TW201939107A - 光學系統以及頭戴式顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學系統，用於接收影像光束。光學系統的第一光波導元件包括第一入光面、第一出光面以及至少一第一分光片。光學系統的第二光波導元件包括第一表面、相對於第一表面的第二表面以及至少一第二分光片。影像光束由第一入光面進入第一光波導元件，且經由第一出光面離開第一光波導元件。第一表面的一部分為第二入光面，且第一表面的另一部分為第二出光面。影像光束經由第二入光面進入第二光波導元件並由第二出光面離開第二光波導元件。第二表面上具有多個光學微結構，且各光學微結構包括反射面。另外，一種頭戴式顯示裝置亦被提出。

Description

光學系統以及頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種光學系統以及顯示裝置，且特別是有關於一種光學系統以及頭戴式顯示裝置。

近眼顯示器（Near Eye Display, NED）以及頭戴式顯示器（Head-mounted Display, HMD）是目前極具發產潛力的下一代殺手級產品。在近眼顯示技術的相關應用上，目前可分為擴增實境（Augmented Reality, AR）技術以及虛擬實境（Virtual Reality, VR）技術。對擴增實境的技術而言，相關開發人員目前致力於如何在頭戴式顯示器體積輕薄的前提下，同時可提供最佳的影像品質。

在頭戴式顯示器實現擴增實境的基本光學架構中，用於顯示的影像光束由投影裝置發出後，經由具半反射半穿透的光學元件反射而進入使用者的眼睛。顯示影像的光束以及外界的環境光束皆可進入使用者的眼睛，而達到擴增實境的顯示效果。目前而言，為了實現廣視角的顯示效果，一種分光片陣列波導（Beam Splitter Array Waveguide）架構是各種擴增實境的近眼顯示器的光學架構中，可以兼顧廣視角、全彩影像以及體積輕薄的最佳選擇。此種架構的光波導元件具有多個分光片，而可以將投影裝置的影像光束導入使用者的眼睛。

一般而言，此種架構的頭戴式顯示器的分光片具有鍍膜，而可以使以較小入射角入射的光線反射，並使以較大入射角入射的光線穿透。上述反射的光線通常會以一預期方向些微傾斜地導入使用者的眼睛，進而使得使用者觀看到預期的影像畫面。另外，上述穿透分光片的光線則可以行進至下一片分光片。然而，在實際使用上，鍍膜僅能使得在特定入射角範圍的入射光線穿透。當光線在光波導元件行進的過程中以過大的入射角入射分光片時，一部分的光線反而會在分光片上發生反射。此非預期的反射光線(雜散光線)會繼續於光波導元件中行進，而在後續以較小角度入射分光片的情況下，以與前述預期方向相反的方向傾斜地導入使用者的眼睛。此時，使用者除了會觀看到原本預期的影像畫面外，同時還會觀看到鏡像的非預期的影像畫面。因此，使用者容易在使用頭戴式顯示器的過程中感覺顯示畫面有鬼影的存在，而感受到頭戴式顯示器的顯示品質不佳。

“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。

本發明提供一種光學系統，其可以傳遞影像光束並使影像光束在二個方向上擴張，當其應用於頭戴式顯示裝置時，頭戴式顯示裝置不會產生鬼影，且在兼具體積輕薄的情況下具有影像良好的顯示品質。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，其包括上述光學系統。頭戴式顯示裝置不會產生鬼影，且具有良好的顯示品質。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，其包括上述光波導元件，且在兼具體積輕薄的情況下具有良好的顯示品質。

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了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種光學系統，用於接收影像光束。光學系統包括第一光波導元件以及第二光波導元件。第一光波導元件包括第一入光面、第一出光面以及至少一第一分光片。影像光束由第一入光面進入第一光波導元件。第一出光面連接第一入光面，且影像光束經由第一出光面離開第一光波導元件。至少一第一分光片配置於第一光波導元件中。第二光波導元件配置於第一光波導元件旁，且第二光波導元件包括第一表面、第二表面以及至少一第二分光片。第一表面的一部分為面對第一出光面的第二入光面，且第一表面的另一部分為第二出光面。影像光束經由第二入光面進入第二光波導元件並由第二出光面離開第二光波導元件。第二表面相對於第一表面。第二表面上具有多個光學微結構，且各光學微結構包括反射面。另外，至少一第二分光片配置於第二光波導元件中。

在本發明的一實施例中，進入上述的第一光波導元件的影像光束的一部分適於在至少一第一分光片上發生反射，而由第一出光面離開第一光波導元件。離開第一光波導元件的影像光束適於由第二入光面進入第二光波導元件。上述的這些反射面適於反射進入第二光波導元件的影像光束，且被這些反射面反射的影像光束的一部分適於在至少一第二分光片上發生反射，而由第二出光面離開第二光波導元件。

在本發明的一實施例中，上述的第一光波導元件更包括第一側面、第二側面以及第三側面。第一側面連接第一入光面，且第一側面與第一出光面平行。至少一第一分光片配置於第一側面與第一出光面之間。第二側面連接第一側面以及第一出光面，第三側面連接第一側面以及第一出光面，且第三側面平行於第二側面。影像光束適於行進於第一側面與第一出光面之間以及第二側面與第三側面之間，且至少部分影像光束抵達第二側面以及第三側面之前即被至少一第一分光片反射而由第一出光面離開第一光波導元件。

在本發明的一實施例中，上述的第二表面與第二出光面平行。至少一第二分光片配置於第二表面與第二出光面之間。至少部分影像光束適於以全反射行進於第二表面與第二出光面之間。

在本發明的一實施例中，離開上述的第二光波導元件的影像光束適於進入光瞳。進入第一光波導元件前的影像光束在第一方向上具有第一入瞳張角且在第二方向上具有第二入瞳張角。離開第二光波導元件且進入光瞳的影像光束在第三方向上具有第一光收斂角且在第四方向上具有第二光收斂角。第一方向與第二方向垂直，且第三方向與第四方向垂直。第一入瞳張角相等於第一光收斂角，且第二入瞳張角相等於第二光收斂角。

在本發明的一實施例中，上述的各光學微結構更包括連接反射面的連接面。各反射面與參考平面之間所夾的銳角相等於至少一第二分光片與第二出光面之間的所夾的銳角。各連接面與參考平面之間具有夾角，此夾角大於0度且夾角小於或等於90度，其中參考平面平行於第二出光面。

