TWI769783B - 光學模組及近眼顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種光學模組及近眼顯示裝置，包括光波導及光線角度調整器，其中原始影像輸入光線角度調整器，原始影像經過光線角度調整器調整，而對光波導的不同位置輸入第一影像與第二影像，光波導設有耦合光柵與解耦合器，第一影像與第二影像進入到耦合光柵後，分別以各自的繞射角度在光波導內前進到解耦合器，第一影像在解耦合器解耦合，並輸出第一輸出影像到相對其中一個眼睛的位置，第二影像在解耦合器解耦合，並輸出第二輸出影像到相對另一個眼睛的位置。使得原始影像的光效率被有效利用，且第一影像與第二影像在光波導的傳輸過程中被放大成第一輸出影像及第二輸出影像，令光學模組具有較大的視野。

Description

光學模組及近眼顯示裝置
本發明係有關於光學模組及顯示裝置，尤指一種有關於衍射光波導的光學模組與近眼顯示裝置。
虛擬實境(virtual reality，簡稱：VR)以及擴增實境(augmented reality，簡稱：AR)的相關光學技術，近年來不只備受全球關注，更是以相當快的速度發展；此外，在現實生活中亦展現多元的應用潛力，舉凡娛樂、醫學、家居乃至於軍事等領域皆能看到藉由虛擬實境以及擴增實境技術所達成的產品或服務。
虛擬實境以及擴增實境的應用實例包括各類型的顯示裝置，例如：近眼顯示裝置(Near-Eye Display，簡稱：NED)或是頭戴式顯示裝置(Head-Mounted Display，簡稱：HMD)。所謂近眼顯示裝置外形類似眼鏡，亦可稱為眼鏡式顯示器、影像眼鏡或是頭戴式顯示裝置，其主要可由一承載部以及安裝於該承載部內的微型顯示器及光學模組所構成。
其中微型顯示器，用來為近眼顯示裝置提供影像。微型顯示器可以是自發光的主動元件(Active Device)，例如迷你發光二極體(mine LED)、微發光二極體(micro-LED)…等，或者是需要外部光源照明的液晶顯示裝置，例如：透射 式液晶顯示器和反射式矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon(LCOS))投影機，還有基於微機電系統(Microelectromechanical Systems，簡稱：MEMS)技術的數位微鏡陣列(Digital micro mirror Device，簡稱：DMD)，數位微鏡陣列為數位光源處理(Digital Light Processing，簡稱DLP的核心)和雷射束掃描儀(Laser Beam Scanner，簡稱LBS)…等。
再者，在近眼顯示裝置的光學模組中，想要讓微型顯示器輸出的光在傳輸的過程中無損失無洩漏地傳送到眼睛中接收，就需要讓光在光學模組中的光波導內以全反射的方式前進到眼睛中，而光要在光波導中以全反射行進，則需要滿足下列兩個條件：(1)傳輸介質即波導的材料的折射率n1需要具備比周圍介質高的折射率n2；(2)光進入波導的入射角需要大於臨界角。
當微型顯示器將影像以光型態輸出後，光波導將光耦合進自己的基板(例如：玻璃)中，透過全反射方式將光傳輸到眼睛前方。這個過程中光波導只負責傳輸影像，一般情況下不對影像做任何調整，例如放大或縮小等，僅是縮短影像的傳輸距離。光波導的這種特性，對於近眼顯示裝置的設計和美化外觀有很大優勢。因為有了光波導這個傳輸光的元件，可以將微型顯示器和光學模組遠離近眼顯示裝置的正前方，而被移到近眼顯示裝置的額頭頂部或者側面等位置，如此解決了光學模組阻擋對外界視線的問題，並且使得重量分布更符合人體工程學，從而改善了近眼顯示裝置的佩戴體驗。
光波導可以分為幾何光波導(Geometric Waveguide)和衍射光波導(Diffractive Waveguide)兩種，幾何光波導就是所謂的陣列光波導，其通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出和眼動範圍(eyebox)的擴大。衍射光波導主要有利用 光刻技術製造的表面浮雕光柵波導(Surface Relief Grating，簡稱：SRG)和基於全像干涉技術製造的體積全像光柵波導(Volumetric Holographic Grating，簡稱：VHG)。
但是幾何光波導的良率低、環境光穿透度低、Form factor較大、容易有鬼影(ghost image)等問題。而體積全像光柵波導的波導型態自由度較高、較為輕薄，而且製作較為簡單，但是有光效率被分散，光效率分布不平均的問題，而且可視角(Filed Over View)較小，原因在於光柵的型態與整體光學模組的設計還有許多不足之處。
