CN115053166A - 折叠束的低倾角式束扫描仪 - Google Patents

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CN115053166A CN202080082944.1A CN202080082944A CN115053166A CN 115053166 A CN115053166 A CN 115053166A CN 202080082944 A CN202080082944 A CN 202080082944A CN 115053166 A CN115053166 A CN 115053166A
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Abstract

一种束扫描器(100)，包括：基板(102)；由基板(102)铰接地支撑的可倾斜反射器(104)；以及反射偏振器(106)。反射偏振器(106)被支撑在可倾斜反射器(104)之上，并被配置为接收光束(110)并将其重定向到可倾斜反射器(104)以扫描光束。投影仪(120)包括光束扫描器(100)和提供光束(110)的光源(112)。光束(110)可以在亮度、颜色或偏振方面与反射器的倾斜同步地被调制，从而在传播通过光瞳复制波导(114)之后形成角域中的图像。可以提供至少一个折叠式反射镜(206)，用于围绕光瞳复制波导(114)引导来自光源(112)的光束(110)，从而导致紧凑的整体配置。

Description

折叠束的低倾角式束扫描仪
技术领域
本公开涉及光学扫描装置，尤其涉及可用于扫描投影仪和扫描投影仪显示器的紧凑型光学扫描装置。
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。此类显示器正在各种领域中找到应用，仅举几个示例，该各种领域包括娱乐、教育、训练和生物医学科学。所显示的VR/AR/MR内容可以是三维的(3D)以增强体验并将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。可以实时地跟踪用户的眼睛位置和凝视方向和/或定向，并且可以根据用户的头部定向和凝视方向动态地调整所显示的图像，以提供沉浸到模拟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的显示器通常戴在用户的头上，所以大的、块头的、不平衡的和/或笨重的显示设备将是麻烦的，并且对于用户可能是不舒适的。
基于投影仪的显示器提供角域中的图像，其可以由用户的眼睛直接观察，而无需中间屏幕或显示面板。成像波导可以用于在显示器的眼盒上在角域中扩展携带图像的图像光。在扫描投影仪显示器中缺少屏幕或显示面板能够减小显示器的尺寸和重量。基于投影仪的显示器可以使用扫描投影仪，该扫描投影仪通过扫描具有可控亮度和/或颜色的图像光束来获得角域中的图像。希望使扫描投影仪和光学扫描仪更紧凑。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种束扫描器，包括：基板；由所述基板铰接地支撑的可倾斜反射器；以及反射偏振器，所述反射偏振器被支撑在所述可倾斜反射器之上，并且被配置为接收光束并将所述光束重定向到所述可倾斜反射器以扫描所述光束。
光束扫描器还可以包括在反射偏振器和可倾斜反射器之间的光路中的四分之一波长波片(QWP)，其中QWP被配置为在光束通过QWP的双程传播时将光束的偏振态改变为正交偏振态。QWP可以由反射偏振器支撑。
该光束扫描器还可以包括折叠式反射镜，该折叠式反射镜被配置为接收光束并将光束重定向到反射偏振器。
折叠式反射镜可由基板支撑。
所述束扫描器还可包括包围可倾斜反射器的外壳，其中所述外壳支撑所述反射偏振器。
光束扫描器还可以包括由基板支撑并光学耦合到反射偏振器的折叠式反射镜。
该外壳可以包括光学窗口，用于接收并使光束透射通过，以照射到折叠式反射镜上。
根据本发明的第二方面，提供了一种投影仪，包括：光源，用于提供具有包括亮度或颜色中的至少一者的特性的光束；以及根据第一方面的束扫描器。
该光束扫描器可以包括折叠式反射镜，并且该折叠式反射镜可以是第一折叠式反射镜，并且该投影仪还可以包括第二折叠式反射镜，所述第二折叠式反射镜被配置为接收所述光束并将所述光束重定向到所述第一折叠式反射镜。
所述束扫描器还可包括包围所述可倾斜反射器的外壳，其中所述外壳支撑所述反射偏振器。该外壳可以包括光学窗口，该光学窗口用于接收光束并使光束从其透射通过以照射到第一折叠式反射镜上。
投影仪还可以包括可操作地耦合到光源和束扫描器的控制器，用于与束扫描器扫描光束协调地改变光束的特性。
根据本发明的第三方面，提供了一种显示器，包括：光源，用于提供具有包括亮度或颜色中的至少一者的特性的光束；第一方面的束扫描器；以及光瞳复制波导，其被配置为接收从所述可倾斜反射器反射的所述光束，并且将所述光束散布到所述显示器的眼盒之上。
光瞳复制波导可以基本上平行于光束扫描器的基板。
该显示器还可以包括第一折叠式反射镜，该第一折叠式反射镜被配置成用于接收光束并将重定向到反射偏振器。
该显示器还可以包括第二折叠式反射镜，该第二折叠式反射镜被配置成用于接收该光束并且将该光束朝向该第一折叠式反射镜并且围绕该光瞳复制波导重定向。
附图说明
