TW202443246A - 光學元件及光學裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學元件包含全像針孔陣列。全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組。全像針孔光柵組配置以將入射光學元件的光分別繞射成複數個光束。每一光束具有視野。

Description

光學元件及光學裝置

本揭露是有關於一種光學元件以及光學裝置。

傳統的光場集合成像(light field integral image)技術可分為兩種類型，其中一種類型是微透鏡陣列類型。這種類型使用放置在顯示面板前面的微透鏡陣列。微透鏡陣列上的每個微透鏡可以對應固定範圍的像素區域，且每組像素區域代表不同角度的影像資訊。因此，當不同角度的影像資訊透過微透鏡陣列投射時，會在焦平面上產生複眼的集合成像。這時，人眼就可以透過水晶體等生理結構將這個集合成像重建到視網膜上，然後利用單眼調適(accommodation)來區分深度感知(depth)。這種類型很容易實現三維成像效果，但微透鏡的特性會因視角的偏差而造成嚴重的色偏(color dispersion)和扭曲(distortion)，造成觀看限制和不適。

另一種類型是針孔陣列類型。針孔可分為反射針孔（如微鏡）和透射針孔（如微針孔）。每個針孔對應固定範圍的像素區域，每組像素區域代表不同角度的影像資訊。此時，不同角度的資訊影像將透過對應的針孔沿直線穿透傳播，人眼將利用單調適節來區分複眼影像的深度感知。針孔陣列式集合成像雖然不存在偏色、扭曲的缺陷，但針孔特性必然存在不透明區域。如果用在透明的擴增實境裝置上，透射式針孔陣列的非針孔區域是一個不透明遮罩，被遮蔽的部分會遮蔽背景，降低影像的亮度。在使用反射式針孔陣列時，不透明的針孔鏡陣列也存在遮蔽背景的問題。

因此，如何提出一種可解決上述問題的光學元件以及光學裝置，是目前業界亟欲投入研發資源解決的問題之一。

有鑑於此，本揭露之一目的在於提出一種可有解決上述問題的光學元件以及光學裝置。

為了達到上述目的，依據本揭露之一實施方式，一種光學元件包含全像針孔陣列。全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組。全像針孔光柵組配置以將入射光學元件的光分別繞射成複數個光束。每一光束具有一視野(field of view)。

於本揭露的一或多個實施方式中，光學元件具有一表面。被全像針孔光柵組繞射的光入射此表面。光束由此表面傳播且離開光學元件。

於本揭露的一或多個實施方式中，光學元件具有相對的第一表面以及第二表面。被全像針孔光柵組繞射的光入射第一表面。光束由第二表面傳播且離開光學元件。

於本揭露的一或多個實施方式中，全像針孔光柵組為體積全像光柵(volume holographic grating)、表面浮雕繞射光柵(surface relief diffraction grating)或液晶光柵(liquid crystal grating)。

於本揭露的一或多個實施方式中，被全像針孔光柵組繞射的光為準直光(collimated light)。

於本揭露的一或多個實施方式中，被全像針孔光柵組繞射的光具有另一視野。

為了達到上述目的，依據本揭露之一實施方式，一種光學裝置包含光學元件以及光發射元件。光學元件包含全像針孔陣列。全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組。光發射元件配置以朝向光學元件發射光。全像針孔光柵組配置以將光分別繞射成複數個光束。每一光束具有一視野。

於本揭露的一或多個實施方式中，光學裝置進一步包含鏡腳(temple)。鏡腳連接至光學元件的邊緣。光發射元件設置於鏡腳鄰近光學元件的一側。被全像針孔光柵組繞射的光為準直光。

於本揭露的一或多個實施方式中，光發射元件包含投影機以及鏡頭模組。鏡頭模組光學耦合於投影機與光學元件之間。

於本揭露的一或多個實施方式中，光學裝置進一步包含鏡腳。鏡腳連接至光學元件的邊緣。光發射元件設置於鏡腳鄰近光學元件的一側，並包含顯示器以及場鏡。場鏡光學耦合於顯示器與光學元件之間。

綜上所述，於本揭露的光學元件與光學裝置中，全像針孔陣列的全像針孔光柵組配置以將入射光學元件的光分別繞射成複數個光束，且每一光束具有視野。由於採用全像光柵技術製造，全像針孔陣列同時具有針孔成像特性和高透光特性。因此，除了取代傳統的微透鏡陣列外，全像針孔陣列也可以用來取代傳統的針孔陣列，因為傳統的針孔陣列的不透明遮罩區域會降低至少一半的影像亮度並造成鬼影問題。

