TWM576260U - 頭戴顯示器及其光學裝置 - Google Patents

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TWM576260U
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吳世彬
陳紀暐
劉裕升
蔡明憲
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量子光電股份有限公司
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Abstract

本案係提供一種頭戴式顯示器，包括顯示元件、光學裝置以及光學透鏡，且光學裝置沿著頭戴式顯示器之光軸方向依序包括偏光分離元件、第一相位延遲元件、分光元件以及第二相位延遲元件，其中，光學裝置係接收來自顯示元件的複數光束，並供光束於其中多次來回行進，藉此可縮短頭戴式顯示元件與人眼之間的間隔距離，進而縮小頭戴顯示器的體積。

Description

頭戴顯示器及其光學裝置
本案係涉及光學領域，尤其關於一種光學裝置及顯示器。
隨著科技日新月異，人們對於多媒體視訊的需求日漸增加，一般常見的多媒體播放裝置是搭配LCD或是LED等顯示器來顯示影像，然然其所能顯示的影像畫素及大小會受限於顯示器的尺寸及效能，且視覺上可帶來的效果有限，長時間使用也容易造成眼睛的疲勞。
因此，市面上出現了頭戴顯示器(Head-Mounted Display,HMD)。頭戴顯示器是一種立體視覺顯示的光學產品，其係將具有兩眼視差之立體效果的訊號，依序透過設置於雙眼前方的顯示元件以及光學透鏡而傳送至雙眼，進而產生立體且大尺寸的影像。頭戴式顯示器通常是應用在擴增實境(augmented reality,AR)系統或是虛擬實境(virtual reality,VR)系統，除了可跟著使用者移動，還能當作一種輸入設備來接收使用者的反應，此外，圖像和文字還可以加到使用者所觀看的影像上，進而達到虛擬實境 或是擴增實境的效果。
特別說明的是，在習知的頭戴式顯示器中，顯示元件以及人眼之間係因應視場角(Field of View,FOV)的規格與光學透鏡的等效焦距而需間隔一特定距離，以供來自顯示元件的光束行進，一般來說，該特定距離至少要有50公厘以上，但如此卻導致頭戴顯示器無法有效的微型化。為了克服上述缺陷，顯示元件以及人眼之間除了設置有光學透鏡外，還需設置其它的光學元件及/或於光學透鏡上塗佈反射膜等手段來縮短顯示元件以及人眼之間所需的距離，其相關技術如公告號為CN105093555的中國發明專利、公開號為US20060232862的美國專利、公告號為US5715023的美國專利以及公告號為US5966242的美國專利所揭露。
然而，上述專利仍具有缺陷如下：(1)採用偏振效率不佳的光學元件，如膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal Display，CLCD)；(2)來自顯示元件的光束於通過多個光學元件及光學透鏡後僅有少部分的光能抵達人眼，整體來說，光使用效率不佳；(3)光學結構及光路設計僅適用於特定的頭戴式顯示器，無法被直接地配置於另外的頭戴式顯示器中而使該另外的頭戴式顯示器縮小體積。
根據以上的說明可知，習知的頭戴式顯示器具有改善的空間。
本創作之一目的在於提供一種設置在頭戴式顯示器 內並供光束於其中多次來回行進的光學裝置，藉此可縮短頭戴式顯示器之顯示元件與人眼之間的間隔距離，且本創作光學裝置還具有提升偏振效率以及光使用效率的功效。此外，本創作光學裝置亦可被直接地加入習知頭戴式顯示器的配置中而有效縮小習知頭戴式顯示器的體積。
本創作之一另一目的在於提供一種具有上述光學裝置的頭戴式顯示器，因此本創作頭戴式顯示器具有微型化的優勢。
於一較佳實施例中，本創作提供一種光學裝置，應用於具有一顯示元件以及一光學透鏡之一頭戴式顯示器，且該光學裝置係接收來自該顯示元件之複數光束，並沿著該頭戴式顯示器之光軸方向依序包括：一偏光分離元件，用以供屬於一第一偏極性之任一該光束通過其中，並供屬於一第二偏極性之任一該光束於其上產生反射；一第一相位延遲元件，用以使通過其中之任一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝一方向旋轉一第一角度；一分光元件，用以供投射至其上之一部分的該光束通過其中，並供投射至其上之一另一部分的該光束於其上產生反射；以及一第二相位延遲元件，用以使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或屬於該第二偏極性之光束。
於一較佳實施例中，該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光 軸朝該方向之反方向旋轉一第二角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束；其中，該第二角度約略相同於該第一角度。
於一較佳實施例中，光學裝置更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第一偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
於一較佳實施例中，該濾光元件與該偏光分離元件彼此軸向正交。
於一較佳實施例中，該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝該方向旋轉該第一角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束。
於一較佳實施例中，光學裝置更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第二偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
於一較佳實施例中，該濾光元件與該偏光分離元件具有相同軸向。
於一較佳實施例中，光學裝置更包括一透光載體，其位於該顯示元件以及該偏光分離元件之間，而該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件皆呈一薄膜狀；其中，該透光載體、該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件係相結合而組成一第一片狀結構。