现在将结合附图描述示例性实施例，其中：
图1是包括反射偏振器的光束扫描器的侧截面图；
图2是包括反射偏振器和光束折叠式反射镜的束扫描器的侧截面图；
图3A是包括反射偏振器和一对束折叠镜的束扫描器的侧截面图，该一对束折叠镜用于围绕图像复制波导路由光束；
图3B是包括束折叠式反射镜的非零倾角束扫描器的侧截面图；
图4A和图4B分别是图3A和图3B的束扫描器的视场(FOV)图；
图5是2D扫描微机电系统(MEMS)反射镜的平面图；
图6A是微机电系统(MEMS)扫描投影仪显示器的示意图；
图6B是具有阵列光源的扫描投影仪显示器的示意性顶视图，其示出了由阵列光源的各个发射器提供的视场之间的关系；
图7是图3A的封装束扫描器的三维视图；
图8是使用本公开的束扫描器的近眼显示器的示意性顶视图；
图9A是本公开的头戴式显示器的等距视图；以及
图9B是包括图9A的头戴式设备的虚拟现实系统的框图。
具体实施方式
尽管结合各种实施例和示例描述了本发明，但是本发明并不旨在限于这些实施例。相反，本发明包括各种替代和等同物，如本领域技术人员所理解的。这里叙述本公开的原理、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。另外，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。
如本文所用，术语“第一”，“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个要素与另一个要素区分开，除非明确说明。类似地，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2和图3A中，相似的附图标记表示相似的元件。
可倾斜的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，用于由显示器的用户直接观察。当扫描光束时，扫描光束的亮度和/或颜色可以与扫描协调地变化。光束的亮度和/或颜色被设置为对应于当前被光束高亮或“着色”的图像像素的亮度和/或颜色。当在用户的整个视场(FOV)上以二维(例如在X和Y视角上)扫描光束时，形成整个图像。当帧速率足够高时，眼睛对扫描光束进行积分，使得用户能够看到显示的图像而基本上没有闪烁。
与光束扫描器相关的一个问题是由光束在光束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。倾斜入射角可能是所使用的光学几何结构所需要的，例如用于物理地将入射光束与扫描的反射光束分离。FOV的减小是由立体角的失真引起的，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。
根据本公开，输出(扫描)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，从而导致紧凑的构造，该紧凑的构造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。入射光束的低倾角使得能够更有效地利用扫描范围。
根据本公开内容，提供了一种光束扫描器，其包括基板，由基板铰接地支撑的可倾斜反射器，以及支撑在可倾斜反射器的反射偏振器，该反射偏振器被配置为接收光束并将光束重定向到可倾斜反射器以扫描光束。四分之一波长波片(QWP)可以设置在反射偏振器和可倾斜反射器之间的光路中。QWP可以被配置为在光束通过QWP的双程传播时将光束的偏振态改变为正交偏振态。QWP可以由反射偏振器支撑。
在一些实施例中，光束扫描器还可以包括折叠式反射镜，该折叠式反射镜被配置为接收光束并将光束重定向到反射偏振器。折叠式反射镜可由基板支撑。可以提供包围可倾斜反射器的外壳。外壳可支撑反射偏振器。在折叠式反射镜由基板支撑并光学耦合到反射偏振器的实施例中，外壳可以包括光学窗口，用于接收和传输光束通过光学窗口以照射到折叠式反射镜上。
根据本公开，提供了一种包括光源和光束扫描器的投影仪。光源可以被配置用于提供具有包括亮度或颜色中的至少一者的特性的光束。该光束扫描器可以包括基板，由基板铰接地支撑的可倾斜反射器，以及支撑在可倾斜反射器上的反射偏振器，该反射偏振器被配置为接收光束并将光束重定向到可倾斜反射器以扫描光束。
在一些实施例中，投影仪还可以包括在反射偏振器和可倾斜反射器之间的光路中的QWP。QWP可以被配置为在光束通过QWP的双程传播时将光束的偏振态改变为正交偏振态。第一折叠式反射镜可被配置为接收光束并将其重定向到反射偏振器。第一折叠式反射镜可由基板支撑。第二折叠式反射镜可以被配置成接收光束并将其重定向到第一折叠式反射镜。可以提供包围可倾斜反射器的外壳。所述外壳可以支撑反射偏振器，并且可以包括光学窗口，所述光学窗口用于接收光束和使其透射穿过以照射到所述第一折叠式反射镜上。控制器可操作地耦合到光源和光束扫描器，用于与光束扫描器扫描光束协调地改变光束的特性。
根据本公开，还提供了一种显示器，该显示器包括用于提供光束的光源、上述光束扫描器以及光瞳复制波导，该光瞳复制波导被配置成接收从可倾斜反射器反射的光束，并将该光束散布在显示器的眼盒上。光瞳复制波导可设置成基本平行于光束扫描器的基板。第一折叠式反射镜可被配置为接收光束并将其重定向到反射偏振器。第二折叠式反射镜可以被配置成用于接收该光束并且将该光束朝向该第一折叠式反射镜并且围绕该光瞳复制波导重定向。
