CN117716271A - 具有用于多个激光器的可变光束扩展的显示系统 - Google Patents

Abstract

显示系统(100)可包括具有光学引擎(202)和光学扫描器(204)的激光投射系统(200)。由光学引擎输出的光可作为两个角度上分离的激光光束(1002、1102)被引导到第一扫描反射镜(206)。角度上分离的激光光束通常在光学扫描器的第二扫描反射镜(208)上具有不同的入射角(1010、1110)。分别不同的放大水平被应用于第一维度中的角度上分离的激光光束中的每一个的光束直径，使得角度上分离的激光光束在入射到第二扫描反射镜处时具有分别不同的光束直径(1012、1112)。角度上分离的激光光束的不同光束直径能够导致角度上分离的激光光束中的每一个在第二扫描反射镜上的入射区域相等或基本相似。

Description

具有用于多个激光器的可变光束扩展的显示系统

背景技术

一些显示系统采用投射器，其是一种光学设备，该光学设备将光图案投射或照射到另一对象上(例如，到另一对象的表面上，诸如到投射屏幕上)以便在该另一对象上或经由该另一对象显示图像或视频。在采用激光作为光源的投射器中(即，在“激光投射器”中)，由激光投射器生成的每束激光光束被时间调制以提供激光图案，并且通常使用诸如数字微反射镜的可控反射镜将激光的调制图案空间分布在另一对象的二维区域上。激光的调制图案的空间分布在另一对象处产生图像。

附图说明

通过参考附图可以更好地理解本公开，并且使得其众多特征和优点对于本领域技术人员变得明显。在不同附图中使用相同的附图标记指示相似或相同的项目。

图1是图示根据一些实施例的具有集成激光投射系统的显示系统的图。

图2是图示根据一些实施例的具有光学扫描器的激光投射系统的图，该光学扫描器包括设置在两个扫描反射镜之间的光学中继器。

图3是图示根据一些实施例的具有输入耦合器、输出耦合器和出射光瞳扩展器的波导的图。

图4是图示根据一些实施例的包括设置在两个扫描反射镜之间的模制反射中继器的激光投射系统的图。

图5是图示根据一些实施例的包括设置在两个扫描反射镜之间的模制反射中继器的激光投射系统、并且图示穿过模制反射中继器的光路的图。

图6是图示根据一些实施例的包括激光投射系统的可穿戴平视显示器(WHUD)的部分透明视图的图。

图7是图示根据一些实施例的设置在WHUD内的激光投射系统的部分透明前等距视图的图。

图8是图示根据一些实施例的设置在WHUD内的激光投射系统的部分透明后等距视图的图。

图9是图示根据一些实施例的激光投射系统的一部分的俯视图的图，其中，一对在角度上分离的激光经由光学扫描器路由以入射到输入耦合器上。

图10是图示根据一些实施例的激光投射系统的一部分的俯视图的图，其中，激光光束入射在第二扫描反射镜的反射表面处。

图11是图示根据一些实施例的激光投射系统的一部分的俯视图的图，其中，激光光束以能够导致激光光束的一部分根据激光光束的光束直径脱离反射表面的角度入射在第二扫描反射镜的反射表面处。

图12是图示根据一些实施例的激光投射系统的光学扫描器的俯视图的图，其中，将第一光束扩展量值通过光学中继器的第一反射表面应用到第一激光光束。

图13是图示根据一些实施例的激光投射系统的光学扫描器的俯视图的图，其中，通过光学中继器的第二反射表面将第二光束扩展量值应用到第二激光光束。

图14是图示根据一些实施例的、包括图12的示例的第一反射表面和图13的示例的第二反射表面的激光投射系统的光学扫描器的俯视图的图，图12的示例的第一反射表面和图13的示例的第二反射表面为在角度上分离的激光光束提供分别不同的放大水平。

具体实施方式

图1-14图示了用于紧凑地布置近眼显示系统(例如，可穿戴平视显示器(WHUD))或具有多个在角度上分离的激光输入的另一显示系统的实施例，通过光学中继器的不同的反射表面向这些激光输入应用分别不同光束扩展量值。使用本文中描述的技术，这种显示系统的两个或更多个激光输入(本文中有时称为“激光光束”)相对于彼此成角度地分离，使得两个或更多个激光光束沿着不平行或不垂直而是相对于彼此倾斜(即“在角度上偏移(angularly offset)”、“在角度上分离(angularly separated)”)的光路传播。由于两个或更多个激光光束的在角度上的分离，这些激光光束在系统的光学扫描器的一个或多个扫描反射镜上的相应的入射角通常不同，导致对于具有相同或类似光束直径的激光光束而言，激光光束在此类扫描反射镜上的入射区域具有分别不同的大小，这能够影响WHUD的性能和用户体验。为了补偿这种在角度上分离的光束相应的入射角和入射区域的对应的面积的差异，对每个在角度上分离的激光光束应用分别不同水平的光束扩展(即，放大)，使得在一些实施例中，光学扫描器的给定扫描反射镜上的在角度上分离的激光光束的相应入射区域的面积相同或大致相同。

为了进一步说明，在一些情况下，提供具有明显大于或小于扫描反射镜的反射表面的扫描反射镜上的入射区域的激光光束。例如，在角度上分离的激光光束的部分脱离(miss)扫描反射镜的反射表面导致近眼显示系统投射的图像的亮度损失。通过减小应用于在角度上分离的激光光束中的、其入射区域的面积原本大于扫描反射镜的反射表面的任何激光光束的放大水平，图像的亮度能够被保持在相对高的水平。作为另一示例，提供具有比扫描反射镜的反射表面在面积上更小的入射区域的激光光束导致扫描反射镜的反射表面的利用不足以及近眼显示器的光学分辨率的对应降低。通过增加应用于在角度上分离的激光光束中的、其入射区域的面积原本小于扫描反射镜的反射表面的任何激光光束的放大水平，减轻了反射表面的这种利用不足。

在本文中公开的技术的一些实施例中，显示系统包括激光投射系统，该激光投射系统包括具有至少两个可调制激光光源的光学引擎、两个扫描反射镜、光学中继器和波导。在操作中，该至少两个可调制激光光源提供激光(输出作为两个或更多个在角度上分离的激光光束)，两个扫描反射镜以串联方式(in series)来接收激光，并且每个扫描反射镜在相应的方向上扫描激光(例如，第一扫描反射镜可以沿着第一维度扫描光，并且第二扫描反射镜可以沿着第二维度扫描光，其中，第二维度可以基本上垂直于第一维度)。波导包括输入耦合器，波导在输入耦合器处接收来自第二扫描反射镜的扫描激光。输入耦合器将通过波导接收的光重引导(在一些情况下经由介于中间的出瞳扩展器(EPE)朝向波导的输出耦合器重引导)，使得光被投射到波导之外(例如，投射到用户的眼睛上)。

在这种显示系统的一些实施例中，两个在角度上分离的激光光束被输出(例如，经由光学引擎和光束组合器)到包括第一和第二扫描反射镜以及光学中继器的光学扫描器。显示系统被布置为使得两个在角度上分离的激光光束中的第一激光光束入射到第一扫描反射镜上，第一扫描反射镜沿着第一扫描维度将第一激光光束扫描到光学中继器的第一反射表面上。两个在角度上分离的激光光束中的第二激光光束也入射到第一扫描反射镜上，第一扫描反射镜将第二激光光束沿着第一扫描维度扫描到光学中继器的第二反射表面上。第一反射表面将第一激光光束引导朝向光学中继器的第三反射表面。第二反射表面将第二激光光束引导朝向光学中继器的第四反射表面。第三反射表面将第一激光光束引导朝向第二扫描反射镜，第二扫描反射镜沿着至少基本上垂直于第一扫描维度的第二扫描维度将第一激光光束扫描遍及波导的输入耦合器的第一区域。第四反射表面将第二激光光束引导朝向第二扫描反射镜，第二扫描反射镜将第二激光光束沿第二扫描维度扫描遍及波导的输入耦合器的第二区域。在一些实施例中，输入耦合器的第一区域与输入耦合器的第二区域部分重叠。

