TWI912640B

TWI912640B - 分時式光波導裝置

Info

Publication number: TWI912640B
Application number: TW112135513A
Authority: TW
Inventors: 黃旭華
Original assignee: 黃旭華
Priority date: 2023-09-18
Filing date: 2023-09-18
Publication date: 2026-01-21
Also published as: TW202514183A

Abstract

本發明是一種使用液晶開關陣列做耦合裝置的分時式光波導，利用液晶的電光效應，改變液晶的折射率，造成光線的穿透及反射。本發明分時式光波導利用了人眼的視覺暫留效應，使得能量使用效率更為提高。本發明同時提供一種放大形光波導及共軛形之曲面光波導應用於人眼的視覺裝置上之設計構想。

Description

分時式光波導裝置

光波導裝置，被運用於人眼擴增實鏡(Augmented Reality簡稱AR)眼鏡上，早年應用於軍事上，比如飛行頭盔或是導航資訊顯示。近年來有越來越多的應用在工業上、醫療上或教育上。比如說電工在修理複雜的配電網路時，如果有手冊同時顯示在眼前那是莫大的方便；醫生在進行複雜的手術時，如果有之前拍好的X光片同時顯示在眼前，那麼過程更為快速精準；學生在學習語言時如果有同步即時翻譯，那麼顯然可以學習的更好。為了讓這種智能眼鏡更為輕薄，光波導變成一個最關鍵的技術。

現有的光波導裝置分成幾種類型：一、自由曲面及內反射式(off-axis freeform optics lens)；代表的是EPSON公司。二、幾何式光波導(geometrical wave guide)；代表的是Lumus公司。三、表面彫刻式(surface relief grating wave guide)；代表的是BAE公司。四、全像式(Holographic wave guide)；代表的是Digilens公司。以上前案專利的重點都在於，處理光學影像的有效傳遞，及耦入耦出的介面設計。本發明則基於光展量的理論提出了一種完全截然不同的分時觀念，及搭配的開關液晶盒做耦合及耦出的方法，使光利用效果更好，工藝也比較容易實現。

以下說明光學展度理論與光波導。光展量是一個光容量的幾何度量。我們可以計算光學系統各部件的光展量；找到系統能量的輸出限制。比如，傳統光波導要從顯示器開始：耦合入光波導的寬邊，然後在光波導內的窄邊傳遞，最後從光波導的寬邊耦出，然後到達人眼瞳孔。我們可以設定幾個點來計算光展度，以了解系統光展量的情況。我們定義：A：是顯示器輸出端，耦入光波導的寬邊。B：光波導的窄邊傳遞端。C：光波導之耦出端。D：人眼瞳孔端。光展度的原理是，從光的進入端到出口端；是往擴大的方向走。如果中間有縮小，必然損失光能量。從以上的光展度理論原理，如果A點的光展度不夠小，系統會被限制在B端；A點的光展度要小，則必須使用很小的顯示器及準直度很高，發光角很小的光源。以致於光效率都非常低。這是現行光波導比較大的缺點之一。

液晶的電控雙折射效應，對液晶施加電場可使液晶的排列方向發生變化。因此，按照一定的偏振方向入射的光，會在液晶中發生雙折射的現象。一般來說液晶在未加電場時的呈現出的折射率為n _o，加上電場時的呈現出的折射率為n _e，兩者的差異△n=n _e-n _o。此效應造成電控可以改變光傳遞的方向，本發明將使用此物理原理用以在新型光波導設計之中。

本發明是一種創新的分時式光波導裝置；利用人眼視覺暫留效應，將一整個畫面分割成一行一行，順序式的，搭配液晶開關，耦合進入光波導之中。經由光波導，搭配液晶開關耦出裝置傳遞到眼前。這種光波導有以下幾個特色：第一、是把面形傳統光波導傳遞方法改成條狀的分時式光波導傳遞方法；利用人眼的視覺暫留效應，把整個畫面加總起來。這同時可以讓系統使用較大的顯示器(非常小的顯示器製造工藝困難)，而且完全符合光展度理論，造成較高之光利用效率；第二、是可以把光波導系統改成曲面；可以搭配人頭形狀及人臉的曲面做穿戴式裝置的設計，顯示器及光源有更寬裕的區域可以放置；第三、利用共軛光波導的對稱交換性，可以把原本在眼睛前面的聚光菲涅爾鏡片，移到微型顯示器之前；因此在人眼面前的視野沒有阻礙；本發明另外也詳細說明了液晶開關作為光線耦入及耦出原理，此為光波導之關鍵性元件。一維及二維的液晶開關如何以不同的方法傳遞畫面資訊。本發明另外也提供了光波導單元之種類及變換，及其組成方法；以及曲面及共軛光波導之形成及應用。最後提供分時光波導如何應用於一個增強現實(AR)眼鏡的設計實施例之中，光路上的元件藉由共軛光波導原理交換位置，以使得人眼可以同時看到外界影像。

