CN110168419A - 用于具有扫描反射器的大视场显示器的方法和系统 - Google Patents

用于具有扫描反射器的大视场显示器的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种图像显示系统包括被配置为发射第一光束和第二光束的光学子系统，其中第一光束照射复合视场的第一部分，以及第二光束照射复合视场的第二部分。扫描镜被定位成拦截并反射第一光束和第二光束。该系统还具有波导，该波导具有至少一个输入耦合光学元件，用于将第一光束和第二光束接收到波导中。波导还具有输出耦合光学元件，用于投射从来自波导的第一光束和第二光束导出的多个输出光束，以照射复合视场。

Description

用于具有扫描反射器的大视场显示器的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年10月28日提交的美国临时专利申请No.62/414,484、2017年7月14日提交的美国临时专利申请No.62/532,968和2017年8月14日提交的美国临时专利申请No.62/545,243的优先权，出于所有目的在此通过引用整体并入上述全部内容。
背景技术
现代计算和显示技术促进了所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字产生的图像或其部分以其中它们看起来是或者可以被感知为真实的方式在可穿戴设备中呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现而对其他现实的真实世界视觉输入不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的现实世界的可视化的增强。
可穿戴设备可以包括增强和/或虚拟现实眼镜。可以使用图像帧或光栅扫描的图像来显示图像。在扫描图像显示系统中，光束中的每一个限定图像的像素。通过扫描在两个正交轴上的镜子，可以创建二维视场(FOV)。图像可以被投射到眼镜透镜上，该眼镜透镜可以包括基于波导的目镜和例如光纤的其他光学元件。图像显示系统可以安装在眼镜框架的左侧和右侧中的每一个上。
发明内容
用于虚拟现实或增强现实应用的可穿戴设备中的常规扫描图像显示器通常具有有限的视场，因为扫描镜在光学元件的布置中具有有限的扫描运动范围和设计约束。然而，这种布置会导致较大的设备尺寸，这是不希望的。本发明的实施例提供具有大视场的扫描图像显示系统，同时维持小的设备形状因子。在一些实施例中，可以通过同时扫描多个入射光束并将独立的视场组合成较大的复合视场来实现较大的视场。
本发明的实施例一般涉及图像显示系统。根据本发明的一些实施例，图像显示系统包括扫描镜，用于接收两个或更多个入射光束并提供多个反射光束。多个反射光束中的每一个被配置为在相应的视场中提供图像。图像显示系统还包括具有输入耦合光学元件和输出耦合光学元件的波导。输入耦合光学元件被配置为用于将多个反射光束耦合到波导中。输出耦合光学元件被配置为用于投射来自波导的多个输出光束，以在复合视场中形成投射图像。
根据本发明的一些实施例，一种图像显示系统包括被配置为发射第一光束和第二光束的光学子系统，其中第一光束照射复合视场的第一部分，第二光束照射复合视场的第二部分。扫描镜被定位成拦截并反射第一光束和第二光束。该系统还具有波导，该波导具有至少一个输入耦合光学元件，用于将第一光束和第二光束接收到波导中。波导还具有输出耦合光学元件，用于投射从来自波导的第一光束和第二光束导出的多个输出光束，以照射复合视场。
在一些实施例中，图像显示系统还包括两个或更多个RGB(红-蓝-绿)组合器，其设置在波导的与扫描镜相反的一侧。RGB组合器被配置为提供具有不同入射角的两个或更多个入射光束。输入耦合光学元件被配置为允许入射光束穿过波导以到达扫描镜。输入耦合光学元件还被配置为将反射光束耦合到波导中。
在图像显示系统的一些实施例中，两个或更多个RGB组合器相对于扫描镜以不同的角度设置，以提供具有不同入射角的两个或更多个入射光束。
在可选实施例中，两个或更多个RGB组合器相对于扫描镜以相同的角度设置，并且图像显示系统还包括反射光学元件，以提供具有不同入射角的两个或更多个光束。
在一些实施例中，输入耦合光学元件是偏振敏感衍射输入耦合光栅(ICG)。
在一些实施例中，图像显示系统还包括设置在扫描镜和波导之间的偏振控制元件，以将入射光束转换成对于内耦合元件是透射的偏振。
在一些实施例中，图像显示系统还包括设置在波导与两个或更多个RGB组合器之间的偏振控制元件。偏振元件被配置为将入射光束转换为第一偏振态，并且扫描镜被配置为将第一圆偏振态转换为第二圆偏振态。偏振敏感输入耦合光学元件被配置为允许第一圆偏振态的光穿过并且被配置为将第二圆偏振态的光耦合到波导中。
在一些实施例中，图像显示系统还包括两个或更多个RGB组合器，其设置在相对于扫描镜的与波导相同的一侧。两个或更多个RGB组合器提供具有不同入射角的两个或更多个入射光束。图像显示系统还包括与扫描镜邻近设置的四分之一波片和设置在四分之一波片和波导之间的偏振敏感分束器。偏振敏感分束器被配置为将来自RGB组合器的两个或更多个入射光束朝向扫描镜引导通过四分之一波片，以及被从扫描镜反射的光束被配置为传播通过四分之一波片和偏振敏感分束器并且通过输入耦合光学元件被耦合到波导中。
根据本发明的一些实施例，图像显示系统包括按图像方式调制的光的源，其输出包括通过波长和/或偏振区分的多个分量的准直入射光束。图像显示系统还包括具有衍射表面的扫描镜，用于接收准直入射光束并成角度地分开光束分量。多个反射和衍射光束分量中的每一个被配置为在相应的视场中提供图像。该图像显示系统还包括波导，该波导具有用于将多个反射光束耦合到波导中的输入耦合光学元件以及用于投射来自波导的多个输出光束以形成具有在复合视场中投射图像的输出耦合光学元件。
根据本发明的一些实施例，一种用于显示图像的方法包括以两个或更多个角度将两个或更多个输入光束照射在扫描镜上。该方法包括扫描两个或更多个输入光束以提供多个反射光束。多个反射光束中的每一个被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。多个反射光束被接收在波导中，并且波导投射来自波导的多个输出光束以在复合视场(FOV)中形成投射图像。在该方法的一些实施例中，复合视场大于由两个或更多个输入光束中的每一个提供的FOV。复合FOV中的图像可以是包括来自输入光束中的每一个的图像的平铺图像。
下面在详细的描述、附图和权利要求中描述了附加特征、益处和实施例。
附图说明
图1是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图；
图2A-2C是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图；
图3是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的图像显示系统的简化示意图；
图4是示出根据本发明的一些实施例的复合视场(FOV)的简化示意图；
图5是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的另一图像显示系统的简化示意图；
图6A是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的另一图像显示系统的简化示意图；
图6B是示出图6A中的图像显示系统600的一部分的简化示意图；
图7是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的另一图像显示系统的简化示意图；
图8是显示系统的示意图，该显示系统使用承载(bear)多个偏振层和光谱选择性液晶材料的扫描镜，多个偏振层和光谱选择性液晶材料将独立调制的光束分量成角度地分开以便分别照射整体视场的象限；
图9是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图；
图10是示出根据本发明的一些实施例的另一图像显示系统的简化示意图；
图11是示出根据本发明的一些实施例的另一图像显示系统的简化示意图；
图12是示出用于显示图像的方法的简化流程图；
图13是根据本发明的实施例的光引擎的示意图；
图14是根据本发明的另一实施例的光引擎的示意图；
图15是图14中所示的光引擎的正视图；
图16是根据本发明的另一实施例的四通道光引擎的顶视图；
图17是图16中所示的光引擎的一部分的横截面图；
图18是根据本发明的实施例的波导显示系统的局部视图；
图19是透过图19所示的波导显示系统的蓝色AR涂层、蓝色ICG和蓝色波导的横截面正视图；
图20是根据本发明的实施例的在图19示出的内耦合(incoupling)光栅中的一个中使用的第一对准层的示意平面图表示。
图21是根据本发明的一个实施例的基于光子芯片的两个RGB颜色通道组合器以及相关透镜的顶视图；
图22是根据本发明的另一实施例的基于光子芯片的两个RGB颜色通道组合器以及相关透镜的顶视图；
图23是根据本发明的实施例的包括图21和/或图22中所示的组合器中的两个的四RGB通道光引擎的正视图；
图24是根据本发明的实施例的四RGB通道光引擎的顶视图；
图25是本发明的图24中所示的四RGB通道光引擎的一部分的局部横截面视图；
图26是根据本发明的另一实施例的四RGB通道光引擎的顶视图；
图27是根据本发明的实施例的可以用在增强现实眼镜中的波导显示系统的示意图；
图28根据本发明的实施例包括3空间笛卡尔坐标系以及图27中所示的系统中使用的扫描镜和内耦合光栅的表示；
图29是根据本发明的实施例的可以用在图27中所示系统中的扫描镜上的六层偏振响应液晶光栅的示意图；
图30是包括位于两个区域中的扫描角度的曲线图，每个区域归因于不同的偏振态，该偏振态根据本发明的实施例由图27中所示的系统使用图29中所示的多层选择性液晶光栅而产生；以及
图31是根据本发明的实施例的可以用在增强现实眼镜中的波导显示系统的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于可穿戴设备的图像显示系统和方法，其可以提供比常规显示系统大的视场(FOV)。
图1是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图。在该示例中，图像显示系统100是包括投射图像的扫描镜的扫描显示系统。图像显示系统100可以是穿戴设备中的例如基于波导的目镜的目镜的一部分。如图1所示，图像显示系统100包括光源110和被配置为形成光栅扫描图像的扫描镜130。光源110可以发射基于图像数据按图像方式(imagewise)调制的光，以形成按图像方式调制的光。光源110被配置为朝向扫描镜130发射光束，例如光束120，扫描镜130被配置为扫描穿过表面150的反射光140以投射图像。例如，反射光束140例如在X和Y方向的两个维度上扫描穿过表面150，以形成图像或将图像投射到表面150上。表面150可以是用于显示图像的表面或虚拟投射表面。为简单起见，图1中未示出其他部件，例如，控制系统和透镜系统等。
在一些实施例中，通过在一系列时间段中的每一个期间将光束的每个颜色分量的强度调整为基于一系列像素中的特定像素的像素颜色分量值的值来对光束按图像方式调制。一系列像素中的每一个具有对应的角度坐标(类似于LCD显示面板中的像素的笛卡尔坐标)。同时，在基于特定像素颜色分量值调制按图像方式的光调制光束的同时，光束被偏转到像素的角坐标。光将从目镜出射并以基于角坐标的角度朝向用户的眼睛传播。
在本发明的一些实施例中，光源110被配置为提供具有不同的入射角的两个或更多个光束，例如，光束120和121。第二入射光束121和反射光束141以虚线示出。在这种情况下，图像显示系统100被配置为使用光束120在第一视场(FOV)161中提供第一图像和使用光束121在第二视场(FOV)162中提供第二图像。因此，图像显示系统100可以提供包括与多个输入光束相关联的图像的复合视场。
