光学系统的制作方法

1.本发明系有关光学技术领域，特别是指一种可改善大视角漏光与减少鬼影之光学系统。


背景技术：

2.随着扩增实境(augmented reality，ar)与虚拟现实(virtual reality，vr)技术的发展逐渐成熟，使得以往出现在科幻小说和电影中由虚拟与现实混合而成的数字世界，愈来愈有机会实现。以虚拟现实技术而言，其中一种ar/vr头戴显示设备的光学系统包括显示器1以及光学模组2，如图1所示，显示器1包括显示屏10以及依次贴合于显示屏10表面的线性偏振片(linear polarizer)11和相位延迟片12，使显示屏10所输出的光线呈现圆偏振状态。光学模组2包括设置于显示器1前方的半反射层(half-mirror coating)21、第一透镜22、相位延迟片23、反射式偏振片(reflective polarizer)24、第二透镜25及线性偏振片26等光学元件，让显示器1输出的光线经过光学模组2的多次反射和相位调整之后来导出至人眼5，以藉由将原本较长的光线路径大幅缩短，使得光学系统的整体体积可以达到最小化。
3.然而，ar/vr头戴显示设备中平面显示器边缘在光学镜头中容易发生大视角漏光的问题。如图2a所示，理想的偏振角度对准情况是假设相位延迟片12和相位延迟片23的外型皆为平面。但是，显示器通常是平面的，而光学镜头是曲面的。因此，真实的偏振角度对准情况则如图2b所示。相位延迟片12设置在显示器里而呈现平面，相位延迟片23设置在光学模组里而呈现弯曲。由于两者的外型具有曲率差异，将会造成偏振角度无法有效对准，而导致漏光。此外，首次经过半反射层反射回到显示器的部分光线，容易再与ar/vr头戴显示设备的机构件产生杂散光后，再投射进入光学模组而产生鬼影，而外界杂散光也容易直接进入光学模组，同样会造成鬼影的问题。


技术实现要素：

4.本发明之主要目的在于提供一种光学系统，第一透镜表面贴附线性偏振片与相位延迟片，而能依循第一透镜的曲面形状呈现弯曲，藉以避免习知平面显示器边缘在光学镜头中的大视角对准误差所产生的漏光现象，而且可以进一步减少杂散光所导致的鬼影问题。
5.为达上述目的，本发明提供一种光学系统，包括有一显示屏与一光学模组。其中，显示屏用以输出影像并发出光线。光学模组包括沿光线的路径同轴设置的下列元件：一第一透镜，相对显示屏设置，第一透镜包含面向显示屏的外曲面以及背向显示屏的内曲面；一第一相位延迟片，贴合于第一透镜的外曲面；一线性偏振片，贴合于第一相位延迟片面向显示屏的一面；一半反射层，设置于第一透镜的内曲面或第一相位延迟片和第一透镜的外曲面之间；一第二相位延迟片，相对半反射层和第一透镜设置；一反射式偏振片，相对第二相位延迟片设置；以及一第二透镜，相对反射式偏振片设置。
6.根据本发明之实施例，前述第一透镜的外曲面和内曲面具有相同或相近的曲率。
7.根据本发明之实施例，前述线性偏振片接收显示屏发出之光线并形成第一线偏振光，第一线偏振光经过第一相位延迟片转换为第一圆偏振光，第一圆偏振光部分穿透半反射层后，部分则反射回显示屏。
8.根据本发明之实施例，前述第二相位延迟片接收第一圆偏振光并转换为第二线偏振光，第二线偏振光经过反射式偏振片反射，使第二线偏振光经过第二相位延迟片转换为第二圆偏振光，第二圆偏振光部分穿透半反射层，部分则转换为第三圆偏振光并反射回第二相位延迟片，以将第三圆偏振光转换为第三线偏振光，再穿透反射式偏振片，接着经由第二透镜导入人眼中。
9.根据本发明之实施例，前述第一相位延迟片之快轴与第二相位延迟片之快轴互相平行。
10.本发明还提供一种光学系统，包括有一显示屏与一光学模组。其中，显示屏用以输出影像并发出光线。光学模组包括沿光线的路径同轴设置的下列元件：一第一透镜，相对显示屏设置，第一透镜包含面向显示屏的外曲面以及背向显示屏的内曲面；一第一相位延迟片，贴合于第一透镜的内曲面；一线性偏振片，贴合于第一透镜的外曲面；一半反射层，设置于第一相位延迟片背向显示屏的一面；一第二相位延迟片，相对半反射层设置；一反射式偏振片，相对第二相位延迟片设置；以及一第二透镜，相对反射式偏振片设置。
