TWI829434B

TWI829434B - 光學鏡頭模組、光機模組以及頭戴式顯示裝置

Info

Publication number: TWI829434B
Application number: TW111143929A
Authority: TW
Inventors: 鍾孟峰
Original assignee: 中強光電股份有限公司
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-01-11

Abstract

一種光學鏡頭模組，用以接收來自影像源側的至少一影像光束。光學鏡頭模組包括多個透鏡。多個透鏡包括從物側至影像源側沿光軸依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，且多個透鏡具有半反射層、相位延遲層以及偏振反射層，分別形成於多個透鏡的表面。光學鏡頭模組於物側具有光圈。其中，光學鏡頭模組為二次成像光學系統，且至少一影像光束於光學鏡頭模組傳遞並於光圈與影像源側之間形成中間像。

Description

光學鏡頭模組、光機模組以及頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種光學模組及顯示裝置，且特別是有關於一種光學鏡頭模組、光機模組以及頭戴式顯示裝置。

頭戴式顯示裝置（Head-mounted Display, HMD）是目前極具發展潛力的產品。具有擴增實境（Augmented Reality, AR）技術以及虛擬實境（Virtual Reality, VR）技術的頭戴式顯示裝置，其藉由光機模組將影像光束投射到波導，以提供使用者虛擬實境的影像體驗。

然而，目前存在的頭戴式顯示裝置的光學透鏡模組，其視場角不超過 35度。若要提升視場角，勢必會增加光學透鏡模組的體積。此外，若要提升光學效率以增加亮度，在光學設計上需加大光學透鏡模組的光圈，則也會造成光學透鏡模組的體積增加。因此，如何研發出具有大視場角、體積小且同時具有大光圈的光學透鏡模組，是本領域需致力於行的目標之一。

“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明提供一種光學鏡頭模組、光機模組以及頭戴式顯示裝置，其體積小、大光圈、大視場角以及良好的光學效果。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明提供一種光學鏡頭模組，用以接收來自影像源側的至少一影像光束。光學鏡頭模組包括多個透鏡。多個透鏡包括從物側至影像源側沿光軸依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，且多個透鏡具有半反射層、相位延遲層以及偏振反射層，分別形成於多個透鏡的表面。光學鏡頭模組於物側具有光圈。其中，光學鏡頭模組為二次成像光學系統，且至少一影像光束於光學鏡頭模組傳遞並於光圈與影像源側之間形成中間像。

在本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭模組的視場角大於65度。

本發明的一實施例中，上述的第一透鏡至第五透鏡各自包括朝向物側的物側表面及朝向影像源側的像側表面。偏振反射層設置於第一透鏡的像側表面，半反射層設置於第二透鏡的像側表面，且相位延遲層設置於第二透鏡的物側表面。

本發明的一實施例中，上述的第一透鏡至第五透鏡的屈光率依序分別為負、負、正、負、正。

本發明的一實施例中，上述傳遞至透鏡的至少一影像光束為圓偏振光。

本發明的一實施例中，上述的相位延遲層為四分之一波長相位延遲片。

本發明的一實施例中，上述的透鏡的至少其中一者為非球面鏡片。

本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭模組的等效焦距為負值。

本發明的一實施例中，上述的光學鏡頭模組的光圈值為負值。

本發明的一實施例中，上述的來自影像源側的至少一影像光束依序傳遞至半反射層、相位延遲層、偏振反射層、相位延遲層、半反射層、相位延遲層以及偏振反射層。

本發明的一實施例中，上述的中間像的成像位置位於第一透鏡以及第二透鏡的範圍。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明另提供一種光機模組，包括至少一顯示元件以及光學鏡頭模組。至少一顯示元件，用以提供至少一影像光束。光學鏡頭模組，配置於至少一影像光束的傳遞路徑上，光學鏡頭模組包括多個透鏡，透鏡包括從物側至影像源側沿光軸依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，且透鏡具有半反射層、相位延遲層以及偏振反射層，分別形成於透鏡的表面，光學鏡頭模組於物側具有光圈。其中，光學鏡頭模組為二次成像光學系統，且至少一影像光束於光學鏡頭模組傳遞並於光圈與至少一顯示元件之間形成中間像。

