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減少彩虹偽影

（映維網(wǎng)?2022年01月07日）大多數(shù)用戶和眼鏡廠商都渴望一種形狀與太陽(yáng)眼鏡類似的AR眼鏡。盡管這聽(tīng)起來(lái)十分簡(jiǎn)單，但一個(gè)問(wèn)題始終困擾著研究人員：雜散光。

AR眼鏡的敞開(kāi)程度越高，越多來(lái)至多余方向和光源的光線就能夠進(jìn)入系統(tǒng)。由于衍射結(jié)構(gòu)，AR眼鏡搭載的眼動(dòng)追蹤組合器可能會(huì)衍射來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光，從而在透視視圖中產(chǎn)生彩虹偽影，尤其是當(dāng)用戶從特定角度查看明亮光源時(shí)。這種偽影可能會(huì)降低透明視圖的圖像質(zhì)量。

日前，美國(guó)專利商標(biāo)局公布了一份來(lái)自Facebook的專利申請(qǐng)，其主要描述了一種減少彩虹偽影的光學(xué)系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，名為“Optical device having reduced diffraction artifacts for eye-tracking”主要介紹一種能夠抑制彩虹偽影的光柵構(gòu)造。

在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)裝置可以包括光柵。光柵可以包括至少一個(gè)基板和耦合到至少一個(gè)基板的光柵結(jié)構(gòu)。光柵結(jié)構(gòu)可配置成衍射紅外光束并發(fā)射衍射效率小于預(yù)定閾值）的可見(jiàn)光束。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵可包括偏振體全息（PVH）膜。在一個(gè)實(shí)施例中，PVH膜可配置為具有低于或等于預(yù)定數(shù)目的均勻雙折射。在一個(gè)實(shí)施例中，PVH膜可配置為沿PVH膜的厚度方向具有雙折射梯度。在一個(gè)實(shí)施例中，PVH膜可由具有光交聯(lián)介晶側(cè)基的液晶聚合物制造。沿PVH膜厚度方向的雙折射梯度可通過(guò)改變液晶聚合物膜不同部分的曝光能量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在一個(gè)實(shí)施例中，專利描述的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可以包括上述光學(xué)裝置。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可包括配置為發(fā)射光以照亮用戶眼睛的光源。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可以包括朝向眼睛布置的光柵，并且包括至少一個(gè)基板和耦合到至少一個(gè)基板的光柵結(jié)構(gòu)。光柵結(jié)構(gòu)可配置成衍射紅外光并透射衍射效率小于預(yù)定閾值的可見(jiàn)光。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可包括光學(xué)傳感器，其配置為接收衍射紅外光，并基于衍射紅外光生成眼睛的圖像。

圖1A是一個(gè)近眼顯示器（NED）100，圖1B是NED 100的橫截面150。如圖1A所示，NED 100可以包括框架102、安裝到框架102的右眼和左眼顯示系統(tǒng)104、以及眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)（圖1A中未示出）。右眼和左眼顯示系統(tǒng)104中的每一個(gè)可以包括圖像顯示組件，其配置為將計(jì)算機(jī)生成的虛擬圖像投影到用戶視場(chǎng)中的右和左顯示窗口106中。

在一個(gè)實(shí)施例中，NED 100可以作為AR或MR設(shè)備。其中，從用戶的角度來(lái)看，右側(cè)和左側(cè)顯示窗口106可以是完全或部分透明，以向用戶提供周圍真實(shí)世界環(huán)境的視圖。在一個(gè)實(shí)施例中，NED 100可以用作VR設(shè)備。其中，右顯示窗口106和左顯示窗口106可以是不透明。在一個(gè)實(shí)施例中，NED 100可包括調(diào)光元件，其可動(dòng)態(tài)調(diào)整通過(guò)右顯示窗口106和左顯示窗口106瀏覽的真實(shí)世界對(duì)象透射率，從而在VR設(shè)備和AR設(shè)備之間或VR設(shè)備和MR設(shè)備之間切換。在一個(gè)實(shí)施例中，隨著AR/MR設(shè)備和VR設(shè)備之間的切換，調(diào)光元件可用于AR設(shè)備中以減輕真實(shí)和虛擬對(duì)象的亮度差異。