在本發明的一實施例中，上述的光學微結構更包括光反射層以及光吸收層，光反射層配置於至少一反射面上，且光吸收層配置於至少一連接面上。

在本發明的一實施例中，上述的光學系統更包括反射鏡，配置於第一入光面旁，反射鏡用於反射影像光束以使影像光束由第一入光面進入第一光波導元件。

在本發明的一實施例中，上述的至少一第一分光片不平行於第一入光面，且至少一第二分光片不平行于第二入光面。

在本發明的一實施例中，上述的第一入光面與第一出光面之間的夾角小於或等於90度。

在本發明的一實施例中，上述的至少一第一分光片為多個第一分光片，且至少一第二分光片為多個第二分光片，多個第一分光片相互平行且呈間隔排列，且多個第二分光片相互平行且呈間隔排列。

在本發明的一實施例中，上述的第二入光面与第一出光面之间具有间隙，且第二入光面与第一出光面平行。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種頭戴式顯示裝置，包括投影裝置以及光學系統。投影裝置用於提供影像光束。光學系統包括第一光波導元件以及第二光波導元件。第一光波導元件包括第一入光面、第一出光面以及至少一第一分光片。影像光束由第一入光面進入第一光波導元件。第一出光面連接第一入光面，且影像光束經由第一出光面離開第一光波導元件。至少一第一分光片配置於第一光波導元件中。第二光波導元件配置於第一光波導元件旁，且第二光波導元件包括第一表面、第二表面以及至少一第二分光片。第一表面的一部分為面對第一出光面的第二入光面，且第一表面的另一部分為第二出光面。影像光束經由第二入光面進入第二光波導元件並由第二出光面離開第二光波導元件。第二表面相對於第一表面。第二表面上具有多個光學微結構，且各光學微結構包括反射面。另外，至少一第二分光片配置於第二光波導元件中。

在本發明的一實施例中，上述的影像光束由投影裝置發出，且影像光束縮束於第一光波導元件內的光圈位置。

基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。本發明的實施例的頭戴式顯示裝置的光學系統包括第一光波導元件以及第二光波導元件，且第二光波導元件配置於第一光波導元件旁。第一光波導元件包括至少一第一分光片，且第二光波導元件包括至少一第二分光片。第二光波導元件的第一表面的一部分為第二入光面，且第一表面的另一部分為第二出光面。影像光束離開第一光波導元件後經由第二入光面進入第二光波導元件，並經由第二出光面離開第二光波導元件。另外，第二光波導元件包括相對於第一表面的第二表面，第二表面上具有多個光學微結構，且各光學微結構包括反射面。因此，影像光束可以在行進於第一光波導元件之後，藉由這些光學微結構的反射而行進於第二光波導元件，使得光學系統可以傳遞影像光束並使影像光束藉由第一光波導元件以及第二光波導元件而在二個方向上擴張，且第一光波導元件以及第二光波導元件可以設計為疊置。另外，可以與第二光波導元件疊置的第一光波導元件可以設置適當的尺寸，以使影像光束在第一光波導元件中發生全反射之前即行進至第一分光片，避免影像光束在第一光波導元件中發生全反射而形成對於第一分光片過大而非預期的入射角。因此，影像光束可以預期的方式在第一分光片反射或穿透，使得頭戴式顯示裝置不會產生鬼影。且在兼具體積輕薄的情況下具有良好的顯示品質。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，將可清楚地呈現。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繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖，請參考圖1A。在本實施例中，頭戴式顯示裝置100包括投影裝置110以及光學系統120。光學系統120包括第一光波導元件122以及第二光波導元件124，且第二光波導元件124配置於第一光波導元件122旁。第一光波導元件122包括配置於其中的多個第一分光片（Beam splitter）126，且這些第一分光片126相互平行且呈間隔排列（即兩相鄰的第一分光片126之間具有一間隙）。第二光波導元件124包括配置於其中的多個第二分光片128，且這些第二分光片128相互平行且呈間隔排列（即兩相鄰的第二分光片128之間具有一間隙）。在一些實施例中，第一光波導元件122亦可以僅包括一個第一分光片126，而第二光波導元件124可以僅包括一個第二分光片128，本發明並不以此為限。

在本實施例中，投影裝置110包括顯示器D以及透鏡PL，其中透鏡PL的數量不限，依設計而定。投影裝置110用於提供影像光束IL，且光學系統120適於接收影像光束IL。具體而言，投影裝置110的顯示器D提供影像光束IL，且影像光束IL通過透鏡PL傳遞至第一光波導元件122。另外，第一光波導元件122包括第一入光面ES1，而影像光束IL由第一入光面ES1進入第一光波導元件122。在本實施例中，頭戴式顯示裝置100例如是處於由第一軸X、第二軸Y以及第三軸Z所建構的空間中，其中第一軸X方向與這些第二分光片128排列的方向平行，而第二軸Y方向與這些第一分光片126排列的方向平行。另外，第一軸X方向垂直於第二軸Y方向，第三軸Z方向垂直於第一軸X的方向也垂直於第二軸Y的方向。

圖1B繪示圖1A實施例的光學系統的剖面示意圖，1C繪示圖1B的光學系統的一部分的放大示意圖，而圖1D至圖1G繪示圖1A實施例中，第一光波導元件傳遞影像光束的一部分的光路示意圖。需注意的是，圖1B以及圖1C繪示影像光束IL中一部分的影像光束IL1以及影像光束IL2，藉以透過細線狀的光束來清楚表示光線在光學系統中的光路徑。另外，圖1D以及圖1E分別繪示位於影像光束IL邊緣的影像光束IL3以及影像光束IL4，而圖1F疊合圖1D的影像光束IL3以及圖1E的影像光束IL4，以透過影像光束IL3以及影像光束IL4清楚呈現影像光束IL在YZ平面（即第二軸Y與第三軸Z構成的平面）上的邊緣。此外，圖1G繪示位於影像光束IL邊緣的影像光束IL5以及影像光束IL6，以清楚呈現影像光束IL在XY平面（即第一軸X與第二軸Y構成的平面）上的邊緣。

請先同時參考圖1A以及圖1F，第一光波導元件122更包括第一出光面ExS1，且第一出光面ExS1連接第一入光面ES1。另外，請同時參考圖1A以及圖1B， 第二光波導元件124包括第一表面S1以及第二表面S2。第一表面S1的一部分為面對第一出光面ExS1的第二入光面ES2，且第一表面S1的另一部分為第二出光面ExS2。具體而言，請參考圖1F，進入第一光波導元件122的影像光束IL的一部分適於在這些第一分光片126上發生反射，而由第一出光面ExS1離開第一光波導元件122。接著，離開第一光波導元件122的影像光束IL適於由第二入光面ES2進入第二光波導元件124。另外，請參考圖1B，進入第二光波導元件124的影像光束IL的一部分適於在這些第二分光片128上發生反射，而由第二出光面ExS2離開第二光波導元件124。詳細而言，影像光束IL適於以全反射（total internal reflection）的方式行進於第二光波導元件124之中。

