蘋果AR/VR專利提出帶有多層全息組合器的光學(xué)系統(tǒng)

　　XR頭顯可以用波導(dǎo)形成光束組合器。然而，波導(dǎo)可能受到全內(nèi)反射和視場限制，并將光學(xué)系統(tǒng)的幾何形狀限制為平面排列，并且在呈現(xiàn)虛擬對象時表現(xiàn)出不希望的光場能力。

　　在其他方案中，光學(xué)系統(tǒng)可以形成半反射組合器，例如橢球鏡。然而，這種類型的組合器通常是不受歡迎地笨重，同時可能表現(xiàn)出不受歡迎的光場能力。

　　針對這個問題，蘋果在名為“Optical systems with multi-layer holographic combiners”的專利申請中提出了帶有多層全息組合器的光學(xué)系統(tǒng)。

　　這家公司指出，沒有波導(dǎo)的多層全息組合器可以消除顯示器基于全內(nèi)反射的限制，并可以允許顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最小的尺寸、重量和功耗(相對于使用半反射組合器的場景)，同時顯示相對較大的視場(相對于使用波導(dǎo)組合器的場景)。

　　另外，在透射全息圖結(jié)構(gòu)和反射全息圖結(jié)構(gòu)之間不存在波導(dǎo)可以提供多層全息組合器的幾何設(shè)計(jì)自由。同時，多層全息組合器可以用光填充視窗，以允許不同面部幾何形狀、瞳孔直徑和瞳孔間距的用戶正確地查看投影圖像，并且可以允許從任何期望的深度呈現(xiàn)虛擬對象，從而解決視覺調(diào)節(jié)輻輳沖突。

　　圖2是顯示如何使用多層全息組合器將來自顯示模塊20A的光重定向到視窗24的圖。如圖2所示，光學(xué)系統(tǒng)20B可以包括多層全息組合器40。顯示模塊20A可向多層全息組合器40投射輸入光56。如輸出光55所示，多層全息組合器40可用于將光指向視窗24。

　　全息記錄可以作為光學(xué)干涉圖樣存儲在光敏光學(xué)材料內(nèi)。光敏光學(xué)材料可包括體全息介質(zhì)。所述光學(xué)干涉圖案可產(chǎn)生全息光柵。當(dāng)用給定光源照射時，光柵衍射光以產(chǎn)生所述全息記錄的三維重建。

　　多層全息組合器40可包括用全息光柵記錄的多層材料。多層全息組合器40可包括透射全息圖結(jié)構(gòu)44和反射全息圖結(jié)構(gòu)42。傳輸全息圖結(jié)構(gòu)44可以包括用一組傳輸全息圖記錄的一層或多層全息介質(zhì)。反射全息圖結(jié)構(gòu)42可以包括用一組反射全息圖記錄的一層或多層全息介質(zhì)。

　　顯示模塊20A可以從反射全息圖結(jié)構(gòu)42和透射全息圖結(jié)構(gòu)44之間的體積外部的位置將光56投射到透射全息圖結(jié)構(gòu)44。這可以消除在透射和反射全息圖結(jié)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的需要。

　　形成沒有波導(dǎo)的多層全息組合器40可以消除顯示器基于全內(nèi)反射的限制。顯示模塊20A可包括用于將光投射到多層全息組合器40的任何所需結(jié)構(gòu)。在圖2的實(shí)施例中，顯示模塊20A顯示為包括用于投射光56的微顯示器和投影光學(xué)元件。

　　透射全息圖結(jié)構(gòu)44可用于以多個不同的輸出角度向反射全息圖結(jié)構(gòu)42復(fù)制輸入圖像，如光60所示。反射全息圖結(jié)構(gòu)42可用于將通過透射全息圖結(jié)構(gòu)44傳輸?shù)膹?fù)制圖像聚焦到視窗24，如反射光55所示。

　　通過使用透射全息圖結(jié)構(gòu)44復(fù)制輸入圖像，可以通過反射全息圖結(jié)構(gòu)42將輸入圖像的多個副本聚焦到視窗24，如圖2所示。這樣，在視窗24內(nèi)的每個光瞳46、48、50、52和54可以復(fù)制相同的圖像，而光55形成平行光束到每個光瞳。這可以允許用戶在視窗24內(nèi)移動他們的眼睛，而不會丟失圖像或產(chǎn)生對圖像的透視移位。

　　蘋果指出，這種方式配置的顯示系統(tǒng)20可以實(shí)現(xiàn)最小的尺寸、重量和功耗(相對于使用半反射組合器的場景)，同時顯示相對較大的視場(相對于使用波導(dǎo)組合器的場景)。類似地，在透射全息圖結(jié)構(gòu)44和反射全息圖結(jié)構(gòu)42之間不存在波導(dǎo)可以提供多層全息組合器40的幾何設(shè)計(jì)自由。

