用于扫描系统的失真控制投影仪的制作方法

本申请要求2019年2月28日提交的美国申请第16/289,516号的优先权，该申请的内容以其整体通过引用并入本文以用于全部目的。

背景

本公开总体上涉及光学投影系统，特别是包括扫描显示系统的光投影系统。

人工现实(AR)应用中的头戴装置(headset)通常通过某种形式的显示器显示图像内容。对于许多应用来说，希望有一种具有小形状因子的轻型头戴装置。但是，设计用于这种头戴装置的显示器是困难的。显示器中的投影系统生成图像光。然而，空间限制(例如，非常紧凑)、视场(例如，宽到促进沉浸式AR体验)和外部停止定位的组合容易限制投影仪的光学设计，并且已经限制了传统的头戴装置的设计。此外，试图创建小形状因子的投影系统可能面临设计问题，诸如设计导致光学和差分失真(differential distortion)的投影系统。

概述

本文描述了一种显示系统，包括：(i)被配置为生成显示图像的源光的光组件；(ii)失真校正光学器件组件，该失真校正光学器组件包括：(a)变形场透镜，该变形场透镜被配置为向源光施加第一失真，以及(b)光学设备，该光学设备包括被配置为向来自变形场透镜的源光施加第二失真的至少一个变形非球面，该第二失真包括准直；以及(iii)扫描系统，该扫描系统被配置为重定向具有来自失真校正光学器件组件的第一失真和第二失真的源光，其中第一失真和第二失真至少部分补偿由扫描系统导致的光学失真。在某些实施例中，光组件包括一个或更多个光源。在某些实施例中，一个或更多个光源提供一个或更多个显示像素。在某些实施例中，一个或更多个显示像素包括图像光。在某些实施例中，具有第一失真和第二失真的源光包括预失真并且准直的源光。

在某些实施例中，变形场透镜被配置为执行准直源光、扩展源光或调整源光的取向中的至少一个。在某些实施例中，变形场透镜被配置为对源光施加轴对称调整。在某些实施例中，光学器件组件包括单片棱镜。在某些实施例中，光学器件组件包括自由形状棱镜，该自由形状棱镜包括一个或更多个光透射表面和一个或更多个光反射表面。在某些实施例中，自由形状棱镜被配置为使源光失真和准直。在某些实施例中，一个或更多个光透射表面包括自由形状表面。在某些实施例中，一个或更多个光透射表面包括泽尼克表面(Zernike surface)、变形(anamorphic)非球面、平坦表面、非旋转对称表面或非轴对称表面。在某些实施例中，一个或更多个反射表面包括泽尼克表面、变形非球面、平坦表面、非旋转对称表面或非轴对称表面。在某些实施例中，扫描系统包括反射镜扫描系统。在某些实施例中，反射镜扫描系统被配置为使从失真校正光学器件组件输出的预失真并且准直的源光不失真。

在某些实施例中，失真校正光学器件组件和扫描系统被配置为将不失真的图像光透射到像平面。在某些实施例中，像平面包括虚像平面、耦合器、波导、显示器、近眼显示器或用户中的至少一个。在某些实施例中，不失真的图像光包括至少没有桶形失真(barrel distortion)、枕形失真(pincushion distortion)、胡子失真(mustache distortion)、梯形失真(keystone distortion)或差分失真的图像光。在某些实施例中，至少桶形失真、枕形失真、胡子失真、梯形失真或差分失真包括像平面上的像素未对准。在某些实施例中，失真校正光学器件组件提供在像平面上的像素对准。

本概述既不意图识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图单独用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。前述内容连同其他特征和示例一起将在下面的说明书、权利要求和附图中被更详细地描述。

附图简述

下面参考以下附图详细描述说明性实施例：

图1是近眼显示器的实施例的示意图。

图2是根据实施例的近眼显示器的横截面的图示。

图3是波导显示器的实施例的等轴视图(isometric view)。

图4是根据实施例的波导显示器的横截面的图示。

图5是包括近眼显示器的系统的实施例的框图。

图6是用于人工现实显示器的光组件的实施例的示意图。

图7是可用于近眼显示器的反射镜扫描系统的实施例的示意图。

图8A-图8C示出了由光投影系统形成的示例图像。

图9示出了根据某些实施例的图像失真。

图10是根据某些实施例的包括失真校正光学器件组件的示例光投影系统的侧视图。

图11是根据某些实施例的包括失真校正光学器件组件的光投影系统的透视图。

图12是根据某些实施例的包括失真校正光学器件组件的光投影系统的透视图。

图13是根据某些实施例的场透镜的透视图。

图14A示出了来自比较光投影系统的沿着垂直于扫描方向的轴的扫掠(sweep)误差。

图14B示出了来自包括失真校正光学器件组件的光投影系统的沿着垂直于扫描方向的轴的扫掠误差。

图15A示出了来自图14A的比较光投影系统的扫掠误差与扫掠角度的关系。

图15B示出了来自图14B的比较光投影系统的扫掠误差与扫掠角度的关系。

图16示出了来自光投影系统的扫描图像的像素重叠误差。

详细描述

在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对公开的示例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以避免在不必要的细节上模糊示例。在其他情况下，公知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以避免模糊示例。附图和描述并不旨在是限制性的。在本公开中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。

