CN114450620A - 用于近眼显示器的低倾角光瞳中继器 - Google Patents

用于近眼显示器的低倾角光瞳中继器 Download PDF

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Abstract

一种用于近眼显示器的光束扫描器，包括光束折叠光瞳中继器，该光束折叠光瞳中继器被配置为接收从可倾斜反射器反射的光束并且将该光束中继到出射光瞳，同时保留经反射的光束的光束角。光束折叠光瞳中继器包括分束器，例如，被配置为将光束重定向到弯曲反射器的偏振分束器，该弯曲反射器将光束朝向出射光瞳发送。从弯曲反射器反射的光束的偏振可以被设置在偏振分束器与弯曲反射器之间的光束的光路中的波片改变为正交偏振，从而使得经反射的光束能够朝向出射光瞳、传播通过偏振分束器。光瞳复制波导可以被设置在出射光瞳附近。可以使用2D可倾斜反射器或成对1D可倾斜反射器。

Description

用于近眼显示器的低倾角光瞳中继器
技术领域
本公开涉及可佩戴头戴式耳机，具体涉及用于可佩戴视觉显示头戴式耳机的部件和模块。
背景技术
头戴式显示器(HMD)、头盔式显示器、近眼显示器(NED)等正越来越多地用于显示虚拟现实(VR)内容、增强现实(AR)内容、混合现实(MR)内容等。这样的显示器正在包括娱乐、教育、训练和生物医学科学在内的各种领域中找到应用，仅举几个示例。通过向用户的每只眼睛提供单独图像，所显示的VR/AR/MR内容可以为三维的(3D)。可以实时跟踪用户的眼睛位置和凝视方向和/或取向，并且可以依据用户的头部取向和凝视方向动态调整所显示的图像，以将虚拟对象与用户所观察的真实对象相匹配，并且通常提供沉浸到模拟环境或增强环境中的体验。
对于头戴式显示器，需要紧凑型显示设备。因为HMD或NED的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以大而笨重的、失衡的和/或重型的显示设备可能较为麻烦，并且对于用户可能不太舒适。
基于投影仪的显示器提供角域中的图像，该图像可以由用户直接观察，而无需中间屏幕或显示面板。波导可以用来将角域中的图像载送到用户的眼睛。扫描投影仪显示器中缺少屏幕或高数值孔径准直光学器件使得能够减小显示器的尺寸和重量。用于投影仪显示器的扫描仪需要是快速的、具有宽的扫描范围、并且保留被扫描以在角域中形成图像的光束的光学质量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种光束扫描器，包括第一可倾斜反射器，用于从光源接收第一光束并且以可变角反射第一光束；以及光束折叠光瞳中继器，被配置用于从第一可倾斜反射器接收第一光束并且将第一光束中继到出射光瞳，该光束折叠光瞳中继器包括分束器，被配置用于接收由第一可倾斜反射器反射的第一光束并且反射第一光束的至少一部分；以及弯曲反射器，被配置用于接收由分束器反射的第一光束的一部分，并且用于将第一光束的一部分反射返回到分束器；其中分束器被配置用于将由弯曲反射器反射的第一光束的一部分的至少一部分透射到光束折叠光瞳中继器的出射光瞳。
可选地，弯曲反射器的曲率半径基本等于从第一可倾斜反射器到弯曲反射器的光路长度以及从弯曲反射器到出射光瞳的光路长度。可选地，弯曲反射器包括弯月透镜，弯月透镜在其远端凸面上具有反射涂层。
可选地，分束器包括偏振分束器(PBS)，该偏振分束器被配置为反射具有第一偏振态的光并且透射具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光，其中从可倾斜反射器反射并且照射到PBS上的第一光束具有第一偏振态。可选地，光束扫描器还包括第一四分之一波长波片(QWP)，该第一四分之一波长波片被设置在PBS与弯曲反射器之间的光路中，并且被配置为在两次通过第一QWP时将第一光束的偏振从第一偏振态转换为第二偏振态，由此在操作中，由弯曲反射器反射的第一光束传播通过PBS。可选地，PBS具有带有两个正方形面和四个矩形非正方形面的立方体的形状。
可选地，光束扫描器还包括：第一透镜，位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中，用于聚焦由第一可倾斜反射器反射的第一光束以朝向PBS传播；第二透镜，位于PBS与出射光瞳之间的光路中，用于对传播通过PBS的第一光束进行准直；以及第二QWP，位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中，其中在操作中，由光源发射的第一光束具有第二偏振态并且在照射到第一可倾斜反射器上之前传播通过PBS。可选地，第一可倾斜反射器包括2D可倾斜微电子机械系统(MEMS)反射器。
可选地，第一可倾斜反射器包括1D可倾斜MEMS反射器，该可倾斜MEMS反射器用于沿着第一方向扫描第一光束。可选地，光束扫描器还包括第二可倾斜MEMS反射器，该第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过分束器的第一光束并且沿着不平行于第一方向的第二方向扫描第一光束。
可选地，光束扫描器包括位于第一可倾斜反射器与分束器之间的光路中的光束折叠棱镜元件。可选地，光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面，以及在第一表面处的第一反射偏振器。可选地，光束折叠棱镜元件被配置为：在将第一光束重定向以通过第二表面离开光束折叠棱镜元件且朝向第一可倾斜反射器之前，将由光源发射的光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射。可选地，光束扫描器还包括QWP，该QWP被配置用于接收从光束折叠棱镜元件出射的第一光束并且使第一光束传播通过QWP，其中在操作中，在从可倾斜反射器反射之后，传播通过QWP的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件。
可选地，光束扫描器还包括第二棱镜元件，用于使由光束折叠棱镜元件输出的第一光束传播通过，该第二棱镜元件邻接第一反射偏振器。
可选地，光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，该第二反射偏振器被设置在光束折叠棱镜元件内的第一光束的以下光路中，即在光束折叠棱镜元件内的第二表面和第一表面的反射之间的光路中，并且其中QWP被光耦合到光束折叠棱镜元件的第三表面，其中在操作中，第一光束经历来自第二表面的第一反射，传播通过第二反射偏振器，经历通过QWP的来自第三表面的第二反射，被第一反射偏振器反射，在光束折叠棱镜元件的第三表面处从光束折叠棱镜元件出射通过QWP，被可倾斜反射器反射以传播返回通过QWP，通过第二反射偏振器以及从光束折叠棱镜元件离开。
可选地，光束扫描器还包括第二棱镜元件，该第二棱镜元件被耦合到光束折叠棱镜元件的第一表面，用于接收照射到第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过第一反射偏振器将第二光束耦合到光束折叠棱镜元件。
根据本发明的第二方面，提供了一种投影仪，包括第一光源，用于提供第一光束；第一可倾斜反射器，用于从光源接收第一光束并且以可变角反射第一光束；以及光束折叠光瞳中继器，被配置用于从第一可倾斜反射器接收第一光束并且将第一光束中继到出射光瞳，该光束折叠光瞳中继器包括分束器，被配置用于接收由第一可倾斜反射器反射的第一光束并且反射第一光束的至少一部分；以及弯曲反射器，被配置用于接收由分束器反射的第一光束的一部分，并且用于将第一光束的一部分反射返回到分束器；其中分束器被配置用于将由弯曲反射器反射的第一光束的一部分的至少一部分透射到光束折叠光瞳中继器的出射光瞳。
可选地，分束器包括偏振分束器(PBS)，该偏振分束器被配置为反射具有第一偏振态的光并且透射具有与该第一偏振态正交的第二偏振态的光，其中从可倾斜反射器反射并且照射到PBS上的第一光束具有第一偏振态，投影仪还包括：第一透镜，位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中，用于聚焦由第一可倾斜反射器反射的第一光束以朝向PBS传播；第二透镜，位于PBS与出射光瞳之间的光路中，用于对传播通过PBS的第一光束进行准直；以及第一四分之一波长波片(QWP)，该第一QWP被设置在PBS与弯曲反射器之间的光路中并且被配置为在两次通过第一QWP时将第一光束的偏振从第一偏振态转换为第二偏振态，其中在操作中，由弯曲反射器反射的第一光束传播通过PBS；以及第二QWP，位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中，其中在操作中，由光源发射的第一光束具有第二偏振态，并且在照射到第一可倾斜反射器上之前传播通过PBS。
可选地，第一可倾斜反射器包括1D可倾斜MEMS反射器，用于沿着第一方向扫描第一光束，投影仪还包括第二可倾斜MEMS反射器，该第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过分束器的第一光束，并且沿着不平行于第一方向的第二方向扫描第一光束。
可选地，投影仪还包括位于第一可倾斜反射器与分束器之间的光路中的光束折叠棱镜元件，该光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面、以及在第一表面处的第一反射偏振器，其中光束折叠棱镜元件被配置为：在将通过第二表面离开光束折叠棱镜元件、朝向第一可倾斜反射器的第一光束重定向之前，将由光源发射的光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射；以及QWP，该QWP被配置用于接收从光束折叠棱镜元件出射的第一光束并且使第一光束传播通过QWP；其中在操作中，在从可倾斜反射器反射之后，传播通过QWP的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件。
可选地，投影仪还包括用于提供第二光束的第二光源；第二棱镜元件，被耦合到光束折叠棱镜元件的第一表面，用于接收照射在第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过第一反射偏振器将第二光束耦合到光束折叠棱镜元件；其中光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，该第二反射偏振器被设置在光束折叠棱镜元件内的第一光束的以下光路中，即在光束折叠棱镜元件内的第二表面和第一表面的反射之间的光路中，并且其中QWP被光耦合到光束折叠棱镜元件的第三表面；其中在操作中，第一光束经历来自第二表面的第一反射，传播通过第二反射偏振器，经历通过QWP的来自第三表面的第二反射，被第一反射偏振器反射，在光束折叠棱镜元件的第三表面处从光束折叠棱镜元件出射通过QWP，被可倾斜反射器反射以传播返回通过QWP，通过第二反射偏振器，以及从光束折叠棱镜元件传播离开。
