苹果专利为AR/VR探索斜镜装置,通过不受表面法线限制的反射轴反射光

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苹果旗下的AR光学元件厂商Akonia Holographics

映维网 2021年10月27日)对于传统的介质镜,其表面(通常是玻璃)会涂覆一层具有不同介电常数的材料。材料层通常布置成能够建设性地增强来自层边缘的菲涅耳反射,从而产生大的净反射率。宽带介质镜的设计可以确保这种条件在相对较宽的指定波长和入射角范围内实现。然而,由于材料层沉积在表面之上,介质镜的反射轴必然与表面法线重合,即反射轴垂直于镜面。由于这一约束,介质镜的配置对于反射以外的目的而言属于次优。另外,当反射轴约束在表面法线上时,介质镜的特定应用完全无法发挥。再者,玻璃介质镜往往相对较重,使其不适合或不适合需要相对较轻反射组件的用例。

传统的光栅结构可以围绕反射轴反射光,反射轴不同于光栅结构所在介质的表面法线。然而,对于给定的入射角,传统光栅结构的反射角通常随入射光的波长而变化。所以,使用传统光栅结构反射光避免了介质镜固有的反射轴与表面法线重合的限制。但是,当需要基本恒定的反射轴时,对于给定的入射角,传统光栅结构基本上限于单个波长(或非常窄的波长范围)。类似地,传统光栅结构仅限于单个入射角(或非常窄的入射角范围),以便围绕恒定反射轴反射指定波长的光。

针对这个问题,苹果旗下的AR光学元件厂商Akonia Holographics一直在探索能够通过不受表面法线限制的反射轴反射光,并且其在给定入射角下的反射角在多个波长下为恒定的反射装置。实际上,这家公司已经围绕相关的斜镜探索获得了多份发明保护,而美国专利商标局日前又公布了一份与之相关的专利申请。

专利描述的反射装置包括具有全息图或其它光栅结构的光栅介质。借助于其中的光栅结构,光栅介质将具有允许其围绕反射轴衍射光的物理特性。其中,对于以给定入射角入射到光栅介质上的多波长光,衍射角/反射角基本恒定(变化小于1度)。

类似地,实施例通常在给定波长的入射光的入射角范围内具有基本恒定的反射轴。在一个实施例中,对于一组多个入射角和一组多个波长的每个组合,反射轴基本上保持恒定。

图1是所述反射装置的一个示例,即斜镜100。斜镜100包括驻留在光栅介质110中的光栅结构105(由对角线阴影线所示)。

光栅介质110是专有光敏聚合物光记录介质,并取名为AK174-200。AK174-200记录介质的厚度约为200μM,M/#约为18,对于405nm光线的折射率约为1.50。光栅介质的变体包括但不限于光折变晶体、重铬酸盐明胶、光热折变玻璃和含有分散卤化银颗粒的薄膜。

斜镜100的变体可包括附加层,如玻璃盖或玻璃基板(图1A未示出)。附加层可用于保护光栅介质免受污染、水分、氧气、活性化学物质、损坏等。附加层通常具有与光栅介质110匹配的折射率。由于附加层的折射率通常非常接近光栅介质的折射率,所以附加层和光栅介质界面处的光折射通常可以忽略。在图1的示例性反射装置中,对于波长为405nm的光,附加层和光栅介质的折射率都约为1.5。

如图1A所示,示例性光栅结构105具有配置为围绕第一反射轴138(以虚线示出)反射第一入射光124A、124B的物理特性。第一入射光基本上由准直的单色光束组成。第一入射光同时包括532nm的第一波长,并且在特定位置117处入射到光栅介质110。第一反射轴138与光栅介质的表面法线122相差+13.759度(第一反射轴角135),其中第一入射光相对于表面法线具有从-4.660度(显示为第一入射光124A)到-4.660度的第一入射内角125A,以及+1.933度(显示为第一入射光124B)的125B,范围为6.593度。第一入射光的第一入射内角包括一百(100)个不同的入射内角,其以约0.067度的角度间隔间隔间隔,从-4.660度到+1.933度。

如图1A所示,第一入射光124A具有相对于表面法线-4.660度的第一入射内角125A,并由光栅结构105反射为第一反射光127A。第一反射光127A具有相对于表面法线+32.267度的第一内反射角126A。相对于表面法线+1.933度的第一入射内角125B的第一入射光124B则反射为具有+25.668度的第一反射内角126B的第一反射光127B。第一反射光127A、127B具有第一波长,即第一反射光具有532nm的波长。

入射光及其反射被反射轴平分,使得入射光相对于反射轴的入射内角与反射光相对于反射轴的反射内角具有相同的大小。所以,可以说入射光及其反射围绕反射轴呈现双边对称性。

如图1B所示,示例性光栅结构105进一步配置为围绕第二反射轴139反射第二入射光130A、130B。第二入射光基本上由准直的单色光束组成。第二入射光同时包括513nm的第二波长,并且在特定位置117处入射到光栅介质110。特定位置117包括光栅介质表面112的区域,第一和第二入射光在所述区域发光。第二反射轴139与光栅介质的表面法线122相差+13.693度(第二反射轴角136),其中第二入射光相对于表面法线的第二入射内角-4.660度到+1.933度。第二入射内角包括一百(100)个不同的入射内角,其以约0.067度的角度间隔间隔间隔,从-4.660度到+1.933度。

如图1B所示,第二入射光130A由光栅结构105反射为第二反射光133A,其具有相对于表面法线+32.075度的第二反射内角133A。具有相对于表面法线+1.933度的第二入射内角128B的第二入射光130B则反射为具有+25.273度的第二反射内角129B的第二反射光133B。第二反射光133A、133B具有第二波长,即第二反射光具有513nm的波长。

第二反射轴角136与第一反射轴角135相差0.0661度。所以,第二反射轴基本上与第一反射轴重合,这意味着第二反射轴角度136与第一反射轴角度135相差1.0度或更小。

相对于第一反射轴,第一入射光的入射内角在-11.867度到-18.464度之间变化。相对于第二反射轴,第二入射光的入射内角在-11.670度到-18.368度之间变化。所以,可以说第一入射光和第二入射光中的每一个从第一反射轴偏移至少11.670度。

特定应用适合使用配置为反射从入射光的反射轴偏移的入射光的斜镜或其他反射装置。例如,头显要向用户的眼睛反射图像,但不将图像反向反射回光源。这种朝向用户眼睛的反射通常要求入射光从其反射轴偏移至少5.0度的内角,典型为偏移至少9.0度。类似地,利用全内反射的装置通常要求入射光偏离其反射轴。

利用上述的物理特定,示例性斜镜能够反射具有其他波长的光,并以其他角度反射入射到光栅介质的光。例如,示例性光栅结构的反射特性允许其围绕平均反射轴角度为+13.726度的反射轴反射波长为520.4 nm的光,其中平均反射轴角度变化为0.10度或更小,520.4 nm光的入射角范围为-6.862度至+13.726度,且所有角度均在-6.862度至+13.726度之间,范围为20.588度。在其反射特性的另一个示例中,示例性斜镜配置为围绕反射轴反射入射光,对于从503nm到537nm的所有波长,反射轴角变化为0.20度或更小,其中入射角为-1.174度。

上面描述只是Akonia Holographics提出的斜镜的一个实施例。更多实施例介绍可参阅相关专利“Apple Patent | Skew mirrors, methods of use, and methods of manufacture”

名为“Skew mirrors, methods of use, and methods of manufacture”的苹果/Akonia Holographics专利申请最初在2021年6月提交,并在日前由美国专利商标局公布。

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