微软AR专利用衍射光栅元件减轻不同波长光交叉耦合负面影响
用衍射光栅元件来减轻不同波长光交叉耦合的负面影响
（映维网Nweon 2022年12月15日）在设计包含波导的显示设备时，有时需要使用对应于不同波段光的多个波导。例如，显示设备可以使用三个或更多个不同波导的组合将图像光引向用户眼睛，一个用于红色波长，一个用于蓝色波长，一个用于绿色波长。
然而，在引导光的时候经常会发生交叉耦合，其中不同波长波段光进入同一波导并传播。这会对显示给用户眼睛的任何图像产生负面影响，比方说清晰度减损、颜色均匀性问题和/或其他非期望伪影。
在名为“Waveguide display assembly”的专利申请中，微软介绍了一种针对所述问题的波导显示组件设计，用衍射光栅元件来减轻相关的负面影响。
概括来说，专利描述的波导显示组件包括沿波导设置的附加衍射光栅元件。衍射光栅元件配置为减轻不同波长光交叉耦合到波导中的负面影响。衍射光栅元件可以选择性地将一个或多个波长带的光线衍射出波导，同时允许一个或更多个其他波长带的光线在波导内继续传播。以这种方式，预期波长带的光可以向内耦合到波导中，并朝耦出元件传播，从而导向用户眼睛。
当然，微软表示任何非预期波长带的光线依然可能在一定程度出现交叉耦合，但大部分都可能会被衍射光栅元件衍射离开。以这种方式，所述设计可以帮助提供更清晰和更准确的图像。
图2示出了波导显示组件。波导显示器组件正在将光引导到用户眼睛200。
波导显示组件包括与光源206通信耦合的图像控制器204。图像控制器204配置为控制光源的活动。例如，基于来自图像控制器204的指令，光源206可以向形成虚拟图像的波导发射光。
光源206可以包括一个或多个发光二极管（LED）或激光器。在一个实施例中，光源206可以包括用于对光源发射的光进行空间调制以使光形成虚拟图像的适当组件。光源206可以配置为以一个固定角度或者以任意角度范围输出光。例如，光源可以包括可操纵的微镜和/或用于控制发射光角度的其他合适元件。
光源可以包括用于聚焦或以其他方式修改光源发射的光的透光率的任何合适元件，例如，光源可以包括一个或多个合适的透镜或动态元件。
波导显示组件同时包括波导208。光源206向波导208发射光210，波导208用于引导光并便于用户眼睛200浏览。具体地，波导208包括耦入光栅，后者配置为将光源206发射的光耦合到波导中。一旦耦合，光可通过全内反射传播通过波导，如图2中波导208内光的重复反射所示。应理解，光可在波导内以任何合适的反射角传播。
在一个实施例中，波导208可以具有不同于图2中所示的平坦矩形形状的几何形状。例如，波导可以具有楔形或弯曲楔形的形状。通常，波导208可以具有任何合适的形状、尺寸和几何形状。另外，专利描述的波导可以由任何合适的材料构造，例如，可以使用合适的介电玻璃或塑料。
在与波导208内耦合之后，光210R经由一系列内反射传播，直到到达耦出光栅214，后者配置为将来自波导的光向外耦出并朝向用户眼睛200
在一个实施例中，耦入光栅可以是至少部分波长选择性。例如，光210可以具体地包括第一波长带的光，而不包括其他波长的可见光。耦入光栅可以配置为选择性地耦合第一波长带的光（例如蓝光），同时拒绝第一波长带之外的光（例如红光和/或绿光）。
在一个实施例中，波导显示组件可以包括具有附加耦合光栅的附加波导，附加耦合光栅配置为耦合其他波长带的光。例如，波导显示组件可以包括三个不同的波导，每个波导分别用于蓝光、红光和绿光。
然而，内入光栅可能没有耦合预期波段的所有光，并且类似地可能没有排斥预期波段之外的所有光。例如，在耦入光栅212配置为耦合蓝光波长的光线时，一定量的蓝光不会耦合到波导中。类似地，一定量的红光和/或绿光可以耦入到波导208中，并最终到达用户眼睛。这可能会对由发射光形成的虚拟图像产生负面影响。
针对这个问题，微软提出波导显示组件可以包括额外的衍射光栅。图3示出了波导显示组件的另一视图，包括图2中未示出的附加组件。
在图3中，光源206发射两个不同波段的光，包括第一波段的光210和第二波段的光300。例如，第一波长带可以对应于蓝光，而第二波长带对应于绿光。
如图所示，光210和光300都入射到波导208的耦入光栅212。耦入光栅210配置为选择性地耦合第一波长带的光（例如光210），同时拒绝第一波长带之外的光（例如光300）。在图3中，一定量的光210耦合到波导中，并作为光210R开始通过全内反射传播。
然而，一定量的光210也穿过耦合内光栅而没有耦合到波导中。类似地，一定量的光300最终耦合到波导208中，并作为光300R通过全内反射传播。如上所述，所形成的图像的清晰度和/或准确性可能受到影响。
