TW201939103A - 頭戴式顯示裝置及光學系統 - Google Patents

Abstract

一種光學系統，包括第一光學波導元件及第二光學波導元件。第一光學波導元件包括第一光入射表面、第一光出射表面及第一分光鏡。從顯示器發射的影像光經由第一光入射表面入射至第一光學波導元件。第二光學波導元件包括第二光入射表面、第二光出射表面及第二分光鏡。第二光入射表面面對第一光出射表面。第二光入射表面與第一光出射表面之間具有一間隙。此外，還提供一種使用上述光學系統的頭戴式顯示器。

Description

頭戴式顯示裝置及光學系統

本發明是有關於一種顯示裝置及光學系統，且特別是有關於一種頭戴式顯示裝置及光學系統。

近眼顯示器（Near-eye display，NED）及頭戴式顯示器（head-mounted display，HMD）均是具有巨大發展潛力的下一代極具吸引力的產品。近眼顯示器技術的相關應用包括擴增實境（augmented reality，AR）技術及虛擬實境（virtual reality，VR）技術。就擴增實境技術來說，相關技術中的業者致力於在纖薄體積的前提下提供最佳影像品質。

在用於實作擴增實境技術的頭戴式顯示器的傳統光學鏡頭模組中，在顯示裝置發射影像光之後，影像光經由光學鏡頭模組傳遞而入射至使用者的眼睛。當影像光束及外部環境光束同時入射至使用者的眼睛時，會實現擴增實境顯示效果。然而，頭戴式顯示器的傳統光學鏡頭模組難免會出現在使用者的眼睛的視角中，且傳統光學鏡頭模組還會佔用某一體積。因此，頭戴式顯示器所實際顯示的影像的視場（field of view，FOV）極大地受限。為了實現更寬的視場，一個光學波導元件內的分光鏡陣列是用於實作擴增實境顯示效果的近眼顯示器/頭戴式顯示器的光學結構中的一種，其是用於平衡更寬的視場、全彩影像（full-color image）、及輕薄體積這些因素的另一選擇。此結構的光學波導元件具有能夠在一個方向上擴展影像光的多個分光鏡，以將投影裝置的影像光引導至使用者的眼睛。然而，由於分光鏡可僅在一個方向上擴展影像光，因而需要通過添加雙錐鏡頭（biconic lens）來擴展影像光，才能使兩個方向上的影像光被引導至使用者的眼睛內。此外，雙錐鏡頭非常難以製作，且當在頭戴式顯示器中使用雙錐鏡頭時難以控制成像品質。因此，使用至少一個雙錐鏡頭的頭戴式顯示器的製作難度及成本極高。

本“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明涉及一種頭戴式顯示（HMD）裝置，且頭戴式顯示裝置具有小體積、輕重量、及更大的視場。此外，包括波導結構的頭戴式顯示器的製作難度相對低，且包括波導結構的頭戴式顯示器的成本也相對低。

本發明涉及一種光學系統，當光學系統被施加至頭戴式顯示裝置時，頭戴式顯示裝置具有更小的體積、更輕的重量、及更大的視場。此外，頭戴式顯示裝置的製作難度及成本與傳統頭戴式顯示器相比相對低。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的瞭解。

為了實現上述目標中的至少一者，本發明的實施例提供一種適於接收影像光的光學系統。光學系統包括第一光學波導元件及第二光學波導元件。第一光學波導元件包括第一光入射表面、第一光出射表面、及第一分光鏡。影像光經由該第一光入射表面入射至該第一光學波導元件。第一光出射表面連接至該第一光入射表面，且該第一光入射表面與第一光出射表面之間的角度小於90度。該第一分光鏡設置於第一光學波導元件中。第二光學波導元件設置於第一光學波導元件旁邊，且第二光學波導元件包括第二光入射表面、第二光出射表面、及第二分光鏡。第二光入射表面面對該第一光出射表面。第二光出射表面連接至該第二光入射表面，且第二光入射表面與第二光出射表面之間的角度小於90度。第二分光鏡設置於第二光學波導元件中。第二光入射表面與第一光出射表面之間具有一間隙。

