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    科技魔方

    Meta專利介紹了減少彩虹偽影的AR/VR光學系統

    AR/VR

    2022年01月07日

      大多數用戶和眼鏡廠商都渴望一種形狀與太陽眼鏡類似的AR眼鏡。盡管這聽起來十分簡單,但一個問題始終困擾著研究人員:雜散光。

      AR眼鏡的敞開程度越高,越多來至多余方向和光源的光線就能夠進入系統。由于衍射結構,AR眼鏡搭載的眼動追蹤組合器可能會衍射來自真實世界的可見光,從而在透視視圖中產生彩虹偽影,尤其是當用戶從特定角度查看明亮光源時。這種偽影可能會降低透明視圖的圖像質量。

      日前,美國專利商標局公布了一份來自Facebook的專利申請,其主要描述了一種減少彩虹偽影的光學系統。具體來說,名為“Optical device having reduced diffraction artifacts for eye-tracking”主要介紹一種能夠抑制彩虹偽影的光柵構造。

      在一個實施例中,光學裝置可以包括光柵。光柵可以包括至少一個基板和耦合到至少一個基板的光柵結構。光柵結構可配置成衍射紅外光束并發射衍射效率小于預定閾值)的可見光束。在一個實施例中,光柵可包括偏振體全息(PVH)膜。在一個實施例中,PVH膜可配置為具有低于或等于預定數目的均勻雙折射。在一個實施例中,PVH膜可配置為沿PVH膜的厚度方向具有雙折射梯度。在一個實施例中,PVH膜可由具有光交聯介晶側基的液晶聚合物制造。沿PVH膜厚度方向的雙折射梯度可通過改變液晶聚合物膜不同部分的曝光能量來實現。

      在一個實施例中,專利描述的眼動追蹤系統可以包括上述光學裝置。眼動追蹤系統可包括配置為發射光以照亮用戶眼睛的光源。眼動追蹤系統可以包括朝向眼睛布置的光柵,并且包括至少一個基板和耦合到至少一個基板的光柵結構。光柵結構可配置成衍射紅外光并透射衍射效率小于預定閾值的可見光。眼動追蹤系統可包括光學傳感器,其配置為接收衍射紅外光,并基于衍射紅外光生成眼睛的圖像。

      圖1A是一個近眼顯示器(NED)100,圖1B是NED 100的橫截面150。如圖1A所示,NED 100可以包括框架102、安裝到框架102的右眼和左眼顯示系統104、以及眼動追蹤系統(圖1A中未示出)。右眼和左眼顯示系統104中的每一個可以包括圖像顯示組件,其配置為將計算機生成的虛擬圖像投影到用戶視場中的右和左顯示窗口106中。

      在一個實施例中,NED 100可以作為AR或MR設備。其中,從用戶的角度來看,右側和左側顯示窗口106可以是完全或部分透明,以向用戶提供周圍真實世界環境的視圖。在一個實施例中,NED 100可以用作VR設備。其中,右顯示窗口106和左顯示窗口106可以是不透明。在一個實施例中,NED 100可包括調光元件,其可動態調整通過右顯示窗口106和左顯示窗口106瀏覽的真實世界對象透射率,從而在VR設備和AR設備之間或VR設備和MR設備之間切換。在一個實施例中,隨著AR/MR設備和VR設備之間的切換,調光元件可用于AR設備中以減輕真實和虛擬對象的亮度差異。

      如圖1B所示,眼動追蹤系統可以是配置成通過利用用戶眼睛發射或反射的光來提供眼動追蹤信息的光學系統。在一個實施例中,眼動追蹤系統可包括光源115,其配置為發射光以照亮用戶的一只或兩只眼睛120。光源115可以位于用戶視線之外和眼睛120下方。

      在一個實施例中,光源115發射的光可以包括窄光譜或相對寬的光譜,并且光的一個或多個波長可以在紅外(IR)光譜中。在一個實施例中,光源115可發射近紅外(NIR)波段(約750 nm至1250 nm)中的光。在一個實施例中,NIR光譜光有所裨益,因為NTR光譜光對人眼不可見,所以在操作期間不會分散佩戴NED的用戶的注意力。紅外光可以由眼睛120的瞳孔區域、用戶的整個眼睛120、靠近用戶眼睛120的區域或包括眼睛120和眼睛120附近的區域反射。

      眼動追蹤系統可包括光柵125,光柵125配置為將眼睛120反射的光引導至光學傳感器130。光學傳感器130可以相對于光柵125布置,從而接收由光柵125引導的光并生成用于眼動追蹤的信號。例如,可以基于眼睛跟蹤信號生成眼睛120的圖像。光學傳感器130可以對波長在包括紅外光譜的光譜內的光敏感。在一個實施例中,光學傳感器130可對紅外光敏感,但對可見光不敏感。

