具有MEMS扫描器的紧凑型显示引擎的制作方法

背景技术：

1、诸如头戴式显示器(hmd)系统和手持式移动设备(例如，智能电话、平板计算机等)等混合现实计算设备可以被配置为向用户显示关于用户的视场和/或设备的相机的视场中的虚拟和/或现实对象的信息。例如，hmd设备可以被配置为使用透视显示系统来显示混合有现实世界对象的虚拟环境或混合有虚拟对象的现实世界环境。类似地，移动设备可以使用相机取景器窗口显示这样的信息。

技术实现思路

1、一种近眼光学显示系统利用紧凑型显示引擎，该紧凑型显示引擎将来自成像器的图像光耦合到具有在两个方向上提供出射光瞳扩展的衍射光学元件(doe)的基于波导的显示器。显示引擎包括被配置为使用光栅扫描来反射图像光以通过显示系统的视场(fov)的水平和竖直扫描轴的一对单轴mems(微机电系统)扫描器。mems扫描器被布置为使得其旋转轴彼此基本成直角，并且与相应的四分之一波长延迟片和偏振分束器(pbs)一起操作以将图像光耦合到波导显示器中的入耦合doe中，而无需其他光学元件，诸如镜头或中继系统。因此，显示引擎可以是紧凑和轻便的，这在很多应用中通常是理想的特性，尤其是在可以支持混合现实和虚拟现实成像应用的可穿戴系统中，诸如头戴式显示器(hmd)设备。

2、在显示引擎的第一说明性实施例中，两个mems扫描器——慢速扫描mems扫描器(即，被配置为沿着fov的一个方向扫描)和快速扫描mems扫描器(即，被配置为沿着fov的另一方向扫描)——位于pbs立方体的相对的顶面和底面上，并且与两个相应的四分之一波长延迟片相邻。pbs立方体包括两个直角棱镜，两个直角棱镜沿着其斜边表面接合并且包括偏振敏感的分束器界面，诸如介电涂层。每个直角棱镜与斜边相对的两个面可以用作将光入射到pbs立方体上的入射面，或者可以用作从立方体透射或反射的光的出射面。

3、pbs立方体的分束器界面反射具有第一偏振态的光，同时透射具有与第一状态正交的第二偏振态的光。例如，第一偏振态和第二偏振态可以是s偏振态和p偏振态(反之亦然)。可以包括例如一个或多个激光器的成像器生成图像光，诸如在混合现实或虚拟现实应用中使用的全息虚拟图像。图像光以第一偏振态偏振并且进入pbs立方体的入射面。入耦合doe位于pbs立方体的相对出口面上。pbs立方体将入射图像光向上(即，与入射图像光正交)反射到位于立方体顶面的快速扫描mems扫描器，在此，图像光被向下反射回pbs立方体。

4、当从快速扫描mems扫描器被反射时，被pbs立方体反射的图像光两次穿过位于pbs立方体的顶面的四分之一波片——一次向上到快速扫描mems扫描器，而一次在从快速扫描mems扫描器反射时向下——从而变为第二偏振态。处于第二偏振态的图像光穿过pbs立方体，而没有在界面处反射，到达pbs立方体的底面的慢速扫描mems扫描器。慢速扫描mems扫描器将图像光向上反射回pbs立方体。当图像光两次穿过pbs立方体的底面的四分之一波片时，偏振态变回第一状态。pbs立方体将第一偏振态的图像光在出射面处从立方体反射出并且进入入耦合doe，从而将来自成像器的图像光耦合到波导显示器中。

5、在显示引擎的第二说明性实施例中，快速扫描mems扫描器和四分之一波片位于pbs立方体的与立方体的底部的入射面相对的顶面处。慢速扫描mems扫描器和四分之一波片位于pbs立方体的与入耦合doe所在的出射面相对的面上。因此，图像光在与入耦合doe平面平行的方向上进入pbs立方体(与第一实施例相比，其中图像光在正交于入耦合doe的平面的方向上进入pbs立方体)。

6、在显示引擎的第二说明性实施例中，入射在pbs立方体的底部入射面上的图像光最初在第二状态下被偏振，使得其在分束器界面处不被反射，并且从而被透射到位于相对顶面处的四分之一波片和快速扫描mems扫描器。当从快速扫描mems扫描器向下反射的图像光已经两次穿过顶部四分之一波片时，它变为第一偏振态(即，正交于第二偏振态)。

7、pbs立方体将图像光反射到位于与pbs立方体的出射面相对的面上的慢速扫描mems扫描器和四分之一波片。慢速扫描mems扫描器将图像光反射回pbs立方体。由于反射的图像光已经两次穿过四分之一波片，因此它变回第二偏振态并且从而穿过pbs立方体，而没有在分束器界面处反射，并且通过入耦合doe耦合到波导显示器中。

8、在显示引擎的第三说明性实施例中，例如使用布拉格光栅和/或二维光栅结构，入耦合doe被配置为对第一偏振态具有偏振敏感性。入耦合doe位于pbs立方体的出口面与慢速扫描mems扫描器和四分之一波片之间。快速扫描mems扫描器和四分之一波片位于pbs立方体的与出射面相对的面处。处于第一偏振态并且具有与入耦合doe的平面平行的传播方向的图像光入射在pbs立方体的入射面(例如，顶面或底面)上。pbs立方体的分束器界面被配置为对第一偏振态具有敏感性，并且将入射图像光水平反射到快速扫描mems扫描器，快速扫描mems扫描器将图像光反射回pbs立方体。

