CN118339486A

CN118339486A - 具有偏振体全息图光栅的波导

Info

Publication number: CN118339486A
Application number: CN202280079954.9A
Authority: CN
Inventors: 麦克斯韦·帕森斯; 彭枫琳; 许苗苗; 何习辉; 杨洋; 史宇; 林滇敏
Original assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2022-12-10
Publication date: 2024-07-12

Abstract

提供了一种波导。该波导包括衬底，该衬底具有两个外表面，以通过从这两个外表面反射光束在该衬底中传播该光束。该波导包括至少一个偏振体全息图(PVH)光栅，以将光耦入该波导中和/或从该波导耦出。该PVH光栅可以是具有渐变双折射率的多层PVH光栅。

Description

具有偏振体全息图光栅的波导

技术领域

本公开涉及光学部件，特别地，涉及能够在可穿戴显示器中使用的波导。

背景

头戴式显示器(Head-Mounted Display，HMD)、近眼显示器(Near-Eye Display，NED)和其它可穿戴显示系统可以用于向用户呈现虚拟场景，或利用动态信息、数据或虚拟对象来增强真实场景。虚拟场景和增强场景可以是三维(Three-Dimensional，3D)的，以增强体验，并且将虚拟对象与用户观看到的真实对象进行匹配。可以实时追踪用户的眼睛位置和注视方向和/或取向，并且可以根据用户的头部取向和注视方向来动态调整所显示的场景，以提供更好的沉浸在模拟环境或增强环境中的体验。

轻量且紧凑的近眼显示器减少了用户的头部和颈部的压力，通常穿戴起来更舒适。这种显示器的光学块可能是整个系统中最重的部分。可以采用紧凑的平面光学部件(诸如波导、光栅、菲涅尔透镜等)以减小光学块的尺寸和重量。然而，紧凑的平面光学器件可能具有与图像质量、输出光瞳尺寸和均匀性、瞳孔游移(pupil swim)、所生成的影像的视场、视觉伪影等相关的限制。

发明内容

本文描述的实施例涉及一种光波导，该光波导包括：光学透明材料的衬底，该衬底包括两个相对的外表面，以通过从该两个相对的外表面的反射来引导该衬底中的光束；以及PVH，该PVH设置在该衬底中或该衬底上，该PVH被配置为使第一偏振的光透射通过该PVH，同时衍射正交的第二偏振的光；该PVH还被配置为将该光束的具有该第二偏振的部分从该衬底衍射出来。

在一些实施方式中，该第一偏振和该第二偏振可以是旋向性相反的圆偏振。

在一些实施方式中，该衬底还可以包括：输入区域，该输入区域用于将该光束耦入该衬底中；以及输出区域，该输出区域位于距该输入区域一定距离处，该输出区域用于将该光束从该衬底耦出，以形成输出光束，该PVH设置在该输入区域或该输出区域中的至少一者中。

在一些实施方式中，该PVH设置在该输出区域中。

在任何上述实施方式中，该PVH可以包括多个PVH层的叠置体，该叠置体的至少一个PVH层包括螺旋双折射条纹的周期性序列；该叠置体的相邻的PVH层可以具有不同的双折射率。该多个PVH层的叠置体可以包括位于第二PVH层与第三PVH层之间的第一PVH层，该第一PVH层的双折射率比该第二PVH层和该第三PVH层的双折射率高。

在任何上述实施方式中，可以在该PVH光栅与该衬底之间的界面处设置抗反射(Anti-reflection，AR)涂层。

在任何上述实施方式中，该PVH可以沿着该两个相对的外表面在该输出区域上延伸。该PVH还可以被配置为在该输出区域上在该光束的传播方向上具有增加的衍射效率。

在任何上述实施方式中，该光波导可以包括如下中的至少一者：折光光栅，该折光光栅在该衬底中设置在从该输入区域到该输出区域的该光束的光路中；分束器，该分束器在该衬底中设置在该光束的该光路中；a板延迟器(a-plate retarder)，该a板延迟器在该衬底中设置在该光束的光路中。

本发明的另一个方面涉及一种显示装置，该显示装置包括显示面板以及用于该显示面板的照射器，该照射器包括：光源，该光源用于发射光束；以及光波导，该光波导用于传递该光束以照射该显示面板。该光波导包括光学透明材料的衬底，该衬底包括：输入区域，该输入区域用于将该光束耦入该衬底中；以及输出区域，该输出区域位于距该输入区域一定距离处，该输出区域用于将该光束从该衬底耦出，以形成输出光束。该光波导还包括：两个相对的外表面，该两个相对的外表面用于通过从该两个相对的外表面的反射来引导该衬底中的该光束；以及第一PVH，该第一PVH设置在该衬底的该输出区域或该输入区域中的至少一者中，该第一PVH包括螺旋双折射条纹的周期性序列，并且该第一PVH被配置为衍射具有第一偏振的光，同时使正交的第二偏振的光透射通过该第一PVH。

在显示装置的一些实施方式中，该第一PVH可以在该输出区域中沿着该外表面延伸，以将入射到该第一PVH上的该光束的具有该第一偏振的部分作为输出光从该衬底衍射出来，该第一PVH可以包括多个PVH层的叠置体，该叠置体的每个PVH层包括螺旋双折射条纹的周期性序列，该叠置体包括位于两个外部PVH层之间的中间PVH层，该中间PVH层的双折射率比该外部PVH层的双折射率大；该第一偏振和该第二偏振可以是旋向性相反的圆偏振。

在一些实施方式中，该显示装置还可以包括投射透镜，该投射透镜与该显示面板相对地设置，该光波导的该输出区域位于该投射透镜与该显示面板之间；该显示面板可以被配置为将该输出光的至少一部分作为图像光朝向该投射透镜反射；该第一PVH可以被配置为使该图像光透射通过该第一PVH以传播到该投射透镜。

在任何上述实施方式中，该显示装置可以包括转向反射器，该转向反射器被配置为将来自该光源的该光束以可变的入射角朝向该输入区域引导。

在任何上述实施方式中，该显示装置可以包括第二PVH，该第二PVH被配置为透射该第一偏振的光和该第二偏振的光中的一者，并且衍射该第一偏振的光和该第二偏振的光中的另一者，该第二PVH在该输入区域中设置在该光源与该转向反射器之间；该光源可以被配置为发射该第一偏振和该第二偏振中的一种偏振的圆偏振光。

本发明的另一个方面涉及一种用于照射显示面板的方法，该方法包括：使用光波导将光束朝向该显示面板传播，以及使用PVH来执行如下中的至少一项：将该光束耦入该光波导内；或将该光束从该光波导耦出，该PVH包括螺旋双折射条纹的周期性阵列，并且该PVH被配置为衍射第一偏振的入射光，同时透射正交的第二偏振的入射光。