以上所述僅係用以闡述本揭露所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本揭露之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。

以下將以圖式揭露本揭露之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本揭露。也就是說，在本揭露部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請參照第1圖以及第2圖。第1圖為繪示根據本揭露一些實施方式之光學元件100的示意圖。第2圖為繪示根據本揭露一些實施方式之利用第1圖中的光學元件100繞射光的示意圖。如第1圖與第2圖所示，光學元件100包含全像針孔陣列。全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組110。全像針孔光柵組110配置以將入射光學元件100的光L分別繞射成複數個光束LB。每一光束LB具有視野θ (field of view)。具體來說，被全像針孔光柵組110繞射的光L為準直光(collimated light)，亦即無限光(infinite light)。換句話說，全像針孔陣列的全像針孔光柵組110為遠場型(Fraunhofer type)繞射光柵，其配置以繞射無限光（亦即，平面波）。

如第2圖所示，於本實施方式中，光學元件100具有表面100a。被全像針孔光柵組110繞射的光L入射此表面100a，且光束LB由此表面100a傳播且離開光學元件100。換句話說，光學元件100的全像針孔陣列為反射式全像針孔陣列。

於一些其他實施方式中，光學元件100的全像針孔陣列可為透射式全像針孔陣列。舉例來說，配合參照第2圖，光學元件100具有分別在光學元件100的相對側上的表面100a、100b。在入射表面100a之後，光L會被全像針孔光柵組110繞射成由表面100b傳播且離開光學元件100的光束LB。

請參照第3圖，其為繪示第2圖中之光學元件100的局部示意圖。如第3圖所示，於本實施方式中，全像針孔陣列的全像針孔光柵組110為體積全像光柵(volume holographic grating)。值得注意的是，被體積全像光柵繞射的光可以根據布拉格定律(Bragg’s law)傳播。

請參照第4圖，其為繪示根據本揭露一些實施方式之用以製造第2圖中的光學元件100的光學曝光系統900A的示意圖。需要說明的是，光學曝光系統900A用於製造全像針孔光柵組110為體積全像光柵的光學元件100。如第4圖所示，光學曝光系統900A包含配置以發射光L1的光源910。於一些實施方式中，光源910所投射的光L1的波段為約633 nm(即紅光)，但本揭露不以此為限。於一些實施方式中，光源910所投射的光L1的波段為約532 nm(即綠光)，但本揭露不以此為限。於一些實施方式中，光源910所投射的光L1的波段為約457 nm(即藍光)，但本揭露不以此為限此。於一些實施方式中，光源910可以是雷射二極體，但本揭露不以此為限。

如第4圖所示，光學曝光系統900A進一步包含三個鏡子920a、920b、920c、兩個半波板930a、930b、偏光分光器940、兩個空間濾波器950a、950b、兩個透鏡960a、960b以及透鏡陣列970。透鏡陣列970放置於感光高分子聚合物P (photopolymer)上方。光源910投射的光L1經由半波板930a抵達偏光分光器940，且光L1被偏光分光器940分成兩光束LB1、LB2。光束LB1依序傳播經由空間濾波器950a和透鏡960a而成為參考光束RB。參考光束RB依序被鏡子920a、920b反射以入射感光高分子聚合物P的一側。光束LB2依序傳播經由半波板930b、空間濾波器950a及透鏡960b而成為物光束OB。物光束OB被鏡子920c反射到透鏡陣列970，然後被透鏡陣列970聚焦入射感光高分子聚合物P的另一側。

換句話說，光學曝光系統900A配置以從感光高分子聚合物P的相對兩側以兩光束（亦即，參考光束RB與物光束OB）以不同入射方向曝光感光高分子聚合物P。感光高分子聚合物P包含單體(monomer)、聚合體(polymer)、光啟始劑(photo-initiator)以及黏結劑(binder)。當感光高分子聚合物P經受曝光製程時，光啟始劑接受光子以產生自由基，使得單體開始聚合(photopolymerization)。藉由使用全像干涉條紋的曝光方法，未被光照射的單體（亦即，在暗區）擴散至光照射區（亦即，亮區）移動並且聚合，進而造成聚合體不均勻的濃度梯度。最後，再經定影（fixing）後，各具有交錯排列之連續亮暗條紋的相位光柵（亦即，全像針孔光柵組110）即可完成，且感光高分子聚合物P被轉換成第2圖中的光學元件100。

