微软为AR头显提出二向色性涂层，提升显示一致性和光安全性
二向色性涂层
（映维网Nweon 2022年05月23日）对于AR头显，颜色交叉耦合火串扰会降低图像均匀性，造成相差，从而影响用户体验。一个现有解决方案可以包括放置偏振和/或带通滤波器。然而，DOE光栅的偏振灵敏度可能较低，所以仅能在部分区域部分缓解颜色交叉耦合。
另外，显示屏中可能会出现重影图像，并且可以降低整体MTF。至于带通滤波器，它会导致散射并降低显示对比度。同时，偏振和带通滤波器的典型实施方案可能由于需要额外的结构组件，从而增加光学组合器的尺寸和重量。
在名为“Dichroic coatings to improve display uniformity and light security in an optical combiner”的专利申请中，微软就提出用二向色性涂层作为替代方案，从而提升显示一致性和光安全性。
图12显示了根据发明原理布置的二向色反射器1200示例。二向色反射器包括一层薄膜涂层，所述薄膜涂层布置在耦入DOE后面。薄膜涂层是反射涂层，配置为围绕RGB颜色空间的蓝光component反射预定波长范围内的光。
由于具有二向色性，反射器1200反射指定反射带内波长范围内的光，同时在目标角度范围内透射反射带外不同指定波长范围的光。预定反射范围称为“反射带”，预定的传输范围则称为“透射带”。通常，在二向色反射器反射带的两侧，在400至650 nm的可见光谱中有两个透射带。
二向色反射器的带通和透射特性可以通过设计进行调整，以在与显示器视场相关的角度范围内保持一致，从而阻止来自成像器105的蓝光到达光学组合器1100中的绿色板和红色板。反射带中的二向色反射器1200中实现的反射度和带通宽度可以根据实现而变化。
如图所示，来自成像器105的蓝色全息图像光1130与蓝色板1115耦合，并在波导中向下传播。在波导中，其向光学组合器1100的真实世界侧1125和眼睛侧1120向用户的眼睛115耦出。
如附图标记1205所示，未耦合的蓝色全息图像光被反射回眼睛侧，以阻止蓝色光在绿色板1110和红色板1105耦合，从而减少蓝色全息图像光与其他颜色component的交叉耦合。
图13示出了布置在光学组合器1100的绿色板1110的说明性二向色反射器1300。二向色反射器在构造、组成和操作上与图12中所示的用于蓝色板的反射器1200相似。然而，对于RGB颜色模型的绿色光component选择带通。
如图所示，来自成像器105的绿色全息图像光1135与绿色板相耦合，并在波导中向下传播。在波导中，绿色全息图像光1135向光学组合器1100的真实世界侧1125和眼睛侧1120耦出用户的眼睛115。如附图标记1305所示，未耦合的绿色全息图像光被反射回眼睛侧，以阻止绿色光在红色板1105耦合，从而减少绿色全息图像光的交叉耦合。
在光学组合器1100的说明性示例中，红色板1105与真实世界侧相邻。在光学组合器的替代配置中，可以使用与本示例中使用的不同的颜色板顺序。例如，如果红色板与眼睛侧相邻，则可能需要在耦合DOE后面的红色板上定位具有红光带通的二向色性反射器，从而阻止红色全息图像光到达绿色板和/或蓝色板。
根据给定应用的要求，一个或多个二向色性反射器可用于光学组合器1100中各种不同的颜色板上。例如，根据给定显示设计的视场、成像器的特性、以及使用应用环境（例如商业、消费、工业、军事等），特定颜色组合可能更容易因交叉耦合而导致色差。所以，特定颜色板上的二向色反射器的顺序和布置，以及反射器特性的规格可以根据需要变化，从而适应特定应用。
图14示出了分别布置在光学组合器1100的蓝色板1115和绿色板1110上的说明性二向色反射器1200和1300。如图所示，二向色反射器1200和1300分别反射蓝色和绿色全息图像光1130和1135，从而阻止所述光纤到达红色板1105。反射的全息图像光用附图标记1205表示蓝色光，用附图标记1305表示绿色光。蓝色板的二向色反射器1200同时阻挡来自绿板1110的蓝色全息图像光。
图15示出了分别布置在光学组合器1505的红色板1510和绿色板1515的说明性二向色反射器1500和1300。红色板1510与光学组合器的眼睛侧1525相邻，蓝色板1520与光学组合器的真实世界侧1530相邻。二向色反射器1500在构造、组成和操作方面与前文所述相似，但反射器的带通选择用于RGB颜色模型的红色component。
如图所示，二向色反射器1500和1300分别反射红色和绿色全息图像光1140和1135，从而阻止所述光到达蓝色板1520。红色板1510的二向色反射器1500同时阻挡来自绿色板1515的红色全息图像光。
图16示出了布置在光学组合器1100的蓝色板1115上的说明性二向色反射器1600，其中二向色反射器配置有在RGB颜色模型的蓝色光组件上工作的反射带。二向色反射器作为薄膜涂层实现在耦出DOE（未示出）后面的蓝色板的波导之上，并且在构造、组成和操作方面可以类似于具有蓝色反射带的二向色反射器1200。
