CN111273444A - 波导装置及光学引擎 - Google Patents

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Abstract

一种波导装置包含两全像光学元件以及波导元件。每一全像光学元件具有第一全像光栅以及第二全像光栅。第一全像光栅配置使第一波长的光绕射而以第一绕射角传播。第二全像光栅配置使第二波长的光绕射而以第二绕射角传播。波导元件配置以导引光由全像光学元件中的一个传播至全像光学元件中的另一个。因此，全彩影像可仅由一个波导元件输出至使用者的单眼，这有利于光学引擎的重量与厚度的减少。

Description

波导装置及光学引擎
技术领域
本发明是有关于一种波导以及光学引擎。
背景技术
各种类型的计算、娱乐及/或移动装置可以用透明或半透明显示器来实现，且装置的使用者可以藉由该显示器查看周围的环境。此类装置(可以称为透视、混合现实显示装置系统或增强现实(AR)系统)让使用者能够藉由装置的透明或半透明显示器来查看周围的环境，还可以看到虚拟物件的影像(例如，文本、图形、视频等)，这些影像被生成以显示为周围环境的一部分及/或覆盖在周围环境中。这些可以实现为(但不限于)头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可穿戴显示装置的装置，通常利用光波导将影像复制到装置的使用者可以在增强现实环境中将影像作为虚拟影像查看的位置。由于这仍是新兴技术，因此使用波导向使用者显示虚拟物件的影像存在一定的挑战。
如今，已经有许多附有绕射光栅的习知波导被使用。每一波导及其上的绕射光栅被使用来传递单一色彩。如此，用于向使用者的眼睛提供投影影像的习知光学引擎通常需要多个波导来传递三原色，这不利于减小光学引擎的重量和厚度。另外，由于需要习知波导上的绕射光栅以扩大的视角传递投影影像，因此效率低。
因此，提出一种可解决上述问题的光学引擎，是目前业界亟欲投入研发资源解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提出一种可有效解决前述问题的波导装置以及光学引擎。
为了达到上述目的，依据本发明的一种实施方式，一种波导装置包含两全像光学元件以及波导元件。每一全像光学元件具有第一全像光栅以及第二全像光栅。第一全像光栅配置使第一波长的光绕射而以第一绕射角传播。第二全像光栅配置使第二波长的光绕射而以第二绕射角传播。波导元件配置以导引光由全像光学元件中的之一个传播至全像光学元件中的另一个。
于本发明的一或多个实施方式中，第一全像光栅与第二全像光栅叠合在一起。
于本发明的一或多个实施方式中，每一全像光学元件进一步具有第三全像光栅以及第四全像光栅。第三全像光栅配置使第一波长的光绕射而以第三绕射角传播。第四全像光栅配置使第二波长的光绕射而以第四绕射角传播。
于本发明的一或多个实施方式中，第三全像光栅与第四全像光栅叠合在一起。
于本发明的一或多个实施方式中，全像光学元件在波导元件的同一侧。
于本发明的一或多个实施方式中，全像光学元件分别在波导元件的相对两侧。
于本发明的一或多个实施方式中，全像光学元件中的至少一个为反射式全像元件。
于本发明的一或多个实施方式中，全像光学元件中的至少一个为透射式全像元件。
于本发明的一或多个实施方式中，波导元件具有长方体的形状。
于本发明的一或多个实施方式中，波导元件具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面。第一表面具有第一部位以及第二部位。第一部位平行于第二表面。第二部位相对于第二表面倾斜。
于本发明的一或多个实施方式中，波导元件为楔形的。
为了达到上述目的，依据本发明的一种实施方式，一种光学引擎包含投影机、两全像光学元件以及波导元件。投影机配置以投影第一波长的光以及第二波长的光。每一全像光学元件具有第一全像光栅以及第二全像光栅。第一全像光栅配置使第一波长的光绕射而以第一绕射角传播。第二全像光栅配置使第二波长的光绕射而以第二绕射角传播。波导元件配置以导引光由全像光学元件中的一个传播至全像光学元件中的另一个。
于本发明的一或多个实施方式中，每一全像光学元件进一步具有第三全像光栅以及第四全像光栅。第三全像光栅配置使第一波长的光绕射而以第三绕射角传播。第四全像光栅配置使第二波长的光绕射而以第四绕射角传播。
于本发明的一或多个实施方式中，波导元件具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面。第一表面具有第一部位以及第二部位。第一部位平行于第二表面。第二部位相对于第二表面倾斜。
