薄波导光束重定向器和基于其的显示器的制作方法
1.本公开涉及光学设备，尤其涉及显示系统和模块。
背景技术：
2.头戴式显示器(hmd)、头盔式显示器、近眼显示器(ned)等正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。此类显示器正在包括娱乐，教育，训练和生物医学科学的各种领域中到应用，仅举几个示例。所显示的vr/ar/mr内容可以是三维的(3d)以增强体验并将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。
3.为了提供更好的光学性能，显示系统和模块可以包括大量部件，诸如透镜、波导、显示面板等。因为hmd或ned的显示器通常佩戴在用户的头上，所以大的、笨重的、不平衡的和/或笨重的显示设备将是麻烦的，并且对于用户佩戴来说可能是不舒适的。需要紧凑、轻便并且高效的头戴式显示设备和模块。
技术实现要素：
4.根据本公开，提供了一种用于在二维中重定向光的设备。该设备包括波长可调光源，用于提供包括第一波长处的光谱分量的光；耦合到该波长可调光源的1d重定向器，用于在第一平面中重定向光；第一平面中的低模式波导；以及用于将光耦合到低模式波导中的内耦合器。低模式波导包括耦合到1d重定向器的平板波导部分，用于传播由1d重定向器重定向的光。平板波导部分包括外耦合器，其被配置为以取决于第一波长的角度在第二平面中外耦合重定向光的光谱分量。第二平面不平行于第一平面。
5.平板波导部分可以包括例如支持不多于10个横向传播模式的单模平板波导或少模式平板波导。在一些实施例中，1d重定向器包括微机电系统(mems)光束扫描仪。波长可调光源可以被光学耦合到mems光束扫描仪，并且内耦合器可以被配置为将由mems光束扫描仪重定向的光耦合到平板波导部分中。在一些实施例中，低模式波导包括1d重定向器，并且内耦合器被配置为将由波长可调光源提供的光耦合到1d重定向器中。低模式波导可以包括内耦合器，并且内耦合器可以包括例如被配置为接收由波长可调光源提供的光的布拉格光栅。在一些实施例中，波长可调光源包括波长可调激光器，该波长可调激光器包括用于选择第一波长处的光谱分量的腔内波长选择元件。
6.在低模式波导包括1d重定向器的实施例中，1d重定向器可以包括光学相控阵。光学相控阵可以包括耦合到移相器阵列的可调马赫-曾德尔干涉仪的二叉树。1d重定向器可以包括可调马赫-曾德尔干涉仪的二叉树，耦合到可调马赫-曾德尔干涉仪的二叉树的线性波导阵列，以及耦合到线性波导阵列的准直元件，用于将线性波导阵列的线性波导的横向位置转换成在线性波导阵列的线性波导中传播的光部分的光束角。
7.在一些实施例中，低模式波导包括在光的光路中的1d视场(fov扩展器，其中1d fov扩展器被配置为在多个相连的fov部分之间切换光。1d fov扩展器可以包括可调光束控向设备，该可调光束控向设备包括低模式波导的平板波导部分的液晶(lc)包层部分。低模
式波导可以包括在光的光路中的1d横向扩束器，并且1d横向扩束器可以被配置为增加第一平面中的光的准直部分的宽度。1d横向扩束器可以包括全息图，该全息图被配置为在沿着全息图中的光路的多个位置处反射光的准直部分，使得反射的准直部分在第一平面中比全息图上游的准直部分宽。
8.根据本公开，提供一种用于在角域中提供图像的设备。该设备包括：波长可调光源，用于提供包括第一波长的光谱分量的图像光；以及在第一平面中的低模式波导。低模式波导包括用于将图像光耦合到低模式波导中的内耦合器，耦合到内耦合器用于在第一平面中重定向图像光的1d成像器，以及耦合到1d成像器用于传播由1d成像器重定向的图像光的平板波导部分。平板波导部分包括外耦合器，其被配置为以取决于第一波长的角度在第二平面中外耦合重定向的图像光的光谱分量。第二平面不平行于第一平面。低模式波导可以包括例如支持例如多达10个横向传播模式的单模式波导或少模式波导。
9.根据本公开，还提供了一种用于在角域中提供图像的方法。该方法包括将包括第一波长处的光谱分量的图像光耦合到1d成像器；使用所述1d成像器在第一平面中重定向所述图像光；在设置在所述第一平面中的低模式平板波导中传播由所述1d成像器重定向的所述图像光；以及以取决于第一波长的角度从低模式平板波导外耦合图像光的光谱分量。
10.在一些实施例中，图像光在第一波长处基本上是单的。在一些实施例中，当1d成像器重定向第一平面中的图像光时，第一波长没有被移位，由此在第一平面中重定向的图像光以相同的角度被外耦合。在第一平面中重定向图像光可以包括在第一平面中角度地扫描准直光束。在一些实施例中，图像光包括在多个波长处的多个光谱分量，该多个波长包括第一波长。在第一平面中重定向图像光可以包括在第一平面中提供亮度的角分布，由此图像光在第一平面中在多个方向上同时被重定向，并且以与图像光的多个光谱分量相对应的多个波长的多个角度从低模式平板波导被外耦合。
附图说明
11.现在将结合附图描述示例，其中：
12.图1a是用于在二维中重定向光的设备的3d视图，该设备包括低模式波导；
13.图1b是图1a的低模式波导的侧截面图；
14.图1c是示出由图1a的设备绘制图像的示意图；
15.图2是图1a和1b的设备的示例的系统级框图；
16.图3是图2的设备的近眼显示器示例的示意性正视图；
17.图4a是图3的近眼显示器的光子集成电路(pic)示例的示意性正视图；
18.图4b和4c分别是佩戴图4a的近眼显示设备的人的侧视图和顶视图；
19.图5是包括腔内光谱选择元件的波长可调光源的示意性侧视图；
20.图6a是包括外部动态光谱选择元件的可调光谱光源的示意性侧视图；
21.图6b是与光谱选择元件的透射光谱叠加的光源的输出光谱，用于说明图6a的可调光谱光源的操作原理；
22.图6c是图6a的光源的输出光谱；
23.图7是用于将光耦合到波导中的自由空间光栅耦合器的侧截面图；
24.图8是用于将光耦合到波导中的绝热波导耦合器的侧截面图；
25.图9是本公开的相控阵1d成像器的示意图；
26.图10a是图9的相控阵列1d成像器的pic实现的示意性顶视图；
27.图10b是图10a的pic 1d成像器的马赫-曾德尔干涉仪(mzi)阵列(mzia)的pic实现的示意性顶视图；
28.图10c是图10b的单个mzi的示意性顶视图；
29.图10d是图10a的pic 1d成像器的移相器阵列(psa)的示意性顶视图；
30.图10e是图10a的pic 1d成像器的波导风扇的实现的示意性顶视图；
31.图11是包括蚀刻在波导中的1d透镜的混合1d成像器的示意性顶视图；
32.图12是包括微机电系统(mems)可倾斜反射器的1d扫描仪的自由空间光学(fso)实现的示意图；
33.图13a是基于液晶(lc)包层波导的视场(fov)扩展器的顶部示意图；
34.图13b是图13a的fov扩展器的侧截面图；
35.图14是根据本公开的基于全息图的扩束器的示意性顶视图；
36.图15是具有扩束器的相控阵列1d成像器的pic实现的示意性顶视图；
37.图16是用于说明角散计算的输出波导的侧截面图；
38.图17是用于加宽外耦合器的角散范围的双芯波导的侧截面图；
39.图18是用于加宽外耦合器的角散范围的少模式波导(fmw)的顶视图；
40.图19是基于慢光波导的高散外耦合器的侧截面图；
41.图20a是基于波导光栅和波纹反射器的高散外耦合器的侧截面图；
42.图20b是基于波导光栅和偏振选择性波纹反射器的高散外耦合器的侧截面图；
43.图21a和21b是具有折射率梯度的低模式平板波导的示意性侧视图，用于可变地聚焦或散焦从波导外耦合的图像光；
44.图22是基于倾斜液晶(lc)单元的变焦外耦合器示例的侧截面图；
45.图23是基于楔形泡克耳斯盒(pockels cell)的变焦距外耦合器示例的侧截面图；
46.图24是基于具有掩埋电极的泡克耳斯盒的变焦距外耦合器示例的侧截面图；
47.图25是基于热光效应的变焦距外耦合器示例的侧截面图；