10:光耦入開關液晶盒

20:光耦出開關液晶盒

30:菲涅爾透鏡

40:顯示器

50:人眼瞳孔

60:光波導

100:分時曲面光波導裝置

200:光波導AR眼鏡

210:顯示平面

220:通道傳輸截面

230:人眼視角交界處

240:人眼瞳孔

250:耦入面

260:耦出面

300:光波導AR眼鏡

310:顯示平面

320:通道傳輸截面

330:人眼視角交界處

340:人眼瞳孔

350:耦入面

360:耦出面

500:液晶開關

510:上稜鏡

521:層

522:層

530:下稜鏡

541:入射光線

542:入射光線

551:出射光線

552:穿透光線

561、562:電壓源裝置

571:單畫素光入射點

572:單畫素右光束與液晶界面交界的反射點A

573:單畫素中心光束與液晶界面交界的反射點B

574:單畫素左光束與液晶界面交界的反射點C

575:單畫素左光束與液晶界面交界的反射後與邊界面發生反射點D

600:光波導

610:光耦入單元

620、621~629:傳遞單元

630、631、632:稜鏡傳遞單元

640:光耦出單元

650:傳遞單元

660:共軛光波導之中心對稱軸

700:光波導

800:光波導

900:曲面光波導

1000:共軛曲面光波導

1010:耦入端

1020:耦出端

1030:材料披覆

1100:光波導光線之傳遞

1110:耦入端

1120:耦出端

1130:傳遞通道

1200:光波導光線之傳遞

1210:耦入端

1220:傳遞通道

1230:耦出端

1300:二維液晶開關陣列

1310、1311:耦入端

1320:耦出端

1330:傳遞通道

1400:AR眼鏡光波導

1410:菲涅爾透鏡

1420:對應顯示器上某個像素的光束

1430:顯示器

1450:人眼瞳孔

1500:一維液晶開關陣列

第1圖分時式曲面光波導應用於AR眼鏡(增強現實眼鏡)的情況。

第2圖分時式曲面光波導應用於抬頭顯示器(HUD)的情況。

第3圖光展度的定義：均勻光發散角為θ_1/2的光源，照射在垂直於光軸的平面。

第4A圖三維視角下，普通光波導與其ABCD點。

第4B圖三維視角下，分時光波導與其ABCD點。

第5圖兩種光波導的ABCD點光展度值比較，X是普通光波導，Y是分時光波導。

第6A圖液晶層電壓為0，液晶開關開啟。發生全反射，光線耦入光波導。

第6B圖液晶層電壓為正，液晶開關關閉。光線通過液晶盒。

第7圖顯示器的一個畫素，進入液晶開關，液晶開關開啟。發生全反射的光線圖。

第8圖單畫素在液晶開關內的光展度。

第9圖光波導的光向量單元之光線向量圖，含有兩個全反射軸線。

第10圖光向量單元的類型。

第11A圖最小的光波導之示意圖。

第11B圖典型的光波導之示意圖。

第11C圖典型的光波導，但是翻轉耦合出射光線方向之示意圖。

第12圖光波導中每一個光向量單元對應的光線向量變化情形。

第13圖曲面光波導，含稜鏡單元及其光線向量變化情形。

第14圖具有對稱軸的共軛曲面光波導之示意圖。

第15圖放大形光波導的耦入耦出之傳遞狀況示意圖。

第16A圖放大形光波導光線之傳遞向量變化情形。

第16B圖縮小形光波導光線之傳遞向量變化情形，末端有逆行的狀況。

第17圖一維狀況下，顯示器資訊的耦入及其傳遞方法。

第18A圖二維狀況下，顯示器資訊的耦入及其傳遞方法(1)。

第18B圖二維狀況下，顯示器資訊的耦入及其傳遞方法(2)。

第18C圖二維狀況下，顯示器資訊的耦入及其傳遞方法(3)。

第19圖光波導與光致變色或電致變色材料披覆之示意圖。

第20A圖使用菲涅爾透鏡的AR眼鏡光路圖。

第20B圖如第20A圖加上一個較短的光波導，並且做光路平移結果之示意圖。

第20C圖如第20B圖，延長其光波導，光路平移，使其末端與顯示器密接之示意圖。

第21A圖一個AR眼鏡系統，如圖20C使用了曲面共軛光波導之後的等效光路。

第21B圖如第21A圖，輸入端與輸出端基於曲面光波導的中心軸共軛的特性，將菲涅爾透鏡旋轉到靠近影像源的端口。

