[發明專利]用于減少波導顯示器中的彩虹的傾斜表面浮雕光柵

在審

• 申請號: 201980021381.2
• 申請日: 2019-01-17
• 公開（公告）號: CN111886447A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 李熙允;黃寧峰;朱塞佩·卡拉菲奧雷;帕西·薩里科
• 申請（專利權）人: 臉譜科技有限責任公司
• 主分類號: F21V8/00
• 分類號: F21V8/00
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 張瑞;楊明釗

一種波導顯示器包括具有兩個相對表面的襯底、以及在襯底的兩個相對表面的第一表面處的傾斜光柵。傾斜光柵包括多個脊，并且以一個方向上的光柵周期為特征。多個脊以相對于第一表面的表面法線的傾斜角傾斜，并且以高度為特征。多個脊的高度、光柵周期和傾斜角被配置成在由傾斜光柵衍射的環境光之間引起相消干涉。在一些實施例中，在多個脊的高度與光柵周期的整數倍除以傾斜角的正切之間的差小于閾值。

背景

人工現實系統(例如頭戴式顯示器(HMD)或平視顯示器(HUD)系統)通常包括被配置為呈現描繪虛擬環境中的對象的人工圖像的顯示器。如在虛擬現實(VR)、增強現實(AR)或混合現實(MR)應用中一樣，顯示器可以顯示虛擬對象或將現實對象與虛擬對象組合。例如，在AR系統中，用戶可以通過例如透過透明顯示器眼鏡或透鏡觀看(通常稱為光學透視(optical see-through))或者通過觀看由照相機捕獲的周圍環境的顯示圖像(通常稱為視頻透視)，來觀看虛擬對象的圖像(例如，計算機生成的圖像(CGI))和周圍環境。

一個示例光學透視AR系統可以使用基于波導的光學顯示器，其中投影圖像的光可以耦合到波導(例如，襯底)中，在波導內傳播，并且在不同位置處從波導耦合出去。在一些實施方式中，可以使用衍射光學元件(例如光柵)將光從波導耦合出去。光柵可以衍射投影圖像的光和來自周圍環境的光(例如，來自光源(例如燈)的光)。來自周圍環境的衍射光對于AR系統的用戶來說可能表現為幻影圖像(ghost image)。此外，由于光柵的波長相關特性，不同顏色的幻影圖像可能出現在不同的位置或角度。這些幻影圖像可能會對使用人工現實系統的用戶體驗產生負面影響。

概述

本公開總體上涉及近眼顯示系統，更具體地說，涉及具有減少的眩光(glare)或幻影圖像的波導顯示器。

在一些實施例中，波導顯示器包括具有兩個相對表面的襯底、以及在襯底的兩個相對表面的第一表面處的傾斜光柵。傾斜光柵包括多個脊(ridge)，且以一個方向上的光柵周期為特征。多個脊以相對于第一表面的表面法線的傾斜角傾斜，并且以高度為特征。多個脊的高度、光柵周期和傾斜角被配置成在由傾斜光柵衍射的環境光之間引起相消干涉。在一些實施例中，在多個脊的高度與光柵周期的整數倍除以傾斜角的正切之間的差小于閾值。在一些實施例中，在多個脊的高度與光柵周期除以傾斜角的正切之間的差小于閾值。在一些實施例中，閾值等于或小于多個脊的高度的10％。在一些實施例中，傾斜角大于50度。在一些實施例中，傾斜光柵包括二維光柵。

在一些實施例中，波導顯示器還包括在襯底的兩個相對表面的第二表面上的抗反射涂層。在一些實施例中，波導顯示器包括在傾斜光柵的表面上的抗反射涂層，該表面與襯底的兩個相對表面的第一表面相對。在一些實施例中，波導顯示器包括在與襯底的兩個相對表面的第一表面相對的傾斜光柵的表面上的涂刷(over-coat)層。

在波導顯示器的一些實施例中，傾斜光柵包括表面浮雕光柵(surface-reliefgrating)。在一些實施例中，襯底被配置成通過全內反射在兩個相對表面反射顯示光，并且傾斜光柵相對于襯底被布置成反射地衍射顯示光并且透射地衍射來自波導顯示器前面的環境的環境光。在一些實施例中，襯底被配置成通過全內反射在兩個相對表面反射顯示光，并且傾斜光柵相對于襯底被布置成透射地衍射顯示光和來自波導顯示器前面的環境的環境光。

在一些實施例中，光柵耦合器包括以光柵周期為特征的傾斜光柵。傾斜光柵包括多個傾斜脊。多個傾斜脊以高度和相對于傾斜光柵的表面法線的傾斜角為特征。在多個傾斜脊的高度與光柵周期的整數倍除以傾斜角的正切之間的差小于閾值。在一些實施例中，多個傾斜脊的高度等于光柵周期除以傾斜角的正切。在一些實施例中，光柵耦合器還包括傾斜光柵上的涂刷層，其中涂刷層填充多個傾斜脊之間的間隙，并且涂刷層的折射率不同于多個傾斜脊的折射率。

在一些實施例中，光學元件包括傾斜光柵，該傾斜光柵被配置成相消干涉由傾斜光柵衍射的環境光的至少一部分。