TW201809798A - 具有一致影像之小型頭戴式顯示系統 - Google Patents

Abstract

於此揭示一種光學裝置，包含一光傳送基材具有一輸入孔、一輸出孔、至少二主表面及邊緣，一光學元件用於將光波以全內反射耦合進入該基材，至少一部分反射表面位於該光傳送基材的該二主表面之間，以便將光波部分反射出該基材，一第一透明板具有至少二主表面，該透明板的該主表面之一係光學地貼附於該光傳送基材的一主表面以界定一交界平面，及一分光覆層佈設於該基材及該透明板之間的該交界平面，其中耦合於該光傳送基材內部的光波係由該交界平面部分反射並部分穿過該交界平面。

Description

具有一致影像之小型頭戴式顯示系統

本發明係關於一種以基材導向之光學裝置，尤其是包含由一共同光傳導基材所承載之數個反射表面的裝置，其亦被稱為光導光學元件(light-guide optical element，LOE)。

本發明可被實現於多種影像應用，例如頭戴式顯示器及抬頭顯示器、行動電話、小型顯示器、立體(3-D)顯示器、小型擴束器，以及非影像應用，例如平板指示器、小型照明器及掃描器。

實施於小型光學元件的一種重要應用係為頭戴式顯示器，在其中一光學模組係作為一影像鏡組及一連結器，在其內一二維顯示係成像於無窮遠並反射至一觀看者的眼睛。該顯示可直接得自一空間光調變器(spatial light modulator，SLM)，例如一陰極射線管(cathode ray tube，CRT)、一液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)、一有機發光二極體陣列(organic light emitting diode array，OLED)或一掃描源及相似裝置，或藉由一中繼透鏡或一光纖束而間接取得。該顯示包含一元件陣列(畫素)以一準直鏡成像於無窮遠，並藉由一反射或部分反射表面傳送入該觀看者的眼睛，該反射或部分反射表面係分別做為不可透視或可透視應用之連結器。通常係使用習知的自由空間光學模組(free-space optical module)以達上述目的。然而，當該系統的需求視野(field-of-view，FOV)增加，此類習知光學模組變得過 大且過重，因此即使是性能適中的裝置也無法實現。這是所有類型之顯示器的主要缺點，尤其是在頭戴式的應用上，此系統必須盡可能的呈輕量化及小型化。

為小型化而作的努力已獲致一些不同的複雜光學解決方案，所有這些方案，一方面對多數的實際應用而言仍不夠小型，而另一方面必須承擔可製作性上的主要障礙。此外，從這些設計所取得的光學視角之眼部運動箱(eye-motion-box，EMB)通常都非常小一通常小於8mm。因此，即使是光學系統在相對於觀看者的眼部而言僅屬微小的移動，光學系統的性能仍極為敏感，且亦不容許為了自該顯示方便地閱讀文字所進行之足夠的瞳孔運動。

涵蓋於PCT專利公開號WO01/95027、WO03/081320、WO2005/024485、WO2005/024491、WO2005/024969、WO2005/124427、WO2006/013565、WO2006/085309、WO2006/085310、WO2006/087709、WO2007/054928、WO2007/093983、WO2008/023367、WO2008/129539、WO2008/149339、WO2013/175465及以色列專利公開號IL 232197、IL 235642、IL 236490及IL 236491之教示內容，均係為本案申請人之名義，且於本案中引用。

本發明使非常小型的光導光學元件的結構和製作變得容易，這種光波導光學單元，除其他應用外，尤其用於頭戴顯示器。本發明實現了相對寬的視野及相對大的眼部運動箱數值。所得到的光學系統係提供一大的高品質影像，且亦顧及了眼部的大移動。本發明所提供的光學系統係特別有利，因為其係實質地較現有技術方案顯著地更小型，而且它甚至能輕易地併入具有專門配置的光學系統。

本發明的進一步應用係為行動手持裝置(例如行動電話)提供 廣的視野。在現今的無線網際網路接入(wireless internet-access)市場，有足夠的頻寬以供全視訊傳輸。限制因素仍在於終端使用者裝置中的顯示品質。移動性的需求限制了顯示器的物理大小，其結果便是具有不良影像觀看品質的直接顯示。本發明實現了具有非常大的虛擬影像但物理上非常小型的顯示器。這是移動通信中的關鍵特徵，特別是對移動網際網路接入，係解決其實際實施方案的主要限制之一。因此，本發明能在小的手持裝置(例如行動電話)實現觀看全部格式網際網路之網頁的數位內容。

