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CN109073882B - 具有出射光瞳扩展器的基于波导的显示器 - Google Patents

具有出射光瞳扩展器的基于波导的显示器 Download PDF

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CN109073882B CN201780023600.1A CN201780023600A CN109073882B CN 109073882 B CN109073882 B CN 109073882B CN 201780023600 A CN201780023600 A CN 201780023600A CN 109073882 B CN109073882 B CN 109073882B
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Abstract

近眼或平视显示系统包括扫描光线投影仪引擎、光波导和被光学地耦合在扫描光线投影仪引擎和光波导之间的出射光瞳扩展器(EPE)。EPE改善显示系统的光学性能。EPE可以包括漫射光学元件、衍射光学元件、微透镜阵列(MLA)或非球面透镜的中继器。双MLA EPE可以具有防止相邻像素之间的串扰的单元。双MLA EPE可以具有非周期性透镜阵列。一个MLA的光功率可能与另一个MLA不同。

Description

具有出射光瞳扩展器的基于波导的显示器
背景技术
各种类型的计算、娱乐和/或移动设备可以利用透明或半透明显示器来实现，设备的用户可以通过该显示器查看周围环境。这样的设备可以被称为透视、混合现实显示设备系统，或者作为增强现实(AR)系统，使用户能够透过设备的透明或半透明显示器来查看周围环境，并且还能够看到虚拟对象(例如，文本、图形、视频等)的图像，其被生成用于显示以显现为周围环境的一部分和/或覆盖在周围环境上。
这些设备，其可以被实现为头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可佩戴的近眼显示设备、或者作为平视显示器(heads up display)，但不限于此，这些设备通常利用光波导将例如由显示引擎产生的图像复制到设备的用户可以在增强现实环境中将图像视为虚拟图像的位置。由于这仍然是一种新兴技术，因此存在与利用波导和/或其他光学结构向用户显示虚拟对象的图像相关联的某些挑战。
发明内容
本文所描述的某些实施例涉及近眼或平视显示系统，其包括扫描光线投影仪(scan beam projector)、光波导和出射光瞳扩展器(EPE)。EPE可以被配置为在将光束从扫描光线投影仪递送到光波导之前扩展与扫描光线投影仪相关联的出射光瞳。出射光瞳扩展器改善显示系统的光学性能。
在一个实施例中，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。光波导包括块状衬底(bulk-substrate)，输入耦合器和输出耦合器，以及输入耦合器和输出耦合器之间的衍射光学元件。出射光瞳扩展器被配置为将来自扫描光线投影仪的光束耦合到输入耦合器中。
本发明内容被提供是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中被进一步描述。本发明内容并不旨在标识所要求保护的主题内容的关键特征或必要特征，也并不旨在被用于帮助确定所要求保护的主题内容的范围。
附图说明
图1A、图1B和图1C分别是示例性波导的正视图、俯视图和侧视图。
图2A是示例性显示系统的侧视图。
图2B示出了图2A的波导的正视图。
图3A示出了显示系统的一个实施例，该显示系统具有被光学地耦合在扫描光线投影仪和波导之间的出射光瞳扩展器。
图3B描绘了图3A的波导中的示例光瞳分布。
图4是根据本技术的实施例的显示系统的侧视图。
图5是来自EPE和成像透镜的一个实施例的光图案的示图，其中EPE包括漫射器。
图6A是EPE和成像透镜的一个实施例的示图，其中EPE包括衍射光学元件(DOE)。
图6B是图6A的DOE EPE的远场图案的一个实施例的示图。
图7A是EPE的一小部分的一个实施例的示图，其中EPE包括微透镜阵列(MLA)。
图7B描绘了双MLA EPE的另一实施例。
图8是在中间图像平面处具有EPE的非球面透镜中继器(relay)的一个实施例的示图。
图9是EPE的一个实施例的示图，该EPE包括折射光学元件的中继器。
图10是在具有EPE的显示系统中提供图像的过程的一个实施例的流程图。
图11描绘了头戴式显示设备(HMD)的一部分的俯视图。
具体实施方式
本技术的某些实施例涉及近眼或平视显示系统，其包括扫描光线投影仪、出射光瞳扩展器和光波导。出射光瞳扩展器改善显示系统的光学性能。
扫描光线投影仪(也被称为光引擎)由于其小尺寸、低功率要求和高亮度而是用于头戴式显示器(HMD)的强有力候选者。可能需要将扫描光线投影仪光瞳平面重叠在波导的入射光瞳或其他光瞳复制部件上。然而，扫描光线投影仪的常规结构例如具有气密密封的扫描镜，从而导致内部掩埋的出射光瞳，使得它们难以与将光递送到用户眼睛的其他部件耦合。
另外，扫描光线投影仪中的镜子尺寸通常被最小化以增加帧速率和扫描角度，从而导致小的光线孔径，其导致小的出射光瞳。这种小出射光瞳给在近眼或平视显示系统等中使用扫描光线投影仪带来了挑战。
波导本身可以用作光瞳扩展器。然而，当扫描光线投影仪与波导光瞳扩展器耦合时，来自扫描光线投影仪的复制光瞳可能导致来自波导的输出强度受到欠填充光瞳分布的影响。该效果在下面参考图2B更详细地被讨论。
在一个实施例中，出射光瞳扩展器被光学地耦合在扫描光线投影仪和波导之间。这可以改善光学性能并且可以使波导中的光瞳分布均匀化。这改善显示系统的实施例的光学性能，如下面参考图3B更详细地被讨论的。
图1A、图1B和图1C分别是示例性平面光波导100的正视图、俯视图和侧视图，其可以是被用来复制来自扫描光线投影仪的图像的波导组件的一部分。平面光波导100在下文中通常将被更简洁地简称为光波导100，或者甚至被更简洁地称为波导100。光波导100也可以被称为光瞳复制系统。
参考图1A、图1B和图1C，平面光波导100包括具有输入耦合器112和输出耦合器116的块状衬底106。输入耦合器112被配置为将对应于与入射光瞳相关联的图像的光耦合到波导的块状衬底106中。输出耦合器116被配置为将对应于与入射光瞳相关联的图像的光耦合到波导100的外部，光在平面光波导100中从输入耦合器112行进到输出耦合器116，从而使得光被输出并从出射光瞳成像。
可以由玻璃或光学塑料制成但不限于此的块状衬底106包括第一主平坦表面108和与第一主平坦表面108相对并平行的第二主平坦表面110。第一主平坦表面108可以备选地被称为前侧主表面108(或更简单地被称为前侧表面108)，并且第二主平坦表面110可以备选地被称为后侧主表面110(或更简单地被称为后侧表面110)。如本文中所使用的术语“体”，衬底被认为是“体”衬底，其中衬底的厚度(在其主表面之间)是衬底被用作光传输介质的光的波长的至少四十倍(即40倍)。作为示例，在光(衬底被用作光传输介质)是波长为620nm的红光的情况下，衬底将被认为是块状衬底，其中衬底的厚度(在其主表面之间)至少为24,800nm，即至少为24.8μm。根据某些实施例，块状衬底106在其主平坦表面108和110之间具有至少25μm的厚度。在特定实施例中，块状衬底106的厚度(在其主表面之间)在25μm至1000μm的范围内。块状衬底106，更一般地是波导100，是透明的，这意味着其允许光通过它，从而使得用户可以透过波导100看到并观察波导100的与用户的(多个)眼睛相反的一侧上的对象。
图1A、图1B和图1C中的平面光波导100也被示出为包括中间部件114，其可以备选地被称为中间区域、折叠光栅或折叠部件。在波导100包括中间部件114的情况下，输入耦合器112被配置为将光耦合到波导100中(并且更具体地，耦合到波导100的块状衬底106中)并且在中间部件114的方向中。中间部件114被配置为在输出耦合器116的方向中重定向这样的光。此外，中间部件114可以被配置为执行水平或垂直光瞳扩展中的一个，并且输出耦合器116可以被配置为执行水平或垂直光瞳扩展中的另一个。例如，中间部件114可以被配置为执行水平光瞳扩展，并且输出耦合器116可以被配置为执行垂直光瞳扩展。备选地，如果中间部件114被重新定位，例如，在图1A中所示的输入耦合器112下方和输出耦合器116的左侧，那么中间部件114可以被配置为执行垂直光瞳扩展，并且输出耦合器116可以被配置为执行水平光瞳扩展。与光瞳扩展不被执行的情况相比，这样的光瞳扩展提供增加的眼盒，从而使得本文所描述的实施例适合用于近眼或平视显示器。在某些实施例中，中间部件被配置为折叠光栅。在其他实施例中，中间部件是基于镜子的部件，而不是基于光栅的部件。
输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116在本文中可以被统称为波导的光学部件112、114和116，或者被更简洁地称为部件112、114和116。
波导可以包括输入耦合器和输出耦合器，而不包括中间部件。在这样的实施例中，输入耦合器将被配置为将光耦合到波导中并且朝向输出耦合器的方向耦合。在一个这样的实施例中，输出耦合器可以提供水平或垂直光瞳扩展中的一种，这取决于实现方式。无论中间部件114是否被包括，波导100都不需要提供光瞳扩展。
