具有反射偏振器的光束扫描器的制作方法

1.本公开涉及可穿戴头戴式耳机，并且具体地讲，涉及可穿戴视觉显示头戴式耳机的部件和模块。


背景技术：

2.头戴式显示器(hmd)、头盔式显示器、近眼显示器(ned)等越来越多地用于显示虚拟现实(vr)内容、增强现实(ar)内容、混合现实(mr)内容等。此类显示器正在各种领域中找到应用，包括娱乐、教育、培训和生物医学科学(仅举几个示例)。所显示的vr/ar/mr内容可以是三维(3d)的，以增强体验并将虚拟对象与用户观察到的真实对象匹配。可实时跟踪用户的眼睛位置和注视方向和/或取向，并且可取决于用户的头部取向和注视方向来动态地调整所显示的图像，以提供沉浸到模拟或增强的环境中的更好体验。
3.头戴式显示器需要紧凑型显示设备。因为hmd或ned的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以大的、笨重的、不平衡的和/或沉重的显示设备将是麻烦的，并且对于用户佩戴而言可能是不舒服的。
4.基于投影仪的显示器提供角域中的图像，用户可直接观察到这些图像，而无需中间屏幕或显示面板。可使用波导以将角域中的图像承载到用户的眼睛。在扫描投影仪显示器中缺少屏幕或高数值孔径准直光学器件会实现显示器的尺寸和重量的减小。投影仪显示器的扫描器需要为快速的，具有宽扫描范围，并保持被扫描光束的光学质量以形成角域中的图像。


技术实现要素：

5.根据本公开，提供了一种光束扫描器，其包括光束折叠棱镜元件，光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面以及在第一表面处的第一反射偏振器。光束折叠棱镜元件被配置为使入射的第一光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射，然后使第一光束通过第二表面被重定向到光束折叠棱镜元件外。四分之一波长的波片(qwp)被配置为接收离开光束折叠棱镜元件的第一光束并使光束传播通过光束折叠棱镜元件。可倾斜反射器被配置为接收第一光束并以可变的角度将第一光束朝向qwp反射回去。在操作中，在从可倾斜反射器的反射之后通过qwp传播的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件。光束折叠棱镜元件的第一表面和第二表面可形成在他们之间小于45度的角度。
6.在一些实施例中，入射的第一光束具有第一偏振状态，并且第一反射偏振器被配置为反射具有第一偏振状态的光并且使具有第二偏振状态的光透射，由此通过qwp传播两次的第一光束通过第一反射偏振器离开光束折叠棱镜元件。光束折叠棱镜元件可被配置为在第二表面处通过全内反射来反射第一光束。qwp可基本上平行于光束折叠棱镜元件的第二表面延伸，并且可通过气隙与光束折叠棱镜元件分离。可倾斜反射器可包括微机电系统(mems)可倾斜反射器，其可围绕一个轴或两个轴倾斜。
7.在一些实施例中，提供了第二棱镜元件，第二棱镜元件用于使由光束折叠棱镜元件输出的第一光束传播通过其，第二棱镜元件邻接第一反射偏振器。第二棱镜元件可包括邻接第二棱镜元件的表面中的一者的光束收集器。光束折叠棱镜元件的第一表面可以是弯曲的，以用于准直从第一表面反射的第一光束。第二棱镜元件还可包括与光束折叠棱镜元件的弯曲表面匹配的弯曲表面，并且第一反射偏振器可夹在光束折叠棱镜元件和第二棱镜元件之间。
8.在一些实施例中，光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，第二反射偏振器在光束折叠棱镜元件内设置在第一光束的光学路径中，光学路径介于光束折叠棱镜元件内的从第二表面和第一表面的反射之间，并且qwp光耦接到光束折叠棱镜元件的第三表面。在操作中，第一光束经历从第二表面的第一反射，传播通过第二反射偏振器，通过qwp经历从第三表面的第二反射，由第一反射偏振器反射，通过qwp在其第三表面离开光束折叠棱镜元件，由可倾斜反射器反射以传播返回通过qwp，通过第二反射偏振器，并且到光束折叠棱镜元件外。第二棱镜元件可耦接到光束折叠棱镜元件的第一表面，用于接收入射在第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过第一反射偏振器将第二光束耦合到光束折叠棱镜元件。光束折叠棱镜元件还可包括：第四表面和在第四表面处的第三反射偏振器，其中第三反射偏振器邻接第一反射偏振器和第二反射偏振器；第五表面和在第五表面处的第四反射偏振器，其中第四反射偏振器邻接第一反射偏振器和第二反射偏振器；第三棱镜元件，第三棱镜元件耦接到光束折叠棱镜元件的第四表面，用于接收入射在第三棱镜元件上的第三光束，并用于通过第三反射偏振器将第三光束耦合到光束折叠棱镜元件；以及第四棱镜元件，第四棱镜元件耦接到光束折叠棱镜元件的第五表面，用于接收入射在第四棱镜元件上的第四光束，并且用于通过第四反射偏振器将第四光束耦合到光束折叠棱镜元件。第一反射偏振器、第二反射偏振器、第三反射偏振器和第四反射偏振器可形成对称金字塔形结构，对称金字塔形结构具有共同顶点、四个侧面和共同矩形基部。
9.根据本公开，提供了一种投影仪，其包括至少一个光源，至少一个光源用于向上述光束扫描器提供第一光束。
10.在一些实施例中，投影仪包括：第一光源，第一光源用于提供第一光束；光束折叠棱镜元件，光束折叠棱镜元件包括相邻的第一表面和第二表面以及在第一表面处的第一反射偏振器，其中光束折叠棱镜元件被配置为使入射的第一光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射，然后使第一光束通过第二表面被重定向到光束折叠棱镜元件外；四分之一波长的波片(qwp)，被配置为接收离开光束折叠棱镜元件的第一光束并使光束传播通过光束折叠棱镜元件；可倾斜反射器，被配置为接收第一光束并以可变的角度将第一光束朝向qwp反射回去，其中在操作中，在从可倾斜反射器的反射之后通过qwp传播的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件。
