TWI798853B - 擴增實境顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

一種擴增實境顯示裝置，用以配置於一使用者的一頭 部。擴增實境顯示裝置包括一顯示器、一中繼透鏡組、一分光組件及一曲面反射鏡。顯示器用以發出一影像光束，中繼透鏡組配置於影像光束的傳遞路徑上，而分光組件配置於來自中繼透鏡組的影像光束的傳遞路徑上。曲面反射鏡用以將來自分光組件的影像光束反射回分光組件，其中被曲面反射鏡反射的影像光束穿透分光組件而傳遞至使用者的一瞳孔。分光組件從靠近瞳孔的一側往靠近曲面反射鏡的一側依序包括堆疊的一偏振片、一增亮膜及一相位延遲膜。

Description

擴增實境顯示裝置
本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種擴增實境(augmented reality,AR)顯示裝置。
近年因擴增實境技術的蓬勃發展，至今已有多種頭戴式顯示器(head-mounted display,HMD)的光學系統，其光機類型可大致分為：幾何式波導、繞射式波導、自由曲面以及鳥浴(Birdbath)光學設計等等。
鳥浴光學設計的優點是系統為對稱式設計，具有良好的像質水平，且製造工藝的難度相對較低，擁有成本的優勢。然而，此類設計的光路有折返，光通量耗損較多，所以有效率不佳的問題。另外，光路在兩面反射元件(分光鏡與曲面反射鏡)中折返，也容易有二次反射成像(鬼影)的問題。雖然已有利用偏振分光片和四分之一波片的原理來改善光通量效率的技術，然而要達到良好的影像品質，其使用的是帶通偏振分光片和消色差波片，兩者材質均為玻璃，厚度薄易碎，不僅價格昂貴，在生產製造上會有一定的難度。另外，此類設計的視場角(field of view) 受顯示器尺寸限制，要有較大的視場角就必須使用較大的顯示器。
本發明提供一種擴增實境顯示裝置，其可以較小的顯示器得到較大的視場角，並可使光學系統的解像力提高，且可以改善光通量效率及鬼影問題，同時維持影像品質並降低生產成本及製造難度。
本發明的一實施例提出一種擴增實境顯示裝置，用以配置於一使用者的一頭部。擴增實境顯示裝置包括一顯示器、一中繼透鏡組、一分光組件及一曲面反射鏡。顯示器用以發出一影像光束，中繼透鏡組配置於影像光束的傳遞路徑上，而分光組件配置於來自中繼透鏡組的影像光束的傳遞路徑上。曲面反射鏡用以將來自分光組件的影像光束反射回分光組件，其中被曲面反射鏡反射的影像光束穿透分光組件而傳遞至使用者的一瞳孔。分光組件從靠近瞳孔的一側往靠近曲面反射鏡的一側依序包括堆疊的一偏振片、一增亮膜及一相位延遲膜。
本發明的實施例的擴增實境顯示裝置採用了中繼透鏡組來放大顯示器的顯示畫面，因此可以用較小的顯示器得到較大的視場角，並可使光學系統的解像力提高。另外，由於本發明的實施例的擴增實境顯示裝置採用堆疊的偏振片、增亮膜及相位延遲膜來作為分光組件，因此可以改善光通量效率及鬼影問題，同時 維持影像品質並降低生產成本及製造難度。
30、a、b:光
40:頭部
50:瞳孔
100、100b:擴增實境顯示裝置
110:顯示器
112:影像光束
120:中繼透鏡組
122:第一透鏡
124:第二透鏡
126、126b:第三透鏡
130:反射片
140、140a:分光組件
142:相位延遲膜
144:增亮膜
146:偏振片
148:透明基板
150:曲面反射鏡
A1、A2:光軸
L、L1、L2、TL、TL1:距離
P:P偏振光
S:S偏振光
S1~S13:表面
ST1:慢軸
ST2:拉伸方向
ST3:穿透軸
圖1為本發明的一實施例的擴增實境顯示裝置的光路架構圖。
圖2A為圖1中的分光組件的立體示意圖。
圖2B為圖2A中的分光組件的另一變型的立體示意圖。
圖3為繪示圖1中的分光組件對影像光束所產生的效應的剖面示意圖。
圖4為繪示圖1中的分光組件抑制鬼影產生的剖面示意圖。
圖5A為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬場曲圖。
圖5B為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬畸變圖。
圖5C為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬橫向色差圖。
圖5D為圖1中的曲面反射鏡對於穿透的光的光學模擬屈光度場圖。
圖6為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的光路架構圖。