因此，本發明的主要目標，是減輕現有技術小型光學顯示裝置的缺點，並按照具體需求提供具有改良性能的其他光學元件及系統。

為此，根據本發明，係提供一種光學裝置，包含一光傳送基材具有一輸入孔、一輸出孔、至少二主表面及邊緣，一光學元件用於將光波以全內反射耦合進入該基材，至少一部分反射表面位於該光傳送基材的該二主表面之間，以便將光波部分反射出該基材，一第一透明板具有至少二主表面，該透明板的該主表面之一係光學地貼附於該光傳送基材的一主表面以界定一交界平面，及一分光覆層佈設於該基材及該透明板之間的該交界平面，其中耦合於該光傳送基材內部的光波係由該交界平面部分反射並部分穿過該交界平面。

〔本發明〕

16‧‧‧第一反射表面

18‧‧‧準直顯示

20‧‧‧平面基材

20’‧‧‧基材

22‧‧‧部分反射表面

22a‧‧‧部分反射表面

22b‧‧‧部分反射表面

22c‧‧‧部分反射表面

22n‧‧‧反射表面

24‧‧‧眼睛

25‧‧‧瞳孔

26‧‧‧下表面

27‧‧‧上表面

28‧‧‧方向

30‧‧‧方向

80‧‧‧光線

82‧‧‧點

84‧‧‧點

86‧‧‧點

88‧‧‧光線

90‧‧‧反射

100‧‧‧線

102‧‧‧點

104‧‧‧光線

106‧‧‧點

108‧‧‧光線

110‧‧‧點

112‧‧‧單一平面光波

114‧‧‧特定觀視角

120‧‧‧透明板

120’‧‧‧透明插入板

122‧‧‧光線

124‧‧‧光線

126‧‧‧點

128‧‧‧點

132‧‧‧點

134‧‧‧點

136‧‧‧光線

140‧‧‧光線

142‧‧‧光線

144‧‧‧反射光線

146‧‧‧反射光線

148‧‧‧點

150‧‧‧點

152‧‧‧光線

154‧‧‧光線

156‧‧‧平面波

158‧‧‧交界線

160‧‧‧出射光線

162‧‧‧出射光線

164‧‧‧光線

165‧‧‧光線

166‧‧‧分光覆層

167‧‧‧交界平面

168‧‧‧光線

170‧‧‧光線

172‧‧‧點

174‧‧‧點

176‧‧‧出射光線

178‧‧‧出射光線

180‧‧‧交界點

182‧‧‧交界點

184‧‧‧反射光線

186‧‧‧反射光線

188‧‧‧光線

190‧‧‧光線

192‧‧‧點

194‧‧‧點

196‧‧‧點

198‧‧‧點

200‧‧‧光線

202‧‧‧光線

204‧‧‧光線

206‧‧‧光線

208‧‧‧透明板

210‧‧‧交界平面

212‧‧‧光線

214‧‧‧光線

215‧‧‧點

216‧‧‧點

217‧‧‧點

218‧‧‧反射光線

220‧‧‧反射光線

222a‧‧‧部分反射表面

222b‧‧‧部分反射表面

230‧‧‧繞射元件

232‧‧‧繞射元件

234‧‧‧光線

236‧‧‧光線

238‧‧‧基材

240‧‧‧右邊緣

242‧‧‧透明板

244‧‧‧上表面

246‧‧‧交界表面

α _in ‧‧‧落入角

D _n ‧‧‧亮孔

T‧‧‧厚度

本發明係結合一些較佳實施例描述，並參照以下說明圖示以便其可被更完整的瞭解。

針對詳細地特定參照的圖，應當注意所顯示的細節係為舉例並僅以本發明較佳實施例之說明性討論為目的，並且基於提供據信為最有用且易於了解本發明之原理及概念的說明。就此而言，除了對本發明的基本理解所需，不試圖更詳盡地表示本發明的結構細節。結合圖所作的描述係做為本領域熟習該項技藝者了解本發明的數種形式如何實際實施的導 引。

