微软AR专利将部分照明和成像路径合并到公共光路，以减少重量、复杂性和尺寸
将部分照明和成像路径合并到公共光路区域
（映维网Nweon 2023年08月18日）在典型的混合现实显示设备中，光源发出经过调制的照明光以产生图像光，利用图像光可以形成可见的图像。为了获得所需的照明和图像质量，照明光的处理可以不同于图像光的处理。
传统的显示设备通过使用物理分离的照明和成像路径来实现照明光和成像光的差异。尽管这可以对光进行不同的处理，但它们的使用可能会对近眼显示设备的物理实现构成挑战。
针对这个问题，微软在名为“Display device having common light path region”的专利申请中提出将部分照明和成像路径合并到公共光路区域，从而减少重量、复杂性和尺寸。
图1描述了示例性显示器件100，它通过分别为照明光和成像光提供不同且物理分离的光路来实现对照明光和成像光的差分处理。
一种这样的路径包括照明路径102，沿着所述路径从光源104发射照明光，并且通过位于照明路径中的各种光学元件来形成照明光。照明光随后从分束镜110反射，从而照亮沿成像路径114定位的空间光调制器112。空间光调制器112调制入射照明光并发射作为随后沿成像路径114行进的图像光的调制照明光。
成像路径114包括各种光学元件，如透镜116、118和120，以及孔径挡板122，当成像光沿着成像路径114向成像路径的末端124行进时，孔径挡板122阻挡部分成像光，从而抑制伪影的形成。
在显示设备100中对照明光和成像光的区别处理包括在照明路径102中产生与在成像路径114中对光的调制相反的光。
照明光和图像光的差分处理同时包括在照明路径102中塑造照明光，以在空间光调制器的照明表面的空间范围内以基本均匀的方式照亮空间光调制器112，而不会明显地欠填充或过填充照明表面的空间范围。
尽管使用物理分离的路径可以对光进行这种不同的处理，但它们的使用可能会对显示设备100的物理实现构成挑战。使用各自独立的照明路径和图像光可能会令近眼显示器的设计变得困难或不切实际。
解决问题并提供紧凑显示设备的一种方法是，使用分束立方体将部分照明和成像路径合并到公共光路区域。
图2描述了示例性显示设备200，它使用分束立方体202来提供照明光和成像光沿其行进的公共光路区域204。在显示设备200中，照明光从光源206发射，穿过光学元件208，并随后由分束立方体202向空间光调制器210反射。
空间光调制器210调制入射照明光，从而将调制的照明光作为像光直接指向分束立方体202。图像光的至少一部分可以通过分束立方体202传输，从耦合到分束立方体的透镜212反射，并随后从分束立方体向显示设备200的出瞳或图2中未示出的附加光学元件反射，并从图像光产生可见图像。
在图2所示的实施例中，公共光路区域204沿着显示设备200的光轴214延伸。另外，照明光沿其行进的照明路径216的一部分，以及随成像光行进的成像路径218的一部分，延伸通过公共光路区域204。
图3描绘了另一示例性显示设备300，其中分束立方体302用于提供照明光和成像光沿其行进的公共光路区域304。在显示设备300中，照明光从光源306发射，通过分束立方体302传输，并由分束立方体向透镜308反射，透镜308随后将照明光向空间光调制器310反射。
空间光调制器310调制入射照明光，从而将调制的照明光作为像光指向分束立方体302。所述图像光的至少一部分可通过分束立方体302向上传输至透镜308，透镜308随后可将所述图像光向下引导至分束立方体302。
然后，通过分束立方体308的镜像表面，图像光可以指向显示设备300的出口瞳孔或图3中未示出的附加光学元件，其中可以从图像光产生可见图像。
在图3所示的实施例中，公共光路区域304沿着显示设备300的光轴312延伸。另外，照明光沿其传播的照明路径314的一部分，以及随成像光传播的成像路径316的一部分，延伸通过公共光路区域304。
本实施例中的透镜308在照明路径和成像路径314和316之间共享，并且用于照明光和成像光的产生和处理。这样，与图2中所示的显示设备200相比，透镜308的使用可以使显示设备300中省略透镜208，从而促进在显示设备的物理实现中减少重量、复杂性和尺寸。在图3的示例中，可能需要使用四分之一波片和/或附加光学元件。
图4描绘了示例性显示设备400，其中分束立方体402用于产生和处理照明和图像光。显示设备400包括发出照明光的光源404，所述照明光通过将准直照明光指向分束立方体402的准直光学元件406。分束立方体402将照明光导向空间光调制器408，空间光调制器408调制入射照明光，并将调制的照明光作为像光导向分束立方体。
至少一部分图像光通过分束立方体402向投影透镜410A、410B和410C传输。在通过投影透镜410A-410C传输之后，图像光可以指向显示设备400的出口瞳孔或图4中未示出的附加光学元件，其中可以从图像光产生可见图像。
