用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法与流程
本申请是申请日为2017年9月19日、申请号为201780065273.6、发明名称为“用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张2016年9月21日提交的序列号为62/397,759的，名称为“systemsandmethodsforopticalsystemswithexitpupilexpander(用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法)”的美国临时专利申请的优先权益，该申请的全部公开内容通过引用并入此文。
本公开涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统。
背景技术：
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，在这些系统中，数字再现的图像或其一部分以看起来是真实的或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“vr”场景通常涉及以对其它实际的真实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“ar”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围真实世界的可视化的增强。例如，参考图1，该图示出了增强现实场景1000，其中ar技术的用户看到真实世界公园状设置1100，该设置以人、树、建筑物以及位于背景中的混凝土平台1120为特征。除了这些项目之外，ar技术的用户还可以感知到他“看到”站在真实世界平台1120上的机器人雕像1110，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞舞的卡通式化身角色1130，尽管这些元素在真实世界中不存在。事实证明，人类视觉感知系统非常复杂，并且开发促进虚拟图像元素在其它虚拟或真实世界的图像元素中舒适、感觉自然、丰富呈现的vr或ar技术也极具挑战性。本文公开的系统和方法解决了与vr和ar技术有关的各种挑战。
技术实现要素：
本文公开的主题的一个创新方面在一种光学系统中实现，该光学系统包括：图像投射系统、波导和控制系统。该图像投射系统被配置为以可见光谱范围内的多个波长发射相干光束。该波导包括第一边缘、第二边缘和设置在该第一边缘与该第二边缘之间的对反射表面对。该反射表面对由具有间隙高度d的间隙隔开。该波导包括具有折射率n的材料。该反射表面对具有反射率r。从图像投射系统发射的光束以输入角θ耦合到波导中。输入光可以耦合通过第一边缘或第二边缘中的一者或耦合通过反射表面中的一者。控制系统被配置为改变从包括以下各项的组中选择的至少一个参数：来自该多个波长的波长、间隙高度d、折射率n和反射率r。该至少一个参数的改变与输入角θ的改变相关。
在光学系统的各种实施例中，图像投射系统被配置为以扫描速率改变发射的光束的输入角θ。控制系统可以被配置为以基本上等于扫描速率的调制速率调制至少一个参数。控制系统可以被配置为调制至少一个参数，调制速率被配置为使得对于输入角θ的所有值，满足等式2ndsinθ＝m，其中m为整数，λ是光束的波长。在各种实施例中，该至少一个参数可以是来自该多个波长的波长。在各种实施例中，该至少一个参数可以是间隙高度d。在各种实施例中，该至少一个参数可以是该折射率n。在各种实施例中，该至少一个参数可以是该反射率r。在各种实施例中，图像投射系统可以包括光纤。在各种实施例中，所发射的光束可以是准直的。该多个波长可以包括红色、绿色和蓝色光谱区域中的波长。该波导可以包括声光材料、压电材料、电光材料、微机电系统(mems)。该波导可以被配置为扩展和倍增所发射的光束的出瞳扩展器。该波导可以被配置为将光束扩展到光斑尺寸大于1mm。本文讨论的光学系统的各种实施例可以集成在增强现实(ar)设备、虚拟现实(vr)设备、近眼显示设备、或包括以下至少一项的眼镜中：框架、一个或多个镜片或一个或多个耳柄。
本文公开的主题的一个创新方面在一种光学系统中实现，该光学系统包括：图像投射系统、多个堆叠波导和控制系统。该图像投射系统被配置为以可见光谱范围内的多个波长发射相干光束。该多个堆叠波导中的每个波导包括第一边缘、第二边缘和设置在该第一边缘与该第二边缘之间的反射表面对。该反射表面对由具有间隙高度d的间隙隔开。该波导包括具有折射率n的材料。该反射表面对具有反射率r。该控制系统，其被配置为改变从包括以下各项的组中选择的至少一个参数：来自该多个波长的波长、间隙高度d、折射率n和反射率r。从图像投射系统发射的光束以输入角θ耦合到波导中。输入光可以耦合通过第一边缘或第二边缘中的一者或耦合通过反射表面中的一者。该至少一个参数的改变与输入角θ的改变相关。
在各种实施例中，该多个堆叠波导中的每个波导可以具有相关联的深度平面。从每个波导发射的光束可以看起来源自该波导的相关联的深度平面。来自该多个堆叠波导的不同波导可以具有不同的相关联的深度平面。上面讨论的光学系统的各种实施例可以集成在增强现实(ar)设备、虚拟现实(vr)设备、近眼显示设备、或包括以下至少一项的眼镜中：框架、一个或多个镜片或一个或多个耳柄。
本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中进行阐述。通过阅读说明书、附图和权利要求，其它特征、方面和优点将变得显而易见。本发明内容和以下具体实施方式并不旨在限定或限制本发明主题的范围。
附图说明
图1示出了具有由人观看到的某些虚拟现实对象和某些实际现实对象的增强现实场景的图示。
图2示意性地示出了可穿戴显示系统的示例。
图3示意性地示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的各方面。
图4示意性地示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
图5示出了可以由波导输出的示例出射光束。
图6是示出用于产生多焦体积显示、图像或光场的包括波导装置、将光耦合到波导装置或从波导装置光学耦合光的光学耦合器子系统、以及控制子系统的光学系统的示意图。
图7示出了接收以角θ入射到波导上并且通过多次全内反射传播通过波导的输入光束的波导。
图8a-1示出了来自波导的实施例的光输出，该波导的实施例从非相干光源接收光。图8b-1示出了来自图8a-1所示的波导的光输出的点扩散函数。
图8a-2示出了来自波导的实施例的光输出，该波导的实施例从相干光源接收光。图8b-2示出了来自图8a-2所示的波导的光输出的点扩散函数。
图8a-3示出了来自波导的实施例的光输出，该波导的实施例从相干光源接收光。图8b3示出了来自图8a-3所示的波导的光输出的点扩散函数。
图8c示出了具有包含从波导的实施例输出的均匀相位的连续波前的光束，该波导的实施例从相干输入光源接收光，并且其中形成输出光束的光束之间的光路长度差是入射光波长的整倍数。
图9a示意性地示出了显示波导折射率“n”相对于输入角余弦的改变的曲线图。
图9b示意性地示出了显示波导反射表面“d”之间的间距相对于输入角余弦的改变的曲线图。
图9b-1示出了包括三个层的波导的实施例，每个层具有可变的反射率。
图9c示意性地示出了显示入射光波长λ相对于输入角余弦的改变的曲线图。
图10示出了包括多个空间复用全息结构的波导的实施例，该全息结构被配置为输出以可变入射角入射的光的相位同步小束阵列。
提供附图是为了阐述某些示例实施例，而非旨在限制本公开的范围。贯穿附图，相同的参考标号指示相同的部件。
具体实施方式
概述
为了使三维(3d)显示器产生真实的深度感，并且更具体地说，为了产生模拟的表面深度感，需要显示器的视场中的每个点生成与其虚拟深度对应的调节响应。如果对显示点的调节响应与该点的虚拟深度(由会聚和立体视觉的双眼深度线索确定的)不对应，则人眼会经历调节冲突，从而导致不稳定的成像、有害的眼疲劳、头痛，并且在缺乏调节信息的情况下，几乎完全缺乏表面深度。
vr和ar体验可以由具有向观看者提供与多个深度平面对应的图像的显示器的显示系统提供。对于每个深度平面，图像可以是不同的(例如，提供略微不同的场景或对象呈现)，并且可以由观看者的眼睛单独聚焦，从而有助于基于将位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所需的眼睛调节，和/或基于观察处于失焦状态的不同深度平面上的不同图像特征，而为用户提供深度线索。如本文其它地方所讨论的，这样的深度线索提供了可靠的深度感。
