CN112771437A - 带有准直扫描镜的投影系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种适合用于虚拟或增强现实头戴装置的显示组件，该显示组件包括以下项：耦入光栅；扫描镜，其被配置为绕两个或更多个不同的旋转轴旋转；光学元件；以及多个光纤，每个光纤具有光发射端，该光发射端设置在耦入光栅和扫描镜之间，并且取向为使得从光发射端发射的光通过光学元件的至少一部分折射，接着从扫描镜反射，然后通过光学元件折射回来，并进入耦入光栅。扫描镜可以构建在MEMS类型的架构上。

Description

带有准直扫描镜的投影系统

相关申请的交叉引用

本申请主张2018年9月28日提交的题为“PROJECTION SYSTEM WITH COLLIMATINGSCANNING MIRROR(带有准直扫描镜的投影系统)”的美国临时专利申请62/738,722的优先权，该申请的全部公开内容在此纳入作为参考。

背景技术

现代计算和显示技术促进了用于虚拟或增强现实体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其一部分以看起来或可被感知为真实的方式呈现给观看者。虚拟现实或“VR”场景一般涉及呈现对其他实际的真实世界视觉输入不透明的数字或虚拟图像信息，增强现实或“AR”场景一般涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对观看者周围实际世界的可视化的增强。

尽管这些显示技术已经取得进展，但是本领域仍然需要与增强现实系统，尤其是显示系统相关的改进的方法和系统。

发明内容

本公开描述了与可穿戴增强现实设备的显示组件有关的各种实施例。特别地，描述了高度小型化的显示组件，这些显示组件远小于包括通过硅上液晶或数字微镜器件技术制成的2D焦平面阵列光调制器的显示组件。

公开了一种显示组件，其包括以下项：耦入光栅；扫描镜，其被配置为绕两个或更多个不同的旋转轴旋转；光学元件；以及多个光纤，所述多个光纤中的每个光纤具有光发射端，所述光发射端设置在所述耦入光栅和所述扫描镜之间，并且取向为使得从所述光发射端发射的光通过所述光学元件的至少一部分折射，从所述扫描镜反射，通过所述光学元件折射回来，并进入所述耦入光栅。

公开了另一显示组件，其包括以下项：耦入光栅；扫描镜；光学元件；以及光纤，所述光纤具有设置在所述耦入光栅和所述扫描镜之间的光发射端，所述光发射端被取向为使得从所述光发射端发射的光通过所述光学元件的至少一部分折射，从所述扫描镜反射，通过所述光学元件折射回来，并进入所述耦入光栅。

公开了一种增强现实设备，其包括以下项：光学透明的目镜，其被配置为将光投射到用户的眼睛中，所述目镜包括被配置为接收光的耦入光栅；扫描镜，其被配置为绕两个或更多个不同的旋转轴旋转；光学元件；以及多个光纤，所述多个光纤中的每个光纤具有光发射端，所述光发射端设置在所述耦入光栅和所述扫描镜之间，并且被取向为使得从所述光发射端发射的光通过所述光学元件的至少一部分折射，从所述扫描镜反射，通过所述光学元件折射回来，并进入所述耦入光栅。

公开了一种光学扫描组件，其包括以下项：扫描镜；以及单晶衬底。所述单晶衬底包括外围区域；以及镜支撑区域，其通过第一挠性件(flexure)和第二挠性件耦合到所述外围区域，所述镜支撑区域被配置为相对于所述外围区域绕所述第一和第二挠性件限定的第一旋转轴旋转，所述镜支撑区域包括耦合到所述扫描镜的镜支撑结构。所述光学扫描组件还包括永磁体，其发射第一磁场并耦合到所述单晶衬底；以及电磁线圈，其设置在所述镜支撑区域上，并且被配置为发射与所述第一磁场相互作用以引起所述镜支撑区域绕所述第一旋转轴旋转的第二磁场。

公开了另一光学扫描组件，其包括以下项：平面衬底，其包括外围区域；以及镜支撑区域，其通过第一挠性件和第二挠性件耦合到所述外围区域，所述镜支撑区域被配置为相对于所述外围区域绕所述第一和第二挠性件限定的旋转轴旋转。所述光学扫描组件还包括扫描镜，其耦合到所述镜支撑区域的中心部分；永磁体，其发射第一磁场并耦合到所述平面衬底；以及电磁线圈，其设置在所述镜支撑区域的外围部分上，并且被配置为发射与所述第一磁场相互作用以引起所述镜支撑区域绕所述旋转轴旋转的第二磁场。

公开了一种增强现实设备，其包括以下项：光学透明的目镜，所述光学透明的目镜被配置为将光投射到用户的眼睛中，所述光学透明的目镜包括被配置为接收光的耦入光栅；以及耦合到所述目镜的光学扫描组件。所述光学扫描组件包括：平面衬底，其包括外围区域；以及镜支撑区域，其通过第一挠性件和第二挠性件耦合到所述外围区域，所述镜支撑区域被配置为相对于所述外围区域绕所述第一和第二挠性件限定的旋转轴旋转。所述光学扫描组件还包括扫描镜，其耦合到所述镜支撑区域的中心部分；永磁体，其发射第一磁场并耦合到所述平面衬底；以及电磁线圈，其设置在所述镜支撑区域的外围部分上，并且被配置为发射与所述第一磁场相互作用以引起所述镜支撑区域绕所述旋转轴旋转的第二磁场。所述增强现实设备还包括发光组件，所述发光组件被配置为朝着所述扫描镜引导光，使得所述光从所述扫描镜朝着所述耦入光栅反射并进入所述耦入光栅。

