CN115542542A - 扩展现实图像投影设备中的级联眼盒扩展 - Google Patents

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Abstract

本公开的各实施例总体上涉及扩展现实图像投影设备中的级联眼盒扩展。图像投影系统包括级联波导系统，该级联波导系统包括第一波导和被布置在从第一波导的沿发射路径的下游的第二波导。第一波导包括第一输出结构，并且该第一波导被配置为接收具有第一光束宽度的光束，并且在第一输出结构处输出第一扩展光束，其中，第一扩展光束具有大于第一光束宽度的第二光束宽度。第二波导包括第二输出结构，并且该第二波导被配置为从第一波导接收第一扩展光束，并且从第二输出结构多次输出第一扩展光束作为多个输出光束。多个输出光束中的每个输出光束从第二输出结构的不同区域沿第二波导的传播方向输出。

Description

扩展现实图像投影设备中的级联眼盒扩展
技术领域
本公开的各实施例总体上涉及扩展现实图像投影设备中的级联眼盒扩展。
背景技术
增强现实(AR)是一种通过将数字内容重叠到移动设备屏幕上的物理环境来增强它们的技术。其将数字元素添加到实时视图中。例如，被捕捉的环境片段通过叠加在其上的数字信息而被增强。因此，数字内容被重叠到被捕捉的环境片段上，以可视地向用户提供附加信息。数字内容可以显示在透明基板或显示器上，诸如智能眼镜、智能隐形眼镜、平视显示器(HUD)以及头戴式显示器(HMD)或者如虚拟视网膜显示器的实例一样直接投影到用户的视网膜上。
虚拟现实(VR)是用计算机生成的虚拟环境完全替代用户的现实世界环境的技术。因此，向用户呈现完整的数字环境。具体地，计算机生成的立体视觉完全包围用户。在VR模拟环境中，可以使用提供360度视野的VR头戴式耳机。
混合现实(MR)体验组合有AR和VR的元素，使得现实世界和数字对象交互。在此，现实世界环境与虚拟世界环境被融合。
这些技术以及增强用户感知的其它技术可以被称为扩展现实(XR)技术。
有几种能够实现这些产品的技术。基于微机电系统(MEMS)镜的激光束扫描仪(LBS)是其中之一。激光束扫描仪能够以相对低的系统成本提供小尺寸、低功耗以及高亮度。用于图像生成的LBS技术和用于图像传送的波导技术的组合是本领域最热门的技术解决方案。然而，在这种产品中存在与基于MEMS镜的LBS相关联的多种挑战。生成可接受的图像品质和视场是对此类产品的最高水平要求，该要求可以被拆分成对子系统的要求和对组件的要求。具体地，对于基于MEMS镜的LBS显示器，重要要求之一是在提供足够大的输出光束尺寸的同时保持整个系统小。
基于MEMS镜的LBS图像生成单元或光引擎的输出光束尺寸由MEMS镜尺寸限定和约束，由于硅材料的基本机械限制，MEMS镜尺寸不能太大。反对增加MEMS镜尺寸的另一个理由是保持系统尺寸小的系统要求。因此，强烈需要一种允许增加从光引擎发出的光束尺寸而不会过多地影响整个系统尺寸的技术解决方案。
为了解决一个或多个上述问题，在XR投影设备中实现用于光束扩展的级联波导可能是有益的。
发明内容
一个或多个实施例提供一种图像投影系统，其包括：发射器，被配置为生成具有第一光束宽度的光束并且沿发射路径发射光束以将光束投影到眼睛上，从而在眼睛上呈现投影图像；扫描仪，布置在发射路径上，扫描仪被配置为接收光束并且根据扫描图案引导光束以在眼睛上呈现投影图像；以及级联波导系统，包括沿发射路径依次布置的多个波导，多个波导包括第一波导和第二波导，该第二波导被布置在从第一波导沿发射路径的下游。第一波导包括第一输出结构，并且该第一波导被配置为从扫描仪接收光束，并且在第一输出结构处输出第一扩展光束，其中，第一扩展光束具有大于第一光束宽度的第二光束宽度。第二波导包括第二输出结构，并且该第二波导被配置为从第一波导接收第一扩展光束，并且从第二输出结构多次输出第一扩展光束作为多个输出光束，其中，多个输出光束中的每个输出光束从第二输出结构的不同区域沿第二波导的传播方向输出。
一个或多个实施例提供一种可穿戴扩展现实图像投影系统，其包括：发射器，被配置为生成具有第一光束宽度的光束并且沿发射路径发射光束以将光束投影到眼睛上，从而在眼睛上呈现投影图像；扫描仪，布置在发射路径上，扫描仪被配置为接收光束并且根据扫描图案引导光束以在眼睛上呈现投影图像；以及级联波导系统，包括沿发射路径依次布置的多个波导，多个波导包括第一波导和第二波导，该第二波导被布置在从第一波导沿发射路径的下游。第一波导包括第一输出结构，并且该第一波导被配置为从扫描仪接收光束，并且在第一输出结构处输出第一扩展光束，其中，第一扩展光束具有大于第一光束宽度的第二光束宽度。第二波导包括第二输出结构，并且该第二波导被配置为从第一波导接收第一扩展光束，并且从第二输出结构多次输出第一扩展光束作为多个输出光束，其中，多个输出光束中的每个输出光束从第二输出结构的不同区域沿第二波导的传播方向输出。
