CN111448505B - 具有偏振波导的近眼系统 - Google Patents

Abstract

一种近眼显示系统，包括：偏振波导[102]，其具有靠近第一端设置的入耦合接口[316]和靠近相对的第二端设置的出耦合接口[318]。偏振波导被配置为通过在光穿过偏振波导时引起光的偏振状态的多个变化来将入射在入耦合接口处的光传输到出耦合接口。偏振状态变化的至少子集使光在偏振波导内反射而不依赖于全内反射(TIR)。

Description

具有偏振波导的近眼系统

背景技术

近眼显示系统通常采用波导(也经常被称为“光导”)将显示器发出的光传输到用户的眼睛。在一般的实施方式中，波导依赖于全内反射(TIR)，以经由波导一端的入耦合光学器件将从显示器接收的光传输到波导另一端的面向用户眼睛的出耦合光学器件。为了实现TIR，此类波导必须由具有高折射率的材料组成。然而，这种材料的实现可能是有问题的。一方面，一般的基于TIR的波导提供的视场(FOV)与波导材料的折射率成反比，并且因此实现TIR所需的高折射率阻碍了由波导可以提供的FOV，其通常不超过50度。此外，具有较高折射率的波导材料倾向于比具有较低折射率的材料更重且更昂贵，并且因此一般的基于TIR的波导倾向于更昂贵且更重。另外，通常必须密封采用基于TIR的波导的系统，以减少污染波导表面的风险，污染波导表面会破坏TIR条件并导致漏光。用于提供这种密封的机制通常会增加系统的成本、重量和复杂性，并且容易出现故障。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且其众多特征和优点对于本领域技术人员而言显而易见。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

图1是根据一些实施例的采用偏振波导的近眼显示系统的示例形状因子的正视图。

图2是根据一些实施例的采用偏振波导的近眼显示系统的另一示例形状因子的透视图。

图3是根据一些实施例的具有相关联的显示器和入耦合光学器件的偏振波导的截面图。

图4是示出根据一些实施例的采用具有偏振波导的近眼显示系统来向用户显示影像的方法的流程图。

图5是图3的偏振波导的截面图的一部分的放大图，其示出了根据一些实施例的偏振波导的四分之一波片层和偏振分束器层之间的接口的操作。

图6是图3的偏振波导的截面图的另一部分的放大图，其示出了根据一些实施例的偏振波导的光提取组件、四分之一波片层和偏振分束器层之间的接口的操作。

图7是根据本公开的一些实施例的具有非平行或倾斜的相对表面的偏振波导的另一实施例的截面图。

图8是根据本公开的一些实施例的具有弯曲的相对表面的偏振波导的另一实施例的截面图。

图9是以本公开的一些实施例利用光提取组件的另一示例的偏振波导的另一实施例的截面图。

具体实施方式

图1-9示出了在近眼显示系统中使用的偏振波导的示例实施方式。近眼显示系统使用偏振波导(PWG)将表示显示图像的光从微显示器或其他显示器传输到佩戴者的眼睛。但是，与依靠全内反射(TIR)以这种方式传输光并伴随权衡取舍的一般波导不同，PWG不依赖TIR，而是替代地当其穿过偏振波导时，通过表示光的偏振状态的多次变化将显示光的表示从面向显示器的入耦合接口传输到面对眼睛的出耦合接口，其中，偏振状态这些变化的至少子集会引起表示光在PWG中的反射。实现从在入耦合接口处接收到显示光到偏振波导的光提取组件的表示光的偏振状态的变化，以便促进由于表示光在PWG的相应层接口的其特定偏振状态而导致的表示光的反射。当反射光到达光提取组件时，光提取组件将光朝向出耦合界面反射，并在此过程中改变了反射光的偏振状态，以使反射光穿过PWG的层，当传输的光处于其他偏振状态时，这起到反射光的作用，并且从而最终使反射的光从PWG在朝着眼睛的方向从出耦合接口出射。

通过操纵显示光的偏振状态，以使显示光能够在PWG内反射，直到最终将其重定向到眼睛，与一般的近眼波导相比，PWG能够以不依赖于全内反射(TIR)的方式将显示光从入耦合接口传输到出耦合接口。这样，可以使用光学透明材料来实现PWG的波导衬底，该波导衬底用作在入耦合和出耦合之间显示光的主要导管，该光学透明材料的折射率比一般的基于TIR的波导中使用的波导材料的折射率低，同时还为具有给定折射率的材料提供了比此类一般的波导更高的FOV。因此，PWG可能更轻且制造成本更低。此外，由于TIR并非必要的，因此可以采用具有非平行主表面或是非平面的形状因子来实现PWG。作为示例，PWG可以以一个或两个主表面为弯曲表面的形状因子来实现，并且照此可以被实现以提供非零的光焦度或在装配到眼镜框架的眼镜镜片内实现。

