微软AR专利通过波导堆叠折回使尚未耦合到波导板的光多次穿过波导堆叠
折叠穿过波导堆叠的光的传输路径，使得主光束能够多次穿过波导堆叠
（映维网Nweon 2022年12月29日）AR设备采用了一种技术路线是波导显示器。波导显示器可以包括两个或多个堆叠的波导板。堆叠中的每个波导板用于将不同波长或颜色的光传输到用户，并且包括透明基板，以及耦入器和耦出器。一般来说，图像仅通过波导堆叠的耦入器一次，而这限制了耦入效率。所以，行业通过折叠穿过波导堆叠的光的传输路径，使得主光束能够多次穿过波导堆叠。
在名为“Near-eye display system having multiple pass in-coupling for waveguide display”的专利申请中，微软就介绍了一种这样的方案。
在一个实施例中，使用光的偏振来折叠传输路径。例如，如果图像光处于第一线性偏振状态，则使用双折射反射偏振器将图像光引导到波导堆叠。双折射反射偏振器透射第一线性偏振状态下的光，并反射与第一线性偏振态正交的第二线性偏振状态中的光。穿过波导堆叠后，未耦合到波导板的任何光离开波导堆叠，并由偏振状态转换元件转换为圆偏振光。圆偏振光然后被反射镜反射回四分之一波片，其相位反转。接下来，四分之一波片将光转换为第二线性偏振状态，并将其引导回波导堆叠。
以这种方式，传输路径可以通过波导堆叠折回，使得尚未耦合到波导板的光多次穿过波导堆叠。
如图7所示，波导显示器包括两个或更多个波导板的堆叠，并可以用于传输不同的光波长或图像的颜色。例如，在图7的特定示例中，波导板230可用于传输对应于图像红色部分的波长，波导板330可用于传输与图像蓝色和绿色部分相对应的波长。根据一个实施例，红色波长范围为600nm至650nm，绿色波长范围为500nm至550nm，蓝色波长范围为430nm至480nm。
波导230的耦入器212可以配置为将红色波长范围内的光耦合到波导230中，并且波导230的耦出器210和216可以配置为将红色波长范围内的光耦出波导230，波导330的耦入器312可以配置为将蓝色和绿色波长范围内的光耦合到波导330中，并且波导330的耦出器310和316可以配置为将蓝色和绿色波长范围内的光耦出波导330。
图7同时示出了左眼115L和右眼115R。左眼115L正在浏览接近耦出器210和310的图像，右眼155R正在浏览接近于耦出器230和330的图像。
相邻波导230和330之间的距离可以例如在大约50微米和300微米之间。
图8示出了图7所示的操作。为了清楚说明，仅示出了波导230和330将光引导到右眼115R的操作（左侧以类似的方式操作）。
在图8中，实线箭头322表示由显示引擎120输出的图像的红光和绿光，虚线箭头325表示由光引擎120输出图像的蓝光和绿光。
由于近眼显示系统通常设计成具有小型紧凑型，所以通常需要确保耦合到波导板中的光以高效率耦合。为了实现这一点，反射器有时位于波导堆叠的输入耦合器之后，使得来自显示引擎的光两次穿过堆叠，从而增加耦合到波导板中的光量。
为了进一步增加耦合到波导板中的光量，可以提供特定的光学布置。在一个实施例中，所述光学布置使得来自显示引擎的主入射光束最多四次通过波导堆叠，与简单地使用位于波导堆叠的耦入器后面的反射镜的布置相比，光可以穿过波导堆叠的次数加倍。
在图9中，波导显示器包括如上所述的两个或更多个波导板的堆叠409，其中来自显示引擎403的主入射光束能够多次穿过波导堆叠，例如最多四次。假设来自显示引擎403的光处于第一偏振状态。
如图所示，来自显示引擎403的光引导到双折射反射偏振器405，其透射TE偏振光（长虚线）并将正交偏振态（即TM偏振光（短虚线））反射到波导堆叠409，TE偏振光穿过双折射反射偏振器405并引导到波导堆叠的耦入器。
为了清楚起见，图9中未示出耦出器。
TE偏振光穿过波导堆叠409，图像第一次耦合到波导中。在离开波导堆叠409之后，光被位于波导堆叠409的后面的45度取向的消色差广角四分之一波片411接收。四分之一波片411将线性偏振光转换为左手或右手圆偏振光。圆偏振光（虚线）从45度四分之一波片411射出，并引导到反射镜413，例如采用例如Al/Ag涂层的金属反射镜。
接下来，圆偏振光被反射镜413反射，并在过程中反转其相位。以这种方式，反射镜改变圆偏振光的手向性，即从左手圆偏振光到右手圆偏振光，或从右手圆偏振光到左手圆偏振光。然后，具有反手性（虚线）的光第二次穿过四分之一波片411，并被转换成TM偏振光。
来自四分之一波片411的TM偏振光从背面方向耦合回波导堆叠409中，并且图像第二次耦合到波导中。剩余的TM偏振光第二次穿过波导叠层409，从双折射反射偏振器405反射并第三次穿过波导堆叠层409。
