TW201818117A - 繞射背光顯示器、頭戴式顯示器以及影像顯示方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種包括一光源以及一平面平板導光體的一繞射背光系統。平板導光體的表面具有用於將光從平板導光體中耦合出來並且聚集致空間的局部區域中的繞射格柵。繞射背光系統可以與至少一光閥陣列一起使用，藉此構成在空間的局部區域中產生供觀看的影像的顯示器。所述的顯示器可以被整合至頭戴式顯示器中，藉此產生為穿戴者產生聚焦的擴增實境影像或虛擬實境影像。

Description

繞射背光顯示器、頭戴式顯示器以及影像顯示方法
本發明係關於顯示器；特別是屬於一種繞射背光顯示器、頭戴式顯示器以及影像顯示的方法。
近年來，頭戴式顯示器(Head Mounted Display, HMD)的技術在虛擬實境與擴增實境的應用中越來越受歡迎。頭戴式顯示器是由使用者穿戴在頭上的顯示裝置，通常具有眼鏡、護目鏡、安全帽、遮陽帽等形式。顯示裝置可以為單一的小型電子顯示單元，並且當頭戴式顯示器由使用者穿戴在頭上時會位在使用者的一個眼睛的視野中，或者，顯示裝置可以被實施為兩個分開的小型電子顯示單元，且當使用者穿戴頭戴式顯示器時該些小型電子顯示單元係位在使用者的兩個眼睛的視野中。舉例來說，可以利用小型電漿顯示面板或液晶顯示器來實施該些小型電子顯示單元。也可以利用將顯示面板創造的影像聚焦的透鏡、準直反射器以及半透明鏡中的一種以上的元件來實施頭戴式顯示器中使用的小型顯示器。頭戴式顯示器可以使用一個顯示單元來創造擴增實境的觀看體驗，或者，可以採用兩個顯示單元來實施頭戴式顯示器，藉此創造虛擬實境的觀看體驗。
下文中的實施例係依據本發明的原理，提供了一種實施為繞射背光系統的繞射格柵式背光顯示器。繞射背光系統包括一光源以及一平板導光體。平板導光體的一表面具有一繞射格柵。根據本發明的某些實施例，繞射格柵可以具有複數個彎曲繞射結構特徵(例如，彎曲脊部以及彎曲凹槽)。由光源產生的光可以沿著一平板導光體邊緣被耦合進入平板導光體中。繞射格柵係用於將光從平板導光體中繞射耦合出來，並且將光聚集在與繞射格柵具有一距離的空間的局部區域中。舉例來說，繞射格柵可以將被耦合進入平板導光體的光的一部分耦合出來。第一光閥陣列，例如液晶顯示器，可以被設置在從繞射格柵輸出的光的路徑上，藉此構成將供觀看的影像聚集在空間的局部區域中的顯示器。在某些實施例中，顯示器可以包括設置在通過第一光閥陣列的光的路徑上的一第二光閥陣列，藉此在空間的局部區域中提供眼睛調視。在一實施例中，第二光閥陣列可以是平面光閥陣列。在另一實施例中，第二光閥陣列可以是由觀看者配戴的一像素化隱形眼鏡。頭戴式顯示器中可以使用其中一種或使用兩種的繞射格柵式背光顯示器，藉此為配戴者產生聚焦的擴增實境或虛擬實境影像。
圖1A顯示了形成在一平板導光體100的表面上的一繞射格柵102的繞射格柵圖案的平面圖。下文中使用了具有互相正交的x、y與z軸的笛卡爾座標系統來描述平板導光體100的不同方位。如圖1A所是，同心的黑白曲線，例如黑色的曲線104以及白色的曲線106，代表了彎曲繞射結構特徵。在某些實施例中，由曲線104、106代表的彎曲繞射結構特徵可以包括在平板導光體100的表面上之交替的彎曲脊部與凹槽。交替的彎曲脊部與凹槽可以具有或共享曲率的共同中心點110，如圖中所示，共同中心點110係位在與一邊緣108具有一距離的位置。據此，交替的彎曲脊部以及凹槽可以是代表同心彎曲繞射結構特徵的交替的同心彎曲脊部與凹槽。根據本發明的各個實施例，交替的脊部與凹槽或更為廣義的彎曲繞射結構特徵係形成繞射格柵102的繞射格柵圖案。
在某些實施例中，彎曲繞射結構特徵可以隨著雙曲形曲線設置或者由雙曲形曲線所定義(即，由雙曲線定義或者基於雙曲線設置)，因此具有「雙曲線形」的形狀。更具體來說，根據本發明的某些實施例，彎曲繞射結構特徵可以是同心的雙曲形彎曲繞射結構特徵(例如，同心雙曲形之交替的彎曲脊部與凹槽)。在其他的實施例中，形成繞射格柵102的彎曲繞射結構特徵或彎曲脊部與凹槽可以具有半圓形或同心半圓形的形狀(例如，具有半圓形，且曲率的共同中心點110係位在遠離邊緣108的位置)。在進一步的其他實施例中，也可以採用不是雙曲形或半圓形的另一彎曲形狀來定義彎曲繞射結構特徵的曲線。
