TWI764107B - 繞射光導板以及眼用佩戴品 - Google Patents

繞射光導板以及眼用佩戴品

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Abstract

本申請案是關於一種繞射光導板以及眼用佩戴品。本申請 案的繞射光導板可在不減小總大小的情況下同時增大輸出影像的面積。本申請案的繞射光導板具有不受使用者的瞳孔位置限制的優點。

Description

繞射光導板以及眼用佩戴品
本申請案主張2019年3月13日在韓國智慧財產局申請的韓國專利申請案第10-2019-0028514號的優先權日期的權益，所述申請案的揭露內容以全文引用的方式併入本文中。
本申請案是關於一種繞射光導板及其用途。
擴增實境(augmented reality；AR)技術是指三維虛擬影像疊加在實際影像上且投影至一個影像中的技術。實施擴增實境的光學元件包括基於光的波性質而利用繞射現象的繞射光導板。
習知繞射光導板已示意性地展示於圖1中。習知繞射光導板10包括各自具有形成於其上的繞射光柵的輸入繞射光學元件11、中間繞射光學元件12以及輸出繞射光學元件13。具體而言，輸入繞射光學元件11經組態以使得其接收自光源P入射的光，朝向中間繞射光學元件輸出所接收到的光，且在光導板中完全反射所述光。中間繞射光學元件12經組態以使得其接收自輸入繞射光學元件11繞射的光，且藉由朝向輸出繞射光學元件繞射來在單個第一方向(例如，平行於圖1中的z軸的方向)上延伸所接收到的光。輸出繞射光學元件13經組態以使得其可接收由中間繞射光 學元件12延伸的光，且藉由繞射而在單個第二方向(平行於圖1中的y軸的方向)上延伸的狀態下在朝向使用者的瞳孔的方向上輸出所接收到的光。
自光源P輸出的光到達使用者的瞳孔的主光路徑按次序由輸入繞射光學元件11→中間繞射光學元件12→輸出繞射光學元件13→使用者的瞳孔組成。此時，為增大使用者可識別自繞射光導板輸出的影像的區域，中間繞射光學元件及輸出繞射光學元件的大小必然增大。
然而，當光導板中的繞射光學元件的大小增大時，繞射光導板的大小增大。因此，由於應用繞射光導板的光學裝置的大小增大，故在繞射光導板的習知設計中存在對滿足小型化或輕量化光學裝置的技術趨勢的限制。
為了解決具有如圖1中所展示的結構的繞射光導板的問題，已考慮具有如圖2中所展示的結構的繞射光導板的形狀。具體而言，如圖2中所展示，已考慮包括第一繞射光學元件120及具有具備不同一維繞射圖案且彼此相對安置的第一區131及第二區132的輸出繞射光學元件130的繞射光導板的形狀。由於輸出繞射光學元件代替習知的中間繞射光學元件及輸出繞射光學元件的作用，故呈與圖2相同的形式的繞射光導板已能夠在不減小總大小的情況下改進輸出影像的面積。
在呈與圖2相同的形式的繞射光導板中，輸入至繞射光導板的影像由輸出繞射光學元件中的第一區及第二區劃分且輸出。此時，為使使用者識別由第一區及第二區兩者輸出的影像，使用者的瞳孔應位於兩個影像中。然而，使用者可皆識別由呈與圖2 相同的形式的繞射光導板輸出的影像的區域的大小(圖3中的α)為相對小的。因此，在呈與圖2相同的形式的繞射光導板中，當瞳孔的位置即使略微改變時，特定而言，存在自第一區與第二區之間的邊界輸出的影像不為使用者所識別或即使經識別但相對朦朧地識別的問題。也就是說，為了皆識別自呈與圖2相同的形式的繞射光導板輸出的影像，存在使用者的瞳孔位置受限制的問題。
本申請案的一個目標為提供適合於小型化或輕量化光學裝置的繞射光導板。
本申請案的另一目標為提供能夠在不減小總大小的情況下同時增大輸出影像的面積的繞射光導板。
本申請案的另一目標為提供不受使用者的瞳孔位置限制的繞射光導板。
本申請案的目標不受上文所提及的目標限制。
本申請案中所定義的角度應考慮到製造誤差或變化以及類似者而加以理解。舉例來說，本申請案中應用的諸如「豎直」、「平行」、「正交」或「水平」的術語可意謂在不損害術語的既定含義的範圍內大體上豎直、平行、正交或水平。另外，術語可各自鑒於約±10度內的誤差、約±5度內的誤差、約±3度內的誤差、約±2度內的誤差、約±1度內的誤差或約±0.5度內的誤差而加以理解。
除非另外規定，否則由本申請案中提及的任何兩個方向 形成的角度可為來自由兩個方向形成的銳角及鈍角中的銳角，或可意謂在由所述兩個方向形成的角度當中的具有小絕對值的值。
除非另外規定，否則本申請案中提及的角度為正。然而，在一些情況下，為了指示在順時針方向或逆時針方向上量測的角度之間的量測方向，可將在順時針方向上量測的角度表示為正，且將在逆時針方向上量測的角度表示為負。
在本申請案中，「平面方向」可意謂平行於在繞射光導板中具有最大面積的平面的方向，例如平行於由除繞射光導板的最短軸線以外的其他兩個軸線形成的平面的方向。具體而言，在分別由x軸、y軸以及z軸表示形成於繞射光導板中的彼此垂直的三條軸線後，其中z軸設定為在平行於重力方向的方向上，當「x軸方向上的長度>z軸方向上的長度>y軸方向上的長度」的關係或「z軸方向上的長度>x軸方向上的長度>y軸方向上的長度」的關係確立時，平面方向可意謂平行於由繞射光導板的x軸及z軸形成的平面的方向。
在本申請案中，「厚度方向」可意謂繞射光導板的具有最大面積的平面的法線方向。亦即，繞射光導板的厚度方向可意謂平面方向法線的方向，且在以上實例中，所述厚度方向可意謂y軸方向。
在本申請案中，諸如術語「透射率」或「折射率」的光學特性的參考波長可藉由應用繞射光導板根據待繞射的光的波長而判定。舉例而言，當繞射光導板意欲繞射可見光區域中的光時，透射率或類似者可為基於具有在400奈米至700奈米的範圍內的任一波長或約525奈米的波長的光的值。在另一實例中，當意欲繞 射紅外區域中的光時，透射率或類似者可例如為基於具有約1000奈米的波長的光的值。
在本申請案中，術語「光導部件」可意謂用於執行將光導引至繞射光導板中的功能的光學元件。另外，功能可藉由光繞射經由全反射而執行。為了全反射在光導部件中發生，光導部件的折射率必須大於鄰接於光導部件的表面的另一介質的折射率。由於光導部件通常鄰接於空氣，故光導部件可由具有比空氣更大的折射率的材料製成，所述材料例如透明或半透明材料，諸如玻璃及/或塑膠。
此處，術語「透明性」可意謂具有可見光的波長(例如，約525奈米的波長)的光的透射率為80%或大於80%，且「半透明性」亦可意謂具有可見光的波長(例如，約525奈米的波長)的光的透射率為50%或大於50%且小於80%。
在本申請案中，術語「繞射光學元件(diffraction optical element；DOE)」可意謂使光在一或多個方向上繞射且執行改變相關光的路徑的功能的光學元件。繞射光學元件可包括繞射光柵。
「繞射光柵」可意謂藉由使用光的繞射現象根據波長來分離入射光的光譜的光學元件。舉例而言，具有特定間隔的多個平行線可形成於光導部件的光入射表面及/或光射出表面上的凹雕或雕刻中，且由此形成的平行線可稱作線性繞射光柵。亦即，繞射光柵可為形成於光導部件的光入射表面及/或光射出表面上的實體不均勻結構的重複圖案，亦即，線及間隔(line-and-space；L/S)圖案。另外，線性繞射光柵可具有在特定方向上延伸的形式。
在繞射光學元件中改變的光的路徑可視形成於光學元件 中的繞射光柵的態樣而變化。因此，繞射光柵的形狀(延伸方向等)、配置間隔、光柵的深度或形成於光柵上的平行線是否在凹雕或雕刻中以及類似者可根據本申請案的繞射光導板中的既定光路徑而適當地配置或調節。
本申請案是關於一種繞射光導板。下文中，將參考隨附圖式更詳細地描述本申請案的繞射光導板。
圖4為本申請案的繞射光導板的示意圖。
