TW202208902A

TW202208902A - 光波導、光波導的製作方法以及頭戴式顯示裝置

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Publication number: TW202208902A
Application number: TW109135688A
Authority: TW
Inventors: 簡宏達
Original assignee: 中強光電股份有限公司
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-03-01
Also published as: JP2022039935A; CN114114518A; US20220066214A1; US12007565B2; EP3961294B1; TWI775178B; EP3961294A1

Abstract

一種光波導、光波導的製作方法以及頭戴式顯示裝置。光波導具有第一光學區以及第二光學區，用以傳遞影像光束。光波導包括板體、多個第一導光光學元件以及多個光學微結構。第一導光光學元件平行配置於板體的內部的導光平面上。導光平面位於第一光學區中，各第一導光光學元件之間存在間距。影像光束通過導光平面後分離出多個子影像光束，子影像光束的傳遞路徑至少部分不同。光學耦出結構配置於板體內且位於第二光學區中。如此，光波導能夠提高均勻的影像光束。

Description

光波導、光波導的製作方法以及頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種光學結構、光學結構的製作方法以及光學裝置，且特別是有關於一種光波導、光波導的製作方法以及頭戴式顯示裝置。

隨著顯示技術的進步及人們對於高科技的渴望，虛擬實境（virtual reality）與擴充實境（augmented reality）的技術已漸趨成熟，其中頭戴式顯示器（head mounted display, HMD）則是用以實現此技術的顯示器。頭戴式顯示器的發展歷史可以追溯到1970年代的美國軍方，其利用一個光學投影系統，將顯示器元件上的影像或文字訊息投射到使用者的眼中。近年來，隨著微型顯示器中的解析度越來越高，尺寸功耗越來越小，頭戴式顯示器亦發展成為一種攜帶式(portable)顯示裝置。除了在軍事領域外，其他諸如工業生產、模擬訓練、立體顯示、醫療、運動、導航和電子遊戲等相關領域，頭戴式顯示器的顯示技術亦皆有所成長而佔據了重要的地位。

現在有一種頭戴式顯示裝置，其利用波導 (waveguide) 元件作為結合來自光機的影像光束及來自外部的環境光束的合光組件(combiner)。此波導元件主要由耦入棱鏡、波導平板與耦出微結構組成。具體而言，在此波導元件中，影像光束的傳遞路徑為經由耦入棱鏡進入波導平板後可全反射傳播直到進入耦出區，耦出區內存在耦出微結構而可將影像光束耦出波導平板。

然而，由於部分的影像光束於波導平板內部進行多次全反射傳遞，因此，對攜帶有特定影像資訊的影像光束而言，當進行的全反射次數不同時，這些帶有同一特定影像資訊的影像光束之間也會產生間距。當間距較大時，這些帶有同一特定影像資訊的影像光束經由耦出微結構耦出波導平板時的間距也容易較大。若人眼瞳孔位於帶有同一特定影像資訊的影像光束之間的間距，而沒有接受到此部分的影像光束，人眼所見的影像將會缺少這一部分的影像。如此，將造成人眼所見的影像的均勻度變低，眼箱（eyebox）變小。並且，當光機的視場角越大，或是波導元件的厚度較厚時，上述現象會越加明顯。如此，將會影響影像品質，也不利於在頭戴式顯示器的光機設計中實現大視角的設計。

“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。

本發明提供一種光波導，能夠提供均勻的影像光束。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，能夠提供具有良好品質的影像畫面。

本發明提供一種光波導的製作方法，能夠製作具有用以提供均勻的影像光束的光波導。

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波導。光波導具有一第一光學區以及一第二光學區，用以傳遞一影像光束。光波導包括一板體、多個第一導光光學元件以及多個光學耦出結構。板體具有一入光側，其中第一光學區位於入光側與第二光學區之間。多個第一導光光學元件平行配置於板體的內部的一導光平面上，其中導光平面位於第一光學區中，各第一導光光學元件之間存在一間距，且影像光束通過導光平面後分離出多個子影像光束，子影像光束的傳遞路徑至少部分不同，且在第一光學區中以全反射的方式被傳遞至第二光學區。多個光學耦出結構，配置於板體內且位於第二光學區中。