圖7A為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬場曲圖。
圖7B為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬畸變圖。
圖7C為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬橫向色差圖。
圖7D為圖1中的曲面反射鏡對於穿透的光的光學模擬屈光 度場圖。
圖1為本發明的一實施例的擴增實境顯示裝置的光路架構圖，圖2A為圖1中的分光組件的立體示意圖，圖2B為圖2A中的分光組件的另一變型的立體示意圖，圖3為繪示圖1中的分光組件對影像光束所產生的效應的剖面示意圖，而圖4為繪示圖1中的分光組件抑制鬼影產生的剖面示意圖。請先參照圖1、圖2A及圖3，本實施例的擴增實境顯示裝置100用以配置於一使用者的一頭部40。擴增實境顯示裝置100包括一顯示器110、一中繼透鏡組120、一分光組件140及一曲面反射鏡150。顯示器110用以發出一影像光束112。在本實施例中，顯示器110可包括有機發光二極體(organic light-emitting diode,OLED)顯示面板、微型發光二極體(micro light-emitting diode,micro-LED)顯示面板、液晶顯示面板、矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)、數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)或其他空間光調變器(spatial light modulator,SLM)。
中繼透鏡組120配置於影像光束112的傳遞路徑上，而分光組件140配置於來自中繼透鏡組120的影像光束112的傳遞路徑上。曲面反射鏡150用以將來自分光組件140的影像光束112反射回分光組件140，其中被曲面反射鏡150反射的影像光束112穿透分光組件140而傳遞至使用者的一眼睛的一瞳孔50， 而影像光束112經過瞳孔50後，會在使用者的眼睛的視網膜上成像，如此使用者便能夠看到顯示器110所顯示的影像，其為在眼睛前方的放大虛像。
分光組件140從靠近瞳孔50的一側往靠近曲面反射鏡150的一側依序包括堆疊的一偏振片146、一增亮膜144及一相位延遲膜142。來自外界的光30依序穿透曲面反射鏡150、相位延遲膜142、增亮膜144及偏振片146而傳遞至瞳孔50。如此一來，使用者的眼睛除了可以看到顯示器110所顯示的虛像外，還可以看到外界的景物，而能夠達到擴增實境的視覺效果。
在本實施例中，增亮膜144為一反射式偏光膜(例如為美國3M公司所生產的增亮膜(dual brightness enhancement film,DBEF))或者厚度更薄且反射率更佳的高等偏光膜(即為美國3M公司所生產的高等偏光膜(advanced polarizer film,APF))。也就是說，增亮膜為至少兩層不同折射率的聚合物膜層所拉伸而成。此外，在本實施例中，相位延遲膜142為一聚合物相位延遲膜，例如為聚合物四分之一波片。相位延遲膜142是一種耐用的雙折射聚合物片，用於改變偏振光的狀態，本實施例特別指的是1/4波長的聚合物相位延遲膜。在本實施例中，相位延遲膜142在波長450nm至700nm可具有穿透率90%以上的高透明性以及良好的消色差效果。
另外，在本實施例中，擴增實境顯示裝置100更包括一反射片130，配置於影像光束112的傳遞路徑上，且用以將來自 中繼透鏡組120的影像光束112反射至分光組件140。
在本實施例中，曲面反射鏡150具有面向分光組件140的一表面S4(即凹面)及背對分光組件140的一表面S5(即凸面)，表面S4(即凹面)上形成有部分穿透部分反射膜，其反射率例如為50%至70%，而穿透率例如為50%至30%。表面S5(即凸面)可鍍上抗反射膜，以增加透射率，且可避免反射產生鬼影。
在本實施例中，如圖2A與圖3所繪示，分光組件140更包括一透明基板148，其中透明基板148、偏振片146、增亮膜144及相位延遲膜142從靠近瞳孔50的一側往靠近曲面反射鏡150的一側依序堆疊。然而，在另一實施例的分光組件140a中，如圖2B所繪示也可以是偏振片146、透明基板148、增亮膜144及相位延遲膜142從靠近瞳孔50的一側往靠近曲面反射鏡150的一側依序堆疊。透明基板148可使用玻璃或光學塑膠材質，表面鍍上抗反射膜或貼合蛾眼膜(moth-eye film)，可使光線穿透率達到98%以上。