於一較佳實施例中，光學裝置更包括一濾光元件，其係供通過該第二相位延遲元件之至少一該光束投射至其上，以對至少一該光束進行過濾。
於一較佳實施例中，該第二相位延遲元件以及該濾光元件皆呈一薄膜狀，且該分光元件、該第二相位延遲元件以及該濾光元件係相結合而組成一第二片狀結構。
於一較佳實施例中，該濾光元件係為一偏極片(polarizer)。
於一較佳實施例中，該光學透鏡設置於該第二相位延遲元件以及一人眼之間，抑或是設置於該第一相位延遲元件以及該分光元件之間。
於一較佳實施例中，該光學透鏡係為一菲涅耳透鏡(Fresnel lens)、一雙凸透鏡、一平凸透鏡、一凹凸透鏡、一雙凹透鏡、一平凹透鏡或一凸凹透鏡。
於一較佳實施例中，該第一相位延遲元件以及該分光元件之間具有一間隔距離，且該間隔距離與該光學透鏡之一等效焦距(EFL)相對應。
於一較佳實施例中，當該光學透鏡設置於該第二相位延遲元件以及該人眼之間時，該光學裝置係滿足以下條件(1)~(3)中之至少一者：(1)15公厘D125公厘；(2)25公厘EFL45公厘；及 (3)8.5公厘D216.5公厘；其中，D1為該光學裝置與該光學透鏡之一總長度，EFL為該光學透鏡之一等效焦距，D2為該第一相位延遲元件以及該分光元件之間之一間隔距離。
於一較佳實施例中，屬於該第一偏極性之任一該光束係為一S偏極光束(S-polarized light)以及一P偏極光束(P-polarized light)中之一者，而屬於該第二偏極性之任一該光束係為該S偏極光束(S-polarized light)以及該P偏極光束(P-polarized light)中之一另一者。
於一較佳實施例中，該第一角度係介於45度±15度之區間。
於一較佳實施例中，該偏光分離元件係為一反射式偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film,DBEF)或一反射式偏極片(reflective polarizer)；抑或是該第一相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該第二相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該分光元件之一反射率介於30%~60%之區間。
於一較佳實施例中，本創作亦提供一種頭戴式顯示器，包括：一顯示元件；一光學裝置，其接收來自該顯示元件之複數光束，並沿著該頭戴式顯示器之光軸方向依序包括： 一偏光分離元件，用以供屬於一第一偏極性之任一該光束通過其中，並供屬於一第二偏極性之任一該光束於其上產生反射；一第一相位延遲元件，用以使通過其中之任一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝一方向旋轉一第一角度；一分光元件，用以供投射至其上之一部分的該光束通過其中，並供投射至其上之一另一部分的該光束於其上產生反射；以及一第二相位延遲元件，用以使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或屬於該第二偏極性之光束；以及一光學透鏡，其設置於該第二相位延遲元件以及一人眼之間，抑或是設置於該第一相位延遲元件以及該分光元件之間。
於一較佳實施例中，該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝該方向之反方向旋轉一第二角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束；其中，該第二角度約略相同於該第一角度。
於一較佳實施例中，該光學裝置更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第一偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
於一較佳實施例中，該濾光元件與該偏光分離元件彼此軸向正交。
於一較佳實施例中，該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝該方向旋轉該第一角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束。
於一較佳實施例中，該光學裝置更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第二偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
於一較佳實施例中，該濾光元件與該偏光分離元件具有相同軸向。
於一較佳實施例中，該光學裝置更包括一透光載體，其位於該顯示元件以及該偏光分離元件之間，而該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件皆呈一薄膜狀；其中，該透光載體、該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件係相結合而組成一第一片狀結構。
於一較佳實施例中，該光學裝置更包括一濾光元件，其係供通過該第二相位延遲元件之至少一該光束投射至其上，以對至少一該光束進行過濾。
於一較佳實施例中，該第二相位延遲元件以及該濾光元件皆呈一薄膜狀，且該分光元件、該第二相位延遲元件以及該濾光元件係相結合而組成一第二片狀結構。
於一較佳實施例中，該濾光元件係為一偏極片(polarizer)。
於一較佳實施例中，該第一相位延遲元件以及該分光元件之間具有一間隔距離，且該間隔距離與該光學透鏡之一等效焦距(EFL)相對應。
於一較佳實施例中，當該光學透鏡設置於該第二相位延遲元件以及該人眼之間時，該光學裝置係滿足以下條件(1)~(3)中之至少一者：(1)15公厘D125公厘；(2)25公厘EFL45公厘；及(3)8.5公厘D216.5公厘；其中，D1為該光學裝置與該光學透鏡之一總長度，EFL為該光學透鏡之一等效焦距，D2為該第一相位延遲元件以及該分光元件之間之一間隔距離。
於一較佳實施例中，屬於該第一偏極性之任一該光束係為一S偏極光束(S-polarized light)以及一P偏極光束(P-polarized light)中之一者，而屬於該第二偏極性之任一該光束係為該S偏極光束(S-polarized light)以及該P偏極光束(P-polarized light)中之一另一者。