根据本发明的第三方面，提供了一种近眼显示器，用于在眼箱处提供角域中的图像，该近眼显示器包括第一光源，用于提供第一光束；第一可倾斜反射器，用于从光源接收第一光束并且以可变角反射第一光束；以及光束折叠光瞳中继器，被配置用于从第一可倾斜反射器接收第一光束，并且将第一光束中继到出射光瞳，该光束折叠光瞳中继器包括分束器，被配置用于接收由第一可倾斜反射器反射的第一光束并且反射第一光束的至少一部分；以及弯曲反射器，被配置用于接收由分束器反射的第一光束的一部分，并且用于将第一光束的一部分反射返回到分束器；其中分束器被配置用于将由弯曲反射器反射的第一光束的一部分的至少一部分透射到光束折叠光瞳中继器的出射光瞳；光瞳复制波导，被设置在光束折叠光瞳中继器的出射光瞳附近；以及控制器，被可操作地耦合到第一光源和第一可倾斜反射器，并且被配置为：操作第一可倾斜反射器以使第一光束的一部分中的、在光束折叠光瞳中继器的出射光瞳处的部分具有与待被显示图像的第一像素相对应的光束角；以及与操作可倾斜反射器协调操作第一光源，使得第一光束具有与第一像素相对应的亮度。
可选地，第一可倾斜反射器包括1D可倾斜MEMS反射器，用于沿着第一方向扫描第一光束，该近眼显示器还包括第二可倾斜MEMS反射器，该第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过分束器的第一光束并且沿着不平行于第一方向的第二方向扫描第一光束；其中光瞳复制波导包括偏振体积光栅(PVH)，该偏振体积光栅被配置为接收由第二可倾斜反射器反射的光束并且重定向光束以用于在光瞳复制波导中传播；并且其中控制器被可操作地耦合到第二可倾斜反射器，并且被配置为操作第二可倾斜反射器，以使光束折叠光瞳中继器的出射光瞳处的第一光束具有与待被显示图像的第一像素相对应的光束角。
可选地，近眼显示器还包括位于第一可倾斜反射器与分束器之间的光路中的光束折叠棱镜元件，该光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面，以及在第一表面处的第一反射偏振器，其中光束折叠棱镜元件被配置为：在将第一光束重定向以通过第二表面离开光束折叠棱镜元件、朝向第一可倾斜反射器之前，将由光源发射的光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射；以及QWP，该QWP被配置用于接收从光束折叠棱镜元件出射的第一光束并且使第一光束传播通过QWP，其中在操作中，在从可倾斜反射器反射之后，传播通过QWP的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件。
附图说明
现在，结合附图对示例性实施例进行描述，其中：
图1是本公开的光束扫描器的示意性视图，该光束扫描器包括光束折叠光瞳中继器和2D可倾斜反射器；
图2A是包括图1的光束扫描器的近眼显示器的示意性射线跟踪视图；
图2B是本发明的光束扫描器实施例的示意性横截面视图；
图2C是图2B的光束扫描器实施例的射线跟踪视图；
图2D是具有色差补偿的弯曲反射器实施例的光线跟踪横截面视图；
图3是包括光束折叠光瞳中继器和两个1D可倾斜反射器的近眼显示器的示意性视图；
图4A是可用于图3的近眼显示器中的偏振体积全息图(PVH)光栅的示意性横截面视图；
图4B是图示了图4A的PVH光栅的操作原理的示意图；
图5是包括光束折叠元件的近眼显示器的示意性视图；
图6是可用作图5的近眼显示器中的光束折叠元件的光束折叠棱镜元件的横截面侧视图；
图7是可用作图5的近眼显示器中的光束折叠元件的双输入光束折叠棱镜元件的横截面侧视图；
图8A、图8B和图8C是可用于本文中所公开的近眼显示器中的多发射器光源的正视图；
图9A是作为光束倾角的函数的扫描投影仪显示器的视场(FOV)的纵横比的曲线图；
图9B是图9A中的FOV在零倾角处的示意性视图；
图9C是图9A中的FOV在最大倾角处的示意性视图；
图10是包括本发明的光束扫描器的近眼显示器的横截面平面图；
图11A是本公开的头戴式显示器的等距视图；以及
图11B是包括图11A的头戴式耳机的虚拟现实系统的框图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例对本教导进行了描述，但是本发明并不旨在限于这些实施例。相反，本领域技术人员应当领会，本教导包括各种备选方案和等同物。本文中叙述本公开的原理、方面和实施例的所有陈述以及其特定示例旨在涵盖其结构和功能等同物。附加地，这些等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，所开发的执行相同功能的任何元件，而与结构无关。
如本文中所使用的，除非明确说明，否则术语“第一”、“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在区分一个元件与另一元件。同样，除非明确说明，否则方法步骤的顺序排序并不暗示其执行的顺序次序。在图1、图2A至图2C、图3和图5中，相同的附图标记表示相同的元件。
可倾斜反射器可以用于扫描由光源发射的光束以形成角域中的图像，以供由近眼显示器的用户观察。当扫描光束时，根据待显示图像的对应像素，所扫描的光束的亮度和/或颜色随扫描而变化。当在显示器的整个帧或视场(FOV)上以两个维度(例如，在X视角和Y视角上)扫描光束时，形成整个图像。当帧速率足够高时，眼睛对被扫描光束进行积分，从而使得用户能够看到被显示图像，而基本上没有闪烁。
与一些近眼显示图像扫描器相关联的一个挑战是由光束到扫描器的可倾斜反射器上的倾斜入射角引起的视场(FOV)的减小。所使用的光学几何结构可能需要该倾斜角，例如，以将照射光束与所扫描(即，被反射)的光束物理分离。FOV的减小由立体角的失真引起，该立体角表示光束在可倾斜反射器处的倾斜入射角的扫描范围。
所扫描的光束可以被耦合到光瞳复制波导的输入光栅。输入光栅的功能是耦合照射光束，以例如通过全内反射(TIR)在波导中传播。与一些近眼显示图像扫描器相关联的另一挑战是光束在被扫描时沿着输入光栅移位，这需要增加输入光栅的尺寸来以极端扫描角捕获被扫描光束。遗憾的是，由大输入光栅重定向的光可能在其通过波导内部的TIR传播时几次入射在输入光栅上，从而导致功率损失和亮度损失，并且恶化向用户显示的图像的调制传递函数(MTF)。
按照本公开，光瞳中继器可以用于补偿被扫描光束行进，使得不管光束角如何，尽管处于不同角，光束也总是传播通过光瞳中继器的出射光瞳处的相同位置。光瞳中继器的输出光束可以通过偏振与输入光束在空间上分离。这消除了通过倾斜入射角对光束进行几何分离的需要，从而产生紧凑配置，该紧凑配置当可倾斜反射器处于中心(非倾斜)角位置时，在可倾斜反射器处提供几乎笔直的入射角。照射光束的低倾角使得能够更有效地利用扫描范围。同时，减小的光束走动使得能够减小光瞳复制波导的输入光栅的尺寸，从而改善图像MTF。
按照本公开，提供了一种光束扫描器，包括第一可倾斜反射器，用于从光源接收第一光束并且以可变角反射第一光束。光束折叠光瞳中继器被配置用于从第一可倾斜反射器接收第一光束并且将第一光束中继到出射光瞳。该光束折叠光瞳中继器包括分束器，该分束器被配置用于接收由第一可倾斜反射器反射的第一光束并且反射第一光束的至少一部分；以及弯曲反射器，该弯曲反射器被配置用于接收由分束器反射的第一光束的一部分并且用于将第一光束的一部分反射返回到分束器。分束器被配置为：将由弯曲反射器反射的第一光束的一部分的至少一部分透射到光束折叠光瞳中继器的出射光瞳。
在一些实施例中，弯曲反射器的曲率半径基本等于从第一可倾斜反射器到弯曲反射器的光路长度以及从弯曲反射器到出射光瞳的光路长度。在一些实施例中，该分束器包括偏振分束器(PBS)，该偏振分束器被配置为反射具有第一偏振态的光并且透射具有与该第一偏振态正交的第二偏振态的光，其中从可倾斜反射器反射并且入射到PBS上的第一光束具有第一偏振态。该光束扫描器还可以包括第一四分之一波长波片(QWP)，该第一四分之一波长波片被设置在PBS与弯曲反射器之间的光路中并且被配置为在两次通过第一QWP时将第一光束的偏振从第一偏振态转换为第二偏振态，由此在操作中，由弯曲反射器反射的第一光束传播通过PBS。光束扫描器还可以包括：位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中的第一透镜，用于聚焦由第一可倾斜反射器反射的第一光束以朝向PBS传播；位于PBS与出射光瞳之间的光路中的第二透镜，用于对传播通过PBS的第一光束进行准直；以及位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中的第二QWP。在操作中，由光源发射的第一光束具有第二偏振态，并且在照射到第一可倾斜反射器上之前传播通过PBS。PBS可以具有带有两个正方形面和四个矩形(即，非正方形面)的立方体形状。
在一些实施例中，第一可倾斜反射器包括2D可倾斜微电子机械系统(MEMS)反射器。在一些实施例中，第一可倾斜反射器包括1D可倾斜MEMS反射器，该1D可倾斜MEMS反射器用于沿着第一方向扫描第一光束。光束扫描器还可以包括第二可倾斜MEMS反射器，该第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过分束器的第一光束并且沿着不平行于第一方向的第二方向扫描第一光束。弯曲反射器可以包括弯月透镜，该弯月透镜在其远端凸面上具有反射涂层。
在一些实施例中，光束扫描器包括光束折叠棱镜元件和QWP。光束折叠棱镜元件可以设置在第一可倾斜反射器与分束器之间的光路中，光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面以及第一表面处的第一反射偏振器。光束折叠棱镜元件可以被配置为在将第一光束通过第二表面并朝向第一可倾斜反射器重定向出光束折叠棱镜元件之前，将由光源发射的第一光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射。QWP可以被配置用于接收从光束折叠棱镜元件出射的第一光束并且使第一光束传播通过QWP。在操作中，传播通过QWP的第一光束在从可倾斜反射器反射之后传播通过光束折叠棱镜元件。可以提供第二棱镜元件，用于使由光束折叠棱镜元件输出的第一光束传播通过第二棱镜元件，该第二棱镜元件邻接第一反射偏振器。
在一些实施例中，光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，该第二反射偏振器被设置在光束折叠棱镜元件内的第一光束的以下光路中，即在光束折叠棱镜元件内的第二表面和第一表面的反射之间的光路中。QWP可以被光学耦合到光束折叠棱镜元件的第三表面。在操作中，第一光束经历来自第二表面的第一反射，传播通过第二反射偏振器，经历通过QWP的来自第三表面的第二反射，被第一反射偏振器反射，在光束折叠棱镜元件的第三表面处从光束折叠棱镜元件出射通过QWP，被可倾斜反射器反射以传播返回通过QWP，通过第二反射偏振器，并且从光束折叠棱镜元件离开。第二棱镜元件可以被耦合到光束折叠棱镜元件的第一表面，用于接收照射到第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过第一反射偏振器将第二光束耦合到光束折叠棱镜元件。
