蘋果AR/VR專利提出“幾何相位透鏡+時間交錯”解決光學虛實融合

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將來自真實世界對象的真實世界圖像與計算機生成的數(shù)字圖像合并

（映維網(wǎng)?2021年02月22日）對于正在積極研究混合現(xiàn)實頭顯的蘋果而言，一個重要的挑戰(zhàn)是提供能夠完美合并真實世界對象和數(shù)字生成內(nèi)容的光學系統(tǒng)。若不注意，設備的光學質(zhì)量和其他性能方面可能會出現(xiàn)問題，并造成糟糕的用戶體驗。

日前美國專利商標局公布了兩份旨在解決所述問題的蘋果專利申請。名為“Display systems with geometrical phase lenses”和“Display system with time interleaving”的發(fā)明描述了同一解決方案的兩個方面。

蘋果指出，諸如頭戴式裝置的電子設備可以包含產(chǎn)生顯示圖像的顯示器。頭戴式裝置可以搭載允許用戶查看真實世界對象和數(shù)字生成內(nèi)容的光學系統(tǒng)。在操作期間，光學系統(tǒng)可用于將來自真實世界對象的真實世界圖像與計算機生成的數(shù)字圖像合并。

顯示器可以產(chǎn)生幀圖像。不同的對象可以交替顯示在圖像幀中。光學系統(tǒng)可以與交替的圖像幀同步地調(diào)整，以在不同的焦平面顯示不同的對象。

在一種配置中，光學系統(tǒng)可包含由一對線性偏振器和插入式偏振開關形成的強度開關。偏振開關可在給定偏振的線偏振光未被偏振開關旋轉的第一狀態(tài)，以及在給定偏振的線偏振光旋轉90度的第二狀態(tài)下操作。

光學系統(tǒng)中可包含附加組件，如具有互補透光率的前后偏置透鏡；用于幫助以時間交錯方式合并真實世界圖像和數(shù)字圖像的偏振開關；以及對具有不同偏振的圖像呈現(xiàn)不同透光率的幾何相位透鏡。

1.幾何相位透鏡

蘋果指出，光學系統(tǒng)可以使用成對的互補幾何相位透鏡。幾何相位透鏡可以采用液晶透鏡結構來實現(xiàn)。所述液晶透鏡結構配置為對于一個圓偏振顯示正透光率；對于相反的圓偏振顯示負透光率。因為當呈現(xiàn)非偏振光時正透光率和負透光率都顯示出來，所以可以使用偏振控制來避免不需要的雙重圖像。

圖4A是基于幾何相位透鏡GPL1和GPL2的光學系統(tǒng)。

如圖4A所示，光學系統(tǒng)#122可以在幾何相位透鏡GPL2和偏振開關P2之間具有四分之一波片QWP2。線性偏振器LPOL插入至波導#86和偏振開關P1之間。四分之一波片#QWP1位于偏振開關#P1和透鏡#GPL1之間。在所述配置中，偏振開關#P1和#P3作為用于線性偏振的偏振旋轉器工作。在其它配置中，四分之一波片#QWP2和偏振開關#P2可以組合以形成用于圓偏振的不同類型的偏振開關。類似地，四分之一波片#QWP1和偏振開關#P1可以組合以形成用于圓偏振光的偏振開關。換句話說，可以省略四分之一波片#QWP1和#QWP2。

當偏振開關#P2和偏振開關#P1斷開時，RCP真實世界光#104通過透鏡#GPL2轉換為LCP光。四分之一波片#QWP2將LCP光轉換為沿Y軸線偏振的光。偏振開關#P2關閉，因此旋轉該光，使其沿X軸偏振。線性偏振器#LPOL阻擋該光。這樣，真實世界的光就會阻止到達用戶。

通過利用對具有不同偏振的圖像呈現(xiàn)不同透光率的幾何相位透鏡，設備可以實現(xiàn)期望的透光率，并用以幫助合并真實對象圖像和數(shù)字生成內(nèi)容。