图2A-2C是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图。图2A-2B示出了包括扫描镜230和波导250的图像显示系统200。扫描镜230被配置用于接收两个或更多个入射光束并提供多个反射光束，该多个反射光束中的每一个被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。
在图2A中，示出了第一反射光束241被扫描穿过输入耦合光学元件252，用于将反射光束241耦合到波导250中。在经历全内反射(TIR)之后，光束241到达输出耦合光学元件254，用于投射来自波导的光束以在第一视场FOV-1(261)中形成第一图像。
输入耦合光学元件252和输出耦合光学元件254可以是衍射光栅。在一些实施例中，注入的光通过输入耦合衍射光学元件(DOE)或输入耦合光栅(ICG)进入波导，该输入耦合光栅(ICG)例如具有尺寸和浮雕图案的纳米光栅结构，该纳米光栅结构被配置为在允许具有其他波长或偏振的光透射通过输入耦合DOE的同时衍射具有特定波长或偏振的光。类似地，输出耦合光学元件可以包括输出耦合光栅(OCG)。
在图2B中，示出了第二反射光束242被扫描穿过输入耦合光学元件252，用于将反射光束242耦合到波导250中。在经历全内反射(TIR)之后，光束242到达输出耦合光学元件254，用于投射来自波导的光束以在第二视场FOV-2(262)中形成第二图像。
在图2C中，示出了第一反射光241和第二反射光束242都被扫描穿过输入耦合光学元件252，用于将反射光束241和242耦合到波导250中。在经历全内反射(TIR)之后，光束241和242到达输出耦合光学元件254，用于投射来自波导的光束以在复合视场266中形成投射的图像。在一些实施例中，图像显示系统还可以包括将图像导向用户眼睛290的例如眼睛透镜的光学元件280。在一些实施例中，复合视场中的投射图像可以是包括由多个光束投射的图像的平铺图像，从而产生扩大的视场。在一些实施例中，在每个子FOV之间的来自各个光束的交叠可以导致平铺图像中的更平滑的过渡。在一些实施例中，投射图像可以包括交错的图像，该交错的图像包括来自不同光束的奇数和偶数交替区域，其可以提供更高密度的图像像素并提高分辨率。
图像显示系统还可以包括扫描控制器，用于控制复合视场中的投射图像的形成。图像显示系统可以包括2-D X-Y扫描仪，以形成来自多个光源的图像，该多个光源例如RGB组合器(红-绿-蓝组合器)。每个RGB组合器提供交叠的红色、蓝色和绿色准直激光束以形成图像。控制器可以包括定时和匹配机制，例如反馈回路和同步模块等。
图3是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的图像显示系统的简化示意图。图像显示系统可以是可穿戴成像系统的一部分，供用户观看虚拟图像。如图3所示，图像显示系统300包括按图像方式调制的光的源310，在该示例中，源310包括四个RGB(红绿蓝)激光组合器310。由激光组合器310发射的按图像方式调制的光束320彼此分开固定角度。图像显示系统300还包括扫描镜330和波导350。注意，在图3的透视图中，四个光束中只有两个是可见的，而剩余的两个光束将直接位于图3中可见的光束后面。扫描镜330可以是MEMS(微电子机械系统)反射器/扫描仪，用于将图像投射到波导350中，该波导350将光耦合到用户眼睛。显示系统300还包括波片370，例如将激光组合器310输出的线性偏振光转换成圆偏振光的四分之一波片(QWP)。
如图3所示，例如RGB组合器310的光源310被配置为提供具有不同入射角的多个入射光束320。在该实施例中，扫描镜330和偏振元件370设置在波导350的与光源310相反的一侧。这种配置相对于替代布置具有许多优点。例如，将镜子和光源设置在波导的相反侧上使能紧凑的配置并且实现图像显示设备的较小的形状因子。这种配置允许扫描镜靠近输入耦合元件，这进而又允许小的光锥和系统的紧凑形状因子。小的形状因子使其适用于可穿戴目镜成像设备。
内耦合光栅(ICG)352(输入耦合元件的一种形式)设置在波导350的下表面353上。ICG 352对偏振态可以是选择性的，因为它允许由RGB组合器310发射的具有线性偏振的光通过并且反射地衍射具有与RGB组合器310发射的线性偏振垂直的线性偏振的光。因此来自RGB组合器310的入射光束320在到达扫描镜330之前通过ICG 352、波导350和波片370。在透射光时，波片370将由RGB组合器310发射的光的偏振态从线性偏振态转换为具有第一旋向性(例如，RH或LH)的圆偏振光。在扫描镜330的反射下，圆偏振的旋向性变为第二旋向性(例如，LH或RH)。当现在具有第二旋向性的光第二次通过波片370时，偏振态变为与由RGB组合器310发射的线性偏振态垂直的线性偏振态。ICG 352的作用取决于入射在其上的光的线性偏振的取向，并且ICG 352的作用被配置为反射地衍射通过波片370的从扫描镜330反射回来的并且其的偏振如上所述被旋转的光。由ICG 352反射地衍射的光将以超过波导350的全内反射(TIR)的临界角的角度被衍射，并且由此耦合到波导350的导模。波导350还具有输出耦合光学元件354，用于投射来自波导的多个输出光束346，以在复合视场(FOV)366中形成投射图像。
图4是示出根据本发明的一些实施例的复合视场(FOV)的简化示意图400。在该示例中，通过四个象限中的四个RGB光束同时扫描完整图像。在一些实施例中，每个象限是VGA(视频图形阵列)图像，但是总拼接图像是具有两倍视场的全HD(高清晰度)。参考图3，MEMS反射器/扫描仪330具有20×20度的光学扫描范围。多个RGB(红-绿-蓝)激光输入光束320被分开10度角θ。光束320在到达扫描镜330之前通过输入耦合光栅352和四分之一波片370。扫描镜330以不同的角度(由于不同的入射角)反射光束以覆盖不同的视场。例如，在一些实施例中，具有两个或四个光束的图像显示系统300可以提供具有2X视场(40×40度)和分辨率的结果扫描图像，其与高清晰度40×40度规格兼容。此外，最终图像可以具有50度对角线以用于高清晰度显示。
图5是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的另一图像显示系统的简化示意图。图像显示系统500类似于上面描述的图3中的图像显示系统300，相同的附图标记用于表示图3和5中的对应部件。如图5所示，图像显示系统500包括具有多个RGB(红绿蓝)激光组合器的光源510。与图3中的输出彼此分开固定角度的光束320的激光组合器310不同，图5中的两个激光组合器510输出平行的光束511和512。镜子516、517、518用于重定向光束以提供相对于扫描镜330具有不同入射角的入射光束320。
除了光源之外，图像显示系统500的部件和功能可以与图像显示系统300的部件和功能类似。因此，关于图3提供的描述可以适当地适用于图5。图像显示系统500也包括扫描镜330和波导350。扫描镜330可以是MEMS(微电子机械系统)反射器/扫描仪，用于在波导350中投射图像以将图像引导到用户眼睛。显示系统500也包括偏振控制元件370，例如四分之一波片(QWP)。
如图5所示，RGB组合器510设置在波导350的与扫描镜330相反的一侧。将镜子和光源设置在波导的相反侧上使能紧凑的配置并且允许图像显示设备的更小的形状因子。具有不同入射角的入射光束320被引导到偏振敏感输入耦合光学元件352。输入耦合光学元件352也被配置为将由扫描镜330反射的光束反射地衍射到波导中。
光以第一线性偏振态被从RGB组合器510发射。输入耦合光学元件352被配置为透射第一线性偏振态的光而基本上没有偏转(即，通过衍射)该光。在通过输入耦合光学元件352之后，光穿过波导350并随后穿过偏振控制元件370。在通过偏振控制元件370时，光的偏振从第一线性偏振态被转换为第一圆偏振态(例如，LH或RH)。随后，光被扫描镜330反射。反射将光变为第二圆偏振态(例如，RH或LH)。随后，光通过偏振控制元件370并被转换成线性偏振光，该线性偏振光在与RGB组合器510发射的光的偏振垂直的方向上被偏振。输入耦合光学元件352被配置为仅选择性地反射地衍射在第二次通过偏振控制元件之后获取的光的偏振。光被输入耦合光学元件352衍射到高于用于波导350内的全内反射(TIR)的临界角的角度。在波导350内部，由于TIR而获得光束340光路径345。波导350还具有输出耦合光学元件354，用于投射来自波导的多个输出光束346，以在复合视场(FOV)366中形成投射图像。复合视场包括由多个RGB组合器中的每一个生成的部分。
图6A是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的另一图像显示系统的简化示意图。图像显示系统600类似于上面描述的图3中的图像显示系统300，相同的附图标记用于表示图3和6中的对应部件。如图6A所示，图像显示系统600包括具有多个RGB(红绿蓝)激光组合器的光源310，其提供具有不同入射角的入射光束320。与图3中的四分之一波片370设置在扫描镜330与波导350之间的系统300不同，图6A中的图像显示系统600具有设置在RGB组合器310与波导350之间的四分之一波片670。在一些实施例中，从四分之一波片670出射的入射光束320可以具有第一旋向性圆偏振(例如，RH或LH)，并且从扫描镜330反射离开的反射光束340可以具有第二旋向性圆偏振(例如，LH或RH)。在该实施例中，输入耦合光学元件352是偏振敏感的。例如，输入耦合光学元件352(例如，ICG)可以被配置为允许具有第一旋向性圆偏振的入射光束320通过，并且将具有第二旋向性圆偏振的反射光束340耦合到波导350中。输入光学元件352可以以高于用于波导350的全内反射的临界角的角度反射地衍射具有第二旋向性圆偏振的光。反射光束340被配置为投射平铺图像。在波导350内部，光束340经历全内反射(TIR)。波导350还具有输出耦合光学元件354，用于投射来自波导的多个输出光束346，以在复合视场(FOV)366中形成投射图像。
第一抗反射层602形成在输入光学耦合元件的外表面606处。第二抗反射层604形成在波导350的面对扫描镜330的与输入耦合元件相对的表面608上。抗反射层602、604可以是单层或多层光学干涉涂层或包括亚波长尺寸锥形结构的表面浮雕结构层，以有效地逐渐转变折射率，从而减少或基本上消除反射。抗反射层602、604用于避免系统300的视场中与波导350的表面608处的菲涅耳反射相关联的非预期亮点。
图6B是示出图6A中的图像显示系统600的一部分的简化示意图。在一些实施例中，入射光束320可包括具有不同入射角的第一入射光束和第二入射光束。结果，反射光束340可包括来自第一入射光束的第一反射光束341和来自第二入射光束的第二反射光束342。在一些实施例中，输入耦合元件352可包括用于两个反射光束的两个单独的ICG，例如，ICG1和ICG2。在替代实施例中，两个反射光束可以被单个输入耦合光学元件的不同部分耦合。在一些实施例中，第一反射光束341和第二反射光束342也可以具有不同的偏振。在这种情况下，ICG1和ICG2可以具有不同的偏振响应。
图7是示出根据本发明的一些实施例的用于提供复合视场(FOV)的另一图像显示系统的简化示意图。如图7所示，图像显示系统700包括光源710，在该示例中，光源710可以具有多个RGB(红绿蓝)激光组合器，例如，四个组合器。光源710提供具有不同入射角的入射光束720。基于来自完整视场的一部分的图像数据对光束720中的每一个按图像方式进行调制。多个光束720一起用于显示完整视场。类似于上述图像显示系统，图像显示系统700也包括扫描镜730和波导750。与图3、5和6A中的显示系统不同，其中光源和扫描镜设置在波导的相反侧，在图像显示系统700中，光源710和扫描镜730设置在波导750的同一侧。为了允许扫描镜730扫描朝向波导750的入射光束720，图像显示系统700包括偏振敏感分束器(PBS)780，其将通过四分之一波片770的入射光束720导向扫描镜730。偏振敏感分束器(PBS)780还允许反射光束740通过以到达输入耦合光栅752。PBS 780包括沿其对角线的反射偏振器781(例如，线栅)。第一光路段从RGB组合器710延伸到偏振器781，然后通过四分之一波片770延伸到扫描MEMS镜730。
