CN113433697B - 用于带有具有光焦度的扫描镜的大视场显示器的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

图像显示系统可以包括：多个光源，其被配置为发射非准直光；以及目镜波导，其具有被配置为接收不同角度的光束的输入端口。图像显示系统还包括带有具有正光焦度的表面的扫描镜，其被配置为接收由多个光源发射的光。具有正光焦度的表面被配置为准直由多个光源发射的光以形成多个准直光束并将多个准直光束引导到输入端口。

Description

用于带有具有光焦度的扫描镜的大视场显示器的方法及系统
本申请是申请号为201980010805.5的中国专利申请“用于带有具有光焦度的扫描镜的大视场显示器的方法及系统”(申请日为2019年1月30日)的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月31日提交的美国临时专利申请号62/624,762的权益，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“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它们看起来是或可能被感知为是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，而对其他实际现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图像来显示图像。在扫描图像显示系统中，光束的每个角度(或扫描的小角度范围)都限定了图像的像素。通过在两个正交轴上扫描反射镜(mirror)，可以创建二维视场(FOV)。扫描束可以通过采用波导显示器形式的眼镜透镜被耦合。图像显示系统可以安装在眼镜框架的左侧和右侧的每一侧上。
扫描束显示器的一个缺点是，通常在一方面确定分辨率与帧速率(frame rate)的乘积的扫描频率与另一方面确定视场角的扫描角度范围之间存在折衷。另外，具有适合于并入增强现实眼镜中的大小的某些紧凑激光二极管具有再次限制分辨率和帧速率的乘积的最大调制速率。
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。本发明的实施例提供具有大视场和高分辨率的扫描图像显示系统，同时保持小设备形状因子。在一些实施例中，可以通过同时扫描多个入射光束并将各个视场组合为更大的复合视场来实现更大的视场。
根据本发明的一些实施例，一种图像显示系统包括用于接收两个或更多个入射发散光束并且提供多个反射光束的扫描镜。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。该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。该输入耦合光学元件被配置用于将该多个反射光束耦合到该波导中。该输出耦合光学元件被配置用于从该波导投射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，图像显示器可以包括目镜波导，该目镜波导包括被配置为接收不同角度的光束的输入端口，以及位于该输入端口附近的多个点光源。多个点光源中的每一个都可以具有远离输入端口定向的发射方向。图像显示器还可以具有扫描镜，该扫描镜的表面具有正光焦度。扫描镜可以被定位在输入端口附近并且被定位以拦截由多个点光源发射的光。具有正光焦度的表面可以被配置为准直由多个点光源发射的光并且将多个点光源发射的光反射到输入端口。
在上述图像显示器的实施例中，具有正光焦度的表面可以包括菲涅耳反射器。
在上述图像显示器的另一实施例中，具有正光焦度的表面可以包括凹面镜。
在一些实施例中，扫描镜的具有正光焦度的表面被配置为形成多个准直光束并将多个准直光束引导至输入端口。多个准直光束中的每一个被配置为通过目镜波导照射复合视场(FOV)的一部分。
在某些实施例中，波导显示器包括集成光波导芯片，该集成光波导芯片包括多个光波导，并且多个光波导的至少一个子集包括发光端。发光端形成点光源。
在某些实施例中，集成光波导芯片设置在扫描镜和输入端口之间。
在某些实施例中，集成光波导芯片以至少部分重叠的关系被设置在输入端口之上。
在某些实施例中，集成光波导芯片被配置为接收来自多组{R，G，B}激光二极管的光。
在某些实施例中，目镜波导还包括正交光瞳扩展器和出射光瞳扩展器。
在某些实施例中，目镜波导包括至少一个主表面和输入端口，并且正交光瞳扩展器和出射光瞳扩展器包括设置在至少一个主表面上的表面起伏(relief)光栅。
在某些实施例中，集成光波导芯片和扫描镜设置在主表面的公共侧面上。
在某些实施例中，增强现实眼镜可以包括上述波导显示器。
