[go: up one dir, main page]

TWI870957B - 頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置 - Google Patents

頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置 Download PDF

Info

Publication number
TWI870957B
TWI870957B TW112128894A TW112128894A TWI870957B TW I870957 B TWI870957 B TW I870957B TW 112128894 A TW112128894 A TW 112128894A TW 112128894 A TW112128894 A TW 112128894A TW I870957 B TWI870957 B TW I870957B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
transmitting substrate
conductive light
lens
light
conductive
Prior art date
Application number
TW112128894A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202505259A (zh
Inventor
洪琨志
陳庭輝
陳伯綸
陳芸霈
Original Assignee
大陸商業成光電（深圳）有限公司
大陸商業成科技（成都）有限公司
英特盛科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 大陸商業成光電（深圳）有限公司, 大陸商業成科技（成都）有限公司, 英特盛科技股份有限公司 filed Critical 大陸商業成光電（深圳）有限公司
Application granted granted Critical
Publication of TWI870957B publication Critical patent/TWI870957B/zh
Publication of TW202505259A publication Critical patent/TW202505259A/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G02F1/133536—Reflective polarizers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133606—Direct backlight including a specially adapted diffusing, scattering or light controlling members
    • G02F1/133607—Direct backlight including a specially adapted diffusing, scattering or light controlling members the light controlling member including light directing or refracting elements, e.g. prisms or lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1347—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • G09F9/30—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements
    • G09F9/33—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements being semiconductor devices, e.g. diodes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Instrument Panels (AREA)

Abstract

本發明揭露一種頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置，變焦式光學裝置包含一偏振反射膜、一波片、一半穿半反射膜與一變焦模組。半穿半反射膜設於波片上，變焦模組包含一第一導電透光基板、一第二導電透光基板與一第三導電透光基板。第三導電透光基板位於第一導電透光基板與第二導電透光基板之間，第一導電透光基板透過光學級透明膠體設於波片上，偏振反射膜直接設於第二導電透光基板上。第一導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置，第二導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置。

