CN110446963B - 用于光纤扫描投影仪的方法和系统 - Google Patents

用于光纤扫描投影仪的方法和系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110446963B
CN110446963B CN201880019638.6A CN201880019638A CN110446963B CN 110446963 B CN110446963 B CN 110446963B CN 201880019638 A CN201880019638 A CN 201880019638A CN 110446963 B CN110446963 B CN 110446963B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
scanning
projector
light
collimating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880019638.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110446963A (zh
Inventor
B·T·朔文格特
M·D·沃森
C·D·梅尔维尔
S·弗兰克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Magic Leap Inc
Original Assignee
Magic Leap Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magic Leap Inc filed Critical Magic Leap Inc
Priority to CN202111337897.3A priority Critical patent/CN114326278A/zh
Publication of CN110446963A publication Critical patent/CN110446963A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110446963B publication Critical patent/CN110446963B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/103—Scanning systems having movable or deformable optical fibres, light guides or waveguides as scanning elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0804—Catadioptric systems using two curved mirrors
    • G02B17/0808—Catadioptric systems using two curved mirrors on-axis systems with at least one of the mirrors having a central aperture
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
  • Transforming Electric Information Into Light Information (AREA)
  • Stereoscopic And Panoramic Photography (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

一种光纤扫描投影仪，包括：压电元件；以及扫描光纤，其机械地耦合到压电元件。该光纤扫描投影仪还包括：光学组件部分，其可操作以从扫描光纤接收光。该光学组件部分包括：棱镜元件；在界面处耦合到棱镜元件的准直元件；四分之一波片；以及设置在界面处的偏振分束器。

