Meta专利描述用于最大化视场FOV覆盖的波导的显示系统

　　对于XR设备，扩大视场是一个关键的课题。在名为“Hybrid waveguide to maximize coverage in field of view (fov)”的专利申请中，Meta就介绍了一种相关的方法。

　　概括来说，发明描述了用于最大化视场FOV覆盖的波导的显示系统。波导可以包括体布拉格光栅(Volume Bragg grating/VBG)组件。

　　一般来说，使用波导的显示系统具有多路光栅或多个VBG，以将与投影仪图像相关的光传播到视窗。这种包含多个光栅的波导在视场和光谱的覆盖范围有限。另外，在有多组VBG的情况下，需要满足每个VBG对应的布拉格条件。这反过来又可能导致双重或多重布拉格滤波，从而导致总体覆盖范围的减小。同时，多次布拉格滤波会导致形成拦截的光学线路图案，从而降低显示图像的质量。

　　Meta表示，发明所述的方法可以不仅可以实现视场覆盖范围最大化，而且可以减少伪影等问题。

　　波导可以是混合波导。混合波导可以包括VBG组件和部分反射组件的组合。VBG组件和部分反射组件(例如斜镜)以预先确定的配置定向。预先确定的配置是指VBG组件、部分反射组件和其他组件的特定排列。

　　预先确定的配置可以根据这样的要求定制，即波导可以以最大限度地覆盖视窗视场，同时最小化至少一个伪影或拦截光学线路图案的方式反射或传播显示光。

　　可以知道，VBG是基于布拉格条件的响应，并且与波长相关，因此VBG 组件比部分反射组件具有更窄的光谱响应。

　　然而，VBG 组件和部分反射组件的组合可以带来预期的混合光谱响应，并比单个VBG 组件的光谱响应宽，但比部分反射组件的光谱响应窄。这可以带来最大范围的视场，同时减轻不希望的伪影和/或拦截光学线路图案。

　　在一个示例中，VBG 或部分反射组件中的至少一个可以与棱镜耦合器耦合，以允许在显示光通过波导的其他组件的相应传播之前预先确定显示光的衍射或色散。棱镜耦合器、VBG组件和/或部分反射组件可以配置为输入组件、一个或多个中间组件或输出组件。每个组件可以反射或传播显示光，以达到预期的混合光谱响应，并最大限度地扩大视场的覆盖范围。

　　图4示出一个光学系统400。光学系统400可包括图像源410和任意数量的投影仪光学420。图像源410可以位于投影仪光学器件420的前面，并且可以向投影仪光学器件420投射光。

　　在一个示例中，图像源410可以位于用户眼睛490的视场之外。在这种情况下，投影仪光学器件420可以包括一个或多个反射器、折射器或定向耦合器，并用于偏转来自用户眼睛490的视场之外的图像源410的光，以使图像源410看起来位于用户眼睛490的前方。

　　使用人工现实系统的用户体验取决于光学系统的多个特征，包括视场。为了创造一个完全沉浸式的视觉环境，系统希望实现大视场。

　　在一个实施例中，波导可用于将光耦合到显示系统和/或从显示系统中输出。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入或离开波导。

　　在一个实施例中，VBG、部分反射组件和/或棱镜耦合器的组合可以用来将显示光从投影仪衍射到用户的眼睛，同时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举例说明了波导配置500。波导结构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可以由聚合物或玻璃材料组成。

　　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结构500。波导的总厚度可能在0.1-1.6毫米或其他厚度范围内。聚合物层502可以是厚度在约10至100微米或其他范围之间的薄膜层。

　　VBG、部分反射组件和/或棱镜耦合器可以提供在光聚合物层502中。换句话说，VBG、部分反射组件和/或棱镜耦合器可以通过在光聚合物层502中产生干涉图案503而暴露出来。

　　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。其中，空间调制可以在光聚合物层502中和/或整个层502中产生干涉图案503。干涉图样503可以是正弦图样。

　　例如，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VBG、部分反射组件和/或棱镜耦合器。

　　图6A示出了显示系统中使用的典型波导配置600的示意图。如图所示，波导结构600可以包括输入元件601、第一中间元件602、第二中间元件603和输出元件604。在典型配置中，显示系统的投影仪605可以将显示光传输到波导配置600，然后将所述显示光反射到所述第一中间元件602和所述第二中间元件603，然后反射到将所述显示光传播到视窗的输出元件604。

　　在典型配置中，当所有组件，即输入组件601、第一中间组件602、第二中间组件603和输出组件604可以是VBG时，显示光可以经过多个布拉格滤波步骤。

　　例如，在输入输出组件601和604具有相同的光栅方向矢量，中间组件602和603具有相同的光栅方向矢量的波导配置中，由于光栅矢量在上述组件之间发生变化，可能涉及双布拉格滤波步骤。一般来说，显示光可以基于满足布拉格条件来传播，并且与波长有关。

　　考虑到上面提供的相同示例，在具有两组VBG(具有不同光栅矢量)的典型波导中，光线可能需要匹配两个布拉格条件才能传递到视窗。这种限制不仅降低了反射响应和覆盖范围，而且布拉格滤波的多个实例可能导致形成拦截光学线路图案，这可能会对显示在视窗的图像质量产生负面影响。

