CN117008342A - 近眼显示光学组件及光栅制造设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种近眼显示光学组件及光栅制造设备。该近眼显示光学组件包括基板部、耦入光栅部及耦出光栅部。基板部包括第一侧面。耦入光栅部设置于基板部的第一侧面。耦出光栅部设置于基板部的第一侧面并与耦入光栅部彼此间隔排列。耦出光栅部记录多个光栅。每个光栅具有屈亮度。这些光栅的屈亮度彼此相异。光栅制造设备配置以制造近眼显示光学组件。在使用时，可根据使用者的视力度数，调整入射至耦入光栅部的入射光角度，让入射光角度与对应的光栅的屈亮度的球面波产生干涉，而产生适当屈亮度的光波进入人眼。

Description

近眼显示光学组件及光栅制造设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种近眼显示光学组件及光栅制造设备。

背景技术

随着虚拟现实(virtual reality，VR)、扩增实境(argument reality，AR)及混合实境(mixed reality，MR)的持续发展，市场对头戴式装置的要求也不断增加。以扩增实境的头戴式装置为例，其要求画面清晰度、画面颜色饱和度及保持有效现实光线，让使用者可清晰地观看虚实的影像，更要求装置的轻量化及配戴舒适度。

然而，对于屈光力不足的使用者来说，扩增实境的头戴式装置需要另外搭配镜片，才能弥补使用者的屈亮度，让使用者清楚的看到成像。现有扩增实境的头戴式装置调整屈亮度有以下两种方式：第一种方式是在头戴式装置内设置镜框，以提供订制的特殊镜片装配；第二种方式是在头戴式装置内设置调整机构。利用调整机构调整镜片与显示区域的间距。

上述两种方式都需要搭配光波导以外的透镜，且需要针对使用者的屈亮度制作对应的镜片，额外搭配的镜片也使得头戴式装置的体积增加。故，目前头戴式装置利用镜片调整屈亮度的方式并不理想。

发明内容

因此，本申请的主要目的就是提供一种近眼显示光学组件及光栅制造设备，以此来改善目前头戴式装置利用镜片调整屈亮度的方式不理想的问题。

根据本申请的第一方面，提出一种近眼显示光学组件。近眼显示光学组件包括基板部、耦入光栅部及耦出光栅部。基板部包括第一侧面。耦入光栅部设置于基板部的第一侧面。耦出光栅部设置于基板部的第一侧面并与耦入光栅部彼此间隔排列。耦出光栅部记录多个光栅。每个光栅具有屈亮度。这些光栅的屈亮度彼此相异。

依据本申请的一实施例，上述的近眼显示光学组件通过耦出光栅部而具有近视屈亮度。近视屈亮度为0度至500度。

依据本申请的一实施例，上述的近眼显示光学组件通过耦出光栅部而具有远视屈亮度。远视屈亮度为0度至300度。

根据本申请的第二方面，提出一种光栅制造设备。光栅制造设备配置以制造上述的近眼显示光学组件。光栅制造设备包括光源、扩束器、分光单元、第一反射单元、第二反射单元、全息膜及透镜结构。扩束器位于光源与分光单元之间。第一反射单元位于分光单元的第一出光侧外。第二反射单元位于分光单元的第二出光侧外。全息膜位于第一反射单元的第一反侧路径与第二反射单元的第二反射路径的交会处。透镜结构位于第一反射单元与全息膜之间。透镜结构具有屈光力。

依据本申请的一实施例，上述的第二反射单元是反光镜。

依据本申请的一实施例，上述的第二反射单元包括第一分光镜及第二分光镜。第一分光镜位于分光单元的第一出光侧外。全息膜位于第一分光镜的第一出光侧外。第二分光镜位于第一分光镜的第二出光侧外。全息膜位于第二分光镜的第一出光侧外。光栅制造设备包括第一快门及第二快门。第一快门位于第一分光镜与全息膜之间。第二快门位于第二分光镜与全息膜之间。