Description

用于光纤扫描投影仪的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月21日提交的题为“Method and System for FiberScanning Projector(用于光纤扫描投影仪的方法和系统)”的美国临时专利申请号62/474,461的优先权，其公开内容以其整体通过引用并入本文用于所有目的。
背景技术
现代计算和显示技术已经促进用于所谓的“虚拟现实”或者“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现图像或其部分以其似乎真实或者可以被感知为真实的方式被呈现给观察者。虚拟现实或者“VR”场景典型地涉及数字或者虚拟图像信息的呈现，而对于其他实际现实世界视觉输入不透明；增强现实或者“AR”场景典型地涉及将数字或者虚拟图像信息呈现为对观察者周围的实际世界的可视化的增强。
尽管在这些显示技术中取得的进步，在本领域中需要涉及增强现实系统(特别地显示系统)的改进的方法和系统。
发明内容
本发明大体涉及与包括可穿戴显示器的投影显示系统有关的方法和系统。更特别地，本发明的实施例提供用于在超过一个深度平面处产生光的体积雕塑的体积显示器(也称为光场显示器)的方法和系统。本发明适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
根据本发明的实施例，提供一种投影仪。该投影仪包括：扫描光源，其限定凸物体表面；以及光学组件部分，其可操作以从所述扫描光源接收光。所述光学组件部分包括：棱镜元件；在界面处耦合到所述棱镜元件的准直元件；四分之一波片；以及设置在所述界面处的偏振分束器。
根据本发明的实施例，提供一种光纤扫描投影仪。所述光纤扫描投影仪包括：压电元件；扫描光纤，其机械地耦合到所述压电元件；以及光学组件部分，其可操作以从所述扫描光纤接收光。所述光学组件部分包括：棱镜元件；在界面处耦合到所述棱镜元件的准直元件；四分之一波片；以及设置在所述界面处的偏振分束器。
根据本发明的另一实施例，提供一种光纤扫描投影仪。所述光纤扫描投影仪包括：压电元件；以及扫描光纤，其穿过并且机械地耦合到所述压电元件。所述扫描光纤沿着光路发射光。所述光纤扫描投影仪还包括反射镜，所述反射镜包括孔。所述扫描光纤穿过所述孔。所述光纤扫描投影仪还包括沿着所述光路设置的准直反射镜。
根据本发明的特定实施例，提供一种光纤扫描投影仪。所述光纤扫描投影仪包括：压电元件；以及扫描光纤，其穿过并且机械地耦合到所述压电元件。所述扫描光纤沿着光路发射光。所述光纤扫描投影仪还包括：沿着所述光路设置的第一偏振敏感反射器；邻近所述第一偏振敏感反射器设置的四分之一波片；以及沿着所述光路设置的第二偏振敏感反射器。
通过本发明实现超过常规技术的许多益处。例如，本发明的实施例提供可以用于以可与标准眼镜相比较的形状因子将图像显示给用户的方法和系统。在一些实施例中，与光纤扫描光源集成的图像投影仪可以适配在眼镜的框架内。本发明的这些和其他实施例连同其许多优点和特征一起结合以下文本和附图更详细地描述。
附图说明
图1A是图示根据本发明的实施例的光纤扫描投影仪的简化透视图。
图1B是图示根据本发明的实施例的光纤扫描投影仪的简化剖面透视图。
图1C示意性地图示了根据本发明的实施例的可以用于将数字或虚拟图像呈现给观察者的观察光学组件(VOA)中的光路。
图1D示出了根据本发明的实施例的使用基于硅的波导的波导扫描系统的部分剖视图。
图1E是图示根据本发明的实施例的目镜的结构的部分剖视图。
图2A是图示光通过根据本发明的实施例的光学组件部分的传播的光线跟踪示图。
图2B是根据本发明的可替代实施例的可替代光学组件部分的侧视图。
图2C是根据本发明的实施例的基于分束器立方体的光学组件部分的侧视图。
图2D是根据本发明的可替代实施例的另一可替代光学组件部分的侧视图。
图2E是根据本发明的可替代实施例的多偏振倾斜反射器光学组件部分的侧视图。
图2F是根据本发明的实施例的包括曼京(Mangin)反射镜的光学组件的侧视图。
图2G是根据本发明的可替代实施例的包括曼京反射镜的光学组件的侧视图。
图2H是根据本发明的实施例的包括3D打印透镜的光学组件的侧视图。
图3是根据本发明的实施例的光纤扫描投影仪的光学组件部分的简化透视图。
图4是根据本发明的实施例的制造期间的光学组件部分的元件的简化透视图。
图5是图示根据本发明的可替代实施例的光纤扫描投影仪500的简化示意图。
图6A图示了根据本发明的可替代实施例的光纤扫描投影仪。
图6B是根据本发明的实施例的可替代光纤扫描投影仪。
图6C是根据本发明的实施例的另一可替代光纤扫描投影仪。
图6D是根据本发明的实施例的又一可替代光纤扫描投影仪。
图7A是图示根据本发明的实施例的透镜化光纤尖端的示意图。
图7B是图示根据本发明的另一实施例的透镜化光纤尖端的示意图。
图7C是图示根据本发明的可替代实施例的透镜化光纤尖端的示意图。
具体实施方式
本发明大体涉及与包括可穿戴显示器的投影显示系统有关的方法和系统。更特别地，本发明的实施例提供用于在超过一个深度平面处产生光的体积雕塑的体积显示器(也称为光场显示器)的方法和系统。本发明适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
图1A是图示根据本发明的实施例的光纤扫描投影仪的简化透视图。可以具有约2mm x 2mm x 7mm的尺寸的光纤扫描投影仪100包括光纤输入110、光纤振荡区域120和光学组件部分130。由压电致动器(未图示)驱动，光纤在光纤振荡区域120中振荡，例如，在具有针对给定帧时间在光的投影期间增加的角偏转的螺旋配置中。通过光纤输入110提供到光纤扫描投影仪的输入光，并且通过光学组件部分130的表面中的一个或多个提供来自光纤扫描投影仪的输出光。贯穿本说明书更充分地描述了光纤扫描投影仪的各种元件。
图1B是图示根据本发明的实施例的光纤扫描投影仪的简化剖面透视图。在图1B中图示的视图中，光纤扫描投影仪100已经水平旋转。在图的右手边图示了光纤输入110，以将输入提供到光纤振荡部分120，该光纤振荡部分120包括由固定套环152支撑(并且由来自未示出的布线的电信号驱动)的压电致动器150，并且扫描光纤154设置在机械外壳156中。如本文更充分地描述的，光学组件部分130从扫描光纤154接收光。
在操作期间，机械地附接到压电致动器150的扫描光纤154在光纤振荡区域120中振荡。在实施例中，压电致动器150包括分布在相对于彼此偏移90°的周向位置处的四个电极。因此，施加到压电致动器的相对侧的正和负电压可以使致动器和扫描光纤在电极的平面内弯曲。通过同步驱动所有四个电极，可以完成光纤的振荡。当光离开扫描光纤154时，其耦合到光学组件部分130，如下文更充分地描述的。
如本文更充分地描述的，通过本发明的实施例使能可与标准眼镜相比较的小形状因子。通过利用本发明的实施例，提供了具有期望的视场、分辨率深度、集成惯性运动单元(IMU)、照相机、音频部件等的显示器。在一些实施例中，图1A和1B中所图示的光纤扫描投影仪100安装在眼镜的镜腿或框架中并且与设置在框架中的目镜组合工作，以朝向用户的眼睛引导投影光。光纤扫描投影仪100的尺寸使能可以朝向每只眼睛引导光的多个光纤扫描投影仪的集成，通过将显示区域拼接增加视场。作为示例，如果每只眼睛使用两个投影仪，则可以使用两个投影仪提供89°的对角视场。每只眼睛使用四个投影仪，可以实现134°的对角视场。此外，除了视场的增加之外，可以通过使用多个投影仪提供附加的深度平面。在于2018年3月21日提交的美国专利申请号__，(代理人案号101782-1075069(003410US))(其公开内容以其整体通过引用并入本文用于所有目的)中提供了与将显示区域的拼接和多个投影仪的使用以增加视场有关的附加描述。
在实施例中，光纤扫描投影仪100由光纤输入110馈送并且光纤振荡区域120和光学组件部分130安装在如在于2018年3月21日提交的美国专利申请号__，(代理人案号101782-1075223(003510US))(其公开内容以其整体通过引用并入本文用于所有目的)的图2中所图示的框架的外边缘中。光学组件部分430的输出被取向以朝向安装在框架中的目镜的输入耦合元件发射光。作为示例，来自光学组件部分的输出的光可以在其耦合到目镜中之前朝向用户引导，该目镜可以包括世界侧盖玻璃和眼睛侧盖玻璃。
图1C示意性地图示了根据本发明的实施例的可以用于将数字或虚拟图像呈现给观察者的观察光学组件(VOA)中的光路。VOA包括投影仪100和可以穿戴在观察者的眼睛周围或者前面的目镜160。如所讨论的，在本文中VOA可以与一副眼镜的框架集成以将数字或虚拟图像呈现给穿戴这些眼镜的观察者。
参考图1C，图示了光纤扫描投影仪100。然而，将理解到，可以结合本发明的实施例利用其他扫描光系统或扫描束系统，其可以例如实现为包括扫描波导源的扫描波导系统。因此，虽然在一些实施例中图示了作为用于波导光的一个实施方式的光纤，但是本发明不限于光纤扫描系统并且根据其他实施例可以利用其他波导扫描系统。其他波导系统的示例包括将波导特征(例如，与悬臂梁集成的硅波导)集成到光扫描系统中的微机电系统(MEMS)。而且，扫描反射镜系统可以与如本文所描述的本发明的实施例一起使用，在该扫描发射镜系统中，会聚光束由投影仪扫描以产生弯曲物体表面。此外，扫描点源(例如，发光二极管(LED)或有机LED(OLED))可以结合本文所描述的光学器件使用。作为示例，在图1D中图示了基于MEMS的波导扫描器的一个实施方式。
