专利曝光苹果AR眼镜光波导，有远中近三个图像平面

2024-10-31上海AR开发专家

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  雷锋网按：不少人对
  Magic Leap
  的期待落空后，只能将期望寄托于2021年会发布的
  苹果
  AR眼镜
  。近日 Patently Apple 在欧洲又发现了苹果的新专利，该专利与传说中的苹果眼镜密切相关，专利中的头戴设备不但支持苹果主推的 AR，还一并支持 VR 和全息内容的显示。专利详细描述了苹果的光波导方案，与Magic Leap的两层光波导方案相比，苹果可以显示远中近三层图像平面。
  产品展望：
  苹果的头戴显示设备专利未来可能还会进化成多种产品，比如便携消费电子（手机、平版电脑、眼镜和其它穿戴设备）、抬头显示器（飞机和汽车座舱等）和基于显示器的设备（投影仪、电视等）。上述设备可能会包含屏幕和其它光学组件，系统则会支持混合（MR/VR/AR）现实等内容。
  专利背景：
  头戴显示器可以用来显示 VR 和 AR 内容。显示 AR 内容时，它会将计算机生成的图像覆盖在现实世界的物体上，而屏幕和光学系统则用于生成图像并将图像展示给用户。
  如果技术达不到要求，那么头戴设备上展示内容的零部件可能就会异常庞大且丑陋，而且这样凑合的设计可能也无法实现相应的光学性能。
  类似头戴显示器这样的光学设备大都需要搭载能生成图像的显示系统。一套搭载了一个或更多光波导管的光学系统和输入/输出耦合器系统也能用于为用户分发图像。
  据雷锋网(公众号：雷锋网)了解，这套显示系统可能拥有一个或多个像素阵列，例如硅上液晶（LCOS）像素阵列。来自显示系统的图像可能会通过耦合器系统耦合到一个或更多光波导管，当然也有可能用输出耦合器系统耦合进多个图像平面中的光波导管。
  输入和输出耦合器系统可能会搭载单耦合器、耦合器堆栈和铺瓦式阵列耦合器。这些耦合器可能是薄平面体积全息图，也可能是其他光学耦合器，它们可以将光耦合进或耦合到延长的带状光波导管上下表面。
  类似波长、偏振、时间分割和角多路复用技术的图像信号都有不同的角定向范围，透镜可调技术也可用于向用户展示多个图像平面上图像。
  下图就是苹果专利中的头戴显示器示意图。
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  图1
  这款头戴显示器 #10 可能搭载有输入-输出电路 #52，它让头戴显示器能从外部设备接收数据，同时让用户能完成输入。输入-输出电路 #52 中的零部件还能让头戴显示器为用户提供输出功能，甚至帮他们与外部电子设备进行交流。
  输入-输出电路 #52 中的摄像头或其它设备可能会朝向用户眼睛并追踪他们的眼部活动。传感器 #70 则可能整合了位置和动作传感器（如罗盘、陀螺仪、GPS 和加速度计等），以监控头戴显示器 #10 的位置、朝向和动作。
  举例来说，利用传感器 #70 和控制电路 #50 就能监控用户头部相对于周围环境的朝向。利用传感器，用户头部的动作也能进行实时追踪。
  FIG.2 中的支撑结构 #16 稍加配置就能改造出一副眼镜，当然也能做成头盔、护目镜或其它形式的头戴设备。
  光学系统稍加设定就能显示不同图像平面 #94 上的不同图片。这就意味着较远的物体（如风景图中的山巅）会出现在较远的图像平面上（如远场图像平面 #94D），较近的物体会出现在较近的图像平面上（如近场图像平面 #94N），而其他物体可能就会出现在中距离的图像平面上（#94-I）。
  通过这样的解决方案，就能为用户带来逼真的 3D 图像内容，同时减少用户眼部疲劳和不适。
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  图2
  苹果专利中的 FIG.2（上图）是头戴设备的俯视图。
  全息系统：
  下图 FIG.6 是光学系统（带有光波导管和邻近的像素阵列）的截面侧视图，这套系统搭载了光波导管、像素阵列和辅助全息输入耦合器和全息输出耦合器堆栈，它们会各自对光线做出反应，这些光线有不同的朝向、范围和图像平面。
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  图3
  可调透镜：
  下图 FIG.13 是光学系统图解，其中涉及到了呈现图像的可调透镜、光波导管和输入-输出耦合器。
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  图4
  传感器：
  苹果在专利中指出，它们的头戴设备将配备温度、触摸、电容、光感、气体、压力湿度、磁性、形变和力传感器等。
  音频部件：
  音频部件肯定少不了采集语音命令和其它音频输入的麦克风，当然提供音频输出的扬声器也不会落下（如入耳式耳机、骨传导扬声器等）。
  触觉反馈：
  输入-输出设备可能会配备触觉输出设备（如振动机构），发光二级光或其它光源和输出部件。
  无线通讯：
  设备电路可能会支持有线和无线连接，以方便头戴显示器与外部设备“沟通”（如遥控、操纵杆、便携电子设备、计算机、屏幕和其它输入手柄等）。这样一来，信号就能在头戴显示器不同部位上的零部件间自由传输了。
  苹果这份专利申请今年第一季度才提交，9 月 13 日正式在欧洲通过。
  雷锋网注意到，题图来自苹果 2013 年申请的一份头盔显示器（HMD）专利，而今天这份专利则是实用专利，它聚焦于设备的机械结构而非外观。也就是说，
  这并不是一份设计专利，因此其中的任何头戴显示器图片都是用来解释产品原理的。
  当然，粉丝们也不用担心，有 Jony Ive 和他的设计团队坐镇，无论是头戴设备还是眼镜，苹果在设计上都不会让人失望。
  摘自：雷锋网