如圖1B所示，眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可以是配置成通過(guò)利用用戶眼睛發(fā)射或反射的光來(lái)提供眼動(dòng)追蹤信息的光學(xué)系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可包括光源115，其配置為發(fā)射光以照亮用戶的一只或兩只眼睛120。光源115可以位于用戶視線之外和眼睛120下方。

在一個(gè)實(shí)施例中，光源115發(fā)射的光可以包括窄光譜或相對(duì)寬的光譜，并且光的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)可以在紅外（IR）光譜中。在一個(gè)實(shí)施例中，光源115可發(fā)射近紅外（NIR）波段（約750 nm至1250 nm）中的光。在一個(gè)實(shí)施例中，NIR光譜光有所裨益，因?yàn)镹TR光譜光對(duì)人眼不可見(jiàn)，所以在操作期間不會(huì)分散佩戴NED的用戶的注意力。紅外光可以由眼睛120的瞳孔區(qū)域、用戶的整個(gè)眼睛120、靠近用戶眼睛120的區(qū)域或包括眼睛120和眼睛120附近的區(qū)域反射。

眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可包括光柵125，光柵125配置為將眼睛120反射的光引導(dǎo)至光學(xué)傳感器130。光學(xué)傳感器130可以相對(duì)于光柵125布置，從而接收由光柵125引導(dǎo)的光并生成用于眼動(dòng)追蹤的信號(hào)。例如，可以基于眼睛跟蹤信號(hào)生成眼睛120的圖像。光學(xué)傳感器130可以對(duì)波長(zhǎng)在包括紅外光譜的光譜內(nèi)的光敏感。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)傳感器130可對(duì)紅外光敏感，但對(duì)可見(jiàn)光不敏感。

光柵125可以配置成使眼睛120反射的紅外光131（以下稱為反射光）向光學(xué)傳感器130衍射。反射的紅外光131可以以各種入射角入射到光柵125上，例如0度、30度、45度、60度、70度等，然后在滿足布拉格條件時(shí)由光柵125衍射為衍射紅外光132。光學(xué)傳感器130可定位為接收衍射紅外光132，并基于衍射紅外光132生成眼睛120的圖像。光柵125同時(shí)可以被配置為從真實(shí)世界向眼睛120發(fā)射可見(jiàn)光160，使得用戶的眼睛120可以看到虛擬對(duì)象與真實(shí)世界對(duì)象的視圖光學(xué)組合，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明AR或MR設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵125稱為眼動(dòng)追蹤組合器，其一方面使眼睛120反射的紅外光131向光學(xué)傳感器130衍射，另一方面疊加真實(shí)世界的直接視圖和計(jì)算機(jī)生成圖像。

如背景中所述，由于衍射結(jié)構(gòu)，眼動(dòng)追蹤組合器可能會(huì)衍射來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光，從而在透視視圖中產(chǎn)生彩虹偽影。有鑒于此，Meta提出了一種專門的光柵，其可以配置成在滿足布拉格條件時(shí)衍射從眼睛120反射的紅外光131，并以可忽略的衍射發(fā)射來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光160。光柵對(duì)可見(jiàn)光160的衍射效率可以小于預(yù)定閾值，例如0.5%、0.1%、0.05%或0.01%。因此，由眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)中的衍射結(jié)構(gòu)引起的彩虹偽影能夠顯著降低。

圖2示出了眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)200。如圖2所示，眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)200可以包括光源115、光學(xué)傳感器130和光柵220。光源115和光學(xué)傳感器130的細(xì)節(jié)可以參考圖1B的描述。光柵220可配置成在滿足布拉格條件時(shí)衍射從眼睛120反射的紅外光225，并以低于預(yù)定閾值的衍射效率發(fā)射來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光250。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.5%。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.1%。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.05%。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.01%。在一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光250可以基本上正常地入射到光柵220。在一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光250可以以各種入射角入射到光柵220上。

如圖2所示，光柵220可包括至少一個(gè)基板205和形成在至少一個(gè)基板205上的多個(gè)光柵結(jié)構(gòu)210?；?05可向光柵結(jié)構(gòu)210提供支撐和保護(hù)。光柵結(jié)構(gòu)210可布置在頂部基板205和底部基板205之間。在一個(gè)實(shí)施例中，基板205可包括由適當(dāng)材料制成的透鏡或光波導(dǎo)?；?05可為剛性或柔性。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵結(jié)構(gòu)210可以形成在基板205的表面上或結(jié)合到羈絆205的表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵結(jié)構(gòu)210可直接接觸至少一個(gè)基板205的表面。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵結(jié)構(gòu)210可通過(guò)間隔材料與基板205隔開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以在基板205和光柵結(jié)構(gòu)210之間布置附加層，例如保護(hù)層和/或緩沖層。

