CN109313383A - 用于聚焦激光投射器的系统、设备和方法 - Google Patents

用于聚焦激光投射器的系统、设备和方法 Download PDF

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万斯·R·莫里森
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Abstract

描述了用于聚焦激光投射器的系统、设备和方法。激光投射器包括N≥1个激光二极管，其中每个激光二极管发射具有发散度的激光。每个激光二极管与对应主透镜或准直透镜配对，以至少减小所述激光二极管产生的所述激光的发散度。在所述激光的(多个)光路中的(多个)主透镜下游，单个专用次透镜或会聚透镜将所述激光会聚到焦点上。通过在所述次透镜或会聚透镜处而不是在所述(多个)主透镜或准直透镜处发起会聚所述激光，实现了在基于激光投射的可穿戴式平视显示器中尤其有利的许多益处。

Description

用于聚焦激光投射器的系统、设备和方法
技术领域
本系统、设备和方法总体上涉及激光投射器，并且具体地涉及通过激光投射器聚焦激光输出。
背景技术
相关技术说明
激光投射器
投射器是将光图案投射或照射到另一个对象上(例如，到另一个对象的表面上，诸如，到投射屏幕上)以在所述另一个对象上显示图像或视频的光学设备。投射器必须包括光源，并且激光投射器是其光源包括至少一个激光器的投射器。所述至少一个激光器在时间上被调制成提供激光图案，并且通常至少一个可控反射镜被用于在空间上将所调制的激光图案分布在另一个对象的二维区域上。所调制的激光图案的空间分布在所述另一个对象处或之上产生图像。在传统激光投射器中，至少一个可控反射镜可以包括：可控制地在两个维度上可旋转或可变形的单个数字微反射镜(例如，基于微机电系统(“MEMS”)的数字微反射镜)，或者各自可控制地围绕对应维度可旋转或可变形的两个数字微反射镜、或者包括数字微反射镜阵列的数字光处理(“DLP”)芯片。
可穿戴式平视显示器
头戴式显示器是被穿戴在用户头部上的电子设备，并且当被如此穿戴时，将至少一个电子显示器固定在用户的至少一只眼睛的可视视场内，而不管用户头部的位置或取向如何。可穿戴式平视显示器是使用户能够看到显示内容但也不会阻碍用户能够看到其外部环境的头戴式显示器。可穿戴式平视显示器的“显示”组件是透明的抑或在用户的视场的外围，从而使得它并不完全妨碍用户能够看到其外部环境。可穿戴式平视显示器的示例包括：GoogleOptinventEpson以及Sony仅举几例。
可穿戴式平视显示器的光学性能是其设计中的重要因素。然而，当涉及到面戴式设备时，用户还非常关心美观。巨大的眼镜(包括太阳眼镜)框行业明显地突显了这一点。独立于可穿戴式平视显示器的性能限制，可穿戴式平视显示器的许多前述示例至少部分地因为其缺乏时尚吸引力而在努力地寻找其在消费者市场中的魅力。迄今为止所呈现的大多数可穿戴式平视显示器采用了大显示组件，并且因此，与常规眼镜框相比，迄今为止所呈现的大多数可穿戴式平视显示器相当笨重且较不时髦。
可穿戴式平视显示器的设计挑战是：在仍提供具有足够的视觉质量的显示内容的同时使面戴式装置的体积最小化。本领域需要有着在美观上更具吸引力的设计的可穿戴式平视显示器，所述可穿戴式平视显示器能够向用户提供高质量图像而不限制用户看到其外部环境的能力。
发明内容
一种激光投射器可以被概括为包括：激光模块，用于提供激光，所述激光模块包括：第一激光二极管，用于提供第一激光，其中，由所述激光模块提供的所述激光至少包括所述第一激光；以及第一准直透镜，被定位在所述第一激光的光路中，所述第一准直透镜被取向用于接收所述第一激光并且至少减小所述第一激光的发散度；以及会聚透镜，被定位在所述激光的光路中在所述激光模块的下游，所述会聚透镜被取向用于接收来自所述激光模块的激光并且将所述激光会聚到所述投射器之外的焦点上。所述激光的焦点可以具有非零光束腰。
所述激光投射器还可以包括：第一扫描反射镜，定位在所述激光的所述光路中在所述会聚透镜与所述激光的所述焦点之间，其中，所述激光在所述第一扫描反射镜处的光斑大小大于所述激光在所述激光的所述焦点处的光斑大小，并且其中，所述第一扫描反射镜包括二维反射区域并且所述激光在所述第一扫描反射镜处的所述光斑大小小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域。所述第一扫描反射镜的所述反射区域可以可控制地围绕第一轴线可旋转，并且所述激光在所述第一扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸可以小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域沿所述第一轴线的尺寸。所述激光投射器还可以包括：第二扫描反射镜，定位在所述激光的所述光路中在所述第一扫描反射镜与所述激光的所述焦点之间，其中：所述第二扫描反射镜包括二维反射区域；所述第二扫描反射镜的所述反射区域可控制地围绕与所述第一扫描反射镜的所述反射区域的所述第一轴线正交的第二轴线可旋转；并且所述激光在所述第二扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸小于或等于所述第二扫描反射镜的所述反射区域沿所述第二轴线的尺寸。
所述激光模块还可以包括：第二激光二极管，用于提供第二激光，其中，由所述激光模块提供的所述激光包括所述第二激光；以及第二准直透镜，被定位在所述第二激光的光路中，所述第二准直透镜用于接收所述第二激光并且至少减小所述第二激光的发散度。所述第一激光的波长可以与所述第二激光的波长不同。所述激光模块还可以包括：至少第三激光二极管，用于提供第三激光，其中，由所述激光模块提供的所述激光包括所述至少第三激光；以及至少第三准直透镜，被定位在所述至少第三激光的光路中，所述至少第三准直透镜用于接收所述至少第三激光并且至少减小所述至少第三激光的发散度。激光投射器还可以包括被定位并被取向用于接收所述第一激光和所述第二激光并且用于将所述第一激光和所述第二激光组合成所述激光的组合器。所述第一激光的波长可以与所述第二激光的波长不同，并且所述组合器可以包括：第一反射镜，由反射所述第一激光的材料形成，所述第一反射镜被定位在所述第一激光的所述光路中，并且被取向用于将所述第一激光朝所述会聚透镜重新定向；以及第二反射镜，由反射所述第一激光并且透射所述第二激光的二向色性材料形成，所述第二反射镜被定位在所述第一激光的所述光路中在所述第一反射镜与所述会聚透镜之间，并且所述第二反射镜同样被定位在所述第二激光的所述光路中并被取向用于：将所述第二激光朝所述会聚透镜重新定向，并且针对所述第一激光的所述光路中在所述第二反射镜下游的一部分，将所述第二激光的所述光路与所述第一激光的所述光路组合。
一种可穿戴式平视显示器可以被概括为包括：支撑结构，所述支撑结构在使用时被穿戴在用户的头部上；全息组合器，由所述支撑结构承载，其中，所述全息组合器在所述支撑结构被穿戴在所述用户的所述头部上时被定位在所述用户的眼睛的视场内；以及激光投射器，由支撑结构承载，并且被定位并被取向用于将激光朝全息组合器定向，其中，所述激光投射器包括：至少一个激光二极管，用于提供激光；至少一个准直透镜，被定位在所述激光的光路中，所述至少一个准直透镜被取向用于接收所述激光并且至少减小所述激光的发散度；以及会聚透镜，被定位在所述激光的所述光路中在所述至少一个准直透镜的下游，所述会聚透镜被取向用于接收来自所述至少一个准直透镜的、具有至少减小的发散度的所述激光，并且将所述激光会聚到所述激光投射器与所述全息组合器之间的焦点上。
所述激光投射器还可以包括被定位在所述激光的所述光路中在所述会聚透镜与所述激光的所述焦点之间的至少一个扫描反射镜，其中，所述激光在所述至少一个扫描反射镜处的光斑大小可以大于所述激光在所述激光的所述焦点处的光斑大小。所述激光在所述全息组合器处的光斑大小可以大于所述激光在所述激光的所述焦点处的光斑大小，并且所述全息组合器可以包括用于使所述激光至少大致准直并且将所述至少大致准直的激光朝所述用户的所述眼睛重新定向的至少一个全息图。
一种激光投射器可以被概括为包括：一组N个激光二极管，其中，N≥1，所述一组N个激光二极管中的每个激光二极管用于提供具有发散度的对应激光；一组N个主透镜，所述一组N个主透镜中的每个主透镜被定位并被取向用于接收来自所述N个激光二极管中的对应激光二极管的对应激光，并且所述一组N个主透镜中的每个主透镜被定位并被取向用于至少减小来自所述N个激光二极管中的对应激光二极管的对应激光的发散度；组合器，被定位并被取向用于接收来自所述N个主透镜中的每个对应主透镜的、具有至少减小的发散度的每个对应激光，并且将来自所述N个主透镜中的每个对应主透镜的、具有至少减小的发散度的每个对应激光组合为聚合激光；以及次透镜，被定位并被取向用于接收来自所述组合器的所述聚合激光，并且将所述聚合激光会聚到所述激光投射器之外的焦点上。所述聚合激光的所述焦点可以具有非零光束腰。
所述激光投射器还可以包括：第一扫描反射镜，被定位并被取向用于接收来自所述次透镜的所述聚合激光，其中，所述聚合激光在所述第一扫描反射镜处的光斑大小大于所述聚合激光在所述聚合激光的所述焦点处的光斑大小，并且其中，所述第一扫描反射镜包括二维反射区域并且所述聚合激光在所述第一扫描反射镜处的所述光斑大小小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域。所述第一扫描反射镜的所述反射区域可以可控制地围绕第一轴线可旋转，并且所述聚合激光在所述第一扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸可以小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域沿所述第一轴线的尺寸。所述激光投射器还可以包括：第二扫描反射镜，被定位并被取向用于接收来自所述第一扫描反射镜的所述聚合激光，其中：所述第二扫描反射镜包括二维反射区域；所述第二扫描反射镜的所述反射区域可控制地围绕与所述第一扫描反射镜的所述反射区域的所述第一轴线正交的第二轴线可旋转；并且所述聚合激光在所述第二扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸小于或等于所述第二扫描反射镜的所述反射区域沿所述第二轴线的尺寸。
所述一组N个激光二极管可以包括：第一激光二极管，用于提供第一波长的激光；以及至少第二激光二极管，用于提供至少第二波长的激光。