图1示出了根据至少一个实施例的采用偏振波导(PWG)102的示例近眼显示系统100。系统100以具有眼镜框架104以及分别用于佩戴者的右眼和左眼的眼镜镜片105、106的眼镜形状因子来实现。在所描绘的实施例中，PWG 102与眼镜镜片分开，并且替代地覆盖眼镜镜片之一(在这种情况下为眼镜镜片105)，使得PWG 102的出耦合接口(下面参考图3更详细地描述)面向佩戴者的相应眼睛的预期位置。PWG102经由波导安装壳体109安装到眼镜框架104，该波导安装壳体109还用于容纳近眼显示系统100的一些或全部电子组件(图1中未示出)，诸如：生成增强现实(AR)或(VR)影像以经由PWG 102显示给佩戴者的显示器；入耦合光学器件，用于将来自显示器的光引导至PWG 102的入耦合接口；一个或多个处理器；无线接口；以及，电池或其他电源，等等。下面将更详细地描述这些组件中的许多组件。

图2示出了根据至少一个实施例的采用PWG 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将采用具有具备眼镜镜片205、206的眼镜框架204的眼镜形状因子。然而，与系统100相比，系统200使用眼镜镜片205来实现PWG 202。即，PWG 202被集成在眼镜镜片205内，并且从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，在眼镜镜片205的远侧边缘处的眼镜框架204上的显示器壳体(为了清楚起见，从图2中省去)包含：微型显示器或其他显示器，用于发射表示AR或VR影像的显示光；以及入耦合光学器件，用于将发射的显示光引导到镜片205中的PWG 202的入耦合接口，其上，显示光通过PWG 202/眼镜镜片205朝着位于眼镜镜片205/PWG 202中的出耦合接口207传播，以便与佩戴者的相应眼睛的预期位置(或预期位置范围)对准。在一些实施例中，眼镜镜片206类似地实现相应的PWG，并且系统200以相同的方式采用相应的显示组件，以也向佩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PWG 102和图2的系统200的PWG 202每个运行以当显示光从PWG靠近显示器的一端向面向佩戴者的眼睛的PWG的相对端穿行时，经由显示光在PWG的体内的多次反射将显示光从邻近的显示器传输到用户的眼睛。但是，与一般的波导不同，这些反射不依赖TIR；也就是说，入射角可以小于反射点处介质之间的界面的临界角。PWG不依赖于TIR，而是替代地操纵显示光在其通过PWG传播时的偏振状态，以使显示光在PWG内反射一次或多次，直到遇到光提取功能部件为止，在此点，显示光的偏振状态以允许显示光在面对佩戴者眼睛的出耦合接口处透射通过PWG表面的方式变化。

图3示出了根据至少一个实施例的PWG 302的截面图300，该PWG 302采用偏振状态的这种操纵以提供入耦合的显示光的内部反射。PWG 302表示例如系统100的PWG 102，并且因此，截面图300可以表示图1所示的截面A-A。应该注意的是，为了说明操作原理，图3中所描绘的各种功能部件的尺寸可能与其他功能部件不成比例。

PWG 302从靠近显示器308和入耦合光学器件310的一端306延伸到靠近佩戴者眼睛的预期位置314的相对端312，并且包括被配置为经由入耦合光学器件310和出耦合接口318从显示器308接收显示光，以在朝向眼睛的方向(即，朝向佩戴者的眼睛的预期位置314)上透射由PWG 302传输的显示光的表示。显示器308可以包括适合在采用波导的近眼显示系统中使用的各种显示器中的任何显示器，诸如有机发光二极管(OLED)微型显示器。入耦合光学器件310设置在显示器308和入耦合接口316之间，并且被配置为将由显示器308发射的显示光引导至入耦合接口316，并且在某些情况下可以被配置为在该过程中使显示光准直。虽然为了便于说明而被描述为单个双凸透镜，但是在一些实施例中，入耦合光学器件310包括一组具有各种透镜轮廓的一个或多个堆叠透镜，并且被配置为在进入PWG 302之前在显示光上施加期望的光学操纵。

