索尼AR/VR专利分享叠层结构复合衍射元件

小编刘卫华 | 分类：专利 | 2022年3月3日

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衍射元件

（映维网Nweon 2022年03月03日）近年来，将图像叠加到真实世界的增强现实技术受到了业界的关注。所述技术的一种载体是采用图像投影系统的头戴式显示器，而图像投影系统一般可包括投影光源和衍射元件。其中，投影光源投射图像显示光，衍射元件与投影光源分离，并将图像显示光引导至眼睛。

在名为“Composite diffraction element, instrument, and image projection system”的专利申请中，索尼就描述了一种相关的复合衍射元件。

简单来说，所述复合衍射元件包括一种叠层结构，包括按顺序排列的第一衍射元件、第二衍射元件和第三衍射元件。其中，第二衍射元件向第一衍射元件衍射反射穿过第一衍射元件并到达第二衍射元件的光；第一衍射元件向第三衍射元件衍射反射第二衍射元件衍射反射的光；第三衍射元件透射第一衍射元件衍射反射的光，并衍射反射通过第一衍射元件和第二衍射元件的零级光。另外，第三衍射元件可以在第一衍射元件和第二衍射元件传输零级光的方向上衍射反射通过第一衍射元件和第二衍射元件的零级光。

根据一个优选实施例，复合衍射元件作为一个整体可以具有透射衍射透镜的光学特性。复合衍射元件可以具有两组堆叠结构的结构。两组堆叠结构中的一个堆叠结构可以具有透射衍射元件的光学特性，另一个堆叠结构可以具有透射衍射透镜的光学特性。通过一个堆叠结构执行的衍射获得的光可以进入另一个堆叠结构，并且另一个堆叠结构可以衍射和压缩光。

构成所述技术的复合衍射元件的第一衍射元件、第二衍射元件和第三衍射元件可以分别对多个波长的光进行衍射。构成本技术的复合衍射元件的第一衍射元件、第二衍射元件和第三衍射元件中的至少一个可以是多个衍射元件层的堆叠。

图1描述其中使用复合衍射元件的图像投影系统示例。图1所示的图像投影系统1包括图像投影装置10和与图像投影装置10分离的衍射元件20。

图像投影装置10配备有投影光学系统，并且图像显示光从图像投影装置10向设置在双眼或一只眼睛前面的衍射元件20投影。

衍射元件20可以放在用户的眼睛的前面。衍射元件20对从图像投影装置10投影的图像显示光进行衍射，并使图像显示光进入眼睛。

鉴于衍射性能（例如衍射效率、波长选择性和角度选择性），可能难以使用透射全息图作为图像投影系统的衍射元件20。因此，可以考虑使用反射全息图代替透射全息图，因为控制反射全息图的衍射性能比控制透射全息图的衍射性能更容易。例如，可以使用两个反射全息图的堆栈作为复合衍射元件，其基本上表现为透射全息图。然而，反射全息图存在零级光的问题，因此，并非所有到达反射全息图的光都是反射衍射，并且部分光为透射。透射的零级光会变成杂散光，并可能会影响一级衍射光的图像显示。

另外，为了减少零级光的产生，反射全息图的衍射效率可以最大化。在这种情况下，可以通过提高衍射效率来减少零级光的量，但需要使反射全息图的厚度更大，以便反射率变得更高或更高。

在名为“Composite diffraction element, instrument, and image projection system”的专利申请中，索尼描述了一种针对所述问题的复合衍射元件。所述复合衍射元件包括一种叠层结构，包括按顺序排列的第一衍射元件、第二衍射元件和第三衍射元件。其中，第二衍射元件向第一衍射元件衍射反射穿过第一衍射元件并到达第二衍射元件的光；第一衍射元件向第三衍射元件衍射反射第二衍射元件衍射反射的光；第三衍射元件透射第一衍射元件衍射反射的光，并衍射反射通过第一衍射元件和第二衍射元件的零级光。另外，第三衍射元件可以在第一衍射元件和第二衍射元件传输零级光的方向上衍射反射通过第一衍射元件和第二衍射元件的零级光。