一种对由激光投射器提供的激光进行聚焦的方法，其中，所述激光投射器包括具有至少一个激光二极管的激光模块，所述方法可以被概括为包括：由所述激光投射器的所述激光模块提供所述激光，其中，所述激光具有发散度；由至少一个准直透镜至少减小所述激光的发散度；以及由被定位在所述激光的光路中在所述至少一个准直透镜下游的会聚透镜将所述激光会聚到焦点上，其中，所述焦点位于所述激光投射器之外。
所述投射器的所述激光模块可以包括N个激光二极管，其中，N≥1，并且由所述激光投射器的所述激光模块提供所述激光可以包括由所述N个激光二极管中的每个对应激光二极管提供对应激光，每个对应激光具有发散度。所述至少一个准直透镜可以包括N个准直透镜，并且由至少一个准直透镜至少减小所述激光的发散度可以包括由N个准直透镜中的每个对应准直透镜至少减小每个对应激光的发散度。
由会聚透镜将所述激光会聚到焦点上可以包括由所述会聚透镜将所述激光会聚到具有非零光束腰的焦点上。由至少一个准直透镜至少减小所述激光的发散度可以包括由至少一个准直透镜来使所述激光准直。
附图说明
在附图中，完全相同的参考数字标识相似的元件或动作。附图中的元件的大小和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，不同元件的形状以及角度不一定是按比例绘制的，并且这些元件中的一些被任意地放大和定位以提高附图的易读性。另外，所绘出的所述元件的特定形状不一定旨在传递与所述特定元件的实际形状有关的任何信息，并且选取它们只是为了方便在图中识别。
图1是根据本发明的系统、设备和方法的包括具有紧凑形状因子的激光投射器的可穿戴式平视显示器的局部剖面透视图。
图2A是由本发明的系统、设备和方法实现的具有基本上与一副常规的眼镜或太阳镜的形状因子相匹配的形状因子的可穿戴式平视显示器的透视图。
图2B是来自图2A的可穿戴式平视显示器的显示出激光投射器位于其中的区域的侧面正视图。
图3A是采用细长形状因子但采用针对每个对应激光二极管一个专用聚焦透镜的常规方法的示例性激光投射器的原理图。
图3B是根据本发明的系统、设备和方法的采用细长形状因子但采用单个专用会聚透镜来聚焦激光的示例性激光投射器的原理图。
图4是采用本发明的用于聚焦激光的系统、设备和方法的示例性激光投射器的更详细的原理图(相对于图3B)。
图5是示出了以下两项之间的比较的简化的可穿戴式平视显示器的原理图：i)在激光二极管处仅使用主透镜来聚焦由激光投射器所产生的激光的常规方法，以及ii)根据本发明的系统、设备和方法使用被定位成较靠近激光投射器的输出端的次透镜来聚焦相同激光。
图6是示出了根据本发明的系统、设备和方法的对由激光投射器所产生的激光进行聚焦的方法的流程图。
具体实施方式
在以下说明中，阐述了某些特定的细节以便提供对所披露的不同实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下或在使用其他方法、组件、材料等的情况下，也可以实践实施例。在其他情况下，未详细地示出或描述与便携式电子设备和/或头戴式设备相关联的众所周知的结构，以便避免不必要地模糊对所述实施例的说明。
除非上下文另有要求，否则贯穿说明书和所附权利要求，“包括”一词及其多种变体(诸如，“包括了(comprises)”和“包括着(comprising)”)将以一种开放式的和包含性的意义来进行解释，即作为“包括，但不限于”。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一种实施例”的引用意味着可以将特定特征、结构、或特性以任何适合的方式在一个或多个实施例中进行组合。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，除非文中另外明确指明，否则单数形式的“一种”、“一个”以及“所述”包括复数对象。还应注意，除非内容另外明确指明，否则通常以其最广泛的意义采用术语“或者”，也就是说如意味着“和/或”。
本文提供的本披露小标题以及摘要只是为了方便起见，而并非解释这些实施例的范围或含义。
激光束的“光斑大小”指的是激光束在沿光束长度的任何点处的横截面积。通常期望激光投射器中的激光束以小于或等于可控反射镜自身面积(或者在DLP的情况下反射镜阵列的总面积)的光斑大小照射在至少一个可控反射镜上。如果激光束在至少一个可控反射镜处的光斑大小大于反射镜自身的面积，则激光“光斑”在反射镜的周界上延伸的部分可以不被反射镜重新定向并且可以从投射器的光路上被裁减掉。以这种方式，至少一个可控反射镜的面积有效地充当激光的光路中的光圈——仅照射在反射镜上的激光跟随投射路径变成所投射图像的特意部分。在至少一个可控反射镜处对激光束的不想要的裁剪是低效的，并且可通过例如减小所投射的图像的亮度、强度和/或色彩饱和度(相对于在整个激光光斑与至少一个可控反射镜的面积拟合的情况下可以实现的)而不利地影响所投射的图像的质量。
激光投射器中的至少一个可控反射镜通常非常小。例如，实施各自可控制地围绕对应轴线可旋转(或可变形)的两个基于MEMS的扫描反射镜的激光投射器可以采用各自具有几mm2或更小(例如，小于5mm2并且有时小于1mm2)的反射区域的反射镜。这种反射镜如此小的部分原因是因为其需要非常快地(例如，以Hz到kHz数量级的速率)致动(例如，旋转或变形)，并且通常期望使用尽可能少的功率来实现这种致动。针对给定功率，较大MEMS反射镜将通常比较小MEMS反射镜致动得更慢，并且针对给定致动速率，较大MEMS反射镜将通常比较小MEMS反射镜消耗更多功率；因此，在期望高速率致动和低功耗(如一般地在激光投射器的情况下)，较小的反射镜大小可以是有利的。
所述至少一个可控反射镜有效地充当激光投射器中的光圈，并且反射镜的较小大小通常在激光的光路中引入较小的光圈。如上所述，有利的是，确保当激光照射在至少一个可控反射镜上时激光的光斑大小小于或等于所述至少一个可控反射镜的大小，从而使得没有激光由于裁剪而丢失；然而，大多数激光二极管在没有进行任何调整的情况下发射高度发散的激光(例如，在至少一个方向中高达约30度的发散)将导致激光束的光斑大小在比通常将激光二极管与所述至少一个可控反射镜分开的距离更短的距离内超过典型可控反射镜的大小。为了在不裁剪激光的情况下适应此发散，通常将聚焦透镜定位成靠近激光二极管以用于接收发散激光并且将其会聚为所述至少一个可控反射镜上的光斑，其光斑大小小于或等于反射镜自身的大小。
在包括具有红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管的RGB激光模块的常规激光投射器中，每个对应激光二极管具有相应的对应聚焦透镜。激光二极管、聚焦透镜与所述至少一个可控反射镜的相对位置都被调谐并对准以使得每个激光束以基本上相同的光斑大小并且以基本上相同的会聚率照射在所述至少一个可控反射镜上(使得所有激光束都将随其朝例如投射屏幕传播离开激光投射器而一直具有基本上相同的光斑大小)。在常规激光投射器中，通常可以针对所有这些元件提出这种配置，因为设备的整体形状因子不是主要的设计考虑因素。然而，在激光投射器的形状因子是重要设计元素的应用中，找到针对激光二极管、聚焦透镜和所述至少一个可控反射镜的充分对准激光束(至少在光斑大小、光斑位置和会聚率方面)同时满足形状因子约束的配置可能是非常具有挑战性的。
本文所描述的各实施例提供了用于由激光投射器聚焦激光输出的系统、设备和方法，并且尤其非常适合用于激光投射器的整体形状因子是重要设计约束的应用。这种应用的示例是基于扫描激光的可穿戴式平视显示器(“WHUD”)。
通常，基于扫描激光的WHUD是扫描激光投射器(“SLP”)将光栅扫描绘制到用户的眼睛上的虚拟视网膜显示器的形式。SLP可以将激光直接投射到用户的眼睛上/之中，或者来自SLP的激光可以被一个或多个光学元件路由朝向用户的眼睛，所述一个或多个光学元件处于从SLP路由到用户眼睛的激光的光路中。可以用于结合(例如，可受益于实施)本发明的系统、设备和方法的基于SLP的WHUD的示例性架构包括但不限于以下文件中所描述的(多个)WHUD架构：美国专利申请公开号US 2015-0378161 A1、美国非临时专利申请序列号15/046,234、美国非临时专利申请序列号15/046,254、美国非临时专利申请序列号15/046,269、美国临时专利申请序列号62/156,736、美国非临时专利申请序列号15/145,576、美国专利申请公开号US 2016-0327797 A1和/或美国专利申请公开号US 2016-0327796 A1。
图1是根据本发明的系统、设备和方法的包括具有紧凑形状因子的激光投射器(即，SLP)120的WHUD 100的局部剖面透视图。WHUD 100包括支撑结构110，所述支撑结构在使用时被穿戴在用户的头部上并且具有眼镜(例如，太阳眼镜)框的一般形状和外观。支撑结构110承载多个部件，包括：SLP 120、在透镜140处、之上或之中承载的全息组合器130、以及出射光瞳扩大光学器件150。SLP 120和出射光瞳扩大光学器件150的一部分可以包含在支撑结构110的内部体积内；然而，图1提供了局部剖视图，其中已经移除了支撑结构110的区，以便呈现SLP 120和出射光瞳扩大光学器件150的以其他方式可能被隐藏的可见部分。
贯穿本说明书和所附权利要求，术语“承载(carries)”以及诸如“由......承载(carried by)”的变体总体上被用来指代两个对象之间的物理联接。物理联接可以是直接物理联接(即，通过两个对象之间的直接物理接触)或可以由一个或多个附加对象介入的间接物理联接。因此，术语承载以及诸如“由......承载”的变体意在总体地涵盖所有方式的直接和间接物理联接，包括但不限于：在其间存在或不存在任何数量的中间物理对象的情况下，承载在......上、承载在......内、物理联接到......上、和/或由......支撑。
SLP 120可以包括多个激光二极管(例如，红色激光二极管、绿色激光二极管、和/或蓝色激光二极管)和至少一个扫描反射镜(例如，单个二维扫描反射镜或两个一维扫描反射镜，所述扫描反射镜可以是例如基于MEMS的或基于压电的)。SLP 120可以通信耦合到(并且支撑结构110可以进一步承载)处理器以及存储处理器可执行数据和/或指令的非暂态处理器可读存储介质或存储器，所述处理器可执行数据和/或指令在由处理器执行时，致使处理器控制SLP 120的操作。为了便于说明，图1未显示出处理器或存储器。
