TW202300988A - 有源光學引擎 - Google Patents

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埃拉德 沙爾林
羅寧 切里基
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以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

在實施方式中，公開了一種包括至少一個處理器的裝置，該至少一個處理器被配置成：確定目標耦出小平面；識別到目標耦出小平面的光路徑；識別與光路徑對應的有源波片；確定與光路徑對應的有源波片的目標狀態；將有源波片設置為所識別的目標狀態；以及使投影設備沿所識別的光路徑投影包括圖像視場分量的光束。

Description

有源光學引擎
本公開內容涉及光學系統。更具體地，本公開內容涉及具有在一些實施方式中可以用於近眼顯示系統的有源光學引擎的光學系統。
在諸如近眼顯示系統的光學系統中，投影儀通常向使用者的眼睛提供圖像的視場(Field Of View，FOV)。為了增加光學系統的FOV，通常還需要增加投影儀的尺寸、重量、部件、配置和功耗。在小型、重量輕、能量高效的光學系統(例如，頭戴式設備(Head-Mounted Device，HMD)、智慧眼鏡等)的情況下，投影儀的這樣的增加可能是不可行的。
在實施方式中，公開了一種包括至少一個處理器的裝置。該至少一個處理器被配置成：確定目標耦出小平面；識別到目標耦出小平面的光路徑；識別與光路徑對應的有源波片；確定與光路徑對應的有源波片的目標狀態；將有源波片設置為所識別的目標狀態；以及使投影設備沿所識別的光路徑投影包括圖像視場分量的光束。
在一些實施方式中，公開了一種方法，該方法包括：確定目標耦出小平面；識別到目標耦出小平面的光路徑；識別與光路徑對應的有源波片；確定與光路徑對應的有源波片的目標狀態；將有源波片設置為所識別的目標狀態；以及使投影設備沿所識別的光路徑投影包括圖像視場分量的光束。
在實施方式中，公開了一種光學系統。該光學系統包括：投影光學器件，其被配置成輸出具有第一偏振的光束；以及有源波片，其被配置成在啟動狀態與去啟動狀態之間轉變。有源波片被配置成當處於啟動狀態時將投影光學器件輸出的光束從第一偏振轉換為第二偏振。該光學系統還包括：偏振分 束器(Polarization Beam Splitter,PBS)，其被配置成重定向具有第一偏振的光束並且被配置成使具有第二偏振的光束能夠從中通過；第一LOE部件，其包括第一多個小平面；第二LOE部件，其包括第二多個小平面；第三LOE部件，其包括第三多個小平面。第一LOE部件和第三LOE部件限定了從投影光學器件經由有源波片和PBS的第一光路徑，並且第二LOE部件和第三LOE部件限定了從投影光學器件經由有源波片和PBS的第二光路徑。
前述概述僅是說明性的，並且不旨在以任何方式進行限制。除了上述說明性方面、實施方式和特徵之外，通過參照圖式和以下詳細描述，其他方面、實施方式和特徵將變得明顯。在圖式中，相同的圖式標記指示相同的元件或功能上相似的元件。
100:光學系統
1044,1046:光隔離器
110,210,410,510,610:圖像投影元件
112,212,412,512,612,712:投影光學器件
114,214,414,514,614,714,1014,1114,1214:光導光學元件
1150:無效區域
116:主LOE表面
118:主LOE表面
120:耦出裝置
1215:矩形波導
1217,1218,1219,1221:主LOE表面
122,1221,1222,1223,1224,1225,124,1241,1242,1243,1244,1245,232,234,236,438,440,532,534,536,632,634,636,1034,1036,1038,1040,1134,1136,1138,1140,1234,1236,1238,1240:小平面
1300,1302,1304,1306,1308:步驟
140:控制器
180:眼睛
200:圖像發生器
204:準直光學器件
220,420,424,520,620,736,746,1144,1244,1248:有源半波片
222,422,522,622,724,738,748,1020,1120,1146,1224,1246:偏振分束器
224,524,624,726,740,750,1024,1124,1148,1231:半波片
226,228,230,434,436,526,528,530,626,628,630,718,720,732,742,1026,1028,1030,1032,1126,1128,1130,1132,1226,1228,1230,1232:LOE部件
238,240,442,444,728,1048,1154,1227:光束
30:眼睛跟蹤系統
300,800:圖像FOV
302,304:圖像FOV分量
306,308:半圖像FOV
310:區域
40:光源檢測系統
426,430:四分之一波片
428,432,1022,1122:鏡
716,1016,1116,1216:耦入區域
722,734,744,1042,1043,1142,1143,1225,1242,1243:黏合劑或塗層
730,1050,1156,1229:光束
802,804,806,808:FOV分量
圖1A是根據實施方式的示例光學系統的示意圖。
圖1B是根據實施方式的具有2D瞳擴展的圖1A的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖2是根據實施方式的圖1A的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖3是根據實施方式的圖1A和圖2的光學系統的示例圖像FOV和圖像FOV分量的圖。
圖4是根據實施方式的具有圖像FOV分量交疊的圖3的示例圖像FOV分量的示意圖。
圖5是根據另一實施方式的圖1A的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖6是根據另一實施方式的圖1A的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖7是根據另一實施方式的圖1A的光學系統的示例圖像投影元件的示意圖。
圖8A至圖8D是根據實施方式的具有堆疊佈置的示例光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)的示意圖。
圖9是根據實施方式的示例圖像FOV分量的圖。
圖10A和圖10B是根據實施方式的被配置成輸出圖9的圖像FOV分量的示例LOE的示意圖，其中圖10B是沿圖10A的剖面線10B-10B截取的。
圖11A和圖11B是根據另一實施方式的被配置成輸出圖9的圖像FOV分量的 另一示例LOE的示意圖，其中圖11B是沿圖11A的剖面線11B-11B截取的。
圖12A至圖12D是根據另一實施方式的被配置成輸出圖9的圖像FOV分量的另一示例LOE的示意圖，其中圖12B是沿圖12A的剖面線12B-12B截取的。
圖13是根據實施方式的示例處理的流程圖。
在諸如近眼顯示系統的光學系統中，光束從顯示系統輸出至非常接近顯示系統的目標表面(例如使用者的眼睛)。隨著這種近眼顯示系統的使用增加，對更好且更舒適的近眼顯示系統的需求也增加。然而，減小近眼顯示器例如頭戴式顯示器(head-mounted display，HMD)和智慧眼鏡的尺寸和重量，同時還提供更好的幾何形狀、更寬的視場(field of view，FOV)、更長的電池壽命，日間清晰的增強圖像以及近眼顯示系統中的其他改進是有挑戰性的。例如，增加FOV的尺寸通常需要投影儀的尺寸、重量和功耗的相應增加，這通常導致龐大的形狀因數。
說明性實施方式公開了光學系統和方法，其允許在不顯著增加投影儀的尺寸、重量和功耗的情況下擴展FOV，從而實現寬的沉浸式FOV，同時保持投影儀FOV需求小。
在圖式中，為了清楚和易於參考，提供了X軸、Y軸和Z軸。
參照圖1A和圖1B，描述了示例光學系統100。光學系統100包括圖像投影元件110和控制器140。在一些實施方式中，光學系統100還可以包括眼睛跟蹤系統30和光源檢測系統40中的一個或更多個。
