微软AR/VR专利探索大范围主射线角操纵的微透镜阵列
提高面板显示器的光学效率和改善照明均匀性
（映维网Nweon 2023年09月25日）微软认为，Micro LED具有体积小、重量轻、亮度高、封装密度高的特点，可能特别适合用于需要高分辨率、小尺寸和轻重量的头戴式显示器。
在名为”Microlenses providing wide range chief ray angle manipulation for a panel display“的专利申请中，微软介绍了一种为面板显示提供大范围主射线角操纵的微透镜，以及配置所述微透镜阵列的显示系统。
其中，阵列中的每个微透镜对应于面板显示器的各自像素。微透镜的配置根据它们在面板显示平面上与中心投影轴的距离而变化。微透镜可以配置为提高光学效率的表面。
另外，为了改善显示照明均匀性，可以配置微透镜以在大范围内操纵给定像素的发射角剖面以匹配其主射线角CRA，而像素的主射线穿过显示系统中投影光学系统的光瞳的中心。
具有两种不同配置的微透镜可用于为相对于较远的离轴像素更接近中心轴的上轴像素塑形光。对于离轴像素，微透镜配置包括一个不对称的自由曲面透镜表面来准直光线并匹配CRA。
圆形对称和非对称自由微透镜形状同时可以分别与使用微透镜和各自对应像素之间的空间偏移相结合，从而提供进一步的光线操作以进行CRA匹配。
微软指出，有利的是，由各自Micro LED阵列和相应微透镜组成的面板显示器为投影显示系统提供了光学效率和照明均匀性的改进。提高光学效率可以节省功率，而改进的照明均匀性则提供了更令人满意的用户体验。
另外，由当前微透镜配置实现的大范围CRA操作可以为显示系统中的下游组件(提供更多的设计自由度，例如令光学投影系统更紧凑，从而使用目前的微透镜阵列减小头显设备的尺寸和重量。
图6示出了用于从说明性Micro LED 600发射光的锥角Q，Micro LED 600设置为例如为面板显示器320中的像素或亚像素发射单色光。Micro LED中的半导体芯片610的发射区域605可以采取各种形状，包括矩形、圆形、六角形等，从而满足给定应用的要求。
并非从发射区域发射的所有光通常对面板显示照明有效。例如，对于基于投影的显示设备，只有在锥角Ω=±10-15度内发射的光线能够有效地通过下游投影系统传播。
所以，来自宽角发射器的光将丢失，从而导致显示系统的光学效率降低。根据微软提出的方法，可以将微透镜阵列布置成把面板显示器中各像素源的光准直到中心锥角，以最大限度地提高光学效率。这样的优化可以节省能源。
图7示出了主射线角θ。在这个实施例中，面板显示和投影光学元件具有同轴或远心配置。然而，在利用本原理的替代实施例中可以使用非远心配置。
主射线角CRA描述在用于离轴像素705的面板显示器320上的点与投影光学元件345的光瞳的中心之间追踪的主射线715的角。在图中，光瞳用参考编号720表示，中心点用参考编号725表示。如图所示，边缘射线730从面板显示器中心的轴向像素710通过到光瞳的最大孔径。
在投影系统中，只有最接近主射线的光才能收集起来，并用于向用户的眼睛传递虚拟图像。因此，系统的光学效率会根据显示器中像素的位置而变化，从而导致面板显示器亮度的不均匀。
这表现为系统视场内各个位置的暗区，特别是CRA最大的显示器边缘和角落。特定投影系统架构可能会加剧这个问题，尤其是具有紧凑形状参数的投影系统，因为CRA可能会更大。
图8A-8E显示了用于根据发明布置的微透镜。微软指出，所述微透镜配置可用于提高面板显示器的光学效率，从而最大限度地利用可用功率，并且通过对显示器中的离轴像素进行CRA操作来改善照明均匀性。
图8A示出用于微透镜805（结构A）的第一说明性结构，其中透镜表面具有圆对称表面形状。图8B示出具有自由曲面透镜表面形状的微透镜810（结构B）的第二说明性结构。
作为说明，“自由曲面透镜表面”是指没有旋转不变性轴的形状。因此，自由曲面透镜表现出不同的特性，这取决于其相对于Micro LED的中心轴的旋转位置。
可以配置自由曲面以使透镜对几乎所有入射光线的光束成形进行优化。非球面光学可以认为是具有旋转不变性轴的自由曲面光学的一种特殊情况。通常，非球面可以有轴，而自由曲面可以没有轴。
图8C示出具有自由曲面透镜表面形状的微透镜815（结构C）的第三个说明性结构。结构C可用于离轴像素的光操纵，其作用是使微透镜表面倾斜以使发射光线的角度与其CRA相匹配。
图8D示出微透镜820（结构D）的第四个说明性结构，结构D具有提供离轴像素的CRA匹配的自由曲面透镜表面形状。另外，结构D利用非同轴空间关系，其中Micro LED 600的发射区域605在阵列平面上与微透镜的中心线偏移。
图8E示出具有规则球面形状并且在Micro LED的发射区域和微透镜的中心线之间利用偏移的微透镜825（结构E）。
图9示出可部署在面板显示器320中的不同微透镜配置的说明性分布。用于给定像素的特定微透镜配置可以依赖于其在XY平面上从面板显示的中心轴的距离d。对于靠近中心轴的显示器上的轴向像素，可以有利地利用分别具有圆对称和自由曲面的微透镜结构A或B。
对于离轴像素，可以有利地利用配置C或D，亦即分别为自由形状和具有空间偏移的自由形状来操纵从面板向投影光学器件的光瞳720发射的光线，从而匹配其各自的CRA。
因此，给定的面板显示器可以利用图8所示的微透镜配置中的一个或多个。对于位于中心和极端离轴位置之间的显示器中的像素，可以通过实现相似的透镜表面形状，然后应用使用微透镜之间的线性插值计算的不同空间偏移量来实现配置类型之间的平滑过渡。
微透镜阵列的中心轴与远端微透镜阵列的中心轴相对应，微透镜阵列对应于面板显示器的轴向和离轴像素。
或者，可以将微透镜阵列划分为与显示器的中心轴同轴的多个环形区域。阵列的每个区域中用于微透镜的自由曲面形状可以配置为根据发明描述的原理来操纵其各自对应像素的主射线角。
图10是根据本发明原理配置了微透镜的面板显示器的归一化光学效率相对于CRA变化的图示1000。
如图所示，CRA为20度的像素1005的光学效率约为CRA为0度的像素1010的70%。所述结果与特定传统投影系统相比是有利的，其中20度CRA像素的光学效率只有0度CRA像素的28%左右。
图11是用于操作光学显示系统以在视场内显示虚拟图像的流程图1100。
在1105，利用发射面板显示器来生成形成虚拟图像的像素阵列。所述面板显示器具有沿所述面板显示器的光线发射方向投射的中心轴，所述像素阵列包括相对于所述中心轴的上轴像素和相对于所述中心轴的离轴像素。
在1110，提供设置在面板显示器上的微透镜阵列。其中，阵列中的每个微透镜对应于形成虚拟图像的像素阵列中的各自像素。
在1115，阵列中的微透镜被配置为将用于每个离轴像素的光线调谐到与用于离轴像素的光线相关的主光线角度，以使其具有与头显设备视场内的上轴像素基本相似的亮度。
相关专利：Microsoft Patent | Microlenses providing wide range chief ray angle manipulation for a panel display
名为”Microlenses providing wide range chief ray angle manipulation for a panel display“的微软专利申请最初在2022年3月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