舉例而言，請參閱圖1所示，傳統衍射光波導為了擴大眼動範圍，係在光波導1的入偶位置設置耦合光柵10，讓顯示器2輸出的原始影像20進入到耦合光柵10後以特定的繞射角度在光波導1中前進到光波導1的解耦合位置，而在光波導1的解耦合位置設有解耦合器12，此解耦合器12中有複數個解耦合光柵120，每一個解耦合光柵120都會輸出一個虛擬影像30、31、32，所有虛擬影像30、31、32的範圍就成為了整個眼動範圍(eyebox)EB1，但是從第一個輸出的虛擬影像30到最後一個輸出的虛擬影像32的光效率逐漸遞減，例如：解耦合器12中有三個解耦合光柵120，第一個解耦合光柵120係解耦合原始影像20輸出的第一個虛擬影像30，因此光效率為100%、第二個解耦合光柵120係解耦合第一個解耦合光柵120傳遞的第一個虛擬影像30，因此光效率將有所衰減，其光效率大約為66~75%，第三個解耦合光柵120係解耦合第二個解耦合光柵120傳遞的第二個虛擬影像31，因此光效率再衰減，其光效率大約為25~33%，而且每個虛擬影像的可視角θ較小。
據上所述，傳統衍射光波導的光效率不平均，而且可視角θ的大小與眼動範圍EB1相互牽制，乃是亟待解決的問題。
有鑑於先前技術的問題，本發明之目的係為了解決傳統衍射光波導的光效率不平均，而且可視角的大小與眼動範圍相互牽制之問題，達到提高光效率，較大的可視角及較大範圍的眼動範圍之效果。
根據本發明之目的，係提供一種光學模組，包括光波導及光線角度調整器，其中光線角度調整器接收來自顯示器所輸出的原始影像，原始影像經過光線角度調整器輸出第一影像與第二影像，令第一影像與第二影像的光軸分別以不同位置進入到光波導。光波導設有耦合光柵與解耦合器，耦合光柵係設在光波導的耦合位置，解耦合器係設在光波導的解耦合位置，解耦合器包括第一解耦合光柵區及第二解耦合光柵區，令第一影像與第二影像進入到耦合光柵，並以各自的繞射角度在光波導內前進到第一解耦合光柵區及第二解耦合光柵區，令第一影像在第一解耦合光柵區中解耦合，且輸出第一輸出影像到面對使用者的其中一個眼睛的位置，第二影像在第二解耦合光柵區中解耦合，並輸出第二輸出影像到面對使用者另一個眼睛的位置，第一影像及第二影像在光波導中傳遞及解耦合器解耦合的過程中被放大，故第一輸出影像及第二輸出影像的可視角大於第一影像及第二影像。
其中，第一影像與原始影像的同光軸，第二影像的光軸係沿原始影像之光軸的水平方向移動，且第一影像與第二影像的光軸平行。
光線角度調整器包括液晶盒及光偏振片，其中液晶盒面對顯示器的一面係設有光偏振片，藉由液晶盒中的液晶依據電場型態轉向，讓第一影像與第二影像的光軸被調製成以不同位置進入到耦合光柵內。
其中，液晶盒的一面或者光偏振片的一面設有上電極層及下電極層，上電極層設在下電極層之上，且上電極層在下電極層設有複數個電極控制區，各電極控制區彼此之間具有間距，下電極層為接地，藉由輸入不同大小的電壓到各電極控制區，令上電極層及下電極層之間產生的不同的電場，使得液晶盒中的液晶隨電場變化而轉向，進而讓第一影像與第二影像的光軸被調製成不同位置進入到耦合光柵內。。
其中，顯示器的光圈大小為6毫米(6mm)，液晶盒的液晶盒厚度為1150微米(1150μm)，液晶盒水平移動原始影像的光軸範圍在-5~+5度之間，其中折射率差(△n)為0.23。
其中，顯示器的光圈大小到4毫米(4mm)，此時液晶盒的液晶盒厚度為500微米(500μm)，液晶盒水平移動原始影像的光軸範圍在-5~+5度之間，其中折射率差(△n)為0.36。
其中，光線角度調整器包括至少兩個的液晶盒及光偏振片，此些液晶盒係以層疊設置，光偏振片設在面對顯示器的液晶盒之一面，原始影像經過光偏振片偏振處理進入到其中一個液晶盒，每個液晶盒的其中一面分別對應設置上電極層及下電極層，上電極層設在下電極層之上，且上電極層包括複數個電極控制區，各電極控制區彼此之間具有間距，下電極層為接地，藉由輸入不同大小的電壓到各電極控制區，令上電極層及下電極層之間產生的不同的電場，使得各液晶盒中的液晶隨電場變化而轉向，進而讓第一影像與第二影像的光軸被調製成不同位置的入射角度進入到耦合光柵內。
其中，光線角度調整器包括液晶盒及二光偏振片，此二光偏振片之其中一個係設在液晶盒面對顯示器的位置，此二光偏振片之另外一個設在液 晶盒面對光波導的一面，液晶盒包括二基板，此二基板之間設置液晶，並在其中一個基板上設有複數個第一電極單元，藉由輸入不同大小的電壓到各第一電極單元，令液晶盒中的液晶依據各第一電極單元的不同電壓而對應旋轉，讓第一影像與第二影像的光軸被調製成不同位置的入射角度進入到耦合光柵內。
