苹果专利探索光瞳扩展功能 增加AR投影图像视场

　　美国专利商标局日前了一份与苹果未来智能眼镜和/或头显相关的专利申请。具体而言，文件描述了一种光瞳扩展功能，并旨在增加投影在提供高质量AR应用图像的光学透镜之上的图像视场。

　　这项苹果头戴设备相关专利名为“Ducted pupil expansion”。它通常与光学反射组件有关，更具体地说是与光学反射组件内的光束扩展有关。

　　苹果在专利申请中指出，一个或多个全息光学元件可用于光学头显设备的波导管中。头显设备是具有反射投影图像能力，并且可以方便用户体验增强现实的可穿戴装置。

　　头显通常包括投射虚拟图像的近眼光学系统。在过去，头显的技术局限性减损了用户体验，包括图像质量下降，以及重量和尺寸增加。

　　过去的实现包括用以反射、折射或衍射光线的传统光学元件。然而，相关设计往往导致笨重的设备。另外，传统的反射镜和光栅结构存在固有的局限性。例如，传统的反射镜可能具有必须与表面法向一致的反射轴，应用次优的反射镜方向，或反射镜阻碍反射输出等等。

　　苹果的发明涉及一种或多种扩展从入射光瞳到出射光瞳的光束的优化方法、系统或装置。所述方法可在光学设备或系统中应用一个或多个光瞳扩展器或光瞳扩展技术，从而增加投影图像的视场。

　　下面的专利图1是实现专利描述技术的头显设备说明。头显设备100可以包括眼镜或头带，其中近眼显示器105可以固定于用户眼睛前方。

　　在下面，苹果描述了用于扩展光瞳的管状结构。

　　在一个实施例中，装置或系统可包括具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面的波导;操作地耦合到波导的第一光耦合装置;设置在第一波导表面和第二波导表面之间的第二光耦合装置。

　　第一光耦合装置可以包括第一管状结构和第二管状结构。第一和第二管状结构中的每一个可以定向为在耦合光中反射，并且包括平行于第一平面区域的第一平面区域和第二平面区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与第一和第二平面区域正交。第二光耦合装置可定位为接收来自第一光耦合装置的耦合光中的反射光。

　　在一个实施例中，第一管状结构和第二管状结构可定向为将入射到相应第一平面区域上的耦合光的光线反射为具有相对于相应管状结构传播方向的第一轴的第一反射角，相对于传播方向横向尺寸第二轴的第二反射角。

　　在一个实施例中，第一光耦合装置的第一管状结构或第二管状结构可进一步包括布置在各自的第一或第二管状结构的第一平面区域的一个或多个反射涂层元件。附加地或可选地，第一光耦合装置的第一管状结构或第二管状结构可进一步包括布置在各自的第一或第二管状结构的第二平面区域处的一个或多个反射涂层元件。

　　在一个实施例中，所述一个或多个反射涂层元件中的至少一个可配置为维持入射到相应的第一或第二平面区域上的光的部分光反射率。

　　在一个实施例中，一个或多个反射涂层元件中的至少一个可配置为在入射光的至少一个入射角下维持与入射光对应的反射率的空间均匀性，入射光的波长，或入射光的偏振。

　　在一个实施例中，一个或多个反射涂层元件中的至少一个可配置为至少部分基于入射光的入射角在空间上改变对应于入射光的反射率。

　　在一个实施例中，一个或多个反射涂层元件中的每一个可包括金属涂层元件、介电涂层元件或聚合物膜中的至少一个。

　　在一个实施例中，第一光耦合装置可进一步包括光输入部件。在一个示例中，第一和第二管状结构中的每一个可以从光输入部件的纵轴角度偏移。

　　在一个实施例中，光输入组件可包括斜边组件、耦合棱镜或棱镜底座中的至少一个。

　　在一个实施例中，第二光耦合装置可进一步包括体三维全息光耦合装置，其构造为将入射光的至少一部分反射为反射光，入射光具有在全内反射(TIR)范围内的第一入射角和第二入射角(相对于与第一轴不同的第二轴)。在一个示例中，反射光可具有TIR范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角。第二反射角可以不同于第二入射角。