索尼指出，所述复合衍射元件基本上可以起到透射全息图的作用，并防止由于零级光而产生的问题。透射全息图的功能尤其通过第一衍射元件和第二衍射元件的组合来实现。另外，第三个衍射元件特别解决了由零级光引起的问题。由于第三衍射元件解决了由零级光引起的问题，因此不需要增加膜厚度以增强反射率。

构成复合衍射元件的三个衍射元件中的每一个都可以是反射全息图，或者特别是体三维相位反射全息图。反射全息图可指衍射反射至少部分以预定入射角入射的入射光的全息图。其余的入射光可以通过反射全息图。反射全息图可以变得更薄，并且易于控制其衍射性能，例如衍射效率、波长选择性和角度选择性。由于这三种衍射元件都是反射全息图，因此可以稳定地将所需的性能赋予复合衍射元件，并且复合衍射元件易于制造。

第一衍射元件、第二衍射元件和第三衍射元件能够以预定出射角选择性地衍射反射以预定入射角入射的光。注意，衍射元件不需要衍射反射以预定入射角入射的所有光，或者可以透射以预定入射角入射的部分光。由这三个衍射元件衍射反射的光的入射角最好彼此不同。

第一衍射元件、第二衍射元件和第三衍射元件可以选择性地衍射反射具有预定波长的光。由这三个衍射元件衍射反射的光的波长最好相同。

在一个实施例，复合衍射元件作为一个整体可以具有透射衍射元件的光学特性。换句话说，所述复合衍射元件可以用作透射光栅。

根据一个特别优选实施例，复合衍射元件作为一个整体可以具有透射衍射透镜的光学特性。例如，第一衍射元件可以衍射反射由第二衍射元件衍射反射的光，以使光压缩。换句话说，光在第三衍射元件一侧的空间中聚焦。通过这种布置，复合衍射元件可以用作透射全息图透镜。由于用作透射全息图透镜的本技术的复合衍射元件用作上述图像投影系统10中的衍射元件20，所以可以通过麦克斯韦视图向用户呈现图像。

根据发明的另一个实施例，复合衍射元件可以具有其中两组堆叠结构的结构，每个堆叠结构包括第一衍射元件、第二衍射元件和第三衍射元件。也就是说，在复合衍射元件中，六个衍射元件层压。在本实施例中，一个堆叠结构可以具有透射衍射元件的光学特性，而另一个堆叠结构可以具有透射衍射透镜的光学特性。

在本实施例中，通过一个堆叠结构进行衍射获得的光可以进入另一个堆叠结构，并且另一个堆叠结构可以对光进行衍射。更优选地，通过一个堆叠结构执行的衍射获得的光可以进入另一个堆叠结构，并且另一个堆叠结构可以对光进行衍射和压缩。

通过两种堆叠结构的组合，入射光轴和出射光轴之间相对于整个复合衍射元件的角度关系可以很容易地控制。例如通过两个堆叠结构的这种组合，入射光轴和出射光轴之间相对于整个复合衍射元件的角度关系可以容易地控制。例如，进入复合衍射元件的入射光和来自复合衍射元件的出射光的光轴角都可以设置为0度。此外，复合衍射元件可以具有类似于透射厚透镜的透镜功能。这种复合衍射元件同样可以用作上述图像投影系统10中的衍射元件20，并且能够例如通过麦克斯韦视图向用户呈现图像。

图2（a）和2（b）包括第一衍射元件101和第二衍射元件102。这两个衍射元件的堆叠如图2（b）所示。复合衍射元件100对从上侧到达复合衍射元件100的光L1进行衍射，并使光L5向下侧移动。复合衍射元件100具有与透射全息图透镜基本相同的衍射功能，透射全息图透镜透射衍射光L1以获得光L5。

第一衍射元件101透射进入该元件的光L1。穿过第一衍射元件101的光L1到达第二衍射元件102。第二衍射元件102向第一衍射元件101衍射反射穿过第一衍射元件101的光L1。衍射反射光L2朝向第一衍射元件101传播。第一衍射元件101向第二衍射元件102衍射反射衍射反射光L2。衍射反射光L5朝向第二衍射元件102传播。第一衍射元件101能够对光L2进行衍射反射和压缩，如图2（a）所示。

