光波导的制作方法

1.本发明涉及一种光学结构，且特别涉及一种光波导。


背景技术：

2.随着显示技术的进步及人们对于高科技的渴望，虚拟现实(virtual reality)与增强现实(augmented reality)的技术已渐趋成熟，其中近眼显示器(near-eye display,ned)则是用以实现此技术的显示器。近眼显示器所使用的光波导为结合虚拟影像与现实影像的关键元件，而几何式光波导的材质可分为光学玻璃与光学高分子材料两大类。采用玻璃冷加工工艺制成的光波导可产生较好的影像品质，但此类光波导的工序复杂。而以高分子材料喷射成型的光波导于成本上更具有优势，但高分子材料的吸收率或穿透率会随着波长的不同而改变，如此一来，影像光会以不同的光程于高分子材料制成的波导中传播，不同光程将会造成不同的色偏离，导致观赏者所看见的影像会有色均匀度的问题。
[0003]“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所公开的内容不代表该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本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
[0004]
本发明提供一种光波导，其能使耦出的影像光束具有较好的色均匀度。
[0005]
本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。
[0006]
为达上述目的中的一个或部分或全部目的或其他目的，本发明的一实施例提供一种具有相邻的第一光学区以及第二光学区且用以传递影像光束的光波导。光波导包括第一结构层、第二结构层、第一导光元件以及多个第二导光元件。第一结构层包括耦入斜面、第一表面以及第二表面，其中第一表面与第二表面相反，且耦入斜面连接第一表面与第二表面。第二结构层包括第三表面以及第四表面，其中第三表面与第四表面相反，且第二结构层的第三表面与第一结构层的第一表面贴合。第一导光元件设置在第一表面或第三表面上的对应于第一光学区的位置。多个第二导光元件设置在第一表面或第三表面上的对应于第二光学区的位置。第一导光元件与多个第二导光元件为部分穿透部分反射层。影像光束中的多个第一子光束借由耦入斜面在第一结构层或第二结构层中传递。每一第一子光束行经第一导光元件或多个第二导光元件后形成多个第二子光束。多个第二子光束的一部分借由多个第二导光元件而被耦出光波导，使影像光束在一第一方向上扩展。就可见光波段的一部分而言，部分穿透部分反射层的穿透率随波长增加而改变的趋势与第一结构层或第二结构层的穿透率随波长增加而改变的趋势相反。
[0007]
基于上述内容，在本发明的一实施例中，由于就可见光波段的一部分而言，光波导的第一导光元件或第二导光元件的穿透率随波长增加而改变的趋势与第一结构层或第二结构层的穿透率随波长增加而改变的趋势相反，因此，在影像光束于光波导的传递过程中，
各波长的光的吸收率被设计为大致相同，使耦出光波导后的影像光束的色偏减少，色均匀度增加，进而让使用者具有更好的体验。
[0008]
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，并配合所附视图作详细说明如下。
附图说明
[0009]
图1a是根据本发明的一实施例的光波导的立体示意图。
[0010]
图1b是图1a的光波导的第一结构层的立体示意图。
[0011]
图2是影像光束于图1a的光波导中传递的剖面示意图。
[0012]
图3示出了一种结构层的穿透率随波长改变的曲线图。
[0013]
图4示出了一种导光元件的穿透率随波长改变的曲线图。
[0014]
图5是根据本发明的另一实施例的光波导的第一结构层的立体示意图。
[0015]
图6是根据本发明的另一实施例的光波导的第一结构层的立体示意图。
[0016]
图7是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。
[0017]
图8是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。
[0018]
图9是根据本发明的另一实施例的光波导的立体示意图。
[0019]
图10是投影模块所发出的影像光束于图9的光波导中传递的透视示意图。
[0020]
图11是影像光束于图9的光波导中传递的剖面示意图。
[0021]
图12是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。
[0022]
图13是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。
具体实施方式
[0023]
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考视图对一优选实施例作出的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语(例如：上、下、左、右、前或后等)仅是参考附加视图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0024]
