CN103760680A - 用于使波长通过的ned偏振系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于将从光源发出的光的均匀色彩分布提供给近眼显示器(NED)中的眼框的系统和方法。该系统和方法的示例使用了光学元件，该光学元件包括针对可见光谱的不同色彩优化的两个或更多个波导。该光学元件还包括一个或多个偏振态生成器，该一个或多个偏振态生成器用于控制入射到各波导上的光的偏振，以促进将光耦合在匹配的波导中，并防止将光耦合在不匹配的波导中。

Description

用于使波长通过的NED偏振系统

背景技术

透视近眼显示(NED)单元可用于将虚拟图像与物理环境中的现实物体混合起来显示。这种NED单元包括用于生成图像的光引擎，以及部分透射、部分反射的光学元件。为了允许来自外部世界的光到达观察者的眼睛，该光学元件是透射的，并且为了允许来自光引擎的光到达观察者的眼睛，该光学元件还是部分反射的。该光学元件可以在平面波导内包括衍射光学元件(DOE)或全息图，以使来自微显示器的图像衍射到用户的眼睛衍射。

实际上，NED单元可包括多个波导的堆叠，每个波导被分配一个波长分量。具体来说，通过控制波导内的DOE的各方面，该波导可以被匹配或者优化，以便以最高的效率与特定波长分量耦合。针对可见光谱的不同色彩来优化不同的DOE，以允许NED单元提供全色彩体验。

在多个波导的堆叠中，与堆叠中的远端波导(即距光引擎最远的那些波导)匹配的波长分量通过该堆叠中的较邻近波导。通常针对远端波导的波长分量耦合在较邻近的波导中，而不是直接通过较邻近的波导。这导致亮度损失，导致从NED单元到达观察者的各色彩不均匀，以及所再现的虚拟图像的质量的降级。

发明内容

本发明技术的实施例涉及一种用于在不同的波长带穿过NED单元中的各波导时选择性地改变这些不同波长带的偏振态的系统和方法。各波导之上或之内的DOE是对偏振敏感的。通过将波长带的偏振改变为波导上的DOE对其较不敏感的状态，该波长带可以最大程度或者完全通过该DOE而没有衰减。控制波长带的偏振使其处于使得光在进入波导之前通过DOE耦合在其所预期的波导中的状态。

在一个示例中，本发明的技术涉及一种用于呈现图像的方法，该方法包括：(a)将来自光源的光投影到光学元件中，所述的光至少包括第一波长带和第二波长带，并且该光学元件至少包括第一波导和第二波导，第一波导和第二波导各自具有至少一个光栅；(b)控制入射到第一波导上的第一波长带的偏振，使其与入射到第一波导上的除第一波长带以外的其他波长带的偏振不同，从而使第一波长带与除第一波长带之外的其他波长带相比，可以以更大程度耦合在第一波导中；以及(c)控制入射到第二波导上的第二波长带的偏振，使其与入射到第二波导上的除第二波长带以外的其他波长带的偏振不同，从而使第二波长带与除第二波长带以外的其他波长带相比，可以以更大程度的耦合在第二波导中。

在另一个示例中，本发明的技术涉及一种用于呈现图像的方法，该方法包括：(a)将来自光源的光投影到光学元件中，所述光包括2到n个波长带，且该光学元件包括2到m个波导，第i个波长带与第j个波导匹配，其中i＝1到n，j＝1到m；和(b)使2到n个波长带中的一个或多个波长带通过多个偏振态生成器，每个偏振态生成器与2到m个波导中的一个波导相关联，所述多个偏振态生成器控制通过其中的一个或多个波长带的偏振，以促进将第i个波长带耦合在第j个波导中，同时防止将剩余的波长带耦合成通过第j个波导的状态。

在另一个示例中，本发明的技术涉及一种用于将来自光源的光传输到眼框(eye box)的光学元件，该光学元件包括：第一波导，该第一波导至少包括第一光栅，该第一光栅用于接收来自光源的光，并使所述光的第一部分耦合在第一波导中；第二波导，该第二波导至少包括第二光栅，该第二光栅用于接收来自光源的光，并使所述光的第二部分耦合在第二波导中；处于光源与第一波导之间的第一偏振态生成器，该第一偏振态生成器修改要耦合在第一波导中的光的第一部分的偏振；以及处于第一衍射光栅与第二衍射光栅之间的第二偏振态生成器，该第二偏振态生成器修改要耦合在第二波导中的光的第二部分的偏振。

提供该发明内容以便通过简化的形式来介绍将在下面的具体实施例方式中进一步描述的概念。该发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

