CN115698822A - 自由形式偏振光导 - Google Patents

Abstract

一种光学设备包括将光从显示器引导到用户眼睛预期要被定位的区域的自由形式光导。该自由形式光导包括光导衬底，光导衬底具有在自由形式光导的第一端与第二端之间延伸的第一表面和相对的第二表面，其中，至少第二表面是自由形式表面并且被覆盖有部分反射镜层。所述第一表面被覆盖有至少四分之一波片层和偏振分束器层。该自由形式光导还包括靠近自由形式光导的第一端以从显示器接收光的传入耦合界面。

Description

自由形式偏振光导

背景技术

提供增强现实(AR)体验的常规头戴式显示器通常采用光学器件系统，该光学器件系统允许用户通过光学器件系统查看周围环境以及将表示AR视觉内容的显示光透射到用户的一只或两只眼睛。这种光学器件系统通常采用光导(也通常称为“波导”)来传送来自显示器的显示光，同时也允许来自周围环境的光穿过用户的眼睛。常规的光导依赖于由显示器完全从输入到输出提供的光的全内反射(TIR)，其取决于光导内的光以临界角反射。为了实现具有宽视场(FOV)的TIR，这种光导必须由具有高折射率的材料组成。此外，具有较高折射率的光导材料往往比具有较低折射率的材料更重且更贵，并且因此，常规TIR基光导往往更贵且更重。

另外，常规光导需要嵌入或实现在光导本身内的至少一个提取组件，以使反射光传播到光导外，通常朝向用户的眼睛，而不是继续在光导内反射。这种提取组件包括例如凸起或凹陷的表面特征(诸如突起或凹痕)以及光导中的局部材料变化或者其他表面或体积扰动。这些扰动可能会导致提取效率的损失(例如反射光的亮度均匀性的损失)，并且导致用户或观察者可以看到的不连续表面。

发明内容

实施例涉及一种包括自由形式光导的装置，该自由形式光导包括：光导衬底，光导衬底包括在自由形式光导的第一端与第二端之间延伸的第一表面和相对的第二表面，其中，至少第二表面是自由形式表面；传入耦合界面，传入耦合界面至少部分地由光导衬底形成(并且因此靠近光导的第一端定位或部分地形成光导的第一端)；四分之一波片层，四分之一波片层覆盖光导衬底的第一表面；偏振分束器层，偏振分束器层覆盖四分之一波片层；以及部分反射镜层，部分反射镜层覆盖第二表面。

该装置可以包括显示器，该显示器被配置为朝向光导衬底的传入耦合界面发射显示光。该装置还可以包括四分之一波片，该四分之一波片被设置在显示器与传入耦合界面之间。进一步地，显示器可以以下述方式相对于传入耦合界面布置和/或传入耦合界面可以以下述方式相对于第一表面或第二表面定向：使得来自显示器的在传入耦合界面处进入光导的显示光被引导到第一表面或第二表面。

此外，显示器被配置为发射具有第一圆偏振态的显示光；和/或四分之一波片层被配置为将具有第一圆偏振态的入射光转换为具有第一线性偏振态的光，以将具有第一线性偏振态的入射光转换为具有第一圆偏振态的光，并且将具有第二圆偏振态的入射光转换为第二线性偏振态；和/或偏振分束器层被配置为反射具有第一线性偏振态的光并且透射具有第二线性偏振态的光。

该装置还可以包括眼镜框，该眼镜框包括眼镜镜片；并且其中，眼镜镜片实现自由形式光导和传出耦合区域，该传出耦合区域被设置在眼镜镜片的面向眼睛的表面处或邻近眼镜镜片的面向眼睛的表面设置。

自由形式光导进一步可以包括：线性偏振层，线性偏振层覆盖偏振分束器层；和/或抗反射层，抗反射层覆盖线性偏振层。而且，该装置可以具有显示器四分之一波片，显示器四分之一波片被设置在显示器与传入耦合界面之间并且被配置为将从显示器发射的显示光从线性偏振态转换为圆偏振态。

部分反射镜层可以被配置为：将具有第一圆偏振态的反射入射光转换为具有第二圆偏振态的光；和/或将具有第二圆偏振态的反射入射光转换为具有第一圆偏振态的光。

该装置可以进一步包括被设置在光导的第二表面处的补偿光学器件。例如，补偿光学器件由透明材料组成，该透明材料具有允许光以最小衍射和/或反射透射通过补偿光学器件的特性。补偿光学器件的面向眼睛的表面可以具有与光导的面向世界的(第二)表面互补的自由形式曲率。补偿光学器件的轮廓宽度能够变化，使得补偿光学器件的面向世界的表面与光导的面向眼睛的(第一)表面平行或接近平行。此外，补偿光学器件的面向世界的表面能够是能够为用户合并世界侧光的规定光学校正的表面。

实施例还涉及一种用于在近眼显示系统中将显示光从显示器传送到用户眼睛的方法，该方法包括：提供自由形式光导，该自由形式光导包括：光导衬底，光导衬底包括第一表面和相对的第二表面以及传入耦合界面；四分之一波片层，四分之一波片层覆盖第一表面；偏振分束器层，偏振分束器层覆盖四分之一波片层；以及部分反射镜层，部分反射镜层覆盖第二表面，其中，至少第二表面包括自由形式表面；将由显示器发射的显示光引导到传入耦合界面；