根据本发明的一些实施例，一种图像显示系统可以包括：多个光源，其被配置为发射非准直光；以及目镜波导，其具有被配置为接收不同角度的光束的输入端口。该图像显示系统还包括：带有具有正光焦度的表面的扫描镜，其被配置为接收由多个光源发射的光。该具有正光焦度的表面被配置为准直由多个光源发射的光以形成多个准直光束并将多个准直光束引导到输入端口。
在上述图像显示系统的实施例中，该具有正光焦度的表面包括凹面镜。
在另一个实施例中，该具有正光焦度的表面包括菲涅耳反射器。
在某些实施例中，该图像显示系统还具有包括多个光波导的集成光波导芯片。多个光波导的至少一个子集包括形成多个光源的光发射端。
在某些实施例中，集成光波导芯片以至少部分重叠的关系被设置在输入端口之上。
在某些实施例中，集成光波导芯片被配置为接收来自多组{R，G，B}激光二极管的光。
在另一个实施例中，多个光源被配置为在不同方向上发射非准直光，其中，由具有正光焦度的扫描镜形成的多个准直光束中的每一个被配置为通过目镜波导照射复合视场(FOV)的一部分。
根据本发明的一些实施例，一种用于在波导显示器中显示图像的方法包括：从多个点光源发射光。多个点光源中的每一个可以具有不同的发射方向。该方法还包括在带有具有正光焦度的表面的扫描镜处拦截由多个点光源发射的光。具有正光焦度的表面被配置为准直由多个点光源发射的光以产生多个准直光束。该方法还包括在目镜波导的输入端口中接收来自扫描镜的多个准直光束，并从目镜波导的输出端口形成虚拟图像。
在上述方法的实施例中，具有正光焦度的表面包括凹面镜。
在另一个实施例中，具有正光焦度的表面包括菲涅耳反射器。
在另一个实施例中，多个准直光束中的每一个被配置为通过目镜波导照射复合视场(FOV)的一部分。
多个反射的准直光束中的每一个被配置为在相应的视场(FOV)中提供图像。多个反射的准直光束在目镜波导中被接收，并且目镜波导从该目镜波导投射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，复合视场大于由多个点光源中的每一个提供的FOV。复合FOV中的图像可以是平铺图像(tiled image)，其包括来自多个点光源中的每一个的图像。
在另一个实施例中，多个点光源被包括在覆盖在目镜波导的输入端口上的集成光波导芯片中，并且扫描镜被设置为覆盖在集成光波导芯片上。来自扫描镜的多个准直光束被发送通过集成光波导芯片以到达目镜波导的输入端口。
在另一个实施例中，集成光波导芯片被设置在扫描镜和输入端口之间。
在另一个实施例中，集成光波导芯片被配置为接收来自多组{R，G，B}激光二极管的光。
在一些实施例中，从目镜波导的输出端口形成图像包括从目镜波导的输出端口输出光以形成虚拟图像。
在下面的详细描述、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是示出根据一些实施例的示例性可穿戴显示设备的透视图的透视图；
图2是根据一些实施例的示例性可穿戴显示设备的俯视图；
图3A是根据一些实施例可以用作图1-2所示的可穿戴显示设备的目镜的波导显示器的透视图；
图3B是根据一些实施例的波导显示器的截面图；
图3C是示出根据一些实施例的复合视场(FOV)的简化示意图；
图4是根据实施例的四个RGB通道光引擎的俯视图；
图5是图4所示的四个RGB通道光引擎的一部分的局部截面正视图；
图6是根据另一实施例的集成波导芯片的俯视图；
图7A和7B示出了根据一些实施例的提供来自非准直入射光源的准直扫描反射光束的扫描抛物线镜；
图8A和8B示出了根据一些实施例的来自集成光波导芯片的三个不同输出端口的入射在扫描菲涅耳反射器上的光路的示例；
图9A是跨越菲涅耳透镜的表面的模拟菲涅耳透镜图案的图；
图9B是图9A的菲涅耳透镜的边缘附近的部分的放大图；以及
图10是示出根据一些实施例的用于在波导显示器中显示图像的方法的流程图。
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，该图像显示系统和方法可提供比常规显示系统更大的视场(FOV)。
图1是示出根据一些实施例的示例性可穿戴显示设备100的透视图的透视图。在该示例中，可穿戴显示设备100可以是用于增强现实应用的一副眼镜。如图1所示，可穿戴显示设备100可包括支撑左波导目镜120L和右波导目镜120R的框架110。每个波导目镜120L和120R可以包括输入耦合光栅(ICG)121、正交光瞳扩展器(OPE)122、以及出射光瞳扩展器(EPE)123。输入耦合光栅(ICG)121、正交光瞳扩展器(OPE)122和出射光瞳扩展器(EPE)123可以是合适的衍射光学元件(DOE)。例如，它们可以采取形成在光波导上的光栅的形式。根据某些实施例，代替为每个目镜提供单个波导，每个目镜可以具有用于不同颜色并具有不同光焦度EPE的多个光波导的堆叠。EPE被配置为投射可以从用户眼睛位置130观看的图像。