现在将考虑本公开的束扫描器的几个实施例。参考图1，束扫描器100包括基板102(例如，半导体基板)和由基板102铰接支撑的可倾斜反射器104(例如，可倾斜镜和/或光栅)。反射偏振器106支撑在可倾斜反射器104上，并光学地耦合到可倾斜反射器104。反射偏振器106可以被配置为向可倾斜反射器104反射特定预定偏振态的光束110，并且透射正交偏振态的光。入射到可倾斜反射器104上的光束110然后可以绕一个或两个轴来扫描。四分之一波长波片(QWP)108可以设置在反射偏振器106和可倾斜反射器104之间的光路中。QWP108可以被配置为在光束110通过QWP 108的双程传播时将光束110的偏振态改变为正交偏振态。例如，QWP 108可以被定向为其光轴相对于线偏振光束110的偏振方向成45度，使得在双程传播中，QWP 108充当将光束110的线偏振旋转到正交定向的线偏振的半波波片。如图所示，QWP 108可以是单独地呈现的，或者可以由反射偏振器106支撑——后一种配置趋于更加紧凑。
投影仪120包括光束扫描器100和光学耦合到光束扫描器100的光源112。在操作中，光源112发射具有诸如亮度、颜色等可控特性的光束110。光束110可以是圆偏振的。光源112发射的光束110照射到QWP 108上。QWP 108被设置和定向为将圆偏振态转换为由反射偏振器106反射的线偏振态。反射的线偏振光束110再次传播通过QWP 108并变成圆偏振的。圆偏振光束110被可倾斜反射器104反射回QWP 108。该反射使圆偏振的旋向性反转。在光束110通过QWP 108的第三次传播时，光束110在偏振矢量的方向上变为线偏振，这确保了光束110透射通过反射偏振器106。透射光束110向光瞳复制波导114传播。复制波导114可以包括单个波导元件或波导元件的堆叠。光瞳复制波导114将光束110扩展到近眼显示器140的眼盒118上，从而将角域中的图像传送到眼盒118。基板102和光瞳复制波导114的基本平行放置可以允许进一步减小近眼显示器140的尺寸。
控制器116可操作地耦合到光源112和光束扫描器100，并被配置为与用光束扫描器100扫描光束110协调地改变光束110的亮度和/或颜色。光瞳复制波导114、光源112和光束扫描器100一起形成近眼显示器140。
转到图2，投影仪220包括光束扫描器200。投影仪220和束扫描器200分别类似于图1的投影仪120和束扫描器100。图2的束扫描器200还包括在光源112和可倾斜反射器104之间的光束110的光路中的第一折叠式反射镜206。第一折叠式反射镜206可以由基板102支撑，可以从基板102延伸，或者可以单独安装。第一折叠式反射镜206可以是例如镜面棱镜或薄镜面基板。利用第一折叠式反射镜206的一个优点是，由于反射偏振器106以比图1的光束扫描器100中更小的角度设置，所以光束扫描器200的尺寸进一步减小。光束扫描器200的另一个优点是光源112可以设置在光瞳复制波导114的相对侧上，为近眼显示器240提供尺寸节省。基板102和光瞳复制波导114的基本平行放置可以允许进一步减小近眼显示器240的尺寸。在本文中以及贯穿本公开的其余部分，术语“基本上平行”被认为是指确切地在10－15度内平行。
参照图3A，束扫描器300A类似于图2的束扫描器200。投影仪320A包括光源112，光源112通过光源112和可倾斜反射器104之间的光束110的光路中的第二折叠式反射镜306光学耦合到束扫描器300A。利用两个折叠式反射镜——即第一折叠式反射镜206和第二折叠式反射镜306——的一个优点是可以进一步减小光束扫描器300A的尺寸。两个折叠式反射镜206和306使得光束110能够围绕光瞳复制波导114重定向。
光束扫描器300A还可以包括光学窗口344。与反射偏振器106一起，光学窗口344可以提供可倾斜反射器104和第一折叠式反射镜206的外壳，使得可倾斜的反射器104能够被密封封装，如果需要的话。在投影仪320A中，当可倾斜反射器104不倾斜时，光束110以零入射角或以小的非零角照射到可倾斜反射器104上。
近眼显示器340A包括光瞳复制波导114和光学耦合到光瞳复制波导114的投影仪320A。在操作中，围绕一个或两个倾斜轴扫描可倾斜反射器104。在图3A中，可倾斜的反射器104围绕垂直于图3A的平面的轴扫描光束110。示出三个扫描光束110A、110B和110C的扇开以说明扫描。
图3B描绘了不包括内部折叠式反射镜或反射偏振器的光束扫描器300B。这里以与图300A的光束扫描器300A进行比较地考虑光束扫描器300B，以便示出当可倾斜反射器104处于标称定向时，即平行于基板102时，光束110入射到可倾斜反射器104上的倾斜角对照法向入射角的影响。图3B的束扫描器300B包括铰接地支撑在基板102上并由窗口346保护的可倾斜反射器104。外部折叠式反射镜348重定向由光源112发射的光束110，以通过窗口346以倾斜的入射角照射到可倾斜反射器104上。
投影仪320B包括光源112，其通过设置在光源112和可倾斜反射器104之间的光束110的光路中的外部折叠式反射镜348光学耦合到光束扫描器300B。近眼显示器340B包括可倾斜反射器104和光瞳复制波导350。可倾斜反射器104反射光束110以不同的入射角入射到光瞳复制波导350上。在投影仪320B中，光束110以倾斜的入射角，即远离垂直入射角，照射到可倾斜反射器104上。
