苹果AR/VR专利提出带有多层全息组合器的光学系统
实现最小的尺寸、重量和功耗（相对于使用半反射组合器的场景），同时显示相对较大的视场（相对于使用波导组合器的场景）
（映维网Nweon 2023年11月23日）XR头显可以用波导形成光束组合器。然而，波导可能受到全内反射和视场限制，并将光学系统的几何形状限制为平面排列，并且在呈现虚拟对象时表现出不希望的光场能力。
在其他方案中，光学系统可以形成半反射组合器，例如椭球镜。然而，这种类型的组合器通常是不受欢迎地笨重，同时可能表现出不受欢迎的光场能力。
针对这个问题，苹果在名为“Optical systems with multi-layer holographic combiners”的专利申请中提出了带有多层全息组合器的光学系统。
这家公司指出，没有波导的多层全息组合器可以消除显示器基于全内反射的限制，并可以允许显示系统实现最小的尺寸、重量和功耗（相对于使用半反射组合器的场景），同时显示相对较大的视场（相对于使用波导组合器的场景）。
另外，在透射全息图结构和反射全息图结构之间不存在波导可以提供多层全息组合器的几何设计自由。同时，多层全息组合器可以用光填充视窗，以允许不同面部几何形状、瞳孔直径和瞳孔间距的用户正确地查看投影图像，并且可以允许从任何期望的深度呈现虚拟对象，从而解决视觉调节辐辏冲突。
图2是显示如何使用多层全息组合器将来自显示模块20A的光重定向到视窗24的图。如图2所示，光学系统20B可以包括多层全息组合器40。显示模块20A可向多层全息组合器40投射输入光56。如输出光55所示，多层全息组合器40可用于将光指向视窗24。
全息记录可以作为光学干涉图样存储在光敏光学材料内。光敏光学材料可包括体全息介质。所述光学干涉图案可产生全息光栅。当用给定光源照射时，光栅衍射光以产生所述全息记录的三维重建。
多层全息组合器40可包括用全息光栅记录的多层材料。多层全息组合器40可包括透射全息图结构44和反射全息图结构42。传输全息图结构44可以包括用一组传输全息图记录的一层或多层全息介质。反射全息图结构42可以包括用一组反射全息图记录的一层或多层全息介质。
显示模块20A可以从反射全息图结构42和透射全息图结构44之间的体积外部的位置将光56投射到透射全息图结构44。这可以消除在透射和反射全息图结构之间实现波导的需要。
形成没有波导的多层全息组合器40可以消除显示器基于全内反射的限制。显示模块20A可包括用于将光投射到多层全息组合器40的任何所需结构。在图2的实施例中，显示模块20A显示为包括用于投射光56的微显示器和投影光学元件。
透射全息图结构44可用于以多个不同的输出角度向反射全息图结构42复制输入图像，如光60所示。反射全息图结构42可用于将通过透射全息图结构44传输的复制图像聚焦到视窗24，如反射光55所示。
通过使用透射全息图结构44复制输入图像，可以通过反射全息图结构42将输入图像的多个副本聚焦到视窗24，如图2所示。这样，在视窗24内的每个光瞳46、48、50、52和54可以复制相同的图像，而光55形成平行光束到每个光瞳。这可以允许用户在视窗24内移动他们的眼睛，而不会丢失图像或产生对图像的透视移位。
苹果指出，这种方式配置的显示系统20可以实现最小的尺寸、重量和功耗（相对于使用半反射组合器的场景），同时显示相对较大的视场（相对于使用波导组合器的场景）。类似地，在透射全息图结构44和反射全息图结构42之间不存在波导可以提供多层全息组合器40的几何设计自由。
另外，多层全息组合器40可以用光填充视窗24，以允许不同面部几何形状、瞳孔直径和瞳孔间距的用户正确地查看投影图像，并且可以允许从任何期望的深度呈现虚拟对象，从而解决视觉调节辐辏冲突。
图3是显示透射全息图结构44如何复制从输入光56到反射全息图结构42的每个射线角度的图表。图3的示出输入光56的两条说明性光线56 - 1和56 - 2。射线56-1以入射角A1照射透射全息图结构44，射线56-2以入射角A2照射透射全息图结构44。透射全息图结构44可以在一个或多个输出角度复制射线56-1和射线56-2。
传输全息图结构44中的传输全息图可以配置成以相应的输出角衍射来自不同入射角和波长的光。用于形成传输全息图结构44的传输全息图集合可包括具有相应光栅频率和方向的任何所需数量的全息图。所述集合中的每个传输全息图可以叠加在相同体积的全息介质之上，或者所述集合中的不同传输全息图可以在任意所需数量的离散层中形成。