      光柵125可以配置成使眼睛120反射的紅外光131(以下稱為反射光)向光學傳感器130衍射。反射的紅外光131可以以各種入射角入射到光柵125上,例如0度、30度、45度、60度、70度等,然后在滿足布拉格條件時由光柵125衍射為衍射紅外光132。光學傳感器130可定位為接收衍射紅外光132,并基于衍射紅外光132生成眼睛120的圖像。光柵125同時可以被配置為從真實世界向眼睛120發射可見光160,使得用戶的眼睛120可以看到虛擬對象與真實世界對象的視圖光學組合,從而實現光學透明AR或MR設備。在一個實施例中,光柵125稱為眼動追蹤組合器,其一方面使眼睛120反射的紅外光131向光學傳感器130衍射,另一方面疊加真實世界的直接視圖和計算機生成圖像。

      如背景中所述,由于衍射結構,眼動追蹤組合器可能會衍射來自真實世界的可見光,從而在透視視圖中產生彩虹偽影。有鑒于此,Meta提出了一種專門的光柵,其可以配置成在滿足布拉格條件時衍射從眼睛120反射的紅外光131,并以可忽略的衍射發射來自真實世界的可見光160。光柵對可見光160的衍射效率可以小于預定閾值,例如0.5%、0.1%、0.05%或0.01%。因此,由眼動追蹤系統中的衍射結構引起的彩虹偽影能夠顯著降低。

      圖2示出了眼動追蹤系統200。如圖2所示,眼動追蹤系統200可以包括光源115、光學傳感器130和光柵220。光源115和光學傳感器130的細節可以參考圖1B的描述。光柵220可配置成在滿足布拉格條件時衍射從眼睛120反射的紅外光225,并以低于預定閾值的衍射效率發射來自真實世界的可見光250。在一個實施例中,預定閾值可為約0.5%。在一個實施例中,預定閾值可為約0.1%。在一個實施例中,預定閾值可為約0.05%。在一個實施例中,預定閾值可為約0.01%。在一個實施例中,來自真實世界的可見光250可以基本上正常地入射到光柵220。在一個實施例中,來自真實世界的可見光250可以以各種入射角入射到光柵220上。

      如圖2所示,光柵220可包括至少一個基板205和形成在至少一個基板205上的多個光柵結構210?;?05可向光柵結構210提供支撐和保護。光柵結構210可布置在頂部基板205和底部基板205之間。在一個實施例中,基板205可包括由適當材料制成的透鏡或光波導?;?05可為剛性或柔性。在一個實施例中,光柵結構210可以形成在基板205的表面上或結合到羈絆205的表面上。在一個實施例中,光柵結構210可直接接觸至少一個基板205的表面。在一個實施例中,光柵結構210可通過間隔材料與基板205隔開。在一個實施例中,可以在基板205和光柵結構210之間布置附加層,例如保護層和/或緩沖層。

      光柵結構210可以是任何合適的光柵結構。在一個實施例中,光柵結構210可以是偏振體全息(PVH)膜的形式,例如反射三維(3D)體PVH膜。光柵結構210稱為PVH膜,或PVH光柵、偏振敏感光柵、偏振敏感光學元件或手性液晶(LC)元件。PVH膜210可以是雙折射材料膜,其包括多個雙折射材料分子,例如液晶(LC)分子和/或作為具有與LCs類似光學性質的可聚合分子的反應性介素。雙折射材料分子可以空間定向以實現PVH膜210的光學功能。

      PVH膜210可配置為通過布拉格衍射對入射光進行衍射。PVH膜可分為左手性PVH膜和右手性PVH膜。例如,左手性PVH膜可衍射手性圓偏振光(LCP)并傳輸右手性圓偏振光(RCP),而右手性PVH膜可衍射RCP光并傳輸LCP光。在一個實施例中,取決于PVH膜中雙折射分子的排列,PVH膜可進一步會聚或發散入射光。一般來說,根據入射和衍射光束的方向,可以制作反射和透射PVH薄膜(即反射和透射PVH光柵)。對于反射PVH膜,入射光束和衍射光束可能位于PVH膜的同一側。對于透射PVH膜,入射光束和衍射光束可位于PVH膜的相對側。應注意的是,PVH薄膜可能具有衍射光的透射級和反射級。在反射PVH膜中,與反射級相比,可期望顯著抑制透射級的衍射效率,而在透射PVH膜中,與透射級相比,可期望顯著抑制反射級的衍射效率。

      在所描述的實施例中,PVH膜210可配置成在滿足布拉格條件時衍射從光源115發射并由眼睛120反射的紅外光225。PVH膜210同時可以配置為以可忽略的衍射(例如,衍射效率低于預定閾值)從真實世界發射可見光250。在一個實施例中,預定閾值可為約0.5%。在一個實施例中,預定閾值可為約0.1%。在一個實施例中,預定閾值可為約0.05%。在一個實施例中,預定閾值可為約0.01%。

