Meta AR专利介绍用于减少彩虹伪影的波导配置
减少彩虹伪影
（映维网Nweon 2023年09月26日）大多数用户和眼镜厂商都渴望一种形状与太阳眼镜类似的AR眼镜。尽管这听起来十分简单，但一个问题始终困扰着研究人员：杂散光。
AR眼镜的敞开程度越高，越多来自多余方向和光源的光线就能够进入系统。由于衍射结构，AR眼镜搭载的眼动追踪组合器可能会衍射来自真实世界的可见光，从而在透视视图中产生彩虹伪影，尤其是当用户从特定角度查看明亮光源时。这种伪影可能会降低透明视图的图像质量。
在名为“Display systems with waveguide configuration to mitigate rainbow effect”中，Meta就介绍了一种用于减少彩虹伪影的波导配置。
图4示出根近眼显示系统中的光学系统400。光学系统400可以包括波导，波导可以包括体布拉格光栅（Volume Bragg grating/VBG）组件。
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。
图6示出了显示系统中使用的典型波导配置600。如图所示，波导结构600可以包括输入元件602、第一中间元件604、第二中间元件606和输出元件608。
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602、第一中间组件604、第二中间组件606和输出组件608都是具有典型光栅特性的VBG时，可能会导致准直的外部光产生不期望的部分偏差。这意味着，准直的外部光可能会被典型的VBG部分偏离。部分偏差可能导致彩虹拖影路径，从而产生彩虹伪影。
Meta描述的方法实现了具有修正光栅特性的波导结构，它可以在远离视窗注视方向的方向上修正彩虹拖影路径，从而减轻彩虹伪影。
图7A示出了引起彩虹伪影的外部光偏差的示意图。表示710可以显示显示光714，显示光714可以从投影仪定向到包括VBG的波导配置712。所述显示光可通过所述波导配置712传播以在AR环境中显示所述图像。
所述表示710同时显示了准直的外部光716。如图710所示，在理想情况下，可以期望准直的外部光716通过波导结构712而不发生偏差。然而，在实际场景中（在720中），准直的外部光716可以通过波导结构712部分偏离（射线722）。
所述不希望出现的偏偏光线722可能是由于彩虹拖影路径造成，并会在视窗724的注视方向产生彩虹伪影。
图7B示出了引起彩虹伪影的各种拖影路径的形成。准直的外部光可以通过具有光栅的波导结构732，其中准直的外部光可以被波导结构732部分偏离。部分偏差可能包含两种类型的彩虹拖影路径，这可能导致两种不同类型的彩虹伪影。
图8A-8B图解由不同类型的外部光线偏差引起的各种类型的彩虹伪影。图8A为tpye-B彩虹伪影，图8B为串扰彩虹伪影。
如图8A所示，800描绘了外部准直光802以小于90度的角度从外部方向落在波导配置804上。外部准直光802可被波导结构804部分偏离。为了评价由部分偏离引起的彩虹拖影路径，可以使用光阻挡器808。它阻挡外部偏离路径的未偏离光线，但只允许部分偏离光线。所述部分偏差可导致向上推进的路径812，并投射出type-B彩虹伪影。
表示810显示了属于type-B彩虹伪影的彩虹拖影路径。在部分偏离过程中，一组射线816可能在波导结构的背面被反射，进一步引起连续的反射和衍射，导致偏离的一组射线816从波导结构出来后向上定向路径传播。
这组光线818可能会在视窗投射type-B彩虹伪影。可以观察到，与入射射线组816的方向相比，所述偏离射线组818的方向可以发生主要或显著的改变。
