TW202340804A - 頭戴式顯示器之光學組件 - Google Patents

Abstract

本發明係有關一種頭戴式顯示器之光學組件，包括光改向層，其設置在第一光發射器與觀看者第一隻眼睛之間的第一光學路徑中，該光改向層包括環狀設置在該光改向層之一表面上的複數個三維幾何圖案。該光改向層包括複數個子單元區段，該複數個子單元區段中的每個區段分別包括複數個具有不同實體尺寸的三維幾何圖案，用於分別接收和重新導向由第一光發射器向觀看者的第一隻眼睛以不同入射角發出不同波長之光發射的第一光信號，該第一光信號對應於影像的第一像素。該複數個三維幾何圖案包括從該光改向層表面突出的柱狀三維奈米結構。

Description

頭戴式顯示器之光學組件

本發明係有關一種光學組件，用於呈現頭戴式顯示器，例如擴增實境或混合實境顯示器的虛擬影像；更具體而言，本發明係揭示結合超表面的光學組件，用於提高頭戴式顯示器中虛擬影像呈現能力的性能。

目前大多數頭戴式顯示器，例如擴增實境眼鏡或虛擬實境眼鏡，都採用習用的光學組件，用於將光發射器發出的光引導到觀看者的眼睛。為了控制光的方向，調整光學組件表面的曲率來改變由光學組件反射的光的方向。除了調整光學組件以及其他光學元件表面的曲率以外，幾乎沒有其他方法可以影響光學組件的光學性能。習用光學組件所呈現的虛擬影像經常為失真和視野限制所苦。

同時，超表面，也稱為人工阻抗表面，以其操縱和控制電磁波行為的能力而聞名。近年來，由於其在包括電信、光學和生物醫學在內的廣泛領域的潛在應用，一直是密集研究和開發的主題。藉由仔細設計超表面的電磁特性，可以用可預測和可控制的方式來操縱入射電磁波的行為。

超表面的主要優點之一是它們能夠以高效率的方式重新導向和控制電磁波的方向。這可藉由設計超表面使其具有特定的阻抗輪廓來實現，這將使入射波在特定方向上被重新導向。此一特性對廣泛的應用具有重要意義，包括開發用於頭戴式裝置的光學透鏡。

在過去幾年中，用於擴增實境(AR)環境的頭戴式顯示器（例如眼鏡）的開發取得了重大進展。儘管如此，仍有一些挑戰需要克服。AR眼鏡面臨的最大技術挑戰之一是小型化。AR眼鏡需要將複雜的硬體組件（包括顯示器、攝影機、感測器和處理器）納入一個小巧的外形尺寸內。特別是，AR眼鏡的光學組件在AR眼鏡的性能和整體外形尺寸扮演重要角色。超表面具有能在頭戴式裝置領域產生重大影響的潛力。雖然超表面為解決影像失真、視野、外形尺寸、適眼距、體積減少等問題提供了可能性，然而超表面在關於AR眼鏡領域的應用卻進展甚微。

本發明係揭示一種用於顯示擴增實境、混合實境及虛擬實境環境的頭戴式顯示器之光學組件。該光學組件係採用超表面以提高光學性能。

在一實施例中，本發明係揭示一種用於設計具有本發明之光學組件的理想光學性能之超表面的流程： 步驟1：將輸入光和輸出光轉換成張量；將所需的輸出光轉換成感受性張量； 步驟2：定義用於計算的關鍵參數，該參數可以是： 1. 頭戴式顯示器之光發射器所發出之紅光、綠光和藍光的波長； 2. 環境可見光對具有超表面之光學組件的傳輸率； 3. 光發射器所發出之光的光輪廓，例如頭戴式顯示器之發射器所發出之光束的截面形狀和面積； 步驟3：決定適合的計算模型，提供能表現本發明特徵之參數； 步驟4：利用模型進行電腦輔助計算，決定對應於最終期望光輪廓的單位面積超表面之三維幾何圖案的最佳幾何形狀；根據線性估計決定橫跨超表面預定區域之三維幾何圖案的輪廓（形狀、尺寸、旋轉角度及相鄰超表面之間的距離等）。

本發明之三維(3D)超結構是特別設計的，因此它與頭戴式顯示器所使用的3D影像呈現方法相容。超表面上的3D奈米結構為具有多種截面形狀（例如圓形、橢圓形和矩形等）的柱狀結構。該超表面分成複數個子單元區段；其中每個子單元區段負責改變形成雙眼虛擬影像像素之光信號的方向。

根據本發明之一實施例，圖中顯示子單元區段的配置及接收不同顏色的光的不同區域。在本實施例中，投射在光改向層上的光信號的截面積與其中一個子單元區段的面積大致相同。複數個子單元區段中的每個區段包括用於接收和重新導向藍光的第一區域B、用於接收和重新導向綠光的第二區域G，或用於接收和重新導向紅光的第三區域R。然而，在接收到不同波長的光時，第一區域B、第二區域G和第三區域R係將不同波長的光重新導向到觀看者第一隻眼睛視網膜上的相同位置。因此，可以重建且觀看者可接收到像素的精確色彩表現。請注意在某些實施例中，第一區域B、第二區域G和第三區域R的其中兩個區域具有與光改向層相同的水平位置，第一區域B、第二區域G和第三區域R的其中一個區域與其他兩個區域呈水平或垂直排列。