於圖式中：第1圖：一示範的先前技術之光導光學元件的側視圖；第2A及2B圖：一選擇反射表面之示範陣列的詳細剖視圖；第3圖：根據本發明具有二相異照射光線之反射表面的簡略剖視圖；第4圖：一透明板貼附於該基材邊緣處之選擇反射表面之示範陣列的剖視圖；第5圖：根據本發明之反射表面的簡略剖視圖，係繪示該表面的實際有效孔；第6圖：針對一示範光導光學元件繪示該反射表面做為該佈光角之函數的有效孔尺寸；第7圖：針對三個相異視角繪示來自一選擇反射表面之示範陣列之反射率的詳細剖視圖；第8圖：針對一示範光導光學元件繪示二相鄰反射表面之間做為該佈光角之函數的需求距離；第9圖：根據本發明之具有二相異照射光線之反射表面的另一簡略剖視圖；第10圖：具有一插入的透明板貼附於該基材邊緣的選擇反射表面之示範陣列之剖視圖；第11圖：根據本發明之具有二相異照射光線之反射表面的另一簡略剖視圖，其中該二光線係由二部分反射表面所反射；第12圖：根據本發明之具有二相異照射光線之反射表面的又一簡略剖視圖，其中該二光線係相距遠地耦合入該光導光學元件且相距近地耦合出該光導光學元件； 第13A及13B圖：埋設於一光導光學元件內的一分光表面之簡略剖視圖；第14圖：針對一示範角度敏感覆層及S偏振光波，一分光表面作為入射角之函數的反射率曲線圖；第15圖：針對一示範角度敏感覆層及S偏振光波，一分光表面作為入射角之函數的另一反射率曲線圖；第16圖：埋設於一光導光學元件內的二相異分光表面之簡略剖視圖；第17圖：埋設於一光導光學元件內的一分光表面之另一簡略剖視圖，其中部分反射表面係形成於該透明貼附板的內部；及第18A及18B圖：埋設於一光導光學元件內的一分光表面之實施例的又一簡略剖視圖，其中該耦合進入及該耦合射出元件為繞射光學元件。

第1圖係繪示本發明之光導光學元件(LOE)的剖視圖。該第一反射表面16係受到來自一光源(未繪示)之準直顯示18照射，該光源係位於該裝置後方。該反射表面16反射來自該光源的入射光，以便該光線以全內反射落入一平面基材20中。經過該基材之表面26、27的幾次反射之後，該落入之光波係抵達由部分反射表面22構成之陣列，其係自該基材耦合出光線而進入一觀看者具有一瞳孔25的眼睛24。在此，該光導光學元件之輸入表面將定義為該輸入光波藉以進入該光導光學元件的表面，而該光導光學元件之輸出表面將定義為該落入之光波藉以離開該光導光學元件的表面。此外，將提及之該光導光學元件之輸入孔係為該輸入光波在進入該光導光學元件時藉以實際通過該輸入表面的部分，而將提及之該光導光學元件之輸出孔係為該輸出光波在離開該光導光學元件時藉以實際通過該輸出表面的部分。在第1圖所繪示之光導光學元件的實施例中，該輸入及 輸出表面均與該下表面26重疊，惟該輸入及成像光波位於該基材之相對側或在該光導光學元件的邊緣之一等其他配置亦可理解。若該光源之中央光波係沿與該基材表面26垂直的方向耦合出該基材20，該部分反射表面22為平面，且該基材20內之耦合光波的離軸角(off-axis angle)為α _in ，則該反射表面及該基材板之法線之間的角度為：

如第1圖所示，該落入之光線由二相異方向28、30到達該反射表面。在本實施例中，該落入之光線沿這些方向28之一自該基材表面26、27經過偶數次反射之後到達該部分反射表面22，其中介於該落入之光線及該反射表面之法線之間的入射角β _ref 為：

該落入之光線沿該第二方向30自該基材表面26、27經過奇數次反射之後到達該反射表面，其中該離軸角為α' _in =180°-α _in ，且介於該落入之光線及該反射表面之法線之間的入射角為： 其中該負號表示該落入之光線照射於該部分反射表面22的背面。

如第一圖所示，對各反射表面，各光線首先沿該方向30到達該表面，其中一些該光線係沿方向28再次照射於該表面。為避免不需要的反射及重影，將沿該第二方向28照射於該表面之光線的反射率忽略係為重要。