在本實施例中，顯示器110所發出的影像光束112可以是非偏振光，也就是說，其可包含S偏振光與P偏振光。來自中繼透鏡組120的影像光束112在穿透相位延遲膜142後(在本實施例中例如是來自反射片130的影像光束112在穿透相位延遲膜142後)，影像光束112中的S偏振光被增亮膜144反射回相位延遲膜142，相位延遲膜142將影像光束112中的S偏振光轉換成 圓偏光而傳遞至曲面反射鏡150，曲面反射鏡150將圓偏光反射回相位延遲膜142，相位延遲膜142將圓偏光轉換為P偏振光，P偏振光依序穿透增亮膜144及偏振片146而傳遞至瞳孔50。其中，增亮膜114適於反射S偏振光，且適於讓P偏振光穿透，也就是說，增亮膜114可使大部分(例如大於約98%)的P偏振光通過，偏振片146也可以使大部分(例如約99%)的P偏振光通過，最後以極少耗損進入使用者的瞳孔50中，因此提高了光通量的效率。
此外，分光組件140的上述堆疊結構亦可以有效消除二次反射成像(即鬼影)，具體說明如下。顯示器110所發出的影像光束112經過增亮膜144分光後的P偏振光入射偏振片146，偏振片146的穿透軸與P偏振光的偏振方向落在同一入射平面(plane of incidence)(即圖4的圖面)上，大部分的P偏振光會穿過偏振片146而未干擾成像。然而，約有1%的P偏振光會被偏振片146反射，而依序經過增亮膜144以及相位延遲膜142後變為圓偏光。圓偏光入射曲面反射鏡150後，被曲面反射鏡150反射回相位延遲膜142，相位延遲膜142將圓偏光轉換為S偏振光後，S偏振光入射增亮膜144。增亮膜會將大部分(約大於90%)的S偏振光反射成如圖4的光a，光a不會朝使用者的眼睛方向傳遞，而不會被使用者觀察到而形成二次成像(即鬼影)。此外，剩餘的部分(約小於10%)的S偏振光往使用者的眼睛方向傳遞(即圖4中的光b)，光b的偏振方向為S偏振方 向，因此光b穿透增亮膜144後，亦會被偏振片146吸收，故不會透射進入使用者的眼睛中而產生二次成像(即鬼影)。
在本實施例中，如圖2A所繪示，增亮膜144的拉伸方向ST2垂直於偏振片146的穿透軸ST3，且增亮膜144的拉伸方向ST2與相位延遲膜142的慢軸ST1夾45度或135度。
在本實施例中，中繼透鏡組120包括從靠近顯示器110的一側往遠離顯示器110的一側依序排列的一第一透鏡122、一第二透鏡124及一第三透鏡126。第一透鏡122具有正屈光度，其可提供會聚光線的能力並且有助於調配中繼透鏡組120的總長。第二透鏡124具有負屈光度，其有助於修正第一透鏡122所產生的像差，並減緩中繼透鏡組120的系統對公差的敏感度。第三透鏡126具有正屈光度，其用於平衡中繼透鏡組120的正屈光度，避免正屈光度過度集中於第一透鏡而導致透鏡表面的曲率過大，其中曲率過大所產生的高階像差不易被消除。
本實施例的擴增實境顯示裝置100採用了中繼透鏡組120來放大顯示器110的顯示畫面，因此可以用較小的顯示器110得到較大的視場角，並可使光學系統的解像力提高。另外，由於本實施例的擴增實境顯示裝置100採用堆疊的偏振片146、增亮膜144及相位延遲膜142來作為分光組件140，因此如上述可以改善光通量效率及鬼影問題，同時維持影像品質。另外，由於增亮膜144與相位延遲膜142都可採用聚合物材質，其成本較低且不易碎裂，因此可降低生產成本及製造難度。
在本實施例中，中繼透鏡組120符合0<1/f1+1//f2+1/f3<0.065，其中f1為第一透鏡的焦距，f2為第二透鏡的焦距，且f3為第三透鏡的焦距。如此一來，可使中繼透鏡組120調配在適當位置，適合人體頭型配戴。
在本實施例中，擴增實境顯示裝置100符合0.04<D/L<0.22，其中D為顯示器110的有效區(即有效顯示區域)的對角線的一半長度，且L為顯示器110的有效區的中心點至第三透鏡126的背對顯示器110的表面S7在中繼透鏡120的光軸A1上的距離。如此一來，可以控制顯示器主光線角度(chief ray angle)，避免主光線角度過大而導致影像的漸暈現象。
在本實施例中，中繼透鏡組120符合27.53<|V1-V2|<33.61及27.53<|V3-V2|<33.61，其中V1為第一透鏡122的阿貝數，V2為第二透鏡124的阿貝數，且V3為第三透鏡126的阿貝數。如此一來，便能夠有效調整系統色差。
