TWI823428B

TWI823428B - 光學系統

Info

Publication number: TWI823428B
Application number: TW111122634A
Authority: TW
Inventors: 黃上育
Original assignee: 大陸商業成科技（成都）有限公司; 大陸商業成光電（深圳）有限公司; 英特盛科技股份有限公司
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2023-11-21
Also published as: TW202401090A; CN114935822A

Abstract

一種光學系統，包括可發出光線之顯示屏及光學模組，其中光學模組包括沿光線路徑同軸設置的第一透鏡、第一相位延遲片、線性偏振片、半反射層、第二相位延遲片、反射式偏振片和第二透鏡，並由顯示屏往人眼方向依照線性偏振片、第一相位延遲片及半反射層的排列方式，將第一相位延遲片、線性偏振片及半反射層貼合於第一透鏡，使第一相位延遲片和線性偏振片依循第一透鏡的曲面形狀彎曲，以產生彎曲顯示的效果，從而解決習知平面顯示器邊緣在光學鏡頭中的大視角對準誤差所產生的漏光現象，並可減少雜散光所造成的鬼影問題。

Description

光學系統

本發明係有關光學技術領域，特別是指一種可改善大視角漏光與減少鬼影之光學系統。

隨著擴增實境（Augmented Reality ，AR）與虛擬實境（Virtual Reality ，VR）技術的發展逐漸成熟，使得以往出現在科幻小說和電影中由虛擬與現實混合而成的數位世界，愈來愈有機會實現。以虛擬實境技術而言，其中一種AR/VR頭戴顯示裝置的光學系統包括顯示器1以及光學模組2，如第1圖所示，顯示器1包括顯示屏10以及依次貼合於顯示屏10表面的線性偏振片（linear polarizer）11和相位延遲片12，使顯示屏10所輸出的光線呈現圓偏振狀態。光學模組2包括設置於顯示器1前方的半反射層（half-mirror coating）21、第一透鏡22、相位延遲片23、反射式偏振片（reflective polarizer）24、第二透鏡25及線性偏振片26等光學元件，讓顯示器1輸出的光線經過光學模組2的多次反射和相位調整之後來導出至人眼5，以藉由將原本較長的光線路徑大幅縮短，使得光學系統的整體體積可以達到最小化。

然而，AR/VR頭戴顯示裝置中平面顯示器邊緣在光學鏡頭中容易發生大視角漏光的問題。如第2A圖所示，理想的偏振角度對準情況是假設相位延遲片12和相位延遲片23的外型皆為平面。但是，顯示器通常是平面的，而光學鏡頭是曲面的。因此，真實的偏振角度對準情況則如第2B圖所示。相位延遲片12設置在顯示器裡而呈現平面，相位延遲片23設置在光學模組裡而呈現彎曲。由於兩者的外型具有曲率差異，將會造成偏振角度無法有效對準，而導致漏光。此外，首次經過半反射層反射回到顯示器的部分光線，容易再與AR/VR頭戴顯示裝置的機構件產生雜散光後，再投射進入光學模組而產生鬼影，而外界雜散光也容易直接進入光學模組，同樣會造成鬼影的問題。

本發明之主要目的在於提供一種光學系統，第一透鏡表面貼附線性偏振片與相位延遲片，而能依循第一透鏡的曲面形狀呈現彎曲，藉以避免習知平面顯示器邊緣在光學鏡頭中的大視角對準誤差所產生的漏光現象，而且可以進一步減少雜散光所導致的鬼影問題。

為達上述目的，本發明提供一種光學系統，包括有一顯示屏與一光學模組。其中，顯示屏用以輸出影像並發出光線。光學模組包括沿光線的路徑同軸設置的下列元件：一第一透鏡，相對顯示屏設置，第一透鏡包含面向顯示屏的外曲面以及背向顯示屏的內曲面；一第一相位延遲片，貼合於第一透鏡的外曲面；一線性偏振片，貼合於第一相位延遲片面向顯示屏的一面；一半反射層，設置於第一透鏡的內曲面或第一相位延遲片和第一透鏡的外曲面之間；一第二相位延遲片，相對半反射層和第一透鏡設置；一反射式偏振片，相對第二相位延遲片設置；以及一第二透鏡，相對反射式偏振片設置。

