Meta专利介绍减少拖影的AR显示系统——定向光栅Z方向

　　AR头显可以使用具有多路光栅的波导，从而将与图像相关的光线从投影仪传播到视窗。但有时候，来自投影仪或显示系统的一个或多个中间光学元件的杂散光可能会产生串扰，或者在预期之前或之后到达用户的眼睛，从而产生视觉伪影，例如拖影。

　　在名为“Display systems with gratings oriented to reduce appearances of ghost images”中，Meta就介绍了一种减少拖影的显示系统。

　　在一个实施例中，专利描述的显示系统可以具有透镜组件，透镜组件包括用于将光从投影仪传播到视窗的波导。所述波导可包括多个光栅，所述显示光可依次通过所述光栅传播。另外，所述多个光栅中的至少一个可以定向，以将所述显示光传播到下一个光栅。

　　特别是，可以定向多个光栅中至少一个的z方向，以减少拖影的存在。作为具体示例，多个光栅中至少一个的z方向可以是与多个光栅中至少一个的法向z方向相反的方向。法向z方向可以定义为拖影出现的z方向。

　　在一个实施例中，多个光栅可包括输入光栅、第一中间光栅、第二中间光栅和输出光栅。可以定向任意一个光栅的z方向，以减少拖影的出现。多个光栅可以与基于体布拉格光栅(VBG)的波导显示设备相关联。

　　图4示出了一个近眼显示系统中的光学系统400。光学系统400可包括图像源410和任意数量的投影仪光学元件420。

　　在图4所示的示例中，图像源410可以位于投影仪光学元件420的前面，并且可以向投影仪光学元件20投射光。

　　在一个实施例中，图像源410可以位于用户眼睛490的视场之外。所以，投影仪光学元件420可以包括一个或多个反射器、折射器或定向耦合器，其可以偏转来自用户眼睛490的视场外的图像源410的光，以令图像源410看起来位于用户眼睛490的前方。

　　来自图像源410的光可由投影仪光学元件420准直并定向到出瞳430。然后，可以通过透镜将来自不同视角的准直光聚焦到用户眼睛490的视网膜492的不同位置。这样，可以在视网膜492形成图像源410的单个图像。

　　用户体验可能取决于光学系统的多个特征，包括视场、图像质量、视窗的大小和视窗内的光线亮度或对比度。在一个实施例中，可通过波导将光耦合到显示系统和/或从显示系统中输出。特别地，投影图像的光可以使用任意数量的反射或衍射光学元件耦合进入或离开波导。例如，一个或多个体布拉格光栅(VBG)可应用到基于波导的显示系统。

　　一个或多个体布拉格光栅可以用来衍射从投影仪的显示光到用户的眼睛。另外，一个或多个体布拉格光栅可以帮助补偿由彼此引起的显示光的色散，以减少基于波导的显示系统中的整体色散。

　　图5举例说明了波导500的示意图。波导500可包括多个层，例如至少一个衬底501和至少一个光聚合物层502。衬底501可以由聚合物、玻璃、晶体、陶瓷和/或其他类似材料组成。

　　至少一个衬底501和至少一个光聚合物层502可以光学粘合以形成波导500。衬底501可以具有约0.4-0.6毫米或其他厚度范围之间的任何厚度。光聚合物层502可以是厚度在约10-800微米或其他范围之间的薄膜层。

　　可以在光聚合物层502中提供一个或多个体布拉格光栅。在一个实施例中，可以通过在光聚合物层502中产生干涉图样503来提供一个或多个体布拉格光栅。其中，可以通过叠加两个激光器来产生干涉图案503，以产生空间调制。

　　通过将干涉图案503暴露于光敏聚合物层502中，可以改变光敏聚合物层502的折射率，并且可以在光敏聚合物层502中提供体布拉格光栅。

　　图6A示出了包括体布拉格光栅排列的波导配置600。波导配置600可用于显示系统，而波导结构600可以包括输入体布拉格光栅602、第一中间体布拉格光栅604、第二中间体布拉格光栅606和输出体布拉格光栅608。

　　显示系统的投影仪612可以将显示光614传输到波导配置600中的体布拉格光栅602-608的布置。如图所示，投影仪612可将显示光614输出到输入光栅602。

　　输入光栅602包括的光栅配置可将从投影仪612接收到的显示光614传播到第一中间光栅604。第一中间光栅604包括的光栅配置可将接收的显示光614传播到第二中间光栅606。第二中间光栅606包括的光栅配置可将显示光614传播到输出光栅608。输出光栅608包括的光栅配置可将所接收的显示光614传播到视窗616或用户的眼睛(未示出)。

　　输入光栅602、第一中间光栅604、第二中间光栅606和输出光栅608中的每一个都可以包括光栅结构，以确保接收到的光向箭头610所示的特定方向传播，例如，折射、衍射和/或反射。

　　波导配置600可以包括任何数量的体布拉格光栅，并可以暴露在“透明”的光聚合物材料中。这样，整个波导配置600可以是相对透明，以便用户可以透过波导配置600看到另一侧。

　　同时，体布拉格光栅602-608的排列可以接收来自投影仪612的传播显示光614，并且可以令传播显示光614作为图像618显示在用户的眼睛前。例如，波导配置600可导致在视窗616显示与显示光614相对应的图像618。通过这种方式，可以向用户提供和体验任意数量的混合现实环境。