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。頭戴式顯示裝置用於配置在使用者的至少一眼睛前方，包括顯示單元以及前述的光波導。顯示單元用於提供影像光束，光波導用以傳遞影像光束至使用者的至少一眼睛。

在本發明的一實施例中，上述的第一導光光學元件為部分反射層，當影像光束通過各第一導光光學元件時，部分影像光束穿透各第一導光光學元件而形成一第一子影像光束，另一部分影像光束經由各第一導光光學元件反射而形成一第二子影像光束，且第一子影像光束與第二子影像光束用以形成子影像光束。

在本發明的一實施例中，上述的第一導光光學元件為鏡面反射層，通過各第一導光光學元件的影像光束形成一第一部分影像光束，通過相鄰二第一導光光學元件之間的間距的影像光束形成一第二部分影像光束，且第一部分影像光束與第二部分影像光束用以形成子影像光束。

在本發明的一實施例中，上述的各第一導光光學元件的尺寸小於2毫米。

在本發明的一實施例中，上述的板體具有彼此相對的一第一表面與一第二表面，且導光平面位於第一表面及第二表面之間且平行於第一表面與第二表面。

在本發明的一實施例中，上述的光學耦出結構為多個光學微結構，各光學微結構分別具有一光學面，光學微結構的光學面分別相對於導光平面傾斜，光波導還包括多個第二導光光學元件。第二導光光學元件位於光學微結構的光學面上，其中第二導光光學元件用以反射子影像光束的至少一部分，其中子影像光束的另一部分繼續在板體中傳遞，子影像光束的另一部分在被第二導光光學元件反射後自第二表面離開板體。

在本發明的一實施例中，上述的相鄰的二第二導光光學元件之間的距離小於等於4毫米。

在本發明的一實施例中，上述的板體包括一第一結構層以及一第二結構層。第一結構層具有多個第一斜面與多個第一連接面，其中各第一連接面連接相鄰的第一斜面的不同端，以形成一第一鋸齒狀結構。第二結構層，具有多個第二斜面與多個第二連接面，其中各第二連接面連接相鄰的第二斜面的不同端，以形成一第二鋸齒狀結構，且第二斜面與第一斜面相對應，第二連接面與第一連接面相對應，以使第一鋸齒狀結構與第二鋸齒狀結構吻合而形成光學微結構，且第二斜面與第一斜面相接觸而形成光學微結構的光學面。

在本發明的一實施例中，上述的第一結構層還具有一第一平面，第二結構層還具有一第二平面，第二平面與第一平面相接觸而形成導光平面。

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波導的製作方法，其中光波導用以傳遞一影像光束，光波導的製作方法包括下列步驟。提供一第一結構層，其中第一結構層具有一第一平面。提供一第二結構層，其中第二結構層具有一第二平面。在第一平面或第二平面上形成多個第一導光光學元件，其中各第一導光光學元件之間存在一間距。接合第一結構層與第二結構層，以使第一平面與第二平面相接觸而形成一導光平面，其中通過導光平面上的影像光束被分離出多個子影像光束，子影像光束的傳遞路徑至少部分不同，且在第一光學區中以全反射的方式被傳遞。

在本發明的一實施例中，上述的第一結構層具有多個第一斜面與多個第一連接面，各第一連接面連接相鄰的第一斜面的不同端，以形成一第一鋸齒狀結構，第二結構層具有多個第二斜面與多個第二連接面，各第二連接面連接相鄰的第二斜面的不同端，以形成一第二鋸齒狀結構，且光波導的製作方法還包括下列步驟。在第一結構層的第一斜面或第二結構層的第二斜面上形成多個第二導光光學元件，其中第二導光光學元件用以反射影像光束的至少一部份。使第二斜面與第一斜面相對應，第二連接面與第一連接面相對應，以使第一鋸齒狀結構與第二鋸齒狀結構能夠吻合而形成多個光學微結構，且在接合第一結構層與第二結構層後，第二斜面與第一斜面相接觸而形成光學微結構的多個光學面。

在本發明的一實施例中，上述的光波導具有一第一光學區以及一第二光學區，板體具有一入光側，其中第一光學區位於入光側與第二光學區之間，第一平面與第二平面位於第一光學區中，而光學微結構位於第二光學區中。