在图1中，可以是图像光或扫描光束的入射光可以入射在每个目镜120L和120R的ICG(121)上。ICG 107将入射光耦合为朝着OPE区域122的方向传播的引导模式。目镜通过全内反射(TIR)传播图像光。每个目镜120L和120R的OPE区域122还可以包括衍射元件，该衍射元件将在目镜120L和120R中传播的图像光的一部分耦合并重定向朝向EPE区域123。EPE区域123包括衍射元件，该衍射元件将在每个目镜120L和120R中从目镜层120的平面向外的方向上传播的光的一部分耦合并重定向朝向位置130处的观看者的眼睛。以这种方式，观看者可以观看图像。
入射光可以包括三种原色的光，即蓝色(B)、绿色(G)和红色(R)。
在一些应用中，目镜可以接受以两个自由度扫描的准直光。每个瞬时入射角(或较小范围的入射角)对应于角度限定的像素。在一些实施例中，光可以被配置为模拟虚拟对象，该虚拟对象看起来距观看者半米至一米的距离。
图2是根据一些实施例的示例性可穿戴显示设备200的俯视图。在该示例中，可穿戴显示设备200可以是用于增强现实应用的一副眼镜。如图2所示，可穿戴显示设备200可以包括框架210和目镜220。每个目镜可以类似于图1中的目镜120L和120R，并且可以包括在俯视图中不可见的ICG、OPE和EPE。可穿戴显示设备100还包括扫描仪壳体230，该扫描仪壳体230可以包括用于形成来自入射光源的虚拟图像(例如，在无限远处)的扫描镜。在一些实施例中，ICG用作接收光的输入端口。可以从用户眼睛位置240观看由目镜形成的图像。增强现实眼镜还可以具有左和右扬声器250和相机260。
图3A是根据一些实施例的波导显示器300的透视图，并且图3B是根据一些实施例的波导显示器300的截面图。波导显示器300可以包括目镜波导310，该目镜波导310可以用作图1或图2所示的增强现实眼镜的目镜120L和120R。如图3A所示，目镜波导310可以具有输入耦合光栅(ICG)321、正交光瞳扩展器(OPE)322和出射光瞳扩展器(EPE)323。输入耦合光栅(ICG)321、正交光瞳扩展器(OPE)322和出射光瞳扩展器(EPE)323可以采用形成在光波导上的光栅的形式。每个目镜可以具有用于不同颜色并且具有不同光焦度EPE的多个光波导的堆叠。EPE被配置为投射可以从用户眼睛位置330观看的图像。
在一些实施例中，波导显示器300中的目镜波导310可以具有被配置为接收不同角度的光束的输入端口。在图3A中，输入端口被示为入耦合光栅(ICG)321。如图3A所示，多个点光源可以由集成光波导芯片340提供。在该示例中，集成光波导芯片340可以接收来自四组红色、绿色和蓝色(RGB)激光二极管341A、341B、341C和341D的光，包括第一组RGB激光二极管341A、第二组RGB激光二极管341B、第三组RGB激光二极管341C和第四组RGB激光二极管341D。在所示的实施例中，四组RGB激光二极管341A、341B、341C和341D分别布置在集成光波导芯片的第一侧347A、第二侧347B、第三侧347C和第四侧347D上。在一些实施例中，集成光波导芯片340可以包括激光二极管。在其他实施例中，集成光波导芯片340可以耦合到外部激光二极管。集成光波导芯片340也可以具有多个光波导343，用于将来自RGB激光二极管的光导向可以用作点光源的四个输出端口344A、344B、344C和344D中的一个。
在图3A中，波导显示器300还可以包括带有具有正光焦度的表面的二维(2-D)扫描镜350(例如，抛物线镜351)，其被定位在输入端口(ICG321)附近并且被定位以拦截由多个点光源发射的光。具有正光焦度的表面被配置为准直由多个点光源发射的光，并将由多个点光源发射的光反射回输入端口(ICG 321)。
在一些实施例中，诸如下面在图3B中所示，集成光波导芯片340可以直接设置在ICG 321上方，并且扫描镜350以短距离设置在集成光波导芯片340上方，使得扫描镜350设置在输入端口(ICG 321)附近。
如图3A所示，扫描镜350可以包括二维扫描镜，例如抛物线镜表面351，其安装在具有俯仰轴353和翻滚轴354的框架352上。该镜可以被配置为在俯仰和翻滚方向上旋转，以形成二维扫描仪。在一些实施例中，该镜可具有带有外部枢轴点的外部框架和具有第二组枢轴点的内部框架。驱动机构在图3A中未显式示出。例如，扫描镜350可以由电磁力驱动，例如由磁场中的线圈驱动，或者由叉指状微机电系统(MEMS)静电驱动器驱动。
扫描镜350可以是具有正光焦度的反射镜。在光学领域，术语光焦度(也称为屈光度(dioptric power)、折射度(refractive power)、聚焦度(focusing power)或会聚度(convergence power))是透镜、反射镜或其他光学系统会聚或发散光的程度。它等于设备的焦距的倒数：P＝1/f。高光焦度对应于短焦距。会聚透镜具有正光焦度，而发散透镜具有负光焦度。例如，扫描镜可以是曲面镜、抛物线镜、近似抛物线镜的球面镜、非球面镜等。可以使用光学设计方法形成其他形状的反射镜以进行优化。
