Meta AR/VR专利分享用于降低光栅显著性的几何波导和混合波导反射面取向

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用于降低光栅显著性的几何波导和混合波导反射面取向

（映维网Nweon 2024年08月02日）在几何波导显示系统或混合波导显示系统中，当使用反射镜作为第一维光瞳扩展的中间光栅时，反射镜通常可以定位在相对于波导的宽面接近90度的角度（似垂直于宽面）。反射镜的这种方向可能使得反射镜对用户前面的人显眼，因为当从斜角查看近眼显示系统时，部分反射区域之间区域可能存在较大的透射率对比，并可能导致人眼感知到明显的结构。

对于波导显示系统，通常希望波导内或光学光栅和其他光学结构尽可能不显眼。另外，这种反射镜的方向可能会降低波导显示系统的光学分辨率。

在日前由美国专利商标局公布的一份专利申请中，Meta就提出了自己的解决方案。

在一个实施例中，对于诸如几何波导显示系统或混合波导显示系统，中间光栅使用的反射镜可以相对于波导的宽侧面倾斜一定角度，例如约40-60度。这样，从不同角度查看近眼显示系统的人可能主要看到部分反射区域而不是反射镜之间的高透射率间隙，因此可能会感受到低透射率的对比。所以，反射镜对人来说可能不太显眼。

另外，当中间光栅的反射镜偏离波导侧面的表面法线方向时，反射镜反射的光束尺寸可能较大，从而可能使显示系统的有效光学孔径更大，从而提高显示系统的光学分辨率。

在一个实施例中，波导显示系统可以包括耦入器、中间光偏转结构(和输出光偏转结构。耦入器可以将来自投影仪的显示光耦合到波导中。中间光栅可包括沿第一方向布置并相对于波导的宽侧面以小于约60度的角度倾斜的反射镜阵列。

反射镜阵列的每个反射镜可将入射显示光的一部分偏转到朝向输出光栅的第二方向。输出光栅可以包括一组反射镜或VBG，并且可以在沿第二方向的多个位置的每个位置，将来自中间光栅的入射显示光束的一部分指向波导显示系统的视窗。

在一个实施例中，可在中间光栅中使用反射镜，并且可相对于波导的侧面表面以约40度至约60度的角度倾斜。在其他实施例中，可在输出光栅中使用反射镜，并且可相对于波导的侧面表面以约25度至约35度的角度倾斜。

图9A和9B说明波导显示器900的示例。波导显示器900包括波导910中的一组反射镜912。所述反射镜912阵列可形成光栅结构。反射镜阵列中的反射镜912可以是平面，并且可以彼此平行。如图9A所示，当从波导910的侧面查看时，反射镜912与垂直方向(的夹角在x-y平面可以为θ。

如图9B所示，在横截面视图(中，反射镜912与侧面表面之间的角度可以为β。因此，光栅矢量在(x, y, z)空间中可以是{cos θ·sin β， sin θ·sin β， cos β}。在所示的例子中，ß可能接近90度，所以光栅矢量可能约为{cos θ， sin θ， 0}。

图9B同时示出，当波导显示器900前面的人的眼睛990从倾斜角度看波导显示器900时，波导显示器900在由角度范围920表示的视场中可以具有最小反射率或高透明度，但在由角度范围930表示的视场中可以具有高反射率或低透明度。

所以，这个人可能会看到交错的亮区和暗区，而不是统一的亮区或暗区。另外，这种反射镜的方向可能降低波导显示系统的光学分辨率。

图9C显示了波导具有反射镜940的近眼显示系统902。近眼显示系统902可以采用一副眼镜的形式。反射镜940可以代替中间光栅630。如图9C所示，反射镜940可以呈现为明暗交错的区域，并且可能相当明显。对于波导显示系统，通常希望波导内或光学光栅或其他光学结构尽可能不显眼。

在一个实施例中，对于诸如几何波导显示系统或混合波导显示系统，中间光栅使用的反射镜可以相对于波导的宽侧面倾斜一定角度，例如约40-60度。这样，从不同角度查看近眼显示系统的人可能主要看到部分反射区域而不是反射镜之间的高透射率间隙，因此可能会感受到低透射率的对比。所以，反射镜对人来说可能不太显眼。

另外，当中间光栅的反射镜偏离波导侧面的表面法线方向时，反射镜反射的光束尺寸可能较大，从而可能使显示系统的有效光学孔径更大，从而提高显示系统的光学分辨率。

图10A和10B示出波导显示器1000的示例，波导显示器1000包括用于光瞳扩展的几何反射镜。在所示的示例中，波导显示器1000可包括波导1002和耦入器1010、在波导1002上或中形成的第一光瞳扩展器1020和第二光瞳扩展器1030。

来自投影仪的显示光可以通过光学准直并投射到耦入器1010。耦合到波导1002中的显示光可以通过全内反射由波导1002的相对宽侧面反射，使得显示光可以在波导1002内向第一光瞳扩展器1020传播。

来自耦入器1010的显示光可以到达第一光瞳扩展器1020的第一部分1024，并且可以由第一部分1024中的透光镜1022反射，以将传播方向改变为朝向第一光瞳扩展器1020的第二部分1026的第一方向。