圖1B顯示了平板導光體的放大的xz平面的剖視圖。在此視圖中，繞射格柵102包括了如脊部114的脊部，其係往z方向突出並且由如凹槽116的凹槽分隔開來。凹槽的寬度是被標示為wg ，而脊部的寬度是被標示為wr 。凹槽寬度wg 以及脊部寬度wr 的總和被稱為「結構特徵間隔」，並且在圖中被標示為L。如圖1A所示，凹槽與脊部的寬度沿著凹槽與脊部的長度大致為常數。每一對相鄰的凹槽與脊部係被稱為一個「繞射結構特徵」，且沿著繞射結構特徵的長度的結構特徵間隔L大致為常數。
圖1C顯示了以根據與共同中心點110之間的徑向距離之函數的結構特徵間隔的圖表。水平軸線118代表從共同中心點110延伸之沿著半徑與共同中心點110之間的徑向距離，如圖1A中的半徑120。垂直軸線122代表了結構特徵間隔L。曲線124~126代表了結構特徵間隔隨著與共同中心點110之間的距離增加而以不同方式的變化。曲線124代表了結構特徵間隔隨著與共同中心點110之間的距離增加而呈現的指數縮減。曲線125代表了結構特徵間隔隨著與共同中心點110之間的距離增加而在f中呈現的線性縮減。曲線126代表了結構特徵間隔隨著與共同中心點110之間的距離增加而呈現的雙曲線縮減。
在圖1B的範例中以及後續的圖式中，繞射結構特徵的剖視圖是由四邊形的凹槽與脊部所表示。在其他的實施例中，繞射格柵102的脊部與凹槽可以具有鋸齒狀、梯形或半球形的剖面形狀。舉例來說，繞射格柵102的繞射結構特徵可以包括具有梯形的剖面形狀的脊部。
平板導光體100可以是具有長形、大致為板片或平板狀的光學性透明的介電材料的平板光波導。平板導光體100可以包括多種不同的光學性透明材料中的任一種的材料，其中，該些材料包括各種的玻璃，例如，石英玻璃、鹼鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃，以及實質上為光學透明的塑膠或聚合物，例如，聚甲基丙烯酸甲酯或「丙烯酸玻璃」、聚碳酸脂，但其並不受限於此。在某些實施例中，平板導光體100在平板導光體100的一表面的至少一部分上可以具有一披覆層(未顯示於圖中)，藉此進一步促進完全內部反射。
可以根據任何一種不同的微加工技術來提供繞射格柵102，該些技術可以包括濕式蝕刻、離子銑銷、微影製程、各向異性蝕刻及電漿蝕刻，但其並不受限於此。舉例來說，如圖1B所示，可以利用離子銑銷將平板導光體100的繞射格柵102形成在介電材料的薄板中。在一實施例中，可以在介電材料的薄板的表面上沉積一層介電材料或一層金屬後，再對該沉積層進行蝕刻來形成繞射格柵102。
圖2A顯示的是由介電材料的薄板202形成的平板導光體的放大xz平面的剖視圖，其中，形成在薄板202的頂部表面上的繞射格柵的脊部204的材料(即，介電材料或金屬)與薄板202的材料不相同。在其他的實施例中，繞射格柵102可以被形成在平板導光體100的底部表面中。圖2B顯示了平板導光體100的放大xz平面的剖視圖，其中，繞射格柵102係形成在介電材料的薄板206的底部表面中。在此時施例中，材料的底層208係覆蓋繞射格柵102並且大致填滿脊部之間的凹槽。底層208可以是具有比薄板206更低的折射係數的金屬、反射材料或介電材料。圖2C顯示了平板導光體100的xz平面的剖視圖，其中，繞射格柵102係形成在介電材料的薄板210的底部表面中。在此實施例中，具有比薄板210更低的折射係數的介電材料或金屬係填滿如凹槽212的凹槽。反射層214係覆蓋平板導光體100的底部表面。