第二光路段从扫描MEMS镜730延伸通过偏振器781到达输入耦合光栅752。RGB组合器710可以输出具有由偏振器781反射的偏振方向的线性偏振光。四分之一波片770将由偏振器781反射的线性偏振光转换为具有特定旋向性(例如，RH或LH)的圆偏振光。在通过扫描MEMS镜730反射时，圆偏振光的旋向性被反转(使得如果最初是LH，则将是RH，以及如果最初是RH，则将是LH)。随后，具有被反转的旋向性的圆偏振光穿过四分之一波片770，并且这样做会被转换成与RGB组合器710发射的偏振垂直的线性偏振态，并因此穿过偏振器781。在这种情况下，输入耦合光栅752是偏振不敏感的，并且将反射光束740耦合到波导750中。在波导750内部，光束740经历全内反射(TIR)。波导750还具有输出耦合光栅754，用于从波导投射多个输出光束746，以在复合视场(FOV)766中形成投射图像。
在图像显示系统700中，输入耦合光学元件或ICG 752不是偏振敏感的。它被配置为将入射光束耦合到波导中，但不允许入射光束穿过波导。因此，在这些实施例中，光源710设置在与扫描镜位于波导的一侧相同的一侧，并且分束器780用于将入射光束引导到扫描镜。在一些实施例中，入射光束被配置为垂直于扫描镜。为了简化图，图7中仅示出了一个入射光束720。使用多个入射光束，可以获得扩大的视场，如上面结合图4所述。根据实施例，可以使用多个ICG或单个ICG。
图8是显示系统800的示意图，该显示系统使用承载(bear)多个偏振层和光谱选择性液晶材料的扫描镜，多个偏振层和光谱选择性液晶材料将独立调制的光束分量成角度地分开以便分别照射整体视场的象限。该系统包括十二个激光二极管801-810(在图8中仅可见十个)，其被逻辑地组织成四组三个激光二极管。第一组包括第一红色激光二极管801、第一绿色激光二极管802和第一蓝色激光二极管803。第二组包括第二红色激光二极管804、第二绿色激光二极管805和第二蓝色激光二极管(在图8中不可见)。第三组包括第三红色激光二极管806、第三绿色激光二极管807和第三蓝色激光二极管808。第四组包括第四红色激光二极管(在图8中不可见)、第四绿色激光二极管809和第四蓝色激光二极管810。第二蓝色激光二极管(在图8中不可见)位于第一蓝色激光二极管803下方，第四红色激光二极管(在图8中不可见)位于第三红色激光二极管806下方。四组三个激光二极管中的每一组包括红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管，使得通过控制相关驱动电流并由此控制每组内的三个激光二极管的相关输出，可以在一定色域内控制每组中三个激光器的组合输出的色度坐标。
第一组激光二极管801、802、803光学耦合到第一二向色组合器立方体811，该第一二向色组合器立方体811将三个激光二极管801、802、803的输出组合成单个光束。类似地，第二红色激光二极管804、第二绿色激光二极管805和第二蓝色激光二极管(在图8中不可见)光学耦合到第二二向色组合器立方体812，该第二二向色组合器立方体812将三个激光二极管804、804和第二蓝色激光二极管的输出组合成单个光束。另外，第三红色激光二极管806、第三绿色激光二极管807和第三蓝色激光二极管808光学耦合到第三二向色组合器立方体813，该第三二向色组合器立方体813将第三组激光二极管806、807、808的输出组合成单个光束。此外，第四红色激光二极管(在图8中不可见)、第四绿色激光二极管809和第四蓝色激光二极管810光学耦合到第四二向色组合器立方体814。上述二向色组合器立方体811、812、813、814中的每一个包括沿一个对角线的嵌入式红色反射(短波通)滤波器815和沿第二对角线的嵌入式蓝色反射(长波通)滤波器816，使得红色反射滤波器815和蓝色反射滤波器以90°交叉。
激光准直透镜817(图8中仅可见其子集)位于二向色组合器立方体的输入面818(仅有限数量的输入面被标记以避免使附图标记拥挤)与激光二极管801-810之间。输出被第一二向色组合器811组合的第一组激光二极管801、802、803可以具有与输出被第三二向色组合器813组合的第三组激光二极管806、807、808的偏振(P或S)垂直的偏振(S或P)。第一二向色组合器811和第三二向色组合器813光学耦合到第一偏振分束器(PBS)(用作组合器)819，使得PBS 819在第一输入面820处接收第一组激光二极管801、802、803的组合输出、在第二输入面821处接收第三组激光二极管806、807、808的组合输出并且输出组合的共线准直光束，该组合的共线准直光束包括在输出面822处的第一和第三组激光二极管801、802、803、806、807、808的组合输出。
类似地，第二二向色光束组合器812和第四二向色光束组合器814光学耦合到第二PBS组合器823。与上述情况类似，输出被第二二向色组合器812组合的第二组激光二极管804、805(和第二蓝色激光二极管，其在图8中不可见)可以具有与输出被第三二向色组合器813组合的第四组激光二极管809、810(和第四红色激光二极管，在图8中不可见)的偏振(P或S)垂直的偏振(S或P)。第二PBS 823接收来自第二二向色光束组合器812的第二红色激光二极管804、第二绿色激光二极管805和第二蓝色激光二极管(图8中不可见)的组合输出、接收来自第四二向色光束组合器的第四红色激光二极管(图8中不可见)、第四绿色激光二极管809和第四蓝色激光二极管810的组合输出、并且从第二PBS 823中产生六分量光束包括第二组激光二极管804、805和第二蓝色激光二极管(图8中不可见)的输出和包括第四红色激光二极管(图8中不可见)的第四组激光二极管809、810的输出。光学耦合到第一PBS 819的对应彩色激光二极管(例如第一红色激光二极管801和第三红色激光二极管806)合适地具有名义上(允许制造变化)相同的发射波长以及光学耦合到第二PBS 823(例如，第二绿色激光二极管805和第四绿色激光二极管809)的对应彩色激光二极管适当地具有名义上相同的发射波长，然而，在一个实施例中，耦合到第一PBS 819和第二PBS 823的对应彩色激光二极管的发射波长存在目的差异。例如，第一绿色激光二极管802和第三绿色激光二极管807可以具有520纳米的发射波长，而第二绿色激光二极管804和第四绿色激光二极管可以具有535纳米的发射波长。
第一PBS 819的六分量输出通过光束折叠镜824光学耦合到三光谱分量反射器825。注意，光束折叠镜824和三光谱分量反射器825以与二向色光束组合器811、812、813、814和PBS 819、823类似的方式嵌入透明立方体中。第二PBS 823的六分量输出也光学耦合到三分量反射器825。由于通过第一PBS 819和第二PBS 823耦合的光的波长的差异，三光谱分量反射器825反射第二PBS 823的输出并传输第一PBS 819的输出，该差异源自上述激光二极管801-810的发射波长的差异。注意，由反射器825反射的三个光谱分量中的每一个包括源自两个不同激光二极管的两个不同的偏振分量。因此，三光谱分量反射器825输出十二分量光束845，其包括用于每个颜色通道的四个分量(即，四个红色分量、四个绿色分量和四个蓝色分量)。对于每个颜色通道，四个颜色分量通过线性偏振取向和波长来区分，其中对于每个颜色通道存在两种可能的偏振取向和两种可能的波长。三光谱反射器825的十二分量输出通过四分之一波片(QWP)826耦合到扫描镜830。QWP 826将一个线性偏振态转换为右旋圆偏振(RHCP)态并将垂直于第一线性偏振态的第二线性偏振态转换为左旋圆偏振(LHCP)态。
扫描镜830在面向表面833的光束上具有多层衍射光栅832。多层衍射光栅832可包括十二个光谱和偏振态选择层，每个具有基于预定工作波长而设计的预定光栅周期和取向，以在关于扫描镜830的每个取向的特定方向上衍射十二分量光束845的一个分量。扫描镜830具有两个自由度，以便能够生成2D图像。多层衍射光栅832可以例如包括多个胆甾型液晶光栅(CLCG)层。CLCG衍射光栅具有描述分子层与层的相关旋转的旋向性。CLCG衍射光栅反射地衍射与CLCG的旋向性相匹配的圆偏振光，并且透射相反旋向性的圆偏振而不衍射。在一些实施例中，十二分量光束可具有波长为625nm的两个红光分量、波长为650nm的两个红光分量、波长为520nm的两个第一绿光分量、波长为535nm的两个第二绿光G2、波长为450nm的两个蓝色B1光分量和波长为465nm的两个蓝光分量。具有共同波长的分量通过圆偏振的旋向性来区分。多层衍射光栅832反射地衍射十二分量光束845的分量。
在多层衍射光栅832的衍射时，光束845的十二个分量可以被分成四个象限光束841、842、843、844，每个象限光束具有红色、绿色和蓝色分量，这些分量使用关于完整视场的象限的图像信息而被调制。当扫描镜偏转时，四个象限光束841、842、843、844以角度扫描，并且由于多个光束和它们的角度间隔，可以形成较大的FOV。在本发明的实施例中，用于完整视场的视频数据的部分用于分别调制多个扫描光束。此外，可以调整施加到象限光束841、842、843、844的强度调制，以在对应于与四个象限光束841、842、843、844中的每一个中的波长相关联的交叠色域的色度坐标区域上产生相同的色度坐标。
四象限光束841、842、843、844通过波导/目镜851的内耦合光栅(ICG)850耦合。波导/目镜851是增强现实眼镜的部件(图8中未示出)。波导/目镜851还包括正交光瞳扩展器(OPE)852和出射光瞳扩展器(EPE)853。OPE 852用于在EPE 853上(在图8的取向上)垂直分布光并且EPE853用于将光耦合到通过EPE 853观看的用户的眼睛(未示出)。EPE连续地输出传播经过它的光束的部分，从而形成作为多个输出耦合部分的复合的较宽的输出光束。从EPE 853输出的光束来自通过内耦合光栅850输入的光束。注意，EPE 853可以相对于OPE852垂直于图纸平面移动而不是重叠关系。
图9是示出根据本发明的一些实施例的另一图像显示系统的简化示意图。如图9所示，图像显示系统900包括光源(未示出)，用于提供准直的入射光束920，其包括可以具有不同的波长或不同的偏振的多个入射光束。图像显示系统900还具有扫描镜930，扫描镜930具有衍射表面932，该衍射表面932用于接收准直的入射光束并用于提供具有不同衍射角的多个被反射地衍射的光束。衍射表面可以具有上面参考图8所讨论的多层衍射光栅832的结构。多个被反射地衍射的光束中的每一个被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。波导950具有用于将多个被反射地衍射的光束耦合到波导中的输入耦合光学元件952和用于投射来自波导的多个输出光束946以形成具有复合视场(FOV)966的投射图像的输出耦合光学元件954。
在图9的实施例中，扫描镜930设置在波导950的与提供入射光束920的光源相反的一侧。波导的输入耦合光学元件952被配置为允许准直入射光束920穿过输入耦合元件952并且还穿过波导950，并且还通过以高于波导的临界角的角度衍射多个被反射地衍射的光束来将多个被反射地衍射的光束940耦合到波导950中。在一些实施例中，输入耦合光学元件952是偏振敏感输入耦合光栅(ICG)。在下面参考图19讨论可以使用的偏振敏感ICG的类型。多个入射光束中的每一个包括用于形成扫描图像的组合RGB光束。在一个实施例中，多个入射光束包括具有波长分别为625nm、520nm和450nm的R1G1B1的第一组合RGB光束，以及具有波长分别为650nm、535nm和465nm的R2G2B2的第二组合RGB光束。