在一些实施例中，光学中继器的第一和第二反射表面是模制光学中继器的非重叠反射表面。在一些实施例中，光学中继器的第三和第四反射表面是模制光学中继器的非重叠表面。在一些实施例中，第一反射表面沿着垂直于或基本垂直于扫描维度和第一激光光束的传播方向的第一“非扫描”维度以第一量值扩展第一激光光束的光束直径(本文中有时称为执行光束扩展或放大)。在一些实施例中，第二反射表面沿着垂直于或基本垂直于扫描维度和第二激光光束的传播方向的第二非扫描维度以第二量值扩展第二激光光束的光束直径。在一些实施例中，第一量值不同于第二量值。在一些实施例中，第一反射表面具有与第二反射表面的第二光学处方不同的光学处方，导致分别沿第一非扫描维度由第一反射表面向第一激光光束以及沿第二非扫描维度由第二反射表面向第二激光光束应用分别不同的光束扩展量值。

一般而言，当给定激光光束在表面(诸如扫描反射镜的表面)上的入射角偏离该表面的法线时，激光光束入射在其上的表面区域的面积增加。激光光束入射在其上的表面的区域在本文中有时被称为“入射区域”。如果在激光投射系统的情况下针对给定激光光束和给定扫描反射镜的入射区域大于该扫描反射镜的反射表面，则激光光束的未入射到反射表面上的部分不被扫描反射镜反射(这种情况有时称为“剪切(clipping)”或“孔径剪切”)，导致使用激光投射系统显示的图像的亮度损失。特别地，在本公开的激光投射系统(其利用两个或更多个在角度上分离的激光光束作为输入)的实施例中，每个激光光束通常将在第二扫描反射镜上具有分别不同的入射角，从而导致到第二扫描反射镜上的分别不同大小的入射区域。假设输入到激光投射系统的各激光光束最初具有相同或基本上相同的光束直径，并且在第二扫描反射镜上具有分别不同的入射角，则如果经由光学中继器的反射表面沿着每个激光光束的相应的非扫描维度应用相同水平(即量值)的光束扩展，则激光光束在第二扫描反射镜上的入射区域将具有不同的大小，这导致非理想性。例如，如果激光光束的至少一个入射区域超过第二扫描反射镜的反射表面的大小，则将不期望地导致投射图像的剪切和亮度损失。作为替代通过对具有超过(例如，显著超过)第二扫描反射镜的反射表面的相应面积的入射区域的任何激光光束应用降低的放大水平，能够减轻这种亮度损失。作为另一示例，如果至少一个激光光束在第二扫描反射镜上的入射区域小于(例如，显著小于)第二扫描反射镜的反射表面，则投射图像的光学分辨率将被不期望地减少。作为替代通过对具有小于(例如，显著小于)第二扫描反射镜的反射表面的相应面积的入射区域的任何激光光束应用更高的放大水平，能够减轻光学分辨率的这种降低。

如上所述，通过对这样的激光投射系统的在角度上分离的激光光束沿着它们相应的非扫描维度应用分别不同水平的光束扩展(例如经由具有分别不同的光学处方的光学中继器的分别不同的反射表面，应用不同水平的光束扩展)，能够独立地选择每个在角度上分离的激光光束在第二扫描反射镜上的相应的入射区域的大小。例如，通过向第一和第二在角度上分离的激光光束沿着它们相应的非扫描维度应用分别不同水平的光束扩展，其中，第一和第二在角度上分离的激光光束具有相同的初始光束直径和到第二扫描反射镜上的分别不同的入射角，第一激光光束的第一入射区域被设定为等于或大约等于第二激光光束的第二入射区域，并且在一些实施例中，被设定为等于或大约等于第二扫描反射镜的反射表面的大小。

根据本公开的实施例，提供了激光投射系统，其包括具有带有不同光学处方的反射表面的光学中继器，这使得分别不同水平的光束扩展被应用于分别入射在反射表面上的在角度上分离的激光光束。在一些实施例中，沿着在角度上分离的激光光束的相应的非扫描维度应用不同水平的光束扩展，并且不同水平的光束扩展使得在角度上分离的激光光束在第二扫描反射镜上具有相对于彼此或者相对于第二扫描反射镜的反射表面或两者分别相似或相同大小的相应入射区域。

应该注意，尽管本公开的一些实施例是参考以可穿戴平视显示器(WHUD)的形式的特定示例近眼显示系统描述和说明的，但是将理解，本公开的装置和技术不限于此特定示例，而是可以使用本文提供的准则在各种显示系统的任何一种中实现。

图1图示了根据一些实施例的采用基于扫描的光学系统的示例显示系统100，其具有支撑结构102，支撑结构102包括臂104，其容纳激光投射系统，该激光投射系统被配置为向用户的眼睛投射图像，使得用户将投射的图像感知为被显示在透镜元件108、110中的一者或其两者处的显示器的视场(FOV)区106中。在所描绘的实施例中，显示系统100是WHUD的形式的近眼显示系统，其中，支撑结构102被配置为戴在用户头上，并且具有眼镜(例如太阳镜)框架的总体形状和外观(即，形状因素)。支撑结构102包含或以其他方式包括各种组件，以促进此类图像朝向用户眼睛(诸如激光投射器，光学扫描器和波导)的投射。在一些实施例中，支撑结构102进一步包括各种传感器，诸如一个或多个前置摄像头、后置摄像头、其他光传感器、运动传感器、加速度计等。支撑结构102进一步能够包括一个或多个射频(RF)接口或其他无线接口，诸如蓝牙(Bluetooth(TM))接口、WiFi接口等。此外，在一些实施例中，支撑结构102进一步包括一个或多个电池或其他便携式电源，以向显示系统100的电气组件供电。在一些实施例中，显示系统的一些或全部组件100完全或部分被包含在支撑结构102的内部体积中，诸如在支撑结构102的区域112中的臂104中。应当注意，虽然描绘了示例形状因素，但是将理解，在其他实施例中，显示系统100可以具有与图1中所描绘的眼镜框架不同的形状和外观。应理解的是，除非另有说明，否则本文中的术语“或”指的是“或”的非排他性定义。例如，本文中的短语“X或Y”意指“X或Y或两者”。

由显示系统100使用透镜元件108，110中的一者或其两者，以提供增强现实(AR)显示器，其中，渲染的图形内容能够被叠加在用户通过透镜元件108和110所感知的真实世界视图上或以其他方式与真实世界视图相结合地提供。例如，用于形成可感知图像或一系列图像的激光可以通过显示系统100的激光投射器经由一系列光学元件(诸如在对应的透镜元件中至少部分形成的波导、一个或多个扫描反射镜和一个或多个光学中继器)投射到用户的眼睛上。透镜元件108、110中的一者或其两者因此包括波导的至少一部分，波导的该至少一部分将由波导的输入耦合器接收的显示光路由到波导的输出耦合器，该输出耦合器朝向显示系统100的用户的眼睛输出显示光。显示光被调制并扫描到用户的眼睛上，使得用户将显示光感知为图像。另外，透镜元件108、110中的每一个都是足够透明的，以允许用户透过透镜元件观看，从而提供用户的真实世界环境的视场，使得图像看起来叠加在真实世界环境中的至少一部分上。

在一些实施例中，投射器是基于数字光处理的投射器、扫描激光投射器、或者诸如激光器或一个或多个发光二极管(LED)的调制性光源和诸如一个或多个动态扫描器或数字光处理器的动态反射器机构的任意组合。在一些实施例中，投射器包括多个激光二极管(例如，红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管)和至少一个扫描反射镜(例如，两个一维扫描反射镜，其可以是基于机电系统(MEMS)或基于压电的)。投射器通信地耦合到控制器和存储处理器可执行指令和其他数据的非暂时性处理器可读存储介质或存储器，当该指令和其他数据由控制器执行时，使得控制器控制投射器的操作。在一些实施例中，控制器控制投射器的扫描区大小和扫描区位置，并且被通信地耦合到生成要在显示系统100处显示的内容的处理器(未示出)。投射器在显示系统100的指定为FOV区106的可变区上扫描光。扫描区大小对应于FOV区106的大小，并且扫描区位置对应于透镜元件108、110之一的FOV区106对用户可见的区域。通常，期望显示器具有宽FOV以适应大范围角度上的光的输出耦合。这里，将能够看到显示器的不同用户眼睛位置的范围被称为显示器的适眼区(eyebox)。