图1说明用于向一个或多个用户呈现虚拟环境的系统的一个实施例的示例组件。

图2为头戴式NED单元的一个实施例的透视图。

图3为头戴式NED单元的一个实施例的一部分的侧视图。

图4为NED单元中的光学元件的边视图，该光学元件包括具有衍射光栅的波导。

图5为表面凹凸(surface relief)的衍射光栅的结构的局部放大视图。

图6为包括具有多个波导的光学元件的头戴式NED单元的一个实施例的一部分的侧视图。

图7示出了入射到衍射光栅上的光的入射平面。

图8为NED单元中的成像光学器件的第一实施例的端视图，该成像光学器件包括多个波导和用于在它们进入波导时改变波长带的偏振的偏振态生成器。

图9为NED单元中的成像光学器件的第二实施例的端视图，该成像光学器件包括多个波导和用于在它们进入波导时改变波长带的偏振的偏振态生成器。

图10为图8中所示的第一实施例的成像光学器件的操作的流程图。

图11为图9中所示的第二实施例的成像光学器件的操作的流程图。

图12为NED单元中的各成像光学器件的第三实施例的端视图，这些成像光学器件包括多个波导和用于在各波长带进入波导时改变这些波长带的偏振的偏振态生成器。

图13为NED单元中的各成像光学器件的第四实施例的端视图，这些成像光学器件包括多个波导和用于在各波长带进入波导时改变这些波长带的偏振的偏振态生成器。

图14为示出行进通过一对波导的、不具有受控的偏振的波长带的边视图。

图15为示出根据本发明的各实施例的行进通过一对波导的、具有受控的偏振的波长带的的边视图。

图16为示出图14和15的波长带的耦合效率的图形。

具体实施方式

现在将参照附图1-16描述本发明技术的实施例，本发明技术一般涉及用于在不同的波长带通过NED单元中的波导时选择性地改变这些波长带的偏振态的成像光学器件。波导上的DOE对光偏振敏感。因而，通过选择性地控制进入波导上的DOE的波长带的偏振，与那个波导匹配的波长带可以以高效率的耦合通过该DOE，而不匹配的波长带可以很大程度的或者完全不受影响地通过该DOE和波导。尽管此处描述了使用DOE的一个示例，但应当理解，在各光学元件中，波导可以包括DOE、全息图、表面凹凸的光栅或者其他类型的周期性结构。此处这些结构可以被称为“光栅”。

在下面描述的实施例中，NED单元可以是混合现实系统中使用的头戴式显示单元。不过，应当理解，NED单元和其中所包含的成像光学器件的实施例可以被用于各种其他光学应用中，例如，用于光学耦合器或者其他光调制器设备中。为了理解本发明技术而提供了附图，但这些附图并没有按照比例绘制。

图1示出了NED单元2作为混合现实系统10中所用的头戴式显示器的一个示例。NED单元可以作为包括透镜的眼镜而被佩戴，该眼镜在一定程度上是透明的，使得用户可以透过显示元件观看处于用户视野(FOV)中的真实世界的物体27。NED单元2还提供将虚拟图像21投影投影到用户的FOV中的能力，使得这些虚拟图像也可表现为在真实物体的旁边。尽管对于本发明技术并不关键，但混合现实系统可以自动跟踪用户正看着何处，使得该系统可以确定将虚拟图像插入在用户的FOV中的何处。一旦该系统知道了将虚拟图像投影到何处，就使用显示元件来投影该图像。

图1示出各自配戴头戴式NED单元2的多个用户18a，18b和18c。在一个实施例中，头戴式NED单元2为眼镜的形状，其被配戴在用户的头部，因而用户可以透过显示器观看，从而具有对用户前面的空间的实际的直观视图。下面提供头戴式NED单元2的更多细节。

NED单元2可以向处理单元4和中心计算设备12提供信号，并从其接收信号。NED单元2、处理单元4和中心计算设备12可以协作以确定每个用户18的FOV、应当将什么虚拟图像提供在FOV内以及应该如何呈现虚拟图像。中心计算设备12还包括捕捉设备20，该捕捉设备用于从其FOV内的场景的各部分中捕捉图像数据。中心计算设备12还可以连接到视听设备16和扬声器25，该视听设备16和扬声器25可以提供游戏或应用视觉和声音。例如，与处理单元4、中心计算设备12、捕捉设备20、视听设备16和扬声器25有关的细节在例如2012年5月3日公开的、名称为“Low-Latency Fusing ofVirtual and RealCotent(对虚拟内容和真实内容的低等待时间融合)”的美国专利公开号2012/0105473中被提供，该申请通过整体引用合并于此。