公开了一种操作具有耦入光栅、光学元件和扫描镜的显示组件的方法，所述方法包括以下步骤：从光纤发射成像调制光。所述方法还包括通过所述光学元件的至少一部分折射所发射的成像调制光以提供输入光束。所述方法进一步包括从所述扫描镜反射所述输入光束以提供扫描光束。所述方法进一步包括通过所述光学元件的至少一部分折射所述扫描光束以提供折射的输入光。所述方法进一步包括将所折射的输入光耦合到所述耦入光栅中。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，所述附图以示例的方式示出了所描述的实施例的原理。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，很容易理解本公开，其中，相同的参考标号表示相同的结构元件，并且其中：

图1示出了根据本发明的实施例的示例性增强现实系统；

图2示出了根据本发明的实施例的包括光学组件的示例性配置的俯视图；

图3A示出了适合用作图2所示的光学组件的光学扫描仪的透视图；

图3B示出了根据本发明的实施例的光学扫描仪的一部分的透视图；

图3C示出了图3B所示的光学扫描仪的镜支撑区域的挠性件的一部分的放大视图；

图3D示出了根据本发明的实施例的图3A所示的光学扫描仪的替代配置，其中镜支撑区域的旋转由压电致动器驱动；

图3E示出了图3D所示的压电致动器之一的放大视图，以说明压电致动器上的电极的一种可能的布置；

图3F示出了根据本发明的实施例的描述用于操作光学扫描仪的方法的框图；

图4A示出了图3A至图3C所示的光学扫描仪的朝下一侧的透视图；

图4B示出了图3A至图3C所示的光学扫描仪的截面图；

图4C示出了图4A至图4B所示的光纤中的一个示例性光纤的截面侧视图；

图5A示出了根据本发明的实施例的采取第一配置的光学扫描仪的元件的截面图；

图5B示出了根据本发明的实施例的采取第二配置的图5A所示的光学扫描仪的截面图；

图5C示出了根据本发明的实施例的采取第三配置的图5A所示的光学扫描仪的截面图；

图6A示出了根据本发明的实施例的采取第一配置的另一光学扫描仪的截面图；

图6B示出了根据本发明的实施例的采取第二配置的图6A所示的光学扫描仪的截面图；

图6C示出了根据本发明的实施例的采取第三配置的图6A所示的光学扫描仪的截面图；

图7A示出了根据本发明的实施例的光学扫描仪的透视图，其中光学元件位于扫描镜的相对侧上；

图7B示出了图7A所示的光学扫描仪的截面图；以及

图7C示出了光学组件的俯视图，其中图7A至图7B所示的光学扫描仪结合到增强现实显示组件中。

具体实施方式

在本节中描述了根据本申请的方法和装置的代表性应用。提供这些示例只是为了增加上下文并帮助理解所描述的实施例。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有部分或全部这些具体细节的情况下实践所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的处理步骤，以避免不必要地混淆所描述的实施例。其他应用也是可能的，因此以下示例不应被视为限制。

在下面的详细描述中，参考了附图，这些附图形成了描述的一部分，并且其中以图示的方式示出了根据所描述的实施例的特定实施例。尽管足够详细地描述了这些实施例以使本领域技术人员能够实践所描述的实施例，但是应当理解，这些示例不是限制性的；因此，在不脱离所描述的实施例的精神和范围的情况下，可以使用其他实施例，并且可以进行改变。

图像生成组件对于虚拟和增强现实设备的性能很重要。图像生成组件还会占用空间并利用系统能量的很大一部分。解决这两个问题的一种方法是使用微机电系统(MEMS)技术构建图像生成组件。具体地，本公开描述了一种构建在单晶衬底上的光学扫描仪配置。

光学扫描仪可以包括结合到单晶衬底中的扫描组件，该扫描组件包括被配置为绕两个正交轴旋转以执行光栅扫描的扫描镜。绕其中一个轴的旋转可通过位于单晶衬底的镜支撑区域上的电磁体与位于镜的相对侧上的永磁体产生的持续磁场之间的相互作用来引起。可通过一个或多个光纤将光传送到扫描镜，所述光纤包括被配置为将光引向扫描镜的光发射端。在一些实施例中，由光纤发射的光在到达扫描镜之前通过光学元件折射。在被扫描镜反射之后，光先返回光学元件，然后被增强现实设备的耦入光栅接收。光学元件可以在光被耦入光栅接收之前帮助准直该光。

在一些实施例中，可以利用双面扫描镜并将其定位在两个光学元件之间，使得扫描镜能够扫描在两个不同的方向上被接收和发射的光。以此方式，可以将光传递到两组不同的衍射光学器件中，或者替代地，可以向外发射沿其中一个方向发射的光，以帮助表征增强现实设备的用户周围的环境。