在本實施例中，中繼透鏡組120符合0<(R2+R1)/(R2-R1)<1，其中，R1為第一透鏡122的面向顯示器110的表面S12的曲率半徑，且R2為第一透鏡122的背對顯示器110的表面S11的曲率半徑。如此一來，可有效調整透鏡面形，使顯示器110的有效區中各點發出的光錐能量分佈均衡地進入中繼透鏡組120。
在本實施例中，中繼透鏡組120符合2.25<TL/(T12+T23)<11.52，其中TL為第一透鏡122的面向顯示 器110的表面S12至第三透鏡126的背對顯示器110的表面S7在中繼透鏡組120的光軸A1上的距離，T12為第一透鏡122與第二透鏡124在光軸A1上的空氣間隙(即表面S11至表面S10在光軸A1上的距離)，且T23為第二透鏡124與第三透鏡126在光軸A1上的空氣間隙(即表面S9至表面S8在光軸A1上的距離)。如此一來，可調整透鏡厚度與間隙以壓縮用以容納中繼透鏡組120的鏡筒的長度。
在本實施例中，擴增實境顯示裝置100符合2.00<Y22/D<2.80，其中D為顯示器110的有效區的對角線的一半長度，而Y22為第二透鏡124的面向第三透鏡126的表面S9的最大有效半徑。如此一來，可藉此調整光學系統的眼動範圍(eyebox)，並有效控制用以容納中繼透鏡組120的鏡筒的徑向寬度。
在本實施例中，曲面反射鏡符合0<|CR2-CR1|/d<1，其中CR1為曲面反射鏡150的面向分光組件140的凹面(即表面S4)的曲率半徑，CR2為曲面反射鏡150的背對分光組件140的凸面(即表面S5)的曲率半徑，且d為表面S4至表面S5在曲面反射鏡150的光軸A2上的距離。如此一來，可藉此調整曲面反射鏡150對透射光(即來自外界的光30)的屈光度(diopter)的絕對值小於0.02m-1，因此使用者觀察外界景物時不會受曲面鏡的屈光度影響。
以下表一列出本實施例的擴增實境顯示裝置100的各光 學元件的表面的大域座標(global coordinate)與旋轉角度。
Figure 110136786-A0305-02-0014-1
在表一中，表面S1為使用者的瞳孔50，表面S2為分光組件140面向瞳孔50的表面，表面S3為分光組件140背對瞳孔50的表面，表面S4為曲面反射鏡150面向分光組件140的凹面，表面S5為曲面反射鏡150背對分光組件140的凸面，表面S6為反射片130的反射面，表面S7為第三透鏡126的背對顯示 器110的表面，表面S8為第三透鏡126的朝向顯示器110的表面，表面S9為第二透鏡124的背對顯示器110的表面，表面S10為第二透鏡124的朝向顯示器110的表面，表面S11為第一透鏡122的背對顯示器110的表面，表面S12為第一透鏡122的朝向顯示器110的表面，而表面S13為顯示器110的有效區的表面(即顯示面)。
表一中所列的x、y及z座標為各表面的光學中心在大域座標上的位置，且x、y及z座標的單位皆為毫米。表一中所列的旋轉角度為各表面相對於x座標軸的旋轉角度。
以下表二列出本實施例的擴增實境顯示裝置100的各光學元件的表面的參數：
Figure 110136786-A0305-02-0015-2
Figure 110136786-A0305-02-0016-4
在表二中，間距是指該列的表面的光學中心至下一列的表面的光學中心的距離，舉例而言，S2那一列的間距為1.5000毫米是代表表面S2的光學中心至表面S3的光學中心的距離為1.5000毫米。在本實施例中，表面S7與表面S8皆為凸面，表面S9與表面S10皆為凹面，而表面S11與表面S12皆為凸面。
在上述表面中，表面S4、S5、S7、S8、S9、S10、S11及S12為非球面，其可用以下非球面公式來表達：
Figure 110136786-A0305-02-0016-5
在上述式(1)中，R為透鏡表面近光軸A處的曲率半徑；Y為非球面曲面上的點與光軸A的垂直距離；Z為非球面之深度(非球面上距離光軸A為Y的點，其與相切於非球面光軸A上頂點之切面，兩者間的垂直距離)；K為錐面係數(conic constant)；a2i：第2i階非球面係數。以下表三列出本實施例的擴增實境顯示裝置100的表面S4、S5、S7、S8、S9、S10、S11及 S12的非球面參數：
Figure 110136786-A0305-02-0017-6
在本實施例中，表面S4、S5、S7、S8、S9、S10、S11及S12的非球面係數a2皆為0。
