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将来自真实世界对象的真实世界图像与计算机生成的数字图像合并
（映维网 2021年02月22日）对于正在积极研究混合现实头显的苹果而言，一个重要的挑战是提供能够完美合并真实世界对象和数字生成内容的光学系统。若不注意，设备的光学质量和其他性能方面可能会出现问题，并造成糟糕的用户体验。
日前美国专利商标局公布了两份旨在解决所述问题的苹果专利申请。名为“Display systems with geometrical phase lenses”和“Display system with time interleaving”的发明描述了同一解决方案的两个方面。
苹果指出，诸如头戴式装置的电子设备可以包含产生显示图像的显示器。头戴式装置可以搭载允许用户查看真实世界对象和数字生成内容的光学系统。在操作期间，光学系统可用于将来自真实世界对象的真实世界图像与计算机生成的数字图像合并。
显示器可以产生帧图像。不同的对象可以交替显示在图像帧中。光学系统可以与交替的图像帧同步地调整，以在不同的焦平面显示不同的对象。
在一种配置中，光学系统可包含由一对线性偏振器和插入式偏振开关形成的强度开关。偏振开关可在给定偏振的线偏振光未被偏振开关旋转的第一状态，以及在给定偏振的线偏振光旋转90度的第二状态下操作。
光学系统中可包含附加组件，如具有互补透光率的前后偏置透镜；用于帮助以时间交错方式合并真实世界图像和数字图像的偏振开关；以及对具有不同偏振的图像呈现不同透光率的几何相位透镜。
1.几何相位透镜
苹果指出，光学系统可以使用成对的互补几何相位透镜。几何相位透镜可以采用液晶透镜结构来实现。所述液晶透镜结构配置为对于一个圆偏振显示正透光率；对于相反的圆偏振显示负透光率。因为当呈现非偏振光时正透光率和负透光率都显示出来，所以可以使用偏振控制来避免不需要的双重图像。
图4A是基于几何相位透镜GPL1和GPL2的光学系统。
如图4A所示，光学系统#122可以在几何相位透镜GPL2和偏振开关P2之间具有四分之一波片QWP2。线性偏振器LPOL插入至波导#86和偏振开关P1之间。四分之一波片#QWP1位于偏振开关#P1和透镜#GPL1之间。在所述配置中，偏振开关#P1和#P3作为用于线性偏振的偏振旋转器工作。在其它配置中，四分之一波片#QWP2和偏振开关#P2可以组合以形成用于圆偏振的不同类型的偏振开关。类似地，四分之一波片#QWP1和偏振开关#P1可以组合以形成用于圆偏振光的偏振开关。换句话说，可以省略四分之一波片#QWP1和#QWP2。
当偏振开关#P2和偏振开关#P1断开时，RCP真实世界光#104通过透镜#GPL2转换为LCP光。四分之一波片#QWP2将LCP光转换为沿Y轴线偏振的光。偏振开关#P2关闭，因此旋转该光，使其沿X轴偏振。线性偏振器#LPOL阻挡该光。这样，真实世界的光就会阻止到达用户。
通过利用对具有不同偏振的图像呈现不同透光率的几何相位透镜，设备可以实现期望的透光率，并用以帮助合并真实对象图像和数字生成内容。
相关专利：
Apple Patent | Display systems with geometrical phase lenses
https://patent.nweon.com/17856
2.时间交错（time interleaving）
苹果进一步指出，偏振开关可以使用时间交错和偏振控制技术来帮助合并真实世界内容和数字生成内容。
作为示例，请参考图3A的时分复用布置。图3A是可用于设备左侧和右侧的说明性光学系统。如图3A所示，系统122包括诸如光学部件100的外部光学部件和诸如光学部件102的内部光学部件。部件100和/或102中的电可调组件由控制电路12控制。波导86插在部件100和102之间。真实世界的图像光104穿过系统122并且在视窗60被用户眼睛看到。计算机生成图像光124引导通过波导86，并通过部件102到达视窗60。
光学系统122可以使用时分多路复用，并在视窗60将真实世界光104和计算机生成图像光124合并以供用户查看。
在第一时间段（或可称为“现实世界视图关闭”时段），调整强度开关105的偏振开关110以阻挡真实世界的光104。计算机生成图像光124通过偏振器114并沿X轴线偏振。光学系统122可以具有诸如偏振开关116的偏振开关。每当偏振开关110打开并且强度开关105阻挡真实世界的图像光104时，偏振开关116可以关闭。由于偏振开关116断开，偏振开关116旋转显示光124的偏振，使得显示光124沿Y轴对准。液晶透镜118由控制电路12调节，以产生沿Y轴偏振的光的期望透光率。偏置透镜120提供额外的期望透镜功率。因此，光124通过期望透光率到达视窗60。通过调整透光率（如当控制电路12调整透镜118时），同时产生与显示器14同步的图像帧，同时强度开关105不透明并阻挡真实世界的光，与显示图像光124的各个帧相关联的虚拟对象可以放置在一个或多个期望的焦平面中。
在第二时间段（或可称为“现实世界视图开启”时段），调整强度开关105的偏振开关110以通过真实世界光104，同时显示器14可选地关闭（并且不产生光124）。偏振开关116处于允许光通过透镜118的状态。在第二时间段期间，用户通过系统122查看真实世界对象。液晶透镜118仅对沿Y轴偏振光敏感，对沿X轴偏振光不敏感。光104在通过偏振器114时沿着X轴被偏振，并且偏振开关116可以打开，因此光104在通过透镜118时沿着X轴保持偏振状态，并且因此不受透镜118的影响。前偏置透镜106和后偏置透镜120的组合透光率抵消，使得在视场60和真实世界之间不存在正透光率（即真实世界光104到达不受光学系统122影响的视窗60）。如图3B所示，当真实世界的光104在第二时间段（世界视图打开时段）中通过系统122时，显示器14可以打开或关闭。例如，显示器14可以根据要在视窗60中为用户显示的虚拟内容的深度来打开或关闭。
苹果指出，利用时间交错和偏振控制技术，可以帮助合并真实世界内容和数字生成内容。
相关专利：
Apple Patent | Display system with time interleaving
https://patent.nweon.com/17858
名为“Display systems with geometrical phase lenses”和“Display system with time interleaving”的专利申请均在2020年7月提交，并在日前由美国专利商标局公布。需要注意的是，这只是一份专利申请，尚不确定苹果是否会或将于何时商业化所述的发明技术。
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原文链接：https://news.nweon.com/83239