通过光导将显示光的表示从传入耦合界面到传出耦合区域传送；以及在将显示光的表示入射到第二表面上之后从传出耦合区域面向眼睛透射显示光的表示。

上述装置的实施例也可以被用于以上方法的实施例中。例如，自由形式光导可以包括覆盖偏振分束器层的线性偏振层。

而且，通过光导将显示光的表示传送可以包括：引起对显示光的偏振态的第一变化，使得显示光由偏振分束器层反射；和/或引起对所反射的显示光的偏振态的第二变化，使得显示光穿过四分之一波片层、偏振分束器层和线性偏振层到达传出耦合区域。

进一步地，通过光导将显示光的表示传送可以包括以下动作中的至少一个：将具有第一圆偏振态的显示光从传入耦合界面传送到四分之一波片层；可选地在四分之一波片层处将显示光的表示转换为第一线性偏振态；可选地将具有第一线性偏振态的显示光的表示从自由形式光导的第一表面朝向四分之一波片层反射；以及可选地在四分之一波片层处将所反射的显示光的表示从第一线性偏振态转换为第一圆偏振态。

进一步地，通过光导将显示光的表示传送可以包括以下中的至少一项：将具有第一圆偏振态的显示光的表示从四分之一波片层传送到第二表面；可选地从在第二表面处的部分反射镜层反射显示光的表示，使得第一圆偏振态被转换为第二圆偏振态；可选地将具有第二圆偏振态的显示光的表示传送到四分之一波片；可选地在四分之一波片层处将具有第二圆偏振态的显示光的表示转换为第二线性偏振态；可选地将具有第二线性偏振态的显示光的表示传送到偏振分束器层；以及可选地从偏振分束器层反射具有第二线性偏振态的显示光的表示。

而且，通过光导将显示光的表示传送可以进一步包括：将具有第二线性偏振态的显示光的表示从偏振分束器层传送到四分之一波片层；可选地在四分之一波片层处将具有第二线性偏振态的显示光的表示转换为第二圆偏振态；可选地将具有第二圆偏振态的显示光的表示传送到第二表面；可选地从第二表面的部分反射镜层反射具有第二圆偏振态的显示光的表示，使得显示光被转换为第一圆偏振态；以及可选地将具有第一圆偏振态的显示光的表示通过四分之一波片层、偏振分束器层和线性偏振层传送到传出耦合区域。

当然，以上示例的关于将显示光的表示传送通过光导的仅单个动作可以被采用。而且，这些动作的任何组合可以被使用。

在另一方面中，本发明涉及一种近眼显示系统，包括：自由形式光导，该自由形式光导具有传入耦合界面并且具有面向穿戴者眼睛的预期位置的传出耦合区域，该自由形式光导被配置为通过使用设置在面向穿戴者眼睛的预期位置的第一主表面处的膜堆叠以及设置在相对的第二主表面处的部分反射镜层在光贯穿自由形式光导时引发光的线性偏振态的至少一个变化和光的圆偏振态的至少一个变化将在传入耦合界面处入射的光传送到传出耦合区域，其中，偏振态的变化的至少一部分引发光在自由形式光导内反射。

近眼显示系统可以由上述装置形成。例如，偏振态的变化的至少一部分引发光从自由形式光导内的偏振分束器层反射。

进一步地，光导可以包括膜堆叠，该膜堆叠包括：四分之一波片层；和/或偏振分束器层。

此外，膜堆叠可以进一步包括：线性偏振层；和/或抗反射层。而且，偏振态的变化的至少一部分可以引发光朝向用户眼睛穿过膜堆叠到达传出耦合区域。

附图说明

通过参考附图，本公开更好理解，并且其许多特征和优点对于本领域技术人员来说显而易见。在不同附图中使用相同的附图标记指示相似或相同的项目。

图1是根据一些实施例的采用自由形式偏振光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自由形式偏振光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的自由形式偏振光导的横截面视图。

图4是根据一些实施例的图3的自由形式偏振光导和相关联的显示器的表示的横截面视图以及其部分的各种放大视图。

图5是图示了根据一些实施例的采用使用图4的自由形式偏振光导来向用户显示影像的近眼显示系统的方法的流程图。

图6是根据一些实施例的具有相关联的显示器的另一自由形式偏振光导的横截面视图。

图7是图示了根据一些实施例的采用使用图6的自由形式偏振光导来向用户显示影像的近眼显示系统的方法的流程图。

图8是根据一些实施例的另一自由形式偏振光导和相关联的补偿光学器件的横截面视图。

具体实施方式

图1至图8图示了用于在近眼显示系统中使用的自由形式偏振光导的示例实施方式。在至少一个实施例中，近眼显示系统使用自由形式偏振光导(FPLG)将表示显示图像的光从微型显示器或其他显示器传送到穿戴者的眼睛。然而，与完全依赖于全内反射(TIR)来将光传送通过光导的常规光导不同，FPLG不完全依赖于TIR，而是在光贯穿FPLG时通过光的偏振态的多次变化将显示光的表示从面向显示器的FPLG的传入耦合界面传送到面向用户眼睛的传出耦合区域，其中，偏振态的这些变化中的至少一些引发光在FPLG内的反射。另外，在一些实施例中，偏振态的这些变化中的一些允许所反射的光贯穿当光处于其他偏振态时用于反射光的FPLG的层，使得光在传出耦合区域处朝向用户的眼睛离开FPLG。