根據本發明之實施例，前述第一透鏡的外曲面和內曲面具有相同或相近的曲率。

根據本發明之實施例，前述線性偏振片接收顯示屏發出之光線並形成第一線偏振光，第一線偏振光經過第一相位延遲片轉換為第一圓偏振光，第一圓偏振光部分穿透半反射層後，部分則反射回顯示屏。

根據本發明之實施例，前述第二相位延遲片接收第一圓偏振光並轉換為第二線偏振光，第二線偏振光經過反射式偏振片反射，使第二線偏振光經過第二相位延遲片轉換為第二圓偏振光，第二圓偏振光部分穿透半反射層，部分則轉換為第三圓偏振光並反射回第二相位延遲片，以將第三圓偏振光轉換為第三線偏振光，再穿透反射式偏振片，接著經由第二透鏡導入人眼中。

根據本發明之實施例，前述第一相位延遲片之快軸與第二相位延遲片之快軸互相平行。

本發明還提供一種光學系統，包括有一顯示屏與一光學模組。其中，顯示屏用以輸出影像並發出光線。光學模組包括沿光線的路徑同軸設置的下列元件：一第一透鏡，相對顯示屏設置，第一透鏡包含面向顯示屏的外曲面以及背向顯示屏的內曲面；一第一相位延遲片，貼合於第一透鏡的內曲面；一線性偏振片，貼合於第一透鏡的外曲面；一半反射層，設置於第一相位延遲片背向顯示屏的一面；一第二相位延遲片，相對半反射層設置；一反射式偏振片，相對第二相位延遲片設置；以及一第二透鏡，相對反射式偏振片設置。

根據本發明之實施例，前述第一透鏡的外曲面和內曲面的曲率差異為30%以內。

根據本發明之實施例，前述線性偏振片接收顯示屏發出之光線並形成第一線偏振光，第一線偏振光通過第一透鏡導入第一相位延遲片並轉換為第一圓偏振光，第一圓偏振光部分穿透半反射層，部分則反射回顯示屏。

根據本發明之實施例，前述第二相位延遲片接收穿透半反射層之第一圓偏振光並轉換為第二線偏振光，第二線偏振光經過反射式偏振片反射，使第二線偏振光經過第二相位延遲片轉換為第二圓偏振光，第二圓偏振光部分穿透半反射層，部分則轉換為第三圓偏振光並反射回第二相位延遲片，以將第三圓偏振光轉換為第三線偏振光，再穿透反射式偏振片，接著經由第二透鏡導入人眼中。

與先前技術相比，本發明具有以下優勢：（1）本發明可以克服習知平面顯示器邊緣在光學鏡頭中的大視角對準誤差所產生的漏光問題。（2）本發明可以消除光學模組所反射回來的雜散光和外界的雜散光，從而改善習知光學系統所產生的鬼影問題。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知之形態。本領域之通常知識者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

請參照第3圖，其為本發明第一實施例之光學系統之結構剖面圖。本實施例之光學系統應用於AR/VR頭戴顯示裝置，其包括顯示屏3及光學模組4，相對彼此設置。顯示屏3用以輸出影像並發出光線至光學模組4，再通過光學模組4導入人眼5中而成像。光學模組3包括沿光線的路徑同軸設置的線性偏振片41、第一相位延遲片42、第一透鏡44、半反射層43、第二相位延遲片45、反射式偏振片46及第二透鏡47。其中，第一透鏡44相對顯示屏3設置，第一透鏡44包含面向顯示屏3的外曲面441以及背向顯示屏3的內曲面442，在第一透鏡44的外曲面441依序貼合有半反射層43、第一相位延遲片42和線性偏振片41，也就是說，線性偏振片41、第一相位延遲片42和半反射層43依序設置於顯示屏3和第一透鏡44之間。而第二相位延遲片45相對第一透鏡44設置。反射式偏振片46相對第二相位延遲片45設置。進一步說明，本實施例是將半反射層43、第一相位延遲片42和線性偏振片41以塗佈、鍍膜或黏合等方式置於第一透鏡44上而成為一體，使第一相位延遲片42和線性偏振片41能依循第一透鏡44的外曲面441的形狀進行彎曲。又如第4圖所示，由於第一相位延遲片42和第二相位延遲片45皆設置在光學模組4裡面，因此，兩者的外型具有相同或相近的曲率，使得光線的偏振角度可以有效對準，可避免發生漏光現象。