当支撑结构110被穿戴在用户的头部上时，全息组合器130被定位在用户的至少一只眼睛的视场内。全息组合器130是足够光学透明的，以便允许来自用户的环境的光(即，“环境光”)穿过到达用户的眼睛。在图1所展示的示例中，支撑结构110进一步承载透明眼镜镜片140(例如，处方眼镜镜片)，并且全息组合器130包括至少一个全息材料层，所述全息材料层被粘附到、附连到眼镜镜片140上，与眼镜镜片层叠，承载在眼镜镜片之中或之上，或以其他方式与眼镜镜片集成。所述至少一个全息材料层可以包括感光聚合物膜(诸如从拜耳材料科技有限公司(Bayer MaterialScience AG)可获得的)或卤化银化合物，并且可以例如使用美国临时专利申请序列号62/214,600和/或美国专利申请公开号2017-0068095 A1中描述的任何技术与透明镜片140集成。全息组合器130在至少一个全息材料层之中或之上包括至少一个全息图。由于当支撑结构110被穿戴在用户的头部上时，全息组合器130被定位在用户眼睛的视场中，全息组合器130的至少一个全息图被定位并被取向用于将源自SLP 120的光朝用户的眼睛重定向。具体地，所述至少一个全息图被定位并被取向用于接收源自SLP 120的光信号，并将所述光信号会聚到在用户的眼睛处或其附近的至少一个出射光瞳。
出射光瞳扩大光学器件150被定位在投射器120与全息组合器130之间的光路中，并且可以采用各种各样不同形式中的任一种，包括但不限于美国专利申请序列号15/046,234、美国专利申请序列号15/046,254和/或美国专利申请序列号15/046,269中所描述的那些形式。
SLP 120具有专门设计用于装配在支撑结构110所提供的有限空间内的形状因子。在这种配置中，对由SLP 120中的激光二极管中的每一个所提供的激光束进行对准聚焦(在光斑大小和会聚率两方面)是一个具体的工程挑战。根据本发明的系统、设备和方法，SLP120包括被定位在由SLP 120中的全部激光二极管所提供的激光光路中的单个专用聚焦透镜、或者“会聚透镜”121。会聚透镜121被取向用于接收来自SLP 120中的每个激光二极管的对应激光，并且用于将每个对应激光会聚到可能位于SLP 120与全息组合器130之间的焦点(例如，公共焦点)上。在一些实施方式中，会聚透镜121将基本上相同的“聚焦轮廓”或“会聚轮廓”施加至由SLP 120中的激光二极管所生成的激光束中的每一个以使得激光束就光斑大小和会聚率而言得以对准。
WHUD 100是基于扫描激光的具有大致一副典型的眼镜或太阳镜的形状因子的WHUD的说明性示例。然而，在WHUD 100中采用SLP 120和全息组合器130的显示器架构能够实现甚至更小、更紧凑的WHUD形状因子。
图2A是由本发明的系统、设备和方法实现的具有基本上与一副常规的眼镜或太阳镜的形状因子相匹配的形状因子的WHUD 200的透视图。WHUD 200与来自图1的WHUD 100基本上相似，因为WHUD 200包括针对WHUD 100所描述的部件的所有相同部件，包括支撑结构210、SLP(图2A中不可见)、全息组合器230、眼镜镜片240和出射光瞳扩大光学器件250；然而，WHUD 200的至少一些部件相对于其在WHUD 100中的对应物已经被适配(例如，进一步小型化)用于使得WHUD 200能够具有与WHUD 100相比更小、更紧凑的形状因子。如稍后将更详细地描述的，将专用会聚透镜(例如，来自图1的会聚透镜121)包括在内是实现根据本发明的系统、设备和方法的WHUD 200中的SLP的紧凑形状因子的促进因子。
图2B是来自图2A的WHUD 200的显示出SLP位于其中的WHUD 200的区域220(由虚线矩形表示)的侧面正视图。WHUD 200的SLP在图2A和图2B中不可见，因为WHUD 200的SLP被包含在WHUD 200的支撑结构210内，并且图2A和图2B都未提供用于暴露支撑结构210的内部容积的切开视图。然而，WHUD 200的SLP位于其中的支撑结构210的区域220与WHUD 100的SLP110位于其中的支撑结构110的区域基本上类似。
一副常规的眼镜或太阳镜的支撑结构通常包括在用户头部两侧并搁在用户耳朵上的从眼镜镜片延伸的细长臂(例如，通过直接联接至镜片或通过联接至支撑结构的至少部分地包含镜片的“镜圈”部分)。这些细长臂相比框架的镜片和/或镜圈部分较不显眼，并且可以有利地适配用于在采用常规眼镜形状因子的WHUD中承载更多功能部件。通过向臂而不是镜圈添加功能部件，常规眼镜框架可以被适配用于充当WHUD同时基本上维持常规眼镜的形状因子。这就是图2A和图2B中所描绘的WHUD 200中的设计方法。
为了向常规眼镜框架的臂添加功能部件同时最小化功能部件对眼镜框架的形状因子的整体影响，功能部件自身可以有利地采用与臂的细长形状因子基本上相匹配、对准或拟合的细长形状因子。为此，WHUD 200的包括WHUD 200的SLP的区域220是具有与WHUD200的支撑结构210的臂平行地拉伸的长度的细长矩形区域。由此，WHUD 200中的SLP自身可以有利地采用紧凑细长的形状因子以便于装配在区域220内。
常规激光投射器可以包括多个激光二极管，并且如前所述，每个激光二极管通常与对应聚焦透镜配对。这是因为每个激光二极管通常发射需要被聚焦并朝至少一个扫描反射镜定向的发散激光，并且因为常规激光投射器未被设计用于优化针对紧凑细长几何形状的形状因子。
贯穿此说明书和所附权利要求，对“发散激光”和“具有发散度的激光”的引用指的是在所讨论的点处直径增大的激光束。本领域的技术人员将理解的是，在其光路中在点B处发散的激光可能在光路中在点B上游的点A处会聚。在这种情况下(以及在缺乏诸如透镜等任何光学器件的情况下)，光束腰将通常出现在光路中在点A与点B之间的某个点处，其中，在光束腰处，激光从会聚(即，具有会聚度)改变为发散(即，具有发散度)。因此，在一些实施方式中，提供发散激光(或者具有发散度的激光)的激光二极管可以提供初始会聚(即，具有会聚度)至激光二极管内或与之紧密靠近(例如，在微米或毫米数量级的距离内)的光束腰并且然后在光束腰的下游具有发散光路的激光。
图3A是采用细长形状因子但采用针对每个对应激光二极管一个专用聚焦透镜的常规方法的示例性激光投射器300a的原理图。激光投射器300a包括四个激光二极管311a、312a、313a和314a，每个都可操作用于发射具有对应波长的发散激光。例如，激光二极管311a可以发射发散红色激光，激光二极管312a可以发射发散绿色激光，激光二极管313a可以发射发散蓝色激光，并且激光二极管314a可以发射发散红外激光。图3A中通过成对的实线箭头来表示激光，其中，包括每对实线箭头并且在每对实线箭头之间的区域对应于对应的激光束。红色、绿色和蓝色激光可以用于投射可见图像，而红外激光可以用于眼睛跟踪目的，例如，如在美国临时专利申请序列号62/167,767、美国临时专利申请序列号62/271,135、美国专利申请公开号US 2016-0349514 A1、美国临时专利申请序列号62/245,792、和/或美国专利申请序列号15/331,204中所描述的。
激光投射器300a包括一组聚焦透镜321a、322a、323a和324a。聚焦透镜321a、322a、323a和324a中的每一个聚焦透镜与激光二极管311a、312a、313a和314a中的对应激光二极管相配对。具体地，聚焦透镜321a被定位并被取向用于接收来自红色激光二极管311a的发散红色激光并且将红色激光会聚到焦点370a上，聚焦透镜322a被定位并被取向用于接收来自绿色激光二极管312a的发散绿色激光并且将绿色激光会聚到焦点370a上，聚焦透镜323a被定位并被取向用于接收来自蓝色激光二极管313a的发散蓝色激光并且将蓝色激光会聚到焦点370a上，并且聚焦透镜324a被定位并被取向用于接收来自红外激光二极管314a的发散红外激光并且将红外激光会聚到焦点370a上。激光投射器300a还包括组合器，所述组合器包括四个反射器331a、332a、333a和334a，所述反射器各自被定位并被取向用于反射至少一种激光并且所述反射器中的至少三个(具体地，反射器331a、332a和333a)透射至少一种其他激光。具体地，反射器331a可以由二向色性材料形成，所述二向色性材料反射由红色二极管311a发射的红色激光并且透射由其他激光二极管(即，分别由激光二极管312a、313a和314a)发射的其他激光(即，绿色激光、蓝色激光和红外激光)；反射器332a可以由二向色性材料形成，所述二向色性材料反射由绿色二极管312a发射的绿色激光并且透射由蓝色激光二极管313a发射的蓝色激光和由红外激光二极管314a发射的红外激光；反射器333a可以由二向色性材料形成，所述二向色性材料反射由蓝色二极管313a发射的蓝色激光并且透射由红外激光二极管314a发射的红外激光；并且反射器334a可以至少反射由红外激光二极管314a所发射的红外激光。在图3A所展示的配置中，反射器331a、332a、333a和334a被安排用于将来自红色激光二极管311a的红色激光、来自绿色激光二极管312a的绿色激光、来自蓝色激光二极管313a的蓝色激光、以及来自红外激光二极管314a的红外激光全部都组合成由激光投射器300a所输出的单个激光束(“聚合激光束”)。聚焦透镜321a、322a、323a和324a使得聚合激光束中的每种不同的激光(即，不同颜色成分的每一种)以基本上相同的会聚率会聚，以实现在激光投射器300a中在至少一个扫描反射镜360a处基本上相同的光斑大小350a。
如前所述，聚焦透镜321a、322a、323a和324a对准每种激光(即，红色激光二极管311a所发射的红色激光、绿色激光二极管312a所发射的绿色激光、蓝色激光二极管313a所发射的蓝色激光、以及红外激光二极管314a所发射的红外激光)以使得所有激光沿聚合激光束的光路的长度在任何给定点处具有基本上相同的会聚率和光斑大小可以是有利的，因为这样可以帮助确保聚合激光束中的颜色成分中的每一种在整个透射区域上以受控且特意的方式聚焦并组合(例如，以用于产生预期的颜色)。如果不同的激光射线或光束在沿聚合激光束的光路的任何给定点处并非全部具有基本上相同的光斑大小和会聚率，则在投射区域的不同区域处，不同颜色成分的相对光斑大小可能不会以一致的方式对准，并且(多个)投射图像的整体质量可能受到损害。