图1是近眼显示器100实施例的示意图。近眼显示器100向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)被呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置成作为虚拟现实(VR)显示器进行操作。在一些实施例中，近眼显示器100可以被修改成作为增强现实(AR)显示器和/或混合现实(MR)显示器来进行操作。

近眼显示器100包括框架105和显示部件110。框架105耦合到一个或更多个光学元件。显示部件110被配置用于让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示部件110包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。

图2是根据实施例的图1所示近眼显示器100的横截面200的图示。显示部件110包括至少一个波导显示组件210。出射光瞳(exit pupil)230是当用户佩戴近眼显示器100时，眼睛220在显示部件110的视窗(eyebox)区域中可以定位的位置。为了说明的目的，图2示出了与单只眼睛220和单个波导显示组件210相关联的横截面200，但是第二波导显示部件可以用于用户的第二只眼睛。

波导显示组件210被配置成将图像光导向位于出射光瞳230处的视窗，并导向眼睛220。波导显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成。在一些实施例中，近眼显示器100包括在波导显示组件210和眼睛220之间的一个或更多个光学元件。

在一些实施例中，波导显示组件210包括一个或更多个波导显示器的堆叠，该一个或更多个波导显示器包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。在一些实施例中，堆叠式波导显示器可以是多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)，其通过堆叠波导显示器创建，这些波导显示器的相应单色源具有不同的颜色。在一些实施例中，堆叠式波导显示器可以是可以被投影在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器可以是可以被投影在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。如上所述，实施例可以包括变焦波导显示器，该变焦波导显示器可以调整从波导显示器发射的图像光的焦点位置。在替代实施例中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。

图3是波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300可以是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些实施例中，波导显示器300是将图像光导向特定位置的某个其他近眼显示器或其他系统的一部分。

波导显示器300包括源组件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与单只眼睛220相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一个波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。

源组件310生成光图案355。源组件310生成光图案355并将其输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。输出波导320包括向用户的眼睛220输出扩展的图像光340的光波导。输出波导320在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收光图案355，并将接收到的光图案355引导至导向元件360。在一些实施例中，耦合元件350将来自源组件310的光图案355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surface element)、和/或全息反射器阵列。

导向元件360将接收到的光图案355重定向到去耦元件(decoupling element)365，使得接收到的光图案355经由去耦元件365从输出波导320去耦合。导向元件360可以是输出波导320的第一侧面370-1的一部分或固定到输出波导320的第一侧面370-1。去耦元件365可以是输出波导320的第二侧面370-2的一部分或固定到输出波导320的第二侧面370-2，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。

第二侧面370-2表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以由促进光图案355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导320具有相对小的形状因子。例如，输出波导320可以沿x维度约50mm宽，沿y维度约30mm长，并且沿z维度约0.5-1mm厚。

控制器330控制源组件310的扫描操作。控制器330确定源组件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320将扩展的图像光340以大视场(FOV)输出到用户的眼睛220。例如，被提供给用户的眼睛220的扩展的图像光340(在x和y上)具有60度或更大和/或150度或更小的对角线FOV。在一些实施例中，输出波导320可以被配置为提供视窗，该视窗长度是20mm或更大和/或等于或小于50mm；和/或宽度是10mm或更大和/或等于或小于50mm。

图4是根据实施例的波导显示器300的横截面400的图示。横截面400可以包括源组件310和输出波导320。源组件310可以根据来自控制器330的扫描指令生成光图案355。源组件310可以包括源410和光学器件系统415。源410可以包括生成相干光或部分相干光的光源(例如，光组件，如下面进一步详细描述的)。源410可以包括一个或更多个光源，该光源可以包括例如激光二极管、垂直腔面发射激光器、发光二极管(LED)等。

光学器件系统415可以包括一个或更多个光学部件，该光学部件调节来自源410的光。调整来自源410的光可以包括例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调节取向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，光学器件系统415包括具有多个电极的液体透镜，该液体透镜允许用阈值的扫描角度来扫描光束，以将光束移到液体透镜外部的区域。从光学器件系统415(还有源组件310)发射的光被称为光图案355。

输出波导320接收光图案355。耦合元件350将来自源组件310的光图案355耦合到输出波导320中。在耦合元件350是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距(pitch)被选择成使得全内反射在输出波导320中发生，并且光图案355在输出波导320中朝向去耦元件365进行内部传播(例如，通过全内反射)。

