TW202332960A - 具有偏振體全像光柵的波導 - Google Patents

具有偏振體全像光柵的波導 Download PDF

Info

Publication number
TW202332960A
TW202332960A TW111141364A TW111141364A TW202332960A TW 202332960 A TW202332960 A TW 202332960A TW 111141364 A TW111141364 A TW 111141364A TW 111141364 A TW111141364 A TW 111141364A TW 202332960 A TW202332960 A TW 202332960A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
polarizer
light
hologram
substrate
optical waveguide
Prior art date
Application number
TW111141364A
Other languages
English (en)
Inventor
麥克斯韋 帕森斯
彭楓琳
許苗苗
何習輝
楊洋
史宇
林滇敏
Original Assignee
美商元平台技術有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商元平台技術有限公司 filed Critical 美商元平台技術有限公司
Publication of TW202332960A publication Critical patent/TW202332960A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1842—Gratings for image generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4213—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical elements being polarisation selective optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0018—Redirecting means on the surface of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本發明提供一種波導。該波導包括具有兩個外表面之基板，該兩個外表面用於藉由自其反射光束來在該基板中傳播該光束。該波導包括至少一個偏振體全像（PVH）光柵以將光耦合入該波導中及/或耦出該波導。該PVH光柵可為具有漸變雙折射率之多層PVH光柵。

Description

具有偏振體全像光柵的波導
本發明係關於光學組件，且特定而言，係關於可用於可穿戴式顯示器中之波導。
頭戴式顯示器（Head-mounted display；HMD）、近眼顯示器（near-eye display；NED）及其他可穿戴式顯示系統可用以向使用者呈現虛擬景物，或用動態資訊、資料或虛擬物件擴增真實景物。虛擬或擴增景物可為三維（three-dimensional；3D）的以增強體驗且將虛擬物件與由使用者觀測到之真實物件匹配。可即時追蹤使用者之眼睛位置及凝視方向及/或位向，且可取決於使用者之頭部位向及凝視方向而動態地調整所顯示景物，以提供沉浸至模擬或擴增環境中之較佳體驗。
輕巧且緊密之近眼顯示器減少使用者之頭部及頸部上之應力，且配戴起來通常更舒適。此類顯示器之光學區塊可為整個系統之最重部分。緊密的平面光學組件，諸如波導、光柵、菲涅耳（Fresnel）透鏡等，可用於減小光學區塊之大小及重量。然而，緊密的平面光學件可具有與影像品質、輸出光瞳大小及均勻性、光瞳遊動、所產生影像之視場、視覺假影等相關的限制。
本發明的一態樣為一種光學波導，其包含：光學透明材料之基板，其包含兩個相對的外表面，這些外表面用於藉由自其的反射來在該基板中導引光束；及偏振體全像，其安置於該基板中或該基板上，該偏振體全像配置以透射第一偏振之光，同時繞射正交的第二偏振之光，其中該偏振體全像進一步配置以將具有該第二偏振之該光束之一部分繞射出該基板。
在本發明的上述態樣所述之光學波導中，該第一偏振及該第二偏振為相反旋向性之圓偏振。
在本發明的上述態樣所述之光學波導中，該基板進一步包含用於將該光束耦入該基板中之輸入區，及與該輸入區相距一距離以用於將該光束耦出該基板以形成輸出光束的輸出區；其中該偏振體全像安置於該輸入區或該輸出區中之至少一者中。
在本發明的上述態樣所述之光學波導中，該偏振體全像安置於該輸出區中。
在本發明的上述態樣所述之光學波導中，該偏振體全像包含偏振體全像層之堆疊，該堆疊之至少一個偏振體全像層包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，其中該堆疊之鄰近偏振體全像層具有不同雙折射率。
在本發明的上述態樣所述之光學波導中，該偏振體全像層之該堆疊包含在第二偏振體全像層與第三偏振體全像層之間的第一偏振體全像層，該第一偏振體全像層具有高於該第二偏振體全像層及該第三偏振體全像層的雙折射率。
本發明的上述態樣所述之光學波導包含在該偏振體全像光柵與該基板之間的界面處之抗反射塗層。
在本發明的上述態樣所述之光學波導中，該偏振體全像沿著這些兩個相對的外表面跨越該輸出區而延伸。
在本發明的上述態樣所述之光學波導中，該偏振體全像配置以在該光束跨越該輸出區之傳播方向上具有增加之繞射效率。
本發明的上述態樣所述之光學波導包含在該光束自該輸入區至該輸出區之光學路徑中安置於該基板中的摺疊光柵。
本發明的上述態樣所述之光學波導包含在該光束之該光學路徑中安置於該基板中的光束分光器。
本發明的上述態樣所述之光學波導包含在該光束之光學路徑中安置於該基板中的a板延遲器。
本發明的另一態樣為一種顯示設備，其包含：顯示面板；及用於該顯示面板之照明器，該照明器包含：光源，其用於發射光束；及光學波導，其用於中繼該光束以照明該顯示面板，該光學波導包含：光學透明材料之基板，該基板包含：輸入區，其用於將該光束耦入該基板中，及輸出區，其與該輸入區相距一距離以用於將該光束耦出該基板以形成輸出光束；兩個相對的外表面，其用於藉由自其的反射來在該基板中導引該光束；及第一偏振體全像，其安置於該基板之該輸出區或該輸入區中之至少一者中，該第一偏振體全像包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，且配置以繞射具有第一偏振之光，同時透射正交的第二偏振之光。
在本發明的另一態樣所述之顯示設備中，該第一偏振體全像在該輸出區中沿著這些外表面延伸以將入射於其上之具有該第一偏振的該光束之一部分作為輸出光繞射出該基板，該第一偏振體全像包含偏振體全像層之堆疊，該堆疊之各偏振體全像層包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，該堆疊包含在兩個外部偏振體全像層之間的中間偏振體全像層，該中間偏振體全像層具有大於這些外部偏振體全像層的雙折射率，其中該第一偏振及該第二偏振為相反旋向性之圓偏振。
本發明的另一態樣所述之顯示設備進一步包含與該顯示面板相對安置之投影透鏡，其間具有該光學波導之該輸出區，其中該顯示面板配置以將該輸出光之至少一部分作為影像光朝向該投影透鏡反射，且其中該第一偏振體全像配置以透射該影像光以傳播至該投影透鏡。
本發明的另一態樣所述之顯示設備包含轉向反射器，該轉向反射器配置為以可變入射角將來自該光源之該光束朝向該輸入區導引。
本發明的另一態樣所述之顯示設備包含第二偏振體全像，該第二偏振體全像配置以透射該第一偏振及該第二偏振中之一者的光且繞射該第一偏振及該第二偏振中之另一者的光，該第二偏振體全像在該光源與該轉向反射器之間安置於該輸入區中，該光源配置以發射該第一偏振及該第二偏振中之該一者的圓偏振光。
