CN115516365A - 薄波导成像器 - Google Patents

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CN115516365A CN202180024809.6A CN202180024809A CN115516365A CN 115516365 A CN115516365 A CN 115516365A CN 202180024809 A CN202180024809 A CN 202180024809A CN 115516365 A CN115516365 A CN 115516365A
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waveguide
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light
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Abstract

公开了一种用于提供图像的1D线的设备。该设备基于薄平板波导，薄平板波导耦合到光束重定向设备，例如可倾斜反射镜MEMS扫描仪、基于波导的相控阵、或基于波导的光开关，该基于波导的光开关在耦合到形成在低模平板波导中的准直元件的波导阵列中的波导之间切换图像光。图像可以通过扫描在平板波导中传播的准直光束来形成，也可以通过同时形成亮度的1D奇异分布来形成。该设备可用于近眼显示器中，以在角度域中形成2D图像。

Description

薄波导成像器
技术领域
本公开涉及光学设备，且特别涉及显示系统和模块。
背景
头戴式显示器(HMD)、头盔式显示器、近眼显示器(NED)等正越来越多地被用于显示虚拟现实(VR)内容、增强现实(AR)内容、混合现实(MR)内容等。仅举几个例子，这种显示器在包括娱乐、教育、培训和生物医学科学在内的各种领域都获得应用。显示的VR/AR/MR内容可以是三维的(3D)，以增强体验，并且将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。
为了提供更好的光学性能，显示系统和模块可以包括大量组件，例如透镜、波导、显示面板等。因为HMD或NED的显示器通常佩戴在用户的头上，所以大的、笨重的、不平衡的和/或沉重的显示设备将很不方便，并且用户佩戴起来可能不舒服。期望的是紧凑、轻便和高效的头戴式显示设备和模块。
概述
根据本公开的第一方面，提供了一种用于在角度域中提供图像线的设备。该设备包括低模波导。该低模波导包括：内耦合器(in-coupler)，该内耦合器用于将图像光耦合到低模波导中；1×N分光器，该1×N分光器用于将由内耦合器耦合的图像光分束到N个线性波导；N个移相器，每个移相器耦合到所述N个线性波导中的特定一个，以用于将在N个线性波导中传播的图像光部分延迟可控量；N个线性波导发射器的阵列，每个线性波导发射器耦合到N个移相器中的特定一个，以用于发射由此延迟的图像光部分；以及平板波导部分，该平板波导部分耦合到N个线性波导发射器的阵列，以用于在其中传播由所述N个线性波导发射器的阵列中的对应发射器发射的延迟图像光部分，其中N是整数。
在一些实施例中，平板波导部分包括单模平板波导。
在一些实施例中，平板波导部分包括支持不超过10个横向传播模式(lateralmodes of propagation)的少模平板波导。
1×N分光器可优选地包括可调谐马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的二叉树，以用于提供图像光在N个线性波导之间的光功率的可控分布。
平板波导部分可优选地还包括在平板波导部分中的视场(FOV)扩展器，FOV扩展器包括可调谐包层部分，该可调谐包层部分瞬时耦合到平板波导部分的芯部，并被成形为使在平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量。
在一些实施例中，可调谐包层部分包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于图像光在平板波导部分的芯部中的光路横向延伸，其中至少一些三角形液晶包层部分具有以相对于光路成锐角延伸的侧面。
在一些实施例中，平板波导部分还包括全息片(hologram)，该全息片被配置成在沿全息片中的图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由全息片反射的准直光束部分比撞击到全息片上的准直光束部分更宽。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于在角度域中提供图像线的设备，该设备包括低模波导，该低模波导包括：内耦合器，该内耦合器用于将图像光耦合到低模波导中；可调谐1×N分光器，该可调谐1×N分光器用于在N个线性波导的阵列中的线性波导之间分布由内耦合器耦合的图像光的光功率；以及，平板波导部分，该平板波导部分包括准直元件，该准直元件用于将n个线性波导的阵列中的线性波导的横向定位转换为在该n个线性波导的阵列中的线性波导中传播的图像光部分的光束角，其中N是整数。
在一些实施例中，平板波导部分包括单模平板波导。
在一些实施例中，平板波导部分包括支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。
在一些实施例中，1×N分光器包括用于在n个线性波导之间切换图像光的马赫-曾德尔开关的二叉树。
在一些实施例中，平板波导部分还包括在平板波导部分中的视场(FOV)扩展器，FOV扩展器包括可调谐包层部分，该可调谐包层部分瞬时耦合到平板波导部分的芯部，并被成形为使在平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量。
在一些实施例中，可调谐包层部分包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于图像光在平板波导部分的芯部中的光路横向延伸，其中至少一些三角形液晶包层部分具有以相对于光路成锐角延伸的侧面。
平板波导部分可优选地还包括全息片，该全息片被配置成在沿全息片中的图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由全息片反射的准直光束部分比撞击到全息片上的准直光束部分更宽。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于在角度域中提供图像线的设备，该设备包括：微机电系统(MEMS)光束扫描仪，该微机电系统(MEMS)光束扫描仪包括用于扫描在第一平面中的图像光的可倾斜反射器；在该第一平面中的低模平板波导，以用于传播由MEMS光束扫描仪扫描的图像光；以及耦合器，该耦合器用于接收由MEMS光束扫描仪扫描的图像光，并将图像光耦合到低模平板波导。
低模平板波导可以是单模平板波导。
低模平板波导可以是支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。
在一些实施例中，低模平板波导还包括在平板波导部分中的视场(FOV)扩展器，FOV扩展器包括可调谐包层部分，该可调谐包层部分瞬时耦合到低模平板波导的芯部，并被成形为使在平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量。
在一些实施例中，可调谐包层部分包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于图像光在低模平板波导的芯部中的光路横向延伸，其中至少一些三角形液晶包层部分具有以相对于光路成锐角延伸的侧面。
在一些实施例中，低模平板波导还包括全息片，该全息片被配置成在沿全息片中的图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由全息片反射的准直光束部分比撞击到全息片上的准直光束部分更宽。
附图简述
现在将结合附图描述示例性实施例，其中：
图1A是用于在两个维度中重定向光的设备的3D视图，该设备包括低模波导；
图1B是图1A的低模波导的侧截面视图；
图1C是示出由图1A中的设备呈现图像的示意图；
图2是图1A和图1B中的设备的实施例的系统级框图；
图3是图2中的设备的近眼显示器实施例的示意性正面视图；
图4A是图3中的近眼显示器的光子集成电路(PIC)实施例的示意性正面视图；
图4B和图4C分别是佩戴图4A中的近眼显示设备的人的侧视图和顶视图；
图5是包括腔内光谱选择元件的波长可调谐光源的示意性侧视图；
图6A是包括外部动态光谱选择元件的可调谐光谱光源的示意性侧视图；
图6B是光源的与光谱选择元件的透射光谱叠加的输出光谱，用于示出图6A中的可调谐光谱光源的工作原理；
图6C是图6A中的光源的输出光谱；
图7是用于将光耦合到波导中的自由空间光栅耦合器的侧截面视图；