本發明的一實施例中，上述的光機模組還包括合光元件，配置於光學鏡頭模組與至少一顯示元件之間，至少一顯示元件的數量為複數個。

本發明的一實施例中，上述的光機模組還包括透光稜鏡，配置於光學鏡頭模組與至少一顯示元件之間，至少一顯示元件的數量為一個。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明另提供一種頭戴式顯示裝置，包括波導、耦入元件、耦出元件以及光機模組，波導具有相對的第一側及第二側。耦入元件配置於第一側或第二側。耦出元件配置於第一側。光機模組配置於第一側且對應耦入元件。光機模組包括至少一顯示元件以及光學鏡頭模組。至少一顯示元件用以提供至少一影像光束。光學鏡頭模組，配置於至少一影像光束的傳遞路徑上，光學鏡頭模組包括多個透鏡，光學鏡頭模組具有半反射層、相位延遲層以及偏振反射層，分別形成於透鏡的表面。其中，至少一影像光束由光機模組依序傳遞至耦入元件以及耦出元件。光機模組為二次成像光學系統，且至少一影像光束於光學鏡頭模組傳遞並於光圈與至少一顯示元件之間形成中間像。

本發明的一實施例中，上述的第一透鏡至第五透鏡各自包括朝向物側的物側表面及朝向像側的像側表面，其中偏振反射層設置於第一透鏡的像側表面，半反射層設置於第二透鏡的像側表面半反射層，且相位延遲層設置於第二透鏡的物側表面相位延遲層。

本發明的一實施例中，上述的光圈位於耦入元件上。

本發明的一實施例中，上述的來自至少一顯示元件的至少一影像光束依序傳遞至半反射層、相位延遲層、偏振反射層、相位延遲層、半反射層、相位延遲層、偏振反射層。

基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的光學鏡頭模組、光機模組以及頭戴式顯示裝置中，多個透鏡包括從物側至影像源側沿光軸依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，且多個透鏡具有半反射層、相位延遲層以及偏振反射層，分別形成於多個透鏡的表面。因此，由顯示元件提供的影像光束藉由半反射層、相位延遲層以及偏振反射層而可達到折疊光路徑的效果。如此一來，光學透鏡模組的體積可縮小，並且同時具有大視場角及大光圈。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1為本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。請參考圖1。本實施例提供一種頭戴式顯示裝置200，用以提供影像光束L至人眼E中，影像光束L離開頭戴式顯示裝置200後在一定距離處形成虛像，此虛像成像在人眼E上。頭戴式顯示裝置200可應用於擴增實境（Augmented Reality, AR）或虛擬實境（Virtual Reality, VR）的顯示技術中。頭戴式顯示裝置200包括波導210、耦入元件220、耦出元件230以及光機模組100。

波導210具有相對的第一側B1及第二側B2，其中第一側B1定義為鄰近人眼E的一側，且第二側B2定義為遠離人眼E的一側。波導210例如由透光的材料（例如玻璃）製成的板狀基底。耦入元件220配置於波導210的第一側B1或第二側B2，而耦出元件230配置於波導210的第一側B1。舉例而言，在本實施例中，耦入元件220配置於波導210的第一側B1，即耦入元件220與耦出元件230位於波導210的同一側。在本實施例中，耦入元件220例如為反射鏡、稜鏡、浮雕光柵或全息光柵等元件，而耦出元件230例如為陣列半穿透半反射鏡、浮雕光柵或全息光柵等元件。

光機模組100配置於波導210的第一側B1，且對應耦入元件220。光機模組100提供影像光束L至耦入元件220，此影像光束L通過耦入元件220後被引導至波導210內部以全反射的形式傳遞，而在波導210內部傳遞的影像光束L被傳遞至耦出元件230後，傳遞至人眼E中。亦即，影像光束L由光機模組100依序傳遞至耦入元件220以及耦出元件230。值得一提的是，在本實施例中，光機模組100的視場角大於65度，且此光機模組100為二次成像光學系統。

