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    科技魔方

    蘋果專利為AR頭顯構建可調節透鏡,緩解戶外強光影響

    AR/VR

    2022年01月17日

      AR設備需要將真實世界圖像光與計算機生成內容合并,從而產生一種數字內容疊加到物理對象的逼真效果。但在這一過程中,環境光是一個巨大的挑戰。若不注意,明亮的環境照明條件會造成影像模糊,并減損用戶體驗。

      在名為“Optical systems with switchable lenses for mitigating variations in ambient brightness”的專利申請中,蘋果介紹了一種通過可調透鏡來緩解環境光亮度變化影響的技術。簡單來說,當世界光過強時,光學系統可以聚焦更多照明光,從而加強影像存在感。

      假設世界光是5,照明光是2,而人類在前者減后者的差值小于5時都能看到數字對象,大于5則不能看到數字對象(因為被強光覆蓋)。若在室外等環境明亮的環境,世界光變成10,照明光依然是2,人類看不到數字對象。所以,光學系統可以通過可調透鏡聚焦更多照明光,將原本為2的照明光變成6,這時人類就能夠感知到數字對象的存在。

      具體來說,諸如AR近眼顯示器可包括產生圖像光的顯示模塊和將圖像光從顯示模塊重定向至視窗的光學系統。其中,光學系統可包括波導,其形成光學組合器以將圖像光與真實世界光組合。

      顯示模塊可包括具有顯示面板的反射性或透射性空間光調制器。顯示模塊可包括用照明光照亮顯示面板的照明光學元件。顯示面板可以通過調制具有相應圖像的照明光來產生圖像光。照明光學元件可包括光源和可調節光學元件。

      可調節光學組件能夠在至少第一和第二狀態之間調節照明光學元件??烧{光學組件可包括具有可調光學倍率(匯聚或發散光線的程度)和/或焦距的可切換透鏡、可切換衍射光柵等??刂齐娐房墒褂脗鞲衅鲾祿泶_定何時以及如何在第一和第二狀態之間調整照明光學元件。如果需要,可為波導提供著色層。

      在第一種狀態下,可調節光學組件可在顯示面板的側面區域向顯示面板提供均勻強度(亮度)的照明光。在第二狀態下,可調節光學組件可在顯示面板的橫向區域向顯示面板提供強度不均勻的照明光。

      例如,可調節光學組件可將照明光聚焦在橫向區域的子集(區域)內,使得照明光在橫向區域的子集內的強度增加,在橫向區域的子集外的強度降低。側面區域的子集可對應于圖像光中的明亮對象??刂齐娐房煽刂普彰鞴鈱W元件,以確保即使當設備位于明亮的環境照明條件下時,圖像光中的明亮對象依然在視窗中可見。

      如圖2所示,顯示模塊14A可以生成與圖像內容相關聯的光22。在圖2的示例中,顯示模塊14A包括照明光學元件31和空間光調制器33。照明光學器件31可產生照明光35,并可使用照明光35照明空間光調制器33??臻g光調制器33可調制照明光35以產生圖像光22??臻g光調制器33可以是反射性空間光調制器或透射性空間光調制器。

      如果需要,顯示模塊14A可以包括發射性顯示面板而不是空間光調制器??墒褂脺手惫鈱W器件34準直光22。光學系統14B可用于將從顯示模塊14A輸出的光22呈現給視窗24。

      光學系統14B可包括一個或多個光學耦合器,例如耦入器28、交叉耦合器32和耦出器30。光學耦合器位于波導26。

      波導26可通過全內反射沿其長度引導圖像光22。耦入器28可配置為將來自顯示模塊14A的圖像光22耦合到波導26中,而耦出器30可配置為將圖像光22從波導26耦出并朝向視窗24。例如,顯示模塊14A可以沿+Y方向向光學系統14B發射圖像光22。當圖像光22到達耦入器28時,耦入器28可重定向圖像光22,以便圖像光通過朝向耦出器30的全內反射在波導26內傳播,例如在X方向。當圖像光22到達耦出器30時,耦出器30可將圖像光22從波導26重定向至視窗24,例如沿Y軸返回)。

