Valve专利提出用于AR/VR头显的偏振多路复用光学元件

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（XR导航网 2023年12月11日）很难设计一个在头显显示系统的整个视场范围内或所需波长提供可接受校正的衍射光学元件。所以在名为“Polarization-multiplexed optics for head-mounted display systems”的专利中，Valve提出了一种用于头显的偏振多路复用光学元件。

通过结合眼动追踪，所述光学元件可以根据整体视场的视场部分对来自光源的光进行偏振，或者通过根据颜色对来自光源的光进行偏振，第一和第二偏振敏感衍射光学元件中的每一个都可以针对较小的视场进行优化或者第一和第二偏振敏感衍射光学元件和中的每一个都可以优化为更窄的波长范围，从而允许更大的设计自由度并最终通过整体光学组合器902进行更好的校正。

图5是一个显示系统500的原理框图。显示系统500包括光学耦合到光瞳继电器系统504的显示光源502。光瞳中继系统504定位为将来自所述显示光源502的第一光瞳中继到位于用户的眼睛506的第二光瞳。

光瞳中继系统504包括偏振敏感光学器件508。偏振敏感光学器件508可以对通过它的光的偏振非常敏感。换句话说，不同的偏振将显著改变强度和杂散光。

为了优化提供给偏振敏感光学器件508的光的偏振，所述显示系统500的光瞳继电器系统504同时包括具有随位置在空间上变化的偏振的空间变化偏振器510，其作用是补偿偏振的变化以提供均匀的偏振光。

例如，偏振敏感光学器件508可以配置为补偿一个或多个反射镜或其他光学器件从复合角度产生的任何偏振。可以选择性地实时调整空间变化的偏振片510，以在基于用户注视位置的区域或视场中提供优化的性能。

空间变化偏振器510可包括由双折射材料形成的阻波器。双折射是一种材料的特性，它的折射率取决于光的偏振和传播方向。缓波器改变通过该缓波器的光的偏振态或相位。缓波器可以有慢轴和快轴。当偏振光穿过波缓速器时，光沿着快轴比沿着慢轴传播得快。

如上所述，空间变化的偏振器510可以提供相位延迟，它改变位置的函数以允许从显示光源502到偏振敏感光学器件508的光更均匀和有效地分布。空间变化偏振器510的延迟变化的特定方式可以取决于显示系统500的光学系统的特定配置和材料，例如入射光的偏振状态、入射角、材料、各种组件的几何形状等。

作为示例，空间变化偏振器510可以在第一位置不提供延迟，并且可以线性增加延迟以在空间变化偏振器的第二位置提供λ/4的延迟。通常，空间变化的偏振片510可以提供作为位置函数以任何方式变化的延迟，并且延迟的量可以是任何值，例如λ/20、λ/10、λ/4、λ、2λ。

在至少一个实施例中，空间变化的偏振器510可以由MTR形成。MTR包括单个衬底之上的两个或多个扭曲液晶LC层。随后的LC层由前一层直接对齐，这允许简单的制造，实现自动层配准，并产生具有连续变化光轴的单片薄膜。

图7是扫描波束显示系统或投影仪700的示意图。扫描后光学器件702可包括基于波导的光学系统和Pancake光学系统等。扫描后光学元件可以包括一个以上的元件。扫描后光学器件702的效率可能对通过其的光的偏振非常敏感。

显示系统700同时包括以空间变化偏振器706形式的偏振补偿光学器件。偏振补偿光学器件位于扫描镜608和扫描后光学器件702之间，以便为扫描后光学器件702提供偏振补偿。

在至少一个实施例中，控制器612可操作地耦合到空间变化的偏振器706，以选择性地将空间变化的偏振器的空间相关相位延迟改变为任何所需的配置。

在这样的实施中，可以提供一个或多个薄膜晶体管层，从而允许由控制器612选择性地控制空间变化极化器706的空间相关相位延迟。控制器612可以以任何期望的速率控制相位延迟，例如仅一次，周期性地，以等于显示系统700的帧速率或其部分的速率等。

在至少一个实施例中，控制器612可用于接收眼动追踪信息708，以用于选择性地调整空间变化偏振器706的空间依赖相位延迟，从而在用户当前注视的优化区域中进行优化。

在相对较小的区域或视场优化空间变化的偏振片706是有利的，可提供明显优于在整个视场优化的性能。使用眼动追踪信息，系统可以优化一个区域的各种特征（例如强度），同时配置特定区域以外的区域具有较低的性能，例如强度较低，杂散光较多。由于用户的视觉在周边区域不太敏锐，用户甚至可能不会察觉到。这可以降低整体系统性能。

