CN112505821A

CN112505821A - 导光模块及扩增实境装置

Info

Publication number: CN112505821A
Application number: CN201910871601.2A
Authority: CN
Inventors: 王建堂; 李悦荣
Original assignee: Lijing Photoelectric Co ltd
Current assignee: Lijing Photoelectric Co ltd; Himax Display Inc
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2021-03-16

Abstract

本发明公开一种导光模块和扩增实境装置。导光模块包含第一导光板和第二导光板。第一导光板具有入光区和出光区，其中入光区用以接收具预定入射角的光学输入光束，而出光区用以输出光学输入光束。第二导光板设于第一导光板上，其具有多个用以选择性地使光学输入光束通过或反射光学输入光束的分色面。

Description

导光模块及扩增实境装置

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种导光模块及具有此导光模块的扩增实境装置。

背景技术

扩增实境(augmented reality；AR)为将虚拟对象放置在真实场景中的技术。通过扩增实境技术，使用者可与真实和虚拟内容进行互动。现今的扩增实境装置，例如头戴显示器(head-mounted display；HMDs)和抬头显示器(head-up display；HUD)等，已使用在各种不同的应用上，包含游戏、教育、导航等。另一方面，智能眼镜(smartglass)为头戴显示器的一种，其需通过导光模块将光束传导至显示区，以让使用者看见虚拟图像。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种导光模块及具有此导光模块的扩增实境装置，其中导光模块具有用以选择性地使光学输入光束通过或反射光学输入光束的分色面，以达到光学可视穿的效果。

本发明的一方面是有关于一种导光模块，其包含第一导光板和第二导光板。第一导光板具有入光区和出光区，其中入光区用以接收具预定入射角的光学输入光束，而出光区用以输出光学输入光束。第二导光板设于第一导光板上，其具有多个用以选择性地使光学输入光束通过或反射光学输入光束的分色面。

依据本发明的一或多个实施例，上述预定入射角实质为70度。

依据本发明的一或多个实施例，上述第一导光板和上述第二导光板的折射率实质相同。

依据本发明的一或多个实施例，上述光学输入光束在上述第二导光板的远离上述第一导光板的表面产生内部全反射。

依据本发明的一或多个实施例，上述导光模块还包含第三导光板，其设于上述第二导光板上，且其与上述第一导光板分别位于上述第二导光板的相对两侧。

依据本发明的一或多个实施例，上述光学输入光束在上述第三导光板的远离上述第二导光板的表面产生内部全反射。

依据本发明的一或多个实施例，上述此些分色面反射自上述第三导光板行进的光且使从上述第一导光板的光通过。

依据本发明的一或多个实施例，上述第一导光板和上述第三导光板的厚度实质相同。

依据本发明的一或多个实施例，上述第一导光板、上述第二导光板和上述第三导光板的厚度总和实质为2毫米至3毫米。

依据本发明的一或多个实施例，上述此些分色面实质为相互平行排列。

依据本发明的一或多个实施例，每一上述此些分色面的倾斜角实质为上述预定入射角的一半。

依据本发明的一或多个实施例，上述此些分色面以预定间距排列，此预定间距大于或等于t×tan(θ)，其中t为上述第二导光板的厚度，且θ为上述此些分色面的倾斜角。

依据本发明的一或多个实施例，上述导光模块还包含输入棱镜，其位于上述第一导光板的入光面上。

本发明的另一方面是有关于一种扩增实境(augmented reality；AR)装置，其包含显示模块和导光模块。显示模块经配置为提供光学输入光束。导光模块包含第一导光板和第二导光板。第一导光板具有入光区和出光区，其中入光区用以接收具预定入射角的光学输入光束，而出光区用以输出光学输入光束。第二导光板设于第一导光板上，其具有多个用以选择性地使光学输入光束通过或反射光学输入光束的分色面。