Description

頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置
本發明係關於一種顯示技術，且特別關於一種頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置。
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液晶顯示器(LCD)或是發光二極體(LED)顯示器來顯示影像，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。然而，因AR系統或VR系統的成像距離較遠，造成透鏡需與人眼保持一定的距離。為了改善此問題，故導入餅乾(Pancake)透鏡。此外，為了將頭戴式顯示器加入多種功能，例如調節屈光度，故造成鏡片模組之厚度過厚。因此頭戴顯示器給人笨重的感覺，造成使用者不便。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置，以解決習知所產生的問題。
本發明提供一種頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置，以具備輕薄特性。
在本發明之一實施例中，一種變焦式光學裝置包含一偏振反射膜、一波片、一半穿半反射膜(half mirror film)與一變焦模組。波片具有彼此相對之第一表面與第二表面，半穿半反射膜設於波片之第一表面上。變焦模組包含一第一導電透光基板、一第二導電透光基板與一第三導電透光基板。第三導電透光基板位於第一導電透光基板與第二導電透光基板之間，第一導電透光基板透過光學級透明膠體設於波片的第二表面上，偏振反射膜直接設於第二導電透光基板上。第一導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置，第二導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置。
在本發明之一實施例中，波片為四分之一波片。
在本發明之一實施例中，第一導電透光基板、第二導電透光基板與第三導電透光基板為平面基板、平凸面基板、凸凹面基板、柱狀面基板或曲面基板。
在本發明之一實施例中，變焦模組更包含至少一個固態透鏡、一第一液晶層、一偏振相依透鏡與一第二液晶層。第一液晶層設於第一導電透光基板與第三導電透光基板之間，偏振相依透鏡設於第三導電透光基板與固態透鏡之間，第二液晶層設於固態透鏡與第二導電透光基板之間。
在本發明之一實施例中，固態透鏡為非球面透鏡。
在本發明之一實施例中，固態透鏡為非偏振相依透鏡。
在本發明之一實施例中，偏振相依透鏡以液晶層實現。
在本發明之一實施例中，波片之第一表面透過半穿半反射膜朝向一顯示模組之顯示面，顯示模組用以發射圓偏振影像至半穿半反射膜。
在本發明之一實施例中，顯示模組為液晶顯示器、微有機發光二極體(μ-OLED)模組、矽基液晶(liquid-crystal-on-silicon)顯示模組、數位光處理模組或微發光二極體顯示模組。
在本發明之一實施例中，固態透鏡為一菲涅爾透鏡(Fresnel lens)、一平凸透鏡或一平凹透鏡。
在本發明之一實施例中，變焦模組用以根據入射偏振影像之偏振狀態決定入射光之屈光度，並維持或改變入射偏振影像之偏振狀態。
在本發明之一實施例中，一種頭戴式顯示裝置包含一偏振反射膜、一波片、一半穿半反射膜(half mirror film)、一變焦模組與一顯示模組。波片具有彼此相對之第一表面與第二表面，半穿半反射膜設於波片之第一表面上。變焦模組包含一第一導電透光基板、一第二導電透光基板與一第三導電透光基板。第三導電透光基板位於第一導電透光基板與第二導電透光基板之間，第一導電透光基板透過光學級透明膠體設於波片的第二表面上。偏振反射膜直接設於第二導電透光基板上，第一導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置，第二導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置。顯示模組之顯示面透過半穿半反射膜朝向波片之第一表面，其中顯示模組用以發射圓偏振影像至半穿半反射膜。
在本發明之一實施例中，波片為四分之一波片。
在本發明之一實施例中，第一導電透光基板、第二導電透光基板與第三導電透光基板為平面基板、平凸面基板、凸凹面基板、柱狀面基板或曲面基板。
在本發明之一實施例中，變焦模組更包含至少一個固態透鏡、一第一液晶層、一偏振相依透鏡與一第二液晶層。第一液晶層設於第一導電透光基板與第三導電透光基板之間，偏振相依透鏡設於第三導電透光基板與固態透鏡之間，第二液晶層設於固態透鏡與第二導電透光基板之間。
在本發明之一實施例中，固態透鏡為非球面透鏡。
在本發明之一實施例中，固態透鏡為非偏振相依透鏡。
在本發明之一實施例中，偏振相依透鏡以液晶層實現。
在本發明之一實施例中，顯示模組為液晶顯示器、微有機發光二極體(μ-OLED)模組、矽基液晶(liquid-crystal-on-silicon)顯示模組、數位光處理模組或微發光二極體顯示模組。
在本發明之一實施例中，固態透鏡為一菲涅爾透鏡(Fresnel lens)、一平凸透鏡或一平凹透鏡。
在本發明之一實施例中，變焦模組用以根據入射偏振影像之偏振狀態決定入射光之屈光度，並維持或改變入射偏振影像之偏振狀態。
基於上述，頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置採用變焦模組。變焦模組包含第一導電透光基板、第二導電透光基板與第三導電透光基板。第三導電透光基板位於第一導電透光基板與第二導電透光基板之間，第一導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置，第二導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置。因此，頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置，以具備輕薄特性。
茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。
當一個元件被稱為『在…上』時，它可泛指該元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在於兩者之中。相反地，當一個元件被稱為『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在於兩者之中間。如本文所用，詞彙『及/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。
於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現之“一個實施例”或 “一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。
揭露特別以下述例子加以描述，這些例子僅係用以舉例說明而已，因為對於熟習此技藝者而言，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。在通篇說明書與申請專利範圍中，除非內容清楚指定，否則「一」以及「該」的意義包含這一類敘述包括「一或至少一」該元件或成分。此外，如本揭露所用，除非從特定上下文明顯可見將複數個排除在外，否則單數冠詞亦包括複數個元件或成分的敘述。而且，應用在此描述中與下述之全部申請專利範圍中時，除非內容清楚指定，否則「在其中」的意思可包含「在其中」與「在其上」。在通篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供從業人員(practitioner)在有關本揭露之描述上額外的引導。在通篇說明書之任何地方之例子，包含在此所討論之任何用詞之例子的使用，僅係用以舉例說明，當然不限制本揭露或任何例示用詞之範圍與意義。同樣地，本揭露並不限於此說明書中所提出之各種實施例。
可了解如在此所使用的用詞「包含(comprising)」、「包含(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包含(involving)」等等，為開放性的(open-ended)，即意指包含但不限於。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，並非用來限制發明作之申請專利範圍。
除非特別說明，一些條件句或字詞，例如「可以(can)」、「可能(could)」、「也許(might)」，或「可(may)」，通常是試圖表達本案實施例具有，但是也可以解釋成可能不需要的特徵、元件，或步驟。在其他實施例中，這些特徵、元件，或步驟可能是不需要的。
以下將介紹一種頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置，其採用變焦模組。變焦模組包含第一導電透光基板、第二導電透光基板與第三導電透光基板。第三導電透光基板位於第一導電透光基板與第二導電透光基板之間，第一導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置，第二導電透光基板與第三導電透光基板之間呈無基板設置。因此，頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置，以具備輕薄特性。
第1圖為餅乾(Pancake)透鏡之示意圖。在頭戴式顯示器特別是虛擬實境(VR)顯示器的發展上，餅乾透鏡因為可以對於光路進行摺疊，能夠達到減輕重量、縮減空間的功用，而成為主流。餅乾透鏡之原理是轉換偏振光的偏振狀態與反射偏振光，達到將光路摺疊在半穿半反射鏡(half mirror)與反射式偏振片(Reflective Polarizer)之間的效果，並因為光路折疊時，光線得以通過位於半穿半反射鏡與反射式偏振片之間的透鏡三次，因此可以讓餅乾透鏡中的位於半穿半反射鏡與反射式偏振片之間的透鏡貢獻3次的屈光度，使餅乾透鏡輕薄短小。如第1圖所示，餅乾透鏡1包含一半穿半反射鏡10、一四分之一波片12與一反射式偏振片14。半穿半反射鏡10反射一半的光，使一半的光穿透半穿半反射鏡10，並改變圓偏振光的偏振狀態，例如反射左圓偏振光，以形成右圓偏振光，或反射右圓偏振光，以形成左圓偏振光。四分之一波片12轉換圓偏振光為線偏振光，或轉換線偏振光為圓偏振光。反射式偏振片14反射第一方向的線性偏振光，第二方向的線性偏振光通過反射式偏振片14，其中第一方向垂直第二方向。在第1圖中，實線箭頭與虛線箭頭皆代表光的行進方向。右圓偏振光會依序通過半穿半反射鏡10與四分之一波片12，四分之一波片12轉換右圓偏振光為x偏振光。反射式偏振片14反射x偏振光。四分之一波片12轉換x偏振光為右圓偏振光。半穿半反射鏡10反射右圓偏振光，以形成左圓偏振光。左圓偏振光通過四分之一波片12，以形成y偏振光，y偏振光直接通過反射式偏振片14。餅乾透鏡應用於本發明之頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置中。
第2圖為本發明之第一實施例之頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置之示意圖。請參閱第2圖，以下介紹頭戴式顯示裝置2之第一實施例。頭戴式顯示裝置2包含一變焦式光學裝置V，其中變焦式光學裝置V包含一偏振反射膜20、一波片21、一半穿半反射膜(half mirror film)22、一光學級透明膠體23與一變焦模組24。除了變焦式光學裝置V，頭戴式顯示裝置2更包含一顯示模組25。波片21可為，但不限於四分之一波片。顯示模組25可為，但不限於液晶顯示器、微有機發光二極體(μ-OLED)模組、矽基液晶(liquid-crystal-on-silicon)顯示模組、數位光處理模組或微發光二極體顯示模組。光學級透明膠體23可為，但不限於光學膠或感壓型黏著劑(pressure sensitive adhesives ，PSA) 。波片21具有彼此相對之第一表面與第二表面，半穿半反射膜22設於波片21之第一表面上。