CN213423601U - 激光扫描投射系统及虚拟现实或增强现实头戴式装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种激光扫描投射系统及虚拟现实或增强现实头戴式装置。该激光扫描投射系统包括被构造成朝向一对偏振分束器发射光的激光源。所述偏振分束器将光通过多个四分之一波片引导到多个反射镜上。激光扫描投射系统还包括波导，该波导具有输入件，该输入件构造成接收光以使形成在激光扫描器处的出射光瞳被中继到波导中。该虚拟现实或增强现实头戴式装置包括激光扫描投射系统。

Description

激光扫描投射系统及虚拟现实或增强现实头戴式装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于照射波导的激光扫描投射系统。本实用新型还涉及一种虚拟现实或增强现实头戴式装置(headset)，该头戴式装置包括显示器，该显示器具有波导，以及用于照射波导的激光扫描投射系统。

背景技术

在增强现实装置中使用波导是众所周知的。图像通过输入光栅从光源耦合到波导中。增强现实装置的佩戴者可以通过波导查看耦合的图像，从而将虚拟图像叠加在佩戴者的真实世界视野上。

当将图像投射到波导中时，重要的是，投射器的出射光瞳与波导上的期望位置(诸如，波导上的输入光栅)重合。这确保了将图像高效地耦合到波导中，并且不会出现渐晕现象。

尽管这可以用常规的投射器成功地实现，但是在使用激光扫描投射器的情况下却是不可能的。激光扫描投射器受到限制使得投射器的出射光瞳在扫描镜上。激光扫描器通常采用扫描镜的离轴光照。这会引起问题，即难以在不中断照射光束的情况下将波导靠近扫描器移动。由于出射光瞳与输入光栅之间的物理位移以及从扫描镜出射的光的角度范围，一些光会渐晕和消失。对于较大的视场，该问题被放大。

克服这一问题的一种方法是使用透镜来中继光瞳，以在相对于波导的输入光栅的期望位置处产生出射光瞳。该位置可以是在输入光栅处，或者在多个输入光栅之间的波导堆叠体中。然而，将需要复杂的透镜系统来实现成功的光瞳中继。很难以紧凑的方式在常理尺寸的视场上做到这一点。这使得在增强现实显示器中使用激光扫描投射器是不可行的。对于要求小巧、紧凑且重量轻的头戴式增强现实显示器而言尤其如此。

本实用新型旨在解决将激光扫描投射器用于增强现实显示器或虚拟现实显示器的这些问题。

实用新型内容

根据本实用新型的一个方面，提供了一种在照射增强现实或虚拟现实头戴式装置的波导中使用的激光扫描投射系统，该系统包括：激光源，其构造成发射光；第一偏振分束器，其构造成接收来自激光源的光；第一四分之一波片，其构造成接收来自第一偏振分束器的光；激光扫描器，其包括可枢转地安装的扫描镜且构造成接收来自第一四分之一波片的光并引导所述光跨过像场角(angular field of view)，从而形成出射光瞳；第二偏振分束器，其构造成经由第一四分之一波片和第一偏振分束器接收来自激光扫描器的光；第二四分之一波片，其布置在第二偏振分束器的第一面处，并构造成接收来自第二偏振分束器的光；第一反射镜，其布置在第二偏振分束器的第一面处且构造成接收来自第二偏振分束器通过第二四分之一波片的光，并且经由第二四分之一波片朝向第二偏振分束器反射光；第三四分之一波片，其布置在第二偏振分束器的第二面处且构造成接收来自第二偏振分束器的光；第二反射镜，其布置在第二偏振分束器的第二面处且构造成接收在被第一反射镜反射后来自第二偏振分束器通过第三四分之一波片的光，第二反射镜构造成经由第三四分之一波片朝向第二偏振分束器反射光；第四四分之一波片，其布置在第二偏振分束器的第三面处且构造成接收来自第二偏振分束器的光；第三反射镜，其布置在第二偏振分束器的第三面处且构造成接收在被第二反射镜反射后来自第二偏振分束器通过第四四分之一波片的光，第三反射镜构造成经由第四四分之一波片朝向第二偏振分束器反射光；波导，其包括输入件，该输入件构造成接收在被第三反射镜反射后经由第二偏振分束器来自第一偏振分束器的光，使得在激光扫描器处形成的出射光瞳被中继到波导中。