11.根据本发明之实施例，前述第一透镜的外曲面和内曲面具有相同或相近的曲率。
12.根据本发明之实施例，前述第一透镜的外曲面和内曲面的曲率差异为30％以内。
13.根据本发明之实施例，前述线性偏振片接收显示屏发出之光线并形成第一线偏振光，第一线偏振光通过第一透镜导入第一相位延迟片并转换为第一圆偏振光，第一圆偏振光部分穿透半反射层，部分则反射回显示屏。
14.根据本发明之实施例，前述第二相位延迟片接收穿透半反射层之第一圆偏振光并转换为第二线偏振光，第二线偏振光经过反射式偏振片反射，使第二线偏振光经过第二相位延迟片转换为第二圆偏振光，第二圆偏振光部分穿透半反射层，部分则转换为第三圆偏振光并反射回第二相位延迟片，以将第三圆偏振光转换为第三线偏振光，再穿透反射式偏振片，接着经由第二透镜导入人眼中。
15.根据本发明之实施例，前述第一相位延迟片之快轴与第二相位延迟片之快轴互相平行。
16.与先前技术相比，本发明具有以下优势：
17.(1)本发明可以克服习知平面显示器边缘在光学镜头中的大视角对准误差所产生的漏光问题。
18.(2)本发明可以消除光学模组所反射回来的杂散光和外界的杂散光，从而改善习知光学系统所产生的鬼影问题。
19.底下藉由具体实施例详加说明，当更容易了解本发明之目的、技术内容、特点及其所达成之功效。
附图说明
20.图1为先前技术的一种ar/vr头戴显示设备的光学系统之布局示意图。
21.图2a为图1中两个相位延迟片的理想的偏振角度对准情况之示意图。
22.图2b为图1中两个相位延迟片的真实的偏振角度对准情况之示意图
23.图3为本发明第一实施例之光学系统的结构剖面图。
24.图4为本发明第二实施例之光学系统之结构剖面图。
25.图5为本发明第三实施例之光学系统之结构剖面图。
26.图6为本发明之光学系统的杂散光区域之示意图。
27.附图标记为：
28.1：显示器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
44：第一透镜
29.10：显示屏
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
441：外曲面
30.11：线性偏振片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
442：内曲面
31.12：相位延迟片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
45：第二相位延迟片
32.2：光学模组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
46：反射式偏振片
33.21：半反射层
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
47：第二透镜
34.22：第一透镜
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5：人眼
35.23：相位延迟片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
a：杂散光区域
36.24：反射式偏振片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
b：杂散光区域
37.25：第二透镜
38.26：线性偏振片
39.3：显示屏
40.4：光学模组
41.41：线性偏振片
42.42：第一相位延迟片
43.43：半反射层
具体实施方式
