TWM651202U - 光波導元件以及頭戴式顯示器 - Google Patents

Abstract

本案揭示一種光波導元件，包括第一光波導、第二光波導、第三光波導以及光柵。第二光波導設置在第一光波導上。第三光波導設置在第二光波導上。光柵設置在第一光波導與第二光波導之間。第二光波導的折射率小於第一光波導的折射率以及第三光波導的折射率。另提供一種頭戴式顯示器。

Description

光波導元件以及頭戴式顯示器

本新型創作是有關於一種光波導元件以及頭戴式顯示器。

在擴增實境(Augmented Reality，AR)裝置中，通常使用耦入光柵(gratings)將入射光波導(waveguide)的影像光折射至大於臨界角(critical angle)的角度，使影像光在光波導內以全反射(Total Internal Reflection，TIR)的方式傳遞至擴瞳光柵，並經由擴瞳光柵實現一維或二維擴瞳後傳遞至人眼。由於不同入射角度的影像光經過耦入光柵後也會以不同角度在光波導內全反射，因此不同入射角度的影像光在光波導內一次全反射的距離會不一致，導致不同入射角度的影像光接觸擴瞳光柵的次數有落差，使得傳遞至人眼的影像的角度均勻度變差。

本新型創作提供一種光波導元件，其包括第一光波導、第二光波導、第三光波導以及光柵。第二光波導設置在第一光波導 上。第三光波導設置在第二光波導上。光柵設置在第一光波導與第二光波導之間。第二光波導的折射率小於第一光波導的折射率以及第三光波導的折射率。

本新型創作另提供一種頭戴式顯示器包括顯示器以及光波導元件。顯示器用以提供影像光。光波導元件設置在影像光的傳遞路徑上且包括第一光波導、第二光波導、第三光波導以及光柵。第二光波導設置在第一光波導上。第三光波導設置在第二光波導上。光柵設置在第一光波導與第二光波導之間。第二光波導的折射率小於第一光波導的折射率以及第三光波導的折射率。

為讓本新型創作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。

1、1A、1B、22:光波導元件

2:頭戴式顯示器

20:顯示器

A:環境光

AD1:第一黏著層

AD2:第二黏著層

D1、D2:方向

DT1、DT2:距離

G:光柵

G1:耦入光柵

G2:擴瞳光柵

G21:第一擴瞳光柵

G22:第二擴瞳光柵

L、L1、L2:影像光

P1:第一部分

P2:第二部分

P3:第三部分

P4:第四部分

SP:支撐件

T1、T2、T3、T4、T5:厚度

WG1:第一光波導

WG2:第二光波導

WG3:第三光波導

圖1至圖3分別是根據是本新型創作的一些實施例的三種光波導元件的局部剖面示意圖。

圖4是根據是本新型創作的一些實施例的一種光柵的俯視示意圖。

圖5是根據是本新型創作的一些實施例的一種頭戴式顯示器的示意圖。

本文中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本新型創作。在附圖中，各圖式繪示的是特定實施例中所使用的方法、結構及/或材料的通常性特徵。然而，這些圖式不應被解釋為界定或限制由這些實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，各膜層、區域及/或結構的相對尺寸、厚度及位置可能縮小或放大。

在本文中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號，且將省略其贅述。此外，不同實施例中的特徵在沒有衝突的情況下可相互組合，且依本說明書或申請專利範圍所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本專利涵蓋的範圍內。另外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名不同的元件或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限，也並非用以限定元件的製造順序或設置順序。

圖1至圖3分別是根據是本新型創作的一些實施例的三種光波導元件的局部剖面示意圖。圖4是根據是本新型創作的一些實施例的一種光柵的俯視示意圖。圖5是根據是本新型創作的一些實施例的一種頭戴式顯示器的示意圖。