　　另外，多層全息組合器40可以用光填充視窗24，以允許不同面部幾何形狀、瞳孔直徑和瞳孔間距的用戶正確地查看投影圖像，并且可以允許從任何期望的深度呈現(xiàn)虛擬對象，從而解決視覺調(diào)節(jié)輻輳沖突。

　　圖3是顯示透射全息圖結(jié)構(gòu)44如何復(fù)制從輸入光56到反射全息圖結(jié)構(gòu)42的每個射線角度的圖表。圖3的示出輸入光56的兩條說明性光線56 – 1和56 – 2。射線56-1以入射角A1照射透射全息圖結(jié)構(gòu)44，射線56-2以入射角A2照射透射全息圖結(jié)構(gòu)44。透射全息圖結(jié)構(gòu)44可以在一個或多個輸出角度復(fù)制射線56-1和射線56-2。

　　傳輸全息圖結(jié)構(gòu)44中的傳輸全息圖可以配置成以相應(yīng)的輸出角衍射來自不同入射角和波長的光。用于形成傳輸全息圖結(jié)構(gòu)44的傳輸全息圖集合可包括具有相應(yīng)光柵頻率和方向的任何所需數(shù)量的全息圖。所述集合中的每個傳輸全息圖可以疊加在相同體積的全息介質(zhì)之上，或者所述集合中的不同傳輸全息圖可以在任意所需數(shù)量的離散層中形成。

　　在圖3的說明性示例中，透射全息圖結(jié)構(gòu)44中的一組全息圖包括配置為以輸出角B1衍射來自入射角A1的光的第一透射全息圖(如光線60-1所示)、配置為在輸出角B2衍射來自入射角度A1的光的第二透射全息圖、配置為以輸出角B3衍射來自入射角A1的光的第三透射全息圖(如光線60-3所示)、配置為以出射角B4衍射來自入射角度A1的光(如光線60–4所示)的第四透射全息圖、以及配置為以輸出角B5衍射來自入射夾角A1的光線的第五透射全息圖。

　　通過這種方式，透射全息圖結(jié)構(gòu)44可以將光線56-1分成五個復(fù)制光束，并向反射全息圖結(jié)構(gòu)42透射。

　　同時，透射全息圖結(jié)構(gòu)44中的第一透射全息圖可將入射角A2的光在輸出角B1處衍射，第二透射全息圖可將入射角A2的光在輸出角B2處衍射，第三透射全息圖可將入射角A2的光在輸出角B3處衍射，第四透射全息圖可以將入射角A2的光衍射到輸出角B4，第五透射全息圖可以將入射角A2的光衍射到輸出角B5。

　　以這種方式，透射全息圖結(jié)構(gòu)44可以將射線56-2分裂成5條復(fù)制射線，并向反射全息圖結(jié)構(gòu)42傳輸。

　　圖4顯示反射全息圖結(jié)構(gòu)42如何將由透射全息圖結(jié)構(gòu)44復(fù)制的光聚焦到視窗2。

　　反射全息圖結(jié)構(gòu)42中的反射全息圖可以配置成在相應(yīng)的輸出角處衍射來自不同入射角和波長的光。用于形成每個全息圖的光柵的間距配置全息圖以相應(yīng)的輸出角從給定的入射角衍射給定波長的光。

　　用于形成反射全息圖結(jié)構(gòu)44的反射全息圖集合可包括具有相應(yīng)光柵頻率和方向的任何所需數(shù)量的全息圖。所述集合中的每個反射全息圖可以疊加在相同體積的全息介質(zhì)之上，或者所述集合中的不同反射全息圖可以在任意所需數(shù)量的離散層中形成。

　　在圖4的說明性實(shí)施例中，反射全息圖結(jié)構(gòu)42中的一組全息圖包括區(qū)域62中的第一反射全息圖，其配置為在輸出角C1處(衍射來自入射角B3的光。反射全息圖結(jié)構(gòu)42中的一組全息圖同時包括區(qū)域62中的第二反射全息圖，其配置為在輸出角C1處衍射來自入射角B4的光。

　　這樣，來自圖3的入射射線56-1的每條復(fù)制射線可以通過區(qū)域62中的反射全息圖平行衍射向視窗24，并且來自圖3的入射射線56-2的每條復(fù)制射線可以平行衍射向視窗24。

　　可以在反射全息圖結(jié)構(gòu)42的附加區(qū)域中形成附加全息圖，并用于從輸入光56的每個入射角衍射由透射全息圖結(jié)構(gòu)44復(fù)制的光。這可以用于在視窗復(fù)制所顯示的圖像，使得當(dāng)用戶的眼睛通過視窗過渡或移動時，用戶不會觀察到透視變化。