變焦模組24包含一第一導電透光基板240、一第二導電透光基板241與一第三導電透光基板242。第一導電透光基板240、第二導電透光基板241與第三導電透光基板242之每一者包含透光基板及其上的電極層。在第一實施例中，第一導電透光基板240、第二導電透光基板241與第三導電透光基板242以平面基板為例。第三導電透光基板242位於第一導電透光基板240與第二導電透光基板241之間，第一導電透光基板240透過光學級透明膠體23設於波片21的第二表面上，偏振反射膜20直接設於第二導電透光基板241上，即偏振反射膜20與第二導電透光基板241之間呈無結構設置。為了有效降低頭戴式顯示裝置2之整體厚度，以具備輕薄特性，第一導電透光基板240與第三導電透光基板242之間呈無基板設置，第二導電透光基板241與第三導電透光基板242之間呈無基板設置。顯示模組25之顯示面透過半穿半反射膜22朝向波片21之第一表面。顯示模組25用以發射圓偏振影像至半穿半反射膜22。
在本發明之某些實施例中，變焦模組24更可包含至少一個固態透鏡243、一第一液晶層244、一偏振相依透鏡245與一第二液晶層246。為了方便與清晰，固態透鏡243之數量以一為例。在一較佳實施例中，固態透鏡243可為非球面透鏡。固態透鏡243之材質可為塑膠或玻璃，並提供必要的屈光度以滿足頭戴式顯示裝置2之需求。固態透鏡243可為曲面透鏡。舉例來說，固態透鏡243可為一菲涅爾透鏡(Fresnel lens)、一平凸透鏡或一平凹透鏡。偏振相依透鏡245根據入射光之偏振狀態改變折射率與焦距，其中焦距是屈光度的倒數。偏振相依透鏡245可由雙折射性材料構成，可以是液晶聚合物(LCP)透鏡、雙折射水膠或是曲面相位延遲片。在第一實施例中，偏振相依透鏡245可以液晶層實現。第一液晶層244設於第一導電透光基板240與第三導電透光基板242之間。偏振相依透鏡245設於第三導電透光基板242與固態透鏡243之間，第二液晶層246設於固態透鏡243與第二導電透光基板241之間。第一導電透光基板240、第一液晶層244與第三導電透光基板242形成第一偏振控制器，第三導電透光基板242、第二導電透光基板241與第二液晶層246形成第二偏振控制器。當對第一導電透光基板240與第三導電透光基板242施加偏壓時，會改變第一液晶層244之液晶分子的排列方向，進而改變入射光的偏振狀態。當對第三導電透光基板242與第二導電透光基板241施加偏壓時，會改變第二液晶層246之液晶分子的排列方向，進而改變入射光的偏振狀態。當對第三導電透光基板242與第二導電透光基板241施加偏壓時，也可以改變偏振相依透鏡245之液晶分子的排列方向，進而改變入射光的偏振狀態。也就是說，第二偏振控制器與偏振相依透鏡245共用第三導電透光基板242與第二導電透光基板241。因為基板共用，所以變焦模組24的元件的數量從六個減少到四個，且厚度減少2.3毫米(mm)。
變焦模組24根據入射偏振影像之偏振狀態決定入射光之屈光度，並維持或改變入射偏振影像之偏振狀態。具體而言，當顯示模組25發射左圓偏振光，且左圓偏振光依序通過半穿半反射膜22與波片21，以形成水平偏振光。當水平偏振光依序通過光學級透明膠體23、第一導電透光基板240、第一液晶層244、第三導電透光基板242、偏振相依透鏡245與固態透鏡243時，會根據水平偏振光之偏振狀態決定變焦模組24之焦距與屈光度。當水平偏振光通過第二液晶層246時，第二液晶層246之液晶分子可以維持水平偏振光之偏振狀態或轉換水平偏振光為垂直偏振光。若第二液晶層246轉換水平偏振光為垂直偏振光時，垂直偏振光依序通過第二導電透光基板241與偏振反射膜20，並射入人眼3中。若第二液晶層246維持水平偏振光之偏振狀態，偏振反射膜20反射水平偏振光，使水平偏振光依序通過變焦模組24、光學級透明膠體23、波片21與半穿半反射膜22。波片21會轉換水平偏振光為左圓偏振光，半穿半反射膜22會反射左圓偏振光，以形成右圓偏振光。當右圓偏振光通過波片21時，波片21轉換右圓偏振光為垂直偏振光。垂直偏振光依序通過光學級透明膠體23、變焦模組24與偏振反射膜20，並射入人眼3中。
第3圖為本發明之第二實施例之頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置之示意圖。請參閱第3圖，以下介紹頭戴式顯示裝置2之第二實施例。除了平面基板，第一導電透光基板240、第二導電透光基板241與第三導電透光基板242亦可為平凸面基板、凸凹面基板、柱狀面基板或曲面基板。在第二實施例中，第一導電透光基板240、第二導電透光基板241與第三導電透光基板242為曲面基板，其餘技術特徵與第一實施例相同，於此不再贅述。
根據上述實施例，頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置具備輕薄特性。
以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:半穿半反射鏡 12:四分之一波片 14:反射式偏振片 2:頭戴式顯示裝置 20:偏振反射膜 21:波片 22:半穿半反射膜 23:光學級透明膠體 24:變焦模組 240:第一導電透光基板 241:第二導電透光基板 242:第三導電透光基板 243:固態透鏡 244:第一液晶層 245:偏振相依透鏡 246:第二液晶層 25:顯示模組 3:人眼 V:變焦式光學裝置
第1圖為餅乾(Pancake)透鏡之示意圖。 第2圖為本發明之第一實施例之頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置之示意圖。 第3圖為本發明之第二實施例之頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置之示意圖。
2:頭戴式顯示裝置
20:偏振反射膜
21:波片
22:半穿半反射膜
23:光學級透明膠體
24:變焦模組
240:第一導電透光基板
241:第二導電透光基板
242:第三導電透光基板
243:固態透鏡
244:第一液晶層
245:偏振相依透鏡
246:第二液晶層
25:顯示模組
3:人眼
V:變焦式光學裝置