通过操纵显示光的偏振态以促进FPLG内的反射，直到光最终面向眼睛输出，与常规的近眼光导相比，FPLG能够以不依赖于端到端TIR或提取组件的方式将显示光从传入耦合界面传送到输出耦合区域。因此，用作传入耦合与传出耦合之间的显示光的主要管道的FPLG的光导衬底能够使用折射率低于常规的基于TIR的光导中使用的光导材料的光学透明材料来实现，同时也为具有给定折射率的材料提供比通常通过这种常规光导可实现的更高的FOV。由于不需要具体的提取组件或材料，制造复杂性也被降低。因此，FPLG能够更轻并且制造起来更便宜。此外，因为不需要端到端TIR，所以FPLG可以用不具有刚性径向尺寸的一个或多个主表面来实现。作为示例，FPLG可以以一个或两个主表面为自由形式表面的形状因子来实现，并且因此能够被实现为提供非零光学功率，或者被实现在拟合到眼镜框的眼镜镜片内并且因此也提供规定的透镜效应。

图1图示了根据至少一个实施例的采用自由形式偏振光导(FPLG)102的示例近眼显示系统100。系统100以具有眼镜框104的眼镜形状因子实现，该眼镜框104分别具有用于穿戴者的右眼和左眼的眼镜镜片105、106。在所描绘的实施例中，FPLG 102与眼镜镜片分离，并且代替地覆盖眼镜镜片中的一个眼镜镜片(在该实例中为眼镜镜片105)，使得FPLG102的传出耦合区域(下面参考图3更详细地描述)面向穿戴者的对应眼睛的预期位置。FPLG102经由光导安装壳体109被安装到眼镜框104，该光导安装壳体109还用于容纳近眼显示系统100的一些或所有电子组件(图1中未图示)，诸如生成增强现实(AR)或虚拟现实(VR)影像以经由FPLG 102显示给穿戴者的显示器、用于将光从显示器引导到FPLG 102的传入耦合界面的传入耦合光学器件、一个或多个处理器、无线接口、电池或其他电源等。这些组件中的若干组件将在下面更详细地描述。

图2图示了根据至少一个实施例的采用FPLG 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采用具有眼镜镜片205、206的眼镜框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实现FPLG 202。即，FPLG 202被集成在眼镜镜片205内，并且因此允许近眼显示系统200具有更传统的眼镜外观。在该实施方式中，在眼镜镜片205顶部的眼镜框204上的显示器壳体(为了图示的清楚性，从图2中省略)包含发射表示AR或VR影像的显示光的微型显示器或其他显示器以及将所发射的显示光引导到镜片205中的FPLG 202的传入耦合界面的传入耦合光学器件，于是显示光朝向传出耦合区域207传播通过FPLG 202/眼镜镜片205，该传出耦合区域207位于眼镜镜片205/FPLG 202中以便与穿戴者的对应眼睛的预期位置(或预期位置范围)对准。在一些实施例中，眼镜镜片206同样地实现对应的FPLG 202，并且系统200以相同的方式采用对应的显示组件，以向穿戴者的另一只眼睛也提供AR或VR影像的显示。

图1的系统100的FPLG 102和图2的系统200的FPLG 202各自操作以在显示光从FPLG 202的靠近显示器的一端贯穿到达FPLG 202的面向穿戴者眼睛的传出耦合区域时经由FPLG的主体内的显示光的多次反射将显示光从靠近的显示器(例如微型显示器)传送到用户的眼睛。然而，与常规光导不同，这些反射中的一些或全部不依赖于TIR。即，入射角可以小于在反射点处的介质之间的界面的临界角。不是依赖于TIR，FPLG 202替代地采用层的堆叠，层的堆叠选择性地改变入射显示光的偏振态或基于偏振态选择性地反射入射显示光，并且因此使得显示器在FPLG 202内反射一次或多次，直到显示光的偏振态以允许显示光在面向穿戴者眼睛的传出耦合区域207处透射通过FPLG 202的表面的方式被改变。

图3图示了根据至少一个实施例的采用偏振态的这种操纵来提供传入耦合显示光的内部反射的FPLG 302的横截面视图300。FPLG 302表示例如系统200的FPLG 202，并且因此横截面视图300能够表示图2中图示的横截面A-A。在其他实施例中，FPLG 302表示图1的FPLG102。应该注意的是，图3中描绘的各种特征和入射角的所描绘尺寸是为了图示操作原理的目的，并且可以不反映在FPLG内实现的实际尺寸或角度。

FPLG 302(即，FPLG 302形成其一部分的装置或系统)包括显示器304，该显示器304能够包括适合于在采用光导的近眼显示系统中使用的各种显示器中的任何一个，诸如有机发光二极管(OLED)或硅上液晶(LCOS)微型显示器。在其中显示器304被配置为发射线性偏振的光的实施方式中，FPLG 302(即，FPLG 302形成其一部分的装置或系统)进一步包括显示器四分之一波片306，该显示器四分之一波片306被设置在显示器304与FPLG 302的传入耦合界面316之间以在显示光进入FPLG 302中之前将线性偏振显示光的偏振转换为圆偏振态。

FPLG 302包括光导衬底320，光导衬底320从靠近显示器304的第一端310延伸到FPLG 302的相对的第二端312。FPLG 302的相对端310、312可以由衬底320的对应端限定。FPLG 302还包括靠近第一端310的传入耦合界面316并且被配置为接收来自显示器304的显示光318。传入耦合界面316的至少一部分可以由衬底320形成。光导衬底320由对显示光318基本透明的材料组成，该材料为诸如玻璃、光学塑料等。光导衬底320包括在光导衬底320的第一端310与第二端312之间延伸的两个相对的主表面322、323，其中，第一主表面322是朝向穿戴者眼睛定向的表面(并且因此在本文中也称为“面向眼睛的表面322”)，并且第二主表面323是远离穿戴者眼睛定向的表面(并且因此在本文中也称为“面向世界的表面323”)。面向眼睛的表面322和面向世界的表面323中的任一个或两者能够是自由形式表面。因此，FLPG302能够被集成到用于视力矫正的眼镜镜片中。

