CN107290816A - 光波导元件以及具有此光波导元件的头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光波导元件以及具有此光波导元件的头戴式显示装置，其中，光波导元件用以传递影像光束。光波导元件包括入光面、第一侧面、第二侧面、多个分光片以及至少一个平面反射结构。影像光束由入光面进入光波导元件。第一侧面与第二侧面平行。这些分光片配置于第一侧面与第二侧面之间，且这些分光片相互平行且呈间隔排列。至少一个平面反射结构配置于这些分光片与入光面之间。平面反射结构与第一侧面平行。平面反射结构与入光面之间具有间隙。本发明的光波导元件具有平面反射结构，使得使用者不易在头戴式显示器的显示画面中看到暗纹，因此具有本发明光波导元件的头戴式显示装置具有良好的显示品质。

Description

光波导元件以及具有此光波导元件的头戴式显示装置
技术领域
本发明涉及一种光波导元件以及显示装置，且特别涉及一种光波导元件以及具有此光波导元件的头戴式显示装置。
背景技术
近眼显示器(near eye display,NED)以及头戴式显示器(head-mounteddisplay,HMD)是目前极具发产潜力的下一代杀手级产品。在近眼显示技术的相关应用上，目前可分为扩增实境(augmented reality,AR)技术以及虚拟实境(virtual reality,VR)技术。对扩增实境技术而言，相关开发人员目前致力于如何在轻薄的前提下提供最佳的影像品质。
在以头戴式显示器实现扩增实境的基本光学架构中，用以显示的影像光束由投影装置发出后，经由半反射半穿透的光学元件反射而进入使用者的眼睛。显示影像的光束以及外界的环境光束皆进入使用者的眼睛，而达到扩增实境的显示效果。然而，在上述架构中，投影装置会无可避免地出现于使用者的眼睛的视角范围中，且上述架构占有一定的体积。因此，头戴式显示器实际能显示的影像的视角将大为受限。为了实现广视角的显示效果，一种分光片阵列波导(Beam Splitter Array Waveguide)的架构是目前各种扩增实境的近眼显示器的光学架构之一，可以兼顾广视角、全彩影像以及轻薄体积的最佳选择。此种架构的光波导元件具有多个分光片，而可以将投影装置的影像光束导入使用者的眼睛。然而，在此种架构的头戴式显示器中，入射于光波导元件并且在光波导元件传递的影像光束无法有效填满这些分光片的截面积。因此，使用者容易在头戴式显示器的显示画面中看到亮暗条纹，而感受到头戴式显示器的显示品质不佳。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的公知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表所述内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种光波导元件，其可以传递影像光束并使影像光束在离开光波导元件后，在空间中分布均匀。当其应用于头戴式显示装置时，头戴式显示装置具有良好的显示品质。
本发明提供一种头戴式显示装置，其包括上述光波导元件，且具有良好的显示品质。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种光波导元件，其用以传递影像光束。光波导元件包括入光面、第一侧面、第二侧面、多个分光片以及至少一个平面反射结构。影像光束由入光面进入光波导元件。第一侧面连接入光面。第二侧面连接入光面，且第一侧面与第二侧面平行。这些分光片配置于第一侧面与第二侧面之间，且这些分光片相互平行且呈间隔排列。至少一个平面反射结构配置于这些分光片与入光面之间，且平面反射结构与第一侧面平行。平面反射结构与入光面之间具有间隙。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种头戴式显示装置，其包括显示器以及光波导元件。显示器用以发出影像光束。光波导元件配置于显示器旁，且光波导元件包括入光面、第一侧面、第二侧面、多个分光片以及至少一平面反射结构。影像光束由入光面进入光波导元件。第一侧面连接入光面。第二侧面连接入光面，且第一侧面与第二侧面平行。这些分光片配置于第一侧面与第二侧面之间，且这些分光片相互平行且呈间隔排列。至少一平面反射结构配置于这些分光片与入光面之间，且平面反射结构与第一侧面平行。平面反射结构与入光面之间具有间隙。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。