在一些实施例中，投射器经由第一和第二扫描反射镜、设置在第一和第二扫描反射镜之间的光学中继器以及设置在第二扫描反射镜的输出处的波导来路由光。在一些实施例中，波导的输出耦合器的至少一部分可以与FOV区106重叠。下面更详细地描述这些方面。

图2图示了经由激光将图像直接投射到用户的眼睛上的激光投射系统200的简化框图。激光投射系统200包括光学引擎202、光学扫描器204和波导205。光学扫描器204包括第一扫描反射镜206、第二扫描反射镜208和光学中继器210。波导205包括输入耦合器212和输出耦合器214，其中，输出耦合器214在本示例中与用户的眼睛216光学对准。在一些实施例中，激光投射系统200被实现在可穿戴平视显示器或另一显示系统中，诸如图1的显示系统100。

光学引擎202包括一个或多个激光光源，该一个或多个激光光源被配置为生成并输出激光218(例如，可见激光，诸如红色、蓝色和绿色激光，并且在一些实施例中，不可见激光，诸如红外激光)。在一些实施例中，光学引擎202被耦合到驱动器或其他控制器(未图示)，驱动器或其他控制器根据控制器或驱动器从耦合到其的计算机处理器接收到的指令来控制从光学引擎202的激光光源发射激光的定时，以调制激光218在输出到用户的眼睛216的视网膜时被感知为图像。

例如，在激光投射系统200的操作期间，由光学引擎202的激光光源输出具有分别不同波长的多束激光光束，然后将其经由合束器(未图示)进行组合，然后被引导到用户的眼睛216。光学引擎202调制激光光束的相应的强度，使得组合的激光反射图像的一系列像素，其中，每个激光光束在任何给定时间点的特定强度对此时组合激光所代表的像素中的对应颜色内容和亮度的量有贡献。

在一些实施例中，光学扫描器204的第一扫描反射镜206和第二扫描反射镜208中的一者或其两者是MEMS反射镜。例如，第一扫描反射镜206和第二扫描反射镜208是MEMS反射镜，其在激光投射系统200的主动操作期间由相应的致动电压驱动而振荡，使得第一扫描反射镜206和第二扫描反射镜208扫描激光218。第一扫描反射镜206的振荡使得由光学引擎202输出的激光218穿过光学中继器210并跨第二扫描反射镜208的表面来扫描。第二扫描反射镜208朝向波导205的输入耦合器212扫描从第一扫描反射镜206接收到的激光218。在一些实施例中，第一扫描反射镜206围绕第一轴219振荡或以其他方式旋转，使得激光218跨第二扫描反射镜208的表面仅在一个维度上(即，在一条线中)来扫描。在一些实施例中，第二扫描反射镜208围绕第二轴221振荡或以其他方式旋转。在一些实施例中，第一轴219相对于第二轴221倾斜。

在一些实施例中，输入耦合器212具有基本上矩形的轮廓并且被配置为接收激光218并将激光218引导到波导205中。输入耦合器212由一较小的维度(即，宽度)和一较大的正交维度(即长度)限定。在一个实施例中，光学中继器210是线扫描光学中继器，其接收由第一扫描反射镜206在第一维度(例如，对应于输入耦合器212的小维度的第一维度)扫描的激光218，将激光218路由到第二扫描反射镜208，并且对去往第二扫描反射镜208的光学中继器210的出射光瞳平面的、在第一维度中的激光218引入会聚(例如，经由准直)。本文中，“光瞳平面”是指沿激光穿过光学系统的光路的位置，其中，激光会聚到沿一维或多维的孔径。例如，光学中继器210可以与沿激光通过光学系统的光路定位的一个或多个入射光瞳平面相关联，其中，激光在进入光学中继器210之前会聚到虚拟孔径。例如，光学中继器210可以与沿激光通过光学系统的光路定位的一个或多个出射光瞳平面相关联，其中，激光在离开光学中继器210之后沿着一维或多维会聚到虚拟孔径。在一些实施例中，光学中继器210的入射光瞳平面可以被定位于与第一扫描反射镜206重合的位置。在一些实施例中，光学中继器210的入射光瞳平面可以被位于第一扫描反射镜206与光学中继器210之间的中间位置处。在一些实施例中，光学中继器210的出射光瞳平面可以被定位成与第二扫描反射镜208重合。在一些实施例中，光学中继器210的出射光瞳平面可以被定位成与输入耦合器212重合。

在一些情况下，激光会聚到沿着第一维度的第一入射光瞳平面的虚拟孔径(例如，其中激光关于具有x轴、y轴和z轴的笛卡尔坐标系沿着x-y维度会聚到沿着z维度的点或线)，并且会聚到沿着第二维度(例如，第二维度基本上垂直于第一维度)的第二入射光瞳平面的虚拟孔径，其中，第一和第二入射光瞳平面在位置上不同。在一些情况下，激光会聚到沿着第一维度的第一出射光瞳平面的虚拟孔径(例如，其中激光关于具有x轴、y轴和z轴的笛卡尔坐标系沿着x-y维度会聚到沿着z维度的点或线)并且会聚到沿着第二维度(例如，第二维度基本上垂直于第一维度)的出射光瞳平面的虚拟孔径，其中，第一和第二出射光瞳平面在位置上不同。在其他情况下，激光会聚到沿着所有维度的单个入射光瞳平面的虚拟孔径(例如，其中激光会聚到沿着x、y和z维度中的每一个的虚拟孔径)并且会聚到沿所有维度单个出射光瞳平面的虚拟孔径。虽然在本示例中，光学引擎202被示出为朝向第一扫描反射镜输出单束激光218(其本身可以是具有分别不同偏振或波长的两个或更多个光束的组合)，但在在一些实施例中，光学引擎202被配置为生成并朝向第一扫描反射镜输出两个或更多个激光光束，其中，该两个或更多个激光光束相对于彼此在角度上分离(即，它们是“在角度上分离的激光光束”)。如先前所述，当两个或更多个激光光束沿着相对于彼此倾斜(例如，在角度上偏移)的分别不同的非平行和非垂直光路传播时，它们是“在角度上分离”的，其中，光路的在角度上的分离在一些情况下使得两个或更多个激光光束会聚以沿一个或多个维度彼此重叠(例如，这种重叠对应于光瞳平面的虚拟孔径)。

在本示例中，在被第一扫描反射镜206反射之后，激光218的可能光路首先沿着第一扫描维度展开，但是由于由光学中继器210引入的会聚，随后这些路径在第二扫描反射镜208之后的出射光瞳平面处相交。例如，给定出射光瞳平面的宽度(即，小维度)近似对应于与该出射光瞳平面相对应的激光的直径。因此，出射光瞳平面能够被认为是“虚拟孔径”。在一些实施例中，光学中继器210的出射光瞳平面与输入耦合器212重合。在一些实施例中，光学中继器210的入射光瞳平面与第一扫描反射镜206重合。

根据各种实施例，光学中继器210包括一个或多个球面、非球面、抛物面或自由形状透镜，其对第二扫描反射镜208上的激光218进行整形和中继，光学中继器210或者包括模制反射中继器，该模制反射中继器包括两个或更多个光学表面，光学表面包括但不限于球面、非球面、抛物面或自由形状的透镜或反射器(本文中有时称为“反射表面”)，其将激光218整形并将激光218引导到第二扫描反射镜208上。第二扫描反射镜208接收激光218并在第二维度上扫描激光218，该第二维度对应于波导205的输入耦合器212的长维度。在一些实施例中，第二扫描反射镜208使得激光218的出射光瞳平面沿着沿第二维度的线被扫掠。在一些实施例中，输入耦合器212被安置在第二扫描反射镜208下游的扫掠线处或附近，使得第二扫描反射镜208将激光218扫描为输入耦合器212上方的线或行。

在一些实施例中，光学引擎202包括发射具有基本上椭圆形、非圆形横截面的激光218的边缘发射激光器(EEL)，并且光学中继器210沿着第一方向(例如，激光218的光束轮廓的半长轴)或第二方向(例如，激光218的光束轮廓的半短轴)中的一者或其两者放大或最小化激光218，以在激光218会聚在第二扫描反射镜208上之前对激光218重新整形(例如，圆形化)。在一些这样的实施例中，第一扫描反射镜206的反射镜板的表面是椭圆形和非圆形的(例如，在形状和大小上与激光218的横截面相似)。在其他这样的实施例中，第一扫描反射镜206的反射镜板的表面是圆形的。

