TWI828063B - 光學顯示系統 - Google Patents

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Abstract

一種可變焦透鏡元件，包含一透鏡單元及一偏振控制器。該透鏡單元依據不同偏振方向的光束而具有不同的光焦度。當一光束經由處於一第一狀態的偏振控制器被導入該可變焦透鏡元件時，該光束的偏振方向被該偏振控制器轉換。當該光束經由處於一第二狀態的偏振控制器被導入該可變焦透鏡元件時，能防止該光束的偏振方向被該偏振控制器轉換。此外，本發明還提供一具有至少一可變焦透鏡元件的矯正透鏡組件，及一光學顯示系統。

Description

光學顯示系統
本發明是有關於一種可變焦透鏡元件，特別是指一種可變焦透鏡元件，一具有至少一可變焦透鏡元件的矯正透鏡組件，及一具有至少一可變焦透鏡元件的光學顯示系統。
近眼顯示器(例如：頭戴式顯示器)經常被應用於在虛擬實境(Virtual Reality，VR)、擴增實境(Augmented Reality，AR)等系統中，供用以在一使用者的視場(field of view，FOV)中創造虛擬影像。然而，基於視覺輻輳調節衝突(vergence accommodation conflict，VAC)的現象，而造成該使用者在使用該近眼顯示器時，無法輕易利用雙眼同時進行輻輳調節等動作來估計物體的相對距離，而容易產生視覺疲勞或眼睛疲勞。
而為了能提供更加良好的視場效果，該近眼顯示器與使用者的雙眼之間距離通常限制在一特定範圍(例如15mm至25mm)。然而，若該使用者有佩戴眼鏡，則會使該使用者雙眼與該 近眼顯示器間的距離無法保持在前述的特定範圍中，而不利於視場效果的呈現。此外，若額外提供一供該使用者配戴的專用眼鏡，以供該使用者觀看影像使用，則會在使用上造成麻煩。
因此，本發明的目的，即在提供一種適用於光學顯示系統(例如近眼顯示器)的可變焦透鏡元件，用以消除或減緩前述之至少一缺點。
於是，本發明可變焦透鏡元件，包含一透鏡單元，及一偏振控制器。
該透鏡單元包括一偏振相依透鏡，且對於不同偏振方向的光束而具有不同的光焦度。
該偏振控制器與該透鏡單元耦接，並可經由電性驅動方式自一第一狀態切換至一第二狀態。
其中，當一光束沿著一位在一Z方向的光軸被導入該可變焦透鏡元件，並穿過處於該第一狀態的偏振控制器，該光束的偏振方向會被該偏振控制器轉換，當該光束沿著該光軸被導入該可變焦透鏡元件，並穿過處於該第二狀態的偏振控制器，能防止該光束的偏振方向被該偏振控制器轉換。
本發明的另一目的，即在提供一種矯正透鏡組件。
於是，本發明矯正透鏡組件，包含至少一如前述的可變焦透鏡元件，及一偏振片。
該偏振片用於將一線偏振光傳輸到該至少一可變焦透鏡元件，該至少一可變焦透鏡元件的偏振控制器與透鏡單元分別以鄰近與遠離該偏振片的方式設置。
本發明的另一目的，即在提供一種光學顯示系統。
於是，本發明光學顯示系統，包含至少一如前述的可變焦透鏡元件。
本發明的功效在於：該至少一可變焦透鏡元件藉由切換其偏振控制器的狀態來轉換光束的偏振方向，而使該透鏡單元具有不同的光焦度，該矯正透鏡組件經由切換其所配置的至少一可變焦透鏡元件的狀態，而可具有多種可能的光焦度變化，適用於日常矯正視力，類似的，該光學顯示系統經由切換其所配置的至少一可變焦透鏡元件的狀態，而可以依據觀看者的距離需求移動所生成之虛擬影像的形成位置，而能減緩由一近眼顯示器所造成的視覺輻輳調節衝突。
10(10a~10n):可變焦透鏡元件
20(20a~20n):透鏡單元
21:偏振相依透鏡
211:液晶分子
22:偏振無相依透鏡
30(30a~30n):偏振控制器
40:偏振片
50:顯示器
60:定焦透鏡
70:分光器
80:定焦鏡
90:擴增實境元件
100:眼睛
300:矯正透鏡組件
400、500、600、700:光學顯示系統
101、103、104、106:Y偏振光
102、105、107:X偏振光
