本发明是有关于一种光学系统以及显示装置，且特别是有关于一种光学系统以及头戴式显示装置。
背景技术：
近眼显示器(neareyedisplay,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(augmentedreality,ar)技术以及虚拟实境(virtualreality,vr)技术。对扩增实境的技术而言，相关开发人员目前致力于如何在头戴式显示器体积轻薄的前提下，同时可提供最佳的影像品质。
在头戴式显示器实现扩增实境的基本光学架构中，用于显示的影像光束由投影装置发出后，经由具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都可进入使用者的眼睛，而达到扩增实境的显示效果。目前而言，为了实现广视角的显示效果，一种分光片阵列波导(beamsplitterarraywaveguide)架构是各种扩增实境的近眼显示器的光学架构中，可以兼顾广视角、全彩影像以及体积轻薄的最佳选择。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。
一般而言，此种架构的头戴式显示器的分光片具有镀膜，而可以使以较小入射角入射的光线反射，并使以较大入射角入射的光线穿透。上述反射的光线通常会以一预期方向些微倾斜地导入使用者的眼睛，进而使得使用者观看到预期的影像画面。另外，上述穿透分光片的光线则可以行进至下一片分光片。然而，在实际使用上，镀膜仅能使得在特定入射角范围的入射光线穿透。当光线在光波导元件行进的过程中以过大的入射角入射分光片时，一部分的光线反而会在分光片上发生反射。此非预期的反射光线(杂散光线)会继续于光波导元件中行进，而在后续以较小角度入射分光片的情况下，以与前述预期方向相反的方向倾斜地导入使用者的眼睛。此时，使用者除了会观看到原本预期的影像画面外，同时还会观看到镜像的非预期的影像画面。因此，使用者容易在使用头戴式显示器的过程中感觉显示画面有鬼影的存在，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
技术实现要素：
，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本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，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
本发明提供一种光学系统，其可以传递影像光束并使影像光束在两个方向上扩张，当其应用于头戴式显示装置时，头戴式显示装置不会产生鬼影，且在兼具体积轻薄的情况下具有影像良好的显示品质。
本发明提供一种头戴式显示装置，其包括上述光学系统。头戴式显示装置不会产生鬼影，且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，且在兼具体积轻薄的情况下具有良好的显示品质。
本发明的其它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。
为达上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提出一种光学系统，用于接收影像光束。光学系统包括第一光波导元件以及第二光波导元件。第一光波导元件包括第一入光面、第一出光面以及至少一第一分光片。影像光束由第一入光面进入第一光波导元件。第一出光面连接第一入光面，且影像光束经由第一出光面离开第一光波导元件。至少一第一分光片配置于第一光波导元件中。第二光波导元件配置于第一光波导元件旁，且第二光波导元件包括第一表面、第二表面以及至少一第二分光片。第一表面的一部分为面对第一出光面的第二入光面，且第一表面的另一部分为第二出光面。影像光束经由第二入光面进入第二光波导元件并由第二出光面离开第二光波导元件。第二表面相对于第一表面。第二表面上具有多个光学微结构，且各光学微结构包括反射面。另外，至少一第二分光片配置于第二光波导元件中。
为达上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提出一种头戴式显示装置，包括投影装置以及光学系统。投影装置用以提供影像光束。光学系统包括第一光波导元件以及第二光波导元件。第一光波导元件包括第一入光面、第一出光面以及至少一第一分光片。影像光束由第一入光面进入第一光波导元件。第一出光面连接第一入光面，且影像光束经由第一出光面离开第一光波导元件。至少一第一分光片配置于第一光波导元件中。第二光波导元件配置于第一光波导元件旁，且第二光波导元件包括第一表面、第二表面以及至少一第二分光片。第一表面的一部分为面对第一出光面的第二入光面，且第一表面的另一部分为第二出光面。影像光束经由第二入光面进入第二光波导元件并由第二出光面离开第二光波导元件。第二表面相对于第一表面。第二表面上具有多个光学微结构，且各光学微结构包括反射面。另外，至少一第二分光片配置于第二光波导元件中。