附图说明
在此参考附图描述实施例。
图1A是根据一个或多个实施例的图像投影系统的图；
图1B是根据一个或多个实施例的图像投影系统的示意性框图；
图2A-图2D示出了根据一个或多个实施例的实现图像投影系统的级联波导的不同布置的图像投影系统；以及
图3示出了根据一个或多个实施例的图像投影系统的级联波导。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述各种实施例。应当注意的是，这些实施例仅用于说明目的，而不应被解释为限制性的。例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但是这不应当被解释为表示实现实施例需要所有这些特征或元件。相反地，在其它实施例中，一些特征或元件可以被省略，或者可以由替代特征或元件代替。另外，可以提供除了明确示出和描述的特征或元件之外的其它特征或元件，例如传感器设备的常规组件。
除非另外明确指出，否则可以组合来自不同实施例的特征以形成另外的实施例。关于一个实施例描述的变化或修改也可以应用于其它实施例。在一些情况下，以框图形式示出了公知的结构和设备而没有具体地示出它们，以避免混淆实施例。
此外，在以下描述中用等同或类似的附图标记表示等同或类似的元件或具有等同或类似功能的元件。由于在附图中相同元件或者功能上等同的元件被赋予了相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元件的重复说明。因此，为具有相同或相似附图标记的元件提供的说明是可以互换的。
除非另外指出，否则在附图中示出或在此描述的元件之间的连接或耦合可以是基于有线的连接或者无线连接。此外，这样的连接或耦合可以是没有附加介入元件的直接连接或耦合，或者可以是具有一个或多个附加介入元件的间接连接或耦合，只要基本上保持连接或耦合的一般目的，例如发射某种信号或发射某种信息。
术语“基本上”在此可以用于解释工业中认为可接受的小制造公差(例如，5％以内)而不脱离在此描述的实施例的方面。
在本公开中，包括序数的表述，例如“第一”、“第二”等可以修饰各种元件。然而，这些元件不受上述表述的限制。例如，上述表述不限制元件的顺序和/或重要性。上述表述仅用于区分一个元件与其它元件的目的。例如，尽管第一框和第二框都是框，但两者表示不同的框。又例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件也可以被称为第一元件。
实施例涉及在可穿戴XR光图像投影设备中使用级联波导用于光束扩展。XR光投影设备使用光引擎来生成包括具有输出光束宽度的组合红(R)光束、绿(G)光束以及蓝(B)光束(即，组合RGB光束)的RGB投影。微机电系统(MEMS)镜被实现为激光束扫描仪，该激光束扫描仪用于根据扫描图案引导从光引擎接收的RGB光，以将图像呈现到眼睛的视网膜上。然而，在投影到眼睛上之前，被引导的RGB光通过级联波导而被发射，该级联波导对被引导的RGB光的光束宽度进行扩展，并将扩展RGB光导向眼睛。扩展RGB光从级联波导输出，并且最终根据由MEMS镜实现的扫描图案而被投影到眼睛上。
由于级联波导中的第一波导不必用作组合器玻璃，其可以是薄的。然而，相同的技术和设计过程可以用于生产成本有效的级联中的两个波导。另一优点是该解决方案对系统尺寸具有接近零的影响。
图1A是根据一个或多个实施例的图像投影系统100的图。图像投影系统100包括至少一个投影模块，其根据扫描图案在一个或多个(虚拟)投影平面中投影图像。具体地，诸如红-绿-蓝RGB投影的可见光(VL)投影根据预编程的扫描图案(例如，光栅或利萨如(Lissajous)图案)而被投影到眼睛上，其中RGB光脉冲跟随该图案。
为了投影包括左眼图像和右眼图像的立体图像，可以为每只眼睛提供投影模块。因此，在该示例中，提供了两个投影模块110a和110b。每个图像投影模块100a、100b包括光引擎，该光引擎包括红色(R)单色光源、绿色(G)单色光源以及蓝色(B)单色光源(例如，激光二极管或发光二极管)。每个图像投影模块100a、100b还包括根据扫描图案引导光的MEMS镜。