根據本發明之一實施例，投射在光改向層上的光信號的截面積可大於其中一個子單元區段的面積。每個子單元區段與其相鄰的子單元區段隔開。

根據本發明之一實施例，子單元區段可以與另一個相鄰的子單元區段共享相同的第一區域G、第二區域B或第三區域R。如圖所示，第一子單元區段標示為正方形，第二子單元區段用粗線標示為正方形。第一子單元區段和第二子單元區段兩者共享相同的第一區域G和第二區域B。在這種情況下，投射在光改向層上的光信號的截面積可以與子單元區段的面積大致相同。利用這種佈置，可以減少超表面的總面積，進而降低超表面的製造成本。

或者，在本發明之另一實施例中，複數個子單元區段中的每個區段可包括用於同時接收和重新導向兩種顏色的光的第一區域R&G，以及用於接收和重新導向其餘顏色的光的第二區域B。在本實施例中，單組三維奈米結構可用於接收具有較相近波長的兩種顏色的光。例如，單組三維奈米結構可用於接收和重新導向紅光和綠光，而可能需要單獨一組三維奈米結構來接收和重新導向藍光。用這種方式，藉由減少子單元區段內用於接收不同顏色的光的區段數，可以簡化三維奈米結構的製程。然而，與之前的實施例類似，在接收到不同波長的光時，第一區域R&G和第二區域B係將不同波長的光重新導向到觀看者第一隻眼睛視網膜上的相同位置。

在本發明之另一實施例中，複數個子單元區段中的每個區段可包括用於同時接收和重新導向兩種顏色的光的第一區域G&B，以及用於接收和重新導向其餘顏色的光的第二區域R。

在某些實施例中，光發射器發出的光信號可以被子單元區段均勻地接收。在某些其他實施例中，單一光信號中包含的每種顏色可以分別投射到子單元區段的不同區域。為了使子單元區段上的不同區域接收到對應顏色的光，可能需要特地對應地配置光發射器。

在某些實施例中，光學組件可以用屈光力來實現，因此患有近視、遠視等的觀看者能夠看到環境中的真實物體。屈光面可包括凸面或凹面。屈光面的其中一個表面的曲率是根據觀看者的屈光度處方來決定。如果光學組件是一體成型的，則根據處方配製的曲率可以是光學組件的外表面。光學組件的內表面可設置具有超表面的光改向層，用於將光信號引導到觀看者的眼睛。

與習用頭戴式顯示器相比，採用具有超表面之光學組件的頭戴式顯示器可具有下列優點： 1. 擴展視野(FOV)：可以設計光學組件的超表面，以便相對於習用光學組件可以增加NA（數值孔徑）。例如，習用光學組件可能具有小於0.5的NA；另一方面，具有超表面的光學組件可具有達到0.9的NA。此外，採用超表面可以使光學組件的FOV從小於40度變為大於80度。在某些情況下，具有超表面的光學組件可以實現負折射率，這在習用光學組件中是不可能的。 2. 縮短適眼距：“適眼距”是指眼鏡（或光學組件）與瞳孔之間的距離。習用光學組件的習用頭戴式顯示器具有較差的NA性能，這個事實會影響適眼距。習用頭戴式顯示器的適眼距通常可能為2.5 cm或更大。然而，使用具有超表面的光學組件，適眼距可能小於1.5 cm。 3. 減少體積和重量：使用具有超表面的光學組件，由於可能需要更少的習用光學元件來呈現虛擬影像，因此可以減少頭戴式顯示器的體積和重量。 4. 更好的美學設計（外形尺寸）：習用頭戴式顯示器體積龐大，是因為它們需要較大的適眼距。隨著適眼距減少，採用具有超表面之光學組件的頭戴式裝置的外形尺寸可以更接近傳統眼鏡。 5. 更少的影像失真：頭戴式裝置中的習用光學組件和光學元件可能會對來自光發射器之不同波長的光或具有不同入射角的光產生不同的光程長度。結果，投射到觀看者眼中的最終影像幀形狀可能看起來是扭曲的。可以使用超結構校正失真，進而使呈現在觀看者眼中的最終影像不失真。

以下文中所用的術語旨在以其最廣泛的合理方式進行解釋，即使此等術語與某些特定實施例的詳細描述的技術結合使用時亦同。以下描述內容甚至可能會強調某些術語；然而，任何以受限方式解釋的術語皆在本實施方式中有具體的定義。

關於在具有上述優點和光學功能的超表面上設計適合的超結構（並假設最終超表面具有所期望的矩形形狀）以用於頭戴式顯示器中的光學組件，有若干點（例如總共有九個點）係用來作為超表面設計的定位。參照圖1，使用這些點的光輸出來檢查這些光輸出的光輪廓是否滿足用於呈現頭戴式顯示器之虛擬影像的所需規格（例如強度、入射角、光點尺寸等）。舉例而言，其上嵌入尺寸為20x11.25 mm之超表面的光合成器可以對應於具有1280x720像素解析度的虛擬影像幀。當到達觀看者的瞳孔時，虛擬影像幀的尺寸縮小到2x1.125 mm。當九個定位點之光輸出的光輪廓都滿足所需的要求時，可以使用線性估計來決定對於這九個定位點之間的中間區域之超表面的規格（形狀、尺寸、旋轉角度及相鄰超表面之間的距離等）。檢查超表面對來自環境輸入光的影響，以確保光學組件和超表面對於環境光的透光率。必要時，可以調整超表面的規格。

影像失真是由於在通過各種不同光學元件時，不同波長的光（紅光、綠光和藍光）經過不同的折射率，以及不同入射角的光經過不同的光路徑而引起的。利用超表面可以調整光輪廓，以便在觀看者的視網膜上形成影像時可以使用超表面校正影像的強度分佈和形狀。在某些情況下，超表面工程從使用失真影像作為輸入張量開始，而使用具有正確形狀和均勻性的影像作為用於決定抗失真感受性張量的輸出張量。