激光投射器300a的细长矩形形状因子可以被设计用于容纳特定应用的形状因子约束，诸如例如，WHUD 200上的区域220的细长形状因子，其中，投射器300a可以由用于WHUD200的支撑结构210来承载。此细长形状因子可以使得激光投射器300a中的各激光二极管311a、312a、313a和314a被定位在距离扫描反射镜360a不同距离处。在所展示的实施方式中，来自红色激光二极管311a的红色激光行进第一距离X1(即，沿第一光路)以到达扫描反射镜360a，来自绿色激光二极管312a的绿色激光行进第二距离X2(即，沿第二光路，所述第二光路的一部分是唯一的并且一部分与至少第一光路重叠)以到达扫描反射镜360a，来自蓝色激光二极管313a的蓝色激光行进第三距离X3(即，沿第三光路，所述第三光路的一部分是唯一的，一部分与至少第二光路重叠，并且一部分与至少第二光路和第一光路重叠)以到达扫描反射镜360a，并且来自红外激光二极管314a的红外激光行进第四距离X4(即，沿第四光路，所述第四光路的一部分是唯一的，一部分与至少第三光路重叠，一部分与至少第三光路和第二光路重叠，并且一部分与至少第三光路、第二光路和第一光路重叠)以到达扫描反射镜360a。红色激光所行进的第一距离X1比绿色激光所行进的第二距离X2要短，绿色激光所行进的第二距离比蓝色激光所行进的第三距离X3要短，蓝色激光所行进的第三距离比第四激光所行进的第四距离X4要短。即，X1＜X2＜X3＜X4。
激光二极管311a、312a、313a和314a中的每一个所发射的激光行进不同的距离但是在沿所述激光的光路的所有共享点处具有基本上相同的会聚率和基本上相同的光斑大小。激光投射器300a的实施方式通过允许来自激光二极管311a、312a、313a和314a中的每一个的激光在分别照射在相应聚焦透镜321a、322a、323a和324a上之前发散至不同的对应光斑大小来实现这一点，使得来自激光二极管311a、312a、313a和314a中的每一个的激光从取决于从激光二极管311a、312a、313a和314a到扫描反射镜360a的光路长度的光斑大小开始会聚。具体地，聚焦透镜321a被相对于红色激光二极管311a的输出端而定位以使得红色激光以第一光斑大小S1照射在其上，聚焦透镜322a被相对于绿色激光二极管312a的输出端而定位以使得绿色激光以第二光斑大小S2照射在其上，聚焦透镜323a被相对于蓝色激光二极管313a的输出端而定位以使得蓝色激光以第三光斑大小S3照射在其上，并且聚焦透镜324a被相对于红外激光二极管314a的输出端而定位以使得红外激光以第四光斑大小S4照射在其上。因为聚焦透镜321a、322a、323a和324a中的每一个所施加的会聚率基本上相同，并且所有的激光射线或光束有利地在扫描反射镜360a处具有基本上相同的光斑大小350a，每种激光在其聚焦透镜处的光斑大小随着距扫描反射镜360a的距离而增大。即，由于X4＞X3＞X2＞X1，聚焦透镜321a、322a、323a和324a分别被相对于激光二极管311a、312a、313a和314a而定位，从而使得S4＞S3＞S2＞S1。并且，由于S4＞S3＞S2＞S1，在投射器300a中聚焦透镜321a、322a、323a和324a自身的大小是不一致的。具体地，聚焦透镜321a具有被设计用于接收来自红色激光二极管311a的具有第一光斑大小S1的发散红色激光的第一直径D1，聚焦透镜322a具有被设计用于接收来自绿色激光二极管312a的具有第二光斑大小S2的发散绿色激光的第二直径D2，聚焦透镜323a具有被设计用于接收来自蓝色激光二极管313a的具有第三光斑大小S3的发散蓝色激光的第三直径D3，并且聚焦透镜324a具有被设计用于接收来自红外激光二极管314a的具有第四光斑大小S4的发散红外激光的第四直径D4。由于S4＞S3＞S2＞S1，选定聚焦透镜321a、322a、323a和324a的直径以使得D4＞D3＞D2＞D1。此外，在投射器300a中，反射器331a、332a、333a和334a的大小是不一致的，其中，反射器334a比反射器33a要大，反射器333a比反射器332a要大，反射器332a比反射器331a要大。每个反射器331a、332a、333a和334a的大小被设计用于适应反射器可操纵用于反射的特定激光的光斑大小。
总之，通过在投射器300a的细长形状因子内实施针对每个对应激光二极管311a、312a、313a和314a具有一个专用聚焦透镜321a、322a、323a和324a的常规方法：A)每个激光二极管与其相应的聚焦透镜之间的间距随聚焦透镜与扫描反射镜360a之间的距离的增大而增大以便允许由激光二极管所发射的激光发散至足够的光斑大小，因而所有聚焦透镜321a、322a、323a和324a共同施加的会聚率导致所有的激光射线或光束在扫描反射镜360a具有相同的光斑大小350a(其中，聚焦透镜321a与激光二极管311a之间的间距是最小间距，因为X1是最短距离，并且聚焦透镜324a与激光二极管314a之间的间距是最大间距，因为X4是最大距离)，B)每个聚焦透镜321a、322a、323a和324a的直径(和整体大小)随聚焦透镜与扫描反射镜360a之间的距离的增大而增大以便接收相应激光的整个光斑大小，并且C)每个反射器331a、332a、333a和334a的大小随反射器与扫描反射镜360a之间的距离的增大而增大以便接收相应激光的完整光斑大小。所有这些因子(即，A、B和C)组合以导致在最长光路中所述部件的整体占用面积(即，在由红外激光二极管314a所发射的红外激光的光路中红外激光二极管314a、聚焦透镜324a和反射器334a的占用面积)比在最短光路的光路中所述部件的占用面积(即，在由红色激光二极管311a所发射的红色激光的光路中红色激光二极管311a、聚焦透镜321a和反射器331a的占用面积)大得多。因此，虽然激光投射器300a的确实施了细长形状因子并且这是诸如在WHUD 200的区域220中等某些应用所期待的，但是使用针对每个激光二极管311a、312a、313a和314a具有一个对应聚焦透镜321a、322a、323a和324a的常规方法向激光投射器300a添加了不想要的大小(例如，由于相对于在红色激光的相对较短的光路中更紧凑的间距和光学部件321a、331a，在红外激光的相对较长的光路中更大的间距和光学部件324a、334a)，并且阻止了激光投射器300a达到足以装配在WHUD 200的区域220中的紧凑形状因子。
根据本发明的系统、设备和方法，具有细长几何形状的激光投射器可以通过使用单个专用会聚透镜来聚焦所有激光二极管所发射的激光而不是针对每个对应激光二极管具有一个单独的对应聚焦透镜的常规方法来实现更紧凑的形状因子。
图3B是根据本发明的系统、设备和方法的采用细长形状因子但采用单个专用会聚透镜340b来聚焦激光的示例性激光投射器300b的原理图。激光投射器300b与来自图3A的激光投射器300a在概念上和在操作上类似，因为激光投射器300b也包括四个激光二极管311b、312b、313b和314b(例如，红色激光二极管311b、绿色激光二极管312b、蓝色激光二极管313b和红外激光二极管314b)，并且每个激光二极管可操作用于提供发散激光(即，具有发散度的激光)。然而，在由激光投射器300b的激光二极管311b、312b、313b和314b所发射的激光射线或光束的光路中的透镜和反射器根据本系统、设备和方法以相对于激光投射器300a的激光二极管311a、312a、313a和314a所发射的激光的光路中的透镜和反射器不同的方式安排，以便为激光投射器300b提供比激光投射器300a的形状因子更紧凑的形状因子。以与图3A中的激光投射器300a的图示类似的方式，在图3B的激光投射器300b的图示中，由成对的实线箭头来表示激光，其中，包括每对实线箭头并且在每对实线箭头之间的区域对应于对应的激光束。
激光投射器300b包括用于提供激光的激光模块310b，其中，激光模块310b至少包括用于提供第一激光的第一激光二极管311b，从而使得由激光模块提供的激光至少包括第一激光。如前所述，第一激光二极管311b可以是红色激光二极管，但是在实践中，第一激光二极管311b取决于具体实施方式可以是可操作用于产生具有任何波长(例如，绿色、蓝色、红外、紫外、或其之间的某个波长)的激光的任何类型的激光二极管。
由第一激光二极管311b所提供第一激光通常可以展现出、具备、或者“具有”发散度(至少在距离第一激光二极管一定距离处)，所述发散度导致第一激光二极管的光斑大小随着距离第一激光二极管311b的距离增大而扩大。为了在没有过大光学部件的情况下限制此扩大以使得所有第一激光保持在投射路径上，激光模块310b还包括被定位在第一激光的光路中的第一准直透镜321b。第一准直透镜321b接收来自第一激光二极管311b的第一激光，并且至少减小第一激光的发散度。在一些实施方式中，第一准直透镜321b可以使第一激光基本上准直；然而，在其他实施方式中，从第一准直透镜321b出射的第一激光可能仍然具有一定发散度(但比入射到第一准直透镜321b中的第一激光的发散度要小)或者从第一准直透镜321b出射的第一激光可能具有一定会聚度。贯穿此说明书和所附权利要求，术语“准直”宽松地用在“准直透镜”中以指代至少减小穿透其的光的发散度并且可能或可能不会使所述光实际上准直的透镜。如本文所使用的，“基本上准直”通常意指在+/-10％内准直。
关于其在第一(例如，红色)激光的光路中的位置，投射器300b中的第一准直透镜321b类似于投射器300a中的聚焦透镜321a。投射器300a中的聚焦透镜321a接收来自红色激光二极管311a的发散红色激光并且会聚或聚焦那个红色激光，而投射器300b中的第一准直透镜321b接收来自第一激光二极管311b的发散第一激光并且减小所述第一红色激光的发散度。投射器300a中的聚焦透镜321a通过发起传播直接穿过并离开投射器300a的光圈的会聚率来聚焦红色激光，而投射器300b中的第一准直透镜321b减小第一激光的发散度(例如，使第一激光基本上准直)以使得第一激光以相对紧凑的光斑大小传播穿过投射器300b，但是第一准直透镜321b不聚焦第一激光或者发起将传播离开穿过投射器300b的光圈的会聚率。为了聚焦/会聚第一激光，投射器300b中的第一激光的光路包括第二透镜(与投射器300a中的红色激光的光路区别)，即，会聚透镜340b。
在由激光模块310b所提供的激光的光路中，会聚透镜340b被定位激光模块310b的下游。由于由激光模块310b所提供的激光包括由第一激光二极管311b所提供的第一激光，因此会聚透镜340b被定位在第一激光的光路中第一准直透镜321b的下游。会聚透镜340b接收来自激光模块310b的激光(包括来自第一激光二极管311b的第一激光)并且将激光会聚到可能在投射器300b之外的焦点370b上。
