本實用新型有關(guān)于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤指一種用于近眼顯示器的穿透式目鏡。

背景技術(shù)：

近眼顯示器(Near Eye Display，NED)或頭戴顯示器(Head Mount Display，HMD，或稱Head Wearable Display)是一種配戴在頭部上或周圍的顯示設(shè)備，其中，有些類型的近眼顯示器或頭戴顯示器具備有穿透式目鏡(see-through eyepiece)，而可迭合(superimpose)顯示器的圖像與外界的真實場景，在各方面如交通(如提供駕駛或飛行的輔助信息)或娛樂上均具有很大的應(yīng)用空間，同時也可應(yīng)用于擴增實境(Augmented Reality，AR)上，現(xiàn)有的穿透式近眼顯示器或頭戴顯示器，如US2013070338A1、US2015177519A1等專利前案所揭示者，主要由一微型顯示器結(jié)合一由透明材質(zhì)如玻璃或塑料所制成的導(dǎo)光部件(light guide component)，從而當(dāng)微型顯示器的影像(光線)由該導(dǎo)光部件的一個角度或表面射入后，即可透過光學(xué)的反射等動作或原理，使人眼可由該導(dǎo)光部件的另一個角度或表面上看到或接收到該影像，同時也可由該透明的導(dǎo)光部件看到外界的場景(external scene)，然而，前述現(xiàn)有的穿透式近眼顯示器，其導(dǎo)光部件的厚度(thickness，從導(dǎo)光部件面向眼睛的一側(cè)往導(dǎo)光部件面向外部場景的一側(cè)來計算)較厚且視角(Field of View，F(xiàn)OV，或稱Angle of View，AOV)較小，不僅產(chǎn)品較為笨重，且用戶接收影像的內(nèi)容訊息時也較為吃力與不便。

此外，亦有業(yè)者采用自由曲面光學(xué)(freeform optics)來設(shè)計該導(dǎo)光部件，此種技術(shù)方案雖然可以提高視角，但卻不可避免的會造成影像或外部場景變形失真(distortion)的問題，雖然此等失真可以透過額外的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計來補償或改善，但卻會因此增加整體設(shè)計的復(fù)雜度及成本，大幅減損其實用性，因此，如何針對上述缺點加以改進(jìn)，即為本案申請人所欲解決的技術(shù)困難點所在。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有穿透式近眼顯示器的上述缺點，因此本實用新型的目的在于發(fā)展一種可降低厚度或增加視角的穿透式目鏡。

為達(dá)成以上的目的，本實用新型提供一種用于近眼顯示器的穿透式目鏡，其包含一第一棱鏡、一第二棱鏡以及一部分反射層，其中：該第一棱鏡設(shè)有一入射面，用于接收來自一顯示設(shè)備的光線進(jìn)入該第一棱鏡，該第一棱鏡還設(shè)有一平面狀的第一全內(nèi)反射面與一第一接合面；該第二棱鏡設(shè)有一第二接合面、一平面狀的第二全內(nèi)反射面與一反射面，該反射面上鍍設(shè)有一反射層，該部分反射層系設(shè)置于該第二棱鏡其第二接合面與第一棱鏡其第一接合面之間，且第二棱鏡與第一棱鏡兩者系沿著第二接合面與第一接合面而相互接合，以構(gòu)成完整的穿透式目鏡，并使該第一全內(nèi)反射面與第二全內(nèi)反射面相互平行且分別位于該穿透式目鏡的相對兩側(cè)，且該入射面與反射面也分別位于該穿透式目鏡的相對兩側(cè)。

其中，該入射面為曲面狀或非球面狀，且該入射面上設(shè)有二元繞射結(jié)構(gòu)，又該反射面亦為曲面狀或非球面狀。

其中，該部分反射層為分光器。

其中，該反射層為鋁層或銀層。

其中，該部分反射層的傾角θ滿足以下條件：θ≧(θ_c+θ')/2，θ'＝arcsin(sinα/n)，θ_c＝arcsin(1/n)，其中，θ_c為全反射的臨界角，α為半視角(half angle of view)，n為該第二棱鏡的折射率。