請參照圖1，光波導元件1可包括第一光波導WG1、第二光波導WG2、第三光波導WG3以及光柵G，其中第二光波導WG2設置在第一光波導WG1上，第三光波導WG3設置在第二光波導WG2上，且光柵G設置在第一光波導WG1與第二光波導 WG2之間。此外，第二光波導WG2的折射率小於第一光波導WG1的折射率以及第三光波導WG3的折射率。

在本文中，通過在折射率較高的兩個光波導(如第一光波導WG1以及第三光波導WG3)之間設置折射率較低的光波導(如第二光波導WG2)，可利用臨界角來限制不同入射角度的影像光的傳遞層別。例如，大角度入射光波導元件1的影像光(如影像光L1)因在第一光波導WG1與第二光波導WG2的介面處的繞射角大於臨界角，所以維持在光波導元件1內傳遞；而小角度入射光波導元件1的影像光(如影像光L2)因在第一光波導WG1與第二光波導WG2的介面處的繞射角小於臨界角，所以穿過第二光波導WG2且在光波導元件1、第二光波導WG2以及第三光波導WG3內傳遞。通過增加小角度入射光波導元件1的影像光(如影像光L2)的光程，並維持大角度入射光波導元件1的影像光(如影像光L1)的光程，可縮短不同入射角度的影像光在光波導內一次全反射的距離差(如距離DT1與距離DT2的差值)，而有助於提升角度均勻度。

詳細來說，第一光波導WG1可作為影像光傳遞的主要通道。在一些實施例中，第一光波導WG1的折射率在1.5至2的範圍內(即1.5≦折射率≦2)。舉例來說，第一光波導WG1的材料可以是玻璃或折射率在1.5至2的範圍內的其他材料。在一些實施例中，第一光波導WG1的厚度T1在0.05mm至2mm的範圍內(即0.05mm≦T1≦2mm)，以兼顧角度均勻度以及結構強度。

第二光波導WG2可設置在第一光波導WG1以及光柵G 上且位於第一光波導WG1與第三光波導WG3之間。第二光波導WG2主要用以限制影像光的傳遞層別。在一些實施例中，第二光波導WG2的折射率在1.1至1.5的範圍內(即1.1≦折射率≦1.5)，且視場角(Field of view，FOV)越大，第二光波導WG2的折射率可越大。舉例來說，第二光波導WG2的材料可以是氟化鎂(MgF)、氟化鈣(MgCa)、壓克力氟樹脂等氟化物、光學膠或折射率在1.1至1.5的範圍內的其他材料。在一些實施例中，第二光波導WG2的厚度T2在1μm至10μm的範圍內(即1μm≦T2≦10μm)，以兼顧角度均勻度以及亮度。

第三光波導WG3可覆蓋光柵G以及第二光波導WG2。在一些實施例中，第三光波導WG3的折射率在1.5至2的範圍內(即1.5≦折射率≦2)。舉例來說，第三光波導WG3的材料可以是強化玻璃或折射率在1.5至2的範圍內的其他材料。在一些實施例中，第三光波導WG3的厚度T3在0.05mm至2mm的範圍內(即0.05mm≦T3≦2mm)，以兼顧角度均勻度以及對其下元件的保護性。

當第二光波導WG2的材料為光學膠時，第三光波導WG3可通過光學膠(第二光波導WG2)全面地貼合至第一光波導WG1以及光柵G，也就是說，第二光波導WG2例如完全覆蓋光柵G。通過全面地貼合的設計，可改善第三光波導WG3與第一光波導WG1之間因存在空氣造成的介面反射問題，而有助於提升亮度或降低雜散光。此外，全面地貼合的設計也可減少因環境粉塵水氣的汙染造成的光損耗或對比度下降。另外，全面地貼合的設計也可提升整 體安全性，降低玻璃受外力衝擊造成爆裂或碎片噴溢的可能性。

光柵G可設置在第一光波導WG1上。在一些實施例中，光柵G可直接製作於第一光波導WG1上，且光柵G的種類可包括表面浮雕光柵(Surface Relief Gratings，SRG)、全像液晶聚合物薄膜(Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal，HPDLC)光柵、體全像光柵(Volume Holographic Grating，VHG)、偏振體光柵(Polarization Volume Grating，PVG)或其他合適的光柵種類。