于本发明的一或多个实施方式中，由投影机所投影的第一波长的光以及第二波长的光是由第一表面的第二部位进入波导元件。
于本发明的一或多个实施方式中，光学引擎进一步包含分光模组。分光模组是光耦合于投影机与全像光学元件中的该一个之间。
于本发明的一或多个实施方式中，全像光学元件中的该一个为反射式全像元件。分光模组是经由波导元件而光耦合至全像光学元件中的该一个。
于本发明的一或多个实施方式中，分光模组包含多个分光器。分光器沿着一维度远离投影机排列。
综上所述，于本发明的光学引擎的一些实施方式中，每一全像光学元件具有多个全像光栅用以使不同波长的光绕射，因此全彩影像可仅由一个波导元件输出至使用者的单眼，这有利于光学引擎的重量与厚度的减少。并且，于本发明的光学引擎的一些实施方式中，每一全像光学元件具有多个全像光栅用以使相同波长的光绕射而以不同绕射角传播，因此输出影像的视角可以有效地增加。另外，于本发明的光学引擎的一些实施方式中，分光模组是光耦合于投影机与波导元件之间，因此由投影机所投影的影像可以在一维度中扩展，从而更进一步增加输出影像的视角。
以上所述仅系用以阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段、及其产生的功效等等，本发明的具体细节将在下文的实施方式及相关图式中详细介绍。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：
图1为绘示根据本发明一些实施方式的光学引擎的示意图。
图2为绘示根据本发明一些实施方式的波导装置以及分光模组的示意图。
图3为绘示全像光学元件中的全像光栅的示意图。
图4为绘示用以制造全像光学元件的光学曝光系统的示意图。
图5为绘示全像光学元件中的全像光栅的示意图。
图6为绘示根据本发明一些实施方式的波导装置的示意图。
图7为绘示根据本发明一些实施方式的波导装置的示意图。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示，且不同实施方式中的相同元件以相同的元件符号标示。
请参照图1。图1为绘示根据本发明一些实施方式的光学引擎100的示意图。如图1所示，光学引擎100可被使用于增强现实装置(图未示)中，此增强现实装置可以实现为(但不限于)头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可穿戴显示装置的装置。光学引擎100包含投影机110以及波导装置120。波导装置120包含两全像光学元件121a、121b以及波导元件122。全像光学元件121a、121b附着至波导元件122，且分别作为光输入与光输出的导光元件。换言之，由投影机110所投影的光可被输入至全像光学元件121a以及由全像光学元件121b输出，且波导元件122配置以基于全反射原理导引光由全像光学元件121a传播至全像光学元件121b。
于一些实施方式中，投影机110配置以投影红光R、绿光G以及蓝光B，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，红光R的波段系从约622nm至约642nm，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，绿光G的波段系从约522nm至约542nm，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，蓝光B的波段系从约455nm至约475nm，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，投影机110采用发光二极体以投影红光R、绿光G以及蓝光B。于实际应用中，投影机110可采用雷射二极体以较小的波段投射红光R、绿光G以及蓝光B。
请参照图2以及图3。图2为绘示根据本发明一些实施方式的波导装置120以及分光模组130的示意图。图3为绘示全像光学元件121a中的全像光栅的示意图。如图2与图3所示，全像光学元件121a具有第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c。第一全像光栅1211a配置使红光R绕射而以第一范围的绕射角传播。举例来说，第一全像光栅1211a配置使波长为632nm(于红光R的波段中)的光绕射而以第一绕射角Da传播。第二全像光栅1211b配置使绿光G绕射而以第二范围的绕射角传播。举例来说，第二全像光栅1211b配置使波长为532nm(于绿光G的波段中)的光绕射而以第二绕射角Db传播。第三全像光栅1211c配置使蓝光B绕射而以第三范围的绕射角传播。举例来说，第三全像光栅1211c配置使波长为465nm(于蓝光B的波段中)的光绕射而以第三绕射角Dc传播。波导元件122配置以导引红光R、绿光G以及蓝光B由全像光学元件121a传播至全像光学元件121b。