本发明的实施例的光波导元件中，至少一平面反射结构配置于这些分光片与入光面之间，且平面反射结构与第一侧面平行。另外，平面反射结构与入光面之间具有间隙。平面反射结构可以使得由入光面进入光波导元件的影像光束形成多个子影像光束，进而调整影像光束在空间上的分布。因此，光波导元件可以传递影像光束并且使影像光束在空间上的分布均匀。由于本发明的实施例的头戴式显示装置包括上述光波导元件，使得使用者不易在头戴式显示器的显示画面中看到暗纹，因此头戴式显示装置具有良好的显示品质。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A是本发明一实施例的头戴式显示装置的剖面示意图。
图1B是图1A实施例的一实施方式中，光波导元件的立体示意图。
图1C至图1E是图1A实施例中，光波导元件传递一部分的影像光束的光路示意图。
图1F是图1B实施例的光波导元件传递影像光束的光路示意图。
图2A是一比较例的光波导元件的剖面示意图。
图2B是图2A比较例的一实施方式中，光波导元件传递影像光束的光路示意图。
图3A至图3C是本发明另一实施例中，光波导元件传递一部分的影像光束的光路示意图。
图3D是图3A至图3C实施例的一实施方式中，光波导元件传递影像光束的光路示意图。
图4A是图2B比较例的观测区的光强度分布模拟图。
图4B是本发明又一实施例的头戴式显示装置于观测区的光强度分布模拟图。
图4C是本发明再一实施例的头戴式显示装置于观测区的光强度分布模拟图。
图4D是图1F实施例的观测区的光强度分布模拟图。
图4E是图3D实施例的观测区的光强度分布模拟图。
图5A是图2B比较例的观测区的另一光强度分布模拟图。
图5B是图3D实施例的观测区的另一光强度分布模拟图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1A是本发明一实施例的头戴式显示装置的剖面示意图，而图1B是图1A实施例的一实施方式中，光波导元件的立体示意图，请参考图1A以及图1B。在本实施例中，头戴式显示装置100包括显示器D以及光波导元件110，且光波导元件110配置于显示器D旁。光波导元件110包括入光面ES、第一侧面S1、第二侧面S2以及多个分光片(Beam splitter)112。第一侧面S1连接入光面ES，且第二侧面S2亦连接入光面ES。另外，第一侧面S1与第二侧面S2平行。具体而言，这些分光片112配置于第一侧面S1与第二侧面S2之间，且这些分光片112相互平行且呈间隔排列(即两相邻的分光片112之间具有一间隙)。在本实施例中，头戴式显示装置100例如是处于由第一轴X、第二轴Y以及第三轴Z所建构的空间中，其中第一轴X方向与这些分光片112排列的方向平行。第二轴Y方向垂直于第一轴X方向，且第一轴X与第二轴Y构成的平面与第一侧面S1以及第二侧面S2平行。另外，第三轴Z方向垂直于第一轴X的方向也垂直于第二轴Y的方向。
在本实施例中，显示器D用以发出影像光束IL，且光波导元件110用以传递影像光束IL。具体而言，影像光束IL由入光面ES进入光波导元件110。接着，影像光束IL行进于第一侧面S1与第二侧面S2之间。大部分由入光面ES进入光波导元件110的影像光束IL入射第一侧面S1与第二侧面S2的入射角会大于全反射(total internal reflection)的临界角(criticalangle)，进而以全反射的方式将影像光束IL传递至这些分光片112。接着，影像光束IL的一部分经过这些分光片112的至少其中之一反射后，由第一侧面S1与第二侧面S2的其中之一离开光波导元件110。具体而言，这些分光片112不平行于第一侧面S1也不平行于入光面ES。各分光片112反射影像光束IL的其中一部分，且影像光束IL的另一部分穿透此分光片112。举例而言，这些分光片112至少包括相邻的分光片112a以及分光片112b，且分光片112a位于入光面ES以及分光片112b之间。当影像光束IL传递至分光片112a时，分光片112a反射影像光束IL的其中一部分，且影像光束IL的另一部分穿透分光片112a。由分光片112a反射的影像光束IL例如是由第二侧面S2离开光波导元件110，而穿透分光片112a的影像光束IL传递至分光片112b。分光片112b反射影像光束IL的其中一部分，且影像光束IL的另一部分穿透分光片112b。由分光片112b反射的影像光束IL例如是由第二侧面S2离开光波导元件110，而穿透分光片112b的影像光束IL则传递至下一个分光片112。藉由上述的方式，在本实施例中，这些分光片112可以将显示器D所发出的影像光束IL于光波导元件110内传递。
