CN116107094A - 集成光束转向系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及集成光束转向系统。集成光束转向系统分三个阶段进行配置，以为图像光提供光束转向，该图像光是从成像器(例如，激光、发光二极管、或其他光源)到显示系统中的下游元件(诸如混合现实计算设备中的出射光瞳扩展器(EPE))的图像光。第一阶段包括光学开关的多级级联阵列，这些光学开关可配置为跨显示系统的二维(2D)视场(FOV)的第一维度地空间地路由图像光。第二波导阶段将图像光沿着预先形成的波导传送到第三阶段中的准直器，该准直器被配置为沿着FOV的第一维度(例如，水平)准直图像光。波导和准直阶段可以使用轻质光子晶体纳米结构来实现。

Description

集成光束转向系统
分案申请说明
本申请是国际申请日为2019年3月27日、于2020年10月10日进入中国国家阶段、国家申请号为201980025167.4、名称为“集成光束转向系统”的中国发明专利申请的分案申请。
背景技术
诸如可佩戴的头戴式显示(HMD)系统和移动设备(例如，智能手机、平板计算机等)的混合现实计算设备可以被配置为向用户显示关于虚拟对象和/或真实对象的信息，虚拟对象和/或真实对象是用户的视场中和/或设备的相机的视场中的虚拟对象和/或真实对象。例如，HMD设备可以被配置为使用透视显示系统来显示混合有真实世界对象的虚拟环境或混合有虚拟对象的真实世界环境。同样，移动设备可以使用相机取景器窗口显示这种信息。
发明内容
一种集成光束转向系统分三个阶段(stage)进行配置，以为图像光提供光束转向，该图像光是从成像器(例如，激光、发光二极管、或其他光源)到显示系统中的下游元件(诸如混合现实计算设备中的出射光瞳扩展器(EPE))的图像光。第一阶段包括光学开关的多级级联阵列，这些光学开关可配置为跨显示系统的二维(2D)视场(FOV)的第一维度地空间地路由图像光。第二波导阶段将图像光沿着预先形成的波导传送到第三阶段中的准直器，该准直器被配置为沿着FOV的第一维度(例如，水平)准直图像光。波导和准直阶段可以使用轻质光子晶体纳米结构来实现。
在各种说明性实施例中，阵列中的每个光学开关被配置为使用位于一对3dB光学耦合器之间的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，以形成具有两个输入和两个输出的2×2开关。来自被施加到马赫-曾德尔干涉仪的臂上的外部源的电压诱致在臂中传播的光的相位改变，以便来自一个输入的光可以以任何比例被分配成两个输出。对于呈二叉树布置的N个光学开关的级联阵列，响应于合适的控制信号，来自成像器的输入光束可以被路由到2N个输出端口中的任一输出端口。阵列中的光学开关也可以用作可变光学衰减器，以提供附加动态范围并且控制从光束转向系统输出照射幅度。
对于第二阶段中的波导结构，与光子晶体纳米结构中的元件(例如，晶格中布置的圆柱形杆(rod))相关联的、包括直径和节距(pitch)的参数被选择，以产生光子带隙效应。在纳米结构中操纵元件的布局(例如，通过移除晶格中的杆的行)，以在带隙内创建传播带，从而为预先确定的波长范围内的图像光提供预先形成的波导。
预先形成的波导沿着弯曲损耗和串扰低的曲线路径传播光。曲线路径使得波导输出能够沿着曲线配置，以使显示系统的下游部件中的入耦合光的FOV最大。与光学开关阵列接口的波导结构的光子晶体纳米结构中的元件可以配置具有各种锥形几何布局，以提供阻抗匹配以使阶段之间的耦合损耗最小。
第三阶段中的准直器包括光子晶体纳米结构内的以晶格配置的元件，该元件变化的直径，以模拟具有梯度折射率的伦伯(Luneburg)透镜的特性。从波导输出的图像光直接耦合在沿着准直器的周边的多个点处，并且映射到平面波。准直器可以具有半圆形形状，以容纳曲线波导并且相对于位于波导处的入耦合衍射元件呈现凹形表面。准直器可以进一步与圆柱形透镜一起操作，该圆柱形透镜被配置为提供针对FOV的第二维度(例如，垂直)的光学准直。
当在显示系统中利用2D光栅扫描技术时，集成光束转向系统可以被配置为支持快速扫描或水平扫描。从而，光束转向系统可以与慢速、或垂直扫描部件(诸如微机电系统(MEMS)扫描器)可操作地耦合。集成光束转向系统还可以被配置为光子晶体板的堆叠，其中每个板对特定波长的图像光进行处置。例如，三个板可以分别对来自一个或多个源的红色、绿色和蓝色(RGB)图像光进行处置，从而显示系统可以显示整个色谱范围内的图像。
针对可佩戴的、和其他期望减轻重量并且减小体积的应用，集成光束转向系统有利地以轻便和紧凑的形式因子提供有效的光束转向。该系统可以使用更少的活动机件来实现，以增强整体可靠性，同时满足对高分辨率和大FOV的要求，以提供更身临其境且引人入胜的用户体验。
提供本发明内容以简化形式介绍下文在具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。更进一步地，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何缺点或所有缺点的实施方式。应当领会，上文所描述的主题可以被实现为计算机控制装置、计算机过程、计算系统、或诸如一个或多个计算机可读存储介质制品。通过阅读以下具体实施方式并且查阅相关联的附图，这些特征和各种其他特征将变得显而易见。
附图说明
图1示出了说明性近眼显示系统的框图；