按照本公开，提供了一种投影仪，包括第一光源，用于提供第一光束；第一可倾斜反射器，用于从光源接收第一光束并且以可变角反射第一光束；以及光束折叠光瞳中继器，被配置用于从第一可倾斜反射器接收第一光束并且将第一光束中继到出射光瞳。该光束折叠光瞳中继器可以包括分束器，被配置用于接收由第一可倾斜反射器反射的第一光束并且反射第一光束的至少一部分；以及弯曲反射器，被配置用于接收由分束器反射的第一光束的一部分并且用于将第一光束的一部分反射返回到分束器。分束器可以被配置为将由弯曲反射器反射的第一光束的一部分的至少一部分透射到光束折叠光瞳中继器的出射光瞳。
在分束器包括被配置为反射具有第一偏振态的光并且透射具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光的偏振分束器(PBS)的实施例中，投影仪还可以包括位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中的第一透镜，用于聚焦由第一可倾斜反射器反射的第一光束以朝向PBS传播；位于PBS与出射光瞳之间的光路中的第二透镜，用于对传播通过PBS的第一光束进行准直；第一四分之一波长波片(QWP)，设置在PBS与弯曲反射器之间的光路中并且被配置为在两次通过第一QWP时将第一光束的偏振从第一偏振态转换为第二偏振态。在操作中，由弯曲反射器反射的第一光束传播通过PBS；以及位于第一可倾斜反射器与PBS之间的光路中的第二QWP。由光源发射的第一光束具有第二偏振态，并且在照射到第一可倾斜反射器上之前传播通过PBS。
第一可倾斜反射器可以包括1D可倾斜MEMS反射器，该1D可倾斜MEMS反射器用于沿着第一方向扫描第一光束。该投影仪还可以包括第二可倾斜MEMS反射器，该第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过分束器的第一光束并且沿着不平行于第一方向的第二方向扫描第一光束。
在一些实施例中，投影仪还包括位于第一可倾斜反射器与分束器之间的光路中的光束折叠棱镜元件，该光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面、以及第一表面处的第一反射偏振器，其中光束折叠棱镜元件被配置为：在将第一光束重定向以通过第二表面离开光束折叠棱镜元件且朝向第一可倾斜反射器之前，将光源发射的第一光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射；以及位于第一可倾斜反射器与分束器之间的光路中的光束折叠棱镜元件，该光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面、以及第一表面处的第一反射偏振器，其中该光束折叠棱镜元件被配置为：在将第一光束重定向以通过第二表面离开光束折叠棱镜元件且朝向第一可倾斜反射器之前，将由光源发射的第一光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射。在操作中，在从可倾斜反射器反射之后传播通过QWP的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件。
在一些实施例中，投影仪还包括第二光源，用于提供第二光束；以及第二棱镜元件，耦合到光束折叠棱镜元件的第一表面，用于接收照射在第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过第一反射偏振器将第二光束耦合到光束折叠棱镜元件。该光束折叠棱镜元件还可以包括第二反射偏振器，该第二反射偏振器被设置在光束折叠棱镜元件内的第一光束的以下光路中，即在光束折叠棱镜元件内的第二表面和第一表面的反射之间的光路中，并且其中QWP被光耦合到光束折叠棱镜元件的第三表面。在操作中，第一光束经历来自第二表面的第一反射，传播通过第二反射偏振器，经历通过QWP的来自第三表面的第二反射，被第一反射偏振器反射，在光束折叠棱镜元件的第三表面处从光束折叠棱镜元件出射通过QWP，被可倾斜反射器反射以传播返回通过QWP，通过第二反射偏振器，并且从光束折叠棱镜元件离开。
按照本公开，还提供了一种用于在眼箱处提供角域中的图像的近眼显示器。该近眼显示器包括第一光源，用于提供第一光束；第一可倾斜反射器，用于从光源接收第一光束并且以可变角反射第一光束；以及光束折叠光瞳中继器，被配置用于从第一可倾斜反射器接收第一光束并且将第一光束中继到出射光瞳。该光束折叠光瞳中继器可以包括分束器，被配置用于接收由第一可倾斜反射器反射的第一光束并且反射第一光束的至少一部分；以及弯曲反射器，被配置用于接收由分束器反射的第一光束的一部分并且用于将第一光束的一部分反射返回到分束器。分束器可以被配置为将由弯曲反射器反射的第一光束的一部分的至少一部分透射到光束折叠光瞳中继器的出射光瞳。投影仪还可以包括光瞳复制波导，该光瞳复制波导被设置在光束折叠光瞳中继器的出射光瞳附近；以及控制器，该控制器可操作地耦合到第一光源和第一可倾斜反射器。该控制器可以被配置用于操作第一可倾斜反射器以使得第一光束的一部分中的、在光束折叠光瞳中继器的出射光瞳处的部分具有与待被显示图像的第一像素相对应的光束角；以及与操作可倾斜反射器协调操作第一光源，使得第一光束具有与第一像素相对应的亮度。
在第一可倾斜反射器包括用于沿着第一方向扫描第一光束的1D可倾斜MEMS反射器的实施例中，近眼显示器还可以包括第二可倾斜MEMS反射器，该第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过分束器的第一光束并且沿着不平行于第一方向的第二方向扫描第一光束。在这样的实施例中，光瞳复制波导可以包括偏振体积光栅(PVH)，该偏振体积光栅被配置为接收由第二可倾斜反射器反射的光束并且重定向该光束以供在光瞳复制波导中传播。控制器可以被可操作地耦合到第二可倾斜反射器，并且被配置为操作第二可倾斜反射器，以使得光束折叠光瞳中继器的出射光瞳处的第一光束具有与待被显示图像的第一像素相对应的光束角。
在一些实施例中，近眼显示器还可以包括位于第一可倾斜反射器与分束器之间的光路中的光束折叠棱镜元件，该光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面、以及第一表面处的第一反射偏振器，其中光束折叠棱镜元件被配置为：在将第一光束重定向以通过第二表面离开光束折叠棱镜元件且朝向第一可倾斜反射器之前，在将光源发射的第一光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射；以及QWP，该QWP被配置为接收从光束折叠棱镜元件出射的第一光束并且使第一光束传播通过QWP。在操作中，在从可倾斜反射器反射之后传播通过QWP的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件。
现在，将对本发明的光束扫描器的几个实施例进行详细描述。参考图1，光束扫描器100包括可倾斜反射器102，用于接收来自光源106的光束104(为简单起见仅示出了主光线)，并且在可倾斜反射器102上下倾斜以及可选地从左到右倾斜时以可变角反射光束104。光束折叠光瞳中继器108被配置为从可倾斜反射器102接收光束104并且将光束104中继到光束折叠光瞳中继器108的出射光瞳110。
在所示的实施例中，光束折叠光瞳中继器108包括分束器112，该分束器112被配置用于接收由可倾斜反射器102反射的光束104并且将光束104的至少一部分反射到弯曲反射器114。弯曲反射器114被配置为接收由分束器112反射的光束104的部分并且将光束104的部分反射返回到分束器112。在所示的实施例中，光束104被反射以基本沿着入射光束的光路传播返回来。后向反射的发生与可倾斜反射器102的倾斜角无关。
例如，在图1中，第一被反射光束104A(在向上倾斜的可倾斜反射器102处)至少部分被分束器112反射，以便通过第一光路105A传播返回去，而第二被反射光束104B(在向下倾斜的可倾斜反射器102处)至少部分被分束器112反射，以便通过第二光路105B传播返回去。为了实现光束104的主光线的后向反射，弯曲反射器114的曲率半径可以基本等于从第一可倾斜反射器102到弯曲反射器114的光路长度。在这种情况下，从可倾斜反射器102的中心反射的光束104的主光线将总是沿着弯曲反射器114的曲率半径传播，因此总是处于(或接近)在弯曲反射器114处的法向(零)入射角，并且被后向反射。从弯曲反射器114到出射光瞳110的光路长度也可以等于弯曲反射器114的曲率半径。这会确保不管在从可倾斜反射器102反射之后的传播角如何，光束104总是撞击出射光瞳110的中心，如图所示。当两个光路相等时，沿着从可倾斜反射器102到出射光瞳110的光路的放大等于1。
在一些实施例中，这两个路径不相等。换句话说，一方面，弯曲反射器114与可倾斜反射器102之间的路径长度，另一方面，弯曲反射器114与出射光瞳之间的路径长度可以不同。因此，导致放大大于或小于1。注意，出射光瞳的放大导致扫描范围的缩小，反之亦然。
为了保留光束的光功率，可以构造扫描器的光源以发射偏振光，并且可以使分束器具有偏振选择性。可以通过使用诸如波片之类的偏振转换光学元件来操纵光束的偏振态，以确保期望折叠光路。参考图2，近眼显示器200A包括光瞳复制波导组件240，该光瞳复制波导组件240光耦合到光束扫描器230A，该光束扫描器230A被配置为从光源206接收光束204。光瞳复制波导组件240可以具有一个、两个(如图所示)、三个或更多个波导。光束扫描器230A包括可倾斜反射器202，该可倾斜反射器202光耦合到光束折叠光瞳中继器208A。可倾斜反射器202可以是微电子机械(MEMS)可倾斜反射器，并且可以设置在具有透明窗口203的密封封装中。控制器250可以被可操作地耦合到可倾斜反射器202和光源206。
光束折叠光瞳中继器208A包括偏振分束器(PBS)212和弯曲反射器214，在该实施例中，弯曲反射器214包括在其远端(即，与PBS212距离最远的)凸面上具有反射涂层的弯月透镜。作为非限制性示例，弯曲反射器214还可以包括弯月透镜和弯曲反射镜，或简单包括弯曲反射镜，尽管具有反射涂层的弯月透镜会产生更为紧凑的构造。在该示例中，PBS 212被配置为反射具有第一偏振态(垂直于图2的平面偏振)的光，并且透射具有第二偏振态(在图2的平面中偏振)的光。第二偏振态与第一偏振态正交。
