TWM564166U - 微型化頭戴顯示器之光學系統 - Google Patents

Abstract

本創作提供一種微型化頭戴顯示器之光學系統，其係在光學模組後、顯示屏前，擺放至少一相位延遲元件、部分穿透部分反射元件及反射式偏振元件進行排列，使顯示屏射出的光線入射後經過多次偏振、反射、再偏振，得到可穿透最後一層反射式偏振元件的偏振光，穿過該反射式偏振元件後入射頭戴顯示器最後的光學模組再被導入人眼中。本創作中所有光學元件皆在同軸上，藉由多次偏振及反射使光線在近似的光程情況下，得到顯示屏和最終光學模組之間的最短距離，達到頭戴顯示器的微型化目的。

Description

微型化頭戴顯示器之光學系統

本創作係有關一種頭戴顯示器之技術，特別是指一種微型化頭戴顯示器之光學系統。

頭戴顯示器（Head-mounted display）是用於顯示圖像及色彩的設備，通常是用眼罩或頭盔的形式，將顯示屏貼近使用者的眼睛，通過光路調整焦距以在近距離中對眼睛投射畫面，產生虛像放大效果，增加臨場體驗感。

第1圖所示為虛擬實境的頭戴顯示器，顯示屏10投射的影像經過一段光程為d的光路後入射光學模組20，光學模組20再將影像導入到使用者的人眼22中，假設光程d為40mm，則頭戴顯示器的長度由光程d加上光學模組及適眼距和外殼後必然大於40mm，對於戴在頭上的眼罩和頭盔而言略顯笨重，故將頭戴顯示器的厚度縮小、便於使用者配戴使用為一項重要的課題。

因此，本創作即提出一種微型化頭戴顯示器之光學系統，有效解決上述該等問題，具體架構及其實施方式將詳述於下：

本創作之主要目的在提供一種微型化頭戴顯示器之光學系統，其係在頭戴顯示器的顯示屏和光學模組之間設置偏振元件、相位延遲元件、部分反射部分穿透元件等光學元件，利用光線的相位延遲及多次反射達到近似長度的光程，藉以縮短顯示屏和光學模組之間的距離，以將頭戴顯示器微型化。

本創作之另一目的在提供一種微型化頭戴顯示器之光學系統，其係將所有光學元件設在同軸上，依據顯示屏的偏振情況進行調整，以在縮短顯示屏和光學模組之間的距離的前提下增加光學系統配置的變化性與靈活性。

為達上述目的，本創作提供一種微型化頭戴顯示器之光學系統，包括：一顯示屏，輸出影像並發出偏振光；一部分反射部分穿透元件，對應該顯示屏設置，使該偏振光部分反射，部分穿透該部分反射部分穿透元件；一第二相位延遲元件，對應該部分反射部分穿透元件，將部分穿透該部分反射部分穿透元件之該偏振光進行相位延遲，成為第二偏振角度之偏振光；一反射式偏振元件，對應該第二相位延遲元件設置，接收該第二偏振角度之偏振光並進行全反射，該第二偏振角度之偏振光經過該第二相位延遲元件及該部分反射部分穿透元件後，反射回該反射式偏振元件並穿透；以及一光學模組，對應該反射式偏振元件，接收穿透該反射式偏振元件之偏振光，並將其導入至少一人眼中。

根據本創作之實施例，該反射式偏振元件為一偏振片，該第二相位延遲元件為一相位延遲片。

根據本創作之實施例，該反射式偏振元件為設於該光學模組中、具反射式偏振功能之鍍膜，或為該光學模組中具反射式偏振功能之鏡片，該第二相位延遲元件為一相位延遲片。

根據本創作之實施例，該反射式偏振元件為設於該光學模組中、具反射式偏振功能之鍍膜，或為該光學模組中具反射式偏振功能之鏡片，而該第二相位延遲元件同樣設於該光學模組中，為在反射式偏振元件之前、具相位延遲功能之鍍膜，或為該光學模組中具相位延遲功能之鏡片。

根據本創作之實施例，該顯示屏送出並進入該部分反射部分穿透元件之該偏振光為圓偏振光。

根據本創作之實施例，該顯示屏送出之該偏振光為線偏振光，於該顯示屏及該部分反射部分穿透元件之間更設有一第一相位延遲元件，用以將該偏振光進行第一次相位延遲，成為第一偏振角度之偏振光，並使線偏振光經過該第一相位延遲元件後轉換成圓偏振光。

