苹果新申请多份AR/VR专利:高分辨率图像、虚实图像混合、可调节音频

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涵盖了一系列与头显设备相关的发明技术

映维网 2020年03月20日)从优化图像到在虚拟现实或增强现实中的物理控制器,再到确保完美的音频,美国专利商标局最新公布的苹果专利申请涵盖了一系列与头显设备相关的发明技术。

苹果一直对虚拟现实和增强现实方面的计划三缄其口,但全新的专利申请表明,这家公司在开发完整沉浸式设备方面的布局越发明显。发明涉及不同的发明团队,并且涵盖了从穿戴头显时看到的内容到摘下头显时看到的内容。

0. 微型投影仪和窄光学系统

美国专利商标局公布了一份苹果搭载微型投影仪和窄光学系统的显示系统专利。

苹果指出,电子设备和其他系统通常包括显示器。例如,诸如虚拟现实或混合现实眼镜之类的头戴式设备可以包含用于为用户显示图像的显示器,或者投影仪系统可以包括用于将光场投影到显示器的投影仪。投影仪可包括发射光场的光源和将发射光线传送给用户的辅助光学系统。

相关专利Apple Patent | Scanning Display Systems

显示系统或搭载显示系统的设备可以包括投影系统,而所述投影系统可以用于需要光场远场投影的其他实现之中。可以通过穿戴于用户头部的一对增强现实眼镜等头戴式设备来向用户提供叠加在真实世界内容之上的计算机生成内容。用户可以通过光学系统的透明部分直接查看真实世界的内容。光学系统可以通过显示系统中的一个或多个像素阵列将图像路由到用户眼睛。

可以在光学系统中纳入诸如由诸如玻璃或塑料等透明材料片材形成的薄平面波导或其他光导,从而将图像光从像素阵列传送给用户。所述显示系统可以包括诸如硅上液晶显示器这样的反射型显示器,微机电系统(MEM)显示器或其他显示器。

所述设备可以用于包括便携式消费电子产品(如蜂窝电话,平板电脑,眼镜,其他可穿戴设备),驾驶舱,车辆等载具中的平视显示器,基于显示器的设备(如投影仪和电视等)。

1. 显示高分辨率的AR或VR图像

专利号为20200089014的专利申请“Waveguided Display Systems(波导显示系统)”介绍了一种允许头显无需搭载笨重组件的情况下获取高质量图像的方法。

相关专利Apple Patent | Waveguided Display Systems

文件解释道:“带有显示器的电子设备可以用来为用户显示内容。如果不注意,为用户显示内容时所使用的组件可能不雅观且笨重,并且可能无法展现出所需的光学性能。”

VR主要是通过分开创建图像的投影仪和用户可以看到的透镜来解决问题。对于AR系统,数字图像与现实世界视图相结合。路由AR图像并将其与现实世界视图结合依赖于波导。苹果计划嵌入“光束分离器结构”来确保AR和现实的不同照明水平能够维持一致。

专利指出:“电子设备具有发射图像光的显示器,波导和将图像光耦合到波导中的耦入器。分束器结构可以在二维范围内复制光束。”通过这种方式,显示器可以在宽视场内为视窗提供均匀强度的光。

所述波导专利包含十位发明人,包括Guolin Peng, Eric J. Hansotte,以及四位曾参与“Optical Systems for Displays(用于显示器的光学系统)”专利的人员。

专利号为20200088994的专利申请“Scanning Display Systems(扫描显示系统)”同样与用户看到的图像有关,但特别涉及亮度和分辨率。

相关专利Apple Patent | Scanning Display Systems

文件指出:“形成具有足够光学亮度,显示分辨率和紧凑性以进行可扩展使用的投影显示系统是一项挑战。”头显同时需要坚固耐用,苹果表示:“必须小心考虑包括跌落冲击和热负荷在内的用户情况。”

滥用头显可能会损坏光学镜,但在特定系统中,光学镜会在正常操作中变形。有系统使用扫描镜或旋转镜,而光学镜的尺寸和旋转速度存在问题。

专利申请继续道:“通常,业界希望在光学系统中为扫描镜提供尽可能大的反射区域(如直径为1.2毫米-2.0毫米),以便在远场域中最大化图像分辨率。但是,高速扫描反射镜会导致反射镜发生物理变形(特别是相对较大的反射镜),这会发散图像光,从而限制了远场的图像分辨率。”