為了實現上述目標中的至少一者，本發明的實施例提供一種頭戴式顯示（HMD）裝置，該頭戴式顯示裝置包括顯示器、第一光學波導元件、及第二光學波導元件。該顯示器用於發射影像光。該第一光學波導元件包括第一光入射表面、第一光出射表面、及第一分光鏡。該影像光經由該第一光入射表面入射至該第一光學波導元件。該第一光出射表面連接至該第一光入射表面，且該第一光入射表面與該第一光出射表面之間的角度小於90度。該第一分光鏡設置於該第一光學波導元件中。該第二光學波導元件設置於該第一光學波導元件旁邊，且該第二光學波導元件包括第二光入射表面、第二光出射表面、及第二分光鏡。該第二光入射表面面對該第一光出射表面。該第二光出射表面連接至該第二光入射表面，且該第二光入射表面與該第二光出射表面之間的角度小於90度。該第二分光鏡設置於該第二光學波導元件中。該第二光入射表面與該第一光出射表面之間具有間隙。

基於以上內容，本發明的各實施例具有以下優點或效果中的至少一者。在本發明實施例的頭戴式顯示（HMD）裝置及光學系統中，第一光學波導元件中設置有第一分光鏡，且第二光學波導元件中設置有第二分光鏡。此外，第二光學波導元件的第二光入射表面面對第一光學波導元件的第一光出射表面，且第二光入射表面與第一光出射表面之間具有間隙。因此，當該光學系統被施加至頭戴式顯示裝置時，無需通過設置額外的雙錐鏡頭來擴展頭戴式顯示裝置的影像光。影像光可通過第一光學波導元件及第二光學波導元件而在兩個不同的方向上擴展，以使得可將兩個方向上的影像光引導至使用者的眼睛。因此，頭戴式顯示裝置具有更小的體積、更輕的重量、及更大的視場。此外，頭戴式顯示裝置的製作更容易。並且頭戴式顯示裝置的成本與傳統頭戴式顯示器相比相對低。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1A是本發明實施例中的頭戴式顯示（HMD）裝置的示意性透視圖。參照圖1A，在本實施例中，頭戴式顯示裝置100包括顯示器D及光學系統OS。光學系統OS包括第一光學波導元件110及第二光學波導元件120，且第二光學波導元件120設置於第一光學波導元件110旁邊。第一光學波導元件110包括設置於其中的多個第一分光鏡112，且第一分光鏡112彼此平行且間隔地排列（即，兩個相鄰的第一分光鏡112之間具有間隔）。第二光學波導元件120包括設置於其中的多個第二分光鏡122，且第二分光鏡122彼此平行且間隔地排列（即，兩個相鄰的第二分光鏡122之間具有間隔）。另一方面，第一光學波導元件110包括第一光入射表面ES1。顯示器D用於發射影像光IL，且影像光IL經由第一光入射表面ES1入射至第一光學波導元件110。具體來說，顯示器D包括光學鏡頭OL，且影像光IL在通過光學鏡頭OL之後經由第一光入射表面ES1入射至第一光學波導元件110。在本實施例中，頭戴式顯示裝置100例如位於由第一軸線X、第二軸線Y、及第三軸線Z構成的坐標系中，其中第一軸線X的方向平行於第二分光鏡122的排列方向，且第二軸線Y的方向平行於第一分光鏡112的排列方向。此外，第一軸線X的方向垂直於第二軸線Y的方向，且第三軸線Z的方向垂直於第一軸線X的方向及第二軸線Y的方向。

圖1B是本發明另一實施例中的頭戴式顯示（HMD）裝置的示意性透視圖。參照圖1B，在本實施例中，頭戴式顯示裝置100’相似於圖1A中的前述頭戴式顯示裝置100，且在本文中不再對其細節予以贅述。頭戴式顯示裝置100與頭戴式顯示裝置100’之間的不同在於第一光學波導元件110包括設置於其中的僅一個第一分光鏡112且第二光學波導元件120包括設置於其中的僅一個第二分光鏡122。因此，頭戴式顯示裝置100’可降低第一分光鏡112及第二分光鏡122的製作難度並依舊保持成像品質。