另外，光波导元件110为可透光材质(例如玻璃、压克力或其他适当材质等)，而使得来自外界的环境光束AL可以穿过光波导元件110。在本实施例中，举例而言，影像光束IL由光波导元件110传递之后，由第二侧面S2离开光波导元件110(未示出于图1A)。当一使用者的眼睛例如是位于光波导元件110的第二侧面S2附近时，离开光波导元件110的影像光束IL可以进入使用者的眼睛，且来自外界的环境光束AL亦可以穿过光波导元件110而进入使用者的眼睛。因此，当头戴式显示装置100放置于使用者的眼睛前方，且影像光束IL以及环境光束AL进入使用者的眼睛时，使用者可以观看到影像光束IL对应的显示画面(未示出)，同时使用者亦可观看到环境光束AL对应的外界影像(未示出)，而实现扩增实境的显示效果。在本实施例中，显示器D例如是液晶显示器(liquid crystal display,LCD)、等离子显示器(plasma display)、有机发光二极管显示器(OLED display)、电湿润显示器(electrowetting display,EWD)、电泳显示器(electro-phoreticdisplay,EPD)、电致变色显示器(electrochromic display,ECD)、数字微型反射镜元件(Digital Micromirror Device,DMD)或是其他可应用的显示器。此外，显示器D亦可搭配投影光学元件以提供影像光束IL，本发明并不限于此。
在本实施例中，这些分光片112的反射率(Reflectivity)沿着远离入光面ES且平行于第一侧面S1的方向逐渐变大。此外，这些分光片112的穿透率(Transmittance)沿着远离入光面ES且平行于第一侧面S1的方向逐渐变小。具体而言，这些分光片112的反射率沿着与第一轴X方向相反的方向逐渐变大，且这些分光片112的穿透率沿着与第一轴X方向相反的方向逐渐变小。藉由上述这些分光片112的反射率以及穿透率适当的渐变设计，使影像光束IL的光强度在依序传递至这些分光片112的过程中逐渐变小，且这些分光片112反射出影像光束IL的光强度仍可在第一轴X方向上保持一致。也就是说，当使用者观看到影像光束IL对应的显示画面(未示出)时，使用者观看到的显示画面的光强度分布平均，而不会有其中一部分亮度较低的情形。
在本实施例中，光波导元件110的这些分光片112呈等间隔的排列。然而在其他实施例中，亦可以依据实际光学需求，而设计这些分光片112呈不等间隔的排列，本发明并不限于此。此外，藉由适当地设计入光面ES与这些分光片112的倾斜角度，影像光束IL可藉由光波导元件110传递至使用者的眼睛，且使用者在正常使用头戴式显示装置100时，可以观看到影像光束IL对应的显示画面(未示出)。具体而言，如图1A所示，光波导元件110的入光面ES与第一侧面S1之间具有第一夹角θ1，各分光片112与第一侧面S1之间具有第二夹角θ2，且第一夹角θ1大于第二夹角θ2。举例而言，第一夹角θ1为第二夹角θ2的二倍，以减少影像光束IL所形成的显示画面的变形量。然而在一些实施例中，依据实际光学设计需求，第一夹角θ1以及第二夹角θ2亦可以具有其他的比例关系，本发明并不限于此。除此之外，在本实施例中，光波导元件110的入光面ES的截面积等于一个分光片112的截面积。藉此，光波导元件110可配合一个分光片112的截面积，传递具有适当截面积的影像光束IL，而使得此影像光束IL所形成的显示画面具有适当的亮度而不至于亮度过高或过低。然而在一些实施例中，可以依据实际光学设计需求，设计适合的光波导元件110的入光面ES的截面积使其大于或小于一个分光片112的截面积，本发明并不限于此。
请继续参考图1A以及图1B。在本实施例中，光波导元件110还包括至少一个平面反射结构114，配置于这些分光片112与入光面ES之间。具体而言，至少一个平面反射结构114的数量为二个以上，且这些平面反射结构114沿着垂直于第一侧面S1的方向间隔排列。在本实施例中，平面反射结构114例如包括平面反射结构114a以及平面反射结构114b，且平面反射结构114a以及平面反射结构114b例如是配置于分光片112a与入光面ES之间。此外，这些平面反射结构114与第一侧面S1平行，且这些平面反射结构114(平面反射结构114a以及平面反射结构114b)与入光面ES之间具有间隙G，以降低光波导元件110的制造难易度。