光导衬底320进一步包括相对的次表面324、325。第一次表面324位于第一端310处，并且相对于面向眼睛的表面322以锐角设置，从而形成光轴不平行于主表面322、323的传入耦合界面316。第二次表面325位于第二端312处，并且能够如所示的垂直于主表面322、323设置，或者相对于主表面322、323以非垂直角设置。

在一个实施例中，面向眼睛的表面322被覆盖有多层材料，该多层材料被配置为在光贯穿材料时改变光的一个或多个偏振态，或者在以不同偏振态透射光时以某种偏振态反射光(即，选择性地允许光透射通过该层到达后续层或从光导中透射出去)。该层集合被称为膜堆叠330。如下面参靠图4进一步描述的，在一些实施例中，膜堆叠330包括四分之一波片(QWP)层332、偏振分束器(PBS)层334和线性偏振器(LP)层336。为了防止光从眼睛侧的不想要的反射，膜堆叠330进一步能够包括设置在用户眼睛314的预期位置与膜堆叠330的其他层之间的抗反射(AR)层338。每层能够被提供为预成型膜层，使得多个膜被覆盖到彼此上以形成膜堆叠，该膜堆叠被覆盖到光导衬底320的表面上。每层代替地能够被提供为依次沉积到光导衬底320的表面上的涂层。更进一步地，在一些实施例中，一个或多个层被实现为预成型膜层，而一个或多个其他层被实现为涂层。附加地，FPLG 302包括被设置在面向世界的表面323上的部分反射镜层328或50/50反射镜涂层。部分反射镜层328用于反射入射到面向世界的表面323上的光的至少一部分，同时允许光的剩余部分穿过面向世界的表面并且离开FPLG 302。

FPLG 302进一步包括传出耦合区域326以朝向穿戴者的眼睛输出通过光导衬底320反射的显示光318的表示。如本文所使用的，术语“传出耦合区域”能够指的是面向眼睛的表面的区域和膜堆叠的覆盖区域(诸如面向眼睛的表面322和膜堆叠330的图示区域)，在该区域处，显示光318的表示朝向穿戴者的眼睛离开FPLG 302。

图4图示了根据至少一个实施例的包括关于膜堆叠330的层的附加细节以及基于传入耦合显示光318的偏振态的选择性变化和基于其偏振态的传入耦合显示光318的选择性反射的显示光通过FPLG 302的示例透射的FPLG 302的另一横截面视图400。为了便于图示，在下面描述的操作中，显示光318被图示为单个光线。膜堆叠330被设置在FPLG 302的面向眼睛的表面322上，并且包括被设置为覆盖面向眼睛的表面322的QWP层332。在一些实施例中，PBS层334被设置为覆盖QWP层332，使得QWP层332与面向眼睛的表面322相邻，并且被设置在PBS层334与面向眼睛的表面322之间。FPLG 302进一步包括覆盖PBS层334的LP层336，使得PBS层334被设置在QWP层332与LP层336之间。为了防止光从眼睛侧的不想要的反射，LP层336能够被覆盖有抗反射(AR)层338，使得LP层336被设置在AR层338与PBS层334之间。每层能够被提供为预成型膜层，使得多个膜被覆盖到彼此上以形成膜堆叠，该膜堆叠被覆盖到光导衬底320的表面上。每个层代替地能够被提供为依次沉积到光导衬底320的表面上的涂层。更进一步地，在一些实施例中，一个或多个层被实现为预成型膜层，而一个或多个其他层被实现为涂层。

QWP层332由操作以将具有第一圆偏振态的光转换为具有第一线性偏振态的光的材料或材料的组合形成，反之亦然。QWP层332还操作以将具有第二圆偏振态的光转换为具有第二线性偏振态的光，反之亦然。更一般地，四分之一波片(诸如QWP层332)透射光并且修改其偏振态，而不偏离或移位光束。在四分之一波片中，沿着快轴和慢轴投影的偏振分量之间的相位差为四分之一波。QWP层332能够被实现为例如多阶、零阶或消色差QWP层。实现QWP层332的材料的示例包括方解石或结晶膜、多色膜等。

PBS层334使用操作以透射具有第一线性偏振态的光并且反射具有第二线性偏振态的光的材料来实现。示例包括但不限于线栅型PBS层和电介质涂层型PBS层。LP层336操作以减少由PBS层334透射的不想要的光。LP层336使用操作以透射具有第二线性偏振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。进一步地，LP层336减少从FPLG 302的眼睛侧反射到用户眼睛中的光，从而减少杂散光和重影图像，并且因此提高图像质量。被设置在LP层336上的AR层438也有助于减少从FPLG 302的面向眼睛的表面322反射到用户眼睛中的光，从而进一步提高图像质量。

FPLG 302的面向世界的表面323被配置为连续的或平滑的自由形式表面，以允许传播通过FPLG 302的光在其遇到面向世界的表面323时的镜面反射。当面向世界的表面323完全或部分地由部分反射镜层328覆盖时，在FPLG 302内传播的显示光至少部分地从面向世界的表面323反射。在面向世界的表面323处遇到部分反射镜层328的具有第一圆偏振态的光被转换为第二圆偏振态，并且遇到面向世界的表面323的具有第一线性偏振态的光被转换为第二线性偏振态。同样地，被入射到部分反射镜层328上的具有第二圆偏振态的光被转换为第一圆偏振态，并且被入射到部分反射镜层328的具有第二线性偏振态的光被转换为第一线性偏振态。