图2是与集成光束转向系统和显示系统用户的眼睛呈操作关系的说明性出射光瞳扩展器(EPE)的平面图；
图3示出了光通过全内反射(TIR)在波导中的传播；
图4示出了说明性EPE的视图，其中出射光瞳沿着两个方向扩展；
图5示出了出射光瞳扩展器的说明性输入光瞳，其中通过水平角度和垂直角度描述视场(FOV)；
图6示出了将针对输入光瞳的水平FOV的虚拟图像光引导到EPE的说明性集成光束转向系统的平面图；
图7示出了将针对输入光瞳的垂直FOV的虚拟图像光递送到EPE的说明性微机电系统(MEMS)扫描器；
图8示出了可以用作头戴式显示(HMD)设备的部件的密封护目镜的前视示意图；
图9示出了密封护目镜的局部分解图；
图10示出了三个衍射光学元件(DOE)的说明性布置，这三个DOE与波导集成并且被配置为用于入耦合、两个方向上的出射光瞳扩展以及出耦合；
图11示出了具有集成DOE的三个波导的说明性堆叠，其中每个波导对RGB(红、绿、蓝)颜色空间中的不同颜色进行处置；
图12示出了说明性集成光束转向系统；
图13示出了包括多级光学开关级联的说明性输入耦合和馈送系统；
图14示出了包括马赫-曾德尔干涉仪的说明性光学开关；
图15是光学开关的每个臂的输出功率对相位差的说明性图；
图16示出了如在用于具有无损光弯曲的波导结构的光子晶体纳米结构中实施的晶格配置中的说明性元件的俯视图；
图17示出了光子晶体纳米结构中的说明性元件的示意图；
图18是示出了对于波矢量k的范围的针对光子晶体纳米结构几何形状的光子带隙的说明图；
图19示出了产生支持光子晶体纳米结构内的光子传播的新带的说明性晶格缺陷；
图20示出了支持沿着路径被引导的光传播的光子晶体纳米结构内的说明性晶格几何形状；
图21示出了光子晶体纳米结构内的说明性光传播路径；
图22示出了光子晶体纳米结构中的元件的第一说明性锥形布置，光子晶体纳米结构提供了在输入耦合和馈送系统与具有无损光弯曲的波导结构之间的阻抗匹配；
图23示出了第一锥形布置中的说明性光波传播；
图24示出了光子晶体纳米结构中的元件的第二说明性锥形布置，光子晶体纳米结构提供了在输入耦合和馈送系统与具有无损光弯曲的波导结构之间的阻抗匹配；
图25示出了第二锥形布置中的说明性光波传播；
图26示出了使用堆叠板的说明性集成光束转向系统配置，在堆叠板中每个板响应于RGB颜色空间中的不同颜色；
图27示出了集成光束转向系统中的准直器的说明性操作和功能细节；
图28和图29示出了伦伯透镜的说明性操作，在伦伯透镜中入射在透镜外围上的点光源被变换为平面波；
图30示出了用于实现模拟伦伯透镜的特性的透镜的光子晶体纳米结构中的元件的说明性二维部件；
图31是虚拟现实或混合现实头戴式显示(HMD)设备的说明性示例的示意图；
图32示出了虚拟现实或混合现实HMD设备的说明性示例的框图；以及
图33示出了并入集成光束转向系统的说明性电子设备的框图。
相似的附图标记在附图中指示相似的元件。除非另有说明，否则元件不必按比例绘制。
具体实施方式
光束转向是当前传统混合现实系统中的关键组成部分。在水平方向和垂直方向上的转向光束的典型方法利用MEMS反射镜的系统或微型显示系统。为了获得更好的分辨率和更大的视场，这两个系统都需要变得过大和笨重。这两种方法都受到扫描角度的限制，并且还需要若干个光学透镜和反射镜用于中继和准直光束。本文中所提出的架构显著减少了对光学器件的需求，并且更轻更小。这种架构基于结合光学路由系统和集成光子晶体准直器来预先形成的、作为一种光束转向手段波导。
现在，转到附图，图1示出了说明性近眼光学显示系统100的框图，该示例性近眼光学显示系统100可以包括本集成光束转向系统。近眼光学显示系统通常用于例如工业的、商业的和消费者应用中的头戴式显示(HMD)设备。如下所述，其他设备和系统还可以使用近眼显示系统。近眼光学显示系统100说明性地用于提供上下文并且演示本集成光束转向系统的各种特征和方面。然而，集成光束转向系统不限于近眼显示。
系统100可以包括一个或多个成像器(由附图标记105代表性地指示)(即，光学光源)，其与光学系统110合作，以将图像作为虚拟显示递送到用户的眼睛115。成像器105可以包括例如RGB(红、绿、蓝)发光二极管(LED)、微型LED、超发光LED(SLED)、LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、激光器、激光二极管、或任何其他合适的显示器或微型显示器，这些显示器或微型显示器以透射、反射或发射来操作。成像器105可以包括或并入照射单元和/或光引擎(未示出)，该照射单元和/或光引擎可以被配置为在一些实施方式中提供强度和波长的范围内的照射。
在该说明性示例中，光学系统110包括集成光束转向系统120、MEMS设备(在本文中称为MEMS扫描器125)、以及出射光瞳扩展器(EPE)130。集成光束转向系统120和MEMS扫描器125的组合可以被称为显示引擎128，该显示引擎128被配置为向跨整个视场(FOV)的EPE的输入提供入射光瞳。如下文在参考图13和图14的文本中所更详细地描述的，显示引擎可以包括各种非光学元件，诸如控制器127。
在近眼光学显示系统中，成像器实际上并不将图像照在诸如玻璃透镜的表面上来为用户创建视觉显示。因为人眼无法聚焦于那么近的东西，所以这不可行。近眼光学显示系统100使用EPE中的光瞳形成光学器件来形成光瞳，并且眼睛115充当光学链中的最后一个元件，并且将来自光瞳的光转换为眼睛视网膜上的图像作为虚拟显示，而不是在表面上创建可见图像。