在一些实施方式中，该方法可以包括：在该PVH中使用多个PVH层的双折射率渐变(birefringence-graded)的叠置体。该叠置体可以包括内部PVH层，该内部PVH层位于双折射率较低的两个外部PVH层之间，以减少通过该PVH的该第一偏振的光的泄漏。

在一些实施方式中，该方法可以包括：使用位于该光波导的输入区域中的第一PVH，以使来自光源的圆偏振光通过该第一PVH透射到转向反射器；以及使用设置在该光波导的输出区域中的渐变双折射的第二PVH，以将光朝向反射式显示面板从该波导衍射出来，并且将从该反射式显示面板反射的光朝向投射透镜透射，该投射透镜与该反射式显示面板相对地设置。

将理解的是，在本文中被描述为适合于结合到本公开的一个或多个方面或实施例中的任何特征旨在能够推广到本公开的任何和所有的方面和实施例。根据本公开的说明书、权利要求书和附图，本领域技术人员可以理解本公开的其它方面。前文的总体描述和下文的具体实施方式仅是示例性和说明性的，而不是对权利要求的限制。

附图说明

现在将结合附图来描述示例实施例，这些附图不是按比例的，在这些附图中，相同元件用相同附图标记表示，并且在这些附图中：

图1A是偏振体全息图(Polarization Volume Hologram，PVH)光栅的示意侧视剖视图；

图1B是图1A的PVH光栅的液晶(Liquid Crystal，LC)实施方式的示意侧视剖视图；

图2A是结合了PVH光栅的光波导的示意平面图；

图2B是图2A的光波导的示意侧视剖视图；

图3是在用于照射反射式显示面板的光波导的输出区域中使用PVH光栅的显示装置的示意侧视图；

图4是光波导的输出部分的示意侧视剖视图，该图示出了从PVH光栅的光泄漏的两个来源；

图5是示出根据示例模拟的作为PVH厚度的函数的振荡泄漏效率的曲线图；

图6是包括多层PVH光栅的光波导的输出部分的示意侧视剖视图；

图7是示出根据示例模拟的作为图6的多层PVH光栅的输出效率的函数的振荡泄漏效率的曲线图；

图8是包括多层PVH光栅的光波导的输出部分的示意侧视剖视图，该光波导在与衬底的界面处具有AR涂层；

图9是包括多层PVH光栅的光波导的输出部分的示意侧视剖视图，该光波导在与衬底的两个界面处具有AR涂层；

图10是用于将成角度扫描的光束传递到显示面板的扫描光瞳显示装置的示意侧视图，该扫描光瞳显示装置在光波导的输入区域和输出区域中使用PVH光栅；

图11A是结合了本公开的波导的眼镜形状要素的近眼AR/VR显示器的等轴测视图；

图11B是图11A的显示器的侧视剖视图；以及

图12是结合了本公开的波导的头戴式显示器(HMD)的等轴测视图。

具体实施方式

虽然结合各种实施例和示例来描述本教导，但是本教导并不旨在限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代方案和等同物。本文中引用本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。此外，旨在使得这些等同物既包括目前已知的等同物，也包括未来开发的等同物，即所开发的执行相同功能的任何元件，而不管结构如何。在整个说明书中提到“一个实施例”或“实施例”意指特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。

如本文所使用的，除非有明确说明，否则术语“第一”和“第二”等不旨在暗示顺序次序，而是旨在将一个要素与另一个要素区分开。类似地，除非有明确说明，否则这些方法步骤的顺序次序并不暗示它们执行的顺序次序。

可以在显示系统(诸如但不限于近眼显示器(NED))中使用光波导来利用扩展的光束照射透射式显示面板或反射式显示面板。可以通过面积可以相对较小的合适的输入耦合器将输入光束耦入光波导中，然后可以使用输出耦合器将该光束耦出光波导，该输出耦合器可以在波导的相对较大的输出区域上提供扩展的光束。可以期望波导表面的高度的平坦度和平行度，以提供均匀的照射。显示面板可以在空间上和时间上调制照射光，以提供携带图像的图像光。反射式显示面板可以将图像光朝向输出波导(例如，朝向观看区域，该观看区域可以位于光波导相对于显示面板的另一侧)回射以通过该输出波导传播。设置在输出区域中的偏振体全息图(PVH)光栅(例如，多层渐变双折射的PVH光栅)可以用作偏振选择性输出耦合器，以将第一偏振的耦入光从波导衍射出来以照射显示面板，同时允许以第二偏振从显示面板反射的图像光穿过该波导朝向观看区域(例如，朝向NED实施方式中的适眼框)。本文中的术语“适眼框”意指NED的用户可以观察到高质量的图像的针对用户眼睛的几何区域。术语“渐变双折射”指的是具有双折射率不同的部分(例如，层)的结构或元件，靠近该结构的表面的双折射率通常低于远离该表面的双折射率。

在一些实施方式中，该PVH设置在该输出区域中。

在任何上述实施方式中，该PVH可以包括多个PVH层的叠置体，该叠置体的至少一个PVH层包括螺旋双折射条纹的周期性序列；该叠置体的相邻的PVH层可以具有不同的双折射率。该多个PVH层的叠置体可以包括位于第二PVH层和第三PVH层之间的第一PVH层，该第一PVH层的双折射率比该第二PVH层和该第三PVH层的双折射率高。

在任何上述实施方式中，可以在该PVH光栅与该衬底之间的界面处设置抗反射(AR)涂层。

在任何上述实施方式中，该光波导可以包括如下中的至少一者：折光光栅，该折光光栅在该衬底中设置在从该输入区域到该输出区域的该光束的光路中；分束器，该分束器在该衬底中设置在该光束的该光路中；以及a板延迟器，该a板延迟器在该衬底中设置在该光束的光路中。

本发明的另一个方面涉及一种显示装置，该显示装置包括显示面板以及用于该显示面板的照射器，该照射器包括：光源，该光源用于发射光束；以及光波导，该光波导用于传递该光束以照射该显示面板。该光波导包括光学透明材料的衬底，该衬底包括：输入区域，该输入区域用于将该光束耦入该衬底中；以及输出区域，该输出区域位于距该输入区域一定距离处，该输出区域用于将该光束从该衬底耦出，以形成输出光束。该光波导还包括两个相对的外表面，该两个相对的外表面用于通过从该两个相对的外表面的反射来引导该衬底中的该光束；以及第一PVH，该第一PVH设置在该衬底的该输出区域或该输入区域中的至少一者中，该第一PVH包括螺旋双折射条纹的周期性序列，并且该第一PVH被配置为衍射具有第一偏振的光，同时使正交的第二偏振的光透射通过该第一PVH。

在一些实施方式中，该显示装置还可以包括投射透镜，该投射透镜与该显示面板相对地设置，其中该光波导的该输出区域位于该投射透镜与该显示面板之间；该显示面板可以被配置为将该输出光的至少一部分作为图像光朝向该投射透镜反射；该第一PVH可以被配置为使该图像光透射通过该第一PVH以传播到该投射透镜。