圖2是說明圖1A所示實施例中的頭戴式顯示裝置的示意性俯視圖。此觀察方向垂直于頭戴式顯示裝置100的第二光學波導元件120的第二光出射表面ExS2。參照圖2，在本實施例中，第一光學波導元件110更包括第一光出射表面ExS1，且第一光出射表面ExS1連接至第一光入射表面ES1。此外，第二光學波導元件120包括第二光入射表面ES2及第二光出射表面ExS2。第二光入射表面ES2面對第一光出射表面ExS1，且第二光出射表面ExS2連接至第二光入射表面ES2。具體來說，入射至第一光學波導元件110的影像光IL由第一分光鏡112反射以經由第一光出射表面ExS1離開第一光學波導元件110。接著，離開第一光學波導元件110的影像光IL經由間隙G（更具體地示出於圖4中）及第二光入射表面ES2入射至第二光學波導元件120。影像光IL接著由第二分光鏡122反射以經由第二光出射表面ExS2離開第二光學波導元件120。具體來說，影像光IL藉由全反射以傳遞於第一光學波導元件110及第二光學波導元件120中。

圖3是說明在圖1A所示實施例中在第一光學波導元件中傳遞的影像光的光路徑的示意圖，且圖4是說明在圖1A所示實施例中自第二光學波導元件傳遞至光瞳的影像光的光路徑的示意圖。參照圖3，在本實施例中，第一光學波導元件110更包括連接至第一光入射表面ES1的第一側表面S1，且第一側表面S1平行於第一光出射表面ExS1。第一分光鏡112設置於第一側表面S1與第一光出射表面ExS1之間，且第一分光鏡112不平行於第一側表面S1且不平行於第一光入射表面ES1。此外，參照圖4，第二光學波導元件120的第二光入射表面ES2面對第一光學波導元件110的第一光出射表面ExS1，且第二光入射表面ES2與第一光出射表面ExS1之間具有間隙G（更具體地示出於圖4中）。具體來說，第一光出射表面ExS1平行於第二光入射表面ES2，且第二光入射表面ES2與第一光出射表面ExS1之間的間隙G的寬度介於2微米至200微米範圍內，優選地例如處於12微米與175微米之間。然而，在其他實施例中，間隙G的寬度也可介於其他值之間的範圍內，例如介於25微米與100微米之間的範圍，其中本發明並非僅限於此。此外，第一光學波導元件110及第二光學波導元件120例如通過例如電阻型或電容型等光學透明黏合劑（optical clear adhesive，OCA）而黏合於一起，本發明並非僅限於此。舉例來說，光學透明黏合劑將第一光出射表面ExS1與第二光入射表面ES2黏合以固定第一光學波導元件110及第二光學波導元件120。具體來說，光學透明黏合劑被例如塗布至接近第一光出射表面ExS1的邊緣及第二光入射表面ES2的邊緣的位置，或者塗布至第一光出射表面ExS1的隅角及第二光入射表面ES2的隅角以形成間隙G。另一方面，第一光學波導元件110與第二光學波導元件120的相對位置可通過其他固定件來固定，以使得在第一光出射表面ExS1與第二光入射表面ES2之間形成間隙G，本發明並非僅限於此。間隙G例如被填充空氣。然而，在某些實施例中，間隙G也可被填充透明材料，例如折射率靠近空氣且與第一光學波導元件110及第二光學波導元件120的折射率相比相對低的透明材料，本發明並非僅限於此。

重新參照圖3，在本實施例中，第一光學波導元件110包括第一本體部分114及第一楔形部分116。第一楔形部分116黏合至第一本體部分114。然而，第一本體部分114與第一楔形部分116也可為一體成型，本發明並非僅限於此。第一分光鏡112設置於第一本體部分114中。第一楔形部分116的第一光入射表面ES1遠離第一本體部分114，且第一本體部分114與第一楔形部分116一同形成第一光出射表面ExS1。此外，第一光入射表面ES1與第一光出射表面ExS1之間的角度θ_a 小於90度。影像光IL中的大多數經由第一光入射表面ES1入射至第一光學波導元件110內，且接著影像光IL通過第一側表面S1與第一光出射表面ExS1之間的全內反射（total internal reflection）而傳遞至第一分光鏡112。具體來說，影像光IL中的大多數入射至第一光學波導元件110內，入射至第一側表面S1及第一光出射表面ExS1的影像光IL的入射角（incident angle）大於全內反射的臨界角（critical angle），進而使得影像光IL以全內反射的方式傳遞至第一分光鏡112。接著，影像光IL的一部分由第一分光鏡112中的至少一者反射，且經由第一光出射表面ExS1離開第一光學波導元件110。在本實施例中，第一分光鏡112的至少一部分反射影像光IL的一部分，且影像光IL的另一部分通過第一分光鏡112。

