近眼显示装置及其光学系统的制作方法

1.本发明关于一种光学系统之领域，特别地指一种应用于近眼显示装置的光学系统。


背景技术：

2.虚拟现实(virtual reality,vr)以及扩增实境(augmented reality,ar)的相关光学技 术，近年来不只备受全球关注，更是以相当快的速度发展；此外，在现实生活中亦展现多元 的应用潜力，举凡娱乐、医学、家居乃至于军事等领域皆能看到藉由虚拟现实以及扩增实境 技术所达成的产品或服务。
3.进一步来说，虚拟现实以及扩增实境的应用实例包括各类型的显示装置，例如：近眼显 示装置或是头戴式显示装置(head
‑
mounted display,hmd)。所谓近眼显示装置外形类似眼镜， 亦可称为眼镜式显示器、影像眼镜或是头戴式显示装置，其主要可由壳体以及安装于所述壳 体内的光学系统所构成；而为了能够在达到良好的光学效果下，同时能够兼具产品轻巧的优 点，光学系统的设置细节即成为了本领域相当重要的研发重点。
4.以目前常见之近眼显示装置所包含的光学系统而言，光学透视形式的光学系统式较为常 见的技术之一；其通常配备有显示单元、光学透镜组以及部分穿透组件，所谓部分穿透组件 可为分光镜、半透半反镜或半透半反玻璃等组件，主要系用以透过将改变相位后的光反射， 进一步达到折迭光路径的目的。
5.图1即系依据习用光学系统所绘制的剖面示意图，请参阅图1。在一现有光学系统之中， 一显示单元101朝向用户之人眼109设置，且其朝向人眼109之一面上设有一线偏振层102 以及一波延迟层103，所述线偏振层102设置于所述波延迟层103以及所述显示单元101的 表面之间；自所述显示单元101朝人眼109的方向上，分别又设有一习用之半透半反镜104、 一波延迟器105、一反射偏光器106、一透镜107以及一线偏振器108；而光路的部分，一影 像光110由所述显示单元101朝人眼109射出，经由所述线偏振层102以及所述波延迟层103 而形成一圆偏振状态，接着部分穿透所述半透半反镜104，并在所述反射偏光器106被反射 为一第一反射光111；而后所述第一反射光111又于所述半透半反镜104被反射为一第二反 射光112，进一步穿透而抵达人眼109。具体而言，以所述习用光学系统所设置的半穿半反镜 104而言，其穿透率以及反射率整体皆约为50％；因此，实际抵达人眼109的光强度可能仅 剩下大约四分之一，光利用率明显较低。
6.据此，可以理解在虚拟现实以及扩增实境的相关领域中，乃至于在近眼显示装置相关之 应用层面上，亟需一具备较高光利用率的光学系统，以进一步改善使用体验。


技术实现要素：

7.发明内容旨在提供本发明的简化摘要，以令阅读者对本发明具备基本的理解。此发明内 容并非本发明的完整概述，且其用意并非指出本发明实施例的重要或关键组件或界定本发明 的范围。
8.有鉴于先前技术所提及的内容，本发明之发明人本于从事相关产业制造及开发的多年经 验，提供一种提高光穿透率的近眼显示装置及其光学系统。本发明之发明人发现，通过改变 用以反射光的金属层之设置样态，实质地在得以折叠光路的同时，依然能够令光以较高的强 度抵达使用者人眼；进而达成提高光学系统中光利用率的目的。
9.据此，在本发明的一些态样中，提供一种光学系统，所述光学系统包括一显示单元、一 透镜、一反射偏光器、一波延迟器以及一半穿反镜。所述显示单元包括复数显示区域，用以 朝向人眼发射影像光，所述复数显示区域之间则为复数遮光区域；而所述透镜设置于人眼与 所述显示单元之间；所述反射偏光器则设置于所述透镜与所述显示单元之间；又，所述波延 迟器设置于所述反射偏光器与所述显示单元之间，而所述半穿反镜则设置于所述波延迟器与 所述显示单元之间；其中，所述半穿反镜于朝向人眼的一面上设有一光栅层，所述光栅层进 一步包括复数透光区域以及复数反射光区域，所述复数透光区域用以令影像光直接穿透，而 所述复数反射光区域在所述半穿反镜朝向人眼的一面上设有复数金属层。
10.根据本发明的一些实施方式，所述复数透光区域与所述复数显示区域系对应设置，而所 述复数反射光区域则与所述复数遮光区域对应设置。
11.根据本发明的一些实施方式，所述透镜与人眼之间进一步设有一线偏振器，且所述线偏 振器之穿透轴与所述反射偏光器之穿透轴平行。
12.根据本发明的一些实施方式，所述复数金属层朝向人眼之一面具有一曲率。
13.根据本发明的一些实施方式，所述显示单元朝向人眼设有一出光面，所述出光面表面设 有一波延迟层，而所述波延迟层与所述出光表面之间又设有一线偏振层。
