CN113574433B - 使用空间变化偏振元件使偏振设备调准 - Google Patents

Abstract

一种用于偏振设备的调准装置，包括用于使光束偏振的偏振器子组件、用于在偏振器子组件下游的光束路径中可旋转地支撑偏振设备的旋转支撑物、位于旋转支撑物下游以用于接收通过偏振设备传播的光束的检偏器子组件、以及光电探测器阵列，该光电探测器阵列设置在检偏器子组件下游并沿着光束的宽度维度延伸，用于检测通过检偏器子组件传播的光束。偏振器子组件或检偏器子组件中的至少一个包括具有沿光束的宽度维度变化的偏振属性的空间变化偏振元件。

Description

使用空间变化偏振元件使偏振设备调准

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月28日提交的美国申请第16/368,111号的优先权，该美国申请的内容通过引用以其整体并入本文以用于全部目的。

技术领域

本公开涉及光学装备制造，尤其涉及用于基于偏振的光学设备的调准和组装的设备和方法。

背景

光的偏振属性可用于遥感、成像、眩光消除(glare removal)、光束重定向和切换，提供3D观看效果等。基于偏振的光学设备常包括诸如偏振器和波片的元件。偏振光学元件需要精确地取向，以确保设备的预期操作。例如，为了获得圆偏振光，人们可以使用与四分之一波片堆叠的线性光学偏振器，该四分之一波片的光轴精确地取向为相对于线性光学偏振器的透射轴成45度。如果线性偏振器相对于波片的光轴以不同的角度取向，则可能产生椭圆偏振乃至线性偏振。

头戴式显示器(HMD)、近眼显示器(NED)和包括可穿戴显示器的其他显示系统常使用偏振元件和设备来转换光束的光学偏振，以重定向和切换光束。折叠光束配置可用于为显示器提供紧凑的透镜。为了实现折叠光束配置，偏振旋转器可以与透射和/或反射偏振器相结合。在组装具有折叠光束配置的基于偏振的光学设备的过程中，需要以精确的角度旋转各个偏振部件。装配夹具中偏振部件的旋转角度经常是通过反复试验逐一确定的。基于偏振的设备的繁琐且耗时的光学组装增加了它们的制造成本。

概述

根据本公开，提供了一种用于偏振设备的调准装置。该调准装置包括：偏振器子组件，用于使具有沿第一轴的宽度的光束偏振；旋转支撑物，用于在偏振器子组件下游的光束路径中可旋转地支撑偏振设备；检偏器子组件，位于旋转支撑物下游，用于接收通过偏振设备传播的光束；以及光电探测器阵列，位于检偏器子组件下游，光电探测器阵列沿第一轴延伸，用于检测通过检偏器子组件传播的光束。偏振器子组件或检偏器子组件中的至少一个包括具有沿第一轴变化的偏振属性的空间变化偏振元件。

偏振器子组件可以包括线性透射偏振器，并且检偏器子组件可以包括空间变化偏振元件。偏振器子组件还可以包括在线性透射偏振器下游的四分之一波片。偏振器子组件可以包括空间变化偏振元件，并且检偏器子组件可以包括线性透射偏振器。检偏器子组件还可以包括在线性透射偏振器上游的四分之一波片。

在一些实施例中，空间变化偏振元件包括偏振器片段的阵列，该阵列沿着第一轴延伸。偏振器片段的透射轴方向可以从阵列的偏振器片段到偏振器片段变化。在一些实施例中，空间变化偏振元件包括线性透射偏振器，该线性透射偏振器沿着第一轴延伸并且具有沿着第一轴平滑且连续变化的透射轴方向。

在一些实施例中，空间变化偏振元件包括半波片片段的阵列以及该阵列下游的线性偏振器，该阵列沿着第一轴延伸。阵列的半波片片段的光轴方向可以从阵列的半波片片段到半波片片段变化。在一些实施例中，空间变化偏振元件包括沿第一轴延伸并具有沿第一轴平滑且单调变化的光轴方向的半波光学延迟器，以及位于半波光学延迟器下游的线性偏振器。

在一些实施例中，空间变化偏振元件包括光学延迟器的阵列，该阵列沿着第一轴延伸。阵列的光学延迟器的延迟或光轴方向中的至少一个可以从阵列的光学延迟器到光学延迟器变化。例如，阵列的光学延迟器的延迟在光束的0.2个波长和0.3个波长之间变化。在一些实施例中，空间变化偏振元件包括光学延迟器，该光学延迟器沿着第一轴延伸并且具有沿着第一轴平滑且连续变化的光学延迟或光轴方向中的至少一个。偏振设备可以包括扁平透镜偏振部件。

根据本公开，提供了一种用于使偏振设备调准的调准系统。该调准系统包括：光源，用于提供具有沿第一轴的宽度的第一光束；第一空间变化偏振元件，具有沿第一轴变化的偏振属性，用于接收第一光束并且使其偏振；以及第一调准装置，包括第一旋转支撑物，用于在第一光束的路径中可旋转地支撑偏振设备的第一偏振部件；以及第一光电探测器阵列，设置在第一空间变化偏振元件的下游。第一光电探测器阵列沿着第一轴延伸，用于检测通过第一空间变化偏振元件传播的第一光束。

在一些实施例中，光源被配置用于提供具有沿着第二轴的宽度的第二光束，并且调准系统还包括第二调准装置。第二调准装置包括第二旋转支撑物、第二空间变化偏振元件以及第二光电探测器阵列，第二旋转支撑物用于在第二光束的路径中可旋转地支撑偏振设备的第二偏振部件，第二空间变化偏振元件具有沿着第一轴变化的偏振属性并设置在第二旋转支撑物下游，用于接收通过第二偏振部件传播的第二光束，第二光电探测器阵列设置在第二空间变化偏振元件的下游，并沿着第二轴延伸，以用于检测通过第二空间变化偏振元件传播的第二光束。调准系统还可以包括平移台，用于在分别由第一调准装置和第二调准装置调准之后组合偏振设备的第一偏振部件和第二偏振部件。偏振设备可以包括扁平透镜。