图2和3示出头戴式NED单元2的透视图和侧视图。图3不出头戴式NED单元2的右侧，该右侧包括具有镜腿102和鼻架104的设备的一部分的。头戴式NED单元2的框架的一部分将包围显示器(其包括一个或多个透镜)。显示器包括导光光学元件115、透视透镜116和透视透镜118。在一个实施例中，导光光学元件115在透视透镜116后面并与其对准，透视透镜118在导光光学元件115后面并与其对准。透视透镜116和118是眼镜中使用的标准透镜，并且可以被制造成符合任何规定(包括没有规定)。导光光学元件115将人造光导向眼睛。下面将提供导光光学元件115的更多细节。

安装到镜腿102或者其内部的是图像源，该镜腿(在各实施例中)包括光引擎，诸如用于投影虚拟图像的微显示器120和用于将各图像从微显示器120引导到导光光学元件115的透镜122。在一个实施例中，透镜122是准直透镜。微显示器120通过透镜122投影图像。

存在可用于实现微显示器120的不同图像生成技术。例如，微显示器120可以使用透射投影技术来实现，在透射投影技术中，光源被光学活性材料调制，并且有白光背景光。这些技术通常使用具有强背景光和高光能密度的LCD型显示器来实现。微显示器120还可以使用反射技术来实现，对于反射技术，外部光被光学活性材料反射并调制。照明取决于该技术而由白光源或RGB光源任一前向发光。数字光处理(DLP)、硅上液晶(LCOS)和Qualcomm有限公司的

显示技术是反射技术的示例，这些技术是高效的因为大部分能量从经调制结构被发射了出去，并且这些技术可以用在本发明的系统中。此外，微显示器120可以使用发光技术来实现，在发光技术中，光由显示器生成。例如，Microvision有限公司的Picop^TM显示引擎发出激光信号，该激光信号要么被微反射镜转向到充当透射元件的小屏幕上，要么被直接传输到眼睛中(例如，激光器)。

导光光学元件(也简称为光学元件)115可以将来自微显示器120的光传输到130。眼框130是被设置在配戴头戴式NED单元2的用户的眼睛132的前面的二维区域，光在离开光学元件115后通过该二维区域。光学元件115还允许光从头戴式NED单元2的前面透过导光光学元件115被传输到眼框130，如箭头142所描绘的。这允许用户除了从微显示器120接收虚拟图像以外，还具有位于头戴式NED单元2前面的空间的实际直观视图。

图3示出了半个头戴式NED单元2。整个头戴式显示设备可以包括另一光学元件115、另一微显示器120和另一透镜122。在头戴式NED单元2具有两个光学元件115的情况下，每个眼睛可具有其自己的微显示器120，该微显示器可以将相同的图像显示在两个眼睛中，或者将不同的图像显示在这两个眼睛中。在另一实施例中，可存在一个光学元件115，该光学元件将光从单个微显示器120反射到两个眼睛中。

现在将参照附图4-13来解释导光光学元件115的进一步细节。一般来说，光学元件115包括两个或更多个波导，这些波导彼此层叠以形成光学系统(opticaltrain)。图4A中示出了一个这样的波导140。波导140可以由薄的平面玻璃片形成，但在其他实施例中其可以由塑料或其他材料形成。波导140可以包括两个或更多个衍射光栅，包括使光线耦合在波导140中的输入衍射光栅144和将光线衍射出波导140的出射衍射光栅148。光栅144、148被示为被固定在基板150的下表面150a之上或之内的透射光栅。在其他实施例中可以使用被固定在基板150的相对面上的反射光栅。

图4示出了被耦合在波导140之内或之外的波长带λ₁的全部内反射。正如此处所用的，波长带可以包括例如可见光谱中的一个或多个波长。图4的说明是其中不存在第二级或更高衍射级的系统中的单个波长带的简化视图。尽管图4中并未表示出，但如下所述光学元件115还可以包括处于各波导前面并且夹在各波导之间的偏振态生成器。

来自微显示器120的波长带λ₁被通过透镜122进行准直，并且被输入衍射光栅144以入射角θ₁耦合在基板150中。输入衍射光栅144将该波长带重定向为通过衍射角θ₂。提供折射率n₂、入射角θ₁和衍射角θ₂，使波长带λ₁经历基板150中的全部内反射。波长带λ₁从基板150的各表面反射离开直到该波长带到达出射衍射光栅148，在到达出射衍射光栅的情况下，该波长带λ₁被从基板150朝向眼框130衍射。例如，诸如波导140的波导的其他细节在1987年12月8日颁发的名称为“Compact Head-Up Display(紧凑型头戴式显示器)”的美国专利号4711512中被披露，该专利通过整体引用结合在此。

