CN108445573B - 光波导元件以及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光波导元件，其包括入光部以及出光部。入光部包括第一导光层、第二导光层以及至少一第三导光层。第一导光层以及第二导光层的入光面共同构成第一斜面。第一导光层以及第二导光层的出光面共同构成第二斜面。第一斜面以及第二斜面分别倾斜于第一导光层的底面。出光部的厚度小于第一导光层、第二导光层以及所述至少一第三导光层的总厚度。本发明另提供一种显示装置。所述光波导元件有助离开光波导元件的显示光束在空间中分布均匀，且让显示装置具有良好的显示品质。

Description

光波导元件以及显示装置
技术领域
本发明是有关于一种光波导元件以及具有此光波导元件的显示装置。
背景技术
头戴式显示器(Head-Mounted Display,HMD)是目前极具发展潜力的产品之一。在相关应用上，目前可分为扩增实境(Augmented Reality,AR)技术以及虚拟实境(VirtualReality,VR)技术。相较于虚拟实境技术产生一个完全虚拟的环境，扩增实境让使用者能够同时看到外界的环境影像以及显示资讯，从而达到扩增实境的显示效果。
在实现扩增实境的基本光学架构中，兼顾广视角、全彩影像以及轻薄体积的分光片阵列波导(Beam Splitter Array Waveguide)成为目前各种扩增实境的显示装置的主要选择之一。然而，在此种架构的显示装置中，入射进光波导元件的显示光束无法有效填满光波导元件中这些分光片的截面积，造成输出的显示画面有亮暗不均的现象。
“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”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种光波导元件，其有助于使离开光波导元件的显示光束在空间中分布均匀。
本发明提供一种显示装置，其应用上述的光波导元件，而可具有良好的显示品质。
本发明的其它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。
为达上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提出一种光波导元件，其用于接收显示光束。光波导元件包括入光部以及出光部。入光部包括第一导光层、连接于第一导光层的第二导光层以及连接于第一导光层或第二导光层的至少一第三导光层，其中第一导光层以及第二导光层的入光面共同构成第一斜面，且第一导光层以及第二导光层的出光面共同构成第二斜面。第一斜面以及第二斜面分别连接且倾斜于第一导光层的底面。出光部连接于第二斜面，且出光部的厚度小于第一导光层、第二导光层以及所述至少一第三导光层的总厚度。出光部具有位于其内的多个分光片。分光片相互平行且呈间隔排列。显示光束经由入光部进入光波导元件，并经由出光部传递至显示区域。
为达上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提出一种显示装置，其包括上述的光波导元件以及显示光源。显示光源配置在第一斜面旁，其中显示光源用于发出显示光束。
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。在本发明的实施例的光波导元件中，由于显示光束在行经第一导光层、第二导光层以及第三导光层时会不断地分光，使得显示光束的截面积变大，因此光波导元件能够改善已知因显示光束无法有效填满光波导元件中分光片的截面积所造成的亮暗不均现象，使离开光波导元件的显示光束在空间中分布均匀。此外，应用上述光波导元件的显示装置可具有良好的显示品质。
附图说明
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，并配合所附附图作详细说明如下。
图1是依照本发明的第一实施例的一种显示装置的局部剖面示意图。
图2绘示一比较例的显示装置中，光波导元件传递影像光束的光路示意图。
图3绘示图1实施例中，光波导元件传递影像光束的光路示意图。