替代地，曲面镜可以是扫描菲涅耳反射器，其可以包括多个部分。例如，圆形菲涅耳透镜或反射器可以具有一组同心的环形部分。取决于不同的应用，菲涅耳透镜可以包括反射和折射部分。
具有正光焦度的扫描镜(例如，抛物线镜)可以使用传统的光学制造方法(例如，灰度光刻(grayscale lithography)或电铸(electroforming))来制造。在一些实施例中，菲涅耳透镜或菲涅耳反射器也可以例如使用灰度光刻或微印刷(micro printing)来制造。
扫描镜运动可以在一个自由度上共振并且在第二个自由度上被准静态控制。例如，共振轴可以对应于类似于沿着显示器的线的运动的运动，并且准静态控制的第二自由度可以对应于类似于在显示器的线之间的垂直运动的运动。在一种可能的情况下，共振轴可以是俯仰轴，而准静态控制轴可以是偏航轴。对于相对高分辨率的图像，希望具有等效的例如1000或2000条扫描线，并且帧刷新率为每秒30至60帧。这些参数要求30KHz至120KHz的线速率。对于足够小以包括在增强现实可穿戴设备中的小型MEMS扫描仪，通常在与视场(FOV)相关的共振轴的角度范围与等于线速率的共振频率之间进行权衡。下面参考图3B和3C进一步说明使用具有目镜310的扫描镜的图像形成。
图3B是根据一些实施例的图3A的波导显示器300的一部分的截面图。图3B示出了沿着图3A中的截线A-A’的波导显示器300的截面图。在图3B的横截面中，输入耦合光栅(ICG)321和正交光瞳扩展器(OPE)322是可见的。EPE位于图3B中图纸平面的后面，并且因此不可见。
在图3B中，多个点光源可以由设置在ICG 321之上的集成光波导芯片340的输出端口344A、344B、344C、344D提供。在该示例中，集成光波导芯片340可以接收来自四组红色、绿色和蓝色(RGB)激光二极管的入射光。如图3A所示，集成光波导芯片340也可以具有多个光波导，用于将来自RGB激光二极管341A、341B、341C和341D的光导向四个输出端口344A、344B、344C和344D中的一个。在图3B的截面图中，仅一组RGB激光二极管341A以及两个输出端口344A和344D是可见的。
如图3B所示，波导显示器300还可包括2-D扫描镜350，2-D扫描镜350带有具有表面351的扫描镜350，该表面351具有正光焦度。扫描镜350可以是二维扫描镜(例如，抛物线镜)，其被配置为以俯仰轴353和翻滚轴354(未示出)在二维上旋转。扫描镜350位于光波导芯片340的上方，并且被配置为拦截在光波导芯片340的输出端口344A和344D处由多个点光源发射的光345A和345D。由多个点光源发射的光345A和345D可以是非准直的。具有正光焦度的扫描镜表面，例如抛物线镜，被配置为准直由多个点光源发射的光，并将准直光反射到输入端口(ICG 321)。图3B示出了来自光波导芯片340的非准直光从扫描镜反射为准直光。在图3B中，示出了沿着图3A中的A-A’截线的两个输出端口344A和344D。源自输出端口344A的光线被示为点线，并且源自输出344D的光线被示为虚线。来自输出端口344A的非准直光从扫描镜350反射为准直光346A，并且来自输出端口344D的非准直光从扫描镜350反射为准直光346D。
来自扫描镜的准直光(346A和346D)通过ICG 321入耦合(incouple)到目镜波导310中。目镜波导310可以具有用于不同颜色的多个光波导的堆叠。入耦合的光(348A和348D)通过全内反射在目镜波导310中传播，然后出耦合(outcouple)到正交光瞳扩展器(OPE)，然后耦合到出射光瞳扩展器(EPE)，其在图3B中不可见。EPE被配置为投射可以从用户眼睛位置330观看的图像。
波导芯片340可以包括内置在基板中的光波导。例如，基板可以是玻璃平板(glassslab)。基板也可以由其他材料制成，例如聚合物材料或半导体材料等。光波导是被配置为通过限制光可在其中传播的空间区域来引导光的细长结构。光可以通过全内反射在具有不同折射率的区域中传播，这些区域可以由不同的材料(例如具有不同介电常数的介电材料)形成，或者由不同的杂质掺杂形成。可以通过用改变玻璃的折射率的掺杂剂进行图案化掺杂来在玻璃平板中限定波导。
在一些实施例中，如图3A和3B所示，目镜波导310包括至少一个主表面311。输入端口321、正交光瞳扩展器322和出射光瞳扩展器323包括设置在至少一个主表面311上的表面起伏光栅。在图3A和3B的实施例中，集成光波导芯片340和扫描镜350设置在主表面的公共侧面上。在一些实施例中，集成光波导芯片340设置在扫描镜350和输入端口321之间。在一些实施例中，集成光波导芯片340以至少部分重叠的关系被设置在输入端口321之上。
图3C是示出根据一些实施例的复合视场(FOV)的简化示意图380。如图3A和3B所述，四个发散的RGB锥形光可以入射在扫描镜上。该镜分别对它们进行准直，并输出四个朝不同方向前进的准直光束。通过该镜扫描，它可以在FOV的四个象限处形成图像。在任何时刻，四个准直光束中的每一个都指向不同角度。在该示例中，在视场的四个象限中由四个RGB光束并发地(例如，同时)扫描完整图像。四个扫描光束的组合被配置为在图3C中的放大的复合视场376中提供具有四个象限371-374的平铺图像。