9、从快速扫描mems扫描器反射的图像光的偏振态变为第二偏振态(即，与第一偏振态正交)，因为它已经两次穿过与快速扫描mems扫描器相邻的四分之一波片。第二偏振态的图像光通过pbs立方体在分束器界面处无反射地透射到入耦合doe。入耦合doe对第一偏振态敏感，并且因此将第二偏振态的图像光传输到四分之一波片和慢速扫描mems扫描器，而没有将光入耦合到波导显示器。慢速扫描mems扫描器将图像光反射回入耦合doe。当从慢速扫描mems扫描器反射的光两次穿过四分之一波片时，其状态将变为第一偏振态。对第一偏振态敏感的入耦合doe将图像光耦合到波导显示器中。

10、有利地，每个实施例中的显示引擎可以使用小形状因子的pbs立方体来配置，该立方体将快速和慢速mems扫描器放置在彼此附近，从而可以针对给定fov使扫描镜覆盖区最小化以减少显示引擎的总体大小和重量。另外，在波导显示器中提供出射光瞳扩展使得显示引擎能够将成像器的输出直接耦合到波导显示器中，而无需在可能表现出可见激光斑点的屏幕上进行重新成像。

11、提供本“技术实现要素：”以便以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的“具体实施方式”中进一步描述。本“发明内容”既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。此外，要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现。

技术特征：

1.一种被配置为控制与由成像器在视场(fov)内产生的虚拟图像相关联的图像光的设备，包括：

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个吸收偏振器层被配置为衰减从所述第一pbs层或所述第二pbs层泄漏的所述第一偏振态的图像光。

3.根据权利要求1所述的设备，其中来自所述成像器的所述图像光遍历路径，所述路径包括在入射面处进入所述pbs设备，在所述第一pbs层处向上反射，第一次穿过顶部四分之一波片，在所述第一mems扫描器处向下反射，第二次穿过所述顶部四分之一波片，从而偏振态从第一状态变为第二状态，穿过所述第一pbs层，穿过所述吸收偏振器层，穿过所述第二pbs层，第一次穿过底部四分之一波片，在所述第二mems扫描器处向上反射，第二次穿过所述底部四分之一波片，从而所述偏振态从所述第二状态变为所述第一状态，在所述第二pbs层处横向反射，并且进入所述波导的所述入耦合doe。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述对中的所述mems扫描器被配置为单轴扫描器。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学叠层相对于所述成像器和所述波导显示器被定向，以便减少由入射在所述波导显示器上而没有被所述mems扫描器扫描的图像光引起的所述波导显示器中的重影反射。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述波导显示器包括出射光瞳扩展器，所述出射光瞳扩展器包括多个doe，所述多个doe被配置为在所述fov的水平方向和竖直方向中的每个方向上提供扩展的出射光瞳。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述出射光瞳扩展器包括被配置为将来自所述波导显示器的图像光出耦合到用户的眼睛的出耦合doe。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述波导显示器被配置为近眼显示器。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述第一mems扫描器沿着所述fov的快速扫描轴操作，并且所述第二mems扫描器沿着所述fov的慢速扫描轴操作。

10.一种近眼光学显示器，被配置为在由第一方向和第二方向描述的视场(fov)内显示图像，包括：

11.根据权利要求10所述的近眼光学显示器，其中所述第一方向沿着所述fov的水平轴，并且所述第二方向沿着所述fov的竖直轴。

12.根据权利要求10所述的近眼光学显示器，其中所述至少一个pbs层包括第一pbs层和第二pbs层，并且其中所述至少一个吸收偏振器在光学叠层中被设置在所述第一pbs层与所述第二pbs层之间。

13.根据权利要求12所述的近眼光学显示器，其中所述光学叠层相对于所述入射图像光的传播轴定向为45度。

14.根据权利要求13所述的近眼光学显示器，其中所述入耦合doe的平面与所述入射图像光的所述传播轴正交。

15.根据权利要求10所述的近眼光学显示器，其中所述快速扫描mems扫描器和所述慢速扫描mems扫描器组合操作以分别通过所述fov的快轴和慢轴提供光栅扫描。

16.根据权利要求10所述的近眼光学显示器，其中所述波导显示器还包括：

17.根据权利要求10所述的近眼光学显示器，其中所述图像光由包括激光、发光二极管、激光二极管、有机发光二极管或lcos(硅上液晶)之一的一个或多个源提供，并且所述图像光在入射到所述pbs立方体的所述入射面上时处于所述第一偏振态。

18.根据权利要求10所述的近眼光学显示器，其中所述波导显示器包括：

19.一种用于减少波导显示器中的重影图像的方法，包括：

20.根据权利要求19所述的方法，还包括与所述快速扫描mems扫描器和所述慢速扫描mems扫描器中的每个mems扫描器相邻地设置四分之一波片，其中所述图像光的传播路径包括两次穿过所述四分之一波片中的每个四分之一波片，并且其中在所述两次穿过中的每次穿过完成之后，所述图像光改变其偏振态。

技术总结一种近眼光学显示系统利用紧凑型显示引擎，该紧凑型显示引擎将来自成像器的图像光耦合到具有在两个方向上提供出射光瞳扩展的衍射光学元件(DOE)的基于波导的显示器。显示引擎包括被配置为使用光栅扫描来反射图像光以通过显示系统的视场(FOV)的水平和竖直扫描轴的一对单轴MEMS(微机电系统)扫描器。MEMS扫描器被布置为使得其旋转轴彼此基本成直角，并且与相应的四分之一波长延迟片和偏振分束器(PBS)一起操作以将图像光耦合到波导显示器中的入耦合DOE中，而无需其他光学元件，诸如镜头或中继系统。技术研发人员：S·J·罗宾斯受保护的技术使用者：微软技术许可有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29