TWI770936B - 光學系統及其近眼顯示裝置 - Google Patents

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大陸商業成科技（成都）有限公司
大陸商業成光電（深圳）有限公司
大陸商業成光電（無錫）有限公司
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Abstract

本發明係一種光學系統及其近眼顯示裝置，係包括光波導及光線角度調整器，光波導設有耦合光柵及解耦合器，解耦合器設有紅光解耦合光柵、綠光解耦合光柵及藍光解耦合光柵，光線角度調整器配合顯示器的輸出影像、刷新速度，以時間分工法將輸出影像中三原色的每一個顏色的光分別調整成以不同的入射角度進入到耦合光柵，而各顏色的光經過耦合光柵後，即以各自的繞射角度在光波導內前進到解耦合器，且各顏色的光在各自相應顏色的解耦合光柵解耦合，如此，各顏色的光在空間中組合出較大的可視角，並且可以解決色散的問題。

Description

光學系統及其近眼顯示裝置
本發明係關於光學系統，尤指一種應用衍射光波導的光學系統及其近眼顯示裝置。
虛擬實境(virtual reality,VR)以及擴增實境(augmented reality,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系統所構成。
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系統中，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，就需要讓光在光學系統中的波導內以全反射的方式前進到眼睛中，而光要在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，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。因為有了波導這個傳輸光的元件，可以將微型顯示器和光學系統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，如此解決了光學系統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，但是有光效率低的問題，原因在於光柵的型態與波長有關，使得不同波長光線在波導內傳播行為不一致(不同繞射角)，進而導致色散(color breakup，亦稱為彩虹效應(rainbow effect)，其原因在於光柵的周期固定，當光線射入光柵時，不同的波常會有相對應的繞射腳，相同入射角度下，波長越長，繞射角度也會增加，故三原色光的繞射角度關係為θR(紅色光繞射角度)>θG(綠色光繞射角度)>θB(藍色光繞射角度)，由於繞射角度的不同，光每完成一次全反射，所經歷的路程長度也會不同，紅色光全反射的次數少於綠色，而藍色光全反射次數最多。因為這個差異，傳統的單層光波導10中傳遞的光在最終遇到出射光柵時，藍色會被耦合出3次(如圖1的實線箭頭)，綠色2次(如圖1的虛線箭頭)，紅色1次(如圖1的中心線箭頭)，這會導致眼睛移動到眼動範圍的不同位置，看到的RGB色彩比例是不均勻的，這造成在視場範圍內分布不均，即在影像中看見類似彩虹的紅、綠、藍3原色光影現象，而造成彩虹效應。
傳統解決此一問題的方式，請參閱圖2所示，係將紅綠藍三色的光，分別耦合到三層光波導12、14、16裡面，每一層的衍射光柵，都只針對某一個顏色而優化，例如第一層光波導12為耦合藍色光、第二層光波導14及第三層光波導16，從而可以改善最終在出瞳位置的顏色均勻性，減小彩虹效應。但是由於微型顯示器輸出的每個顏色也不是單一的波長，仍然會有輕微的彩虹效應存在。
這是衍射光柵的物理特性導致的色彩均勻性問題，換言之，光柵設計對於所覆蓋顏色波段和視場範圍(Field of view FOV)很難兼顧，因此，如何設計出衍射光柵作用於紅綠藍三色的不同波長，並且能有更大的視場乃是目前亟待解決的問題。
有鑑於先前技術的問題，本發明之目的係為了解決近眼顯示裝置中衍射光波導的色散(或稱為彩虹效應)的問題，並且可以讓近眼顯示裝置具有較大的可視角。
根據本發明之目的，係提供一種光學系統，包括光波導及光線角度調整器，其中光波導的入耦合位置設有耦合光柵，光波導的出耦合位置設有解耦合器，且解耦合器包括紅光解耦合光柵、綠光解耦合光柵及藍光解耦合光柵，紅光解耦合光柵、綠光解耦合光柵及藍光解耦合光柵分別具有不同的解耦合角度。而光線角度調整器將輸出影像中三原色的各顏色的光分別調整成以不同的入射角度進入到耦合光柵，而各顏色的光經過耦合光柵後，皆以各自的繞射角度在光波導內前進到各顏色的光在各自的解耦合光柵解耦合。
其中，輸出影像中三原色的紅色光、綠色光及藍色光的入射角度與紅色光、綠色光及藍色光的繞射角度、紅光解耦合光柵、綠光解耦合光柵及藍光解耦合光柵的位置相關，以令紅色光、綠色光及藍色光分別到達紅光解耦合光柵、綠光解耦合光柵及藍光解耦合光柵的位置解耦合。