      出于討論目的,PVH膜210可以是右手性PVH膜,其衍射RCP光并透射LCP光。眼睛120向PVH膜210反射的紅外光225可以是非偏振光。未偏振紅外光225的RCP部分可被PVH膜210偏轉為朝向底部基板205的RCP光230,且未偏振紅外光225的LCP部分可通過PVH膜210透射為朝向頂部基板205的LCP光235。RCP光230可在底部基板205的外表面處折射為光240,并由光學傳感器130接收??梢曰诮邮盏降墓?40生成眼動追蹤信號。

      在一個實施例中,為了使PVH膜210能夠在滿足布拉格條件時衍射從眼睛120反射的紅外光225,并在可忽略衍射的情況下透射來自真實世界的可見光250,PVH膜210可以配置為具有小于或等于預定值的雙折射。

      在一個實施例中,為了使PVH膜210能夠在滿足布拉格條件時衍射從眼睛120反射的紅外光225,并在可忽略衍射的情況下透射來自真實世界的可見光250,PVH膜210可配置有梯度雙折射或沿PVH膜210的厚度方向的雙折射梯度。

      圖3B示出了PVH膜300的歸一化膜高度和PVH雙折射之間的關系。在一個實施例中,PVH膜可由具有4-(4-methoxycinnamoyloxy) biphenyl (MCB)側基的聚甲基丙烯酸酯制備,并描述為M1膜。用偏振激光照射M1薄膜(或M1薄膜)可由于軸選擇性光交聯反應而誘導光學各向異性,并且隨后的退火可增強光誘導光學各向異性。M1膜的光致光學各向異性(或光致雙折射)可以是曝光能量的函數。

      圖4示出了根據本論述實施例的M1膜的曝光能量依賴性延遲。M1膜可通過在基底上分配(例如旋涂)M1和溶劑的混合物以形成旋涂膜,在旋涂膜上輻照線偏振激光以誘導光學各向異性來制備,以及對輻照薄膜進行熱處理(例如退火)以增強光致光學各向異性。

      如圖4所示,水平軸和垂直軸表示曝光時間t(單位:秒)和每微米的延遲。M1膜的延遲可能與光致雙折射有關。在給定的曝光強度下,M1膜接收的曝光能量可能與曝光時間成比例。在給定的曝光時間下,M1膜接收的曝光能量可與曝光強度成比例。

      如顯示M1膜曝光能量依賴性延遲的曲線400所示,在曝光持續約4秒之前,M1膜不會表現出明顯的延遲。換句話說,在曝光的前4秒,光學各向異性不會感應到M1膜。當曝光時間從4秒逐漸增加到8秒時,M1膜表現出基本恒定的延遲,每微米p d約0.013延遲。即,M1膜的光致光學各向異性(或光致雙折射δn.sub.p)隨著曝光時間從t=4 s到t=8 s基本恒定。當曝光持續進行時,M1膜的每微米p d延遲在t=12 s時線性增加至約0.016的峰值,然后在t=15 s時以相對較快的速度線性降低至約0.011,在t=24 s時以相對較慢的速度線性降低至約0.005。

      圖5示出了M1膜的干涉曝光500,以獲得在厚度方向上具有雙折射梯度的3D體積PVH膜。如圖5所示,M1和溶劑的混合物(例如,氯仿(CHCl3))可分配(例如旋涂)在基板510上以形成M1膜505。兩個偏振光515可以以一定角度對準。暴露的M1膜可在高溫下進行熱處理(例如退火)。在一個實施例中,可重復上述過程,直到獲得具有足夠厚度的PVH膜。

      由兩個偏振光515產生的干涉圖案可以具有沿M1膜505的厚度方向的強度梯度,例如,圖5中的z軸。在一個實施例中,隨著M1膜505內兩個偏振光束515的光束傳播,光束強度可能由于光束衰減(例如吸收、反射和/或散射等)而逐漸降低。因此,當兩個偏振光515在M1膜505內傳播時,由偏振光515產生的干涉圖案的強度可以逐漸減小。

      圖7A-7B和圖8A-8B說明了在可見光譜上模擬了四種反射PVH薄膜在正常入射非偏振光下的波長相關衍射效率。四個PVH膜包括第一個PVH膜,其為具有0.15的均勻雙折射的PVH膜;第二個PVH膜,其為具有0.1的均勻雙折射的PVH膜;第三個PVH膜,其為具有0.07的均勻雙折射的PVH膜;以及第四個PVH膜,其為具有0.15的雙折射梯度的PVH膜。

      根據圖7A-7B和圖8A-8B,與在整個膜上具有均勻雙折射的三個PVH膜相比,在厚度方向上具有雙折射梯度的PVH膜能夠顯著降低衍射效率。換句話說,通過配置在厚度方向上具有雙折射梯度的PVH膜,可以顯著減小由PVH膜中的衍射結構引起的彩虹偽影。

      名為“Optical device having reduced diffraction artifacts for eye-tracking”的Meta專利申請最初在2021年9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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