在一些实施方式中，该方法可以包括：在该PVH中使用多个PVH层的双折射率渐变的叠置体。该叠置体可以包括内部PVH层，该内部PVH层位于双折射率较低的两个外部PVH层之间，以减少通过该PVH的该第一偏振的光的泄漏。

参考图1A，偏振体全息图(PVH)光栅100是形成在双折射材料的层110中的偏振选择性光学元件。PVH光栅100可以被配置为例如以第一衍射级衍射第一偏振的光121，同时允许正交的第二偏振的光122沿着入射方向透射通过该PVH光栅。在各种实施例中，PVH光栅100可以被配置为选择性地实现PVH介质的对第一偏振的光的有效折射率n_eff的周期性的空间调制，例如，形成由周期Λ间隔开的恒定折射率的折射率平面115的周期性序列。PVH光栅100的双折射材料可以结合在两个相对的表面112和114之间，在一些实施例中，这两个相对的表面可以是平行的。折射率平面115(也称为布拉格平面)可以相对于表面112、114以倾斜角φ倾斜。在下文描述的示例实施例中，第一偏振和第二偏振可以是旋向性相反的圆偏振。例如，PVH光栅100可以被配置为透射右圆偏振(Right Circular Polarized，RCP)光，同时将左圆偏振(Left Circular Polarized，LCP)光衍射回来，或反之亦然。

在下文中，参考笛卡尔坐标系(x,y,z)55，该笛卡尔坐标系具有与PVH光栅的外表面112、114平行的(x,z)平面，其中y轴指向层厚度的方向，该方向也可以被称为竖直方向。

层110的双折射材料可以表现出双折射率Δn＝|n_o-n_e|。层110的材料的寻常折射率n_o和非常折射率n_e分别相对于该材料中的光轴来限定。在一些实施例中，层110的双折射材料可以表现出螺旋对称，其中螺旋结构108具有沿着y轴的螺旋扭转周期Λ_y，其中一个周期对应于光轴在(x,z)平面中旋转180°。层110的双折射材料还可以被进一步制备为使得光轴的旋转角沿着x轴以Λ_x的周期连续地(例如，线性地)变化。这产生具有均匀光轴取向的一系列倾斜的周期性间隔开的折射率平面115，其中倾斜角φ＝arctan(Λ_y/Λ_x)，这些折射率平面由Λ＝Λ_B＝Λ_x·sin(φ)＝Λ_y·cos(φ)间隔开。当PVH光栅100足够厚，使得入射光121与足够数量的折射率平面115相交时，可以建立布拉格衍射。

在这种实施例中，第一偏振和第二偏振可以是旋向性相反的圆偏振。当入射在PVH光栅100上的圆偏振光(例如，光121)的旋向性对应于光轴沿着入射方向旋转的旋向性(例如，对应于层110中的螺旋结构108的螺旋扭转方向)时，PVH光栅100中的扭转的螺旋结构108与光相互作用以调制该光的相位。因此，PVH光栅100衍射旋向性相同的圆偏振光121，但大致没有衍射地透射偏振扭转方向与PVH光栅的螺旋结构的方向相反的圆偏振光122。本文中的术语“大致没有衍射”意指即使光束的非常小的部分可能衍射，但该部分的衍射的光能量非常小，以至于不影响PVH光栅100的预期性能。在一些实施例中，被衍射的LCP光能量的分数比被衍射的RCP光能量的分数小至少10倍、或至少20倍、或至少100倍。与传统的反射器相比，PVH光栅100可以被配置为使得反射不改变被反射的圆偏振光的旋向性。例如，PVH光栅100反射RCP光121并且透射LCP光122，而不改变它们各自的偏振。

参考图1B，PVH光栅100可以包括LC层104，该LC层设置在衬底层191的上方并且由平行的相对的顶部表面112和底部表面114界定。可选地，第二衬底层193可以设置在LC层104的上方。LC层104可以包括LC流体，该LC流体含有具有正介电各向异性的棒状LC分子(例如，向列型LC分子)107。可以将手性掺杂剂添加到LC流体中，使得LC流体中的LC分子自组织成周期性螺旋扭转配置，该周期性螺旋扭转配置包括在LC层104的平行的顶部表面112与底部表面114之间延伸的螺旋结构108。螺旋结构108的螺旋扭转轴线133可以倾斜。例如，可以使用旋转涂覆在衬底层190上的薄的光配向层192来产生这种配置，该光配向层随后暴露于偏振UV光，以在光配向层192中产生期望的配向图案，从而使得与光配向层192相邻的LC分子107A以周期性旋转的图案配向，其中方位旋转角沿着x轴线性变化。然后，可以在光配向层192上旋转涂覆高扭转LC。可以通过各种方法在光配向层192中诱导周期性表面配向图案，例如，通过将光配向层192暴露于左旋圆偏振UV光束和右旋圆偏振UV光束的干涉图案。可以经由控制螺旋扭转力和手性掺杂剂的浓度来调整螺旋结构沿着y轴的周期性Λ_y。如图所示，相邻的LC分子107采用从LC层104的顶部表面112延伸到底部表面114的螺旋图案。

螺旋结构108形成包括以倾斜角φ倾斜的螺旋双折射条纹125的周期性序列的体光栅。在每个螺旋双折射条纹125内，LC指向矢和光轴旋转180°，从而限定了布拉格周期Λ。多个螺旋周期p＝2Λ，例如，在LC层104的平行的顶部表面112与底部表面114之间的至少两个、至少五个或至少十个螺旋周期p。倾斜角φ的陡度可以取决于在底部表面114处的边界LC分子107A的方位角的变化率。因此，倾斜角φ可以由在配向层192处的边界LC分子107A的表面配向图案来控制。在一些实施例中，LC分子107的螺旋结构108可以通过将稳定聚合物混合到LC流体中并且固化(聚合)该稳定聚合物来进行聚合物稳定。

体光栅的条纹125的螺旋双折射性质使得PVH光栅100优先响应具有一种特定旋向性(例如，左圆偏振或右圆偏振)的偏振光，而大致不响应于相反旋向性的偏振光。因此，螺旋双折射条纹125使得PVH光栅100是偏振选择性的。PVH光栅100的偏振选择性是由于该光栅的有效折射率取决于入射光束的旋向性或手性与光栅条纹125的旋向性或手性之间的关系而产生的。还应注意的是，PVH光栅100对右圆偏振光的灵敏度特别仅意在作为说明性示例。当螺旋条纹125的旋向性反转时，可以使PVH光栅100对左圆偏振光敏感。

下文描述的实施例涉及利用一个或多个PVH光栅来传递扩展的光束以照射反射式显示面板的光波导以及包括利用PVH光栅的偏振选择性来执行各种光处理功能的这种波导的显示装置。