48.图26是用于在角域中提供图像的方法的流程图；
49.图27是利用设定波长下的1d扫描/绘制的图26的方法的变体的流程图；
50.图28是使用同时生成要显示的图像的帧的图26的方法的变体的流程图；
51.图29是具有一对眼镜的形状因子的本公开的增强现实(ar)显示器的视图；以及
52.图30是本公开的虚拟现实(vr)显示器的等距视图。
具体实施方式
53.尽管结合各种实施例和示例描述了本教导，但是本教导并不旨在限于这些实施例。相反，本教导包括各种替代物和等同物，如本领域技术人员将理解的。本文中列举本公开的原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体示例，旨在包括其结构和功能等同物。另外，这些等同物旨在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，而与结构无关。
54.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，除非明确说明。类似地，方法步骤的顺序排序并不暗示其执行的顺序次序，除非明确说明。在图1a、图1b、图2、图3、图4a、图5、图6a、图7-图9、图10a-图10e、图11、图12、图13a、图13b和图14-图25中，相似的附图标记表示相似的元件。
55.近眼显示器(ned)可以使用光瞳复制波导来在显示器的眼盒之上扩展投射图像，即，在正常操作期间，例如当用户佩戴显示器时，在用户眼睛可能位于的区域上扩展投射图像。光瞳复制波导通常是透明材料的平行板，其通过来自波导的顶面和底面的全内反射(tir)以z字形图案传播图像光。这样的波导可能易于产生衍射效应，该衍射效应导致作为场角函数的散，并且通常不适合于弯曲的衬底，并且对于现实世界上近距离的物体呈现重影(ghost image)。
56.根据本公开，单模(sm)或少模(fm)波导(本文统称为“低模”波导)可用于将光传递到眼盒并且形成图像。低模式波导的优点在于，与常规多模光导相比，光与光栅相互作用的频率高出几个数量级。因此，对于每个单个相互作用，光栅的衍射效率可以做得足够小，以减少或消除诸如彩虹的透视假象，并提高显示器的清晰度。另外，单模波导实现对跨眼盒的光分布更精确的控制，这导致更好的均匀性和效率。
57.使用单模波导的挑战在于它仅具有传输1d信息的能力，例如水平分辨率而不是竖直分辨率，反之亦然。例如，可以通过以诸如波长的光的非空间特性编码2d图像的其他分量来克服该限制。用于每个颜通道的波长范围可以做得足够小，以不会显著地减小域。
58.现在参考图1a，设备100提供角域中的图像。图像可以由具有亮度i(α，β)的二维(2d)角分布的光场来定义。角度α，β是定义3d空间中的射线角的图像光的射线角，如图1a所示。更一般地，设备100可用于在二维中或沿着两个非平行平面或表面重定向光，例如用于2d光束光栅化、远程感测、深度感测、lidar应用等。这里，术语“重定向”包括准直光束的光栅化，以及在一维或二维或平面中提供光的瞬时分布。
59.设备100包括光源102、耦合到光源102的1d重定向器104、以及通过耦合器103耦合到1d重定向器104的低模式波导106。低模式波导106包括平板波导部分107。这里，术语“平板波导”表示仅在一维上限制光传播的波导，即垂直于波导平面的竖直方向或z方向，允许光在波导平面中自由传播，例如在图1a的示例中的xy平面中。光源102提供具有可调光谱的光108，该光谱是亮度i(α，β)的期望分布的函数。例如，可调光谱可以具有多个光谱分量；在一些示例中，可以在可调波长处提供一个光谱分量。
60.1d重定向器104接收来自光源102的光108，并且根据亮度i(α，β)的期望分布在xy平面(即，低模式波导106的平面)中重定向(例如，角度地散)光108。在显示应用中，1d重定向器104用作提供一行2d图像的1d成像器。平板波导部分107是单模波导或少模式波导，其被配置用于在xy平面中传播光108，但是限制并引导光沿z轴传播。平板波导部分107包括外耦合器110，其将图像光108以角度外耦合到低模波导106平面(xy平面)，该角度根据光108的光谱分量的波长。在一些示例中，在与低模式波导106的平面(即，xy平面)成角度设置的平面中，单个可调光谱分量可以由外耦合器110以根据其波长的角度外耦合；并且在一些示例中，多个光谱分量以与光谱分量的波长分布相对应的角分布同时或瞬时外耦合。外耦合角度的分布由光108的可调光谱限定。可以控制亮度在x方向和y方向上的角分布，以提供具有亮度i(α，β)的期望分布的角域中的图像，以供观察者直接观察。
61.图1b在侧截面图中示出了低模式波导106的示例。低模式波导106包括支撑薄波导
层114的衬底112，其中光108在薄波导层114中传播。根据波导层114的折射率对比度和厚度，仅有一种模式或几种模式(例如，高达10种模式)可以在薄波导层114中传播。因此，本文中术语“低模式”波导定义为表示支持多达10种不同横向传播模式的波导。光108在波导106的平面(即，xy平面)中传播，但是在z方向上被约束或引导。
62.波长选择外耦合器110取决于波长以不同的角度外耦合图像108。例如，波长λ1处的第一光谱分量121以直角外耦合到低模式波导106，而波长λ2处的第二光谱分量122以锐角外耦合到低模式波导106。选择由光源102提供的光108的光谱组成和波长选择外耦合器110的角散，以便提供亮度i(α，β(λ))的期望角分布。作为非限制性示例，参考图1c，可以形成角域中的整个图像116。图像116由亮度i(α，β(λ))的角分布表示。
63.参考图2，设备200是图1a和1b的设备100的示例实现。图2的显示设备200包括串联光耦合的：光谱可调单模光源202、内耦合器203、1d成像器204，以下可选模块：1d fov扩展器224，1d横向扩束器226和角散增强器228；以及外耦合器210。其它元件也可以包括变焦距调节器230，杂散光滤光器232和分布式温度传感器234。可选的元件以虚线圆角矩形示出。所有或一些元件可以是低模式波导206的一部分，例如，可以形成在低模式波导206中或低模式波导206上。应当注意，低模式波导206可以包括具有线性波导的部分，即在二维中引导光的直的或弯曲的脊型波导，以及平板波导部分，其仅在一维中引导光，即，图2中的z方向，同时允许在xy平面中的自由传播。图2所示的元件的耦合次序可以改变。
64.在操作中，光谱可调单模光源202提供具有可调光谱的图像光208，该可调光谱是如上所述的亮度i(α，β(λ))的期望角分布的函数。耦合器203将图像光208耦合到1d成像器204中。1d成像器204从光源202接收图像光208，并且重定向或角度地散图像光208，扫描图像光208的准直光束等。1d fov扩展器224可以被配置为在多个相连的fov部分之间切换图像光208，以增强或加宽光的扩展。1d横向扩束器226增加xy平面中的图像光的准直部分的宽度，即，加宽低模式波导206的平面中的图像光208的光束，从而增加显示设备200的眼盒的横向尺寸。这里，术语“眼盒”表示可以由显示设备200的用户观察到的可接受质量的图像的几何区域。角散增强器228增加了图像光208的光谱散，以在由波长选择外耦合器210外耦合时达到亮度i(β)的期望的第二1d角分布。变焦调节器230可以调节外耦合的图像光的会聚或发散，以改变所感知的聚焦深度。杂散光滤光器232可以去除或减少不耦合到用户的眼睛而是向外耦合到外部世界的图像光的部分。分布式温度传感器234可以获得跨低模式波导206的温度分布，以提供校正并且操作热驱动光学元件和部件。下面将给出更多细节。
