CN114450622A - 实现具有带折射分束凸透镜的输出观察器元件的波导的近眼光学系统 - Google Patents

实现具有带折射分束凸透镜的输出观察器元件的波导的近眼光学系统 Download PDF

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Abstract

一种光学组合器，包括：波导棱镜，其被配置成将来自显示面板的显示光，经由全内反射从波导棱镜的近端传送到波导棱镜的远端。光学组合器也包括：传出耦合界面，其位于波导棱镜的远端处的波导棱镜的面对用户眼睛的表面上。传出耦合界面包括多个偏振相关层，其包括折射分束凸透镜，以折叠显示光的光学路径，并减小实现光学组合器的近眼光学系统的尺寸。

Description

实现具有带折射分束凸透镜的输出观察器元件的波导的近眼 光学系统
背景技术
近眼增强现实(AR)显示系统通常采用光学组合器波导(经常也称为“光导”)将显示器发出的显示光传送到用户的眼睛，同时还允许来自现实世界场景的光穿过波导到达用户的眼睛，从而使显示光所表示的影像从用户的视角覆盖在现实世界场景中。通常，波导依赖于全内反射(TIR)将从显示器接收到的光经由波导一端的传入耦合(incoupling)光学器件传送到波导另一端的面对用户眼睛的传出耦合(outcoupling)光学器件。传统的波导架构，包括衍射波导架构、几何波导架构和自由波导架构，通常制造成本高且复杂，并且通常具有相对低的光学效率(例如，通常只有1％左右)。
具体实施方式
下面描述用于近眼显示系统的光学组合器的示例实施方式。光学组合器使用波导将表示来自微型显示器或其他显示器的显示图像的光传送到穿戴者的眼睛，并且该传送的显示光可以在光学组合器处与来自近眼显示系统的现实世界场景组合，以向用户呈现组合的显示/场景影像。在至少一个实施例中，波导使用全内反射(TIR)将来自面对微型显示器的传入耦合界面的显示光传送到传出耦合界面，该传出耦合界面经由传出耦合界面将组合的显示和场景光投射到用户眼睛的预期位置。传出耦合界面包括设置在波导近侧和用户眼睛的预期位置之间的透明薄饼式(pancake)光学器件。这种薄饼式透镜采用一系列偏振相关(polarization-dependent)层，包括折射分束凸透镜，以折叠光学路径并减小实现光学组合器的近眼光学系统的尺寸。折射分束凸透镜可以实现为具有一个平坦表面和相对凸表面的平凸(plano-convex)透镜或具有两个相对的凸表面的双凸(bi-convex)透镜。
包括折射分束凸透镜的光学系统的实施例通常产生比传统光学系统更低的光学像差，这允许用户分辨更小的显示像素并支持更大的适眼区(eye box)。光学系统还产生更低水平的球差和色差、散光以及彗差，因而需要更少的计算工作来预处理显示影像以校正此类像差。折射分束凸透镜的折射部平衡了反射部的场曲率，由此减小了光学系统产生的整体场曲率。此外，可以改变折射分束凸透镜的附加折射能力，以增强、优化或调整光学系统的光学性能。因此，传出耦合界面可以被配置成提供任何期望的屈光力(opticalpower)，这进而允许使用不提供屈光力的平坦波导，以及由于更靠近眼睛发生的光学放大倍率而提供大的适眼区。此外，为了减轻由于输出界面的光学路径折叠而导致的反射显示光的世界侧光泄漏，在至少一些实施例中，折射分束凸透镜是使用设置在面对世界一侧上的光吸收材料来实现，以便提供部分反射镜的阵列或其他图案，因而提供对入射在透镜的面对世界一侧的光的大量吸收，因而减少泄漏的显示光量。
图1示出了根据至少一个实施例的采用光组合器102的示例近眼显示系统100。系统100以具有眼镜框104的眼镜形式实现，其中眼镜透镜105、106分别用于穿戴者的右眼和左眼。在所描绘的实施例中，光学组合器102与眼镜透镜分离，作为代替覆盖在眼镜透镜中的一个(在该实例中为眼镜透镜105)上，使得光学组合器102的传出耦合界面(下文参考图4至图9更详细地描述)面对穿戴者的相应眼睛的预期位置。光学组合器102经由波导安装壳体108安装到眼镜框104，壳体还用于容纳近眼显示系统100的一些或所有电子组件(图1中未示出)，诸如产生增强现实(AR)或(VR)影像以经由光学组合器102显示给穿戴者的显示器、将光从显示器引导到光学组合器102的传入耦合界面的传入耦合光学器件、一个或多个处理器、无线接口、电池或其他电源等。下文更详细地描述了许多这些组件。