於一較佳實施例中，該第一角度係介於45度±15度之區間。
於一較佳實施例中，該偏光分離元件係為一反射式 偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film,DBEF)或一反射式偏極片(reflective polarizer)；抑或是該第一相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該第二相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該分光元件之一反射率介於30%~60%之區間；抑或是於一較佳實施例中，該光學透鏡係為一菲涅耳透鏡(Fresnel lens)、一雙凸透鏡、一平凸透鏡、一凹凸透鏡、一雙凹透鏡、一平凹透鏡或一凸凹透鏡。
1A‧‧‧頭戴式顯示器
1B‧‧‧頭戴式顯示器
1C‧‧‧頭戴式顯示器
1D‧‧‧頭戴式顯示器
1E‧‧‧頭戴式顯示器
1F‧‧‧頭戴式顯示器
11A‧‧‧顯示元件
11B‧‧‧顯示元件
11C‧‧‧顯示元件
11D‧‧‧顯示元件
11E‧‧‧顯示元件
11F‧‧‧顯示元件
12A‧‧‧光學裝置
12B‧‧‧光學裝置
12C‧‧‧光學裝置
12D‧‧‧光學裝置
12E‧‧‧光學裝置
12F‧‧‧光學裝置
13A‧‧‧光學透鏡
13B‧‧‧光學透鏡
13C‧‧‧光學透鏡
13D‧‧‧光學透鏡
13E‧‧‧光學透鏡
13F‧‧‧光學透鏡
19‧‧‧頭戴式顯示器之光軸
90‧‧‧人眼
120‧‧‧介質
121A‧‧‧透光載體
122A‧‧‧偏光分離元件
122C‧‧‧偏光分離元件
123A‧‧‧第一相位延遲元件
124A‧‧‧分光元件
125A‧‧‧第二相位延遲元件
125B‧‧‧第二相位延遲元件
125D‧‧‧第二相位延遲元件
126A‧‧‧濾光元件
126B‧‧‧濾光元件
126C‧‧‧濾光元件
126D‧‧‧濾光元件
127‧‧‧第一片狀結構
128‧‧‧第二片狀結構
D1‧‧‧總長度
D2‧‧‧間隔距離
LS+P‧‧‧光束
LS‧‧‧光束
LP‧‧‧光束
L1‧‧‧光束
L2‧‧‧光束
圖1A：係為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第一較佳實施例之結構概念示意圖。
圖1B：係為圖1A所示頭戴式顯示器及其光學裝置1的光路概念示意圖。
圖2A：係為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第二較佳實施例之結構概念示意圖。
圖2B：係為圖2A所示頭戴式顯示器及其光學裝置的光路概念示意圖。
圖3A：係為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第三較佳實施例之結構概念示意圖。
圖3B：係為圖3A所示頭戴式顯示器及其光學裝置的光路概念示意圖。
圖4A：係為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一 第四較佳實施例之結構概念示意圖。
圖4B：係為圖4A所示頭戴式顯示器及其光學裝置的光路概念示意圖。
圖5：係為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第五較佳實施例之結構概念示意圖。
圖6：係為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第六較佳實施例之結構概念示意圖。
請參閱圖1A，其為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第一較佳實施例之結構概念示意圖。頭戴式顯示器1A包括顯示元件11A、光學裝置12A以及光學透鏡13A，光學裝置12A設置於顯示元件11A與光學透鏡13A之間，且顯示元件11A所顯示的影像係於通過光學裝置12A與光學透鏡13A後投射至人眼90，而光學裝置12A沿著頭戴式顯示器1A之光軸19方向依序包括透光載體121A、偏光分離元件122A、第一相位延遲元件123A、分光元件124A、第二相位延遲元件125A以及濾光元件126A；其中，偏光分離元件122A用以供屬於第一偏極性的光束通過其中，並供屬於第二偏極性的光束於其上產生反射，而第一相位延遲元件123A則用以使通過其中之光束的偏振狀態相對於偏光分離元件122A之光軸朝第一方向旋轉第一角度。較佳者，但不以此為限，第一角度介於45度±15度的區間中。
再者，分光元件124A用以供投射至其上的一部分光 束通過其中，並供投射至其上的另一部分光束於其上產生反射，而第二相位延遲元件125A則用以使通過其中之光束的偏振狀態相對於偏光分離元件122A之光軸朝相反於第一方向的第二方向旋轉第二角度，且第二角度約略相同於第一角度。較佳者，但不以此為限，分光元件124A的反射率介於30%~60%的區間中。此外，濾光元件126A係供通過第二相位延遲元件125A的光束投射至其上並予以進行過濾。
其次，第一相位延遲元件123A以及分光元件124A之間具有間隔距離D2，且該間隔距離D2與光學透鏡13A的等效焦距(EFL)相對應，也就是說，該間隔距離D2可依據光學透鏡13A的等效焦距而決定，抑或是光學透鏡13A的等效焦距可依據該間隔距離D2而決定。
於本較佳實施例中，透光載體121A為位於顯示元件11A與偏光分離元件122A之間的玻璃，偏光分離元件122A為反射式偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film,DBEF)，而第一相位延遲元件123A為四分之一波片；其中，偏光分離元件122A以及第一相位延遲元件123A皆呈薄膜狀，並與透光載體121A相層疊而結合組成第一片狀結構127，也就是說，透光載體121A提供了支撐偏光分離元件122A與第一相位延遲元件123A的功效。又，於本較佳實施例中，分光元件124A的反射率為50%，第二相位延遲元件125A為四分之一波片，而濾光元件126A為偏極片(polarizer)，且濾光元件126A的與偏光分離元件122A彼此軸向正交；其中，第二 相位延遲元件125A以及濾光元件126A亦皆呈薄膜狀，並與分光元件124A相層疊而結合組成第二片狀結構128。此外，於本較佳實施例中，屬於第一偏極性的光束為S偏極光束(S-polarized light)，而屬於第二偏極性的光束為P偏極光束(S-polarized light)，亦即偏光分離元件122A是供S偏極光束通過其中，並供P偏極光束於其上產生反射。