具體而言，請參考圖1C，第二光波導元件124的第二表面S2相對於第一表面S1，且第二表面S2上具有多個光學微結構130。各光學微結構130包括反射面132以及連接反射面132的連接面134，且這些反射面132適於反射進入第二光波導元件124的影像光束IL，而使得被這些反射面132反射的影像光束IL傳遞至這些第二分光片128，並且在這些第二分光片128上發生部分反射部分穿透。具體而言，由於這些光學微結構130具有傾斜設置的這些反射面132，因此即使第一光波導元件122與第二光波導元件124是設計為堆疊設置，離開第一光波導元件122的影像光束IL還是可以藉由這些反射面132的反射而傳遞至第二光波導元件124之中。

在本實施例中，各光學微結構130更包括光反射層136以及光吸收層138。光反射層136配置於反射面132上，且光吸收層138配置於連接面134上。光反射層136例如是反射鍍膜，而可以更有效地反射影像光束IL。另外，光吸收層138例如是吸收鍍膜，而可以使進入第二光波導元件124的影像光束IL之中行進方向較為偏離的一部分被光吸收層138所吸收，以使經這些反射面132反射的影像光束IL大致以固定的角度行進於第二光波導元件124之中。藉此，當影像光束IL行進至這些第二分光片128時，影像光束IL大致會以預期的入射角入射至這些第二分光片128。

在本實施例中，各反射面132與圖上參考平面(虛線呈現)之間所夾的銳角相等於第二分光片128與第二出光面ExS2之間的所夾的銳角，其中參考平面平行於第二出光面ExS2。也就是說，各反射面132與參考平面之間所夾的銳角為夾角θ₁ ，第二分光片128與第二出光面ExS2之間所夾的銳角為夾角θ₂ ，而夾角θ₁ 例如是相等於夾角θ₂ 。然而，在一些實施例中，夾角θ₁ 亦可以是不等於夾角θ₂ ，本發明並不限定夾角θ₁ 以及夾角θ₂ 的大小，以及夾角θ₁ 是否相等於夾角θ₂ 。另外，各連接面134與參考平面具有夾角θ₃ ，夾角θ₃ 大於0度且夾角θ₃ 小於或等於90度。具體而言，這些光學微結構130的形狀可以是直角三角形（例如是夾角θ₃ 等於90度時的情形）、等腰三角形（例如是夾角θ₃ 小於90度，且夾角θ₃ 等於夾角θ₁ 時的情形）或是其他的形狀。另外，各光學微結構130的寬度W可以例如是落在100微米(um)至1000微米(um)的範圍內，本發明並不對這些光學微結構130的形狀以及尺寸加以限制。除此之外，可以依據實際需求而將這些光學微結構130設計為凸狀的光學微結構或凹陷的光學微結構，舉例而言，凸狀的光學微結構可利用沉積製程的方式製造，而凹陷的光學微結構則可利用蝕刻製程的方式製造，本發明亦不以此為限。

另外，請先參考圖1D，在本實施例中，第一光波導元件122更包括連接第一入光面ES1的第一側面SS1，且第一側面SS1與第一出光面ExS1平行。這些第一分光片126配置於第一側面SS1與第一出光面ExS1之間，且這些第一分光片126不平行於第一入光面ES1（也不平行於第一側面SS1）。接著，請參考圖1B，在本實施例中，第二光波導元件124的第二表面S2與第二出光面ExS2平行。這些第二分光片128配置於第二表面S2與第二出光面ExS2之間，且這些第二分光片128不平行於第二出光面ExS2（也不平行於第二表面S2）。另外，這些第一分光片126與第一出光面ExS1的夾角以及這些第二分光片128與第二出光面ExS2的夾角例如是落在25度至40度，較佳地，為30度。在其他實施例中，這些第一分光片126與第一出光面ExS1的夾角可為不同角度。這些第二分光片128與第二出光面ExS2的夾角可為不同角度。

具體而言，當這些第一分光片126（或這些第二分光片128）配置角度增加時，這些第一分光片126（或這些第二分光片128）可以配置得較為密集，且可以達到較良好的光學系統120出光的光均勻性，值得注意的是，這些第一分光片126沿第三軸Z投影到第一出光面ExS1上，這些第一分光片126相互之間是不會重疊的，以及這些第二分光片128沿第三軸Z投影到第二出光面ExS2上，，這些第二分光片128相互之間是不會重疊的。此外，第一光波導元件122（或第二光波導元件124）的可以設置較薄的厚度，便足以將影像光束IL進行導引，而有利於整體頭戴式顯示裝置100體積的輕薄化。

請參考圖1C，具體而言，第二光波導元件124的第二入光面ES2與第一光波導元件122的第一出光面ExS1平行，且第二入光面ES2與第一出光面ExS1之間具有間隙G（如圖1C所繪示）。間隙G的寬度例如是落在2微米至12微米之間，較佳地，例如是落在3微米至10微米之間。然而在其他實施例中，間隙G的寬度值亦可以是其他的數值，本發明並不以此為限。另一實施例中，第一光波導元件122以及第二光波導元件124例如是以光學膠進行黏合。光學膠例如是塗佈於第一出光面ExS1或第二入光面ES2的靠近邊緣處，或者塗佈於第一出光面ExS1或第二入光面ES2的角落。當第一出光面ExS1與第二入光面ES2對接以進行黏合後，第一出光面ExS1與第二入光面ES2是部分接觸黏合並非全面接觸黏合，即具有間隙G。又一實施例中，第一出光面ExS1與第二入光面ES2利用光學膠全面接觸的方式黏接，以固定第一光波導元件122以及第二光波導元件124。此外，在一些實施例中，亦可以透過機構裝置例如固定治具固定第一光波導元件122以及第二光波導元件124的相對位置，以使第一出光面ExS1與第二入光面ES2之間具有間隙G，本發明並不以此為限。具體而言，間隙G例如是填充以空氣。然而，在一些實施例中，間隙G亦可以填充透光材料，例如是折射率小於第一光波導元件122以及第二光波導元件124的透光材料，本發明亦不以此為限。