44.本发明之实施例将藉由下文配合相关附图进一步加以解说。尽可能的，于附图与说明书中，相同标号系代表相同或相似构件。于附图中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于附图中或描述于说明书中之元件，为所属技术领域中具有通常知识者所知之形态。本领域之通常知识者可依据本发明之内容而进行多种之改变与修改。
45.请参照图3，其为本发明第一实施例之光学系统之结构剖面图。本实施例之光学系统应用于ar/vr头戴显示设备，其包括显示屏3及光学模组4，相对彼此设置。显示屏3用以输出影像并发出光线至光学模组4，再通过光学模组4导入人眼5中而成像。光学模组3包括沿光线的路径同轴设置的线性偏振片41、第一相位延迟片42、第一透镜43、半反射层44、第二相位延迟片45、反射式偏振片46及第二透镜47。其中，第一透镜44相对显示屏3设置，第一透镜44包含面向显示屏3的外曲面441以及背向显示屏3的内曲面442，在第一透镜44的外曲面441依序贴合有半反射层43、第一相位延迟片42和线性偏振片41，也就是说，线性偏振片41、第一相位延迟片42和半反射层43依序设置于显示屏3和第一透镜44之间。而第二相位延迟片45相对第一透镜44设置。反射式偏振片46相对第二相位延迟片45设置。进一步说明，本实施例是将半反射层43、第一相位延迟片42和线性偏振片41以涂布、镀膜或黏合等方式置于
第一透镜44上而成为一体，使第一相位延迟片42和线性偏振片41能依循第一透镜44的外曲面441的形状进行弯曲。又如图4所示，由于第一相位延迟片42和第二相位延迟片45皆设置在光学模组4里面，因此，两者的外型具有相同或相近的曲率，使得光线的偏振角度可以有效对准，可避免发生漏光现象。
46.在本发明中，显示屏3可为lcd显示屏、led显示屏、电子纸显示屏或oled显示屏。显示屏3发出的光线可为偏振光或非偏振光，偏振光不限定偏振方向，例如，偏振光可为线偏振光、圆偏振光或其他之偏振态，而线偏振光的偏振方向不能与线性偏振片41的吸收轴同向，以免被线性偏振片41完全吸收；在本实施例中，显示屏3所发出之光线为非偏振光。在本发明中，线性偏振片41用以接收从显示屏3发出的光线，并使光线通过后成为线偏振光，本发明中所采用的线性偏振片41可为垂直偏振片或水平偏振片，垂直偏振片的穿透轴与光线路径垂直，吸收轴与光线路径平行，而水平偏振片的穿透轴与光线路径平行，吸收轴与光线路径垂直；本实施例之线性偏振片41为垂直偏振片，用以只提供偏振方向与光线路径垂直之线偏振光通过，其余偏振方向的光线不能通过。在本发明中，第一相位延迟片42用以接收从线性偏振片41通过之光线，并进行相位延迟；本实施例之第一相位延迟片42为四分之一波片，可增加四分之一波长的相位延迟。在本发明中，半反射层43用以接收从第一相位延迟片42通过之光线，并使光线部分穿透半反射层43，部分反射且将反射的光线作180度的相位转换；本实施例之半反射层43是进行50％光线的穿透及50％光线的反射。在本发明中，第二相位延迟片45用以接收从半反射层43通过之光线，并进行相位延迟；本实施例之第二相位延迟片45为四分之一波片，可增加四分之一波长的相位延迟。本实施例中，第一相位延迟片42之快轴与第二相位延迟片45之快轴设置为互相平行，以增加光学效率。反射式偏振片46用以接收从第二相位延迟片45通过之光线，并将光线部分穿透、部分反射；本实施例之反射式偏振片46用以只提供偏振方向与光线路径垂直之线偏振光通过，其余偏振方向的光线则予以反射。