在一些實施例中，光柵G可包括耦入光柵G1以及擴瞳光柵G2，其中耦入光柵G1可用以將入射光波導元件1的影像光(如影像光L1以及影像光L2)耦入第一光波導WG1，而擴瞳光柵G2可用以實現一維或二維擴瞳並將影像光(如影像光L1以及影像光L2)傳遞至人眼。以圖1為例，從光波導元件1入射擴瞳光柵G2的影像光L1的一部分(如第一部分P1)被擴瞳光柵G2反射而繼續以全內反射的方式傳遞於第一光波導WG1內，且入射擴瞳光柵G2的影像光L1的另一部分(如第二部分P2)被擴瞳光柵G2折射並因此自第一光波導WG1輸出而傳遞至人眼。此外，擴瞳光柵G2讓從第二光波導WG2入射的光(如影像光L2)穿透，其中從光波導元件1入射擴瞳光柵G2的影像光L2的一部分(如第三部分P3)穿透擴瞳光柵G2而繼續以全內反射的方式傳遞於第一光波導WG1、第二光波導WG2以及第三光波導WG3內，且入射擴瞳光柵G2的影像光L2的另一部分(如第四部分P4)被擴瞳光柵G2折射並因此自第一光波導WG1輸出而傳遞至人眼。

在一些實例中，通過在折射率較高的兩層光波導之間設置折射率較低的光波導，並通過控制各光波導的折射率及/或厚度，可拉近大小角度間的光程差，使大小角度影像光的一次全反射的距離趨近一致。表一表示不同入射角在不同厚度T3下的一次全反射的距離。在表一中，除了厚度T3之外的其他參數皆為定值，例如，第一光波導WG1的折射率為2，第一光波導WG1的厚度T1為1mm，第二光波導WG2的折射率為1.2，第二光波導WG2的厚度T2比其他光波導的厚度小了幾百倍故可忽略不計，第三光波導WG3的折射率為1.5。從表一可看出，在T3=0.16mm時，入射角31°和入射角37°具有相近的一次全反射的距離，入射角33°和入射角39°具有相近的一次全反射的距離，且入射角35°和入射角41°具有相近的一次全反射的距離。也就是說，在此設計下，可拉近約6度的光程差，亦即，可使入射角差異為6度的影像光的一次全反射的距離趨近一致。

此外，相較於採用折射率較高的單個光波導來縮減大小角度間的一次全反射的距離差，本揭露通過採用在折射率較高的兩層光波導之間設置折射率較低的光波導有助於擴大各光波導可選用的折射率範圍，且在不同FOV下也可有效減少大小角度間的一次全反射的距離差。表二表示比較例的光波導和本揭露的實例的光波導在不同FOV下的一次全反射的距離差。在表二中，比較例的光波導採用折射率為2且厚度為1mm的單一個基板，而實例是採用如圖1所示的結構，其中在表二中，除了第二光波導WG2的折射率n2和厚度T3之外的其他參數皆為定值，例如，第一光波導WG1的折射率為2，第一光波導WG1的厚度T1為1mm，第二光波導WG2的厚度T2比其他光波導的厚度小了幾百倍故可忽略不計，第三光波導WG3的折射率為1.5。從表二可看出，本揭露通過採用在折射率較高的兩層光波導之間設置折射率較低的光波導在不同FOV下可有效減少大小角度間的一次全反射的距離差。

請參照圖2，光波導元件1A與圖1的光波導元件1的主要差異說明如後。在光波導元件1A中，第二光波導WG2的材料例如包括氟化鎂、氟化鈣或壓克力氟樹脂。此外，光波導元件1A還包括第一黏著層AD1以及第二黏著層AD2，其中第一黏著層AD1設置在第一光波導WG1與第二光波導WG2之間，且第二黏著層AD2設置在第二光波導WG2與第三光波導WG3之間。舉例來說，第二光波導WG2例如通過第一黏著層AD1而全面貼合於第一光波導WG1，且第三光波導WG3例如通過第二黏著層AD2而全面貼合於第二光波導WG2。

