Meta专利介绍了减少彩虹伪影的AR/VR光学系统

　　大多数用户和眼镜厂商都渴望一种形状与太阳眼镜类似的AR眼镜。尽管这听起来十分简单，但一个问题始终困扰着研究人员：杂散光。

　　AR眼镜的敞开程度越高，越多来至多余方向和光源的光线就能够进入系统。由于衍射结构，AR眼镜搭载的眼动追踪组合器可能会衍射来自真实世界的可见光，从而在透视视图中产生彩虹伪影，尤其是当用户从特定角度查看明亮光源时。这种伪影可能会降低透明视图的图像质量。

　　日前，美国专利商标局公布了一份来自Facebook的专利申请，其主要描述了一种减少彩虹伪影的光学系统。具体来说，名为“Optical device having reduced diffraction artifacts for eye-tracking”主要介绍一种能够抑制彩虹伪影的光栅构造。

　　在一个实施例中，光学装置可以包括光栅。光栅可以包括至少一个基板和耦合到至少一个基板的光栅结构。光栅结构可配置成衍射红外光束并发射衍射效率小于预定阈值)的可见光束。在一个实施例中，光栅可包括偏振体全息(PVH)膜。在一个实施例中，PVH膜可配置为具有低于或等于预定数目的均匀双折射。在一个实施例中，PVH膜可配置为沿PVH膜的厚度方向具有双折射梯度。在一个实施例中，PVH膜可由具有光交联介晶侧基的液晶聚合物制造。沿PVH膜厚度方向的双折射梯度可通过改变液晶聚合物膜不同部分的曝光能量来实现。

　　在一个实施例中，专利描述的眼动追踪系统可以包括上述光学装置。眼动追踪系统可包括配置为发射光以照亮用户眼睛的光源。眼动追踪系统可以包括朝向眼睛布置的光栅，并且包括至少一个基板和耦合到至少一个基板的光栅结构。光栅结构可配置成衍射红外光并透射衍射效率小于预定阈值的可见光。眼动追踪系统可包括光学传感器，其配置为接收衍射红外光，并基于衍射红外光生成眼睛的图像。

　　图1A是一个近眼显示器(NED)100，图1B是NED 100的横截面150。如图1A所示，NED 100可以包括框架102、安装到框架102的右眼和左眼显示系统104、以及眼动追踪系统(图1A中未示出)。右眼和左眼显示系统104中的每一个可以包括图像显示组件，其配置为将计算机生成的虚拟图像投影到用户视场中的右和左显示窗口106中。

　　在一个实施例中，NED 100可以作为AR或MR设备。其中，从用户的角度来看，右侧和左侧显示窗口106可以是完全或部分透明，以向用户提供周围真实世界环境的视图。在一个实施例中，NED 100可以用作VR设备。其中，右显示窗口106和左显示窗口106可以是不透明。在一个实施例中，NED 100可包括调光元件，其可动态调整通过右显示窗口106和左显示窗口106浏览的真实世界对象透射率，从而在VR设备和AR设备之间或VR设备和MR设备之间切换。在一个实施例中，随着AR/MR设备和VR设备之间的切换，调光元件可用于AR设备中以减轻真实和虚拟对象的亮度差异。

　　如图1B所示，眼动追踪系统可以是配置成通过利用用户眼睛发射或反射的光来提供眼动追踪信息的光学系统。在一个实施例中，眼动追踪系统可包括光源115，其配置为发射光以照亮用户的一只或两只眼睛120。光源115可以位于用户视线之外和眼睛120下方。

　　在一个实施例中，光源115发射的光可以包括窄光谱或相对宽的光谱，并且光的一个或多个波长可以在红外(IR)光谱中。在一个实施例中，光源115可发射近红外(NIR)波段(约750 nm至1250 nm)中的光。在一个实施例中，NIR光谱光有所裨益，因为NTR光谱光对人眼不可见，所以在操作期间不会分散佩戴NED的用户的注意力。红外光可以由眼睛120的瞳孔区域、用户的整个眼睛120、靠近用户眼睛120的区域或包括眼睛120和眼睛120附近的区域反射。

　　眼动追踪系统可包括光栅125，光栅125配置为将眼睛120反射的光引导至光学传感器130。光学传感器130可以相对于光栅125布置，从而接收由光栅125引导的光并生成用于眼动追踪的信号。例如，可以基于眼睛跟踪信号生成眼睛120的图像。光学传感器130可以对波长在包括红外光谱的光谱内的光敏感。在一个实施例中，光学传感器130可对红外光敏感，但对可见光不敏感。

