[0001] 本公开涉及一种光学系统。

[0002] 扩增实境(Augmented Reality，AR)是一种将虚拟世界元素与现实世界相结合的技术，让使用者可以通过观看装置的镜头，将虚拟物体或信息置入真实环境中。目前的扩增实境光学系统主要基于光学投影技术，通常使用镜头来捕捉现实世界的图像，并使用投影器来提供虚拟内容，从而将虚拟内容与现实世界的图像一起投射到使用者的视野中。

[0003] 虚拟实境(Virtual Reality，VR)是一种通过电脑科技和感测器技术创造出的仿真的虚拟环境，让使用者可以感受身临其境的体验。虚拟实境光学系统是VR中关键的技术之一，它负责捕捉、处理和传递视觉信息，使使用者能够看到逼真的虚拟场景。混合实境(Mixed Reality，MR)是一种结合虚拟实境和扩增实境元素的技术。

[0004] 然而，目前的扩增实境、虚拟实境、或混合实境设备通常需要较大而笨重的光学组件，这限制了它们的可携性和使用舒适度。使用者可能不希望在头部佩戴过大的装置，因此，对于扩增实境光学系统的尺寸进行改进是重要的课题。

[0080] 以下公开许多不同的实施方法或是范例来实行所提供的标的的不同特征，以下描述具体的元件及其排列的实施例以阐述本公开。当然这些实施例仅用以例示，且不该以此限定本公开的范围。举例来说，在说明书中提到第一特征部件形成于第二特征部件之上，其可包括第一特征部件与第二特征部件是直接接触的实施例，另外也可包括于第一特征部件与第二特征部件之间另外有其他特征的实施例，换句话说，第一特征部件与第二特征部件并非直接接触。

[0081] 此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示，这些重复仅为了简单清楚地叙述本公开，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。此外，在本公开中的在另一特征部件之上形成、连接到及/或耦接到另一特征部件可包括其中特征部件形成为直接接触的实施例，并且还可包括其中可形成插入上述特征部件的附加特征部件的实施例，使得上述特征部件可能不直接接触。此外，其中可能用到与空间相关用词，例如“垂直的”、“上方”、“上”、“下”、“底”及类似的用词(如“向下地”、“向上地”等)，这些空间相关用词为了便于描述图示中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系，这些空间相关用词旨在涵盖包括特征的装置的不同方向。

[0082] 除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇公开所属的本领域技术人员所通常理解的相同涵义。能理解的是这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有一与相关技术及本公开的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在此有特别定义。

[0083] 再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”等的用词，以修饰权利要求的元件，其本身并不意含及代表该请求元件有任何之前的序数，也不代表某一请求元件与另一请求元件的顺序、或是制造方法上的顺序，多个序数的使用仅用来使具有某命名的一请求元件得以和另一具有相同命名的请求元件能作出清楚区分。

[0084] 此外，在本公开一些实施例中，关于接合、连接的用语例如“连接”、“互连”等，除非特别定义，否则可指两个结构直接接触，或者亦可指两个结构并非直接接触，其中有其它结构设于此两个结构之间。且此关于接合、连接的用语亦可包括两个结构都可移动，或者两个结构都固定的情况。

[0085] 本公开实施例提供一种光学系统，特别是一种具有扩增实境(Augmented Reality，AR)、虚拟实境(Virtual Reality，VR)、或混合实境(Mixed Reality，MR)功能的光学系统。举例来说，图1是根据本公开一些实施例示出的光学系统1000一些元件的示意图，图2是根据本公开一些实施例示出的光学系统1000一些元件的俯视图。如图1、图2所示，光学系统1000可包括框架1010以及设置在框架1010上的各种元件，例如可包括处理器1020、储能元件1030、记忆元件1040、透镜1050、光源组件1100、导光元件1300等，而图2中的光路调整组件1200亦可设置在框架1010上。