請參考圖1D至圖1F，在本實施例中，第一光波導元件122的第一入光面ES1與第一出光面ExS1之間的夾角可以小於或等於90度。具體而言，圖1D繪示的第一入光面ES1與第一出光面ExS1呈現垂直，亦即第一入光面ES1與第一出光面ExS1之間的夾角等於90度。然而在其他實施例中，第一入光面ES1亦可以相對於第一出光面ExS1為傾斜，亦即第一入光面ES1與第一出光面ExS1之間的夾角小於90度，在後面的段落中再詳細描述並可參考圖5，本發明並不以此為限。具體而言，影像光束IL由第一入光面ES1進入第一光波導元件122。接著，影像光束IL適於行進於第一側面SS1與第一出光面ExS1之間。請參考圖1D以及圖1E，在本實施例中，位於影像光束IL邊緣的影像光束IL3以及影像光束IL4在抵達第一側面SS1以及第一出光面ExS1之前即被這些第一分光片126反射而由第一出光面ExS1離開第一光波導元件122。換句話說，至少部分影像光束IL由第一入光面ES1進入第一光波導元件122後，在YZ平面上尚未展開至第一側面SS1以及第一出光面ExS1的情況下，便直接被這些第一分光片126反射而傳遞至第二光波導元件124。

接著，請參考圖1G，在本實施例中，第一光波導元件122更包括第二側面SS2以及第三側面SS3。第二側面SS2連接第一側面SS1以及第一出光面ExS1，第三側面SS2也連接第一側面SS1以及第一出光面ExS1，且第三側面SS3平行於第二側面SS2。具體而言，當影像光束IL行進於第一側面SS1與第一出光面ExS1之間時，影像光束IL在第一軸X方向上同時也行進於第二側面SS2與第三側面SS3之間。在本實施例中，位於影像光束IL邊緣的影像光束IL5以及影像光束IL6在抵達第二側面SS2以及第三側面SS3之前即被這些第一分光片126反射而由第一出光面ExS1離開第一光波導元件122。在其他實施例中，影像光束IL5以及影像光束IL6可藉由第一出光面離開第一光波導元件122。

詳細而言，在本實施例中，與第二光波導元件124疊置的第一光波導元件122在第一軸X方向上具有適足的寬度，使得至少部分影像光束IL由第一入光面ES1進入第一光波導元件122後，在XY平面上尚未展開至第二側面SS2以及第三側面SS3的情況下，便直接被這些第一分光片126反射而傳遞至第二光波導元件124。

在本實施例中，影像光束IL的一部分（例如是影像光束IL3、IL4、IL5、IL6）經過這些第一分光片126的至少其中之一反射後，由第一出光面ExS1離開第一光波導元件122。具體而言，至少部分這些第一分光片126反射影像光束IL的其中一部分，且影像光束IL的另一部分穿透這些第一分光片126。

圖1H至圖1J繪示圖1A實施例中，第二光波導元件傳遞影像光束的一部分的光路示意圖。詳細而言，圖1H以及圖1I分別繪示影像光束IL的一部分的影像光束IL7以及影像光束IL8，而圖1J疊合圖1H的影像光束IL7以及圖1I的影像光束IL8，以透過影像光束IL7以及影像光束IL8清楚呈現影像光束IL在XZ平面（第一軸X與第三軸Z構成的平面）上的邊緣。請參考圖1H以及圖1I，在本實施例中，離開第一光波導元件122的影像光束IL的一部分，如影像光束IL7以及影像光束IL8，由第二入光面ES2進入第二光波導元件124。接著，影像光束IL7以及影像光束IL8經由這些光學微結構130反射而行進於第二光波導元件124的第二表面S2與第二出光面ExS2之間。大部分由這些光學微結構130反射的至少部分影像光束IL（如影像光束IL7以及影像光束IL8）入射第二表面S2與第二出光面ExS2的入射角會大於全反射的臨界角（critical angle），進而以全反射的方式傳遞至這些第二分光片128。

如圖1H以及圖1I所示，在本實施例中，影像光束IL（如影像光束IL7以及影像光束IL8）的一部分經過這些第二分光片128的至少其中之一反射後，由第二表面S2與第二出光面ExS2的其中之一離開第二光波導元件124。具體而言，至少部分這些第二分光片128反射影像光束IL的其中一部分，且影像光束IL的另一部分穿透這些第二分光片128。另外，由這些第二分光片128反射的影像光束IL例如是由第二出光面ExS2離開第二光波導元件120。離開第二光波導元件124的影像光束IL適於進入光瞳P。在本實施例中，光瞳P例如是使用者的眼睛。

請參考圖1J，在本實施例中，進入第一光波導元件122前的影像光束IL在第一方向D1上具有第一入瞳張角（未繪示），且在第二方向D2上具有第二入瞳張角（未繪示）。另外，離開第二光波導元件124且進入光瞳P的影像光束IL在第三方向D3上具有第一光收斂角θ_c1 （如圖1J所繪示），且在第四方向D4上具有第二光收斂角（未繪示）。在本實施例中，第一方向D1與第二方向D2垂直，且第三方向D3與第四方向D4垂直。具體而言，第一方向D1、第三方向D3以及第一軸X例如是彼此平行，且第二方向D2、第四方向D4以及第二軸Y例如是彼此平行。詳細而言，在影像光束IL於第一光波導元件122中行進的過程中，影像光束IL的第二入瞳張角以及第二光收斂角大体上不會改變，另外，在影像光束IL於第二光波導元件124中行進的過程中，影像光束IL的第一入瞳張角以及第一光收斂角θc1大体上不會改變。具體而言，第一入瞳張角相等於第一光收斂角θ_c1 ，且第二入瞳張角相等於第二光收斂角。

在本實施例中，第一光波導元件122以及第二光波導元件124例如為可透光材質（例如玻璃、壓克力或其他適當材質等），而使得來自外界的環境光束AL可以穿過第二光波導元件124或者第一光波導元件122。舉例而言，影像光束IL經由第一光波導元件122以及第二光波導元件124傳遞之後，由第二出光面ExS2離開第二光波導元件124。當一使用者的眼睛例如是位於第二光波導元件124的第二出光面ExS2附近時，離開第二光波導元件124的影像光束IL可以進入使用者的眼睛，且來自外界的環境光束AL亦可以穿過第二光波導元件124而進入使用者的眼睛。因此，當頭戴式顯示裝置100放置於使用者的眼睛前方，且影像光束IL以及環境光束AL進入使用者的眼睛時，使用者可以觀看到影像光束IL對應的顯示畫面（未繪示），同時，使用者亦可觀看到環境光束AL對應的外界影像（未繪示），而實現擴增實境的顯示效果。在本實施例中，顯示器D可例如是液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）、電漿顯示器（plasma display）、有機發光二極體顯示器（OLED display）、電濕潤顯示器（electrowetting display, EWD）、電泳顯示器（electro-phoretic display, EPD）、電致變色顯示器（electrochromic display, ECD）、數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device，簡稱DMD)或是其他可應用的顯示器，本發明並不以此為限。