依据本申请的一实施例，上述的透镜结构为凹透镜。

依据本申请的一实施例，上述的透镜结构为凸透镜。

依据本申请的一实施例，上述的光栅制造设备包括参考光角度。参考光角度为0度至180度。

依据本申请的一实施例，上述的光栅制造设备包括物光角度。物光角度为0度至180度。

由上述可知，本申请的光栅制造设备通过具有屈光力的透镜结构，形成具有所需屈亮度的耦出光栅，让记录屈亮度与耦出光栅的全息膜形成近眼显示光学组件，而能应用于头戴式装置。由于近眼显示光学组件通过光栅制造设备而记录具有相异屈亮度的光栅。在使用时，可根据使用者的视力度数，调整入射至耦入光栅部的入射光角度，让入射光角度与对应的光栅的屈亮度的球面波产生干涉，而产生适当屈亮度的光波进入人眼。因此，近眼显示光学组件的采用，不需要设置镜片、镜架，也不会增加头戴式装置的体积。故，近眼显示光学组件能有效解决目前利用镜片调整屈亮度的问题。

附图说明

从以下结合所附附图所做的详细描述，可对本申请的实施方式有更佳的了解。需注意的是，根据业界的标准实务，各特征并未依比例绘示。事实上，为了使讨论更为清楚，各特征的尺寸都可任意地增加或减少。

图1为本申请一实施方式的近眼显示光学组件用于近视人眼的示意图。

图2为本申请一实施方式的光栅制造设备的使用状态示意图。

图3为本申请另一实施方式的光栅制造设备的使用状态示意图。

图4为本申请又一实施方式的光栅制造设备的使用状态示意图。

图5为本申请再一实施方式的光栅制造设备的使用状态示意图。

附图标记说明：

100:近眼显示光学组件

110:基板部

110f:第一侧面

110s:第二侧面

120:耦入光栅部

130:耦出光栅部

200:光栅制造设备

200’:光栅制造设备

200”:光栅制造设备

210:光源

220:扩束器

221:物镜

222:针孔

223:扩束镜

230:分光单元

240:第一反射单元

250:第二反射单元

250”:第二反射单元

250m:反光镜

250s1:第一分光镜

250s2:第二分光镜

260:全息膜

270:透镜结构

270a:凹透镜

270a1:第一凹透镜

270a2:第二凹透镜

270b:凸透镜

A1:光圈

A2:光圈

E:人眼

HWP1:半波片

HWP2:半波片

I:影像

IL:入射光

IS:入光侧

LW:光波

OL:物光

OS1:第一出光侧

OS2:第二出光侧

OS3:第三出光侧

OS4:第四出光侧

OS5:第五出光侧

RL:参考光

S:快门

S1:第一快门

S2:第二快门

θ1:第一角度

θ2:第二角度

具体实施方式

以下仔细讨论本申请的实施例。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的概念，其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论与揭示的实施例仅供说明，并非用以限定本申请的范围。本申请的所有实施例公开多种不同特征，但这些特征可依需求而单独实施或结合实施。

在本文中，“包含”、“包括”等相似的用语，在文本中都是开放式的限制，意指包含但不限于。此外，在本文中，除非内文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“该”可泛指单一个或多个。

本申请所叙述的两个组件之间的空间关系不仅适用于附图所绘示的方位，也适用于附图所未呈现的方位，例如倒置的方位。此外，本附图所称两个部件的“连接”或之类用语并非仅限制于此二者为直接的连接，也可视需求而包含间接的连接。

请参阅图1，图1示出了本申请一实施方式的近眼显示光学组件100的侧视示意图。近眼显示光学组件100包括基板部110、耦入光栅部120及耦出光栅部130。基板部110具有相对的第一侧面110f及第二侧面110s。基板部110的材料可为光学玻璃或光学塑料。举例而言，基板部110的材料可为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、环状烯烃共聚物或环状烯烃聚合物等。耦入光栅部120与耦出光栅部130皆设置于基板部110的第一侧面110f，且耦入光栅部120与耦出光栅部130彼此间隔排列。耦出光栅部130记录多个光栅。每个光栅具有屈亮度。这些光栅的屈亮度彼此相异。耦入光栅部120与耦出光栅部130的材料可为感光高分子材料、卤化银或全像液晶聚合物薄膜。

在一例子中，近眼显示光学组件100通过耦出光栅部130而具有近视屈亮度。近视屈亮度为0度至500度。在一例子中，近眼显示光学组件100通过耦出光栅部130而具有远视屈亮度。远视屈亮度为0度至300度。