[0086] 在一些实施例中，处理器1020可用以处理光学系统1000中的各种信号，可电性连接储能元件1030、记忆元件1040、光源组件1100、光路调整组件1200等，并且例如可包括通用处理器、芯片多处理器(chip  multiprocessor，CMP)、专属处理器(dedicated processor)、嵌入式处理器(embedded processor)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、网络处理器、输入/输出(input/output，I/O)处理器、媒体存取控制(media access control，MAC)处理器、无线电基频处理器(radio baseband processor)、协同处理器(co‑processor)、例如复杂指令集电脑(complex instruction set computer，CISC)微处理器、精简指令集计算(reduced instruction set computing，RISC)微处理器及/或超长指令字(very long instruction word，VLIW)微处理器或其他处理装置的微处理器。处理器还可包括控制器、微控制器、特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可程序化逻辑栅阵列(field programmable gate 
array，FPGA)、可程序化逻辑装置(programmable logic device，PLD)等。

[0087] 在一些实施例中，储能元件1030可包括电池(包括锂离子电池，例如锂三元电池、锂锰电池、锂钴电池、锂铁电池等)、电源管理裸片(例如电源管理集成电路(power management integrated circuit，PMIC)裸片)等，用以供应光学系统1000中各元件运作时所需的能量。在一些实施例中，可通过接口(未示出)对储能元件1030充电。

[0088] 在一些实施例中，记忆元件1040可用以储存光学系统1000运作时所需的信息。在一些实施例中，记忆元件1040例如可包括存储器，例如动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)裸片、静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)裸片、高带宽存储器(high bandwidth memory，HBM)裸片等。在一些实施例中，记忆元件1040亦可包括硬盘、磁碟、记忆卡，或适于储存信息的任何其他类型的媒体。

[0089] 在一些实施例中，光源组件1100可用以发射光线1900，光线1900例如可包括一虚拟图像，用以与现实图像结合，从而提供到人眼1910，以达到扩增实境的功能。

[0090] 在一些实施例中，光路调整组件1200可对应于光源组件1100，用以调整光源组件1100所发出的光线1900(例如行进路径、焦距等光学性质)，并将调整后的光线1900提供给导光元件1300。

[0091] 在一些实施例中，导光元件1300例如可为光波导(waveguide)，可对应于光路调整组件1200，例如光路调整组件1200可设置在光源组件1100以及导光元件1300之间。在导光元件1300接收光线1900之后，可允许光线1900在导光元件1300中传递，以抵达人眼1910的可视位置，之后离开导光元件1300而抵达人眼1910。外界光线1901可穿过透镜1050以及导光元件1300。由此，人眼1910可同时接收到光线1900以及外界光线1901，以达到扩增实境的功能。

[0092] 请参考图2，以下对光学系统1000各元件的细节以及运作方式进行说明。

[0093] 在一些实施例中，光源组件1100可包括图像源1110、第一光路调整元件1120、准直元件1130，在第一方向1701(例如Y方向)上排列。在一些实施例中，图像源1110可用以提供光线1900。在一些实施例中，第一光路调整元件1120可包括凸透镜等光学元件，用以改变光线1900行进的方向。在一些实施例中，准直元件1130可用以将光线1900行进的方向调整为第一方向1701，以得到行进方向一致的光线1900。

[0094] 在一些实施例中，光源组件1100还可包括第一驱动组件1510，设置在第一光路调整元件1120上，用以调整第一光路调整元件1120相对于准直元件1300的位置，以改变在第一方向1701上，第一光路调整元件1120与准直元件1130之间的距离，例如可驱动第一光路调整元件1120相对于准直元件1130在第一方向1701上运动。由此，可让光线1900进行对焦。举例来说，图3A、图3B是光学系统1000显示效果的示意图，其中示意出了人眼1910看到光线
1900时的效果。在一些实施例中，可将图3A中模糊的图像1921转变为清晰的图像1922，或将图3B中模糊的图像1923转变为清晰的图像1924，以达到对焦的功能。在一些实施例中，第一驱动组件1510例如可包括磁铁线圈、压电元件、形状记忆合金等驱动元件。