第二衍射元件102透射第一衍射元件101衍射反射的光L5。例如，透射光L5可以用作图像显示光。如上所述，光L5可用于通过麦克斯韦视图的图像呈现。

并非所有的光L1都被第二衍射元件102衍射反射，并且部分光L1可能通过第二衍射元件102。换句话说，透射光L3（虚线）是零级光。

并非所有光L2都被第一衍射元件101衍射反射，并且部分光L2可能通过第一衍射元件101。换句话说，透射光L4（虚线）是零级光。

如上所述，根据第一衍射元件101和第二衍射元件102的组合，复合衍射元件100具有类似于透射衍射元件的衍射功能，或者具体地，具有类似于透射衍射透镜的功能。然而，作为零级光的光L3在衍射反射光L5传播的下侧传播。因此，光L3可能会影响光L5的使用。例如，光L3可能会对使用光L5的图像显示产生不期望的效果。

如图3所示，索尼描述的复合衍射元件150除了第一衍射元件101和第二衍射元件102之外，还包括第三衍射元件103。第一衍射元件101、第二衍射元件102和第三衍射元件103按顺序堆叠，如图3（a）和3（b）所示。第一衍射元件101、第二衍射元件102和第三衍射元件103具有上面描述解释的光学特性。

第一衍射元件101透射进入该元件的光L1。穿过第一衍射元件101的光L1到达第二衍射元件102。第二衍射元件102向第一衍射元件101衍射反射穿过第一衍射元件101的光L1。衍射反射光L2朝向第一衍射元件101传播。第一衍射元件101向第二衍射元件102和第三衍射元件103衍射反射衍射反射光L2。第一衍射元件101对光L2进行衍射反射和聚光，如图3（a）所示。

衍射反射光L5朝向第二衍射元件102传播。第二衍射元件102透射第一衍射元件101衍射反射的光L5。透射光L5到达第三衍射元件103。第三衍射元件103透射第二衍射元件102透射的光L5。例如，已经通过第三衍射元件103的光L5被用作图像显示光。如上所述，光L5可用于通过麦克斯韦视图的图像呈现。

并非所有的光L1都被第二衍射元件102衍射反射，并且部分光L1可能通过第二衍射元件102。换句话说，透射光L3是零级光。透射的零级光L3传播到第三衍射元件103。

并非所有光L2都被第一衍射元件101衍射反射，并且部分光L2可能通过第一衍射元件101。换句话说，透射光L4是零级光。

第三衍射元件103在第二衍射元件102和第一衍射元件101透射光的方向上衍射反射零级光L3。由第三衍射元件103衍射反射的光L6朝向第二衍射元件102传播。

第二衍射元件102透射光L6。通过第二衍射元件102的光L6进一步向第一衍射元件101传播。第一衍射元件101透射通过第二衍射元件102的光L6。

如上所述，第三衍射元件103使零级光L3的至少一部分移动到图3的表面上侧，而不是移动到图3的下侧。因此，可以减小零级光L3对光L5的影响，并且可以提高光L5的质量。

现在参考图3所示的构成复合衍射元件150的每个衍射元件，其描述了入射光和反射光的角度设计示例。图4A显示了角度设计的六个示例。图4B是用于解释六个角度设计示例中的示例1的图。

图4A所示的角度如下所述。“第三衍射元件”的“出射角”是由第三衍射元件103衍射反射的光L6相对于第三衍射元件103的出射角的最小值。第三衍射元件103的衍射性能可以优选地设计为以等于或大于最小值的出射角衍射反射光L3。因此，可以更可靠地防止光L6被第二衍射元件102或第一衍射元件101反射或衍射反射，并且沿着光L5的行进方向行进到下侧。

优选地，“第三衍射元件”的“出射角”大于光L2相对于第二衍射元件102的出射角。甚至更优选地，“第三衍射元件”的“出射角”大于光L2相对于第二衍射元件102的出射角的进射角裕度或更大。通过这种布置，可以更可靠地防止光L6被第一衍射元件101衍射反射。

参考图4B描述了如何设计入射光和反射光相对于每个衍射元件的角度。第二衍射元件102以40度的出射角进行衍射反射以35度的入射角进入的光L1。即，第二衍射元件102以5度的连接角偏移量衍射反射光L1。由第二衍射元件102衍射反射的光L2传播到第一衍射元件101，并以40度的入射角进入第一衍射元件101。