图10是根据替代实施例的波导显示系统1000的视图边缘。按图像方式调制的光的源1002输出包括至少两组红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)光谱分量(例如，R1、G1、B1；R2、G2、B2)的复合光束1004，每个光谱分量基于视频数据被调制。RGB光谱分量的组可以通过线性偏振态、圆偏振旋向性(例如，LH对RH)或通过波长的微小差异来区分。复合光束1004通过目镜波导1006并照射在两个自由度扫描镜1008上。衍射光栅1009形成或支撑在扫描镜1008的表面1007上，复合光束1004在该表面上入射。衍射光栅1009被设计成在角度上分开至少两组RGB分量，使得至少两组RGB分量中的一组照射波导显示系统1000的视场的第一部分，并且使得至少两组RGB分量中的第二组照射波导显示系统1000的视场的第二部分。如图所示，衍射光栅1009将复合光束1004分成第一RGB组光束1111和第二RGB组光束1115。尽管未示出，但是各个RGB分量也可以在角度上被分开，并且在这种情况下，各个RGB分量被使用视频信息调制，该视频信息具有根据RGB分量的角度间隔来设置的R、G、B信道延迟。衍射光栅1009可以例如采用6个胆甾型液晶光栅(CLCG)的堆叠的形式，其中六个中的每一个都具有调谐到特定光谱分量(例如，R1、G1、B1；R2、G2、B2中的一个)的螺旋间距并根据设计的衍射角设置的光栅(横向)间距。因此，第一组RGB分量可以以第一角度衍射，第二组RGB分量可以以第二角度衍射。注意，这种角度色散不同于衍射角是波长的单调函数的普通衍射光栅产生的色散。下面参考图19和图20进一步讨论CLCG。如果使用CLCG，则按图像方式调制的光的源1002可以被配置为通过例如包括宽带四分之一波片(QWP)来输出圆偏振光。
扫描镜1008将第一RGB组光束1111和第二RGB组光束1115偏转到内耦合棱镜1012的第一表面1010。扫描镜1008与光束1111、1115的RGB分量的调制协调地驱动。内耦合棱镜1012具有第二表面1014，其通过折射率匹配粘合剂1015被耦合到目镜波导1006的第一表面1016。光束1111、1115传播通过内耦合棱镜1112，以高于全内反射的临界角的角度到目镜波导1006中，并且在沿着目镜波导1006传播的同时，在目镜波导1006的第一表面1116和相对的第二表面1018处经历多次反射。最终，光束1011、1115到达正交光瞳扩展器1016，该正交光瞳扩展器1016采用衍射光栅的形式，其具有在与图纸平面垂直的平面内延伸的沟槽，并且该平面内，该沟槽相对于图纸平面垂直的45度延伸。正交光瞳扩展器1016朝向出射光瞳扩展器(未示出)递增地反射光束1011、1115的垂直于图纸平面的部分，该出射光瞳扩展器采用衍射光学元件(例如，光栅)的形式，其将从目镜波导1006出来的光重定向朝向用户眼睛。
图11是示出根据本发明的一些实施例的另一图像显示系统的简化示意图。图11中的图像显示系统1100与图10中的图像显示系统1000类似，与依赖于内耦合棱镜1112以将光束内耦合到波导中的图10中的图像显示系统1000不同，在图像显示系统1100中，输入耦合元件1052用于将光束内耦合到波导1050中，并且输入耦合元件1052不需要是偏振敏感的。为了简化说明，在图10和11中使用相同的附图标记以表示共同的部件。如图11所示，图像显示系统1100包括例如MEMS扫描镜的扫描镜1030，用于接收入射光束1020并提供扫描反射光束1040。图像显示系统1000还包括用于接收扫描反射光束的波导1050。入射光束1020被多路复用以包含例如，R1R2......，G1G2......，B1B2......的红色、绿色和蓝色附近的波长，如上所述。此外，入射光束1020被引导以小于全内反射(TIR)临界角的角度入射在波导1050上，因此，未被耦合到波导1050中。扫描镜1030可包括取决于产生分开的光束的波长在不同方向上引导入射光束的分量的衍射元件。上面在图8的背景下讨论的衍射光栅832可用于包括在扫描镜1030中的衍射元件。使用MEMS扫描镜旋转角度改变这些光束进入波导的入射角。在图11的简化图中，示出了两个光锥1041和1042，作为扫描从扫描镜1030反射出的两个光束的结果。在一些实施例中，光束1041和1042通过例如ICG的输入耦合元件1052被耦合到波导1050中。在该实施例中，输入耦合元件1052不需要是偏振敏感的。
如图11所示，扫描光束1041在波导1050中经历全内反射(TIR)并且从波导通过输出耦合光学元件1054投射以在第二视场(FOV1)1066中形成第一图像。类似地，扫描光束1042在波导1050中经历全内反射(TIR)并且从波导通过输出耦合光学元件1054投射以在第二视场(FOV2)1068中形成第二图像。在本发明的实施例中，图像数据根据需要被编码到多个扫描光束中。图像显示系统1100被配置为在复合FOV 1060中形成图像，该复合FOV 1060包括第一FOV 1066和第二FOV 1068。
如图11所示，在一些实施例中，提供入射光束1020的光源设置在波导1050的与扫描镜1030相反的一侧。光源被配置为以小于TIR临界角的角度给波导1050入射光束1020。因此，入射光束1020穿过波导1050到达扫描镜1030而不与波导耦合。此外，反射光束1040通过偏离入射光束1020的输入耦合光学元件1052进入波导1050。在一些实施例中，通过使用衍射离轴镜使扫描镜上的反射表面可以基本上平行于基板(以节省体积)，其中入射角与反射角不同，这可以导致成像装置的更紧凑的配置。
图12是示出用于显示图像的方法的简化流程图。如图12所示，方法1200包括将两个或更多个输入光束提供给扫描镜(1210)。该方法还包括扫描两个或更多个输入光束以提供多个反射光束(1220)。多个反射光束中的每一个被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。该方法还包括在波导(1230)中接收多个反射光束。另外，该方法包括投射来自波导的多个输出光束以在复合视场(FOV)中形成投射图像(1240)。以上结合图1-10描述了实现方法1200的图像显示系统的示例。在该方法的一些实施例中，复合视场大于由两个或更多个输入光束中的每一个提供的FOV。复合FOV中的图像可以是包括来自输入光束中的每一个的图像的平铺图像。
图13是根据实施例的光引擎1300的示意图。光引擎1300可以用作上文描述的显示系统的光源110、310、510或710中的任何一个。参照图13，光引擎1300包括红色光源1302、绿色光源1304和蓝色光源1306。光源1302、1304、1306可以例如采用激光二极管(LD)或发光二极管(LED)的形式。红色通道准直透镜1308、绿色通道准直透镜1310和蓝色通道准直透镜1312分别布置在红色光源1302、绿色光源1304和蓝色光源1306的输出处。蓝色光源1306通过蓝色通道准直透镜1312、经由蓝色通道光路折叠镜1314、通过绿色带反射二向色镜1318和通过红色带反射二向色镜1320被光学耦合到光束偏转棱镜1322。绿色光源1304通过绿色通道准直透镜1310经由绿色带反射二向色镜1318被光学耦合到光束偏转棱镜1322。红色光源1302通过红色通道准直透镜1308经由红色带反射二向色镜1320被光学耦合到光束偏转棱镜1322。来自光源1302、1304、1306的光到达光束偏转棱镜1322作为多光谱分量准直光束1324。多光谱分量准直光束1324入射在光束偏转棱镜1322的输入表面1326上，并通过光束偏转棱镜1322的倾斜表面1328离开，该棱镜1322用于折射并因此偏转多光谱分量准直光束1324。可选地，衍射光栅(未示出)可以放置在输入表面上，以有助于光束324的偏转并补偿与倾斜表面1328处的折射相关联的色散。光束偏转棱镜1322围绕与入射多光谱分量准直光束1324平行的轴1330旋转角度α。使光束偏转棱镜1322旋转角度α用于赋予垂直于图纸平面的光束方向余弦。多个，例如，两个、四个或更多个图13所示形式的光引擎可以布置在组件(未示出)中并且可以使它们各自的光束偏转棱镜1322定向成使得来自四个多光引擎1300的多光谱分量光束1324会聚在上文所描述的实施例中使用的光束扫描镜中的一个的表面上。尽管未在图13中示出，可以以类似于图3所示的布置的方式添加每个都具有不同光谱输出的更多光源13。例如，可以为红色、蓝色和绿色中的每一种提供具有不同峰值波长和基本上不使光谱输出交叠的一对窄带光源。提供这样的附加光源将产生用于上文所述的显示系统的增加的色域。
图14是根据另一实施例的光引擎1400的示意图，图15是图14中所示的光引擎1400的正(输出端)视图。光引擎1400可以用作上文描述的显示系统的光源110、310、510或710中的任何一个。参见图14-15，光引擎1400包括第一光束源1402、第二光束源1404、第三光束源1502和第四光束源1504。第三光束源1502和第四光束源1504将具有相同的结构，而具有如下面进一步讨论的光束形成透镜的定位的明显例外。特别参考图14，示出了第一光束源1402和第二光束源1404的内部细节。第一光束源1402包括第一输出透镜1414a，第二光束源1404包括第二输出透镜1414b。每个光束源1402、1404包括红色激光二极管1406、绿色激光二极管1408和蓝色激光二极管1410，它们通过二向色光束组合器1412耦合到相关联的准直和光束偏转透镜1414a、1414b。(或者，代替激光二极管1406、1408、1410，可以使用例如发光二极管的另一种类型的光源)。每个二向色光束组合器1412包括输入表面1416、与指示的Z轴倾斜+45度的下光束折叠镜表面1418、与指示的Z轴倾斜-45度的上光束折叠镜表面1420(假设每个情况下每个相应表面的左边缘被视为旋转轴)和输出表面1422。光束折叠镜表面1418、1420可以例如是全内反射(TIR)表面或金属化表面。在二向色光束组合器1412中嵌入有倾斜+45度的蓝色带反射二向色镜1424和倾斜-45度的红色带反射二向色镜1426。二向色光束组合器1412可以由涂有二向色涂层的多片光学玻璃制成并与光学胶合剂接合。来自蓝色激光二极管1410的光经由下光束折叠镜表面1418、蓝色光带反射二向色镜1424和输出表面1422耦合到输出透镜1414a、1414b。类似地，来自红蓝色激光二极管1406的光经由上光束折叠镜表面1420、红色带反射二向色镜1426和输出表面1422耦合到输出透镜1414a、1414b。来自绿色激光二极管1408的光穿过输入表面1416、蓝色带反射二向色镜1424、红色条带反射二向色镜1426和输出表面1422到达输出透镜1414a、1414b。
同样参见图15，第三光束源1502包括第三输出透镜1514a，第四光束源1504包括第四输出透镜1514b。在图15中，十字线表示输出透镜1414a、1414b、1514a、1514b的中心。输出透镜1414a、1414b、1514a、1514b用于：收集；更改发散(divergence)角(例如，准直)；以及使由激光二极管1406、1408、1410发出的光偏转。来自二向色光束组合器1412内的红色激光二极管1406和蓝色激光二极管的光的光路长度比来自图4所示的绿色激光二极管1408的光的光路长度长。另外，输出透镜1414a、1414b、1514a、1514b可以是由均匀光学材料制成的简单折射透镜并且表现出一些色差，这意味着输出透镜1414a、1414b、1514a、1514b对于来自红色、绿色和蓝色激光二极管1406、1408、1410的光具有不同的焦距。为了补偿二向色光束组合器内的色差和不同的路径长度，每个激光二极管1406、1408、1410设置在与二向色光束组合器1412的输入表面1416不同的距离处。在输出透镜1414a、1414b、1514a、1514b用于准直光的情况下的一个示例中，每个特定激光二极管1406、1408、1410可以与其相关联的输出透镜1414a、1414b、1514a、1514b间隔开光路距离，该光路距离等于关于特定激光二极管1406、1408、1410的发射的峰值波长而特定的后焦距。