65.参考图3，显示设备300是图1的设备100或图2的设备200的实现。图3的显示设备300是具有一对眼镜311的形状因子的近眼显示设备，具有占据眼镜的透镜区域的模式波导306。图3的显示设备300包括串联光耦合的：光源302、耦合器303、1d成像器304、1d fov扩展器324、1d横向扩束器326、角散增强器328、外耦合器310和变焦距调节器330。可以在低模式波导306中实现所有元件。光源302可以单独设置，如图所示。
66.参考图4a，显示设备400是图1的设备100、图2的设备200或图3的显示设备300的实现。图4a的显示设备400是具有一对眼镜411的形状因子的近眼显示设备，具有实现在波导406的pic部分436中的有源部件/特征。pic部分436可由集成电路(ic)驱动器单元407驱动。显示设备400包括具有可调发射光谱的光源402，光源402经由光纤403耦合到pic部分436。
pic部分436可以包括例如1d成像器和/或1d fov扩展器。形成在lc部分436中的光束408a、408b和408c(统称为408)分别由波导内光学元件426a、426b和426c扩展，这些光学元件具有用于将光束408a、408b和408c准直/重定向到高散输出光栅410的光功率(即，聚焦/散焦功率)。高散输出光栅410的功能是以不同的竖直角度提供图像光408的外耦合，以提供竖直fov，如图4b所示。图4c所示的水平fov由扩展波导406的平面内的图像光408的pic部分提供。
67.现在将考虑图1、图2、图3和图4a中描绘的不同模块的各种实现。
68.首先参考图5，可调激光源502可用作本公开的显示设备的波长可调光源。可调激光源502包括由一对反射镜501形成的光学腔、增益介质504和波长选择腔内元件506，该波长选择腔内元件506在增益介质504的增益谱带内具有可调的透射峰。波长选择元件506的透射峰可以与扫描准直光束508的1d角协同扫描，以提供显示设备所需的2d fov，例如由光束扫描提供的水平fov和由可调激光源502的输出波长扫描提供的竖直fov。
69.转到图6a，可调光谱光源602可用作针对本公开的显示设备的波长可调光源。可调光谱光源600包括耦合到具有动态光谱滤光器606的宽带光源604，动态光谱滤光器606具有可选任意光谱形状。宽带源604的发射光谱630在图6b中示出，其中它与动态光谱滤光器606的示例宽带光谱形状632或动态光谱滤光器606的示例窄带(单波长)光谱形状633重叠。
70.动态光谱滤光器606可以被配置为独立地调整单个或多个相邻窄光谱带或通道的传输。例如，动态光谱滤光器606可以根据显示设备的输出处的亮度的期望角分布来调整宽带光谱形状632的形状。在一些示例中，窄带光谱形状633可以在波长上被扫描，这导致输出光束根据显示设备的外耦合器的散函数被角度地扫描。
71.得到的输出光谱如图6c所示。例如，宽带光谱形状632产生宽带发射光谱634，并且窄带光谱形状633相应地产生窄带发射光谱635，发射波长由动态光谱滤光器606可调。
72.参考图7，自由空间光栅耦合器703可用于将来自可调光谱光源702a(诸如图5的可调激光源502或图6a的可调光谱光源602)的光耦合到本文公开的显示器的波导或pic中。自由空间光栅耦合器703包括多个光栅线705，光栅线705接收图像光708并将图像光708耦合到波导706的芯707中。光栅线704彼此平行地延伸并且可以是直的或弯曲的，例如可以具有垂直于图7的平面延伸的同心圆弧部分的形状。同心圆弧形提供图像光708的聚焦，使其模式尺寸与可在波导706的芯707中传播的光学模式709的尺寸匹配。
73.转到图8，波导耦合器803可用于将来自可调光谱、基于波导或光纤耦合的光源的光耦合到本公开的显示器的波导或pic中。波导耦合器803包括锥形部分836，其中源光纤802的锥形芯813靠近并且平行于具有波导芯807的波导806的锥形波导芯805设置。锥形部分836可以足够长以确保光能量从源光纤802到波导806的波导芯807的绝热转变。
74.参考图9，相控阵1d成像器904是图1的1d重定向器/成像器104、图2的1d成像器204或图3的1d成像器304的示例。图9的相控阵列1d成像器904包括1
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n功率分配器920，耦合到功率分配器920的n个移相器922，以及耦合到移相器922的n个线性波导发射器924的阵列。在整个说明书中，术语“线性波导”表示在二维上限制光传播的波导，例如光导线。线性波导可以是直的、弯曲的等；换句话说，术语“线性”并不意味着直的波导部分。线性波导的一个示例是脊型波导。相控阵列1d成像器904的所有元件可以在包括平板波导部分907的低模式波导906中实现。例如，数目n可以在4和16000之间变化。
75.在操作中，内耦合器，例如自由空间光栅耦合器703，接收来自波长可调激光源的图像光908(图9中未示出)，并将图像光908耦合到功率分配器920中。功率分配器920在低模式波导906的n个线性波导921之间分配图像光908，每个线性波导921承载图像光908的一部分。每个图像光部分基于控制器926提供的控制信号，由相应的移相器922移相或延迟。图像光部分由n个线性波导发射器924的阵列发射，具有与期望光束角度θ相对应的相位分布，形成具有相位波前921的输出光束919。输出光束919在平板波导部分907中传播。在一些示例中，922中的相位分布可以被控制以抑制除一个衍射级之外的所有衍射级，使得所有能量被集中到单个经控向的光束中。
76.转到图10a，pic相控阵列1d成像器1004是图9的相控阵列1d成像器904的示例实现。图10的pic相控阵列1d成像器1004包括作为分配器920操作的马赫-曾德尔干涉仪阵列(mzia)1020，耦合到mzia 1020的pic移相器阵列(psa)1022，以及耦合到pic移相器阵列1022的波导集中器1024。波导集中器1024的输出线性波导1030的末端作为发射在平板波导部分的平面(图10a中的xy平面)中自由传播的光的天线924(图9)操作，同时保持约束在垂直于平板波导的方向(图10a中的z方向)上。
77.mzia 1020可以包括无源y分配器和/或有源马赫-曾德尔干涉仪(mzi)1021的二叉树，如图10b所示。每个mzi可以包括如图10c所示的倏逝耦合器1026的一个输入端1023和两个输出端1033、1034，或者两个输入端(其中一个是空闲的)和两个输出端，这两个输入端和输出端是由倏逝耦合器在两个位置处耦合的两个波导部分。mzia 1020的功能是将图像光分成n个部分。在使用无源y分配器的示例中，psa 1022可用于扫描准直光束。在使用有源mzi的实现中，如果需要，mzi(图10c)的两个分支中的至少一支中的移相器1027可用于将输出处的光功率分布控制为不相等的光功率，例如，以提供所扫描的准直光束的变迹(apodization)，或者甚至创建完全期望的1d角轮廓。
78.参考图10d，移相器阵列1022可以包括多个移相器1027，移相器1027为其中传播的光提供可控量的相移或延迟。移相器1027可以是例如基于热光效应的热光移相器，基于泡克耳斯效应和/或克尔效应的电光移相器，和/或基于半导体中的电吸收效应的电吸收移相器，并且相应地可以根据需要包括波导上的加热器和/或电极。
79.转到图10e，波导集中器1024包括扇入或扇出以实现所需输出间距的波导阵列。通常，输出间距需要足够小以实现大的fov。fov近似等于发射波长与输出线性波导1030的间距之比。
80.参考图11，混合1d成像器1104是图1的1d重定向器104、图2的1d成像器204或图3的1d成像器304的示例实现。图11的混合1d成像器1104包括mzia 1120、耦合到mzia 1120的波导集中器1124、以及耦合到在低模式波导1106中实现的波导集中器1124的fov准直器4136。mzia 1120用作1