在至少一个实施例中，PWG 302包括从端部306延伸到端部312的波导衬底320。波导衬底320由对显示光透明的材料构成，例如玻璃和光学塑料等。在一些实施例中，由于PWG302不依赖于TIR，所以波导衬底320可以替代地是空气区域。波导衬底320包括两个相对的主表面322、323，其中，第一主表面322是“面向眼睛”的表面(即，面对佩戴者的眼睛的表面)，第二主表面322是“面向世界”的表面(即背离佩戴者眼睛的表面)。在图3的示例中，表面322、323是平坦的并且基本平行。然而，如参考图7-9更详细地示出的那样，因为PWG不依赖于TIR，相反的主(第一和第二)表面可以替代地是弯曲的(即，非平面的)和/或可以彼此基本上不平行，特别是彼此不平行(即相对于彼此具有倾斜的非零角度)。波导衬底320还包括相对的次表面324、325。第一次表面324位于端部306处，并且相对于主表面323成锐角设置，从而形成具有不平行于主表面322、323的光轴的入耦合接口316。在其他实施例中，入耦合接口316被实现为设置在波导衬底320中的反射镜。第二主表面325位于端部312处，并且可以如图所示垂直于主表面322、323布置，或相对于主表面322、323以非垂直的角度设置。

第一四分之一波片(QWP)层326以及覆盖在QWP层326上的第一偏振分束器(PBS)层328一起覆盖主表面322，使得QWP层326与主表面322相邻并被布置在PBS层328和主表面322之间。PWG 302还可包括覆盖PBS层328的线偏振器(LP)层330。类似地，第二QWP层336覆盖主表面323，并且第二PBS层338覆盖QWP层336，使得QWP层336与主表面323相邻并且设置在PBS层338和主表面323之间。LP层340也可以形成为覆盖PBS层338。

QWP层326、336(也被称为“延迟剂”)是使用以下材料实现的：该材料用于将具有第一圆偏振状态的光转换为具有第一线偏振状态的光，以将具有第二圆偏振状态的光转换为具有第二线偏振状态的光，并将具有第一线偏振状态的光转换为第一圆偏振状态。更一般地，诸如QWP层326、336之类的四分之一波片透射光并修改其偏振状态而不会使光束偏移或移位。在四分之一波片中，作为沿快轴和慢轴投影的偏振分量之间的相位差的延迟为1/4波。QWP层326、336可以被实现为例如多阶、零阶或消色差QWP层。实现QWP层326、336的材料的示例包括方解石或晶体膜和多色膜等。

PBS层328、338使用操作以反射具有第一线偏振状态的光并透射具有第二线偏振状态的光的材料来实现。示例包括线栅型PBS层、电介质涂层型PBS层和可从3M(3M APF)获得的高级偏振膜。类似地，LP层330、340使用操作以透射具有第二线偏振状态的光的材料来实现。示例包括线栅偏振器、方解石偏振器或二向色偏振器。

利用所描述的配置，入射到QWP层之一上的在波导衬底320内传播并且具有第一圆偏振状态的光在其传播通过QWP层时被转换为具有第一线偏振状态的光。然后，具有第一线偏振状态的该转换的光遇到覆盖的PBS层(该PBS层被配置为反射具有第一线偏振状态的光)，并因此将光反向反射通过下面的QWP层。当该光传播通过QWP层时，QWP层将光的偏振状态从第一线偏振状态转换为第一圆偏振状态，使得具有第一圆偏振状态的反射光重新进入波导衬底320。应当理解，这种基于偏振状态的反射与QWP层/PBS层界面的临界角无关，因此不是基于TIR的反射。PWG 302利用QWP层/PBS层组合的这种基于偏振状态的特定反射特性来沿波导衬底320的长度“束缚”显示光，如下面详细描述的。

为了促进由PWG 302传输的反射显示光朝向佩戴者的眼睛的透射，PWB 302采用了设置在波导衬底320中的光提取组件442。在图3的实施例中，光提取组件442被示为一组一个或多个部分反射镜444、445、446(例如，多层膜或介电涂层)，其以被确定为将在波导衬底320内传输的入射光反射向出耦合接口318的角度基本从主表面322延伸到主表面323。在其他实施例中，光提取组件442可以实现为例如一组菲涅耳小平面，如下面参考图9更详细地描述的那样。