通過全面貼合的設計，可改善光波導之間因存在空氣造成的介面反射問題，而有助於提升亮度或降低雜散光。此外，全面地貼合的設計也可減少因環境粉塵水氣的汙染造成的光損耗或對比度下降。另外，全面地貼合的設計也可提升整體安全性，降低玻璃受外力衝擊造成爆裂或碎片噴溢的可能性。

在一些實施例中，第一黏著層AD1以及第二黏著層AD2的折射率可在1.5至1.6的範圍內(即1.5≦折射率≦1.6)。此外，第一黏著層AD1以及第二黏著層AD2的厚度(如厚度T4以及厚度T5)可在1μm至100μm的範圍內(即1μm≦T4≦100μm，1μm≦T5≦100μm)。亦即，相較於厚度T1以及厚度T3，厚度T4以及厚度T5也可忽略不計。

請參照圖3，光波導元件1B與圖1的光波導元件1的主要差異說明如後。在光波導元件1B中，第二光波導WG2的材料例如包括光學膠。此外，光波導元件1B還包括多個支撐件SP，且多個支撐件SP支撐在第一光波導WG1與第三光波導WG3之間，以使第一光波導WG1與第三光波導WG3平整，降低因不平整造成全反射產生角度誤差的機率。在一些實施例中，支撐件SP可為微玻璃珠或其他合適的支撐物。

圖4示意性繪示出可實現二維擴瞳的光柵的其中一種態樣。在一些實施例中，如圖4所示，本揭露任一實施例的擴瞳光柵G2可包括第一擴瞳光柵G21以及第二擴瞳光柵G22，其中第一擴瞳光柵G21可實現方向D1上的擴瞳且可用以將來自耦入光柵G1的影像光傳遞至第二擴瞳光柵G22，而第二擴瞳光柵G22可實現方向D2上的擴瞳且可用以將來自第一擴瞳光柵G21的影像光傳遞至人眼。應理解，本揭露任一實施例的光柵除了可採用圖4所示的結構之外，也可採用其他已知的光柵。

請參照圖5，頭戴式顯示器2可包括顯示器20以及光波 導元件22。顯示器20用以提供影像光L。舉例來說，顯示器20可包括液晶顯示器(liquid crystal)、數位化光處理(Digital Light Processing，DLP)投影機、矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCoS)顯示器、雷射掃描系統或前述之任意排列組合，但不以此為限。光波導元件22設置在影像光L的傳遞路徑上。光波導元件22可採用前述任一實施例的結構，於此不再重述。

在一些實施例中，頭戴式顯示器2可採用眼鏡的型態，其中顯示器20可固定在鏡腿上，且光波導元件22可架設在鏡框中。光波導元件22除了可用以將來自顯示器20的影像光L傳遞至使用者的雙眼，還可讓環境光A穿透，而有助於實現擴增實境功能，但本揭露不以此為限。根據不同的需求，頭戴式顯示器2可採用其他型態及/或包括其他元件。

綜上所述，在本新型創作的實施例中，通過在折射率較高的兩個光波導之間設置折射率較低的光波導，可縮短不同入射角度的影像光在光波導內一次全反射的距離差，而有助於提升角度均勻度。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1:光波導元件

DT1、DT2:距離

G:光柵

G1:耦入光柵

G2:擴瞳光柵

L1、L2:影像光

P1:第一部分

P2:第二部分

P3:第三部分

P4:第四部分

T1、T2、T3:厚度

WG1:第一光波導

WG2:第二光波導

WG3:第三光波導

Claims (20)