根据本公开，还提供了一种用于使偏振设备调准的方法，包括由偏振器子组件使具有沿第一轴的宽度的光束偏振，由旋转支撑物在光束的路径中可旋转地支撑偏振设备，在检偏器子组件处接收通过偏振设备传播的光束，以及通过设置在检偏器子组件下游并沿第一轴延伸的光电探测器阵列检测通过检偏器子组件传播的光束。偏振器子组件或检偏器子组件中的至少一个包括具有沿第一轴变化的偏振属性的空间变化偏振元件。

在一些实施例中，该方法还可以包括获得由光电探测器阵列检测的光束的光功率分布，获得偏振设备的旋转角度以使光功率分布匹配预定的光功率分布，以及将旋转支撑物旋转该旋转角度。

附图简述

现在将结合附图描述示例性实施例，其中：

图1是根据本公开实施例的用于偏振设备的调准装置的示意图和探测器阵列上的光功率分布图；

图2A是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括均匀线性透射偏振器和分段线性透射检偏器(analyzer)；

图2B是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括分段线性透射偏振器和均匀线性透射检偏器；

图2C是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括均匀线性偏振器下游的四分之一波片(用于提供圆偏振照明光)以及分段线性透射检偏器；

图2D是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括分段线性透射偏振器和在均匀线性透射检偏器上游的四分之一波片；

图2E是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括分段线性透射检偏器上游的四分之一波片；

图2F是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括在分段线性透射偏振器下游的四分之一波片；

图2G是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括在均匀线性透射检偏器上游的分段延迟器；

图2H是用于偏振设备的调准装置的侧视截面图，该调准装置包括在均匀线性透射偏振器下游的分段延迟器；

图3A是分段线性透射偏振器的侧视截面图；

图3B是图3A的分段线性透射偏振器的平面图；

图4A是具有连续可变透射轴方向的线性透射偏振器的侧视截面图；

图4B是图4A的线性透射偏振器的平面图；

图5A是与线性透射偏振器堆叠的分段半波片的侧视截面图；

图5B是图4A的分段半波片的平面图；

图6A是与线性透射偏振器堆叠的具有连续可变光轴方向的半波延迟器的侧视截面图；

图6B是图6A的半波延迟器的平面图；

图7A是具有可变厚度和延迟的分段光学延迟器的侧视截面图；

图7B是图7A的分段光学延迟器的平面图；

图8A是具有连续可变厚度和延迟的光学延迟器的侧视截面图；

图8B是图8A的光学延迟器的平面图；

图9A是具有可变光轴方向的分段四分之一波片的侧视截面图；

图9B是图9A的分段四分之一波片的平面图；

图10A是具有连续可变光轴方向的四分之一波长光学延迟器的侧视截面图；

图10B是图10A的光学延迟器的平面图；

图11是用于使扁平透镜调准的调准系统的平面截面图，该调准系统包括一对图2A-图2H的调准装置；

图12是用于扁平透镜原位调准的调准系统的平面截面图；

图13是用于使偏振设备调准的方法的流程图；和

图14是包括本公开的偏振设备的头戴式显示器的等距视图。

详细描述

虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是意图并不是本教导被限制到这样的实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包括各种替代物和等同物。本文中叙述本公开的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。另外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物两者，即，执行相同功能的所开发的任何要素，而不考虑结构。

如在本文所使用的，除非明确规定，否则术语“第一”、“第二”等并不意欲暗示顺序次序，而是更确切地意欲将一个要素与另一个要素区分开。类似地，除非明确规定，否则方法步骤的顺序次序并不暗示它们执行的顺序次序。在图1、图2A-图2H、图3A-图3B至图10A-图10B、图11和图12中，类似的附图标记表示类似的元件。

偏振设备可以被调准以在输出端处提供期望的偏振。例如，线性透射偏振器可以被调准以提供垂直输出的偏振。为了确保偏振确实是垂直的，可以在线性透射偏振器下游的光路中旋转称为“检偏器”的第二偏振器，并且可以监测由检偏器透射的光的光功率水平。当透射光最小时，检偏器取向相对于偏振器取向成90度。这允许人们根据检偏器的取向来确定线性透射偏振器的当前取向，检偏器的取向可以通过例如先前执行的校准来精确地知道。

根据本公开，用于提供输入偏振光的偏振器或用于确定输出光的偏振状态的检偏器中的至少一个可以包括空间变化偏振元件。光电探测器阵列可以设置在检偏器的下游，用于同时在多个位置并行检测光功率水平。这使得检偏器能够是静止的(即可以不需要检偏器的旋转来确定输出光的偏振状态)，并且因此确定偏振设备为最佳调准需要旋转的角度。偏振输出光的并行检测可以使调准快得多。此外，因为光检测是并行执行的，所以光源的光功率水平的时间变化不再对测量误差有贡献。

参考图1，用于使偏振设备110调准的调准装置100包括偏振器子组件102，偏振器子组件102用于使沿着Y轴106具有宽度w的光束104偏振。旋转支撑物108设置在偏振器子组件102的下游。旋转支撑物108支撑在光束104的路径103中的偏振设备110，使得偏振设备110可以围绕Z轴112旋转，在该示例中，Z轴112平行于光束104的传播方向。偏振设备110可以包括反射或透射偏振器、波片、诸如具有层压的偏振器和/或波片的透镜的光学元件、光学延迟膜、潘查拉特南-贝里相(Pancharatnam–Berry phase，PBP)液晶(LC)透镜或光栅、体全息光栅或透镜、双曲超材料等。偏振设备110还可以包括上述偏振部件的任意组合。

检偏器子组件114设置在旋转支撑物108下游的光束104的路径103中。检偏器子组件114接收通过偏振设备110传播的光束104。在该示例中，检偏器子组件114包括线性透射偏振器片段116的阵列，该线性透射偏振器片段116沿着Y轴106延伸并且具有在沿着Y轴106行进时从片段116到片段116变化的透射轴方向。透射轴方向线性取决于片段116沿Y轴106的位置。对于相同尺寸的片段116，相邻片段116的透射轴方向之间的差异可以是恒定的，例如0.2度、0.5度、1度等。线性偏振透射轴方向用双箭头示出。注意，为了便于说明透射轴方向，偏振器子组件102和检偏器子组件114在图1中旋转至平面图。