图4及图5是依照本发明的第二实施例及第三实施例的显示装置的局部剖面示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、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，将可清楚地呈现。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1是依照本发明的第一实施例的一种显示装置的局部剖面示意图。请参照图1，本实施例的显示装置100例如是一头戴式显示器，利用对应的机构件与壳体(未显示)，可固定在使用者的头上，用于将显示光束传递至使用者的眼睛。
显示装置100包括光波导元件110以及显示光源120。光波导元件110包括入光部112以及出光部114。入光部112包括第一导光层LG1、第二导光层LG2以及至少一第三导光层LG3。图1示意性地绘示出一个第三导光层LG3，然而，所述至少一第三导光层LG3的数量可大于或等于一。
第二导光层LG2连接于第一导光层LG1，且第三导光层LG3连接于第一导光层LG1或第二导光层LG2。举例而言，第三导光层LG3可连接于第二导光层LG2，使得第二导光层LG2位于第三导光层LG3与第一导光层LG1之间，但不限于此。在另一实施例中，第三导光层LG3可连接于第一导光层LG1，使得第一导光层LG1位于第三导光层LG3与第二导光层LG2之间。或者，当所述至少一第三导光层LG3的数量大于一时，例如当所述至少一第三导光层LG3的数量为二时，第三导光层LG3可分别与第一导光层LG1以及第二导光层LG2连接，使得第一导光层LG1以及第二导光层LG2位于两个第三导光层LG3之间，上述内容将于后面说明书内容中详细地描述。
第一导光层LG1、第二导光层LG2以及第三导光层LG3平行设置，其中第一导光层LG1与第二导光层LG2之间具有第一介面IF1，且第三导光层LG3与所连接第二导光层LG2之间具有第二介面IF2。第一介面IF1平行于第二介面IF2。可依需求而于第一介面IF1以及第二介面IF2分别形成至少一膜层。举例而言，可于第一介面IF1以及第二介面IF2的至少其中之一形成粘着层(未绘示)或部分穿透部分反射层(未绘示)。
第一导光层LG1的入光面SI1以及第二导光层LG2的入光面SI2共同构成第一斜面T1。第一导光层LG1的出光面SE1以及第二导光层LG2的出光面SE2共同构成第二斜面T2。第一斜面T1以及第二斜面T2分别连接且倾斜于第一导光层LG1的底面SB1。也就是说，第一斜面T1与底面SB1的夹角θ1不等于90度，且第二斜面T2与底面SB1的夹角θ2不等于90度。举例而言，夹角θ1与夹角θ2可满足：(180°-θ1)/2＝θ2，可减少在显示设备100组装时在组件之间对准所产生的误差，但不限于此。第三导光层LG3的第一侧壁面SS1可与第一斜面T1共平面，且第三导光层LG3的第二侧壁面SS2可与第二斜面T2共平面，以降低制造难度，但不限于此。在另一实施例中，第三导光层LG3的第一侧壁面SS1与第一斜面T1可不共平面，例如第三导光层LG3的第一侧壁面SS1可由第一斜面T1内缩一距离，但不限于此。此外，第三导光层LG3的第二侧壁面SS2与第二斜面T2也可不共平面，例如第二侧壁面SS2可由第二斜面T2内缩一距离，但不限于此。
光波导元件110的出光部114连接于第二斜面T2。举例而言，出光部114可通过固定机构件或粘着层(如光学胶)而与第二斜面T2接合，但不限于此。出光部114的厚度T114小于第一导光层LG1、第二导光层LG2以及所述至少一第三导光层LG3的总厚度TT。举例而言，出光部114的厚度T114可等于第一导光层LG1以及第二导光层LG2的总厚度，但不限于此。
多个分光片(Beam splitter)BS位于光波导元件110的出光部114内。多个分光片BS相互平行且呈间隔排列。详细而言，分光片BS倾斜于出光部114的底面SB2。也就是说，分光片BS与底面SB2的夹角θ3不等于90度且小于90度。此外，分光片BS与第二斜面T2的倾斜方向相同。夹角θ3可等于夹角θ2，但不限于此。补充说明的是，分光片BS的分布及排列间隔可依需求改变，而不限于图1所绘示者。