本發明的又一態樣為一種用於照明顯示面板的方法，該方法包含：使用光學波導朝向該顯示面板傳播光束，及使用偏振體全像執行以下操作中之至少一者：將該光束耦入該光學波導中或耦出該光學波導，該偏振體全像包含螺旋雙折射條紋之週期性陣列且配置以繞射第一偏振之入射光，同時透射正交的第二偏振之入射光。
本發明的又一態樣所述之方法包含使用該偏振體全像中之偏振體全像層的雙折射率漸變堆疊以減少該第一偏振之光經由該偏振體全像的洩漏，該堆疊包含在雙折射率較低之兩個外部偏振體全像層之間的內部偏振體全像層。
本發明的又一態樣所述之方法包含：在該光學波導之輸入區中使用第一偏振體全像以將來自光源之圓偏振光透射至轉向反射器；及使用安置於該光學波導之輸出區中的第二漸變雙折射率偏振體全像以朝向反射式顯示面板將光繞射出該波導，且朝向與該反射式顯示面板相對安置之投影透鏡透射自該反射式顯示面板反射的光。
雖然結合各種具體實例及實例描述了本發明教示，但本發明教示並不意欲限於此等具體實例。相反，如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本發明教示涵蓋各種替代方案及等效物。本文中敍述本發明之原理、態樣及具體實例以及其特定實例的所有陳述意欲涵蓋其結構等效物及功能等效物兩者。另外，此類等效物意欲包括當前已知的等效物以及未來開發的等效物兩者，亦即，無論結構如何，所開發的執行相同功能的任何元件。貫穿此說明書對「一個具體實例」或「一具體實例」之提及意謂可在一或多個具體實例中以任何合適的方式組合特定特徵、結構或特性。
如本文中所使用，除非明確陳述，否則術語「第一」、「第二」等並不意欲暗示順序定序，而是意欲區分一個元件與另一元件。類似地，除非明確陳述，否則方法步驟之順序定序並不暗示其執行的順序次序。
光學波導可用於諸如（但非排他地）近眼顯示器（NED）之顯示系統中，以藉由擴展光束來照明透射或反射式顯示面板。輸入光束可藉由合適的輸入耦合器耦入光學波導中，該輸入耦合器之面積可相對較小，且接著可使用輸出耦合器耦出光學波導，該輸出耦合器可跨越波導之相對較大輸出區延伸以提供擴展光束。可能需要波導表面之高度平坦度及平行度以提供均勻照明。顯示面板可在空間及時間上調變照明光以提供攜載影像之影像光。反射式顯示面板可將影像光反射回輸出波導以用於經由其傳播，例如反射回檢視區域，該檢視區域可位於光學波導的與顯示面板不同之一側。安置於輸出區中之偏振體全像（PVH）光柵，例如多層漸變雙折射率PVH光柵，可用作偏振選擇性輸出耦合器，以將第一偏振之耦入光繞射出波導以照明顯示面板，同時允許以第二偏振自顯示面板反射之影像光經由其朝向檢視區域（例如，在NED實施方案中朝向眼動區（eyebox））傳遞。在本文中，術語「眼動區」意謂NED之使用者可觀測到良好品質影像的用於使用者之眼睛的幾何區域。術語「漸變雙折射率」係指具有不同雙折射率之部分（例如，層）的結構或元件，雙折射率典型地在結構表面附近比遠離表面處低。
本文中所描述之具體實例係關於一種光學波導，其包含：光學透明材料之基板，其包含兩個相對的外表面，這些外表面用於藉由自其的反射來在基板中導引光束；及PVH，其安置於基板中或基板上，且經配置以透射第一偏振之光，同時繞射第二正交偏振之光；PVH經進一步配置以將具有第二偏振之光束之一部分繞射出基板。
在一些實施方案中，第一偏振及第二偏振可為相反旋向性之圓偏振。
在一些實施方案中，基板可進一步包含用於將光束耦入基板中之輸入區，及與輸入區相距一距離以用於將光束耦出基板以形成輸出光束之輸出區，其中PVH安置於輸入區或輸出區中之至少一者中。
在一些實施方案中，PVH安置於輸出區中。
在以上實施方案中之任一者中，PVH可包含PVH層之堆疊，堆疊之至少一個PVH層包含螺旋雙折射條紋之週期性序列；堆疊之鄰近PVH層可具有不同雙折射率。PVH層之堆疊可例如包含在第二PVH層與第三PVH層之間的第一PVH層，該第一PVH層具有高於第二PVH層及第三PVH層的雙折射率。
在以上實施方案中之任一者中，可在PVH光柵與基板之間的界面處設置抗反射（anti-reflection；AR）塗層。
在以上實施方案中之任一者中，PVH可沿著兩個相對的外表面跨越輸出區而延伸。PVH可進一步經配置以在光束跨越輸出區之傳播方向上具有增加之繞射效率。
在以上實施方案中之任一者中，光學波導可包含以下各者中之至少一者：摺疊光柵，其在光束自輸入區至輸出區的光學路徑中安置於基板中；光束分光器，其在光束之光學路徑中安置於基板中；及a板延遲器，其在光束之光學路徑中安置於基板中。
本發明之另一態樣係關於一種顯示設備，其包含：顯示面板；及用於顯示面板之照明器，該照明器包含：光源，其用於發射光束；及光學波導，其用於中繼光束以照明顯示面板。光學波導包含光學透明材料之基板，該基板包含用於將光束耦入基板中之輸入區，及與輸入區相距一距離以用於將光束耦出基板以形成輸出光束的輸出區。光學波導進一步包含兩個相對的外表面，用於藉由自其的反射在基板中導引光束；及第一PVH，其安置於基板之輸出區或輸入區中之至少一者中，該第一PVH包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，且經配置以繞射具有第一偏振之光，同時透射第二正交偏振之光。
在顯示設備之一些實施方案中，第一PVH可在輸出區中沿著外表面延伸以將入射於其上之具有第一偏振的光束之一部分作為輸出光繞射出基板；第一PVH可包含PVH層之堆疊，堆疊之各PVH層包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，該堆疊包含在兩個外部PVH層之間的中間PVH層，該中間PVH層具有大於外部PVH層的雙折射率；第一偏振及第二偏振可為相反旋向性之圓偏振。
在一些實施方案中，顯示設備可進一步包含與顯示面板相對安置的投影透鏡，其間具有光學波導之輸出區；顯示面板可經配置以將輸出光之至少一部分作為影像光朝向投影透鏡反射；第一PVH可經配置以透射影像光以傳播至投影透鏡。
在以上實施方案中之任一者中，顯示設備可包含轉向反射器，該轉向反射器經配置為以可變入射角將來自光源之光束朝向輸入區導引。
在以上實施方案中之任一者中，顯示設備可包含第二PVH，該第二PVH經配置以透射第一偏振及第二偏振中之一者的光且繞射第一偏振及第二偏振中之另一者的光，該第二PVH在光源與轉向反射器之間安置於輸入區中；該光源可經配置以發射第一偏振及第二偏振中之該者的圓偏振光。
本發明之另一態樣係關於一種用於照明顯示面板之方法，該方法包含：使用光學波導朝向顯示面板傳播光束；及使用PVH執行以下操作中之至少一者：將光束耦入光學波導中或耦出光學波導，該PVH包含螺旋雙折射條紋之週期性陣列且經配置以繞射第一偏振之入射光，同時透射第二正交偏振之入射光。
在一些實施方案中，該方法可包含使用PVH中之PVH層的雙折射率漸變堆疊。該堆疊可包含雙折射率較低之兩個外部PVH層之間的內部PVH層，以減少第一偏振之光經由PVH的洩漏。
在一些實施方案中，該方法可包含：在光學波導之輸入區中使用第一PVH以將來自光源之圓偏振光透射至轉向反射器（steering reflector）；及使用安置於光學波導之輸出區中的第二漸變雙折射率PVH以朝向反射式顯示面板將光繞射出波導，且朝向與反射式顯示面板相對安置之投影透鏡透射自反射式顯示面板反射的光。
參看圖1A，偏振體全像（PVH）光柵100係形成於雙折射材料層110中的偏振選擇性光學元件。PVH光柵100可經配置為例如以第一繞射級繞射第一偏振之光121，同時允許沿著入射方向透射第二正交偏振之光122。在各種具體實例中，PVH光柵100可經配置以針對第一偏振之光選擇性地實行PVH介質之有效折射率 n eff 的週期性空間調變，例如形成具有恆定折射率之折射平面115的週期性序列，其間隔為週期Λ。PVH光柵100之雙折射材料可在兩個相對表面112與114之間結合，這些表面在一些具體實例中可為平行的。亦被稱為布拉格（Bragg）平面之折射平面115可相對於表面112、114以傾斜角ϕ傾斜。在下文所描述之例示性具體實例中，第一偏振及第二偏振可為相反旋向性之圓偏振。舉例而言，PVH光柵100可經配置以透射右圓偏振（right circular polarized；RCP）光，同時繞射回左圓偏振（left circular polarized；LCP）光，或反之亦然。