其中，紅光解耦合光柵的解耦合角度對應紅色光的波長，綠光解耦合光柵解耦合角度係分別對應綠色光的波長，藍光解耦合光柵的解耦合角度對應藍色光的波長。
其中，光線角度調整器包括液晶盒及光偏振片，其中於液晶盒面對顯示器的一面設有光偏振片，藉由液晶盒中的液晶依據電場型態轉向，讓各顏色的光被調製成不同的入射角度進入到耦合光柵內。
其中，光偏振片面對液晶盒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。
其中，各電極控制區配合顯示器的刷新速度及輸出影像中三原色以時間分工法針對不同的顏色的光分別接收不同的輸入電壓，產生相應的電場，讓各顏色的光經過被光線角度調整器調整成各自的入射角度進入到光波導內，並且分別以各自的繞射角度在光波導中傳導，進而到達各顏色的解耦合光柵的位置解耦合。
其中，光線角度調整器包括液晶盒及二光偏振片，其中於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電極單元，令液晶盒中的液晶依據各電極單元的不同電壓而對應旋轉，讓各顏色的光被調製成不同的入射角度進入到耦合光柵內。
其中，各電極單元配合顯示器的刷新速度及輸出影像中三原色以時間分工法對應輸入不同大小的電壓，令各電極單元針對不同的顏色的光分別接收不同的電壓，產生相應的電壓差，讓各顏色的光被光線角度調整器調整成各自的入射角度進入到光波導內，並分別以各自的繞射角度在光波導中傳導，進而到達各顏色的解耦合光柵的位置解耦合。
據上所述，各顏色的光在各自的解耦合光柵解耦合，使得光效率使用集中不分散，又各顏色的光在分別進入不同的解耦合光柵反射，因此，被不同的解耦合光柵反射出來之光分佈範圍與角度會比單一種解耦合光柵要大很多，因此，視場範圍(FOV)可增大，並且能在空間中組合出較大的眼動範圍(eyebox)。
2:光波導
20:耦合光柵
22:解耦合器
220:紅光解耦合光柵
222:綠光解耦合光柵
224:藍光解耦合光柵
3:光線角度調整器
30:液晶盒
300:液晶
302:基板
304:電極單元
3040:第一電極
3042:第二電極
αR:紅色光的入射角度
αG:綠色光的入射角度
αB:藍色光的入射角度
4:顯示器
40:輸出影像
5:光偏振片
50:上電極層
52:下電極層
500:電極控制區
6:鏡架
60:鏡框
62:鏡腳
7:光學系統
圖1係三原色在傳統單層體積全像光柵波導中的光路示意圖。
圖2係三原色在傳統多層體積全像光柵波導中的光路示意圖。
圖3係紅色光在本發明的光學系統中的光路示意圖。
圖4係綠色光在本發明的光學系統中的光路示意圖。
圖5係藍色光在本發明的光學系統中的光路示意圖。
圖6係紅色光、綠色光及藍色光在本發明的光學系統中的光路示意圖。
圖7係本發明的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8係圖7顯示器的輸出影像的光經過光線角度調整器的出光示意圖。
圖9係本發明的第一實施例的各電極控制區輸入電壓的電場型態示意圖。
圖10係圖9顯示器的輸出影像的光經過光線角度調整器的出光示意圖。
圖11係本發明的第二實施例的光線角度調整器示意圖。
圖12係本發明之近眼顯示裝置的示意圖。
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3所示，本發明係一種光學系統，包括光波導2及光線角度調整器3，其中光波導2的入耦合位置設有耦合光柵20，光波導2的出耦合位置設有解耦合器22，且解耦合器22包括紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224，紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224分別具有不同的解耦合角度，紅光解耦合光柵220的解耦合角度對應紅色光的波長(如圖3所示)，綠光解耦合光柵222解耦合角度係分別對應綠色光的波長(如圖4所示)，藍光解耦合光柵224的解耦合角度對應藍色光的波長(如圖5所示)，且紅色光的入射角度αR、綠色光的入射角度αG及藍色光的入射角度αB與紅色光、綠色光及藍色光在光波導2內的繞射角度、紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224的位置相關，以令紅色光、綠色光及藍色光分別到達紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224的位置解耦合(如圖6所示)。
在此需要特別陳明的是，在本發明中圖3~6中的紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224在解耦合器22的位置，僅為示意，並非限定紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224排列順序必須與圖3~6所繪製的位置一致。又紅色光的入射角度αR、綠色光的入射角度αG及藍色光的入射角度αB之大小或方向，也不限定必須與圖3~6所繪製的角度大小或方向一致，再者，紅色光、綠色光及藍色光在光波導2內的繞射角度，也不限定必須與圖3~6所繪製的角度大小或方向一致，圖3~6僅是為了表示紅色光的入射角度αR、綠色光的入射角度αG及藍色光的入射角度αB之大小或方向不一致，以及紅色光、綠色光及藍色光在光波導2內的繞射角度之大小或方向不一致，並且分別到達各自顏色所對應的紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224的位置。