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。本发明的实施例的头戴式显示装置的光学系统包括第一光波导元件以及第二光波导元件，且第二光波导元件配置于第一光波导元件旁。第一光波导元件包括至少一第一分光片，且第二光波导元件包括至少一第二分光片。第二光波导元件的第一表面的一部分为第二入光面，且第一表面的另一部分为第二出光面。影像光束离开第一光波导元件后经由第二入光面进入第二光波导元件，并经由第二出光面离开第二光波导元件。另外，第二光波导元件包括相对于第一表面的第二表面，第二表面上具有多个光学微结构，且各光学微结构包括反射面。因此，影像光束可以在行进于第一光波导元件之后，借由这些光学微结构的反射而行进于第二光波导元件，使得光学系统可以传递影像光束并使影像光束借由第一光波导元件以及第二光波导元件而在两个方向上扩张，且第一光波导元件以及第二光波导元件可以设计为叠置。另外，可以与第二光波导元件叠置的第一光波导元件可以设置适足的尺寸，以使影像光束在第一光波导元件中发生全反射之前即行进至第一分光片，避免影像光束在第一光波导元件中发生全反射而形成对于第一分光片过大而非预期的入射角。因此，影像光束可以预期的方式在第一分光片反射或穿透，使得头戴式显示装置不会产生鬼影。且在兼具体积轻薄的情况下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，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1a绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。
图1b绘示图1a实施例的光学系统的剖面示意图。
图1c绘示图1b的光学系统的一部分的放大示意图。
图1d至图1g绘示图1a实施例中，第一光波导元件传递影像光束的一部分的光路示意图。
图1h至图1j绘示图1a实施例中，第二光波导元件传递影像光束的一部分的光路示意图。
图2a绘示一比较实施例的光学系统的光波导元件传递影像光束的一部分的光路示意图。
图2b绘示图2a比较实施例的观测区的光强度分布模拟图。
图3绘示分光片对于影像光束的反射率对影像光束的入射角的作图。
图4a至图4c绘示本发明一些相关实施例中位于第二光波导元件上的多个光学微结构的剖面示意图。
图5绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的剖面示意图。
图6绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置传递影像光束的光路示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、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绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的立体示意图，请参考图1a。在本实施例中，头戴式显示装置100包括投影装置110以及光学系统120。光学系统120包括第一光波导元件122以及第二光波导元件124，且第二光波导元件124配置于第一光波导元件122旁。第一光波导元件122包括配置于其中的多个第一分光片(beamsplitter)126，且这些第一分光片126相互平行且呈间隔排列(即两相邻的第一分光片126之间具有一间隙)。第二光波导元件124包括配置于其中的多个第二分光片128，且这些第二分光片128相互平行且呈间隔排列(即两相邻的第二分光片128之间具有一间隙)。在一些实施例中，第一光波导元件122也可以仅包括一个第一分光片126，而第二光波导元件124可以仅包括一个第二分光片128，本发明并不限于此。
在本实施例中，投影装置110包括显示器d以及透镜pl，其中透镜pl的数量不限，依设计而定。投影装置110用以提供影像光束il，且光学系统120用于接收影像光束il。具体而言，投影装置110的显示器d提供影像光束il，且影像光束il通过透镜pl传递至第一光波导元件122。另外，第一光波导元件122包括第一入光面es1，而影像光束il由第一入光面es1进入第一光波导元件122。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方向与这些第二分光片128排列的方向平行，而第二轴y方向与这些第一分光片126排列的方向平行。另外，第一轴x方向垂直于第二轴y方向，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。