在下文中，參考笛卡爾（Cartesian）座標系統(x,y,z) 55，其具有平行於PVH光柵之外表面112、114的(x,z)平面，其中y軸指向層厚度之方向，其亦可被稱作垂直方向。
層110之雙折射材料可展現出雙折射率Δn = | n o-n e |。層110之材料的普通折射率 n o 及非尋常折射率 n e 分別係相對於材料中之光軸而定義。在一些具體實例中，層110之雙折射材料可展現出螺旋對稱性，其中螺旋結構108沿著y軸具有螺旋扭轉週期Λ y，其中一個週期對應於光軸在(x,z)平面中旋轉180°。可進一步製備層110之雙折射材料，以使得光軸之旋轉角度沿著x軸連續地（例如，線性地）改變，其中週期為Λ x。此導致一系列傾斜及週期性間隔的折射率平面115具有均勻的光軸位向，其中傾斜角 ϕ =arctan (Λ y/ Λ x)，其間隔為Λ = Λ B= Λ x·sin(ϕ) = Λ y·cos(ϕ)。當PVH光柵100足夠厚以使得入射光120與足夠數目個折射率平面115相交時，可建立布拉格繞射。
在此類具體實例中，第一偏振及第二偏振可為相反旋向性之圓偏振。當照射於PVH光柵100上之圓偏振光（例如，光121）的旋向性對應於沿著入射方向之光軸旋轉的旋向性時，例如對應於層110中之螺旋結構108的螺旋扭轉方向時，PVH光柵100中之螺旋扭轉結構108與光相互作用以調變其相位。因此，PVH光柵100繞射相同旋向性之圓偏振光121，但實質上無繞射地透射圓偏振光122，該圓偏振光的偏振扭轉方向與PVH光柵之螺旋結構的方向相反。在本文中，術語「實質上無繞射」意謂，即使光束之一小部分可能會繞射，但繞射光能之部分極小，使得其不影響PVH光柵100之預期效能。在一些具體實例中，被繞射之LCP光能之分率比被繞射之RCP光能之分率小至少10倍，或至少20倍，或至少100倍。相比於習知反射器，PVH光柵100可經配置以使得反射不會改變正被反射之圓偏振光121'的旋向性。舉例而言，PVH光柵100反射RCP光121並透射LCP光122而不改變其各別偏振。
參看圖1B，PVH光柵100可包括LC層104，其安置於基板層191上方且由相對的頂部平行表面112及底部平行表面114結合。視情況，第二基板層193可安置於LC層104上方。LC層104可包括LC流體，該流體含有具有正介電各向異性之桿狀LC分子107，例如向列型LC分子。可將對掌性摻雜劑添加至LC流體，使得LC流體中之LC分子自組織成週期性螺旋扭轉配置，其包括在LC層104之頂部平行表面112與底部平行表面114之間延伸的螺旋結構108。螺旋結構108之螺旋扭轉軸線133可傾斜。此類配置可例如使用旋塗在基板層191上方之薄光對準層192來產生，該光對準層隨後曝露於偏振UV光以在光對準層192中產生所需對準圖案，以便使鄰近於光對準層192之LC分子107A以週期性旋轉圖案對準，其中方位角旋轉角度沿著x軸線性變化。可接著在光對準層192上方旋塗高扭轉LC。可藉由各種方法在光對準層192中誘發週期性表面對準圖案，例如藉由將光對準層192曝露於左手及右手圓偏振UV光束的干涉圖案。可經由控制螺旋扭轉力及對掌性摻雜劑之濃度來調整螺旋結構沿著y軸之週期性Λ y。如所展示，鄰近LC分子107採用自LC層104之頂部表面112延伸至底部表面114的螺旋圖案。
螺旋結構108形成體光柵，該體光柵包含以傾斜角 ϕ 傾斜的螺旋雙折射條紋125之週期性序列。在各螺旋雙折射條紋125內，LC導向器及光軸旋轉180°，界定了布拉格週期Λ。在LC層104之頂部平行表面112與底部平行表面114之間具有複數個螺旋週期 p = 2Λ，例如至少兩個、至少五個或至少十個螺旋週期 p 。傾斜角 ϕ 之陡度可取決於底部表面114處之邊界LC分子107A之方位角的變化速率。因此，傾斜角 ϕ 可藉由邊界LC分子107A在對準層192處的表面對準圖案控制。在一些具體實例中，LC分子107之螺旋結構108可藉由將穩定聚合物混合至LC流體中且固化（聚合）穩定聚合物而聚合物穩定化。
體光柵之條紋125的螺旋雙折射性質使PVH光柵100優先回應於具有一種特定旋向性之偏振（例如，左圓偏振或右圓偏振）的光，而實質上不回應於相反旋向性之偏振的光。因此，螺旋雙折射條紋125使PVH光柵100為偏振選擇性的。PVH光柵100之偏振選擇性係由於光柵之有效折射率取決於照射光束之旋向性或對掌性與光柵條紋125之旋向性或對掌性之間的關係。應進一步注意，PVH光柵100對右圓偏振光之敏感度尤其僅意謂作為說明性實例。當螺旋條紋125之旋向性反轉時，可使PVH光柵100對左圓偏振光敏感。
下文所描述之具體實例係關於利用一或多個PVH光柵中繼擴展光束以照明反射式顯示面板的光學波導，及包括利用PVH光柵之偏振選擇性以執行各種光處理功能之此類波導的顯示設備。
圖2A及圖2B分別以平面圖及側視圖示意性地繪示例示性光學波導200，其包括用於將光耦合入及/或耦出波導的一或多個PVH光柵。波導200經配置以沿著兩個不同方向擴展或複製輸入光束11，從而提供擴展輸出光束15。在下文所描述之實例中，此等兩個方向被視為大致上正交，且因此可描述為與笛卡爾座標系統(x,y,z) 55之x軸及z軸對準，但其正交性並非要求。波導200包括基板210，該基板具有光輸入區201、光輸出區203及兩個相對的外表面212、214，這些表面212、214經配置用於藉由自其反射光束11來在基板210中傳播光束11。在以下描述中，基板210被視為平面的，使得其中之光的傳播可相對於同一「全域」座標系統55方便地描述，其中y軸垂直於基板之平面。然而，基板210可能具有曲率，例如以適應人臉，在此情況下座標系統55可被視為所描述之基板之區的局部，其中其y軸在所描述之位置處正交於外表面212、214。因此，術語「基板之平面」可被理解為與所描述之基板的特定位置或區相關，且係指可被視為局部平行於外表面212、214的平面（「(x, z)平面」）。
輸入區201之面積可至少等於波導之輸入光瞳的面積，例如圖2A中所繪示之輸入光瞳207的面積。在一些具體實例中，輸入光瞳可由用照射於其上之光束11照明的輸入區201之面積界定。在一些具體實例中，光束11可在角域中轉向，但可能未必跨越輸入區域201，以形成轉向光瞳。由實線箭頭示意性地展示之光束11由輸入耦合器205以超出表面212及214上之全內反射（total internal reflection；TIR）之臨界角的一或多個角度耦入基板210中，以使得光束11在基板210內以垂直Z字形圖案傳播，從而藉由TIR以反彈週期219自表面212及214反彈。因此，表面214、212亦可被稱作基板之TIR表面。在本說明書之上下文中，「垂直」係關於正交於波導基板中之TIR之相對外表面的平面或方向。耦入基板210中之輸入光束11的光可被稱作耦入光（光束）。光束11耦入基板210中且藉由TIR在其中傳播的部分可被稱作耦入光束13或耦入光13。
輸入耦合器205可為例如沿著外表面中之一者（例如，212）跨越輸入區201延伸的一或多個繞射光柵，或稜鏡耦合器。在一些具體實例中，輸入耦合器205可為PVH光柵，其相對於入射於其上之光的圓偏振之旋向性可為選擇性的，如上文所描述。輸出區203可包括輸出耦合器255，該輸出耦合器經配置用於以連續入射將光束11之偏移光束部分215導引出基板210，藉此形成擴展輸出光束15。輸出耦合器255可例如由沿著外表面212及214跨越輸出區203延伸之一或多個繞射光柵來具體實現。
在下文所描述之例示性具體實例中，輸出耦合器255為PVH光柵，如上文所描述，該PVH光柵相對於入射於其上之光的圓偏振之旋向性可為選擇性的，且可定位於外表面212及外表面214中之一者或兩者處，或定位於外表面212與外表面214之間。PVH光柵將多個側向偏移之平行光束部分215繞射出波導以照明擴展輸出光瞳，這些光束部分可為光束11之實質上較低強度的複本或複製物。術語「側向偏移」及其衍生詞在本文中用以指平面中之鄰近共同傳播光束之間的空間偏移，該平面正交於這些光束在波導之平面中的一般傳播方向。在圖2A中，繪示光束部分215為以正入射照射於波導上之特定波長的輸入光束11之光線。這些光線之間的偏移可等於TIR反彈距離219或在存在光束分光器之情況下等於其一部分，這些偏移對於非正入射或不同波長之光線可較大或較小，其中這些光線之方向通常對應於光束11在波導輸入處的入射方向。