例如，在一些实施例中，每个象限可以是VGA(视频图形阵列)图像，但是复合FOV中的总拼接图像可以是具有放大的视场的全HD(高清晰度)。参考图3B，MEMS反射器/扫描镜350可以具有20×20度光学扫描范围(对应于10×10的机械扫描范围)。从扫描镜350的中心判断，斜对角的输出端口对(例如344A和344C；以及344B和344D)以20度角thetaθ(VGA分辨率)成角度地分开。来自光波导芯片340的输出端口344A-344D的非准直光束(图3B中仅345A和345D可见)到达扫描镜350。每个非准直光束可以具有不同的主射线方向。扫描镜350带有具有正光焦度的表面，该表面被定位成准直非准直光束并且将准直光束(在图3B中仅346A和346D可见)反射到ICG 321。ICG 321被配置为将准直光束346A和346D入耦合到目镜波导322中。在目镜波导322中进行全内反射之后，每个准直光束348A和348D离开目镜波导322并在各自的视场中形成扫描图像。
例如，在一些实施例中，具有四个输入光束的图像显示系统300可以提供生成的扫描图像，该图像具有2X视场(40×40度)以及与HD相称的分辨率(40×40度要求)，例如小于1弧分的像素角距(subtense)。此外，最终图像可以具有50度对角线(diagonal)以进行全HD显示。
在上述示例中，单个ICG可以接收具有不同方向的多个光束以形成较大的视场。对于彩色显示器，可以将不同的ICG用于不同的颜色。作为示例，ICG在具有几厘米大小的目镜波导中可以具有1mm×1mm阶的大小。集成波导芯片可以具有大约2mm×2mm的大小。
在一些实施例中，波导显示器300可以与上述少于或多于四个的点光源以及具有正光焦度的扫描镜一起使用，以生成具有更大复合视场的图像。可以使用不同数量和/或形状的组成FOV来形成不同的复合FOV。此外，波导显示器300可以与单个点光源和具有正光焦度的扫描镜一起使用以生成图像。
图4是根据一个实施例的四个RGB通道光引擎400的俯视图，图5是图4所示的四个RGB通道光引擎400的一部分的局部截面正视图。光引擎400是图3A和3B中的集成光波导芯片340的示例。光引擎400可以包括玻璃平板402，其中限定了第一分支波导404、第二分支波导406、第三分支波导408和第四分支波导410。
如图所示，平板402可以是正方形的，并且包括第一侧面412、第二侧面414、第三侧面416和第四侧面418。替代地，也可以使用成形的玻璃平板402。第一组红色、绿色和蓝色(RGB)激光二极管420沿第一侧面412布置，第二组RGB激光二极管422沿第二侧面414布置，第三组RGB激光二极管424沿第三侧面416布置，第四组RGB激光二极管426沿第四侧面418布置。
第一组RGB激光二极管420包括红色激光二极管428、绿色激光二极管430和蓝色激光二极管432。第一分支波导404邻近第一侧面412定位，并用于将来自第一组RGB激光二极管420的光耦合到第一出耦合面434。第一分支波导404包括与红色激光二极管428光耦合的红光接收分支436、与绿色激光二极管430光耦合的绿光接收分支438和与蓝色激光二极管432光耦合的蓝光接收分支440。红、绿和蓝光接收分支436、438、440连接(或替代地短暂地耦合)到第一分支波导404的主干(trunk)442。主干442延伸到第一出耦合面434。出耦合面434是相对于主干442的取向成45度角的全内反射(TIR)表面。第一出耦合面434反射性地将光偏转到玻璃平板402的平面之外。应当注意，在图3A和3B中，出耦合面在集成光波导芯片340中也称为输出端口。
第二、第三和第四分支波导406、408、410具有与所述第一分支波导404相同的结构，但是相对于其旋转以与它们所邻近的各个侧面414、416、418对准。第二、第三和第四分支波导406、408和410分别耦合到第二出耦合面444、第三出耦合面446和第四出耦合面448。根据替代实施例，以其他波长发射并且与光接收分支相关联的激光二极管可被添加到光引擎400，使得光引擎400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射。
图5是穿过图4中的出耦合面434沿截面线5-5’的局部截面正视图。图5还示出了第一分支波导404的平板402和主干442。面434被配置为将光向上反射出面434。