图2是示出了与集成光束转向系统120和眼睛115的操作关系的EPE 130的俯视图。如所示出的，EPE包括波导205，该波导205便于光在成像器105与眼睛115之间的传输。因为一个或多个波导是透明的并且因为一个或多个波导通常又小又轻(在诸如出于性能和用户舒适度的原因通常要使尺寸和重量最小的HMD设备的应用中合乎需要)，所以它们可以被用于近眼光学显示系统。例如，波导205可以使得成像器105能够不位于例如用户头部的侧面或前额附近，从而仅在眼睛的前面留下相对较小的、轻且透明的波导光学元件。
在典型实施方式中，波导205使用全内反射(TIR)的原理操作，如图3所示，以便光可以在系统100中的各种光学元件之间被传播和被耦合。光撞击到具有不同折射率的任意两种介质的界面的入射角度将根据斯涅尔定律(Snell’s law)确定它是被反射还是被折射。如果光以大于临界角的任何角度击中界面，则它不会入耦合到第二介质，而是被反射回到第一介质中(例如，如在TIR中)。从而，近眼显示系统中的光学部件通常被配置为使得光能够以最小的光泄漏跨整个FOV地有效地被传播贯穿系统。例如，如下文参考图12的文本中所描述的，集成光束转向系统的准直器具有半圆形几何形状，以最大化跨越FOV的下游衍射光栅处的入耦合效率最高。
返回图2，EPE 130接收来自成像器105并且通过显示引擎128的输入作为入射光瞳，该输入包括一个或多个光束。EPE利用相对于输入的经扩展的出射光瞳产生一个或多个输出光束。下文对显示引擎128进行更详细的描述，并且代替通常用于传统显示系统的放大和/或准直光学器件。经扩展的出射光瞳通常有助于虚拟显示的尺寸足以满足给定光学系统的各种设计要求，诸如图像分辨率、视场等，同时使得成像器及相关联的部件能够相对轻便小巧。
在该说明性示例中，EPE 130被配置为向左眼和右眼提供双目操作，这可以支持立体查看。为了清楚起见，图2中未示出可用于立体操作的部件，诸如扫描反射镜、透镜、滤光器、分束器、MEMS设备、成像器等。EPE 130利用支撑在波导205上的两个输出耦合光栅210L和210R以及一个或多个中央入耦合光栅240。入耦合和出耦合光栅可以被配置为使用多个衍射光学元件(DOE)，并且还可以包括一个或多个中间DOE，如下文参考图10的文本中所描述的。虽然EPE 130被描绘为具有平面配置，但还可以利用其他形状，其他形状包括例如曲线的或部分球形形状，在这种情况下，设置在其上的光栅为非共面。
如图4所示，EPE 130可以被配置为提供在两个方向上(即，沿着第一坐标轴和第二坐标轴的每个坐标轴)经扩展的出射光瞳。如所示出的，出射光瞳在垂直方向和水平方向两者上被扩展。应当理解，为了便于描述，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“方向”、“水平”和“垂直”主要用于在本文中所示出和描述的说明性示例中建立相对方位。这些术语对于其中近眼光学显示设备的用户站立且面向前方的使用场景而言直观，而对于其他使用场景而言则不太直观。所列出的术语不应解释为限制用于本布置的近眼光学显示特征的配置(以及其中的使用场景)的范围。如图5所示，通常以FOV的术语(例如使用水平FOV和垂直FOV)描述入耦合光栅240处的EPE 130的入射光瞳。
在近眼系统100(图1)中，集成光束转向系统120被配置为将虚拟图像光从跨入射光瞳的水平FOV的成像器105引导到EPE 130，如图6所示。MEMS扫描器125引导跨垂直FOV的虚拟图像光，如图7所示。从而，集成光束转向系统和MEMS扫描器例如利用光栅扫描技术以串行组合方式操作，以提供跨FOV的整个延展(extent)的虚拟图像。集成光束转向跨2D显示系统的水平或快速扫描轴而操作，以在显示器中呈现像素的行。MEMS扫描器125在慢速扫描轴上操作，以沿着显示器的垂直维度呈现像素的行。
MEMS扫描器125可以包括反射扫描板，该反射扫描板被配置为扫描一个或多个光束，该一个或多个光束包括用于虚拟图像的图像光。MEMS扫描器也可以称为光束偏转器。扫描板包括反射表面(例如，反射镜)，该反射表面用于扫描跨FOV的撞击光束，该FOV使用侧向扭转挠性件或诸如弯曲挠性件其他合适布置可移动地悬挂到扫描器设备中的一个或多个结构(未示出)。依据波长和其他设计准则，反射表面可以包括诸如金或铝电镀反射金属、电介质堆叠、裸硅、或其他材料。
依据特定实施方式的需要，可以利用用于MEMS扫描器125的各种致动技术(附图中未示出)。电容式驱动扫描器包括后驱动垫和梳状驱动架构。磁性驱动扫描器包括动圈和动磁铁类型。其他技术包括热、压电和冲击电机驱动器。电容式驱动系统可以被称为静电的(electrostatic)，弯曲挠性件可以被称为悬臂。在一些情况下，MEMS扫描器125可以以非共振方式和共振方式操作，从而可以减少功耗。在该说明性示例中，MEMS扫描器125被配置为单轴(即，一维)扫描器。
在显示引擎128(图1)中，集成光束转向系统120被操作以执行快速扫描，而MEMS扫描器125被操作以执行慢速扫描。通常，快速扫描包括跨越FOV水平前后扫动，而慢速扫描将FOV垂直向下索引一条或两条线。显示引擎可以被配置为执行循序扫描，其中依据期望分辨率、帧速率、以及系统或引擎能力，可以对图像光的光束进行单向扫描或双向扫描。