图2示出了可穿戴显示系统80的示例。显示系统80包括显示器62，以及支持显示器62的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器62可以被耦接到框架64，该框架64可由显示系统用户、穿戴者或观看者60穿戴，并且被配置为将显示器62定位在用户60的眼前。在一些实施例中，扬声器66被耦接到框架64并且定位在用户的耳道附近(在一些实施例中，未示出的另一扬声器被定位在用户的另一耳道附近以提供立体声/可塑形的声音控制)。显示器62诸如可以通过有线引线或无线连接可操作地将68耦接到本地数据处理模块71，该本地数据处理模块71可以以各种配置安装，诸如固定地附接到框架64上，固定地附接到用户所戴的头盔或帽子上，嵌入耳机中，或以其它方式可移除地附接到用户60上(例如，通过背包式配置，通过束带连接式配置)。
本地处理和数据模块71可以包括硬件处理器，以及诸如非易失性存储器(例如，闪存)之类的数字存储器，两者都可被用于辅助数据处理、缓存和存储。这些数据可以包括(a)通过传感器(其例如被可操作地耦接到框架64或以其它方式附接到用户60上)捕获的数据，这些传感器诸如包括图像捕获设备(例如，相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、全球定位系统(gps)单元、无线电设备和/或陀螺仪；和/或(b)使用远程处理模块72和/或远程数据存储库74获取和/或处理的数据，该数据可能在这种处理或检索之后传送到显示器62。本地处理和数据模块71可以通过通信链路76和/或78(诸如经由有线或无线通信链路)可操作地耦接到远程处理模块72和远程数据存储库74，使得这些远程模块可用作本地处理和数据模块(71)的资源。另外，远程处理模块72和远程数据存储库74可以被可操作地彼此耦接。
在一些实施例中，远程处理模块72可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据存储库74可以包括数字数据存储设施，该设施可以通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据并且执行所有计算，从而允许从远程模块的完全自主地使用。
人类视觉系统非常复杂，并且提供真实的深度感具有挑战性。不受理论的限制，可以认为对象的观看者可能由于聚散度和调节的组合而将对象感知为三维的。两只眼睛相对于彼此的聚散度运动(例如，瞳孔彼此靠近或远离以使眼睛的视线会聚固定在对象上的转动运动)与眼睛晶状体的聚焦(或“调节”)密切相关。在正常情况下，根据被称为“调节-聚散度反射”的关系，改变眼睛晶状体的焦点或调节眼睛以将焦点从一个对象转移到到位于不同距离处的另一对象会自动使与同一距离匹配的聚散度变化。同样，在正常情况下，聚散度变化将引发匹配的调节变化。提供调节与聚散度之间更好匹配的显示系统可以形成更逼真或舒适的三维图像模拟。
图3示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的各方面。参考图3，z轴上与眼睛302和304相距不同距离的对象由眼睛302和304进行调节，以使得这些对象对焦。眼睛302和304呈现特定的调节状态，以使得沿z轴不同距离处的对象对焦。因此，可以认为特定的调节状态与深度平面306中的具有关联焦距的特定深度平面相关联，使得当眼睛针对该深度平面处于调节状态时，该特定深度平面中的对象或其部分对焦。在一些实施例中，可以通过通过为每只眼睛302和304提供图像的不同呈现，并且还可以通过提供与每个深度平面对应的图像的不同呈现来模拟三维图像。尽管为了清楚地说明而单独示出，但是将理解，例如在沿z轴的距离增加时，眼睛302和304的视场可能重叠。此外，虽然为了便于说明而示出为平坦的，但是将理解，深度平面的轮廓可以在物理空间中弯曲，以便深度平面中的所有特征在眼睛处于特定调节状态时对焦。不受理论的限制，可以认为人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感。因此，通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者对应的图像的不同呈现，可以实现感知深度的高度可信的模拟。
波导堆叠组件
图4示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统100包括波导的堆叠或堆叠的波导组件178，该组件可被用于使用多个波导182、184、186、188、190向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统100可与图2的系统80对应，图4更详细地示意性地示出了系统80的一些部分。例如，在一些实施例中，波导组件178可以被集成到图2的显示器62中。
继续参考图4，波导组件178还可以包括波导之间的多个特征198、196、194、192。在一些实施例中，特征198、196、194、192可以是透镜。波导182、184、186、188、190和/或多个透镜198、196、194、192可以被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定的深度平面相关联，并且可以被配置为输出与该深度平面对应的图像信息。可以利用图像注入设备200、202、204、206、208将图像信息注入波导182、184、186、188、190中，这些波导中的每个波导可以被配置为将入射光分布在每个相应的波导上以用于朝向眼睛304输出。。光从图像注入设备200、202、204、206、208的输出表面出射，并被注入波导182、184、186、188、190的对应输入边缘。在一些实施例中，可以将单束光(例如准直光束)注入每个波导中，以便输出以对应于与特定波导相关联的深度平面的特定角度(和发散量)导向眼睛304的克隆准直光束的整个场。
在一些实施例中，图像注入设备200、202、204、206、208是分立的显示器，每个显示器产生用于分别注入对应波导182、184、186、188、190中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入设备200、202、204、206、208是单个多路复用显示器的输出端，这些输出端例如可以经由一个或多个光导管(诸如，光纤光缆)将图像信息管道传输到图像注入设备200、202、204、206、208中的每一者。
控制器210控制堆叠波导组件178和图像注入设备200、202、204、206、208的操作。在一些实施例中，控制器210包括编程(例如，非暂时性计算机可读介质中的指令)，该编程调节图像信息到波导182、184、186、188、190的定时和提供。在一些实施例中，控制器210可以是单个集成设备，也可以是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器210可以是处理模块71或72(如图2所示)的一部分。
波导182、184、186、188、190可以被配置为通过全内反射(tir)在每个相应的波导内传播光。波导182、184、186、188、190可以各自是平面的或具有另一形状(例如，弯曲的)，其具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导182、184、186、188、190可各自包括光提取光学元件282、284、286、288、290，这些光提取光学元件被配置为通过将在每个相应的波导内传播的光重定向出波导而从波导中提取出光，从而向眼睛304输出图像信息。所提取的光也可以被称为耦出光，并且光提取光学元件也可以被称为耦出光学元件。所提取的光束由波导在波导中传播的光照射光重定向元件所在位置处输出。光提取光学元件82、284、286、288、290例如可以是反射和/或衍射光学特征，尽管被示出为设置在波导182、184、186、188、190的底部主面处，但是为了便于描述以及使附图更清楚，在一些实施例中，光提取光学元件282、284、286、288、290可以被设置在顶主面和/或底主面处，和/或可以被直接设置在波导182、184、186、188、190体积内。在一些实施例中，光提取光学元件282、284、286、288、290可以形成在附接到透明衬底的材料层上以形成波导182、184、186、188、190。在一些其它实施例中，波导182、184、186、188、190可以是整块材料，并且光提取光学元件282、284、286、288、290可以形成在该块材料的表面上和/或内部。