图6是根据另一实施例的集成波导芯片600的俯视图。靠近在其中形成波导616的网络的玻璃平板614的红色输入侧608、绿色输入侧610和蓝色输入侧612，分别布置红色激光条602、绿色激光条604和蓝色激光条606。红色激光条602包括四个可单独控制的红色激光二极管602A、602B、602C和602D。类似地，绿色激光条604包括四个可单独控制的绿色激光二极管604A、604B、604C和602D。类似地，蓝色激光条606包括四个可单独控制的蓝色激光二极管606A、606B、606C和606D。在玻璃平板614中限定了四个输出面608A、608B、608C和608D。输出面608A、608B、608C和608D具有与图5所示的输出面434的相同设计，或替代地具有不同设计。来自每个激光条602、604、606的可单独控制的激光二极管之一通过波导616的网络耦合到每个输出面608A、608B、608C和608D。根据替代实施例，可以在不同波长(例如，红外)下工作的另一激光条可以沿玻璃平板614的第四侧定位，并且可选地可以经由可以扩展用于这样的目的的波导616的网络而光学耦合到输出面608A、608B、608C和608D。
图7A和7B示出了根据一些实施例的扫描抛物线镜，其提供来自非准直入射光源的准直扫描反射光束。图7A示出了模拟的光迹线，其示出了提供来自非准直入射光源703的准直扫描反射光束702的抛物线镜701。图7B示出了模拟的光迹线，其示出了提供来自非准直入射光源713的准直扫描反射光束721、722和723的扫描抛物线镜710。光束721表示扫描镜710处于第一位置711的反射光束。光束722表示扫描镜710处于第二位置712的反射光束。光束723表示扫描镜710处于第三位置713的反射光束。如图7B所示，当扫描镜旋转时，反射光束保持准直。图7A和7B还示出了在这些示例中的镜的焦距约为1.5mm，这可以实现用于增强现实眼镜的小包装。
图8A和8B示出了根据某些实施例的通过扫描镜804上的菲涅耳镜表面802从多端口集成光波导芯片(340、400，未在图8A-8B中示出)发射的光的准直的射线迹线分析的结果。使用具有菲涅耳镜表面802的扫描镜804根据某些实施例代替图3A和3B中的抛物线扫描镜表面351。图8A示出了由多端口集成光波导芯片的多个端口发射并入射在扫描镜804的菲涅耳镜表面802上的光。三个端口的位置由附图标记806A、806B和806C指示。在图8A中不可见的第四端口的位置可以定位在图纸平面之后的垂直居中位置806B之后。注意，垂直居中位置806B例如可以相对于下部位置806C和上部位置806A从图纸平面垂直向外移位。
图8B示出了由菲涅耳镜表面802反射的准直光可以在大约100mm的距离上保持准直。应当注意，在使用中，由菲涅耳镜表面802准直的光将仅在到达ICG 321之前传播短距离。注意，图8A和图8B示出了相同的光线传播路径的两个部分。图8A示出了从集成光波导芯片(图3A和3B中的340或图4中的400)的端口806A、806B和806C的位置到菲涅耳镜表面802的光线传播路径的第一部分，图8B示出了从菲涅耳镜表面802向ICG 321方向返回的光线传播路径的第二部分816A、816B和816C。注意，为了说明准直的程度，图8B中的光线路径延伸超出了ICG的位置。在实践中，准直的光线将在ICG处偏转为高于目镜波导310内的全内反射临界角的角度。在使用中，ICG将被定位在三个端口806A、806B和806C的位置的左侧。
图9A绘出菲涅耳透镜表面轮廓。垂直轴表示以2π弧度为周期的相位，水平长度是在适用于AR或VR应用的毫米阶上的跨菲涅耳透镜的表面以毫米为单位的位置。图9B是图9A的菲涅耳透镜的边缘附近的部分的放大图。如上所述，菲涅耳透镜可包括多个部分。图9B示出菲涅耳镜的边缘处的2π周期。垂直轴表示以2π弧度为周期的相位，水平长度为跨菲涅耳透镜的表面以毫米为单位的位置。可以看出，实现所需焦距所需的菲涅耳反射器上的最小特征可以约为1.8um，这在可用制造技术的能力范围内。
图10是示出根据一些实施例的用于在波导显示器中显示图像的方法1000的流程图。如图10所示，在1010，用于在波导显示器中显示图像的方法1000包括从多个点光源发射光。多个点光源可以包括不同的光源。例如，多个点光源可以设置在如以上结合图3A-3C、4-5和6所述的集成光波导芯片中。如图3A所示，集成光波导芯片340可以从四组红色、绿色和蓝色(RGB)激光二极管341A-341D接收光。集成光波导芯片340可以由玻璃、半导体或其他材料的基板制成。可以在基板中形成多个光波导，以将来自激光二极管的光引导至输出端口。输出端口可以由配置在基板中的面形成。在这种情况下，输出端口可以用作点光源，用于从集成光波导芯片发出光。
在另一个示例中，如图6所示，集成光波导芯片640具有附接到芯片的三个侧面的三个激光二极管条：具有多个红色激光二极管的红色激光二极管条671、具有多个绿色激光二极管的绿色激光二极管条672、以及具有多个蓝色激光二极管的蓝色激光二极管条673。集成光波导芯片640还具有用于提供输出光的输出端口644。与图3A中的集成光波导芯片340相似，集成光波导芯片640可以由玻璃、半导体或其他材料的基板制成。输出端口可以由形成在基板中的面或出耦合镜形成，并且可以用作用于将光发射出集成光波导芯片的点光源。
