引言：一项关键光学模组专利透露了什么信号？

2026年2月10日，苹果公司获授权了一项编号为US 12,547,004 B2的头戴式显示设备光学模组专利。这项专利的核心内容围绕头戴式显示设备中光学模组的精密结构设计展开，特别是涉及瞳距（IPD）调节机构、折反射光学系统（Catadioptric Optical System）集成、红外发射器布局以及眼动追踪相机的协同运动方案。

该专利所揭示的技术方案，不仅体现了苹果在空间计算领域持续深耕的技术决心，也为整个XR（扩展现实）行业的光学系统设计提供了极具参考价值的工程实践路径。

一、专利技术背景：为何光学模组设计如此重要？

头戴设备的核心矛盾：尺寸、重量与光学性能

头戴式显示设备（HMD）需要将显示屏幕发出的光线精确引导至用户双眼，同时支持立体视觉呈现。这就要求光学模组在极其紧凑的空间内实现高质量的成像。

传统的VR光学方案通常采用简单的非球面透镜或菲涅尔透镜，这类方案虽然成本较低，但存在光学畸变大、色散明显、模组厚度难以压缩等问题。近年来，Pancake折叠光路方案得到广泛应用，通过偏振光的多次反射折叠光路，有效压缩了模组厚度，但也引入了光效损失的问题。

苹果在这项专利中采用了折反射光学系统（Catadioptric Optical System）的设计思路。折反射系统兼具折射和反射两种光学特性，可以通过单一多层光学元件内部的材料界面反射来实现光路折叠，在小封装尺寸内获得所需的光学性能。这种方案在保持较薄模组厚度的同时，相较于纯Pancake方案可能具有更好的光学效率和成像质量。

图1：头戴显示设备光学模组基本架构示意图，展示了显示组件、透镜、内部空间及各关键组件的空间关系

二、光学模组壳体组件：精密结构的工程实现

壳体组件的双件式设计

该专利中的光学模组壳体组件由两个主要部分构成：壳体本体（Housing Body）和保持器（Retainer）。壳体本体为刚性结构，采用塑料或铝合金等材料制造，围绕光轴排列形成环形构型。保持器连接在壳体本体面向用户的一端（外端），两者共同将透镜牢固地夹持在确定的位置。

壳体本体包含以下关键特征：

底座部分（Base Portion）：大致垂直于光轴，提供其他组件的安装面

周边壁（Peripheral Wall）：从底座部分向外延伸，与光轴方向一致，支撑和保持透镜

光路开口（Optical Pathway Opening）：位于底座部分中央，允许显示组件发出的光线到达透镜

电气端口（Electrical Port）：贯穿周边壁，供柔性电路穿过

通风口（Vent Port）：贯穿周边壁，允许内外空气流通

透镜的精密定位与保持

透镜的固定方案是该专利中一个值得关注的工程细节。透镜本体上设有突出的投影结构（Projections），而保持器上设有相应的通道（Channels）。投影结构嵌入通道中，实现透镜相对于壳体组件的精确对齐和位置限制。

这种"投影-通道"的配合方式有几个工程优势：

提供径向定位精度，确保透镜光轴与显示组件对齐

约束透镜的轴向和横向自由度，防止运动过程中的偏移

投影结构的高度通常只有透镜本体高度的10%至50%，在提供足够约束力的同时不会过度增加模组的轴向尺寸

此外，为防止跌落等冲击工况下透镜损坏，透镜与壳体之间还设置了一层弹性粘合剂，既能提供牢固粘接又能在冲击时起到缓冲作用，冲击结束后使透镜回复原位。

三、显示组件与散热架构：热管理的精细考量

显示模组的多层结构

专利中的显示组件采用了**硅基底板上的有机发光二极管（OLED on Silicon）**技术方案。具体结构包括：

硅晶圆（Silicon Wafer）：作为基板

显示元件层（Display Element Layer）：有机发光二极管层，位于硅晶圆上

玻璃盖板层（Glass Layer）：覆盖在显示元件层上方

显示连接器分为两部分：第一部分为双层柔性连接器，通过各向异性导电膜与硅晶圆上的导体实现电连接；第二部分为六层多层柔性连接器（即行业常称的"刚柔结合板"），内部形成腔体以容纳驱动集成电路（Driver IC）。

这种分体式连接器设计的好处在于：第一部分采用薄型柔性结构，减少对显示面板附近空间的占用；第二部分承载驱动电路的重量和刚度需求，同时通过微同轴连接器与外部计算设备相连。