201、203:Y偏振光
202、204、205、206:X偏振光
301:Y偏振光
302:X偏振光
401、404:Y偏振光
402、403:X偏振光
A:光軸
L:長軸
X、Y、Z:方向
d1:第一距離
d2:第二距離
X1、X2、X3、X4:距離
V、V1、V2、V3:虛擬影像
R、R1、R2、R3:真實物件
L1~L6:光路徑
L11、L12、L21、L22:分支路徑
L31、L32、L41、L42:分支路徑
L51、L52、L61、L62:分支路徑
L511、L512:次分支路徑
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明本發明可變焦透鏡元件的一實施例，且其偏振控制器處於一第一狀態；圖2是一示意圖，輔助圖1說明該實施例的偏振控制器處於一第二狀態；圖3是一示意圖，說明本發明矯正透鏡組件的一第一實施例；圖4是一示意圖，說明本發明矯正透鏡組件的一第二實施例；圖5至圖7是相似於圖4的示意圖，說明該矯正透鏡組件的該第二實施例處於另一實施態樣；圖8是一示意圖，說明本發明光學顯示系統的一第一實施例；圖9是一示意圖，輔助圖8說明該光學顯示系統處於另一實施態樣；圖10是一示意圖，說明本發明光學顯示系統的一第二實施例；圖11至圖13是相似於圖10的示意圖，說明該光學顯示系統的該第二實施例處於另一實施態樣；圖14是一示意圖，說明本發明光學顯示系統的一第三實施例；圖15是一示意圖，輔助圖14說明該光學顯示系統的該第三實施例處於另一實施態樣；圖16是一示意圖，說明本發明光學顯示系統的第四實施例，並標示一用於形成一虛擬影像的光路徑；圖17是一示意圖，輔助說明該光學顯示系統的該第四實施例， 並標示一用於形成一真實物件影像的光路徑；及圖18是一示意圖，說明本發明該光學顯示系統的一第五實施例。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關，且於說明內容與申請範圍中所使用的方向性術語(例如：前方、後方、左、右、頂部、底部等)僅旨在於幫助描述所說明的內容，而不該以任何形式被視為本發明的限制條件。
參閱圖1與圖2，為本發明可變焦透鏡元件10的一實施例，包含一透鏡單元20，及一偏振控制器30。
該透鏡單元20包括一偏振相依透鏡21，且對於不同偏振方向的光束具有不同的光焦度(optical power)。在一些實施例中，該透鏡單元20還包括一偏振無相依透鏡22，且該偏振相依透鏡21及該偏振無相依透鏡22各自具有彼此反向的兩表面，用以決定其光學性質，且該兩表面選自平面、球面、非球面、自由曲面、 凹面，及凸面的其中一者。
在本實施例中，該偏振相依透鏡21及該偏振無相依透鏡22的其中一者為一平凹透鏡(plano-concave lens)，而另一者為一平凸透鏡(plano-convex lens)，且於圖1與圖2中所示的可變焦透鏡元件10是以該偏振相依透鏡21為一平凹透鏡，該偏振無相依透鏡22為一平凸透鏡為例作說明。
在一些實施例中，該偏振相依透鏡21具有多數液晶分子211，該等液晶分子211的長軸L沿著一正交於一Z方向的Y方向排列。一光束被導入並穿過該可變焦透鏡元件10，而沿著一位在該Z方向的光軸A被導入並穿過該可變焦透鏡元件10。
如圖1所示，當該光束通過該透鏡單元20，會沿著一正交於該Y方向與該Z方向的X方向產生偏振，而形成一X偏振光102，且該X偏振光102的偏振方向正交於該等液晶分子211的長軸L的排列方向。在此條件下，該X偏振光102被視為一尋常光(ordinary ray)，且該透鏡單元20具有一第一光焦度Po。
如圖2所示，當該光束(即一Y偏振光101)通過該透鏡單元20，會沿著該Y方向產生偏振，且該Y偏振光101的偏振方向平行於該等液晶分子211的長軸L的排列方向。在此條件下，該Y偏振光101被視為一非尋常光(extraordinary ray)，且該透鏡單元20具有一不同於該第一光焦度Po的第二光焦度Pe。
