Meta AR/VR专利提出旋转可变光学透镜系统的模块集成方法
高通量测试和模块集成方法
（映维网Nweon 2023年03月25日）头显包含一系列的光学元件，例如Freeform自由曲面。多数成像系统是旋转对称，而Freeform则是旋转可变。除了制造之外，这种光学元件在集成方面同样存在挑战。例如，将透镜模块外壳与传感器集成涉及一定数量且需要精确和可重复执行的细微过程。具体地说，透镜模块外壳需要通过任何数量的主动对准（AA）过程与传感器集成。这样的对准过程可能需要使用在视场收集的MTF曲线，以将传感器定位在曲线一起达到峰值的位置。
针对这个问题，Meta在名为“High-throughput testing and module integration of rotationally variant optical lens systems”的专利申请中提出了一种旋转可变光学透镜系统的高通量测试和模块集成方法，从而帮助提高效率。
图3A-3B示出了使用旋转变化光学元件的光学组件300。在图3A中，光学照明304可以穿过反射元件306并最终到达光学组件300的光学系统302。
图3B示出了一个详细版本。光学系统302可以包括任意数量的光学元件，例如传感器元件308、以及至少一种旋转可变光学元件312。
至少一个旋转可变的光学元件312可以包括任意数量的Freeform光学部件。旋转可变的光学元件312可以具有不对称的折叠几何形状。旋转可变的光学元件312的非对称表面可以帮助提供光学照明304的更大扩展或分散。这反可以在AR/VR/MR中提供增强的性能，以及更小的封装或形状参数等。
如上所述，旋转可变光学元件存在制造和集成挑战。对于旋转可变的、高度自由形式的或复杂的几何透镜，其标称性能相对于传统的旋转不变光学元件不同。旋转可变的MTF曲线可以高于旋转对称透镜。
特别地，光学系统302的功能之一可以是补偿由反射元件306引入的任何像差，并且与所有相关的光学元件协同工作以提供高质量成像。然而，透镜制造商和/或传感器模块集成商通常自行测试透镜或光学系统302。这可能会给整个测试过程带来固有的挑战。
图4A-4B示出了一个光学组件的MTF曲线图400A-400B。如图4A所示，曲线图400A可以描绘旋转不变透镜的通过MTF曲线。应该注意的是，MTF曲线可以表示不同的场点和/或空间频率的方向。在这里，线条几乎没有变化，并且曲线的峰值都相对彼此对齐。
在图4B中，曲线图400B是旋转变化透镜的MTF曲线。可以看到，曲线的峰值相当不同，并且不接近于彼此对齐。
为了解决上面描述的问题和其他问题，Meta提出了一种旋转可变光学透镜系统的高通量测试和模块集成方法。
在一个实施例中，可以使用计算机生成全息图、棱镜、透镜和反射镜元件、相位板或其他类似元件来提供nulling装置。nulling装置可以基于任何给定透镜模块的波前像差轮廓来配置，使得旋转可变透镜的生成MTF曲线可以在彼此非常接近的范围内达到峰值。
通过创建、调整和利用这样的nulling装置，制造商、供应商和模块集成商能够实现具有相对完整的量产兼容性的高通量透镜和摄像头模块构建。换言之，制造商、供应商和模块集成商可以容易且容易地插入nulling装置，同时依然使用现有的机械、工艺、技术和基础设施，以使用发明所述的技术来提供高性能旋转可变光学元件。
图4C-4E说明了一个光学组件的MTF曲线图400C-400E。如图4C所示，曲线图400C可以描绘旋转对称摄像头镜头的MTF曲线。例如，曲线图400C可以类似于曲线图400A。
如图4D所示，曲线图400D可以描绘旋转不对称摄像头镜头的MTF曲线，在这种情况下，可以应用用于提供排列MTF曲线的nulling装置，并用于测试或其他类似过程。
如图4E所示，曲线图400E描绘了在应用nulling装置之后的旋转不对称摄像头镜头的MTF曲线。可以看到，曲线图400E可以提供“校正”或“补偿”效果，从而使曲线图400D的MTF曲线进一步对准。因此，通过为制造商、供应商和集成商在其现有的机械、工艺、技术和基础设施中创建、调整和利用nulling装置，可以帮助实现具有大规模生产兼容性的高通量透镜和摄像头模块构建。
图5示出了用于创建nulling装置的方法500流程图。
在方框510，光学元件（例如，补偿器）可以相对远离被测单元（UUT）插入。被测单元（UUT）可以包括透镜。在这个步骤中，应该非常小心和注意，以帮助确保使用正确的测试目标，并且目标的图像位于摄像头传感器的正确位置。
在方框520，可以建立令标称焦点处的MTF值最大化，并且令标称焦点任一侧的MTF值之间的差最小的优值函数。如上所述，图4D的曲线图400D可以描绘在应用nulling装置之前旋转不对称摄像头镜头的MTF曲线。
