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CN111399221A - 波导装置及光学引擎 - Google Patents

波导装置及光学引擎 Download PDF

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CN111399221A
CN111399221A CN202010002133.8A CN202010002133A CN111399221A CN 111399221 A CN111399221 A CN 111399221A CN 202010002133 A CN202010002133 A CN 202010002133A CN 111399221 A CN111399221 A CN 111399221A
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CN
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light
diffractive optical
optical elements
waveguide
polarization
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CN202010002133.8A
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邓清龙
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Original Assignee
HTC Corp
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Abstract

一种波导装置包含两绕射式光学元件、波导元件以及两偏光单元。绕射式光学元件各具有光栅。光栅配置以使一波长的光绕射而以一绕射角传播。波导元件配置以导引光由绕射式光学元件中的一个传播至绕射式光学元件中的另一个。偏光单元分别在波导元件的相反两侧并光耦合于绕射式光学元件之间。每一偏光单元配置以反射第一偏振特性的光以及透射第二偏振特性的光。

Description

波导装置及光学引擎
技术领域
本发明涉及一种波导以及光学引擎。
背景技术
各种类型的计算、娱乐及/或移动装置可以用透明或半透明显示器来实现，且装置的使用者可以借由该显示器查看周围的环境。此类装置(可以称为透视、混合现实显示装置系统或增强现实(AR)系统)让使用者能够借由装置的透明或半透明显示器来查看周围的环境，还可以看到虚拟物件的影像(例如，文本、图形、视频等)，这些影像被生成以显示为周围环境的一部分及/或覆盖在周围环境中。这些可以实现为(但不限于)头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可穿戴显示装置的装置，通常利用光波导将影像复制到装置的使用者可以在增强现实环境中将影像作为虚拟影像查看的位置。由于这仍是新兴技术，因此使用波导向使用者显示虚拟物件的影像存在一定的挑战。
如今，已经有许多附有绕射光栅的习知波导被使用。每一波导及其上的绕射光栅被使用来传递单一色彩。如此，用于向使用者的眼睛提供投影影像的习知光学引擎通常需要多个波导来传递三原色。举例来说，在进入波导之后，不同波长的光被绕射而在波导内分别以不同绕射角传播。然而，若一特定波长的光的绕射角小于波导的临界角，则此光无法基于全反射定律在波导内反射并透射至波导外。因此，波导的效率低。
因此，提出一种可解决上述问题的光学引擎，是目前业界亟欲投入研发资源解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明之一目的在于提出一种可有效解决前述问题的波导装置以及光学引擎。
为了达到上述目的，依据本发明之一实施方式，一种波导装置包含两绕射式光学元件、波导元件以及两偏光单元。绕射式光学元件各具有光栅。光栅配置以使一波长的光绕射而以一绕射角传播。波导元件配置以导引光由绕射式光学元件中的一个传播至绕射式光学元件中的另一个。偏光单元分别在波导元件的相反两侧并光耦合于绕射式光学元件之间。每一偏光单元配置以反射第一偏振特性的光以及透射第二偏振特性的光。
于本发明的一或多个实施方式中，偏光单元在一排列方向上位于绕射式光学元件之间。
于本发明的一或多个实施方式中，绕射式光学元件分别在波导元件的相反两侧。
于本发明的一或多个实施方式中，第一偏振特性的光为P波光以及S波光中的一个，并且第二偏振特性的光为P波光以及S波光中的另一个。