Claims (19)

  1. 一種變焦式光學裝置，包含：一偏振反射膜；一波片，具有彼此相對之第一表面與第二表面；一半穿半反射膜(half mirror film)，設於該波片之該第一表面上；以及一變焦模組，包含一第一導電透光基板、一第二導電透光基板與一第三導電透光基板，其中該第三導電透光基板位於該第一導電透光基板與該第二導電透光基板之間，該第一導電透光基板透過光學級透明膠體設於該波片的該第二表面上，該偏振反射膜直接設於該第二導電透光基板上，該第一導電透光基板與該第三導電透光基板之間呈無基板設置，該第二導電透光基板與該第三導電透光基板之間呈無基板設置；其中該變焦模組更包含：至少一個固態透鏡；一第一液晶層，設於該第一導電透光基板與該第三導電透光基板之間；一偏振相依透鏡，設於該第三導電透光基板與該至少一個固態透鏡之間；以及一第二液晶層，設於該至少一個固態透鏡與該第二導電透光基板之間。
  2. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該波片為四分之一波片。
  3. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該第一導電透光基板、該第二導電透光基板與該第三導電透光基板為平面基板、平凸 面基板、凸凹面基板、柱狀面基板或曲面基板。
  4. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該至少一個固態透鏡為非球面透鏡。
  5. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該至少一個固態透鏡為非偏振相依透鏡。
  6. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該偏振相依透鏡以液晶層實現。
  7. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該波片之該第一表面透過該半穿半反射膜朝向一顯示模組之顯示面，該顯示模組用以發射圓偏振影像至該半穿半反射膜。
  8. 如請求項7所述之變焦式光學裝置，其中該顯示模組為液晶顯示器、微有機發光二極體(μ-OLED)模組、矽基液晶(liquid-crystal-on-silicon)顯示模組、數位光處理模組或微發光二極體顯示模組。
  9. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該至少一個固態透鏡為一菲涅爾透鏡(Fresnel lens)、一平凸透鏡或一平凹透鏡。
  10. 如請求項1所述之變焦式光學裝置，其中該變焦模組用以根據入射偏振影像之偏振狀態決定該入射光之屈光度，並維持或改變該入射偏振影像之該偏振狀態。
  11. 一種頭戴式顯示裝置，包含：一偏振反射膜；一波片，具有彼此相對之第一表面與第二表面；一半穿半反射膜(half mirror film)，設於該波片之該第一表面 上；一變焦模組，包含一第一導電透光基板、一第二導電透光基板與一第三導電透光基板，其中該第三導電透光基板位於該第一導電透光基板與該第二導電透光基板之間，該第一導電透光基板透過光學級透明膠體設於該波片的該第二表面上，該偏振反射膜直接設於該第二導電透光基板上，該第一導電透光基板與該第三導電透光基板之間呈無基板設置，該第二導電透光基板與該第三導電透光基板之間呈無基板設置；以及一顯示模組，其顯示面透過該半穿半反射膜朝向該波片之該第一表面，其中該顯示模組用以發射圓偏振影像至該半穿半反射膜；其中該變焦模組更包含：至少一個固態透鏡；一第一液晶層，設於該第一導電透光基板與該第三導電透光基板之間；一偏振相依透鏡，設於該第三導電透光基板與該至少一個固態透鏡之間；以及一第二液晶層，設於該至少一個固態透鏡與該第二導電透光基板之間。
  12. 如請求項11所述之頭戴式顯示裝置，其中該波片為四分之一波片。
  13. 如請求項11所述之頭戴式顯示裝置，其中該第一導電透光基板、該第二導電透光基板與該第三導電透光基板為平面基板、平凸面基板、凸凹面基板、柱狀面基板或曲面基板。
  14. 如請求項13所述之頭戴式顯示裝置，其中該至少一個固態 透鏡為非球面透鏡。
  15. 如請求項13所述之頭戴式顯示裝置，其中該至少一個固態透鏡為非偏振相依透鏡。
  16. 如請求項14所述之頭戴式顯示裝置，其中該偏振相依透鏡以液晶層實現。
  17. 如請求項11所述之頭戴式顯示裝置，其中該顯示模組為液晶顯示器、微有機發光二極體(μ-OLED)模組、矽基液晶(liquid-crystal-on-silicon)顯示模組、數位光處理模組或微發光二極體顯示模組。
  18. 如請求項13所述之頭戴式顯示裝置，其中該至少一個固態透鏡為一菲涅爾透鏡(Fresnel lens)、一平凸透鏡或一平凹透鏡。
  19. 如請求項11所述之頭戴式顯示裝置，其中該變焦模組用以根據入射偏振影像之偏振狀態決定該入射光之屈光度，並維持或改變該入射偏振影像之該偏振狀態。
TW112128894A 2023-07-27 2023-08-01 頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置 TWI870957B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2023109388933 2023-07-27
CN202310938893.3A CN117055218A (zh) 2023-07-27 2023-07-27 头戴式显示设备及其变焦式光学装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI870957B true TWI870957B (zh) 2025-01-21
TW202505259A TW202505259A (zh) 2025-02-01