參照圖4，在本實施例中，第二光學波導元件120更包括連接至第二光入射表面ES2的第二側表面S2，且第二側表面S2平行於第二光出射表面ExS2。第二分光鏡122設置於第二側表面S2與第二光出射表面ExS2之間，且第二分光鏡122不平行於第二側表面S2且不平行於第二光入射表面ES2。具體來說，第二光學波導元件120包括第二本體部分124及第二楔形部分126。第二楔形部分126黏合至第二本體部分124。然而，第二本體部分124與第二楔形部分126也可為一體成型，本發明並非僅限於此。第二分光鏡122設置於第二本體部分124中。第二楔形部分126的第二光入射表面ES2遠離第二本體部分124，且第二本體部分124與第二楔形部分126一同形成第二光出射表面ExS2。此外，第二光入射表面ES2與第二光出射表面ExS2之間的角度θa小於90度。在本實施例中，影像光IL中的大多數在離開第一光學波導元件110之後經由第二光入射表面ES2入射至第二光學波導元件120內，且接著影像光IL通過第二側表面S2與第二光出射表面ExS2之間的全內反射而傳遞至第二分光鏡122。具體來說，影像光IL中的大多數入射至第二光學波導元件120內，入射至第二側表面S2及第二光出射表面ExS2的影像光IL的入射角大於全內反射的臨界角，進而使得影像光IL以全內反射的方式傳遞至第二分光鏡122。接著，影像光IL的一部分由第二分光鏡122中的至少一者反射，且經由第二光出射表面ExS2離開第二光學波導元件120。在本實施例中，第二分光鏡122的至少一部分反射影像光IL的一部分，且影像光IL的另一部分通過第二分光鏡122。離開第二光學波導元件120的影像光IL入射至光瞳P。在本實施例中，光瞳P為使用者的眼睛，然而，本發明並非僅限於此。

在本實施例中，影像光IL藉由在第二光出射表面ExS2上全反射且影像光IL與第二光出射表面ExS2之間具有第一角度θ₁ ，且第二分光鏡122中的每一者與第二光出射表面ExS2之間具有第二角度θ₂ 。具體來說，第一角度θ₁ 小於90度，且第二角度θ₂ 也小於90度。此外，第一角度θ₁ 與第二角度θ₂ 的兩倍的和為90度。在本實施例中，第二光學波導元件120的第二楔形部分126的折射率與第二光學波導元件120的第二本體部分124的折射率相同。另一方面，第二光入射表面ES2與第二光出射表面ExS2之間具有第三角度θ₃ 。具體來說，第三角度θ₃ 為角度θ_b 。第二角度θ₂ 小於90度，且第三角度θ₃ 也小於90度。此外，第三角度θ₃ 等於第二角度θ₂ 的兩倍。然而，在其他實施例中，第二楔形部分126的折射率可不同於第二本體部分124的折射率。第一角度θ₁ 與第二角度θ₂ 的兩倍的和依舊等於90度。本發明並非僅限於此。

參照圖3及圖4二者，在本實施例中，在影像光IL入射至第一光學波導元件110內之前，影像光IL在第一方向D1上具有第一入射光瞳張角θ_ep1 （如圖3中所示），且在影像光IL入射至第二光學波導元件120內之前在第二方向D2上具有第二入射光瞳張角θ_ep2 （如圖4中所示）。此外，自第二光學波導元件120發射且入射至光瞳P內的影像光IL在第三方向D3上具有第一光會聚角度θ_c1 （如圖3中所示）且在第四方向D4上具有第二光會聚角度θ_c2 （如圖4中所示）。在本實施例中，第一方向D1垂直於第二方向D2，且第三方向D3垂直於第四方向D4。第一方向D1例如平行於第一光入射表面ES1，且第二方向D2例如平行於第二光入射表面ES2。第三方向D3例如平行於第二軸線Y，且第四方向D4例如平行於第一軸線X。具體來說，當影像光IL在第一光學波導元件110中傳遞時，影像光IL的第二入射光瞳張角θ_ep2 與第二光會聚角度θ_c2 實質上相同。此外，當影像光IL在第二光學波導元件120中傳遞時，第一入射光瞳張角θ_ep1 與第一光會聚角度θ_c1 實質上相同。為了清楚地說明不同方向上的入射光瞳張角及光會聚角度，圖3中所示的第一入射光瞳張角θ_ep1 及圖4中所示的第二入射光瞳張角θ_ep2 可分別代表影像光IL在入射至第一光學波導元件110之前在第一方向D1上的第一入射光瞳張角θ_ep1 及影像光IL在入射至第一光學波導元件110之前在第二方向D2上的第二入射光瞳張角θ_ep2 。此外，圖3中所示的第一光會聚角度θ_c1 及圖4中所示的第二光會聚角度θ_c2 可代表入射至光瞳P內的影像光IL在第三方向D3上的第一光會聚角度θ_c1 及入射至光瞳P內的影像光IL在第四方向D4上的第二光會聚角度θ_c2 。