于一些实施方式中，第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c叠合在一起。如此，全像光学元件121a可具有小尺寸。
请参照图4。图4为绘示用以制造全像光学元件121a的光学曝光系统900的示意图。如图4所示，光学曝光系统900包含三个光源910a、910b、910c配置以分别发射红光R、绿光G以及蓝光B。光学曝光系统900进一步包含四个镜子920a、920b、920c、920d、两个半波板930a、930b、偏光分光器940、两个空间滤波器950a、950b、两个透镜960a、960b以及棱镜970。感光高分子聚合物P附着于棱镜970的一侧。光学曝光系统900配置以从感光高分子聚合物P的相对两侧以两光束(由红光R、绿光G以及蓝光B所整合)以不同入射方向曝光感光高分子聚合物P的一部位。感光高分子聚合物P包含单体(monomer)、聚合体(polymer)、光启始剂(photo-initiator)以及粘结剂(binder)。当感光高分子聚合物P经受曝光制程时，光启始剂接受光子以产生自由基，使得单体开始聚合(photopolymerization)。藉由使用全像干涉条纹的曝光方法，未被光照射的单体(亦即，在暗区)扩散至光照射区(亦即，亮区)移动并且聚合，进而造成聚合体不均匀的浓度梯度。最后，再经定影(fixing)后，各具有交错排列的连续亮暗条纹的相位光栅(亦即，第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c)即可完成，且感光高分子聚合物P被转换成全像光学元件121a。
于一些实施方式中，第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c为薄全像光栅。于一些实施方式中，第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c为体积全像光栅。值得注意的是，根据布拉格定律，由体积全像光栅绕射的光可以一特定绕射角传播。
于一些实施方式中，根据不同的制造方法，一体积全像光栅可形成透射式全像光栅或反射式全像光栅。具体来说，如图4所示，藉由从感光高分子聚合物P的相对两侧以两光束以不同入射方向曝光感光高分子聚合物P，全像光学元件121a可被制造成反射式全像元件(亦即，第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c为反射式全像光栅)。于一些实施方式中，藉由从感光高分子聚合物P的同一侧以两光束以不同入射方向曝光感光高分子聚合物P(图4所示的光学曝光系统900的光路需要修改)，全像光学元件121a可被制造成透射式全像元件(亦即，第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c为透射式全像光栅)。
于一些实施方式中，全像光学元件121b也可形成有第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c。如此，红光R、绿光G以及蓝光B传播于波导元件122中的部分可分别由全像光学元件121b的第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c绕射并接着输出至波导装置120外而抵达使用者的眼睛(亦即，如图1所示的瞳孔)。
于一些实施方式中，全像光学元件121b也可被制造为透射式全像元件或反射式全像元件。举例来说，如图2所示，全像光学元件121a、121b皆为反射式全像元件，且分别位于波导元件122的相对两侧。具体来说，全像光学元件121a、121b分别附着至波导元件122的第一表面122a以及第二表面122b。
请参照图5。图5为绘示全像光学元件121a中的全像光栅的示意图。如图5所示，除了第一全像光栅1211a、第二全像光栅1211b以及第三全像光栅1211c，全像光学元件121a进一步包含第四全像光栅1211a1以及第五全像光栅1211a2。第四全像光栅1211a1配置使红光R绕射而以第四范围的绕射角传播。举例来说，第四全像光栅1211a1配置使波长为632nm的光绕射而以等于第一绕射角Da加5度的第四绕射角传播(如图5中的光线R’所示)。第五全像光栅1211a2配置使红光R绕射而以第五范围的绕射角传播。举例来说，第五全像光栅1211a2配置使波长为632nm的光绕射而以等于第一绕射角Da加10度的第五绕射角传播(如图5中的光线R”所示)。
