[发明专利]具有MEMS扫描器的紧凑型显示引擎

说明书

一种近眼式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基于波导的显示器，其具有在两个方向上提供出射光瞳扩展的衍射光学元件(DOE)。显示引擎包括单轴MEMS(微机电系统)扫描器对，其被配置为使用光栅扫描来使图像光反射通过显示系统的视场(FOV)的水平和竖直扫描轴。MEMS扫描器被布置为具有彼此基本成直角的旋转轴，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，而无需附加的光学元件，诸如透镜或中继系统。

背景技术

诸如头盔式显示器(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。

发明内容

一种近眼式光学显示系统利用紧凑型显示引擎，该显示引擎将来自成像器的图像光耦合到基于波导的显示器，其具有在两个方向上提供出射光瞳扩展的衍射光学元件(DOE)。显示引擎包括单轴MEMS(微机电系统)扫描器对，其被配置为使用光栅扫描来使图像光反射通过显示系统的视场(FOV)的水平和竖直扫描轴。MEMS扫描器被布置为具有彼此基本成直角的旋转轴，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，而无需附加的光学元件，诸如透镜或中继系统。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。

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连接并且包括偏振敏感的分束器接口，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。

PBS立方体的分束器接口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立方体的相对出射面上。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，图像光向下被反射回PBS立方体。

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，而没有在接口处反射，到达PBS立方体底面的慢速扫描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。

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)。