这些和其他实施例在下面参考图1至图7C进行讨论；然而，本领域技术人员将容易理解，本文关于这些附图给出的详细描述仅用于说明目的，而不应被解释为限制。

图1示出了根据本发明的实施例的示例性增强现实系统100。如图1所示，系统100包括增强现实头戴装置102、手持式控制器104和辅助单元106。增强现实头戴装置102包括左(用户的左侧)透明波导组目镜(下文称为“左目镜”)108和右透明波导组目镜(下文称为“右目镜”)110。目镜108、110中的每一个包括表面衍射光学元件，用于控制成像调制光的流动。目镜108和110通过光学框架111固定在位。左目镜108包括左耦入光栅112、左正交光瞳扩展(OPE)光栅114和左出射(输出)光瞳扩展(EPE)光栅116。类似地，右目镜110包括右耦入光栅118、右OPE光栅120和右EPE光栅122。成像调制光经由耦入光栅112、118，OPE 114、120和EPE 116、122传递到用户的眼睛。或者，代替耦入光栅112、118，OPE光栅114、120和EPE光栅116、122，目镜108、110可以包括折射和反射特征，用于控制成像调制光到用户眼睛的耦合。尽管一些元件在此被称为光栅，例如左耦入光栅112、左OPE光栅114、左EPE光栅116、右耦入光栅118、右OPE光栅120和右EPE光栅122，但是应当理解，本发明不限于作为衍射结构的光栅，也可以使用其他衍射光学元件作为光栅的补充或替代。然而，本文对光栅(为清楚起见而被引用)的引用应被理解为涵盖其他衍射光学元件。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

左成像调制光源124通过左耦入光栅组112光学耦合到左目镜108中，右成像调制光源126通过右耦入光栅118光学耦合到右目镜110中。耦入光栅组112、118使来自成像调制光源124、126的光偏转高于对于目镜108、110的全内反射(TIR)的临界角的角度。OPE光栅组114、120使通过TIR传播的光逐渐向下偏转到EPE光栅组116、122。EPE光栅组116、122朝着包括用户眼睛瞳孔的用户脸部逐渐耦出光。目镜108、110中的每一个包括用于处理不同颜色分量的多个波导平面，并且配备有具有不同光栅线曲率的EPE光栅组116、122，以便将不同的波前曲率(对应于不同的虚像距离)赋予成像调制光。

辅助单元106可以包括电池以向操作系统100提供能量，并且可以包括用于执行程序以操作系统100的处理器。在一些实施例中，处理器或另一辅助处理器可以采取控制器的形式，其被配置为执行一个或多个反馈控制操作以帮助维持对电子设备100的显示组件的控制。如图所示，辅助单元106包括夹子128，用于将辅助单元106附接到用户的皮带上。替代地，辅助单元106可以具有不同的形状因数。

增强现实头戴装置102还包括左镜腿130和右镜腿132。左镜腿130包括左镜腿扬声器端口134，右镜腿132包括右镜腿扬声器端口136。手持控制器104包括手柄部分146和包括多个按钮150的顶部148。辅助单元106通过电缆152连接到头戴装置102，电缆152例如可以包括电线和光纤。也可以在辅助单元106和头带102之间使用无线连接。

图2示出了根据本发明的实施例的展示包括光学组件200的示例性配置的俯视图。光学组件200包括固定到目镜110的后表面上的光学扫描仪202。通过以此方式定向光学扫描仪202，可以减小光学堆叠的总厚度。光学扫描仪202被示出为通过机械支撑结构204固定到目镜110。在一些实施例中，机械支撑结构204可以替代地固定到光学框架111，以避免机械支撑结构204和目镜110之间的不利相互作用。在一些实施例中，可以将光学反射材料固定在机械支撑结构204和目镜110之间，以减少光过早地从目镜110耦出的情况。光可以通过一个或多个光纤206传输到光学扫描仪202。来自光纤206的光可以通过光学扫描仪202内的光学器件，以预定扫描模式被引向目镜110。然后，通过耦入光栅118接收预定模式并将其发射到目镜110。

图3A示出了光学扫描仪202的透视图。光学扫描仪202包括位于单晶衬底306相对侧的永磁体302和304。支撑层307可以直接位于单晶衬底306的下方。永磁体304和306发射具有相同取向的永磁场，这些永磁场形成跨单晶衬底306的至少一部分的磁场。该磁场被配置为与位于单晶衬底306上的电磁线圈308发射的移位磁场相互作用。该磁场和移位磁场之间的相互作用引起镜支撑区域310绕旋转轴312旋转，镜支撑区域310通过挠性件314-1和314-2附接到单晶衬底306的外围区域。以此方式，耦合到镜支撑区域310的扫描镜316可以绕旋转轴312旋转。在一些实施例中，旋转轴312被称为慢速旋转轴。应当注意，还示出了被配置为向光学扫描仪202提供光的光纤404，这些光纤404延伸穿过由支撑层307限定的通道。有关光纤404的其他视图和细节可以在随附图4A的描述中找到。

图3B示出了光学扫描仪202的一部分的透视图，其中示出了附接到单晶衬底306上的镜支撑区域310。具体地，示出了跨挠性件314-2延伸的压电膜318。以此方式，设置在镜支撑区域310上的压电膜318的一部分可以电耦合到一个或多个电接触320。如图所示，压电膜318跨镜支撑区域310延伸。通过向压电膜318发送电脉冲，压电膜318的S形几何形状向单晶材料的条带322施加力324，条带322跨镜支撑区域310限定的中心开口的相对侧延伸。向单晶材料的条带322施加力324引起单晶材料条322的偏转。条带322的偏转将力324的至少一部分传递到镜支撑结构328的臂326，臂326又将力324的至少一部分传递到扫描镜316。

当施加力324的频率与镜支撑结构328的固有频率相匹配时，可以引起扫描镜316以固有频率绕第二旋转轴330旋转。通常，绕第二轴的旋转频率远高于绕第一旋转轴312的旋转频率，从而允许扫描镜316以光栅扫描模式引导在扫描镜316处接收的光。在一些实施例中，第二旋转轴330被称为快速旋转轴，因为第二旋转轴330通常具有远高于慢速旋转轴的频率以实现光栅扫描型扫描模式。