对于来自激光二极管1406、1408、1410的光的组合光轴1415，输出透镜1414a、1414b、1514a、1514b离轴移位(就增量ΔX和ΔY而言识别的量)。在到透镜1414a、1414b、1514a、1514b的输入中，组合光轴1415平行于图14中所示的Z轴。使透镜1414a、1414b在X和Y方向上偏移用于引起具有非零X和Y方向余弦的光束传播方向。注意，在第一光束源1402的情况下，光束X和Y透镜偏移是(ΔX，ΔY)，而在第二光束源1404的情况下，X和Y透镜偏移是(-ΔX，ΔY)。X坐标偏移的反对称性用于将由两个光束源1402、1404形成的光束引导到交叉点1428，该交叉点1428与在上文描述的实施例中使用的光束扫描镜的表面重合。尽管在图14中所示的一对光束源1402、1404中的透镜1414a、1414b相对于到达透镜1414a、1414b的组合光轴具有正Y轴偏移，第二对光束源1502、1504具有负Y轴偏移(-ΔY)。Y轴偏移中的这种反对称性用于使来自两对光束源1402、1404、1502、1504的光束在上述交叉点1428处相遇。因此，四多光谱分量、发散控制的(例如，准直的)光束可以在单光束扫描镜处被定向。作为非限制性示例，输出透镜1414a、1414b、15141、1514b可以是玻璃或塑料、可以是粘合(cemented)消色差透镜、复合透镜、并且可以包括衍射光学表面。
图16是根据实施例的四通道光引擎1600的顶视图，图17是图16中所示的光引擎1600的一部分的横截面视图。光引擎包括其中形成有凹部1604的基板1602。作为非限制性示例，基板1602可以是硅或陶瓷。蚀刻基板1602以形成用于下述部件的安装凸台和定位特征(未示出)。如果不需要封闭密封，则基板1602可以是玻璃纤维印刷电路板。如下所述的各种光学部件安装在凹部1604中，并且光学窗口1606密封在基板1602上，以覆盖并密封凹部1604。四个多光谱(RGB)分量光束源1608、1610、1612、1614位于凹部1604中。除了类似于上面参照图14-15描述的实施例并将在下面描述的输出透镜1616a、1616b、1616c、1616d的偏移之外，光束源1608、1610、1612、1614的内部细节是相同的。参考图16中所示的第一光束源1608，蓝色激光二极管1618、绿色激光二极管1620和红色激光二极管1622经由二向色光束组合器1412中的一个被光学耦合到第一透镜1624。参考在图14-15的背景下的上文的描述，用于二向色光束组合器1412的内部细节的描述。
如图17所示，其是穿过第二多光谱分量光束源1610的一部分的横截面(如图16所示)，第一透镜1624是第一平凸透镜，其具有使用光学胶合剂1628粘合到光束折叠棱镜1632的输入表面1630的平面表面1626。光束折叠棱镜1632的反射表面1634使离开二向色光束组合器1412的光束朝向光学窗口1606向上偏转90度。光束折叠棱镜1632包括使用光学胶合剂1638粘合到光学窗口1606的下表面1640的出射表面1636。平凸透镜输出透镜1616b的平面表面1642被使用光学胶合剂1644粘合到光学窗口1606的上表面1646上，覆盖光学折叠棱镜1632的出射表面1636。可选地，第一透镜1624实现所需的光束发散变化(例如，准直)，并且平凸输出透镜1616a、1616b、1616c、1616d被例如棱镜和/或衍射光学元件的光束偏转部件替换。如在第一多光谱分量光束源1608中所示，可选地，发散更改(例如，准直)透镜1648定位在二向色光束组合器1412的输入表面1416的表面上。可选地，替代第一透镜1624、透镜1648和/或输出透镜1616a、1616b、1616c、1616d或者除了第一透镜1624、透镜1648和/或输出透镜1616a、1616b、1616c、1616d之外，可以使用衍射的、反射的(catroptic)、反折射的(catodioptric)或其他折射部件或子系统。光束源1608、1610、1612、1614中的每一个配备有输出透镜1616a、1616b、1616c、1616d中的一个，并且输出透镜1616a、1616b、1616c、1616d中的每一个相对于其光束源1608、1610、1612、1614的组合光轴(横向光束质心)1415横向偏移就距离增量ΔX和ΔY表示的量。以这种方式，从四个光束源1608、1610、1612、1614输出的光束被引起在公共交叉点1648、1650处相交，该交叉点可以位于上述实施例的一个光束扫描镜的表面处。因此，每个具有独立调制的红色、绿色和蓝色光谱分量的四个多光谱分量光束可以照射在单个扫描镜上，并由扫描镜在显示波导的输入光学元件(例如，输入耦合衍射光栅)上扫描。可以驱动扫描镜以在足够的角度范围内扫描每个多分量光束，该角度范围至少等于入射在扫描镜上的多分量光束之间的角度间隔的一半，并且以这种方式，每个光束可以在加入(至少)以连续填充较大的立体角范围的子范围上扫描。(也可以重叠子范围。)这样的较大立体角范围对应于用于用户观看到波导显示目镜中的较大视场，光束或输入到该显示目镜中。每个光束源内的每个激光二极管可以用形成彩色的按图像方式调制光的图像数据来单独调制。
图18是根据实施例的波导显示系统1800的局部视图。如图18所示，波导显示系统包括具有面向双凸非球面准直透镜1808的光发射方向的红色激光二极管1802、绿色激光二极管1804和蓝色激光二极管1806。可选地，可以使用另一种类型的准直光学元件或光学系统，通过非限制性示例例如为复合透镜、衍射、反射和/或反折射部件。由透镜1808准直的光入射在四分之一波片(QWP)1810上。在由激光二极管1802、1804、1806发射的尽可能多的光基本上被线性偏振的情况下，QWP 1810用于将偏振态转换为右旋(RH)或左旋(LH)圆偏振光。离开QWP 1810的光穿过第一蓝色抗反射(AR)涂层1830、蓝色内耦合光栅(ICG)1814、蓝光波导1809、第二蓝色AR涂层1831、第一绿色AR涂层1832、绿色ICG 1816、绿光波导1811、第二绿色AR涂层1833、第一红色AR涂层1834、红色ICG 1818、红色波导1812和第二红色AR涂层1836。ICG 1814、1816、1818为适合的反射胆甾型液晶光栅(CLCG)。下面更详细地讨论内耦合CLCG 1814、1816、1818的结构。蓝色ICG 1814支撑在蓝光波导1809的前侧1824上，绿色ICG 1816支撑在绿色光波导1811的前侧1826上，红色ICG 1816支撑在红色波导1811的前侧1828上。波导1809、1811、1812的前侧1824、1826、1828面向激光二极管1802、1804、1806。第一蓝色AR涂层1830、第一绿色AR涂层1832和第一红色AR涂层1834分别设置在蓝色ICG 1814的激光面对表面1838、绿色ICG 1816的激光面对表面1840和红色ICG 1818的激光面对表面1842上。
在图18中仅可见波导1809、1811、1812的一部分。波导1809、1811、1812的剩余部分包括或具有已经在其上形成的附加光学部件，用于控制光到用户眼睛的耦合。这些附加部件可包括例如正交光瞳扩展光栅(OPE)和出射光瞳扩展光栅(EPE)。波导1809、1811、1812是透明的，以允许用户同时看到虚拟内容和真实环境。在穿过波导1809、1811、1812和ICG1814、1816、1818之后，由激光二极管1802、1804、1806发射的光在扫描镜1822的前表面1820处被反射。当光最初穿过QWP 1810时，光从线性偏振转换为圆偏振光的特定初始旋向性，其可以是LH或RH。ICG 1814、1816、1818具有与光的初始旋向性相反的旋向性，使得光最初穿过ICG而基本上没有偏转。扫描镜1822的前表面1820可以是镜表面反射的或包括反射式衍射光栅(例如，闪耀表面释放光栅或体积全息光栅，例如)，其将光重定向为非零衍射级。在从前表面1820反射时，圆偏振的旋向性被反转，以便与CLCG ICG 1814、1816、1818的旋向性相匹配，因此从扫描镜1822的前表面1820反射的光被反射地衍射到高于波导1809、1811、1812中TIR的临界角的第一衍射角。
图19是穿过图18中所示的波导显示系统1800的一部分的横截面图。图。图19包括穿过蓝色AR涂层1830、1831、蓝色ICG 1814和蓝色波导1809的横截面正视图，并且包括蓝色ICG 1814的内部细节。绿色ICG 1816和红色ICG 1818具有与蓝色ICG 1814的结构类似的结构，尽管具有不同的轴向和横向间距，下面将进一步讨论。蓝色ICG 1814包括位于由第一基板1910、第二基板1912和第一边缘密封1914形成的第一单元1908中的胆甾型液晶材料1902。第一单元1908包括形成在第一基板1910上的对准层1928。胆甾型液晶包括多层液晶材料的堆叠。假设，如图19的情况那样堆叠方向对应于所示笛卡尔三元组(triad)的Z方向，堆叠中每个连续层中的分子的取向围绕Z轴旋转小角度增量。围绕Z轴的旋转由间距表征，该间距与分子的一个完整旋转的Z距离对应。可以添加手性(chiral)掺杂剂分子以控制扭曲的方向，其可以是左旋扭曲或右旋扭曲。对于具有与胆甾型液晶的扭曲的旋向性相匹配的圆偏振并且具有与Z方向间距匹配的波长的光，反射率被最大化。表征用于蓝色CLCG的围绕Z轴的分子的旋转的间距由标记尺寸0.5*间距_Z表示，其等于图19中间距的一半。
可以通过在每层中建立分子取向的周期性横向(例如，图9中的X方向)变化来创建光栅。对准层1928用于建立胆甾型液晶取向的横向变化。对准层1928可以是光对准层，其中通过暴露于偏振光的图案来建立用于建立液晶分子的局部取向的图案。光对准层的示例包括聚酰亚胺、线性偏振可光聚合的聚合物(LPP)、含偶氮的聚合物、含有香豆素(courmarine)的聚合物和含肉桂酸盐的聚合物。液晶材料1902的横向间距在图19中标记为间距_X。液晶材料1902形成反射偏振旋向性选择性光栅，其优先将光衍射成第一衍射级。液晶材料1902的垂直间距根据其要被反射的光的波长(例如，由蓝色激光二极管1806发射的光的波长)来设定。根据光栅方程设定横向间距间距_X，以建立第一阶衍射光的衍射角。在波导显示系统1800的背景下，选择液晶材料1902的横向间距，使得对于扫描镜1822的所有取向，来自液晶材料1902的衍射角超过关于波导1812的全内反射的临界角。应当理解，关于间距间距_X和间距_Z的对“垂直”和“横向”的参考适用于图19中所示的系统1800的取向，并且，在实践中，系统1800可以以任何取向使用。类似于图19中所示的内容，绿色内耦合光栅1816和红色内耦合光栅1818将具有与它们将工作的光的波长(例如，由红色激光二极管1802和绿色激光二极管1806发射的波长)相对应的垂直间距间距_Z，并且将基于它们将工作的波长以及考虑到光以超过相应波导1811和1812内的TIR的临界角的角度衍射的规格，而具有横向间距间距_X。
图20是根据实施例的第一对准层1928的示意性平面图表示。如图20所示，对准层1928包括一系列条带状区域2002-2034。应该理解，图20示出的视图刚好超过两个周期(表示为间距_X)并且实际上第一对准层1928将包括更多数量的间距周期。在每个间距周期(Pitch_X)内，每个连续的条带区域(例如，2002-2016)具有相对于前一条带区域递增的对准方向。如图20所示，存在八个条带状区域，每个区域具有每间距周期不同的对准方向。可以每间距周期提供替代，例如四个或十六个条带状区域，每个条带状区域具有不同的对准方向。可选地，对准方向可以连续变化。通过将例如上述光对准材料的光对准材料暴露于由具有相反的旋向性圆偏振的两个光束的干涉产生的干涉图案，可以获得连续变化。相反旋向性圆偏振光束的幅度和是线性偏振的，并且线性偏振和的取向作为相位差的函数而变化，因此横跨光对准层变化。