导向元件360将光图案355重定向到去耦元件365，用于从输出波导320去耦合。在导向元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得入射光图案355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。

在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上类似。离开输出波导320的图像光340沿着一个或更多个维度被扩展(例如，可以沿着x维度被拉长)。在一些实施例中，波导显示器300包括多个源组件310和多个输出波导320。在这样的实施例中，每个源组件310可以是发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。此外，每个输出波导320可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的图像光340。

图5是包括近眼显示器100的系统500的实施例的某些电气和光学部件的框图。系统500包括近眼显示器100、成像设备535、以及输入/输出接口540，它们各自耦合到控制台510。

近视显示器100是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并基于音频信息来向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些实施例中，近眼显示器100利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。

近眼显示器100可以包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210可以附加地或替代地包括源组件310、输出波导320和控制器330。

IMU 530可以包括一种电子设备，该电子设备基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。

成像设备535可以根据从控制台510接收的校准参数来生成慢速校准数据。成像设备535可以包括例如一个或更多个照相机和/或一个或更多个摄像机。

输入/输出接口540包括允许用户向控制台510发送动作请求的设备。在此，动作请求可以包括执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。

控制台510根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在图5所示的示例中，控制台510包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。

应用储存器545存储用于由控制台510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令在由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。

跟踪模块550可以使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。

跟踪模块550可以使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。

引擎555可以执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210，该信号确定呈现给用户的内容类型。

因为近眼显示器100可以由用户佩戴，所以该设计可以采用适应这种使用情况的特征，诸如重量轻和低功率。考虑到这一点，一些实施例可以利用这样的源组件(例如，图3-4的源组件310)：该源组件利用反射镜扫描系统，其中反射镜用于扫描一个或更多个光源(例如，图4的源410)以创建输出的光图案(例如，图4的光图案355)。

图6是可以在这种反射镜扫描系统中利用的光组件600的实施例的示意图。光组件600(其可以对应于图4的源410)包括光源604的阵列或图案，每个光源可以发射特定颜色或波长带的光。在一些实施例中，光源604可以包括激光器或LED(例如，微型LED)，该激光器或LED可以放置或以其他方式制造在公共衬底或“芯片”上。如本文所使用的，术语“芯片”是指与用于接入光源的电互连封装在一起的光源阵列或组。下面的附加实施例描述了光组件600如何可以包括多个芯片。在一些实施例中，光源604可以排列成行和列。例如，如图6所示，光组件600可以包括行1、行2、行3、行4、行5、行6至行n；光组件600的列1、列2、列3至列m，如图所示。在一些实施例中，光组件600中使用12个行；四行光源604具有红色LED，四行光源604具有绿色LED，并且四行光源604具有蓝色LED。在一些实施例中，3至7行的光源604用于光组件600中的一种颜色。其他实施例可以变化。

可以注意到，虽然图6的光组件600的光源604的阵列形成光源604的矩形图案(其中来自所有行的光源604对准成列)，但是实施例不限于此。如下文更详细描述的，光组件600的替代实施例可以包括形成六边形或其他图案的光源604的阵列，这可能导致光源604的一些行或列不与其他行或列对准。(因此，如本文所使用的，当用于指代光组件600的光源604时，术语“行”和“列”用于指代光组件600的光源604的子集，该子集对准以沿着输出光图案的扫描线照射对应的像素，如下文所述。)还可以注意到，光源604可以以圆形图案发光，这在将一行和/或列的光源604与另一行和/或列定相(phasing)时可以是有用的。即使如此，在替代实施例中，光源可以附加地或替代地是非圆形的。

图7是在近眼显示器(例如，图1的近眼显示器100)的源组件(例如，图3-图4的源组件310)中可用的反射镜扫描系统700的实施例的示意图，示出了反射镜704如何扫描光组件600以在扫描场706中投影输出的光图案。在所示实施例中，反射镜扫描系统700包括光组件600、反射镜704和光学器件712。扫描场706可以包括虚像平面，其中提供了输出光图案(并且其中可以放置波导或其他光学元件来接收输出光图案，如前面的实施例所示)。

反射镜扫描系统700的操作通常可以如下进行。在扫描周期期间，从光组件600的光源604发射的光702可以从反射镜704反射到扫描场706上。反射镜704围绕轴708旋转(如虚线所示)，以不同的角度引导光702，从而在扫描周期的过程中沿着扫描维度707照射扫描场706的不同部分。因此，在扫描周期的过程中，通过旋转以将来自光组件600的光702重定向到沿着扫描维度707的整个扫描场(例如，行1至行p)上，反射镜704“扫描”光组件600。光组件600可以在不同时间发射不同图案的光来照射扫描场706，以创建输出的光图案，该输出的光图案可以是图像或图像的前体(precursor)。输出的光图案可以对应于图4的光图案355，并且因此可以被提供给输出波导320的耦合元件350，以形成被提供给用户眼睛的图像光340。