本申請案的繞射光導板100包括形成於由光導部件形成的一側(在以上實例中，由x軸及z軸形成的平面)上的多個繞射光學元件120、130。具體而言，繞射光導板包括第一繞射光學元件120及第二繞射光學元件130。另外，多個繞射光學元件可安置於光導部件110的一側(110a或110b)上。多個繞射光學元件可安置於光導部件的相同側上。
在另一實例中，第一繞射光學元件亦可稱為輸入繞射光學元件，且第二繞射光學元件亦可稱為輸出繞射光學元件。亦即，入射在第一繞射光學元件上的光可為影像信號，且第二繞射光學元件可形成影像輸出表面。在隨附圖式中，第一繞射光學元件經展示為圓形且第二繞射光學元件經展示為矩形，但不限於此。
此處，第一繞射光學元件可接收入射於繞射光導板上的光。另外，第一繞射光學元件可藉由繞射而朝向第二繞射光學元件輸出所接收到的光。
此處，第二繞射光學元件可發射自第一繞射光學元件入射的光。所發射的光可朝著使用者的瞳孔。
入射於第一繞射光學元件上的光可與第一繞射光學元件 的法線以-50度至50度的範圍內的入射角而入射。在另一實例中，入射角可為-45度或大於-45度、-40度或大於-40度、-35度或大於-35度、-30度或大於-30度、-25度或大於-25度、-20度或大於-20度、-15度或大於-15度、-10度或大於-10度、-5度或大於-5度、-3度或大於-3度或-1度或大於-1度，且可為45度或小於45度、40度或小於40度、35度或小於35度、30度或小於30度、25度或小於25度、20度或小於20度、15度或小於15度、10度或小於10度、5度或小於5度、3度或小於3度或1度或小於1度。
由第二繞射光學元件發射的光可與第二繞射光學元件的法線以-50度至50度的範圍內的出射角而發射。在另一實例中，出射角可為-45度或大於-45度、-40度或大於-40度、-35度或大於-35度、-30度或大於-30度、-25度或大於-25度、-20度或大於-20度、-15度或大於-15度、-10度或大於-10度、-5度或大於-5度、-3度或大於-3度或-1度或大於-1度，且可為45度或小於45度、40度或小於40度、35度或小於35度、30度或小於30度、25度或小於25度、20度或小於20度、15度或小於15度、10度或小於10度、5度、3度或小於3度或1度或小於1度。
此處，第一繞射光學元件的法線可垂直於光導部件的光入射表面，且第二繞射光學元件的法線可垂直於光導部件的光射出表面。此處，光入射表面可為入射光入射於第一繞射光學元件上的表面，且光射出表面可為射出光自第二繞射光學元件發射的表面。光入射表面及光射出表面亦可存在於光導部件的同一平面上或亦可存在於不同平面上，但考慮到繞射光導板的所要功能及製 造製程的優點以及類似者，可較佳的為表面存在於同一平面上。
在一個實例中，入射於第一繞射光學元件上的光的入射角的絕對值與由第二繞射光學元件發射的光的出射角的絕對值之間的差的絕對值可為10度或小於10度、8度或小於8度、6度或小於6度、4度或小於4度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為大於0度、0.5度或大於0.5度或1度或大於1度。當光入射表面及光射出表面存在於繞射光導板的同一平面上時，入射角及出射角可彼此符號相反，且同時，相應角度的絕對值之間的差的絕對值可滿足以上範圍。在另一實例中，當光入射表面及光射出表面存在於繞射光導板的不同平面上時，入射角及出射角可具有彼此相同的符號，且同時，相應角度之間的差的絕對值可滿足以上範圍。
在本申請案中，除非另外規定，術語入射角為基於光入射表面的法線量測的角度，其中在順時針方向上基於法線量測的角度經表述為正數且在逆時針方向上量測的角度經表述為負數。另外，入射角可為由入射光與法線形成的角度當中的具有小絕對值的角度。
在本申請案中，除非另外規定，否則術語出射角為基於光射出表面的法線量測的角度，其中在順時針方向上基於法線量測的角度經表述為正數且在逆時針方向上量測的角度經表述為負數。出射角可為由發射光與法線形成的角度當中的具有小絕對值的角度。
第一繞射光學元件包括繞射光柵，具體而言，在任一方向上延伸的線性繞射光柵。如上文所描述，線性繞射光柵可意謂形成 於光導部件的光入射表面及/或光射出表面上的凹雕或雕刻中的多個平行線，且平行線的行進方向可為線性繞射光柵的延伸方向。另外，平行線的行進方向可在平面方向上進行。具體而言，在以上實例中，平行線的行進方向可存在於由x軸及z軸形成的平面中。下文中，包含於第一繞射光學元件中的繞射光柵的延伸方向稱為第一方向。第一繞射光學元件可藉由線性繞射光柵來繞射入射光且朝向第二繞射光學元件輸出光，且允許入射光在光導部件中完全反射。
第二繞射光學元件包括彼此不同的多個區。具體而言，第二繞射光學元件包括彼此不同的至少三個區。第二繞射光學元件包括第一區至第三區，其中第三區存在於第一區與第二區之間。
第一區及第二區包括在彼此不同的方向上延伸的線性繞射光柵。第一區及第二區上的線性繞射光柵的延伸方向亦不同於包含於如上文所描述的第一繞射光學元件中的線性繞射光柵的延伸方向。下文中，第一區的線性繞射光柵的延伸方向稱為第二方向，且第二區的線性繞射光柵的延伸方向稱為第三方向。第一方向至第三方向為彼此不同的方向。然而，類似於第一方向，第二方向及第三方向亦可在平面方向上進行。具體而言，在以上實例中，第二方向及第三方向亦可存在於由x軸及z軸形成的平面中。
第三區亦包含繞射光柵。同時，由於第三區位於第一區與第二區之間，第三區的繞射光柵呈第一區及第二區的線性繞射光柵重疊的形式。當具有彼此不同的延伸方向的線性繞射光柵重疊時，平行線的相交點沿著相應線性繞射光柵的行進方向形成，且由於平行線形成於光導部件中的凹雕或雕刻中，第三區的繞射光柵 由呈點形式的多個柱組成(在廣義上，平面)。因此，第三區的繞射光柵可具有多個柱鄰近於彼此以規則或不規則間隔安置的形式。
考慮到繞射光導板的所要功能及製造製程的優點以及類似者，可較佳的為第一區至第三區存在於光導部件的同一平面上。舉例而言，如下文所描述，當第一區至第三區由壓印製程或類似者製造時，為了第一區至第二區存在於光導部件的一側上且第三區在光導部件的另一側上，壓印製程必須執行兩次或大於兩次(在光柵形成於光導部件的一側上之後，隨著光導部件翻轉，另一光柵必須形成於另一側上)，但原因在於由於在製程中施加壓力而在任一側上發生損壞為不可避免的。
在第二繞射光學元件中，第一區至第三區適合地安置以使得自第一繞射光學元件入射的光經由特定光路徑輸出。具體而言，第二繞射光學元件的第一區至第三區經安置以使得自第一繞射光學元件入射的光直接入射在其上。更具體而言，在第二繞射光學元件中，第一區經配置以使得自第一繞射光學元件入射的光在不穿過第二區及第三區的情況下入射至第一區上。第二區經配置以使得自第一繞射光學元件入射的光在不穿過第一區及第三區的情況下入射至第二區上。第三區經配置以使得自第一繞射光學元件入射的光在不穿過第一區及第二區的情況下入射至第三區上。
當自第一繞射光學元件入射的光穿過第一區時，光入射至第二區及/或第三區上，且入射至第二區及/或第三區上的光發射至外部。類似地，當自第一繞射光學元件入射的光穿過第二區時，光入射於第一區及/或第三區上，且入射至第一區及/或第三區上的 光發射至外部。另外，當自第一繞射光學元件入射的光穿過第三區時，光入射至第一區及/或第二區上，且入射至第一區及/或第二區上的光發射至外部。
如上文所描述，第一區及第二區包括線性繞射光柵，其中線性繞射光柵為作為形成於凹雕/壓花中的平行線的線及間隔圖案。此時，自第二繞射光學元件發射的光的發光效率可視光柵的高度(或深度)、光柵的間距(重複距離)以及平行線的厚度而變化。