圖3A顯示了一繞射背光系統300的平面圖。繞射背光系統包括了一光源302以及平板導光體100。由光源302產生的光係沿著被稱為「入光邊緣」的邊緣108被耦合進入平板導光體100。光源302以及平板導光體100係形成一繞射背光系統。舉例來說，光源302可以是發光二極體(Light Emitting Diode, LED)、有機LED、聚合物LED、電漿式光發射器、日光燈或白熱燈等光源。由光源302輸出的光可以是白光(例如，幾乎包括可見光譜中的所有波長)，或具有在可見光譜的窄波段中的特定顏色。如圖3A所式，沿著入光邊緣108被耦合進入平板導光體100的光在平板導光體100中是往遠離入光邊緣108的方向在方向304上傳導。換言之，光是沿著入光邊緣108被耦合進入平板導光體100中，使得光在平板導光體100中係往繞射結構特徵的結構特徵間隔縮減的大方向傳導。
圖3B顯示了平板導光體100靠近入光邊緣108的xz平面的剖視圖。光是沿著入光邊緣108被耦合進入平板導光體100中，並且在平板導光體100中往結構特徵間隔縮減的大方向傳導。光是在一角度範圍中被耦合進入平板導光體100，其係由符號s表示並且被稱作「內部反射角發散」，且光會經歷完全內部反射並且被困在平板導光體100中。舉例來說，曲線306代表了內部反射角發散s，而方向箭頭308~310代表了在內部反射角發散s中輸入至平板導光體100中的光線路徑。在如頂部表面312與底部表面314之相對的頂部表面與底部表面的各個反射點處，光會以小於關鍵角度的角度與相對的表面接觸並且被困在平板導光體100中。然而，被困在平板光體100中的光的至少一部分會與繞射格柵102互動，例如，沿著光路徑316傳導的光。與繞射格柵102互動的光係作為第一級繞射光束被耦合出平板導光體100。舉例來說，零級以及更高級的繞射光束會受到抑制。舉例來說，光線318代表被以相對平板導光體100的法線方向320的一繞射角度θ 被耦合離開平板導光體100的第一級繞射光。
繞射格柵102的結構特徵間隔以及圖案係使得第一級繞射光被繞射耦合離開平板導光體，並且匯聚在空間中被稱為「視框」的大致局部的區域之中。圖4顯示了繞射背光系統300的立體圖，其中，光源302產生的光係被耦合進入平板導光體100中。繞射格柵102係使得在內部反射角發散s中輸入至平板導光體100的光的至少一部分，從金字塔形或錐形的光傳輸區域404被繞射耦合離開導光體100並且匯聚進入視框406中。方向箭頭401~403代表從繞射格柵102的不同點在光傳輸區域404中被繞射耦合離開平板導光體100並且進入視框406的第一級繞射光。光於與視框406具有一距離並且遠離平板導光體100的地方發散。
圖5顯示了從平板導光體100中輸出並且進入位在視框406中的觀看者的眼睛502中的光的xz平面的側視圖。視框406的大約寬度可以由視框406與平板導光體100之間的距離f 以及內部反射角發散s的乘積得出。 視框寬度=f x s 在圖5中，繞射結構特徵之朝向遠離入光邊緣108的方向縮減的結構特徵間隔以及內部反射角發散s，將從繞射格柵102耦合出來的光聚集並使其進入位在與平板導光體100具有一距離f 的視框406中。作為結果，當觀看者的眼睛位在視框406忠實，從平板導光體100耦合出來的光場的一部分可以被聚集在觀看者的眼睛502的視網膜上。
應當提及的是，繞射格柵102耦合出來的光係有效地被侷限在光傳輸區域404以及視框406中。因此，當觀看者的眼睛502位在視框406外時或位在光傳輸區域404外時，從繞射格柵102輸出的光部會進入觀看者的眼睛502中，且繞射格柵102看起來會是黑色的。
繞射背光系統300可以與一平面光閥陣列結合，藉此形成當觀看者的眼睛位在視框406中時能夠將影像投射到觀看者的眼睛的視網膜上的顯示器。圖6顯示了包括平板導光體100、平面光閥陣列602以及光源302的顯示器600的立體圖。光閥陣列602的位置係大致平行於平板導光體100(即，位於xy平面中)並且與光傳輸區域404交錯，藉此讓從繞射格柵102耦合出來的光通過光閥陣列602並且聚集在視框406中。