如图8B所示，850描绘了外部准直光802从外部方向以小于90度的角度落在波导配置804上。外部准直光802可被波导结构804部分偏离。与图8A类似，为了评估由部分偏离引起的彩虹拖影路径，可以使用光阻挡器808。它阻挡外部偏离路径的未偏离光线，但只允许部分偏离光线。部分偏差可能导致向下推进的路径852，并在视窗814投射出串扰彩虹伪影。
表示860显示了与串扰彩虹伪影有关的彩虹拖影路径。在部分偏离期间，光束862可能在波导结构的背面反射，并可能发生第一次衍射和反射，然后发生全内反射和第二次衍射和反射，接下来，沿向下的方向从波导结构中传播出去。这组射线862可在视窗投射出串扰彩虹伪影。可以观察到，与射线集862的方向相比，偏离射线集864的方向可能只略微偏离。
图9A示出在典型波导结构中type-B彩虹伪影的存在。如图8A所示，type-B彩虹伪影可能是由于外部准直光的部分偏差导致光线具有向上前进方向。
如图9A所示，波导结构902可包括引起外部准直光的部分偏差的光栅，以引起由出现的一组射线906所描述的type-B彩虹伪影。
根据示例，图9B示出通过使用具有倾斜调节光栅的波导配置来缓解图9A的彩虹伪影的表示910。在一个示例中，可以修改图9A的波导结构902的光栅特性以减轻彩虹伪影，其中具有修改光栅特性的波导结构如图902 - 1所示。
波导结构902-1可包括用于将显示光从投影仪传播到视窗的体积布拉格光栅VBG组件。VBG组件可以包括至少一个倾斜调整光栅，并通过预先确定的值在光栅的原始光栅矢量(k)方向上的调整来促进倾斜调整光栅。
在一个示例中，预先确定的值与与光栅的原始光栅矢量(k)方向有关的坐标或倾斜轴的变化有关。根据彩虹伪影的类型和图像传播的要求，可以通过部分倾斜或翻转光栅以预先确定的值改变坐标或倾斜轴来获得倾斜调节光栅。
如图914所示，与图9A中908所示的光栅特性相比，波导配置902 - 1的光栅特性出现了修改或调整。例如，波导配置902-1的输入光栅和输出光栅具有修改光栅矢量(k)方向为[0.07,0.52,0.85]，而两个中间光栅(M1, M2)可以具有修改光栅矢量(k)方向为[0.58,0.54,0.6]。
如在图示910中所观察到，用于波导结构902-1的光栅特性可以使所述传播的射线912向上移位，并修改拖影路径。因此，波导结构902-1通过在视窗注视方向上方的方向上倾斜调整光栅来改变彩虹拖影路径的反射和/或衍射特性，从而能够减轻type-B彩虹伪影。另外，波导配置902-1可使彩虹伪影的缓解而不影响与显示光有关的图像的传播。
光栅的响应可以由光栅矢量决定。由于光栅响应是角度的函数，这意味着对于给定的光栅矢量，一定的入射角可能会引起对视窗的强烈响应。通过倾斜光栅矢量方向，强彩虹路径可以移动或重定向到视窗上方。
在一个实施例中，波导配置可以包括单层或多层VBG组件。在其他实施例中，波导配置可以包括多层VBG组件，例如双层VBG组件，以便在波导配置部分偏离后存在两组射线。在这种情况下，为了减轻彩虹伪影，每个VBG组件可以包括一个波导配置，波导配置对相应倾斜调整光栅的光栅矢量(k)方向具有相同或不同的调整。图9C显示了在典型的多层波导结构中type-B彩虹伪影的存在。
如图9C所示，波导结构922可以包括双层VBG组件，并可能导致外部准直光的部分偏差，从而导致由出现的一组射线926所描述的type-B彩虹伪影。射线组926可以代表来自VBG分量的两层的彩虹拖影路径，使得外部准直光部分的部分偏差可能导致两组射线（一起显示为926）。
图9D举例说明了缓解图9C所示的彩虹伪影，方法是通过使用具有倾斜调节光栅的多层波导配置。在一个示例中，可以修改图9C中波导构型922的光栅特性以减轻彩虹伪影，其中修改光栅特性的波导构型如图9D中922 - 1所示。
波导结构922-1可以包括多层体布拉格光栅VBG组件。所述组件具有至少一个倾斜调节光栅，并通过在原始光栅矢量(k)方向上按预先确定的值进行调整来促进倾斜调节光栅。