虽然未图示在图1C中，但是可选的投影仪中继光学器件可以用于将光从光纤扫描投影仪100引导到目镜160中。由于这些投影仪中继光学器件是可选的，因而其不由本发明所要求并且根据本发明的实施例可以利用其他光学配置。在所图示的实施例中，光在大体垂直于光纤扫描投影仪100的机械外壳156的纵轴的方向上离开光学组件部分并且被准直，这为耦入光栅167提供适合的输入。
在操作期间，机械地附接到压电致动器150的光纤154在光纤振荡区域120中振荡。在实施例中，压电致动器150包括分布在相对于彼此偏移90°的周向位置处的四个电极。因此，施加到压电致动器的相对侧的正和负电压可以使致动器和扫描光纤在电极的平面内弯曲。通过同步驱动所有四个电极，可以完成光纤的振荡。当光随着其扫描离开光纤154时，其耦合到光学组件部分130，该光学组件部分朝向目镜160重定向光。
光纤扫描投影仪100可以提供多种颜色，包括三基色(红色、绿色和蓝色(RGB))，以形成全色显示器。因此，目镜160可以包括一个或多个目镜层。在一个实施例中，目镜160包括三个目镜层，一个目镜层用于三基色(红色、绿色和蓝色)中的一种。在另一实施例中，目镜160可以包括六个目镜层，即，用于三基色中的每一种的一组目镜层被配置为在一个深度平面处形成虚拟图像，并且用于三基色中的每一种的另一组目镜层被配置为在另一深度平面处形成虚拟图像。在其他实施例中，目镜160可以包括用于三个或更多个不同的深度平面的三基色中的每一种的三个或更多个目镜层。每个目镜层包括平面波导并且可以包括耦入光栅167、正交光瞳扩展器(OPE)区域168和出射光瞳扩展器(EPE)区域169。
仍然参考图1C，投影仪100将图像光投影到在目镜层160中的耦入光栅167上。耦入光栅167将来自投影仪100的图像光耦合到平面波导中，使其在朝向OPE区域168的方向上传播。波导通过全内反射(TIR)在水平方向上传播图像光。目镜层160的OPE区域168还包括耦合并且重定向图像光的一部分使其在平面波导中朝向EPE区域169传播的衍射元件。EPE区域169包括耦合并且引导图像光的一部分使其在波导中在近似垂直于目镜层160的平面的方向上朝向观察者的眼睛162传播的衍射元件。以这种方式，由投影仪101所投影的图像可以由观察者的眼睛162观察。
如上文所描述的，由投影仪所生成的图像光可以包括三基色(即，蓝色(B)、绿色(G)和红色(R))中的光。这样的图像光可以分离为构成颜色(例如，时间地或空间地)，使得每种构成颜色的图像光可以耦合到目镜中的相应波导。
图1D示出了根据本发明的实施例的使用基于硅的波导的波导扫描系统的部分剖视图。在该实施例中，不是使用锥形光纤作为光扫描元件，利用包含悬臂梁的MEMS扫描器170，该悬臂梁包括基于硅的悬臂波导。
在图1D中所图示的实施例中，使用光学耦合到由悬臂梁172支撑的波导174的光纤(未示出)提供用于通过目镜显示的光。悬臂梁172从支撑结构176延伸，该支撑结构176机械地附接到机械外壳156。因此，来自光纤的光能够沿波导向下传播、发射并且由光学组件部分130接收。如相对于图2A更充分地描述的，光学组件部分130包括棱镜元件210和在界面处耦合的准直元件220，这限定分束器214。如在图1D中所图示的，从波导174发射的光可以穿过分束器214，穿过四分之一波片(未示出)，并且入射在准直表面224上。在反射之后，光第二次穿过四分之一波片并且如由光线180所图示的反射离开分束器214。
为了致动悬臂梁172，图1D中所图示的光学扫描器包括换能器，该换能器包括框架180和由压电条184驱动的轮毂182。压电条耦合到框架180和轮毂182以以预定义模式协同引起悬臂梁172的振荡。支架186可以被配置为相对于光学组件部分130定位悬臂梁172、框架180和轮毂182。而且，支架186可以机械地耦合到机械外壳156。
如在图1D中所图示的，轮毂182可以被配置为原位旋转以实现悬臂梁172的期望的扫描模式。例如，压电条184的顺序致动可能导致压电条的纵向伸展和收缩，使得轮毂在以螺旋扫描模式振荡悬臂梁172(特别地波导尖端)的模式中操纵。在其他实施例中，轮毂182可以被配置为横向地和/或垂直地移动以引起期望的扫描模式，例如，光栅扫描模式。虽然描绘了具有圆形形状的轮毂182，但是应当理解，许多其他形状(诸如椭圆形、矩形和其他多边形间隙几何形状)也是可能的。
悬臂梁172可以根据硅或碳化硅的长度形成。波导174(其可以是单模波导)可以使用限定支持波导的折射率差的半导体处理步骤形成。虽然悬臂梁172被图示为包括单个波导174，但是其他实施例可以实现由悬臂梁支撑的多个波导。应当理解，悬臂梁172也可以结合其他致动器(例如，在本文中更充分地描述的压电致动器150)使用。因此，图1D中所图示的框架和轮毂实施方式仅是可以用于致动悬臂梁的示例性结构。
图1E是图示根据本发明的实施例的目镜的结构的部分剖视图。剖视图中示出的区域包括目镜800的耦入衍射光学元件(例如，耦入光栅)的区域。如在图1E中所示，目镜800包括从光纤扫描投影仪接收输入光并且将图像信息输出到观察者的眼睛802的波导板820、830和840的堆叠。在图1E中所图示的目镜800包括位于邻近观察者的眼睛的目镜的一侧的眼睛侧盖层810，以及位于面向世界的目镜的一侧的世界侧盖层850。
在一些实施例中，波导板820、830和840包括相应平面波导822、832或842，用于在其相应波导板820、830和840的平面内传播光。每个平面波导822、832或842具有面向观察者的眼睛的后表面，以及面向世界的前表面。在图1E中所图示的实施例中，波导板820、830和840还包括设置在其相应波导822、832或842的后表面上的相应光栅824、834或844，用于耦合并且重定向在其相应波导822、832或842中传播的光的一部分。
在所图示的实施例中，每个波导822、832或842以及每个光栅824、834或844可以是波长选择性的，使得其选择性地传播或者重定向给定波长范围内的光。在一些实施例中，波导板820、830和840中的每个波导板可以被配置用于相应基色。例如，波导板820被配置用于红(R)光，波导板830被配置用于绿(G)光，并且波导板840被配置用于蓝(B)光。将理解到，目镜800可以包括如上文所描述的针对不同深度平面的用于红光的两个或两个以上波导板、用于绿光的两个或两个以上波导板和用于蓝光的两个或两个以上波导板。在一些其他实施例中，其他颜色(包括品红色和青色)可以另外使用或者可以替换红色、绿色或蓝色中的一种或多种。
为了改进光学效率，一些实施例利用反射表面，例如，眼睛侧盖层的表面中的一个(例如，前表面)上的表面的金属化，以提供形成在输入耦合元件(例如，垂直地对准的耦入光栅)后面的反射结构的高度反射表面(例如，～100％反射涂层)，以反射可以是穿过输入耦合元件的RGB光的输入光，并且产生通过输入耦合元件的第二次穿过，以改进图像亮度。如在图1E中所图示的，反射器812反射从光纤扫描投影仪入射的未耦合到波导中的输入光801。在从反射器812反射之后，输入光能够使第二次穿过输入耦合元件并且增加耦合到波导中的光量。
在可替代实施例中，例如使用100％反射性金属涂层制造的环形反射器852可以放置在世界侧盖玻璃上。虽然该环形反射器852示出在世界侧盖层850的后侧，但是这不由本发明所要求并且其可以可替代地安装在前侧。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。在该可替代实施例中，来自光纤扫描投影仪的输入光801在其从光纤扫描投影仪的光学组件部分输出之后穿过环形反射器852的中心。由于输入光是发散的，因此该束随着其穿过目镜并且从输入耦合元件后面的反射器812反射而扩散。该反射光804通过目镜传播回来，其中，光锥在传播期间扩展。在一些实施例中，反射光804还在通过与用于显示给观察者的输入束相同取向表征的返回路径期间耦合到耦入光栅中，因为虽然反射光804是输入光801的镜像图像，但是通过耦入光栅的相对侧的进入导致相同取向。光的相当一部分(其可以是大多数)从世界侧盖层上的环形反射器852反射，如由双重反射光806所图示的，并且能够使第三次穿过输入耦合元件，这导致光到波导板中的附加耦合。如对于本领域的技术人员将明显的是，可以实现霍氏镜像(Hall of Mirrors)效应，其导致与穿过目镜的增加的光线数目有关的增加的亮度，这改进了填充因子和图像质量。
可以在镜腿和框架中插入通道，以容纳光纤和电气布线。当光纤/布线穿过弹簧铰链时，设计尺寸使得光纤不能够弯曲过去是当镜腿折叠时的最小弯曲曲率半径。
除了与相对于图1E讨论的输入耦合元件相关联的反射结构之外，一些实施例利用世界侧盖玻璃的内侧表面上的部分反射(例如，50％镀铝的)表面，使得从目镜朝向世界传播的光的一部分(例如，一半)被反射并且朝向用户的眼睛引导回来，这增加总体亮度并且作为束的稍微横向偏移的结果增加束密度，这有助于改进的填充因子。