继续参考图4，如本文所讨论的，每个波导182、184、186、188、190被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最接近眼睛的波导182可以被配置为将注入这种波导182的准直光传送到眼睛304。准直光可以表示光学无限远焦平面。下一上行波导184可以被配置为发送在到达眼睛304之前传输通过第一透镜192(例如，负透镜)，的准直光。第一透镜192可以被配置为产生微凸的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自下一上行波导184的光解释为来自从光学无限远向内更接近眼睛304的第一焦平面。类似地，第三上行波导186使其输出光在到达眼睛304之前传输通过第一透镜192和第二透镜194。第一透镜192和第二透镜194的组合光焦度(opticalpower)可以被配置为产生另一波前曲率增量，以使得眼睛/大脑将来自第三波导186的光解释为来自来自从光学无限远向内进一步更靠近人的第二焦平面的光，而不是来自下一上行波导184的光。
其它波导层(例如，波导188、190)和透镜(例如透镜196、198)被类似地配置，且在堆叠中的最高波导190通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最接近的焦平面的总光焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件178的另一侧的世界144的光时，补偿透镜堆叠198、196、194、192，补偿透镜层180可以被设置在堆叠的顶部以补偿下面的透镜堆叠198、196、194、192的总光焦度。这种配置提供了与可用波导/透镜配对一样多的感知的焦平面。波导的光提取光学元件和透镜的聚焦方面是静态的(例如，不是动态的或不是电活性的)。在一些替代实施例中，通过使用电活性特征，上述任一者或全部两者可以动态的。
继续参考图4，光提取光学元件282、284、286、288、290可以被配置为既将光重定出向出它们相应的波导，又针对与波导相关联的特定深度平面以适当量的发散或准直来输出该光。结果，具有不同关联深度平面的波导可具有不同配置的光提取光学元件，这些元件取决于关联深度平面以不同发散量输出光。在一些实施例中，如本文所讨论的，光提取光学元件282、284、286、288、290可以是体特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件282、284、286、288、290可以是体全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在2015年6月25日公开的美国专利公开no.2015/0178939中描述了诸如衍射光栅之类的光提取光学元件，该公开的全部内容通过引用并入本文。在一些实施例中，特征198、196、194、192可以不是透镜。相反，它们可以仅是间隔物(例如，用于形成气隙的包层和/或结构)。
在一些实施例中，光提取光学元件282、284、286、288、290是形成衍射图案的衍射特征或“衍射光学元件”(在此也被称为“doe”)。优选地，doe具有相对低的衍射效率，因此，在一些情况下，doe具有相对低的衍射效率，使得只有一部分光束借助doe的每个交叉点朝着眼睛304偏转,而其余部分经由全内反射继续穿过波导。携带图像信息的光因此可以被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，并且对于这种在波导内四处弹跳的特定准直光束，结果是产生朝向眼睛304出射的相当均匀的出射图案。
在一些实施例中，一个或多个doe可以在活跃地衍射的“开启”状态与其不显著衍射的“关闭”状态之间切换。例如，可切换的doe可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括在主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本上匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)，或者可以将微滴切换到与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。
在一些实施例中，深度平面和/或景深的数量和分布可以基于观看者的眼睛的瞳孔大小和/或取向而动态地改变。在一些实施例中，相机500(例如，数字相机)可被用于捕获眼睛304的图像以确定眼睛304的瞳孔大小和/或取向。相机500可被用于获取用来确定穿戴者60正在观看的方向(例如，眼睛姿势)或用于穿戴者的生物识别(例如，经由虹膜识别)的图像。在一些实施例中，相机500可以被附接到框架64(如图2所示)并且可以与处理模块71和/或72电连通，处理模块71和/或72可以处理来自相机500的图像信息以确定例如用户60的眼睛的瞳孔直径和/或取向。在一些实施例中，可以针对每只眼睛使用一个相机500，以分别确定每只眼睛的瞳孔大小和/或取向，从而允许呈现给每只眼睛的图像信息动态地适应眼睛。在一些其它实施例中，仅确定单个眼睛304的瞳孔直径和/或取向(例如，针对每对眼睛仅使用单个相机500)并且假设观看者60的双眼是相似的。
例如，景深可以与观看者的瞳孔大小成反比地变化。因此，当观看者眼睛的瞳孔大小减小时，景深增加，使得由于平面的位置超出眼睛的焦深而无法辨别的平面，可能随着瞳孔大小的减小和景深的相应增加而变得可辨别并且显得更对焦。类似地，被用于向观看者呈现不同图像的间隔开的深度平面的数量可随着瞳孔大小的减小而减少。例如，观看者可能无法在不调节远离一个深度平面并接近另一深度平面的眼睛的适应的情况下以一个瞳孔大小清楚地感知第一深度平面和第二深度平面的细节。然而，这两个深度平面可以在不改变适应性的情况下以另一瞳孔大小同时充分地对焦于用户。
在一些实施例中，显示系统可以基于瞳孔大小和/或取向的确定，或者基于接收指示特定瞳孔大小和/或取向的电信号而改变接收图像信息的波导的数量。例如，如果用户的眼睛无法区分与两个波导相关联的两个深度平面，则控制器210可以被配置或编程为停止向这些波导中的一者提供图像信息。有利地，这可以减轻系统的处理负担，从而增加系统的响应性。在用于波导的doe可在开启和关闭状态之间切换的实施例中，当波导确实接收到图像信息时，doe可切换到关闭状态。
在一些实施例中，可能需要使出射光束满足直径小于观看者的眼睛直径的条件。然而，考虑到观看者瞳孔大小的改变，满足这一条件可能具有挑战性。在一些实施例中，通过响应于观看者的瞳孔大小的确定而改变出射光束的尺寸，在宽范围的瞳孔大小上满足该条件。例如，随着瞳孔大小减小，出射光束的尺寸也可能也减小。在一些实施例中，可以使用可变孔径来改变出射光束尺寸。
图5示出了由波导输出的出射光束的示例。该图示出了一个波导，但可以理解，波导组件178中的其它波导可以类似地起作用，其中，波导组件178包括多个波导。光400在波导182的输入边缘382处被注入波导182中，并且通过tir在波导182内传播。在光400照射到doe282上的点处，该光的一部分从波导出射作为出射光束402。出射光束402被示出为基本上平行，但它们也可以被重定向为以一定角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛304，该角度取决于与波导182相关联的深度平面。可以理解，基本平行的出射光束可以指示具有光提取光学元件的波导，该光提取光学元件耦出光以形成看上去被设置在距眼睛304较远距离(例如，光学无限远)处的深度平面上的图像。其它波导或其它光提取光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，这需要眼睛304适应更近的距离以将其对焦在视网膜上，并且将被大脑解释为来自比光学无限远更接近眼睛304的距离的光。