图2A和图2B分别在平面图和侧视图中示意性地示出了包括用于将光耦入和/或耦出波导的一个或多个PVH光栅的示例光波导200。波导200被配置为沿着两个不同的方向扩展或复制输入光束11，以提供扩展的输出光束15。在下文描述的示例中，这两个方向被认为是大体正交的，因此可以被描述为与笛卡尔坐标系(x,y,z)555的x轴和z轴对齐，但对它们的正交性不做要求。波导200包括衬底210，该衬底具有光输入区域201、光输出区域203和两个相对的外表面212、214，这两个相对的外表面被配置为用于通过从表面212、214反射光束11以在衬底210中传播光束11。在以下描述中，衬底210被认为是平坦的，从而可以相对于y轴垂直于衬底的平面的同一“全局”坐标系55方便地描述光在该衬底中的传播。然而，衬底210可以具有例如适应于人脸的曲率，在这种情况下，坐标系55可以被视为对所描述的衬底的区域而言是局部的，其中该坐标系的y轴在所描述的位置处正交于外表面212、214。因此，术语“衬底的平面”可以被理解为与所描述的衬底的特定位置或区域有关，并且指的是可以被视为局部平行于外表面212、214的平面(“(x,z)平面”)。

输入区域201可以具有至少等于波导的输入光瞳(例如，图2A所示的输入光瞳207)的面积。在一些实施例中，输入光瞳可以由入射到其上的光束11所照射的输入区域201的面积来限定。在一些实施例中，光束11可以在角域中被转向(可能但不一定在输入区域201上)，以形成经转向的光瞳。示意性地用实心箭头示出的光束11通过输入耦合器205以超过表面212和214上的全内反射(Total Internal Reflection，TIR)的临界角的一个角度或多个角度耦入到衬底210中，以使光束11在衬底210内以竖直之字形图案(zigzag pattern)传播，从而通过TIR以反弹周期219从表面212和214反弹。因此，表面214、212也可以被称为衬底的TIR表面。在本说明书的上下文中，“竖直”指的是在波导衬底中正交于TIR的相对的外表面的平面或方向。耦入到衬底510中的输入光束11的光可以被称为耦入光(光束)。光束11的耦入到衬底210中并且通过TIR在该衬底中传播的部分可以被称为耦入光束13或耦入光13。

输入耦合器205可以是例如沿着一个外表面(例如，212)在输入区域201上延伸的一个衍射光栅或多个衍射光栅，或者是棱镜耦合器。在一些实施例中，如上所述，输入耦合器205可以是PVH光栅，该PVH光栅对于入射到该PVH光栅上的光的圆偏振的旋向性可以是选择性的。输出区域203可以包括输出耦合器255，该输出耦合器被配置为以连续入射将光束11的偏移光束部分215引导出衬底210，以形成扩展的输出光束15。输出耦合器255可以被实施为例如具有沿着外表面212和214在输出区域203上延伸的一个或多个衍射光栅。

在下文描述的示例实施例中，如上所述，输出耦合器255是PVH光栅，该PVH光栅可以对于入射到该PVH光栅上的光的圆偏振的旋向性是选择性的，并且可以位于外表面212和214中的一者或两者处，或者位于外表面212与214之间。该PVH光栅将多个侧向偏移的平行光束部分215从波导衍射出来，以照射扩展的输出光瞳，这些侧向偏移的平行光束部分可以是光束11的大致较低强度的拷贝或复制品。本文使用的术语“侧向偏移”及其衍生词指的是相邻的共传播光束之间的、在与这些光束在波导的平面中传播的大体方向正交的平面中的空间偏移。在图2A中，示出了对于以正交入射方式入射到波导上的特定波长的输入光束11的光线的光束部分215。这些光束之间的偏移可以等于TIR反弹距离219，或者在存在分束器的情况下等于该TIR反弹距离的一定分数，该偏移对于非正交入射或不同波长的光线可以更大或更小，其中这些光线的方向大体对应于波导的输入处的光束11的入射方向。

如图2A所示，输出区域203可以沿着两个方向(即，x轴和z轴)中的每个方向从输入区域201偏移。折光光栅220被设置为接收来自输入耦合器205的耦入光13，并将该耦入光朝向输出耦合器255重定向。折光光栅220可以被配置为与输出耦合器255协作，以沿着x轴方向和z轴方向进行光束扩展和光瞳复制。

衬底210还可以包括分束器230，以在竖直平面(y,x)上对耦入光束进行分束，以更均匀地将耦入光分布在输出区域上并且增加光瞳复制密度。分束器230可以是例如在相对的外表面212和214之间延伸的、大体与外表面212和214平行的部分反射表面或层。分束器230可以位于输出区域503的上游的耦入光13的路径中。

在一些实施例中，衬底210还可以包括偏振转换器251，诸如a板延迟器。在图2A和图2B中示意性地示出了该偏振转换器251在输出区域203的上游位于输入耦合器205与折光光栅220之间，但是在一些实施例中，该偏振转换器可以至少部分地位于输出区域203中。偏振转换器251可以被配置为调整(例如，旋转)耦入光束的偏振，以改善由输出耦合器255从衬底耦出的光的均匀性。

在所示出实施例中，输入耦合器205被配置为引导耦入光束13沿着衬底的平面内的第一方向(例如，沿着z轴)朝向折光光栅220传播。折光光栅220可以在第一方向上与输入耦合器205对准，并且被配置为将耦入光束13重定向为沿着第二方向(x轴)朝向输出区域503传播。折光光栅520可以是合适地配置的一个衍射光栅或多个衍射光栅，该衍射光栅的在第一方向(z轴)上的长度与波导200的输出光瞳的在该方向上的宽度相对应，并且足以将耦入光束13分成多个侧向偏移的子光束，如图2A中由一系列平行实心箭头所示。在分束器230延伸到衬底的位于折光光栅220上游的区域中和/或与折光光栅220重叠的实施例中，分束器230可以与折光光栅220协作，以形成如图5A以虚线箭头所示的附加的分离的折叠子光束，从而增加了沿着第一方向(z轴)的光束复制密度和耦入光均匀性。

图3以侧视剖视图示意性地示出了利用光波导200A照射反射式显示面板340的显示装置300。光波导200A可以是上述光波导200的实施例，其中实施了输出耦合器255的PVH光栅355设置在衬底210的一个外表面(例如，顶表面212)处。PVH光栅355还可以位于外表面212、214之间并且与外表面212、214间隔开，如图2B和图4所示。类似于光波导200，光波导200A还可以结合偏振转换器(未示出)，诸如例如图2A中的a板延迟器251。与波导200的对应元件在功能上相同或类似的波导200A的元件用相同的附图标记来标记，并且将不再描述。