在本發明中，光線角度調整器3接收來自顯示器4所輸出的輸出影像40，並將輸出影像40中三原色的紅色光、綠色光及藍色光分別調整成以不同的入射角度進入到耦合光柵20，而紅色光、綠色光及藍色光經過耦合光柵20後，皆以各自的繞射角度在光波導2內分別前進(例如以全反射的方式)到紅光解耦合光柵220、綠光解耦合光柵222及藍光解耦合光柵224的位置解耦合，使得光效率使用集中不分散，此外，各顏色的光分別被不同的解耦合光柵解耦合後反射出來之光分佈範圍與角度大於所有顏色僅以單一個解耦合光柵解耦合後反射出來之光分佈範圍與角度，因此，相對於傳統的光學系統而言，本發明的視場範圍(FOV)較大，並且能在空間中組合出較大的眼動範圍(eyebox)。
為了能夠光線角度調整器3內的液晶能夠轉向不同的角度，進而讓經過光線角度調整器3的紅色光、綠色光及藍色光，能夠以不同的入射角度進 入到耦合光柵20，在本發明之一實施例中，請參閱圖7所示，光線角度調整器3係包括液晶盒30及光偏振片5，其中光偏振片5係設在液晶盒30於面對顯示器4的一面，藉由控制液晶盒30中的液晶300依據電場型態轉向，讓紅色光、綠色光及藍色光被調製成不同的入射角度進入到耦合光柵20內。更進一步而言，光偏振片5面對液晶盒30的一面設有上電極層50及下電極層52，其中下電極層52為接地，上電極層50包括複數個電極控制區500，各電極控制區500係設在下電極層52之上，並且各電極控制區500彼此之間相隔一間距，使得各電極控制區500之間不相連通。
請參閱圖8所示，當各電極控制區500未接收到電壓，並未有任何電場改變，所以光線角度調整器3中的液晶300不會有任何的轉向，紅色光、綠色光及藍色光將以同光軸的入射角度進入到光波導2內。請參閱圖9及圖10所示，當各電極控制區500分別接收到各自的輸入電壓，令上電極層50及下電極層52之間依據輸入電壓產生相應的電場型態，進而使得液晶300依據電場型態轉向，如此，只要依據液晶300所需的旋轉角度可以讓紅色光、綠色光及藍色光被調製成不同的入射角度進入到耦合光柵2，而分別控制各電極控制區500的輸入電壓的大小，即可達到紅色光、綠色光及藍色光被光線角度調整器3調製成不同的入射角度進入到耦合光柵20內的目的。
在本發明中，各電極控制區500配合顯示器4的刷新速度及輸出影像40中三原色以時間分工法而被對應輸入所需之電壓，令各電極控制區500接收不同的電壓，分別產生紅色光、綠色光及藍色光相應的電場型態，讓紅色光、綠色光及藍色光以軸向經過光線角度調整器3，並以紅色光、綠色光及藍色光的入射角度進入到光波導2內。
為了進一步了解本發明如何以時間分工法對應控制各電極控制區500，以下乃以顯示器4的輸出影像40的刷新速度為60Hz為例進行說明，但本發明在實際實施時，顯示器4的輸出影像40的刷新速度並不以60Hz為限，係可以為120Hz、144Hz或者更高的刷新速度。顯示器4的輸出影像40在1/60秒輸出紅色光、2/60秒輸出綠色光、3/60秒輸出藍色光、4/60秒輸出紅色光、5/60秒輸出綠色光、6/60秒輸出藍色光…58/60秒輸出紅色光、59/60秒輸出綠色光、60/60秒輸出藍色光。而各電極控制區500就在1/60秒、4/60秒…、58/60秒形成紅色光所需的電場，讓紅色光可以所需的入射角度進入到光波導2之中。各電極控制區500就在2/60秒、5/60秒…、59/60秒形成綠色光所需的電場，讓綠色光可以所需的入射角度進入到光波導2之中。再者各電極控制區500就在3/60秒、6/60秒…、60/60秒形成藍色光所需的電場，讓藍色光可以所需的入射角度進入到光波導2之中。如此，在前述的循環當中，由於人眼視覺暫留的作用，讓人眼仍可以看到全彩的輸出影像40，此外，輸出影像40的紅色光、綠色光及藍色光在輸出的過程中，在空間中組合出較大的可視角(FOV)。換言之，時間分工法係依據刷新速度將輸出影像40的紅色光、綠色光及藍色光以循環且平均次數輸出。
在本發明之第二實施例中，請參閱圖11所示，光線角度調整器3包括液晶盒30及二光偏振片5，其中於此二光偏振片5之其中一個係設在液晶盒30面對顯示器4的位置，此二光偏振片5之另外一個設在液晶盒30面對光波導2的一面，液晶盒30包括二基板302，此二基板302之間設置液晶300，並在其中一個基板302上設有複數個電極單元304，藉由輸入不同大小的電壓到各電極單元304，令液晶盒30中的液晶300依據各電極單元304的電壓差而旋轉，讓各顏色的光被調製成不同的入射角度進入到耦合光柵20內。
在本發明的第二實施例中，各電極單元340配合顯示器4的刷新速度及輸出影像中三原色以時間分工法對應輸入不同大小的電壓，令各電極單元304針對不同的顏色的光分別接收不同的電壓，產生相應的電壓差，讓各顏色的光被光線角度調整器3調整成各自的入射角度進入到光波導2內，並分別以各自的繞射角度在光波導2中傳導，進而到達各顏色的解耦合光柵的位置解耦合。
在本發明的第二實施例中，各電極單元304係分別設有第一電極3040及第二電極3042，其中第一電極3040係設在其中一個基板302面對另一個基板302的位置，第二電極3042係設在其中一個基板302面對另一個基板302的位置，且第一電極3040與第二電極3402之間具有間隔，又液晶300係為正型液晶，液晶300的光軸平行於基板302，第一電極3040及第二電極3042未施加電壓前，液晶300的不會以其光軸旋轉，各顏色的光無法穿過在液晶盒30面對光波導2的一面的光偏振片5，而當第一電極3040及第二電極3042施加電壓後，液晶300可以以其光軸旋轉，而且對第一電極3040及第二電極3042施加不同的電壓，改變液晶300的電場，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2。
請參閱圖12所示，本發明係一種近眼顯示裝置，包括鏡架6及前述的光學系統7，其中鏡架6包括鏡框60及一組鏡腳62，該組鏡腳62係設在鏡框60的兩側，而前述的光學系統7係設在該鏡框60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，又可以由光學系統將虛擬影像投射到人眼之中。
又在其他實施例，顯示器以包括用於兩隻眼睛的單個擴增實境(Augmented Reality，簡稱：AR)或虛擬實境(Virtual Reality，簡稱：VR)顯示組件， 可以將未示出的光學開關設備耦合到各顯示組件，以按時間順序將一幀圖像輸出到其中一個顯示組件，使得用戶的左眼及右眼分別按照順序以左眼一幀、右眼一幀循環顯示。由於圖像的顯示速度足夠快，換言之，具有足夠快的幀速率，以使用戶的眼睛都看不到閃爍，穩定圖像。
綜上所述，光線角度調整器3配合顯示器4的刷新速度及輸出影像40中三原色以時間分工法對應控制各電極控制區500或者各電極單元340，令各電極控制區500或者各電極單元340針對不同的顏色的光分別接收不同的電壓，產生相應的電場，讓各顏色的光經過光線角度調整器3後，分別以對應顏色的入射角度進入到光波導2內，進而可以解決傳統體積全像光柵波導的色散或者稱為彩虹效應，又可以在空間中組合出較大的可視角。
上列詳細說明係針對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。
2:光波導
20:耦合光柵
22:解耦合器
220:紅光解耦合光柵
222:綠光解耦合光柵
224:藍光解耦合光柵
3:光線角度調整器
4:顯示器
40:輸出影像

Claims (17)

  1. 一種光學系統，包括：一光波導，包括：一耦合光柵，係設在光波導的入耦合位置；以及一解耦合器，係設在光波導的出耦合位置，該解耦合器包括一紅光解耦合光柵、一綠光解耦合光柵及一藍光解耦合光柵，該紅光解耦合光柵、該綠光解耦合光柵及該藍光解耦合光柵分別具有不同的解耦合角度；以及一光線角度調整器，該光線角度調整器的一面係設在相對入耦位置，該光線角度調整器的另一面接收一顯示器的輸出影像，該輸出影像中的紅色光、綠色光及藍色光分別被調整成以不同的入射角度進入該光波導；其中，該紅色光、該綠色光及該藍色光經過該耦合光柵後，皆以各自的一繞射角度在該光波導內分別移動到該紅光解耦合光柵、該綠光解耦合光柵及該藍光解耦合光柵，令被該紅光解耦合光柵對該紅色光解耦合，令被該綠光解耦合光柵對該綠色光解耦合，及令被該藍光解耦合光柵對該藍色光解耦合；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；一光偏振片，係設在液晶盒於面對該顯示器的一面；其中，該液晶依據不同的電場旋轉，令該紅色光、該綠色光及該藍色光經過該光線角度調整器被調製成所需的入射角度進入到該耦合光柵內。
  2. 如請求項1所述的光學系統，其中該紅色光的入射角度、該綠色光的入射角度及該藍色光的入射角度與該紅色光、該綠色光及該藍色光的該繞 射角度及該紅光解耦合光柵、該綠光解耦合光柵及該藍光解耦合光柵的位置相關。
  3. 如請求項1所述的光學系統，其中該紅光解耦合光柵的該解耦合角度對應該紅色光的波長，該綠光解耦合光柵的該解耦合角度係對應該綠色光的波長，該藍光解耦合光柵的該解耦合角度對應該藍色光的波長。
  4. 如請求項1所述的光學系統，其中該光線角度調整器尚包括：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，該上電極層設在該下電極層的一面上，且該上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，各該電極控制區被輸入不同大小的電壓，即產生的不同的該電場。
  5. 如請求項4所述的光學系統，其中各該電極控制區配合該顯示器的刷新速度及輸出影像中三原色以時間分工法分別對應輸入不同電壓，令各該電極控制區針對該紅色光、該綠色光及該藍色光分別接收不同的電壓，產生相應的電場，該紅色光、該綠色光及該藍色光以軸向經過光線角度調整器，而不同的入射角度進入到該光波導內。
  6. 如請求項5所述的光學系統，其中該時間分工法係依據該刷新速度將輸出影像以紅色光、綠色光及藍色光循環且平均次數輸出。
  7. 一種光學系統，包括：：一光波導，包括：一耦合光柵，係設在光波導的入耦合位置；以及 一解耦合器，係設在光波導的出耦合位置，該解耦合器包括一紅光解耦合光柵、一綠光解耦合光柵及一藍光解耦合光柵，該紅光解耦合光柵、該綠光解耦合光柵及該藍光解耦合光柵分別具有不同的解耦合角度；以及一光線角度調整器，該光線角度調整器的一面係設在相對入耦位置，該光線角度調整器的另一面接收一顯示器的輸出影像，該輸出影像中的紅色光、綠色光及藍色光分別被調整成以不同的入射角度進入該光波導；其中，該紅色光、該綠色光及該藍色光經過該耦合光柵後，皆以各自的一繞射角度在該光波導內分別移動到該紅光解耦合光柵、該綠光解耦合光柵及該藍光解耦合光柵，令被該紅光解耦合光柵對該紅色光解耦合，令被該綠光解耦合光柵對該綠色光解耦合，及令被該藍光解耦合光柵對該藍色光解耦合；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，該液晶盒包括二基板，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電極單元；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；其中，該液晶盒中的該液晶依據各該電極單元的不同的電壓差而旋轉不同的角度，令該紅色光、該綠色光及該藍色光經過該光線角度調整器被調製成所需的入射角度進入到該耦合光柵內。
  8. 如請求項7所述的光學系統，其中各該電極單元係包括：一第一電極，該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，該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；而該液晶的光軸平行於該二基板；其中該第一電極及第二電極未施加電壓前，該液晶不會旋轉，該第一電極及該第二電極施加電壓後，液晶將進行相應的旋轉。
  9. 如請求項8所述的光學系統，其中該第一電極及該第二電極配合該顯示器的刷新速度及輸出影像中三原色以時間分工法對應控制輸入不同的電壓，令該紅色光、該綠色光及該藍色光經過光線角度調整器後，分別以不同的入射角度進入到該光波導內。
  10. 如請求項9所述的光學系統，其中該時間分工法係依據該刷新速度將輸出影像以紅色光、綠色光及藍色光循環且平均次數輸出。
  11. 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所述的光學系統，係設在該鏡框內。
  12. 如請求項11所述的近眼顯示裝置，其中該紅色光的入射角度、該綠色光的入射角度及該藍色光的入射角度與該紅色光、該綠色光及該藍色光的該繞射角度及該紅光解耦合光柵、該綠光解耦合光柵及該藍光解耦合光柵的位置相關。
  13. 如請求項12所述的近眼顯示裝置，其中該紅光解耦合光柵的該解耦合角度對應該紅色光的波長，該綠光解耦合光柵的該解耦合角度係對應該綠色光的波長，該藍光解耦合光柵的該解耦合角度對應該藍色光的波長。
  14. 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7所述的光學系統，係設在該鏡框內。
  15. 如請求項14所述的近眼顯示裝置，其中該光偏振片配合該顯示器的刷新速度及輸出影像中三原色以時間分工法對應控制各該電極控制區，令各該電極控制區針對該紅色光、該綠色光及該藍色光分別接收不同的電壓，產生相應的電場，該紅色光、該綠色光及該藍色光以軸向經過光線角度調整器，而不同的入射角度進入到該光波導內。
  16. 如請求項14所述的近眼顯示裝置，其中各該電極單元係包括：一第一電極，該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；一第二電極，該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；而該液晶的光軸平行於該二基板；其中該第一電極及第二電極未施加電壓前，該液晶不會旋轉，該第一電極及該第二電極施加電壓後，液晶將進行相應的旋轉。
  17. 如請求項16所述的近眼顯示裝置，其中該第一電極及該第二電極配合該顯示器的刷新速度及輸出影像中三原色以對應控制輸入不同的電壓，令該紅色光、該綠色光及該藍色光經過光線角度調整器後，分別以不同的該入射角度進入到該光波導內。
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Families Citing this family (3)

* 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
CN114578561B (zh) * 2022-01-27 2024-03-26 东南大学 基于多层体光栅的大视场高亮度全息波导系统及制备方法