图8是用于将光耦合到波导中的绝热波导耦合器(adiabatic waveguidecoupler)的侧截面视图；
图9是本公开的相控阵(phased array)1D成像器的示意图；
图10A是图9中的相控阵1D成像器的PIC实现方式的示意性顶视图；
图10B是图10A中的PIC 1D成像器的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)阵列(MZIA)的PIC实现方式的示意性顶视图；
图10C是图10B中的单个MZI的示意性顶视图；
图10D是图10A中的PIC 1D成像器的移相器阵列(PSA)的示意性顶视图；
图10E是图10A中的PIC 1D成像器的波导扇(waveguide fan)的实现方式的示意性顶视图；
图11是包括蚀刻在波导中的1D透镜的混合1D成像器的示意性顶视图；
图12是包括微机电系统(MEMS)可倾斜反射器的1D扫描仪的自由空间光学(FSO)实现方式的示意图；
图13A是基于液晶(LC)包层波导的视场(FOV)扩展器的顶部示意视图；
图13B是图13A中的FOV扩展器的侧截面视图；
图14是根据本公开的基于全息片的光束扩展器的示意性顶视图；
图15是具有光束扩展器的相控阵1D成像器的PIC实现方式的示意性顶视图；
图16是用于示出角色散计算的输出波导的侧截面视图；
图17是用于展宽外耦合器(out-coupler)的角色散范围的双芯波导(dual-corewaveguide)的侧截面视图；
图18是用于展宽外耦合器的角色散范围的少模波导(FMW)的顶视图；
图19是基于慢光波导的高色散外耦合器的侧截面视图；
图20A是基于波导光栅和波纹反射器的高色散外耦合器的侧截面视图；
图20B是基于波导光栅和偏振选择波纹反射器的高色散外耦合器的侧截面视图；
图21A和图21B是用于使从波导向外耦合的图像光可变地聚焦或散焦的具有折射率梯度的低模平板波导的示意性侧视图；
图22是基于倾斜液晶(LC)盒(cell)的变焦外耦合器实施例的侧截面视图；
图23是基于楔形普克尔盒(Pockels cell)的变焦外耦合器实施例的侧截面视图；
图24是基于具有埋入电极的普克尔盒的变焦外耦合器实施例的侧截面视图；
图25是基于热光效应的变焦外耦合器实施例的侧截面视图；
图26是用于在角度域中提供图像的方法的流程图；
图27是图26的方法的利用在设定波长下的1D扫描/渲染的变体的流程图；
图28是图26的方法的使用同时生成要显示的图像帧的变体的流程图；
图29是本公开的具有一副眼镜的形状因子的增强现实(AR)显示器的视图；以及
图30是本公开的根据实施例的虚拟现实(VR)显示器的等距视图。
详细描述
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是意图并不是本教导被限制到这样的实施例。相反，本教导包括各种替代和等同物，如本领域技术人员所理解的。本文中叙述本公开的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。另外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物两者，即，执行相同功能的所开发的任何要素，而不考虑结构。
如在本文所使用的，除非明确规定，否则术语“第一”、“第二”等并不意欲暗示顺序次序，而是更确切地意欲将一个要素与另一个要素区分开。类似地，除非明确规定，否则方法步骤的顺序次序并不暗示它们执行的顺序次序。在图1A、图1B、图2、图3、图4A、图5、图6A、图7-图9、图10A-图10E、图11、图12、图13A、图13B、和图14-图25中，相似的参考数字表示相似的要素。
近眼显示器(NED)可以使用光瞳复制波导在显示器的视窗(eyebox)上扩展投影的图像，即在正常操作期间，例如当显示器被用户佩戴时，在用户的眼睛可能位于的区域上扩展投影的图像。光瞳复制波导通常是透明材料的平行板，其通过全内反射(TIR)从波导的顶面和底面以之字形传播图像光。这样的波导可能容易产生衍射效应，该衍射效应引起根据视场角(field angle)而变化的颜色色散，并且通常不适用于弯曲的基底并对于真实世界的近距离对象呈现重影。
根据本公开，单模(SM)波导或少模(FM)波导(本文统称为“低模”波导)可用于将光传送到视窗并形成图像。低模波导的一个优点是光与光栅的相互作用比常规多模波导多几个数量级。因此，对于每一次单独的相互作用，光栅的衍射效率可以小到足以减少或消除诸如彩虹之类的透视伪影(see-through artifacts)并提高显示器的醒目性(conspicuity)。此外，单模波导能够更精确地控制光在视窗上的分布，这导致了更好的均匀性和效率。
使用单模波导的一个挑战是它只具有传输1D信息的能力，例如，传输水平分辨率而无垂直分辨率，或传输垂直分辨率而无水平分辨率。例如，可以通过以诸如波长的光的非空间特性对2D图像的其他分量进行编码来克服该限制。用于每个颜色通道的波长范围可以足够小到不显著降低色域(color gamut)。
根据本公开，提供了一种用于在角度域中提供图像线的设备。该设备包括低模波导，该低模波导包括用于将图像光耦合到低模波导中的内耦合器；1×N分光器，该1×N分光器用于将由内耦合器耦合的图像光分束到N个线性波导；N个移相器，每个移相器耦合到N个线性波导中的特定的一个，以用于将在其中传播的图像光部分延迟可控量；N个线性波导发射器的阵列，每个线性波导发射器耦合到N个移相器中的特定的一个，以用于发射由此延迟的图像光部分；以及平板波导部分，该平板波导部分耦合到N个线性波导发射器的阵列，以用于在其中传播通过该N个线性波导发射器的阵列中的对应发射器发射的延迟图像光部分，其中N是整数。平板波导部分可以包括例如单模平板波导，或者支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。1×N分光器可包括可调谐马赫-曾德尔干涉仪的二叉树，以用于提供图像光在N个线性波导之间的光功率的可控分布。
在一些实施例中，平板波导部分还包括在平板波导部分中的视场(FOV)扩展器。FOV扩展器可包括可调谐包层部分，该可调谐包层部分瞬时耦合到平板波导部分的芯部，并被成形为使在平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量。可调谐包层部分可以包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于图像光在平板波导部分的芯部中的光路横向延伸。至少一些三角形液晶包层部分可以具有以相对于光路成锐角延伸的侧面。
在一些实施例中，平板波导部分还包括全息片，该全息片被配置成在沿全息片中的图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由全息片反射的准直光束部分比撞击到全息片上的准直光束部分更宽。
根据本公开，提供了一种用于在角度域中提供图像线的设备。该设备可包括低模波导，该低模波导包括用于将图像光耦合到低模波导中的内耦合器；可调谐1×N分光器，该可调谐1×N分光器用于在N个线性波导的阵列中的线性波导之间分布由内耦合器耦合的图像光的光功率；以及平板波导部分，该平板波导部分包括准直元件，该准直元件用于将n个线性波导的阵列中的线性波导的横向定位转换成在n个线性波导的阵列中的线性波导中传播的图像光部分的光束角，其中N是整数。
平板波导部分可以包括例如单模平板波导或支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。1×N分光器可以包括用于在n个线性波导之间切换图像光的马赫-曾德尔开关的二叉树。在一些实施例中，平板波导部分还包括在平板波导部分中的视场(FOV)扩展器。FOV扩展器可包括可调谐包层部分，该可调谐包层部分瞬时耦合到平板波导部分的芯部，并被成形为使在平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量。可调谐包层部分可以包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于图像光在平板波导部分的芯部中的光路横向延伸。至少一些三角形液晶包层部分可以具有以相对于光路成锐角延伸的侧面。平板波导部分还可以包括全息片，该全息片被配置成在沿全息片中的图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由全息片反射的准直光束部分比撞击到全息片上的准直光束部分更宽。
根据本公开，还提供了一种用于在角度域中提供图像线的设备。该设备可以包括微机电系统(MEMS)光束扫描仪，该微机电系统(MEMS)光束扫描仪包括用于扫描在第一平面中的图像光的可倾斜反射器；在第一平面中的低模平板波导，该低模平板波导用于传播由MEMS光束扫描仪扫描的图像光；以及耦合器，该耦合器用于接收由MEMS光束扫描仪扫描的图像光，并将图像光耦合到低模平板波导。低模平板波导可以包括例如单模平板波导或支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。低模平板波导还可以包括在平板波导部分中的视场(FOV)扩展器。FOV扩展器可包括可调谐包层部分，该可调谐包层部分瞬时耦合到低模平板波导的芯部，并被成形为使在平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量。