本發明的一實施例中，上述的光波導的製作方法，還包括：提供一結合層，用以接合第一結構層與第二結構層，其中結合層的折射率與第一結構層的折射率差異小於0.01，結合層的折射率與第二結構層的折射率差異小於0.01。

本發明的一實施例中，上述的第一光學導光元件的尺寸小於2毫米。

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。在本發明的實施例中，通過多個第一導光光學元件的配置，當影像光束通過導光平面後，能夠分離出多個子影像光束，進而能夠有效增加影像光束的密集度與均勻度。因此，影像光束於板體中的傳遞路徑增加，而可較密集地於板體內進行全反射傳播，進而可較密集地被傳遞至第二光學區的第二導光光學元件之處。如此一來，離開光波導的多個子影像光束的密集度與均勻度也都得以提升，而可增加人眼所見影像均勻度，並減少影像缺塊或暗區的產生。如此，頭戴式顯示裝置中通過光波導而傳遞至人眼的影像畫面可以具有良好的均勻度以及良好的影像品質。

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是本發明一實施例的一種頭戴式顯示裝置的架構示意圖。圖1B是圖1A的光波導的爆炸示意圖。圖1C至圖1E是圖1A的光波導的第一導光光學元件的不同排列方式的示意圖。請參照圖1A與圖1B，在本實施例中，頭戴式顯示裝置200用於配置在使用者的至少一眼睛EY前方。頭戴式顯示裝置200包括顯示單元210以及光波導100。顯示單元210用於提供影像光束IB，光波導100用以傳遞影像光束IB至使用者的至少一眼睛EY。

具體而言，如圖1A與圖1B所示，在本實施例中，光波導100具有一第一光學區OR1以及一第二光學區OR2，用以傳遞影像光束IB。光波導100包括一板體110、至少一耦入稜鏡CL、多個第一導光光學元件120以及多個光學耦出結構130。此外，在本實施例中，耦入稜鏡CL的數量以一個為例示，但本發明不以此為限，在其他的實施例中，耦入棱鏡的數量亦可為多個。於本實施例中，光學耦出結構130例如是光學微結構，但本發明不以此為限。於其他實施例中，光學耦出結構130可例如為全像光學元件(Holographic optical element，HOE)、表面浮雕光柵(Surface relief grating，SRG)等繞射式耦出結構。以下以光學耦出結構130為光學微結構進行說明。

舉例而言，光波導100例如可以下列步驟製作。首先，如圖1B所示，提供一第一結構層111與一第二結構層112。第一結構層111具有一對應第一光學區OR1而設置的第一平面PS1，對應第二光學區OR2而設置的多個第一斜面IS1與多個第一連接面LS1。第一結構層111的各第一連接面LS1連接相鄰的第一斜面IS1的不同端，以形成一第一鋸齒狀結構ZS1，且耦入稜鏡CL與第一鋸齒狀結構ZS1分別位於第一結構層111中彼此相對的不同表面上。另一方面，第二結構層112也具有一對應第一光學區OR1而設置的第二平面PS2，對應第二光學區OR2而設置的多個第二斜面IS2與多個第二連接面LS2，其中各第二連接面LS2連接相鄰的第二斜面IS2的不同端，以形成一第二鋸齒狀結構ZS2。

接著，在第一結構層111的第一平面PS1或第二結構層112的第二平面PS2上形成多個第一導光光學元件120。具體而言，如圖1C至圖1E所示，在本實施例中，該些第一導光光學元件120形成在第二結構層112的第二平面PS2上，但本發明不以此為限。在另一未繪示的實施例中，該些第一導光光學元件120也可形成在第一結構層111的第一平面PS1上。此外，在本實施例中，各第一導光光學元件120之間存在一間距SP，且各第一導光光學元件120之間的間距SP可依據影像光束IB的所需的均勻度來進行調整。即第一導光光學元件120之間的間距SP可相同或不相同。並且，如圖1C至圖1E所示，該些第一導光光學元件120的排列方式可為規則排列（如圖1C至圖1D所示）或隨機排列（如圖1E所示）。此外，在本實施例中，該些第一導光光學元件120例如為鏡面反射層，各第一導光光學元件120的尺寸小於2毫米。