參照圖3，影像光IL分別包括影像光IL1及位於影像光IL邊緣上的影像光IL2，使得可清楚地說明影像光IL的第一入射光瞳張角θ_ep1 及第一光會聚角度θ_c1 。在本實施例中，在入射至第一光學波導元件110內之前，影像光IL1與影像光IL2之間會形成在第一方向D1上的第一入射光瞳張角θ_ep1 。影像光IL1及影像光IL2以全內反射傳遞至第一分光鏡112，且接著影像光IL1的一部分及影像光IL2的一部分由第一分光鏡112中的至少一者反射以形成反射光RL。在此之後，反射光RL經由第一光出射表面ExS1離開第一光學波導元件110。從第一光學波導元件110離開的影像光IL1與影像光IL2之間會形成在第三方向D3上的第一光會聚角度θ_c1 。具體來說，第一入射光瞳張角θ_ep1 實質上等於第一光會聚角度θ_c1 。

參照圖4，影像光IL更分別包括影像光IL3及位於影像光IL邊緣上的影像光IL4，使得可清楚地說明影像光IL的第二入射光瞳張角θ_ep2 及第二光會聚角度θ_c2 。在本實施例中，在入射至第二光學波導元件120內之前，影像光IL3與影像光IL4之間會形成在第二方向D2上的第二入射光瞳張角θ_ep2 。影像光IL3及影像光IL4以全內反射傳遞至第二分光鏡122，且接著影像光IL3的一部分及影像光IL4的一部分由第二分光鏡122中的至少一者反射以形成反射光RL。在此之後，反射光RL經由第二光出射表面ExS2離開第二光學波導元件120，且離開第二光學波導元件120的反射光RL（影像光IL3及影像光IL4）入射至光瞳P內。從第二光學波導元件120離開的影像光IL3與影像光IL4之間會形成在第四方向D4上的第二光會聚角度θ_c2 。具體來說，第二入射光瞳張角θ_ep2 實質上等於第二光會聚角度θ_c2 。

此外，在本實施例中，第一光學波導元件110及第二光學波導元件120可由透明材料（例如，玻璃、丙烯酸、或其他適合的材料）製成，進而使得來自於外部的環境光AL可通過第二光學波導元件120。在本實施例中，舉例來說，影像光IL經由第一光學波導元件110及第二光學波導元件120傳遞，且影像光IL經由第二光出射表面ExS2離開第二光學波導元件120。當使用者的眼睛例如位於第二光學波導元件120的第二光出射表面ExS2附近時，離開第二光學波導元件120的影像光IL可入射至使用者的眼睛內，且來自於外部的環境光AL也可通過第二光學波導元件120入射至使用者的眼睛內。因此，當頭戴式顯示裝置100放置於使用者的眼睛前方以使得影像光IL及環境光AL能夠入射至使用者的眼睛內時，使用者可觀察與影像光IL對應的顯示影像（圖中未示出），且使用者還可觀察與環境光AL對應的外部影像（圖中未示出），從而實現擴增實境顯示效果。在本實施例中，顯示器D為例如液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）、等離子體顯示器、有機發光二極體（organic light-emitting diode，OLED）顯示器、電潤濕顯示器（electrowetting display，EWD）、電泳顯示器（electro-phoretic display，EPD）、電致變色顯示器（electrochromic display，ECD）、數位微鏡顯示器（digital micromirror device，DMD）、或其他適合的顯示器。此外，顯示器D也可與投影光學裝置協作使用於提供影像光IL，此不受本發明限制。