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n分配器或开关，其中n是输出mzia波导1129的数量。mzia 1120可以包括例如用于在n个线性输出波导之间切换图像光1108的马赫-曾德尔开关的二叉树。波导集中器1124使其输出线性波导1130比输出mzia波导1129更靠近在一起。波导集中器1124的输出线性波导1130的末端设置在fov准直器1136的焦平面处，该焦平面位于少模式波导1106的平板波导部分1107中。fov准直器1136是远离波导集中器1124的输出线性波导1130的末端一个焦距设置的准直元件。fov准直器1136的功能是将波导集中器1124的输出线性波导1130的末端的位置或y偏移转换成在平板波导部分1107中传播的相应输出光束1119的光束
角。换句话说，fov准直器1136作为偏移-角度光学元件操作，将承载图像光1108的一部分的输出波导1130中所选择的一个波导的偏移或y-位置转换成源自在所选择的输出波导中传播的图像光部分的输出光束1119的角度。
81.fov准直器1136可以是单个元件，例如透镜或反射镜，或者可以包括多个透镜1138、1140，如图11所示。透镜1138、1140可以通过蚀刻形成在低模式波导1106中，并且可以具有折叠配置，例如薄饼透镜配置(pancake lens configuration)。输出光束1119可以在波导的平面(xy平面)中再成形、聚焦、准直等，同时保持由平板波导部分1107引导，即，同时保持在z方向上受限。透镜表面可以包括多个具有次波长周期性的锥形1141，以便于波导的蚀刻和未蚀刻部分之间的绝热转变，并且这样做防止平面外光散射。
82.参考图12，自由空间光学(fso)1d扫描仪1204包括具有可倾斜反射器1245和柱面透镜1246的微机电系统(mems)光束扫描仪1244。在操作中，诸如波长扫描的激光源1202的多波长光源以可调的(例如线性扫描的)发射波长发射光束1208。光束1208被柱面透镜1203聚焦到mems可倾斜反射器1245上。柱面透镜1246用作接收由mems光束扫描仪1244扫描的图像光1208并将图像光1208耦合到低模式平板波导1207的耦合器。例如，柱面透镜1203可以是折射的或衍射的。可以使用其它类型的耦合器，例如反射镜。mems可倾斜反射器1245以可变角度反射光束1208，如双头箭头所示。柱面透镜1246在xz平面中具有聚焦能力，而在在xy平面中基本上没有聚焦地传播光束1208。柱面透镜1246将光束1208聚焦到低模式平板波导1207的边缘上或形成在低模式平板波导1207中的光栅耦合器上。光束1208被耦合到低模式平板波导1207中，并且在xy平面中在低模式平板波导1207中自由传播，被限制在竖直于低模式平板波导1207的平面的z方向上。为了有效耦合，柱面透镜1246需要精确地平行于低模式平板波导1207。
83.转到图13a和13b，液晶(lc)1d fov扩展器1324是图2的1d fov扩展器224和图3的1d fov扩展器324的示例。图13a和13b的lc 1d fov扩展器1324包括具有芯1307的平板波导1306，用于在芯1307中引导图像光1308，同时允许图像光1308在xy平面中自由地传播，如图所示。顶部包层1337包括可调包层部分1339，1340，其倏逝地耦合到平板波导1306的芯1307，并被成形为使在平板波导1306的芯1307中传播的光偏离可控量。在图13a所示的示例中，可调包层部分1339，1340在xy平面中具有锯齿形，例如三角形阵列，如图13a所示。该阵列关于平板波导1306的芯1307中的图像光的光路横向延伸。至少一些三角形可调包层部分具有以相对于在图13a中的水平箭头表示的光路的锐角延伸的侧面1339a、1340a。可以在可调包层部分1339、1340之下提供底层1338(图13b)，以避免可调包层部分1339，1340和波导芯1307之间的直接接触。底层1338可以足够薄以确保在芯1307中传播的光与可调包层部分1339、1340的倏逝耦合。
84.顶部包层1337的可调包层部分1339、1340包括液晶(lc)lc材料，其在向可调包层部分1339、1140施加电场时改变其对于特定偏振的光的折射率。当顶部包层1337的lc可调包层部分1339、1140的折射率改变时，平板波导1306的有效折射率也改变，由于lc可调包层部分1339、1140的倾斜表面上的菲涅耳折射，导致图像光1308偏离原始传播方向。偏差的幅度取决于倾斜面的角度和lc可调包层部分1339和1340的竖直间距(沿y方向)。沿方向1349和1350上的能量分布取决于lc可调包层部分1339和1340的切换状态，其可以以二进制模式，接通/关断操作。当lc可调包层部分1339和1340不是连续可调时，lc可调包层部分1339
和1340的每个阵列可以使1d fov偏移离散量。因此，m个lc元件的级联将产生2m个1d fov偏移的组合。通过激励不同的三角形lc可调包层部分1339、1340，图像光1308可以以不同的角度偏移。例如，激励较大的三角形形状1339使图像光1308偏离以如1349所示的角度传播，而激励较浅的三角形形状1340使图像光1308偏离以如1350所示的较陡的角度传播。具有不同偏离角度的lc部分的更多阵列可以实现更精确的角度控制。当lc可调包层部分1339、1340的不同三角形形状与操作1d成像器或扫描仪协调地被激励时，图像光在多个相连的fov部分之间切换，使得有效的可控光扩展和相关联的水平fov能够被扩展或增强。
85.参考图14，全息扩束器1426包括在低模式平板波导1406中的全息图1456，该低模式平板波导1406使得图像光能够在平板波导1406的平面中二维传播，即在xy平面中。全息图1456被配置为接收包括至少一个准直光束部分(例如，彼此成角度地传播的第一(1451；虚线)和第二(1452；虚线)准直光束部分)的图像光1408，并且在全息图1456中沿准直光束部分的光路的多个位置处反射每个准直光束部分。例如，第一准直光束部分1451在多个位置1451a，1451b，1451c以第一角度反射，产生第一输出光束(1461；点线)；第二准直光束部分1452在多个位置1452a、1452b、1452c以第二角度反射，产生第二输出光束(1462；虚线)。任何其它光束以第一角度和第二角度之间的光束角反射，在第一输出光束1461和第二输出光束1462的方向之间的多个方向上传播。为此，全息图1456可以包括多个条纹，这些条纹被配置为根据撞击的光束角度确保在期望的方向上的反射。从图14可以看出，这种反射几何形状导致光束1451、1452的扩展。
86.转到图15，宽光束pic相控阵列1d成像器1504类似于图10a的pic相控阵列1d成像器1004，但是在mzia 1520和psa 1522(图15)中包括更多的线性波导。输出波导阵列耦合器或扩束器1524类似于集中器1024，但包括更多的输出线性波导1530，例如跨越5mm；10mm；或15mm横向距离的10000个；20000个；30000个或更多个波导，视情况而定。输出光束可以与线性波导1530阵列的宽度一样宽，因此可以不需要任何后续的光束扩展和准直以在近眼显示器的眼盒上扩展输出光束，简化了整体设计。
87.现在参考图16，平板波导1606支撑衍射光栅1661，用于衍射出在平板波导1606的xy平面中传播的图像光1608的一部分。衍射光栅1661的k向量与图像光1608的k向量的x分量对齐。图像光1608的衍射角θ遵循以下等式
[0088][0089]
其中n是折射率，t是光栅周期，λ是传播介质中光的波长。因此，
[0090][0091]
其中n
gr
，是折射率。在具有小散的规则波导中，n
gr
＝n，因此，
[0092][0093]
从等式(3)中可以看出，在正入射和t=λ/n时，
[0094]
