CN109716206A - 用于与光学波导一起使用的显示引擎 - Google Patents

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Abstract

一种显示引擎包括发光元件、用以从由发光元件发射的光产生单个准直光束的光学子系统、一个或多个图像产生MEMS反射镜、一个或多个图像重投射MEMS反射镜以及控制器。(多个)图像产生MEMS反射镜中的一个被定位成反射由光学子系统产生的单个光束。控制器控制(多个)图像产生MEMS反射镜和(多个)图像重投射MEMS反射镜。(多个)图像重投射MEMS反射镜被控制并且相对于(多个)图像产生MEMS反射镜并且相对于(多个)光学波导的(多个)输入耦合器而被定位，使得与(多个)图像产生MEMS反射镜投射到(多个)图像重投射MEMS反射镜之一上的扫描图像相对应的光瞳由(多个)图像重投射MEMS反射镜重投射到(多个)光学波导的(多个)输入耦合器上并且从而被耦合到(多个)光学波导中。

Description

用于与光学波导一起使用的显示引擎
背景技术
可以利用透明或半透明显示器来实现各种类型的计算、娱乐和/或移动设备，设备的用户可以通过该显示器查看周围环境。可以被称为透视、混合现实显示设备系统或增强现实(AR)系统的这种设备使得用户能够透过设备的透明或半透明显示器来查看周围环境，并且还看到被生成用于显示以呈现为周围环境的一部分和/或覆盖在周围环境上的虚拟对象(例如，文本、图形、视频等)的图像。
可以被实现为头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可佩戴的近眼显示设备或平视显示器(HUD)(但不限于此)的这些设备通常利用光学波导来将例如由显示引擎产生的图像复制到设备的用户可以在增强现实环境中将图像视为虚拟图像的位置。由于这仍然是一种新兴的技术，因此存在与利用显示引擎和波导和/或其他光学结构向用户显示虚拟对象的图像相关联的某些挑战。
发明内容
本文中描述的某些实施例涉及用于与一个或多个光学波导一起使用的显示引擎，每个光学波导包括输入耦合器和输出耦合器。(多个)光学波导中的每个光学波导被配置为引起通过其输入耦合器而被耦合到光学波导中的光通过全内反射(TIR)行进到其输出耦合器，在输出耦合器处，光被耦合出波导。这种显示引擎和(多个)光学波导可以是头戴式显示器(HMD)系统、平视显示器(HUD)系统或某种其他类型的显示系统的组件。
根据本技术的实施例，显示引擎包括一个或多个发光元件，每个发光元件被配置为响应于被驱动而发射光。显示引擎还包括被配置为从由一个或多个发光元件发射的光产生单个准直光束的光学子系统。附加地，显示引擎包括一个或多个图像产生MEMS反射镜和一个或多个图像重投射MEMS反射镜，其中一个或多个图像产生MEMS反射镜中的一个被定位成反射由光学子系统产生的单个光束。显示引擎还包括被配置为控制一个或多个图像产生MEMS反射镜和一个或多个图像重投射MEMS反射镜的控制器。根据特定实施例，一个或多个图像重投射MEMS反射镜被控制和/或相对于一个或多个图像产生MEMS反射镜并且相对于(多个)光学波导的(多个)输入耦合器而被定位，使得与一个或多个图像产生MEMS反射镜投射到一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个上的扫描图像相对应的光瞳由一个或多个图像重投射MEMS反射镜重投射到(多个)光学波导的(多个)输入耦合器上，并且从而由(多个)输入耦合器耦合到(多个)光学波导中。
根据某些实施例，(多个)输入耦合器处的重投射的光瞳的尺寸小于由一个或多个图像产生MEMS反射镜投射到一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个上的光瞳的尺寸。有利地，因为(多个)输入耦合器处的重投射的光瞳的尺寸小于被投射到一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个上的光瞳的尺寸，所以与在与由一个或多个图像产生MEMS反射镜投射的扫描图像相对应的光瞳被直接投射到(多个)输入耦合器上的情况下的可能尺寸相比，可以使(多个)输入耦合器更小。这有利地减轻了在由(多个)输入耦合器耦合到(多个)波导中之后可能在反射离开(多个)波导100的表面之后由(多个)输入耦合器无意地耦合出(多个)波导100的光量。
根据某些实施例，控制器被配置为同步地控制一个或多个图像产生MEMS反射镜和一个或多个图像重投射MEMS反射镜。更具体地，控制器可以被配置为产生分别被用来使与一个或多个图像产生MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振的第一快轴控制信号和第一慢轴控制信号。附加地，控制器可以被配置为产生分别被用来使与一个或多个图像重投射MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振的第二快轴控制信号和第二慢轴控制信号。根据某些实施例，第二快轴控制信号具有与第一快轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于第一快轴控制信号存在相位偏移，并且第二慢轴控制信号具有与第一慢轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于第一慢轴控制信号存在相位偏移。根据某些实施例，第二快轴控制信号相对于第一快轴控制信号相位偏移180度，并且第二慢轴控制信号相对于第一慢轴控制信号相位偏移180度。
根据本技术的某些实施例，(多个)光学波导中的每个光学波导包括彼此基本上平行的第一主平面和第二主平面。附加地，光学子系统和一个或多个图像产生MEMS反射镜中的一个相对于彼此并且相对于(多个)光学波导被定位，使得由光学子系统产生的单个光束在自由空间中在基本上平行于(多个)光学波导的第一主平面和第二主平面的方向上从光学子系统行进到一个或多个图像产生MEMS反射镜中的一个。
本技术的特定实施例涉及一种包括多个光学波导、多个发光元件、光学子系统、双轴图像产生MEMS反射镜和双轴图像重投射MEMS反射镜的头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统。多个光学波导各自包括输入耦合器和输出耦合器。每个光学波导被配置为引起由其输入耦合器耦合到光学波导中的光通过TIR行进到其输出耦合器，在输出耦合器处，光被耦合出波导。每个光学波导还可以包括中间组件，中间组件的示例在下面在图1A-1C的讨论中参考标记为114的组件进行描述。可以是例如激光二极管的多个发光元件各自被配置为响应于被驱动而发射与其他发光元件不同颜色的光。光学子系统被配置为从由多个发光元件发射的光产生单个准直光束。双轴图像产生MEMS反射镜被定位成反射由光学子系统产生的单个光束。双轴图像重投射MEMS反射镜相对于双轴图像产生MEMS反射镜和光学波导的输入耦合器被定位，使得被反射离开双轴图像产生MEMS反射镜的光瞳可以由双轴图像重投射MEMS反射镜重投射到光学波导的输入耦合器上。
根据某些实施例，该系统还包括被配置为同步地控制双轴图像产生MEMS反射镜和双轴图像重投射MEMS反射镜的控制器。更具体地，控制器可以被配置为产生第一快轴控制信号和第一慢轴控制信号，第一快轴控制信号和第一慢轴控制信号分别被用来使与双轴图像产生MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振，以产生与被投射到双轴图像重投射MEMS反射镜上的扫描图像相对应的光瞳。附加地，控制器可以被配置为产生第二快轴控制信号和第二慢轴控制信号，第二快轴控制信号和第二慢轴控制信号分别被用来使与双轴图像重投射MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振，使得与被投射到双轴图像重投射MEMS反射镜上的扫描图像相对应的光瞳被重投射到光学波导的输入耦合器上，并且从而由输入耦合器耦合到光学波导中。根据某些实施例，第二快轴控制信号相对于第一快轴控制信号相位偏移180度，并且第二慢轴控制信号相对于第一慢轴控制信号相位偏移180度。
提供本“发明内容”是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的“具体实施方式”中进一步描述。本“发明内容”不旨在标识所要求保护的主题内容的关键特征或必要特征，也不旨在被用于帮助确定所要求保护的主题内容的范围。