利用所描述的配置，在从显示器304发射的显示光318朝向面向眼睛的表面322进入光导的实施例中，当显示光318(或其表示)从膜堆叠330的膜层和/或主表面322、323反射或透射通过其时，显示光318首先经受TIR，并且然后经受偏振态的多次变化。为了参考图4中描绘的放大插图406图示，在显示光318的转换表示传播通过QWP层332时，在光导衬底320内传播的具有第一圆偏振态的显示光318被入射到QWP层332上，并且被转换为具有第一线性偏振态的光。具有第一线性偏振态的该转换后的光然后遇到覆盖的PBS层334，该PBS层334被配置为透射具有第一线性偏振态的光，并且因此将光透射通过到LP层336。当LP层336被配置为透射具有第一线性偏振态的光时，入射光被338透射通过LP层336，并且从形成在膜堆叠330的眼睛侧和环境介质处的边界经受TIR。反射光然后透射通过LP层336和PBS层334回到QWP层332。当透射光传播通过QWP层332时，QWP层322将光的偏振态从第一线性偏振态转换为第一圆偏振态，使得具有第一圆偏振态的反射光重新进入光导衬底320。将认识到，该初始反射取决于显示光被入射到膜堆叠330上的角度，并且因此是基于TIR的反射。然而，FPLG 302内的光的后续反射是由与被配置为反射特定偏振的光的膜堆叠中的某些层的相互作用引起的，并且与光被入射到层上的角度无关。因此，FPLG 302利用膜堆叠330的TIR和基于偏振态的反射特性来沿着光导衬底320的长度“绑定”显示光，如下面详细描述的。

从形成在膜堆叠330的眼睛侧和环境介质处的边界反射的显示光(在穿过QWP层332之后具有第一圆偏振态)的表示重新进入光导衬底320，并且被透射到面向世界的表面323。在面向世界的表面323处，当反射光朝向膜堆叠330通过光导衬底320从部分反射镜层328反射回时，反射光从第一圆偏振态转换为第二圆偏振态。当反射光传播通过QWP层332到达PBS层334时，具有第二圆偏振态的反射光被转换为第二线性偏振态。由于PBS层334被配置为反射具有第二线性偏振态的光，所以从QWP层332透射的光通过QWP层332从PBS层334反射回，其中当显示光318的所得表示进入光导衬底320时，该光被转换为第二圆偏振态。具有第二圆偏振态的反射光朝向面向世界的表面323传播，其中当反射光朝向膜堆叠330通过光导衬底320从部分反射镜层328反射回时，它被转换为第一圆偏振态。

从面向世界的表面323反射并且具有第一圆偏振态的光然后被入射到QWP层332上，并且从第一圆偏振态转换为第一线性偏振态。由于PBS层334和LP层336被配置为透射具有第一线性偏振态的光，所以从QWP层332透射的光被透射通过PBS层334和LP层336到达AR层338。由于FPLG 302的面向眼睛的表面322和面向世界的表面323的非平行定向，AR层上的入射角小于TIR的临界角，并且来自LP层336的至少一些透射光被传播通过AR层338到达传出耦合区域326并且朝向用户眼睛传播到FPLG 302外。这种配置允许光离开FPLG 302，尽管它缺少将在常规光导中使用的任何提取组件。

图5是图示了根据至少一个实施例的采用具有图3的并且在图4中进一步图示的自由形式光导来向用户显示影像的近眼显示系统的方法500的流程图。方法500在框502处发起，其中显示器304发射显示光318，该显示器相对于传入耦合界面316定向，使得所发射的显示光318被引导向设置在FPLG 302的面向眼睛的表面322(即，第一主表面)上的膜堆叠330。在所提供的显示器被配置为发射处于左边圆偏振态的光的情况下，在框504处，QWP层能够被提供在显示器与传入耦合界面之间，以在进入光导衬底320之前将显示光转换为RCP态。然后，在框506处，具有RCP态的光经由传入耦合界面316进入FPLG 302的光导衬底320。

在框508处，显示光以相对于眼睛侧表面的角度传播通过光导衬底320，使得当显示光遇到两种介质之间的边界(诸如膜层与空气之间的边界)时，光撞击边界的角度大于或等于两种介质发生TIR的临界角。如由图4的放大插图406所图示的，在与QWP层332入射时，在框510处，具有RCP态的显示光318的所得表示被转换为具有线性y偏振350的光。由于膜堆叠330的PBS 334、LP 336和AR 338层被配置为透射具有线性y偏振的光，所以在框512处，转换后的光被传播通过PBS、LP和AR层到达FPLG 302的面向眼睛的表面322侧的AR层338与环境介质362之间的边界。由于透射光以大于或等于AR层338材料和空气的临界角的角360撞击边界，在框514处，转换后的光350将从边界通过PBS 334、LP 336和AR 338层TIR回到QWP层332。在与QWP层322入射时，在框516处，具有线性y偏振态的反射光351被转换为具有RCP态352的光，因为它被透射向FPLG 402的面向世界的表面323。

在面向世界的表面323处，当透射光352从部分反射镜层328反射时，透射光352从RCP态转换为具有LCP态354的光(框518)。具有LCP态的显示光的所得表示朝向设置在面向眼睛的表面322上的膜堆叠330的QWP层332从面向世界的表面323透射回。如由图4的放大插图408所图示的，在框520处，反射光传播通过QWP层332，并且被转换为线性x偏振态356。所得的修改后的光356然后遇到PBS层334，并且由于PBS层334被配置为反射具有线性x偏振态的光，所以PBS层334将修改后的光356反射回到QWP层332(框522)。