14.在本发明的一些态样中，提供一种光学系统，其包括一显示单元、一透镜、一反射偏光 器以及一波延迟器。所述显示单元包括复数显示区域，用以朝向人眼发射影像光，所述复数 显示区域之间则为复数遮光区域；而所述透镜设置于人眼与所述显示单元之间；所述反射偏 光器则设置于所述透镜与所述显示单元之间；而所述波延迟器则设置于所述反射偏光器与所 述显示单元之间；其中，所述显示单元朝向人眼之一面设有一波延迟层，所述波延迟层与所 述出光表面之间又设有一线偏振层，而所述波延迟层于朝向人眼的一面上设有一光栅层，所 述光栅层进一步包括复数透光区域以及复数反射光区域，所述复数透光区域用以令影像光直 接穿透，而所述反射光区域在朝向人眼的一面上设有复数金属层。
15.根据本发明的一些实施方式，所述复数透光区域与所述复数显示区域系对应设置，而所 述复数反射光区域则与所述复数遮光区域对应设置。
16.根据本发明的一些实施方式，所述透镜与人眼之间进一步设有一线偏振器，且所述线偏 振器之穿透轴与所述反射偏光器之穿透轴平行。
17.根据本发明的一些实施方式，所述复数金属层朝向人眼之一面具有一曲率。
18.在本发明的一些态样中，提供一种近眼显示装置，其包括一壳体，所述壳体内包括一显 示器、一透镜、一反射偏光器、一波延迟器以及一半穿反镜。所述显示器用以朝向人眼发射 一影像光，且其包括复数像素单元，所述复数像素单元之间又设有复数黑色矩阵；另一方面， 所述透镜设置于人眼与所述显示单元之间；所述反射偏光器则设置于所述透镜与所述显示单 元之间；又，所述波延迟器设置于所述反射偏光器与所述显示单元之间，而所述半穿反镜则 设置于所述波延迟器与所述显示单元之间；其中，所述半穿反镜于朝向人眼
的一面上设有一 光栅层，所述光栅层进一步包括复数透光区域以及复数反射光区域，所述复数透光区域用以 令影像光直接穿透，而所述复数反射光区域在所述半穿反镜朝向人眼的一面上设有复数金属 层。
19.根据本发明的一些实施方式，所述复数透光区域与所述复数像素单元对应设置，而所述 复数反射光区域则与所述复数黑色矩阵对应设置。
20.根据本发明的一些实施方式，所述复数金属层朝向人眼之一面具有一曲率。
21.在本发明的一些态样中，提供一种近眼显示装置，其包括一壳体，所述壳体内包括一显 示器、一透镜、一反射偏光器以及一波延迟器。所述显示器用以朝向人眼发射一影像光，且 其包括复数像素单元，所述复数像素单元之间又设有复数黑色矩阵；另一方面，所述透镜设 置于人眼与所述显示单元之间；所述反射偏光器则设置于所述透镜与所述显示单元之间；而 所述波延迟器则设置于所述反射偏光器与所述显示单元之间；其中，所述显示单元朝向人眼 之一面设有一波延迟层，所述波延迟层与所述出光表面之间又设有一线偏振层，而所述波延 迟层于朝向人眼的一面上设有一光栅层，所述光栅层进一步包括复数透光区域以及复数反射 光区域，所述复数透光区域用以令影像光直接穿透，而所述反射光区域在朝向人眼的一面上 设有复数金属层。
22.根据本发明的一些实施方式，所述复数透光区域与所述复数像素单元对应设置，而所述 复数反射光区域则与所述复数黑色矩阵对应设置。
23.根据本发明的一些实施方式，所述复数金属层朝向人眼之一面具有一曲率。
附图说明
24.图1为现有光学系统所绘示的剖面示意图；
25.图2为依据本发明实施方式所绘示的光学系统剖面示意图；
26.图2b
‑
2e为依据本发明实施方式所绘示的图2b区域微观示意图；
27.图2f为依据本发明实施方式所绘示的近眼显示装置剖面示意图；
28.图3a为依据本发明实施方式所绘示的光学系统剖面示意图；
29.图3b
‑
3e为依据本发明实施方式所绘示的图3a中b区域微观示意图；
30.图3f为依据本发明实施方式所绘示的近眼显示装置剖面示意图。
31.根据惯常的作业方式，图中各种特征与组件并未依实际比例绘制，其绘制方式是为了以 最佳的方式呈现与本发明相关的具体特征与组件。此外，在不同图式间，以相同或相似的组 件符号指称相似的组件及部件。
32.附图标记：
33.101,201,301:显示单元
34.102,202,302:线偏振层
35.103,203,303:波延迟层
36.104:半透半反镜
37.105,205,304:波延迟器
38.106,206,305:反射偏光器
39.107,207,306:透镜
40.108,208,307:线偏振器
41.109,209,308:人眼
42.110,210,310:影像光
43.111,211,311:第一反射光
44.112,212,312:第二反射光
45.204:半穿反透镜
46.220,320:遮光区域
47.221,321:显示区域
48.230,330:平坦金属层