在一些实施例中，可调谐包层部分包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于图像光在低模平板波导的芯部中的光路横向延伸。至少一些三角形液晶包层部分可以具有以相对于光路成锐角延伸的侧面。低模平板波导还可以包括全息片，该全息片被配置成在沿全息片中的图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由全息片反射的准直光束部分比撞击到全息片上的准直光束部分更宽。
现在参考图1A，设备100在角度域中提供图像。图像可以由具有亮度的二维(2D)角分布I(α,β)的光场来定义。角度α、β是定义3D空间中的射线角的图像光的射线角，如图1A所示。更一般地，设备100可用于在两个维度或沿两个非平行平面或表面重定向光，例如用于2D光束光栅化(beam rastering)、遥感、深度感测、LIDAR应用等。在本文中，术语“重定向”包括准直光束的光栅化，以及提供光在一维或二维或平面中的瞬时分布。
设备100包括光源102、耦合到光源102的1D重定向器104、以及通过耦合器103耦合到1D重定向器104的低模波导106。低模波导106包括平板波导部分107。在本文中，术语“平板波导”表示仅在一个维度(即垂直于波导平面的垂直方向或Z方向)上限制光传播而允许光在波导的平面内自由传播(例如在图1A的示例中在XY平面内自由传播)的波导。光源102提供具有可调谐光谱的光108，可调谐光谱根据所需亮度分布I(α,β)而变化。例如，可调谐光学光谱可以具有多个光谱分量；在一些实施例中，可以在可调谐波长处提供一个光谱分量。
1D重定向器104接收来自光源102的光108，并根据期望的亮度分布I(α,β)在XY平面(即低模波导106的平面)中重定向光108，例如成角度地分散光108。在显示应用中，1D重定向器104用作提供2D图像线的1D成像器。平板波导部分107是单模波导或少模波导，其被配置为在XY平面内传播光108，但限制和引导光沿Z轴传播。平板波导部分107包括外耦合器110，外耦合器110与低模波导106平面(XY平面)成一定角度地将图像光108向外耦合，该角度取决于光108的光谱分量的波长。在一些实施例中，单个可调谐光谱分量可以由外耦合器110在与低模波导106的平面(即XY平面)成一定角度设置的平面中以取决于其波长的角度向外耦合；并且在一些实施例中，多个光谱分量以对应于光谱分量的波长分布的角度分布同时或瞬时地向外耦合。向外耦合的角度的分布通过光108的可调谐光学光谱定义。可以控制在X方向和Y方向上的亮度的角分布，以在角度域中提供具有期望的亮度分布I(α,β)的图像，来供观看者直接观察。
图1B以侧截面视图示出了低模波导106的实施例。低模波导106包括支撑光108在其中传播的薄波导层114的基底112。根据波导层114的折射率差(refractive indexcontrast)和厚度，仅一个模式或多个模式(例如最多10个模式)可以在薄波导层114中传播。因此，术语“低模”波导在本文中被定义为指支持最多10个不同横向传播模式的波导。光108在波导106的平面(即XY平面)中传播，但在Z方向上受到约束或被引导。
波长选择外耦合器110以取决于波长的不同角度向外耦合图像108。例如，在波长λ1处的第一光谱121分量与低模波导106成直角地向外耦合，以及在波长λ2处的第二光谱分量122与低模波导106成锐角地向外耦合。由光源102提供的光108的光谱组成以及波长选择外耦合器110的角色散被选择，以便提供期望的亮度角分布I(α,β(λ))。通过非限制性示例，参考图1C，可以在角度域中形成整个图像116。图像116由亮度角分布I(α,β(λ))表示。
参考图2，设备200是图1A和图1B中的设备100的示例实现方式。图2中的显示设备200包括串联光学耦合的：光谱可调谐单模光源202、内耦合器203、1D成像器204、以下可选模块：1D FOV扩展器224、1D横向光束扩展器226和角色散增强器228；以及外耦合器210。其它元件还可以包括变焦调节器230、杂散光过滤器232和分布式温度传感器234。可选元件以虚线圆角矩形示出。所有元件或某些元件可以是低模波导206的一部分，例如可以形成在低模波导206中或在低模波导206上。应当注意的是，低模波导206可以包括具有线性波导的部分(即在两个维度引导光的直的或弯曲的脊型波导)以及平板波导部分，该平板波导部分仅在一个维度引导光，即在图2中的Z方向上引导光，同时允许光在XY平面中自由传播。图2中所示元件的耦合顺序可以变化。
在操作中，光谱可调谐单模光源202提供具有可调谐光谱的图像光208，如上文所述，该可调谐光谱根据期望的亮度角分布I(α,β(λ))而变化。耦合器203将图像光208耦合到1D成像器204中。1D成像器204接收来自光源202的图像光208，并重定向或成角度地分散图像光208，扫描图像光208的准直光束等。1D FOV扩展器224可被配置成在多个相邻的FOV部分之间切换图像光208，以增强或展宽光的扩散。1D横向光束扩展器226增加图像光的准直部分在XY平面中的宽度，即，展宽在低模波导206的平面中的图像光208光束，从而增加显示设备200的视窗的横向尺寸。在本文中，术语“视窗”是指显示设备200的用户可以观察到可接受质量的图像的几何区域。角色散增强器228增加图像光208的光谱色散，以在由波长选择外耦合器210向外耦合时达到期望的第二亮度1D角分布I(β)。变焦调节器230可以调节向外耦合的图像光的会聚(convergence)或发散(divergence)以改变感知的聚焦深度。杂散光过滤器232可以移除或减少向外不耦合到用户眼睛而是向外耦合到外部世界的图像光的部分。分布式温度传感器234可获得在低模波导206上的温度分布，以提供校正并操作热驱动光学元件和组件。更多细节将在下面给出。
参考图3，显示设备300是图1中的设备100或图2中的设备200的实现方式。图3中的显示设备300是具有一副眼镜311的形状因子的近眼显示设备，其中低模波导306占据眼镜的镜片区域。图3中的显示设备300包括串联光学耦合的：光源302、耦合器303、1D成像器304、1D FOV扩展器324、1D横向光束扩展器326、角色散增强器328、外耦合器310和变焦调节器330。所有元件都可以在低模波导306中实现。如图所示，光源302可以单独设置。
参考图4A，显示设备400是图1中的设备100、图2中的设备200或图3中的显示设备300的实现方式。图4A中的显示设备400是具有一副眼镜411的形状因子的近眼显示设备，其中在波导406的PIC部分436中实现有源组件/特征。PIC部分436可以由集成电路(IC)驱动器单元407驱动。显示设备400包括具有可调谐发射光谱的光源402，其经由光纤403耦合到PIC部分436。PIC部分436可以包括例如1D成像器和/或1D FOV扩展器。形成在LC部分436中的光束408A、408B和408C(统称为408)分别由波导内光学元件426A、426B和426C扩展，这些光学元件具有用于将光束408A、408B和408C准直/重定向到高色散输出光栅410的光功率(即聚焦/散焦功率)。高色散输出光栅410的功能是提供以不同垂直角度向外耦合的图像光408，以提供垂直FOV，如图4B所示。图4C中所示的水平FOV由在波导406的平面内扩散图像光408的PIC部分提供。
现在将考虑图1、图2、图3和图4A中描绘的不同模块的多个实现方式。
首先参考图5，可调谐激光源502可用作本公开的显示设备的波长可调谐光源。可调谐激光源502包括由一对反射镜501、增益介质504和波长选择腔内元件506形成的光学腔，该波长选择腔内元件506具有在增益介质504的增益谱带内可调谐的透射峰。可以与扫描准直光束508的1D角度协调地扫描波长选择元件506的透射峰，以提供显示设备所需的2DFOV，例如由光束扫描提供的水平FOV和由可调谐激光源502的输出波长扫描提供的垂直FOV。
转到图6A，可调谐光谱光源602可用作本公开的显示设备的波长可调谐光源。可调谐光谱光源600包括耦合到具有可选择的任意光谱形状的动态光谱过滤器606的光608的宽带源604。宽带源604的发射光谱630在图6B中示出，其中它与动态光谱过滤器606的示例宽带光谱形状632或动态光谱过滤器606的示例窄带(单波长)光谱形状633重叠。
动态光谱过滤器606可以被配置成独立地调节单个或多个相邻的窄谱带或信道的传输。例如，动态光谱过滤器606可以根据显示设备输出处的期望的亮度角分布来调节宽带光谱形状632的形状。在一些实施例中，可以以导致根据显示设备的外耦合器的色散功能成角度地扫描输出光束的波长来扫描窄带光谱形状633。