在某些情況下，可能需要改進光發射器所發出之光的光點尺寸及/或形狀（光的截面積和形狀）。舉例而言，如果是橢圓截面形狀的光信號，需要將其變為圓形，則藉由設定橢圓形光輪廓作為輸入張量，圓形光輪廓作為輸出張量，可以得到能夠校正橢圓形光輪廓的對應超表面。此計算還可以使用9個定位點（或僅5個定位點）來線性估計超表面之其餘部分的超表面。

下面描述用於設計具有本發明之光學組件的理想光學性能之超表面的一般流程： 步驟1：將輸入光和輸出光轉換成張量；將所需的輸出光轉換成感受性張量； 步驟2：定義用於計算的關鍵參數，該參數可以是： 1. 頭戴式顯示器之光發射器所發出之紅光、綠光和藍光的波長； 2. 環境可見光對具有超表面之光學組件的傳輸率； 3. 光發射器所發出之光的光輪廓，例如頭戴式顯示器之發射器所發出之光束的截面形狀和面積； 步驟3：決定適合的計算模型，提供能表現本發明特徵之參數； 步驟4：利用模型進行電腦輔助計算，決定對應於最終期望光輪廓的單位面積超表面之三維幾何圖案的最佳幾何形狀；根據線性估計決定橫跨超表面預定區域之三維幾何圖案的輪廓（形狀、尺寸、旋轉角度及相鄰超表面之間的距離等）

本揭示在頭戴式顯示器之光學組件上採用超表面，然而，本發明所屬技術領域具有通常知識者還可根據本揭示的教導得知如何將超表面應用在各種光學元件上。下面描述在頭戴式顯示器中採用超表面的幾種可能方式。 1. 光學組件：可將超表面應用到光學組件作為光學膜，用於改變光學組件的光學性質並改變光的光路徑。 2. 影像失真校正：可在頭戴式顯示器之至少一個光學元件上採用超表面，以補償影像失真，因此可使最終影像看起來是想要的形狀（例如矩形）。 3. 色差校正：可在頭戴式顯示器之至少一個光學元件上採用超表面，以進行影像的色差校正。 4. 改善光強度分佈的均勻性：複數個光信號之間的光程差會導致該複數個光信號的每個光信號到達觀看者眼睛時的光強度不同；可在頭戴式顯示器之至少一個光學元件上採用超表面，以進行該複數個光信號之間的光程校正。 5. 光束截面形狀：可以利用超表面產生更理想的光信號截面形狀，以提高呈現在觀看者視網膜上之最終影像的解析度和像素密度；例如，可以將EEL（邊緣發射雷射）的光束形狀從橢圓形改變成圓形。

本發明之三維(3D)超結構是特別設計的，因此它與頭戴式顯示器所使用的3D影像呈現方法相容。下面描述本發明用於呈現具有景深之3D影像的方法。本文所述之3D影像呈現技術的主要優點在於所呈現的虛擬影像景深與觀看者雙眼注視的位置相同，可以消除視覺輻輳調節衝突(VAC)和焦點競爭。參照圖2，頭戴式顯示器具有第一光發射器11、第一光學組件21、第二光發射器12及第二光學組件22。在許多實施例中，光學組件可分為第一光學組件21和第二光學組件22，分別用於觀看者的雙眼。為了清楚起見，以下使用詞組“第一光學組件21”和“第二光學組件22”來描述本發明之實施例。本發明所屬技術領域具有通常知識者知道可以使兩個光學組件一體成型為單個光學組件，但在功能和結果方面與分開的光學組件大致相同。第一光發射器11對一物體產生複數個第一光信號100。第一光學組件21接收複數個第一光信號100並將其重新導向到觀看者的一個視網膜，以顯示該物體的複數個第一像素。第二光發射器12對該物體產生複數個第二光信號200。第二光學組件22接收複數個第二光信號200並將其重新導向到觀看者的另一視網膜，以顯示該物體的複數個第二像素。此外，觀看者看到每對第一光信號100與對應的第二光信號200，以顯示具有景深之雙眼虛擬影像的雙眼虛擬像素，該景深和第一光信號100與對應的第二光信號200的光程延伸之間的角度有關。除了物體的單個雙眼虛擬像素之外，當看到每個剩餘的第一光信號100與對應的第二光信號200具有不同的景深時，會看到具有複數個景深的雙眼虛擬影像，該景深係取決於每個第一光信號100與其對應的第二光信號200之間的光程延伸。

為了理解本發明，下面描述用於顯示具有景深之單個雙眼虛擬像素的詳細技術。此外，術語“光學會聚角”是指入射的第一光信號100與第二光信號200之間的夾角（其為前述第一光信號100與第二光信號200的光程延伸之間的夾角）；術語“會聚角”是指觀看者兩眼視軸之間的夾角。觀看者所看到的雙眼虛擬像素的位置可以由從觀看者眼睛延伸至第一光學組件21的第一光信號100的光路徑與從觀看者另一隻眼睛延伸至第二光學組件22的對應第二光信號200的光路徑之間的交點位置來決定。參照圖3，根據雙眼視覺的本質，當觀看者看到物體時，觀看者的眼睛會注視該物體且兩眼視軸會指向該物體。視軸是從被觀看物體延伸通過瞳孔中心到視網膜黃斑的一條線。人類的景深感受部分取決於眼睛的兩個視軸之間的會聚角。也就是說，當眼睛（注視物體時）的兩個視軸之間的會聚角相對較大時，可能看到該物體離觀看者相對較近（景深較小）；另一方面，當眼睛（注視物體時）的兩個視軸之間的會聚角相對較小時，則可能看到物體離觀看者相對較遠。