請參閱圖1B，其為圖1A所示頭戴式顯示器及其光學裝置1的光路概念示意圖。其中，為了清楚的示意，圖1B中來自顯示元件11A的光束LS+P、屬於第一偏極性的光束LS、屬於第二偏極性的光束LP、偏振狀態改變的光束L1以及偏振狀態改變的光束L2皆係分別以不同的箭頭形態表示。當顯示元件11A顯示影像時，光學裝置12A接收來自顯示元件11A的複數光束LS+P，且該些光束LS+P會先通過透光載體121A而投射至偏光分離元件122A，此時，屬於第一偏極性的光束LS可直接通過偏光分離元件122A，而屬於第二偏極性的光束LP則在偏光分離元件122A上產生反射。
接著，光束LS會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L1，並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L1投射分光元件124A時，該些光束L1中之50%的光束L1可通過分光元件124A，而該些光束L1中之另50%的光束L1則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L1會投射至第二相位延遲元件125A，且於通過第二相位延遲元件125A後因偏振狀態再被改變而 轉換為屬於第一偏極性的光束LS，並進而投射至濾光元件126A。
另一方面，在分光元件124A上產生反射的光束L1會往回投射至第一相位延遲元件123A，因此偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LP，光束LP又往回投射至偏光分離元件122A而在偏光分離元件122A上產生反射。接著，光束LP會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L2，並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L2投射分光元件124A時，該些光束L2中之50%的光束L2可通過分光元件124A，而該些光束L2中之另50%的光束L2則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L2會投射至第二相位延遲元件125A，且於通過第二相位延遲元件125A後因偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LP，並進而投射至濾光元件126A。
最後，由於在本較佳實施例中，濾光元件126A與偏光分離元件122A彼此軸向正交，因此當屬於第一偏極性的光束LS以及屬於第二偏極性的光束LP皆投射至濾光元件126A時，濾光元件126A會阻絕屬於第一偏極性的光束LS通過其中，而僅有屬於第二偏極性的光束LP能通過濾光元件126A，並進而於通過光學透鏡13A後投射至人眼90。
較佳者，但不以此為限，本較佳實施例中之光學裝置12A係滿足以下條件(1)~(3)中之至少一者：(1)15公厘D125公厘；(2)25公厘EFL45公厘；以及(3)8.5公厘D216.5公厘；其 中，D1為光學裝置12A與光學透鏡13A的總長度，EFL為光學透鏡13A的等效焦距，D2為第一相位延遲元件123A以及分光元件124A之間的間隔距離。
可選擇地，本較佳實施例中之光學透鏡13A係採用菲涅耳透鏡(Fresnel lens)，好處在於，其鄰近於濾光元件126A的表面可呈平面形態而容易與濾光元件126A相結合，並具有體積小的優勢。惟，此僅為實施例，並不以上述為限，光學透鏡13A可依據實際所需的等效焦距或其他光學需求而改採用雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡、雙凹透鏡、平凹透鏡以及凸凹透鏡中的任一者。
根據以上的說明，本案頭戴式顯示器1A係於顯示元件11A以及光學透鏡13A之間設置供光束於其中多次來回行進的光學裝置12A，藉此可縮短顯示元件11A與人眼90之間的間隔距離至30公厘以下，故本案頭戴式顯示器1A具有微型化的優勢。此外，基於本案光學裝置12A中的光學結構配置與光路設計，本案頭戴式顯示器1A還具有提升偏振效率以及光使用效率的功效。
就另一方面而言，本案光學裝置12A亦可被直接地加入習知頭戴式顯示器的配置中，並依據其原光學透鏡的等效焦距而調整第一相位延遲元件123A以及分光元件124A之間的間隔距離D2，就能使習知的頭戴式顯示器在視場角(Field of View,FOV)的規格以及光學透鏡的等效焦距不變的情況下，獲得顯示元件與人眼之間的間隔距離被縮短的效果，進而有效縮小習知頭戴式顯示器的體積。
請參閱圖2A，其為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第二較佳實施例之結構概念示意圖。頭戴式顯示器1B包括顯示元件11B、光學裝置12B以及光學透鏡13B，而光學裝置12B包括透光載體121A、偏光分離元件122A、第一相位延遲元件123A、分光元件124A、第二相位延遲元件125B以及濾光元件126B，其中，本較佳實施例之頭戴式顯示器1B與光學裝置12B大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，第二相位延遲元件125B亦如同第一相位延遲元件123A般使通過其中之光束的偏振狀態相對於偏光分離元件122A之光軸朝第一方向旋轉第一角度，而濾光元件126B與偏光分離元件122A具有相同軸向。
請參閱圖2B，其為圖2A所示頭戴式顯示器及其光學裝置的光路概念示意圖。其中，為了清楚的示意，圖2B中來自顯示元件11B的光束LS+P、屬於第一偏極性的光束LS、屬於第二偏極性的光束LP、偏振狀態改變的光束L1以及偏振狀態改變的光束L2皆係分別以不同的箭頭形態表示。當顯示元件11B顯示影像時，光學裝置12B接收來自顯示元件11A的複數光束LS+P，且該些光束LS+P會先通過透光載體121A而投射至偏光分離元件122A，此時，屬於第一偏極性的光束LS可直接通過偏光分離元件122A，而屬於第二偏極性的光束LP則在偏光分離元件122A上產生反射。