详细而言，这些平面反射结构114用以反射影像光束IL，且这些平面反射结构114可以例如是藉由镀金属膜制成的镜面反射结构或者是其他类型的反射结构，本发明不限于此。本实施例中，光波导元件110例如是具有第一部P1与第二部P2(示出于图1A)，且光波导元件110由第一部P1与第二部P2分开制作完成之后相黏合而形成。这些平面反射结构114可先形成于第一部P1内再与第二部P2于连接面S3黏合，如此一来即可降低光波导元件110的制造难易度。此外，这些平面反射结构114的面积、形状以及其在第一轴X方向上的长度可以依据实际光学需求设计。举例而言，图1A中的平面反射结构114a与114b在XY平面上的正投影相互重合，而图1B中的平面反射结构114a与114b在XY平面上的正投影则不完全重合，本发明并不限于此。此外，这些平面反射结构114可与分光片112相互接触或不接触，这些平面反射结构114亦可延伸或不延伸至第一部P1与第二部P2的连接面S3，本发明并不限于此。具体而言，第二部P2远离第一部P1的一侧表面即本实施例的光波导元件110的入光面ES，且平面反射结构114不会与入光面ES接触。
图1C至图1E是图1A实施例中，光波导元件传递一部分的影像光束的光路示意图，请参考图1C至图1E。在本实施例中，进入光波导元件110的影像光束IL由至少一个平面反射结构114以及第一侧面S1、第二侧面S2的至少其中之一传递至这些分光片112的其中之一，且各平面反射结构114反射影像光束IL。具体而言，影像光束IL包括子影像光束IL1、子影像光束IL2以及子影像光束IL3。为了清楚示出各个子影像光束在光波导元件110的传递情形，图1C、图1D以及图1E分别示出光波导元件110传递子影像光束IL1、子影像光束IL2以及子影像光束IL3的光路示意图，然而实际上光波导元件110会同时传递子影像光束IL1、子影像光束IL2以及子影像光束IL3。
请先参考图1C，在本实施例中，光波导元件110例如是具有平面反射元件114a与114b，第一侧面S1以及平面反射结构114a形成光传递通道ITT1，平面反射结构114a以及平面反射结构114b形成光传递通道ITT2，而平面反射结构114b以及第二侧面S2形成光传递通道ITT3。子影像光束IL1由入光面ES进入光波导元件110之后，于光传递通道ITT1之中行进。具体而言，子影像光束IL1在第一侧面S1以及平面反射结构114a之间以反射与全反射方式朝相反于第一轴X方向的方向行进。接着，离开光传递通道ITT1的子影像光束IL1被传递至这些分光片112。子影像光束IL1的一部分穿透分光片112，而形成穿透光线TL，且穿透光线TL(子影像光束IL1)可以传递至下一个分光片112。另外，子影像光束IL1的另一部分被分光片112反射，而形成反射光线RL。反射光线RL(子影像光束IL1)可以由第二侧面S2离开光波导元件110，并且传递至观测区OA。当使用者配戴具有光波导元件110的头戴式显示装置时，使用者的眼睛例如是位于观测区OA的位置，而传递至观测区OA的子影像光束IL1即可令使用者的眼睛观看到显示画面。
接着，请参考图1D。在本实施例中，子影像光束IL2由入光面ES进入光波导元件110之后，行进于光传递通道ITT2之中。子影像光束IL2在平面反射结构114a以及平面反射结构114b之间不断反射，而朝相反于第一轴X方向的方向行进。接着，类似地，藉由这些分光片112，子影像光束IL2的一部分形成穿透光线TL(子影像光束IL2)，且子影像光束IL2的另一部分形成反射光线RL(子影像光束IL2)。穿透光线TL(子影像光束IL2)可以继续行进至下一个分光片112，而反射光线RL(子影像光束IL2)即可传递至观测区OA。
请参考图1E。在本实施例中，子影像光束IL3由入光面ES进入光波导元件110之后，行进于光传递通道ITT3之中。子影像光束IL3在平面反射结构114b以及第二侧面S2之间以反射与全反射方式朝相反于第一轴X方向的方向行进。接着，类似地，藉由这些分光片112，子影像光束IL3的一部分形成穿透光线TL(子影像光束IL3)，且子影像光束IL3的另一部分形成反射光线RL(子影像光束IL3)。穿透光线TL(子影像光束IL3)可以继续行进至下一个分光片112，而反射光线RL(子影像光束IL3)即可传递至观测区OA。
