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TWI750411B - 使用於一擴增實境或虛擬實境裝置之光學裝置 - Google Patents

使用於一擴增實境或虛擬實境裝置之光學裝置 Download PDF

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TWI750411B
TWI750411B TW107131225A TW107131225A TWI750411B TW I750411 B TWI750411 B TW I750411B TW 107131225 A TW107131225 A TW 107131225A TW 107131225 A TW107131225 A TW 107131225A TW I750411 B TWI750411 B TW I750411B
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英國商波動光學有限公司
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Abstract

本發明揭示一種用於一擴增實境或虛擬實境裝置之光學裝置或顯示器。該顯示器包括一波導(2)、一輸出元件(4)及複數個輸入繞射光柵(6、8、10、12)。藉由該等輸入光柵(6、8、10、12)繞射來自複數個投影儀(16、18、20、22)之光，使得光藉由全內反射耦合至該波導(2)中。相對於一y軸，該等輸入光柵(6、8、10、12)相對於該輸出元件(4)以一交錯構形提供。每個輸入光柵鄰近於距該輸出元件(4)具有一不同分離距離之另一輸入光柵。此可改良來自該輸出元件(4)之照明之均勻性。

Description

使用於一擴增實境或虛擬實境裝置之光學裝置
本發明係關於一種用於擴增實境或虛擬實境裝置之光學裝置。詳言之，本發明係關於一種用於擴增實境裝置之寬螢幕顯示器，諸如平視顯示器。
在擴增實境裝置中，在使用者眼睛前方提供透明波導。光投影儀將光朝向波導發射。可藉由輸入繞射光柵將光耦合至波導中。光接著藉由全內反射在波導內傳播且輸出繞射光柵使光耦合出波導且朝向查看者耦合。在使用時，查看者可看到來自外部環境之光、透射通過透明波導之光，以及自投影儀投影之光。此可提供擴增實境體驗。此等裝置在包括工業及汽車之廣泛多種應用中可用於平視顯示器中。
WO2016/020643描述用於在擴增實境顯示器中在兩個維度上擴展輸入光之光學裝置。在此配置中，輸入繞射光學元件經構形以將輸入光耦合至波導中且兩個繞射光學元件在波導中或波導上彼此疊加。疊加的繞射光學元件中之每一者中之線條相對於來自輸入繞射光柵之射線對稱地成角度。疊加的繞射光學元件中之每一者可自輸入繞射光學元件接收光且將其朝向繞射光學元件對中接著可充當輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合，從而使光耦合出波導朝向查看者。以此方式，光學裝置可在使光耦合出波導使得使用者可查看到光的同時實現輸入光源之二維擴展。
在寬螢幕擴增實境顯示器中將需要使用WO2016/020643中所描述之技術。開發此類顯示器之一個挑戰為確保可均勻地提供出耦次序。本發明之目標為提供解決此挑戰之配置。
根據本發明之一態樣，提供有一種用於擴增實境或虛擬實境裝置之光學裝置或顯示器，包含：波導；複數個輸入繞射光學元件，其經構形以將光耦合至波導中；輸出元件，其經構形以在第一軸之方向上自該複數個輸入繞射光學元件接收光，其中該輸出元件包括在波導中或波導上彼此疊加之兩個繞射光學元件，其中兩個繞射光學元件中之每一者經構形以自輸入繞射光學元件接收光且將光朝向接著可充當輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合，從而提供朝向查看者之出耦次序；其中該複數個輸入繞射光學元件相對於第一軸提供於至少兩個各別位置處。
以此方式，來自各別輸入繞射光學元件之光可在相對於第一軸之不同位置處遇到輸出元件。此可有利地改良可提供朝向查看者之出耦次序之均勻性。較佳地，對於來自第一輸入繞射光學元件之光，出耦次序與來自第二輸入繞射光學元件之光之出耦次序並不一致。
較佳地，第一與第二分離距離在輸出元件與各別輸入繞射光學元件之間提供於第一軸上。以此方式，間隙可提供於輸入繞射光學元件與輸出元件之間。以此方式，來自輸入繞射光學元件之光可在輸入繞射光學元件與輸出元件之間在波導中全部在內部反射。可設想第一或第二分離距離在一些實施例中可為零。在另一配置中，第一與第二分離距離中之一者約等於波導中之全內反射週期。
該複數個輸入繞射光學元件可以交錯構形提供，使得鄰近的輸入繞射光學元件相對於第一軸提供在第一與第二位置中。在一些配置中，因此，可沿著波導之寬度針對輸入繞射光學元件依序提供第一與第二分離距離。有利地，此可允許自第一輸入繞射光學元件形成之出耦次序之間的間隙由自鄰近的輸入繞射光學元件形成之出耦次序填充。在一些實施例中，輸入繞射光學元件可存在多於兩個分離距離。
較佳地，光經組態以藉由波導中之全內反射自該複數個輸入繞射光學元件朝向輸出元件行進，且可提供全內反射週期。相對於第一軸之至少兩個各別位置之間的差較佳地不同於全內反射週期。因此，可在來自各別輸入繞射光學元件之光之出耦次序之間建立相位差。此可有利地改良輸出元件中之出耦次序之均勻性。
相對於第一軸之至少兩個各別位置之間的差可大致為全內反射週期之一半。以此方式，可在輸出元件中提供實質上彼此不同相之出耦次序。