在本發明中，顯示屏3可為LCD顯示屏、LED顯示屏、電子紙顯示屏或OLED顯示屏。顯示屏3發出的光線可為偏振光或非偏振光，偏振光不限定偏振方向，例如，偏振光可為線偏振光、圓偏振光或其他之偏振態，而線偏振光的偏振方向不能與線性偏振片41的吸收軸同向，以免被線性偏振片41完全吸收；在本實施例中，顯示屏3所發出之光線為非偏振光。在本發明中，線性偏振片41用以接收從顯示屏3發出的光線，並使光線通過後成為線偏振光，本發明中所採用的線性偏振片41可為垂直偏振片或水平偏振片，垂直偏振片的穿透軸與光線路徑垂直，吸收軸與光線路徑平行，而水平偏振片的穿透軸與光線路徑平行，吸收軸與光線路徑垂直；本實施例之線性偏振片41為垂直偏振片，用以只提供偏振方向與光線路徑垂直之線偏振光通過，其餘偏振方向的光線不能通過。在本發明中，第一相位延遲片42用以接收從線性偏振片41通過之光線，並進行相位延遲；本實施例之第一相位延遲片42為四分之一波片，可增加四分之一波長的相位延遲。在本發明中，半反射層43用以接收從第一相位延遲片42通過之光線，並使光線部分穿透半反射層43，部分反射且將反射的光線作180度的相位轉換；本實施例之半反射層43是進行50%光線的穿透及50%光線的反射。在本發明中，第二相位延遲片45用以接收從半反射層43通過之光線，並進行相位延遲；本實施例之第二相位延遲片45為四分之一波片，可增加四分之一波長的相位延遲。本實施例中，第一相位延遲片42之快軸與第二相位延遲片45之快軸設置為互相平行，以增加光學效率。反射式偏振片46用以接收從第二相位延遲片45通過之光線，並將光線部分穿透、部分反射；本實施例之反射式偏振片46用以只提供偏振方向與光線路徑垂直之線偏振光通過，其餘偏振方向的光線則予以反射。

本發明中，第一透鏡44的外曲面441和內曲面442較佳具有相同或相近的曲率，具體而言，第一透鏡44的外曲面441和內曲面442的曲率差異為30%以內為較佳，可使軸向對準更為準確。本發明之第一透鏡44和第二透鏡47的種類不予以限制，例如可為球面透鏡、非球面透鏡、菲涅爾透鏡等單片透鏡，或是以上任意組合之多片式透鏡等等。本發明主要是將半反射層43、第一相位延遲片42和線性偏振片41與第一透鏡44上組合為一體，進一步更可以在半反射層43、第一相位延遲片42和線性偏振片41之間增加其他層別，例如可增加一個或多個線偏振片、圓偏振片或相位延遲片，而線偏振片、圓偏振片和相位延遲片之材質可為薄膜材料或光學鍍膜，其可利用塗佈、鍍膜或黏合的形式設置於第一透鏡44上。另外要說明的是，對於本發明技術領域具有通常知識者而言，第一相位延遲片42、線性偏振片41、第二相位延遲片45、反射式偏振片46及第二透鏡47中之任一者，可選用其他光學或DOE繞射的折返偏振膜、光學鏡片或其他相同功能性元件來取代，只要能達到第一相位延遲片42、線性偏振片41、第二相位延遲片45、反射式偏振片46及第二透鏡47與第一透鏡44上的半反射層43所形成的折返光學效果，應當都不脫離本發明之範圍。