在图8，显示系统800包括基于波导的光学系统和空间变化偏振器形式的偏振补偿光学系统。

空间变化的偏振器812位于与耦入器806相邻的位置，以便为进入波导804的光提供偏振补偿。例如，空间变化的偏振器812可以位于波导804上、邻近或内部。

在至少一个实施例中，例如，空间变化的偏振片812位于耦入器806或耦出器808的相邻两侧。在其他实施例中，空间变化的偏振器812位于显示光源和用户眼睛之间的光路中的其他位置，以提供偏振补偿。

图9的增强现实系统的显示系统900可以利用极化多路复用来提供在波长上进行优化的波导结构。

为了使光能够耦合到光组合器902中，所述显示系统900包括物理耦合到光组合器902的第一部分的耦入器806，以及物理耦合到与第一部分相对的光学组合器的第二部分的耦出器808。

在所示的实施例中，光学引擎908包括位于光源910前面的选择性偏振器光学元件912。选择性偏光镜光学元件912可以由液晶材料形成。选择性偏振器光学912接收包括多种波长或颜色C1、C2、C3（例如，红、绿、蓝）的光916。

所述选择性偏振器光学912可用于接收来自所述显示光源910的光916，并可用于输出处于第一偏振状态（P1）的第一颜色（1）光918和处于第二偏振状态P2的至少第二颜色（C2或C3）光，其中所述第二偏振状态与所述第一偏振状态正交。

所述光组合器902包括第一偏振敏感衍射光学元件 904和第二偏振敏感衍射光学元件906。第一和第二偏振敏感的衍射光学元件中的每一个都可以由液晶材料形成。

第一偏振敏感衍射光学元件904包括衍射第一偏振态（P1）光，并且不衍射地通过第二偏振态（P2）的光的第一衍射图案。类似地，第二偏振敏感衍射光学元件906包括衍射第二偏振态（P2）的光，并且不衍射地通过第一偏振态（P1）的光的第二衍射图案。第一衍射图案设计用于为第一颜色（C1）提供优化的校正，第二衍射图案设计用于为至少第二颜色（C2和或C3）提供优化的校正。

如上所述，很难设计出在所有所需波长提供可接受校正的衍射光学元件。通过根据颜色对来自光源910的光进行偏振，第一和第二偏振敏感衍射光学元件904和906中的每一个都可以优化为更窄的波长范围，从而允许更大的设计自由度并最终通过整体光学组合器902进行更好的校正。

继续上述示例，第一偏振敏感衍射光学元件904可以仅针对第一偏振状态（P1）中的红光（C1）进行优化，因为第一偏振敏感衍射光学元件将看不到第二偏振状态（P2）中的绿光或蓝光。同样，第二偏振敏感衍射光学元件906可以只针对第二偏振状态（P2）下的绿光（C2）和蓝光（C3）进行优化，因为第二偏振敏感衍射光学元件将看不到处于第一偏振状态（P1）的红光（C1）。

图11A示出头显系统的示例总视场1100，包括具有窄角度范围的第一视场部分1102，第一视场部分被第二视场部分1104包围。

所述光组合器1002包括第一偏振敏感衍射光学元件1004和第二偏振敏感衍射光学元件1006。第一和第二偏振敏感衍射光学元件中的每一个都可以由液晶材料形成。

第一偏振敏感衍射光学元件1004包括衍射第一偏振态（P1）光，并且不衍射地通过第二偏振态（P2）的光的第一衍射图案。类似地，第二偏振敏感衍射光学元件1009包括衍射第二偏振态（P2）的光，并且不衍射地通过第一偏振态（P1）的光的第二衍射图案。第一衍射图设计用于为第一视场部分提供优化校正，第二衍射图设计用于为第二视场部分提供优化校正。

如上所述，很难设计一个在显示系统的整个视场范围内提供可接受校正的衍射光学元件。通过根据整体视场的视场部分对来自光源1010的光进行偏振，第一和第二偏振敏感衍射光学元件1004和1006中的每一个都可以针对较小的视场进行优化，从而允许更多的设计自由度并最终通过整体光学组合器1002进行更好的校正。

V社指出，通过利用上文讨论的空间变化偏振器，光学设计人员将具有显著的更多自由度来生产具有改进的性能和效率的光学系统。

名为“Polarization-multiplexed optics for head-mounted display systems”的V社专利申请最初在2023年7月提交，并在日前由美国专利商标局公布。

需要注意的是，一般来说，美国专利申请接收审查后，自申请日或优先权日起18个月自动公布或根据申请人要求在申请日起18个月内进行公开。注意，专利申请公开不代表专利获批。在专利申请后，美国专利商标局需要进行实际审查，时间可能在1年至3年不等。