于一些实施方式中，全像光学元件121a可进一步具有除了第二全像光栅1211b之外的额外全像光栅，这些全像光栅配置以使波长为532nm的光绕射而以偏离第二绕射角Db的不同绕射角(例如，偏离约5度、10度等)传播。于一些实施方式中，全像光学元件121a可进一步具有除了第三全像光栅1211c之外的额外全像光栅，这些全像光栅配置以使波长为465nm的光绕射而以偏离第三绕射角Dc的不同绕射角(例如，偏离约5度、10度等)传播。如此，由光学引擎100所输出的影像的视角可有效地增加。举例来说，增加的视角可等于或大于60度。
于一些实施方式中，在全像光学元件121a中的上述所有提到的全像光栅可叠合在一起，使得全像光学元件121a可具有小尺寸。于一些实施方式中，全像光学元件121b内可形成相同或相似于全像光学元件121a内的全像光栅。
请参照图6。图6为绘示根据本发明一些实施方式的波导装置220的示意图。图6所示的实施方式不同于图2所示的实施方式之处，在于全像光学元件221a为透射式全像元件。换句话说，全像光学元件221a、121b在波导元件122的同一侧。具体来说，全像光学元件221a、121b附着至波导元件122的第一表面122a。
于一些实施方式中，如图2所示，波导元件122具有长方体的形状。换言之，波导元件122的第一表面122a与第二表面122b相互平行，但本发明并不以此为限。请参照图7。图7为绘示根据本发明一些实施方式的波导装置320的示意图。如图7所示，波导装置320包含全像光学元件121a、121b以及波导元件322。波导元件322具有第一表面322a以及与第一表面322a相对的第二表面322b。第一表面322a具有第一部位322a1以及第二部位322a2。第一部位322a1平行于第二表面322b。第二部位322a2相对于第二表面322b倾斜。全像光学元件121b附着至第一表面322a的第一部位322a1。全像光学元件121a1附着至第二表面322b且邻近于第一表面322a的第二部位322a2。由投影机110所投影的红光R、绿光G以及蓝光B系由第一表面322a的第二部位322a2进入波导元件322。在由第一表面322a的第二部位322a2进入波导元件322之后，红光R、绿光G以及蓝光B会被全像光学元件121a绕射，传播于波导元件322中，并接着被全像光学元件121b绕射而输出至波导装置320外。
如图7所示，在波导元件322内形成于第一表面322a的第一部位322a1与第二部位322a2之间的一夹角θ系小于180度。藉由上述配置，红光R、绿光G以及蓝光B的入射角可被改变以增加在波导元件322内基于全反射原理传播的光的量，从而进一步增加波导装置320的整体效率，例如大于1％。值得注意的是，波导装置320的效率可由全像光学元件121b所输出(亦即，所绕射)的光的量相对于输入至全像光学元件121a的光的量的比值所定义。
于一些实施方式中，如图7所示，波导元件322为楔形的，但本发明并不以此为限。于一些其他实施方式中，波导元件322的形状可被修改而具有由第一表面322a的凸起，且第二部位322a2在此凸起上，因此第二部位322a2可至少部分高于第一部位322a1。
如图1所示，光学引擎100进一步包含分光模组130。分光模组130系光耦合于投影机110与全像光学元件121a之间。分光模组130系配置以将投影机110所投影的影像在一维度中扩展，从而进一步增加输出于波导装置120外的影像的视角。此外，藉由使用分光模组130，投影机110的光出口可被设计成小光圈，以避免光学引擎100的整体体积太大。于一些实施方式中，全像光学元件121a为反射式全像元件，且分光模组130系经由波导元件122而光耦合至全像光学元件121a，如图2所示。于一些实施方式中，分光模组130包含多个分光器131。分光器131沿着前述维度远离投影机110排列。换言之，每一分光器131系光耦合于投影机110与全像光学元件121a的一部分之间。
于一些实施方式中，投影机110可以是远心系统或非远心系统。于一些实施方式中，投影机110可包含DLP(Digital Light Processing)模组或LCOS(Liquid Crystal onSilicon)模组。
于一些实施方式中，波导元件122可由具有约1.4至约2.2的折射率的材料所制成。于一些实施方式中，波导元件122的材料可包含玻璃、塑胶或透明高分子。