控制器140包括具有一個或更多個處理設備、記憶體或其他部件的計算設備。例如，控制器140可以包括中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、現場可程式化邏輯閘陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、微控制器、專用電路或任何其他部件。控制器140被配置成控制投影光學器件(將在下面描述)以生成圖像並且將圖像輸出至光導光學元件(light-guide optical element，LOE)以投影到眼睛，如將在下面更詳細地描述的。
在一些實施方式中，可以將控制器140集成到圖像投影元件110中或者集成到包括圖像投影元件110的設備中，例如眼鏡、頭戴式顯示器或另一設備。在一些實施方式中，控制器140可以位於遠離圖像投影元件110的位 置。例如，圖像投影元件可以包括被配置成與控制器140通信的有線或無線通訊設備。作為示例，控制器140可以被包括作為移動設備或者與圖像投影元件110或包括圖像投影元件110的設備分離的其他計算設備的一部分。
眼睛跟蹤系統30是可選的，並且被配置成跟蹤使用者的眼睛180的瞳的位置，並且向控制器140提供相應的位置資訊。在一些實施方式中，眼睛跟蹤系統30可以包括例如攝像裝置或其他設備，該攝像裝置或其他設備可以被配置成跟蹤瞳的位置或者生成可以用於確定瞳的位置的位置資訊。在一些實施方式中，控制器140可以利用位置資訊將圖像FOV提供給與瞳的位置對應的那些小平面。
光源檢測系統40是可選的，並且被配置成檢測可能影響光學系統100的光源，例如太陽、街燈、前燈或其他光源，並且被配置成向控制器140提供相應的資訊，例如光源的方向、光源的強度或關於光源的任何其他資訊。作為示例，光源檢測系統40可以包括攝像裝置、紅外檢測器或任何其他設備，其被配置成檢測光學系統100外部的光源或者被配置成生成可以由控制器140用於識別和確定光源的特性(例如，方向，強度或關於光源的任何其他資訊)的資訊。
圖像投影元件110包括投影光學器件(Projection Optics Device，POD)112和光導光學元件(LOE)114，並且圖像投影元件被配置成利用1維(1-Dimensional，1D)或2維(2-dimensional，2D)瞳擴展將圖像投影到使用者的眼睛180上。圖1B中示出了具有2D瞳擴展的LOE 114的示例。
POD 112包括圖像發生器200、準直光學器件204或者可以被包括在圖像投影元件中的其他部件(例如空間光調變器(spatial light modulator，SLM))。在一些實施方式中，可以將這些部件中的一些或全部佈置在一個或更多個偏振分束器(Polarizing Beamsplitter，PBS)立方體或其他棱鏡裝置的表面上。圖像發生器200包括提供照射(例如光束、雷射光束或其他形式的照射)的一個或更多個部件，該照射與要投影到用戶的眼睛180上的圖像對應。例如，圖像發生器200包括發光二極體(Light Emitting Diode，LED)、有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)顯示元件、背光液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)面板、微LED顯示器，數位光處理(Digital Light Processing， DLP)晶片、矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)晶片或其他部件。
在POD 112包括SLM(未示出)的情況下，SLM可以被實現為包括諸如OLED顯示元件、背光LCD面板、微LED顯示器、DLP晶片或另一發光部件之類的部件的發光SLM，或者可以被實現為包括諸如LCOS晶片之類的部件的反射SLM。可以在準直光學器件與SLM之間***分束器立方體塊，從而使得能夠將照射遞送至SLM的表面。SLM可以被配置成調變照射的每個像素的投影強度以生成圖像。例如，SLM可以從顯示器的每個像素提供在LOE 114的平面(例如下面描述的主LOE表面116和主LOE表面118的平面)中發散的光束。
替選地，POD 112可以包括諸如快速掃描鏡之類的掃描裝置，該掃描裝置跨POD 112的圖像平面掃描來自光源的照射，同時照射的強度與基於逐像素的運動同步變化，以針對每個像素投影期望強度。
POD 112還可選地包括用於將圖像的照射注入LOE 114的耦入裝置，例如耦入反射器、成角度的耦合棱鏡或任何其他耦入裝置。在一些實施方式中，POD 112與LOE 114之間的耦合可以包括直接耦合，例如POD 112可以與LOE 114的一部分接觸；或者可以包括經由附加的孔徑擴展裝置的耦合，該附加的孔徑擴展裝置用於擴展在LOE 114的平面中注入圖像的孔徑的維度。
LOE 114包括波導，該波導包括第一平行主LOE表面116和第二平行主LOE表面118以及非光學活性的邊緣。在說明性實施方式中，本文中描述的各種波導可以包括幾何波導、衍射波導或任何其他類型的波導。LOE 114還包括耦出裝置120，該耦出裝置120被配置成將照射從LOE 114引出以投影到用戶的眼睛180上。在一些實施方式中，耦出裝置120被示為多個平行表面(本文中也被稱為小平面1221，1222、1223、1224和1225)，多個平行表面以與LOE 114的主LOE表面116和主LOE表面118成斜角的方式佈置在LOE 114內。在本文中也可以將小平面1221，1222、1223、1224和1225統稱為小平面122。在本文中也可以將小平面1221、1222、1223、1224和1225中的任何一個單獨稱為小平面122。雖然在說明性實施方式中，在圖1A中示出了五個小平面1221、1222、1223、1224和1225，但是在其他實施方式中LOE 114可以替選地包括更多數目的小平面122或者更少數目的小平面122。參照圖1B，在具有2D瞳擴 展的實施方式中，第二組小平面1241、1242、1243、1244和1245用於將光從POD 112朝向小平面122引導。在本文中也可以將小平面1241、1242、1243、1244和1245中的任何一個單獨稱為小平面124。雖然在說明性實施方式中，在圖1B中示出了五個小平面1241、1242、1243、1244和1245，但是在其他實施方式中LOE 114可以替選地包括更多數目的小平面124或者更少數目的小平面124。
在一些實施方式中，每個小平面122和小平面124是半反射小平面，其被配置成將在LOE 114中具有特定傳播角的光束耦出到眼睛180。例如，在一些實施方式中，每個小平面122和小平面124可以被配置成耦出在LOE 114中具有不同傳播角的光束。
在一些實施方式中，小平面122和小平面124中的一個或更多個可以在小平面122具有高光透射率的狀態與小平面122具有高光反射率的狀態之間選擇性地啟動。作為示例，在一些實施方式中，小平面1221可以被啟動以具有100%反射率和0%透射率，並且可以被去啟動(deactivate)以具有0%反射率和100%透射率。在一些實施方式中，每個小平面122的反射率和透射率的量可以是可調整的，使得例如小平面1221可以被調整成具有部分反射率和部分透射率，例如具有25%反射率和75%透射率、50%反射率和50%透射率、75%反射率和25%透射率或任何其他量的反射率和透射率。例如，控制器140可以被配置成選擇性地啟動和調整每個小平面122的反射率和透射率。在一些實施方式中，控制器140可以被配置成針對光束的特定角度或角度範圍選擇性地啟動和調整每個小平面122的反射率和透射率，例如對於光束的一些角度或角度範圍的高透射率和對於光束的其他角度或角度範圍的高反射率。
如圖1A所示，例如，光束L通過反射離開主LOE表面116和主LOE表面118而穿過LOE 114朝向小平面122行進，並且在圖1B的實施方式中，光束L朝向小平面124行進。例如，主LOE表面116和主LOE表面118可以為行進穿過LOE 114的任何光束L提供全內反射(Total Internal Reflection，TIR)。當光束L以直角遇到小平面122或小平面124，或者遇到有源小平面122或有源小平面124時，光束L被小平面122或小平面124重定向。例如，遇到小平面122的光被重定向離開LOE 114，例如，朝向眼睛180，而遇到小平面124的光被重定向朝向小平面122。
