微软AR专利分享可提供虚拟图像对焦功能的光学组合器
光学组合器
（映维网Nweon 2022年05月13日）混合现实设备包含一系列的光学元件。为了实现既要看到真实世界，又要看到虚拟数字信息，混合现实设备需要利用名为光学组合器(optical combiner)的元件，通过“层叠”的形式将虚拟内容和真实场景融为一体。在名为“Waveguide assembly with virtual image focus”的专利申请中，微软就介绍了一种相关的光学元件。总的来说，所述光学组合器可用于提供虚拟图像对焦功能，从而允许系统在不使用外部透镜的情况下呈现预定焦深范围内的全息图像。
专利描述的光学组合器配置用于组合全息和真实世界图像的混合现实显示系统中。光学组合器包括一组透明波导，其布置在堆叠中并根据从全息图像源接收的颜色分量提供全彩全息图像。每个波导包括一个耦入DOE（衍射光学元件）、一个中间DOE和一个耦出DOE，而它们都布置在光学组合器中堆叠波导的内表面。每个耦出DOE都包含衍射透镜功能，从而以设定的深度渲染耦出全息图像。
光学组合器可以提供出射光瞳扩展器（EPE）功能，并可使用至少一个波导来实现。图3是EPE 305的视图。EPE 305使用单独的左右显示器，每个显示器都有自己的成像仪和成像光学器件。EPE中的每个显示器接收来自成像器105的一个或多个输入光束，并将其作为全息图像光的入射光瞳，以产生一个或多个输出光束。
DOE可以以各种配置布置在波导之上，例如在相同侧或不同侧，并且可以是单面或双面。如图3所示，来自EPE 305的示例性输出光束350与从成像器105输出到DOE 340的示例性输入光束355平行。在一个实施例中，输入光束被准直，所以输出光束同样被准直。通常，在基于波导的组合器中，需要在准直场上形成输入光瞳，否则每个波导出射光瞳将在稍微不同的距离产生图像。
图9示出凹透镜905可以发散从耦出DOE接收的准直/平行光线950（例如图3所示的光束350）。如图所示，从凹透镜到达用户眼睛115的光线是非平行和发散的。
如图10所示，一对透镜可利用波导显示器在设定深度提供虚拟图像聚焦。尽管透镜1005和1020可以令人满意地实现设定深度的虚拟图像聚焦，但在其他应用中，实现和利用替代虚拟图像聚焦方法可能有所帮助。
图11示出了在其上布置耦出DOE 1105的示例性波导1100。耦出DOE特别适于将非准直发散光束1110输出到用户的眼睛115，从而在不使用外部透镜的情况下呈现预定焦深范围内的全息图像。除了提供虚拟图像聚焦之外，耦出DOE 1105同时配置为包括出瞳扩展功能，如前文所述。
耦出DOE 1105包含负透镜功能，例如具有-0.5屈光度的透光率，并为位于用户前方2米的渲染全息图像提供焦平面。可以利用不同数量的透光率来提供位于其他距离的焦平面，以满足特定应用的要求。
如图12A所示，远距离对象1205将具有波前1210，每个波前都具有特定的曲率半径。如图12B所示，当对象位于无穷远处时，每个球面波前1215具有无限的曲率半径。如图12C所示，对于近处对象1225，每个球面波前1220的曲率半径减小。因此，通过操纵耦出DOE中光栅的配置以影响衍射场波前的球面形状，系统可以预期为DOE提供足够的负透光率，以消除对外部透镜的要求。
在图19中，可以调制光栅特征以在2m处提供虚拟图像聚焦。在图20中，可以调整光栅特征以在0.5 m处提供虚拟图像聚焦。图19和20仅作为说明。
图21示出了三个波导的说明性组件侧视图。三个波导具有集成的DOE，其堆叠以形成光学组合器125。其中，波导2105、2110，和2115分别处理RGB（红、绿、蓝）颜色模型中与给定输入角度范围内的不同颜色。在典型实施中，红色波长范围为600 nm至650 nm，绿色波长范围为500 nm至550 nm，蓝色波长范围为430 nm至480 nm。
堆叠波导2105、2110和2115及其相应的集成DO可统称为波导组件2100，并起到光合路器的作用。波导2105、2110和2115可由透明玻璃或塑料基板或其组合构成。
如图所示，每个DOE布置在光学组合器2100的相应波导2105、2110和2115之上。换句话说，每个DOE至少部分地位于波导间空间2150内。这种构造确保DOE光栅结构中的任何一个都不位于光学组合器各自眼睛和真实世界侧的外部平面2135和2140。因此，波导的外平面可在头显处理和操作期间保护DOE，同时在组合器中提供其通常的光学功能。
图22显示全息图像光通过光学组合器2100的说明性传播。对于虚拟视场内的给定角度范围，由每个颜色分量2205、2210和2215的光使用各自的耦入DOE耦合到各自的波导2115、2110和2105中。
用于每个波导2105、2110和2115的耦入DOE 2120配置成在FOV描述的角度范围内和特定波长范围内将光耦合到波导中。波长范围之外的光通过波导。因此，蓝色全息图像光穿过红色和绿色波导，到达蓝色波导2115中的耦入DOE，在波导内以TIR传播，在中间DOE（未显示）中以水平方向扩展，传播到耦出DOE，并在垂直方向扩展。
图23是用于提供具有虚拟图像焦点的波导组件流程图2300。在步骤2305中，使用模板从平面光学基板上切割多个波导坯料，以使每个波导坯料具有共同的形状。在步骤2310中，在多个切割波导坯料中的每一个布置耦入DOE、中间DOE和耦出DOE，以形成各自的多个光瞳扩展器。耦入DOE配置成耦合对应于全息图像的一个或多个光束，并作为对相应光瞳扩展器的输入。中间DOE配置用于在第一方向对一个或多个光束进行光瞳扩展。耦出DOE配置用于一个或多个光束在第二方向的光瞳扩展，并且进一步配置为将一个或多个具有预定焦深的光束耦出。
在步骤2315中，使用多个出光瞳扩展器的堆栈提供光学组合器，其中堆栈中的多个光瞳扩展器对应于颜色模型中使用的多个颜色。
相关专利：Microsoft Patent | Waveguide assembly with virtual image focus
名为“Waveguide assembly with virtual image focus”的微软专利申请最初在2020年11月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