从点光源发射的光可以是非准直的。例如，从点光源发射的光形成发散光束。多个点光源中的每一个可以具有与发散的光束的中心相对应的不同的发射方向。点光源被配置为朝向扫描镜发射光。如本文所使用的，点光源可以指发射非准直(发散的)光的光源。
在1020，方法1000还包括在带有具有正光焦度的表面的扫描镜处拦截由多个点光源发射的光。具有正光焦度的表面被配置为准直由多个点光源发射的光以产生多个准直光束。上面结合图3A-3C、6和7A-9B描述了具有正光焦度的扫描镜的示例。例如，如图3A所示，扫描镜可以是定位在目镜波导310的输入端口附近的带有具有正光焦度的表面的二维(2-D)扫描镜350，例如，抛物线镜表面351或菲涅耳反射器。扫描镜350可以是安装在具有俯仰轴353和翻滚轴354的框架352上的二维扫描镜，例如，抛物线镜表面351。该镜可被配置为在x和y方向上旋转，从而形成二维扫描仪。
在1030，方法1000包括使用扫描镜扫描准直光束。扫描镜被配置为准直来自光源的非准直光。扫描镜被配置为扫描准直光束，从而改变入射在目镜波导的输入耦合元件上以形成图像的光的角度。
在1040，方法1000还包括在目镜波导的输入端口中接收来自扫描镜的多个准直光束，并将准直光耦合到目镜波导的输出端口之外，从而在1050，在距用户一定距离(例如，从无穷远到更近的距离范围)形成虚拟图像。目镜波导的示例在上面结合图3A和3B进行了描述。例如，目镜波导310可以具有输入耦合光栅(ICG)321、正交光瞳扩展器(OPE)322和出射光瞳扩展器(EPE)323。输入耦合光栅(ICG)、正交光瞳扩展器(OPE)和出射光瞳扩展器(EPE)可以采用在光波导上形成的光栅的形式。目镜波导310可以具有输入端口，例如ICG，其被配置为从扫描镜接收不同角度的光束。在一些实施例中，可以将多个点光源设置在覆盖目镜波导的输入端口上的集成光波导芯片中，并且可以将扫描镜设置为覆盖在集成光波导芯片上。在该配置中，来自扫描镜的多个准直光束可以被发送通过扫描镜以到达目镜波导的输入端口。
如图3B所示，来自扫描镜的准直光(仅346A和346D可见)被ICG321入耦合到目镜波导310中。目镜波导310可以具有用于不同颜色的多个光波导的堆叠。入耦合光348通过全内反射在目镜波导310中传播，然后出耦合至正交光瞳扩展器，进而耦合至图3B中不可见的出射光瞳扩展器(EPE)。EPE被配置为投射可以从用户眼睛位置330观看的图像。
在一些实施例中，多个准直光束中的每个通过复合视场(FOV)的一部分扫描并且通过目镜波导耦合。如图3A和3B所述，四个发散的入射RGB光柱入射在扫描镜上。该镜分别对它们进行准直，并输出四个朝不同方向的准直光束。通过该镜扫描，它可以在FOV的四个象限处形成图像。在任何时刻，四个准直光束中的每一个都指向不同角度。在该示例中，在视场的四个象限中，由四个RGB光束扫描来扫描完整图像。四个扫描光束的组合被配置为在图3C中的放大的复合视场376中提供具有四个象限371-374的平铺图像。
应该理解的是，图10中所示的具体步骤提供了根据本发明另一实施例的在波导显示器中显示图像的特定方法。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顺序执行以上概述的步骤。此外，在图10中示出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，取决于特定应用，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。
在以上示例中，四组扫描光束被配置为提供具有四个象限的平铺图像以形成放大的复合视场。在其他实施例中，可以使用不同数量的扫描光束来形成具有不同大小和形状的放大的复合视场。
上述图像显示系统可以例如通过有线引线或无线连接操作性地耦合到数据处理模块，该数据处理模块可以以各种配置安装，例如固定地附接到框架、固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子上、嵌入耳机中或以其他方式附接到用户。数据处理模块可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器。例如，用于复合视场的每个部分的图像信息可用于操作光源和扫描镜，以控制大复合视场中图像的显示。
尽管已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是将清楚的是，本发明不仅限于这些实施例。在不脱离权利要求中所描述的本发明的精神和范围的情况下，许多修改、改变、变化、替换和等同物对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (20)

1.一种波导显示器，包括：
