TW201802500A - 聚光背光板、近眼顯示方法以及使用該方法的系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種聚光背光板，包括一導光體以及一繞射格柵。導光體係用於引導光。繞射格柵係用於將部分的導光繞射耦合出成為繞射耦合出的光，並且將繞射耦合出的光聚集進入一視框中。近眼顯示系統包括所述的導光體以及繞射格柵，並且進一步包括一光閥陣列，用於調變繞射耦合出的光以在視框中形成一影像。所形成的影像可以在視框中供使用者觀看。

Description

聚光背光板、近眼顯示方法以及使用該方法的系統
本發明係關於一種背光板；特別是屬於一種聚光背光板、近眼顯示方法以及使用該方法的系統。
對於種類廣泛的裝置及產品的使用者而言，電子顯示器是一個幾乎無處不在的媒體，用於傳播資訊給使用者。其中最常見的電子顯示器是陰極射線管(cathode ray tube, CRT)、電漿顯示面板(plasma display panels, PDP)、液晶顯示器(liquid crystal displays, LCD)、電致發光顯示器(electroluminescent displays, EL)、有機發光二極體(organic light emitting diode, OLED)和主動式有機發光二極體(active matrix OLEDs, AMOLED)顯示器、電泳顯示器(electrophoretic displays, EP)，以及各種採用機電或電流體光調變(例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等)的顯示器。在一般情況下，電子顯示器可以分為主動顯示器(即，會發光的顯示器)或被動顯示器(即，調變由另一個光源提供的光的顯示器)的其中一者。在主動顯示器的分類中，最明顯的例子是CRTs、PDPs及OLEDs/ AMOLEDs。在上述以發射光進行分類的情況下，LCDs及EP顯示器一般是被歸類在被動顯示器的分類中。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於如固有的低功率消耗等具有吸引力的性能特徵，但由於其缺乏發光的能力，被動顯示器在許多實際應用中可能有使用上的限制。
除了以主動式或被動式來進行分類以外，也可以根據電子顯示器的預期觀看距離來對判斷電子顯示器的特徵。舉例來說，大多數的電子顯示器的設計是必須放置在與人眼具有一定距離的正常或「自然」的調視範圍中。因此，該種電子顯示器可以在不需要額外的光學元件的情況下供使用者直接且自然地觀看。另一方面，某些顯示器是特別設計成需擺放在比正常調視範圍更靠近人眼的位置。這些電子顯示器經常被稱為「近眼」顯示器，且通常係包括某種形式的光學元件以方便使用者觀看。舉例來說，該光學元件可以提供位於正常調視範圍內的實體電子顯示器的虛像，如此一來，縱使無法直接觀看到實體電子顯示器本身，使用者仍然可以舒服的進行觀看。使用近眼顯示器之應用的範例包括了頭戴式顯示器(Head Mounted Display, HMD)、類似的穿戴式顯示器，以及某些抬頭式顯示器；但近眼顯示器的範例並不受限於此。由於近眼顯示器相對於傳統的顯示器來說可以提供使用者更為身歷其境的體驗，各種虛擬實境系統以及擴增實境系統經常也會包含有近眼顯示器。
下文中的實施例係依據本發明的原理，提供了一種可以應用於近眼顯示系統的聚光背光板。根據本發明的各個實施例，聚光背光板採用了用於將光從導光體中繞射耦合出來的一繞射格柵。此外，根據本發明的各個實施例，繞射格柵係用於將繞射耦合出的光聚集進入一視框中。在某些實施例中，視框具有一預定寬度，而在其他的實施例中，視框可以具有預定的寬度以及預定的長度。根據本發明的各個實施例，聚光背光板可以被用在近眼顯示系統中。更具體來說，近眼顯示系統可以包括擴增實境系統以及虛擬實境系統，但其並不受限於此。根據本發明的某些實施例，可以利用本說明書中所描述的聚光背光板來實現所述的近眼顯示系統。
在本說明書中，「繞射格柵」被廣義地定義為複數個結構特徵(即，繞射結構特徵)，用於提供入射於繞射格柵之光的繞射。在某些範例中，該些結構特徵可以以週期性或準週期性的方式設置。舉例來說，繞射格柵可以包括設置在一個一維陣列中之複數個結構特徵(例如，在材料表面的複數個凹槽或脊部)。在其他的範例中，繞射格柵可以是二維陣列的結構特徵。舉例來說，繞射格柵可以是在材料表面上的凸部或者在材料表面中的孔洞的二維陣列。
據此，如本說明書中的定義，「繞射格柵」為一種結構，其可以提供入射於繞射格柵之光的繞射。如果光是由一導光體入射到繞射格柵上，其所提供的繞射或者繞射地散射可能導致並且因此可以被稱為「繞射耦合」，繞射耦合可以藉由繞射的方式將光耦合離開導光體。繞射格柵也藉由繞射的方式(即，以一繞射角度)重新定向或改變光的角度。尤其，由於繞射的緣故，離開繞射格柵的光通常具有與入射於繞射格柵的光(即，入射光)的傳導方向不同的傳導方向。藉由繞射產生之光的傳導方向上的變化於本文中被稱為「繞射地重新定向」。因此，繞射格柵可被理解為經由繞射方式將入射在繞射格柵上的光重新定向之具有繞射特徵的結構，以及，如果光是由導光體射出，繞射格柵也可將來自導光體的光繞射地耦合出。
此外，如本說明書中的定義，繞射格柵的結構特徵係被稱為「繞射結構特徵」，並且可以是位在一表面、在一個表面之內或在一個表面之上(換言之，兩個材料之間的邊界)的一個以上的繞射結構特徵。該表面可以是平板導光體的一個表面。繞射結構特徵可包括任何種類的光繞射結構，其可以包含但不限於：在表面、在表面內或在表面上的一個以上的凹槽、脊部、孔洞和凸起。例如，繞射格柵可以包括​​在材料表面內的複數個平行的凹槽。在另一範例中，繞射格柵可以包括自材料表面上升突出的複數個平行的脊部。繞射結構特徵(例如，凹槽、脊部、孔洞、凸部等)可以具有得以提供繞射功能之各種橫截面形狀或輪廓中的任一者，該些橫截面形狀或輪廓係包括但不限於：一正弦狀輪廓、一矩形輪廓(例如，一二元化繞射格柵)、一三角形輪廓和一鋸齒輪廓(例如，一閃耀光柵)的其中一個或多個。
在本說明書使用的「調視」一詞，係指藉由改變眼睛的光學能量來聚焦在一物品或影像元件上的過程。換言之，調視係指眼睛聚焦的能力。在本文中，「調視範圍」或等同的「調視距離」係被定義為能讓眼睛清楚看到物體的清楚影像或「聚焦」影像的物體與眼睛之間的最小距離。換言之，根據此定義，若物體與眼睛之間的距離小於所述的調視距離，則一般來說眼睛無法清楚地聚焦於物體上。雖然每個個體的調視範圍可能會有所不同，作為範例，在本文中係以簡單的方式將最小的「正常」調視距離設定為大約等於25公分。據此，當一物品在所述的「正常調視範圍」中時，一般應理解為該物品位在距離眼睛超過25公分以外的位置。此外，根據本說明書中的定義，近眼顯示器係指至少有一部分的顯示器位在與近眼顯示器的使用者的眼睛距離小於25公分的位置處的顯示器。
在本說明書中，「視框」係指使用者可以觀看顯示器或其他光學系統（例如，透鏡系統）所形成的影像的區域或空間。換言之，視框界定了為了觀看由顯示系統所產生的影像，使用者的眼睛在空間中適合放置的位置。在某些實施例中，視框代表了二維的空間區域（例如，具有長度與寬度但沒有實際深度的區域），然而在其他實施例中，視框可以包括三維的空間區域（例如，具有長度、寬度以及深度的區域）。此外，當在本說明書中提到「框」時，視框並不受限於具有四邊形的區域。舉例來說，在某些實施例中，視框可以是圓柱形的空間區域。