根據本創作之實施例，該反射式偏振元件將該第二偏振角度之偏振光全反射回該第二相位延遲元件，使該第二偏振角度之偏振光穿透該第二相位延遲元件並成為第三偏振角度之偏振光，該第三偏振角度之偏振光再被該部分反射部分穿透元件部分反射回該第二相位延遲元件後，穿透該第二相位延遲元件並成為第四偏振角度之偏振光，該第四偏振角度之偏振光穿透該反射式偏振元件。

承上，該第二偏振角度之偏振光中，部分穿透該第二相位延遲元件者為線偏振光，而被該反射式偏振元件反射後穿透該第二相位延遲元件者為圓偏振光。

根據本創作之實施例，該反射式偏振元件所反射之該第二偏振角度之偏振光為線偏振光，該反射式偏振元件所穿透之該第四偏振角度之偏振光為線偏振光。

根據本創作之實施例，該顯示屏送出之該偏振光為無特定偏振態，於該顯示屏及該部分反射部分穿透元件之間更設有一線偏振片及一第一相位延遲元件，該線偏振片設於該顯示屏及該第一相位延遲元件之間，該顯示屏提供之該偏振光經過該線偏振片後成為線偏振光，該第一相位延遲元件再將該線偏振光進行第一次相位延遲，成為第一偏振角度之偏振光，並使該第一偏振角度之偏振光轉換成圓偏振光。

根據本創作之實施例，該光學模組為非球面透鏡、菲涅爾透鏡（Fresnel lens）或多片透鏡之組合。

本創作提供一種微型化頭戴顯示器之光學系統，其應用於頭戴顯示器，特別是頭戴顯示器的虛擬實境系統，由於是戴在使用者的頭上，若體積太大、太長則難以固定在使用者的頭部而會受重力影響下墜，因此頭戴顯示器的大小愈小愈好，本創作之目的即在於利用複數透鏡將光線進行多次反射，在近似長度之光程下使光學模組和顯示屏之間的距離縮短，以達到將頭戴顯示器微型化之目的。

請參考第2A圖及第2B圖，其為本創作中微型化頭戴顯示器之光學系統之一實施例示意圖，包括一顯示屏10、一部份反射部分穿透元件14、一第二相位延遲元件16、一反射式偏振元件18及一光學模組20，首先請參考第2A圖，在此實施例中，顯示屏10輸出影像，並發出偏振光，如圖中所示之偏振光1；部分反射部分穿透元件14對應顯示屏10設置，其將入射之偏振光1部分反射回顯示屏10，剩餘的則穿透該部分反射部分穿透元件14，在一較佳實施例中，該部分反射部分穿透元件14為一半反射、一半穿透；另外，在此實施例中，第二相位延遲元件16為一獨立的相位延遲片，反射式偏振元件18為一獨立的偏振片，第二相位延遲元件16對應部分反射部分穿透元件14設置，將穿透該部分反射部分穿透元件14之偏振光1進行第二次相位延遲，成為第二偏振角度之偏振光2；反射式偏振元件18對應第二相位延遲元件16設置，會將偏振光2全反射回第二相位延遲元件16，而偏振光2穿透第二相位延遲元件16後，會再被偏振一次，成為第三偏振角度之偏振光3。

接著請參考第2B圖，第三偏振角度之偏振光3穿透第二相位延遲元件16並到達部分反射部分穿透元件14後，再被部分反射部分穿透元件14部分反射回第二相位延遲元件16後（部分穿透的部分為能量損失），並在穿透第二相位延遲元件16後被偏振，成為第四偏振角度之偏振光4，此時偏振光4的第四偏振角度符合反射式偏振元件18的穿透條件，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18並入射對應的光學模組20，由光學模組20將偏振光4導入至少一人眼22中。

在一第一實施例中，顯示屏10所發出之光線為具有45度偏振之圓偏振光，因此第一偏振角度為45度（亦即偏振光1為45度偏振光），而第二相位延遲元件16為45度偏振元件，第二偏振角度為90度（亦即偏振光2為90度偏振光），第三偏振角度為135度（亦即偏振光3為135度偏振光），第四偏振角度為180度（亦即偏振光4為180度偏振光）。在此實施例中，反射式偏振元件18僅提供180度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

在一第二實施例中，顯示屏10具有不同的偏振態，其第一偏振角度為135度（亦即偏振光1為135度偏振光），但同樣發出圓偏振光，而第二相位延遲元件16同樣為45度偏振元件，第二偏振角度為0或180度（亦即偏振光2為0或180度偏振光），第三偏振角度為45度（亦即偏振光3為45度偏振光），第四偏振角度為90度（亦即偏振光4為90度偏振光）。在此實施例中，反射式偏振元件18僅提供90度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