參照圖2，將描述光學系統100的圖像投影元件210的說明性實施方式。圖像投影元件210可以包括與圖像投影元件110類似的特徵，包括例如POD 212、LOE 214、小平面、衍射部件、全息部件或其他類似部件，並且可以代替光學系統100中的圖像投影元件110。圖像投影元件210可以用於主動擴展由POD 212輸出的可獲得的FOV。POD 212可以包括被配置成輸出P偏振和S偏振之一的光束的偏振POD。作為示例，在說明性實施方式中，POD 212可以被配置成輸出具有S偏振的光束。
可以由控制器140(圖1A)控制的有源半波片(Active Half Wave Plate，AHWP)220(例如，液晶片或其他有源波片)被設置在POD 212與LOE 214之間，並且被配置成當被控制器140啟動時改變由POD 212投影的光束的極性，例如從S偏振改變為P偏振，反之亦然。在說明性實施方式中，AHWP 220被配置成當被啟動時將極性從S偏振改變為P偏振。在替選實施方式中，POD 212可以包括AHWP 220，或者LOE 214可以包括AHWP 220。
LOE 214包括偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)222、半波片(half wave plate，HWP)224、LOE部件226、LOE部件228和LOE部件230。
PBS 222被配置成允許具有P偏振和S偏振中一者的光束穿過到達LOE部件226，同時將具有P偏振和S偏振中另一者的光束重定向到LOE部件228。在說明性實施方式中，PBS 222被配置成允許具有P偏振的光束穿過到達LOE部件226並且將具有S偏振的光束重定向到LOE部件228。在一些實施方式中，PBS 222可以包括97%的反射S(reflected S，Rs)、0.01%的透射S(transmitted S，Ts)、96%的透射P(transmitted P，Tp)和0.1%的反射P(reflected P，Rp)。在其他實施方式中，PBS 222可以包括針對P偏振光束和S偏振光束的任何其他反射率值或透射率值。
HWP 224被設置在PBS 222與LOE部件226之間，並且被配置成將穿過PBS 222的光束從一種偏振轉換為另一種偏振。例如，在說明性實施方式中，HWP 224被配置成將穿過PBS 222的具有P偏振的光束轉換為具有S偏振的光束。
LOE部件226包括小平面232，小平面232被配置成將穿過PBS 222和HWP 224的光束朝向LOE部件230引導。在一些實施方式中，LOE部件226包括與LOE 114類似的部件，例如第一主LOE表面116和第二主LOE表面118以及小平面122。
LOE部件228包括小平面234，小平面234被配置成將由PBS 222重定向的光束朝向LOE部件230引導。在一些實施方式中，LOE部件228包括與LOE 114類似的部件，例如第一主LOE表面116和第二主LOE表面118以及小平面122。
LOE部件230包括小平面236，小平面236被配置成以與LOE 114類似的方式將從LOE部件226和LOE部件228接收的光束朝向眼睛180(圖1A)引導。在一些實施方式中，LOE部件230包括與LOE 114類似的部件，例如第一主LOE表面116和第二主LOE表面118以及小平面122。
在一些實施方式中，LOE部件226、LOE部件228和LOE部件230與主LOE表面116和主LOE表面118共面。
通過在POD 212與LOE 214之間引入AHWP 220，由POD 212輸出的光束可以根據時間在P偏振與S偏振之間切換。在圖2中，具有S偏振的光束被描繪為實線，而具有P偏振的光束被描繪為虛線。
例如，當AHWP 220被去啟動時，具有S偏振的光束238將穿過AHWP 220而不被轉換，並且將朝向LOE部件228反射離開PBS 222。然後，光束238從小平面234朝向LOE部件230反射，並且從小平面236朝向眼睛180(圖1A)反射。
當AHWP 220被啟動時，最初具有S偏振的光束240將在其穿過AHWP 220時被轉換為P偏振，並且將穿過PBS 222朝向HWP 224和LOE部件226。當光束240穿過HWP 224時，光束240將被轉換回S偏振，並且然後從小平面232朝向LOE部件230反射。然後，光束240從小平面236朝向眼睛180(圖1A)反射。
在圖2中，光束238和光束240將最終以不同的角度到達眼睛180，所述角度取決於由於LOE部件226和LOE部件228的不同小平面角以及光束所遵循的各種光路徑而導致的來自投影儀的出射偏振的改變。由於控制器140(圖1A)被配置成根據時間來啟動AHWP 220，因此每個光束238和光束240 可以僅包括整個圖像的一部分。控制器140被配置成在由POD 212生成的圖像與AHWP 220的偏振輸出之間同步，以確保用戶在眼睛180處體驗到互補圖像。
參照圖3，示出了由圖像投影元件110和圖像投影元件210提供的圖像FOV之間的比較。如圖3所示，圖像FOV 300由圖像投影元件110輸出，圖像FOV 300包括圖像FOV分量302和圖像FOV分量304作為單個圖像FOV 300。相比之下，半圖像FOV 306和半圖像FOV 308(各自包括圖像FOV分量302和圖像FOV分量304之一)例如基於AHWP 220的啟動由圖像投影元件210根據時間分別輸出。在一些實施方式中，圖像FOV分量302和圖像FOV分量304的大小可以相等。在一些實施方式中，圖像FOV分量302和圖像FOV分量304可以具有不同的大小，使得圖像FOV分量302與圖像FOV分量304之間的“拼接”區域不在圖像FOV 300的中央。
因為圖像投影元件110需要輸出寬圖像FOV 300，所以POD 112必須被配置成生成和支援寬圖像FOV，從而可能需要與POD 212相比更大、更重或更功率密集的部件。另外，LOE 114可能需要附加的小平面、角度等，並且與LOE 214相比需要更多的角空間要求，以將寬圖像FOV引導到眼睛180上。
在圖像投影元件210的情況下，LOE部件230將光束238和光束240的圖像FOV耦出到眼睛180。根據時間，光束238和光束240將由LOE部件230從LOE部件226和LOE部件228接收，並且由小平面236耦出，使得眼睛180(圖1A)將體驗相同的全圖像FOV 300，而POD 212僅需要在任何給定時間生成FOV角範圍的一部分。由於小平面232和小平面234僅需要處理圖像FOV的一部分，與LOE 114的部件相比，LOE部件226和LOE部件228在LOE 214中可以具有減少的光學要求和物理尺寸。
參照圖4，在一些實施方式中，由圖像投影元件210輸出的圖像FOV可以經對準以創建交疊圖像。例如，如圖4可見，圖像FOV分量302和圖像FOV分量304可以在區域310中交疊。在一些實施方式中，交疊角範圍可以包括區域310中的圖像FOV分量302和圖像FOV分量304之一的黑色圖像。在其他實施方式中，圖像FOV分量302和圖像FOV分量304二者可以在區域310中具有相同的圖像，但是對於每個圖像FOV分量具有減小的強度(例如的 一半強度)。在一些實施方式中，例如，控制器140被配置成控制圖像投影元件210的輸出以生成圖像FOV分量302和圖像FOV分量304。
參照圖5，將描述光學系統100的圖像投影元件410的另一說明性實施方式。圖像投影元件410可以包括與圖像投影元件210類似的特徵，包括例如POD 412、LOE 414、小平面和或其他類似部件。圖像投影元件410可以用於主動擴展由POD 412輸出的可獲得FOV。POD 412可以包括被配置成輸出P偏振和S偏振之一的光束的偏振POD。作為示例，在說明性實施方式中，POD 412可以被配置成輸出具有S偏振的光束。
