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二向色性涂層

（映維網(wǎng)Nweon?2022年05月23日）對(duì)于AR頭顯，顏色交叉耦合火串?dāng)_會(huì)降低圖像均勻性，造成相差，從而影響用戶體驗(yàn)。一個(gè)現(xiàn)有解決方案可以包括放置偏振和/或帶通濾波器。然而，DOE光柵的偏振靈敏度可能較低，所以僅能在部分區(qū)域部分緩解顏色交叉耦合。

另外，顯示屏中可能會(huì)出現(xiàn)重影圖像，并且可以降低整體MTF。至于帶通濾波器，它會(huì)導(dǎo)致散射并降低顯示對(duì)比度。同時(shí)，偏振和帶通濾波器的典型實(shí)施方案可能由于需要額外的結(jié)構(gòu)組件，從而增加光學(xué)組合器的尺寸和重量。

在名為“Dichroic coatings to improve display uniformity and light security in an optical combiner”的專利申請(qǐng)中，微軟就提出用二向色性涂層作為替代方案，從而提升顯示一致性和光安全性。

圖12顯示了根據(jù)發(fā)明原理布置的二向色反射器1200示例。二向色反射器包括一層薄膜涂層，所述薄膜涂層布置在耦入DOE后面。薄膜涂層是反射涂層，配置為圍繞RGB顏色空間的藍(lán)光component反射預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。

由于具有二向色性，反射器1200反射指定反射帶內(nèi)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，同時(shí)在目標(biāo)角度范圍內(nèi)透射反射帶外不同指定波長(zhǎng)范圍的光。預(yù)定反射范圍稱為“反射帶”，預(yù)定的傳輸范圍則稱為“透射帶”。通常，在二向色反射器反射帶的兩側(cè)，在400至650 nm的可見光譜中有兩個(gè)透射帶。

二向色反射器的帶通和透射特性可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以在與顯示器視場(chǎng)相關(guān)的角度范圍內(nèi)保持一致，從而阻止來自成像器105的藍(lán)光到達(dá)光學(xué)組合器1100中的綠色板和紅色板。反射帶中的二向色反射器1200中實(shí)現(xiàn)的反射度和帶通寬度可以根據(jù)實(shí)現(xiàn)而變化。

如圖所示，來自成像器105的藍(lán)色全息圖像光1130與藍(lán)色板1115耦合，并在波導(dǎo)中向下傳播。在波導(dǎo)中，其向光學(xué)組合器1100的真實(shí)世界側(cè)1125和眼睛側(cè)1120向用戶的眼睛115耦出。

如附圖標(biāo)記1205所示，未耦合的藍(lán)色全息圖像光被反射回眼睛側(cè)，以阻止藍(lán)色光在綠色板1110和紅色板1105耦合，從而減少藍(lán)色全息圖像光與其他顏色component的交叉耦合。

圖13示出了布置在光學(xué)組合器1100的綠色板1110的說明性二向色反射器1300。二向色反射器在構(gòu)造、組成和操作上與圖12中所示的用于藍(lán)色板的反射器1200相似。然而，對(duì)于RGB顏色模型的綠色光component選擇帶通。

如圖所示，來自成像器105的綠色全息圖像光1135與綠色板相耦合，并在波導(dǎo)中向下傳播。在波導(dǎo)中，綠色全息圖像光1135向光學(xué)組合器1100的真實(shí)世界側(cè)1125和眼睛側(cè)1120耦出用戶的眼睛115。如附圖標(biāo)記1305所示，未耦合的綠色全息圖像光被反射回眼睛側(cè)，以阻止綠色光在紅色板1105耦合，從而減少綠色全息圖像光的交叉耦合。

在光學(xué)組合器1100的說明性示例中，紅色板1105與真實(shí)世界側(cè)相鄰。在光學(xué)組合器的替代配置中，可以使用與本示例中使用的不同的顏色板順序。例如，如果紅色板與眼睛側(cè)相鄰，則可能需要在耦合DOE后面的紅色板上定位具有紅光帶通的二向色性反射器，從而阻止紅色全息圖像光到達(dá)綠色板和/或藍(lán)色板。