該偏振控制器30耦接於該透鏡單元20，並可經由電性驅動方式在一第一狀態及一第二狀態之間切換。
當該光束沿著該光軸A被導入該可變焦透鏡元件10，並穿過處於該第一狀態的偏振控制器30(見圖1)，該光束的一偏振方向被該偏振控制器30轉換。例如：如圖1所示的該Y偏振光101被該偏振控制器30轉換成該X偏振光102。當該光束沿著該光軸A被導入該可變焦透鏡元件10，並穿過處於該第二狀態的偏振控制器30(見圖2)，能防止該光束的偏振方向被該偏振控制器30轉換。例如：如圖2所示的該Y偏振光101通過該偏振控制器30而未被轉換。
該偏振控制器30選自扭曲向列型(TN型)液晶元件、液晶波片，及其組合。在本實施例中，該偏振控制器30為一扭曲向列型液晶元件，而可在極短的時間內在該第一狀態(關閉狀態)與該第二狀態(啟動狀態)之間進行切換。
參閱圖3，說明本發明矯正透鏡組件300的一第一實施例，適用於日常矯正視力。該矯正透鏡組件300包含至少一可變焦透鏡元件10，及一偏振片40。該偏振片40用於將一線偏振光傳輸至該至少一可變焦透鏡元件10。該至少一可變焦透鏡元件10是以該偏振控制器30與該透鏡單元20分別鄰近與遠離該偏振片40的方式設置。
在一些實施例中，如圖3所示，該矯正透鏡組件300包含 多個可變焦透鏡元件10a~10n。當該等可變焦透鏡元件10a~10n的偏振控制器30全部處於該第二狀態(啟動狀態)，當一Y偏振光103通過該等可變焦透鏡元件10a~10n的透鏡單元20，該等可變焦透鏡元件10a~10n各自具有光焦度Pae~Pne。在此條件下，該矯正透鏡組件300的光焦度為Pae~Pne的總和(即該等可變焦透鏡元件10a~10n的光焦度總和)。
另一方面，當其中一可變焦透鏡元件10a處於該第一狀態(關閉狀態)，而其他可變焦透鏡元件10b~10n處於該第二狀態(啟動狀態)，且一X偏振光(圖未示)通過該等可變焦透鏡元件10a~10n的透鏡單元20，在此條件下，該矯正透鏡組件300的光焦度為Pao~Pno的總和(即該等可變焦透鏡元件10a~10n的光焦度總和)。因此，利用改變該等可變焦距透鏡元件10a~10n的偏振控制器30的狀態，該矯正透鏡組件300的光焦度具有2n種可能的變化。因此，該矯正透鏡組件300的光焦度可依據一使用者的眼睛100所需的視力矯正進行調整。
參閱圖4至圖7，為本發明矯正透鏡組件300的第二實施例，該第二實施例與該第一實施例相似，其差異在於，該第二實施例的矯正透鏡元件300僅包含兩個可變焦透鏡元件10a、10b，且分別具有一偏振控制器30a、30b，及一透鏡單元20a、20b。
當該等偏振控制器30a、30b皆處於該第一狀態(關閉狀 態)，該光束於該矯正透鏡組件300中的偏振轉換情形如圖4所示。一Y偏振光104被該偏振控制器30a轉換成一X偏振光105，接下來，該X偏振光105通過該透鏡單元20a，使該透鏡單元20a具有一光焦度Pao，之後，該X偏振光105被該偏振控制器30b轉換成一Y偏振光106，該Y偏振光106穿過該透鏡單元20b，使該透鏡單元20b具有一光焦度Pbe。因此，在如圖4所示的條件下，該矯正透鏡組件300的光焦度為Pao及Pbe的總和。
當該偏振控制器30a處於該第二狀態(啟動狀態)，該偏振控制器30b處於該第一狀態(關閉狀態)，該光束於該矯正透鏡組件300中的偏振轉換情形如圖5所示。一Y偏振光104穿過該偏振控制器30a而不會被轉換，接下來，該Y偏振光104穿過該透鏡單元20a，使該透鏡單元20a具有一光焦度Pae，隨後，該Y偏振光104被該偏振控制器30b轉換成一X偏振光107，之後，該X偏振光107通過該透鏡單元20b，使該透鏡單元20b具有一光焦度Pbo。因此，在如圖5所示的條件下，該矯正透鏡組件300的光焦度為Pae及Pbo的總和。
