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一系列的AR/VR廠商都把目光投向了梯度折射率（GRIN）材料

（映維網(wǎng)Nweon?2022年01月19日）為了不犧牲光學(xué)性能，并且最大限度地減小形成光學(xué)系統(tǒng)所需的體積，一系列的AR/VR廠商都把目光投向了梯度折射率（GRIN）材料，亦即折射率可以在一個(gè)或多個(gè)梯度方向產(chǎn)生變化。另外，GRIN材料可以在一定程度上補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)中的色散和像差。

例如，近眼顯示器一般包括產(chǎn)生圖像光的顯示模塊，將光從顯示模塊重定向至視窗的光學(xué)系統(tǒng)，以及成像光學(xué)元件。光學(xué)系統(tǒng)可包括具有耦入器和耦出器的波導(dǎo)。耦入器可接收來(lái)自成像光學(xué)元件的圖像光。耦入器可以是反射或透射耦入棱鏡，并且可以將圖像光耦合到波導(dǎo)中。耦出器可將圖像光耦合出波導(dǎo)管并朝向視窗。成像光學(xué)元件可以包括透鏡元件，例如第一、第二和可選的第三透鏡。第一、第二和可選的第三透鏡可以與耦出器重疊。通過(guò)第一、第二和第三透鏡，用戶可以在視窗看到世界光。

其中，耦入器中的耦入棱鏡、成像光學(xué)元件中的透鏡元件和/或第一、第二和第三透鏡中的一個(gè)或多個(gè)可由GRIN材料形成。GRIN材料可具有軸向GRIN輪廓、徑向GRIN輪廓、球形GRIN輪廓或任意GRIN輪廓。如果需要，GRIN材料可以由具有不同折射率的堆疊納米層形成。

在名為“Optical systems having gradient index optical structures”的專利申請(qǐng)中，蘋果同樣介紹了具有梯度折射率結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)。

通常，耦入棱鏡44的折射率影響著圖像光22如何耦合到波導(dǎo)26。耦入棱鏡44的折射率同時(shí)隨波長(zhǎng)變化。耦入棱鏡44的一個(gè)或多個(gè)表面可以彎曲，以便在耦合到波導(dǎo)26時(shí)向圖像光22提供光學(xué)倍率。

一般來(lái)說(shuō)，用于形成耦入棱鏡44的材料確定耦入棱鏡44的折射率。在一個(gè)場(chǎng)景中，耦入棱鏡44可以使用具有恒定/均勻折射率的均質(zhì)材料形成。然而，以這種方式形成耦入棱鏡44可能會(huì)導(dǎo)致耦入棱鏡44體積過(guò)大。在其他場(chǎng)景中，可以使用具有不同折射率的不同材料，并以兩個(gè)或三個(gè)楔塊的形式形成耦入棱鏡44。然而，以這種方式形成耦入棱鏡44可能有助于補(bǔ)償色散效應(yīng)，但可能依然過(guò)于龐大。

所以，一系列的VR/AR廠商都把目光投向了具有梯度折射率的材料，例如蘋果。

在發(fā)明描述的一個(gè)實(shí)施例中，耦入棱鏡44可由梯度折射率（GRIN）材料形成。在這種情景中，耦入棱鏡44又可稱為梯度折射率（GRIN）耦入棱鏡44。GRIN材料的折射率可在耦入棱鏡44的整個(gè)體積變化。折射率的這種變化在專利描述又稱為折射率梯度4n。折射率梯度4n可以具有相應(yīng)的梯度方向，例如指向從高折射率到低折射率的方向。在一個(gè)示例性布置中，折射率梯度4n的方向平行于圖像光22通過(guò)GRIN耦入棱鏡44的傳播方向。

如果需要，GRIN耦入棱鏡44可以具有一個(gè)或多個(gè)曲面，從而幫助將光能傳遞給圖像光22。使用GRIN材料形成GRIN耦入棱鏡44可配置耦入棱鏡44以執(zhí)行色散補(bǔ)償和/或執(zhí)行光束偏轉(zhuǎn)，從而令圖像光22以令人滿意的光學(xué)性能耦合到波導(dǎo)26中，例如減輕像差和/或色散，以及減小耦入棱鏡的尺寸。

如圖3所示，成像光學(xué)元件34可包括一個(gè)或多個(gè)透鏡元件45。透鏡元件45可包括具有任何所需形狀并以任何所需方式布置的任何所需透鏡元件。在一個(gè)情景中，透鏡元件45可包括透鏡元件的雙倍體。如果需要，成像光學(xué)34中的一個(gè)或多個(gè)透鏡元件45可以由GRIN材料形成。從GRIN材料形成一個(gè)或多個(gè)透鏡元件45可減小成像光學(xué)元件34的體積，而不犧牲相對(duì)于成像光學(xué)元件34不含GRIN材料時(shí)的光學(xué)性能。

例如，成像光學(xué)元件34可以包括雙膠合透鏡元件45，使得成像光學(xué)元件34跨度為長(zhǎng)度47。在一個(gè)用例中，可使用由GRIN材料形成的單透鏡元件45替換雙膠合透鏡元件45。這可以將成像光學(xué)元件34配置為跨越長(zhǎng)度49而不是長(zhǎng)度47，從而減少在光學(xué)系統(tǒng)14B中占據(jù)的體積。