激光投射系统200的波导205包括输入耦合器212和输出耦合器214。本文中所使用的术语“波导”将被理解为意指使用全内反射(TIR)、专用滤波器或反射表面中的一个或多个以将光从输入耦合器(诸如输入耦合器212)传送到输出耦合器(诸如输出耦合器214)的组合器。在一些显示应用中，光是准直图像，波导将准直图像传输并复制到眼睛。通常，术语“输入耦合器”和“输出耦合器”将被理解为是指任何类型的光栅结构，包括但不限于衍射光栅、全息图、全息光学元件(例如，使用一个或多个全息图的光学元件)、体衍射光栅、体全息图、表面浮雕衍射光栅或表面浮雕全息图。在一些实施例中，给定的输入耦合器或输出耦合器被配置为透射式光栅(例如，透射式衍射光栅或透射式全息光栅)，其使得输入耦合器或输出耦合器在传输过程中发射光并且将所设计的光学函数应用于光。在一些实施例中，给定的输入耦合器或输出耦合器是反射式光栅(例如，反射式衍射光栅或反射式全息光栅)，其使得输入耦合器或输出耦合器反射光并在反射期间将所设计的光学函数应用于光。在本示例中，在输入耦合器212处接收的激光218使用TIR经由波导205被中继到输出耦合器214。然后，激光218经由输出耦合器214被输出到用户的眼睛216。如上所述，在一些实施例中，波导205被实现为眼镜透镜的一部分，例如具有眼镜形状因素并采用激光投射系统200的显示系统的透镜元件108或110(图1)。

尽管在图2的示例中未示出，在一些实施例中，附加光学组件被包括在光学引擎202与第一扫描反射镜206之间、第一扫描反射镜206与光学中继器210之间、光学中继器210与第二扫描反射镜208之间、第二扫描反射镜208和输入耦合器212之间、输入耦合器212和输出耦合器214之间、或输出耦合器214和眼睛216之间的任何光学路径中(例如，以便对激光整形以供用户的眼睛216观看)。在一些实施例中，棱镜被用于将光从第二扫描反射镜208引导到输入耦合器212中，使得光以适当的角度被耦合到输入耦合器212中，以促进光在波导205中通过TIR传播。此外，在一些实施例中，诸如转折光栅(fold grating)的出射光瞳扩展器(例如，图3的出射光瞳扩展器304，如下所述)被布置在输入耦合器212和输出耦合器214之间的中间级中，以接收通过输入耦合器212耦合到波导205中的光、扩展该光、并且将该光重引导朝向输出耦合器214，其中，输出耦合器214然后将激光耦合出波导205(例如，朝向用户的眼睛216)。

图3示出了根据一些实施例的图2的激光投射系统200的波导205内的光传播的示例。如图所示，经由输入耦合器212接收的、沿着扫描维度302被扫描的光被引导到出射光瞳扩展器304中，并且然后被路由到输出耦合器214以被输出(例如，朝向用户的眼睛)。在一些实施例中，出射光瞳扩展器304扩展包括激光投射系统200的显示系统(例如，图1的显示系统100；图6和7的WHUD 600、702)的适眼区的一个或多个维度(例如，相对于在没有出射光瞳扩展器304的情况下显示器的适眼区的尺寸)。在一些实施例中，输入耦合器212和出射光瞳扩展器304各自包括相应的一维衍射光栅(即，沿一维延伸的衍射光栅)，其在取决于入射光的入射角和衍射光栅的结构方面的特定方向上衍射入射光。应当理解的是，图3示出了基本上理想的情况，其中，输入耦合器212在垂直于扫描维度302的第一方向上直接向下引导光(相对于当前图示的视图)，并且出射光瞳扩展器304将光沿垂直于第一方向的第二方向引导到右侧(相对于当前示出的视图)。虽然在本示例中未示出，但是应当理解，在一些实施例中，输入耦合器212引导光的第一方向相对于扫描维度302稍微或基本上成斜角(diagonal)，而不是完全垂直。

图4示出了激光投射系统200的示例实施例，其中，光学中继器210包括模制反射中继器。如图所示，激光投射系统200包括基板402，其上设置有光束组合器404、主透镜406和反射镜408。根据各种实施例，基板402是印刷电路板(PCB)或以其他方式另一个适用的基板。

光学引擎202包括一组一个或多个激光光源410(例如，激光二极管)，诸如所图示的红色激光光源410-1、绿色激光光源410-2和蓝色激光光源410-3，其中，处理器或其他控制器操作光学引擎202以调制每个激光光源410的相应强度，从而向正在被生成的图像的对应像素提供对应的红光、绿光和蓝光贡献以显示给用户。主透镜406包括对应数量的准直透镜(例如，对于以上示例中的三个激光光源410为三个)，每个准直透镜插置在光学引擎202的相应激光光源410与光束组合器404之间的光路中。例如，每个激光光源410输出不同波长的激光(例如，对应于各自的红色、蓝色和绿色波长)穿过主透镜406以在光束组合器404处被组合以产生激光(即图2中所示的激光218)，以由激光投射系统200投射。光束组合器404接收个体激光输入并将组合激光218输出到反射镜408，反射镜408将激光218重引导到第一扫描反射镜206的反射表面412。第一扫描反射镜206将激光218沿着第一扫描维度扫描到光学中继器210中。

在图4的示例中，光学中继器210是模制反射中继器，其可以例如由固体透明组件(例如，玻璃或诸如Zeonex的光学塑料)模制，并且其反射表面被实现为镜面涂层或超表面(metasurface)。在一些实施例中，模制反射中继器1802的一个或多个反射表面经由TIR反射光，并且因此不需要镜面涂层或制造的超表面来反射光。这种模制能够简化激光投射系统200的制造，因为它有助于将中继器的一些或全部光学表面合并到单个元件中，而不是几个不同的、分离的元件中。此外，在一些实施例中，模制结构的使用允许光经由TIR传播通过模制反射中继器1802的一个或多个区域，而不是使用镜面涂层来传播光通过那些区域。

光学中继器210被配置为将激光218路由朝向第二扫描反射镜208的反射表面414。第二扫描反射镜208沿第二扫描维度跨波导205的输入耦合器(诸如输入耦合器212)来扫描激光218。在一些实施例中，第二扫描维度垂直于激光传播通过光学中继器210沿着的平面。

图5示出了对于光学中继器210是模制反射中继器的实施例，由光学引擎202输出的并发激光可以采取以通过光学中继器210的路径的示例。如图所示，光学引擎202朝向光束组合器404输出红色激光218-1、绿色激光218-2和蓝色激光218-3。光束组合器404将激光218-1、218-2、218-3的各个光束组合为激光218，并且将激光218重引导朝向反射镜408，反射镜408将激光218反射到第一扫描反射镜206上。第一扫描反射镜206沿着第一扫描维度502将激光218扫描到光学中继器210中。光学中继器210使激光218反射离开反射表面504、506、508和510，然后朝第二扫描反射镜208的反射表面414输出激光218。然后，第二扫描反射镜208沿着第二扫描维度512跨输入耦合器212扫描激光218，其中，激光218以第一扫描反射镜206的大多数或所有可实现的扫描角度会聚到输入耦合器212上。虽然在本示例中，光束组合器404被示出为输出激光218的单个光束，但是应当理解，在一些实施例中，光束组合器404被配置为输出两个或更多个在角度上分离的激光光束，该激光光束被引导到第一扫描反射镜206上。

图6图示了包括图2的激光投射系统200的WHUD 600的一部分。在一些实施例中，WHUD 600代表图1的显示系统100。在本示例中，光学引擎202、光学扫描器204、输入耦合器212和波导205的一部分被包括在WHUD 600的臂602中。

WHUD 600包括光学组合器透镜604，其包括第一透镜606、第二透镜608和波导205，其中，波导205设置在第一透镜606和第二透镜608之间。通过输出耦合器214出射的光行进通过第二透镜608(其对应于例如显示系统100的透镜元件110)。在使用中，离开第二透镜608的光进入佩戴WHUD 600的用户的眼睛610的瞳孔，从而使得用户感知由光学引擎202输出的激光承载的显示图像。光学组合器透镜604基本上是透明的，使得来自对应于WHUD 600周围环境的真实世界场景的光穿过第一透镜606、第二透镜608和波导205到达用户的眼睛610。以此方式，由激光投射系统200输出的图像或其他图形内容在被投射到用户的眼睛610上时与用户环境的真实世界图像组合(例如，重叠)以向用户提供AR体验。