在第2A、2B圖之實施例中，顯示屏10所發出之偏振光1為圓偏振光；部分穿透第二相位延遲元件16之偏振光2為線偏振光，而被反射式偏振元件18反射之偏振光2同樣為線偏振光，但經過第二相位延遲元件16後的偏振光3變成圓偏振光。此偏振光3原本是圓偏振光，但被部分穿透第二相位延遲元件16反射後，再次通過第二相位延遲元件16後，偏振光4變成線偏振光，直到穿透反射式偏振元件18之偏振光4仍為線偏振光。

在本創作中，光學模組20為非球面透鏡、菲涅爾透鏡（Fresnel lens）或多片透鏡之組合。

第3A圖為本創作微型化頭戴顯示器之光學系統之另一實施例之示意圖。若顯示屏10發出的不是圓偏振光而是線偏振光，則如第3A圖所示，需在顯示屏10後增加一第一相位延遲元件12，將顯示屏10所發出之偏振光轉換為圓偏振光，並進行第一次相位延遲，變成第一偏振角度之偏振光1。偏振光1經過部分反射部分穿透元件14後，部分被反射回第一相位延遲元件12，剩餘的則穿透該部分反射部分穿透元件14；部分穿透該部分反射部分穿透元件14之偏振光1接著通過第二相位延遲元件16，經過第二次相位延遲後成為第二偏振角度之偏振光2；偏振光2被反射式偏振元件18全反射回第二相位延遲元件16，穿透第二相位延遲元件16後被再次偏振為第三偏振角度之偏振光3。偏振光3穿透第二相位延遲元件16並到達部分反射部分穿透元件14後，再被部分反射部分穿透元件14部分反射回第二相位延遲元件16後（部分穿透的部分為能量損失），並在穿透第二相位延遲元件16後被偏振，成為第四偏振角度之偏振光4，此時偏振光4的第四偏振角度符合反射式偏振元件18的穿透條件，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18並入射對應的光學模組20，由光學模組20將偏振光4導入至少一人眼22中。

在一第三實施例中，顯示屏10射出之偏振光為0度線偏振光，第一相位延遲元件12為45度偏振元件，因此第一偏振角度為45度（亦即偏振光1為45度偏振光），而第二相位延遲元件16為45度偏振元件，第二偏振角度為90度（亦即偏振光2為90度偏振光），第三偏振角度為135度（亦即偏振光3為135度偏振光），第四偏振角度為180度（亦即偏振光4為180度偏振光）。在此實施例中，反射式偏振元件18僅提供180度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

在一第四實施例中，顯示屏為射出之偏振光為90度線偏振光，而第一相位延遲元件12為45度偏振元件，因此第一偏振角度為135度（亦即偏振光1為135度偏振光），第二相位延遲元件16同樣為45度偏振元件，第二偏振角度為0或180度（亦即偏振光2為0或180度偏振光），第三偏振角度為45度（亦即偏振光3為45度偏振光），第四偏振角度為90度（亦即偏振光4為90度偏振光）。在此實施例中，反射式偏振元件18僅提供90度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

第3B圖及第3C圖為第1圖中傳統之頭戴顯示器及本創作第3A圖中頭戴顯示器之光學系統之比對示意圖。本創作可將第一相位延遲元件12及部分反射部分穿透元件14設為一組，第二相位延遲元件16及反射式偏振元件18為一組，舉例而言，第二相位延遲元件16及反射式偏振元件18可為同一鏡片，例如在第二相位延遲片16靠近光學模組20側設置反射式偏振功能之鍍膜，做為反射式偏振元件18，或是利用特殊材料達到同一鏡片具有相位延遲及反射式偏振的功能，同理，第一相位延遲元件12及部分反射部分穿透元件14亦可透過鍍膜或材料選擇而做在同一鏡片上。眾所周知，鏡片之厚度會影響折射率及光程，當鏡片愈厚時，折射率愈高，因此光程的差異也愈高，但誤差極小，仍在可允許的範圍內，因此第3B圖和第3C圖可說具有幾近相同的光程d（圖中虛線總長度），但本創作之光學系統具有較短的後焦距離，可將傳統頭戴顯示器的後焦距離縮短為0.3~0.7倍，而可達到與傳統頭戴顯示器同樣清晰的影像效果。