图1a是根据本发明的一实施例的光波导的立体示意图。图1b是图1a的光波导的第一结构层的立体示意图。图2是影像光束于图1a的光波导中传递的剖面示意图。请同时参考图1a、图1b与图2，本发明的一实施例提供一种具有相邻的第一光学区or1以及第二光学区or2且用以传递影像光束的光波导10。光波导包括第一结构层100、第二结构层200、第一导光元件500以及多个第二导光元件600。
[0025]
在本实施例中，第一结构层100包括耦入斜面110、第一表面120以及第二表面130，其中第一表面120与第二表面130相反，且耦入斜面110连接第一表面120与第二表面130。第二结构层200包括第三表面220以及第四表面230，其中第三表面220与第四表面230相反，且第二结构层200的第三表面220与第一结构层100的第一表面120贴合。第一导光元件500设置在第一表面120或第三表面220上的对应于第一光学区or1的位置。多个第二导光元件600设置在第一表面120或第三表面220上的对应于第二光学区or2的位置。
[0026]
在本实施例中，第一结构层100的第一表面120在第一光学区or1具有第一平面122。而且，第二表面130为平面。耦入斜面110与第二表面130的连接处切齐于第二表面130，
但耦入斜面110与第一表面120的连接处凸出于第一平面122。此外，第一表面120在第二光学区or2具有交替排列的多个第一斜面124以及多个第二斜面126。多个第一斜面124与多个第二斜面126形成多个第一光学微结构128。
[0027]
在本实施例中，相对于第一平面122，第一斜面124的斜率小于等于第二斜面126的斜率。
[0028]
在本实施例中，第二结构层200的第三表面220在第一光学区or1具有第二平面222。第三表面220在第二光学区or2具有交替排列的多个第三斜面224以及多个第四斜面226。多个第三斜面224与多个第四斜面226形成多个第二光学微结构228。
[0029]
在本实施例中，相对于第二平面222，多个第三斜面224的斜率小于等于多个第四斜面226的斜率。
[0030]
在本实施例中，第一平面122与第二平面222互补，第一斜面124与第三斜面224互补，且第二斜面126与第四斜面226互补，使第二结构层100与第一结构层200贴合。也就是说，第一光学微结构128与第二光学微结构228互补。
[0031]
在本实施例中，第一导光元件500设置在第一平面122或第二平面222上，其中图1b示意了第一导光元件500设置在第一平面122上，且第一导光元件500可为长方形。
[0032]
在本实施例中，第二导光元件600设置在第一斜面124或第三斜面224上，其中图1b示出了第二导光元件600设置在第一斜面124上。多个第二导光元件600为多个长条形，且每一个第二导光元件600的长度与其相邻的第二导光元件600的长度不同。
[0033]
在本实施例中，第一导光元件500的范围小于等于第一平面122或第二平面222的面积。图1b示出了第一导光元件500的设置范围大致等于第一平面122的面积。但在另一实施例中，第一导光元件500的范围可小于第一平面122或第二平面222的面积，且第一导光元件500的范围优选地根据光束(如图2的第一子光束ib-1)借由第一平面122或第二平面222传递的范围来设计。
[0034]
在本实施例中，多个第二导光元件600的范围在第二表面130上的正投影的范围小于等于多个第一斜面124或多个第三斜面224在第二表面130上的正投影的面积。图1b示意了多个第二导光元件600的设置范围在第二表面上130的正投影的范围小于多个第一斜面124或多个第三斜面224在第二表面130上的正投影的面积。在一优选实施例中，多个第二导光元件600的范围根据光束(如图2的第一子光束ib-1)借由多个第一斜面124或多个第三斜面224传递的范围或使光束耦出光波导10的范围来设计。
[0035]
请参考图2，在本实施例中，第一导光元件500与多个第二导光元件600为部分穿透部分反射层。影像光束ib中的多个第一子光束ib-1借由耦入斜面110在第一结构层100或第二结构层200中传递。详细来说，每一第一子光束ib-1从第一结构层100的耦入斜面110进入光波导10。第一子光束ib-1穿过耦入斜面110后，经第一结构层100的第二表面130反射后再传递至第一导光元件500。接着，每一第一子光束ib-1行经第一导光元件500或多个第二导光元件600后形成多个第二子光束ib-2。多个第二子光束ib-2的一部分借由多个第二导光元件600而被耦出光波导10，使影像光束ib在第一方向d1上扩展。其中，图2示意了第二子光束ib-2从第四表面230被耦出光波导10，进而被使用者的眼睛ey所接收。
[0036]
图3示出了一种结构层的穿透率随波长改变的曲线图。图4示出了一种导光元件的穿透率随波长改变的曲线图。在本实施例中，第一结构层100或第二结构层200的材质可为