如圖2A中所繪示，輸出區203可沿著兩個方向（亦即，x軸及z軸）中之各者自輸入區201偏移。摺疊光柵220經安置以自輸入耦合器205接收耦入光13且將其朝向輸出耦合器255重導引。摺疊光柵220可經配置以與輸出耦合器255協作以用於沿著x軸及z軸方向進行光束擴展及光瞳複製。
基板210可進一步包括光束分光器230，該光束分光器用以在垂直平面(y, x)中分裂耦入光束以跨越輸出區更均勻地散佈耦入光且增加光瞳複製密度。光束分光器230可為例如在相對的外表面212與214之間通常與其平行延伸的部分反射表面或層。光束分光器230可在耦入光13之路徑中位於輸出區203之上游。
在一些具體實例中，基板210可進一步包括偏振轉換器251，諸如a板延遲器(a-plate retarder)。此偏振轉換器251在圖2A及2B中示意性地繪示為在輸出區203之上游處於輸入耦合器205與摺疊光柵220之間，但在一些具體實例中可至少部分地位於輸出區203中。偏振轉換器251可經配置以調整（例如，旋轉）耦入光束之偏振以改善由輸出耦合器255耦出基板的光之均勻性。
在所繪示之具體實例中，輸入耦合器205經配置以導引耦入光束13在基板之平面中沿著第一方向（例如，沿著z軸）朝向摺疊光柵220傳播。摺疊光柵220可在第一方向上與輸入耦合器205對準，且經配置以重導引耦入光束13沿著第二方向（x軸）朝向輸出區203傳播。摺疊光柵220可為一或多個合適配置的繞射光柵，其在第一方向（z軸）上的長度對應於波導200之輸出光瞳在彼方向上的寬度，且足以將耦入光束13分裂為多個側向偏移子光束，如圖2A中由一系列平行的實線箭頭所繪示。在光束分光器230延伸至基板之在摺疊光柵220上游的區中及/或與摺疊光柵220重疊的具體實例中，光束分光器230可與摺疊光柵220協作以形成額外分裂摺疊子光束，這些子光束在圖2A中由虛線箭頭繪示，藉此增加沿著第一方向（z軸）的光束複製密度及耦入光均勻性。
圖3以側視橫截面圖示意性地繪示利用光學波導200A來照明反射式顯示面板340的顯示設備300。光學波導200A可為上文所描述的光學波導200之具體實例，其中具體實現輸出耦合器255之PVH光柵355安置於基板210之外表面中之一者處，例如頂部表面212處。PVH光柵355亦可在外表面212、214之間且與其隔開，如圖2B及圖4中所繪示。類似於光學波導200，光學波導200A亦可併有偏振轉換器（圖中未示），諸如圖2A之a板延遲器251。波導200A之功能上相同或類似於波導200之對應元件的元件係用相同參考編號標記，且將不再描述。
顯示設備300包括反射式顯示面板340，且可進一步包括投影透鏡370。在NED實施方案中，投影透鏡370可用作目透鏡。顯示面板340併有面向PVH光柵355所位於的波導之輸出區的反射像素陣列。顯示面板340可為例如在矽底板之頂部上使用液晶（LC）層的反射式主動矩陣矽上液晶（liquid crystal on silicon；LCOS）顯示面板，或具有可傾斜微鏡之2D陣列的數位光處理（digital light processing；DLP）面板。
光源301經配置以提供照明光之輸入光束311。在一些具體實例中，輸入光束311可為線性偏振的。在一些具體實例中，輸入光束311可為圓偏振的以具有第一圓偏振，例如右圓偏振。輸入光束311由輸入耦合器205耦入波導200A中，且朝向輸出PVH光柵355傳播，通常如上文參考波導200所描述。耦入光束313之偏振可例如在通過偏振轉換器251（圖中未示）時、自外表面212及214以及光束分光器230反射後且可能在PVH光柵355中透射時改變。在一些具體實例中，當光束接近波導200A之輸出區時，可使耦入光束313之偏振大致為線性的或大致上為橢圓的。在外表面212、214上及可能在光束分光器230上多次反射之後，耦入光束313以可為例如RCP及LCP之第一圓偏振狀態及第二圓偏振狀態之混合的偏振狀態照射於輸出PVH光柵355上。輸出PVH光柵355可經配置以例如透射第一偏振狀態之光，例如RCP光，且繞射第二圓偏振之光，例如LCP光。輸出PVH光柵355可經進一步配置以將入射於其上的耦入光束313之LCP分量繞射出基板210並朝向反射式顯示面板340繞射，在一些具體實例中，其繞射方向與輸入光束311的入射方向平行。在一些具體實例中，自PVH光柵355繞射之輸出光束315可具有與照射在PVH光柵355上之耦入光束313相同的第二圓偏振，例如LCP。在圖3中，以單個箭頭示意性地展示輸出光束315，但該光束可包括如上文所描述之複數個側向偏移光束複製物，這些光束複製物係由PVH光柵355對耦入光束313之連續繞射產生。反射式顯示面板340朝向在波導200A之另一側與顯示面板340相對安置的投影透鏡370反射輸出光315之空間調變部分，亦即，影像光317。自顯示面板340之反射改變入射光之圓偏振的旋向性，使得影像光317具有第一圓偏振，例如為RCP光，對於RCP光，輸出PVH光柵355實質上為透明的。因此，影像光317實質上無繞射地穿過輸出PVH光柵355朝向投影透鏡370透射。投影透鏡370可經配置以將影像光317投影至螢幕上或投影至檢視者（圖中未示）之眼睛中。在顯示設備300為NED之具體實例中，投影透鏡370可用作目透鏡。
輸出PVH光柵355可使入射耦入光313中之一些經由其洩漏出波導，從而造成洩漏光319。此外，自PVH光柵355朝向顯示面板340繞射之光可自PVH光柵355與基板210之間的界面353反射，從而添加至洩漏光319。洩漏光319與影像光317混合，降低了對檢視者可用的影像對比度。此外，吾人發現影像對比度可作為PVH厚度333 h之函數而振盪。
參看圖4，對比度振盪可由以下兩者之間的干涉產生：例如以第一級朝向頂部表面212，亦即朝向圖3中之透鏡370向前繞射的入射光束313之一部分316（「路徑1洩漏」）；及在PVH/基板界面353處反射回之輸出光束315之一部分318（「路徑2洩漏」）。部分316可對應於透射繞射之-1級，且部分318可對應於反射繞射之-1級。此處，「透射」或「繞射」級與y軸方向相關，亦即，正交於波導平面(x,z)，其中負級係指與y軸方向相反之繞射光的傳播方向之投影。當PVH厚度 h333改變時，「路徑1洩漏」與「路徑2洩漏」之間的干涉可造成影像對比度以週期Δ h= λ/(2 n eff )振盪，其中λ為輸入光之波長且 n eff 為PVH光柵在耦入光之傳播方向上的有效折射率。圖4作為實例來繪示PVH光柵355包夾在基板210之兩個部分或層之間的具體實例，其具有基板-PVH界面351及353，但所描述之機制保持與PVH光柵355位於基板210之外表面212、214中之一者處時（例如，如圖3中所繪示）實質上相同。
圖5展示輸出光束315處於正入射之具體實例的模擬洩漏效率對比PVH厚度333 h。此處，「洩漏效率」係指洩漏光319之能量與入射於PVH光柵上之耦入光313之能量的比率。在此模擬實例中，PVH光柵上方及下方之基板材料為具有1.8之折射率的玻璃，且PVH光柵由n e= 1.75、n o= 1.55之螺旋結構化雙折射材料形成。基板內之耦入光的入射角為大約46度。PVH光柵之光柵週期為大約0.4微米（μm），其中傾斜角ϕ為大約（-64）度。入射光為具有波長λ=0.515 μm之LCP光。由於洩漏光316（路徑1）與318（路徑2）之間的干涉，洩漏效率作為PVH光柵355之厚度 h333的函數而振盪，其中振盪週期在此實例中為Δ h~ 0.158 μm。
可藉由使用具有較低雙折射率Δ n= | n e- n o|之PVH材料來減少自路徑1之洩漏，且因此降低「繞射」旋向性之圓偏振光的有效折射率調變。例示性估計展示對於將PVH嵌入於具有折射率 n sub= 1.8之玻璃基板中的具體實例，峰值洩漏可自針對具有n e= 1.75、n o= 1.55及Δ n= 0.2之PVH材料的約0.45%減少至針對具有n e= 1.65、n o= 1.55、Δ n= 0.1之PVH材料及相對較薄PVH的約0.13%。然而，降低Δ n亦可減小光柵之輸出效率的角頻寬，藉此不利地影響波導之跨越其視場（field of view；FOV）的效率及均勻性。