图6示出光学显示系统100的另一示例，该光学显示系统100包括波导装置、将光光学耦合到波导装置或从波导装置光学耦合出光的光学耦合器子系统、以及控制子系统。光学系统100可被用于产生多焦体积、图像或光场。光学系统可以包括一个或多个主平面波导1(图6仅示出一个)以及与至少一些主波导1中的每一者相关联的一个或多个doe2。平面波导1与参考图4所讨论的波导182、184、186、188、190类似。光学系统可以采用分布波导装置，以沿着第一轴(图6的视图中的纵轴或y轴)中继光。在各种实施例中，分布波导装置可以被配置为沿着第一轴(例如，y轴)扩展光的有效出瞳和/或扩展观看者可以定位其眼睛来观看光学显示系统的区域(在本文中也被称为眼动范围(eyebox))。这种分布波导装置例如可以包括分布平面波导3和与分布平面波导3相关联的至少一个doe4(由双点划线示出)。分布平面波导3至少在一些方面可以与主平面波导1相似或相同，但是与其取向不同。类似地，至少一个doe4可以至少在一些方面与doe2相似或相同。例如，分布平面波导3和/或doe4可以分别包括与主平面波导1或doe2相同的材料。图4或图6所示的光学显示系统100的实施例可以集成到图2所示的可穿戴显示系统80中。
中继的和出瞳扩展的光从分布波导装置光学耦合到一个或多个主平面波导1中。主平面波导1沿着优选地与第一轴正交的第二轴(例如，图6视图中的横轴或x轴)中继光。值得注意的是，第二轴可以是不与第一轴正交的轴。在各种实施例中，主平面波导1可以被配置为沿着第二轴(例如，x轴)扩展光的有效出瞳和/或扩展观看者可观看光学显示系统的眼动范围。例如，分布平面波导3可以沿着纵轴或y轴中继和扩展光，并且将该光传递到主平面波导1，主平面波导1沿着横轴或x轴中继和扩展光。
光学系统可以包括能够光学耦合到单模光纤9的近端中的一种或多种彩色光源(例如，红色、绿色和蓝色激光)110。光纤9的远端带有螺纹或被压电材料制成的中空管8接收。该远端作为非固定的柔性悬臂7从管8突出。压电管8可以与四象限电极(未示出)相关联。例如，这些电极可以镀在管8的外侧、外表面或外周或外径上。芯电极(未示出)也位于管8的核心、中心、内周或内径中。
例如经由导线10电耦合的驱动电子器件12驱动相对的电极对以独立地沿两个轴弯曲压电管8。光纤7的突出的远端具有机械共振模式。共振频率可取决于光纤7的直径、长度和材料特性。通过在光纤悬臂7的第一机械共振模式附近振动压电管8，光纤悬臂7发生振动，并且可以扫过大的偏转。
通过激发两个轴的共振，光纤悬臂7的尖端在填充二维(2d)扫描的区域中被执行双轴扫描。通过与光纤悬臂7的扫描同步地调制一个或多个光源11的强度，从光纤悬臂7出射的光形成图像。在美国专利公开no.2014/0003762中提供了这种设置的描述，该公开的全部内容通过引用并入本文。
光学耦合器子系统的部件6对从扫描光纤悬臂7出射的光进行准直。准直光由反射镜表面5反射到包含至少一个衍射光学元件(doe)4的窄的分布平面波导3中。准直光通过全内反射沿分布平面波导3竖直(相对于图6的视图)传播，并且在这样做时，与doe4重复相交。doe4优选具有低衍射效率。这导致在与doe4的每个交点处，光的一部分(例如10％)被朝向较大的主平面波导1的边缘衍射，并且光的一部分经由tir沿着分布平面波导3的长方向向下在其原始轨迹上继续。
在与doe4的每个交点处，额外的光被朝向主波导1的入口衍射。通过将入射光分成多个耦出组，光的出瞳可以由在分布平面波导3中的doe4竖直地扩展和/或眼动范围可以被扩展。从分布平面波导3耦出的该竖直扩展光进入主平面波导1的边缘。
进入主波导1的光经由tir沿着主波导1水平(相对于图6的视图)传播。当光经由tir沿着主波导1的长的至少一部分水平传播时，光会在多个点处与doe2相交。doe2可以有利地被设计或配置为具有相轮廓(该相轮廓是线性衍射图案和径向对称衍射图案的总和)，以产生光的偏转和聚焦。doe2可以有利地具有低的衍射效率(例如，10％)，使得只有光束的一部分光在与doe2每次相交时朝向观看者的眼睛偏转，而其余的光继续经由tir传播通过波导1。
在传播光和doe2之间的每个交点处，部分光被朝向主波导1的出射表面衍射，从而允许光逸出tir，并且从主波导1的出射表面出射。在一些实施例中，doe2的径向对称衍射图案附加地赋予衍射光发散，使得其看起来源自焦深，从而塑造单个光束的光波前(例如，赋予曲率)以及以与所设计的焦深相匹配的角度引导光束。
因此，这些不同的路径可以通过处于不同角度、焦深和/或在出瞳处产生不同填充图案的多个doe2将光耦出主平面波导1。出瞳处的不同填充图案可以被有利地用于创建具有多个深度平面的光场显示器。波导组件中的每一层或堆叠中的一个层集(例如，3个层)可被用于生成相应的颜色(例如，红色、蓝色、绿色)。因此，例如，可以采用由三个层构成的第一层集分别在第一焦深处产生红光、蓝光和绿光。可以采用由三个层构成的第二层集分别在第二焦深处产生红光、蓝光和绿光。可以采用多个层集来生成具有各种焦深的全3d或4d彩色图像光场。
ar系统的其它部件
在许多实施方式中，ar系统可以包括可穿戴系统80(或光学系统100)之外的其它部件。ar设备例如可以包括一个或多个触觉设备或部件。一个或多个触觉设备或部件可通过操作向用户提供触感。例如，一个或多个触觉设备或部件可以在接触虚拟内容(例如，虚拟对象、虚拟工具、其它虚拟构造)时提供压力和/或纹理的触感。触感可以复制虚拟对象所表示的物理对象的感觉，或者可以复制虚拟内容所表示的想象对象或角色(例如，龙)的感觉。在一些实施方式中，用户可穿戴触觉设备或部件(例如，用户可穿戴手套)。在一些实施方式中，触觉设备或部件可以由用户握持。
ar系统例如可以包括一个或多个可由用户操纵以允许输入或与ar系统交互的物理对象。这些物理对象在此被称为图腾。一些图腾可能采取无生命对象的形式，例如金属片或塑料片、墙、桌面。可替换地，一些图腾可以采取有生命对象的形式，例如用户的手部。如本文所描述的，图腾实际上可能不具有任何物理输入结构(例如，键、触发器、操纵杆、轨迹球、摇杆开关)。相反，图腾可以仅提供物理表面，并且ar系统可以呈现用户界面，以使用户看起来在图腾的一个或多个表面上。例如，ar系统可以使计算机键盘和触控板的图像呈现为位于图腾的一个或多个表面上。例如，ar系统可以使虚拟计算机键盘和虚拟触控板出现在用作图腾的矩形薄铝板的表面上。矩形板本身没有任何物理键或触控板或传感器。然而，当经由虚拟键盘和/或虚拟触控板做出选择或输入时，ar系统可以通过该矩形板检测到用户操纵或交互或触摸。
在美国专利公开no.2015/0016777中描述了可用于本公开的ar设备hmd和显示系统的触觉设备和图腾的示例，该专利的全部内容通过引用并入此文。
具有出瞳扩展器的光学系统
光学系统(例如，可穿戴显示系统80或光学系统100)包括波导(例如，平面波导1)，该波导被配置为输出经由全内反射传播通过波导的耦入光，该波导可以与出瞳相关联，该出瞳被配置为使得通过该出瞳从系统出射的光线可以被用户看到。大于用户眼睛的瞳孔大小的出瞳浪费一些光，但允许用户头部或眼睛的左右移动具有一些容差。光学系统还可以与眼动范围相关联，该眼动范围与用户可以放置他/她的眼睛而不牺牲全视场(fov)和/或光学系统的全分辨率的体积对应。
光学系统(例如，可穿戴显示系统80或光学系统100)的各种实施例可以包括附加波导(例如，图6所示的分布波导装置3)，这些波导被配置为增加从光学系统出射的光束的尺寸。增加从光学系统出射的光束的尺寸可以有利地扩展光学系统的出瞳的大小。当光学系统被配置为由用户直接观看和/或在近眼显示器应用中时，扩展出瞳的大小可能是有用的。扩展出瞳的大小对于在观看光学系统时缓解眼睛疲劳也是有利的。
光学系统(例如，可穿戴显示系统80或光学系统100)的各种实施例可以包括具有两个反射表面的波导(例如，平面波导1)：第一反射表面和第二反射表面。以角θ入射到第一反射表面上的入射光束可以耦合到波导中，使得它在第一和第二反射表面处经由全内反射传播通过波导。可以认为在第一和第二反射表面处全内反射的每次出现都产生入射光束的副本。因此，当光束传播通过波导时，可以产生入射光束的多个副本。传播通过波导的入射光束可以通过第二反射表面从波导耦出。可以认为耦入光束的每个副本是耦入光束的多变副本或镜像。因此，可以认为从波导的第二反射表面耦出的光包括小束阵列，该小束阵列包括作为耦入光束的副本的多个光束。多个光束中的每一者可以具有等于耦入光束的光束直径的光束直径。小束阵列的多个光束中的每一者可以看起来源自设置在反射表面的一侧的虚拟源，耦入光束从该侧进行全内反射。因此，波导的每个反射表面产生发射入射光束的输入光源的镜像副本组。该镜像副本组看起来位于相应反射表面的一侧。下面将参考图7对此进行进一步解释，图7示出了以角θ入射到波导710的第一反射表面712b上并经由波导710的第一反射表面712b和与第一反射表面712b相反的第二反射表面712a处的多次全内反射传播通过波导710的耦入光束701。反射光束702、703、704、705和706以相对于表面712a和/或712b的法线的角θ从表面712a和/或712b反射。如上所述，每个反射光束702、703、704、705和706可以被认为是耦入光束701的副本。每个反射光束702、703、704、705和706的一部分可以通过第二反射表面712a从波导710出射以形成包括多个光束的小束阵列，多个光束中的每个光束是耦入光束的副本。例如，多个光束中的每个光束可以包括同一图像信息。在各种实施例中，小束阵列中的每个反射光束702、703、704、705和706的一部分可以具有等于耦入光束701的尺寸的尺寸。图7示出了由包括波导(例如，平面波导1)的光学系统(例如，可穿戴显示系统80或光学系统100)产生的二维小束阵列的简化的一维版本。该二维小束阵列例如可以沿着波导(例如，平面波导1)的第一/第二反射表面的平面延伸。