自第二繞射光學元件發射的光的發光效率在不考慮第三區中的繞射光柵的高度(或深度)的情況下往往會保持略低。繞射光導板內部完全反射的光的光量沿著遠離第一繞射光學元件的方向減小。為了維持自繞射光導板發射的光的均一發光量，有必要在光輸出繞射光學元件(第二繞射光學元件)中配置多個區以使得鄰接於第一繞射光學元件的區域具有相對低發光效率且遠離第一繞射光學元件的區域具有相對高發光效率。因此，適當的為在不考慮繞射光柵的深度(或高度)的情況下發光效率保持低的第三區安置於第一區與第二區之間，其中發光效率可根據繞射光柵的深度(或高度)而調節。同時，如圖6中所展示，可考慮設計第二繞射光學元件，僅具有不同方向上的線性繞射光柵重疊的形式的繞射光柵形成於所述第二繞射光學元件上，但如上文所描述，在具有不同行進方向的兩個或大於兩個線性繞射光柵重疊(如在第三區中)的繞射光柵的情況下，即使調節相關光柵的間距、寬度或高度(或深度)以及類似者，但相關元件的發光效率大多保持低。因此，在此情況下，存在的問題在於自第二繞射光學元件發射的影像的發光量不均勻。
此處，繞射光柵的高度(或深度)可意謂形成於繞射光柵中的凹雕或雕刻的深度(或高度)。具體而言，在以上實例中，當繞射光柵形成於由x軸及z軸形成的平面上且其凹雕或雕刻形成於由x軸及z軸形成的平面上時，y軸方向上的凹雕(或雕刻)的長度可稱作繞射光柵的高度(或深度)。
第一區及第二區中的線性繞射光柵的行進方向(第二方向及第三方向)及第一繞射光學元件中的線性繞射光柵的行進方向(第一方向)可形成三角形。如上文所描述，在分別形成於第一區及第二區以及第一繞射光學元件中的線性繞射光柵中，線性繞射光柵的行進方向可意謂其平行線的行進方向。因此，當由第一方向至第三方向形成的所有虛擬線經連接時，三角形可形成。
由第一區及第二區中的線性繞射光柵的行進方向(亦即，第二方向與第三方向)形成的角度可在50度至70度的範圍內。在另一實例中，角度可為53度或大於53度、55度或大於55度、57度或大於57度或59度或大於59度，可為67度或小於67度、65度或小於65度、63度或小於63度或61度或小於61度，且可為約60度。角度可意謂由第二方向與第三方向形成的角度當中的具有銳角的角度或具有小絕對值的角度。
在另一實例中，第一區及第二區的線性繞射光柵可基於相應線性繞射光柵的相交點而對稱。亦即，相對於連接形成第二行進方向及第三行進方向的相交點的虛擬線，分別由第二行進方向與第三行進方向形成的角度的總和的絕對值可在-10度至10度的範圍內。在另一實例中，角度可為-9度或大於-9度、-8度或大於-8度、-7度或大於-7度、-6度或大於-6度、-5度或大於-5度、-4 度或大於-4度、-3度或大於-3度、-2度或大於-2度或-1度或大於-1度，可為9度或小於9度、8度或小於8度、7度或小於7度、6度或小於6度、5度或小於5度、4度或小於4度、3度或小於3度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為約0度。
由第一區或第二區中的線性繞射光柵的行進方向及第一繞射光學元件中的線性繞射光柵的行進方向形成的角度可在50度至70度的範圍內。由第一方向與第二方向形成的角度或由第一方向與第三方向形成的角度可在50度至70度的範圍內。在另一實例中，角度可為53度或大於53度、55度或大於55度、57度或大於57度或59度或大於59度，可為67度或小於67度、65度或小於65度、63度或小於63度或61度或小於61度，且可為約60度。角度可意謂由第一方向與第二方向形成的角度(或由第一方向與第三方向形成的角度)當中的具有小絕對值的角度。由第一方向與第二方向形成的角度及由第一方向與第三方向形成的角度可彼此相同或不同，且在一個實例中，可適當的為所述角度相同。
第一區或第二區中的繞射光柵的平均高度可在大於0奈米至1微米或小於1微米的範圍內，且具體而言，其可為1奈米或大於1奈米、10奈米或大於10奈米、20奈米或大於20奈米、30奈米或大於30奈米、40奈米或大於40奈米、50奈米或大於50奈米、100奈米或大於100奈米、200奈米或大於200奈米或250奈米或大於250奈米，且可為900奈米或小於900奈米、800奈米或小於800奈米、700奈米或小於700奈米、600奈米或小於600奈米、500奈米或小於500奈米、450奈米或小於450奈米、400奈米或小於400奈米或350奈米或小於350奈米。如上文所描 述，第一區或第二區包括線性繞射光柵，其中線性繞射光柵可為形成於光導部件的光入射表面及/或光射出表面上的實體凹凸結構的重複圖案，亦即，線及間隔(L/S)圖案，且因此繞射光柵的高度可意謂線及間隔中的突起部件的高度或深度。另外，繞射光柵的平均高度(或平均深度)可為繞射光柵的高度的算術平均值，或可為最大高度及最小高度的平均值。第一區及第二區的繞射光柵的平均高度(或平均深度)可彼此相同或不同，且在一個實例中，其亦可相同。具體而言，在以上實例中，當繞射光柵形成於由x軸及z軸形成的平面上且其凹雕或雕刻形成於由x軸及z軸形成的平面上時，y軸方向上的長度可稱作繞射光柵的高度(或深度)。
第一區或第二區的繞射光柵的平均間距可在200奈米至600奈米的範圍內。在另一實例中，平均間距可為210奈米或大於210奈米、220奈米或大於220奈米、230奈米或大於230奈米、240奈米或大於240奈米、250奈米或大於250奈米、260奈米或大於260奈米、270奈米或大於270奈米、280奈米或大於280奈米、290奈米或大於290奈米、300奈米或大於300奈米、310奈米或大於310奈米、320奈米或大於320奈米、330奈米或大於330奈米、340奈米或大於340奈米、350奈米或大於350奈米、360奈米或大於360奈米、370奈米或大於370奈米或380奈米或大於380奈米，且可為590奈米或小於590奈米、580奈米或小於580奈米、570奈米或小於570奈米、560奈米或小於560奈米、550奈米或小於550奈米、540奈米或小於540奈米、530奈米或小於530奈米、520奈米或小於520奈米、510奈米或小於510奈米、500奈米或小於500奈米、490奈米或小於490奈米、480奈 米或小於480奈米、470奈米或小於470奈米、460奈米或小於460奈米、450奈米或小於450奈米、440奈米或小於440奈米、430奈米或小於430奈米、420奈米或小於420奈米、410奈米或小於410奈米或400奈米或小於400奈米。此處，繞射光柵的間距可意謂形成於繞射光柵中的任一平行線與另一並行線之間的最短距離。繞射光柵的平均間距可意謂間距的算術平均值或間距的最小值及最大值的平均值。此處，第一區及第二區的繞射光柵的平均間距可彼此相同或不同，且在一個實例中，其亦可相同。
第一區或第二區中的繞射光柵的平均寬度在繞射圖案的平均間距的0.1倍至0.9倍的範圍內。在另一實例中，值可為繞射圖案的平均間距的0.2倍或大於0.2倍、0.3倍或大於0.3倍、0.4倍或大於0.4倍或0.5倍或大於0.5倍，且可為0.8倍或小於0.8倍、0.7倍或小於0.7倍、0.6倍或小於0.6倍或0.5倍或小於0.5倍。繞射光柵的寬度可意謂形成於繞射光柵中的任一平行線的寬度。繞射光柵的平均寬度可意謂寬度的算術平均值或寬度的最小值及最大值的平均值。第一區及第二區的繞射光柵的平均寬度可彼此相同或不同，且在一個實例中，其可相同。