[0095] 在一些实施例中，光路调整组件1200可包括第二光路调整元件1210、第三光路调整元件1220、第二驱动组件1520、第三驱动组件1530。第二驱动组件1520可设置在第二光路调整元件1210上，用以驱动第二光路调整元件1210沿第一旋转轴转动，而第三驱动组件1530可设置在第三光路调整元件1220上，用以驱动第三光路调整元件1220沿第二旋转轴转动，且第一旋转轴与第二旋转轴不同。由此，可调整通过光路调整组件1200的光线1900的方向，以达到光学防手震(Optical image stabilization，OIS)的功能。

[0096] 在一些实施例中，第二光路调整元件1210、第三光路调整元件1220例如可包括透镜(lens)、反射镜(mirror)、棱镜(prism)、反射抛光面(reflective polished surface)、光学涂层(optical coating)、分光镜(beam splitter)、光圈(aperture)、液态镜片(liquid lens)等。应注意的是，此处光学元件的定义并不限于与可见光有关的元件，与不可见光(例如红外光、紫外光)等有关的元件亦可包括在本创作中。在一些实施例中，第二驱动组件1520、第三驱动组件1530例如可包括磁铁线圈、压电元件、形状记忆合金等驱动元件。

[0097] 在一些实施例中，第二光路调整元件1210与第三光路调整元件1220可在第二方向1702(例如X方向)上进行排列，且第一方向1702与第二方向1702彼此不同。在一些实施例中，准直元件1130与第二光路调整元件1210亦可在第一方向1701上排列，以允许光线1900沿着第一方向1701入射到第二光路调整元件1210。

[0098] 在一些实施例中，可在光源组件1100以及导光元件1300之间设置第一光学元件1410，例如设置在光路调整组件1200与导光元件1300之间，使得第三光路调整元件1220与第一光学元件1410在第三方向1703(例如Y方向)上排列，且第二方向1702与第三方向1703不同。

[0099] 应注意的是，在一些实施例中，第二光路调整元件1210可从准直元件1130接收光线1900，并将光线1900的行进方向从第一方向1701调整为第四方向1704，且第四方向1704与第一方向1701不同。接着，第三光路调整元件1220从第二光路调整元件1210接收光线1900，并且将光线1900的行进方向从第四方向1704调整为第五方向1705，且第四方向1704与第五方向1705不同。由此，当光线1900离开光路调整组件1200时，可从第五方向1705离开。

[0100] 在一些实施例中，第一光学元件1410可具有面朝光路调整组件1200的第一光学元件表面1411。在一些实施例中，多个微结构(未示出)可形成在第一光学元件表面1411上，例如可为柱状的周期性结构，并且各微结构之间可具有与可见光的波长(400nm至700nm)接近的间距，以通过绕射的方式来对从光路调整组件1200进入第一光学元件1410的光线1900进行调整，例如可解决散光的问题。

[0101] 在一些实施例中，第一光学元件1410例如可包括硅晶片，并且可通过曝光、显影、蚀刻等方式来形成第一光学元件1410上的微结构。在一些实施例中，前述微结构的高度与第一光学元件1410的高度的比值可小于0.01，例如当第一光学元件1410的高度小于100μm时，微结构的高度可小于1μm。在一些实施例中，当第一光学元件1410作为凸透镜时，与使用几何光学方式的传统凸透镜相比，使用量子光学方式来改变光路的第一光学元件1410可使厚度降低至10％以下。此外，第一光学元件1410和传统的凸透镜相比，也可通过更小的面积来达成类似的功能，从而可降低光学系统1000的重量，并达到小型化。

[0102] 在一些实施例中，第一光学元件1410可直接接触导光元件1300。应注意的是，光线1900在导光元件1300中行进时，由于导光元件1300与空气之间具有较大的折射率差异，光线1900可通过全反射的方式在导光元件1300内部传递。由于导光元件1300与第一光学元件
1410的折射率差异较小，例如第一光学元件1410有第一折射率，导光元件1300具有第三折射率，且第一折射率与第三折射率不同，故在第一光学元件1410与导光元件1300接触的界面处会破坏光线1900的全反射，从而可允许光线1900从第一光学元件1410与导光元件1300接触的界面处进入导光元件1300。