热管理路径设计

显示模组工作时产生的热量是头戴设备面临的关键挑战之一。专利描述了一条清晰的热传导路径：

显示模组 → 热界面材料 → 散热器（Heat Sink）

**热界面材料（Thermal Interface Material, TIM）**是一种导热且电绝缘的柔性材料，填充显示模组与散热器之间的微小间隙，消除空气层对传热效率的影响。散热器则采用金属材质（如铝合金），具有散热翅片等增大表面积的结构，将热量释放到环境空气中。在某些实现方式中，散热器还可能集成热管（Heat Pipe）等更高效的散热通道。

图2：显示组件热管理路径示意图，展示从热源到环境空气的完整散热链路和关键设计要点

四、红外发射器系统：眼动追踪的光源工程

柔性电路上的红外LED阵列

专利中描述的红外发射器是眼动追踪系统的核心光源组件。其结构包括：

柔性电路（Flexible Circuit）：多层非导电聚合物薄膜，内夹铜导电迹线

发射元件（Emissive Components）：红外发光二极管，安装在柔性电路上

电气连接器（Electrical Connector）：标准连接器，提供电源和控制信号

密封元件（Sealing Element）：硅胶材质，通过包覆成型工艺形成，确保柔性电路穿过壳体时的密封性

红外发射元件围绕光轴呈阵列排列，位于壳体本体的底座面上，环绕光路开口分布。这种布局确保红外辐射能够从多个角度照射用户眼球，被眼球表面反射后由眼动追踪相机捕获成像。

值得注意的是，发射元件被分为两组不同波长：

第一组：工作在约850nm波段，用于虹膜识别等生物特征识别任务

第二组：工作在约940nm波段，用于视线方向追踪

这种双波段设计在单一硬件平台上同时满足了身份认证和交互控制两大功能需求，是一个很巧妙的系统级优化方案。

红外透射面板的设计

在某些实现方式中，壳体本体上还设有红外透射面板（Infrared-Transmissive Panel）。该面板由红外透射玻璃或塑料材质制成，允许红外辐射通过但可阻挡可见光干扰。面板通过底座面上的开口安装，可以是覆盖所有发射元件的单一面板，也可以是对应各发射元件的多个独立小面板。

五、瞳距调节机构（IPD Adjustment）：精密运动系统设计

为什么瞳距调节至关重要？

瞳距（Interpupillary Distance, IPD）是指双眼瞳孔中心之间的距离，成年人的IPD通常在51mm至77mm之间变化。如果头戴设备的左右光学模组间距与用户的实际瞳距不匹配，将导致双目图像无法正确融合，轻则造成视觉不适和疲劳，重则引发眩晕和恶心感。

因此，可调节的IPD机构是高品质头戴显示设备不可或缺的功能特征。

苹果方案的机构特点

该专利描述的瞳距调节机构包含以下关键组件：

支撑杆（Support Rods）：上下各一组，两端连接设备壳体

安装支架（Mounting Brackets）：连接光学模组与支撑杆

执行器组件（Actuator Assemblies）：包括电机和丝杠/皮带等传动组件，根据控制信号驱动光学模组沿支撑杆滑动

偏置弹簧（Springs）：如簧片弹簧，安装在支架开孔处，消除支架与支撑杆之间的间隙引起的非预期运动

一个特别重要的设计细节是：支撑杆相对于设备壳体侧面方向有约5度的倾斜角。这意味着当左右光学模组向外滑动增大间距时，模组同时会略微向用户方向倾斜。这种设计的考虑在于：人眼瞳距较宽的用户，其面部轮廓往往也更宽，面部到设备前端的距离也会有所变化，适当的角度补偿可以优化不同瞳距用户的佩戴舒适性和光学对齐精度。

图3：成人瞳距分布统计图，绝大多数成年人的瞳距集中在59-70mm范围内，这对IPD调节机构的行程设计提出了明确的工程要求

前置相机的联动运动

该专利的一个重要创新点在于：前置摄像头（Front-Facing Camera）与光学模组刚性连接，随IPD调节同步移动。

在传统头戴设备中，前置相机通常固定在设备外壳上，位置不随IPD调节变化。但苹果的方案将前置相机安装在各自对应的光学模组上，使得：

第一前置相机的光轴与第一光学模组的光轴对齐

第二前置相机的光轴与第二光学模组的光轴对齐

IPD调节时，前置相机之间的间距变化量等于光学模组之间的间距变化量

这种设计确保了在用户当前瞳距下，前置相机拍摄的立体图像的视差与用户双眼观察到的显示内容的视差保持一致，从而在混合现实（MR）和增强现实（AR）应用中呈现更自然的立体视觉效果。设备壳体上设有透光面板或透明塑料窗口，供前置相机透过拍摄外部环境。