第一區或第二區的折射率可在大於1.0至2.0或小於2.0的範圍內。在另一實例中，折射率可為1.1或大於1.1、1.2或大於1.2、1.3或大於1.3、1.4或大於1.4、1.5或大於1.5、1.6或大於1.6、1.7或大於1.7或1.8或大於1.8，且可為1.9或小於1.9或1.8或小於1.8。折射率的參考波長可為525奈米。量測折射率的方法已知。舉例而言，藉由應用美垂肯(Metricon)的稜鏡耦合儀，折射率可根據製造商的手冊而量測。
此處，第一區或第二區中的繞射光柵的平均寬度、平均高度或平均間距及第一區或第二區的折射率以及類似者可根據本申請案的繞射光導板的設計參數(例如，既定繞射的光的波長或光輸出影像區的寬度以及類似者)而不同地改變。
如上文所描述，第三區的繞射光柵呈第一區及第二區的相應繞射光柵重疊的形式，且當具有彼此不同的延伸方向的線性繞射光柵重疊時，沿著相應線性繞射光柵的行進方向的平行線的相交點經形成且平行線形成於光導部件中的凹雕或雕刻中，使得第三區的繞射光柵由呈點形式的多個柱組成(在廣義上，平面)。亦即，第三區的繞射光柵可具有形成於第二繞射光學元件的一側上的多個柱的重複形狀。所述柱的橫截面可具有以下形式：曲線圖，諸如圓形或橢圓形；多邊形，諸如三角形、方形或五邊形；或無定形以及類似者。在一個實例中，所述柱的橫截面可為曲線圖，諸如圓形或橢圓形。
第三區的繞射光柵的平均間距，具體而言，構成第三區的繞射光柵的多個柱的平均間距可在200奈米至600奈米的範圍內。在另一實例中，平均間距可為210奈米或大於210奈米、220奈米或大於220奈米、230奈米或大於230奈米、240奈米或大於240奈米、250奈米或大於250奈米、260奈米或大於260奈米、270奈米或大於270奈米、280奈米或大於280奈米、290奈米或大於290奈米、300奈米或大於300奈米、310奈米或大於310奈米、320奈米或大於320奈米、330奈米或大於330奈米、340奈米或大於340奈米、350奈米或大於350奈米、360奈米或大於360奈米、370奈米或大於370奈米或380奈米或大於380奈米，且可為 590奈米或小於590奈米、580奈米或小於580奈米、570奈米或小於570奈米、560奈米或小於560奈米、550奈米或小於550奈米、540奈米或小於540奈米、530奈米或小於530奈米、520奈米或小於520奈米、510奈米或小於510奈米、500奈米或小於500奈米、490奈米或小於490奈米、480奈米或小於480奈米、470奈米或小於470奈米、460奈米或小於460奈米、450奈米或小於450奈米、440奈米或小於440奈米、430奈米或小於430奈米、420奈米或小於420奈米、410奈米或小於410奈米或400奈米或小於400奈米。此處，在由構成第三區的繞射光柵的任一點狀柱的中心及鄰接於所述柱的點狀柱的中心形成的三角形中，第三區的繞射光柵的間距可意謂自任一頂點至由其餘兩個頂點形成的線段的線段長度。此處，第三區中的繞射光柵的平均間距可為間距的算術平均值或間距的最小值及最大值的平均值。
此處，第三區中的繞射光柵的平均寬度，具體而言，第三區的繞射光柵中的柱的平均寬度可為繞射光柵的平均間距的0.1倍或大於0.1倍至1.3倍或小於1.3倍。在另一實例中，值可為繞射光柵的平均間距的0.2倍或大於0.2倍、0.3倍或大於0.3倍、0.4倍或大於0.4倍或0.5倍或大於0.5倍，且可為1.2倍或小於1.2倍、1.1倍或小於1.1倍、1.0倍或小於1.0倍、0.9倍或小於0.9倍、0.8倍或小於0.8倍、0.7倍或小於0.7倍、0.6倍或小於0.6倍或0.5倍或小於0.5倍。
此處，第三區的繞射光柵中的柱的平均寬度可在100奈米至400奈米的範圍內。平均寬度可為110奈米或大於110奈米、120奈米或大於120奈米、130奈米或大於130奈米、140奈米或 大於140奈米、150奈米或大於150奈米、160奈米或大於160奈米、170奈米或大於170奈米、180奈米或大於180奈米、190奈米或大於190奈米或200奈米或大於200奈米，且可為390奈米或小於390奈米、380奈米或小於380奈米、370奈米或小於370奈米、360奈米或小於360奈米、350奈米或小於350奈米、340奈米或小於340奈米、330奈米或小於330奈米、320奈米或小於320奈米、310奈米或小於310奈米、300奈米或小於300奈米、290奈米或小於290奈米、280奈米或小於280奈米、270奈米或小於270奈米、260奈米或小於260奈米、250奈米或小於250奈米、240奈米或小於240奈米、230奈米或小於230奈米、220奈米或小於220奈米、210奈米或小於210奈米或200奈米或小於200奈米。此處，繞射光柵中的柱的寬度可意謂形成於第三區的繞射光柵中的柱中的一者的寬度。具體而言，當柱的橫截面為圓形時，寬度可意謂圓形的直徑，且當所述橫截面為橢圓形時，寬度可意謂長軸的長度。當柱的橫截面為三角形時，寬度可意謂各別側的高度的最大長度，且當所述橫截面為矩形或比矩形更大的多邊形時，寬度可意謂多個對角線的長度的最大值。當柱的橫截面為無定形時，寬度可意謂一個末端與另一末端之間的長度的最大值。另外，柱的平均寬度可意謂形成於光柵中的多個圖的寬度的算術平均值或寬度的最小值及最大值的平均值。
第三區中的繞射光柵的平均高度，具體而言，第三區的繞射光柵中的柱的平均高度可在大於0奈米至1微米或小於1微米的範圍內，所述平均高度可為具體而言，1奈米或大於1奈米、10奈米或大於10奈米、20奈米或大於20奈米、30奈米或大於30 奈米、40奈米或大於40奈米、50奈米或大於50奈米、100奈米或大於100奈米、200奈米或大於200奈米或250奈米或大於250奈米，且可為900奈米或小於900奈米、800奈米或小於800奈米、700奈米或小於700奈米、600奈米或小於600奈米、500奈米或小於500奈米、450奈米或小於450奈米、400奈米或小於400奈米或350奈米或小於350奈米。此處，第三區中的繞射光柵的高度可意謂柱與所述區的表面間隔開的最短距離，且平均高度可意謂構成繞射圖案的多個圖的高度的算術平均值，或高度的最大值及最小值的平均值。具體而言，在以上實例中，當繞射光柵形成於由x軸及z軸形成的平面上且其凹雕或雕刻形成於由x軸及z軸形成的平面上時，y軸方向上的凹雕(或雕刻)的長度可稱作繞射光柵的高度(或深度)。
第三區的折射率可在大於1.0至2.0或小於2.0的範圍內。在另一實例中，折射率可為1.1或大於1.1、1.2或大於1.2、1.3或大於1.3、1.4或大於1.4、1.5或大於1.5、1.6或大於1.6、1.7或大於1.7或1.8或大於1.8，且可為1.9或小於1.9或1.8或小於1.8。折射率的參考波長可為525奈米。量測折射率的方法已知。舉例而言，藉由應用美垂肯(Metricon)的稜鏡耦合儀，折射率可根據製造商的手冊而量測。
此處，第三區中的繞射光柵的平均寬度、平均高度或平均間距及第三區的折射率以及類似者可根據繞射光導板的設計參數(例如，既定繞射的光的波長或光輸出影像區的寬度以及類似者)而不同地改變。
此處，形成於第一區至第三區中的每一者中的繞射光柵 的傾斜角不受特定限制。舉例而言，傾斜角可為-45度或大於-45度、-40度或大於-40度、-35度或大於-35度、-30度或大於-30度、-25度或大於-25度、-20度或大於-20度、-15度或大於-15度、-10度或大於-10度或-5度或大於-5度，基於第二繞射光學元件的法線，可為45度或小於45度、40度或小於40度、35度或小於35度、30度或小於30度、25度或小於25度、20度或小於20度、15度或小於15度、10度或小於10度或5度或小於5度，且亦可為約0度。此處，繞射光柵的傾斜角可意謂形成於繞射光柵中的平行線或柱與第一繞射光學元件或第二繞射光學元件的法線形成的角度當中的具有小絕對值的角度。