在图6C中示出了得到的输出光谱。例如，宽带光谱形状632导致宽带发射光谱634，而窄带光谱形状633相应地导致窄带发射光谱635，发射波长可通过动态光谱过滤器606调谐。
参考图7，自由空间光栅耦合器703可用于将来自可调谐光谱光源702A(例如图5的可调谐激光源502或图6A的可调谐光谱光源602)的光耦合到本文公开的显示器的波导或PIC中。自由空间光栅耦合器703包括接收图像光708并将图像光708耦合到波导706的芯部707中的多条光栅线705。光栅线704彼此平行地延伸并且可以是直的或弯曲的，例如可以具有垂直于图7的平面延伸的同心圆弧段的形状。同心圆弧形状提供图像光708的聚焦，使其模式大小与可在波导706的芯部707中传播的光模709的大小相匹配。
转到图8，波导耦合器803可用于将来自可调谐光谱、基于波导的或光纤耦合的光源的光耦合到本公开的显示器的波导或PIC中。波导耦合器803包括锥形部分836，在锥形部分836中源光纤802的锥形芯部813设置在具有波导芯部807的波导806的锥形波导芯部805附近并与该锥形波导芯部805平行。锥形部分836可以足够长以确保光能从源光纤802绝热跃迁(adiabatic transition)到波导806的波导芯部807中。
参考图9，相控阵1D成像器904是图1中的1D重定向器/成像器104、图2中的1D成像器204、或图3中的1D成像器304的实施例。图9中的相控阵1D成像器904包括1×N功率分光器(power splitter)920、耦合到功率分光器920的N个移相器922、以及耦合到移相器922的N个线性波导发射器924的阵列。在本说明书中，术语“线性波导”表示在两个维度中限制光传播的波导，如光导束(light wire)。线性波导可以是直的、弯曲的等；换句话说，术语“线性”不意味着直的波导部分。线性波导的一个示例是脊型波导。相控阵1D成像器904的所有元件可以在包括平板波导部分907的低模波导906中实现。数字N可以例如在4到16,000之间变化。
在操作中，内耦合器(例如自由空间光栅耦合器703)从图9中未示出的波长可调谐激光源接收图像光908，并将图像光908耦合到功率分光器920中。功率分光器920在低模波导906的N个线性波导921之间分布图像光908，每个线性波导921输送图像光908的一部分。基于由控制器926提供的控制信号，由相对应的移相器922对每个图像光部分进行移相或延迟。通过N个线性波导发射器924的阵列以对应于所需光束角
Figure BDA0003863559220000141
的相位分布(phaseprofile)形成具有相前(phase front)921的输出光束919，来发射图像光部分。输出光束919在平板波导部分907中传播。在一些实施例中，922中的相位分布可被控制以抑制除一个衍射级(diffraction order)之外的所有衍射级，使得所有能量集中到单个可控光束中。
转到图10A，PIC相控阵1D成像器1004是图9中的相控阵1D成像器904的示例实现方式。图10中的PIC相控阵1D成像器1004包括作为分光器920操作的马赫-曾德尔干涉仪阵列(MZIA)1020、耦合到MZIA1020的PIC移相器阵列(PSA)1022、以及耦合到PIC移相器阵列1022的波导集中器1024。波导集中器1024的输出线性波导1030的端部作为天线924(图9)操作，发射在平板波导部分的平面(图10A中的XY平面)内自由传播的光，同时在垂直于平板波导的方向(图10A中的Z方向)上保持限制。
MZIA 1020可以包括无源Y分光器和/或有源马赫-曾德尔干涉仪(MZI)1021的二叉树，如图10B所示。每个MZI可以包括如图10C所示的消逝耦合器(evanescent coupler)1026的一个输入端1023和两个输出端1033、1034，或者两个输入端(其中一个是空闲的)和两个输出端，即在两个位置处由消逝耦合器耦合的两个波导部分。MZIA 1020的功能是将图像光分成N个部分。在使用无源Y分光器的实施例中，PSA 1022可用于扫描准直光束。在其中使用有源MZI的实现方式中，如果需要，可以使用MZI的两个分支(图10C)中的至少一个分支中的移相器1027来将输出端处的光功率分布控制为不相等的光功率，例如提供所扫描的准直光束的变迹(apodization)，或者甚至创建完全期望的1D角度分布。
参考图10D，移相器阵列1022可包括多个移相器1027，该移相器1027为在其中传播的光提供可控量的相移或延迟。移相器1027可以是例如基于热光效应的热光移相器、基于普克尔(Pockels)效应和/或克尔(Kerr)效应的电光移相器、和/或基于半导体中的电吸收效应的电吸收移相器，并且因此根据需要可以包括波导上的加热器和/或电极。
转到图10E，波导集中器1024包括扇入或扇出以实现所需输出节距(pitch)的波导阵列。通常，输出节距需要足够小以实现大FOV。FOV近似等于输出线性波导1030的发射波长与节距的比值。
参考图11，混合1D成像器1104是图1中的1D重定向器104、图2中的1D成像器204或图3中的1D成像器304的示例实现方式。图11中的混合1D成像器1104包括MZIA 1120、耦合到MZIA 1120的波导集中器1124、以及耦合到波导集中器1124的FOV准直器1136，这些元件在低模波导1106中实现。MZIA 1120用作1×N分配器或开关，其中N是输出MZIA波导1129的数目。MZIA 1120可以包括例如，用于在N个线性输出波导之间切换图像光1108的马赫-曾德尔开关的二叉树。波导集中器1124使其输出线性波导1130比输出MZIA波导1129更靠近在一起。波导集中器1124的输出线性波导1130的端部设置在位于少模波导1106的平板波导部分1107中的FOV准直器1136的焦平面处。FOV准直器1136是设置在距离波导集中器1124的输出线性波导1130的端部一焦距处的准直元件。FOV准直器1136的功能是将波导集中器1124的输出线性波导1130的端部的定位或Y偏移转换成在平板波导部分1107中传播的对应输出光束1119的光束角。换句话说，FOV准直器1136作为偏移-角度(offset-to-angle)光学元件操作，其将输出波导1130中输送图像光1108的一部分的一个选定的输出波导的偏移或Y定位转换成源自在所述选定的输出波导中传播的图像光部分的输出光束1119的角度。
FOV准直器1136可以是诸如透镜或反射镜的单个元件，或者可以包括多个透镜1138、1140，如图11所示。透镜1138、1140可以通过蚀刻形成在低模波导1106中，并且例如，可以具有诸如煎饼透镜配置的s折叠配置。输出光束1119可以在波导的平面(XY平面)中被整形、聚焦、准直等，同时保持由平板波导部分1107引导，即保持在Z方向上受约束。透镜表面可以包括具有亚波长周期性的多个锥形1141，以促进波导的蚀刻部分和非蚀刻部分之间的绝热过渡，并由此防止平面外光散射。
参考图12，自由空间光学(FSO)1D扫描仪1204包括具有可倾斜反射器1245和柱面透镜1246的微机电系统(MEMS)光束扫描仪1244。在操作中，诸如波长扫描(wavelength-swept)激光源1202的多波长光源以可调谐(例如线性扫描)发射波长发射光束1208。光束1208被柱面透镜1203聚焦到MEMS可倾斜反射器1245上。柱面透镜1246用作耦合器，其接收由MEMS光束扫描仪1244扫描的图像光1208，并将图像光1208耦合到低模平板波导1207。柱面透镜1203例如可以是折射的或衍射的。例如，可以使用其他类型的耦合器，如反射镜。MEMS可倾斜反射器1245以可变角度反射光束1208，如双头箭头所示。柱面透镜1246在XZ平面内具有聚焦能力，同时在XY平面内基本上不聚焦地传播光束1208。柱面透镜1246将光束1208聚焦到低模平板波导1207的边缘上或聚焦到形成在低模平板波导1207中的光栅耦合器上。光束1208被耦合到低模平板波导1207中，并且在XY平面中在低模平板波导1207中自由传播，在垂直于低模平板波导1207的平面的Z方向上被限制。柱面透镜1246需要精确地平行于低模平板波导1207以进行有效耦合。
转到图13A和图13B，液晶(LC)1D FOV扩展器1324是图2中的1D FOV扩展器224和图3中的1D FOV扩展器324的实施例。图13A和图13B中的LC 1D FOV扩展器1324包括具有芯部1307的平板波导1306，以用于在芯部1307中引导图像光1308，同时允许图像光1308在XY平面中自由传播，如图所示。顶部包层1337包括可调谐包层部分1339、1340，可调谐包层部分1339、1340瞬时耦合到平板波导1306的芯部1307并被成形为使在平板波导1306的芯部1307中传播的光偏离一可控量。在图13A所示的实施例中，可调谐包层部分1339、1340在XY平面中具有锯齿形，例如三角形的阵列，如图13A所示。该阵列相对于图像光在平板波导1306的芯部1307中的光路横向延伸。至少一些三角形可调谐包层部分具有以相对于如在图13A中由水平箭头所表示的光路成锐角延伸的侧面1339A、1340A。可在可调谐包层部分1339、1340下提供底层1338(图13B)，以避免可调谐包层部分1339、1340与波导芯部1307之间的直接接触。底层1338可以足够薄以确保在芯部1307中传播的光与可调谐包层部分1339、1340的消逝耦合。