当反射光358传播通过QWP层332时，在光359进入光导衬底320之前，QWP层322将反射光358从线性x偏振态转换回到具有LCP态359的光(框524)。如由框526表示的，当反射光朝向面向眼睛的表面322从部分反射镜层328反射到光导衬底320中时，具有LCP态358的反射光被入射到面向世界的表面323上，并且被转换为原始的RCP态。在框528处，在与QWP层332入射时，具有RCP态的反射光被转换为线性y偏振态。在框530处，由于PBS 334、LP 336和AR 338层被配置为透射具有线性y偏振的光，所以转换后的光传播通过PBS334、LP 336和AR338层到达FPLG 302的眼睛侧的AR层338与空气之间的边界。然而，由于透射的光没有以等于或大于临界角的角被入射到边界上，所以透射的线性y偏振光未在边界处反射，而是朝向与FPLG 302的传出耦合区域326相对应的区域并且朝向用户的眼睛透射。该方法能够针对由显示器投影的每个图像重复。

由框518至526表示的FPLG 302内的内部反射是由于鉴于覆盖光导衬底320的主表面322、323的材料层的堆叠的偏振态特定反射和透射特性而对显示光318的所传送的表示的偏振态进行操纵而产生的，并且不依赖于TIR。因此，光导衬底320能够由折射率比基于TIR的光导中常规使用的光导材料(例如相对较重且昂贵的光学玻璃)低的材料(诸如光学塑料)组成，以实现给定的FOV。备选地，通过使用与对应的基于TIR的光导具有相同折射率的材料，FPLG 302能够实现更大的FOV。此外，由于不需要TIR，光导衬底能够采用至少一个自由形式的主表面，这在常规的基于TIR的光导中实现起来通常是不切实际的。

图6图示了根据一些实施例的FPLG 602的另一实施例的横截面600。由光导衬底620形成(或包括衬底620)的FPLG 602包括显示器604，该显示器604被定向为朝向传入耦合界面616引导从显示器604发射的显示光606。FPLG 602(即，FPLG 602形成其一部分的装置或系统)还能够包括被设置在显示器与传入耦合界面616之间的显示器四分之一波片608，以将具有线性偏振态的显示光转换为具有圆偏振态的光。传入耦合界面616相对于FPLG602的面向世界的表面619以锐角设置，使得在传入耦合界面616处进入FPLG 602的来自显示器604的显示光606被引导到面向世界的表面619。部分反射镜层624或50/50反射镜涂层被设置在面向世界的表面619处。部分反射镜层624用于反射入射到面向世界的表面619上的光的至少一部分，同时允许光的剩余部分穿过面向世界的表面619并且离开FPLG 602。

与面向世界的表面619相对的是位于FPLG 602的面向眼睛侧的面向眼睛的表面618。膜堆叠610被设置在FPLG 602的面向眼睛的表面618上，并且包括QWP层612和PBS层614。面向眼睛的表面618和面向世界的表面619中的任一个或两者能够是自由形式表面，其能够在世界侧光穿过FPLG 602到达用户的眼睛时合并世界侧光的规定光学校正。因此，FLPG 602能够被集成到由用户用于视力矫正的眼镜镜片中。

在被引导向位于FPLG 602的面向眼睛侧的传出耦合区域622区域之前，被引导到FPLG 602中的光经受多次反射和偏振态的变化。传出耦合区域622通常被设置在FPLG 602的用户眼睛预期要被定位的区域处，并且使得在传出耦合区域622处离开FPLG 602的光被引导向用户的眼睛。

利用所描述的配置，从显示器604发射的光606首先被引导到FPLG 602的面向世界的表面619，然后在它从膜堆叠610的层和/或主表面618、619反射或透射通过膜堆叠610的层和/或主表面618、619时经受偏振态的变化。如果显示器604被配置为发射具有第一线性偏振态的光，则在显示光606在传入耦合界面616处进入FPLG 602之前，显示器四分之一波片608将显示光606转换为第一圆偏振态。在光导衬底620内传播的具有第一圆偏振态的显示光606的所得表示然后被入射到面向世界的表面619上，并且在其从部分反射镜层624朝向膜堆叠610被反射时被转换为第二圆偏振态。

从面向世界的表面619反射的具有第二圆偏振态的显示光的表示在其传播通过QWP层612到达PBS层614时被转换为第二线性偏振态。由于PBS层614被配置为反射具有第二线性偏振态的光，所以从QWP层612透射的光通过QWP层612从PBS层614反射回，其中当光进入光导衬底620时光被转换为第二圆偏振态。具有第二圆偏振态的反射光被传播向面向世界的表面619，其中当反射光通过光导衬底620朝向膜堆叠610反射回时，它被转换为第一圆偏振态。

从设置在面向世界的表面619处的部分反射镜层624反射的具有第一圆偏振态的光被入射到膜堆叠610的QWP层612上，并且从第一圆偏振态转换为第一线性偏振态。由于PBS层614被配置为透射具有第一线性偏振态的光，所以从QWP层612透射的光朝向用户的眼睛被透射通过PBS层614到达传出耦合区域622和光导外。

图7是图示了根据至少一个实施例的采用具有图6的自由形式光导的近眼显示系统来向用户显示影像的方法700的流程图。方法700在框702处发起，其中显示器604发射表示显示图像的显示光606，该显示图像能够包括AR或VR内容。为了图示，第一圆偏振态是右边圆偏振(RCP)态。然而，如果所提供的显示器604被配置为发射处于左边圆偏振(LCP)态的光，则四分之一波片能够被提供在显示器604与传入耦合界面616之间，以在框704处在进入光导衬底之前将所发射的光转换为RCP态。在框706处，具有RCP态的显示光606经由传入耦合界面616进入FPLG 602的光导衬底620。