在本實施例中，第一分光鏡112的反射率（reflectivity）沿遠離第一光入射表面ES1且平行於第一側表面S1的方向逐漸增大。此外，第一分光鏡112的透射率/穿透率（transmittance）沿遠離第一光入射表面ES1且平行於第一側表面S1的方向逐漸減小。具體來說，第一分光鏡112的反射率沿與第二軸線Y的方向相反的方向（例如，圖1中所示的-Y方向）逐漸增大，且第一分光鏡112的透射率也沿與第二軸線Y的方向相反的方向逐漸減小。此外，在本實施例中，第二分光鏡122的反射率沿遠離第二光入射表面ES2且平行於第二側表面S2的方向逐漸增大。此外，第二分光鏡122的透射率沿遠離第二光入射表面ES2且平行於第二側表面S2的方向逐漸減小。具體來說，第二分光鏡122的反射率沿第一軸線X的方向（例如，圖2中所示的+X方向）逐漸增大，且第二分光鏡122的透射率沿第一軸線X的方向逐漸減小。基於第一分光鏡112及第二分光鏡122的反射率及透射率的以上設計，影像光IL的光強度在影像光IL依序通過第一分光鏡112及第二分光鏡122的過程期間逐漸減小。由第一分光鏡112反射的影像光IL的光強度可沿第二軸線Y的方向維持一致，且由第二分光鏡122反射的影像光IL的光強度可沿第一軸線X的方向維持一致。當使用者看到與影像光IL對應的顯示影像（圖中未示出）時，使用者所看到的顯示影像的強度不會不均勻，也就是說，顯示影像的一部分將不會同時具有較低亮度及較高亮度。

此外，在本實施例中，第一光學波導元件110的第一分光鏡112以相等的間隔排列，且第二光學波導元件120的第二分光鏡122也以相等的間隔排列。然而，在其他實施例中，第一光學波導元件110的第一分光鏡112及第二光學波導元件120的第二分光鏡122也可根據光學需求的實際需要而以不等的間隔排列，本發明並非僅限於此。此外，通過以適合的方式設計第一光入射表面ES1與第一分光鏡112之間的傾角（inclining angle）以及以適合的方式設計第二光入射表面ES2與第二分光鏡122之間的傾角，影像光IL可經由第一光學波導元件110及第二光學波導元件120傳遞至使用者的眼睛。

在本實施例中，第二光學波導元件120的第二光入射表面ES2面對第一光學波導元件110的第一光出射表面ExS1，且第二光入射表面ES2與第一光出射表面ExS1之間形成有間隙G。由於第二光入射表面ES2與第一光出射表面ExS1之間形成有間隙G，因此影像光IL可全內反射以在第一光學波導元件110中傳遞。當影像光IL不由第一分光鏡112反射時，影像光IL將不直接入射至第二光學波導元件120。因此，當影像光IL在第一光學波導元件110及第二光學波導元件120中傳遞時，影像光IL可在兩個方向（例如，第一方向X及第二方向Y）上擴展。因此，這兩個方向上的入射光瞳位置可被調整成位於光學系統OS的入口處（例如，第一光入射表面ES1處），以使得頭戴式顯示裝置100的體積可與使用光學鏡頭模組的傳統頭戴式顯示器相比得到顯著減小。此外，由於頭戴式顯示裝置100具有更簡化的光學系統，因此頭戴式顯示裝置100的重量可減小，且頭戴式顯示裝置100的視場可擴大。舉例來說，當使用0.24英寸顯示面板時，頭戴式顯示裝置100的半視場（half field of view，HFOV）可達到20度。相比之下，包括一個波導裝置及雙錐鏡頭的傳統頭戴式顯示裝置需要使用0.37英寸顯示面板來使該頭戴式顯示裝置的半視場擴大以達到20度。因此，本發明實施例中的頭戴式顯示裝置100具有小體積、輕重量、及更大的視場。此外，本發明實施例中的頭戴式顯示裝置100的影像光IL不需要通過設置額外的雙錐鏡頭來擴大影像光，其中該雙錐鏡頭具有高製作難度，且雙錐鏡頭的成像品質難以控制。因此，本發明實施例中的頭戴式顯示裝置的製作難度及成本相對低。