附图说明
图1A、图1B和图1C分别是可以被用来将与输入光瞳相关联的图像复制到扩展的输出光瞳的示例性波导的正视图、俯视图和侧视图。
图2是包括参考图1A、图1B和图1C介绍的多个波导的示例性显示系统的侧视图，并且还示出了生成与输入光瞳相关联的图像并且包括由相应的输入耦合器耦合到波导中的角度内容的显示引擎，并且还示出了正在查看靠近波导的输出耦合器的眼盒(eye box)内的图像的眼睛。
图3图示了参考图2介绍的显示引擎的示例性细节。
图4A图示了根据本技术的实施例的包括双轴图像产生MEMS反射镜和双轴图像重投射MEMS反射镜的显示引擎。
图4B图示了根据本技术的实施例的包括两个单轴图像产生MEMS反射镜和两个单轴图像重投射MEMS反射镜的显示引擎。
图4C图示了根据本技术的实施例的包括两个单轴图像产生MEMS反射镜和一个双轴图像重投射MEMS反射镜的显示引擎。
图4D图示了根据本技术的实施例的包括一个双轴图像产生MEMS反射镜和两个单轴图像重投射MEMS反射镜的显示引擎。
图5是被用来概述根据本技术的某些实施例的方法的高级流程图。
具体实施方式
本技术的某些实施例涉及用于与一个或多个光学波导一起使用的显示引擎，每个光学波导包括输入耦合器和输出耦合器。(多个)光学波导中的每个光学波导被配置为引起由其输入耦合器耦合到光学波导中的光通过全内反射(TIR)行进到其输出耦合器，在输出耦合器处，光被耦合出波导。显示引擎和(多个)光学波导可以是头戴式显示器(HMD)系统或平视显示器(HUD)系统或某种其他显示系统的组件。这些实施例利用MEMS反射镜来实现显示引擎，以使得显示引擎比诸如包括LCOS显示器的显示引擎等备选类型的显示引擎更小、更轻和更节能。然而，在描述这些实施例的细节之前，首先参考图1和图2描述示例性光学波导和包括这种波导的示例性显示系统。
在下面的描述中，相同的数字或附图标记将始终被用来指代相同的部分或元件。另外，三位数附图标记的第一数字标识首次出现附图标记的图。
图1A、图1B和图1C分别是可以是被用来将与输入光瞳相关联的图像复制到扩展的输出光瞳的波导组件的一部分的示例性光学波导100的正视图、俯视图和侧视图。本文中使用的术语“输入光瞳”可以是指与图像相对应的光通过其被覆盖在一个或多个波导的一个或多个输入耦合器上的孔径。本文中使用的术语“输出光瞳”可以是指与图像相对应的光通过其离开一个或多个波导的一个或多个输出耦合器的孔径。术语“输出光瞳”也可以被用来指代与图像相对应的光通过其离开显示引擎的孔径，其示例在下面被描述。更一般地，术语“光瞳”被用来指代与图像相对应的光通过其行进的孔径。光学波导100在下文中通常将更简洁地被简称为波导100。如下面将参考图2进一步详细讨论的，波导100用以复制并且可能还扩展的图像可以使用包括光源组件和成像设备的显示引擎来生成。
参考图1A、图1B和图1C，光学波导100包括具有输入耦合器112和输出耦合器116的体衬底106。输入耦合器112被配置为将与关联于输入光瞳的图像相对应的光耦合到波导的体衬底106中。输出耦合器116被配置为将与关联于输入光瞳的图像相对应的光(其在光学波导100中从输入耦合器112行进到输出耦合器116)耦合出波导100，使得光被输出并且从与波导相关联的输出光瞳进行成像。
可以由玻璃或光学塑料制成但不限于此的体衬底106包括第一主平面108和与第一主平面108相对并且平行的第二主平面110。第一主平面108可以备选地被称为前侧主表面108(或更简单地称为前侧表面108)，并且第二主平面110可以备选地被称为后侧主表面110(或更简单地称为后侧表面110)。由于本文中使用术语“体”，因此衬底被认为是“体”衬底，其中衬底的厚度(在其主表面之间)是衬底被用作光学传输介质的光的波长的至少十倍(即，10倍)。例如，当光(衬底被用作光学传输介质)是波长为620nm的红光时，衬底将被认为是体衬底，其中衬底的厚度(在其主表面之间)至少为6200nm，即至少6.2μm。根据某些实施例，体衬底106在其主平面108和110之间的厚度为至少25μm。在特定实施例中，体衬底106的厚度(在其主表面之间)在25μm至1000μm的范围内。体衬底106并且更一般地波导100是透射的，这表示它允许光通过它，使得用户可以透过波导100看到并且观察在波导100的相对侧而不是用户的(两个)眼睛上的对象。
图1A、图1B和图1C中的光学波导100还被示出为包括中间组件114，中间组件114可以备选地被称为中间区域114。在波导100包括中间组件114的情况下，输入耦合器112被配置为在中间组件114的方向上将光耦合到波导100中(并且更具体地耦合到波导100的体衬底106中)。中间组件114被配置为在输出耦合器116的方向上重定向这种光。另外，中间组件114被配置为执行水平或竖直光瞳扩展中的一个，并且输出耦合器116被配置为执行水平或竖直光瞳扩展中的另一个。例如，中间组件114可以被配置为执行水平光瞳扩展，并且输出耦合器116可以被配置为竖直光瞳扩展。备选地，如果中间组件114被重新定位，例如，到图1A所示的输入耦合器112下方和输出耦合器116左侧，则中间组件114可以被配置为执行竖直光瞳扩展，并且输出耦合器116可以被配置为执行水平光瞳扩展。与不进行光瞳扩展的情况相比，这种光瞳扩展提供了增加的眼盒，从而使得本文中描述的实施例可用于近眼或平视显示器。在某些实施例中，中间组件被配置为折叠光栅。在其他实施例中，中间组件是基于反射镜的组件，而不是基于光栅的组件。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116在本文中可以被统称为波导的光学元件112、114和116，或者更简洁地称为组件112、114和116。波导可以包括输入耦合器和输出耦合器，而不包括中间组件。在这样的实施例中，输入耦合器将被配置为在朝向输出耦合器的方向上将光耦合到波导中。在这样的实施例中，输出耦合器可以提供水平或竖直光瞳扩展中的一个，这取决于实现。
在图1A中，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116被示出为具有矩形外周边形状，但是可以具有备选的外周边形状。例如，输入耦合器112可以备选地具有圆形外周边形状，但不限于此。又例如，中间组件可以具有三角形或六边形外周边形状，但不限于此。另外，应当注意，每个周边形状的角部(例如，通常为矩形或三角形的情况)可以被倒角或倒圆，但不限于此。这些仅是针对输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116的一些示例性外周边形状，其并非旨在全部包含。
从图1B和图1C可以最好地理解，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116都被示出为被设置在波导100的同一表面(即，后侧表面110)中或上。在这种情况下，输入耦合器112可以是透射的(例如，透射光栅)，中间组件114可以是反射的(例如，反射光栅)，并且输出耦合器116也可以是反射的(例如，另外的反射光栅)。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以备选地全部被设置在波导100的前侧表面110中。在这种情况下，输入耦合器112可以是反射的(例如，反射光栅)，中间组件114可以是反射的(例如，另外的反射光栅)，并且输出耦合器116也可以是透射的(例如，透射光栅)。