在图3B中的投射器300b的所展示示例中，激光模块310b还包括：第二激光二极管312b(例如，绿色激光二极管)，用于提供第二激光，其中，第二准直透镜322b被定位在第二激光的光路中以至少减小第二激光的发散度；第三激光二极管313b(例如，蓝色激光二极管)，用于提供第三激光，其中，第三准直透镜323b被定位在第三激光的光路中以至少减小第三激光的发散度；以及第四激光二极管314b(例如，红外激光二极管)，用于提供第四激光，其中，第四准直透镜324b被定位在第四激光的光路中以至少减小第四激光的发散度。第二激光、第三激光和第四激光(连同第一激光一起)全部被包括在激光模块310b所输出的激光中。
根据本发明的系统、设备和方法，因为准直透镜321a、322b、323b和324b仅减小由激光二极管311b、312b、313b和314b所提供的激光的发散度而不实际地聚焦并发起激光的会聚“输出”率(作为整体由投射器输出)(如由投射器300a中类似的聚焦透镜321a、322a、323a和324a所进行的)，所以准直透镜321b、322b、323b和324b不必每个都适应来自相应激光二极管311b、312b、313b和314b的激光的不同光斑大小，并且相应地，准直透镜321b、322b、323b和324b可以各自与彼此基本上大小相同。例如，投射器300b中的准直透镜321b、322b、323b和324b全部都与投射器300a中的聚焦透镜321a基本上大小相同，但因为在投射器300a中聚焦透镜322a比聚焦透镜321a更大，所以投射器300b中的准直透镜321b、322b、323b和324b全部比聚焦透镜322a要小。同样，在投射器300a中，聚焦透镜323a比聚焦透镜322a要大，并且聚焦透镜324a比聚焦透镜323a要大，所以在投射器300b中，准直透镜321b、322b、323b和324b全部都比来自投射器300a的聚焦透镜323a和聚焦透镜324a小得多。投射器300b中的准直透镜321b、322b、323b和324b的一致紧凑大小与投射器300a中跨聚焦透镜321a、322a、323a和324a的增大大小相比是实现投射器300b的、与投射器300a的形状因子相比更紧凑的形状因子的促进因子。此外，因为准直透镜321b、322b、323b和324b中的每一个基本上大小相同，所以准直透镜321b、322b、323b和324b中的每一个被定位用于接收来自相应激光二极管311b、312b、313b和314b的基本上相同光斑大小的激光，并且相应地，与投射器300a中聚焦透镜321a、322a、323a和324a相对于激光二极管311a、312a、313a和314a的位置相比，在投射器300b中准直透镜321b、322b、323b和324b通常被定位成平均更靠近激光二极管311b、312b、313b和314b的输出端。这种定位也促进了投射器300b的相对紧凑的形状因子。
类似于投射器300a，投射器300b还包括组合器330b，所述组合器包括四个反射器331b、332b、333b和334b。以与投射器300a中基本上相同的方式，投射器300b的组合器330b中的四个反射器331b、332b、333b和334b被定位并被取向用于将来自激光二极管311b、312b、313b和314b的对应激光组合成单个聚合激光束(即，由投射器300b所输出的“激光”)；然而，因为在投射器300b中照射在反射器331b、332b、333b和334b上的激光不像它们在投射器300a中照射在反射器331a、332a、333a和334a那样是会聚的，所以反射器331b、332b、333b和334b都与彼此基本上大小相同。例如，投射器300b中的反射器331b、332b、333b和334b全部都与投射器300a中的反射器331a基本上大小相同，但因为在投射器300a中反射器332a比反射器331a要大，所以投射器300b中的反射器331b、332b、333b和334b全部都比反射器332a要小。同样，在投射器300a中反射器333a比反射器332a要大，并且反射器334a比反射器333a要大，所以在投射器300b中，反射器331b、332b、333b和334b全部都比来自投射器300a的反射器333a和反射器334a小得多。投射器300b中的反射器331b、332b、333b和334b的一致紧凑大小与投射器300a中跨反射器331a、332a、333a和334a的增大大小相比是实现投射器300b的、与投射器300a的形状因子相比更紧凑的形状因子的另一个促进因子。
反射器331b、332b、333b和334b可以包括用于以与针对反射器331a、332a、333a和334a所描述的方式基本上相同的方式选择性地反射和/或透射由激光二极管311b、312b、313b和314b所提供的不同波长的激光的反射式和/或二向色性材料。
类似于来自图3A的投射器300a，投射器300b至少包括被定位在激光(即，聚合激光)的光路中在组合器330b的输出端处的第一扫描反射镜360b。第一扫描反射镜360b包括二维反射区域(例如，具有长度和宽度的正方形或矩形表面、或者具有直径的圆形表面)，并且激光在第一扫描反射镜360b处的光斑大小350b小于或约等于第一扫描反射镜360b的反射区域。在一些实施方式中，第一扫描反射镜360b的反射区域可以可控制地围绕第一轴线可旋转，并且激光在第一扫描反射镜360b的反射区域处的光斑大小350b的尺寸(例如，光斑的尺寸)可以小于或约等于第一扫描反射镜360b的反射区域沿第一轴线的尺寸。这种实施方式还可以包括被定位在激光的光路中在第一扫描360b与激光的焦点370b之间的第二扫描反射镜(为了简单起见未在图3B中展示)。第二扫描反射镜可以包括二维反射区域，其中，第二扫描反射镜的反射区域可控制地围绕第二轴线可旋转，所述第二轴线与第一扫描反射镜360b的反射区域的第一轴线正交。在这种配置中，激光在所述第二扫描反射镜的所述反射区域处的光斑大小(例如，光斑大小的尺寸或者光斑的直径)可以小于或约等于第二扫描反射镜的反射区域沿第二轴线的尺寸。
在投射器300b的所展示示例中，分别通过准直透镜321b、322b、323b和324b使激光二极管311b、312b、313b和314b所提供的发散激光基本上准直，并且当被组合器330b的反射器331b、332b、333b和334b反射或组合成单个聚合激光束时保持准直。根据本发明的系统、设备和方法，此方法允许与来自图3A的投射器300a中的类似部件相比其间具有间距的更紧凑型光学部件，从而促进了投射器300b的、相对于投射器300a的形状因子而言更紧凑的整体形状因子。为了将激光(即，聚合激光)下聚焦至小于或等于在反射镜360b的位置处的至少一个扫描反射镜360b的大小的光斑大小350b，投射器300b包括在聚合激光的光路中在组合器330b与至少一个扫描反射镜360b之间的专用会聚透镜340b。由于来自激光二极管311b、312b、313b和314b中的每一个的激光在入射到会聚透镜340b上时全部基本上准直并且具有基本上相同的光斑大小，因此单个会聚透镜340b向来自激光二极管311b、312b、313b和314b中的对应激光二极管的每个激光射线或光束施加基本上相同的会聚率，从而使得每个激光射线或光束随着沿其光路的所有点处的其他激光射线或光束会聚至焦点370b并且从所述焦点发散而保持与所述其他激光射线或光束基本上相同的光斑大小。
焦点370b是由对应激光二极管311b、312b、313b和314b所发射的每个激光射线或光束的共同焦点。换言之，焦点370b是由投射器300b所输出的聚合激光的焦点，所述焦点的位置由会聚透镜340b施加至聚合激光的会聚率来确定。通常，在激光投射应用中，焦点370b的位置如图3B中所展示的在投射器之外是有利的。此外，由于由激光二极管311b、312b、313b和314b所发射的激光一般可能是高斯光束，所以在焦点370b处的光斑大小可能达不到零，而是可能会聚为非零光束腰。即，激光可能会聚为具有大于零的直径(诸如，微米或毫米数量级的直径)的焦点。聚合激光在焦点370b处的非零光束腰可以对应于聚合激光沿其光路的最小光斑大小；因此，激光在扫描反射镜360b处的光斑大小350b大于激光在焦点370b处的光斑大小(例如，最小光束腰)。
在各种替代性实施方式中，采用单个专用会聚透镜来聚焦来自多个激光二极管的激光的激光投射器可以包括被安排在任何配置中并且具有任何波长组合的任何数量N个激光二极管(即，其中，N≥1)。因为本文描述的采用单个会聚透镜的激光投射器还可以包括一组准直透镜(即，用于至少减小由激光二极管所输出的激光的发散度)，并且准直透镜在激光的光路中在会聚透镜的上游，因此准直透镜在本文中可以一般地指代“主透镜”，并且会聚透镜在本文中可以一般地指代“次透镜”。
图4是采用本发明的用于聚焦激光的系统、设备和方法的示例性激光投射器400的更详细的原理图(相对于图3B)。投射器400基本上与来自图3B的投射器300b类似，但是示出了图3B中未展示的一些更多具体细节。投射器400包括N个激光二极管411、412、413和414，其中，N＝4，并且激光二极管411、412、413和414中的每一个提供由对应的一对发散实线箭头所表示的具有发散度的对应激光(例如，对应发散激光)。在一组N＝4个主透镜421、422、423和424中的每个主透镜被定位并被取向用于接收来自N＝4个激光二极管411、412、413和414中的对应激光二极管的对应激光。来自激光二极管411、412、413和414中的每个对应激光二极管的发散激光照射在N＝4个主透镜421、422、423和424中的对应主透镜上并透射穿过所述主透镜。在图4中，穿过每个主透镜421、422、423和424的每种激光的代表性光路由对应的一对虚线箭头来表示。如在图中所展示的，N＝4个主透镜421、422、423和424中的每个对应主透镜至少减小来自N＝4个激光二极管411、412、413和414中的对应激光二极管的对应激光的发散度。在图4中，由N＝4个主透镜421、422、423和424中的每个主透镜所发射的激光由对应的一对实线的且基本上平行的箭头来表示，从而指示由N＝4个主透镜421、422、423和424中的每个主透镜所发射的激光是基本上准直的。然而，在替代性实施方式中，N＝4个主透镜421、422、423、423和424中的一个或多个主透镜可以发射具有较小会聚度或发散度的激光，条件是主透镜相对于主透镜从N＝4个激光二极管411、412、413和414中的相应激光二极管所接收的激光的发散度而至少减小激光的发散度。以这种方式，投射器400的主透镜411、412、413和414与来自图3B的投射器300b的准直透镜321b、322b、323b和324b基本上类似。
