CN118043719A - 用于最小化波导中的双反弹的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于减少衍射角效应—诸如激光投射系统200中的双反弹的实例和反弹间隔间距效应—的系统和方法，激光投射系统(200)包括：光学引擎(202)，具有被配置为发射不同波长的光束的激光二极管(418)；以及光束组合器(224)，具有反射表面(504)，每个反射表面被配置为接收来自激光二极管中的一个激光二极管的光束中的一个光束并且反射接收到的光束，使得反射的光束的边缘位于与从其他反射表面反射的其他光束共同的切线(502)上。激光投射系统可在包括波导(205)的头戴式显示器(HMD)中实现，波导(205)具有用于接收组合光束的输入耦合器(212)，其中输入耦合器的边缘对应于多个光束的边缘在其上对准的切线。

Description

用于最小化波导中的双反弹的系统和方法

背景技术

在光学领域中，组合器是一种光学装置，其组合两个光源，例如，来自组合器外部的环境光和经由波导引导到组合器的从微型显示器传输的光。光学组合器在可穿戴平视显示器(WHUD)中使用，可穿戴平视显示器(WHUD)有时称为头戴式显示器(HMD)或近眼显示器，其允许用户查看叠加在通过WHUD观察到的用户环境上的计算机生成的内容(例如，文本、图像或视频内容)，从而创建所谓的增强现实(AR)或混合现实(MR)。

在WHUD中将光从微型显示器传输到用户的眼睛通常涉及多次反射、折射、衍射和/或偏振变化，其可能导致一些光被过早地引导出波导或偏离主路径，并且因此由于光没有到达预期目的地(即，用户的眼睛)而实际上“丢失”。这种光损失降低了WHUD的效率，并且可能导致用户观察到的图像中的像差，诸如例如不均匀的亮度和不均匀的颜色。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且本公开的许多特征和优点对于本领域技术人员而言变得显而易见。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示出了根据一些实施例的包括被配置为朝向用户的眼睛投射图像的激光投射系统的示例显示系统。

图2示出了根据一些实施例的图1的激光投射系统的框图。

图3示出了根据一些实施例的图2的激光投射系统的波导内的光传播的示例。

图4示出了根据一些实施例的图2的激光投射系统的示例实施例，其中光学中继器包括模制反射中继器。

图5示出了根据一些实施例的图4的激光投射系统的一部分，其中光学引擎和光束组合器被配置为使激光光束在切线上对准。

图6示出了根据一些实施例的WHUD——诸如图6的WHUD或图1的显示系统——的一部分的透视局部透明视图。

图7示出了根据一些实施例的包括图4的激光投射系统的示例布置的WHUD的一部分的透视局部透明视图。

图8示出了根据一些实施例的要从光学引擎提供到波导——诸如图2的光学引擎和波导——的非同心组合光束的示例横截面。

具体实施方式

在常规WHUD中，来自微型显示器的表示视觉内容的光通过输入耦合器被引导到波导中，该输入耦合器以特定角度透射或反射光，使得光以大于发生光的全内反射(TIR)的临界角的入射角入射在波导的边界上。然后，光经由TIR的多个实例沿着波导的内部体积传播，直到光到达被设计成通常朝向用户的眼睛将光引导出波导以被观察为图像或一系列图像的结构(即，输出耦合器)。

在一些情况下，波导的输入耦合器被实现为设置在波导的表面处的衍射光栅，其中衍射光栅以不同的角度衍射微型显示器光的不同波长。由于这些不同的衍射角，微型显示器光的不同波长在波导内具有不同的传播角度，并且因此在波导内的TIR反弹之间具有不同的距离。此外，每个波长的光的不同衍射角可以导致一些光通过“双反弹”效应从波导丢失，其中由输入耦合器第一次透射或反射的光可以由于从波导的表面朝向输入耦合器反射回来而第二次入射在输入耦合器上。当光第二次入射在输入耦合器上时，一些光被透射或反射出波导(即，“丢失”)，并且因此，比最初从微型显示器发射的更少的光通过波导传输到用户的眼睛，从而导致显示给用户的图像的亮度降低，潜在地降低了用户的体验。