图1中用垂直于Y轴106的白色水平块示出了对应于偏振设备110的期望取向的沿Y轴106的标称光功率分布118。在该示例中，标称光功率分布118关于平行于Z轴112的中心轴对称。“实际的”光功率分布120(即其中偏振设备110旋转离开期望取向的测量光功率分布)是非对称的，其中最小功率读数在图1中向上移动。在图1中采用垂直于Y轴106的阴影水平块示出实际的光功率分布120。通过测量实际的光功率分布120，人们可以确定为了达到标称光功率分布118，偏振设备110需要在旋转支撑物108中旋转的角度，该标称光功率分布118可以是预先确定的。这种光功率分布的单次测量可以足够确定偏振设备110的正确取向。一旦已经确定了正确取向，偏振设备110可以对应地旋转，并且光功率分布可以被再次测量以进行验证。

将参考图2A至图2H考虑图1的调准装置100的示例实施例。首先参考图2A，用于组装偏振设备(例如扁平透镜)的调准装置200A可以包括沿着Y轴延伸的光源201，用于提供沿着Y轴(即在图2A中竖直延伸)的有限宽度的光束204。均匀线性透射偏振器202使光束204偏振。均匀线性透射偏振器202是图1的调准装置100的偏振器子组件102的示例。扁平透镜的第一偏振部件210-1(图2A)由旋转支撑物(为简洁起见未示出)支撑。第一偏振部件210-1包括面向下游的平凸透镜241和安装(例如层压)在面向下游的平凸透镜241的平坦表面上的反射偏振器242。第一偏振部件210-1是图1的调准装置100的偏振设备110的示例。分段线性透射偏振器214(图2)设置在第一偏振部件210-1的下游。分段线性透射偏振器214是图1的调准装置100的检偏器子组件114的示例，即，待调准的偏振设备下游的偏振元件。光电探测器阵列222设置在分段线性透射偏振器214的下游。光电探测器阵列222沿着Y轴延伸。在运行中，光电探测器阵列222检测通过分段线性透射偏振器214传播的光束204。如图所示，扁平透镜的第一偏振部件210-1可以使光束204稍微聚焦。可以通过对光电探测器阵列222获得的光功率分布进行对应的重新调节来考虑聚焦效应。注意，第一偏振部件210-1仅是可以调准的偏振设备的非限制性示例。

第一偏振部件210-1的调准原理类似于图1的调准装置100的调准原理。简而言之，第一偏振部件210-1的标称旋转角对应于在光电探测器阵列222处的预定光功率密度分布，例如对应于该分布的最小值的预定标称位置。当第一偏振部件210-1以不同于标称角度的角度设置时，由光电探测器阵列222检测到的光功率密度分布的局部最小值将处于不同的位置。光功率密度分布的最小值的标称位置和测量位置之间的差异可以指示第一偏振部件210-1需要旋转以正确调准的角度。

转向图2B，调准装置200B是图2A的调准装置200A的变型。在图2B的调准装置200B中，均匀线性透射偏振器202和分段线性透射偏振器214被交换，也就是说，分段线性透射偏振器214被设置在第一偏振部件210-1的上游并因此充当偏振器，而均匀线性透射偏振器202被设置在第一偏振部件210-1的下游并因此充当检偏器。这种情况下的调准过程类似。注意，在图2B的调准装置200B中，可以省略光电探测器阵列222前面的均匀线性透射偏振器202。

参考图2C，用于组装偏振设备(例如扁平透镜)的调准装置200C可以包括沿着Y轴延伸的光源201，用于提供沿着Y轴的有限宽度的光束204。均匀线性透射偏振器202使光束204偏振。四分之一波片224设置在均匀线性透射偏振器202的下游。四分之一波片224的光轴可以相对于均匀线性透射偏振器202的透射轴成45度，导致光束204变成圆偏振的。换句话说，调准装置200C的偏振器子组件包括均匀线性透射偏振器202和四分之一波片224，并且用作圆偏振器。圆偏振器的其他已知配置也可以在调准装置200C中使用。

扁平透镜的第二偏振部件210-2可以由旋转支撑物支持，为了简洁起见，该旋转支撑物未示出。第二偏振部件210-2包括面向上游的平凸透镜243和安装(例如层压)在面向上游的平凸透镜243的平坦表面上的四分之一波长光学延迟膜244。类似于图1的调准装置100和图2A的调准装置200A，图2C的调准装置200C的检偏器子组件包括分段线性透射偏振器214。在运行中，一旦传播通过第二偏振部件210-2的四分之一波长光学延迟膜244，圆偏振光束204就变成线偏振的。线偏振光204照射到分段线性透射偏振器214上，该分段线性透射偏振器214用作检偏器。光电探测器阵列222检测分段线性透射偏振器214下游的光功率密度分布。测量的光功率分布指示第二偏振部件210-2的旋转角度，并且可以如上所述被调整到标称旋转角度。

图2D的调准装置200D是图2C的调准装置200C的变型。在图2D的调准装置200D中，偏振器子组件和检偏器子组件被交换：分段线性透射偏振器214用于使光束204偏振，并且四分之一波片224和均匀线性透射偏振器202的组合用于通过提供偏振相关的光衰减来分析光束204。在图2D的调准装置200D的检偏器子组件中，四分之一波片224设置在均匀线性透射偏振器202的上游。

在一些实施例中，四分之一波长光学延迟膜244的光轴方向和四分之一波片224的光轴方向彼此平行。结果，四分之一波长光学延迟膜244的光学延迟和四分之一波片224的光学延迟加起来等于半波延迟，这使得照射光束204的线偏振旋转了照射光束204的线偏振方向与四分之一波长光学延迟膜244和四分之一波片224的光轴方向之间的角度的两倍。在一些实施例中，四分之一波长光学延迟膜244的光轴方向和四分之一波片224的光轴方向彼此垂直，导致四分之一波长光学延迟膜244和四分之一波片224的光学延迟抵消彼此的延迟，这保持了照射光束204的线性偏振取向。