　　Meta描述的方法通过实现VBG和部分反射组件的组合来解决这个问题，而这可以通过7a-7e进行介绍。

　　图7A-7E举例说明了波导配置700、710、720、730和740的示例，包括VBG组件和部分反射组件的各种安排。

　　图7A-7E可以包括输入组件、一个或多个中间组件和输出组件，类似于图6A中的典型配置。然而，图7A-7E包括VBG组件和部分反射组件的组合，而它们以预先确定的配置定向以反射或传播显示光。这使得最大限度地提高视场覆盖，同时最小化至少一个伪影或拦截光学线路图案。

　　在一个示例中，显示系统的投影仪可以将显示光传输到波导结构中的VBG组件和部分反射组件的布置中。

　　类似于图6典型配置，投影仪可将显示光输出到输入元件。输入组件可将从投影仪接收到的显示光传播到中间组件，中间组件可将接收到的显示光传播到另一中间组件或输出光栅。

　　输出光栅可包括光栅配置，并可将所接收的显示光传播到眼箱或用户的眼睛(未示出)。显示光可与显示在视窗的图像相关联。具体来说，在本配置中，每个输入、中间和输出组件都可以包括VBG组件和部分反射组件(和/或棱镜耦合器)，以致使接收到的光传播，如图7A-7E中黑色粗箭头所示。

　　在一个实施例中，所述VBG组件可包括输入VBG组件、中间VBG组件或输出VBG组件中的至少一个。部分反射组件可包括斜面镜和部分反射镜等。

　　如图7A所示，所述波导可包括预先确定的配置700。配置700可包括输入元件701、中间元件702和输出元件703。如配置700所示，可以选择VBG组件作为输入组件701和输出组件703，而可以选择部分反射组件作为中间组件702。用作输出组件703的VBG组件可以是反射或透射VBG。

　　如图7A所示，显示光可以通过VBG组件701传播和反射，并进一步反射到中间组件(部分反射组件)702。部分反射组件702可将显示光反射两次。因此在本例中，单个中间光栅/部分反射元件702的存在促进了双重反射，从而避免了包括多个中间光栅/ VBG的需要。

　　所述显示光最终反射到所述输出组件703，而所述输出组件703可进一步将所述显示光传播到所述眼箱。在一个示例中，输出VBG组件703的反射或透射特性可以基于视场中至少一种预期覆盖的要求或避免与伪影图像相关的拖影路径而改变。

　　在一个示例中，VBG组件或部分反射组件中的至少一个可以与棱镜耦合器耦合。所述棱镜耦合器可允许在所述显示光的相应传播之前预先确定所述显示光的衍射或色散。

　　如图7B所示，所述波导可包括预先确定的配置710。配置710可包括输入元件711、第一中间元件712、第二中间元件713和输出元件714。如配置710所示，波导可包括棱镜耦合器作为输入组件711,VBG组件作为中间组件712和713，部分反射镜组件作为输出组件714，使得每个组件反射或传播显示光以实现最大化视场覆盖的预期混合光谱响应。

　　如图7B所示，显示光(以粗体箭头表示)可以通过棱镜耦合器711传播和反射，棱镜耦合器可以允许显示光在相应传播到第一中间VBG组件712之前进行预先确定的衍射或色散。

　　第一中间VBG组件712可进一步将显示光反射到第二中间VBG组件713。在一个示例中，第二中间VBG组件713可以是反射VBG。第二中间VBG组件713可将所述显示光反射到部分反射组件714，所述部分反射组件714又可将所述显示光传播到所述眼箱。

　　部分反射组件714的反射或透射特性可以基于视场中至少一个预期覆盖的要求或避免与伪影图像相关的拖影路径的要求而改变。

　　参考图7C，波导可以包括类似于图7B中的配置，但可以用部分反射组件代替棱镜耦合器。如图7C所示，为了便于显示光的传播(未示出)，配置720可以包括作为输入组件721的斜镜，并作为中间组件722和723的两个独立的VBG，以及作为输出组件724的部分反射组件。

　　波导包括VBG组件和部分反射组件之间的预定义重叠，如图7C所示(在组件723和724之间)，以促进至少一种分辨率或型形状参数的优化。

　　如图7D所示，波导可以包括预先确定的配置730，配置730可以包括作为输入组件731的VBG组件，作为中间组件732的斜镜，以及作为输出组件733的反射/透射VBG。如配置730所示，波导包括如图7A所示的倾斜或旋转配置，使得每个组件反射或传播显示光以实现预期的混合光谱响应，从而最大化视场中的覆盖范围。

　　如图7D所示，显示光可以通过输入VBG组件731传播和反射到中间组件732，中间组件732又可以进一步将显示光反射到输出VBG组件733。输出VBG组件733的反射或透射特性可以基于视场中至少一个预期覆盖的要求或避免与伪影图像相关的拖影路径而改变。

　　在一个示例中，如图7E的结构740所示，波导包括与图7B中710所示的结构相倾斜或旋转的结构。如图7E所示，所述波导可包括预先确定的配置740，配置740可包括棱镜耦合器作为输入组件741,VBG作为第一中间组件742和第二中间组件743，以及部分反射组件作为输出组件744。

　　所述旋转配置可用于方便VBG和部分反射器的设计，以便实现图7D中所述的光泄漏或光泄漏。如图7E所示，显示光可以通过输入棱镜耦合器741传播和衍射/分散到第一中间组件742，而第一中间组件742又可以进一步将显示光反射到第二中间组件743和输出VBG组件744。

　　输出组件744的反射或透射特性可以基于视场中至少一个预期覆盖的要求或避免与伪影图像相关的拖影路径的要求而改变。

　　名为“Hybrid waveguide to maximize coverage in field of view (fov)”的Meta专利申请最初在2022年2月提交，并在日前由美国专利商标局公布。