亦可藉由逐漸地，例如連續地或逐步地減小PVH光柵中朝向其與基板之一或多個界面的雙折射率Δ n來減少PVH相關的光洩漏。相較於具有均勻Δ n之PVH光柵，可在高效輸出之角頻寬實質上無減小或具有較小減小的此類具體實例中達成洩漏減少。PVH之雙折射率Δ n可藉由例如使用具有不同Δ n之不同PVH材料之層或藉由過度曝露所選擇之PVH層以破壞PVH之對準而變化。
圖6繪示具有PVH光柵655之光學波導600的例示性基板610之一部分，該PVH光柵包括經配置以減少至少一個PVH/光柵界面上之反射的至少兩個PVH層之堆疊。在所繪示之具體實例中，PVH光柵655包括三個PVH層621、622及623。此處，具有第一雙折射率Δ n 1的中間PVH層621包夾於具有較小雙折射率的兩個外部PVH層之間，亦即，具有第二雙折射率Δ n 2＜ Δ n 1的第二PVH層622與具有第三雙折射率Δ n 3＜ Δ n 1的第三PVH層623之間。在一些具體實例中，第二及第三雙折射率可相等，Δ n 2= Δ n 3＜ Δ n 1。PVH層621至623中之各者可如上文參看圖1A及圖1B所描述來具體實現。在一些具體實例中，PVH光柵之中間PVH層與外部PVH層之間的雙折射率差可為至多0.5，或至多0.75。在一些具體實例中，這些層之間的雙折射率差可為至少0.01，或至少0.05，或至少0.1。作為實例，對於PVH光柵655之具體實例，其中中間PVH層621具有高達約1.6 μm之厚度 h 1、n e= 1.75、n o= 1.55及Δ n= 0.2，且兩個外部PVH層622、623各自具有約0.1 μm之厚度 h 2、n e= 1.65、n o= 1.55及Δ n= 0.1，對於具有約10%或小於10%之相對較低輸出效率的薄PVH光柵，洩漏可減少至0.04%或更低，如圖7中所繪示。
圖8繪示具有PVH光柵755之光學波導700的例示性基板710之一部分，該PVH光柵包括如上文所描述之三個PVH層621至623之堆疊，且進一步包括在PVH/光柵界面中之一者（例如，與洩漏路徑2相關的界面722）處的抗反射（anti-reflection；AR）塗層711。AR塗層711可具有介於基板折射率與例如鄰近外部層622之非尋常折射率n e之間的折射率。AR塗層711之存在可減少PVH/光柵界面722處之反射，且因此至少對於具有相對較高輸出效率之相對較厚PVH光柵可減少洩漏峰值。作為實例，對於上文所描述之PVH層621至623之例示性參數及1.8之基板折射率，PVH光柵755之AR塗層711可具有約1.68至1.69之折射率，且具有約0.076 μm之厚度。在此實例中，AR塗層711之存在可在PVH厚度之寬範圍內將洩漏效率降低至0.1%以下，且對於輸出效率在25%至70%範圍及高於該範圍內之相對較厚PVH光柵，洩漏效率降低至0.05%以下。圖9繪示波導800，該波導可為具有PVH光柵855的波導700之具體實例，該PVH光柵在兩個PVH/光柵界面處具有AR塗層711。PVH光柵855可為PVH光柵755之具體實例，且可包括實質上相同的PVH層621至623，如上文所描述。
對於檢視者，影像對比度由輸出效率定義，亦即，由PVH光柵繞射且轉換成影像光的耦入光的分率除以洩漏效率。為了最大化對比度，可能需要選擇接近洩漏效率曲線之最小值的PVH厚度，例如，如圖5或圖7中所繪示。然而，亦可能需要沿著光路徑（x軸）改變PVH光柵之輸出效率以便提供影像均勻性。典型地需要耦入光在PVH光柵處之連續繞射產生相同強度之輸出光部分；例如參看圖2B，PVH光柵255可經配置以使得由PVH光柵255在與耦入光連續相互作用下繞射的輸出光部分215具有相同強度。因此，PVH光柵可經配置以使其輸出效率及因此厚度沿著耦入光之光學路徑，亦即沿著圖2A、圖2B及圖3中之x軸增加。作為實例，以約46°傳播角在基板中傳播之耦入光可能會與約30 mm長的輸出PVH光柵經歷約14次繞射相互作用。為了均衡各次相互作用之繞射能量，連續繞射之繞射效率將為大約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。估計展示經適當設計之PVH光柵755可支援超過200之影像對比度，而在具有 n= 1.8之基板中具有Δn = 0.2之單層PVH光柵將提供低對比度。可在輸出光之洩漏、輸出效率及空間均勻性之間進行權衡來選擇PVH光柵755之各種設計。
圖10示意性地繪示利用轉向反射器920、光學波導950、顯示面板940及投影透鏡970以實施具有轉向輸出光瞳991之顯示器的顯示設備900。顯示設備900可為例如近眼顯示器（NED）。顯示面板940可為例如在矽底板之頂部上使用液晶（LC）層的反射式主動矩陣矽上液晶（LCOS）顯示面板，或具有可傾斜微鏡之2D陣列的數位光處理（DLP）面板。反射式顯示面板940朝向在光學波導950之另一側與顯示面板940相對安置的投影透鏡970反射入射於其上之光的空間調變部分，其被稱為影像光。投影透鏡970可經配置以將影像光投影至螢幕上或投影至檢視者的眼睛（圖中未示）中。在顯示設備900為NED之具體實例中，投影透鏡970可用作目透鏡，將影像光投影至眼動區990上。
光學波導950可為上文所描述的光學波導200、200A、600、700或800的具體實例。光學波導950具有光學透明材料之基板910。基板910併有輸入耦合器905及輸出耦合器955，這些耦合器中之至少一者由PVH光柵具體實現。基板910可由例如高折射率玻璃或其他合適之光學透明材料製成，較佳具有在1.5至2.0範圍內或更大的折射率。波導950可進一步包括摺疊光柵、 a板、光束分光器，或其某一組合，如上文所描述，此等未展示於圖10中以避免碰撞。可與轉向反射器920相對地設置光源901，其中基板910之輸入區包括定位於其間的輸入耦合器905。光源901可例如藉由雷射二極體（laser diode；LD）或可具有例如紅色、綠色及藍色之不同色彩的兩個或多於兩個LD具體實現。光源901亦可在其輸出處包括光束塑形光學件。在一些具體實例中，光源901亦可包括輸出偏振器（例如，線性偏振器）或波片（例如，四分之一波片（quarter-wave plate；QWP）），或其某一組合。轉向反射器920可為例如微鏡，例如微機電系統（micro-electro-mechanical system；MEMS）鏡。
在一個具體實例中，光源901可經配置以朝向轉向反射器920發射第一圓偏振（circular polarization；CP）之光束101，例如LCP光。光源901可包括四分之一波片（QWP）以將來自LD之線性偏振光轉換成所需圓偏振。輸入耦合器905可為PVH光柵，其經配置以透射第一圓偏振之光，例如LCP光，且繞射具有相反旋向性之第二圓偏振的光，例如RCP光。在自轉向反射器920反射後，光束101將其偏振改變為正交者，例如自LCP光變為RCP光，且作為轉向光束911傳播回輸入耦合器。輸入耦合器905藉助於在其相對外表面處之TIR繞射轉向光束911以在基板910內傳播，如上文所描述且如圖10中由Z字形實線及虛線示意性地繪示。在各TIR處，轉向光束911改變其偏振之旋向性，該旋向性在偶數次反射之後恢復；例如，在各次反彈時，轉向光束911在遠離顯示面板940傳播時可為LCP光束，且在朝向顯示面板940傳播時可為RCP光束。
在到達基板之輸出區之後，轉向光束911在自外表面912、914之各次反射後反覆地照射在輸出耦合器955上，從而產生一系列側向偏移光束複製物，如上文所描述。當由經合適設計之PVH光柵具體實現時，輸出耦合器955可在每次轉向光束911自PVH光柵955之面向顯示面板940的輸入側952（亦即，PVH光柵955之側面或PVH-基板界面）照射於其上時朝向顯示面板940將轉向光束911繞射出基板910。轉向光束911自PVH光柵955之連續繞射產生照射於顯示面板940上的一系列光束複製物。光束複製物接著以正交圓偏振狀態自顯示面板940反射，此允許這些光束複製物大致無繞射地透射通過PVH光柵955。PVH光柵955可如上文參看圖1A、圖1B、圖4、圖6、圖8或圖9所描述而具體實現。在一些具體實例中，PVH光柵955可為如上文參看圖6、圖8或圖9所描述之漸變雙折射率多層PVH光柵。