用于扫描光组件600的反射镜704的类型可以根据期望的功能而变化。在一些实施例中，例如，反射镜704可以包括扫描MEMS反射镜，该扫描MEMS反射镜被配置为通过来回振荡以沿着扫描维度反射光来扫描光组件600。在其他实施例中，反射镜704可以包括自旋(spinning)反射镜(例如，多面反射镜)，该自旋反射镜被配置为围绕轴自旋，以沿着扫描维度在一个方向上扫描光组件600。其他实施例可以变化。因此，如本文所述的反射镜704围绕轴的“旋转”可以包括部分旋转(例如，振荡)和/或完全旋转(例如，自旋)。

光学器件712可以用于将来自光组件600的光准直和/或聚焦到反射镜704和/或扫描场706。光学器件712和反射镜704可以对应于图4的光学器件系统415。因此，光学器件712可以包括一个或更多个透镜、光栅、光圈和/或其他光学元件，如以上关于图4所述。

如前所示，在扫描周期的过程中，采用输出的光图案照亮扫描场706。输出的光图案可以被划分成输出像素的阵列，划分成行和列。(在图7所示的实施例中，扫描场706具有行1到行p。)在扫描周期的过程中，输出的光图案中的每个像素可以由光组件600的对应列中的一个或更多个光源604照亮。在反射镜704旋转时，光组件600的光源604可以在扫描周期中的特定时间闪光，以照亮扫描场706中的输出光图案的相应像素。反射镜704旋转以沿着扫描维度707重定向光702，使得沿着光组件的长度L1的多列光源604照亮扫描场706中的输出的光图案的相应列的像素。由于反射镜704的旋转，光组件600中一列的每个光源604可用于照亮输出的光图案中的对应像素。在一些实施例中，扫描场706的长度L2可以超过光组件600的长度L1，和/或沿着长度L2的输出的光图案的像素行数可以超过沿着光组件的长度L1的光源604的行数。在一些实施例中，例如，扫描场706的输出的光图案中的行数p可以是行数n和光组件600的50至10,000倍大。(在诸如本文所述的实施例中，其中反射镜704旋转以沿着单个扫描维度707扫描光组件600，因此输出的光图案中的列数可以对应于光组件600中的列数m。也就是说，在替代实施例中，反射镜704可以被配置为沿二维扫描，在这种情况下，输出的光图案中的列数可以大于或小于光组件600中的列数m。)

反射镜704旋转的速度可以根据期望的功能而变化。根据一些实施例，反射镜704的旋转速度可以对应于近眼显示器的刷新率，该刷新率可以是每秒发生几次(例如，十几次或更多次)。在一些实施例中，反射镜704可以过度旋转(例如，在光702已经照亮整个扫描场之后继续旋转)，以允许反射镜“斜降(ramp down)”其旋转速度并且“斜升(ramp up)”其旋转速度和相反的方向。这可以允许扫描场706上相对均匀的扫描速度。因为反射镜704可以在两个方向上旋转(如图7中的“反射镜旋转”箭头所示)，所以反射镜扫描系统700可以被配置为在两个方向上将来自光组件600的光702扫描到扫描场706。

根据期望的功能，在扫描周期的过程中，扫描场706的全扫描(例如，扫描场706中的输出光图案中的所有像素的照亮)可以在反射镜704的单次通过(pass)(旋转)或反射镜704的多次通过中执行。例如，在一些实施例中，输出光图案中的所有行的像素在反射镜704的单次通过中被照亮。在其他实施例中，扫描可以是交错的(interleaved)，例如，以在沿着扫描维度707的一个方向上的扫描场706的第一次通过中照亮输出的光图案的偶数行，然后在沿着扫描维度707的相反方向上的扫描场706的第二次通过中照亮输出的光图案的奇数行。

I、扫描显示系统导致的空间和差分失真

以下内容描述了由扫描显示系统导致的示例失真。在一些情况下，当反射镜704扫描光组件600以在扫描场706中投影输出的光图案时，导致失真。例如，图8A-图8C示出了反射镜扫描系统700通过组装一系列局部图像来创建输出的图像。

图8A描绘了第一局部图像801，图8B描绘了第二局部图像802，并且图8C描绘了第三局部图像803，这示出了三个不同时间t1、t2和t3的三个不同的局部图像。局部图像来自于反射镜扫描系统700将光源604扫描到扫描场706(例如，像平面、虚像平面、耦合器、波导、近眼显示器等)上。在图8A-图8C所示的实施例中，随着反射镜704随时间旋转，光组件600的行1与扫描场706的不同行对准，如图所示。例如，在时间t1，光组件600的行1与扫描场706的行1对准；在时间t2(参见图8B)，光组件600的行1与扫描场706的行2对准；在时间t3(参见图8C)，光组件600的行1与扫描场706的行3对准；等等。以这种方式扫描使得反射镜扫描系统700能够以完整的输出光图案照亮整个扫描场706(例如，照亮行1至行p)。可以注意到，在替代实施例中，取决于各种因素(诸如反射镜扫描系统700的光学器件和取向)，取向可以不同。因此，当光组件600的行1与扫描场706的各行对准时，光组件600的其他行也在扫描周期的过程中与扫描场706的相应行对准。例如，在时间t2，当光组件600的行1与扫描场706的行2对准时，光组件600的行2与扫描场706的行1对准。在时间t3，光组件600的行1、行2和行3分别与扫描场706的行3、行2和行1对准。这种方式的照明在扫描周期的过程中持续进行。