图2示出了根据至少一个实施例的采用光组合器202的另一示例近眼显示系统200。与图1的系统100一样，系统200采用眼镜形状因子，其中眼镜框204具有眼镜透镜205、206。然而，与系统100相比，系统200使用眼镜透镜205实现光学组合器202。即，光学组合器202集成在眼镜透镜205内，因而允许近眼显示系统200具有更传统的眼镜外观。在该实施方式中，在眼镜透镜205的远端周边处的眼镜框204之上或之内的显示器壳体(为了清楚说明起见从图2中省略)包含：微型显示器或其他显示器，以发出代表AR或VR影像的显示光；和传入耦合光学器件，以将所发出的显示光引导到透镜205中的光学组合器202的传入耦合界面，然后，显示光通过光学组合器202/眼镜透镜205向位于眼镜透镜205/光学组合器202中的传出耦合界面207传播，以便与穿戴者的相应眼睛的预期位置(或预期位置范围)对齐。在一些实施例中，眼镜透镜206同样实现了相应的光学组合器和传出耦合界面，并且系统200也以相同方式采用相应的显示组件来向穿戴者的另一只眼睛提供AR或VR影像的显示。
图1的系统100的光学组合器102和图2的系统200的光学组合器202中的每一个操作，以在显示光从紧邻显示器的波导的一端横穿到波导的面对穿戴者眼睛的相对端时，经由显示光在光学组合器的波导主体内的全内反射(TIR)的一个或多个实例将显示光从显示器传送到用户的眼睛。然后将传送的显示光与来自波导面对世界一侧的场景光组合，以作为由显示光表示的渲染或捕获的影像与用户通过系统的透镜观看的真实世界场景或环境的组合来供用户观看。
图3以示意图形式示出了近眼显示系统300，其中近眼显示系统300分别表示例如图1和图2的近眼显示系统100和200中的任一个。近眼显示系统300包括光学组合器302、图像源子系统304和显示面板306。显示面板306可以包括例如微型显示器(例如，通常对角量度小于5cm，并且在许多情况下对角量度小于2.5cm的显示器)。显示面板306的示例可以包括例如液晶显示器(LCD)面板、发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)面板、硅上液晶(LCoS)显示器等等。图像源子系统304包括具有一个或多个图形处理单元(GPU)或其他处理器的计算系统，处理单元操作以提供一系列显示图像308从而在显示面板306上显示。每个显示图像308可以表示任何各种视觉内容，诸如符号(例如，导航方向箭头)、图标、文本、捕获或渲染的影像、视频等。
光学组合器302包括传入耦合界面310、波导棱镜312和传出耦合界面314。显示面板306在显示显示图像308时发出的显示光316经由传入耦合界面310传递到波导棱镜312中，之后，显示光316经由一个或多个TIR沿着波导棱镜312传递到传出耦合表面326，传出耦合表面将显示光316引导到传出耦合界面314。在实施例中，线性偏振(LP)层328被设置在波导棱镜的传出耦合表面326处。传出耦合界面314是具有一个或多个偏振相关层的薄饼式光学器件，因而，通过经由传入耦合界面310、波导棱镜312以及传出耦合界面314的各个偏振相关层对显示光316的偏振状态的操纵，显示光316的光学路径在其朝着观察者的眼睛318穿过传出耦合界面314时“折叠”，由此允许相对于传入耦合界面310厚度的更长有效焦距。此外，如本文所述，在至少一个实施例中，传出耦合界面314包括折射分束凸透镜(例如，凸部分反射镜)(图3中未示出)，其用作折叠元件以折叠显示光316的光学路径并用作聚焦元件以在显示光316横穿传出耦合界面314时将屈光力引入该显示光316。同时，来自现实世界场景332并入射到波导棱镜312的面对世界一侧322上的场景光320通过波导棱镜312传递到面对眼睛一侧324，然后通过传出耦合界面314朝向眼睛318传递。在一些实施例中，因为场景光320不具有波导棱镜312赋予显示光316的特定极性状态，所以场景光320没有被放大，其光学路径也没有在场景光穿过光学组合器302时经由传出耦合界面314的折叠而延长，因而相对不变地到达用户的眼睛318。也就是说，场景光320在穿过光学组合器302时几乎没有失真。