進一步說明本實施例之具體操作流程。首先，顯示屏3輸出影像，並發出非偏振光到線性偏振片41，非偏振光經過線性偏振片41後變成第一線偏振光；第一線偏振光為垂直偏振光。第一相位延遲片42接收第一線偏振光後，將第一線偏振光轉換為第一圓偏振光；第一圓偏振光為右旋偏振光。半反射層43接收第一圓偏振光後，將50%的第一圓偏振光穿透半反射層43，再通過第一透鏡44導出，另外50%的第一圓偏振光則反射回顯示屏3。第二相位延遲片45接收第一透鏡44所導出之第一圓偏振光，將第一圓偏振光轉換為第二線偏振光；第二線偏振光為水平偏振光。反射式偏振片46接收第二線偏振光，再反射回第二相位延遲片45。然後，第二相位延遲片45將第二線偏振光轉換為第二圓偏振光；第二圓偏振光為右旋偏振光。第二圓偏振光接著經過半反射層43，使50%的第二圓偏振光穿透半反射層43，另外50%則轉180度的相位成為第三圓偏振光並反射回第二相位延遲片45；第三圓偏振光為左旋偏振光。由第二相位延遲片45將第三圓偏振光轉換為第三線偏振光；第三線偏振光為垂直偏振光。最後，反射式偏振片46可讓第三線偏振光直接通過，藉由第二透鏡47導入人眼5中。

請參照第4圖，其為本發明第二實施例之光學系統之結構剖面圖。和第一實施例的差異在於，本實施例將半反射層43貼合於第一透鏡44的內曲面442，並在第一透鏡44的外曲面441依序貼合有第一相位延遲片42和線性偏振片41，也就是說，也就是說，線性偏振片41和第一相位延遲片42依序設置於顯示屏3和第一透鏡44之間，半反射層43設置於第一透鏡44和第二相位延遲片45之間。同樣地，本實施例是將半反射層43、第一相位延遲片42和線性偏振片41以塗佈、鍍膜或黏合等方式置於第一透鏡44上而成為一體，使第一相位延遲片42和線性偏振片41能依循第一透鏡44的外曲面441的形狀進行彎曲。由於第一相位延遲片42和第二相位延遲片45皆設置在光學模組4裡面，因此，兩者的外型具有相同或相近的曲率，使得光線的偏振角度可以有效對準，可避免發生漏光現象。

進一步說明本實施例之具體操作流程。首先，顯示屏3輸出影像，並發出非偏振光到線性偏振片41，非偏振光經過線性偏振片41後變成第一線偏振光；第一線偏振光為垂直偏振光。第一相位延遲片42接收第一線偏振光後，將第一線偏振光轉換為第一圓偏振光，再穿過第一透鏡44；第一圓偏振光為右旋偏振光。半反射層43接收穿過第一透鏡44的第一圓偏振光後，將50%的第一圓偏振光穿透半反射層43，另外50%則反射回顯示屏3。第二相位延遲片45接收穿透半反射層43之第一圓偏振光，將第一圓偏振光轉換為第二線偏振光；第二線偏振光為水平偏振光。反射式偏振片46接收第二線偏振光，再反射回第二相位延遲片45。然後，第二相位延遲45片將第二線偏振光轉換為第二圓偏振光；第二圓偏振光為右旋偏振光。第二圓偏振光接著經過半反射層43，使50%的第二圓偏振光穿透半反射層43，另外50%則轉換為第三圓偏振光並反射回第二相位延遲片45；第三圓偏振光為左旋偏振光。由第二相位延遲片45將第三圓偏振光轉換為第三線偏振光；第三線偏振光為垂直偏振光。最後，反射式偏振片46可讓第三線偏振光直接通過，藉由第二透鏡47導入人眼5中。

另外，請參照第5圖，其為本發明第三實施例之光學系統之結構剖面圖。和第一、第二實施例的差異在於，本實施例將線性偏振片41貼合於第一透鏡44的外曲面441，並在第一透鏡44的內曲面442依序貼合有第一相位延遲片42和半反射層43，也就是說，也就是說，線性偏振片41設置於顯示屏3和第一透鏡44之間，第一相位延遲片42和半反射層43設置於第一透鏡44和第二相位延遲片45之間。同樣地，本實施例是將半反射層43、第一相位延遲片42和線性偏振片41以塗佈、鍍膜或黏合等方式置於第一透鏡44上而成為一體，使第一相位延遲片42和線性偏振片41能依循第一透鏡44的外曲面441和內曲面442的形狀進行彎曲。由於第一相位延遲片42和第二相位延遲片45皆設置在光學模組4裡面，因此，兩者的外型具有相同或相近的曲率，使得光線的偏振角度可以有效對準，可避免發生漏光現象。