显示装置300包括反射式显示面板340，并且还可以包括投射透镜370。在NED实施方式中，投射透镜370可以用作目镜透镜。显示面板340结合了反射式像素阵列，该反射式像素阵列面向PVH光栅355所在的波导的输出区域。例如，显示面板340可以是使用在硅背板的顶部上的液晶(LC)层的反射式有源矩阵LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)显示面板或者具有可倾斜微镜的2D阵列的DLP(Digital Light Processing，数字光处理)面板。

光源301被配置为提供照射光的输入光束311。在一些实施例中，输入光束311可以是线偏振的。在一些实施例中，输入光束311可以被圆偏振为具有第一圆偏振，例如，右圆偏振。大体如上文参考波导200所描述的，输入光束311通过输入耦合器205耦入波导200A中，并且朝向输出PVH光栅355传播。耦入光束313的偏振可以改变，例如可以在穿过偏振转换器251(未示出)时、在从外表面212和214以及分束器230反射时、以及可能在PVH光栅355中传输时改变。在一些实施例中，当光束接近波导200A的输出区域时，可以使耦入光束313的偏振为近似线偏振或大体椭圆偏振。在外表面212、214以及可能的分束器230上进行多次反射之后，耦入光束313以可以是第一圆偏振态和第二圆偏振态(例如，RCP和LCP)的混合的偏振态入射到输出PVH光栅355上。输出PVH光栅355可以被配置为例如透射第一偏振态的光(例如，RCP光)，并且衍射第二圆偏振的光(例如，LCP光)。在一些实施例中，输出PVH光栅355还可以被配置为将入射到该输出PVH光栅上的耦入光束313的LCP分量在与输入光束311的入射方向平行的方向上从衬底210衍射出来并且朝向反射式显示面板340衍射。在一些实施例中，从PVH光栅355衍射的输出光束315可以具有与入射到PVH光栅355上的耦入光束313相同的第二圆偏振，例如，LCP。在图3中，用单个箭头示意性地示出了输出光束315，但是可以包括如上所述的多个侧向偏移光束复制品，该多个侧向偏移光束复制品产生于PVH光栅355对耦入光束313的连续衍射。反射式显示面板340将输出光315的经空间调制的部分(即，图像光317)朝向投射透镜37反射，该投射透镜与位于波导200A的另一侧的显示面板340相对地设置。来自显示面板340的反射改变了入射光的圆偏振的旋向性，使得图像光317具有第一圆偏振(例如为RCP光)，对于该第一圆偏振，输出PVH光栅355是大致透明的。因此，图像光317大致没有衍射地通过输出PVH光栅355朝向投射透镜370透射。投射透镜370可以被配置为将图像光317投射到屏幕上或投射到观看者(未示出)的眼睛中。在显示装置300是NED的实施例中，投射透镜370可以用作目镜透镜。

输出PVH光栅355可能使得一些入射的耦入光313通过该输出PVH光栅从波导泄漏出来，从而产生泄漏光319。此外，从PVH光栅355朝向显示面板340衍射的光可能从PVH光栅355与衬底210之间的界面353反射，从而增加了泄漏光319。泄漏光319与图像光317混合，降低了观看者可用的图像对比度。此外，我们发现图像对比度可以作为PVH厚度333h的函数而振荡。

参考图4，对比度振荡可以由于入射光束313的(例如，以第一级衍射)朝向顶表面212(即，朝向图3中的透镜370)向前衍射的部分316(“路径1泄漏”)和输出光束315的在PVH/衬底界面353处反射回来的部分318(“路径2泄漏”)之间的干涉而产生。部分316可以对应于-1级的透射衍射，并且部分318可以对应于-1级的反射衍射。此处，“透射”级或“衍射”级与y轴方向(即，正交于波导平面(x,z))相关，其中负级指的是与y轴方向相反的衍射光的传播方向的投影。当PVH厚度h 333改变时，“路径1泄漏”和“路径2泄漏”之间的干涉可能导致图像对比度以周期Δh＝λ/(2n_eff)振荡，其中，λ是输入光的波长，并且n_eff是PVH光栅在耦入光的传播方向上的有效折射率。图4示出了其中例如利用衬底-PVH界面351和353将PVH光栅355夹在衬底210的两个部分或层之间的实施例，但是当PVH光栅355位于衬底210的外表面212、214中的一个外表面处时(例如，如图3所示)，所描述的机制保持大致相同。

图5示出了对于输出光束315处于正交入射的实施例的模拟的泄漏效率与PVH厚度333h的关系。此处，“泄漏效率”指的是泄漏光319的能量与入射到PVH光栅上的耦入光313的能量的比率。在该模拟示例中，在PVH光栅上方和下方的衬底材料是折射率为1.8的玻璃，并且PVH光栅由n_e＝1.75、n_o＝1.55的螺旋结构的双折射材料形成。衬底内的耦入光的入射角为约46度。PVH光栅的周期为约0.4微米(μm)，其中倾斜角φ为约(-64)度。入射光是波长λ＝0.515μm的LCP光。由于泄漏光316(路径1)和318(路径2)之间的干涉，泄漏效率作为PVH光栅355的厚度h 333的函数而振荡，其中在本示例中振荡周期为约0.158μm的Δh。

可以通过使用具有较低双折射率Δn＝|n_e-n_o|的PVH材料来减少来自路径1的泄漏，并且因此对于“衍射”旋向性的圆偏振光具有较低的有效折射率调制。示例估计表明，对于其中PVH嵌入在折射率n_sub＝1.8的玻璃衬底中的实施例，峰值泄漏可以从对于具有n_e＝1.75、n_o＝1.55和Δn＝0.2的PVH材料的约0.45％降低到对于具有n_e＝1.65、n_o＝1.55、Δn＝0.1的PVH材料的约0.13％，并且PVH相对较薄。然而，降低Δn还可能降低光栅输出效率的角带宽，从而对波导的效率和其视场(Field Of View，FOV)上的均匀性产生负面影响。

还可以通过朝向PVH光栅与衬底的一个界面或多个界面逐渐地(例如，连续地或逐步地)减小PVH光栅中的双折射率Δn来减少与PVH相关的光泄漏。在这样的实施例中，与具有均匀Δn的PVH光栅相比，可以在大致不减少或较小地减少有效输出的角带宽的情况下实现泄漏减少。PVH的双折射率Δn可以通过例如使用具有不同Δn的不同PVH材料的层来改变，或者通过过度曝光所选择的PVH层以破坏PVH的配向来改变。