图像投影系统100本身可以是眼镜，但可以是任何其他XR图像投影系统(例如HUD、HMD等)。该眼镜包括分别用于每个图像投影模块110a、110b的组合器玻璃130a、130b(例如眼镜透镜)，这些组合器玻璃从对应的图像投影模块110a、110b接收发射光束，并且根据与图像被感知处的虚拟距离对应的虚拟投影平面将光束投影(例如，偏转)到相应的眼睛上。
级联波导可以完全集成在每个组合器眼镜130a和130b内。例如，组合器眼镜130a可以包括从图像投影模块110a接收RGB光的第一薄波导和从第一薄波导接收RGB光并随后向眼睛输出RGB光的第二较厚波导。第一薄波导被布置为对从光引擎接收的RGB光的光束宽度进行扩展，并将扩展RGB光束提供给第二较厚波导。因此，第一薄波导可以被称为眼盒扩展器，并且第二较厚波导可以被称为组合器波导。相同的布置可以用于元件110b和130b。
或者，第一薄波导可以集成在投影模块110a处，并且第二较厚波导可以集成在组合器玻璃130a中。相同的布置可以用于元件110b和130b。
图1B是根据一个或多个实施例的图像投影系统100的示意性框图。图像投影系统100包括光引擎、二维(2D)MEMS镜20以及级联波导30，该级联波导30包括沿发射路径依次布置的多个波导。光引擎包括RGB光单元10(即，RGB光束发射器)，该RGB光单元具有多个光源，包括红色(R)单色光源、绿色(G)单色光源以及蓝色(B)单色光源(例如，激光二极管或发光二极管)。RGB光单元10被配置为生成与要被投影到用户眼睛的视网膜上的图像数据对应的可见光谱中的红色光束、绿色光束以及蓝色光束。RGB光单元10被配置为通过包括准直透镜11B、11G和11R以及包括于光引擎中的光束分束器12B、12G和12R的中继光学系统的帮助将红光束、绿光束以及蓝光束向MEMS镜20发射。
准直透镜11B是被布置在距蓝色光源的下游的第一光束准直器，用于接收和准直蓝色光束。准直透镜11G是被布置在距绿色光源的下游的第二光束准直器，用于接收和准直绿色光束。准直透镜11R是被布置在距红色光源的下游的第三光束准直器，用于接收和准直红色光束。准直透镜11B、11G以及11R生成将被投影到眼睛上以在其上呈现投影图像的准直光束。
独立的RGB光束(即，经准直的红色光束、绿色光束以及蓝色光束)可以经由各自的光束分束器11R、11G以及11B耦合到组合发射路径中，所述光束分束器对它们各自的RGB光束具有高反射率。用于光束组合器的光束分束器11R、11G以及11B一起将经准直的红色光束、绿色光束以及蓝色光束组合成具有RGB光束宽度的组合RGB光束。
RGB光单元10可以生成红色光束、绿色光束以及蓝色光束作为光脉冲，并且一旦独立的光脉冲被组合，RGB光束可以成为RGB光脉冲。每个RGB光脉冲可以表示RGB图像的图像像素。每个RGB光脉冲可以包括同时发射的红光脉冲、绿光脉冲和/或蓝光脉冲的任何组合，包括根据相应图像像素的期望像素色调的受控强度组合的一种颜色、两种颜色或三种颜色。因此，RGB光脉冲可以被称为像素光脉冲或图像光脉冲，或者RGB光束可以被称为像素光束或图像光束。
虽然示出了准直透镜和光束分束器的中继光学系统，但是应当理解的是，其它类型的中继光学系统可以用于将红色光束、绿色光束以及蓝色光束组合为RGB光束，并且沿组合发射路径向MEMS镜20发射RGB光束。
2D MEMS镜20表示沿组合发射路径布置的扫描系统，并且该2D MEMS镜被配置为接收来自光引擎的中继光学系统的RGB光束。在该示例中，扫描系统是2D MEMS镜，但是其也可以由沿组合发射路径依次布置的两个一维(1D)MEMS镜构成。
MEMS镜是集成在半导体芯片(未示出)上的机械移动镜(即，MEMS微镜)。MEMS镜20可以通过机械弹簧(例如，扭杆)或挠曲件而被悬置，并且该MEMS镜被配置为围绕两个轴旋转，例如，围绕x轴旋转以执行水平扫描和围绕y轴(即，与x轴正交)旋转以执行垂直扫描。MEMS镜20可以使用两个扫描轴线执行二维扫描，并且其可以用于光栅扫描操作或利萨如扫描操作。
当使用两个1D MEMS镜时，一个MEMS镜可以被配置为在x轴上振荡以执行水平扫描，而另一个MEMS镜可以被配置为在y轴(即，与x轴正交)上振荡以执行垂直扫描。由于这种单旋转轴线，MEMS镜被称为1D MEMS镜。两个1D MEMS镜能够一起执行二维扫描，并且可以用于2D扫描操作。