其中，光線角度調整器包括二液晶盒及二光偏振片，此二液晶盒係以層疊設置，此二液晶盒包括三個層疊設置基板，上層的該基板與中間層的基板，以及中間層的基板與下層的基板之間設有液晶，並在下層的基板上設有複數個第一電極單元，中間層的基板與下層的基板之間設有第二電極單元，又其中一個光偏振片係設在下層的基板面對顯示器的一面，另外一個光偏振片係設在上層的基板面對光波導的一面，藉由輸入不同大小的電壓到各第一電極單元，令下層的液晶盒中的液晶依據各第一電極單元的不同電壓而對應旋轉，而上層的液晶盒的液晶依據第二電極單元的不同電壓而對應旋轉，讓第一影像與第二影像的光軸被調製成不同位置進入到耦合光柵內。
其中，各電極控制區、各第一電極單元或第二電極單元配合顯示器的刷新速度對應輸入不同大小的電壓，令各電極控制區、各第一電極單元或各第二電極單元配合刷新速度分別接收不同的電壓，產生相應的電壓差，讓原始影像被光線角度調整器調整成第一影像與第二影像進入到光波導內，並分別以各自的繞射角度在光波導中傳導，進而到達第一影像與第二影像的解耦合光柵區的位置解耦合。
其中，各液晶盒改變的水平角度大小由面對顯示器的一面到面對光波導的一面逐漸變小。
其中，第一輸出影像與第二輸出影像部分重疊，此部分重疊係模擬人類左眼及右眼視野重疊。
根據本發明之目的，係提供一種近眼顯示裝置，包括鏡架及前述的光學模組，其中鏡架包括鏡框及一組鏡腳，該組鏡腳係設在鏡框的兩側，而前述的光學模組係設在鏡框內。
綜上所述，原始影像被放大成第一輸出影像及第二輸出影像，使得可視角變大，且第一輸出影像及第二輸出影像分別輸出到兩個眼睛的位置，也使得可視範圍區域擴大，解決了傳統衍射光波導的光效率不平均，而且可視角的大小與眼動範圍相互牽制的問題。而近眼顯示裝置可作為擴增實境顯示裝置，一方面可以看到真實世界的實像，又可以由光學模組將第一輸出影像及第二輸出影像投射到人眼之中。
1:光波導
10:耦合光柵
12:解耦合器
120:解耦合光柵
2:顯示器
20:原始影像
30、31、32:虛擬影像
EB、EB’:眼動範圍
4:光學模組
5:光波導
50:耦合光柵
52:解耦合器
520:第一解耦合光柵區
522:第二解耦合光柵區
54:第一輸出影像
56:第二輸出影像
6:光線角度調整器
60:第一影像
62:第二影像
64:液晶盒
640:液晶
642:基板
644:第一電極單元
6440:第一電極
6442:第二電極
646:第二電極單元
6460:第三電極
6462:第四電極
66:光偏振片
660:上電極層
6600:電極控制區
662:下電極層
7:顯示器
70:原始影像
80、82:眼睛
9:鏡架
90:鏡框
92:鏡腳
圖1係傳統衍射光波導的示意圖。
圖2係本發明之光學模組的示意圖。
圖3係本發明之光線角度調整器輸出第一影像的示意圖。
圖4係本發明之光線角度調整器輸出第二影像的示意圖。
圖5係本發明之第一實施例的各電極控制區未輸入電壓的電場型態示意圖。
圖6係本發明之第一實施例的各電極控制區輸入電壓之一電場型態示意圖。
圖7係本發明之第二實施例的光線角度調整器示意圖。
圖8係本發明之第三實施例的光線角度調整器示意圖。
圖9係本發明之第四實施例的光線角度調整器示意圖。
圖10係本發明之近眼顯示裝置之示意圖。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但並不用於限定本發明。
請參閱圖2所示，本發明係一種光學模組，光學模組4包括光波導5及光線角度調整器6，其中光波導5的入耦合位置設有耦合光柵50，光波導5的出耦合位置設有解耦合器52，且解耦合器52包括第一解耦合光柵區520及第二解耦合光柵區522。
而光線角度調整器6接收來自顯示器7所輸出的原始影像70，原始影像70經過光線角度調整器6，分別以第一影像60或第二影像62進入耦合光柵50，第一影像60的光軸與原始影像70之光軸位置相同，光線角度調整器6將原始影像70的光軸移動形成第二影像62，使得第一影像60與第二影像62以不同的位置進入到耦合光柵50，並以各自的繞射角度在光波導5內前進到解耦合器52。再者，第一影像60在第一解耦合光柵520中解耦合輸出第一輸出影像54到面對其中一個眼睛80的位置，第二影像62在第二解耦合光柵區522中解耦合輸出第二輸出影像56到面對另一個眼睛82的位置，第一影像60及第二影像62在光波導5及解耦合器52解耦合的過程中被放大形成第一輸出影像54及第二輸出影像56。