图1b绘示图1a实施例的光学系统的剖面示意图，1c绘示图1b的光学系统的一部分的放大示意图，而图1d至图1g绘示图1a实施例中，第一光波导元件传递影像光束的一部分的光路示意图。需注意的是，图1b以及图1c绘示影像光束il中一部分的影像光束il1以及影像光束il2，藉以通过细线状的光束来清楚表示光线在光学系统中的光路径。另外，图1d以及图1e分别绘示位于影像光束il边缘的影像光束il3以及影像光束il4，而图1f叠合图1d的影像光束il3以及图1e的影像光束il4，以通过影像光束il3以及影像光束il4清楚呈现影像光束il在yz平面(即第二轴y与第三轴z构成的平面)上的边缘。此外，图1g绘示位于影像光束il边缘的影像光束il5以及影像光束il6，以清楚呈现影像光束il在xy平面(即第一轴x与第二轴y构成的平面)上的边缘。
请先同时参考图1a以及图1f，第一光波导元件122还包括第一出光面exs1，且第一出光面exs1连接第一入光面es1。另外，请同时参考图1a以及图1b，第二光波导元件124包括第一表面s1以及第二表面s2。第一表面s1的一部分为面对第一出光面exs1的第二入光面es2，且第一表面s1的另一部分为第二出光面exs2。具体而言，请参考图1f，进入第一光波导元件122的影像光束il的一部分适于在这些第一分光片126上发生反射，而由第一出光面exs1离开第一光波导元件122。接着，离开第一光波导元件122的影像光束il适于由第二入光面es2进入第二光波导元件124。另外，请参考图1b，进入第二光波导元件124的影像光束il的一部分适于在这些第二分光片128上发生反射，而由第二出光面exs2离开第二光波导元件124。详细而言，影像光束il适于以全反射(totalinternalreflection)的方式行进于第二光波导元件124之中。
具体而言，请参考图1c，第二光波导元件124的第二表面s2相对于第一表面s1，且第二表面s2上具有多个光学微结构130。各光学微结构130包括反射面132以及连接反射面132的连接面134，且这些反射面132适于反射进入第二光波导元件124的影像光束il，而使得被这些反射面132反射的影像光束il传递至这些第二分光片128，并且在这些第二分光片128上发生部分反射部分穿透。具体而言，由于这些光学微结构130具有倾斜设置的这些反射面132，因此即使第一光波导元件122与第二光波导元件124是设计为堆叠设置，离开第一光波导元件122的影像光束il还是可以借由这些反射面132的反射而传递至第二光波导元件124之中。
在本实施例中，各光学微结构130还包括光反射层136以及光吸收层138。光反射层136配置于反射面132上，且光吸收层138配置于连接面134上。光反射层136例如是反射镀膜，而可以更有效地反射影像光束il。另外，光吸收层138例如是吸收镀膜，而可以使进入第二光波导元件124的影像光束il之中行进方向较为偏离的一部分被光吸收层138所吸收，以使经这些反射面132反射的影像光束il大致以固定的角度行进于第二光波导元件124之中。藉此，当影像光束il行进至这些第二分光片128时，影像光束il大致会以预期的入射角入射至这些第二分光片128。
在本实施例中，各反射面132与图上参考平面(虚线呈现)之间所夹的锐角相等于第二分光片128与第二出光面exs2之间的所夹的锐角，其中参考平面平行于第二出光面exs2。也就是说，各反射面132与参考平面之间所夹的锐角为夹角θ1，第二分光片128与第二出光面exs2之间所夹的锐角为夹角θ2，而夹角θ1例如是相等于夹角θ2。然而，在一些实施例中，夹角θ1也可以是不等于夹角θ2，本发明并不限定夹角θ1以及夹角θ2的大小，以及夹角θ1是否相等于夹角θ2。另外，各连接面134与参考平面具有夹角θ3，夹角θ3大于0度且夹角θ3小于或等于90度。具体而言，这些光学微结构130的形状可以是直角三角形(例如是夹角θ3等于90度时的情形)、等腰三角形(例如是夹角θ3小于90度，且夹角θ3等于夹角θ1时的情形)或是其它的形状。另外，各光学微结构130的宽度w可以例如是落在100微米(μm)至1000微米(μm)的范围内，本发明并不对这些光学微结构130的形状以及尺寸加以限制。除此之外，可以依据实际需求而将这些光学微结构130设计为凸状的光学微结构或凹陷的光学微结构，举例而言，凸状的光学微结构可利用沉积制程的方式制造，而凹陷的光学微结构则可利用蚀刻制程的方式制造，本发明也不限于此。
另外，请先参考图1d，在本实施例中，第一光波导元件122还包括连接第一入光面es1的第一侧面ss1，且第一侧面ss1与第一出光面exs1平行。这些第一分光片126配置于第一侧面ss1与第一出光面exs1之间，且这些第一分光片126不平行于第一入光面es1(也不平行于第一侧面ss1)。接着，请参考图1b，在本实施例中，第二光波导元件124的第二表面s2与第二出光面exs2平行。这些第二分光片128配置于第二表面s2与第二出光面exs2之间，且这些第二分光片128不平行于第二出光面exs2(也不平行于第二表面s2)。另外，这些第一分光片126与第一出光面exs1的夹角以及这些第二分光片128与第二出光面exs2的夹角例如是落在25度至40度，优选地，为30度。具体而言，当这些第一分光片126(或这些第二分光片128)配置角度增加时，这些第一分光片126(或这些第二分光片128)可以配置得较为密集，且可以达到较良好的光学系统120出光的光均匀性，值得注意的是，这些第一分光片126沿第三轴z投影到第一出光面exs1上，这些第一分光片126相互之间是不会重叠的，以及这些第二分光片128沿第三轴z投影到第二出光面exs2上，这些第二分光片128相互之间是不会重叠的。此外，第一光波导元件122(或第二光波导元件124)的可以设置较薄的厚度，便足以将影像光束il进行导引，而有利于整体头戴式显示装置100体积的轻薄化。