各反射表面的實際有效區域係為必須考慮的一個重要議題。在成像上的潛在非一致性可能因為到達各選擇反射表面的相異光線之不同反射順序而發生：某些光線未與選擇反射表面進行前置的交互作用即到達；其他的光線在經過一或多次部分反射後到達。此效應係繪示於第2A 圖中。例如，假設α _in =50°，該光線80與該第一部分反射表面22相交於點82。該光線的入射角為25°，且該光線之能量的一部分係耦合出該基材。該光線隨後以75°的入射角與相同的選擇部分反射表面相交於點84且無明顯的反射，其後並以25°的入射角再次相交於點86，此時該光線之能量的另一部分係耦合出該基材。相反地，第2B圖所繪示的光線88僅會在同一表面經過一次反射90。進一步的複數次反射係發生於其他的部分反射表面。

第3圖係以該部分反射表面22的細部剖視圖繪示此非一致現象，其係耦合出落於該基材內的光線且進入一觀看者隻眼睛24的光線。誠如所見，該光線80由該上表面27緊鄰該線100反射出來，該線100係該反射表面22與該上表面27的相交處。由於此光線並未照射於該反射表面22，其亮度仍維持相同，且其係在二外表面經過兩次反射之後，首次入射至該表面22於該點102。在此點，該光波係部分反射，且該光線104係耦合出該基材20。關於其他光線，例如光線88(其係恰位於光線80下方)在到達該上表面27之前首次入射至表面22於點106，其中該光波於點106部分反射且該光線108耦合出該基材。因此，當其由外表面26、27經過二次反射之後再次照射於表面22之點110，該耦合出射光線的亮度係低於相鄰的光線104。因此，所有與光線80具有相同的耦合入射角的光線，即到達表面22時位於點102之左側者，係具有較低的亮度。因此，對於此特定的耦合入射角，自表面22的反射率在該點102之左側處確實較暗。

多路交叉效應的上述差異係難以完全補償，然而，實際上人類的眼睛會容許亮度上的明顯變化，因此仍可維持不被察覺。針對近眼顯示，眼睛會將出現自單一視角的光線合併，並將其聚焦於視網膜的一點上。由於眼睛的反應曲線為對數曲線，故若在顯示之亮度上有任何小變化亦將不會被注意到。因此，即使是在該顯示內中等程度的亮度非一致情況，人類的眼睛感受到的會是一高品質影像。所需求的中等非一致情況已可由第 1圖所繪示的元件獲得。針對具有大視野及需要大眼部運動箱的系統，需要相對較大量的部分反射表面，以獲得所要的輸出孔。因此，肇因於該大量部分反射表面之多路交叉的非一致性變得更為顯著，尤其是位在距離眼睛一段距離的顯示(例如抬頭顯示)而使該非一致性無法被接受。在這些情況下，需要一個更系統化的方法以克服該非一致性。

由於該部分反射表面22的「較暗」部位對於將該落入的光波耦合出該基材較無貢獻，其對該光導光學元件之光學性能的影響僅能是負面的，亦即該系統的輸出孔將有較暗部位，且暗紋將出現於影像中。然而，各該反射表面針對來自該外部畫面之光波的透明度並不一致。因此，若在反射表面之間設置重疊以補償該輸出孔的較暗部位，則由該輸出畫面穿過這些重疊區域的光線將承受兩倍的衰減，且暗紋將呈現於該外部畫面中。此現象係顯著地降低了不僅在於離眼睛有一段距離的顯示(例如抬頭顯示)之效果，也在於近眼顯示的效果，因此其係無法供使用。

第4圖係繪示解決此問題的實施例。僅有該部分反射表面22a、22b及22c的「明亮」部分埋設於該基材中，亦即該反射表面22a、22b及22c不再與該下主表面26相交，而是在未達此表面即終止。由於該反射表面的末端在該光導光學元件的長度中一個接著一個的相鄰，該被投射的影像中將不會有間隙，且既然該表面不重疊，該外部視景中將不會有間隙。建構此光導光學元件的方法有數種，其一係將具有一厚度T的一透明板120較佳藉由光學膠合(optical cementing)貼附於該基材的有效區域。為求以正確的方法僅利用該反射表面22的有效區域，計算各個部分反射表面的實際有效區域及該板120之需求厚度T係屬重要。

如第5圖所示，該反射表面22n在該外表面26之平面中之亮孔D _n (以該耦合進入角α _in 之函數表示)為：

由於該落入角α _in 可做為該視野之函數進行變化，則各反射表面22n與哪個角度有關聯係屬重要，以便計算其有效孔。

第6圖係繪示該有效孔在下列系統參數之下做為該佈光角(field angle)之函數：基材厚度d=2mm，基材折射率v=1.51及部分反射表面角α _sur =64°。在考慮觀視角的情況下，應注意該成像之相異部位係源自該部分反射表面的相異部位。