图3B还示出了放大视图，其中示出了导电路径332如何穿过压电膜318以及在压电膜318上方延伸。压电膜318使得导电路径332与构成电磁线圈308的导电路径电绝缘。导电路径332可以与传感器区域334耦合，该传感器区域可被配置为感测施加到单晶材料条带322上的力324，以便跟踪镜支撑结构328绕旋转轴330的旋转。由传感器区域334提供的移动跟踪可以允许对输入进行反馈控制，从而允许调制发送到压电膜318的信号，以实现绕旋转轴330的所需旋转速率。图3B还示出了如何在附接点336处将扫描镜316附接到镜支撑结构328的相对侧上。虽然仅示出了两个附接点336，但是应当理解，可以使用更多数目的附接点来使扫描镜316的旋转保持稳定且可控。

图3C示出了挠性件314-2的一部分的放大视图，其中去除了许多导电路径和压电膜以显示挠性件314-2如何支撑惠斯通(Wheatston)或平衡桥传感器组件338。平衡桥传感器组件338可以包括四个不同的传感器340，这些传感器采取应变仪或压电电阻器的形式。传感器340的差分读数可用于精确地测量挠性件314-2经受的扭曲量。通过测量挠性件314-2的扭曲量，可以测量镜支撑区域310绕旋转轴312的旋转的精确测量值。

图3C还示出了镜支撑区域310的厚度如何不同于单晶衬底306的一部分的厚度。在所示的实施例中，挠性件314-2具有厚度335，镜支撑区域310具有厚度331，厚度331小于单晶衬底306的厚度333。尽管挠性件314-1的厚度335在图3C中示出为等于镜支撑区域310的厚度331，但是在各个实施例中，厚度335可以小于厚度331，等于厚度331，或者大于厚度331。以此方式，可以设定镜支撑区域310的厚度331以及挠性件314-1和314-2的厚度，以获得期望的阻力，从而允许实现绕旋转轴312的期望旋转速率和幅度。应当注意，在一些实施例中，镜支撑区域310的厚度331可以等于或大于单晶衬底306的厚度333。

图3D示出了光学扫描仪202的替代配置，其中镜支撑区域310绕旋转轴312的旋转由压电致动器342代替图3A所示的电磁致动器来驱动。压电致动器342中的每一个可以具有螺旋几何形状，该螺旋几何形状被配置为响应于穿过布置在压电致动器342中的每一个上的一层压电膜的电能而相对于镜支撑区域310上下伸缩(即，沿着与镜支撑区域310正交并且与旋转轴312和330正交的轴343)。当电能穿过压电致动器342的压电膜时，所导致的压电膜的收缩和膨胀引起压电致动器342的伸缩以适应膨胀和收缩。这种伸缩作用在界面344处向镜支撑区域310施加了垂直力(即，沿着轴343)。应当注意，尽管针对压电致动器342示出了圆形螺旋几何形状，但是应当理解，正方形、矩形、椭圆形或其他合适的螺旋几何形状也是可能的。因此，在一个实施例中，压电致动器342使得界面344相对于固定到衬底306的压电致动器342的中心而升高和降低。

与光学扫描仪202的该配置相关联的控制器可被配置为同步指向压电致动器342-1和342-2的并发(concurrent)电能脉冲的传输，并且还同步指向压电致动器342-3和342-4的并发电能脉冲的传输。发送到成对的压电致动器342的并发电能脉冲的速率和强度可以指示镜支撑结构310绕旋转轴312的旋转的速率和幅度。在一些实施例中，控制器还可被配置为建立成对的压电致动器342的致动之间的微小偏移。以此方式，除了引起绕旋转轴312旋转之外，压电致动器342还可以至少部分地引起扫描镜316绕旋转轴330旋转。由于扫描镜316绕旋转轴330的旋转被设定在固有频率，因此，一旦以固有频率建立，压电致动器342的这种偏移致动就足以维持绕旋转轴330的旋转。

图3E示出了压电致动器342-2的放大视图，以说明压电致动器342-2上的电极的一种可能的布置。具体地，电极346被示出为以叉指状配置布置。压电致动器342-2的环的一部分的放大视图示出了电极346-1如何从环的第一侧突出，以及电极346-2如何从环的第二侧突出。尽管可以将电能施加到任一侧，但是出于示例性目的，电极346-1将接收电流，而电极346-2将充当接地。通过电极346-1输入的电流作为电场穿过压电膜348，以到达电极346-2中的相邻电极，从而允许电场被吸收并允许所产生的电流接地。当以此方式向叉指电极阵列施加电势时，压电膜348振荡，形成具有已知速度的横向波，以传播通过压电膜348，从而导致压电致动器342-2的伸缩运动。与更常规的电极配置相比，这种叉指状配置可提供更大的输出量。然而，其他电极配置也是可能的，并且被认为在本公开的范围内。

图3F示出了框图350，其中显示了用于操作光学扫描仪的方法。在352处，激活第一致动器以引起镜支撑区域绕第一旋转轴的旋转。第一致动器可以采取多种形式。例如，第一致动器可以采取安装在镜支撑区域上的永磁体和电磁线圈的形式。在这种配置中，电磁线圈缠绕在镜支撑区域的外围，并且被配置为发射移位磁场或通量，该位移磁场或通量通过与光学扫描仪的一个或多个永磁体所发射的磁场相互作用来引起镜支撑区域的旋转。替代地，第一致动器可以采取位于镜支撑区域的相对端的多个压电致动器的形式。压电致动器可各自具有由用于形成镜支撑区域的同一单晶衬底限定的螺旋几何形状。在该配置中，形成螺旋几何形状的材料与形成镜支撑区域的材料一体地形成，从而实现压电致动器和镜支撑区域之间的牢固机械耦合。压电膜可以覆盖每个压电致动器，这样当通过沿构成螺旋几何形状的环间隔开的电极向压电致动器施加电脉冲时，就会以所需的速度和幅度感应出横向波，从而引起构成压电致动器的螺旋几何形状的同心环的伸缩。