MEMS镜20可以是谐振器(即，谐振MEMS镜)，其被配置为围绕每个扫描轴线“左右(side-to-side)”振荡，使得从MEMS镜反射的光在对应的扫描方向(例如，水平扫描方向或垂直扫描方向)上来回振荡。扫描周期或振荡周期通过例如从视场的第一边缘(例如，第一侧)到视场的第二边缘(例如，第二侧)然后再次返回到第一边缘的一个完整振荡而定义。MEMS镜的镜周期对应于扫描周期。
因此，通过改变MEMS镜20在其对应的扫描轴线上的角度θx和θy而在两个扫描方向上扫描视场。可以通过相对于围绕每个轴的旋转独立地配置振幅范围(即，移动的角度范围)和驱动频率来实现特定的扫描图案。此外，用于驱动MEMS镜20围绕每个扫描轴线的驱动信号的驱动波形的形状可以被独立地配置，以进一步限定扫描图案。例如，用于两个扫描轴线的驱动波形可以是正弦的，或者一个可以是正弦的而另一个可以是锯齿状的等。
因此，MEMS镜20被布置在组合发射路径上，并且用于根据扫描图案来引导从该组合发射路径接收的RGB光以将图像呈现到眼睛的视网膜上。MEMS镜20进一步沿组合发射路径将RGB光导向级联波导30，然后级联波导30将RGB光导向眼睛以在其上呈现图像。级联波导30负责扩展由中继光学系统输出并由MEMS镜20反射的RGB光束的光束宽度。级联波导30还负责通过将RGB图像导向用户眼睛的视场中而将RGB图像投影到用户的眼睛中。换句话说，级联波导30根据受控扫描图案将由RGB光单元生成的RGB图像传送到用户的眼睛。
图2A至图2D示出了根据一个或多个实施例的实现级联波导的不同布置的图像投影系统100。
具体地，图2A示出了RGB光单元10向MEMS镜20发射RGB光束，并且MEMS镜20将RGB光束导向级联波导30的情况。MEMS镜20包括两个正交的扫描轴线21和22，MEMS镜20围绕该两个正交的扫描轴线旋转或振荡以执行扫描操作。由RGB光单元10发射的RGB光束具有初始光束宽度W1。级联波导30包括具有第一厚度T1的第一波导31和具有大于第一厚度T1的第二厚度T2的第二波导32。第二波导32被布置在从第一波导31沿发射路径的下游。多个波导执行对从RGB光单元10发射的RGB光束的级联光束扩展。
RGB光束被耦合到第一波导31的输入33中，并且在第一波导31内经由内部折射沿发射方向朝向第一波导31的输出结构34传播。输出结构34可以布置在与其输入(如图所示)相对的波导表面处，或者布置在与其输入相同的波导表面处。输出结构34被配置为将RGB光束耦合输出第一波导31朝向第二波导32。例如，输出结构34可以是具有大于光束宽度W1的宽度W2的透射光栅(例如，衍射光栅)。输出结构34被配置为将初始RGB光束的宽度扩展到与输出结构34的宽度基本相同的宽度。当RGB光束传播通过第一波导31时，部分光将被输出结构34耦合输出。一些部分可能被输出结构34向内反射回来，从而进一步沿第一波导31传播，并且然后在被耦合输出的输出结构34处被反射回来。作为结果，RGB光束沿输出结构34的宽度(即，沿与光在波导中传播的方向对应的RGB光束的传播维度)以如下方式在多个实例或多个复制品中输出：RGB光束被分成多个重叠或紧密排列的光束，该多个重叠或紧密排列的光束在被输出结构34输出时被组合为组合光束，或者输出光束与其初始间隔相比相对于彼此更紧密地排列。
RGB光束的每个实例沿波导31的传播方向(即，沿输出结构34的宽度)从输出结构34的不同表面区域输出。来自输出结构34的多个光束的该输出为单个RGB光束(例如，单个脉冲)而发生，该单个RGB光束被耦合到波导31中而用于2D MEMS镜20的单个2D发射坐标。多个输出光束经由输出结构34处的光束重叠而被组合，其中，这些输出部分之间没有间隙，有效地输出作为扩展光束的组合较大光束。当宽度W2大于初始光束宽度W1时，RGB光束的光束宽度被扩展为与输出结构34的宽度对应。
应当注意的是，第一波导31的厚度T1被制造为使当RGB光束的不同部分沿输出结构34的宽度输出时，被耦合输出第一波导31的扩展RGB光束中没有间隙。换句话说，多个实例以如下方式输出：它们被重叠/组合以形成具有宽度W2的信号扩展波束。这可能在厚度T1小于初始光束宽度W1时发生。然而，更普遍地，选择T1以使在具有给定的光束宽度W1的情况下T1致使来自第一波导31的输出光束紧密排列、接触或重叠。还要注意的是，厚度T1小于输出结构34的宽度W2。扩展光束中的间隙(即，多个输出光束之间的间隙)将通过在投影图像中引入间隙而不利地影响图像品质。因此，结果是初始RGB光束被第一波导31扩展而图像品质没有任何劣化。