图4示出了在例如图2的光学组合器202的线A-A处的光学组合器302的实施方式的横截面图。在所示实施例中，由显示器306发出的显示光316被引导到位于波导棱镜312远端的传入耦合界面310，其中，传入耦合界面310在其中设置了LP层404，LP层用于将进入的显示光316偏振成特定的线性偏振状态(例如，s偏振状态)。然后，显示光316经由三个(或更多)全内反射(诸如图4中所示的三个TIR)传送到波导棱镜312的近端。波导棱镜312的传出耦合表面326相对于波导棱镜312的面对世界的表面322和平行的面对眼睛的表面324以非零角度定向，以便将离开波导棱镜312的显示光316朝向传出耦合界面314反射，传出耦合界面被设置成在波导棱镜312的近端处平行于面对眼睛的表面324。在至少一个实施例中，偏振分束器(PBS)层408被设置在传出耦合表面326处。在实施例中，光学组合器302进一步包括补偿棱镜330，补偿棱镜具有与波导棱镜312的材料基本相似的折射率，使得光学组合器302有效地作为透明“窗口”操作，用户可以通过该透明“窗口”查看现实世界场景，因而促进场景光从面对世界一侧322传递到用户眼睛的瞳孔414，而不会引入场景光的像差、放大或其他光学影响。
如放大图430所示，传出耦合界面314包括经由气隙418或低折射率涂层/粘合剂与波导棱镜312的面对眼睛的表面324分离的薄饼式透镜或类似光学元件。传出耦合界面314具有一个或多个层或级的偏振相关膜或结构，这些膜或结构操作来折叠入射在传出耦合界面314的面对世界的一侧上的光的光学路径，以及向显示光316提供屈光力，同时向通过波导棱镜312和补偿棱镜330传递的现实世界场景光赋予很少屈光力或不赋予屈光力。在一些实施例中，这些层包括关于波导棱镜312的面对眼睛一侧324与气隙418相对地设置的第一四分之一波片(QWP)层432、实施为例如凸部分反射镜(例如，50/50反射镜、80/20反射镜、10/90反射镜)的折射分束凸透镜428、设置在透明子层层434的面对眼睛一侧的第二QWP层436、高级偏振膜(APF)层438或类似层，以及LP层440。在一些实施例中,折射分束凸透镜428被实施为具有两个相对凸表面的双凸透镜。为了说明，折射分束凸透镜428可以由玻璃或塑料形成的两个子层434、444组成，其中，子层434在面对瞳孔414的表面上具有凸轮廓，并且子层444在面对世界的表面上具有一致的、互补的凹轮廓，并且在其间设置有半镀银或其他部分反射镜层442。在一些实施例中，两个子层434、444具有不同的折射率。
图5示出了当显示光316的光线516在图4的光学组合器302之内和之外行进时的示例光学路径。如图所示，光线516与LP层404相互作用，这进而使得光线516具有线性偏振状态(例如，出于本说明的目的，x线性偏振)，并且光线516经由三个所示的TIR 504穿过波导棱镜312传送。在遇到传出耦合表面326时，线性偏振光线516被朝着面对眼睛的表面324反射并进入传出耦合界面314。
图6示出了光线516在穿过图4的传出耦合界面314时的光学路径。出于说明的目的，描绘了传出耦合界面314的分解横截面图600，其中每一层与相邻层分离。出于该示例的目的，光线516以x线性偏振状态从波导棱镜412进入传出耦合界面314。QWP层432将线偏振光线516转换成具有第一圆偏振的光线516-1。例如，QWP层432可以将光线516从y方向上的线性偏振转换成右旋圆偏振(RCP)的光线516-1。折射分束凸透镜428将圆偏振光线516-1的一部分传递和折射成光线516-2，光线516-2被传递到QWP层436，QWP层436将圆偏振光线516-2转换成线性偏振光线516-3。例如，QWP层436可以将RCP光线516-2转换成在x方向上线性偏振的光线516-3。