光的每个波长的不同衍射角还可以导致针对光的每个波长的在波导内的反弹之间的不同距离。(从光束的中心测量的)两个相邻反弹之间的距离被称为“反弹间隔”，并且不同光束的相邻反弹之间的距离被称为“反弹间隔间距”。随着光的波长之间的反弹间隔和反弹间隔间距增加，显示给用户的图像中的颜色均匀性的劣化也增加。换句话说，因为具有相对短波长的光(例如，蓝光)具有比具有更长波长的光(例如，红光)小的衍射角，所以蓝光将具有比红光小的反弹间隔。也就是说，蓝光将在波导的给定区域内比红光经历更大数量的TIR反弹，并且通常，蓝光将在光束之间具有比红光小的反弹间隔间距。因此，当蓝光和红光遇到波导的输出耦合器时，蓝光将比红光经历更大数量的输出耦合反弹，这导致蓝光在比红光更多的位置中离开波导。因此，显示给观看者的图像将具有跨图像的相对一致的蓝色饱和度，而红色饱和度将在图像的某些区域中变化。

图1至图8示出了用于减少衍射角效应——诸如显示系统中的双反弹的实例和反弹间隔间距效应——的示例装置和技术的实施例。然而，应当理解，本公开的装置和技术不限于所描绘的显示系统的实现，而是可以使用本文提供的指南在各种显示系统中的任何一种中实现。在示例装置的一些实施例中，与波导相关联的微型显示器采用被配置为产生不同波长的光束的激光二极管，其中每个光束具有与当入射在波导的输入耦合器上时将被赋予特定光束的预期衍射角成比例的周界。例如，在一些实施例中，与微型显示器的激光二极管相关联的光束组合器包含反射表面，该反射表面被定位成使得发射的圆形或椭圆形光束的边缘在切线处对准，以便被偏移在输入耦合器的边缘处。也就是说，光束组合器不基于光束的中心对准光束，而是光束的边缘对准从光束组合器输出的组合光束的公共边缘。因此，示例装置和技术减少在光束在波导内传输时光束的双反弹的实例和反弹间隔间距。

图1示出了具有支撑结构102的示例显示系统100，支撑结构102包括臂104，臂104容纳激光投射系统，激光投射系统被配置为朝向用户的眼睛投射图像，使得用户将投射的图像感知为显示在透镜元件108、110中的一个或两者处的显示器的视场(FOV)区域106中。在所描绘的实施例中，显示系统100是可穿戴平视显示器(WHUD)，其包括被配置为佩戴在用户的头部上的支撑结构102，并且具有眼镜(例如，太阳镜)框架的一般形状和外观。支撑结构102包含或以其他方式包括用于促进朝向用户的眼睛的投射此类图像的各种组件，诸如激光投射器、光学扫描器和波导。在一些实施例中，支撑结构102还包括各种传感器，诸如一个或多个前置相机、后置相机、其他光传感器、运动传感器、加速度计等。支撑结构102还可以包括一个或多个射频(RF)接口或其他无线接口，诸如蓝牙(TM)接口、WiFi接口等。此外，在一些实施例中，支撑结构102还包括用于将电力供应到显示系统100的电气组件的一个或多个电池或其它便携式电源。在一些实施例中，显示系统100的这些组件中的一些或全部完全或部分地包含在支撑结构102的内部体积内，诸如在支撑结构102的区域112中的臂104内。应当注意，虽然描绘了示例形状因子，但是应当理解，显示系统100可以具有与图1中描绘的眼镜框架不同的形状和外观。

显示系统100使用透镜元件108、110中的一个或两者来提供增强现实(AR)显示，其中所渲染的图形内容可以叠加在用户通过透镜元件108、110感知到的现实世界视图上或以其他方式结合该现实世界视图来提供。例如，用于形成可感知图像或一系列图像的激光可以由显示系统100的激光投射器经由一系列光学元件——诸如至少部分地形成在对应透镜元件中的波导、一个或多个扫描镜以及一个或多个光学中继器——投射到用户的眼睛上。因此，透镜元件108、110中的一个或两者包括波导的至少一部分，该波导将由波导的输入耦合器接收到的显示光路由到波导的输出耦合器，该波导的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中的每个足够透明以允许用户透视以提供用户的现实世界环境的视场，使得图像看起来叠加在现实世界环境的至少一部分上。