　　在一个实施例中，输入光栅602和输出光栅608可以彼此具有相同的光栅矢量。另外，第一中间光栅604和第二中间光栅606可以彼此具有相同的光栅矢量。因此，通过输入光栅602、第一中间光栅604、第二中间光栅606和输出光栅208传播的光的色散可以抵消。

　　为了合并预期的视场范围和光谱，每个光栅602-608可包含多路光栅节距以支持预期的视场范围和光谱。

　　图6A中表示为虚线箭头620的串扰可以发生在复用光栅602-608之间。串扰620的结果可以是，可以诱导在视窗616显示拖影图像622或以其他方式由用户可见。

　　图6B示出了与光通过图6A所示的第一中间光栅604和第二中间光栅606的传播相对应的k向量图630。图6C示出图6A中所示的第一中间光栅604的部分640的放大截面视图。

　　具体地，图6C中所示的640描述了第一中间光栅604内的z方向光栅结构642。如图所示，光栅结构642可以具有特定的角度，使得如箭头644所示的光线可以以特定方式通过第一中间光栅604传播，使得光线在第一中间光栅604中可以以特定方向向第二中间光栅606输出。以图6C所示方式输出的光线可导致如图6A所示的拖影622的出现。

　　现在参考图7A，图7A描绘的波导配置700包括体布拉格光栅的排列。类似地，对于图6A中所示的波导配置600，波导配置700可用于显示系统。波导结构700可包括输入体布拉格光栅)702、第一中间体布拉格光栅704、第二中间体布拉格光栅706和输出体布拉格光栅706。

　　输入光栅702、第一中间光栅704、第二中间光栅706和输出光栅708中的每一个都可以包括光栅结构，以使接收到的光向箭头710所示的特定方向传播，例如，折射、衍射和/或反射。

　　根据示例，波导配置700中的光栅702-708中的至少一个可以定向以减少拖影622。例如，光栅702-708中的至少一个可以定向以使来自光源712的显示光714定向到致使减少拖影622的预定义方向。

　　通过这种方式，第一中间光栅704的z方向可以被向以致使显示光714定向到预定义的z方向，从而导致拖影622的减少。

　　现在参考图7B，图7B显示了与光通过图7A所示的第一中间光栅704和第二中间光栅706的传播相对应的k矢量图730。对比k向量图730和k向量图630，可以看出k向量在z方向上是不同的。

　　k向量图630和730同时显示了色散是守恒的，例如，k向量在图5所示的构型之间是守恒的。通过在输入光栅602和输出光栅608中具有相同的光栅矢量Ka，并且在第一中间光栅604和第二中间光栅606中具有相同的光栅矢量Kb，可以使k矢量保持不变。

　　在波导结构700中，Kb变为Kb ‘，这意味着在波导结构700中，第一中间光栅604和第二中间光栅606的光栅矢量都调整为Kb ‘。由于波导结构700中第一中间光栅704的光栅矢量依然与第二中间光栅706的光栅矢量相同，所以入射光714和到达718的出射光的k矢量依然守恒。

　　k矢量图630和730分别显示了波导构型600和700的k矢量守恒。特别地，射线矢量首先在(0,0,1)处进入输入光栅602,702，其中kx=ky=0, kz=1。然后光线矢量跟随Ka到达k2。接下来，射线矢量沿着Kb到达k3或Kb ‘到达k3。

　　应该注意的是，k1, k2和k3是k向量图630和730显示的三个截距。当光在k3方向传播到达第二个中间光栅606,706时，其中光经历-Kb或kb ‘，从而返回k2方向到达输出光栅608,708。由于输出光栅608、708提供-Ka，光线方向变为k1，与输入光栅602、702传播光线的入射方向相同。结果，色散为零，或者说守恒。

　　在上面的讨论中，Kb设计为覆盖所需的视场和光谱，同时保持一个小的光栅区域。在保持光栅尺寸不变的情况下，翻转Kb z-component不会改变视场和光谱覆盖。这可以导致拖影路径620的减少。

　　图7C示出图7A中所示的第一中间光栅704的部分740的放大截面视图。如图所示，光栅结构742可以具有特定的角度，使得如箭头744所示的光线可以以特定方式通过第一中间光栅704传播，使得光线可以在第一中间光栅704中以特定方向向第二中间光栅706输出。以图7C所示方式输出的光线可导致减少拖影622的出现。

　　在比较图6C和7C，可以看出，740中所示的光栅742的z方向与640中所示的光栅642的z方向相反。换句话说，光栅642的z方向可以解释为法向z方向，光栅742的z方向可以与法向z方向相反。

　　通过法向z方向为N的特殊例子，光栅742的z方向可以是-N。同样，在光栅642的法向z方向为-N的特定示例中，光栅742的z方向可以是n。

　　在图6C和7C中，光线644、744可在同一z方向上由第一中间光栅604、704引导。然而，光线644、744可以以不同的z方向指向第二中间光栅606、706。因此，图像718依然可按预期出现在视窗716，但拖影图像的出现可以减少。

　　名为“Display systems with gratings oriented to reduce appearances of ghost images”的Meta专利申请最初在2022年1月提交，并在日前由美国专利商标局公布。