根據(jù)給定應(yīng)用的要求，一個(gè)或多個(gè)二向色性反射器可用于光學(xué)組合器1100中各種不同的顏色板上。例如，根據(jù)給定顯示設(shè)計(jì)的視場(chǎng)、成像器的特性、以及使用應(yīng)用環(huán)境（例如商業(yè)、消費(fèi)、工業(yè)、軍事等），特定顏色組合可能更容易因交叉耦合而導(dǎo)致色差。所以，特定顏色板上的二向色反射器的順序和布置，以及反射器特性的規(guī)格可以根據(jù)需要變化，從而適應(yīng)特定應(yīng)用。

圖14示出了分別布置在光學(xué)組合器1100的藍(lán)色板1115和綠色板1110上的說明性二向色反射器1200和1300。如圖所示，二向色反射器1200和1300分別反射藍(lán)色和綠色全息圖像光1130和1135，從而阻止所述光纖到達(dá)紅色板1105。反射的全息圖像光用附圖標(biāo)記1205表示藍(lán)色光，用附圖標(biāo)記1305表示綠色光。藍(lán)色板的二向色反射器1200同時(shí)阻擋來自綠板1110的藍(lán)色全息圖像光。

圖15示出了分別布置在光學(xué)組合器1505的紅色板1510和綠色板1515的說明性二向色反射器1500和1300。紅色板1510與光學(xué)組合器的眼睛側(cè)1525相鄰，藍(lán)色板1520與光學(xué)組合器的真實(shí)世界側(cè)1530相鄰。二向色反射器1500在構(gòu)造、組成和操作方面與前文所述相似，但反射器的帶通選擇用于RGB顏色模型的紅色component。

如圖所示，二向色反射器1500和1300分別反射紅色和綠色全息圖像光1140和1135，從而阻止所述光到達(dá)藍(lán)色板1520。紅色板1510的二向色反射器1500同時(shí)阻擋來自綠色板1515的紅色全息圖像光。

圖16示出了布置在光學(xué)組合器1100的藍(lán)色板1115上的說明性二向色反射器1600，其中二向色反射器配置有在RGB顏色模型的藍(lán)色光組件上工作的反射帶。二向色反射器作為薄膜涂層實(shí)現(xiàn)在耦出DOE（未示出）后面的藍(lán)色板的波導(dǎo)之上，并且在構(gòu)造、組成和操作方面可以類似于具有藍(lán)色反射帶的二向色反射器1200。

在一個(gè)實(shí)施例中，可能需要在為藍(lán)色板提供的波導(dǎo)的部分或全部背面實(shí)施具有藍(lán)色反射帶的二向色性涂層，從而作為連續(xù)薄膜。通過這種方式，一個(gè)連續(xù)的二向色性涂層位于藍(lán)色板中的耦入DOE和耦出DOE的后面。

在其他實(shí)施方式中，耦出DOE后面的二向色性反射器1600可在光學(xué)組合器中的給定顏色板上使用不同于耦內(nèi)DOE后面反射器中使用的component。不同的組成可以使反射器的特性適合于它們的特定任務(wù)。

如圖所示，藍(lán)色全息圖像光1130與藍(lán)色板1115耦合，并在波導(dǎo)中向下傳。在波導(dǎo)中，藍(lán)色全息圖像光1130與用戶的眼睛115同時(shí)向光學(xué)組合器1100的真實(shí)世界側(cè)1125和眼睛側(cè)1120耦合。

由于二向色反射器1600位于顯示系統(tǒng)的透明路徑上，它將至少部分反射與真實(shí)世界圖像相關(guān)聯(lián)的真實(shí)世界光一部分，以及來自入射到反射器上的環(huán)境光。反射的真實(shí)世界光減少了透明顯示器傳輸?shù)接脩粞劬Φ恼鎸?shí)世界光1630。

對(duì)于二向色反射器1600的反射特性及其對(duì)現(xiàn)實(shí)世界光傳輸?shù)挠绊?，這通常作為平衡各種競(jìng)爭(zhēng)因素的設(shè)計(jì)過程的一部分進(jìn)行選擇和管理。例如，增加二向色反射器對(duì)更寬視場(chǎng)角的靈敏度可能會(huì)提高光安全性，但會(huì)導(dǎo)致更寬的帶通。

通過降低二向色反射器1600的反射率則通常會(huì)導(dǎo)致全息圖像光的前向投影增加。應(yīng)當(dāng)理解，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)前向投影全息圖像光的光安全性和透明傳輸之間的特定平衡，以滿足特定應(yīng)用要求。