11.在一些实施例中，投影仪还包括：第二光源，用于提供第二光束；第二棱镜元件，第二棱镜元件耦接到光束折叠棱镜元件的第一表面，用于接收入射在第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过第一反射偏振器将第二光束耦合到光束折叠棱镜元件；其中光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，第二反射偏振器在光束折叠棱镜元件内设置在第一光束的如下光学路径中，光学路径在光束折叠棱镜元件内介于从第二表面的反射与从第一表面的反射之间，并且其中qwp光耦合到光束折叠棱镜元件的第三表面。
12.在一些实施例中，在操作中，第一光束经历从第二表面的第一反射，传播通过第二反射偏振器，经历通过qwp从第三表面的第二反射，由第一反射偏振器反射，通过qwp在光束折叠棱镜元件的第三表面离开光束折叠棱镜元件，由可倾斜反射器反射以通过qwp传播返回，通过第二反射偏振器，并且到光束折叠棱镜元件外；并且其中在操作中，第二光束经历从第二棱镜元件内的第一反射，传播通过第一反射偏振器，通过qwp经历从第三表面的第二反射，由第二反射偏振器反射，通过qwp在光束折叠棱镜元件的第三表面离开光束折叠棱镜元件，由可倾斜反射器反射以通过qwp传播返回，通过第一反射偏振器，并且到光束折叠棱镜元件外。
13.在一些实施例中，可倾斜反射器包括2d微机电系统(mems)可倾斜反射器。
14.根据本公开，还提供了一种近眼显示器，其包括如上的投影仪，以及控制器，控制器可操作地耦接到第一光源和可倾斜反射器并且被配置为：操作可倾斜反射器以使从可倾斜反射器反射并通过光束折叠棱镜元件传播的第一光束具有与要显示的图像的第一像素相对应的光束角；以及与操作可倾斜反射器协调地操作第一光源，使第一光束具有对应于第一像素的亮度和/或颜色。在其中近眼显示器的投影仪包括多个光源(例如，用于提供第一光束的第一光源和用于提供第二光束的第二光源)的实施例中，控制器可被配置为操作可倾斜反射器以致使从可倾斜反射器反射并通过光束折叠棱镜元件传播的第一光束和第二光束具有与要显示的图像的第一像素和第二像素分别相对应的光束角，以及与操作可倾斜反射器协调地操作第一光源和第二光源，使得第一光束和第二光束具有分别对应于第一像素和第二像素的亮度和/或颜色。
15.在一些实施例中，近眼显示器包括：第一光源，用于提供第一光束；光束折叠棱镜元件，包括相邻的第一表面和第二表面以及在第一表面处的第一反射偏振器，其中光束折叠棱镜元件被配置为使入射的第一光束从光束折叠棱镜元件内反射至少两次，包括从第一反射偏振器的一次反射，然后使第一光束通过第二表面被重定向到光束折叠棱镜元件外；四分之一波长的波片(qwp)，被配置为接收离开光束折叠棱镜元件的第一光束并使第一光束传播通过光束折叠棱镜元件；可倾斜反射器，被配置为接收第一光束并以可变角度将第一光束朝向qwp反射回去，其中在操作中，在从可倾斜反射器的反射之后通过qwp传播的第一光束传播通过光束折叠棱镜元件；以及控制器，可操作地耦接到第一光源和可倾斜反射器并且被配置为：操作可倾斜反射器以致使从可倾斜反射器反射并通过光束折叠棱镜元件传播的第一光束具有与要显示的图像的第一像素相对应的光束角；以及与操作可倾斜反射器协调地操作第一光源，使得第一光束具有对应于第一像素的亮度。
16.在一些实施例中，近眼显示器还包括：第二光源，第二光源用于提供第二光束；以及第二棱镜元件，第二棱镜元件耦接到光束折叠棱镜元件的第一表面，用于接收入射在第二棱镜元件上的第二光束，并且用于通过第一反射偏振器将第二光束耦合到光束折叠棱镜元件；其中光束折叠棱镜元件还包括第二反射偏振器，第二反射偏振器在光束折叠棱镜元件内设置在第一光束的光学路径中，光学路径介于光束折叠棱镜元件内的从第二表面和第一表面的反射之间，并且其中qwp光耦接到光束折叠棱镜元件的第三表面；并且其中控制器可操作地耦接到第二光源并且被配置为：操作可倾斜反射器以致使从可倾斜反射器反射并通过光束折叠棱镜元件传播的第二光束具有与要显示的图像的第二像素相对应的光束角；以及与操作可倾斜反射器协调地操作第二光源，使得第二光束具有对应于第二像素的亮
度。
17.应当理解，本文描述为适于并入本发明的一个或多个方面或实施例中的任何特征旨在能够在本公开的任何和所有方面和实施例中推广。
附图说明
18.现在将结合附图描述示例性实施例，其中：
19.图1是包括光束折叠棱镜元件的本公开的光束扫描器的侧剖视图；
20.图2a、2b和2c是可与图1的光束扫描器一起使用的多发射器光源的前视图；
21.图3是包括图1的光束扫描器的近眼显示器(ned)的侧剖视图，该光束扫描器配备有与光束折叠棱镜元件匹配的第二棱镜元件；
22.图4是图3的ned的实施例的侧剖视图，其中光束扫描器设置有光束收集器；
23.图5是图3的ned的实施例的侧剖视图，其中棱镜元件具有匹配的弯曲表面，其中反射偏振器夹在两个棱镜元件的弯曲表面之间；
24.图6是具有用于将多个光束耦合到相同可倾斜反射器的多个棱镜元件的光束扫描器的侧剖视图；
25.图7a是包括图6的光束扫描器的ned的侧剖视图，示出了从两个光源到共同的可倾斜反射器的两个光束的传播；
26.图7b是图7a的ned的侧剖视图，示出了从两个光源一直到光瞳复制波导的两个光束的传播；
27.图8是包括四个光源和对称光束折叠棱镜元件的ned的顶视图；
28.图9a是作为光束倾角的函数的扫描投影仪显示器的视场(fov)的纵横比的曲线图；
29.图9b是图9a中的零倾角下的fov的示意图；
30.图9c是图9a中的最大倾角下的fov的示意图；
31.图10是本公开的包括光束扫描器的近眼显示器的平面剖视图；
32.图11a是本公开的头戴式显示器的等距视图；以及