包括输入端口的目镜波导，所述输入端口被配置为接收不同角度的光束；
覆盖在所述目镜波导的所述输入端口上的集成光波导芯片，所述集成光波导芯片包括位于所述输入端口附近的多个点光源，所述多个点光源中的每一个具有远离所述输入端口而定向的发射方向；以及
覆盖在所述集成光波导芯片上的扫描镜，所述扫描镜带有具有正光焦度的表面，位于所述输入端口附近并被定位以拦截由所述多个点光源发射的光，其中，所述具有正光焦度的表面被配置为准直由所述多个点光源发射的光以形成多个准直光束，并将由所述多个点光源发射的光反射通过所述集成光波导芯片到所述输入端口。
2.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述多个点光源被定位成使得所述扫描镜同时扫描多个入射光束并将由所述多个点光源照射的各个视场组合成更大的复合视场。
3.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述多个准直光束中的每一个被配置为通过所述目镜波导照射复合视场FOV的一部分。
4.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述集成光波导芯片包括多个光波导，其中，所述多个光波导中的至少一个子集具有发光端，以及其中，所述多个点光源包括所述发光端。
5.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述集成光波导芯片被设置在所述扫描镜与所述输入端口之间。
6.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述具有正光焦度的表面包括以下中的至少一个：菲涅耳反射器和凹面镜。
7.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述目镜波导还包括正交光瞳扩展器和出射光瞳扩展器，其中，所述目镜波导包括至少一个主表面，并且其中，所述输入端口、所述正交光瞳扩展器和所述出射光瞳扩展器包括被设置在所述至少一个主表面上的表面起伏光栅。
8.根据权利要求7所述的波导显示器，其中，所述集成光波导芯片和所述扫描镜被设置在所述主表面的公共侧面上。
9.一种增强现实眼镜，包括根据权利要求1所述的波导显示器。
10.一种图像显示系统，包括：
包括输入端口的目镜波导，所述输入端口被配置为接收不同角度的光束；
被配置为发射非准直光的多个光源；以及
被配置为在俯仰和翻滚方向上旋转的扫描镜，所述扫描镜带有具有正光焦度的表面，其被配置为接收由所述多个光源发射的光，其中，所述具有正光焦度的表面被配置为准直由所述多个光源发射的光以形成多个准直光束并且将所述多个准直光束引导到所述输入端口。
11.根据权利要求10所述的图像显示系统，其中，所述具有正光焦度的表面包括凹面镜。
12.根据权利要求10所述的图像显示系统，其中，所述具有正光焦度的表面包括菲涅耳反射器。
13.根据权利要求10所述的图像显示系统，还包括：
包括多个光波导的集成光波导芯片，其中，所述多个光波导中的至少一个子集具有发光端；以及
其中，所述多个光源包括所述发光端。
14.根据权利要求13所述的图像显示系统，其中，来自所述扫描镜的所述多个准直光束被发送通过所述集成光波导芯片以到达所述目镜波导的所述输入端口。
15.根据权利要求10所述的图像显示系统，其中，所述多个光源被配置为沿不同方向发射非准直光。
16.根据权利要求10所述的图像显示系统，其中，所述多个准直光束中的每一个被配置为通过所述目镜波导照射平铺复合视场FOV的一部分。
17.一种用于在波导显示器中显示图像的方法，包括：
从多个点光源发射光，所述多个点光源中的每一个具有不同的发射方向；
在被配置为在俯仰和翻滚方向上旋转的扫描镜处拦截由所述多个点光源发射的光，所述扫描镜带有具有正光焦度的表面，其中，所述具有正光焦度的表面被配置为准直由所述多个点光源发射的光以产生多个准直光束；
在目镜波导的输入端口接收来自所述扫描镜的所述多个准直光束；以及
从所述目镜波导的输出端口形成图像。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：从覆盖在所述目镜波导的所述输入端口上的集成光波导芯片提供所述多个点光源，所述多个点光源中的每一个具有远离所述输入端口而定向的发射方向。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个准直光束中的每一个被配置为通过所述目镜波导照射复合视场FOV的一部分。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括：
所述扫描镜同时扫描来自所述多个点光源的多个入射光束；以及
将由所述多个点光源照射的各个视场组合成更大的平铺复合视场。
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