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TWI574046B - 光學模組以及頭戴式顯示裝置 - Google Patents

光學模組以及頭戴式顯示裝置 Download PDF

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TWI574046B
TWI574046B TW104132142A TW104132142A TWI574046B TW I574046 B TWI574046 B TW I574046B TW 104132142 A TW104132142 A TW 104132142A TW 104132142 A TW104132142 A TW 104132142A TW I574046 B TWI574046 B TW I574046B
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light
intersection
optical waveguide
light incident
orthographic projection
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蔡志賢
潘浩煒
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中強光電股份有限公司
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Description

光學模組以及頭戴式顯示裝置
本發明是有關於一種光學模組以及頭戴式顯示裝置，且特別是有關於一種具有光波導的光學模組以及頭戴式顯示裝置。
隨著顯示技術的進步及人們對於高科技的渴望，虛擬實境(virtual reality)與擴充實境(augmented reality)的技術已漸趨成熟，其中頭戴式頭戴式顯示裝置(Head Mounted Display, HMD)因可實現此技術而逐漸在顯示領域嶄露頭角。
圖1A是習知的一種頭戴式顯示裝置的示意圖。圖1B是圖1A中區域AA的放大示意圖。請參照圖1A及圖1B，頭戴式顯示裝置10包括光波導12、多個分光片14、反射鏡16以及顯示裝置18。分光片14以及反射鏡16位於光波導12中。反射鏡16適於將來自顯示裝置18的影像光束IB傳遞至分光片14，而分光片14適於將影像光束IB傳遞至使用者的眼睛E。影像光束IB在光波導12內傳遞時，部分的影像光束IB(如影像光束IBB)可能因行進路徑的變異，而產生與正常出射光線IB1角度對稱的雜散光(Stray light)IB2，導致使用者除了觀看到正常影像外，還會看見與正常影像對稱的鬼影。如圖1B所示，入射反射鏡16的部分影像光束IBB會因在反射鏡16發生二次反射(圖1B中以圓圈標示之第二次反射的位置)而偏離正常之影像光束IBA的行進路徑，以致後續形成雜散光IB2，而對顯示品質造成負面影響。是以，如何降低雜散光的比例，已成為相關領域技術發展的重要課題之一。
“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的先前技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，也不代表在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種光學模組，其可有效降低光波導內產生的雜散光的比例。
本發明提供一種頭戴式顯示裝置，其具有良好的顯示品質。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種光學模組，其包括光波導、至少一分光片以及光源。光波導具有第一面、第二面以及入光面。第一面與第二面彼此平行。入光面與第一面以及第二面連接，其中入光面與第一面所夾的內角為θ，第一面與第二面的距離為T，且光波導的折射率為n。至少一分光片設置於光波導中，且各分光片與第一面以及第二面連接，其中各分光片與第一面在垂直於第一面的參考平面上具有第一交點，且入光面與第二面在參考平面上具有第二交點。第二交點在第一面上具有第一正投影。第一正投影與最靠近入光面的第一交點的距離為H。光源配置於入光面旁且適於提供光束。光束自入光面進入光波導。光束在入光面的入射角為a，且符合 。
在本發明的一實施例中， 。
在本發明的一實施例中，上述的光束由入光面的法平面靠近第一面的一側射入入光面。
在本發明的一實施例中，上述的各分光片與第二面在參考平面上具有第三交點。第三交點在第一面上具有第二正投影。各第二正投影位於對應的第一交點以及第一正投影之間，且光束從第一面射出光波導。
在本發明的一實施例中，上述的各分光片與第二面在參考平面上具有第三交點。第三交點在第一面上具有第二正投影。各第一交點位於對應的第二正投影以及第一正投影之間，且光束從第二面射出光波導。