在第三次穿过波导堆叠409之后，TM偏振光被四分之一波片411转换成圆偏振光，被反射镜413反射，反射镜413再次反转圆偏振光的手向性，并被四分之一波片411转换为TE偏振光。来自四分之一波片411的TE偏振光从背侧方向耦合回波导堆叠409，并第四次穿过波导堆叠409。
未耦合到波导堆叠409的波导中的任何剩余TE偏振光穿过双折射反射偏振器405，并在那里返回到显示引擎403。在一个实施例中，可以提供滤波器、吸收器或类似物，以防止剩余光到达显示引擎403或从系统的其他组件散射。
在图9示例中，尽管来自显示引擎403的光在TE偏振状态下被线性偏振，但在替代实施例中，光可以在TM偏振状态下线性偏振。在这种情况下，偏振镜405配置为透射TM偏振光并反射TE偏振光。类似地，在其他实施例中，来自显示引擎的光可以处于圆偏振状态，而不是处于线性偏振状态，其中对双折射反射偏振器405和四分之一波片411的配置进行适当调整，将四分之一波片411定位在双折射反射偏振器405之前以将光转换为线性偏振。
在图9所示的示例中，四分之一波片411位于波导堆叠409的后端。以这种方式，耦合到波导板的光被线性偏振。在替代实施例中，四分之一波片可以位于光被波导堆叠409接收之前，使得耦合到波导片的光是圆偏振的。在又一实施例中，四分之一波片可以位于波导板之间。
在一个实施例中，波导板409后面的反射镜413可以被替换或与一个或多个反射介质滤波器组合。替代地或附加地，一个或多个反射介质滤波器可以位于波导堆叠中的波导板之间的不同位置。例如，可以在支持蓝色波长的波导板后面提供反射介质滤波器，反射介质滤波器反射蓝色波长，但将绿色和红色波长传输到蓝色板后面的绿色和红色支持波导板。
类似地，在另一实施例中，可以在分别支持蓝色和绿色波长的波导板后面提供反射介质滤波器，其反射蓝色和绿色的波长，但将红色的波长传输到绿色和蓝色支持波导板后面的红色支持波导板。
在后一实施例中，红色反射介质滤波器或宽带金属镜（例如，和Ad/Ag镜）可以位于红色支撑波导板的后面。
可以使用法拉第旋转器代替四分之一波片来实现偏振转换。在这种情况下，光的线性偏振角在不转换为圆偏振的情况下改变。
在另一个实施例中，波导耦入器配置为改变穿过波导堆叠的光的偏振状态，并且四分之一波片可以用不提供精确的四分之一波相位差，而是提供其他最佳相位差的波片组件代替，从而令光到波导中的整体耦入最大化。
在又一个实施例中，波导堆叠可以布置成代替四分之一波片的功能，并在重要波长处提供相同的所需四分之一波相移，以反转来回穿过它的光的偏振。
图10示出了四分之一波片可以在光被波导堆叠接收之前定位。类似于图9的实施例。
假设来自显示引擎403的光处于第一偏振状态。
如图所示，来自显示引擎403的光引导到双折射反射偏振器405，其透射TE偏振光（长虚线）并将正交偏振态反射到四分之一波片411。四分之一波片411将TE偏振光转换为左手圆偏振光或右手圆偏振光。
光穿过波导堆叠409，并且图像第一次耦合进来。圆偏振光从波导堆叠409后面的反射镜413反射，并且其手性被反转。然后，光从背面方向耦合到波导堆叠409中，并第二次穿过波导堆叠409。
任何剩余的光以相反的方向圆偏振，穿过四分之一波片411，后者将其转换成TM偏振光并将其引导到双折射反射偏振器405。TM偏振光从双折射反射偏振器405反射并再次穿过四分之一波片411，其将其转换成具有相反方向的圆偏振光，并将其第三次引导到波导堆叠409中。
第三次穿过波导堆叠409的任何光被反射镜413反射回波导堆叠409中，其手性被反转。然后，光第四次进入波导叠层409，穿过波导叠层的任何光被四分之一波片411转换回TE偏振光。任何剩余的光穿过双折射反射偏振器405并引向显示引擎403。在一个实施例中，可以提供滤光器、吸收器等以防止光到达显示引擎403或从系统的其他组件散射。
以这种方式，传输路径可以通过波导堆叠折回，使得尚未耦合到波导板的光多次穿过波导堆叠。
相关专利：Microsoft Patent | Near-eye display system having multiple pass in-coupling for waveguide display
名为“Near-eye display system having multiple pass in-coupling for waveguide display”的专利申请最初在2021年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
