美國專利商標局日前公布了一份名為“Optical system for head-mounted display”的蘋果專利申請。所述發明主要描述了一種用于頭戴式顯示器的光學系統。具體地，發明主要介紹了光學系統的元件構成。

專利指出，頭戴式顯示器可以包括顯示系統和光學系統。顯示系統和光學系統可以由穿戴在用戶頭部的外殼支撐。頭戴式顯示器可以利用顯示系統和光學系統向用戶呈現圖像。

顯示系統可具有產生與圖像相關聯的圖像光的像素陣列。顯示系統同時可以具有線偏振器和四分之一波片。來自像素陣列的圖像光通過線偏振器，并在通過線偏振器之后通過四分之一波片。

光學系統可以是折反射光學系統，并具有一個或多個由透明材料（如玻璃或塑料）形成的透鏡元件。透鏡元件可以包括平凸透鏡元件和平凹透鏡元件。平凸透鏡元件可以具有凸面和相對的平面。平凹透鏡元件可以具有凹面和面對凸透鏡元件平面的相對平面。

蘋果進一步寫道，可在平凸透鏡元件的凸面形成部分反射鏡。反射偏振器可以形成在平凸透鏡的平面之上或平凹透鏡的凹面之上。額外的四分之一波片則可位于反射偏振器和部分反射鏡之間。

圖2是蘋果頭顯的橫截面側視圖。其中，光學系統#20和顯示系統#40可以由諸如頭顯/眼鏡#10的外殼#12支撐。外殼#12可以具有一副眼鏡的框架形狀，或可以具有頭盔形狀，或可以具有一副護目鏡的形狀等等。

外殼#12可由塑料、金屬、纖維復合材料（例如碳纖維材料、木材和其他天然材料）、玻璃、其他材料和/或其中兩種或多種材料的組合形成。

輸入輸出組件#44和控制電路#42可以安裝在具有外殼#12之中，并通過電纜、無線連接或其他信號路徑耦合到頭顯/眼鏡#10。

顯示系統#40可以包括圖像源，例如像素陣列#14。像素陣列#14可包括發射圖像光的像素二維陣列P，而諸如線偏振器#16的偏振器可放置在像素陣列#14的前面，從而提供偏振光圖像光。線性偏振器#16可以具有與圖2中的X軸對齊的通過軸。顯示系統#40同時可以包括波片，例如四分之一波片#18，以提供圓偏振光圖像光。四分之一波片#的快軸可以與線性偏振器#16的通過軸成45度對齊。四分之一波片#18可以安裝在偏振器#16的前面（偏振器#16和光學系統#20之間）。

以圖像光線#R1為例。當圖像光線#R1離開顯示器#14并通過線性偏振器16時，光線#R1變成線性偏振。光線#R1通過偏振器#16后再通過四分之一波片#18。當光線#R1通過四分之一波片#18時，光線R1變成圓極化。

光學系統#20可以包括透鏡元件，例如透鏡元件#26和#32。透鏡元件#26可以是具有面向顯示系統#40的凸面的平凸透鏡（透鏡元件）。可選透鏡元件#32可以是具有面向用戶（眼睛#46）凹面#S3的平凹透鏡（透鏡元件）。

可在透鏡元件#26的凸面形成諸如部分反射鏡#22的部分反射鏡。當圓偏振光#R1照射部分反射鏡#22時，光線#R1將通過部分反射鏡#22而成為強度降低的光線#R2。光線#R2將被透鏡元件#26的凸面S1的形狀折射（部分聚焦）。

射線R2為圓極化。諸如四分之一波片#28的第二四分之一波片可以包括在光學系統#20中，以將光線#R2的圓偏振轉換為線偏振。例如，四分之一波片#28可以將圓偏振光線#R2轉換成具有與圖2的Y軸對齊的線偏振光線#R3。

可在四分之一波片#28附近形成反射偏振器#30。在一個說明性配置中，反射偏振器#30和四分之一波片#28是平面層，并且可以形成在透鏡元件#26的平面上。反射偏振器#30可以具有正交的反射和通過軸。平行于反射偏振器#30的反射軸偏振的光將被反射偏振器#30反射。在圖2的說明性布置中，反射偏振器#30具有與Y軸對準的反射軸，所以光線#R3將反射為反射光線#R4。

反射光線#R4具有與Y軸對齊的線性偏振。反射光線#R4通過四分之一波片#28后，線偏振轉變為圓偏振，即變成圓偏振反射光線#R5。

圓偏振光線R5穿過透鏡元件#26，并且光線一部分將被部分反射鏡#22在Z方向上反射為反射光線#R6。反射光線R6為圓極化。在穿過透鏡元件#26和四分之一波片#28后，光線R6將變為線偏振，即光線#R7，其中光線#R7的線偏振與圖2的X軸對齊，X軸平行于反射偏振器#30的通過軸。

以這種方式，光線#R7將穿過反射偏振器#30以向用戶提供可視圖像。

相關專利：Apple Patent | Optical system for head-mounted display

名為“Optical system for head-mounted display”的蘋果專利申請最初在2021年1月提交，并在日前由美國專利商標局公布。

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