在本發明的一實施例中，上述的光源為影像光源，且光束為影像光束。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種頭戴式顯示裝置，其包括光波導、至少一分光片以及顯示裝置。光波導具有第一面、第二面以及入光面。第一面與第二面彼此平行。入光面與第一面以及第二面連接，其中入光面與第一面所夾的內角為θ，第一面與第二面的距離為T，且光波導的折射率為n。分光片設置於光波導中，且各分光片與第一面以及第二面連接，其中各分光片與第一面在垂直於第一面的參考平面上具有第一交點，且入光面與第二面在參考平面上具有第二交點。第二交點在第一面上具有第一正投影。第一正投影與最靠近入光面的第一交點的距離為H。顯示裝置配置於入光面旁且適於提供影像光束。影像光束自入光面進入光波導。影像光束在入光面的入射角為a，且符合 。
在本發明的一實施例中， 。
在本發明的一實施例中，上述的影像光束由入光面的法平面靠近第一面的一側射入入光面。
在本發明的一實施例中，上述的各分光片與第二面在參考平面上具有第三交點。第三交點在第一面上具有第二正投影。各第二正投影位於對應的第一交點以及第一正投影之間，且影像光束從第一面射出光波導。
在本發明的一實施例中，上述的各分光片與第二面在參考平面上具有第三交點。第三交點在第一面上具有第二正投影。各第一交點位於對應的第二正投影以及第一正投影之間，且影像光束從第二面射出光波導。
基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的光學模組以及頭戴式顯示裝置中，光波導具有可讓光束或影像光束穿透且相對第一面以及第二面傾斜的入光面。光束或影像光束自入光面進入光波導後，朝分光片傳遞。因此，本發明的光學模組以及頭戴式顯示裝置可以不用在光波導中設置用以將光束或影像光束導引至分光片的反射鏡。藉此設計，可避免光束或影像光束因照射到反射鏡的端部而造成行進路徑的改變，從而有助於降低光波導內產生的雜散光的生成。另外，透過 的設計，可確保進入光波導的光束或影像光束至少經過一次全反射後才傳遞至最靠近入光面的分光片(以下簡稱第一分光片)，從而可避免光束或影像光束在不經全反射的情況下直接射到第一分光片所產生之雜散光。因此，本發明的光學模組可有效降低光波導內產生的雜散光的比例，且頭戴式顯示裝置可具有良好的顯示品質。
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。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖2是依照本發明的第一實施例的一種光學模組的上視示意圖。請參照圖2，光學模組100包括光波導110、至少一分光片120以及光源130。圖2示意性繪示出兩個分光片120，但分光片120的數量不以此為限。
光波導110具有第一面S1、第二面S2以及入光面S3。第一面S1與第二面S2彼此平行。入光面S3與第一面S1以及第二面S2連接。入光面S3可讓光穿透且相對第一面S1以及第二面S2傾斜，其中入光面S3與第一面S1所夾的內角為θ，內角θ大於0度且小於90°。
至少一分光片120設置於光波導110中（圖2示意性地繪示為2個，但不以此為限），且各分光片120與第一面S1以及第二面S2連接。各分光片120與第一面S1在垂直於第一面S1的參考平面R上具有第一交點X1，且入光面S3與第二面S2在參考平面R上具有第二交點X2。第二交點X2在第一面S1上具有第一正投影P1。第一正投影P1與最靠近入光面S3的第一交點X1的距離為H。
在本實施例中，各分光片120與第二面S2在參考平面R上具有第三交點X3。第三交點X3在第一面S1上具有第二正投影P2。各第二正投影P2位於對應的第一交點X1以及第一正投影P1之間，但不以此為限。
光源130配置於入光面S3旁且適於提供光束B。舉例而言，當光學模組100應用於頭戴式顯示裝置時，光源130可為影像光源，且光束B可為影像光束。所述影像光源可以是數位微鏡元件(Digital Micro-mirror Device, DMD)、微型液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)、矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)微型顯示器或其他種類的微型顯示器。
光束B自入光面S3進入光波導110。由於入光面S3相對第一面S1以及第二面S2傾斜，光束B自入光面S3進入光波導110後，即朝分光片120傳遞，且可藉由分光片120的部分反射而從第一面S1射出光波導110，傳遞至使用者的眼睛E。由於光學模組100可以不需要在光波導110中設置用以將光束B導引至分光片120的反射鏡，因此可避免光束B因照射到反射鏡的端部而造成行進路徑的改變，從而有助於降低光波導110內雜散光的生成。