部件的这种布置允许入射在激光扫描器上的光是同轴的。这是通过第一偏振分束器引导来自激光源的光使其平行于激光扫描镜的法线(同轴) 入射而不是以掠射角入射来实现的。这允许在无需中断来自激光的照射光束的情况下将波导靠近激光扫描器定位。另外，使光多次入射在偏振分束器上还由于光路径被弯折而使得能够实现紧凑的设计。在用于诸如虚拟现实或增强现实头戴式装置之类的要求小尺寸的应用的波导中，这是有利的。

另外，主要优点在于，同轴光照减少了扫描镜对光束的最大畸变，从而消除了校正畸变的需要。

激光扫描系统确保将由扫描镜限定的光瞳作为出射光瞳中继到波导中。另外，激光扫描投射系统布置允许控制波导中的图像的尺寸/出射光瞳的尺寸。在实现这一点的同时，确保了激光扫描器的出射光瞳高效地耦合到波导中使得图像不渐晕。

光穿过激光扫描系统的通行由偏振分束器和四分之一波片光学部件控制。

取决于入射光的偏振，第一偏振分束器和第二偏振分束器允许入射在它们上的光通过或者被反射。这确保了光在入射到波导中之前顺序地入射在第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上。

四分之一波片将光的偏振状态从线偏振变为圆偏振，以及从圆偏振变为线偏振。各四分之一波片的布置可以使得光束在入射到第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜中的至少一者上时被圆偏振。特别地，各四分之一波片的布置可以使得光在从第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜中的每一者反射之后入射到第二偏振分束器上时被线偏振。

在激光扫描器处形成的出射光瞳被中继到波导中，使得出射光瞳形成在波导内的位置处。这可以是在波导的输入件处。替代性地，出射光瞳可以形成在波导内的任何其他位置。对于单个波导，出射光瞳可以形成在波导的输入光栅处。这可以实现光到波导中的最佳耦合效率。在波导是波导的堆叠体的情况下，出射光瞳可以形成在波导堆叠体中的第一波导的输入件与波导堆叠体中的最终波导的输入件之间的某处的位置上。

输入件可以是波导的输入光栅。输入光栅将光耦合到波导中。替代性地，输入件可以是适合于将光耦合到波导中的反射器或透镜。

优选地，第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜中的两个反射镜各自具有与另一反射镜的主轴线正交的主轴线。

例如，第一反射镜可以具有在第一方向上布置的主轴线，第二反射镜和第三反射镜可以具有在与第一方向正交的第二方向上布置的主轴线。这样，第二反射镜和第三反射镜彼此面对，使得第一反射镜基本上垂直于第二反射镜和第三反射镜布置。偏振分束器可用于在反射镜之间引导光。

第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜中的至少一者可以是凹面的。这会导致光在被反射离开凹面反射镜时会聚。这使得来自激光扫描器的发散光能够会聚，从而光可以耦合到波导中。优选地，第一反射镜和第三反射镜是凹面的。以这种方式，使得光当被反射离开第一反射镜和/或第三反射镜时会聚。

优选地，第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜中的至少一者是凸面的。以这种方式，使得光束在被反射离开凸面镜时发散。这使得能够实现激光扫描投射系统的紧凑设计。优选地，第二反射镜是凸面的。通过具有凸面的第二反射镜，从第一反射镜反射的会聚光可以被反射离开第二反射镜使得其发散。

优选地，第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜中的至少两者具有彼此不同的焦距。以这种方式，允许在输入光栅处控制出射光瞳尺寸。焦距的范围可以是-0.5mm至-无限距，或+0.5mm至+无限距。