當該偏振控制器30a處於該第一狀態(關閉狀態)，該偏振控制器30b處於該第二狀態(啟動狀態)，該光束於該矯正透鏡組件300中的偏振轉換情形如圖6所示。一Y偏振光104被該偏振控制器30a轉換成一X偏振光105，接下來，該X偏振光105穿過該透鏡單 元20a，使該透鏡單元20a具有一光焦度Pao，隨後，該X偏振光105穿過該偏振控制器30b而未被轉換，之後，該X偏振光105通過該透鏡單元20b，使該透鏡單元20b具有一光焦度Pbo。因此，在如圖6所示的條件下，該矯正透鏡組件300的光焦度為Pao及Pbo的總和。
當該等偏振控制器30a、30b皆處於該第二狀態(啟動狀態)，該光束於該矯正透鏡組件300中的偏振轉換情形如圖7所示。一Y偏振光104被該偏振控制器30a而未被轉換，接下來，該Y偏振光104穿過該透鏡單元20a，使該透鏡單元20a具有一光焦度Pae，隨後，該Y偏振光104穿過該偏振控制器30b而未被轉換，之後，該Y偏振光104通過該透鏡單元20b，使該透鏡單元20b具有一光焦度Pbe。因此，在如圖7所示的條件下，該矯正透鏡組件300的光焦度為Pae及Pbe的總和。
因此，當矯正透鏡組件300中包括兩個可變焦透鏡元件10a、10b時，該矯正透鏡組件300的光焦度可以具有四種可能的變化。
參閱圖8和圖9，為本發明光學顯示系統400的一第一實施例，該光學顯示系統400包含一個可變焦透鏡元件10，及一顯示器50。該顯示器50用於提供一光束，以穿過該可變焦透鏡元件10。該可變焦透鏡元件10是以該偏振控制器30與該透鏡單元20分別鄰近與遠離該顯示器50的方式設置。在一些實施例中，該顯示器50 提供一非偏振光，該光學顯示系統400還包含一偏振片40(見圖8、圖9)。在一些實施例中，該顯示器50提供一線偏振光(例如：一Y偏振光201)，則該光學顯示系統400不會配置該偏振片40。
在圖8與圖9的實施例中，該光學顯示系統400還包含一設置於該顯示器50下游的定焦透鏡60，使來自該顯示器50的光線可經由該定焦透鏡60，及該至少一可變焦透鏡元件10被傳輸至一觀看者(以一眼睛100表示)，從而形成一虛擬影像V。該定焦透鏡60可以選自任何具有所需焦距(focal length)的光學透鏡。在一些實施例中，該定焦透鏡60被設置在該至少一可變焦透鏡元件10與該觀看者之間。
當該可變焦透鏡元件10的偏振控制器30處於該第一狀態，該光束於該光學顯示系統400中的偏振轉換情形如圖8所示。一來自該顯示器50的Y偏振光201穿過該定焦透鏡60，而被該偏振控制器30轉換成一X偏振光202，該X偏振光202通過該透鏡單元20，使該透鏡單元20具有一光焦度Po，之後，該X偏振光202行進至該觀看者的眼睛100。在此條件下，該虛擬影像V於該顯示器50後方的一第一距離d1形成。
當偏振控制器30處於該第二狀態，該光束於該光學顯示系統400中的偏振轉換情形如圖9所示。一來自該顯示器50的Y偏振光201穿過該定焦透鏡60，並穿過該偏振控制器30而未被轉換，該 Y偏振光201通過該透鏡單元20，使該透鏡單元20具有一光焦度Pe，之後，該Y偏振光201行進至該觀看者的眼睛100。在此條件下，該虛擬影像V於該顯示器50後方的一第二距離d2形成，且該第二距離d2小於該第一距離d1。
因此，可經由改變該可變焦透鏡元件10的偏振控制器30的狀態，來移動該虛擬影像V的形成位置。
在一些實施例中，如圖8與圖9所示的該光學顯示系統400可以作為一適用於虛擬實境(VR)系統(圖未示)的近眼顯示器的一部分。該光學顯示系統400可以透過切換該可變焦透鏡元件10之偏振控制器30的狀態，來移動該虛擬影像V。此外，該光學顯示系統400可用於減輕由該近眼顯示器引起的視覺輻輳調節衝突(VAC)，及/或用於該近眼顯示器中的視力矯正。
參閱圖10至圖13，為本發明光學顯示系統400的一第二實施例，該第二實施例的光學顯示系統400與該第一實施例光學顯示系統400(如圖8所示)相似，其差異在於，該第二實施例的光學顯示系統400包含三個可變焦透鏡元件10(分別以10a、10b、10c表示)，每一個可變焦透鏡元件10a、10b、10c包括一偏振控制器30a、30b、30c，及一透鏡單元20a、20b、20c。