第4圖為本創作微型化頭戴顯示器之光學系統之再一實施例之示意圖。若顯示屏10並無特定偏振態，則如第4圖所示，需在顯示屏10之後、第一相位延遲元件12之前增加一線偏振片11，將顯示屏10所射出之偏振光先轉換成線偏振光，線偏振光通過第一相位延遲元件12後變成第一偏振角度之偏振光1，且偏振光1變成圓偏振光。偏振光1經過部分反射部分穿透元件14後，部分被反射回第一相位延遲元件12，剩餘的則穿透該部分反射部分穿透元件14；部分穿透該部分反射部分穿透元件14之偏振光1接著通過第二相位延遲元件16，經過第二次相位延遲後成為第二偏振角度之偏振光2；偏振光2被反射式偏振元件18全反射回第二相位延遲元件16，穿透第二相位延遲元件16後被再次偏振為第三偏振角度之偏振光3。偏振光3穿透第二相位延遲元件16並到達部分反射部分穿透元件14後，再被部分反射部分穿透元件14部分反射回第二相位延遲元件16後（部分穿透的部分為能量損失），並在穿透第二相位延遲元件16後被偏振，成為第四偏振角度之偏振光4，此時偏振光4的第四偏振角度符合反射式偏振元件18的穿透條件，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18並入射對應的光學模組20，由光學模組20將偏振光4導入至少一人眼22中。

於一第五實施例中，若第一相位延遲元件12、第二相位延遲元件16為45度偏振元件，部分反射部分穿透元件14為一半反射一半穿透，反射式偏振元件18僅提供180度偏振光穿透，則在顯示屏10未有特定偏振態的狀態下，先經過線偏振片11後變為一線偏振光，接著通過第一相位延遲元件12後增加了45度的相位延遲，使通過第一相位延遲元件12的為45度偏振光1，之後經過部分穿透部分反射元件14使45度偏振光1部分穿透，經過第二相位延遲元件16後，其偏振轉為90度相位延遲的偏振光2，並在反射式偏振元件18上完成全反射，讓反射後的光再度通過第二相位延遲元件16，將偏振光3的相位從90度延遲調整成延遲了135度，接著再通過部分穿透部分反射元件14，使其反射回第二相位延遲元件16，此時偏振光3的相位延遲從135度被調整為原本偏振態的180度偏振光4，即可入射至光學模組20中。

在一第六實施例中，顯示屏10同樣無特定偏振態，但線偏振片11射出90度的線偏振光，第一相位延遲元件12為45度偏振元件，因此第一偏振角度為135度（亦即偏振光1為135度偏振光），而第二相位延遲元件16同樣為45度偏振元件，第二偏振角度為0或180度（亦即偏振光2為0或180度偏振光），第三偏振角度為45度（亦即偏振光3為45度偏振光），第四偏振角度為90度（亦即偏振光4為90度偏振光）。在此實施例中，反射式偏振元件18僅提供90度偏振光穿透，因此偏振光4可穿透反射式偏振元件18。

本創作中所有元件皆在同軸上，並依據頭戴顯示器之顯示屏的偏振狀況，利用第3A圖及第4圖之顯示屏10及線偏振片11做增減進行調整，總而言之，若顯示屏10射出的是圓偏振光，便不需要設置線偏振片11及第一相位延遲元件12；若顯示屏10射出的是線偏振光，則需設置第一相位延遲元件12；若顯示屏10射出的是無特定偏振態的偏振光，則需同時設置線偏振片11及第一相位延遲元件12。

本創作利用近似光程可達到相同影像的原理將頭戴顯示器的長度縮短，舉例而言，第3A圖中從顯示屏10至光學模組20之光學路徑經過多次的反射，因此若第3A圖之實施例中從顯示屏10到光學模組20的每一次反射的長度加總後的光程為d，與第1圖之先前技術中顯示屏10到光學模組20的光程d幾近相同，但由於第3A圖實施例中顯示屏10到光學模組20的光路經過多次反射加總，因此實際從顯示屏10到光學模組20的長度會遠小於第1圖中從顯示屏10到光學模組20的長度，達到縮短頭戴顯示器長度之目的。

此外，本創作中還可將反射式偏振元件18、或反射式偏振元件18及第二相位延遲元件16一起設於光學模組中，若只有反射式偏振元件設在光學模組中，則其可為具反射式偏振功能之鍍膜；若二者皆設在光學模組中，則如第5圖所示，反射式偏振元件18為具反射式偏振功能之鍍膜，而第二相位延遲元件16為在反射式偏振元件18之前、具相位延遲功能之鍍膜。如此一來，還可使後焦距離更短。

