集成有扫描镜的投影仪的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月28日提交的题为“methodandsystemforprojectorintegratedwithascanningmirror(用于集成有扫描镜的投影仪的方法和系统)”的美国临时专利申请序列号62/738,900的优先权(代理人案卷号101782-006501us-1090265)，于2019年9月5日提交的题为“projectorintegratedwithascanningmirror(集成有扫描镜的投影仪)”的美国临时专利申请序列号62/896,138(代理人案卷号101782-006502us-1147050)，以及于2018年9月28日提交的题为“methodandsystemforfiberscanningprojectorwithangledeyepiece(用于具有成角度目镜的光纤扫描投影仪的方法和系统)”的美国临时专利申请序列号62/738,907(代理人案卷号101782-006400us-1090266)，所有这三个申请均为共同拥有，并通过引用全部并入于此。本申请与题为“methodandsystemforfiberscanningprojectorwithangledeyepiece”的国际专利申请序列号pct/us2019/053538(代理人案卷号101782-006410wo-1152141)同一天提交，其要求于2018年9月28日提交的题为“methodandsystemforfiberscanningprojectorwithangledeyepiece”的美国临时专利申请序列号62/738,907。

背景技术：

现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字再现的图像或其一部分以它们看起来是或可感知为真实的方式呈现给观看者。虚拟现实或“vr”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际现实视觉输入没有透明度；增强现实或“ar”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，以增强对观看者周围的实际世界的可视化。

尽管在这些显示技术上取得了进步，但是在本领域中需要与增强现实系统(特别是显示系统)有关的改进的方法和系统。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe。波导显示系统还包括朝向波导的入耦合doe透射的第一光束和被配置为接收通过波导的入耦合doe的第一光束的第一反射光学元件。第一反射光学元件被配置为朝向波导的入耦合doe反射第二光束。波导显示系统被配置为阻止第一光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe，并使第二光束在波导中通过tir传播到出耦合doe。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe。入耦合doe是偏振敏感的doe，该偏振敏感的doe被配置为通过具有第一偏振的光束并衍射具有第二偏振的光束。该波导显示系统还包括：光源，其用于朝向波导的第一表面将具有第一偏振的第一光束朝向入耦合doe发射并通过入耦合doe；第一反射光学元件，其与波导的第二表面相邻设置；以及波片，其与波导的第二表面相邻并在波导和第一反射光学元件之间设置。第一反射光学元件被配置为在第一光束通过入耦合doe和波片之后接收第一光束。第一反射光学元件被配置为将通过波片所接收的第一光束朝向波导反射。波导显示系统被配置为在两次通过波片之后，将第一光束从第一偏振转换为第二偏振；以及使入耦合doe衍射从第一反射光学元件和波片所接收的第一光束，通过全内反射(tir)在波导中传播到出耦合doe。

根据本发明的实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe。该波导显示系统还包括：准直光源，其用于以第一入射角将输入准直光束朝向波导的第一表面发射；以及扫描镜，其与波导的第二表面相邻设置。扫描镜被配置为接收输入准直光束并且以第二入射角朝向波导提供反射准直光束。入耦合doe被配置为阻止准直输入光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe，并使反射准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe，以及与波导的第一表面相邻设置的扫描光源。扫描光源被配置为以第一入射角朝向入耦合doe扫描发散输入光束。波导显示系统还包括与波导的第二表面相邻设置的扫描镜，该扫描镜是准直光学元件，该准直光学元件被配置为接收通过波导的来自扫描光源的发散输入光束，并朝向波导的入耦合doe提供准直反射光束。入耦合doe被配置为阻止发散输入光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe，并使准直反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。

根据本发明的实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)、出耦合doe、以及与波导的第一表面相邻设置的扫描光源。扫描光源被配置为以第一入射角将发散输入光束扫描到波导的入耦合doe。波导显示系统还包括与波导的第二表面相邻设置的扫描镜，该扫描镜被配置为接收通过波导的来自扫描光源的发散输入光束，并以第二入射角朝向入耦合doe提供发散反射光束；以及与波导的第一表面相邻定位的准直光学元件，该准直光学元件被配置为接收通过波导的入耦合doe的从扫描镜发射的发散反射光束，并产生朝向波导的准直光束。入耦合doe被配置为阻止来自扫描光源的发散输入光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe，阻止来自扫描镜的发散反射光束在波导中通过tir传播到出耦合doe，并使准直光束在波导中通过tir传播到出耦合doe。

根据本发明的替代实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe以及与波导的第一表面相邻设置的扫描光源。扫描光源被配置为以第一入射角将发散输入光束投射到波导。波导显示系统还包括：与波导的第一表面相邻定位的准直光学元件，该准直光学元件被配置为接收从扫描光源发射的发散输入光束，并以第一入射角朝向波导的入耦合doe产生准直反射光束；以及与波导的第二表面相邻设置的扫描镜，该扫描镜被配置为接收来自准直光学元件的准直反射光束，并以第二入射角朝向波导的入耦合doe提供准直扫描光束。入耦合doe被配置为阻止来自准直光学元件的准直反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe，并使来自扫描镜的准直扫描光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。

在上述一些波导显示系统中，扫描光源可以是光纤扫描器，该光纤扫描器包括光纤和被配置为在线性方向中扫描光纤的扫描机构，使得光纤的尖端被配置为沿轨迹扫描，该轨迹限定第一光轴。可替代地，扫描光源可以是悬臂扫描器，该悬臂扫描器包括具有波导的悬臂光学构件和被配置为在线性方向中扫描悬臂光学构件的扫描机构，使得悬臂光学构件的尖端被配置为沿轨迹扫描，该轨迹限定第一光轴。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe，以及，与波导的第二表面相邻设置的点光源。点光源被配置为向波导的入耦合doe外面的一部分提供发散输入光束。波导显示系统还包括与波导的第二表面相邻设置的扫描镜，该扫描镜被配置为接收来自点光源的发散输入光束，以朝向波导的入耦合doe提供发散反射光束；以及准直透镜，其与波导的第二表面相邻并且在扫描镜与波导之间定位。准直透镜被配置为接收从扫描镜发射的发散反射光束并且朝向波导的入耦合doe产生准直反射光束。入耦合doe被配置为使准直反射光束衍射，以在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。

根据本发明的另一个特定实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括：具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe，以及与该波导的第一表面相邻设置的点光源。点光源被配置为向波导的入耦合doe外面的一部分提供发散输入光束。波导显示系统还包括与波导的第二表面相邻设置的扫描镜，该扫描镜被配置为接收通过波导的来自点光源的发散输入光束并朝向波导的入耦合doe提供发散反射光束。波导显示系统进一步包括与波导的第一表面相邻定位的准直光学元件，该准直光学元件被配置为接收通过波导的入耦合doe的从扫描镜发射的发散反射光束，并朝向波导的入耦合doe产生准直反射光束。入耦合doe被配置为阻止来自扫描镜的发散反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe，并使准直反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。

根据本发明的另一替代实施例，提供了一种波导显示系统。该波导显示系统包括：具有第一表面和第二表面的波导，该波导包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe；与波导的第一表面相邻定位的准直扫描光学元件；以及与波导的第二表面相邻设置的扫描镜。波导显示系统还包括与波导的第二表面相邻设置的点光源。点光源被配置为向扫描镜提供发散输入光束。扫描镜被配置为接收来自点光源的发散输入光束，并以第一入射角朝向波导提供发散反射光束。准直光学元件被配置为接收通过波导的入耦合doe的从扫描镜发射的发散反射光束，并以第二入射角朝向波导产生准直反射光束。入耦合doe被配置为阻止来自扫描镜的发散反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe，并使准直反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。

在上述一些波导显示系统中，点光源可以包括光纤点光源或悬臂点光源。

根据本发明的一些替代实施例，一种二维扫描光源包括：悬臂扫描器，其被配置为提供扫描光束；以及反射光学元件，其与悬臂扫描器相邻设置并被配置为接收扫描光束并提供反射扫描光束。二维扫描光源还包括准直光学元件，该准直光学元件与反射光学元件相邻设置，并且被配置为接收来自反射光学元件的反射扫描光束并提供准直扫描光束。二维扫描光源还包括扫描光学元件，该扫描光学元件与准直光学元件相邻设置，并且被配置为接收准直扫描光束并提供准直二维扫描光束。

根据本发明的一些实施例，一种波导显示系统包括：波导、悬臂扫描器、反射光学元件、准直光学元件、和扫描光学元件。该波导具有第一表面和第二表面，并且包括入耦合doe(衍射光学元件)和出耦合doe。悬臂扫描器与波导的第一表面相邻设置并且被配置为提供扫描光束。反射光学元件与悬臂扫描器相邻设置，并且被配置为接收扫描光束并提供反射扫描光束。准直光学元件与反射光学元件相邻设置，并且被配置为接收来自反射光学元件的反射扫描光束并提供准直扫描光束。扫描光学元件与准直光学元件相邻设置，并且被配置为接收准直扫描光束并提供准直二维扫描光束。悬臂扫描器、反射光学元件、准直光学元件、和扫描光学元件设置在波导的同一侧上，并与第一表面相邻。波导被配置为在入耦合doe处接收准直二维扫描光束，并且通过全内反射(tir)将准直二维扫描光束传播到出耦合doe。

以下描述以及附图提供了对所要求保护的发明的性质和优点的进一步描述。

附图说明

图1a是示出根据本发明的实施例的光纤扫描器的简化透视图。

图1b是示出根据本发明的实施例的光纤扫描器的简化剖切透视图。

图2a示意性地示出根据本发明的实施例的在可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观看光学组件(voa)中的光路。

图2b是示出根据本发明的实施例的目镜的结构的局部横截面视图。

图3示意性地示出根据本发明的一些实施例的被耦合到目镜的光纤扫描投影仪。

图4a和图4b是根据本发明的实施例示出分别在第一道次和第二道次用于如图3中所示的成角度的入耦合衍射光学元件的光的衍射耦合的简化示意图。

图5示意性地示出根据本发明的一些其它实施例的被耦合到目镜的光纤扫描投影仪。

图6a和图6b是根据本发明的实施例示出分别在第一道次和第二道次用于如图5中所示的成角度的入耦合衍射光学元件的光的衍射耦合的简化示意图。

图7示意性地示出根据本发明的一些另外实施例的被耦合到目镜的光纤扫描投影仪。

图8示意性地示出根据本发明的一些其它实施例的被耦合到目镜的光纤扫描投影仪。

图9示意性地示出根据本发明的一些实施例的包括被耦合到目镜的两个光纤扫描投影仪的配置。

图10示意性地示出根据本发明的一些实施例的可穿戴显示器的顶视图。

图11示意性地示出根据本发明的另外实施例的被耦合到目镜的光纤扫描投影仪。

图12a是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的波导显示系统的简化示意图。

图12b是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

图13是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

图14是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

图15a示意性地示出根据一些实施例的光纤扫描投影仪的透视图。

图15b示意性地示出图15a中所示的光纤扫描投影仪的侧视图。

图15c是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

图16是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

图17a是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

图17b是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

图18a至图18c是示出根据本发明的一些实施例的悬臂mems扫描器的各种示例的简化透视图；

图18d是示出根据本发明的一些实施例的用于驱动压电致动器的四相信号分离器(splitter)网络的电气示意图；

图19是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图；

图20是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图；

图21a是示出根据本发明的一些实施例的悬臂扫描投影仪的透视图；

图21b示意性地示出图21a中所示的悬臂扫描投影仪的侧视图；

图21c是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的悬臂投影仪的另一波导显示系统的简化示意图；

图22a是示出根据本发明的一些实施例的二维扫描光源的透视图；

图22b是示出图22a的二维扫描光源的侧视图；

图23是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。

具体实施方式

本发明总体上涉及与包括可穿戴显示器的投影显示系统有关的方法和系统。更具体地，本发明的实施例提供了用于体积显示器(也称为光场显示器)的方法和系统，其在多于一个的深度平面处产生光的体积雕塑(sculpture)。本发明可应用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。

图1a是示出根据本发明的实施例的光纤扫描器的简化透视图。可以具有2mm×2mm×7mm数量级尺寸的光纤扫描器100包括光纤输入110和光纤振荡(oscillation)区域120。在压电致动器(未示出)的驱动下，光纤在光纤振荡区域120中振荡，例如在给定帧时间的光投射期间，以具有增大的角偏转的螺旋形配置来振荡。在整个本说明书中，将更全面地描述光纤扫描器的各种元件。

图1b是示出根据本发明的实施例的光纤扫描器的简化剖切透视图。在图1b中所示的视图中，光纤扫描器100已经水平旋转。在该图的右手侧示出了光纤输入110，该光纤输入110提供了到光纤振荡部分120的输入，该光纤振荡部分120包括由保持环(collar)152所支撑(并且由来自未示出的电线的电信号进行驱动)的压电致动器150，并且扫描光纤154被设置在机械外壳156中。

在操作期间，被机械地附接到压电致动器150的扫描光纤154在光纤振荡区域120中振荡。在实施例中，压电致动器150包括在相对于彼此偏移90°的圆周位置处分布的四个电极。因此，施加到压电致动器的相对侧的正电压和负电压可以使致动器和扫描光纤在电极的平面中弯曲。通过同步驱动所有四个电极，可以实现光纤的振荡。

如在此更充分描述的，通过本发明的实施例能够实现与标准眼镜相当的小形状因数。通过利用本发明的实施例，提供了具有期望的视野、分辨率深度的显示器、集成惯性测量单元(imu)、相机、音频部件等。在一些实施例中，图1a和图1b中所示的光纤扫描器100安装在眼镜的镜腿或镜架中，并与设置在镜架中的目镜一起工作，以将投射的光导向(direct)到用户的眼睛。光纤扫描器100的大小使得能够集成多个光纤扫描器，该光纤扫描器可以将光导向到每只眼睛，从而通过平铺(tiling)显示区域来增加视野。例如，如果每只眼睛使用两个投影仪，则使用两个投影仪可以提供89°的对角线视野。每只眼睛使用四个投影仪，可以实现134°的对角线视野。另外，除了增加视野之外，还可以通过使用多个投影仪来提供附加深度平面。在2018年3月21日提交的美国专利申请序列号15/927,821中提供了与平铺显示区域以及使用多个投影仪来增加视野相关的附加描述，该申请的公开内容出于所有目的在此通过引用全文并入。