尽管在所描绘的示例中未示出，但在一些实施例中，附加光学元件被包括在光学引擎202与输入耦合器212之间、输入耦合器212与输出耦合器214之间、或输出耦合器214与用户的眼睛610之间的任意光学路径中(例如，以便对激光整形以供用户的眼睛610观看)。作为示例，棱镜被用于将光从光学扫描器204引导到输入耦合器212中，使得光以适当的角度被耦合到输入耦合器212中，以促进光通过TIR在波导205中传播。此外，在一些实施例中，诸如转折光栅的出射光瞳扩展器(例如，出射光瞳扩展器304)被布置在输入耦合器212和输出耦合器214之间的中间段中，以接收由输入耦合器212耦合到波导205中的光、扩展光、并将光重引导朝向输出耦合器214，其中，输出耦合器214然后将激光耦合出波导205(例如，朝向用户的眼睛610)。

图7和图8示出了WHUD 702的一部分的两个不同的立体、部分透明视图700(图7)和800(图8)，该WHUD 702的一部分代表图6的WHUD 600或图1的显示系统100。WHUD 702包括图2、图4和图5的激光投射系统200针对其中光学中继器210是模制反射中继器的实施例的示例布置。在一些实施例中，WHUD 702对应于图1的显示系统100，并且WHUD 702的所图示部分对应于显示系统100的区域112。

如图7的视图700和图8的视图800所示，WHUD 702的臂704容纳光学引擎202、主透镜406和第一扫描反射镜206的至少一部分、光学中继器210和基板402。WHUD 702的框架部分706容纳第二扫描反射镜208和第一扫描反射镜206的部分、光学中继器210和基板402。如图7的视图700所示，波导205的输入耦合器212和输出耦合器214(在图7和图8的视图中未完全示出)各自被嵌入或以其他方式设置在透镜708(例如，图1的透镜110的一个实施例)。如先前所述，由光学引擎202输出的激光(例如，激光218，图5)至少经由第一扫描反射镜206、光学中继器210和第二扫描反射镜208被路由至输入耦合器212。第一扫描反射镜206振荡或以其他方式旋转以沿第一扫描维度扫描激光，并且第二扫描反射镜208振荡或以其他方式旋转以沿垂直于第一扫描维度的第二扫描维度扫描激光。由第二扫描反射镜208反射的激光在输入耦合器212处会聚成线。在输入耦合器212处接收到的经中继的激光经由波导205被路由至输出耦合器214。在输出耦合器214处接收到的激光然后被引导出波导205(例如，朝向WHUD 702的用户的眼睛)。

图9示出了激光投射系统900(图2的激光投射系统200的一个实施例)的说明性立体图，其中，两个在角度上分离的激光光束被用于承载用于投射的图像信息。在本示例中，关于分别具有正交x轴、y轴和z轴的三维笛卡尔坐标系提供激光投射系统900的立体图，其中，该立体图提供俯视正z轴的视角。

光学引擎202包括两个或更多个激光光源，每个激光光源被配置为朝向光束组合器404输出分别不同波长的激光。光束组合器404将光学引擎202输出的激光波长组合成彼此角度分离(例如，以约0度至约10度之间的角度)的第一激光光束902和第二激光光束904，并且朝向第一扫描反射镜206输出第一激光光束902和第二激光光束904(有时在本文中被称为第一和第二在角度上分离的激光光束902和904)。在一些实施例中，第一激光光束902和第二激光光束904中的每一个被认为是“聚合”激光光束，因为它们各自包括经由光束组合器404组合的多个波长的激光。在本示例中，仅示出了第一激光光束902和第二激光光束904的中心光线，但是应当理解，第一激光光束902和第二激光光束904由第一扫描反射镜206和第二扫描反射镜208在相应的扫描区域上被扫描，其中，所描绘的中心光线在扫描区域内居中。第一激光光束902和第二激光光束904沿x-y维度(相对于图示的轴)会聚以在第一扫描反射镜206的反射表面(例如，图4的反射表面412)处重叠(例如，关于z维度重叠；具有在点或重叠点处的相同或基本上相同的z坐标)，该重叠点对应于光学中继器210的第一入射光瞳平面。根据各个实施例，与第一和第二激光光束902和904向沿着其他维度或平面(例如，基本上垂直于x-y维度的维度或平面)的虚拟孔径的会聚相对应的其他入射光瞳平面可以被设置在沿着第一和第二激光光束902和904的光路的与第一入射光瞳平面相同或基本上相同的位置，或者可以替代地设置在沿着那些光路的其他位置。在一些实施例中，第一扫描反射镜206被配置为围绕其振荡的第一轴219沿着x-y维度对准或基本对准，并且垂直于或基本垂直于z轴。

第一扫描反射镜206沿着第一扫描维度(例如，图3的扫描维度302；图5的第一扫描维度502)将第一激光光束902和第二激光光束904扫描到光学中继器210中，第一扫描维度对应于或基本上对应于x-z维度，x-z维度基本上正交于x-y维度。当被第一扫描反射镜206反射时，第一激光光束902和第二激光光束904的光路再次发散，从而变得沿着x-y维度有角度地分离。在一些实施例中，光学中继器210沿一个或多个维度放大第一激光光束902和第二激光光束904中的每一个(例如，以使第一激光光束902和第二激光光束904中的每一个圆形化)。根据各种实施例，由光学中继器210的相应反射表面应用对第一激光光束902和第二激光光束904的沿着它们相应的非扫描维度的分别不同水平(即，量值)的放大(有时称为光束扩展)。在本文中，当两个维度(例如，线、平面、方向等)相对于彼此处于正交或垂直度的大约15度内时，它们被认为是彼此“基本上正交”或“基本上垂直”。光学中继器210将第一激光光束902和第二激光光束904朝向第二扫描反射镜208中继，使得第一激光光束902和第二激光光束904沿着x-y维度会聚，并且使得第一激光光束902和第二激光光束904中的每一个的扫描区域沿着相应的传播方向关于z维度会聚。

在本示例中，第一激光光束902和第二激光光束904分别入射在第二扫描反射镜208的反射表面(例如，图4的反射表面414)的两个分离的位置上(即，光学中继器的沿x-y维度的出射光瞳平面没有设置在第二扫描反射镜208处)。然而，应当理解，在一些实施例中，第一激光光束902和第二激光光束904替代地在第二扫描反射镜208的反射表面的基本上相同或至少部分重叠的区处入射到第二扫描反射镜208的反射表面上，其中，第二扫描反射镜208的反射表面充当沿着x-y维度的光学中继器210的出射光瞳平面。本文中，如果两个面积(例如，入射区域的面积和反射表面的面积、两个入射区域的面积等)中的第一面积在两个区域中的第二面积的大小的约66％至约133％的范围内，则两个面积被认为“基本上相同”。第二扫描反射镜208沿着x-y维度(例如图5的第二扫描维度512)朝向输入耦合器212扫描第一激光光束902和第二激光光束904。

在本示例中，当被第二扫描反射镜208反射时，第一激光光束902和第二激光光束904沿着x-y维度会聚，以在输入耦合器212处的光学中继器210的第一出射光瞳平面处重叠(例如，相对于z维度重叠)。然而，对于其中光学中继器210的出射光瞳平面设置在或基本上设置在第二扫描反射镜208的反射表面处的实施例，第一激光光束902和第二激光光束904反而在被第二扫描反射镜208反射之后沿着x-y维度发散，并且沿着输入耦合器212在分别不同的位置处入射。根据各种实施例，与第一激光光束902和第二激光光束904沿着其他维度或平面(例如，基本垂直于x-y维度的维度或平面，例如z维度)向虚拟孔径的会聚相对应的其他出射光瞳平面可以被设置在沿着第一激光光束902和第二激光光束904的光路的、与第一出射光瞳平面相同或基本上相同的位置，或者可以替代地设置在沿着那些光路的其他位置。另外，第一激光光束902和第二激光光束904的相应的扫描区域各自沿着它们相应的传播方向相对于z维度会聚，使得第二扫描反射镜208在输入耦合器212处(例如，在第一出射光瞳平面908处)沿着相应的基本上一维路径(例如，以相应的线或弧)扫描第一激光光束902和第二激光光束904的每一个。这里，“基本上一维”路径是指沿着单个直线或曲线(例如，圆弧)的路径。