圖7顯示了顯示器600的xz平面的側視圖，其中光閥陣列602係位在與視框406具有一距離d 的位置。如圖7所示，光閥陣列602的方位係大致與平板導光體100平行，藉此與光傳輸區域404交錯。光閥陣列602包括分開操作的光閥的陣列，例如光閥702。光閥陣列602可以由液晶光閥的陣列所形成，且每一個光閥可以獨立作為調變通過光閥的光的量的像素運作。光閥702可以在透明與不透明之間切換，藉此控制通過光閥702的光的量。光閥可以是彩色光閥，例如紅色、綠色以及藍色的光閥，藉以創造全彩的影像。可以對通過光閥陣列602的每一個光閥的光進行選擇性調變，藉此創造在視框406中觀看的全彩或黑白的影像。
圖8顯示了用於提供眼睛調視的近眼繞射格柵式背光顯示器800。近眼繞射格柵式背光顯示器800係大致相似於近眼繞射格柵式背光顯示器700，但顯示器800具有方位大致與平板導光體100平行且位置介於第一光閥陣列702以及視框406之間的第二平面光閥陣列802。在圖8中，第二光閥陣列802位在與視框406具有一距離d1 的位置，而第一光閥陣列602位在與視框406具有一距離d2 並且介於第二光閥陣列802以及平板導光體100之間的位置。光會通過第一光閥陣列602中的光閥以及第二光閥陣列802中的光閥。可以對第一光閥陣列602以及第二光閥陣列802進行操作以提供眼睛調視。舉例來說，可以以相乘的方式操作第一光閥陣列602以及第二光閥陣列802(例如，實施因式分解的光場合成)，藉此取得能夠促進眼睛調視的影像。舉例來說，觀看者的眼睛會聚焦在由第一光閥陣列602以及第二光閥陣列802根據兩個光閥陣列602、802的傳輸特質的相乘所創造出來的虛擬景深創造的影像上。
圖9顯示了提供眼睛調視的一近眼繞射格柵式背光顯示器900。近眼繞射格柵式背光顯示器900的第二光閥陣列是以設置在觀看者的眼睛502上的像素化隱形眼鏡902運作。像素化隱形眼鏡902包括複數個獨立操作的像素，當觀看者的眼睛位在視框中時該些向素係用於控制進入觀看者的眼睛的光的量。舉例來說，像素化隱形眼鏡902可以在每個瞳孔區域中包括2-9光閥陣列(即，像素)，並且可以在其餘的光閥「關閉」(即，不透明)時，透過一次僅「開啟」(即，透明)一個光閥來進行操作。舉例來說，像素化隱形眼鏡902可以是具有可獨立控制的光閥的仿生透鏡。像素化隱形眼鏡902可以包括液晶光閥，其可以調變通過像素化隱形眼鏡902並且進入觀看者的眼睛502的光的量。在第一光閥陣列602以及像素化隱形眼鏡902中的光閥可以被獨立調變以控制進入觀看者的光的方向，藉此達到眼睛調視。舉例來說，藉由一次僅「開啟」一個光閥，可以改變進入觀看者的眼睛的光的方向，藉此使得第一光閥陣列702顯示的不同影像可以從不同方向進入觀看者的眼睛，因而觸發觀看者的眼睛502的聚焦反映，創造不同影像中顯示的物體位在距離觀看者不同距離處的效果。觀看者的眼睛的調視反應時間大約為0.3秒，舉例來說，此反應時間會降低需要用於支持調視反應的第一光閥陣列602的有效刷新率。
在其他的實施例中，平板導光體可以包括複數個繞射格柵區段，該些區段係對應於繞射格柵102的不同區域並且由未圖案化的間隔分隔開來。舉例來說，該些繞射格柵區段可以是二維的繞射格柵區段。雖然繞射格柵區段係對應於繞射格柵102的不同區域並且由未圖案化的間隔分隔開來，但繞射格柵區段結合起來會以與繞射格柵102相同的方式將光耦合出來並且將光聚集。
圖10A~圖10C顯示了包括對應於繞射格柵102的不同區域的繞射格柵區段的平板導光體。圖10A中顯示了大致相似於上文中所描述的平板導光體100的平板導光體1002，但平板導光體1002包括了五個繞射格柵區段1004~1008，且該些繞射格柵區段1004~1008係對應於由一維方向上之未圖案化的間隔1010~1013分隔開來的繞射格柵102的不同區域。圖10B顯示了大致相似於上文中所描述的平板導光體100之平板導光體1020，但如繞射格柵區段1022的繞射格柵區段是由未圖案化的間隔在兩個二維方向上分隔開來(即，繞射格柵區段是二維的)。繞射格柵區段的繞射格柵圖案也對應於繞射格柵102的不同區域。在其他實施例中，繞射格柵區段可以包括直線狀的結構特徵。圖10C顯示了大致相似於上文中所描述的平板導光體1020的平板導光體1024，但平板導光體1024包括了由直線狀的結構特徵所形成的二十五個繞射格柵區段，如繞射格柵區段1026。因為表面面積由繞射格柵區段之間的間隔所佔據，平板導光體1002、1020以及1024比平板導光體100耦合出的光更少。