在实施例中，光纤扫描器100由光纤输入110馈送，并且光纤振荡区域120被安装在框架的外边缘中，如2018年3月21日提交的美国专利申请序列号15/927,855的图2中所示，该申请的公开内容出于所有目的在此通过引用全文并入。在2018年3月21日提交的美国专利申请序列号15/927,765中提供了光纤扫描器的附加描述，该申请的公开内容出于所有目的在此通过引用全文并入。

图2a示意性地示出根据本发明的实施例的可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观看光学组件(voa)中的光路。voa包括可以佩戴在观看者的眼睛周围或前面的目镜260。如所讨论的，在此，voa可以与一副眼镜的框架集成以向佩戴这些眼镜的观看者呈现数字或虚拟图像。目镜260可包括一个或多个目镜层。在一个实施例中，目镜260包括三个目镜层，一个目镜层用于三种原色(红色、绿色和蓝色)中的每一种。在另一实施例中，目镜260可以包括六个目镜层，即，用于三种原色中的每一种的一组目镜层被配置为在一个深度平面处形成虚拟图像，以及用于三种原色中的每一种的另一组目镜层被配置为在另一个深度平面处形成虚拟图像。在其它实施例中，目镜260可以包括用于三个或更多不同深度平面的三种原色中的每一种的三个或更多目镜层。每个目镜层包括平面波导，并且可以包括入耦合光栅267、正交光瞳扩展器(ope)区域268和出射光瞳扩展器(epe)区域269。

仍参考图2a，输入光束264(例如，由如图1a和图1b中所示的光纤扫描器100提供)将图像光投射到目镜层260中的入耦合光栅267上。入耦合光栅267将由输入光束264提供的图像光耦合至平面波导中以在朝向ope区域268的方向中传播。波导通过全内反射(tir)在水平方向中传播图像光。目镜层260的ope区域268还包括衍射元件，该衍射元件将在波导中传播的一部分图像光耦合并朝向epe区域269重导向。epe区域269包括衍射元件，该衍射元件将在波导中传播的一部分图像光在近似垂直于目镜层260的平面的方向中耦合并朝向观看者的眼睛262导向。以该方式，观看者的眼睛262可以观看到由输入光束264投射的图像。

如上所述，由投影仪生成的图像光可以包括三种原色的光，即蓝(b)、绿(g)和红(r)。此类图像光可以例如在时间上或空间上被分离成组成(constituen)色，使得每种组成色的图像光可以被耦合至目镜中的相应波导。

图2b是示出根据本发明的实施例的目镜的结构的局部横截面视图。横截面视图中示出的区域包括目镜200的入耦合衍射光学元件(例如，入耦合光栅)的区域。如图2b中所示，目镜200包括波导板220、230和240的堆叠，该波导板从光纤扫描器接收输入光并将图像信息输出到观看者的眼睛202。图2b中所示的目镜200包括：定位于目镜的与观看者的眼睛相邻的一侧上的眼侧覆盖层210；以及定位于目镜的面向世界的一侧上的世界侧覆盖层250。

在一些实施例中，波导板220、230和240包括相应的平面波导222、232或242，用于在它们相应的波导板220、230和240的平面中传播光。每个平面波导222、232或242具有面向观看者眼睛的后表面和面向世界的前表面。在图2b中所示的实施例中，波导板220、230和240还包括设置在它们相应的波导222、232或242的后表面上的相应的光栅224、234或244，以耦合和重导向在其相应波导222、232或242中传播的光的一部分。

在所示的实施例中，每个波导222、232或242以及每个光栅224、234或244可以是波长选择性的，使得它选择性地传播或重新导向给定波长范围内的光。在一些实施例中，波导板220、230和240中的每一个波导板可以被配置为用于相应的原色。例如，波导板220被配置用于红(r)光，波导板230被配置用于绿(g)光，并且波导板240被配置用于蓝(b)光。应当理解，如上所述，目镜200可以包括用于不同深度平面的用于红光的两个或更多个波导板，用于绿光的两个或更多个波导板，以及用于蓝光的两个或更多个波导板。在一些其它实施例中，除了或可以替代红色、绿色或蓝色中的一种或多种，可以使用包括洋红色和青色的其它颜色。

为了提高光学效率，一些实施例在眼侧覆盖层的表面中的一个表面(例如，前表面)上利用反射表面(例如，金属化的表面)来提供高度反射表面(例如约100％反射涂层)，该高度反射表面在入耦合元件(例如，垂直对齐的入耦合光栅)后形成反射结构，以反射输入光(其可以是rgb光)，该光通过入耦合元件并产生第二次通过入耦合元件以提高图像亮度。如图2b中所示，反射器212反射从未耦合至波导中的光纤扫描器入射的输入光201。在从反射器212反射之后，输入光能够第二次通过入耦合元件并且增加耦合至波导的光的量。

在替代实施例中，可以将(例如使用100％反射金属涂层制成的)环形反射器252放在世界侧的覆盖玻璃上。尽管在世界侧覆盖层250的背面上示出了该环形反射器252，但这在本发明中不是必需的，并且可以将其安装在前侧上。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。在该替代实施例中，来自光纤扫描器的输入光201在从光纤扫描器的光学组件部分输出之后，通过环形反射器252的中心。因为输入光发散，所以光束在通过目镜时扩散(spread)并且在入耦合元件后面从反射器212反射。该反射光204通过目镜传播回来，而光锥(coneoflight)在传播期间扩大。在一些实施例中，反射光204在返回路径期间也被耦合至入耦合光栅中，其特征在于与输入光束具有相同的取向以显示给观看者，因为尽管反射光204是输入光201的镜像，但入射通过入耦合光栅的相对侧，这导致相同的取向。光的显著部分(其可能是大部分)从世界侧覆盖层上的环形反射器252反射，如双(doubly)反射光206所示，并且能够使第三次通过入耦合元件，产生光至波导板的附加耦合。如对本领域技术人员显而易见的，可以实现镜霍尔效应，该镜霍尔效应导致与通过目镜的光线数量增加相关的增加亮度，从而改善了填充因数和图像质量。

可以在镜腿和镜架中切出通道以容纳光纤和电线。当光纤/金属丝越过弹簧铰链时，设计尺寸使光纤在镜腿被折叠时不会弯曲到最小弯曲曲率半径。

除了与关于图2b讨论的入耦合元件相关联的反射结构之外，一些实施例利用在世界侧覆盖玻璃的内表面上的部分反射(例如，镀铝50％)的表面，使得从目镜传播到世界的光的一部分(例如，一半)被反射并朝向用户的眼睛导向回来，由于光束的轻微横向偏移而增加了整体亮度并增加了光束密度，这有助于提高填充因数。

本发明的实施例提供了对传统光学配置的改进。例如，如美国专利申请序列号15/927,765中所述，偏振分束器可以用作准直光学组件的部件，准直光学组件用于准直从光纤发射的输入光束。然而，可能难以制造在宽范围的入射角下表现良好的偏振分束器。另外，可能希望具有通过偏振分束器的高光通量，这需要在第一道次(firstpass)具有高透射并且在第二道次(secondpass)具有高反射。对于非偏振输入光束，在第一道次可能损失约50％的光强度，而在第二道次可能损失另外25％的光强度。为了提高光通量，可能希望使用偏振保持(pm)光纤来传递偏振输入光束。一些pm光纤具有应力构件以引入双折射以促进偏振保持特性。取决于用于制造光纤扫描器部件的蚀刻剂，应力构件可比纤芯更快或更慢地蚀刻，从而导致与使用pm光纤相关联的挑战。因此，本发明的一些实施例利用了不是偏振保持的光波导(包括光纤)，从而降低了系统复杂性和成本。

此外，本发明的实施例提供了在轴上配置中利用准直光学元件的光学配置。如对本领域技术人员显而易见的，可能期望以轴上配置使用光学元件，其中光以通常垂直于光学元件表面的角度入射到光学元件上，与其中光以偏轴(off-axis)角(即大入射角)入射在光学元件上的实现方式形成对比。通过利用轴上配置，与其中光学元件可能引入像差(诸如散光和彗差)的偏轴配置相比，本发明的实施例的特征在于高水平的光学性能。

图3示意性地示出根据本发明的一些实施例的耦合至目镜的光纤扫描投影仪。光纤扫描投影仪(也称为光纤扫描器)是扫描光源的示例。光纤扫描器可以包括光纤和被配置为在线性方向中扫描光纤的扫描机构，使得光纤的尖端被配置为沿轨迹扫描，该轨迹限定第一光轴。如图3中所示，光纤扫描投影仪可以包括光纤310(或另一合适的波导扫描器)。光纤310可以被偏转，使得其尖端的轨迹限定二维凸对象表面312(例如，球形表面的一部分)。光轴320可以被限定为当光纤310不偏转时通过光纤310的线。例如，光轴320可以通过凸对象表面312的中心。光纤扫描投影仪可以进一步包括准直光学元件330，诸如凹面准直镜，其沿光轴320以轴上配置定位。在该轴上配置中，光轴320与准直光学元件330的中心的法线对齐。当光从光纤310的尖端出射时，光束可发散成具有对角(subtendedangle)的光线锥(例如，由如图3中所示的边际光线360a和360b界定)，该对角由光纤310的数值孔径确定。因此，准直光学元件330可以被配置为接收从光纤310的尖端发射的以边际光线360a和360b为特征的发散输入光束，并产生以边际光线370a和370b为特征的准直光束作为反射光束。尽管对于光纤的未偏转位置仅示出了单个发散输入光束，但是应当理解，准直光学元件330的空间范围将使得由光纤尖端横跨偏转角范围产生的发散输入光束将由准直光学元件330捕获并准直。

如图3中所示，光纤310的偏转限定了凸对象表面312。在一些实施例中，准直光学元件330可以具有反射表面，该反射表面可以是大致球面镜，该大致球面镜的曲率半径两倍于凸对象表面312的曲率半径。因此，在一些实施例中，使用准直光学元件330来实现大部分聚焦，该准直光学元件330可以被实现为具有非球面校正项的曲面镜。在替代实施例中，反射表面的特征在于大于扫描表面(即凸对象表面312)的半径的两倍的曲率半径。

在一些实施例中，例如，根据光路中的中间部件的折射率(例如，波导342的折射率)和入射角(其可以适应由于波导342相对于光轴320的倾斜而引起的非对称配置)，准直光学元件330的反射表面的轮廓的曲率可以变化为两倍于凸对象表面312的曲率半径。

参考图3，波导342和入耦合doe346相对于光轴320以角度θi倾斜。结果，来自光纤310的光可以以各种不对称的角度入射到波导342上。例如，光线360a的入射角小于光线360b的入射角；也就是说，光线360b比360a更接近掠入射。尽管为了清楚起见，通过波导342传播的光线被示为未折射，但是在实际实践中，输入角的差异将导致折射角和通过波导342的透射率的差异。因此，在一些实施例中，为了补偿波导342的表面的法线302与光轴320之间的非零角度θi，通过改变准直光学元件330的曲率来补偿在传播通过波导342之后加在凸对象表面312上的不对称性。在这些实施例中，准直光学元件330的曲率或凹度可以基于角度θi以及波导342的折射率和厚度以及发散光束所通过的其它光学元件来根据位置而变化。通过根据位置改变准直光学元件330的曲率，本发明的一些实施例提供了对波导相对于光纤310的光轴320的倾斜取向的影响的补偿以及对由光纤310发射的光线的传播角度的任何结果的影响的补偿。

如图3中所示，目镜340可以定位于光纤310的尖端与准直光学元件330之间。目镜340可以包括相对于光轴320倾斜的平面波导342，使得波导342的表面的法线302相对于光轴320形成非零角度θi。目镜340可进一步包括入耦合衍射光学元件(doe)346，例如入耦合光栅(icg)，其耦合至与光轴320相交(intercept)的波导342的第一横向区域。

目镜340可进一步包括耦合至波导342的表面的第二横向区域的出耦合衍射光学元件(doe)348(例如，出耦合光栅)，该第二横向区域与第一横向区域偏移了预定距离。出耦合doe348可以包括衍射光栅，该衍射光栅被配置为将在波导342中传播的光的一部分从波导342向外并且朝向观看者的眼睛350衍射。例如，出耦合doe348可以是以上关于图2a讨论的出射光瞳扩展器(epe)。为了便于下面的讨论，如图3和4a-4b中所示，沿波导的平面取向的从入耦合doe346指向出耦合doe348的方向为“-x”方向，而相反的方向为“+x”方向。

如以下关于图4a至图4b更充分地描述的，由于来自光纤310的光以倾斜的入射角入射到入耦合doe346上，因此可以控制入射光到波导342中的衍射耦合，以实现所需的衍射耦合条件。

图4a是根据本发明的实施例的示出用于如图3中所示的成角度的入耦合doe346的光的衍射耦合的简化示意图。图4a示意性地示出当从光纤310的尖端发射的发散输入光束(由中心光线360-1表示)在第一道次入射在入耦合doe346上时，入耦合doe346的光学效果。为了清楚起见，仅示出了与光轴320对齐的发散输入光束的中心光线360-1。然而，将理解的是，以下分析可应用于发散输入光束的其它光线。如图4a中所示，入耦合doe346可以在衍射角θ+1处将输入光束(由中心光线360-1表示)的第一部分衍射为正一阶(“+1”)衍射420(在透射几何形状中)，并且在衍射角θ-1处将输入光束(由中心光线360-1表示)的第二部分衍射为负一阶(“-1”)衍射430(在透射几何形状中)。因为中心光线360-1相对于与入耦合doe346相关联的波导的法线302以非零入射角θi倾斜，所以衍射级的角度将不相等。换句话说，如果衍射角θ+1为正，则衍射角θ+1将不等于衍射角θ-1的绝对值。因此，如下所述，衍射级将不会在波导中经历均匀的全内反射。