依据本发明的一或多个实施例，上述扩增实境装置还包含准直构件，其介于上述显示模块与上述导光模块之间。

依据本发明的一或多个实施例，上述显示模块为硅基液晶显示模块或数字光处理模块。

依据本发明的一或多个实施例，上述扩增实境装置还包含本体，其接合上述显示模块和上述导光模块。

依据本发明的一或多个实施例，上述本体为眼镜框架。

附图说明

为了更完整了解实施例及其优点，现参照结合所附附图所做的下列描述，其中：

图1为依据本发明一或多个实施例的导光模块的示意图；

图2示例性地示出光学输入光束在图1的导光模块的内部和外部的传导；

图3为图2的示出的详细视图；

图4示例性地示出前方光束穿透图1的导光模块；

图5为依据本发明一或多个实施例的导光模块的示意图；

图6为依据本发明一或多个实施例的扩增实境装置的一示例；以及

图7为图6所示的扩增实境装置中的一些元件的功能方块图。

附图标记如下：

10 扩增实境装置

12 显示模块

14、100、100′ 导光模块

14A 扩增实境显示区

16 本体

16A 框架前部

16B 镜脚

18 驱动电路板

20 准直构件

110 第一导光板

110A 入光区

110B 出光区

112 输入棱镜

120 第二导光板

122 分色面

130 第三导光板

φ 视角

D 显示器

L1 光学输入光束

L2 光束

具体实施方式

以下将以附图及详细叙述清楚说明本公开内容的精神，任何所属技术领域中技术人员在了解本公开内容的较佳实施例后，当可由本公开内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本公开内容的精神与范围。

可被理解的是，虽然在本文可使用“第一”、“第二”、“第三”等用语来描述各种元件、零件、区域、层和/或部分，但此些用语不应限制此些元件、零件、区域、层和/或部分。此些用语仅用以区别一元件、零件、区域、层和/或部分与另一元件、零件、区域、层和/或部分。

在本文中所使用的用语仅是为了描述特定实施例，非用以限制权利要求。除非另有限制，否则单数形式的“一”或“该”用语也可用来表示复数形式。

此外，空间相对性用语的使用是为了说明元件在使用或操作时的不同方位，而不只限于附图所示出的方向。元件也可以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，而在此使用的空间相对性描述也可以相同方式解读。

为了简化和明确说明，本文可能会在各种实施例中重复使用元件符号和/或字母，但这并不表示所讨论的各种实施例及/或配置之间有因果关系。

图1为依据本发明一或多个实施例的导光模块100的剖面示意图。导光模块100包含相互堆叠的第一导光板110、第二导光板120、第三导光板130。第一导光板110具有入光区110A和出光区110B，其中入光区110A用以接收光学输入光束，而出光区110B用以输出。光学输入光束以一预定入射角穿透入光区110A并进入至第一导光板110。光学输入光束可由显示器D提供，显示器D可以是例如硅基液晶(liquid-crystal-on-silicon；LCoS)显示模块(例如正面照光硅基液晶显示模块)、数字光处理(digital light processing；DLP)模块、微发光二极管显示模块、或是其他合适的显示模块。另外，输入棱镜112可配置在入光区110A上，以将光学输入光束耦合至第一导光板中。进一步地，输入棱镜112可与入光区110A对准。光学输入光束以一视角(field of view；FOV)通过出光区110B而离开第一导光板110。第一导光板110的折射率等于或大于1/sin(θ)以达成内部全反射，其中θ为光学输入光束的预定入射角。

第二导光板120设于第一导光板110上，其具有多个分色面122，此些分色面122用以选择性地使光学输入光束通过或反射光学输入光束。每一分色面122可由例如半反射镜(half mirror)制成。分色面122实质为相互平行排列，且每一分色面122的倾斜角大约为预定入射角的一半。此外，分色面122分色面以一预定间距排列，此预定间距大于或等于t₁₂₀×tan(θ)，其中t₁₂₀为第二导光板120的厚度，且θ为每一分色面122的倾斜角。

第三导光板130设于第二导光板120上且相对于第一导光板110。相似地，第三导光板130的折射率等于或大于1/sin(θ)以达成内部全反射，以避免光学输入光束穿透至导光模块100外，其中θ为光学输入光束的预定入射角。

第一导光板110、第二导光板120和第三导光板130的折射率可实质相同。再者，在一些实施例中，第一导光板110和第三导光板130的厚度可实质相同。

每一第一导光板110、第二导光板120、第三导光板130和输入棱镜112可由光学透明材料制成，例如玻璃、石英、环氧树脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate；PMMA)或相似者。在一些实施例中，第一导光板110、第二导光板120、第三导光板130和输入棱镜112的材料相同。