在354处，可以监视镜支撑区域绕第一旋转轴的旋转的幅度和/或速率。在一些实施例中，可以由类似于图3C所示的传感器组件338定位的第一传感器组件来执行监视。例如，第一传感器组件可被定位在图3A至图3C中描述的挠性件314-1和314-2中的一个或全部两个处。替代地，第一传感器组件可以定位在图3D和图3E中描述的界面344中的一个或多个处。通过监视被配置为测量挠性件或界面(镜支撑区域被配置为绕其旋转)内的应变的传感器，第一传感器组件可以确定镜支撑区域绕第一旋转轴的旋转的幅度和/或速率。

在一些实施例中，第一传感器组件可以仅由单个应变传感器构成，而在其他实施例中，第一传感器组件中可以包括应变测量传感器的阵列。应变传感器可以采取多种形式，其中包括应变仪和压电电阻器。来自这些应变传感器的读数可被用于执行反馈控制，以确保期望的绕第一旋转轴的旋转速率和幅度。在354处测量的旋转幅度的示例可以包括正幅度或负幅度。在354处测量的旋转速率的示例可以包括以每秒循环次数(cps)、每秒弧度数(rad/s)、每分钟转数(rpm)等表示的旋转速率。

在356处，激活第二致动器以引起由镜支撑区域保持和支撑的扫描镜绕第二旋转轴的旋转。第二旋转轴与第一旋转轴正交。例如，第一旋转轴是旋转轴312，第二旋转轴是旋转轴330。在一些实施例中，第二致动器可以是压电致动器，其采取跨镜支撑区域的一部分延伸的压电材料层的形式。引起的旋转速率可以对应于扫描镜和支撑扫描镜的镜支撑区域的一部分的固有或共振频率。在一些实施例中，第一和第二致动器可以同时启动，而在其他实施例中，第一或第二致动器可以顺序地致动。例如，有利的做法是首先启动第二致动器，使得在启动绕第一旋转轴的旋转之前，可以实现扫描镜以固有或共振频率旋转。

在358处，可以利用定位在支撑扫描镜的镜支撑区域的一部分上的第二传感器组件来测量扫描镜的旋转速率和/或幅度。这些传感器读数可用于通过改变第二致动器的输入来将旋转保持在期望阈值内。在一些实施例中，控制器可被配置为同时考虑来自第一传感器组件和第二传感器组件的传感器反馈。该传感器反馈还可以用于调节光输入，以减轻由于扫描镜旋转的不希望的变化而导致的显示输出问题。在358处测量的旋转幅度的示例可以包括正幅度或负幅度。在358处测量的旋转速率的示例可以包括以每秒循环次数(cps)、每秒弧度数(rad/s)、每分钟转数(rpm)等表示的旋转速率。

应当理解，图3F所示的具体步骤提供了根据本发明的实施例的用于操作光学扫描仪的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其他步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面列出的步骤。此外，图3F所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。此外，取决于具体应用，可以添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

图4A示出了光学扫描仪202的朝下一侧的透视图。图4A中省略了支撑层307，以便示出单晶衬底306的朝下的表面。图4A进一步示出了如何将光学元件402放置在扫描镜316的正下方。光学元件402可以呈凸形，并且被配置为将从光纤404接收的光重定向到扫描镜316，然后在从扫描镜316反射的光被耦入光栅118接收之前准直该光。尽管光学元件被示出为具有特殊形状，但是应当理解，其他光学配置也是可能的。例如，一些配置可以包括两个或更多个光学元件。此外，一个或多个光学元件可以由诸如玻璃、聚合物等之类的许多不同的材料形成。

在一些实施例中，单晶衬底306可以限定用于容纳光学元件402和光纤404的腔体。在一些实施例中，为了清楚起见，从图4A中省略了支撑层307，其可以包括开口，该开口允许支撑层307将光学元件402保持在所示的位置，而不会过度遮挡通过光学元件402的光通路。类似于图3A所示，支撑层307也可以基本平行于单晶衬底306而定位，并且可以包括容纳光纤404的腔体。

图4B示出了光学扫描仪202和耦入光栅118的截面图，其中光线从光纤404发射。所发射的光穿过光学元件402并且被重定向到扫描镜316。在被扫描镜216反射之后，光再次穿过光学元件402，并重定向到耦入光栅118。扫描镜316附接在与镜支撑结构328相对的端上，该镜支撑结构被镜支撑区域310包围。镜支撑区域310的旋转可以引起扫描镜镜316绕第一旋转轴(例如，旋转轴312)的旋转，并且镜支撑结构328的旋转可以引起扫描镜316绕第二旋转轴(例如，旋转轴330)的旋转。

应当理解，尽管图4B示出了处于中立位置的扫描镜316，但是当扫描镜316绕旋转轴312和330中的一个或全部两个旋转时，由光纤404发射的光便会移位以覆盖被配置为将光耦入衍射目镜中的耦入光栅118的区域。应当注意，在一些角度处，光纤404可能遮挡耦入光栅118的一部分。但是，光纤404的厚度可以使得光的任何遮挡几乎不会导致投射在耦入光栅118上的最终图像出现任何劣化。应当注意，尽管仅示出了两条光纤404，但是在各种实现中可以使用更多的光纤。例如，可以包括三或四条光纤以增加光输出和/或增加刷新率、照明水平和/或由光学扫描仪202产生的图像的空间分辨率。