在该示例中，APF层438(例如，偏振相关分束器)反射x线性偏振光，因而光线516-3被AFP层438反射成光线516-4并在穿过QWP层436时被转换成圆偏振光线516-5。例如，光线516-5可以被转换成RCP。光线516-5被折射分束凸透镜428反射成光线516-6，通过这种反射引入屈光力以及反转或改变光线516-5的圆偏振状态，例如，反射将光线516-5转换成左旋圆偏振(LCP)光线516-6。QWP层436将圆偏振光线516-6转换成线性偏振光线516-7。例如，光线502-6的LCP状态被转换成光线516-7在y方向上的线性偏振。AFP层438和LP层440然后将产生的线性偏振光线516-8向用户的眼睛传递。
图7示出了在例如图2的光学组合器202的线A-A处的光学组合器302(此处称为“光学组合器702”)的实施方式的横截面图700。在所示实施例中，由显示器706发出的显示光716经由传入耦合接口(为清楚起见从图7中省略)被引导到波导棱镜712远端处的传入耦合接口，其中，传入耦合接口其上设置了线性偏振(LP)层704，LP层用于将进入的显示光716偏振到特定的线性偏振状态。显示光716然后经由两个全内反射被传送到波导棱镜712的近端。波导棱镜712的传出耦合表面726被相对于波导棱镜712的面对世界的表面722和平行的面对眼睛的表面724以非零角(例如，45度)设置，以便将从波导棱镜712出来的显示光716朝向在波导棱镜712的近端处平行于面对眼睛的表面724设置的传出耦合界面714反射。在至少一个实施例中，APF层708和LP层710两者被设置在传出耦合表面726处。光学组合器702可以进一步包括补偿棱镜730，补偿棱镜具有与波导棱镜712的材料基本相似的折射率。
传出耦合界面714包括与波导棱镜712的面对眼睛的表面724分离的薄饼式透镜或类似的光学元件，并且具有一个或多个层或级的偏振相关膜或结构，这些偏振相关膜或结构操作来折叠入射在传出耦合界面的面对世界的一侧上的光的光学路径，包括折射分束凸透镜728以向显示光716提供屈光力，同时向通过波导棱镜712和补偿棱镜730传递的现实世界场景光赋予很少或不赋予屈光力。
图8示出了在例如图2的光学组合器202的线A-A处的光学组合器302(本文称为“光学组合器802”)的实施方式的横截面图800。与上述其他实施方式一样，光学组合器802包括传出耦合界面814，其具有薄饼式透镜或类似光学元件，具有一个或多个层或级的偏振相关膜或结构，这些偏振相关膜或结构操作来折叠入射在传出耦合界面814的面对世界的一侧上的光的光学路径。传出耦合界面814包括折射分束凸透镜828，于上文所述类似地，以及为使用单个TIR从在波导棱镜812的远端处的显示器806传送的显示光816提供屈光力，同时向通过波导棱镜812和补偿棱镜830传递的现实世界场景光赋予很少或不赋予屈光力。
图9示出了在例如图2的光学组合器202的线A-A处的光学组合器302(本文称为“光学组合器902”)的实施方式的横截面图900。与上述其他实施方式一样，光学组合器902包括传出耦合接口914，其具有薄饼式透镜或类似光学元件，具有一个或多个层或级的偏振相关膜或结构，这些偏振相关膜或结构操作来不仅折叠入射在传出耦合界面914的面对世界的一侧上的光的光学路径(传出耦合界面914包括与上文所述的类似的折射分束凸透镜928)，而且还为使用多个TIR从在弯曲的波导棱镜912的远端处的显示器906传送的显示光916提供屈光力，并且通过弯曲的波导棱镜912，还向通过非平面的波导棱镜912传递的现实世界场景光赋予屈光力或对其实施处方。
图10示出了光学组合器1002的横截面图1000，光学组合器1002具有传出耦合界面1014，其具有折射分束凸透镜1028，如在上述实施例中所表示的，其中，来自显示器1006的从波导棱镜1012传送至传出耦合界面1014的一些显示光1016被反射回到波导棱镜1012并穿过波导棱镜1012。这使得从光学组合器1002发出作为世界侧光泄漏1004的显示光，世界侧光泄漏可能被看着穿戴近眼显示系统的用户的观察者看成是由叠加在用户眼镜上的显示光1016表示的显示影像。图11示出了示例近眼显示系统1100，包括诸如光学组合器1002之类的光学组合器，展示了这种分散注意力的世界侧光泄漏1004。