光提取组件442被配置为在出耦合接口318的方向上反射经由波导衬底320接收的入射光，该出耦合接口318又与佩戴者眼睛的预期位置314对准。此外，在至少一个实施例中，光提取组件442被配置为将反射光的偏振状态从第一圆偏振状态变化为具有第二圆偏振状态的光。结果，当由光提取组件442反射的光遇到QWP层336时，随着光传播通过QWP层336，光从第二圆偏振状态转换为第二线偏振状态。在PBS层338和LP层340被配置为透射具有第二线偏振状态的光时，然后允许从QWP层336出现的光穿过PBS层338和LP层340并传播到佩戴者的眼睛。这样，PWG 302利用光提取组件442的圆偏振状态反转特性来允许反射的显示光呈现第二圆偏振状态，该第二圆偏振状态允许反射的显示光穿过QWP层336、PBS层338和LP层340，而不是继续在PWG 302内进行内部反射。

LP层330、340操作以减少由PBS层328、338反射的光。在眼向侧，LP 340减少反射到用户的眼睛中的光，从而减少杂散光和重影，并且从而改善图像质量。在面向世界的一侧，LP层330可以减少反射的环境光量，从而使HMD 100像太阳镜一样工作。

图4示出了根据至少一个实施例的采用图3的PWG 302的近眼显示系统的操作方法400。方法400在框402处开始，其中，显示器308被操作为发射表示显示图像的显示光350，该显示图像可包括AR或VR内容。入耦合光学器件310经由入耦合接口316将显示光350引导到PWG 302的波导衬底320中。出于说明的目的，第一圆偏振状态是右侧圆偏振(RCP)状态。然而，在其他实施例中，第一圆偏振状态可以是左旋圆偏振(LCP)状态，并且伴随有对本文所述的其他偏振状态的修改。

如图5的放大插图301所示，在框404处，显示光350以一定角度传播通过波导衬底320，并因此在位置351处到达波导衬底320与QWP层326之间的界面。随着显示光传播通过QWP层326，QWP层326将显示光的偏振状态变化为第一线偏振状态(框406)，出于示例的目的，在本文中将其描述为线性y偏振状态。然后，所得的修改后的显示光352在位置353处遇到PBS层328，并且由于PBS层328被配置为反射具有第一线偏振状态(线性y偏振)的光，所以PBS层328将修改后的显示光352反射回到QWP层326(框408)。当反射的显示光352传播通过QWP层326时，QWP层326将显示光从线性y偏振状态(第一线偏振状态)转换回RCP状态(第一圆偏振状态)(框410)，以使显示光作为具有原始RCP状态的反射显示光354重新进入波导衬底320。

如方法400的框412所示，由框404-410的过程表示的显示光的反射重复一次或多次，每次反射都会导致显示光以RCP状态并且以将显示光沿着波导衬底320的长度朝着光提取组件342传播的一定的角度重新进入波导衬底320。如图6的放大插图303所示，当传输的显示光361落为入射在光提取组件342的部分反射镜344-346上时，部分反射镜344-346将传输的显示光361反射为反射的显示光362，并且在反射显示光的过程中将偏振状态从RCP状态(第一圆偏振状态)转换为左侧圆偏振(LCP)状态(第二圆偏振状态)(框414)。反射的显示光362传播到QWP层336的与出耦合接口318相对应的部分(框416)，并且当反射的显示光362透射过QWP层336时，QWP层336将光的偏振状态从LCP状态(第二圆偏振状态)转换到线性x偏振状态(第二线偏振状态)(框418)，产生转换的显示光363。在PBS层338和LP层340每个被配置为透射具有线性x偏振状态的光时，转换后的显示光363被允许在与出耦合接口318相对应的区域处穿过PBS层338和LP层340(框420)，并且出射的转换后的显示光363因此从PWG302传播到佩戴者的眼睛。

鉴于覆盖波导衬底320的主表面322、323的材料层的堆叠的特定于偏振状态的反射和透射特性，由框404-412表示的PWG 302内的内部反射是由对所传输的光的偏振状态的操纵引起的，并且不依赖于TIR。因此，波导衬底320可以由具有比通常在传统的基于TIR的波导中使用的波导材料(例如，相对较重且昂贵的光学玻璃)低的折射率的材料(例如，光学塑料)构成，以实现给定的FOV。替选地，PWG 302可以使用具有与相应的基于TIR的波导相同的折射率的材料来实现更大的FOV。而且，因为不需要TIR，所以波导衬底可以采用非平面形状或非平行的主表面，这在一般的基于TIR的波导中通常是不可实现的。