在本說明書中，由符號s表示的「準直因子」的定義是光被準直的程度。更具體來說，根據本說明書中的定義，準直因子定義了準直光束中的光線的角分散。舉例來說，準直因子s可以指出一束準直光中的大部分光線是位於一主要角分散中(例如，繞著準直光束的中心或主要角度方向的+/-s度)。根據本發明的某些範例，準直光束的光線的角度方面可以具有高斯分佈(Gaussian distribution)，且角分散可以由準直光束的峰值強度為一半時的角度所決定。
此外，在本說明書中所使用的冠詞「一」具有專利領域中的普遍含義，即，意指「一個或多個」。例如，「一格柵」指的是一個或多個的格柵，更確切來說，「該格柵」於此意指「該（等）格柵」。此外，任何本文所指的「頂部」、「底部」、「上部」、「下部」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、或「右」並非意使其成為任何限制。本文中，當應用到一個值時，除非有另外特別說明，「大約」一詞一般是指用於產生該值的設備的公差範圍內，或在一些實施例中，是指正負10%，或正負5%，或正負1%。此外，舉例來說，「大致」一詞在本文中代表了大多數、幾乎全部或全部，或者代表落於大約51%至大約100%之間的範圍中的值。再者，本說明書中的實施例旨在對本發明進行說明，並且是為了討論之目的呈現，而不應用於限制本發明。
根據與本說明書中所描述的原理一致的某些實施例，本發明係提供了一種聚光背光板。圖1A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了一聚光背光板100的範例的側視圖。圖1B為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了圖1A中的聚光背光板100的一部分的範例的剖視圖。圖1C為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了圖1A中的聚光背光板100的另一部分的範例的剖視圖。圖1D為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了圖1A中的聚光背光板100的平面圖。如圖中所示，聚光背光板100係用於提供或射出在本說明書中被稱為「繞射耦合出」的光102，且繞射耦合出的光102係被往遠離聚光背光板100的方向定向。此外，聚光背光板100被配置為將所提供或射出的光聚集進入與聚光背光板100相鄰的(例如，上方)一預定區域中。更具體來說，如下文中進一步的詳細說明所述，聚光背光板100可以將繞射耦合出的光102聚集進入與聚光背光板100相鄰的視框108中。
根據本發明的各個實施例，圖1A~圖1D中顯示的聚光背光板100係包括一導光體110。在某些實施例中，導光體110可以是一平板導光體110(例如，如圖中所示)。導光體110係用於將光引導為導光104(參見圖1C)。更具體來說，根據本發明的各個實施例，導光104可以沿著導光體110的長度在縱向方向(例如，x方向，如圖中所示)上傳導。此外，導光104會往大致遠離導光體110的入光邊緣112的方向傳導，如圖1A以及圖1C所示。在圖1A中，導光體110中指向遠離入光邊緣112的方向的箭頭代表了導光104自身，以及導光104往縱向方向上例如沿著導光體長度的傳導方向。
根據本發明的各個實施例，導光體110係利用或根據完全內部反射引導導光104。更具體來說，導光體110可以是一光波導，並且可以包括長形、大致為板片或平板狀的光學性透明的介電材料。作為平板的光波導，導光體110可以包括多種不同的光學性透明材料中的任何數量的材料，其中，該些材料包括各種的玻璃，例如，石英玻璃、鹼鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃，以及實質上為光學透明的塑膠或聚合物，例如，聚甲基丙烯酸甲酯或「丙烯酸玻璃」、聚碳酸脂，但其並不受限於此。在某些實施例中，導光體110在導光體110的一表面上可以具有一披覆層(未顯示於圖中)，藉此進一步促進完全內部反射。
在本發明的各個實施例中，光是沿著導光體110的入光邊緣112被耦合進入導光體110中。尤其，光可以被以預定的非零值角度被耦合進入或射入導光體110，藉以在導光體110中作為導光104以非零值傳導角度傳導。此外，被耦合進入導光體110的光可以具有預定的角度範圍或準直因子s。換言之，導光104可以是實質的準直光，且由準直因子s定義的角度範圍或準直因子的角度範圍可以代表耦合進入的光之中的光線的角度分佈，其中，耦合進入的光最終會在導光體110中作為導光104傳導。根據本發明的各個實施例，繞射耦合出的光102可以具有大致相似於準直因子s的角度範圍或至少由準直因子s所決定的角度範圍，或者，可以具有由本說明書所定義的角度範圍。舉例來說，在圖1A中相鄰於代表繞射耦合出的光102之實線箭頭的虛線箭頭，顯示了在繞射耦合出的光102中的各種光束或光線的角度範圍。
在一範例中，準直因子s可以代表等於或小於大約正或負四十度(即，s £ ±40°)的角分散。在其他的範例中，準直因子s可以代表等於或小於大約三十度(即，s £ ±30°)的角分散，等於或小於大約二十度的(即，即，s £ ±20°)角分散，或者，等於或小於大約十度(即，s £ ±10°)的角分散。在進一步的其他實施例中，準直因子可以代表小於大約五度(即，s ＜ ±5°)的角分散。如下文中針對方程式(1)的敘述，因而產生相對較小的視框108的尺寸。在某些實施例中，除了具有預定的準直因子s以外，導光104可以被配置為以非零值角度傳導(例如，小於平板導光體110的關鍵角度)。
如圖中所示，聚光背光板100進一步包括一繞射格柵120。在本發明的各個實施例中，繞射格柵120係光學性地耦接於導光體110。舉例來說，繞射格柵120可以位在導光體110的表面上、位於導光體110的表面或者相鄰於導光體110的表面。舉例來說，所述的表面可以是導光體110的「頂部」表面(例如，發光表面)以及導光體110的「底部」表面的其中之一或同時為該兩個表面。在圖1A~圖1D中，作為本發明的範例而非限制，繞射格柵120是顯示於導光體110的發光表面或頂部表面。
根據本發明的各個實施例，繞射格柵120係從導光體110中將導光104的一部分繞射耦合出。更具體來說，部分的導光104可以被繞射耦合出成為繞射耦合出的光102。此外，繞射格柵120係用於將繞射耦合出的光102定向進入與導光體表面相鄰並且間隔開來的視框108(例如，如圖中所示，位於頂部表面上方)。舉例來說，圖1A中以從導光體表面延伸至視框108之代表光線或光束的箭頭來表示繞射耦合出的光102。如圖中從導光體110的相對邊緣或端部延伸至視框108的虛線所示，繞射耦合出的光可以聚集進入代表視框108的預定且大致局部的空間區域之中，其中，視框108係位在與導光體的表面相鄰(即，上方)的位置。再者，根據本發明的各個實施例，透過繞射格柵120的聚集效果，繞射耦合出的光102可以被侷限在導光體110以及視框108之間的區域中(例如，錐形/金字塔型的區域或「光傳輸錐」106之中)。