备选地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116都可以被嵌入(也称为浸入)体衬底106中。例如，体衬底106可以被分成两个半部(其与主表面108和110平行)，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以被设置在(例如，蚀刻到)两个半部的内表面中的一个中，并且两个半部的内表面可以彼此粘合。备选地，体衬底106可以被分成两个半部(其与主表面108和110平行)，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以被设置在两个半部的内表面之间。用于将输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116嵌入体衬底106中的其他实现也是可能的，并且在本文中描述的实施例的范围内。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的一个也可以被设置在波导100的前侧表面108中或上，组件112、114和116中的另一个被设置在后侧表面110中或上，并且组件112、114和116中的最后一个被嵌入或浸入体衬底106中。更一般地，除非另有说明，否则输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一个可以被设置在体衬底106的主平面108或110中的任何一个中或上，或者被嵌入其间。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的一个或多个也可以被设置在波导100的前侧表面108和波导100的后侧表面110两者中或上。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以各自被实现为衍射光栅，或者更一般地，实现为衍射光学元件(DOE)。这种DOE可以使用全息工艺来生产，在这种情况下，DOE可以更具体地被称为全息光学元件(HOE)。输入耦合器112可以备选地被实现为棱镜、反射偏振器，或者可以是基于反射镜的。类似地，输出耦合器116可以备选地被实现为棱镜、反射偏振器，或者可以是基于反射镜的。取决于具体配置和实现，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一个可以是反射的、衍射的或折射的、或者其组合，并且可以被实现为例如线性光栅型耦合器、全息光栅型耦合器、棱镜或其他类型的光学耦合器。如上所述，中间组件114可以使用折叠光栅来实现，或者可以备选地被实现为基于反射镜的光瞳扩展器，但是不限于此。在输入耦合器112是衍射光栅的情况下，它可以更具体地被称为输入衍射光栅112。在中间组件114是衍射光栅的情况下，它可以更具体地被称为中间衍射光栅114。类似地，在输出耦合器116是衍射光栅的情况下，它可以更具体地被称为输出衍射光栅116。
衍射光栅是可以包含周期性结构的光学元件，该周期性结构使得入射光由于被称为衍射的光学现象而分裂并且改变方向。分裂(称为光学阶数)和角度变化取决于衍射光栅的特性。当周期性结构在光学组件的表面上时，它被称为表面光栅。当周期性结构是由于表面本身的变化而引起时，它被称为表面浮雕光栅(SRG)。例如，SRG可以在光学组件的表面中包括均匀的直槽，这些直槽由均匀的直槽间隔区域分开。沟槽间隔区域可以被称为“线”、“光栅线”或“填充区域”。由SRG产生的衍射的性质取决于在SRG上入射的光的波长、偏振和角度以及SRG的各种光学特性，诸如折射率、线间距、沟槽深度、沟槽轮廓、沟槽填充率和沟槽倾斜度角度。SRG可以通过合适的微制造工艺来制造，该工艺可以包括在衬底上蚀刻和/或沉积以在衬底上制造期望的周期性微结构以形成光学组件，光学组件然后可以被用作生产主体，诸如用于制造另外的光学组件的模具或掩模。SRG是衍射光学元件(DOE)的示例。当DOE存在于表面上时(例如，当DOE是SRG时)，由该DOE跨越的该表面的部分可以被称为DOE区域。衍射光栅、而不是表面光栅可以备选地是体光栅，诸如布拉格衍射光栅。也可以将一个或多个耦合器制造为SRG，并且然后将其覆盖在另一种材料中，例如，使用铝沉积工艺，从而基本上掩埋SRG，使得包括(多个)SRG的(多个)主平面波导表面基本上是光滑的。这种耦合器是表面和体衍射光栅的混合的一个示例。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一个可以是例如表面衍射光栅、或体衍射光栅、或表面和体衍射光栅的混合。每个衍射光栅可以具有由衍射光栅的光栅线的方向指定的优先线性偏振定向，其中针对具有优先线性偏振定向的光的耦合效率将高于针对具有非优先线性偏振定向的光的耦合效率。
在输入耦合器112、中间组件114和/或输出耦合器116是SRG的情况下，每个这样的SRG可以被蚀刻到体衬底106的主平面108或110中的一个中。在这样的实施例中，SRG可以称为被形成在体衬底106“中”。备选地，每个SRG可以被物理地形成在覆盖体衬底106的主平面108或110中的一个的涂层中，在这种情况下，每个这样的SRG可以称为被形成在体衬底106“上”。无论哪种方式，组件112、114和116都被认为是波导100的部分。
具体参考图1A，在示例性实施例中，输入耦合器112可以具有在竖直(y)方向上延伸的表面光栅，输出耦合器116可以具有在水平(x)方向上延伸的表面光栅，并且中间组件114可以具有相对于水平和竖直方向延伸对角线(例如，～45度)的表面光栅。这只是示例。其他变化也是可能的并且在本技术的实施例的范围内。
更一般地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以具有各种不同的外周边几何形状，可以被设置在体衬底的主平面中或上，或者可以被嵌入体衬底106中，并且可以使用各种不同类型的光学结构来实现，如从上面的讨论中可以理解的，并且将从下面的讨论中进一步被理解。
通常，与图像相对应的、经由输入耦合器112被耦合到波导中的光可以通过全内反射(TIR)从输入耦合器112到输出耦合器116行进通过波导。TIR是当传播的光波以大于相对于表面法线的临界角的角度撞击介质边界(例如，体衬底106的介质边界)时发生的一种现象。换言之，临界角(θc)是在其之上发生TIR的入射角，其由Snell定律给出，如本领域中已知的。更具体地，Snell定律指定，临界角(θc)使用以下等式来指定：
θc＝sin-1(n2/n1)
其中
θc是针对在介质边界处相遇的两个光学介质(例如，体衬底106、以及与体衬底106相邻的空气或某种其他介质)的临界角，
n1是光学介质的折射率，其中光朝向介质边界(例如，一旦光在其中耦合时，体衬底106)行进，并且
n2是超出介质边界的光学介质的折射率(例如，与体衬底106相邻的空气或某种其他介质)。
从图2中可以更好地理解通过TIR从输入耦合器112到输出耦合器116行进通过波导100的光的概念，图2将在下面被讨论。
参考图2，其中示出了示例性显示系统202的侧视图。显示系统202被示出为包括标记为100R、100G、100B的三个波导(每个波导可以类似于参考图1A、图1B和图1C介绍的波导100)和显示引擎204，显示引擎204生成包括由输入耦合器112R、112G和112B耦合到波导100R、100G和100B中的角度内容的图像。图2还示出了正在查看靠近输出耦合器116R、116G和116B的眼盒内的图像(作为虚拟图像)的人眼214。以另一种方式解释，人眼214正在从与波导100R、100G和100B相关联的输出光瞳查看图像。显示系统202可以是例如近眼显示器(NED)或平视显示器(HUD)系统，但不限于此。
光学波导100R、100G和100B可以分别被配置为将与图像相对应的红光、绿光和蓝光从输入光瞳传输到输出光瞳。更具体地，波导100R的输入耦合器112R可以被配置为将红色波长范围内(对应于图像)的光耦合到波导100R中，并且波导100R的输出耦合器116R可以被配置为将红色波长范围内(对应于图像)的光(其已经通过TIR从输入耦合器112R行进到输出耦合器116F)耦合出波导100R。类似地，波导100G的输入耦合器112G可以被配置为将绿色波长范围内(对应于图像)的光耦合到波导100G中，并且波导100G的输出耦合器116G可以被配置为将绿色波长范围内(对应于图像)的光(其已经通过TIR从输入耦合器112G行进到输出耦合器116G)耦合出波导100G。另外，波导100B的输入耦合器112B可以被配置为将蓝色波长范围内(对应于图像)的光耦合到波导100B中，并且波导100B的输出耦合器116B可以被配置为将蓝色波长范围内(对应于图像)的光(其已经通过TIR从输入耦合器112B行进到输出耦合器116B)耦合出波导100B。根据实施例，红色波长范围为600nm至650nm，绿色波长范围为500nm至550nm，并且蓝色波长范围为430nm至480nm。其他波长范围也是可能的。
当被实现为输入衍射光栅时，输入耦合器112B被设计成将在输入角度范围内(例如，相对于法线的+/-15度)和在蓝色波长范围内(例如，430nm至480nn)的蓝光衍射到波导100B中，使得衍射地入耦合的蓝光的角度超过针对波导100B的临界角，并且从而可以通过TIR从输入耦合器112B行进到输出耦合器116B。另外，输入耦合器112B被设计成透射蓝色波长范围之外的光，使得蓝色波长范围之外的光(诸如绿色和红色波长范围内的光)将穿过波导100B。