图2A是图示通过根据本发明的实施例的光学组件部分的光的传播的光线跟踪示图。光学组件部分130包括棱镜元件210和在界面处耦合的准直元件220。在实施例中，棱镜元件和准直元件在界面处光学结合。如在本文中更充分地描述的，光学组件部分130的表面中的一个或多个可以包括屈光力(optical power)。因此，虽然在本文中讨论了在准直表面224方面的光的准直，但是将理解到，除准直表面240之外的表面可以有助于通过系统对光的准直。在三个扫描位置处图示了光纤振荡区域120中的扫描光纤154：在轴230上(实线)、向右离轴232(虚线)和向左离轴234(虚线)。如在图2A中所图示的，当其振荡时，扫描光纤的尖端扫过由图2A中的曲线240所图示的基本上球面，这导致凸面被成像，使得曲线240可以被称为凸物体表面。常规透镜通常被设计用于平物体平面或者凹物体表面。本发明的实施例利用与扫描光纤152的尖端相关联的凸物体表面240与凹准直表面224匹配的设计，该凹准直表面224在高水平处可以是具有凸物体表面240的曲率半径的两倍曲率半径的基本上球面反射镜。因此，在一些实施例中，大多数聚焦使用凸准直表面224实现，该凸准直表面224可以实现为具有非球面校正项的弯曲反射镜。虽然在图2A中图示了折射和反射元件，但是本发明的实施例不限于这些实施方式，并且根据本发明的实施例可以利用衍射表面、元表面等。例如，除了反射表面，准直表面224可以是衍射表面、元表面等。图2A中所图示的其他表面中的一个或多个也可以使用衍射结构或者衍射和/或折射结构的组合实现。示例将是补偿色差的衍射结构和将束聚焦/散焦的折射结构。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
除了扫描光纤之外，其他光学系统可以用于形成凸物体表面240。这些光学系统的示例包括其他波导扫描系统，其包括基于MEMS的扫描系统、具有会聚光束的扫描反射镜系统、扫描点源、与光学器件组合以产生弯曲物体表面的平板显示器等。
本发明的实施例使得各种光学表面的光学处方能够变化以优化尺寸、出射光瞳直径、组合屈光力、线性放大率、角放大率、出射光瞳与输出表面之间的距离等。输入表面212、准直表面224和输出表面226的曲率的控制使得输出束的各种性质能够控制，包括束直径、与光纤偏转相关联的角(即，扫描位置232与234之间的角)的角放大率等。应当注意，在一些实施方式中，分束器214可以包括曲率，使得其不是平表面，从而提供附加的设计自由度。该非平面形状(即，非平面曲率)可以包括曲率(例如，凹或凸)以引入屈光力、补偿像差等。此外，用于制造光学组件部分130的材料的折射率可以调节以修改上文所讨论的光学性质。而且，分束器214可以是部分反射(50/50分割)表面、偏振分束器、波长选择分束器等。
参考图2A，如果偏振分束器214具有变化的偏振(例如，根据时间，交替地通过并且反射入射光)，则可以实现复用功能。集成到部分反射表面/偏振分束器与准直表面224/表面227之间的光路中的快门可以用于在两个光路之间进行复用。因此，一些实施例提供具有由低分辨率、宽视场图像围绕的高分辨率、窄视场图像的复用显示器。在一些实施例中，表面227可以是吸收的，当光从偏振分束器214朝向表面227反射时提供快门效应。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
再一次参考图2A，扫描光纤154充当光的点源，发射光锥。当其从凸物体表面240传播通过光学组件部分130时如所图示的这些光锥。当扫描光纤扫过振荡模式时，照射不同像素以形成期望图像。在图2A中所图示的实施例中，来自扫描光纤的光被偏振，使得在其通过输入表面212进入光学组件部分130之后，其将在很少反射的情况下穿过偏振分束器214，穿过四分之一波片并且入射在准直表面224上。在反射之后，光第二次穿过四分之一波片222并且朝向输出表面226反射离开偏振分束器214。出射光瞳228在光学组件部分130外部形成用于递送到目镜。如对于本领域的技术人员将明显的是，对于许多光学系统，出射光瞳与另一光学系统的输入平面之间的对准是优选的。因此，输出表面226与出射光瞳228之间的工作距离使得本发明的实施例能够结合各种各样的光学系统利用。作为示例，如果由光纤扫描投影仪发射的光由基于波导的光学系统利用，则基于波导的光学系统的输入耦合元件可以与出射光瞳228一致(例如，共面的)放置。在实施例中，提供形成小直径光束的位置的出射光瞳228可以使能高效耦合到小输入耦合元件中，该小输入耦合元件可以在尺寸方面与出射光瞳匹配，从而高效利用基于波导的光学系统的面积。如在图2A中所图示的，在扫描光纤154的三个所图示的位置230、232和234中的每一个处发射的三个光锥当其离开如所示的光学组件部分时被准直，例如，通过准直光线231和233，其限定在轴上位置230处的光锥的边缘。
在另一特定实施例中，偏振分束器可以利用波长选择分束器替换，使得一种或多种颜色将穿过分束器，而其他(一种或多种)颜色朝向表面227反射，该表面227可以实现为具有屈光力的表面。该波长选择性将使能通过衍射元件或元表面的使用聚焦，因为衍射光学器件用作折射光学器件的替换物。因此，本发明的实施例可以将输入表面212、准直表面224、表面227和/或输出表面226中的一个或多个上的元表面集成以将多个透镜功能编码到元表面中，用于波长选择光学处理、其他衍射光学功能、色散补偿等。在一些设计中，色散校正由各种表面提供，例如，色散补偿可以通过在输出表面上提供的像差校正通过校正在输入表面处发生的像差实现。
如相对于图2B以附加细节讨论的，四分之一波片还可以通过准直表面224上的真空成形制造。在该实施方式中，在弯曲表面上的四分之一波片的形成之后，可以形成金属化或者其他适合的反射表面以完成准直表面的制造。
在实施例中，光学组件部分130的输入表面212、准直表面224和输出表面226可以具有屈光力以补偿球面像差以及在一些实施例中提供视场的放大率。因此，使用光纤振荡区域中的光纤的较小偏转导致较大视场。作为示例，输入表面212可以相对于输入光是凸的，以提供正屈光力，准直表面224可以相对于来自输入表面的光是凹的，以提供负屈光力，并且输出表面可以相对于来自分束器的光是凸的，以提供负屈光力。准直表面224是基本上球形的，但是在一些实施方式中包括非球面曲率。非球面曲率可以校正球面像差，并且总体曲率可以导致由准直表面对光的准直。准直表面224可以通过一个或多个反射涂层、金属化涂层等的沉积制造为反射元件。
应当注意，虽然准直表面224可以具有近似两倍的凸物体表面240(其也可以称为弯曲物体表面)的曲率半径，但是在一些实施例中，这不由本发明要求，并且除了在准直表面224中呈现屈光力之外，输入表面212和输出表面226可以包含屈光力。因此，由于附加的屈光力通过输入表面212和输出表面226实现，因而准直表面224的曲率可以偏离凸物体表面240的曲率的两倍。此外，如本文所使用的，非球面部件可以集成到光学表面中，包括输入表面212、准直表面224和输出表面226。
在示例性制造过程中，光学组件部分130通过将三个元件结合在一起制造。在该过程中，第一元件是棱镜元件210，并且第二元件是结合到棱镜元件的准直光学器件部分220。棱镜元件220通过输入表面212接收光。偏振分束器214在棱镜元件210和准直光学器件部分220的界面处形成。在一些实施例中，偏振选择涂层在结合之前施加到棱镜的最长表面以形成偏振分束器。在准直光学器件部分220的后表面上形成四分之一波片222，并且包括弯曲反射光学器件221的第三元件被结合到四分之一波片。如本文所描述的，弯曲反射光学器件221包括准直表面224，该准直表面224可以金属化或以其他方式涂敷以提供高反射率。
在操作期间，使用输入处的偏振光，大多数偏振输入光将在第一次通过时穿过偏振分束器214，穿过四分之一波片222，由准直表面224反射并准直，第二次穿过四分之一波片222(现在具有正交偏振状态)并且基本上从偏振分束器朝向输出表面226反射。
图2B是根据本发明的可替代实施例的可替代光学组件部分的侧视图。参考图2A和2B，图2A中所图示的准直光学器件部分220和弯曲反射光学器件221已经组合为单个(即，单片)准直反射器251以形成可替代光学部分250。反射表面252包括在反射时引入半波相移的波板。在一个实施方式中，四分之一波片在反射表面252形成之前在准直反射器251的右边缘上形成，例如，通过沉积金属膜、介电膜等。在其他实施例中，可以利用微结构在反射时引入半波相移。因此，可替代光学部分260不限于实现相位延迟和反射的特定方式。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
图2C是根据本发明的实施例的基于分束器立方体的光学组件部分的侧视图。分束器立方体261用作基于分束器立方体的光学组件部分260的基础，并且附加光学元件262、263和264铸造到分束器立方体261的外表面上以分别形成输入表面、准直表面和输出表面。在该实施例中，可以在分束器立方体261和形成准直表面的光学元件263的交点处实现四分之一波片。在可替代实施例中，表面266可以用于限定光学元件263的准直表面，这导致光学元件263的边缘与光学元件264的表面267之间的对准。在该可替代实施例中，可以注意，光学元件263可以在外围处修剪以形成具有非圆形平面视图(包括矩形平面视图)的元件。因此，光学元件263具有与分束器立方体261的表面268对准的修剪表面或者边缘。各种元件的边缘之间的该对准可以利于制造期间的配准，包括各种元件的结合。玻璃分束器立方体261的使用提供包括用于制造分束器表面265的偏振选择涂层的选择的优点。此外，由于玻璃分束器立方体(包括小分束器)的宽可用性，可制造性由该设计增强。在其他实施例中，利用除玻璃之外的材料(包括塑料)的分束器。除了通过铸造形成光学元件(例如，折射和反射光学元件)之外，其他技术可以用于实现光学效应，包括模制元件、传统制造的光学器件、衍射表面和/或元表面的使用等。