图2示例性地示出光学输入光束在导光模块100的内部和外部的传导。如图2所示，除了入光区110A和出光区110B以外，在导光模块100的外表面，即第一导光板110的远离第二导光板120的表面和第三导光板130的远离第二导光板120的表面，以内部全反射的方式反射光学输入光束，使得光学输入光束在导光模块100内由入光区110A传导至出光区110B。入光区110A的宽度等于或小于2×t₁₁₀×tan(θ)，以避免光学输入光束回到输入棱镜112，其中t₁₁₀为第一导光板110的厚度，且θ为光学输入光束的预定入射角。

穿透至第二导光板120或是在第三导光板130的远离第二导光板120的表面上产生内部全反射的光学输入光束实质穿透至第二导光板120，且接着穿透至第三导光板130。一些自第一导光板110行进的光束可穿透分色面122且朝向第三导光板130。一些自第三导光板130行进的光束可被分色面122反射并朝向第一导光板110，且接着通过出光区110B而离开第一导光板110。

穿透至第三导光板130的光学输入光束在第三导光板130的远离第二导光板120的表面上产生内部全反射，且接着穿透至第三导光板130。

光学输入光束的预定入射角可大约为70度，且导光模块100的厚度(即第一导光板110、第二导光板120和第三导光板130的厚度总和)可大约为2毫米至3毫米，以满足小型化的趋势。

图3为图2的示出的详细视图。在一些例子中，第一导光板110、第二导光板120、第三导光板130中每一导光板的折射率大约为1.517，第一导光板110、第二导光板120和第三导光板130的厚度分别大约为0.5毫米、1.1毫米、0.5毫米，预定入射角大约为70度，每一分色面122的倾斜角大约为35度，且光学输入光束来自准直构件，其具有大约为14.1毫米的有效焦距。光学输入光束L1在导光模块100内耦合且接着经由第一导光板110输出。通过上述配置，视角φ达到大约30度。

图4示例性地示出前方光束穿透导光模块100。如图4所示，位于导光模块100的前侧的光束L2可依序穿透第三导光板130、第二导光板120和第一导光板110至导光模块100的背侧。

图5为依据本发明一或多个实施例的导光模块100′的示意图。相较于图1的导光模块100，导光模块100′包含第一导光板110、第二导光板120和输入棱镜112但不包含第三导光板130。在此例中，除了入光区110A和出光区110B以外，第一导光板110的远离第二导光板120的表面和第二导光板120的远离第一导光板110的表面，以内部全反射的方式反射光学输入光束，使得光学输入光束在导光模块100′内由入光区110A传导至出光区110B。导光模块100′的第一导光板110、第二导光板120和输入棱镜112的其他配置方式可与导光模块100相似，故在此不重复叙述。

图6为依据本发明一或多个实施例的扩增实境装置10的一示例。扩增实境装置10包含显示模块12、导光模块14和本体16。显示模块12经配置为朝向导光模块14提供光学输入光束(即发射出图像光束)，且导光模块14将光学输入光束耦合至其中以及接着在其扩增实境显示区14A将光学输入光束耦合出。显示模块12可以是例如硅基液晶显示模块、数字光处理模块、微发光二极管显示模块、或是其他合适的显示模块。导光模块14可以图1的导光模块100、图4的导光模块100′或相似者实现。举例而言，若导光模块14以图1的导光模块100实现，则显示模块12发射图像光束穿透第一导光板110的入光区110A至导光模块14中。本体16接合显示模块12和导光模块14。在一些实施例中，如图6所示，本体16为眼镜框架。在此例中，本体16具有框架前部16A和镜脚16B，其中框架前部16A接合导光模块14，而镜脚16B接合显示模块12，且扩增实境装置10可称为光学可视穿(see-through)头戴显示器(head-mounted device；HMD)。也就是说，当扩增实境装置10穿戴在使用者的头部时，使用者可看见穿透导光模块14的前方真实图像以及由显示模块12产生且在导光模块14中传导的虚拟图像两者。应注意的是，图6示出的扩增实境装置10对应使用者的左眼，且所属技术领域中技术人员可直接了解，扩增实境装置10可变更为对应使用者的右眼或双眼。

扩增实境装置10不只可应用在头戴显示器，也可用于其他各种应用。在一些实施例中，扩增实境装置10应用在智能智能手机或汽车，其中本体16可以是例如智能智能手机的壳体或是车框，但不限于此。