在本實施例中，擴增實境顯示裝置100的有效焦距EFL為-15.50毫米(millimeter,mm)，光圈值(f-number)FNO為1.94，瞳孔110位置所在的眼動範圍(eye box)的直徑EPD為8mm，對角線方向的視場角FOV(D)為35.04度。下表四列出本實施例的擴增實境顯示裝置100的一些參數的數值範例：
Figure 110136786-A0305-02-0017-7
Figure 110136786-A0305-02-0018-8
圖5A為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬場曲圖，圖5B為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬畸變圖，圖5C為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬橫向色差(lateral color)圖，而圖5D為圖1中的曲面反射鏡對於穿透的光(例如來自外界的光)的光學模擬屈光度場圖(power field map)。請參照圖5A至圖5D，在圖5A至圖5C中，對應到0.4861的曲線是指以波長為486.1奈米(nanometer,nm)的光所作出來的數據，對應到0.5876的曲線是指以波長為587.6nm的光所作出來的數據，對應到0.6563的曲線是指以波長為656.3nm的光所作出來的數據。此外，在圖5A中，對應到「子午」的曲線是指以子午方向的光所作出來的數據，而對應到「弧矢」的曲線是指以弧矢方向的光所作出來的數據，例如對應到「0.4861子午」的曲線即是指以波長為486.1nm的子午方向的光所作出來的數據。在圖5C中，對應至艾瑞盤(Airy disc)的曲線表示艾瑞盤所在位置。圖5A至 圖5C的各種成像品質圖皆是以光線逆追跡的方式，假設瞳孔50處為光進入的方向，而光經過擴增實境顯示裝置100的各光學元件後，在顯示器110處成像所形成的成像品質圖。由圖5A至圖5C可知，本實施例的擴增實境顯示裝置100的成像品質良好。
由圖5D可看出，在曲面反射鏡150各位置的屈光度(diopter)的絕對值皆小於0.02，因此使用者觀察外界景物時不會受曲面鏡的屈光度影響。
圖6為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的光路架構圖。請參照圖6，本實施例的擴增實境顯示裝置100b類似於圖1的擴增實境顯示裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的擴增實境顯示裝置100b中，第三透鏡126b為一稜鏡形透鏡，其具有一面向顯示器110的第一凸面(即表面S8)、一反射面(即表面S6)及一面向分光組件140的一第二凸面(即表面S7)，來自第二透鏡124的影像光束112穿透第一凸面(即表面S8)後，被反射面(即表面S6)反射至第二凸面(即表面S7)，接著影像光束112穿透第二凸面(即表面S7)而傳遞至分光組件140。在本實施例中，反射面(即表面S6)上可形成有反射膜，例如是金屬膜或介電質膜。
以下表五列出本實施例的擴增實境顯示裝置100b的各光學元件的表面的大域座標與旋轉角度。
(表五)
Figure 110136786-A0305-02-0020-10
在表五中，表面S7為第三透鏡126b的面向分光組件140的第二凸面，表面S6為第三透鏡126b的反射面，表面S8為第三透鏡126b的面向顯示器110的第一凸面。此外，其餘表面S1~S5及S9~S13的物理意義與表一中的表面S1~S5及S9~S13的物理意義相同，在此不再重述。
以下表六列出本實施例的擴增實境顯示裝置100b的各光學元件的表面的參數：
Figure 110136786-A0305-02-0021-11
在本實施例中，表面S9為凹面，表面S10為凸面，表面S11與表面S12皆為凸面。
以下表七列出本實施例的擴增實境顯示裝置100b的表面S4、S5、S7、S8、S9、S10、S11及S12的非球面參數：(表七)
Figure 110136786-A0305-02-0022-12
在本實施例中，表面S4、S5、S7、S8、S9、S10、S11及S12的非球面係數a2皆為0。
在本實施例中，擴增實境顯示裝置100b的有效焦距EFL為-15.72mm，光圈值FNO為1.96，瞳孔110位置所在的眼動範圍(eye box)的直徑EPD為8mm，對角線方向的視場角FOV(D)為34.06度。下表八列出本實施例的擴增實境顯示裝置100b的一些參數的數值範例。由於反射面(即表面S6)將光路轉折，在表八中，L即等於圖6中的距離L1加上距離L2，而TL即等於圖6中的距離TL1加上距離L2。