輸入PVH光柵905及輸出PVH光柵955可經配置以繞射相反旋向性之圓偏振光。舉例而言，輸入PVH光柵905可經配置以繞射第一CP之光，例如LCP光，且透射第二CP之光，例如RCP光，而輸出PVH光柵955可經配置以繞射第二CP之光，例如RCP光，且透射第一CP之光，例如LCP光。在其他具體實例中，輸入PVH光柵905及輸出PVH光柵955經配置以繞射相同旋向性之圓偏振光，例如其中輸入PVH光柵905安置於基板910之面向顯示面板940的外表面914處。
掃描反射器920，例如傾斜鏡，可操作以在某一角度範圍內對光束911進行角度掃描，藉此改變光束911或其主光線在自反射器920反射之後照射於輸入耦合器905上的入射角。掃描光束911或其主光線在基板910上的入射角判定了轉向光瞳991在顯示器之眼動區990中的位置。在圖10中，作為實例，針對兩個不同掃描角度繪示基板910中的光束911之主光線的軌跡。實線對應於波導上的正入射，其可對應於轉向光瞳991在眼動區990之中心區中的位置。虛線對應於轉向光束911之主光線在輸入耦合器905上的傾斜入射，導致光束複製物在反射式顯示面板940上之對應傾斜入射，及轉向光瞳991更接近於新位置991a的移位，例如更接近於眼動區990之邊緣。
轉向光束911可發散以便藉由複數個照明錐體來照明顯示面板940，該複數個照明錐體各自為轉向光束911之較低強度複製物。顯示設備900可經設計以使得對於各轉向角度，照明錐體會聚至同一掃描光瞳991上，從而使眼動區990填充不足，此使得能夠以較佳角解析度且以較少像差更高效地將影像光導引至檢視者之眼睛中。在一些具體實例中，顯示設備900可具備眼動追蹤系統（圖中未示）。此外，相較於發射顯示器，顯示設備900之照明系統使得能夠使用窄帶光源，諸如LD，其可改善色域、減少色散對解析度之影響且使得能夠使用窄帶繞射光學元件。另外，將PVH光柵及多層漸變折射率PVH光柵用作外耦合器可允許藉由消除或至少減少亂真反射及非所需的繞射級來提供較佳影像對比度及較少雙重影像。
參看圖11A及圖11B，近眼AR/VR顯示器1100包括具有一副眼鏡之外觀尺寸的主體或框架1102。顯示器1104包括光瞳複製波導1106（圖11B），該光瞳複製波導將影像光1108提供至眼動區1110，亦即，可將良好品質影像呈現給使用者之眼睛1112的幾何區域。光瞳複製波導1106可包括本文中所描述之波導中的任一者，亦即，圖2A及圖2B、圖3及圖4之波導200、圖3之波導200A，及圖4、圖6、圖8或圖9中所繪示之波導。
近眼AR/VR顯示器1100之影像光源可包括例如但不限於液晶顯示器（liquid crystal display；LCD）、有機發光顯示器（organic light emitting display；OLED）、無機發光顯示器（inorganic light emitting display；ILED）、主動矩陣有機發光二極體（active-matrix organic light-emitting diode；AMOLED）顯示器、透明有機發光二極體（transparent organic light emitting diode；TOLED）顯示器、投影儀或其組合。近眼AR/VR顯示器1100可進一步包括用於即時判定使用者之眼睛1112之凝視方向及/或輻輳角度的眼動追蹤系統1114。所判定的凝視方向及輻輳角度亦可用於取決於視角及眼動位置而即時補償視覺假影。此外，所判定的輻輳角度及凝視角度可用於與使用者互動、突出顯示物件、將物件帶至前景、動態地創建額外物件或指標等。此外，近眼AR/VR顯示器1100可包括音訊系統，諸如小型揚聲器或頭戴式耳機之集合。
現來到圖12，HMD 1200為AR/VR可穿戴式顯示系統的實例，其包圍使用者的眼睛以便更大程度地沉浸至AR/VR環境中。HMD 1200可為AR/VR系統之部分，該系統包括使用者位置及位向追蹤系統；外部攝影機；示意動作辨識系統；控制構件，其用於將使用者輸入及控制提供至系統；及中心控制台，其用於儲存軟體程式及其他資料以與使用者互動從而與AR/VR環境互動。HMD 1200之功能為用電腦產生之影像來擴增實體、真實世界環境之視圖，及/或產生完全虛擬的3D影像。HMD 1200可包括前主體1202及條帶1204。前主體1202經配置為以可靠且舒適的方式置放於使用者之眼睛前方，且條帶1204可經拉伸以將前主體1202緊固於使用者之頭部上。顯示系統1280可包括本文中所描述之光瞳複製波導中之任一者。顯示系統1280可安置於前主體1202中以用於向使用者呈現AR/VR影像。前主體1202之側面1206可為不透明或透明的。
在一些具體實例中，前主體1202包括定位器1208、用於追蹤HMD 1200之加速度的慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU） 1210，及用於追蹤HMD 1200之位置的位置感測器1212。定位器1208由虛擬實境系統之外部成像裝置追蹤，使得虛擬實境系統可追蹤HMD 1200之位置及位向。可比較由IMU及位置感測器1212產生之資訊與藉由追蹤定位器1208獲得的位置及位向，以改善對HMD 1200之位置及位向的追蹤。當使用者在3D空間中移動及轉向時，準確位置及位向對於向使用者呈現適當虛擬景物為至關重要的。
HMD 1200可進一步包括眼動追蹤系統1214，其即時判定使用者眼睛的位向及位置。所獲得的眼睛之位置及位向允許HMD 1200判定使用者的凝視方向，且因此調整由顯示系統1280產生的影像。在一個具體實例中，判定輻輳度，亦即，使用者眼睛凝視之會聚角度。所判定的凝視方向及輻輳角度亦可用於取決於視角及眼睛位置而即時補償視覺假影。此外，所判定的輻輳角度及凝視角度可用於與使用者互動、突出顯示物件、將物件帶至前景、創建額外物件或指標等。亦可提供音訊系統，其包括例如建置至前主體1202中的小型揚聲器之集合。
本發明之具體實例可包括人工實境系統或結合人工實境系統實施。人工實境系統在向使用者呈現之前以某一方式調整經由感測所獲得之關於外部世界的感官資訊，諸如視覺資訊、音訊、觸摸（體感）資訊、加速度、平衡等。作為非限制性實例，人工實境可包括虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）、混合實境（mixed reality；MR）、混雜實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全產生之內容或與所俘獲之（例如，真實世界）內容組合的所產生內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、體感或觸覺反饋或其某一組合。此內容中之任一者可在單個通道中或在多個通道中呈現，諸如在對檢視者產生三維效應之立體聲視訊中。此外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用以例如在人工實境中創建內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用程式、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括可穿戴式顯示器，諸如連接至主機電腦系統之HMD、獨立式HMD、具有眼鏡之外觀尺寸的近眼顯示器、行動裝置或計算系統，或能夠向一或多個檢視者提供人工實境內容之任何其他硬體平台。