圖2為本發明一實施例的光機模組的示意圖。請參考圖2。詳細而言，在本實施例中，光機模組100包括至少一顯示元件30以及光學鏡頭模組10。至少一顯示元件30包括出光面99。至少一顯示元件30用以提供含有顯示內容的至少一影像光束L。舉例而言，在本實施例中，光機模組100可包括三個顯示元件30（為方便說明，圖2中僅顯示一個）分別用以提供紅色、藍色及綠色的影像光束L。此實施例的技術功效在於光機模組100可提供較高亮度的影像光束L。在不同的實施例中，光機模組100可僅包括一個顯示元件30，用以提供含有至少其中之一的紅色、藍色及綠色的影像光束L。此實施例的技術功效在於光機模組100中的光學元件可簡化，例如可不需使用分光鏡。在本實施例中，顯示元件30可以是自發光的顯示面板，例如是發光二極體顯示面板（Light-Emitting Diode display，LED display）或微發光二極體顯示面板（Micro Light-Emitting Diode display，Micro LED display）。另也可以使用需外部照明光源的顯示裝置，例如是透射式的液晶顯示面板（Liquid-Crystal Display, LCD）、反射式的液晶覆矽板（Liquid Crystal On Silicon panel, LCoS panel）、數字微鏡元件（Digital Micro-mirror Device, DMD）或雷射掃描儀（Laser Beam Scanning, LBS），但本發明並不限於此。

光學鏡頭模組10配置於影像光束L的傳遞路徑上，用以接收來自影像源側A2的至少一影像光束L。值得一提的是，傳遞至多個透鏡的至少一影像光束L為圓偏振光。在一實施例中，光機模組100可包括偏振器(未繪示)，用以形成圓偏振光。光學鏡頭模組10包括多個透鏡，且光學鏡頭模組10具有半反射層S1、相位延遲層S2以及偏振反射層S3，分別形成於多個透鏡的表面。

在本實施例中，光機模組100還包括合光元件20，配置於光學鏡頭模組10與顯示元件30之間，其中顯示元件30位於光學鏡頭模組10的影像源側A2。在顯示元件30的數量為複數個的實施例中，合光元件20例如可為X cube、X plate或分光鏡。但在顯示元件30的數量為一個的實施例中，合光元件20例如可為透光稜鏡（未顯示）。另外，在本實施例中，光機模組100還包括保護蓋板40，配置在顯示元件30的出光面99及合光元件20之間，用以覆蓋顯示元件30的出光面99以防止灰塵進入。

上述的多個透鏡包括從物側A1至影像源側A2沿光軸I依序排列的第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4以及第五透鏡5，且光學鏡頭模組10於物側A1具有光圈0。光學鏡頭模組10為二次成像光學系統。影像光束L於光學鏡頭模組10傳遞並於光圈0與影像源側A2之間形成中間像IM。具體而言，在本實施例中，中間像IM位於第一透鏡1與第二透鏡2的範圍內。請參考圖1及圖2。當由顯示元件30所發出的影像光束L進入光學鏡頭模組10，並經由第五透鏡5、第四透鏡4、第三透鏡3、第二透鏡2、第一透鏡1、光圈0之後，藉由耦入元件220傳遞進入波導210，最後形成虛像。其中，光圈0的位置位於耦入元件220上。

在本實施例中，光學鏡頭模組10的第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5以及光機模組100的合光元件20、保護蓋板40都各自具有朝向物側A1的物側表面15、25、35、45、55、65、75及朝向影像源側A2的像側表面16、26、36、46、56、66、76。在本實施例中，光學鏡頭模組10的多個透鏡的至少其中一者為非球面鏡片。第一透鏡1至第五透鏡5可為塑膠鏡片和玻璃鏡片的組合。

第一透鏡1具有負屈光率。沿著朝向影像源側A2的方向來看，第一透鏡1的物側表面15例如為凹面，且第一透鏡1的像側表面16例如為凸面。在本實施例中，第一透鏡1的物側表面15與像側表面16例如皆為非球面（aspheric surface）。其中，偏振反射層S3設置於第一透鏡1的像側表面16上，偏振反射層S3用以反射第一線偏振光（例如為P偏振光或S偏振光）並讓第二線偏振光（例如為S偏振光或P偏振光）通過。偏振反射層S3例如為偏振反射器。