光束折叠光瞳中继器208A还可以包括第一四分之一波长波片221和第二四分之一波长波片222(QWP)。第一QWP 221设置在PBS 212与弯曲反射器214之间的光路中。第一QWP221可以被定向为使得光束的偏振态在两次通过第一QWP 221时改变为正交偏振态，即，从第一偏振态改变为第二偏振态。第二QWP 222设置在可倾斜反射器202与PBS 212之间的光路中，并且还可以被定向为在两次通过时在两个正交偏振态之间进行转换。第一透镜231可以设置在可倾斜反射器212与PBS 212之间的光路中，用于将照射发散光束204准直，以及用于聚焦由可倾斜反射器202反射的光束204，以朝向PBS212传播。第二透镜232可以设置在PBS 212与光束折叠光瞳中继器208A的出射光瞳210之间的光路中，用于将传播通过PBS212的光束204准直。
在操作中，光源206发射具有第二偏振态的光束204，即，在图2的平面中。光束204的发散可以通过诸如透镜之类的可选的光束成形光学元件207来调整。成形光学元件207可以具有负或正光学(即，聚焦或散焦)功率。成形光学元件207可以包括折射、反射、衍射元件等，或上述组合。由于光束204具有第二偏振态，所以其传播通过PBS 212而基本没有反射损耗。然后，光束204传播通过第二QWP222，变成圆偏振光束，传播通过窗口203，并且照射到可倾斜反射器202上，该可倾斜反射器202以可变角反射光束204，例如，如图所示向上反射。然后，光束204再次传播通过窗口203。
从可倾斜反射器202反射并且照射到PBS 212上的光束204具有第一偏振态，即，垂直于图2的平面。这使得光束204被PBS 212反射，并且在传播通过第一QWP 221之后照射到弯曲反射器214上，这将光束204的偏振态改变为圆偏振。在第二次通过第一QWP 221时，光束204变成在第二偏振态下线性偏振，因此传播通过PBS 212，并且在照射到光瞳复制波导组件240上之前被第二透镜232准直。经准直的光束204在出射光瞳210处出射，而与可倾斜反射器202的倾斜角无关。
如上文所指出的，可倾斜反射器202可以包括MEMS可倾斜反射器。MEMS反射器可以在两个维度上倾斜，例如，图2中的上下和左右，即，图2的面内和面外。第一透镜231和第二透镜232以及弯曲反射器214的弯月反射透镜可以被优化以减小可倾斜反射器202的整个扫描范围上的光学像差。第二QWP 222可以设置在第一透镜231的另一侧上，即，它可以层压到窗口203上，或它可以代替窗口203。
近眼显示器200A的控制器250可以被配置为操作可倾斜反射器202，以使得光束204在光束折叠光瞳中继器208A的出射光瞳210处具有与要由近眼显示器200A显示的角域中的图像的特定像素相对应的光束角。控制器250与操作可倾斜反射器202协调操作光源206，使得光束204具有与待被显示的像素相对应的亮度、颜色等。当在近眼显示器200A的整个帧或视场(FOV)上以两个维度(例如，在X视角和Y视角上)对光束204进行扫描时，形成角域中的整个图像。当帧速率足够高时，用户的眼睛对扫描光束204进行积分，从而使得用户能够看到所显示的图像，而基本没有闪烁。
参考图2B和参考图2C，光束扫描器变体230B包括可倾斜反射器202、PBS 212、第一QWP 221和第二QWP 222、弯曲反射器274、内耦合透镜277和聚焦透镜271。内耦合透镜277和聚焦透镜271被设置在PBS 212的相对侧上。弯曲反射器274关于波导组件240被设置在PBS212的相对侧上。在该配置中，入射到可倾斜反射器202上的光束204未被准直，因此由可倾斜反射器的第二QWP 222和/或覆盖玻璃与可倾斜反射器202之间的反射引起的重影不在焦点内。
在操作中，内耦合透镜277稍微聚焦在图2C的平面中线性偏振的光束204。光束204传播通过PBS 212并且由聚焦透镜271聚焦。可倾斜反射器202接收光束204并且以可变角反射光束204。在两次传播通过第二QWP 222时，光束204变成垂直于图2C的平面的偏振，因此被PBS 212反射以照射到弯曲反射器274上，该弯曲反射器274准直光束204并且将光束204引导回到PBS 212。在两次传播通过第一QWP 221时，光束204变得在图2C的平面中偏振，因此传播通过PBS 212到达出射光瞳210。还应当指出，尽管PBS 212可以具有立方体形状，但是PBS 212的形状可以由光束扫描器230B(以及图2A的光束扫描器230A)生成的FOV的形状来确定。换句话说，如果FOV是正方形，则PBS 212的形状可以是立方体。然而，如果FOV是矩形，例如，60乘40度，则PBS 212的形状可以是具有两个正方形侧面(平行于图2A、图2B和图2C的平面的面)和非正方形(在该示例中为6:4)矩形顶面和底面的立方体，从而产生更为紧凑的配置。
在其中光束包括颜色通道分量(例如，红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)颜色通道分量)的实施例中，可以优化第一弯曲反射器214和/或第二弯曲反射器264以减小色差的影响。参考图2D，光束204包括R通道分量204R、G通道分量204G和B通道分量204B。第一弯曲反射器214包括远端凸面反射器表面284(图2D的顶部部分)和近端凹面折射表面285。本文中，术语“远端”和“近端”是相对于PBS212而言。如图2D的底部部分所示，凸面反射器表面284可以包括多个二向色涂层，每个二向色涂层反射它自己的颜色通道分量，并且可选地透射其他通道分量。例如，B通道二向色涂层284B可以反射B通道分量，同时透射R和G通道分量；G通道二向色涂层284G可以反射G通道分量，同时透射R通道分量；R通道涂层284R可以反射R通道分量。R通道涂层284R可以但不必是二向色的，因为它反射所有剩余的光。R通道涂层284R、G通道涂层284G和B通道涂层284B可以设置在与第一弯曲反射器214的近端凹折射面285相距的不同距离处，以抵消或减轻近眼显示器200中可能存在的色差。R通道涂层284R、G通道涂层284G和B通道涂层284B的次序可以与所示的次序不同。
现在，参考图3，近眼显示器300包括光瞳复制波导组件340，该光瞳复制波导组件340包括一个或多个光瞳复制波导。光瞳复制波导组件340光耦合到光束扫描器330，该光束扫描器330被配置为从光源306接收光束304。光束扫描器330包括光耦合到光束折叠光瞳中继器308的第一1D可倾斜反射器302和第二1D可倾斜反射器352，例如，1D可倾斜MEMS反射器。第一1D可倾斜反射器302被配置为用于沿着第一方向扫描光束304，并且第二1D可倾斜反射器352被配置为用于沿着不平行于第一方向(例如，垂直于第一方向)的第二方向扫描光束304。控制器350可操作地耦合到第一可倾斜反射器302和第二可倾斜反射器352以及光源306。
光束折叠光瞳中继器308与图2A的光束折叠光瞳中继器208A相似，并且包括类似元件。简而言之，光束折叠光瞳中继器308(图3)包括第一QWP 321和第二QWP 322。第一QWP321设置在PBS 312与弯曲反射器314之间的光路中。第二QWP 322设置在可倾斜反射器302、窗口303和PBS 312之间的光路中。提供第三QWP 323。第三QWP 323设置在PBS 312与光瞳复制波导组件340之间的光路中。第一QWP 321和第二QWP 322被定向为在双次通过时在两个正交偏振态之间转换。第三QWP 323被定向为将线性偏振转换为圆偏振。没有双次通过通过第三QWP 323。第一透镜331设置在可倾斜反射器312与PBS 312之间的光路中，第二透镜332设置在PBS 312与光束折叠光瞳中继器308的出射光瞳310之间的光路中。
在操作中，光源306发射具有第二偏振态的光束304，因此其传播通过PBS 312而基本没有反射损耗，即，反射损耗较低或可忽略。光束304照射到第一可倾斜反射器302上，该第一可倾斜反射器302在垂直平面中以可变角(即，在图3中向上和向下)反射光束304。然后，光束304在传播通过第一QWP 321之后被PBS 312反射，以照射到弯曲反射器314上。在该实施例中，弯曲反射器314包括在远侧具有反射涂层的弯月透镜。具有第二偏振态的光束304传播通过PBS 312，并且在传播通过第三QWP 323之前由第二透镜332准直，这使光束304圆偏振。圆偏振光束304传播通过光瞳复制波导组件340。光瞳复制波导组件340可以包括偏振选择输入光栅360。例如，光瞳复制波导组件340的每个波导可以包括偏振选择输入光栅360。偏振选择输入光栅360被配置为衍射圆偏振的一个旋向性的光，并且透射圆偏振的另一旋向性的光，而基本没有衍射。在该实施例中，光束304具有这样的偏振，使得输入光栅360在第一次通过时，即，在图3中向上，不衍射照射到光瞳复制波导组件340上的光束304。下文将考虑偏振选择输入光栅360的示例性实施例。
第二可倾斜反射器352被设置在光束折叠光瞳中继器308的出射光瞳310附近和光瞳复制波导组件340上方。如所指出的，第二可倾斜反射器352沿着第二方向(例如，图3中从左到右和从右到左)扫描光束304。光束304被第二可倾斜反射器352反射返回到光瞳复制波导组件340。在反射时，光束304的圆偏振的旋向性改变，因此光束304被偏振选择输入光栅360衍射，以在光瞳复制波导组件340中传播，如图所示。应当理解，光束折叠光瞳中继器308将光束304放置在第二可倾斜反射器352的大致中心处，而与第一可倾斜反射器302的倾斜角无关。这使得能够减小第二可倾斜反射器352的几何尺寸。另外，由于第一可倾斜反射器302仅在一个平面中重定向或扫描光束304，所以可以减小在垂直于扫描方向的方向上的整个光束折叠光瞳中继器308的尺寸，即，光束折叠光瞳中继器308的轮廓。这可以在图3中看到，其中例如PBS 312不是立方体而是低轮廓平行四边形，并且第一透镜331和第二透镜332被截断。
近眼显示器300的控制器350可以被配置为操作第一可倾斜反射器302和第二可倾斜反射器352，以使得光瞳复制波导组件340的输入光栅360处的光束304具有与要由近眼显示器300显示的角域中的图像的特定像素相对应的光束角。控制器350与操作可倾斜反射器302和352协调操作光源306，使得光束304具有与待被显示的像素相对应的亮度。当在近眼显示器300的整个帧或FOV上以两个维度(例如，在X视角和Y视角上)对光束304进行扫描时，形成角域中的整个图像。
如上文所提及的，当光束304首先通过光瞳复制波导组件340时，光束304的偏振态使得偏振选择输入光栅360不耦合光。在该阶段，光束304已经以一个维度进行扫描，因此在角空间中它扫出亮线。第二可倾斜反射器352扫过该亮线以填充全视场平截头体(近似矩形)。返回到第一次通过光瞳复制波导组件340：当亮扫描光束(扫出一条线)在第一次通过时通过偏振选择输入光栅360时，一小部分光可能内耦合到一个或多个波导中，这在外耦合到眼睛之后在角空间中表现为一条线。伪影的一种减轻是相对于光瞳复制波导组件340倾斜整个光学组件，使得第一通过亮线以所支持的视场之外的角通过偏振选择输入光栅360。然后，第二可倾斜反射器352需要被偏置以将所扫描的视场相对于波导轴线返回到中心。这增加了第二可倾斜反射器352上的照明的倾斜度，但是减轻了亮线伪影。