本發明之範圍不受本文所描述之特定具體實例限制。除本文中所描述之彼等具體實例及修改以外，其他各種具體實例及修改對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將自前述描述及隨附圖式顯而易見。此類其他具體實例及修改意欲屬於本發明之範圍內。此外，參考特定具體實例所描述之元件或特徵可用於其他具體實例中。另外，儘管本文中已出於特定目的在特定環境中之特定實施方案之上下文中描述本發明，但所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，其有效性不限於此，且本發明可出於任何數目個目的而有益地實施於任何數目個環境中。因此，下文所闡述之申請專利範圍應鑒於如本文中所描述之本發明之全部範圍來解釋。
11:輸入光束 13:耦入光束/耦入光 15:擴展輸出光束 55:笛卡爾（Cartesian）座標系統(x,y,z) 100:偏振體全像（PVH）光柵 101:光束 104:LC層 107:桿狀LC分子 107A:LC分子 108:螺旋結構 110:雙折射材料之層 112:頂部平行表面/外表面 114:底部平行表面/外表面 115:折射平面 120:入射光 121:第一偏振之光/圓偏振光/RCP光 121':第一偏振之光 122:第二正交偏振之光/圓偏振光/LCP光 125:螺旋雙折射條紋 133:螺旋扭轉軸線 191:基板層 192:光對準層 193:第二基板層 200:光學波導 200A:光學波導 201:光輸入區/輸入區域 203:光輸出區 205:輸入耦合器 207:輸入光瞳 210:基板 212:外表面 214:外表面 215:側向偏移平行光束部分/輸出光部分 219:反彈週期/反彈距離 220:摺疊光柵 230:光束分光器 251:偏振轉換器 255:輸出耦合器/PVH光柵 300:顯示設備 301:光源 311:輸出光束 313:入射耦入光/耦入光束/入射光束 315:輸出光束/輸出光 316:入射光束之部分/洩漏光 317:影像光 318:輸出光束之部分/洩漏光 319:洩漏光 333:PVH厚度 h340:顯示面板 351:基板-PVH界面 353:基板-PVH界面 355:輸出PVH光柵 370:投影透鏡 600:光學波導 610:基板 621:PVH層 622:PVH層 623:PVH層 655:PVH光柵 700:光學波導 710:基板 711:抗反射（AR）塗層 722:PVH/光柵界面 755:PVH光柵 800:光學波導 855:PVH光柵 900:顯示設備 901:光源 905:輸入PVH光柵/輸入耦合器 910:基板 911:轉向光束 912:外表面 914:外表面 920:轉向反射器/掃描反射器 940:顯示面板 950:光學波導 952:PVH光柵之輸入側 955:輸出PVH光柵/輸出耦合器 970:投影透鏡 990:眼動區 991:轉向輸出光瞳/掃描光瞳 991a:新位置 1100:近眼AR/VR顯示器 1102:主體或框架 1104:顯示器 1106:光瞳複製波導 1108:影像光 1110:眼動區 1112:使用者之眼睛 1114:眼動追蹤系統 1200:HMD 1202:前主體 1204:條帶 1206:前主體之側面 1208:定位器 1210:慣性量測單元（IMU） 1212:位置感測器 1214:眼動追蹤系統 1280:顯示系統 f:傾斜角 L:週期 L x:週期 L y:週期
現將結合未按比例的圖式來描述例示性具體實例，其中相似元件用相似參考編號指示，且其中：
[圖1A]為偏振體全像（polarization volume hologram；PVH）光柵之示意性側視橫截面圖；
[圖1B]為圖1A之PVH光柵之液晶（liquid crystal；LC）實施方案的示意性側視橫截面圖；
[圖2A]為併有PVH光柵的光學波導之示意性平面圖；
[圖2B]為圖2A之光學波導之示意性側視橫截面圖；
[圖3]為在光學波導之輸出區中使用PVH光柵以用於照明反射式顯示面板的顯示設備之示意性側視圖；
[圖4]為繪示對來自PVH光柵之光學洩漏之兩種貢獻的光學波導之輸出部分的示意性側視橫截面圖；
[圖5]為繪示根據例示性模擬的作為PVH厚度之函數的振盪洩漏效率之曲線圖；
[圖6]為包括多層PVH光柵的光學波導之輸出部分的示意性側視橫截面圖；
[圖7]為繪示根據例示性模擬的作為圖6之多層PVH光柵的輸出效率之函數的振盪洩漏效率之曲線圖；
[圖8]為光學波導之輸出部分的示意性側視橫截面圖，該光學波導包括在與基板的界面處具有AR塗層的多層PVH光柵；
[圖9]為光學波導之輸出部分的示意性側視橫截面圖，該光學波導包括在與基板的兩個界面處具有AR塗層的多層PVH光柵；
[圖10]為在光學波導之輸入及輸出區中使用PVH光柵以用於將角度掃描光束中繼至顯示面板的掃描光瞳顯示設備之示意性側視圖；
[圖11A]為併有本發明之波導的眼鏡外觀尺寸近眼AR/VR顯示器之等角視圖；
[圖11B]為圖11A之顯示器之側視橫截面圖；及
[圖12]為併有本發明之波導的頭戴式顯示器（HMD）之等角視圖。
55:笛卡爾(Cartesian)座標系統(x,y,z)
100:偏振體全像(PVH)光柵
108:螺旋結構
110:雙折射材料之層
112:頂部平行表面外表面
114:底部平行表面/外表面
115:折射平面
120:入射光
121:第一偏振之光/圓偏振光/RCP光
121':第一偏振之光
122:第二正交偏振之光/圓偏振光/LCP光
f:傾斜角
L:週期
Lx:週期
Ly:週期

Claims (20)

  1. 一種光學波導，其包含： 光學透明材料之基板，其包含兩個相對的外表面，這些外表面用於藉由自其的反射來在該基板中導引光束；及 偏振體全像，其安置於該基板中或該基板上，該偏振體全像配置以透射第一偏振之光，同時繞射正交的第二偏振之光，其中該偏振體全像進一步配置以將具有該第二偏振之該光束之一部分繞射出該基板。
  2. 如請求項1之光學波導，其中該第一偏振及該第二偏振為相反旋向性之圓偏振。
  3. 如請求項2之光學波導，其中該基板進一步包含用於將該光束耦入該基板中之輸入區，及與該輸入區相距一距離以用於將該光束耦出該基板以形成輸出光束的輸出區；其中該偏振體全像安置於該輸入區或該輸出區中之至少一者中。
  4. 如請求項3之光學波導，其中該偏振體全像安置於該輸出區中。
  5. 如請求項3之光學波導，其中該偏振體全像包含偏振體全像層之堆疊，該堆疊之至少一個偏振體全像層包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，其中該堆疊之鄰近偏振體全像層具有不同雙折射率。
  6. 如請求項5之光學波導，其中該偏振體全像層之該堆疊包含在第二偏振體全像層與第三偏振體全像層之間的第一偏振體全像層，該第一偏振體全像層具有高於該第二偏振體全像層及該第三偏振體全像層的雙折射率。
  7. 如請求項6之光學波導，其包含在該偏振體全像光柵與該基板之間的界面處之抗反射塗層。
  8. 如請求項6之光學波導，其中該偏振體全像沿著這些兩個相對的外表面跨越該輸出區而延伸。
  9. 如請求項8之光學波導，其中該偏振體全像配置以在該光束跨越該輸出區之傳播方向上具有增加之繞射效率。
  10. 如請求項6之光學波導，其包含在該光束自該輸入區至該輸出區之光學路徑中安置於該基板中的摺疊光柵。
  11. 如請求項10之光學波導，其包含在該光束之該光學路徑中安置於該基板中的光束分光器。
  12. 如請求項6之光學波導，其包含在該光束之光學路徑中安置於該基板中的a板延遲器。
  13. 一種顯示設備，其包含： 顯示面板；及 用於該顯示面板之照明器，該照明器包含： 光源，其用於發射光束；及 光學波導，其用於中繼該光束以照明該顯示面板，該光學波導包含： 光學透明材料之基板，該基板包含： 輸入區，其用於將該光束耦入該基板中，及輸出區，其與該輸入區相距一距離以用於將該光束耦出該基板以形成輸出光束； 兩個相對的外表面，其用於藉由自其的反射來在該基板中導引該光束；及 第一偏振體全像，其安置於該基板之該輸出區或該輸入區中之至少一者中，該第一偏振體全像包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，且配置以繞射具有第一偏振之光，同時透射正交的第二偏振之光。