于本发明的一或多个实施方式中，第一偏振特性的光为左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光中的一个，并且第二偏振特性的光为左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光中的另一个。
于本发明的一或多个实施方式中，绕射式光学元件中的至少一个为反射式全像元件。
于本发明的一或多个实施方式中，绕射式光学元件中的至少一个为透射式全像元件。
为了达到上述目的，依据本发明之一实施方式，一种光学引擎包括投影机、两绕射式光学元件、波导元件以及两偏光单元。投影机配置以投影一波长的光。绕射式光学元件各具有光栅。光栅配置以使所述波长的光绕射而以一绕射角传播。波导元件配置以导引光由绕射式光学元件中的一个传播至绕射式光学元件中的另一个。偏光单元分别在波导元件的相反两侧并光耦合于绕射式光学元件之间。每一偏光单元配置以反射第一偏振特性的光以及透射第二偏振特性的光。
于本发明的一或多个实施方式中，偏光单元在一排列方向上位于绕射式光学元件之间。
于本发明的一或多个实施方式中，绕射式光学元件分别在波导元件的相反两侧。
于本发明的一或多个实施方式中，绕射式光学元件在波导元件的相反两侧中的一个。
于本发明的一或多个实施方式中，第一偏振特性的光为P波光以及S波光中的一个，并且第二偏振特性的光为P波光以及S波光中的另一个。
于本发明的一或多个实施方式中，第一偏振特性的光为左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光中的一个，并且第二偏振特性的光为左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光中之的一个。
于本发明的一或多个实施方式中，绕射式光学元件中的至少一个为反射式全像元件。
于本发明的一或多个实施方式中，绕射式光学元件中的至少一个为透射式全像元件。
于本发明的一或多个实施方式中，光学引擎还包括偏振调整元件。偏振调整元件光耦合于投影机与绕射式光学元件中的前述者之间。
于本发明的一或多个实施方式中，光学引擎还包括移动模组。移动模组配置以可选择性地移动偏振调整元件以光耦合于投影机与绕射式光学元件中的前述者之间。
于本发明的一或多个实施方式中，偏振调整元件包括偏光片、半波片以及四分之一波片中的至少一个。
综上所述，于本发明的波导装置与光学引擎中，由于配置以反射第一偏振特性的光以及透射第二偏振特性的光的两偏光单元分别在波导元件的相反表面，因此除了原本就满足全反射定律且仍可由波导元件所导引的光之外，以小于波导元件的临界角的绕射角传播的光的一部分仍可被偏光单元控制在波导元件内。因此，波导装置的效率可获得改善。此外，本发明的波导装置与光学引擎可滤掉外在环境中的第一偏振特性的光以消除鬼影与杂讯，而且在环境中的第二偏振特性的光仍可传播至使用者的眼睛而不会影响增强现实的效果。
以上所述仅用于阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段、及其产生的功效等等，本发明的具体细节将在下文的具体实施方式及附图说明中详细介绍。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：
图1示出了根据本发明一些实施例的光学引擎的示意图。
图2示出了根据本发明一些实施例的波导装置的示意图。
图3示出了根据本发明一些实施例的波导装置的示意图。
图4A示出了根据本发明一些实施例的光学引擎的示意图。
图4B示出了图4A中所示的光学引擎的另一示意图。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示，且不同实施方式中的相同元件以相同的元件符号标示。
请参照图1。图1示出了根据本发明一些实施例的光学引擎100的示意图。如图1所示，光学引擎100可被使用于增强现实装置(图未示)中，此增强现实装置可以实现为(但不限于)头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可穿戴显示装置的装置。光学引擎100包括投影机110以及波导装置120。波导装置120包括两绕射式光学元件121a、121b以及波导元件122。绕射式光学元件121a、121b附着至波导元件122，且分别作为光输入与光输出的导光元件。换言之，由投影机110所投影的光可被输入至绕射式光学元件121a以及由绕射式光学元件121b输出，且波导元件122配置以基于全反射原理导引光由绕射式光学元件121a传播至绕射式光学元件121b。
