微软专利提出双面光学元件，实现大视场、高分辨率AR/VR头显
不确定微软声称的“大”到底有多大，团队没有给出明确的数字
（映维网 2021年08月13日）头戴式显示设备可允许用户体验沉浸式数字场景。现有的配置一般搭载配置成生成图像的图像生成器和设置在图像生成器和用户眼睛之间的光学组件。生成的数字内容或图像通常是在名为“视窗”的图像区域进行再现，其可对应于与用户眼睛相关联的各种位置和角度方向。
上述的光学组件用于传播图像以供用户眼睛接收。换句话说，光学组件旨在创建具有指定视场、分辨率和/或视窗的图像。现有的光学组件一般使用单个常规折射光学元件，例如单个透镜来形成视窗。尽管简化了设计和降低了成本，但这会产生一个又重又大的透镜，并且产生的大部分光线无法达到视窗，从而造成浪费。
在名为“Head mounted display device with double faceted optics”的专利申请中，微软提出了一种双面光学元件，以两个串联工作的光学子组件来解决所述问题。其中，第一光学子组件可提供大部分的聚焦功能。第二光学子组件可包括多个平面布置的透镜（如微透镜），其接收聚焦光并提供大部分准直功能。
微软声称，这种组合可以同时提供大视场和大视窗，并提供高分辨率图像。另外，微透镜的子集可以协同操作以提供高质量的用户图像体验，同时节省资源。当然，不确定微软声称的“大”和“高”到底有多大和多高，团队没有给出明确的数字。另外，不确定发明应用于产品时的实际效果。
专利图1A和1B共同描绘了可以实现发明技术的示例头显设备100。头显设备100可包括外壳102。外壳可限定向内侧104和向外侧106。外壳102同时可定向光引擎108和光学组件110。光学组件可包括第一子组件112和第二子组件114。
光引擎108可以生成表示图像的光线。光引擎108可以是能够发光的任何类型组件，例如从一个或多个独立可控元件115发光，比方说发光二极管、激光二极管和/或有机发光二极管等。可以根据一个或多个参数值驱动各个独立可控元件115，以产生具有相应光强和颜色等的光线116。
第一子组件112可靠近光引擎108定位，并主要配置为聚焦来自光引擎的光116。第二子组件114可定位在光引擎108的远端，如第一子组件的另一侧。第二子组件114可配置为接收来自第一子组件112的光，并将至少部分光对准视窗117，以在视窗中为用户118形成图像。
进一步的细节将通过图2A和图2B介绍。出于说明
在专利图2A和2B的示例中，出于说明目的，串联工作的双面光学组件112和114隔开。
光学组件110和光引擎108横定向于光轴200，其中光轴200从用户的眼睛120穿过透镜的中心向外延伸。在这种情况下，第一子组件112包括聚焦元件202，聚焦元件202表现为单个透镜204。透镜204具有面向光引擎108的曲面206和背向光引擎的平面207。
第二子组件114包括聚焦元件208，其表现为多个透镜210。在这种情况下，多个透镜210是彼此共面的凸透镜。特别地，多透镜210是平凸透镜。换句话说，透镜210具有曲面212和相对的平面214。平面214位于平行于XY基准面（如横向于光轴200）的平面中。
如图2B所示，聚焦元件202和208协同工作，以将光116从光引擎108引导到用户的眼睛120。具体地说，光线116可以由光引擎108的区域218生成，并由聚焦元件202接收。出于解释目的，区域218可以与图1B中的元件115相关联。聚焦元件202可以将光116折射到聚焦元件208，聚焦元件208准直定向到用户的光。
第一子组件112可至少部分地将光116朝向光轴200聚焦以限定视窗117。视窗117可沿光轴与光学组件110充分隔开，以便用户的眼睛可舒适地定位在视窗117内。通过折射，第一子组件112可减少丢失的光量116，如从未到达视窗的光线。
第二子组件114可接收来自第一子组件112的折射光116。通过准直从第一子组件接收的光，第二子组件至少部分地在视窗117中形成图像220。请注意，准直不是由第二个子组件统一执行，而是由单个透镜210或透镜组局部执行。
第二子组件114的多透镜210可与第一子组件112的透镜204结合使用。功能上，透镜204可以像具有可变角度的棱镜一样，并根据与光轴200的距离以折射弯曲光线116。离光轴更远的多个透镜210，例如透镜210（1）和210（5），其可以将光线116弯曲更大的量。
对于这种设计，每个透镜210仅产生必要的或可视的视场，所以全部光线或大部分光线能够到达视窗117。换句话说，这种串联工作的双面光学组件可以创建具有大视场、高分辨率和大眼箱的图像。
下面的专利图3-12是根据串联双面光学组件概念提出的不同设计。原理一样，但采用的透镜和构造不同。其中，图3是图2A和2B所描述的示例，其中串联工作的双面光学组件112和114不再隔开。图4-12则是不同的变体。
名为“Head mounted display device with double faceted optics”的微软专利申请最初在2020年1月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
相关专利：Microsoft Patent | Head mounted display device with double faceted optics
