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光瞳擴(kuò)展

（映維網(wǎng)?2021年11月11日）美國(guó)專利商標(biāo)局日前了一份與蘋果未來(lái)智能眼鏡和/或頭顯相關(guān)的專利申請(qǐng)。具體而言，文件描述了一種光瞳擴(kuò)展功能，并旨在增加投影在提供高質(zhì)量AR應(yīng)用圖像的光學(xué)透鏡之上的圖像視場(chǎng)。

這項(xiàng)蘋果頭戴設(shè)備相關(guān)專利名為“Ducted pupil expansion”。它通常與光學(xué)反射組件有關(guān)，更具體地說(shuō)是與光學(xué)反射組件內(nèi)的光束擴(kuò)展有關(guān)。

蘋果在專利申請(qǐng)中指出，一個(gè)或多個(gè)全息光學(xué)元件可用于光學(xué)頭顯設(shè)備的波導(dǎo)管中。頭顯設(shè)備是具有反射投影圖像能力，并且可以方便用戶體驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的可穿戴裝置。

頭顯通常包括投射虛擬圖像的近眼光學(xué)系統(tǒng)。在過(guò)去，頭顯的技術(shù)局限性減損了用戶體驗(yàn)，包括圖像質(zhì)量下降，以及重量和尺寸增加。

過(guò)去的實(shí)現(xiàn)包括用以反射、折射或衍射光線的傳統(tǒng)光學(xué)元件。然而，相關(guān)設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致笨重的設(shè)備。另外，傳統(tǒng)的反射鏡和光柵結(jié)構(gòu)存在固有的局限性。例如，傳統(tǒng)的反射鏡可能具有必須與表面法向一致的反射軸，應(yīng)用次優(yōu)的反射鏡方向，或反射鏡阻礙反射輸出等等。

蘋果的發(fā)明涉及一種或多種擴(kuò)展從入射光瞳到出射光瞳的光束的優(yōu)化方法、系統(tǒng)或裝置。所述方法可在光學(xué)設(shè)備或系統(tǒng)中應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)光瞳擴(kuò)展器或光瞳擴(kuò)展技術(shù)，從而增加投影圖像的視場(chǎng)。

下面的專利圖1是實(shí)現(xiàn)專利描述技術(shù)的頭顯設(shè)備說(shuō)明。頭顯設(shè)備100可以包括眼鏡或頭帶，其中近眼顯示器105可以固定于用戶眼睛前方。

在下面，蘋果描述了用于擴(kuò)展光瞳的管狀結(jié)構(gòu)。

在一個(gè)實(shí)施例中，裝置或系統(tǒng)可包括具有第一波導(dǎo)表面和平行于第一波導(dǎo)表面的第二波導(dǎo)表面的波導(dǎo)；操作地耦合到波導(dǎo)的第一光耦合裝置；設(shè)置在第一波導(dǎo)表面和第二波導(dǎo)表面之間的第二光耦合裝置。

第一光耦合裝置可以包括第一管狀結(jié)構(gòu)和第二管狀結(jié)構(gòu)。第一和第二管狀結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)可以定向?yàn)樵隈詈瞎庵蟹瓷洌⑶野ㄆ叫杏诘谝黄矫鎱^(qū)域的第一平面區(qū)域和第二平面區(qū)域以及平行于第一表面的第一表面和第二表面。第一和第二表面可以與第一和第二平面區(qū)域正交。第二光耦合裝置可定位為接收來(lái)自第一光耦合裝置的耦合光中的反射光。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一管狀結(jié)構(gòu)和第二管狀結(jié)構(gòu)可定向?yàn)閷⑷肷涞较鄳?yīng)第一平面區(qū)域上的耦合光的光線反射為具有相對(duì)于相應(yīng)管狀結(jié)構(gòu)傳播方向的第一軸的第一反射角，相對(duì)于傳播方向橫向尺寸第二軸的第二反射角。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一光耦合裝置的第一管狀結(jié)構(gòu)或第二管狀結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括布置在各自的第一或第二管狀結(jié)構(gòu)的第一平面區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)反射涂層元件。附加地或可選地，第一光耦合裝置的第一管狀結(jié)構(gòu)或第二管狀結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括布置在各自的第一或第二管狀結(jié)構(gòu)的第二平面區(qū)域處的一個(gè)或多個(gè)反射涂層元件。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)反射涂層元件中的至少一個(gè)可配置為維持入射到相應(yīng)的第一或第二平面區(qū)域上的光的部分光反射率。