可以通过具有彼此不同的曲率半径的反射镜来实现焦距的差异。反射镜的曲率半径影响光的会聚或发散的量。对于凹面镜，与具有较小曲率半径的反射镜相比，较大的曲率半径导致较少的会聚。对于凸面镜，与较小的曲率半径相比，较大的曲率半径导致较小的发散。

在其他布置中，反射镜中的一者可以是平坦的并且具有无限的曲率半径。这可以在不需要矫正像散现象的情况下使用。平面镜可以是第二反射镜。

在其他布置中，焦距的差异可以通过由具有彼此不同折射率的玻璃制成的反射镜来实现。以这种方式，第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜中的至少一者可以由具有与其他反射镜的玻璃的折射率不同的折射率的玻璃制成。替代性地或附加地，一个或多个偏振分束器可以由具有不同折射率的玻璃制成。

偏振分束器和/或第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜可以由任何类型的光学玻璃制成。这可以包括在镜片的构造中使用的具有已知折射率的任何透明均质玻璃。例如，反射镜可以由光学硼硅酸盐冕玻璃制成，也称为N-BK7。替代性地，可以使用任何其他类型的玻璃、聚合物或其他光学透明材料。

在一些布置中，第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜中的至少两者可以具有彼此不同的焦距。以这种方式，通过使所述反射镜中的至少两个反射镜的焦距之间有差别，可以实现分辨率的提高。这使得能够控制中继到波导中的光瞳的尺寸。在一些布置中，第一反射镜和第三反射镜可以具有彼此不同的焦距。这可以增大在波导处形成的出射光瞳的图像的尺寸。这可以导致波导处分辨率的提高。另外，这可以导致波导伪像的减少，诸如在较厚的基底中的条带。在其他布置中，所有第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜可以具有彼此不同的焦距。焦距的差异可以通过许多不同的方式来实现。例如，反射镜的曲率半径的差异，或者通过使反射镜或偏振分束器由具有不同折射率的玻璃制成，如上所述。

第二偏振分束器可以与反射镜接触，使得在第二偏振分束器与各反射镜之间不存在气隙。在其他布置中，一个或多个反射镜可以与第二偏振分束器间隔开，从而在第二偏振分束器与所述一个或多个反射镜之间存在气隙。有利地，具有该气隙可以有助于制造公差。在一种布置中，可以在第三反射镜与第二偏振分束器之间存在气隙。在这种布置中，能够通过使第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的焦距彼此不同而保持在激光扫描器上形成的输入出射光瞳和中继到波导中的出射光瞳为相同的尺寸(即，放大倍率为1倍)。替代性地，这可以通过在第一反射镜或第二反射镜与第二偏振分束器之间具有气隙来实现。

优选地，中继到波导中的出射光瞳大于形成在激光扫描器处的出射光瞳。在其他布置中，中继到波导中的出射光瞳可以与形成在激光扫描器处的出射光瞳具有相同的尺寸(即1倍放大倍率)。可以控制中继到波导中的出射光瞳的尺寸，以使其被针对波导的所需特性进行优化。可以控制该尺寸以确保出射光瞳耦合到输入光栅中或波导内的特定位置。这样可以确保不损失任何光，并最大化效率和均匀性。在其他布置中，中继到波导中的出射光瞳可以小于通过激光扫描器形成的出射光瞳。

优选地，激光源是RGB激光源。以此方式，激光扫描投射系统使得能够形成全彩色图像。替代性地，激光源可以是单色激光源或多色激光源。例如，激光源不限于RGB，并且可以使用任何其他颜色。在某些布置中，激光源可以是超辐射发光二极管。

激光扫描镜可以是微机电系统(MEMS)装置。扫描镜可以是电流计扫描振镜(扫描振镜)。替代性地，可以使用任何类型的反射或折射扫描元件。

第一反射镜、第二反射镜或第三反射镜中的任何一者可以是球面的、非球面的、抛物面的或自由形式的反射镜。

在某些布置中，激光扫描投射系统的尺寸可以为在10mm的量级。在其他布置中，激光扫描投射系统的尺寸可以更大，例如在100mm的量级或更大。在其他布置中，激光扫描投射系统的尺寸可以更小，例如在1mm的量级或更小。