接著，光束LS會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L1， 並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L1投射分光元件124A時，該些光束L1中之50%的光束L1可通過分光元件124A，而該些光束L1中之另50%的光束L1則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L1會投射至第二相位延遲元件125B，且於通過第二相位延遲元件125B後因偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LP，並進而投射至濾光元件126B。
另一方面，在分光元件124A上產生反射的光束L1會往回投射至第一相位延遲元件123A，因此偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LP，光束LP又往回投射至偏光分離元件122A而在偏光分離元件122A上產生反射。接著，光束LP會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L2，並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L2投射分光元件124A時，該些光束L2中之50%的光束L2可通過分光元件124A，而該些光束L2中之另50%的光束L2則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L2會投射至第二相位延遲元件125B，且於通過第二相位延遲元件125B後因偏振狀態再被改變而轉換為屬於第一偏極性的光束LS，並進而投射至濾光元件126B。
最後，由於在本較佳實施例中，濾光元件126B與偏光分離元件122A具有相同軸向，因此當屬於第一偏極性的光束LS以及屬於第二偏極性的光束LP皆投射至濾光元件126B時，濾光元件126B會阻絕屬於第二偏極性的光束LP通過其中，而僅有屬於第 一偏極性的光束LS能通過濾光元件126B，並進而於通過光學透鏡13B後投射至人眼90。
請參閱圖3A，其為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第三較佳實施例之結構概念示意圖。頭戴式顯示器1C包括顯示元件11C、光學裝置12C以及光學透鏡13C，而光學裝置12C包括透光載體121A、偏光分離元件122C、第一相位延遲元件123A、分光元件124A、第二相位延遲元件125A以及濾光元件126C，其中，本較佳實施例之頭戴式顯示器1C與光學裝置12C大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，屬於第一偏極性的光束為P偏極光束(S-polarized light)，而屬於第二偏極性的光束為S偏極光束(S-polarized light)，亦即偏光分離元件122C用以供P偏極光束通過其中，並供S偏極光束於其上產生反射。
請參閱圖3B，其為圖3A所示頭戴式顯示器及其光學裝置的光路概念示意圖。其中，為了清楚的示意，圖3B中來自顯示元件11C的光束LS+P、屬於第一偏極性的光束LP、屬於第二偏極性的光束LS、偏振狀態改變的光束L1以及偏振狀態改變的光束L2皆係分別以不同的箭頭形態表示。當顯示元件11C顯示影像時，光學裝置12C接收來自顯示元件11C的複數光束LS+P，且該些光束LS+P會先通過透光載體121A而投射至偏光分離元件122C，此時，屬於第一偏極性的光束LP可直接通過偏光分離元件122C，而屬於第二偏極性的光束LS則在偏光分離元件122C上產生反射。
接著，光束LP會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L2，並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L2投射分光元件124A時，該些光束L2中之50%的光束L2可通過分光元件124A，而該些光束L2中之另50%的光束L2則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L2會投射至第二相位延遲元件125A，且於通過第二相位延遲元件125A後因偏振狀態再被改變而轉換為屬於第一偏極性的光束LP，並進而投射至濾光元件126C。
另一方面，在分光元件124A上產生反射的光束L2會往回投射至第一相位延遲元件123A，因此偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LS，光束LS又往回投射至偏光分離元件122C而在偏光分離元件122C上產生反射。接著，光束LS會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L1，並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L1投射分光元件124A時，該些光束L1中之50%的光束L1可通過分光元件124A，而該些光束L1中之另50%的光束L1則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L1會投射至第二相位延遲元件125A，且於通過第二相位延遲元件125A後因偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LS，並進而投射至濾光元件126C。
最後，由於在本較佳實施例中，濾光元件126C與偏光分離元件122C彼此軸向正交，因此當屬於第一偏極性的光束LP 以及屬於第二偏極性的光束LS皆投射至濾光元件126C時，濾光元件126C會阻絕屬於第一偏極性的光束LP通過其中，而僅有屬於第二偏極性的光束LS能通過濾光元件126C，並進而於通過光學透鏡13C後投射至人眼90。
請參閱圖4A，其為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第四較佳實施例之結構概念示意圖。頭戴式顯示器1D包括顯示元件11A、光學裝置12A以及光學透鏡13A，而光學裝置12A包括透光載體121A、偏光分離元件122C、第一相位延遲元件123A、分光元件124A、第二相位延遲元件125D以及濾光元件126D，其中，本較佳實施例之頭戴式顯示器1D與光學裝置12D大致類似於本案第三較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第三較佳實施例不同之處在於，第二相位延遲元件125D亦如同第一相位延遲元件123A般使通過其中之光束的偏振狀態相對於偏光分離元件122C之光軸朝第一方向旋轉第一角度，而濾光元件126D與偏光分離元件122C具有相同軸向。