当被实现为输入衍射光栅时，输入耦合器112G被设计成将在输入角度范围内(例如，相对于法线的+/-15度)和在绿色波长范围内(例如，500nm至550nm)的绿光衍射到波导100G中，使得衍射地入耦合的绿光的角度超过针对波导100G的临界角，并且从而可以通过TIR从输入耦合器112G行进到输出耦合器116G。另外，输入耦合器112G被设计成透射绿色波长范围之外的光，使得绿色波长范围之外的光(诸如红色波长范围内的光)将穿过波导100G。
当被实现为输入衍射光栅时，输入耦合器112R被设计成将在输入角度范围内(例如，相对于法线的+/-15度)和在红色波长范围内(例如，600nm至650nm)的红光衍射到波导100R中，使得衍射地入耦合的红光的角度超过针对波导100R的临界角，并且从而可以通过TIR从输入耦合器112R行进到输出耦合器116R。另外，输入耦合器112R被设计成透射红色波长范围之外的光，使得红色波长范围之外的光将穿过波导100R。
更一般地，每个波导100可以包括输入耦合器112，输入耦合器112被配置为将在输入角度范围内(例如，相对于法线的+/-15度)和在特定波长范围内的光耦合入到波导中，使得入耦合的光的角度超过针对波导100的临界角，并且从而可以通过TIR从波导100的输入耦合器112行进到输出耦合器116，并且使得特定波长范围之外的光被透射并且穿过波导100。
光学波导100R、100G和100B可以被统称为波导100，或者单独称为波导100。波导100中的两个或更多个波导可以被称为波导组件200。更具体地，多个波导100可以背对背地被堆叠以提供波导组件200。波导组件200的相邻波导100之间的距离可以例如在约50微米(μm)到300μm之间，但不限于此。虽然没有具体示出，但是垫片可以位于相邻波导100之间以在它们之间保持期望的间隔。输入耦合器112G、112R和112B可以被统称为输入耦合器112，或者单独称为输入耦合器112。类似地，输出耦合器116G、116R和116B可以被统称为输出耦合器116，或者单独地称为输出耦合器116。虽然波导组件200被示出为包括三个波导100，但是波导组件也可以包括多于或少于三个波导，如下面将更详细地描述的。
每个输入耦合器112具有输入角度范围，并且每个输出耦合器116具有输出角度范围。根据某些实施例，所有输入耦合器112具有基本上相同的输入角度范围，并且所有输出耦合器116具有基本上相同的输出角度范围。根据某些实施例，输入耦合器112的输入角度范围与输出耦合器116的输出角度范围基本上相同。如果值在彼此的5％之内，则认为值基本上相同。根据某些实施例，输入角度范围和输出角度范围各自相对于法线约为+/-15度。更小或更大的输入和输出角度范围也是可能的，并且在本文中描述的实施例的范围内。
在图2中，虚线箭头线222R表示与由显示引擎204输出的图像相对应的红(R)光，虚线箭头线222G表示与由显示引擎204输出的图像相对应的绿(G)光，并且实线箭头线222B表示与由显示引擎204输出的图像相对应的蓝(B)光。虽然R、G和B光(222R、222G和22B)被示出为在空间上彼此偏移，但可能不是这种情况，相反，图2以这种方式被绘制使得可以分离地表示R、G和B光。更可能的是，离开显示引擎204的R、G和B光(222R、222G和22B)将彼此完全重叠。另外，虽然波导100R、100G和100B被示出为以特定顺序堆叠，但是可以改变波导100堆叠的顺序。
显示引擎204可以包括例如成像设备(也称为图像形成器)、成像透镜和光源组件(也称为发光器，或简称为光源)，但不是限于此。显示引擎204的成像设备可以使用硅上液晶(LCOS)显示器来实现，LCOS显示器是一种外部光由光学活性材料反射和调制的反射技术。在成像设备206是LCOS显示器的情况下，光源组件将可能包括红色、绿色和蓝色发光二极管(LED)。然而，使用LCOS显示器来实现显示引擎的缺点在于，所得到的显示引擎比期望的更大和更重，例如，由于通常在LCOS显示器中被使用的偏振分束器立方体。期望显示引擎204的体积不大于25mm×12mm×12mm，并且不大于约25克。然而，在成像设备被实现为LCOS显示器并且光源组件使用LED来实现的情况下，已经证明，难以使得显示引擎204小于约50mm×50mm×25mm，并且已经证明，难以使得显示引擎轻于约70克。另外，为了降低功耗，期望使用激光二极管(LD)代替光源组件内的LED，因为LD比LED更节能。
在图2中，显示引擎204被示出为面向波导100的后侧表面110，并且眼睛214被示出为面向与后侧表面110相对且平行的前侧表面108。这提供了潜望镜类型的配置，其中光在波导100的一侧进入波导，并且在波导100的相对侧离开波导。备选地，输入耦合器112和输出耦合器116可以以某种方式来实现，使得显示引擎204和眼睛214接近并且面向相同的主平面(108或110)。
波导组件200可以被并入透视混合现实显示设备系统中，但不限于与其一起使用。可以为用户的左眼和右眼中的每个提供波导组件200和显示引擎204的分离实例。在某些实施例中，这种波导组件200可以位于透视透镜的旁边或之间，透视透镜可以是眼镜中所使用的标准透镜并且可以被制成任何处方(包括没有处方)。在透视混合现实显示设备系统被实现为包括框架的头戴式显示器(HMD)眼镜的情况下，显示引擎204可以位于框架的侧面使得其位于用户的太阳穴附近。备选地，显示引擎204可以位于HMD眼镜的中央部分，该中央部分位于用户的鼻梁上方。针对显示引擎204的其他位置也是可能的。在这些情况下，用户也可以被称为佩戴者。在针对用户的左眼和右眼中的每个都存在分离的波导组件的情况下，对于每个波导组件并且因此对于用户的左眼和右眼中的每个，可以存在分离的显示引擎。如本领域中已知的，一个或多个另外的相邻波导可以被用来基于在用户的(两个)眼睛214上入射和从用户的(两个)眼睛214反射的红外光来执行眼睛跟踪。
减小显示引擎204的尺寸、重量和功耗的一种方式是使用扫描MEMS(微机电系统)反射镜显示技术而不是LCOS显示技术来实现成像设备(也称为图像形成器)，并且使用LD而不是LED来实现光源组件。实现此目的的一种方式在图3中被示出并且参考图3进行描述。
图3图示了根据本技术的示例性实施例的显示引擎204的示例性细节。显示引擎204被示出为包括光源组件310、一个或多个准直透镜308、以及一个或多个扫描MEMS反射镜320。光源组件310被示出为包括红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)激光二极管(LD)312和光束组合器314。图3中还示出了图像源302、控制器303和激光二极管驱动器(LDD)306，其中的任何一个或全部可以被认为在显示引擎204外部，或者可以实现为显示引擎204的一部分，这取决于实现。除非另有说明，否则假定图像源302、驱动LDD 306的控制器的一部分、和LDD 306在显示引擎204外部。然而，假定控制器303的控制(多个)扫描MEM反射镜320的一部分或控制(多个)扫描MEM反射镜320的某个其他控制器是显示引擎204的一部分。
可以使用专用集成电路(ASIC)和/或微控制器(但不限于此)来实现的控制器303被示出为从图像源302接收图像信号。控制器303可以从图像源302接收例如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)像素数据、水平同步(Hsync)信号和竖直同步(Vsync)信号。Hsync信号可以帧的每条水平线包括一个脉冲，这指示一条线的结束和下一条线的开始。Vsync信号可以每个帧包括一个脉冲，这指示一个帧的结束和下一帧的开始。
控制器303可以执行伽马校正、颜色空间转换、插值、抽取等。控制器303还可以产生驱动信号和控制信号，以用于产生包括由一个或多个输入耦合器112耦合到一个或多个波导100中的角度内容的图像。更具体地，控制器303被示出为向LDD 306提供R、G和B数字驱动信号，LDD 306将这些数字信号转换成被用来驱动R、G和B激光二极管(LD)312的模拟R、G和B驱动信号，从而引起LD 312选择性地发射R、G和B激光束。
光束组合器314可以包括二向色滤光器和/或其他光束组合器光学器件，以将红色、绿色和蓝色激光束(由红色、绿色和蓝色LD 312产生)组合成被提供给一个或多个准直透镜308的单个激光束，该单个激光束也可以被称为光束。(多个)准直透镜308准直由光束组合器314输出的光束，并且准直光束被提供给一个或多个MEMS扫描镜320。光束组合器314和(多个)准直透镜308共同是被配置为将由多个发光元件(例如，R、G和B LD 312)发射的光组合和准直成单个光束的光学子系统的示例。备选地，光学子系统可以被用来将由多个发光元件发射的光组合和准直成单个光束，如本领域普通技术人员已知的。