为了说明，图7示出了示例性PWG 702，其中，波导衬底720包括两个相对的平面主表面722、723，该两个主平面基本上不平行，即相对于彼此成非零角度。此外，图8示出了具有波导衬底820的示例性PWG 802，该波导衬底820具有弯曲的(即，非平面的)相对的主表面822、823。在所描绘的示例中，主表面822是凹表面，而主表面823是凸表面，从而形成凸凹透镜或弯月形透镜。在其他实施例中，主表面822、823可以沿不同的方向弯曲，或者仅一个主表面可以弯曲，而另一个是平面的。此外，由表面形成的曲面可以是球形或非球形的。在这种方法中，PWG 802可以使用光提取组件842，该组件具有弯曲的部分反射镜以适应主表面822、823的曲率。以这种方式采用弯曲表面的能力允许以眼镜镜片的形状因子实现PWG802，诸如在图2的系统200中的眼镜镜片205中实现的PWG 202。此外，引入主表面的曲率的能力允许PWG 802引入大于零的光焦度，并且因此，与一般的基于TIR的波导相比，PWG 802可以投射放大的影像。

图3-8的PWG实施方式将PWG的光提取组件描绘为一组部分反射镜。但是，PWG的光提取组件不限于此实施方式，而是可以实现为反射入射光并且同时在反射光的过程中将光从第一圆偏振状态转换为第二圆偏振状态的各种光学功能部件中的任何一种。为了说明，图9示出了PWG 902，该PWG 902采用使显示器308发射的显示光准直的入耦合光学器件910和光提取组件942，该光提取组件942包括设置在波导衬底920的主表面923上的一组菲涅耳小平面943、944、945、946，以便将所传输的准直显示光朝着波导衬底920的相对主表面922反射。菲涅耳小平面可以制造在衬底320的世界侧面上，并且像其上具有部分镜面涂层的棱镜阵列一样操作。菲涅耳小平面与部分镜面的功能是改变圆偏振的方便性并扩大瞳孔大小。

如本文所公开的，在一些实施例中，一种设备包括：偏振波导，其包括：波导衬底，其包括相对的第一表面和第二表面；入耦合接口，其靠近偏振波导的第一端；出耦合接口，其靠近偏振波导的第二端；第一四分之一波片层，其覆盖波导衬底的第一表面；第一偏振分束器层，其覆盖第一四分之一波片层；第二四分之一波片层，其覆盖波导衬底的第二表面；第二偏振分束器层，其覆盖第二四分之一波片层；以及，光提取组件，其被配置为将在波导衬底中接收的入射光朝着出耦合接口反射。

在一个方面，光提取组件包括一组一个或多个部分反射镜，该一组一个或多个部分反射镜在波导衬底的与出耦合接口对准的区域中基本在波导衬底的第一和第二表面之间延伸。在另一方面，出耦合接口与波导衬底的第一表面相邻；并且，光提取组件包括一组菲涅耳小平面，菲涅耳小平面被设置成与波导衬底的第二表面相邻并且与出耦合接口对准。一方面，该设备包括：显示器，被配置为发出表示图像的显示光；以及，入耦合光学器件，被设置在显示器和入耦合接口之间，入耦合光学器件被配置为将显示光引导至入耦合接口。

在另一方面，显示器被配置为发射具有第一圆偏振状态的显示光；第一四分之一波片层和第二四分之一波片层每个被配置为将具有第一圆偏振状态的入射光转换为具有第一线偏振状态的光，将具有第一线偏振状态的入射光转换为具有第一圆偏振状态的光，以及将具有第二圆偏振状态的入射光转换为第二线偏振状态；第一偏振分束器层和第二偏振分束器层每个被配置为反射具有第一线偏振状态的光并透射具有第二线偏振状态的光；并且，光提取组件被配置为将反射光从第一圆偏振状态变化为第二圆偏振状态。在一个方面，第一表面和第二表面基本平行。在另一方面，第一表面和第二表面基本不平行。在又一方面，第一表面和第二表面中的至少一个是弯曲表面。在另一方面，第一表面是凸表面；而第二表面是凹表面。

