微软AR/VR专利介绍用于微型显示器的偏振回收波导照明系统
偏振回收波导照明系统
（映维网Nweon 2023年11月09日）硅基液晶LCoS微显示器由于其高分辨率和紧凑性而广泛应用于混合现实头戴式显示器的显示引擎中。LCoS微显示器包括需要单偏振照明的偏振显示面板，因为它们只能调制光的一个偏振。使用非偏振光源并不一定会导致照明亮度减半，因为偏振回收可以用来恢复一定的错误偏振光，从而有效地提高照明系统的效率。
在名为“Polarization-recycling waveguided illumination system for microdisplay”的专利申请，微软就介绍了一种用于微型显示器的偏振回收波导照明系统。
图4示出了配置为从光源向LCoS SLM 315提供照明光的波导照明系统340，从而使显示器能够通过投影光学器件330向波导组合器310提供虚拟图像。
照明系统340中的耦入器350、波导355和耦出器360中的每一个都可以改编为根据发明原理实现偏振回收。偏振回收组件可以单独使用或以各种组合方式使用，以满足给定照明应用的特定要求。
在图4所示的实施例中，耦出器360设置为偏振回收，包括偏振分束器418和420以及透射半波片425。半波片是一种偏振延迟波片，它将光波分解成两个正交的线性偏振component，并使它们之间产生相移。
如图5所示，来自照明源345的光505通过耦入器350耦合到波导355。照明光通过耦出器360从波导向外耦合到LCoS SLM微显示器315，从而使用投影光学器件330将虚拟图像510投影到波导组合器310。如上所述，波导组合器在混合现实场景中向用户呈现虚拟图像115以及来自现实世界的光。
图6提供了耦出器360的放大视图。来自光源的照明光505在波导355中，沿入射平面向耦出器传播。LED发出的光是非偏振的，因为它的电场方向随时间随机波动。非偏振光可以用两个正交的线性偏振态表示，即p偏振和s偏振。
p偏振光的电场偏振平行于入射面，而s偏振光的电场垂直于入射面。图中s偏振光用圆点符号表示，p偏振光用垂直双箭头表示。非偏振光由点和箭头表示。
所述非偏振照明光遇到设置有对s偏振光的灵敏度的第一分束器418。例如，分束器可以使用偏振敏感涂层或使用线栅偏振器布置来实现。如图所示，入射到分束器418上的非偏振光602，分束器418将入射光分成反射s偏振光605和透射p偏振光610。
反射的s偏振光束向上传播到半波片425，半波片425将光束605的状态从s偏振转换为p偏振如图光束615所示。光继续到LCoS的SLM 315，为虚拟图像620提供照明。
传输的p偏振光束610继续在波导355中传播，直到入射到对p偏振敏感的第二分束器420。入射光束作为p偏振光束625向上反射到LCoS SLM 315，为虚拟图像620提供照明。可以理解的是，耦出器360回收了将处于不正确偏振状态的光，从而有效地将照明系统的效率提高了一倍。
图7示出波导照明系统340中偏振回收耦出器700的替代实施例。其中，透射半波片705嵌入在所述波导355中，且第一和第二偏振分束器710和715具有相同的偏振灵敏度。例如，每一个都可以将入射光分成反射的p偏振光束和透射的s偏振光束。
入射到第一分束器710的非偏振照明光束702分割成朝向LCoS SLM 315的反射p偏振光束720，以为虚拟图像740提供照明。发射的s偏振光束725由半波片705转换为正交偏振状态，即从s偏振到p偏振，如图光束730所示。
在转换偏振状态下的光在波导355中继续传播到第二分束器，并作为p偏振光束735向上反射到LCoS SLM，从而为虚拟图像740提供照明。
图8A和8B显示了波导照明系统340中偏振回收波导800的。波导包括光学衬底805，光学衬底包括偏振敏感反射器810和815或可设置在波导衬底的顶部和底部的镜像表面，例如作为介质涂层或反射s偏振光和传输p偏振光的其他合适结构或处理。
波导衬底的顶部进一步支撑设置在顶部反射器上的四分之一波片820和设置在该板上的镜面825。
如图8B所示，来自源的非偏振照明光830包括p偏振光束835，光束由顶部反射器810传输以逃离波导衬底805。s偏振光束840继续在波导中传播。
线性p偏振光835由四分之一波片820转换成圆偏振光。当圆偏振光845从镜子825反射回来时，它改变了它的旋向性，在这个例子中，从右手圆偏振光850变为左手圆偏振光850。然后光通过四分之一波片，将偏振态从圆形变为线性，这样出现的光束855就是s偏振的。
当从波导衬底流出的线性p偏振照明光835两次穿过四分之一波片时，它以正交线性偏振状态作为s偏振光束855重新进入波导。因此，在不同角度和空间位置通过照明系统传播的光将被转换为LCoS SLM所需的线性偏振状态，每次反弹沿着偏振回收波导800。
图9示出波导照明系统340中偏振回收耦入器900，其中偏振敏感反射器905和半波片910设置在非耦合反射器915或棱镜与提供非偏振光束920和925的照明源345之间的输入光路上游。在本例中，设置偏振敏感反射器，将s偏振光反射到波导355中，并发射p偏振光。反射的s偏振光束930沿着波导传播。
p偏振波束935经半波片910转换为正交偏振态，从p偏振到s偏振。转换后的光束940由下游耦合反射器915反射到波导355中，并沿着波导355传播。可以理解的是，耦入器900回收了将处于不正确偏振状态的光，从而有效地使照明系统的效率加倍。
相关专利：Microsoft Patent | Polarization-recycling waveguided illumination system for microdisplay
名为“Polarization-recycling waveguided illumination system for microdisplay”的微软专利申请最初在2022年3月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
