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    科技魔方

    蘋果專利為ARVR探索斜鏡裝置

    AR/VR

    2021年10月27日

      對于傳統的介質鏡,其表面(通常是玻璃)會涂覆一層具有不同介電常數的材料。材料層通常布置成能夠建設性地增強來自層邊緣的菲涅耳反射,從而產生大的凈反射率。寬帶介質鏡的設計可以確保這種條件在相對較寬的指定波長和入射角范圍內實現。然而,由于材料層沉積在表面之上,介質鏡的反射軸必然與表面法線重合,即反射軸垂直于鏡面。由于這一約束,介質鏡的配置對于反射以外的目的而言屬于次優。另外,當反射軸約束在表面法線上時,介質鏡的特定應用完全無法發揮。再者,玻璃介質鏡往往相對較重,使其不適合或不適合需要相對較輕反射組件的用例。

      傳統的光柵結構可以圍繞反射軸反射光,反射軸不同于光柵結構所在介質的表面法線。然而,對于給定的入射角,傳統光柵結構的反射角通常隨入射光的波長而變化。所以,使用傳統光柵結構反射光避免了介質鏡固有的反射軸與表面法線重合的限制。但是,當需要基本恒定的反射軸時,對于給定的入射角,傳統光柵結構基本上限于單個波長(或非常窄的波長范圍)。類似地,傳統光柵結構僅限于單個入射角(或非常窄的入射角范圍),以便圍繞恒定反射軸反射指定波長的光。

      針對這個問題,蘋果旗下的AR光學元件廠商Akonia Holographics一直在探索能夠通過不受表面法線限制的反射軸反射光,并且其在給定入射角下的反射角在多個波長下為恒定的反射裝置。實際上,這家公司已經圍繞相關的斜鏡探索獲得了多份發明保護,而美國專利商標局日前又公布了一份與之相關的專利申請。

      專利描述的反射裝置包括具有全息圖或其它光柵結構的光柵介質。借助于其中的光柵結構,光柵介質將具有允許其圍繞反射軸衍射光的物理特性。其中,對于以給定入射角入射到光柵介質上的多波長光,衍射角/反射角基本恒定(變化小于1度)。

      類似地,實施例通常在給定波長的入射光的入射角范圍內具有基本恒定的反射軸。在一個實施例中,對于一組多個入射角和一組多個波長的每個組合,反射軸基本上保持恒定。

      圖1是所述反射裝置的一個示例,即斜鏡100。斜鏡100包括駐留在光柵介質110中的光柵結構105(由對角線陰影線所示)。

      光柵介質110是專有光敏聚合物光記錄介質,并取名為AK174-200。AK174-200記錄介質的厚度約為200μM,M/#約為18,對于405nm光線的折射率約為1.50。光柵介質的變體包括但不限于光折變晶體、重鉻酸鹽明膠、光熱折變玻璃和含有分散鹵化銀顆粒的薄膜。

      斜鏡100的變體可包括附加層,如玻璃蓋或玻璃基板(圖1A未示出)。附加層可用于保護光柵介質免受污染、水分、氧氣、活性化學物質、損壞等。附加層通常具有與光柵介質110匹配的折射率。由于附加層的折射率通常非常接近光柵介質的折射率,所以附加層和光柵介質界面處的光折射通??梢院雎?。在圖1的示例性反射裝置中,對于波長為405nm的光,附加層和光柵介質的折射率都約為1.5。

      如圖1A所示,示例性光柵結構105具有配置為圍繞第一反射軸138(以虛線示出)反射第一入射光124A、124B的物理特性。第一入射光基本上由準直的單色光束組成。第一入射光同時包括532nm的第一波長,并且在特定位置117處入射到光柵介質110。第一反射軸138與光柵介質的表面法線122相差+13.759度(第一反射軸角135),其中第一入射光相對于表面法線具有從-4.660度(顯示為第一入射光124A)到-4.660度的第一入射內角125A,以及+1.933度(顯示為第一入射光124B)的125B,范圍為6.593度。第一入射光的第一入射內角包括一百(100)個不同的入射內角,其以約0.067度的角度間隔間隔間隔,從-4.660度到+1.933度。