可以由控制器140(圖1A)控制的諸如液晶片或其他有源波片之類的AHWP 420被設置在POD 412與LOE 414之間，並且被配置成當被控制器140啟動時改變由POD 412投影的光束的極性，例如從S偏振改變為P偏振，反之亦然。在說明性實施方式中，AHWP 420被配置成當被啟動時將極性從S偏振改變為P偏振。在替選實施方式中，POD 412可以包括AHWP 420，或者LOE 414可以包括AHWP 420。
LOE 414包括PBS 422、AHWP 424、四分之一波片(Quarter Wave Plate，QWP)426、鏡428、QWP 430、鏡432、LOE部件434和LOE部件436。
PBS 422被配置成允許具有P偏振和S偏振中一者的光束穿過到達AHWP 424和LOE部件434，同時將具有P偏振和S偏振中另一者的光束重定向到QWP 426。在說明性實施方式中，PBS 422被配置成允許具有P偏振的光束穿過到達AHWP 424，並且將具有S偏振的光束重定向到QWP 426。在一些實施方式中，PBS 422可以包括97%的反射S(reflected S，Rs)、0.01%的透射S(transmitted S，Ts)、96%的透射P(transmitted P，Tp)和0.1%的反射P(reflected P，Rp)。在其他實施方式中，PBS 422可以包括針對P偏振光束和S偏振光束的任何其他反射率值或透射率值。
AHWP 424被設置在PBS 422與LOE部件434之間，並且被配置成將穿過PBS 422的光束從一種偏振轉換為另一種偏振。例如，AHWP 424被配置成以類似於AHWP 420的方式工作，並且可以由控制器140(圖1A)啟動或去啟動。
QWP 426被設置在PBS 422與鏡428之間，被配置成將光束從一 種偏振轉換為另一種偏振。例如，在說明性實施方式中，QWP 426被配置成在光束穿過QWP 426兩次之後將具有S偏振的光束轉換為具有P偏振的光束。例如，被PBS 422朝向QWP 426重定向的具有S偏振的光束將穿過QWP 426，被反射離開鏡428並且第二次穿過QWP 426以完成從S偏振到P偏振的轉換。在一些實施方式中，鏡428可以相對於鏡432成角度以調整光束的角度。
QWP 430被設置在PBS 422與鏡432之間，被配置成將光束從一種偏振轉換為另一種偏振。例如，在說明性實施方式中，QWP 430被配置成在光束穿過QWP 430兩次之後將具有P偏振的光束轉換為具有S偏振的光束。例如，從QWP 426朝向QWP 430穿過PBS 422的具有P偏振的光束將穿過QWP 430，被反射離開鏡432並且第二次穿過QWP 430以完成從P偏振到S偏振的轉換。然後，光束被向後朝向PBS 422引導，並且被PBS 422朝向AHWP 424和LOE部件434重定向。在這種情況下，AHWP 424被去啟動，從而允許具有S偏振的光束穿過而不被轉換。
LOE部件434包括小平面438，小平面438被配置成將穿過AHWP 424的光束朝向LOE部件436引導。在一些實施方式中，LOE部件434包括與LOE 114類似的部件，例如第一主LOE表面116和第二主LOE表面118以及小平面122。
LOE部件436包括小平面440，小平面440被配置成以與LOE 114類似的方式將從LOE部件434接收的光束朝向眼睛180(圖1A)引導。在一些實施方式中，LOE部件436包括與LOE 114類似的部件，例如第一主LOE表面116和第二主LOE表面118以及小平面122。
類似於圖像投影元件210，通過在圖像投影元件410中的POD 412與LOE 414之間引入AHWP 420，由POD 412輸出的光束可以根據時間而在P偏振與S偏振之間切換。在圖5中，具有S偏振的光束被描繪為實線，而具有P偏振的光束被描繪為虛線。與圖像投影元件210相比，在圖像投影元件410中，用QWP 426和QWP 430以及鏡428和鏡432代替LOE部件228，並且用AHWP 424代替無源HWP 224。
例如，當AHWP 420被去啟動時，具有S偏振的光束442將穿過AHWP 420而不被轉換，並且將朝向QWP 426反射離開PBS 422。光束442穿 過QWP 426，反射離開鏡428並且再次穿過QWP 426返回朝向PBS 422。當光束442兩次穿過QWP 426時，光束442從S偏振轉換為P偏振。然後，光束442穿過PBS 422朝向QWP 430，穿過QWP 430，反射離開鏡432並且再次穿過QWP 430返回朝向PBS 422。當光束442兩次穿過QWP 430時，光束442從P偏振轉換為S偏振。然後，光束442朝向AHWP 424和LOE部件434反射離開PBS 422，並且穿過AHWP 424而不被改變，因為當AHWP 420被去啟動時AHWP 424被去啟動。光束442朝向LOE部件436反射離開小平面438中的一個，並且然後朝向眼睛180(圖1A)反射離開小平面440中的一個。
當AHWP 420被啟動時，最初具有S偏振的光束444將在其穿過AHWP 420時被轉換為P偏振，並且將穿過PBS 422朝向AHWP 424和LOE部件434。當光束444穿過AHWP 424時，光束444將被轉換回S偏振，因為當AHWP 420被啟動時AHWP 424也被啟動，並且然後光束444將朝向LOE部件436反射離開小平面438中的第一。然後，光束444朝向眼睛180(圖1A)反射離開小平面440中的一個。
在圖5中，光束442和光束444將最終以不同角度到達眼睛180，所述角度取決於由於光束所遵循的各種光路徑而導致來自投影儀的出射偏振的改變。由於控制器140(圖1A)被配置成根據時間來啟動AHWP 420和AHWP 424，因此每個光束442和光束444可以僅包括整個圖像的一部分。控制器140被配置成在由POD 412生成的圖像與AHWP 420和AHWP 424的偏振輸出之間同步，以確保用戶在眼睛180處體驗到互補圖像。
參照圖6，將描述光學系統100的圖像投影元件510的另一說明性實施方式。圖像投影元件510可以包括與圖像投影元件210和圖像投影元件410類似的特徵，包括例如POD 512、LOE 514、小平面和或其他類似的部件。圖像投影元件510可以用於主動擴展由POD 512輸出的可獲得FOV。POD 212可以包括被配置成輸出P偏振和S偏振之一的光束的偏振POD。作為示例，在說明性實施方式中，POD 512可以被配置成輸出具有S偏振的光束。
可以由控制器140(圖1A)控制的諸如液晶片或其他有源波片之類的AHWP 520被設置在POD 512與LOE 514之間，並且被配置成當被控制器140啟動時改變由POD 512投影的光束的極性，例如從S偏振改變為P偏 振，反之亦然。在說明性實施方式中，AHWP 520被配置成當被啟動時將極性從S偏振改變為P偏振。在替選實施方式中，POD 512可以包括AHWP 520，或者LOE 514可以包括AHWP 520。
LOE 514包括PBS 522、HWP 524、LOE部件526、LOE部件528和LOE部件530。LOE部件526包括小平面532，LOE部件528包括小平面534，並且LOE部件530包括小平面536。
雖然圖像投影元件510的部件以與圖像投影元件210(圖2)不同的佈置進行配置，但是POD 512、LOE 514、AHWP 520、PBS 522、HWP 524、LOE部件526、LOE部件528、LOE部件530、小平面532、小平面534和小平面536的功能類似於以上針對圖像投影元件210(圖2)的POD 212、LOE 214、AHWP 220、PBS 222、HWP 224、LOE部件226、LOE部件228、LOE部件230、小平面232、小平面234和小平面236所述的功能。
參照圖7，將描述光學系統100的圖像投影元件610的另一說明性實施方式。圖像投影元件610可以包括與圖像投影元件210和圖像投影元件410類似的特徵，包括例如POD 612、LOE 614、小平面和或其他類似的部件。圖像投影元件610可以用於主動擴展由POD 612輸出的可獲得FOV。POD 612可以包括被配置成輸出P偏振和S偏振之一的光束的偏振POD。作為示例，在說明性實施方式中，POD 612可以被配置成輸出具有S偏振的光束。