图21是根据一个实施例的基于两个RGB颜色通道组合器2100和第一透镜2102和第二透镜2104的光子芯片的顶视图。组合器2100包括玻璃板2106，其中限定了第一分支波导2108和第二分支波导2110。分支波导2108、2110可以通过玻璃板的折射率的按图案方式的更改来限定。折射率的更改可以通过例如通过掩模图案植入或注入非天然原子物质来实现。
第一分支波导2108具有耦合到主干2118的第一红色接收分支2112和第一蓝色接收分支2116。第一红色激光二极管2122光学耦合到第一红色接收分支2112的输入端2124；第一绿色激光二极管2126光学耦合到主干2118的输入端2128；以及第一蓝色激光二极管2130光学耦合到第一蓝色接收分支2116的输入端2132。第一红色接收分支2112的输出端2134在第一Y结2136处耦合到主干2118。类似地，第一蓝色接收分支2116的输出端2138在第二Y结2140处耦合到主干2118。
第二分支波导2110具有与如上所述的第一分支波导2108相同的结构，并且用于将来自第二红色激光二极管2142、第二绿色激光二极管2144和第二蓝色激光二极管2146的光耦合到第二分支波导2110的主干2114的输出端2148。
第一透镜2102位于主干2118的输出端2120的前面并且光学耦合到主干2118(并且因此光学耦合到第一分支波导2108)的输出端2120，并且第二透镜2104位于第二分支波导2110的输出端2148的前面并且光学耦合到该输出端2148。在图21中示出了第一透镜2102的第一透镜光轴(例如，旋转对称轴)2150和第二透镜2104的第二光轴2152。第一透镜光轴2150相对于第一分支波导2108的主干2118向下(在图2的透视图中)并且在法线于图纸平面的方向上偏移。类似地，第二透镜光轴2152相对于第二分支波导2110的主干2114向上并且在法线于图纸平面的方向上偏移。透镜光轴2150、2152的上述偏移用于将从主干2118、2114的输出端21202148发出的光引导至公共交叉点2154，该公共交叉点2154与上述实施例中使用的光束扫描镜(例如330、730)中的一个的表面重合。
图22是根据另一实施例的基于光子芯片的两个RGB颜色通道组合器2200的顶视图。组合器2200具有与由共同附图标记所示的组合器2100共同的许多元件。组合器2200与组合器2100的不同之处在于，红色接收分支2112的输出端2134和蓝色接收分支2116的输出端通过替代Y结2136和2140的消逝波耦合而耦合到主干2118。
图23是根据实施例的包括图21-22中所示的组合器2100和/或2200中的两个的四RGB通道光引擎2300的正视图。顶部位置组合器2100、2200和底部位置组合器2100、220位于间隔块2300的相反侧。如图所示，透镜2102、2104相对于其相关联的主干输出端2120、2148偏移，使得在上文描述的实施例中使用的光引擎2300时，从主干2118、2114的输出端2120、2148发出的光会聚到公共交叉点2154，该公共交叉点2154将位于与光束扫描镜(例如，330、730)中的一个的表面重合。
图24是根据另一实施例的四RGB通道光引擎2400的顶视图，图25是图24中所示的四RGB通道光引擎2400的一部分的局部横截面图。光引擎2400包括玻璃板2402，其中限定了第一分支波导2404、第二分支波导2406、第三分支波导2408和第四分支波导2410。分支波导2404、2406、2408、2410可以以上面参考图21所示实施例讨论的方式来建立。如图所示，板2402是方形的并且包括第一侧2412、第二侧2414、第三侧2416和第四侧2418。可选地，也可以使用成形的玻璃板2402。第一组红色、绿色和蓝色(RGB)激光二极管2420沿第一侧2412布置，第二组RGB激光二极管2422沿第二侧2414布置，第三组RGB激光二极管2424沿第三侧2416布置以及第四组RGB激光二极管2426沿第四侧2418布置。
第一组RGB激光二极管2420包括红色激光二极管2428、绿色激光二极管2430和蓝色激光二极管2432。第一分支波导2404被定位邻近第一侧2412并用于将来自第一组RGB激光二极管2420的光耦合到第一外耦合小平面2434。第一分支波导2404包括光学耦合到红色激光二极管2428的红光接收分支2436、光学耦合到绿色激光二极管2430的绿光接收分支2438和光学耦合到蓝色激光二极管2432的蓝光接收分支2440。红、绿和蓝光接收分支2436、2438、2440连接(或者可选地，瞬间(evancescently)耦合)到第一分支波导2404的主干2442。主干2442延伸到第一外耦合小平面2434。外耦合小平面2434是相对于主干2442的方向成45度角的全内反射(TIR)表面。第一外耦合小平面2434将光反射地偏转出玻璃板2402的平面。
第二、第三和第四分支波导2406、2408、2410具有与如2404所述的第一分支波导相同的结构，但是相对于其旋转以与它们定位邻近的相应侧2414、2416、2418对准。第二、第三和第四分支波导2406、2408、2410分别耦合到第二外耦合小平面2444、第三外耦合小平面2446和第四外耦合小平面2448。第一透镜2450、第二透镜2452、第三透镜2454和第四透镜2456分别位于第一外耦合小平面2434、第二外耦合小平面2444、第三外耦合小平面2446和第四外耦合小平面2448之上。透镜2450、2452、2454、2456中的每一个相对于外耦合小平面偏移，它朝向外耦合小平面2434、2444、2446、2448之间的中间位置放置。因此，透镜2450、2452、2454、2456用于将从外耦合小平面2434、2444、2446、2448发出的光引导到公共交叉点2458，该公共交叉点2458与上文描述的实施例中使用的光束扫描镜(例如，330、730)中一个的表面重合。交叉点2458在玻璃板上方间隔开，尽管这在图24的平面图透视图中不明显。根据可选方案，将以其他波长发射的激光二极管和相关联的光接收分支添加到光引擎2400，使得光引擎2400将提供多于三个(RGB)波长通道。例如，附加通道可以是红外光，其可用于为眼睛跟踪系统提供照明。
图26是根据另一实施例的四RGB通道光引擎2600的顶视图。红色激光条2602、绿色激光条2604和蓝色激光条2606分别布置在玻璃板2614的红色输入侧2608、绿色输入侧2610和蓝色输入侧2612附近，在该玻璃板2614中形成波导2616的网络。红色激光条2602包括四个可单独控制的红色激光二极管2602A、2602B、2602C、2602D，并且类似地，绿色激光条2604包括四个可单独控制的绿色激光二极管2604A、2604B、2604C、2602D，并且类似地，蓝色激光条2606包括四个可单独控制的蓝色激光二极管2606A、2606B、2606C、2606D。四个输出小平面2608A、2608B、2608C和2608D被限定在玻璃板2614中。输出小平面2608A、2608B、2608C和2608D具有与图25中所示的输出小平面2434相同的设计或者可选地具有不同的设计。来自激光条2602、2604、2606中的每一个的可单独控制的激光二极管中的一个通过波导2616的网络耦合到输出小平面2608A、2608B、2608C和2608D中的每一个。透镜2450、2452、2454、2456被定位在输出小平面2608A、2608B、2608C和2608D之上，并且如上面结合图24所述的那样起作用。根据替代实施例，可以在不同波长(例如，红外)下操作的另一激光条可以沿着玻璃板2614的第四侧定位并且经由波导2616的网络被光学耦合到输出小平面2608A、2608B、2608C和2608D，可以为此目的而扩展。
图27是根据本发明的实施例的可用在增强现实眼镜中的波导显示系统2700的示意图。参考图27，该系统包括偏振分束器(PBS)2702，其在当前情况下使用偏振光束组合器。PBS 2702包括沿PBS 2702的对角线嵌入的偏振选择反射器2704。偏振选择反射器2704可以是例如线栅阵列或麦克尼尔(MacNeille)类型。
第一二向色X立方体组合器2706邻近PBS 2702的第一面2708布置，第二二向色X立方体组合器2710邻近PBS 2702的第二面2712布置。第一二向色X-立方体组合器2706包括沿第一对角线的第一嵌入式红色反射二向色镜2714和沿以90度与第一对角线相交的第二对角线的第一嵌入式蓝色反射二向色镜2716。第二二向色X立方体组合器2710类似地具有沿着一个对角线的嵌入式第二红色反射二向色镜2718和具有沿着第二对角线的第二嵌入式蓝色反射二向色镜2720。可选地，替代X立方体组合器2706、2710，可以使用用于组合来自多个激光二极管的光的其他光学子系统。例如，可以使用与上面图21和图22中所示的RGB颜色通道组合器类似的部件。
参考第一二向色X立方体组合器2706，第一红光准直透镜2722布置在第一二向色X立方体组合器2706的第一红光输入面2724附近，第一绿光准直透镜2726布置在第一二向色X立方体组合器2706的第一绿光输入面2728附近，第一蓝光准直透镜2730布置在第一二向色X立方体组合器2706的第一蓝光输入面2732附近。参考第二二向色X立方体组合器2710，第二红光准直透镜2734布置在第二X光立方体组合器2710的第二红光输入面2736附近，第二绿光准直透镜2738布置在第二X光立方体组合器2710的第二绿光输入面2740附近，第二蓝光准直透镜2742布置在第二X光立方体组合器2710的第二蓝光输入面2744附近。
在下面的讨论中，根据偏振选择反射器2704处的光入射来定义s偏振和p偏振取向。再次参考图27，s偏振红色激光二极管2746被布置面向第一二向色x立方体组合器2706的第一红光准直透镜2722和第一红色输入面2724；s偏振绿色激光二极管2748被布置面向第一二向色x立方体组合器2706的第一绿光准直透镜2726和第一绿色输入面2728；并且s偏振蓝色激光二极管2750被布置面向第一二向色x立方体组合器2706的第一蓝光准直透镜2730和第一蓝光输入面2732。类似地，p偏振红色激光二极管2752被布置面向第二二向色x立方体组合器2710的第二红光准直透镜2734和第二红光输入面2736；p偏振绿色激光二极管2754被布置面向第二二向色x立方体组合器2710的第二绿光准直透镜2738和第二绿光输入面2740；并且p偏振蓝色激光二极管2756被布置面向第二二向色x立方体组合器2710的第二蓝光准直透镜2742和第二蓝光输入面2744。上述激光二极管的偏振可以简单地通过确定它们的安装取向而确定。关于一系列像素，基于像素颜色强度值调制上述激光二极管。如下面将进一步说明的，s偏振激光二极管2746、2748、2750照射由波导显示系统2700产生的视场的第一部分，并且p偏振激光二极管2752、2754、2756照射由波导显示系统2700产生的视场的第二部分。虽然准直透镜2722、2726、2732、2734、2738、2742被描绘为平凸，但是它们可以是双凸的或具有另一形状。
通过第一嵌入式红色和蓝色二向色反射镜2714、2716的作用，第一二向色x立方体组合器2706将来自s偏振激光二极管2746、2748、2750的光组合成准直的s偏振红-蓝-绿(RGB)光束，该光束从第一二向色x立方体组合器2706进入PBS 2702的第一面2708。类似地，通过第二嵌入式红色和蓝色二向色反射镜2718、2720的作用，第二二向色x立方体组合器2710将来自p偏振激光二极管2752、2754、2656的光组合成准直的p偏振RGB光束，该光束从第二二向色x立方体组合器2710进入PBS 2702的第二面2712。
偏振选择反射器2704被定向，以反射从第一面2708到达的准直s偏振RGB光束，并透射从第二面2712到达的准直p偏振RGB光束，从而形成经由PBS 2702的第三面2758输出的组合的s偏振RGB和p偏振RGB光束。杂散光吸收器2760定位在PBS 2702的第四面2762附近并且用于吸收由于偏振反射器2704的非理想性能的由偏振选择反射器2704反射的任何p偏振光和由偏振选择反射器2704透射的任何s偏振光。