第21C圖如第21B圖，將菲涅爾透鏡，顯示器及耦入液晶開關，做左右旋轉。以遠離使用者頭部。

【分時式光波導的組成】

本發明實施例之分時光波導裝置可包括以下元件：

(1)小型顯示器：LCD或OLED，方形的畫素含有RGB顏色之組成，每個畫素都可以對應到開關液晶盒所設之液晶開關(包括前液晶開關與後液晶開關)；

(2)透鏡裝置：聚焦裝置，可以是單片的傳統式的球面或非球面鏡片，或是菲涅爾鏡片。或是複數片的組合，負責將平行光向量轉成聚焦光向量，最後在光耦出的時候可以聚焦到人眼瞳孔。

(3)光耦入開關液晶盒：一種搭配分時傳遞影像順序的開關液晶陣列。輪到開啟信號來臨時，光耦入開關液晶盒中之前液晶開關開啟，此時光線可從顯示器經過透鏡裝置，進入耦入開關液晶盒，此時因液晶層變成低折射率，發生全反射使光線進入光波導。

(4)光波導：光向量在介質中的傳遞的裝置，由許多光向量單元組成。

(5)光耦出開關液晶盒，搭配(3)所述的開關液晶陣列。輪到開啟信號來臨時，光耦出液晶開關盒中之後液晶開關開啟，此時接收來自光波導傳來的光線，進入光耦出開關液晶盒，此時液晶層同樣變成低折射率，發生全反射而耦出光波導，使光線最終進入人眼瞳孔。

【分時式光波導的應用】

如第1圖是分時曲面光波導裝置100應用於AR眼鏡(增強現實眼鏡)的情況，小型顯示器40，經過菲涅耳透鏡30，到光耦入開關液晶盒10，經過共軛式曲面光波導60，到光耦入開關液晶盒20，最後到達人眼瞳孔50。第2圖是分時曲面光波導裝置100應用於抬頭顯示器(HUD)的情況，但是距離人眼的距離有些不同。

【普通光波導的光展量】

光展量的定義：E=ʃʃcos dAdΩ (₁)是對於斜向照射,並且立體角為Ω的光展量。

參考第3圖，考慮光源為均勻光發散角為θ_1/2照射在垂直於光軸的平面。

E=πA sin² θ_1/2=πA(NA)² (2)以一個簡單的擴增現實(AR)眼鏡為例；分別使用如第4A圖之一般光波導AR眼鏡200及第4B圖之分時光波導AR眼鏡300來解釋光展量問題。假設一個一般光波導AR眼鏡200的光展量如下：

A點是微顯示器的顯示平面210；也是耦合進入光波導之耦入面250。

B點是光波導的通道傳輸截面220。

C點是由光波導耦出之耦出面260與人眼視角範圍交界處230。

D點是人眼瞳孔240。

以下是其各點的光展量：A：E_A=πA _A sin² θ_1/2=πA _A(NA _display)² (3)

A _A是顯示器的面積，NA _display是發光的角度範圍 B：E_B=πA _B sin² θ_WaveGuide=πA _B(NA _waveguide)² (4)

A _B是光波導通道的截面積，NA _waveguide是光波導內部允許的光角度範圍C：E_C=πA _C cossin²θ_1/2=πA _C cos(NA _display)² (5)

A _C是光波導通道的截面積，NA _display是光波導耦出面允許的光角度範圍D：E_D=πA_D(NA _eyepupil)² (6)

A _D是人眼瞳孔的截面積，NA _eyepupil是人眼可視的光角度範圍。

參考第5圖，縱軸是m個畫面加總起來的總展量值，橫軸是ABCD各點位置；其中X代表了一般光波導的光展量變化曲線。從以上的光展量的公式及第5圖，可以看的出來，如果我們希望光波導是薄型的話，B點光展度最低，會是系統的瓶頸；這裡會產生大量的光損失。

【分時式光波導的光展量】

分時式光波導，利用了人眼的視覺暫留效應；也就是人眼視覺是瞬間視覺對許多畫面的加總結果；如第4B圖，假設一個分時光波導AR眼鏡300之構成如下：

A點：微顯示器之顯示平面310；也是耦合進入光波導之耦入面350，此處僅顯示一欄畫面。

B點：光波導的通道傳輸截面320。

C點：由光波導耦出之耦出面360與人眼視角範圍交界處330，此處亦僅顯示一欄畫面。

D點：人眼瞳孔340。

假設我們的畫面是m x n個畫素，可以切割成n行，每行有m個畫素，我們在視覺暫留的時間內(假設是0.1秒)同時傳遞m個n行畫面；上述光波導每個n行畫面的光展度值為：

B：E_B=πA _B sin² θ_WaveGuide=πA _B(NA _waveguide)² (8)