在图4所示的实施例中，照明光沿着照明路径412传播，成像光沿着成像路径414传播。照明路径412的一部分和成像路径414的一部分延伸通过沿显示设备400的光轴418延伸的公共光路区域416。
图5描绘了一个示例显示设备500，其在不使用分束器的情况下对照明和图像光进行不同的处理。显示设备500包括光源502，光源502通过投射透镜504A、504B和504C引导照明光，投射透镜504A、504B和504C向空间光调制器506传输和引导照明光。
空间光调制器506调制入射照明光，并将调制的照明光作为成像光引导至投射透镜504A-504C，投射透镜504A-504C将成像光传输至出瞳或图5中未示的附加光学元件，通过所述光学元件可从成像光产生可见图像。
与包括分束器的显示设备实现相比，在显示设备500中省略这样的光学元件可以使光学元件诸如透镜投影504和空间光调制器506之间的相对更近的放置成为可能。
在图5所示的实施例中，照明光沿着照明路径508传播，成像光沿着成像路径510传播。照明路径508的一部分和成像路径510的一部分延伸通过沿显示设备500的光轴514延伸的公共光路区域512。
图6描绘了另一示例显示设备600，其中不同的光学元件布置在照明和成像路径中。显示设备600包括光源602，光源602通过投射透镜604A和604B引导照明光，投射透镜604A和604B向空间光调制器606传输和引导照明光。
空间光调制器606对入射照明光进行调制，并将调制后的照明光作为图像光引导至投影透镜604A和604B。所述投影透镜608将图像光传输至部分切割的投影透镜608。投影透镜608将成像光引导至图6中未示出的出瞳或附加光学元件，由此可从成像光产生可见图像。
在图6所示的实施例中，照明光沿着照明路径610传播，成像光沿着成像路径612传播。照明路径610的一部分和成像路径612的一部分延伸通过沿显示设备600的光轴616延伸的公共光路区域614。
所描述的实施例中，成像光以与部分照明光穿过所述公共光路区域的方向基本相反的方向穿过所述公共光路区域614。与设置在公共光路区域614内的光学元件相反，投影透镜608不为照明路径610和成像路径612所共享，因此处理成像光而不处理照明光。
图7描绘了另一示例显示设备700，其中不同的光学元件布置在照明和成像路径中。显示设备700包括光源702，其通过投射透镜704A和704B引导照明光，所述投射透镜704A和704B将照明光传输并引导至空间光调制器706。
空间光调制器706对入射照明光进行调制，并将调制后的照明光作为成像光引导至投影透镜704B，投影透镜704B将成像光传输至部分切割的投影透镜708A。然后，投影透镜708A再将成像光传输至另一部分切割的投影透镜708B。投影透镜708B接下来将图像光引导到图7中未示的出口瞳孔或附加光学元件，由此可以从图像光产生可见图像。
在图7所示的实施例中，照明光沿着照明路径710传播，成像光沿着成像路径712传播。照明路径710的一部分和成像路径712的一部分延伸通过沿显示设备700的光轴716延伸的公共光路区域714。
在所描述的实施例中，成像光以与部分照明光穿过所述公共光路区域的方向基本相反的方向穿过所述公共光路区域714。与设置在公共光路区域714内的光学元件相反，投影透镜704A、708A和708B在照明路径710和成像路径712之间不共享，因此处理成像光而不处理照明光。
部分切割的透镜可以以任何合适的方式配置。在一个实施例中，透镜的一部分可以物理移除以提供部分切割的透镜。
在其他例子中，透镜可以不被物理切割，而是在功能上被逻辑分割。例如，透镜的入瞳可以大约分成两半，一半接收和处理照明光，而另一半接收和处理图像光。
根据专利描述的方法，可以进一步考虑除其他布置。例如，可以为显示设备提供诸如镜面或反射波导之类的光学元件，从而以代替分束器。
在显示设备确实采用分束器的其他示例中，分束器可以部分反射或偏振敏感，从而能够对照明光和图像光进行差分处理。通常，显示设备可以提供具有偏振敏感的光学元件，使得偏振敏感的光学元件以不同的方式处理第一偏振的光与第二不同偏振的光。
在一个例子中，光的偏振可能在从空间光调制器反射的光上发生变化。在另一实施例中，显示设备可提供一个或多个孔径挡板，以抑制不希望出现的伪影，比方说来自波导和空间光调制器之间的反射的伪影。
在另一个示例中，显示设备可以提供一个或多个非旋转对称的光学元件，使得通过所述光学元件的照明光与通过所述光学元件的图像光不同地与光学元件相互作用。
相关专利：Microsoft Patent | Display device having common light path region
名为“Display device having common light path region”的微软专利申请最初在2022年1月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