在一个实施例中，可能需要在为蓝色板提供的波导的部分或全部背面实施具有蓝色反射带的二向色性涂层，从而作为连续薄膜。通过这种方式，一个连续的二向色性涂层位于蓝色板中的耦入DOE和耦出DOE的后面。
在其他实施方式中，耦出DOE后面的二向色性反射器1600可在光学组合器中的给定颜色板上使用不同于耦内DOE后面反射器中使用的component。不同的组成可以使反射器的特性适合于它们的特定任务。
如图所示，蓝色全息图像光1130与蓝色板1115耦合，并在波导中向下传。在波导中，蓝色全息图像光1130与用户的眼睛115同时向光学组合器1100的真实世界侧1125和眼睛侧1120耦合。
由于二向色反射器1600位于显示系统的透明路径上，它将至少部分反射与真实世界图像相关联的真实世界光一部分，以及来自入射到反射器上的环境光。反射的真实世界光减少了透明显示器传输到用户眼睛的真实世界光1630。
对于二向色反射器1600的反射特性及其对现实世界光传输的影响，这通常作为平衡各种竞争因素的设计过程的一部分进行选择和管理。例如，增加二向色反射器对更宽视场角的灵敏度可能会提高光安全性，但会导致更宽的带通。
通过降低二向色反射器1600的反射率则通常会导致全息图像光的前向投影增加。应当理解，可以根据需要实现前向投影全息图像光的光安全性和透明传输之间的特定平衡，以满足特定应用要求。
在图18中，二向色反射器1800实现为一种薄膜涂层，其施加到波导1810的背面1805。波导1810在光学组合器中用作颜色板1815。
在所述示例中，在波导的前侧表面1835布置有耦入DOE 1820、中间耦合DOE 1825和耦出DOE 1830。波导的背面朝向颜色板的真实侧1840，波导的正面朝向眼睛侧1845。因此，从用户眼睛侧的角度来看，二向色反射器可视为在耦入DOE后面。同样，耦入DOE可视为位于二向色反射器前面。
第二离散二向色反射器1850可布置在耦出DOE 1830后面的波导1810。如上文所述，两个二向色反射器可组合成覆盖波导的部分或全部背面1805的单个连续薄涂层。二向色性反射器1800和1850的组成可以针对反射器执行的各自功能单独定制。二向色反射器1800布置成在提供给耦合内DOE的角度范围内，阻止全息图像光到达特定波导处的相邻颜色板。
在一个说明性示例中，波导1810包括薄玻璃基板，并且DOE由塑料材料制成。与其他材料相比，玻璃基板可以提供更高的折射率。
可以直接在波导1810的背面涂覆薄膜涂层，以实现一个或多个二向色反射器1800和1850。这可以有利地确保反射器与DOE对齐，从而提供满足预期设计目标的系统性能。另外，薄膜实现为光合路器和头显设备增加了微不足道的重量和体积。
在图19中，二向色反射器1900直接应用于DOE 1910的背面1905。在图20中，二向色反射器2000实现为一种薄膜涂层，并施加到透明基板2010的背面2005。涂覆有薄膜的基板可布置在波导2020的背面2015，波导2020用作光学组合器中的颜色板2025。耦入DOE 2030、中间DOE 2035和耦出DOE 2040布置在波导的前侧表面2045。如图所示，二向色反射器2000位于耦入DOE的后面，第二二向色反射器2050位于耦出DOE的后面。二向色反射器2000和第二二向色反射器2050在结构、组成和功能可分别类似于图18描述的反射器。
在一个实施例中，透明基板2010可以使用与波导2020类似的玻璃材料制造。基板可以直接布置在波导的背面，或者使用垫片（未示出）或其他合适的配件或结构与波导隔开。
在图21中，透明基板2110背面2105的薄膜涂层实现了布置在DOE 2120背面2115的二向色性反射器2100。在一个实施例中，基板可以直接布置在DOE的背面，或者使用垫片（未示出）或其他合适的配件或结构与DOE隔开，例如当DOE具有双面结构时。如图20所示的说明性布置，利用另一基板组件来实现二向色反射器可为光学组合器的设计和制造提供额外的灵活性。
图22示出了一种布置成实现二向色反射器的示例性薄膜涂层2200。二向色反射器包括两种不同材料的交替层2205和2210，并布置在波导2215的背面。如上所述，薄膜涂层可应用于DOE或透明基板。材料各自具有不同的折射率，并且可以包括例如二氧化硅、二氧化钛和氧化铝。在说明性实施例中，使用例如二氧化硅和二氧化钛交替布置不同材料的层。
可以使用化学和/或物理沉积技术将材料沉积在波导2215的表面，以形成涂层2200。可使用的示例性化学沉积技术包括但不限于化学溶液沉积、化学气相沉积和原子层沉积（ALD）等等。可使用的示例性物理沉积技术包括但不限于物理气相沉积、脉冲激光沉积（PLD）和电流体动力沉积等等。
名为“Dichroic coatings to improve display uniformity and light security in an optical combiner”的微软专利申请最初在2020年11月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