一方面，弯曲表面是以下之一：球形弯曲表面或非球形弯曲表面。在另一方面，偏振波导具有非零的光功率。在另一方面，设备包括：覆盖第一偏振分束器层的第一线偏振层；以及，覆盖第二偏振分束器层的第二线偏振层。在又一方面，设备包括：眼镜框架，其包括眼镜镜片；并且其中，偏振波导覆盖眼镜镜片，并且眼镜镜片设置在偏振波导的出耦合接口与眼镜框架的佩戴者的相应眼睛的预期位置之间。一方面，设备包括：眼镜框架，其包括眼镜镜片；并且其中，眼镜镜片实现偏振波导，并且出耦合接口设置在眼镜镜片的朝向眼睛的表面处或附近。

在一些实施例中，一种方法包括：提供一种偏振波导，其包括：靠近一端的入耦合接口和靠近相对端的出耦合接口；具有第一相对表面和第二相对表面的波导衬底；覆盖第一表面的第一四分之一波片层；覆盖第一四分之一波片层的第一偏振分束器层；覆盖第二表面的第二四分之一波片层；以及，第二偏振分束器层，覆盖第二四分之一波片层；以及，光提取组件，以将在波导衬底中接收的入射光朝着偏振波导的出耦合接口反射；将显示器发射的显示光引导至入耦合接口；通过偏振波导将显示光的表示从入耦合接口传输到出耦合接口；以及，从出耦合接口向眼睛透射显示光的表示。在另一方面，通过偏振波导传输显示光的表示包括：以小于在反射点处的偏振波导的两种材料之间的界面的临界角的角度反射偏振波导内的光。在又一方面，传输显示光的表示包括：在入耦合接口处接收具有第一圆偏振状态的显示光；在第一四分之一波片层处将显示光从第一圆偏振状态转换为第一线偏振状态；在第一偏振分束器层处反射具有第一线偏振状态的显示光；以及，在第一四分之一波片层处将反射的显示光从第一线偏振状态转换回第一圆偏振状态。

在另一方面，传输显示光的表示还包括：在光提取组件处，在出耦合接口的方向上反射显示光的反射表示，其中，反射显示光的反射表示将显示光的反射表示从第一圆偏振状态转换为第二圆偏振状态；在第二四分之一波片层处，将显示光的反射表示从第二圆偏振状态转换为第二线偏振状态；以及，通过第二偏振分束器层将具有第二线偏振状态的显示光的反射表示在朝向眼睛的方向上透射。

在一些实施例中，一种近眼显示系统包括：偏振波导，其具有靠近第一端设置的入耦合接口和靠近相对的第二端设置的出耦合接口，偏振波导被配置为通过当光穿过偏振波导时在光的偏振状态中引起多次变化，向出耦合接口传输入射在入耦合接口的光，其中，偏振状态上的变化的至少一部分引起光在偏振波导中反射。在一个方面，系统包括：靠近第一端的显示器，显示器被配置为发出表示图像的光；以及，入耦合光学器件，被设置在显示器和入耦合接口之间，入耦合光学器件被配置成将来自显示器的光引导至入耦合接口。在另一方面，系统包括具有眼镜镜片的眼镜框架；并且其中，偏振波导被实现在眼镜镜片中。在又一方面，系统包括：具有眼镜镜片的眼镜框架；并且其中，偏振波导位于眼镜镜片上。

24.在一个方面，系统包括：在波导衬底的一对相对表面的每个表面上：第一层，其覆盖波导衬底，并且被配置为将具有第一圆偏振状态的入射光变化为具有第一线偏振状态的光，将具有第一线偏振状态的入射光变化为具有第一圆偏振状态的光，以及将具有第二圆偏振状态的入射光变化为具有第二线偏振状态的光；以及，第二层，覆盖第一层，并被配置为反射具有第一线偏振状态的入射光并透射具有第二线偏振状态的入射光；以及，光提取组件，其设置在波导衬底内，并且被配置为沿朝向出耦合接口的方向反射入射光，并将反射光的偏振状态从第一圆偏振状态变化为第二圆偏振状态。

注意，并非一般描述中上述的所有活动或元素都是必需的，特定活动或设备的一部分可能不是必需的，并且除了上述那些之外，还可以执行一个或多个其他活动或包括的元素。更进一步，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概念。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以进行各种修改和改变而不脱离如所附权利要求书中阐述的本公开的范围。因此，说明书和附图应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。

上面已经关于特定实施例描述了益处、其他优点和对于问题的解决方案。但是，益处、优点、对于问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或对于问题的解决方案出现或变得更加明显的任何特征都不应解释为任何或全部权利要求的关键、必需或必要特征。此外，上面公开的特定实施例仅是说明性的，因为可以以受益于本文的教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践所公开的主题。除了在下面的权利要求书中描述的以外，没有意图限制本文所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，以上公开的特定实施例可以被改变或修改，并且所有这样的变化都被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文所寻求的保护如以下权利要求书所述。