图4A和图4B示出了垂直入射角(图4A)对照倾斜入射角(图4B)到可倾斜反射器104上的影响。图4A示出了分别以相应射线角？x和？y的正切——tanx和tany为单位的零倾角扫描角度区域400A和相关联的内切矩形FOV 402A(阴影矩形)。零倾角FOV 402A立体角覆盖角区域400A的大部分。通过比较，图4B示出了倾斜入射扫描角区域400B和相关的内切矩形FOV402B(阴影矩形)。FOV 402B立体角占据角区域400B的较小百分比，并且具有不同的纵横比。例如，为了确保图3A的近眼显示器340A的FOV，可倾斜反射器104需要在关于X轴和关于Y轴的特定倾斜范围内倾斜。为了确保图3B的近眼显示器340B在非零倾斜位置的相同FOV，可倾斜反射器104需要具有关于X轴和Y轴的较大倾斜范围。因此，光束110到可倾斜反射器104的零倾角或低倾角耦合改进了可倾斜反射器104的扫描范围的利用，使得可倾斜反射器104的扫描范围更小和/或在可倾斜反射器104的相同扫描范围处的视场更宽。应当注意，这里公开的配置和优点可应用于各种类型的基于投影仪的显示器，而不必是近眼显示器。
在一些实施例中，这里描述的投影仪的波束扫描器可以包括微机电系统(MEMS)扫描器。参考图5，二维(2D)微机电系统(MEMS)扫描器500包括反射器510，例如反射镜或衍射光栅，其由一对第一扭转铰链501支撑，从而允许反射器510绕X轴倾斜。第一扭转铰链501从反射器510延伸到常平环520，常平环520由一对第二扭转铰链502支撑，第二扭转铰链502从常平环520延伸到固定基座522，用于使常平环520和反射器510绕Y轴倾斜。致动器551、552可以设置在反射器510和/或常平环520的下面，用于提供用于致动反射器510绕X和Y轴倾斜的力。致动器551，552可以是静电的、电磁的、压电的等。对于静电反射镜致动，梳状驱动器可以位于扭转铰链构件上。例如，在图5所示的实施例中，第一致动器551可设置在反射器510的边缘下方，以使反射器510绕X轴倾斜。第二致动器552可设置在常平环520下方，以使常平环520和反射器510绕Y轴倾斜。注意，反射器510可以从对应基板的中心偏移，如果需要的话。
可以提供反馈电路554来确定反射器510的X和Y倾斜角。反馈电路554可以测量第一静电致动器551和反射器510之间的电容以确定X倾斜，以及测量第二静电致动器552和常平环520之间的电容以确定Y倾斜。也可以为反馈电路554专门提供分离的电极。在一些实施例中，当反射器510以包括零角度的特定X和/或Y角度倾斜时，反馈电路554可以提供同步或触发脉冲。图5的反射器510对应于图1、图2、图3A和图3B的可倾斜反射器104。
转到图6A，扫描投影仪显示器600包括用于提供发散光束604D的光源组件602。可选的准直器650光学耦合到光源组件602，以准直发散光束604D并提供准直光束604。诸如图5的2D MEMS扫描器500的扫描器光学耦合到准直器650。控制器612可以可操作地耦合到电子驱动器606，电子驱动器606耦合到光源组件602。控制器612还耦合到2D MEMS扫描器500，用于倾斜2D MEMS扫描器500的反射器510。
准直器650(例如透镜，反射镜等)光学耦合到脉冲光源602，用于准直发散光束604D以获得准直光束604。在准直器650中可以使用具有光焦度(即聚焦或准直能力)的任何光学部件，例如凹面镜、衍射透镜、折叠光束自由成形光学元件等。2D MEMS扫描器500的反射器510光学耦合到准直器650，用于接收和有角度地扫描准直光束604。
电子驱动器606被配置用于提供供电电脉冲以激励光源组件602。控制器612向电子驱动器606发送命令，以与倾斜2D MEMS扫描仪500协调地激励光源组件602，用于在角域中“绘制”或栅格化图像。当由人眼观察时，角域中的图像由眼睛的角膜和晶状体投影，以成为眼睛视网膜上的空间域图像。
在一些实施例中，投影仪显示器的扫描仪可以包括1D可倾斜反射镜，并且光源组件602可以包括光源的线性阵列，以在垂直于扫描方向的方向上提供多个图像像素。光源的线性阵列也可以用在2D扫描仪中。在一些实施例中，2D MEMS扫描器500可以用一对1D可倾斜反射镜代替，即一个用于绕X轴扫描，另一个用于绕Y轴扫描。两个1D可倾斜反射镜可以例如经由光瞳中继光学耦合。可以使用其它类型的扫描仪，例如衍射或声光扫描仪。
光源组件602可以包括一个或多个单模或多模光源，例如侧发射激光二极管，垂直腔面发射激光二极管，超发光的发光二极管(SLED)或发光二极管。光脉冲的脉冲能量可以被选择为低于阈值能量，该阈值能量等于像素时间间隔乘以光源的阈值光功率。对于SLED光源，SLED的阈值光功率可以是SLED的激光阈值光功率。