现在参考图2E，调准装置200E类似于图2C的调准装置200C。在图2E的调准装置200E中，四分之一波片224不是设置在第二偏振部件210-2的上游，而是设置在其下游。所得到的效果是类似的，因为在一个非限制性实施例中，四分之一波片224的光学延迟和四分之一波长光学延迟膜244加起来等于半波延迟，或者在另一个非限制性实施例中等于零延迟。类似地，图2F的调准装置200F和图2D的调准装置200D之间的差异在于，在图2F的调准装置200F中，四分之一波片224不是设置在第二偏振部件210-2的下游，而是设置在其上游。图2F的调准装置200F的运行类似于图2D的调准装置200D的运行。

转到图2G，用于组装偏振设备(例如扁平透镜)的调准装置200G可以包括沿着Y轴延伸的光源201，用于提供沿着Y轴(即在图2G中竖直延伸)的有限宽度的光束204。调准装置200G的偏振器子组件包括均匀线性透射偏振器202。待调准的偏振设备——在这个示例中是扁平透镜的第二偏振部件210-2——由旋转支撑物支撑，为了简洁起见，省略了旋转支撑物。调准装置200G的检偏器子组件包括光学延迟器的阵列226，随后是线性透射偏振器202。阵列226沿着Y轴延伸，也就是说，在图2G中竖直延伸。阵列226的光学延迟器的光学延迟或光轴方向中的至少一个沿着Y轴变化。作为非限制性示例，光轴方向可以相对于上游线性透射偏振器固定在45度，并且阵列226的光学延迟器的光学延迟可以从光束204的0.2个波长变化到0.3个波长。阵列226的中间光学延迟器可以具有0.25个波长的光学延迟，即可以充当四分之一波片。

在运行中，当扁平透镜的第二偏振部件210-2以最佳旋转(也称为“转动”)角度设置时，244的光学延迟和阵列226的中间光学延迟器的光学延迟相加等于半波长(或零波长，取决于相对的取向)，导致光电探测器阵列222处的光功率密度分布的局部最小值。当扁平透镜的第二偏振部件210-2旋转离开该角度时，局部最小值可能移动和/或改变光功率密度水平，这指示第二偏振部件210-2未调准。

现在参考图2H，调准装置200H类似于图2G的调准装置200G。在图2H的调准装置200H中，光学延迟器的阵列226不是设置在第二偏振部件210-2的下游，而是在其上游。换句话说，光学延迟器的阵列226是调准装置200H的偏振器子组件的一部分，而不是检偏器子组件的一部分。调准装置200H的运行原理是类似的。

应当理解，扁平透镜偏振部件210-1、210-2在图2A-图2H中仅作为示例示出。图2A-图2H的调准装置可用于调准任何偏振设备，该偏振设备包括但不限于反射或透射偏振器、波片、诸如具有层压的偏振器和/或波片的透镜的光学元件、光学延迟膜、潘查拉特南-贝里相(Pancharatnam–Berry phase，PBP)液晶(LC)透镜或光栅、体全息光栅或透镜、双曲线超材料和/或上述偏振部件的任何组合。此外，图1的调准装置100和图2A至图2H的调准装置200A至200H分别可用于确定任何光学元件(不一定是偏振元件)的光学延迟变化或偏振旋转。例如，常规透镜可能具有穿过其通光孔径的光学延迟的一些空间变化，和/或由于曲面上的菲涅耳折射而导致的小的空间变化偏振旋转。通过将这种透镜放置在图1的调准装置100和图2A至图2H的调准装置200A至200H中并确定在输出端处的光功率分布，人们可以表征被测透镜的光学延迟和/或偏振旋转空间变化。

还应注意，偏振器子组件或检偏器子组件中的至少一个可以包括具有沿第一轴变化的偏振属性的空间变化偏振元件。换句话说，空间变化偏振元件可以设置于正被调准的偏振设备的上游、下游或上游和下游两者。在空间变化偏振元件设置在偏振设备上游的实施例中，空间变化偏振元件用作空间变化偏振器，用于使光束104(图1)或204(图2A-图2H)偏振。当空间变化偏振元件设置在偏振设备的下游时，空间变化偏振元件用作空间变化检偏器，用于将光束104、204的偏振转换成光功率密度变化，该光功率密度变化可以由设置在检偏器子组件下游的光电探测器阵列适当地检测。

现在将参考图3A、图3B至图10A、图10B，描述可在图1和图2A-图2H的调准装置的偏振器子组件和/或检偏器子组件中使用的空间变化偏振元件的示例实施例。首先参考图3A和图3B，分段线性透射偏振器314包括透射偏振器片段316的线性阵列326，线性阵列326可以由可选的衬底350支撑。线性透射偏振器片段316的阵列326沿着Y轴延伸，该Y轴对应于延伸的照射光束(未示出)的宽度方向。每个线性透射偏振器片段316设置在XY平面中。用双箭头示出的线性透射偏振器片段316的透射轴方向沿着Y轴(即，如图所示，在阵列326的方向上)从一个线性透射偏振器片段316到另一个线性透射偏振器片段316变化。该变化可以是单调的，例如随着偏振器片段沿Y轴的位置线性变化。透射轴方向的变化也可以是非线性的，例如平方根、二次、多项式、指数等。此外，在一些实施例中，透射轴方向的变化可以是非单调的。选定的线性透射偏振器片段(例如中心偏振器片段316-1)可以具有预定的透射轴方向，例如如图3B所示的垂直方向、水平方向、成45度等。

参考图4A和图4B，连续空间变化的线性透射偏振器414包括由衬底450支撑的基于聚合物的偏振片416。如图4B所示，基于聚合物的偏振片416包括面内弯曲452。该弯曲在衬底450的平面内(即在XY平面内)，并且在该平面上具有曲率半径。通过例如加热和拉伸聚合物偏振片，可以实现弯曲。平面内弯曲452使得透射轴方向沿着Y轴平滑且连续地变化，如双箭头所示。连续变化的线性透射偏振器414的运行类似于图3A和图3B的分段线性透射偏振器314。可以使用其他材料来代替聚合物片。