集成光束转向系统120通常以相对较高的扫描速率操作，而慢速扫描MEMS扫描器125以等于视频帧速率的扫描速率操作。在一些应用中，MEMS扫描器125可以使用大致锯齿形的图案，沿着框架向下循序扫描框架的一部分，然后飞回到框架的顶部以重新开始。在其他应用中，交错锯齿波扫描、三角波扫描、正弦波扫描和其他波形用于驱动一个或两个轴。
依据应用要求，可以反转快速扫描和慢速扫描方向。然而，这样的约定不是限制性的，并且本集成光束转向系统的一些实施例可以在各种其他方向上使用快速扫描和慢速扫描来实施，以满足特定应用的要求。
图8示出了护目镜800的说明性示例，该护目镜800并入内部近眼光学显示系统，该内部近眼光学显示系统用于由用户815佩戴的头戴式显示(HMD)设备805应用。在该示例中，护目镜800被密封以保护内部近眼光学显示系统。如结合图31和图32所说明性地描述的，护目镜800通常与HMD设备805的其他部件(诸如头部安装/保持系统以及包括传感器、功率管理、控制器等的其他子系统)接口。包括按扣、凸台、螺钉和其他紧固件等在内的合适的接口元件(未示出)也可以并入护目镜800中。
护目镜800分别包括透视前屏蔽件804和透视后屏蔽件806，其可以使用透明材料模制，有助于光学显示器和周围的真是世界环境的不受阻的视觉。可以对前屏蔽件和后屏蔽件施加处理，诸如着色、镜像处理、防反射、防雾和其他涂层，并且还可以利用各种颜色和饰面(finish)。前屏蔽件和后屏蔽件附着到图9的分解视图中所示的底架905上。
当HMD设备被用于操作中以及用于清洁等的正常处置期间时，密封护目镜800可以物理地保护敏感内部部件，其包括近眼光学显示系统902的实例(如图9所示)。近眼光学显示系统902包括左波导显示器910和右波导显示器915，其分别向用户的左眼和右眼提供虚拟世界图像以用于混合现实应用和/或虚拟现实应用。护目镜800还可以保护近眼光学显示系统902免受环境元素以及HMD设备掉落或被碰撞、冲击等的损害。
如图9所示，以符合人体工程学的形式配置后屏蔽件806，以与用户的鼻子接口，并且可以包括鼻垫和/或其他舒适特征(例如，模制到其中和/或添加在其上作为分立部件)。在一些情况下，密封护目镜800还可以在模制屏蔽件内并入一定水平的光学瞄准器曲率(opticaldiopter curvature)(即，眼科处方)。
图10示出了具有三个DOE的说明性波导显示器1000，该三个DOE可以与透视波导1002一起使用或作为透视波导1002的一部分被并入，以提供入耦合、出射光瞳在两个方向上的扩展、以及出耦合。波导显示器1000可以用作EPE，其被包括在近眼显示系统902(图9)中，以向用户的一只眼睛提供虚拟世界图像。每个DOE是包括周期性结构的光学元件，该周期性结构可以以周期性模式来对光的各种特性(诸如光轴的方向、光路长度等)进行调制。该结构可以在一个维度上(诸如一维(1D)光栅)是周期性的和/或在两个维度上(诸如二维(2D)光栅)是周期性的。在典型实施方式中，DOE可以使用表面起伏光栅(SRG)而被实施。
波导显示器1000包括入耦合DOE 1005、出耦合DOE 1015、以及将光耦合在入耦合DOE与出耦合DOE之间的中间DOE 1010。入耦合DOE 1005被配置为将包括一个或多个成像光束的图像光从成像器105(图1)耦合到波导1002中。中间DOE 1010沿着第一坐标轴在第一方向上扩展出射光瞳，并且出耦合DOE 1015沿着第二坐标轴在第二方向上扩展出射光瞳，并且将光从波导耦出到用户的眼睛。
角度ρ是入耦合DOE 1005和中间DOE 1010的周期线之间的旋转角度，如图中放大细节所示(光栅线是说明性的，并且没有指示比例、位置或配置)。随着光在中间DOE中传播(在图中从左到右水平地)，它也被衍射(在向下方向上)到出耦合DOE 1015。应当领会，DOE的其他数目和布置可以用于满足特定实施方式的需求。
图11示出了在波导显示器中具有集成DOE的三个波导的说明性堆叠1100，其中每个波导1105、1110和1115对RGB(红、绿、蓝)颜色空间中的不同颜色进行处置。堆叠内的颜色次序可能会因实施方式而有所不同，还可以使用其他颜色空间。波导堆叠的使用使得虚拟图像能够跨越全色光谱被引导到眼睛115。在备选实施方式中，可以利用具有更多或更少个波导的堆叠，例如，用于单色和减色色谱应用。在一些应用中，可以使用单个板，而在其他应用中可以使用其他板计数。
图12示出了集成光束转向系统120的说明性部件，以阶段对其配置，这些阶段包括输入耦合和馈送系统1205、具有无损光弯曲的波导结构1210、以及具有半圆形形状的准直器1215。如所示出的，波导结构1210包括1、2…N个波导1220，其适于引导由成像器生成的虚拟图像的相应部分。集成光束转向系统被配置为将虚拟图像光从成像器105跨越水平FOV转向入耦合DOE 1005，如箭头1225所代表性地示出的。
输入耦合和馈送系统1205包括如图13所示的光学开关的空间级联阵列1300。该阵列包括多个级别的2×2光学开关(附图标记1315所代表性地指示的)。从而，针对N个级别，单个光学输入1350可以被切换到光学输出1355中的各个光学输出，如输出信号1360所代表性地指示的。光学输出在空间上分布在输入耦合和馈送系统中以耦合到波导结构1210中的光学波导1220(图12)的相应光学波导。