49.231,331:凸块金属层
50.240,340:透光区域
51.250,350:反射光区域
52.260,360:壳体
具体实施方式
53.为了使本发明的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出 了说明性的描述，但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。在本说明书及后附之 申请专利范围中，除非上下文另外载明，否则「一」及「所述」亦可解释为复数。此外，在 本说明书及后附之申请专利范围中，除非另外载明，否则「设置于某物之上」可视为直接或 间接以贴附或其他形式与某物之表面接触，所述表面之界定应视说明书内容之前后/段落语意 以及本说明所属领域之通常知识予以判断。
54.虽然用以界定本发明的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体 实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏 差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或一范围的正负10％、5％、1％或0.5％ 之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，是本发明所属领 域中具有通常知识者的考虑而定。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范 围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所 指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。
55.为解决本发明之发明人在现有技术的基础上所发现的问题，通过提高光穿透率，进而达 成提升近眼显示装置之光学系统的光利用率之目的；本发明于实施方式中提出一种新颖的光 学系统。所述新颖的光学系统透过设置不同样态的金属层在不同的组件表面，进而得以令光 穿透率获得提升。
56.实施例
57.图2为依据本发明中一实施例所绘示的光学系统剖面示意图；请先参阅图2，本实施例 提供一光学系统。所述光学系统中，设有面对人眼209的一显示单元201；较佳地，所述显 示单元201朝向人眼209的一面上进一步设有一线偏振层202以及一波延迟层203；又，所 述光学系统于所述显示单元201以及所述人眼209之间，朝人眼209的方向依序设有一半穿 反镜204、一波延迟器205、一反射偏光器206以及一透镜207；较佳地，在所述透镜207与 人眼209之间进一步可设置一线偏振器208，用以提升影像的对比度。
58.进一步而言，所述线偏振层202可以采用薄片或是薄膜形式，其材料系高分子材料
或者 玻璃；而所述波延迟层203亦可称为波片，大多由单轴晶体所制成；较佳地，可于本实施例 中采用四分之一波片。另一方面，所述波延迟器205以及所述线偏振器208亦依据相同原理 作用，因此可以理解，所述波延迟器205同样可采用四分之一波片。必须说明的是，所述线 偏振层202以及所述波延迟层203的设置目的系将由所述显示单元201所发射的光转化为具 圆偏振光态的光；因此，习用而可以达成相同效果之单一或复数组件，可做为所述线偏振层202以及所述波延迟层203之替代选项。
59.再进一步而言，所述透镜207的材料可选用聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate),pmma)或是环烯烃共聚合体(cyclic olefin copolymer，coc)等常见选项；且 较佳地，所述透镜207为一凸凹透镜。
60.以光路的角度而言，由所述显示单元201朝向人眼209(依图式内容即沿+z方向)发射出 一影像光210，所述影像光210经由所述线偏振层202以及所述波延迟层203作用后，呈现 一圆偏振光态。接着，所述影像光210穿透所述半穿反镜204而穿过所述波延迟器205后， 相位转变为线偏振光态，进而抵达所述反射偏光器206；所述影像光210由所述反射偏光器 206反射为一第一反射光211，而所述第一反射光211沿着
‑
z方向穿过所述波延迟器205后 再次呈现圆偏振光态，又由所述半穿反镜204反射为一第二反射光212；最后，所述第二反 射光212再沿着+z方向穿透所述波延迟器205、所述反射偏光器206、所述透镜207以及所 述线偏振器208后而抵达人眼209。