图5为示出形成诸如衍射光栅144和/或148等透射衍射光栅的一部分的表面凹凸的光栅154的一个示例的局部放大图(图5示出将光衍射到基板150中的衍射光栅144)。光栅154可以具有周期为p的倾斜轮廓，但在其他实施例中，该光栅可以具有诸如正方形和锯齿形等其他轮廓。正如所说明的，在其他实施例中，光栅144，148可以是反射型的。

可以针对特定的波长带来优化或者匹配波导。可根据光栅公式来确定这种关系：

mλ＝p(n₁sinθ₁+n₂sinθ₂)     (1)

其中：

m＝衍射级；

λ＝与波导/衍射光栅匹配的波长带；

p＝光栅周期；

n₁＝入射介质的折射率；

n₂＝波导140的折射率；

θ₁＝入射角；

θ₂＝衍射角。

通过改变诸如基板150的光栅周期p和折射率n₂等参数，可使包括衍射光栅144、148的特定波导140与特定波长带匹配。即，与其它波长带相比，特定波长带可以按照更高的耦合效率耦合在匹配的波导140中。此外，可使用严格耦合波理论(RCWT)来优化光栅154(图5)的轮廓参数，以改善诸如角带宽，衍射效率和偏振等波导性能(如下面所述)。

图4表示经由衍射光栅144、148被用于特定波长带的单个波导140。在本发明技术的实施例中，光学元件115可以包括两个或更多个参照图4所述的波导140，这些波导一起层叠成光学系统。光学元件115中的每个这样的波导140可以与不同的波长带匹配。在图6所示的一个示例中，存在层叠在彼此的顶部的四个这样的波导140₁-140₄。尽管提供多于四层时可能是不实用的，但可以构想光学元件可包括多于四层。可针对不同的光波长来优化每层波导，不同光波长包括例如波长为大约400nm的紫光、波长为约445nm的靛青色光、波长为约475nm的蓝光、波长为约510nm的绿光、波长为约570nm的黄光、波长为约590nm的橙色光，和/或波长为约650nm的红光。

波导140₁-140₄可以按照任何次序来提供，并且可使波导140₁-140₄中的一个或多个与除前面所述的那些波长之外的波长匹配。在示例中，可使单个波导140与包括可见光谱的不同颜色波长的波长带相匹配。

在层叠波导的堆叠中，与该堆叠中的远端波导匹配的发射波长带通过该堆叠中的所有较邻近波导。例如，在图6的实施例中，来自微显示器120的与最远端波导140₁相匹配的波长带λ₁通过较邻近波导140₂-140₄。正如背景技术部分中所述的，伴随传统的层叠波导的堆叠而来的一个问题是旨在耦合在远端波导中的各波长带也部分地耦合在较邻近波导中，由此使到达眼框130的图像的颜色降级。

波导140中的衍射光栅通过其中的波长带的偏振敏感是它们的性质。因此，处于第一偏振的波长带可以与它通过的一个或多个波导层耦合，而处于与第一偏振不同的第二偏振的相同波长带可以通过这一个或多个波导层而不进行耦合。根据本发明技术的各方面，控制某波长带的光的偏振，使其耦合在与其匹配的波导中，同时通过其他不匹配的波导。因此，在图6的示例中，在波长带λ₁被匹配为耦合在波导140₁中的情况下，控制其偏振，使得其在耦合在波导140₁中之前通过波导140₂-140₄。

现在参照图7，入射在衍射光栅144、148上的光的偏振可由其电场和磁场相对于入射平面P_i的取向来定义。平面P_i可由照明源的传播矢量PV和光栅法向矢量GN来定义。矢量PV是光的k矢量在波导144、148上的投影。光栅矢量GV是光栅144、148的平面中定义光栅线的取向的矢量。正如此处所使用的，术语“状态E”指的是其中波长带的沿着光栅矢量GV的电场分量为零的偏振态。正如此处所使用的，术语“状态M”指的是其中沿着光栅矢量GV的磁场分量为零的偏振态。

在以下所述的示例中，控制入射在各个波导140中的衍射光栅上的波长带的偏振，使其在状态E和状态M之间改变。在各实施例中，入射在衍射光栅上的以状态M偏振的波长带通过该衍射光栅，而入射在衍射光栅上的以状态E偏振的波长带被耦合在包括该衍射光栅的波导中。