根据本实用新型的一方面，提供了一种虚拟现实或增强现实头戴式装置，该虚拟现实或增强现实头戴式装置包括：用于照射波导的如以上方面所述的激光扫描投射系统。

根据本实用新型的一方面，提供了一种使用激光扫描投射系统照射增强现实或虚拟现实头戴式装置的波导的方法。该方法包括：从激光源发出光；在第一偏振分束器处接收来自激光源的光；在第一四分之一波片处接收来自第一偏振分束器的光；在包括可枢转地安装的扫描镜的激光扫描器处接收从第一四分之一波片接收的光并引导所述光跨过像场角，从而形成出射光瞳；在第二偏振分束器处经由第一四分之一波片和第一偏振分束器接收来自激光扫描器的光；在布置在第二偏振分束器的第一面处的第二四分之一波片处接收从第二偏振分束器接收的光；在布置在第二偏振分束器的第一面处的第一反射镜处接收来自第二偏振分束器经由第二四分之一波片接收的光并经由第二四分之一波片朝向第二偏振分束器反射所述光；在布置在第二偏振分束器的第二面处的第三四分之一波片处接收从第二偏振分束器接收的光；在布置在第二偏振分束器的第二面处的第二反射镜处接收在被第一反射镜反射后来自第二偏振分束器经由第三四分之一波片接收的光，且第二反射镜经由第三四分之一波片朝向第二偏振分束器反射所述光；在布置在第二偏振分束器的第三面处的第四四分之一波片处接收来自第二偏振分束器的光；在布置在第二偏振分束器的第三面处的第三反射镜处接收在被第二反射镜反射后来自第二偏振分束器经由第四四分之一波片接收的光，第三反射镜经由第四四分之一波片朝向第二偏振分束器反射所述光；在波导的输入件处接收在被第三反射镜反射后经由第二偏振分束器来自第一偏振分束器的光，使得在激光扫描器处形成的出射光瞳被中继到波导中。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的激光扫描投射系统的示意图；

图2至图5是本实用新型实施例中的激光扫描投射系统的各部分的示意图，示出了光在其通过系统时的路径；以及

图6是本实用新型的另一实施例中的激光扫描投射系统的一部分的示意图，示出了光在其通过系统时的路径。

具体实施方式

图1示出了本实用新型的激光扫描投射系统100。

RGB激光源2被布置定向为沿第一方向发光。在图1所示的布置中，第一方向沿y轴。激光扫描器4与激光源2间隔开。激光扫描器4沿着x 轴在负x方向上和沿着y轴在y方向上与激光源2分开。激光扫描器4被布置成基本上沿垂直于第一方向的第二方向反射光，即，基本上沿着x轴反射光。

激光源2与激光扫描器4之间设置有第一偏振分束器6。第一偏振分束器6具有第一面7a、第二面7b、第三面7c和第四面7d。第一面7a和第三面7c在彼此平行的平面中。第二面7b和第四面7d在彼此平行的平面中。第一面7a和第三面7c在与第二面7b和第四面7d正交的平面中。

激光源布置在第一偏振分束器6的第四面7d处。激光扫描器布置在第一偏振分束器6的第三面7c处。

在第一偏振分束器6与激光扫描器4之间设置有第一四分之一波片8。

第二偏振分束器10与第一偏振分束器6相邻而位于第一偏振分束器6 的沿光路径最远离激光扫描器4的第一面7a处。第二偏振分束器10比第一偏振分束器6沿着x轴正方向更远。

第二偏振分束器10具有第一面14a、第二面14b、第三面14c和第四面14d。第一面14a和第三面14c在彼此平行的平面中。第二面14b和第四面14d在彼此平行的平面中。第一面14a和第三面14c在与第二面14b 和第四面14d正交的平面中。