扩展RGB光束被耦合到第二波导32的输入35，并在第二波导32内经由内部折射沿传播方向朝向第二波导32的输出结构36传播。
输出结构36可以布置在与其输入(如图所示)相对的波导表面处，或者布置在与其输入相同的波导表面处。输出结构36被配置为将扩展RGB光束耦合输出第二波导32朝向眼睛，这可以通过更进一步的光束宽度扩展实现。例如，输出结构36可以是具有大于光束宽度W2的宽度W3的透射光栅(例如，衍射光栅)。输出结构36的宽度W3限定了图像投影系统100的眼盒的尺寸。眼盒是可以将眼睛置于其中以从其接收投影图像的区域。由于第一波导31造成的光束的扩展，扩展RGB光束没有间隙或基本没有间隙地填充眼盒。换句话说，眼睛可以位于眼盒的投影内的任何地方，并且接收由扩展RGB光束承载的投影图像。
与输出结构34的操作类似地，输出结构36被配置为沿其宽度W3在多个实例或多个复制品中输出扩展RGB光束。换句话说，当扩展RGB光束沿第二波导32传播(包括沿眼盒传播的情形)时，扩展RGB光束的部分被输出结构36多次输出。每个输出光束沿波导32的传播方向(即，沿输出结构36的宽度)从输出结构36的不同表面区域输出。来自输出结构36的多个光束的输出为单个RGB光束(例如，单个脉冲)而发生，该单个RGB光束被耦合到波导31中而用于2D MEMS镜20的单个2D发射坐标。
通过将多个输出光束组合/重叠成单个组合输出光束，输出结构36可以将扩展RGB光束的宽度扩展到与输出结构36的基本相同的宽度。当扩展RGB光束传播通过第二波导32时，部分光将被输出结构36耦合输出。一些部分可能被输出结构36向内反射回来，从而进一步沿第二波导32(例如，沿眼盒)传播，并且然后在被耦合输出的输出结构36处被反射回来。作为结果，扩展RGB光束在多个实例中沿输出结构36的宽度输出，甚至可以进一步扩展宽度。由于宽度W3大于第一扩展光束宽度W2，RGB光束的光束宽度可以被进一步扩展以与输出结构36的宽度对应。
因此，第一波导31输出第一扩展RGB光束(即，预扩展RGB光束)，并且第二波导32可以输出第二扩展RGB光束，该第二扩展RGB光束没有或基本上没有间隙地填充第二波导32的眼盒。预扩展RGB光束可以由第二波导32以与输出RGB光束之间具有小间隙的方式沿宽度输出结构36多次输出。为了使输出RGB光束之间存在间隙，T2和W3被配置为使任何间隙都足够小，从而使眼睛可以位于眼盒的投影内的任何位置而仍然接收由预扩展RGB光束承载的投影图像。级联波导提供足够大的输出光束尺寸，以在保持整个系统小的同时最小化来自眼盒的投影内的间隙。
图2B示出了还包括布置在MEMS封装件40内的2D MEMS镜20的图像投影系统100。MEMS封装件40包括壳体41，该壳体41包括实现为玻璃盖体42(即，透明基板)的第一波导31。玻璃盖体保护2D MEMS镜20免受环境污染物(诸如湿气、灰尘以及可能影响性能的其它碎屑)的影响。因此，第一波导31作为MEMS封装件40的一部分而集成在投影模块110a、110b中。除了第一波导31的位置之外，在图2B中示出的系统与在图2A中示出的系统相似，并且以相似的方式起作用。
RGB光单元10向MEMS镜20发射RGB光束。在其朝向MEMS镜20的路径上，RGB光束穿过玻璃盖体42。MEMS镜20根据扫描图案引导RGB光束，并将被引导的RGB光束引导到在玻璃盖体42中实现的第一波导31。第一波导31扩展RGB光束的宽度，并将扩展RGB光束(即，预扩展RGB光束或第一扩展RGB光束)输出到集成在组合器眼镜130a或103b中的一个的第二波导32。第二波导32接收和输出如上所述的光束。
图2C示出了级联的第一波导31和第二波导32可以耦合在一起的情况。在这种情况下，第一波导31和第二波导32是通过适当限定的粘合层37耦合在一起的两个分隔开的波导。粘合层37所可以具有的折射率低于第一波导31和第二波导32的材料的折射率，使得初始RGB光束可以经由内部折射沿第一波导31传播到输出结构34。在输出结构34处，初始RGB光束在多个实例中沿输出结构34的宽度输出，使得具有宽度W2的组合输出光束(即，预扩展RGB光束)由第一波导31输出到第二波导32。第二波导32如上所述地接收和输出光束。