参考图5A和图5B，分段复合偏振器514包括均匀线性透射偏振器502，该偏振器502由可选衬底550支撑，例如层压在可选衬底550上。半波片片段516的阵列526可以由均匀线性透射偏振器502支撑。均匀线性透射偏振器502和半波片片段516彼此平行并平行于XY平面设置。阵列526沿着Y轴延伸，即沿着延伸的照射光束的宽度方向延伸。用双箭头示出的阵列526的半波片片段516的光轴方向在从一个半波片片段516行进到另一个半波片片段516时沿着Y轴变化，如图所示。透射轴方向的变化可以是线性的或非线性的，例如平方根、二次、多项式、指数等。此外，在一些实施例中，透射轴方向的变化可以是非单调的。选定的线性透射偏振器片段(例如中心偏振器片段516-1)可以具有预定的透射轴方向，例如如图3B所示的垂直方向、水平方向、成45度等。

在运行中，半波片片段516将照射光束的偏振旋转取决于半波片片段516的光轴方向的角度。因此，半波片片段516产生类似于通过各个透射偏振器片段旋转透射轴方向的效果。因此，分段复合偏振器514的运行类似于图3A和图3B的线性透射偏振器片段316的阵列326，在输出端处提供类似的光功率密度分布。衬底550上的阵列526和线性透射偏振器502的顺序可以颠倒。对于偏振器配置，阵列526在光束光路中设置在线性透射偏振器502的下游。对于检偏器配置，阵列526在光束光路中设置在线性透射偏振器502的上游。

参考图6A和图6B，连续空间变化的复合偏振器614包括均匀线性透射偏振器602，该偏振器602由可选衬底650支撑，例如层压在可选衬底650上。如图6B所示，半波延迟片616包括平面内弯曲652。该弯曲在衬底650的平面内(即在XY平面内)，并且在该平面上具有曲率半径。通过例如加热和拉伸半波延迟片616，可以实现弯曲。平面内弯曲652使得照射光束的偏振旋转一个角度，该角度取决于半波延迟片616的局部光轴方向。因此，半波延迟片616产生类似于通过连续变化的偏振器旋转透射轴方向的效果；因此，连续变化的复合偏振器614的运行类似于图4A和图4B的连续变化的线性透射偏振器414，在输出端处提供类似的光功率密度分布。衬底650上的延迟片616和线性透射偏振器602的顺序可以颠倒。对于偏振器配置，半波延迟片616在光束光路中设置在线性透射偏振器602的下游。对于检偏器配置，半波延迟片616在光束光路中设置在线性透射偏振器602的上游。

转向图7A和图7B，分段光学延迟器714包括光学延迟器片段716的线性阵列726，线性阵列726可以由可选的衬底750支撑。光学延迟器片段716的阵列726沿着Y轴延伸，即沿着未示出的延伸的照射光束的宽度方向延伸。每个光学延迟器片段716设置在XY平面中。在图7A和图7B的实施例中，光学延迟器片段716的光轴方向固定在相对于衬底750的边缘45度。更一般地，光学延迟器片段716的光轴方向可以根据照射光束的偏振来选择。由图7A中的光学延迟器片段716的厚度表示的光学延迟器片段716的延迟沿着Y轴变化，即在从图7A和图7B的底部行进到顶部时单调增加。每个光学延迟器片段716的厚度和延迟在该段上是恒定的。从一个光学延迟器片段716到另一个光学延迟器片段716的光学延迟的变化也可以是非线性的，例如平方根、二次、多项式、指数等。此外，在一些实施例中，透射轴方向的变化可以是非单调的。选定的线性透射偏振器片段(例如中心光学延迟器片段716-1)可以具有预定的延迟，例如照射光束的0.25个波长。光学延迟器片段716的光学延迟可以在预定范围(例如，0.2个波长到0.3个波长)内。

参考图8A和图8B，连续空间变化的光学延迟器814包括由可选衬底850支撑的延迟器楔形物816。延迟器楔形物816设置在XY平面中，并且具有沿着Y轴(即沿着延伸的照射光束的宽度方向)变化的厚度。因此，延迟器楔形物816的光学延迟沿着Y轴平滑且连续地变化。延迟器楔形物816的选定位置816-1可以具有预定的延迟，例如照射光束的0.25个波长。延迟器楔形物816的光学延迟可以在预定范围(例如，0.2个波长到0.3个波长)内变化。在图8A和图8B的实施例中，延迟器楔形物816的光轴方向固定在相对于衬底850的边缘45度。更一般地，延迟器楔形物816的光轴方向可以根据照射光束的偏振来选择。

在一些实施例中，延迟器楔形物816的光学延迟可以在大得多的范围(例如几十甚至几百个波长)内变化。例如，通过例如提供双折射晶体(例如石英)的楔形物，可以获得这种延迟器。此外，可以提供一对楔形物，它们的光轴不平行，例如相对于彼此成45度。当使用双折射晶体楔形物来提供光束的空间变化偏振时，光功率密度可能表现出在探测器阵列上的许多振荡。

现在参考图9A和图9B，分段光学延迟器914包括光学延迟器片段916的线性阵列926，线性阵列926由可选的衬底950支撑。光学延迟器片段916的阵列926沿着Y轴延伸，即沿着未示出的延伸的照射光束的宽度方向延伸。每个光学延迟器片段916设置在XY平面中。在图9A和图9B的实施例中，用双箭头示出的光学延迟器片段716的光轴方向在从一个延迟器片段716行进到另一个延迟器片段716时沿着Y轴变化。光轴方向的变化可以是线性的或非线性的，例如平方根、二次、多项式、指数等。此外，在一些实施例中，光轴方向的变化可以是非单调的。选定的线性透射偏振器片段(例如中心光学延迟器片段916-1)可以被取向在预定的默认方向上，例如相对于衬底950的边缘成45度。