围绕第二偏振分束器10在其面中的三个面处布置有三个反射镜12a、 12b、12c。

第一反射镜12a位于第二偏振分束器10的第一面14a处。第一反射镜 12a是凹面的。第一面14a是沿着光路径距离激光扫描器4最远的面。第一反射镜12a的主轴线沿着x轴指向。

第二反射镜12b位于第二偏振分束器10的第二面14b处。第二反射镜 12b是凸面的。第二反射镜12b的主轴线与第一反射镜12a的主轴线正交。第二反射镜12b的主轴线沿着y轴指向。

第三反射镜12c位于第二偏振分束器10的第四面14d处。第三反射镜12c是凹面的。第三反射镜12c的主轴线平行于第二反射镜12b的主轴线。第三反射镜12c的主轴线沿着y轴指向。

在各反射镜12a、12b、12c与第二偏振分束器10之间分别是四分之一波片16a、16b、16c。

波导18被布置为使其最大轴平行于x轴。波导具有位于波导18的输入端22处的输入光栅20。波导18的输入端22位于第一偏振分束器6的第二面7b处。

现在将参照图1至图5描述通过激光扫描投射系统100的光的路径。

图1示出了通过激光扫描投射系统100的完整光线路径。图2至图5 示出光线路径的一部分，示出了激光投射系统100的一部分。

如图1所示，激光源2沿y轴发光。所述光在第一偏振分束器6的第四面7d处入射在第一偏振分束器6上。当光在S偏振状态下被线偏振时，所述光被第一偏振分束器6反射。第一偏振分束器6使光沿x轴反射，从而光在第一偏振分束器6的第三面7c处从第一偏振分束器6出射。

然后，光入射到四分之一波片8上。四分之一波片8将线偏振光改变为圆偏振光。然后，光入射到激光扫描器4上。

激光扫描器4包括安装在枢轴上的扫描镜。扫描镜沿y轴扫描整个像场角，从而产生出射光瞳。激光扫描器4反射的光发散。在反射时，偏振的旋向性改变。

从图2可以看出，然后，来自激光扫描器4的光行进返回穿过四分之一波片8。四分之一波片8将光在P偏振状态下从圆偏振光改变为线偏振光。然后，光入射在第一偏振分束器6的第三面7c上。当光处于P偏振状态时，光直行穿过第一偏振分束器6在第一偏振分束器6的第一面7a处出射。然后，光行进穿过第二偏振分束器10的第三面14c。如同第一偏振分束器6的情况一样，当光处于P偏振状态时，光直行穿过第二偏振分束器 10，并在第二偏振分束器10的第一面14a处出射。

然后，光穿过四分之一波片16a。四分之一波片16a将光从线偏振光改变为圆偏振光。

然后，光入射在第一反射镜12a上。如图3中可见，光被第一反射镜 12a朝向第二偏振分束器10反射回来。反射光现在会聚。由第一反射镜12a 反射的光再次穿过四分之一波片16a。四分之一波片16a将光在S偏振状态下从圆偏振光改变为线偏振光。

然后，光通过第一面14a进入第二偏振分束器10。当光处于S偏振状态时，光被沿y轴反射以从第二偏振分束器10的第二面14b出射。

然后，光穿过四分之一波片16b。四分之一波片16b将光从线偏振光改变为圆偏振光。

然后，光入射在第二反射镜12b上。如从图4中可以看出，光被第二反射镜12b朝向第二偏振分束器10反射回来。反射的光现在发散。由第二反射镜12b反射的光再次行进穿过四分之一波片16b。四分之一波片16b 将光在P偏振状态下从圆偏振光改变为线偏振光。

然后，光通过第二面14b进入第二偏振分束器10。当光处于P偏振状态时，光沿y轴行进通过第二偏振分束器10以从第二偏振分束器10的第四面14d出射。

然后，光穿过四分之一波片16c。四分之一波片16c将光从线偏振光改变为圆偏振光。

然后，光入射在第三反射镜12c上。如从图5中可以看出，光被第三反射镜12c朝向第二偏振分束器10反射回来。反射光现在会聚。由第三反射镜12c反射的光再次行进穿过四分之一波片16c。四分之一波片16c将光在S偏振状态下从圆偏振光改变为线偏振光。