图2D示出了级联的第一波导31和第二波导32可以组合以形成一体式集成部件的情况。在这种情况下，第一波导31和第二波导32通过连接部分38结合，并通过间隙39(例如，狭缝)沿RGB光束的传播方向分离。间隙39可以是空气间隙，或者为了稳定性可以用低折射率材料填充。类似于粘合层37的填充材料所具有的折射率低于第一波导31和第二波导32的材料的折射率，使得初始RGB光束可以经由内部折射沿第一波导31传播到输出结构34。传播的光被限制在第一波导31，直到其到达输出结构34。在输出结构34处，初始RGB光束在多个实例中沿输出结构34的宽度输出，使得具有宽度W2的组合输出光束(即，预扩展RGB光束)由第一波导31输出到第二波导32。第二波导32如上所述地接收和输出光束。
图3示出了根据一个或多个实施例的图像投影系统100的级联波导30。如上所述，级联波导30包括第一波导31和第二波导32，每个波导包括输入结构和输出结构。还应当理解的是，级联波导30可以包括以级联布置方式布置的三个或更多个波导。在该示例中，在前面的附图中示出的输入结构33和35以及输出结构34和36被示为各自的耦合输入光栅和耦合输出光栅。在图3中示出的波导31和32可以用于在图2A-图2D中示出的布置中。
MEMS镜20在包括耦合输入(couple-in)光栅33和耦合输出(couple-out)光栅34的第一波导31处引导具有光束宽度W1的初始RGB光束。耦合输入光栅33将光(例如RGB光)耦合到波导31中。耦合输入光经由内部折射沿波导31向将光耦合输出的耦合输出光栅34传播。耦合输出光栅34向包括耦合输入光栅35和耦合输出光栅36的第二波导32投影耦合输出光。耦合输入光栅35将光(例如，预扩展RGB光)耦合到波导32中。耦合输入光经由内部折射沿波导32向将光耦合输出的耦合输出光栅36传播。耦合输出光栅36将耦合输出光投影到用户眼睛的视场中，并且，更具体地，将耦合输出光投影到用户的眼睛上。因此，级联波导30负责耦合输入由RGB光构成的RGB图像，并且然后通过将RGB图像耦合输出到用户眼睛的视场中的方式将RGB图像投影到用户的眼睛中。换句话说，级联波导30根据通过MEMS镜20实现的扫描图案将通过RGB光单元10生成的RGB图像传送到用户的眼睛。
上述实施例具有如下附加优点：不损害扫描场、不需要漫射器屏、不需要减薄主波导(即，第二波导32)并且在填充第二波导32的眼盒的同时提供紧凑尺寸。
虽然已经描述了各种实施例，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在本公开的范围内可以有更多的实施例和实施方式。因此，除了根据所附权利要求及其等同物之外，本发明不受限制。关于由上述组件或结构(配件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另外指出，否则用于描述这些组件的术语(包括对“手段”的引用)旨在与执行所描述的组件的指定功能(即，在功能上等同)的任何组件或结构对应，即使在结构上不等同于执行在此示出的本发明的示例性实施方式中的功能的所公开的结构。
此外，以下权利要求由此结合于详细说明中，其中每个权利要求可以独立地作为单独的示例性实施例。虽然每个权利要求可以独立地作为单独的示例性实施例，但是应当注意的是，虽然从属权利要求可以在权利要求中引用具有一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例性实施例也可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。除非指出并不意味着特定的组合，否则在此提出这样的组合。此外，即使权利要求不直接从属于该独立权利要求，也旨在将该权利要求的特征包括于任何其他独立权利要求。
进一步应当注意的是，在说明书或权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的每个动作的手段的设备实现。
此外，应当理解的是，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开不能被解释为在特定顺序内。因此，除非这些动作或功能由于技术原因不可互换，否则多个动作或功能的公开不将这些限制为特定顺序。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括多个子动作或可以被分解成多个子动作。除非明确排除，否则可以包括这样的子动作以及该单个动作的公开的一部分。