第7圖係繪示此效應，其係為基於所提出之結構的小型光導光學元件顯示系統之剖視圖。在此，表示一特定觀視角114的一單一平面光波112僅照射部分反射表面22a、22b及22c構成之所有陣列的部分。因此，針對該部分反射表面上的每一點均定義一名義上的觀視角，且該反射表面所需要的有效區域即根據此角度計算。該各個部分反射表面之有效區域的精確詳細設計係執行如下：針對各特定表面，一光線係由該表面之左側緣至所標示的眼睛瞳孔25進行劃分(由於司乃耳定律(Snell's law)，將折射列入考慮)。所計算得之方向即設為該名義上的入射方向，且該特定有效區域係根據此方向計算。

如第5圖所示，該反射表面有效區域之精確值可用於判斷各反射表面22n之明亮部位及該下表面26之間的不同距離T。一較大的有效區域即需要一較小的表面間距離。此距離代表應貼附於該光導光學元件之下表面之該板120(第7圖)的厚度。如第5圖所示，該距離T做為該耦合進入角α _in 之函數係為：T=d-D _n ．cot(α _sur) (5)

第8圖係繪示該板120之所需厚度T在參考第6圖中設定之相同參數之下做為該佈光角之函數。將該厚度T設定為該最大計算值以確 保該影像可避免暗紋效應是值得的。設定過厚的板120將導致相反的效果，即在影像中之亮紋的出現。

如第9圖所示，二光線122、124係於該基材20內部耦合。該二光線係分別自表面22a的點126、128部分反射。然而，只有光線122照射於第二表面22b的點130並於此處部分反射，而光線124掠過表面22b而無任何反射率。因此，照射於表面22c之點134之光線124的亮度係高於光線122在點132的亮度。所以由點138之該耦合射出光線138的亮度係高於由點132所耦合射出之光線136的亮度，且量紋將於影像中出現。引此，應選擇該厚度T為一精確值以避免影像中的暗紋及亮紋。

如第10圖所示，用於獲致所需結構的可能實施例係建構一插入的基材20’，其中該板120之厚度T係依據該視角，且該二主要基材不平行。一互補的透明插入板120’較佳藉由光學膠以該結合基材形成一完全的直角平行六面體的方式貼附於該基材，例如該最終光導光學元件的二外側主要表面為互相平行。然而，此方法存在一些缺點。首先，該插入的光導光學元件之製造程序較該平行光導光學元件之製造程序更為複雜且難處理。此外，此方案對具有小眼部運動箱的系統有效，其係於該視角及該基材板上的側邊位置之間具有相稱的匹配。然而，對於具有大眼部運動箱的系統(即眼睛可顯著地沿該側軸移動)而言，在該視角及該板120’之實際厚度之間將不存在好的調校。因此，可能於影像中察覺暗紋或亮紋。

此暗紋或亮紋的發生係導因於該光導光學元件中的部分反射表面非僅限於形成此效應的表面。參照如第3圖所示，由表面22a反射兩次的該耦合光線88在點110處的亮度係低於僅由表面22a反射一次的光線80在點102的亮度。因此，該反射波112的亮度低於該相鄰的光線104的亮度。然而，如第11圖所示，不僅是來自表面22a的反射波之亮度不同，所傳輸的光線140及142之亮度也不同。因此，來自表面22b之反射光線 144及146分別在點148及150處的亮度將以相同的方式呈現相異，而一暗紋亦將在該影像的此區域中出現。自然地，該光線之間的此差異將繼續於該光導光學元件中擴及下一個部分反射表面。因此，由於各部分反射表面依照精確的入射角產生各自的暗紋及亮紋，則對於具有大量部分反射表面的光導光學元件而言，大量的暗紋及亮紋將累積於該光導光學元件之輸出孔的遠端緣，且因此該影像品質將嚴重地惡化。

