TWI890353B - 無鬼影體積全像光學元件設計方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種無鬼影體積全像光學元件設計方法，其中：該體積全像光學元件包括複數體積光柵，該複數體積光柵分別對應不同角度入射光，該複數體積光柵向量水平於入射介面之分量設計皆相同，該複數體積光柵水平於介面上的光柵週期皆相同，當應用體積全像光學技術的設備(例如：頭戴式顯示器)使用本發明方法所設計體積全像光學元件時，在體積全像光學元件進行角度多工之後可以使得經由不同光柵耦合進出光導的影像會彼此疊合，進而避免鬼影產生。

Description

無鬼影體積全像光學元件設計方法

本發明是關於一種無鬼影體積全像光學元件，應用於體積全像光學技術。

體積全像光學技術主要是應用於頭戴式顯示器，例如眼鏡式顯示器。

而體積全像光學技術當中主要的核心元件為體積全像光學元件(Volume Holographic Optical Elements,VHOE)，體積全像光學元件具有嚴格的角度選擇性，因此觀察影像時其可視角會非常小，若要增加影像可視角則必須要增加體積全像光學元件內部的體積光柵數量，以此進行角度多工並使得目標光線於多種角度下都能夠繞射。

然而經過角度多工後將可能因為光線進出光導時經由不同週期的體積光柵進行耦合並導致鬼影產生，例如第十一圖、第十二圖所呈現，當光線進入入射體積全像光學元件的體積光柵G1時，理想狀態是經由體積光柵G1處理後的光線於光導內繞射後進入出射體積全像光學元件的體積光柵H1，但實務上 因為諸多環境干擾原因，少部分由體積光柵G1處理後的光線於光導內繞射後會進入體積光柵H2如此出射後的影像便不會出現在目標位置進而變成鬼影。

本發明目的在於使體積全像光學元件在進行角度多工之後可以使得經由不同光柵耦合進出光導的影像會彼此疊合，進而避免鬼影產生。

為達成上述目的與功效，本發明提供一種無鬼影耦合體積全像光學元件設計方法，其中：該耦合體積全像光學元件包括複數體積光柵，該複數體積光柵分別對應不同角度入射光，該複數體積光柵向量水平於入射介面之分量設計皆相同，該複數體積光柵水平於介面上的光柵週期皆相同。

第一圖為繞射角計算輔助圖式。

第二圖為光線進出傳統體積全像光學元件兩體積光柵間的K _g,x 關係示意圖。

第三圖本光線進出本發明之方法設計的體積全像光學元件之兩體積光柵間的角度、向量關係示意圖。。

第四圖為光線進出本發明之方法設計的體積全像光學元件兩體積光柵間的K _g,x 關係示意圖。

第五圖為說明光線進出本發明之方法設計的體積全像光學元件時，無產生鬼影之輔助示意圖(一)。

第六圖為說明光線進出本發明之方法設計的體積全像光學元件時，無產生鬼影之輔助示意圖(二)。

第七圖為說明光線進出本發明之方法設計的體積全像光學元件時，無產生鬼影之輔助示意圖(三)。

第八圖為說明光線進出本發明之方法設計的體積全像光學元件時，無產生鬼影之輔助示意圖(四)。

第九圖為輔助說明本發明實際實驗數據的示意圖。

第十圖為使用本發明之方法設計的體積全像光學元件的設備其成像確實無鬼影之示意圖。

第十一圖為輔以說明先前技術內容之圖式(一)。

第十二圖為輔以說明先前技術內容之示意圖(二)。

為方便理解本發明「無鬼影體積全像光學元件設計方法」確實能達成其目的，首先搭配第一圖介紹繞射角之計算方式，當光線以不同角度或不同波長入射體積光柵時，若探測光向量為k _p 且繞射光向量為k _d ，考量動量守恆，k _d 投影在介面上的分量k _d,x 與k _d,y 可表示為：k _d,x =k _p,x -K _g,x

k _d,y =k _p,y -K _g,y =k _p,y 考量能量守恆，z分量則為： 由於繞射光之k向量可寫作：k _d,x =k _p,x -K _g,x

k _d,y =k _p,y -K _g,y

圖式中x,y與z分別為其物理量的x,y,z分量，λ _p 為探測光的波長，n為折射率。此時入射兩體積光柵之繞射光的繞射角可表示為：

接續為方便解釋傳統體積全像光學元件與本發明之方法所設計出的體積全像光學元件具體差異，體積全像光學元件所使用的體積光柵數量以2為範例，實際數量可依需求改變。

傳統體積全像光學元件設計時由於僅是改變對應的入射光角度，因此其角度關係會如第二圖所呈現，由於K _g,x 與並不相同，進而導致當入射體積全像光學元件之各體積光柵所處理的光線進入出射體積全像光學元件中錯誤的體積光柵便會因為繞射角的不同而使成像出現在非預期的位置而變成鬼影。

而依據本發明之方法設計的體積全像光學元件如第三圖、第四圖所呈現，即使各體積光柵分別對應不同角度入射光，但由於各體積光柵向量水平於入射介面之分量設計皆相同，且各體積光柵水平於介面上的光柵週期皆相同，以至圖式中第五圖至八圖中所呈現，無論是體積光柵G1還是體積光柵G2處理後的光線中任一光線進入體積光柵H1或體積光柵H2皆 會因為繞射角相同而使光線無論如何最終入射角與出射角皆會相同，最終成像都出現在目標位置進而避免鬼影的發生。

接續如第九圖搭配下列表格所呈現： 此為本發明人實際實施的樣本數據，本實施例中是以調節體積光柵(例：調節稜鏡)的方式調節訊號光的入射角度進而使θ _S 符合需求，而使各體積光柵的K _g,x 完全相同，最終成像會如第十圖所呈現，該圖為DFOV(Diagonal field of view)=30度之單色影像，影像本身完全無鬼影。

由上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所做有關本發明之任何修飾或變更者，為其他可據以實施之型態且具有相同效果者，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇內。

綜上所述，本發明「無鬼影體積全像光學元件設計方法」，其實用性及成本效益上，確實是完全符合產業上發展所需，且所揭露之結構發明亦是具有前所未有的創新構造，所以其具有「新穎性」應無疑慮，又本發明可較習用之結構更具功效之增進，因此亦具有「進步性」，其完全符合我國專利法有關發明專利之申請要件的規定，乃依法提起專利申請，並敬請鈞局早日審查，並給予肯定。

Claims (1)

1. 一種無鬼影體積全像光學元件設計方法，其中：該體積全像光學元件包括複數體積光柵，該複數體積光柵分別對應不同角度入射光，調節該體積光柵內部訊號光的入射角度以使該複數體積光柵向量水平於入射介面之分量設計皆相同，該複數體積光柵水平於介面上的光柵週期皆相同。