于一些实施方式中，投影机110配置以投影红光、绿光以及蓝光，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，红光的波段是从约622nm至约642nm，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，绿光的波段是从约522nm至约542nm，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，蓝光的波段是从约455nm至约475nm，但本发明并不以此为限。于一些实施方式中，投影机110采用发光二极管以投影红光、绿光以及蓝光。在实际应用中，投影机110可采用激光二极管以较小的波段投射红光、绿光以及蓝光。
请参照图2。图2示出了根据本发明一些实施例的波导装置120的示意图。如图2所示，绕射式光学元件121a至少具有第一光栅。第一光栅例如配置以使绿光G绕射而以一范围之绕射角传播。举例来说，第一光栅配置以绕射绿光G的至少三个光线(如第2图所示)分别以绕射角Da、Db、Dc传播，其中三个光线的波长在约522nm至约542nm的范围内。若所有绕射角Da、Db、Dc大于波导元件122的临界角，则绿光G的此三个光线可基于全反射定律在波导元件122内传播，直到抵达绕射式光学元件121b。若至少绕射角Dc小于波导元件122的临界角，则以绕射角Dc传播的光线可能会透射出波导元件122而无法经由波导元件122抵达绕射式光学元件121b。为了控制以绕射角Dc传播的光线被导引至绕射式光学元件121b，波导装置120还包括两偏光单元123a、123b。偏光单元123a、123b分别在波导元件122的相反表面122a、122b并光耦合于绕射式光学元件121a、121b之间。波导元件122的相反表面122a、122b相互平行。于一些实施方式中，偏光单元123a、123b在一排列方向(例如，在第2图中平行于表面122a、122b的水平方向)上于些绕射式光学元件121a、121b之间。每一偏光单元123a、123b配置以反射第一偏振特性的光以及透射第二偏振特性的光。
于一些实施方式中，绕射式光学元件121b也可形成有第一光栅。如此，绿光G传播于波导元件122中的部分可由绕射式光学元件121b的第一光栅绕射并接着输出至波导装置120外而抵达使用者的眼睛(即图1所示的瞳孔)。
藉由前述配置，即使以小于波导元件122的临界角的绕射角Dc传播的光线可能会透射出波导元件122而无法由波导元件122导引，此光线具有第一偏振特性的部分会被偏光单元123a、123b反射直到抵达绕射式光学元件121b，而此光线具有第二偏振特性的部分会透射过偏光单元123a、123b。如此，波导装置120的效率可获得改善。此外，波导装置120可滤掉外在环境中的第一偏振特性的光以消除鬼影与杂讯，而且在环境中的第二偏振特性的光仍可传播至使用者的眼睛而不会影响增强现实的效果。
于一些实施方式中，绕射式光学元件121a还可具有第二光栅。第二光栅配置以使红光绕射而以一范围的绕射角传播。相似地，即使红光以小于波导元件122的临界角的绕射角传播的一光线可能会透射出波导元件122而无法由波导元件122导引，红光的此光线具有第一偏振特性的部分会被偏光单元123a、123b反射直到抵达绕射式光学元件121b，而红光的此光线具有第二偏振特性的部分会透射过偏光单元123a、123b。
于一些实施方式中，绕射式光学元件121b也可形成有第二光栅。如此，红光传播于波导元件122中的部分可由绕射式光学元件121b的第二光栅绕射并接着输出至波导装置120外而抵达使用者的眼睛。
于一些实施方式中，绕射式光学元件121a还可具有第三光栅。第三光栅配置以使蓝光绕射而以一范围的绕射角传播。相似地，即使蓝光以小于波导元件122的临界角的绕射角传播的一光线可能会透射出波导元件122而无法由波导元件122导引，蓝光的此光线具有第一偏振特性的部分会被偏光单元123a、123b反射直到抵达绕射式光学元件121b，而蓝光的此光线具有第二偏振特性的部分会透射过偏光单元123a、123b。
于一些实施方式中，绕射式光学元件121b也可形成有第三光栅。如此，蓝光传播于波导元件122中的部分可由绕射式光学元件121b的第三光栅绕射并接着输出至波导装置120外而抵达使用者的眼睛。
于一些实施方式中，第一光栅、第二光栅以及第三光栅为薄全像光栅。于一些实施方式中，第一光栅、第二光栅以及第三光栅为体积全像光栅。值得注意的是，根据布拉格定律，由体积全像光栅绕射的光可以一特定绕射角传播。
于一些实施方式中，根据不同的制造方法，一体积全像光栅可形成透射式全像光栅或反射式全像光栅。