換言之，耦合光柵50係配合第一影像60及第二影像62設置光柵的週期，令第一影像60及第二影像62以各自的繞射角度在光波導5中前進到第一解耦合光柵520及第二解耦合光柵區522的位置，而第一解耦合光柵520及第二解耦合光柵區522的光柵週期，係配合第一影像60與第二影像62的繞射角度設置，以達到將第一輸出影像54輸出到其中一個眼睛80的位置，及第二輸出影像56輸出到另一個眼睛82的位置之目的。
綜上所述，由於原始影像70被放大成第一輸出影像54及第二輸出影像56，使得可視角變大，另外，第一輸出影像54及第二輸出影像56分別輸出到兩個眼睛80、82的位置，也使得可視範圍區域擴大，而且本發明係以第一影像60或第二影像62進入耦合光柵50，並不會有光效率減少的問題。換言之，本發明解決了傳統衍射光波導的光效率不平均的問題，也解決可視角的大小與眼動範圍相互牽制的問題。
在本發明之一實施例中，光線角度調整器6將原始影像70的光軸方向不變直接輸出形成第一影像60，光線角度調整器6將原始影像70的光軸沿水平方向移動形成第二影像62，進一步而言，請參閱圖3及4所示，光線角度調整器6包括液晶盒64及光偏振片66，液晶盒64係設在光波導5與顯示器7之間，光偏振片66設在液晶盒64面對顯示器7的一面，藉由原始影像70經過光偏振片66產生所需的光偏振型態，而液晶盒64中的液晶640依據電場型態轉向，讓第一影像60與第二影像62的光軸被調製成在相同水平的不同位置，使得第一影像60與第二影像62以不同位置進入到耦合光柵50內。
在本發明之一實施例中，請參閱圖5及6所示，光線角度調整器6係在光偏振片66面對液晶盒64的一面設有上電極層660及下電極層662，下電極層 662為接地，上電極層660設在下電極層662之上，且上電極層660包括複數個電極控制區6600，各電極控制區6600係設在下電極層662之上，並且各電極控制區6600彼此之間相隔一間距，使得各電極控制區6600之間不相連通。
復請參閱圖5所示，當各電極控制區6600未接收到電壓，並未有任何電場型態的改變，所以液晶盒64中的液晶640不會有任何的轉向(如圖3所示)，光線角度調整器6將第一影像60以原始影像70的同光軸位置輸出，讓第一影像60以與原始影像70的同光軸的位置進入到光波導5內。
請參閱圖6所示，當各電極控制區6600接收到輸入電壓，令上電極層660及下電極層662之間依據輸入電壓產生相應的電場型態，進而使得液晶盒64的液晶640依據電場型態轉向，使得原始影像70調製成第二影像62，如此，第二影像62即以不同第一影像60的光軸位置進入到耦合光柵50，進而達到第一影像60與第二影像62以各自的繞射角度在光波導5內移動的目的。
在本發明實際實施時，第一影像60與原始影像70未必一定以同光軸的位置進入到光波導5內，第一影像60與原始影像70可以不同光軸的位置進入到光波導5內，而第二影像62與原始影像70以同光軸的位置進入到光波導5內。換言之，原始影像70經過光線角度調整器6輸出不同光軸位置的兩個影像，即屬於本案所稱之第一影像60與第二影像62。
在本發明中，顯示器7的光圈大小為6毫米(6mm)，液晶盒64厚度為1150微米(1150μm)，光線角度調整器6水平移動原始影像70的光軸範圍在-5~+5度之間，其中液晶盒64折射率差(△n)為0.23，為了減少液晶盒64的厚度大小，則需要縮小顯示器7的光圈大小到4毫米(4mm)，此時液晶盒64厚度為500微米(500μ m)，光線角度調整器6移動原始影像70的光軸範圍在-5~+5度之間，其中液晶盒64折射率差(△n)為0.36。
為了能夠讓光線角度調整器6更精準地調製第一影像60或第二影像62的輸出位置，在本發明之第二實施例中，請參閱圖7所示，光線角度調整器6中係包括至少兩層的液晶盒64及光偏振片66，此二液晶盒64係為層疊設置，並設在光波導5與顯示器7之間，且此二液晶盒64內設有液晶640，而且各液晶盒64改變的水平角度大小由面對顯示器7的一面到面對光波導5的一面逐漸變小，光偏振片66係設在其中一個面對顯示器7的液晶盒64的一面，原始影像70經過光偏振片66產生所需的光偏振型態，使得光線角度調整器6可以利用不同液晶盒64將原始影像70以不同位置輸出第一影像60與第二影像60，令第一影像60可以被光波導5引導到第一解耦合光柵區520，並且準確地朝向其中一個眼睛80輸出，也令第二影像62可以被光波導5引導到第二解耦合光柵區522，並且準確地朝向另一個眼睛82輸出。
又在本發明的第二實施例中，光線角度調整器6在各液晶盒64的其中一面分別對應設置上電極層660及下電極層662，該上電極層660設在下電極層662的設置方式與第一實施例的上電極層660及下電極層662相同。