請參閱圖4B，其為圖4A所示頭戴式顯示器及其光學裝置的光路概念示意圖。其中，為了清楚的示意，圖4B中來自顯示元件11D的光束LS+P、屬於第一偏極性的光束LP、屬於第二偏極性的光束LS、偏振狀態改變的光束L1以及偏振狀態改變的光束L2皆係分別以不同的箭頭形態表示。當顯示元件11D顯示影像時，光學裝置12D接收來自顯示元件11D的複數光束LS+P，且該些光束LS+P會先通過透光載體121A而投射至偏光分離元件122C，此時， 屬於第一偏極性的光束LP可直接通過偏光分離元件122C，而屬於第二偏極性的光束LS則在偏光分離元件122C上產生反射。
接著，光束LP會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L2，並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L2投射分光元件124A時，該些光束L2中之50%的光束L2可通過分光元件124A，而該些光束L2中之另50%的光束L2則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L2會投射至第二相位延遲元件125D，且於通過第二相位延遲元件125D後因偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LS，並進而投射至濾光元件126D。
另一方面，在分光元件124A上產生反射的光束L2會往回投射至第一相位延遲元件123A，因此偏振狀態再被改變而轉換為屬於第二偏極性的光束LS，光束LS又往回投射至偏光分離元件122C而在偏光分離元件122C上產生反射。接著，光束LS會投射至第一相位延遲元件123A，且於通過第一相位延遲元件123A後轉換為偏振狀態改變的光束L1，並進而投射至分光元件124A。再者，當多個光束L1投射分光元件124A時，該些光束L1中之50%的光束L1可通過分光元件124A，而該些光束L1中之另50%的光束L1則在分光元件124A上產生反射。又，通過分光元件124A的光束L1會投射至第二相位延遲元件125D，且於通過第二相位延遲元件125D後因偏振狀態再被改變而轉換為屬於第一偏極性的光束LP，並進而投射至濾光元件126D。
最後，由於在本較佳實施例中，濾光元件126D與偏光分離元件122C具有相同軸向，因此當屬於第一偏極性的光束LP以及屬於第二偏極性的光束LS皆投射至濾光元件126D時，濾光元件126D會阻絕屬於第二偏極性的光束LS通過其中，而僅有屬於第一偏極性的光束LP能通過濾光元件126D，並進而於通過光學透鏡13A後投射至人眼90。
請參閱圖5，其為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置於一第五較佳實施例之結構概念示意圖。頭戴式顯示器1E包括顯示元件11E、光學裝置12E以及光學透鏡13E，而光學裝置12E包括透光載體121A、偏光分離元件122A、第一相位延遲元件123A、分光元件124A、第二相位延遲元件125A以及濾光元件126A，其中，本較佳實施例之頭戴式顯示器1E與光學裝置12E大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。
而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，光學裝置12E之第一相位延遲元件123A以及分光元件124A之間還填充有非空氣但可供光束於其中行進的介質120，如此可使整個光學裝置12E被整合為一體。可選擇地，該介質120的材料係相同於分光元件124A的材料，並與分光元件124A一體成形。此外，在第一相位延遲元件123A以及分光元件124A之間填充非空氣之介質120的實施手段亦適用於本案第二~第四較佳實施例中的光學裝置12B~12D。
請參閱圖6，其為本創作頭戴式顯示器及其光學裝置 於一第六較佳實施例之結構概念示意圖。頭戴式顯示器1F包括顯示元件11F、光學裝置12F以及光學透鏡13F，而光學裝置12F包括透光載體121A、偏光分離元件122A、第一相位延遲元件123A、分光元件124A、第二相位延遲元件125A以及濾光元件126A，其中，本較佳實施例之頭戴式顯示器1F與光學裝置12F大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，光學透鏡13F係設置於第一相位延遲元件123A以及分光元件124A之間。此外，將光學透鏡13F設置於第一相位延遲元件123A以及分光元件124A之間的實施手段亦適用於本案第二~第四較佳實施例中的光學裝置12B~12D。
當然，上述僅為實施例，熟知本技藝人士皆可依據實際應用需求而進行任何均等的變更設計。舉例來說，若對人眼所看到的影像對比度需求不高，則上述各較佳實施例的頭戴式顯示器可變更設計為不設置濾光元件。再舉例來說，若對偏光分離效率需求不高，則上述各較佳實施例中的偏光分離元件可採用反射式偏極片(reflective polarizer)取代反射式偏光增亮膜。又舉例來說，可將上述各較佳實施例中的偏光分離元件以及第一相位延遲元件變更設計為非薄膜狀的硬件，進而上述各較佳實施例中的頭戴式顯示器不用設置透光載體來支撐偏光分離元件以及第一相位延遲元件。
再者，雖然在上述各較佳實施例中的透光載體、偏光分離元件以及第一相位延遲元件是相層疊而結合組成第一片狀 結構，但可將偏光分離元件以及第一相位延遲元件變更設計為各自獨立且彼此之間具有間隔距離；同樣地，雖然在上述各較佳實施例中的分光元件、第二相位延遲元件以及濾光元件是相層疊而結合組成第二片狀結構，但可將分光元件、第二相位延遲元件以及濾光元件變更設計為各自獨立且彼此之間具有間隔距離。
上述實施例僅為例示性說明本創作之原理及其功效，以及闡釋本創作之技術特徵，而非用於限制本創作之保護範疇。任何熟悉本技術者之人士均可在不違背本創作之技術原理及精神的情況下，可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本創作所主張之範圍。因此，本創作之權利保護範圍應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (34)

