索尼专利分享AR/MR头显的光学系统设计实现
头显设计
（映维网Nweon 2022年04月21日）日前美国专利商标局公布了一份名为“Image display apparatus and head-mounted display”的索尼专利申请。这份于2020年6月提交的专利申请主要描述了一种头显设计。
这份发明主要描述了两种实现。
第一个实现
图1是第一实施例的配置示例。如图1所示，图像显示设备100包括光源10、聚光镜20、空间光调制器（SLM）30、反射镜40、透镜阵列组50和全息透镜60。注意，图1中所示的X、Y和Z轴分别表示三个轴的方向，三个轴的方向相互正交。
光源10通常是相干光源，例如激光器。光源10可以是点光源或准直光源。离开光源10的光照射到聚光镜 20。聚光镜20用于收集光源10照射的光。聚光镜20可以是一个或多个透镜的组合。聚光镜20设置在SLM 30的光入口侧，面向光源10。由聚光镜 20收集的光照射到SLM 30。
SLM 30是显示干涉图样（衍射图样），干涉图样构成了要呈现给用户的再现图像（全息图图像），并且能够通过电控制光的空间分布（例如振幅、相位和偏振），从而调制来自光源10的光。
SLM 30对从聚光镜20照射的入射光进行衍射，令衍射光从SLM 30反射到反射镜40。本实施例的SLM 30通常是反射式空间光调制器。在另一个实施例中，SLM 30可以是例如透射式空间光调制器。
反射镜40将来自于SLM 30的衍射光反射到透镜阵列组50。从反射镜40反射的衍射光通过透镜阵列组50。反射镜40布置在距离SLM 30的指定距离位置。本实施例的反射镜40包括校正由干涉图案衍射的衍射光的色散和全息图透镜60的色散的功能。
继续如图1所示，透镜阵列组50包括第一微透镜阵列50a、第二微透镜阵列50b和凸透镜50c。
第一微透镜阵列50a包括多个凸透镜51a，它们在单轴方向上以指定的间隔排列。本实施例的凸透镜51a有利地沿单轴方向和Z轴方向二维布置。凸透镜51a包括位于光源10侧且具有指定曲率半径的曲面，以及与所述曲面相对的平面。
如果凸透镜51a之间的间隔（透镜间距）相对于SLM 30过小，这将导致再现图像的分辨率降低。如果凸透镜51a之间的间隔相对于SLM 30过大，这将导致构成再现图像的光线之间的气隙增大，从而使得光线的大小远大于用户眼睛的瞳孔。所以，凸透镜51a之间的间隔最好是不小于1mm且不大于5mm。更有利地，凸透镜51a之间的间隔不小于0.8mm且不大于3.4mm。这里，透镜间距指示相邻凸透镜51a之间的间隔。
凸透镜51a通常是平凸透镜。凸透镜51a可由例如玻璃、塑料、石英或萤石制成。凸透镜51a的数量不受特别限制，但凸透镜51a的数量不少于两个。然而，如果透镜的数量过小，这将导致形成再现图像的光线过少，所以难以提升视场。如果透镜数量过多，这将导致再现图像的分辨率降低。所以，透镜的数量最好是不少于两个且不大于十个。换句话说，在Z轴方向布置的凸透镜51a的数量最好不小于2且不大于10。
凸透镜51a包括折射从反射镜40反射的衍射光并将光引导至第二微透镜阵列50b的功能。
如图1所示，第二微透镜阵列50b面对第一微透镜阵列50a。第二微透镜阵列50b包括以指定间隔排列的多个凸透镜51b。本实施例的凸透镜51b在布置方向和Z轴方向上有利地二维布置。在这种情况下，多个凸透镜51b中的每一个通常面对多个凸透镜51a中相应的一个。凸透镜51b包括位于光源10侧的平面和与所述平面相对且具有指定曲率半径的曲面。
凸透镜51b之间的间隔（透镜间距）通常类似于凸透镜51a之间的间隔。凸透镜51b之间的间隔可以不同于凸透镜51a之间的间隔。
另外，图1所示的凸透镜51b一般是平凸透镜。凸透镜51b可以由玻璃、塑料、石英或萤石等材料制成。凸透镜51b包括进一步折射由凸透镜51a折射的衍射光并将光引导到凸透镜50c的功能。
凸透镜50c是用于收集凸透镜51b折射的衍射光。凸透镜50c包括位于光源10侧且具有指定曲率半径的曲面，以及与所述曲面相对的平面。
凸透镜50c通常为平凸透镜，并且可由例如玻璃、塑料、石英或萤石制成。凸透镜50c进一步折射凸透镜51b折射的衍射光，以在凸透镜50c和全息透镜60之间成像衍射光。凸透镜50c布置在第二微透镜阵列50b的出光侧，以面对多个凸透镜51b。凸透镜50c有利地布置在靠近第二微透镜阵列50b的位置，从而不会妨碍用户的视线。
如图2所示，全息图透镜60包括光源10一侧的平面和与平面相对的曲面。透镜阵列组50折射的衍射光进入全息透镜60。全息图透镜60可由例如玻璃、塑料、石英或萤石制成。
如图1所示，全息透镜60布置在距用户眼睛的指定距离位置，从而面对用户的眼睛。例如，全息透镜60与用户眼睛之间的距离不小于约20 mm且不大于约50 mm。
全息图透镜60是经过处理的透镜，并用于确定聚焦位置和收集光的形式。本实施例的全息图透镜60准直在透镜阵列组50和全息图透镜60之间成像的衍射光以获得平行光，并将平行光传送到用户的眼睛。因此，用户可以识别虚拟图像。
专利实施例的全息图透镜60通常是反射全息图透镜。全注意，全息图透镜60是偏心透镜，这意味着全息图透镜60的中心轴相对于进入全息图透镜60的参考光和对象光中的一个或两个倾斜。