于一些实施方式中，绕射式光学元件121a、121b的任一个可被制造为透射式全像元件或反射式全像元件。举例来说，如图2所示，绕射式光学元件121a、121b皆为反射式全像元件，且分别位于波导元件122的相反表面122a、122b。具体来说，绕射式光学元件121a、121b分别附着在波导元件122的相反表面122a、122b。
请参照图3。图3示出了根据本发明一些实施例的波导装置220的示意图。图3所示的实施例不同于图2所示的实施例之处，在于绕射式光学元件221a为透射式全像元件。换句话说，绕射式光学元件221a、121b在波导元件122的同一侧。具体来说，绕射式光学元件221a、121b附着至波导元件122的同一表面122a。
于一些实施方式中，如图2所示，波导元件122具有长方体的形状。换言之，波导元件122的表面122a、122b相互平行，但本发明并不以此为限。
如图1所示，光学引擎100还包括分光模组130。分光模组130光耦合于投影机110与绕射式光学元件121a之间。分光模组130配置以将投影机110所投影之影像在一维度中扩展，从而进一步增加输出于波导装置120外之影像的视角。此外，藉由使用分光模组130，投影机110的光出口可被设计成小光圈，以避免光学引擎100的整体体积太大。于一些实施方式中，分光模组130包含多个分光器131。分光器131沿着前述维度远离投影机110排列。换言之，每一分光器131光耦合于投影机110与绕射式光学元件121a的一部分之间。
于一些实施方式中，投影机110可以是远心系统或非远心系统。
于一些实施方式中，第一偏振特性的光为P波光，并且第二偏振特性的光为S波光。举例来说，投影机110所投射的光可以为P波光，则可采用配置以反射投影机110所投射的P波光的偏光单元123a、123b。于一些实施方式中，投影机110可包括习知的面板模组或LCOS(Liquid Crystal on Silicon)模组。
于另一个例子中，投影机110所投射的光可以包含P波光与S波光，则可采用配置以反射投影机110所投射的P波光且透射投影机110所投射的S波光的偏光单元123a、123b。于一些实施方式中，投影机110可包括DLP(Digital Light Processing)模组。
请参照图4A以及图4B。图4A示出了根据本发明一些实施例的光学引擎300的示意图。图4B示出了图4A中所示的光学引擎300的另一示意图。相较于图1所示的实施例的光学引擎100，图4A与图4B所示的实施例的光学引擎300还包括偏振调整元件340。偏振调整元件340光耦合于投影机110与绕射式光学元件121a(经由分光模组130)之间。
于一些实施方式中，配置以反射P波光且透射S波光的偏光单元123a、123b被采用，且投影机110所投射的光包含P波光与S波光。换言之，第一偏振特性的光为P波光，并且第二偏振特性的光为S波光。在此情况之下，可使用偏光片作为偏振调整元件340以滤掉投影机110所投射的S波光，并允许投影机110所投射的P波光通过。
于一些实施方式中，配置以反射S波光且透射P波光的偏光单元123a、123b被采用，且投影机110所投射的光包含P波光与S波光。换言之，第一偏振特性的光为S波光，并且第二偏振特性的光为P波光。在此情况之下，可使用偏光片作为偏振调整元件340以滤掉投影机110所投射的P波光，并允许投影机110所投射的S波光通过。
于一些实施方式中，配置以反射S波光且透射P波光的偏光单元123a、123b被采用，且投影机110所投射的光包含P波光。换言之，第一偏振特性的光为S波光，并且第二偏振特性的光为P波光。在此情况之下，可使用半波片作为偏振调整元件340以将投影机110所投射的P波光转换成S波光。
于一些实施方式中，配置以反射右旋圆偏振光且透射左旋圆偏振光的偏光单元123a、123b被采用，且投影机110所投射的光包含P波光。在此情况之下，可使用四分之一波片作为偏振调整元件340以将投影机110所投射的P波光转换成右旋圆偏振光。于一些其他实施方式中，配置以反射左旋圆偏振光且透射右旋圆偏振光的偏光单元123a、123b被采用，且投影机110所投射的光包含P波光。在此情况之下，可使用四分之一波片作为偏振调整元件340以将投影机110所投射的P波光转换成左旋圆偏振光。
如图4A与图4B所示，光学引擎300还包括移动模组350。移动模组350配置以可选择性地移动偏振调整元件340以光耦合于投影机110与绕射式光学元件121a之间。如前所述，偏振调整元件340可包括偏光片、半波片以及四分之一波片中的至少一个。如此，可选择性地使用偏振调整元件340根据实际需求调整投影机110所投射的光的偏振。
于一些实施方式中，波导元件122可由具有约1.4至约2.2的折射率的材料所制成。于一些实施方式中，波导元件122的材料可包括玻璃、塑胶或透明高分子。