應提及的是，由對應於繞射格柵102的不同區域之繞射格柵區段所形成的平板導光體，並不受限於如圖10A~圖10C所顯示的四邊形的繞射格柵區段。在其他的實施例中，平板導光體可以被配置為圓形、橢圓形、三角形或不規則形狀之對應於繞射格柵102的不同區域並且由未圖案化的間隔所分離開來的繞射格柵區段。
具有對應於繞射格柵102的不同區域的繞射格柵區段的平板導光體將光聚集至空間中的局部區域的方式，與上文中針對圖5及圖6所描述的平板導光體100的方式相同。圖11顯示了具有繞射格柵區段1104~1108之平板導光體1102的xz平面的側視圖，其中，繞射格柵區段1104~1108係用於將光聚集至與平板導光體1102具有一距離f 的視框1110中。光係在內部反射角發散s中沿著入光邊緣1112進入平板導光體1102。一部分的光係從繞射格柵區段1104~1108被耦合出來並且聚集進入視框1110中。因為光部會從未圖案化的間隔1116~1119被耦合出來，因此聚集在視框1110的光會比平板導光體100創造之聚集在視框406的光更少。舉例來說，由繞射格柵區段1104~1108的光的聚集以及缺乏透過未圖案化的間隔1116~1119被耦合出來的光之兩個原因的結合，係產生光傳輸區域1114(由虛線繪出的輪廓)的原因。在某些實施例中，平板導光體1102可以由上文中所描述的近眼繞射背光系統300中的平板導光體100所替代，藉此形成局部的近眼繞射背光系統。
圖12顯示了在空間的局部區域中顯示影像的方法的流程圖。在方塊1201中，係以上文中參照圖3A與圖3B描述的方式將光耦合進入平板導光體中。如上文中針對圖1A~1C以及圖10A~10C所描述的內容所述，平板導光體具有二維的繞射格柵。在方塊1202中，平板導光體中傳導的光的一部分係透過繞射格柵被繞射耦合出平板導光體，並且被聚集在稱為「視框」的空間的局部區域中，如上文中針對圖4與圖5的說明所述。在方塊1203中，利用一個以上的光閥陣列對耦合出的光的部分進行調變，藉此在視框中形成可觀看的影像，如上文中針對圖6~圖9的說明所述。當觀看者的眼睛未在視框中時，聚集在觀看者的視網膜上的影像使得觀看者可以看見影像。
上文中所描述的顯示器中的任一種都可以被包含在頭戴式顯示器(HMD)中，以顯示虛擬實境影像或擴增實境影像。圖13顯示了利用HMD 1300來顯示擴增實境影像的範例。HMD 1300包括了一框架1302、一顯示器1304以及一顯示器控制部1306。顯示器1304包括了平板導光體1308以及光閥陣列1310。平板導光體1308可以為透明的，如上文中針對圖1B所描述的平板導光體100。平板導光體1308以及光閥陣列1310係與顯示器控制部1306連接，且顯示器控制部1306包括將光沿著入光邊緣1312耦合進入平板導光體1308的光源(未顯示於圖中)，如上文中針對圖3A~圖3B的說明所述，藉此構成顯示器1304的繞射背光系統。光閥陣列1310係連接於顯示器控制部1306。顯示器控制部1306會送出調變光閥陣列1310之光閥的訊號。如圖13所示，顯示器1304以及顯示器控制部1306係懸掛於框架1302上，使得顯示器1304係位在穿戴HMD 1300的人員的右眼的視野中。顯示器控制部1306可以包括將顯示器控制部1306無線連接至播送裝置的無線通訊單元，播送裝置是可以傳輸訊號至無線通訊單元的裝置，例如行動電話。顯示器控制部1306係透過將光閥陣列1310上顯示的影像聚集在穿到HMD 1300的人員的右眼中來創造擴增實境的觀看體驗。舉例來說，顯示器1304可以藉由顯示打電話至穿戴HMD 1300之人員的行動電話的電話號碼來創造擴增實境的觀看體驗。由於平板導光體1308為透明的，當穿戴HMD 1300的人員沒有聚焦在顯示器1304顯示的影像時，該人員仍然可以觀看其周遭的環境。