      如圖1A所示,第一入射光124A具有相對于表面法線-4.660度的第一入射內角125A,并由光柵結構105反射為第一反射光127A。第一反射光127A具有相對于表面法線+32.267度的第一內反射角126A。相對于表面法線+1.933度的第一入射內角125B的第一入射光124B則反射為具有+25.668度的第一反射內角126B的第一反射光127B。第一反射光127A、127B具有第一波長,即第一反射光具有532nm的波長。

      入射光及其反射被反射軸平分,使得入射光相對于反射軸的入射內角與反射光相對于反射軸的反射內角具有相同的大小。所以,可以說入射光及其反射圍繞反射軸呈現雙邊對稱性。

      如圖1B所示,示例性光柵結構105進一步配置為圍繞第二反射軸139反射第二入射光130A、130B。第二入射光基本上由準直的單色光束組成。第二入射光同時包括513nm的第二波長,并且在特定位置117處入射到光柵介質110。特定位置117包括光柵介質表面112的區域,第一和第二入射光在所述區域發光。第二反射軸139與光柵介質的表面法線122相差+13.693度(第二反射軸角136),其中第二入射光相對于表面法線的第二入射內角-4.660度到+1.933度。第二入射內角包括一百(100)個不同的入射內角,其以約0.067度的角度間隔間隔間隔,從-4.660度到+1.933度。

      如圖1B所示,第二入射光130A由光柵結構105反射為第二反射光133A,其具有相對于表面法線+32.075度的第二反射內角133A。具有相對于表面法線+1.933度的第二入射內角128B的第二入射光130B則反射為具有+25.273度的第二反射內角129B的第二反射光133B。第二反射光133A、133B具有第二波長,即第二反射光具有513nm的波長。

      第二反射軸角136與第一反射軸角135相差0.0661度。所以,第二反射軸基本上與第一反射軸重合,這意味著第二反射軸角度136與第一反射軸角度135相差1.0度或更小。

      相對于第一反射軸,第一入射光的入射內角在-11.867度到-18.464度之間變化。相對于第二反射軸,第二入射光的入射內角在-11.670度到-18.368度之間變化。所以,可以說第一入射光和第二入射光中的每一個從第一反射軸偏移至少11.670度。

      特定應用適合使用配置為反射從入射光的反射軸偏移的入射光的斜鏡或其他反射裝置。例如,頭顯要向用戶的眼睛反射圖像,但不將圖像反向反射回光源。這種朝向用戶眼睛的反射通常要求入射光從其反射軸偏移至少5.0度的內角,典型為偏移至少9.0度。類似地,利用全內反射的裝置通常要求入射光偏離其反射軸。

      利用上述的物理特定,示例性斜鏡能夠反射具有其他波長的光,并以其他角度反射入射到光柵介質的光。例如,示例性光柵結構的反射特性允許其圍繞平均反射軸角度為+13.726度的反射軸反射波長為520.4 nm的光,其中平均反射軸角度變化為0.10度或更小,520.4 nm光的入射角范圍為-6.862度至+13.726度,且所有角度均在-6.862度至+13.726度之間,范圍為20.588度。在其反射特性的另一個示例中,示例性斜鏡配置為圍繞反射軸反射入射光,對于從503nm到537nm的所有波長,反射軸角變化為0.20度或更小,其中入射角為-1.174度。

      上面描述只是Akonia Holographics提出的斜鏡的一個實施例。更多實施例介紹可參閱相關專利“Apple Patent | Skew mirrors, methods of use, and methods of manufacture”。

      名為“Skew mirrors, methods of use, and methods of manufacture”的蘋果/Akonia Holographics專利申請最初在2021年6月提交,并在日前由美國專利商標局公布。

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    來源:映維網

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