苹果专利介绍具有梯度折射率结构的AR/VR光学系统

　　为了不牺牲光学性能，并且最大限度地减小形成光学系统所需的体积，一系列的AR/VR厂商都把目光投向了梯度折射率(GRIN)材料，亦即折射率可以在一个或多个梯度方向产生变化。另外，GRIN材料可以在一定程度上补偿光学系统中的色散和像差。

　　例如，近眼显示器一般包括产生图像光的显示模块，将光从显示模块重定向至视窗的光学系统，以及成像光学元件。光学系统可包括具有耦入器和耦出器的波导。耦入器可接收来自成像光学元件的图像光。耦入器可以是反射或透射耦入棱镜，并且可以将图像光耦合到波导中。耦出器可将图像光耦合出波导管并朝向视窗。成像光学元件可以包括透镜元件，例如第一、第二和可选的第三透镜。第一、第二和可选的第三透镜可以与耦出器重叠。通过第一、第二和第三透镜，用户可以在视窗看到世界光。

　　其中，耦入器中的耦入棱镜、成像光学元件中的透镜元件和/或第一、第二和第三透镜中的一个或多个可由GRIN材料形成。GRIN材料可具有轴向GRIN轮廓、径向GRIN轮廓、球形GRIN轮廓或任意GRIN轮廓。如果需要，GRIN材料可以由具有不同折射率的堆叠纳米层形成。

　　在名为“Optical systems having gradient index optical structures”的专利申请中，苹果同样介绍了具有梯度折射率结构的光学系统。

　　通常，耦入棱镜44的折射率影响着图像光22如何耦合到波导26。耦入棱镜44的折射率同时随波长变化。耦入棱镜44的一个或多个表面可以弯曲，以便在耦合到波导26时向图像光22提供光学倍率。

　　一般来说，用于形成耦入棱镜44的材料确定耦入棱镜44的折射率。在一个场景中，耦入棱镜44可以使用具有恒定/均匀折射率的均质材料形成。然而，以这种方式形成耦入棱镜44可能会导致耦入棱镜44体积过大。在其他场景中，可以使用具有不同折射率的不同材料，并以两个或三个楔块的形式形成耦入棱镜44。然而，以这种方式形成耦入棱镜44可能有助于补偿色散效应，但可能依然过于庞大。

　　所以，一系列的VR/AR厂商都把目光投向了具有梯度折射率的材料，例如苹果。

　　在发明描述的一个实施例中，耦入棱镜44可由梯度折射率(GRIN)材料形成。在这种情景中，耦入棱镜44又可称为梯度折射率(GRIN)耦入棱镜44。GRIN材料的折射率可在耦入棱镜44的整个体积变化。折射率的这种变化在专利描述又称为折射率梯度4n。折射率梯度4n可以具有相应的梯度方向，例如指向从高折射率到低折射率的方向。在一个示例性布置中，折射率梯度4n的方向平行于图像光22通过GRIN耦入棱镜44的传播方向。

　　如果需要，GRIN耦入棱镜44可以具有一个或多个曲面，从而帮助将光能传递给图像光22。使用GRIN材料形成GRIN耦入棱镜44可配置耦入棱镜44以执行色散补偿和/或执行光束偏转，从而令图像光22以令人满意的光学性能耦合到波导26中，例如减轻像差和/或色散，以及减小耦入棱镜的尺寸。

　　如图3所示，成像光学元件34可包括一个或多个透镜元件45。透镜元件45可包括具有任何所需形状并以任何所需方式布置的任何所需透镜元件。在一个情景中，透镜元件45可包括透镜元件的双倍体。如果需要，成像光学34中的一个或多个透镜元件45可以由GRIN材料形成。从GRIN材料形成一个或多个透镜元件45可减小成像光学元件34的体积，而不牺牲相对于成像光学元件34不含GRIN材料时的光学性能。

　　例如，成像光学元件34可以包括双胶合透镜元件45，使得成像光学元件34跨度为长度47。在一个用例中，可使用由GRIN材料形成的单透镜元件45替换双胶合透镜元件45。这可以将成像光学元件34配置为跨越长度49而不是长度47，从而减少在光学系统14B中占据的体积。