如上文所描述，第三區的繞射光柵呈形成於第一區及第二區中的線性繞射光柵重疊的形式。亦即，在第三區中，在與第一區的線性繞射光柵大體上相同的方向上行進的線性繞射光柵及在與第二區的線性繞射光柵大體上相同的方向上行進的線性繞射光柵兩者可存在。由於第一區中的線性繞射光柵的行進方向(第二方向)及第二區中的線性繞射光柵的行進方向(第三方向)不同，故由第二方向及第三方向形成的多個相交點可形成於第三區中。下文中，將更詳細地描述形成於第三區中的繞射光柵。
構成第三區的繞射光柵的呈點形式的多個柱當中的六個柱可經選擇以使得連接六個柱的虛擬線形成六邊形。此時，六邊形的任一側與第一繞射光學元件中的繞射光柵的行進方向(第一方向)形成的角度可在-10度至10度的範圍內。在另一實例中，角度可為-9度或大於-9度、-8度或大於-8度、-7度或大於-7度、-6度或大於-6度、-5度或大於-5度、-4度或大於-4度、-3度或大於 -3度、-2度或大於-2度或-1度或大於-1度，可為9度或小於9度、8度或小於8度、7度或小於7度、6度或小於6度、5度或小於5度、4度或小於4度、3度或小於3度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為約0度。角度可為由六邊形的任一側與第一方向形成的角度當中的具有小絕對值的角度。亦即，六邊形的任一側(A1)可大體上平行於第一繞射光學元件中的線性繞射光柵的行進方向。
此外，六邊形的另一側與第二方向形成的角度可在-10度至10度的範圍內。在另一實例中，角度可為-9度或大於-9度、-8度或大於-8度、-7度或大於-7度、-6度或大於-6度、-5度或大於-5度、-4度或大於-4度、-3度或大於-3度、-2度或大於-2度或-1度或大於-1度，可為9度或小於9度、8度或小於8度、7度或小於7度、6度或小於6度、5度或小於5度、4度或小於4度、3度或小於3度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為約0度。角度可為由六邊形的任一側與第二方向形成的角度當中的具有小絕對值的角度。亦即，六邊形的另一側(A2)可大體上平行於第一區中的線性繞射光柵的行進方向。
此外，六邊形的另一側與第三方向形成的角度可在-10度至10度的範圍內。在另一實例中，角度可為-9度或大於-9度、-8度或大於-8度、-7度或大於-7度、-6度或大於-6度、-5度或大於-5度、-4度或大於-4度、-3度或大於-3度、-2度或大於-2度或-1度或大於-1度，可為9度或小於9度、8度或小於8度、7度或小於7度、6度或小於6度、5度或小於5度、4度或小於4度、3度或小於3度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為約0度。 角度可為由六邊形的另一側與第三方向形成的角度當中的具有小絕對值的角度。亦即，六邊形的另一側(A3)可大體上平行於第二區中的線性繞射光柵的行進方向。
由六邊形側當中的與第一方向形成在-10度至10度的範圍內的角度的側(A1)與面向所述側的側(A1')形成的角度可在-10度至10度的範圍內。在另一實例中，角度可為-9度或大於-9度、-8度或大於-8度、-7度或大於-7度、-6度或大於-6度、-5度或大於-5度、-4度或大於-4度、-3度或大於-3度、-2度或大於-2度或-1度或大於-1度，可為9度或小於9度、8度或小於8度、7度或小於7度、6度或小於6度、5度或小於5度、4度或小於4度、3度或小於3度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為約0度。角度可為由A1與A1'形成的角度當中的具有小絕對值的角度。亦即，六邊形的任一側(A1)及與其相對的側(A1')可大體上平行。
由六邊形側當中的與第二方向形成在-10度至10度的範圍內的角度的側(A2)與面向所述側的側(A2')形成的角度可在-10度至10度的範圍內。在另一實例中，角度可為-9度或大於-9度、-8度或大於-8度、-7度或大於-7度、-6度或大於-6度、-5度或大於-5度、-4度或大於-4度、-3度或大於-3度、-2度或大於-2度或-1度或大於-1度，可為9度或小於9度、8度或小於8度、7度或小於7度、6度或小於6度、5度或小於5度、4度或小於4度、3度或小於3度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為約0度。角度可為由A2與A2'形成的角度當中的具有小絕對值的角度。亦即，六邊形的任一側(A2)及與其相對的側(A2')可大 體上平行。
由六邊形側當中的與第三方向形成在-10度至10度的範圍內的角度的側(A3)與面向所述側的側(A3')形成的角度可在-10度至10度的範圍內。在另一實例中，角度可為-9度或大於-9度、-8度或大於-8度、-7度或大於-7度、-6度或大於-6度、-5度或大於-5度、-4度或大於-4度、-3度或大於-3度、-2度或大於-2度或-1度或大於-1度，可為9度或小於9度、8度或小於8度、7度或小於7度、6度或小於6度、5度或小於5度、4度或小於4度、3度或小於3度、2度或小於2度或1度或小於1度，且可為約0度。角度可為由A3與A3'形成的角度當中的具有小絕對值的角度。亦即，六邊形的任一側(A3)及與其相對的側(A3')可大體上平行。
形成第一繞射光學元件及第二繞射光學元件中的繞射光柵的方法不受特定限制，且已知的方法可應用於形成繞射光柵。舉例而言，可應用藉由置放具有形成於可用作光導部件的諸如玻璃或塑膠的材料上的預定圖案的遮罩且接著用雷射、電子射束或極紫外光來曝光所述遮罩而直接形成繞射光柵的方法(微影)或使用構件或類似者來轉移凹凸結構的圖案形成於材料上的繞射光柵的方法(壓印)。
第一繞射光學元件120及第二輸出繞射光學元件中的第一區131及第二區132可各自具有經定義為與元件的線性繞射光柵的間距P1、P2、P3成反比的「大小」及垂直於線性繞射光柵的行進方向的「方向」的光柵向量V1、V2、V3。光柵向量的大小可由以下等式1定義。
[等式1]|V|=2π/P
其中，|V|意謂光柵向量的大小，且P意謂線性繞射光柵的間距。
圖8說明本申請案的第一繞射光學元件、第一區以及第二區的光柵向量的較佳組合。在一個實例中，第一繞射光學元件120以及第一區131及第二區132的相應光柵向量V1、V2、V3的總和可為零向量。亦即，藉由分別將給定座標的所有分量添加至光柵向量，可形成所有分量為零的向量。
形成於第一區中的線性繞射光柵及形成於第二區中的線性繞射光柵彼此對稱，且第一繞射光學元件120以及第一區131及第二區132的相應光柵向量V1、V2、V3具有彼此相同的大小，且由第一繞射光學元件120以及第一區131及第二區132的光柵向量V1、V2、V3當中的兩個向量形成的角度可各自在50度至70度的範圍內。在另一實例中，角度可為53度或大於53度、55度或大於55度、57度或大於57度或59度或大於59度，可為67度或小於67度、65度或小於65度、63度或小於63度或61度或小於61度，且可為約60度。角度可意謂由三個向量的兩個向量方向形成的角度當中的具有小絕對值的角度。如圖8中所說明，由V1至V3中的每一者形成的角度最適合地為約60度，但不限於此。