61.图2b～2e呈现第2a图中b区域的微观示意图，请共同参阅图2～2e。所述显示单元201 设有复数显示区域221以及设置于所述复数显示区域221之间的复数遮光区域220；具体而 言，所述复数显示区域221可由像素或是子像素所构成，用于向人眼209发射所述影像光210； 而所述复数遮光区域220，具体而言，可采用金属黑色矩阵、树脂黑色矩阵或是石墨黑色矩 阵，用于产生遮旋光性以及区隔像素/子像素。
62.复请共同参阅图2～2e，所述半穿反镜204的材料可选用聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate),pmma)或是环烯烃共聚合体(cyclic olefin copolymer，coc)等常见选项。另 一方面，所述半穿反镜204于朝向人眼209的一面上设有一光栅层245，所述光栅层245进 一步设有复数透光区域240以及复数反射光区域250，所述复数透光区域用以令影像光210 直接穿透，其穿透率较佳地为接近100％；而所述复数反射光区域250用于反射所述第一反 射光211，且所述复数反射光区域250于所述半穿反镜204朝向人眼的一面上设有复数金属 层。
63.以本发明之一些实施例而言，所述复数透光区域240对应所述复数显示区域221设置， 而所述复数反射光区域250对应所述复数遮光区域220所设置(如图2b
‑
2c所示)。具体而言， 所述复数金属层实质地为复数平坦金属层230(如图2b所示)；在不同实施例中，所述复数金 属层朝向人眼的一面具有一曲率，更进一步而言，所述复数金属层朝向人眼的一面朝人眼突 出；较佳地，所述复数金属层为包括复数凸块结构的复数凸块金属层231(如图2c所示)，且 所述复数凸块金属层231由金属制成，或者于复数微透镜结构表面设置相对应金属层所制成。 此外，本领域具有通常知识者可稍加调整，并将所述复数金属层的一部分对应所述复数显示 区域221设置，进而避免所述复数显示区域221以及所述透光区域240完全对应而造成莫列 波纹(moir
é
patterns)的疑虑(如图2d
‑
2e所示)；而同样地，所述复数反射光区域250于所 述半穿反镜204朝向人眼的一面上所设置的复数金属层，实质地为复数平
坦金属层230(如图 2d所示)，或者为包括复数凸块结构的复数凸块金属层231(如图2e所示)。
64.图2f为依据本发明中一实施例所绘示的一近眼显示装置剖面示意图；请共同参阅图 2
‑
2f，所述近眼显示装置包括一壳体260，所述壳体260用以容置上述实施例的光学系统。 其中，具体而言，所述壳体260可为制作近眼显示装置常见的多种样态，本发明并不为其所 限定；另一方面，在所述近眼显示装置之中，所述显示单元201实质地为一显示器；而所述 复数显示区域221实质地为复数像素单元；又，所述复数遮光区域220实质地为复数黑色矩 阵。
65.图3a为依据本发明中一实施例所绘示的一光学系统剖面示意图；请先参阅图3a，本实 施例提供一光学系统。所述光学系统中，设有面对人眼308的一显示单元301；较佳地，所 述显示单元301朝向人眼308的一面上进一步设有一线偏振层302以及一波延迟层303；又， 所述光学系统于所述显示单元301以及所述人眼308之间，朝人眼308的方向依序设有一波 延迟器304、一反射偏光器305以及一透镜306；较佳地，在所述透镜306与人眼308之间进 一步可设置一线偏振器307，用以提升影像之对比度。
66.进一步而言，所述线偏振层302可以采用薄片或是薄膜形式，其材料为高分子材料或者 玻璃；而所述波延迟层303亦可称为波片，大多由单轴晶体所制成；较佳地，可于本实施例 中采用四分之一波片。另一方面，所述波延迟器304以及所述线偏振器307亦依据相同原理 作用，因此可以理解，所述波延迟器304同样可采用四分之一波片。必须说明的是，所述线 偏振层302以及所述波延迟层303的设置目的为将由所述显示单元301所发射的光转化为具 圆偏振光态的光；因此，常用而可以达成相同效果之单一或复数组件，可做为所述线偏振层 302以及所述波延迟层303的替代选项。
67.再进一步而言，所述透镜306的材料可选用聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate),pmma)或是环烯烃共聚合体(cyclic olefin copolymer，coc)等常见选项；且 较佳地，所述透镜306为一凸凹透镜。
