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光學組合器

（映維網(wǎng)Nweon?2022年05月13日）混合現(xiàn)實設備包含一系列的光學元件。為了實現(xiàn)既要看到真實世界，又要看到虛擬數(shù)字信息，混合現(xiàn)實設備需要利用名為光學組合器(optical combiner)的元件，通過“層疊”的形式將虛擬內容和真實場景融為一體。在名為“Waveguide assembly with virtual image focus”的專利申請中，微軟就介紹了一種相關的光學元件?？偟膩碚f，所述光學組合器可用于提供虛擬圖像對焦功能，從而允許系統(tǒng)在不使用外部透鏡的情況下呈現(xiàn)預定焦深范圍內的全息圖像。

專利描述的光學組合器配置用于組合全息和真實世界圖像的混合現(xiàn)實顯示系統(tǒng)中。光學組合器包括一組透明波導，其布置在堆疊中并根據(jù)從全息圖像源接收的顏色分量提供全彩全息圖像。每個波導包括一個耦入DOE（衍射光學元件）、一個中間DOE和一個耦出DOE，而它們都布置在光學組合器中堆疊波導的內表面。每個耦出DOE都包含衍射透鏡功能，從而以設定的深度渲染耦出全息圖像。

光學組合器可以提供出射光瞳擴展器（EPE）功能，并可使用至少一個波導來實現(xiàn)。圖3是EPE 305的視圖。EPE 305使用單獨的左右顯示器，每個顯示器都有自己的成像儀和成像光學器件。EPE中的每個顯示器接收來自成像器105的一個或多個輸入光束，并將其作為全息圖像光的入射光瞳，以產(chǎn)生一個或多個輸出光束。

DOE可以以各種配置布置在波導之上，例如在相同側或不同側，并且可以是單面或雙面。如圖3所示，來自EPE 305的示例性輸出光束350與從成像器105輸出到DOE 340的示例性輸入光束355平行。在一個實施例中，輸入光束被準直，所以輸出光束同樣被準直。通常，在基于波導的組合器中，需要在準直場上形成輸入光瞳，否則每個波導出射光瞳將在稍微不同的距離產(chǎn)生圖像。

圖9示出凹透鏡905可以發(fā)散從耦出DOE接收的準直/平行光線950（例如圖3所示的光束350）。如圖所示，從凹透鏡到達用戶眼睛115的光線是非平行和發(fā)散的。

如圖10所示，一對透鏡可利用波導顯示器在設定深度提供虛擬圖像聚焦。盡管透鏡1005和1020可以令人滿意地實現(xiàn)設定深度的虛擬圖像聚焦，但在其他應用中，實現(xiàn)和利用替代虛擬圖像聚焦方法可能有所幫助。

圖11示出了在其上布置耦出DOE 1105的示例性波導1100。耦出DOE特別適于將非準直發(fā)散光束1110輸出到用戶的眼睛115，從而在不使用外部透鏡的情況下呈現(xiàn)預定焦深范圍內的全息圖像。除了提供虛擬圖像聚焦之外，耦出DOE 1105同時配置為包括出瞳擴展功能，如前文所述。

耦出DOE 1105包含負透鏡功能，例如具有-0.5屈光度的透光率，并為位于用戶前方2米的渲染全息圖像提供焦平面?？梢岳貌煌瑪?shù)量的透光率來提供位于其他距離的焦平面，以滿足特定應用的要求。

如圖12A所示，遠距離對象1205將具有波前1210，每個波前都具有特定的曲率半徑。如圖12B所示，當對象位于無窮遠處時，每個球面波前1215具有無限的曲率半徑。如圖12C所示，對于近處對象1225，每個球面波前1220的曲率半徑減小。因此，通過操縱耦出DOE中光柵的配置以影響衍射場波前的球面形狀，系統(tǒng)可以預期為DOE提供足夠的負透光率，以消除對外部透鏡的要求。

在圖19中，可以調制光柵特征以在2m處提供虛擬圖像聚焦。在圖20中，可以調整光柵特征以在0.5 m處提供虛擬圖像聚焦。圖19和20僅作為說明。

圖21示出了三個波導的說明性組件側視圖。三個波導具有集成的DOE，其堆疊以形成光學組合器125。其中，波導2105、2110，和2115分別處理RGB（紅、綠、藍）顏色模型中與給定輸入角度范圍內的不同顏色。在典型實施中，紅色波長范圍為600 nm至650 nm，綠色波長范圍為500 nm至550 nm，藍色波長范圍為430 nm至480 nm。

堆疊波導2105、2110和2115及其相應的集成DO可統(tǒng)稱為波導組件2100，并起到光合路器的作用。波導2105、2110和2115可由透明玻璃或塑料基板或其組合構成。

如圖所示，每個DOE布置在光學組合器2100的相應波導2105、2110和2115之上。換句話說，每個DOE至少部分地位于波導間空間2150內。這種構造確保DOE光柵結構中的任何一個都不位于光學組合器各自眼睛和真實世界側的外部平面2135和2140。因此，波導的外平面可在頭顯處理和操作期間保護DOE，同時在組合器中提供其通常的光學功能。

圖22顯示全息圖像光通過光學組合器2100的說明性傳播。對于虛擬視場內的給定角度范圍，由每個顏色分量2205、2210和2215的光使用各自的耦入DOE耦合到各自的波導2115、2110和2105中。

用于每個波導2105、2110和2115的耦入DOE 2120配置成在FOV描述的角度范圍內和特定波長范圍內將光耦合到波導中。波長范圍之外的光通過波導。因此，藍色全息圖像光穿過紅色和綠色波導，到達藍色波導2115中的耦入DOE，在波導內以TIR傳播，在中間DOE（未顯示）中以水平方向擴展，傳播到耦出DOE，并在垂直方向擴展。

圖23是用于提供具有虛擬圖像焦點的波導組件流程圖2300。在步驟2305中，使用模板從平面光學基板上切割多個波導坯料，以使每個波導坯料具有共同的形狀。在步驟2310中，在多個切割波導坯料中的每一個布置耦入DOE、中間DOE和耦出DOE，以形成各自的多個光瞳擴展器。耦入DOE配置成耦合對應于全息圖像的一個或多個光束，并作為對相應光瞳擴展器的輸入。中間DOE配置用于在第一方向對一個或多個光束進行光瞳擴展。耦出DOE配置用于一個或多個光束在第二方向的光瞳擴展，并且進一步配置為將一個或多個具有預定焦深的光束耦出。

在步驟2315中，使用多個出光瞳擴展器的堆棧提供光學組合器，其中堆棧中的多個光瞳擴展器對應于顏色模型中使用的多個顏色。

相關專利：Microsoft Patent | Waveguide assembly with virtual image focus

名為“Waveguide assembly with virtual image focus”的微軟專利申請最初在2020年11月提交，并在日前由美國專利商標局公布。

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