在本申請案中，最適合的繞射光柵配置已展示於圖9a至圖9c中。第一繞射光學元件120中的線性繞射光柵的行進方向可與平行於x軸的水平線H形成90度的角度(正交)，如圖9a中所 展示(亦可在前述誤差範圍內加以理解)。此外，第一區131中的線性繞射光柵的行進方向可與平行於x軸的水平線H形成30度的角度，如圖9b中所展示(亦可在前述誤差範圍內加以理解)。隨後，第二區132中的線性繞射光柵的行進方向繞射圖案可與平行於x軸的水平線H形成-30度的角度，如圖9c中所展示(亦可在前述誤差範圍內加以理解)。
如圖9a至圖9c中所展示，當相應線性繞射光柵的間距P1、P2、P3皆相同時，相應光柵向量的大小根據以上等式1而皆相同。此處，當光柵向量V1、V2、V3的方向大致垂直於相應線性繞射光柵的行進方向時，第一繞射光學元件120中的光柵向量V1的方向可大致平行於x軸方向，第一區中的光柵向量V2的方向可形成相對於x軸方向的約-60度的角度，且第二區中的光柵向量V3的方向可形成相對於x軸方向的約60度的角度。因此，第一繞射光學元件以及第一區及第二區的相應光柵向量與彼此形成約60度的角度，其中相應大小可大致相同，使得若添加所有向量，則可形成零向量。
本申請案的繞射光導板具有適合於應用於擴增實境(AR)實現裝置的優點。在繞射光導板中，當已恰當地調節由第二繞射光學元件中的第一區至第三區中的每一者佔據的區域(或長度)的比率時為尤其適合的。
圖5為示意性地展示使用者可識別由本申請案的繞射光導板輸出的影像的區域的側視圖。具體而言，由本申請案的繞射光導板形成的彼此垂直的三條軸線設定為x軸、y軸以及z軸，但當z軸已設定為在平行於重力方向的方向上時，z軸方向上的第一區 131的長度Z1、第二區132的長度Z2以及z軸方向上的第三區133的長度Z3之間的關係可適當地加以調節。
在一個實例中，z軸方向上的第三區的長度Z3與z軸方向上的第一區至第三區的全長(Z1+Z2+Z3)的比率(Z3/(Z1+Z2+Z3))可在0.3至0.9的範圍內。在另一實例中，比率可為0.33或大於0.33、0.35或大於0.35、0.37或大於0.37、0.39或大於0.39、0.40或大於0.40或0.41或大於0.41，且可為0.89或小於0.89、0.87或小於0.87、0.85或小於0.85或0.84或小於0.84。
z軸方向上的第一區的長度Z1與z軸方向上的第二區的長度Z2的比率(Z1/Z2)亦可適當地加以調節。在一個實例中，比率可在0.9至1.1的範圍內。在另一實例中，比率可為0.93或大於0.93、0.95或大於0.95、0.97或大於0.97或0.99或大於0.99，可為1.07或小於1.07、1.05或小於1.05、1.03或小於1.03或1.01或小於1.01，且可優選地為1左右。另外，z軸方向上的第一區的長度Z1及第二區的z軸方向上的第二區的長度Z2可在滿足比率的範圍內各自適當地加以調節。Z1或Z2值可在1毫米至15毫米的範圍內，同時滿足所述比率。在另一實例中，值可為1.5毫米或大於1.5毫米、2.0毫米或大於2.0毫米、2.2毫米或大於2.2毫米或2.3毫米或大於2.3毫米，且可為14毫米或小於14毫米、13毫米或小於13毫米、12毫米或小於12毫米或11毫米或小於11毫米。
z軸方向上的第三區的長度Z3亦可適當地加以調節。在一個實例中，長度Z3可在15毫米至25毫米的範圍內。
如下文所描述，當繞射光導板已應用於諸如眼用佩戴品 以及類似者的擴增實境實現裝置時，Z1值或Z2值可考慮到適眼距(使用者的瞳孔與鏡片之間的最短距離，例如，自左眼鏡片至左眼瞳孔的最短距離或自右眼鏡片至右眼瞳孔的最短距離)以及類似者而適當地加以調節。
另外，當繞射光導板已應用於諸如眼用佩戴品以及類似者的擴增實境實現裝置時，Z3值可視z軸方向上的使用者瞳孔的可識別自眼用佩戴品發射的影像的眼運動箱(eye motion box；EMB)的長度而定適當地加以判定。大體而言，可設定為使得z軸方向上的眼運動箱的長度及z軸方向上的第三區的長度相同(在此情況下，可考慮在+/- 5%左右內的誤差)。
如圖5中所展示，Z1或Z2的值可根據上文所描述的適眼距及可視角度(由自發射自繞射光導板的光的焦點至輸出繞射光學元件的兩個末端的兩個方向形成的角度，圖5中的θ)而判定。具體而言，Z1或Z2的值可根據以下等式1而判定：[等式1]Y=X×tan(θ/2)
在以上等式1中，Y為Z1或Z2值，X為適眼距，θ為可視角度，且適眼距及可視角度如上文所定義。
適眼距通常設定為在15毫米至30毫米的範圍內。另外，可視角度通常設定為在18度至40度的範圍內。因此，當此類值已取代至等式1中時，可導出Z1或Z2的上文所描述的值。
此處，第一區至第三區可具有相同寬度及廣度，從而第一區至第三區的相應寬度可根據第一區至第三區的相應z軸方向長度的比率而判定。同時，若由光導部件中的第二繞射光學元件形成 的橫截面不為矩形，則比率可意謂對應於第一區至第三區的線段長度在相關圖的z軸方向線當中的具有最大長度的線段內的比率。
圖7a至圖7c分別為說明圖4中所展示的本申請案的繞射光導板中的光路徑的平面視圖。
第一繞射光學元件可為輸入繞射光學元件。輸入繞射光學元件可意謂接收自光源入射的光且執行藉由繞射將所接收到的光完全反射至光導部件中的功能的光學元件。
第二繞射光學元件可為輸出繞射光學元件。輸出繞射光學元件可意謂接收自輸入繞射光學元件完全反射的光且執行藉由繞射而自光導部件輸出所接收到的光的功能的光學元件。
入射於光導部件110上的光，具體而言，入射於第一繞射光學元件120上的光藉由繞射而在光導部件中完全反射。如上文所描述，為了光的全反射在元件內部發生，元件的折射率必須大於鄰接於元件的介質的折射率。由於光導部件通常鄰接於空氣，故光導部件可由具有比空氣的折射率更高的折射率的材料製成，例如，諸如玻璃或塑膠的材料。另外，由於第一繞射光學元件及第二繞射光學元件形成於光導部件上，故構成其的材料亦可與光導部件相同。
在第一繞射光學元件120中，自光源入射的光L1a、L1b、L1c可藉由形成於第一繞射光學元件中的繞射光柵繞射。繞射光經由第一繞射光學元件完全反射至光導部件中。第一繞射光學元件可朝向第二繞射光學元件發射完全反射的光。
此時，在自第一繞射光學元件朝向第二繞射光學元件入射的光當中，入射至第一區上的光可在不穿過第二區及第三區的 情況下入射至第一區上。另外，入射至第二區上的光可在不穿過第一區及第三區的情況下入射至第二區上。入射至第三區上的光可在不穿過第一區及第二區的情況下入射至第三區上。
第一區131及第二區132可各自在單個方向上擴展自第一繞射光學元件發射的光。具體而言，第一區及第二區可各自接收自第一繞射光學元件發射的光L2a、L2b，且藉由繞射而在單個方向上擴展所接收到的光。自第一繞射光學元件120發射的光L2a、L2b的一部分可經繞射，同時穿過第一區131或第二區132，以改變路徑，且其餘部分可完全反射至現有光路徑。此外，第一區及第二區可各自接收在另一區中擴展的光L3a、L3b、L3c，且藉由繞射L4a、L4b、L4c而自第二繞射光學元件發射所接收到的光。舉例而言，第一區131可接收自第二區132及/或第三區133擴展的光(L3b及/或L3c)，且藉由繞射L4b、L4c而自繞射光導板輸出所接收到的光。另外，第二區132可接收自第一區131及/或第三區133擴展的光(L3a及/或L3c)，且藉由繞射L4a、L4c而自第二繞射光學元件發射所接收到的光。
