Meta AR/VR专利通过提高电光转化 光吞吐量和空间分辨率等小型化光学模块

　　对于VR头显，小型化是一个关键的课题。通常，可穿戴显示器的光学模块是显示器中最笨重和最重的模块，尤其是当光学模块包括诸如折射透镜和立方体分束器之类的光学模块时。诸如例如波导、光栅和菲涅耳透镜等紧凑的平面光学元件可用于减小光学模块的尺寸和重量。然而，紧凑的平面光学可能具有低效率、图像失真、重影、彩虹伪影等，从而阻碍了它们在可穿戴光学显示系统中的使用。

　　在名为“Talbot pattern illuminator and display based thereon”的专利申请中，Meta探索了一种Talbot照明器和基于所述照明器的显示器，希望利用Talbot效应来提高电光转化效率(wall-plug efficiency)，光吞吐量和空间分辨率等，从而帮助小型化光学模块的尺寸和重量。

　　作为说明，威廉·亨利·福克斯·泰伯(William Henry Fox Talbot)在1830年发现了所谓的Talbot效应，又称衍射自成像效应。这是指当一束单色平面光照射一个光栅时，光栅后的一定距离会出现光栅自身的像。

　　现在参考图1A和1B，显示设备100(图1A)包括显示面板102和用于照明显示面板102的照明器104。显示面板102包括由基板108支撑的像素106的阵列。照明器104包括提供光束112的光源110和耦合到光源110的光导114。光导114接收光束112并沿着衬底108传播光束112，并且可以沿着光导114传播光束，同时可以跨过光导114传播，即可以在XY平面中传播光束。

　　光导114包括平行于像素阵列106延伸的耦出光栅116的阵列。在操作中，耦出光栅116耦出来自光导114的光束112的部分118，使得耦出光束部分118传播通过衬底108，并由于Talbot效应在像素阵列106处产生光功率密度峰值120(图1B)的阵列。

　　光功率密度峰值120的位置与像素106的位置相协调，使得大多数照明光传播通过像素106，并且不会被不透明的像素间区域107阻挡，从而提高了显示设备100的整体光吞吐量，并因此提高了电光转化效率(wall-plug efficiency)。

　　如图所示，每一个像素106可以提供一个峰值120。在一个实施例中，峰值120之间的距离可以等于M乘以p，其中p是像素阵列的间距，M是≥1的整数。例如，在以照明光的几个波长产生Talbot图案的实施例中，可以为像素阵列的每个颜色子像素提供特定颜色通道的波长处的一个峰值120，几个子像素形成一个RGB像素。

　　光束部分118朝着目镜122传播，目镜122使各个光束部分118准直。

　　参照图2，显示面板102的衬底108(图1A)中的Talbot条纹图案200示为光功率密度图。Talbot条纹图案200起源于平行于图1A中的XY平面设置的第一平面201。耦出光栅116设置在第一平面201中。光在图2中从左向右传播，在距第一平面201的不同距离处形成光功率密度峰值的阵列。

　　第一平面201处的光功率密度分布在与第一平面201隔开Talbot图案周期的第二平面202处重复，在所述示例中等于0.5mm。像素阵列106可以位于第二平面202。

　　对于如图1A所示的耦出光栅116的阵列设置在连接衬底108的照明器的表面处的实施例，Talbot图案周期可以简单地等于衬底的厚度。

　　参照图3，显示设备300是图1的显示设备100的实施例。图3的显示设备300使用导光板来沿着显示面板并跨越显示面板(即在XY平面中)扩展照明光。

　　在所示的示例中，显示设备300包括耦合到照明器304的显示面板302。显示面板302包括像素306的阵列，像素306由像素间间隙或黑网格307分隔并由透明衬底308支撑。

　　照明器304包括提供光束312的光源310和通过耦入光栅335耦合到光源310的光导314。光导314接收光束312并沿衬底308传播，从而沿光导314传播光束312并使其穿过光导314，即沿X和Y方向传播光束312。

　　光导314包括具有相对平行表面331和332的透明平面平行板334。在操作中，板334接收来自光源310的光束312，并通过来自相对的平行表面331和332的一系列全内反射TIR在其中传播光束312。

　　耦出光栅316的阵列将来自板334的光束312的部分318耦出。光束部分318传播通过衬底308，并由于Talbot效应在显示面板302的像素阵列306处形成光功率密度峰值的阵列，类似于上面参考图1A、1B和图2所解释一样。光导314同时可以包括重定向光栅337，用于重定向光束312的部分318。