該影像之非均勻性的來源可為耦合入該光導光學元件之影像波的非一致性。通常，當一光源的二側具有些微的強度差異，其將難以被觀看者注意。對於耦合於一基材內(即如在該光導光學元件內)且逐漸耦合輸出的影像，情況會完全不同。如第12圖所示，二光線152及154係位於該平面波156的邊緣，其係源自該顯示源(未繪示)中的同一點。假設光線152因為不完美的影像系統造成其亮度低於光線154的亮度，則由於該光線間的遠距，此品質之不足將難以由直接觀看該平面波156而察覺。然而，在耦合入該光導光學元件20之後，此狀況會改變。當該光線154照射在恰位於該反射表面16及該下主表面26間的交界線156之右側的反射表面16，該右側光線152係自表面16反射，由該上表面27全反射，且隨後照射於恰位於該交界線158左側的下表面26。因此，在該光導光學元件20內傳導的該光線152及154係相鄰。分別源自於光線152及154且由表面22a反射的該二出射光線160及162因此具有相異的亮度。然而，不像該輸入光波156，該二相異的光線係相鄰近，且此差異係於該影像中成為暗紋而被察覺。此二光線164、165將繼續互相鄰近地一同在該光導光學元件中傳導，且將在每一個他們將一起耦合出射的位置形成一暗紋。自然地，避免此非一致性的最佳方法係確保所有耦合入該光導光學元件的光波在整個視野的整個輸入孔具有一致的亮度。此需求對具有大視野及寬輸入孔的系統而言可能極難以履行。

如第13A及13B圖所示，如前面參照第4圖所述者，此非一致問題可能藉由貼附一透明板至該光導光學元件的主要表面之一予以解決。然而，在此實施例中，一分光覆層(beam splitting coating)166係佈設於該光導光學元件20及該透明板120之間的交界平面167。如第13A圖所示，二光線168及170係耦合於該基材20內。僅有光線168照射於該第一部分反射表面22a的點172且在此處部分反射，且光線170係掠過表面22a而無任何反射率。因此，假設該二光線在耦合進入該光導光學元件時具有相同亮度，則由該下主表面26向上反射之光線170具有高於由該上表面27向下反射之光線168的亮度。此二光線係相交於位在交界平面167的點174。由於佈設於其上的分光覆層，各該二相交光線係部分反射且部分穿過該覆層。隨後，該二光線互換能量，且來自該相交點174的該出射光線176及178具有相近的亮度，其實質上係為該二入射光線168及170的平均亮度。此外，該光線係在交界點180及182與二其他光線(未繪示)交換能量。導因於此能量交換，來自表面22b的該二反射光線184及186將具有實質相似的亮度，且該亮紋效應將被顯著地改善。

相似地，如第13B圖所示，二光線188及190係耦合於該基材20內部。然而，僅有光線188照射於該第一部分反射表面22a的點192，且在被該上表面27反射之前於該處部分反射。因此，假設該二光線在耦合進入該光導光學元件時具有相同亮度，則由該上主表面27向下反射之光線190係具有較光線188高的亮度。然而，此二光線相交於位在該交界平面167之點194，並在此交換能量。此外，該二光線在位於該分光表面167之點196及198與其他光線相交。因此，反射自表面22a之光線200及202以及反射至表面22b之光線204及206將具有實質相同的亮度，且因此該暗紋效應將顯著地降低。這個亮度的一致性改善效應亦可針對該光導光學元件之輸入孔的非一致照明所引起的暗紋及亮紋實現。因此，落於該光導 光學元件內部的光波之亮度分布，實質上在該光導光學元件之輸出孔處係較該輸入孔處更為一致。

如第13A圖所示，由表面22a所反射的光線184、186在耦合出該光導光學元件之前與該分光表面167相交。因此，由於表面167對於離開該基材20的光線而言必須呈現透明，且對於透視情況下來自外部畫面的光波(即以小入射角通過平面167且以更高入射角部分反射的光波)亦呈透明，因此一簡單的反射覆層無法輕易的施用於此表面。通常地，該通過入射角介於0°及15°之間，而該部分反射入射角介於40°及65°之間。此外，由於光線在該光導光學元件內部傳送時多次穿過該交界表面167，應忽略該覆層的吸收。因此，無法使用一簡單的金屬覆層，而必須使用具有高透明度的介電薄膜覆層(dielectric thin-film coating)。

第14圖繪示在明視區域中的三個代表性波長：470nm、550nm及630nm之下，做為該入射角之函數的S偏振(s-polarization)反射率曲線。如所繪示，對於S偏振光波，獲得所需之介於40及65的大入射角部分反射率(介於45%至55%)及小入射角低反射率(低於5%)的行為係屬可能。對於P偏振光波，由於鄰近極化角(Brewster angle，布魯斯特角)，在介於40及65的入射角不可能獲得實質的反射率。既然常使用在以光導光學元件為基礎之影像系統的偏振為S偏振，可極輕易的實施所需要的該分光件。然而，針對以低入射角照射於該交界表面且實質無偏振之來自外部畫面的光波而言，由於該分光覆層必須實質呈透明，該覆層對於P偏振光波應該亦具有小入射角低反射率(低於5%)。