第三區133可在兩個方向L3c上擴展自第一繞射光學元件發射的光L2c或允許自第二繞射光學元件L4c發射光。自第一繞射光學元件120繞射的光L2c的一部分可經繞射，同時穿過第三區133，以改變路徑，且其餘部分可完全反射至現有光路徑。第三區可接收自第一繞射光學元件完全反射的光，且藉由繞射而在例如朝向第一區131及第二區132的方向的兩個方向上擴展所接收到的光。另外，第三輸出繞射光學元件可允許自第一繞射光學元件接收到的光藉由繞射而自第二繞射光學元件發射。第三區亦可 允許自第二繞射光學元件中的另一區擴展的光自第二繞射光學元件發射。第三區可接收自例如第一區及/或第二區的另一區擴展的光，且藉由繞射而自第二繞射光學元件發射所接收到的光。
如上文所描述，使用者可識別由呈如圖2中的形式的繞射光導板輸出的所有影像的區域的大小(圖3中的α)為相對小的，使得以便識別自呈如圖2中的形式的繞射光導板輸出的所有影像，存在的問題在於使用者的瞳孔的位置受到限制。
然而，如圖5中所展示，本申請案的繞射光導板經組態以使得自第一繞射光學元件發射的光可發射自一個繞射光學元件(第二繞射光學元件)，使得即使光導板的總區域不增大，亦有可能增大輸出影像的大小。此時，第二繞射光學元件的面積可例如在1平方公分至50平方公分的範圍內。在另一實例中，面積可為1平方公分或大於1平方公分、2平方公分或大於2平方公分、3平方公分或大於3平方公分、4平方公分或大於4平方公分、5平方公分或大於5平方公分、6平方公分或大於6平方公分、7平方公分或大於7平方公分、8平方公分或大於8平方公分、9平方公分或大於9平方公分或10平方公分或大於10平方公分，且可為45平方公分或小於45平方公分、40平方公分或小於40平方公分、35平方公分或小於35平方公分、30平方公分或小於30平方公分、25平方公分或小於25平方公分、20平方公分或小於20平方公分、15平方公分或小於15平方公分或10平方公分或小於10平方公分。
另外，使用者可識別由本申請案的繞射光導板輸出的所有影像的區域的大小(α)為相對大的，使得存在使用者瞳孔的位 置不受限制的優點。
在另一實例中，本申請案提供繞射光導板的用途。具體而言，本申請案提供包括繞射光導板的擴增實境或虛擬實境裝置。
舉例而言，裝置可為眼用佩戴品。眼用佩戴品可包括左眼鏡片及右眼鏡片；以及用於支撐左眼鏡片及右眼鏡片的框架。另外，左眼鏡片及右眼鏡片可各自包括繞射光導板。
此處，眼用佩戴品可更包括投影器。投影器可位於框架中。另外，投射器可將再現光投影至左眼鏡片及右眼鏡片中的至少一個鏡片上。
驅動眼用佩戴品的方法為已知的。舉例而言，眼用佩戴品可經驅動以使得自投影器入射的光經由繞射光導板輸出，且使用者能夠識別輸出光。
本申請案的繞射光導板具有適合於小型化或輕量化光學裝置的優點。
本申請案的繞射光導板可在不減小總大小的情況下同時增大輸出影像的面積。
本申請案的繞射光導板具有不受使用者的瞳孔位置限制的優點。
10:習知繞射光導板
11:輸入繞射光學元件
12:中間繞射光學元件
13:輸出繞射光學元件
100:繞射光導板
110:光導部件
110a、110b:側
120:第一繞射光學元件
130:輸出繞射光學元件
131:第一區
132:第二區
133:第三區
H:水平線
L1a、L1b、L1c、L2a、L2b、L3a、L3b、L3c:光
L4a、L4b、L4c:繞射
P:光源
P1、P2、P3:間距
V1、V2、V3:光柵向量
Z1、Z2、Z3:長度
α:大小
θ:可視角度
圖1示意性說明習知繞射光導板結構。
圖2示意性說明經引入以解決根據圖1的繞射光導板的問題 的繞射光導板的結構。
圖3為用於解釋可識別自根據圖2的繞射光導板發射的影像的使用者的瞳孔範圍的圖式。
圖4示意性說明本申請案的繞射光導板結構。
圖5為用於解釋可識別自根據圖4的繞射光導板發射的影像的使用者的瞳孔範圍的圖式。
圖6示意性說明習知繞射光導板結構。
圖7a至圖7c為說明性地展示本申請案的繞射光導板中的光路徑的平面視圖。
圖8說明本申請案的繞射光導板中的第一繞射光學元件以及第一區及第二區的光柵向量的組合。
圖9a至圖9c說明形成於本申請案的繞射光導板中的第一繞射光學元件、第一區以及第二區上的繞射光柵。
圖10根據實驗實例1說明對繞射光學元件中的繞射光柵的高度而言的發光效率。
圖11為實驗實例2的繞射光學元件的示意圖。
圖12根據實驗實例2說明對繞射光學元件中的繞射光柵的高度而言的發光效率。
圖13為比較例的第二繞射光學元件的SEM像片。
圖14為由比較例的繞射光導板輸出的影像的模擬結果。
圖15為由比較例的繞射光導板輸出的影像的像片。
圖16為由實例的繞射光導板輸出的影像的模擬結果。
在下文中，將參考實例更詳細地描述本申請案，但本申請案的範疇不限於以下實例。
實驗實例
在以下實驗實例中，使用萊特竄斯(LIGHTTRANS)的Virtual Lab軟體的嚴密耦合波分析(rigorous coupled wave analysis；RCWA)功能來設計相關繞射光學元件，且計算元件的發光效率。
實驗實例1
設計繞射光學元件，其中在如圖9a中的單個方向上呈以約388奈米的平均間距隔開的凹槽形式且具有平均間距的約0.55倍的平均寬度的線性繞射光柵經形成於對具有525奈米波長的光具有約1.8的折射率的玻璃基板的表面上。根據以下等式1來量測在繞射光學元件內部完全反射的具有約525奈米波長的光藉由繞射而自繞射光學元件的表面朝向大氣發射的效率。圖10中展示計算對繞射圖案的高度(在圖式中展示為深度)而言的繞射光學元件的發光效率的結果：[等式1]發光效率(%)=(A/B)×100
在以上等式1中，A為自繞射光學元件輸出的光的光量，且B為在繞射光學元件內部完全反射的光的總光量。
實驗實例2
設計呈具有約200奈米的直徑的圓柱形凹槽經配置於呈如圖11中的大致六邊形形狀的對具有525奈米波長的光具有約1.8的折射率的玻璃基板的表面上的形式的繞射光學元件。具體而 言，具有約388奈米的平均間距的線性繞射光柵經形成於繞射光學元件中。
根據以下等式1來量測在繞射光學元件內部完全反射的具有約525奈米波長的光藉由繞射而自繞射光學元件的表面朝向大氣發射的效率。圖12中展示計算對繞射光柵的高度(在圖式中展示為深度)而言的繞射光學元件的發光效率的結果：根據圖10及圖12，可確認在具有本申請案的作為第一繞射光學元件的線性繞射光柵以及第二繞射光學元件的第一區或第二區的情況下，發光效率視光柵的高度(或深度)而定改變。另外，在具有呈線性繞射光柵重疊作為第三區的形式的繞射光柵的元件的情況下，可確認發光效率在不考慮深度(或高度)的情況下大多為低的(5%或小於5%)。
比較例
設計繞射光導板，其中具有線性繞射光柵的第一繞射光學元件及具有具備不同行進方向上的線性繞射光柵的第一區及第二區的第二繞射光學元件如圖2中而安置。分別加以設計以使得第一繞射光學元件中的線性繞射光柵的行進方向具有與圖2的z軸方向相同的方向且第一區及第二區中的線性繞射光柵的行進方向在與圖2的x軸為約30度及約-30度的方向上。此處，每一繞射光柵的間距為約388奈米，寬度為間距的約0.55倍，且高度為約100奈米。
比較例的第二輸出繞射光學元件藉由掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope；SEM，日立(HITACHI)S 4800)攝影，且像片展示於圖13中。隨後，在圖14中展示影像的模擬 結果，基於繞射光導板中的第一繞射光學元件的法線以約0度(圖14中的(a))及約5度(圖14中的(b))的入射角入射的所述影像自第二光學元件的法線輸出。在圖15中展示藉由使用投影器(馬朗尼(Miniray)，世高光(Sekonix))以約5度的入射角將影像輸入至繞射光導板的第一繞射光學元件且對影像進行攝影來獲得的像片，其中使用互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor；CMOS)攝影機(DCC1645C，索雷博有限公司(Thorlabs,Inc.))而自光導板的第二繞射光學元件輸出相關影像。