　　用于形成多層全息組合器40的全息圖可在具有任何所需波前形狀的光操作。作為一個例子，用于形成傳輸全息圖結(jié)構(gòu)44的傳輸全息圖可以各自是平面波到平面波的傳輸全息圖、點(diǎn)到平面波的傳輸全息圖或點(diǎn)到近平面波的傳輸全息圖。

　　類似地，用于形成反射全息圖結(jié)構(gòu)42的反射全息圖可以是平面波到平面波的反射全息圖、點(diǎn)到平面波的反射全息圖或點(diǎn)到近平面波的反射全息圖。

　　圖5是可用于實(shí)現(xiàn)透射全息圖結(jié)構(gòu)44和/或反射全息圖結(jié)構(gòu)42的說明性點(diǎn)到平面波全息圖。如圖5所示，諸如介質(zhì)70的全息記錄介質(zhì)可以包括相應(yīng)的全息圖。點(diǎn)光源72可向介質(zhì)70提供方向74的入射光。入射光可以表現(xiàn)出從點(diǎn)源72向外傳播的球形波前78。

　　在介質(zhì)70上記錄點(diǎn)到平面波傳輸全息圖的場景中，點(diǎn)平面波透射全息圖將入射光78衍射成介質(zhì)70對面的輸出角，如圖箭頭76所示。衍射光呈現(xiàn)平波前80。

　　在介質(zhì)70記錄點(diǎn)到平面波反射全息圖的場景中，點(diǎn)平面波反射全息圖將入射光78衍射成與入射光在介質(zhì)70同一側(cè)的輸出角，如箭頭76′所示。衍射光呈現(xiàn)平行波前80 ‘。當(dāng)以這種方式配置時，全息圖本身顯示出optical power。

　　圖6是可用于實(shí)現(xiàn)透射全息圖結(jié)構(gòu)44和/或反射全息圖結(jié)構(gòu)42的說明性點(diǎn)到近平面波全息圖。在介質(zhì)70記錄點(diǎn)到近平面波傳輸全息圖的場景中，點(diǎn)到近平面波透射全息圖將入射光78衍射成介質(zhì)70對面的輸出角，如圖箭頭82所示。

　　衍射光表現(xiàn)出近平行波前80。例如，點(diǎn)到近平面波全息圖可以是點(diǎn)到平面波全息圖，但為了補(bǔ)償顯示系統(tǒng)中的像差，可以修改衍射波前，使其不完全是平面波前。

　　在介質(zhì)70記錄點(diǎn)到近平面波反射全息圖的場景中，點(diǎn)到近平面波反射全息圖將入射光衍射成與入射光在介質(zhì)70同側(cè)的輸出角，如箭頭82′所示。衍射光呈現(xiàn)近平行波前84 ‘。當(dāng)以這種方式配置時，全息圖本身顯示出optical power。

　　在圖7中，多層全息組合器40可以包括襯底90。透射全息圖結(jié)構(gòu)44可在襯底90的表面91上形成，而反射全息圖結(jié)構(gòu)42可在襯底90的相對表面93上形成。

　　透射全息圖結(jié)構(gòu)44和反射全息圖結(jié)構(gòu)42可以使用安裝在襯底90表面上的光聚合物薄膜或其他涂層、介電層或任何其他所需全息介質(zhì)來形成。如果需要，可選襯底92可安裝到反射全息圖結(jié)構(gòu)42和/或可選襯底94可安裝到透射全息圖結(jié)構(gòu)44。

　　可選襯底92和94可以由玻璃、塑料或其他光學(xué)透明材料形成，并且可以用作傳輸全息圖結(jié)構(gòu)44和反射全息圖結(jié)構(gòu)42的保護(hù)層。如果需要，光學(xué)透明粘合劑可用于將圖7的結(jié)構(gòu)粘附在一起。

　　襯底90可以具有相對窄的厚度98。作為示例，厚度98可以是約3mm、2- 4mm、1.5-4.5 mm、1- 5mm或其他厚度。視窗24可具有各種寬度，例如約11mm、10- 12mm、8- 14mm、6- 16mm、大于16mm、小于10mm或其他寬度。

　　透射全息圖結(jié)構(gòu)44可以在跨越角度范圍96的兩個或多個輸出角處衍射輸入光56的每個入射角。角度范圍96可以是大約120度，110-130度，115-125度，100-140度，或任何其他期望的范圍。

　　如圖8所示，來自圖2的顯示模塊20A的輸入光56可以從多層全息組合器40的外部位置提供給反射全息圖結(jié)構(gòu)42。例如，在反射全息圖結(jié)構(gòu)42和透射全息圖結(jié)構(gòu)44之間的體積中不進(jìn)行波導(dǎo)全內(nèi)反射。