衍射光栅的操作可以由光栅方程式控制：

其中θm是相对于垂直于光栅表面的矢量的衍射光栅出射的光的衍射角(衍射角)；λ是波长；m是称为“阶”的整数值参数；d是光栅的周期；并且θi是光相对于垂直于光栅表面的矢量的入射角。因此，特定阶m(其中m为非零)的衍射角θm可取决于入射角θi和光栅的周期d。

根据一些实施例，组成发散输入光束的光的入射角θi(由波导342相对于光轴320倾斜的角度确定)和光栅周期d可以被选择使得衍射角θ+1处的正一阶衍射420可以满足波导342的全内反射(tir)条件，并且因此可以在波导342中在+x方向中传播，而衍射角θ-1处的负一阶衍射430可使波导342的tir条件失效，并且因此，可以作为消逝波在-x方向中沿波导342的表面传播(由图4a中的长虚线430'表示)，或在波导342中的每一次反弹时可以从波导342折射出来。由于正一阶衍射420在波导342中在+x方向中远离出耦合doe348传播，因此它不会被出耦合doe348从波导342衍射出以到达观看者的眼睛350。而是，可以使用光阱或其它光吸收结构作为光束收集器，以吸收在第一道次衍射成正一阶衍射的光。

再次参考图3，以边际光线360a和360b为特征并从光纤310的尖端发射的发散输入光束的一部分可以透射通过入耦合doe346(例如，作为零阶透射)，从而以轴上配置入射在准直光学元件330上。准直光学元件330可以将发散输入光束在第二道次反射为朝向入耦合doe346导向回来的准直光束(例如，如图3中所示，作为由边际光线370a和370b界定的平行光线束)。如前所述，尽管边际光线360a和360b示出了发散光束边缘处的光线，但是其它光线将以类似的方式准直以形成由边际光线370a和370b表示的准直光束。

图4b是根据本发明的实施例示出针对图3中所示的成角度的入耦合doe346的由中心光线370-1所示的准直光束的衍射耦合的简化示意图。为了清楚起见，仅示出了准直光束的中心光线370-1。然而，将理解的是，以下分析可应用于准直输入光束的其它光线。如图4b中所示，入耦合doe346可以在衍射角θ+1处将由中心光线370-1所示的准直光束的第一部分衍射为正一阶(“+1”)衍射460(在反射几何形状中)，并且在衍射角θ-1处将由中心光线370-1示出的准直光束的第二部分衍射为负一阶(“-1”)衍射470(在反射几何形状中)。

如关于准直之前的第一道次期间入射在入耦合doe上的光所讨论的，因为准直光束的中心光线370-1相对于与入耦合doe346相关联的波导的法线302以非零入射角θi倾斜，所以衍射级的角度将不相等。换句话说，如果衍射角θ+1为正，则衍射角θ+1将不等于衍射角θ-1的绝对值。因此，如下所述，衍射级将不会在波导中经历均匀的全内反射。

参考图4b，因为与图4a中所示的输入光束360的中心光线360-1相比，准直光束的中心光线370-1从相反方向入射在入耦合doe346上，因此正一阶衍射460可以满足波导342的tir条件，并且因此可以在波导342中在-x方向中传播；而负一阶衍射470可使波导342的tir条件失效，并且因此，可以作为消逝波在+x方向中沿着波导342的表面传播(由图4b中的长虚线470'表示)，或者在波导342中的每一次反弹时可以从波导342折射出来。由于正一阶衍射460在波导342中沿-x方向朝向出耦合doe348传播，因此它可能被出耦合doe348从波导342中衍射出来以到达观看者的眼睛350。

如上所述，通过利用目镜340相对于光纤扫描投影仪的成角度配置的入耦合doe346和波导342的不对称行为，可以使用轴上准直光学元件330实现从光纤310发射的输入光束到波导342的有效耦合。如美国专利申请序列号15/927,765中所讨论的，该光学配置避免了使用偏振分束器。这样，可以通过使用非偏振保持光纤来传输非偏振输入光束，该非偏振保持光纤可以补救与传统技术相关联的一个或多个技术难题。图3中所示的光纤扫描投影仪与使用偏振分束器的配置相比，还可以具有带有更少的光学部件的优点，并且因此可以更容易制造。准直光学元件330的轴上配置可以阻止偏轴像差，诸如像散和彗差，这在单元件准直光学元件330中可能难以校正。

在一些实施例中，可以对入耦合doe346进行闪耀(blaze)(即，给定特定的周期性轮廓)，以便优先地将光衍射成所需的衍射级。例如，可以对入耦合doe346进行闪耀，使得正一阶衍射460的强度可以高于负一阶衍射470的强度，以便使到达观看者的眼睛350的输入光束的部分最大化。

另外，入耦合doe346可被配置为在反射阶上比透射阶具有更高的效率，使得入耦合doe346可以使输入光束在第二道次入射在入耦合doe346上的耦合效率比输入光束在第一道次入射在入耦合doe346上的耦合效率更高。这样，在第一道次可能浪费了较小部分的输入光束，从而导致较大部分的输入光束到达观看者的眼睛350。

根据各种实施例，入耦合doe346的周期性结构可以包括透明材料的表面浮雕轮廓或折射率的体积调制。在一些实施例中，入耦合doe346可包括超表面。超表面是光学上薄的亚波长结构化界面。通常通过组装微型各向异性光散射体(即，诸如光学天线(antennas)的谐振器)的阵列来产生超表面。天线之间的间距及其尺寸远小于波长。由于惠更斯原理，超表面能够通过在光散射体的光学响应中引入空间变化，将光学波前塑造成具有亚波长分辨率的任意形状。超表面可以允许控制光的偏振、相位和幅度。可以用来操纵光波前的因素包括纳米结构的材料、大小、几何形状和取向。可以通过改变超表面的组成纳米结构的几何大小来设计超微表面的谐振波长，从而提供波长选择性。例如，超表面可以被设计为在重导向光时具有高度的波长选择性。因此，超表面可以用作波长选择性入耦合光学元件和出耦合光学元件。在2017年8月22日提交的美国专利申请序列号15/683,644中提供了超表面衍射光学元件的附加描述，该申请的公开内容出于所有目的通过引用整体并入于此。

图5示意性地示出根据本发明的一些其它实施例的被耦合至目镜540的光纤扫描投影仪。目镜540包括平面波导542、耦合至波导542的后表面的第一横向区域的入耦合doe546、以及耦合至波导542的第二横向区域的出耦合doe548。注意，出耦合doe548在图5中示为耦合至波导542的后表面，但是它可以被耦合至前表面或后表面。入耦合doe546的背面被金属化，使得入耦合doe546可以以反射几何形状工作。通常，金属化的入耦合doe可以比非金属化的入耦合doe具有更高的耦合效率。出耦合doe548可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将在波导542中传播的光的一部分从波导542向外并且朝向观看者的眼睛550衍射。为了促进下面的讨论，如图5和6a-6b中所示，让我们将从入耦合doe546指向出耦合doe548的方向称为“-x”方向，并将相反方向表示为“+x”方向。

光纤扫描投影仪包括光纤510(或另一合适的波导扫描器)。光纤510可以被偏转，使得其尖端的轨迹512限定二维凸对象表面(例如，球形表面的一部分)。光轴520可以被限定为当光纤510不被偏转时通过光纤510的线。例如，光轴520可以通过凸对象表面的中心。光纤510以成角度的配置相对于目镜540定位，使得光轴520相对于波导542的法线502形成非零角度θi。如下面关于图6a-6b中更全面所述，由于来自光纤510的光以倾斜的入射角入射在入耦合doe546上，因此可以控制入射光到波导542的衍射耦合，以实现所需的衍射耦合条件。

因为入耦合doe546被金属化，所以输入光束560的一部分可在第一道次由入耦合doe546反射(例如，作为零阶反射)，并表现为从虚拟对象点590发射的发散输入光束。如下面关于图6a所述，入耦合doe546还将输入光束560衍射成其它衍射阶(例如，正一阶衍射和负一阶衍射)。

光纤扫描投影仪可以进一步包括准直光学元件530，诸如凹面镜，其定位在目镜540的与光纤510相同的一侧上。准直光学元件530定位在轴上配置中以接收由金属化的入耦合doe546反射(即，零阶反射)的发散输入光束560'。准直光学元件530将输入光束准直为在第二道次朝向入耦合doe546导向返回的准直反射光束570。

图6a是根据本发明的实施例示出用于如图5中所示的成角度的入耦合doe546的光的衍射耦合的简化示意图。为了清楚起见，仅示出了发散光束560的中心光线560-1。如图所示，入耦合doe546可在衍射角θ+1处将输入光束560的第一部分衍射为正一阶(“+1”)衍射620(在反射几何形状中)，并且在衍射角θ-1处将输入光束560的第二部分衍射为负一阶(“-1”)衍射630(在反射几何形状中)。类似于图3和图4a-4b中所示的入耦合doe346，可以选择入射角θi和入耦合doe546的光栅周期d，使得在衍射角θ-1处的负一阶衍射630可以满足波导542的tir条件，并且因此，可在波导542中在+x方向中传播，而在衍射角θ+1处的正一阶衍射620可使波导542的tir条件失效，并且因此，它可以作为消逝波在-x方向中沿波导542的表面传播(由图6a中的长虚线620'表示)，或可以在波导542中的每次反弹时从波导542折射出来，如图6a中所示。因此，入射角θi和入耦合doe546的光栅周期d的选择可以导致几乎没有或没有被衍射为第一正阶反射620的光到达出耦合doe548。由于负一阶衍射630在波导542中在+x方向中远离出耦合doe548传播，因此它可以不被出耦合doe548从波导542中衍射出来，以到达观看者的眼睛550，如图5中所示。相反，可以利用光阱或其它光吸收结构作为光束收集器，以吸收在第一道次被衍射成负一阶衍射630的光。

图6b是根据本发明的实施例示出用于如图5中所示的成角度的入耦合doe546的准直光束570的衍射耦合的简化示意图。为了清楚起见，仅示出了准直光束570的中心光线570-1。然而，将理解的是，以下分析可应用于准直输入光束570的其它光线。如图所示，入耦合doe546可将准直光束570的第一部分衍射为正一阶(“+1”)衍射660(在反射几何形状中)，以及将准直光束650的第二部分衍射为负一阶(“-1”)衍射光束670(在反射几何形状中)。现在，由于与图6a中所示的输入光束560相比，准直光束570从相反方向入射到入耦合doe546上，因此，负一阶衍射光束670可以满足波导542的tir条件，并且因此可以在波导542中在-x方向中传播，而正一阶衍射660可以使波导542的tir条件失效，并且因此，可以作为消逝波沿波导542的表面在+x方向中传播(由图6b中的长虚线660'表示)，或可以在波导542中的每次反弹时从波导542折射出来，如图6b中所示。由于负一阶衍射光束670在波导542中沿-x方向朝向出耦合doe548传播，因此它可以由出耦合doe548从波导542中衍射出来，以到达观看者的眼睛550。

如上所述，可以选择光轴520与波导542的法线502之间的角度θi以促进入耦合doe546和波导542的不对称行为。也可以考虑其它几何考虑。例如，可以选择角度θi，以便避免光纤510的尖端的轨迹512与准直光学元件530之间的任何冲突。在各种实施例中，可以选择角度θi例如为15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°。在一些其它实施例中，与美国专利申请序列号15/927,765的图5中所示的配置相似，准直光学元件530可以具有光纤510可以通过的孔。可以在选择角度θi的情况下使用该配置，使得光纤510否则会与准直光学元件530发生几何冲突。

图7示意性地示出根据本发明的另一些实施例的耦合至目镜740的光纤扫描投影仪。与目镜540相似，目镜740包括平面波导742、耦合至波导742的后表面的第一横向区域的入耦合doe746，和耦合至波导742的第二横向区域的出耦合doe748(尽管出耦合doe748在图7中被示为耦合至波导742的后表面，但是它可以耦合至前表面或后表面)。出耦合doe748可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将在波导742中传播的光的一部分从波导742向外并且朝向观看者的眼睛750衍射。这里，入耦合doe746的背面未被金属化。取而代之，目镜740包括定位于入耦合doe746后面的单独的平面镜780。

光纤扫描投影仪包括光纤710(或波导)。光纤710可以被偏转，使得其尖端的轨迹限定二维凸对象表面712(例如，球形表面的一部分)。光轴520可以被限定为当光纤710不被偏转时通过光纤710的线。例如，光轴720可以通过凸对象表面712的中心。光纤710相对于目镜740定位成使得光轴720相对于波导742的法线702形成非零角度θi。输入光束760的一部分可以在第一道次通过入耦合doe746，并被平面镜780反射。因此，输入光束760可以表现为从虚拟对象点790发射的发散输入光束。

光纤扫描投影仪可以进一步包括准直光学元件730，诸如凹面镜，其定位在目镜740的与光纤710相同的一侧上。准直光学元件730以轴上配置定位，以接收发散输入光束760。准直光学元件730在第二道次将输入光束760反射为准直光束770朝向入耦合doe746导向返回。

类似于图5中所示的光纤扫描投影仪，可以选择入射角θi和入耦合doe746的光栅周期d，使得对于第一道次入射到入耦合doe746上的输入光束760，负一阶衍射(在反射几何形状中)可以满足波导742的tir条件，而正一阶衍射(在反射几何形状中)可以使波导742的tir条件失效，类似于图6a中的图示。对于在第二道次入射在入耦合doe746上的准直光束770，负一阶衍射(在反射几何形状中)可以满足波导742的tir条件，并且正一阶衍射(在反射几何形状中)可以使波导742的tir条件失效，类似于图6b中的图示。