虽然在图9的当前示例中，输入到光学扫描器204的第一激光光束902和第二激光光束904被示为角度分离，并沿着x-y轴会聚在第一扫描反射镜206处的第一入射光瞳平面处和在输入耦合器212处的第一出射光瞳平面处，但在激光投射系统900的一些替选实施例中，第一激光光束902和第二激光光束904以基本上非零的量在角度上没有分离，而是平行或共线。在这样的替选实施例中，第一激光光束902和第二激光光束904中的每一个在第一入射光瞳平面和第一出射光瞳平面处沿着x-y轴经历向虚拟孔径的独立会聚(即，每一个个体光束的光的会聚，不必相对于另一光束)。

图10示出了激光投射系统(图2的激光投射系统200的一个实施例)的一部分的说明性立体图1000，其中，激光光束1002(有时在本文中称为“第一激光光束1002”)相对于反射表面414沿着其来取向平面(有时在本文中称为反射表面414的平面)以入射角1010(在本文中表示为θ)入射到第二扫描反射镜208的反射表面414上。在本示例中，第一激光光束1002具有光束直径1012和入射角1010，使得第一激光光束1002在第二扫描反射镜208上的入射区域完全落入由反射表面414限定的边界内。也就是说，所有或基本上所有第一激光光束1002入射到反射表面414上。在一些实施例中，第一激光光束1002是聚合激光光束，其包括先前已经使用例如光束组合器(例如，图4、9的光束组合器404的实施例)组合的多个波长的激光。

在本示例中，经由中心光线1006、第一边界光线1004和第二边界光线1008示出第一激光光束1002的光路。例如，第一激光光束1002的光基本上或完全设置在由第一边界光线1004和第二边界光线1008限定的区域内，并且其中心沿着或基本沿着中心光线1006。第一边界光线1004和第二边界光线1008之间的最短距离限定光束直径1012。

如图所示，第二扫描反射镜208包括具有宽度1014的反射表面414。第一激光光束1002在反射表面414上的入射角1010在这里相对于x-y平面被定义为在第一激光光束1002接近反射表面414时反射表面414的平面与第一激光光束1006的中心光线1006之间的角度θ。光束直径1012、入射角1010和反射表面414的宽度1014共同确定第一激光光束1002在第二扫描反射镜208上的入射区域是否完全位于反射表面414上，或者入射区域的一部分是否脱离反射表面。在一些实施例中，经由应用对在光学中继器210处的第一激光光束1004的放大(例如，经由其具有导致这种放大的光学处方的一个或多个反射表面)来设定第一激光光束1002的光束直径1012。

尽管第二扫描反射镜208在此处被示出为处于特定取向(即，第一取向)，但应理解的是，第二扫描反射镜208的反射表面414振荡或以其他方式旋转(例如，围绕z维度上的轴，例如图2中所示的第二轴221)。在一些实施例中，反射表面414独立于第二扫描反射镜208的主体部分振荡或以其他方式旋转，而在其他实施例中，反射表面414与第二扫描反射镜208的主体部分的全部或一部分一起振荡或以其他方式旋转。反射表面414的这种旋转通常将导致第一激光光束1002在反射表面414上的入射区域的大小由于入射角1010的由此的变化而改变(例如，入射区域的大小随着入射角1010接近垂直于反射表面414而减小，并且随着入射角1010接近平行于反射表面414而增大)。在一些实施例中，贯穿反射表面414的振荡或旋转的每个周期，第一激光光束1002的光束直径1012被设定为使得第一激光光束1004在第二扫描反射镜208上的入射区域基本上(例如，第一激光光束1002的至少约80％入射在反射表面414上)或完全地设置在反射表面414上。也就是说，即使在操作期间反射表面处于其旋转或振荡极值时，第一激光光束1002仍基本上或完全入射在反射表面414上。这里，扫描反射镜在操作期间在给定方向上旋转或振荡的最大程度被称为其在该方向上的旋转或振荡极值。

图11示出了激光投射系统(图2的激光投射系统200的一个实施例)的一部分的说明性立体图1100，其中，激光光束1102(本文中有时称为“第二激光光束1102”)相对于反射表面414沿着其来取向的平面以入射角1110(这里表示为φ)入射在第二扫描反射镜208的反射表面414上。在一些实施例中，第二激光光束1102是聚合激光光束，其包括先前已经使用例如光束组合器(例如，图4、9的光束组合器404的实施例)组合的多个波长的激光。

根据各种实施例，图10的第一激光光束1002和第二激光光束1102可以作为在角度上分离的激光光束一起提供给第二扫描反射镜208。在一些实施例中，与第一激光光束1002的入射角1010相比，第二激光光束1102的入射角1110进一步偏离反射表面414的平面的法线，导致对于其中第二激光光束1102和第一激光光束1002具有相同或相似的相应光束直径的情况，第二激光光束1102在第二扫描反射镜208上的入射区域与第一激光光束1002在第二扫描反射镜208上入射区域相比更大。

在第一示例中，第二激光光束1102具有光束直径1112，使得在给定入射角1110的情况下，第二激光光束1102在第二扫描反射镜208上的入射区域部分地超出由反射表面414限定的边界。也就是说，在第一示例中，第二激光光束1102的一部分脱离了反射表面414(并且因此不被反射表面414反射)，导致由激光投射系统生成的图像的亮度降低。在第一示例的一些实施例中，第二激光光束1102的光束直径1112与第一激光光束1002的光束直径1012相同或基本上相同。在第一示例的一些实施例中，通过由光学中继器210的反射表面应用的对第二激光光束1102的放大来设定光束直径1116。

在第一示例中，经由中心光线1106、第一边界光线1104和第二边界光线1108示出第二激光光束1102的光路。第二激光光束1102的光基本上或者完全设置在由第一边界光线1104和第二边界光线1108限定的区域内，并且其中心沿着或基本沿着中心光线1106。第一边界光线1104和第二边界光线1108之间的最短距离限定光束直径1112。如图所示，由于第二激光光束1102的入射区域超过反射表面414的宽度1114，第二激光光束1102的靠近边界光线1104和1108的部分光脱离反射表面414。

在第二示例中，第二激光光束1102具有小于第一示例的光束直径1112的光束直径1116，使得考虑到入射角1110，第二激光光束1102在第二扫描反射镜208上的入射区域完全落入由反射表面414限定的边界内。也就是说，在第二示例中，所有或基本上所有第二激光光束1102入射在反射表面414上。在第二示例的一些实施例中，第二激光光束1102的光束直径1116小于第一激光光束1002的光束直径1012。

在第二示例的一些实施例中，第一激光光束1002和第二激光光束1102最初生成为具有匹配或基本匹配的光束直径，并且由光学中继器210的反射表面对第一激光光束1102和第二激光光束1102中的每一个应用分别不同的放大水平，导致第二激光光束1102具有小于第一激光光束1002的光束直径1012的光束直径1116。在第二示例的一些实施例中，经由通过光学中继器210的反射表面应用的对第二激光光束1102的放大设定光束直径1116，使得第一激光光束1002和第二激光光束1102的相应的入射区域的大小相同或基本上相同。通过以这种方式对第一激光光束1002和第二激光光束1102应用不同的相应放大水平，能够使第二激光光束1102的光束直径小于第一激光光束1002的光束直径，以虑及入射角1010和1110的差异以及第一和第二激光光束1002和1102在第二扫描反射镜208上的入射区域的对应差异，即使在最初以相同或基本相似的光束直径产生第一激光光束1002和第二激光光束1102的情况下也是如此。

在第二示例中，经由中心光线1106、第三边界光线1118和第四边界光线1120图示了第二激光光束1102的光路。第二激光光束1102的光基本上或者完全设置在由第三边界光线1118和第四边界光线1120限定的区域内，并且其中心沿着或基本沿着中心光线1106。第三边界光线1118和第四边界光线1120之间的最短距离限定了光束直径1116。如图所示，当第二激光光束1102具有光束直径1116时，所有或基本上所有第二激光光束1102入射到反射表面414上。