第二透鏡2具有負屈光率。沿著朝向影像源側A2的方向來看，第二透鏡2的物側表面25例如為凹面，且第二透鏡2的像側表面26例如為凸面。在本實施例中，第二透鏡2的物側表面25與像側表面26例如皆為非球面。其中，半反射層S1設置於第二透鏡2的像側表面26上，相位延遲層S2設置於第二透鏡2的物側表面25上。在本實施例中，半反射層S1例如用以使第一圓偏振光（例如為右旋偏振光或左旋偏振光）通過並反射第二圓偏振光（例如為左旋偏振光或右旋偏振光）。半反射層S1例如為半反射鏡。相位延遲層S2例如為四分之一波長相位延遲片，用以轉換影像光束L的偏振狀態，例如，將第一（第二）線偏振光轉換為第二（第一）線偏振光。

第三透鏡3具有正屈光率。沿著朝向影像源側A2的方向來看，第三透鏡3的物側表面35例如為凸面，且第三透鏡3的像側表面36例如為凸面。在本實施例中，第三透鏡3的物側表面35與像側表面36例如皆為非球面。

第四透鏡4具有負屈光率。沿著朝向影像源側A2的方向來看，第四透鏡4的物側表面45例如為凹面，且第四透鏡4的像側表面46例如為凹面。在本實施例中，第四透鏡4的物側表面45與像側表面46例如皆為非球面。

第五透鏡5具有正屈光率。沿著朝向影像源側A2的方向來看，第五透鏡5的物側表面55例如為凸面，且第五透鏡5的像側表面56例如為凸面。在本實施例中，第五透鏡5的物側表面55與像側表面56例如皆為非球面。

在本實施例中，光學鏡頭模組10的多個透鏡具體化為五片透鏡。此外，在本實施例中，圖1的波導210例如設計為動眼眶範圍（戴上頭戴式顯示裝置200之後，人眼E在系統中心點周圍移動仍然能夠清晰地看到虛像的範圍）擴大至10毫米(mm)以上，且光學鏡頭模組10的光圈0的直徑例如為1.5 毫米(mm)，由於光圈0的直徑小，因此，影像光束L進入波導210的直徑小，可有效減少波導210的厚度，以達到頭戴式顯示裝置200的體積小的效果。光機模組100的總長例如為16.5毫米(mm)，且光機模組100的體積可小於1立方公分(cm ³)。光學鏡頭模組10的視場角大於65度，且最佳視場角為70度。光學鏡頭模組10的光圈值(F/#)為-1.6，且等效焦距為負值。需說明的是，由於光學鏡頭模組10為二次成像的光學架構，在光圈0與顯示元件30之間可形成中間像IM。因此，本實施例中的光圈值與等效焦距為負值為方向定義所致。其他光學數據如下表一所示。

表一

元件	面	曲率半徑 (mm)	厚度 (mm)	折射率	阿貝數
光圈		無限大	1.75
第一透鏡1	物側表面15	-5.37	0.75	1.84666	23.78
第一透鏡1	像側表面16	-5.73	1.46
第二透鏡2	物側表面25	-2.69	1.00	1.68176	30.37
第二透鏡2	像側表面26	-3.94	-1.00	1.68176	30.37
第二透鏡2	物側表面25	-2.69	-1.46
第一透鏡1	像側表面16	-5.73	1.46
第二透鏡2	物側表面25	-2.69	1.00	1.68176	30.37
第二透鏡2	像側表面26	-3.94	0.10
第三透鏡3	物側表面35	5.03	1.54	1.71317	53.84
第三透鏡3	像側表面36	-2.19	0.10
第四透鏡4	物側表面45	-3.38	0.75	1.84647	23.78
第四透鏡4	像側表面46	7.28	0.10
第五透鏡5	物側表面55	4.13	2.04	1.71308	53.85
第五透鏡5	像側表面56	-2.84	0.92
合光元件20	物側表面65	無限大	5.00	1.51680	64.17
	像側表面66	無限大	0.69
保護蓋板40	物側表面75	無限大	0.30	1.50847	61.19
	像側表面76	無限大	0.01
顯示元件30	出光面99	無限大	0.00

