Meta专利提出将AR/VR头显漏光偏离眼睛，从而提高对比清晰度
令漏光始终偏离用户眼睛，从而提高整体图像的对比度和清晰度
（映维网Nweon 2023年09月08日）对于XR头显而言，尽管紧凑的光学元件可以在重量和尺寸方面实现小型化，但这容易造成漏光等问题。在名为“Lightguide based illuminator for reflective display panel”的专利申请中，Meta提出了一种令漏光始终偏离用户眼睛，从而提高整体图像的对比度和清晰度。
在一个实施例中，专利描述的显示装置包括反射显示面板和用于照亮反射显示面板的照明器。反射显示面板反射照明光束，从而形成通过所述光导传播的图像光束。在光导中形成的漏光光束与图像光束共同传播，远离光导并朝向显示装置的视窗。
照明器可配置为引导漏光光束向视窗方向非平行传播，从而令图像光束和漏光光束在视窗中的任何位置都不重叠。
照明器同时包括在导光器和反射显示面板之间的光路中的透射衍射光栅，以将照明光束以基本法线角度重新定向到所述反射显示面板。在透射衍射光栅配置为根据入射光的偏振状态以不同方式重定向光的实施例中，照明光束可以处于第一偏振状态，并且图像光束处于第二、正交偏振状态。
照明器同时可以包括在反射显示面板和光波导之间的波片，以令照明光束和图像光束具有相互正交的偏振状态，其中漏光光束和图像光束具有相互正交的偏振状态。
显示装置捅死包括光源和光导之间的光路中的可倾斜反射器，以接收来自光源的照明光束并以可变入射角将照明光束重定向到光导，从而改变图像光束到物镜的入射角和图像光束在视窗的位置。
在可倾斜反射镜的任何倾斜角度下，图像光束和漏光光束在视窗中的任何位置都不重叠。
显示装置可进一步包括用于确定用户瞳孔在视窗内位置的眼追踪器，以及可操作地耦合到所述眼动追踪器和可倾斜反射器的控制器，从而将图像光束定向到所需位置。
参考图1，显示装置100包括反射显示面板102、照明器104和物镜106。照明器104包括提供照明光束110的光源108和用于沿反射显示面板102扩展照明光束110的导光器112。
所述反射显示板102以空间变化的反射率反射所述照射光束110，并形成图像光束114。图像光束114通过所述光导112向所述物镜106传播，即沿图1中的z轴方向传播。
物镜106聚焦图像光束114，产生将角域中的图像携带到视窗136的会聚图像光束115。
照明光束110可以通过耦入光栅116耦合到光导112中。光栅116可以直接从光源108接收照明光束110，或者通过图1所示的可倾斜反射器111。可倾斜反射器110设置在光源108和光导112之间的光路中。
显示装置100可进一步包括眼动追踪器138，以确定用户眼睛134在视窗136中的位置或方向中的至少一个。控制器140可以耦合到眼动追踪器138和可倾斜反射器110，并用于在用户眼睛134移动或改变其方向时将会集图像光束115定向到眼睛瞳孔135的位置。
在操作中，可倾斜反射器111通过耦入光栅116接收来自光源108的照明光束110。耦入光栅116可以是偏振选择性，并发射第一偏振态的光，同时衍射第二正交偏振态的光。
所述光源108发射的照明光束110可处于第一偏振状态，使得所述照明光束110通过耦合光栅116基本无衍射地传播，并到达所述可倾斜反射器111。可倾斜反射器111以可变入射角将照明光束110重新定向到导光器112。
从可倾斜反射器111反射后，照明光束110的偏振状态由第一偏振状态变为第二偏振状态，使得耦入光栅116将照明光束110以与可倾斜反射器111的倾斜角相对应的角度耦合到光导112中。
显示面板102反射的照明光束110形成与照明光110正交偏振的图像光束114，使图像光束114通过耦出光栅118向物镜106传播。物镜106在视窗136处产生会聚图像光束115。
由于源自光导112并与图像光束114共传播的漏光光，显示装置100可能容易产生图像对比度降低。漏光作为图像光束114的背景会降低整体对比度。
参考图1B，漏光光束124与图像光束114沿y轴方向共传播，并由物镜106聚焦，形成会聚漏光光束125并进入用户眼睛134的瞳孔135。这导致图像的对比度降低和其他伪影。
图2给出了针对图1B漏光问题的一个示例性解决方案。图2的显示装置200包括与图1的显示装置100类似的元件，即反射显示面板102、照明器104、物镜106和可选眼动追踪器138。
所述显示装置200的照明器104包括光源108、可选可倾斜反射器111和导光器112。显示装置200的控制器140耦合到光源108、可倾斜反射器111和眼动追踪器138。
光导112相对于反射显示面板102倾斜。换句话说，反射显示面板和光波导彼此不平行。
工作时，照射光束110照射到可倾斜反射器111，从而以可变角度反射，通过耦入光栅116入耦到导光器112中，在导光器112中传播，通过耦出光栅118出到反射显示面板102，作为图像光束114反射，并由物镜106重定向为会聚图像光束125。