[0095]
对于n＝2，波长范围为510nm至530nm。根据本公开，可以通过增大衍射角θ来在一定程度上增大角度范围。例如，通过将光栅间距减小到180nm，可以实现衍射角dθ到14.4度的范围。
[0096]
例如通过使用多层输出波导可以增加角散范围。参考图17，双芯平板波导1706在xy平面中延伸。双芯平板波导1706包括第一芯1707和第二芯1757，该第一芯1707和第二芯1757在分别由第一包层1705和第二包层1755包围的衬底1736的xy平面中彼此平行延伸。第一芯1707和第一包层1705被配置用于图像光的第一光束(实线箭头；1708)的单模传播。类似地，第二芯1757和第二包层1755被配置用于图像光的第二光束(虚线箭头；1758)的单模传播。
[0097]
第一芯1707和第二芯1757具有分别形成在第一芯1707和第二芯1757之中或之上的第一衍射光栅1710和第二衍射光栅1760。第一衍射光栅1710被配置为以取决于第一波长的第一角度外耦合重定向的图像光的光谱分量。第一角度在与所使用的波长可调光源的可调范围相对应的第一角度范围内。类似地，第二衍射光栅1760被配置为以不同于第一角度的第二角度外耦合重定向的图像光的光谱分量。第二角度在与波长可调光源的可调范围相对应的第二角度范围内。
[0098]
对于由第一光束1708和第二光束1758表示的图像光的相同波长，通过改变芯1707和1757的厚度或折射率，包层1705和1755的折射率，或衍射光栅1710和1760的间距，可以获得来自双芯波导1706的不同芯1707，1757的衍射的不同角度和角度范围。为了简化制造，可以将单个光栅蚀刻到第一芯1707层中，并且第二芯1757层或任何后续层可以简单地通过定向材料沉积来再现该光栅。在后一种情况下，可通过改变层的厚度并因此改变有效折射率来调节fov。
[0099]
不同的衍射角可以用于通过从分离的层平铺较小的角度范围来扩展相应的“竖直”1d fov。这里，术语“竖直”是指通过在低模式波导的平面(即，xy平面，称为“水平”)中重定向图像光来与1d fov区分开。应当注意，本文中的术语“水平”和“竖直”仅指用于区分平面内1d fov和波长散1d fov的差异器，并不意味着使用时器件的实际取向。例如，可以使用马赫-曾德尔干涉仪和定向耦合器来实现第一芯1707和第二芯1757之间的切换。下面将进一步提供关于可能的切换配置的更多细节。
[0100]
转到图18，角散模块1828提供增强的图像光的波长散以获得所需的竖直1d fov。角散模块1828包括串联耦合的：耦合到竖直模式转换器1821的mzia 1820，例如非对称定向耦合器，接收来自竖直模式转换器1821的光的多模干涉(mmi)耦合器1851，以及接收来自mmi耦合器1851的光的少模式平板波导部分1856。可以在少模式平板波导部分1956的芯中传播的图像光的横向传播模式的数目可以是例如2、3、4、5或6，或者更一般地不多于10个模式。设置在少模式平板波导部分1856的芯中或芯上的衍射光栅1807作为外耦合器操作，以取决于波长的角度外耦合图像光。衍射光栅1807被配置为以取决于光谱分量的波长的角度外耦合重定向的图像光的每个光谱分量。外耦合角在与所使用的波长可调光源的可调范围相对应的外耦合角范围内。外耦合角范围对于少模式平板波导部分1856的不同横向传播模式是不同的，因为每个传播模式具有不同的有效折射率。
[0101]
最初，仅图像光的基本模式由内耦合器1803耦合到mzia 1820中。mzia 1820用作1
×
n光开关，在其输出波导之间切换图像光。在每个mzia 1820输出波导的末端，图像光被竖
直模式转换器1821转换成不同的竖直模式。使用mmi耦合器1851将来自所有波导的图像光组合成少模式平板波导部分1956。以这种方式，平面内图像编码器布局(即，上面参考图9-15公开的水平1d成像器电路系统)可以在fmw 1856中的图像光的不同传播模式之间共享。
[0102]
不同的竖直模式具有不同的有效折射率，因此，对于相同的波长，将在衍射光栅1807处以不同的角度衍射。整个竖直1d fov可以使用分离模式的衍射范围以时序方式被扩展，即，切换到提供相应的竖直1d fov部分的特定芯，然后切换到提供不同竖直1d fov部分的另一芯，等等，直到覆盖所有竖直1d fov。mmi耦合器1851可以使用物理设计软件通过定义优化函数(也称为优值(merit)函数)来针对竖直模式的所需耦合进行优化，以具有表示针对具有预先定义的竖直坐标的每个竖直模式的mmi耦合器的光插入损耗的操作数，并且让物理设计软件运行优化。
[0103]
图18的耦合配置，即耦合到耦合到mmi 1851的垂直竖直模式转换器1821的mzia 182，可用于将由内耦合器1803接收的图像光耦合到支持若干竖直模式的任何波导部件的不同竖直模式。这种配置可以用于例如将图像光耦合到图17的双芯平板波导1706的芯中。在双芯平板板波导1706的情况下，可以仅使用一个作为1
×
2光开关操作的马赫-曾德尔干涉仪来代替mzia 1820。多芯平板波导可以包括多个芯，并且图18的耦合配置可以用于将图像光耦合到多芯平板波导的任何芯中。
[0104]
参考图19，角散增强器1928基于在xy平面中延伸并支撑具有衍射光栅结构1910的包层1905的慢光平板波导1906，用于从慢光波导1906外耦合图像光。慢光波导1906可以包括均匀的2d光子晶体、多层结构或两者的组合，用于将速度折射率增加20倍，例如，或至少增加10倍。然后，从等式(2)-(4)可以看出，对于20的减慢因子，fov可以增加十倍，例如从4.4度增加到44度。在一些示例中，慢光波导2006可以包括线性光子晶体波导的阵列。
[0105]
参考图20a，角散增强器2028a包括具有设置在xy平面中的平板波导部分2056的低模式波导2006，以及由平板波导部分2056支撑的波纹反射器2070a。承载在其光谱中编码的图像信息的图像光2008在平板波导部分2056中传播。平板波导部分2056中的衍射光栅2010(例如，布拉格光栅)以相对于平板波导部分2056中的图像光2008的传播方向超过90度的不同角度外耦合图像光2008的不同光谱分量。例如，第一光谱分量2081以第一角度θ1外耦合，而第二光谱分量2081以较大的第二角度θ2外耦合。波纹反射器2070a将由衍射光栅2010衍射的图像光2008的第一光谱分量2081和第二光谱分量2082反射通过平板波导部分2056并且反射到低模式波导2056的外部。
[0106]
当图像光2008几乎直接向后外耦合，即角度θ接近180度时，外耦合的图像光2008的角散最大。例如，假设折射率为2的规则波导光栅，如果平均衍射角θ为零，则波长从510nm改变到530nm引起4.4
°
偏移，但是如果平均衍射角θ为～65
°
，则引起14
°
偏移。在这种配置中，衍射光栅2010向后外耦合图像光2008，以最大化角散，并且因此增加显示器的fov。波纹反射器2070a可以包括多个棱镜2072，这些棱镜具有由平板波导部分2056支撑的反射涂层2074，这些反射涂层使图像光2008在垂直于平板波导部分2056的方向上重定向，以确保中心场角垂直于平板波导部分2056，即，平行于z轴。作为非限制性示例，反射层2074可以由以下各项中的任一项或其组合制成：(1)用于全内反射(tir)的低折射率材料，(2)形成半反射镜的薄金属层，或(3)窄谱多层反射镜涂层或反射偏振器，诸如线栅偏振器或双亮度增强膜(dbef)。
[0107]
转到图20b，角散增强器2028b是图20a的角散增强器2028a的偏振选择性示例。在图20b的角散增强器2028b中，波纹反射器包括偏振选择反射器2070b，其被配置为反射第一偏振的光并且透射与第一偏振正交的第二偏振的光。角散增强器2028b还包括四分之一波长波片(qwp)2076，其被平板波导部分2056支撑在平板波导部分2056的与偏振选择反射器2070b相对的一侧上。qwp 2076被配置为接收由偏振选择反射器2070b反射的图像光分量2081，2082。图像光分量2081、2082处于第一偏振状态。