在来自图3B的投射器300b中，激光二极管311b、312b、313b和314b中的每个激光二极管基本上大小相同，并且每个准直透镜321b、322b、323b和324b在y方向上被定位在基本上相同的位置处。投射器300b中的每个准直透镜321b、322b、323b和324b还被定位成距离相应激光二极管311b、312b、313b和314b基本上相同的距离。相比而言，在投射器400中，N＝4个激光二极管411、412、413和414的大小不同，并且相应的N＝4个主透镜421、422、423和424在y方向上被定位在各种不同位置，以便适应以下两者：a)与主透镜421、422、423和424配对的相应激光二极管411、412、413和414的大小，以及b)由与主透镜421、422、423和424配对的相应激光二极管411、412、413和414所发射的激光的具体发散度。由于N＝4个激光二极管411、412、413和414中的不同激光二极管可以提供具有不同发散度的激光，所以每个主透镜421、422、423和424的屈光力和/或y位置可以从一个主透镜到下一个主透镜而有所不同，以便向所有的激光射线或光束提供基本上相同的光斑大小、以及在图4所展示的实施方式中基本上相同的准直。
由N＝4个主透镜所输出的具有至少经减小的发散度的激光射线或光束(例如，经准直的激光)是由包括N＝4个(例如，二向色性)反射器431、432、433、434的组合器所接收的，所述反射器将由N＝4个激光二极管411、412、413和414中的对应激光二极管所生成的对应激光组合成至少一个聚合激光(例如，组合成单个聚合激光)。投射器400中的N＝4个反射器421、422、423和424与图3A的投射器300a中的反射器331a、332a、333a和334a、以及图3B的投射器300b的组合器330b的反射器331b、332b、333b和334b基本上类似(例如，至少反射器431、432和433可以包括二向色性材料)，并且被安排在与针对所述反射器所描述的配置基本上类似的配置中，除了在投射器400中N＝4个反射器431、432、433和434相对于激光的光路彼此错列/偏移以考虑激光穿过每个二向色性反射器(例如，至少431、432和433)的折射并且确保所有的激光射线或光束对准成单个聚合激光束。在图4中，穿过反射器431、432和433中的每一个的激光的折射由一对虚线箭头来表示。在一些实施方式中，可以消除此错列/偏移配置，并且投射器400的整体大小可以通过采用如美国临时专利申请序列号62/438,725所描述的单片组合器而被进一步缩小，所述单片组合器尤其非常适合于与本文所描述的主透镜和次透镜组合使用，因为如前所述，这样使得组合器的反射器431、432、433和434能够如单片组合器内的情况一样全部彼此大小基本上相同。
离开投射器400中的组合器的聚合激光(即，行进远离由一对实线箭头所表示的反射器431的聚合激光束)是基本上准直的。这与图3A中行进远离投射器300a的反射器331a的会聚聚合光束形成对比。如前所述，投射器400中使聚合激光束准直允许更小更紧凑的光学部件可以被安排在投射器400中、与投射器300a相比更紧凑的配置中，从而促进了投射器400的、与投射器300a的形状因子相比更小更紧凑的整体形状因子。然而，投射器400中的聚合激光仍然需要被聚焦并下会聚至将与至少一个扫描反射镜460拟合的光斑大小450。为此，并且根据本发明的系统、设备和方法，投射器400包括次透镜440(即，类似于投射器300b的会聚透镜)，所述次透镜被定位并被取向用于接收来自组合器(例如，来自反射器431)的聚合激光并将聚合激光会聚到激光投射器400之外的焦点470上。在焦点470处，聚合激光可以具有如前所述的非零光束腰。
扫描反射镜460被定位并被取向用于接收来自次透镜440的聚合激光(例如，会聚聚合激光)。扫描反射镜460包括二维反射区域，并且聚合激光在扫描反射镜460处的光斑大小450小于或约等于反射区域；然而，由于聚合激光在入射到扫描反射镜460上时是会聚的，因此聚合激光在扫描反射镜460处的光斑大小450大于聚合激光在焦点470处的光斑大小。如前所述，扫描反射镜460可以可控制地围绕两条正交轴线可变(例如，可旋转或可变形)，或者扫描反射镜460可以是可控制地围绕第一轴线可变的第一扫描反射镜，并且投射器400可以还包括可控制地围绕与第一轴线正交的第二轴线可变的第二扫描反射镜(未在图4中示出)。
投射器400是实施本发明的用于聚焦激光投射器的系统、设备和方法的激光投射器的示例。激光投射器400包括N＝4个激光二极管411、412、413和414、以及N＝4个主透镜421、422、423和424，但在替代性实施方式中，可以使用大于或等于1的任何数量N个激光二极管和相应的主透镜。通常，当N≥2时，第一激光二极管可以提供第一波长的激光，并且第二激光二极管可以提供第二波长的激光。
除了实现更紧凑的形状因子、具体地非常适合用于具有一副眼镜的一般大小和外观的可穿戴式平视显示器的更紧凑的细长形状因子之外，本发明的用于聚焦激光投射器的系统、设备和方法还可以提供某些光学优点。例如，针对至少一个扫描反射镜处的给定光斑大小，相比仅仅使用(多个)主透镜来聚焦(多个)光束的情况而言，使用次“会聚”透镜使得(多个)激光束能够从更靠近所述至少一个扫描反射镜处开始。为了在较短距离上实现相同的光斑大小(例如，约为所述至少一个扫描反射镜处的大小)，使用次“会聚”透镜使得(多个)激光束的会聚率与使用(多个)主透镜来聚焦(多个)光束的实施方式相比更快/更急剧。由于所述至少一个扫描反射镜充当激光投射器中的光圈，因此这个更快/更急剧的会聚率有效地给予激光投射器更大数值的光圈、使激光投射器的焦点更靠近激光投射器的输出端、并且总体上使能够在聚合激光束的光束腰处(例如，在焦点处)形成更小更紧密更尖锐的光斑。所有这些因子可以在某些应用中改善图像投射的质量。
高斯光束的发散/会聚角通常与光束腰逆相关，如以下等式1的简化关系式中所描述的：
其中，θ是发散/会聚角(即，接近光束腰的光会聚角以及行进远离光束腰的光发散角)，λ是激光的波长，并且ωo是光束腰(等式来自Svelto，Orazio(2010)，Principles ofLasers[激光器的原理](第5版)，第153-155页)。基于等式1，与激光投射器中所述至少一个扫描反射镜与最远主透镜(例如，投射器300a中的透镜324a)之间的距离相比，由次透镜对至少一个扫描反射镜的接近实现的更大会聚角θ导致在激光束的焦点处更小的光束腰ωo。更小的光束腰ωo通常使得能够形成更紧密更清晰的激光光斑，并且可以改善激光投射的图像质量。
如上所述，使用如本文所描述的次会聚透镜的一个优点(针对某些应用)在于这样可以用于使得激光束的焦点更靠近激光投射器的输出端。这在诸如来自图1的WHUD 100以及来自图2A和图2B的WHUD 200的采用虚拟视网膜投射的可穿戴式平视显示器中可以是有利的，因为使得激光束的焦点更靠近激光投射器的输出端的急剧会聚率还产生了增大WHUD的全息组合器上激光束的光斑大小的更急剧的会聚率。
图5是示出了以下两项之间的比较的简化WHUD 500的原理图：i)在激光二极管处仅使用主透镜来聚焦由激光投射器所产生的激光的常规方法，以及ii)根据本发明的系统、设备和方法使用被定位成较靠近激光投射器的输出端的次透镜来聚焦相同激光。WHUD 500可以基本上类似于来自图1的WHUD 100，因为WHUD 500包括激光投射器510和全息组合器520，但是为了减少混乱，WHUD 500的支撑结构在图5中未示出。激光投射器510包括第一激光二极管511(为了说明性目的仅示出了一个，但实际上可以包括任何数量个激光二极管)以及至少一个扫描反射镜514。激光二极管511与扫描反射镜514之间的光路包括主透镜512和次透镜513。激光二极管511提供照射在主透镜512上的发散激光(即，具有发散度的激光)。为了进行比较，图5展示了两种情境：i)第一种情境类似于来自图3A的投射器300a，在所述情境中，主透镜512充当“聚焦透镜”(例如，321a、322a、323a或324a)并且会聚由激光二极管511所提供的激光(在图5中，由从主透镜512会聚到扫描透镜514的一对虚线箭头展示)以在扫描反射镜514处具有完全拟合(例如，填充)扫描反射镜514的反射区域的光斑大小；以及ii)第二种情境类似于来自图3B的投射器300b，在所述情境中，主透镜512充当“准直透镜”(321b、322b、323b或324b)并且使激光基本上准直(在图5中，由主透镜512与次透镜513之间平行的一对实线箭头展示)，并且次透镜513会聚激光(在图5中，由从次透镜513会聚到扫描反射镜514的一对实线箭头展示)以在扫描反射镜514处具有完全拟合扫描反射镜514的反射区域的光斑大小。在第一种情境中，在主透镜512与扫描反射镜514之间行进的会聚激光不受影响地(即，如同次透镜513不存在那样)“穿过”次透镜513。
在第一种情境和第二种情境两者中，激光在扫描反射镜514处的光斑大小基本上相同。然而，在第一种情境中，激光从相对远离扫描反射镜514的点(例如，主透镜512)开始会聚，而在第二种情境中，激光从相对靠近扫描反射镜514的点(例如，次透镜513)开始会聚。这意味着在第二种情境(即，从次透镜513会聚)中激光的会聚率比在第一种情境(即，从主透镜512会聚)中激光的会聚率更大。如前所述(例如，参考等式1)，由次透镜513接近扫描反射镜514所实现的更高的会聚率使得激光可以聚焦为更紧密更清晰的光斑、并且有效地给予激光投射器510与第一种情境中使用主透镜512来聚焦激光束相比更大数值的光圈。
由主透镜512所聚焦的激光(即，图5中与上文所描述的第一情境相对应的使用虚线箭头绘制的激光)被会聚到投射器510与全息组合器520之间的第一位置处的焦点570a上。由次透镜513所聚焦的激光(即，图5中与上文所描述的第二情境相对应的使用实线箭头绘制的激光)被会聚到投射器510与全息组合器520之间的第二位置处的焦点570b上。由于与施加至由主透镜512所聚焦的激光(虚线箭头)的会聚率相比施加至由次透镜513所聚焦的激光(实线箭头)的会聚率更高，因此与焦点570a相比焦点570b更靠近投射器510并且更远离全息组合器520。此焦点移位的结果是，在全息组合器520处由次透镜513所聚焦的激光(实线箭头)的光斑大小大于由主透镜512所聚焦的激光(虚线箭头)的光斑大小(并且在这两种情况下，激光在全息组合器520处的光斑大小大于激光在焦点570a、570b处的光斑大小)。在图5中，此更大的光斑大小通过在全息组合器520处的一对实线箭头之间的、相比在全息组合器520处的一对虚线箭头之间的间距而言的更大间距来展示。