  14. 如請求項13之顯示設備，其中該第一偏振體全像在該輸出區中沿著這些外表面延伸以將入射於其上之具有該第一偏振的該光束之一部分作為輸出光繞射出該基板，該第一偏振體全像包含偏振體全像層之堆疊，該堆疊之各偏振體全像層包含螺旋雙折射條紋之週期性序列，該堆疊包含在兩個外部偏振體全像層之間的中間偏振體全像層，該中間偏振體全像層具有大於這些外部偏振體全像層的雙折射率，其中該第一偏振及該第二偏振為相反旋向性之圓偏振。
  15. 如請求項14之顯示設備，其進一步包含與該顯示面板相對安置之投影透鏡，其間具有該光學波導之該輸出區，其中該顯示面板配置以將該輸出光之至少一部分作為影像光朝向該投影透鏡反射，且其中該第一偏振體全像配置以透射該影像光以傳播至該投影透鏡。
  16. 如請求項15之顯示設備，其包含轉向反射器，該轉向反射器配置為以可變入射角將來自該光源之該光束朝向該輸入區導引。
  17. 如請求項16之顯示設備，其包含第二偏振體全像，該第二偏振體全像配置以透射該第一偏振及該第二偏振中之一者的光且繞射該第一偏振及該第二偏振中之另一者的光，該第二偏振體全像在該光源與該轉向反射器之間安置於該輸入區中，該光源配置以發射該第一偏振及該第二偏振中之該一者的圓偏振光。
  18. 一種用於照明顯示面板的方法，該方法包含： 使用光學波導朝向該顯示面板傳播光束，及 使用偏振體全像執行以下操作中之至少一者：將該光束耦入該光學波導中或耦出該光學波導，該偏振體全像包含螺旋雙折射條紋之週期性陣列且配置以繞射第一偏振之入射光，同時透射正交的第二偏振之入射光。
  19. 如請求項18之方法，其包含使用該偏振體全像中之偏振體全像層的雙折射率漸變堆疊以減少該第一偏振之光經由該偏振體全像的洩漏，該堆疊包含在雙折射率較低之兩個外部偏振體全像層之間的內部偏振體全像層。
  20. 如請求項19之方法，其包含：在該光學波導之輸入區中使用第一偏振體全像以將來自光源之圓偏振光透射至轉向反射器；及使用安置於該光學波導之輸出區中的第二漸變雙折射率偏振體全像以朝向反射式顯示面板將光繞射出該波導，且朝向與該反射式顯示面板相對安置之投影透鏡透射自該反射式顯示面板反射的光。
TW111141364A 2021-12-13 2022-10-31 具有偏振體全像光柵的波導 TW202332960A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/549,394 2021-12-13
US17/549,394 US20230185091A1 (en) 2021-12-13 2021-12-13 Waveguide with polarization volume hologram grating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202332960A true TW202332960A (zh) 2023-08-16

Family

ID=85076043

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW111141364A TW202332960A (zh) 2021-12-13 2022-10-31 具有偏振體全像光柵的波導

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230185091A1 (zh)
CN (1) CN118339486A (zh)
TW (1) TW202332960A (zh)
WO (1) WO2023114113A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114637116B (zh) * 2022-03-15 2023-02-10 嘉兴驭光光电科技有限公司 衍射光波导以及具有其的显示设备

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10222620B2 (en) * 2017-02-15 2019-03-05 Microsoft Technology Licensing, Llc Pupil-expansion optic with offset entry apertures
US11846797B2 (en) * 2019-05-20 2023-12-19 Meta Platforms Technologies, Llc Optical waveguide beam splitter with reflective polarizers for display
US11428938B2 (en) * 2019-12-23 2022-08-30 Meta Platforms Technologies, Llc Switchable diffractive optical element and waveguide containing the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023114113A1 (en) 2023-06-22
CN118339486A (zh) 2024-07-12
US20230185091A1 (en) 2023-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11422373B2 (en) Optical assembly with holographic optics for folded optical path
US20230176382A1 (en) Waveguide display with cross-polarized eye pupil expanders
US20200064633A1 (en) Projector-combiner display with beam replication
US20210364808A1 (en) Compact light source
US11852836B2 (en) Directional illuminator and display device with pupil steering by tiltable reflector
TW202235958A (zh) 具有多個單色投影儀的波導顯示器
JP2022549990A (ja) ニアアイディスプレイ用の傾斜度が小さい瞳リレー
TW202332960A (zh) 具有偏振體全像光柵的波導
TW202235939A (zh) 用於波導顯示器的梯狀內耦合
KR20230084294A (ko) 증강 현실 및 근안 헤드셋들에 대한 광학 시스템들 및 디스플레이 엔진들
CN219302777U (zh) 用于制造胆甾相液晶器件的装置和近眼显示设备
TW202407420A (zh) 用於反射式顯示面板之基於光導的照明器
TW202319789A (zh) 具有在輸出區上游的分束器之波導
Choi et al. Recent Applications of Optical Elements in Augmented and Virtual Reality Displays: A Review
US20240168290A1 (en) Holographic vr display
US11709411B2 (en) Display with image light steering
US12001017B1 (en) Illumination system for object tracking
유찬형 Enhanced waveguide-based near-eye displays with polarization multiplexing
TW202319790A (zh) 幾何波導照明器及基於其之顯示器
TW202409643A (zh) 用於提供增強的對比度之光導照明組件
CN118043589A (zh) 几何波导照明器和基于该几何波导照明器的显示器
TW202314331A (zh) 用於減少彩虹效應的液晶偏振全像元件