Claims (24)

1.一种用于近眼显示的设备，包括：

偏振波导，所述偏振波导包括：

波导衬底，所述波导衬底包括第一表面和相对的第二表面；

入耦合接口，所述入耦合接口靠近所述偏振波导的第一端；

出耦合接口，所述出耦合接口靠近所述偏振波导的第二端；

第一四分之一波片层，所述第一四分之一波片层覆盖所述波导衬底的所述第一表面并且设置在所述偏振波导内以使得经由所述入耦合接口被引导到所述波导衬底中的入射光最初到达所述第一四分之一波片层；

第一偏振分束器层，所述第一偏振分束器层覆盖所述第一四分之一波片层；

第二四分之一波片层，所述第二四分之一波片层覆盖所述波导衬底的所述第二表面；

第二偏振分束器层，所述第二偏振分束器层覆盖所述第二四分之一波片层；以及

光提取组件，所述光提取组件被配置为将在所述波导衬底中接收的入射光朝向所述出耦合接口反射。

2.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述光提取组件包括一个或多个部分反射镜的组，所述一个或多个部分反射镜的组在所述波导衬底的与所述出耦合接口对准的区域中在所述波导衬底的所述第一表面和所述第二表面之间延伸。

3.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述出耦合接口与所述波导衬底的所述第一表面相邻；并且

所述光提取组件包括菲涅耳小平面的组，所述菲涅耳小平面的组被设置成与所述波导衬底的所述第二表面相邻并且与所述出耦合接口对准。

4.根据权利要求1所述的设备，还包括：

显示器，所述显示器被配置为发射表示图像的显示光；以及

入耦合光学器件，所述入耦合光学器件被设置在所述显示器和所述入耦合接口之间，所述入耦合光学器件被配置为将所述显示光引导至所述入耦合接口。

5.根据权利要求4所述的设备，其中：

所述显示器被配置为发射具有第一圆偏振状态的所述显示光；

所述第一四分之一波片层和所述第二四分之一波片层每个被配置为将具有第一圆偏振状态的入射光转换为具有第一线偏振状态的光，将具有所述第一线偏振状态的入射光转换为具有所述第一圆偏振状态的光，以及将具有第二圆偏振状态的入射光转换为第二线偏振状态；

所述第一偏振分束器层和所述第二偏振分束器层每个被配置为反射具有所述第一线偏振状态的光并透射具有所述第二线偏振状态的光；以及

所述光提取组件被配置为将反射光从所述第一圆偏振状态变化为所述第二圆偏振状态。

6.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述第一表面和所述第二表面平行。

7.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述第一表面和所述第二表面不平行。

8.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述第一表面和所述第二表面中的至少一个是弯曲表面。

9.根据权利要求8所述的设备，其中：

所述第一表面是凸表面；以及

所述第二表面是凹表面。

10.根据权利要求8所述的设备，其中：

所述弯曲表面是球形弯曲表面或非球形弯曲表面。

11.根据权利要求8所述的设备，其中：

所述偏振波导具有非零的光功率。

12.根据权利要求1所述的设备，还包括：

第一线偏振层，所述第一线偏振层覆盖所述第一偏振分束器层；以及

第二线偏振层，所述第二线偏振层覆盖所述第二偏振分束器层。

13.根据权利要求1所述的设备，还包括：

眼镜框架，所述眼镜框架包括眼镜镜片；并且

其中，所述偏振波导覆盖所述眼镜镜片，并且所述眼镜镜片设置在所述偏振波导的所述出耦合接口与所述眼镜框架的佩戴者的对应眼睛的预期位置之间。

14.根据权利要求1所述的设备，还包括：

眼镜框架，所述眼镜框架包括眼镜镜片；并且

其中，所述眼镜镜片实现所述偏振波导，并且所述出耦合接口设置在所述眼镜镜片的朝向眼睛的表面处或附近。

15.一种用于在近眼显示系统中将显示光从显示器传输到用户的眼睛的方法，所述方法包括：

提供偏振波导，所述偏振波导包括：靠近一端的入耦合接口和靠近相对端的出耦合接口；具有第一表面和相对的第二表面的波导衬底；第一四分之一波片层，所述第一四分之一波片层覆盖所述第一表面并且设置在所述偏振波导内以使得经由所述入耦合接口被引导到所述波导衬底中的光最初到达所述第一四分之一波片层；覆盖所述第一四分之一波片层的第一偏振分束器层；覆盖所述第二表面的第二四分之一波片层；以及覆盖所述第二四分之一波片层的第二偏振分束器层；以及，光提取组件，所述光提取组件将在所述波导衬底中接收的入射光朝向所述偏振波导的所述出耦合接口反射；

