谷歌专利探索折射分束凸透镜的Pancake方案 带来更低光学像差

　　Pancake透镜越发成为AR/VR的标配，诸如MetaQuestPro，PICO 4和YVR 2等都采用了这种光学元件。在名为“Near-eye optical system implementing a waveguide with an output viewer element having a refractive beam-splitting convex lens”的专利申请中，谷歌描述了一种采用折射分束凸透镜的Pancake透镜实现，从而带来更低的光学像差，并允许用户感知更小的显示像素和支持更大的视窗。

　　在一个实施例中，波导使用全内反射TIR将显示光从面向显示器的耦入接口传送到耦出接口。耦入接口经由耦出接口将组合的显示光和场景光投射到用户眼睛的预期位置。耦出接口包括设置在波导近侧和用户眼睛预期位置之间的透明Pancake光学元件。

　　所述Pancake透镜采用一系列偏振相关层，包括折射分束凸透镜，从而折叠光路并减小实现光学组合器的近眼光学系统尺寸。折射分束凸透镜可以实现为具有一个平面表面和一个相对的凸表面的平凸透镜或具有两个相对凸表面的双凸透镜。

　　谷歌指出，包括折射分束凸透镜的光学系统的实施例通常产生比常规光学系统更低的光学像差，这允许用户分辨更小的显示像素并支持更大的视窗。光学系统同时可以产生较低水平的色差和像散，所以无需太多的计算工作量来预处理显示图像以校正相关像差。

　　另外，折射分束凸透镜的折射部分平衡反射部分的场曲率，从而减小光学系统产生的整体场曲率。同时，可以改变凸透镜的附加折射率，以增强、优化或调节光学系统的光学性能。这样，耦出接口可以配置为提供任何期望的optical power，这反过来允许使用不提供optical power的平面波导。

　　图3显示了一个实施例。光学组合器302包括耦入接口310、波导棱镜312和耦出接口314。当显示显示图像308时由显示面板306发射的显示光316经由耦入接口310被传输到波导棱镜312中，于是显示光316沿着波导棱镜312经由一个或多个TIR传输到耦出表面326。耦出表面将显示光316引导到耦出接口314。

　　在一个实施例中，线性偏振(LP)层328设置在波导棱镜的耦出表面326处。耦出接口314是具有一个或多个偏振相关层的Pancake光学器件。所以，通过经由耦入接口310、波导棱镜312和耦出接口312的各种偏振相关层操纵显示光316的偏振状态，显示光316的光路在穿过耦出界面314朝向观看者的眼睛318时被“折叠”，从而允许相对于耦入界面310的厚度更长的有效焦距。

　　另外，耦出接口314包括折射分束凸透镜，以在显示光316穿过耦出接口314时将optical power引入显示光316。同时，来自真实世界场景332并入射到波导棱镜312的面向世界侧322的场景光320通过波导棱镜312传输到面向眼睛侧324，然后通过耦出接口314朝向眼睛318。

　　在一个实施例中，因为场景光320不具有波导棱镜312赋予显示光316的特定极性状态，所以场景光320不会被放大。当场景光320穿过光学组合器302并因此相对不变地到达用户的眼睛318时，其光路同样不会通过耦出接口314的折叠而延伸。所以，谷歌指出场景光320在通过光学组合器302时几乎没有失真。

　　图4示出了光学组合器302的截面图。在所示实施例中，由显示器306发射的显示光316引导到位于波导棱镜312远端的耦入接口310，其中耦入接口320在其中设置有LP层404，而LP层404用于将入射显示光316偏振到特定的线性偏振态(例如，s偏振态)。

　　然后，显示光316经由三个(或更多个)全内反射(例如图4所示的三个TIR)传送到波导棱镜312的近端。波导棱镜312的耦出表面326相对于波导棱镜312的表面322和平行面向眼睛的表面324以非零角度定向，以便将显示光316反射出波导棱镜312。

　　在一个实施例中，偏振分束器(PBS)层408设置在耦出表面326处。在一个实施例中，光学组合器302hitong包括补偿棱镜330，其具有与波导棱镜312的材料基本相似的折射率，使得光学组合器304有效地作为透明的“窗口”操作，从而有助于场景光从面向世界侧322向用户眼睛的瞳孔414的透射，而不会在场景光引入像差或其他光学效应。

　　图5示出了当显示光316的光线516在图4的光学组合器302内和外行进时的示例性光路。如图所示，光线516与LP层404相互作用，这又导致光线516具有线性偏振状态，并且光线516经由三个所示TIR 504传送通过波导棱镜312。在遇到耦出表面326时，线性偏振光516被朝向面向眼睛的表面324反射并进入耦出界面314。

　　图6示出了光线516穿过图4的耦出界面314时的光路。光线516以x线偏振状态从波导棱镜412进入耦出界面314。QWP层432将线偏振光线516转换为具有第一圆偏振的光线516–1。例如，QWP层432可以将光线516从y方向的线性偏振转换为右旋圆偏振(RCP)的光线516–1。

　　折射分束凸透镜428将圆偏振光516–1的一部分透射并折射为光线516–2，光线被透射到QWP层436，QWP层将圆偏振光516-2转换为线偏振光516-3。例如，QWP层436可以将RCP光线516–2转换为在x方向上线性偏振的光线516–3。

　　在这个示例中，APF层438(例如，偏振相关分束器)反射x线偏振光，因此光线516–3被AFP层438反射为光线516–4，并在其穿过QWP层436时转换为圆偏振光516–5。例如，光线516–5可以转换为RCP。

　　光线516–5被折射分束凸透镜428反射为光线516–6。其中，所述反射引入optical power，并反转或改变光线516–4的圆偏振状态。例如，反射将光线516–7转换为左旋圆偏振(LCP)光线516–8。QWP层436将圆偏振光516–6转换为线偏振光516–7。

　　例如，光线502–6的LCP状态被转换为光线516–7在y方向上的线性偏振。AFP层438和LP层440然后将所得的线性偏振光516–8向用户的眼睛传输。

　　图12示出了用于减少世界侧光泄漏量的光学组合器1202。光学组合器1202包括具有如上所述的折射分束凸透镜1228的耦出接口1214，从而在折射分束凸透镜1228中形成光吸收特征1210的阵列。这样，入射到透镜1228的面向眼睛侧的非孔径区域中的任何光将基本上被光吸收材料1208吸收，因此光学组合器1202呈现的世界侧光泄漏量显著减少。

　　名为“Near-eye optical system implementing a waveguide with an output viewer element having a refractive beam-splitting convex len”的谷歌专利申请最初在2020年8月提交，并在日前由美国专利商标局公布。