图2示出了图像显示设备100的光学系统配置，并且描述图像显示设备100的操作。
首先，由光源10照射的光被聚光镜20收集，收集的光被照射到SLM 30。照射到SLM 30的光被干涉图案衍射，干涉图案的一部分显示在SLM 30，并直接向反射镜40传播。由SLM 30衍射的衍射光从反射镜40反射，以引导到透镜阵列组50。
由于SLM 30提供的空间调制效应，从反射镜40反射的衍射光被成像在位于多个凸透镜51a中的每个的光源侧面附近的图像平面S1（第一图像平面）中，并且与每个凸透镜51a对应的真实图像被投影到图像平面S1上，如图2所示。本实施例的SLM 30能够在光源10的光轴方向改变真实图像投影到的空间中的成像位置，即图像平面S1在所述空间中的位置。
因此，图像平面S2（第二图像平面）在后面描述的空间中的位置可以在光轴方向发生改变。这使得能够表示投影到图像平面S2，并由全息透镜60放大的虚拟图像的深度，从而允许获得虚拟图像的三维图像。
图3示出了投影到图像平面S1的真实图像示例和投影到图像平面S2的虚拟图像示例。例如，如图3的a所示的真实图像被投影到图像平面S1。在本实施例中，基本相同的真实图像或如图3的a中所示的相同真实图像投影到与多个凸透镜51a中的每一个相对应的每个图像平面S1。
形成真实图像后的衍射光进入透镜阵列组50，由第一微透镜阵列50a、第二微透镜阵列50b和凸透镜50c折射，并在凸透镜50c和全息透镜60之间组合，如图2所示。这导致形成具有比图像平面S1更大视角的图像平面S2，从而通过组合多个分割的真实图像以进行放大来获得虚拟图像。
更具体地说，当与图3中a所示的真实图像中的星星G1相对应的光是衍射光L1，与真实图像中的星星G2相对应的光是衍射光L2，与真实图像中的星星G3相对应的光是衍射光L3时，形成真实图像后的衍射光L3被凸透镜51a折射，并由凸透镜51b收集。在这种情况下，被凸透镜51b折射的衍射光L1、衍射光L2和衍射光L3对于各自的图像具有不同的光线角，衍射光L1、衍射光L2、衍射光L3通过多个凸透镜51b中的每一个，并成为平行光。然后，多条衍射光L1、多条衍射光L2、多条衍射光L3的平行光进入凸透镜50c，以便在图像平面S2（凸透镜50c的焦点位置）中成像。这意味着在用户眼睛旋转运动范围内捕获的光线数量增加，从而进一步提升视场。
形成虚拟图像后的衍射光（合成光）由全息图透镜60准直以获得平行光，并且平行光传送到用户的眼睛。因此，在用户的视网膜上形成通过放大投影到图像平面S2上的虚拟图像而获得的图像。因此，头显可以向用户呈现具有比真实图像更大视角的图像（虚拟图像）。
第二个实现
图4是第二实施例的图像显示设备200光学系统。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，图像显示设备200包括分束器70而不包括反射镜40，并且采用透镜阵列组80而不是透镜阵列组50。
分束器70设置在透镜阵列组80和SLM 30之间，光源10照射的一部分光从分束器70反射到SLM 30。来自光源10的光从分束器70反射，大致垂直于SLM 30。光被SLM 30衍射和调制，并且衍射光通过分束器70传输以进入透镜阵列组80。
如图4所示，透镜阵列组80包括凸透镜组80a和凸透镜80b。凸透镜组80a包括在单轴方向上以指定间隔排列的多个凸透镜81a。
凸透镜81a包括两个曲面，分别位于分束器70一侧和凸透镜80b一侧，两个曲面各自具有指定的曲率半径。凸透镜81a通常是双凸透镜。凸透镜81a的数量不受特别限制，但凸透镜81a的数量不少于两个。例如，凸透镜81a的数量有利地不少于两个且不大于十个。凸透镜81a包括折射由SLM 30显示的干涉图案衍射的衍射光，并将光引导至凸透镜80b的功能。
如图4所示，凸透镜80b面对凸透镜组80a。凸透镜80b有利地布置在靠近凸透镜组80a的位置，从而不会妨碍用户的视线。注意，在第二实施例中，可以在凸透镜组80a和凸透镜80b之间提供光圈（光圈）。
凸透镜80b是用于再次使用凸透镜81a形成再现图像（真实图像）的聚光镜，再现图像（真实图像）投影到位于凸透镜81a附近的区域，其大小与凸透镜81a基本相同。凸透镜80b包括分别位于凸透镜组80a侧和全息图透镜60侧的两个曲面，这两个曲面各自具有指定的曲率半径。
凸透镜80b通常为双凸透镜，凸透镜80b可由例如玻璃、塑料、石英或萤石制成。凸透镜80b进一步折射由凸透镜81a折射的衍射光，以在凸透镜80b和全息图透镜60之间成像衍射光。
第二实施例的图像显示设备200的操作与第一实施例的图像显示设备100类似，并提供与上述第一实施例类似的效果。
相关专利：Sony Patent | Image display apparatus and head-mounted display
名为“Image display apparatus and head-mounted display”的索尼专利申请最初在2020年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