将显示器发射的显示光引导至所述入耦合接口；

通过所述偏振波导，从所述入耦合接口向所述出耦合接口传输所述显示光的表示；以及

从所述出耦合接口向眼睛透射所述显示光的所述表示。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过所述偏振波导传输所述显示光的所述表示包括：以小于在反射点处所述偏振波导的两种材料之间的界面的临界角的角度反射所述偏振波导内的光。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，传输所述显示光的所述表示包括：

在所述入耦合接口处接收具有第一圆偏振状态的所述显示光；

在所述第一四分之一波片层处将所述显示光从所述第一圆偏振状态转换为第一线偏振状态；

在所述第一偏振分束器层处反射具有所述第一线偏振状态的所述显示光；以及

在所述第一四分之一波片层处将所反射的所述显示光从所述第一线偏振状态转换回所述第一圆偏振状态。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，传输所述显示光的所述表示还包括：

在所述光提取组件处，在所述出耦合接口的方向上反射所述显示光的反射表示，其中，反射所述显示光的所述反射表示将所述显示光的所述反射表示从所述第一圆偏振状态转换为第二圆偏振状态；

在所述第二四分之一波片层处，将所述显示光的所述反射表示从所述第二圆偏振状态转换为第二线偏振状态；以及

通过所述第二偏振分束器层将具有所述第二线偏振状态的所述显示光的所述反射表示在朝向眼睛的方向上透射。

19.一种近眼显示系统，包括根据权利要求1至14中的任一项所述的设备。

20.一种近眼显示系统，包括：

偏振波导，所述偏振波导具有靠近第一端设置的入耦合接口和靠近相对的第二端设置的出耦合接口，所述偏振波导被配置为：通过当光穿过所述偏振波导时在所述光的偏振状态中引起多个变化，来向所述出耦合接口传输入射在所述入耦合接口处的光，偏振状态的所述多个变化是通过波导衬底的相对的表面对中的第一表面上的第一多个层和所述相对的表面对中的第二表面上的第二多个层来引起的，其中，偏振状态的所述多个变化的至少一部分引起所述光在所述偏振波导内在所述第一多个层和所述第二多个层上入射并且在所述第一多个层和所述第二多个层之间反射，并且其中，所述第一多个层和所述第二多个层均包括：

第一层，所述第一层覆盖波导衬底并且被配置为将具有第一圆偏振状态的入射光变化为具有第一线偏振状态的光，将具有所述第一线偏振状态的入射光变化为具有所述第一圆偏振状态的光，以及将具有第二圆偏振状态的入射光变化为具有第二线偏振状态的光；

第二层，所述第二层覆盖第一层并且被配置为反射具有所述第一线偏振状态的入射光并透射具有所述第二线偏振状态的入射光；以及

第三层，所述第三层覆盖所述第二层并且被配置为透射具有所述第二线偏振状态的入射光。

21.根据权利要求20所述的近眼显示系统，还包括：

显示器，所述显示器靠近所述第一端，所述显示器被配置为发射表示图像的光；以及

入耦合光学器件，所述入耦合光学器件被设置在所述显示器和所述入耦合接口之间，所述入耦合光学器件被配置成将来自所述显示器的所述光引导至所述入耦合接口。

22.根据权利要求20所述的近眼显示系统，还包括：

眼镜框架，所述眼镜框架具有眼镜镜片；并且

其中，所述偏振波导被实现在所述眼镜镜片中。

23.根据权利要求20所述的近眼显示系统，还包括：

眼镜框架，所述眼镜框架具有眼镜镜片；并且

其中，所述偏振波导覆盖所述眼镜镜片。

24.根据权利要求20所述的近眼显示系统，其中，所述偏振波导还包括

光提取组件，所述光提取组件设置在所述波导衬底内，并且被配置为沿朝向所述出耦合接口的方向反射入射光，并将所反射的光的偏振状态从所述第一圆偏振状态变化为所述第二圆偏振状态。

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