现在，将考虑偏振选择光栅360的示例性实施例。参考图4A，偏振体积全息图(PVH)光栅400包括由相对的平行的顶部表面405和底部表面406限定的LC层404。LC层404可以包括含有具有正介电各向异性的棒状LC分子407(例如，向列LC分子)的LC流体。手性掺杂剂可以添加到LC流体中，从而使得LC流体中的LC分子自组织成周期性螺旋配置，该周期性螺旋配置包括在LC层404的平行的顶部表面405和底部表面406之间延伸的螺旋结构408。LC分子407的这种配置(本文中被称为胆甾型配置(cholesteric configuration))在LC层404的平行的顶部表面405和底部表面406之间包括多个螺旋周期p，例如，至少两个、至少五个、至少十个、至少二十个或至少五十个螺旋周期p。LC层404的顶部表面405处的边界LC分子407b可以与顶部表面405成一定角取向。边界LC分子407b可以具有空间变化的方位角，例如，沿着平行于顶部表面405的X轴线性变化，如图4A所示。为此，可以在LC层404的顶部表面405处提供对准层412。对准层412可以被配置为提供边界LC分子407b的期望取向图案，诸如方位角对X坐标的线性依赖性。可以选择UV光的空间变化偏振方向的图案以匹配LC层404的顶部表面405和/或底部表面406处的边界LC分子407a的期望取向图案。当取向层412涂覆有胆甾型LC流体时，边界LC分子407a沿着取向层412的光聚合链取向，从而采用期望表面取向图案。如图所示，相邻LC分子采用从LC层404的顶部表面405延伸到底部表面406的螺旋图案。
边界LC分子407b定义具有螺旋周期p的螺旋结构408的相对相位。螺旋结构408形成包括以角φ倾斜的螺旋条纹414的体积光栅，如图4A所示。倾斜角φ的陡度取决于顶部表面405和p处的边界LC分子407b的方位角的变化率。因此，倾斜角φ由对准层412处的边界LC分子407A的表面对准图案确定。该体积光栅具有沿着X轴的周期Λx和沿着Y轴的周期Λy。在一些实施例中，LC分子407的周期螺旋结构408可以通过将稳定聚合物混合到LC流体中并固化(聚合)稳定聚合物而被聚合物稳定。
体积光栅的条纹414的螺旋性质使得PVH光栅400优选地响应于具有一个特定旋向性的偏振光，例如，左圆偏振或右圆偏振，而基本不响应于相反旋向性的偏振光。因此，螺旋条纹414使得PVH光栅400具有偏振选择性。这在图4B中图示，该图4B示出了照射到PVH光栅400上的光束420。光束420包括左圆偏振(LCP)光束分量421和右圆偏振(RCP)光束分量422。LCP光束分量421传播通过PVH光栅400，而基本没有衍射。本文中，术语“基本没有衍射”意指即使光束的不重要部分(在这种情况下，LCP光束分量421)可能衍射，所衍射的光能的部分也是如此之小，以致它不影响PVH光栅400的预期性能。光束420的RCP光束分量422经历衍射，从而产生衍射光束422'。PVH光栅400的偏振选择性由光栅的有效折射率产生，该有效折射率取决于入射光束的旋向性或手性与光栅条纹414的旋向性或手性之间的关系。还应当指出，PVH 400对右圆偏振光的灵敏度具体仅意在作为说明性示例。当螺旋条纹414的旋向性被反转时，可以使PVH 400对左圆偏振光敏感。
在图2A的近眼显示器200A和图3的近眼显示器300中，光束在照射到可倾斜反射器上之前传播通过PBS。例如，在图2中，由光源206发射的光束204在照射到可倾斜反射器202上之前传播通过PBS 212。即使光束204被偏振以完全透射通过PBS 212，一小部分也可以被PBS 212向上反射，从而产生可以降低显示图像对比度的发散重影光束。为了避免由于重影光束引起的对比度降低，可倾斜反射器可以由这样一种配置的光束照射，该配置不涉及在第一次照射到可倾斜反射器上之前传播光束通过光束折叠光瞳中继器的PBS。
参考图5，近眼显示器500与图2A的近眼显示器200A相似。简而言之，近眼显示器500包括光瞳复制波导组件540，该光瞳复制波导组件540被光耦合到光束扫描器530。光瞳复制波导组件540可以包括一个或多个单独光瞳复制波导。光束扫描器530被配置为经由光束折叠棱镜元件570接收来自第一光源506的第一光束504以及可选地接收来自第二光源556的第二光束554。下文将进一步考虑光束折叠棱镜元件570的实施例。光束扫描器530包括可倾斜反射器502，该可倾斜反射器502被光耦合到光束折叠光瞳中继器508。控制器550被可操作地耦合到可倾斜反射器502以及第一光源506和第二光源556。
光束折叠光瞳中继器508包括PBS 512和弯曲反射器514，弯曲反射器514包括弯月透镜，弯月透镜在其远端凸面上具有反射涂层。在该示例中，PBS 512被配置为反射具有第一偏振态(垂直于图5的平面偏振)的光，并且透射具有第二偏振态(在图5的平面中偏振)的光。
光束折叠光瞳中继器508还包括第一QWP 521和第二QWP 522。
第一QWP 521被设置在PBS 212与弯曲反射器514之间的光路中。
第二QWP 522被设置在可倾斜反射器502与PBS 512之间的光路中。QWP 521和522两者都被定向为在两次通过时在两个正交偏振态之间转换。第一透镜531被设置在可倾斜反射器502与PBS 512之间的光路中，第二透镜532被设置在PBS 512与光瞳复制波导组件540之间的光路中。
在操作中，光源506和556发射第一光束504和第二光束554。光束折叠棱镜元件570将光束504、554传送到可倾斜反射器502，并且以可变角透射由可倾斜反射器502反射的光束504、554。然后，光束504、554类似于上文参考图2A的近眼显示器200A的光束折叠光瞳中继器208A所解释的那样传播通过光束折叠光瞳中继器508。
现在，将参考图6和图7来考虑光束折叠光瞳中继器508的实施例。首先，参考图6，光束折叠棱镜元件670具有第一表面611和第二表面612，以及设置在第一表面611处的反射偏振器(RP)604。QWP 606被设置在光束折叠棱镜元件670的第二表面612处。可倾斜反射器602紧邻QWP 606设置。
在操作中，光束610照射到光束折叠棱镜元件670上。在该示例中，入射光束610垂直于图6的平面线性偏振，尽管它可以依据光学配置以不同方式偏振。在光束折叠棱镜元件670中传播的光束610被第二表面612朝向第一表面611反射。反射偏振器604被配置为反射垂直于图6的平面线性偏振的光，并且透射在图6的平面中偏振的光。因此，反射偏振器604反射光束610以传播返回到第一表面611，尽管入射角与光束610到第二表面612上的第一入射角不同。因此，光束折叠棱镜元件670被配置为：在将通过其第二表面612离开光束折叠棱镜元件670的光束610重定向之前，将照射光束610从光束折叠棱镜元件670内反射至少两次，包括从反射偏振器604的一次反射。
QWP 606接收从光束折叠棱镜元件670射出的光束610并且使光束610传播通过QWP606。在传播通过QWP 606时，光束610变为圆偏振光束，例如，在该示例中为右圆偏振光束。可倾斜反射器602接收光束610并且将光束610反射返回到QWP 606。可倾斜反射器602反射光束610的角可以通过倾斜可倾斜反射器602来改变(扫描)。
被反射光束610变为左圆偏振光束。这是因为被反射光束610的传播方向改变，而照射到可倾斜反射器602上的光束610的光场的x分量和y分量之间的相位关系保持基本相同。由于圆偏振的旋向性由传播方向决定，所以被反射光束610的旋向性也会改变。光束610在从可倾斜反射器602反射之后再次传播通过QWP，并且变为在图6的平面中偏振。这使得传播通过光束折叠棱镜元件670(在图6中向上)的光束610进一步传播通过反射偏振器604，从而形成输出光束614。更一般地，入射光束610可以具有第一偏振态，并且反射偏振器604被配置为反射具有第一偏振态的光并且透射具有第二偏振态的光，由此传播通过QWP 606两次的光束610通过反射偏振器604从光束折叠棱镜元件670出射。输出光束614的角取决于可倾斜反射器602的倾斜角。应当理解，可倾斜反射器602可以在两个轴线上倾斜，即，在图6的平面中和垂直于该平面。
光束折叠棱镜元件670可以由诸如玻璃、塑料等之类的光学透明材料制成。第一表面611和第二表面612可以形成小于45度的角，例如，30度或更小，以获得更为紧凑的结构。在一些实施例中，光束折叠棱镜元件670被配置为通过全内反射(TIR)来在第二表面612处反射光束610。为此，光束折叠棱镜元件670可以具有足够高的折射率，使得光束610从光束折叠棱镜元件670内入射到第二表面612上的角大于由折射率确定的TIR临界角。为了促进光束610从第二表面612的TIR，QWP 606可以通过薄气隙来与光束折叠棱镜元件670的第二表面612分离。QWP 606可以基本平行于光束折叠棱镜元件670的第二表面612延伸。在一些实施例中，QWP 606被层压到第二表面612上。
QWP 606可以由具有适当双折射的材料(例如，双折射聚合物片或刚性结晶材料，诸如例如，结晶石英)制成。QWP 606可以是零级QWP和/或可以包括薄晶体材料的叠层或光轴彼此成非零角的双折射聚合物片的叠层。在光束折叠棱镜元件670的一些实施例中，可以提供第二棱镜元件618(以虚线示出)，用于使得光束折叠棱镜元件670输出的光束610传播通过第二棱镜元件618，第二棱镜元件618邻接第一反射偏振器604。
转到图7，光束折叠棱镜元件770具有第一表面711和第二表面712、以及设置在第一表面711处的第一反射偏振器(RP)704。在所示的实施例中，光束折叠棱镜元件770包括第一部分770A和第二部分770B、以及夹置于光束折叠棱镜元件770的第一部分770A和第二部分770B之间的第二反射偏振器724。因此，第二反射偏振器724设置在第一光束710的光路中、在光束折叠棱镜元件770内，该光路在来自光束折叠棱镜元件770内的第二表面712和第三表面713的反射之间延伸。第一光束710可以由图7中未示出的第一光源提供。
光束折叠棱镜元件770的第三表面713与其第二表面712相邻。QWP 706被光耦合到光束折叠棱镜元件770的第三侧713。在一些实施例中，QWP 706被层压到第三侧713上。可倾斜反射器702紧邻QWP 706设置。可倾斜反射器702可以关于一个或两个非平行倾斜轴线倾斜。在图7中，示出了处于其标称(即，未倾斜)位置处的可倾斜反射器702。
在操作中，在该示例中的在图7的平面中线性偏振的第一光束710经历从第二表面712的第一反射，传播通过被配置为透射该偏振的光的第二反射偏振器724，并且经历通过QWP 706的从第三表面713的第二反射。因为第一光束710传播通过QWP 706两次，所以QWP706将其偏振改变为垂直于图7的平面的线性偏振。