转向图10A和图10B，连续空间变化的光学延迟器1014包括由可选衬底1050支撑的四分之一波长延迟片1016。如图10B所示，四分之一波长延迟片1016包括平面内弯曲1052。该弯曲在衬底1050的平面内(即在XY平面内)，并且在该平面上具有曲率半径。弯曲导致用双箭头示出的光轴方向沿着Y轴变化，即在图10A和图10B中的竖直变化。光轴方向的变化可以是线性的或非线性的，例如平方根、二次、多项式、指数等。此外，在一些实施例中，光轴方向的变化可以是非单调的。四分之一波长延迟片1016的选定位置1016-1可以具有光轴的预定取向。

可以使用具有空间可变光轴方向的其他类型的延迟器来代替就此而言的图10A和图10B的四分之一波长延迟片1016，或者图6A和图6B的半波延迟片616。例如，可以使用光调准的浸入聚合物的液晶材料。此外，可以使用包括可调或可切换像素的空间光调制器(SLM)来代替图1、图2A至图2H、图3A和图3B至图10A和图10B中的波片和/或延迟器。作为非限制性示例，SLM可以基于处于π单元或面内切换配置中的液晶层。

参考图11，用于使偏振设备(例如头戴式显示器(HMD)1170的扁平透镜1110)调准的调准系统1100包括光源1101，用于提供具有沿Y轴测量的宽度w₁的第一光束1104-1。线性偏振器1102可以设置在第一光束1104-1的路径中，以使第一光束1104-1线性偏振。第一调准装置1191类似于图2A的调准装置200A。第一调准装置1191(图11)包括第一旋转支撑物1108-1，用于可旋转地支撑在第一光束1104-1的路径中的扁平透镜1110的第一偏振部件1110-1。在所示的实施例中，第一偏振部件1110-1包括面向下游的平凸透镜和在其平坦侧的反射偏振器。

具有沿Y轴变化的偏振属性的第一空间变化偏振元件1114-1可以设置在第一旋转支撑物1108-1的下游。第一空间变化偏振元件1114-1可以包括上面参考图3A、图3B至图10A、图10B描述的任何空间变化的偏振元件。第一空间变化偏振元件1114-1可以用作通过第一偏振部件1110-1传播的第一光束1104-1的检偏器。第一光电探测器阵列1122-1沿着Y轴延伸。在运行中，第一光电探测器阵列1122-1检测通过第一空间变化偏振元件1114-1传播的第一光束1104-1的空间光功率密度分布。

调准系统1100还可以被配置为向调准系统1100的可选的第二调准装置1192提供第二光束1104-2。为此，调准系统1100可以包括部分反射镜1172以及可选的全反射镜1173，部分反射镜1172用于分离第二光束1104-2，全反射镜1173用于将第二光束1104-2重定向到第二调准装置2。第二光束1104-2可以具有沿Y轴的宽度w₂。

第二调准装置1192类似于图2C的调准装置200C。第二调准装置2(图11)包括四分之一波片1124和第二旋转支撑物1108-2，第二旋转支撑物1108-2用于可旋转地支撑在第二光束1104-2的路径中的扁平透镜1110的第二偏振部件1110-2。在所示实施例中，第二偏振部件1110-2可以包括面向上游的平凸透镜，四分之一波片耦合到平凸透镜的平面侧。具有沿第一轴变化的偏振属性的第二空间变化偏振元件1114-2设置在第二旋转支撑物1108-2的下游，用于接收通过第二偏振部件2220-2传播的第二光束1104-2。第二光电探测器阵列1122-2设置在第二空间变化偏振元件1114-2的下游。第二光电探测器阵列1122-2可以沿着Y轴延伸。在运行中，第二光电探测器阵列1122-2检测通过第二空间变化偏振元件1114-2传播的第二光束。第二空间变化偏振元件1114-2和第二光电探测器阵列1122-2可以被不同地取向，即沿着X轴或任何其他方向，不必平行于第一空间变化偏振元件1104-1和第一光电探测器阵列1122-1的方向，因为只要第二光束1104-2在该方向上具有足够的宽度就行。

在调准系统1100的一些实施例中，光源1101可以是波长可选择的，即光源1101可以以可选择的测试波长，例如以红色通道、绿色通道和/或蓝色通道的波长，提供第一光束1104-1和/或第二光束1104-2。调准可以在这些波长中的每一个上顺序进行，并且对于每个测试波长，空间变化的偏振器可能必须以不同的角度旋转。可以选择正被调准的光学部件的最终取向，以提供在每个测试波长处可接受的光学性能。

在所示的实施例中，调准系统1100还包括平移台1181和1182，用于在分别由第一调准装置1191和第二调准装置1192调准之后，将扁平透镜1110的第一偏振部件1110-1和第二偏振部件1110-2组合。平移台1181和1182可以被配置为将第一偏振部件1110-1和第二偏振部件1110-2放置到HMD 1170中，而不改变它们在调准之后获得的相对取向。这使得扁平透镜1110能够适当地运行，将由电子显示面板1174生成的图像传送到HMD1170的视窗1176，同时抑制伪像。调准系统1100的其他变型可以包括用于第一调准装置1191和第二调准装置1192的单独光源。第一空间变化偏振元件1114-1和第二空间变化偏振元件1114-2可以设置在待调准的相应偏振设备或部件的下游或上游。此外，在一些实施例中，单个空间变化偏振元件可以与单个光源一起使用。调准系统1100可以将许多其他偏振设备或部件调准，该偏振设备或部件包括反射或透射偏振器、波片、具有层压偏振器和/或波片的光学元件、光学延迟膜、潘查拉特南-贝里相(Pancharatnam–Berry phase，PBP)液晶(LC)透镜或光栅、体全息光栅或透镜、双曲超材料等以及上述偏振部件的任意组合。