同理，利用頭戴式顯示器產生雙眼虛擬影像時，可以調整入射的第一光信號100與第二光信號200相對於觀看者的光學會聚角，使觀看者在看到由第一光信號100與第二光信號200形成的雙眼虛擬影像時，觀看者係注視具有眼睛期望會聚角的雙眼虛擬影像，進而可以呈現目標景深感受。在一實施例中，可以藉由使雙眼的會聚角和第一光信號100與第二光信號200之間的光學會聚角相同來實現這一點。因此，所呈現的虛擬影像景深與觀看者雙眼注視的位置相同，可以消除視覺輻輳調節衝突(VAC)和焦點競爭。

在使用頭戴式顯示器呈現雙眼虛擬影像時，可輕易得知使用者所看到在3D空間中的雙眼虛擬影像的水平和垂直位置與第一視網膜和第二視網膜上的水平和垂直位置直接相關，第一光信號100（由第一發射器發射）和第二光信號200（由第二發射器發射）係分別在此被發射和接收。參照圖4，說明人類的自然雙眼視覺對物體在3D空間中的水平、垂直和景深位置的感知。為了便於說明人眼視覺和視網膜成像的原理，將使用者的第一隻眼睛和第二隻眼睛的視網膜繪製成矩陣，每個矩陣元素對應於視網膜上特定的水平和垂直位置。根據自然視覺，來自物體的第一右眼光實例R1到達第一視網膜的矩陣元素R22。來自物體的對應第二光實例L1到達第二視網膜的矩陣元素L22。除了R1和L1中所包含的物體視差訊息之外，使用者的景深感受還取決於第一光實例R1和第二光實例L1之間的光學會聚角CA1。隨著觀看者看到的物體景深增加，光學會聚角會減小；反之，隨著觀看者看到的物體景深減小，光學會聚角會增大。具體而言，如圖3所示，假設物體從位置p1移動到p2，光學會聚角由CA1變成CA2（CA2＞CA1）；同時，接收第一光實例的第一個視網膜上的位置由R22變成R32，接收第二光實例的第二個視網膜上的位置由L22變成L12。具體而言，如圖3所示，顯然，物體的景深感受與進入觀看者眼睛的第一光實例和第二光實例之間的光學會聚角至少部分有關（除了視差影像之外）。在自然視覺中，雖然由於光散射，使得可能有無數個來自物體某一點的第一光實例和第二光實例；但由於眼睛水晶體的作用，所有的第一實例和第二實例都會分別會聚到一個位置；因此，圖4僅顯示了一個實例。

根據本發明，藉由調整第一光信號100的光程延伸和第二光信號200的光程延伸之間所形成的光學會聚角來控制雙眼虛擬像素的景深感受。藉由控制第一光發射器11和第二光發射器12的投射方向可以改變第一光信號100和第二光信號200的光程延伸方向。這種創造虛擬影像景深感受的方法與人眼的自然視覺是一致的，因為人腦至少有一部分會根據眼睛的注視角度來決定物體在3D空間中的景深，這直接與第一光信號100的光程延伸和第二光信號200的光程延伸之間所形成的會聚角有關。

回頭參照圖2，其進一步描述根據本發明用於呈現景深感受的方法。觀看者看到由複數個雙眼像素（例如第一雙眼虛擬像素72和第二雙眼虛擬像素74）組成的虛擬影像70。第一雙眼虛擬像素72顯示在第一景深D1處，第二雙眼虛擬像素74顯示在第二景深D2處。第一雙眼虛擬像素72的會聚角是Ɵ1（第一會聚角）。第二雙眼虛擬像素74的會聚角是Ɵ2（第二會聚角）。第一景深D1與第一會聚角Ɵ1相關。特別是物體的第一雙眼虛擬像素的第一景深可以由第一光信號101和對應的第二光信號201的光程延伸之間的第一會聚角Ɵ1來決定。第一雙眼虛擬像素72的第一景深D1可以由以下公式概略計算：

右瞳孔和左瞳孔之間的距離是瞳孔間距（IPD)。同樣地，第二景深D2與第二會聚角Ɵ2相關。特別是物體的第二雙眼虛擬像素的第二景深D2可以利用相同的公式由第一光信號102和對應的第二光信號202的光程延伸之間的第二角度Ɵ2來概略決定。由於觀看者所看到的第二雙眼虛擬像素74比第一雙眼虛擬像素72更遠離觀看者（亦即具有更大的景深），因此第二角度Ɵ2小於第一角度Ɵ1。此外，改向後的右眼光信號和對應的左眼光信號之間的角度由右眼像素和左眼像素的相對水平距離來決定。因此，雙眼虛擬像素的景深與形成雙眼虛擬像素的右眼像素和對應的左眼像素之間的相對水平距離成反比。換言之，觀看者看到的雙眼虛擬像素越深，則形成這種雙眼虛擬像素的右眼像素和左眼像素之間在X軸上的相對水平距離就越小。在本發明的某些變化例中，雙眼虛擬影像幀或雙眼像素的景深感受可以是前述方法和習知視差法的結合（部分藉由本發明所揭示的方法，部分藉由視差法）。然而，在某些實施例中，可以主要藉由本發明所揭示的方法來呈現景深感受。