該光導光學元件20由數個不同元件組合仍會造成難題。由於製造程序通常涉及黏固光學元件，且所需要的該角度敏感反射覆層僅於該光導光學元件20的本體完成後才佈設於該光導表面，因此不可能使用可能損傷該黏固區域的習知熱塗佈製程。新的薄膜技術及離子輔助塗佈 (ion-assisted coating)程序亦可用於冷製程。消除加熱部件的需求可使黏固部件被安全的佈設。另一選擇係使用習知的熱塗佈程序將所需覆層簡單的佈設於鄰接該光導光學元件20的透明基板120，然後將其黏固於適當位置。顯然地，此另一方法僅適用於該透明基板120並非太薄時，否則可能在該塗佈製程的過程中變形。

當設計如上述之分光機構時，有些議題應納入考量：

a.由於落入該光導光學元件內的光線不僅完全由該主表面26及27且亦由該內部部分反射交界平面167反射，因此所有的這三個平面將互相平行係屬重要，以以確保被耦合的光線將在該光導光學元件內部維持其原始的耦合進入方向。

b.如第13A及13B圖所示，該透明板120較該原始光導光學元件20薄。不像關於第7至10圖中的無塗覆板所予以考慮的(其中對於一致性最佳化而言，板120的厚度係為重要)，在此該覆板的厚度可依據其他考量做選擇。一方面，較厚的板較易於製造、佈設及黏固。另一方面，藉由較薄的板，對已給定的基材厚度而言，該光導光學元件20實際耦合射出該基材之光波的有效體積會較高。此外，在該板120及該光導光學元件20的厚度之間的比值可能影響該基材內的能量互換過程。

c.通常地，對於就全彩影像所設計的分光器而言，整個明視區域的該反射率曲線應該盡可能的一致，以便消彌色效應(chromatic effects)。然而，在本發明中所說明的結構中，由於各種光線在耦合出該光導光學元件20之前多次相交，此需求已不再必要。自然地，該分光覆層應該將該耦合影像的整個波長頻譜納入考量，但該部分反射曲線的色平坦度(chromatic flatness)可依據該系統的多個參數而容受。

d.該分光覆層的反射率-透射率比例不必須為50%-50%。可使用其他比率以便達到在該較暗及較亮光線之間所需要的能量交換。此外，如第15圖所示，可使用較簡單的分光覆層，其中該反射率係由40°入射角為35%漸增至65°入射角為60%。

e.新增至該光導光學元件之分光表面的數量並不僅限於一個。如第16圖所示，另一透明板208可黏固於該光導光學元件之上表面，其中一相似的分光覆層係佈設於該光導光學元件20及該上板208之間的交界平面210上，以形成具有二分光表面的一光學裝置。在此，該二不相等的光線212及214於該佈設的交界平面210之點215相交，並伴隨著與其他光線在點216及217處的其他交會。此係在該下分光交界平面167上的交會之外。因此，可預期該反射光線218及220的一致性將甚至較第13A及13B圖者佳。 自然地，具有二分光交界平面之光導光學元件的製造方法係較僅具有單一平面者複雜。因此，僅需要在非一致問題甚為嚴重的系統予以考慮。如前所述，所有的四個反射表面及平面26、27、167及210應該互相平行。

f.該透明板120不需要使用與該光導光學元件20相同的光學材料製造。此外，該光導光學元件可由矽酸材料製造，而為達眼部安全之目的，該透明層可由一聚合物材料製造。自然地，必須特加注意以確保該外部表面的光學品質並避免該透明板的形變。

g.至此均假設該透明板為全空的。然而，如第17圖所示，部分反射表面222a及222b可製造於該板120的內部，以便增加該光導光學元件的可用體積。這些表面應完全地平行於該出射表面22a及22b，並確實地朝向相同方向。

上述實施例的所有不同變數(例如該板120的厚度及光學材 料、該分光覆層的確切本質、該分光表面的數量及該光導光學元件內部之部分反射表面的位置)可具有很多不同的可能值。這些變數的確切數值係根據該光學系統的不同參數，以及光學品質與製造成本的特殊需求而決定。