[0103] 在一些实施例中，导光元件1300可包括彼此相对的第一导光元件表面1301以及第二导光元件表面1302，第一导光元件表面1301面朝并接触第一光学元件1410，而第一光学元件表面1411背朝第一导光元件表面1301。当导光元件1300中的光线1900碰到第一导光元件表面1301以及第二导光元件表面1302时，大部分的光线1900会被全反射，从而允许光线1900在导光元件1900中传递。

[0104] 在一些实施例中，光学系统1000还包括第二光学元件1420以及第四驱动组件1540，第二光学元件1420可设置在第一导光元件表面1301上。类似于第一光学元件1410与导光元件1300，例如第二光学元件1420有第二折射率，与导光元件1300的第三折射率不同。
在第二光学元件1420与导光元件1300接触的界面处会破坏光线1900的全反射，而允许光线
1900从第二光学元件1420与导光元件1300接触的界面处离开导光元件1300。在一些实施例中，第四驱动组件1540例如可包括磁铁线圈、压电元件、形状记忆合金等驱动元件。在一些实施例中，在垂直第一导光元件表面1301的方向上，导光元件1300与第四驱动组件1540可至少部分重叠。

[0105] 在一些实施例中，第二光学元件1420可包括第二光学元件表面1421，背朝导光元件1300，且多个微结构形成在第二光学元件表面1421上，以达到与第一光学元件1411类似的效果，于此不再赘述。在一些实施例中，第四驱动组件1540可设置在第二光学元件1420上，用以驱动第二光学元件1420相对导光元件1300在第一导光元件表面1301进行运动。光线1900可通过第二光学元件1420以抵达人眼1910，而可动的第二光学元件1420可允许人眼1910在不同的位置看到光线1900，从而通过面积较小的第二光学元件1420来模拟较大的屏幕，以达到显示的功效，并且还可达到小型化。

[0106] 在一些实施例中，导光元件1300可在第六方向1706延伸，且第一导光元件表面1301的法向量与第六方向1706不平行。应注意的是，光线1901可从第一导光元件表面1301进入并离开导光元件1300，而若使用传统的波导来传递光线，通常是从两个相对的表面进出。由此，可降低光学系统1000在X方向上的尺寸，而达到小型化。在一些实施例中，第一导光元件表面1301、第二导光元件表面1302可包括平面或者曲面，从而可允许近视、远视者等清楚地看到外界光线1901。

[0107] 在一些实施例中，在第六方向1706上，导光元件1300的长度可大于第一光学元件1410的长度以及第二光学元件1420的长度，从而可降低第一光学元件1410以及第二光学元件1420的尺寸，而达到小型化。

[0108] 在一些实施例中，透镜1050可设置在第二导光元件表面1302上，透镜1050例如可包括凸透镜、凹透镜等，从而亦可允许近视、远视者等清楚地看到外界光线1901。在一些实施例中，透镜1050与光源组件1100设置在导光元件1300的两侧，透镜1050与第二光学元件1420设置在导光元件1300的两侧，而透镜1050与第四驱动组件1540也设置在导光元件1300的两侧。外界光线1901可依序通过透镜1050、导光元件1300以抵达人眼1910，而光线1900可依序通过导光元件1300、第二光学元件1420以抵达人眼，以达到扩增实境的功能。

[0109] 在一些实施例中，外界光线1901亦可通过第二光学元件1420。应注意的是，光线1900在第一光学元件1410与导光元件1300的界面(例如第一导光元件表面1301与第一光学元件1410接触的地方)以及第二光学元件1420与导光元件1300的界面(例如第一导光元件表面1301与第二光学元件1420接触的地方)未发生全反射，从而允许光线1900从第一导光元件表面1301进出第一导光元件1300，以通过第一导光元件1300来提升光线1900传递的效率。