在一些实施例中，扩增实境装置10还包含供电模块(图未示出)，其用以提供电力至显示模块12和/或其他在扩增实境装置10中的电子元件。为美观需求，供电模块可内嵌至本体16中。此外，供电模块可以是可充电式电池，抛弃式电池或其他适于提供电力的元件。

在一些实施例中，扩增实境装置10还包含微处理器(图未示出)，其用以依据其操作控制显示模块12显示图像(即发射出图像光束)。扩增实境装置10共包含输入界面(例如物理按键或触控面板)、通信界面(例如无线收发器)和/或其他适于接收数据和/或操作指令的界面。

图7为图6所示的扩增实境装置10中的一些元件的功能方块图。显示模块12、驱动电路板18和准直构件20可组装为单一模块。在一些实施例中，显示模块12安装在驱动电路板18上，且驱动电路板18具有驱动器(图未示出)，其用以驱动显示模块12显示图像(即发射出图像光束)。准直构件20介于显示模块12与导光模块14之间，其可由一或多个反射元件和/或折射元件构成，例如凸透镜、菲涅耳透镜(Fresnel lens)或相似者。

虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员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随附的权利要求所界定为准。

Claims

1.一种导光模块，包含：

一第一导光板，具有一入光区和一出光区，该入光区用以接收具一预定入射角的一光学输入光束，该出光区用以输出该光学输入光束；以及

一第二导光板，设于该第一导光板上，该第二导光板具有多个用以选择性地使该光学输入光束通过或反射该光学输入光束的分色面。

2.如权利要求1所述的导光模块，其中该预定入射角实质为70度。

3.如权利要求1所述的导光模块，其中该第一导光板和该第二导光板的折射率实质相同。

4.如权利要求1所述的导光模块，其中该光学输入光束在该第二导光板的远离该第一导光板的一表面产生内部全反射。

5.如权利要求1所述的导光模块，还包含：

一第三导光板，设于该第二导光板上，该第三导光板与该第一导光板分别位于该第二导光板的相对两侧。

6.如权利要求5所述的导光模块，其中该光学输入光束在该第三导光板的远离该第二导光板的一表面产生内部全反射。

7.如权利要求5所述的导光模块，其中多个所述分色面反射自该第三导光板行进的光且使从该第一导光板的光通过。

8.如权利要求5所述的导光模块，其中该第一导光板和该第三导光板的厚度实质相同。

9.如权利要求5所述的导光模块，其中该第一导光板、该第二导光板和该第三导光板的厚度总和实质为2毫米至3毫米。

10.如权利要求1所述的导光模块，其中多个所述分色面实质为相互平行排列。

11.如权利要求1所述的导光模块，其中多个所述分色面的一倾斜角实质为该预定入射角的一半。

12.如权利要求11所述的导光模块，其中多个所述分色面以一预定间距排列，该预定间距大于或等于t×tan(θ)，其中t为该第二导光板的厚度，且θ为多个所述分色面的倾斜角。

13.如权利要求1所述的导光模块，还包含：

一输入棱镜，位于该第一导光板的入光面上。

14.一种扩增实境装置，包含：

一显示模块，经配置为提供一光学输入光束；以及

一导光模块，包含：

一第一导光板，具有一入光区和一出光区，该入光区用以接收该光学输入光束，该出光区用以输出该光学输入光束，其中该光学输入光束具一预定入射角；以及

15.如权利要求14所述的扩增实境装置，其中该导光模块还包含一第三导光板，该第三导光板设于该第二导光板上，且该第三导光板与该第一导光板分别位于该第二导光板的相对两侧。

16.如权利要求15所述的扩增实境装置，其中该第一导光板、该第二导光板和该第三导光板的厚度总和实质为2毫米至3毫米。

17.如权利要求14所述的扩增实境装置，还包含：

一准直构件，介于该显示模块与该导光模块之间。

18.如权利要求14所述的扩增实境装置，其中该显示模块为一硅基液晶显示模块或一数字光处理模块。

19.如权利要求14所述的扩增实境装置，还包含：

一本体，接合该显示模块和该导光模块。

20.如权利要求19所述的扩增实境装置，其中该本体为一眼镜框架。