Figure 110136786-A0305-02-0022-13
Figure 110136786-A0305-02-0023-14
圖7A為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬場曲圖，圖7B為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬畸變圖，圖7C為圖1的擴增實境顯示裝置的光學模擬橫向色差圖，而圖7D為圖1中的曲面反射鏡對於穿透的光(例如來自外界的光)的光學模擬屈光度場圖。請參照圖7A至圖7D，在圖7A至圖7C中，對應到0.4861的曲線是指以波長為486.1nm的光所作出來的數據，對應到0.5876的曲線是指以波長為587.6nm的光所作出來的數據，對應到0.6563的曲線是指以波長為656.3nm的光所作出來的數據。此外，在圖7A中，對應到「子午」的曲線是指以子午方向的光所作出來的數據，而對應到「弧矢」的曲線是指以弧矢方向的光所作出來的數據，例如對應到「0.4861子午」的曲線即是指以波長為486.1nm的子午方向的光所作出來的數據。在圖7C中，對應至艾瑞盤(Airy disc)的曲線表示艾瑞盤所在位置。圖7A至圖7C的各種成像品質圖皆是以光線逆追跡的方式，假設瞳孔50處為光進入的方向，而光經過擴增實境顯示裝置100b的 各光學元件後，在顯示器110處成像所形成的成像品質圖。由圖7A至圖7C可知，本實施例的擴增實境顯示裝置100b的成像品質良好。
由圖7D可看出，在曲面反射鏡150各位置的屈光度(dioptor)的絕對值皆小於0.02，因此使用者觀察外界景物時不會受曲面鏡的屈光度影響。
綜上所述，本發明的實施例的擴增實境顯示裝置採用了中繼透鏡組來放大顯示器的顯示畫面，因此可以用較小的顯示器得到較大的視場角，並可使光學系統的解像力提高。另外，由於本發明的實施例的擴增實境顯示裝置採用堆疊的偏振片、增亮膜及相位延遲膜來作為分光組件，因此可以改善光通量效率及鬼影問題，同時維持影像品質並降低生產成本及製造難度。
30:光
40:頭部
50:瞳孔
100:擴增實境顯示裝置
110:顯示器
112:影像光束
120:中繼透鏡組
122:第一透鏡
124:第二透鏡
126:第三透鏡
130:反射片
140:分光組件
150:曲面反射鏡
A1、A2:光軸
L、TL:距離
S1~S13:表面

Claims (18)

  1. 一種擴增實境顯示裝置，用以配置於一使用者的一頭部，該擴增實境顯示裝置包括：一顯示器，用以發出一影像光束；一中繼透鏡組，配置於該影像光束的傳遞路徑上；一分光組件，配置於來自該中繼透鏡組的該影像光束的傳遞路徑上；以及一曲面反射鏡，用以將來自分光組件的影像光束反射回該分光組件，其中被曲面反射鏡反射的該影像光束穿透該分光組件而傳遞至該使用者的一瞳孔，其中，該分光組件從靠近該瞳孔的一側往靠近該曲面反射鏡的一側依序包括堆疊的一偏振片、一增亮膜及一相位延遲膜，該中繼透鏡組包括從靠近該顯示器的一側往遠離該顯示器的一側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，該第一透鏡具有正屈光度，該第二透鏡具有負屈光度，且該第三透鏡具有正屈光度，該中繼透鏡組符合0<1/f1+1//f2+1/f3<0.065，其中f1為該第一透鏡的焦距，f2為該第二透鏡的焦距，且f3為該第三透鏡的焦距。
  2. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該增亮膜為一反射式偏光膜或一高等偏光膜。
  3. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該相位延遲膜為一聚合物相位延遲膜。
  4. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，更包括一反射片，配置於該影像光束的傳遞路徑上，且用以將來自該中繼透鏡組的該影像光束反射至該分光組件。
  5. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該擴增實境顯示裝置符合0.04<D/L<0.22，其中D為該顯示器的有效區的對角線的一半長度，且L為該顯示器的該有效區的中心點至該第三透鏡的背對該顯示器的表面在該中繼透鏡的光軸上的距離。