在一些实施例中，投射器是基于数字光处理的投射器、扫描激光投射器或诸如激光器或一个或多个LED的调制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何组合。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/或蓝色激光二极管)和至少一个扫描镜(例如，两个一维扫描镜，其可以是基于微机电系统(MEMS)的或基于压电的)。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，处理器可执行指令和其他数据在由控制器执行时使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域大小和扫描区域位置，并且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区域106的可变区域上扫描光。扫描区域大小对应于FOV区域106的大小，并且扫描区域位置对应于FOV区域106对用户可见的透镜元件108、110之一的区域。在一些实施例中，投射器经由第一和第二扫描镜、设置在第一和第二扫描镜之间的光学中继器以及设置在第二扫描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区域106重叠。

为了减少光束在它们在波导内传输时的双反弹的实例和反弹间隔间距，在一些实施例中，与激光二极管相关联的光束组合器的反射表面被定向成使得发射的光束在切线处对准，以便将每个激光光束与波导的输入耦合器的边缘对准。下面更详细地描述这些方面的示例。

图2示出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包括第一扫描镜206、第二扫描镜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，在本示例中，输出耦合器214与用户的眼睛216光学对准。波导205的输入耦合器212至少包括第一边缘220和第二边缘222。在一些实施例中，激光投射系统200在可穿戴平视显示器或其他显示系统——诸如图1的显示系统100——中实现。

光学引擎202包括被配置为生成和输出光束218(例如，诸如红色、蓝色和绿色激光的可见激光和/或诸如红外激光的不可见激光)的一个或多个激光光源。在一些实施例中，光学引擎202耦合到驱动器或其他控制器(未示出)，其根据由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来自光学引擎202的激光光源的激光的发射的定时，以调制光束218以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，分别具有不同波长的多个光束218由光学引擎202的激光光源输出，然后经由光束组合器224组合成组合光束228，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强度，使得组合激光反映图像的一系列像素，其中每个激光光束在任何给定时间点的特定强度对由此时的组合激光表示的像素中的对应颜色含量和亮度的量有贡献。

在一些实施例中，光学扫描器204的扫描镜206和208中的一个或两者是MEMS镜。例如，扫描镜206和扫描镜208是MEMS镜，其由相应的致动电压驱动以在激光投射系统200的主动操作期间振荡，从而使扫描镜206和208扫描组合光束228。扫描镜206的振荡使得由光束组合器224输出的组合光束228穿过光学中继器210并且跨第二扫描镜208的表面来扫描。第二扫描镜208朝向波导205的输入耦合器212扫描从扫描镜206接收到的组合光束228。在一些实施例中，扫描镜206沿着第一扫描轴219振荡，使得组合光束228仅在一个维度上(即，在一条线上)跨第二扫描镜208的表面扫描。在一些实施例中，扫描镜208沿着垂直于第一扫描轴的第二扫描轴221振荡或以其他方式旋转。

在一些实施例中，输入耦合器212具有基本上矩形的轮廓，并且被配置为接收组合光束228并将组合光束228引导到波导205中。输入耦合器212由较小维度(即，宽度)和较大正交维度(即，长度)限定。在一些实施例中，输入耦合器212具有基本上圆形或正方形的形状。在一个实施例中，光学中继器210是线扫描光学中继器，其接收由第一扫描镜在第一维度(例如，对应于输入耦合器212的小维度的第一维度)上扫描的组合光束228，将组合光束228路由到第二扫描镜208，并且对组合光束228引入在第一维度上的向第二扫描镜208之后的出射光瞳的会聚。根据各种实施例，光学中继器210包括将组合光束228成形并聚焦在第二扫描镜208上的一个或多个准直透镜，或者包括模制反射中继器，该模制反射中继器包括将组合光束228成形并引导到第二扫描镜208上的两个或更多个球面、非球面、抛物线和/或自由曲面透镜。第二扫描镜208接收组合光束228并在第二维度上扫描组合光束228，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，第二扫描镜208使得组合光束228的出射光瞳沿着沿第二维度的线扫掠。在一些实施例中，输入耦合器212位于第二扫描镜208下游的扫掠线处或附近，使得第二扫描镜208将组合光束228在输入耦合器212上扫描为线或行。