第一反射偏振器704被配置为反射垂直于图7的平面的线性偏振的光。因此，第一光束710被第一反射偏振器704反射并且通过QWP706、在第三表面713处从光束折叠棱镜元件770的第二部分770B出射。在从第三表面713出射时，第一光710为圆偏振光(例如，右旋圆偏振光)。然后，第一光束710以取决于可倾斜反射器702的当前倾斜角的可变角由可倾斜反射器702反射。反射光束710保持圆偏振，但是旋向性被翻转(例如，变成左旋圆偏振)。被反射光束710通过QWP 706传播返回来，该QWP 706将第一光束710的偏振改变为图7的平面中的线性偏振。第二线偏振器724被配置为透射该偏振的光，并且第一光束710传播通过第二反射偏振器724(或通过第一反射偏振器703，取决于可倾斜反射器702的角)，并且从光束折叠棱镜元件770的第一部分770A(或716，取决于可倾斜反射器702的倾斜角)传播出来，从而形成输出光束714。输出光束714的光束角取决于可倾斜反射器702的倾斜角(在x平面和y平面中)。
在一些实施例中，光束折叠棱镜元件770还可以包括第二棱镜元件716，该第二棱镜元件716通过第一反射偏振器704耦合到光束折叠棱镜元件770的第一表面711，该第一反射偏振器704可以夹置于光束折叠棱镜元件770的第二部分770B和第二棱镜元件716之间。第二棱镜元件716可以具有与光束折叠棱镜元件770的第一部分770A相同的形状，从而使得光束折叠棱镜元件770的结构关于垂直平面750对称，垂直平面750穿过光束折叠棱镜元件770的中间且垂直于图7的平面。第二光束(未示出)可以通过第二棱镜元件716被注入。由于对称性，所以第二光束的光路将是第一光束710的光路的镜像。
图1的光源106、图2的光源206、图3的光源306以及图5的光源506和556可以各自包括多个单独可控发射器，例如，超发冷光发光二极管(SLED)。可以为每个颜色通道提供若干个发射器。参考图8A、图8B和图8C，可以为红(R)色通道(暗阴影圆圈)提供四个红色发射体800R；可能为绿色(G)色彩通道(中阴影圆圈)提供四个绿色发射器800G；并且可以为蓝色(B)色彩通道(无阴影圆圈)提供四个蓝色发射器800B。发射器800R、800G和800B各自都可以是共享一公共半导体衬底的脊发射器。发射器800R、800G和800B可以被布置成线图案(图8A)；Z字形图案(图8B)；或蜂窝图案中(图8C)，仅举几个示例。
具有照明同一可倾斜反射器的多个发射器使得由发射器生成的光束的扫描能够作为一组被一起执行。当光源包括多个单独发射器时，照明光束包括关于彼此以微小角共同传播的多个子光束。在一些实施例中，子束的最大角锥可以小于5度，或小于2度，或小于1度。在一些情况下，可以使用多个发射器和多个光源来提供冗余，以防一些光源发生故障，增加图像分辨率，增加整体图像亮度等。多个光源中的每个光源可以配备有其自己的准直器。
图2A的近眼显示器200A、图3的近眼显示器300和图5的近眼显示器500提供一个或多个光束到可倾斜反射器的低倾角耦合。本文中，术语“低倾角”意指当处于标称(例如，中心或零)倾斜角时可倾斜反射器处的低入射角，即，标称入射角。具有低倾角的一个优点在图9A至图9C中图示。首先，参考图9A，使用可倾斜反射器的投影仪的FOV的纵横比被绘制为倾角的函数，即，当处于标称位置或中心位置时可倾斜反射器处的入射角。对于四种情况，绘制纵横比：75度×50度轴上FOV、60度×40度轴上FOV、45度×30度轴上FOV、以及30度×20度轴上FOV。纵横比从零倾角(即，标称入射)时的1.5下降到40度倾角时的约1.1。
图9B示出了零倾角扫描角区域900B和相关联的内接矩形FOV902B。零倾角FOV902B立体角覆盖角区域900B的大部分。相比之下，图9C示出了40度倾角扫描角区域900C和相关联的内接矩形FOV902C。FOV 902C立体角占据角区域900C的较小百分比，并且是零倾角FOV 902B的近似2倍，并且具有不同的纵横比。因此，低倾角耦合改善了可倾斜反射器的扫描范围的利用，使得在可倾斜反射器的相同扫描范围处能够具有较宽视场。
参考图10，近眼显示器(NED)1000包括具有一对眼镜的形状因数的框架1001。框架1001可以为每只眼睛支持：投影仪1002，用于提供在角域中承载图像的显示光；电子驱动器1004，可操作地耦合到投影仪1002，用于向投影仪1002供电；以及光瞳复制器1032，光耦合到投影仪1002。
每个投影仪1002可以包括本文中所描述的光束扫描器和光源。图1的光束扫描器130、图2的光束扫描器230A、图2B的光束扫描器230B、图3的光束扫描器330和/或图5的光束扫描器530可以用作投影仪1002。用于这些投影仪的光源可以包括支撑单模或多模半导体光源阵列的衬底。例如，图1的光源106、图2的光源206、图4的光源306、图5的光源506或光源556可以包括侧发射激光二极管、垂直腔面发射激光二极管、SLED或发光二极管，用于提供上文参考图8A、图8B和图8C所描述的多个光束。用于光源的准直器可以包括凹面镜、体透镜、菲涅耳透镜、全息透镜、扁平透镜等。光瞳复制器1032可以包括配备有多个表面浮雕和/或体积全息光栅的一个或多个波导。光瞳复制器1032的功能是提供显示光束的多个横向偏移副本，显示光束由投影仪1002在各个眼箱1012处提供。
控制器1005被可操作地耦合到投影仪1002的光源和可倾斜反射器。控制器1005可以被配置为确定投影仪1002的可倾斜反射器的X倾斜角和Y倾斜角。控制器1005确定待显示图像的哪个或哪些像素与所确定的X倾斜角和Y倾斜角相对应。然后，控制器1005确定这些像素的亮度和/或颜色，并且相应地操作电子驱动器1004以用于向投影仪1002的光源提供供电电脉冲，以产生与所确定的像素亮度和颜色相对应的一个或多个功率电平的光脉冲。
在一些实施例中，控制器1005可以被配置为针对每只眼睛操作一个或多个可倾斜反射器，以使得从可倾斜反射器反射并传播通过相应光束折叠光瞳中继器的光束具有与待被显示图像的像素相对应的光束角。控制器1005还可以被配置为与操作可倾斜反射器协调操作对应光源，使得光束具有与待被显示的像素相对应的亮度和/或颜色。在多光源/多发射器实施例中，控制器1005可以被配置为协调操作对应光源/发射器，以提供较大FOV、改进的扫描分辨率、增加的显示器亮度等。例如，在其中用于用户双眼的投影仪均包括两个光源的实施例中，控制器1005可以被配置为操作可倾斜反射器，以使得从可倾斜反射器反射并传播通过光束折叠光瞳中继器的两个光束具有与待被显示图像的相应两个像素相对应的光束角，并且与操作可倾斜反射器协调操作光源，使得两个光束具有与两个相应像素相对应的亮度和/或颜色。可以提供多于两个的光源，每个光源包括一个或多个发射器，用于待被显示的图像的一个或多个颜色通道。
本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实系统在呈现给用户之前以某种方式调整通过诸如视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等之类的感觉获得的关于外部世界的感觉信息。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合真实(MR)、混合现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈、或其某种组合。该内容中的任一项可以呈现在单个通道或多个通道中，诸如呈现在对观看者产生三维效果的立体视频中。更进一步地，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于(例如，在人工现实中执行活动)人工现实。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括诸如连接到主机系统的HMD的可穿戴显示器、独立HMD、具有眼镜的形状因数的近眼显示器、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
参考图11A，HMD 1100是AR/VR可佩戴显示系统的一个示例，该AR/VR可佩戴显示系统围合用户的面部，用于更大程度地沉浸AR/VR环境中。HMD 1100例如是图2A的近眼显示器200A、图3的近眼显示器300或图5的近眼显示器500的实施例。HMD 1100的功能是使用计算机生成的图像扩充物理现实环境的视图和/或生成完全虚拟3D图像。HMD 1100可以包括前本体1102和带1104。前本体1102被配置为以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛的前方，并且带1104可以被拉伸以将前本体1102稳固在用户的头部上。显示系统1180可以设置在前本体1102中，用于向用户呈现AR/VR图像。前本体1102的侧面1106可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前本体1102包括定位器1108和用于跟踪HMD1100的加速度的惯性测量单元(IMU)1110、以及用于跟踪HMD 1100的位置的位置传感器1112。IMU 1110是基于从位置传感器1112中的一个或多个位置传感器1112接收的测量信号来生成指示HMD 1100的位置的数据的电子设备，该位置传感器1112响应于HMD 1100的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器1112的示例包括一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于IMU 1110的误差校正的一种类型的传感器、或其某种组合。位置传感器1112可以位于IMU 1110的外部、IMU 1110的内部、或其某种组合。
定位器1108由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可以跟踪整个HMD 1100的位置和取向。由IMU 1110和位置传感器1112生成的信息可以与通过跟踪定位器1108而获得的位置和取向进行比较，以提高HMD 1100的位置和取向的跟踪精度。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和取向对于向用户呈现适当虚拟场景很重要。
HMD 1100还可以包括深度相机组件(DCA)1111，该DCA 1111捕获描述围绕HMD1100的一些或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA 1111可以包括激光雷达(LIDAR)或类似设备。深度信息可以与来自IMU 1110的信息进行比较，以便更好准确确定HMD 1100在3D空间中的位置和取向。
HMD 1100还可以包括眼睛跟踪系统1114，该眼睛跟踪系统1114用于实时确定用户眼睛的取向和位置。所获得的眼睛的位置和取向还允许HMD 1100确定用户的凝视方向并且相应调整由显示系统1180生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，也就是说，用户眼睛凝视的会聚角。所确定的凝视方向和聚散度角还可以用于实时补偿取决于视角和眼睛位置的视觉伪像。此外，所确定的聚散度和凝视角可以用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频系统，该音频系统包括例如置于前本体1102中的一组小扬声器。