Family

ID=88665418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112128894A TWI870957B (zh) 2023-07-27 2023-08-01 頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US12174375B1 (zh)
CN (1) CN117055218A (zh)
TW (1) TWI870957B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112051675A (zh) * 2020-09-27 2020-12-08 京东方科技集团股份有限公司 一种近眼显示装置
TWI795291B (zh) * 2022-04-29 2023-03-01 大陸商業成科技（成都）有限公司 虛擬現實顯示系統及頭戴式顯示設備
US11662591B1 (en) * 2022-07-01 2023-05-30 Brelyon Inc. Display systems and imaging systems with dynamically controllable optical path lengths
TWI805207B (zh) * 2022-01-27 2023-06-11 國立陽明交通大學 餅乾透鏡組件

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11378811B2 (en) * 2018-06-18 2022-07-05 Facebook Technologies, Llc Optical assembly with curved reflective polarizer for head mounted display
JP2020024246A (ja) * 2018-08-06 2020-02-13 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置及び拡大光学系
TWI807358B (zh) * 2021-06-30 2023-07-01 國立陽明交通大學 具有液晶元件的餅乾透鏡組件

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112051675A (zh) * 2020-09-27 2020-12-08 京东方科技集团股份有限公司 一种近眼显示装置
TWI805207B (zh) * 2022-01-27 2023-06-11 國立陽明交通大學 餅乾透鏡組件
TWI795291B (zh) * 2022-04-29 2023-03-01 大陸商業成科技（成都）有限公司 虛擬現實顯示系統及頭戴式顯示設備
US11662591B1 (en) * 2022-07-01 2023-05-30 Brelyon Inc. Display systems and imaging systems with dynamically controllable optical path lengths

Also Published As

Publication number Publication date
US12174375B1 (en) 2024-12-24
CN117055218A (zh) 2023-11-14
TW202505259A (zh) 2025-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12140741B2 (en) Optical system for head-mounted display
CN110268301B (zh) 用于头戴式显示器的光学系统
CN211826725U (zh) 微型头戴显示器的光学系统
US8867131B1 (en) Hybrid polarizing beam splitter
CN210776039U (zh) 微型化短距离光学系统
WO2015007201A1 (zh) 可佩带的平视光学系统
TWI798853B (zh) 擴增實境顯示裝置
CN115657310A (zh) 近眼显示模组以及头戴显示设备
CN116679445A (zh) 光学模组以及可穿戴设备
CN115079331A (zh) 一种光学模组以及头戴显示设备
TWI870957B (zh) 頭戴式顯示裝置及其變焦式光學裝置
CN118393745B (zh) 一种棱镜型多次折返近眼显示系统及ar眼镜
TWM576260U (zh) 頭戴顯示器及其光學裝置
CN218413066U (zh) 光学模组以及头戴显示设备
TWI890104B (zh) 頭戴式顯示裝置及其變焦式曲面光學裝置
JP7753540B2 (ja) エアギャップによって分離された２つのレンズ素子を含むレンズモジュール
CN223051586U (zh) 一种Birdbath近眼显示模组及装置
CN118859536A (zh) 一种增强现实近眼显示模组及设备