D：E_D=πA_D(NA _eyepupil)² (10)

m個畫面加總後的結果為：

D：E_{D_total}=mπA_D(NA _eyepupil)² (14)此狀況下ABCD各點之光展度值，請參考第5圖中之Y曲線。

從以上的結果看來B點的光展量被擴展了，系統的瓶頸獲得解決；光的傳遞不產生損失，系統效率獲得提高。

【視覺暫留現像】

上述的分時式光波導，應用了人眼的視覺暫留效應；所謂視覺暫留(Persistence of vision)也稱為正片後像，是光對視網膜所產生的視覺，在光停止作用後，仍然保留一段時間的現象，其具體應用是電影的拍攝和放映。原因是由視神經的反應速度造成的，其時值約是1/16秒，對於不同頻率的光有不同的暫留時間。是現代影視、動畫等視覺媒體製作和傳播的根據。比如：我們日常使用的日光燈每秒大約熄滅100餘次，但我們基本感覺不到日光燈的閃動。這都是因為視覺暫留的作用。所以，要達成最基本的視覺暫留效果至少需要10fps(參考影片的幀率)，大約是0.1秒。也就是，如果我們切割一個320*240畫素的畫面，為240行，每行有320個畫素。如果在0.1秒內傳遞完成240行畫面，人眼看起來是一個完整的320*240畫素的畫面。

【液晶全反射開關原理】

這裡說明液晶全反射開關，可以電控做為光波導之光耦入及耦出的元件的原理，及設計原則：請參考第6A圖、第6B圖，於本實施例中，一種可用電控的單畫素液晶開關500可包括：

1.兩個直角稜鏡，包括上稜鏡510及下稜鏡530，其材料折射率為n ₂，相當於液晶材料之折射率n _e。

2.中間的液晶層521(或522)，該液晶層可以藉由加電壓改變折射率。不加電壓前折射率為n _o(如第6A圖，即n ₁)，加電壓後折射率為n _e(如第6B圖，即n ₂)。一般來說：n ₂>n ₁。 (15)

3.當液晶層521沒有利用電壓源裝置561施以電壓，折射率為n ₁，具有單一偏極化之入射光線541在下稜鏡530與液晶層521之間發生全反射，進而反射出出射光線551，此時稱液晶開關500開啟，光線可發生耦合。而當電壓源裝置562施以電壓，液晶層522之折射率變為n ₂，入射光線542則可經下稜鏡530、液晶層522，再經上稜鏡510形成穿透光線552，此時稱液晶開關500關閉，光線則不發生耦合，也不會進入光波導。

【光波導之耦入及全反射條件推導】

參考第7圖，一個571單畫素光入射點進入如前描述之液晶開關，造成572右光束之反射點A，573中心光束反射點B，574左光束反射點C及575左光束之反射點D；A，B，C，D點均需發生反射，光線不會外逸之必要條件推導如下：此處先做符號定義：l ₁：在稜鏡內的右側光束與稜鏡法線的夾角。

l ₂：在稜鏡內的左側光束與稜鏡法線的夾角。

l ₃：在稜鏡內的左側光束在稜鏡斜面全反射後，與n _x材質介面法線的夾角。

ω：稜鏡斜面與水平線之夾角。

θ₁：在稜鏡內的右側光束與垂直線，在n ₂介質(稜鏡)中的角度。

θ₂：在稜鏡內的左側光束與垂直線，在n ₂介質(稜鏡)中的角度。

θ₁'：來自於顯示器的左側光束與垂直線，在n ₃介質中的角度。

θ₂'：來自於顯示器的右側光束與垂直線，在n ₃介質中的角度。

：在稜鏡內的左側光束在稜鏡斜面反射的光線，與水平線夾角。

：在稜鏡內的右側光束在稜鏡斜面反射的光線，與水平線夾角。

n _x：相鄰稜鏡n ₂的隔絕材質的折射率。

n ₁：液晶層之折射率(未加電場的折射率n _o)。

n ₂：上稜鏡與下稜鏡之折射率，等於液晶層加上電壓後的折射率n _e。

n ₃：相鄰下稜鏡的隔絕材質n _x之外介質的折射率，一般是空氣，此時折射率為1。

w：顯示器光束進入液晶開關的寬度，也就是液晶的寬度。

h：液晶開關的高度。

A點：在稜鏡內右側光線入射至稜鏡斜面的交界點。

B點：在稜鏡內中心光線入射至稜鏡斜面的交界點。

C點：在稜鏡內左側光線入射至稜鏡斜面的交界點。

D點：在稜鏡內左側光線入射至稜鏡斜面，反射到與n_x介質的交界點。

E點：液晶開關面的左側點。

F點：液晶開關面的右側點。

G點：液晶開關面的上側點。

O點：進入液晶開關光束的中心點。

(1)全反射開關光角度條件-1

考慮CD點全反射

考慮C點全反射i ₂=ω+θ₂ (16)

