微型化短距离光学系统技术方案

本发明专利技术提供一种微型化短距离光学系统，其依序包括一显示屏、一反射式偏振元件、一第一相位延迟片、一部分穿透部分反射元件、至少一光学元件及设于上述元件任一侧的一透镜。光学元件可为一圆偏振片或是一第二相位延迟片及一线偏振片的组合。显示屏输出影像并发出光线后，光线在反射式偏振元件及部分穿透部分反射元件之间反射两次，使光线通过第一相位延迟片三次，当光线经过三次相位延迟后，经过第三次相位延迟的光线穿透该部分穿透部分反射元件，并通过光学元件进行第四次相位延迟，最后经过四次相位延迟的光线经由一透镜导入至少一人眼中，而仅设置单一透镜可让本发明专利技术的光学系统整体厚度更小，达到微型化的目的。

【技术实现步骤摘要】
微型化短距离光学系统
本专利技术有关一种光学系统，特别是指一种可应用于头戴显示器的微型化短距离光学系统。
技术介绍
头戴显示器(Head-mounteddisplay)是用于显示图像及色彩的设备，通常是用眼罩或头盔的形式，将显示屏贴近用户的眼睛，通过光路调整焦距以在近距离中对眼睛投射画面，产生虚拟现实的效果，增加佩戴者的临场感。图1所示为虚拟现实的头戴显示器的光学系统示意图，显示屏10投射出影像，经过一段光程为d的光路后入射至光学模块23，此光学模块23为单一透镜或多个透镜的组合，用以将影像导入至用户的人眼24中，假设光程d为40mm，而头戴显示器的长度为光程d加上光学模块的厚度、适眼距、外壳等，其总和对于戴在头上的眼罩和头盔而言略显笨重，对使用者的鼻梁、头顶、颈部都会造成负担无法久戴，故而目前技术致力于将头戴显示器中光学系统的长度缩短，以使头戴显示器的厚度缩小，便于使用者佩戴使用。因此，本专利技术即提出一种微型化短距离光学系统，除了可将光学系统的距离缩短之外，更可扩大视场，有效解决上述该等问题，具体架构及其实施方式容后详述。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种微型化短距离光学系统，其在显示屏前和光学模块之间设置反射式偏振元件、相位延迟片、部分穿透部分反射元件等光学元件，利用光线的相位延迟及多次反射达到近似或相同长度的光程，藉以缩短显示屏和光学模块之间的距离，最终可用以将头戴显示器微型化。本专利技术的另一目的在于提供一种微型化短距离光学系统，其在反射式偏振元件、第一相位延迟片、部分穿透部分反射元件、第二相位延迟片及线偏振片中任一元件的任一侧设置单一片透镜，在调节焦距的前提下更可达到微型化的目的。本专利技术的再一目的在于提供一种微型化短距离光学系统，其可应用于头戴显示器、游戏机等产品上的广角镜头或广角目镜，仅利用单一透镜进行焦距调节，可最大化使装置的厚度缩短，达到短距离、视场大、具有良好的像差校正等优点。为达上述目的，本专利技术提供一种微型化短距离光学系统，包括：一显示屏，输出影像并发出偏振或非偏振的光线；一反射式偏振元件，对应该显示屏设置，使该光线部分穿透、部分反射；一第一相位延迟片，对应该反射式偏振元件设置，接收部分穿透该反射式偏振元件的该光线，并进行第一次相位延迟；一部分穿透部分反射元件，对应该第一相位延迟片设置，使经第一次相位延迟的该光线部分穿透该部分穿透部分反射元件，部分则反射回该第一相位延迟片进行第二次及第三次相位延迟；至少一光学元件，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟，再让经过第四次相位延迟的光线通过而只经过两次相位延迟的光线无法通过；以及一透镜，设于该反射式偏振元件、该第一相位延迟片、该部分穿透部分反射元件及该光学元件中任一元件的任一侧，以调节焦距，并将影像导入至少一人眼中。根据本专利技术的实施例，该显示屏与至透镜之间以及该透镜至该人眼之间更可包括一至多片平板玻璃。根据本专利技术的实施例，该光学元件包括：一第二相位延迟片，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟；以及一线偏振片，对应该第二相位延迟片设置，该线偏振片用以让只经过两次相位延迟的光线不要通过，并让经过第四次相位延迟的光线通过。根据本专利技术的实施例，该光学元件为一圆偏振片。根据本专利技术的实施例，该部分穿透部分反射元件所反射回该第一相位延迟片的光线经过该第一相位延迟片的第二次相位延迟后，通过该第一相位延迟片到达该反射式偏振元件，并在该反射式偏振元件上完成反射，让该光线再反射回该第一相位延迟片并进行第三次相位延迟，接着光线穿过该第一相位延迟片及该部分穿透部分反射元件到达该第二相位延迟片，且该透镜可设于该第二相位延迟片及该线偏振片中任一者的任一侧。根据本专利技术的实施例，该第一、第二、第三、第四次相位延迟皆增加1/4波长的奇数倍的相位延迟，使到达该人眼的光线共延迟一个波长的整数倍。根据本专利技术的实施例，该显示屏送出并进入该反射式偏振元件的该光线为偏振光时，其可为线偏振光、圆偏振光或其他偏振态，且该显示屏及该反射式偏振元件之间更可依据该显示屏的偏振情况可增加至少一线偏振片、圆偏振片或相位延迟片以调整该显示屏的偏振态，新增的材质可为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或黏合等的形式设置于该显示屏或该反射式偏振元件上。该线偏振光经过该第一相位延迟片后可转换成左圆偏振光或右圆偏振光。根据本专利技术的实施例，该显示屏的可视范围半径为H，该光学系统的总长为TTL，该眼睛到该光学系统的最近元件表面中心的距离为E，该光学系统的半视场角为ω，则且且根据本专利技术的实施例，该光学系统的有效焦距为F，该透镜靠近该眼睛的一侧的曲率半径为R1，靠近该显示屏的一侧的曲率半径为R2，附图说明图1为现有技术中头戴显示器的显示屏与人眼之间光程的示意图。