在本實施例中，這些第一分光片126的反射率（Reflectivity）沿著遠離第一入光面ES1且平行於第一側面SS1的方向逐漸變大。此外，這些第一分光片126的穿透率（Transmittance）沿著遠離第一入光面ES1且平行於第一側面SS1的方向逐漸變小。具體而言，這些第一分光片126的反射率沿著與第二軸Y的方向相反的方向逐漸變大，且這些第一分光片126的穿透率沿著與第二軸Y的方向相反的方向逐漸變小。除此之外，在本實施例中，這些第二分光片128的反射率沿著遠離第一光波導元件122且平行於第二表面S2的方向逐漸變大。此外，這些第二分光片128的穿透率沿著遠離第一光波導元件122且平行於第二表面S2的方向逐漸變小。具體而言，這些第二分光片128的反射率沿著第一軸X的方向逐漸變大，且這些第二分光片128的穿透率沿著第一軸X的方向逐漸變小。藉由上述這些第一分光片126與這些第二分光片128的反射率以及穿透率適當的漸變設計，使影像光束IL的光強度在依序傳遞至這些第一分光片126以及這些第二分光片128的過程中逐漸變小。這些第一分光片126反射出影像光束IL的光強度可在第二軸Y的方向上保持一致，且這些第二分光片128反射出影像光束IL的光強度可在第一軸X的方向上保持一致。也就是說，當使用者觀看到影像光束IL對應的顯示畫面（未繪示）時，使用者觀看到的顯示畫面的光強度分布是平均的，而不會有某一側亮度較低或較高的情形。

在本實施例中，第一光波導元件122的這些第一分光片126呈等間隔的排列，且第二光波導元件124的這些第二分光片128亦呈等間隔的排列。然而在其他實施例中，可以依據實際光學需求而設計這些第一分光片126以及這些第二分光片128呈不等間隔的排列，本發明並不以此為限。具體而言，在本實施例中，影像光束IL在行進於第一光波導元件122以及第二光波導元件124的過程中，可以藉由這些第一分光片126以及這些第二分光片128而在兩個方向（第一軸X的方向以及第二軸Y的方向）上進行擴張，使得影像光束IL在二個方向上都可以導入使用者的眼睛。

圖2A繪示一比較實施例的光學系統的光波導元件傳遞影像光束的一部分的光路示意圖。請參考圖2A，在此比較實施例中，影像光束IL’以全反射的方式行進於光學系統220’的光波導元件224’之中。光波導元件224’中例如是設置間隔排列的多個分光片228’，且這些分光片228’類似於圖1A至圖1J中本發明實施例的第一分光片126或者第二分光片128。這些分光片228’表面具有鍍膜，而可以使以較小入射角入射的光線反射，並使以較大入射角入射的光線穿透。

圖3繪示分光片對於影像光束的反射率對影像光束的入射角的作圖，請先參考圖3。具體而言，圖3繪示標示「S極化光線」以及「P極化光線」的二條曲線分別表示當具有S極化方向的影像光束以及具有P極化方向的影像光束入射至分光片時，分光片對於影像光束在不同入射角的反射率。圖3縱軸標示的「反射率」表示上述的反射率，單位為百分比，而橫軸標示的「入射角」表示上述的入射角，單位為度。一般而言，分光片的表面鍍膜可以使得分光片對不同入射角的光線具有選擇性。當要使多個分光片擴展光線而讓使用者可以觀看到預期的影像畫面時，分光片的表面鍍膜會設計成以較小入射角入射的光線反射，並使較大入射角入射的光線穿透。因此，由這些分光片228’反射的影像光束IL’，即影像光束IL1’，通常會以一預期方向些微傾斜地導入使用者的眼睛，進而使得使用者觀看到預期的影像畫面。

然而，在實際使用上，分光片的表面鍍膜有其限制。如圖3所示，分光片的表面鍍膜對於以過大的入射角（例如是入射角超過80度時，反射率上升）入射的光線反射，而產生非預期的反射光線。請再參考圖2A，當影像光束IL’以全反射的方式行進於光學系統220’的光波導元件224’之中時，一部分經過全反射而傳遞至這些分光片228’的影像光束IL’會以過大的入射角入射這些分光片228’。此時，一部分的影像光束IL’，如影像光束IL2’會在這些分光片228’上發生非預期的反射（如影像光束IL2’在圖2A的區域A發生非預期的反射）。此非預期反射的影像光束IL2’會繼續於光波導元件224’中行進，而在後續以較小角度入射分光片228’的情況下，被分光片228’反射，而形成非預期光線SL。此非預期光線SL會以與前述預期方向相反的方向傾斜地導入使用者的眼睛。

圖2B繪示圖2A比較實施例之觀測區的光強度分布模擬圖。請參考圖2B，當影像光束IL1’以及非預期光線SL（影像光束IL2’）同時進入使用者的眼睛時，使用者除了會觀看到對應於影像光束IL1’的預期顯示畫面Ima1外，同時還會觀看到對應於非預期光線SL的非預期顯示畫面Ima2。因此，使用者容易在使用此比較實施例的頭戴式顯示器的過程中感覺顯示畫面有鬼影的存在，而感受到頭戴式顯示器的顯示品質不佳。

相對而言，請再次參考圖1G，在本實施例中，與第二光波導元件124疊置的第一光波導元件122在第一軸X方向上具有適足的寬度，使得至少部分影像光束IL不會在XY平面上於第一光波導元件122中發生全反射。具體而言，影像光束IL在第一光波導元件122中發生全反射之前即會行進至這些第一分光片126。因此，影像光束IL不會在第一光波導元件122中發生全反射而形成對於第一分光片126而言過大而非預期的入射角，使得影像光束IL可以預期的方式在這些第一分光片126上發生反射或穿透。因此，本發明實施例的頭戴式顯示裝置100不會產生鬼影。且在兼具體積輕薄的情況下具有良好的顯示品質。

請再參考圖1C，在本實施例中，被第二光波導元件124的這些光學微結構130的這些反射面132反射的影像光束IL沿著行進方向DP行進於第二光波導元件124之中，其中行進方向DP例如是與第一軸X平行。具體而言，這些光學微結構130於第二表面S2所在的區域沿著行進方向DP上具有寬度L。另外，第二出光面ExS2與第二表面S2之間具有厚度H，各反射面132與圖上參考平面(虛線呈現)之間具有第一夾角α，其中參考平面平行於第二出光面ExS2，此外，由第二入光面ES2進入第二光波導元件124的影像光束IL，在這些反射面132上，影像光束IL與垂直於第二入光面ES2的垂直線之間具有第二夾角β。在本實施例中，光學系統120例如是可以滿足以下關係式：-----------(1)