考慮D點全反射

=π+θ₂-2(ω+θ₂)=π-(θ₂+2ω) (20)

n ₂ sin l₃>n ₃ (21)

(2)全反射開關光角度條件-2

考慮A點全反射考慮A點i ₁=ω-θ₁ (24)

n ₂ sin i ₁>n ₁ (25)

ω=i ₁+θ₁ (26)

從(23)(27)兩式,可得

Ifθ=θ₁=θ₂(29)變成

以上的推導中，式(27)及式(31)是主要的結論，從式(31)可以得到θ值，然後從式(27)可以得到ω值。

【在耦入條件下光波導的厚度】

參考第8圖，立體視角下對應一個畫素的光波導液晶耦入裝置，光波導厚度其中，是耦入的畫素之寬度，是最小的光波導厚度。

【在耦入條件下單畫素的光展度】

參考第7圖，考慮O點耦合入射 n ₂ sin θ₁=n ₄ sin θ₁'=sin θ₁' (33)

n ₂ sin θ₂=n ₄ sin θ₂'=sin θ₂' (34)

簡化並假設θ₁'=θ₂'=θ (35)

θ₁'=θ₂'=n ₁θ (36)

單畫素的光展度限制為

其中A _B是畫素的面積。

【θ，ω，E_B及最小光波導厚度計算之實施例】

於本實施例中，使用德國Merck生產的E44液晶材料，其n ₁=1.5278,n ₂=1.7859,n ₃=1

先從(31)式可以算出θ的限制

θ<9.41

再從(27)算出ω的限制 ω>58.84+9.41=68.24

假設每個pixel面積是100*100um，(==100um)

單畫素的光展度限制為

從式(32)可以得到

光波導的厚度最小是100*tanω=250.52um 0.25mm。

【光向量與全反射軸線】

我們假設一道光束是一個圓錐形狀的光線叢；此光線叢對於座標軸有對稱的特質；因此我們在二維平面上簡化所有的光線變成只有三道光線之組合。

其中一道光線我們可以用以下的光向量集合來表示：

四個子向量信息：P _o是光軸的起點位置，A _o是光軸的方向角度。

P ₁是向量的起點位置，A ₁是向量的方向角度。

一個光波導光單元包含三道光線

三道光線分別是R ₁(中間光線)，R ₂(上邊緣光線)，R ₃(下邊緣光線) 其中R ₁,R ₂,R ₃是以向量形式來表達。

光向量圖中有兩個很重要的軸線；如第9圖，X,Y是跟座標軸H,V成角度ω的兩個軸線(此值等於稜鏡角度)。這代表全反射邊界軸線；這是光向量在耦合出入光波導時；光向量變換的關鍵軸線。(以E44液晶材料來說,ω值大約為70度)。這些光向量都在XY全反射軸線ω<±70°之邊界內。其中T ^X及之上標的X是作用方式；比如旋轉或跨越全反射軸線。如第9圖中，描述一種耦合向量單元為T ₁，可以做為向量跨越全反射軸線X的作用，標記為V； T ₁是一種耦合轉變向量單元，其作用是從光波導外的光束進入光波導之內，需藉由液晶開關越過全反射軸線。

【光向量單元類型】

如第10圖，光波導可包括下述之3種光向量單元及經2種變換方法所形成之光向量單元。3種光向量單元如下：

1 光耦入單元610，總稱T ₁，內含液晶開關；其作用是將起始的光向量跨入全反射軸線之內。

2 傳遞單元620，總稱T ₂；其作用是將光向量做傳遞，但是光向量保持全反射軸線之內。

3 稜鏡傳遞單元630，總稱T ₃；其作用是用以旋轉座標系，單一稜鏡單元的角度一般來說是有限制的；不能超過XY全反射軸線之外；否則光線會逸出光波導。

此外，2種變換方法如下：

1.水平變換H

光向量的水平對稱變換，記為T ^H，例如T ₁光耦入單元的水平變換，變換後剛好是光耦出單元640。

2.水平變換V

光向量的垂直對稱變換，記為T ^V，例如，是經常使用的傳遞單元類型。

一個光波導可以由幾種以上的光向量單元組成。參考第11A圖，一最小的光波導600(即L ₁)，可以用以下實施例的光向量單元組成：其中使用了兩種光向量及其變換。

入射光進入光耦入單元610(即T₁)，經過傳遞單元620(即T₂)；再經過共軛光波導之中心對稱軸660，到傳遞單元650(即)，再到光耦出單元640(即)後，出射出光波導。參考第11B圖，一個典型的光波導700(即L ₂)，可設置如下式：其中T ₂₁，T ₂₂都是屬於光傳遞單元T ₂家族，但是起始向量不同，以下標2X表示予之區別。