68.以光路的角度而言，由所述显示单元301朝向人眼308(依图式内容即沿+z方向)发射出 一影像光310，所述影像光310经由所述线偏振层302以及所述波延迟层303作用后，呈现 一圆偏振光态。接着，所述影像光310穿过所述波延迟器304后，相位转变为线偏振光态， 进而抵达所述反射偏光器305；所述影像光310由所述反射偏光器305反射为一第一反射光 311，而所述第一反射光311沿着
‑
z方向穿过所述波延迟器304后再次呈现圆偏振光态，又 于所述波延迟层303反射为一第二反射光312；最后，所述第二反射光312再沿着+z方向穿 透所述波延迟器304、所述反射偏光器305、所述透镜306以及所述线偏振器307后而抵达人 眼308。
69.图3b～3e为呈现图3a中b区域的微观示意图，请共同参阅图3a～3e。所述显示单元301 设有复数显示区域321以及设置于所述复数显示区域321之间的复数遮光区域320；具体而 言，所述复数显示区域321可由像素或是子像素所构成，用于向人眼308发射所述影像光310； 而所述遮光区域320，具体而言，可采用金属黑色矩阵、树脂黑色矩阵或是石墨黑色矩阵， 用于产生遮旋光性以及区隔像素/子像素。
70.复请共同参阅图3a～3e，所述波延迟层303于朝向人眼308的一面上设有一光栅层345， 所述光栅层345进一步设有复数透光区域340以及复数反射光区域350，所述复数透光
区域 用以令影像光310直接穿透，其穿透率较佳地为接近100％；而所述复数反射光区域350用 于反射所述第一反射光311，且所述复数反射光区域350于所述波延迟层303朝向人眼的一 面上设有复数金属层。由于在本实施例中，光栅层345直接被设置于所述波延迟层303上， 因此则不需要在所述显示单元301以及所述波延迟器304之间，额外增设一半穿反镜或是一 透镜；据此，依据本实施例的概念之下所制作的装置或系统，不但能降低其制作成本，亦能 减少完成后的装置或系统体积。
71.以本发明的一些实施例而言，所述复数透光区域340对应所述复数显示区域321设置， 而所述复数反射光区域350对应所述复数遮光区域320所设置(如图3b
‑
3c所示)；具体而言， 所述复数金属层实质地为复数平坦金属层330(如第3b图所示)；在不同实施例中，所述复数 金属层朝向人眼的一面具有一曲率，更进一步而言，所述复数金属层朝向人眼的一面朝人眼 突出；较佳地，所述复数金属层为包括复数凸块结构的复数凸块金属层331(如图3c所示)， 且所述复数凸块金属层331由金属制成，或者于复数微透镜结构表面设置相对应金属层所制 成。此外，本领域具有通常知识者可稍加调整，并将所述复数金属层的一部分对应所述复数 显示区域321设置，进而避免所述复数显示区域321以及所述透光区域340完全对应而造成 莫列波纹(moir
é
patterns)的疑虑(如图3d
‑
3e所示)；而同样地，所述复数反射光区域350 于所述波延迟层303朝向人眼的一面上所设置的复数金属层，实质地为复数平坦金属层 330(如图3d所示)，或者为包括复数凸块结构的复数凸块金属层331(如图3e所示)。
72.图3f为依据本发明中一实施例所绘示的一近眼显示装置剖面示意图；请共同参阅图 3a
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3f，所述近眼显示装置包括一壳体360，所述壳体360用以容置上述实施例之光学系统。 其中，具体而言，所述壳体360可为制作近眼显示装置常见的多种样态，本发明并不为其所 限定；另一方面，在所述近眼显示装置之中，所述显示单元301实质地为一显示器；而所述 复数显示区域321实质地为复数像素单元；又，所述复数遮光区域320实质地为复数黑色矩 阵。
73.依据上述实施方式的内容可以理解，藉由本发明的实施样态，可令影像光在经过第一次 反射时仍保有接近100％的强度，而再次反射并抵达人眼时应仍保有接近50％的强度，可以 达到相较于先前技术约2倍的光利用率。另外，基于将光栅层345直接设置于所述波延迟层 303上的技术特征，本实施例则不需要在所述显示单元301以及所述波延迟器304之间，额 外增设一半穿反镜或是一透镜；据此，依据本实施例的概念之下所制作的装置或系统，不但 能降低其制作成本，亦能减少完成后的装置或系统体积。
74.虽然本发明已以实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中具 有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可进行些许更动已及润饰。故，本发明 的保护范围当视后附之专利申请范围所界定者为依据。