1. 一種光波導元件，包括： 第一光波導； 第二光波導，設置在所述第一光波導上； 第三光波導，設置在所述第二光波導上；以及 光柵，設置在所述第一光波導與所述第二光波導之間， 其中所述第二光波導的折射率小於所述第一光波導的折射率以及所述第三光波導的折射率。
2. 如請求項1所述的光波導元件，其中所述第一光波導的所述折射率在1.5至2的範圍內，所述第二光波導的所述折射率在1.1至1.5的範圍內，且所述第三光波導的所述折射率在1.5至2的範圍內。
3. 如請求項1所述的光波導元件，其中所述第一光波導的厚度在0.05mm至2mm的範圍內，所述第二光波導的厚度在1μm至10μm的範圍內，所述第三光波導的厚度在0.05mm至2mm的範圍內。
4. 如請求項1所述的光波導元件，其中所述光柵包括耦入光柵以及擴瞳光柵，且所述擴瞳光柵讓從所述第二光波導入射的光穿透。
5. 如請求項1所述的光波導元件，其中所述第二光波導的材料為光學膠，且所述第二光波導完全覆蓋所述光柵。
6. 如請求項5所述的光波導元件，還包括： 多個支撐件，支撐在所述第一光波導與所述第三光波導之間。
7. 如請求項1所述的光波導元件，其中所述第二光波導的材料包括氟化鎂、氟化鈣或壓克力氟樹脂。
8. 如請求項7所述的光波導元件，還包括： 第一黏著層，設置在所述第一光波導與所述第二光波導之間；以及 第二黏著層，設置在所述第二光波導與所述第三光波導之間。
9. 如請求項8所述的光波導元件，其中所述第一黏著層以及所述第二黏著層的折射率在1.5至1.6的範圍內。
10. 如請求項8所述的光波導元件，其中所述第一黏著層以及所述第二黏著層的厚度在1μm至100μm的範圍內。
11. 一種頭戴式顯示器，包括： 顯示器，用以提供影像光；以及 光波導元件，設置在所述影像光的傳遞路徑上且包括： 第一光波導； 第二光波導，設置在所述第一光波導上； 第三光波導，設置在所述第二光波導上；以及 光柵，設置在所述第一光波導與所述第二光波導之間， 其中所述第二光波導的折射率小於所述第一光波導的折射率以及所述第三光波導的折射率。
12. 如請求項11所述的頭戴式顯示器，其中所述第一光波導的所述折射率在1.5至2的範圍內，所述第二光波導的所述折射率在1.1至1.5的範圍內，所述第三光波導的所述折射率在1.5至2的範圍內。
13. 如請求項11所述的頭戴式顯示器，其中所述第一光波導的厚度在0.05mm至2mm的範圍內，所述第二光波導的厚度在1μm至10μm的範圍內，所述第三光波導的厚度在0.05mm至2mm的範圍內。
14. 如請求項11所述的頭戴式顯示器，其中所述光柵包括耦入光柵以及擴瞳光柵，且所述擴瞳光柵讓從所述第二光波導入射的光穿透。
15. 如請求項11所述的頭戴式顯示器，其中所述第二光波導的材料為光學膠，且所述第二光波導完全覆蓋所述光柵。
16. 如請求項15所述的頭戴式顯示器，其中所述光波導元件還包括： 多個支撐件，支撐在所述第一光波導與所述第三光波導之間。
17. 如請求項11所述的頭戴式顯示器，其中所述第二光波導的材料包括氟化鎂、氟化鈣或壓克力氟樹脂。
18. 如請求項17所述的頭戴式顯示器，其中所述光波導元件還包括： 第一黏著層，設置在所述第一光波導與所述第二光波導之間；以及 第二黏著層，設置在所述第二光波導與所述第三光波導之間。
19. 如請求項18所述的頭戴式顯示器，其中所述第一黏著層以及所述第二黏著層的折射率在1.5至1.6的範圍內。
20. 如請求項18所述的頭戴式顯示器，其中所述第一黏著層以及所述第二黏著層的厚度在1μm至100μm的範圍內。

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