请参考图1c，具体而言，第二光波导元件124的第二入光面es2与第一光波导元件122的第一出光面exs1平行，且第二入光面es2与第一出光面exs1之间具有间隙g(如图1c所绘示)。间隙g的宽度例如是落在2微米至12微米之间，优选地，例如是落在3微米至10微米之间。然而在其它实施例中，间隙g的宽度值也可以是其它的数值，本发明并不限于此。另一实施例中，第一光波导元件122以及第二光波导元件124例如是以光学胶进行粘合。光学胶例如是涂布于第一出光面exs1或第二入光面es2的靠近边缘处，或者涂布于第一出光面exs1或第二入光面es2的角落。当第一出光面exs1与第二入光面es2对接以进行粘合后，第一出光面exs1与第二入光面es2是部分接触黏合并非全面接触黏合，即具有间隙g。又一实施例中，第一出光面exs1与第二入光面es2利用光学胶全面接触的方式粘接，以固定第一光波导元件122以及第二光波导元件124。此外，在一些实施例中，也可以通过机构装置例如固定治具固定第一光波导元件122以及第二光波导元件124的相对位置，以使第一出光面exs1与第二入光面es2之间具有间隙g，本发明并不限于此。具体而言，间隙g例如是填充以空气。然而，在一些实施例中，间隙g也可以填充透光材料，例如是折射率小于第一光波导元件122以及第二光波导元件124的透光材料，本发明也不限于此。
请参考图1d至图1f，在本实施例中，第一光波导元件122的第一入光面es1与第一出光面exs1之间的夹角可以小于或等于90度。具体而言，图1d绘示的第一入光面es1与第一出光面exs1呈现垂直，也就是说第一入光面es1与第一出光面exs1之间的夹角等于90度。然而在其它实施例中，第一入光面es1也可以相对于第一出光面exs1为倾斜，也就是说第一入光面es1与第一出光面exs1之间的夹角小于90度，在后面的段落中再详细描述并可参考图5，本发明并不限于此。具体而言，影像光束il由第一入光面es1进入第一光波导元件122。接着，影像光束il适于行进于第一侧面ss1与第一出光面exs1之间。请参考图1d以及图1e，在本实施例中，位于影像光束il边缘的影像光束il3以及影像光束il4在抵达第一侧面ss1以及第一出光面exs1之前即被这些第一分光片126反射而由第一出光面exs1离开第一光波导元件122。换句话说，至少部分影像光束il由第一入光面es1进入第一光波导元件122后，在yz平面上尚未展开至第一侧面ss1以及第一出光面exs1的情况下，便直接被这些第一分光片126反射而传递至第二光波导元件124。
接着，请参考图1g，在本实施例中，第一光波导元件122还包括第二侧面ss2以及第三侧面ss3。第二侧面ss2连接第一侧面ss1以及第一出光面exs1，第三侧面ss2也连接第一侧面ss1以及第一出光面exs1，且第三侧面ss3平行于第二侧面ss2。具体而言，当影像光束il行进于第一侧面ss1与第一出光面exs1之间时，影像光束il同时也行进于第二侧面ss2与第三侧面ss3之间。在本实施例中，位于影像光束il边缘的影像光束il5以及影像光束il6在抵达第二侧面ss2以及第三侧面ss3之前即被这些第一分光片126反射而由第一出光面exs1离开第一光波导元件122。详细而言，在本实施例中，与第二光波导元件124叠置的第一光波导元件122在第一轴x方向上具有适足的宽度，使得至少部分影像光束il由第一入光面es1进入第一光波导元件122后，在xy平面上尚未展开至第二侧面ss2以及第三侧面ss3的情况下，便直接被这些第一分光片126反射而传递至第二光波导元件124。
在本实施例中，影像光束il的一部分(例如是影像光束il3、il4、il5、il6)经过这些第一分光片126的至少其中之一反射后，由第一出光面exs1离开第一光波导元件122。具体而言，至少部分这些第一分光片126反射影像光束il的其中一部分，且影像光束il的另一部分穿透这些第一分光片126。
图1h至图1j绘示图1a实施例中，第二光波导元件传递影像光束的一部分的光路示意图。详细而言，图1h以及图1i分别绘示影像光束il的一部分的影像光束il7以及影像光束il8，而图1j叠合图1h的影像光束il7以及图1i的影像光束il8，以通过影像光束il7以及影像光束il8清楚呈现影像光束il在xz平面(第一轴x与第三轴z构成的平面)上的边缘。请参考图1h以及图1i，在本实施例中，离开第一光波导元件122的影像光束il的一部分，如影像光束il7以及影像光束il8，由第二入光面es2进入第二光波导元件124。接着，影像光束il7以及影像光束il8经由这些光学微结构130反射而行进于第二光波导元件124的第二表面s2与第二出光面exs2之间。大部分由这些光学微结构130反射的至少部分影像光束il(如影像光束il7以及影像光束il8)入射第二表面s2与第二出光面exs2的入射角会大于全反射的临界角(criticalangle)，进而以全反射的方式传递至这些第二分光片128。