通常，目镜可包括出耦合doe(例如，图5中所示的出耦合doe548或图7中所示的出耦合doe748)，该出耦合doe被配置为具有与入耦合doe(例如图5中所示的入耦合doe546或图7中所示的入耦合doe746)相同的光栅参数(包括周期性)。例如，在图5和6a-6b中所示并在图8中复现的系统中，对于以入射角θi入射在波导542上的输入光束560，如以上参考图6b所讨论的，当准直光束570在第二道次入射在其上时由金属化的入耦合doe546产生的负一阶衍射的衍射光束670可以在波导542中朝向出耦合doe548传播。如果出耦合doe548被配置为具有与入耦合doe546相同的光栅参数(例如，具有相同的光栅周期d)，则出耦合doe548可以耦合光束670的一部分，例如，作为在朝向观看者的眼睛550在出射角θe处的负一阶衍射，其中θe基本上等于入射角θi。因此，对于如图5中(或如图3和图7中所示)所示的光纤扫描投影仪相对于目镜540的成角度配置，投射到眼睛550的光场可能仅覆盖在法线504的一侧偏置的角视野(fov)。

根据本发明的其它实施例，它们的目镜可以以这样的方式实现，使得出耦合doe548的光栅周期d不同于入耦合doe546的光栅周期。这可以允许出耦合doe548以与入耦合doe546衍射的角度不同的角度来衍射光。

根据一些实施例，可以使用两个光纤扫描投影仪以便覆盖法线的两侧上的fov。图9示意性地示出包括两个光纤扫描投影仪的示例性配置。目镜940可包括波导942、在右侧被耦合至波导942的第一横向区域的第一入耦合doe946、在左侧被耦合至波导942的第二横向区域的第二入耦合doe944，以及在中心处被耦合至波导942的第三横向区域的出耦合doe948(例如，epe)。第一光纤扫描投影仪可以包括第一光纤910和第一准直光学元件930，它们相对于目镜940以成角度的配置布置在第一入耦合doe946附近，类似于图5中所示的图示。第二光纤扫描投影仪可以包括第二光纤920和第二准直光学元件932，它们也相对于目镜940以成角度的配置布置在第二入耦合doe944附近，作为第一光纤扫描投影仪的镜像。

如图所示，第一光纤扫描投影仪可以在法线904的左侧在第一角度fov980中投射光场，而第二光纤扫描投影仪可以被配置为在法线904的右侧在第二角度fov970中投射光场。第一fov980和第二fov970可以表示彼此相对平铺的图像的两个部分。在一些实施例中，第一fov980和第二fov970可以在法线904附近彼此对接(butt)(即，第一fov980和第二fov970之间的间隙990基本上消失)以形成表示连续图像的组合fov。可能需要确保在第一fov980和第二fov970相遇的区域中没有创建重影图像。

图10示意性地示出根据一些实施例的可穿戴显示器的顶视图。可穿戴显示器包括用于观看者的右眼1010的第一目镜1030和用于观看者的左眼1020的第二目镜1050。第一目镜1030和第二目镜1050可以定位在可以戴在观看者的面部周围的护目镜中。

第一目镜1030可以包括第一平面波导1032，以及耦合至第一波导1032的第一入耦合doe1034和第一出耦合doe1036。第一光纤扫描投影仪可以包括以成角度配置耦合至第一目镜1030的第一光纤1040和第一准直光学元件1042，类似于图5或7中所示的图示。类似地，第二目镜1050可以包括第二平面波导1052，以及耦合至第二波导1052的第二入耦合doe1054和第二出耦合doe1056。第二光纤扫描投影仪可以包括以成角度配置耦合至第二目镜1050的第二光纤1060和第二准直光学元件1062。

与直的包角(wrapangle)相比，可以优选的是使目镜1030和1050在观看者的眼睛1010和1020周围具有有限的包角。如图10中所示，第一目镜1030可以被包裹在观看者的面部周围，使得在第一波导1032的法线1038与观看者的矢状(sagittal)平面1012之间存在有限的包角β。类似地，第二目镜1050可以被包裹在观看者的面部周围，使得在第二波导1052的法线1058与观看者的矢状平面1022之间存在有限的包角β(注意，图10中的图示可能被夸大)。根据一些实施例，包角β可以基本上匹配第一光纤1040相对于第一波导1032的倾斜角θ，或第二光纤1060相对于第二波导1052的倾斜角θ。这样，由第一目镜1030和第二目镜1050中的每一个目镜投影的光场可以覆盖fov，该fov包括对每个相应的眼睛1010或1020的法向入射。在一些其它实施例中，包角β可以小于光纤1040或1060的倾斜角θ，以便具有更平缓的包角。通过将第一目镜1030和第二目镜1050定位在有限的包角β，与直包角(例如，β＝0)相比，观看者可以相对于虚拟内容具有更身临其境的体验。

图11示意性地示出根据本发明的一些另外实施例的耦合至目镜1140的光纤扫描投影仪。目镜1140可以包括波导1142和耦合至波导1142的横向区域的金属化的入耦合doe1146。光纤扫描投影仪可以包括光纤1110(或另一合适的波导扫描器)。光纤1110可以被偏转，使得其尖端的轨迹限定二维凸对象表面1112(例如，球形表面的一部分)。光纤扫描投影仪可以进一步包括实心的“棱镜”1130。棱镜1130可以包括第一弯曲表面1132，该第一弯曲表面1132可以用作用于接收从光纤1110的尖端发射的输入光束1160的输入表面。棱镜1130可以进一步包括第二表面1134，该第二表面可以用作用于透射输入光束1160的输出表面。棱镜1130可以进一步包括第三弯曲表面1136。第三弯曲表面1136可以具有反射涂层，例如金属涂层，并且可以用作准直镜，类似于分别在图5和图7中所示的准直光学元件530或730。

在一些实施例中，类似于美国专利申请序列号15/927,765中描述的偏振分束器，第一弯曲表面1132的特征在于具有光焦度。在一些其它实施例中，第一弯曲表面1132可以是基本上与对象表面1112匹配的球形表面的一部分。因此，从光纤1110的尖端发射的光束1160可以法向地(normally)入射在第一弯曲表面1132上。第二表面1134也可以以光焦度为特征。在一些其它实施例中，第二表面1134可以是基本上平坦的并且可以与波导1142物理接触。棱镜1130可以包括具有与波导1142的折射率基本上匹配的折射率的材料，使得离开第二表面1134的光线可能不会被折射或可经历可忽略的折射。应当注意，利用图11中所示的棱镜1130的一些实施例可以受益于棱镜的折射率大于1，从而导致棱镜中的光折射的角度小于入射到棱镜上的光的角度。

上面结合图3-11描述的方法可以用于包括如下面更全面描述的扫描镜的波导显示系统中。此类波导显示系统可以用在可穿戴显示系统中，诸如虚拟现实或增强现实眼镜。在一些实施例中，波导显示系统可以包括目镜波导，该目镜波导可以具有第一表面和第二表面，该波导包括入耦合衍射光学元件(doe)(例如，入耦合光栅(icg))和出耦合doe(例如，出耦合光栅(ocg))。波导显示系统可以包括第一光束，例如入射光束，其通过目镜波导以到达第一反射光学元件。第一反射光学元件可以是扫描镜、准直镜或扫描准直镜。第二光束(从第一反射光学元件反射的光束)可以被耦合至波导中以形成可以被用户观看的图像。在该情况下，入耦合doe被配置为阻止或抑制第一光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合光栅还被配置为使第二光束在波导中通过tir传播到出耦合doe。

如上所述，可以选择入射角和光栅的周期或栅距以确定衍射角。入耦合doe可被配置为使得透射通过入耦合doe的第一光束不满足第一光束传播到出耦合doe的tir条件。类似地，入耦合doe可被配置为使得到达入耦合doe的第二光束满足tir条件，因此第二光束可以传播到出耦合doe。

在实施例中，第一光束或入射光束可以是非扫描准直图像束，并且第一反射光学元件可以是扫描镜。反射扫描光束可以被耦合至图像波导中。

在另一个实施例中，第一光束或入射光束可以是由光纤扫描器提供的发散光束，并且第一反射光学元件可以是准直扫描镜。例如，准直扫描镜可以是具有带有正光焦度的反射光元件的扫描镜，例如凹面镜。被准直的反射扫描光束可以被入耦合至波导中以形成图像。

在另一个实施例中，第一光束或入射光束可以是由准直镜提供的准直光束，并且第一反射光学元件可以是非准直扫描镜。例如，准直镜可以是具有正光焦度的凹面反射光学元件(例如凹面镜)的分段或条片(sliver)。准直镜可以被配置为接收来自光纤扫描器的输入光束。来自第一反射光学元件的反射扫描光束可以被入耦合至波导中以形成图像。

在另一个实施例中，第一光束或入射光束可以是由扫描镜提供的扫描发散光束，该扫描镜从光纤扫描器接收输入光束并提供扫描发散光束，该扫描发散光束被透射通过波导到达第一反射光学元件。第一反射光学元件可以是准直镜，该准直镜被配置为接收扫描发散光束并向波导提供反射准直光束。来自第一反射光学元件的反射扫描光束可以被耦合至波导中以形成图像。

在一些实施例中，光纤扫描器可以被设置在波导的与扫描镜相对的一侧。在该情况下，来自光纤扫描器的光束需要通过波导。为了阻止来自光纤扫描器的光束被入耦合至波导中以到达出耦合doe，光纤扫描器可被设置为使得光束在不具有入耦合doe的波导的一部分中被透射到波导。可替代地，入耦合doe可被配置为使得来自光纤扫描器的透射通过入耦合doe的光束不满足tir条件，第一光束不传播至出耦合doe。

在以上实施例中，波导显示系统包括通过目镜波导到达第一反射光学部件的入射光束。反射光束可以被入耦合至波导中以形成可以被用户观看的图像。在替代实施例中，第一反射光束可以通过波导到达第二反射光学部件，该第二反射光学部件可以提供第二反射光束，该第二反射光束被入耦合至波导中。在该情况下，入耦合光栅被配置为阻止第一光束或第一反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到输出光栅。入耦合光栅还被配置为使第二反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到输出光栅。

例如，在实施例中，入射光束可以是来自光纤扫描器的发散光束，其透射通过波导而不被入耦合至波导中至出耦合doe。第一反射光学部件可以是扫描镜，该扫描镜接收来自光纤扫描器的入射光束并提供第一反射光束，被扫描的发散光束，该被扫描的发散光束透射通过波导到达第二反射光学元件。第二反射光学元件可以是准直镜，该准直镜被配置为接收扫描的发散光束并且向波导提供第二反射光束，该第二反射光束是反射准直光束。第二反射光束可以被入耦合至波导中以形成图像。

图12a是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的波导显示系统的简化示意图。如图12a中所示，波导显示系统1200包括具有平面波导1242的目镜波导1240。例如如从硅上液晶(lcos)投影仪发射的非扫描输入光束1210入射在目镜1240上。目镜1240包括波导1242、耦合至波导1242的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)1246，以及耦合至波导1242的第二横向区域的出耦合doe1248(例如出射光瞳扩展器(epe)或出耦合光栅(ocg))。例如，doe1248可以是出射光瞳扩展器(epe)，诸如出耦合光栅(ocg)。该显示系统包括扫描镜1230，该扫描镜1230定位于目镜1240的与输入光束1210相对的另一侧。可以围绕垂直于纸平面的扫描轴扫描该扫描镜1230。扫描镜1230可相对于目镜1240平坦地定位，可以将反射镜靠近目镜设置以使其尽可能小，并且可以使扫描角度范围尽可能小。

在图12a的系统中，来自扫描镜1230的扫描反射光束通过入耦合doe1246被入耦合至波导中，并通过tir传播到ocg以提供用户可观看的图像。在该配置中，期望阻止输入光束1210在波导1242中通过tir被有效地耦合至目镜1240的epe或ocg区域(即，doe1248被耦合至的第二横向区域)。在一些实施例中，输入光束1210可以是偏振的准直光束，并且入耦合doe1246可以是偏振敏感的入耦合光栅，使得输入光束1210不被耦合至波导。此外，该系统可以在波导1242与扫描镜1230之间包括四分之一波片1232，使得扫描的反射光束的偏振与输入光束1210的偏振不同，并且可以通过tir被入耦合至波导中以形成用于用户的眼睛1270的输出图像。

在一些实施例中，可以提供没有偏振敏感光栅或分束器和四分之一波片的替代系统。在这些实施例中，可以选择光束的入射角和/或光栅的周期或栅距，以阻止入射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到输出光栅。光束的入射角和/或光栅的周期或栅距也可以配置为使反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到输出光栅。在图12b中示出示例。

图12b是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的波导显示系统的简化示意图。如图12b中所示，波导显示系统1250包括具有第一表面1221和第二表面1222的目镜波导1242。波导1242包括可以是入耦合光栅(icg)的入耦合衍射元件(doe)1246和可以是出耦合光栅(ocg)或出射光瞳扩展器(epe)的出耦合衍射元件(doe)1248。

准直光束1211以第一入射角θ投射到波导1242的第一表面1221。扫描镜1230与波导1242的第二表面1222相邻设置。扫描镜被配置为接收准直输入光束1210并且以第二入射角θr朝向波导提供准直反射光束1220。反射光束1250可以跨越入射角的范围，其中虚线标记边际光线。由于准直光束1211以倾斜的入射角入射在入耦合doe1246上，因此可以控制入射光到波导1242中的衍射耦合，以实现所需的衍射耦合条件。为了便于讨论，沿波导的平面取向的从入耦合doe1246指向出耦合doe1248的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