上述用於呈現具有景深的雙眼虛擬像素的方法可以應用在各種顯示系統，包括以雷射投影機為基礎的光發射器和微型LED光發射器。可將雙眼虛擬影像中的每個雙眼虛擬像素呈現為具有不同的景深者。根據某些實施例，當光發射器是微型LED時，頭戴式顯示器可進一步包括瞄準儀，使光信號的方向在特定方向上變得更加對準或者使光束的空間截面變得更小。光學組件可設置在微型LED的一側，並且可將瞄準儀置於光發射器和光學組件之間。瞄準儀可以是曲面鏡或透鏡。

下面討論在本發明之光學組件之超表面上的超結構佈置(亦即配置)。一般而言，超表面上的超結構尺寸可以差異很大，取決於特定的應用和設計。超表面上的超結構尺寸從奈米到毫米不等，超結構的實體尺寸（例如長寬高）和形狀將決定它們對光的具體影響。例如，幾百微米範圍內的超結構可用來產生繞射光柵，而毫米範圍內的更大超結構可用來控制光偏振。超結構的具體尺寸係由欲與其相互作用的光的波長以及對光要求的控制水平來決定。在本發明中，超結構通常具有奈米範圍內的尺寸。為了清楚起見，這些超結構在本發明中可稱為3D奈米結構。本發明之超表面上的3D奈米結構能夠改變入射光的方向；入射光的方向變化量取決於3D奈米結構的特定幾何輪廓，以及3D奈米結構接收到的光的波長。一般而言，超表面上的3D奈米結構是具有各種截面形狀（例如圓形、橢圓形和矩形等）的柱狀結構。此外，3D奈米結構的高度或截面積也會影響入射光的出射傳播角度。此外，根據本發明，即使相同的3D奈米結構，不同波長的光也會受到不同的影響；這意味著當不同波長的光被相同的3D奈米結構接收時，出射角的變化量是不同的（例如光的出射角取決於波長）。在頭戴式顯示器的領域中，光信號的投射角度對於最終呈現的虛擬影像的影像品質非常至關重要，3D效果很大程度上取決於光信號投射角度的修正，因此有必要對3D奈米結構的佈置進行特定和有目的的設計，以實現最佳的可能影像品質。

一般而言，頭戴式顯示器會產生具有複數個雙眼虛擬像素的雙眼虛擬影像，每個像素具有不同的顏色，其係由紅光、綠光和藍光混合而成。為了處理形成雙眼虛擬影像的每個像素之不同波長的光，本發明係提出將超表面分成複數個子單元區段；其中每個子單元區段負責改變形成雙眼虛擬影像像素（每個像素/光信號係由藍光、綠光、紅光或其任意組合者組成）之光信號的方向。因此，舉例而言，如果頭戴式顯示器所產生的雙眼虛擬影像包含1280X720像素，則將超表面分成1280X720個子單元區段，每個子單元區段分別負責接收和重新導向1280X720像素中的每個像素。就習知而言，單組3D奈米結構可用來同時同時接收和重新導向光信號中所有顏色的光。然而，如先前所述，由於改向後的光的改向合成角很大程度上取決於入射光的波長，因此如果使用均勻3D奈米結構來重新導向所有顏色的光，則色差可能在最終呈現的雙眼虛擬影像的接收端（例如觀看者的視網膜）會被截斷。為了改正這個問題並且提高將不同波長的光重新導向到觀看者視網膜期望位置的效率，可配置每個子單元區段使其包括用於重新導向藍光、綠光和紅光的特定3D奈米結構，該藍光、綠光和紅光係分別包含在單個光信號（對應於雙眼虛擬影像的單個像素）中。此外，相同的子單元區段係接收具有不同波長但屬於同一像素的光並將其重新導向到觀看者第一隻眼睛的視網膜上的相同位置。

參照圖5A-5E，下面討論子單元區段的配置。虛線畫出的圓表示光信號的單個像素的投射區域（截面積）。

參照圖5A，根據本發明之一實施例，圖中顯示子單元區段的配置及用於接收不同顏色的光的不同區域。在本實施例中，投射在光改向層上的光信號的截面積與其中一個子單元區段的面積大致相同。複數個子單元區段中的每個區段包括用於接收和重新導向藍光的第一區域B、用於接收和重新導向綠光的第二區域G，或用於接收和重新導向紅光的第三區域R。然而，在接收到不同波長的光時，第一區域B、第二區域G和第三區域R係將不同波長的光重新導向到觀看者第一隻眼睛視網膜上的相同位置。因此，可以重建且觀看者可接收到像素的精確色彩表現。請注意在某些實施例中，第一區域B、第二區域G和第三區域R的其中兩個區域具有與光改向層相同的水平位置，第一區域B、第二區域G和第三區域R的其中一個區域與其他兩個區域呈水平或垂直排列。

參照圖5B，在某些實施例中，單個子單元區段可包括複數個第一區域B、複數個第二區域G和複數個第三區域R，它們分佈在整個子單元區段中。在本實施例中，當光信號中所有顏色的光均勻地照射在子單元區段上時，這些光被子單元區段均勻地重新導向到觀看者視網膜的特定位置。可提高重新導向不同顏色的光的效率。此外，當被重新導向到觀看者的視網膜時，不同顏色的光可以更均勻的方式混合，進而可以更精確地重建像素的原始色彩。

參照圖5C，根據本發明之一實施例，投射在光改向層上的光信號的截面積可大於其中一個子單元區段的面積。每個子單元區段與其相鄰的子單元區段隔開。與之前的實施例類似，單個子單元區段可包括複數個第一區域B、複數個第二區域G和複數個第三區域R。