藉此，本實用新型可增加光線于棱鏡內(nèi)的行程距離，可有效縮小穿透式目鏡的厚度，或是提高產(chǎn)品的視角，俾令用戶可更輕松地接收影像的內(nèi)容或訊息，進(jìn)而使本實用新型可達(dá)到更佳的產(chǎn)品效能與實用性。

附圖說明

圖1為本實用新型的一實施例的分解示意圖。

圖2為本實用新型的一實施例的組合示意圖。

圖3為本實用新型的一實施例的側(cè)面剖視示意圖。

圖3A為本實用新型的一實施例其半視角與部分反射層的傾角的對應(yīng)關(guān)系示意圖。

圖4為本實用新型的一實施例的動作示意圖。

附圖標(biāo)記說明：3-第一棱鏡；31-入射面；32-第一全內(nèi)反射面；33-第一接合面；4-第二棱鏡；41-第二接合面；42-第二全內(nèi)反射面；43-反射面；44-反射層；45-傾角；5-部分反射層；6-顯示設(shè)備；61-顯示光線；62-顯示光線；7-眼睛；H-厚度。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2與圖3所示，本實用新型提供一種用于近眼顯示器的穿透式目鏡，其包含一第一棱鏡3、一第二棱鏡4以及一部分反射層(partially reflective layer)5，其中：

該第一棱鏡3與第二棱鏡4的材質(zhì)可采用玻璃或光學(xué)等級的塑料(optical grade plastic)，在本實施例中優(yōu)選采用塑料，以便具有輕量化的優(yōu)勢，該第一棱鏡3設(shè)有一曲面狀(curved)或非球面狀(aspheric)的入射面(input surface)31，通常該入射面31上可刻設(shè)有二元繞射結(jié)構(gòu)(binary diffractive optical elements，DOEs)，用于消除倍率色差，但該二元繞射結(jié)構(gòu)的具體細(xì)部構(gòu)造屬本技術(shù)領(lǐng)域的通常知識且非本案發(fā)明點所在，故圖式中并未繪出且不予詳述，該入射面31用以接收來自一顯示設(shè)備6的光線進(jìn)入該第一棱鏡3，該顯示設(shè)備6具體可為液晶覆硅(LCoS，Liquid Crystal on Silicon)顯示器或是有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器，在本實施例中，該顯示設(shè)備6較佳可采用無需背光模塊的有機發(fā)光二極管顯示器，藉此可兼具節(jié)省空間的優(yōu)點，此外，該第一棱鏡3還設(shè)有一平面狀(即平坦無彎曲)的第一全內(nèi)反射面(total internal reflection surface)32與一第一接合面(interface surface)33；

該第二棱鏡4設(shè)有一第二接合面41、一平面狀的第二全內(nèi)反射面42與一曲面狀或非球面狀的反射面43，該反射面43上鍍設(shè)有一反射層44，用以形成一曲面鏡(curved mirror)，更具體地說，形成一凹面鏡(concave mirror)，該反射層44可為鋁層或銀層，又，該部分反射層5設(shè)置于該第二棱鏡4其第二接合面41與第一棱鏡3其第一接合面33之間，且第二棱鏡4與第一棱鏡3兩者沿著第二接合面41與第一接合面33而相互接合，以構(gòu)成完整的穿透式目鏡，并使該第一全內(nèi)反射面32與第二全內(nèi)反射面42相互平行且分別位于該穿透式目鏡的相對兩側(cè)，且該入射面31與反射面43也分別位于該穿透式目鏡的相對兩側(cè)，例如，在依本實施例所繪示的圖1與圖2中，該第一全內(nèi)反射面32與第二全內(nèi)反射面42分別位于穿透式目鏡的前、后兩側(cè)，而入射面31與反射面43則分別位于穿透式目鏡的上、下兩側(cè)，在此，可以一提的是，該第二全內(nèi)反射面42即穿透式目鏡朝向使用者眼睛的那一面，而第一全內(nèi)反射面32則為穿透式目鏡朝向外部場景的那一面；