可枢转光学系统，例如，观看波导710的两个表面之一(例如，图7所示的第二反射表面712a)的人眼，可以接收从波导710出射的反射光束702、703、704、705和706中的一者或多者的一部分。在一些这样的实施例中，可枢转光学系统可以将(i)耦入光束701和在平行于耦入光束701的方向上朝向表面712a传播的其它反射光束(例如，反射光束703和705)感知为从位于垂直于波导710的平面715上的光源(例如，701p、703p、705p)发射；以及(ii)可以将在平行于反射光束702的方向上朝向表面712b传播的反射光束(例如，反射光束704和706)感知为从位于平面715上的光源(例如，702p、704p、706p)发射。多个源701p、702p、703p、704p、705p和706p是发射耦入光束的输入源的镜像副本。如图7所示，源701p、703p和705p可以被感知为位于波导710下方，并且源702p、704p和706p可以被感知为位于波导710上方。源701p、703p和705p可以彼此相隔一样的距离。源702p、704p和706p也可以彼此相隔一样的距离。如果输入光源是相干的，则由多个镜像源701p、702p、703p、704p、705p和706p产生的光学波前可以彼此相互作用以产生可以类似于由法布里-珀罗标准具、布拉格衍射光栅和薄膜光学器件产生的干涉图案的角度选择性干涉图案。连续点源701p、703p和705p(或702p、704p和706p)之间的距离s可以等于波导的厚度“d”(与表面712a与表面712b之间的距离对应)与波导710的折射率“n”的乘积的两倍。因此，可以使用等式s＝2nd来计算连续点源701p、703p和705p(或702p、704p和706p)之间的距离s。如图7所示，小束阵列中沿着同一方向传播并由多个虚拟源701p、703p、705p(或702p、704p和706p)产生的两个相邻光束之间的距离b(在此也被称为小束间间距)由等式b＝2ndsinθ给出，其中，角θ是耦入光束的入射角。在不失一般性的情况下，来自输入光源的光可以通过反射表面712a或712b中的一者或通过反射表面712a或712b之间的边缘中的一者耦入波导710。在各种实施例中，在耦入光束通过投影仪(例如，包括图6所示的光纤悬臂7的投影系统)引入波导710的情况下，角θ可以是扫描角。小束阵列中的相邻光束之间的光路长度г由等式г＝2ndcosθ给出。
从波导输出的小束阵列的点扩散函数(psf)可以取决于输出耦入光束701的输入光源的特征。本文参考图8a-1、图8a-2、图8a-3、图8b-1、图8b-2和图8b-3对此作出解释。图8a-1示出了波导710的实施例，该波导被配置为接收来自非相干输入光源(例如，lcos投影仪)的光输出。照射波导710的实施例的非相干输入光源输出具有光束直径“a”的非相干光束。从波导710出射的小束阵列包括光束801a、801b和801c。由于输入光源是非相干的，因此光束801a、801b和801c相互彼此不相干，使得无法确定从波导出射的光束801a、801b和801c之间的相位关系。另外，对于图8a-1所示的实施例，两个相邻光束之间(例如，801a与801b之间或801b与光束801c之间)的小束间间距b大于输出小束阵列中的每个光束的光束直径，该光束直径与输入光束的光束直径“a”基本相同。图8b-1示出了从图8a-1所示的波导710的实施例输出的小束阵列的单个光束的衍射图案805a，该波导的实施例从非相干输入光源接收光。图8b-1所示的衍射图案805a具有中心峰和两个旁瓣。每个旁瓣还包括一个峰。衍射图案805a的第一旁瓣的最大值之间的宽度θa可以提供包括由非相干光源驱动的波导710的光学系统的孔径尺寸的量度，宽度θa与比值λ/a成比例，其中，λ是入射光的波长，“a”是光束直径。从图8a-1所示的波导710的实施例(该波导的实施例从非相干输入光源接收光)输出的小束阵列的点扩散函数(psf)等于衍射图案805a的宽度θa，并且等效于由具有等于“a”的光束直径的单个光束产生的宽衍射包络线。psf表示光学系统形成点光源的图像。完美光学系统的psf是艾里斑，艾里斑包括由强度递减的同心环包围的中心点或峰或亮区。中心点和连续同心环之间的空间具有降低的强度。在距离具有尺寸d的孔径或光瞳的较大距离处，在与中心点的中心相交的轴和强度降低的区域(处于中心点与第一同心环之间)之间的角度θ由等式sinθ＝1.22λ/d给出，其中，λ是光的波长。因此，随着中心点的尺寸变小，光瞳尺寸变大。因此，艾里斑(或psf)可以提供光学系统的光瞳尺寸的量度。不受任何理论的束缚，具有较大光瞳尺寸的系统具有较窄的psf。
图8a-2示出了波导710的实施例，其被配置为接收来自相干输入光源的光输出。照射波导710的实施例的相干输入光源输出具有光束直径a的相干光束。从波导710出射的小束阵列包括光束802a、802b和802c。由于输入光源是相干的，因此光束802a、802b和802c相互彼此相干，使得从波导出射的光束802a、802b和802c之间的相位关系是确定的。另外，对于图8a-2所示的实施例，两个相邻光束之间(例如，802a与802b之间或802b与光束802c之间)的小束间间距b大于输出小束阵列中的每个光束的光束直径，该光束直径与输入光束的光束直径“a”基本相同。图8b-2示出了由相干光束802a、802b和802c之间的光学干涉产生的干涉图案805b。图8b-2所示的干涉图案805b具有中心峰和四个旁瓣。每个旁瓣还包括一个峰。干涉图案805b的第一旁瓣的最大值之间的宽度θb与比值λ/b成比例，其中，λ是入射光的波长，b是小束间间距。从图8a-2所示的的波导710的实施例输出的小束阵列的点扩散函数(psf)是干涉图案与图案805a所示的阵列的单个光束的衍射包络线的乘积，该波导实施例从相干输入光源接收光。因此，从图8a-2所示的波导710的实施例的(该波导的实施例从相干输入光源接收光)输出的小束阵列的psf对应于衍射包络线，该衍射包络线由具有等于“a”的光束直径的单个光束产生，该光束被由光束阵列的相干光束之间的相互作用产生的干涉图案进行角度滤波。由小束阵列的相干光束之间的相互作用产生的干涉图案的滤波点之间的间隔与光束的光波长λ成正比，并且与小束间间隔b成反比。从图8a-2所示的波导710的实施例(该波导的实施例从相干输入光源接收光)输出的小束阵列的孔径尺寸可以大于包括由非相干输入光源驱动的波导710的光学系统的孔径尺寸。
图8a-3示出了波导710的实施例，其被配置为接收来自相干输入光源的光输出。照射波导710的实施例的相干输入光源输出具有光束直径a的相干光束。从波导710出射的小束阵列是包括光束803a、803b和803c的合成光束。由于输入光源是相干的，因此光束803a、803b和803c相互彼此相干，使得从波导出射的光束803a、803b和803c之间的相位关系是确定的。另外，对于图8a-3所示的实施例，调整两个相邻光束之间(例如，803a与803b之间或803b与光束803c之间)的小束间间距b，使其大约等于输出小束阵列中每个光束的光束直径，该光束直径与输入光束的光束直径“a”基本相同，并且光路长度差г＝2ndcosθ是波长λ的整数倍。对于由相干光源驱动的波导710的这个实施例(其中入射角和波导710的厚度和折射率是波长λ的整数倍)，将小束阵列的各种相干光束合并以形成具有均匀相位的连续波前。通过图8b-3所示的干涉图案805c和曲线805a所示的单个光束的衍射包络线的乘积获得的对应psf等效于由具有直径“a”的单个光束产生的更窄的衍射包络线，直径“a”等于合成光束中的小束数量与小束阵列中每个单个光束的光束直径“a”的乘积。