图4F可以示出类似于曲线图400D的曲线图400F，但提供更详细描述来说明可以如何建立和使用优值函数来最大化标称焦点处的MTF值，并且最小化标称焦点任一侧的MTF值之间的差。应该意识到，优值函数同时应该最大化MTF曲线在方位角上的重叠。
一般来说，优值函数可以描述为当前状态与期望状态之间的差。因此，优化技术通常可以寻求最小化优值函数，从而最小化当前状态和期望状态之间的差异。这可以使用至少一个加权因子来实现。
在方框530，可以提供与补偿器相关联的变量。这可以包括补偿器的位置和定向。应该意识到，被测单元（UUT）中的所有内容都应该保持固定。对于多项式，从低阶项开始并根据需要递增地添加附加项会有所帮助。
在方框540，可以利用优值函数迭代地优化nulling装置，直到没有显著的进一步改进和期望的性能实现。当MTF曲线达到峰值、通常对齐时，可以考虑优化。换言之，可以存在预定阈值，并且当每个场点在衍射极限下操作时将确定优化。
图6A-6D说明了使用具有或不具有nulling校正器的旋转变化光学器件的各种光学配置框图600A-600B。
如图6A所示，方框图600A可以描绘具有自由曲面透镜而没有nulling校正器的光学配置。如图所示，光学配置可以包括图像平面610，和具有不对称或自由曲面光学器件的透镜模块620。
如图6B所示，方框图600B可以描绘具有具有nulling校正器的自由曲面透镜的光学配置。如图所示，光学配置可以包括图像平面610，和具有非对称或自由曲面光学器件的透镜模块620。nulling校正器640具有连续的表面描述，并控制所有或大多数测试场点的表面。与图6A相反，图6B的场可以聚焦到无穷远。因此，图6B的光学配置可以说明nulling装置可以如何准直一个或多个场，例如与图像平面的无限共轭。
如图6C所示，方框图600C可以描绘具有具有nulling校正器的自由曲面透镜的光学配置。如图所示，光学配置可以包括图像平面610，和具有非对称或自由曲面光学器件的透镜模块620。
图6C类似于图6B；然而，这里的光学配置包括nulling装置640，并在测试中提供有限共轭物平面660。换言之，场现在可以聚焦到公共对象平面，其中标准空间频率响应（SFR）目标可以在所述光学配置中使用。
如图6D所示，方框图600D可以描绘具有具有nulling校正器的自由曲面透镜的光学配置。如图所示，光学配置可以包括图像平面610，和具有非对称或自由曲面光学器件的透镜模块620。
图6D类似于图6C；然而，光学配置可以使用具有在空间上分离的多个区域或校正器的nulling装置645。如图所示，nulling装置645可以具有针对特定场点调谐的具有不同描述的三个区域。nulling装置645可以在这三个区域之间具有一个或多个dead zone。
图6D的光学配置示出了分段校正器或nulling校正器，其不再具有连续表面，而是在空间上分离的多个校正器。如果在离散数量的场点提供测试，则nulling装置645可能不需要是连续的功能描述。换句话说，每个空间频率响应（SFR）目标场位置可以具有其自己的nulling校正器。
应当理解，重要的是使用通常可用的材料来创建nulling装置，并确保其在尺寸、厚度、重量或其他特性上不太极端。
另外，一些透镜是为有限共轭而设计，而另一些则是为无限共轭而设计。无限共轭通常可以在输入光束被准直/平面波前的情况下更直接，而在有限共轭的情况下，透镜制造商可能必须确保空间频率响应（SFR）目标定位在离透镜正确的共轭位置/正确的距离处。
换句话说，用于创建nulling装置的方法可以应用于无穷大和有限共轭测试配置。另外在一般意义上，MTF/SFR目标位置和方向可以用作优化中的变量。
请注意，如果在无穷远共轭下使用，为有限共轭设计的透镜通常可能不会具有良好的性能，反之亦然。专利描述的nulling补偿器可以对此有所帮助。例如，即使透镜制造商只有无限共轭测试仪，nulling装置提供的补偿依然可以允许有限共轭透镜与无限共轭测试机一起工作。
换言之，供应商的计量设备依然可用，并且可能不需要单独或不同的完全定制的测试设备，只需结合这种nulling光学器件就足够。
名为“High-throughput testing and module integration of rotationally variant optical lens systems”的Meta专利申请最初在2021年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