指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其它等效集成电路或离散逻辑电路。因此，在此使用的术语“处理器”或“处理电路”表示前述结构中的任何一个或适合实现在此描述的技术的任何其它结构。另外，在一些方面中，可以在专用硬件模块和/或软件模块内提供在此描述的功能。并且，该技术可以完全实现在一个或多个电路或逻辑元件中。
因此，在本发明中描述的技术可以至少部分实现为硬件、软件、固件或其任何组合。例如，所描述的技术的各方面可以实现于一个或多个处理器内，包括一个或多个微处理器、DSP、ASIC或任何其它等效集成电路或离散逻辑电路以及此类组件的任何组合。
包括硬件的控制器还可以执行一个或多个在本发明中描述的技术。此类硬件、软件以及固件可以在同一设备内或在独立装置内实现以支持在本发明中描述的各种技术。软件可以被存储在非瞬态计算机可读介质上，使得该非瞬态计算机可读介质包括存储在其上的程序代码或程序算法，该程序代码或程序算法在被执行时使控制器经由计算机程序执行方法的步骤。
虽然已经公开了各种示例性实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行将实现在此所公开的概念的一些优点的各种改变和修改。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，可以适当地替换执行相同功能的其它组件。应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以进行结构或逻辑上的改变。应当提及的是，参考特定附图说明的特征可以与其它附图的特征组合，即使在未明确提及的特征中也是如此。对总体发明构思的这类修改旨在由所附权利要求及其法定等同物覆盖。

Claims (22)

1.一种图像投影系统，包括：
发射器，被配置为生成具有第一光束宽度的光束并且沿发射路径发射所述光束以将所述光束投影到眼睛上，从而在所述眼睛上呈现投影图像；
扫描仪，布置在所述发射路径上，所述扫描仪被配置为接收所述光束并且根据扫描图案引导所述光束以在所述眼睛上呈现所述投影图像；以及
级联波导系统，包括沿所述发射路径依次布置的多个波导，所述多个波导包括第一波导和第二波导，所述第二波导被布置在从所述第一波导沿所述发射路径的下游，
其中，所述第一波导包括第一输出结构，并且所述第一波导被配置为从所述扫描仪接收所述光束，并且在所述第一输出结构处输出第一扩展光束，其中，所述第一扩展光束具有大于所述第一光束宽度的第二光束宽度，以及
其中，所述第二波导包括第二输出结构，并且所述第二波导被配置为从所述第一波导接收所述第一扩展光束，并且从所述第二输出结构多次输出所述第一扩展光束作为多个输出光束，其中，所述多个输出光束中的每个输出光束从所述第二输出结构的不同区域沿所述第二波导的传播方向输出。
2.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述第一输出结构被配置为沿其传播维度多次输出所述光束作为组合以形成所述第一扩展光束的多个重叠光束。
3.根据权利要求2所述的图像投影系统，其中，所述多个重叠光束中的每个重叠光束从所述第一输出结构的不同区域沿所述第一波导的传播方向输出。
4.根据权利要求2所述的图像投影系统，其中，所述多个重叠光束是从所述扫描仪接收的所述光束的不同部分。
5.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述多个输出光束重叠以形成具有大于所述第二光束宽度的第三光束宽度的第二扩展光束。
6.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述扫描仪是被配置为绕至少一个扫描轴线旋转的微机电系统MEMS镜。
7.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述发射器是红-绿-蓝RGB发射器，所述红-绿-蓝RGB发射器包括至少一个红色光源、至少一个绿色光源以及至少一个蓝色光源，所述光束在RGB光束中，并且所述投影图像是RGB图像。
8.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述多个输出光束是从所述第一波导接收的所述扩展光束的不同部分。