图2D是根据本发明的可替代实施例的另一可替代光学组件部分的侧视图。在图2D中所图示的光学组件部分270的可替代实施例中，用于偏振分束器的偏振选择涂层连同四分之一波片一起移除。在该可替代实施例中，部分反射表面271(例如，50/50反射器)将棱镜元件结合到准直元件273。从输入表面212入射的光的一半传递到准直表面224并且朝向将棱镜元件272和准直元件273结合的部分反射表面271反射回来。光的另一半朝向反射表面274反射，该反射表面274在该可替代实施例中可以具有与准直表面224相同的曲率。因此，对从准直表面反射的光以及从反射表面274反射的光被准直(给定输出表面226的屈光力)。图2D中所图示的实施例可以改进光学效率，因为从反射表面274反射的光对于从光学组件部分的输出是可用的。在实施例中，单个出射光瞳由从准直表面224反射的光以及从反射表面274反射的光共享，相对于图2E讨论为叠加的出射光瞳。
利用该设计，不同的屈光力可以使用准直表面224和反射表面274实现，该准直表面224和反射表面274可以具有不同的曲率，这导致当光以复用的方式被引导到这些表面中的每一个时的缩小/放大视图、宽/窄视场等。作为示例，部分反射表面271的反射率可以变化以提供时基复用。
可以实现复用功能，因为部分反射表面271可以具有变化的反射率，交替地通过并且反射入射光。集成到部分反射表面271与准直表面224/反射表面274之间的光路中的快门可以用于在两个光路之间进行复用。因此，一些实施例提供具有由低分辨率、宽视场图像围绕的高分辨率、窄视场图像的复用显示器。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
在另一实施方式中，拼接图像可以通过以相对于入射光除45°之外的角倾斜部分反射表面271形成。穿过部分反射表面271的光将从准直表面224反射并且在穿过输出表面226之后在第一方向上引导。从部分反射表面271反射的光将从反射表面274反射并且在穿过输出表面226之后在第二方向上引导。因此，从准直表面224反射的光可以在穿过输出表面226之后向左倾斜并且从反射表面274反射的光可以在穿过输出表面226之后向右倾斜，从而提供引导到用于拼接显示实施方式的图像场的不同部分的输入。
图2E是根据本发明的可替代实施例的多偏振倾斜反射器光学组件部分的侧视图。在偏振敏感材料在棱镜元件284和准直元件285的界面处形成偏振分束器283的该实施方式中，类似于图2A中的偏振分束器214，来自光纤扫描投影仪的输入光可以具有编码有不同偏振的两种信号。编码有第一偏振的第一输入束286可以穿过偏振分束器283的偏振敏感材料以反射离开准直表面224。该束将形成出射光瞳281。编码有第二偏振的第二输入束287将从偏振分束器283的偏振敏感材料反射以反射离开反射表面289。该束将形成出射光瞳282。由于棱镜元件284和准直元件285的界面以相对于输入束的除45°之外的角倾斜，因此出射光瞳281和282可以空间偏移。作为示例，如果偏振分束器283是颜色选择性的，则与第一颜色(例如，绿色)相关联的出射光瞳可以邻近与第二颜色(例如，红色)相关联的出射光瞳定位，使得出射光瞳可以为目镜的输入提供空间分离束。除了在如图2E中所图示的z方向上的空间分离之外，出射光瞳可以在x方向或者y方向上空间分离。
因此，可以产生两个重叠图像，或者使用在如图2E中所图示的棱镜元件284和准直元件285的界面处的倾斜表面，可以在图像场中形成两个空间分离图像。因此，可以提供两个横向分离出射光瞳，其可以为波导显示器上的两个输入耦合元件提供输入。如本文所讨论的，准直表面224和反射表面289的曲率可以是不同的。例如，在波长选择性实施方式中，可以使用将通过第一颜色以从准直表面224反射的波长选择分束器。第二颜色将从偏振分束器反射并且然后从反射表面289反射，从而产生具有第二颜色的束，其在从反射表面289反射之后发散或会聚。这可以允许例如两个不同彩色通道之间的空间分离，用于随后耦合到各自与目镜的不同波导层相关联的两个不同耦入光栅中。此外，这些设计可以扩展到多深度平面实施方式，在该多深度平面实施方式中，每种颜色处的多个束用于提供例如N种颜色处的M个束用于耦合到MxN个波导中。可以在偏振敏感实施方式中实现四分之一波片的集成。因此，偏振选择反射器可以结合光瞳的空间分离实现，以使能将一种颜色路由到第一深度平面并且将第二颜色路由到第二深度平面。因此，波长分离以及偏振分离二者包括在本发明的范围内。
在其他实施例中，出射光瞳可以设置在相同位置(即，叠加的)。因此，图2E中的空间分离光瞳的图示仅是一个示例并且不应当被理解为限制本发明的实施例。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
相对于图2A-2E讨论的光学表面中的一个或多个可以是可变焦点并且其焦点可以结合来自光纤扫描投影仪的输入控制。因此，以不同角注入光学组件部分中的光线可以经历不同屈光力。在该实施例中，多焦点显示可以根据场角实现。而且，附加光学元件可以与本文所描述的结构集成，例如，在输出表面与一个或多个出射光瞳之间或者一个或多个出射光瞳的光学下游。可以包括中继光学器件的这些附加光学元件可以具有可变屈光力，例如，位于输出表面与一个或多个出射光瞳之间的可变焦点透镜。因此，可以聚焦准直束，可以校正像差，可以实现其他光学效应等。在一些实施例中，凸物体表面240的形状可以从球形和可变焦点表面变化，或者附加光学元件可以酌情用于凸物体表面的曲率。各种材料可以用于制造本文中所图示的结构，包括根据施加的偏置改变其折射率的材料，包括液晶透镜、电光聚合物、铌酸锂等。由于光纤扫描投影仪可以以高频率扫描，因此可以以高频率改变其光学性质的光学材料适于使用在各种实施例中。作为示例，可以迅速地调制焦距的光学结构可以与光纤扫描投影仪一起工作以在逐行基础上或在逐像素基础上改变焦点。这些材料可以结合光学组件部分的输入表面和/或输出表面以及结合准直表面224利用。作为示例，可变形反射镜可以集成为准直表面224的元件或者用于反射表面224的替换物。以千赫兹速率和以上操作的这样的可变形反射镜可以在逐行基础上或在逐像素基础上酌情向特定应用提供可变焦点操作。
在图2E中的点A处标记的棱镜元件284在z方向上延伸到的最大距离可以根据特定实施方式变化。如在图2E中所图示的，点A是准直元件285的右边和棱镜元件284的底部的交点。当扫描光纤的尖端扫过由图2A中的曲线240所图示的基本上球面时，图2E中所图示的设计使能宽视场。在其他实施例中，形成棱镜元件的右上边的棱镜元件284的表面倾斜，使得点A移动到z方向上的降低值。以类似的方式，当棱镜元件284的左边延伸并且准直元件285的左边减小时，点B可以移动到x方向上的较大值。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
图2F是根据本发明的实施例的包括曼京反射镜的光学组件的侧视图。类似于上文所讨论的设计中的一个或多个，分束器立方体261用作基于分束器立方体的光学组件部分290的基础。四分之一波片291实现在分束器立方体261和曼京反射镜292的交点处，曼京反射镜292提供输入束的准直。在所图示的实施例中，输出透镜293被实现为消色差双合透镜，尽管根据本发明的实施例可以使用其他透镜配置。
图2G是根据本发明的可替代实施例的包括曼京反射镜的光学组件的侧视图。在图2G中所图示的实施例中，分束器立方体261用作基于分束器立方体的光学组件部分294的基础。四分之一波片291实现在分束器立方体261和曼京反射镜292的交点处，曼京反射镜292提供输入束的准直。在所图示的实施例中，输出透镜295被实现为模制玻璃透镜，尽管根据本发明的实施例使用可以其他透镜配置。
图2H是根据本发明的实施例的包括3D打印透镜的光学组件的侧视图。类似于上文所讨论的设计中的一个或多个，分束器立方体261和四分之一波片192在光学组件部分296中利用。在该实施例中，利用可以是模制玻璃透镜的输入透镜299和输出透镜295。准直光学器件(也称为打印透镜)使用3D打印(也称为增材制造)形成。该准直光学器件包括支持打印透镜298(例如，形成有与曼京透镜相关联的曲率的聚合物透镜)的衬底297。衬底297结合到四分之一波片297，例如，使用光学粘合剂。
应当注意，参考图2A-2H讨论或图示的元件和表面中的任一个的任一个特性酌情适用于图2A-2H中所图示的其他实施方式中的任一个中所提供的实施方式。仅以示例的方式，表面的曲率、表面的反射或衍射性质、偏振性质等酌情适用于实施方式中的任一个。
图3是根据本发明的实施例的光纤扫描投影仪的光学组件部分的简化透视图。光学组件部分130包括棱镜元件210到准直元件220。光入射在输入表面(未示出，但是面向左后)并且朝向偏振分束器214传播。在该视图中还图示了四分之一波片222、准直表面224和输出表面226的边缘。
在一些实施例中，光纤扫描投影仪可以实现3弧分角分辨率和具有50°对角视场的4x 3长宽比，尽管这些特定参数不由本发明要求。在一些实施方式中，实现60°×30°椭圆视场。在另一实施例中，光纤扫描投影仪可以实现2弧分角分辨率和具有50°对角视场的4x 3长宽比。在又一实施例中，光纤扫描投影仪可以实现1弧分角分辨率或更小。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
为了降低光纤扫描投影仪的尺寸和重量，可以修剪未支撑光的部分，形成还增加封装灵活性(特别地对于与具有弯曲框架的眼镜的集成)的楔形结构。