　　如射線102-1所示，反射全息圖結(jié)構(gòu)42可以通過以多個角度衍射光來復(fù)制射線56-1。類似地，反射全息圖結(jié)構(gòu)42可以通過以相同的輸出角度衍射光線來復(fù)制射線56-2，如射線102-2所示。透射全息圖結(jié)構(gòu)44的區(qū)域107中的透射全息圖可將射線102-1聚焦到視窗24，如射線104-1所示。

　　類似地，傳輸全息圖結(jié)構(gòu)44的區(qū)域105中的傳輸全息圖可將射線102-2聚焦到視窗24。這可以在多層全息組合器40的長度重復(fù)，以產(chǎn)生如圖2所示的相同的復(fù)制光瞳46、48、50、52和54。

　　在另一種合適的布置中，多層全息組合器40可包括兩層反射全息圖結(jié)構(gòu)。在這種情況下，其中一個反射全息圖結(jié)構(gòu)可以復(fù)制輸入光56，而另一個反射全息圖結(jié)構(gòu)可以將復(fù)制的光聚焦到視窗24。例如在本場景中，輸入光可從與視窗24相對的多層全息組合器40的一側(cè)入射到多層全息組合器40之上。

　　圖9和10顯示用于形成多層全息組合器40的全息圖如何用于衍射多個波長的光的彩色多路復(fù)用。

　　在圖9的示例中，全息圖結(jié)構(gòu)110可包括多層全息圖，用于衍射不同波長的光。層112可以是全息記錄介質(zhì)的全息薄膜。可在每一層112記錄一組相應(yīng)的全息圖以衍射光。例如，第一層112-1可以在第一波長處衍射光，如紅光;第二層112-2可以在第二波長處衍射光，如綠光;第三層112-3可以在第三波長處衍射光，如藍(lán)光。

　　在圖10的示例中，全息圖結(jié)構(gòu)110可包括全息記錄介質(zhì)的單層114。用于衍射不同波長的光的全息圖可以分別疊加在114層的同一體積內(nèi)。例如，第114層可以包括第一組全息圖，用于衍射紅光，第二組全息圖用于衍射綠光，第三組全息圖用于衍射藍(lán)光。

　　在圖11中，襯底90、反射全息圖結(jié)構(gòu)42和透射全息圖結(jié)構(gòu)44均可具有彎曲形狀。在一種合適的布置中，襯底90的兩個表面91和93都是彎曲的。在另一種合適的布置中，表面91和93中的一個是彎曲的，而另一個是平面的。

　　在另一種合適的布置中，透射全息圖結(jié)構(gòu)44可由光學(xué)擴(kuò)散器代替。圖12顯示如何用光學(xué)擴(kuò)散器代替透射全息圖結(jié)構(gòu)44。

　　如圖12所示，可以在襯底90的表面91之上形成光學(xué)漫射器120。光學(xué)漫射器120可以接收輸入光56，并且可以在不同角度范圍內(nèi)漫射輸入光56，如箭頭122所示。

　　反射全息圖結(jié)構(gòu)42可以將漫射光聚焦到視窗24。如果需要，光學(xué)漫射器120可以包括全息光學(xué)元件。全息光學(xué)元件可以包括從給定入射角吸收光并在每個輸出角上連續(xù)輸出光的全息圖。

　　圖13示出的流程圖用于記錄系統(tǒng)記錄用于多層全息組合器40的透射全息圖結(jié)構(gòu)44和反射全息圖結(jié)構(gòu)42的全息圖。所述記錄系統(tǒng)可包括控制器、夾具、信號波束源和參考波束源。所述記錄系統(tǒng)可包括可調(diào)組件，所述可調(diào)組件根據(jù)來自所述控制器的指令調(diào)整所述信號波束源和所述參考波束源?？蓪⑷⒂涗浗橘|(zhì)裝入夾具中。

　　在130的操作期間，控制器可以識別要用于使用記錄系統(tǒng)的可調(diào)組件調(diào)整信號和參考波束的設(shè)置。例如強(qiáng)度、角度、波長、形狀和/或信號和參考光束的方向可以使用控制器和可調(diào)組件進(jìn)行調(diào)整。

　　在130的操作過程中，識別出所需調(diào)整的每個設(shè)置并且相應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)組件后，控制器可以指示光源產(chǎn)生光。所產(chǎn)生的光被分割成參考光束和信號光束，并引導(dǎo)到全息記錄介質(zhì)中，以在132的操作期間記錄全息圖。

　　在記錄操作之后，處理可以循環(huán)回130，以便控制器可以在任選地執(zhí)行一個或多個附加記錄操作之前調(diào)整一個或多個設(shè)置。

　　名為“Optical systems with multi-layer holographic combiners”的蘋果專利申請最初在2023年7月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。