根據上述關係式(1)，舉例而言，當寬度L為10毫米，第一夾角α為30度，而第二夾角β為20度時，厚度H為5.95毫米。相較而言，在相同條件下，倘若第二光波導元件124的第二表面S2是設置成一片傾斜的反射面而非多個具有反射面132的光學微結構130，則第二光波導元件124例如是必須具有8.84毫米的厚度，才能順利導引來自第一光波導元件122的影像光束IL並使其傳遞於第二光波導元件124之中。因此，本發明實施例中具有這些光學微結構130的第二光波導元件124可以具有較薄的厚度。

另外，在本實施例中，這些光學微結構130於第二表面S2所在的區域沿著行進方向DP上具有第一寬度L₁ （即寬度L），且第一光波導結構122於行進方向DP上具有第二寬度L₂ 。在本實施例中，當影像光束IL入射第二光波導結構124之前的光斑於行進方向DP上的寬度例如是相等於第二寬度L₂ 時，光學系統120例如是可以滿足以下關係式：-----------(2)

其中，θ表示來自第一光波導元件122的影像光束IL的視場角（field of view, FOV）。舉例而言，當第二寬度L₂ 為8毫米，θ例如是30度時，厚度H為2.3毫米。相較而言，在相同條件下，倘若第二光波導元件124的第二表面S2是設置成一片傾斜的反射面而非多個具有反射面132的光學微結構130，則第二光波導元件124例如是必須具有4.6毫米的厚度，才能順利引導具有上述θ值的影像光束IL並使其傳遞於第二光波導元件124之中。因此，本發明實施例中具有這些光學微結構130的第二光波導元件124可以具有較薄的厚度，並且可以使影像光束IL分佈較為均勻。

圖4A至圖4C繪示本發明一些相關實施例中位於第二光波導元件上的多個光學微結構的剖面示意圖。圖4A至圖4C的第二光波導元件424a、424b、424c類似於圖1A至圖1J實施例的第二光波導元件124。第二光波導元件424a、424b、424c的構件以及相關敘述可以參考圖1A至圖1J實施例的第二光波導元件124，在此不再贅述。第二光波導元件424a、424b、424c與第二光波導元件124的差異如下所述。請先參考圖4A，在本實施例中，第二光波導元件424a的多個光學微結構430a例如是多個凸狀的光學微結構，且各光學微結構430a亦包括反射面432a以及連接面434a。具體而言，這些光學微結構430a例如是可以透過貼附微結構薄膜或塑膠射出的方式來形成，本發明並不以此為限。

另外，請先參考圖4B，在本實施例中，第二光波導元件424b具有多個光學微結構430b，且各光學微結構430b亦包括反射面432b以及連接面434b。各連接面434b與參考平面之間具有夾角θ₄ ，夾角θ₄ 大於0度且夾角θ₄ 小於90度。在本實施例中，這些光學微結構430b的形狀例如是等腰三角形。具體而言，由於這些連接面434不垂直於第二出光面ExS2，因此本實施例的這些光學微結構430b較易於透過射出成型的方式製作。除此之外，本實施例的這些光學微結構430b以及圖1A至圖1J實施例的這些光學微結構130例如是多個凹陷的光學微結構。具體而言，這些凹陷的光學微結構例如是可以透過將整塊玻璃進形切削或塑膠射出的方式來形成，使得這些光學微結構430b的端點不高過第二光波導元件124的第二表面S2，本發明並不以此為限。

請參考圖4C，在本實施例中，第二光波導元件424c具有多個光學微結構430c，且各光學微結構430c亦包括反射面432c以及連接面434c。具體而言，這些光學微結構430c類似於圖4B實施例的這些光學微結構430b，但這些光學微結構430c例如是類似於圖4A實施例的這些光學微結構430a的形式，為多個凸狀的光學微結構。這些光學微結構430c的相關敘述可以參考這些光學微結構430a以及這些光學微結構430b的相關敘述，在此不再贅述。在其他實施例中，這些光學微結構430c可形成一膜片(film)，該膜片可貼附於第二表面S2。

圖5繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的剖面示意圖，請參考圖5。圖5實施例的頭戴式顯示裝置500類似於圖1A至圖1J實施例的頭戴式顯示裝置100，其構件以及相關敘述可以參考頭戴式顯示裝置100的構件以及相關敘述，在此不再贅述。頭戴式顯示裝置500與頭戴式顯示裝置100的差異如下所述。在本實施例中，頭戴式顯示裝置500的光學系統520包括彼此堆疊設置的第一光波導元件522以及第二光波導元件524，且第一光波導元件522的第一入光面ES1與第一出光面ExS1之間的夾角θ₅ 小於90度。具體而言，第一光波導元件522於第一入光面ES1的一側例如是形成楔形（wedge），而第一入光面ES1為傾斜面。投影裝置110提供的影像光束IL（圖5繪示影像光束IL的一部分的影像光束IL9以及影像光束IL10）透過第一入光面ES1進入第一光波導元件522，並且被多個第一分光片526反射而傳遞至第二光波導元件524。詳細而言，在本發明的相關實施例中，可以依據實際需求而第一入光面ES1與第一出光面ExS1之間的夾角值，本發明並不以此為限。

圖6繪示本發明又一實施例的頭戴式顯示裝置傳遞影像光束的光路示意圖，請參考圖6。圖6實施例的頭戴式顯示裝置600類似於圖1A至圖1J實施例的頭戴式顯示裝置100，其構件以及相關敘述可以參考頭戴式顯示裝置100的構件以及相關敘述，在此不再贅述。頭戴式顯示裝置600與頭戴式顯示裝置100的差異如下所述。在本實施例中，頭戴式顯示裝置600的光學系統620包括彼此堆疊設置的第一光波導元件622以及第二光波導元件624。另外，光學系統620包括反射鏡640，配置於第一入光面ES1旁。反射鏡640適於反射由投影裝置610提供的影像光束IL，以使影像光束IL由第一入光面ES1進入第一光波導元件622。接著，進入第一光波導元件622的影像光束IL可再被多個第一分光片626反射而傳遞至第二光波導元件624。

具體而言，反射鏡640與第一出光面ExS1之間的夾角θ₆ 例如是45度。當影像光束IL經由反射鏡640反射後，可以垂直地入射第一入光面ES1。此外，在本實施例中，投影裝置610的光圈位置PA例如是位於第一光波導元件622中，其中光圈的英文翻譯為stop，亦可為光欄。舉例而言，光圈位置PA例如是位於這些第一分光片626之間。因此，行進於第一光波導元件622的影像光束IL可以縮束到光圈位置PA。所謂影像光束IL的縮束代表在光圈位置PA是影像光束IL在第一光波導元件622中影像光束IL具有最小截面積。在本實施例中，藉由將影像光束IL縮束的光圈位置PA調整至第一光波導元件622的內部，可以避免影像光束IL太早於XY平面上發散而在第一出光面ExS1以及第一側面SS1產生全反射。也就是說，影像光束IL在發生全反射之前就可以透過這些第一分光片626導引到第二光波導元件624中，因此可以避免影像光束IL於第一光波導元件622中發生全反射而造成非預期顯示畫面的問題。