在一些非限制性示例中，如第一局部图像801(参见图8A)中所示，在时间t1并且在扫描场角度θ0处，第一行的像素编号7、9和11(从左边开始计数，第一个像素为1，最后一个像素为11)是亮的，并且该行中的其余像素是暗的。如本文所述，扫描场角度θ对应于反射镜704在旋转时的位置(即，在时间t1，反射镜704位于扫描场角度θ0处)。在时间t1并且在扫描场角度θ0处，对应于光组件600的行1的这一行的3个亮像素和8个暗像素被投影到扫描场706的第一行(例如，行1)上。如局部图像802(参见图8B)所示，在时间t2并且在扫描场角度θ1处，扫描场706中的像素的新配置被照亮。该新配置有效地将光组件600的行2移动到扫描场706中。接下来，如局部图像803(参见图8C)所示，在时间t3，反射镜704处于新位置(扫描场角度θ2)，并且光组件600的行3现在被投影到扫描场706中。在这个时刻(t3)并且在这个位置(θ2)处，反射镜扫描系统700投影像素的另一种新配置。

这种扫描并且改变在扫描场706上被投影到像平面上的光的配置的模式将继续，直到反射镜704以第一方向D1沿着扫描场706一直向下扫描或扫掠图像光为止。反射镜扫描系统700随后可以按照相同的扫描并且改变光投影的配置的模式来沿扫描场706向上扫描图像光。反射镜扫描系统700对图像光的扫描并且改变配置将有效地允许用户通过将扫描场706中的多个局部图像扫描并且堆叠到虚像平面上(例如，到耦合器、波导、近眼显示器上，并且最终到用户)来感知完整图像。

差分失真

诸如如上所述的扫描显示系统的一个潜在的重要问题是光学失真。例如，反射镜扫描系统700中的光学器件712可以映射光的阵列，使得每行光作为直的一行光进入光学器件712，但是作为弯曲的一行光离开光学器件712到虚像平面上。由光学器件712(例如，光学器件组件的至少一部分，包括透镜、棱镜、光栅、滤光器、其他光学器件组件等)导致的光学失真至少可以是桶形失真、枕形失真、胡子失真、梯形失真或其组合。因此，扫描到虚像平面上的图像光340可能具有差分失真，其中当反射镜704沿着扫描场706上下扫描光组件600时，像素的曲线可能导致对用户来说的模糊。

图9示出了来自诸如如上所述的扫描显示系统的示例模糊效果。示例光源阵列910示出了来自光组件600的光源604的矩形阵列的图像光的投影，而没有任何失真(即，如预期的图像，其中光学器件712接收从光组件600发射的光阵列，并且在接收到时将光阵列映射到反射镜704上)。因为光组件600被配置成具有直的多行光源604的矩形阵列，所以图像光将采用直的多行像素进入光学器件712。正因如此，光源阵列910的行1-行7的每个像素按行等距。例如，行1的中间像素(912)到行2的中间像素(914)的间距与行1的边缘像素(916)到行2的边缘像素(918)的间距相同。

然而，差分失真可以导致具有直的多行像素的矩形光源阵列910将多行像素以弯曲行的方式映射到虚像平面上(例如，差分失真图像920)。在某些实施例中，差分失真导致输出平面边缘处的像素映射到扫描场706中的不同位置。例如，在光源阵列910中，行1的中间像素(912)到行2的中间像素(914)的间距与行1的边缘像素(916)到行2的边缘像素(918)的间距相同。然而，在差分失真图像920中，行1的中间像素(912)到行2的中间像素(914)的间距小于行1的边缘像素(916)到行2的边缘像素(918)的间距。光学器件712的角度效应可以进一步导致行到行间距的梯度，如差分失真图像920中所示，这导致多行像素看起来是弯曲的。

这种差分失真会导致投影图像模糊。模糊是由扫描场706中非预期位置的像素映射造成的。正因如此，多行像素可能重叠，多行像素可能间隔太远，或者是它们的任意组合。参考图8A-图8C，当一行像素中的至少一部分像素被移位时，发生模糊。例如，预期投影到扫描场706的行1中的像素可能投影到扫描场706的行2中，这导致模糊。