　　转到图4，显示设备400是图1的显示设备100的实施例。显示设备400与图3的显示设备300类似。

　　在所示的示例中，显示设备400包括耦合到照明器404的显示面板302。照明器404使用光源310来提供光束312，光束312由耦入光栅335耦合到板334中，通过一系列TIR从板334的相对表面331和332传播光束312。耦出光栅316耦出光束312的部分318以传播通过衬底308。光束部分318在显示面板302的像素阵列306处形成光功率密度的Talbot图案。Talbot图案具有多个峰420。重定向光栅337有助于沿着板334并横跨板334传播光束312。

　　显示设备400与图3的显示设备300不同的地方是，图4的照明器404在光源310和板334之间的光路中包括可倾斜反射器440。

　　可倾斜反射器440配置为通过将光束312以角度可变或可调节的角度重新定向到耦入光栅335，以将光束312耦合到板334中。随着光束312的耦入角变化，光束部分318的耦出角同样会变化。

　　光束部分318的可调节耦出角使得在像素阵列306平面处的光功率密度分布峰值420位置相对于像素306可调节。例如，当光束部分318如箭头418* 星号所示以倾斜角度射出时，峰值420移动到420* 所示的位置。

　　峰值420的位置的可调节性可用于将峰值420精确地集中在像素306上。这可以例如在所制造的显示单元的校准期间进行，以增加通过显示面板302传播的光的部分，从而提高显示单元的电光转化效率(wall-plug efficiency)。

　　在一个实施例中，光源310可以配置为为诸如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)颜色通道的各个颜色通道提供光束分量。

　　光源310可以分别提供第一(例如红色)、第二(例如绿色)和第三(例如蓝色)波长的第一、第二和第三光束分量。第一、第二和第三光束分量可以通过使用波分复用器(WDM)组合成单个光束。在光束包括不同波长的光束分量的实施例中，光导可以包括光学耦合到导光板的波长选择性耦出光栅的第一、第二和第三阵列。第一、第二和第三耦出光栅阵列可以平行于像素阵列延伸或延伸，以分别对第一、第三和第三光束分量的部分进行波长选择性耦出。

　　第一、第二和第三阵列可以彼此偏移，以便形成用于照明不同颜色通道的子像素的横向偏移Talbot峰的阵列。

　　参考图5，可以在时间T=0ms的时刻用红色Talbot峰(“R”，灰色阴影圆圈)的第一阵列、绿色Talbot峰的第二阵列(“G”，白色圆圈)和蓝色Talbot峰第三阵列(“B”，黑色圆圈)照亮像素阵列500。

　　在T=0ms时，阵列的像素500被分配从左到右的R、G和B子像素的角色。换句话说，根据特定RGB像素的R、G和B颜色通道的相对强度来设置这些像素的透射值。在T=3ms时，移动一个像素，即阵列的像素500分配从左到右的G、B和R子像素。

　　在T=6ms时，再移动一个像素，即阵列的像素500分配从左到右的B、R和G子像素。这使得能够提供一个子像素而不是形成RGB像素的三个子像素的水平空间分辨率，从而将RGB像素的整体空间分辨率提高三倍。

　　同样的技术当然可以应用于垂直移动的像素。以像素间距的整数倍移动照明光束分量允许将R、G和B子像素非常灵活地分配给像素阵列500的各个像素，从而能够提高总体可实现的吞吐量和空间分辨率。

　　现在参考图6，显示设备600是图1的显示设备100的实施例。显示设备600与图3的显示设备300相似。

　　显示设备600包括光源310以提供光束312，光束312由耦入光栅335耦合到光导614的板334中，光导614通过一系列TIR从板334的相对表面331和332传播光束312。

　　光导614的耦出光栅616配置为将光束312的耦出部分318聚焦在设置在距板334非零距离处的同一焦平面605上的焦点618处。到焦平面605的距离等于光栅616的焦距f。

　　为了提供聚焦(变窄光束)或散焦(加宽光束)能力，耦出光栅616可以包括具有弯曲条纹的体积光栅，例如偏振体积光栅(PVH)。将光束部分318聚焦在远离光导614的焦平面605处，使得能够通过Talbot光功率密度分布将用光导614照明的显示面板的基板的厚度增加焦距f。

　　名为“Talbot pattern illuminator and display based thereon”的Meta专利申请最初在2021月提交，并在日前由美国专利商标局公布。