Meta AR/VR光学专利提出折射式空心单峰折叠透镜结构

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（XR导航网 2023年11月20日）对于头显设备，采用由两个简单透镜配对在一起的双透镜可以允许更多的光学表面和厚度，帮助纠正更多的光学像差并提高图像精度。然而，传统的双透镜可能在两个透镜之间的间隙中包含油脂或类似材料，并可能会增加头显的重量挑战。

名为“Reflective hollow singlet folded optical lens structure”的专利申请中，Meta提出了一种折射式空心单峰折叠透镜结构。

简单来说，传统的双透镜在粘合时会用诸如油脂这样的液体填充间隙或者根本没有间隙。Meta的空心单峰折叠透镜结构则是沿着外围边缘机械或化学固定两个光学元件，保持间隙（中空），或者无需使用诸如油脂这样的液体填充间隙。在一个实施例中，间隙可以使用惰性气体或类似气体。

在一个实施例中，光学透镜结构可包括两个光学元件，而这两个光学元件之间具有间隙。单个元件的表面可以具有任意数量的光学层，例如反射偏振片层、四分之一波层、半透明反射镜或其它光学层。

光学透镜配置可以通过反射元件之间的腔的表面来产生折光率。双元件光学透镜配置可提供非色差，从而改善光学成像质量和增加紧凑性。两个以上的折射面可以减少球差、像散和场曲率。另外，这种光学透镜配置可以减轻头显设备的光学组件重量。与传统透镜系统相比，所述光学透镜结构可以允许更简单、更高量的生产。

图5示出了发明所述的若干光学透镜配置。图500包括示例光学透镜配置502、504、506、508、510和512，其中在每个配置中将第一光学元件标识为L1，将第二光学元件标识为L2。在光学透镜结构502中，L1可以是均匀光学透镜，L2可以是平凸光学透镜。

在光学透镜配置504中，L1和L2均可为均匀光学透镜。在光学透镜结构506中，L1可以是半月板负光学透镜，L2可以是均匀光学透镜。在光学透镜结构508中，L1可以是均匀光学透镜，L2可以是半月板负光学透镜。在光学透镜结构510中，L1可以是半月板正光学透镜，L2可以是均匀光学透镜。在光学透镜结构512中，L1可以是均匀光学透镜，L2可以是半月板正光学透镜。

屈光率或折光率是指光学透镜或类似光学系统将光汇聚或发散的程度。对于紧靠在一起的两个或多个薄光学透镜，组合光学透镜的折光率可近似等于每个光学透镜的折光率之和。类似地，单个光学透镜的折光率可以近似等于每个表面的折光率之和。

在一个实施例中，光学透镜配置中的单个光学透镜的附加表面可以提供用于减少球差、像散和/或场曲率的折射表面。所以，可通过光学透镜配置提高视窗的成像精度。

图6示出了根据示例具有反射偏振片层、四分之一波层和半透明反射镜的光学透镜结构。图600中的光学透镜结构具有两个分离的光学元件，用于反射和折射。图600包括显示器612、第一光学元件604、第二光学元件602和视窗620。

所述第二光学元件602的第一表面上显示有反射偏振片层606，所述第一光学元件604的第一表面上显示有半透明镜610，所述第一光学元件604的第二表面上显示有四分之一波层608。穿过第一光学元件604的光线626、位于两光学元件之间空隙的光线624以及到达目镜620的光线622如图600所示。

在一个实施例中，第二光学元件602的第一表面（面向第一光学元件604）可设置有反射偏光片层606。在光学透明增强现实系统中，偏振管理对于提高显示器的环境对比度和亮度至关重要。

用于偏振管理的传统偏振分束器PBS可以提供出色的性能，但对于头戴式设备而言可能过于笨重，而紧凑和轻量化是头戴式AR显示器所追求的特性。

在一个示例中，薄反射偏振器层606可均匀地叠合在第二光学元件602的第一表面之上，提供与偏振分束器PBS相似的性能。在反射偏振器中，非偏振环境光可以部分通过，而偏振显示光可以被反射偏振器反射。因此，头戴式增强现实系统可以有效地将显示器612所显示的图像与外部世界相结合。

然而，反射偏振器可能会面临挑战。在实际实现中，只有大约一半的非偏振环境光可以通过，而另一半被反射回来。在一个示例中，可以在第一光学元件604的第二表面之上提供四分之一波层608，以弥补反射偏振片层606的透射率缺点。

四分之一波层608可以通过将线偏振光转换成圆偏振光来改变穿过它的光波的偏振状态。如果非偏振环境光通过四分之一波层608，它会变成线性或圆偏振。因此，可以通过反射偏振片层606增加环境光的透射率。

波片可以用双折射材料制成，如石英、云母或塑料，所述材料的折射率可能会随着线偏振光沿两个垂直晶体轴的一个或另一个而不同。波片的特性取决于晶体的厚度、光的波长和折射率的变化。选择参数，可以引入光波的两个偏振分量之间的可控相移，从而改变光波的偏振。