具有RCP态的显示光的表示以一定角度传播通过光导衬底620，并且因此撞击面向世界的表面619(即，第二主表面)。在面向世界的表面619处，当透射光从部分反射镜层624反射时，透射光被转换为LCP态(框708)。LCP态光从面向世界的表面619朝向设置在面向眼睛的表面618(即，面向眼睛的表面)上的膜堆叠610的QWP层612透射。当反射光传播通过QWP层612时，QWP层612将光的偏振态改变为第二线性偏振态(框710)，出于示例的目的，该第二线性偏振态在本文中被描述为线性x偏振态。具有线性x偏振态的修改后的光然后遇到PBS层614，并且由于PBS层614被配置为反射具有线性x偏振光态的光，所以PBS层614将修改后的光反射回到QWP层612(框712)。

当修改后的光传播通过QWP层612时，QWP层612将光从线性x偏振态转换回到LCP态(框714)，使得修改后的光作为具有LCP态的反射光重新进入光导衬底620。如由框716表示的，具有LCP态的反射光被入射到面向世界的表面619上并且在其从部分反射镜层624朝向面向眼睛的表面618被反射到光导衬底620中时被转换为原始RCP态。在框718处，在与QWP层612入射时，具有RCP态的反射光被转换为第一线性偏振态。为了示例的目的，第一线性偏振态在本文中被描述为线性y偏振态。由于PBS层414被配置为透射具有线性y偏振态的光，所以在框720处，修改后的光被传播通过PBS层614并且从FPLG 602朝向用户的眼睛传播。该方法能够针对由显示器投影的每个图像重复。

由框708至716表示的FPLG 602内的内部反射是由于鉴于覆盖光导衬底620的主表面618、619的材料层的堆叠的偏振态特定反射和透射特性而对显示光606的表示的偏振态进行操纵而产生的，并且不依赖于TIR。因此，光导衬底620能够由折射率比基于TIR的光导中常规使用的光导材料低的材料(诸如光学塑料)组成。附加地，通过使用与对应的基于TIR的光导具有相同折射率的材料，FPLG 602能够实现更大的FOV。此外，由于不需要TIR，所以光导衬底能够采用至少一个自由形式的主表面。

图8图示了根据至少一个实施例的采用透明补偿光学器件804的FPLG 802的横截面800。FPLG 802表示例如图3和4中图示的FPLG302，或者在其他实施例中，FPLG 802表示图6的FPLG 602。补偿光学器件804由透明材料组成，该透明材料具有允许世界光806以最小衍射和/或反射透射通过补偿光学器件804的特性。这允许用户穿戴近眼显示系统，诸如例如实现FPLG 802的图2中图示的近眼显示系统200，以查看除了从显示器810发射的显示光808的表示之外的它们的环境。补偿光学器件804的面向眼睛的表面812具有与FPLG 802的面向世界的表面814互补的自由形式曲率，并且补偿光学器件的轮廓宽度818能够变化，使得补偿光学器件的面向世界的表面816与FPLG 802的面向眼睛的表面平行或接近平行。这允许组合的FPLG 802和补偿光学器件804被稳固在诸如图2的眼镜框204的眼镜框内。此外，补偿光学器件的面向世界的表面816能够是能够为用户合并世界侧光的规定光学校正的表面。

要注意的是，并非以上在一般描述中描述的所有活动或元件都是必需的，特定活动或设备的一部分可能不是必需的，并且除了所描述的那些之外，一个或多个其他活动可以被执行或者一个或多个其他元件可以被包括。更进一步地，活动被列出的顺序不一定是它们被执行的顺序。而且，概念已经参考特定实施例描述。然而，本领域的普通技术人员认识到，能够进行各种修改和改变，而不脱离如在下面的权利要求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非限制性的，并且所有这种修改旨在被包括在本公开的范围内。

益处、其他优点和问题的解决方案在上面已经关于特定实施例描述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加明显的任何特征都不应被解释为任何或所有权利要求的关键、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，因为所公开的主题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。除了在下面的权利要求中所描述的之外，不旨在限制本文所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，上面公开的特定实施例可以被更改或修改，并且所有这种变化都被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文寻求的保护如下面的权利要求所阐述。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

自由形式光导，所述自由形式光导包括：

光导衬底，所述光导衬底包括在所述自由形式光导的第一端与第二端之间延伸的第一表面和相对的第二表面，其中，至少所述第二表面是自由形式表面；

传入耦合界面，所述传入耦合界面至少部分地由所述自由形式光导衬底形成；

四分之一波片层，所述四分之一波片层覆盖所述光导衬底的所述第一表面；

偏振分束器层，所述偏振分束器层覆盖所述四分之一波片层；以及

部分反射镜层，所述部分反射镜层覆盖所述第二表面。

2.根据权利要求1所述的装置，显示器被配置为朝向所述光导衬底的所述传入耦合界面发射显示光。

3.根据权利要求2所述的装置，进一步包括：

四分之一波片，所述四分之一波片被设置在所述显示器与所述传入耦合界面之间。

4.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述显示器被配置为发射具有第一圆偏振态的所述显示光；和/或

所述四分之一波片层被配置为：将具有第一圆偏振态的入射光转换为具有第一线性偏振态的光，将具有所述第一线性偏振态的入射光转换为具有所述第一圆偏振态的光，以及将具有第二圆偏振态的入射光转换为第二线性偏振态；和/或

所述偏振分束器层被配置为反射具有所述第一线性偏振态的光并且透射具有所述第二线性偏振态的光。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括：