參照圖5D，根據本發明之一實施例，當影像幀的相鄰像素彼此部分重疊時，兩個相鄰光信號照射在子單元區段上的區域可以具有能夠將兩個相鄰光信號重新導向到它們在視網膜上的各自位置的3D奈米結構。圖中，第一子單元區段靠近第二相鄰子單元區段的區域（兩個像素照射在第一子單元區段上的區域）包括三維奈米結構，該三維奈米結構係將兩個像素的兩個連續第一信號重新導向到它們在觀看者視網膜上的各自位置。本實施例對於像素之光信號的截面積實質上大於子單元區段的面積的情況可能是有利的。參照圖5D，子單元區段可以與另一個相鄰的子單元區段共享相同的第一區域G、第二區域B或第三區域R。如圖所示，第一子單元區段標示為正方形，第二子單元區段用粗線標示為正方形。第一子單元區段和第二子單元區段兩者共享相同的第一區域G和第二區域B。在這種情況下，投射在光改向層上的光信號的截面積可以與子單元區段的面積大致相同。利用這種佈置，可以減少超表面的總面積，進而降低超表面的製造成本。與之前的實施例類似，單個子單元區段可包括複數個第一區域B、複數個第二區域G和複數個第三區域R。或者，在本發明之另一實施例中（參照圖5E G），複數個子單元區段中的每個區段可包括用於同時接收和重新導向兩種顏色的光的第一區域R&G，以及用於接收和重新導向其餘顏色的光的第二區域B。在本實施例中，單組3D奈米結構可用於接收波長更接近的兩種顏色的光。例如，單組3D奈米結構可用於接收和重新導向紅光和綠光，而可能需要單獨一組3D奈米結構來接收和重新導向藍光。用這種方式，藉由減少子單元區段內用於接收不同顏色的光的區段數，可以簡化3D奈米結構的製程。然而，與之前的實施例類似，在接收到不同波長的光時，第一區域R&G和第二區域B係將不同波長的光重新導向到觀看者第一隻眼睛視網膜上的相同位置。與之前的實施例類似，單個子單元區段可包括複數個第一區域R&G和複數個第二區域B。在本發明之另一實施例中，取決於影像品質的要求，複數個子單元區段中的每個區段可設計成包括用於同時接收和重新導向兩種顏色的光的第一區域G&B，以及用於接收和重新導向其餘顏色的光的第二區域R。第一區域G&B和第二區域R係將不同波長的光重新導向到觀看者第一隻眼睛視網膜上的相同位置。

在之前的實施例中，子單元區段可均勻地接收由光發射器發出的光信號（代表單個像素）。在這種情況下，包含在子單元區段中的第一區域、第二區域和第三區域係均勻地接收紅光、綠光和藍光。換言之，所有區域可同時接收紅光、綠光和藍光。然而，由於在子單元區段的不同區域中採用兩組或三組3D奈米結構，並且將子單元區段的每個區域設計成能更有效率地重新導向特定顏色的光，因此子單元區段的不同區域能夠將特定顏色的光重新導向到目標位置。這不同於使用單一類型的奈米結構來改變所有顏色的光的方向的習知技術。在本發明中，子單元區段中的每個區域係將對應的顏色重新導向到目標位置。一般而言，目標位置可以對應於特定的投射角度以呈現像素的特定景深感受。儘管如此，由子單元區段的不同區域（對應於單個像素）重新導向的所有顏色都被重新導向到視網膜上的相同位置，以便使觀看者看到具有特定會聚角的像素。

參照圖6A和6B，在某些其他實施例中，單個光信號中包含的每種顏色可分別投射到子單元區段的不同區域。為了使子單元區段上的不同區域接收到對應顏色的光，可能需要特地對應地配置光發射器。舉例而言，在光發射器是雷射投影機（例如雷射光束控制/LBS投影機）的情況下，可配置發射器在不同時間（不是同時）投射形成單個像素的紅光、綠光和藍光。LBS投影機採用MEMS鏡來改變投影方向；在投影一幅影像的影像幀時，垂直和水平方向的投射角度不斷變化。藉由配置投影機在不同時間投射不同顏色的光，將不同顏色的光投射到不同的水平位置或垂直位置。結果，藍光、綠光或紅光被子單元區段上的不同區域接收。關於用來接收不同顏色的光的第一區域、第二區域或第三區域的佈置，根據本發明的某些實施例，第一區域、第二區域或第三區域具有與光改向層相同的水平位置。在其他實施例中，第一區域、第二區域或第三區域具有與光改向層相同的垂直位置。

在上述本發明的實施例中，由於不同子單元區段會接收和重新導向不同顏色的光，因此這些光會以稍微不同的入射角被重新導向到觀看者的眼睛。然而，如先前所述，這些光被重新導向到觀看者眼睛視網膜上的相同位置，以呈現具有特定顏色的單個像素。

在光發射器是微型LED的情況下，虛擬影像的像素可由包括藍光微型LED、綠光微型LED、紅光微型LED或其任意組合者的像素單元來產生。虛擬影像係由包含微型LED的像素單元陣列來呈現。參照圖7A和7B，光學組件可包括超表面，該超表面包含子單元區段陣列。每個子單元區段的位置係對應於像素單元的位置。此外，在某些情況下，子單元區段的第一區域、第二區域或第三區域的位置可對應於像素單元的藍光微型LED、綠光微型LED或紅光微型LED的位置。如圖所示，像素單元陣列可放置在子單元區段陣列的一側，使光重新導向和瞄準到觀看者視網膜上的特定位置。