图14示出了具有两个臂或路径1430和1435的说明性2×2光学开关1315，在该特定示例性示例中，该说明性2×2光学开关1315使用马赫-曾德尔干涉仪和两个定向3dB耦合器而被实现。在图中，输入位于左侧，而输出位于右侧。该开关具有五个段，其分别由附图标记1405、1410、1415、1420和1425指示。段1包括光学开关的输入。段2包括定向3dB耦合器，其被配置为使得在输入处的光能够以相等数量传播到光学开关中的每个干涉仪臂1430和1435。从而，每个干涉仪臂承载总输入功率的50％。
段3包括位于段2和段4中的两个3dB耦合器之间的马赫-曾德尔干涉仪。如附图标记1460所示，跨越在段3中的两个干涉仪臂中的一个干涉仪臂施加电压v(在该示例中，如所示出的，上臂1430)使得波导材料的折射率被更改，从而触发传播电磁波的相移。可以对施加的电压进行调谐，以便光在段5中的两个输出端口之间切换。
备选地，可以对施加的电压进行调谐，以在上部干涉仪臂和下部干涉仪臂中的传播波之间创建相位差。这两个波在段4中的第二定向耦合器中再次组合。由施加的电压创建的相位差导致幅度调制，其中端口处的输出可以发生任何比例的变化，如图15中的曲线图1500所示。从而，阵列中的光学开关中的一个或多个光学开关可以被配置为作为光学衰减器而操作。这可以有利地实现增强动态范围和来自显示引擎的输出照射幅度的可控性。
通过将合适的电压信号施加到级联阵列1300(图13)中的给定光学开关，可以在输出端口之间任意地分布功率。从而，可以在阵列中形成二叉树，使得给定级别中的每个光学开关的输出作为输入信号被馈送到下一级别。通过用于级联N个级别的简单计算，输入信号可以重新路由到2N个输出端口中的任一输出端口。例如，控制器127(图1)可以提供合适的控制信号，以驱动光学开关的级联阵列。在与MEMS扫描器125的操作性组合以及集成光束转向系统中的其他阶段中，光学开关的阵列例如使用光栅扫描技术，将入射光瞳提供给在水平的和垂直的两个方向上跨FOV的延展的EPE 130。
图16示出了如在用于具有无损光弯曲的波导结构1210(图12)的光子晶体纳米结构1600中实施的晶格配置中的说明性元件的俯视图。图17示出了纳米结构1600中的元件的示意图。因为可以以纳米等级对这些元件及其相关联的几何参数进行描述，所以晶格在本文中被称为纳米结构。
在该说明性示例中，光子晶体纳米结构中的元件各自具有柱形配置，该柱形配置具有杆形状。应当强调，元件的其他形状和配置也可以用于满足特定实施方式的需求。例如，除了柱和支柱配置之外，元件可以使用空心或半空心结构、或空心结构、半空心结构和实心结构的组合而被实施。图16中以放大细节示出了两个代表性元件1605和1610。可以可变地选择包括半径r和节距a的两个主要参数，以管理在光子晶体纳米结构中的传播光的色散。例如但不作为限制，在典型实施方式中，r的范围可以为180-250nm，而a的范围为50-60nm。
针对波长的特定范围，在光子晶体纳米结构1600中的光传播经受光子带隙效应。如图18中的曲线图1800所示，其绘制了波长α/λ相对于波矢量k(即，光子传播的方向)，光子带隙(由附图标记1805指示)表示波矢量的范围，其中没有传播模式。从而，带隙内的波长被防止传播，而是由光子晶体纳米结构反射。该带隙效应用来在波导结构1210中形成波导1220(图12)，如下文所更详细地讨论的。
如图19所示，将缺陷1905引入光子晶体纳米结构1600的晶格中会产生新带1910，该新带1910支持可以用于引导光的带隙内的传播模式。例如，如图20所示，针对在带隙内操作的波长，移除杆的行(例如，通过增加两行之间的节距a，如附图标记2005所示)会形成光子晶体纳米结构内的对应的经引导的传播路径2010。
将光子晶体纳米结构用于波导结构1210有利地实现了用于形成波导的广阔的设计自由度范围。例如，如图21所示，操纵光子晶体纳米结构中的元件的几何形状使得能够形成可以支持多种传播路径2105、2110和2115的波导。给定路径可以包括直线的和曲线的分段以及分段类型的组合。传播路径可以利用小弯曲半径来支撑尖锐弯曲，这在一些实施方式中可以增强设计和包装的灵活性。
在光子晶体纳米结构中实施的波导的性能高。光子带隙效应严格限制了在波导中的光传播，从而提供了低损耗并且最小化波导之间的串扰。高光学性能和传播路径布局灵活性的组合使得波导能够紧密地堆积在光子晶体纳米结构内，这可能是有利的，尤其在例如其中部件和系统的尺寸和重量都需要最小化的HMD和可佩戴式设备应用中是有利的。
输入耦合和馈送系统1205(图12)与具有无损光弯曲的波导结构1210之间的界面可以被配置在一些实施方式中，以优化两个阶段之间的阻抗匹配。例如，光子晶体纳米结构中的杆布局可以使用锥形配置，使得来自级联阵列中的光学开关的输出被有效耦合到相应波导中。
图22示出了针对被实施为光子晶体纳米结构中的晶格2205的元件(例如，杆)的第一说明性锥形配置。图23示出了通过晶格2205的锥形部分的说明性波传播。图24示出了针对被实施为光子晶体纳米结构中的晶格2405的元件的第二说明性锥形配置。图25示出了通过晶格2405的锥形部分的说明性波传播。应当领会，针对晶格元件的各种其他阻抗匹配布局和几何形状也可以用于给定的实施方式，以优化本集成光束转向系统的各个级之间的耦合效率。
如图26所示，集成光束转向系统可以被配置为使用堆叠板布置2600中的多层光子晶体纳米结构。在该说明性示例中，堆叠中的每层被配置为引导RGB颜色空间内的单个不同部件。从而，层2605针对红色波长实施光束转向，层2610针对绿色波长实施光束转向，而层2615针对蓝色波长实施光束转向。在该示例中，层的次序是任意的，并且在其他实施方式中可以使用其他排序方法和色彩空间。