如图12b中所示，输入光束1210例如相对于波导1242的法线1202以角度θ偏轴地入射在目镜1240上。由于准直光束1211以倾斜入射角入射在入耦合doe1246上，因此可以控制入射光到波导1242中的衍射耦合，以实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择入射角θ和入耦合doe1246的光栅周期d以实现所需的衍射耦合条件。在一些实施例中，入耦合doe1246被配置为阻止来自准直光源的准直输入光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1248，并使准直反射光束1220在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1248。

例如，当准直光束1211通过入耦合doe1246时，由入耦合doe1246在第一道次以衍射角θ进行的负一阶衍射(在反射几何形状中)可不满足在“-x”方向中朝向出耦合doe波导1242的tir条件。在图12b中，使tir条件失效的光束沿波导1242的表面作为消逝波1262传播，或在波导1242中的每次反弹时从波导1242折射出来，如由虚线1264所示。然而，在输入光束1210已经被扫描镜1230反射，扫描的反射光束1220入射到入耦合doe1246上之后，由入耦合doe1246进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可以在朝向出耦合doe1248的“-x”方向中满足波导1242的tir条件，如光束1266所示。为了说明图像投影的光路，由灰色箭头1271、1272、1273和1274标记在波导中被衍射并被发射以到达观看者的眼睛1270的光束。为简化附图，在图12b中省略了在“-x”方向中远离出耦合doe1248的光束。上面结合图3、4a和4b描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

扫描镜1230可以是mems(微机电系统)2轴扫描镜，其是二维扫描镜，其被配置为以俯仰轴和旋转(roll)轴在二维中旋转。取决于实施例，扫描镜可以由磁、电或压电致动器驱动。扫描镜的运动可以在一个自由度中谐振，而在第二自由度中准静态控制。例如，谐振轴可以对应于类似于沿显示器的线的运动的运动，并且准静态控制的第二自由度可以对应于类似于显示器的线之间的竖直运动的运动。在一种可能的情况下，谐振轴可以是俯仰轴，而准静态控制的轴可以是偏航轴。对于相对高分辨率的图像，例如，希望具有等效的1000或2000条扫描线，并且每秒30至60帧的帧刷新速率。此类参数要求30khz至120khz的线速率。对于足够小以包括在增强现实可穿戴器件中的小型mems扫描器，通常在与视野(fov)相关的谐振轴的角度范围与等效于线速率的谐振频率之间进行权衡。

图12b示出具有集成有扫描镜的光源的波导显示系统的示例，该光源提供准直图像光。该系统使光源和扫描镜能够被设置在目镜波导的相对两侧。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

在一些实施例中，发散光源和准直光学元件可以被放置在波导的相对侧上。例如，入射光束可以是由光纤扫描器提供的发散光束，并且准直扫描镜可以是具有带有正光焦度的反射光学元件的扫描镜，例如扫描凹面镜。可以选择光束的入射角和/或入耦合doe的周期(或栅距)，以阻止入射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到输出光栅。光束的入射角和/或光栅的周期或栅距也可以配置为使准直的扫描反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe以形成可以被用户观看的图像。在图13中示出示例。

图13是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图13中所示，波导显示系统1300包括目镜波导1340，该目镜波导1340具有带有第一表面1321和第二表面1322的平面波导1342。目镜波导1340还具有耦合至波导1342的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)1346和耦合至波导1342的第二横向区域的出耦合doe1348。光纤扫描器1315与波导1342的第一表面1321相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜1330)与波导的第二表面相邻设置。图13中的光纤扫描器、波导和准直镜的配置可以类似于图3中所示的对应部件的配置。然而，在波导显示系统1300中，光纤扫描器1315被配置为线扫描器，即采用一个扫描轴，并且准直镜1330是被配置为以可以与光纤扫描器的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描镜。

光纤扫描器1315可以包括光纤1310(或另一合适的波导扫描器)，并且被配置为以第一入射角θ朝向波导1342的入耦合doe1346扫描发散输入光束1311。光纤1310可以被偏转，使得其尖端的轨迹限定一维凸对象表面。当光束离开光纤1310的尖端时，光束可发散为具有由光纤1310的数值孔径确定的对角(subtendangle)的光线锥(例如，如图13中所示由边际光线1350界定)。光轴1320可以被限定为当光纤1310不被偏转时通过光纤1310的线。

与波导1342的第二表面1322相邻设置的准直扫描镜1330被配置为接收通过波导1342的来自光纤扫描器1315的发散输入光束1311，并以第二入射角θr朝向波导的入耦合doe1346提供准直反射光束1360。

如图13中所示，输入光束1311例如相对于波导1342的法线1302以角度θ偏轴地入射在目镜1340上。入射光至波导1342中的衍射耦合可被配置为实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择入射角θ和入耦合doe1346的光栅周期d以实现所需的衍射耦合条件。在一些实施例中，入耦合doe1346被配置为阻止来自准直光源的准直输入光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1348，并使准直反射光束1360在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1348。为了便于讨论，沿波导平面取向的从入耦合doe1346指向出耦合doe1348的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

例如，当输入光束1311通过入耦合doe1346时，由入耦合doe1346在第一道次的衍射角处进行的负一阶衍射(在反射几何形状中)可不满足波导1342在“-x”方向中朝向出耦合doe1348的tir条件。在图13中，使tir条件失效的光束沿波导1342的表面作为消逝波1362传播，或在波导1342中的每次反弹时从波导1342折射出来，如由虚线1364所示。然而，在输入光束1311已经被准直扫描镜1330反射，并且扫描的反射光束1360入射到入耦合doe1346上之后，由入耦合doe1346进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可以在朝向出耦合doe1348的“-x”方向中满足波导1242的tir条件，如光束1366所示。出耦合doe1348可以包括衍射光栅(其在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将在波导中传播的光的一部分1366从波导1342向外并朝向观看者的眼睛1350衍射。为了说明图像投影的光路，由灰色箭头1371、1372、1373和1374标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛1370的光束。为简化附图，在图13中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe1348的光束。上面结合图3、4a和4b描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

图13示出具有光纤扫描器的波导显示系统的示例，该光纤扫描器提供了发散光束，该光纤扫描器集成有用于提供准直光束的准直扫描镜。该系统使光源和扫描镜能够设置在目镜波导的相对两侧。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

在一些实施例中，发散光源和准直光学元件可以被放置在波导的同一侧，而扫描镜被放置在波导的另一侧。例如，发散输入光束可以由光纤扫描器提供，该光纤扫描器使发散输入光束发射通过入耦合doe到扫描镜。扫描镜可以接收发散输入光束，并且发散反射光束透射通过入耦合doe到准直光学元件。准直光学元件可以将准直光束朝向波导的入耦合doe反射。在该情况下，光束通过入耦合doe3次。为了减少不必要的衍射，入耦合doe可被配置为阻止来自光纤扫描器的发散输入光束和来自扫描镜的反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合doe还可以被配置为使准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。类似于上述实施例，可以选择光束的入射角和/或入耦合doe的周期(或栅距)以实现所需的衍射并抑制不需要的衍射。在图14中示出示例。

图14是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图14中所示，波导显示系统1400包括目镜波导1440，该目镜波导1440具有带有第一表面1421和第二表面1422的平面波导1442。目镜波导1440还具有耦合至波导1442的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)1446和耦合至波导1442的第二横向区域的出耦合doe1448。光纤扫描器1415与波导1442的第一表面1421相邻设置。扫描光学元件(例如扫描镜1420)与波导的第二表面相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜1430)与波导的第一表面相邻设置。图14中的光纤扫描器、波导、扫描镜和准直镜的配置可以类似于如图5中所示的对应部件的配置。然而，在波导显示系统1400中，光纤扫描器1415被配置为线扫描器，即采用一个扫描轴，而扫描镜1430是被配置为采用可以与光纤扫描仪的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描镜。

光纤扫描器1415可以包括光纤1410(或另一合适的波导扫描器)，并且被配置为以第一入射角θ朝向波导1442的入耦合doe1446扫描发散输入光束1411。光纤1410被配置为线性地扫描(即，线扫描)，使得其尖端沿弧线进入和离开页面，类似于图13中所示的光纤1310。光纤1410可以被偏转，使得其尖端的轨迹限定一维凸对象表面。当光束离开光纤1410的尖端时，光束可发散为具有由光纤1410的数值孔径确定的对角的光线锥(例如，如图14中所示由边际光线1450界定)。类似于图13中的光轴1320，光轴可以在图14中被限定为当光纤1410不偏转时通过光纤1410的线。

扫描镜1420与波导1442的第二表面1422相邻设置。扫描镜1420可以被配置为在垂直于页面的平面的慢轴中进行扫描。扫描镜被配置为接收发散输入光束1411并且以第二入射角朝向波导提供反射光束1455。反射光束1455可以跨越入射角的范围，其中虚线标记边际光线。

与波导1442的第一表面1421相邻设置的准直镜1430被配置为接收通过波导1442的入耦合doe1446的来自扫描镜1420的发散反射光束1455并以第三入射角朝向波导的入耦合doe1446提供准直反射光束1460。

如图14中所示，发散输入光束1450、扫描反射发散光束1455和准直光束1460偏轴入射在目镜1440上，例如相对于波导1442的法线成一个角度。入射光束到波导1442中衍射耦合可以被配置为实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择入射角θ和入耦合doe1446的光栅周期d以实现所需的衍射耦合条件。在一些实施例中，入耦合doe1446被配置为阻止来自准直光源的发散输入光束1450和反射发散光束1455在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1448，并使准直光束1460在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1448。为了便于讨论，沿波导平面取向的从入耦合doe1446指向出耦合doe1448的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

例如，当发散输入光束1450通过入耦合doe1446时，由入耦合doe1446在第一道次的衍射角处进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可不满足波导1442在“-x”方向中朝向出耦合doe1448的tir条件。在图14中，使tir条件失效的光束沿波导1442的表面作为消逝波1462传播，或在波导1442中的每次反弹时从波导1442折射出来，如由虚线1464所示。类似地，反射发散光束1455还被配置为不满足波导1442在“-x”方向中朝向出耦合doe1448的tir条件。然而，在输入光束1411已经被准直扫描镜1430反射并且准直反射光束1460(也用灰色箭头1461标记)入射到入耦合doe1446上之后，由入耦合doe1446进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可满足波导1442在“-x”方向中朝向出耦合doe1448的tir条件，如由光束1466所示。出耦合doe1448可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将光束1466的一部分从波导1442向外并朝向观看者的眼睛1470衍射。为了说明用于图像投影的光路，用灰色箭头1471、1472、1473和1474标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛1470的光束。为了简化附图，在图14中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe1448衍射的光束。上面结合图3、4a、4b、5、6a和6b描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

如上所述，图14示出具有光纤扫描器的波导显示系统的示例，该光纤扫描器提供发散光束，光纤扫描器集成有扫描镜，该扫描镜用于提供二维扫描光束。然后使用准直镜产生准直光束，该准直光束被入耦合至波导中以形成图像。该系统使光源和扫描镜能够设置在目镜波导的相对两侧。准直镜可以设置在与光源相同的一侧。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

图15a示意性地示出根据一些实施例的光纤扫描投影仪的透视图。光纤扫描投影仪包括光纤1510，该光纤1510被配置为沿页面平面中的弧线1512线性地进行扫描(即，线扫描)。光纤扫描投影仪进一步包括准直镜1530的一部分而不是全圆镜。准直镜1530的一部分可以被配置为接收从光纤1510的尖端发射的发散输入光束1550或1552，并产生准直光束1560或1562。

图15b示意性地示出图15a中所示的光纤扫描投影仪的侧视图。光纤1510被配置为沿进入和离开页面的弧线进行扫描。如图所示，准直镜1530的一部分的法线1502可以相对于光纤1510的光轴1552以角度β稍微倾斜，使得反射准直光束1560指向上方，避免了光纤1510(而不是朝向光纤1510导向返回)。倾斜角β可以相对较小，使得仅可以引入少量的偏轴像差。

在一些实施例中，类似于图14中所示的系统，可以将发散光源和准直光学元件放置在波导的同一侧上，并且将扫描镜放置在波导的另一侧上。然而，在替代实施例中，光纤扫描器可以提供发散输入光束，该光纤扫描器将发散输入光束直接发射到准直光学元件，该准直光学元件可以将准直光束发射通过入耦合doe到波导另一侧上的扫描镜。在该情况下，光束两次通过入耦合doe。为了减少不必要的衍射，入耦合doe可被配置为阻止来自准直镜的准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合doe还可以被配置为使由扫描镜提供的准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。类似于上述实施例，可以选择光束的入射角和/或入耦合doe的周期(或栅距)以实现所需的衍射并抑制不需要的衍射。在图15c中示出示例。

图15c是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图15c中所示，波导显示系统1500包括目镜波导1540，该目镜波导1540具有带有第一表面1521和第二表面1522的平面波导1542。目镜波导1540还具有耦合至波导1542的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)1546和耦合至波导1542的第二横向区域的出耦合doe1548。光纤扫描器1515与波导1542的第一表面1521相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜1530)与在波导的与光纤扫描器相同的一侧上的第一表面相邻设置。扫描光学元件(例如扫描镜1520)与波导的第二表面相邻设置。在波导显示系统1500中，光纤扫描器1515被配置为线扫描器，即采用一个扫描轴，而扫描镜1520是被配置为采用可以与光纤扫描仪的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描镜。

光纤扫描器1515可以包括光纤1510(或另一合适的波导扫描器)。光纤1510的尖端可以具有成角度的小面1514，使得从光纤1510的尖端发射的输入光束1550的光轴1552相对于光纤1510的延伸1517以角度α折射。准直镜1530可以是准直镜的分段或条片，而不是全圆镜。准直镜1530的该部分可以被配置为接收从光纤1510的尖端发射的发散输入光束1550。光纤1510可以沿弧线扫描进入和离开页面。如图所示，准直镜1530的部分的法线1502可以相对于光轴1552以角度β稍微倾斜，使得反射准直光束1560指向上方，从而错过了光纤1510(而不是朝向光纤1510导向返回)。发散输入光束1550的光轴1552以入射角β入射在准直镜1530上。由于倾斜角α，使准直光束1560通过(clear)光纤1510所需的角度β的大小可以较小。这样，如以上结合图15a和15b所述，可以减小偏轴像差。

