Meta AR眼镜专利探索束成形光学结构

　　诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和LED等照明器可以用作头显的光源，并用于对对象进行成像。其中，这需要对从照明器发射的光束进行光束成形。

　　在名为“Beam shaping optical structures”的专利申请中，Meta就介绍了一种光束成形光学结构。

　　图1A示出了包括透镜的头显100。每个透镜121包括波导160，以将显示器130产生的图像光引导到视窗区域。透镜121B包括VCSEL阵列，并作为以5×5阵列布置的红外光源150。

　　VCSEL 150可以是近红外光源，配置为将其发射的近红外光沿眼镜方向引导到头显100的视窗区域。VCSEL 150可以发射例如波长为850nm或940nm的近红外光。非常小的金属迹线或透明导电层(例如氧化铟锡)可以穿过透镜121B，以便于选择性地照射每个VCSEL 150。透镜121A可以与所示的透镜121B类似地配置。

　　可见光可以定义为具有大约380nm-700nm的波长范围。不可见光可以定义为具有可见光范围之外的波长的光。近红外光可以定义为具有大约700nm-1.4μm的波长范围。

　　图1B示出了VCSEL的占地面积。在一个实施例中，每个VCSEL 150具有“x”维度小于200微米且“y”维度小于100微米的面积;或“x”维度小于100微米且“y”维度小于200微米的面积;或“x”维度小于75微米且“y”维度小于65微米的占地面积。

　　图2示出了一个近眼光学系统200，其包括照明视窗区域的VCSEL阵列250的侧视图。在所示实施例中，VCSEL阵列250包括VCSEL 250A、250B、250C、250D和250E。VCSEL 250C用近红外光束261照射眼睛202。VCSEL 250A、250B、250D和250E同样可以用近红外光束(未示出)照射眼睛202。

　　VCSEL 250C发射的近红外光沿着光路271传播，并作为沿着光路272传播的反射近红外光反射离开眼睛202。沿着光路272传播的反射近红外光穿过容纳VCSEL 250的透明基板并遇到光学组合器230。组合器230沿着光路273将近红外光引导到摄像头210。

　　图5示出了包括棱镜533的场内照明系统500。其中，棱镜533具有致使红外VCSEL的光束倾斜和扩展的小平面。系统500可以包括在近眼光学系统中。红外VCSEL 550A和550B设置在VCSEL“板”510上。其中，所述板可以包括用于打开和关闭VCSEL的迹线。

　　通过使用棱镜533，可以实现大范围的倾斜角度，以及光束扩展/聚焦。另外，可以使用全内反射(TIR)原理可以减少或消除对特殊光学涂层的需要。或者，金属或电介质材料的反射涂层可以与棱镜结合使用。

　　在图5中，红外光源550A通过其发射孔径发射红外光束561A，而红外光源550B通过其发射孔发射红外光束563B。设置在红外光源的发射孔径上方的光学结构(例如棱镜533)可以包括第一小面和第二小面，第一小面配置为倾斜和/或成形红外光束561。

　　在图5中，视窗区域可以由眼睛502周围的尺寸591和592限定。在一个实施例中，尺寸591约为30mm，尺寸592约为20mm。在图5的示例性图示中，红外光束561A至少部分地与红外光束561B重叠。

　　光学结构533可以利用图6-图12中所描述的任何光学结构/棱镜的设计。

　　图6示出了专利描述的棱镜结构633。在图6中，当角度足够陡以满足TIR条件时，VCSEL 650的红外发射光束661将被具有半径R1的曲率的面A反射。所述角度可以由尺寸D1和高度H1的比率限定。曲率(所示实施例中的半径R1)决定反射光束的发散/会聚。

　　凹面A可产生发散光束，而凸面A(未示出)可产生会聚光束。半径R2的曲率和小面B的角度(由尺寸D3和高度H2定义)决定光束是发散还是会聚。凹面B可以产生发散光束，而凸面B可以产生会聚光束(未示出)。

　　图7和图8示出棱镜结构733/833，其中小面B包括限定小面B的表面的一个以上的曲率半径。这可以提高发射的近红外光束861的均匀性。在图8中，小面B包括具有尺寸D6的半径R2、具有尺寸D7的半径R3和具有尺寸D8的半径R4。

　　图9示出了可以利用TIR来倾斜和扩展从VCSEL发射的近红外光束的示例棱镜结构933。可选地，反射层923(例如金属或多层电介质)可以设置在面a上以实现光束961的反射。在一个实施例中，棱镜结构933的面A可以是基本平坦的表面，而棱镜结构933的面B可以是基本平坦的表面。

　　图10示出了利用TIR来倾斜和扩展从VCSEL 650发射的近红外光束1061的示例棱镜结构1033。棱镜结构1033的面A具有曲率半径R1，而棱镜结构1032的面B可以是基本平坦的表面。

　　图11示出了示例棱镜结构1133，其不利用TIR，而是依赖于面A相对于VCSEL 650的发射角的角度以及材料601和空气(或第二材料)的折射率之间的差，以倾斜和成形(例如扩展)VCSEL的近红外光束1161。

　　图12示出了不利用TIR的另一示例棱镜结构1233。棱镜结构1233利用小面A的曲率(其可以是球面、非球面或自由曲面)和小面B的曲率来倾斜和成形(例如扩展)VCSEL 650的近红外光束1261。

　　名为“Beam shaping optical structures”的Meta专利申请最初在2022年10月提交，并在日前由美国专利商标局公布。