33.图11b是包括图11a的头戴式耳机的虚拟现实系统的框图。
具体实施方式
34.虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但本教导并不旨在限于此类实施例。相反，本发明的教导包括各种替代方案和等同物，如本领域技术人员将理解的。本文列举本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物。另外，所旨在的是此类等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，所开发的执行相同功能的任何元件，而不管结构如何。
35.如本文所用，术语“第一”、“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元件与另一个元件区分开，除非明确声明。类似地，方法步骤的顺序排序并不意味着其执行顺序，除非明确说明。在图1和图3至图8中，相似的附图标记表示类似元件。
36.可倾斜反射器可用于扫描由光源发射的光束以形成角域中的图像，以供近眼显示器的用户直接观察。当光束被扫描时，被扫描光束的亮度和/或颜色可根据所显示的图像的
对应像素与扫描协调地变化。当在整个帧或用户的视场(fov)上，例如在x和y视角上，以两个维度扫描光束时，形成整个图像。当帧速率足够高时，眼睛会集成扫描的光束，从而使得用户能够基本上看到显示的图像而没有闪烁。
37.与近眼显示图像扫描器相关的一个问题是由光束到扫描器的可倾斜反射器上的倾斜入射角引起的视场(fov)减小。所使用的光学几何形状可能需要倾斜角，例如，以将入射光束与扫描的(即反射的)光束物理分离。fov减小是由如下的立体角(solid angle)的扭曲引起的，该立体角表示：以可倾斜反射器处的光束的倾斜入射角进行的扫描的范围。
38.根据本公开，输出(扫描)光束可通过偏振与输入光束在空间上分开。这消除了通过倾斜入射角对光束进行几何分离的需要，从而使得构造紧凑，该紧凑构造在可倾斜反射器处于中心(非倾斜)角位置时在可倾斜反射器处提供几乎直的入射角。入射光束的低倾角使得扫描范围能够被更有效地利用。
39.现在将考虑本公开的光束扫描器的几个实施例。参考图1，光束扫描器130包括光束折叠棱镜元件102和反射偏振器(rp)104，该光束折叠棱镜元件具有相邻的第一表面111和第二表面112，该反射偏振器设置在第一表面111处。四分之一波长的波片(qwp)106设置在光束折叠棱镜元件102的第二表面112处。可倾斜反射器108设置在qwp 106旁边。
40.在操作中，由图像光源(未示出)提供的经准直的光束110入射到光束折叠棱镜元件102上。在该示例中，入射光束110垂直于图1的平面线性偏振，尽管它可取决于光学配置被不同地偏振。在光束折叠棱镜元件102中传播的光束110被第二表面112反射向第一表面111。反射偏振器104被配置为将垂直于图1的平面线性偏振的光反射，并且使在图1的平面中偏振的光透射。因此，反射偏振器104反射光束110以传播回第一表面111，尽管以与光束110到第二表面112上的第一入射角不同的入射角。因此，光束折叠棱镜元件102被配置为使入射光束110从光束折叠棱镜元件102内反射至少两次，包括从反射偏振器104的一次反射，然后将光束110通过其第二表面112重定向到光束折叠棱镜元件102外。
41.qwp 106接收离开光束折叠棱镜元件102的光束110并使该光束传播通过。在传播通过qwp 106时，光束106变成圆偏振，例如在该示例中是右圆偏振。可倾斜反射器108接收光束110并且将光束110向qwp 106反射回去。可倾斜反射器108反射光束110的角度可通过使可倾斜反射器108倾斜而改变(扫描)。
42.反射光束110变为左圆偏振。这是因为反射光束110的传播方向改变，而入射到可倾斜反射器108上的光束110的光场的x分量和y分量之间的相位关系基本上保持相同。由于圆偏振的旋向性是根据传播方向来确定的，因此反射光束110的旋向性也改变。光束110在从可倾斜反射器108反射后再次传播通过qwp，并且变得在图1的平面中偏振。这致使传播通过光束折叠棱镜元件102的光束110(在图1中向上)进一步传播通过反射偏振器104，从而形成输出光束114。更一般地，入射光束110可具有第一偏振状态，并且反射偏振器104被配置为反射具有第一偏振状态的光并且透射具有第二偏振状态的光，由此传播通过qwp 106两次的光束110通过反射偏振器104离开光束折叠棱镜元件102。输出光束114的角度取决于可倾斜反射器108的倾斜角。应当理解，可倾斜反射器108可在两个轴上倾斜，即在图1的平面中并且垂直于该平面。
43.光束折叠棱镜元件102可由诸如玻璃、塑料等光学透明材料制成。对于更紧凑的配置，第一表面111和第二表面112可形成小于45度的角度，例如30度或更小。在一些实施例
中，光束折叠棱镜元件102被配置为在第二表面112处通过全内反射(tir,total internal reflection)来反射光束110。为此，光束折叠棱镜元件102可具有足够高的折射率，使得从光束折叠棱镜元件102内110到第二表面112上的光束的入射角大于由折射率确定的tir临界角。为了促进从第二表面112的光束110的tir，qwp 106可通过薄气隙与光束折叠棱镜元件102的第二表面112分离。qwp 106可基本上平行于光束折叠棱镜元件102的第二表面112延伸。在一些实施例中，qwp 106被层压到第二表面112上。
44.qwp 106可由具有适当双折射的材料制成，例如双折射聚合物片材或刚性晶体材料(诸如晶体石英)。qwp 106可以是零阶qwp和/或可包括薄晶体材料的堆叠或具有彼此成非零角度的光轴的双折射聚合物片材的堆叠。可倾斜反射器108可以是例如微机电系统(mems)可倾斜反射器或反射镜，其可通过向其电极施加电压而可围绕一个轴(1d mems)或两个轴(2d mems)倾斜。