由以上对于本发明的具体实施方式的详述，可以明显地看出，在本发明的波导装置与光学引擎中，由于配置以反射第一偏振特性光以及透射第二偏振特性光的两偏光单元分别在波导元件的相反表面，因此除了原本就满足全反射定律且仍可由波导元件所导引的光之外，以小于波导元件的临界角的绕射角传播的光的一部分仍可被偏光单元控制在波导元件内。因此，波导装置的效率可获得改善。此外，本发明的波导装置与光学引擎可滤掉外在环境中的第一偏振特性的光以消除鬼影与杂讯，而且在环境中的第二偏振特性的光仍可传播至使用者的眼睛而不会影响增强现实的效果。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并不用以限定本发明，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的修改与改进，因此本发明的保护范围以后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种波导装置，其特征在于，包括：
两绕射式光学元件，各具有一光栅，该光栅配置以使一波长的光绕射而以一绕射角传播；
一波导元件，配置以导引光由所述绕射式光学元件中的一个传播至所述绕射式光学元件中的另一个；和
两偏光单元，分别在该波导元件的相反两侧并光耦合于所述绕射式光学元件之间，其中每一所述偏光单元配置以反射一第一偏振特性的光以及透射一第二偏振特性的光。
2.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述偏光单元在一排列方向上位于所述绕射式光学元件之间。
3.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述绕射式光学元件分别在该波导元件的该相反两侧。
4.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述第一偏振特性的光为P波光以及S波光中的一个，并且所述第二偏振特性的光为所述P波光以及所述S波光中的另一个。
5.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述第一偏振特性的光为左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光中的一个，并且所述第二偏振特性的光为所述左旋圆偏振光以及所述右旋圆偏振光中的另一个。
6.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述绕射式光学元件中的至少一个为一反射式全像元件。
7.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述绕射式光学元件中的至少一个为一透射式全像元件。
8.一种光学引擎，其特征在于，包括：
一投影机，配置以投影一波长的光；
两绕射式光学元件，各具有一光栅，所述光栅配置以使所述波长的光绕射而以一绕射角传播；
一波导元件，配置以导引光由所述绕射式光学元件中的一个传播至所述绕射式光学元件中的另一个；和
两偏光单元，分别在所述波导元件的相反两侧并光耦合于所述绕射式光学元件之间，其中每一所述偏光单元配置以反射一第一偏振特性的光以及透射一第二偏振特性的光。
9.根据权利要求8所述的光学引擎，其中所述偏光单元在一排列方向上位于所述绕射式光学元件之间。
10.根据权利要求8所述的光学引擎，其中所述绕射式光学元件分别在所述波导元件的该相反两侧。
11.根据权利要求8所述的光学引擎，其中所述绕射式光学元件在所述波导元件的该相反两侧中的一个。
12.根据权利要求8所述的光学引擎，其中所述第一偏振特性的光为P波光以及S波光中的一个，并且所述第二偏振特性的光为所述P波光以及所述S波光中的另一个。
13.根据权利要求8所述的光学引擎，其中所述第一偏振特性的光为左旋圆偏振光以及右旋圆偏振光中的一个，并且所述第二偏振特性的光为所述左旋圆偏振光以及所述右旋圆偏振光中的另一个。
14.根据权利要求8所述的光学引擎，其中所述绕射式光学元件中的至少一个为一反射式全像元件。
15.根据权利要求8所述的光学引擎，其中所述绕射式光学元件中的至少一个为一透射式全像元件。
16.根据权利要求8所述的光学引擎，还包括一偏振调整元件，光耦合于所述投影机与所述绕射式光学元件中的一个之间。
17.根据权利要求16所述的光学引擎，还包括一移动模组，配置以可选择性地移动所述偏振调整元件以光耦合于所述投影机与所述绕射式光学元件中的所述一个之间。
18.根据权利要求16所述的光学引擎，其中所述偏振调整元件包括一偏光片、一半波片以及一四分之一波片中的至少一个。
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