另一方面，在第一結構層111的第一斜面IS1或第二結構層112的第二斜面IS2上形成多個第二導光光學元件140。具體而言，亦如圖1C至圖1E所示，在本實施例中，第二導光光學元件140形成在第二結構層112的第二斜面IS2上，即各第二導光光學元件140形成在對應的第二斜面IS2，但本發明不以此為限。在另一未繪示的實施例中，第二導光光學元件140也可形成在第一結構層111的第一斜面IS1上。進一步而言，在本實施例中，第二導光光學元件140為部分反射層，能夠用以使一部分的影像光束IB穿透，並反射另一部分的影像光束IB。在本實施例中，第一導光光學元件120與第二導光光學元件140的材料並不相同，因此形成第一導光光學元件120與形成第二導光光學元件140的步驟可利用不同的製程步驟進行，但本發明不以此為限。在其他的實施例中，當第一導光光學元件120與第二導光光學元件140的材料相同時，形成第一導光光學元件120與形成第二導光光學元件140的步驟也可在同一製程步驟進行。舉例而言，在本實施例中，形成第一導光光學元件120與形成第二導光光學元件140的步驟可利用光罩製程、光阻顯影或雷射等方式來進行圖案化的過程而實施。

接著，提供一結合層113，用以接合第一結構層111與第二結構層112，並使第一平面PS1與第二平面PS2相對應，使第二斜面IS2與第一斜面IS1相對應，第二連接面LS2與第一連接面LS1相對應，以使第一平面PS1與第二平面PS2相接觸而形成一導光平面PL，且使第一鋸齒狀結構ZS1與第二鋸齒狀結構ZS2能夠吻合而形成多個光學微結構130，其中第二斜面IS2與第一斜面IS1相接觸而形成光學微結構130的多個光學面OP。如此，第一結構層111與第二結構層112接合後，可形成光波導100的板體110、該些第一導光光學元件120以及該些光學微結構130。其中結合層113例如為膠體，結合層113的折射率與第一結構層111的折射率差異小於0.01，結合層113的折射率與第二結構層112的折射率差異小於0.01。

進一步而言，如圖1A至圖1B所示，形成的光波導100的板體110具有一入光側IL以及彼此相對的一第一表面S1與一第二表面S2，其中第一光學區OR1位於入光側IL與第二光學區OR2之間。通過第一結構層111的第一平面PS1與第二結構層112的第二平面PS2而形成的導光平面PL位於光波導100的第一光學區OR1中，導光平面PL位於板體110的第一表面S1及第二表面S2之間且平行於第一表面S1與第二表面S2，且多個第一導光光學元件120平行配置於板體110的內部的導光平面PL上。另一方面，通過第一鋸齒狀結構ZS1及第二鋸齒狀結構ZS2而形成的光學微結構130位於光波導100的第二光學區OR2中，其中通過第一結構層111的多個第一斜面IS1與第二結構層112的多個第二斜面IS2形成光學微結構130的光學面OP，各光學微結構130的光學面OP分別相對於導光平面PL傾斜。

圖1F是本發明的光波導的另一種第一導光光學元件的示意圖。本實施例的光波導100的第一光學區OR1中僅配置一個第一導光光學元件120，且其尺寸小於2毫米。藉由至少一個第一導光光學元件120的配置，亦可減少影像缺塊或暗區的產生。

以下將搭配圖2A與圖2B，對影像光束IB通過光波導100時的光路進行進一步地解說。

圖2A是影像光束IB通過圖1A的一種光波導的光路示意圖。圖2B是圖2A的光波導的第一光學區的光路示意圖。具體而言，如圖2A與圖2B所示，影像光束IB經由板體110的第一表面S1進入板體110時，影像光束IB可經由耦入稜鏡CL的斜面反射後在板體110的第一光學區OR1中傳遞。並且，影像光束IB在板體110中可經由全反射的方式傳遞至板體110中設有第二導光光學元件140的第二光學區OR2，並經由第二導光光學元件140被耦出光波導100。也就是說，在本實施例中，入光側IL對應耦入稜鏡CL設置，而形成耦入區，第一光學區OR1為影像光束IB的全反射傳遞區，且第二光學區OR2為耦出區，用以將來自第一光學區OR1的影像光束IB導引出光波導100並傳遞至使用者的至少一眼睛EY。