45.应当理解，入射光束110可以是经准直的、几乎准直的、发散的或会聚的，并且可包括由光源的可独立控制的发射器提供的多个子光束。子光束通常相对于彼此以小角度传播，例如在2度的锥体内传播，或者甚至在更窄的锥体，例如，1度或0.5度的椎体内传播。
46.参考图2a、2b和2c，光源可包括多个单独发射器。可为每个颜色通道提供若干发射器。例如，可为红色(r)颜色通道(深阴影圆圈)提供四个红色发射器200r；可为绿色(g)颜色通道(中等阴影圆圈)提供四个绿色发射器200g；并且可为蓝色(b)颜色通道(浅阴影圆圈)提供四个蓝色发射器200b。发射器200r、200g和200b可以线图案(图1a)；以z字形图案(图1b)或以蜂窝状图案(图2c)设置，仅举几个示例。使多个发射器照亮相同的可倾斜反射器使得人们能够扫描由一起作为一组的这些发射器生成的光束。多个发射器以及在一些情况下，多个光源可用于在一些光源失效的情况下提供冗余，增加图像分辨率，增加整体图像亮度等。
47.参考图3，近眼显示器(ned)300包括在光学上耦接到光瞳复制波导332的光束扫描器330。光束扫描器330类似于图1的光束扫描器130。光束扫描器330还包括邻接反射偏振器104的第二棱镜元件316。在一些实施例中，反射偏振器104被夹在光束折叠棱镜元件102和第二棱镜元件316之间。第二棱镜元件316可具有与光束折叠棱镜元件102相同或类似的形状，从而产生图3所示的紧凑菱形结构。光瞳复制波导332可包括输入耦合器，诸如输入光栅334。
48.在操作中，光束110沿着与图1的光束扫描器130中类似的路径在光束折叠棱镜元件102中传播。在从可倾斜反射器108反射并传播通过反射偏振器104之后，光束110传播通过第二棱镜元件316，进入光瞳复制波导332，并且入射在光瞳复制波导332的输入光栅334处。当可倾斜反射器108倾斜时，光束110以不同的入射角在输入光栅334的表面上扫描，如110a、110b和100c所示。输入光栅334重定向要在光瞳复制波导332内传播的光束110，例如利用从光瞳复制波导332的顶表面和底表面的tir(未示出)。
49.转到图4，ned 400包括光耦接到光瞳复制波导332的光束扫描器430。光束扫描器430类似于图3的光束扫描器330。图4的光束扫描器430的第二棱镜元件416包括光束收集器418，例如黑色吸收表面，其位于第二棱镜元件的邻接与反射偏振器104结合的表面的侧表面上。
50.在操作中，入射光束110进入光束折叠棱镜元件102，从光束折叠棱镜元件102的第
二(即底部)表面112反射，并且入射到反射偏振器104上。理想地，光束110应被反射向qwp 106和可倾斜反射器108；然而，由于光束110的偏振与垂直于图4的平面的线性偏振的偏差，以及由于反射偏振器104的缺陷，光束110的小部分420(虚线)将在图4中朝向第二棱镜元件416的顶表面422向上传播，从顶表面422反射，并且朝向光束收集器418传播，该光束收集器吸收光束110的部分420，否则在第二棱镜元件416中的多次反射之后，该部分可能到达光瞳复制波导332。由于部分420未被可倾斜反射器108扫描，因此它可在由光瞳复制波导332传送的图像中产生非移动伪影。
51.因此，光束收集器418的功能是吸收光束110的部分420和一些其他伪反射光束部分(视情况而定)，并且由此防止经准直的光束110的伪反射到达光瞳复制波导332。耦接到光瞳复制波导332中的光束110的伪反射准直部分可在被显示为亮线、点等的图像中表现自身，并且光束收集器418有助于对它们的抑制。
52.现在参考图5，投影仪500包括将发散光束510提供给光束扫描器530的光源522，该光束扫描器光耦接到光瞳复制波导332。光束扫描器530类似于图3的光束扫描器330。图5的光束扫描器530包括光束折叠棱镜元件502。光束折叠棱镜元件502的第一表面511是弯曲的，以用于准直从第一表面511反射的发散光束510。qwp 106靠近光束折叠棱镜元件502的第二表面512设置。
53.光束折叠棱镜元件502具有第二棱镜元件516，其包括与光束折叠棱镜元件502的弯曲表面511匹配的弯曲表面。例如，对于球形表面，光束折叠棱镜元件502和第二棱镜元件516的弯曲表面具有基本上相同的曲率半径。反射偏振器504被夹在光束折叠棱镜元件502和第二棱镜元件516之间。弯曲反射偏振器504的形状与光束折叠棱镜元件502和第二棱镜元件516的形状匹配。在操作中，光束折叠棱镜元件502的第一表面511用作具有正光焦度(即聚焦能力)的凹面镜，从而将发散光束510转换成在光束折叠棱镜元件502和第二棱镜元件516中传播的准直或近似准直的光束，其方式与上面参照图3解释的方式类似。
54.参考图6，光束扫描器630包括光束折叠棱镜元件602，该光束折叠棱镜元件具有相邻的第一表面611和第二表面112，以及设置在第一表面611处的第一反射偏振器604。在所示的实施例中，光束折叠棱镜元件602包括第一部分602a和第二部分602b，以及夹在光束折叠棱镜元件602的第一部分602a和第二部分602b之间的第二反射偏振器624。因此，第二反射偏振器624在光束折叠棱镜元件602内设置在第一光束610的光学路径中，该光学路径在光束折叠棱镜元件602内的从第二表面612和第三表面613的反射之间延伸。第一光束610可由图6中未示出的第一光源提供。
55.光束折叠棱镜元件602的第三表面613邻近其第二表面612。qwp606光耦接到光束折叠棱镜元件602的第三侧面613。在一些实施例中，qwp 606被层压到第三侧面613上。可倾斜反射器108设置在qwp 606旁边。可倾斜反射器108可围绕一个倾斜轴或两个非平行的倾斜轴倾斜。在图6中，可倾斜反射器108被示为处于其额定位置，即未倾斜位置。
