CN106556929B - 光学模组以及头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学模组以及头戴式显示装置，其中，光学模组包括光波导、至少一个分光片以及光源。光波导具有第一面、第二面以及入光面。入光面与第一面的内角为θ。第一面与第二面的距离为T。光波导的折射率为n。在垂直于第一面的参考平面上，各分光片与第一面具有第一交点，且入光面与第二面具有第二交点。第二交点在第一面上具有第一正投影。第一正投影与最靠近入光面的第一交点的距离为H。光束在入光面的入射角为a，且符合可有效降低光波导内产生的杂散光的比例。

Description

光学模组以及头戴式显示装置
技术领域
本发明涉及一种光学模组以及头戴式显示装置，且特别涉及一种具有光波导的光学模组以及头戴式显示装置。
背景技术
随着显示技术的进步及人们对于高科技的渴望，虚拟实境(virtual reality)与扩充实境(augmented reality)的技术已渐趋成熟，其中头戴式显示装置(Head MountedDisplay,HMD)因可实现此技术而逐渐在显示领域崭露头角。
图1A是已知的一种头戴式显示装置的示意图。图1B是图1A中区域AA的放大示意图。请参照图1A及图1B，头戴式显示装置10包括光波导12、多个分光片14、反射镜16以及显示装置18。分光片14以及反射镜16位于光波导12中。反射镜16用于将来自显示装置18的影像光束IB传递至分光片14，而分光片14用于将影像光束IB传递至使用者的眼睛E。影像光束IB在光波导12内传递时，部分的影像光束IB(如影像光束IBB，如图1B)可能因行进路径的变异，而产生与正常出射光线IB1角度对称的杂散光(Stray light)IB2，导致使用者除了观看到正常影像外，还会看见与正常影像对称的鬼影。如图1B所示，入射反射镜16的部分影像光束IBB会因在反射镜16发生二次反射(图1B中以圆圈标示的第二次反射的位置)而偏离正常的影像光束IBA的行进路径，以致后续形成杂散光IB2，而对显示品质造成负面影响。因此，如何降低杂散光的比例，已成为相关领域技术发展的重要课题之一。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的背景技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表上述内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种光学模组，其可有效降低光波导内产生的杂散光的比例。
本发明提供一种头戴式显示装置，其具有良好的显示品质。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提供一种光学模组，其包括光波导、至少一个分光片以及光源。光波导具有第一面、第二面以及入光面。第一面与第二面彼此平行。入光面与第一面以及第二面连接，其中入光面与第一面所夹的内角为θ，第一面与第二面的距离为T，且光波导的折射率为n。至少一个分光片设置于光波导中，且各分光片与第一面以及第二面连接，其中各分光片与第一面在垂直于第一面的参考平面上具有第一交点，且入光面与第二面在参考平面上具有第二交点。第二交点在第一面上具有第一正投影。第一正投影与最靠近入光面的第一交点的距离为H。光源配置于入光面旁且适于提供光束。光束自入光面进入光波导。光束在入光面的入射角为a，且符合
本发明的一实施例提供一种头戴式显示装置，其包括光波导、至少一个分光片以及显示装置。光波导具有第一面、第二面以及入光面。第一面与第二面彼此平行。入光面与第一面以及第二面连接，其中入光面与第一面所夹的内角为θ，第一面与第二面的距离为T，且光波导的折射率为n。至少一个分光片设置于光波导中，且各分光片与第一面以及第二面连接，其中各分光片与第一面在垂直于第一面的参考平面上具有第一交点，且入光面与第二面在参考平面上具有第二交点。第二交点在第一面上具有第一正投影。第一正投影与最靠近入光面的第一交点的距离为H。以及显示装置，配至于入光面旁且提供一影像光束，影像光束自入光面进入光波导，影像光束在入光面的入射角为a，且符合