進一步而言，如圖2B所示，通過各第一導光光學元件120的影像光束IB會經由第一導光光學元件120反射而形成一第一部分影像光束IB1，通過相鄰二個第一導光光學元件120之間的間距SP的影像光束IB形成一第二部分影像光束IB2。如此，通過導光平面PL上的影像光束IB可基於藉由第一導光光學元件120的有無反射，而被改變其傳遞路徑，進而分離出多個子影像光束SB。如圖2B所示，通過其中一第一導光光學元件120的影像光束IB形成第一部分影像光束IB1與通過其中一間距SP的影像光束IB形成第二部分影像光束IB2，在通過第一光學區OR1的過程中，不斷被該些第一導光光學元件120分離出來的第一部分影像光束IB1與第二部分影像光束IB2，可不斷地用以形成子影像光束SB，這些子影像光束SB的傳遞路徑至少部分不同，且在第一光學區OR1中以全反射的方式被傳遞至第二光學區OR2。如此，當影像光束IB通過導光平面PL後，能夠分離出多個子影像光束SB，進而能夠有效增加影像光束IB的密集度。

接著，如圖2A所示，當多個子影像光束SB傳遞至第二光學區OR2的光學微結構130的光學面OP時，由於第二導光光學元件140位於光學微結構130的光學面OP上，則該些子影像光束SB可藉由第二光學區OR2的第二導光光學元件140被耦出光波導100。於本實施例中，該些第二導光光學元件140可為部分穿透部分反射元件，且第二導光光學元件140能夠用以使各子影像光束SB的一部分穿透，並反射各子影像光束SB的另一部分，因此，各子影像光束SB的一部分在穿透第二導光光學元件140後繼續在板體110的第二光學區OR2中傳遞，各子影像光束SB的另一部分在被第二導光光學元件140反射後自第二表面S2離開板體110。如此一來，光波導100可用以傳遞影像光束IB至使用者的至少一眼睛EY，而於使用者的眼中顯示影像。於其他實施例中，第二導光光學元件140為鏡面反射元件，則入射於第二導光光學元件140的至少部分子影像光束會被反射，而沒有入射於第二導光光學元件的另一部分子影像光束繼續於第二光學區內傳遞，直到被第二導光光學元件反射。因此，子影像光束在被第二導光光學元件反射後自第二表面離開板體。

更具體而言，第二導光光學元件140之間的距離必須依據人眼瞳孔大小來定義。當第二導光光學元件140之間的距離較小時，能夠使影像光束IB通過第二導光光學元件140後密集地被耦出光波導100並被傳至人眼中。舉例而言，該些第二導光光學元件140例如為光學膜圖案，相鄰的二個第二導光光學元件140之間的距離小於等於4毫米，其中最小距離是指其中一第二導光光學元件的中心至另一相鄰的第二導光光學元件140的中心之間的距離。並且，如圖2A所示，在本實施例中，在各第二導光光學元件140之間還可存在平坦穿透區，而使環境光線(未繪示)可穿透光波導100並被傳遞至使用者的至少一眼睛EY，以使頭戴式顯示裝置200能夠達到擴增實境的功能，其中環境光線(未繪示)例如是從第一表面S1進入光波導100並穿透各第二導光光學元件140之間的在平坦穿透區，接續從第二表面S2離開光波導100。此外，在本實施例中，各第二導光光學元件140之間的距離可控制為等距，但也可控制為不等距以調整所視影像之亮度均勻性。另外，該些第二導光光學元件140的尺寸可為不相同以調整眼睛所視影像的亮度均勻性。

如此一來，在本實施例中，通過第一光學區OR1的第一導光光學元件120的配置，當影像光束IB通過導光平面PL後，能夠分離出多個子影像光束SB，進而能夠有效增加影像光束IB的密集度與均勻度。因此，影像光束IB可較密集地被傳遞至第二光學區OR2的第二導光光學元件140之處。如此一來，離開光波導100的多個子影像光束SB的密集度與均勻度也都得以提升，而可增加人眼所見影像均勻度，並減少影像缺塊或暗區的產生。如此，頭戴式顯示裝置200中通過光波導100而傳遞至人眼的影像畫面可以具有良好的均勻度以及良好的影像品質。