根據圖14及圖15，可確認在根據比較例的繞射光導板中，輸入影像經劃分且自相應輸出繞射光學元件輸出，且因此若影像的入射角僅略微改變(約5度)，則影像的一部分不輸出，從而對應於鄰接於輸出繞射光學元件中的多個區的位點的影像未清楚地識別，如圖15中所展示。
實例
除了作為第二繞射光學元件的第三區的具有約50奈米的深度的繞射光學元件經安置於第一區與第二區之間之外，以與實驗實例2中相同的方式但以與比較例中相同的方式製造繞射光導板。此時，由第二光學元件中的第三區的長度(在平行於圖4中的z軸的方向上的長度，Z3)佔據的第二繞射光學元件的比率(Z3/(Z1+Z2+Z3))為大致0.33左右。
隨後，在圖16中展示影像的模擬結果，基於繞射光導板中的第一繞射光學元件的法線以約0度(圖16中的(a))及約5度(圖16中的(b))的入射角入射的所述影像自第二光學元件的法線輸出。
根據圖16，可見入射於繞射光導板上的所有影像自第二繞射光學元件中的相應區輸出。具體而言，根據圖16，可確認繞射光導板可在不考慮輸入影像的入射角的情況下輸出對應於相應區的所有影像，在所述繞射光導板中，由呈具有彼此不同的行進方向的線性繞射光柵重疊的形式的繞射光柵形成的繞射光學元件經安置於由如本申請案中的線性繞射光柵形成的繞射光學元件之間。
100:繞射光導板
110a、110b:側
120:第一繞射光學元件
130:輸出繞射光學元件
131:第一區
132:第二區
133:第三區

Claims (21)

  1. 一種繞射光導板，包括第一繞射光學元件及第二繞射光學元件，其中所述第一繞射光學元件為能夠接收入射至所述第一繞射光學元件上的光且朝向所述第二繞射光學元件輸出所述光的元件，且所述第二繞射光學元件為能夠自所述第二繞射光學元件發射自所述第一繞射光學元件入射的光的元件，且其中所述第一繞射光學元件包括在第一方向上延伸的線性繞射光柵，其中所述第二繞射光學元件包括第一區至第二區以及存在於所述第一區與所述第二區之間的第三區，其中所述第一區包括在不同於所述第一方向的第二方向上延伸的線性繞射光柵，其中所述第二區包括在不同於所述第一方向及所述第二方向的第三方向上延伸的線性繞射光柵，其中所述第三區包括呈所述第一區及所述第二區的所述線性繞射光柵重疊的形式的繞射光柵，且其中所述第一區至所述第三區經安置以使得自所述第一繞射光學元件入射的光在不穿過所述第二區及所述第三區的情況下入射至所述第一區上、所述光在不穿過所述第一區及所述第三區的情況下入射至所述第二區上且所述光亦在不穿過所述第一區及所述第二區的情況下入射至所述第三區上，其中由所述繞射光導板形成的彼此垂直的三條軸線設定為x軸、y軸以及z軸，但當所述z軸已設定為在平行於重力方向的方向上時，z軸方向上的所述第三區的長度(Z3)與所述z軸方向上 的所述第一區至所述第三區的全長(Z1+Z2+Z3)的比率(Z3/(Z1+Z2+Z3))在0.3至0.9範圍內。
  2. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述第一方向至所述第三方向形成三角形。
  3. 如請求項2所述之繞射光導板，其中由所述第二方向與所述第三方向形成的角度在50度至70度的範圍內。
  4. 如請求項3所述之繞射光導板，其中由所述第一方向與所述第二方向形成的角度或由所述第一方向與所述第三方向形成的角度在50度至70度的範圍內。
  5. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述第一區或所述第二區中的所述繞射光柵的平均間距在200奈米至600奈米的範圍內。
  6. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述第一區或所述第二區中的所述繞射光柵的平均高度在1奈米至1微米的範圍內。
  7. 如請求項5所述之繞射光導板，其中所述第一區或所述第二區中的所述繞射光柵的平均寬度在所述繞射光柵的所述平均間距的0.1倍至0.9倍的範圍內。
  8. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述第一區或所述第二區的折射率對具有525奈米波長的光而言在大於1.0至2.0或小於2.0的範圍內。
  9. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述第三區的所述繞射光柵由呈點形式的多個柱組成， 且當已選擇所述多個柱當中的六個柱以使得連接所述六個柱的虛擬線形成六邊形時，其中由所述六邊形的任一側的方向與所述第一方向形成的角度在-10度至10度的範圍內，其中由所述六邊形的另一側的方向與所述第二方向形成的角度在-10度至10度的範圍內，且其中由所述六邊形的另一側的方向與所述第三方向形成的角度在-10度至10度的範圍內。
  10. 如請求項9所述之繞射光導板，其中由六邊形側當中的與所述第一方向形成在-10度至10度的範圍內的所述角度的所述側與面向所述側的側形成的角度在-10度至10度的範圍內，其中由六邊形側當中的與所述第二方向形成在-10度至10度的範圍內的所述角度的所述側與面向所述側的側形成的角度在-10度至10度的範圍內，且其中由六邊形側當中的與所述第三方向形成在-10度至10度的範圍內的所述角度的所述側與面向所述側的側形成的角度在-10度至10度的範圍內。
  11. 如請求項9所述之繞射光導板，其中所述第三區的所述繞射光柵中的所述柱的平均間距在200奈米至600奈米的範圍內。
  12. 如請求項9所述之繞射光導板，其中所述第三區的所述繞射光柵中的所述柱的平均高度在1奈米至1微米的範圍內。
  13. 如請求項11所述之繞射光導板，其中所述第三區的所述繞射光柵中的所述柱的平均寬度在所述柱的所述平均間距的0.1倍至1.3倍的範圍內。
  14. 如請求項9所述之繞射光導板，其中所述第三區的折射率對具有525奈米波長的光而言在大於1.0至2.0或小於2.0的範圍內。
  15. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述z軸方向上的所述第一區的長度(Z1)與所述z軸方向上的所述第二區的長度(Z2)的比率(Z1/Z2)在0.9至1.1範圍內。
  16. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述z軸方向上的所述第三區的所述長度(Z3)在15毫米至25毫米的範圍內。
  17. 如請求項15所述之繞射光導板，其中所述z軸方向上的所述第一區的所述長度(Z1)或所述z軸方向上的所述第二區的所述長度(Z2)在1毫米至15毫米的範圍內。
  18. 如請求項1所述之繞射光導板，其中入射至所述第一繞射光學元件上的所述光為影像信號，且所述第二繞射光學元件形成影像輸出表面。
  19. 如請求項1所述之繞射光導板，其中所述第二繞射光學元件的面積在1平方公分至50平方公分的範圍內。
  20. 一種眼用佩戴品，包括左眼鏡片及右眼鏡片；以及框 架，用於支撐所述左眼鏡片及所述右眼鏡片，其中所述左眼鏡片及所述右眼鏡片各自包括如請求項1所述之繞射光導板。
  21. 如請求項20所述之眼用佩戴品，更包括投影器，定位於所述框架中且將再現光投影至所述左眼鏡片及所述右眼鏡片中的至少一個鏡片上。
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