来自成像器105的虚拟图像光可以被耦合到集成光束转向系统中，利用颜色，使用相应光栅2620、2625和2630被耦合到相应板中的每个板中。多层堆叠板布置2600有利地实现使用单个紧凑模块的全色谱虚拟图像显示。用于集成光束转向系统的多个板的利用可以与图11所示的堆叠1100相对应，该堆叠1100同样支持通过EPE 130(图1)的全光谱虚拟成像。
集成光束转向系统的准直器1215部件被配置为从波导结构1210接收图像光，并且向入耦合DOE(未显示)提供完全经准直的光，如图27的局部放大图所描绘的。如虚拟图像光束2705所代表性地示出的，光离开波导1220，并且直接被耦合到准直器1215中，在光束传播通过该准直器1215时，该准直器1215将光束扩展一定距离d(在图中，扩展由阴影锥指示)。
准直器1215的半圆形形状被配置为匹配波导结构1210中的波导的布局，该波导结构1210配置有弯曲路径。准直器还被配置为呈现相对于入耦合DOE凹入的曲线输出表面。这种几何形状使得准直器能够向入耦合DOE提供用于图像光束的中间入射光瞳，该入耦合DOE以合适的耦合效率维持期望的FOV。例如，准直器的几何形状被选择，使得图像光入射在角度的范围内的入耦合DOE上，该角度的范围在跨水平FOV的延展的波导和DOE的TIR限制内，以使反射和泄漏最小。
准直器1215被配置为操作以提供跨越水平FOV的准直和图像光束扩展。由于图像束2705可以在垂直方向上发散，所以透镜可以被用于提供在垂直方向上的准直和/或光束扩展。例如，透镜可以被配置为沿着单个轴操作的圆柱形准直透镜。备选地，准直器可以被配置，使用沿着其表面中的一个或多个表面(例如，顶部和/或背面)的一层或多层沉积，作为具有梯度折射率的梯度率(gradient-index，GRIN)透镜，以提供垂直方向上的准直。如下文参考图7的描述中所指出的，由MEMS扫描器提供入耦合DOE的垂直方向上的光束转向。
在该说明性示例中，准直器1215被实施为光子晶体，该光子晶体配置有与伦伯透镜相似的光学特性。如图28所示，说明性伦伯透镜2800将入射在透镜外围上的光2805的点转换为平面波2810。
伦伯透镜2800的折射率n具有梯度分布，其中n在透镜的中心最大，并且根据以下公式针对透镜中远离中心的点逐渐减小：
Figure BDA0004116303250000161
其中R是透镜半径。在透镜的边缘处，r＝R，从而n＝1。由于透镜表面处的折射率与周围介质的折射率相同，所以该表面处不会发生反射。
如图29所示，透镜的直径的外围上的每个点被映射成具有比例方向的平面波，该比例方向中平面波的方向遵循从入射点到中心C的线。从而，对于入射图像光束2905，透镜2800在线2910的方向上发射平面波；并且对于入射图像光束2915，透镜在线2920的方向上发射平面波。
图28和图29所示的伦伯透镜2800由块状玻璃制成，这通常不适用于其中尺寸、重量和成本都需要最小化的诸如HMD设备系统。在本集成光束转向系统中，如图30所示，使用轻质光子晶体纳米结构实施准直器1215(图12)，该轻质光子晶体纳米结构使用诸如杆(其附图标记3005所代表性地指示的)的元件3000的晶格。晶格中的杆被配置有不同的直径，以使准直器可以在两个维度上模拟伦伯透镜的特性。
上文所描述的集成光束转向系统可以用于混合现实或虚拟现实应用中。图31示出了混合现实或虚拟现实HMD设备3100的一个特定说明性示例，并且图32示出了设备3100的功能框图。HMD设备3100包括一个或多个透镜3102，该一个或多个透镜3102形成透视显示子系统3104的一部分，使得可以使用透镜3102(例如，使用投影到透镜3102上、并入透镜3102中的一个或多个波导系统(诸如近眼光学显示系统)、和/或任何其他合适方式)显示图像。HMD设备3100还包括一个或多个朝外图像传感器3106，其被配置为获取用户正在观看的背景场景和/或物理环境的图像，并且可以包括一个或多个麦克风3108，其被配置为检测诸如来自用户的话音命令的声音。朝外图像传感器3106可以包括一个或多个深度传感器和/或一个或多个二维图像传感器。在备选布置中，如上文所指出的，代替并入透视显示子系统，混合现实或虚拟现实显示系统可以通过用于朝外图像传感器的取景器模式显示混合现实或虚拟现实图像。
HMD设备3100还可以包括注视检测子系统3110，其被配置为用于检测用户的每只眼睛的注视方向或焦点的位置或方向，如上所述。注视检测子系统3110可以被配置为以任何合适方式确定用户的每只眼睛的注视方向。例如，在所示的说明性示例中，注视检测子系统3110包括一个或多个闪烁源3112，诸如红外光源，其被配置为使得光的闪烁从用户的每个眼球反射，以及一个或多个图像传感器3114，诸如朝内传感器，其被配置为捕获用户的每个眼球的图像。如从使用一个或多个图像传感器3114所收集的图像数据被确定的，来自用户眼球和/或用户瞳孔的位置的闪烁改变可以用于确定注视方向。
另外，从用户的眼睛投影的注视线与外部显示相交的位置可以用于确定用户正在注视的对象(例如，显示的虚拟对象和/或真实背景对象)。注视检测子系统3110可以具有任何合适的数目和布置的光源和图像传感器。在一些实施方式中，可以省略注视检测子系统3110。
HMD设备3100还可以包括附加传感器。例如，HMD设备3100可以包括全球定位系统(GPS)子系统3116，以允许HMD设备3100的位置被确定。这可能有助于标识可能位于用户相邻物理环境中的真实对象，诸如建筑物等。