所以，波导显示组件可以包括沿着耦入光栅和耦出光栅之间的光路设置的一个或多个衍射光栅。在图3中，所述光栅包括衍射光栅302A-302F，其沿着光路303设置在耦入光栅和耦出光栅之间。
一个或多个衍射光栅配置为将第一波长带外的光衍射出波导并远离用户眼睛。在图3中，每个衍射光栅302将一定量的光300R作为废光300W引导出波导，而基本上所有的光210R继续通过波导208朝耦出光栅传播。
可以理解，微软承认一定量的光210R可以被衍射光栅302衍射出波导，并且不是所有的光300R都可以被衍射格栅302衍射出。但这种方式可以在一定程度减轻不同波长光交叉耦合的负面影响
回到图3的示例中，对于由衍射光栅302A-302F衍射出波导的光（可称为“废光”），其以与朝向用户眼睛的光210的相反方向行进。应当理解，衍射光栅可以沿任何合适的方向将光衍射出波导。因此，废光300W不需要在图3所示的特定向上方向衍射出波导，而是可以以任何合适的角度衍射出波导。
在一个实施例中，第一波长带之外的光（例如废光）可以衍射出波导并朝向废光区域。废光区域可以例如包括光学吸收材料以吸收第一波长带之外的光，从而减轻废光对用户眼睛的任何潜在可见性。废光可以直接从波导衍射到废光区域。可选地，可以通过波导显示组件的一个或多个合适的光学元件将废光转向废光区域。可以使用任何合适的光学吸收性材料，例如合适的塑料、橡胶或涂层/涂漆金属。
例如，在图3中，第一波长带之外的光（例如，废光300W）被衍射出波导208并进入废光收集波导304。从那里，废光收集导管将光300W引导到废光区域306，包括光学吸收材料308，通过内耦合光栅212内耦合到波导208中的光300中的至少一些可以最终被光学吸收材料308吸收，而不是与光210一起向外耦合到用户眼睛200。
图4示出了波导显示组件的另一示意图，图4包括了图3没有示出的部件。如图4所示，光源向波导208发射第一波段的光210和第二波段的光300，以及第三波段的光400。例如，光210可以对应于蓝光，而光300对应于绿光，光400对应于红光。
光210、300和400中的每一个入射到波导208的耦入光栅212，并且每个波长带的一定量耦合到波导中，导致光210R、300R和400R通过波导传播。如上所述，波导208包括一个或多个衍射光栅，其配置为衍射来自波导的第一波长带之外的光。因此，一定量的光300作为废光300W衍射出波导，而一定量的光线400作为废光400W衍射离开波导。大部分光210继续通过波导208传播，直到最终作为光210T向外耦出到用户眼睛。
到目前为止，本文主要集中于光通过波导208的传播。但如上所述，波导显示器组件可以包括多个不同的波导，用于将不同波段的光引向用户眼睛。
例如在图4中，波导208是第一波导，并且波导显示组件包括第二波导402，第二波导包括配置为选择性地耦合第二波长带的光300的第二耦入光栅404。波导显示组件106同时包括第三波导410，第三波导包括配置为选择性地耦合第三波长带的光400的第三耦入光栅412。
第一波导，第二波导和第三波导都可以以上文描述的方式传播预期波长带的光，并拒绝非预期波长带的光。
在图4的示例中，第一波导208、第二波导402和第三波导410布置成堆叠，使得第一、第二和第三耦入光栅212、404和412彼此对准并且与光源206对准。
为了进一步减轻不同波长光交叉耦合的负面影响，波导显示组件同时可以包括设置在第一波导和第二波导之间的第一颜色特定滤波器，和/或设置在第二波导和第三波导之间的第二颜色特定滤波器。其中，波导显示组件106包括位于波导208和波导402之间的第一颜色特定滤波器416，第二颜色特定滤波器418位于波导402和波导410之间。
每个颜色特定滤光器可以配置为选择性地滤光一个或多个波长的光，同时使其他波长的光通过。例如，第一颜色特定滤光器416可以滤光第一波长带的光210，同时使第二波长带的光线300和第三波长带的光源400通过。
另外，为了进一步减轻不同波长光交叉耦合的负面影响，可以进一步使用光偏振来减轻不同波长带的光到同一波导中的交叉耦合。例如，第一耦入光栅212可以配置为接收具有第一偏振方向（例如垂直）的光，同时拒绝具有与第一偏振方向正交的第二偏振方向（如水平）的至少一定量光。在所述示例中，光源可以以垂直偏振方向发射第一波长带（例如蓝光）和第三波长带（如红光）的光，而以水平偏振方向发射第二波长带的光。以这种方式，尽管第一和第三波长带的光可以具有用于耦合到第一波导中的正确偏振方向，但可以基本上拒绝第二波长带的光线。
名为“Waveguide display assembly”的微软专利申请最初在2021年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