差分失真可能影响投影图像的单行。在一些情况下，扫描并且改变扫描场706中的像素配置被用于构建投影图像的单行。因此，差分失真图像920提供了垂直模糊线930。如图9所示，像平面的单个扫描线可以包括在一段时间内的几次光组件600扫描。通过重叠像素的对准来提供非模糊图像(即，非差分失真的)，这进一步提供了单个聚焦像素940的感知。然而，当单个扫描线如图9所示差分地失真时，这行像素中的像素可能不对准，从而提供至少局部模糊的图像。因此，垂直模糊线930可以具有聚焦部分、模糊部分或其任意组合。在某些实施例中，垂直模糊可以由第一时间的边缘像素位置与随后时间的边缘像素位置之间的间距来指示(例如，图9中所示的垂直模糊是t1时间的边缘像素(942)与t7时间的边缘像素(944)之间的间距)。在一些非限制性示例中，差分失真可以在任何取向上发生。例如，水平模糊可以发生在单行像素中的像素内。另外，差分失真不限于像素的矩形阵列，并且可以影响具有任何取向的扫描显示系统。II、具有失真校正元件的扫描显示系统

以下讨论针对具有光学器件组件的扫描显示系统，该光学器件组件被配置为减轻光学和差分失真，从而减少来自扫描显示系统(例如，来自光学器件712)的模糊。

图10示出了根据一个示例的具有失真校正光学器件组件1010的扫描显示系统1000。失真校正光学器件组件1010取代了上述光学器件712。

如图10所示，失真校正光学器件组件1010被定位成使得它可以调节从光组件600传播到反射镜扫描系统700的光。在某些实施例中，失真校正光学器件组件1010包括透镜1020和光学器件组件(例如，棱镜1030)。在一些非限制性示例中，失真校正光学器件组件1010准直并进一步减轻来自由光组件600提供的图像光的光学和/或差分失真。因此，失真校正光学器件组件1010向反射镜扫描系统700提供预失真的光。因此，预失真的光被失真，以补偿光投影系统中的固有失真(即，预失真的光与固有失真相等且相反地失真)。最终，使用失真校正光学器件组件1010向用户1050提供了不失真的图像。

在某些实施例中，从光组件600传播的光通过透镜1020调节。通过透镜1020的调节可以包括准直、扩展、调整取向、以其他方式改变光的传播或它们的任意组合。在一些情况下，通过透镜1020的调节是在后续调节(即，至少第二次调节)之前执行的预调节(即，第一次调节)。在一些非限制性示例中，第一次调节由棱镜、光栅、滤光器或其任意组合来执行。在本示例中，第一次调节由透镜(例如，场透镜、准直透镜、柱面透镜、远心透镜、球面透镜、任何合适的透镜或其任意组合)执行。在一些非限制性示例中，透镜1020可以是变形场透镜，该变形场透镜是被配置为调整光使得被调整的光的量是非轴对称的场透镜。正因如此，透镜1020被定位并且配置为捕获由光组件600发射的光，并在初始调节状态下将从光组件600发射的光透射到棱镜1030。

在某些进一步的实施例中，通过透镜1020传播的光被棱镜1030进一步调节。通过棱镜1030的调节可以包括准直、扩展、调整取向、以其他方式改变光的传播或它们的任意组合。在一些情况下，通过棱镜1030的调节是后续调节(例如，最终调节)。在一些方面，后续调节由透镜、光栅、滤光器或其任意组合来执行。在某些实施例中，棱镜1030可以具有至少一个变形非球面。在一些情况下，变形表面是具有双侧对称性的表面(例如，该表面关于y轴和x轴对称，但是不是径向对称的)。在某些方面，表面可以关于单个轴(例如，y轴，但不关于x轴)对称。变形非球面是可以准直光(例如，变形非球面的非球面方面)，并且压缩第一方向上的光，而不影响第二方向上的光(例如，可以压缩光的水平方面，而不压缩垂直方面)(这是变形非球面的变形方面)的表面。因此，变形非球面可以提供准直并且压缩的图像光340(参见图3)。

在一个示例中，棱镜1030是具有多个表面的单片棱镜。在另一个示例中，棱镜1030是具有多个自由形状表面的组件，并且该多个自由形状表面结合起来被配置为接收、反射和透射由光组件600发射的光。在本示例中，棱镜1030被配置为在将由透镜1020调节的光透射到反射镜扫描系统700之前进一步调节该光。如上文详细描述的，反射镜扫描系统700将从失真校正光学器件组件1010透射的光反射并扫描到虚像平面(例如，波导显示组件210)。波导显示组件然后通过显示器110(参见图1)将光透射到用户1050。