於圖10中，該偏振控制器30a處於該第一狀態，而該等偏振控制器30b、30c則處於該第二狀態。當一來自該顯示器50的 Y偏振光203穿過該定焦透鏡60後，該Y偏振光203被該偏振控制器30a轉換一X偏振光204，然後，該X偏振光204依序通過該透鏡單元20a、該偏振控制器30b、該透鏡單元20b、該偏振控制器30c，及該透鏡單元30c，最後行進至該觀看者的眼睛100。因此，在如圖10所示的條件下，該等可變焦透鏡元件10a、10b、10c具有一光焦度，且該光焦度為Pao、Pbo及Pco的總和。在該實施例中，一虛擬影像V在該顯示器50後方的一距離X1形成(例如：該距離X1約為480cm)。
在圖11，該等偏振控制器30a、30c處於該第二狀態，該偏振控制器30b處於該第一狀態。當一來自該顯示器50的Y偏振光203穿過該定焦透鏡60、該偏振控制器30a、該透鏡單元20a之後，該Y偏振光203被該偏振控制器30b轉換成一X偏振光205，然後，該X偏振光205依序穿過該透鏡單元20b、該偏振控制器30c及該透鏡單元30c，最後行進至該觀看者的眼睛100。因此，在圖11所示的條件下，該等可變焦透鏡元件10a、10b、10c具有一光焦度，且該光焦度為Pae、Pbo及Pco的總和。在該實施例中，一虛擬影像V在該顯示器50後方的一距離X2形成，且該距離X2小於該距離X1(例如：該距離X2約為73cm)。
在圖12，該等偏振控制器30a、30b處於該第二狀態，該偏振控制器30c處於該第一狀態。當一來自該顯示器50的Y偏振光 203穿過該定焦透鏡60、該偏振控制器30a、該透鏡單元20a、該偏振控制器30b，及該透鏡單元20b之後，該Y偏振光203被該偏振控制器30c轉換成一X偏振光206，然後，該X偏振光206依序穿過該透鏡單元20c，最後行進至該觀看者的眼睛100。因此，在圖12所示的條件下，該等可變焦透鏡元件10a、10b、10c具有一光焦度，且該光焦度為Pae、Pbe及Pco的總和。在該實施例中，一虛擬影像V在該顯示器50後方的一距離X3形成，且該距離X3小於該距離X2(例如：該距離X3約為35cm)。
在圖13，該等偏振控制器30a、30b、30c處於該第二狀態。當一來自該顯示器50的Y偏振光203穿過該定焦透鏡60、該偏振控制器30a、該透鏡單元20a、該偏振控制器30b、該透鏡單元20b、該偏振控制器30c，及該透鏡單元20c之後，行進至該觀看者的眼睛100。因此，在圖13所示的條件下，該等可變焦透鏡元件10a、10b、10c具有一光焦度，且該光焦度為Pae、Pbe及Pce的總和。在該實施例中，一虛擬影像V在該顯示器50後方的一距離X4形成，且該距離X4小於該距離X3(例如：該距離X3約為21cm)。
參閱圖14與圖15，為本發明光學顯示系統500的一第三實施例，該第三實施例的光學顯示系統500與該第一實施例的光學顯示系統400(如圖8所示)相似，其差異在於，該光學顯示系統500還包含一分光器70(beam splitter)，用於合併一來自真實物件的 光束，及來自該顯示器50且被該至少一可變焦透鏡元件10輸出的光束，而可作為一適用於擴增實境(AR)系統(圖未示)的近眼顯示器的一部分。
在一些實施例中，該分光器70為一偏振無相依分光器，用於反射約50%的入射光，且透射約50%的光。
在一些實施例中，如圖14與圖15所示，該分光器70用於部分地透射光束，且該光束來自位於該分光器70前方的該真實物件，及來自位於該分光器70右側或左側的該顯示器50。該至少一可變焦透鏡元件10設置於該分光器70與該顯示器50之間。
該定焦透鏡60用於使來自該顯示器50，且穿過該可變焦透鏡元件10的光束被導向該分光器70。在一些實施例中，如圖14與圖15所示，該定焦透鏡60設置於該至少一可變焦透鏡元件10與該分光器70之間。在其它實施例中，該定焦透鏡60設置於該至少一可變焦透鏡元件10與該顯示器50之間。當該顯示器50提供一非偏振光，則還需設置一位於該顯示器50與至少一可變焦透鏡元件10之間的偏振片40(見圖14、圖15)。當該顯示器50提供一線偏振光(例如一Y偏振光301)，則無需設置該偏振片40。