換句話說，光學曝光系統900A利用干涉曝光和顯影來聚合或擴散感光高分子聚合物P以在光學元件100中形成週期性結構。如此一來，光學元件100利用內部亮暗條紋形成寬度週期結構，且光學元件100的表面100a、100b不具有實體結構。需要指出的是，光學元件100中的暗紋(即全像針孔光柵組110)具有較高的透光度，而暗紋以外的區域是透明的。就此而言，光學元件100的全像針孔陣列也可用來取代傳統的針孔陣列，因為傳統的針孔陣列的不透明遮罩區域會降低至少一半的影像亮度並造成鬼影問題。

需要指出的是，參考光束RB為準直光，因此光學元件100中形成的全像針孔光柵組110配置以繞射同樣為準直光的光L。

於一些實施方式中，體積全像光柵可以根據不同的製造方法形成透射式全像光柵或反射式全像光柵。具體來說，如第4圖所示，藉由從感光高分子聚合物P的相對側以不同的入射方向分別用參考光束RB和物光束OB對感光高分子聚合物P進行曝光，光學元件100可被製造為反射式全像元件(即，全像針孔光柵組110為反射式全像光柵）。於一些實施方式中，藉由從感光高分子聚合物P的同一側以不同入射方向的光束對感光高分子聚合物P進行曝光(需要修改如第4圖所示的光學曝光系統900A的光路)，光學元件100可以被製造為透射式全像元件(即，全像針孔光柵組110是透射式全像光柵)。

請參照第5圖，其為繪示根據本揭露一些實施方式之光學元件100’的局部示意圖。如第5圖所示，光學元件100’包含複數個表面結構110’。光學元件100’使用表面結構110’的凸頂面111’和凹底面112’來形成寬度週期結構。表面結構110’可被製造以形成表面浮雕繞射光柵，並且表面浮雕繞射光柵可形成全像針孔陣列的全像針孔光柵組。如此一來，體積全像光柵形成的光學元件100的全像針孔陣列的繞射特性可以與表面浮雕繞射光柵形成的光學元件100’的全像針孔陣列的繞射特性相同或相似。

請參照第6圖，其為繪示根據本揭露一些實施方式之光學元件100”的局部示意圖。如第6圖所示，光學元件100”包含複數個液晶分子111設置於兩光配向層112a、112b之間，且光配向層112a、112b夾設於兩基板113a、113b之間。可向光配向層112a、112b施加電壓以使液晶分子111旋轉而形成寬度週期結構。換句話說，光學元件100”利用內部液晶分子111形成寬度週期結構，因此基板113a、113b的外表面不具有實體結構。旋轉的液晶分子111可以形成液晶光柵，液晶光柵可以形成全像針孔陣列的全像針孔光柵組。如此一來樣，體積全像光柵形成的光學元件100的全像針孔陣列的繞射特性可以與液晶光柵形成的光學元件100”的全像針孔陣列的繞射特性相同或相似。

請參照第7圖，其為繪示根據本揭露一些實施方式之利用光學元件100A繞射光的示意圖。如第7圖所示，光學元件100A包含全像針孔陣列。全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組110A。全像針孔光柵組110A配置以將入射光學元件100A的光L’分別繞射成複數個光束LB’。每一光束LB’具有視野θ。具體來說，被全像針孔光柵組110A繞射的光L’具有另一視野。也就是說，被全像針孔光柵組110A繞射的光L’是非準直光(即有限光)。 換言之，全像針孔陣列的全像針孔光柵組110A為近場型(Fresnel type)繞射光柵，其配置以繞射有限光(即球面波)。

如第7圖所示，於本實施方式中，光學元件100A具有表面100a’。被全像針孔光柵組110A繞射的光L’入射表面100a’，並且光束LB’從表面100a’傳播並離開光學元件100A。換句話說，光學元件100A的全像針孔陣列是反射式全像針孔陣列。

於一些其他實施方式中，光學元件100A的全像針孔陣列可以是透射式全像針孔陣列。舉例來說，配合參考第7圖，光學元件100A具有分別位於光學元件100A的相對側上的表面100a’、100b’。光L’入射表面100a’後，會被全像針孔光柵組110A繞射成光束LB’，光束LB’從表面100b’傳播並離開光學元件100A。