然后，光通过第四面14d进入第二偏振分束器10。当光处于S偏振状态时，光被沿x轴反射以从第二偏振分束器10的第三面14c出射。

然后，光通过第一偏振分束器6的第一面7a进入第一偏振分束器6。当光处于S偏振状态时，光被沿y轴反射以从第一偏振分束器6的第二面 7b出射。

然后，光入射到波导18的输入光栅20上。从图5可以看出，所有光都耦合到输入光栅20中。这使激光扫描器的出射光瞳中继到输入光栅20 上。

上述的激光扫描投射系统100提供了一种将来自激光扫描器4的光耦合到波导18中的紧凑方式。这使得其可以用于头戴式增强现实显示器 (HMD)。另外，由于反射镜12a、12b和12c与入射在其上的光同轴，所以它们较不容易出现当反射镜以离轴光照布置时会出现的像差。

图6示出了激光扫描投射系统的另一种布置。部件被赋予与图1至图 5所示部件相同的附图标记。该布置的不同之处在于，第一偏振分束器6 被布置为使得其中心反射轴沿与第二偏振分束器的取向不同的取向定向。与图1至图5所示的第一偏振分束器相比，该第一偏振分束器以180°定向。这导致光采取的通过系统的路径与图1至图5的光路径不同。在最终反射出第一偏振分束器6之前，光采取的路径与图1至图5的相同。在图6中，光在如上所述地被每个反射镜12a、12b、12c反射之后，然后被反射为使得光在入射到波导(未示出)上之前通过侧面7d从第一偏振分束器出射。当然，图6中的激光源2尽管未示出但将改为位于第一偏振分束器的与图 1所示的不同的一侧，诸如在侧面7b。

在其它布置中，第一偏振分束器6可以改为以相对于图1至图5示出的第一偏振分束器的任何角度定向。在一种布置中，第一偏振分束器6可以被初始地布置为相对于图1至图5所示的第一偏振分束器6成90°。在这种布置中，在第一偏振分束器与第二偏振分束器之间将需要二分之一波片。

利用本实用新型的激光扫描投射系统100，可以控制中继到波导18中的出射光瞳的尺寸。这可以通过改变反射镜12a、12b、12c的焦距、例如通过改变它们的曲率来实现。

例如，可以增大中继的光瞳的尺寸，使得其大于在激光扫描器处形成的光瞳。这样做的好处是减少了波导伪像，诸如在较厚的基底中的条带。

另外，有可能通过使出射光瞳更大来改变当使用本实用新型的激光扫描投射系统100时获得的分辨率。激光扫描投射器通常受其窄光束宽度的限制。当观看者的眼睛直接观看时，激光未充盈眼睛的晶状体。这可以通过查看以下方程式中的标准瑞利准则看出。

其中θ是以弧度为单位的角分辨率，λ是以米为单位的光的波长，D 是以米为单位的镜头光圈(晶状体孔径)的直径。其中，激光未充盈眼睛的晶状体，这减小了上式中的D。这限制了获得的分辨率。

示例1：第一反射镜12a和第三反射镜12c的焦距相同，导致无光瞳放大。

在扫描器处获得的视场为35.4°

在波导处获得的视场为35.4°

中继的出射光瞳的大小为1mm

550nm的衍射极限分辨率＝2.3弧分。

示例2：第一反射镜12a和第三反射镜12c的焦距不相同，导致1.4倍的光瞳放大率。

在扫描器处获得的视场为35.4°

在波导处获得的视场为25°

中继的出射光瞳的大小为1.4mm

550nm的衍射极限分辨率＝1.65弧分

从上面的示例1中可以看出，第一反射镜12a和第三反射镜12c的焦距相同，因此中继的出射光瞳的直径为1mm，中继的放大倍率为1倍。而在示例2中，通过改变第一反射镜12a和第三反射镜12c的焦距使得它们不相同，从而实现了1.4mm的较大的中继的出射光瞳，因此中继的放大倍率为1.4倍。