綜上所述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。本發明的實施例的頭戴式顯示裝置的光學系統包括第一光波導元件以及第二光波導元件，且第二光波導元件配置於第一光波導元件旁。第一光波導元件包括至少一第一分光片，且第二光波導元件包括至少一第二分光片。第二光波導元件的第一表面的一部分為第二入光面，且第一表面的另一部分為第二出光面。影像光束離開第一光波導元件後經由第二入光面進入第二光波導元件，並經由第二出光面離開第二光波導元件。另外，第二光波導元件包括相對於第一表面的第二表面，第二表面上具有多個光學微結構，且各光學微結構包括反射面。因此，影像光束可以在行進於第一光波導元件之後，藉由這些光學微結構的反射而行進於第二光波導元件，使得光學系統可以傳遞影像光束並使影像光束藉由第一光波導元件以及第二光波導元件而在二個方向上擴張，且第一光波導元件以及第二光波導元件可以設計為疊置。另外， 可以與第二光波導元件疊置的第一光波導元件可以設置適足的尺寸，以使影像光束在第一光波導元件中發生全反射之前即行進至第一分光片，避免影像光束在第一光波導元件中發生全反射而形成對於第一分光片過大而非預期的入射角。因此，影像光束可以預期的方式在第一分光片反射或穿透，使得頭戴式顯示裝置不會產生鬼影。且在兼具體積輕薄的情況下具有良好的顯示品質。

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”、”第三”或”第四”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雖然本發明已以實施例揭露如上，然而其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視所附的權利範圍所界定者為准。

100、500、600‧‧‧頭戴式顯示裝置

110、610‧‧‧投影裝置

120、220’、520、620‧‧‧光學系統

122、522、622‧‧‧第一光波導元件

124、424a、424b、424c、524、624‧‧‧第二光波導元件

126、526、626‧‧‧第一分光片

128‧‧‧第二分光片

130、430a、430b、430c‧‧‧光學微結構

132、432a、432b、432c‧‧‧反射面

134、434a、434b、434c‧‧‧連接面

136‧‧‧光反射層

138‧‧‧光吸收層

224’‧‧‧光波導元件

228’‧‧‧分光片

640‧‧‧反射鏡

IL、IL1、IL2、IL3、IL4、IL5、IL6、IL7、IL8、IL9、IL10、IL’、IL1’、IL2’‧‧‧影像光束

A‧‧‧區域

AL‧‧‧環境光束

D‧‧‧顯示器

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

D4‧‧‧第四方向

DP‧‧‧行進方向

ES1‧‧‧第一入光面

ES2‧‧‧第二入光面

ExS1‧‧‧第一出光面

ExS2‧‧‧第二出光面

G‧‧‧間隙

H‧‧‧厚度

Ima1‧‧‧預期顯示畫面

Ima2‧‧‧非預期顯示畫面

L₁‧‧‧第一寬度

L₂‧‧‧第二寬度

P‧‧‧光瞳

PA‧‧‧光圈位置

PL‧‧‧透鏡

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

SS1‧‧‧第一側面

SS2‧‧‧第二側面

SS3‧‧‧第三側面

SL‧‧‧非預期光線

L、W‧‧‧寬度

X‧‧‧第一軸

Y‧‧‧第二軸

Z‧‧‧第三軸

θ_c1‧‧‧第一光收斂角

θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆ ‧‧‧角度

α‧‧‧第一夾角

β‧‧‧第二夾角

圖1A繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。 圖1B繪示圖1A實施例的光學系統的剖面示意圖。 圖1C繪示圖1B的光學系統的一部分的放大示意圖。 圖1D至圖1G繪示圖1A實施例中，第一光波導元件傳遞影像光束的一部分的光路示意圖。 圖1H至圖1J繪示圖1A實施例中，第二光波導元件傳遞影像光束的一部分的光路示意圖。 圖2A繪示一比較實施例的光學系統的光波導元件傳遞影像光束的一部分的光路示意圖。 圖2B繪示圖2A比較實施例之觀測區的光強度分布模擬圖。 圖3繪示分光片對於影像光束的反射率對影像光束的入射角的作圖。 圖4A至圖4C繪示本發明一些相關實施例中位於第二光波導元件上的多個光學微結構的剖面示意圖。 圖5繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的剖面示意圖。 圖6繪示本發明又一實施例的頭戴式顯示裝置傳遞影像光束的光路示意圖。

Claims (26)