如图1h以及图1i所示，在本实施例中，影像光束il(如影像光束il7以及影像光束il8)的一部分经过这些第二分光片128的至少其中之一反射后，由第二表面s2与第二出光面exs2的其中之一离开第二光波导元件124。具体而言，至少部分这些第二分光片128反射影像光束il的其中一部分，且影像光束il的另一部分穿透这些第二分光片128。另外，由这些第二分光片128反射的影像光束il例如是由第二出光面exs2离开第二光波导元件120。离开第二光波导元件124的影像光束il适于进入光瞳p。在本实施例中，光瞳p例如是使用者的眼睛。
请参考图1j，在本实施例中，进入第一光波导元件122前的影像光束il在第一方向d1上具有第一入瞳张角(未绘示)，且在第二方向d2上具有第二入瞳张角(未绘示)。另外，离开第二光波导元件124且进入光瞳p的影像光束il在第三方向d3上具有第一光收敛角θc1(如图1j所绘示)，且在第四方向d4上具有第二光收敛角(未绘示)。在本实施例中，第一方向d1与第二方向d2垂直，且第三方向d3与第四方向d4垂直。具体而言，第一方向d1、第三方向d3以及第一轴x例如是彼此平行，且第二方向d2、第四方向d4以及第二轴y例如是彼此平行。详细而言，在影像光束il于第一光波导元件122中行进的过程中，影像光束il的第二入瞳张角以及第二光收敛角大体上不会改变，另外，在影像光束il于第二光波导元件124中行进的过程中，影像光束il的第一入瞳张角以及第一光收敛角θc1大体上不会改变。具体而言，第一入瞳张角相等于第一光收敛角θc1，且第二入瞳张角相等于第二光收敛角。对于所述第一光收敛角θc1与第二光收敛角的角度取决于透镜pl的fov，举例而言，若制造者设计透镜pl的fov为40度，则第一光收敛角θc1与第二光收敛角的角度为34度与20度，但不以此为限。
在本实施例中，第一光波导元件122以及第二光波导元件124例如为可透光材质(例如玻璃、压克力或其它适当材质等)，而使得来自外界的环境光束al可以穿过第一光波导元件122以及第二光波导元件124。举例而言，影像光束il经由第一光波导元件122以及第二光波导元件124传递之后，由第二出光面exs2离开第二光波导元件124。当一使用者的眼睛例如是位于第二光波导元件124的第二出光面exs2附近时，离开第二光波导元件124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也可以穿过第一光波导元件122以及第二光波导元件124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(未绘示)，同时，使用者也可观看到环境光束al对应的外界影像(未绘示)，而实现扩增实境的显示效果。在本实施例中，显示器d可例如是液晶显示器(liquidcrystaldisplay,lcd)、电浆显示器(plasmadisplay)、有机发光二极管显示器(oleddisplay)、电湿润显示器(electrowettingdisplay,ewd)、电泳显示器(electro-phoreticdisplay,epd)、电致变色显示器(electrochromicdisplay,ecd)、数字微型反射镜元件(digitalmicromirrordevice，简称dmd)或是其它可应用的显示器，本发明并不限于此。
在本实施例中，这些第一分光片126的反射率(reflectivity)沿着远离第一入光面es1且平行于第一侧面ss1的方向逐渐变大。此外，这些第一分光片126的穿透率(transmittance)沿着远离第一入光面es1且平行于第一侧面ss1的方向逐渐变小。具体而言，这些第一分光片126的反射率沿着与第二轴y的方向相反的方向逐渐变大，且这些第一分光片126的穿透率沿着与第二轴y的方向相反的方向逐渐变小。除此之外，在本实施例中，这些第二分光片128的反射率沿着远离第一光波导元件122且平行于第二表面s2的方向逐渐变大。此外，这些第二分光片128的穿透率沿着远离第一光波导元件122且平行于第二表面s2的方向逐渐变小。具体而言，这些第二分光片128的反射率沿着第一轴x的方向逐渐变大，且这些第二分光片128的穿透率沿着第一轴x的方向逐渐变小。借由上述这些第一分光片126与这些第二分光片128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第一分光片126以及这些第二分光片128的过程中逐渐变小。这些第一分光片126反射出影像光束il的光强度可在第二轴y的方向上保持一致，且这些第二分光片128反射出影像光束il的光强度可在第一轴x的方向上保持一致。也就是说，当使用者观看到影像光束il对应的显示画面(未绘示)时，使用者观看到的显示画面的光强度分布是平均的，而不会有某一侧亮度较低或较高的情形。