现在参考图12，用于调准具有多个偏振部件1210-1、1210-2的偏振设备1210的调准系统1200包括用于提供有限宽度的光束1204的光源1201、用于使光束偏振的线性偏振器1202以及分别在偏振设备1210上游和下游的波片1224-1和1224-2。波片1224-1和1224-2可以由平移台1281和1282缩回和插入光束1204中。可以提供旋转支撑物(为简洁起见未示出)来独立旋转偏振部件1210-1、1210-2。空间变化偏振元件1214设置在偏振设备1210的下游，并且提供光电探测器阵列1222以用于测量在空间变化偏振元件1214的输出端处的光功率密度分布。波片1224可以包括四分之一波片、半波片等，并且可以是可旋转的。空间变化偏振元件1214可以被放置在它自己的平移台上，用于可选地从光束1204中移除，并且可以包括图3A、图3B至图10A、图10B的任何偏振元件。可以在光束1204的路径中提供附加的线性偏振器。在该示例中，第一偏振部件1210-1包括反射偏振器，并且第二偏振部件1210-2包括四分之一波片。

当偏振部件1210-1、1210-2中的所有或至少一个以上的偏振部件存在于光束1204的路径中时，调准系统1200能够使这些偏振部件调准。例如，为了使包括反射偏振器元件的第一偏振部件1210-1调准，第一波片1224-1和第二波片1224-2可以从光束1204缩回，并且第一偏振部件1210-1可以旋转，以通过在光电探测器阵列1222中间处的空间变化偏振元件1214提供光束1204的强衰减。然后，可以将第二波片1224-2插入光束1204中，然后可以使第二偏振部件1210-2调准。可替代地，第一偏振部件1210-1和第二偏振部件1210-2可以依次迭代地调准，直到已经在光电探测器阵列1222处获得期望的光功率密度分布为止。

转向图13，用于使偏振设备调准的方法1300包括使具有沿着第一轴(例如，Y轴)的宽度的光束偏振(1302)。可以使用合适的偏振元件，或者更一般地，使用可以包括偏振器、波片等的偏振器子组件，来使光束偏振。偏振可以是例如线性的、圆形的或椭圆形的。光束可以足够宽，以沿着Y轴穿过偏振设备的通光孔径照亮偏振设备。待调准的偏振设备可以由旋转支撑物可旋转地支撑(1304)在光束路径中，该旋转支撑物使得偏振设备能够在光束路径中旋转，例如，围绕平行于光束路径的轴旋转。在被光束照亮时，或者在偏振设备的单独连续照亮之间的间隔中，偏振设备可以旋转。光束传播通过偏振设备，并在检偏器子组件处被接收(1306)。例如，光束可以被空间变化偏振元件接收，该偏振元件具有在光束上(即沿着相对于光束横向设置的Y轴)变化的偏振属性。然后，通过检偏器子组件传播的光束被设置在检偏器子组件下游并沿Y轴延伸的光电探测器阵列检测(1308)。

方法1300还可以包括获得(1310)检测到的光束的光功率分布。如上面参考图1所解释的，由光电探测器阵列检测的光功率密度分布可以代表偏振设备离开对应于预定光功率分布的最佳旋转角度的旋转角度。预定的光功率分布可以是相对于光电探测器阵列的选定光电探测器基本对称的。可以获得该角度(1312)，然后，可以将偏振设备旋转(1314)所获得的旋转角度，以匹配预定的光功率分布。偏振设备可以包括多个单独可旋转或可调整的偏振部件；这些可以逐个地被调准或者以并行迭代的方式被调准。空间变化偏振元件可以设置于正被调准的偏振设备的上游、下游或上游和下游两者。

参考图14，HMD 1400是AR/VR可穿戴显示系统的示例。HMD 1400的功能是用计算机生成的图像来增强物理、真实世界环境的视图，和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD 1400可以包括前主体1402和带1404。前主体1402被配置为以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛前面，以及带1404可以被拉伸以将前主体1402固定在用户的头上。显示系统1480可以布置在前主体1402中，用于向用户呈现AR/VR图像。前主体1402的侧面1406可以是不透明的或透明的。显示系统1480或HMD 1400的任何其他光学(子)系统可以使用扁平透镜或其他偏振设备，其可以使用图1的调准装置100、分别使用图2A至图2H的调准装置200A至200H、图11的调准系统1100和/或图12的调准系统1200来调准。

在一些实施例中，前主体1402包括定位器1408、用于跟踪HMD 1400的加速度的惯性测量单元(IMU)1410以及用于跟踪HMD 1400的位置的位置传感器1412。IMU 1410是基于从一个或更多个位置传感器1412接收的测量信号来生成指示HMD 1400的位置的数据的电子设备，位置传感器1412响应于HMD 1400的运动生成一个或更多个测量信号。位置传感器1412的示例包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU 1410的误差校正的一类传感器或者其某种组合。位置传感器1412可以位于IMU1410的外部、IMU 1410的内部或者这两种位置的某种组合。

定位器1408由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可以跟踪整个HMD 1400的定位和定向。可以将由IMU 1410和位置传感器1412产生的信息与通过跟踪定位器1408获得的位置和取向进行比较，以提高HMD 1400的位置和取向的跟踪准确性。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和取向对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。

HMD 1400还可以包括深度相机组件(DCA)1411，其捕获描述围绕HMD 1400的部分或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA 1411可以包括激光雷达(LIDAR)或类似设备。可以将深度信息与来自IMU 1410的信息进行比较，以便更准确地确定HMD 1400在3D空间中的位置和取向。

HMD 1400还可以包括眼睛跟踪系统1411，用于实时地确定用户眼睛的取向和位置。所获得的眼睛的位置和取向还允许HMD 1400确定用户的凝视方向，并相应地调整由显示系统1480生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度(vergence)，即用户的眼睛凝视的会聚角度。根据视角和眼睛位置，所确定的凝视方向和聚散角(vergence angle)也可以用于视觉伪像的实时补偿。此外，所确定的聚散角和凝视角可用于与用户的交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频系统，包括例如内置在前主体1402中的一组小扬声器。

用于实现结合本文所公开的方面描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以用被设计成执行本文所述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门(discrete gate)或晶体管逻辑、分立硬件部件或它们的任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP内核结合的一个或更多个微处理器、或者任何其他这样的配置。替代地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路来执行。