進一步說明本實施例之具體操作流程。首先，顯示屏3輸出影像，並發出非偏振光到線性偏振片41，非偏振光經過線性偏振片41後變成第一線偏振光；第一線偏振光為垂直偏振光，再穿過第一透鏡44。第一相位延遲片43接收穿過第一透鏡44的第一線偏振光後，將第一線偏振光轉換為第一圓偏振光；第一圓偏振光為右旋偏振光。半反射層43接收第一圓偏振光後，將50%的第一圓偏振光穿透半反射層43，另外50%則反射回顯示屏3。第二相位延遲片45接收穿透半反射層43之第一圓偏振光，將第一圓偏振光轉換為第二線偏振光；第二線偏振光為水平偏振光。反射式偏振片46接收第二線偏振光，再反射回第二相位延遲片45。然後，第二相位延遲片45將第二線偏振光轉換為第二圓偏振光；第二圓偏振光為右旋偏振光。第二圓偏振光接著經過半反射層43，使50%的第二圓偏振光穿透半反射層43，另外50%則轉換為第三圓偏振光並反射回第二相位延遲片45；第三圓偏振光為左旋偏振光。由第二相位延遲片45將第三圓偏振光轉換為第三線偏振光；第三線偏振光為垂直偏振光。最後，反射式偏振片46可讓第三線偏振光直接通過，藉由第二透鏡47導入人眼5中。

此外，請參照第6圖，其為本發明之光學系統的雜散光區域之示意圖。在雜散光區域A：經過半反射層43的光線，其中50%的光線會穿透半反射層43，其餘50%反射回來的光線會被線性偏振片41所吸收，不會再與AR/VR頭戴顯示裝置的機構件產生雜散光後，再投射進入光學模組4而產生鬼影。在雜散光區域B：外界的雜散光經過半反射層43，其中50%反射的光線也會被線性偏振片41所吸收，因為此外界的雜散光是來自區域A的殘餘反射光，因此已屬於相當微量的雜散光。相較於習知的光學系統，本發明可以有效改善雜散光所造成的鬼影問題。

綜上所述，本發明所提供之光學系統，利用將線性偏振片和第一相位延遲片貼合於第一透鏡表面，並按照線性偏振片、第一相位延遲片和半反射層的排列方式來和第一透鏡組合為一體，使線性偏振片和第一相位延遲片能依循第一透鏡的曲面形狀呈現彎曲，可產生彎曲的顯示效果，藉以避免習知平面顯示器邊緣在光學鏡頭中的大視角對準誤差所產生的漏光現象，同時，可以進一步消除光學模組所反射回來的雜散光和外界的雜散光，從而改善習知光學系統所產生的鬼影問題。本發明適用於LCD顯示器、LED顯示器、電子紙顯示器或OLED顯示器，在顯示器中不用額外設置偏振片，即可達到理想的光學效率。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1:顯示器

10:顯示屏

11:線性偏振片

12:相位延遲片

2:光學模組

21:半反射層

22:第一透鏡

23:相位延遲片

24:反射式偏振片

25:第二透鏡

26:線性偏振片

3:顯示屏

4:光學模組

41:線性偏振片

42:第一相位延遲片

43:半反射層

44:第一透鏡

441:外曲面

442:內曲面

45:第二相位延遲片

46:反射式偏振片

47:第二透鏡

5:人眼

A:雜散光區域

B:雜散光區域

第1圖為先前技術的一種AR/VR頭戴顯示裝置的光學系統之布局示意圖。第2A圖為第1圖中兩個相位延遲片的理想的偏振角度對準情況之示意圖。第2B圖為第1圖中兩個相位延遲片的真實的偏振角度對準情況之示意圖第3圖為本發明第一實施例之光學系統的結構剖面圖。第4圖為本發明第二實施例之光學系統之結構剖面圖。第5圖為本發明第三實施例之光學系統之結構剖面圖。第6圖為本發明之光學系統的雜散光區域之示意圖。