在一些实施例中，光学引擎202包括边缘发射激光(EEL)二极管，每个边缘发射激光(EEL)二极管发射具有基本上椭圆形的非圆形横截面的光束218，从而产生具有椭圆形横截面的组合光束228。光学中继器210沿着其半长轴或半短轴放大或最小化组合光束228，以在组合光束228会聚在第二扫描镜208上之前使组合光束228圆形化。在一些实施例中，每个EEL二极管被配置为提供特定波长的光束218，并且与每个EEL二极管相关联的准直透镜，诸如参考图4更详细描述的准直透镜406，对从EEL二极管发射的光进行准直以产生特定周界的光束218。在一些实施例中，每个光束218的周界相对于由其他EEL发射的光束218是不同的，以便减小反弹间隔间距。也就是说，每个波长的光由EEL二极管发射并且被准直，使得其周界不同于由光学引擎202中的其他EEL发射的其他波长的光的周界。由于较短波长的光(例如，大约450nm的蓝光)相对于较长波长的光(例如，大约638nm的红光)具有较小的衍射角，因此红光的增加的光束尺寸将最小化波导205中的反弹间隔间距的量(即，给定反弹与具有相同波长的光的下一个最近反弹之间的距离)，从而最小化在激光穿过波导时由激光表示的图像中的颜色均匀性的劣化。在一些实施例中，每个准直透镜相对于对应的EEL二极管定位，以提供特定波长的激光光束，该激光光束具有由准直透镜距EEL二极管定位的距离确定的特定周界。在一些这样的实施例中，扫描镜206的镜板的表面是椭圆形的且非圆形的(例如，在形状和尺寸上类似于组合光束228的横截面积)。在其他这样的实施例中，扫描镜206的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。如本文所使用的术语“波导”将被理解为意指使用全内反射(TIR)、专门的滤光器和/或反射表面中的一个或多个来将光从输入耦合器(诸如输入耦合器212)传递到输出耦合器(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，并且波导将准直图像传递并复制到眼睛。一般而言，术语“输入耦合器”和“输出耦合器”将被理解为指代任何类型的光学光栅结构，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)、体积衍射光栅、体积全息图、表面浮雕衍射光栅和/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透射光并在透射期间将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设计的光学函数应用于光。在本示例中，使用TIR经由波导205将在输入耦合器212处接收到的光束218中继到输出耦合器214。然后，光束218经由输出器214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，诸如具有眼镜形状因子并且采用激光投射系统200的显示系统的透镜108或透镜110(图1)。

尽管在图2的示例中未示出，但是在一些实施例中，附加的光学组件被包括在光学引擎202和扫描镜206之间、扫描镜206和光学中继器210之间、光学中继器210和扫描镜208之间、扫描镜208和输入耦合器212之间、输入耦合器212和输出耦合器214之间和/或输出耦合器214和眼睛216之间的任何光路中(例如，以便使激光成形以供用户的眼睛216观察)。在一些实施例中，棱镜用于将光从扫描镜208操纵到输入耦合器212中，使得光以适当的角度耦合到输入耦合器212中，以促进光通过TIR在波导205中的传播。而且，在一些实施例中，出射光瞳扩展器(例如，下面描述的图3的出射光瞳扩展器304)，诸如折叠光栅，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，扩展光，并且将光重定向到输出耦合器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，光经由具有第一边缘220的输入耦合器212接收，并且沿着平行于第一边缘220的轴302扫描。光然后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WHUD的适眼区(eyebox)的一个或多个尺寸(例如，相对于没有出射光瞳扩展器304的WHUD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，沿着一个维度延伸的衍射光栅)。应当理解，图3示出了基本上理想的情况，其中输入耦合器212在垂直于扫描轴302的第一方向上笔直向下(相对于当前示出的视图)引导光，并且出射光瞳扩展器304在垂直于第一方向的第二方向上向右(相对于当前示出的视图)引导光。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轴302稍微或基本上是斜的，而不是精确地垂直。

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、准直透镜406和镜408。根据各种实施例，基板402是印刷电路板(PCB)或另一适用基板。

