TWI793023B - 波導以及包含其的顯示裝置 - Google Patents

Abstract

提供一種顯示裝置，包括影像源以及波導。影像源提供第一影像光以及第二影像光。波導包括基板、第一入耦結構以及第二入耦結構。第一入耦結構以及第二入耦結構配置於基板上。第一影像光藉由第一入耦結構入射基板後，在基板內行進，且第一影像光行進至出耦區後射出基板。第二影像光藉由第二入耦結構入射基板後，在基板內行進，且第二影像光行進至出耦區後射出基板。第一入耦結構以及第二入耦結構為週期性結構且節距不同，且第一入耦結構以及第二入耦結構在基板的垂直投影不互相重疊。

Description

波導以及包含其的顯示裝置

本發明是有關於一種波導以及包含波導的顯示裝置。

近眼顯示裝置需要利用波導來傳輸影像光。當近眼顯示裝置內的波導僅具備單一片基板且利用單一節距（pitch）的光柵結構來傳輸全彩影像時，會有明顯的色散問題以及視場（Field of view, FOV）太小的問題。當近眼顯示裝置內的波導以多片基板來傳輸全彩影像，則有重量及成本高的問題。

本發明提供一種波導以及具備該波導的顯示裝置，顯示裝置重量輕、沒有色散問題且具備大的視場。

根據本發明一實施例，提供一種波導，用以傳輸具備不同波段的第一影像光以及第二影像光。波導包括基板、第一入耦結構以及第二入耦結構。基板具備第一表面以及相對於第一表面的第二表面。第一入耦結構以及第二入耦結構配置於基板上。第一表面包括出耦區。第一影像光藉由第一入耦結構入射基板後，在基板內行進，且第一影像光行進至出耦區後射出基板。第二影像光藉由第二入耦結構入射基板後，在基板內行進，且第二影像光行進至出耦區後射出基板。第一入耦結構以及第二入耦結構為週期性結構且節距不同，且第一入耦結構以及第二入耦結構在基板的垂直投影不互相重疊。

根據本發明另一實施例，提供一種顯示裝置，包括影像源以及至少一波導。影像源被配置以提供具備不同波段的第一影像光以及第二影像光。至少一波導包括基板、第一入耦結構以及第二入耦結構。基板具備第一表面以及相對於第一表面的第二表面。第一入耦結構以及第二入耦結構配置於基板上。第一表面包括出耦區。第一影像光藉由第一入耦結構入射基板後，在基板內行進，且第一影像光行進至出耦區後射出基板。第二影像光藉由第二入耦結構入射基板後，在基板內行進，且第二影像光行進至出耦區後射出基板。第一入耦結構以及第二入耦結構為週期性結構且節距不同，且第一入耦結構以及第二入耦結構在基板的垂直投影不互相重疊。

基於上述，本發明實施例提供的波導利用單一片基板上不同的入耦結構來耦合不同波段的光。與不同波段的光對應的入耦結構具有不同的節距，避免了單一節距光柵的色散問題。並且，各波段的光皆具有大的視場。具備上述波導的顯示裝置重量輕、沒有色散問題且具備大的視場。

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。

參照圖1A及圖1B。圖1A繪示了根據本發明一實施例的顯示裝置的示意圖。圖1B繪示了圖1A所示波導的側視圖。

顯示裝置1包括影像源10以及兩個波導100。影像源10被配置以提供多個影像光，以達成全彩影像。多個影樣光分別涵蓋不同波段。本實施例僅示例地將影像源10提供的影像光分為第一影像光L1及第二影像光L2，但是本發明不以此為限，全彩影像可以由三個以上涵蓋不同波段的影像光來達成。

在本實施例中，第一影像光L1與第二影像光L2涵蓋可見光波段380 nm~780 nm，第一影像光L1以及第二影像光L2分別具備不同的波段。例如，第一影像光L1為波段380 nm~600 nm的光，第二影像光L2為波段560 nm~780 nm的光，但是本發明不以此為限。