　　光栅125可以配置成使眼睛120反射的红外光131(以下称为反射光)向光学传感器130衍射。反射的红外光131可以以各种入射角入射到光栅125上，例如0度、30度、45度、60度、70度等，然后在满足布拉格条件时由光栅125衍射为衍射红外光132。光学传感器130可定位为接收衍射红外光132，并基于衍射红外光132生成眼睛120的图像。光栅125同时可以被配置为从真实世界向眼睛120发射可见光160，使得用户的眼睛120可以看到虚拟对象与真实世界对象的视图光学组合，从而实现光学透明AR或MR设备。在一个实施例中，光栅125称为眼动追踪组合器，其一方面使眼睛120反射的红外光131向光学传感器130衍射，另一方面叠加真实世界的直接视图和计算机生成图像。

　　如背景中所述，由于衍射结构，眼动追踪组合器可能会衍射来自真实世界的可见光，从而在透视视图中产生彩虹伪影。有鉴于此，Meta提出了一种专门的光栅，其可以配置成在满足布拉格条件时衍射从眼睛120反射的红外光131，并以可忽略的衍射发射来自真实世界的可见光160。光栅对可见光160的衍射效率可以小于预定阈值，例如0.5%、0.1%、0.05%或0.01%。因此，由眼动追踪系统中的衍射结构引起的彩虹伪影能够显著降低。

　　图2示出了眼动追踪系统200。如图2所示，眼动追踪系统200可以包括光源115、光学传感器130和光栅220。光源115和光学传感器130的细节可以参考图1B的描述。光栅220可配置成在满足布拉格条件时衍射从眼睛120反射的红外光225，并以低于预定阈值的衍射效率发射来自真实世界的可见光250。在一个实施例中，预定阈值可为约0.5%。在一个实施例中，预定阈值可为约0.1%。在一个实施例中，预定阈值可为约0.05%。在一个实施例中，预定阈值可为约0.01%。在一个实施例中，来自真实世界的可见光250可以基本上正常地入射到光栅220。在一个实施例中，来自真实世界的可见光250可以以各种入射角入射到光栅220上。

　　如图2所示，光栅220可包括至少一个基板205和形成在至少一个基板205上的多个光栅结构210。基板205可向光栅结构210提供支撑和保护。光栅结构210可布置在顶部基板205和底部基板205之间。在一个实施例中，基板205可包括由适当材料制成的透镜或光波导。基板205可为刚性或柔性。在一个实施例中，光栅结构210可以形成在基板205的表面上或结合到羁绊205的表面上。在一个实施例中，光栅结构210可直接接触至少一个基板205的表面。在一个实施例中，光栅结构210可通过间隔材料与基板205隔开。在一个实施例中，可以在基板205和光栅结构210之间布置附加层，例如保护层和/或缓冲层。

　　光栅结构210可以是任何合适的光栅结构。在一个实施例中，光栅结构210可以是偏振体全息(PVH)膜的形式，例如反射三维(3D)体PVH膜。光栅结构210称为PVH膜，或PVH光栅、偏振敏感光栅、偏振敏感光学元件或手性液晶(LC)元件。PVH膜210可以是双折射材料膜，其包括多个双折射材料分子，例如液晶(LC)分子和/或作为具有与LCs类似光学性质的可聚合分子的反应性介素。双折射材料分子可以空间定向以实现PVH膜210的光学功能。

　　PVH膜210可配置为通过布拉格衍射对入射光进行衍射。PVH膜可分为左手性PVH膜和右手性PVH膜。例如，左手性PVH膜可衍射手性圆偏振光(LCP)并传输右手性圆偏振光(RCP)，而右手性PVH膜可衍射RCP光并传输LCP光。在一个实施例中，取决于PVH膜中双折射分子的排列，PVH膜可进一步会聚或发散入射光。一般来说，根据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光栅)。对于反射PVH膜，入射光束和衍射光束可能位于PVH膜的同一侧。对于透射PVH膜，入射光束和衍射光束可位于PVH膜的相对侧。应注意的是，PVH薄膜可能具有衍射光的透射级和反射级。在反射PVH膜中，与反射级相比，可期望显著抑制透射级的衍射效率，而在透射PVH膜中，与透射级相比，可期望显著抑制反射级的衍射效率。

　　在所描述的实施例中，PVH膜210可配置成在满足布拉格条件时衍射从光源115发射并由眼睛120反射的红外光225。PVH膜210同时可以配置为以可忽略的衍射(例如，衍射效率低于预定阈值)从真实世界发射可见光250。在一个实施例中，预定阈值可为约0.5%。在一个实施例中，预定阈值可为约0.1%。在一个实施例中，预定阈值可为约0.05%。在一个实施例中，预定阈值可为约0.01%。