　　在一个实施例中，第一光耦合装置的第一管状结构或第二管状结构同时可以包括与第一和第二平面区域，以及相应的第一或第二管状结构的第一和第二表面相邻的第一端。在一个示例中，第一光耦合装置的第一管状结构或第二管状结构可进一步包括与第一和第二平面区域，以及相应第一或第二管状结构第一和第二表面相邻的第二端。在一个示例中，第二端可以从第一端偏移空间长度，其中所述空间长度基本上等于传播方向上相应的第一或第二管状结构的长度。在一个示例中，第一端或第二端中的至少一个包括端部反射涂层元件。在一个示例中，末端反射涂层元件包括吸收涂层元件或全反射涂层元件。

　　在一个实施例中，第一管状结构可定向为在对应于第一范围的垂直场角的耦合光中反射，第二管状结构可定向为在对应于第二范围的垂直场角的耦合光中反射，所述第二垂直场角范围包括至少一些不同于所述第一垂直场角范围的垂直场角的垂直场角。

　　在一个实施例中，第一光耦合装置的第一管状结构或第二管状结构中的至少一个可进一步包括布置在各自的第一或第二管状结构的第一平面区域处的全反射涂层元件。

　　在一个实施例中，所述第一光耦合装置的所述第一管状结构或所述第二管状结构中的至少一个还可包括布置在所述各自的第一或第二管状结构的第一表面处的部分反射涂层元件。在一个示例中，相应导管结构的第一表面可以是粘附到波导的第一波导表面的表面。

　　在一个实施例中，第一光耦合装置可进一步包括介质层块。在一个示例中，介质层块可包括吸收涂层元件或部分反射涂层元件。

　　在一个实施例中，第一管状结构的第一平面区域可与第二管状结构的第一平面区域正交对齐。

　　在一个实施例，第一管状结构可包括第一斜面平面区域，第二管状结构可包括第二斜面平面区域。在一个示例中，第一管状结构的第一斜面平面区域可平行于第二管状结构的第二斜面平面区域定向。

　　在一个实施例中，第一管状结构和第二管状结构可使用光学粘合元件连接至基准平面。

　　在一个实施例中，第二光耦合装置可包括第一阴影投射元件和第二阴影投射元件。在一个示例中，第一阴影投射元件和第二阴影投射元件可位于部分反射涂层元件处。在另一个示例中，第一阴影投射元件可位于第一波导表面，而第二阴影投射元件可位于第二波导表面。

　　在一个实施例中，第二光耦合装置可包括第一反射轴，其定向在平行于第一波导表面的平面上。

　　在一个实施例中，第二光耦合装置可包括光栅介质和光栅介质内的第一光栅结构。在一个示例中，第一光栅结构可配置为在包括第一入射角的第一入射角范围内反射入射光的至少一部分。在一个示例中，第一光栅结构可进一步配置为在包括第一入射角的第一入射角范围内，并围绕第一反射轴从光栅介质的表面法线偏移的波长反射光，其中，第一入射角范围的每个入射角大于第二入射角。

　　在一个示例中，波长可包括可见红光波长、可见蓝光波长或可见绿光波长之一。在一个示例中，第一光栅结构可包括至少三个体三维全息图，至少三个体三维全息图的每个体三维全息图对应于第一入射角范围内的唯一入射角。

　　在一个示例中，第二光耦合装置可进一步包括光栅介质内的第二光栅结构，第二光栅结构构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。在一个示例中，第二光栅结构的另一反射轴可具有与第一反射轴的反射轴角度相差0.25度或更小的反射轴角度。

　　在一个示例中，第二光耦合装置包括厚度至少为70.mu.m的光栅介质，并且光栅介质包括多个体三维全息图，其构造为在TIR范围内针对至少一定的入射角对入射光进行布拉格匹配。

　　通过上面描述的管状结构，苹果构思的装置可以实现光瞳扩展。

　　名为“Ducted pupil expansion”的苹果专利申请最初在2021年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。