可以由控制器140(圖1A)控制的諸如液晶片或其他有源波片之類的AHWP 620被設置在POD 612與LOE 614之間，並且被配置成當被控制器140啟動時改變由POD 612投影的光束的極性，例如從S偏振改變為P偏振，反之亦然。在說明性實施方式中，AHWP 620被配置成當被啟動時將極性從S偏振改變為P偏振。在替選實施方式中，POD 612可以包括AHWP 620，或者LOE 614可以包括AHWP 620。
LOE 614包括PBS 622、HWP 624、LOE部件626、LOE部件628和LOE部件630。LOE部件626包括小平面632，LOE部件628包括小平面634，並且LOE部件630包括小平面636。
雖然圖像投影元件610的部件以與圖像投影元件210(圖2)不同的佈置進行配置，但是POD 612、LOE 614、AHWP 620、PBS 622、HWP 624、 LOE部件626、LOE部件628、LOE部件630、小平面632、小平面634和小平面636的功能類似於以上針對圖像投影元件210(圖2)的POD 212、LOE 214、AHWP 220、PBS 222、HWP 224、LOE部件226、LOE部件228、LOE部件230、小平面232、小平面234和小平面236所述的功能。
參照圖8A至圖8D，現在將描述有源堆疊光學引擎的說明性實施方式。如圖8A所示，LOE 714包括耦入區域716。LOE 714可以代替LOE 114、LOE 214、LOE 414、LOE 514和LOE 614中的任何一個。
參照圖8B，在說明性實施方式中，LOE 714的LOE部件718和LOE部件720彼此上下堆疊，並且通過黏合劑或塗層722例如低折射率(Refractive Index，RI)膠接合在一起。在一些實施方式中，LOE部件718和LOE部件720可以替選地以不同的方式接合，使得在LOE部件718和LOE部件720之間設置氣隙或低RI塗層或其他塗層。
在耦入區域716附近，PBS 724和HWP 726被設置在LOE部件718與LOE部件720之間。PBS 724和HWP 726以與如上所述的PBS 222和HWP 224類似的方式工作。如圖8B所示，光束例如經由耦入區域716進入頂部LOE部件718。光束可以由POD(例如，POD 212、POD 412、POD 512、POD 612或POD 712)生成。作為示例，光束具有基於AHWP(例如，AHWP 220、AHWP 420等)的啟動狀態的S偏振或P偏振，如上述實施方式中所述。
如果具有S偏振的光束728通過耦入區域716進入LOE部件718，則光束728將被PBS 724重定向並且傳播通過LOE部件718。如果具有P偏振的光束730通過耦入區域716進入LOE部件718，則光束730穿過PBS 724並且被HWP 726改變為S偏振。然後，光束730傳播通過LOE部件720。
LOE部件718和LOE部件720包括小平面，例如小平面232(圖2)，所述小平面被配置成將光束朝向另一LOE(例如，LOE部件230)重定向，另一LOE被配置成將光束耦出到眼睛180(圖1A)。在圖8B的實施方式中，LOE部件718和LOE部件720中的每一個可以負責圖像FOV的一部分，例如，諸如圖3和圖4中所示的那些FOV分量的半FOV分量。
參照圖8C，在說明性實施方式中，LOE 714的LOE部件718和LOE部件720彼此上下堆疊，並且通過黏合劑或塗層722接合在一起，如上面 針對圖8B所述。在該實施方式中，LOE部件720還堆疊在LOE部件732上，並且通過與黏合劑或塗層722類似的黏合劑或塗層734接合。在耦入區域716附近，PBS 724和HWP 726被設置在LOE部件718與LOE部件720之間，而AHWP 736、PBS 738和HWP 740被設置在LOE部件720與LOE部件732之間。
如圖8C所示，光束例如經由耦入區域716進入頂部LOE部件718。光束可以由POD(例如，POD 212、POD 412、POD 512、POD 612或POD 712)生成。作為示例，光束具有基於AHWP(例如，AHWP 220、AHWP 420等)的啟動狀態的S偏振或P偏振，如上述實施方式中所述。
如果具有S偏振的光束728通過耦入區域716進入LOE部件718，則光束728將被PBS 724重定向並且傳播通過LOE部件718。如果具有P偏振的光束730通過耦入區域716進入LOE部件718，則光束730穿過PBS 724並且被HWP 726改變為S偏振。
如果AHWP 736未啟動，光束730將穿過AHWP 736而不被從S偏振改變為P偏振，並且將被PBS 738重定向回到LOE部件720。然後，光束730傳播通過LOE部件720。
如果AHWP 736啟動，則光束730被AHWP 736轉換為P偏振，穿過PBS 738並且被HWP 740轉換回S偏振。然後，光束730傳播通過LOE部件732。
LOE部件718、LOE部件720和LOE部件732包括小平面，例如小平面232(圖2)，小平面被配置成將光束朝向另一LOE(例如，LOE部件230)重定向，另一LOE被配置成將光束耦出到眼睛180(圖1A)。在圖8C的實施方式中，LOE部件718、LOE部件720和LOE部件732中的每一個可以負責圖像FOV的一部分(例如，圖像FOV的三分之一)。
參照圖8D，在說明性實施方式中，LOE 714的LOE部件718、LOE部件720和LOE部件732彼此上下堆疊，並且通過黏合劑或塗層722和黏合劑或塗層734接合在一起，如上文關於圖8C所述。在該實施方式中，LOE部件732還堆疊在LOE部件742上，並且通過與黏合劑或塗層722類似的黏合劑或塗層744接合。在耦入區域716附近，PBS 724和HWP 726被設置在LOE 部件718與LOE部件720之間，並且AHWP 736、PBS 738和HWP 740被設置在LOE部件720與LOE部件732之間，並且AHWP 746、PBS 748和HWP 750被設置在LOE部件732與LOE部件742之間。
如圖8D所示，光束例如經由耦入區域716進入頂部LOE部件718。光束可以由POD(例如，POD 212、POD 412、POD 512、POD 612或POD 712)生成。作為示例，光束具有基於AHWP(例如，AHWP 220、AHWP 420等)的啟動狀態的S偏振或P偏振，如上述實施方式中所述。
如果具有S偏振的光束728通過耦入區域716進入LOE部件718，則光束728將被PBS 724重定向並且傳播通過LOE部件718。如果具有P偏振的光束730通過耦入區域716進入LOE部件718，則光束730穿過PBS 724並且被HWP 726改變為S偏振。光束730然後進入LOE部件720。
如果AHWP 736未啟動，光束730將穿過AHWP 736而不被從S偏振改變為P偏振，並且將被PBS 738重定向回到LOE部件720。然後，光束730傳播通過LOE部件720。
如果AHWP 736啟動，則光束730被AHWP 736轉換為P偏振，穿過PBS 738並且被HWP 740轉換回S偏振。然後，光束730進入LOE部件732。
如果AHWP 746未啟動，光束730將穿過AHWP 746而不被從S偏振改變為P偏振，並且將被PBS 748重定向回到LOE部件732。然後，光束730傳播通過LOE部件732。
如果AHWP 746啟動，則光束730被AHWP 746轉換為P偏振，穿過PBS 748並且被HWP 750轉換回S偏振。然後，光束730傳播通過LOE部件742。
LOE部件718、LOE部件720、LOE部件732和LOE部件742包括小平面，例如小平面232(圖2)，所述小平面被配置成將光束朝向另一LOE(例如，LOE部件230)重定向，另一LOE被配置成將光束耦出到眼睛180(圖1A)。在圖8D的實施方式中，LOE部件718、LOE部件720、LOE部件732和LOE部件742中的每一個可以負責圖像FOV的一部分(例如，圖像FOV的四分之一)。
如圖8D所示，LOE 714可以包括任何其他數目的附加堆疊的LOE部件，每個附加堆疊的LOE部件可以負責圖像FOV的一部分。例如，在五個堆疊的LOE部件的情況下，每個部件可以負責圖像FOV的五分之一，在六個堆疊的LOE部件的情況下，每個部件可以負責圖像FOV的六分之一，等等。