在通过PBS 2702的第三面2758之后，光穿过四分之一波片(QWP)2764。PBS将偏振分量(S或P)中的一个转换为右旋圆偏振(RHCP)光并将剩余偏振分量(P或S)转换为左旋圆偏振(LHCP)光。通过旋转QWP 2764，可以更改将哪个线性偏振分量转换为哪个圆偏振分量。QWP的输出包括源自s偏振RGB光束和p偏振RGB光束的RHCP RGB光束和LHCP RGB光束。假设为了讨论的目的，将s偏振光转换为RHCP光并将p偏振光转换为LHCP光，则RHCP光将照射上述FOV的第一部分，并且LHCP将照射上述有系统2700产生的FOV的第二部分。
系统2700还包括用于将按图像方式调制的光传输到用户眼睛位置2768的波导2766、内耦合光栅(ICG)2770、正交瞳孔扩展(OPE)光栅2772和出射光瞳扩展(EPE)光栅2774。基本上准直的光通过ICG输入并由ICG 2770朝向OPE光栅2772偏转。OPE光栅2772朝向EPE光栅2774递增地偏转光的部分，并且这样做增加准直光束的横向宽度(图27中的x方向)。在图27中示出X-Y-Z坐标三元组以供参考。EPE光栅2774朝向用户眼睛位置2768的方向递增地衍射光，并且这样做增加了准直光束的y方向范围。通过OPE和EPE光栅2772、2774的光束扩展效果，形成相对大的出射光瞳(眼睛盒)，这有助于确保光将被耦合到用户的瞳孔中，其中当用户在不同方向看时，光瞳可以移动。
沿着QWP 2764与ICG 2770之间的光路，存在双轴扫描镜2780。扫描镜2780例如可以是微电子机械系统(MEMS)镜。一个扫描镜运动可以在一个自由度上共振并且在第二自由度上被准静态控制。例如，谐振轴可以对应于与沿着显示器的线的移动类似的移动，并且准静态控制的第二自由度可以对应于与显示器的线之间的垂直移动类似的移动。对于相对高分辨率的图像，期望具有例如1000或2000扫描线的等量(equivalent)以及每秒30至60帧的帧刷新率。这些参数要求线速率为30KHz至120KHz。对于小到足以被包括在增强现实可穿戴设备中的小型MEMS扫描仪，通常在谐振轴的角度范围(与视场(FOV)有关)与谐振频率(等同于线速率)之间进行权衡。期望规避这种折衷并获得宽视场和高线速率。
在系统2700中，通过结合两种不同类型的偏振选择光栅提供上述系统2700的部分来增加FOV。在系统2700中，一组左旋(LH)反射液晶光栅2776和一组右旋(RH)反射液晶光栅2778设置在双轴扫描镜2780上。这组反射液晶光栅2776和2778将在下面进一步描述。
现在注意图28，其包括3空间笛卡尔(X-Y-Z)坐标系以及图27中所示系统2700的扫描镜2780和ICG 2770的表示。图28中所示的笛卡尔坐标对应于图27中所示的坐标三元组。在图28中所示的仅作为可能的设置的范围的示例的情况下，入射光束(例如，从QWP 2764到达的光束)在X方向上传播。扫描镜2780包括内部万向节(gimbal)枢轴(pivot)点2802，其允许扫描镜2780相对于框架2804旋转指示为β的角度。框架2804由允许整个框架2804旋转的外部万向节枢轴点2806支撑。围绕内部万向节枢轴点2802的旋转的轴线与围绕外部万向节枢轴点2806的旋转的轴线正交。围绕外部万向节枢轴点2806的旋转由角度α0+α1描述，其中α0对应于框架2804的中间静止位置以及α1对应于与α0的偏差。由β描述的围绕内部万向节枢轴点2802的旋转可以被称为“滚动”，并且由α0+α1描述的围绕外部万向节枢轴点2806的旋转可以被称为“俯仰(pitch)”。光栅2776、2778在扫描镜2780的表面上被示意性地示出为一系列水平线，但是如上所述并且如下面进一步描述的实际结构更复杂。
图29是根据本发明的实施例的在图27所示系统中的扫描镜上使用的六层偏振响应液晶光栅堆叠2900的示意图。堆叠2900包括LH反射液晶光栅2776和RH反射液晶光栅2778。LH反射液晶光栅2776包括LH红色反射层2902、LH绿色反射层2904和LH蓝色反射层2906。类似地，RH反射液晶光栅2778包括RH红色反射层2908、RH绿色反射层2910和RH蓝色反射层2912。LH反射液晶光栅2776将与从QWP 2764接收的LH偏振RGB光束分量相互作用，并且RH反射液晶光栅2778将与从QWP接收的RH偏振RGB光束分量相互作用。
层2902、2904、2906、2908、2910、2912中的每一个适当地具有与图19-20中所示的蓝色ICG 1814类似的结构，但是在图19中，Z轴间距(参考图19的坐标系)被选择以匹配其预期工作的光的波长并且选择横向间距以将光衍射到第一或第二FOV部分。
如下面将进一步描述的，为层2902、2904、2906、2908、2910、2912选择不同的光栅间距，使得LH反射液晶光栅2776将照射系统2700的FOV的第一部分以及RH反射液晶光栅2778将照射系统2700的与FOV的第一部分相邻的FOV的第二部分。反射光栅对光线的偏转可用下面的等式1描述：
等式1
其中I是入射光线矢量；
N是法线于光栅表面的单位长度矢量
D是衍射光线矢量
G是与光栅的线平行的光栅的平面中的单位长度矢量；以及
Λ是光栅参数，其由下面的等式2给出：
等式2
其中m是衍射级(例如，1)，
λ0是光的自由空间波长；
dg是光栅线间距。
衍射光线矢量D对波长λ0的依赖性可以通过选择dg的值来解决，使得在LH反射LC光栅组2776和RH反射光栅组2778中的每一个内，相同的比率λ0/dg是用于RGB层但是在两组2776、2778中使用比率λ0/dg的不同值。以这种方式，视场的每个部分内的RGB分量将被对准。
等式1可以分解为三个(X、Y和Z)分量等式，并且将衍射光线矢量D的欧几里德长度设置为单位幅度的补充归一化等式可以与上述两个分量等式组合使用，以根据由俯仰角α0+α1和滚动角β指定的法向矢量N，求解衍射光线矢量D的X、Y和Z矢量分量(标记为Dx、Dy、Dz)的分量方程。(基于α0+α1和β的值，法线矢量N和光栅矢量G可以变换为U-V-W坐标系，进而变换为X-Y-Z坐标系。)参考图27和28中的X-Y-Z坐标系，可以通过两个光栅组2776、2778分别选择Dx的一些选择值，例如Dx＝0.0，以作为待照射的FOV的两个部分之间的边界。可以基于α1的最小和最大极值以及β的选择值(例如，零或极值)来设置法线矢量N，并且在每种情况下(α1的最小值和最大值)，可以关于λ0/dg求解等式1以便获得λ0/dg的两个值。λ0/dg的一个值将用于LH反射LC反射光栅组2776，λ0/dg的另一个值将用于RH反射光栅组2778。在光栅组2776、2778中的每一个内，dg的值将根据每个层2902-2912的λ0的值(即，基于其关于R、G或B颜色分量中的一个的设计)而关于每个层2902-2912而改变。
根据一个替代实施例，光栅组2776、2778中的一个被液晶反射器(在光栅术语的背景下可以称为0级反射器)代替。这种替代的液晶反射器将具有垂直间距(图19中的间距_Z)，但没有横向周期(图19中的距离_Y)。这种替代方案与上述用于在α0+α1的一个极值等于45°的情况下确定λ0/dg的方法一致。
图30是包括整体视场的两个部分中的扫描角度的图表3000，每个部分归因于不同的偏振态，该偏振态根据本发明的实施例由图27中所示的系统使用图29中所示的多层选择性液晶光栅而产生。图表的横轴表示由六层堆叠2900衍射的光线的X分量(表示为Dx)的值，纵轴表示由六层堆叠2900衍射的光线的Y分量(表示为Dy)。系统2700的FOV的第一部分3002大约在图30的垂直轴的右侧，系统2700的FOV的第二部分3004大约在图30的垂直轴的左侧，尽管在两个部分3002、3004之间存在一些轻微的边界曲率。第一部分3002中的衍射光线由圆形绘图符号表示，第二部分3004中的衍射光线由方形绘图符号表示。每个部分3002、3004分别对应于扫描镜的俯仰角α1和滚动角β的可变部分的整个范围。左部分3002可以例如由LH反射LC光栅2776(其将具有λ0/dg的一个值)衍射从QWP2764接收的LH偏振光而产生，而右部分3004可以例如由RH反射LC光栅2778(其具有λ0/dg的另一个值)而产生。如前所述确定λ0/dg的值。可选地，可以互换旋向性的关联和λ0/dg的值。
因此，通过提供LH反射液晶光栅2776和RH反射液晶光栅2778以建立FOV的单独区域，不需要增加扫描镜2776的机械扫描范围，这将通常以可达到的线频率和垂直分辨率或帧速率为代价而完成。因此，在一个系统中可以获得相对高的FOV、帧速率和垂直分辨率。
图31是根据本发明实施例的可用于增强现实眼镜的波导显示系统3100的示意图。参考图31，系统3100包括红光引擎3102、绿光引擎3104和蓝光引擎3106。在三个光引擎3102、3104、3106具有相同构造的范围内，除了在每一个中替换适当颜色的激光二极管之外，将仅详细描述红光引擎3102的构造。红光引擎的组成部分的附图标记将包括字母“R”后缀，绿光引擎3104和蓝光引擎3106中的等效部件将分别具有字母“G”后缀和字母“B”后缀。
红光引擎3102包括偏振分束器3108R(在这种情况下用作偏振光束组合器)，其具有与图27中所示的PBS 2702类似的结构，该PBS 2702包括偏振选择反射器，其在图31的透视图中是不可区分的。p偏振光准直透镜3110R定位在PBS 3108R的p偏振光输入面3112R附近，s偏振光准直透镜3114R定位在PBS 3108的s偏振光输入面3116R附近。p偏振红色激光二极管3118R面向p偏振准直透镜3110R和p偏振光输入面3112R定位，类似地，s偏振红色激光二极管3120R面向s偏振光准直透镜3114R和s偏振光输入面3116R定位。PBS 3108R用于将已由p偏振红色激光二极管3118R和p偏振红色激光二极管3120R发射的s偏振光和p偏振光组合成在PBS 3108R的输出面3122R处发射的单个光束。在穿过输出面3122R之后，来自激光二极管3118R、3120R的光穿过四分之一波片(QWP)3124R，其将p偏振光和s偏振光转换成两种不同的圆偏振光状态RHCP光和LHCP光，以形成组合的RHCP和LHCP红光束3126R。可以使用线性偏振态和圆偏振态之间的任一分配，并且通过旋转QWP 3124R来实现选择。红色激光二极管3118R、3120将基于来自系统3100的整体视场的单独但邻近部分的红色通道信息被单独地调制。因此，RHCP光和LHCP光将基于来自系统3100的FOV的单独但邻近部分的像素信息被按图像方式调制。
红色RHCP和LHCP光束3126R、绿色RHCP和LHCP光束3126G以及蓝色RHCP和LHCP光束3126B入射在2-D扫描镜3130的表面3128上。叠加的LH反射液晶光栅31H和RH反射液晶光栅3134设置在2-D扫描镜3130的表面3128上。LH反射液晶光栅3132将LHCP光偏转到与系统3100的FOV的第一部分对应的第一立体角范围，同时RH反射液晶光栅3134将RHCP光偏转到与系统3100的FOV的第二部分对应的第二立体角范围，该第二部分基本上不与FOV的第一部分重叠。由液晶光栅3132、3134反射的光将进入ICG 2770并传播到用户眼睛位置2768，如先前在图27的背景下所描述的。与图27中所示的实施例相反，在图31中所示的实施例中，LH和RH反射液晶光栅3132、3134包括处理全部三个R、G和B颜色分量的一个层。较高双折射的液晶材料可用于获得较宽的反射带。然而，为了补偿不能为每种颜色单独设置光栅节距dg的事实，定向三个光引擎3102、3104、3106，使得三个RHCP和LHCP复合光束被成角度地分开。目的是补偿衍射角的波长依赖性，以具有比全部三个颜色分量以平行光束到达扫描镜3130的情况更紧密地对准的三个(RGB)颜色通道的视场。
根据替代实施例而不是使用偏振分束器3108R、3108G、3108B，p偏振和s偏振激光二极管3118R、3118G、3118B、3120R、3120G、3120B并排定位，通过一个或多个准直透镜面向2-D扫描镜3130。
在一些实施例中，该方法包括提供两个或更多个RGB(红-绿-蓝)组合器，其设置在波导的与扫描镜相反的一侧上并被配置为提供具有不同入射角的两个或更多个光束。该方法还包括在波导中配置输入耦合光学元件以允许输入光束穿过波导以到达扫描镜，并且该输入耦合光学元件被配置为将反射光束耦合到波导中。
在一些实施例中，该方法还包括将两个或更多个RGB组合器相对于扫描镜设置在不同的角度，以提供具有不同入射角的两个或更多个入射光束。
在一些实施例中，该方法还包括将两个或更多个RGB组合器相对于扫描镜设置在相同的角度并且提供反射光学元件以将两个或更多个光束以不同的入射角朝向扫描镜引导。
在一些实施例中，该方法还包括提供两个或更多个RGB组合器，其设置在波导的与扫描镜相同的一侧。两个或更多个RGB组合器提供具有不同入射角的两个或更多个光束。四分之一波片邻近扫描镜设置，并且偏振敏感分束器设置在四分之一波片与波导之间。偏振敏感分束器被配置为将来自RGB组合器的两个或更多个光束朝向扫描镜引导通过四分之一波片。被从扫描镜反射的光束被配置为传播通过四分之一波片和偏振敏感分束器并且通过输入耦合衍射光学元件耦合到波导中。
在一些实施例中，一种用于提供复合视场(FOV)的方法包括提供包括多个入射光束的准直入射光束，以及提供具有衍射表面的扫描镜，用于接收准直入射光束和用于提供具有不同入射角的多个反射光束。多个反射光束中的每一个被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。该方法还包括在波导中接收多个反射光束，以及投射来自波导多个输出光束以在复合视场(FOV)中形成投射图像。在一些实施例中，多个入射光束包括具有不同波长的光束。在一些实施例中，多个入射光束包括具有不同偏振的光束。
在一些实施例中，一种用于提供复合视场(FOV)的方法包括提供包括多个入射光束的准直入射光束。该方法还包括提供具有衍射表面的扫描镜，用于接收准直入射光束并用于在不同方向上提供多个反射光束，该多个反射光束中的每一个被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。该方法还包括配置波导，用于以大于全内反射(TIR)临界角的不同入射角内耦合多个反射光束。多个反射光束在波导中经历全内反射并且通过输出耦合光学元件被从波导投射，以形成对应的多个视场。该方法还包括形成包括多个视场的复合FOV。
在一些实施例中，一种用于提供复合视场(FOV)的方法包括提供包含多个入射光束的准直入射光束。该方法包括提供具有衍射表面的扫描镜，用于接收准直入射光束并用于提供多个反射光束。多个反射光束中的每一个具有不同的反射角并被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。该方法还包括配置波导，用于在输入耦合光学元件处耦合具有不同入射角的多个反射光束。多个反射光束在波导中经历全内反射并且通过输出耦合光学元件被从波导投射，以形成对应的多个视场。该方法还包括形成包括多个视场的复合FOV。
虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但是清楚的是，本发明不仅限于这些实施例。在不脱离权利要求中描述的本发明的精神和范围的情况下，许多变型、改变、变化、替换和等同物对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (31)

1.一种图像显示系统，包括：
光学子系统，其被配置为发射第一按图像方式调制的光束和第二按图像方式调制的光束，其中所述第一按图像方式调制的光束照射复合视场(FOV)的第一部分，以及所述第二按图像方式调制的光束照射所述复合视场的第二部分；
扫描镜，其用于拦截并反射所述第一按图像方式调制的光束和所述第二按图像方式调制的光束；以及
波导，其具有：
至少一个输入耦合光学元件，用于将所述第一按图像方式调制的光束和所述第二按图像方式调制的光束接收到所述波导中；以及
输出耦合光学元件，用于投射从来自所述波导的所述第一按图像方式调制的光束和所述第二按图像方式调制的光束导出的多个输出光束，以照射所述复合视场。
2.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中：
所述光学子系统设置在所述波导的与所述扫描镜相反的一侧。
3.根据权利要求2所述的图像显示系统，其中：
所述输入耦合元件位于所述光学子系统与所述扫描镜之间，使得从所述光学子系统发射的所述第一按图像方式调制的光束和所述第二按图像方式调制的光束在到达所述扫描镜之前穿过所述输入耦合元件。
4.根据权利要求3所述的图像显示系统，还包括位于所述光学子系统与所述输入耦合元件之间的偏振控制元件，使得所述第一按图像方式调制的光束和所述第二按图像方式调制的光束在到达所述输入耦合元件之前穿过所述偏振控制元件。
5.根据权利要求4所述的图像显示系统，其中所述输入耦合元件是偏振选择性的器件。
6.根据权利要求5所述的图像显示系统，其中所述光学子系统被配置为产生处于线性偏振态的所述第一按图像方式调制的光束和所述第二按图像方式调制的光束，以及所述偏振控制元件包括波片，所述波片被配置为将所述第一按图像方式调制的光束和所述第二按图像方式调制的光束转换为至少一个圆偏振光状态，并且所述输入耦合元件是偏振选择性的，因为所述输入耦合元件基于圆偏振光的旋向性是选择性的。
7.根据权利要求5所述的图像显示系统，其中所述输入耦合元件包括衍射光栅，所述衍射光栅包括胆甾型液晶。
8.根据权利要求7所述的图像显示系统，其中所述输入耦合元件还包括对准层，所述对准层在所述胆甾型液晶的对准方向上建立周期性横向变化。
9.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中所述光学子系统包括：
第一三色通道调制光源，其被配置为产生所述第一按图像方式调制的光束；以及
第二三色通道调制光源，其被配置为产生所述第二按图像方式调制的光束。
10.根据权利要求9所述的图像显示系统，其中：
所述第一三色调制光源包括第一红色激光器、第一绿色激光器和第一蓝色激光器；以及
所述第二三色调制光源包括第二红色激光器、第二绿色激光器和第二蓝色激光器。
11.根据权利要求10所述的图像显示系统，其中：
所述第一三色通道调制光源包括光学耦合到所述第一红色激光器、所述第一绿色激光器和所述第一蓝色激光器的第一二向色光束组合器；以及
所述第二三色通道调制光源包括光学耦合到所述第二红色激光器、所述第二绿色激光器和所述第二蓝色激光器的第二二向色光束组合器。
12.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中所述光学子系统被配置为以第一角度发射所述第一按图像方式调制的光束并且以第二角度发射所述第二按图像方式调制的光束。
13.根据权利要求12所述的图像显示系统，其中所述光学子系统被配置为沿着第一路径发射所述第一按图像方式调制的光束并且沿着在所述扫描镜处与所述第一路径相交的第二路径发射所述第二按图像方式调制的光束。
14.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中所述光学子系统被配置为发射与所述第二按图像方式调制的光束共线的所述第一按图像方式调制的光束。
15.根据权利要求1所述的图像显示系统，还包括偏振器和波片，其中所述光学子系统和所述扫描镜与所述偏振器和所述波片一起设置在所述波导的公共侧上，并且其中从所述光学子系统到所述扫描镜的第一光路段从所述光学子系统延伸到所述偏振器并从所述偏振器延伸通过所述波片，以及从所述扫描镜到所述输入耦合光学元件的第二光路段穿过所述波片和所述偏振器。
16.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中所述输入耦合光学元件包括第一输入耦合光栅和第二输入耦合光栅。
17.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中所述复合视场的所述第一部分与所述复合视场的所述第二部分交错。
18.一种图像显示系统，包括：
用于提供准直入射光束的光源，所述准直入射光束包括多个分量；
具有衍射表面的扫描镜，用于接收所述准直入射光束并用于提供具有不同衍射角的多个被反射地衍射的光束，所述多个被反射地衍射的光束中的每一个被配置为照射视场的部分(FOV)；以及
波导，其具有：
输入耦合光学元件，用于将所述多个被反射地衍射的光束接收到所述波导中；以及
输出耦合光学元件，用于投射来自所述波导的多个输出光束以形成具有复合视场(FOV)的投射图像，所述多个输出光束从所述多个被反射地衍射的光束在所述波导内被导出。
19.根据权利要求18所述的图像显示系统，其中所述多个分量包括具有不同波长的分量。
20.根据权利要求18所述的图像显示系统，其中所述多个分量包括具有不同偏振的分量。
21.根据权利要求18所述的图像显示系统，其中所述多个分量包括多个红色、绿色和蓝色分量的组。
22.根据权利要求20所述的图像显示系统，其中所述输入耦合光学元件是偏振态选择性的。
23.根据权利要求18所述的图像显示系统，其中：
所述扫描镜设置在相对于所述波导的与所述光源相反的一侧；
所述波导的所述输入耦合光学元件被配置为允许所述准直入射光束穿过所述输入耦合元件和所述波导，并且所述输入耦合光学元件被配置为通过以高于所述波导的临界角的角度衍射所述多个被反射地衍射的光束而将所述多个反射地衍射的光束耦合到所述波导中。
24.一种用于提供复合视场的方法，包括：
将至少两个输入光束引导至扫描镜；
用所述扫描镜反射所述至少两个输入光束以提供至少两个反射光束，其中所述反射光束中的每一个提供所述复合视场的部分；
在目镜波导中接收所述至少两个反射光束；以及
输出来自所述目镜波导的多个输出光束以在所述复合视场中形成投射图像，其中所述多个输出光束从所述至少两个反射光束导出。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：
提供至少两个红-蓝-绿组合器，其设置在所述目镜波导的与所述扫描镜相反的一侧并被配置为在所述扫描镜上以不同的入射角引导所述至少两个输入光束；以及
其中，将所述至少两个输入光束引导至所述扫描镜包括将所述至少两个光束引导通过所述波导目镜。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：
在所述目镜波导上提供输入耦合光学元件；
其中，将所述至少两个输入光束引导至所述扫描镜包括将所述至少两个光束引导通过所述输入耦合元件；以及
在所述目镜波导中接收所述至少两个反射光束包括通过所述输入耦合元件接收所述至少两个反射光束。
27.根据权利要求24所述的方法，其中将所述至少两个输入光束引导至所述扫描镜包括反射所述至少两个输入光束中的至少一个以在所述至少两个输入光束之间引入角度差。
28.根据权利要求24所述的提供复合视场的方法，其中将所述至少两个输入光束引导至所述扫描镜包括使所述至少两个输入光束穿过四分之一波片。
29.一种用于提供复合视场(FOV)的方法，包括：
提供包括多个分量的准直入射光束；
提供具有衍射表面的扫描镜，用于接收所述准直入射光束并用于将所述多个分量分成具有不同衍射角的多个反射光束，所述多个反射光束中的每一个被配置为提供所述复合视场的部分；
在目镜波导中接收所述多个反射光束；以及
输出来自所述目镜波导的多个输出光束以在所述复合视场中形成投射图像，其中所述多个输出光束从所述多个反射光束导出。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述多个分量包括通过波长区分的分量。
31.根据权利要求29所述的方法，其中所述多个分量包括通过偏振态区分的分量。
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