56.在操作中，在该示例中在图6的平面中线性偏振的第一光束610经历从第二表面612的第一反射，传播通过第二反射偏振器624(该第二反射偏振器被配置为透射以该偏振的光)，通过qwp 606经历从第三表面613的第二反射。由于第一光束610传播通过qwp 606两次，将第一光束偏振被qwp 606改变为垂直于图6的平面的线性偏振。
57.第一反射偏振器604被配置为反射以垂直于图6的平面的线性偏振的光。因此，第
一光束610由第一反射偏振器604反射并且在第三表面613处通过qwp 606离开光束折叠棱镜元件602的第二部分602b。在离开第三表面613时，第一光束610为圆偏振的(例如，右旋圆偏振)。然后，第一光束610由可倾斜反射器108被以取决于可倾斜反射器108的当前倾斜角的可变角度反射。反射光束610保持圆偏振，但是旋向性被翻转(例如变成左旋圆偏振)。反射光束610传播返回通过qwp 606，该qwp将第一光束610的偏振变回图6的平面中的线性偏振。第二线性偏振器624被配置为透射以该偏振的光，并且第一光束610传播穿过第二反射偏振器624，并且传播到光束折叠棱镜元件602的第一部分602a外，从而形成输出光束614。输出光束614的光束角度取决于可倾斜反射器108的倾斜角(在x和y平面中)。
58.在一些实施例中，光束折叠棱镜元件602还可包括第二棱镜元件616，该第二棱镜元件通过第一反射偏振器604耦接到光束折叠棱镜元件602的第一表面611，该第一反射偏振器可夹在光束折叠棱镜元件602的第二部分602b和第二棱镜元件616之间。第二棱镜元件616可具有与光束折叠棱镜元件602的第一部分602a相同的形状，使得光束折叠棱镜元件602的结构关于穿过光束折叠棱镜元件602的中间并垂直于图6的平面的垂直平面650对称。
59.参考图7a，投影仪700包括图6的光束扫描器630、用于提供第一光束610的第一光源722和用于提供第二光束640的第二光源723。在所示的实施例中，光束扫描器630包括第二棱镜元件616，该第二棱镜元件从第二光源723接收第二光束640。第二光束640入射到第二棱镜元件616上，并且第二光束640由第一反射偏振器604被耦合到光束折叠棱镜元件602。在图7a中，为了清楚起见，省略了光束扫描器630的一些元件。
60.第一光束610通过第一输入表面751进入光束折叠棱镜元件602的第一部分602a；并且第二光束640通过第二输入表面752进入第二棱镜元件616。由于光束折叠棱镜元件602是对称的，因此第二光束640的光学路径类似于第一光束610的光学路径，是第一光束610的光学路径的镜面反射，如图7a所示。具体地，参考图6和图7a，第二光束640经历从第二棱镜元件616内的第一反射，传播通过第一反射偏振器604，通过qwp 606(图6)经历从第三表面613的第二反射，由第二反射偏振器624反射，通过qwp 606在其第三表面613处离开光束折叠棱镜元件602，由可倾斜反射器108反射以传播回去通过qwp 606，穿过第一反射偏振器604，并且到光束折叠棱镜元件602的第二部分616外。
61.在图7b中进一步示出了第一光束610和第二光束640的光束路径，该图示出了投影仪700还包括具有输入光栅734的光瞳复制波导732。光瞳复制波导732的输入光栅734光耦接到光束扫描器630。可倾斜反射器108被示为处于两个位置741和742，这些位置远离处于零倾斜角的正常位置740成两个不同倾斜角。当可倾斜反射器108从第一位置741倾斜到第二位置742时，第一光束610和第二光束640在输入光栅734的表面上以不同的入射角一起被扫描。例如，在可倾斜反射器108的第一位置741处，第一光束610处于位置710a并且第二光束640处于位置710b。在可倾斜反射器108的第二位置742处，第一光束610处于位置710b并且第二光束640处于位置710c。因此，第一光束610和第二光束640在视场(fov)的共同中心部分上被扫描。这可使得人们能够增加在fov的中心部分中显示的图像的空间分辨率，提供冗余，增加图像亮度等。
62.可根据需要进一步增加光束和光源的数量。作为非限制性示例，参考图8，进一步参考图6，投影仪800基于类似于图6的光束扫描器630的光束扫描器，但是能够扫描来自四个独立光源的光束。每个光源可包括多个发射器，包括针对每个颜色通道的一个或多个发
射器。图8的投影仪800的光束折叠棱镜元件802包括相邻的第一表面811和第二表面812(第二表面812是在图8的顶视图中以实线示出的顶部正方形表面)、第三表面813(在图8的顶视图中用虚线示出的底部正方形表面)、第四表面814和第五表面815。
63.第一反射偏振器804设置在第一表面811处。第二反射偏振器824在光束折叠棱镜元件802内设置在第一光束610的如下光学路径中，该光学路径在光束折叠棱镜元件802内在从第二表面812的反射和从第一表面811的反射之间。第二棱镜元件816耦接到第一表面811，用于接收入射在第二棱镜元件816上的第二光束640，并且用于通过第一反射偏振器804将第二光束640耦合到光束折叠棱镜元件802。第三反射偏振器834设置在第四表面814处。第三反射偏振器834邻接第一反射偏振器804和第二反射偏振器824。第四反射偏振器854设置在第五表面815处。第四反射偏振器854邻接第一反射偏振器804和第二反射偏振器824。以阴影三角形示出的第一反射偏振器804、第二反射偏振器824、第三反射偏振器834和第四反射偏振器854形成对称金字塔形结构，其具有在中心处的共同顶点、四个侧面和在第三表面813处的共同矩形基部。
64.第三棱镜元件832耦接到第四表面814，用于接收从第三光源822入射在第三棱镜元件832上的第三光束810，并且用于通过第三反射偏振器834将第三光束810耦合到光束折叠棱镜元件802。类似地，第四棱镜元件846耦接到第五表面815，用于接收从第四光源823入射在第四棱镜元件846上的第四光束840，并且用于通过第四反射偏振器854将第四光束840耦合到光束折叠棱镜元件802。