从以上示例可以看出，该系统可以被设计为使得中继的出射光瞳被放大，并且视场被必要地减小。因此，所获得的分辨率提高是以视场为代价的。但是，对于某些应用，分辨率的提高在价值上超过视场的损失。

改变反射镜12a和第三反射镜12c的焦距可以通过使第一反射镜12a 的曲率半径不同于第三反射镜12c的曲率半径来实现。例如，在典型的说明性示例中，每个反射镜的曲率半径可以是：第一反射镜12a R＝12.25mm，第二反射镜12b R＝6.47mm，第三反射镜12c R＝15.46mm。通过这种布置，对于1mm的输入光瞳直径，实现了直径1.55mm的出射光瞳。这些值仅是说明性的，并且可以被增大一个或多个数量级。

替性代地，可以通过其他方式来实现焦距改变，诸如通过使各反射镜具有彼此不同的折射率的玻璃。

在其他布置中，可以存在呈波导堆叠体形式的多个波导18，这些波导沿y方向堆叠。激光扫描投射系统能够使出射光瞳被中继在相对于波导堆叠体中的各波导的最佳位置。这可以不必一定在所述波导中的一个波导的输入光栅处，如上所述地。相反，将出射光瞳中继在介于堆叠体中的各波导之间可能是有益的。对于两个波导，这可以恰好是各波导上的相应的输入光栅之间的中途位置。替代性地，出射光瞳可以被中继为形成在堆叠体的各波导中的特定的一个波导处。这可以是针对效率较低的波导，其使得能够得到提高性能的系统。

波导堆叠体可以包括红色波导、绿色波导和蓝色波导。如果期望控制波导中的特定颜色的一个波导的效率，则可以中继出射光瞳为使该出射光瞳形成在该特定波导内。替代性地，出射光瞳可以以与图1至图6所示类似的方式中继到波导堆叠体中的第一波导的输入光栅上。

图1至图6所示的偏振分束器是偏振分束器立方体。上述各附图描述了偏振分束器的四个面。然而，本领域技术人员将理解，偏振分束器可以具有另外的面。所描述的布置是在2D平面中观察时的布置，其中偏振分束器立方体布置成使得它们以上述方式引导光。

本实用新型还包括对上述方法和设备的许多改型和变型。

激光扫描投射系统可以用于增强现实或虚拟现实头戴式显示器。替代性地，它们可以用于任何类型的增强现实或虚拟现实显示器。

以上布置中描述的激光源是RGB激光器。然而，取决于所需的用途，激光扫描投射系统可以与任何类型的激光器一起使用。所述激光器可以是任何类型的可见波长源。例如，在其他布置中，激光器可以是单色激光源。

输入光栅可以不必是波导的输入光栅。替代性地，它可以是将光耦合到波导中的任何输入件。例如，它可以是适合于将光耦合到波导中的反射器或透镜。

波导可以是被构造成接收光的任何类型的波导。在一些布置中，波导可以是衍射波导。在其他布置中，波导可以是反射波导。

可以根据其使用需求来修改激光扫描投射系统的光学器件的布置。例如，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜可以位于第二偏振分束器的为所描述的布置的替代性面处。替代性地，可以改变光的偏振，使得光采取不同的路径通过激光扫描投射系统。例如，光可以通过具有不同的初始偏振状态而首先入射在第三反射镜而不是第一反射镜上。

此外，可以将附加的光学部件插入上述的激光扫描投射系统中。例如，可以插入另外的反射镜、偏振分束器、四分之一波片或其他光学部件。这可以引起光路径的方向性改变。在其他布置中，光学部件可以用实现相同或相似效果的其他光学部件代替。例如，四分之一波片可以被去除、替换或重新定位。附加地或替代性地，可以在中继之前或之后包括附加的透镜。这些透镜可以有助于校正像差。