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的光学模组以及头戴式显示装置中，光波导具有可让光束或影像光束穿透且相对第一面以及第二面倾斜的入光面。光束或影像光束自入光面进入光波导后，朝分光片传递。因此，本发明的光学模组以及头戴式显示装置可以不用在光波导中设置用以将光束或影像光束引导至分光片的反射镜。藉此设计，可避免光束或影像光束因照射到反射镜的端部而造成行进路径的改变，从而有助于降低光波导内产生的杂散光的生成。另外，透过的设计，可确保进入光波导的光束或影像光束至少经过一次全反射后才传递至最靠近入光面的分光片(以下简称第一分光片)，从而可避免光束或影像光束在不经全反射的情况下直接射到第一分光片所产生的杂散光。因此，本发明的光学模组可有效降低光波导内产生的杂散光的比例，且头戴式显示装置可具有良好的显示品质。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A是已知的一种头戴式显示装置的示意图。
图1B是图1A中区域AA的放大示意图。
图2是依照本发明的第一实施例的一种光学模组的俯视示意图。
图3是依照本发明的第二实施例的一种光学模组的俯视示意图。
图4示出本发明实施例的光学模组与比较例的光学模组在不同入射角下模拟出来的杂散光比例。
图5是依照本发明的一实施例的一种头戴式显示装置的俯视示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图2是依照本发明的第一实施例的一种光学模组的俯视示意图。请参照图2，光学模组100包括光波导110、至少一个分光片120以及光源130。图2示意性地示出两个分光片120，但分光片120的数量不限于此。
光波导110具有第一面S1、第二面S2以及入光面S3。第一面S1与第二面S2彼此平行。入光面S3与第一面S1以及第二面S2连接。入光面S3可让光穿透且相对第一面S1以及第二面S2倾斜，其中入光面S3与第一面S1所夹的内角为θ，内角θ大于0度且小于90°。
至少一个分光片120设置于光波导110中(图2示意性地示出为2个，但不限于此)，且各分光片120与第一面S1以及第二面S2连接。各分光片120与第一面S1在垂直于第一面S1的参考平面R上具有第一交点X1，且入光面S3与第二面S2在参考平面R上具有第二交点X2。第二交点X2在第一面S1上具有第一正投影P1。第一正投影P1与最靠近入光面S3的第一交点X1的距离为H。
在本实施例中，各分光片120与第二面S2在参考平面R上具有第三交点X3。第三交点X3在第一面S1上具有第二正投影P2。各第二正投影P2位于对应的第一交点X1以及第一正投影P1之间，但不限于此。
光源130配置于入光面S3旁且适于提供光束B。举例而言，当光学模组100应用于头戴式显示装置时，光源130可为影像光源，且光束B可为影像光束。所述影像光源可以是数字微镜元件(Digital Micro-mirror Device,DMD)、微型液晶显示器(Liquid CrystalDisplay,LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)微型显示器或其他种类的微型显示器。
光束B自入光面S3进入光波导110。由于入光面S3相对第一面S1以及第二面S2倾斜，光束B自入光面S3进入光波导110后，即朝分光片120传递，且可通过分光片120的部分反射而从第一面S1射出光波导110，传递至使用者的眼睛E。由于光学模组100可以不需要在光波导110中设置用以将光束B引导至分光片120的反射镜，因此可避免光束B因照射到反射镜的端部而造成行进路径的改变，从而有助于降低光波导110内杂散光的生成。
光束B在入光面S3的入射角为a。为确保光束B顺利从入光面S3进入光波导110，入射角a≧0。本实施例中a>0的情形是指光束B由入光面S3的法平面SP靠近第一面S1的一侧射入入光面S3，且a＝0的情形是指光束B沿法平面SP垂直射入入光面S3。此外，为确保光束B在进入光波导110后，可通过全反射的方式传递至分光片120，入光面S3与第一面S1所夹的内角θ须满足其中n为光波导110的折射率。在本实施例中，光波导110的适用材质满足1.4≦n≦1.9，但不限于此。另外，为避免射入入光面S3的光束B在不经全反射的情况下直接射到第一分光片(最靠近入光面S3的分光片120)而产生杂散光，须满足其中T为第一面S1与第二面S2的距离，以确保进入光波导110的光束B至少经过一次全反射后才传递第一分光片。如此，光学模组100可有效降低光波导110内杂散光的生成比例。