[0110] 在另一些实施例中，还可在光路调整组件1200与第一光学元件1410之间设置额外的第三光学元件1430，并且可在第一光学元件1410上设置额外的第五驱动组件1550，以允许第一光学元件1410在第一导光元件表面1301上相对于第三光学元件1430运动，从而可达到光学防手震、眼球追踪、放大画面等功能。在一些实施例中，第五驱动组件1550例如可包括磁铁线圈、压电元件、形状记忆合金等驱动元件。

[0111] 在一些实施例中，第一光学元件1410与第三光学元件1430彼此可互相隔开，而第一光学元件1410可具有多个区域，且在前述多个区域中的微结构不同，例如可具有不同的周期性间距或者高度等，以达到不同的光学效果。此外，在一些实施例中，第三光学元件1430的表面(例如面朝或者背朝第一光学元件1410的表面)亦可具有多个微结构，其细节可类似于第一光学元件1410，于此不再赘述。通过改变第一光学元件1410相对于第三光学元件1430的位置，可达到变焦的功能。图3C是光学系统1000显示效果的示意图。例如图3C所示，可将图像信息1925转换为图像信息1926。

[0112] 在一些实施例中，第二光学元件1420可具有多个区域，例如包括第一区域以及第二区域，且在前述第一区域以及第二区域中的微结构不同，例如分别包括第一微结构以及第二微结构，例如可具有不同的周期性间距或者高度等，以达到不同的光学效果。

[0113] 在另一些实施例中，光学系统1000还可包括第四光学元件1440，而第二光学元件1420设置在导光元件1300与第四光学元件1440之间。在一些实施例中，第四光学元件1440的表面(例如面朝或背朝第二光学元件1420的表面)具有多个微结构，其细节可类似于第一光学元件1410，于此不再赘述。在一些实施例中，光线1900可依序通过导光元件1300、第二光学元件1420、第四光学元件1440，以抵达人眼1910。由于第二光学元件1420可通过第四驱动组件1540相对于第四光学元件1440进行运动，例如在平行于第一导光元件表面1301的方向上进行运动，可进一步达到光学防手震、眼球追踪、放大画面等功能。

[0114] 图4A、图4B根据本公开一些实施例示出的光学系统1000一些元件的示意图，其中主要示出了第二光学元件1420与第四驱动组件1540。如图4A、图4B所示，第四驱动组件1540例如可包括第一承载元件1611、第一活动部1612、第一驱动线圈1613、第一磁性元件1614、第一轨道1615、第二轨道1616以及第一连接部1617。

[0115] 在一些实施例中，第二光学元件1420可设置在第一承载元件1611上，而第一承载元件1611以及第一磁性元件1614可设置在第一活动部1612上。第一磁性元件1614可相对于第一驱动线圈1613进行运动。由此，第一磁性元件1614以及第一驱动线圈1613之间可产生电磁驱动力，用以驱动第一活动部1612相对第一驱动线圈1613进行运动，从而带动第一承载元件1611以及设置在第一承载元件1611上的第二光学元件1420一起相对第一驱动线圈1613进行运动。

[0116] 在一些实施例中，第一活动部1612可动地设置在第一轨道1615，例如可相对于第一轨道1615，在第一轨道1615延伸的方向上进行滑动。第一连接部1617可动地设置在第二轨道1616，并且连接第一承载元件1611。在一些实施例中，第一轨道1615以及第二轨道1616可具有柱状的结构，第一轨道1615与第二轨道1616平行，并且在第一运动方向1931延伸。由此，当第一活动部1612相对于第一轨道1615在第一运动方向1931上进行运动时，第一承载元件1611会被第一活动部1612带动而一起运动。接着，第一连接部1617也会被第一承载元件1611带动而在第一运动方向1931上一起运动，以允许第二光学元件1420在第一运动方向1931上运动。