光柵結(jié)構(gòu)210可以是任何合適的光柵結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵結(jié)構(gòu)210可以是偏振體全息（PVH）膜的形式，例如反射三維（3D）體PVH膜。光柵結(jié)構(gòu)210稱為PVH膜，或PVH光柵、偏振敏感光柵、偏振敏感光學(xué)元件或手性液晶（LC）元件。PVH膜210可以是雙折射材料膜，其包括多個(gè)雙折射材料分子，例如液晶（LC）分子和/或作為具有與LCs類似光學(xué)性質(zhì)的可聚合分子的反應(yīng)性介素。雙折射材料分子可以空間定向以實(shí)現(xiàn)PVH膜210的光學(xué)功能。

PVH膜210可配置為通過(guò)布拉格衍射對(duì)入射光進(jìn)行衍射。PVH膜可分為左手性PVH膜和右手性PVH膜。例如，左手性PVH膜可衍射手性圓偏振光（LCP）并傳輸右手性圓偏振光（RCP），而右手性PVH膜可衍射RCP光并傳輸LCP光。在一個(gè)實(shí)施例中，取決于PVH膜中雙折射分子的排列，PVH膜可進(jìn)一步會(huì)聚或發(fā)散入射光。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)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光柵）。對(duì)于反射PVH膜，入射光束和衍射光束可能位于PVH膜的同一側(cè)。對(duì)于透射PVH膜，入射光束和衍射光束可位于PVH膜的相對(duì)側(cè)。應(yīng)注意的是，PVH薄膜可能具有衍射光的透射級(jí)和反射級(jí)。在反射PVH膜中，與反射級(jí)相比，可期望顯著抑制透射級(jí)的衍射效率，而在透射PVH膜中，與透射級(jí)相比，可期望顯著抑制反射級(jí)的衍射效率。

在所描述的實(shí)施例中，PVH膜210可配置成在滿足布拉格條件時(shí)衍射從光源115發(fā)射并由眼睛120反射的紅外光225。PVH膜210同時(shí)可以配置為以可忽略的衍射（例如，衍射效率低于預(yù)定閾值）從真實(shí)世界發(fā)射可見(jiàn)光250。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.5%。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.1%。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.05%。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定閾值可為約0.01%。

出于討論目的，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反射的紅外光225可以是非偏振光。未偏振紅外光225的RCP部分可被PVH膜210偏轉(zhuǎn)為朝向底部基板205的RCP光230，且未偏振紅外光225的LCP部分可通過(guò)PVH膜210透射為朝向頂部基板205的LCP光235。RCP光230可在底部基板205的外表面處折射為光240，并由光學(xué)傳感器130接收。可以基于接收到的光240生成眼動(dòng)追蹤信號(hào)。

在一個(gè)實(shí)施例中，為了使PVH膜210能夠在滿足布拉格條件時(shí)衍射從眼睛120反射的紅外光225，并在可忽略衍射的情況下透射來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光250，PVH膜210可以配置為具有小于或等于預(yù)定值的雙折射。

在一個(gè)實(shí)施例中，為了使PVH膜210能夠在滿足布拉格條件時(shí)衍射從眼睛120反射的紅外光225，并在可忽略衍射的情況下透射來(lái)自真實(shí)世界的可見(jiàn)光250，PVH膜210可配置有梯度雙折射或沿PVH膜210的厚度方向的雙折射梯度。

圖3B示出了PVH膜300的歸一化膜高度和PVH雙折射之間的關(guān)系。在一個(gè)實(shí)施例中，PVH膜可由具有4-(4-methoxycinnamoyloxy) biphenyl (MCB)側(cè)基的聚甲基丙烯酸酯制備，并描述為M1膜。用偏振激光照射M1薄膜（或M1薄膜）可由于軸選擇性光交聯(lián)反應(yīng)而誘導(dǎo)光學(xué)各向異性，并且隨后的退火可增強(qiáng)光誘導(dǎo)光學(xué)各向異性。M1膜的光致光學(xué)各向異性（或光致雙折射）可以是曝光能量的函數(shù)。