图4C示出了示例性光纤404的截面侧视图。可以通过切开光纤404的远端的一部分以形成45度角来形成光纤404。切开的远端随后可以进行抛光，以形成跨该远端的镜面406。以此方式，光408可以从光纤404的光发射端410耦出。当光408从镜面406反射时，它相对于光纤404的纵轴以90度角转向。图4C还示出了与镜表面406相邻的光纤404的区域如何可以包括这样的凸形突起412，该凸形突起412在光408从光纤404的光发射端410耦出时适合于传播光。与光发射端410相对的光纤404的光接收端可以与发光二极管(LED)、激光器或其他发光组件光学耦合。发光组件发射的光的颜色可以根据由关联的显示设备显示的图像的期望形状、大小和颜色而变化。

图5A至图5C示出了光学扫描仪500的替代实施例，其中光由具有定位在光学元件504和扫描镜506之间的光发射端的多个光纤502发射。在一些实施例中，光纤502的光发射端可以至少部分地嵌入光学元件504内，从而允许光纤502相对于扫描镜506以期望的角度和位置定位。在其他实施例中，光纤502可以沿着光学元件504的上凹弧线放置。

图5A示出了光学扫描仪500的截面图，其中示出了扫描镜506的反射表面如何根据扫描角510绕旋转轴312或330向右旋转，以将光纤502发射的光移位到光学元件504右侧。在一些实施例中，扫描角510约为7.5度；然而，扫描角510可以更大或更小，因为扫描角510通常与光学元件504的尺寸相对应。光学元件504的尺寸可以根据耦入光栅118的尺寸来确定。

图5B示出了光学扫描仪500的截面图，其中示出了当扫描镜506直接朝着耦入光栅118取向时，光学元件504如何将从扫描镜506反射的光508折射到耦入光栅118的中心区域。在一些实施例中，扫描镜506直接朝着耦入光栅118取向(如图5B所示)时耦入光栅118接收光的区域可以与扫描镜旋转(如图5A所示)时耦入光栅118接收光的区域部分地重叠或基本上重叠。

图5C示出了光学扫描仪500的截面图，其中示出了扫描镜506如何也根据扫描角510绕旋转轴312或330向左旋转，以将光纤502发射的光移位到光学元件504的左侧。以此方式，扫描镜506和光学元件504能够将光508分布在耦入光栅118的整个表面上。

图6A至图6C示出了光学扫描仪600的替代实施例，其中光602由光纤或其他发光组件608通过光学元件606(即，透镜)的中心区域604发射。在发光组件608采取光纤形式的实施例中，光纤可以具有80微米的直径。中央区域604可以包括通道，该通道的尺寸可以调整以适应穿过光学元件606的发光组件608的通路，并防止由发光组件602发射的光602在到达扫描镜610之前被折射。在一些实施例中，中心区域604内的通道可具有约2.5mm的直径。还应当注意，发光组件608还延伸穿过由耦入光栅118限定的开口。在一些实施例中，发光组件608可以基本平行于耦入光栅定位，使得发光组件608不会延伸穿过耦入光栅118，而是延伸穿过光学元件606并从侧面(例如，右侧或左侧)进入中心区域604。

图6A示出了光学扫描仪600的截面图，其中示出了光602如何在到达耦入光栅118之前先被扫描镜610反射，然后通过光学元件606折射。在一些实施例中，发光组件608可以采取激光器或LED形式，其中包含被配置为跨扫描镜610的表面的至少大部分传播光602的光学器件，如图所示(另请参见随附图4C的描述)。图6A还示出了当扫描镜610直接朝着耦入光栅118取向时，光602如何进入耦入光栅118的中心部分。

图6B示出了光学扫描仪600的截面图，其中示出了由发光组件608发射的光602如何根据扫描镜610的扫描角612-1而偏向耦入光栅118的左侧。在一些实施例中，扫描角612-1的最大角度可以约为13度。

图6C示出了光学扫描仪600的截面图，其中示出了由发光组件608发射的光602如何根据扫描镜610的扫描角612-2而偏向耦入光栅118的右侧。在一些实施例中，扫描角612-2的最大角度可以类似于扫描角612-1的最大角度，即，约为13度。

图7A示出了光学扫描仪700的透视图，其中光学元件402和702定位在扫描镜316的相对侧。已经去除了各种支撑结构以更清楚地示出光学元件和扫描镜。由光纤404和光纤704发射的光可以在两个不同的方向上被引导。在一些实施例中，被引导通过光学元件702的光705可充当结合到增强现实系统中的用于深度探测的红外照明器或LIDAR系统。替代地，被引导通过光学元件702的光705可以被引向第二深度平面，从而允许扫描镜316一次同时针对两个深度平面引导光。

图7B示出了光学扫描仪700的截面图，其中示出了如何同时将光引导到两个不同的耦入光栅。具体地，位于光学扫描仪700下端的光纤404发射的光被扫描镜316反射回耦入光栅118。在该实施例中，扫描镜316的两侧都是反射性的。因此，位于光学扫描仪700上端的光纤704发射的光被扫描镜316反射回耦入光栅706。以此方式，具有单个扫描镜的单个光学扫描仪组件可以将来自两个不同源的光注入增强现实显示组件的两个不同层。