綜上所述，本發明的各實施例具有以下優點及效果中的至少一者。在本發明實施例的頭戴式顯示裝置及光學系統中，第一光學波導元件中設置有多個第一分光鏡，且這些第一分光鏡彼此平行且間隔地排列。第二光學波導元件中設置有多個第二分光鏡，且這些第二分光鏡彼此平行且間隔地排列。此外，第二光學波導元件的第二光入射表面面對第一光學波導元件的第一光出射表面，且第二光入射表面與第一光出射表面之間具有間隙。因此，當光學系統被施加至頭戴式顯示裝置時，無需通過設置額外的雙錐鏡頭來擴展頭戴式顯示裝置的影像光。影像光可通過第一光學波導元件及第二光學波導元件而在兩個方向上擴展，以使得可將這兩個方向上的影像光引導至使用者的眼睛內。因此，頭戴式顯示裝置與使用光學鏡頭模組的傳統頭戴式顯示器相比具有更小的體積、更輕的重量、及更大的視場。此外，頭戴式顯示裝置的製作難度及成本與包括一個波導裝置及額外的雙錐鏡頭的傳統頭戴式顯示裝置相比相對低。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件（Element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

100、100’‧‧‧頭戴式顯示裝置

110‧‧‧第一光學波導元件

112‧‧‧第一分光鏡

114‧‧‧第一本體部分

116‧‧‧第一楔形部分

120‧‧‧第二光學波導元件

122‧‧‧第二分光鏡

124‧‧‧第二本體部分

126‧‧‧第二楔形部分

AL‧‧‧環境光

D‧‧‧顯示器

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

D4‧‧‧第四方向

ES1‧‧‧第一光入射表面

ES2‧‧‧第二光入射表面

ExS1‧‧‧第一光出射表面

ExS2‧‧‧第二光出射表面

G‧‧‧間隙

IL、IL1、IL2、IL3、IL4‧‧‧影像光

OL‧‧‧光學鏡頭

OS‧‧‧光學系統

P‧‧‧光瞳

RL‧‧‧反射光

S1‧‧‧第一側表面

S2‧‧‧第二側表面

X‧‧‧第一軸線/第一方向

Y‧‧‧第二軸線/第二方向

Z‧‧‧第三軸線

θ₁‧‧‧第一角度

θ₂‧‧‧第二角度

θ₃‧‧‧第三角度

θ_a、θ_b‧‧‧角度

θ_c1‧‧‧第一光會聚角度

θ_c2‧‧‧第二光會聚角度

θ_ep1‧‧‧第一入射光瞳張角

θ_ep2‧‧‧第二入射光瞳張角

圖1A是本發明實施例中的頭戴式顯示（HMD）裝置的示意性透視圖。 圖1B是本發明另一實施例中的頭戴式顯示（HMD）裝置的示意性透視圖。 圖2是說明圖1A所示實施例中的頭戴式顯示裝置的示意性俯視圖。 圖3是說明在圖1A所示實施例中在第一光學波導元件中傳遞的影像光的光路徑的示意圖。 圖4是說明在圖1A所示實施例中自第二光學波導元件傳遞至光瞳的影像光的光路徑的示意圖。

Claims (17)