入射光進入光耦入單元610(即T₁)，經過傳遞單元621(即T₂₁)，經過傳遞單元622(即)，經過傳遞單元623(即)，經過傳遞單元624(即，經過共軛光波導之中心對稱軸660，到傳遞單元625(即)，到傳遞單元626(即)，到傳遞單元傳遞單元621(即T₂₁)，到傳遞單元622(即)，最終到光耦出單元640(即)，出射出光波導。

參考第11C圖，另一個典型的光波導800(即L ₃)，則是翻轉耦合出射光線的方向，是類似上述的L ₂架構加上幾個傳遞單元，最後可以造成耦出光向量的垂直翻轉，可設置如下式：參考第12圖，顯示了式(45)光波導中每一個向量單元對應的光線向量變化情形。

【光向量單元之共軛化及共軛光波導】

共軛化的定義是原本是一個輸入的光向量，與輸出的光向量成為水平對稱的狀態。例如就是T ₁的共軛向量。設計共軛光波導的目的是可以將原本要放置在輸出端的聚焦元件，可以藉由其對稱的特性，將其挪移至輸入端。以前述式(45)為例，一個最小的光波導也是可以形成共軛化，變成以下形式：

如同式(45)可以做成共軛光波導，

而如同式(46)也可以做成共軛光波導，

因此，如果光波導在很長的情況下，可以形成以下連續型共軛光波導：

，其係由n個配對的光波導組成。

共軛光波導化的好處是，整個光學系統至少有一對稱軸；輸出端與輸入端之光向量是對稱的(左右旋轉對稱)，因此可以交換輸入端與輸出端的聚焦光學元件，以得到需要的光向量。

【曲面光波導與共軛曲面光波導】

如第13圖是一段曲面光波導900(即L ₃₀)，可以看出來中間加了稜鏡傳遞單元630(即T ₃)，進行整個座標系的旋轉，其設置如下式：L ₃₀=T ₁+T ₂₁+T ₃+T ₂₂ (52)其中傳遞單元627(即T ₂₁)，傳遞單元628(即T ₂₂)都屬於T _2x家族的向量。

此外，L ₃₀沒有對稱性，難以應用，解決之道，還是要做成有對稱軸的共軛曲面光波導1000，如第14圖，其設置如下式：L ₃=(T ₁+T ₂₁+T ₃₀+T ₂₂+T ₃₁)+(T ₁+T ₂₁+T ₃₀+T ₂₂+T ₃₁)^H (53)其中稜鏡傳遞單元631(即T ₃₁)，稜鏡傳遞單元632(即T ₃₂)都屬於T _3x家族的向量。從這個圖可以看出曲面光波導含有T ₃₁+，這產生了對稱軸；因為共軛的效應，輸出與輸入的光向量對於對稱軸是對稱的。

【放大形或縮小形光波導】

人眼看到視野範圍，跟光波導耦出的範圍有關。耦出的範圍越大，所看到的視野越寬。因此當系統的顯示器比較小時，有必要做耦出端的擴大，造成廣視角的效果。此時光波導中，要加上擴大形的光向量單元。如第15圖，共軛曲面光波導1000左邊是耦出端1120，右邊是耦入端1110，中間為傳遞通道1130中光向量單元與擴大形光向量單元組合之光耦出示意。此種光波導的計算比較複雜，因為其破壞了對稱性，並非共軛光波導。如果擴大的情況是緩慢的(長度夠長)，還不致於對光效率造成太大影響。如以下案例於第16A圖中耦出的情況，雖然光向量變化了，還不會影響效率。基本上擴大的角度是不能超過XY全反射軸線的角度±ω。相較之下，第16B圖是縮小形光波導，左邊是耦出端1220，右邊是耦入端1210，可以看到在傳遞通道1120中之第三個光向量單元中，產生了光向量逆行的狀況。一般來說縮小形光波導很少被使用。縮小形光波導需要使用到縮小形光傳遞單元，但問題是經常在其中會發生部份光向量逆行的狀況，此時必然產生漏光及光能損失的現像。.