图4是根据本发明的实施例的制造期间的光学组件部分的元件的简化透视图。如在图4中所图示的，光学组件部分的第一元件410包括准直光学器件部分412，该准直光学器件部分412包括在穿过分束器、准直表面224和输出表面226之后的光的传播路径。光学组件部分的第二元件420包括其上可以形成偏振分束器的棱镜的表面412。在该透视图中，输入表面由于其面向左后而未示出。对准特征430被集成到材料中并且被设计为匹配第一元件的左下表面上的对应的对准特征(未示出)。
在一些实施例中，第二元件420根据玻璃材料制造以利于第一元件和第二元件的界面处的偏振分束器的形成，因为玻璃材料可以比一些塑性材料更适合于偏振选择涂层的沉积。
图5是图示根据本发明的可替代实施例的光纤扫描投影仪500的简化示意图。如在图5中所图示的，扫描光纤510穿过反射镜520中的孔522。在运动范围的端部图示了扫描光纤。准直反射镜530反射由扫描光纤发射的光，该由扫描光纤发射的光然后从反射镜520反射以提供输出束540。在一些实施例中，准直反射镜530的曲率半径是球形物体表面512的曲率半径的两倍。
如相对于光纤扫描投影仪所讨论的，当扫描光纤510由压电元件514致动时，其扫描出基本上球形表面512，也称为球形物体表面。因此，在反射离开具有由扫描光纤扫描出的表面的曲率半径的两倍的基本上球面反射器之后，从沿着由扫描光纤扫描出的表面的任何点发射的光将在从基本上球面反射器反射之后很好地准直。
由于光纤扫描器的底座邻近压电元件514，因而孔522处的扫描光纤510的偏转是小的，尽管在扫描光纤的尖端处的偏转是大的(例如，约20度)。当束从扫描光纤的尖端发射时，其扇出以形成如图5中所图示的光锥516。由基本上球面反射器530对光锥的准直提供具有比扫描光纤的直径大得多的直径的束，使得大多数反射光从反射镜520反射，其中，很少光在返回路径中穿过孔522。
在一些实施方式中，光纤扫描投影仪500的视场是扫描光纤510在振荡期间对向的弧的部分的函数。作为示例，如果扫描光纤扫过20度，则投影仪的视场是约20度。视场的增加可以通过增加光纤振荡的范围实现。在其他实施例中，有效视场的放大率可用于独立于光纤振荡的范围而增加视场。比较图2和5中的光纤扫描投影仪，鉴于作为起因于来自反射器530的反射的准直的结果与光纤扫描投影仪500相关联的视场被维持，光学组件部分130提供所图示的光学表面，该所图示的光学表面可以用于引入可以增加由投影仪产生的视场的放大率。作为示例，输出表面226的曲率的修改可以用于放大视场。
如本文中所图示的，本发明的实施例利用与通过球面物体平面和具有约球面物体平面的曲率的两倍的曲率的对应反射器的使用有关的设计。
图6A图示了根据本发明的可替代实施例的光纤扫描投影仪。图6A中的光纤扫描投影仪600包括穿过并且机械地耦合到压电元件605的扫描光纤610、第一偏振敏感反射器620、和第二偏振敏感反射器630。四分之一波片622与第一偏振敏感反射器集成。
在操作中，由扫描光纤610发射的光具有穿过第一偏振敏感反射器620和四分之一波片622的偏振。第二偏振敏感反射器630反射入射光，该入射光第二次穿过四分之一波片622，并且因此，从第一偏振敏感反射器620反射，因为光的偏振现在在正交方向上取向。在从第一偏振敏感反射器620反射之后，光穿过第二偏振敏感反射器630作为输出束640。如在图6A中所图示的，第二偏振敏感反射器630利用准直由扫描光纤610发射的光的曲率弯曲。因此，发散的输入束被转换为准直的输出束。
虽然图6A中所图示的光学元件图示为由空气间隙分离，例如，第一偏振敏感反射器620和第二偏振敏感反射器630由空气间隙G分离，但是这不由本发明要求。作为示例，可以利用固体层压部件，该固体层压部件包括第一偏振选择反射器、四分之一波片和第二偏振选择反射器并且从扫描光纤接收光，将光传送到层压弯曲反射器，进行偏振旋转，并且然后从第一偏振选择反射器反射光。因此，还可以包括屈光力的固体元件可以用于提供光的聚焦/散焦以及像差校正。
图6B是根据本发明的实施例的可替代光纤扫描投影仪。图6A中所图示的光纤扫描投影仪601与图6A中所图示的光纤扫描投影仪600共享一些相似性并且相对于图6A中提供的描述酌情适用于图6B中所图示的光纤扫描投影仪601。
参考图6B，光纤扫描投影仪601包括：扫描光纤610；被弯曲以提供准直的第一偏振敏感反射器621；以及是基本上平面的第二偏振敏感反射器631。四分之一波片与第一偏振敏感反射器集成。
在操作中，由扫描光纤610发射的光具有穿过第一偏振敏感反射器621和四分之一波片的偏振。第二偏振敏感反射器631反射入射光，该入射光第二次穿过四分之一波片，并且因此，从第一偏振敏感反射器621反射，因为光的偏振现在在正交方向上取向。在从在反射期间准直光的第一偏振敏感反射器621反射之后，光穿过第二偏振敏感反射器631作为输出束640。比较图6A和6B，图6A中所图示的折叠光路可以用如图6B中所图示的潜在更短的光路替换，但是具有准直的共同特征。
图6C是根据本发明的实施例的另一可替代光纤扫描投影仪。图6C中所图示的光纤扫描投影仪602与图5中所图示的光纤扫描投影仪500和图6A中所图示的光纤扫描投影仪600共享一些相似性并且相对于图5和6A提供的描述酌情适用于图6C中所图示的光纤扫描投影仪602。
在图6C中所图示的实施例中，扫描光纤610穿过弯曲反射镜650中的孔652。偏振选择反射器654在第一次通过期间朝向弯曲反射镜650反射光。通过将四分之一波片集成在光路中，光在从弯曲反射镜650反射和准直之后在第二次通过期间穿过偏振选择反射器654。图6C中所图示的实施例使能混合设计中的紧凑配置。
如由可选透镜656所图示的，本发明的实施例使得附加光学元件能够距组成光纤扫描投影仪的元件的显著距离放置。在该示例中，偏振选择反射器654的表面与透镜656之间的距离D提供例如适于插入视场放大器的工作距离。另外，给定由该实施例提供的适合的延长的工作距离，可以插入球面像差校正器。
图6D是根据本发明的实施例的又一可替代光纤扫描投影仪。图6D中所图示的光纤扫描投影仪与图5中所图示的光纤扫描投影仪500和图6A中所图示的光纤扫描投影仪共享一些相似性并且相对于图5和6A提供的描述酌情适用于图6D中所图示的光纤扫描投影仪603。
参考图6D，扫描光纤610穿过平面反射镜660中的孔662。弯曲偏振选择反射器664在第一次通过期间朝向平面反射镜660反射光。通过将四分之一波片集成在光路中，光在从弯曲偏振选择反射器664和平面反射器660反射并且由其准直之后在第二次通过期间穿过弯曲偏振选择反射器664。图6D中所图示的实施例也使能混合设计中的紧凑配置。
图7A是图示根据本发明的实施例的透镜化光纤尖端的示意图。如在图7A中所图示的，光纤710包括包层712和纤芯714。光纤可以被认为是沿着发射锥716发射光线的点光源。在图7A中所图示的实施例中，点光源被图示为在纵向上凹进在芯内。浅透镜表面718可以应用到如所图示的光纤的端部。可以以各种不同方式制造透镜表面718。作为示例，利用聚焦离子束(FIB)研磨的过程可以用于制造提供像差校正的低冲程透镜，如在图7A中所图示的。在一些实施例中，透镜表面718直接形成在光纤尖端上，然而，在其他实施例中，制造模具并且透镜与光纤尖端单独形成并且然后结合到光纤尖端。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
可以选择透镜表面718的曲率以移除起因于系统中的光学表面的球面像差，包括与图2A中所图示的准直表面224以及与其他表面相关联的球面像差。因此，通过由透镜表面718和其他表面提供的像差校正的组合，通过本发明的实施例提供高图像质量。利用如本文所讨论的扫描光纤设计，除了在显示器宽标度上执行光学校正之外，在每像素基础上执行光学校正是可能的。
图7B是图示根据本发明的另一实施例的透镜化光纤尖端的示意图。除了像差校正之外，如通过图7B中所图示的正透镜720的使用所图示的，本发明的实施例使能从光纤尖端发射的光的聚焦。透镜720可以直接在光纤尖端上制造(例如，使用FIB研磨过程)或者可以与光纤尖端单独模制并且然后结合到光纤尖端。在该示例中，发射锥722由透镜720聚焦以形成聚焦锥724。透镜720的强度可以使得光不聚焦，但是与发射锥722相关联的光线的扩散降低。
图7C是图示根据本发明的可替代实施例的透镜化光纤尖端的示意图。除了像差校正和聚焦之外，如通过图7C中所图示的负透镜730的使用所图示的，本发明的实施例使能从光纤尖端发射的光的散焦。透镜730可以直接在光纤尖端上制造(例如，使用FIB研磨过程)或者可以与光纤尖端单独模制并且然后结合到光纤尖端。在该示例中，发射锥732由透镜730散焦以形成发散锥734。因此，一些实施例使得数值孔径能够经由光纤尖端上的发散透镜的使用而增加。
与常规光学系统(例如将LCD成像到图像平面中)相比，光纤扫描系统可以修改像素的特性并且改变由光纤发射的斑点尺寸，该常规光学系统由贯穿系统将光学不变量维持为常量的拉格朗日不变量约束。通过利用图7B和7C中所图示的透镜，可以完成像素尺寸的修改，例如，通过增加数值孔径、减小像素尺寸并且减小成像斑尺寸有效地减小模场直径。
例如，可以组合图7A-7C中所图示的光学效应以提供透镜尖端，该透镜尖端校正球面像差并且聚焦发射光、校正球面像差并且散焦发射光、校正球面像差同时提供具有纤芯附近的凸区域和光纤的外围附近的凹区域的透镜等。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
还应当理解，本文所描述的示例和实施例仅出于说明性目的并且根据其的各种修改或改变将被暗示给本领域的技术人员并且将被包括在本申请的精神和范围和随附的权利要求的范围之内。