  1. 一種光學裝置，應用於具有一顯示元件以及一光學透鏡之一頭戴式顯示器，且該光學裝置係接收來自該顯示元件之複數光束，並沿著該頭戴式顯示器之光軸方向依序包括：一偏光分離元件，用以供屬於一第一偏極性之任一該光束通過其中，並供屬於一第二偏極性之任一該光束於其上產生反射；一第一相位延遲元件，用以使通過其中之任一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝一方向旋轉一第一角度；一分光元件，用以供投射至其上之一部分的該光束通過其中，並供投射至其上之一另一部分的該光束於其上產生反射；以及一第二相位延遲元件，用以使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或屬於該第二偏極性之光束。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝該方向之反方向旋轉一第二角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束；其中，該第二角度約略相同於該第一角度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學裝置，更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第一偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光學裝置，其中該濾光元件與該偏光分離元件彼此軸向正交。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝該方向旋轉該第一角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光學裝置，更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第二偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中該濾光元件與該偏光分離元件具有相同軸向。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，更包括一透光載體，其位於該顯示元件以及該偏光分離元件之間，而該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件皆呈一薄膜狀；其中，該透光載體、該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件係相結合而組成一第一片狀結構。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，更包括一濾光元件，其係供通過該第二相位延遲元件之至少一該光束投射至其上，以對至少一該光束進行過濾。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光學裝置，其中該第二相位延遲元件以及該濾光元件皆呈一薄膜狀，且該分光元件、該第二相位延遲元件以及該濾光元件係相結合而組成一第二片狀結構。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之光學裝置，其中該濾光元件係為一偏極片(polarizer)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光學透鏡設置 於該第二相位延遲元件以及一人眼之間，抑或是設置於該第一相位延遲元件以及該分光元件之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之光學裝置，其中該光學透鏡係為一菲涅耳透鏡(Fresnel lens)、一雙凸透鏡、一平凸透鏡、一凹凸透鏡、一雙凹透鏡、一平凹透鏡或一凸凹透鏡。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之光學裝置，其中該第一相位延遲元件以及該分光元件之間具有一間隔距離，且該間隔距離與該光學透鏡之一等效焦距(EFL)相對應。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之光學裝置，其中當該光學透鏡設置於該第二相位延遲元件以及該人眼之間時，該光學裝置係滿足以下條件(1)~(3)中之至少一者：(1)15公厘D125公厘；(2)25公厘EFL45公厘；及(3)8.5公厘D216.5公厘；其中，D1為該光學裝置與該光學透鏡之一總長度，EFL為該光學透鏡之一等效焦距，D2為該第一相位延遲元件以及該分光元件之間之一間隔距離。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中屬於該第一偏極性之任一該光束係為一S偏極光束(S-polarized light)以及一P偏極光束(P-polarized light)中之一者，而屬於該第二偏極性之任一該光束係為該S偏極光束(S-polarized light)以及該P偏極光束(P-polarized light)中之一另一者。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該第一角度係介於45度±15度之區間。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該偏光分離元件係為一反射式偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film,DBEF)或一反射式偏極片(reflective polarizer)；抑或是該第一相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該第二相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該分光元件之一反射率介於30%~60%之區間。