光束B在入光面S3的入射角為a。為確保光束B順利從入光面S3進入光波導110，入射角a≧0。本實施例中a＞0的情形是指光束B由入光面S3的法平面SP靠近第一面S1的一側射入入光面S3，且a=0的情形是指光束B沿法平面SP垂直射入入光面S3。此外，為確保光束B在進入光波導110後，可藉由全反射的方式傳遞至分光片120，入光面S3與第一面S1所夾的內角θ須滿足 ，其中n為光波導110的折射率。在本實施例中，光波導110的適用材質滿足1.4≦n≦1.9，但不以此為限。另外，為避免射入入光面S3的光束B在不經全反射的情況下直接射到第一分光片(最靠近入光面S3的分光片120)而產生雜散光，須滿足 ，其中T為第一面S1與第二面S2的距離，以確保進入光波導110的光束B至少經過一次全反射後才傳遞第一分光片。如此，光學模組100可有效降低光波導110內雜散光的生成比例。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種光學模組的上視示意圖。請參照圖3，光學模組200相似於圖2的光學模組100，且相同或相似的元件以相同的標號表示，於此不再贅述。光學模組200與光學模組100的主要差異在於，各第一交點X1位於對應的第二正投影P2以及第一正投影P1之間，且光束B從第二面S2射出光波導110A。
圖4示出本發明實施例之光學模組與習知光學模組在不同入射角下模擬出來的雜散光比例，其中習知光學模組藉由反射鏡將光束導引至分光片。細實線L1代表習知光學模組在不同入射角下模擬出來的雜散光比例。隨著入射角度的增加，習知光學模組的雜散光比例有逐步攀升的趨勢。粗實線L2代表本發明實施例之光學模組在不同入射角下模擬出來的雜散光比例。相較之下，本發明實施例之光學模組可將雜散光比例有效地抑制在10%以內。換句話說，相較於習知的光學模組，本發明實施例之光學模組透過入光面相對第一面以及第二面傾斜的設計以及符合 之關係式，可有效降低光波導內雜散光的生成比例。
圖5是依照本發明的一實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖。請參照圖5，頭戴式顯示裝置300大致相似於圖2的光學模組100，相同或相似的元件以相同的標號表示，於此不再贅述。顯示裝置330例如是投影光學系統，適於提供影像光束IB。
在頭戴式顯示裝置300中，光波導110具有相對第一面S1以及第二面S2傾斜的入光面S3。影像光束IB自入光面S3進入光波導110後，即朝分光片120傳遞。因此，頭戴式顯示裝置300可以不用在光波導110中設置用以將影像光束IB導引至分光片120的反射鏡。藉此設計，可避免影像光束IB因照射到反射鏡的端部而造成行進路徑的改變，從而有助於降低光波導110內雜散光的生成。另外，由於頭戴式顯示裝置300符合 的設計(各符號說明請參見圖2對應之描述)，可確保進入光波導110的影像光束IB至少經過一次全反射後才傳遞至第一分光片(即最靠近入光面的分光片120)，從而可降低影像光束IB在不經全反射的情況下直接射到第一分光片所產生之雜散光。因此，頭戴式顯示裝置300可具有良好的顯示品質。
應說明的是，圖5僅示意性繪示出頭戴式顯示裝置300中的其中一種型態，但不以此為限。在其他實施例中，頭戴式顯示裝置300中的光波導110亦可替換成圖3中的光波導110A。此外，頭戴式顯示裝置300可進一步包括其他元件，例如可包括固定裝置FX，以將光波導110及顯示裝置330固定於使用者的眼睛E前。固定裝置FX可以是一副眼鏡，但不以此為限。光波導110可固定於固定裝置FX的其中一鏡片LS的外側或是嵌於鏡片LS中。當光波導110為嵌於鏡片LS的情形時，鏡片LS對應形成容納光波導110的開口O。鏡片LS可以是任何種類的鏡片，例如處方鏡片(即帶有度數的鏡片)或是太陽眼鏡(綠光鏡片)等，鏡片LS亦可以是由玻璃、樹脂或其他適當的材質所構成，本發明對此不加以限制。
綜上所述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的光學模組以及頭戴式顯示裝置中，光波導具有相對第一面以及第二面傾斜的入光面。光束或影像光束自入光面進入光波導後，即朝分光片傳遞。因此，本發明的光學模組以及頭戴式顯示裝置可以不用在光波導中設置用以將光束或影像光束導引至分光片的反射鏡。藉此設計，可避免光束或影像光束因照射到反射鏡的端部而造成行進路徑的改變，從而有助於降低光波導內雜散光的生成。另外，光學模組符合 的設計，可確保進入光波導的光束或影像光束至少經過一次全反射後才傳遞至第一分光片(即最靠近入光面的分光片)，從而可避免光束或影像光束在不經全反射的情況下直接射到第一分光片所產生之雜散光。因此，本發明的光學模組可有效降低光波導內產生雜散光的比例，且頭戴式顯示裝置可具有良好的顯示品質。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱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。
10、300‧‧‧頭戴式顯示裝置
12、110、110A‧‧‧光波導
14、120‧‧‧分光片
16‧‧‧反射鏡
18、330‧‧‧顯示裝置
100、200‧‧‧光學模組
130‧‧‧光源
a‧‧‧入射角
AA‧‧‧區域
B‧‧‧光束
E‧‧‧使用者的眼睛
FX‧‧‧固定裝置
H、T‧‧‧距離
IB、IBA、IBB‧‧‧影像光束
IB1‧‧‧正常出射光線
IB2‧‧‧雜散光
L1‧‧‧細實線
L2‧‧‧粗實線
LS‧‧‧鏡片
O‧‧‧開口
P1‧‧‧第一正投影
P2‧‧‧第二正投影
R‧‧‧參考平面
S1‧‧‧第一面
S2‧‧‧第二面
S3‧‧‧入光面