图1F是图1B实施例中，光波导元件传递影像光束的光路示意图，请参考图1B与图1F。在本实施例中，当影像光束IL由入光面ES进入光波导元件110时，一部分的影像光束IL会在光传递通道ITT1之中行进，其行径路线会类似于图1C的子影像光束IL1的行径路线。另外，一部分的影像光束IL会在光传递通道ITT2之中行进，其行径路线会类似于图1D的子影像光束IL2的行径路线。此外，另一部分的影像光束IL会在光传递通道ITT3之中行进，其行径路线会类似于图1E的子影像光束IL3的行径路线。当影像光束IL行进至这些分光片112时，这些分光片112可以将一部分的影像光束IL传递至观测区OA。
图2A是一比较例之光波导元件的剖面示意图，且图2B是图2A比较例的一实施方式中，光波导元件传递影像光束的光路示意图。请参考图2A以及图2B。在本比较例中，光波导元件110’与图1A实施例的光波导元件110的差异如下所述。具体而言，光波导元件110’不具有平面反射结构114。当光波导元件110’应用于头戴式显示装置时，头戴式显示装置的影像光束IL会由入光面ES进入光波导元件110’。接着，光波导元件110’以全反射方式传递影像光束IL，且影像光束IL经由光波导元件110’的这些分光片112传递至观测区OA。实际上，为了使影像光束IL能顺利被传递至观测区OA，以符合正常的使用需求，影像光束IL必须以一特定的角度进入光波导元件110’。然而，当影像光束IL由光波导元件110传递至这些分光片112时，这些分光片112上会有一部分的区域无法接收到影像光束IL。详细而言，这些分光片112上未接收到影像光束IL的区域会造成被传递至观测区OA的影像光束IL在空间上的分布不均匀。当这些分光片112未接收到影像光束IL的区域具有一定的大小时，使用者容易在观测区OA的位置观看到影像光束IL所对应的影像画面(未示出)上出现暗纹DB1’。也就是说，当使用者在使用应用此比较例的光波导元件110’的头戴式显示装置时，使用者会在影像画面(未示出)中看到暗纹DB1’而感受到此头戴式显示器的显示品质不佳。
请再参考图1B与图1F。由于本发明的光波导元件110包括平面反射结构114a以及平面反射结构114b，平面反射结构114a以及平面反射结构114b可以使得由入光面ES进入光波导元件110的影像光束IL形成多个子影像光束，且这些子影像光束会以不同的行进路线行进于光波导元件110之中。因此，相较于图2A与图2B的比较例，这些分光片112未接收到影像光束IL的区域会被切割得较小，使得本实施例影像画面(未示出)上的暗纹DB1会比图2A与图2B的比较例影像画面(未示出)上的暗纹DB1’小。本实施例中，使用者较不容易在观测区OA的位置观看到影像光束IL所对应的影像画面(未示出)上出现暗纹DB1。也就是说，平面反射结构114a以及平面反射结构114b可以调整影像光束IL在空间上的分布，使得被传递至观测区OA的影像光束IL在空间上的分布较为均匀。当使用者在使用应用本实施例的光波导元件110的头戴式显示装置100时，使用者不容易在影像画面(未示出)中看到暗纹DB1。因此，头戴式显示器100具有良好的显示品质。
图3A至图3C是本发明另一实施例中，光波导元件传递一部分的影像光束的光路示意图，请先参考图3A。在本实施例中，光波导元件210类似于图1A实施例的光波导元件110。光波导元件210的构件以及相关叙述可以参考图1A实施例的光波导元件110的构件以及相关叙述，在此不再赘述。光波导元件210与光波导元件110的差异如下所述。光波导元件210包括多个平面反射结构214，且这些平面反射结构214包括平面反射结构214a以及平面反射结构214b。具体而言，各平面反射结构214能够反射影像光束IL的其中一部分，且影像光束IL的另一部分能够穿透平面反射结构214。详细而言，平面反射结构214a以及平面反射结构214b皆为半穿透半反射的结构，且这些平面反射结构214可以是藉由镀金属膜，例如是镀铝或镀银的方式制成。此外，这些平面反射结构214亦可以是镀多层膜的方式制成，本发明并不限于此。
在本实施例中，影像光束IL包括子影像光束IL1、子影像光束IL2以及子影像光束IL3。为了清楚示出各个子影像光束在光波导元件210的传递情形，图3A、图3B以及图3C分别示出光波导元件210传递子影像光束IL1、子影像光束IL2以及子影像光束IL3的光路示意图，然而在实际运用中，光波导元件210会同时传递子影像光束IL1、子影像光束IL2以及子影像光束IL3。