在本实施例中，第一光波导元件122的这些第一分光片126呈等间隔的排列，且第二光波导元件124的这些第二分光片128也呈等间隔的排列。然而在其它实施例中，可以依据实际光学需求而设计这些第一分光片126以及这些第二分光片128呈不等间隔的排列，本发明并不限于此。具体而言，在本实施例中，影像光束il在行进于第一光波导元件122以及第二光波导元件124的过程中，可以借由这些第一分光片126以及这些第二分光片128而在两个方向(第一轴x的方向以及第二轴y的方向)上进行扩张，使得影像光束il在两个方向上都可以导入使用者的眼睛。
图2a绘示一比较实施例的光学系统的光波导元件传递影像光束的一部分的光路示意图。请参考图2a，在此比较实施例中，影像光束il’以全反射的方式行进于光学系统220’的光波导元件224’之中。光波导元件224’中例如是设置间隔排列的多个分光片228’，且这些分光片228’类似于图1a至图1j中本发明实施例的第一分光片126或者第二分光片128。这些分光片228’表面具有镀膜，而可以使以较小入射角入射的光线反射，并使以较大入射角入射的光线穿透。
图3绘示分光片对于影像光束的反射率对影像光束的入射角的作图，请先参考图3。具体而言，图3绘示标示“s极化光线”以及“p极化光线”的两条曲线分别表示当具有s极化方向的影像光束以及具有p极化方向的影像光束入射至分光片时，分光片对于影像光束在不同入射角的反射率。图3纵轴标示的“反射率”表示上述的反射率，单位为百分比，而横轴标示的“入射角”表示上述的入射角，单位为度。一般而言，分光片的表面镀膜可以使得分光片对不同入射角的光线具有选择性。当要使多个分光片扩展光线而让使用者可以观看到预期的影像画面时，分光片的表面镀膜会设计成以较小入射角入射的光线反射，并使较大入射角入射的光线穿透。因此，由这些分光片228’反射的影像光束il’，即影像光束il1’，通常会以一预期方向些微倾斜地导入使用者的眼睛，进而使得使用者观看到预期的影像画面。
然而，在实际使用上，分光片的表面镀膜有其限制。如图3所示，分光片的表面镀膜对于以过大的入射角(例如是入射角超过80度时，反射率上升)入射的光线反射，而产生非预期的反射光线。请再参考图2a，当影像光束il’以全反射的方式行进于光学系统220’的光波导元件224’之中时，一部分经过全反射而传递至这些分光片228’的影像光束il’会以过大的入射角入射这些分光片228’。此时，一部分的影像光束il’，如影像光束il2’会在这些分光片228’上发生非预期的反射(如影像光束il2’在图2a的区域a发生非预期的反射)。此非预期反射的影像光束il2’会继续于光波导元件224’中行进，而在后续以较小角度入射分光片228’的情况下，被分光片228’反射，而形成非预期光线sl。此非预期光线sl会以与前述预期方向相反的方向倾斜地导入使用者的眼睛。
图2b绘示图2a比较实施例的观测区的光强度分布模拟图。请参考图2b，当影像光束il1’以及非预期光线sl(影像光束il2’)同时进入使用者的眼睛时，使用者除了会观看到对应于影像光束il1’的预期显示画面ima1外，同时还会观看到对应于非预期光线sl的非预期显示画面ima2。因此，使用者容易在使用此比较实施例的头戴式显示器的过程中感觉显示画面有鬼影的存在，而感受到头戴式显示器的显示品质不佳。
相对而言，请再次参考图1g，在本实施例中，与第二光波导元件124叠置的第一光波导元件122在第一轴x方向上具有适足的宽度，使得至少部分影像光束il不会在xy平面上于第一光波导元件122中发生全反射。具体而言，影像光束il在第一光波导元件122中发生全反射之前即会行进至这些第一分光片126。因此，影像光束il不会在第一光波导元件122中发生全反射而形成对于第一分光片126而言过大而非预期的入射角，使得影像光束il可以预期的方式在这些第一分光片126上发生反射或穿透。因此，本发明实施例的头戴式显示装置100不会产生鬼影。且在兼具体积轻薄的情况下具有良好的显示品质。
请再参考图1c，在本实施例中，被第二光波导元件124的这些光学微结构130的这些反射面132反射的影像光束il沿着行进方向dp行进于第二光波导元件124之中，其中行进方向dp例如是与第一轴x平行。具体而言，这些光学微结构130于第二表面s2所在的区域沿着行进方向dp上具有宽度l。另外，第二出光面exs2与第二表面s2之间具有厚度h，各反射面132与图上参考平面(虚线呈现)之间具有第一夹角α，其中参考平面平行于第二出光面exs2，此外，由第二入光面es2进入第二光波导元件124的影像光束il，在这些反射面132上，影像光束il与垂直于第二入光面es2的垂直线之间具有第二夹角β。在本实施例中，光学系统120例如是可以满足以下关系式：
根据上述关系式(1)，举例而言，当宽度l为10毫米，第一夹角α为30度，而第二夹角β为20度时，厚度h为5.95毫米。相较而言，在相同条件下，倘若第二光波导元件124的第二表面s2是设置成一片倾斜的反射面而非多个具有反射面132的光学微结构130，则第二光波导元件124例如是必须具有8.84毫米的厚度，才能顺利导引来自第一光波导元件122的影像光束il并使其传递于第二光波导元件124之中。因此，本发明实施例中具有这些光学微结构130的第二光波导元件124可以具有较薄的厚度。