[0108]
衍射结构2078(例如，反射表面浮雕衍射光栅)，由qwp 2076支撑并且被配置为将传播通过qwp 2076的图像光分量2081、2082反射回来，以第二次传播通过qwp 2076，将图像光分量2081，2082的偏振从第一偏振转换为第二偏振。然后，分量2081、2082传播通过平板波导部分2056，并通过偏振选择反射器2070b，该偏振选择反射器2070b使它们透射通过，因为它们处于第二偏振状态。衍射结构2078的目的是进一步增加图像光2008的角散。
[0109]
参考图21a和21b，图示了外耦合的图像光的变焦调节(即，调节会聚/发散)的原理。图21a中的低模式平板波导部分2156a包括具有均匀折射率的光栅外耦合器。图像光分量2108竖直地外耦合，即垂直于平板波导部分2156a的平面，作为聚焦在无限远的平行光束。图21b中的平板波导部分2156b包括具有可控的非均匀折射率的光栅外耦合器，以使图像光分量2108竖直地，即，竖直于平板波导部分2156b的平面外耦合，如图所示，在等于光栅外耦合器的光功率(聚焦功率)的倒数的焦距处作为聚焦光束会聚。假设眼盒2112的期望尺寸为16mm，则需要0.008的折射率增量来将来自平板波导部分2156b的图像光分量2108聚焦到距眼盒2112两米远的焦斑2185中。为了实现该聚焦功能，光栅外耦合器的有效折射率n
eff
在穿过眼盒2112时需要从0.004线性变化到-0.004。该原理可用于本文考虑的任何散增强器中。对于具有共振结构的散增强器。堆叠体中材料的物理折射率的任何变化将产生较大的n
eff
变化。因此，由于沿外耦合器的折射率的变化，便于聚焦或散焦。下面参考图22至25考虑基于该原理的变焦调节器的说明性示例。
[0110]
首先参考图22，变焦调节器2230包括用于传播光(例如，图像光2208)的低模式平板波导部分2256。平板波导部分2256包括外耦合器2210(例如，brag光栅)，其被配置为以与平板波导部分2256的xy平面成角度地外耦合图像光2208。液晶(lc)单元2288倏逝地耦合到平板波导部分2256。选择平板波导部分2256的上包层2287的厚度，使得在模式平板波导部分2256的芯中行进的图像光2208的导模2290的尾部与lc单元2288重叠，通过支撑lc单元2288的上包层2287到达lc单元2288的lc层2289。lc层2289设置在一对电极2283之间。导模2290与lc单元2288的lc层2289重叠。
[0111]
lc单元2288限定了在平板波导部分2256中传播的图像光2208的导模2290的有效折射率。有效折射率n
eff
在低模式平板波导2256中的图像光2208的传播方向(即，图22中的x方向)上变化。变化的有效折射率n
eff
使得外耦合的图像光2208部分的方向沿x轴变化，这使得外耦合的图像光2208聚焦或散焦，如上面参考图21a和21b所述。可以选择上包层2287(图22)的厚度分布，使得lc层2289的折射率的变化将导致传播波导模式2290的有效折射率n
eff
的线性变化。这将导致外耦合的图像光2208被聚焦或散焦。变化的绝对值以及由此的焦距可以由施加到lc单元2288的电压控制。上包层2287的厚度分布可以是线性的，即，lc单元2288可以与平板波导部分2256形成锐角，从而改变波导模式2290的有效折射率n
eff
。
[0112]
通过向lc单元2288施加电压来改变lc层2289的折射率。如上所述，这使得外耦合
的图像光2208的传播方向沿着平板波导部分2256中的图像光2208的传播方向(即x方向)变化，从而使得外耦合的图像光2208在xz平面中发散或会聚。通过改变所施加的电压，可以控制外耦合的图像光2208的发散/会聚(统称为“发散”)。在一些示例中，lc单元2288可以平行于平板波导部分2256，并且可以被像素化以赋予沿着图像光2208的传播方向(即，沿着x方向)的折射率变化分布。
[0113]
现在参考图23，变焦距调节器2330包括用于传播光(例如，图像光2308)的低模式平板波导部分2356。平板波导部分2356包括芯层2307和外耦合器2310，外耦合器2310被配置为与平板波导部分的平面成角度地外耦合图像光2308。芯层2307由具有折射率取决于所施加电场的材料制成。例如，芯层2307可以由linbo3、aln、sic或具有高电光系数的其它材料制成。
[0114]
电极2383设置在芯层2307的上方和下方，用于向芯层2307施加电场2386。电极2383可以彼此成锐角设置，形成楔形。当向电极2383施加电压时，电场2386在空间上沿着平板波导部分2356的芯2307中的图像光2308的传播方向(即沿着x方向)变化。这使得从平板波导部分2356外耦合的图像光2308的方向沿着光在低模式平板波导中的传播方向变化，有效地使得外耦合的图像光2208在xz平面中发散或会聚。通过改变所施加的电压，可以以可控的方式改变外耦合的图像光2308的会聚/发散程度。
[0115]
折射率的空间调制可以由dc或ac电场来实现，该dc或ac电传播通过穿过平板波导部分2356的材料和光学模式2390。根据折射调制所需的晶轴和元件设计，电极可以分别放置在上/下包层的上方/下方，或者仅放置在这些层中的一个层中。在电极将波导的芯夹在中间的情况下，电场2386将如图23所示竖直延伸。可以通过改变电极2382之间的距离来指定沿着图像光2308(它是需要被控制以实现聚焦的一个)的传播的电场2386的相对幅度。较大的距离将产生较弱的电场2386。通过这样做，可以嵌入与局部折射率变化成比例相关的预先确定的楔形轮廓电场2386。当施加的电压v＝0时，图像光2308被准直(即，图像在无穷远处)。当施加的电压v增加时，系统的焦平面将变得更近。
[0116]
在图24的变焦距调节器2430中应用类似的原理，其中电场2486平行于少数模式平板波导2456的芯层2407。电场2486的这种取向由浮动电极2482限定，该浮动电极2482沿图像光2408在可施加电压v的一对端电极2485之间的低模式平板波导2456中的传播方向延伸。浮动电极2482被设置成提供电场2486的幅值分布，该电场2486的幅值分布与用于聚焦外耦合的图像光2408所需的折射率分布相匹配。在一些示例中，可以提供一组独立控制的电极以更好地控制电场2486的幅值分布。
[0117]
现在参考图25，变焦距调节器2530包括支撑光栅结构2510的低模式平板波导部分2506，该光栅结构2510包括具有第一折射率的光栅条纹2511的阵列，并且被具有第二折射率的单个光栅条纹2510之间的衬底2512包围。光栅结构2510从低模式平板波导部分2506外耦合图像光2508。第一折射率或第二折射率中的至少一个折射率是可调的，以提供第一或第二折射率中的至少一个的梯度，用于由外耦合器从平板波导部分外耦合的图像光2508的聚焦或散焦。为此，加热元件2570的阵列可以耦合到波导2506，用于向光栅结构2510提供非均匀的，空间选择性的加热。空间选择性加热产生折射率梯度，其可以修改针对图像光2508的局部衍射角，从而使得从波导2506外耦合的图像光2508能够聚焦或散焦。作为非限制性示例，为了实现针对16mm眼盒长度的1m焦距，对于有效折射率，需要最大δn＝0.008如果使
用慢光波导代替波导2506，该数量将成比例地变小。在一些示例中，衬底2510可以包括液晶(lc)层，以通过用所施加的电场调谐lc层来提供所需的折射率梯度。由于其中折射率被修改的层很薄，它将仅影响显示光路，而不影响透视光路。
[0118]