顶部包层1337的可调谐包层部分1339、1340包括液晶(LC)LC材料，当向可调谐包层部分1339、1140施加电场时，该材料改变其对于特定偏振光的折射率。当顶部包层1337的LC可调谐包层部分1339、1140的折射率改变时，平板波导1306的有效折射率也改变，使得图像光1308由于LC可调谐包层部分1339、1140的倾斜面上的菲涅尔折射而偏离原始传播方向。偏离的幅度取决于LC可调谐包层部分1339和1340的倾斜面的角度和垂直节距(在Y方向上的垂直节距)。在方向1349和1350上的能量分布取决于LC可调谐包层部分1339和1340的切换状态，该切换状态可以以二进制模式(开/关)操作。当LC可调谐包层部分1339和1340不是连续可调谐时，LC可调谐包层部分1339和1340的每个阵列可将1DFOV偏移离散量。因此，级联的m个LC元件将产生2m个1D FOV偏移量的组合。通过激励不同的三角形LC可调谐包层部分1339、1340，图像光1308可以以不同的角度偏离。例如，激励较大的三角形形状1339使图像光1308偏离从而以一个角度传播，如1349所示，并且激励较浅的三角形形状1340使图像光1308偏离从而以一个更陡的角度传播，如1350所示。具有不同偏离角度的LC部分的更多阵列可以实现更精确的角度控制。当与操作1D成像器或扫描仪协调地激励LC可调谐包层部分1339、1340的不同三角形形状时，图像光在多个相邻的FOV部分之间切换，使得能够实现有效的可控光扩散并且相关联的水平FOV能够被扩展或增强。
参考图14，全息扩束器(beam expander)1426包括低模平板波导1406中的全息片1456，该全息片1456使得图像光能够在平板波导1406的平面中在两个维度上(即在XY平面中)传播。全息片1456被配置为接收图像光1408，该图像光1408包括至少一个准直光束部分，例如彼此成角度传播的第一(1451；点线)准直光束部分和第二(1452；虚线)准直光束部分，并且在全息片1456中沿准直光束部分的光路的多个位置处反射每个准直光束部分。例如，第一准直光束部分1451在多个位置1451A、1451B、1451C处以第一角度反射，产生第一输出光束(1461；点线)；以及第二准直光束部分1452在多个位置1452A、1452B、1452C处以第二角度反射，产生第二输出光束(1462；虚线)。任何其他光束以第一角度和第二角度之间的光束角度反射，在第一输出光束1461和第二输出光束1462的方向之间的多个方向上传播。为此，全息片1456可包括多个条纹，这些条纹被配置成根据撞击的光束角度确保在期望方向上的反射。从图14可以看出，这样的反射几何结构导致光束1451、1452的扩展。
转到图15，宽光束PIC相控阵1D成像器1504类似于图10A中的PIC相控阵1D成像器1004，但在MZIA 1520和PSA 1522(图15)中包括更多的线性波导。输出波导阵列耦合器或扩束器1524类似于集中器1024，但包括更多的输出线性波导1530，例如视情况跨越横向距离超过5mm；10mm；或15mm的10,000个；20,000个；30,000个或更多个波导。输出光束可以与线性波导1530阵列的宽度一样宽，并且因此可以不需要为了在近眼显示器的视窗上扩展输出光束而进行任何后续的光束扩展和准直，从而简化了总体设计。
现在参考图16，平板波导1606支撑衍射光栅1661，以用于衍射出在平板波导1606的XY平面中传播的图像光1608的部分。衍射光栅1661的K向量与图像光1608的K向量的x分量对准。图像光1608的衍射角θ遵循等式：
Figure BDA0003863559220000191
其中，n是折射率，T是光栅周期，以及λ是在传播介质中的光的波长。因此，
Figure BDA0003863559220000192
其中，ngr是群速度折射率(group index)。在色散较小的规则波导中，ngr＝n；因此，
Figure BDA0003863559220000193
从等式(3)可以看出，在正入射以及T＝λ/n时
Figure BDA0003863559220000194
对于n＝2，波长范围从510nm到530nm。根据本公开，可以通过增加衍射角θ来在一定程度上增加角范围。例如，通过将光栅节距减小到180nm，可以实现衍射角dθ的范围至14.4度。
可以例如通过使用多层输出波导来增加角色散范围。参考图17，双芯平板波导1706在XY平面中延伸。双芯平板波导1706包括在分别由第一包层1705和第二包层1755包围的基底1736的XY平面中彼此平行延伸的第一芯部1707和第二芯部1757。第一芯部1707和第一包层1705被配置用于图像光的第一光束(实线箭头；1708)的单模传播。类似地，第二芯部1757和第二包层1755被配置用于图像光的第二光束(虚线箭头；1758)的单模传播。
第一芯部1707和第二芯部1757具有分别形成在第一芯部1707和第二芯部1757中或上的第一衍射光栅1710和第二衍射光栅1760。第一衍射光栅1710被配置成以取决于第一波长的第一角度向外耦合重定向的图像光的光谱分量。第一角度在对应于所使用的波长可调谐光源的调谐范围的第一角度范围内。类似地，第二衍射光栅1760被配置成以不同于第一角度的第二角度向外耦合重定向的图像光的光谱分量。第二角度在对应于波长可调谐光源的调谐范围的第二角度范围内。
对于由第一光束1708和第二光束1758表示的图像光的相同波长，来自双芯波导1706的不同芯部1707、1757的衍射的不同角度和角范围可以通过改变芯部1707和1757的厚度或折射率、包层1705和1755的折射率、或衍射光栅1710和1760的节距来实现。为了简化制造，可以将单个光栅蚀刻到第一芯部1707层，并且第二芯部1757层或任何后续层可以简单地通过定向材料沉积来再现该光栅。在后一种情况下，可以通过改变层的厚度且因此改变有效折射率来调节FOV。
通过相对于分层倾斜较小的角度范围，可以使不同的衍射角度来扩展相对应的“垂直”1D FOV。在本文中，术语“垂直”意味着通过在低模波导的平面(即被称为“水平”的XY平面)中重定向图像光来区别于1D FOV。应当注意的是，在该上下文中，术语“水平”和“垂直”意味着仅作为区分者(differentiator)来区分平面内1D FOV与波长色散1D FOV，并且不意味着设备在使用时的实际取向。第一芯部1707和第二芯部1757之间的切换可以例如使用马赫-曾德尔干涉仪和定向耦合器来实现。关于可能的切换配置的更多细节将在下面进一步提供。
转到图18，角色散模块1828提供图像光的增强波长色散以获得所需的垂直1DFOV。角色散模块1828包括串联耦合的：MZIA 1820，该MZIA1820耦合到垂直模式转换器1821，例如非对称定向耦合器；从垂直模式转换器1821接收光的多模干涉(MMI)耦合器1851；以及从MMI耦合器1851接收光的少模平板波导部分1856。可以在少模平板波导部分1956的芯部中传播的图像光的横向传播模式的数目例如可以是2、3、4、5或6，或者更一般地不超过10个模式。设置在少模平板波导部分1856的芯部中或芯部上的衍射光栅1807作为外耦合器操作，外耦合器以取决于波长的角度向外耦合图像光。衍射光栅1807被配置成以根据光谱分量的波长的角度向外耦合重定向的图像光的每个光谱分量。向外耦合的角度在对应于所使用的波长可调谐光源的调谐范围的向外耦合的角度范围内。对于少模平板波导部分1856的不同横向传播模式，向外耦合的角度范围是不同的，因为每个传播模式具有不同的有效折射率。
最初，只有图像光的基本模式通过内耦合器1803耦合到MZIA 1820中。MZIA 1820用作1×N光开关，在其输出波导之间切换图像光。在每个MZIA 1820输出波导的端部，图像光由垂直模式转换器1821转换成不同的垂直模式。使用MMI耦合器1851，来自所有波导的图像光被组合到少模平板波导部分1956中。以这种方式，平面内图像编码器布局(即上面参考图9-图15公开的水平1D成像器电路)可以在FMW 1856中的图像光的不同传播模式之间被共享。
不同的垂直模式具有不同的有效折射率，且因此，对于相同的波长，将在衍射光栅1807处以不同的角度衍射。整体垂直1D FOV可使用以下方式扩展：以时间顺序的方式使用分离模式的衍射范围扩展，即切换到提供相对应垂直1D FOV部分的特定芯部，然后切换到提供不同垂直1D FOV部分的另一芯部，以此类推，直到覆盖所有垂直1D FOV为止。MMI耦合器1851可以通过定义优化函数(也称为评价函数(merit function))以具有表示具有预定义垂直坐标的每个垂直模式的MMI耦合器的光插入损耗的操作数，并让物理设计软件运行优化来使用物理设计软件对垂直模式的所需耦合进行优化。