在一些實施方式中，每個堆疊的LOE部件718、LOE部件720、LOE部件732和LOE部件742可以具有用於例如經由該LOE部件的小平面將光束引導到眼睛180(圖1A)中的一個光學路徑。在其他實施方式中，每個堆疊的LOE部件718、LOE部件720、LOE部件732和LOE部件742可以具有多個光路徑，例如圖2、圖5、圖6和圖7中所示的那些光路徑，其中，附加的LOE部件可以用於將光束引導到眼睛180。
在圖8A至圖8D的實施方式中的每一個中，控制器140(圖1A)被配置成以允許使用者在眼睛180(圖1A)處體驗到互補圖像的方式在由POD生成的圖像與AHWP的啟動之間進行同步。例如，在圖8C的情況下，控制器140可以被配置成以下述方式迴圈通過AHWP的特定啟動狀態：所述方式使光束依次傳播通過每個LOE部件718、LOE部件720和LOE部件732以將圖像FOV的每三分之一投影到眼睛180。
參照圖9，示出了包括交疊的FOV分量802、FOV分量804、FOV分量806和FOV分量808的示例圖像FOV 800。FOV分量802、FOV分量804、FOV分量806和FOV分量808中的每一個通過不同的光路徑被投影到眼睛180(圖1A)。在一些實施方式中，FOV分量802、FOV分量804、FOV分量806和FOV分量808中的一些或全部可以以與上面參照圖4描述的交疊方式類似的方式進行交疊。現在將參照圖10A至圖12B描述可以向眼睛180提供圖像FOV 800的示例LOE 1014、LOE 1114和LOE 1214。
參照圖10A和圖10B，將描述根據說明性實施方式的LOE 1014。LOE 1014包括：在LOE 1014的拐角中的耦入區域1016、PBS 1020、鏡1022、HWP 1024、LOE部件1026、LOE部件1028、LOE部件1030和LOE部件1032。LOE部件1026包括小平面1034，LOE部件1028包括小平面1036，LOE部件1030包括小平面1038，並且LOE部件1032包括小平面1040。LOE部件1030和LOE部件1032被層1042(例如，黏合劑、塗層、氣隙或其他層)隔開。在 一些實施方式中，LOE部件1026和LOE部件1028通過與層1042類似的層1043與LOE部件1030和LOE部件1032隔開。在一些實施方式中，層1042可以包括黏合劑，例如如上所述的黏合劑或塗層722。在一些實施方式中，例如，在LOE部件1030和LOE部件1032的主LOE表面未被良好拋光的情況下，LOE部件1030和LOE部件1032可以在不使用黏合劑或塗層的情況下彼此上下堆疊以形成層1042。
LOE部件1030包括光隔離器1044，並且LOE部件1032包括光隔離器1046。在一些實施方式中，光隔離器1044包括與光隔離器1046不同的材料或不同的特性。在其他實施方式中，光隔離器1044和光隔離器1046可以包括相同的材料或特性。光隔離器1044和光隔離器1046被配置成允許光束從LOE部件1026和LOE部件1028中的一個或兩個進入它們相應的LOE部件1030和LOE部件1032，並且被配置成禁止光束反射回LOE部件1026和LOE部件1028。
PBS 1020、鏡1022、HWP 1024、LOE部件1026、LOE部件1028、LOE部件1030，LOE部件1032、小平面1034、小平面1036、小平面1038、小平面1040、層1042和層1043中的每一個以與上述其他實施方式中的類似部件類似的方式工作。
如圖10A所示，光束例如經由耦入區域1016進入LOE 1014。光束可以由POD(例如，POD 212、POD 412、POD 512、POD 612或POD 712)生成。作為示例，光束具有基於AHWP(例如，AHWP 220、AHWP 420等)的啟動狀態的S偏振或P偏振，如上述實施方式中所述。
如果具有S偏振的光束1048通過耦入區域1016進入LOE 1014，則光束1048將被PBS 1020重定向，傳播通過LOE部件1026，並且被小平面1034朝向LOE部件1030和LOE部件1032中的一個或兩個引導。如果具有P偏振的光束1050通過耦入區域1016進入LOE 1014，則光束1050穿過PBS 1020，被鏡1022朝向HWP 1024重定向，並且被HWP 1024改變為S偏振。然後，光束1050傳播通過LOE部件1028，並且被小平面1036朝向LOE部件1030和LOE部件1032中的一個或兩個引導。在一些實施方式中，每個LOE部件1026和LOE部件1028中的不同的小平面1034和小平面1036可以被配置成 例如基於填充FOV所需的不同小平面角度將光束引導到LOE部件1030和LOE部件1032中相應的一個中。光束1048和光束1050進入LOE部件1030和LOE部件1032，穿過光隔離器1044和光隔離器1046，並且通過小平面1038和小平面1040耦出到眼睛180(圖1A)。
返回參照圖9，例如，FOV分量802可以與沿著通過LOE部件1026和LOE部件1030的光路徑的光束對應，FOV分量804可以與沿著通過LOE部件1028和LOE部件1030的光路徑的光束對應，FOV分量806可以與沿著通過LOE部件1026和LOE部件1032的光路徑的光束對應，並且FOV分量808可以與沿著通過LOE部件1028和LOE部件1032的光路徑的光束對應。以這種方式，可以在不增加POD的尺寸、重量、功耗或其他特性的情況下，將放大的圖像FOV投影到眼睛180(圖1A)。
參照圖11A和圖11B，將描述根據說明性實施方式的LOE 1114。LOE 1114包括：在LOE 1114的拐角中的耦入區域1116、PBS 1120、鏡1122、HWP 1124、LOE部件1126、LOE部件1128、LOE部件1130和LOE部件1132。LOE部件1126包括小平面1134，LOE部件1128包括小平面1136，並且LOE部件1130包括小平面1138，LOE部件1132包括小平面1140。LOE部件1130和LOE部件1132被層1142(例如，黏合劑、塗層、氣隙或其他塗層)隔開。在一些實施方式中，LOE部件1126和LOE部件1128通過可以與層1142類似的層1143與LOE部件1130和LOE部件1132隔開。設置在LOE部件1130和LOE部件1132之間的是以與上述類似部件類似的方式工作的AHWP 1144、PBS 1146和HWP 1148。
LOE部件1130包括無效區域1150(例如惰性玻璃或另一種惰性材料)，並且被配置成經由AHWP 1144、PBS 1146和HWP 1148從LOE部件1132接收光束。例如，LOE部件1132被配置成接收來自LOE部件1126和LOE部件1128的光束。光束傳播通過LOE部件1132，並且根據AHWP 1144是否啟動，將穿過AHWP 1144、PBS 1146和HWP 1148進入LOE部件1130，或者由PBS 1146重定向回到LOE部件1132。
PBS 1120、鏡1122、HWP 1124、LOE部件1126、LOE部件1128、LOE部件1130、LOE部件1132、小平面1134、小平面1136、小平面1138、小 平面1140、層1142、層1143、AHWP 1144、PBS 1146和HWP 1148中的每一個以與上述其他實施方式中的類似部件類似的方式工作。
如圖11A所示，光束例如經由耦入區域1116進入LOE 1114。光束可以由POD(例如，POD 212、POD 412、POD 512、POD 612或POD 712)生成。作為示例，光束具有基於AHWP(例如，AHWP 220、AHWP 420等)的啟動狀態的S偏振或P偏振，如上述實施方式中所述。
如果具有S偏振的光束1154通過耦入區域1116進入LOE 1114，則光束1154將被PBS 1120重定向，傳播通過LOE部件1126，並且被小平面1134朝向LOE部件1132引導。如果具有P偏振的光束1156通過耦入區域1116進入LOE 1114，則光束1156穿過PBS 1120，被鏡1122朝向HWP 1124重定向，並且被HWP 1124改變為S偏振。然後，光束1156傳播通過LOE部件1128，並且被小平面1136朝向LOE部件1132引導。然後，光束1154和光束1156傳播通過LOE部件1132。