图6B进一步示出了扫描投影仪显示器600的操作。在该示例中，光源组件602是多发射器组件，其包括提供三个光束(仅示出了主光线)621(点线)，622(实线)和623(短划线)的三个发射器。准直器650准直光束621，622和623。通过选择适当的几何形状，例如准直器650的距离和焦距，后者还可以使光束621，622和623以稍微不同的入射角入射到反射器510的中心，用于一起扫描所有三个光束621，622和623。由于光束621，622和623入射到可倾斜反射器510上的角度不同，因此光束621，622和623各自的扫描区域631(点线)，632(实线)和633(短划线)分别如图所示相互偏移。控制器612可以通过向多发射器光源组件602的三个发射器的驱动信号提供相应的延迟来考虑这些空间偏移。可以提供空间偏移与激励个体发射器时的延迟的组合，以使得有效地使扫描投影仪显示器600在公共扫描区域630中的空间分辨率是与单个发射器的情况相比的三倍。
现在参考图7，封装的MEMS扫描仪700具有图3A的光束扫描仪300A的光学配置，并且与光束扫描仪300A类似地操作。封装的MEMS扫描仪700(图7)包括由反射偏振器106、光学窗口344和侧壁704形成的密封封装或外壳702。外壳702封装可倾斜反射器104和第一折叠式反射镜206。外壳702可以被真空密封或用惰性气体例如氩气填充，以为可倾斜反射器104提供稳定的环境。
转到图8，近眼显示器(NED)800包括具有一副眼镜的形状因数的框架801。框架801可以为每只眼睛支撑：投影仪802，用于提供在角域中承载图像的显示光；电子驱动器804，可操作地耦合到投影仪802，用于向投影仪802供电；以及光瞳复制器832(例如光瞳复制波导组件)，光学地耦合到投影仪802。
每个投影仪802可以包括这里描述的束扫描器，例如但不限于图1的束扫描器80，图2的束扫描器200，图3A的束扫描器300A，图3B的束扫描器300B，图7的束扫描器700等。这种束扫描器的可倾斜反射器可以包括例如MEMS可倾斜反射器。在一些实施例中，每个投影仪802包括图1的投影仪120，图2的投影仪220，图3A的投影仪320A，图3B的投影仪320B等。用于这些投影仪的光源可以包括支撑用于提供多个光束的单发射器或多发射器半导体光源(例如，侧发射激光二极管，垂直腔表面发射激光二极管，SLED或发光二极管)的阵列的基板。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，自由形式棱镜等。光瞳复制器832可以包括配备有多个表面浮雕和/或体积全息光栅的波导。光瞳复制器832的功能是在各个眼盒812处提供由投影仪802提供的显示光束的多个横向偏移副本。
控制器805可操作地耦合到光源和投影仪802的可倾斜反射器。控制器805可以被配置为确定投影仪802的可倾斜反射器的X和Y倾斜角。控制器805确定要显示的图像的哪个或哪些像素对应于所确定的X和Y倾斜角。然后，控制器805确定这些像素的亮度和/或颜色，并相应地操作电子驱动器804以向投影仪802的光源提供供电电脉冲，以产生对应于所确定的像素亮度和颜色的功率电平的光脉冲。
在一些实施例中，控制器805可以被配置为针对每只眼睛操作可倾斜反射器，以使得从可倾斜反射器反射的光束具有与要显示的图像的像素相对应的光束角。控制器805可以进一步被配置为与操作可倾斜反射器协调地操作光源，使得光束具有对应于被显示的第一像素的亮度和/或颜色。在多光源/多发射器实施例中，控制器805可以被配置为协调地操作相应的光源/发射器，以提供更大的FOV，改进的扫描分辨率，增加的显示器亮度等，如本文所述的。例如，在用于两个用户眼睛的投影仪均包括两个光源的实施例中，控制器可以被配置为操作两个可倾斜反射器中的每一个，以使从可倾斜反射器反射的第二光束具有对应于要显示的图像的第二像素的光束角，并且与操作可倾斜反射器协调地操作第二光源，使得第二光束具有对应于第二像素的亮度。
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，人工现实可包括虚拟现实(VR)，增强现实(AR)，混合现实(MR)，混杂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。该内容中的任何一个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。此外，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，所述应用，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/或以其他方式用于人工现实(例如，在人工现实中执行活动)。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，包括诸如连接到主机系统的HMD的可穿戴显示器、独立HMD、具有眼镜外形因子的近眼显示器、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。