图8c示出了具有连续波前815的光束810，该连续波前815具有从波导710的实施例(该波导的实施例从相干输入光源接收光)输出的均匀相位，其中，光路长度差г＝2ndcosθ是波长λ的整数倍。如上所述，光束810的光束直径“a”大于输入光束的光束直径“a”。在在来自相干输入光源的光以θ角入射到具有折射率“n”和厚度“d”的波导上，使得光路长度差г＝2ndcosθ是入射光的波长λ的整数倍的光学系统中，波导可以被配置为用作出瞳扩展器(epe)。光路长度差г＝2ndcosθ不是入射光的波长λ的整数倍的光学系统不一定需要扩展系统的出瞳，而是可以扩展系统的眼动范围。扩展眼动范围可以有利地增加系统(例如，可穿戴显示系统80或光学系统100)对用户头部或眼睛的左右移动的容忍度。
在来自扫描投影仪(例如，包括图6所示的光纤悬臂7的投影系统)的光被耦入光导(例如，平面波导1)的光学系统(例如，光学系统100)的实施例中，投影仪的孔径尺寸可以很小。例如，投影仪的输出孔径尺寸可以大于或等于25微米且小于或等于50微米，大于或等于35微米且小于或等于75微米，大于或等于50微米且小于或等于100微米，或是其间的值。这种光学系统的各种实施例可以采用基于复合透镜的光学系统来扩展输入孔径，该输入孔径与投影仪的孔径尺寸对应。例如，用于扩展出瞳的光学系统可以被配置为实现以下尺寸的输出孔径：大于或等于约200微米且小于或等于约1mm；大于或等于约250微米且小于或等于950微米；大于或等于约300微米且小于或等于约900微米，大于或等于约350微米且小于或等于约850微米；大于或等于约400微米且小于或等于约800微米；大于或等于约450微米且小于或等于约750微米，大于或等于约500微米且小于或等于约700微米；大于或等于约550微米且小于或等于约650微米；大于或等于约600微米且小于或等于约650微米；或是其间的值。
尽管基于透镜的出瞳扩展器系统可以实现期望的输出孔径尺寸，但是它们可能庞大且笨重，使它们不可能与近眼显示系统集成。如上所述，当从波导输出的小束阵列中的相邻光束之间的光路长度差г＝2ndcosθ是入射光的波长λ的整数倍时，具有折射率“n”和厚度“d”的波导可以用作扩大出瞳的epe，可以扩展出瞳。因此，波导可以提供增加光学系统的出瞳而无需对重量或体积做出贡献的紧凑的方式。
然而，如图8a-1至图8c所示，包括波导的光学系统仅在输入光耦入波导的入射角、波导的折射率“n”和厚度“d”被配置为使得从波导输出的小束阵列中的相邻光束之间的光路长度差г＝2ndcosθ是波长λ的整数倍时才可以用作出瞳扩展器。来自扫描投影仪(例如，包括图6所示的光纤悬臂7的投影系统)的光入射到采用波导作为出瞳扩展器的光学系统上，输入光耦入波导的入射角θ随扫描投影仪的扫描角(扫出与光学系统的视场(fov)对应的的立体角θ)而变化。例如，输入角θ可以在约30度至约50度之间的立体角θ内变化。如果扫描投影仪包括光纤(例如，包括图6所示的光纤悬臂7的光源)，则输入角θ变化的频率可以等于光纤旋转的频率。在包括光纤的扫描投影仪的各种实施例中，光纤可以达到11000-30000转/秒。因此，这样的实施例中的输入角θ可以以约0.1mhz至约10mhz之间的频率变化。
当输入光耦入波导的入射角在立体角θ内变化时，从波导输出的小束阵列通过聚焦光斑的离散二维(2d)网格进行角度滤波，如上面参考图8a-2和图8b-2所述。聚焦光斑可以与满足相位同步条件角度集对应，相位同步条件指相邻光束之间的光路长度差是光波长的整数倍。当入射角在立体角θ内变化时，如果波导的光学和机械特性(例如，折射率“n”和厚度“d”)不会使得小束阵列中的相邻光束之间的光路长度差是光波长的整数倍地对应地变化，则通过聚焦光斑的离散二维(2d)网格对小束阵列进行角度滤波可以产生干扰最大值(对应于明亮且紧聚焦的像素)和干扰最小值(对应于暗像素或空白像素)。因此，当入射角在立体角θ内变化时，如果波导的光学和机械特性(例如，折射率“n”和厚度“d”)不会使得小束阵列中的相邻光束之间的光学路径长度差是光波长的整数倍地相应地变化，则从波导输出的小束阵列的强度可以在最大亮度和最小亮度之间间歇地变化。因此，通过光学系统的实施例投射的图像看起来好像图像已被黑色网格筛分，在该实施例中，入射角变化但是波导的机械特性和/或入射光的波长保持相同，使得小束阵列中的相邻光束之间的光路长度差对于所有入射角不都是光波长的整数倍。
在包括作为光学信号源的具有小孔径尺寸的扫描投影仪和作为出瞳扩展器的波导的光学系统中，控制显示系统和/或输入光束的一个或多个光学和/或机械特性以将投影图像的强度保持在高于阈值的强度水平是有利的。光学和/或机械特性可以包括波导的反射表面之间的间距(也被称为厚度“d”)、波导的折射率“n”或输入光学信号的波长λ。可以控制显示系统和/或输入光束的光学和/或机械特性以与输入光束的扫描角的改变同步，使得聚焦光斑的离散二维(2d)网格可以以一种方式进行角度移动，使得投影仪的每个扫描角产生具有紧聚焦的紧凑psf(类似于图8b-3所示的psf)的小束阵列。
当波导的一个或多个物理或光学特性和/或扫描输入光束的波长大约以扫描速率的频率变化时，由包括将扫描输入光束分成包括多个光束的规则二维小束阵列的波导的光学系统产生的输出光束的光束直径可以大于小束阵列的多个光束中的各个光束的光束直径。通过以扫描速率的频率改变波导的一个或多个物理或光学特性和/或扫描输入光束的波长可以有利地控制小束阵列中的光束之间的相对相移，使得输出光束具有包含均匀相位的连续波前。可以认为光学系统的这些实施例用作光学相位阵列，其能够形成和引导具有较大光束直径的输出光束。在这样的光学系统中，投影仪的扫描技术可以在波导的角度滤波器网格(对应于聚焦光斑的2d网格)的优选角之间引导输入光束，并且用于以扫描速率的频率改变波导的一个或多个物理或光学特性和/或扫描输入光束的波长的调制技术负责在输入光束的不同角度之间操纵角度滤波器网格。在各种实施例中，波导可以被配置为使得从波导输出的小束阵列形成具有包含均匀相位的连续波前的并且光束直径大于小束阵列中的各个光束的光束直径的光束，束的而无需以扫描速率的频率动态地改变(例如，利用一个或多个全息结构)波导的一个或多个物理或光学特性和/或扫描输入光束的波长。下面讨论可以针对输入光束的不同扫描角动态地或非动态地实现小束阵列中的各个光束之间的相位同步的系统和方法。
1.动态相位同步
如下面讨论的，可以使用各种技术和方法以扫描速率的频率改变波导的一个或多个物理或光学特性和/或扫描输入光束的波长，以针对输入光束的不同扫描角动态地实现小束阵列中的各个光束之间的相位同步。在各种实施例中，光学系统可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制波导的一个或多个物理或光学特性(例如，折射率、波导反射表面之间的距离)和/或输入光束的波长。该控制系统可以包括反馈回路，以持续地保持小束阵列中的单个光束之间的相位同步。
1.1.折射率
如上所述，为了保持小束阵列中的单个光束之间的相位同步，光路长度差г＝2ndcosθ应该是波长λ的整数倍。因此，如果波导材料的折射率以扫描速率的频率(或以θ改变的频率)变化，使得光路长度差г＝2ndcosθ对于所有输入角θ是波长λ的整数倍，则可以针对所有输入角θ保持小束阵列中的单个光束之间的相位同步。图9a示意性地示出了显示波导折射率“n”相对于扫描角θ的余弦的改变的曲线图。图9a的点901a、901b和901c指示扫描角θm、θm+1和θm+2处的折射率值n0，此时项2n0dcosθm、2n0dcosθm+1和2n0dcosθm+2分别等于mλ、(m+1)λ和(m+2)λ，其中m为整数。图9a的点901d在扫描角θm+1处具有值为
波导材料的折射率可以通过各种技术改变，该技术包括但不限于通过压电光学效应等改变电场或光场的参数，改变波导材料的温度，改变波导中包括的各种材料的化学组成和/或浓度。例如，波导可以包括晶体和/或液晶材料，其折射率可以通过经由多种不同的电光效应施加电场来改变。作为另一示例，波导可以包括液体溶液，其折射率可以通过控制其溶质的混合和相对浓度来改变。作为另一示例，波导可以包括化学活性基板，其折射率可以通过控制含材料的波导内的化学反应的速率和/或结果来改变。例如，在一些实施例中，可以通过施加电场和/或施加光场来控制含材料的波导内的化学反应的速率和/或结果。作为另一示例，在一些实施例中，可以通过使用化学泵来控制含材料的波导内的化学反应的速率和/或结果。光学波长的改变也可以产生折射率的改变。因此，在各种实施例中，折射率的改变可以与入射到波导上的光的波长λ相关。例如，入射光的波长λ可以由于各种因素而变化，该因素包括但不限于入射光的调制、波导的非线性和/或分散。例如，在各种实施例中，由于调制，入射光的波长λ的可以以约为未调制入射光的波长λoptical的1％至10％的量δλ改变。因此，被配置为改变光材料的折射率的控制器可以被配置为在计算折射率改变的量δλ时考虑入射光的波长λ的改变。在各种实施例中，控制器可以包括反馈回路，该反馈回路被配置为动态地计算入射光的波长λ的改变，以及基于入射光的波长λ的改变计算折射率改变的量δn，使得可以针对输入光束的不同扫描角实现小束阵列中的各个光束之间的相位同步。