Claims (14)

1.一种投影仪，包括：
扫描光源，其限定凸物体表面，其中，所述凸物体表面是基本上球形的并且通过曲率半径表征；以及
光学组件部分，其可操作以从所述扫描光源接收光，其中，所述光学组件部分包括：
棱镜元件；
在界面处耦合到所述棱镜元件的准直元件，其中，所述准直元件包括反射表面，所述反射表面通过所述曲率半径的近似两倍的第二曲率半径表征；
四分之一波片；以及
设置在所述界面处的偏振分束器。
2.根据权利要求1所述的投影仪，其中，所述扫描光源包括扫描波导源。
3.根据权利要求2所述的投影仪，其中，所述扫描波导源包括光纤扫描元件，所述光纤扫描元件包括压电致动器以及机械地耦合到所述压电致动器的扫描光纤。
4.根据权利要求2所述的投影仪，其中，所述扫描波导源包括微机电系统(MEMS)元件，所述微机电系统包括悬臂波导。
5.根据权利要求2所述的投影仪，其中，所述扫描波导源包括波导尖端，所述波导尖端可操作以在振荡期间扫过所述凸物体表面。
6.一种光纤扫描投影仪，包括：
压电元件；
扫描光纤，其机械地耦合到所述压电元件，其中，所述扫描光纤的输出表面限定凸物体表面，所述凸物体表面是基本上球形的并且通过曲率半径表征；以及
光学组件部分，其可操作以从所述扫描光纤接收光，其中，所述光学组件部分包括：
棱镜元件；
在界面处耦合到所述棱镜元件的准直元件，其中，所述准直元件包括准直反射表面，所述准直反射表面通过所述凸物体表面的曲率半径的近似两倍的曲率半径表征；
四分之一波片；以及
设置在所述界面处的偏振分束器。
7.根据权利要求6所述的光纤扫描投影仪，其中，所述四分之一波片被设置在所述偏振分束器与所述准直反射表面之间。
8.根据权利要求6所述的光纤扫描投影仪，其中，所述棱镜元件光学地结合到所述准直元件。
9.根据权利要求6所述的光纤扫描投影仪，其中，所述扫描光纤穿过所述压电元件。
10.根据权利要求6所述的光纤扫描投影仪，其中，所述棱镜元件包括具有非平面曲率的输入表面。
11.根据权利要求6所述的光纤扫描投影仪，其中，所述准直元件包括具有非平面曲率的输出表面。
12.根据权利要求6所述的光纤扫描投影仪，还包括位于在所述光学组件部分的出射光瞳处的波导显示器。
13.一种光纤扫描投影仪，包括：
压电元件；
扫描光纤，其穿过并且机械地耦合到所述压电元件，其中，所述扫描光纤沿着光路发射光，并且所述扫描光纤的输出表面限定凸物体表面；
反射镜，其包括孔，其中，所述扫描光纤穿过所述孔；以及
准直反射镜，其沿着所述光路设置并且通过所述凸物体表面的曲率半径的近似两倍的曲率半径表征。
14.根据权利要求13所述的光纤扫描投影仪，其中，所述准直反射镜以与所述光路成近似45°的角度设置。
CN201880019638.6A 2017-03-21 2018-03-21 用于光纤扫描投影仪的方法和系统 Active CN110446963B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111337897.3A CN114326278A (zh) 2017-03-21 2018-03-21 用于光纤扫描投影仪的方法和系统