参照图9A，HMD 900是AR/VR可佩戴显示系统的示例，该系统包围用户的面部，用于更大程度地浸入AR/VR环境中。HMD 900是例如图1的近眼显示器140、图2的近眼显示器240、图3A的近眼显示器340A、图3B的近眼显示器340B或图6A和图6B的扫描投影仪显示器600的实施例。HMD 900的功能是用计算机生成的图像增强物理、现实环境的视图，和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD 900可包括前机身902和带904。前机身902被配置成以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛的前方，并且带904可以被拉伸以将前机身902固定在用户的头部上。显示系统980可以设置在前机身902中，用于向用户呈现AR/VR图像。前机身902的侧面906可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前机身902包括定位器908和用于跟踪HMD 900的加速度的惯性测量单元(IMU)910，以及用于跟踪HMD 900的位置的位置传感器912。IMU 910是基于从一个或多个位置传感器912接收的测量信号生成指示HMD 900的位置的数据的电子设备，位置传感器912响应于HMD 900的运动生成一个或多个测量信号。位置传感器912的示例包括：一个或多个加速计，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 910的误差校正的一种类型的传感器，或它们的某种组合。位置传感器912可以位于IMU 910的外部，IMU 910的内部，或它们的某种组合。
定位器908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 900的位置和定向。由IMU 910和位置传感器912产生的信息可以与通过跟踪定位器908获得的位置和定向进行比较，以提高HMD 900的位置和定向的跟踪精度。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和定向对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。
HMD 900还可包括深度相机组件(DCA)911，其捕获描述围绕HMD 900的一些或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA911可以包括激光雷达(LIDAR)或类似设备。可将深度信息与来自IMU910的信息进行比较，以便更准确确定HMD 900在3D空间中的位置和定向。
HMD 900还可以包括用于实时确定用户眼睛的定向和位置的眼睛跟踪系统914。所获得的眼睛的位置和定向还允许HMD 900确定用户的凝视方向并相应地调整由显示系统980生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，即用户眼睛凝视的会聚角。所确定的凝视方向和聚散度角度还可以用于实时补偿取决于视角和眼睛位置的视觉假象。此外，所确定的聚散度和凝视角度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，其包括例如内置于前机身902中的一组小扬声器。
参考图9B，AR/VR系统950包括：图9A的HMD 900，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990，以及用于操作控制台990和/或与AR/VR环境交互的输入/输出(I/O)接口915。HMD 900可以用物理电缆“系连(tether)”到控制台990，或者经由诸如蓝牙
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Wi－Fi等的无线通信链路连接到控制台990。可以有多个HMD 900，每个HMD 900具有相关联的I/O接口915，每个HMD 900和I/O接口915与控制台990通信。在可替代配置中，AR/VR系统950中可以包括不同的和/或附加的部件。另外，在一些实施例中，结合图9A和图9B所示的一个或多个组件描述的功能可以以与结合图9A和图9B描述的方式不同的方式分布在组件之间。例如，控制台990的一些或全部功能可由HMD 900提供，反之亦然。HMD 900可以配备有能够实现这种功能的处理模块。
如上参考图9A所述，HMD 900可以包括用于跟踪眼睛位置和定向，确定凝视角和会聚角等的眼睛跟踪系统914(图9B)；用于确定HMD 900在3D空间中的位置和定向的IMU 910；用于捕获外部环境的DCA 911；用于独立地确定HMD 900的位置的位置传感器912；以及用于向用户显示AR/VR内容的显示系统980。显示系统980包括(图9B)电子显示器925，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980还包括光学块930，其功能是将电子显示器925产生的图像传送到用户的眼睛。该光学块可以包括各种透镜，例如折射透镜，菲涅耳透镜，衍射透镜，有源或无源盘查拉特纳姆-贝里(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980还可以包括变焦模块935，该变焦模块935可以是光学块930的一部分。变焦模块935的功能是调节光学块930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，抵消光学块930的像差等。