1.2.反射器平面间距
波导的各种实施例可以被配置为使得反射表面(例如，波导710的反射表面712a和712b)之间的空间(也被称为波导的厚度)不需要是固定的，而是可以改变的。例如，在波导的各种实施例中，反射表面(例如，波导710的反射表面712a和712b)之间的空间可以被流体或空气占据。波导可以包括控制器，该控制器使反射表面中的一个或全部两个相对于彼此移动，从而以扫描速率的频率(或以θ改变的频率)改变反射表面之间的距离和/或包括流体或空气的空间的厚度，使得对于所有输入角θ光路长度差г＝2ndcosθ均是波长λ的整数倍。图9b示意性地示出了显示波导反射表面之间的间距“d”相对于扫描角θ的余弦的改变的曲线图。图9b的点905a、905b和905c指示扫描角θm、θm+1和θm+2处的波导反射表面之间的间距的值d0，此时项2nd0cosθm、2nd0cosθm+1和2nd0cosθm+2分别等于mλ、(m+1)λ和(m+2)λ，其中m为整数。图9b的点905d处的波导反射平面之间的间距在扫描角θm+1处为
如上所述，波导反射表面之间的间距“d”的改变可以与扫描角θ的改变同步。如图9b所示，波导反射表面之间的间距的改变可以是周期性的。波导反射表面之间的间距可以通过各种技术改变，该技术包括但不限于机械方法、机电方法、声光方法、电磁方法、压电方法等。例如，波导可以被配置为微机电系统(mems)设备，其包括反射表面对和被配置为控制反射表面之间的距离的控制器。作为另一示例，波导可以包括由两个表面界定的声光材料。波导的两个表面可以被配置为是通过声光材料中的密度变化(此变化由声学驱动器产生的声学驻波引起)进行反射的。在这样的实施例中，可以通过改变生成声学驻波的声学驱动器的频率来改变两个表面之间的间距。
在另一实施例中，波导可以包括彼此间隔开的多个层。多个层中的每一者可以被配置为在反射状态与透射状态之间切换。通过选择性地将多个层中的两者配置为处于反射状态并将剩余的多个层配置为处于透射状态，可以获得其间具有任何所需间距的反射表面对。在这样的实施例中，可以使用电磁控制系统在反射状态与透射状态之间切换多个层中的每一者。下面参考图9b-1更详细地解释这一点，图9b-1示出了包括三个层907a、907b和907c的波导907。第三层907c被设置在第一层907a与第二层907b之间。第一层907a可以保持处于反射状态。通过将第二层907b配置为处于透射状态并且将第三层907c配置为处于反射状态，可以将波导907的反射表面对之间的间距选择为d1。通过将第二层907b配置为处于反射状态并且将第三层907c配置为处于透射状态，可以将波导907的反射表面对之间的间距选择为d1+d2。以这种方式，可以改变波导反射表面之间的间距。可以在波导中包括附加层以提供更大范围的间距变化。
在波导的一些实施例中，反射表面可以包括压电材料。在这样的实施例中，可以通过经由施加电场引起波导的机械膨胀或收缩来改变反射表面之间的间距。
1.3.波长
波导的各种实施例可以被配置为使得入射光(例如，光束701)的波长可以以扫描速率的频率(或以θ改变的频率)改变，使得光路长度差г＝2ndcosθ对于所有输入角θ均是波长λ的整数倍。图9c示意性地示出了显示入射光的波长λ相对于扫描角θ的余弦的改变的曲线图。图9c的点910a、910b和910c指示扫描角θm、θm+1和θm+2处的波长λ0的值，此时项2ndcosθm、2ndcosθm+1和2ndcosθm+2分别等于mλ0、(m+1)λ0和(m+2)λ0，其中m为整数。图9c的点910d处的波长λ在扫描角θm+1处为
如上所述，入射光的波长λ的改变可以与扫描角θ的改变同步。如图9c所示，入射光的波长λ的改变可以是周期性的。可以通过采用可调谐激光器来改变入射光的波长λ。例如，光源(例如，图6的光/图像源11)可以包括可调谐激光器，例如分布式反馈(dfb)激光器、分布式布拉格反射器(dbr)激光器等，其中，激光的波长λ可以通过施加电流和/或电压来改变。作为另一示例，可以通过改变光源的温度来改变从光源(例如，图6的光/图像源11)输出的光的波长λ。
如上所述，光波长的改变也可以产生折射率的改变。因此，在各种实施例中，入射到波导上的光的波长λ的改变可以与折射率“n”的改变相关联。例如，被配置为改变入射光的波长λ的控制器可以配置为考虑波导材料的折射率的改变。在各种实施例中，控制器可以包括反馈回路，该反馈回路被配置为基于波导折射率的改变δn的改变动态地计算入射光的波长λ的改变，使得可以针对输入光束的不同扫描角实现小束阵列中的各个光束之间的相位同步。
通常，对于动态相位同步，满足相位同步条件的角之间的角间距(以弧度表示)近似等于光的波长除以波导宽度。对于约100至1000微米的波导宽度和光束直径，角移位可以在约0.001至0.01弧度之间(或约0.1％至1％的百分比变化)。为了保持相位同步，可以通过以下方式来补偿角移位：将波导折射率减小约0.001至约0.01之间的范围内的量；将反射表面之间的间距(或波导宽度)增大或减小约1微米；或者在约1至约10nm之间的范围内增加或减小入射光的波长。
2.非动态相位同步
还可以在不使用上面讨论的任何动态方法的情况下实现相位同步。例如，波导可以包括多个全息结构，多个全息结构中的每一者为每个入射角提供相位同步输出。因此，当输入光束的入射角而不以输入光束的扫描速率共同调制波导反射表面之间的间距、波导的折射率或入射光的波长时，可以获得相位同步输出。
通过干涉以第一入射角度从全息介质的第一侧入射到全息介质上的第一参考光束和从与第一侧相反的全息介质的第二侧入射到全息介质上的第二参考光束，可以在厚全息介质上记录提供第一入射角的相位同步输出的第一多个全息结构。第一参考光束可以被配置为具有从扫描投影仪输出的光束的特征。例如，在一些实施例中，第一参考光束可以是准直的。第一参考光束可以具有小于或等于约100微米(例如，小于或等于90微米，小于或等于80微米，小于或等于70微米，小于或等于60微米，小于或等于50微米，小于或等于40微米，小于或等于30微米，小于或等于25微米，小于或等于20微米，或是其间的值)的光束直径。第二参考光束可以被配置为具有当第一参考光束以第一入射角入射到波导上时从该波导输出的相位同步小束阵列的特征。例如，第二参考光束可以是具有连续波前的准直光束，该连续波前包含与图8a-3和/或图8c所示的小束阵列类似的均匀相位。第二参考光束的光束直径可以大于或等于约200微米且小于或等于约10mm。例如，第二参考光束的光束直径可以具有如下尺寸：大于或等于约250微米且小于或等于约950微米；大于或等于约300微米且小于或等于约900微米；大于或等于约350微米且小于或等于约850微米；大于或等于约400微米且小于或等于约800微米；大于或等于约450微米且小于或等于约750微米；大于或等于约500微米且小于或等于约700微米；大于或等于约550微米且小于或等于约650微米；大于或等于约600微米且小于或等于约650微米；或其间的值。
通过改变第一参考光束的入射角，在同一全息介质上记录多个全息结构。例如，第一参考光束的入射角可以在大约±30度之间连续变化。作为另一示例，第一参考光束的入射角可以通过离散步骤在约±30度之间变化，该离散步骤小于或等于约1度(例如，小于或等于0.9度，小于或等于0.8度，小于或等于0.7度，小于或等于0.6度，小于或等于0.5度，小于或等于0.4度，小于或等于0.3度，小于或等于0.2度，小于或等于0.1度，小于或等于0.05度，或其间的值)。第二参考光束的入射角也可以与第一参考光束的入射角的改变对应地改变。
因此，对于第一参考光束的入射角和第二参考光束的入射角的每个组合，在全息介质上记录至少一个全息结构。包括以这种方式记录的多个全息结构的波导可以被配置为针对以不同的角θ(在扫描投影仪扫过的立体角θ内)入射的输入光束输出相位同步小束阵列。此外，输出小束阵列的直径可以大于输入光束的直径。在这样的实施例中，角度选择性被构建到波导中，使得当输入光的入射角改变时，不需要动态地同步小束阵列中的各个光束之间的相位。因此，在这样的实施例中，波导的一个或多个参数(例如，折射率、波导反射表面之间的间距)和/或入射光的波长λ不需要以扫描速率的频率改变来实现从波导输出的小束阵列中的各个光束之间的相位同步。