控制器303还可以产生被用来控制(多个)扫描镜320的快轴控制信号和慢轴控制信号。快轴控制信号有时被称为水平(H)控制信号，并且慢轴控制信号有时被称为竖直(V)控制信号。由控制器303产生并且被用来控制(多个)扫描镜320的快轴和慢轴控制信号(也称为H和V控制信号)可以被提供给响应于H和V控制信号而改变(多个)反射镜的位置的反射镜驱动单元和/或扫描平台(由元件322表示)。
可以由控制器303控制的(多个)MEMS反射镜320可以对被反射到与输入耦合器112相关联的输入光瞳上的光进行光栅扫描。换言之，(多个)准直透镜308和(多个)MEMS反射镜320在(多个)波导100的(多个)输入耦合器112的位置处投射和形成光瞳。根据实施例，与波导相关联的输入光瞳可以与关联于显示引擎204的输出光瞳的尺寸近似相同，例如，在一些实施例中为5mm或更小，但不限于此。(多个)MEMS反射镜320可以例如使用单个MEMS反射镜(其通常被称为双轴MEMS反射镜)或使用两个单轴MEMS反射镜来实现。可以从(多个)MEMS反射镜320向控制器303提供反馈信号以向控制器303提供实时位置信息。还可以将控制器303分成两个功能块或电路，一个执行视频或者其他图像处理并且向LDD 306提供RGB数据，而另一个(例如，MEMS控制器，或更一般地是控制器)控制(多个)扫描MEMS反射镜320。
根据某些实施例，与显示引擎204相关联的输出光瞳的直径优选地不大于5mm，并且更优选地在2mm至4mm的范围内，并且甚至更优选地在约3mm至3.5mm的范围内。这将确保(多个)波导100的输入耦合器112的直径不大于5mm。(多个)波导100的输入耦合器112的直径大于5mm的潜在问题是，由(多个)输入耦合器112耦合到(多个)波导100中的相对大量的光在反射离开(多个)波导100的表面之后可能由(多个)输入耦合器112无意地耦合出(多个)波导100。这可能具有降低系统的光学效率的不利影响，可能产生低强度和低质量的虚拟图像。
使得与显示引擎204相关联的输出光瞳的直径不大于5mm将是困难的并且可能是不可能的，其中由显示引擎204生成的图像使用单个双轴MEMS反射镜或者仅使用两个单轴MEMS反射镜来产生。这是由于(多个)MEMS光镜320在光束被投射到(多个)波导100的(多个)输入耦合器112上之前使从(多个)准直透镜接收的准直光束发散。根据本技术的特定实施例，以减小与显示引擎204相关联的输出光瞳的尺寸的方式添加和控制一个或多个附加MEMS反射镜，并且从而使得与(多个)波导100相关联的输入光瞳和(多个)输入耦合器112的直径能够为5mm或更小。这有利地减轻了在由(多个)输入耦合器112耦合到(多个)波导100中之后可能在反射离开(多个)波导100的表面之后由(多个)输入耦合器112无意地耦合出(多个)波导100的光量。
更具体地，根据本技术的某些实施例，一种显示引擎包括一个或多个图像产生MEMS反射镜和一个或多个图像重投射MEMS反射镜。显示引擎用于与一个或多个光学波导(例如，100)一起使用，每个光学波导包括输入耦合器(例如，112)和输出耦合器(例如，116)，其中每个光学波导被配置为引起由输入耦合器耦合到光学波导中的光通过TIR行进到输出耦合器，在输出耦合器处，光被耦合出波导。(多个)图像产生MEMS反射镜被定位成反射单个光束(其由组合和准直由多个发光元件发射的光的光学子系统产生)，以产生与被投射到与(多个)波导的(多个)输入耦合器不同的预定投射区域上的扫描图像相对应的光瞳。(多个)图像重投射MEMS反射镜被控制和/或相对于(多个)图像产生MEMS反射镜并且相对于一个或多个光学波导的(多个)输入耦合器而被定位，使得与扫描图像相对应的光瞳由(多个)图像重投射MEMS反射镜重投射到(多个)光学波导100的(多个)输入耦合器上，并且从而由(多个)输入耦合器耦合到(多个)光学波导中，(多个)图像产生MEMS反射镜将该扫描图像投射到(多个)图像重投射MEMS反射镜中的一个所在的预定投射区域上。下面参考图4A-4D描述这些实施例的各种不同实现。
参考图4A，显示引擎404a被示出为包括双轴图像产生MEMS反射镜420、双轴图像重投射MEMS反射镜422和控制器403。图4A中还示出了多个激光二极管(LD)412，每个LD 412被配置为发射与其他LD不同颜色(例如，红色、绿色或蓝色)的光。图4A还示出了被配置为将由多个LD 412发射的光组合和准直成单个光束418的光学子系统416。光学子系统416可以包括例如光束组合器(类似于图3中的光束组合器314)和一个或多个准直透镜(类似于图3中的(多个)准直透镜308)，但不限于此。控制器403被配置为同步地控制图4A中所示的双轴图像产生MEMS反射镜420和双轴图像重投射MEMS反射镜422。如果正被产生的图像是单色图像，则可能仅存在单个激光二极管和单个波导100。
仍然参考图4A，双轴图像产生MEMS反射镜420被定位成反射由光学子系统416产生的单个光束418。双轴图像产生MEMS反射镜420和双轴图像重投射MEMS反射镜422相对于彼此被定位，并且双轴图像产生MEMS反射镜420由控制器403控制，以产生与被投射到双轴图像重投射MEMS反射镜422上的扫描图像相对应的光瞳。双轴图像重投射MEMS反射镜422将与扫描图像(由双轴图像产生MEMS反射镜420产生)相对应的光瞳重投射到(多个)光学波导100的(多个)输入耦合器112上，并且从而引起扫描图像由(多个)输入耦合器112耦合到(多个)光学波导100中。例如，扫描图像的红色部分被耦合到波导100R中，扫描图像的绿色部分被耦合到波导100G中，并且扫描图像的蓝色部分被耦合到波导100B中。
根据某些实施例，双轴图像重投射MEMS反射镜422的表面积大于双轴图像产生MEMS反射镜420的表面积，使得双轴图像重投射MEMS反射镜422可以容纳由双轴图像产生MEMS反射镜420投射到双轴图像重投射MEMS反射镜422上的发散光束(与扫描图像相对应的光瞳的发散光束)。更具体地，双轴图像重投射MEMS反射镜422的直径大于双轴图像产生MEMS反射镜420的直径。另外，根据某些实施例，(多个)输入耦合器112处的重投射的光瞳的尺寸(例如，直径或面积)小于与被投射到双轴图像重投射MEMS反射镜422上的扫描图像相对应的光瞳的尺寸。这样，可以使得(多个)输入耦合器112的直径不大于5mm，并且更优选地在2mm至4mm的范围内，并且甚至更优选地在约3mm至3.5mm的范围内。更一般地，因为(多个)输入耦合器112处的重投射的光瞳的尺寸小于与被投射到图像重投射MEMS反射镜422上的扫描图像相对应的光瞳的尺寸，所以与在由图像产生MEMS反射镜420投射的光瞳被直接投射到(多个)输入耦合器112上的情况下的可能的尺寸相比，可以使得(多个)输入耦合器112更小。应当注意，本文中使用的术语“直径”不一定表示所指代的元件(例如，输入耦合器)的形状是圆形的。相反，术语“直径”被用来指代其形状可以是圆形、正方形、矩形等的元件的相对侧面之间的距离。
根据某些实施例，双轴图像产生MEMS反射镜420和双轴图像重投射MEMS反射镜422各自被实现为相应的单片反射镜，其也被称为微扫描镜。单片反射微扫描镜可从例如总部位于华盛顿州雷德蒙市的MicroVision公司获取。根据其他实施例，双轴图像产生MEMS反射镜420和双轴图像重投射MEMS反射镜422各自为分段(像素化)反射器，其可以包括在半导体芯片上以矩阵布置的数千个微观小反射镜，称为数字微镜器件(DMD)，其使用数字光处理(DLP)技术，该技术最初由总部位于德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司开发。双轴图像产生MEMS反射镜420和双轴图像重投射MEMS反射镜422中的一个也可以被实现为单片反射镜，而另一个被实现为分段(像素化)反射器。
双轴图像产生MEMS反射镜420和双轴图像重投射MEMS反射镜422可以使用各种类型的致动中的任何一种来同步地但分离地控制，诸如但不限于磁致动、电磁致动、所讨论的静电致动、压电致动或热双压电晶片致动。当被用来执行光栅扫描时，双轴图像产生MEMS反射镜420可以具有在谐振下振荡的快轴和执行具有锯齿特性的非谐振扫描的慢轴。更具体地，双轴图像产生MEMS反射镜420可以使用正弦形快轴控制信号(也称为水平控制信号或H控制信号)和锯齿形慢轴控制信号(也称为竖直控制信号或V控制信号)来控制。另外，双轴图像重投射MEMS反射镜422可以使用分离的正弦形快轴控制信号和分离的锯齿形慢轴控制信号来控制。