I/O接口915是允许用户发送动作请求并从控制台990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程序内的特定动作的指令。I/O接口915可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送到控制台990的任何其它合适的设备。由I/O接口915接收的动作请求被传送到控制台990，控制台990执行对应于该动作请求的动作。在一些实施例中，I/O接口915包括IMU，其捕获指示I/O接口915相对于I/O接口915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915可以根据从控制台990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，或者控制台990将指令传送到I/O接口915，使得I/O接口915在控制台990执行动作时生成触觉反馈。
控制台990可根据从以下中的一者或多者接收的信息向HMD 900提供内容以供处理：IMU 910，DCA 911，眼睛跟踪系统914和I/O接口915。在图9B所示的示例中，控制台990包括应用程序存储器955，跟踪模块960和处理模块965。控制台990的一些实施例可具有与结合图9B描述的模块或组件不同的模块或组件。类似地，以下进一步描述的功能可以以与结合图9A和图9B描述的不同的方式分布在控制台990的组件之间。
应用程序存储器955可存储一个或多个应用程序以供控制台990执行。应用程序是一组指令，其在由处理器执行时产生用于呈现给用户的内容。由应用程序产生的内容可响应于经由HMD 900或I/O接口915的移动从用户接收的输入。应用的实例包括：游戏应用，演示和会议应用，视频回放应用或其它合适的应用。
跟踪模块960可以使用一个或多个校准参数来校准AR/VR系统950，并且可以调整一个或多个校准参数以减少HMD 900或I/O接口915的位置确定中的误差。由跟踪模块960执行的校准还考虑从HMD 900中的IMU 910和/或包括在I/O接口915中的IMU(如果有的话)接收的信息。另外，如果HMD 900的跟踪丢失，则跟踪模块960可重新校准AR/VR系统950中的一些或全部。
跟踪模块960可跟踪HMD 900或I/O接口915、IMU910或其某一组合的移动。例如，跟踪模块960可基于来自HMD 900的信息在局部区域的映射中确定HMD 900的参考点的位置。跟踪模块960还可分别使用来自IMU 910的指示HMD 900的位置的数据，或使用来自包括在I/O接口915中的IMU的指示I/O接口915的位置的数据，来确定HMD 900的参考点或I/O接口915的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块960可使用来自IMU 910的指示HMD900的位置的数据部分以及来自DCA 911的局部区域的表示来预测HMD 900的未来位置。跟踪模块960将HMD 900或I/O接口915的估计或预测的将来位置提供给处理模块965。
处理模块965可基于从HMD 900接收的信息产生围绕HMD 900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965基于从DCA 911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965可使用深度信息来更新局部区域的模型且部分基于经更新的模型产生内容。
处理模块965执行AR/VR系统950内的应用程序并从跟踪模块960接收HMD 900的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某一组合。基于所接收的信息，处理模块965确定提供给HMD 900以向用户呈现的内容。举例来说，如果所接收的信息指示用户已看向左边，那么处理模块965产生用于HMD 900的内容，所述内容在虚拟环境中或在用额外内容扩充局部区域的环境中镜像用户的移动。另外，处理模块965响应于从I/O接口915接收的动作请求在控制台990上执行的应用程序内执行动作，并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 900的视觉或听觉反馈或者经由I/O接口915的触觉反馈。
在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统914接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的定向)，处理模块965确定提供到HMD 900以用于在电子显示器925上呈现给用户的内容的分辨率。处理模块965可向HMD 900提供如下内容，该内容在电子显示器925上在用户注视的中央凹区域中具有最大像素分辨率。处理模块965可在电子显示器925的其它区域中提供较低的像素分辨率，从而减少AR/VR系统950的功耗并节省控制台990的计算资源，而不损害用户的视觉体验。在一些实施例中，处理模块965可以进一步使用眼睛跟踪信息来调节物体在电子显示器925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)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑，离散硬件组件或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合来实施或执行用于实施结合本文中所揭示的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，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器，控制器，微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合，多个微处理器的组合，一个或一个以上微处理器与DSP内核的组合，或任何其它此类配置。可替换地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路来执行。