当显示光沿第一方向通过全内反射在波导1002内传播时，如图10A所示，部分显示光可通过第一光瞳扩展器1020的透射镜1022向第二光瞳扩展器1030反射，每次在波导1002内传播的显示光到达透射镜1022。

所述显示光的一部分可通过所述反射镜并在波导1002内继续传播，直到其到达另一反射镜1022为止，所述反射镜1022可将所述入射显示光的至少一部分向第二光瞳扩展器1030反射。因此，第一光瞳扩展器1020可以沿着第一方向复制输入光瞳。第二光瞳扩展器1030可以包括衍射光栅或反射镜，并且可以通过入射显示光对眼箱的多次部分反射或衍射，以类似的方式沿第二方向复制输入光瞳。因此，第一光瞳扩展器1020和第二光瞳扩展器1030可以在二维上复制输入光瞳孔，以填满视窗。

在所示的示例中，当从波导1002的宽侧面观察时，第一光瞳扩展器1020中的每个反射镜1022可以相对于如图10A所示的x-y平面中的垂直方向处于角度θ（例如约45度）。

如图10B所示，在横截面视图中，反射镜1022与波导1002的侧表面之间的角度可以是β。因此，光栅矢量可以是{cos θ·sin β， sin θ·sin β， cos β}。在示例中。β可能接近50度左右，所以光栅矢量可能为{cos θ·sin 50°，sin θ·sin 50°，cos 50°}。

如图10所示，当透反镜1022和波导1002的宽边表面之间的角度小于约60度时，第一光瞳扩展器1020在波导显示器1000前方的人的眼睛1090的视场中可以具有相同或相似的反射率，并且从斜角观察波导显示器1000时透反镜1022之间可能没有间隙。所以，眼睛1090可能看不到交错的亮区和暗区，因此第一光瞳扩展器1020可能具有更均匀的透射率或透明度，并且可能不会对波导显示器1000前面的人造成明显的影响。

图11A-11C表示成像系统的光学分辨率与光学孔径大小之间的关系。

图11A示出具有光学孔径1110和成像平面1120的简化成像系统1100。图11B示出通过成像系统1100聚焦的光束的最佳聚焦光斑1122。由于光学孔径1110的尺寸有限，光斑1122的中心明亮区域的最小尺寸可能受到衍射极限的限制。图11C显示了光斑1122的强度随光学孔径1110视角的函数。

可以看到，更大的光学孔径或更大的输入光束可能带来更好的分辨率（更小的斑点）。增大光学孔径或光束的尺寸可以改善调制传递函数，从而除了可以提高图像的分辨率外，而且可以提高图像的对比度。

图14示出波导显示系统1400的一个示例。波导显示系统1400可包括波导1405、输入光栅1410、第一中间光栅1420、第二中间光栅1430和在波导1405上或中形成的输出光栅1440。输入光栅1410、第一中间光栅1420、第二中间光栅1430和输出光栅1440各可为透射或反射衍射光栅或一组一个或多个反射镜。

来自光源的显示光可以通过输入光栅1410耦合到波导1405中。耦合显示光可以通过全内反射被波导1405的表面反射，使得显示光可以在波导1405内传播。

输出光栅1440可以位于波导显示系统1400的透明区域内，并且可以包括在z方向观察时与波导显示系统1400的视窗重叠的出口区域1450。输出光栅1440可包括多路VBG或反射镜，并可在多个位置衍射或反射显示光，以将显示光指向波导显示系统1400的视窗。这样，输出光栅1440与第一中间光栅1420和第二中间光栅1430结合，并可以进行双轴扩瞳，将入射的显示光束在二维展开，使所述显示光充满视窗。

在一个实施例中，第一中间光栅1420和第二中间光栅1430可以包括VBG，并且第一中间光栅1420中的每个VBG可以匹配第二中间光栅1430中各自的VBG。由于显示光在两个匹配的VBG的传播方向相反，两个匹配的VBG可以在相反的布拉格条件下工作。

如图14所示，第一中间光栅1420中的VBG可将显示光的传播方向由向下改变为向右，而第二中间光栅1430中的匹配VBG可将显示光的传播方向由向右改变为向下。因此，第二中间光栅1430引起的色散可以与第一中间光栅1420引起的色散相反，从而减小或最小化总体色散。

图15示出波导显示系统1500的另一个示例。波导显示系统1500可以包括衬底1510。衬底1510可包括第一表面1512和第二表面1514。来自光源的显示光可以通过耦入器1520耦合到衬底1510，并且可以通过全内反射由第一表面1512和第二表面1514反射，使得显示光可以在基板1510内传播。

波导显示系统1500同时可以包括在衬底1510或衬底1510的第一表面1512和/或第二表面1514形成的第一光栅1530和第二光栅1540。第一光栅1530和第二光栅1540中的每一个都可以包括多路VBG或反射镜。

在一个实施例中，耦入器1520和第二光栅1540可以包括匹配VBG，以减少由耦入器1520和第二光栅1540引起的总体色散第一光栅1530和第三光栅1560可以包括匹配的VBG，以减少由光栅1530和1560引起的总体色散。

相关专利：Meta Patent | Reflector orientation of geometrical and mixed waveguide for reducing grating conspicuity

名为“Reflector orientation of geometrical and mixed waveguide for reducing grating conspicuity”的Meta专利申请最初在2022年12月提交，并在日前由美国专利商标局公布。