圖14顯示了具有護目鏡形式之用於顯示虛擬實境影像的HMD 1400的範例。HMD 1400包括一眼睛保護蓋1402以及一條帶1404。眼睛保護蓋1402係覆蓋了穿戴HMD 1400之人員的兩個眼睛，而條帶1404可以將眼睛保護蓋1402固定在人員的頭上。眼睛保護蓋1402包括了一左眼顯示器1406、一右眼顯示器1408以及可以位於眼睛保護蓋1402中的顯示器控制部(未顯示於圖中)。顯示器1406與顯示器1408分別包括一平板導光體，如平板導光體1410，並且包括一光閥陣列1412。平板導光體可以被配置為上文中針對圖1B以及圖2A~圖2C所描述的結構。平板導光體以及光閥陣列係連接於顯示器控制部，且顯示器控制部包括將光耦合進入平板導光體的入光邊緣的至少一光源(未顯示於圖中)，如上文中針對圖3A~圖3B的說明所述，藉此分別為顯示器1408以及顯示器1406形成繞射背光系統。顯示器的光閥陣列也連接於顯示器控制部，並且接收調變光閥陣列的光閥的控制訊號。如圖14所示，顯示器1406以及顯示器1408係整個位於眼睛包護蓋1402之中，並且位在穿戴HMD 1400之人員的兩個眼睛的視野之中。顯示器控制部可以透過在顯示器1406以及顯示器1408的光閥陣列中產生影像，並且透過顯示器1406以及顯示器1408的平板導光體將影像聚集在穿戴HMD 1400的人員的兩個眼睛中，來創造二維以及三維的虛擬實境觀看體驗。在其他的實施例中，左眼顯示器1406以及右眼顯示器1408分別可以包括一第二光閥陣列，如上文中針對圖8的說明所述，藉此創造具有眼睛調視效果的觀看體驗。在其他的實施例中，穿戴HMD 1400的人員可以配戴一仿生隱形眼鏡，如上文中針對圖9的說明所述，藉此創在具有眼睛調視效果的觀看體驗。
應當了解的是，上文中針對本發明實施例的說明意在讓本領域中具有通常知識者能夠使用或是將本發明據以實施。對於本領域中具有通常知識者來說，可以對實施例的內容做出各種改良，並且可以在不脫離本發明的範疇或精神的條件下將本說明書所定義的通用原則應用到其他的實施例中。因此，本發明的範疇不應受到說明書中的實施例所限制，而應符合與本發明的原則一致以及本說明書中所揭露的新穎特徵的最廣範圍。
100‧‧‧平板導光體
102‧‧‧繞射格柵
104‧‧‧曲線
106‧‧‧曲線
108‧‧‧邊緣/入光邊緣
110‧‧‧共同中心點
114‧‧‧脊部
116‧‧‧凹槽
118‧‧‧水平軸線
120‧‧‧半徑
122‧‧‧垂直軸線
124‧‧‧曲線
125‧‧‧曲線
126‧‧‧曲線
202‧‧‧薄板
204‧‧‧脊部
206‧‧‧薄板
208‧‧‧底層
210‧‧‧薄板
212‧‧‧凹槽
214‧‧‧反射層
300‧‧‧繞射背光系統
302‧‧‧光源
304‧‧‧方向
306‧‧‧曲線
308‧‧‧方向箭頭
309‧‧‧方向箭頭
310‧‧‧方向箭頭
312‧‧‧頂部表面
314‧‧‧底部表面
316‧‧‧光路徑
318‧‧‧光線
320‧‧‧法線方向
404‧‧‧光傳輸區域
406‧‧‧視框
502‧‧‧眼睛
600‧‧‧顯示器
602‧‧‧平面光閥陣列/光閥陣列/第一光閥陣列
700‧‧‧近眼繞射格柵式背光顯示器
702‧‧‧光閥
800‧‧‧顯示器/近眼繞射格柵式背光顯示器
802‧‧‧第二平面光閥陣列/第二光閥陣列/光閥陣列
900‧‧‧顯示器/近眼繞射格柵式背光顯示器
902‧‧‧像素化隱形眼鏡
1002‧‧‧平板導光體
1004~1008‧‧‧繞射格柵區段
1010~1013‧‧‧未圖案化的間隔
1020‧‧‧平板導光體
1022‧‧‧繞射格柵區段
1024‧‧‧平板導光體
1026‧‧‧繞射格柵區段
1102‧‧‧平板導光體
1104~1108‧‧‧繞射格柵區段
1110‧‧‧視框
1112‧‧‧入光邊緣
1114‧‧‧光傳輸區域