图2为本专利技术微型化短距离光学系统的一实施例的示意图。图3为本专利技术微型化短距离光学系统的一实施例的分解图图4A至图4C为本专利技术微型化短距离光学系统的步骤流程图。图5A至图5C为本专利技术微型化短距离光学系统中单一透镜的不同配置的实施例示意图。附图标记说明：10-显示屏；12-反射式偏振元件；14-第一相位延迟片；16-部分穿透部分反射元件；18第二相位延迟片；20-线偏振片；22-透镜；23-光学模块；24-人眼；26-平板玻璃。具体实施方式本专利技术提供一种微型化短距离光学系统，其应用于头戴显示器，特别是头戴显示器的虚拟现实系统，由于是戴在使用者的头上，若体积太大、太长则难以固定在使用者的头部而会受重力影响下坠，更会对使用者的头部和颈部造成负担，因此头戴显示器的大小愈小愈好，特别是长度必须缩短，而本专利技术的目的即在于利用多个光学元件将光线进行多次反射，更在这些光学元件之间仅设置单一透镜调节焦距，在相同长度的光程下使整体光学系统缩短，以达到将头戴显示器微型化的目的。请同时参考图2及图3，其分别为本专利技术微型化短距离光学系统的一实施例的示意图及分解图，在本专利技术微型化短距离光学系统中，于一显示屏10和至少一人眼24之间依序包括一反射式偏振元件12、一第一相位延迟片14、一部分穿透部分反射元件16、一第二相位延迟片18、一线偏振片20及一透镜22，其中，显示屏10输出影像并发出光线，此光线为偏振光或非偏振光，当光线是偏振光时，此该偏振光可为线偏振光、圆偏振光或其他偏振态，在此实施例中，光线为线偏振光，进一步而言，此实施例中的线偏振光的偏振方向与光路垂直；反射式偏振元件12对应显示屏10设置，接收显示屏10所发出的偏振光，并将该偏振光部分穿透、部分反射，特别是本专利技术所采用的反射式偏振元件12包含与光路垂直和平行两种偏振方向，可使垂直的偏振光穿透，水平偏振光反射；第一相位延迟片14对应反射式偏振元件12设置，用以接收从反射式偏振元件12部分穿透本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型化短距离光学系统，其特征在于，包括：/n一显示屏，输出影像并发出偏振或非偏振的光线；/n一反射式偏振元件，对应该显示屏设置，使该光线部分穿透、部分反射；/n一第一相位延迟片，对应该反射式偏振元件设置，接收部分穿透该反射式偏振元件的该光线，并进行第一次相位延迟；/n一部分穿透部分反射元件，对应该第一相位延迟片设置，使经该第一次相位延迟的该光线部分穿透该部分穿透部分反射元件，部分则反射回该第一相位延迟片进行第二次及第三次相位延迟；/n至少一光学元件，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟，再让经过第四次相位延迟的光线通过而只经过两次相位延迟的光线无法通过；以及/n一透镜，设于该反射式偏振元件、该第一相位延迟片、该部分穿透部分反射元件及该光学元件中任一者的任一侧，将该显示屏所输出的该影像导入至少一人眼中。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型化短距离光学系统，其特征在于，包括：
一显示屏，输出影像并发出偏振或非偏振的光线；
一反射式偏振元件，对应该显示屏设置，使该光线部分穿透、部分反射；
一第一相位延迟片，对应该反射式偏振元件设置，接收部分穿透该反射式偏振元件的该光线，并进行第一次相位延迟；
一部分穿透部分反射元件，对应该第一相位延迟片设置，使经该第一次相位延迟的该光线部分穿透该部分穿透部分反射元件，部分则反射回该第一相位延迟片进行第二次及第三次相位延迟；
至少一光学元件，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟，再让经过第四次相位延迟的光线通过而只经过两次相位延迟的光线无法通过；以及
一透镜，设于该反射式偏振元件、该第一相位延迟片、该部分穿透部分反射元件及该光学元件中任一者的任一侧，将该显示屏所输出的该影像导入至少一人眼中。


2.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该人眼至该透镜之间包括一至多片平板玻璃，且该透镜至该显示屏之间更包括一至多片平板玻璃，并于该平板玻璃上设置对应的一至多个光学元件，其材质为薄膜材料或为光学镀膜等以涂布、镀膜或黏合等的形式设置于该平板玻璃上。


3.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该光学元件包括：
一第二相位延迟片，对应该部分穿透部分反射元件设置，接收部分穿透该部分穿透部分反射元件且经过该第二、第三次相位延迟的该光线，并进行第四次相位延迟；以及
一线偏振片，对应该第二相位延迟片设置，该线偏振片用以让只经过两次相位延迟的光线不要通过，并让经过第四次相位延迟的光线通过。


4.如权利要求1所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该光学元件为一圆偏振片。


5.如权利要求3所述的微型化短距离光学系统，其特征在于，该部分穿透部分反射元件所反射回该第一相位延迟片的光线经过该第一相位延迟片的第二次相位延迟后，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪凌桂，施富斌，游鸿文，
申请(专利权)人：双莹科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71