Meta AR/VR专利提出多源光导照明器，解决照明不均匀问题

　　头戴式显示设备需要紧凑且高效的照明器，并为显示面板的其他元件提供均匀照明。在名为“Multi-source light-guiding illuminator”的专利申请中，Meta就介绍了一种多源光导照明器。

　　对于头戴式显示设备，照明器可以使用光瞳复制波导来在要照明的表面区域扩展照明光束。其中，复制波导通过从波导的相对平行表面反弹来扩展照明光束。照明光束在波导中传播，并且照明光束的一部分沿着波导的长度维度耦出。

　　出于效率的原因，增加波导内部光的传播角是有利的。传播角可以选择得足够大，使得光束在第一次反射时就离开耦入结构。遗憾的是，较大的传播角可能导致照明强度沿波导出现下降。这是因为传播光束照射光栅耦出器的位置可能相隔太远，使得在位置之间没有光从波导耦出。

　　Meta的发明主要用于减轻由基于波导的照明器的照明不均匀问题。其中，光束可以在波导的相同边缘和/或相反边缘处耦合，并且可以配置为在耦出光束部分之间填充彼此的黑点。为了进一步提高照明均匀性，可以沿波导在空间上改变耦出光栅强度和/或光栅厚度。

　　这两个光束可以以正交偏振耦合，以抑制它们之间的光学干涉。同时，可以选择低相干长度光源以提供在波导中传播的光束。相干长度可以低于波导中相邻光路之间的光路长度差。

　　在一个实施例中，专利描述的照明器包括将第一和第二光束耦合到板中的透明材料板;用于沿长度维度耦出来自板的第一和第二光束的偏移平行部分的耦出器。第一光束部分通过沿长度维度间隔开的一系列间隙彼此偏移，第二光束部分通过沿着长度维度间隔的一系列间隔彼此偏移。第一光束部分之间的间隙与第二光束部分重叠，而第二光束部之间的间隙则与第一光束部重叠，从而提供沿长度维度的连续照明。

　　在一个实施例中，选择第一光束和第二光束的直径D、相对表面之间的板的厚度t以及第一光束和第一光束与第二表面垂直的角度α，以满足条件t*tan(α)≥D。第一光束部分之间的间隙的半峰全宽(FWHM)可以基本上等于第二光束部分的FWHM，并且第二光束部分之间的间隙的半峰半宽可以基本上等同于第一光束部分的FWHM。由光源发射的第一光束和第二光束可以正交偏振，从而减少光学干涉效应。

　　照明器的耦出器可以包括偏振体积光栅(PVH)、体积布拉格光栅(VBG)和/或表面浮雕光栅(SRG)。对于包括PVH的实施例，由光源发射的第一和第二光束可以正交圆偏振。PVH的厚度可以沿着板的长度尺寸变化，以使照明器提供的照明的光功率密度沿板的长度方向变暗。光源的相干长度可以选择为小于第一光束和第二光束的相邻光路之间的光路差，以减少光学干涉效应。

　　光源包括用于提供定向光束的定向源，以及耦合到定向源的光栅，其用于将定向光束以彼此成角度的方式分割成第一光束和第二光束，以便在板中沿板的长度维度大致在同一方向上联合传播。光栅的间距可调。

　　参考图1，照明器100包括用于提供光束103的定向光源101和用于在板106中传播光束103的透明材料板106。板106包括用于将光束向内耦合到板106中的耦入光栅107，以及用于沿板106的长度尺寸112(将光束103的部分113向耦出的向耦出光栅110。

　　在操作中，光束103通过沿着板106的长度尺寸112从板106的相对的第一表面121和第二表面122的锯齿形反射在板106中传播。换句话说，光束103的光路是由来自表面121和122的反射形成的锯齿形光路。

　　间隙115存在于光束103的耦出部分113之间。间隙115不存在光束103的耦出部分113的区域。间隙115在Z方向上的宽度可以通过减小光束103进入板106的内耦合角α来减小。但在图1所示的照明器100的配置中，可能难以完全消除间隙115。耦出部分113变为重叠的耦入角α的减小将导致由耦入光栅107耦合的光束103的一部分在从第一表面121反射之后触及耦入光栅108，导致不期望的光学损失和/或光散射。

　　转到图2，这里的照明器200能够消除出耦合光的部分之间的间隙。照明器200包括不是一个而是两个定向光源。具体地说，第一定向光源201和第二定向光源202通过分别设置在板206的相对端的第一耦合光栅207和第二耦合光栅光学耦合到透明材料的板206。第一201和第二202定向光源分别通过耦合光栅中的第一207和第二208发射第一203和第二204光束。

　　板206接收第一光束203和第二光束204。第一光束203和第二光束204通过一系列反射(例如TIR)，从板206的相对的第一表面221和第二表面222沿板206的长度尺寸212以Z字形图案在板206中朝向彼此传播。

　　第一光束203的光路类似于图1照明器100中的光束103的光路。第一光束203在板206内以Z字形图案传播，第一光束203的部分213沿长度维度212耦出。第一光束203的部分213通过沿长度尺寸212间隔开的一系列间隙215彼此偏移。第二光束204的光路类似于第一光束203的光路，只有第二光束202沿着板206的长度维度212(即图2中的Z轴)以相反方向朝向第一光束203传播。

　　第二光束204以Z字形图案在板206内部传播，并且第二光束202的部分214由耦出光栅210耦出。光束部分214通过沿长度尺寸212间隔开的一系列间隙216彼此偏移。第一光束部分213之间的间隙215与第二光束204部分214重叠，第二光束部分214之间的间隙216与第一光束203重叠，确保照明器200提供的照明沿着长度尺寸212是连续的，即没有任何间隙。换句话说，第一光束203和第二光束204填充彼此的间隙，使得照明器200的输出照明更均匀。

　　进一步参考图3A和3B。图2的照明器200的第一光束203在板206中传播。在图3A中，板206具有厚度t，第一光束203具有直径D。第一光束203以与第一表面221和第二表面222的法线318成内耦合角αw.r.t耦合到板206中。第一光束203的直径D、相对的第一表面221和第二表面222之间的板206的厚度t以及第一光束203相对于法线318的角度α满足条件 (1)：t*tan(α)=D。

　　当满足条件(1)时，第一光束203偏移两个光束直径D，这意味着光束间间隙215的宽度W等于D。当第一光束203和第二光束204都满足条件(2)时，第二光束部分214之间的间隙216等于第一光束部分213的宽度，反之亦然。

　　换句话说，第二光束部分214的宽度等于第二光束部分213之间的间隙215，反之亦然。对于具有钟形optical power密度分布的光束，并且216第二光束部分214之间的间隙的FWHM可以基本上等于第一光束部分213的FWHM。

　　因此，第一光束部分213和第二光束部分214填充彼此的间隙，使得输出照明更加均匀。

　　图3B示出了第一光束部分213的横向(Z方向)optical power密度分布313与第二光束部分214的横向(Z-方向)optical power密度分布314重叠，并实现了平滑的总体横向optical power密度分配320。

　　名为“Multi-source light-guiding illuminator”的Meta专利申请最初在2021年8月提交，并在日前由美国专利商标局公布。