在本發明之第三實施例中，請參閱圖8所示，光線角度調整器6包括液晶盒64及二光偏振片66，液晶盒64設在光波導5與顯示器7之間，此二光偏振片66之其中一個係設在液晶盒64面對顯示器7的位置，此二光偏振片66之另外一個設在液晶盒64面對光波導5的一面，並且此二光偏振片66的偏振方向正交。液晶盒64包括二基板642，此二基板642之間設置液晶640，並在其中一個基板642上設有複數個第一電極單元644，藉由輸入不同大小的電壓到各第一電極單元644， 令液晶盒64中的液晶640依據各第一電極單元644的不同電壓而對應旋轉，讓第一影像60與第二影像62被調製成不同位置進入到耦合光柵內。
在本發明的第三實施例中，各第一電極單元644係分別設有第一電極6440及第二電極6442，其中第一電極6440係設在其中一個基板642面對另一個基板642的位置，第二電極6442係設在其中一個基板642面對另一個基板642的位置，且第一電極6440與第二電極6442之間具有間隔，又液晶640係為正型液晶，液晶640的光軸平行於基板642，第一電極6440及第二電極6442未施加電壓前，液晶640的不會以其光軸旋轉，任何光無法穿過在液晶盒64面對光波導5的一面的光偏振片5，而當第一電極6440及第二電極6442施加電壓後，液晶640以其光軸旋轉，而且對第一電極6440及第二電極6442施加不同的電壓，形成不同的電場型態，進而達到控制光線角度調整器3角度大小，並且打開視角，讓光穿過光線角度調整器3到達光波導5。
在本發明的第四實施例中，請參閱圖9所示，光線角度調整器6包括二液晶盒64及二光偏振片66，此二液晶盒64係以層疊設置，並設在光波導5與顯示器7之間，其中上層的液晶盒係面對該光波導，而下層的液晶盒係面對顯示器，又其中一個光偏振片66係設在下層的液晶盒於面對顯示器7的一面，另外一個光偏振片66係設在上層的液晶盒於面對光波導5的一面，並且此二光偏振片66的偏振方向正交。又該二液晶盒包括三個層疊設置基板642，其中上層的基板642靠近光波導5，而下層的基板係靠近顯示器，在中間層的基板，液晶設置在上基板、中間基板之間及下基板、中間基板之間，該二液晶盒64的液晶640分別配合不同的電場型態旋轉。
又，下層的基板上設有複數個第一電極單元644，藉由輸入不同大小的電壓到各第一電極單元644，令下層的液晶盒64中的液晶640依據各第一電極單元644的不同電壓而對應旋轉，而中間基板與上基板上設有一第二電極單元646，令上層的液晶盒64中的液晶640依據第二電極單元646的不同電壓，而對應旋轉，讓第一影像60與第二影像62被調製成不同位置進入到耦合光柵內。
又在本發明的第四實施例中，第一電極單元644與第三實施例雷同，其差異在於第一電極單元644係設在下層的基板642，而第二電極單元646包括第三電極6460與第四電極6462，其中第三電極6460設在中間層的基板642於面對光波導5的一面，第四電極6462係設在上層的基板於面對顯示器7的一面，且第四電極6462的投影到第三電極6460上的面積大於第三電極6460，又，上層的液晶盒64內於第三電極6460的投影到第四電極6462的區域以外的液晶640為與上層與中間層的基板62之間具有傾斜角度，與上層的液晶盒內於第三電極6460的投影到第四電極6462的區域內的液晶640與基板642之間平行，而下層的液晶盒64內的液晶640亦與基板642之間平行。
如此，在本發明的第四實施例中，當第一電極單元644與第二電極單元646施加電壓，將使得液晶640旋轉調整原始影像70的行進方向，並從上層的基板642之上的光偏振片66輸出第一影像60或第二影像62，此外，上層的液晶盒內於第三電極6460的投影到第四電極6462的區域以外的液晶640為與基板642之間具有傾斜角度，係可以讓上層的液晶盒64在此位置形成透鏡而打開視角。
在本發明的各實施例中，各電極控制區6600、各第一電極單元644或第二電極單元646配合顯示器7的刷新速度對應輸入不同大小的電壓，令各電極控制區6600、各第一電極單元644或第二電極單元646配合刷新速度分別接收不同 的電壓，產生相應的電場型態，讓原始影像70被光線角度調整器3調整成第一影像60與第二影像62進入到光波導5內，並分別以各自的繞射角度在光波導5中傳導，進而到達第一影像60與第二影像62的解耦合光柵區的位置解耦合。意即，原始影像70經過光線角度調整器6及光波導5，使得用戶的左眼及右眼分別按照順序以左眼一幀第一輸出影像54、右眼一幀第二輸出影像56循環顯示，由於第一輸出影像54與第二輸出影像56的顯示速度足夠快，且利用人眼的視覺暫留現象，使用戶的眼睛都看不到閃爍圖像，而是看到穩定輸出的第一輸出影像54與第二輸出影像56。