1. 一種光學系統，用於接收一影像光束，該光學系統包括： 一第一光波導元件，包括： 一第一入光面，該影像光束由該第一入光面進入該第一光波導元件； 一第一出光面，連接該第一入光面，該影像光束經由該第一出光面離開該第一光波導元件；以及 至少一第一分光片，配置於該第一光波導元件中；以及 一第二光波導元件，配置於該第一光波導元件旁，該第二光波導元件包括： 一第一表面，該第一表面的一部分為面對該第一出光面的一第二入光面，該第一表面的另一部分為一第二出光面，且該影像光束經由該第二入光面進入該第二光波導元件並由該第二出光面離開該第二光波導元件； 一第二表面，相對於該第一表面，其中該第二表面上具有多個光學微結構，且各該光學微結構包括一反射面；以及 至少一第二分光片，配置於該第二光波導元件中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中進入該第一光波導元件的該影像光束的一部分適於在該至少一第一分光片上發生反射，而由該第一出光面離開該第一光波導元件，離開該第一光波導元件的該影像光束適於由該第二入光面進入該第二光波導元件，該些反射面適於反射進入該第二光波導元件的該影像光束，且被該些反射面反射的該影像光束的一部分適於在該至少一第二分光片上發生反射，而由該第二出光面離開該第二光波導元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光學系統，其中該第一光波導元件更包括一第一側面、一第二側面以及一第三側面，該第一側面連接該第一入光面，該第一側面與該第一出光面平行，該至少一第一分光片配置於該第一側面與該第一出光面之間，該第二側面連接該第一側面以及該第一出光面，該第三側面連接該第一側面以及該第一出光面，且該第三側面平行於該第二側面，其中該影像光束適於行進於該第一側面與該第一出光面之間以及該第二側面與該第三側面之間，且至少部分該影像光束抵達該第二側面以及該第三側面之前即被該至少一第一分光片反射而由該第一出光面離開該第一光波導元件。
4. 如申請專利範圍第3項所述的光學系統，其中該第二表面與該第二出光面平行，該至少一第二分光片配置於該第二表面與該第二出光面之間，其中至少部分該影像光束適於以全反射行進於該第二表面與該第二出光面之間。
5. 如申請專利範圍第2項所述的光學系統，其中離開該第二光波導元件的該影像光束適於進入一光瞳，進入該第一光波導元件前的該影像光束在一第一方向上具有一第一入瞳張角且在一第二方向上具有一第二入瞳張角，離開該第二光波導元件且進入該光瞳的該影像光束在一第三方向上具有一第一光收斂角且在一第四方向上具有一第二光收斂角，其中該第一方向與該第二方向垂直，該第三方向與該第四方向垂直，該第一入瞳張角相等於該第一光收斂角，且該第二入瞳張角相等於該第二光收斂角。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中各該光學微結構更包括連接該反射面的一連接面，各該反射面與一參考平面之間所夾的銳角相等於該至少一第二分光片與該第二出光面之間的所夾的銳角，各該連接面與該參考平面之間具有一夾角，該夾角大於0度且該夾角小於或等於90度，其中該參考平面平行於該第二出光面。
7. 如申請專利範圍第6項所述的光學系統，其中各該光學微結構更包括一光反射層以及一光吸收層，該光反射層配置於該反射面上，且該光吸收層配置於該連接面上。
8. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，更包括一反射鏡，配置於該第一入光面旁，該反射鏡適於反射該影像光束以使該影像光束由該第一入光面進入該第一光波導元件。
9. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中該至少一第一分光片不平行於該第一入光面，且該至少一第二分光片不平行於該第二入光面。
10. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中該第一入光面與該第一出光面之間的夾角小於或等於90度。
11. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中該至少一第一分光片為多個第一分光片，且該至少一第二分光片為多個第二分光片，該些第一分光片相互平行且呈間隔排列，且該些第二分光片相互平行且呈間隔排列。
12. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中該第二入光面與該第一出光面之間具有一間隙，且該第二入光面與該第一出光面平行。
13. 一種頭戴式顯示裝置，包括： 一投影裝置，用於提供一影像光束；以及 一光學系統，包括： 一第一光波導元件，包括： 一第一入光面，該影像光束由該第一入光面進入該第一光波導元件； 一第一出光面，連接該第一入光面，該影像光束經由該第一出光面離開該第一光波導元件；以及 至少一第一分光片，配置於該第一光波導元件中；以及 一第二光波導元件，配置於該第一光波導元件旁，該第二光波導元件包括： 一第一表面，該第一表面的一部分為面對該第一出光面的一第二入光面，該第一表面的另一部分為一第二出光面，且該影像光束經由該第二入光面進入該第二光波導元件並由該第二出光面離開該第二光波導元件； 一第二表面，相對於該第一表面，其中該第二表面上具有多個光學微結構，且各該光學微結構包括一反射面；以及 至少一第二分光片，配置於該第二光波導元件中。
14. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中該投影裝置包括一顯示器以及至少一透鏡，該顯示器提供該影像光束，且該影像光束通過該至少一透鏡後傳遞至該第一光波導元件，其中該至少一透鏡的一光圈位置位於該第一光波導元件中。
15. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中進入該第一光波導元件的該影像光束的一部分適於在該至少一第一分光片上發生反射，而由該第一出光面離開該第一光波導元件，離開該第一光波導元件的該影像光束適於由該第二入光面進入該第二光波導元件，該些反射面適於反射進入該第二光波導元件的該影像光束，且被該些反射面反射的該影像光束的一部分適於在該至少一第二分光片上發生反射，而由該第二出光面離開該第二光波導元件。
16. 如申請專利範圍第15項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一光波導元件更包括一第一側面、一第二側面以及一第三側面，該第一側面連接該第一入光面，該第一側面與該第一出光面平行，該至少一第一分光片配置於該第一側面與該第一出光面之間，該第二側面連接該第一側面以及該第一出光面，該第三側面連接該第一側面以及該第一出光面，且該第三側面平行於該第二側面，其中該影像光束適於行進於該第一側面與該第一出光面之間以及該第二側面與該第三側面之間，且至少部分該影像光束抵達該第二側面以及該第三側面之前即被該至少一第一分光片反射而由該第一出光面離開該第一光波導元件。
17. 如申請專利範圍第16項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第二表面與該第二出光面平行，該至少一第二分光片配置於該第二表面與該第二出光面之間，其中至少部分該影像光束適於以全反射行進於該第二表面與該第二出光面之間。
18. 如申請專利範圍第15項所述的頭戴式顯示裝置，其中離開該第二光波導元件的該影像光束適於進入一光瞳，進入該第一光波導元件前的該影像光束在一第一方向上具有一第一入瞳張角且在一第二方向上具有一第二入瞳張角，離開該第二光波導元件且進入該光瞳的該影像光束在一第三方向上具有一第一光收斂角且在一第四方向上具有一第二光收斂角，其中該第一方向與該第二方向垂直，該第三方向與該第四方向垂直，該第一入瞳張角相等於該第一光收斂角，且該第二入瞳張角相等於該第二光收斂角。
19. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中各該光學微結構更包括連接該反射面的一連接面，各該反射面與一參考平面之間所夾的銳角相等於該至少一第二分光片與該第二出光面之間的所夾的銳角，各該連接面與該參考平面之間具有一夾角，該夾角大於0度且該夾角小於或等於90度，其中該參考平面平行於該第二出光面。
20. 如申請專利範圍第19項所述的頭戴式顯示裝置，其中各該光學微結構更包括一光反射層以及一光吸收層，該光反射層配置於該反射面上，且該光吸收層配置於該連接面上。
21. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中該光學系統更包括一反射鏡，配置於該第一入光面旁，該反射鏡適於反射該影像光束以使該影像光束由該第一入光面進入該第一光波導元件。
22. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中該至少一第一分光片不平行於該第一入光面，且該至少一第二分光片不平行於該第二入光面。
23. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一入光面與該第一出光面之間的夾角小於或等於90度。
24. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中該至少一第一分光片為多個第一分光片，且該至少一第二分光片為多個第二分光片，該些第一分光片相互平行且呈間隔排列，且該些第二分光片相互平行且呈間隔排列。
25. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第二入光面與該第一出光面之間具有一間隙，且該第二入光面與該第一出光面平行。
26. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，其中該影像光束由該投影裝置發出，且該影像光束縮束於該第一光波導元件內的該光圈位置。