在第一和第二示例两者中，第二激光光束1102在反射表面414上的入射角1110关于x-y平面被限定为当第二激光光束1102接近反射表面414时在反射表面414的平面和第二激光光束1102的中心光线1106之间的角度φ。光束直径1112或1116、入射角1110以及反射表面414的宽度1114共同确定是否第二激光光束1102在第二扫描反射镜208上的入射区域完全位于反射表面414上，或者是否部分入射区域脱离反射表面。

应当注意，所描绘的扫描反射镜208的取向旨在对应于图10中所示的扫描反射镜208的取向(例如，为了便于在相应的入射角1010和1110之间比较)。如上所述，反射表面414的旋转通常会导致第二激光光束1102在反射表面414上的入射区域的大小由于入射角1110的由此的变化而改变(例如，入射区域在大小上随着入射角1110接近垂直于反射表面414而减小，并且随着入射角1110接近平行于反射表面414而增大)。在一些实施例中，在反射表面414的振荡或旋转的每个周期中，第二激光光束1102的光束直径1116被设定为使得激光光束1102在第二扫描反射镜208上的入射区域基本上(例如，90％或更多的第二激光光束1102入射在反射表面414上)或完全地设置在反射表面414上。也就是说，第二激光光束1102保持基本上或完全入射在反射表面414上，即使当反射表面在操作期间处于其旋转或振荡极值时。

图12示出了激光投射系统(图2的激光投射系统200的一个实施例)的一部分的说明性立体图1200，其中，激光光束1202(有时在本文中被称为“第一激光光束1202”；图10的第一激光光束1002的一个实施例)，在被第一扫描反射镜206的反射表面412反射之后，沿着所图示的光路行进并且入射到第一反射表面1204上，然后入射到第二反射表面1206上，并且然后入射在第二扫描反射镜208的反射表面414上，第二扫描反射镜208沿输入耦合器212处的路径(例如，直线或弧线)扫描第一激光光束1202。第一反射表面1204和第二反射表面1206例如是光学中继器的反射表面，诸如图2、4、5、7、8和9中任一图的光学中继器210的实施例。

第一反射表面1204被配置为将第一激光光束1202关于x-y维度聚焦到中间光瞳平面1208，其后第一激光光束1202的光束宽度关于x-y维度扩展，直到它撞击第二反射表面1206。第二反射表面1206准直第一激光光束1202并将第一激光光束1202朝向第二扫描反射镜208反射。根据各种实施例，第一反射表面1204和第二反射表面1206中的任何一个或两个具有有效放大第一激光光束1202的光学处方。也就是说，与第一扫描反射镜206和第一反射表面1204之间的第一激光光束1202在第一维度上的光束直径相比，由第一反射表面1204和第二反射表面1206的任何一个或两个引入的放大率使得第一激光光束1202在被第二反射表面1206反射后具有在第一维度上更大的光束直径。这里，第一激光光束1202在“第一维度”上的光束直径是指第一激光光束1202沿着x-y维度或沿着基本上垂直于第一扫描反射镜206的扫描维度的维度的直径。由第一反射表面1204和第二反射表面1206中的任一个或两个对第一激光光束1202在第一维度上的光束直径应用的放大的量值在本文中有时被称为“第一放大水平”。

图13示出了激光投射系统(图2的激光投射系统200的一个实施例)的一部分的说明性立体图1300，其中，激光光束1302(有时在本文中被称为“第二激光光束1302”；图11的第二激光光束1102的一个实施例)，在被第一扫描反射镜206的反射表面412反射之后，沿着所图示的光路行进并入射到第三反射表面1304上，然后入射到第四反射表面1306，并且然后入射到第二扫描反射镜208的反射表面414，第二扫描反射镜208在输入耦合器212处沿一路径(例如，直线或弧线)扫描第二激光光束1302。第三反射表面1304和第四反射表面1306例如是光学中继器的反射表面，诸如图2、4、5、7、8和9中任一个的光学中继器210的实施例。

第三反射表面1304被配置为将第二激光光束1302关于x-y维度聚焦到中间光瞳平面1308，其后第二激光光束1302的光束宽度关于x-y维度扩展，直到它撞击第四反射表面1306。第四反射表面1306准直第二激光光束1302并将第二激光光束1302朝向第二扫描反射镜208反射。根据各种实施例，第三反射表面1304和第四反射表面1306中的任一个或两个具有有效放大第二激光光束1302的光学处方。也就是说，与第一扫描反射镜206和第三反射表面1304之间的第二激光光束1302在第一维度上的光束直径相比，由第三反射表面1304和第四反射表面1306的任一个或两个引入的放大使得第二激光光束1302在被第四反射表面1306反射后具有在第一维度上更大的光束直径。这里，第二激光光束1302在“第一维度”上的光束直径是指第二激光光束1302沿着x-y维度或沿着基本上垂直于第一扫描反射镜206的扫描维度的维度的直径。由第三反射表面1304和第四反射表面1306的任一个或两个对第二激光光束1302在第一维度上的光束直径应用的放大的量值在本文中有时被称为“第二放大水平”。

图14示出了激光投射系统(图2的激光投射系统200的一个实施例)的一部分的说明性立体图1400，其包括图12的示例的第一激光光束1202和第一反射表面1204和第二反射表面1206以及图13的示例的第二激光光束1302和第三反射表面1304和第四反射表面1306的实施例。如本示例中所示，第一激光光束1202和第二激光光束1302相对于彼此在角度上分离。应当注意，第一激光光束1202和第二激光光束1302相应的光路在各个点处交叉，如图示。

在本示例中，光学中继器，诸如图2、4、5、7、8和9中任一个的光学中继器210的实施例，包括反射表面1204、1206、1304和1306。在一些实施例中，反射表面1204、1206、1304和1306中的每一个都是分立的反射元件，诸如反射镜、超表面等。在一些实施例中，反射表面1204、1206、1304和1306中的每一个被包括为模制反射中继器(例如，单片模制反射中继器)的表面。

由于第一激光光束1202和第二激光光束1302的在角度上的分离，第一激光光束1202在第二扫描反射镜208的反射表面414上具有第一入射角(例如，图10的入射角1010)，该第一入射角不同于第二激光光束1302在反射表面414上的第二入射角(例如，图10的射入角1110)。在本示例中，第一激光光束1202在反射表面414上的第一入射角比第二激光光束1302的第二入射角更接近相对于反射表面414的平面的法线，使得如果第一激光光束1202和第二激光光束1302在入射在第二扫描反射镜208时具有相同的光束直径，则第一激光光束1202在第二扫描反射镜208上的入射区域将小于第二激光光束1302的入射区域。为了适应第一激光光束1202和第二激光光束1302在第二扫描反射镜208上的相应的入射角的差异，同时第一激光光束120和第二激光光束1302最初具有相似或匹配的光束直径，如图所示，通过第一反射表面1204和第二反射表面1206中的一者或其两者向第一激光光束1202在第一维度(即，x-y维度)上的光束直径应用第一放大水平，同时通过第三反射表面1304和第四反射表面1306中的一者或其两者向第二激光光束1302在第一维度上的光束直径应用第二放大水平。例如，当第一光束和第二光束入射到第二扫描反射镜208上时，第一放大水平大于第二放大水平，使得第一激光光束1202在第一维度上的光束直径(例如光束直径约为1mm)大于第二激光光束1202在第一维度上的光束直径(例如，光束直径约为0.9mm)。在一些实施例中，分别由反射表面1204和1206以及反射表面1304和1306应用到第一激光光束1202和第二激光光束1302的相应的光束直径的第一和第二放大水平被设定为使得第一激光光束1202和第二激光光束1302在第二扫描反射镜208处的相应的入射区域具有相等或基本相等的面积、形状或两者，并且各自完全或基本上落在由第二扫描反射镜208的反射表面414限定的界限内。通过以这种方式对在角度上分离的第一激光光束1202和第二激光光束1302的相应的光束直径应用在第一维度上的不同的放大水平，能够在不增加反射表面414的大小的情况下适应第二激光光束1302在第二扫描反射镜208上的原本会更大的入射区域。例如，对于其中第二扫描反射镜的反射表面(例如，反射表面414)的大小是限制因素—原因在于增加反射表面的大小以适应两个在角度上分离的输入激光光束中的较宽角度的激光光束(例如，第二激光光束1302)的较大入射区域是不期望的—的激光投射器，这种手段可以是有益的。