图18的耦合配置，即耦合到与MMI 1851耦合的垂直模式转换器1821的MZIA 182，可用于将由内耦合器1803接收的图像光耦合到支持若干垂直模式的任何波导组件的不同垂直模式中。例如，可以使用这样的配置来将图像光耦合到图17的双芯平板波导1706的芯部中。在双芯平板波导1706的情况下，可以只使用一个马赫-曾德尔干涉仪来代替MZIA1820作为1×2光开关操作。多芯平板波导可包括多个芯部，并且图18的耦合配置可用于将图像光耦合到多芯平板波导的任何芯部中。
参考图19，角色散增强器1928基于慢光平板波导1906，该慢光平板波导1906在XY平面中延伸并用衍射光栅结构1910支撑包层1905，以用于从慢光波导1906向外耦合图像光。慢光波导1906可包括均匀2D光子晶体、多层结构、或两者的组合，以用于将群速度折射率增加到20倍，例如，或至少增加到10倍。然后，从等式(2)-(4)可以看出，当减慢因子(slowing factor)为20时FOV可以增加到十倍，例如从4.4度增加到44度。在一些实施例中，慢光波导2006可包括线性光子晶体波导的阵列。
参考图20A，角色散增强器2028A包括低模波导2006，该低模波导2006具有设置在XY平面中的平板波导部分2056以及由平板波导部分2056支撑的波纹反射器2070A。输送在其光谱中编码的图像信息的图像光2008在平板波导部分2056中传播。平板波导部分2056中的衍射光栅2010，例如布拉格光栅，以相对于图像光2008在平板波导部分2056中的传播方向超过90度的不同角度向外耦合图像光2008的不同光谱分量。例如，第一光谱分量2081以第一角度θ1向外耦合，以及第二光谱分量2081以更大的第二角度θ2向外耦合。波纹反射器2070A反射由衍射光栅2010衍射的图像光2008通过平板波导部分2056并且在低模波导2056的外部的第一光谱分量2081和第二光谱分量2082。
当图像光2008几乎直接向后向外耦合(即角度θ接近180度)时，向外耦合的图像光2008的角色散最大。例如，假设折射率为2的规则波导光栅，将波长从510nm改变到530nm，导致平均衍射角θ为0时偏移4.4°，而如果平均衍射角θ是大约65°时偏移14°。在该配置中，衍射光栅2010向后向外耦合图像光2008，以最大化角色散，并因此增加显示器的FOV。波纹反射器2070A可以包括多个棱镜2072，该棱镜具有由平板波导部分2056支撑的反射涂层2074，其在垂直于平板波导部分2056的方向上重定向图像光2008，以确保中心场角垂直于平板波导部分2056，即平行于Z轴。作为非限制性示例，反射层2074可以由以下任一种或以下组合制成：(1)用于全内反射(TIR)的低折射率材料，(2)形成半反射镜的薄金属层，或(3)窄光谱多层反射镜涂层或反射偏振器，如线栅偏振器(wire grid polarizer)或双亮度增强膜(DBEF)。
转到图20B，角色散增强器2028B是图20A中的角色散增强器2028A的偏振选择实施例。在图20B中的角色散增强器2028B中，波纹反射器包括偏振选择反射器2070B，该偏振选择反射器2070B被配置为以第一偏振反射光并以与第一偏振正交的第二偏振透射光。角色散增强器2028B还包括由平板波导部分2056支撑在平板波导部分2056与偏振选择反射器2070B的相对侧的四分之一波片(QWP)2076。QWP 2076被配置为接收由偏振选择反射器2070B反射的图像光分量2081、2082。图像光分量2081、2082处于第一偏振状态。
衍射结构2078(例如反射式表面浮雕衍射光栅)由QWP 2076支撑，并被配置为将传播通过QWP 2076的图像光分量2081、2082反射回去，以第二次传播通过QWP 2076，从而将图像光分量2081、2082的偏振从第一偏振转换为第二偏振。然后，分量2081、2082传播通过平板波导部分2056，并通过偏振选择反射器2070B，因为分量2081、2082处于第二偏振状态，偏振选择反射器2070B使分量2081、2082传输通过。衍射结构2078的目的是进一步增加图像光2008的角色散。
参考图21A和图21B，示出了向外耦合的图像光的变焦调节(即，调节会聚/发散)的原理。图21A中的低模平板波导部分2156A包括具有均匀折射率的光栅外耦合器。图像光分量2108作为聚焦在无穷远的平行光束垂直地、即垂直于平板波导部分2156A的平面向外耦合。图21B中的平板波导部分2156B包括具有可控的非均匀折射率的光栅外耦合器，以使图像光分量2108垂直地、即垂直于平板波导部分2156B的平面向外耦合，以如图所示会聚，作为焦距等于光栅外耦合器的光功率(聚焦功率)的倒数的聚焦光束。假设视窗2112的期望尺寸为16mm，需要0.008的折射率增量(refractive delta)来将来自平板波导部分2156B的图像光分量2108聚焦到视窗2112的两米外的焦点(focal spot)2185。为了实现这种聚焦功能，在穿过视窗2112时，光栅外耦合器的有效折射率neff需要从0.004到-0.004线性变化。该原理可用于本文所考虑的任何色散增强器中。对于具有谐振结构的色散增强器，叠层中材料的物理折射率的任何变化都将产生neff的更大的变化，从而促进由于沿外耦合器的折射率的变化而产生的聚焦或散焦。下面参考图22到图25考虑基于该原理的变焦调节器的示例。
首先参考图22，变焦调节器2230包括用于传播光(例如图像光2208)的低模平板波导部分2256。平板波导部分2256包括外耦合器2210，例如布拉格光栅，其被配置为与平板波导部分2256的XY平面成一定角度地向外耦合图像光2208。液晶(LC)盒2288瞬时耦合到平板波导部分2256。平板波导部分2256的上包层2287的厚度被选择成使得在模式平板波导部分2256的芯部中行进的图像光2208的导模(guided mode)2290的尾部与LC盒2288重叠，通过支撑LC盒2288的上包层2287到达LC盒2288的LC层2289。LC层2289设置在一对电极2283之间。导模2290与LC盒2288的LC层2289重叠。
LC盒2288定义在平板波导部分2256中传播的图像光2208的导模2290的有效折射率。有效折射率neff在图像光2208在低模平板波导2256中传播的方向(即图22中的X方向)上变化。变化的有效折射率neff导致向外耦合的图像光2208部分的方向沿X轴变化，这使得向外耦合的图像光2208聚焦或散焦，如上面参考图21A和图21B所述。上包层2287(图22)的厚度分布可以被选择成使得LC层2289的折射率的变化将导致对于传播波导模2290的有效折射率neff的线性变化。这将导致向外耦合的图像光2208被聚焦或散焦。变化的绝对值以及因此焦距可以通过施加到LC盒2288的电压来控制。上包层2287的厚度分布可以是线性的，即LC盒2288可以与平板波导部分2256形成锐角，从而改变对于波导模2290的有效折射率neff。
通过向LC盒2288施加电压来改变LC层2289的折射率。如上所述，这导致向外耦合的图像光2208的传播方向沿着图像光2208在平板波导部分2256中的传播方向(即，X方向)变化，导致向外耦合的图像光2208在XZ平面中发散或会聚。通过改变所施加的电压，可以控制向外耦合的图像光2208的发散/会聚(统称为“发散”)。在一些实施例中，LC盒2288可以平行于平板波导部分2256，并且可以被像素化以赋予沿图像光2208的传播方向(即沿X方向)的折射率变化分布。
现在参考图23，变焦调节器2330包括用于传播光(例如图像光2308)的低模平板波导部分2356。平板波导部分2356包括芯层2307和外耦合器2310，该外耦合器2310被配置为与平板波导部分的平面成一定角度地向外耦合图像光2308。芯层2307由具有依赖于所施加的电场的折射率的材料制成。例如，芯层2307可以由LiNbO3、AlN、SiC、或具有高电光系数的其他材料制成。
电极2383设置在芯层2307的上方和下方，以用于向芯层2307施加电场2386。电极2383可以彼此成锐角设置，形成楔形。当向电极2383施加电压时，电场2386沿图像光2308在平板波导部分2356的芯部2307中的传播方向(即沿X方向)在空间上变化。这导致从平板波导部分2356向外耦合的图像光2308的方向沿着光在低模平板波导中的传播方向变化，有效地使得向外耦合的图像光2208在XZ平面中发散或会聚。通过改变所施加的电压，可以以可控的方式改变向外耦合的图像光2308的会聚/发散的程度。