圖14描述一用於形成一虛擬影像V1的光路徑L1，及一用於形成一真實世界影像的光路徑L2。一真實物件R1遠離該光學顯示系統500設置。當一來自該顯示器50的Y偏振光301沿著該光 路徑L1行進，並經過處於該第一狀態的偏振控制器30，該Y偏振光301被轉換成一X偏振光302，然後，該X偏振光302沿著該光路徑L1穿過該透鏡單元20，使該透鏡單元20具有一光焦度Po，該X偏振光302繼續沿著該光路徑L1行進，並穿過該定焦透鏡60之後，該X偏振光302被該分光器70分為兩道光，並分別沿著兩個分支路徑L11、L12行進。也就是說，有約50%的X偏振光穿過該分光器70，並沿著該分支路徑L11行進，約50%的X偏振光則被該分光器70反射而沿著該分支路徑L12行進，並到達該觀看者的眼睛100。沿著該分支路徑L12行進的X偏振光會形成與該真實物件R1相鄰的虛擬影像V1。
此外，一來自該真實物件R1的光束沿著該光路徑L2行進，並穿過該分光器70。沿著該光路徑L2行進的該光束有約50%通過該分光器70，並沿著一分支路徑L21到達該觀看者的眼睛100，有約50%被該分光器70反射並沿著一分支路徑L22行進。沿著該分支路徑L21行進的光束會形成該真實世界影像。
圖15描述一用於形成一虛擬影像V2的光路徑L3，及一用於形成一真實世界影像的光路徑L4。相較於如圖14所示的該真實物件R1，一真實物件R2鄰近該光學顯示系統500設置。當一來自該顯示器50的Y偏振光301沿著該光路徑L3行進，並經過處於該第二狀態的偏振控制器30，能防止該Y偏振光301被轉換，然後， 該Y偏振光301穿過該透鏡單元20，使該透鏡單元20具有一光焦度Pe，該Y偏振光301繼續沿著該光路徑L3行進，並穿過該定焦透鏡60之後，該Y偏振光301被該分光器70分為兩道光，並分別沿著兩個分支路徑L31、L32行進。也就是說，有約50%的Y偏振光穿過該分光器70，並沿著該分支路徑L31行進，約50%的Y偏振光則被該分光器70反射而沿著該分支路徑L32行進，並到達該觀看者的眼睛100。沿著該分支路徑L32行進的Y偏振光會形成與該真實物件R2相鄰的虛擬影像V2。
此外，一來自該真實物件R2的光束沿著該光路徑L4行進，並穿過該分光器70。沿著該光路徑L4行進的該光束有約50%通過該分光器70，並沿著一分支路徑L41到達該觀看者的眼睛100，有約50%被該分光器70反射並沿著一分支路徑L42行進。沿著該分支路徑L41行進的光束會形成該真實世界影像。
由前述說明可知，藉由改變該偏振控制器30的狀態，可以移動虛擬影像的形成位置。在其它實施例中(圖未示)，該光學顯示系統500包含多個可變焦透鏡元件10，因此，透過切換該等偏振控制器30的狀態，可以將虛擬影像移動至所期望的位置。此外，該光學顯示系統500可用於減輕由該近眼顯示器引起的視覺輻輳調節衝突。
參閱圖16與圖17，為本發明光學顯示系統600的一第四 實施例，該第四實施例的光學顯示系統600與該第三實施例的光學顯示系統500(如圖14所示)相似，其差異在於，該至少一可變焦透鏡元件10與該顯示器50的相對位置不同，且該分光器70位於該至少一可變焦透鏡元件10與該顯示器50之間，此外，該光學顯示系統600並未配置有如圖14、圖15所示的定焦透鏡60，但還包含一設置於該至少一可變焦透鏡元件10外側的定焦鏡80(fixed focus mirror)，而可使來自該顯示器50的光束在穿過該該分光器70與該至少一可變焦透鏡元件10後被該定焦鏡80反射回至該分光器70。且該定焦鏡80可以選自任何具有符合需求之焦距的反射曲面鏡。