六、内部空间的环境控制：密封、通风与防尘

精密光学环境的洁净度要求

光学模组的内部空间——即透镜、显示组件和红外发射器之间的密闭区域——对洁净度有严格要求。微小的灰尘颗粒如果附着在透镜或显示面板表面，会造成用户可感知的光学像差，类似于显示屏上的坏点效应。

该专利设计了一套多层次的环境控制方案：

第一层：密封系统

壳体各接合面均设有密封条或密封垫

柔性电路穿过壳体处采用硅胶包覆成型密封

显示组件与壳体之间设有密封材料

第二层：通风口与滤芯

通风口连接内部空间与外部环境，允许空气流通以平衡气压

通风口内置PTFE（聚四氟乙烯）滤芯，具有极小的孔径，能够阻挡灰尘颗粒进入

第三层：内部灰尘捕捉器（Dust Trap）

位于内部空间中，连接到壳体内表面

表面涂覆粘性材料，主动吸附已进入内部空间的微小颗粒

防止这些颗粒漂移并附着在透镜或显示面板上

这种**"外层阻隔 + 被动捕捉"**的双重防护策略，是精密光学仪器领域的成熟做法，在头戴设备的紧凑空间中实现这一方案，体现了很高的工程集成能力。

七、折反射光学系统的技术选型分析

Catadioptric vs Pancake：两条技术路线的比较

当前头戴显示设备的主流光学方案可以分为几大类：

    苹果专利中明确提到透镜可以是折反射透镜或折反射光学系统的一部分，通过单一多层折反射透镜实现光学设计目标。与纯Pancake方案相比，折反射系统利用了材料层间的内部反射而非偏振片的选择性反射，有望在光效上取得一定优势，但对透镜的制造精度和多层材料的一致性要求更高。

图4：四种头戴设备光学方案的关键指标雷达图对比，折反射系统在成像质量和模组薄度上具有优势，但在量产性和成本上面临更大挑战

八、眼动追踪相机的光学路径设计

相机的位置布局

专利描述了眼动追踪相机的两种位置布局方案：

方案一：相机光轴与光学模组光轴基本对齐相机位于透镜外侧边缘附近，光轴与模组光轴大致平行。这种方案下，相机可以获得较为正面的眼球图像，有利于虹膜特征的完整采集。

方案二：相机光轴与模组光轴成角度相机被安装在倾斜的安装面上，使其光轴相对于模组光轴呈一定角度。这种方案可能更适合某些结构布局约束，虽然获取的图像视角不同，但通过算法补偿仍然可以实现精确的视线追踪。

相机与红外发射器的协同工作

眼动追踪相机是一种对红外光谱敏感的成像设备。它的工作原理是：

• 红外发射器发出850nm和940nm的近红外光

• 近红外光照射到用户眼球上

• 角膜和虹膜表面反射的红外光被相机接收成像

• 处理器分析反射图案，确定视线方向和虹膜特征

相机通过壳体上的**相机开口（Camera Opening）**获取图像。该开口独立于光路开口设置，位于底座面上，开口方向通常与光轴平行或在45度以内。

专利还提到了一个重要的系统连接方案：眼动相机和红外发射器通过**光学模组跳线板（Optical Module Jumper Board）**连接到计算设备。跳线板可以是刚柔结合板或印制电路板，安装在光学模组上随之运动。这种设计减少了从运动部件到固定计算设备之间的柔性连接线缆数量和长度，降低了线缆疲劳断裂的风险。

九、基准标记与校准系统：确保光学精度的闭环

制造与使用过程中的校准需求

精密光学系统在制造和使用过程中不可避免地会出现微小的位置偏移。例如，透镜在跌落冲击后可能发生轻微移位，或者在温度变化下因热膨胀产生形变。这些变化如果不被检测和补偿，将导致成像质量下降。