折射率的空间调制可以通过穿过平板波导部分2356和传播光模2390的材料的DC或AC电场来实现。根据其中需要进行折射调制的晶体轴和组件设计，电极可以分别放置在上/下包层的上方/下方，或者仅仅放置在这些层中的一个层中。在电极夹住波导的芯部的情况下，电场2386将垂直延伸，如图23所示。可以通过改变电极2382之间的距离来分配沿着图像光2308(这是为了实现聚焦而需要控制的图像光)的传播的电场2386的相对大小。较大的距离将产生较弱的电场2386。通过这样做，可以嵌入与局部折射率变化成比例相关的预先确定的楔形轮廓电场2386。当所施加的电压V＝0时，图像光2308被准直，即图像在无穷远处。随着施加的电压V的增加，系统的焦平面会越来越近。
类似的原理应用于图24的变焦调节器2430，其中电场2486平行于少模平板波导2456的芯层2407。电场2486的这种取向由沿图像光2408在低模平板波导2456中的传播方向延伸的浮动电极2482限定，所述浮动电极2482位于可向其施加电压V的一对端电极2485之间。浮动电极2482被设置成提供电场2486的幅度分布，该幅度分布与聚焦向外耦合的图像光2408所需的折射率分布相匹配。在一些实施例中，可以提供一组独立控制的电极以更好地控制电场2486的幅度分布。
现在参考图25，变焦调节器2530包括支持光栅结构2510的低模平板波导部分2506，该光栅结构2510包括具有第一折射率的光栅条纹2511的阵列，并且被在各个光栅条纹2510之间的具有第二折射率的基底2512包围。光栅结构2510将来自低模平板波导部分2506的图像光2508向外耦合。第一折射率或第二折射率中的至少一个可调谐，以提供第一折射率或第二折射率中的至少一个的梯度，以用于聚焦或散焦通过外耦合器从平板波导部分向外耦合的图像光2508。为此，加热元件2570的阵列可耦合到波导2506，用于向光栅结构2510提供非均匀的、空间选择性的加热。空间选择性加热产生折射率梯度，该折射率梯度可以修改图像光2508的局部衍射角，从而使得能够聚焦或散焦从波导2506向外耦合的图像光2508。作为非限制性示例，为了在16mm的视窗长度下实现1m的焦距，需要一个最大Δn＝0.008的有效折射率。如果使用慢光波导代替波导2506，则该数字将成比例地变小。在一些实施例中，基底2510可以包括液晶(LC)层，以通过用施加的电场调谐LC层来提供所需的折射率梯度。由于折射率被修改的层很薄，将只影响显示光路而不影响透视光路。
参考图26，并进一步参考图1A，用于在角度域中提供图像的方法2600(图26)包括使用内耦合器(例如内耦合器103)将包括在第一波长处的光谱分量的图像光(例如图1A中的光108)耦合(2602)到1D重定向器/成像器。可以使用本文公开的任何水平FOV 1D重定向器/成像器来重定向图像光，该任何水平FOV 1D重定向器/成像器例如是包括图10A到图10E中的任何PIC实施例的图9中的相控阵1D成像器904、图11的混合1D成像器1104、或图12的FSO 1D扫描仪1204。1D成像器在第一平面中，例如在图1A中的XY平面(其是低模平板波导部分107的平面)中，重定向(2604)图像光。由1D成像器重定向的图像光108在低模平板波导部分107中传播(2606)。第一波长处的光谱分量由外耦合器110(例如本文所考虑的任何光栅外耦合器)以取决于第一波长的角度从低模平板波导向外耦合(2608)。低模平板波导部分可包括单模平板波导或少模(不超过10个模式)平板波导。
转到图27，方法2700是图26中的方法2600的实施例。图27中的方法2700使用图像光的单色可调谐源，例如图5中的可调谐激光源502。方法2700包括设置(2702)单色可调谐源的发射波长和在XY平面中重定向(2704)耦合到1D成像器中的图像光。换句话说，当1D成像器在第一平面中重定向图像光时，可调谐光源的波长不偏移，从而在第一平面中重定向的图像光以相同的角度向外耦合。然后，设置下一波长(2706)并且过程重复，光源的输出功率的其自身值对应于所显示的图像的像素的期望亮度。XY平面内的重定向包括在XY平面内对准直光束进行有角度地扫描(2708)，或者同时形成亮度的角分布(2710)。
现在参考图28，方法2800是图26中的方法2600的实施例。图28的方法2800使用可调谐光谱光源，例如图6A中的可调谐光谱光源602。图28中的方法2800包括使用可调谐光谱光源来提供(2802)具有对应于要显示的图像的垂直FOV的多个光谱分量的图像光。通过在XY平面内提供亮度的角分布，具有多个光谱分量的图像光在XY平面内被重定向(2804)，这可以通过扫描(2808)或形成瞬时角分布(2810)来完成。以对应于图像光的光谱组成的角分布从低模平板波导向外耦合(2806)有角度分散的多波长图像光。
转到图29，增强现实(AR)近眼显示器2900包括具有一副眼镜形状因子的框架2901。框架2901为每只眼睛支撑一个光引擎2908，光引擎2908包括本文所述的可调谐光谱光源，以及光耦合到光引擎2908的低模，即本文所公开的单模或少模波导2910。AR近眼显示器2900还可包括眼睛跟踪相机2904、多个照明器2906和眼睛跟踪相机控制器2907。照明器2906可以由波导2910支撑，用于照亮视窗2912。光引擎2908提供具有表示要投影到用户眼睛中的垂直1D FOV的光谱的光束。波导2910接收光束并在视窗2912上扩展光束。水平1DFOV可以由本文公开的1D成像器提供，该1D成像器例如是图4A中的基于PIC的成像器436、图9中的相控阵1D成像器904、图1中的混合1D成像器1104、或者图12中的基于MEMS的扫描仪1204。
眼睛跟踪相机2904的目的是确定用户双眼的位置和/或取向。一旦知道了用户眼睛的位置和定向，凝视会聚距离和方向就可以被确定。显示的影像(imagery)可以被动态地调节，以考虑用户的凝视，以更好地逼真地将用户沉浸到显示的增强现实场景中，和/或提供与增强现实交互的特定功能。在操作中，照明器2906在相应的视窗2912处照亮眼睛，以使眼睛跟踪相机能够获得眼睛的图像，以及提供参考反射，即亮斑(glint)。亮斑可以用作捕获的眼睛图像中的参考点，通过确定眼睛瞳孔图像相对于亮斑图像的位置来促进眼睛凝视方向的确定。为了避免用照明光分散用户的注意力，可以使照明光对用户不可见。例如，红外光可以用于照亮视窗2912。
眼睛跟踪相机控制器2907的功能是处理由眼睛跟踪相机2904获得的图像，以实时确定用户双眼的眼睛凝视方向。在一些实施例中，图像处理和眼睛定位/取向确定功能可由AR近眼显示器2900的中央控制器(未示出)执行。中央控制器还可以根据所确定的眼睛定位、眼睛取向、凝视方向、眼睛辐辏(vergence)等向光引擎2908提供控制信号。
参考图30，HMD 3000是为了更大程度地沉浸到AR/VR环境内而包围用户的面部的AR/VR可穿戴显示系统的示例。HMD 3000的功能是用计算机生成的影像来增强物理、真实世界环境的视图，和/或生成完全虚拟的3D影像。HMD 3000可以包括前主体3002和带3004。前主体3002被配置为以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛前面，以及带3004可以被拉伸以将前主体3002固定在用户的头上。显示系统3080可以布置在前主体3002中，用于向用户呈现AR/VR影像。前主体3002的侧面3006可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前主体3002包括定位器3008、用于跟踪HMD 3000的加速度的惯性测量单元(IMU)3010以及用于跟踪HMD 3000的位置的位置传感器3012。IMU 3010是基于从一个或更多个位置传感器3012接收的测量信号来生成指示HMD 3000的位置的数据的电子设备，位置传感器3012响应于HMD 3000的运动生成一个或更多个测量信号。位置传感器3012的示例包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU 3010的误差校正的一类传感器或者其某种组合。位置传感器3012可以位于IMU3010的外部、IMU 3010的内部或者这两种位置的某种组合。
定位器3008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 3000的位置和定向。可以将由IMU 3010和位置传感器3012生成的信息与通过跟踪定位器3008获得的位置和定向进行比较，以提高HMD 3000的位置和定向的跟踪准确性。当用户在3D空间中移动和转动时，精确的位置和取向对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。
HMD 3000还可以包括深度相机组件(DCA)3011，其捕获描述围绕HMD 3000的部分或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA 3011可以包括激光雷达(LIDAR)或类似设备。可以将深度信息与来自IMU 3010的信息进行比较，以便更准确地确定HMD 3000在3D空间中的位置和定向。