65.图5的投影仪500、图7的投影仪700和图8的投影仪800提供了光束到可倾斜反射器的低倾角耦合。在本文中，术语“低倾角”是指当处于标称(例如中心或零)倾斜角时的可倾斜反射器处的低入射角(即法向入射)。在图9a至图9c中示出了具有低倾角的一个优点。首先参考图9a，使用可倾斜反射器的投影仪的fov的纵横比被绘制为倾角的函数，即，当处于标称或中心位置时的可倾斜反射器处的入射角的函数。针对四种情况绘制了纵横比：75度乘50度的同轴fov；60度乘40度的同轴fov；45度乘30度的同轴fov；30度乘20度的同轴fov。纵横比从在零倾角(即法向入射)下的1.5下降到在40度倾角下的约1.1。
66.图9b示出了零倾角扫描角区域900b和相关联的内接矩形fov902b。零倾角fov 902b的立体角覆盖了大部分角区域900b。相比之下，图9c示出了40度倾角扫描角区域900c和相关联的内接矩形fov 902c。fov 902c的立体角占用了角面积900c的较小百分比，并且几乎比零倾角fov 902b小2倍，并且具有不同的纵横比。因此，低倾角耦合提高了可倾斜反射器的扫描范围的利用率，从而在可倾斜反射器的相同扫描范围内实现更宽的视场。
67.参考图10，近眼显示器(ned)1000包括具有一副眼镜的形状因子的框架1001。对于每只眼睛，框架1001可支持：投影仪1002，其用于提供承载角域中的图像的显示光；电子驱动器1004，其可操作地耦接到投影仪1002以用于为投影仪1002供电；以及光瞳复制器1032，其光耦接到投影仪1002。
68.每个投影仪1002可包括本文描述的光束扫描器，例如但不限于图1的光束扫描器100、图3的光束扫描器330、图4的光束扫描器430、图5的光束扫描器530、图6的光束扫描器630等。在一些实施例中，每个投影仪1002包括图5的投影仪500、图7a和图7b的投影仪700和/或图8的投影仪800。这些投影仪的光源可包括支撑单模或多模半导体光源(诸如侧发射激光二极管、垂直腔表面发射激光二极管、sled或发光二极管)的阵列的衬底，以用于提供
如上面参考图2a、2b和2c所述的多个光束。光源的准直器可包括凹面镜、体透镜、菲涅耳透镜、全息透镜等。光瞳复制器1032可包括配备有多个表面浮雕和/或体积全息光栅的波导。光瞳复制器1032的功能是提供由投影仪1002在相应可视区1012处提供的显示光束的多个横向偏移副本。
69.控制器1005可操作地耦接到投影仪1002的光源和可倾斜反射器。控制器1005可被配置为确定投影仪1002的可倾斜反射器的x倾斜角和y倾斜角。控制器1005确定要显示的图像的哪个或哪些像素对应于所确定的x和y倾斜角。然后，控制器1005确定这些像素的亮度和/或颜色并相应地操作电子驱动器1004以向投影仪1002的光源提供供电电脉冲，从而在对应于所确定的像素亮度和颜色的功率电平下产生光脉冲。
70.在一些实施例中，控制器1005可被配置为针对每只眼睛操作可倾斜反射器，以致使从可倾斜反射器反射并通过相应光束折叠棱镜元件传播的光束具有与要显示的图像的像素相对应的光束角。控制器1005可被进一步配置为与操作可倾斜反射器协调地操作光源，使得光束具有与正在显示的第一像素相对应的亮度和/或颜色。在多光源实施例中，控制器1005可被配置为协调地操作对应光源以提供更大的fov、改进的扫描分辨率、增加的显示器亮度等，如本文所述。例如，在针对两只用户眼睛的投影仪各自包括两个光源的实施例中，控制器可被配置为操作可倾斜反射器以致使从可倾斜反射器反射并通过光束折叠棱镜元件传播的第二光束具有与要显示的图像的第二像素对应的光束角，并且与操作可倾斜反射器协调地操作第二光源，使得第二光束具有对应于第二像素的亮度。
71.本公开的实施例可包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实系统以某种方式调整通过诸如视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等的感官获得的关于外部世界的感官信息，之后呈现给用户。作为非限制性示例，人工现实可包括虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、组合现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可包括完全生成内容或与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的生成内容。人工现实内容可包括视频、音频、躯体或触觉反馈，或其某种组合。这些内容中的任一者可在单个通道中或在多个通道中呈现，诸如在向观看者产生三维效果的立体视频中。此外，在一些实施例中，人工现实还可与应用程序、产品、附件、服务或其某种组合相关联，其用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可在各种平台上实现，包括可穿戴显示器，诸如连接到主机系统的hmd、独立的hmd、具有眼镜形状因子的近眼显示器、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
72.参考图11a，hmd 1100是包围用户的面部以用于更大程度地沉浸到ar/vr环境中的ar/vr可穿戴显示系统的示例。例如，hmd1100是图10的ned 1000的实施例。hmd 1100的功能是用计算机生成的图像来增强物理、现实世界环境的视图，和/或生成完全虚拟的3d图像。hmd 1100可包括前部主体1102和带1104。前部主体1102被配置为以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛前方，并且带1104可被拉伸以将前部主体1102固定在用户的头部上。显示系统1180可设置在前部主体1102中以用于向用户呈现ar/vr图像。前部主体1102的侧面1106可以是不透明的或透明的。