在图1A中，输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116被示出为具有矩形外周形状，但是可以具有备选的外周形状。例如，输入耦合器112可以备选地具有圆形外周形状，但不限于此。作为另一示例，中间部件可以具有三角形或六边形外周形状，但不限于此。此外，应当注意到，每个周边形状的角部(例如通常为矩形或三角形的角部)可以被倒角或倒圆，但不限于此。这些仅是用于输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116的一些示例性外周形状，其并非旨在全部包含。
如从图1B和图1C可以被最好地领会到的，输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116都被示出为被设置在波导100的同一表面(即，后侧表面110)中或上。在这种情况下，输入耦合器112可以是透射的(例如，透射光栅)，中间部件114可以是反射的(例如，反射光栅)，并且输出耦合器116也可以是反射的(例如，另一反射光栅)。输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116可以备选地全部被设置在波导100的前侧表面110中。在这种情况下，输入耦合器112可以是反射的(例如，反射光栅)，中间部件114可以是反射的(例如，另一反射光栅)，并且输出耦合器116也可以是透射的(例如，透射光栅)。
备选地，输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116都可以被嵌入(也被称为浸入)在块状衬底106中。例如，块状衬底106可以被分成两半(其与主表面108和110平行)，并且输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116可以被设置在(例如，蚀刻到)两个半部的内表面之一中，并且两个半部的内表面可以彼此粘附。备选地，块状衬底106可以被分成两半(其与主表面108和110平行)，并且输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116可以被设置在两个半部的内表面之间。用于将输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116嵌入块状衬底106中的其他实现方式也是可能的，并且在本文所描述的实施例的范围内。还可能的是，输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116中的一个被设置在波导100的前侧表面108中或上，部件112、114和116中的另一个被设置在后侧表面110中或上，并且部件112、114和116中的最后一个被嵌入或浸入块状衬底106中。更一般地，除非另有说明，否则输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116中的任何一个可以被设置在块状衬底106的主平面108或110中的任一个中或上，或被嵌入其间。
输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116均可以被实现为衍射光栅，或更一般地，被实现为衍射光学元件(DOE)。这样的DOE可以使用全息工艺来生产，在这种情况下，DOE可以被更具体地称为全息光学元件(HOE)。备选地，输入耦合器112可以被实现为棱镜、反射偏振器或者可以是基于镜子的。类似地，输出耦合器116可以备选地被实现为棱镜、反射偏振器或者可以是基于镜子的。取决于具体的配置和实现方式，输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116中的任何一个可以是反射的、衍射的或折射的，或其组合，并且例如，可以被实现为线性光栅类型的耦合器、全息光栅类型的耦合器、棱镜或另一类型的光耦合器。如上所述，中间部件114可以使用折叠光栅来实现，或者可以备选地被实现为基于镜子的光瞳扩展器，但是不限于此。在输入耦合器112是衍射光栅的情况下，其可以被更具体地称为输入衍射光栅112。在中间部件114是衍射光栅的情况下，其可以被更具体地称为中间衍射光栅114。类似地，在输出耦合器116是衍射光栅的情况下，其可以被更具体地称为输出衍射光栅116。
衍射光栅是可以包含周期性结构的光学部件，该周期性结构由于被称为衍射的光学现象而使入射光分裂并改变方向。分裂(被称为光学阶数)和角度变化取决于衍射光栅的特性。当周期性结构在光学部件的表面上时，它被称为表面光栅。当周期性结构是由于表面本身的变化时，它被称为表面浮雕光栅(SRG)。例如，SRG可以包括在光学部件的表面中的均匀直槽，该直槽由均匀的直槽间隔区域分开。凹槽间隔区域可以被称为“线”、“光栅线”或“填充区域”。通过SRG衍射的性质取决于入射在SRG上的光的波长、偏振和角度以及SRG的各种光学特性，诸如折射率、线间距、凹槽深度、凹槽轮廓、凹槽填充率和凹槽倾斜角度。SRG可以通过合适的微制造工艺而被制造，其可以包括在衬底上蚀刻和/或沉积以在衬底上制造期望的周期性微结构以形成光学部件，光学部件然后可以被用作生产母版，诸如用于制造其他光学部件的模具或掩模。SRG是衍射光学元件(DOE)的示例。当DOE存在于表面上时(例如，当DOE是SRG时)，由该DOE跨越的该表面的部分可以被称为DOE区域。衍射光栅，而不是表面光栅，可以备选地是体光栅，诸如布拉格衍射光栅。还可能的是，一个或多个耦合器被制造为SRG，然后被覆盖在另一种材料内，例如使用铝沉积工艺，从而基本上掩埋SRG，从而使得包括(多个)SRG的(多个)主平面波导表面基本上是光滑的。这样的耦合器是表面和体衍射光栅的混合的一个示例。输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116中的任何一个可以是例如表面衍射光栅，或体衍射光栅，或表面和体衍射光栅的混合。根据本文所描述的实施例，每个衍射光栅可以具有由衍射光栅的光栅线方向指定的优先线性偏振取向，其中针对具有优先线性偏振取向的光的耦合效率将高于针对具有非优先线性偏振取向的光的耦合效率。
在输入耦合器112、中间部件114和/或输出耦合器116是SRG的情况下，每个这样的SRG可以被蚀刻到块状衬底106的主平坦表面108或110中的一个中。在这样的实施例中，SRG可以说是被形成在块状衬底106“之中”。备选地，每个SRG可以物理地被形成在覆盖块状衬底106的一个主平坦表面108或110的涂层中，在这种情况下，每个这样的SRG可以说是被形成在块状衬底106“之上”。无论哪种方式，部件112、114和116都被认为是波导100的一部分。
具体参考图1A，在示例性实施例中，输入耦合器112可以具有沿垂直(y)方向延伸的表面光栅，输出耦合器116可以具有沿水平(x)方向延伸的表面光栅，并且中间部件114可以具有相对于水平和垂直方向对角(例如，～45度)延伸的表面光栅。这仅是示例。其他变化也是可能的并且在本技术的实施例的范围内。
更一般地，输入耦合器112、中间部件114和输出耦合器116可具有各种不同的外周几何形状，可以被设置在块状衬底的主平坦表面之中或之上，或可以被嵌入块状衬底106中，并且可以使用各种不同类型的光学结构来实现，如从以上讨论中可以被领会到的，并且将从以下讨论中被进一步领会到的。
通常，经由输入耦合器112被耦合到波导中的对应于图像的光，通过全内反射(TIR)，可以通过波导从输入耦合器112行进到输出耦合器114。TIR是当传播的光波以大于相对于表面法线的临界角的角度撞击介质边界(例如，块状衬底106的边界)时发生的现象。换言之，临界角(θc)是TIR在其上发生的入射角，这是由Snell定律给出的，如本领域中已知的。更具体地，Snell定律指定，临界角(θc)使用以下公式而被指定：
θc＝sin-1(n2/n1)
其中
θc是在介质边界处相遇的两个光学介质(例如，块状衬底106，以及与块状衬底106相邻的空气或一些其他介质)的临界角，
n1是光学介质的折射率，其中光朝向介质边界(例如，一旦光在其中耦合，即块状衬底106)行进，
n2是超出介质边界的光学介质的折射率(例如，空气或与块状衬底106相邻的一些其他介质)。
通过波导100从输入耦合器112行进到输出耦合器114的光的概念，通过TIR，从图4可以被更好地领会到，这将在下面被讨论。
如上所述，扫描光线投影仪(也被称为光引擎)由于其小尺寸、低功率要求和高亮度而成为用于头戴式显示器(HMD)的强有力候选者。图2A示出了扫描光线投影仪204、成像透镜208、波导100和人眼214的侧视图。
扫描光线投影仪204包括激光器203、控制逻辑205和扫描镜207。简略地，激光器203可以包括红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器。其他颜色的激光器可以被使用。激光可以是单色激光。扫描镜207可以是微机电系统(MEMS)扫描镜。控制逻辑205可以控制扫描镜207和激光器203。来自激光器的光被中继到扫描镜207上，扫描镜207将激光扫描成光栅图案。来自扫描镜207的光栅图案被中继到成像透镜208，成像透镜208将光栅图案聚焦到输入耦合器112上。