至此，係假設該光波藉由相對於該主表面呈一傾斜角為方向且通常覆蓋一介電覆層的該部分反射表面，自該基材耦合射出。然而，如第18A圖所示，有系統使用繞射元件230及232分別耦合進入及耦合射出該基材。於前討論的相同一致性議題亦應該與本結構相關。如所繪示者，來自該顯示源之相同點的該二光線234及236係於該耦合進入元件230的二邊緣相遠離地耦合入該基材238。該光線係藉由該耦合射出元件232互相鄰近地耦合射出。因此，該光線之間的任何差異將於該耦合射出波中輕易地察覺。此外，為求獲得一致的耦合射出影像，該耦合射出元件232的繞射效應係逐漸增加。因此，來自相同點元的相異光線可能在耦合射出該元件之前通過該元件232的相異位置，且因此將在該影像中具有相異的亮度。該非均勻性的另一來源係可導因於該光線234在該格柵232之右邊緣240部分繞射出該基材，而光線236照射於恰位於該格柵之左方的該下表面而未於此繞射的事實。因此，對於該二鄰近光線234及236之所有該格柵232內的耦合射出位置，光線236將具有較高亮度，且此差異將易於察覺。

第18B圖係繪示解決這些議題的一相似方法。如所繪示者，一透明板242係黏固於該基材238的上表面244，其中該交界表面246係覆蓋相似於上述覆層的一分光覆層。

Claims (26)

1. 一種光學裝置，包含：一光傳送基材，係具有一輸入孔、一輸出孔、至少二主表面及邊緣；一光學元件，用於將光波以全內反射耦合進入該基材；至少一部分反射表面，係位於該光傳送基材的該二主表面之間，以便將光波部分反射出該基材；一第一透明板，具有至少二主表面，該透明板的該主表面之一係光學地貼附於該光傳送基材的一主表面以界定一交界平面；及一分光覆層，係佈設於該基材及該透明板之間的該交界平面，其中耦合於該光傳送基材內部的光波係由該交界平面部分反射並部分穿過該交界平面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中藉由該部分反射表面耦合出該基材的光波，係實質上無任何顯著反射率地穿過該交界表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光傳送基材的該主表面係與該第一透明板的該主表面平行。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該分光覆層在大入射角具有實質反射率，而在小入射角具有低反射率。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中該分光覆層在介於0°及15°之間的入射角具有低反射率，而在高於40°的入射角具有實質反射率。
6. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中該分光覆層在高於40°的入射角具有高於35%的反射率，而在低於15°的入射角為低於10%的反射率。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該分光覆層係佈設於該光傳送基材的一主表面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光學裝置，其中該分光覆層係使用冷塗佈製程佈設。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該分光塗層佈設於該第一透明板的表面之一。
10. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中該分光塗層的反射率在入射角高於40°及低於60°處係實質呈定值。
11. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中該分光塗層的反射率在入射角高於40°處係實質呈非定值。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光學裝置，其中該分光塗層的反射率在入射角高於40°處係以一函數增加。
13. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中，對於整個明視區域，該分光塗層的反射率在大入射角處係實質一致。
14. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該透明板較該光傳送基材薄。
15. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，另包含一第二透明板光學地貼附於該光傳送基材的另一主表面，以界定一第二交界平面。
16. 如申請專利範圍第15項所述之光學裝置，其中一分光覆層係佈設於該第二交界平面。
17. 如申請專利範圍第16項所述之光學裝置，其中該分光覆層在大入射角具有實質反射率，而在小入射角具有低反射率。
18. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光傳送基材及該透明板係以相同的光學材料製成。
19. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該光傳送基材及該透明板係以二種相異的光學材料製成。
20. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該透明板係以一矽酸材料 製成。
21. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中用於耦合光波進入該基材的該光學元件係為一繞射元件。
22. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中位於該光傳送基材之該二主表面之間的至少一部分反射表面係為一繞射元件。
23. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中位於該光傳送基材之該二主表面之間的至少一部分反射表面係相對於該主表面呈一傾斜角為方向。
24. 如申請專利範圍第23項所述之光學裝置，其中該至少一部分反射表面係覆蓋一介電覆層。
25. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，係包含位於該光傳送基材之該二主表面之間的數個部分反射表面，其中該部分反射表面係互相平行。
26. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中耦合於該基材內部的光波之亮度分布在該基材之輸出孔處係較該輸入孔處均勻。