圖3A是影像光束IB通過圖1A的另一種光波導的光路示意圖。圖3B是圖3A的光波導的第一光學區的光路示意圖。請參照圖3A與圖3B，圖3A與圖3B的光波導300與圖2A與圖2B的光波導100類似，而差異如下所述。如圖3A與圖3B所示，在本實施例中，光波導300的第一導光光學元件320為部分反射層，如此，如圖3B所示，當影像光束IB通過各第一導光光學元件320時，部分影像光束IB穿透各第一導光光學元件320以及穿過相鄰兩第一導光光學元件320之間的間距SP而形成一第一子影像光束SB1，另一部分影像光束IB經由各第一導光光學元件320反射而形成一第二子影像光束SB2。也就是說，當影像光束IB通過第一導光光學元件320時，即有一部分的影像光束IB被改變其傳遞路徑，而形成第二子影像光束SB2。並且，如圖3B所示，第一子影像光束SB1與第二子影像光束SB2可繼續在第一光學區OR1中傳遞，進而可不斷地分離出不同第一子影像光束SB1與第二子影像光束SB2，而也可用以形成多個子影像光束SB。

如此，通過第一導光光學元件320的配置，當影像光束IB通過光波導300的導光平面PL後，能夠分離出多個子影像光束SB，進而能夠有效增加影像光束IB的密集度與均勻度，進而使光波導300亦能達到與前述的光波導100類似的效果與優點，在此就不再贅述。並且，當光波導300應用至頭戴式顯示裝置200時，亦能使頭戴式顯示裝置200達到類似的效果與優點，在此就不再贅述。

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。在本發明的實施例中，通過第一導光光學元件的配置，當影像光束通過導光平面後，能夠分離出多個子影像光束，進而能夠有效增加影像光束的密集度與均勻度。因此，影像光束可較密集地於板體內進行全反射傳播，並產生較為多樣的傳遞路徑，進而可較密集地被傳遞至第二光學區的第二導光光學元件之處。如此一來，離開光波導的多個子影像光束的密集度與均勻度也都得以提升，而可增加人眼所見影像均勻度，並減少影像缺塊或暗區的產生。如此，頭戴式顯示裝置中通過光波導而傳遞至人眼的影像畫面可以具有良好的均勻度以及良好的影像品質。

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”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、300:光波導 110:板體 111:第一結構層 112:第二結構層 113:結合層 120、320:第一導光光學元件 130:光學耦出結構 140:第二導光光學元件 200:頭戴式顯示裝置 210:顯示單元 CL:耦入稜鏡 EY:眼睛 IB:影像光束 IB1:第一部分影像光束 IB2:第二部分影像光束 IL:入光側 IS1:第一斜面 IS2:第二斜面 LS1:第一連接面 LS2:第二連接面 OP:光學面 OR1:第一光學區 OR1:第二光學區 PL:導光平面 PS1:第一平面 PS2:第二平面 S1:第一表面 S2:第二表面 SB:子影像光束 SB1:第一子影像光束 SB2:第二子影像光束 SP:間距 ZS1:第一鋸齒狀結構 ZS2:第二鋸齒狀結構

圖1A是本發明一實施例的一種頭戴式顯示裝置的架構示意圖。圖1B是圖1A的光波導的爆炸示意圖。圖1C至圖1E是圖1A的光波導的第一導光光學元件的不同排列方式的示意圖。圖1F是本發明的光波導的另一種第一導光光學元件的示意圖。圖2A是影像光束通過圖1A的一種光波導的光路示意圖。圖2B是圖2A的光波導的第一光學區域的光路示意圖。圖3A是影像光束通過圖1A的另一種光波導的光路示意圖。圖3B是圖2A的光波導的第一光學區域的光路示意圖。

