微軟探索使用微透鏡陣列進行大範圍主射線角操縱的AR/VR專利

（映維網Nweon 2023年09月26日）微軟認為，Micro LED具有體積小、重量輕、亮度高、封裝密度高的特點，可能特別適合用於需要高解析度、小尺寸和輕重量的頭戴式顯示器。

在名為」Microlenses providing wide range chief ray angle manipulation for a panel display「的專利申請中，微軟介紹了一種為面板顯示提供大範圍主射線角操縱的微透鏡，以及配置所述微透鏡陣列的顯示系統。

其中，陣列中的每個微透鏡對應於面板顯示器的各自像素。微透鏡的配置會根據它們在面板顯示平面上與中心投影軸的距離而變化。微透鏡可以配置為提高光學效率的表面。

為了改善顯示照明的均勻性，可以使用微透鏡來調整特定像素的發射角度，以匹配其主射線角度CRA。這樣，像素的主射線將穿過顯示系統中投影光學系統的光瞳中心，從而實現更均勻的照明效果

具有兩種不同配置的微透鏡可用於為相對於較遠的離軸像素更接近中心軸的上軸像素塑形光。對於離軸像素，微透鏡配置包括一個不對稱的自由曲面透鏡表面來準直光線並匹配CRA。

可以將原句改寫為：圓形對稱和非對稱自由微透鏡的形狀可以與微透鏡和對應像素之間的空間偏移相結合，以實現更精確的CRA匹配

微軟指出，由各自的Micro LED陣列和相應的微透鏡組成的面板顯示器為投影顯示系統提供了光學效率和照明均勻性的改進。提高光學效率可以節省功率，而改進的照明均勻性則提供了更令人滿意的使用者體驗

另外，由目前微透鏡配置實現的大範圍CRA操作可以為顯示系統中的下游組件(提供更多的設計自由度，例如令光學投影系統更緊湊，從而使用目前的微透鏡陣列減小頭顯設備的尺寸和重量。

圖6示出了用於從說明性Micro LED 600發射光的錐角Q，Micro LED 600設定為例如為面板顯示器320中的像素或亞像素發射單色光。 Micro LED中的半導體晶片610的發射區域605可以採取各種形狀，包括矩形、圓形、六角形等，從而滿足給定應用的要求。

並非所有從發射區域發射的光線都能有效地照亮面板顯示。舉個例子，對於基於投影的顯示設備來說，只有在錐角Ω=±10-15度範圍內發射的光線才能夠成功地傳播到下游的投影系統

因此，光線從寬角發射器發出後會流失，導致顯示系統的光學效率下降。根據微軟提出的方法，可以透過將微透鏡陣列佈置在面板顯示器的每個像素源上，使光線準直到中心錐角，從而最大限度地提高光學效率。這種優化可以節省能源

圖7示出了主射線角θ。在這個實施例中，面板顯示和投影光學元件具有同軸或遠心配置。然而，在利用本原理的替代實施例中可以使用非遠心配置。

需要重寫的內容是：主射線角CRA描述在用於離軸像素705的面板顯示器320上的點與投影光學元件345的光瞳的中心之間追蹤的主射線715的角。圖中，光瞳以參考編號720表示，中心點以參考編號725表示。如圖所示，邊緣射線730從面板顯示器中心的軸向像素710通過到光瞳的最大孔徑。 重寫後的內容：主射線角CRA是指追蹤主射線715在面板顯示器320上離軸像素705的點與投影光學元件345的光瞳中心之間的角度。圖中的光瞳以編號720表示，中心點以編號725表示。如圖所示，邊緣射線730從面板顯示器中心的軸向像素710通過到光瞳的最大孔徑

在投影系統中，只有最接近主射線的光才能收集起來，並用於向使用者的眼睛傳遞虛擬影像。因此，系統的光學效率會根據顯示器中像素的位置而變化，導致面板顯示器亮度的不均勻。

這種現象表現為系統視野內各個位置的黑暗區域，尤其是在CRA最大的顯示器邊緣和角落。特定的投影系統架構可能會加劇這個問題，特別是那些具有緊湊形狀參數的投影系統，因為CRA可能會更大