圖1B的剖視圖顯示的聚光背光板100的部分顯示了繞射格柵120作為往z方向突出的脊部124的繞射結構特徵。此外，如圖中所示，脊部124之間是由凹槽122彼此分離開來。在本說明書中，一個凹槽122以及一個相鄰脊部124的結合係被稱為一個「繞射格柵」。或者，多個脊部124以及多個凹槽122可以被稱為多個繞射格柵。凹槽122的寬度被標示為wg ，而脊部124的寬度被標示為wr 。凹槽寬度wg 以及脊部寬度wr 的總合在此被定義為「結構特徵間隔」，並且被標示為L，如圖中所示。作為範例，結構特徵間隔的替代定義，可以是一對相鄰的脊部124(由一凹槽122分隔開來)或一對相鄰的凹槽122(由一脊部124分隔開來)之間的中心至中心距離。根據本發明的某些實施例(例如，如圖1D所示，如下文中所述)，凹槽122與脊部124的寬度可以沿著繞射結構特徵的長度(例如，凹槽122與脊部124的長度)大致為不變的寬度。此外，在某些實施例中，結構特徵間隔L可以沿著繞射結構特徵的長度為大致不變的間隔，例如，如圖1D所示。
圖1C的剖視圖顯示了部分的聚光背光板100，更具體來說，顯示了靠近入光邊緣112的導光體110。如圖中所示，沿著入光邊緣112被耦合進入導光體110的光，在導光體110中係作為導光104在各個延伸箭頭的方向上傳導。更具體來說，某些導光104、104a會因為完全內部反射的緣故而留在導光體110中。如圖1C中進一步所示，其他部分的導光104、104b係由繞射格柵120耦合出而成為繞射耦合出的光102。此外，如下文中的詳細說明所述，導光的方向是在繞射格柵120的結構特徵間隔L的縮減的方向上。
更具體來說，圖1C中的延伸箭頭代表了因為完全內部反射大致被困在導光體110中，於預定的準直因子s中的導光104a的光線路徑。更具體來說，如圖中所示，光線的路徑可以在導光體110的頂部表面與底部表面之間「彈跳」或交替移動。換言之，在導光體110中沿著相對的頂部表面與底部表面的各個點處，導光104a可能會以小於導光體110的關鍵角度的角度與相對的表面接觸。據此，導光104a實質上由完全內部反射困在導光體110中。
在圖1C中，另一延伸的箭頭代表了導光104於預定的準直因子s中的另一導光104、104b的光線的路徑，其中，導光104、104b由繞射格柵120耦合出導光體110成為繞射耦合出的光102，例如，成為繞射耦合出的光102的光線。根據本發明的各個實施例，與繞射格柵120互動的導光104b係被繞射耦合離開導光體110而成為第一級繞射光束。換言之，繞射格柵120係用於將部分的導光根據第一繞射級數繞射耦合出來。在本發明的各個實施例中，零級繞射光束以及更高級的繞射光束基本上會被抑制。舉例來說，繞射耦合出的光102，可以代表相對於與導光體垂直的表面以一繞射角度θ 被繞射耦合離開導光體110的第一級繞射光。
在某些實施例中(未顯示於圖中)，繞射格柵120可以包括大致呈直線狀的繞射結構特徵。大致為直線狀的繞射結構特徵(例如，直線的凹槽122與脊部124)可以提供基本上為一維的視框108。換言之，視框108可以具有一寬度(例如，在縱向方向上)，並且可以進一步在與該寬度的方向正交的方向上具有另一尺寸。作為範例，其他的尺寸或長度可以在實質上受到導光體110的類似範圍約束或不受其約束。
在其他的實施例中，繞射格柵120可以包括彎曲繞射結構特徵，或者包括沿著繞射結構特徵的長度以近似曲線的方式設置的繞射結構特徵。圖1D的平面圖顯示了位於聚光背光板100的導光體110的表面上的繞射格柵120。繞射格柵120的繞射圖案是以代表繞射格柵120的彎曲繞射結構特徵的黑色與白色交替的帶狀圖案所表示，例如，位於導光體110的表面中或位於導光體110的表面的凹槽122與脊部124的其中一者或兩者。此外，如圖1D所示，作為本發明的範例而非限制，繞射結構特徵為彎曲的繞射結構特徵。更具體來說，如圖1D所示，同心的黑色與白色曲線代表了導光體表面上的同心彎曲繞射結構特徵(例如，同心彎曲脊部以及同心彎曲凹槽)。同心彎曲繞射結構特徵具有一曲率中心C ，其中，該曲率中心C 是位在導光體110的邊緣外。在某些實施例中，繞射格柵120的彎曲繞射結構特徵可以由半圓形表示(即，可以是半圓形的彎曲繞射結構特徵)。在其他的實施例中，可以採用大致為非圓形的曲線來實現彎曲繞射結構特徵。繞射結構特徵的曲度可以被配置為將繞射耦合出的光往視框108的平面中的兩個正交方向上聚集。據此，彎曲繞射結構特徵可以被配置為提供二維的視框108。在本發明的各個實施例中，二維的視框108可以位在與導光體表面平行的平面中(例如，參見圖5B，如下文的說明所述)。
根據本發明的各個實施例，繞射格柵120中的繞射結構特徵的結構特徵間隔，可以在導光體110中沿著導光體長度或在光的傳導方向上隨著一距離函數變化。舉例來說，如圖1D的平面圖所示，繞射格柵120的結構特徵間隔L係隨著與曲率中心C 之間的距離增加而縮減。等同地，圖中所示的結構特徵間隔L係隨著與圖1D中所示的導光體110的入光邊緣112之間的距離函數而縮減。作為範例，可以沿著一半徑R 測量與曲率中心之間的距離，或者測量與入光邊緣112之間的距離。作為範例，以距離函數縮減的結構特徵間隔L可以被稱為「啁啾」，且圖1D中所示的繞射格柵120可以被稱為「啁啾式」繞射格柵。此外，在某些實施例中，結構特徵間隔L的縮減可以代表線性的距離函數。在其他的實施例中，結構特徵間隔可以根據另一(即，非線性的)距離函數縮減，該函數可以包括指數距離函數以及雙曲線距離函數，但其並不受限於此。
圖2為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了作為距離函數的繞射結構特徵的範例的圖表。如圖中所示，水平軸線代表了沿著圖1D中的半徑R 的距離(例如，與曲率中心C 之間的徑向距離)，例如，在水平軸線上標示為“0”的點可以代表半徑R 與導光體110的入光邊緣112交錯的點。圖表中的垂直軸線代表了繞射格柵120的繞射結構特徵的結構特徵間隔L。曲線130、140與150代表了繞結構特徵的結構特徵間隔L可以以不同方式隨著與曲率中心C 之間的距離的增加而縮減的範例。曲線130代表了結構特徵間隔隨著與曲率中心C 之間的距離增加而呈現的指數縮減。曲線140代表了結構特徵間隔隨著與曲率中心C 之間的距離增加的函數而呈現的線性縮減。曲線150代表了結構特徵間隔隨著與曲率中心C 之間的距離增加而呈現的雙曲線縮減。
在圖1D顯示的示例性繞射格柵中，以及在本說明書中顯示的各個其他範例中，為了圖示的簡易性而非作為限制，繞射結構特徵的剖視圖是由四邊形的凹槽與脊部所表示。更具體來說，根據本發明的各個實施例，繞射格柵120繞射結構特徵可以具有各種其他剖面形狀中的任一種，包括鋸齒狀、梯形或半球形，但其形狀並不受限於此。舉例來說，繞射格柵120的繞射結構特徵可以包括具有梯形剖面形狀的脊部。
根據本發明的各個實施例，可以根據任何一種不同的微加工或奈米加工技術來提供繞射格柵120，該些技術可以包括濕式蝕刻、離子蝕刻、微影製程、壓印微影製程、各向異性蝕刻、電漿蝕刻或上述技術的結合，但其並不受限於此。舉例來說，如圖1A~圖1D所示，可以利用離子蝕刻或電漿蝕刻將聚光背光板100的繞射格柵120設置在導光體110的光學性透明的介電材料的薄板的表面上。在另一實施例中，可以透過在導光體110的表面上沉積一層介電材料、一層金屬或一層其他的反射材料，或沉積一層上述材料的結合來提供聚光背光板100的繞射格柵120。舉例來說，可以在沉積該層材料後，再對該沉積層進行蝕刻來形成繞射格柵120。在另一實施例中，繞射格柵120可以形成在一材料層中，並且接著再將該材料層貼附固定至導光體110的表面上。