1116~1119‧‧‧未圖案化的間隔
1201‧‧‧方塊
1202‧‧‧方塊
1203‧‧‧方塊
1300‧‧‧HMD
1302‧‧‧框架
1304‧‧‧顯示器
1306‧‧‧顯示器控制部
1308‧‧‧平板導光體
1310‧‧‧光閥陣列
1312‧‧‧入光邊緣
1400‧‧‧HMD
1402‧‧‧眼睛保護蓋
1404‧‧‧條帶
1406‧‧‧左眼顯示器/顯示器
1408‧‧‧右眼顯示器/顯示器
1410‧‧‧平板導光體
1412‧‧‧光閥陣列
wg ‧‧‧凹槽寬度
wr ‧‧‧脊部寬度
d‧‧‧距離
f‧‧‧距離
L‧‧‧結構特徵間隔
s‧‧‧內部反射角發散
θ‧‧‧繞射角度
按照此說明書中所描述的原理之各種示例性特徵，在參考附圖並結合下面的詳細描述下可以被更容易地理解，其中，相似的標號表示相似的結構元件，且該些附圖包括： 圖1A顯示了具有一繞射格柵的一平板導光體的平面圖； 圖1B顯示了一繞射格柵的放大剖視圖； 圖1C顯示了作為距離函數的繞射結構特徵間隔的範例的圖表； 圖2A~圖2C顯示了不同結構的繞射格柵的剖視圖； 圖3A顯示了繞射背光系統的平面圖； 圖3B顯示了靠近入光邊緣的平板導光體的剖視圖； 圖4顯示了繞射背光系統的立體圖； 圖5顯示了將光聚集進入空間的局部區域中的平板導光體的側視圖； 圖6顯示了一顯示器的立體圖； 圖7顯示了顯示器的側視圖； 圖8~圖9顯示了兩種不同的顯示器的側視圖； 圖10A~圖10C顯示了不同結構的平板導光體的平面圖； 圖11顯示了繞射背光系統的側視圖； 圖12顯示了在空間的局部區域中顯示影像的方法的流程圖； 圖13顯示了用於顯示擴增實境影像的頭戴式裝置；以及 圖14顯示了用於顯示虛擬實境影像的頭戴式裝置。
某些特定的例子可能會具有其他相較於上述圖式中的特徵而言相同、額外或者可以將之取代的特徵。在下文中將參照圖式針對這些特徵以及其他的特徵進行詳細說明。

Claims (20)

  1. 一種顯示器，包括 一平板導光體，具有位於該平板導光體的一表面的一繞射格柵，該繞射格柵具有複數個彎曲繞射結構特徵，用於將光從該平板導光體繞射耦合出來並且將光聚集進入一視框之中；以及 一第一平面光閥陣列，以大致與該平板導光體平行的方位設置，且其位置係使得從該平板導光體耦合出的光會通過該第一平面光閥陣列並且在該視框中形成一影像。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中，該等彎曲繞射結構特徵係包括享有一個共同的中心點的交替的同心彎曲脊部與凹槽，該中心點係位在與該平板導光體的一邊緣具有一距離的位置。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中，該等彎曲繞射結構特徵具有一雙曲形曲線。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的顯示器，其中，該等彎曲繞射結構特徵包括同心的雙曲形曲線的繞射結構特徵。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，進一步包括用於提供光的一光源，所提供的光係沿著一邊緣被耦合進入該平板導光體。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中，該等彎曲繞射結構特徵的一結構特徵間隔係隨著與該平板導光體的一邊緣之間的距離增加而縮減，其中，該邊緣指的是光沿著該邊緣被耦合進入該平板導光體的該邊緣。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中，該繞射格柵使得被困在該平板導光體中的光將第一級繞射光繞射並且耦合離開該平板導光體，並且將第一級繞射光聚集在該視框中。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，進一步包括一第二平面光閥陣列，該第二平面光閥陣列係以大致與該平板導光體平行的方位設置，且其位置係使得從該第一平面光閥陣列出現的光會通過該第二平面光閥陣列。