图3是依照本发明的第二实施例的一种光学模组的俯视示意图。请参照图3，光学模组200相似于图2的光学模组100，且相同或相似的元件以相同的标号表示，于此不再赘述。光学模组200与光学模组100的主要差异在于，各第一交点X1位于对应的第二正投影P2以及第一正投影P1之间，且光束B从第二面S2射出光波导110A。
图4示出本发明实施例的光学模组与已知光学模组在不同入射角下模拟出来的杂散光比例，其中已知光学模组通过反射镜将光束引导至分光片。细实线L1代表已知光学模组在不同入射角下模拟出来的杂散光比例。随着入射角度的增加，已知光学模组的杂散光比例有逐步攀升的趋势。粗实线L2代表本发明实施例的光学模组在不同入射角下模拟出来的杂散光比例。相较之下，本发明实施例的光学模组可将杂散光比例有效地抑制在10％以内。换句话说，相较于已知的光学模组，本发明实施例的光学模组透过入光面相对第一面以及第二面倾斜的设计以及符合的关系式，可有效降低光波导内杂散光的生成比例。
图5是依照本发明的一实施例的一种头戴式显示装置的俯视示意图。请参照图5，头戴式显示装置300大致相似于图2的光学模组100，相同或相似的元件以相同的标号表示，于此不再赘述。显示装置330例如是投影光学系统，提供影像光束IB。
在头戴式显示装置300中，光波导110具有相对第一面S1以及第二面S2倾斜的入光面S3。影像光束IB自入光面S3进入光波导110后，即朝分光片120传递。因此，头戴式显示装置300可以不用在光波导110中设置用以将影像光束IB引导至分光片120的反射镜。藉此设计，可避免影像光束IB因照射到反射镜的端部而造成行进路径的改变，从而有助于降低光波导110内杂散光的生成。另外，由于头戴式显示装置300符合的设计(各符号说明请参见图2对应的描述)，可确保进入光波导110的影像光束IB至少经过一次全反射后才传递至第一分光片(即最靠近入光面的分光片120)，从而可降低影像光束IB在不经全反射的情况下直接射到第一分光片所产生的杂散光。因此，头戴式显示装置300可具有良好的显示品质。
应说明的是，图5仅示意性地示出头戴式显示装置300中的其中一种型态，但不限于此。在其他实施例中，头戴式显示装置300中的光波导110亦可替换成图3中的光波导110A。此外，头戴式显示装置300可进一步包括其他元件，例如可包括固定装置FX，以将光波导110及显示装置330固定于使用者的眼睛E前。固定装置FX可以是一副眼镜，但不限于此。光波导110可固定于固定装置FX的其中一镜片LS的外侧或是嵌于镜片LS中。当光波导110为嵌于镜片LS的情形时，镜片LS对应形成容纳光波导110的开口O。镜片LS可以是任何种类的镜片，例如处方镜片(即带有度数的镜片)或是太阳眼镜(绿光镜片)等，镜片LS亦可以是由玻璃、树脂或其他适当的材质所构成，本发明对此不加以限制。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的光学模组以及头戴式显示装置中，光波导具有相对第一面以及第二面倾斜的入光面。光束或影像光束自入光面进入光波导后，即朝分光片传递。因此，本发明的光学模组以及头戴式显示装置可以不用在光波导中设置用以将光束或影像光束引导至分光片的反射镜。藉此设计，可避免光束或影像光束因照射到反射镜的端部而造成行进路径的改变，从而有助于降低光波导内杂散光的生成。另外，光学模组符合的设计，可确保进入光波导的光束或影像光束至少经过一次全反射后才传递至第一分光片(即最靠近入光面的分光片)，从而可避免光束或影像光束在不经全反射的情况下直接射到第一分光片所产生的杂散光。因此，本发明的光学模组可有效降低光波导内产生杂散光的比例，且头戴式显示装置可具有良好的显示品质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
【符号说明】
10、300：头戴式显示装置
12、110、110A：光波导
14、120：分光片
16：反射镜
18、330：显示装置
100、200：光学模组
130：光源
a：入射角
AA：区域
B：光束
E：使用者的眼睛
FX：固定装置
H、T：距离
IB、IBA、IBB：影像光束
IB1：正常出射光线
IB2：杂散光
L1：细实线