眼镜框，所述眼镜框包括眼镜镜片；并且

其中，所述眼镜镜片实现所述自由形式光导和传出耦合区域，所述传出耦合区域被设置在所述眼镜镜片的面向眼睛的表面处或邻近所述眼镜镜片的面向眼睛的表面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述自由形式光导进一步包括：

线性偏振层，所述线性偏振层覆盖所述偏振分束器层；和/或

抗反射层，所述抗反射层覆盖所述线性偏振层。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括：

显示器四分之一波片，所述显示器四分之一波片被设置在所述显示器与传入耦合界面之间，并且被配置为将从所述显示器发射的所述显示光从线性偏振态转换为圆偏振态。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述部分反射镜层被配置为：

将具有第一圆偏振态的反射入射光转换为具有第二圆偏振态的光；和/或

将具有所述第二圆偏振态的反射入射光转换为具有所述第一圆偏振态的光。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括：

补偿光学器件，所述补偿光学器件被设置在所述光导的所述第二表面处。

10.一种用于特别是使用前述权利要求中的一项所述的装置在近眼显示系统中将显示光从显示器传送到用户眼睛的方法，所述方法包括：

提供自由形式光导，所述自由形式光导包括：光导衬底，所述光导衬底包括第一表面和相对的第二表面以及传入耦合界面；四分之一波片层，所述四分之一波片层覆盖所述第一表面；偏振分束器层，所述偏振分束器层覆盖四分之一波片层；以及部分反射镜层，所述部分反射镜层覆盖所述第二表面，其中，至少所述第二表面包括自由形式表面；

将由显示器发射的显示光引导到所述传入耦合界面；

将所述显示光的表示通过所述光导从所述传入耦合界面传送到传出耦合区域；以及

在将所述显示光的所述表示入射到所述第二表面上之后，从所述传出耦合区域面向眼睛透射所述显示光的所述表示。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述自由形式光导进一步包括覆盖所述偏振分束器层的线性偏振层。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过所述光导将所述显示光的所述表示传送包括：

引起所述显示光的偏振态的第一变化，使得所述显示光由所述偏振分束器层反射；和/或

引起所反射的显示光的所述偏振态的第二变化，使得所述显示光穿过所述四分之一波片层、所述偏振分束器层和所述线性偏振层到达所述传出耦合区域。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，通过所述光导将所述显示光的所述表示传送包括以下步骤中的至少一个：

将具有第一圆偏振态的所述显示光从所述传入耦合界面传送到所述四分之一波片层；

在所述四分之一波片层处将所述显示光的所述表示转换为第一线性偏振态；

将具有所述第一线性偏振态的所述显示光的所述表示从所述自由形式光导的所述第一表面朝向所述四分之一波片层反射；以及

在所述四分之一波片层处，将所述显示光的所反射的表示从所述第一线性偏振态转换为所述第一圆偏振态。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过所述光导将所述显示光的所述表示传送进一步包括以下步骤中的至少一个：

将具有所述第一圆偏振态的所述显示光的所述表示从所述四分之一波片层传送到所述第二表面；

从在所述第二表面处的所述部分反射镜层反射所述显示光的所述表示，使得所述第一圆偏振态被转换为第二圆偏振态；

将具有所述第二圆偏振态的所述显示光的所述表示传送到所述四分之一波片；

在所述四分之一波片层处，将具有所述第二线性偏振态的所述显示光的所述表示转换为第二线性偏振态；

将具有所述第二线性偏振态的所述显示光的所述表示传送到所述偏振分束器层；以及

从所述偏振分束器层反射具有所述第二线性偏振态的所述显示光的所述表示。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过所述光导将所述显示光的所述表示传送进一步包括以下步骤中的至少一个：

将具有所述第二线性偏振态的所述显示光的所述表示从所述偏振分束器层传送到所述四分之一波片层；

在所述四分之一波片层处，将具有所述第二线性偏振态的所述显示光的所述表示转换为所述第二圆偏振态；

将具有所述第二圆偏振态的所述显示光的所述表示传送到所述第二表面；

从所述第二表面的所述部分反射镜层反射具有所述第二圆偏振态的所述显示光的所述表示，使得所述显示光被转换为所述第一圆偏振态；以及

将具有所述第一圆偏振态的所述显示光的所述表示通过所述四分之一波片层、所述偏振分束器层和所述线性偏振层传送到所述传出耦合区域。

16.一种近眼显示系统，包括：

自由形式光导，所述自由形式光导具有传入耦合界面并且具有面向穿戴者眼睛的预期位置的传出耦合区域，所述自由形式光导被配置为：通过使用设置在面向所述穿戴者眼睛的所述预期位置的第一主表面处的膜堆叠以及设置在相对的第二主表面处的部分反射镜层、在所述光贯穿所述自由形式光导时引发所述光的线性偏振态的至少一个变化和所述光的圆偏振态的至少一个变化，来将在所述传入耦合界面处入射的光传送到所述传出耦合区域，其中，偏振态的所述变化中的至少一部分引发所述光在所述自由形式光导内反射。

17.根据权利要求16所述的近眼显示系统，其中，偏振态的所述变化中的至少一部分引发所述光从所述自由形式光导内的偏振分束器层反射。

18.根据权利要求16或17所述的近眼显示系统，其中，所述光导包括膜堆叠，所述膜堆叠包括：

四分之一波片层；和/或

偏振分束器层。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的近眼显示系统，其中，所述膜堆叠进一步包括：

线性偏振层；和/或

抗反射层。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的近眼显示系统，其中，偏振态的所述变化的至少一部分引发所述光朝向用户眼睛穿过所述膜堆叠到达所述传出耦合区域。

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