美国专利商标局日前公布了一份名为“Optical system for head-mounted display”的苹果专利申请。所述发明主要描述了一种用于头戴式显示器的光学系统。具体地，发明主要介绍了光学系统的元件构成。
专利指出，头戴式显示器可以包括显示系统和光学系统。显示系统和光学系统可以由穿戴在用户头部的外壳支撑。头戴式显示器可以利用显示系统和光学系统向用户呈现图像。
显示系统可具有产生与图像相关联的图像光的像素阵列。显示系统同时可以具有线偏振器和四分之一波片。来自像素阵列的图像光通过线偏振器，并在通过线偏振器之后通过四分之一波片。
光学系统可以是折反射光学系统，并具有一个或多个由透明材料（如玻璃或塑料）形成的透镜元件。透镜元件可以包括平凸透镜元件和平凹透镜元件。平凸透镜元件可以具有凸面和相对的平面。平凹透镜元件可以具有凹面和面对凸透镜元件平面的相对平面。
苹果进一步写道，可在平凸透镜元件的凸面形成部分反射镜。反射偏振器可以形成在平凸透镜的平面之上或平凹透镜的凹面之上。额外的四分之一波片则可位于反射偏振器和部分反射镜之间。
图2是苹果头显的横截面侧视图。其中，光学系统#20和显示系统#40可以由诸如头显/眼镜#10的外壳#12支撑。外壳#12可以具有一副眼镜的框架形状，或可以具有头盔形状，或可以具有一副护目镜的形状等等。
外壳#12可由塑料、金属、纤维复合材料（例如碳纤维材料、木材和其他天然材料）、玻璃、其他材料和/或其中两种或多种材料的组合形成。
输入输出组件#44和控制电路#42可以安装在具有外壳#12之中，并通过电缆、无线连接或其他信号路径耦合到头显/眼镜#10。
显示系统#40可以包括图像源，例如像素阵列#14。像素阵列#14可包括发射图像光的像素二维阵列P，而诸如线偏振器#16的偏振器可放置在像素阵列#14的前面，从而提供偏振光图像光。线性偏振器#16可以具有与图2中的X轴对齐的通过轴。显示系统#40同时可以包括波片，例如四分之一波片#18，以提供圆偏振光图像光。四分之一波片#的快轴可以与线性偏振器#16的通过轴成45度对齐。四分之一波片#18可以安装在偏振器#16的前面（偏振器#16和光学系统#20之间）。
以图像光线#R1为例。当图像光线#R1离开显示器#14并通过线性偏振器16时，光线#R1变成线性偏振。光线#R1通过偏振器#16后再通过四分之一波片#18。当光线#R1通过四分之一波片#18时，光线R1变成圆极化。
光学系统#20可以包括透镜元件，例如透镜元件#26和#32。透镜元件#26可以是具有面向显示系统#40的凸面的平凸透镜（透镜元件）。可选透镜元件#32可以是具有面向用户（眼睛#46）凹面#S3的平凹透镜（透镜元件）。
可在透镜元件#26的凸面形成诸如部分反射镜#22的部分反射镜。当圆偏振光#R1照射部分反射镜#22时，光线#R1将通过部分反射镜#22而成为强度降低的光线#R2。光线#R2将被透镜元件#26的凸面S1的形状折射（部分聚焦）。
射线R2为圆极化。诸如四分之一波片#28的第二四分之一波片可以包括在光学系统#20中，以将光线#R2的圆偏振转换为线偏振。例如，四分之一波片#28可以将圆偏振光线#R2转换成具有与图2的Y轴对齐的线偏振光线#R3。
可在四分之一波片#28附近形成反射偏振器#30。在一个说明性配置中，反射偏振器#30和四分之一波片#28是平面层，并且可以形成在透镜元件#26的平面上。反射偏振器#30可以具有正交的反射和通过轴。平行于反射偏振器#30的反射轴偏振的光将被反射偏振器#30反射。在图2的说明性布置中，反射偏振器#30具有与Y轴对准的反射轴，所以光线#R3将反射为反射光线#R4。
反射光线#R4具有与Y轴对齐的线性偏振。反射光线#R4通过四分之一波片#28后，线偏振转变为圆偏振，即变成圆偏振反射光线#R5。
圆偏振光线R5穿过透镜元件#26，并且光线一部分将被部分反射镜#22在Z方向上反射为反射光线#R6。反射光线R6为圆极化。在穿过透镜元件#26和四分之一波片#28后，光线R6将变为线偏振，即光线#R7，其中光线#R7的线偏振与图2的X轴对齐，X轴平行于反射偏振器#30的通过轴。
以这种方式，光线#R7将穿过反射偏振器#30以向用户提供可视图像。
相关专利：Apple Patent | Optical system for head-mounted display
名为“Optical system for head-mounted display”的苹果专利申请最初在2021年1月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
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