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，進一步包括供觀看者在眼睛中配戴的一像素化隱形眼鏡，該像素化隱形眼鏡具有當使用者的眼睛位於該視框中時，控制進入觀看者的眼睛的光線量的複數個單獨操作像素。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的顯示器，其中，該繞射格柵進一步包括複數個二維繞射格柵區段，該等二維繞射格柵區段係用於將光聚集進入該視框中。
  11. 一種顯示影像的方法，該方法包括以下步驟： 將光耦合進入一平板導光體，光是由一光源所產生； 通過位在該平板導光體的一表面的一繞射格柵將光從該平板導光體中繞射耦合出來，該繞射格柵將耦合出的部分聚集進入一視框中；以及 利用一第一平面光閥陣列調變耦合出的部分以在該視框中形成可觀看的影像，其中，該第一平面光閥陣列係以大致與該平板導光體平行的方位設置。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該繞射格柵包括複數個彎曲繞射結構特徵，該等彎曲繞射結構特徵具有隨著與該平板導光體的一邊緣之間的距離增加而縮減的一繞射結構特徵間隔，其中，該邊緣指的是光沿著該邊緣被耦合進入該平板導光體的該邊緣。
  13. 一頭戴式顯示器，包括： 一平板導光體，具有一繞射格柵，該繞射格柵係用於將輸入至該平板導光體的光的一部分繞射地聚集進入一視框中； 一第一平面光閥陣列，以大致與該平板導光體平行的方位設置，且其位置係使得從該平板導光體中耦合出來的光會通過該第一平面光閥陣列；以及 一顯示器控制部，連接於該第一平面光閥陣列，該顯示器控制部係操作該第一平面光閥陣列以在該視框中形成一影像。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示器，其中，該繞射格柵包括位在該平板導光體的一表面的複數個彎曲繞射結構特徵。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的頭戴式顯示器，其中，該等彎曲繞射結構特徵是同心雙曲形的彎曲繞射結構特徵。
  16. 根據申請專利範圍第14項所述的頭戴式顯示器，其中，該等彎曲繞射結構特徵係包括享有一個共同的中心點的交替的同心彎曲脊部與凹槽，該中心點係位在與光輸入該平板導光體的一邊緣具有一距離的位置。
  17. 根據申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示器，其中，該繞射格柵係包括複數個彎曲繞射結構特徵，該等彎曲繞射結構特徵的一結構特徵間隔係隨著與該平板導光體的一邊緣之間的距離增加而縮減，其中，該邊緣指的是光從一光源沿著該邊緣被耦合進入該平板導光體的該邊緣。
  18. 根據申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示器，其中，該繞射格柵使得被困在該平板導光體中的光將第一級繞射光繞射並且耦合離開該平板導光體，並且將第一級繞射光聚集在該視框中。
  19. 根據申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示器，進一步包括一第二平面光閥陣列，該第二平面光閥陣列係以大致與該平板導光體平行的方位設置，且其位置係使得從該第一平面光閥陣列出現的光會通過該第二平面光閥陣列。
  20. 根據申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示器，進一步包括供觀看者在眼睛中配戴的一像素化隱形眼鏡，該像素化隱形眼鏡具有當使用者的眼睛位於該視框中時，控制進入觀看者的眼睛的光線量的複數個單獨操作像素。
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