图11是根据一个示例的失真校正光学器件组件1010(参见图10)的光线跟踪图1100。在该示例中，提供了失真校正光学器件组件1010的分解视图。失真校正光学器件组件1010包括透镜1020和棱镜1030。透镜1020可以具有多个光透射表面，包括从光组件600接收图像光340的接收表面1102和透射从光组件600传播到棱镜1030经光学校正的光(即，调节光)的透射表面1104。透镜1020的接收表面1102可以是泽尼克表面，并且透射表面1104可以是变形非球面。棱镜1030可以具有多个光透射表面和多个光反射表面，包括光入射表面1110(透射)、输入表面1120(反射)、输出表面1130(反射)和出射表面1140(透射)。在某些实施例中，输入表面1120和输出表面1130形成变形反射器组件1150。在一个示例中，棱镜1030是具有多个表面的单片棱镜。在另一个示例中，棱镜1030是具有多个自由形状表面的组件，并且该多个自由形状表面结合起来被配置为接收、反射和透射由透镜1020透射的光。

在一个示例中，棱镜1030是多个自由形状表面，包括光入射表面1110、输入表面1120、输出表面1130和出射表面1140。结合起来，这些表面被配置为接收、反射和透射从透镜1020透射的光。然后，光通过经由入射表面1110进入，从输入表面1120反射到输出表面1130，从输出表面1130反射到出射表面1140，并作为进一步调节的光离开棱镜1030来传播通过棱镜1030。

因此，结合透镜1020，棱镜1030被配置为至少光学地校正由光组件600发射的光经由变形反射器组件1150的像差、失真和场弯曲，该变形反射器组件1150由输入表面1120和输出表面1130创建，该输入表面1120和输出表面1130结合起来反射由透镜1020透射的光。如本文所述，透镜1020是轴对称非旋转对称透镜。棱镜1030包括非轴对称非球面反射表面(例如，输入表面1120和输出表面1130)，该反射表面调节从光组件600发射的光，以预失真从光组件600发射的光，从而校正在没有失真校正光学器件组件1010的系统中发现的光学和差分失真。

棱镜1030包括光入射表面1110，该光入射表面1110被配置为接收从透镜1020透射的光，并通过变形反射器组件1150在内部透射光。输入表面1120反射光并将反射的光导向输出表面1130。输出表面1130反射光并将反射的光导向出射表面1140。变形反射器组件1150(例如，结合起来工作的输入表面1120和输出表面1130)被配置为对透射通过光入射表面1110的光进行全内反射。棱镜1030最后包括出射表面1140，该出射表面1140被配置为接收来自输出表面1130的反射光并将其透射到反射镜扫描系统700。在一个示例中，图11的输入表面1120和输出表面1130可以各自是泽尼克表面或泽尼克多项式表面(Zernike polynomial surface)(例如，具有偏移双侧对称的非轴对称非球面)。

在一个示例中，失真校正光学器件组件1010被配置为减少光学和/或差分失真，使得从光组件600投影的光在从光组件600投影时被反射镜扫描系统700反射和扫描，并被映射到虚像平面(例如，波导显示组件210，参见图10)上。在本示例中，在没有失真校正光学器件组件1010的系统中发现的光学失真以及由扫描未预失真的图像光340导致的差分失真(参见图8A-图8C和图9)将被减少，从而减少显示器110中的模糊量。

在一个示例中，失真校正光学器件组件1010被配置为校正由如上所述的图像扫描期间发生的差分失真所导致的垂直模糊(参见图9)。因此，参考图9，通过预失真从光组件600发射的光，使垂直模糊(即，t1时间的边缘像素(942)与t7时间的边缘像素(944)之间的距离)显著减少。在另一示例中，失真校正光学器件组件1010被配置为校正垂直模糊和水平模糊(例如，沿着扫描方向的失真和横跨扫描方向的失真)。与垂直模糊类似，水平模糊是由图像扫描期间发生的差分失真导致的。因此，失真校正光学器件组件1010可以被配置为校正垂直模糊和水平模糊。

图12是根据另一个示例的失真校正光学器件组件1010(参见图10)的光线跟踪图1200。在图12的示例中，光传播类似于图11的示例中的光传播。在图12的示例中，棱镜1030可以具有光入射表面1210以及输入表面1220以及输出表面1230以及出射表面1240，从而提供变形反射器组件1250。与图11的示例中的变形反射器组件1150相比，变形反射器组件1250可以具有修改的形状。因此，失真光学器件组件1010的部件可以针对特定的光调节要求进行定制。例如，失真校正光学器件组件1010可以被定制以针对特定反射镜扫描系统700、特定波导显示组件210、特定光组件600、任何合适的光学组件和/或系统或其任意组合的光进行调节。