HMD设备3100还可以包括一个或多个运动传感器3118(例如，惯性传感器、多轴陀螺仪传感器或加速度传感器)，以检测当用户正在佩戴系统作为混合现实或虚拟现实HMD设备的一部分时的用户头部的移动和位置/方位/姿势。运动数据可以被使用，可能与眼睛跟踪的闪烁数据和朝外图像数据一起，用于注视检测以及图像稳定化，以帮助校正来自一个或多个朝外图像传感器3106的图像中的模糊。即使不能解析来自一个或多个朝外图像传感器3106的图像数据，运动数据的使用也可以允许跟踪注视方向改变。
另外，运动传感器3118以及一个或多个麦克风3108和注视检测子系统3110还可以用作用户输入设备，使得用户可以经由眼睛、颈部和/或头部的姿态以及在一些情况下经由口头命令与HMD设备3100交互。应当理解，因为可以利用任何其他合适的传感器和/或传感器的组合来满足特定实施方式的需求，所以包括了图31和图32中图示并且在所附文本中描述的传感器，出于示例的目的，并不旨在以任何方式对其进行限制。例如，在一些实施方式中，可以利用生物统计传感器(例如，用于检测心率和呼吸频率、血压、大脑活动、体温等)或环境传感器(例如，用于检测温度、湿度、海拔、UV(紫外线)光水平等)。
HMD设备3100还可以包括控制器3120，诸如一个或多个处理器，控制器3120具有通过通信子系统3126与传感器、注视检测子系统3110、显示子系统3104和/或其他部件通信的逻辑子系统3122和数据存储子系统3124。通信子系统3126还可以有助于显示系统结合远程定位资源(诸如处理、存储、功率、数据和服务)而被操作。也就是说，在一些实施方式中，HMD设备可以作为可以在不同部件和子系统之间分布资源和能力的系统的一部分而被操作。
存储子系统3124可以包括存储在其上的指令，该指令由逻辑子系统3122可执行，例如，以接收和解释来自传感器的输入，以标识用户的位置和移动，以使用表面重构和其他技术来标识真实对象，以及基于与对象的距离来使显示变暗/衰减，以便使得对象能够被用户看到，以及其他任务。
HMD设备3100配置有一个或多个音频换能器3128(例如，扬声器、耳机等)，使得音频可以用作混合现实或虚拟现实体验的一部分。功率管理子系统3130可以包括一个或多个电池3132和/或保护电路模块(PCM)以及用于向HMD设备3100中的部件供电的相关联的充电器接口3134和/或远程功率接口。
应当领会，出于示例的目的，对HMD设备3100进行了描述，从而并不意味着具有限制性。应当进一步理解，在不背离本布置的范围的情况下，显示设备可以包括与所示出的显示设备相比附加和/或备选传感器、相机、麦克风、输入设备、输出设备等。附加地，在不背离本布置的范围的情况下，HMD设备及其各种传感器和子部件的物理配置可以采取多种不同形式。
如图33所示，集成光束转向系统可以用于移动电子设备或便携式电子设备3300，诸如移动电话、智能手机、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持式计算机、数字视频或静态相机、可佩戴式计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用入眼(bring-to-the-eye)产品、或其他便携式电子设备。如所示出的，便携式设备3300包括外壳3305以容纳用于从外部设备或远程系统或服务(未示出)接收信息以及向外部设备传输信息的通信模块3310。便携式设备上还支持存储器和数据存储装置(由附图标记3312共同指示)。
便携式设备3300还可以包括处理器3315，其使用一个或多个中央处理单元和/或图形处理器来处理存储的和/或接收的数据以生成虚拟图像。虚拟显示系统3320被配置为支持图像的观看。虚拟显示系统可以包括微显示器或成像器3325、显示引擎3330、以及可以包括EPE的波导显示器3335。处理器3315可以可操作地被连接到成像器3325以提供诸如视频数据的图像数据，从而可以使用显示引擎3330和波导显示器3335来显示图像。显示引擎包括集成光束转向系统3332和MEMS扫描器3334，如上所述。
本集成光束转向系统的各种示例性实施例通过说明来呈现，而非作为所有实施例的详尽列表。一个示例包括一种光学波导结构，包括：光子晶体纳米结构，其包括多个纳米元件，该多个纳米元件至少部分地被布置在晶格配置中并且具有一个或多个输入表面和凹形输出表面，纳米元件的参数被选择以针对没有传播模式的预先确定的波长范围产生光子带隙；多个波导，其被设置在纳米结构中，其中每个波导包括通过在晶格中沿着路径缺少纳米元件而形成的负空间，以在所述光子带隙内生成传播带；到相应的多个波导的多个输入，这些输入被设置在纳米结构的一个或多个输入表面上，其中在输入处接收的传播带中的光以全内反射在相应的波导中传播；以及来自相应的多个波导的多个输出，其中波导中的一个或多个波导包括具有曲线的部分的路径，并且波导路径中的每个波导路径位于纳米结构中，使得输出中的每个输出被配置为正交于凹形输出表面。
在另一示例中，光子晶体纳米结构被配置成板布置。在另一示例中，光学波导结构还包括板的堆叠，该堆叠中的每个板被适应于引导一个或多个不同的预先确定的波长的光。在另一示例中，与输入表面相邻的光子晶体纳米结构包括以锥形配置的纳米元件，以提供用于光学输入信号的阻抗匹配。在另一示例中，纳米元件包括从光子晶体纳米结构衬底突出的杆、衬底中的孔、或杆和孔的组合。在另一示例中，经选择的参数包括杆的直径、高度或节距。在另一示例中，输入表面包括一个或多个衍射光栅，其用于将光入耦合到波导结构中。