图12示出了光学组合器1202的实施方式的横截面图1200，以减少世界侧光泄漏的量。光学组合器1202包括带与上文所述类似的折射分束凸透镜1228的传出耦合界面1214，折射分束凸透镜1228的面对世界一侧1222以这样的图案来部分地涂覆有光吸收材料1208(例如，黑色材料)：该图案在光吸收材料1208的多个部分之间提供孔1224，因而在折射分束凸透镜1228中形成光吸收特征1210的阵列。因此，任何入射到透镜1228的面对眼睛侧的非孔区域的光都将被光吸收材料1208充分吸收，因而光学组合器1202所表现出的世界侧光泄漏量显著减少。
图13示出了折射分束凸透镜1326上的部分反射镜阵列的示例，诸如图3的传出耦合界面314，其具有光吸收特征1310的阵列，该光吸收特征1310的阵列由位于折射分束凸透镜1326的面对世界的一侧上的光吸收材料1308的圆形片形成。虽然示出了圆形光吸收特征1310的阵列，但是可以实施其他图案以提供光吸收特征1310的阵列，其形成跨透镜1326具有基本均匀照明的孔，诸如棋盘孔图案、条纹孔图案、同心孔图案等。
应注意，并非上述一般描述中描述的所有活动或元素都是必须的，可能不需要特定活动或设备的一部分，并且可以执行一个或更多进一步的活动，或者包括除了那些描述元件的之外的元件。又进一步，列出活动的顺序不一定是执行它们的顺序。而且，已经参考特定实施例描述了这些概念。然而，本领域技术人员应明白，可以进行各种修改和改变而不背离所附权利要求书中阐述的本公开的范围。因而，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。
上文已经针对特定实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能引起任何益处、优点、问题的解决方案出现或变得更加明显的任何特征都不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或基本特征。此外，上文公开的特定实施例仅是说明性的，因为对于受益于本文教导的本领域技术人员而言，可以以不同但等效的方式修改和实践所公开的主题。除了在所附权利要求中描述的以外，无意对本文所示的构造或设计的细节进行限制。因此很明显，上文公开的特定实施例可以被改变或修改，并且所有这些变化都被认为是在所公开主题的范围内。因而，本文寻求的保护如所附权利要求书所述。

Claims (20)

1.一种光学组合器，包括：
波导棱镜，所述波导棱镜被配置成将来自显示面板的显示光经由全内反射来从所述波导棱镜的近端传送到所述波导棱镜的远端；以及
传出耦合界面，所述传出耦合界面被设置在所述波导棱镜的所述远端处的所述波导棱镜的面对眼睛的表面处，所述传出耦合界面具有包括折射分束凸透镜的多个偏振相关层。
2.根据权利要求1所述的光学组合器，进一步包括：
传出耦合表面，所述传出耦合表面被设置在所述波导棱镜的所述远端处，所述传出耦合表面被配置成将离开所述波导棱镜的所述显示光引导至所述传出耦合界面。
3.根据权利要求2所述的光学组合器，其中，所述传出耦合表面相对于所述波导棱镜的面对世界的表面和平行的面对眼睛的表面以非零角定向。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学组合器，其中，所述多个偏振相关层包括：
第一四分之一波片QWP层，被设置在所述波导棱镜与所述折射分束凸透镜之间；
第二QWP层，被设置在所述折射分束凸透镜的面对眼睛表面处；
高级偏振膜APF层，被设置在所述第二QWP层上；以及
线性偏振层，被设置在所述APF层上。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学组合器，进一步包括：
补偿棱镜，所述补偿棱镜耦合至所述波导棱镜并具有与所述波导棱镜的材料基本相似的折射率。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光学组合器，进一步包括：