在圖18中，二向色反射器1800實(shí)現(xiàn)為一種薄膜涂層，其施加到波導(dǎo)1810的背面1805。波導(dǎo)1810在光學(xué)組合器中用作顏色板1815。

在所述示例中，在波導(dǎo)的前側(cè)表面1835布置有耦入DOE 1820、中間耦合DOE 1825和耦出DOE 1830。波導(dǎo)的背面朝向顏色板的真實(shí)側(cè)1840，波導(dǎo)的正面朝向眼睛側(cè)1845。因此，從用戶眼睛側(cè)的角度來看，二向色反射器可視為在耦入DOE后面。同樣，耦入DOE可視為位于二向色反射器前面。

第二離散二向色反射器1850可布置在耦出DOE 1830后面的波導(dǎo)1810。如上文所述，兩個(gè)二向色反射器可組合成覆蓋波導(dǎo)的部分或全部背面1805的單個(gè)連續(xù)薄涂層。二向色性反射器1800和1850的組成可以針對(duì)反射器執(zhí)行的各自功能單獨(dú)定制。二向色反射器1800布置成在提供給耦合內(nèi)DOE的角度范圍內(nèi)，阻止全息圖像光到達(dá)特定波導(dǎo)處的相鄰顏色板。

在一個(gè)說明性示例中，波導(dǎo)1810包括薄玻璃基板，并且DOE由塑料材料制成。與其他材料相比，玻璃基板可以提供更高的折射率。

可以直接在波導(dǎo)1810的背面涂覆薄膜涂層，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)二向色反射器1800和1850。這可以有利地確保反射器與DOE對(duì)齊，從而提供滿足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)的系統(tǒng)性能。另外，薄膜實(shí)現(xiàn)為光合路器和頭顯設(shè)備增加了微不足道的重量和體積。

在圖19中，二向色反射器1900直接應(yīng)用于DOE 1910的背面1905。在圖20中，二向色反射器2000實(shí)現(xiàn)為一種薄膜涂層，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導(dǎo)2020的背面2015，波導(dǎo)2020用作光學(xué)組合器中的顏色板2025。耦入DOE 2030、中間DOE 2035和耦出DOE 2040布置在波導(dǎo)的前側(cè)表面2045。如圖所示，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在結(jié)構(gòu)、組成和功能可分別類似于圖18描述的反射器。

在一個(gè)實(shí)施例中，透明基板2010可以使用與波導(dǎo)2020類似的玻璃材料制造?；蹇梢灾苯硬贾迷诓▽?dǎo)的背面，或者使用墊片（未示出）或其他合適的配件或結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)隔開。

在圖21中，透明基板2110背面2105的薄膜涂層實(shí)現(xiàn)了布置在DOE 2120背面2115的二向色性反射器2100。在一個(gè)實(shí)施例中，基板可以直接布置在DOE的背面，或者使用墊片（未示出）或其他合適的配件或結(jié)構(gòu)與DOE隔開，例如當(dāng)DOE具有雙面結(jié)構(gòu)時(shí)。如圖20所示的說明性布置，利用另一基板組件來實(shí)現(xiàn)二向色反射器可為光學(xué)組合器的設(shè)計(jì)和制造提供額外的靈活性。

圖22示出了一種布置成實(shí)現(xiàn)二向色反射器的示例性薄膜涂層2200。二向色反射器包括兩種不同材料的交替層2205和2210，并布置在波導(dǎo)2215的背面。如上所述，薄膜涂層可應(yīng)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、二氧化鈦和氧化鋁。在說明性實(shí)施例中，使用例如二氧化硅和二氧化鈦交替布置不同材料的層。

可以使用化學(xué)和/或物理沉積技術(shù)將材料沉積在波導(dǎo)2215的表面，以形成涂層2200。可使用的示例性化學(xué)沉積技術(shù)包括但不限于化學(xué)溶液沉積、化學(xué)氣相沉積和原子層沉積（ALD）等等。可使用的示例性物理沉積技術(shù)包括但不限于物理氣相沉積、脈沖激光沉積（PLD）和電流體動(dòng)力沉積等等。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | Dichroic coatings to improve display uniformity and light security in an optical combiner

名為“Dichroic coatings to improve display uniformity and light security in an optical combiner”的微軟專利申請(qǐng)最初在2020年11月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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