47.本发明中，第一透镜44的外曲面441和内曲面442较佳具有相同或相近的曲率，具体而言，第一透镜44的外曲面441和内曲面442的曲率差异为30％以内为较佳，可使轴向对准更为准确。本发明之第一透镜44和第二透镜47的种类不予以限制，例如可为球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜等单片透镜，或是以上任意组合之多片式透镜等等。本发明主要是将半反射层43、第一相位延迟片42和线性偏振片41与第一透镜44上组合为一体，进一步更可以在半反射层43、第一相位延迟片42和线性偏振片41之间增加其他层别，例如可增加一个或多个线偏振片、圆偏振片或相位延迟片，而线偏振片、圆偏振片和相位延迟片之材质可为薄膜材料或光学镀膜，其可利用涂布、镀膜或黏合的形式设置于第一透镜44上。另外要说明的是，对于本发明技术领域具有通常知识者而言，第一相位延迟片42、线性偏振片41、第二相位延迟片45、反射式偏振片46及第二透镜47中之任一者，可选用其他光学或doe绕射的折返偏振膜、光学镜片或其他相同功能性元件来取代，只要能达到第一相位延迟片42、线性偏振片41、第二相位延迟片45、反射式偏振片46及第二透镜47与第一透镜44上的半反射层43所形成的折返光学效果，应当都不脱离本发明之范围。
48.进一步说明本实施例之具体操作流程。首先，显示屏3输出影像，并发出非偏振光到线性偏振片41，非偏振光经过线性偏振片41后变成第一线偏振光；第一线偏振光为垂直偏振光。第一相位延迟片42接收第一线偏振光后，将第一线偏振光转换为第一圆偏振光；第
一圆偏振光为右旋偏振光。半反射层43接收第一圆偏振光后，将50％的第一圆偏振光穿透半反射层43，再通过第一透镜44导出，另外50％的第一圆偏振光则反射回显示屏3。第二相位延迟片45接收第一透镜44所导出之第一圆偏振光，将第一圆偏振光转换为第二线偏振光；第二线偏振光为水平偏振光。反射式偏振片46接收第二线偏振光，再反射回第二相位延迟片45。然后，第二相位延迟片45将第二线偏振光转换为第二圆偏振光；第二圆偏振光为右旋偏振光。第二圆偏振光接着经过半反射层43，使50％的第二圆偏振光穿透半反射层43，另外50％则转180度的相位成为第三圆偏振光并反射回第二相位延迟片45；第三圆偏振光为左旋偏振光。由第二相位延迟片45将第三圆偏振光转换为第三线偏振光；第三线偏振光为垂直偏振光。最后，反射式偏振片46可让第三线偏振光直接通过，藉由第二透镜47导入人眼5中。
49.请参照图4，其为本发明第二实施例之光学系统之结构剖面图。和第一实施例的差异在于，本实施例将半反射层43贴合于第一透镜44的内曲面442，并在第一透镜44的外曲面441依序贴合有第一相位延迟片42和线性偏振片41，也就是说，也就是说，线性偏振片41和第一相位延迟片42依序设置于显示屏3和第一透镜44之间，半反射层43设置于第一透镜44和第二相位延迟片45之间。同样地，本实施例是将半反射层43、第一相位延迟片42和线性偏振片41以涂布、镀膜或黏合等方式置于第一透镜44上而成为一体，使第一相位延迟片42和线性偏振片41能依循第一透镜44的外曲面441的形状进行弯曲。由于第一相位延迟片42和第二相位延迟片45皆设置在光学模组4里面，因此，两者的外型具有相同或相近的曲率，使得光线的偏振角度可以有效对准，可避免发生漏光现象。
50.进一步说明本实施例之具体操作流程。首先，显示屏3输出影像，并发出非偏振光到线性偏振片41，非偏振光经过线性偏振片41后变成第一线偏振光；第一线偏振光为垂直偏振光。第一相位延迟片42接收第一线偏振光后，将第一线偏振光转换为第一圆偏振光，再穿过第一透镜44；第一圆偏振光为右旋偏振光。半反射层43接收穿过第一透镜44的第一圆偏振光后，将50％的第一圆偏振光穿透半反射层43，另外50％则反射回显示屏3。第二相位延迟片45接收穿透半反射层43之第一圆偏振光，将第一圆偏振光转换为第二线偏振光；第二线偏振光为水平偏振光。反射式偏振片46接收第二线偏振光，再反射回第二相位延迟片45。然后，第二相位延迟45片将第二线偏振光转换为第二圆偏振光；第二圆偏振光为右旋偏振光。第二圆偏振光接着经过半反射层43，使50％的第二圆偏振光穿透半反射层43，另外50％则转换为第三圆偏振光并反射回第二相位延迟片45；第三圆偏振光为左旋偏振光。由第二相位延迟片45将第三圆偏振光转换为第三线偏振光；第三线偏振光为垂直偏振光。最后，反射式偏振片46可让第三线偏振光直接通过，藉由第二透镜47导入人眼5中。