光吸收材料，所述光吸收材料被设置在所述折射分束凸透镜的面对世界的表面上，所述光吸收材料包括多个孔以用于在所述折射分束凸透镜中形成部分反射镜的阵列。
7.一种方法，包括：
将来自显示面板的显示光引导到波导棱镜中；
经由至少一个全内反射，将在所述波导棱镜内的所述显示光传递到传出耦合表面；以及
将来自所述传出耦合表面的所述显示光反射到被设置在所述波导棱镜的面对眼睛的表面处的传出耦合界面，所述传出耦合界面具有包括折射分束凸透镜的多个偏振相关层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个偏振相关层包括：
第一四分之一波片QWP层，被设置在所述波导棱镜与所述折射分束凸透镜之间；
第二QWP层，被设置在所述折射分束凸透镜的面对眼睛的表面处；
高级偏振膜APF层，被设置在所述第二QWP层上；以及
线性偏振层，被设置在所述APF层上。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
将所述显示光穿过所述折射分束凸透镜传递到所述APF层；
将来自所述APF层的所述显示光反射到所述折射分束凸透镜的凸表面；以及
将来自所述凸表面的并且离开所述传出耦合界面的所述显示光朝着用户的眼睛反射。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中，光吸收特征的阵列被设置在所述折射分束凸透镜的面对世界的表面上。
11.一种近眼显示系统，包括：
显示面板，所述显示面板被配置成投射表示视觉内容的显示光；和
光学组合器，所述光学组合器包括：
波导棱镜，所述波导棱镜被配置成将所述显示光从所述波导棱镜的近端传送到所述波导棱镜的远端；以及
传出耦合界面，所述传出耦合界面被设置在所述波导棱镜的所述远端处的所述波导棱镜的面对眼睛的表面处，所述传出耦合界面具有包括折射分束凸透镜的多个偏振相关层。
12.根据权利要求11所述的近眼显示系统，其中，所述光学组合器进一步包括：
传出耦合表面，所述传出耦合表面被设置在所述波导棱镜的所述远端处，所述传出耦合表面被配置成将离开所述波导棱镜的所述显示光引导至所述传出耦合界面。
13.根据权利要求12所述的近眼显示系统，其中，所述传出耦合表面相对于所述波导棱镜的面对世界的表面和平行的面对眼睛的表面以非零角定向。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的近眼显示系统，其中，所述多个偏振相关层包括：
第一四分之一波片QWP层，被设置在所述波导棱镜与所述折射分束凸透镜之间；
第二QWP层，被设置在所述折射分束凸透镜的面对眼睛的表面处；
高级偏振膜APF层，被设置在所述第二QWP层上；以及
线性偏振层，被设置在所述APF层上。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的近眼显示系统，其中，所述折射分束凸透镜包括：
第一子层和第二子层。
16.根据权利要求15所述的近眼显示系统，其中，所述第一子层在面对眼睛的表面上具有凸轮廓，并且所述第二子层在面对世界的表面上具有与所述凸轮廓互补的凹轮廓。
17.根据权利要求15所述的近眼显示系统，其中，所述折射分束凸透镜进一步包括：
部分反射镜层，所述部分反射镜层被设置在所述第一子层与所述第二子层之间。
18.根据权利要求11至17中的任一项所述的近眼显示系统，其中，所述光学组合器进一步包括：
补偿棱镜，所述补偿棱镜耦合至所述波导棱镜并具有与所述波导棱镜的材料基本相似的折射率。
19.根据权利要求11至17中的任一项所述的近眼显示系统，其中，所述传出耦合界面包括光吸收特征的阵列，以用于防止来自所述光学组合器的世界侧光泄漏。
20.根据权利要求19所述的近眼显示系统，其中，所述光吸收特征的阵列被设置在所述折射分束凸透镜的面对世界的表面上，所述光吸收特征包括多个孔，以用于在所述折射分束凸透镜中形成部分反射镜的阵列。
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