继续参阅图1，入射光IL通过基板部110的第一侧面110f，经由耦入光栅部120与基板部110的反射，而射入耦出光栅部130。通过入射光IL角度与对应的屈亮度球面波产生干涉，而产生具有屈亮度的光波LW进入人眼E，让使用者不需要镜片的辅助就可以看到清晰的影像I。当近眼显示光学组件100设置于头戴式装置中，可依据用户的视力度数，调整入射光IL角度，而形成适当屈亮度的光波LW，让用户可看到清晰的影像I。因此，头戴式装置采用近眼显示光学组件100后，可以不需要镜片来配合近视使用者或远视使用者，当然也不需要在头戴式装置内设置提供镜片放置的镜框。由于具有近眼显示光学组件100的头戴式装置，可省略镜片与镜框，所以头戴式装置的体积不会因为镜片与镜框而增加，让头戴式装置的外型更为精巧。

请参阅图2，图2示出了本申请一实施方式的光栅制造设备200的使用状态示意图。光栅制造设备200是配置以制造上述的近眼显示光学组件100。光栅制造设备200包括光源210、扩束器220、分光单元230、第一反射单元240、第二反射单元250、全息膜260及透镜结构270。光栅制造设备200通过透镜结构270而在全息膜260上形成所需屈亮度的耦出光栅。

如图2所示，光源210可为雷射光源、发光二极管光源或白光光源。依据光源的不同，绕射角度也不同，对于参考光RL的间隔也有不同的限制。在一例子中，光源210为雷射光源或发光二极管光源时，可提供的拍摄角度间隔为5度。在一例子中，光源210为白光光源时，可提供的拍摄角度间隔为15度。

继续参阅图2，扩束器220位于光源210与分光单元230之间。扩束器220包括物镜221、针孔222与扩束镜223。物镜221位于光源210与针孔222之间。针孔222位于物镜221与扩束镜223之间。光源210发出的光依次通过物镜221、针孔222与扩束镜223，接着通过分光单元230而分出物光OL与参考光RL。

如图2所示，分光单元230具有入光侧IS、第一出光侧OS1与第二出光侧OS2。分光单元230的入光侧IS与第二出光侧OS2分别设置半波片HWP1与半波片HWP2。入光侧IS的半波片HWP1与扩束器220之间设置快门S。第二出光侧OS2的半波片HWP2外设置光圈A1，即第二出光侧OS2的半波片HWP2介于分光单元230与光圈A1之间。

继续参阅图2，第一反射单元240位于分光单元230的第一出光侧OS1外。经由分光单元230反射而从第一出光侧OS1射出的物光OL会照射至第一反射单元240。第一反射单元240接着可将物光OL沿着第一反射路径反射。

如图2所示，第二反射单元250位于分光单元230的第二出光侧OS2外。通过分光单元230所分出而从第二出光侧OS2射出的参考光RL先经过光圈A1调整光束大小。调整后的参考光RL接着照射至第二反射单元250。随后，第二反射单元250可将参考光RL沿着第二反射路径反射。

继续参阅图2，全息膜260位于第一反射单元240的第一反射路径与第二反射单元250的第二反射路径的交会处。透镜结构270位于第一反射单元240与全息膜260之间。透镜结构270具有一屈光力。透镜结构270与第一反射单元240之间设有光圈A2。经由第一反射单元240反射的物光OL通过光圈A2与具有屈光力的透镜结构270的调整，形成所需的光波LW。光波LW进一步照射至全息膜260。此外，经由第二反射单元250反射的参考光RL照射至全息膜260，而在全息膜260上形成具有屈亮度的光栅。

同时参阅图2与图3，其中图3出示了本申请的另一实施方式的光栅制造设备200’的使用状态示意图。图2与图3所示的光栅制造设备200与200’的主要差异在于采用的透镜结构270不同。在图2中，透镜结构270为凹透镜270a。通过凹透镜270a提供的近视屈光力，而在全息膜260上制作出适合近视使用者的光栅。可更换凹透镜270a，而取得不同的近视屈光力，且让全息膜260记录不同屈亮度的光栅。记录完成后的全息膜260则形成近眼显示光学组件100，而可运用于头戴式装置。