本公开不限于本文所述的具体实施方案的范围。实际上，根据前面的描述和附图，除了在此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，这些其它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施方案的上下文中描述了本公开，但所属领域的技术人员将认识到其有用性不限于此，且本公开可出于任何数目的目的在任何数目的环境中有利地实施。因此，以下阐述的权利要求应根据本文所述的本公开的完整范围来解释。

Claims (15)

1.一种束扫描器，包括：
基板；
由所述基板铰接地支撑的可倾斜反射器；以及
反射偏振器，被支撑在所述可倾斜反射器之上，并且被配置为接收光束并将所述光束重定向到所述可倾斜反射器以扫描所述光束。
2.根据权利要求1所述的束扫描器，还包括在所述反射偏振器和所述可倾斜反射器之间的光路中的四分之一波长波片QWP，其中所述QWP被配置成在所述光束通过所述QWP的双程传播时将所述光束的偏振态改变成正交偏振态。
3.根据权利要求2所述的束扫描器，所述QWP由所述反射偏振器支撑。
4.根据前述权利要求中任一项所述的束扫描器，还包括折叠式反射镜，所述折叠式反射镜被配置成接收所述光束并将所述光束重定向到所述反射偏振器。
5.根据权利要求4所述的束扫描器，其中所述折叠式反射镜由所述基板支撑。
6.根据权利要求1所述的束扫描器，还包括包围所述可倾斜反射器的外壳，其中所述外壳支撑所述反射偏振器；并且优选地所述束扫描器还包括由所述基板支撑并且光学耦合到所述反射偏振器的折叠式反射镜；并且优选地，其中所述外壳包括光学窗口，所述光学窗口用于接收所述光束并使所述光束从其透射通过，以照射到所述折叠式反射镜上。
7.一种投影仪，包括：
光源，用于提供具有特性的光束，所述特性包括亮度或颜色中的至少一者；以及
束扫描器，包括：
基板；
由所述基板铰接地支撑的可倾斜反射器；以及
反射偏振器，被支撑在所述可倾斜反射器之上，并且被配置为接收所述光束并将所述光束重定向至所述可倾斜反射器，以扫描所述光束。
8.根据权利要求7所述的投影仪，还包括在所述反射偏振器和所述可倾斜反射器之间的光路中的四分之一波长波片QWP，其中所述QWP被配置为在所述光束通过所述QWP的双程传播时将所述光束的偏振态改变为正交偏振态；并且优选地，所述投影仪还包括第一折叠式反射镜，所述第一折叠式反射镜被配置成接收所述光束并将所述光束重定向到所述反射偏振器。
9.根据权利要求8所述的投影仪，其中所述第一折叠式反射镜由所述基板支撑。
10.根据权利要求8或9所述的投影仪，还包括第二折叠式反射镜，所述第二折叠式反射镜被配置为接收所述光束并将所述光束重定向到所述第一折叠式反射镜。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的投影仪，还包括包围所述可倾斜反射器的外壳，其中所述外壳支撑所述反射偏振器；并且优选地，其中所述外壳包括光学窗口，所述光学窗口用于接收所述光束并且使所述光束从其透射通过，以照射到所述第一折叠式反射镜上。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的投影仪，还包括控制器，所述控制器可操作地耦合到所述光源和所述束扫描器，用于与由所述束扫描器扫描所述光束协调地改变所述光束的所述特性。
13.一种显示器，包括：
光源，用于提供具有特性的光束，所述特性包括亮度或颜色中的至少一者；
束扫描器，包括：
基板；
由所述基板铰接地支撑的可倾斜反射器；以及
反射偏振器，被支撑在所述可倾斜反射器之上，并且被配置用于接收所述光束并将所述光束重定向至所述可倾斜反射器，以扫描所述光束；以及
光瞳复制波导，被配置成接收从所述可倾斜反射器反射的所述光束，并且将所述光束散布在所述显示器的眼盒之上。
14.根据权利要求13所述的显示器，其中所述光瞳复制波导大体上平行于所述束扫描器的所述基板。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的显示器，还包括第一折叠式反射镜，所述第一折叠式反射镜被配置成接收所述光束并将所述光束重定向至所述反射偏振器；并且优选地，所述显示器还包括第二折叠式反射镜，所述第二折叠式反射镜被配置成接收所述光束，并且将所述光束朝向所述第一折叠式反射镜并且围绕所述光瞳复制波导重定向。
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