如圖11B所示，如果AHWP 1144未啟動，則相應的光束將穿過AHWP 1144，而不被從S偏振改變為P偏振，並且將由PBS 1146重定向回到LOE部件1132。然後，光束傳播通過LOE部件1132，並且例如經由小平面1140耦出到眼睛180(圖1A)。
如果AHWP 1144啟動，則相應的光束被AHWP 1144轉換為P偏振，穿過PBS 1146並且被HWP 1148轉換回S偏振。然後，光束進入並且傳播通過LOE部件1130，並且例如經由小平面1138耦出到眼睛180(圖1A)。
返回參照圖9，例如，FOV分量802可以與沿著通過LOE部件1126和LOE部件1130的光路徑的光束對應，FOV分量804可以與沿著通過LOE部件1128和LOE部件1130的光路徑的光束對應，FOV分量806可以與沿著通過LOE部件1126和LOE部件1132的光路徑的光束對應，並且FOV分量808可以與沿著通過LOE部件1128和LOE部件1132的光路徑的光束對應。以這種方式，可以在不增加POD的尺寸、重量、功耗或其他特性的情況下，將放大的圖像FOV投影到眼睛180上(圖1A)。
參照圖12A至圖12D，將描述根據說明性實施方式的LOE 1214。LOE 1214包括：在LOE 1214的拐角中的耦入區域1216、LOE部件1226、LOE 部件1228、LOE部件1230和LOE部件1232。LOE部件1226和LOE部件1228包括矩形波導1215(有時被稱為螺旋波導或螺旋狀波導)，每個矩形波導具有四個主LOE表面1217、1218、1219和1221，每個主LOE表面以與主LOE表面116和主LOE表面118(圖1)類似的方式工作，以允許光從四個主LOE表面中的每一個傳播出去，而不是僅從如圖1A所示的兩個平行的主LOE表面傳播離開。
如圖12D所示，LOE部件1226和LOE部件1228例如以與圖8B關於LOE部件718和LOE部件720所示的方式類似的方式彼此上下堆疊。例如，在一些實施方式中，LOE部件1226和LOE部件1228可以沿Y方向堆疊。可以替選地使用其他堆疊方向。設置在LOE部件1226和LOE部件1228之間的是PBS 1224和HWP 1231，PBS 1224和HWP 1231以與上針對圖8B所述的PBS和HWP類似的方式工作。在一些實施方式中，LOE部件1226和LOE部件1228通過黏合劑或塗層1225接合在一起，如上文關於圖8B所述。
如圖12A和圖12B所示，LOE部件1226包括小平面1234，LOE部件1228包括小平面1236，LOE部件1230包括小平面1238，LOE部件1232包括小平面1240。雖然小平面1234和小平面1236被示出為與主LOE表面1217、主LOE表面1218、主LOE表面1219和主LOE表面1221垂直，但是在一些實施方式中，小平面1234和小平面1236中的一些或全部可以替選地傾斜於主LOE表面1217、主LOE表面1218、主LOE表面1219和主LOE表面1221。
LOE部件1230和LOE部件1232被層1242(例如，黏合劑、塗層或其他層)隔開。在一些實施方式中，LOE部件1226和LOE部件1228通過與層1242類似的層1243與LOE部件1230和LOE部件1232隔開。設置在LOE部件1230與LOE部件1232之間的是以與上述類似部件類似的方式工作的AHWP 1244、PBS 1246和AHWP 1248。
再次參照圖12A至圖12D，以類似於圖8B的LOE部件718和LOE部件720的方式，如果具有S偏振的光束1227通過耦入區域1216進入LOE部件1226，則光束1227將被PBS 1224重定向，傳播通過LOE部件1226並且被小平面1234重定向到LOE部件1230中。如果具有P偏振的光束1229 通過耦入區域1216進入LOE部件1226，則光束1229穿過PBS 1224並且被HWP 1231改變為S偏振。然後，光束1229傳播通過LOE部件1228並且被小平面1236重定向到LOE部件1232中。
在AHWP 1244和AHWP 1248由控制器140(圖1A)啟動的情況下，光束以與上述方式類似的方式傳播通過LOE部件1230和LOE部件1232，並且將從LOE部件1230跨越到LOE部件1232，反之亦然。例如，在LOE部件1230內傳播的光束將穿過AHWP 1248、PBS 1246和AHWP 1244進入LOE部件1232，或者由PBS 1246重定向回到LOE部件1230，這取決於AHWP 1244和AHWP 1248是否啟動，以將光束的偏振從S偏振轉換為P偏振並且返回到S偏振。類似地，在LOE部件1232內傳播的光束將穿過AHWP 1244、PBS 1246和AHWP 1248進入LOE部件1230，或者由PBS 1246重定向回到LOE部件1232，這取決於AHWP 1244和AHWP 1248是否啟動以將光束的偏振從S偏振轉換為P偏振並且返回到S偏振。光束通過光束在其中傳播的LOE部件的相應的小平面1238和小平面1240被耦出到眼睛180。
LOE部件1226、LOE部件1228、LOE部件1230、LOE部件1232、小平面1234、小平面1236、小平面1238、小平面1240、黏合劑或塗層1225、層1242、層1243、AHWP 1244、PBS 1224、AHWP 1244、PBS 1246、AHWP 1248和HWP 1231中的每一個以與上述其他實施方式中的類似部件類似的方式工作。雖然LOE 1214被示出為具有兩個矩形的LOE部件1226和LOE部件1228，但是任何其他數目的矩形LOE部件可以替選地以與以上針對圖8B至圖8D描述的方式類似的方式來使用。
返回參照圖9，例如，FOV分量802至FOV分量808中的每一個可以與通過LOE 1214的一個或更多個光路徑對應，光路徑包括：通過LOE部件1226和LOE部件1230而不穿過PBS 1246進入LOE部件1232的光路徑；通過LOE部件1226和LOE部件1232並且光束穿過AHWP 1248、PBS 1246和AHWP 1244進入LOE部件1232的光路徑；通過LOE部件1228和LOE部件1232而不穿過PBS 1246進入LOE部件1230的光路徑；以及通過LOE部件1228和LOE部件1230並且光束穿過AHWP 1244、PBS 1246和AHWP 1248進入LOE部件1230的光路徑。以這種方式，可以在不增加POD的尺寸、重量、 功耗或其他特性的情況下，將放大的圖像FOV投影到眼睛180上(圖1A)。
雖然上述實施方式各自公開了使用特定數目的LOE部件，但是在其他實施方式中可以替選地使用任何其他數目的LOE部件。另外，在其他實施方式中，可以替選地用矩形LOE部件(例如，LOE部件1226和LOE部件1228)代替以上提及的LOE部件中的任何一個。
參照圖13，現在將描述用於操作光學系統100的示例過程。該過程可以至少部分地由控制器140(圖1A)執行，或者可以至少部分地由光學系統100的任何其他部分執行。圖13的過程包括步驟1300至步驟1306。儘管在本文中將圖13的過程描述為具有特定步驟或特定順序的步驟，但在其他實施方式中過程可以替選地以任何循序執行步驟，可以包括附加的步驟，可以包括較少步驟或可以僅執行下面描述的步驟的一部分。
在步驟1300處，控制器140確定將圖像FOV分量投影到眼睛180上(圖1A)的目標耦出小平面和角度。例如，在一些實施方式中，控制器140可以至少部分地基於要投影的圖像FOV分量和從眼睛跟蹤系統30獲得的關於眼睛180的瞳的位置的位置資訊來確定目標耦出小平面和角度。在一些實施方式中，例如，在不包括眼睛跟蹤系統30或眼睛跟蹤系統30不可用的情況下，控制器140可以替選地在不使用位置資訊的情況下確定目標耦出小平面。
在步驟1302處，控制器140識別到目標耦出小平面的光路徑，該光路徑將以相應的角度向目標耦出小平面提供光束，例如，如圖2、圖3、圖5、圖6、圖7、圖8B、圖8C、圖8D、圖10A、圖10B、圖11A、圖11B、圖12A
和圖12B所示的光路徑。