在一些實施例中，該顯示器50提供一非偏振光，則需配置一位於該顯示器50與該至少一可變焦透鏡元件10之間的偏振片40(見圖16、圖17)，例如可以設置在該顯示器50與該分光器70之間，或是設置在該分光器70與該至少一可變焦透鏡元件10之間。在一些實施例中，該顯示器50用於提供一線偏振光(例如一Y偏振光401)，則該光學顯示系統600則不會配置該偏振片40。
在圖16中，該偏振控制器30處於該第一狀態，則一用於形成一虛擬影像V3的光路徑L5如圖16所示。該顯示器50用於提供一Y偏振光401，並沿著該光路徑L5行進，該Y偏振光401被導入該分光器70，而被分為兩道光，並分別沿著兩個分支路徑L51、L52行進。也就是說，有約50%的Y偏振光穿過該分光器70，並沿著該 分支路徑L51行進，約50%的Y偏振光則被該分光器70反射而沿著該分支路徑L52行進，並到達該觀看者的眼睛100。沿著該分支路徑L51行進的Y偏振光會被該偏振控制器30轉換成一X偏振光402，之後，該X偏振光402沿著該分支路徑L51行進，穿過該透鏡單元20後被該定焦鏡80反射，接下來，被反射的X偏振光403沿著該分支路徑L51再次通過該透鏡單元20，然後被該偏振控制器30轉換為一Y偏振光404，之後，該Y偏振光404沿著該分支路徑L51行進，並被該分光器70分為兩道光，並分別沿著兩個次分支路徑L511、L512行進。也就是說，有約50%的Y偏振光穿過該分光器70，並沿著該次分支路徑L511行進，約50%的Y偏振光則被該分光器70反射而沿著該次分支路徑L512行進，並到達該觀看者的眼睛100。沿著該次分支路徑L512行進的光束會形成鄰近該真實物件R3的虛擬影像V3。在此條件下，形成該虛擬影像V3的光束會通過該透鏡單元20兩次，也就是說，該透鏡單元20可對該光束進行兩次調變，因此，相較於該光學顯示系統500，該光學顯示系統600具有兩倍的光焦度。也就是說，當該光學顯示系統500、600的偏振控制器30皆處於該第二狀態，由該光學顯示系統600所形成的虛擬影像會離該觀看者更近。
圖17描述一用於形成一真實世界影像的光路徑L6。一來自一真實物件R3的光束沿著該光路徑L6行進，並穿過該分光器 70。沿著該光路徑L6行進的該光束有約50%被該分光器70透射，並沿著一分支路徑L61到達該觀看者的眼睛100，有約50%被該分光器70反射並沿著一分支路徑L62行進。沿著該分支路徑L61行進的光束形成該真實世界影像。
此外，藉由改變該偏振控制器30的狀態，可以改變該虛擬影像的形成位置。在其它實施例中(圖未示)，該光學顯示系統600包含多個可變焦透鏡元件10，因此藉由該等可變焦透鏡元件10的偏振控制器30的狀態，而可在更多可能的位置上形成該虛擬影像。且該光學顯示系統600可用於減輕由一近眼顯示器(圖未示)引起的視覺輻輳調節衝突。
參閱圖18，為本發明光學顯示系統700的一第五實施例，包含至少一可變焦透鏡元件10，及一擴增實境元件90。該擴增實境元件90用於使一來自該擴增實境元件90的組合影像經由該至少一可變焦透鏡元件10被導向該觀看者(以觀看者的眼睛100表示)。且該擴增實境元件90可以選自任何可經商業取得的擴增實境元件，或是如前所述的光學顯示系統500、600。
在一些實施例中，該光學顯示系統700還包含一設置於該擴增實境元件90與該至少一可變焦透鏡元件10之間的偏振片40，用以將一來自該組合影像的光束轉換成一線偏振光，並穿過該至少一可變焦透鏡元件10。
在一些實施例中，如圖18所示，該光學顯示系統700包含多個可變焦透鏡元件10a~10n，該等可變焦透鏡元件10a~10n的具有與該矯正透鏡組件300中的可變焦透鏡元件10a~10n相似的功能，也就是說，該等可變焦透鏡元件10a~10n的光焦度總和可以依據該觀看者的眼睛100的視覺矯正需求來調整。因此，當使用該光學顯示系統700來觀看一組合影像時，該觀看者可以直接觀看該組合影像(即一虛擬影像V及一真實世界影像R的合併影像)，而無須佩戴眼鏡或任何用於視力矯正的裝置。