在本發明中，複數個子單元區段中的每個區段分別包括複數個具有不同實體尺寸的三維幾何圖案，用於分別接收和重新導向所發射之光信號的不同波長的光發射。儘管每個子單元區段都可能包含第一區域、第二區域或第三區域；然而，不同子單元區段中的第一區域、第二區域或第三區域的實體尺寸和形狀可以不同。這是因為每個子單元區段需要接收從不同角度到視網膜上不同位置的光信號（代表不同的像素）。

本發明之超表面上的3D奈米結構的主要特徵之一在於其相對於習用光學元件的獨特光學性質，其中斯奈爾定律和反射定律是所有習用光學元件的基本原理。當光入射到超表面上的3D奈米結構上時，光信號相對於超表面接收光信號的部分之入射角不等於光信號相對於超表面接收光信號的部分之反射角。因此，可設計用於頭戴式顯示器（例如智慧眼鏡）之性能更好的平面光學組件，進而大幅改善頭戴式顯示器的外形尺寸。

為了清楚表明，下面描述根據本發明之一情境的示例實施例。可提供能夠產生紅光、綠光和藍光的習用1280x720像素LBS投影機。將三種顏色的光同軸投射形成影像的像素。假設LBS投影機產生的FOV為40度寬，適眼距（眼睛與光學組件之間的距離）為22mm；則光學組件上超表面的尺寸應至少為16mm（等於2*tan(20°)*22mm）。因此，投射在超表面上的兩個相鄰像素的中心間距（水平間隙）為12.5um（=16mm/1280），每個像素之間到瞳孔的反射角差為0.03125°（=40°/1280）。在以視網膜掃描為基礎的穿戴式顯示器應用中，光學組件需要將每個發射角的光會聚到觀看者的視網膜上。光學組件之超表面上的3D超結構係將2D影像幀的每個光信號（代表單個像素）準確地重新導向到視網膜的特定位置。一般而言，視網膜上每個像素的直徑約為20-30um。更高的VA（視覺敏銳度）係要求視網膜上的光點尺寸（像素直徑）更小。

參照圖8A和8B，在某些實施例中，光學組件500可以用屈光力來實現，因此患有近視、遠視等的觀看者能夠看到環境中的真實物體。這在光學組件500用於擴增實境或混合實境顯示器時特別有利。因此，光學組件500可進一步包括設置在光學組件500之一側的屈光面50；光改向層60設置在屈光面50的另一側。屈光面50可包括凸面或凹面。屈光面50的曲率係根據觀看者的屈光處方來決定。舉例而言，根據處方配製的曲率可以是光學組件500的外表面（離觀看者的眼睛較遠）。光學組件500的內表面（靠近觀看者的眼睛）可設置光改向層60，該光改向層具有用於將光信號引導到觀看者眼睛的超表面。屈光面50的曲率可以是非球面透鏡面或自由形式曲面。

此外，在某些實施例中，可在超表面和光學組件之間設置間隔層，用於保護超表面上的奈米結構不被損壞；或者，將間隔層設置在光改向層的一側，用於保護超表面上的三維奈米結構。

在某些實施例中，頭戴式顯示器可包括可戴在觀看者頭部上的支撐結構，以承載第一光發射器11、第二光發射器12、第一光學組件21和第二光學組件22。第一光學組件21和第二光學組件22係設置在觀看者的視野內。具體而言，頭戴式顯示器可以用一副眼鏡的形式來實現，稱為智慧眼鏡。在這種情況下，光學組件可以與用於矯正近視、遠視等的處方鏡片結合。在某些情況下，當頭戴式顯示器實現在智慧眼鏡上時，智慧眼鏡的光學組件可具有用於矯正觀看者視力和合成器功能的屈光特性。智慧眼鏡可具有根據處方配製的屈光特性的光學組件，以符合近視或遠視人士矯正視力的需要。在這些情況下，智慧眼鏡的光學組件（光學組件也可以一分為二，分別為雙眼設置）可包括屈光面50。屈光面50和光學組件可以使用相同或不同類型的材料整體製成一件。屈光面50和光學組件也可以分別製成兩件然後組裝在一起。在某些情況下，將光改向層設置在光學組件的一側；屈光面50設置在光改向層所設置的光學組件的一側的對面側，如圖8A和8B所示。例如，光改向層可以在光學組件的內側（靠近眼睛）而屈光面50可以在光學組件的外側。

前面所述之實施例係用以使本領域的任何技術人員能夠製作與使用本發明之標的。這些實施例的各種修改為熟習該項技術者所能顯而易見者。本文中所揭示的新原理與標的可以在不運用創新能力的情況下應用到其他實施例。申請專利範圍中提出的請求標的並不限於本文所示之實施例，而是要符合與本文中所揭示的原理與創新之處一致的最大範圍。另外附加的實施例應可預期均在所揭示標的之精神和真實範圍內。因此，本發明希望涵蓋落入後附申請專利範圍之範疇內的修改和變化及其等效所為者。

11:第一光發射器 12:第二光發射器 21:第一光學組件 22:第二光學組件 50:屈光面 60:光改向層 70:虛擬影像 72:第一雙眼虛擬像素 74:第二雙眼虛擬像素 100:第一光信號 101:第一光信號 102:第一光信號 200:第二光信號 201:對應的第二光信號 202:對應的第二光信號 500:光學組件 CA1、CA2:光學會聚角 D1:第一景深 D2:第二景深 L1:第二光實例 R1:第一右眼光實例 Ɵ1:第一會聚角 Ɵ2:第二會聚角