在本發明的各實施例中，第一輸出影像54與第二輸出影像56部分重疊，此部分重疊係模擬人類左眼及右眼視野重疊，進而使本發明的光學模組4可以讓雙眼看到擬真影像。
請參閱圖10所示，本發明係一種近眼顯示裝置，包括鏡架9及前述的光學模組4，其中鏡架9包括鏡框90及一組鏡腳92，該組鏡腳92係設在鏡框90的兩側，而前述的光學模組4係設在鏡框90內，如此，近眼顯示裝置既可作為擴增實境顯示裝置，一方面可以看到真實世界的實像，又可以由光學模組4將第一輸出影像54及第二輸出影像56投射到人眼之中。
綜上所述，本發明利用光線角度調整器6將原始影像70以第一影像60及第二影像62進入光波導5中，並且在解耦合後第一影像60及第二影像62可以被放大成第一輸出影像54及第二輸出影像56，而且第一輸出影像54及第二輸出影像56對準雙眼的位置輸出，又第一輸出影像54及第二輸出影像56如同模擬人類左眼及右眼視野重疊方式呈現，使得本發明的可視角θ變大，而且光效率不會減 少，並且有大範圍的眼動範圍EB’，解決了傳統衍射光波導的光效率不平均，而且可視角的大小與眼動範圍相互牽制的問題。
上列詳細說明係配合本發明的可行實施例之具體說明，惟前述的實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
EB’:眼動範圍
5:光波導
50:耦合光柵
52:解耦合器
520:第一解耦合光柵
522:第二解耦合光柵區
54:第一輸出影像
56:第二輸出影像
6:光線角度調整器
60:第一影像
62:第二影像
7:顯示器
70:原始影像
80、82:眼睛

Claims (18)

  1. 一種光學模組，包括：一光線角度調整器，該光線角度調整器接收來自一顯示器所輸出的一原始影像，該原始影像經過該光線角度調整器由不同的位置輸出一第一影像及一第二影像；以及一光波導，該光波導的入耦合位置設有一耦合光柵，該光波導的出耦合位置設有一解耦合器，該第一影像與該第二影像以不同位置進入到該耦合光柵，並以各自的繞射角度在該光波導內前進到該解耦合器，而該解耦合器包括：一第一解耦合光柵區，係對該第一影像進行解耦合，該第一影像在該第一解耦合光柵區中解耦合輸出一第一輸出影像到其中一個眼睛的位置；及一第二解耦合光柵區，係對該第二影像進行解耦合，該第二影像在該第二解耦合光柵區中解耦合輸出一第二輸出影像到另一個眼睛的位置；該光線角度調整器包括：二液晶盒，係設在該光波導與該顯示器之間，該液晶盒內設有液晶；以及一光偏振片，係設在該液晶盒面對該顯示器的一面，該原始影像經過該光偏振片產生所需的光偏振型態；其中該二液晶盒中的液晶依據不同的電場型態轉向，且其中面對該光波導的該液晶盒的該液晶旋轉角度，係小於到面對該顯示器的另一個該液晶盒，令該原始影像被調製成該第一影像與該第二影像。
  2. 如請求項1所述的光學模組，其中該光線角度調整器包括：一液晶盒，係設在該光波導與該顯示器之間，該液晶盒內設有液晶；以及 一光偏振片，係設在該液晶盒面對該顯示器的一面，該原始影像經過該光偏振片產生所需的光偏振型態；其中該液晶盒中的該液晶依據不同的電場型態轉向，令該原始影像被調製成該第一影像與該第二影像。
  3. 如請求項2所述的光學模組，其中該光線角度調整器包括：一下電極層，係設在該光偏振片的一面，且該下電極層為接地；以及一上電極層，係設在該下電極層的一面上，且該上電極層在該下電極層包括複數個電極控制區，相鄰的各該電極控制區之間分別間距，各該電極控制區依據輸入電壓，產生對應的電場型態。
  4. 如請求項3所述的光學模組，其中各該電極控制區配合該顯示器的刷新速度對應輸入不同大小的電壓，令各該電極控制區產生相應的電場型態。
  5. 如請求項2所述的光學模組，其中該顯示器的光圈大小為6毫米，該光線角度調整器的液晶盒的厚度為1150微米，液晶盒的折射率差為0.23。
  6. 如請求項2所述的光學模組，其中該顯示器的光圈大小到4毫米，該光線角度調整器的液晶盒厚度為500微米，折射率差為0.36。
  7. 如請求項1所述的光學模組，其中該光線角度調整器在任一該液晶盒的一面設有：一下電極層，該下電極層為接地；以及一上電極層，係設在該下電極層的一面上，且該上電極層在該下電極層包括複數個電極控制區，相鄰的各該電極控制區之間分別間距，各該電極控制區依據輸入電壓，產生對應的電場型態。