根据某些实施例，被用来控制图像重投射MEMS反射镜422的快轴控制信号具有与被用来控制双轴图像产生MEMS反射镜420的快轴控制信号相同的频率和形状，但是相对于被用来控制双轴图像产生MEMS反射镜420的快轴控制信号存在相位偏移。更具体地，在被用来控制图像重投射MEMS反射镜422的快轴控制信号与被用来控制双轴图像产生MEMS反射镜420的快轴控制信号之间可以存在180度相位偏移。
根据某些实施例，被用来控制图像重投射MEMS反射镜422的慢轴控制信号具有与被用来控制双轴图像产生MEMS反射镜420的慢轴控制信号相同的频率和形状，但是相对于被用来控制双轴图像产生MEMS反射镜420的慢轴控制信号存在相位偏移。更具体地，在被用来控制图像重投射MEMS反射镜422的慢轴控制信号与被用来控制双轴图像产生MEMS反射镜420的慢轴控制信号之间可以存在180度相位偏移。
仍然参考图4A，双轴图像产生MEMS反射镜420和双轴图像重投射MEMS反射镜422被示出为相对于彼此并且相对于(多个)光学波导100而被定位，使得由光学子系统416产生的单个光束418在自由空间中在基本上平行于(多个)光学波导100的主平面108和110的方向上从光学子系统416行进到双轴图像产生MEMS反射镜420。这被认为提供了显示引擎404a的非常紧凑的实现，并且被认为使得显示引擎404a能够基本上尽可能靠近(多个)光学波导100定位。以类似的方式，双轴图像产生MEMS反射镜420可以被定位在(多个)波导100的边缘之外，并且双轴图像重投射MEMS反射镜422将被定位在(多个)波导100的输入光瞳上，使得光学系统更加紧凑。
现在参考图4B，备选显示引擎404b被示出为包括单轴图像产生MEMS反射镜431和432以及单轴图像重投射MEMS反射镜441和442。显示引擎404b还被示出为包括控制器403、多个LD 412和光学子系统416，这些元件与上面在图4的讨论中使用相同的附图标记所描述的元件类似，并且因此，不需要以相同的细节量再次描述。
仍然参考图4B，单轴图像产生MEMS反射镜431被定位成将单个光束418(其由光学子系统416产生)朝向单轴图像产生MEMS反射镜432反射。单轴图像产生MEMS反射镜431和432被共同使用以产生与被投射到单轴图像重投射MEMS反射镜441上的扫描图像相对应的光瞳。单轴图像重投射MEMS反射镜441将与扫描图像相对应的光瞳朝向单轴图像重投射MEMS反射镜442反射，单轴图像重投射MEMS反射镜442将与扫描图像相对应的光瞳朝向(多个)波导100的(多个)输入耦合器112反射。换言之，单轴图像重投射MEMS反射镜441和442共同将与扫描图像(由单轴图像产生MEMS反射镜431和432产生)相对应的光瞳重投射到(多个)光学波导100的(多个)输入耦合器112上，并且从而引起与扫描图像相对应的光瞳由(多个)输入耦合器112耦合到(多个)光学波导100中。例如，与扫描图像相对应的光瞳的红色部分被耦合到波导100R中，与扫描图像相对应的光瞳的绿色部分被耦合到波导100G中，并且与扫描图像相对应的光瞳的蓝色部分被耦合到波导100B中。
单轴图像产生MEMS反射镜431和432中的一个可以使用正弦形快轴控制信号(也称为水平控制信号或H控制信号)来控制，并且另一个可以由锯齿形慢轴控制信号(也称为竖直控制信号或V控制信号)来控制，这两个控制信号都可以由控制器403产生。类似地，单轴图像重投射MEMS反射镜441和442中的一个可以使用正弦形快轴控制信号来控制，并且另一个可以由锯齿形慢轴控制信号来控制，这两个控制信号都可以由控制器403产生。
根据某些实施例，被用来控制单轴图像重投射MEMS反射镜441或442中的一个的快轴控制信号具有与被用来控制单轴图像产生MEMS反射镜431或432中的一个的快轴控制信号相同的频率和形状，但是在相位上偏移。更具体地，在被用来控制单轴图像重投射MEMS反射镜441或442中的一个的快轴控制信号与被用来控制单轴图像产生MEMS反射镜431或432中的一个的快轴控制信号之间可以存在180度相位偏移。
根据某些实施例，被用来控制单轴图像重投射MEMS反射镜441或442中的另一个的慢轴控制信号具有与被用来控制单轴图像产生MEMS反射镜431或432中的另一个的慢轴控制信号相同的频率和形状，但是在相位上偏移。更具体地，在被用来控制单轴图像重投射MEMS反射镜441或442中的一个的慢轴控制信号与被用来控制单轴图像产生MEMS反射镜431或432中的一个的慢轴控制信号之间可以存在180度相位偏移。
根据某些实施例，单轴图像重投射MEMS反射镜441和442中的每个的表面积大于单轴图像产生MEMS反射镜431和432中的每个的表面积，使得单轴图像重投射MEMS反射镜441和442可以容纳由单轴图像产生MEMS反射镜431和432投射到单轴图像重投射MEMS反射镜441和442上的发散光束(与扫描图像相对应的光瞳的发散光束)。另外，根据某些实施例，与(多个)输入耦合器112处的扫描图像相对应的重投射的光瞳的尺寸(例如，直径或面积)小于与被投射到单轴图像重投射MEMS反射镜441上的扫描图像相对应的光瞳的尺寸。这样，(多个)输入耦合器112的直径可以不大于5mm，并且更优选地在2mm至4mm的范围内，并且甚至更优选地在约3mm至3.5mm的范围内。更一般地，因为与(多个)输入耦合器112处的扫描图像相对应的重投射的光瞳的尺寸小于与被投射到图像重投射MEMS反射镜441上的扫描图像相对应的光瞳的尺寸，所以与在与由单轴图像产生MEMS反射镜431和432投射的扫描图像相对应的光瞳被直接投射到(多个)输入耦合器112上的情况下的可能尺寸相比，则可以使(多个)输入耦合器112更小。
根据某些实施例，单轴图像产生MEMS反射镜431和432以及单轴图像重投射MEMS反射镜441和442各自被实现为相应的单片反射镜，其也被称为微扫描镜。根据其他实施例，单轴图像产生MEMS反射镜431和432以及单轴图像重投射MEMS反射镜441和442各自使用分段(像素化)反射器来实现，该反射器可以包括在半导体芯片上以矩阵布置的数千个微观小反射镜。单轴MEMS反射镜431、432、441和442中的一个或多个也可以被实现为相应的单片反射镜，而单轴MEMS反射镜431、432、441和442中的其他(多个)单轴MEMS反射镜可以使用分段(像素化)反射器来实现，其示例性细节在上面参考图4A进行了描述。
在图4A中的显示引擎404a中，如上所述，首先使用双轴图像产生MEMS反射镜420产生和投射与扫描图像相对应的光瞳，并且使用双轴图像重投射MEMS反射镜422将该光瞳重投射到(多个)波导100的(多个)输入耦合器112上。在图4B中的显示引擎404b中，如上所述，首先使用两个单轴图像产生MEMS反射镜431和432产生和投射与扫描图像相对应的光瞳，并且使用两个单轴图像重投射MEMS反射镜441和442将该光瞳重投射到(多个)波导100的(多个)输入耦合器112上。在备选实施例中，可以使用单轴和双轴MEMS反射镜的组合。例如，在图4C所示的显示引擎404c中，首先使用两个单轴图像产生MEMS反射镜431和432产生和投射与扫描图像相对应的光瞳，并且使用双轴图像重投射MEM镜像422将该光瞳重投射到(多个)波导100的(多个)输入耦合器112上。又例如，在图4D所示的显示引擎404d中，首先使用双轴图像产生MEMS反射镜420产生和投射与扫描图像相对应的光瞳，并且使用两个单轴图像重投射MEMS反射镜441和442将该光瞳重投射到(多个)波导100的(多个)输入耦合器112上。如本领域普通技术人员在阅读了本公开之后所理解的，其他变化是可能的，并且在本技术的范围内。
在图4A-4D中，虚线箭头线222R表示与由显示引擎204输出的图像相对应的光瞳的红(R)光，虚线箭头线222G表示与由显示引擎204输出的图像相对应的光瞳的绿(G)光，并且实线箭头线222B表示与由显示引擎204输出的图像相对应的光瞳的蓝(B)光。虽然R、G和B光(222R、222G和22B)被示出为在空间上彼此偏移，但是可能不是这种情况，相反，图4A-4D以这种方式绘制使得可以分离表示R、G和B光。更可能的是，离开显示引擎204的R、G和B光(222R、222G和22B)将彼此完全重叠。