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762474461P 2017-03-21 2017-03-21
US62/474,461 2017-03-21
PCT/US2018/023505 WO2018175542A1 (en) 2017-03-21 2018-03-21 Method and system for fiber scanning projector

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111337897.3A Division CN114326278A (zh) 2017-03-21 2018-03-21 用于光纤扫描投影仪的方法和系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110446963A CN110446963A (zh) 2019-11-12
CN110446963B true CN110446963B (zh) 2021-11-16

Family

ID=63581034

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880019638.6A Active CN110446963B (zh) 2017-03-21 2018-03-21 用于光纤扫描投影仪的方法和系统
CN202111337897.3A Pending CN114326278A (zh) 2017-03-21 2018-03-21 用于光纤扫描投影仪的方法和系统

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111337897.3A Pending CN114326278A (zh) 2017-03-21 2018-03-21 用于光纤扫描投影仪的方法和系统

Country Status (9)

Country Link
US (2) US11022793B2 (zh)
EP (1) EP3602167A4 (zh)
JP (3) JP7071993B2 (zh)
KR (2) KR102661322B1 (zh)
CN (2) CN110446963B (zh)
AU (1) AU2018239353C1 (zh)
CA (1) CA3056787A1 (zh)
IL (2) IL269095B2 (zh)
WO (1) WO2018175542A1 (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019195390A1 (en) * 2018-04-03 2019-10-10 Magic Leap, Inc. Waveguide display with cantilevered light scanner
WO2020006008A1 (en) 2018-06-26 2020-01-02 Magic Leap, Inc. Raster scanned projector with microelectromechanical system scanner
WO2020069400A1 (en) 2018-09-28 2020-04-02 Magic Leap, Inc. Projector integrated with a scanning mirror
CN117850037A (zh) * 2018-09-28 2024-04-09 奇跃公司 带有准直扫描镜的投影系统
US11698526B2 (en) * 2019-02-08 2023-07-11 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Multi-channel optical system
CN109799609B (zh) * 2019-03-26 2022-05-17 成都理想境界科技有限公司 一种光纤扫描器及投影设备
GB201909179D0 (en) * 2019-06-26 2019-08-07 Wave Optics Ltd Pupil relay system
CN112394605B (zh) * 2019-08-14 2021-10-29 成都理想境界科技有限公司 一种扫描投影方法、拼接式的扫描投影装置及设备
US20220342216A1 (en) * 2019-09-16 2022-10-27 Lumus Ltd. Compact projector for head-mounted displays
US11592676B2 (en) 2020-04-20 2023-02-28 Lumus Ltd. Near-eye display with enhanced laser efficiency and eye safety
CN111474715A (zh) * 2020-04-23 2020-07-31 歌尔股份有限公司 光学系统及增强现实设备
US11360294B2 (en) 2020-05-15 2022-06-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical sensor
US11726326B1 (en) * 2020-06-11 2023-08-15 Meta Platforms Technologies, Llc Wedge light guide
EP4052081A1 (de) * 2020-06-22 2022-09-07 vhf elektronik GmbH Reflexvisier für eine handfeuerwaffe
US11841503B2 (en) * 2021-02-19 2023-12-12 Rockwell Collins, Inc. Efficiency of catadioptric system by means of recycling polarized light
US12025698B2 (en) 2021-03-29 2024-07-02 Rockwell Collins, Inc. Enhanced human machine interface for storm growth rate
CN114911052B (zh) * 2022-06-07 2024-03-26 西安应用光学研究所 一种光学扫描装置及控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5886822A (en) * 1996-10-08 1999-03-23 The Microoptical Corporation Image combining system for eyeglasses and face masks
US9523852B1 (en) * 2012-03-28 2016-12-20 Rockwell Collins, Inc. Micro collimator system and method for a head up display (HUD)

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5584696A (en) * 1994-07-28 1996-12-17 Evans & Sutherland Computer Corp. Hang gliding simulation system with a stereoscopic display and method of simulating hang gliding
JPH09211277A (ja) * 1996-01-31 1997-08-15 Asahi Optical Co Ltd 光結像装置
US6302100B1 (en) * 1996-06-12 2001-10-16 Leonard Vandenberg System for collimating and concentrating direct and diffused radiation
JP3716625B2 (ja) * 1997-09-18 2005-11-16 コニカミノルタホールディングス株式会社 映像観察装置及びカメラ及び映像観察システム
JPH11326816A (ja) * 1998-05-13 1999-11-26 Minolta Co Ltd 走査型映像観察光学系
JP2000310743A (ja) 1998-05-22 2000-11-07 Olympus Optical Co Ltd 光走査装置およびこれを用いた光走査型共焦点光学装置
EP1242844B1 (en) 1999-10-29 2004-12-29 Microvision, Inc. Scanned display with pinch, timing, and distortion correction
JP4668392B2 (ja) 2000-07-26 2011-04-13 オリンパス株式会社 光走査光学系および内視鏡
US7616986B2 (en) * 2001-05-07 2009-11-10 University Of Washington Optical fiber scanner for performing multimodal optical imaging
WO2003073152A1 (fr) * 2002-02-26 2003-09-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Element optique et dispositif de tete optique associe, dispositif d'information optique utilisant ce dispositif de tete optique, ordinateur, lecteur de disques optiques, systeme de navigation automobile, enregistreur et serveur de disques optiques faisant appel a ce dispositif d'information optique
US6702442B2 (en) 2002-03-08 2004-03-09 Eastman Kodak Company Monocentric autostereoscopic optical apparatus using resonant fiber-optic image generation
US6899440B2 (en) * 2002-05-17 2005-05-31 Infocus Corporation Polarized light source system with mirror and polarization converter
JP4819354B2 (ja) * 2004-12-21 2011-11-24 キヤノン株式会社 画像表示装置
JP2007010830A (ja) * 2005-06-29 2007-01-18 Nikon Corp 画像表示光学系及び画像表示装置
US7529029B2 (en) * 2005-07-29 2009-05-05 3M Innovative Properties Company Polarizing beam splitter
US7324196B2 (en) * 2006-04-13 2008-01-29 Neil Goldstein Spectral encoder
US7706646B2 (en) * 2007-04-24 2010-04-27 Tomophase Corporation Delivering light via optical waveguide and multi-view optical probe head
US8705184B2 (en) * 2007-11-12 2014-04-22 Cornell University Multi-path, multi-magnification, non-confocal fluorescence emission endoscopy apparatus and methods
US8553337B2 (en) 2007-11-12 2013-10-08 Cornell University Multi-path, multi-magnification, non-confocal fluorescence emission endoscopy apparatus and methods
US8760765B2 (en) * 2012-03-19 2014-06-24 Google Inc. Optical beam tilt for offset head mounted display
KR102274413B1 (ko) * 2013-01-15 2021-07-07 매직 립, 인코포레이티드 초고해상도 스캐닝 섬유 디스플레이
AU2014354673B2 (en) * 2013-11-27 2019-04-11 Magic Leap, Inc. Virtual and augmented reality systems and methods
JP6369017B2 (ja) * 2013-12-03 2018-08-08 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
US10126552B2 (en) * 2015-05-18 2018-11-13 Rockwell Collins, Inc. Micro collimator system and method for a head up display (HUD)
IL292858B2 (en) * 2015-06-15 2023-12-01 Magic Leap Inc Virtual and augmented reality systems and methods
EP3671317B1 (en) * 2015-07-20 2021-11-10 Magic Leap, Inc. Collimating fiber scanner design with inward pointing angles in virtual/augmented reality system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5886822A (en) * 1996-10-08 1999-03-23 The Microoptical Corporation Image combining system for eyeglasses and face masks
US9523852B1 (en) * 2012-03-28 2016-12-20 Rockwell Collins, Inc. Micro collimator system and method for a head up display (HUD)

Also Published As

Publication number Publication date
EP3602167A4 (en) 2020-03-04
JP7071993B2 (ja) 2022-05-19
AU2018239353B2 (en) 2022-12-22
AU2018239353C1 (en) 2023-03-30
EP3602167A1 (en) 2020-02-05
US20180275396A1 (en) 2018-09-27
CA3056787A1 (en) 2018-09-27
US20210325662A1 (en) 2021-10-21
AU2018239353A1 (en) 2019-09-19
IL269095B2 (en) 2023-12-01
JP7387797B2 (ja) 2023-11-28
CN114326278A (zh) 2022-04-12
KR102661322B1 (ko) 2024-04-25
JP2024014947A (ja) 2024-02-01
KR20240059636A (ko) 2024-05-07
KR20190126414A (ko) 2019-11-11
IL269095A (en) 2019-11-28
JP2020514828A (ja) 2020-05-21
WO2018175542A1 (en) 2018-09-27
US11022793B2 (en) 2021-06-01
JP2022089911A (ja) 2022-06-16
IL304108A (en) 2023-09-01
CN110446963A (zh) 2019-11-12
IL269095B1 (en) 2023-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110446963B (zh) 用于光纤扫描投影仪的方法和系统
JP6308630B2 (ja) 指向性照明導波路配置
US6989935B2 (en) Optical arrangements for head mounted displays
US11353705B2 (en) Glasses-type display apparatus
TW201802536A (zh) 具有包含複數個顯示器裝置之邊緣成像鏡片之增強／虛擬實境近眼顯示器
US11460628B2 (en) Projector integrated with a scanning mirror
JP2004145367A (ja) 画像表示装置
CN111142256A (zh) 一种vr光学显示模组及显示设备
CN113811807A (zh) 眼镜型显示装置
US20220050286A1 (en) Beam scanner with pic input and display based thereon
US20210278686A1 (en) Method and system for fiber scanning projector with angled eyepiece
JPH11352903A (ja) 画像表示装置
US20240069348A1 (en) Light projector module
CN117642675A (zh) 用于眼镜的显示系统
CN117178214A (zh) 包括具有二维扩展的光导光学元件的显示器
KR20070004573A (ko) 헤드 장착 디스플레이들용 광학 장치들
KR20000003379A (ko) 단판식 헤드 마운트 디스플레이

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant