微软AR专利介绍波导宽带反射器,将前向传播全息图像光部分反射回用户眼睛

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用于波导的宽带反射器

映维网Nweon 2022年05月17日)头戴式显示器包含各种各样的元件组件。在名为“Broadband reflector for waveguide assembly in a head-mounted display”的发明专利中,微软就介绍了一种用于波导的宽带反射器。具体来说,可以将用于光学衬底的部分反射薄膜涂层实现为宽带反射器,以将前向传播的全息图像光部分反射回用户的眼睛。

在各种说明性实施例中,宽带反射器可使用玻璃或塑料的光学衬底制造。光学衬底与用于实现光学组合器的材料相同或相似,其中三个光波导的堆叠用于使用红、绿、蓝(RGB)颜色模型的全彩显示。光学组合器在每个波导使用衍射光学元件(DO),并用于将来自图像源的全息图像进行内耦合,在两个方向(水平和垂直)进行出瞳扩展,并将图像与头显用户的眼睛进行外耦合。

可使用一致的制造技术将宽带滤波器与RGB波导组装到光学组合器中,以切割和堆叠组合器元件,从而使滤波器保持平坦且与RGB波导高度平行地紧密耦合。

图12示出了专利所述的宽带反射器1200。宽带反射器包括布置在光学衬底1210的薄膜涂层1205。薄膜1205包括宽带反射涂层,其配置为反射可见波长范围内的光,即400至650nm。宽带反射器的反射特性可以调整为在与显示器视场相关联的角度范围内相当一致,以确保与反射全息光相关联的亮度在整个显示器上可接受地均匀。

图13显示了与波导组件900组装的宽带反射器1200。

如图所示,宽带反射器位于波导组件900的真实侧1120上。宽带反射器可由与波导905、910和915相同或类似的材料构成,例如薄玻璃或塑料衬底。宽带反射器和波导同时可在显示器制造期间经受一致的制造技术,以便反射器能够以紧密配合的方式与波导组件一起切割和组装,同时保持平整度和对准的严格公差。例如,宽带反射器可以配置为利用为波导提供的基本相同的间距,例如,大约50μm到300μm。

宽带反射器和波导组件之间的对准可以通过一个或多个结构配件1305来实现。在本示例中,所述结构配件位于组件的顶部和底部。但在其他实施例中,可以使用安装在宽带反射器1200和波导组件900之间的间隙中的垫片等来保持对准和平整度。

宽带反射器1200和波导组件900之间的紧密配合布置可确保反射的全息图像光与向后传播的光保持一致,从而将典型应用中对显示质量的影响降至最低。也就是说,将宽带反射器与波导组件的平面度和对准保持在预定公差范围内,可以将可能使全息图像的MTF降低到可接受极限之外的鬼影图像和干扰最小化。

薄膜涂层1205可包括单层或多层介电材料,其中选择涂层成分和厚度,以在相关视场提供所需的反射特性。薄膜涂层可以均匀地分布在衬底1210上,以便真实世界在整个透明显示器上一致地出现。由于薄膜涂层的反射率可能会随着角度的变化而变化,所以通常可以指定一些阈值反射率,以在整个视场范围内提供令人满意的功能。尽管在图13中未示出,但薄膜涂层可仅布置在衬底的下部上,以与用户的视窗位置相对应。

图14显示了说明性的薄膜宽带反射涂层1205,其包括两种不同材料的交替层1405和1410,并布置在光学衬底1210的表面之上。所述材料各自具有不同的折射率,并且可以包括例如二氧化硅、二氧化钛)和氧化铝。在一个实施例中,可以使用二氧化硅和二氧化钛交替布置不同材料的层。

可包括在涂层1205中的其他示例性介电材料可包括但不限于氢化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钽、砷化镓和氮化镓。一层或多层涂层可以包括非电介质的金属层。

化学和/或物理沉积技术可用于将材料沉积在衬底1210的表面之上,以形成涂层1205。可使用的示例性化学沉积技术包括但不限于化学溶液沉积和等离子体增强化学膜转换和原子层沉积等。可使用的示例性物理沉积技术包括但不限于物理气相沉积和脉冲激光沉积等等

图15显示了说明性薄膜宽带反射涂层1205,其包括三种不同材料的交替层1505、1510和1515,它们布置在光学衬底1210的表面之上。在说明性实施例中,例如使用二氧化硅、二氧化钛和氧化铝交替布置不同材料的层。

用于薄膜宽带反射涂层1205的层数可以变化,以满足特定应用的需要。一般来说,希望尽量减少层,以简化制造并降低成本。较厚的涂层可能会在宽带反射器中产生应力,从而在衬底1210中产生应变,从而对对准和平整度产生负面影响并降低可靠性。尽管较厚的衬底可用于减少应变并有助于保持对准和平整度,但这种配置可能会导致波导组件增加更多重量。

通过使用宽带反射器,而不是例如调谐到RGB颜色模型的各个组件的波长的多波段窄带(即凹口)反射器,可以减少介电层的数量。这种设计通过增加可用于宽带反射器的衬底材料的种类而有利地提供了额外的设计灵活性,而不仅仅是玻璃。作为说明,玻璃比塑料更重,成本更高。

多波段凹口反射器可能会降低透明显示器的对比度,并导致真实图像出现颜色偏移。另外,对于多波段凹口反射器,特定颜色的真实世界对象可能会降低用户的可见度,这可能会对用户体验质量产生负面影响。

图16说明性地示出了DOE 805从成像器105接收的全息图像光1605如何至少部分地反射回DOE 815的眼侧1125。如图11所示,图中仅示出了光合路器的单个波导130。前向传播光1115通常被浪费,而宽带反射器1200的使用将使得前向传播的光的一部分能够在整个视窗反射回用户的眼睛115,以增加所显示的全息图像的亮度。反射的全息图像光在附图中由附图标记1610表示。

恢复的前向传播全息图像光的数量取决于宽带反射器规定的反射率。增加的反射率将增加全息图像的亮度,并改善头显设备的光安全性,同时折衷地降低透明传输。应当理解,可以根据需要实现全息图像亮度和透明传输之间的特定平衡,以满足特定应用要求。

图17说明性地示出了入射到宽带反射器1200上的真实世界光1705如何作为反射光1710至少部分反射回光学组合器的真实世界侧1120。在典型实现中,透射真实世界光1715的减少与宽带反射器1200反射的真实世界光的量成反比。

相关专利Microsoft Patent | Broadband reflector for waveguide assembly in a head-mounted display

名为“Broadband reflector for waveguide assembly in a head-mounted display”的微软专利申请最初在2020年10月提交,并在日前由美国专利商标局公布。

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