请先参考图3A，在本实施例中，子影像光束IL1进入第一侧面S1与平面反射结构214a之间的光路径。当子影像光束IL1传递至一平面反射结构214(例如是平面反射结构214a)，子影像光束IL1的一部分在平面反射结构214a上发生反射而形成反射光线RL，子影像光束IL1的另一部分穿透此平面反射结构214a而形成穿透光线TL。子影像光束IL1的反射光线RL以及穿透光线TL皆可以在第一侧面S1以及第二侧面S2上发生全反射。并且，子影像光束IL1可以持续地在平面反射结构214a与214b上发生反射以及穿透，而形成许多反射光线RL以及许多穿透光线TL。接着，子影像光束IL1由光波导元件210传递至这些分光片112，并且被传递至观测区OA。
接着，请参考图3B以及图3C。在本实施例中，子影像光束IL2进入平面反射结构214a与平面反射结构214b之间的光路径(如图3B所示)。另外，子影像光束IL3进入平面反射结构214b与第二侧面S2之间的光路径(如图3C所示)。类似于子影像光束IL1的光传递情形，藉由这些平面反射结构214，子影像光束IL2会形成许多反射光线RL以及许多穿透光线TL，且子影像光束IL3也会形成许多反射光线RL以及许多穿透光线TL。并且，子影像光束IL2以及子影像光束IL3也会由光波导元件210传递至这些分光片112，并且被传递至观测区OA。
图3D是图3A至图3C实施例的一实施方式中，光波导元件传递影像光束的光路示意图，请参考图3D。在本实施例中，当影像光束IL由入光面ES进入光波导元件210时，一部分的影像光束IL的行径路线会类似于图3A的子影像光束IL1的行径路线。另外，一部分的影像光束IL的行径路线会类似于图3B的子影像光束IL2的行径路线。此外，另一部分的影像光束IL的行径路线会类似于图3C的子影像光束IL3的行径路线。当影像光束IL行进至这些分光片112时，这些分光片112可以将一部分的影像光束IL传递至观测区OA。值得注意的是，平面反射结构214的面积、形状以及其在第一轴X方向上的长度可以依据实际光学需求设计。举例而言，图3A至图3C中，平面反射结构214a与214b在XY平面上的正投影相互重合，而图3D中的平面反射结构214a与214b在XY平面上的正投影则不完全重合，本发明不限于此。
具体而言，由于光波导元件210包括平面反射结构214a以及平面反射结构214b等这些平面反射结构214，且这些平面反射结构214皆为半穿透半反射的结构。平面反射结构214a以及平面反射结构214b可以使得由入光面ES进入光波导元件210的影像光束IL形成多个子影像光束，且这些子影像光束会以不同的行进路线行进于光波导元件210之中。因此，在本实施例中，这些分光片112上绝大部分的区域皆可接收到影像光束IL，使得本实施例影像画面(未示出)上的暗纹DB2会比图2B的比较实施例影像画面(未示出)上的暗纹DB1’来得小。进一步而言，本实施例影像画面(未示出)上的暗纹DB2比图1F的实施例影像画面(未示出)上的暗纹DB1来得小。因此，在本实施例中，使用者较不容易在观测区OA的位置观看到影像光束IL所对应的影像画面(未示出)上出现暗纹DB2。也就是说，光波导元件210具有类似于图1A实施例光波导元件110所述的功效。当使用者在使用应用本实施例的光波导元件210的头戴式显示装置时，使用者不容易在影像画面(未示出)中看到暗纹DB2。因此，此头戴式显示器具有良好的显示品质。
在一些实施例中，光波导元件的这些平面反射结构可以包括至少一个第一平面反射结构以及至少一个第二平面反射结构。各第一平面反射结构反射影像光束IL的其中一部分，各第二平面反射结构反射影像光束IL的至少一部分，且影像光束IL的另一部分穿透各第二平面反射结构。具体而言，在这些实施例中，光波导元件的这些平面反射结构包括至少一个如图1A实施例所述的平面反射结构114以及至少一个如图3A实施例所述的平面反射结构214。举例而言，这些平面反射结构可以包含一个可反射影像光束IL的平面反射结构114以及一个具有半穿透半反射性质的平面反射结构214。在这些实施例中，光波导元件具有类似于图1A实施例光波导元件110所述的功效。当使用者在使用应用这些实施例的光波导元件的头戴式显示装置时，使用者不容易在影像画面中看到暗纹。因此，此头戴式显示器具有良好的显示品质。
图4A是图2B比较例的观测区的光强度分布模拟图，图4B是本发明又一实施例的头戴式显示装置于观测区的光强度分布模拟图，图4C是本发明再一实施例的头戴式显示装置于观测区的光强度分布模拟图，图4D是图1F实施例的观测区的光强度分布模拟图，且图4E是图3D实施例的观测区的光强度分布模拟图。具体而言，图4A至图4E是以光学软体模拟影像光束IL以特定角度进入上述比较例与实施例所述的光波导元件的入光面ES。在图4A至图4E这些实施例中，观测区OA设定的尺寸为10毫米x8毫米，且影像光束IL设定为对应白画面的影像光束。此外，图4A至图4E中标示出多个瞳孔位置PP。这些瞳孔位置PP的虚线范围的大小模拟人眼瞳孔在强光照射下的大小，其直径例如是1毫米。这些瞳孔位置PP模拟使用者位于观测区OA观看影像光束IL时，使用者眼睛的瞳孔所在位置。