請參照第8圖，其為繪示根據本揭露一些實施方式之用以製造第7圖中的光學元件100A的光學曝光系統900B的示意圖。需要說明的是，光學曝光系統900B用於製造全像針孔光柵組110A為體積全像光柵的光學元件100A。如第8圖所示，光學曝光系統900B包含光源910、三個鏡子920a、920b、920c、兩個半波板930a、930b、偏光分光器940、兩個空間濾波器950a、950b、兩個透鏡960a、960b以及透鏡陣列970。這些部件與第4圖所示的光學曝光系統900A中的部件相同，因此這些部件的連接關係和功能可以參考上述相關描述，在此不再贅述。與第4圖所示的光學曝光系統900A相比，第8圖所示的光學曝光系統900B進一步包含透鏡960c。透鏡960c光學耦合於鏡子920b與和感光高分子聚合物P之間，使得被鏡子920b反射的參考光束RB傳播通過透鏡960c以入射感光高分子聚合物P的一側。值得一提的是，參考光束RB為準直光，且透鏡960c配置以會聚參考光束RB而入射感光高分子聚合物P上，使得形成於光學元件100A中的全像針孔光柵組110A配置以繞射同樣為非準直光的光L’。如此一來，被透鏡陣列970聚焦的物光束OB與被透鏡960c會聚的參考光束RB均為非準直光。

請參照第9圖，其為繪示根據本揭露一些實施方式之光學裝置200的示意圖。如第9圖所示，光學裝置200可用於擴增實境裝置，其可實現為但不限於眼鏡或其他穿戴式顯示設備，從而可以完成光場集合成像。具體來說，光學裝置200包含兩個光學元件100、光發射元件210、鏡腳220和連接件230。每一光學元件100的結構和功能與第2圖所示的光學元件100的結構和功能相同。也就是說，光學元件100的全像針孔光柵組110為遠場型繞射光柵。連接件230連接於光學元件100之間。鏡腳220連接至光學元件100中之一者的邊緣。光發射元件210設置在鏡腳220鄰近光學元件100中之一者的一側。光發射元件210配置以向全像針孔光柵組110依序發射光(例如，光場資訊影像)。然後，全像針孔光柵組110依序重建球面波前(即，時序光場)。當人眼接收到全像針孔光柵組110依序重建的波前時，可以利用單眼調適來區分複眼影像的深度感知。

請參照第10圖，其為繪示根據本揭露一些實施方式之光學裝置300的示意圖。如第10圖所示，光學裝置300可用於擴增實境裝置，其可實現為但不限於眼鏡或其他穿戴式顯示設備，從而可以完成光場集合成像。具體來說，光學裝置300包含兩個光學元件100A、光發射元件310、鏡腳220以及連接件230。每一光學元件100A的結構和功能與第7圖所示的光學元件100A的結構和功能相同。也就是說，光學元件100A的全像針孔光柵組110A為近場型繞射光柵。連接件230連接於光學元件100A之間。光發射元件310設置於鏡腳220鄰近光學元件100中之一者的一側。光發射元件310包含顯示器311以及場鏡312。場鏡312光學耦合於顯示器311與光學元件100A之間。場鏡312用於放大顯示器311所呈現的虛像，並將複眼影像的像素分別對應於全像針孔光柵組110A。當顯示器311呈現光場資訊影像時，每個像素的複眼影像將傳播到對應的全像針孔光柵組110A並重建為球面波前（即空間光場），然後人眼可以使用單眼調適來區分複眼影像的深度感知。

於一些實施方式中，顯示器311為平板顯示器，例如LCD顯示器、OLEDoS顯示器或LEDoS顯示器，但本揭露不以此為限。於實際應用中，使用顯示器311的擴增實境裝置有多種不同形式，例如Birdbath光學模組、自由曲面透鏡光學模組或全內反射Birdbath光學模組等。

請參照第11圖，為繪示根據本揭露一些實施方式之光學裝置400的示意圖。如第11圖所示，光學裝置400包含光學元件100B和光發射組件410。全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組110B。光發射組件410包含投影機411和透鏡模組412。投影機411配置以經由透鏡模組412向光學元件100B投射光。全像針孔光柵組110B配置以將由透鏡模組412傳播的光分別繞射成多個光束。每一光束具有一視野。具體來說，光學元件100B的全像針孔陣列是透射式全像針孔陣列。如此一來，在由透鏡模組412傳播的光入射光學元件100B面向光發射組件410的一側後，光會被全像針孔光柵組110繞射成光束LB，光束LB傳播並從光學元件100B背向光發射組件410的另一側離開光學元件100B。藉由投射光以傳播通過光學元件100B，可重構全像針孔光柵組110B所形成的球面波，以達到光場投影的效果。