图6示出了具有PVH光栅655的光波导600的示例衬底610的一部分，该PVH光栅包括被配置为减少在至少一个PVH/光栅界面处的反射的至少两个PVH层的叠置体。在所示出的实施例中，PVH光栅655包括三个PVH层621、622和623。此处，具有第一双折射率Δn₁的中间PVH层621被夹在具有较小双折射率的两个外部PVH层(即，具有第二双折射率Δn₂<Δn₁的第二PVH层622和具有第三双折射率Δn₃<Δn₁的第三PVH层623)之间。在一些实施例中，第二双折射率和第三双折射率可以相等，Δn₂＝Δn₃<Δn₁。PVH层621至623中的每一层可以如上文参考图1A和图1B所描述的那样实施。在一些实施例中，PVH光栅的中间PVH层与外部PVH层之间的双折射率之差可以为至多0.5或至多0.75。在一些实施例中，层之间的双折射率之差可以为至少0.01、或至少0.05、或至少0.1。举例来说，对于中间PVH层621具有达到约1.6μm的厚度h₁、n_e＝1.75、n_o＝1.55和Δn＝0.2并且两个外部PVH层622、623各自具有约0.1μm的厚度h₂、n_e＝1.65、n_o＝1.55和Δn＝0.1的PVH光栅655的实施例，对于具有约10％或小于10％的相对较低的输出效率的薄的PVH光栅可以将泄漏降低到0.04％或更低，如图7所示。

图8示出了具有PVH光栅755的光波导700的示例衬底710的一部分，该PVH光栅包括如上所述的三个PVH层621至623的叠置体，并且该光波导还包括位于一个PVH/光栅界面(例如，与泄漏路径2相关的界面722)处的抗反射(AR)涂层711。AR涂层711可以具有介于衬底折射率与例如相邻的外部层622的非常折射率n_e之间的折射率。AR涂层711的存在可以减少PVH/光栅界面722处的反射，因此至少对于具有相对高的输出效率的相对厚的PVH光栅可以减少泄漏峰。举例来说，对于上述PVH层621至623的示例参数和1.8的衬底折射率，PVH光栅755的AR涂层711可以具有约1.68至1.69的折射率，并且具有约0.076μm的厚度。在该示例中，AR涂层711的存在可以在PVH厚度的宽范围内将泄漏效率降低到0.1％以下，并且对于输出效率在25％至70％范围内或更高的相对厚的PVH光栅可以降低到0.05％以下。图9示出了波导800，该波导可以是在两个PVH/光栅界面处均具有AR涂层711的具有PVH光栅855的波导700的实施例。如上所述，PVH光栅855可以是PVH光栅755的实施例，并且可以包括大致相同的PVH层621至623。

对于观看者的图像对比度由输出效率(即，耦入光的由PVH光栅衍射并转换为图像光的分数除以泄漏效率)限定。例如如图5或图7所示，为了最大化该对比度，可以期望选择在泄漏效率曲线的最小值附近的PVH厚度。然而，可以还期望沿着光路(x轴)改变PVH光栅的输出效率，以便提供图像均匀性。通常期望的是，在PVH光栅处的耦入光的连续衍射产生相同强度的输出光部分；例如参考图2B，PVH光栅255可以被配置为使得由PVH光栅255衍射的输出光部分215在与耦入光的连续相互作用中具有相同的强度。因此，PBH光栅可以被配置为具有其输出效率，并因此厚度沿着耦入光的光路增加，即，在图2A、图2B、图3中沿着x轴增加。举例来说，以约46°的传播角在衬底中传播的耦入光可以经历与约30mm长的输出PVH光栅的约14个衍射相互作用。为了使每次相互作用处的衍射能量相等，连续衍射处的衍射效率将为约0.064、0.069、0.075、0.082、0.09、0.1、0.112、0.128、0.15、0.18、0.225、0.3、0.45、0.9。估计表明，适当地设计的PVH 755可以支持超过200的图像对比度，而在n＝1.8的衬底中的Δn＝0.2的单层PVH光栅将提供同样低的对比度。可以在输出光的泄漏、输出效率和空间均匀性之间以折衷的方式选择PVH光栅755的各种设计。

图10示意性地示出了显示装置900，该显示装置利用转向反射器920、光波导950、显示面板940和投射透镜970来实施具有经转向的输出光瞳991的显示器。显示装置900可以是例如近眼显示器(NED)。例如，显示面板940可以是使用在硅背板的顶部上的液晶(LC)层的反射式有源矩阵LCOS(硅基液晶)显示面板或者具有可倾斜微镜的2D阵列的DLP(数字光处理)面板。反射式显示面板940将入射到该反射式显示面板上的光的经空间调制的部分(称为图像光)朝向投射透镜970反射，该投射透镜与位于光波导950的另一侧的显示面板940相对地设置。投射透镜970可以被配置为将图像光投射到屏幕上或投射到观看者(未示出)的眼睛中。在显示装置900是NED的实施例中，投射透镜970可以用作目镜透镜，从而将图像光投射到适眼框990上。

光波导950可以是上述光波导200、200A、600、700或800的实施例。光波导950具有光学透明材料的衬底910。衬底910结合了输入耦合器905和输出耦合器955，该输入耦合器和该输出耦合器中的至少一者以PVH光栅来实施。衬底910可以例如由高折射率玻璃或其它合适的光学透明材料制成，优选地具有1.5至2.0范围或更大的折射率。如上所述，波导950还可以包括如上所述的折光光栅、a板、分束器或它们的某种组合，这些部件在图10中未示出以避免混杂。光源901可以与转向反射器920相对地设置，其中衬底910的输入区域包括位于该光源与该转向反射器之间的输入耦合器905。光源901例如可以被实施为激光二极管(Laser Diode，LD)、或可以是不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的两个或更多个LD。光源901还可以在其输出处包括光束整形光学器件。在一些实施例中，光源901还可以包括输出偏振器，例如，线偏振器、或波片(例如，四分之一波片(Quarter-Wave Plate，QWP))或它们的某种组合。转向反射器920可以是例如微镜，例如微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)镜。

在一个实施例中，光源901可以被配置为朝向转向反射器920发射第一圆偏振(Circular Polarization，CP)的光束101，例如，LCP光。光源901可以包括四分之一波片(QWP)，以将来自LD的线偏振光转换为期望的圆偏振。输入耦合器905可以是PVH光栅，该PVH光栅被配置为透射第一圆偏振的光(例如，LCP光)，并且衍射旋向性相反的第二圆偏振的光(例如，RCP光)。在从转向反射器920反射时，光束101将该光束的偏振改变为正交的偏振(例如，从LCP光到RCP光)，并且作为经转向的光束911朝向输入耦合器传播回来。如上所述并且如图10中由之字形实线和虚线示意性地所示，输入耦合器905衍射经转向的光束911，以在衬底910的相对的外表面处通过TIR在该衬底910内传播。在每个TIR处，经转向的光束911改变该光束的偏振的旋向性，该旋向性在偶数次反射后复原；例如，在每次反弹处，经转向的光束911在远离显示面板940传播时可以是LCP光束，并且当朝向显示面板940传播时可以是RCP光束。