高分子材料，例如是光学塑胶。第一导光元件500或第二导光元件600优选地为金属薄膜形成的部分穿透部分反射层，例如铝膜。在图3中，横轴为波长(纳米)，且纵轴为第一结构层100或第二结构层200的材质可采用的一种光学塑胶在3毫米厚度下的穿透率(％)。在图4中，横轴为波长(纳米)，且纵轴为铝膜所形成的部分穿透部分反射层在不同厚度下的穿透率(％)，其中各曲线由上而下分别对应了厚度为5、7、9、11、13纳米。请同时参考图3与图4，就可见光波段的一部分而言，部分穿透部分反射层的穿透率随波长增加而改变的趋势与第一结构层100或第二结构层200(例如可采用上述的光学塑胶)的穿透率随波长增加而改变的趋势相反。
[0037]
在一实施例中，如图3与图4所示，在400纳米至650纳米的范围内，部分穿透部分反射层的穿透率随波长增加而递减，且第一结构层100或第二结构层200(例如可采用上述的光学塑胶)的穿透率随波长增加而递增。
[0038]
然而，在另一实施例中，就可见光波段的一部分而言，部分穿透部分反射层的穿透率随波长增加而递增，且第一结构层100或第二结构层200的穿透率随波长增加而递减。
[0039]
在一实施例中，部分穿透部分反射层为金属层，且部分穿透部分反射层的厚度落在5纳米至13纳米的范围内，其中部分穿透部分反射层的厚度优选地针对第一结构层100或第二结构层200的穿透率随波长的变化而设计，如图4所示。
[0040]
基于上述，在本发明的一实施例中，由于光波导10包括第一结构层100、第二结构层200、第一导光元件500及第二导光元件600，使影像光束ib在第一方向d1上被扩展后再被耦出光波导10，而被使用者的眼睛ey所接收。因此，耦出光波导10后的影像光束ib的均匀度被提升且减少了影像缺块或暗区，进而让使用者具有较好的体验。
[0041]
此外，由于第一导光元件500或第二导光元件600可为部分穿透部分反射层，且就可见光波段的一部分而言，部分穿透部分反射层的穿透率随波长增加而改变的趋势与第一结构层100或第二结构层200的穿透率随波长增加而改变的趋势相反，因此，在影像光束ib于光波导10的传递过程中，各波长的光的吸收率被设计为大致相同，使耦出光波导10后的影像光束ib的色偏减少，色均匀度增加，进而让使用者具有更好的体验。此外，本实施例的光波导10例如可应用于近眼显示器(near-eye display,ned)，近眼显示器即是配置在使用者的至少一眼睛ey前方，以将影像光束ib(在本实施例中形成第二子光束ib-2)传递至使用者的至少一眼睛ey。而由于耦出本实施例的光波导10后的影像光束ib的色偏减少，色均匀度增加，因此采用本实施例的光波导10的近眼显示器传递至人眼的影像画面可以具有良好的色均匀度以及良好的影像品质。
[0042]
图5是根据本发明的另一实施例的光波导的第一结构层的立体示意图。请参考图5，图5中的光波导与图1b的光波导10相似，其主要差异如下。在本实施例中，第一导光元件500’为圆形阵列，且多个第二导光元件600’为圆形阵列。而图5的光波导的优点相似于图1b的光波导10，在此不再赘述。
[0043]
图6是根据本发明的另一实施例的光波导的第一结构层的立体示意图。请参考图6，图6中的光波导与图1b的光波导10相似，其主要差异如下。在本实施例中，第一导光元件500”为长方形，且第二导光元件600”为圆形阵列。而图6的光波导的优点相似于图1b的光波导10，在此不再赘述。
[0044]
图7是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。请参考图
7，图7的光波导10a与图2的光波导10相似，其主要差异如下。在本实施例中，第二子光束ib-2从第一结构层100的第二表面130被耦出光波导10，进而被使用者的眼睛ey所接收。而且，第一子光束ib-1穿过耦入斜面110后，经第二结构层200的第四表面230反射后再传递至第一导光元件500或直接传递至第一导光元件500。其中，第一子光束ib-1经反射再传递至第一导光元件500或直接传递至第一导光元件500，视第一导光元件500的设置范围而定。而图7的光波导10a的优点相似于图2的光波导10，在此不再赘述。
[0045]
图8是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。请参考图8，图8的光波导10b与图2的光波导10相似，其主要差异如下。在本实施例中，每一第一子光束ib-1从第二结构层200的第四表面230进入光波导10b。接着，第一子光束ib-1传递至耦入斜面110，再被耦入斜面110反射至第一导光元件500。而图8的光波导10b的优点相似于图2的光波导10，在此不再赘述。
[0046]
图9是根据本发明的另一实施例的光波导的立体示意图。请参考图9，图9的光波导10c与图1a的光波导10相似，其主要差异如下。在本实施例中，光波导10c还包括第三结构层300以及第四结构层400。第三结构层300包括第五表面310以及第六表面320，其中第五表面310与第六表面320相反，且第五表面310具有多个第一v形斜面312。第四结构层400包括第七表面410以及第八表面420，其中第七表面410与第八表面420相反，且第七表面410具有与多个第一v形斜面312互补的多个第二v形斜面412，使第三结构层300的第五表面310与第四结构层400的第七表面410贴合。