綜上所述，本發明可變焦透鏡元件10藉由切換其偏振控制器30的狀態來轉換光束的偏振方向，而使該透鏡單元20具有不同的光焦度，而該矯正透鏡組件300經由切換其所配置的一個或多個該可變焦透鏡元件10的狀態，而可具有多種可能的光焦度變化，適用於日常矯正視力，類似的，該光學顯示系統400、500、600、700經由切換其所配置的一個或多個該可變焦透鏡元件10的狀態，而可以依據觀看者的距離需求移動該虛擬影像V的形成位置，而能減緩由該近眼顯示器所造成的視覺輻輳調節衝突，故確實可達成本發明的目的。
在以上的說明中，基於解釋之目的，已闡述了許多具體細節，以供充分理解對前述實施例。然而，顯而易見的是，對本領域技術者而言，在未提供該些具體細節中的情況下，仍能實踐一個 或多個其它實施例。且應當理解的是，在整份說明書中對「一些實施例」或是帶有序號指示的實施例等，意味著包括在本發明實施例中所揭示的特定特徵、結構或特性。應當進一步理解的是，在整份說明書中，為了簡化本發明公開之內容，並以利於理解本發明各種方面之目的，有時會將多種不同的特徵組合在單一實施例、圖式或一段敘述中。在適當的情況下，來自一個實施例的特定細節可以與來自另一個實施例的特徵或特定細節一起執行。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
10:可變焦透鏡元件
20:透鏡單元
21:偏振相依透鏡
211:液晶分子
22:偏振無相依透鏡
30:偏振控制器
101:Y偏振光
102:X偏振光
L:長軸
A:光軸
X、Y、Z:方向

Claims (8)

  1. 一種光學顯示系統，包含：至少一可變焦透鏡元件，包括一透鏡單元，及一偏振控制器，該透鏡單元包括一偏振相依透鏡，且對於不同偏振方向的光束而具有不同的光焦度，該偏振控制器與該透鏡單元耦接，並可經由電性驅動方式自一第一狀態切換至一第二狀態，其中，當一光束沿著一位在一Z方向的光軸被導入該可變焦透鏡元件，並穿過處於該第一狀態的偏振控制器，該光束的偏振方向會被該偏振控制器轉換，當該光束沿著該光軸被導入該可變焦透鏡元件，並穿過處於該第二狀態的偏振控制器，能防止該光束的偏振方向被該偏振控制器轉換；一顯示器，用於提供一通過該至少一可變焦透鏡元件的光束，該至少一可變焦透鏡元件的偏振控制器與透鏡單元分別以鄰近與遠離該顯示器的方式設置；一分光器，位於該至少一可變焦透鏡元件與該顯示器之間，且該顯示器設置於該分光器的左側或右側，用於部分傳輸一來自位於該分光器前側之真實物件的光束，並合併該來自位於該分光器前側之真實物件的光束，及來自該顯示器且被該至少一可變焦透鏡元件輸出的光束；及一定焦鏡，設置於該至少一可變焦透鏡元件外側，以令來自該顯示器且穿過該分光器的光束可被該定焦鏡反射回到該分光器。
  2. 如請求項1所述的光學顯示系統，含包含一偏振片，設置 於該顯示器與該至少一可變焦透鏡元件之間。
  3. 如請求項1所述的光學顯示系統，還包含一定焦透鏡，設置於該顯示器的下游，使來自該顯示器的光束可經由該定焦透鏡及該至少一可變焦透鏡元件被傳輸至一觀看者。
  4. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該分光器為一偏振無相依分光器。
  5. 如請求項1所述的光學顯示系統，其中，該至少一可變焦透鏡元件設置於該分光器與該顯示器之間。
  6. 如請求項5所述的光學顯示系統，還包含一定焦透鏡，使來自該顯示器的該光束可經由該至少一可變焦透鏡元件及該定焦透鏡被導向該分光器。
  7. 如請求項1所述的光學顯示系統，還包含一擴增實境元件，用以使一來自該擴增實境元件的組合影像經由該至少一可變焦透鏡元件被導向一觀看者。
  8. 如請求項7所述的光學顯示系統，還包含一設置於該擴增實境元件與該至少一可變焦透鏡元件之間的偏振片，用以將一出自於該組合影像的光束轉換成一線偏振光，以穿過該至少一可變焦透鏡元件。
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