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

10‧‧‧顯示屏
11‧‧‧線偏振片
12‧‧‧第一相位延遲元件
14‧‧‧部分反射部分穿透元件
16‧‧‧第二相位延遲元件
18‧‧‧反射式偏振元件
20‧‧‧光學模組
22‧‧‧人眼

第1圖為先前技術中頭戴顯示器的顯示屏與人眼之間光程之示意圖。 第2A圖及第2B圖為本創作微型化頭戴顯示器之光學系統之一實施例之示意圖。 第3A圖為本創作微型化頭戴顯示器之光學系統之另一實施例之示意圖。 第3B圖及第3C圖為傳統之頭戴顯示器及本創作第3A圖中頭戴顯示器之光學系統之比對示意圖。 第4圖為本創作微型化頭戴顯示器之光學系統之再一實施例之示意圖。 第5圖為本創作微型化頭戴顯示器之光學系統之又一實施例之示意圖。

Claims (10)

1. 一種微型化頭戴顯示器之光學系統，包括： 一顯示屏，輸出影像並發出偏振光； 一部分反射部分穿透元件，對應該顯示屏設置，使該偏振光部分反射，部分穿透該部分反射部分穿透元件； 一第二相位延遲元件，對應該部分反射部分穿透元件設置，接收部分穿透該部分反射部分穿透元件之該偏振光，並進行相位延遲，成為第二偏振角度之偏振光； 一反射式偏振元件，對應該第二相位延遲元件設置，接收該第二偏振角度之偏振光並進行全反射，該第二偏振角度之偏振光經過該第二相位延遲元件及該部分反射部分穿透元件後，反射回該反射式偏振元件並穿透；以及 一組光學模組，對應該反射式偏振元件設置，接收穿透該反射式偏振元件之偏振光，並將其導入至少一人眼中。
2. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該反射式偏振元件為一偏振片，該第二相位延遲元件為一相位延遲片。
3. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該反射式偏振元件為設於該光學模組中、具反射式偏振功能之鍍膜，或為該光學模組中具反射式偏振功能之鏡片，該第二相位延遲元件為一相位延遲片。
4. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該反射式偏振元件為設於該光學模組中、具反射式偏振功能之鍍膜，或為該光學模組中具反射式偏振功能之鏡片，而該第二相位延遲元件同樣設於該光學模組中，為在該反射式偏振元件之前、具相位延遲功能之鍍膜，或為該光學模組中具相位延遲功能之鏡片。
5. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該顯示屏送出並進入該部分反射部分穿透元件之該偏振光為圓偏振光。
6. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該顯示屏送出之該偏振光為線偏振光，於該顯示屏及該部分反射部分穿透元件之間更設有一第一相位延遲元件，用以將該偏振光進行第一次相位延遲，成為第一偏振角度之偏振光，並使線偏振光經過該第一相位延遲元件後轉換成圓偏振光。
7. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該第二偏振角度之偏振光中，部分穿透該第二相位延遲元件者為線偏振光，而被該反射式偏振元件反射後穿透該第二相位延遲元件者為圓偏振光。
8. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該反射式偏振元件將該第二偏振角度之偏振光全反射回該第二相位延遲元件，使該第二偏振角度之偏振光穿透該第二相位延遲元件並成為第三偏振角度之偏振光，該第三偏振角度之偏振光再被該部分反射部分穿透元件部分反射回該第二相位延遲元件後，穿透該第二相位延遲元件並成為第四偏振角度之偏振光，該第四偏振角度之偏振光穿透該反射式偏振元件，其中該反射式偏振元件所反射之該第二偏振角度之偏振光為線偏振光，該反射式偏振元件所穿透之該第四偏振角度之偏振光為線偏振光。
9. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該顯示屏送出之該偏振光為無特定偏振態，於該顯示屏及該部分反射部分穿透元件之間更設有一線偏振片及一第一相位延遲元件，該線偏振片設於該顯示屏及該第一相位延遲元件之間，該顯示屏提供之該偏振光經過該線偏振片後成為線偏振光，該第一相位延遲元件再將該線偏振光進行第一次相位延遲，成為第一偏振角度之偏振光，並使該第一偏振角度之偏振光轉換成圓偏振光。
10. 如請求項1所述之微型化頭戴顯示器之光學系統，其中該光學模組為非球面透鏡、菲涅爾透鏡或多片透鏡之組合。