在步驟1304處，控制器140確定沿著所識別的光路徑的每個AHWP的目標AHWP狀態，例如，啟動以將S偏振轉換為P偏振或反之亦然，以穿過PBS或從PBS反射離開。
在步驟1306處，控制器140將沿著所識別的光路徑的AHWP選擇性地設置為目標AHWP狀態。
在步驟1308處，控制器140啟動POD以沿著所識別的光路徑投影圖像FOV分量。
本文中使用的術語僅出於描述特定實施方式的目的，並且並不旨在限制本發明。如本文中所使用的，單數形式“一(a)”、“一個(an)”和“該(the)”也旨在包括複數形式，除非上下文另有明確指示。還將理解的是，當在本說明書中使用術語“包括”和/或“包含”時，其指定了所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但並不排除一個或更多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組的存在或添加。
所附請求項中的所有裝置或步驟加功能元件(如果有的話)的相應結構、材料、動作和等同物旨在包括用於與具體要求保護的其他要求保護的元件結合執行功能的任何結構、材料或動作。已經出於說明和描述的目的呈現了本發明的所公開的實施方式，但是這並不旨在是窮盡的或者限於所公開的形式的發明。在不背離本發明的範圍和精神的情況下，許多修改和變化對於本領域的普通技術人員將是明顯的。選擇和描述這些實施方式是為了最好地說明本發明的原理和實際應用，並且使得本領域的其他普通技術人員能夠理解本發明的具有適合於所考慮的特定用途的各種修改的各種實施方式。
210:圖像投影元件
212:投影光學器件
214:光導光學元件
220:有源半波片
222:偏振分束器
224:半波片
226,228,230:LOE部件
232,234,236:小平面
238,240:光束

Claims (20)

  1. 一種裝置，其包括至少一個處理器，所述至少一個處理器被配置成：
    確定目標耦出小平面；
    識別到所述目標耦出小平面的光路徑；
    識別與所述光路徑對應的有源波片；
    確定與所述光路徑對應的有源波片的目標狀態；
    將所述有源波片設置為所述目標狀態；以及
    使投影設備沿所述光路徑投影包括圖像視場分量的光束。
  2. 如請求項1所述的裝置，其中，所述有源波片被配置成在啟動狀態與去啟動狀態之間轉換，所述有源波片被配置成當處於所述啟動狀態時將所述光束從第一偏振轉換為第二偏振。
  3. 如請求項2所述的裝置，所述有源波片包括有源半波片。
  4. 如請求項2所述的裝置，其中，所述光路徑包括偏振分束器(PBS)，所述PBS被配置成重定向具有所述第一偏振的光束並且被配置成允許具有所述第二偏振的光束從中穿過。
  5. 如請求項4所述的裝置，其中，所述PBS嵌入所述裝置的光導光學元件(LOE)中。
  6. 如請求項5所述的裝置，其中，所述LOE包括：
    第一LOE部件；
    第二LOE部件；以及
    第三LOE部件，
    其中，所述第一LOE部件、所述第二LOE部件和所述第三LOE部件中的每一個包括多個小平面，所述第一LOE部件和所述第二LOE部件被配置成沿著不同光路徑將光束引導到所述第三LOE部件。
  7. 如請求項6所述的裝置，其中，所述第三LOE部件的小平面包括所述目標耦出小平面。
  8. 如請求項6所述的裝置，其中，所述LOE包括第四LOE部件，所述第一LOE部件和所述第二LOE部件被配置成沿著不同光路徑將光束引導到所述第三LOE部件和所述第四LOE部件，所述第三LOE部件和所述第四LOE部件中的一個的小平面包括所述目標耦出小平面。
  9. 如請求項8所述的裝置，其中，所述LOE包括設置在所述第三LOE部件與所述第四LOE部件之間的第二PBS，所述第二PBS被配置成將來自所述第三LOE部件和所述第四LOE部件中的相應的一個LOE部件的具有所述第一偏振的光束重定向回到所述第三LOE部件和所述第四LOE部件中的所述相應的一個LOE部件，並且被配置成允許來自所述第三LOE部件和所述第四LOE部件中的所述相應的一個LOE部件的具有所述第二偏振的光束進入所述第三LOE部件和所述第四LOE部件中的另一個LOE部件。
  10. 如請求項9所述的裝置，其中，所述LOE包括設置在所述第三LOE部件與所述第四LOE部件之間鄰近所述第二PBS的第二有源波片，所述第二有源波片被配置成在所述啟動狀態與所述去啟動狀態之間轉換。
  11. 如請求項10所述的裝置，其中：
    所述第二有源波片設置在所述第二PBS的第一側，所述第一側對應於所述第三LOE部件和所述第四LOE部件之一；並且
    所述LOE還包括設置在所述第二PBS的第二側的另一波片，所述第二側對應於所述第三LOE部件和所述第四LOE部件中的另一個LOE部件，其中，所述另一波片被配置成將所述光束從所述第一偏振轉換為所述第二偏振。
  12. 如請求項11所述的裝置，其中，所述另一波片包括第三有源波片和半波片之一，所述第三有源波片被配置成在所述啟動狀態與所述去啟動狀態之間轉換。
  13. 如請求項6所述的裝置，其中，所述第一LOE部件和所述第二LOE部件中的至少一個包括矩形波導。
  14. 一種方法，其包括：
    確定目標耦出小平面；
    識別到所述目標耦出小平面的光路徑；
    識別與所述光路徑對應的有源波片；
    確定與所述光路徑對應的所述有源波片的目標狀態；
    將所述有源波片設置為所述目標狀態；以及
    使投影設備沿所述光路徑投影包括圖像視場分量的光束。
  15. 如請求項14所述的方法，其中：
    所述有源波片被配置成在啟動狀態與去啟動狀態之間轉換；
    所述有源波片被配置成當處於所述啟動狀態時將所述光束從第一偏振轉換為第二偏振；以及
    將所述有源波片設置為所述目標狀態包括將所述有源波片設置為所述啟動狀態和所述去啟動狀態之一。
  16. 一種光學系統，包括：
    投影設備，其被配置成輸出具有第一偏振的光束；
    有源波片，其被配置成在啟動狀態與去啟動狀態之間轉換，所述有源波片被配置成當處於所述啟動狀態時將由所述投影設備輸出的光束從所述第一偏振轉換為第二偏振；
    PBS，其被配置成重定向具有所述第一偏振的光束並且被配置成允許具有所述第二偏振的光束從中通過；
    第一LOE部件，其包括第一多個小平面；
    第二LOE部件，其包括第二多個小平面；以及
    第三LOE部件，其包括第三多個小平面，其中：
    所述第一LOE部件和所述第三LOE部件限定從所述投影設備經由所述有源波片和所述PBS的第一光路徑；並且
    所述第二LOE部件和所述第三LOE部件限定從所述投影設備經由所述有源波片和所述PBS的第二光路徑。
  17. 如請求項16所述的光學系統，其中，在所述第一光路徑中，由所述投影設備輸出的光束被配置成在所述有源波片處於所述去啟動狀態時穿過所述有源波片，並且被所述PBS朝向所述第一LOE部件重定向。
  18. 如請求項16所述的光學系統，其中，在所述第二光路徑中，由所述投影設備輸出的光束被配置成在所述有源波片處於所述啟動狀態時穿過所述有源波片，所述有源波片被配置成將所述光束轉換成所述第二偏振，具有 所述第二偏振的所述光束被配置成穿過所述PBS而朝向所述第二LOE部件。
  19. 如請求項16所述的光學系統，其中，所述第一LOE部件和所述第二LOE部件中的每一個被配置成將光束引導到所述第三LOE部件，所述第三LOE部件被配置成將光束從所述光學系統耦出。
  20. 如請求項16所述的光學系統，其中：
    所述光學系統還包括第四LOE部件；
    所述第一LOE部件和所述第四LOE部件限定了從所述投影設備經由所述有源波片和所述PBS的第三光路徑；
    所述第二LOE部件和所述第四LOE部件限定了從所述投影設備經由所述有源波片和所述PBS的第四光路徑；
    所述第一LOE部件和所述第二LOE部件中的每一個被配置成將光束引導到所述第三LOE部件和所述第四LOE部件中的每一個；並且
    所述第三LOE部件和所述第四LOE部件被配置成將光束從所述光學系統耦出。
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