图7C示出其中结合了光学扫描仪700的光学组件的俯视图。图7C示出了其中可以将光学扫描仪700结合到增强现实显示组件中的一种实现。具体地，光学扫描仪700能够沿着相反的方将光投射到耦入光栅118和706中。以此方式，可以将来自光纤704和404的光输入到由光学框架111支撑的相应目镜708和110中。光纤704和404可以通过机械支撑结构710和204耦合到目镜708和110。当目镜708和110之间的空间被透镜或微透镜阵列712占据时，该配置特别节省空间。在一些实施例中，微透镜阵列712可被配置为调节或更清楚地区分在目镜708和110上显示的图像之间的视距(apparent distance)。

图8示出了显示用于操作显示组件的方法的框图800。在802处，从光纤发射成像调制光。例如，如图4B所示，光线可以从一个或多个光纤404朝着光学元件402发射。在804处，所发射的成像调制光通过光学元件的至少一部分折射以提供输入光束。例如，如图4B所示，所发射的光穿过光学元件402并被重定向到扫描镜316。

在806处，输入光束从扫描镜反射以提供扫描光束。例如，如图4B所示，在所发射的光穿过光学元件402之后，所发射的光从扫描镜316向下反射回光学元件402。基于扫描镜316的旋转，所发射的光可以以各种角度从扫描镜316反射。在808处，扫描光束通过光学元件的至少一部分折射以提供折射的输入光。如图4B所示，从扫描镜316反射的光再次穿过光学元件402，并通过光学元件402折射。在810处，折射的输入光被耦合到耦入光栅中。如图4B所示，穿过光学元件402的光沿着向下的方向被耦合到耦入光栅118中。

应当理解，图8所示的具体步骤提供了根据本发明的实施例的用于操作显示组件的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其他步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面列出的步骤。此外，图8所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。此外，取决于具体应用，可以添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

公开了一种光学扫描组件，其包括扫描镜；以及单晶衬底。该单晶衬底包括外围区域；以及镜支撑区域，其通过第一挠性件和第二挠性件耦合到外围区域，镜支撑区域被配置为相对于外围区域绕第一和第二挠性件限定的第一旋转轴旋转，镜支撑区域包括耦合到扫描镜的镜支撑结构。光学扫描组件还包括永磁体，其发射第一磁场并耦合到单晶衬底；以及电磁线圈，其设置在镜支撑区域上，并且被配置为发射与第一磁场相互作用以引起镜支撑区域绕第一旋转轴旋转的第二磁场。

在一些实施例中，镜支撑结构包括协作地限定第二旋转轴的第一臂和第二臂。

在一些实施例中，光学扫描组件进一步包括压电膜，该压电膜在镜支撑区域的与第一臂和第二臂相邻的部分上施加力，以引起扫描镜绕第二旋转轴旋转。

在一些实施例中，光学扫描组件进一步包括传感器组件，其与第一臂相邻并且被配置为测量扫描镜绕第二旋转轴的旋转。

在一些实施例中，压电膜跨过第一挠性件延伸，并且将传感器组件耦合到控制系统的导电路径位于压电膜的顶部。压电膜的一部分使导电路径与电磁线圈绝缘。

在一些实施例中，电磁线圈包括具有同心环的扁平线圈，这些同心环设置在镜支撑区域的外围部分上。

在一些实施例中，当光学扫描组件处于待机状态时，单晶衬底的镜支撑区域和外围区域是共面的。

在一些实施例中，永磁体是耦合到单晶衬底的第一侧的第一永磁体，并且光学扫描组件进一步包括耦合到单晶衬底的与第一侧相对的第二侧的第二永磁体。

在一些实施例中，第一和第二永磁体协作地产生第一磁场。

公开了一种光学扫描组件，其包括以下项：平面衬底，其包括外围区域；以及镜支撑区域，其通过第一挠性件和第二挠性件耦合到外围区域，镜支撑区域被配置为相对于外围区域绕第一和第二挠性件限定的旋转轴旋转；扫描镜，其耦合到镜支撑区域的中心部分；永磁体，其发射第一磁场并耦合到平面衬底；以及电磁线圈，其设置在镜支撑区域的外围部分上，并且被配置为发射与第一磁场相互作用以引起镜支撑区域绕旋转轴旋转的第二磁场。

在一些实施例中，旋转轴是第一旋转轴，并且其中扫描镜通过两个臂耦合到镜支撑区域，这两个臂协作地限定与第一旋转轴正交的第二旋转轴。

在一些实施例中，外围区域包括多个电接触，该电接触被配置为从处理设备接收功率和信号。

在一些实施例中，扫描镜被配置为执行光栅扫描，该光栅扫描重定向光并在增强现实设备的耦入光栅上传播光以产生图像。

在一些实施例中，光学扫描组件进一步包括光纤，该光纤被配置为发射从扫描镜反射的光。

公开了一种增强现实设备，其包括以下项：光学透明的目镜，其被配置为将光投射到用户的眼睛中，该光学透明的目镜包括被配置为接收光的耦入光栅；与目镜耦合的光学扫描组件，该光学扫描组件包括：平面衬底，其包括外围区域；以及镜支撑区域，其通过第一挠性件和第二挠性件耦合到外围区域，镜支撑区域被配置为相对于外围区域绕第一和第二挠性件限定的旋转轴旋转；扫描镜，其耦合到镜支撑区域的中心部分；永磁体，其发射第一磁场并耦合到平面衬底；以及电磁线圈，其设置在镜支撑区域的外围部分上，并且被配置为发射与第一磁场相互作用以引起镜支撑区域绕旋转轴旋转的第二磁场；以及发光组件，其被配置为将光引向扫描镜，以使得光从扫描镜反射并进入耦入光栅。