波導100包括基板100S、第一入耦結構101以及第二入耦結構102。基板100S具備了平行第一方向D1以及第二方向D2所構成的平面的第一表面S1以及相對於第一表面S1的第二表面S2，其中第二表面S2相對於第一表面S1較遠離使用者的眼睛EY1及EY2。第一表面S1具備了波導100的出耦區105。

第一入耦結構101以及第二入耦結構102配置於基板100S上，且第一入耦結構101以及第二入耦結構102為繞射光學元件（DOE，或稱為光柵），具備週期性結構。具體而言，當光（波）在行進時，波面上的每個點可以被視為新的次波源，光（波）入射DOE後，週期性結構造成每個次波源之間發生干涉，使得光（波）的相位或/和振幅受到調製，達到改變光（波）的行進方向以及分光等目的。本發明實施例藉由在基板100S上配置第一入耦結構101以及第二入耦結構102來改變第一影像光L1以及第二影像光L2的行進方向，將第一影像光L1以及第二影像光L2耦合入射基板100S。

因此，第一影像光L1藉由第一入耦結構101入射基板100S後，在基板100S內行進，且第一影像光L1行進至出耦區105後射出基板100S，沿著平行第三方向D3的方向進入使用者的眼睛EY1及EY2，其中第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3互相垂直。類似的，第二影像光L2藉由第二入耦結構102入射基板100S後，在基板100S內行進，且第二影像光L2行進至出耦區105後射出基板100S，進入使用者的眼睛EY1及EY2。

在本實施例中，第一入耦結構101以及第二入耦結構102在基板100S的垂直投影不互相重疊。也就是說，第一入耦結構101以及第二入耦結構102分別配置在基板100S的不同區域。並且，第一入耦結構101以及第二入耦結構102的光柵節距被配置為不同，以分別對應第一影像光L1的波長以及第二影像光L2的波長。

具體而言，如同前述，由於DOE具備改變光（波）的行進方向以及分光的功能，光（波）在經過DOE的分光後，不同色光在基板100S內的全反射會有不同的入射角及反射角。因此，若以單一節距的光柵做為整個可見光波段（380 nm~780 nm）影像光的入耦結構，會在出耦區105產生明顯的色散問題。相對的，本發明實施例將第一入耦結構101以及第二入耦結構102的光柵節距配置為不同，以分別對應第一影像光L1的波長以及第二影像光L2的波長，避免在出耦區105產生明顯的色散問題。

在本實施例中，參照圖1A，波導100還包括第一偏折結構103以及第二偏折結構104，其為繞射光學元件（DOE），分別被配置以改變第一影像光L1及第二影像光L2的行進方向。並且，第一偏折結構103以及第二偏折結構104在基板100S上的垂直投影不相重疊。

詳細來說，第一偏折結構103配置於第一影像光L1在基板100S中的行進路徑上，且位於第一入耦結構101與出耦區105之間，以改變第一影像光L1的行進方向。第二偏折結構104配置於第二影像光L2在基板100S中的行進路徑上，且位於第二入耦結構102與出耦區105之間，以改變第二影像光L2的行進方向。第一偏折結構103以及第二偏折結構104的光柵節距不同，以分別對應第一影像光L1的波長以及第二影像光L2的波長。但是本發明不以此為限，在其他實施例中，波導100可以不具有第一偏折結構103以及第二偏折結構104。藉由適當配置第一入耦結構101以及第二入耦結構102的位置，第一影像光L1以及第二影像光L2在自第一入耦結構101以及第二入耦結構102行進至出耦區105的過程中，可以不發生偏折。

在本實施例中，顯示裝置1包括兩個波導100，具備相同的結構。如圖1A及圖1B所示，與使用者眼睛EY1（左眼）對應的波導100（以下稱左眼波導100）以及與使用者眼睛EY2（右眼）對應的波導100（以下稱右眼波導100）具備相同的結構。並且，右眼波導100相對於左眼波導100為上下顛倒配置，即右眼波導100相對於左眼波導100為旋轉180度配置。

以入射左眼波導100的第一影像光L1來說，第一影像光L1在左眼波導100的基板100S中經過第一偏折結構103的反射後會偏折，並朝第一方向D1的負方向行進。由於出耦區105的第一側A1較第二側A2靠近第一入耦結構101以及第一偏折結構103，自出耦區105越靠近第一側A1的位置射出基板100S的第一影像光L1光量會越高，自出耦區105越遠離第一側A1的位置射出基板100S的第一影像光L1光量會越低。即，左眼波導100的出耦區105的上半部較下半部射出較大光量的第一影像光L1。

相對的，以入射右眼波導100的第一影像光L1來說，第一影像光L1在右眼波導100的基板100S中經過第一偏折結構103的反射後會偏折，並朝第一方向D1的正方向行進。由於出耦區105的第一側A1較第二側A2靠近第一入耦結構101以及第一偏折結構103，自出耦區105越靠近第一側A1的位置射出基板100S的第一影像光L1光量會越高，自出耦區105越遠離第一側A1的位置射出基板100S的第一影像光L1光量會越低。即，右眼波導100的出耦區105的下半部較上半部射出較大光量的第一影像光L1。因此，使用者的眼睛EY1及EY2（左右眼）所看到的第一影像光L1得以互補。

相對的，左眼波導100的出耦區105的下半部較上半部射出較大光量的第二影像光L2。右眼波導100的出耦區105的上半部較下半部射出較大光量的第二影像光L2。因此，第二影像光L2同樣具備左右眼互補關係，於此不贅述。

參照圖2，其繪示根據本發明一實施例的顯示裝置示意圖。相較於顯示裝置1，顯示裝置2還包括分色鏡20以及反射鏡30。影像源10提供第一影像光L1及第二影像光L2，分色鏡20配置於第一影像光L1及第二影像光L2的行進路徑上，且位於影像源10與基板100S之間，以分離第一影像光L1及第二影像光L2。第一影像光L1進一步被反射鏡30反射後，藉由第一入耦結構101耦合入射基板100S。第二影像光L2藉由第二入耦結構102耦合入射基板100S。

同時參照圖1A及圖3，圖3繪示了圖1A所示顯示裝置的俯視圖。

在本實施例中，第一入耦結構101配置於第一表面S1上，且第二入耦結構102配置於第二表面S2上。但本發明不以此為限，在另一實施例中，第一入耦結構101配置於第二表面S2上，且第二入耦結構102配置於第一表面S1上。在另一實施例中，第一入耦結構101以及第二入耦結構102皆配置於第一表面S1上。在另一實施例中，第一入耦結構101以及第二入耦結構102皆配置於第二表面S2上。

如圖1A及圖3所示，波導100還包括配置於第一表面S1上的第一出耦結構101E以及配置於第二表面S2上的第二出耦結構102E。但本發明不以此為限，在另一實施例中，第一出耦結構101E配置於第二表面S2上，且第二出耦結構102E配置於第一表面S1上。

第一出耦結構101E、第二出耦結構102E以及出耦區105在基板100S上的垂直投影相重疊。本發明實施例藉由在基板100S上配置第一出耦結構101E以及第二出耦結構102E來改變第一影像光L1以及第二影像光L2的行進方向，將第一影像光L1以及第二影像光L2耦合射出基板100S。

參照圖4A、圖4B以及圖4C。圖4A繪示了圖1A所示顯示裝置對應使用者的眼睛EY2（右眼）的部分結構示意圖。圖4B繪示了圖4A所示的第一出耦結構101E以及第二出耦結構102E的放大示意圖。圖4C繪示了圖4A所示的第一出耦結構101E以及第二出耦結構102E的驅動示意圖。應當說明的是，由於左眼波導100與右眼波導100具備相同的結構，下面即將描述的右眼波導100的結構與驅動方法皆可對應至左眼波導100，於此不贅述。

如圖4A及圖4B所示，顯示裝置1還包括控制器40，電性連接影像源10。第一出耦結構101E以及第二出耦結構102E為繞射光學元件，包括繞射光柵DG、液晶層LC以及電性連接控制器40的一對透明電極100I，且繞射光柵DG以及液晶層LC夾設於該對透明電極100I之間。其中，繞射光柵DG、透明電極100I以及基板100S具有相同的折射率，例如折射率同樣為1.7。其中，圖4B所示的第一出耦結構101E的節距P1不同於第二出耦結構102E的節距P2，以分別對應第一影像光L1以及第二影像光L2。

參照圖4A至圖4C，控制器40在時序上交替地提供第一電流101I以及第二電流102I，其中第一電流101I被配置以驅動第一出耦結構101E的透明電極100I，且第二電流102I被配置以驅動第二出耦結構102E的透明電極100I。

具體而言，當第一出耦結構101E的透明電極100I被驅動時，第一出耦結構101E的液晶層LC的折射率會與第一出耦結構101E的繞射光柵DG的折射率相同，此時，第一出耦結構101E的液晶層LC、繞射光柵DG以及透明電極100I與基板100S具有相同的折射率，對光（波）而言，第一出耦結構101E失去調製光（波）的特性，僅第二出耦結構102E具調製光（波）的特性。類似的，當第二出耦結構102E的透明電極100I被驅動時，第二出耦結構102E失去調製光（波）的特性，僅第一出耦結構101E具調製光（波）的特性。

因此，當控制器40控制影像源10在時序上交替地輸出第一影像光L1以及第二影像光L2，並同步地在時序上交替地驅動第二出耦結構102E的透明電極100I以及第一出耦結構101E的透明電極100I，可以避免第一影像光L1受到第二出耦結構102E的調製，也避免第二影像光L2受到第一出耦結構101E的調製。也就是說，當影像源10輸出第一影像光L1，同步地驅動第二出耦結構102E的透明電極100I，使得第二出耦結構102E失去調製光（波）的特性，以避免第二出耦結構102E影響第一影像光L1耦合出射基板100S。同樣的，當影像源10輸出第二影像光L2，同步地驅動第一出耦結構101E的透明電極100I，使得第一出耦結構101E失去調製光（波）的特性，以避免第一出耦結構101E影響第二影像光L2耦合出射基板100S。

綜上所述，本發明實施例提供的波導利用單一片基板上不同的入耦結構來耦合不同波段的光。與不同波段的光對應的入耦結構具有不同的節距，避免了單一節距光柵的色散問題。並且，各波段的光皆具有大的視場。具備上述波導的顯示裝置重量輕、沒有色散問題且具備大的視場。

1、2:顯示裝置

10:影像源

20:分色鏡

30:反射鏡

40:控制器

100:波導

100I:透明電極

100S:基板

101:第一入耦結構

102:第二入耦結構

101E:第一出耦結構

102E:第二出耦結構

101I:第一電流

102I:第二電流

103:第一偏折結構

104:第二偏折結構

105:出耦區

A1:第一側

A2:第二側

DG:繞射光柵

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

EY1、EY2:眼睛

L1:第一影像光

L2:第二影像光

LC:液晶層

P1、P2:節距

S1:第一表面

S2:第二表面

圖1A繪示了根據本發明一實施例的顯示裝置的示意圖。 圖1B繪示了圖1A所示波導的側視圖。 圖2繪示了根據本發明一實施例的顯示裝置示意圖。 圖3繪示了圖1A所示顯示裝置的俯視圖。 圖4A繪示了圖1A所示顯示裝置的部分結構示意圖。 圖4B繪示了圖4A所示的出耦結構的放大示意圖。 圖4C繪示了圖4A所示的出耦結構的驅動示意圖。

1:顯示裝置

10:影像源

100:波導

100S:基板

101:第一入耦結構

102:第二入耦結構

101E:第一出耦結構

102E:第二出耦結構

103:第一偏折結構

104:第二偏折結構

105:出耦區

A1:第一側

A2:第二側

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

L1:第一影像光

L2:第二影像光

Claims (11)

1. 一種波導，用以傳輸具備不同波段的第一影像光以及第二影像光，該波導包括：基板，具備第一表面以及相對於該第一表面的第二表面，該第一表面包括出耦區；第一入耦結構，配置於該基板上；第二入耦結構，配置於該基板上；第一出耦結構，配置於該第一表面與該第二表面中的一者上；以及第二出耦結構，配置於該第一表面與該第二表面中的另一者上，其中該第一出耦結構、該第二出耦結構以及該出耦區在該基板上的垂直投影相重疊，該第一出耦結構以及該第二出耦結構包括繞射光柵、液晶層以及一對透明電極，且該繞射光柵以及該液晶層夾設於該對透明電極之間，其中該第一影像光藉由該第一入耦結構入射該基板後，在該基板內行進，且該第一影像光行進至該出耦區後射出該基板，該第二影像光藉由該第二入耦結構入射該基板後，在該基板內行進，且該第二影像光行進至該出耦區後射出該基板，該第一入耦結構以及該第二入耦結構為周期性結構且節距不同，且該第一入耦結構以及該第二入耦結構在該基板的垂直投影不互相重疊。
2. 如請求項1所述的波導，其中該第一入耦結構以及該第二入耦結構皆配置於該第一表面上，或該第一入耦結構以及該第二入耦結構皆配置於該第二表面上。
3. 如請求項1所述的波導，其中該第一入耦結構配置於該第一表面與該第二表面中的一者上，且該第二入耦結構配置於該第一表面與該第二表面中的另一者上。
4. 如請求項1所述的波導，還包括：第一偏折結構，配置於該第一影像光在該基板中的行進路徑上，且位於該第一入耦結構與該出耦區之間；以及第二偏折結構，配置於該第二影像光在該基板中的行進路徑上，且位於該第二入耦結構與該出耦區之間，其中該第一偏折結構以及該第二偏折結構在該基板上的垂直投影不相重疊。
5. 如請求項4所述的波導，其中該第一入耦結構、該第二入耦結構、該第一出耦結構、該第二出耦結構、該第一偏折結構以及該第二偏折結構為繞射光學元件。
6. 一種顯示裝置，包括：影像源，配置以提供具備不同波段的第一影像光以及第二影像光；以及至少一波導，包括：基板，具備第一表面以及相對於該第一表面的第二表面，該第一表面包括出耦區； 第一入耦結構，配置於該基板上；第二入耦結構，配置於該基板上；第一出耦結構，配置於該第一表面與該第二表面中的一者上；以及第二出耦結構，配置於該第一表面與該第二表面中的另一者上，該第一出耦結構、該第二出耦結構以及該出耦區在該基板上的垂直投影相重疊，該第一出耦結構以及該第二出耦結構包括繞射光柵、液晶層以及一對透明電極，且該繞射光柵以及該液晶層夾設於該對透明電極之間，其中該第一影像光藉由該第一入耦結構入射該基板後，在該基板內行進，且該第一影像光行進至該出耦區後射出該基板，該第二影像光藉由該第二入耦結構入射該基板後，在該基板內行進，且該第二影像光行進至該出耦區後射出該基板，該第一入耦結構以及該第二入耦結構為周期性結構且節距不同，且該第一入耦結構以及該第二入耦結構在該基板的垂直投影不互相重疊。
7. 如請求項6所述的顯示裝置，還包括控制器，電性連接該影像源以及該些對透明電極，控制器時序上交替地提供電流至該些對透明電極，以時序上交替地驅動該些對透明電極。
8. 如請求項7所述的顯示裝置，其中當以電流驅動該些對透明電極時，對應的該液晶層與對應的該繞射光柵具有相同的折射率。
9. 如請求項8所述的顯示裝置，其中該控制器時序上交替地控制該影像源輸出該第一影像光以及該第二影像光，當該影像源輸出該第一影像光，同步地驅動該第二出耦結構的該對透明電極，當該影像源輸出該第二影像光，同步地驅動該第一出耦結構的該對透明電極。
10. 如請求項7所述的顯示裝置，其中該至少一波導包括第一波導以及第二波導，具備相同的結構，且該第二波導相對於該第一波導旋轉180度配置。
11. 如請求項6所述的顯示裝置，還包括分色鏡，配置於該第一影像光以及該第二影像光的行進路徑上，且位於所述影像源與所述基板之間。

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