虽然以下示例在控制偏振光的状态E和状态M的条件方面描述了当前技术，不过应当理解也可以使用其他偏振态，使得在第一偏振态中，波长带通过波导，而在第二偏振态中，波长带耦合到波导。其他的第一和第二偏振态的示例是通过波导140的波长的左偏振和右偏振。此外，尽管下面描述了偏振光处于两个状态中的一个，不过，可以构想偏振光可以具有两个以上状态。在这类实施例中，至少一个状态耦合在波导中，而至少一个其他状态通过波导，而不进行耦合。

现在将参照附图8-9描述各示例实施例，图8-9示出了包括两个波导140的光学元件115。下面所述的图12示出了其中光学元件115可包括n个波导的实施例的示例，其中n可以是不同的波导数量。现在将参照图8和图10的流程图描述第一实施例。图8示出一对波导140₁和140₂。在步骤300中，从微显示器120发出离散光波长带λ₁和λ₂，并通过透镜122对其进行准直。将这些波导安排成使得来自微显示器120的光首先进入波导140₂，然后进入波导140₁。

波导140₁和140₂可分别与从微显示器120发出的两个不同的波长带λ₁和λ₂匹配。作为一个示例，可以使波导140₁可以与红光调谐，而使波导140₂与蓝绿光调谐。可以理解的是，在其它实施例中，波导140₁和140₂可以与可见光的一个或多个波长的其他波长带匹配。

在该实施例中，从微显示器120发出的光可以是未经偏振的光或者以状态E偏振的光。在进入第一波导140₂之前，波长带λ₁和λ₂两者均通过偏振态生成器(PSG)160。PSG160(以及下面所述的PSG)可以是已知的偏振态生成器，诸如作为示例能使特定波长带的相位在两个垂直的偏振态之间转变、同时使其他波长的光不受影响的波片或偏振延迟器。

PSG160可以被形成为双折射材料的薄片，可以将其固定在光学元件115中在波导140₂中的基板150的衍射光栅144前面的地方。在衍射光栅是反射性的情况下，将PSG160结合在波导140₂的基板150中在波导140₂的衍射光栅144的前面的地方。PSG160(以及下面所述的PSG)可以与波导140具有相同的尺寸，不过，在实施例中其可以更小或者更大。当更小时，PSG160可以至少位于输入衍射光栅144的上面。PSG160可以例如由聚合物薄膜延迟器、双折射晶体延迟器、液晶延迟器或者这些的组合来形成。在其他实施例中，PSG160可以由其他材料来形成。PSG160(以及下面所述的PSGs)可以例如由美国弗雷德里克郡的Meadowlark光学有限公司制造。

在步骤304中可以配置PSG160，从而将波长带λ₁的偏振从状态E改变为状态M。PSG160可以使波长带λ₁的强度和方向不受影响。PSG160也可以使波长带λ₂的偏振、强度和方向不受影响，从而允许波长带λ₂直接通过而具有较小的改变或没有改变。

如前所述，在各实施例中，来自微显示器120的离散波长可以是未经偏振的。在这种实施例中，PSG160可以将波长带λ₁调制成如前面所述的状态M，而第二PSG(未示出)可以将波长带λ₂调制成状态E。

如前所述，以状态E偏振的光能够被耦合在波导140中，而以状态M偏振的光可能没有(或者以较小的程度)被耦合在波导140中。因而，在通过PSG160进行状态改变之后，在步骤308中，以状态E偏振的波长带λ₂耦合在波导140₂中，在波导140₂中，波长带λ₂被捕捉并且被从波导140₂传输到眼框130。

当以状态M偏振时，波长带λ₁可以很大程度上或者完全地通过波导140₁而没有耦合或衰减、。为了允许将波长带λ₁耦合在波导140₁中，波长带λ₁在离开波导140₁之后且在进入波导140₂之前，通过第二PSG162。

PSG162可用与PSG160相同的材料形成，但被配置成在步骤310中将波长带λ₁的偏振从状态M调制成状态E。PSG162可以被形成在光学元件115中夹在波导140₁和140₂之间的地方。或者，PSG162可以被形成在波导140₂的基板150中处于其衍射光栅144后面的地方，或者被形成在波导140₁的基板150中处于其衍射光栅144前面的地方。

在通过PSG162进行相位改变之后，在步骤314中，波长带λ₁可以耦合在波导140₁中，如前所述在波导140₁中，波长带λ₁被捕捉，并且被从波导140₁传输到眼框130。通过这种方式，可使用波导140将不同波长的光从微显示器120传输出，同时保持通过光学元件115传输的波长的色彩质量。