在圖3的示例中，GRIN耦入棱鏡44是透射耦入棱鏡，與成像光學(xué)34位于波導(dǎo)26的同一側(cè)。在另一合適的布置中，GRIN耦入棱鏡44可以是反射耦入棱鏡，位于波導(dǎo)26與成像光學(xué)34相對(duì)的一側(cè)。

如圖4所示，GRIN耦入棱鏡44可位于波導(dǎo)26的表面40之上（使用光學(xué)透明粘合劑）。如果需要，可以存在可選的涂層，例如設(shè)置在表面40上并且（插入）在耦入棱鏡44和波導(dǎo)26之間的介電涂層（為了清楚起見，圖4中未示出）?？蛇x涂層可配置為優(yōu)化進(jìn)入波導(dǎo)的光耦合效率。波導(dǎo)26的表面42朝向成像光學(xué)元件34。來(lái)自成像光學(xué)元件34的圖像光22穿過(guò)表面42和表面40。圖像光通過(guò)GRIN耦入棱鏡44傳播并從反射面60反射出去。

反射表面60可以為無(wú)涂層，或者可以具有反射涂層，以增加從表面60反射的光量。如果需要，表面60可以彎曲。從表面60反射的圖像光22可通過(guò)表面40耦合到波導(dǎo)26中。GRIN耦入棱鏡44可以由具有指向一個(gè)或多個(gè)方向的折射率梯度4n的GRIN材料形成。當(dāng)以這種方式配置時(shí)，GRIN耦入棱鏡44可以以令人滿意的光學(xué)性能將圖像光22耦合到波導(dǎo)26中，同時(shí)補(bǔ)償色散效應(yīng)，并且相對(duì)于使用均勻折射率材料情景最小化耦入棱鏡的體積。

如果需要，GRIN材料可用于在圖4的成像光學(xué)元件34中形成一個(gè)或多個(gè)透鏡元件45，例如將成像光學(xué)元件34的尺寸從長(zhǎng)度47減小至長(zhǎng)度49。

圖5A-5D是示出了GRIN材料如何用于形成具有不同折射率梯度的透鏡元件45和/或耦入棱鏡44。

如圖5A所示，GRIN材料75可具有軸向GRIN輪廓。在這個(gè)配置中，GRIN材料75可具有指向平行于縱向軸74的箭頭72方向的折射率梯度4n。例如，GRIN材料75朝向圖5A左側(cè)的折射率高于朝向圖5A右側(cè)的折射率。軸74的方向（以及由此產(chǎn)生的折射率梯度4n）可以平行于圖像光22的傳播方向。

如圖5B所示，GRIN材料75可具有徑向GRIN輪廓。在這個(gè)配置中，梯度折射率材料75可具有指向箭頭76方向的折射率梯度4n，使得梯度折射率材料75在離軸74較遠(yuǎn)的位置顯示出更高的折射率。箭頭76的方向（以及由此產(chǎn)生的折射率梯度4n）例如可以垂直于圖像光22的傳播方向。

如圖5C所示，GRIN材料75可具有球形GRIN輪廓。在這個(gè)配置中，GRIN材料75可以具有指向箭頭80方向的折射率梯度4n，從點(diǎn)78向外呈球形，使得GRIN材料75在離點(diǎn)78較近的地方顯示出比離點(diǎn)78較遠(yuǎn)的更高的折射率。

如圖5D所示，GRIN材料75可具有任意GRIN輪廓。在這個(gè)配置中，梯度折射率材料75可具有指向箭頭82方向的折射率梯度4n，所述梯度以相對(duì)于軸74的任何期望角度定向，使得梯度折射率材料75顯示出比箭頭82尖端更接近箭頭82尾部的折射率。

如果需要，用于形成GRIN耦入棱鏡44的GRIN材料可以包括具有不同折射率的多個(gè)堆疊納米層。如圖6所示，GRIN耦入棱鏡44可包括一組堆疊的納米層92。納米層92可以具有納米或微米級(jí)的厚度。每個(gè)納米層92可具有各自的厚度和/或折射率。如果需要，兩個(gè)或多個(gè)納米層92可以具有相同的厚度和/或折射率。通過(guò)選擇堆疊中使用的每個(gè)納米層92的厚度和/或折射率，GRIN耦入棱鏡44可以具有任何期望的GRIN輪廓，從而具有指向任何期望方向的一個(gè)或多個(gè)折射率梯度4n，例如圖5A-5D的GRIN輪廓或其他輪廓。

在圖6的示例中，納米層92具有橫向表面，其定向垂直于圖像光22的傳播方向，如箭頭90所示。例如，圖像光22可沿垂直于納米層92橫向表面的箭頭90的方向傳播）

相關(guān)專利：Apple Patent | Optical systems having gradient index optical structures

名為“Optical systems having gradient index optical structures”的蘋果專利申請(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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原文鏈接：https://news.nweon.com/93673