光学引擎202由一个或多个激光光源418(例如，激光二极管)的集合——诸如所示的红色激光二极管418-1、绿色激光二极管418-2和蓝色激光二极管418-3——组成，其中处理器或其他控制器操作光学引擎202以调制每个激光二极管418的相应强度，以便向生成以供显示给用户的图像的对应像素提供对应的红光、绿光和蓝光贡献。准直透镜406各自插入在光学引擎202的相应激光二极管418和光束组合器404之间的光路中。例如，每个激光光源418通过准直透镜406输出不同波长的激光(例如，对应于相应的红色、蓝色和绿色波长)，以在光束组合器224处组合，从而产生要由激光投射系统200投射的组合光束228。光束组合器404接收个体激光输入并将组合激光光束228输出到镜408，镜408将组合光束228重定向到扫描镜206的反射表面412上。扫描镜206跨第一扫描轴将组合光束228扫描到光学中继器210中。光学中继器210被配置为将组合光束228朝向扫描镜208的反射表面414路由。扫描镜208沿着垂直于第一扫描轴的第二扫描轴跨波导205的输入耦合器(诸如输入耦合器212)扫描组合光束228。

图5示出了图4的激光投射系统200的一部分500，包括光学引擎202和光束组合器224的这样的实施例：其中光束组合器224被配置为将光束218中的各束在切线502上对准。每个激光二极管418-1、418-2、418-3(统称为418)投射由一定波长范围组成的激光光束。例如，激光二极管418-1投射激光218-1，激光二极管418-2投射激光218-2，并且激光二极管418-3投射激光218-3。出于说明的目的，光束218-1、218-2和218-3(统称为218)中的每个在图5中由指示在垂直横截面(即，平行于光束的传播方向)中的光束的边缘的两条线表示。来自激光二极管418中的每个的光束218在其行进通过其相应的准直透镜406时被准直。基于随后传输到光束组合器224的准直光束218的期望周界，准直透镜406被定位在距激光二极管的一定距离处。例如，将准直透镜406定位成靠近其相应的激光二极管418导致相对小周界的光束218，而将准直透镜406定位成远离其相应的激光二极管418导致更大周界的光束218，因为光束218随着其在被相应的准直透镜406相交之前行进更长的距离已经经历了更大的色散(即，光束218的增大的周界)。

在准直透镜406处被准直之后，光束218被透射到光束组合器224，光束组合器224包括设置在其中的至少一个反射表面。在一些实施例中，光束组合器224包括反射表面504-1、504-2和504-3(统称为504)，以从相应的准直透镜406中的每个接收光束218。因此，在图5中示出的示例中，反射表面504-1接收光束218-1，反射表面504-2接收光束218-2，并且反射表面504-3接收光束218-3。在一些实施例中，反射表面504设置在光束组合器224内的平行平面处，并且因此，光束218中的每个从相应的反射表面504反射的角度相同或几乎相同。这导致反射的光束218沿着光束组合器224内的相同光路被引导，并且然后作为组合光束228彼此平行地离开光束组合器224。

光束组合器224内的反射表面504之间的间距是基于从相应的准直透镜406发射的相应光束218的周界和形状。反射表面504之间的间距还是基于沿着切线502对准反射表面中的每个上的入射点508-1、508-2、508-3(统称为508)，入射点是从相关联的准直透镜406透射的相应光束218的边缘入射在相应的反射表面504上的点。例如，光束218-1的边缘在入射点508-1处入射在反射表面504-1上，该入射点508-1沿着切线502与入射点508-2和508-3对准。因此，反射表面504之间的间距沿着z轴可变，使得光束218-1、218-2、218-3中的每个的边缘沿着切线502在其相应的入射点508处入射在其相应的反射表面504上。因此，所得到的组合光束228的边缘也与切线502对准。

如上所述，期望将组合光束228内的光束218中的每个的位置偏移远离同心，使得每个光束218的边缘在切线——诸如切线502——上对准。因为当组合光束228被引导通过光学扫描器204时维持这种对准，所以组合光束228入射在输入耦合器212上，其中组合光束228的光束218的边缘在输入耦合器212的边缘——诸如图3中示出的边缘220——处对准，因此减少光束218在它们在波导内传输时的双反弹的实例。