[0047]
图10是投影模块所发出的影像光束于图9的光波导中传递的透视示意图。图11是影像光束于图9的光波导中传递的剖面示意图。请同时参考图10与图11，在本实施例中，第一v形斜面312或第二v形斜面412可为分光面。由投影模块20所发出的影像光束ib从第八表面420进入光波导10c，并借由多个第一v形斜面312或多个第二v形斜面412形成多个第一子光束ib-1，从而使影像光束ib在第二方向d2上扩展。
[0048]
在本实施例中，第三结构层300的第六表面320与第一结构层100的耦入斜面110贴合，使多个第一子光束ib-1从耦入斜面110进入第一结构层100。而第一子光束ib-1在第一结构层100或第二结构层200中传递的光路相似于图2，在此不再赘述。
[0049]
基于上述，由于本发明的一实施例的光波导10c设有第一结构层100、第二结构层200、第三结构层300及第四结构层400，使影像光束ib在第一方向d1及第二方向d2等两个维度被扩展，因此耦出光波导10c后的影像光束ib在两个维度上的分布均匀度都被提升了，进而让使用者具有更好的体验。
[0050]
图12是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。请参考图12，图12的光波导10d与图11的光波导10c相似，其主要差异如下。在本实施例中，第二子光束ib-2从第一结构层100的第二表面130被耦出光波导10，进而被使用者的眼睛ey所接收。此外，第一子光束ib-1穿过耦入斜面110后的光路相似于上述图7的光波导10a，在此不再赘述。而图12的光波导10d的优点相似于图11的光波导10c，在此也不再赘述。
[0051]
图13是影像光束于本发明的另一实施例的光波导中传递的剖面示意图。请参考图13，图13的光波导10e与图11的光波导10c相似，其主要差异如下。在本实施例中，第三结构层300的第六表面320与第二结构层200的第四表面230贴合，使多个第一子光束ib-1从第四表面230进入第二结构层200。此外，第一子光束ib-1进入第二结构层200后的光路相似于上
述图8的光波导10b，在此不再赘述。而图13的光波导10e的优点相似于图11的光波导10c，在此也不再赘述。
[0052]
综上所述，在本发明的一实施例中，由于光波导的第一导光元件或第二导光元件可为部分穿透部分反射层，且就可见光波段的一部分而言，部分穿透部分反射层的穿透率随波长增加而改变的趋势与第一结构层或第二结构层的穿透率随波长增加而改变的趋势相反，因此，在影像光束于光波导的传递过程中，各波长的光的吸收率被设计为大致相同，使耦出光波导后的影像光束的色偏减少，色均匀度增加，进而让使用者具有更好的体验。
[0053]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依照本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰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书不须达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称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书中提及的“第一”、“第二”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。
[0054]
附图标记列表
[0055]
10、10a、10b、10c、10d、10e:光波导
[0056]
20:投影模块
[0057]
100:第一结构层
[0058]
110:耦入斜面
[0059]
120:第一表面
[0060]
122:第一平面
[0061]
124:第一斜面
[0062]
126:第二斜面
[0063]
128:第一光学微结构
[0064]
130:第二表面
[0065]
200:第二结构层
[0066]
220:第三表面
[0067]
222:第二平面
[0068]
224:第三斜面
[0069]
226:第四斜面
[0070]
228:第二光学微结构
[0071]
230:第四表面
[0072]
300:第三结构层
[0073]
310:第五表面
[0074]
312:第一v形斜面
[0075]
320:第六表面
[0076]
400:第四结构层
[0077]
410:第七表面
[0078]
412:第八表面
[0079]
420:第二v形斜面
[0080]
500、500’、500”:第一导光元件
[0081]
600、600’、600”:第二导光元件
[0082]
d1:第一方向
[0083]
d2:第二方向
[0084]
ey:眼睛
[0085]
ib:影像光束
[0086]
ib-1:第一子光束
[0087]
ib-2:第二子光束
[0088]
or1:第一光学区
[0089]
or2:第二光学区。