Valve专利提出优化Pancake光学系统性能和效率的方法
优化Pancake光学系统
（映维网Nweon 2023年02月28日）头显厂商正在积极地优化系统的方方面面。在名为“Polarization compensation for wire grid polarizer of head-mounted display system”的专利申请中，Valve就提出了一种旨在优化光学系统性能和效率的方法，而目标对象则是利用线栅偏振器作为反射偏振器的偏振折反射光学系统，亦即Pancake光学系统。
线栅偏振器可能会在波长或入射角变化时表现不均匀。为了提高性能，V社提出可以在光学系统中提供空间变化偏振器，并用于为线栅偏振器提供偏振补偿，从而令线栅偏振器在波长和/或入射角（例如，轴上和轴外）上执行更均匀。空间变化偏振器可以由液晶材料形成，例如多扭曲延迟器。
图5是头戴式显示系统500的截面侧视图，其包括显示系统502和由支撑结构506支撑的光学系统504。
当用户在图5中所示的箭头512所示的Z轴方向查看系统时，支撑结构506在用户的眼睛前方支撑显示系统502和光学系统504。控制电路514可以可选地耦合到光学系统504或显示系统502的一个或多个组件。
显示系统502和光学系统504可以用于向用户510显示图像。光学系统504可以利用折反射光学器件（Pancake）从显示系统502向用户的眼睛510提供图像。显示系统502包括诸如像素阵列516的图像源。像素阵列516可以包括发光的像素的二维阵列。
线性偏振器518可以位于像素阵列516的前面，以提供来自像素阵列516中的偏振光。在一个实施例中，像素阵列516可以通过设计产生线性偏振光，因此可以省略线性偏振器518。
光学系统504可以包括位于线性偏振器518前面的空间变化偏振器520。空间变化的偏振器520可以在其光学窗口提供可变延迟，这使得空间变化偏振器能够为光学系统502的线栅偏振器522提供偏振补偿，从而最小化线栅偏偏器的波长和入射角的变化。
空间变化偏振器520可以包括由双折射材料形成的波延迟器，例如多扭曲延迟器。波延迟器改变通过波延迟器的光的偏振状态或相位。波延迟器可以具有慢轴（或非常轴）和快轴（普通轴）。当偏振光穿过波延迟器时，沿着快轴的光比沿着慢轴的光传播得更快。
空间变化偏振器520可以配置成快轴与线性偏振器518的透射轴成45度对齐。空间变化的偏振器520可以安装在线性偏振器518的前面，并且可选地附接到其上。
光学系统504同时包括透镜元件，透镜元件包括透镜部分524和部分反射镜或表面526。透镜部分524和部分反射镜526可以形成为单个元件或多个元件。光学系统504同时包括位于透镜部分524和线栅偏振器522之间的四分之一波片528。
光线530–544（箭头）描述了光如何穿过头戴式显示系统500的显示系统502和光学系统504。图像光线530可以离开像素阵列516并穿过线性偏振器518。在这里，它变得与线性偏振器518的透射轴对准地线性偏振。在所示示例中，线性偏振器518的透射轴可以与图5中所示的X轴对齐。
在穿过线性偏振器518之后，光线530穿过空间变化的偏振器520并变成圆偏振。来自空间变化偏振器520的圆偏振光线530击中部分反射镜526，并且光线的一部分作为光线532穿过部分反射镜。光线532被透镜元件的透镜部分524的形状或特性折射或衍射（部分聚焦）。
光线532为圆偏振。四分之一波片528将光线532转换成具有与图5的Y轴对准的线性偏振的线性偏振光线534。
线栅偏振器522可定位为接近或邻近四分之一波片528。线栅偏振器522可以具有正交的反射和透射（或通过）轴。平行于线栅偏振器522的反射轴偏振的光被线栅偏转器反射，并且平行于透射轴偏振的光线穿过线栅偏偏器522。在所示示例中，线栅偏振器522可以具有与Y轴对准的反射轴，因此光线534从线栅偏偏器反射为反射光线536。
反射光线536具有与图5所示的Y轴对准的线性偏振。在通过四分之一波片528之后，反射光线536变成圆偏振光线538。圆偏振光线538穿过透镜部分524，光线538的一部分被部分反射镜526反射为反射光线540。
由部分反射镜526透射作为透射光线542的光线538的部分由空间变化的偏振器520从圆偏振光转换为线偏振光。线性偏振光具有与图5所示的Y轴对准的偏振，使得光线542被线性偏振器518吸收。
如上所述，反射光线540为圆偏振。在穿过透镜部分524和四分之一波片528后，光线540变为线性偏振，成为其偏振与X轴对准的光线544，X轴平行于线栅偏振器522的透射轴。因此，光线544穿过线栅偏振器522以向用户的眼睛510提供可视图像。
如上所述，空间变化偏振器520可以提供相位延迟，并为对波长和入射角敏感的线栅偏振器522提供偏振补偿。空间变化偏振器520的延迟变化的特定方式可以取决于线栅偏振器510或其他部件的特定配置和材料，例如入射光的偏振状态、入射角、材料、各种部件的几何形状等。
图6示出了空间变化偏振器520的非限制性示例平面图600。在所述示例中，空间变化偏振器520配置为在光学窗口的中心602提供圆形或四分之一波（λ/4）延迟，并且延迟朝着外围604逐渐减小。
通常，空间变化偏振器520可以提供作为位置的函数以任何方式变化的延迟，并且延迟的量可以是任何值，并可用于为线栅偏振器510提供偏振补偿。另外，延迟量可以仅在一个或多个方向上增加，仅在一一个或更多个方向上减少，或者增加和减少两者。
延迟量可以连续地或逐渐地变化。延迟量可以根据任何类型的函数而变化，包括例如线性函数、多项式函数、指数函数、阶跃函数、其他类型的函数或其组合。
如上所述，空间变化偏振器520可以由多扭曲延迟器（MTR）形成，MTR包括在单个衬底上的两个或多个扭曲液晶（LC）层和单个取向层。随后的LC层由先前的层直接对准，允许简单制造，实现自动层配准，并产生具有连续变化的光轴的单片膜。
在一个实施例中，控制器514可操作地耦合到空间变化偏振器520，以选择性地将空间变化偏振器的空间相关相位延迟改变为任何期望的配置。换句话说，空间变化偏振器520可以是可选择性切换的。
可以提供一个或多个薄膜晶体管层，从而允许空间变化偏振器520的空间相关相位延迟以任何期望的方式由控制器514选择性地控制。控制器514可以以任何期望的速率控制相位延迟，例如仅一次或周期性地。
在一个实施例中，可以切换四分之一波片528和空间变化偏振器520的位置。四分之一波片528可以用与空间变化偏振器520相似或相同的空间变化的偏振器代替，使得光学系统504包括两个（或更多个）空间变化偏光器。
Valve表示，通过利用发明描述的空间变化偏振器，光学设计者将具有显著更大的自由度来生产具有改进性能和效率的光学系统，并允许显示系统提供更好的浏览体验、更低的成本、更优的尺寸或重量、更少的功耗，并提供本领域技术人员将显而易见的其他优点。
相关专利：Valve Patent | Polarization compensation for wire grid polarizer of head-mounted display system
名为“Polarization compensation for wire grid polarizer of head-mounted display system”的Valve专利申请最初在2022年10月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