在图3中，透镜结构270为凸透镜270b。通过凸透镜270b提供的远视屈光力，而在全息膜260上制作出适合远视使用者的光栅。也可更换凸透镜270b，而取得不同的远视屈光力。所以光栅制造设备200与200’可在一张全息膜260上，通过不同的透镜结构270，而拍摄出具有不同屈光力的全息膜260。

如图2与图3所示，第二反射单元250是反光镜250m，将参考光RL反射至全息膜260。另参阅图4与图5，其分别出示了本申请的又一实施方式与再一实施方式的光栅制造设备200”的两种使用状态示意图。光栅制造设备200”的架构与光栅制造设备200的架构大致相同，二者之间的差异在于，光栅制造设备200”的第二反射单元250”包括第一分光镜250s1与第二分光镜250s2，且光栅制造设备200”还包括第一快门S1与第二快门S2。

第一分光镜250s1位于分光单元230的第二出光侧OS2外，即第一分光镜250s1与分光单元230分别位于光圈A1的相对二侧。第一分光镜250s1具有第三出光侧OS3与第四出光侧OS4。全息膜260位于第一分光镜250s1的第三出光侧OS3外。第二分光镜250s2位于第一分光镜250s1的第四出光侧OS4外，即第一分光镜250s1介于第二分光镜250s2与光圈A1之间。第二分光镜250s2具有第五出光侧OS5。全息膜260位于第二分光镜250s2的第五出光侧OS5外。

第一快门S1位于第一分光镜250s1与全息膜260之间，用以控制第一分光镜250s1从第三出光侧OS3反射出的参考光RL是否进一步照射至全息膜260。具体而言，第一快门S1关闭时，从第一分光镜250s1的第三出光侧OS3射出的参考光RL无法照射至全息膜260。第一快门S1开启时，从第一分光镜250s1的第三出光侧OS3射出的参考光RL可顺利照射至全息膜260。

第二快门S2位于第二分光镜250s2与全息膜260之间，用以控制从第二分光镜250s2的第五出光侧OS5射出的参考光RL是否进一步照射至全息膜260。具体而言，第二快门S2关闭时，从第二分光镜250s2的第五出光侧OS5射出的参考光RL无法照射至全息膜260。第二快门S2开启时，从第二分光镜250s2的第五出光侧OS5射出的参考光RL可顺利照射至全息膜260。

继续参阅图4与图5，在进行近视的多角度拍摄时，使用具有第一屈光力的第一凹透镜270a1与具有第二屈光力的第二凹透镜270a2。在图4中，第一快门S1是开启状态。第二快门S2是关闭状态。透镜结构270采用具有第一屈光力的第一凹透镜270a1。第一反射单元240将物光OL反射至具有第一屈光力的第一凹透镜270a1，物光OL通过第一凹透镜270a1后再照射至全息膜260。同时，第一分光镜250s1反射部分的参考光RL，其余的参考光RL’则穿透第一分光镜250s1而照射至第二分光镜250s2。第一分光镜250s1反射的参考光RL通过开启的第一快门S1，进一步以第一角度θ1照射在全息膜260上。第二分光镜250s2反射的参考光RL’受到关闭的第二快门S2的止挡，不会照射至全息膜260。

在图5中，透镜结构270由具有第一屈光力的第一凹透镜270a1替换为具有第二屈光力的第二凹透镜270a2。第一快门S1调整为关闭状态。第二快门S2调整为开启状态。第一反射单元240将物光OL反射至具有第二屈光力的第二凹透镜270a2，物光OL通过第二凹透镜270a2后再照射至全息膜260。同时，第一分光镜250s1反射部分的参考光RL，其余的参考光RL’穿透第一分光镜250s1而照射至第二分光镜250s2。第一分光镜250s1反射的参考光RL受到关闭的第一快门S1的止挡而停止前进，故不会照射至全息膜260。第二分光镜250s2反射的参考光RL’通过开启的第二快门S2，进一步以第二角度θ2照射在全息膜260上。其中，第一角度θ1的参考光RL与第二角度θ2的参考光RL’照射至全息膜260的位置重合。也就是，第一分光镜250s1反射的参考光RL在全息膜260上的光点位置，重合于第二分光镜250s2反射的参考光RL’在全息膜260上的光点位置。