现在参考图9和图11的流程图描述另一实施例。在步骤320中，从微显示器120被发出离散的光波长，并且通过透镜122将其准直。然后，经准直的光最初进入波导140₂。如前所述，针对与从微显示器120发出的离散波长相对应的两个不同的波长带λ₁和λ₂来优化波导140₂和140₁。在本实施例中，从微显示器120发出的所有波长的光都可以是未经偏振的或者以状态M偏振。在进入第一波导140₂之前，波长带λ₁和λ₂都通过PSG166。

PSG166可用与PSG160相同的材料和大小形成，不过被配置为在步骤324中将波长带λ₂的偏振从状态M改变为状态E。PSG166可以使波长带λ₂的强度和方向不受影响。PSG166还可以使波长带λ₁的偏振、强度和方向不受影响，从而允许波长带λ₁直接通过而没有改变。

当来自微显示器120的光为未经偏振时，PSG166可以将波长带λ₂调制成如前所述的状态E，第二PSG(未示出)可以将波长带λ₁调整成状态M。

在通过PSG166进行状态改变之后，以状态E偏振的波长带λ₂耦合在波导140₂中，如前所述，在波导140₂中，波长带λ₂被捕捉，并且被从波导140₂传输回眼框130。

当以状态M偏振时，波长带λ₁可以在很大程度上或者完全通过波导140₁而没有耦合或衰减。为了允许将波长带λ₁耦合在波导140₁中，使波长带λ₁在离开波导140₁之后、并在进入波导140₂之前通过第二PSG168。PSG168可以与图8中的PSG162相同，并且在步骤334中，也可以将波长带λ₁从状态M调制成状态E。之后，在步骤338中波长带λ₁可以耦合在波导140₁中，如前所述，在波导140₁中，波长带λ₁被捕捉，并且被从波导140₁传输回眼框130。

通过使用在各波导前面的以及夹在各波导之间的各PSG的系统，如上所述，各种数目的波长带可被偏振为通过不匹配的波导，并且以全部或者接近全部的强度耦合在与其匹配的波导中。PSG的系统可以使接近不匹配的波导的波长带的偏振已经处于状态M条件，使得该波长带将不受影响的通过该不匹配的波导。或者，接近不匹配的波导的波长带的偏振可处于状态E条件下，使得该波长带通过PSG以将该波长带调制成状态M，在状态M中，该波长带可以不受影响的通过不匹配的波导。之后，该波长带可以保持在状态M条件中，直至该波长带达到其匹配的波导，此时使得该波长带通过PSG以将该波长带调制成状态E，从而该波长带可以耦合在与该波长带匹配的波导中。

现在参照图13示出和描述包括n个波长带和波导的一个示例。尽管图13的示例示出n等于四个或者更多个波长带和波导，不过其他示例也可以包括三个波长带和波导。

离散的波长带λ₁，λ₂，λ₃，…λ_n从微显示器120发出，并通过透镜122被准直。在一个示例中，来自微显示器120的所有光波长都被偏振成状态M。在此情形中，本实施例可包括如前所述的PSG170₁，该PSG170₁被配置为将λ₁的偏振调制成状态E，同时使其余波长带以状态M偏振。在其它实施例中，从微显示器120发出的波长带可以具有其它偏振，或者没有偏振。在这些其它实施例中，可将一个或多个PSG设置在波导140₁的前面(或者集成到其中)，从而在通过一个或多个PSG和进入波导140₁的输入衍射光栅144之后，波长带λ₁以状态E偏振，波长带λ₂到λ_n以状态M偏振。

从而，以状态E偏振的波长带λ₁可以耦合在波导140₁中，如前所述在波导140₁中，波长带λ₁被捕捉，并且被从波导140₁传输回眼框130。当以状态M偏振时，其余的波长带λ₂到λ_n在很大程度上或者完全地通过波导140₁而没有耦合或者衰减。

然后，其余的波长带λ₂到λ_n通过第二PSG170₂，该第二PSG170₂将波长带λ₂调制成状态E，同时使其余波长带λ₃到λ_n基本或者完全不受影响。

此后，以状态E偏振的波长带λ₂可以耦合在波导140₂中，如前所述，在波导140₂中，波长带λ₂被捕捉，并且被从波导140₂传输回眼框130。当以状态M偏振时，其余的波长带λ₃到λ_n在很大程度上或者完全地通过波导140₂而没有耦合或者衰减。

对剩余的每个波导重复这一过程。可以将每个波长带偏振成通过不匹配的波导，直至该波长带到达与其匹配的波导为止，此时该波长带可以被偏振成耦合在与其匹配的波导中。最后一个波长带λ_n通过所有的波导140₁到140_n-1，直至该波长带λ_n到达波导140_n。在通过波导140_n之前，使波长带λ_n通过PSG170_n，并且将其偏振成可随后耦合在波导140_n中的状态。