由以上对于本发明的具体实施方式的详述，可以明显地看出，于本发明的光学引擎的一些实施方式中，每一全像光学元件具有多个全像光栅用以使不同波长的光绕射，因此全彩影像可仅由一个波导元件输出至使用者的单眼，这有利于光学引擎的重量与厚度的减少。并且，于本发明的光学引擎的一些实施方式中，每一全像光学元件具有多个全像光栅用以使相同波长的光绕射而以不同绕射角传播，因此输出影像的视角可以有效地增加。另外，于本发明的光学引擎的一些实施方式中，分光模组系光耦合于投影机与波导元件之间，因此由投影机所投影的影像可以在一维度中扩展，从而更进一步增加输出影像的视角。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并不用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
【符号说明】
100…光学引擎
110…投影机
120、220、320…波导装置
121a、121b、221a…全像光学元件
1211a…第一全像光栅
1211a1…第四全像光栅
1211a2…第五全像光栅
1211b…第二全像光栅
1211c…第三全像光栅
122、322…波导元件
122a、322a…第一表面
122b、322b…第二表面
130…分光模组
131…分光器
900…光学曝光系统
910a、910b、910c…光源
920a、920b、920c、920d…镜子
930a、930b…半波板
940…偏光分光器
950a、950b…空间滤波器
960a、960b…透镜
970…棱镜
B…蓝光
Da…第一绕射角
Db…第二绕射角
Dc…第三绕射角
G…绿光
R…红光
R’、R”…光线
P…感光高分子聚合物
θ…夹角

Claims (18)

1.一种波导装置，其特征在于，包含：
两全像光学元件，每一该些全像光学元件具有一第一全像光栅以及一第二全像光栅，该第一全像光栅配置使一第一波长的光绕射而以一第一绕射角传播，该第二全像光栅配置使一第二波长的光绕射而以一第二绕射角传播；以及
一波导元件，配置以导引光由该些全像光学元件中的一个传播至该些全像光学元件中的另一个。
2.如权利要求1所述的波导装置，其中该第一全像光栅与该第二全像光栅叠合在一起。
3.如权利要求1所述的波导装置，其中每一该些全像光学元件进一步具有一第三全像光栅以及一第四全像光栅，该第三全像光栅配置使该第一波长的该光绕射而以一第三绕射角传播，该第四全像光栅配置使该第二波长的该光绕射而以一第四绕射角传播。
4.如权利要求3所述的波导装置，其中该第三全像光栅与该第四全像光栅叠合在一起。
5.如权利要求1所述的波导装置，其中该些全像光学元件在该波导元件的同一侧。
6.如权利要求1所述的波导装置，其中该些全像光学元件分别在该波导元件的相对两侧。
7.如权利要求1所述的波导装置，其中该些全像光学元件中的至少一个为反射式全像元件。
8.如权利要求1所述的波导装置，其中该些全像光学元件中的至少一个为透射式全像元件。
9.如权利要求1所述的波导装置，其中该波导元件具有长方体的形状。
10.如权利要求1所述的波导装置，其中该波导元件具有一第一表面以及与该第一表面相对的一第二表面，该第一表面具有一第一部位以及一第二部位，该第一部位平行于该第二表面，该第二部位相对于该第二表面倾斜。
11.如权利要求10所述的波导装置，其中该波导元件为楔形的。
12.一种光学引擎，其特征在于，包含：
一投影机，配置以投影一第一波长的光以及一第二波长的光；
两全像光学元件，每一该些全像光学元件具有一第一全像光栅以及一第二全像光栅，该第一全像光栅配置使该第一波长的该光绕射而以一第一绕射角传播，该第二全像光栅配置使该第二波长的该光绕射而以一第二绕射角传播；以及
一波导元件，配置以导引光由该些全像光学元件中的一个传播至该些全像光学元件中的另一个。
13.如权利要求12所述之光学引擎，其中每一该些全像光学元件进一步具有一第三全像光栅以及一第四全像光栅，该第三全像光栅配置使该第一波长的该光绕射而以一第三绕射角传播，该第四全像光栅配置使该第二波长的该光绕射而以一第四绕射角传播。
14.如权利要求12所述的光学引擎，其中该波导元件具有一第一表面以及与该第一表面相对的一第二表面，该第一表面具有一第一部位以及一第二部位，该第一部位平行于该第二表面，该第二部位相对于该第二表面倾斜。
15.如权利要求14所述的光学引擎，其中由该投影机所投影的该第一波长的该光以及该第二波长的该光由该第一表面的该第二部位进入该波导元件。
16.如权利要求12所述的光学引擎，进一步包含一分光模组，光耦合于该投影机与该些全像光学元件中的该一个之间。
17.如权利要求16所述的光学引擎，其中该些全像光学元件中的该一个为反射式全像元件，且该分光模组系经由该波导元件而光耦合至该些全像光学元件中的该一个。
18.如权利要求16所述的光学引擎，其中该分光模组包含多个分光器，且该些分光器沿着一维度远离该投影机排列。
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