本公开在范围上不受本文描述的特定实施例限制。实际上，除了在本文描述的那些实施例和修改之外，其他各种实施例和修改根据前面的描述和附图对于本领域中的普通技术人员将明显。因此，这样的其他实施例和修改被规定为落在本公开的范围内。此外，尽管在本文在特定实现的上下文中在特定环境中为了特定的目的描述了本公开，但是本领域中的普通技术人员将认识到它的有用性不限于此，以及本公开可以有益地在任何数量的环境中为了任何数量的目的而实现。因此，应该考虑如本文描述的本公开的全部广度和精神来解释所阐述的权利要求。

Claims (19)

1.一种用于偏振设备的调准装置，所述调准装置包括：

偏振器子组件，用于使具有沿着第一轴的宽度的光束偏振；

旋转支撑物，用于在所述偏振器子组件下游的光束的路径中可旋转地支撑所述偏振设备；

检偏器子组件，位于所述旋转支撑物下游，用于接收通过所述偏振设备传播的光束；和

光电探测器阵列，位于所述检偏器子组件下游，所述光电探测器阵列沿着所述第一轴延伸，用于检测通过所述检偏器子组件传播的光束；

其中，所述偏振器子组件包括具有沿所述第一轴变化的偏振属性的空间变化偏振元件，并且其中所述检偏器子组件包括线性透射偏振器。

2.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述偏振器子组件包括线性透射偏振器，并且其中，所述检偏器子组件包括所述空间变化偏振元件。

3.根据权利要求2所述的调准装置，其中，所述偏振器子组件还包括所述线性透射偏振器下游的四分之一波片。

4.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述检偏器子组件还包括所述线性透射偏振器上游的四分之一波片。

5.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述空间变化偏振元件包括偏振器片段的阵列，所述阵列沿着所述第一轴延伸，其中，所述偏振器片段的透射轴方向从所述阵列的偏振器片段到偏振器片段变化。

6.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述空间变化偏振元件包括线性透射偏振器，所述线性透射偏振器沿着所述第一轴延伸并且具有沿着所述第一轴平滑且连续变化的透射轴方向。

7.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述空间变化偏振元件包括：

半波片片段的阵列，所述阵列沿着所述第一轴延伸，其中，所述阵列的半波片片段的光轴方向从所述阵列的半波片片段到半波片片段变化；和

线性偏振器，位于所述阵列下游。

8.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述空间变化偏振元件包括：

半波光学延迟器，沿着所述第一轴延伸，并且具有沿着所述第一轴平滑且单调变化的光轴方向；和

线性偏振器，位于所述半波光学延迟器下游。

9.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述空间变化偏振元件包括光学延迟器的阵列，所述阵列沿着所述第一轴延伸，其中，所述阵列的光学延迟器的延迟或光轴方向中的至少一个从所述阵列的光学延迟器到光学延迟器变化。

10.根据权利要求9所述的调准装置，其中，所述阵列的光学延迟器的延迟在所述光束的0.2个波长和0.3个波长之间变化。

11.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述空间变化偏振元件包括光学延迟器，所述光学延迟器沿着所述第一轴延伸并且具有沿着所述第一轴平滑且连续变化的光学延迟或光轴方向中的至少一个。

12.根据权利要求1所述的调准装置，其中，所述偏振设备包括扁平透镜偏振部件。

13.一种用于使偏振设备调准的调准系统，所述调准系统包括：

光源，用于提供具有沿着第一轴的宽度的第一光束；

第一空间变化偏振元件，具有沿着所述第一轴变化的偏振属性，用于接收所述第一光束并且使所述第一光束偏振，其中所述第一空间变化偏振元件包括线性透射偏振器；和

第一调准装置，包括第一旋转支撑物以及第一光电探测器阵列，所述第一旋转支撑物用于在所述第一光束的路径中可旋转地支撑所述偏振设备的第一偏振部件，所述第一光电探测器阵列设置在所述第一空间变化偏振元件下游，其中，所述第一光电探测器阵列沿着所述第一轴延伸，用于检测通过所述第一空间变化偏振元件传播的所述第一光束。

14.根据权利要求13所述的调准系统，其中，所述光源被配置用于提供具有沿着第二轴的宽度的第二光束；

所述调准系统还包括第二调准装置，所述第二调准装置包括第二旋转支撑物、第二空间变化偏振元件以及第二光电探测器阵列，所述第二旋转支撑物用于在所述第二光束的路径中可旋转地支撑所述偏振设备的第二偏振部件，所述第二空间变化偏振元件具有沿着所述第一轴变化的偏振属性并设置在第二旋转支撑物下游，用于接收通过所述第二偏振部件传播的所述第二光束，所述第二光电探测器阵列设置在所述第二空间变化偏振元件下游并沿着所述第二轴延伸，以用于检测通过所述第二空间变化偏振元件传播的所述第二光束。

15.根据权利要求14所述的调准系统，还包括平移台，用于在分别由所述第一调准装置和第二调准装置调准之后组合所述偏振设备的所述第一偏振部件和所述第二偏振部件。

16.根据权利要求13所述的调准系统，其中，所述偏振设备包括扁平透镜。

17.一种用于使偏振设备调准的方法，所述方法包括：

由偏振器子组件使具有沿第一轴的宽度的光束偏振；

由旋转支撑物在光束的路径中可旋转地支撑所述偏振设备；

在检偏器子组件处接收通过所述偏振设备传播的光束；和

由设置在所述检偏器子组件下游并沿所述第一轴延伸的光电探测器阵列检测通过所述检偏器子组件传播的光束；

其中，所述偏振器子组件包括具有沿所述第一轴变化的偏振属性的空间变化偏振元件，并且其中所述检偏器子组件包括线性透射偏振器。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

获得由所述光电探测器阵列检测的光束的光功率分布；和

获得所述偏振设备的旋转角度，以使所述光功率分布匹配预定的光功率分布。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括将所述旋转支撑物旋转所述旋转角度。

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