  8. 一種光學模組，包括： 一光線角度調整器，該光線角度調整器接收來自一顯示器所輸出的一原始影像，該原始影像經過該光線角度調整器由不同的位置輸出一第一影像及一第二影像；以及一光波導，該光波導的入耦合位置設有一耦合光柵，該光波導的出耦合位置設有一解耦合器，該第一影像與該第二影像以不同位置進入到該耦合光柵，並以各自的繞射角度在該光波導內前進到該解耦合器，而該解耦合器包括：一第一解耦合光柵區，係對該第一影像進行解耦合，該第一影像在該第一解耦合光柵區中解耦合輸出一第一輸出影像到其中一個眼睛的位置；及一第二解耦合光柵區，係對該第二影像進行解耦合，該第二影像在該第二解耦合光柵區中解耦合輸出一第二輸出影像到另一個眼睛的位置；其中該光線角度調整器係包括：一液晶盒，係設在該光波導與該顯示器之間，該液晶盒包括層疊設置的二基板，該二基板之間設置液晶，並在其中一個該基板上設有複數個第一電極單元，藉由輸入不同大小的電壓到各該第一電極單元，令該液晶盒中的該液晶依據各第一電極單元的不同電壓而對應旋轉；以及二光偏振片，該二光偏振片之其中一個係設在該液晶盒面對該顯示器的位置，該二光偏振片之另外一個設在該液晶盒面對該光波導的一面，該二光偏振片的偏振方向正交。
  9. 如請求項8所述的光學模組，其中各該第一電極單元係分別包括：一第一電極，係設在其中一個該基板面對另一個該基板的位置；以及 一第二電極，係設在其中一個該基板面對另一個該基板的位置，且該第一電極與該第二電極之間具有間隔；其中該第一電極及該第二電極未施加電壓前，該液晶的不會以其光軸旋轉，光無法穿過在該液晶盒面對該光波導的一面的該光偏振片，該第一電極及該第二電極施加電壓後，該液晶以其光軸旋轉，而且對該第一電極及該第二電極施加不同的電壓，形成不同的電場型態。
  10. 如請求項9所述的光學模組，其中各該第一電極單元配合顯示器的刷新速度對應輸入不同大小的電壓，令各該第一電極單元配合該刷新速度分別接收不同的電壓，產生相應的電場型態。
  11. 一種光學模組，包括：一光線角度調整器，該光線角度調整器接收來自一顯示器所輸出的一原始影像，該原始影像經過該光線角度調整器由不同的位置輸出一第一影像及一第二影像；以及一光波導，該光波導的入耦合位置設有一耦合光柵，該光波導的出耦合位置設有一解耦合器，該第一影像與該第二影像以不同位置進入到該耦合光柵，並以各自的繞射角度在該光波導內前進到該解耦合器，而該解耦合器包括：一第一解耦合光柵區，係對該第一影像進行解耦合，該第一影像在該第一解耦合光柵區中解耦合輸出一第一輸出影像到其中一個眼睛的位置；及一第二解耦合光柵區，係對該第二影像進行解耦合，該第二影像在該第二解耦合光柵區中解耦合輸出一第二輸出影像到另一個眼睛的位置；其中該光線角度調整器係包括： 二液晶盒，該二液晶盒係以層疊設置，並設在該光波導與該顯示器之間，其中上層的液晶盒係靠近該光波導，而下層的該液晶盒係靠近該顯示器，且該二液晶盒包括三個層疊設置的基板，上層的該基板與中間層的該基板設有液晶，以及中間層的該基板與下層的該基板之間設有液晶；以及二光偏振片，其中一個該光偏振片係下層的該基板面對該顯示器的一面，另外一個該光偏振片係設在上層的該基板面對該光波導5的一面，並且該二光偏振片的偏振方向正交；該二液晶盒的液晶分別配合不同的電場型態旋轉。
  12. 如請求項11所述的光學模組，其中該光線角度調整器尚包括：複數個第一電極單元，係設在下層的該基板，藉由輸入不同大小的電壓到各該第一電極單元，令下層的該液晶盒中的液晶依據各該第一電極單元的不同電壓所形成的電場型態而對應旋轉；以及一第二電極單元，係設在中間層的該基板與上層的該基板上，令上層的該液晶盒中的該液晶依據第二電極單元的不同電壓所形成的電場型態而對應旋轉。
  13. 如請求項12所述的光學模組，其中各該第一電極單元係分別包括：一第一電極，係設在下層的該基板面對中間層的該基板的位置；以及一第二電極，係設下層的該基板面對中間層的該基板的位置，且該第一電極與該第二電極之間具有間隔；其中該第一電極及該第二電極未施加電壓前，該液晶的不會以其光軸旋轉，光無法穿過在該液晶盒面對該光波導的一面的該光偏振片，該第一電極及該 第二電極施加電壓後，該液晶以其光軸旋轉，而且對該第一電極及該第二電極施加不同的電壓，形成不同的電場型態。
  14. 如請求項12所述的光學模組，其中該第二電極單元包括：一第三電極，該第三電極設在中間層的該基板於面對該光波導的一面；以及一第四電極，該第四電極係設在上層的該基板於面對該顯示器7的一面，且該第四電極投影到該第三電極上的面積大於第三電極；其中上層的該液晶盒內於該第三電極的投影到該第四電極的區域以外的該液晶為與該基板之間具有傾斜角度；又，上層的該液晶盒於該第三電極的投影到該第四電極的區域內的該液晶與該基板之間平行，而下層的該液晶盒內的該液晶亦與該基板之間平行；該第一電極單元與該第二電極單元施加電壓，使得該液晶旋轉調整該原始影像的行進方向，並從上層的該基板之上的該光偏振片輸出第一影像或第二影像。