在图3的说明性示例中，透射全息图结构44中的一组全息图包括配置为以输出角B1衍射来自入射角A1的光的第一透射全息图（如光线60-1所示）、配置为在输出角B2衍射来自入射角度A1的光的第二透射全息图、配置为以输出角B3衍射来自入射角A1的光的第三透射全息图（如光线60-3所示）、配置为以出射角B4衍射来自入射角度A1的光（如光线60–4所示）的第四透射全息图、以及配置为以输出角B5衍射来自入射夹角A1的光线的第五透射全息图。
通过这种方式，透射全息图结构44可以将光线56-1分成五个复制光束，并向反射全息图结构42透射。
同时，透射全息图结构44中的第一透射全息图可将入射角A2的光在输出角B1处衍射，第二透射全息图可将入射角A2的光在输出角B2处衍射，第三透射全息图可将入射角A2的光在输出角B3处衍射，第四透射全息图可以将入射角A2的光衍射到输出角B4，第五透射全息图可以将入射角A2的光衍射到输出角B5。
以这种方式，透射全息图结构44可以将射线56-2分裂成5条复制射线，并向反射全息图结构42传输。
图4显示反射全息图结构42如何将由透射全息图结构44复制的光聚焦到视窗2。
反射全息图结构42中的反射全息图可以配置成在相应的输出角处衍射来自不同入射角和波长的光。用于形成每个全息图的光栅的间距配置全息图以相应的输出角从给定的入射角衍射给定波长的光。
用于形成反射全息图结构44的反射全息图集合可包括具有相应光栅频率和方向的任何所需数量的全息图。所述集合中的每个反射全息图可以叠加在相同体积的全息介质之上，或者所述集合中的不同反射全息图可以在任意所需数量的离散层中形成。
在图4的说明性实施例中，反射全息图结构42中的一组全息图包括区域62中的第一反射全息图，其配置为在输出角C1处(衍射来自入射角B3的光。反射全息图结构42中的一组全息图同时包括区域62中的第二反射全息图，其配置为在输出角C1处衍射来自入射角B4的光。
这样，来自图3的入射射线56-1的每条复制射线可以通过区域62中的反射全息图平行衍射向视窗24，并且来自图3的入射射线56-2的每条复制射线可以平行衍射向视窗24。
可以在反射全息图结构42的附加区域中形成附加全息图，并用于从输入光56的每个入射角衍射由透射全息图结构44复制的光。这可以用于在视窗复制所显示的图像，使得当用户的眼睛通过视窗过渡或移动时，用户不会观察到透视变化。
用于形成多层全息组合器40的全息图可在具有任何所需波前形状的光操作。作为一个例子，用于形成传输全息图结构44的传输全息图可以各自是平面波到平面波的传输全息图、点到平面波的传输全息图或点到近平面波的传输全息图。
类似地，用于形成反射全息图结构42的反射全息图可以是平面波到平面波的反射全息图、点到平面波的反射全息图或点到近平面波的反射全息图。
图5是可用于实现透射全息图结构44和/或反射全息图结构42的说明性点到平面波全息图。如图5所示，诸如介质70的全息记录介质可以包括相应的全息图。点光源72可向介质70提供方向74的入射光。入射光可以表现出从点源72向外传播的球形波前78。
在介质70上记录点到平面波传输全息图的场景中，点平面波透射全息图将入射光78衍射成介质70对面的输出角，如图箭头76所示。衍射光呈现平波前80。
在介质70记录点到平面波反射全息图的场景中，点平面波反射全息图将入射光78衍射成与入射光在介质70同一侧的输出角，如箭头76′所示。衍射光呈现平行波前80 ‘。当以这种方式配置时，全息图本身显示出optical power。
图6是可用于实现透射全息图结构44和/或反射全息图结构42的说明性点到近平面波全息图。在介质70记录点到近平面波传输全息图的场景中，点到近平面波透射全息图将入射光78衍射成介质70对面的输出角，如图箭头82所示。
衍射光表现出近平行波前80。例如，点到近平面波全息图可以是点到平面波全息图，但为了补偿显示系统中的像差，可以修改衍射波前，使其不完全是平面波前。
在介质70记录点到近平面波反射全息图的场景中，点到近平面波反射全息图将入射光衍射成与入射光在介质70同侧的输出角，如箭头82′所示。衍射光呈现近平行波前84 ‘。当以这种方式配置时，全息图本身显示出optical power。
在图7中，多层全息组合器40可以包括衬底90。透射全息图结构44可在衬底90的表面91上形成，而反射全息图结构42可在衬底90的相对表面93上形成。
透射全息图结构44和反射全息图结构42可以使用安装在衬底90表面上的光聚合物薄膜或其他涂层、介电层或任何其他所需全息介质来形成。如果需要，可选衬底92可安装到反射全息图结构42和/或可选衬底94可安装到透射全息图结构44。
可选衬底92和94可以由玻璃、塑料或其他光学透明材料形成，并且可以用作传输全息图结构44和反射全息图结构42的保护层。如果需要，光学透明粘合剂可用于将图7的结构粘附在一起。