图6示出了包括图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表示图1的显示系统100。在本示例中，光学引擎202、光束组合器224、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离开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通过光学引擎202输出的激光携载的显示图像。光学组合器透镜604是基本上透明的，使得来自对应于WHUD 600周围的环境的现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。以这种方式，由激光投射系统200输出的图像或其他图形内容与用户环境的现实世界视图组合(例如，覆盖)以向用户提供AR体验。

尽管在所描绘的示例中未示出，但是在一些实施例中，附加光学元件被包括在光学引擎202和输入耦合器212之间、输入耦合器212和输出耦合器214之间、和/或输出耦合器214和用户的眼睛610之间的任何光路中(例如，以便使激光成形以供用户的眼睛610观察)。作为示例，棱镜用于将来自光学扫描器204的光操纵到输入耦合器212中，使得光以适当的角度耦合到输入耦合器212中，以促进光通过TIR在波导205中的传播。此外，在一些实施例中，出射光瞳扩展器(例如，出射光瞳扩展器304)，诸如折叠光栅，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，扩展光，并且将光重定向到输出耦合器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示出了表示图6的WHUD 600或图1的显示系统100的WHUD 700的一部分的透视局部透明视图。WHUD 700包括图2和图4的激光投射系统200的示例布置，其中光学中继器210是模制反射中继器。在一些实施例中，WHUD 700对应于图1的显示系统100，并且WHUD700的图示的部分对应于显示系统100的区域112。

WHUD 700的臂704容纳光学引擎202、光束组合器224、准直透镜406和第一扫描镜206的至少一部分。WHUD 700的框架区段706容纳第二扫描镜208、第一扫描镜206的部分和光学中继器210。波导205的输入耦合器212和输出耦合器214各自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)上。如前所述，由光学引擎202输出的组合光束228经由至少第一扫描镜206、光学中继器210和第二扫描镜208被路由到输入耦合器212。第一扫描镜206振荡或以其他方式旋转以沿着第一扫描轴扫描组合光束228，并且第二扫描镜208振荡或以其他方式旋转以沿着垂直于第一扫描轴的第二扫描轴扫描组合光束228。由第二扫描镜208反射的组合激光228在输入耦合器212处会聚成线。在输入耦合器212处接收到的组合光束228经由波导205被路由到输出耦合器214。然后，在输出耦合器214处接收到的光被引导出波导205(例如，朝向WHUD 700的用户的眼睛)。

为了减少被引导出波导的光的颜色均匀性的劣化，期望最小化双反弹的实例并减小反弹间隔间距。因此，诸如图6或图7的WHUD的系统包括光束组合器224，以通过将每个光束在位于波导内的光传播方向上的输入耦合器的边缘(例如，图2中示出的第一边缘220或第二边缘222)处对准，来减少光将不止一次遇到输入耦合器的可能性。通过将光束与输入耦合器的边缘对准，光束由输入耦合器引导到波导中，并且然后沿着远离输入耦合器引导的路径引导，以便减少光束不止一次遇到输入耦合器的可能性。在一些实施例中，光束组合器224包括反射表面，反射表面被配置为对准由激光投射器发射的每个激光光束，使得光束与输入耦合器的边缘相切，以便最小化经由输入耦合器进入波导的激光光束的双反弹。

图8示出了要从光学引擎提供到波导——诸如图2的光学引擎202和波导205——的组合光束228的示例横截面。在一些实施例中，组合光束228内的光束218是非同心的并且被偏移以在切线——诸如图5的切线502——上对准。沿着切线对准光束降低了光束在被引导到波导中之后第二次遇到波导的输入耦合器的可能性。横截面9-1和9-2示出了由具有不同周界的红色激光218-1、绿色激光218-2和蓝色激光218-3光束组成的圆形非同心组合光束228。横截面9-3和9-4示出了由具有不同长轴和短轴长度的红色激光218-1、绿色激光218-2和蓝色激光218-3光束组成的非同心组合光束228。在一些实施例中，通过采用至少一个对准组件来实现将光束218中的每个偏移为与输入耦合器212的边缘相切，该至少一个对准组件被配置为调整激光光束的定位，使得光束218中的每个的边缘位于共同的切线上。

如本文所公开的，一种激光投射系统包括：光学引擎，其包括被配置为发射多个光束的多个激光二极管；以及光束组合器，其具有多个反射表面，每个反射表面被配置为接收多个光束中来自多个激光二极管中的一个激光二极管的一个光束，并且反射接收到的光束，使得反射的光束的边缘位于与从多个反射表面中的其他反射表面反射的多个光束共同的切线上。在一个方面中，多个光束中的至少一个光束相对于多个光束中的至少一个其他光束具有不同的周界。在另一方面中，多个激光二极管中的每个相对于其他多个激光二极管发射在独特波长范围内的光。在再一方面中，多个反射表面被设置在与光束组合器内的光路相交的平行平面处。在又一方面中，光束组合器内的多个反射表面中的每个的位置是基于使多个光束中的每个的边缘在切线上对准。

在一个方面中，光束组合器内的多个反射表面中的每个之间的间距是基于使多个光束中的每个的边缘在切线上对准。在另一方面中，切线对应于与激光投射系统相关联的波导的输入耦合器的边缘。

在一些实施例中，一种方法包括：在包括多个激光二极管和光束组合器的激光投射系统处，光束组合器具有设置在其中的多个反射表面，其中多个反射表面中的每个被定位成接收从多个激光二极管中的一个激光二极管投射的光束：从多个激光二极管投射多个光束；以及通过从多个反射表面反射多个光束来生成组合光束，使得多个光束中的每个的边缘在切线上对准。在一个方面中，多个光束中的至少一个光束相对于多个光束中的至少一个其他光束具有不同的周界。在另一方面中，多个激光二极管中的每个相对于其他多个激光二极管发射在独特波长范围内的光。在又一方面中，多个激光二极管中的每个相对于其他多个激光二极管发射在独特波长范围内的光。

在一个方面中，多个反射表面被设置在与光束组合器内的光路相交的平行平面处。在另一方面中，光束组合器内的多个反射表面中的每个被定位成使得由多个反射表面中的每个反射的光束中的每个的边缘在与从多个反射表面中的不同一个反射的其他多个光束中的一个的边缘共同的切线上对准。在又一方面中，将光束组合器内的多个反射表面中的每个间隔开，使得由多个反射表面中的每个反射的光束中的每个的边缘在与从多个反射表面中的不同一个反射的其他多个光束中的一个的边缘共同的切线上对准。在另一方面中，切线对应于与激光投射系统相关联的波导的输入耦合器的边缘。

在一些实施方案中，一种头戴式显示器(HMD)包括：激光投射系统，该激光投射系统包括：光学引擎，该光学引擎包括被配置为发射多个光束的多个激光二极管；以及光束组合器，该光束组合器具有多个反射表面，该光束组合器被配置为通过从多个反射表面反射多个光束来生成组合光束，使得多个光束中的每个的边缘在切线上对准；以及波导，该波导具有用于接收组合光束的输入耦合器，其中输入耦合器的边缘对应于多个光束的边缘在其上对准的切线。在一个方面中，多个光束中的至少一个光束相对于多个光束中的至少一个其他光束具有不同的周界。在另一方面中，多个激光二极管中的每个相对于其他多个激光二极管发射在独特波长范围内的光。在再一方面中，多个反射表面被设置在与光束组合器内的光路相交的平行平面处。在又一方面中，光束组合器内的多个反射表面中的每个的位置和多个反射表面中的每个之间的间距是基于使多个光束中的每个的边缘在切线上对准。

注意，不是上面在一般描述中描述的所有活动或元件都是必需的，可以不需要特定活动或设备的一部分，并且除了所描述的那些之外，还可以执行一个或多个另外的活动或包括元件。此外，列出活动的顺序不一定是它们被执行的顺序。而且，已经参考具体实施例描述了概念。然而，本领域普通技术人员理解，在不脱离如随附权利要求中阐述的本公开的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性而不是限制性意义，并且所有这些修改旨在被包括在本公开的范围内。

上文已经关于具体实施例描述了益处、其他优点和问题的方案。然而，益处、优点、问题的方案以及可能导致任何益处、优点或方案发生或变得更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、必需或必要特征。此外，以上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受益于本文教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践。除了在随附权利要求书中描述的之外，不旨在限制本文所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，上面公开的特定实施例可以被改变或修改，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，本文所寻求的保护如随附权利要求书中所阐述。

Claims (20)

1.一种激光投射系统，包括：

光学引擎，所述光学引擎包括被配置为发射多个光束的多个激光二极管；以及

光束组合器，所述光束组合器具有多个反射表面，每个反射表面被配置为接收所述多个光束中的来自所述多个激光二极管中的一个激光二极管的一个光束并且反射接收到的光束，使得反射的光束的边缘位于与从所述多个反射表面中的其他反射表面反射的多个光束共同的切线上。

2.根据权利要求1所述的激光投射系统，其中，所述多个光束中的至少一个光束相对于所述多个光束中的至少一个其他光束具有不同的周界。

3.根据权利要求2所述的激光投射系统，其中，所述多个激光二极管中的每个激光二极管相对于其他多个激光二极管以独特波长范围发射光。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的激光投射系统，其中，所述多个反射表面被设置在与所述光束组合器内的光路相交的平行平面处。

5.根据权利要求4所述的激光投射系统，其中，所述光束组合器内的所述多个反射表面中的每个反射表面的位置是基于使所述多个光束中的每个光束的边缘在切线上对准。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的激光投射系统，其中，所述光束组合器内的所述多个反射表面中的每个反射表面之间的间距是基于使所述多个光束中的每个光束的边缘在切线上对准。

7.根据权利要求5所述的激光投射系统，其中，所述切线对应于与所述激光投射系统相关联的波导的输入耦合器的边缘。

8.一种方法，包括：

在包括多个激光二极管和光束组合器的激光投射系统处，所述光束组合器具有设置在其中的多个反射表面，其中所述多个反射表面中的每个反射表面被定位来接收从所述多个激光二极管中的一个激光二极管投射的光束：

从所述多个激光二极管投射多个光束；以及

通过从所述多个反射表面反射所述多个光束来生成组合光束，使得所述多个光束中的每个光束的边缘在切线上对准。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个光束中的至少一个光束相对于所述多个光束中的至少一个其他光束具有不同的周界。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，所述多个激光二极管中的每个激光二极管相对于其他多个激光二极管以独特波长范围发射光。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个激光二极管中的每个激光二极管相对于其他多个激光二极管以独特波长范围发射光。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的方法，其中，所述多个反射表面被设置在与所述光束组合器内的光路相交的平行平面处。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述光束组合器内的所述多个反射表面中的每个反射表面被定位成使得由所述多个反射表面中的每个反射表面反射的光束中的每一个的边缘在与从所述多个反射表面中的不同的一个反射表面反射的其他多个光束中的一个光束的边缘共同的切线上对准。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将所述光束组合器内的所述多个反射表面中的每个反射表面间隔开，使得由所述多个反射表面中的每个反射表面反射的光束中的每一个的边缘在与从所述多个反射表面中的不同的一个反射表面反射的其他多个光束中的一个光束的边缘共同的切线上对准。

15.根据权利要求8至14中的任一项所述的方法，其中，所述切线对应于与所述激光投射系统相关联的波导的输入耦合器的边缘。

16.一种头戴式显示器(HMD)，包括：

激光投射系统，所述激光投射系统包括：

光学引擎，所述光学引擎包括被配置为发射多个光束的多个激光二极管；以及

光束组合器，所述光束组合器具有多个反射表面，所述光束组合器被配置为通过从所述多个反射表面反射所述多个光束来生成组合光束以使得所述多个光束中的每个光束的边缘在切线上对准；以及

波导，所述波导具有用于接收所述组合光束的输入耦合器，其中所述输入耦合器的边缘对应于这样的切线：所述多个光束的边缘在所述切线上对准。

17.根据权利要求16所述的HMD，其中，所述多个光束中的至少一个光束相对于所述多个光束中的至少一个其他光束具有不同的周界。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的HMD，其中，所述多个激光二极管中的每个激光二极管相对于其他多个激光二极管以独特波长范围发射光。

19.根据权利要求16至18中的任一项所述的HMD，其中，所述多个反射表面被设置在与所述光束组合器内的光路相交的平行平面处。

20.根据权利要求16至19中的任一项所述的HMD，其中，所述光束组合器内的所述多个反射表面中的每个反射表面的位置和所述多个反射表面中的每个反射表面之间的间距是基于使所述多个光束中的每个光束的边缘在切线上对准。