如上所述，在到达衬底的输出区域之后，经转向的光束911在每次从外表面912、914反射之后重复地入射到输出耦合器955上，从而产生一系列侧向偏移的光束复制品。输出耦合器955当被实施为合适地设计的PVH光栅时可以在每次经转向的光束911从PVH光栅955的输入侧952(即，PVH光栅955的面向显示面板940的一侧或面向显示面板的PVH-衬底界面)入射在该PVH光栅上时，将经转向的光束911朝向显示面板940从衬底910衍射出来。来自PVH光栅955的经转向的光束911的连续衍射产生照射在显示面板940上的一系列光束复制品。这些光束复制品然后以正交圆偏振态从显示面板940反射，这允许这些光束复制品在大致没有衍射的情况下透射通过PVH光栅955。可以如上文参考图1A、图1B、图4、图6、图8或图9所描述的那样实施PVH光栅955。在一些实施例中，PVH光栅955可以是如上文参考图6、图8或图9所描述的渐变双折射多层PVH光栅。

输入PVH光栅905和输出PVH光栅955可以被配置为衍射旋向性相反的圆偏振光。例如，输入PVH光栅905可以被配置为衍射第一CP的光(例如，LCP光)，并且透射第二CP的光(例如，RCP光)，而输出PVH光栅955可以被配置为衍射第二CP的光(例如，RCP光)，并且透射第一CP的光(例如，LCP光)。在其它实施例中，输入PVH光栅905和输出PVH光栅955被配置为衍射旋向性相同的圆偏振光，例如，在输入PVH光栅905设置在衬底910的面对显示面板940的外表面914处的情况下是如此的。

扫描反射器920(例如，倾斜镜)可以进行操作以在某个角度范围内成角度地扫描光束911，从而改变光束911或该光束的主光线在从反射器920反射之后入射在输入耦合器905上的入射角。所扫描的光束911或该光束的主光线在衬底910上的入射角确定了经转向的光瞳991在显示器的适眼框990中的位置。在图10中，通过示例示出了对于两个不同的扫描角的光束911的主光线在衬底910中的轨迹。实线对应于在波导上的正交入射，该正交入射可以对应于经转向的光瞳991在适眼框990的中心区域中的位置。该虚线对应于经转向的光束911的主光线倾斜入射在输入耦合器905上，从而使得光束复制品相应地倾斜入射在反射式显示面板940上，并且经转向的光瞳991偏移为更接近新位置991a，例如，更接近适眼框990的边缘。

经转向的光束911可以发散，以便通过多个照射锥体来照射显示面板940，每个照射锥体是经转向的光束911的较低强度的复制品。显示装置900可以被设计为使得对于每个转向角，照射锥体会聚到同一所扫描的光瞳991上，从而使适眼框990未充满，这使得能够以更好的角度分辨率和更少的像差将图像光更有效地引导到观看者的眼睛中。在一些实施例中，显示装置900可以设置有眼动追踪系统(未示出)。此外，与发射式显示器相比，显示装置900的照射系统允许使用诸如LDS的窄带光源，该窄带光源可以改善色域、减少色散对分辨率的影响，并且允许使用窄带衍射光学元件。附加地，使用作为输出耦合器的PVH光栅和多层渐变折射率PVH光栅可以通过消除或至少减少伪反射和不期望的衍射级来提供更好的图像对比度和更少的伪影图像。

参考图11A和图11B，近眼AR/VR显示器1100包括具有一副眼镜的形状要素的主体或框架1102。显示器1104包括光瞳复制波导1106(图11B)，该光瞳复制波导向适眼框1110(即，可以将高质量图像呈现给用户眼睛1112的几何区域)提供图像光1108。光瞳复制波导1106可以包括本文描述的任何波导，即，图2A和图2B、图3和图4的波导200、图3的波导200A以及图4、图6、图8或图9中示出的波导。

近眼AR/VR显示器1100的图像光源可以包括例如但不限于液晶显示器(LiquidCrystal Display，LCD)、有机发光显示器(Organic Light Emitting Display，OLED)、无机发光显示器(Inorganic Light Emitting Display，ILED)、有源矩阵有机发光二极管(Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode，AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(Transparent Organic Light Emitting Diode，TOLED)显示器、投射器或它们的组合。近眼AR/VR显示器1100还可以包括眼动追踪系统1114，该眼动追踪系统用于实时确定用户眼睛1112的注视方向和/或聚散角。所确定的注视方向和聚散角也可以用于根据视角和眼睛位置对视觉伪影进行实时补偿。此外，所确定的聚散角和注视角可以用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、动态地创建附加对象或指针等。此外，近眼AR/VR显示器1100可以包括音频系统，例如一组小型扬声器或耳机。

现在转到图12，HMD 1200是AR/VR可穿戴显示系统的示例，该AR/VR可穿戴显示系统包围用户的眼睛，以用于更大程度地沉浸在AR/VR环境中。HMD 1200还可以是包括如下部件的AR/VR系统的一部分：用户位置和取向追踪系统、外部摄像头、姿势识别系统、用于向系统提供用户输入和控制的控制装置、以及用于储存用于与用户交互以与AR/VR环境交互的软件程序和其它数据的中央控制台。HMD 1200的功能是利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影像。HMD 1200可以包括前本体1202和带1204。前本体1202被配置为用于以可靠且舒适的方式放置在用户的眼睛的前方，并且带1204可以被拉伸以将前本体1202固定在用户的头部上。显示系统1280可以包括本文描述的任何光瞳复制波导。显示系统1280可以设置在前本体1202中，以向用户呈现AR/VR图像。前本体1202的侧面1206可以是不透明的或透明的。

在一些实施例中，前本体1202包括定位器1208、用于追踪HMD 1200的加速度的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)1210、以及用于追踪HMD 1200的位置的位置传感器1212。定位器1208由虚拟现实系统的外部成像设备来追踪，使得虚拟现实系统可以追踪HMD 1200的位置和取向。可以将由IMU和位置传感器1212生成的信息与通过追踪定位器1208获得的位置和取向进行比较，以改善对HMD 1200的位置和取向的追踪。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合适的虚拟场景非常重要。

HMD 1200还可以包括实时确定用户眼睛的取向和位置的眼动追踪系统1214。所获得的眼睛的位置和取向允许HMD 1200确定用户的注视方向，并相应地调整由显示系统1280生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，即用户眼睛注视的会聚角。所确定的注视方向和聚散角也可以用于根据视角和眼睛位置对视觉伪影进行实时补偿。此外，所确定的聚散角和注视角可以用于与用户交互、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，该音频系统包括例如内置于前本体1202中的一组小型扬声器。

本公开的实施例可以包括人工现实系统或者结合人工现实系统来实施。人工现实系统在向用户呈现之前以某种方式调整通过感官获得的关于外部世界的感官信息(诸如视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等)。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、混合现实(MixedReality，MR)、混合现实(hybrid reality)或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容，或与采集的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈或它们的某种组合。可以在单个通道中或在多个通道中(诸如，在向观看者生成三维效果的立体视频中)呈现该内容中的任何内容。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实中(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实施，这些平台包括可穿戴显示器(诸如，连接至主控计算机系统的HMD、独立的HMD、具有眼镜的形状要素的近眼显示器)、移动设备或计算系统、或者能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。