苹果提供的方案是,改为使用“以对角行和对齐垂直列排列的交错发光元件阵列”。目的是提供一种可以“克服所述困难并以高帧速提供高分辨率(低发散)图像,同时依然能够安装在(头显)受限尺寸范围内的光学系统”。

2. VR混合现实世界对象

除了要在真实世界视图内显示AR图像外,头显同时要求用户能够看到和操纵外设。如果用户只能看到虚拟现实空间,他们将看不到自己持有的控制器等设备。

所以,苹果提出了专利号为20200089313且发明人是Mohamed Selim Ben Himan的专利申请“Tracking and Drift Correction(追踪和漂移校正)”。

专利指出:“(现有)系统无法充分追踪外设相对于内容提供设备的位置,因此无法显示所述设备或它们的表示来指导用户交互。”

“例如,穿戴能够生成计算机生成现实(CGR)环境的头显的用户可能需要查看手机在CGR环境中的图示,从而将手机作为输入设备。但是,在无法准确、一致和有效地追踪手机相对于头显的位置的情况下,无法在CGR环境中显示与实际位置相对应的移动电话表示。”

苹果提出的系统可以精确追踪现实世界中的手机,从而可以在正确的位置显示其虚拟版本。他们写道:“当用户虚拟触碰虚拟遥控器的虚拟按钮时,用户实际上是触碰手机触控屏的相应部分,而所述部分将视为控制或启动与虚拟环境交互的输入。”

3. 音频问题

美国专利商标局公布的苹果专利申请主要是涉及显示给用户的图像问题,但专利号为20200089008的专利申请“Display Devices With Multimodal Audio(包含多模态音频的显示设备)”则专注于听觉方面。

相关专利Apple Patent | Display Devices With Multimodal Audio

除了可显示图像的近眼显示器外,头戴式显示器同时包含具有可调节的耳机,而所述耳机能够适应所呈现的音频类型。

专利描述的头戴式显示系统包括: 与壳体相关联的视觉系统;可连接到壳体的可穿戴支撑件;可枢转地连接到支撑件,并能够在第一位置和第二位置之间移动的音频部件。在第一位置中,音频部件与支撑件大致对准;在第二位置中,音频部件与支撑件大致不对准。从第一位置到第二位置的移动将音频分量从第一模式转变为第二模式。在第一模式中,声音通过与驱动通信的第一端口向用户投射。在第二模式中,声音通过与驱动通信的第二端口向用户投射。

文件指出:“提供音频操作的灵活性通常是可取方案,因为它允许在各种设置或环境中使用系统。”专利发明人包括Robert D. Silfvast, Christopher T. Eubank和Neal D. Evans。

苹果进一步解释道,如在虚拟现实的背景下,可能需要更为身临其境的音频体验(如阻止或消除外部噪声),而在增强现实或混合现实的背景下 ,外部噪声的重要性可能会降低。所以可以通过第一模式和第二模式来提供适合不同情况的音频体验。

4. 不穿戴在用户头部时的头戴式显示器

对于今天公布的一系列专利申请,最令人意外的或许是Paul X. Wang提出的,专利号为20200088999的“Electronic Device With Inner Display and Externally Accessible Input-Output Device(带有内部显示器和外部可访问输入输出组件的电子设备)”。专利文件描述了当头显没有穿戴在用户头上时的情形。

相关专利Apple Patent | Electronic Device With Inner Display And Externally Accessible Input-Output Device

苹果的想法是,用户可以摘下头显,然后依然能够以某种方式使用它。

专利写道:“在某些情况下,用户与头显等电子设备进行交互可能具有挑战性。但当不佩戴头显时,用户无法看到显示器的内容,这会妨碍用户与设备和相关设备进行交互的能力。”

所以,系统不是将图像投影到头显内置的显示器,而是将图像“投射到附近的表面”。苹果指出,这可以为用户提供一种控制设备的方式。

他们进一步指出:“所述图像可以包括允许用户与之交互的虚拟键盘。”

苹果正在研究穿戴AR/VR头显时的影像和音效问题,以及非穿戴于头部时的用例。新公布的专利申请所涉及范围很广,但其研发开始时间甚至可以追溯至十年前。

原文链接https://yivian.com/news/73025.html
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