其中，該部分反射層5具體可以是傳統(tǒng)的分光器(beam splitter)例如非偏振的分光器(non-polarized beam splitter)，也可以采用偏振分光器(polarized beam splitter，PBS)；

此外，請再配合參閱圖3與圖3A所示，在設(shè)計如本實用新型的穿透式目鏡時，依光學(xué)原理可知，用戶的眼睛7所能看的視角的一半—即半視角(half angle of view)α—是由該顯示設(shè)備6的尺寸及穿透式目鏡的焦距(focal length)所決定，故該半視角α為一已知數(shù)，同時，再令該部分反射層5的傾角45(angle of inclination，即該部分反射層5與第二全內(nèi)反射面42之間的夾角)的大小為θ，如此一來，請繼續(xù)參閱圖3A所示，若光線以該半視角α的入射角度由空氣進(jìn)入該第二棱鏡4的第二全內(nèi)反射面42并產(chǎn)生折射，且折射角為θ'，折射后的光線經(jīng)過部分反射層5的反射后可在該第二全內(nèi)反射面42上產(chǎn)生全內(nèi)反射(total internal reflection)，則依幾何學(xué)原理，可計算出光線在該第二全內(nèi)反射面42上產(chǎn)生全內(nèi)反射時的入射角為2θ－θ'，可知2θ－θ'必須大于等于全反射的臨界角θ_c，如此一來，該部分反射層5其傾角45的大小θ在設(shè)計上須滿足以下條件：

θ≧(θ_c+θ')/2，其中，θ'為光線由空氣進(jìn)入第二全內(nèi)反射面42時所產(chǎn)生的折射角，θ_c為全反射的臨界角，更進(jìn)一步的，依司乃爾定律(Snell'sLaw)，可求出θ'＝arcsin(sinα/n)，θ_c＝arcsin(1/n)，其中n為該第二棱鏡4的折射率(refractive index)，從本實用新型結(jié)構(gòu)可知，只要在符合上述條件下盡可能地采用越小的傾角45，對應(yīng)先前技術(shù)的專利前案所揭示者的設(shè)計，即可降低該穿透式目鏡的厚度；若比照原先專利前案所揭示者的設(shè)計的厚度，則本實用新型將可以獲得更大的視角。

底下說明本實用新型的工作原理：請參閱圖4所示，藉由上述結(jié)構(gòu)，本實用新型只需將顯示設(shè)備6傾斜達(dá)一定角度，使之不與該第一棱鏡3的第一全內(nèi)反射面32相平行，即可輕易地令顯示設(shè)備6產(chǎn)生的顯示光線(display light)61由該第一棱鏡3的入射面31進(jìn)入第一棱鏡3，并在該第一全內(nèi)反射面32上產(chǎn)生全反射，接下來，該顯示光線61會通過該部分反射層5，并在該第二棱鏡4的第二全內(nèi)反射面42上產(chǎn)生全反射，然后，該顯示光線61會在由反射面43與反射層44所構(gòu)成的凹面鏡上產(chǎn)生反射同時被放大，如此一來，被放大后的顯示光線62會再依序經(jīng)過該第二全內(nèi)反射面42的全反射以及該部分反射層5的反射，最后即可到達(dá)使用者的眼睛7，從而令使用者可看到顯示設(shè)備6的影像，同時，用戶也可透過本實用新型看到外部場景。

請繼續(xù)參閱圖1與圖4所示，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，可利于大量生產(chǎn)，且透過適當(dāng)?shù)嘏渲迷搩A角45，即可輕易地利用全反射原理來顯示該顯示設(shè)備6的影像，從而，與現(xiàn)有的穿透式目鏡相比，在具備相同視角(FOV或AOV)的前提下，本實用新型可有效縮小穿透式目鏡的厚度H；或者，在具備相同厚度的前提下，本實用新型可達(dá)到更大的視角，從而令用戶可更輕松地接收影像的內(nèi)容或訊息，進(jìn)而使本實用新型可達(dá)到更佳的產(chǎn)品效能與實用性。

以上說明對本實用新型而言只是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在不脫離以下所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改，變化，或等效，但都將落入本實用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。