詳細而言，顯示元件30提供的影像光束L為第一圓偏振光（例如為右旋偏振光或左旋偏振光），並依序傳遞通過保護蓋板40、合光元件20、第五透鏡5、第四透鏡4以及第三透鏡3。來自第三透鏡3的物側表面35的影像光束L傳遞至第二透鏡2的像側表面26上的半反射層S1時，至少一部分的影像光束L會通過半反射層S1，此時，影像光束L為第一圓偏振光。第一圓偏振光繼續傳遞並通過第二透鏡的2物側表面25上的相位延遲層S2，相位延遲層S2用以使第一圓偏振光轉變為第一線偏振光（例如為P偏振光或S偏振光）。此時，影像光束L為第一線偏振光。來自第二透鏡2的物側表面25的第一線偏振光的影像光束L傳遞至第一透鏡1的像側表面16上的偏振反射層S3時，偏振反射層S3用以反射第一線偏振光並使第一線偏振光朝第二透鏡2的物側表面25傳遞。來自第一透鏡1的像側表面16的第一線偏振光傳遞通過第二透鏡2的物側表面25上的相位延遲層S2時，相位延遲層S2用以將第一線偏振光將轉變為第一圓偏振。此時，影像光束L為第一圓偏振光。來自第二透鏡2的物側表面25的第一圓偏振光傳遞至第二透鏡2的像側表面26上的半反射層S1時，第一圓偏振光會被反射而形成第二圓偏振光（例如為左旋偏振光或右旋偏振光）並朝第二透鏡2的物側表面25傳遞。此時，影像光束L為第二圓偏振光。

呈上述，來自第二透鏡2的像側表面26的第二圓偏振光傳遞並通過第二透鏡2的物側表面25上的相位延遲層S2，相位延遲層S2用以使第二圓偏振光轉變為第二線偏振光（例如為S偏振光或P偏振光）。此時，影像光束L為第二線偏振光。最後，第二線偏振光由第二透鏡2的物側表面25傳遞至第一透鏡1的像側表面16上的偏振反射層S3。偏振反射層S3用以使第二線偏振光通過。第二線偏振光由第一透鏡1的像側表面16傳遞至光圈0進入波導210。換句話說，由顯示元件30提供的影像光束L依序傳遞至半反射層S1、相位延遲層S2、偏振反射層S3、相位延遲層S2、半反射層S1、相位延遲層S2以及偏振反射層S3，可達到折疊光路徑的效果。如此一來，可縮小光學透鏡模組10的體積。

此外，在本實施例中，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4以及第五透鏡5的物側表面15、25、35、45、55及像側表面16、26、36、46、56共計十個面均是非球面，其中物側表面15、25、35、45、55與像側表面16、26、36、46、56為一般的非球面（asphere surface）。而這些非球面是依下列公式(1)定義： (1) 其中： Z為光軸I方向的偏移量（sag）； r為接近光軸I處的曲率半徑； k為二次曲面常數（conic constant）； c為非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度； A~F為非球面係數（aspheric coefficient）。

第一透鏡1的物側表面15到第五透鏡5的像側表面56在公式(1)中的各項非球面係數如下表二所示。其中，表二的欄位編號15表示其為第一透鏡1的物側表面15的非球面係數，其它欄位依此類推。在本實施例及以下各實施例中，第2階非球面係數皆為0。

表二

面	K	A	B	C
15	-0.55832	5.11299E-03	6.92354E-04	0
16	1.07630	7.53931E-03	9.46662E-05	1.51747E-05
25	-0.65477	-6.72407E-03	6.54771E-04	0
26	-0.44757	-1.15806E-03	3.49737E-05	-2.57437E-06
35	-3.43416	5.06513E-03	-3.45648E-04	0
36	-1.11359	4.07164E-04	7.17649E-05	0
45	-0.79901	-3.73703E-03	-5.62306E-03	0
46	7.96382	3.60710E-03	-3.56976E-03	1.67655E-04
55	0	-1.05985E-02	1.97163E-05	-5.80727E-05
56	0	3.15305E-04	3.96757E-04	1.23294E-05