本公开的范围不受本文描述的特定实施例的限制。根据上述描述和附图，除了本文描述的这些实施例和修改之外，其它各种实施例和修改对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。因此，这样的实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，参考特定实施例描述的要素或特征可以在其它实施例中使用。此外，尽管本文已经出于特定目的在特定环境中在特定实施方式的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到，本公开的实用性不限于此，并且可以出于任何数量的目的在任何数量的环境中有利地实施本公开。因此，随附的权利要求应当根据如本文所描述的本公开的全部范围来解释。

Claims

1.一种光波导，包括：

光学透明材料的衬底，所述衬底包括两个相对的外表面，以通过从所述两个相对的外表面的反射来引导所述衬底中的光束；以及

偏振体全息图(PVH)，所述PVH设置在所述衬底中或所述衬底上，所述PVH被配置为使第一偏振的光透射通过所述PVH，同时衍射正交的第二偏振的光，其中，所述PVH还被配置为将所述光束的具有所述第二偏振的部分从所述衬底衍射出来。

2.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述第一偏振和所述第二偏振是旋向性相反的圆偏振。

3.根据权利要求2所述的光波导，其中，所述衬底还包括：输入区域，所述输入区域用于将所述光束耦入所述衬底中；以及输出区域，所述输出区域位于距所述输入区域一定距离处，所述输出区域用于将所述光束从所述衬底耦出，以形成输出光束；其中，所述PVH设置在所述输入区域或所述输出区域中的至少一者中。

4.根据权利要求3所述的光波导，其中，所述PVH设置在所述输出区域中。

5.根据权利要求3或4所述的光波导，其中，所述PVH包括多个PVH层的叠置体，所述叠置体的至少一个PVH层包括螺旋双折射条纹的周期性序列，其中，所述叠置体的相邻的PVH层具有不同的双折射率。

6.根据权利要求5所述的光波导，其中，所述多个PVH层的叠置体包括位于第二PVH层与第三PVH层之间的第一PVH层，所述第一PVH层的双折射率比所述第二PVH层和所述第三PVH层的双折射率高。

7.根据权利要求6所述的光波导，其中，所述PVH沿着所述两个相对的外表面在所述输出区域上延伸；并且优选地

其中，所述PVH被配置为在所述输出区域上在所述光束的传播方向上具有增加的衍射效率。

8.根据权利要求6或7所述的光波导，包括折光光栅，所述折光光栅在所述衬底中设置在从所述输入区域到所述输出区域的所述光束的光路中；并且优选地

所述光波导包括分束器，所述分束器在所述衬底中设置在所述光束的所述光路中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光波导，优选是根据权利要求6至8中任一项所述的光波导，包括抗反射(AR)涂层，所述AR涂层位于所述PVH与所述衬底之间的界面处。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光波导，优选是根据权利要求6至9中任一项所述的光波导，包括a板延迟器，所述a板延迟器在所述衬底中设置在所述光束的光路中。

11.一种显示装置，包括：

显示面板；以及

用于所述显示面板的照射器，所述照射器包括：

光源，所述光源用于发射光束；以及

光波导，所述光波导用于传递所述光束以照射所述显示面板，所述光波导包括：

光学透明材料的衬底，所述衬底包括：

输入区域，所述输入区域用于将所述光束耦入所述衬底中；以及输出区域，所述输出区域位于距所述输入区域一定距离处，所述输出区域用于将所述光束从所述衬底耦出，以形成输出光束；

两个相对的外表面，所述两个相对的外表面用于通过从所述两个相对的外表面的反射来引导所述衬底中的所述光束；以及

第一偏振体全息图(PVH)，所述第一PVH设置在所述衬底的所述输出区域或所述输入区域中的至少一者中，所述第一PVH包括螺旋双折射条纹的周期性序列，并且所述第一PVH被配置为衍射具有第一偏振的光，同时使正交的第二偏振的光透射通过所述第一PVH。

12.根据权利要求11所述的显示装置，其中，所述第一PVH在所述输出区域中沿着所述外表面延伸，以将入射到所述第一PVH上的所述光束的具有所述第一偏振的部分作为输出光从所述衬底衍射出来，所述第一PVH包括多个PVH层的叠置体，所述叠置体的每个PVH层包括螺旋双折射条纹的周期性序列，所述叠置体包括位于两个外部PVH层之间的中间PVH层，所述中间PVH层的双折射率比所述外部PVH层的双折射率大，其中，所述第一偏振和所述第二偏振是旋向性相反的圆偏振。

13.根据权利要求12所述的显示装置，还包括投射透镜，所述投射透镜与所述显示面板相对地设置，其中，所述光波导的所述输出区域位于所述投射透镜与所述显示面板之间，其中，所述显示面板被配置为将所述输出光的至少一部分作为图像光朝向所述投射透镜反射，并且其中，所述第一PVH被配置为使所述图像光透射通过所述第一PVH以传播到所述投射透镜；并且优选地

所述显示装置包括转向反射器，所述转向反射器被配置为将来自所述光源的所述光束以可变的入射角朝向所述输入区域引导；并且优选地

所述显示装置包括第二PVH，所述第二PVH被配置为透射所述第一偏振的光和所述第二偏振的光中的一者，并且衍射所述第一偏振的光和所述第二偏振的光中的另一者，所述第二PVH在所述输入区域中设置在所述光源与所述转向反射器之间，所述光源被配置为发射所述第一偏振和所述第二偏振中的一种偏振的圆偏振光。

14.一种用于照射显示面板的方法，所述方法包括：

使用光波导将光束朝向所述显示面板传播，以及

使用偏振体全息图(PVH)来执行如下中的至少一项：将所述光束耦入所述光波导内；或将所述光束从所述光波导耦出，所述PVH包括螺旋双折射条纹的周期性阵列，并且所述PVH被配置为衍射第一偏振的入射光，同时透射正交的第二偏振的入射光。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：在所述PVH中使用多个PVH层的双折射率渐变的叠置体，所述叠置体包括内部PVH层，所述内部PVH层位于双折射率较低的两个外部PVH层之间，以减少通过所述PVH的所述第一偏振的光的泄漏；并且优选地

所述方法包括：使用位于所述光波导的输入区域中的第一PVH，以使来自光源的圆偏振光通过所述第一PVH透射到转向反射器；以及使用设置在所述光波导的输出区域中的渐变双折射的第二PVH，以将光朝向反射式显示面板从所述波导衍射出来，并且将从所述反射式显示面板反射的光朝向投射透镜透射，所述投射透镜与所述反射式显示面板相对地设置。