圖8A-8E顯示了用於根據發明佈置的微透鏡。微軟指出，所述微透鏡配置可用於提高面板顯示器的光學效率，從而最大限度地利用可用功率，並且透過對顯示器中的離軸像素進行CRA操作來改善照明均勻性。

第一說明性結構圖8A展示了用於微透鏡805（結構A）的結構，其中透鏡表面呈現圓對稱的形狀。第二說明性結構圖8B展示了微透鏡810（結構B）具有自由曲面透鏡表面形狀

作為說明，「自由曲面透鏡表面」是指沒有旋轉不變性軸的形狀。因此，自由曲面透鏡表現出不同的特性，這取決於其相對於Micro LED的中心軸的旋轉位置。

可以透過配置自由曲面來優化透鏡對幾乎所有入射光線的光束成形。非球面光學可視為具有旋轉不變性軸的自由曲面光學的特殊情況。一般來說，非球面可以有軸，而自由曲面則可以沒有軸

圖8C顯示出具有自由曲面透鏡表面形狀的微透鏡815（結構C）的第三個說明性結構。結構C可用於離軸像素的光操縱，其作用是使微透鏡表面傾斜以使發射光線的角度與其CRA相匹配。

圖8D顯示微透鏡820（結構D）的第四個說明性結構，結構D具有提供離軸像素的CRA匹配的自由曲面透鏡表面形狀。另外，結構D利用非同軸空間關係，其中Micro LED 600的發射區域605在陣列平面上與微透鏡的中心線偏移。

圖8E顯示具有規則球面形狀並且在Micro LED的發射區域和微透鏡的中心線之間利用偏移的微透鏡825（結構E）。

圖9展示了面板顯示器320中不同微透鏡配置的分佈。特定像素的微透鏡配置取決於其在面板顯示器的中心軸上的距離d。對於靠近中心軸的像素，可以選擇使用具有圓形對稱或自由曲面的微透鏡結構A或B，以獲得更好的效果

對於離軸像素，可以有利地利用配置C或D，亦即分別為自由形狀和具有空間偏移的自由形狀來操縱從面板向投影光學器件的光瞳720發射的光線，從而匹配其各自的CRA。

因此，可以利用圖8所示的微透鏡配置中的一個或多個來使用給定的面板顯示器。對於位於中心和極端離軸位置之間的顯示器像素，可以透過實現相似的透鏡表面形狀，並應用使用微透鏡之間的線性插值計算的不同空間偏移量來實現配置類型之間的平滑過渡

微透鏡陣列的中心軸與遠端微透鏡陣列的中心軸相對應，使得微透鏡陣列與面板顯示器的軸向和離軸像素相符

可以將微透鏡陣列劃分為多個環形區域，這些區域與顯示器的中心軸同軸。每個區域中的微透鏡的自由曲面形狀可以根據發明描述的原理來操縱其對應像素的主射線角

根據本發明原理配置了微透鏡的面板顯示器的歸一化光學效率相對於CRA變化的圖示1000，可以看出圖10的結果

如圖所示，CRA為20度的像素1005的光學效率約為CRA為0度的像素1010的70%。所述結果與特定傳統投影系統相比是有利的，其中20度CRA像素的光學效率只有0度CRA像素的28%左右。

流程圖1100展示了用於操作光學顯示系統以在視場內顯示虛擬影像的圖11

在1105，利用發射面板顯示器來產生形成虛擬影像的像素陣列。所述面板顯示器具有沿著所述面板顯示器的光線發射方向投射的中心軸，所述像素陣列包括相對於所述中心軸的上軸像素和相對於所述中心軸的離軸像素。

在1110，提供設置在面板顯示器上的微透鏡陣列。其中，陣列中的每個微透鏡對應於形成虛擬影像的像素陣列中的各自像素。

在1115年，微透鏡陣列被配置成將光線調諧到與離軸像素相關的主光線角度，以使其在頭顯設備視場內的上軸像素具有相似的亮度

相關專利：Microsoft Patent | Microlenses providing wide range chief ray angle manipulation for a panel display

「Microlenses providing wide range chief ray angle manipulation for a panel display」這個專利申請是由微軟在2022年3月提交的，並且最近被美國專利商標局公佈

以上是微軟探索使用微透鏡陣列進行大範圍主射線角操縱的AR/VR專利的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！