再配合參閱圖3至圖6，圖3及圖4分別為圖2的光學鏡頭模組在顯示元件的成像面的不同表示方式的調制轉換函數（Modulation Transfer Function, MTF）曲線圖。圖5為圖2的光學鏡頭模組的縱向球差與各項像差圖。圖6為圖2的光學鏡頭模組的光束扇形圖。其中，圖3的橫軸為空間頻率（cycles/mm），縱軸為光學轉移函數的模數（modulus of the optical transfer function）。在圖4中，空間頻率為120.0 cycles/mm，圖4的橫軸為焦點偏移量（focus shift），縱軸為光學轉移函數的模數（modulus of the optical transfer function）。圖3及圖4的T代表在子午（tangential）方向的曲線，R代表在弧矢（sagittal）方向的曲線，而“TR”旁標示的數值代表角度，Diff. Limit代表繞射極限。圖3及圖4說明了本實施例的光學鏡頭模組10具有良好的光學效果。圖5說明了本實施例的光學鏡頭模組10的縱向球差（longitudinal spherical aberration）圖、像散場曲（astigmatic field curvature）圖以及畸變（distortion）圖，由圖中可看出誤差度小，故具有良好的光學效果。圖6則說明了本實施例的光學鏡頭模組10的光束扇形圖（ray fan plot），所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例的光學鏡頭模組10能夠達到良好的光學成像品質。

綜上所述，在本發明的光學鏡頭模組、光機模組以及頭戴式顯示裝置中，多個透鏡包括從物側至影像源側沿光軸依序排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡，且多個透鏡具有半反射層、相位延遲層以及偏振反射層，分別形成於多個透鏡的表面。因此，由顯示元件提供的影像光束藉由傳遞至半反射層、相位延遲層以及偏振反射層而可達到折疊光路徑的效果。如此一來，光學透鏡模組的體積可縮小，並且同時具有大視場角及大光圈。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件（element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

0:光圈 1:第一透鏡 2:第二透鏡 3:第三透鏡 4:第四透鏡 5:第五透鏡 10:光學鏡頭模組 15,25,35,45,55,65,75:物側表面 16,26,36,46,56,66,76:像側表面 20:合光元件 30:顯示元件 40:保護蓋板 99:出光面 100:光機模組 200:頭戴式顯示裝置 210:波導 220:耦入元件 230:耦出元件 A1:物側 A2:影像源側 B1:第一側 B2:第二側 E:人眼 I:光軸 IM:中間像 L:影像光束 S1:半反射層 S2:相位延遲層 S3:偏振反射層

圖1為本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。圖2為本發明一實施例的光機模組的示意圖。圖3及圖4分別為圖2的光學鏡頭模組在顯示元件的成像面的不同表示方式的調制轉換函數曲線圖。圖5為圖2的光學鏡頭模組的縱向球差與各項像差圖。圖6為圖2的光學鏡頭模組的光束扇形圖。