相關專利：

Apple Patent | Display systems with geometrical phase lenses

https://patent.nweon.com/17856

2.時間交錯（time interleaving）

蘋果進一步指出，偏振開關可以使用時間交錯和偏振控制技術來幫助合并真實世界內(nèi)容和數(shù)字生成內(nèi)容。

作為示例，請參考圖3A的時分復用布置。圖3A是可用于設備左側和右側的說明性光學系統(tǒng)。如圖3A所示，系統(tǒng)122包括諸如光學部件100的外部光學部件和諸如光學部件102的內(nèi)部光學部件。部件100和/或102中的電可調(diào)組件由控制電路12控制。波導86插在部件100和102之間。真實世界的圖像光104穿過系統(tǒng)122并且在視窗60被用戶眼睛看到。計算機生成圖像光124引導通過波導86，并通過部件102到達視窗60。

光學系統(tǒng)122可以使用時分多路復用，并在視窗60將真實世界光104和計算機生成圖像光124合并以供用戶查看。

在第一時間段（或可稱為“現(xiàn)實世界視圖關閉”時段），調(diào)整強度開關105的偏振開關110以阻擋真實世界的光104。計算機生成圖像光124通過偏振器114并沿X軸線偏振。光學系統(tǒng)122可以具有諸如偏振開關116的偏振開關。每當偏振開關110打開并且強度開關105阻擋真實世界的圖像光104時，偏振開關116可以關閉。由于偏振開關116斷開，偏振開關116旋轉顯示光124的偏振，使得顯示光124沿Y軸對準。液晶透鏡118由控制電路12調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生沿Y軸偏振的光的期望透光率。偏置透鏡120提供額外的期望透鏡功率。因此，光124通過期望透光率到達視窗60。通過調(diào)整透光率（如當控制電路12調(diào)整透鏡118時），同時產(chǎn)生與顯示器14同步的圖像幀，同時強度開關105不透明并阻擋真實世界的光，與顯示圖像光124的各個幀相關聯(lián)的虛擬對象可以放置在一個或多個期望的焦平面中。

在第二時間段（或可稱為“現(xiàn)實世界視圖開啟”時段），調(diào)整強度開關105的偏振開關110以通過真實世界光104，同時顯示器14可選地關閉（并且不產(chǎn)生光124）。偏振開關116處于允許光通過透鏡118的狀態(tài)。在第二時間段期間，用戶通過系統(tǒng)122查看真實世界對象。液晶透鏡118僅對沿Y軸偏振光敏感，對沿X軸偏振光不敏感。光104在通過偏振器114時沿著X軸被偏振，并且偏振開關116可以打開，因此光104在通過透鏡118時沿著X軸保持偏振狀態(tài)，并且因此不受透鏡118的影響。前偏置透鏡106和后偏置透鏡120的組合透光率抵消，使得在視場60和真實世界之間不存在正透光率（即真實世界光104到達不受光學系統(tǒng)122影響的視窗60）。如圖3B所示，當真實世界的光104在第二時間段（世界視圖打開時段）中通過系統(tǒng)122時，顯示器14可以打開或關閉。例如，顯示器14可以根據(jù)要在視窗60中為用戶顯示的虛擬內(nèi)容的深度來打開或關閉。

蘋果指出，利用時間交錯和偏振控制技術，可以幫助合并真實世界內(nèi)容和數(shù)字生成內(nèi)容。

相關專利：

Apple Patent | Display system with time interleaving

https://patent.nweon.com/17858

名為“Display systems with geometrical phase lenses”和“Display system with time interleaving”的專利申請均在2020年7月提交，并在日前由美國專利商標局公布。需要注意的是，這只是一份專利申請，尚不確定蘋果是否會或?qū)⒂诤螘r商業(yè)化所述的發(fā)明技術。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/83239