苹果专利为AR头显构建可调节透镜，缓解户外强光影响

　　AR设备需要将真实世界图像光与计算机生成内容合并，从而产生一种数字内容叠加到物理对象的逼真效果。但在这一过程中，环境光是一个巨大的挑战。若不注意，明亮的环境照明条件会造成影像模糊，并减损用户体验。

　　在名为“Optical systems with switchable lenses for mitigating variations in ambient brightness”的专利申请中，苹果介绍了一种通过可调透镜来缓解环境光亮度变化影响的技术。简单来说，当世界光过强时，光学系统可以聚焦更多照明光，从而加强影像存在感。

　　假设世界光是5，照明光是2，而人类在前者减后者的差值小于5时都能看到数字对象，大于5则不能看到数字对象(因为被强光覆盖)。若在室外等环境明亮的环境，世界光变成10，照明光依然是2，人类看不到数字对象。所以，光学系统可以通过可调透镜聚焦更多照明光，将原本为2的照明光变成6，这时人类就能够感知到数字对象的存在。

　　具体来说，诸如AR近眼显示器可包括产生图像光的显示模块和将图像光从显示模块重定向至视窗的光学系统。其中，光学系统可包括波导，其形成光学组合器以将图像光与真实世界光组合。

　　显示模块可包括具有显示面板的反射性或透射性空间光调制器。显示模块可包括用照明光照亮显示面板的照明光学元件。显示面板可以通过调制具有相应图像的照明光来产生图像光。照明光学元件可包括光源和可调节光学元件。

　　可调节光学组件能够在至少第一和第二状态之间调节照明光学元件。可调光学组件可包括具有可调光学倍率(汇聚或发散光线的程度)和/或焦距的可切换透镜、可切换衍射光栅等。控制电路可使用传感器数据来确定何时以及如何在第一和第二状态之间调整照明光学元件。如果需要，可为波导提供着色层。

　　在第一种状态下，可调节光学组件可在显示面板的侧面区域向显示面板提供均匀强度(亮度)的照明光。在第二状态下，可调节光学组件可在显示面板的横向区域向显示面板提供强度不均匀的照明光。

　　例如，可调节光学组件可将照明光聚焦在横向区域的子集(区域)内，使得照明光在横向区域的子集内的强度增加，在横向区域的子集外的强度降低。侧面区域的子集可对应于图像光中的明亮对象。控制电路可控制照明光学元件，以确保即使当设备位于明亮的环境照明条件下时，图像光中的明亮对象依然在视窗中可见。

　　如图2所示，显示模块14A可以生成与图像内容相关联的光22。在图2的示例中，显示模块14A包括照明光学元件31和空间光调制器33。照明光学器件31可产生照明光35，并可使用照明光35照明空间光调制器33。空间光调制器33可调制照明光35以产生图像光22。空间光调制器33可以是反射性空间光调制器或透射性空间光调制器。

　　如果需要，显示模块14A可以包括发射性显示面板而不是空间光调制器。可使用准直光学器件34准直光22。光学系统14B可用于将从显示模块14A输出的光22呈现给视窗24。

　　光学系统14B可包括一个或多个光学耦合器，例如耦入器28、交叉耦合器32和耦出器30。光学耦合器位于波导26。

　　波导26可通过全内反射沿其长度引导图像光22。耦入器28可配置为将来自显示模块14A的图像光22耦合到波导26中，而耦出器30可配置为将图像光22从波导26耦出并朝向视窗24。例如，显示模块14A可以沿+Y方向向光学系统14B发射图像光22。当图像光22到达耦入器28时，耦入器28可重定向图像光22，以便图像光通过朝向耦出器30的全内反射在波导26内传播，例如在X方向。当图像光22到达耦出器30时，耦出器30可将图像光22从波导26重定向至视窗24，例如沿Y轴返回)。

　　在图2的布置中，波导26构成光学组合器的一部分。光学组合器将来自真实世界对象25的真实世界光26与来自显示模块14A的图像光22叠加组合。

　　通常，图像光22的亮度(强度)可能受到限制。例如，阳光的亮度至少可以是图像光22最大亮度的5-10倍。如果不注意，当设备10位于相对明亮的环境中时，世界光23可以压过位于视窗24的低强度图像光22，使得用户难以感知图像光22中的对象。

　　在一个实施例中，可以将可选的着色层36层叠在波导26。在世界光23通过波导26传输之前，着色层36可帮助降低世界光23的亮度，例如降低五倍或更多。如果需要，着色层36可以表现出随波长变化的透射剖面，以便世界光23在通过视窗24之前用所需的颜色进行着色。

　　着色层36可调节。例如，着色层36可以通过控制路径38接收控制信号，并调整着色层36传递到波导26的世界光23的量。如果需要，可以调整色调层36，以在世界光23传递到波导26之前调谐应用于世界光23的色调的颜色。例如，着色层36可以包括电致变色层和光致变色层等。

　　尽管着色层36有助于在一定程度减轻世界光23对图像光22中的对象的影响，但效果有限，特别是在非常明亮的环境光条件下。

　　如图3所示，当设备10位于相对较低的环境光环境中时，世界光23的强度相对较低，所以用户能够在图像40中清楚看到数字显示区域44。

　　但当设备10根据箭头48所示移动到相对明亮的环境光环境时，区域42中的世界光非常明亮，以至于数字显示区域44被世界光覆盖影响，所以用户不再能在图像40中感知到其中的数字对象。为了缓解所述问题，控制电路可以控制显示模块14A在空间光调制器的区域内选择性地聚焦更多照明光，以抵抗世界光23的影响。

　　图4是具体的执行步骤。在步骤50，控制电路16可控制图2的照明光学元件31，致使其在空间光调制器的(横向)区域以均匀亮度(强度)向空间光调制器33提供照明光35。

　　在步骤52，控制电路16可确定是否存在要求将更多亮度聚焦到空间光调制器特定区域的触发条件，亦即环境光是否过于明亮。控制电路16可以使用诸如环境光传感器数据、摄像头数据或用户输入等数据来确定是否满足触发条件。

　　例如，当环境光传感器数据指示设备10处于明亮环境光条件时(例如环境光传感器数据超过预定阈值)，或者当用户指示设备10位于明亮环境中时、控制电路16可确定触发条件存在。

　　如果触发条件不存在，则处理可返回到步骤50，如路径54所示，照明光学元件可继续以均匀亮度照亮空间光调制器。但如果存在触发条件，则处理可以进行到步骤58，如路径56所示。

　　在步骤58，控制电路16可控制照明光学元件31，以向空间光调制器33提供亮度不均匀的照明光35。例如，控制电路16可以控制照明光学元件31，使更多的照明光聚焦在空间光调制器的特定区域内。

　　这可以降低提供给空间光调制器的其他部分的亮度，并替代性地提高图像光中的数字对象的亮度。这可以允许用户更容易地感知数字对象。以这种方式，控制电路16可在照明光学元件31向空间光调制器33提供均匀照明光的第一工作状态和照明光学元件31向空间光调制器33提供非均匀照明光的第二工作状态之间调节显示模块14A，以防止用明亮环境光压过图像光中的数字对象。

　　如图5所示。对于图3，即便用户如箭头60所示移动到明亮的环境中，通将更多的照明光聚焦到数字显示区域44，系统能够强化图像光中的数字对象的亮度，所以用户依然能够在图像40中感知到数字对象。

　　名为“Optical systems with switchable lenses for mitigating variations in ambient brightness”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。需要注意的是，这只是一项发明申请，尚不确定具体的应用效果。