参考图11B，AR/VR系统1150是图2A的近眼显示器200A、图3的近眼显示器300或图5的近眼显示器500的示例实现方式。AR/VR系统1150包括图11A的HMD 1100，存储各种AR/VR应用、设置和校准过程、3D视频等的外部控制台1190，以及用于操作控制台1190和/或与AR/VR环境交互的输入/输出(I/O)接口1115。HMD 1100可以使用物理电缆“系留(tethered)”到控制台1190，或经由诸如蓝牙
Figure BDA0003553275180000321
Wi-Fi等之类的无线通信链路连接到控制台1190。可以存在多个HMD 1100，每个HMD 1100具有相关联的I/O接口1115，其中每个HMD 1100和一个或多个I/O接口1115与控制台1190通信。在备选配置中，AR/VR系统1150中可以包括不同部件和/或附加部件。附加地，在一些实施例中，结合图11A和图11B所示的部件中的一个或多个部件描述的功能可以以与结合图11A和图11B描述的方式不同的方式分布在部件之间。例如，控制台1115的功能中的一些或全部功能可以由HMD 1100提供，反之亦然。HMD 1100可以被提供能够实现这种功能的处理模块。
如上文参考图11A所描述的，HMD 1100可以包括用于跟踪眼睛位置和取向、确定凝视角和会聚角等的眼睛跟踪系统1114(图11B)，用于确定HMD 1100在3D空间中的位置和取向的IMU 1110，用于捕获外部环境的DCA 1111，用于独立确定HMD 1100的位置的位置传感器1112，以及用于向用户显示AR/VR内容的显示系统1180。显示系统1180包括(图11B)电子显示器1125，例如但不限于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)、无机发光显示器(ILED)、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、投影仪或其组合。显示系统1180还包括光学器件块1130，其功能是将电子显示器1125所生成的图像传送到用户的眼睛。该光学器件块可以包括各种透镜，例如，折射透镜、菲涅耳透镜、衍射透镜、有源或无源Pancharatnam–Berry相位(PBP)透镜、液体透镜、液晶透镜等、光瞳复制波导、光栅结构、涂层等。显示系统1180还可以包括变焦模块1135，该变焦模块1135可以是光学器件块1130的一部分。变焦模块1135的功能是调节光学器件块1130的焦点，例如，补偿聚散度调节冲突、校正特定用户的视觉缺陷、抵消光学器件块1130的像差等。
I/O接口1115是允许用户发送动作请求并从控制台1190接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令或执行应用内的特定动作的指令。I/O接口1115可以包括一个或多个输入设备，诸如键盘、鼠标、游戏控制器、或用于接收动作请求并将动作请求传达到控制台1190的任何其他合适设备。由I/O接口1115接收的动作请求被传达到控制台1190，控制台1190执行与动作请求相对应的动作。在一些实施例中，I/O接口1115包括IMU，该IMU捕获指示I/O接口1115相对于I/O接口1115的初始位置的估计位置的校准数据。在一些实施例中，I/O接口1115可以按照从控制台1190接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求时提供触觉反馈，或控制台1190将指令传达到I/O接口1115，使I/O接口1115当控制台1190执行动作时生成触觉反馈。
控制台1190可以根据从以下各项中的一项或多项接收的信息向HMD 1100提供内容以供处理：IMU 1110、DCA 1111、眼睛跟踪系统1114和I/O接口1115。在图11B所示的示例中，控制台1190包括应用存储装置1155、跟踪模块1160和处理模块1165。控制台1190的一些实施例可以具有与结合图11B所描述的模块或部件不同的模块或部件。同样，下文所进一步描述的功能可以以与结合图11A和图11B描述的方式不同的方式分布在控制台1190的部件之间。
应用存储装置1155可以存储一个或多个应用以供控制台1190执行。应用为指令组，该指令组当由处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由HMD 1100或I/O接口1115的移动、从用户接收的输入。应用的示例包括：游戏应用、呈现和会议应用、视频回放应用或其他合适应用。
跟踪模块1160可以使用一个或多个校准参数来校准AR/VR系统1150，并且可以调整一个或多个校准参数，以减少确定HMD 1100或I/O接口1115时的误差。由跟踪模块1160执行的校准还考虑从HMD1100中的IMU 1110和/或被包括在I/O接口1115中的IMU(如果有的话)接收的信息。附加地，如果HMD 1100的跟踪丢失，则跟踪模块1160可以重新校准AR/VR系统1150中的一些或全部。
跟踪模块1160可以跟踪HMD 1100或I/O接口1115、IMU 1110或其某个组合的移动。例如，跟踪模块1160可以基于来自HMD 1100的信息，在局部区域的映射中确定HMD 1100的参考点的位置。跟踪模块1160还可以分别使用来自IMU 1110的指示HMD 1100的位置的数据或使用来自被包括在I/O接口1115中的IMU的指示I/O接口1115的位置的数据来确定HMD1100的参考点或I/O接口1115的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块1160可以使用来自IMU1110的指示HMD 1100的位置的数据的部分以及来自DCA 1111的局部区域的表示来预测HMD 1100的未来位置。跟踪模块1160将HMD1100或I/O接口1115的估计或预测的未来位置提供给处理模块1165。
处理模块1165可以基于从HMD 1100接收的信息来生成围绕HMD 1100的一些或全部的区域(“局部区域”)的3D映射。在一些实施例中，处理模块1165基于从DCA 1111接收的与用于计算深度的技术相关的信息来确定用于局部区域的3D映射的深度信息。在各种实施例中，处理模块1165可以使用深度信息来更新局部区域的模型并且部分基于经更新的模型来生成内容。
处理模块1165执行AR/VR系统1150内的应用，并且从跟踪模块1160接收HMD 1100的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。基于所接收的信息，处理模块1165确定要提供给HMD 1100以呈现给用户的内容。例如，如果所接收的信息指示用户已看向左侧，则处理模块1165生成用于HMD 1100的内容，该内容反映用户在虚拟环境中或在使用附加内容扩充局部区域的环境中的移动。附加地，处理模块1165响应于从I/O接口1115接收的动作请求而在控制台1190上执行的应用内执行动作，并且向用户提供执行该动作的反馈。所提供的反馈可以是经由HMD 1100的视觉或听觉反馈或经由I/O接口1115的触觉反馈。
在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统1114接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的取向)，处理模块1165确定提供给HMD 1100以用于在电子显示器1125上呈现给用户的内容的分辨率。处理模块1165可以向HMD 1100提供在电子显示器1125上的用户凝视的中央区域中具有最大像素分辨率的内容。处理模块1165可以在电子显示器1125的其他区域中提供较低像素分辨率，从而减少AR/VR系统1150的功耗并且节省控制台1190的计算资源，而不会损害用户的视觉体验。在一些实施例中，处理模块1165还可以使用眼睛跟踪信息来调整对象在电子显示器1125上显示的位置，以防止聚散度调节冲突和/或抵消光学失真和像差。
可以使用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或被设计为执行本文中所描述的功能的任何组合来实现或执行用于实现结合本文中所公开的各方面而描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件。通用处理器可以是微处理器，但在备选方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或多个微处理器与DSP核心的组合、或任何其他这种配置。备选地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路装置来执行。
本公开不限于本文中所描述的具体实施例的范围。实际上，根据前述描述和附图，除了本文中所描述的实施例和修改之外，其他各种实施例和修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的。因此，这些其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管在本文中已针对特定目的在特定环境中的特定实现方式的上下文中对本发明进行了描述，但所属领域的技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本发明可出于任何数目的目的在任何数目的环境中以有利方式实现。因而，下文所阐述的权利要求应根据本文中所描述的本公开的完整范围和精神来解释。

Claims (15)

1.一种光束扫描器，包括：
第一可倾斜反射器，用于从光源接收第一光束并且以可变角反射所述第一光束；
光束折叠光瞳中继器，被配置用于从所述第一可倾斜反射器接收所述第一光束并且将所述第一光束中继到出射光瞳，所述光束折叠光瞳中继器包括：
分束器，被配置用于接收由所述第一可倾斜反射器反射的所述第一光束并且反射所述第一光束的至少一部分；以及
弯曲反射器，被配置用于接收由所述分束器反射的所述第一光束的所述一部分，并且用于将所述第一光束的所述一部分反射返回到所述分束器；
其中所述分束器被配置为：将由所述弯曲反射器反射的所述第一光束的所述一部分的至少一部分透射到所述光束折叠光瞳中继器的所述出射光瞳。
2.根据权利要求1所述的光束扫描器，其中所述弯曲反射器具有的曲率半径基本等于从所述第一可倾斜反射器到所述弯曲反射器的光路长度以及从所述弯曲反射器到所述出射光瞳的光路长度；和/或其中所述弯曲反射器包括弯月透镜，所述弯月透镜在所述弯月透镜的远端凸面上具有反射涂层。
3.根据权利要求1所述的光束扫描器，其中所述分束器包括偏振分束器PBS，所述偏振分束器被配置为：反射具有第一偏振态的光，并且透射具有与所述第一偏振态正交的第二偏振态的光，其中从所述可倾斜反射器反射并且照射到所述PBS上的所述第一光束具有第一偏振态，所述光束扫描器还包括：