在一个实施例中，可以在第一光学元件604的第一表面之上设置半透明镜610。半透明镜又称为单向镜或50/50反射镜，半透明镜是一面反射另一面透明的反射镜。

来自显示器的光可通过半透明反射镜610并被第一光学元件604聚焦。当光离开所述第一光学元件604时，当其穿过所述四分之一波层608时，其偏振可发生改变。通过光学元件之间的间隙，来自显示器的光可以通过反射偏振片层606，并由到达视窗620的第二光学元件602进一步聚焦。

来自环境的非偏振光可通过半透明镜610并由第一光学元件604聚焦。当从第一光学元件604射出时，来自环境的光可以至少部分地被四分之一波层608极化。来自所述环境的部分偏振光可通过所述光学元件之间的间隙，并至少部分地通过所述反射偏振光层606进入所述第二光学元件602，而所述第二光学元件602可进一步聚焦于所述视窗620。

来自环境的可被反射偏振片层606反射的部分光可穿过第一光学元件604的四分之一波层608，并被半透明镜610反射回来。由于所述反射光被所述四分之一波层608进一步极化，所述反射光可通过所述反射偏振层606并到达所述视窗620。

因此，环境的光损失可以大大减少。

在一个实施例中，光学透镜结构可以包括两个光学元件的组件，它们连接在一起，中间有气隙。光学材料可能会受到色散的影响，这可能会导致不同波长的信号散射。示例光学透镜结构可以利用两个互补色散光学元件来补偿色散，并且具有在整个波长范围内具有相似聚焦能力的光学透镜结构。

因此，消色差光学透镜结构可以限制色差和球差的影响。

在一个实施例中，其中一个光学元件可以是具有较高色散的负（凹）元件，而另一个光学元件可以是具有较低色散的正（凸）元件。

传统的双透镜结构通常使用两个透镜粘合在一起，没有空隙或通过诸如油脂这样的液体来填充空隙，但这种实现可能无法解决头显的尺寸和重量问题。例如，在两个光学元件之间具有气隙的光学透镜配置可以允许更薄、更轻的光学透镜，并且可以更容易制造。

例如，光学透镜结构可以通过沿着其外围边缘机械地或化学地固定两个光学元件来形成。在其他情况，可以用惰性气体或类似气体代替空气来填充空隙。

在图600中，第一光学元件604和第二光学元件602显示为平凸光学透镜。另外，在第一光学元件604和第二光学元件602的特定表面上显示有反射偏振片层606、四分之一波层608和半透明镜610。

7A-7E举例说明了光学透镜配置中的反射偏振片层、四分之一波层和半透明反射镜的多种配置。

在图700A中，为了简单起见，将第一光学元件(L1) 710和第二光学元件(L2) 712表示为均匀光学透镜。第一光学元件(L1) 710的第一表面（面向显示器）702可以指定为L1S1。第一光学元件(L1) 710的第二表面（面向视窗）704可以指定为L1S2。第二光学元件(L2) 712的第一表面（面向显示器）706可以指定为L2S1。第二光学元件(L2) 712的第二表面（面向视窗）708可以指定为L2S2。

图7B的图700B显示了第一示例结构，其中在第二光学元件(L2S1)的第一表面上可以设置反射偏振层 722，在第一光学元件(L1S2)的第二表面上可以设置四分之一波层 724，并且在第一光学元件(L1S1)的第一表面上可以设置半透明反射镜（50/50反射镜）726。

图7C的图700C显示了第二例配置，其中在第一光学元件(L2S1)的第二表面上可以设置四分之一波层 724，在第一光学元件(L1S1)的第一表面上可以设置反射偏振层722，在第一光学元件(L1S1)的第一表面上可以设置半透明反射镜 726。在所述构造中，第二光学元件(L2) 714可作为像差校正透镜起作用。

图7D的图700D显示了第三个示例配置，其中在第二光学元件(L2S2)的第二表面上可设置四分之一波层 724，在第一光学元件(L2S1)的第二表面上可设置反射偏振层 722，在第一光学元件(L2S1)的第二表面上可设置半透明反射镜(50/50反射镜)726。

图7E的图700E显示了第四例配置，其中在第二光学元件(L1S2)的第一表面上可以设置反射偏振层(RP) 722，在反射偏振层 722上可以设置四分之一波层 724，在第一光学元件(L1S1)的第一表面上可以设置半透明反射镜726。

图8示出了具有发明所述光学透镜配置的头显装配系统。图800显示了管理包括透镜单元804、反射偏光镜单元896、四分之一波单元808、半透明（50/50）反射镜单元810和装配单元812在内的控制器802。

单个光学元件可以由透镜单元804提供，然后由反射偏振器单元806在光学元件之一的一个表面上应用反射偏振器层。可以通过四分之一波单元808将四分之一波层施加到光学元件的一个表面或通过反射偏振片层，然后通过半透明反射镜单元810将半透明反射镜施加到光学元件的一个表面。

处理后的透镜可以组装在一起以形成光学透镜结构，然后通过组装单元812与头戴式显示器设备832的其余组件组装在一起。