Meta AR眼鏡專利探索束成形光學結構

　　諸如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)和LED等照明器可以用作頭顯的光源，并用于對對象進行成像。其中，這需要對從照明器發(fā)射的光束進行光束成形。

　　在名為“Beam shaping optical structures”的專利申請中，Meta就介紹了一種光束成形光學結構。

　　圖1A示出了包括透鏡的頭顯100。每個透鏡121包括波導160，以將顯示器130產生的圖像光引導到視窗區(qū)域。透鏡121B包括VCSEL陣列，并作為以5×5陣列布置的紅外光源150。

　　VCSEL 150可以是近紅外光源，配置為將其發(fā)射的近紅外光沿眼鏡方向引導到頭顯100的視窗區(qū)域。VCSEL 150可以發(fā)射例如波長為850nm或940nm的近紅外光。非常小的金屬跡線或透明導電層(例如氧化銦錫)可以穿過透鏡121B，以便于選擇性地照射每個VCSEL 150。透鏡121A可以與所示的透鏡121B類似地配置。

　　可見光可以定義為具有大約380nm-700nm的波長范圍。不可見光可以定義為具有可見光范圍之外的波長的光。近紅外光可以定義為具有大約700nm-1.4μm的波長范圍。

　　圖1B示出了VCSEL的占地面積。在一個實施例中，每個VCSEL 150具有“x”維度小于200微米且“y”維度小于100微米的面積;或“x”維度小于100微米且“y”維度小于200微米的面積;或“x”維度小于75微米且“y”維度小于65微米的占地面積。

　　圖2示出了一個近眼光學系統(tǒng)200，其包括照明視窗區(qū)域的VCSEL陣列250的側視圖。在所示實施例中，VCSEL陣列250包括VCSEL 250A、250B、250C、250D和250E。VCSEL 250C用近紅外光束261照射眼睛202。VCSEL 250A、250B、250D和250E同樣可以用近紅外光束(未示出)照射眼睛202。

　　VCSEL 250C發(fā)射的近紅外光沿著光路271傳播，并作為沿著光路272傳播的反射近紅外光反射離開眼睛202。沿著光路272傳播的反射近紅外光穿過容納VCSEL 250的透明基板并遇到光學組合器230。組合器230沿著光路273將近紅外光引導到攝像頭210。

　　圖5示出了包括棱鏡533的場內照明系統(tǒng)500。其中，棱鏡533具有致使紅外VCSEL的光束傾斜和擴展的小平面。系統(tǒng)500可以包括在近眼光學系統(tǒng)中。紅外VCSEL 550A和550B設置在VCSEL“板”510上。其中，所述板可以包括用于打開和關閉VCSEL的跡線。

　　通過使用棱鏡533，可以實現(xiàn)大范圍的傾斜角度，以及光束擴展/聚焦。另外，可以使用全內反射(TIR)原理可以減少或消除對特殊光學涂層的需要。或者，金屬或電介質材料的反射涂層可以與棱鏡結合使用。

　　在圖5中，紅外光源550A通過其發(fā)射孔徑發(fā)射紅外光束561A，而紅外光源550B通過其發(fā)射孔發(fā)射紅外光束563B。設置在紅外光源的發(fā)射孔徑上方的光學結構(例如棱鏡533)可以包括第一小面和第二小面，第一小面配置為傾斜和/或成形紅外光束561。

　　在圖5中，視窗區(qū)域可以由眼睛502周圍的尺寸591和592限定。在一個實施例中，尺寸591約為30mm，尺寸592約為20mm。在圖5的示例性圖示中，紅外光束561A至少部分地與紅外光束561B重疊。

　　光學結構533可以利用圖6-圖12中所描述的任何光學結構/棱鏡的設計。

　　圖6示出了專利描述的棱鏡結構633。在圖6中，當角度足夠陡以滿足TIR條件時，VCSEL 650的紅外發(fā)射光束661將被具有半徑R1的曲率的面A反射。所述角度可以由尺寸D1和高度H1的比率限定。曲率(所示實施例中的半徑R1)決定反射光束的發(fā)散/會聚。

　　凹面A可產生發(fā)散光束，而凸面A(未示出)可產生會聚光束。半徑R2的曲率和小面B的角度(由尺寸D3和高度H2定義)決定光束是發(fā)散還是會聚。凹面B可以產生發(fā)散光束，而凸面B可以產生會聚光束(未示出)。

　　圖7和圖8示出棱鏡結構733/833，其中小面B包括限定小面B的表面的一個以上的曲率半徑。這可以提高發(fā)射的近紅外光束861的均勻性。在圖8中，小面B包括具有尺寸D6的半徑R2、具有尺寸D7的半徑R3和具有尺寸D8的半徑R4。

　　圖9示出了可以利用TIR來傾斜和擴展從VCSEL發(fā)射的近紅外光束的示例棱鏡結構933�？蛇x地，反射層923(例如金屬或多層電介質)可以設置在面a上以實現(xiàn)光束961的反射。在一個實施例中，棱鏡結構933的面A可以是基本平坦的表面，而棱鏡結構933的面B可以是基本平坦的表面。

　　圖10示出了利用TIR來傾斜和擴展從VCSEL 650發(fā)射的近紅外光束1061的示例棱鏡結構1033。棱鏡結構1033的面A具有曲率半徑R1，而棱鏡結構1032的面B可以是基本平坦的表面。

　　圖11示出了示例棱鏡結構1133，其不利用TIR，而是依賴于面A相對于VCSEL 650的發(fā)射角的角度以及材料601和空氣(或第二材料)的折射率之間的差，以傾斜和成形(例如擴展)VCSEL的近紅外光束1161。

　　圖12示出了不利用TIR的另一示例棱鏡結構1233。棱鏡結構1233利用小面A的曲率(其可以是球面、非球面或自由曲面)和小面B的曲率來傾斜和成形(例如擴展)VCSEL 650的近紅外光束1261。

　　名為“Beam shaping optical structures”的Meta專利申請最初在2022年10月提交，并在日前由美國專利商標局公布。