73.在一些实施例中，前部主体1102包括定位器1108和用于跟踪hmd 1100的加速度的惯性测量单元(imu)1110，以及用于跟踪hmd1100的位置传感器1112。imu 1110是基于从一
个或多个位置传感器1112接收的测量信号来生成指示hmd 1100的位置的数据的电子设备，该位置传感器响应于hmd 1100的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例1112包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于imu 1110的误差校正的类型的传感器或其某种组合。位置传感器1112可位于imu 1110的外部、imu 1110的内部或其某种组合。
74.定位器1108由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可跟踪整个hmd 1100的位置和取向。可将由imu 1110和位置传感器1112生成的信息与通过跟踪定位器1108来获得的位置和取向进行比较，以提高hmd 1100的位置和取向的跟踪精度。当用户在3d空间中移动和转弯时，准确的位置和取向对于向用户呈现适当的虚拟风景是重要的。
75.hmd 1100还可包括深度相机组件(dca)1111，其捕获描述围绕一些或全部的hmd 1100的局部区域的深度信息的数据。为此，dca 1111可包括激光雷达(lidar)或类似的设备。可将深度信息与来自imu 1110的信息进行比较，以更准确地确定hmd 1100在3d空间中的位置和取向。
76.hmd 1100还可包括用于实时确定用户眼睛的取向和位置的眼睛跟踪系统1114。所获得的眼睛的位置和取向还允许hmd 1100确定用户的注视方向并且相应地调整由显示系统1180生成的图像。在一个实施例中，确定了聚散度(即，用户的眼睛注视的会聚角)。所确定的注视方向和聚散度角也可用于取决于视角和眼睛位置的视觉伪影的实时补偿。此外，所确定的聚散度和注视角可用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可提供音频系统，其包括例如内置到前部主体1102中的一组小扬声器。
77.参考图11b，ar/vr系统1150是可穿戴显示系统的示例新具体实施。ar/vr系统1150包括图11a的hmd 1100，存储各种ar/vr应用程序、设置和校准规程、3d视频等的外部控制台1190，以及用于操作控制台1190和/或与ar/vr环境交互的输入/输出(i/o)接口1115。hmd 1100可通过物理电缆“束缚”到控制台1190，或者经由诸如wi-fi等的无线通信链路连接到控制台1190。可存在多个hmd 1100，其各自具有相关联的i/o接口1115，其中每个hmd1100和i/o接口1115与控制台1190通信。在替代配置中，不同的和/或附加的部件可包括在ar/vr系统1150中。另外，在一些实施例中，结合图11a和图11b所示的部件中的一者或多者描述的功能可以与结合图11a和图11b描述的方式不同的方式分布在部件中。例如，控制台1115的一些或全部功能可由hmd 1100提供，反之亦然。hmd 1100可设置有能够实现这种功能的处理模块。
78.如上面参考图11a所述，hmd 1100可包括：用于跟踪眼睛的位置和取向、确定注视角和会聚角等的眼睛跟踪系统1114(图11b)、用于确定hmd 1100在3d空间中的位置和取向的imu 1110、用于捕获外部环境的dca 1111、用于独立地确定hmd 1100的位置的位置传感器1112和用于向用户显示ar/vr内容的显示系统1180。显示系统1180包括(图11b)电子显示器1125，例如但不限于，液晶显示器(lcd)、有机发光显示器(oled)、无机发光显示器(iled)、有源矩阵有机发光二极管(amoled)显示器、透明有机发光二极管(toled)显示器、投影仪或其组合。显示系统1180还包括光学器件块1130，其功能是将由电子显示器1125生成的图像传送到用户的眼睛。光学器件块可包括各种透镜(例如折射透镜、菲涅耳透镜、衍射透镜、有源或无源pancharatnam-berry相位(pbp)透镜、液体透镜、液晶透镜等)、光瞳复制波导、光栅结构、涂层等。显示系统1180还可包括变焦模块1135，其可以是光学器件块
1130的一部分。变焦模块1135的功能是调整光学器件块1130的焦点，例如已补偿聚散调节冲突，校正特定用户的视觉缺陷，抵消光学器件块1130的像差等。
79.i/o接口1115是允许用户发送动作请求并从控制台1190接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令或在应用程序内执行特定动作的指令。i/o接口1115可包括一个或多个输入设备，诸如键盘、鼠标、游戏控制器、或用于接收动作请求并将动作请求传送到控制台1190的任何其他合适的设备。由i/o接口1115接收的动作请求被传送到控制台1190，该控制台执行与动作请求相对应的动作。在一些实施例中，i/o接口1115包括imu，其捕获指示相对于i/o接口1115的初始位置的i/o接口1115的估计位置的校准数据。在一些实施例中，i/o接口1115可根据从控制台1190接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，可提供触觉反馈，或者当控制台1190执行动作时，控制台1190将指令传送到i/o接口1115，从而致使i/o接口1115生成触觉反馈。