第一四分之一波长波片QWP，设置在所述PBS与所述弯曲反射器之间的光路中，并且被配置为在两次通过第一QWP时将所述第一光束的偏振从所述第一偏振态转换为所述第二偏振态，由此在操作中，由所述弯曲反射器反射的所述第一光束传播通过所述PBS。
4.根据权利要求3的光束扫描器，还包括：
第一透镜，位于所述第一可倾斜反射器与所述PBS之间的光路中，用于聚焦由所述第一可倾斜反射器反射的所述第一光束，以朝向所述PBS传播；
第二透镜，位于所述PBS与所述出射光瞳之间的光路中，用于对传播通过所述PBS的所述第一光束进行准直；以及
第二QWP，位于所述第一可倾斜反射器与所述PBS之间的光路中，其中在操作中，由所述光源发射的所述第一光束具有所述第二偏振态，并且在照射到所述第一可倾斜反射器上之前传播通过所述PBS。
5.根据权利要求1所述的光束扫描器，其中所述第一可倾斜反射器包括2D可倾斜微电子机械系统MEMS反射器；或
其中所述第一可倾斜反射器包括1D可倾斜MEMS反射器，所述1D可倾斜MEMS反射器用于沿着第一方向扫描所述第一光束，所述光束扫描器还包括第二可倾斜MEMS反射器，所述第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在所述出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过所述分束器的所述第一光束，并且沿着不平行于所述第一方向的第二方向扫描所述第一光束。
6.根据权利要求1所述的光束扫描器，还包括：
光束折叠棱镜元件，位于所述第一可倾斜反射器与所述分束器之间的光路中，所述光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面，以及在所述第一表面处的第一反射偏振器，其中所述光束折叠棱镜元件被配置为：在将所述第一光束重定向以通过所述第二表面离开所述光束折叠棱镜元件且朝向所述第一可倾斜反射器之前，将由所述光源发射的所述第一光束从所述光束折叠棱镜元件内反射至少两次，所述至少两次包括从所述第一反射偏振器的一次反射；以及
QWP，被配置用于接收从所述光束折叠棱镜元件出射的所述第一光束并且使所述第一光束传播通过所述QWP；
其中在操作中，在从所述可倾斜反射器反射之后，传播通过所述QWP的所述第一光束传播通过所述光束折叠棱镜元件。
7.根据权利要求6所述的光束扫描器，还包括第二棱镜元件，用于使由所述光束折叠棱镜元件输出的所述第一光束从其传播通过，所述第二棱镜元件邻接所述第一反射偏振器；和/或
其中所述光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，所述第二反射偏振器被设置在所述光束折叠棱镜元件内的所述第一光束的以下光路中，即在所述光束折叠棱镜元件内的所述第二表面和所述第一表面的反射之间的光路中，并且其中所述QWP被光耦合到所述光束折叠棱镜元件的第三表面；
其中在操作中，所述第一光束经历从所述第二表面的第一反射，传播通过所述第二反射偏振器，经历通过所述QWP从所述第三表面的第二反射，被所述第一反射偏振器反射，在所述光束折叠棱镜元件的所述第三表面处从所述光束折叠棱镜元件出射通过所述QWP，被所述可倾斜反射器反射以传播返回通过所述QWP，通过所述第二反射偏振器，以及从所述光束折叠棱镜元件离开。
8.根据权利要求7所述的光束扫描器，还包括第二棱镜元件，所述第二棱镜元件被耦合到所述光束折叠棱镜元件的所述第一表面，用于接收照射到所述第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过所述第一反射偏振器将所述第二光束耦合到所述光束折叠棱镜元件。
9.一种投影仪，包括：
第一光源，用于提供第一光束；
第一可倾斜反射器，用于从所述光源接收所述第一光束并且以可变角反射所述第一光束；
光束折叠光瞳中继器，被配置用于从所述第一可倾斜反射器接收所述第一光束并且将所述第一光束中继到出射光瞳，所述光束折叠光瞳中继器包括：
分束器，被配置用于接收由所述第一可倾斜反射器反射的所述第一光束并且反射所述第一光束的至少一部分；以及
弯曲反射器，被配置用于接收由所述分束器反射的所述第一光束的所述一部分，并且用于将所述第一光束的所述一部分反射返回到所述分束器；
其中所述分束器被配置用于将由所述弯曲反射器反射的所述第一光束的所述一部分的至少一部分透射到所述光束折叠光瞳中继器的所述出射光瞳。
10.根据权利要求9所述的投影仪，其中所述分束器包括偏振分束器PBS，所述偏振分束器被配置为反射具有第一偏振态的光并且透射具有与所述第一偏振态正交的第二偏振态的光，其中从所述可倾斜反射器反射并且照射到所述PBS上的所述第一光束具有所述第一偏振态，所述投影仪还包括：
第一透镜，位于所述第一可倾斜反射器与所述PBS之间的光路中，用于聚焦由所述第一可倾斜反射器反射的所述第一光束，以朝向所述PBS传播；
第二透镜，位于所述PBS与所述出射光瞳之间的光路中，用于对传播通过所述PBS的第一光束进行准直；以及
第一四分之一波长波片QWP，设置在所述PBS与所述弯曲反射器之间的光路中，并且被配置为在两次通过第一QWP时将所述第一光束的偏振从所述第一偏振态转换为所述第二偏振态，其中在操作中，由所述弯曲反射器反射的所述第一光束传播通过所述PBS；以及
第二QWP，位于所述第一可倾斜反射器与所述PBS之间的光路中，其中在操作中，由所述光源发射的所述第一光束具有所述第二偏振态，并且在照射到所述第一可倾斜反射器上之前传播通过所述PBS；和/或
其中所述第一可倾斜反射器包括1D可倾斜MEMS反射器，用于沿着第一方向扫描所述第一光束，所述投影仪还包括第二可倾斜MEMS反射器，所述第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在所述出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过所述分束器的所述第一光束，并且沿着不平行于所述第一方向的第二方向扫描所述第一光束。
11.根据权利要求9所述的投影仪，还包括：
光束折叠棱镜元件，位于所述第一可倾斜反射器与所述分束器之间的光路中，所述光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面，以及在所述第一表面处的第一反射偏振器，其中所述光束折叠棱镜元件被配置为：在将所述第一光束重定向以通过所述第二表面离开所述光束折叠棱镜元件并且朝向所述第一可倾斜反射器之前，将由所述光源发射的所述第一光束从所述光束折叠棱镜元件内反射至少两次，所述至少两次包括从所述第一反射偏振器的一次反射；以及
QWP，被配置用于接收从所述光束折叠棱镜元件出射的所述第一光束并且使所述第一光束传播通过所述QWP；
其中在操作中，在从所述可倾斜反射器反射之后，传播通过所述QWP的所述第一光束传播通过所述光束折叠棱镜元件。
12.根据权利要求11所述的投影仪，还包括：
第二光源，用于提供第二光束；
第二棱镜元件，被耦合到所述光束折叠棱镜元件的所述第一表面，用于接收照射在所述第二棱镜元件上的所述第二光束，并且用于通过所述第一反射偏振器将所述第二光束耦合到所述光束折叠棱镜元件；
其中所述光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，所述第二反射偏振器被设置在所述光束折叠棱镜元件内的所述第一光束的以下光路中，即在所述光束折叠棱镜元件内的所述第二表面和所述第一表面的反射之间的光路中，并且其中所述QWP被光耦合到所述光束折叠棱镜元件的第三表面；
其中在操作中，所述第一光束经历来自所述第二表面的第一反射，传播通过所述第二反射偏振器，经历通过所述QWP的来自所述第三表面的第二反射，被所述第一反射偏振器反射，在所述光束折叠棱镜元件的所述第三表面处从所述光束折叠棱镜元件出射通过所述QWP，被所述可倾斜反射器反射以传播返回通过所述QWP，通过所述第二反射偏振器，以及从所述光束折叠棱镜元件离开。
13.一种近眼显示器，用于在眼箱处提供角域中的图像，所述近眼显示器包括：
第一光源，用于提供第一光束；
第一可倾斜反射器，用于从所述光源接收所述第一光束并且以可变角反射所述第一光束；以及
光束折叠光瞳中继器，被配置用于从所述第一可倾斜反射器接收所述第一光束并且将所述第一光束中继到出射光瞳，所述光束折叠光瞳中继器包括：
分束器，被配置用于接收由所述第一可倾斜反射器反射的所述第一光束并且反射所述第一光束的至少一部分；以及
弯曲反射器，被配置用于接收由所述分束器反射的所述第一光束的所述一部分，并且用于将所述第一光束的所述一部分反射返回到所述分束器；
其中所述分束器被配置用于将由所述弯曲反射器反射的所述第一光束的所述一部分的至少一部分透射到所述光束折叠光瞳中继器的所述出射光瞳；
光瞳复制波导，被设置在所述光束折叠光瞳中继器的所述出射光瞳附近；以及
控制器，被可操作地耦合到所述第一光源和所述第一可倾斜反射器，并且被配置为：
操作所述第一可倾斜反射器以使所述第一光束的所述一部分中的、在所述光束折叠光瞳中继器的所述出射光瞳处的部分具有与待被显示图像的第一像素相对应的光束角；以及
与操作所述可倾斜反射器协调操作所述第一光源，使得所述第一光束具有与所述第一像素相对应的亮度。
14.根据权利要求13所述的近眼显示器，其中所述第一可倾斜反射器包括1D可倾斜MEMS反射器，用于沿着第一方向扫描所述第一光束，所述近眼显示器还包括第二可倾斜MEMS反射器，所述第二可倾斜MEMS反射器包括被设置在所述出射光瞳附近的1D可倾斜MEMS反射器，用于接收传播通过所述分束器的所述第一光束，并且沿着不平行于所述第一方向的第二方向扫描第一光束；
其中所述光瞳复制波导包括偏振体积光栅PVH，所述偏振体积光栅被配置为接收由所述第二可倾斜反射器反射的所述光束并且重定向所述光束以用于在所述光瞳复制波导中传播；以及
其中所述控制器被可操作地耦合到所述第二可倾斜反射器，并且被配置为操作所述第二可倾斜反射器，以使在所述光束折叠光瞳中继器的所述出射光瞳处的所述第一光束具有与待被显示图像的所述第一像素相对应的光束角。
15.根据权利要求13所述的近眼显示器，还包括：
光束折叠棱镜元件，位于所述第一可倾斜反射器与所述分束器之间的光路中，所述光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面、以及在所述第一表面处的第一反射偏振器，其中所述光束折叠棱镜元件被配置为：在将所述第一光束重定向以通过所述第二表面离开所述光束折叠棱镜元件且朝向所述第一可倾斜反射器之前，将由所述光源发射的所述第一光束从所述光束折叠棱镜元件内反射至少两次，所述至少两次包括从所述第一反射偏振器的一次反射；以及
QWP，被配置用于接收从所述光束折叠棱镜元件出射的所述第一光束并且使所述第一光束传播通过所述QWP；
其中在操作中，在从所述可倾斜反射器反射之后，传播通过所述QWP的所述第一光束传播通过所述光束折叠棱镜元件。
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