另外，在本实施例中，这些光学微结构130于第二表面s2所在的区域沿着行进方向dp上具有第一宽度l1(即宽度l)，且第一光波导结构122于行进方向dp上具有第二宽度l2。在本实施例中，当影像光束il入射第二光波导结构124之前的光斑于行进方向dp上的宽度例如是相等于第二宽度l2时，光学系统120例如是可以满足以下关系式：
其中，θ表示来自第一光波导元件122的影像光束il的视场角(fieldofview,fov)。举例而言，当第二宽度l2为8毫米，θ例如是30度时，厚度h为2.3毫米。相较而言，在相同条件下，倘若第二光波导元件124的第二表面s2是设置成一片倾斜的反射面而非多个具有反射面132的光学微结构130，则第二光波导元件124例如是必须具有4.6毫米的厚度，才能顺利引导具有上述θ值的影像光束il并使其传递于第二光波导元件124之中。因此，本发明实施例中具有这些光学微结构130的第二光波导元件124可以具有较薄的厚度，并且可以使影像光束il分布较为均匀。
图4a至图4c绘示本发明一些相关实施例中位于第二光波导元件上的多个光学微结构的剖面示意图。图4a至图4c的第二光波导元件424a、424b、424c类似于图1a至图1j实施例的第二光波导元件124。第二光波导元件424a、424b、424c的构件以及相关叙述可以参考图1a至图1j实施例的第二光波导元件124，在此不再赘述。第二光波导元件424a、424b、424c与第二光波导元件124的差异如下所述。请先参考图4a，在本实施例中，第二光波导元件424a的多个光学微结构430a例如是多个凸状的光学微结构，且各光学微结构430a也包括反射面432a以及连接面434a。具体而言，这些光学微结构430a例如是可以通过贴附微结构薄膜或塑胶射出的方式来形成，本发明并不限于此。
另外，请先参考图4b，在本实施例中，第二光波导元件424b具有多个光学微结构430b，且各光学微结构430b也包括反射面432b以及连接面434b。各连接面434b与第二出光面exs2之间具有夹角θ4，夹角θ4大于0度且夹角θ4小于90度。在本实施例中，这些光学微结构430b的形状例如是等腰三角形。具体而言，由于这些连接面434不垂直于第二出光面exs2，因此本实施例的这些光学微结构430b较易于通过射出成型的方式制作。除此之外，本实施例的这些光学微结构430b以及图1a至图1j实施例的这些光学微结构130例如是多个凹陷的光学微结构。具体而言，这些凹陷的光学微结构例如是可以通过将整块玻璃进形切削或塑胶射出的方式来形成，使得这些光学微结构430b的端点不高过第二光波导元件124的第二表面s2，本发明并不限于此。
请参考图4c，在本实施例中，第二光波导元件424c具有多个光学微结构430c，且各光学微结构430c也包括反射面432c以及连接面434c。具体而言，这些光学微结构430c类似于图4b实施例的这些光学微结构430b，但这些光学微结构430c例如是类似于图4a实施例的这些光学微结构430a的形式，为多个凸状的光学微结构。这些光学微结构430c的相关叙述可以参考这些光学微结构430a以及这些光学微结构430b的相关叙述，在此不再赘述。
图5绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的剖面示意图，请参考图5。图5实施例的头戴式显示装置500类似于图1a至图1j实施例的头戴式显示装置100，其构件以及相关叙述可以参考头戴式显示装置100的构件以及相关叙述，在此不再赘述。头戴式显示装置500与头戴式显示装置100的差异如下所述。在本实施例中，头戴式显示装置500的光学系统520包括彼此堆叠设置的第一光波导元件522以及第二光波导元件524，且第一光波导元件522的第一入光面es1与第一出光面exs1之间的夹角θ5小于90度。具体而言，第一光波导元件522于第一入光面es1的一侧例如是形成楔形(wedge)，而第一入光面es1为倾斜面。投影装置110提供的影像光束il(图5绘示影像光束il的一部分的影像光束il9以及影像光束il10)透过第一入光面es1进入第一光波导元件522，并且被多个第一分光片526反射而传递至第二光波导元件524。详细而言，在本发明的相关实施例中，可以依据实际需求而第一入光面es1与第一出光面exs1之间的夹角值，本发明并不限于此。
图6绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置传递影像光束的光路示意图，请参考图6。图6实施例的头戴式显示装置600类似于图1a至图1j实施例的头戴式显示装置100，其构件以及相关叙述可以参考头戴式显示装置100的构件以及相关叙述，在此不再赘述。头戴式显示装置600与头戴式显示装置100的差异如下所述。在本实施例中，头戴式显示装置600的光学系统620包括彼此堆叠设置的第一光波导元件622以及第二光波导元件624。另外，光学系统620包括反射镜640，配置于第一入光面es1旁。反射镜640适于反射由投影装置610提供的影像光束il，以使影像光束il由第一入光面es1进入第一光波导元件622。接着，进入第一光波导元件622的影像光束il可再被多个第一分光片626反射而传递至第二光波导元件624。