      在圖2的布置中,波導26構成光學組合器的一部分。光學組合器將來自真實世界對象25的真實世界光26與來自顯示模塊14A的圖像光22疊加組合。

      通常,圖像光22的亮度(強度)可能受到限制。例如,陽光的亮度至少可以是圖像光22最大亮度的5-10倍。如果不注意,當設備10位于相對明亮的環境中時,世界光23可以壓過位于視窗24的低強度圖像光22,使得用戶難以感知圖像光22中的對象。

      在一個實施例中,可以將可選的著色層36層疊在波導26。在世界光23通過波導26傳輸之前,著色層36可幫助降低世界光23的亮度,例如降低五倍或更多。如果需要,著色層36可以表現出隨波長變化的透射剖面,以便世界光23在通過視窗24之前用所需的顏色進行著色。

      著色層36可調節。例如,著色層36可以通過控制路徑38接收控制信號,并調整著色層36傳遞到波導26的世界光23的量。如果需要,可以調整色調層36,以在世界光23傳遞到波導26之前調諧應用于世界光23的色調的顏色。例如,著色層36可以包括電致變色層和光致變色層等。

      盡管著色層36有助于在一定程度減輕世界光23對圖像光22中的對象的影響,但效果有限,特別是在非常明亮的環境光條件下。

      如圖3所示,當設備10位于相對較低的環境光環境中時,世界光23的強度相對較低,所以用戶能夠在圖像40中清楚看到數字顯示區域44。

      但當設備10根據箭頭48所示移動到相對明亮的環境光環境時,區域42中的世界光非常明亮,以至于數字顯示區域44被世界光覆蓋影響,所以用戶不再能在圖像40中感知到其中的數字對象。為了緩解所述問題,控制電路可以控制顯示模塊14A在空間光調制器的區域內選擇性地聚焦更多照明光,以抵抗世界光23的影響。

      圖4是具體的執行步驟。在步驟50,控制電路16可控制圖2的照明光學元件31,致使其在空間光調制器的(橫向)區域以均勻亮度(強度)向空間光調制器33提供照明光35。

      在步驟52,控制電路16可確定是否存在要求將更多亮度聚焦到空間光調制器特定區域的觸發條件,亦即環境光是否過于明亮??刂齐娐?6可以使用諸如環境光傳感器數據、攝像頭數據或用戶輸入等數據來確定是否滿足觸發條件。

      例如,當環境光傳感器數據指示設備10處于明亮環境光條件時(例如環境光傳感器數據超過預定閾值),或者當用戶指示設備10位于明亮環境中時、控制電路16可確定觸發條件存在。

      如果觸發條件不存在,則處理可返回到步驟50,如路徑54所示,照明光學元件可繼續以均勻亮度照亮空間光調制器。但如果存在觸發條件,則處理可以進行到步驟58,如路徑56所示。

      在步驟58,控制電路16可控制照明光學元件31,以向空間光調制器33提供亮度不均勻的照明光35。例如,控制電路16可以控制照明光學元件31,使更多的照明光聚焦在空間光調制器的特定區域內。

      這可以降低提供給空間光調制器的其他部分的亮度,并替代性地提高圖像光中的數字對象的亮度。這可以允許用戶更容易地感知數字對象。以這種方式,控制電路16可在照明光學元件31向空間光調制器33提供均勻照明光的第一工作狀態和照明光學元件31向空間光調制器33提供非均勻照明光的第二工作狀態之間調節顯示模塊14A,以防止用明亮環境光壓過圖像光中的數字對象。

      如圖5所示。對于圖3,即便用戶如箭頭60所示移動到明亮的環境中,通將更多的照明光聚焦到數字顯示區域44,系統能夠強化圖像光中的數字對象的亮度,所以用戶依然能夠在圖像40中感知到數字對象。

      名為“Optical systems with switchable lenses for mitigating variations in ambient brightness”的蘋果專利申請最初在2021年9月提交,并在日前由美國專利商標局公布。需要注意的是,這只是一項發明申請,尚不確定具體的應用效果。

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    來源:映維網

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