密封的扫描镜207可能导致内部掩埋的出射光瞳，这使得其难以耦合到波导100。另外，扫描镜207的镜子尺寸通常被最小化以增加分辨率和频率，从而导致小的光线孔径，其导致小的出射光瞳。
当将来自扫描光线投影仪204的光线耦合到波导100的输入耦合器112时，小的出射光瞳可能存在问题。出射光瞳分布117在图2B的波导100中被描绘。图2B中的示例光瞳分布是将扫描光线投影仪204耦合到波导100的输入耦合器112的结果，如图2A所描绘的。然而，扫描光线投影仪204未在图2B中被描绘。
光瞳分布117被描绘为一组黑色圆圈，当光穿过波导100时，每个黑色圆圈表示光瞳。来自扫描光线投影仪204的光进入输入耦合器112，如由光瞳118所示。输入耦合器112可以将光衍射到中间部件114。一些光可以在波导100内沿x轴的大致方向(通过TIR)行进。中间组件114可以在y轴的大致方向中衍射一部分光。同样，该衍射光可以通过波导内的TIR行进到输出耦合器116。该光的一部分可以在波导100内通过TIR继续在y轴的大致方向中行进。输出耦合器116可以将一部分光衍射出波导100。光可以在z轴的大致方向中被输出。
图2B描绘了填充不足的光瞳分布，其可以由扫描光线投影仪204的小出射光瞳产生。扫描光线投影仪204的小出射光瞳导致光瞳118相对较小。填充不足的光瞳分布由波导100内的相对小尺寸的光瞳表示。
图3A示出了显示系统300的一个实施例，其具有被光学地耦合在扫描光线投影仪204和波导100之间的出射光瞳扩展器306。出射光瞳扩展器306也可以被称为数值孔径(NA)转换器。在EPE 306和波导100之间存在成像透镜308。出射光瞳扩展器306在耦合到波导100之前提供扩展的出射光瞳302，这提高了整体系统性能。
扫描光线投影仪204可以包括例如红色、绿色和/或蓝色发光元件，其被配置为分别产生相应红色波长范围内的红光、相应绿色波长范围内的绿光和相应蓝色波长范围内的蓝光。对于更具体的示例，一个或多个红色发光元件可以产生红色波长范围(例如，从600nm到650nm)内的光；一个或多个绿色发光元件可以产生绿色波长范围(例如，从500nm到550nm)内的光；并且一个或多个蓝色发光元件可以产生蓝色波长范围(例如，430nm至480nm)内的光。波导100可以将对应于图像的光从波导的入射光瞳传递到波导的出射光瞳，其中图像可以通过例如人眼214来观察。
出射光瞳扩展器306可以按照多种衍射或折射形式而被制造，包括但不限于磨砂玻璃或全息漫射器、衍射分束器、工程漫射器或非周期性折射元件、以及微透镜阵列(MLAs)。图5至图9示出了可以被用在图3A中的出射光瞳扩展器的各种实施例。
注意，在一个实施例中，波导100包括中间衍射元件114，如图3A中所示。在另一实施例中，波导100包括输入耦合器112和输出耦合器116，但不具有中间衍射元件114。
图3B描绘了图3A的波导100中的示例光瞳分布327。示例光瞳分布327由多个圆圈表示，这些圆圈部分重叠。图3B示出了图3A的波导的正视图。图3B中的示例光瞳分布是使用具有扫描光线投影仪204和波导100的出射光瞳扩展器306的结果，如图3A中所示。然而，扫描光线投影仪204未在图3B中被描绘。图3B示出了由于使用出射光瞳扩展器306而波导100中的光瞳分布被均匀化。光可以按照与关于图2B所描述的类似方式行进通过图3B的波导100。
图4是示出在扫描光线投影仪204和波导100之间具有出射光瞳扩展器306的显示系统302的一个实施例的进一步细节的示图。显示系统300被示出为包括被标记为100R、100G、100B的三个波导(每个波导可以类似于参考图1A、图1B和图1C而被引入的波导100)，以及扫描光线投影仪204，其生成包括通过输入耦合器112R、112G和112B被耦合到波导100R、100G和100B中的角度内容的图像。
图4还示出了被光学地耦合在扫描光线投影仪204和三个波导100R、100G，100B之间的出射光瞳扩展器306。还被描绘的是出射光瞳扩展器306与三个波导100R、100G，100B之间的成像透镜308。
图4还示出了正在观看输出耦合器116R、116G和116B附近的眼盒内的图像(作为虚拟图像)的人眼214。换成另一种方式来解释，人眼214正在从与波导100R、100G和100B相关联的出射光瞳观看图像。显示系统300可以是例如近眼显示器或平视显示器。
波导100R、100G和100B可以分别被配置为将对应于图像的红光、绿光和蓝光从入射光瞳传递到出射光瞳。更具体地，波导100R的输入耦合器112R可以被配置为将红色波长范围内的光(对应于图像)耦合到波导100R中，并且波导100R的输出耦合器116R可以被配置为将红色波长范围内的光(对应于图像)(其通过TIR从输入耦合器112R行进到输出耦合器116F)耦合到波导100R的外部。类似地，波导100G的输入耦合器112G可以被配置为将绿色波长范围内的光(对应于图像)耦合到波导100G中，并且波导100G的输出耦合器116G可以被配置为将绿色波长范围内的光(对应于图像)(其通过TIR从输入耦合器112G行进到输出耦合器116G)耦合到波导100G的外部。此外，波导100B的输入耦合器112B可以被配置为将蓝色波长范围内的光(对应于图像)耦合到波导100B中，并且波导100B的输出耦合器116B可以被配置为将蓝色波长范围内的光(对应于图像)(其通过TIR从输入耦合器112B行进到输出耦合器116B)耦合到波导100B的外部。根据实施例，红色波长范围为600nm至650nm，绿色波长范围为500nm至550nm，并且蓝色波长范围为430nm至480nn。其他波长范围也是可能的。
波导100R、100G和100B可以被统称为波导100，或者被单独地称为波导100。两个或更多个波导100可以被称为波导组件400。更具体地，多个波导100可以背对背地被堆叠，以提供波导组件400。波导组件400的相邻波导100之间的距离可以例如在大约50微米(μm)和300μm之间，但不限于此。虽然没有被具体示出，但是间隔物可以位于相邻的波导100之间，以在其间保持所需的间隔。输入耦合器112G、112R和112B可以被统称为输入耦合器112，或者被单独地称为输入耦合器112。类似地，输出耦合器116G、116R和116B可以被统称为输出耦合器116，或者被单独地称为输出耦合器116。虽然波导组件400被示出为包括三个波导100，但是波导组件也可以包括多于或少于三个的波导，如将在下面进一步被详细描述的。
每个输入耦合器112具有输入角度范围，并且每个输出耦合器116具有输出角度范围。根据某些实施例，所有输入耦合器112具有基本相同的输入角度范围，并且所有输出耦合器116具有基本相同的输出角度范围。根据某些实施例，针对输入耦合器112的输入角度范围与针对输出耦合器116的输出角度范围基本相同。如果它们在彼此的5％之内，则值被认为基本相同。根据某些实施例，输入角度范围和输出角度范围各自相对于法线大约+/-15度。较小或较大的输入和输出角度范围也是可能的，并且在本文所描述的实施例的范围内。
波导100的每个输入耦合器112和输出耦合器116可以具有优先的偏振取向，其中针对具有优先偏振取向的光的耦合效率将高于针对具有非优先偏振取向的光的耦合效率。例如，在耦合器是衍射光栅的情况下，优先偏振取向可以由衍射光栅的光栅线的方向指定。如果扫描光线投影仪204被配置为输出包括具有第一线性偏振取向的光的图像，则一个或多个波导100的输入耦合器112和输出耦合器116(其被配置为将对应于图像的光从入射光瞳传递到出射光瞳，其中图像可以被观看，并且执行光瞳扩展)可以被配置为具有第一线性偏振取向作为其优先线性偏振取向。
耦合器(例如，112或116)的优先偏振取向可以是线性偏振取向，其可以是P线性偏振取向，或S线性偏振取向，这些取向相对于彼此正交。耦合器的优先线性偏振取向也可以是既不是P线性偏振取向也不是S线性偏振取向的偏振，而是在S线性偏振取向和P线性偏振取向之间的某处取向的偏振。P线性偏振取向也被称为横向磁性(TM)，S线性偏振取向也被称为横向电(TE)。波导100的输入耦合器112和输出耦合器116可以具有相同的优先线性偏振取向。备选地，波导100的输入耦合器112和输出耦合器116可以具有彼此不同的优先线性偏振取向，这可能是这种情况，例如，其中波导100被包括在中间部件114中，当光在波导内从输入耦合器112行进到中间部件114，然后从中间部件114行进到输出耦合器116时，中间部件114旋转内部反射光的偏振。一个或多个耦合器的优先偏振也可以是圆偏振。
成像透镜308被布置成从EPE 306接收显示图像，以在给定的限定视场准直和投影显示图像，并在波导100的输入耦合器112的位置处形成光瞳，在一个实施例中。注意，光瞳位置不需要与输入耦合器112完全一致。还应注意的是，成像透镜308被简化。例如，成像透镜308可以包括一个以上的透镜。而且，成像透镜308可以包括扫描光线投影仪204和EPE306之间的一个或多个透镜。
根据实施例，与波导相关联的入射光瞳可以与关联于EPE 306的出射光瞳大致相同，例如，在一些实施例中为5mm，但不限于此。注意，与波导相关联的入射光瞳可以基本上大于与扫描光线投影仪204相关联的出射光瞳。