在图4A-4D中，三个波导100R、100G和100B被示出为被用来通过TIR将与图像相对应的R、G和B光从相应的输入耦合器112R、112G和112B传输到相应的输出耦合器116R、116G和116B。在其他实施例中，单个波导可以被用来传输多于一种颜色的光。由显示引擎产生的图像也可以是单色图像，在这种情况下，可以存在仅单个激光二极管412和仅单个波导100。
根据某些实施例，显示引擎的所有组件(例如，404a、404b、404c或404d)可以被密封在气密真空封装包内，这使得MEMS反射镜可以与它们不在真空中的情况下相比更快速和准确地被致动。在其他实施例中，仅MEMS反射镜和致动MEMS反射镜的组件被密封在气密真空封装包内。这种包可以包括光学窗口以用于允许光进入和离开包。其他变化也是可能的。例如，光学子系统416以及可能的激光二极管412也可以与MEMS反射镜一起被密封在气密真空封装包内。根据某些实施例，包括MEMS反射镜(并且可能包括光学子系统416和激光二极管412)的气密真空封装包的维数不大于25mm×12mm×12mm，并且重量不大于约25克。
虽然显示引擎404a、404b、404c和404d被描述为包括一个或多个激光二极管，例如R、G和B激光二极管，但是可以使用备选类型的发光元件来代替激光二极管，诸如但不限于一个或多个发光二极管(LED)、超辐射发光二极管(SLED)或量子点发光二极管(QD-LED)，但不限于此。根据实施例，由红色发光元件产生的红色波长范围为600nm至650nm，由绿色发光元件产生的绿色波长范围为500nm至550nm，并且由蓝色发光元件产生的蓝色波长范围为430nm至480nn，如上所述。更窄或更宽的波长范围也是可能的。
图5是被用来概述根据本技术的各种实施例的方法的高级流程图。这种方法可以用于与包括一个或多个光学波导的近眼或平视显示系统一起使用，每个光学波导包括输入耦合器和输出耦合器。(多个)光学波导中的每个光学波导被配置为引起由其输入耦合器耦合到光学波导中的光通过TIR行进到其输出耦合器，在输出耦合器处，光被耦合出波导。
参考图5，步骤502涉及从由一个或多个发光元件发射的光产生单个准直光束。步骤502可以例如通过在图4A-4D中所示出和参考图4A-4D所描述的光学子系统416来执行。这种光学子系统416可以包括例如光束组合器和一个或多个准直透镜。光束组合器可以包括例如二向色滤光器和/或其他光束组合器光学器件，以组合红色、绿色和蓝色光束或其他颜色的光束。
仍然参考图5，步骤504涉及控制一个或多个图像产生MEMS反射镜以反射单个准直光束以产生与被投射到一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个上的扫描图像相对应的光瞳。步骤506涉及控制一个或多个图像重投射MEMS反射镜，使得与被投射到一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个上的扫描图像相对应的光瞳被重投射到(多个)光学波导的(多个)输入耦合器上，并且由此由(多个)输入耦合器耦合到(多个)光学波导中。例如，再次参考图4A-4D，在步骤506处，与图像相对应的光瞳的红光222R可以由输入耦合器112R耦合到光学波导100R中，与图像相对应的光瞳的绿光222G可以由输入耦合器112G耦合到光学波导100G中，并且与图像相对应的光瞳的蓝光222B可以由输入耦合器112B耦合到光学波导100B中。
仍然参考图4A-4D，图5的方法使得与(多个)输入耦合器112处的扫描图像相对应的重投射的光瞳的尺寸小于与被投射到图像重投射MEMS反射镜422(在图4A和图4C中)或441(在图4B和图4D中)上的扫描图像相对应的光瞳的尺寸。有利地，因为(多个)输入耦合器112处的重投射的光瞳的尺寸小于被投射到图像重投射MEMS反射镜422或441上的光瞳的尺寸，所以与在与由图像产生MEMS反射镜420(图4A和图4D)或432(图4B和图4C)投射的扫描图像相对应的光瞳被直接投射到(多个)输入耦合器112上的情况下的可能尺寸相比，可以使(多个)输入耦合器112更小。
再次参考图5，根据某些实施例，同步地执行在步骤504和506处控制一个或多个图像产生MEMS反射镜和控制一个或多个图像重投射MEMS反射镜。更具体地，步骤504可以使用第一快轴控制信号和第一慢轴控制信号来执行，第一快轴控制信号和第一慢轴控制信号分别被用来使与一个或多个图像产生MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振，并且步骤506可以使用第二快轴控制信号和第二慢轴控制信号来执行，第二快轴控制信号和第二慢轴控制信号分别被用来使与一个或多个图像重投射MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振。根据某些实施例，第二快轴控制信号具有与第一快轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于第一快轴控制信号相位偏移180度，并且第二慢轴控制信号具有与第一慢轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于第一慢轴控制信号相位偏移180度。
从图4A-4D的讨论中可以理解，在步骤504处被控制的一个或多个图像产生MEMS反射镜可以是一个双轴MEMS反射镜，或者是一对单轴MEMS反射镜；并且在步骤506处被控制的一个或多个图像重投射MEMS反射镜可以是一个双轴MEMS反射镜，或者是一对单轴MEMS反射镜。这些方法的进一步细节可以从上面对图1A-1C、图2、图3和图4A-4D的讨论来理解。
在以上描述和本文中描述的图中，波导100通常被描述和示出为平面波导，每个平面波导包括一对相对的主平面。在备选实施例中，波导的一个或两个主表面可以是非平面的，例如弯曲的。在以上描述和本文中描述的图中，波导100通常被描述和示出为彼此平行，然而不一定是这种情况。
应当注意，一个或多个静态反射镜可以被包括在显示引擎204、404a、404b、404c和404d内，以根据需要在光学子系统(例如，316或416)与MEMS反射镜之间或者在一对MEMS反射镜之间或者在MEMS反射镜与输入耦合器之间重定向光。例如，在双轴图像产生MEMS反射镜420被定位成反射由光学子系统416产生的单个光束418的情况下，单个光束418可能被反射并且由此在单个光束418在双轴图像产生MEMS反射镜420上入射并且由其反射之前由静态反射镜重定向。
在以上描述中，显示引擎204、404a、404b、404c和404d被描述为输出与图像相对应的光瞳的红光、绿光和蓝光，并且波导100被描述为从各种波导100的输入耦合器112到输出耦合器116以及更一般地从输入光瞳到输出光瞳传输红光、绿光和蓝光。然而，由显示引擎输出的光包括备选颜色也是在本技术的范围内，备选颜色诸如但不限于青色、品红色和黄色，在这种情况下，输入耦合器112和输出耦合器116(和中间组件114，如果存在的话)将被设计用于这种备选波长范围。由显示引擎输出三种以上颜色的光也在本技术的范围内，例如，显示引擎可以输出与图像相对应的光瞳的红光、绿光、蓝光和黄光。在后一种情况下，可以使用附加的波导来引导黄光，或者可以在也引导其他颜色中的一个的波导中的一个内引导黄光。其他变化是可能的并且在本技术的范围内。
尽管已经用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题内容，但是应当理解，所附权利要求书中所定义的主题内容不必限于上述具体特征或动作。而是，上述具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。

Claims (15)

1.一种用于与一个或多个光学波导一起使用的显示引擎，每个光学波导包括输入耦合器和输出耦合器，所述光学波导中的每个光学波导被配置为引起由所述光学波导的所述输入耦合器耦合到所述光学波导中的光通过全内反射(TIR)行进到所述光学波导的所述输出耦合器，在所述输出耦合器中，所述光被耦合出所述波导，所述显示引擎包括：
一个或多个发光元件，每个发光元件被配置为响应于被驱动而发射光；
光学子系统，所述光学子系统被配置为从由所述一个或多个发光元件发射的所述光产生单个准直光束；
一个或多个图像产生MEMS反射镜，至少一个图像产生MEMS反射镜被定位成反射由所述光学子系统产生的所述单个准直光束；
一个或多个图像重投射MEMS反射镜；以及
控制器，所述控制器被配置为控制所述一个或多个图像产生MEMS反射镜和所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜；