HMD 3000还可以包括眼睛跟踪系统3014，用于实时地确定用户眼睛的定向和位置。所获得的眼睛的位置和定向还允许HMD 3000确定用户的凝视方向，并相应地调节由显示系统3080生成的图像。在一个实施例中，确定辐辏，即用户眼睛凝视的会聚角度(convergence angle)。取决于视角和眼睛位置，所确定的凝视方向和辐辏角度也可用于视觉伪像的实时补偿。此外，所确定的辐辏角度和凝视角度可用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指示物(pointers)等。还可提供音频系统，该音频系统包括例如内置在前主体3002中的一组小型扬声器。
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。人工现实系统在将感官信息呈现给用户之前以某种方式调节通过感官获得的关于外界的感官信息(如视觉信息、音频、触觉(躯体感觉)信息、加速度、平衡等)。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者与捕获的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、身体或触觉反馈或者它们的某种组合。这些内容中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现，例如在向观看者产生三维效果的立体视频中呈现。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，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/或以其他方式在人工现实中使用(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，这些平台包括可穿戴显示器，例如连接到主计算机系统的HMD、独立的HMD、具有眼镜形状因子的近眼显示器、移动设备或计算系统，或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本公开在范围上不受本文描述的特定实施例限制。实际上，除了在本文描述的那些实施例和修改之外，其他各种实施例和修改根据前面的描述和附图对于本领域中的普通技术人员将明显。因此，这样的其他实施例和修改被规定为落在本公开的范围内。此外，尽管在本文在特定实现的上下文中在特定环境中为了特定的目的描述了本公开，但是本领域中的普通技术人员将认识到它的有用性不限于此，以及本公开可以有益地在任何数量的环境中为了任何数量的目的而实现。因此，应该考虑如本文描述的本公开的全部广度和精神来解释所阐述的权利要求。

Claims (15)

1.一种用于在角度域中提供图像线的设备，所述设备包括低模波导，所述低模波导包括：
内耦合器，所述内耦合器用于将图像光耦合到所述低模波导中；
1×N分光器，所述1×N分光器用于将由所述内耦合器耦合的所述图像光分束到N个线性波导中；
N个移相器，每个移相器耦合到所述N个线性波导中的特定的一个，以用于将在其中传播的图像光部分延迟一可控量；
N个线性波导发射器的阵列，每个线性波导发射器耦合到所述N个移相器中的特定的一个，以用于发射由此延迟的所述图像光部分；以及
平板波导部分，所述平板波导部分耦合到所述N个线性波导发射器的阵列，以用于在所述平板波导部分中传播由所述N个线性波导发射器的阵列中的对应发射器发射的延迟图像光部分，其中N是整数。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述平板波导部分包括单模平板波导。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述平板波导部分包括支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述1×N分光器包括可调谐马赫-曾德尔干涉仪的二叉树，以用于提供所述图像光在所述N个线性波导之间的光功率的可控分布。
5.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述平板波导部分还包括在所述平板波导部分中的视场(FOV)扩展器，所述FOV扩展器包括可调谐包层部分，所述可调谐包层部分瞬时耦合到所述平板波导部分的芯部，并被成形为使在所述平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量；并且优选地，其中，所述可调谐包层部分包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于所述图像光在所述平板波导部分的芯部中的光路横向延伸，其中，至少一些三角形液晶包层部分具有以相对于所述光路成锐角延伸的侧面。
6.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述平板波导部分还包括全息片，所述全息片被配置成在沿所述全息片中的所述图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由所述全息片反射的准直光束部分比撞击到所述全息片上的准直光束部分更宽。
7.一种用于在角度域中提供图像线的设备，所述设备包括低模波导，所述低模波导包括：
内耦合器，所述内耦合器用于将图像光耦合到所述低模波导中；
可调谐1×N分光器，所述可调谐1×N分光器用于在N个线性波导的阵列中的线性波导之间分布由所述内耦合器耦合的所述图像光的光功率；以及
平板波导部分，所述平板波导部分包括准直元件，所述准直元件用于将所述n个线性波导的阵列中的线性波导的横向定位转换成在所述n个线性波导的阵列中的线性波导中传播的图像光部分的光束角，其中N是整数。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述平板波导部分包括单模平板波导；或者优选地，其中，所述平板波导部分包括支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的设备，其中，所述1×N分光器包括马赫-曾德尔开关的二叉树，以用于在所述n个线性波导之间切换所述图像光。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其中，所述平板波导部分还包括在所述平板波导部分中的视场(FOV)扩展器，所述FOV扩展器包括可调谐包层部分，所述可调谐包层部分瞬时耦合到所述平板波导部分的芯部，并被成形为使在所述平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量；并且优选地，其中，所述可调谐包层部分包括三角形液晶包层部分的阵列，该阵列相对于所述图像光在所述平板波导部分的芯部中的光路横向延伸，其中，至少一些三角形液晶包层部分具有以相对于所述光路成锐角延伸的侧面。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其中，所述平板波导部分还包括全息片，所述全息片被配置成在沿所述全息片中的所述图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由所述全息片反射的准直光束部分比撞击到所述全息片上的准直光束部分更宽。
12.一种用于在角度域中提供图像线的设备，所述设备包括：
微机电系统(MEMS)光束扫描仪，其包括：用于扫描在第一平面中的图像光的可倾斜反射器；
低模平板波导，所述低模平板波导在所述第一平面中，所述低模平板波导用于传播由所述MEMS光束扫描仪扫描的图像光；和
耦合器，所述耦合器用于接收由所述MEMS光束扫描仪扫描的图像光，并将所述图像光耦合到所述低模平板波导。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述低模平板波导是单模平板波导；或者优选地，其中，所述低模平板波导是支持不超过10个横向传播模式的少模平板波导。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的设备，其中，所述低模平板波导还包括在平板波导部分中的视场(FOV)扩展器，所述FOV扩展器包括可调谐包层部分，所述可调谐包层部分瞬时耦合到所述低模平板波导的芯部，并被成形为使在所述平板波导部分的芯部中传播的光偏离一可控量；并且优选地，其中，所述可调谐包层部分包括三角形液晶包层部分的阵列，所述阵列相对于所述图像光在所述低模平板波导的芯部中的光路横向延伸，其中，至少一些三角形液晶包层部分具有以相对于所述光路成锐角延伸的侧面。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其中，所述低模平板波导还包括全息片，所述全息片被配置成在沿所述全息片中的所述图像光的准直光束部分的光路的多个位置处反射所述准直光束部分，使得由所述全息片反射的准直光束部分比撞击到所述全息片上的准直光束部分更宽。
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