扫描镜1520在波导的与光纤扫描器和准直镜相对的一侧上与波导1542的第二表面1522相邻设置。扫描镜1520可以被配置为在垂直于页面平面的慢轴中扫描。扫描镜被配置为接收通过入耦合doe的准直光束1560，并以第二入射角朝向波导提供扫描反射光束1565。

与上述实施例类似，入射光束到波导中的衍射耦合可以被配置为实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择光束的入射角θ和入耦合doe1546的光栅周期d以实现所需的衍射耦合条件。在一些实施例中，入耦合doe1546被配置为阻止准直光束1560在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合doe1546还被配置为使来自扫描镜的准直扫描光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。为了便于讨论，沿波导平面取向的从入耦合doe1546指向出耦合doe1548的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

例如，当发散光束1560通过入耦合doe1546时，由入耦合doe1546在第一道次的衍射角处进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可能不满足波导1542在“-x”方向中朝向出耦合doe1548的tir条件。在图15中，使tir条件失效的光束沿波导1542的表面作为消逝波1562传播，或在波导1542中的每次反弹时从波导1542折射出来，如由虚线1564所示。然而，准直反射光束1565入射到入耦合doe1546上，由入耦合doe1546进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可满足波导1542在“-x”方向中朝向出耦合doe1548的tir条件，如由光束1566所示。出耦合doe1548可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将光束1566的一部分从波导1542向外并朝向观看者的眼睛1570衍射。为了说明用于图像投影的光路，用灰色箭头1571、1572、1573和1574标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛1570的光束。为了简化附图，在图15c中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe1548衍射的光束。上面结合图3、4a、4b、5、6a和6b描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

如上所述，图15c示出具有光纤扫描器的波导显示系统的示例，该光纤扫描器提供发散光束，该光纤扫描器集成有扫描镜，该扫描镜用于提供二维扫描光束。然后使用准直镜产生准直光束，该准直光束被入耦合至波导中以形成图像。该系统使光源和准直镜能够被设置在目镜波导的相同侧，而扫描镜可以被设置在另一侧。此外，准直镜为分段或条片的形状，以便避免光纤扫描器处于来自准直镜的反射光束的光路中。该配置的一个优点是减小的器件尺寸。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

图16是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。波导显示系统可以包括光纤1610。光纤1610的尖端可以具有成角度的小面1612，使得输入光束1650在小面1612处折射并且向上入射到mems镜1620。mems扫描镜1620可以被配置为在垂直于页面平面的慢轴中被扫描。在此，mems镜1620扫描发散光束1650，而不是准直光束。光纤扫描投影仪可以进一步包括准直透镜1630，该准直透镜1630被配置为接收由mems镜1620反射的发散光束1650'，并产生准直光束1670，以入射到目镜1640上。目镜1640包括波导1642和耦合至波导1642的第一横向区域的入耦合doe1646。准直光束1670由波导中的入耦合doe1646衍射，并且可以通过全内反射(tir)传播以到达出耦合doe(未示出)。

在图16的示例中示出的光源是光纤。在其它实施例中，光源可以由具有波导的悬臂扫描器提供，类似于下面结合图18a-18d、19-20、21a-21c和22a-22b描述的悬臂扫描器。

在一些实施例中，可能期望修改图16的系统，以将准直镜定位在波导的另一侧，以允许更紧凑的配置。在一些实施例中，发散光源和准直光学元件可以放置在波导的相同侧，而扫描镜放置在波导的另一侧。在实施例中，发散输入光束可以由光纤点光源提供，该光纤点光源将发散输入光束发射到扫描镜。扫描镜可以接收发散输入光束，并且通过入耦合doe将发散扫描光束发射到准直光学元件。准直光学元件可以将准直光束朝向波导的入耦合doe反射。来自扫描镜的扫描发散光束和来自准直镜的准直光束的配置与图14的系统中的配置相似。然而，在图14的系统中，来自光纤的发散光束在到达扫描镜之前透射通过波导的入耦合doe。因此，光束通过入耦合doe3次。在替代实施例中，来自光纤的发散光束透射通过波导，而没有通过入耦合doe。例如，来自光纤的发散光束被透射通过波导的入耦合doe外面的区域。在替代实施例中，光纤光源可以定位于扫描镜的相同侧，使得来自光纤的发散光束可以到达扫描镜而无需通过波导。在这些替代实施例中，光束仅两次通过入耦合doe。为了减少不必要的衍射，入耦合doe可被配置为阻止来自扫描镜的反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合doe还可以被配置为使来自准直镜的准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。类似于上述实施例，可以选择光束的入射角和/或入耦合doe的周期(或栅距)以实现所需的衍射并抑制不需要的衍射。在图17a和图17b中示出两个示例。

图17a是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图17a中所示，波导显示系统1700包括目镜波导1740，该目镜波导1740具有带有第一表面1721和第二表面1722的平面波导1742。目镜波导1740还具有耦合至波导1742的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)1746和耦合至波导1742的第二横向区域的出耦合doe1748。光纤点光源1715与波导1742的第一表面1721相邻设置。扫描光学元件(例如扫描镜1720)与波导的第二表面相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜1730)与波导的第一表面相邻设置。图17a中的光纤光源、波导、扫描镜和准直镜的配置可以类似于图14中所示的对应部件的配置。

然而，在波导显示系统1400中，光纤扫描器1415被配置为线扫描器，即采用一个扫描轴，并且扫描镜1430是被配置为采用可以与光纤扫描器的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描镜。

光纤1710的尖端具有成角度的小面1712，使得从光纤1710的尖端发射的输入光束1750在小面1712处被折射并以角度θ入射到mems扫描镜1720。

光纤点光源1715可以包括光纤1710(或另一合适的波导扫描器)。在一些实施例中，光纤1710的尖端具有成角度的小面1712，其可以被金属化，使得从光纤1710的尖端发射的输入光束1750在小面1712处被折射并以角度θ入射到mems扫描镜1720。当发散光束离开光纤1710的尖端时，光束可以发散为光线锥(例如，如图17a中所示，由边际光线1750界定)。

扫描镜1720与波导1742的第二表面1722相邻设置。扫描镜被配置为接收来自光纤点光源的发散输入光束1750，并以第二入射角朝向波导提供反射光束1755。

与波导1742的第一表面1721相邻设置的准直镜1730被配置为接收通过波导1742的入耦合doe1746的来自扫描镜1720的发散反射光束1755，并以第三入射角朝向波导的入耦合doe1746提供准直反射光束1760。

如图17a中所示，发散输入光束1750、扫描反射发散光束1755和准直光束1760例如相对于波导1742的法线以一定角度偏轴入射在目镜1740上。在图17a的实施例中，光纤点光源1715被配置为以第一入射角θ向波导的入耦合doe外面的一部分提供发散输入光束。入射光束到波导1742中的衍射耦合可被配置为实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择入射角θ和入耦合doe1746的光栅周期d，以针对扫描反射发散光束1755和准直光束1760实现所需的衍射耦合条件。在一些实施例中，入耦合doe1746被配置为阻止来自准直光源的反射发散光束1755在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1748，并使准直光束1760在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1748。与关于图14的描述相似，沿波导平面取向的从入耦合doe1746指向出耦合doe1748的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

例如，当反射发散光束1755通过入耦合doe1746时，由入耦合doe1746在第一道次的衍射角处进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可能不满足波导1742在“-x”方向中朝向出耦合doe1748的tir条件。在图17a中，使tir条件失效的光束沿波导1742的表面作为消逝波1762传播，或在波导1742中的每次反弹时从波导1742折射出来，如由虚线1764所示。然而，准直反射光束1760入射到入耦合doe1746上，由入耦合doe1746进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可以满足波导1742在“-x”方向中朝向出耦合doe1748的tir条件，如由光束1766所示。出耦合doe1748可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将光束1766的一部分从波导1742向外并且朝向观看者的眼睛1770衍射。为了说明图像投影的光路，用灰色箭头1771、1772、1773和1774标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛1770的光束。为了简化附图，在图17a中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe1748衍射的光束。上面结合图3、4a、4b、5、6a、6b和14描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

如上所述，图17a示出具有光纤点光源的波导显示系统的示例，该光纤点光源提供发散光束，该光纤点光源集成有扫描镜，该扫描镜用于提供二维扫描光束。然后使用准直镜产生准直光束，该准直光束被入耦合至波导中以形成图像。在图17a的示例中示出的光源是光纤点光源。在其它实施例中，光源可以由具有波导的悬臂扫描器提供，类似于下面结合图18a-18d、19-20、21a-21c和22a-22b描述的悬臂扫描器。该系统使光源和扫描镜能够设置在目镜波导的相对两侧，并且准直镜可以设置在与光源相同的一侧。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

图17b是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图17b中所示，波导显示系统1701包括目镜波导1740，该目镜波导1740具有带有第一表面1721和第二表面1722的平面波导1742。目镜波导1740还具有耦合至波导1742的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)1746和耦合至波导1742的第二横向区域的出耦合doe1748。光纤点光源1715与波导1742的第一表面1721相邻设置。扫描光学元件(例如扫描镜1720)与波导的第二表面相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜1730)与波导的第一表面相邻设置。

图17b示出类似于图17a的波导显示系统1700的波导显示系统1701。一个不同之处在于，在图17b中，光纤点光源1715设置在与扫描镜1720相同的一侧。因此，从光纤点光源1715到扫描镜1720的发散输入光束1750不通过波导1742。图17b中的波导显示系统1701的操作类似于图17a中的波导显示系统1700的操作。因此，这里不再重复详细描述。为了说明图像投影的光路，用灰色箭头1771、1772、1773和1774标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛1770的光束。为了简化附图，在图17b中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe1748衍射的光束。

如上所述，图17b示出具有光纤点光源的波导显示系统的示例，该光纤点光源提供发散光束，该光纤点光源集成有扫描镜，该扫描镜用于提供二维扫描光束。然后使用准直镜产生准直光束，该准直光束被入耦合至波导中以形成图像。在图17b的示例中示出的光源是光纤点光源。在替代实施例中，点光源可以由悬臂点光源(诸如具有波导的悬臂扫描器)提供，类似于下面结合图18a-18d、19-20、21a-21c和22a-22b描述的悬臂扫描器。该系统使光源和扫描镜能够设置在目镜波导的同一侧，而准直镜可以设置在波导的另一侧。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

在上述波导显示系统的各种实施例中，使用了包括光纤扫描器的光源。在替代实施例中，可以使用结合mems悬臂扫描器的光源。一些示例如下所述。

图18a-18c是示出根据本发明的一些实施例的悬臂mems扫描器的各种示例的简化透视图。如图18a-18c中所示，分立压电膜致动器用于在mems扫描器1800中引起悬臂梁的运动。在一些实施例中，mems扫描器1800可以使用绝缘体上硅(soi)晶片构造形成，该构造包括基部区域1802和悬臂梁1804。图18a示出如何由诸如单晶硅层1806的材料层形成基部区域1802和悬臂梁1804的一部分。在一些实施例中，形成基部区域1802和悬臂梁1804的一部分的单晶硅层1806可以是大约100μm厚，从而在mems扫描器1800的操作期间允许悬臂梁1804的偏转。可以沿基部区1802和悬臂梁1804的上表面形成波导1808。在一些实施例中，光可以由波导1808从固定到单晶硅层1806的表面的激光二极管1809-1、1809-2和1809-3接收。在一些实施例中，激光二极管1809-1可以是红色激光二极管，激光二极管1809-2可以是蓝色激光二极管，而激光二极管1809-3可以是绿色激光二极管。在一些实施例中，可以添加附加的激光二极管，以允许通过混合由两个或更多个激光二极管1809生成的光来产生并通过波导1808传播更多种颜色。基部区域1802可以被固定到支撑结构，以将mems扫描器1800固定在适当的位置，并将悬臂梁的远端与附加光学器件对齐，以传播从波导1808的远端释放的光。

基部区域1802还可以包括耦合至单晶硅层1806的硅层1812。在一些实施例中，单晶硅层1806可以通过压缩(compression)结合操作被结合到硅层1812，从而导致两层通过氧化硅层结合。硅层1812可以被配置为提供对基部区域1802的结构支撑，并且可以在厚度上为约200μm，或者是可以具有约100μm的厚度的单晶硅层1806的两倍的厚度。在一些实施例中，硅层1812可以提供可以将一个或多个致动结构固定到其上的安装表面。

图18a还描绘了包括四个压电膜致动器1814的扫描机构，该四个压电膜致动器1814被配置为以所需的扫描模式协同操纵悬臂梁1804。致动器1814-1和1814-4中的每一个致动器都可以在相同或不同的方向中被致动，以在悬臂梁1804上施加不同的力。由于压电膜致动器1814-1和1814-2基本上位于同一平面上，因此引起压电致动器1814-1和1814-2两者纵向地扩展的输入将引起悬臂梁1804在-y方向中向下运动，而使压电膜致动器1814-1和1814-2纵向地收缩的输入将引起悬臂梁1804在+y方向中向上运动。所有四个压电膜致动器1814的同时致动可以增加施加到悬臂梁1804上的力的量。例如，向压电膜致动器1814-1和1814-2发送收缩信号并且向压电膜致动器1814-3和1814-4发送扩展信号将引起悬臂梁1804在+y方向中向上运动。向压电膜致动器1814-1和1814-3发送扩展信号以及向压电膜致动器1814-2和1814-4发送收缩信号将引起悬臂梁1804在+x方向中的横向运动，而反转这些信号将引起悬臂梁1804在-x方向中横向运动。