参考图26并进一步参考图1a，用于在角域中提供图像的方法2600(图26)包括将包括第一波长处光谱分量的图像光(例如，图1a中的光108)耦合(2602)到使用内耦合器(例如，内耦合器103)的1d重定向器/成像器。可以使用本文公开的任何水平fov 1d重定向器/成像器重定向图像光，例如，图9的相控阵1d成像器904，其包括图10a到10e的任何pic示例，图11的混合1d成像器1104，或图12的fso 1d扫描仪1204。1d成像器在第一平面中(例如，在图1a中的xy平面(其为低模式平板波导部分107的平面))重定向图像光(2604)。由1d成像器重定向的图像光108在低模式平板波导部分107中传播(2606)。第一波长处的光谱分量由外耦合器110(例如，本文考虑的任何光栅外耦合器)以取决于第一波长的角度从低模式平板波导外耦合(2608)。低模式平板波导部分可以包括单模平板波导或少模式(不大于10个模式)平板波导。
[0119]
转到图27，方法2700是图26的方法2600的示例。例如，图27的方法2700使用图像光的单可调源(诸如图5的可调激光源502)。方法2700包括设置(2702)单可调源的发射波长，并且在xy平面中重定向(2704)耦合到1d成像器中的图像光。换句话说，当1d成像器在第一平面中重定向图像光时，可调光源的波长不偏移，由此在第一平面中重定向的图像光以相同的角度外耦合。然后，设置下一波长(2706)，并以与所显示图像的像素的期望亮度相对应的光源的输出功率的其自身的值来重复该过程。在xy平面中的重定向包括在xy平面中角度地扫描(2708)准直光束，或同时形成亮度的角分布(2710)。
[0120]
现在参考图28，方法2800是图26的方法2600的示例。图28的方法2800使用可调光谱光源，例如，图6a的可调光谱光源602。图28的方法2800包括使用可调光谱光源以提供(2802)图像光，该图像光具有与要显示的图像的竖直fov相对应的多个光谱分量。通过在xy平面中提供亮度的角分布，在xy平面中重定向(2804)具有多个光谱分量的图像光，这可以通过扫描(2808)或形成瞬时角分布(2810)来实现。角度分散的多波长图像光从低模式平板波导外耦合(2806)，其角分布与图像光的光谱组成相对应。
[0121]
转到图29，增强现实(ar)近眼显示器2900包括具有一对眼镜的形状因子的框架2901。框架2901为每只眼睛支撑光引擎2908，该光引擎2908包括本文描述的可调光谱光源，以及光耦合到光引擎2908的低模式(即，本文公开的单模或少模式波导2910)。ar近眼显示器2900还可以包括眼睛跟踪照相机2904、多个照明器2906和眼睛跟踪照相机控制器2907。照明器2906可以由波导2910支撑，用于照明眼盒2912。光引擎2908提供具有代表竖直1d fov的光谱的光束，以投射到用户的眼睛中。波导2910接收光束并在眼盒2912之上扩展光束。水平1d fov可以由本文公开的1d成像器提供，例如，图4a的基于pic的成像器436、图9的相控阵1d成像器904、图1的混合1d成像器1104或图12的基于mems的扫描仪1204。
[0122]
眼睛跟踪照相机2904的目的是确定用户双眼的位置和/或取向。一旦知道了用户眼睛的位置和取向，就可以确定注视会聚距离和方向。可以动态地调整所显示的图像以考虑用户的注视，以使用户更好地逼真地沉浸在所显示的增强现实景物中，和/或以提供与增强现实交互的特定功能。在操作中，照明器2906在相应的眼盒2912处照亮眼睛，以使眼睛跟踪照相机能够获得眼睛的图像，以及提供参考反射(即，闪烁)。闪烁可以用作捕获的眼睛图
像中的参考点，通过确定眼睛瞳孔图像相对于闪烁图像的位置来便于眼睛注视方向确定。为了避免用照明光分散用户的注意力，可以使照明光对用户不可见。例如，红外光可用于照亮眼盒2912。
[0123]
眼睛跟踪照相机控制器2907的功能是处理由眼睛跟踪照相机2904获得的图像，以实时确定用户双眼的眼睛注视方向。在一些示例中，图像处理和眼睛位置/取向确定功能可以由ar近眼显示器2900的中央控制器(未示出)来执行。中央控制器还可以根据所确定的眼睛位置、眼睛取向、注视方向、眼睛聚散度(eyes vergence)等向光引擎2908提供控制信号。
[0124]
现在参考图30，hmd 3000是ar/vr可佩戴显示系统的示例，该系统包围用户的面部，用于更大程度地沉浸到ar/vr环境中。hmd 3000的功能是用计算机生成的图像来增强物理，现实环境的视图，或者生成完全虚拟的3d图像。hmd 3000可包括前主体3002和带3004。前主体3002被配置为以可靠和舒适的方式放置在使用者的眼睛前方，并且带3004可以被拉伸以将前主体3002固定在使用者的头部上。显示系统3080可以设置在前主体3002中，用于向用户呈现ar/vr图像。前主体3002的侧面3006可以是不透明的或透明的。
[0125]
在一些示例中，前主体3002包括定位器3008和用于跟踪hmd 3000的加速度的惯性测量单元(imu)3010，以及用于跟踪hmd 3000的位置的位置传感器3012。imu 3010是基于从一个或多个位置传感器3012接收的测量信号生成指示hmd 3000的位置的数据的电子设备，位置传感器3012响应于hmd 3000的运动生成一个或多个测量信号。位置传感器3012的示例包括：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、检测运动的另一种合适类型的传感器，用于imu 3010的误差校正的一种类型的传感器，或其们的某种组合。位置传感器3012可以位于imu 3010的外部、imu 3010的内部，或其某种组合。
[0126]
定位器3008由虚拟现实系统的外部成像设备追踪，使得虚拟现实系统可以跟踪整个hmd 3000的位置和取向。由imu 3010和位置传感器3012生成的信息可以与通过跟踪定位器3008获得的位置和取向比较，以提高hmd 3000的位置和取向的跟踪精确度。当用户在3d空间中移动和转动时，精确的位置和取向对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。
[0127]
hmd 3000还可以包括深度相机组件(dca)3011，其捕获描述围绕hmd 3000的一些或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，dca 3011可以包括激光雷达(lidar)或类似设备。深度信息可以与来自imu 3010的信息比较，用于更好地精确确定hmd 3000在3d空间中的位置和取向。
[0128]
hmd 3000还可以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3014。所获得的眼睛的位置和取向还允许hmd 3000确定用户的注视方向并相应地调整由显示系统3080生成的图像。在一个示例中，确定聚散度(即，用户眼睛注视的会聚角度)。所确定的注视方向和聚散度角度还可以用于实时补偿取决于视角和眼睛位置的视觉假象。此外，所确定的聚散度和注视角度可以用于与用户交互、突出对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频系统，其包括例如内置于前主体3002中的一组小扬声器。
[0129]
本公开的实施例和示例可包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实系统在呈现给用户之前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，平衡等的感测获得的关于外部世界的感觉信息。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)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，现实世界)内容组合