图4不旨在图示扫描光线投影仪204相对于EPE 306的精确位置。而是，图4旨在图示EPE 306利用由扫描光线投影仪204生成的光来产生图像。例如，各种光学元件，诸如透镜、镜子、鸟盆光学器件和/或分束器可以被包括在扫描光线投影仪204和EPE 306之间。
而且，成像透镜308表示EPE 306和波导100之间的一种可能的配置。在EPE 306和波导100之间可能存在复杂的一系列透镜。
无论确切的配置如何，最终与图像相关联的光被入射到波导100的输入耦合器112上，从而使得与图像相关联的光可以通过全内反射(TIR)从输入耦合器112行进到输出耦合器116，其中光被输出并由人眼从出射光瞳成像。当光离开波导100，靠近输出耦合器116时，在其中具有透镜的人眼，接收与光瞳相关联的角度集合并将其转换回图像，例如由图4中的扫描光线投影仪204产生的图像。
如上文在图1A至图1C的讨论中所述，每个波导100可以可选地包括可以执行水平和垂直光瞳扩展之一的中间部件114，以及可以执行水平或垂直光瞳扩展中的另一个的输出耦合器116。在波导100，更具体地，在其部件114和/或116被配置为执行光瞳扩展的情况下，然后，扩展的光瞳(相对于输入耦合器112处的输入)通过人眼的透镜被转换成图像。
在图4中，扫描光线投影仪204被示出为面向波导100的后侧表面110，并且眼睛214被示出为面向与后侧表面110相对并平行的前侧表面108。这提供了潜望镜类型的配置，其中光进入每个波导100的一侧上的波导，并且在每个波导100的相对侧离开波导。备选地，输入耦合器112和输出耦合器116中的每一个可以以使得扫描光线投影仪204和眼睛214接近并面向相同的主平坦表面(108或110)的方式来实现。
波导100可以被结合到透视混合现实显示设备系统中(参见，例如，图11)，但不限于与其一起使用。波导组件400、扫描光线投影仪204和EPE 306中的每一个的单独实例可以为用户的左眼和右眼中的每一个来提供。在某些实施例中，这样的波导组件400可以位于透视透镜旁边或之间，透视透镜可以是眼镜中所使用的标准透镜，并且可以被制成任何方案(包括没有方案)。在透视混合现实显示设备系统被实现为包括框架的头戴式显示器(HMD)眼镜的情况下，扫描光线投影仪204可以位于框架的侧面，从而使得其位于用户的镜腿附近。备选地，扫描光线投影仪204可以位于HMD眼镜的中央部分，该中央部分安置在用户的鼻梁上方。扫描光线投影仪204的其他位置也是可能的。在这些实例中，用户也可以被称为佩戴者。在对于用户的左眼和右眼中的每一个都存在单独的波导组件400的情况下，对于每个波导组件400可以存在单独的扫描光线投影仪204，并且因此对于用户的每个左眼和右眼。
扫描光线投影仪204可以包括红色、绿色和/或蓝色光源，这些光源被配置为分别产生对应的红色波长范围内的红光、对应的绿色波长范围内的绿光和对应的蓝色波长范围内的蓝光。例如，光源组件210可以包括红色、绿色和蓝色发光二极管(LED)、超发光发光二极管(SLED)、量子点发光二极管(QD-LED)或激光二极管(LD)，但不限于此。根据实施例，红色波长范围为600nm至650nm，绿色波长范围为500nm至550nm，蓝色波长范围为430nm至480nm，如上所述。更窄或更宽的波长范围也是可能的。
在图4中，粗虚线箭头线422R表示对应于由扫描光线投影仪204输出的图像的红(R)光，粗虚线箭头线422G表示对应于由扫描光线投影仪204输出的图像的绿色(G)光，并且粗实线箭头线422B表示对应于由扫描光线投影仪204输出的图像的蓝色(B)光。虽然波导100R、100G和100B被示出为以特定顺序被堆叠，但是波导100被堆叠的顺序可以被改变。
当被实现为输入衍射光栅时，输入耦合器112B被设计成将输入角度范围(例如，相对于法线的+/-15度)和蓝色波长范围(例如，从430nm到480nn)内的蓝光衍射到波导100B中，从而使得衍射地内耦合的蓝光的角度超过针对波导100B的临界角，从而可以通过TIR从输入耦合器112B行进到输出耦合器116B。此外，输入耦合器112B被设计成透射蓝色波长范围之外的光，从而使得蓝色波长范围之外的光(诸如绿色和红色波长范围内的光)将穿过波导100B。
当被实现为输入衍射光栅时，输入耦合器112G被设计成将输入角度范围(例如，相对于法线的+/-15度)内和绿色波长范围(例如，从500nm到550nm)内的绿光衍射到波导100G中，从而使得衍射地内耦合的绿光的角度超过针对波导100G的临界角，从而可以通过TIR从输入耦合器112G行进到输出耦合器116G。此外，输入耦合器112G被设计成透射绿色波长范围之外的光，从而使得绿色波长范围之外的光(诸如红色波长范围内的光)将通过波导100G。
当被实现为输入衍射光栅时，输入耦合器112R被设计成将输入角度范围(例如，相对于法线+/-15度)内和红色波长范围(例如，从600nm到650nm)内的红光衍射到波导100R中，从而使得衍射地内耦合的红光的角度超过针对波导100R的临界角，从而可以通过TIR从输入耦合器112R行进到输出耦合器116R。此外，输入耦合器112R被设计成透射红色波长范围之外的光，从而使得红色波长范围之外的光将通过波导100R。
更一般地，每个波导100可以包括输入耦合器112，其被配置为将在输入角度范围(例如，相对于法线的+/-15度)内和在特定波长范围内的光内耦合到波导中，从而使得内耦合的光的角度超过针对波导100的临界角，从而通过TIR从输入耦合器112行进到波导100的输出耦合器116，并且使得特定波长范围外的光被透射并通过波导100。
仍然参考图4，在波导100B内所示的实线粗箭线表示通过TIR从输入耦合器112B行进到输出耦合器116B的蓝光。在波导100G内所示的虚线粗箭线表示通过TIR从输入耦合器112G行进到输出耦合器116G的绿光。在波导100R内所示的虚线粗箭线表示通过TIR从输入耦合器112R行进到输出耦合器116R的红光。
在图4中，从波导100B的输出耦合器116B朝向人眼214以第一角度(在这一示例中相对于法线为零度)指向的实线粗箭线表示蓝光，该蓝光由波导100B的输出耦合器116B有目的地外耦合，以用于由人眼214观看。
在图4中，从波导100G的输出耦合器116G朝向人眼214以第一角度(在这一示例中相对于法线为零度)指向的虚线粗箭线表示绿光，该绿光由波导管100G的输出耦合器116G有目的地外耦合，以用于由人眼214观看。
在图4中，从波导100R的输出耦合器116R朝向人眼214以第一角度(在这一示例中相对于法线为零度)指向的虚线粗箭线表示红光，该红光由波导100R的输出耦合器116R有目的地外耦合，以用于由人眼214观看。
在图4中，波导组件400被示出和描述为包括用于引导红色波长范围内的红光的波导100R，用于引导绿色波长范围内的绿光的波导100G，以及用于引导蓝色波长范围内的蓝光的波导100B。在备选实施例中，第一波导可以引导蓝光和绿光两者，而第二波导引导红光。在这种实施例中，输入耦合器将被配置为将蓝光和绿光两者耦合到波导中，并且输出耦合器将被配置为将蓝光和绿光两者耦合到波导的外部。这仅是示例，因为其他变型也是可能的并且在本技术的实施例的范围内。
在一个实施例中，EPE 306包括一个或多个漫射光的元件。图5是来自EPE 306和成像透镜308的一个实施例的光图案的示图，其中EPE 306包括漫射光的元件。此外，出射光瞳由于漫射而被扩展。该EPE在本文中被称为“漫射器EPE”。漫射器EPE 306可以被用在图3A或图4的显示系统中，但不限于此。在这一示例中，进入漫射器EPE 306的光的光线被描绘。根据实施例，这一光的光线源自光线扫描投影仪(在图5中未被示出)。在光线扫描投影仪和EPE 306之间可以存在其他光学元件。
漫射器EPE 306漫射(或散射)光，其由成像透镜308聚焦，从而导致扩展的出射光瞳302。图5示出了从y-z视角的视图。在一个实施例中，来自漫射器EPE 306的光图案是旋转对称的。因此，从x-z视角的视图可以类似于图5中所描绘的视图。
在一个实施例中，扩散器EPE 306通过将图案光刻蚀刻到衬底中而被制造。衬底可以包括多种材料，包括但不限于氧化硅、硅和锗。
在一个实施例中，漫射器EPE 306是全息漫射器。全息漫射器可以通过将激光散斑图案记录到某种介质中而被形成。例如，光致抗蚀剂可以被暴露于激光散斑图案，该激光散斑图案是用激光照射漫射器(例如磨砂玻璃)而产生的。
在一个实施例中，漫射器EPE 306是衍射漫射器。在一个实施例中，衍射漫射器是计算机生成的衍射光学元件(DOE)。作为两个示例，衍射漫射器可以使用二元或灰度光刻制造方法而被形成。
在一个实施例中，漫射器EPE 306是磨砂玻璃漫射器。以上仅是漫射器EPE 306的一些示例。其他类型的漫射器可以被用在漫射器EPE 306中。
图6A是EPE 306和成像透镜308的一个实施例的示图，其中EPE 306包括衍射光学元件(DOE)。此外，由于通过DOE的光衍射，出射光瞳被扩展。该EPE在本文中被称为“DOEEPE”。DOE EPE 306可以被用在图3A或图4的显示系统中，但不限于此。
在这一示例中，进入DOE EPE 306的光的光线被描绘。根据实施例，这一光的光线源自光线扫描投影仪(在图6A中未被示出)。在光线扫描投影仪和DOE EPE 306之间可以存在其他光学元件。DOE EPE 306将光衍射成衍射级。在图6A的示例中，第零、第一和第二衍射级被描绘。附加的衍射级未被示出以简化示图。在离开成像透镜308之后，产生扩展的出射光瞳302。图6A示出了从y-z视角的视图。在一个实施例中，来自DOE EPE 306的光图案是旋转对称的。例如，如果DOE EPE 306围绕光轴旋转，则光图案可以是对称的。因此，从x-z视角的视图可以类似于图6A中所描绘的视图。