0:光圈

1:第一透鏡

2:第二透鏡

3:第三透鏡

4:第四透鏡

5:第五透鏡

10:光學鏡頭模組

15,25,35,45,55,65,75:物側表面

16,26,36,46,56,66,76:像側表面

20:合光元件

30:顯示元件

40:保護蓋板

99:出光面

100:光機模組

A1:物側

A2:影像源側

I:光軸

IM:中間像

L:影像光束

S1:半反射層

S2:相位延遲層

S3:偏振反射層

Claims

一種光學鏡頭模組，用以接收來自一影像源側的至少一影像光束，該光學鏡頭模組包括：多個透鏡，包括從一物側至該影像源側沿一光軸依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡，且該多個透鏡具有一半反射層、一相位延遲層以及一偏振反射層，分別形成於該些透鏡的表面，該光學鏡頭模組於該物側具有一光圈；其中，該光學鏡頭模組為二次成像光學系統，且該至少一影像光束於該光學鏡頭模組傳遞並於該光圈與該影像源側之間形成一中間像。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該光學鏡頭模組的視場角大於65度。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該第一透鏡至該第五透鏡各自包括朝向該物側的一物側表面及朝向該影像源側的一像側表面，該偏振反射層設置於該第一透鏡的該像側表面，該半反射層設置於該第二透鏡的該像側表面，且該相位延遲層設置於該第二透鏡的該物側表面。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該第一透鏡至該第五透鏡的屈光率依序分別為負、負、正、負、正。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中傳遞至該些透鏡的該至少一影像光束為圓偏振光。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該相位延遲層為四分之一波長相位延遲片。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該些透鏡的至少其中一者為非球面鏡片。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該光學鏡頭模組的等效焦距為負值。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該光學鏡頭模組的光圈值為負值。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中來自該影像源側的該至少一影像光束依序傳遞至該半反射層、該相位延遲層、該偏振反射層、該相位延遲層、該半反射層、該相位延遲層以及該偏振反射層。
如請求項1所述的光學鏡頭模組，其中該中間像的成像位置位於該第一透鏡以及該第二透鏡的範圍。
一種光機模組，包括：至少一顯示元件，用以提供至少一影像光束；以及一光學鏡頭模組，配置於該至少一影像光束的傳遞路徑上，該光學鏡頭模組包括多個透鏡，該些透鏡包括從一物側至該至少一顯示元件沿一光軸依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡，且該些透鏡具有一半反射層、一相位延遲層以及一偏振反射層，分別形成於該些透鏡的表面，該光學鏡頭模組於該物側具有一光圈；其中，該光學鏡頭模組為二次成像光學系統，且該至少一影像光束於該光學鏡頭模組傳遞並於該光圈與該至少一顯示元件之間形成一中間像。
如請求項12所述的光機模組，還包括：一合光元件，配置於該光學鏡頭模組與該至少一顯示元件之間，該至少一顯示元件的數量為複數個。
如請求項12所述的光機模組，還包括：一透光稜鏡，配置於該光學鏡頭模組與該至少一顯示元件之間，該至少一顯示元件的數量為一個。
一種頭戴式顯示裝置，包括：一波導，具有相對的一第一側及一第二側；一耦入元件，配置於該第一側或該第二側；一耦出元件，配置於該第一側；以及一光機模組，配置於該第一側且對應該耦入元件，該光機模組包括：至少一顯示元件，用以提供至少一影像光束；以及一光學鏡頭模組，配置於該至少一影像光束的傳遞路徑上，該光學鏡頭模組包括多個透鏡，該光學鏡頭模組於一物側具有一光圈，該光學鏡頭模組具有一半反射層、一相位延遲層以及一偏振反射層，分別形成於該些透鏡的表面，其中，該至少一影像光束由該光機模組依序傳遞至該耦入元件以及該耦出元件，該光機模組為二次成像光學系統，且該至少一影像光束於該光學鏡頭模組傳遞並於該光圈與該至少一顯示元件之間形成一中間像。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該光學鏡頭模組的視場角大於65度。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該些透鏡從該物側至一像側沿一光軸依序為一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡，該第一透鏡至該第五透鏡各自包括朝向該物側的一物側表面及朝向該像側的一像側表面，其中該偏振反射層設置於該第一透鏡的該像側表面，該半反射層設置於該第二透鏡的該像側表面，且該相位延遲層設置於該第二透鏡的該物側表面。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該些透鏡從該物側至一像側沿一光軸依序為一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡，該第一透鏡至該第五透鏡的屈光率依序分別為負、負、正、負、正。
如請求項18所述的頭戴式顯示裝置，其中該光圈位於該耦入元件上。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中傳遞至該些透鏡的該至少一影像光束為圓偏振光。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該相位延遲層為四分之一波長相位延遲片。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該些透鏡的至少其中一者為非球面鏡片。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該光學鏡頭模組的等效焦距為負值。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該光學鏡頭模組的光圈值為負值。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中來自該至少一顯示元件的該至少一影像光束依序傳遞至該半反射層、該相位延遲層、該偏振反射層、該相位延遲層、該半反射層、該相位延遲層、該偏振反射層。