图18b示出mems扫描器1803的替代配置，其中压电膜致动器1814-5、1814-6、1814-7和1814-8被布置在悬臂梁1804的横向表面上。该配置具有将压电膜致动器1814-5至1814-8放置在与波导1808不同的表面上的益处，从而允许压电致动器1814占据悬臂梁1804的较大区域。可以调节收缩和扩展输入，以实现悬臂梁1804在+x、-x、+y和–y方向中的运动。例如，通过向压电致动器1814-5和1814-6发送收缩信号，并且向压电膜致动器1814-7和1814-8发送扩展信号，可以实现悬臂梁在+y方向中的运动。通过向压电致动器1814施加差分信号，可以建立悬臂梁1804的圆形扫描图案。在需要线扫描图案的情况下，竖直和水平图案也是可能的。

图18c示出mems扫描器1805的另一种替代配置，其中压电膜致动器1814-1和1814-2定位于悬臂梁1804的面向上表面上。压电膜致动器1814-1和1814-2可以在+x、-x、-y和+y方向中操纵悬臂梁1804，并且因此如上所述能够以单轴或圆形扫描模式驱动悬臂梁1804。例如，向压电膜致动器1814-1提供收缩信号/输入，并且向压电膜致动器1814-2提供扩展信号/输入，使悬臂梁1804在+x方向中横向移动。

压电致动器1814可以根据以下结合图18d描述的控制方法来控制。在一些实施例中，定位于悬臂梁1804上或邻近悬臂梁1804的应变仪可以被配置为跟踪悬臂梁1804的运动并且可以为先前描述的控制方法提供反馈。

图18d是示出根据本发明的实施例的用于驱动压电致动器1826的四相信号分离器(splitter)网络1850的电气示意图。为了清楚起见，压电致动器与压电扫描器的其余部分分开示出。在一些实施例中，四个相被施加到布置在扫描组件的相对侧上的压电致动器1826。信号发生器1812提供输出，该输出连接到导电路径，该导电路径进而被连接到对应的致动输入。信号发生器1812还被连接到第一90°移相器1824和第二90°移相器1826，它们连接到压电致动器1816-1和1816-4。因此，信号发生器1812与移相器1824和1826协同提供相对于彼此异相90°的四个相位。

为了讨论图18d，可以认为所有的压电致动器1826在相同的竖直方向中被极化。可以将四个压电致动器1826分为两对。第一对被认为包括第一压电致动器1816-1和第三压电致动器1816-3，而第二对被认为包括第二压电致动器1816-2和第四压电致动器1816-4。四相分离器网络1850被配置为使得在前述的每对致动器内，由网络1850在压电致动器内在每对中建立的电场方向是相反指向的。因此，当每对中的一个构件受到由通过压电效应的作用而收缩所作用的施加场感应时，该对中的另一个构件将引起扩展。可以说这两对(即第一对压电致动器1816-1和1816-3以及第二对压电致动器1816-2和1816-4)驱动扫描器的两个垂直轴(表示为x'轴和y'轴)。为了讨论的目的，可以想象x'轴绕扫描器的其余轴从平面旋转。

尽管如图18d中所示，单个信号发生器1812正在将信号提供给所有四个压电致动器1826，如将在下面讨论的，但是可替代地，可以提供电路以向第一对(x'轴)压电致动器1816-1和1816-3和第二对(y'轴)压电致动器1816-2和1816-4提供单独的相位和幅度控制信号。此外，可以采用网络1850和信号发生器1812来驱动仅具有两个压电致动器1826的扫描器。悬臂扫描器和压电致动器的进一步细节在2019年6月25日提交的pct申请序列号pct/us2019/039088中进行了描述，其内容通过引用全部并入于此。

在一些实施例中，发散光源和准直光学元件可以放置在波导的相对侧上。例如，入射光束可以是由悬臂扫描器提供的发散光束，诸如以上结合图18a-18d所描述的那些，并且准直扫描镜可以是具有带有正光焦度的反射光学元件的扫描镜，例如扫描凹面镜。可以选择光束的入射角和/或入耦合doe的周期(或栅距)，以阻止入射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到输出光栅。光束的入射角和/或光栅的周期或栅距也可以配置为使准直扫描反射光束通过全内反射(tir)在波导中传播到出耦合doe，以形成可以被用户观看的图像。在图19中示出示例。

图19是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图19中所示，波导显示系统1900类似于图13中所示的波导显示系统1300。这些波导显示系统之间的不同之处在于，图13中所示的波导显示系统1300具有光纤扫描器1315，而图19中所示的波导显示系统1900具有悬臂扫描器1915。因此，波导显示系统中的类似部件用相同的附图标记表示，并且相对于图13提供的讨论适用于图19(根据需要)。

如图19中所示，波导显示系统1900包括目镜波导1340，该目镜波导1340具有带有第一表面1321和第二表面1322的平面波导1342。目镜波导1340还具有耦合至波导1342的第一横向区域或与之一体形成的入耦合衍射光学元件(doe)1346，以及耦合至波导1342的第二横向区域或与之一体形成的出耦合doe1348。悬臂扫描器1915与波导1342的第一表面1321相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜1330)与波导的第二表面相邻设置。图13中的光纤扫描器、波导和准直镜的配置可以类似于如图3中所示的对应部件的配置。然而，在波导显示系统1900中，悬臂扫描器1915被配置为线扫描器，即采用一个扫描轴，并且准直镜1330是被配置为采用可与光纤扫描器的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描镜。

悬臂扫描器1915可以包括悬臂光学构件1910，该悬臂光学构件可以包括悬臂梁和耦合至光源的波导，类似于以上结合图18a-18c描述的那些。悬臂扫描器1915被配置为以第一入射角θ朝向波导1342的入耦合doe1346扫描发散输入光束1311。悬臂光学构件1910可以被偏转，使得其尖端的轨迹限定一维凸对象表面。当光束离开悬臂光学构件1910的尖端时，光束可以发散为具有由悬臂光学元件1910的数值孔径所确定的对角的光线锥(例如，如图19中所示由边际光线1350界定)。光轴1320可被限定为当悬臂光学构件1910不被偏转时通过悬臂光学构件1910的线。

与波导1342的第二表面1322相邻设置的准直扫描镜1330被配置为接收通过波导1342的来自悬臂扫描器1915的发散输入光束1311，并以第二入射角θr朝向波导的入耦合doe1346提供准直反射光束1360。

如图19中所示，输入光束1311例如相对于波导1342的法线1302以角度θ偏轴地入射在目镜1340上。入射光到波导1342中的衍射耦合可被配置为实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择入射角θ和入耦合doe1346的光栅周期d以实现所需的衍射耦合条件，如以上结合图3所描述的。在一些实施例中，入耦合doe1346被配置为阻止来自准直扫描镜1330的准直反射光束1360在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1348，并且使准直反射光束1360在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1348。为了便于讨论，沿波导平面取向的从入耦合doe1346指向出耦合doe1348的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

例如，当输入光束1311通过入耦合doe1346时，由入耦合doe1346在第一道次的衍射角处进行的负一阶衍射(在反射几何形状中)可能不满足波导1342在“-x”方向中朝向出耦合doe1348的tir条件。在图19中，使tir条件失效的光束可以沿波导1342的表面作为消逝波1362传播，或者在波导1342中的每次反弹时从波导1342折射出来，如由虚线1364所示。然而，在输入光束1311已经被准直扫描镜1330反射，并且扫描反射光束1360入射到入耦合doe1346上之后，由入耦合doe1346进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可以满足波导1342在“-x”方向中朝向出耦合doe1348的tir条件，如由光束1366所示。出耦合doe1348可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将在波导1366中传播的光的一部分从波导1342中向外并朝向观看者的眼睛1350衍射。为了说明图像投影的光路，用灰色箭头1371、1372、1373和1374标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛1370的光束。为了简化附图，在图19中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe1348的光束。上面结合图3、4a和4b描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

图19示出具有悬臂扫描器的波导显示系统的示例，该悬臂扫描器提供发散光束，该悬臂扫描器集成有准直扫描镜，该准直扫描镜用于提供准直光束。该系统使光源和扫描镜能够设置在目镜波导的相对两侧。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

在一些实施例中，发散光源和准直光学元件可以放置在波导的同一侧，而扫描镜放置在波导的另一侧。例如，可以由悬臂扫描器提供发散输入光束，该悬臂扫描器将发散输入光束发射通过入耦合doe到扫描镜。扫描镜可以接收发散输入光束，并且将发散反射光束发射通过入耦合doe到准直光学元件。准直光学元件可以将准直光束朝向波导的入耦合doe反射。在该情况下，光束通过入耦合doe3次。为了减少不必要的衍射，入耦合doe可被配置为阻止来自光纤扫描器的发散输入光束和来自扫描镜的反射光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合doe还可以被配置为使准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。类似于上述实施例，可以选择光束的入射角和/或入耦合doe的周期(或栅距)以实现所需的衍射并抑制不需要的衍射。在图20中示出示例。因此，在一些实施例中，一维的悬臂镜扫描用于生成线，并且第二扫描镜(例如，在正交方向中一维扫描的mems镜)用于将线转换成平面。在一些实现方式中，可以切换镜的顺序，使得在第二扫描镜(例如，mems镜)之前利用准直镜，但是本发明不是必须的。

图20是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图20中所示，波导显示系统2000类似于图14中所示的波导显示系统1400。不同之处在于，图14中所示的波导显示系统1400具有光纤扫描器1415，而图20中所示的波导显示系统2000具有悬臂扫描器2015。因此，在波导显示系统中的类似部件用相同的附图标记表示，并且关于图14提供的讨论适用于图20(根据需要)。

如图20中所示，波导显示系统2000包括目镜波导1440，该目镜波导1440具有带有第一表面1421和第二表面1422的平面波导1442。目镜波导1440还具有耦合至波导1442的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)1446和耦合至波导1442的第二横向区域的出耦合doe1448。悬臂扫描器2015与波导1442的第一表面1421相邻设置。扫描光学元件(例如扫描镜1420)与波导的第二表面相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜1430)与波导的第一表面相邻设置。图20中的悬臂扫描器、波导、扫描镜和准直镜的配置可以类似于图19中所示的对应部件的配置。在波导显示系统2000中，悬臂扫描器2015被配置为线扫描器，即采用一个扫描轴，并且扫描镜1430是被配置为采用可与光纤扫描器的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描镜。

悬臂扫描器2015可以包括悬臂光学构件2010，该悬臂光学构件可以包括悬臂梁和耦合至光源的波导，类似于以上结合图18a-18c所描述的那些。悬臂扫描器2015被配置为以第一入射角θ朝向波导1442的入耦合doe1446扫描发散输入光束1411。悬臂光学构件2010被配置为线性地扫描(即，线扫描)，使得其尖端沿弧线移动进入和离开页面，类似于图19中所示的悬臂光学构件1910。悬臂光学构件2010可以被偏转，使得其尖端的轨迹限定一维凸对象表面。当光束离开悬臂光学构件2010的尖端时，光束可以发散为具有由悬臂光学构件2010的数值孔径确定的对角的光线锥(例如，如图20中所示由边际光线1450界定)。类似于图19中的光轴1320，光轴可以在图20中被定义为当悬臂光学构件2010不偏转时通过悬臂光学构件2010的线。

扫描镜1420与波导1442的第二表面1422相邻设置。扫描镜1420可以被配置为在垂直于页面的平面的慢轴中扫描。扫描镜被配置为接收发散输入光束1411并且以第二入射角朝向波导提供反射光束1455。反射光束1455可以跨越入射角的范围，其中虚线标记边际光线。

与波导1442的第一表面1421相邻设置的准直镜1430被配置为接收通过波导1442的入耦合doe1446的来自扫描镜1420的发散反射光束1455并以第三入射角朝向波导的入耦合doe1446提供准直反射光束1460。

如图20中所示，发散输入光束1450、扫描反射发散光束1455、和准直光束1460例如相对于波导1442的法线以一角度偏轴地入射在目镜1440上。入射光束到波导1442中的衍射耦合可以被配置为实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择入射角θ和入耦合doe1446的光栅周期d以实现所需的衍射耦合条件，如以上结合图3所描述的。在一些实施例中，入耦合doe1446被配置为阻止来自准直光源的发散输入光束1450和反射发散光束1455在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1448，并使准直光束1460在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe1448。为了便于讨论，沿波导平面取向的从入耦合doe1446指向出耦合doe1448的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

例如，当发散输入光束1450通过入耦合doe1446时，由入耦合doe1446在第一道次的衍射角处进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可能不满足波导1442在“-x”方向中朝向出耦合doe1448的tir条件。在图20中，使tir条件失效的光束可以沿波导1442的表面作为消逝波1462传播，或者在波导1442中的每次反弹时从波导1442折射出来，如由虚线1464所示。类似地，反射发散光束1455还被配置为不满足波导1442在“-x”方向中朝向出耦合doe1448的tir条件。然而，在输入光束1411已经被准直镜1430反射，并且准直反射光束1460(也用灰色箭头1471标记)入射到入耦合doe1446上之后，由入耦合doe1446进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可满足波导1442在“-x”方向中朝向出耦合doe1448的tir条件，如由光束1466所示。出耦合doe1448可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将光束1466的一部分从波导1442向外并朝向观看者的眼睛1470衍射。为了说明图像投影的光路，用灰色箭头1471、1472、1473和1474标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛1470的光束。为了简化附图，在图20中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe1448衍射的光束。上面结合图3、4a、4b、5、6a和6b描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

如上所述，图20示出具有悬臂扫描器的波导显示系统的示例，该悬臂扫描器提供发散光束，该悬臂扫描器集成有扫描镜，该扫描镜用于提供二维扫描光束。然后使用准直镜产生准直光束，该准直光束被入耦合至波导中以形成图像。该系统使光源和扫描镜能够设置在目镜波导的相对两侧。准直镜可以设置在与光源相同的一侧。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