衬底90可以具有相对窄的厚度98。作为示例，厚度98可以是约3mm、2- 4mm、1.5-4.5 mm、1- 5mm或其他厚度。视窗24可具有各种宽度，例如约11mm、10- 12mm、8- 14mm、6- 16mm、大于16mm、小于10mm或其他宽度。
透射全息图结构44可以在跨越角度范围96的两个或多个输出角处衍射输入光56的每个入射角。角度范围96可以是大约120度，110-130度，115-125度，100-140度，或任何其他期望的范围。
如图8所示，来自图2的显示模块20A的输入光56可以从多层全息组合器40的外部位置提供给反射全息图结构42。例如，在反射全息图结构42和透射全息图结构44之间的体积中不进行波导全内反射。
如射线102-1所示，反射全息图结构42可以通过以多个角度衍射光来复制射线56-1。类似地，反射全息图结构42可以通过以相同的输出角度衍射光线来复制射线56-2，如射线102-2所示。透射全息图结构44的区域107中的透射全息图可将射线102-1聚焦到视窗24，如射线104-1所示。
类似地，传输全息图结构44的区域105中的传输全息图可将射线102-2聚焦到视窗24。这可以在多层全息组合器40的长度重复，以产生如图2所示的相同的复制光瞳46、48、50、52和54。
在另一种合适的布置中，多层全息组合器40可包括两层反射全息图结构。在这种情况下，其中一个反射全息图结构可以复制输入光56，而另一个反射全息图结构可以将复制的光聚焦到视窗24。例如在本场景中，输入光可从与视窗24相对的多层全息组合器40的一侧入射到多层全息组合器40之上。
图9和10显示用于形成多层全息组合器40的全息图如何用于衍射多个波长的光的彩色多路复用。
在图9的示例中，全息图结构110可包括多层全息图，用于衍射不同波长的光。层112可以是全息记录介质的全息薄膜。可在每一层112记录一组相应的全息图以衍射光。例如，第一层112-1可以在第一波长处衍射光，如红光；第二层112-2可以在第二波长处衍射光，如绿光；第三层112-3可以在第三波长处衍射光，如蓝光。
在图10的示例中，全息图结构110可包括全息记录介质的单层114。用于衍射不同波长的光的全息图可以分别叠加在114层的同一体积内。例如，第114层可以包括第一组全息图，用于衍射红光，第二组全息图用于衍射绿光，第三组全息图用于衍射蓝光。
在图11中，衬底90、反射全息图结构42和透射全息图结构44均可具有弯曲形状。在一种合适的布置中，衬底90的两个表面91和93都是弯曲的。在另一种合适的布置中，表面91和93中的一个是弯曲的，而另一个是平面的。
在另一种合适的布置中，透射全息图结构44可由光学扩散器代替。图12显示如何用光学扩散器代替透射全息图结构44。
如图12所示，可以在衬底90的表面91之上形成光学漫射器120。光学漫射器120可以接收输入光56，并且可以在不同角度范围内漫射输入光56，如箭头122所示。
反射全息图结构42可以将漫射光聚焦到视窗24。如果需要，光学漫射器120可以包括全息光学元件。全息光学元件可以包括从给定入射角吸收光并在每个输出角上连续输出光的全息图。
图13示出的流程图用于记录系统记录用于多层全息组合器40的透射全息图结构44和反射全息图结构42的全息图。所述记录系统可包括控制器、夹具、信号波束源和参考波束源。所述记录系统可包括可调组件，所述可调组件根据来自所述控制器的指令调整所述信号波束源和所述参考波束源。可将全息记录介质装入夹具中。
在130的操作期间，控制器可以识别要用于使用记录系统的可调组件调整信号和参考波束的设置。例如强度、角度、波长、形状和/或信号和参考光束的方向可以使用控制器和可调组件进行调整。
在130的操作过程中，识别出所需调整的每个设置并且相应地调整系统组件后，控制器可以指示光源产生光。所产生的光被分割成参考光束和信号光束，并引导到全息记录介质中，以在132的操作期间记录全息图。
在记录操作之后，处理可以循环回130，以便控制器可以在任选地执行一个或多个附加记录操作之前调整一个或多个设置。
相关专利：Apple Patent | Optical systems with multi-layer holographic combiners
名为“Optical systems with multi-layer holographic combiners”的苹果专利申请最初在2023年7月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