  19. 一種頭戴式顯示器，包括：一顯示元件；一光學裝置，其接收來自該顯示元件之複數光束，並沿著該頭戴式顯示器之光軸方向依序包括：一偏光分離元件，用以供屬於一第一偏極性之任一該光束通過其中，並供屬於一第二偏極性之任一該光束於其上產生反射；一第一相位延遲元件，用以使通過其中之任一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝一方向旋轉一第一角度；一分光元件，用以供投射至其上之一部分的該光束通過其中，並供投射至其上之一另一部分的該光束於其上產生反射；以及一第二相位延遲元件，用以使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或屬於該第二偏極性之光束；以及一光學透鏡，其設置於該第二相位延遲元件以及一人眼之間，抑或是設置於該第一相位延遲元件以及該分光元件之間。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝該方向之反方向旋轉一第二角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束；其中，該第二角度約略相同於該第一角度。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之頭戴式顯示器，其中該光學裝置更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第一偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之頭戴式顯示器，其中該濾光元件與該偏光分離元件彼此軸向正交。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中該第二相位延遲元件係經由使通過其中之至少一該光束的偏振狀態相對於該偏光分離元件之光軸朝該方向旋轉該第一角度而使通過其中之至少一該光束轉換為屬於該第一偏極性之光束或轉換為屬於該第二偏極性之光束。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之頭戴式顯示器，其中該光學裝置更包括一濾光元件，用以阻絕從該第二相位延遲元件而至並屬於該第二偏極性之任一該光束通過該濾光元件。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之頭戴式顯示器，其中該濾光元件與該偏光分離元件具有相同軸向。
  26. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中該光學裝置更包括一透光載體，其位於該顯示元件以及該偏光分離元件之間，而該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件皆呈一薄膜狀； 其中，該透光載體、該偏光分離元件以及該第一相位延遲元件係相結合而組成一第一片狀結構。
  27. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中該光學裝置更包括一濾光元件，其係供通過該第二相位延遲元件之至少一該光束投射至其上，以對至少一該光束進行過濾。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之頭戴式顯示器，其中該第二相位延遲元件以及該濾光元件皆呈一薄膜狀，且該分光元件、該第二相位延遲元件以及該濾光元件係相結合而組成一第二片狀結構。
  29. 如申請專利範圍第27項所述之頭戴式顯示器，其中該濾光元件係為一偏極片(polarizer)。
  30. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中該第一相位延遲元件以及該分光元件之間具有一間隔距離，且該間隔距離與該光學透鏡之一等效焦距(EFL)相對應。
  31. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中當該光學透鏡設置於該第二相位延遲元件以及該人眼之間時，該光學裝置係滿足以下條件(1)~(3)中之至少一者：(1)15公厘D125公厘；(2)25公厘EFL45公厘；及(3)8.5公厘D216.5公厘；其中，D1為該光學裝置與該光學透鏡之一總長度，EFL為該光學透鏡之一等效焦距，D2為該第一相位延遲元件以及該分光元件之間之一間隔距離。
  32. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中屬於該第 一偏極性之任一該光束係為一S偏極光束(S-polarized light)以及一P偏極光束(P-polarized light)中之一者，而屬於該第二偏極性之任一該光束係為該S偏極光束(S-polarized light)以及該P偏極光束(P-polarized light)中之一另一者。
  33. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中該第一角度係介於45度±15度之區間。
  34. 如申請專利範圍第19項所述之頭戴式顯示器，其中該偏光分離元件係為一反射式偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film,DBEF)或一反射式偏極片(reflective polarizer)；抑或是該第一相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該第二相位延遲元件係為一四分之一波片；抑或是該分光元件之一反射率介於30%~60%之區間；抑或是該光學透鏡係為一菲涅耳透鏡(Fresnel lens)、一雙凸透鏡、一平凸透鏡、一凹凸透鏡、一雙凹透鏡、一平凹透鏡或一凸凹透鏡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI736431B (zh) * 2020-09-25 2021-08-11 宏碁股份有限公司 頭戴式顯示裝置
TWI749615B (zh) * 2019-07-19 2021-12-11 大陸商業成科技（成都）有限公司 頭戴式虛擬實境(vr)顯示裝置之光學系統
TWI798678B (zh) * 2021-04-13 2023-04-11 廣達電腦股份有限公司 微型化頭戴顯示器之光學系統

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