显示光源120配置在第一斜面T1旁，且显示光源120用于发出显示光束DB。举例而言，显示光源120可以是液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)、电浆显示器(plasmadisplay)、有机发光二极管显示器(OLED display)、电湿润显示器(Electro-WettingDisplay,EWD)、电泳显示器(Electro-Phoretic Display,EPD)、电致变色显示器(Electro-Chromic Display,ECD)、数位微型反射镜元件(Digital Micromirror Device,DMD)或是其它可应用的显示光源。此外，显示光源120与第一斜面T1之间可配置光学元件，例如单一或多个透镜，用于将显示光束DB汇聚或均匀传递至光波导元件110，但不限于此。光波导元件110用于接收显示光束DB，且显示光束DB经由入光部112进入光波导元件110，并经由出光部114传递至显示区域P或收光区域(如图1所显示的光瞳，但不限于此)。
通过控制显示光束DB入射第一斜面T1的角度，来调整显示光束DB自光波导元件110射出的角度。举例而言，显示光源120的光射出面S120可设置为平行于第一斜面T1，以使大部分的显示光束DB正向入射第一斜面T1。如此，可使大部分的显示光束DB正向射出光波导元件110。举例而言，显示光源120的光射出面S120设置为平行于第一斜面T1，使大部分的显示光束DB以垂直第一斜面T1的角度(第一斜面T1与显示光束DB的夹角为大体上90度)入射光波导元件110的入光部112内，如此，可使大部分的显示光束DB垂直于光波导元件110的出光部114的底面SB2(显示光束DB与出光部114的底面SB2夹角为大体上90度)离开光波导元件110。
此外，由于第一导光层LG1、第二导光层LG2以及第三导光层LG3为透光材质(例如玻璃、压克力或其它适当材质等)，且第一导光层LG1、第二导光层LG2以及第三导光层LG3的折射率大于空气的折射率，因此在满足全内反射(Total Internal Reflection,TIR)的条件下，入射进入光部112的显示光束DB可通过全内反射的方式朝出光部114传递，并从出光部114连接于第二斜面T2的区域进入出光部114。同样地，由于出光部114为透光材质(例如玻璃、压克力或其它适当材质等)，且出光部114的折射率大于空气的折射率，因此在满足全内反射的条件下，入射进出光部114的显示光束DB可通过全内反射而继续向前传递(朝远离显示光源120的方向传递)，其中传递至分光片BS的一部分显示光束DB会被分光片BS反射至显示区域P，而另一部分显示光束DB会穿透分光片BS并继续向前传递。在一实施例中，可使分光片BS的反射率(Reflectivity)朝远离第二斜面T2的方向逐渐变大，且使分光片BS的穿透率(Transmittance)朝远离第二斜面T2的方向逐渐变小，以使自不同分光片BS射出光波导元件110的显示光束DB的光强度分布均匀。
在入光部112的多层式设计下，显示光束DB每一次传递至第一介面IF1(或第二介面IF2)就会有一部分的显示光束DB被第一介面IF1(或第二介面IF2)反射，且另一部分的显示光束DB会穿透第一介面IF1(或第二介面IF2)。利用显示光束DB在第一介面IF1以及第二介面IF2不断地分光(被介面反射或穿透介面)，可使得入光部112中的暗区(即显示光束DB之间的空白区域)变小，也就是使显示光束DB的截面积变大，从而在显示光束DB传递至出光部114时，可有效填满分光片BS的截面积，避免出光部114中有暗区的产生。换句话说，利用入光部112的多层式设计，可使显示光束DB在入光部112光波导元件110的分布均匀化。因此，光波导元件110能够改善已知的亮暗不均现象，使离开光波导元件110的显示光束DB在空间中分布均匀。此外，入光部112的多层式设计还具有易于制造以及良率佳等优点。
在一实施例中，可进一步选择第一导光层LG1、第二导光层LG2、第三导光层LG3以及出光部114的材质，以通过不同的折射率使显示光束DB在光波导元件110的分布更为均匀。具体地，在第一导光层LG1、第二导光层LG2、第三导光层LG3以及出光部114的折射率都相同的情况下，显示光束DB在穿过第一介面IF1或第二介面IF2时不会偏折(参见图1中以虚线绘示的显示光束DB’)。然而，若使第一导光层LG1、第二导光层LG2以及出光部114的折射率相同，且第一导光层LG1、第二导光层LG2以及出光部114的折射率分别小于或等于第三导光层LG3的折射率，由于光束从光疏介质(折射率较小的膜层)进入光密介质(折射率较大的膜层)时，折射角较入射角小，因此会缩短显示光束DB在第三导光层LG3中传递的距离，即缩短显示光束DB进入第三导光层LG3处与显示光束DB射出第三导光层LG3处之间的距离(由距离D可缩短至距离D’)，而有助于增加显示光束DB通过第一介面IF1或第二介面IF2的次数，也就是增加分光次数，使显示光束DB在入光部112的分布更均匀。