在进行远视的多角度拍摄时，可使用具有第一屈光力的第一凸透镜与具有第二屈光力的第二凸透镜。拍摄同理于上述的近视的多角度拍摄，在此不再赘述。

光栅制造设备200包括参考光角度与物光角度。参考光角度是参考光RL与全息膜260的法线的夹角。在光栅制造设备200中，第二反射单元250与250”配置以调整参考光角度，使参考光角度为0度至180度，不包含端点值。物光角度是物光OL与全息膜260的法线的夹角。在光栅制造设备200中，第一反射单元240配置以调整物光角度，使物光参考角度为0度至180度，不包含端点值。

由上述的实施方式可知，本申请的其中一个优点就是因为本申请的光栅制造设备通过具有屈光力的透镜结构，形成具有所需屈亮度的耦出光栅，让记录屈亮度与耦出光栅的全息膜形成近眼显示光学组件，而能应用于头戴式装置。由于近眼显示光学组件通过光栅制造设备而记录具有相异屈亮度的光栅。在使用时，可根据使用者的视力度数，调整入射至耦入光栅部的入射光角度，让入射光角度与对应的光栅的屈亮度的球面波产生干涉，而产生适当屈亮度的光波进入人眼。因此，近眼显示光学组件的采用，不需要设置镜片、镜架，也不会增加头戴式装置的体积，故近眼显示光学组件能有效解决目前利用镜片调整屈亮度的问题。

虽然本申请已以实施例公开如上，然其并非用以限定本申请，任何在此技术领域中普通技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本申请的保护范围当视权利要求保护范围所界定的内容为准。

Claims (10)

1.一种近眼显示光学组件，其特征在于，所述近眼显示光学组件包括：

基板部，包括第一侧面；

耦入光栅部，设置于所述基板部的所述第一侧面上；以及

耦出光栅部，设置于所述基板部的所述第一侧面上，并与所述耦入光栅部彼此间隔排列，其中，所述耦出光栅部记录多个光栅，所述多个光栅中的每一者具有屈亮度，且所述多个光栅对应的所述屈亮度彼此相异。

2.如权利要求1所述的近眼显示光学组件，其特征在于，所述近眼显示光学组件通过所述耦出光栅部而具有近视屈亮度，所述近视屈亮度为0度至500度。

3.如权利要求1所述的近眼显示光学组件，其特征在于，所述近眼显示光学组件通过该耦出光栅部而具有远视屈亮度，所述远视屈亮度为0度至300度。

4.一种光栅制造设备，配置以制造如权利要求1至3中任一项所述的近眼显示光学组件，其特征在于，所述光栅制造设备包括：

光源；

扩束器；

分光单元，其中，所述扩束器位于所述光源与所述分光单元之间，所述分光单元具有第一出光侧与第二出光侧；

第一反射单元，位于所述第一出光侧外；

第二反射单元，位于所述第二出光侧外；

全息膜，位于所述第一反射单元的第一反射路径与所述第二反射单元的第二反射路径的交会处；以及

透镜结构，位于所述第一反射单元与所述全息膜之间，所述透镜结构具有屈光力。

5.如权利要求4所述的光栅制造设备，其特征在于，所述第二反射单元是反光镜。

6.如权利要求4所述的光栅制造设备，其特征在于，所述第二反射单元包括第一分光镜以及第二分光镜；

第一分光镜位于所述第一出光侧外，且具有第三出光侧与第四出光侧，所述全息膜位于所述第三出光侧外；

第二分光镜位于所述第四出光侧外，所述全息膜位于所述第二分光镜的第五出光侧外；以及

所述光栅制造设备还包括：

第一快门，位于所述第一分光镜与所述全息膜之间；以及

第二快门，位于所述第二分光镜与所述全息膜之间。

7.如权利要求4所述的光栅制造设备，其特征在于，所述透镜结构为凹透镜。

8.如权利要求4所述的光栅制造设备，其特征在于，所述透镜结构为凸透镜。

9.如权利要求4所述的光栅制造设备，其特征在于，所述第二反射单元配置以调整参考光角度，使所述参考光角度为0度至180度。

10.如权利要求4所述的光栅制造设备，其特征在于，所述第一反射单元配置以调整物光角度，使所述物光角度为0度至180度。