虽然在本示例中示出第一激光光束1202和第二激光光束1302具有类似或相同的相应的初始光束直径(本文中的“初始光束直径”指的是第一和第二激光光束1202在被第一扫描反射镜206反射之后并且在被反射表面1204和1304反射之前的光束直径)，但是应当理解，在一些实施例中，第一激光光束1202和第二激光光束1302作为替代至少关于第一维度具有不同的初始光束直径。在一些这样的实施例中，由反射表面1204和1206应用到第一激光光束1202的第一放大水平不同于由反射表面1304和1306应用到第二激光光束1302的第二放大水平，其中，第一放大水平与第二放大水平不同。第一放大水平和第二放大水平可以使得第一激光光束1202和第二激光光束1302在被反射表面1206和1306反射之后的光束直径被调整大小以使得第一激光光束1202和第二激光光束1302在第二扫描反射镜208上的相应的入射区域相同或基本上相同，并且在一些实施例中，在给定第一激光光束1202和第二激光光束1302在第二扫描反射镜208上分别不同的入射角的情况下，具有与第二扫描反射镜208的反射表面414的形状、面积或两者相同或基本上相同的相应的形状、面积或两者。

在替选实施例中，反射表面1204、1206、1304和1306中的每一个向第一激光光束1202和第二激光光束1302提供相同的放大水平，并且第一激光光束1202和第二激光光束1302的初始光束直径被选择为分别不同(例如，关于第一维度)，使得它们在第二扫描反射镜208上的入射区域相同或基本上相同，并且在一些实施例中，具有与第二扫描反射镜208的反射表面414的面积、形状或两者相同或基本上相同的面积、形状或两者。也就是说，不同于对激光光束1202和1302应用不同的放大水平，激光光束1201和1302以分别不同的初始光束直径被引入到光学中继器，通过反射表面1204、1206、1304和1306对激光光束1202和1302中的每一个应用相同的放大水平，并且在给定激光光束1202和1302在第二扫描反射镜208上的入射角分别不同的情况下，激光光束1202和1302的分别不同的初始光束直径使得第一激光光束1203和第二激光光束1302的相应的入射区域相同或基本上相同，并且在一些实施例中，具有与第二扫描反射镜208的反射表面414的形状、面积或两者相同或基本上相同的相应的形状、面积或两者。

上述各种实施例是在生成激光并通过光学系统路由激光的场境(context)下提供的。然而，应当理解，补充或替代这样的激光和对应的激光光源，可以结合所描述的实施例使用其他适用的准直光源和对应的光。

注意，并非总体描述中上述的所有活动或元素都是需要的，特定活动或设备的一部分可能不是需要的，并且除了所描述那些的之外可以执行一个或多个另外的活动，或者还包括元素。此外，列出活动的顺序不一定是它们被执行的顺序。此外，已经参考具体实施例描述了这些概念。然而，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的范围的情况下，能够做出各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

上面已经关于具体实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点和问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点和问题的解决方案出现或变得更加明显的任何特征不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或基本特征。此外，上面公开的特定实施例仅是说明性的，因为所公开的主题可以以对于受益于本文的教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。除了所附权利要求书中所描述的之外，不旨在限制本文中所示的构造或设计的细节。因此，明显的是，可以改变或修改上面公开的特定实施例，并且所有这样的变化被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文中寻求的保护如所附权利要求书中阐述。

Claims (17)

1.一种激光投射系统，包括：

光学中继器，所述光学中继器被配置为接收和中继第一激光光束和第二激光光束，并且对所述第一激光光束和所述第二激光光束应用分别不同的放大水平以产生第一放大激光光束和第二放大激光光束，其中，所述第一激光光束和第二激光光束在角度上分离，所述第一放大激光光束和所述第二放大激光光束被扫描到所述光学中继器中；以及

第一扫描反射镜，所述第一扫描反射镜被配置为从所述光学中继器接收经放大的第一激光光束和经放大的第二激光光束。

2.根据权利要求1所述的激光投射系统，还包括：

第二扫描反射镜，所述第二扫描反射镜被配置为将所述第一放大激光光束和所述第二放大激光光束扫描到所述光学中继器中。

3.根据权利要求1或2所述的激光投射系统，其中，所述光学中继器包括：

第一反射表面，所述第一反射表面被配置为对所述第一激光光束应用第一放大水平；以及

第二反射表面，所述第二反射表面被配置为对所述第二激光光束应用第二放大水平。

4.根据权利要求3所述的激光投射系统，其中，所述光学中继器是模制反射中继器，所述第一反射表面是所述模制反射中继器的第一反射表面，并且所述第二反射表面是所述模制反射中继器的第二反射表面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光投射系统，其中，所述第一放大激光光束具有在所述第一扫描反射镜上的第一入射区域，所述第二放大激光光束具有在所述第一扫描反射镜上的第二入射区域，并且，所述第一入射区域在面积上与所述第二入射区域基本上相似。

6.根据权利要求5所述的激光投射系统，其中，所述第一扫描反射镜被配置为以第一入射角接收所述第一放大激光光束并以第二入射角接收所述第二放大激光光束，其中，所述第一入射角不同于所述第二入射角。

7.根据权利要求5所述的激光投射系统，其中，所述第一入射区域和所述第二入射区域各自由所述第一扫描反射镜的反射表面界定。

8.一种近眼显示器，包括根据权利要求1至7中任一项所述的激光投射系统，并且还包括：

眼镜框架，所述眼镜框架包括所述激光投射系统的至少一部分；以及

眼镜透镜，其中，所述激光投射系统被配置为输出所述第一激光光束和所述第二激光光束而穿过所述眼镜透镜的至少一部分。

9.一种近眼显示器，包括：

激光投射系统，包括：

光学中继器，所述光学中继器被配置为接收在角度上分离的激光光束、对所述在角度上分离的激光光束应用分别不同的放大水平以及中继经放大的在角度上分离的激光光束；以及

扫描反射镜，所述扫描反射镜被配置为接收来自所述光学中继器的经放大的在角度上分离的激光光束并扫描经放大的在角度上分离的激光光束。

10.根据权利要求9所述的近眼显示器，所述在角度上分离的激光光束包括第一激光光束和第二激光光束，所述光学中继器包括：

第一反射表面，所述第一反射表面被配置为对所述第一激光光束应用第一放大水平；以及

第二反射表面，所述第二反射表面被配置为对所述第二激光光束应用第二放大水平。

11.根据权利要求10所述的近眼显示器，其中，所述光学中继器是模制反射中继器，所述第一反射表面是所述模制反射中继器的第一反射表面，并且所述第二反射表面是所述模制反射中继器的第二反射表面。

12.根据权利要求10所述的近眼显示器，其中，所述第一激光光束具有在所述扫描反射镜上的第一入射区域，所述第二激光光束具有在所述扫描反射镜上的第二入射区域，并且所述第一入射区域在面积上与所述第二入射区域基本相似。

13.根据权利要求12所述的近眼显示器，其中，所述扫描反射镜被配置为以第一入射角接收所述第一激光光束以及以第二入射角接收所述第二激光光束，其中，所述第一入射角与所述第二入射角不同。

14.一种方法，包括：

利用光学中继器接收来自第一扫描反射镜的在角度上分离的激光光束；

利用光学中继器对在角度上分离的激光光束中的每一个应用分别不同的放大水平；以及

利用所述光学中继器将经放大的在角度上分离的激光光束中继到第二扫描反射镜。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

利用所述第二扫描反射镜接收来自光学中继器的经放大的在角度上分离的激光光束，其中，经放大的在角度上分离的激光光束中的第一激光光束具有在所述第二扫描反射镜上的第一入射角和第一入射区域，并且经放大的在角度上分离的激光光束中的第二激光光束具有在所述第二扫描反射镜上的第二入射角和第二入射区域。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，利用所述光学中继器对所述在角度上分离的激光光束中的每一个应用分别不同的放大水平包括：

利用所述光学中继器的第一反射表面对所述第一激光光束的第一光束直径应用第一放大水平；以及

利用所述光学中继器的第二反射表面对所述第二激光光束的第二光束直径应用第二放大水平。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一入射区域具有至少部分由所述第一光束直径和所述第一入射角限定的第一面积，所述第二入射区域具有至少部分由所述第二光束直径和所述第二入射角限定的第二面积，并且所述第一面积基本上类似于所述第二面积。