鏡

L3:第三透鏡

L4:第四透鏡

l1:影像光束

l2:環境光束

P:P偏振態

P1:第一偏振片

P3:第三偏振片

RP1:第一反射式偏振片

RP2:第二反射式偏振片

R:右旋圓振態

S:S偏振態

TA:穿透軸

TR1:第一部分穿透部分反射元件

TR3:第三部分穿透部分反射元件

WG:導光元件

W1:第一波片

W2:第二波片

W5:第五波片

W6:第六波片

Claims (11)

1. 一種頭戴式顯示裝置，包括：一影像源，適於發出一影像光束；一第一透鏡組，設置於該影像光束的傳遞路徑上，且具有負屈光率；一第一偏振片、一第一波片、一第一部分穿透部分反射元件、一第二波片以及一第一反射式偏振片，設置於該影像光束的傳遞路徑上，其中該第一偏振片、該第一波片、該第一部分穿透部分反射元件、該第二波片及該第一反射式偏振片依序排列，且該第一透鏡組設置於該第一部分穿透部分反射元件與該第一反射式偏振片之間；一第二透鏡組，具有正屈光率，其中該第一透鏡組及該第二透鏡組由一第二側至一第一側沿一光軸依序排列，且該第一透鏡組的一第一焦點與該第二透鏡組的一第二焦點實質上重合，其中該第一透鏡組包括一凹透鏡，且該第二透鏡組包括一凸透鏡；一第二偏振片、一第三波片、一第二部分穿透部分反射元件以及一第四波片，設置於該影像光束的傳遞路徑上，其中該第二偏振片、該第三波片、該第二部分穿透部分反射元件、該第四波片、該第一反射式偏振片、該第二波片、該第一部分穿透部分反射元件、該第一波片及該第一偏振片由該第一側至該第二側沿該光軸依序排列，且該第二透鏡組設置於該第二部分穿透部分反射元件與該第一反射式偏振片之間。
2. 如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該第三波片為一四分之一波片，且該第四波片為一四分之一波片。
3. 如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該第二偏振片的一穿透軸與該第一反射式偏振片的一穿透軸實質上平行。
4. 如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一波片為一四分之一波片，且該第二波片為一四分之一波片。
5. 如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一偏振片的一穿透軸與該第一反射式偏振片的一穿透軸實質上平行。
6. 如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一導光元件，設置於該影像光束的傳遞路徑上；一第三透鏡組，具有負屈光率；一第三偏振片、一第五波片、一第三部分穿透部分反射元件、一第六波片及一第二反射式偏振片，其中一第一光學結構包括該第一透鏡組、該第一偏振片、該第一波片、該第一部分穿透部分反射元件、該第二波片及該第一反射式偏振片，一第二光學結構包括該第三透鏡組、該第三偏振片、該第五波片、該第三部分穿透部分反射元件、該第六波片及該第二反射式偏振片，該第一光學結構及該第二光學結構分別設置於該導光元件的相對兩側，該第三偏振片、該第五波片、該第三部分穿透部分反射元件、該第六波片及該第二反射式偏振片依序排列，且該第三透鏡組設置於該第三部分穿透部分反射元件與該第二反射式偏振片之間。
7. 如請求項6所述的頭戴式顯示裝置，其中該第二光學結構更包括：一第四透鏡組，具有正屈光率，其中該第二光學結構更包括該第四透鏡組，該第三透鏡組及該第四透鏡組由一第一側至一第二側沿一光軸依序排列；其中該第三透鏡組包括一凹透鏡，且該第四透鏡組包括一凸透鏡。
8. 如請求項7所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一第七波片、一第四部分穿透部分反射元件及一第八波片，其中該第三偏振片、該第五波片、該第三部分穿透部分反射元件、該第六波片、該第二反射式偏振片、該第七波片、該第四部分穿透部分反射元件及該第八波片由該第一側至該第二側沿該光軸依序排列，且該第四透鏡組設置於該第四部分穿透部分反射元件與該第二反射式偏振片之間。
9. 如請求項8所述的頭戴式顯示裝置，其中該第七波片為一四分之一波片，且該第八波片為一四分之一波片。
10. 如請求項6所述的頭戴式顯示裝置，其中該第五波片為一四分之一波片，且該第六波片為一四分之一波片。
11. 如請求項6所述的頭戴式顯示裝置，其中該第三偏振片的一穿透軸與該第二反射式偏振片的一穿實質上平行。

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