在WHUD 500中，全息组合器520包括可操作用于使来自投射器510照射在其上的激光至少大致准直并且将所述至少大致准直的激光朝用户的眼睛530重新定向的至少一个全息图。在这种情况下，激光以相对更大的光斑大小照射在全息组合器520上可以是有利的，因为全息组合器520处的更大光斑大小对应于眼睛530处的更大光斑大小。使激光在眼睛530处具有更大的光斑大小可以是有利的，因为这样可以使得激光从瞳孔位置的更广范围可见和/或因为这样可以导致(根据等式1)眼睛530内的晶状体在眼睛530的视网膜上形成更小更紧密的光斑。因此，在激光投射器510中使用次透镜513而不是常规主透镜512来聚焦激光可以在涉及诸如WHUD 500的虚拟视网膜显示的应用中尤其有利。
图6是示出了根据本发明的系统、设备和方法的对由激光投射器所产生的激光进行聚焦的方法600的流程图。投射器可以基本上类似于投射器300b或投射器400(基于以下对特定动作的描述酌情)，并且通常包括具有至少一个激光二极管(例如，N个激光二极管，其中，N≥1)、针对每个激光二极管的至少一个主透镜或“准直”透镜(例如，N个主透镜)、以及单个次透镜或“会聚”透镜的激光模块。方法600包括三个动作601、602以及603，但本领域的技术人员将认识到，在替代性实施例中，可以省略某些动作和/或可以添加附加动作。本领域技术人员还将认识到所展示的动作顺序仅出于示例性目的被示出并且可以在替代性实施例中改变。
在601处，投射器的激光模块提供具有发散度的激光。激光模块可以包括任何数量N≥1个激光二极管，并且在601处，任何数量N个激光二极管可以提供对应的发散激光。
在602处，投射器的至少一个主透镜或准直透镜至少减小激光的发散度。当激光投射器包括多个激光二极管时(即，当N≥2时)，N个主透镜或准直透镜中的对应主透镜或准直透镜可以与N个激光二极管中的每个对应激光二极管配对，并且在602处，N个主透镜或准直透镜中的对应主透镜或准直透镜可以至少减小由N个激光二极管中的每个对应激光二极管所提供的每种对应激光的发散度。在一些实施方式中，由所述至少一个主透镜或准直透镜至少减小激光的发散度可以包括由所述至少一个主透镜或准直透镜来使激光准直。
在603处，投射器的次透镜或会聚透镜将激光会聚到焦点上，其中，所述焦点位于投射器之外。会聚透镜或次透镜可以被定位在激光光路中至少一个主透镜或准直透镜的下游。通常，次透镜或会聚透镜将激光会聚到的焦点可以具有非零光束腰。
在一些实施方式中，如本文所描述的次透镜可以被适配用于执行/赋予除了会聚功能之外的更多光学功能。例如，出于施加本文所描述的会聚功能的目的，次透镜(诸如，次透镜340b、440和/或513)可以包括第一表面上的球面曲率，并且此外，出于校正或补偿将另外存在于投射系统中的像散的目的，次透镜(诸如，次透镜340b、440和/或513)可以包括第二表面(第二表面与第一表面跨次透镜的厚度相反)上的柱面曲率。需要像散校正/补偿的系统(包括如美国临时专利申请序列号62/420,368中所描述的一些WHUD架构)可受益于将像散校正/补偿和会聚功能集成到单个次透镜(例如，340b、440或513)中而不是采用两个分立的光学元件来分别地实现会聚功能和像散校正/补偿功能。以类似地方式，本文所描述的次透镜可以被适配用于执行/赋予其他光学功能，以便帮助校正投射系统中存在的其他像差或不想要的效果。
贯穿本说明书和所附权利要求，术语“约”有时关于具体值或量来使用。例如，光斑大小在至少一个维度上“约等于”反射镜大小(或者反过来，反射镜大小在至少一个维度上约等于光斑大小)。除非具体上下文另有要求，否则术语“约”一般意指±15％。
本领域技术人员将理解，本发明的系统、设备和方法可以应用于或以其他方式合并到采用除激光器之外的一种或多种光源的投射器架构中。例如，在一些实施方式中，本文描述的投射器中的一个或多个激光器可以由另一光源代替，所述另一光源诸如包括一个或多个发光二极管(“LED”)、和/或一个或多个有机LED(“OLED”)的光源。这类非激光实施方式可以有利地采用附加的光学器件来使所投射光信号准直、将其聚焦和/或以其他方式定向。除非具体上下文另有要求，否则本领域技术人员将理解，贯穿本发明的系统、设备和方法对“SLP”的引用对可应用或适配用于实现与本文描述的SLP相关联的(多个)相同通用功能的其他光源(必要时，与其他光学器件组合)是通用的。
本领域技术人员将理解，本发明的系统、设备和方法可以应用或以其他方式合并到采用除全息组合器之外的一种或多种透明组合器的WHUD架构中。例如，在一些实施方式中，本文描述的全息组合器可以由实现基本上相同的(多个)通用功能的非全息设备代替，诸如棱镜膜、承载微透镜阵列的膜、和/或波导结构。这类非全息实施方式可以或可以不采用附加的光学器件。除非具体上下文另有要求，否则本领域技术人员将理解，贯穿本发明的系统、设备和方法对“全息组合器”的引用对可以被应用或适配用于实现与本文描述的全息组合器相关联的(多个)相同通用功能的其他透明组合器(必要时，与其他光学器件组合)是通用的。
本领域技术人员将理解，本文描述的用于聚焦激光投射器的不同实施例可以应用于非WHUD应用中。例如，本发明的系统、设备和方法可以应用在非可穿戴式平视显示器中和/或应用在可以或可以不包括可见投射显示器的其他投射器应用中。
在一些实施方式中，可以使用一个或多个光纤来沿着在此所展示的一些路径引导光信号。
本文描述的WHUD可以包括用于从用户的环境采集数据的一个或多个传感器(例如，麦克风、相机、温度计、指南针、高度计和/或其他传感器)。例如，一个或多个相机可以用于向WHUD的处理器提供反馈并且影响任何给定图像应当被显示在(多个)显示器上什么位置处。
本文描述的WHUD可以包括一个或多个自带功率源(例如，一个或多个电池)、用于发送/接收无线通信的无线收发器、和/或用于耦合到计算机和/或给一个或多个自带功率源充电的有绳连接器端口。
本文描述的WHUD可以根据各种各样的方式中的一种或多种接收和响应来自用户的命令，包括但不限于：通过麦克风的语音命令；通过按钮、开关或触敏表面的触摸命令；和/或通过手势检测系统的基于手势的命令，如在例如美国非临时专利申请序列号14/155,087、美国非临时专利申请序列号14/155,107、PCT专利申请PCT/US 2014/057029、美国专利申请公开号US 2015-0370326 A1、美国临时专利申请序列号62/236,060和/或美国专利申请公开号US 2017-0097753 A1中所描述，所有所述专利通过引用以其全部内容结合在此。
贯穿本说明书和所附权利要求，如在“通信路径”、“通信耦合”中以及在如“通信地耦合”的变体中的术语“通信”总体上用于指代用于传递和/或交换信息的任何工程化安排。示例性通信路径包括但不限于：导电路径(例如，导电线、导电迹线)、磁性路径(例如，磁性介质)、和/或光路(例如，光纤)，并且示例性通信耦合包括但不限于：电耦合、磁性耦合、和/或光耦合。
贯穿本说明书和所附权利要求，通常使用不定式动词形式。示例包括但不限于：“以检测”、“以提供”、“以传送”、“以传达”、“以处理”、“以路由”等。除非具体上下文另有要求，否则以开放的、包容性意义使用此类不定式动词形式，即如“以至少检测”、“以至少提供”、“以至少传送”等。
对所展示的实施例的以上说明(包括在摘要中所描述的)并非旨在是穷尽的或者旨在把所述实施例限定于所披露的所述确切的形式。尽管本文出于说明性目的描述了具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将认识到，可以在不脱离本披露的精神和范围的情况下做出不同的等效修改。本文提供的关于不同实施例的教导可以应用于其他便携式和/或可穿戴电子设备，而不必是上文总体上描述的示例性可穿戴电子设备。
例如，前述详细说明已经通过使用框图、示意图、以及示例来阐述了这些装置和/或过程的不同实施例。在此类框图、示意图、和示例包含一项或多项功能和/或操作的情况下，本领域技术人员将理解到，此类框图、流程图、或示例内的每项功能和/或操作均能够由广泛范围的硬件、软件、固件、或几乎其任何组合来单独地和/或共同地实施。在一个实施例中，可以由专用集成电路(ASIC)实施本主题。然而，本领域的技术人员将认识到，在此披露的这些实施例整体地或部分地可以在标准集成电路中等效地实现，作为由一个或多个计算机所执行的一个或多个计算机程序(例如，作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)，作为由一个或多个控制器(例如，微控制器)所执行的一个或多个程序，作为由一个或多个处理器(例如，微处理器、中央处理单元、图形处理单元)所执行的一个或多个程序，作为固件，或作为其任何虚拟组合，并且认识到根据本公开的教导，设计电路和/或编写用于软件和/或固件的代码将在本领域普通技术人员的技术范围内。
当逻辑被实现为软件并且被存储在存储器中时，逻辑或信息可以被存储在任何处理器可读介质上，以便由或结合任何处理器相关的系统或方法使用。在本披露的上下文中，一个存储器是一个处理器可读介质，所述处理器可读介质是含有或存储一个计算机和/或处理器程序的一个电子、磁性、光学、或其他物理设备或装置。逻辑和/或信息可以被体现在任何处理器可读介质中，以便由或结合指令执行系统、装置、或设备使用，所述指令执行系统、装置、或设备诸如基于计算机的系统、含有处理器的系统、或可以从所述指令执行系统、装置、或设备提取指令并且执行与逻辑和/或信息相关联的指令的其他系统。
在本说明书的上下文中，“非暂态处理器可读介质”可以是可以存储与逻辑和/或信息相关联的程序以便由或结合所述指令执行系统、装置、和/或设备使用的任何元件。所述处理器可读介质可以是例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外、或半导体系统、装置或设备。计算机可读介质的更具体的示例(非穷举列表)将包括以下各项：便携式计算机软盘(磁性、压缩闪存卡、安全数字等)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM、EEPROM、或闪存存储器)、便携式光盘只读存储器(CDROM)、数字磁带、以及其他非暂态介质。