其中所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜被控制并且相对于所述一个或多个图像产生MEMS反射镜并且相对于所述光学波导的所述输入耦合器而被定位，使得与所述一个或多个图像产生MEMS反射镜投射到所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个图像重投射MEMS反射镜上的扫描图像相对应的光瞳由所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜重投射到所述光学波导的所述输入耦合器上，并且从而由所述输入耦合器耦合到所述光学波导中。
2.根据权利要求1所述的显示引擎，其中所述输入耦合器处的被重投射的所述光瞳的尺寸小于由所述一个或多个图像产生MEMS反射镜投射到所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个图像重投射MEMS反射镜上的所述光瞳的尺寸。
3.根据权利要求2所述的显示引擎，其中因为所述输入耦合器处的被重投射的所述光瞳的所述尺寸小于被投射到所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个图像重投射MEMS反射镜上的所述光瞳的所述尺寸，所以与在与由所述一个或多个图像产生MEMS反射镜投射的所述扫描图像相对应的所述光瞳被直接投射到所述输入耦合器上的情况下的可能尺寸相比，所述输入耦合器能够变得更小。
4.根据权利要求1所述的显示引擎，其中所述控制器被配置为产生：
第一快轴控制信号，第一慢轴控制信号，分别被用来使与所述一个或多个图像产生MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振；以及
第二快轴控制信号，第二慢轴控制信号，分别被用来使与所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振；
其中所述第二快轴控制信号具有与所述第一快轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于所述第一快轴控制信号存在相位偏移；并且
其中所述第二慢轴控制信号具有与所述第一慢轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于所述第一慢轴控制信号存在相位偏移。
5.根据权利要求4所述的显示引擎，其中：
所述第二快轴控制信号相对于所述第一快轴控制信号相位偏移180度；并且
所述第二慢轴控制信号相对于所述第一慢轴控制信号相位偏移180度。
6.根据权利要求1所述的显示引擎，其中：
所述光学波导包括基本上彼此平行的第一主平面和第二主平面；并且
所述光学子系统和所述一个或多个图像产生MEMS反射镜中的一个图像产生MEMS反射镜相对于彼此并且相对于所述光学波导而被定位，使得由所述光学子系统产生的单个准直光束在自由空间中在基本上平行于所述光学波导的所述第一主平面和所述第二主平面的方向上从所述光学子系统行进到所述一个或多个图像产生MEMS反射镜中的所述一个图像产生MEMS反射镜。
7.根据权利要求1所述的显示引擎，其中：
所述一个或多个图像产生MEMS反射镜包括第一双轴MEMS反射镜；并且
所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜包括第二双轴MEMS反射镜。
8.根据权利要求1所述的显示引擎，其中：
所述一个或多个图像产生MEMS反射镜包括第一单轴MEMS反射镜和第二单轴MEMS反射镜；并且
所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜包括第三单轴MEMS反射镜和第四单轴MEMS反射镜。
9.根据权利要求1所述的显示引擎，其中：
所述一个或多个图像产生MEMS反射镜包括一个双轴MEMS反射镜或一对单轴MEMS反射镜；并且
所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜包括一个双轴MEMS反射镜或一对单轴MEMS反射镜。
10.根据权利要求1所述的显示引擎，其中所述控制器被配置为同步地控制所述一个或多个图像产生MEMS反射镜和所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜。
11.一种用于与一个或多个光学波导一起使用的方法，每个光学波导包括输入耦合器和输出耦合器，所述光学波导中的每个光学波导被配置为引起由所述光学波导的所述输入耦合器耦合到所述光学波导中的光通过全内反射(TIR)行进到所述光学波导的所述输出耦合器，在所述输出耦合器中，所述光被耦合出所述波导，所述方法包括：
从由一个或多个发光元件发射的光产生单个准直光束；以及
控制一个或多个图像产生MEMS反射镜反射所述单个准直光束，以产生与被投射到一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个图像重投射MEMS反射镜上的扫描图像相对应的光瞳；以及
控制所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜，使得与被投射到所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个图像重投射MEMS反射镜上的所述扫描图像相对应的所述光瞳被重投射到所述光学波导的所述输入耦合器上并且从而由所述输入耦合器耦合到所述光学波导中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述输入耦合器处的被重投射的所述光瞳的尺寸小于被投射到所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个图像重投射MEMS反射镜上的所述光瞳的尺寸；并且
因为所述输入耦合器处的被重投射的所述光瞳的所述尺寸小于被投射到所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜中的一个图像重投射MEMS反射镜上的所述光瞳的所述尺寸，所以与在与由所述一个或多个图像产生MEMS反射镜投射的所述扫描图像相对应的所述光瞳被直接投射到所述输入耦合器上的情况下的可能尺寸相比，所述输入耦合器能够变得更小。
13.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述控制所述一个或多个图像产生MEMS反射镜和所述控制所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜被同步地执行；
所述控制所述一个或多个图像产生MEMS反射镜使用第一快轴控制信号和第一慢轴控制信号来执行，所述第一快轴控制信号和所述第一慢轴控制信号分别被用来使与所述一个或多个图像产生MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振；并且
所述控制所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜使用第二快轴控制信号和第二慢轴控制信号来执行，所述第二快轴控制信号和所述第二慢轴控制信号分别被用来使与所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜相关联的快轴和慢轴谐振。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
其中所述第二快轴控制信号具有与所述第一快轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于所述第一快轴控制信号相位偏移180度；以及
其中所述第二慢轴控制信号具有与所述第一慢轴控制信号相同的频率和相同的形状，但是相对于所述第一慢轴控制信号相位偏移180度。
15.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述一个或多个图像产生MEMS反射镜包括一个双轴MEMS反射镜或一对单轴MEMS反射镜；以及
所述一个或多个图像重投射MEMS反射镜包括一个双轴MEMS反射镜或一对单轴MEMS反射镜。
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