圖4示出了根據(jù)本論述實(shí)施例的M1膜的曝光能量依賴性延遲。M1膜可通過(guò)在基底上分配（例如旋涂）M1和溶劑的混合物以形成旋涂膜，在旋涂膜上輻照線偏振激光以誘導(dǎo)光學(xué)各向異性來(lái)制備，以及對(duì)輻照薄膜進(jìn)行熱處理（例如退火）以增強(qiáng)光致光學(xué)各向異性。

如圖4所示，水平軸和垂直軸表示曝光時(shí)間t（單位：秒）和每微米的延遲。M1膜的延遲可能與光致雙折射有關(guān)。在給定的曝光強(qiáng)度下，M1膜接收的曝光能量可能與曝光時(shí)間成比例。在給定的曝光時(shí)間下，M1膜接收的曝光能量可與曝光強(qiáng)度成比例。

如顯示M1膜曝光能量依賴性延遲的曲線400所示，在曝光持續(xù)約4秒之前，M1膜不會(huì)表現(xiàn)出明顯的延遲。換句話說(shuō)，在曝光的前4秒，光學(xué)各向異性不會(huì)感應(yīng)到M1膜。當(dāng)曝光時(shí)間從4秒逐漸增加到8秒時(shí)，M1膜表現(xiàn)出基本恒定的延遲，每微米p d約0.013延遲。即，M1膜的光致光學(xué)各向異性（或光致雙折射δn.sub.p）隨著曝光時(shí)間從t=4 s到t=8 s基本恒定。當(dāng)曝光持續(xù)進(jìn)行時(shí)，M1膜的每微米p d延遲在t=12 s時(shí)線性增加至約0.016的峰值，然后在t=15 s時(shí)以相對(duì)較快的速度線性降低至約0.011，在t=24 s時(shí)以相對(duì)較慢的速度線性降低至約0.005。

圖5示出了M1膜的干涉曝光500，以獲得在厚度方向上具有雙折射梯度的3D體積PVH膜。如圖5所示，M1和溶劑的混合物（例如，氯仿（CHCl3））可分配（例如旋涂）在基板510上以形成M1膜505。兩個(gè)偏振光515可以以一定角度對(duì)準(zhǔn)。暴露的M1膜可在高溫下進(jìn)行熱處理（例如退火）。在一個(gè)實(shí)施例中，可重復(fù)上述過(guò)程，直到獲得具有足夠厚度的PVH膜。

由兩個(gè)偏振光515產(chǎn)生的干涉圖案可以具有沿M1膜505的厚度方向的強(qiáng)度梯度，例如，圖5中的z軸。在一個(gè)實(shí)施例中，隨著M1膜505內(nèi)兩個(gè)偏振光束515的光束傳播，光束強(qiáng)度可能由于光束衰減（例如吸收、反射和/或散射等）而逐漸降低。因此，當(dāng)兩個(gè)偏振光515在M1膜505內(nèi)傳播時(shí)，由偏振光515產(chǎn)生的干涉圖案的強(qiáng)度可以逐漸減小。

圖7A-7B和圖8A-8B說(shuō)明了在可見(jiàn)光譜上模擬了四種反射PVH薄膜在正常入射非偏振光下的波長(zhǎng)相關(guān)衍射效率。四個(gè)PVH膜包括第一個(gè)PVH膜，其為具有0.15的均勻雙折射的PVH膜；第二個(gè)PVH膜，其為具有0.1的均勻雙折射的PVH膜；第三個(gè)PVH膜，其為具有0.07的均勻雙折射的PVH膜；以及第四個(gè)PVH膜，其為具有0.15的雙折射梯度的PVH膜。

根據(jù)圖7A-7B和圖8A-8B，與在整個(gè)膜上具有均勻雙折射的三個(gè)PVH膜相比，在厚度方向上具有雙折射梯度的PVH膜能夠顯著降低衍射效率。換句話說(shuō)，通過(guò)配置在厚度方向上具有雙折射梯度的PVH膜，可以顯著減小由PVH膜中的衍射結(jié)構(gòu)引起的彩虹偽影。

相關(guān)專利：Facebook Patent | Optical device having reduced diffraction artifacts for eye-tracking

名為“Optical device having reduced diffraction artifacts for eye-tracking”的Meta專利申請(qǐng)最初在2021年9月提交，并在日前由美國(guó)專利商標(biāo)局公布。

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