图6B是图6A的DOE EPE 306的远场图案612的一个实施例的示图。图6B描绘了比图6A更多的衍射级。还应注意的是，图6B中的光图案可以在某种程度上被理想化，因为对于每个波长/颜色，光强度不一定相同。
图7A是EPE 306的一小部分的一个实施例的示图，其中EPE 306包括微透镜阵列(MLA)。在这种情况下，存在两个MLA 702、704。因此，EPE 306可以被称为双MLA EPE 306。双MLA EPE 306可以被用在图3A或图4的显示系统中，但不限于此。
双MLA EPE 306具有主体706、第一MLA 702和第二MLA 704。主体706具有多个单元706(1)至706(9)。第一MLA 702具有透镜712(1)至712(9)。透镜712(1)至712(9)可以在x-y平面中形成阵列。第二MLA 702具有透镜714(1)至714(9)。透镜714(1)至714(9)可以在x-y平面中形成阵列。因此，对于每个MLA 702、704，在x方向和y方向两者上可以有更多的透镜。
附图标记732指向表示来自扫描光线投影仪204的由透镜712(2)接收的光束的一部分的多个箭头。附图标记734指向表示由透镜714(2)输出的光束的一部分的多个箭头。在一个实施例中，该部分光束对应于由扫描光线投影仪204投影的图像中的一个“虚拟像素”。
在一个实施例中，每个透镜712对应于由扫描光线投影仪204投影的图像中的一个虚拟像素。同样地，每个透镜714可以对应于一个虚拟像素。同样地，每个单元716可以对应于一个虚拟像素。图7A示出了进入透镜712(2)的光束732的一部分穿过单元706(2)并离开透镜714(2)的示例。因此，透镜712(2)、单元706(2)和透镜714(2)共同地可以处理与一个虚拟像素相关联的光。来自MLA 702的一个透镜712、一个单元706和来自MLA 704的一个透镜的其他组可以以类似的方式处理与一个虚拟像素相关联的光。在图7A中，编号712(n)、单元706(n)和透镜714(n)被用来示出哪些元素与相同的虚拟像素相关联。在一个实施例中，来自扫描光线投影仪204的图像包括(x，y)阵列中的虚拟像素。在这种情况下，每个MLA可以是(x，y)透镜阵列。
注意，当MLE EPE 306处理光时，虚拟像素之间可能存在串扰。在一个实施例中，图7A中的MLA以减少或消除虚拟像素之间的串扰的方式而被配置。在一个实施例中，单元706被配置为减少或防止进入单元706的光传递到另一单元706。例如，进入单元706(2)的光可以被防止进入单元706(1)或706(3)。注意，可能存在与单元706(2)相邻的其他单元，其未在图7A中被描绘。在一个实施例中，单元706在物理上分离单元706的侧面上“变黑”，以防止光逃逸到相邻单元。单元706之间的黑线表示防止单元706之间的串扰的屏障。围绕单元706(1)的两条线720被标记。
在图7A的实施例中，MLA 704中的透镜具有与MLA 702中的透镜不同的光学功率。这由透镜714略大于透镜712而被表示。在一个实施例中，这导致MLA 702的NA不同于MLA704的NA。在一个实施例中，MLA 704的NA大于MLA 702的NA。
图7B描绘了双MLA EPE 306的另一实施例。双MLA EPE 306可以被用在图3A或图4的显示系统中，但不限于此。双MLA EPE 306具有主体706、第一MLA 702和第二MLA 704。主体706可以具有多个单元706(1)至706(7)。第一MLA 721具有透镜722(1)至722(7)。透镜722(1)至722(7)可以位于x-y平面中。第二MLA 723具有透镜724(1)至724(7)。透镜724(1)至724(7)可以位于x-y平面中。因此，对于每个MLA，在x方向和y方向中都可能存在更多透镜。
与图7A一样，附图标记732和734表示与由扫描光线投影仪204投影的图像中的一个“虚拟像素”相关联的光。在这种情况下，与箭头732相关联的光由透镜722(2)输入，穿过单元716(2)，并从透镜724(2)射出。其他虚拟像素可以由透镜722(n)、单元716(n)和透镜724(n)的其他集以类似的方式来处理，其中“n”指的是虚拟像素中的一个。
在该实施例中，透镜722(1)至722(7)是周期性的。周期性意味着相邻透镜的中心之间的距离是均匀的。然而，透镜724(1)至724(7)不是周期性的。因此，对于透镜724(1)至724(7)，相邻透镜724的中心之间的距离从相邻的一对变化到另一对。在这一示例中，第二MLA 723中的每个透镜724具有相同的直径。因此，透镜724之间的空间可以基于透镜的空间位置而变化。例如，在透镜724(1)和724(2)之间存在相对大的间隙742。相对大的间隙742导致两个透镜724(1)、724(2)的中心之间的相对大的距离。然而，在透镜724(3)和724(4)之间存在相对小的间隙744。相对小的间隙744导致两个透镜724(3)、724(4)的中心之间的相对小的距离。因此，MLA 723中的透镜724是非周期性的。注意，图7B中的间隙尺寸的差异可以被夸大以更好地说明该概念。
图7B仅示出了y-z平面。注意，每个MLA 721、723可以在x-y平面中延伸。透镜724的非周期性质相对于y方向而被描绘。透镜724相对于平行于x-y平面的不同方向可以是非周期性的。例如，透镜724可以相对于x方向是非周期性的。透镜724相对于除x方向或y方向之外的x-y平面中的方向可以是非周期性的。
表达MLA 721中的透镜722与MLA 723中的透镜724之间的关系的另一种方式是MLA723中的透镜724相对于其在MLA 721中的对应物被移位。此外，移位量根据透镜的位置而变化。例如，透镜724(1)相对于其在MLA 721中的对应透镜722(1)在x-y平面中被移位。同样，透镜724(3)相对于其在MLA 721中的对应透镜722(3)在x-y平面中被移位。但是，这两种情况的移位量是不同的。例如，针对第一示例的移位可能大于针对第二示例的移位。这种不同的偏移量可能导致不同的折射角。由于折射角取决于透镜在x-y平面中的位置，因此这是空间地(在x-y平面中)依赖的折射角的一个示例。
注意，尽管图7B将EPE的输出侧上的透镜724描绘为非周期性的，但是在一个实施例中，EPE输入侧上的透镜722是非周期性的，但EPE输出侧上的透镜724是周期性的。在一个实施例中，EPE两侧之上的透镜是非周期性的。在后一种情况中，在EPE的每一侧上的对应透镜之间可能仍存在一些移位。
为了便于解释，MLA 721和MLA 723中的透镜被描绘为与图7B中的尺寸大致相同。然而，MLA 721和MLA 723中的透镜可以是不同的尺寸，类似于关于图7A的实施例所讨论的。还应注意的是，间隙742、744的尺寸差异可能被夸大以更好地解释原理。
注意，图7A和图7B中的各种特征可以被组合在双MLA EPE 306中。在一个实施例中，双MLA EPE 306具有防止虚拟像素之间的串扰的单元，具有在输出侧上具有比输入侧更大的光功率的透镜，并且具有在输出侧上的非周期性透镜阵列。
并非所有这三个特征都需要存在于双MLA EPE 306中。在一个实施例中，双MLAEPE 306具有防止串扰的单元，并且具有在输出侧上具有比输入侧更大的光功率的透镜(但是不具有非周期性透镜阵列)。在一个实施例中，双MLA EPE 306具有防止串扰的单元并且具有非周期性透镜阵列(但是不具有在输出侧上具有比输入侧更大光功率的透镜)。在一个实施例中，双MLA EPE 306具有在输出侧上具有比输入侧更大光功率的透镜，并且具有在输出侧上的非周期性透镜阵列(但是不具有防止串扰的单元)。
在一些实施例中，这三个特征中仅有一个特征存在于双MLA EPE 306中。在一个实施例中，双MLA EPE 306具有防止串扰的单元。在一个实施例中，双MLA EPE 306具有在输出侧上具有比输入侧更大的光功率的透镜。在一个实施例中，双MLA EPE 306在输出侧上具有非周期性透镜阵列。
如上所述，成像透镜308可以包括多个光学元件。图8是在中间图像平面处具有EPE306的非球面透镜中继器800的一个实施例的示图。非球面透镜中继器包括透镜802、804、806、808、810、812、814、816、818和820。透镜802、804、806、808、810、812、814、816、818和820可以由玻璃或光学塑料制成。在一个实施例中，透镜中继器校正色彩效应，诸如色差。EPE306位于透镜810和812之间的中间图像平面上。
各种不同类型的EPE 306可以在非球面透镜中继器中被使用。在一个实施例中，图8中的EPE 306包括漫射器EPE。在一个实施例中，图8中的EPE 306包括DOE EPE。在一个实施例中，图8中的EPE 306包括双MLA EPE。因此，关于图5、图6A、图6B、图7A和/或图7B而被讨论的EPE可以被用于图8中的中间图像平面。然而，非球面透镜中继器800中的EPE 306不限于这些实施例。
图8示出了y-z平面。在一个实施例中，非球面透镜中继器中的透镜是旋转对称的。因此，非球面透镜中继器可以在x-z平面中具有类似的外观。