　　在图3的示例中，GRIN耦入棱镜44是透射耦入棱镜，与成像光学34位于波导26的同一侧。在另一合适的布置中，GRIN耦入棱镜44可以是反射耦入棱镜，位于波导26与成像光学34相对的一侧。

　　如图4所示，GRIN耦入棱镜44可位于波导26的表面40之上(使用光学透明粘合剂)。如果需要，可以存在可选的涂层，例如设置在表面40上并且(插入)在耦入棱镜44和波导26之间的介电涂层(为了清楚起见，图4中未示出)。可选涂层可配置为优化进入波导的光耦合效率。波导26的表面42朝向成像光学元件34。来自成像光学元件34的图像光22穿过表面42和表面40。图像光通过GRIN耦入棱镜44传播并从反射面60反射出去。

　　反射表面60可以为无涂层，或者可以具有反射涂层，以增加从表面60反射的光量。如果需要，表面60可以弯曲。从表面60反射的图像光22可通过表面40耦合到波导26中。GRIN耦入棱镜44可以由具有指向一个或多个方向的折射率梯度4n的GRIN材料形成。当以这种方式配置时，GRIN耦入棱镜44可以以令人满意的光学性能将图像光22耦合到波导26中，同时补偿色散效应，并且相对于使用均匀折射率材料情景最小化耦入棱镜的体积。

　　如果需要，GRIN材料可用于在图4的成像光学元件34中形成一个或多个透镜元件45，例如将成像光学元件34的尺寸从长度47减小至长度49。

　　图5A-5D是示出了GRIN材料如何用于形成具有不同折射率梯度的透镜元件45和/或耦入棱镜44。

　　如图5A所示，GRIN材料75可具有轴向GRIN轮廓。在这个配置中，GRIN材料75可具有指向平行于纵向轴74的箭头72方向的折射率梯度4n。例如，GRIN材料75朝向图5A左侧的折射率高于朝向图5A右侧的折射率。轴74的方向(以及由此产生的折射率梯度4n)可以平行于图像光22的传播方向。

　　如图5B所示，GRIN材料75可具有径向GRIN轮廓。在这个配置中，梯度折射率材料75可具有指向箭头76方向的折射率梯度4n，使得梯度折射率材料75在离轴74较远的位置显示出更高的折射率。箭头76的方向(以及由此产生的折射率梯度4n)例如可以垂直于图像光22的传播方向。

　　如图5C所示，GRIN材料75可具有球形GRIN轮廓。在这个配置中，GRIN材料75可以具有指向箭头80方向的折射率梯度4n，从点78向外呈球形，使得GRIN材料75在离点78较近的地方显示出比离点78较远的更高的折射率。

　　如图5D所示，GRIN材料75可具有任意GRIN轮廓。在这个配置中，梯度折射率材料75可具有指向箭头82方向的折射率梯度4n，所述梯度以相对于轴74的任何期望角度定向，使得梯度折射率材料75显示出比箭头82尖端更接近箭头82尾部的折射率。

　　如果需要，用于形成GRIN耦入棱镜44的GRIN材料可以包括具有不同折射率的多个堆叠纳米层。如图6所示，GRIN耦入棱镜44可包括一组堆叠的纳米层92。纳米层92可以具有纳米或微米级的厚度。每个纳米层92可具有各自的厚度和/或折射率。如果需要，两个或多个纳米层92可以具有相同的厚度和/或折射率。通过选择堆叠中使用的每个纳米层92的厚度和/或折射率，GRIN耦入棱镜44可以具有任何期望的GRIN轮廓，从而具有指向任何期望方向的一个或多个折射率梯度4n，例如图5A-5D的GRIN轮廓或其他轮廓。

　　在图6的示例中，纳米层92具有横向表面，其定向垂直于图像光22的传播方向，如箭头90所示。例如，图像光22可沿垂直于纳米层92横向表面的箭头90的方向传播)

　　名为“Optical systems having gradient index optical structures”的苹果专利申请最初在2021年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。