图10示出了波导1010的实施例，在该波导中角度选择性被构建到波导中，使得当输入光的入射角改变时，不需要动态地同步小束阵列中的各个光束之间的相位。波导1010包括层1012a、1012b、1012c、1012d的堆叠。每个层堆叠可以包括一个或多个全息结构。全息结构可以包括体全息图和/或空间复用布拉格衍射光栅。在各种实施例中，多个全息图可以在波导的体积中叠加或多路复用。在这样的实施例中，波导不需要包括层堆叠。如上所述，每个全息结构可以被配置为针对以角θ(在扫描投影仪扫过的立体角θ内)入射的输入光束输出相位同步小束阵列。尽管图10示出了由波导1010针对以接近波导1010的表面的法线的角入射的输入光束1001输出的相位同步小束阵列1015，但是波导1010还可以被配置为针对以与接近波导1010的表面的法线的角不同的角入射的输入光束发射相位同步小束阵列。
在此描述的和/或在附图中示出的过程、方法和算法中的每一者可以体现在以下项中并通过以下项被全部或部分自动化：代码模块，其由一个或多个物理计算系统、硬件计算机处理器、专用电路执行；和/或电子硬件，其被配置为执行具体和特定计算机指令。例如，计算系统可以包括用特定计算机指令编程的通用计算机(例如，服务器)或专用计算机、专用电路等。代码模块可以被编译并链接到可执行程序中，安装在动态链接库中，或者可以用解译性的编程语言编写。在一些实施方式中，特定操作和方法可以由专用于给定功能的电路来执行。
此外，本公开的功能的某些实施方式在数学上、计算上或技术上足够复杂，以至于为了执行所述功能(例如，由于所涉及的计算量或复杂性)或者为了基本实时地提供结果，专用硬件或一个或多个物理计算设备(利用适当的专用可执行指令)可能是必需的。例如，视频可以包括许多帧，每帧具有数百万个像素，并且需要专门编程的计算机硬件来处理视频数据以在商业上合理的时间内提供所需的图像处理任务或应用。
代码模块或任何类型的数据可以被存储在任何类型的非暂时性计算机可读介质上，诸如物理计算机存储装置，包括硬盘驱动器、固态存储器、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、光盘、易失性或非易失性存储器以及相同和/或相似元件的组合。方法和模块(或数据)也可以在各种计算机可读传输介质上作为生成的数据信号(例如，作为载波或其它模拟或数字传播信号的一部分)传输，该传输介质包括基于无线的介质和基于导线/电缆的介质，且可以采取多种形式(例如，作为单个或多路复用模拟信号的一部分，或者作为多个离散数字数据包或帧)。所公开的过程或处理步骤的结果可以持久地或以其它方式存储在任何类型的非暂时性实体计算机存储器中，或者可以经由计算机可读传输介质来传送。
在此描述的和/或在附图中示出的流程图中的任何过程、框、状态、步骤或功能应该被理解为潜在地表示代码模块、代码段或代码部分，其包括用于实现处理中的特定功能(例如，逻辑或算术功能)或步骤的一个或多个可执行指令。各种过程、框、状态、步骤或功能可以与本文提供的示例性示例一起执行以下操作：组合、重排、添加、删除、修改或其它改变。在一些实施例中，附加的或不同的计算系统或代码模块可以执行本文所描述的功能中的部分或全部。本文描述的方法和过程也不限于任何特定的顺序，并且与其相关的框、步骤或状态可以以其它适当的序列来执行，例如串行、并行或以某种其它方式来执行。可以向所公开的示例实施例添加任务或事件或者从中移除任务或事件。此外，本文描述的实施方式中的各种系统组件的分离是出于说明的目的，不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离。应该理解，所描述的程序组件、方法和系统通常可以一起集成在单个计算机产品中或者封装到多个计算机产品中。许多实施方式的变体是可能的。
过程、方法和系统可以在网络(或分布式)计算环境中实现。网络环境包括企业范围的计算机网络、内联网、局域网(lan)、广域网(wan)、个域网(pan)、云计算网络、众包计算网络、因特网和万维网。网络可以是有线或无线网络，或任何其它类型的通信网络。
本公开的系统和方法各自具有若干创新性方面，这些方面中的任一单个方面不单独负责本文所公开的期望待性或不是本文所公开的期望待性所必需的。上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合使用。所有可能的组合和子组合均旨在落入本公开的范围内。对本公开中所描述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可将本文定义的一般原理应用于其它实施方式。因此，权利要求不旨在限于本文所示的实施方式，而是应被赋予与本公开、本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
本说明书中在分开的实施方式的上下文描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合地实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独实现，或以任何合适的子组合实现。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用，，甚至最初以此方式要求保护，但是所要求保护的组合中的一个或多个特征在某些情况下可以从该组合中剔除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。对于每个实施例而言，没有任何单个特征或特征组是必需的或不可或缺的。
除非另有明确说明，或者在上下文中另有理解除外，否则在此使用的诸如“可”、“可以”、“可能”、“能够”、“例如”等之类的条件语通常旨在表达某些实施例包括，而其它实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这种条件语通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，也不意在暗示在有或者没有程序设计者输入或提示的情况下，一个或多个实施例必然包括用于决定是否包括这些特征、元素和/或步骤或是否在任何特定实施例中执行这些特征、元素和/或步骤的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放的方式包含性地使用，并且不排除其它元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”在使用时具有包含性含义(而非排他性含义)，因此，当被用于例如连接元素列表时，术语“或”表示列表元素中的一个、一些或全部。另外，除非另有说明，否则在本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一”、“一个”和“所述”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”。
如本文所使用的，提及项目列表中的“至少一个”的短语指示这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖：a、b、c、a和b、a和c、b和c，以及a、b和c。诸如短语“x、y和z中的至少一个”之类的连接语(除非另有声明)通过常用的上下文来理解，以表达项目、术语等可以是x、y和z中的至少一个。因此，这样的连接语通常并不旨在暗示某些实施例需要至少一个x、至少一个y以及至少一个z中的每个都存在。
类似地，尽管操作在附图中可以以特定顺序示出，但应认识到，这些操作不需要以所示的特定顺序或以相继的顺序执行，或者执行所有例示的操作以实现所需的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地示出一个或多个示例过程。然而，其它未示出的操作可以并入示意性说明的示例方法和处理中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示的操作之前、之后、同时或期间执行。另外，在其它实施方式中，操作可以重新排列或排序。在某些情况下，多任务和并行处理是有利的。此外，上述实施方式描述的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，需要理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。另外，其它实施方式在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列出的动作可以以不同的顺序执行并且仍能实现所需的结果。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！