全內反射週期可與波導之厚度以及藉由輸入繞射光學元件繞射光之角度相關。此亦可與光提供至輸入繞射光學元件之角度相關。
輸出元件中之兩個疊加的繞射光學元件可在不同平面中提供在波導中或波導上。兩個疊加的繞射光學元件可提供於波導之相對表面上。兩個疊加的繞射光學元件可在波導中提供在實質上同一平面中。
在較佳配置中，兩個疊加的繞射光學元件可提供在光子晶體中。
圖1至圖3展示顯示器或光學裝置，包含波導2，輸出元件4及複數個輸入繞射光柵6、8、10、12。波導2具有第一表面3及第二表面5。在此實例中，輸入繞射光柵6、8、10、12提供於第一表面3上。複數個投影儀16、18、20、22沿著z軸將光提供至輸入光柵6、8、10、12，參看笛卡爾參考框架。在y軸方向上藉由輸入光柵6、8、10、12繞射來自投影儀16、18、20、22之光，使得藉由全內反射將光耦合至波導2中。藉由全內反射使來自輸入光柵6、8、10、12之光在波導2內行進直至其遇到輸出元件4為止。
輸出元件4包含在波導2中或上彼此疊加之兩個繞射光學元件。疊加的繞射光學元件中之每一者之線條相對於y軸及來自各別輸入光柵6、8、10、12之射線對稱地成角度。疊加的繞射光學元件中之每一者可自輸入光柵接收光且將其朝向繞射光學元件對中接著可充當輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合，從而使光朝向查看者耦合出波導。以此方式，且如WO2016/020643中所解釋，輸出元件4可在使光耦合出波導2使得使用者可查看到光的同時實現輸入光源之二維擴展。
可在與輸出元件4進行第一相互作用時繞射或透射光。因此，自每個輸入光柵6、8、10、12接收到的一定比例之光繼續在波導2內全部在內部反射，直至該光與輸出元件4之繞射結構進行下一相互作用為止。此情形自圖2顯而易見，圖2展示透射分量在波導2中藉由全內反射之傳播。
在圖2中，展示射線，就像輸出元件4之繞射結構位於波導2之第一表面3上一樣。此為可能的，但繞射結構亦可位於第二表面5上。在另一配置中，詳言之在光子晶體之狀況下，繞射結構可提供在波導2之內部中。
相對於y軸，輸入光柵6、8、10、12相對於輸出元件4以交錯構形提供。第一輸入光柵6在y軸方向上與輸出元件4相隔第一距離d1 。第二輸入光柵8在y軸方向上與輸出元件4相隔第二距離d2 。第一與第二距離繼而跨越波導2之寬度用於輸入光柵。因此，每個輸入光柵鄰近於距輸出元件4具有不同分離距離之另一輸入光柵。
波導之第一表面3上來自輸入光柵中之一者之繞射射線藉由波導2之第二表面5反射，且接著朝向第一表面3行進返回。全內反射週期p可經界定為在射線與第一表面3或第二表面5相互作用的連續點之間沿著y軸之距離。週期p與波導2之厚度t相關。週期p亦與射線自輸入光柵6、8、10、12繞射之角度相關。
第一與第二差異之間的差d2 - d1 選擇為全內反射週期之一半p/2。以此方式，可提供彼此不同相的源於鄰近的輸入光柵的自射線之出耦次序。由於在波導之第一表面3處的來自第一輸入光柵6之射線與在第二表面5處的來自第二輸入光柵8之射線在y軸上處於同一點(且反之亦然)而達成此情形。
光在遇到輸出元件4時在x-y平面中擴展，且射線在z軸上朝向查看者耦合出輸出元件4。在y軸上將光自輸入光柵6、8、10、12朝向輸出元件4引導。將射線自與輸出元件4之初始接觸點以v形錐體扇出。如WO2016/020643中所解釋，在每個相互作用點處，射線可朝向查看者繞射或耦合出波導2。圖1為展示呈源於第一輸入光柵6與第二輸入光柵8中之v形錐體的射線耦合出波導2之點之示意圖。當考慮源於第一各別輸入光柵6與第二各別輸入光柵8之射線時，在各位置提供彼此不同相之出耦次序。因此，在v形錐體相交時，源於第一輸入光柵6之出耦次序之間隙可由源於第二輸入光柵8之出耦次序填充。有利地，此可改良來自輸出元件4之照明之均勻性。輸出元件4可用於寬螢幕擴增實境顯示器，諸如平視顯示器中。
2‧‧‧波導3‧‧‧第一表面4‧‧‧輸出元件5‧‧‧第二表面6‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵/第一輸入光柵8‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵/第二輸入光柵10‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵12‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵16‧‧‧投影儀18‧‧‧投影儀20‧‧‧投影儀22‧‧‧投影儀d1‧‧‧第一距離d2‧‧‧第二距離p‧‧‧全內反射週期t‧‧‧厚度
現參考圖式藉助於實例描述本發明之實施例，其中： 圖1為在本發明之實施例中之顯示器或光學裝置之示意性平面視圖； 圖2為圖1中所示之顯示器之側視圖；以及 圖3為圖1中所示之顯示器之端視圖。
2‧‧‧波導
4‧‧‧輸出元件
6‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵/第一輸入光柵
8‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵/第二輸入光柵
10‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵
12‧‧‧輸入繞射光柵/輸入光柵
d1‧‧‧第一距離
d2‧‧‧第二距離