SP‧‧‧入光面的法平面
X1‧‧‧第一交點
X2‧‧‧第二交點
X3‧‧‧第三交點
θ‧‧‧內角
圖1A是習知的一種頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖1B是圖1A中區域AA的放大示意圖。 圖2是依照本發明的第一實施例的一種光學模組的上視示意圖。 圖3是依照本發明的第二實施例的一種光學模組的上視示意圖。 圖4示出本發明實施例之光學模組與比較例之光學模組在不同入射角下模擬出來的雜散光比例。 圖5是依照本發明的一實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖。
100‧‧‧光學模組
110‧‧‧光波導
120‧‧‧分光片
130‧‧‧光源
a‧‧‧入射角
B‧‧‧光束
E‧‧‧使用者的眼睛
H、T‧‧‧距離
P1‧‧‧第一正投影
P2‧‧‧第二正投影
R‧‧‧參考平面
S1‧‧‧第一面
S2‧‧‧第二面
S3‧‧‧入光面
SP‧‧‧入光面的法平面
X1‧‧‧第一交點
X2‧‧‧第二交點
X3‧‧‧第三交點
θ‧‧‧內角

Claims (11)

  1. 一種光學模組，包括： 一光波導，具有一第一面、一第二面以及一入光面，該第一面與該第二面彼此平行，該入光面與該第一面以及該第二面連接，其中該入光面與該第一面所夾的內角為θ，該第一面與該第二面的距離為T，且該光波導的折射率為n； 至少一分光片，設置於該光波導中且各該分光片與該第一面以及該第二面連接，其中各該分光片與該第一面在垂直於該第一面的一參考平面上具有一第一交點，且該入光面與該第二面在該參考平面上具有一第二交點，該第二交點在該第一面上具有一第一正投影，該第一正投影與最靠近該入光面的第一交點的距離為H；以及 一光源，配置於該入光面旁且適於提供一光束，該光束自該入光面進入該光波導，該光束在該入光面的入射角為a，且符合 。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，其中 。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，其中該光束由該入光面的一法平面靠近該第一面的一側射入該入光面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，其中各該分光片與該第二面在該參考平面上具有一第三交點，該第三交點在該第一面上具有一第二正投影，各該第二正投影位於對應的第一交點以及該第一正投影之間，且該光束從該第一面射出該光波導。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，其中各該分光片與該第二面在該參考平面上具有一第三交點，該第三交點在該第一面上具有一第二正投影，各該第一交點位於對應的第二正投影以及該第一正投影之間，且該光束從該第二面射出該光波導。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光學模組，其中該光源為一影像光源，且該光束為一影像光束。
  7. 一種頭戴式顯示裝置，包括： 一光波導，具有一第一面、一第二面以及一入光面，該第一面與該第二面彼此平行，該入光面與該第一面以及該第二面連接，其中該入光面與該第一面所夾的內角為θ，該第一面與該第二面的距離為T，且該光波導的折射率為n； 至少一分光片，設置於該光波導中且各該分光片與該第一面以及該第二面連接，其中各該分光片與該第一面在垂直於該第一面的一參考平面上具有一第一交點，且該入光面與該第二面在該參考平面上具有一第二交點，該第二交點在該第一面上具有一第一正投影，該第一正投影與最靠近該入光面的第一交點的距離為H；以及 一顯示裝置，配置於該入光面旁且適於提供一影像光束，該影像光束自該入光面進入該光波導，該影像光束在該入光面的入射角為a，且符合 。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示裝置，其中 。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示裝置，其中該影像光束由該入光面的一法平面靠近該第一面的一側射入該入光面。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示裝置，其中各該分光片與該第二面在該參考平面上具有一第三交點，該第三交點在該第一面上具有一第二正投影，各該第二正投影位於對應的第一交點以及該第一正投影之間，且該影像光束從該第一面射出該光波導。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示裝置，其中各該分光片與該第二面在該參考平面上具有一第三交點，該第三交點在該第一面上具有一第二正投影，各該第一交點位於對應的第二正投影以及該第一正投影之間，且該影像光束從該第二面射出該光波導。
TW104132142A 2015-09-30 2015-09-30 光學模組以及頭戴式顯示裝置 TWI574046B (zh)

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