非球面透镜中继器800包括入射光瞳801。该入射光瞳801可以具有与扫描光线投影仪204的出射光瞳大致相同的尺寸。然而，不要求入射光瞳801与扫描光线投影仪204的出射光瞳大致相同的尺寸。光瞳尺寸在非球面透镜中继器800的输出处被扩展为扩展的出射光瞳302。在一个实施例中，EPE 306执行光瞳扩展。例如，非球面透镜不需要进行光瞳扩展。作为一个示例，入射光瞳801可以是大约1mm。扩展的出射光瞳302可以是约4mm至5mm。然而，这些仅仅是一些示例。
在一个实施例中，中继器800的输入处的视场(FOV)与中继器800的输出处的FOV大致相同。作为一个示例，FOV在输入和输出处可以是大约60度。图8描绘了区域822。在一个实施例中，图7A或图7B中所描绘的MLA部分可以被用在区域822中。
在一个实施例中，EPE 306不包括漫射器EPE、DOE EPE或MLA EPE。作为替代，EPE306由具有一个或多个非球面透镜的折射光学元件的中继器形成。图9是EPE 306的一个实施例的示图，EPE 306包括具有一个或多个非球面透镜的折射光学元件900的中继器。折射光学元件(ROE)900的中继器包括透镜902、904、906、916、918和920。透镜902、904、906、916、918和920可以由玻璃或光学塑料制成。注意，一个或多个透镜是非球面透镜。图9示出了y-z平面。在一个实施例中，透镜中继器900中的透镜是旋转对称的。因此，透镜中继器900可以在x-z平面中具有类似的外观。
还被描绘的是弯曲的中间图像平面，如由线908、910和912所表示的。与仅使用漫射器EPE、DOE EPE或MLA EPE相比，图像质量可以利用折射光学元件900的中继器而被更好地获得。
折射光学元件900的中继器包括入射光瞳901和扩展的出射光瞳302。作为一个示例，入射光瞳901可以是大约1mm。扩展的出射光瞳302可以是大约3mm。然而，这些仅仅是示例，入射光瞳901和光瞳302两者都可以更大或更小。
在一个实施例中，ROE 900的中继器的输入处的FOV不同于输出处的FOV。在一个实施例中，折射光学元件900的中继器的输入处的FOV大于输出处的FOV。作为一个示例，输入处的FOV可以是大约110度并且输出处的FOV可以是大约40度。然而，这些仅是示例。
图9中的折射光学元件900的中继器的一种变型是在弯曲的中间图像平面处具有弯曲的出射光瞳扩展器。这将允许光瞳放大。本文所描述的任何出射光瞳扩展器可以被用在弯曲的中间图像平面处。
注意，EPE 306可以包括漫射、衍射或折射光的元件的任何组合。因此，在一个实施例中，EPE 306包括通过散射(或漫射)光来扩展光瞳尺寸的光学元件和通过衍射光来扩展光瞳尺寸的光学元件。在一个实施例中，EPE 306包括通过散射(或漫射)光来扩展光瞳尺寸的光学元件和通过折射光来扩展光瞳尺寸的光学元件。在一个实施例中，EPE 306包括通过衍射光来扩展光瞳尺寸的光学元件和通过折射光来扩展光瞳尺寸的光学元件。在一个实施例中，EPE 306包括通过散射(或漫射)光来扩展光瞳尺寸的光学元件、通过衍射光来扩展光瞳尺寸的光学元件和通过折射光来扩展光瞳尺寸的光学元件。
图10是在具有EPE 306的显示系统300中提供图像的过程1000的一个实施例的流程图。图10是被用来概述根据本技术的各种实施例的方法的高级流程图。这种方法可以用于近眼或平视显示系统，其包括被光学地耦合在扫描光线投影仪和波导之间的EPE。
步骤1002包括扫描来自扫描光线投影仪204的光束。步骤1002可以包括形成具有“虚拟像素”的图像。
步骤1004包括使用出射光瞳扩展器306来扩展来自扫描光线投影仪204的光束的出射光瞳。在一个实施例中，EPE 306是漫射器EPE。在一个实施例中，EPE 306是DOE EPE。在一个实施例中，EPE 306是双MLA EPE。在一个实施例中，EPE 306包括非球面透镜的中继器。
在一个实施例中，步骤1004包括通过出射光瞳扩展器(例如，双MLA EPE 306)的不同物理部分(例如，图7A中的单元706或图7B中的单元716)来引导对应于图像中的像素(例如，虚拟像素)的光束的部分，同时防止相邻像素之间的串扰。
在一个实施例中，步骤1004包括根据微透镜阵列中透镜的空间位置、以不同角度折射来自微透镜阵列(例如，图7B中的MLA 723)中的透镜的光束。例如，MLA 723中的透镜724可以是非周期性的，从而使得一个透镜(例如，透镜724(1))的折射角不同于另一透镜(例如，透镜724(3))的折射角。因此，折射角可以取决于MLA内透镜的物理位置(例如，在x-y平面中)。这可以被称为“空间相关的折射角”。
在一个实施例中，步骤1004包括在出射光瞳扩展器的输入处向光束施加第一光功率，并且在扩展的出射光瞳的输出处向光束施加第二光功率。注意，在一个实施例中，第二光功率不等于第一光功率。例如，图7A中的MLA 702中的透镜712可以具有与MLA 704中的透镜714不同的光功率。注意，在一个实施例中，图7A中的MLA 702中的透镜712可以具有与MLA704中的透镜714不同的曲率。
步骤1006包括将来自出射光瞳扩展器306的光束光学地耦合到光波导的输入耦合器中。图1A、图1B、图1C或图4中所描绘的光波导100可以被使用。出于说明的目的，将在过程1000中参考图1A、图1B、图1C和图4中的元件。然而，过程1000不限于这些示例。
步骤1008包括将来自输入耦合器112的光束衍射到光波导中的中间衍射元件114。注意，在一个实施例中，波导100不具有中间衍射元件114。在这种情况下，步骤1008不被执行。作为替代，来自输入耦合器112的光束可以被衍射到光波导116中的输出耦合器。
步骤1010包括将来自中间衍射元件114的光束衍射到光波导116中的输出耦合器。步骤1010可以包括在垂直或水平方向中扩展光瞳。
步骤1012包括将来自输出耦合器116的光束衍射到光波导100的外部。这可以包括将光束衍射到人眼214中。步骤1012可以包括在垂直方向或水平方向中扩展光瞳(如果步骤1010是垂直扩展，则该扩展可以是水平的，如果步骤1010是水平扩展，则该扩展可以是垂直的)。
图11描绘了头戴式显示设备(HMD)2的一部分的俯视图，其包括框架的一部分，其包括镜腿102和鼻梁1104。本文所公开的EPE 306的各种实施例可以被用在HMD 2中。仅头戴式显示设备2的右侧而被描绘。
头戴式显示设备2的框架的一部分将围绕显示器(其包括一个或多个透镜)。为了示出头戴式显示设备2的部件，围绕显示器的框架的一部分未被描绘。显示器包括波导100、不透明度滤光器1114、透视透镜1116和透视透镜1118。在一个实施例中，不透明度滤光器1114在透视透镜1116后面并与其对准，波导100在不透明度滤光器1114后面并与其对准，并且透视透镜1118在光导光学元件112后面并与其对准。透视镜片1116和1118是眼镜中所使用的标准透镜，并且可以被制成任何方案(prescription)(包括没有方案)。在一个实施例中，透视镜片1116和1118可以由可变方案透镜代替。在一些实施例中，头戴式显示设备2将仅包括一个透视透镜或不包括透视透镜。在另一备选方案中，方案透镜可以进入波导100内部。不透明度滤光器1114滤除自然光(基于每个像素或均匀地)以增强虚拟图像的对比度。波导100将人造光引导到眼睛。
被安装到镜腿102或镜腿102内部的是图像源，其(在一个实施例中)包括用于投射虚像的扫描光线投影仪204和用于将光瞳从来自扫描光线投影仪的图像扩展到波导100中的EPE 306。在一个实施例中，在扫描光线投影仪204和波导100之间还可以存在一个或多个透镜。
控制电路136提供支持头戴式显示设备2的其他部件的各种电子器件。在镜腿102内部或被安装到镜腿102的是耳机130、惯性和/或磁传感器132和温度传感器138。在一个实施例中，惯性和磁传感器132包括三轴磁力计132A、三轴陀螺仪132B和三轴加速度计132C。惯性和/或磁传感器用于感测头戴式显示设备2的位置、取向和突然加速度。
扫描光线投影仪204通过EPE 306投影图像。波导100将来自扫描光线投影仪204的光传送到佩戴头戴式显示设备2的用户的眼睛214。波导100还允许来自头戴式显示设备2前面的光通过波导100被传送到眼睛214，如由箭头142所示，从而允许用户除了从扫描光线投影仪204 0接收虚拟图像之外还具有头戴式显示设备2前面的空间的实际直接视图。因此，波导100的壁可以是透视的。波导100包括输入耦合器112和输出耦合器116。可选地，波导100包括中间元件114(在图11中未被示出)。
与波导100对准的不透明度滤光器1114选择性地阻挡来自穿过波导100的自然光，无论是均匀地还是基于每个像素。在一个实施例中，不透明度滤光器可以是透视LCD面板、电致变色膜、PDLC(聚合物分散液晶)或能够用作不透明度滤光器的类似设备。这样的透视LCD面板可以通过从常规LCD去除各种衬底、背光和漫射器层来获得。LCD面板可以包括一个或多个透光LCD芯片，其允许光穿过液晶。例如，这样的芯片被用于LCD投影仪。