在上面描述的一个部件已经从另一部件接收光的情况下，该光不是必须直接从该部件接收。在一些替代性布置中，光可以在入射到最终部件上之前与附加的中间部件相互作用。

Claims (11)

1.一种激光扫描投射系统，在照射增强现实或虚拟现实头戴式装置的波导中使用，其特征在于，所述激光扫描投射系统包括：

激光源，所述激光源构造成发射光；

第一偏振分束器，所述第一偏振分束器构造成接收来自所述激光源的所述光；

第一四分之一波片，所述第一四分之一波片构造成接收来自所述第一偏振分束器的所述光；

激光扫描器，所述激光扫描器包括可枢转地安装的扫描镜，所述激光扫描器构造成接收来自所述第一四分之一波片的所述光并引导所述光跨过像场角，从而形成出射光瞳；

第二偏振分束器，所述第二偏振分束器构造成经由所述第一四分之一波片和所述第一偏振分束器接收来自所述激光扫描器的所述光；

第二四分之一波片，所述第二四分之一波片布置在所述第二偏振分束器的第一面处，并构造成接收来自所述第二偏振分束器的所述光；

第一反射镜，所述第一反射镜布置在所述第二偏振分束器的所述第一面处，所述第一反射镜构造成接收来自所述第二偏振分束器通过所述第二四分之一波片的所述光，并且经由所述第二四分之一波片朝向所述第二偏振分束器反射所述光；

第三四分之一波片，所述第三四分之一波片布置在所述第二偏振分束器的第二面处且构造成接收来自所述第二偏振分束器的所述光；

第二反射镜，所述第二反射镜布置在所述第二偏振分束器的所述第二面处，所述第二反射镜构造成接收在被所述第一反射镜反射后来自所述第二偏振分束器通过所述第三四分之一波片的所述光，所述第二反射镜构造成经由所述第三四分之一波片朝向所述第二偏振分束器反射所述光；

第四四分之一波片，所述第四四分之一波片布置在所述第二偏振分束器的第三面处并构造成接收来自所述第二偏振分束器的所述光；

第三反射镜，所述第三反射镜布置在所述第二偏振分束器的所述第三面处，所述第三反射镜构造成接收在被所述第二反射镜反射后来自所述第二偏振分束器通过所述第四四分之一波片的所述光，所述第三反射镜构造成经由所述第四四分之一波片朝向所述第二偏振分束器反射所述光；

波导，所述波导包括输入件，所述输入件构造成接收在被所述第三反射镜反射后经由所述第二偏振分束器来自所述第一偏振分束器的所述光，使得在所述激光扫描器处形成的所述出射光瞳被中继到所述波导中。

2.根据权利要求1所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜或所述第三反射镜中的两个反射镜各自具有与另一反射镜的主轴线正交的主轴线。

3.根据权利要求2所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述第一反射镜具有在第一方向上布置的主轴线，所述第二反射镜和所述第三反射镜具有在与所述第一方向正交的第二方向上布置的主轴线。

4.根据权利要求1或2所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜或所述第三反射镜中的至少一者是凹面的。

5.根据权利要求1或2所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜或所述第三反射镜中的至少一者是凸面的。

6.根据权利要求1或2所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜或所述第三反射镜中的至少两者具有彼此不同的焦距。

7.根据权利要求6所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述不同的焦距是通过具有彼此不同的曲率半径的反射镜或者由具有彼此不同的折射率的玻璃制成的反射镜获得的。

8.根据权利要求1或2所述的激光扫描投射系统，其特征在于，中继到所述波导中的所述出射光瞳大于形成在所述激光扫描器处的所述出射光瞳。

9.根据权利要求1或2所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述激光源是RGB激光源。

10.根据权利要求1或2所述的激光扫描投射系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜或所述第三反射镜中的任何一者是球面的、非球面的、抛物面的或自由形式的反射镜。

11.一种虚拟现实或增强现实头戴式装置，其特征在于，所述虚拟现实或增强现实头戴式装置包括：

在照射波导中使用的根据权利要求1至10的任一项所述的激光扫描投射系统。

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