在一些实施例中，发光组件包括一个或多个光纤，这些光纤耦合到成像调制光的源。

在一些实施例中，增强现实设备包括另一光学透明的目镜。

在一些实施例中，平面衬底包括单晶衬底。

在一些实施例中，旋转轴是第一旋转轴，并且其中扫描镜通过两个臂耦合到镜支撑区域，这个两个臂协作地限定与第一旋转轴正交的第二旋转轴。

在一些实施例中，增强现实设备进一步包括压电膜，该压电膜被配置为向两个臂施加力以引起扫描镜绕第二旋转轴旋转。

所描述的实施例的各个方面、实施例、实现或特征可以分开使用或以任何组合使用。所描述的实施例的各个方面可以通过软件、硬件或硬件和软件的组合来实现。所描述的实施例还可以被实现为用于控制生产操作的计算机可读介质上的计算机可读代码，或者可以被实现为用于控制生产线的计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读介质是可以存储数据的任何数据存储设备，这些数据随后可以被计算机系统读取。计算机可读介质的示例包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、HDD、DVD、磁带和光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络耦合的计算机系统上，从而以分布式方式存储和执行计算机可读代码。

为了说明的目的，上述描述使用特定术语来提供对所描述的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要特定细节也能实践所描述的实施例。因此，上面有关特定实施例的描述出于说明和描述的目的给出。它们并非旨在是穷举的或将所描述的实施例限于所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。

Claims (20)

1.一种显示组件，包括：

耦入光栅；

扫描镜，其被配置为绕两个或更多个不同的旋转轴而旋转；

光学元件；以及

多个光纤，所述多个光纤中的每个光纤具有光发射端，所述光发射端设置在所述耦入光栅和所述扫描镜之间，并且被取向为使得从所述光发射端发射的光通过所述光学元件的至少一部分折射，从所述扫描镜反射，通过所述光学元件折射回来，并进入所述耦入光栅。

2.根据权利要求1所述的显示组件，进一步包括目镜，其中所述耦入光栅被配置为接收从所述多个光纤发射的光并将所接收的光发射到所述目镜中。

3.根据权利要求1所述的显示组件，其中所述多个光纤设置在所述耦入光栅和所述光学元件之间。

4.根据权利要求3所述的显示组件，其中所述多个光纤中的第一光纤与所述多个光纤中的第二光纤平行。

5.根据权利要求1所述的显示组件，其中所述光学元件被配置为，在从所述扫描镜反射的光进入所述耦入光栅之前至少部分地准直所述光。

6.根据权利要求1所述的显示组件，其中所述光学元件包括透镜，所述透镜具有朝着所述耦入光栅取向的凸面。

7.根据权利要求1所述的显示组件，其中所述光学元件是第一光学元件，并且所述显示组件进一步包括第二光学元件，并且其中所述扫描镜设置在所述第一和第二光学元件之间。

8.根据权利要求7所述的显示组件，其中所述扫描镜具有朝着所述第一光学元件取向的第一反射面和朝着所述第二光学元件取向的第二反射面。

9.根据权利要求1所述的显示组件，其中所述多个光纤中的一个或多个光纤的所述光发射端具有被配置为将来自所述一个或多个光纤的光去耦的抛光表面。

10.根据权利要求1所述的显示组件，其中所述多个光纤中的一个或多个光纤延伸穿过所述光学元件的至少一部分。

11.一种增强现实设备，包括：

光学透明的目镜，其被配置为将光投射到用户的眼睛中，所述目镜包括被配置为接收光的耦入光栅；

扫描镜，其被配置为绕两个或更多个不同的旋转轴旋转；

光学元件；以及

多个光纤，所述多个光纤中的每个光纤具有光发射端，所述光发射端设置在所述耦入光栅和所述扫描镜之间，并且被取向为使得从所述光发射端发射的光通过所述光学元件的至少一部分折射，从所述扫描镜反射，通过所述光学元件折射回来，并进入所述耦入光栅。

12.根据权利要求11所述的增强现实设备，进一步包括电磁致动器，所述电磁致动器被配置为使所述扫描镜绕所述两个或更多个不同的旋转轴中的一者而旋转。

13.根据权利要求11所述的增强现实设备，其中所述多个光纤的所述光发射端设置在所述耦入光栅和所述光学元件之间。

14.一种用于操作具有耦入光栅、光学元件和扫描镜的显示组件的方法，所述方法包括：

从光纤发射成像调制光；

通过所述光学元件的至少一部分折射所发射的成像调制光以提供输入光束；

从所述扫描镜反射所述输入光束以提供扫描光束；

通过所述光学元件的至少一部分折射所述扫描光束以提供折射的输入光；以及

将所折射的输入光耦合到所述耦入光栅中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述扫描镜被配置为绕两个不同的旋转轴旋转。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述光纤延伸穿过所述光学元件的中心区域。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述光纤延伸穿过所述耦入光栅中的开口。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述光纤是第一光纤，并且所述显示组件进一步包括第二光纤，所述第二光纤的光发射端位于所述耦入光栅和所述扫描镜之间。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述光学元件是第一光学元件，并且所述显示组件进一步包括第二光学元件，并且其中所述扫描镜设置在所述第一和第二光学元件之间。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述光学元件是第一光学元件，并且所述显示组件进一步包括第二光学元件，并且其中所述扫描镜设置在所述第一和第二光学元件之间。

Images