【光開關陣列的行列傳遞方法】

前面所提，是對應了單一個光點的耦入，傳遞及耦出過程。如果是一列光點或是一幅畫面光點，結合前面所提的分時光波導，將如何傳遞？分別解釋如下：如第17圖，是一維液晶開關陣列1500傳遞畫素資訊示意圖，可見一列液晶開關對應下方一列發光體，以進行液晶開關之分時順序傳遞。如第18A圖，第18B圖，第18C圖，是二維液晶開關陣列1300的三種不同的傳遞方法；當顯示畫面由一個完整的(m x n)行列構成，此時則由n列個液晶開關對應組成，每列光波導有m個液晶開關。其中，耦入端1310是m x n個T ₁陣列；耦出端1320是m x n個陣列，傳遞通道1330則是n個T ₂陣列。耦入端1311是單行T ₁陣列，其為耦入端1310簡化後的特殊版本。結合前面所提，視覺暫留效應；也就是在視覺暫留時間之內，要傳遞m個畫面，每個畫面要傳輸n列點資料。如下有三種典形的傳輸方法：

(1)如第18A圖，所有列，同一個時間段，都傳行中同一位置的畫素的方法。比如：第一個時間段，第一列傳第一個畫素，第二列也傳第一個畫素，第n列也傳第一個畫素。第二個時間段，第一列傳第二個畫素，第二列也傳第二個畫素，第n列也傳第二個畫素。這個方法比較有可能有縱向串擾(crosstalk)的問題。

(2)如第18B圖，所有列，同一個時間段，都傳行中不同位置的畫素；這可以讓串擾(crosstalk)的問題變得比較少。例如：第一個時間段，第一列傳第一個畫素，第二列傳第二個畫素，第n列傳第n個畫素。第二個時間段，第一列傳第二個畫素，第二列傳第三個畫素，第n-1列傳第n個畫素，第n列傳第一個畫素。

(3)如第18C圖，是另外一種型式的光波導陣列。是前述(1)光波導的簡化版本；架構上將輸入陣列簡化成一行，搭配順序的光波導傳遞及耦出，可以得到與前述相同的效果。但此版本每一列的光傳遞長度不同，造成T₂陣列每一個子單元的設計都要不同，反而非常複雜。

【光波導與光致變材料的複合】

在一個曲面共軛光波導系統，如第19圖之共軛曲面光波導1000的應用中，需要有阻檔雜光的材料披覆1030在外面，使得外界的光不會進入變成干擾。若無此設置，當光線傳遞在耦出端1010，與顯示器發光耦入端1020間之光波導進行光傳遞時有雜光的話，將會對系統造成極大的干擾。前述披覆的材料，可以為光致或電致變色材料，其目的是當外界的光變強的時候，光致或電致變色材料可以變成深色，而能阻檔雜光的進入。

【AR眼鏡的光路平移】

以下說明，如何將本發明之方法及原理，應用於一個AR眼鏡的設計之中。一般來說AR眼鏡光路類似於目鏡的光路，需要將一片菲涅爾鏡片放置在微顯示器之前，以聚焦畫面到人眼瞳孔。如第20A圖是一般的AR眼鏡光路，使用了菲涅爾透鏡1410將人眼瞳孔1450對應到顯示器1430。其中所有的光束1420都是平行的。如第20B圖是第20A圖加上一個較短的光波導，並且做光路平移；加上光波導的目的是，將光束1420從平行化變成順序化；如第20C圖是第20A圖加上一個較長的光波導，並且做比較長的光路平移，使其最後的光束1420聚焦，幾乎密接於顯示器。因此我們完成了一個初始的AR眼鏡系統；只是菲涅爾透鏡1410遮蔽了外界視線，非常不理想，光波導沒有搭配人臉的弧度，而且顯示器方向也希望要旋轉改變

【應用共軛光波導於AR眼鏡】

為解決前述之問題，如第21A圖是第20C圖的改良版本，將其中的光波導置換成共軛曲面光波導1000。根據之前所描述的共軛光波導原理，可以將第21A圖中的菲涅爾透鏡元件1410，從對稱軸的一個端點交換到另一個端點，如第21B圖之1410，因此人眼視覺上不會被遮蔽了。最後，因為顯示器靠近人的側面，會發熱產生不舒適的問題，因此可如第21C圖，在光波導做設計的調整，使顯示器1430及菲涅爾透鏡1410做旋轉，以使顯示器的發熱端遠離人體。