请先参考图2B与图4A，由于在图2B的比较例中，分光片112上未接收到影像光束IL的区域会造成被传递至观测区OA的影像光束IL在空间上的分布不均匀，因此图4A的光强度分布模拟图中出现了多条暗纹DB(同图2B的比较例的暗纹DB1’)。若使用者眼睛的瞳孔刚好位于图4A中这些瞳孔位置PP所在的位置时，影像光束IL会几乎无法进入使用者的眼睛，令使用者观看到暗纹DB1’。
接着，请参考图1F与图4D，由于在图1F的本发明实施例中，这些分光片112未接收到影像光束IL的区域会被切割得较小，使得被传递至观测区OA的影像光束IL在空间上的分布较为均匀。因此，虽然图4D的光强度分布模拟图中出现多条暗纹DB(同图1F的实施例的暗纹DB1)，但图4D中的这些暗纹DB的宽度小于图4A中的这些暗纹DB的宽度。举例而言，图4D中的这些暗纹的宽度小于1毫米。当使用者眼睛的瞳孔落于图4D中这些瞳孔位置PP所在的位置时，皆至少会有一部分的影像光束IL进入使用者的眼睛。因此，使用者不易观察到暗纹DB1。
请参考图3D与图4E，由于在图3D的本发明实施例中，这些分光片112上绝大部分的区域皆接收到影像光束IL，使得被传递至观测区OA的影像光束IL在空间上的分布均匀。因此，虽然图4E的光强度分布模拟图中出现多条暗纹DB(同图3D的实施例的暗纹DB2)，但图4E中的这些暗纹DB的宽度小于图4A中的这些暗纹DB的宽度。当使用者眼睛的瞳孔落于图4E中这些瞳孔位置PP所在的位置时，皆至少会有一部分的影像光束IL进入使用者的眼睛。因此，使用者不易观察到暗纹DB2。
另外，请参考图4B以及图4C。在图4B的实施例中，头戴式显示装置的光波导元件包括一个如图1A实施例所述的平面反射结构114。在本实施例中，可以反射影像光束IL的平面反射结构114可以使被传递至观测区OA的影像光束IL在空间上的分布均匀，进而使得图4B中的这些暗纹DB的宽度小于图4A中的这些暗纹DB的宽度。因此，当使用者眼睛的瞳孔落于图4B中这些瞳孔位置PP所在的位置时，使用者仍不易观察到图4B中的这些暗纹。另外，在图4C的实施例中，头戴式显示装置的光波导元件包括一个如图3A实施例所述的平面反射结构214。在本实施例中，具有半穿透半反射的平面反射结构214亦可以使被传递至观测区OA的影像光束IL在空间上的分布均匀，进而使得图4C中的这些暗纹DB的宽度小于图4A中的这些暗纹DB的宽度。因此，当使用者眼睛的瞳孔落于图4C中这些瞳孔位置PP所在的位置时，使用者亦不易观察到图4C中的这些暗纹。
图5A是图2B比较例的观测区的另一光强度分布模拟图，且图5B是图3D实施例的观测区的另一光强度分布模拟图。具体而言，图5A以及图5B的光强度分布模拟图呈现影像光束IL在一直径2毫米的观测区的光强度分布。此观测区的大小模拟一般人眼的瞳孔大小。另外，在图5A以及图5B的模拟设定中，影像光束IL例如是由一水平发散角±26.7度且垂直发散角±15.8度的椭圆光源所发出。具体而言，由于图5A所对应的光波导元件110’不包括平面反射结构，而图5B所对应的光波导元件210包括多个平面反射结构214，因此在图5A的模拟图中可以观察到明显的暗纹DB，而在图5B的模拟图中则观察不到任何暗纹。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。本发明的实施例的光波导元件中，至少一个平面反射结构配置于这些分光片与入光面之间，且平面反射结构与第一侧面平行。另外，平面反射结构与入光面之间具有间隙，可降低光波导元件的制造难易度。平面反射结构可以使得由入光面进入光波导元件的影像光束形成多个子影像光束，进而调整影像光束在空间上的分布。因此，光波导元件可以传递影像光束并且使影像光束在空间上的分布均匀。由于本发明的实施例的头戴式显示装置包括上述光波导元件，使得使用者不易在头戴式显示器的显示画面中看到暗纹，因此头戴式显示装置具有良好的显示品质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”、“第三”或“第四”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