图13示出了透镜1020(参见图10)的透视图。如图13所示，透镜1020是具有接收表面1102和透射表面1104的场透镜。场透镜被配置为预失真从光组件600发射的光。在一个示例中，场透镜通过预失真从光组件600发射的光，至少部分地减轻了在没有失真校正光学器件组件600的系统中发现的失真。如上所述，接收表面1102可以是泽尼克表面，并且透射表面1104可以是变形非球面。至少部分由于场透镜，从采用失真校正光学器件组件1010的扫描显示系统投影到像平面(例如，波导显示系统210)上的光将被光学校正。因此，由扫描失真图像导致的模糊将被减少和/或消除。

在一个示例中，场透镜被配置为光学校正场曲率。场透镜可以尽可能靠近光组件600放置(参见图10)。场透镜还可以被配置为控制投影到棱镜1030上的光的入射角，并且有效地准直从光组件600发射的光。在一个示例中，场透镜也可以被配置为校正像差。场透镜可以校正球面像差和色差。

图14A-图14B示出了没有失真校正光学器件组件1010的比较扫描显示系统(如图4-图7的示例中)与采用失真校正光学器件组件1010的扫描显示系统(如图10的示例中)之间沿着垂直于扫描方向的轴的增量(delta)扫掠误差的比较。如本文所示，增量扫掠误差示出了当反射镜扫描系统700扫描图像光340时，像平面上的像素的角度偏移(在图14A中称为“交叉扫掠(度)”)。在图14A的示例中，当扫描镜将图像光从相对于静止位置(例如，0°)2.5°的位置扫描到相对于静止位置的-2°位置(即，4.5°扫掠，在图14A中称为“扫掠方向(度)”)时，记录交叉扫掠。图14A示出了约0.3°的增量扫掠误差(由垂直线和尺寸箭头指示)，这指示了被记录的像素在4.5°扫描周期的31次扫描过程中没有保持对准，因此在该像素位置处提供了模糊的图像。图14B示出了经校正的系统(例如，采用在本文以上示例中所述的失真校正光学器件组件1010的扫描显示系统)的增量扫掠误差。校正后的系统在4°源宽度上显示出约0.02°的减小的增量扫掠误差，这指示了当顶部像素(约为2°)被向下扫描并在底部像素(约为-2°)上扫描时，像素保持对准，这提供了增量交叉扫掠误差的数量级减小。

图15A-15B针对如图14A-图14B的示例中的比较扫描显示系统和采用失真校正光学器件组件1010的校正扫描显示系统，示出了相对于交叉扫掠的增量扫掠误差的比较。图15A进一步示出了比较扫描显示系统的增量交叉扫掠误差，这指示了增量交叉扫掠误差随着交叉扫掠线性传播，其中较高的交叉扫掠提供较高的误差。图15B示出了采用本文描述的失真校正光学器件组件1010的校正扫描显示系统的增量交叉扫掠误差，其中与图15A的比较扫描显示系统相比，增量交叉扫掠误差减小了数量级。

图16示出了当顶部行被向下扫描到底部行时的重叠误差量(参见图8A-图8C)。对于不同的源宽度(例如，175μm和350μm)，评估重叠误差。在图16的示例中，重叠误差是当以不同距离扫描时横跨行的像素位移的结果。图16示出了如图14A-图15B的示例中的比较扫描显示系统和采用失真校正光学器件组件1010的校正扫描显示系统的重叠误差。图16示出了根据由比较扫描显示系统中的差分失真导致的像素错位(dislocation)(由实线指示)和由采用失真校正光学器件组件1010的校正扫描显示系统中的残余差分失真导致的像素错位(由虚线指示)的像素重叠误差。通过记录源平面上的像素位置并减去源平面上记录的像素位置，来测量像素错位。重叠误差被报告为像素错位的像素数。如图16的曲线图所示，在校正扫描显示系统中采用失真校正光学器件组件1010，12个像素的重叠误差被减小到大约2.5个像素的重叠误差。另外，在校正扫描显示系统中采用失真校正光学器件组件1010，大约6.25个像素的重叠误差被减小到大约1.5个像素的重叠误差。

本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，现实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。

上面讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以酌情省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来被执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和元素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，且因此许多元素是示例，并不将本公开的范围限制于那些具体示例。

在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，众所周知的电路、过程、系统、结构和技术被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例实施例，并不意图限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在元素的功能和布置方面进行各种改变。

此外，一些实施例被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。

对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，例如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的元素。此外，可以采用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。

参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。如本文所使用的，术语“机器可读介质(machine-readable medium)”和“计算机可读介质(computer-readable medium)”是指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以供执行。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实现中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁和/或光学介质(例如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、下文所述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任意组合。

本领域的技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用各种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在上面的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任意组合来表示。

本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这些术语的上下文。典型地，“或”如果用于关联列表，例如A、B或C，则意在表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“...中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，例如A、B或C，则可以被解释为表示A、B和/或C的任意组合，例如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。

此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在相同的处理器上或者以任意组合在不同的处理器上被实现。

在设备、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程以(例如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任意组合来完成这种配置。过程可以使用各种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。

因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不意图进行限制。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。