51.另外，请参照图5，其为本发明第三实施例之光学系统之结构剖面图。和第一、第二实施例的差异在于，本实施例将线性偏振片41贴合于第一透镜44的外曲面441，并在第一透镜44的内曲面442依序贴合有第一相位延迟片42和半反射层43，也就是说，也就是说，线性偏振片41设置于显示屏3和第一透镜44之间，第一相位延迟片42和半反射层43设置于第一透镜44和第二相位延迟片45之间。同样地，本实施例是将半反射层43、第一相位延迟片42和线性偏振片41以涂布、镀膜或黏合等方式置于第一透镜44上而成为一体，使第一相位延迟片42和线性偏振片41能依循第一透镜44的外曲面441和内曲面442的形状进行弯曲。由于第一相位延迟片42和第二相位延迟片45皆设置在光学模组4里面，因此，两者的外型具有相同
或相近的曲率，使得光线的偏振角度可以有效对准，可避免发生漏光现象。
52.进一步说明本实施例之具体操作流程。首先，显示屏3输出影像，并发出非偏振光到线性偏振片41，非偏振光经过线性偏振片41后变成第一线偏振光；第一线偏振光为垂直偏振光，再穿过第一透镜44。第一相位延迟片43接收穿过第一透镜44的第一线偏振光后，将第一线偏振光转换为第一圆偏振光；第一圆偏振光为右旋偏振光。半反射层43接收第一圆偏振光后，将50％的第一圆偏振光穿透半反射层43，另外50％则反射回显示屏3。第二相位延迟片45接收穿透半反射层43之第一圆偏振光，将第一圆偏振光转换为第二线偏振光；第二线偏振光为水平偏振光。反射式偏振片46接收第二线偏振光，再反射回第二相位延迟片45。然后，第二相位延迟片45将第二线偏振光转换为第二圆偏振光；第二圆偏振光为右旋偏振光。第二圆偏振光接着经过半反射层43，使50％的第二圆偏振光穿透半反射层43，另外50％则转换为第三圆偏振光并反射回第二相位延迟片45；第三圆偏振光为左旋偏振光。由第二相位延迟片45将第三圆偏振光转换为第三线偏振光；第三线偏振光为垂直偏振光。最后，反射式偏振片46可让第三线偏振光直接通过，藉由第二透镜47导入人眼5中。
53.此外，请参照图6，其为本发明之光学系统的杂散光区域之示意图。在杂散光区域a：经过半反射层43的光线，其中50％的光线会穿透半反射层43，其余50％反射回来的光线会被线性偏振片41所吸收，不会再与ar/vr头戴显示设备的机构件产生杂散光后，再投射进入光学模组4而产生鬼影。在杂散光区域b：外界的杂散光经过半反射层43，其中50％反射的光线也会被线性偏振片41所吸收，因为此外界的杂散光是来自区域a的残余反射光，因此已属于相当微量的杂散光。相较于习知的光学系统，本发明可以有效改善杂散光所造成的鬼影问题。
54.综上所述，本发明所提供之光学系统，利用将线性偏振片和第一相位延迟片贴合于第一透镜表面，并按照线性偏振片、第一相位延迟片和半反射层的排列方式来和第一透镜组合为一体，使线性偏振片和第一相位延迟片能依循第一透镜的曲面形状呈现弯曲，可产生弯曲的显示效果，藉以避免习知平面显示器边缘在光学镜头中的大视角对准误差所产生的漏光现象，同时，可以进一步消除光学模组所反射回来的杂散光和外界的杂散光，从而改善习知光学系统所产生的鬼影问题。本发明适用于lcd显示器、led显示器、电子纸显示器或oled显示器，在显示器中不用额外设置偏振片，即可达到理想的光学效率。
55.唯以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施之范围。故即凡依本发明申请范围所述之特征及精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明之申请专利范围内。