在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)反射涂層元件中的至少一個(gè)可配置為在入射光的至少一個(gè)入射角下維持與入射光對(duì)應(yīng)的反射率的空間均勻性，入射光的波長(zhǎng)，或入射光的偏振。

在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)反射涂層元件中的至少一個(gè)可配置為至少部分基于入射光的入射角在空間上改變對(duì)應(yīng)于入射光的反射率。

在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)反射涂層元件中的每一個(gè)可包括金屬涂層元件、介電涂層元件或聚合物膜中的至少一個(gè)。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一光耦合裝置可進(jìn)一步包括光輸入部件。在一個(gè)示例中，第一和第二管狀結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)可以從光輸入部件的縱軸角度偏移。

在一個(gè)實(shí)施例中，光輸入組件可包括斜邊組件、耦合棱鏡或棱鏡底座中的至少一個(gè)。

在一個(gè)實(shí)施例中，第二光耦合裝置可進(jìn)一步包括體三維全息光耦合裝置，其構(gòu)造為將入射光的至少一部分反射為反射光，入射光具有在全內(nèi)反射（TIR）范圍內(nèi)的第一入射角和第二入射角（相對(duì)于與第一軸不同的第二軸）。在一個(gè)示例中，反射光可具有TIR范圍內(nèi)的第一反射角和相對(duì)于第二軸的第二反射角。第二反射角可以不同于第二入射角。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一光耦合裝置的第一管狀結(jié)構(gòu)或第二管狀結(jié)構(gòu)同時(shí)可以包括與第一和第二平面區(qū)域，以及相應(yīng)的第一或第二管狀結(jié)構(gòu)的第一和第二表面相鄰的第一端。在一個(gè)示例中，第一光耦合裝置的第一管狀結(jié)構(gòu)或第二管狀結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括與第一和第二平面區(qū)域，以及相應(yīng)第一或第二管狀結(jié)構(gòu)第一和第二表面相鄰的第二端。在一個(gè)示例中，第二端可以從第一端偏移空間長(zhǎng)度，其中所述空間長(zhǎng)度基本上等于傳播方向上相應(yīng)的第一或第二管狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。在一個(gè)示例中，第一端或第二端中的至少一個(gè)包括端部反射涂層元件。在一個(gè)示例中，末端反射涂層元件包括吸收涂層元件或全反射涂層元件。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一管狀結(jié)構(gòu)可定向?yàn)樵趯?duì)應(yīng)于第一范圍的垂直場(chǎng)角的耦合光中反射，第二管狀結(jié)構(gòu)可定向?yàn)樵趯?duì)應(yīng)于第二范圍的垂直場(chǎng)角的耦合光中反射，所述第二垂直場(chǎng)角范圍包括至少一些不同于所述第一垂直場(chǎng)角范圍的垂直場(chǎng)角的垂直場(chǎng)角。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一光耦合裝置的第一管狀結(jié)構(gòu)或第二管狀結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)可進(jìn)一步包括布置在各自的第一或第二管狀結(jié)構(gòu)的第一平面區(qū)域處的全反射涂層元件。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一光耦合裝置的所述第一管狀結(jié)構(gòu)或所述第二管狀結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)還可包括布置在所述各自的第一或第二管狀結(jié)構(gòu)的第一表面處的部分反射涂層元件。在一個(gè)示例中，相應(yīng)導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的第一表面可以是粘附到波導(dǎo)的第一波導(dǎo)表面的表面。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一光耦合裝置可進(jìn)一步包括介質(zhì)層塊。在一個(gè)示例中，介質(zhì)層塊可包括吸收涂層元件或部分反射涂層元件。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一管狀結(jié)構(gòu)的第一平面區(qū)域可與第二管狀結(jié)構(gòu)的第一平面區(qū)域正交對(duì)齊。