在本实施例中，第三导光层LG3的第一侧壁面SS1以及第二侧壁面SS2的其中至少一者上可形成有反射层(未绘示)或吸光层(未绘示)，或者，第一侧壁面SS1以及第二侧壁面SS2的其中至少一者可为雾面，以防止显示光束DB向外部漏光。
另外，通过使最靠近第二斜面T2的分光片BS与第二斜面T2保持适当的距离，以避免被最靠近第二斜面T2的分光片BS所反射的显示光束DB与穿透第二斜面T2的显示光束DB产生干涉。具体地。出光部114的底面SB2连接于第二斜面T2以及第一导光层LG1的底面SB1，且出光部114的底面SB2与第二斜面T2的连接处X与最靠近第二斜面T2的分光片BS在出光部114的底面SB2的正投影点OP之间的距离DT大于或等于0。换句话说，最靠近第二斜面T2的分光片BS不与第二斜面T2重叠。
图2绘示一比较例的显示装置中光波导元件传递影像光束的光路示意图，其中比较例的光波导元件为单一片导光板，其并未采用多层式设计。图3绘示图1实施例中光波导元件传递影像光束的光路示意图。在图2的显示装置100’中，显示光束DB无法填满光波导元件110’，使得离开光波导元件110’的显示光束DB在空间中分布不均，显示光束DB之间的空隙G较大，而形成明显的暗区。相较于图2的显示装置100’，本案的显示装置100利用入光部112的多层式设计，可使显示光束DB在入光部112的分布较为均匀(参见框起处)，从而使离开光波导元件110的显示光束DB在空间中分布更为均匀，且显示光束DB之间的空隙G较小，消除暗区。
以下搭配图4及图5说明本发明的显示装置的其它实施例，其中相同或相似的元件以相同或相似的标号表示，且相同或相似的元件具有相同或相似的功效，于下便不再重述。图4及图5是依照本发明的第二实施例及第三实施例的显示装置的局部剖面示意图。
请参照图4，显示装置200与图1的显示装置100的主要差异如下所述。在显示装置200中，第三导光层LG3连接于第一导光层LG1，使得第一导光层LG1位于第三导光层LG3与第二导光层LG2之间。
请参照图5，显示装置300与图1的显示装置100的主要差异如下所述。在显示装置300中，光波导元件110还包括设置在第一介面IF1的第一部分穿透部分反射层116以及设置在第二介面IF2的第二部分穿透部分反射层118。第一部分穿透部分反射层116与第二部分穿透部分反射层118的光穿透率可为不同。举例而言，第二部分穿透部分反射层118的光穿透率可设计为让50％的光束穿透且将50％的光束反射，而第一部分穿透部分反射层116的光穿透率可设计为让入射角小于50度的光束穿透，且将入射角大于50度的光束反射，但不限于此。
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。在本发明的实施例的光波导元件中，由于显示光束在行经第一导光层、第二导光层以及第三导光层时会不断地分光，使得显示光束的截面积变大，因此光波导元件能够改善已知因显示光束无法有效填满光波导元件中分光片的截面积所造成的亮暗不均现象，使离开光波导元件的显示光束在空间中分布均匀。此外，应用上述光波导元件的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，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，都仍属于本发明专利覆盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不需达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称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”、“第三”或“第四”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。
附图标记说明
100、100’、200、300：显示装置