　　出于讨论目的，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反射的红外光225可以是非偏振光。未偏振红外光225的RCP部分可被PVH膜210偏转为朝向底部基板205的RCP光230，且未偏振红外光225的LCP部分可通过PVH膜210透射为朝向顶部基板205的LCP光235。RCP光230可在底部基板205的外表面处折射为光240，并由光学传感器130接收。可以基于接收到的光240生成眼动追踪信号。

　　在一个实施例中，为了使PVH膜210能够在满足布拉格条件时衍射从眼睛120反射的红外光225，并在可忽略衍射的情况下透射来自真实世界的可见光250，PVH膜210可以配置为具有小于或等于预定值的双折射。

　　在一个实施例中，为了使PVH膜210能够在满足布拉格条件时衍射从眼睛120反射的红外光225，并在可忽略衍射的情况下透射来自真实世界的可见光250，PVH膜210可配置有梯度双折射或沿PVH膜210的厚度方向的双折射梯度。

　　图3B示出了PVH膜300的归一化膜高度和PVH双折射之间的关系。在一个实施例中，PVH膜可由具有4-(4-methoxycinnamoyloxy) biphenyl (MCB)侧基的聚甲基丙烯酸酯制备，并描述为M1膜。用偏振激光照射M1薄膜(或M1薄膜)可由于轴选择性光交联反应而诱导光学各向异性，并且随后的退火可增强光诱导光学各向异性。M1膜的光致光学各向异性(或光致双折射)可以是曝光能量的函数。

　　图4示出了根据本论述实施例的M1膜的曝光能量依赖性延迟。M1膜可通过在基底上分配(例如旋涂)M1和溶剂的混合物以形成旋涂膜，在旋涂膜上辐照线偏振激光以诱导光学各向异性来制备，以及对辐照薄膜进行热处理(例如退火)以增强光致光学各向异性。

　　如图4所示，水平轴和垂直轴表示曝光时间t(单位：秒)和每微米的延迟。M1膜的延迟可能与光致双折射有关。在给定的曝光强度下，M1膜接收的曝光能量可能与曝光时间成比例。在给定的曝光时间下，M1膜接收的曝光能量可与曝光强度成比例。

　　如显示M1膜曝光能量依赖性延迟的曲线400所示，在曝光持续约4秒之前，M1膜不会表现出明显的延迟。换句话说，在曝光的前4秒，光学各向异性不会感应到M1膜。当曝光时间从4秒逐渐增加到8秒时，M1膜表现出基本恒定的延迟，每微米p d约0.013延迟。即，M1膜的光致光学各向异性(或光致双折射δn.sub.p)随着曝光时间从t=4 s到t=8 s基本恒定。当曝光持续进行时，M1膜的每微米p d延迟在t=12 s时线性增加至约0.016的峰值，然后在t=15 s时以相对较快的速度线性降低至约0.011，在t=24 s时以相对较慢的速度线性降低至约0.005。

　　图5示出了M1膜的干涉曝光500，以获得在厚度方向上具有双折射梯度的3D体积PVH膜。如图5所示，M1和溶剂的混合物(例如，氯仿(CHCl3))可分配(例如旋涂)在基板510上以形成M1膜505。两个偏振光515可以以一定角度对准。暴露的M1膜可在高温下进行热处理(例如退火)。在一个实施例中，可重复上述过程，直到获得具有足够厚度的PVH膜。

　　由两个偏振光515产生的干涉图案可以具有沿M1膜505的厚度方向的强度梯度，例如，图5中的z轴。在一个实施例中，随着M1膜505内两个偏振光束515的光束传播，光束强度可能由于光束衰减(例如吸收、反射和/或散射等)而逐渐降低。因此，当两个偏振光515在M1膜505内传播时，由偏振光515产生的干涉图案的强度可以逐渐减小。

　　图7A-7B和图8A-8B说明了在可见光谱上模拟了四种反射PVH薄膜在正常入射非偏振光下的波长相关衍射效率。四个PVH膜包括第一个PVH膜，其为具有0.15的均匀双折射的PVH膜;第二个PVH膜，其为具有0.1的均匀双折射的PVH膜;第三个PVH膜，其为具有0.07的均匀双折射的PVH膜;以及第四个PVH膜，其为具有0.15的双折射梯度的PVH膜。

　　根据图7A-7B和图8A-8B，与在整个膜上具有均匀双折射的三个PVH膜相比，在厚度方向上具有双折射梯度的PVH膜能够显著降低衍射效率。换句话说，通过配置在厚度方向上具有双折射梯度的PVH膜，可以显著减小由PVH膜中的衍射结构引起的彩虹伪影。

　　名为“Optical device having reduced diffraction artifacts for eye-tracking”的Meta专利申请最初在2021年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。