在一個(gè)實(shí)施例，第一管狀結(jié)構(gòu)可包括第一斜面平面區(qū)域，第二管狀結(jié)構(gòu)可包括第二斜面平面區(qū)域。在一個(gè)示例中，第一管狀結(jié)構(gòu)的第一斜面平面區(qū)域可平行于第二管狀結(jié)構(gòu)的第二斜面平面區(qū)域定向。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一管狀結(jié)構(gòu)和第二管狀結(jié)構(gòu)可使用光學(xué)粘合元件連接至基準(zhǔn)平面。

在一個(gè)實(shí)施例中，第二光耦合裝置可包括第一陰影投射元件和第二陰影投射元件。在一個(gè)示例中，第一陰影投射元件和第二陰影投射元件可位于部分反射涂層元件處。在另一個(gè)示例中，第一陰影投射元件可位于第一波導(dǎo)表面，而第二陰影投射元件可位于第二波導(dǎo)表面。

在一個(gè)實(shí)施例中，第二光耦合裝置可包括第一反射軸，其定向在平行于第一波導(dǎo)表面的平面上。

在一個(gè)實(shí)施例中，第二光耦合裝置可包括光柵介質(zhì)和光柵介質(zhì)內(nèi)的第一光柵結(jié)構(gòu)。在一個(gè)示例中，第一光柵結(jié)構(gòu)可配置為在包括第一入射角的第一入射角范圍內(nèi)反射入射光的至少一部分。在一個(gè)示例中，第一光柵結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步配置為在包括第一入射角的第一入射角范圍內(nèi)，并圍繞第一反射軸從光柵介質(zhì)的表面法線偏移的波長(zhǎng)反射光，其中，第一入射角范圍的每個(gè)入射角大于第二入射角。

在一個(gè)示例中，波長(zhǎng)可包括可見(jiàn)紅光波長(zhǎng)、可見(jiàn)藍(lán)光波長(zhǎng)或可見(jiàn)綠光波長(zhǎng)之一。在一個(gè)示例中，第一光柵結(jié)構(gòu)可包括至少三個(gè)體三維全息圖，至少三個(gè)體三維全息圖的每個(gè)體三維全息圖對(duì)應(yīng)于第一入射角范圍內(nèi)的唯一入射角。

在一個(gè)示例中，第二光耦合裝置可進(jìn)一步包括光柵介質(zhì)內(nèi)的第二光柵結(jié)構(gòu)，第二光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)造成以不同于第一入射角的另一入射角反射入射光的至少一部分。在一個(gè)示例中，第二光柵結(jié)構(gòu)的另一反射軸可具有與第一反射軸的反射軸角度相差0.25度或更小的反射軸角度。

在一個(gè)示例中，第二光耦合裝置包括厚度至少為70.mu.m的光柵介質(zhì)，并且光柵介質(zhì)包括多個(gè)體三維全息圖，其構(gòu)造為在TIR范圍內(nèi)針對(duì)至少一定的入射角對(duì)入射光進(jìn)行布拉格匹配。

通過(guò)上面描述的管狀結(jié)構(gòu)，蘋果構(gòu)思的裝置可以實(shí)現(xiàn)光瞳擴(kuò)展。

相關(guān)專利：Apple Patent | Ducted pupil expansion

名為“Ducted pupil expansion”的蘋果專利申請(qǐng)最初在2021年6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/91452