110、110’、310：光波导元件
112：入光部
114：出光部
116：第一部分穿透部分反射层
118：第二部分穿透部分反射层
120：显示光源
BS：分光片
D、D’、DT：距离
DB、DB’：显示光束
G：空隙
IF1：第一介面
IF2：第二介面
LG1：第一导光层
LG2：第二导光层
LG3：第三导光层
OP：正投影
P：显示区域
S120：光射出面
SB1、SB2：底面
SE1、SE2：出光面
SI1、SI2：入光面
SS1：第一侧壁面
SS2：第二侧壁面
T1：第一斜面
T2：第二斜面
T114：厚度
TT：总厚度
X：连接处
θ1、θ2、θ3：夹角

Claims (11)

1.一种光波导元件，用于接收显示光束，其特征在于，所述光波导元件包括：入光部以及出光部，其中
所述入光部，包括第一导光层、连接于所述第一导光层的第二导光层以及连接于所述第一导光层或所述第二导光层的至少一第三导光层，其中所述第一导光层以及所述第二导光层的入光面共同构成第一斜面，且所述第一导光层以及所述第二导光层的出光面共同构成第二斜面，所述第一斜面连接且倾斜于所述第一导光层的底面，以及所述第二斜面连接且倾斜于所述第一导光层的所述底面；以及
所述出光部连接于所述第二斜面，且所述出光部的厚度小于所述第一导光层、所述第二导光层以及所述至少一第三导光层的总厚度，所述出光部具有位于其内的多个分光片，所述多个分光片相互平行且呈间隔排列，
其中所述显示光束经由所述入光部进入所述光波导元件，并经由所述出光部传递至显示区域，
其中所述多个分光片与所述第二斜面的倾斜方向相同，且所述显示光束从所述第二斜面进入所述出光部，
其中所述第一导光层与所述第二导光层之间具有第一介面，所述至少一第三导光层与所连接的所述第一导光层或所述第二导光层之间具有第二介面，所述显示光束传递至所述第一介面或所述第二介面会有一部分的所述显示光束被所述第一介面或所述第二介面反射，且另一部分的所述显示光束会穿透所述第一介面或所述第二介面。
2.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述第一导光层位于所述第二导光层与所述至少一第三导光层之间。
3.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述光波导元件还包括：
第一部分穿透部分反射层，设置在所述第一介面；以及
第二部分穿透部分反射层，设置在所述第二介面。
4.如权利要求3所述的光波导元件，其特征在于，所述第一部分穿透部分反射层与所述第二部分穿透部分反射层的光穿透率不同。
5.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述出光部的底面连接于所述第二斜面以及所述第一导光层的底面，且所述出光部的底面与所述第二斜面的连接处与最靠近所述第二斜面的分光片在所述出光部的底面的正投影之间的距离大于或等于0。
6.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述至少一第三导光层的第一侧壁面与所述第一斜面共平面。
7.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述至少一第三导光层的第二侧壁面与所述第二斜面共平面。
8.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述至少一第三导光层的第一侧壁面以及第二侧壁面的其中至少一者上形成有反射层或吸光层。
9.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述至少一第三导光层的第一侧壁面以及第二侧壁面的其中至少一者为雾面。
10.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述第一导光层、所述第二导光层以及所述出光部的折射率相同，且所述第一导光层、所述第二导光层以及所述出光部的折射率分别小于或等于所述至少一第三导光层的折射率。
11.一种显示装置，其特征在于，包括：
如权利要求1所述的光波导元件；以及
显示光源，配置在所述第一斜面旁，其中所述显示光源用于发出所述显示光束。
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