该专利设计了一种基于**基准标记（Fiducial Marker）**的校准系统：

基准标记被形成在透镜表面上

标记在眼动追踪相机获取的图像中可见

设备出厂时进行初始校准，记录标记的参考位置

使用过程中，眼动相机持续监测标记位置

如果标记位置相对于参考值发生偏移，系统判定透镜位置已变化

触发重新校准流程，补偿透镜偏移带来的光学像差

这种**在线校准（In-Field Calibration）**能力在消费级头戴设备中是一个有价值的功能特性。它不需要用户返厂维修，也不需要专业工具，依赖设备自身的传感器即可完成光学系统的自检和自校正。

十、对国内XR产业的技术启示与参考

光学模组设计方面

折反射光学方案值得跟踪研究：虽然当前国内主流产品多采用Pancake方案，但折反射系统在成像质量上的潜在优势不容忽视。国内光学设计团队可以关注多层折反射透镜的仿真和制造工艺研究，提前储备技术能力。

透镜定位与保持的精密机构设计：投影-通道式的透镜固定方案、弹性粘合剂缓冲保护等工程细节，值得国内结构工程师在产品设计中借鉴。

热管理系统的集成优化：随着Micro OLED和Micro LED等高亮度显示技术的应用，显示模组的发热量持续增加，完善的热传导路径设计已经成为产品体验的关键差异化因素。

传感器系统设计方面

双波段红外发射器方案：850nm+940nm的双波段设计同时覆盖虹膜识别和视线追踪两种应用，这种"一套硬件、多种功能"的方案在成本控制和空间利用上具有明显优势。

眼动相机与光学模组跳线板的集成方案：将传感器的信号处理和转接电路直接集成在运动模组上，减少活动连接器的数量，这对提高可靠性和简化装配流程都有实际价值。

IPD调节机构方面

电动IPD调节已成为标配趋势：苹果专利中的丝杠驱动+偏置弹簧消隙方案，代表了高端头戴设备IPD调节的工程水准。国内团队在设计电动IPD调节时，需要特别关注运动精度、静音性能和长期可靠性。

前置相机联动设计的前瞻性：将前置相机与光学模组刚性连接、随IPD调节同步运动的方案，虽然增加了结构复杂度，但对MR应用的立体视觉精度有实质性提升，值得在下一代产品中评估。

十一、技术投资方向与创业机会洞察

基于这项专利所揭示的技术趋势，以下几个方向对国内相关领域的技术人员和投资者具有参考价值：

关键零部件领域

多层折反射透镜制造：需要高精度的光学薄膜镀制和多材料层压技术，国内在光学薄膜领域有一定基础，但在头戴设备专用折反射透镜方面仍有提升空间

硅基OLED / Micro LED微显示器：这是头戴设备最核心的上游器件之一，国内已有数家企业布局，但在良率和性能指标上距离国际领先水平仍有差距

PTFE微滤膜与精密密封件：看似简单的辅助部件，但在产品可靠性方面发挥关键作用

系统集成与设计服务领域

光机电热一体化设计能力：头戴设备的光学模组是典型的多学科交叉系统，需要光学、结构、热、电子、软件的协同优化，具备这种综合设计能力的团队在行业中具有竞争力

眼动追踪算法与硬件协同优化：红外发射器布局、相机位置和角度、图像处理算法三者的协同设计，是实现高精度低延迟眼动追踪的关键

工程实践建议

在光学模组的机构设计中，要充分考虑制造公差链分析和装配可行性，苹果专利中的投影-通道定位方案就是一个很好的公差管理案例

内部空间的洁净度控制要从产品设计阶段就纳入考虑，而不是等到生产阶段才处理灰尘问题

IPD调节机构的设计要兼顾调节精度和用户无感操作，电动方案配合自动IPD检测是高端产品的标准配置方向

总结

苹果的这项头戴显示设备光学模组专利，系统性地展示了一套高度集成的精密光学系统工程方案。从折反射光学系统的选择到瞳距调节机构的运动设计，从双波段红外眼动追踪到多层次的内部环境控制，每一个技术细节都体现了扎实的工程功底和明确的产品化考量。

对国内XR产业而言，这项专利的价值不仅在于具体的技术方案本身，更在于它所展示的系统级设计思维——将光学、机械、电子、热管理、环境控制等多个子系统作为一个有机整体进行协同优化。国内头戴设备企业在追赶产品形态和功能特性的同时，也需要在这种系统工程能力的积累上持续投入。XR行业正处于从早期探索走向规模化应用的关键转折期，掌握核心光学模组的设计和制造能力，将是决定企业竞争力的重要因素。技术壁垒的建立是一个渐进的过程，但方向选择必须基于对领先企业技术路径的准确判断和自身能力的客观评估。