  15. 如請求項14所述的光學模組，其中上層的該液晶盒於該第三電極的投影到該第四電極的區域以外的該液晶為與該基板之間具有傾斜角度，令上層的該液晶盒在該第三電極的投影到該第四電極的區域以外的位置形成透鏡而打開視角。
  16. 如請求項14所述的光學模組，其中該第一電極單元與該第二電極單元配合顯示器的刷新速度對應輸入不同大小的電壓，令各第一電極單元及第二電極單元配合刷新速度分別接收不同的電壓，產生相應的電場型態。
  17. 如請求項1、8或11所述的光學模組，其中該第一輸出影像與該第二輸出影像部分重疊，該部分重疊係模擬人類左眼及右眼視野重疊。
  18. 一種近眼顯示裝置，包括：一鏡架，該鏡架包括一鏡框及一組鏡腳，該組鏡腳係設在該鏡框的兩側；如請求項1、8或11所述的光學模組，係設在該鏡框內。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113406804B (zh) * 2021-07-15 2022-10-18 业成科技（成都）有限公司 头戴式显示器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180284884A1 (en) * 2017-04-03 2018-10-04 Oculus Vr, Llc Waveguide display with spatially switchable grating
TW202018369A (zh) * 2018-11-09 2020-05-16 美商菲絲博克科技有限公司 光耦合器、波導型近眼顯示器、利用波導型近眼顯示器顯示影像的方法
TW202109135A (zh) * 2019-08-22 2021-03-01 宏達國際電子股份有限公司 顯示裝置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0901084D0 (en) * 2009-01-22 2009-03-11 Trayner David J Autostereoscopic display
US9671612B2 (en) * 2014-01-29 2017-06-06 Google Inc. Dynamic lens for head mounted display
EP3123215B1 (en) * 2014-07-31 2023-03-29 ImagineOptix Corporation Bragg liquid crystal polarization gratings
US9927614B2 (en) * 2015-12-29 2018-03-27 Microsoft Technology Licensing, Llc Augmented reality display system with variable focus
US10551622B2 (en) * 2016-10-26 2020-02-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Field of view tiling in waveguide-based near-eye displays
CN107272202A (zh) * 2017-06-16 2017-10-20 北京灵犀微光科技有限公司 光学装置和波导显示装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180284884A1 (en) * 2017-04-03 2018-10-04 Oculus Vr, Llc Waveguide display with spatially switchable grating
TW202018369A (zh) * 2018-11-09 2020-05-16 美商菲絲博克科技有限公司 光耦合器、波導型近眼顯示器、利用波導型近眼顯示器顯示影像的方法
TW202109135A (zh) * 2019-08-22 2021-03-01 宏達國際電子股份有限公司 顯示裝置

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