不透明度滤光器1114可以包括密集的像素网格，其中每个像素的光透射率可在最小和最大透射率之间单独地控制。虽然0-100％的透射率范围是理想的，但更有限的范围也是可接受的。作为示例，具有不超过两个偏振滤光器的单色LCD面板足以提供每像素约50％至99％的不透明度范围，直至LCD的分辨率。至少50％，透镜将具有略微着色的外观，这是可以容忍的。100％的透射率表示完全清晰的透镜。“alpha”标度可以被定义为0-100％，其中0％不允许光通过，而100％允许所有光通过。alpha的值可以通过下面所描述的不透明度滤光器控制电路224为每个像素来设置。
在利用用于现实世界对象的代理进行z缓冲之后，alpha值的掩码可以从渲染管道被使用。当系统渲染用于增强现实显示的场景时，它记录下来哪些真实世界对象在哪些虚拟对象的前面。如果虚拟对象位于真实世界对象的前面，则对于虚拟对象的覆盖区域，不透明度应当是开启的。如果虚像(虚拟地)在真实世界对象后面，那么不透明度应当是关闭的，以及对于该像素的任何颜色，因此用户只能看到针对真实光的该对应区域(像素或更大尺寸)的真实世界对象。覆盖范围将是基于逐个像素的，因此系统可以处理虚拟对象的一部分位于真实世界对象前面的情况、虚拟对象的一部分位于现实世界对象后面的情况、以及虚拟对象的一部分与现实世界对象重合的情况。能够以低成本、功率和重量从0％到100％不透明度的显示器是用于这种用途最理想的。此外，不透明度滤光器可以用彩色来渲染，诸如利用彩色LCD或利用其他显示器(诸如有机LED)，以提供宽视场。
图11仅示出了头戴式显示设备2的一半。完整的头戴式显示设备2将包括(在适用的情况下)另一组透镜、另一不透明度滤光器、另一波导100、另一扫描光线投影仪204、另一透镜、耳机和温度传感器。
在以上描述和其中所描述的示图中，波导100通常被描述并示出为平面波导，每个平面波导包括一对平面相对的主表面。在备选实施例中，波导的一个或两个主表面可以是非平面的，例如弯曲的。在以上描述和其中所描述的示图中，波导100通常被描述并示出为彼此平行，然而其不一定是这种情况。
在以上描述中，扫描光线投影仪204被描述为输出对应于图像的红光、绿光和蓝光，并且波导100被描述为将红光、绿光和蓝光从输入耦合器112传递到各种波导100的输出耦合器116，并且更一般地，从入射光瞳到出射光瞳。然而，由扫描光线投影仪204输出的光包括备选颜色也在本技术的范围内，备选颜色诸如但不限于，青色、品红色和黄色，在这种情况下，输入耦合器112、输出耦合器116将被设计用于这样的备选波长范围。三种以上颜色的光由扫描光线投影仪204输出也在本技术的范围内，例如，扫描光线投影仪204可以输出对应于图像的红光、绿光、蓝光和黄光。在后一种情况下，附加的波导可以被用来引导黄光，或者黄光可以在也引导一种其他颜色的一个波导内被引导。其他变化是可能的并且在本技术的范围内。
根据本文所描述的某些实施例，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。光波导包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器，以及输入耦合器和输出耦合器之间的衍射光学元件。出射光瞳扩展器被配置为将光束耦合到输入耦合器中。
根据本文所描述的某些实施例，一种方法，包括：使用扫描光线投影仪扫描光束；使用出射光瞳扩展器扩展来自扫描光线投影仪的光束的出射光瞳；将来自出射光瞳扩展器的光束光学地耦合到光波导的输入耦合器；将光束从输入耦合器衍射到光波导中的中间衍射元件；将光束从中间衍射元件衍射到光波导中的输出耦合器；以及将光束从输出耦合器衍射到光波导的外部。
根据本文所描述的某些实施例，透视近眼显示系统，包括：一种光引擎，包括激光器、扫描镜和逻辑，被配置为利用扫描镜扫描来自激光器的光束；瞳孔复制器，包括块状衬底、输入耦合器和输出耦合器、以及输入耦合器和输出耦合器之间的衍射光学元件，输出耦合器被配置为将光束传递到透视近眼显示系统的佩戴者的眼睛；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光瞳复制器之间，出射光瞳扩展器被配置为将光束耦合到输入耦合器中。
根据本文所描述的某些实施例，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。出射光瞳扩展器被配置为将光束耦合到光波导中。出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，其包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，第一微透镜阵列被配置为在第一平面中的第一透镜中接收光束，第二微透镜阵列被配置为在平行于第一平面的第二平面中的第二透镜中输出光束，其中第二透镜中的一些对应于第一透镜中的一些，但是在平行于第二平面的方向中相对于第一透镜被移位。
根据本文所描述的某些实施例，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。出射光瞳扩展器被配置为将光束耦合到光波导中。出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，其包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，第一微透镜阵列被配置为在第一平面中的第一透镜中接收光束，第二微透镜阵列被配置为在平行于第一平面的第二平面中的第二透镜中输出光束，其中第一透镜是周期性的，并且第二透镜是非周期性的。
根据本文所描述的某些实施例，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。出射光瞳扩展器被配置为将光束耦合到光波导中。出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，其包括被配置成接收光束的第一微透镜阵列和被配置成输出光束的第二微透镜阵列，其中第二微透镜阵列具有与第一微透镜阵列不同的光功率。
根据本文所描述的某些实施例，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。出射光瞳扩展器包括漫射器EPE。
根据本文所描述的某些实施例，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。出射光瞳扩展器包括DOE EPE。
根据本文所描述的某些实施例，一种装置，包括：扫描光线投影仪，被配置为投射光束；光波导；以及出射光瞳扩展器，被光学地耦合在扫描光线投影仪和光波导之间。出射光瞳扩展器包括一系列折射光学元件，其扩展扫描光线投影仪的出射光瞳。在一个实施例中，该系列折射光学元件是非球面透镜。
尽管本主题内容已经用结构特征和/或方法动作专用的语言而被描述，但是应当理解，所附权利要求书中所定义的主题内容不必限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。

Claims (18)

1.一种装置，包括：
扫描光线投影仪，其被配置为投射光束；
光波导，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器，以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述扫描光线投影仪和所述光波导之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将来自所述扫描光线投影仪的所述光束耦合到所述输入耦合器中，所述出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，所述双微透镜阵列被配置为扩展与所述扫描光线投影仪相关联的出射光瞳，其中所述双微透镜阵列包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，所述第一微透镜阵列被配置为在第一平面中的第一透镜中接收所述光束，所述第二微透镜阵列被配置为在平行于所述第一平面的第二平面中的第二透镜中输出所述光束，其中所述第一透镜是周期性的，并且所述第二透镜是非周期性的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述衍射光学元件还包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，其中所述输入耦合器包括所述第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件被配置为将所述光束衍射到所述第二衍射光学元件，其中所述第二衍射光学元件被配置为将所述光束衍射到所述输出耦合器，其中所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件中的至少一个衍射光学元件被配置为在至少一个方向中扩展所述光束。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括被与所述光波导对准的不透明度滤光器，所述不透明度滤光器被配置为选择性地阻挡自然光穿过所述光波导。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一微透镜阵列包括第一透镜，并且所述第二微透镜阵列包括与所述第一透镜不匹配的第二透镜。
5.一种方法，包括：
使用扫描光线投影仪扫描光束；
使用出射光瞳扩展器扩展来自所述扫描光线投影仪的所述光束的出射光瞳，包括通过所述出射光瞳扩展器的不同物理部分引导对应于所述光束中的虚拟像素的所述光束的部分，同时防止相邻虚拟像素之间的串扰；