1. 一種頭戴式顯示裝置，包括： 一顯示器，用於發射一影像光； 一第一光學波導元件，包括： 一第一光入射表面，其中該影像光經由該第一光入射表面入射至該第一光學波導元件； 一第一光出射表面，連接至該第一光入射表面，其中該第一光入射表面與該第一光出射表面之間的角度小於90度；以及 一第一分光鏡，設置於該第一光學波導元件中；以及 一第二光學波導元件，設置於該第一光學波導元件旁邊，該第二光學波導元件包括： 一第二光入射表面，面對該第一光出射表面； 一第二光出射表面，連接至該第二光入射表面，其中該第二光入射表面與該第二光出射表面之間的角度小於90度；以及 一第二分光鏡，設置於該第二光學波導元件中，其中該第二光入射表面與該第一光出射表面之間具有一間隙。
2. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，入射至該第一光學波導元件的該影像光適於在該第一分光鏡上反射以經由該第一光出射表面離開該第一光學波導元件，且離開該第一光學波導元件的該影像光經由該第二光入射表面入射至該第二光學波導元件，其中該影像光在該第二分光鏡上反射以經由該第二光出射表面離開該第二光學波導元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該影像光藉由全反射以傳遞於該第一光學波導元件及該第二光學波導元件中。
4. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，離開該第二光學波導元件的該影像光入射至光瞳，其中在入射至該第一光學波導元件之前，該影像光在一第一方向上具有第一入射光瞳張角且在一第二方向上具有一第二入射光瞳張角，離開該第二光學波導元件並入射至該光瞳的該影像光在一第三方向上具有一第一光會聚角度且在一第四方向上具有一第二光會聚角度，其中該第一方向垂直於該第二方向，該第三方向垂直於該第四方向，該第一入射光瞳張角等於該第一光會聚角度，且該第二入射光瞳張角等於該第二光會聚角度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第一光學波導元件更包括連接至該第一光入射表面的一第一側表面，且該第一側表面平行於該第一光出射表面，該第二光學波導元件更包括連接至該第二光入射表面的一第二側表面，且該第二側表面平行於該第二光出射表面，其中該第一分光鏡設置於該第一側表面與該第一光出射表面之間且該第二分光鏡設置於該第二側表面與該第二光出射表面之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第一分光鏡不平行於該第一側表面且不平行於該第一光入射表面，且該第二分光鏡不平行於該第二側表面且不平行於該第二光入射表面。
7. 如申請專利範圍第5項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該影像光藉由全反射以傳遞於該第一側表面與該第一光出射表面之間，且該影像光藉由全反射以傳遞於該第二側表面與該第二光出射表面之間，其中該第二光出射表面與在該第二光出射表面上全反射的該影像光之間具有一第一角度，該第二分光鏡與該第二光出射表面之間具有一第二角度，該第一角度加上該第二角度小於90度，且該第一角度與該第二角度的兩倍的和為90度。
8. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第一光學波導元件包括一第一本體部分及鄰近該第一本體部分的一第一楔形部分，該第一分光鏡設置於該第一本體部分中，該第一楔形部分的遠離該第一本體部分的表面是該第一光入射表面，且該第一本體部分及該第一楔形部分一同形成該第一光出射表面。
9. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第二光學波導元件包括一第二本體部分及鄰近該第二本體部分的一第二楔形部分，該第二分光鏡設置於該第二本體部分中，該第二楔形部分的遠離該第二本體部分的表面是該第二光入射表面，且該第二本體部分及該第二楔形部分一同形成該第二光出射表面。
10. 如申請專利範圍第9項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第二楔形部分的折射率與該第二本體部分的折射率相同，該第二光入射表面與該第二光出射表面之間具有一第三角度，該第二分光鏡與該第二光出射表面之間具有一第二角度，該第二角度及該第三角度小於90度，且該第三角度等於該第二角度的兩倍。
11. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該間隙的寬度介於2微米至200微米範圍內。
12. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第一光出射表面平行於該第二光入射表面。
13. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第一分光鏡的數目大於1個，且該第一分光鏡彼此平行且間隔地排列。
14. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中，該第二分光鏡的數目大於1個，且該第二分光鏡彼此平行且間隔地排列。
15. 一種光學系統，適於接收一影像光，該光學系統包括： 一第一光學波導元件，包括： 一第一光入射表面，其中該影像光經由該第一光入射表面入射至該第一光學波導元件； 一第一光出射表面，連接至該第一光入射表面，其中該第一光入射表面與該第一光出射表面之間的角度小於90度；以及 一第一分光鏡，設置於該第一光學波導元件中；以及 一第二光學波導元件，設置於該第一光學波導元件旁邊，該第二光學波導元件包括： 一第二光入射表面，面對該第一光出射表面； 一第二光出射表面，連接至該第二光入射表面，其中該第二光入射表面與該第二光出射表面之間的角度小於90度；以及 一第二分光鏡，設置於該第二光學波導元件中，其中該第二光入射表面與該第一光出射表面之間具有一間隙。
16. 如申請專利範圍第15項所述的光學系統，其中，該第一分光鏡的數目大於1個，且該第一分光鏡彼此平行且間隔地排列。
17. 如申請專利範圍第15項所述的光學系統，其中，該第二分光鏡的數目大於1個，且該第二分光鏡彼此平行且間隔地排列。