9.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述第一波导比所述第二波导薄。
10.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，在所述第一波导的传播方向上延伸的所述第一输出结构的宽度小于在所述第二波导的传播方向上延伸的所述第二输出结构的宽度。
11.根据权利要求10所述的图像投影系统，其中，所述第一输出结构的所述宽度大于所述第一光束宽度。
12.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中：
所述扫描仪是被配置为围绕至少一个扫描轴线旋转的微机电系统MEMS镜，并且所述图像投影系统包括容纳所述MEMS镜的MEMS封装件，
所述MEMS封装件包括透明盖体，所述光束穿过所述透明盖体从所述发射器进入所述MEMS封装件，并且从所述MEMS镜离开所述MEMS封装件，以及
所述第一波导被实现在所述透明盖体中，以使所述透明盖体经由所述第一波导输出所述第一扩展光束。
13.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述MEMS镜是包括两个扫描轴线的二维MEMS镜。
14.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述第一波导和所述第二波导结合在一起，从而形成一体式集成部件，其中，所述第一波导的一部分与所述第二波导的一部分通过间隙分隔开。
15.根据权利要求14所述的图像投影系统，其中，所述间隙是空气间隙，或者所述间隙填充有填充材料，所述填充材料所具有的折射率小于所述第一波导和所述第二波导的折射率。
16.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述第一波导和所述第二波导通过粘合层耦合在一起，其中，所述粘合层所具有的折射率小于所述第一波导的折射率并且小于所述第二波导的折射率。
17.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中，所述第一输出结构被配置为沿其传播维度多次输出所述光束作为其间具有减小的间隔的多个光束。
18.一种可穿戴扩展现实图像投影系统，包括：
发射器，被配置为生成具有第一光束宽度的光束并且沿发射路径发射所述光束以将所述光束投影到眼睛上，从而在所述眼睛上呈现投影图像；
扫描仪，布置在所述发射路径上，所述扫描仪被配置为接收所述光束并且根据扫描图案引导所述光束以在所述眼睛上呈现所述投影图像；以及
级联波导系统，包括沿所述发射路径依次布置的多个波导，所述多个波导包括第一波导和第二波导，所述第二波导被布置在从所述第一波导沿所述发射路径的下游，
其中，所述第一波导包括第一输出结构，并且所述第一波导被配置为从所述扫描仪接收所述光束，并且在所述第一输出结构处输出第一扩展光束，其中，所述第一扩展光束具有大于所述第一光束宽度的第二光束宽度，以及
其中，所述第二波导包括第二输出结构，并且所述第二波导被配置为从所述第一波导接收所述第一扩展光束，并且从所述第二输出结构多次输出所述第一扩展光束作为多个输出光束，其中，所述多个输出光束中的每个输出光束从所述第二输出结构的不同区域沿所述第二波导的传播方向输出。
19.根据权利要求18所述的可穿戴扩展现实图像投影系统，还包括包含所述级联波导系统的眼镜。
20.根据权利要求18所述的可穿戴扩展现实图像投影系统，还包括包含所述第二波导的眼镜，
其中，所述扫描仪是被配置为围绕至少一个扫描轴线旋转的微机电系统MEMS镜，并且所述可穿戴扩展现实图像投影系统包括容纳所述MEMS镜的MEMS封装件，
其中，所述MEMS封装件包括透明盖体，所述光束穿过所述透明盖体从所述发射器进入所述MEMS封装件，并且从所述MEMS镜离开所述MEMS封装件，以及
所述第一波导被实现在所述透明盖体中，以使所述透明盖体经由所述第一波导输出所述第一扩展光束。
21.根据权利要求18所述的可穿戴扩展现实图像投影系统，其中，所述第一输出结构被配置为多次输出所述光束作为组合以形成所述第一扩展光束的多个重叠光束。
22.根据权利要求18所述的可穿戴扩展现实图像投影系统，其中，所述第一输出结构被配置为沿其传播维度多次输出所述光束作为其间具有减小的间隔的多个光束。
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