L2：粗实线
LS：镜片
O：开口
P1：第一正投影
P2：第二正投影
R：参考平面
S1：第一面
S2：第二面
S3：入光面
SP：入光面的法平面
X1：第一交点
X2：第二交点
X3：第三交点
θ：内角

Claims (11)

1.一种光学模组，其特征在于，上述光学模组包括：一光波导、至少一个分光片以及一光源，其中
上述光波导，具有一第一面、一第二面以及一入光面，上述第一面与上述第二面彼此平行，上述入光面与上述第一面以及上述第二面连接，其中上述入光面与上述第一面所夹的内角为θ，上述第一面与上述第二面的距离为T，且上述光波导的折射率为n；
上述至少一个分光片，设置于上述光波导中且各上述分光片与上述第一面以及上述第二面连接，其中各上述分光片与上述第一面在垂直于上述第一面的一参考平面上具有一第一交点，且上述入光面与上述第二面在上述参考平面上具有一第二交点，上述第二交点在上述第一面上具有一第一正投影，上述第一正投影与最靠近上述入光面的第一交点的距离为H；以及
上述光源，配置于上述入光面旁且用于提供一光束，上述光束自上述入光面进入上述光波导，上述光束在上述入光面的入射角为a，且符合
2.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，上述入光面与上述第一面所夹的内角θ符合
3.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，上述光束由上述入光面的一法平面靠近上述第一面的一侧射入上述入光面。
4.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，各上述分光片与上述第二面在上述参考平面上具有一第三交点，上述第三交点在上述第一面上具有一第二正投影，各上述第二正投影位于对应的第一交点与上述第一正投影之间，且上述光束从上述第一面射出上述光波导。
5.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，各上述分光片与上述第二面在上述参考平面上具有一第三交点，上述第三交点在上述第一面上具有一第二正投影，各上述第一交点位于对应的第二正投影与上述第一正投影之间，且上述光束从上述第二面射出上述光波导。
6.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于，上述光源为一影像光源，且上述光束为一影像光束。
7.一种头戴式显示装置，其特征在于，上述头戴式显示装置包括：一光波导、至少一个分光片以及显示装置，其中
上述光波导，具有一第一面、一第二面以及一入光面，上述第一面与上述第二面彼此平行，上述入光面与上述第一面以及上述第二面连接，其中上述入光面与上述第一面所夹的内角为θ，上述第一面与上述第二面的距离为T，且上述光波导的折射率为n；
上述至少一个分光片，设置于上述光波导中且各上述分光片与上述第一面以及上述第二面连接，其中各上述分光片与上述第一面在垂直于上述第一面的一参考平面上具有一第一交点，且上述入光面与上述第二面在上述参考平面上具有一第二交点，上述第二交点在上述第一面上具有一第一正投影，上述第一正投影与最靠近上述入光面的第一交点的距离为H；以及
上述显示装置，配置于上述入光面旁且适于提供一影像光束，上述影像光束自上述入光面进入上述光波导，上述影像光束在上述入光面的入射角为a，且符合
8.如权利要求7所述的头戴式显示装置，其特征在于，上述入光面与上述第一面所夹的内角θ符合
9.如权利要求7所述的头戴式显示装置，其特征在于，上述影像光束由上述入光面的一法平面靠近上述第一面的一侧射入上述入光面。
10.如权利要求7所述的头戴式显示装置，其特征在于，各上述分光片与上述第二面在上述参考平面上具有一第三交点，上述第三交点在上述第一面上具有一第二正投影，各上述第二正投影位于对应的第一交点与上述第一正投影之间，且上述影像光束从上述第一面射出上述光波导。
11.如权利要求7所述的头戴式显示装置，其特征在于，各上述分光片与上述第二面在上述参考平面上具有一第三交点，上述第三交点在上述第一面上具有一第二正投影，各上述第一交点位于对应的第二正投影与上述第一正投影之间，且上述影像光束从上述第二面射出上述光波导。
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