Meta AR眼镜专利探索束成形光学结构

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光束成形光学结构

（映维网Nweon 2023年03月01日）诸如垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和LED等照明器可以用作头显的光源，并用于对对象进行成像。其中，这需要对从照明器发射的光束进行光束成形。

在名为“Beam shaping optical structures”的专利申请中，Meta就介绍了一种光束成形光学结构。

图1A示出了包括透镜的头显100。每个透镜121包括波导160，以将显示器130产生的图像光引导到视窗区域。透镜121B包括VCSEL阵列，并作为以5×5阵列布置的红外光源150。

VCSEL 150可以是近红外光源，配置为将其发射的近红外光沿眼镜方向引导到头显100的视窗区域。VCSEL 150可以发射例如波长为850nm或940nm的近红外光。非常小的金属迹线或透明导电层（例如氧化铟锡）可以穿过透镜121B，以便于选择性地照射每个VCSEL 150。透镜121A可以与所示的透镜121B类似地配置。

可见光可以定义为具有大约380nm-700nm的波长范围。不可见光可以定义为具有可见光范围之外的波长的光。近红外光可以定义为具有大约700nm-1.4μm的波长范围。

图1B示出了VCSEL的占地面积。在一个实施例中，每个VCSEL 150具有“x”维度小于200微米且“y”维度小于100微米的面积；或“x”维度小于100微米且“y”维度小于200微米的面积；或“x”维度小于75微米且“y”维度小于65微米的占地面积。

图2示出了一个近眼光学系统200，其包括照明视窗区域的VCSEL阵列250的侧视图。在所示实施例中，VCSEL阵列250包括VCSEL 250A、250B、250C、250D和250E。VCSEL 250C用近红外光束261照射眼睛202。VCSEL 250A、250B、250D和250E同样可以用近红外光束（未示出）照射眼睛202。

VCSEL 250C发射的近红外光沿着光路271传播，并作为沿着光路272传播的反射近红外光反射离开眼睛202。沿着光路272传播的反射近红外光穿过容纳VCSEL 250的透明基板并遇到光学组合器230。组合器230沿着光路273将近红外光引导到摄像头210。

图5示出了包括棱镜533的场内照明系统500。其中，棱镜533具有致使红外VCSEL的光束倾斜和扩展的小平面。系统500可以包括在近眼光学系统中。红外VCSEL 550A和550B设置在VCSEL“板”510上。其中，所述板可以包括用于打开和关闭VCSEL的迹线。

通过使用棱镜533，可以实现大范围的倾斜角度，以及光束扩展/聚焦。另外，可以使用全内反射（TIR）原理可以减少或消除对特殊光学涂层的需要。或者，金属或电介质材料的反射涂层可以与棱镜结合使用。

在图5中，红外光源550A通过其发射孔径发射红外光束561A，而红外光源550B通过其发射孔发射红外光束563B。设置在红外光源的发射孔径上方的光学结构（例如棱镜533）可以包括第一小面和第二小面，第一小面配置为倾斜和/或成形红外光束561。

在图5中，视窗区域可以由眼睛502周围的尺寸591和592限定。在一个实施例中，尺寸591约为30mm，尺寸592约为20mm。在图5的示例性图示中，红外光束561A至少部分地与红外光束561B重叠。

光学结构533可以利用图6-图12中所描述的任何光学结构/棱镜的设计。

图6示出了专利描述的棱镜结构633。在图6中，当角度足够陡以满足TIR条件时，VCSEL 650的红外发射光束661将被具有半径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（所示实施例中的半径R1）决定反射光束的发散/会聚。

凹面A可产生发散光束，而凸面A（未示出）可产生会聚光束。半径R2的曲率和小面B的角度（由尺寸D3和高度H2定义）决定光束是发散还是会聚。凹面B可以产生发散光束，而凸面B可以产生会聚光束（未示出）。

图7和图8示出棱镜结构733/833，其中小面B包括限定小面B的表面的一个以上的曲率半径。这可以提高发射的近红外光束861的均匀性。在图8中，小面B包括具有尺寸D6的半径R2、具有尺寸D7的半径R3和具有尺寸D8的半径R4。

图9示出了可以利用TIR来倾斜和扩展从VCSEL发射的近红外光束的示例棱镜结构933。可选地，反射层923（例如金属或多层电介质）可以设置在面a上以实现光束961的反射。在一个实施例中，棱镜结构933的面A可以是基本平坦的表面，而棱镜结构933的面B可以是基本平坦的表面。

图10示出了利用TIR来倾斜和扩展从VCSEL 650发射的近红外光束1061的示例棱镜结构1033。棱镜结构1033的面A具有曲率半径R1，而棱镜结构1032的面B可以是基本平坦的表面。

图11示出了示例棱镜结构1133，其不利用TIR，而是依赖于面A相对于VCSEL 650的发射角的角度以及材料601和空气（或第二材料）的折射率之间的差，以倾斜和成形（例如扩展）VCSEL的近红外光束1161。

图12示出了不利用TIR的另一示例棱镜结构1233。棱镜结构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的曲率来倾斜和成形（例如扩展）VCSEL 650的近红外光束1261。

相关专利：

Meta Patent | Beam shaping optical structures

https://patent.nweon.com/27015

名为“Beam shaping optical structures”的Meta专利申请最初在2022年10月提交，并在日前由美国专利商标局公布。