[0117] 在一些实施例中，第四驱动组件1540还可包括第二承载元件1621、第二活动部1622、第二驱动线圈1623、第二磁性元件1624、第三轨道1625、第四轨道1626以及第二连接部1627。可将图4A中的元件(例如第二光学元件1420、第一承载元件1611、第一活动部1612、第一驱动线圈1613、第一磁性元件1614、第一轨道1615、第二轨道1616以及第一连接部
1617)设置在第二承载元件1621上，以允许第二光学元件1420在另一个方向上进行运动。

[0118] 在一些实施例中，第二承载元件1621以及第二磁性元件1624可设置在第二活动部1622上。第二磁性元件1624可相对于第二驱动线圈1623进行运动。由此，第二磁性元件1624以及第二驱动线圈1623之间可产生电磁驱动力，用以驱动第二活动部1622相对第二驱动线圈1623进行运动，从而带动第二承载元件1621以及设置在第二承载元件1621上的其他元件(例如第一承载元件1611、第二光学元件1420等)一起相对第二驱动线圈1623进行运动。

[0119] 在一些实施例中，第二活动部1622可动地设置在第三轨道1625，例如可相对于第三轨道1625，在第三轨道1625延伸的方向上进行滑动。第二连接部1627可动地设置在第四轨道1626，并且连接第二承载元件1621。在一些实施例中，第三轨道1625以及第四轨道1626可具有柱状的结构，第三轨道1625与第四轨道1626平行，并且在第二运动方向1932延伸。由此，当第二活动部1622相对于第三轨道1625在第二运动方向1932上进行运动时，第二承载元件1621会被第二活动部1622带动而一起运动。接着，第二连接部1627也会被第二承载元件1621带动而在第二运动方向1932上一起运动，以允许第二光学元件1420在第二运动方向1932上运动。

[0120] 应注意的是，第一运动方向1931与第二运动方向1932彼此不同，例如可彼此垂直，并且可平行于前述第一导光元件表面1301，从而可允许第二光学元件1420在第一导光元件表面1301上运动，以调整人眼1910接收到光线1900的位置，并且还可通过面积较小的第二光学元件1420来模拟较大的可视范围，以降低光学系统1000的尺寸，而达到小型化。

[0121] 在一些实施例中，第一承载元件1611、第二承载元件1621可包括透明的材料，以避免阻挡人眼1910的视线。在一些实施例中，第一承载元件1611、第二承载元件1621可包括导电材料，例如氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)等，以允许将信号通过第一承载元件1611、第二承载元件1621提供给第二光学元件1420。

[0122] 应注意的是，此处示出的第四驱动组件1540仅为示意，光学系统1000亦可采用其他形式的第四驱动组件1540来驱动第二光学元件1420相对于导光元件1300进行运动，例如可包括压电元件、形状记忆合金等。

[0123] 综上所述，本公开实施例提供一种光学系统，包括光源组件、导光元件以及第一光学元件。光源组件用以发射光线。导光元件用以传递光线。第一光学元件设置在光源组件以及导光元件之间，用以调整光线的行进路径。由此，可降低光学系统整体的尺寸，以达到小型化。

[0124] 虽然前述实施例是以扩增实境为范例，但本公开并不以此为限，前述技术亦可应用于虚拟实境、混合实境的光学系统，取决于设计需求。

[0125] 本公开所公开各元件的特殊相对位置、大小关系不但可使光学系统达到特定方向的薄型化、整体的小型化，另外经由搭配不同的光学模块使系统更进一步提升光学品质(例如拍摄品质或是深度感测精度等)。

[0126] 虽然本公开的实施例及其优点已经公开如上，但应该了解的是，本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围内，当可以作更动、替代与润饰。此外，本公开的保护范围并没有局限于在说明书内所述特定实施例中的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中技术人员可从本公开的公开内容中理解现行或未来所发展出的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果皆可根据本公开使用。因此，本公开的保护范围包括上述工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本公开的保护范围也包括各个权利要求及实施例的组合。