应理解，可以提供其他配置的PSG，使得与某一波导匹配的波长带被偏振成与该波导耦合，而所有其他波长带被偏振成通过该波导。通过这种方式，可使用前面所述的波导和PSG使不同波长的光传输通过光学元件115，同时保持传输通过光学元件115的所有波长的色彩质量。

在耦合在远端波导中随后离开远端波导之后，波长带在去往眼框130的途中通过较邻近的波导中的每一个。如前面参照图4所描述的，每个波导140包括使已经处于波导中的光耦合到该波导外部的出射衍射光栅(148)。出射光栅148可允许入射波长带从较远端的波导返回为很大程度或者完全直接通过而没有耦合。不过，可能会发生来自较远端的波导的光线在去往眼框130的途中至少部分地耦合在较近侧波导中的情形。

由此，在其它实施例中，除了在输入衍射光栅144上提供PSG以控制来自微显示器120的光使其耦合在相应波导中之外，还可以在出射衍射光栅148上提供PSG。出射光栅PSG防止来自远端波导的光在其行进到眼框130时耦合到较近侧的波导中。图13中示出了一个这样的示例。在该示例中，如前所述，波长带λ₁到λ_n耦合在与其所匹配的波导中，而通过不匹配的波导。在某波长带退出与其匹配的波导后，其偏振可再次被PSG180₁到180_n之一从状态E切换到状态M，使得该波长带通过较近侧的波导而没有耦合。在本示例中，处于眼框前面的最后一个PSG(即PSG180₁₎可以以各种方式按需对波长带λ₁到λ_n进行偏振，以便通过眼框130呈现给用户的眼睛132。

在上面所描述的一些实施例中，已经描述了以状态E偏振的波长耦合在与其匹配的波导中，而以状态M偏振的波长通过不匹配的波导而没有衰减。然而，以状态E偏振的波长和以状态M偏振的波长都可以部分耦合在这些波长入射到的各波导中，而不是完全耦合/完全通过。然而，通过使用前面所述的PSG，可以相对于以状态M偏振的波长的耦合效率，增大以状态E偏振的波长的耦合效率。

图14到16中阐述了一个示例。图14和15分别示出入射到一对波导140₁和140₂上的波长带λ的边视图。波长带λ与波导140₂匹配，但首先通过波导140₁。图14和15彼此相同，不过在图15中，使用PSG160来控制波长带的偏光性，而图14中没有使用PSG。

在图14中，进入的波长带以入射角θ₁入射到不匹配的波导140₁中的衍射光栅144上。在不加控制的情况下，该波长带可以具有状态E偏振，从而一部分λ_1c耦合在波导140₁中。第二部分λ_1m以二级衍射的方式被衍射(可以存在未示出的附加的光栅级衍射)。剩余的部分λ_1t通过波导140₁传送，并进入与其匹配的波导140₂。由于相当大部分的波长带λ被耦合在波导140₁内，较少部分的λ_2c被留下以耦合在波导140₂中。

相反，在图15中，同一波长带λ在进入波导140₁之前将其偏振设定为状态M(例如，通过图中未示出的PSG)。如图所示，波长带的相当小的一部分λ_1c耦合到波导140₁中。由此，通过波导140₁传送的部分λ_lt较大。在波导140₁与140₂之间，通过PSG160将波长带的偏振从状态M改变为状态E。因而，以状态E偏振的波长λ中有相当大的一部分λ_2c耦合在与其所匹配的波导140₂中。

图16为耦合效率与入射耦合角之间的关系的曲线图。此处将耦合效率定义为从光源发出的波长带的强度与耦合在与其所匹配的波导中的波长的强度的比值(表示为0到1之间的数值)。该示例中使用红光(650nm)作为图14和15中所示的与波导140₂匹配的波长带。该曲线图还示出了第二绿光波长带(540nm)。绿波长带在图14和15中没有被示出，但其与第一波导140₁匹配并耦合在第一波导140₁中。第一波导140₁的衍射光栅144₁的光栅周期为450nm，第二波导140₂的衍射光栅144₂的光栅周期为550nm。

正如从图16的曲线图中可以看出的，由于绿波长在耦合在与其匹配的波导中而无须行进通过任何其他波导的事实，因而绿波长带的曲线184显示出超过90％的最高耦合效率。如图所示，根据本发明的技术使用受控制的偏光性耦合到其波导的图15的红波长带的曲线186示出大约88％的耦合效率。没有受控制的偏振的图14的红波长带的曲线188示出低于70％的较低的耦合效率。因此，如图所示，本发明技术的PSG能防止将光耦合在不匹配的波导中，并促进将光耦合在匹配的波导中。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了发明主题，不过可以理解的是，所附权利要求书中定义的主题并不限于前面所述的具体特征或动作。实际上，前面所描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式而公开的。本发明的范围由此处所附的权利要求书进行限定。