100:光波導

110:板體

120:第一導光光學元件

130:光學耦出結構

140:第二導光光學元件

200:頭戴式顯示裝置

210:顯示單元

CL:耦入稜鏡

EY:眼睛

IB:影像光束

IL:入光側

OR1:第一光學區

OR1:第二光學區

PL:導光平面

S1:第一表面

S2:第二表面

Claims

一種光波導，具有一第一光學區以及一第二光學區，用以傳遞一影像光束，包括：一板體，具有一入光側，其中該第一光學區位於該入光側與該第二光學區之間；多個第一導光光學元件，平行配置於該板體的內部的一導光平面上，其中該導光平面位於該第一光學區中，各該些第一導光光學元件之間存在一間距，且該影像光束通過該導光平面後分離出多個子影像光束，該些子影像光束的傳遞路徑至少部分不同，且在該第一光學區中以全反射的方式被傳遞至該第二光學區；以及多個光學耦出結構，配置於該板體內且位於該第二光學區中。
如請求項1所述的光波導，其中該些第一導光光學元件為部分反射層，當該影像光束通過各該第一導光光學元件時，部分該影像光束穿透各該些第一導光光學元件而形成一第一子影像光束，另一部分該影像光束經由各該些第一導光光學元件反射而形成一第二子影像光束，且該第一子影像光束與該第二子影像光束用以形成該些子影像光束。
如請求項1所述的光波導，其中該些第一導光光學元件為鏡面反射層，通過各該些第一導光光學元件的該影像光束形成一第一部分影像光束，通過相鄰二該些第一導光光學元件之間的該間距的該影像光束形成一第二部分影像光束，且該第一部分影像光束與該第二部分影像光束用以形成該些子影像光束。
如請求項1所述的光波導，其中各該些第一導光光學元件的尺寸小於2毫米。
如請求項1所述的光波導，其中該板體具有彼此相對的一第一表面與一第二表面，且該導光平面位於該第一表面及該第二表面之間且平行於該第一表面與該第二表面。
如請求項5所述的光波導，其中該些光學耦出結構為多個光學微結構，各該些光學微結構分別具有一光學面，該些光學微結構的該些光學面分別相對於該導光平面傾斜，該光波導還包括：多個第二導光光學元件，位於該些光學微結構的該些光學面上，其中該些第二導光光學元件用以反射該些子影像光束的至少一部份，其中該些子影像光束的另一部分繼續在該板體中傳遞，各該子影像光束的另一部分在被該些第二導光光學元件反射後自該第二表面離開該板體。
如請求項6所述的光波導，其中相鄰的二該些第二導光光學元件之間的距離小於等於4毫米。
如請求項6所述的光波導，其中該板體包括：一第一結構層，具有多個第一斜面與多個第一連接面，其中各該些第一連接面連接相鄰的該些第一斜面的不同端，以形成一第一鋸齒狀結構；以及一第二結構層，具有多個第二斜面與多個第二連接面，其中各該些第二連接面連接相鄰的該些第二斜面的不同端，以形成一第二鋸齒狀結構，且該些第二斜面與該些第一斜面相對應，該些第二連接面與該些第一連接面相對應，以使該第一鋸齒狀結構與該第二鋸齒狀結構吻合而形成該些光學微結構，且該些第二斜面與該些第一斜面相接觸而形成該些光學微結構的該些光學面。
如請求項8所述的光波導，其中該第一結構層還具有一第一平面，該第二結構層還具有一第二平面，該第二平面與該第一平面相接觸而形成該導光平面。
一種光波導的製作方法，其中該光波導用以傳遞一影像光束，且該光波導的製作方法包括：提供一第一結構層，其中該第一結構層具有一第一平面；提供一第二結構層，其中該第二結構層具有一第二平面；在該第一平面或該第二平面上形成多個第一導光光學元件，其中各該些第一導光光學元件之間存在一間距；接合該第一結構層與該第二結構層，以使該第一平面與該第二平面相接觸而形成一導光平面，其中通過該導光平面上的該影像光束被分離出多個子影像光束，該些子影像光束的傳遞路徑至少部分不同，且在該第一光學區中以全反射的方式被傳遞。
如請求項10所述的光波導的製作方法，其中該第一結構層具有多個第一斜面與多個第一連接面，各該些第一連接面連接相鄰的該些第一斜面的不同端，以形成一第一鋸齒狀結構，該第二結構層具有多個第二斜面與多個第二連接面，各該第二連接面連接相鄰的該些第二斜面的不同端，以形成一第二鋸齒狀結構，且該光波導的製作方法還包括：在該第一結構層的該些第一斜面或該第二結構層的該些第二斜面上形成多個第二導光光學元件，其中該些第二導光光學元件用以使一部分的該影像光束穿透，並反射另一部分的該影像光束；以及使該些第二斜面與該些第一斜面相對應，該些第二連接面與該些第一連接面相對應，以使該第一鋸齒狀結構與該第二鋸齒狀結構能夠吻合而形成多個光學微結構，且在接合該第一結構層與該第二結構層後，該些第二斜面與該些第一斜面相接觸而形成該些光學微結構的多個光學面。