又一示例包括一种光学路由系统，包括：至少一个光学开关，被配置为向路由系统提供针对光学信号的光学输入；第一多个光学开关，被配置为提供来自路由系统的多个光学输出；第二多个光学开关，以多级二叉树级联阵列被布置在输入光学开关与输出光学开关之间，在多级二叉树级联阵列中在阵列中的每个连续级别处，光学开关的输出被耦合到光学开关的输入，其中光学路由系统中的光学开关中的每个光学开关包括马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪位于两个定向光学耦合器之间，并且每个开关被配置有通过马赫-曾德尔干涉仪和光学耦合器的两条路径，其中每个光学开关包括电源，电源被配置为向马赫-曾德尔干涉仪中的路径施加电压，从而利用所施加的电压将相位改变赋予在路径中传播的光，以及其中光学路由系统通过电源的操作可控制，以将到路由系统的输入光学信号切换到来自路由系统的光学输出中的任一光学输出。
在另一示例中，每个光学开关包括2×2光学开关，2×2光学开关包括两个输入端口和两个输出端口。在另一示例中，定向耦合器是3dB耦合器。在另一示例中，光学路由系统还包括控制器，其被配置为将控制信号传输到电源。在另一示例中，控制器被操作以便光学路由系统作为交换结构来执行。在另一示例中，光学开关中的一个或多个光学开关作为可变衰减器被操作。在另一示例中，输出在空间上以行被布置。
另一示例包括一种光学准直器，该光学准直器被配置为执行光学准直，以在平面内传播光，包括：衬底，沿着平面延伸，包括光子晶体纳米结构；衬底的半圆形部分，被配置为准直器的输入表面；衬底的部分，被配置为准直器的输出表面；以及多个纳米元件，从衬底延伸并且配置有不同的几何形状，以在半圆形部分的任何点r处提供梯度折射率n，其中
Figure BDA0004116303250000211
其中R是半圆形部分的半径，使得入射在输入上的未准直光被转换为经准直平面波，并且从准直器的输出部分输出。
在另一示例中，纳米元件是杆或孔，并且不同的几何形状包括不同的直径。在另一示例中，纳米元件被配置为使得光学准直器在两个维度上作为伦伯透镜进行操作。在另一示例中，输出表面是凹形的。在另一示例中，光子晶体纳米结构具有平面配置。在另一示例中，纳米元件被配置为对入射光执行光束扩展。
上文所描述的主题仅通过说明提供，而不应当被解释为具有限制性。在不遵循所说明和描述的示例实施例和应用的情况下并且在不背离在所附权利要求中阐述的本发明的真实精神和范围的情况下，可以对本文中所描述的主题进行各种修改和改变。

Claims (6)

1.一种集成光束转向系统，包括：
光学波导结构；
光学路由系统；以及
光学准直器，
其中所述光学路由系统包括：
至少一个光学开关，被配置为向所述路由系统提供针对光学信号的光学输入；
第一多个光学开关，被配置为提供来自所述路由系统的多个光学输出；
第二多个光学开关，以多级二叉树级联阵列被布置在输入光学开关与输出光学开关之间，在所述多级二叉树级联阵列中在所述阵列中的每个连续级别处，光学开关的输出被耦合到光学开关的输入，
其中所述光学路由系统中的所述光学开关中的每个光学开关包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪位于两个定向光学耦合器之间，并且每个开关被配置有通过所述马赫-曾德尔干涉仪和所述定向光学耦合器的两条路径，
其中每个光学开关包括电源，所述电源被配置为向所述马赫-曾德尔干涉仪中的路径施加电压，从而利用所施加的所述电压将相位改变赋予在所述路径中传播的光，
其中所述光学路由系统通过所述电源的操作可控制，以将到所述路由系统的所述输入光学信号切换到来自所述路由系统的所述光学输出中的任一光学输出，以及
其中所述光学波导结构包括：
光子晶体纳米结构，包括多个纳米元件，所述多个纳米元件至少部分地被布置为晶格配置并且具有一个或多个输入表面和凹形输出表面，所述纳米元件的参数被选择以针对没有传播模式的预先确定的波长范围产生光子带隙；
多个波导，被设置在所述纳米结构中，其中每个波导包括通过在所述晶格中沿着路径缺少纳米元件而形成的负空间，以在所述光子带隙内生成传播带；
到相应的所述多个波导的多个输入，所述输入被设置在所述纳米结构的所述一个或多个输入表面上，其中在输入处接收的所述传播带中的光以全内反射在相应的波导中传播；以及
来自相应的所述多个波导的多个输出，其中所述波导中的一个或多个波导包括具有曲线部分的波导路径，并且所述波导路径中的每个波导路径位于所述纳米结构中，使得所述输出中的每个输出被配置为正交于所述凹形输出表面。
2.根据权利要求1所述的集成光束转向系统，其中每个光学开关包括2×2光学开关，所述2×2光学开关包括两个输入端口和两个输出端口。
3.根据权利要求1所述的集成光束转向系统，其中所述定向光学耦合器是3dB耦合器。
4.根据权利要求1所述的集成光束转向系统，还包括布置在所述光学路由系统中的控制器，所述控制器被配置为将控制信号传输给所述电源。
5.根据权利要求4所述的集成光束转向系统，其中所述控制器被操作以便所述光学路由系统作为交换结构来执行。
6.根据权利要求1所述的集成光束转向系统，其中所述光学开关中的一个或多个光学开关作为可变衰减器被操作。
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