圖1說明用於構建本發明之超結構的輸入張量和輸出張量。

圖2說明本發明之一實施例的頭戴式顯示器的示意圖及呈現雙眼虛擬影像的方法。

圖3說明本發明用於呈現景深感受的方法。

圖4說明本發明用於呈現景深感受的方法。

圖5A說明本發明之超結構配置的第一實施例。

圖5B說明本發明之超結構配置的第二實施例。

圖5C說明本發明之超結構配置的第二實施例。

圖5D說明本發明之超結構配置的第三實施例。

圖5E說明本發明之超結構配置的第四實施例。

圖6A說明本發明之超結構配置的第五實施例。

圖6B說明本發明之超結構配置的第六實施例。

圖7A說明用於微型LED光發射器之超結構的可能配置。

圖7B為說明用於微型LED光發射器之可能配置的另一圖。

圖8A為具有屈光力的光學組件之一實施例的示意圖。

圖8B為具有屈光力的光學組件之一實施例的另一示意圖。

Claims (20)

1. 一種頭戴式顯示器之光學組件，包括： 一光改向層，設置在一第一光發射器與觀看者第一隻眼睛之間的第一光學路徑中，該光改向層包括設置在該光改向層之一表面上的複數個三維幾何圖案； 其中該光改向層包括複數個子單元區段，該複數個子單元區段中的每個區段分別包括複數個具有不同實體尺寸的三維幾何圖案，用於分別接收和重新導向由該第一光發射器向該觀看者的第一隻眼睛以不同入射角發出不同波長之光發射的複數個第一光信號，該第一光信號的每個光信號對應於一影像的一第一像素， 其中該複數個三維幾何圖案包括從該光改向層表面突出的柱狀三維奈米結構。
2. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中該第一光發射器係用以發射至少藍光、綠光、紅光或其任意組合者，該複數個子單元區段中的每個區段係用以分別接收由該藍光、綠光或紅光之任意組合所組成的該第一光信號，並且以不同入射角將該藍光、綠光或紅光之任意組合者重新導向到該觀看者的第一隻眼睛。
3. 如請求項2之頭戴式顯示器之光學組件，其中該藍光、綠光或紅光係由該子單元區段上的相同位置接收。
4. 如請求項2之頭戴式顯示器之光學組件，其中該藍光、綠光或紅光係由該子單元區段上的不同位置接收。
5. 如請求項2之頭戴式顯示器之光學組件，其中構成該第一光信號的每個光信號之該藍光、綠光或紅光並非同時發出。
6. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中該第一光信號之任一光信號相對於該光改向層接收該第一光信號的部分之入射角不等於該第一光信號相對於該光改向層的部分之反射角。
7. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中該第一光信號投射在該光改向層上的截面積大致上與該子單元區段其中一個區段的面積相同。
8. 如請求項7之頭戴式顯示器之光學組件，其中由該複數個子單元區段中的相同子單元區段所接收的一第一光信號中不同波長的光被重新導向到該觀看者第一隻眼睛的視網膜上的相同位置。
9. 如請求項2之頭戴式顯示器之光學組件，其中該複數個子單元區段的每個區段進一步包括用於接收和重新導向該藍光的一第一區域、用於接收和重新導向該綠光的一第二區域，或用於接收和重新導向該紅光的一第三區域。
10. 如請求項9之頭戴式顯示器之光學組件，其中該第一區域、該第二區域及該第三區域的其中兩個區域具有與該光改向層相同的水平或垂直位置，該第一區域、該第二區域及該第三區域的其中一個區域與該第一區域、該第二區域及該第三區域中的兩個區域呈水平或垂直排列。
11. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中該第一光發射器為微型發光二極體，該光學組件係設置於該第一光發射器之一側。
12. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中該光改向層係設置於該光學組件之一側。
13. 如請求項11之頭戴式顯示器之光學組件，其中在通過該光改向層之後，該第一光信號係藉由該光改向層瞄準。
14. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中該光學組件係用以接收由該第一光發射器所發射之該第一光信號並且傳導通過一光方向修正器，用於在時間上動態地改變該第一光信號的方向。
15. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，進一步包括設置在該光改向層之一側上的間隔層，用於保護超表面上的三維奈米結構。
16. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中另一光改向層係設置在一第二光發射器與該觀看者第二隻眼睛之間的第二光學路徑中，用於分別接收和重新導向由該第二光發射器向該觀看者的第二隻眼睛以不同入射角發出不同波長之光發射的複數個第二光信號，該第二光信號的每個光信號分別對應於該影像的一第二像素，其中該第一光信號的不同入射角與該第一隻眼睛看到該第一像素時的視軸有關，該第二光信號的不同入射角與該第二隻眼睛看到該第二像素時的視軸有關，該觀看者看到該第一像素的其中一個像素與對應的第二像素，形成該影像的雙眼視像。
17. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，其中靠近一相鄰子區段單元的一子區段單元的區域包括三維奈米結構，該結構將兩個像素的兩個連續第一信號重新導向到它們在該觀看者視網膜上的各自位置。
18. 如請求項1之頭戴式顯示器之光學組件，進一步包括設置在該光學組件之一側上的屈光面。
19. 如請求項18之頭戴式顯示器之光學組件，其中該屈光面包括凸面或凹面。
20. 如請求項18之頭戴式顯示器之光學組件，其中該光改向層係設置於該屈光面之一側。