将来自所述出射光瞳扩展器的所述光束光学地耦合到光波导的输入耦合器；
将所述光束从所述输入耦合器衍射到所述光波导中的中间衍射元件；
将所述光束从所述中间衍射元件衍射到所述光波导中的输出耦合器；以及
将所述光束从所述输出耦合器衍射到所述光波导的外部。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述出射光瞳扩展器包括微透镜阵列，其中使用所述出射光瞳扩展器扩展来自所述扫描光线投影仪的所述光束的所述出射光瞳包括：
取决于所述微透镜阵列中透镜的空间位置，以不同角度折射来自所述微透镜阵列中的所述透镜的所述光束。
7.根据权利要求5所述的方法，其中使用所述出射光瞳扩展器扩展来自所述扫描光线投影仪的所述光束的所述出射光瞳包括：
在所述出射光瞳扩展器的输入处向所述光束施加第一光功率；以及
在所述出射光瞳扩展器的输出处向所述光束施加第二光功率，所述第二光功率不等于所述第一光功率。
8.一种透视近眼显示系统，包括：
光引擎，其包括激光器、扫描镜和被配置为利用所述扫描镜扫描来自所述激光器的光束的逻辑；
光瞳复制器，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器、以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件，所述输出耦合器被配置为将所述光束传递到所述透视近眼显示系统的佩戴者的眼睛；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述光引擎和所述光瞳复制器之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将所述光束从所述光引擎耦合到所述输入耦合器中，所述出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，所述双微透镜阵列具有第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，所述第一微透镜阵列被配置为在第一平面中的第一透镜中接收所述光束，所述第二微透镜阵列被配置为在平行于所述第一平面的第二平面中的第二透镜中输出所述光束，其中所述第二透镜中的一些第二透镜具有与所述第一透镜中的一些第一透镜不同的数值孔径。
9.根据权利要求8所述的透视近眼显示系统，其中所述双微透镜阵列被配置为提供空间相关的折射角。
10.根据权利要求8所述的透视近眼显示系统，其中所述双微透镜阵列包括具有第一侧和第二侧的主体，所述主体包括被配置为将光从所述第一透镜中的一些第一透镜引导到所述第二透镜中的对应的一些第二透镜的单元，所述单元被配置为防止相邻单元之间的串扰。
11.一种装置，包括：
扫描光线投影仪，其被配置为投射光束；
光波导，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器、以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述扫描光线投影仪和所述光波导之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将所述光束从所述扫描光线投影仪耦合到所述输入耦合器中，所述出射光瞳扩展器包括一系列非球面折射光学元件，所述一系列非球面折射光学元件被配置为扩展所述扫描光线投影仪的出射光瞳。
12.一种装置，包括：
扫描光线投影仪，其被配置为投射光束；
光波导，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器、以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件；
一系列折射光学元件，其包括第一组透镜和第二组透镜，所述一系列折射光学元件针对色差进行校正；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述扫描光线投影仪和所述光波导之间，所述出射光瞳扩展器被光学地耦合在所述第一组透镜和所述第二组透镜之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将来自所述扫描光线投影仪的所述光束耦合到所述输入耦合器中。
13.一种方法，包括：
使用扫描光线投影仪扫描光束；
使用出射光瞳扩展器扩展来自所述扫描光线投影仪的所述光束的出射光瞳，包括：在所述出射光瞳扩展器的输入处向所述光束施加第一光功率；以及
在所述出射光瞳扩展器的输出处向所述光束施加第二光功率，所述第二光功率不等于所述第一光功率；
将来自所述出射光瞳扩展器的所述光束光学地耦合到光波导的输入耦合器；
将所述光束从所述输入耦合器衍射到所述光波导中的中间衍射元件；
将所述光束从所述中间衍射元件衍射到所述光波导中的输出耦合器；以及
将所述光束从所述输出耦合器衍射到所述光波导的外部。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将来自所述输入耦合器的所述光束通过所述光波导传播到所述光波导的输出耦合器；以及
将所述光束通过输出耦合器光学地耦合到所述光波导的外部。
15.一种透视近眼显示系统，包括：
光引擎，其包括激光器、扫描镜和被配置为利用所述扫描镜扫描来自所述激光器的光束的逻辑；
光瞳复制器，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器、以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件，所述输出耦合器被配置为将所述光束传递到所述透视近眼显示系统的佩戴者的眼睛；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述光引擎和所述光瞳复制器之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将所述光束从所述光引擎耦合到所述输入耦合器中，所述出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，所述双微透镜阵列具有：
具有第一侧和第二侧的主体；
第一微透镜阵列，其具有被设置在所述第一侧上的第一透镜；以及
第二微透镜阵列，其具有被设置在所述第二侧上的第二透镜，所述主体包括被配置为将光从所述第一透镜中的一些第一透镜引导到所述第二透镜中的对应的一些第二透镜的单元，所述单元被配置为防止相邻单元之间的串扰。
16.一种装置，包括：
扫描光线投影仪，其被配置为投射光束；
光波导，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器、以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述扫描光线投影仪和所述光波导之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将来自所述扫描光线投影仪的所述光束耦合到所述输入耦合器中，所述出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，所述双微透镜阵列被配置为扩展与所述扫描光线投影仪相关联的出射光瞳，其中所述双微透镜阵列包括：
第一微透镜阵列，其被配置为在第一平面中的第一透镜中接收所述光束；以及
第二微透镜阵列，其被配置为在平行于所述第一平面的第二平面中的第二透镜中输出所述光束，其中所述第二透镜中的一些第二透镜对应于所述第一透镜中的一些第一透镜，但是在平行于所述第二平面的方向中相对于所述第一透镜被移位。
17.一种装置，包括：
扫描光线投影仪，其被配置为投射光束；
光波导，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器、以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述扫描光线投影仪和所述光波导之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将来自所述扫描光线投影仪的所述光束耦合到所述输入耦合器中，所述出射光瞳扩展器包括双微透镜阵列，所述双微透镜阵列被配置为扩展与所述扫描光线投影仪相关联的出射光瞳，其中所述双微透镜阵列包括：
第一微透镜阵列，其被配置为接收所述光束；以及
第二微透镜阵列，其被配置为输出所述光束，其中所述第二微透镜阵列具有与所述第一微透镜阵列不同的光功率。
18.一种透视近眼显示系统，包括：
光引擎，其包括激光器、扫描镜和被配置为利用所述扫描镜扫描来自所述激光器的光束的逻辑；
光瞳复制器，其包括块状衬底、输入耦合器、输出耦合器、以及所述输入耦合器和所述输出耦合器之间的衍射光学元件，所述输出耦合器被配置为将所述光束传递到所述透视近眼显示系统的佩戴者的眼睛；以及
出射光瞳扩展器，其被光学地耦合在所述光引擎和所述光瞳复制器之间，所述出射光瞳扩展器被配置为将所述光束从所述光引擎耦合到所述输入耦合器中；
其中所述出射光瞳扩展器包括扩展所述光引擎的出射光瞳的非球面透镜的中继器。
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