CN114755827B (zh) * 2022-04-08 2023-10-17 荣耀终端有限公司 头戴式显示设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170307886A1 (en) * 2016-04-25 2017-10-26 Petri Antero Stenberg Refractive coating for diffractive optical elements
TW201921055A (zh) * 2017-09-28 2019-06-01 美商雷亞有限公司 光柵耦合光導件、顯示系統、以及使用光學聚光的方法
CN111142256A (zh) * 2018-11-02 2020-05-12 成都理想境界科技有限公司 一种vr光学显示模组及显示设备
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

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104267591A (zh) * 2014-09-27 2015-01-07 郑敏 基于三次曝光技术消色差的方法
WO2018031634A1 (en) * 2016-08-10 2018-02-15 FictionArt, Inc. Volume phase holographic waveguide for display
US10551622B2 (en) * 2016-10-26 2020-02-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Field of view tiling in waveguide-based near-eye displays
CA3042042A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 Magic Leap, Inc. Method and system for large field of view display with scanning reflector
WO2018175776A1 (en) * 2017-03-22 2018-09-27 Magic Leap, Inc. Wearable display device utilizing a composite field of view
CN106950697B (zh) * 2017-04-21 2019-08-27 北京理工大学 多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统
US11698492B2 (en) * 2017-08-18 2023-07-11 A9.Com, Inc. Waveguide image combiners for augmented reality displays
FI129113B (en) * 2017-12-22 2021-07-15 Dispelix Oy Waveguide display and display element with new lattice configuration
US10750145B1 (en) * 2018-05-24 2020-08-18 Facebook Technologies, Llc Variable-pitch liquid crystal diffraction grating
JP7275829B2 (ja) * 2019-05-13 2023-05-18 セイコーエプソン株式会社 表示装置および画像の表示方法
CN110954983B (zh) * 2019-12-18 2021-05-11 京东方科技集团股份有限公司 一种彩色光波导结构及显示装置
CN112379550B (zh) * 2020-11-13 2023-01-24 昆山龙腾光电股份有限公司 显示面板及驱动方法和显示装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170307886A1 (en) * 2016-04-25 2017-10-26 Petri Antero Stenberg Refractive coating for diffractive optical elements
TW201921055A (zh) * 2017-09-28 2019-06-01 美商雷亞有限公司 光柵耦合光導件、顯示系統、以及使用光學聚光的方法
CN111142256A (zh) * 2018-11-02 2020-05-12 成都理想境界科技有限公司 一种vr光学显示模组及显示设备
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

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