图21a是示出根据本发明的一些实施例的悬臂扫描投影仪的透视图。悬臂扫描投影仪包括具有悬臂光学构件2110的悬臂扫描器2115，该悬臂光学构件2110被配置为在页面的平面中沿弧线2112线性地扫描(即，线扫描)。悬臂扫描投影仪进一步包括准直镜2130的一部分，而不是全圆镜。准直镜2130的部分可以被配置为接收从悬臂光学构件2110的尖端发射的发散输入光束2150或2152，并产生准直光束2160或2162。

图21b示意性地示出图21a中所示的悬臂扫描投影仪的侧视图。悬臂光学构件2110被配置为沿弧线进入和离开附图平面(即，进入和离开页面)进行扫描。如图所示，准直镜2130的部分的法线2102可以相对于悬臂光学构件2110的光轴2152以角度β稍微倾斜，使得反射准直光束2160指向上方，避免了悬臂光学构件2110(而不是朝向悬臂光学构件2110导向返回)。倾斜角β可以相对较小，使得仅可以引入少量的偏轴像差。

在一些实施例中，发散光源和准直光学元件可以放置在波导的同一侧，而扫描镜放置在波导的另一侧，类似于图20中所示的系统。然而，在替代实施例中，可以由悬臂扫描器提供发散输入光束，该悬臂扫描器将发散输入光束直接发射到准直光学元件，该准直光学元件可以将准直光束发射通过入耦合doe到波导另一侧上的扫描镜。在该情况下，光束两次通过入耦合doe。为了减少不必要的衍射，入耦合doe可被配置为阻止来自准直镜的准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合doe还可以被配置为使由扫描镜提供的准直光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。类似于上述实施例，可以选择光束的入射角和/或入耦合doe的周期(或栅距)以实现所需的衍射并且抑制不需要的衍射。在图21c中示出示例。

图21c是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图21c中所示，波导显示系统2100包括目镜波导2140，该目镜波导2140具有带有第一表面2121和第二表面2122的平面波导2142。目镜波导2140还具有耦合至波导2142的第一横向区域或以其它方式与其一体形成的入射耦合衍射光学元件(doe)2146和耦合到波导2142的第二横向区域或以其它方式与其一体形成的出耦合doe2148。尽管在第一表面2121上示出了doe2146和doe2148，但在其它实施例中，一个或多个doe2146和doe2148可以被配置为以反射模式操作并且可以设置在第二表面2122上。悬臂扫描器2115与波导2142的第一表面2121相邻设置。准直扫描光学元件(例如准直扫描镜2130)在与悬臂扫描器相同侧上与波导的第一表面相邻设置。扫描光学元件(例如扫描镜2120)与波导的第二表面相邻设置。在波导显示系统2100中，悬臂扫描器2115被配置为线扫描器，即采用一个扫描轴，并且扫描镜2120是被配置为采用可与悬臂扫描器的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描镜。

悬臂扫描器2115可以包括悬臂光学构件2110(或另一合适的波导扫描器)。可以包括波导的悬臂光学构件2110的尖端可以被配置为使得从悬臂光学构件2110的尖端发射的输入光束2150的光轴2152相对于悬臂光学构件2110的延伸2117以角度α折射。例如，可以将波导的端部以一角度切割，使得端部表面不与波导的轴正交，或者具有与波导的轴正交的端部表面的波导被安装，使得尖端相对于悬臂扫描器的长轴成一角度。准直镜2130可以是准直镜的分段或条片，而不是全圆镜。准直镜2130的部分可以被配置为接收从悬臂光学构件2110的尖端发射的发散输入光束2150。悬臂光学构件2110可以沿弧线进入和离开页面进行扫描。如图所示，准直镜2130的部分的法线2102可以相对于光轴2152以角度β稍微倾斜，使得反射准直光束2160指向上方，错过悬臂光学构件2110(而不是朝向悬臂光学构件2110导向返回)。发散输入光束2150的光轴2152以入射角β入射在准直镜2130上。由于倾斜角α，使准直光束2160通过悬臂光学构件2110所需的角度β的大小可以较小。这样，如以上结合图21a和21b所述，可以减小偏轴像差。

扫描镜2120在波导的与悬臂扫描器和准直镜相反的一侧上与波导2142的第二表面2122相邻设置。扫描镜2120可以被配置为在垂直于页面平面的慢轴中扫描。扫描镜被配置为接收通过入耦合doe的准直光束2160，并以第二入射角朝向波导提供扫描反射光束2165。

类似于上述实施例，入射光束到波导中的衍射耦合可以被配置为实现所需的衍射耦合条件。例如，可以选择光束的入射角θ和入耦合doe2146的光栅周期d以实现所需的衍射耦合条件，如上面结合图3所描述的。在一些实施例中，入耦合doe2146被配置为阻止准直光束2160在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。入耦合doe2146还被配置为使来自扫描镜的准直扫描光束在波导中通过全内反射(tir)传播到出耦合doe。为了便于讨论，沿波导平面取向的从入耦合doe2146指向出耦合doe2148的方向为“-x”方向，而相反方向为“+x”方向。

例如，当准直光束2160通过入耦合doe2146时，由入耦合doe2146在第一道次的衍射角处进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可能不满足波导2142在“-x”方向中朝向出耦合doe2148的tir条件。在图21c中，使tir条件失效的光束可以沿波导2142的表面作为消逝波2162传播，或者在波导2142中的每次反弹时从波导2142折射出来，如由虚线2164所示。然而，准直反射光束2165入射到入耦合doe2146上，由入耦合doe2146进行的负一阶衍射(在透射几何形状中)可以满足波导2142在“-x”方向中朝向出耦合doe2148的tir条件，如光束2166所示。出耦合doe2148可包括衍射光栅(在此可称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将光束2166的一部分从波导2142向外并朝向观看者的眼睛2170衍射。为了说明图像投影的光路，用灰色箭头2171、2172、2173和2174标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛2170的光束。为了简化附图，在图21c中省略了在“+x”方向中远离出耦合doe2148衍射的光束。上面结合图3、4a、4b、5、6a和6b描述了关于入耦合doe的选择性衍射功能的更多细节。

如上所述，图21c示出具有悬臂扫描器的波导显示系统的示例，该悬臂扫描器提供发散光束，该悬臂扫描器集成有扫描镜，该扫描镜用于提供二维扫描光束。然后使用准直镜产生准直光束，该准直光束被入耦合至波导中以形成图像。该系统使光源和准直镜能够设置在目镜波导的同一侧，而扫描镜放置在另一侧。另外，准直镜为分段或条片的形状，以便避免悬臂扫描器处于来自准直镜的反射光束的光路中。该配置的一个优点是减小的器件大小。此外，可以在没有偏振敏感的doe、用于改变偏振的波片、或偏振相关光源等的情况下实现该配置。可以显著降低显示系统的复杂性和成本。

图22a是示出根据本发明的一些实施例的二维扫描光源的透视图，并且图22b是示出图22a的二维扫描光源的侧视图。如图所示，二维扫描光源2200包括被配置为提供扫描光束2261的悬臂扫描器2210、与悬臂扫描器2210相邻设置并被配置为接收扫描光束2261并提供反射扫描光束2262的反射光学元件2220。二维扫描光源2200还包括准直光学元件2230，该准直光学元件2230与反射光学元件2220相邻设置并且被配置为接收来自反射光学元件2220的反射扫描光束2262并提供准直扫描光束2263。二维扫描光源2200进一步包括扫描光学元件2240，该扫描光学元件2240与准直光学元件2230相邻设置并且被配置为接收准直扫描光束2263并提供准直二维扫描光束2264。

在图22a和22b中，悬臂扫描器2210包括基部2211和从基部2211突出的悬臂光学构件2212。基部2211和悬臂光学构件2212可以类似于上面结合图18a-18c描述的示例悬臂扫描器1800中的对应部件。悬臂光学构件2212可以包括用于耦合至光源2214的波导2213。光源2214可以是激光二极管，类似于以上结合图18a-18c所描述的激光二极管1809。悬臂扫描器2210还包括由换能器组件2215提供的扫描机构，该换能器组件具有一个或多个压电致动器2216，该压电致动器被耦合至悬臂光学构件2212并被配置为引起悬臂光学构件2212在第一平面2217中的运动(由扫掠箭头所示)，以提供沿着反射光学元件2220的宽度来回行进的扫描光束2261。

悬臂扫描器2210的基部2211包括材料层，诸如单晶硅层2218。基部2211还可以包括耦合至单晶硅层2218以提供机械支撑的另一硅层2219。悬臂光学构件2212包括与单晶硅层2218一体形成并从单晶硅层2218突出的悬臂梁。一个或多个压电致动器2216中的每一个压电致动器在与悬臂光学构件2212的纵轴2251基本上平行的方向中被定向。

准直光学元件2230包括具有正光焦度的反射镜2232。例如，准直光学元件2230可以是凹面镜。在一些实施例中，准直光学元件2230被配置为补偿在悬臂光学构件2212发射的扫描光中的光路差异。扫描光学元件2240是在与悬臂扫描器的第一扫描平面2238正交的第二扫描平面2248(由扫掠箭头所示)中进行扫描的单轴扫描镜。

如图22a和图22b中所示，悬臂扫描器2210被配置为一维扫描器，即采用一个扫描轴。扫描光学元件2240是配置为采用可以与悬臂扫描器2210的扫描轴正交的一个扫描轴进行扫描的扫描光学元件2240扫描镜。在一些实施例中，扫描光学元件2240可以是mems扫描镜。在替代实施例中，扫描光学元件2240可以是正方形或三角形的结构，该结构以相同的速度和相同的方向不断旋转，从而根据一维悬臂线扫描生成平面图像。该方法的优点是双重的-因为旋转对象以恒定的速度进行，所以当镜子停下来并反转方向时，每次慢速通过的末尾都不会变亮(brighten)。此外，这将始终在相同方向中扫描线(它将到达图像的底部，并且然后跳回到下一个图像的顶部)，使得每个像素的刷新之间的时间是相同的。

在一些实施例中，悬臂扫描器2210、反射光学元件2220、准直光学元件2230、和扫描光学元件2240可以分开制造，并且然后组装成光源器件。在替代实施例中，悬臂扫描器2210、反射光学元件2220、准直光学元件2230、和扫描光学元件2240被集成在单个半导体mems器件(诸如硅mems器件)中，以形成集成的二维扫描光源。在这些实施例中，扫描悬臂和扫描镜位于器件的同一侧，并且彼此在同一平面上，使得它们可以被制造在同一块硅中，节省了成本和复杂性。如上所述，可以将二维扫描光源2200制成紧凑的器件，该器件以二维方式提供准直扫描光源，该准直扫描光源可以容易地集成到显示系统中。下面参考图23描述示例。在其它实施例中，部件可以分开制造并组装成二维扫描光源。

图23是示出根据本发明的一些实施例的包括集成有扫描镜的投影仪的另一波导显示系统的简化示意图。如图23中所示，波导显示系统2300包括目镜波导2340，该目镜波导2340具有带有第一表面2321和第二表面2322的平面波导2342。目镜波导2340还具有耦合至波导2342的第一横向区域的入耦合衍射光学元件(doe)2346，以及耦合至波导2342的第二横向区域的出耦合doe2348。尽管入耦合doe和出耦合doe被描述为横向偏移，但是其它配置也是可能的。例如，入耦合doe可以在波导表面上垂直于出耦合doe偏移或以一角度从出耦合doe偏移。基于悬臂的二维扫描光源2315与波导2342的第一表面2321相邻设置。

二维扫描光源2315与图22a和图22b的二维扫描光源2200相似，并且对应的部件用相同的附图标记来标记，并且相对于图22a和22b提供的讨论适用于图23(根据需要)。

如图所示，二维扫描光源2315包括：被配置为提供扫描光束2261的悬臂扫描器2210；反射光学元件2220，其与悬臂扫描器2210相邻设置并被配置为接收扫描光束2262，并且提供反射扫描光束2222。二维扫描光源2315还包括准直光学元件2230，该准直光学元件2230与反射光学元件2220相邻设置并被配置为接收来自反射光学元件2220的反射扫描光束2262并提供准直扫描光束2263。二维扫描光源2200进一步包括扫描光学元件2240，该扫描光学元件2240与准直光学元件2230相邻设置，并且被配置为接收准直扫描光束2263，并提供准直二维扫描光束2264。二维扫描光源2315的更多细节可以在图22a和22b的二维扫描光源2200的描述中找到，并且这里不再重复。

波导2342被配置为在入耦合doe2346处接收准直二维扫描光束2264，并且通过全内反射(tir)将准直二维扫描光束传播到出耦合doe2348。例如，准直二维扫描光束2264入射到入耦合doe2346上，并且满足波导2342在“-x”方向中朝向出耦合doe2348的tir条件，如由光束2366所示。可以选择入耦合doe2346的尺寸，使得通过扫描光学元件2240朝向波导扫描的所有角度的光入射在入耦合doe2346上。在一些实施例中，入耦合doe2346是横向拉长的。出耦合doe2348可以包括衍射光栅(在此可以称为出耦合光栅)，该衍射光栅被配置为将光束2366的一部分从波导2342向外并朝向观看者的眼睛2350衍射。为了说明图像投影的光路，用灰色箭头2371、2372、2373和2374标记在波导中衍射并发射以到达观看者的眼睛2350的光束。

在图23的示例中，二维扫描光源2315的部件(包括悬臂扫描器2210、反射光学元件2220、准直光学元件2230、和扫描光学元件2240)被设置在波导的同一侧上且与第一表面2321相邻。在替代实施例中，二维扫描光源2315也可以与波导2342的第二表面2322相邻设置，其中准直二维扫描光束2264的入射角被选择为使得准直二维扫描光束2264在入耦合doe2346处被接收，并通过全内反射(tir)传播到出耦合doe2348。可以使用以上结合波导显示系统的各种配置描述的技术来选择适当的入射角。

还应理解，在此描述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且对于本领域的技术人员将提出各种修改或改变，并且该修改或改变将被包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。