具体而言，反射镜640与第一出光面exs1之间的夹角θ6例如是45度。当影像光束il经由反射镜640反射后，可以垂直地入射第一入光面es1。此外，在本实施例中，投影装置610的光圈位置pa例如是位于第一光波导元件622中。举例而言，光圈位置pa例如是位于这些第一分光片626之间。因此，行进于第一光波导元件622的影像光束il可以缩束到光圈位置pa。在本实施例中，借由将影像光束il缩束的光圈位置pa调整至第一光波导元件622的内部，可以避免影像光束il太早于xy平面上发散而在第一出光面exs1以及第一侧面ss1产生全反射。也就是说，影像光束il在发生全反射之前就可以通过这些第一分光片626导引到第二光波导元件624中，因此可以避免影像光束il于第一光波导元件622中发生全反射而造成非预期显示画面的问题。
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。本发明的实施例的头戴式显示装置的光学系统包括第一光波导元件以及第二光波导元件，且第二光波导元件配置于第一光波导元件旁。第一光波导元件包括至少一第一分光片，且第二光波导元件包括至少一第二分光片。第二光波导元件的第一表面的一部分为第二入光面，且第一表面的另一部分为第二出光面。影像光束离开第一光波导元件后经由第二入光面进入第二光波导元件，并经由第二出光面离开第二光波导元件。另外，第二光波导元件包括相对于第一表面的第二表面，第二表面上具有多个光学微结构，且各光学微结构包括反射面。因此，影像光束可以在行进于第一光波导元件之后，借由这些光学微结构的反射而行进于第二光波导元件，使得光学系统可以传递影像光束并使影像光束借由第一光波导元件以及第二光波导元件而在两个方向上扩张，且第一光波导元件以及第二光波导元件可以设计为叠置。另外，可以与第二光波导元件叠置的第一光波导元件可以设置适足的尺寸，以使影像光束在第一光波导元件中发生全反射之前即行进至第一分光片，避免影像光束在第一光波导元件中发生全反射而形成对于第一分光片过大而非预期的入射角。因此，影像光束可以预期的方式在第一分光片反射或穿透，使得头戴式显示装置不会产生鬼影。且在兼具体积轻薄的情况下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，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，都仍属于本发明专利覆盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不需达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，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之权利范围。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。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。
附图标记说明
100、500、600：头戴式显示装置
110、610：投影装置
120、220’、520、620：光学系统
122、522、622：第一光波导元件
124、424a、424b、424c、524、624：第二光波导元件
126、526、626：第一分光片
128：第二分光片
130、430a、430b、430c：光学微结构
132、432a、432b、432c：反射面
134、434a、434b、434c：连接面
136：光反射层
138：光吸收层
224’：光波导元件
228’：分光片
640：反射镜
il、il1、il2、il3、il4、il5、il6、il7、il8、il9、il10、il’、il1’、il2’：影像光束
a：区域
al：环境光束
d：显示器
d1：第一方向
d2：第二方向
d3：第三方向
d4：第四方向
dp：行进方向
es1：第一入光面
es2：第二入光面
exs1：第一出光面
exs2：第二出光面
g：间隙
h：厚度
ima1：预期显示画面
ima2：非预期显示画面
l1：第一宽度
l2：第二宽度
p：光瞳
pa：光圈位置
pl：透镜
s1：第一表面
s2：第二表面
ss1：第一侧面
ss2：第二侧面
ss3：第三侧面
sl：非预期光线
l、w：宽度
x：第一轴
y：第二轴
z：第三轴
θc1：第一光收敛角
θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6：角度
α：第一夹角
β：第二夹角