的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈，或其某种组合。该内容中的任何内容可以呈现在单个通道或多个通道中，诸如呈现在对观看者产生三维效果的立体视频中。此外，在一些实施例和示例中，人工现实还可以与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)的应用，产品，附件，服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括诸如连接到主机系统的hmd的可穿戴显示器、独立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。
[0130]
本公开不限于本文所述的具体实施例或示例的范围。实际上，根据前面的描述和附图，除了本文描述的那些实施例，示例和修改，其他各种实施例，示例和修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的。因此，这些其它实施例、示例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本文已在针对特定目的特定环境中的特定实施方案的上下文中描述了本公开，但本领域的技术人员将认识到其有用性不限于此，并且可以针对任何数目的目的在任何数目的环境中有利地实施本公开。因此，以下阐述的权利要求应根据本文所述的本公开的完整范围来解释。
技术特征：
1.一种用于在二维中重定向光的设备，所述设备包括波长可调光源，用于提供包括第一波长处的光谱分量的光；耦合到所述波长可调光源的1d重定向器，用于在第一平面中重定向所述光；所述第一平面中的低模式波导，所述低模式波导包括耦合到所述1d重定向器的平板波导部分，用于传播由所述1d重定向器重定向的所述光，所述平板波导部分包括外耦合器，所述外耦合器被配置为以取决于所述第一波长的角度在第二平面中外耦合重定向的所述光的所述光谱分量，其中所述第二平面不平行于所述第一平面；以及内耦合器，用于将所述光耦合到所述低模式波导中。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述平板波导部分包括单模平板波导。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述平板波导部分包括支持不多于10个横向传播模式的少模式平板波导。4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的设备，其中所述1d重定向器包括微机电系统(mems)光束扫描仪，其中所述波长可调光源被光学耦合到所述mems光束扫描仪，并且其中所述内耦合器被配置为将由所述mems光束扫描仪重定向的所述光耦合到所述平板波导部分中。5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述低模式波导包括所述1d重定向器，并且其中所述内耦合器被配置为将由所述波长可调光源提供的所述光耦合到所述1d重定向器中；并且优选地，其中所述低模式波导包括所述内耦合器，其中所述内耦合器包括被配置为接收由所述波长可调光源提供的所述光的布拉格光栅。6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述波长可调光源包括波长可调激光器，所述波长可调激光器包括用于选择所述第一波长处的所述光谱分量的腔内波长选择元件。7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述低模式波导包括所述1d重定向器，并且其中所述1d重定向器包括光学相控阵；并且优选地，其中所述光学相控阵包括耦合到移相器阵列的可调马赫-曾德尔干涉仪的二叉树。8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中所述1d重定向器包括：可调马赫-曾德尔干涉仪的二叉树；线性波导阵列，耦合到可调马赫-曾德尔干涉仪的所述二叉树；以及准直元件，耦合到所述线性波导阵列，用于将所述线性波导阵列的线性波导的横向位置转换为在所述线性波导阵列的所述线性波导中传播的光部分的光束角。9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述低模式波导包括在所述光的光路中的1d视场(fov)扩展器，其中所述1d fov扩展器被配置为在多个相邻的fov部分之间切换所述光；并且优选地，其中所述1d fov扩展器包括可调光束控向设备，所述可调光束控向设备包括低模式波导的所述平板波导部分的液晶(lc)包层部分。10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中所述低模式波导包括在所述光的光路中的1d横向扩束器，其中所述1d横向扩束器被配置为增加在所述第一平面中的所述光的准直部分的宽度；并且优选地，其中所述1d横向扩束器包括全息图，所述全息图被配置为在沿着所述全息图中的所述光路的多个位置处反射所述光的所述准直部分，使得所反射的所述准直部分在所述第一平面中比所述全息图上游的所述准直部分宽。
11.一种用于在角域中提供图像的设备，所述设备包括波长可调光源，用于提供包括第一波长处的光谱分量的图像光；以及在第一平面中的低模式波导，所述低模式波导包括：内耦合器，用于将所述图像光耦合到所述低模式波导中；1d成像器，耦合到所述内耦合器，用于在所述第一平面中重定向所述图像光；以及平板波导部分，耦合到所述1d成像器，用于传播由所述1d成像器重定向的所述图像光，所述平板波导部分包括外耦合器，所述外耦合器被配置为以取决于所述第一波长的角度在第二平面中外耦合重定向的所述图像光的所述光谱分量，其中所述第二平面不平行于所述第一平面。12.根据权利要求11所述的设备，其中所述低模式波导是单模波导。13.一种用于在角域中提供图像的方法，所述方法包括：将包括第一波长处的光谱分量的图像光耦合到1d成像器；使用所述1d成像器在第一平面中重定向所述图像光；在设置在所述第一平面中的低模式平板波导中，传播由所述1d成像器重定向的所述图像光；以及以取决于所述第一波长的角度，从所述低模式平板波导外耦合所述图像光的所述光谱分量。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述图像光在所述第一波长处基本上是单的，并且其中当所述1d成像器在所述第一平面中重定向所述图像光时，所述第一波长没有被移位，由此在所述第一平面中被重定向的所述图像光以相同的角度被外耦合。15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中在所述第一平面中重定向所述图像光包括在所述第一平面中角度地扫描准直光束；和/或优选地其中所述图像光包括在多个波长处的多个光谱分量，所述多个波长包括所述第一波长，并且其中在所述第一平面中重定向所述图像光包括在所述第一平面中提供亮度的角分布，由此所述图像光在所述第一平面中在多个方向上同时被重定向，并且以与所述图像光的所述多个光谱分量的所述多个波长相对应的多个角度从所述低模式平板波导被外耦合。
技术总结
一种用于在二维(2D)中重定向光的设备，该设备包括用于提供具有第一波长处的光谱分量的光的波长可调光源。1D重定向器在第一平面中重定向光。薄波导设置在第一平面中。薄波导包括耦合到1D重定向器的平板波导部分，用于传播由1D重定向器重定向的光。平板波导部分包括波长敏感外耦合器，其以取决于第一波长的角度在第二平面中外耦合光。因此，光在二维中被重定向。在角域中提供图像的显示设备可以基于用于在二维中重定向光的设备。在二维中重定向光的设备。在二维中重定向光的设备。