【符号说明】
100：头戴式显示装置
110、110’、210：光波导元件
112、112a、112b：分光片
114、114a、114b、214、214a、214b：平面反射结构
AL：环境光束
D：显示器
DB、DB1、DB1’、DB2：暗纹
ES：入光面
G：间隙
IL：影像光束
IL1、IL2、IL3：子影像光束
ITT1、ITT2、ITT3：光传递通道
OA：观测区
P1：第一部
P2：第二部
PP：瞳孔位置
RL：反射光线
S1：第一侧面
S2：第二侧面
S3：连接面
TL：穿透光线
X：第一轴
Y：第二轴
Z：第三轴
θ1：第一夹角
θ2：第二夹角

Claims (11)

1.一种光波导元件，其特征在于，用以传递一影像光束，所述光波导元件包括一入光面、一第一侧面、一第二侧面、多个分光片以及至少一个平面反射结构，
所述影像光束由所述入光面进入所述光波导元件，
所述第一侧面连接所述入光面，
所述第二侧面连接所述入光面，且所述第一侧面与所述第二侧面平行，所述多个分光片配置于所述第一侧面与所述第二侧面之间，这些分光片相互平行且呈间隔排列，
所述至少一个平面反射结构配置于这些分光片与所述入光面之间，所述平面反射结构与所述第一侧面平行，其中所述平面反射结构与所述入光面之间具有一间隙。
2.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述至少一个平面反射结构的数量为二个以上，且这些平面反射结构沿着一垂直于所述第一侧面的方向间隔排列。
3.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，进入所述光波导元件的所述影像光束由所述至少一个平面反射结构以及所述第一侧面、所述第二侧面的至少其中之一传递至这些分光片的其中之一，且所述各平面反射结构反射所述影像光束。
4.如权利要求3所述的光波导元件，其特征在于，所述各平面反射结构反射所述影像光束的其中一部分，且所述影像光束的另一部分穿透所述平面反射结构。
5.如权利要求3所述的光波导元件，其特征在于，所述至少一个平面反射结构的数量为二个以上，这些平面反射结构包括至少一个第一平面反射结构以及至少一个第二平面反射结构，所述各第一平面反射结构反射所述影像光束的其中一部分，所述各第二平面反射结构反射所述影像光束的至少一部分，且所述影像光束的另一部分穿透所述各第二平面反射结构。
6.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述影像光束经过这些分光片的至少其中之一反射后，由所述第一侧面与所述第二侧面的其中之一离开所述光波导元件。
7.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，这些分光片的反射率沿着一远离所述入光面且平行于所述第一侧面的方向逐渐变大。
8.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述光波导元件为可透光材质。
9.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，所述入光面与所述第一侧面之间具有一第一夹角，所述各分光片与所述第一侧面之间具有一第二夹角，且所述第一夹角大于所述第二夹角。
10.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，这些分光片不平行于所述第一侧面也不平行于所述入光面。
11.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括一显示器和一光波导元件，
所述显示器用以发出一影像光束，
所述光波导元件配置于所述显示器旁，所述光波导元件包括一入光面、一第一侧面、一第二侧面、多个分光片以及至少一个平面反射结构，
所述影像光束由所述入光面进入所述光波导元件，
所述第一侧面连接所述入光面，
所述第二侧面连接所述入光面，且所述第一侧面与所述第二侧面平行，
所述多个分光片配置于所述第一侧面与所述第二侧面之间，这些分光片相互平行且呈间隔排列，
所述至少一个平面反射结构配置于这些分光片与所述入光面之间，且所述平面反射结构与所述第一侧面平行，其中所述平面反射结构与所述入光面之间具有一间隙。
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