以上所描述的各实施例可以组合起来以提供进一步实施例。就它们与本文的特定教导和定义没有不一致来说，Thalmic Labs公司所拥有的在本说明书中所提及和/或在申请数据表中所列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物包括但不限于：美国临时专利申请序列号62/322,128、美国专利申请公开号US 2015-0378161 A1、美国非临时专利申请序列号15/046,234、美国非临时专利申请序列号15/046,254、美国非临时专利申请序列号15/046,269、美国临时专利申请序列号62/156,736、美国非临时专利申请序列号15/145,576、美国专利申请公开号US 2016-0327797 A1、美国专利申请公开号US 2016-0327796 A1、美国临时专利申请序列号62/214,600、美国专利申请公开号US 2017-0068095 A1、美国临时专利申请序列号62/167,767、美国临时专利申请序列号62/271,135、美国专利申请公开号US 2016-0349514 A1、美国临时专利申请序列号62/245,792、美国专利申请序列号15/331,204、美国临时专利申请序列号62/438,725、美国非临时专利申请序列号14/155,087、美国非临时专利申请序列号14/155,107、PCT专利申请PCT/US2014/057029、美国专利申请公开号US 2015-0370326 A1、美国临时专利申请序列号62/236,060、美国专利申请公开号US 2017-0097753 A1和美国临时专利申请序列号62/420,368，所述专利通过引用以其全部内容结合在此。如有必要，可以对实施例的方面进行修改，以利用各专利、申请和出版物中的系统、电路及概念来提供又进一步实施例。
鉴于以上详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求局限于本说明书和权利要求中所披露的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这些权利要求有权获得的等效物的整个范围。因此，这些权利要求不受本披露限制。

Claims (20)

1.一种激光投射器，包括：
激光模块，用于提供激光，所述激光模块包括：
第一激光二极管，用于提供第一激光，其中，由所述激光模块提供的所述激光至少包括所述第一激光；以及
第一准直透镜，被定位在所述第一激光的光路中，所述第一准直透镜用于接收所述第一激光并且至少减小所述第一激光的发散度；以及
会聚透镜，被定位在所述激光的光路中在所述激光模块的下游，所述会聚透镜用于接收来自所述激光模块的激光并且将所述激光会聚到所述投射器之外的焦点上。
2.如权利要求1所述的激光投射器，进一步包括：
第一扫描反射镜，定位在所述激光的所述光路中在所述会聚透镜与所述激光的所述焦点之间，其中，所述激光在所述第一扫描反射镜处的光斑大小大于所述激光在所述激光的所述焦点处的光斑大小，并且其中，所述第一扫描反射镜包括二维反射区域并且所述激光在所述第一扫描反射镜处的所述光斑大小小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域。
3.如权利要求2所述的激光投射器，其中，所述第一扫描反射镜的所述反射区域可控制地围绕第一轴线可旋转，并且所述激光在所述第一扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域沿所述第一轴线的尺寸。
4.如权利要求3所述的激光投射器，进一步包括：
第二扫描反射镜，定位在所述激光的所述光路中在所述第一扫描反射镜与所述激光的所述焦点之间，其中：
所述第二扫描反射镜包括二维反射区域；
所述第二扫描反射镜的所述反射区域可控制地围绕与所述第一扫描反射镜的所述反射区域的所述第一轴线正交的第二轴线可旋转；并且
所述激光在所述第二扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸小于或等于所述第二扫描反射镜的所述反射区域沿所述第二轴线的尺寸。
5.如权利要求1所述的激光投射器，其中，所述激光模块进一步包括：
第二激光二极管，用于提供第二激光，其中，由所述激光模块提供的所述激光包括所述第二激光；以及
第二准直透镜，被定位在所述第二激光的光路中，所述第二准直透镜用于接收所述第二激光并且至少减小所述第二激光的发散度。
6.如权利要求5所述的激光投射器，其中，所述第一激光的波长与所述第二激光的波长不同。
7.如权利要求5所述的激光投射器，其中，所述激光模块进一步包括：
至少第三激光二极管，用于提供至少第三激光，其中，由所述激光模块提供的所述激光包括所述至少第三激光；以及
至少第三准直透镜，被定位在所述至少第三激光的光路中，所述至少第三准直透镜用于接收所述至少第三激光并且至少减小所述至少第三激光的发散度。
8.如权利要求5所述的激光投射器，进一步包括：
组合器，被定位并被取向用于接收所述第一激光和所述第二激光并且用于将所述第一激光和所述第二激光组合成所述激光。
9.如权利要求8所述的激光投射器，其中，所述第一激光的波长与所述第二激光的波长不同，并且其中，所述组合器包括：
第一反射镜，由反射所述第一激光的材料形成，所述第一反射镜被定位在所述第一激光的所述光路中，并且被取向用于将所述第一激光朝所述会聚透镜重新定向；以及
第二反射镜，由反射所述第一激光并且透射所述第二激光的二向色性材料形成，所述第二反射镜被定位在所述第一激光的所述光路中在所述第一反射镜与所述会聚透镜之间，并且所述第二反射镜同样被定位在所述第二激光的所述光路中并被取向用于：
将所述第二激光朝所述会聚透镜重新定向，并且
针对所述第一激光的所述光路中在所述第二反射镜下游的一部分，将所述第二激光的所述光路与所述第一激光的所述光路组合。
10.一种可穿戴式平视显示器，包括：
支撑结构，所述支撑结构在使用时被穿戴在用户的头部上；
全息组合器，由所述支撑结构承载，其中，所述全息组合器在所述支撑结构被穿戴在所述用户的所述头部上时被定位在所述用户的眼睛的视场内；以及
激光投射器，由所述支撑结构承载，并且被定位并被取向用于将激光朝所述全息组合器定向，其中，所述激光投射器包括：
至少一个激光二极管，用于提供激光；
至少一个准直透镜，被定位在所述激光的光路中，所述至少一个准直透镜用于接收所述激光并且至少减小所述激光的发散度；以及
会聚透镜，被定位在所述激光的所述光路中在所述至少一个准直透镜的下游，所述会聚透镜用于接收来自所述至少一个准直透镜的、具有至少减小的发散度的所述激光，并且将所述激光会聚到所述激光投射器与所述全息组合器之间的焦点上。
11.如权利要求10所述的可穿戴式平视显示器，其中，所述激光投射器还包括：至少一个扫描反射镜，被定位在所述激光的所述光路中在所述会聚透镜与所述激光的所述焦点之间，其中，所述激光在所述至少一个扫描反射镜处的光斑大小大于所述激光在所述激光的所述焦点处的光斑大小。
12.如权利要求10所述的可穿戴式平视显示器，其中，所述激光在所述全息组合器处的光斑大小大于所述激光在所述激光的所述焦点处的光斑大小，并且其中，所述全息组合器包括用于使所述激光至少大致准直并且将所述至少大致准直的激光朝所述用户的所述眼睛重新定向的至少一个全息图。
13.一种激光投射器，包括：
一组N个激光二极管，其中，N≥1，所述一组N个激光二极管中的每个激光二极管用于提供具有发散度的对应激光；
一组N个主透镜，所述一组N个主透镜中的每个主透镜被定位并被取向用于接收来自所述N个激光二极管中的对应激光二极管的对应激光，并且所述一组N个主透镜中的每个主透镜被定位并被取向用于至少减小来自所述N个激光二极管中的对应激光二极管的对应激光的发散度；
组合器，被定位并被取向用于接收来自所述N个主透镜中的每个对应主透镜的、具有至少减小的发散度的每个对应激光，并且将来自所述N个主透镜中的每个对应主透镜的、具有至少减小的发散度的每个对应激光组合为聚合激光；以及
次透镜，被定位并被取向用于接收来自所述组合器的所述聚合激光，并且将所述聚合激光会聚到所述激光投射器之外的焦点上。
14.如权利要求13所述的激光投射器，进一步包括：
第一扫描反射镜，被定位并被取向用于接收来自所述次透镜的所述聚合激光，其中，所述聚合激光在所述第一扫描反射镜处的光斑大小大于所述聚合激光在所述聚合激光的所述焦点处的光斑大小，并且其中，所述第一扫描反射镜包括二维反射区域并且所述聚合激光在所述第一扫描反射镜处的所述光斑大小小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域。
15.如权利要求14所述的激光投射器，其中，所述第一扫描反射镜的所述反射区域可控制地围绕第一轴线可旋转，并且所述聚合激光在所述第一扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸小于或等于所述第一扫描反射镜的所述反射区域沿所述第一轴线的尺寸。
16.如权利要求15所述的激光投射器，进一步包括：
第二扫描反射镜，被定位并被取向用于接收来自所述第一扫描反射镜的所述聚合激光，其中：
所述第二扫描反射镜包括二维反射区域；
所述第二扫描反射镜的所述反射区域可控制地围绕与所述第一扫描反射镜的所述反射区域的所述第一轴线正交的第二轴线可旋转；以及
所述聚合激光在所述第二扫描反射镜的所述反射区域处的所述光斑大小的尺寸小于或等于所述第二扫描反射镜的所述反射区域沿所述第二轴线的尺寸。
17.如权利要求13所述的激光投射器，其中，所述一组N个激光二极管包括：第一激光二极管，用于提供第一波长的激光；以及至少第二激光二极管，用于提供至少第二波长的激光。
18.一种对由激光投射器提供的激光进行聚焦的方法，其中，所述激光投射器包括具有至少一个激光二极管的激光模块，所述方法包括：
由所述激光投射器的所述激光模块提供所述激光，其中，所述激光具有发散度；
由至少一个准直透镜至少减小所述激光的发散度；以及
由被定位在所述激光的光路中在所述至少一个准直透镜下游的会聚透镜将所述激光会聚到焦点上，其中，所述焦点位于所述激光投射器之外。
19.如权利要求18所述的方法，其中：
所述激光投射器的所述激光模块包括N个激光二极管，其中，N≥1，并且由所述激光投射器的所述激光模块提供所述激光包括由所述N个激光二极管中的每个对应激光二极管提供对应的激光，每个对应的激光具有发散度；并且
所述至少一个准直透镜包括N个准直透镜，并且由至少一个准直透镜至少减小所述激光的发散度包括由N个准直透镜中的每个对应准直透镜至少减小每个对应激光的发散度。
20.如权利要求18所述的方法，其中，由至少一个准直透镜至少减小所述激光的发散度包括由至少一个准直透镜来使所述激光准直。
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