圖3A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了部分的聚光背光板100的範例的剖視圖。更具體來說，所顯示的聚光背光板100的部分係包括由介電材料的薄板所形成的導光體110(即，平板導光體110)。圖中進一步顯示的是位於平板導光體110的表面(例如，頂部表面)的繞射格柵120。如圖中所示，繞射格柵120包括了設置在平板導光體110的頂部表面上的脊部124。根據圖3A的實施例，脊部124的材料可以包括與平板導光體110的介電材料薄板不相同的材料(即，介電材料或金屬)，例如，如圖3A中的陰影斜線所示。舉例來說，可以透過在平板導光體110的頂部上面進行沉積來提供圖3A中的脊部124的不同材料。在其他的實施例中(例如，如圖1A~圖1C所示)，凹槽122與脊部124可以包括一種導光體110的材料，例如，介電材料的薄板。
在其他的實施例中，繞射格柵120可以被設置於聚光背光板100的導光體110的底部表面或設置於底部表面中。圖3B為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了部分的聚光背光板100的範例的剖視圖。更具體來說，圖3B顯示了聚光背光板100包括平板導光體110以及繞射格柵120的部分。然而，在圖3B中，繞射格柵120是設置於平板導光體110的介電材料的薄板的底部表面。如圖中所示，材料層126大致覆蓋了繞射格柵120的繞射結構特徵(例如，平板導光體材料中的凹槽122)並且大致填滿了凹槽122。根據本發明的各個範例，材料層126可以包括金屬、反射材料或折射係數小於平板導光體110的折射係數的介電材料，但其並不受限於此。作為範例，圖3B中顯示的繞射格柵120可以代表反射模式繞射格柵。當繞射格柵120為反射模式繞射格柵時，繞射耦合出的光102可以通過與設置有繞射格柵120的底部表面相對的頂部表面離開或射出導光體110。
圖3C為根據與本發明所描述的原理一致的再一實施例，顯示了部分的聚光背光板100的範例的剖視圖。如圖3C所示，顯示的聚光背光板的部分係包括了在底部表面具有繞射格柵120的平板導光體110。在此實施例中，凹槽122係由金屬填滿，或者由折射係數小於平板導光體的折射係數的介電材料填滿。此外，如圖中所示，反射層128(例如，金屬層或低折射係數的介電材料層)係覆蓋平板導光體110的底部表面。
請再次參照圖1A，如上文所述以及如圖中所示，繞射格柵120的結構特徵間隔係被配置為將光聚集進入視框108中，其中，視框108是位在與聚光背光板100之間距離一距離f 的位置。舉例來說，如圖中所示，可以從導光體110的頂部表面測量距離f 。根據本發明的各個實施例，可以由距離f 以及在導光體110中傳導的光的準直因子s之間的乘積取得視框108的大約寬度wviewbox ，或者，等同地，利用沿著入光邊緣112進入導光體110的準直因子s。更具體來說，視框寬度wviewbox 可以由方程式(1)得出：(1) 在某些實施例中，縱向方向(例如，光傳導方向)上的視框寬度wviewbox 可以大約小於二十五毫米(25 mm)。作為範例，大約為二十五毫米的視框寬度wviewbox 可以對應於觀看聚光背光板100或採用聚光背光板100之顯示器的使用者的一個眼睛的平均寬度。更具體來說，根據本發明的某些實施例，當使用者的眼睛位於觀看聚光背光板100的視框108中時，使用者的眼睛的尺寸可以大致相似於視框108的尺寸。
如上文所述，聚光背光板100提供的繞射耦合出的光102可以被大致聚集進入視框108中，或等同地大致被集中在圖1A中的虛線所勾畫出的錐形區域或「光傳輸錐」106之中。作為將繞射耦合出的光102聚集的結果，當使用者的眼睛位在視框108中時，聚光背光板100產生的光可以被「聚焦」於使用者的眼睛上。舉例來說，一班人類眼睛的平均直徑大約為25 mm。在某些範例中，聚光背光板100可以被配置為提供視框寬度weyebox 大約介於十四毫米至二十七毫米之間(14 mm ~ 27 mm)的視框108，藉此將光聚集在位於視框108中的使用者的眼睛上。在另一範例中，一般人類眼睛的虹膜的直徑範圍大約介於十毫米至十三毫米之間(10 mm ~ 13 mm)，而虹膜的平均直徑大約為十二毫米(12 mm)。在某些範例中，聚光背光板100提供的視框寬度weyebox 可以大約介於九毫米至十四毫米之間(9 mm ~ 14 mm)，藉此將繞射耦合出的光102聚集在位於視框108中的使用者的眼睛上。在進一步的其他範例中，人類瞳孔的平均直徑大約介於在明亮光線中的1.5 mm至在昏暗光線中的8 mm之間，而聚光背光板100提供的視框108的視框寬度weyebox 可以大約小於八毫米，藉此與介於一點五毫米至八毫米之間(1.5 mm ~ 8 mm)的瞳孔範圍相對應。
可以在此提及的是，聚光背光板100的繞射格柵120的作用，一般會將繞射耦合出的光102侷限在光傳輸錐106以及視框108之中。因此，根據本發明的各個實施例，當使用者的眼睛位在視框108之外或位在光傳輸錐106之外時，來自聚光背光板100的光部會進入使用者的眼睛。據此，作為範例，當從視框108之外或從光傳輸錐106外觀看時，聚光背光板100與尤其是繞射格柵120看起來實質上會是黑色的(即，未點亮)。
根據本發明的某些實施例，聚光背光板100可以被稱為「近眼」背光板，因為其視框108可以位在比正常調視距離更為靠近聚光背光板100的位置。更具體來說，在某些實施例中，作為「近眼背光板」的聚光背光板100可以被配置成將視框108提供在距離f 處，其中，距離f 係小於與聚光背光板100之間距離大約二十五公分(25 cm)的距離。在其他的實施例中，距離f可以小於光閥陣列的正常調視距離，其中，光閥陣列係例如位在導光體110以及視框108之間，並且係用於調變繞射耦合出的光102以形成在視框108中觀看的影像(例如，如下文中所述)。由於聚光背光板100係將繞射耦合出的光102聚集在視框108中，根據本發明的各個實施例，當使用者的眼睛位於視框108中時，觀看影像的使用者可以接收到聚焦的影像。
在某些實施例中(例如，如圖1A與圖1D所示)，聚光背光板100的繞射格柵120可以是單一一個繞射格柵，並且大致覆蓋導光體110的發光部分。在其他的實施例中，聚光背光板100的繞射格柵120可以包括複數個繞射格柵區段，且每一個區段是位在導光體110的不同區域之中。在某些實施例中，繞射格柵區段可以與彼此分離(即，由間隔或導光體110上不具有繞射結構特徵的區域分離)。在本發明的各個實施例中，該些繞射格柵區段係共同地將繞射耦合出的光102聚集進入視框108之中。
圖4A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段120’的聚光背光板100的範例的側視圖。更具體來說，圖4A顯示了包括複數個繞射格柵區段120’(為了配合下方的說明，各個區段係被標示為區段120’a、120’b、120’c)的繞射格柵120。此外，如圖中所示，該些繞射格柵120在導光體110的表面係彼此間隔開來。在圖4A顯示的聚光背光板100中，沿著入光邊緣112被耦合進入導光體110的光可以具有內部反射角繞射s。該些繞射格柵區段120’係將導光體110中引導的光的一部分繞射耦合出成為繞射耦合出的光102。此外，該些繞射格柵區段120’係共同地將繞射耦合出的光聚集在與導光體110具有距離f 的視框108之中。
圖4B為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段120’的聚光背光板的範例的平面圖。作為範例，圖4B中顯示的聚光背光板100可以大致相似於圖4A中顯示的聚光背光板100。更具體來說，如圖4B所示，該些繞射格柵區段120’，例如，包括了個別標示的區段120’a、120’b、120’c，係在y方向上形成橫跨導光體表面的條帶。此外，如圖中所示，形成繞射格柵區段120’的條帶在相鄰的條帶之間設置有間隔。舉例來說，間隔可以代表導光體表面上未圖案化或未蝕刻的區域。當結合在一起時，繞射格柵區段120’可以近似於單一一個繞射格柵120，例如，大致相似於圖1D中所顯示的繞射格柵的區段版。
圖4C為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段120’的聚光背光板100的範例的平面圖。更具體來說，如圖4C所示，繞射格柵區段120’包括了由在x方向以及y方向上的間隔所分離開來的複數個區域(例如，由彎曲凹槽以及彎曲脊部的其中一者或兩者所形成的四邊形區域)。作為範例，圖4C中顯示的聚光背光板100可以大致相似於圖4A中所顯示的聚光背光板100。更具體來說，如圖4C所示，繞射格柵區段120’， 例如，包括了個別標示的區段120’a、120’b、120’c，係在x方向與y方向上形成橫跨導光體表面的二維陣列。與圖4B中相同，圖4C中顯示的繞射格柵區段120’可以近似於一個單一的繞射格柵120，例如，大致相似於圖1D中顯示的繞射格柵120的另一區段版。
在某些實施例中，繞射格柵區段120’可以包括大致為直線狀並且以近似於彎曲繞射結構特徵的方式在導光體110上設置的繞射結構特徵。圖4D為根據與本發明所描述的原理一致的再一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段120’的聚光背光板100的範例的平面圖。如圖4D所示，繞射格柵區段120’中的不同者具有不同的結構特徵間隔以及不同的繞射格柵方位，且該些間隔與方位結合起來係近似於繞射格柵120的彎曲(儘管是片段的彎曲)繞射結構特徵。舉例來說，近似的彎曲繞射結構特徵結合起來可以大致相似於圖1D中顯示的繞射格柵120的彎曲繞射結構特徵。此外，作為範例，圖4D中顯示的聚光背光板100可以大致相似於圖4A中顯示的聚光背光板100。尤其，如圖4D所示，繞射格柵區段120’，例如，包括了個別標示的區段120’a、120’b、120’c，在x方向與y方向上形成橫跨導光體表面的另一個二維陣列。
根據與本說明書中所描述的原理一致的其他實施例，本發明係提供了一種近眼顯示系統。圖5A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了一近眼顯示系統200的範例的側視圖。圖5B為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了近眼顯示系統200的範例的立體圖。在某些實施例中，近眼顯示系統200採用的聚光背光板可以大致相似於上文中所描述的聚光背光板100。尤其，根據本發明的各個實施例，近眼顯示系統200係用於提供繞射耦合出的光202，並且將繞射耦合出的光202朝向視框208的方向聚集進入視框208之中。此外，近眼顯示系統200係用於調變繞射耦合出的光202，藉此在視框208中形成一影像。根據本發明的各個實施例，所形成的影像可以供使用者在視框208中觀看。再者，如圖中所示，視框208可以是二維的視框。
如圖5A與圖5B所示，近眼顯示系統200包括一導光體210。平板導光體210係用於引導光，並且在某些實施例中可以是一平板導光體210。根據本發明的某些實施例，導光體210可以大致相似於上文中針對聚光背光板100所描述的導光體110。舉例來說，導光體110可以包括利用完全內部引導光的透明材料的薄板。此外，舉例來說，由導光體210引導的光可以具有一準直因子s。
圖5A~圖5B中顯示的近眼顯示系統200進一步包括了一繞射格柵220。繞射格柵220係光學性地耦接於導光體210。此外，繞射格柵220係用於將導光體中的部分的導光繞射耦合出來，並且將繞射耦合出的光202朝向視框208聚集進入視框208之中。根據本發明的各個實施例，視框208係相鄰於導光體210的一表面。根據本發明的某些實施例，繞射格柵220可以大致相似於上文中所描述的聚光背光板100的繞射格柵120。更具體來說，繞射格柵220係包括複數個繞射結構特徵，該些繞射結構特徵係用於將光繞射耦合出來，並且將繞射耦合出的光202朝向視框208聚集進入視框208之中。此外，如圖5A所示，視框208與導光體表面之間具有一距離f 的位置處。根據本發明的某些實施例，距離f 係小於近眼顯示系統200的使用者的眼睛的正常調視範圍(例如，25 cm)。再者，在某些實施例中，繞射格柵220可以包括複數個繞射格柵區段，該些區段係共同地將繞射耦合出的光202聚集進入視框208中。
此外，繞射格柵220包括繞射結構特徵，該些繞射結構特徵在相鄰的繞射結構特徵間具有一結構特徵間隔，且該些結構特徵間隔係隨著與導光體210的入光邊緣212之間的距離增加而縮減。換言之，在某些實施例中，繞射格柵可以是啁啾式繞射格柵，並且可以大致相似於上文中所描述的繞射格柵120的某些實施例。在某些實施例中，繞射結構特徵間隔係以線性的距離函數縮減，而在其他的實施例中，其係以代表大致非線性的距離函數縮減。
在某些實施例中(例如，如圖5B所示)，繞射格柵220係包括彎曲繞射結構特徵222。彎曲繞射結構特徵222(例如，彎曲凹槽以及彎曲脊部的其中之一或同時包括兩者)可以被配置為將繞射耦合出的光202往兩個證交的方向上聚集，藉此提供二維的視框208。圖5B顯示了示例性的二維視框208，其係位在與導光體表面平行的平面中並且具有兩個正交的方向(即，x方向以及y方向)。此外，代表由彎曲繞射結構特徵222所提供的繞射耦合出的光202的光線的箭頭，在圖中係匯聚並且集中至二維視框208處。
近眼顯示系統200進一步包括一光閥陣列230。光閥陣列230係位在導光體210以及視框208之間。光閥陣列230係用於調變繞射耦合出的光202，藉此於視框208或在視框208之中形成一影像。更具體來說，光閥陣列230的各個的光閥可以分別提供像素，且該些像素結合起來係於視框208形成影像。在某些實施例中，從光閥陣列230到視框208之間的距離d 係小於正常調視範圍。換言之，如圖5A所示，距離f 與距離d 中的其中之一或該兩個距離可以小於近眼顯示系統200的使用者的正常調視範圍(例如，大約為25 cm)。
根據本發明的各個實施例，使用者可以在視框208中觀看所形成的影像。因此，當使用者將眼睛放置於視框208中時，使用者可以觀看所形成的影像。根據本明的各個實施例，當使用者的眼睛位在視框208外實，便無法觀看所形成的影像。此外，繞射耦合的光202於視框208中的集中會促成使用者的眼睛進行調視，如此一來，當視框208與導光體210及/或光閥陣列230之間的距離小於正常調視距離時，仍然可以觀看到聚焦的影像。更具體來說，由於被光閥陣列230調變以形成影像的繞射耦合出的光202係集中或聚焦在視框208中，根據本發明的各個實施例，即使視框208小於正常調視距離，使用者仍然可以舒服地觀看所形成的影像。
根據本發明的各個實施例，光閥陣列230可以大致包括各種種類的光閥中的任一種，該些光閥包括液晶光閥、電濕潤光閥以及電泳光閥，但其並不受限於此。此外，如圖5A與圖5B所示，光閥陣列230的方位可以被以大致與導光體210平行的方式設置，藉此與由繞射耦合出的光202所形成的光傳輸錐(或金字塔)交錯。舉例來說，光閥陣列230可以包括液晶光閥的陣列，且該陣列中的每一個液晶光閥是透過調變通過該光閥的光的量而作為像素運作。在某些實施例中，光閥可以是彩色光閥(即，光閥可以具有色彩濾波器)。舉例來說，光閥陣列230可以包括複數個紅色光閥、複數個綠色光閥以及複數個藍色光閥。作為範例，光閥陣列230的紅色、綠色以及藍色光閥結合在一起，可以透過對繞射耦合出的光202進行調變來提供紅-綠-藍式的「全彩」形成影像。更具體來說，通過光閥陣列230的每一個光閥的繞射耦合出的光202可以被選擇性地調變，藉此創造當使用者的眼睛位在視框208中時聚集在觀看者的眼睛的虹膜上的全彩或黑白影像。
在某些實施例中(例如，如圖5B中所示)，近眼顯示系統200進一步包括光學性地耦接於導光體210的一光源240。舉例來說，如圖5B所示，光源240可以沿著入光邊緣212光學性地耦接至導光體210。根據本發明的各個實施例，光源240係用於產生光242，並且將光242射入導光體210而成為具有準直因子s的導光。光源240具有如LED、OLED、聚合物LED、電漿式光發射器、日光燈或白熱燈等等的光發射器，但光發射器的種類並不受限於此。根據本發明的各個實施例，由光源240輸出的光可以包括單色光或多色光。舉例來說，光可以包括單一顏色的光(例如，紅色光、綠色光或藍色光)、多種顏色的光或大致為白色光的光。如圖5A~圖5B所示，來自光源240的光242係沿著入光邊緣212被耦合進入導光體210，藉此在導光體210中往大至遠離入光邊緣212的方向204傳導。換言之，根據本發明的各個實施例，光242係被耦合進入導光體210，使得光242在導光體210中往繞射格柵220的繞射結構特徵的結構特徵間隔縮減的方向上傳導。
在某些實施例中，近眼顯示系統200可以在上文中針對圖5A~圖5B所描述的光閥陣列230以外，額外包括另一(例如，第二)光閥陣列。圖6為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了具有兩個光閥陣列的近眼顯示系統200的範例的側視圖。如圖6所示，除了光閥陣列230(即，第一光閥陣列230)以外，近眼顯示系統200進一步包括了位在導光體210以及視框208之間的另一光閥陣列250(即，第二光閥陣列250)。更具體來說，如圖6中以範例而非限制的方式所示，另一光閥陣列250係位在光閥陣列230以及視框208之間。舉例來說，如圖6所示，另一光閥陣列250可以位在與視框208具有一距離d2 的位置，而光閥陣列230可以位在與視框208具有一距離d1 的位置(例如，d2 ＜d1 )。在某些實施例中，另一光閥陣列250可以大致相似於光閥陣列230。然而，在某些實施例中，另一光閥陣列250可以比光閥陣列230具有較低的光閥密度或較低的調變解析度。
根據本發明的各個實施例，另一光閥陣列250可以進一步用於調變繞射耦合出的光202，藉以在視框208中形成影像。換言之，另一光閥陣列250可以進一步對同樣被光閥陣列230調變過的繞射耦合出的光202進行調變。因此，所形成的影像可以包括由光閥陣列230、250所調變過的光。在某些實施例中，繞射耦合出的光202的進一步調變係用於提供眼睛調視提示給使用者。舉例來說，可以分別對兩個光閥陣列230、250中的光閥進行獨立控制，藉此對進入位在視框208中的使用者的眼睛的瞳孔之光的亮度進行調節。作為結果，兩個光閥陣列230、250的結合可以根據在所形成影像上顯示的物體與使用者的眼睛之間的距離應看起來較近或較遠，透過在所顯示的影像中顯示具有不同模糊程度的物體來提供眼睛的調視。
在其他的實施例中，另一光閥陣列250可以為特製的光閥陣列。圖7為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了具有兩個光閥陣列的近眼顯示系統200的範例的側視圖。更具體來說，圖7中顯示的另一光閥陣列250為特製的光閥陣列，其包括了被配置為讓使用者配戴於眼睛中的一像素化隱形眼鏡。根據本發明的各個實施例，像素化隱形眼鏡的個別光閥(或像素)結合起來時，可以控制當使用者的眼睛位在視框208中時進入使用者眼睛的光的量。藉由利用個別的光閥控制進入使用者的眼睛的光的量，舉例來說，可以為使用者提供調視提示。
舉例來說，像素化隱形眼鏡的另一光閥陣列250可以包括在每一個瞳孔區域中具有介於兩個(2)光閥到九個(9)光閥之間(即，大約為2~9個像素)的陣列，在該些光閥之中，在操作時可以一次「啟動」一個光閥(即，使其變為透明)，並且將剩餘的光閥「關閉」(即，使其變為不透明)。舉例來說，像素化隱形眼鏡可以是「仿生」隱形眼鏡，且每一個光閥可以被獨立控制。在某些實施例中，像素化隱形眼鏡的另一光閥陣列250可以利用液晶光閥來調變通過像素化隱形眼鏡而進入使用者眼睛的光的量。在某些範例中，可以對光閥陣列230中的光閥以及另一光閥陣列250的像素化隱形眼鏡中的光閥獨立調變，藉此控制經調變後的繞射耦合出的光202進入使用者眼睛的方向。對此方向的控制也可以為使用者的眼睛提供眼睛調視提示。舉例來說，藉由一次僅「啟動」一個光閥，可以改變進入使用者眼睛的瞳孔的光的方向。作為結果，可以觸發使用者眼睛的聚焦反應，藉此創造物體位在距離使用者不同距離的位置處的效果(即，調視反應)。
根據與本說明書中所描述的原理一致的實施例，上文中所描述的近眼顯示系統200可以被整合進入一頭戴式顯示器中，藉以位使用者提供虛擬影像或擴增實境影像的其中一種影像，或同時提供上述兩種影像。據此，近眼顯示系統200可以是擴增實境系統以及虛擬實境系統的其中一種。
圖8為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了被配置為一頭戴式顯示器(HMD)的近眼顯示系統200的範例的立體圖。如圖8所示，近眼顯示系統200進一步包括一頭戴式裝置260，用於將近眼顯示系統200置放在使用者的眼睛前方作為頭戴式顯示器。更具體來說，頭戴式裝置係用於將光學組件200’ 固定或放置在使用者的眼睛前，例如，將其固定或放置在使用者眼睛的視野中，其中，光學組件200’包括導光體210、繞射格柵220以及光閥陣列230。此外，根據本發明的各個實施例，頭戴式裝置260係用於將視框定位於使用者的眼睛(例如，於使用者眼睛的虹膜)。舉例來說，如圖8所示，頭戴式裝置260可以包括代表一對眼鏡的框架的框架。作為範例，近眼顯示系統200的光學組件200’可以取代一對眼鏡的鏡片被安裝在頭戴式裝置中。在圖8中，光學組件200’係取代其中的一個鏡片，而另一個鏡片未顯示於圖中。在某些範例中，並不包含另一鏡片。在其他的範例中，另一鏡片可以是標準的眼鏡鏡片。
在某些實施例中，光學組件200’可以在與導光體表面正交的方向上大致為光學性透明的。光學性透明的光學組件200’可以在視框中提供疊加在視框外的實體環境景象上的影像之形成影像。更具體來說，近眼顯示器200可以透過在視框中形成的影像來增強實體環境的景象。在此配置中，作為範例，近眼顯示器可以做為擴增實境系統的擴增實境顯示器。
圖9為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了被配置為頭戴式顯示器(HMD)的近眼顯示系統200的範例的立體圖。如圖9所示，頭戴式裝置260可以被配置成適合一對光學組件200’的結構。更具體來說，該對光學組件200’中的每一者係被定位在使用者的不同眼睛之前，例如，每一個組件位在一個眼睛之前。作為範例，圖9中顯示的頭戴式裝置260可以代表一對護目鏡。透過該對光學組件200’，近眼顯示系統200可以提供一對立體的形成影像，藉此為使用者模擬三維影像。此外，作為範例，圖9中顯示的近眼顯示系統200可以透過大致阻擋光學組件200’外的環境景象而作為虛擬實境系統的虛擬顯示器。更具體來說，近眼顯示系統200可以透過各個視框中形成的影像來取代或至少部分取代實體環境的景象(即，「現實世界」的景象)，例如，透過阻擋使用者眼睛的視野。透過取代實體環境的景象，可以將近眼顯示系統200提供的虛擬實境影像(例如， 所形成的影像)取代實體環境景象提供給使用者。
根據與本說明書中所描述的原理一致的其他實施例，本發明係提供一種近眼顯示器的操作方法。圖10為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了近眼顯示系統的操作方法300的範例的流程圖。如圖中所示，近眼顯示系統的操作方法300包括了步驟310，將光在導光體(例如，平板導光體)中引導為導光。在某些實施例中，在步驟310中可以沿著導光體的長度引導導光。舉例來說，可以在縱向方向上引導光。根據本發明的某些實施例，導光體可以大致相似於上文中針對聚光背光板100所描述的導光體110。舉例來說，導光體可以是一平板導光體，其可以包括在步驟310中利用完全內部反射來引導光的光學性透平材料的薄板。此外，導光的預定準直因子可以大致相似於上文中針對導光體110所描述的準直因子s。
如圖10所示，近眼顯示器的操作方法300進一步包括一步驟320，利用繞射格柵將部分的導光繞射耦合出來並且定向進入視框中，藉此將光聚集在與導光體相鄰的視框中。在某些實施例中，在步驟320中用於聚集光的繞射格柵可以位在導光體的表面上。此外，在步驟320中光聚集的視框可以位在與導光體表面相鄰的位置。更具體來說，在某些實施例中，視框與導光體表面之間的距離係小於使用者眼睛的正常調視距離。在步驟320中用於聚集光的繞射格柵可以大致相似於上文中針對聚光背光板100所描述的繞射格柵120。尤其，繞射格柵可以是啁啾式繞射格柵，其係包括具有結構特徵間隔的繞射格柵，且結構特徵間隔係隨著與導光體的入光邊緣的距離增加而縮減。此外，繞射格柵係包括彎曲繞射結構特徵。舉例來說，彎曲繞射結構特徵可以被配置為將繞射耦合出的光往兩個正交的方向上聚集，藉以提供二維的視框。此外，在某些實施例中，視框可以大致相似於上文中所描述的視框108。
圖10中顯示的近眼顯示器的操作方法300係進一步包括一步驟330，利用光閥陣列調變聚集的光。光閥陣列係位在導光體以及視框之間。在步驟330中對聚集的光的調變會在視框中形成一影像。根據本發明的某些實施例，在步驟330中用於調變的光閥陣列可以大致相似於上文中針對近眼顯示系統200所描述的光閥陣列230。更具體來說，在某些實施例中，可以利用單一的光閥陣列在步驟330中調變繞射耦合出的光。在其他的實施例中，可以利用一對光閥陣列在步驟330中調變繞射耦合出的光。
在某些實施例中(未顯示於圖10中)，近眼顯示器的操作方法可以進一步包括例如利用一光源將光於入光邊緣光學性地耦合進入導光體的步驟。在某些實施例中，光源可以大致相似於上文中所描述的近眼顯示系統200的光源240。更具體來說，根據本發明的某些實施例，光學性地將光耦合進入導光體的步驟可以包括如上文中所述的提供具有預定準直因子的導光的步驟。
因此，本發明中提供了聚光背光板、近眼顯示系統以及近眼顯示系統的操作方法的實例與實施例，藉以提供聚集在視框中的繞射耦合出的光。熟知該領域的技術人士應當瞭解，上文中所敘述的實例僅為代表本發明之原理的眾多實例與實施例中的說明性範例。顯然地，熟知該領域的技術人士可以在不脫離本發明的申請專利範圍所限定之範疇的條件下做出多種其他的配置。
100‧‧‧聚光背光板
102‧‧‧繞射耦合出的光
104‧‧‧導光
104a‧‧‧導光
104b‧‧‧導光
106‧‧‧光傳輸錐
108‧‧‧視框
110‧‧‧導光體/平板導光體
112‧‧‧入光邊緣
120‧‧‧繞射格柵
120’‧‧‧繞射格柵區段
120’a‧‧‧區段
120’b‧‧‧區段
120’c‧‧‧區段
122‧‧‧凹槽
124‧‧‧脊部
126‧‧‧材料層
128‧‧‧反射層
130‧‧‧曲線
140‧‧‧曲線
150‧‧‧曲線
200‧‧‧近眼顯示系統/近眼顯示器
200’‧‧‧光學組件
202‧‧‧繞射耦合出的光
204‧‧‧方向
208‧‧‧視框
210‧‧‧導光體/平板導光體
212‧‧‧入光邊緣
220‧‧‧繞射格柵
222‧‧‧彎曲繞射結構特徵
230‧‧‧光閥陣列/第一光閥陣列
240‧‧‧光源
242‧‧‧光
250‧‧‧光閥陣列/另一光閥陣列/第二光閥陣列
260‧‧‧頭戴式裝置
300‧‧‧近眼顯示系統的操作方法/近眼顯示器的操作方法
310‧‧‧步驟
320‧‧‧步驟
330‧‧‧步驟
C‧‧‧曲率中心
R‧‧‧半徑
d‧‧‧距離
d1 ‧‧‧距離
d2 ‧‧‧距離
f‧‧‧距離
wg ‧‧‧凹槽寬度
wr ‧‧‧脊部寬度
wviewbox ‧‧‧視框寬度
θ‧‧‧繞射角度
‧‧‧準直因子/內部反射角繞射
‧‧‧結構特徵間隔
按照此說明書中所描述的原理之各種示例性特徵，在參考附圖並結合下面的詳細描述下可以被更容易地理解，其中，相似的標號表示相似的結構元件，且該些附圖包括： 圖1A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了一聚光背光板的範例的側視圖； 圖1B為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了圖1A中的聚光背光板的一部分的範例的剖視圖； 圖1C為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了圖1A中的聚光背光板的另一部分的範例的剖視圖； 圖1D為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了圖1A中的聚光背光板的平面圖； 圖2為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了作為距離函數的繞射結構特徵間隔的範例的圖表； 圖3A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了部分的聚光背光板的範例的剖視圖； 圖3B為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了部分的聚光背光板的範例的剖視圖； 圖3C為根據與本發明所描述的原理一致的再一實施例，顯示了部分的聚光背光板的範例的剖視圖； 圖4A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段的聚光背光板的範例的側視圖； 圖4B為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段的聚光背光板的範例的平面圖； 圖4C為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段的聚光背光板的範例的平面圖； 圖4D為根據與本發明所描述的原理一致的再一實施例，顯示了具有複數個繞射格柵區段的聚光背光板的範例的平面圖； 圖5A為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了一近眼顯示系統的範例的側視圖； 圖5B為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了近眼顯示系統的範例的立體圖； 圖6為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了具有兩個光閥陣列的近眼顯示系統的範例的側視圖； 圖7為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了具有兩個光閥陣列的近眼顯示系統的範例的側視圖； 圖8為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了被配置為一頭戴式顯示器(Head-Mounted Display, HMD)的近眼顯示系統的範例的立體圖； 圖9為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示了被配置為頭戴式顯示器的近眼顯示系統的範例的立體圖；以及 圖10為根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示了近眼顯示系統的操作方法的範例的流程圖。
某些特定的例子可能會具有其他相較於上述圖式中的特徵而言相同、額外或者可以將之取代的特徵。在下文中將參照圖式針對這些特徵以及其他的特徵進行詳細說明。
100‧‧‧聚光背光板
102‧‧‧繞射耦合出的光
104‧‧‧導光
106‧‧‧光傳輸錐
108‧‧‧視框
110‧‧‧導光體/平板導光體
112‧‧‧入光邊緣
120‧‧‧繞射格柵
w viewbox ‧‧‧視框寬度
f‧‧‧距離
σ‧‧‧準直因子

Claims (22)

  1. 一種聚光背光板，包括： 一導光體，用於沿著該導光體的長度引導光；以及 一繞射格柵，位於該導光體的一導光體表面，該繞射格柵被配置為將導光的一部分從該導光體中繞射耦合出成為繞射耦合出的光，並且將繞射耦合出的光聚集進入一視框中，其中，該視框係位在相鄰於並且與該導光體表面間隔開來的位置。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，其中，該視框是位在與該導光體表面平行的一平面中的一二維視框，且其中該繞射格柵包括複數個彎曲繞射結構特徵，該等彎曲繞射結構特徵被配置為將繞射耦合出的光往兩個正交的方向聚集進入該視框的平行平面中。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的聚光背光板，其中，該等彎曲繞射結構特徵係包括具有一曲率中心的同心彎曲脊部與同心彎曲凹槽的其中一者，或同時包括兩者。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，其中，該繞射格柵包括具有在相鄰的繞射格柵之間具有一結構特徵間隔的繞射結構特徵，該結構特徵間隔係隨著與該導光體的一入光邊緣的距離以一距離函數線性縮減。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，其中，該繞射格柵係根據一第一繞射級數將部分的導光繞射耦合出來。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，其中，該視框的一寬度係大約小於二十五釐米(25 mm)。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，其中，該視框與該導光體之間的距離係小於一使用者的一眼睛的正常調視距離。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，其中，該繞射格柵係包括由間距分離開來的複數個繞射格柵區段，該等繞射格柵區段係共同地將繞射耦合出的光聚集進入該視框。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，其中，該聚光背光板在與該導光體表面正交的一方向上為光學性透明。
  10. 一種近眼顯示器，包括申請專利範圍第1項所述的聚光背光板，該近眼顯示器進一步包括位在該導光體與該視框之間的一光閥陣列，該光閥陣列係用於調變繞射耦合出的光以在該視框中提供一影像，其中，該影像被配置為在該視框中供一使用者觀看。
  11. 一近眼顯示系統，包括： 一導光體，用於引導光； 一繞射格柵，光學性地耦接於該導光體，該繞射格柵係用於將導光的一部分繞射耦合出，並且將繞射耦合出的光聚集進入與導光體的一表面相鄰的一視框中；以及 一光閥陣列，位於該導光體與該視框之間，該光閥陣列係用於調變繞射耦合出的光以形成該視框中的一影像； 其中，形成的該影像被配置為可以在該視框中供一使用者觀看。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的近眼顯示系統，其中，該繞射格柵包括具有在相鄰的繞射格柵之間具有一結構特徵間隔的繞射結構特徵，該結構特徵間隔係隨著與該導光體的一入光邊緣的距離的增加而以一距離函數線性縮減。
  13. 根據申請專利範圍第11項所述的近眼顯示系統，其中，該該繞射格柵包括複數個彎曲繞射結構特徵，該等彎曲繞射結構特徵係用於將繞射耦合出的光往兩個正交的方向聚集，藉此將該視框提供為一二維視框。
  14. 根據申請專利範圍第11項所述的近眼顯示系統，進一步包括光學性地耦接於該導光體的一入光邊緣的一光源，該光源係用於將光射入該導光體成為具有一預定準直因子的導光。
  15. 根據申請專利範圍第11項所述的近眼顯示系統，進一步包括位在該導光體與該視框之間的另一光閥陣列，該另一光閥陣列係用於進一步調變繞射耦合出的光以形成該視框中的該影像，其中，對繞射耦合出的光的進一步調變係用於提供使用者眼睛調視的提示。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述的近眼顯示系統，其中，該另一光閥陣列係包括供該使用者在眼睛中配戴的一像素化隱形眼鏡，該像素化隱形眼鏡具有當使用者的眼睛位於該視框中時，可透過操作控制進入使用者的眼睛的光線量的個別光閥。
  17. 根據申請專利範圍第11項所述的近眼顯示系統，其中，該繞射格柵係包括由間距彼此分離開來的複數個繞射格柵區段，該等繞射格柵區段係共同地將繞射耦合出的光聚集進入該視框。
  18. 根據申請專利範圍第11項所述的近眼顯示系統，進一步包括一頭戴式裝置，用於將該近眼顯示系統置放在使用者的眼睛前方成為一頭戴式顯示器，該近眼顯示系統由該頭戴式裝置定位以將使用者的眼睛置於該視框之中，其中，該近眼顯示系統是一擴增實境系統以及一虛擬實境系統的其中之一。
  19. 根據申請專利範圍第18項所述的近眼顯示系統，其中，該近眼顯示系統在與導光在該導光體中的傳導方向正交的方向上為光學性透明的，該近眼顯示系統是將所形成的影像疊加在實體環境的景象上的該擴增實境系統。
  20. 一種近眼顯示器的操作方法，該方法包括以下步驟： 將光在一導光體中引導為導光； 利用一繞射格柵將光聚集進入位在相鄰於該導光體的一視框中，藉此將導光的一部分繞射耦合出來並定向進入該視框中；以及 利用介於該導光體以及該視框之間的一光閥陣列調變聚集的光，藉此在該視框中形成一影像。
  21. 根據申請專利範圍第20項所述的近眼顯示器的操作方法，進一步包括於一入光邊緣將由一光源提供的光光學性耦合進入該導光體成為導光，其中，將光光學性耦合係使導光具有一準直因子。
  22. 根據申請專利範圍第20項所述的近眼顯示器的操作方法，其中，該繞射格柵包括複數個彎曲繞射結構特徵，該等彎曲繞射結構特徵具有隨著與該導光體的一入光邊緣的距離的增加而以一距離函數線性縮減的一結構特徵間隔。
TW106115279A 2015-09-05 2017-05-09 聚光背光板、近眼顯示方法以及使用該方法的系統 TWI647489B (zh)

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