如請求項11所述的光波導的製作方法，其中該波導具有一第一光學區以及一第二光學區，該板體具有一入光側，其中該第一光學區位於該入光側與該第二光學區之間，該第一平面與該第二平面位於該第一光學區中，而該些光學微結構位於該第二光學區中。
如請求項10所述的光波導的製作方法，還包括：提供一結合層，用以接合該第一結構層與該第二結構層，其中該結合層的折射率與該第一結構層的折射率差異小於0.01，該結合層的折射率與該第二結構層的折射率差異小於0.01。
如請求項10所述的光波導的製作方法，其中各該些第一導光光學元件的尺寸小於2毫米。
一種頭戴式顯示裝置，用於配置在使用者的至少一眼睛前方，包括：一顯示單元，用於提供一影像光束；以及一光波導，具有一第一光學區以及一第二光學區，用以傳遞該影像光束，包括：一板體，具有一入光側，其中該第一光學區位於該入光側與該第二光學區之間；多個第一導光光學元件，平行配置於該光波導的內部的一導光平面上，其中該導光平面位於該第一光學區中，各該些第一導光光學元件之間存在一間距，且該影像光束通過該導光平面後分離出多個子影像光束，該些子影像光束的傳遞路徑至少部分不同，且在該第一光學區中以全反射的方式被傳遞至該第二光學區；以及多個光學耦出結構，配置於該板體內且位於該第二光學區中。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該些第一導光光學元件為部分反射層，當該影像光束通過各該些第一導光光學元件時，部分該影像光束穿透各該第一導光光學元件而形成一第一子影像光束，另一部分該影像光束經由各該些第一導光光學元件反射而形成一第二子影像光束，且該第一子影像光束與該第二子影像光束用以形成該些子影像光束。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該些第一導光光學元件為鏡面反射層，通過各該第一導光光學元件的該影像光束形成一第一部分影像光束，通過相鄰二該第一導光光學元件之間的該間距的該影像光束形成一第二部分影像光束，且該第一部分影像光束與該第二部分影像光束用以形成該些子影像光束。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中各該些第一導光光學元件的尺寸小於2毫米。
如請求項15所述的頭戴式顯示裝置，其中該板體具有彼此相對的一第一表面與一第二表面，且該導光平面位於該第一表面及該第二表面之間且平行於該第一表面與該第二表面。
如請求項19所述的頭戴式顯示裝置，其中該些光學耦出結構為多個光學微結構，各該些光學微結構分別具有一光學面，該些光學微結構的該些光學面分別相對於該導光平面傾斜，該光波導還包括：多個第二導光光學元件，其中該些第二導光光學元件位於該些光學微結構的該些光學面上，且該些第二導光光學元件用以反射該些子影像光束的至少一部分，其中該些子影像光束的另一部分繼續在該板體中傳遞，該些子影像光束的另一部分在被該些第二導光光學元件反射後自該第二表面離開該板體。
如請求項19所述的頭戴式顯示裝置，其中相鄰的二該第二導光光學元件之間的距離小於等於4毫米。
如請求項20所述的頭戴式顯示裝置，其中該板體包括：一第一結構層，具有多個第一斜面與多個第一連接面，其中各該些第一連接面連接相鄰的該些第一斜面的不同端，以形成一第一鋸齒狀結構；以及一第二結構層，具有多個第二斜面與多個第二連接面，其中各該些第二連接面連接相鄰的該些第二斜面的不同端，以形成一第二鋸齒狀結構，且該些第二斜面與該些第一斜面相對應，該些第二連接面與該些第一連接面相對應，以使該第一鋸齒狀結構與該第二鋸齒狀結構吻合而形成該些光學微結構，且該些第二斜面與該些第一斜面相接觸而形成該些光學微結構的該些光學面。
如請求項22所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一結構層還具有一第一平面，該第二結構層還具有一第二平面，該第二平面與該第一平面相接觸而形成該導光平面。