在一个示例中，倾斜调整光栅可以包括对每个VBG组件的光栅矢量(k)方向的相同或不同的调整。因此，波导配置922-1通过在视窗注视方向上方的方向上倾斜调整光栅来改变彩虹拖影路径的反射和/或衍射特性，从而能够减轻type-B彩虹伪影。另外，波导结构922-1能在不影响与显示光有关的图像的传播的情况下减轻彩虹伪影。
图10A示出了使用图9B的波导结构的k矢量图，并根据示例显示了像路传播效果的最小变化。表示1000表示与图9A中908所示波导配置902的原始光栅矢量(k)方向/光栅特性相关的像路传播，而1002表示与图9B中914所示波导配置902 - 1的修改光栅矢量(k)方向/光栅特性相关的像路传播。
如图10A所示，像路传播没有明显改变，但彩虹伪影得到有效缓解。同样，图10B给出了以图9D的波导结构为例，图10B给出了相应像路传播效果变化的k向量图。
如组合表示1004所示，1006与图9C中波导构型922的原始光栅矢量(k)方向/光栅特性相关的像路传播，而1008表示与图9D中波导构型922 - 1的修改光栅矢量(k)方向/光栅特性相关的像路传播。即便在波导配置922-1中加入多层VBG组件时，像路传播都不会发生明显变化，但彩虹伪影得到了有效的缓解。
图11A示出了在典型波导结构中存在串扰彩虹伪影的示意图。如图8B所示，串扰彩虹伪影是由外部准直光的部分偏差引起，从而导致光线具有向下前进的方向。
如图11A所示，波导结构1102可以包括引起外部准直光的部分偏差的光栅，从而引起由出现的一组射线1106所描述的串扰彩虹伪影。所述一组射线1106可主要在视窗1104注视方向的中下部分投射彩虹伪影。
图11B示出缓解图11A中所示的串扰彩虹伪影。根据示例，可以使用具有倾斜调整光栅的波导配置。在一个示例中，可以修改图11A的波导结构1102的光栅特性以减轻彩虹伪影，其中具有修改光栅特性的波导结构如图1102 - 1所示。
波导配置1102-1可以包括体积布拉格光栅VBG组件。所述组件可以包括至少一个倾斜调整光栅，并通过预先确定的值在光栅的原始光栅矢量(k)方向上进行调整来促进倾斜调整光栅。
在一个示例中，预先确定的值可能与与光栅的原始光栅矢量(k)方向有关的坐标或倾斜轴的变化有关。如图914所示，通过与图11A中1108所示的波导结构1102的光栅特性进行比较，可以修改或调整波导结构902-1的光栅特性，例如原始光栅矢量(k)方向。
如图1152所示，波导构型1101 - 1的输入光栅和输出光栅具有修正光栅矢量(k)方向为[0.07,0.52,0.85]，而两个中间光栅具有修正光栅矢量(k)方向为[0.58,0.54,0.6]。
在本例中，与中间光栅1102相比，波导配置1101 - 1的中间光栅(M1, M2)翻转，其中坐标- 0.6改变为+0.6。翻转可以减轻由VBG组件的中间光栅引起的彩虹伪影。
如在图1150观察，用于波导配置1101 - 1的光栅特性能够修改拖影路径，使得射线1106发生位移，因此在图11B中未观察到彩虹伪影。可以理解的是，在图11B中没有观察到拖影路径，因为它可以在不同的方向上移动。
因此，波导结构1102-1通过在视窗1104注视方向上方或下方的方向上倾斜调整光栅来改变彩虹拖影路径的反射和/或衍射特性，从而能够减轻串扰彩虹伪影。另外，波导配置1102-1能在不影响与显示光有关的图像的传播的情况下减轻彩虹伪影。
相关专利：Meta Patent | Display systems with waveguide configuration to mitigate rainbow effect
名为“Display systems with waveguide configuration to mitigate rainbow effect”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。