  6. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該中繼透鏡組符合27.53<|V1-V2|<33.61及27.53<|V3-V2|<33.61，其中V1為該第一透鏡的阿貝數，V2為該第二透鏡的阿貝數，且V3為該第三透鏡的阿貝數。
  7. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該中繼透鏡組符合0<(R2+R1)/(R2-R1)<1，其中，R1為該第一透鏡的面向該顯示器的表面的曲率半徑，且R2為該第一透鏡的背對該顯示器的表面的曲率半徑。
  8. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該中繼透鏡組符合2.25<TL/(T12+T23)<11.52，其中TL為該第一透鏡的面向該顯示器的表面至該第三透鏡的背對該顯示器的表面在該中繼透鏡組的光軸上的距離，T12為該第一透鏡與該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙，且T23為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙。
  9. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該擴增實境顯示裝置符合2.00<Y22/D<2.80，其中D為該顯示器的有效區的對角線的一半長度，而Y22為該第二透鏡的面向該第三透鏡的表面的最大有效半徑。
  10. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該第三透鏡為一稜鏡形透鏡，其具有一面向該顯示器的第一凸面、一反射面及一面向該分光組件的一第二凸面，來自該第二透鏡的該影像光束穿透該第一凸面後，被該反射面反射至該第二凸面，接著該影像光束穿透該第二凸面而傳遞至該分光組件。
  11. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該曲面反射鏡具有面向該分光組件的一凹面及背對該分光組件的一凸面，該凹面上形成有部分穿透部分反射膜。
  12. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該曲面反射鏡具有面向該分光組件的一凹面及背對該分光組件的一凸面，且符合0<|CR2-CR1|/d<1，其中CR1為該凹面的曲率半徑，CR2為該凸面的曲率半徑，且d為該凹面至該凸面在該曲面反射鏡的光軸上的距離。
  13. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該增亮膜為多層不同折射率的聚合物膜層所拉伸而成，該增亮膜的拉伸方向垂直於該偏振片的穿透軸，且該增亮膜的該拉伸方向與該相位延遲膜的慢軸夾45度或135度。
  14. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該分光組件更包括一透明基板，其中該透明基板、該偏振片、該增亮膜及該相位延遲膜從靠近該瞳孔的一側往靠近該曲面反射鏡的一側依序堆疊。
  15. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該分光組件更包括一透明基板，其中該偏振片、該透明基板、該增亮膜及該相位延遲膜從靠近該瞳孔的一側往靠近該曲面反射鏡的一側依序堆疊。
  16. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該相位延遲膜為一聚合物四分之一波片。
  17. 如請求項16所述的擴增實境顯示裝置，其中來自該中繼透鏡組的該影像光束在穿透該相位延遲膜後，該影像光束中的S偏振光被該增亮膜反射回該相位延遲膜，該相位延遲膜將該影像光束中的S偏振光轉換成圓偏光而傳遞至該曲面反射鏡，該曲面反射鏡將該圓偏光反射回該相位延遲膜，該相位延遲膜將該圓偏光轉換為P偏振光，該P偏振光依序穿透該增亮膜及該偏振片而傳遞至該瞳孔。
  18. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中來自外界的光依序穿透該曲面反射鏡、該相位延遲膜、該增亮膜及該偏振片而傳遞至該瞳孔。
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