Claims (8)

  1. 一種用於一擴增實境或虛擬實境裝置之光學裝置，包含：一波導；複數個輸入繞射光學元件，其經構形以將光耦合至該波導中；一輸出元件，其經構形以在一第一軸之方向上自該複數個輸入繞射光學元件接收光，其中該輸出元件包括在該波導中或在該波導上彼此疊加之兩個繞射光學元件，其中該等兩個繞射光學元件中之每一者經構形以自該輸入繞射光學元件接收光且將光朝向接著充當一輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合，從而提供朝向一查看者之出耦次序；其中該複數個輸入繞射光學元件沿著該第一軸提供於至少兩個彼此相異之各別位置處，使得第一分離距離與第二分離距離在該輸出元件與各別輸入繞射光學元件之間提供於該第一軸的方向上。
  2. 如請求項1之光學裝置，其中該複數個輸入繞射光學元件以一交錯構形提供，使得鄰近的輸入繞射光學元件沿著該第一軸提供在第一與第二位置中。
  3. 如請求項1或請求項2之光學裝置，其中光經組態以藉由該波導中之全內反射自該複數個輸入繞射光學元件朝向該輸出元件行進，且提供一全內反射週期，且其中沿著該第一軸之該等至少兩個各別位置之間的差不同於該全內反射週期。
  4. 如請求項3之光學裝置，其中沿著該第一軸之該等至少兩個各別位置之間的差大致為該全內反射週期之一半。
  5. 如請求項1或請求項2之光學裝置，其中該輸出元件中之該等兩個疊加的繞射光學元件在不同平面中提供在該波導中或該波導上。
  6. 如請求項5之光學裝置，其中該等兩個疊加的繞射光學元件提供於該波導之相對表面上。
  7. 如請求項5之光學裝置，其中該等兩個疊加的繞射光學元件在該波導中提供在實質上同一平面中。
  8. 如請求項1或請求項2之光學裝置，其中該等兩個疊加的繞射光學元件提供在一光子晶體中。
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