由以上對於本揭露之具體實施方式之詳述，可以明顯地看出，於本揭露的光學元件與光學裝置中，全像針孔陣列的全像針孔光柵組配置以將入射光學元件的光分別繞射成複數個光束，且每一光束具有視野。由於採用全像光柵技術製造，全像針孔陣列同時具有針孔成像特性和高透光特性。因此，除了取代傳統的微透鏡陣列外，全像針孔陣列也可以用來取代傳統的針孔陣列，因為傳統的針孔陣列的不透明遮罩區域會降低至少一半的影像亮度並造成鬼影問題。

雖然本揭露已以實施方式揭露如上，然其並不用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100,100A,100B,100’,100”:光學元件 100a,100b,100a’,100b’:表面 110,110A,110B:全像針孔光柵組 110’:表面結構 111:液晶分子 111’:凸頂面 112a,112b:光配向層 112’:凹底面 113a,113b:基板 200,300,400:光學裝置 210,310:光發射元件 220:鏡腳 230:連接件 311:顯示器 312:場鏡 410:光發射組件 411:投影機 412:透鏡模組 900A,900B:光學曝光系統 910:光源 920a,920b,920c:鏡子 930a,930b:半波板 940:偏光分光器 950a,950b:空間濾波器 960a,960b,960c:透鏡 970:透鏡陣列 L,L1,L’:光 LB,LB1,LB2,LB’:光束 OB:物光束 P:感光高分子聚合物 RB:參考光束 θ:視野

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為繪示根據本揭露一些實施方式之光學元件的示意圖。 第2圖為繪示根據本揭露一些實施方式之利用第1圖中的光學元件繞射光的示意圖。 第3圖為繪示第2圖中之光學元件的局部示意圖。 第4圖為繪示根據本揭露一些實施方式之用以製造第2圖中的光學元件的光學曝光系統的示意圖。 第5圖為繪示根據本揭露一些實施方式之光學元件的局部示意圖。 第6圖為繪示根據本揭露一些實施方式之光學元件的局部示意圖。 第7圖為繪示根據本揭露一些實施方式之利用光學元件繞射光的示意圖。 第8圖為繪示根據本揭露一些實施方式之用以製造第7圖中的光學元件的光學曝光系統的示意圖。 第9圖為繪示根據本揭露一些實施方式之光學裝置的示意圖。 第10圖為繪示根據本揭露一些實施方式之光學裝置的示意圖。 第11圖為繪示根據本揭露一些實施方式之光學裝置的示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:光學元件

100a,100b:表面

110:全像針孔光柵組

L:光

LB:光束

θ:視野

Claims (10)

1. 一種光學元件，包含一全像針孔陣列，其中該全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組，該些全像針孔光柵組配置以將入射該光學元件的光分別繞射成複數個光束，且每一該些光束具有一視野。
2. 如請求項1所述之光學元件，其中該光學元件具有一表面，被該些全像針孔光柵組繞射的該光入射該表面，且該些光束由該表面傳播且離開該光學元件。
3. 如請求項1所述之光學元件，其中該光學元件具有相對的一第一表面以及一第二表面，被該些全像針孔光柵組繞射的該光入射該第一表面，且該些光束由該第二表面傳播且離開該光學元件。
4. 如請求項1所述之光學元件，其中該些全像針孔光柵組為體積全像光柵、表面浮雕繞射光柵或液晶光柵。
5. 如請求項1所述之光學元件，其中被該些全像針孔光柵組繞射的該光為準直光。
6. 如請求項1所述之光學元件，其中被該些全像針孔光柵組繞射的該光具有另一視野。
7. 一種光學裝置，包含： 一光學元件，包含一全像針孔陣列，其中該全像針孔陣列包含複數個全像針孔光柵組；以及 一光發射元件，配置以朝向該光學元件發射光， 其中該些全像針孔光柵組配置以將該光分別繞射成複數個光束，且每一該些光束具有一視野。
8. 如請求項7所述之光學裝置，進一步包含一鏡腳，該鏡腳連接至該光學元件的一邊緣，其中該光發射元件設置於該鏡腳鄰近該光學元件的一側，且被該些全像針孔光柵組繞射的該光為準直光。
9. 如請求項7所述之光學裝置，其中該光發射元件包含： 一投影機；以及 一鏡頭模組，光學耦合於該投影機與該光學元件之間。
10. 如請求項7所述之光學裝置，進一步包含一鏡腳，該鏡腳連接至該光學元件的一邊緣，其中該光發射元件設置於該鏡腳鄰近該光學元件的一側，並包含： 一顯示器；以及 一場鏡，光學耦合於該顯示器與該光學元件之間。

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