Claims (10)

1.一种用于呈现图像的方法，包括：

(a)将来自光源(120)的光投影到光学元件(115)中，所述光至少包括第一波长带和第二波长带，并且所述光学元件至少包括第一波导和第二波导(140₁，140₂)，所述第一波导和第二波导各自具有至少一个光栅(144，148)；

(b)控制入射到所述第一波导(140₁)上的所述第一波长带的偏振，使其与入射到所述第一波导(140₁)上的除所述第一波长带以外的其他波长带的偏振不同，从而使所述第一波长带与除所述第一波长带以外的其他波长带相比以更大的程度耦合在所述第一波导(140₁)中；以及

(c)控制入射到所述第二波导(140₂)上的所述第二波长带的偏振，使其与入射到所述第二波导(1402)上的除所述第二波长带以外的其他波长带的偏振不同，从而使所述第二波长带与除所述第二波长带以外的其他波长带相比以更大的程度耦合在所述第二波导(140₂)中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述第一波长带的偏振使其与除所述第一波长带以外的其他波长带的偏振不同的步骤包括修改入射到所述第一波导上的所述第一波长带的偏振，同时保持入射到所述第一波导上的除所述第一波长带以外的其他波长带的偏振的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述第一波长带的偏振使其与除所述第一波长带以外的其他波长带的偏振不同的步骤包括将入射到所述第一波导上的所述第一波长带的偏振从第一状态修改为第二状态的步骤，与在所述第一状态中相比，所述第一波带在所述第二状态中以更大的程度耦合在第一波导中。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述第一波长带的偏振使其与除所述第一波长带以外的其他波长带的偏振不同的步骤包括将入射到所述第一波导上的除所述第一波长带以外的其他波长带的偏振从第一状态修改成第二状态的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制所述第二波长带的偏振使其与除所述第二波长带以外的其他波长带的偏振不同的步骤包括将入射到所述第二波导上的所述第二波长带从所述第二状态修改成所述第一状态的步骤。

6.一种用于呈现图像的方法，包括：

(a)将来自光源(120)的光投影到光学元件(115)中，所述光包括2到n个波长带，并且所述光学元件包括2到m个波导(140)，第i个波长带与第j个波导(140)匹配，其中i＝1到n，j＝1到m；并且

(b)使所述2到n个波长带中的一个或多个波长带通过多个偏振态生成器(160，162，164，166)，每个偏振态生成器与所述2到m个波导中的一个波导(140)相关联，所述多个偏振态生成器(160，162，164，166)控制通过其中的一个或多个波长带的偏振，以促进将第i个波长带耦合在第j个波导(140)中，同时防止耦合通过第j个波导(140)的其余波长带的状态。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在通过设置在所述光源与所述第一波导之间的第一偏振态生成器之后，第一波长带处于偏振态1，在偏振态1中电矢量垂直于光栅矢量，波长带2到n处于偏振态2，在偏振态2中电矢量与第一波长带的电矢量垂直。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第n个波长带在其偏振被设置成防止将第n个波长带耦合在第m-1个波导中的状态时通过第m-1个波导，并且所述第n个波长带在其偏振被设置成允许将第n个波长带耦合到第m个波导中的状态时通过第m个波导。

9.一种用于将来自光源(120)的光传输到眼框(130)的光学元件(115)，包括：

第一波导(140₂)，所述第一波导至少包括第一光栅(144，148)，所述第一光栅用于接收来自所述光源(120)的光，并将所述光的第一部分耦合在所述第一波导(140₂)中；

第二波导(140₁)，所述第二波导至少包括第二光栅(144，148)，所述第二光栅用于接收来自所述光源(120)光，并将所述光的第二部分耦合在所述第二波导(140₁)中；

处于所述光源(120)与第一波导(140₂)之间的第一偏振态生成器(160，166)，所述第一偏振态产生器(160，166)将所述光的第一部分的偏振修改为耦合在所述第一波导(140₂)中；以及

处于所述第一衍射光栅(144，148)与第二衍射光栅(144，148)之间的第二偏振态生成器(162，168)，所述第二偏振态产生器(162，169)将所述光的第二部分的偏振修改为耦合在第二波导(140₁)中。

10.如权利要求9所述的光学元件，其特征在于，所述第一波导和第二波导以及所述偏振态生成器是形成在用于生成混合现实环境的近眼显示器中的平面元件。

Images