10:光耦入開關液晶盒

20:光耦出開關液晶盒

30:菲涅爾透鏡

40:顯示器

50:人眼瞳孔

60:曲面共軛光波導

100:分時曲面光波導

Claims

一種分時式光波導裝置，包括：一顯示器，該顯示器可顯示一影像，並包括複數個畫素單元；一透鏡裝置，係將該影像之光轉成聚焦光；一光耦入開關液晶盒，設有複數個形成陣列之前液晶開關，該聚焦光係投射於該光耦入開關液晶盒，其中各該前液晶開關並係與各該畫素單元相對應設置；一光波導，其一端係與該光耦入開關液晶盒連接設置，可使該些進入光耦入開關液晶盒之聚焦光進一步耦入該光波導中傳遞；一光耦出開關液晶盒，係連接於該光波導之另一端，該光耦出開關液晶盒與該光耦入開關液晶盒係對應設置，並設有複數個形成陣列之後液晶開關，當該光耦入開關液晶盒之前液晶開關開啟時，該光耦出開關液晶盒上相對應之後液晶開關亦相對應開啟；以及當一前液晶開關與相對應之後液晶開關接收到一開啟信號時，該前液晶開關與該後液晶開關開啟，此時其所對應之畫素單元之該聚焦光，即可進入該光耦入開關液晶盒，並藉由全反射現象，反射進入該光波導中進行光傳遞，之後再進入該光耦出開關液晶盒中，再次藉由全反射耦出該光波導而產生一可視的新影像；其中該前液晶開關與該後液晶開關係依時序開啟而可分時傳遞該影像所形成之該聚焦光。
如請求項1所述之分時式光波導裝置，其中，該顯示器係設有m x n個畫素，即設有n列，每列設有m個畫素，並設有相對應n列之該光波導，每列該光波導並設有m行該前液晶開關及m行該後液晶開關；進行分時傳遞時，係在視覺暫留時間之內，傳遞n列畫面，每個畫面則傳輸m行點資料，傳遞時可包括以下方式：(1)所有列，於同一個時間段，皆傳遞行中同一位置的畫素資訊；(2)所有列，於同一個時間段，皆傳遞行中不同位置的畫素資訊；或(3)僅由一行傳出畫素資訊，於同一個時間段，皆由此行輸遞資訊，但對應到不同行位置輸出。
如請求項1所述之分時式光波導裝置，其中，該前液晶開關與該後液晶開關係分別包括一上稜鏡與一下稜鏡，該上稜鏡與該下稜鏡間並設有一液晶層，其中該上稜鏡與該下稜鏡之折射率為n ₂，而該液晶層於無電壓施以之狀態下折射率為n ₁，於有電壓施以之狀態下則為n ₂，而n ₂>n ₁。
如請求項3所述之分時式光波導裝置，其中，該聚焦光與該前液晶開關或該後液晶開關間之設定角度關係：其中，θ係該聚焦光在該前液晶開關或該後液晶開關之內的光線發散角；ω係該前液晶開關或該後液晶開關內的下稜鏡角度；n ₁係該前液晶開關或該後液晶開關之折射率，其值恰等於施以電壓時的液晶層折射率；n ₂係液晶層未施以電壓時的折射率；n ₃係該前液晶開關或該後液晶開關外之介質折射率，且n ₃<n ₂。
如請求項4所述之分時式光波導裝置，其中，該光耦入開關液晶盒之厚度係相當於光波導之一耦入面之厚度，該厚度條件係：光波導厚度>耦入的畫素之寬度x tanω。
如請求項1所述之分時式光波導裝置，其中，該畫素單元的光展度值係E_B，而E_B π A _B sin² θ,其中，A _B係該畫素單元的面積；n ₁係該前液晶開關或該後液晶開關之折射率，其值恰等於施以電壓時的液晶層折射率；θ係該聚焦光在該前液晶開關或該後液晶開關之內的光線發散角。
如請求項1所述之分時式光波導裝置，其中，該光波導係包括以下光向量單元及其變換後之光向量單元：(1)至少一光耦入單元(T ₁)，內含該前液晶開關，係在將耦入之該聚焦光的光向量跨入全反射軸線之內；(2)一傳遞單元(T ₂)，連接設於該光耦入單元之後，係在進行耦入光線之傳遞，且其光向量保持於一全反射軸線之內；(3)一稜鏡傳遞單元(T ₃)，係連接設於T ₂之間，或T ₁與T ₂之間，係在用以旋轉一光向量座標系，且其旋轉角度係未超過該全反射軸線；以及將前述T ₁、T ₂、T ₃經光向量的水平變換或重直變換之光向量單元。
如請求項7所述之分時式光波導裝置，其中，該光波導(L ₁)至少包括T ₁、T ₂、與的光向量單元組合，其設置如下式：其中，為T ₂光傳遞單元之水平變換，為T ₁光耦入單元之水平變換，轉換後係一光耦出單元。
如請求項8所述之分時式光波導裝置，其中，該光波導(L ₁)係一種共軛光波導，該光波導並包含一個對稱軸介於中心，其設置如下式：其中，L ₁₁係至少一光向量單元所組成之一光波導，而係該L ₁₁光波導經水平變換後之光波導。
如請求項9所述之分時式光波導裝置，其中，該光波導係一連續型的共軛光波導(L _X)，該L _X係包括n個配對的子光波導L _Xn，其設置如下式：