80.控制台1190可向hmd 1100接口提供内容以用于根据从imu1110、dca 1111、眼睛跟踪系统1114和i/o接口1115中的一者或多者接收的信息处理。在图11b所示的示例中，控制台1190包括应用程序存储装置1155、跟踪模块1160和处理模块1165。控制台1190的一些实施例可具有不同于与结合图11b描述的那些的模块或部件。类似地，下文进一步描述的功能可以与结合图11a和11b描述的方式不同的方式分布在控制台1190的部件中。
81.应用程序存储装置1155可存储一个或多个应用程序以供控制台1190执行。应用程序是当由处理器执行时生成内容以呈现给用户的一组指令。由应用程序生成的内容可响应于经由hmd 1100或i/o接口1115的移动从用户接收的输入。应用程序的示例包括：游戏应用程序、演示和会议应用程序、视频回放应用程序或其他合适的应用程序。
82.跟踪模块1160可使用一个或多个校准参数来校准ar/vr系统1150，并且可调整一个或多个校准参数以减小hmd 1100或i/o接口1115的位置确定中的误差。由跟踪模块1160执行的校准还考虑从hmd 1100中的imu 1110和/或i/o接口1115中包括的imu(如果有的话)接收的信息。另外，如果hmd 1100的跟踪丢失，则跟踪模块1160可重新校准ar/vr系统1150中的一些或全部。
83.跟踪模块1160可跟踪hmd 1100或i/o接口1115、imu 1110或其某种组合的移动。例如，跟踪模块1160可基于来自hmd 1100的信息来确定hmd 1100的参考点在局部区域的标测中的位置。跟踪模块1160还可分别使用来自imu 1100的指示hmd 1100的位置的数据，或者使用来自i/o接口1115中包括的imu的指示i/o接口1115的位置的数据来确定hmd 1110的参考点或i/o接口1115的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块1160可使用来自imu 1110的指示hmd 1100的位置的数据的部分以及来自dca 1111的局部区域的表示来预测hmd 1100的未来位置。跟踪模块1160将hmd 1100或i/o接口1115的估计或预测的未来位置提供给处理模块1165。
84.处理模块1165可基于从hmd 1100接收的信息来生成hmd 1100中的一些或全部周围的区域(“局部区域”)的3d标测。在一些实施例中，处理模块1165基于从dca 1111接收的与计算深度中使用的技术相关的信息来确定用于局部区域的3d标测的深度信息。在各种实施例中，处理模块1165可使用深度信息来更新局部区域的模型并且部分地基于更新的模型来生成内容。
85.处理模块1165执行ar/vr系统1150内的应用程序，并从跟踪模块1160接收hmd 1100的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。基于所接收的信息，处理模块1165确定要提供给hmd 1100以向用户呈现的内容。例如，如果接收信息指示用户已经向左看，则处理模块1165生成用于hmd 1100的内容，该内容反映了用户在虚拟环境中或在用附加内容增强局部区域的环境中的移动。另外，处理模块1165响应于从i/o接口1115接收到的动作请求而执行在控制台1190上执行的应用程序内的动作，并且向用户提供该动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由hmd 1100的视觉或听觉反馈或经由i/o接口1115的触觉反馈。
86.在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统1114接收到的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的取向)，处理模块1165确定提供给hmd 1100以用于在电子显示器1125上呈现给用户的内容的分辨率。处理模块1165可向hmd 1100提供内容，该内容在用户注视的中央凹区域中具有电子显示器1125上的最大像素分辨率。处理模块1165可在电子显示器1125的其他区域中提供较低的像素分辨率，从而减少ar/vr系统1150的功耗并节省控制台1190的计算资源，而不损害用户的视觉体验。在一些实施例中，处理模块1165可进一步使用眼睛跟踪信息来调整在电子显示器1125上显示对象的位置，以防止聚散调节冲突和/或抵消光学失真和像差。
87.用于实现结合本文公开的方面描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可通过以下来实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件、或被设计为执行本文所述的功能的其任何组合。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可被实现为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器、多个微处理器、结合dsp核的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置的组合。可选地，一些步骤或方法可由特定于给定功能的电路执行。
88.本公开内容的范围不受本文所述的具体实施例限制。实际上，除了本文所述的实施例和修改之外，其他各种实施例和修改根据前述描述和附图对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。因此，此类其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本文已经在出于特定目的在特定环境中的特定实施方式的上下文中描述了本公开，本领域的普通技术人员将认识到，其有用性不限于此，并且本公开可出于任何目的在任何数量的环境中有利地实现。因此，应当鉴于权利要求的全部范围构建下面提出的权利要求。