在图2中，漏光光束124与像光束114形成锐角。因此，会聚漏光光束125的焦点位置145与会聚图像光束115的会聚点发生偏移。导光器112的倾斜角度可以选择得足够大，使得在视窗136处的会聚图像光束115和漏光光束125的位置在视窗136中的任何地方都不重叠。
因此，将导光器112倾斜足够的角度，例如至少1度、至少2度、至少4度或至少8度，这可以克服漏光光束降低图像对比度的问题。
参考图3，显示装置300包括与图1A的显示装置100类似的元件。显示装置300同时包括在导光器312和反射显示面板102之间的光路中的透射衍射光栅301。
当可倾斜反射器111处于所示标称角度并且照明光束110的衍射部分以非法线角度离开导光器时，透射衍射光栅301将照明光束110以基本法线角度重新定向到反射显示面板102。
反射的图像光束114由于透射衍射光栅301的衍射而在返回光导312的途中折回照明光束110，并且基本上在没有被耦出光栅318衍射的情况下传播通过耦出光栅316并朝向物镜106。
物镜106在视窗136处形成会聚图像光束115。泄漏光束124将不平行于图像光束114传播，并因此将会聚到与用户眼睛134瞳孔135间隔开的焦点位置145。由于用户的眼睛134看不到漏光，所以整体感知的图像对比度将得到改善。
转到图4，显示装置400包括与图3的显示装置300类似的元件，显示装置400同时包括位于光波导412和反射显示面板102之间的光路中的偏振选择性透射衍射光栅401。
偏振选择性透射衍射光栅401配置为根据入射光的偏振状态不同地重定向入射光。当可倾斜反射器111处于所示标称角度时，偏振选择性透射衍射光栅401将处于第一偏振状态的照明光束110重新定向到以基本法线角度撞击到所述反射显示板102。
所述第二正交偏振态的反射像光束114通过所述偏振选择性透射衍射光栅401直接传播至所述光导412，并通过所述光导412的耦出光栅418基本无衍射地传播至所述物镜106。
物镜106在视窗136处形成会聚图像光束115。漏光光束124不平行于图像光束114传播，因此将会聚到与用户眼睛134的瞳孔135分开的焦点位置145。由于用户的眼睛134不会看到漏光，所以整体感知图像对比度将得到提高。
参考图6，显示装置600类似于图4的显示装置400，图6的显示装置600的导光器612包括偏振选择耦处光栅618，它衍射第一偏振的光，例如平行于x轴的线偏振，并通过第二偏振的光，例如平行于y轴的线偏振。
显示装置600进一步包括图5可倾斜微镜550的阵列500。在操作中，沿着X轴线性偏振的照明光束610在光导612中传播。照明光束610的一部分610A通过可选的四分之一波片QWP 661，并入射到可倾斜微镜阵列500的微镜550。
当微镜550如图5所示处于导通状态时，反射的图像光束614沿着Z轴传播，即在图6中水平传播。图像光束614传播通过QWP 661并且沿着Y轴变为线性偏振，基本上没有衍射地传播通过光导612的偏振选择性耦出光栅618。图像光束614然后可以传播通过可选的线性偏振器662，其中透射轴沿着Y轴定向。
漏光光束615以与图像光束614成一定角度的方式传播。漏光光束615沿着X轴被线性偏振（与照明光束610相同的偏振），并且因此被线性偏振器662附加地衰减。
现在参考图7，用于照明反射显示面板的方法700包括提供照明光束（702），例如图2-4中的光束110或者图6中的照明光束610，其由光源108产生并且可选地由可倾斜反射器111重定向。
照明光束在反射显示面板扩展（704）。光束扩展可以例如使用诸如图2的光导112、图3的光导312、图4的光导412和/或图6的光导612之类的光瞳复制光导来实现。照明光束由反射显示面板重定向（706），从而形成传播通过光导的图像光束。
从照明光束在光导中形成的漏光光束与图像光束共同传播离开光导并朝向视窗。如以上参考图2-6所解释的，漏光光束和图像光束彼此不平行（720），由此，在可倾斜反射器的任何倾斜角度下，图像光束和漏光光束在视窗中的任何位置都不重叠。
图像光束和漏光光束的不平行可以通过将反射显示面板102和光导112彼此不平行地布置（708）来实现（图2）。
图像光束和漏光光束的不平行性同时可以通过使用透射衍射光栅重定向照明光束（710），以大致法向角入射到反射显示面板102来实现。
相关专利：Meta Patent | Lightguide based illuminator for reflective display panel
名为“Lightguide based illuminator for reflective display panel”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。
