Meta为AR/VR显示小型化提出MEMS光束扫描仪解决方案

小编刘卫华 | 分类：专利 | 2022年2月19日

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紧凑的光束扫描仪

（映维网Nweon 2022年02月19日）传统的头显十分笨重，不够时尚美观。造成所述问题的一个重要原因是：可穿戴设备中的组件同样繁杂巨大。所以，厂商一直在尝试通过各种方式来小型化组件。

在名为“Display with a compact beam scanner（具有紧凑光束扫描仪的显示器）”和“Beam scanner with pic input and display based thereon（具有光子集成电路输出的光束扫描仪和基于所述光束扫描仪的显示器）”的专利申请中，Meta提出了一种小型化光束扫描仪的解决方案。

扫描投影仪显示器需要一个光学扫描仪，而后向者通常基于一个可倾斜的反射器。扫描仪可以在显示器的整个视场中扫描光束。当扫描光束时，其亮度和/或颜色会随着扫描而变化，以提供角度域中的图像。光束可以在两个方向扫描，例如在X和Y视角。当帧速率足够高时，眼睛能够整合扫描的光束并感知到没有闪烁的图像。其中，设备可以提供中继波导，以将角度域中的图像中继到显示器的视窗。配置为提供光瞳复制的中继波导又称为光瞳复制波导。

图像扫描仪面对的一个挑战是，光束入射到可倾斜反射器的倾斜角度导致视场降低，如图1A所示。FOV降低是由立体角变形引起。其中，立体角是指光束入射可倾斜反射器时的扫描范围。

有图像扫描仪通过在可倾斜反射器和波导之间采用光束路由光学器件来解决所述难题，如图1B所示。但这会增加扫描仪的尺寸，拉长扫描光束到光瞳复制波导耦入器的光程，并增加给定视场对耦入器的表面积要求。

Meta在发明中描述了一种针对所述问题的光束扫描方法：发散光束通过扫描反射器中的开口发送到后向反射器，以获得向扫描反射器传播的反射光束。反射光束由扫描反射器通过后向反射器反射。扫描反射器沿至少一个方向对反射光束进行角度扫描。弯曲后向反射器以准直反射光束，从而产生准直扫描光束。接下来，通过扫描扫描反射器，以可变角度将经准直扫描的光束耦合到光瞳复制器中。另外，后向反射器可配置为反射第一偏振的入射光并发射第二偏振的入射光。

Meta表示，这种布置设计可以实现紧凑的光束扫描仪。

在一个实施例中，专利描述的显示设备包括具有耦入器的光瞳复制波导，以及包括具有开口的扫描反射器和布置在扫描反射器和耦入器之间的第二反射器（后向反射器）的光束扫描仪。后向反射器配置成将通过开口传输的光反射回扫描反射器。在一个实施例中，开口可以是穿过扫描反射器的孔。在一个实施例中，开口可包括偏振器。

在一个实施例中，扫描反射器可包括可倾斜反射器，例如可倾斜反射镜。在一个实施例中，扫描反射器可包括MEMS反射器。在一个实施例中，光圈位于扫描反射器的中心，并具有锥形边缘、矩形边缘或圆形边缘。

在一个实施例中，第二反射器（后向反射器）可配置成至少部分地准直从其反射的图像光束。在一个实施例中，第二反射器可包括弯曲的反射表面。第二反射器可包括反射偏振器。在一个实施例中，显示设备可包括布置在反射偏振器和扫描反射器之间的四分之一波片（QWP）。

在上述实施例中，显示设备同时可包括配置为发射图像光的光源。光源可包括多个发射器，其用于发射包括多个图像光束的图像光。

显示设备同时可以包括配置为将图像光导入光圈的光子集成电路（PIC）。

图2A和2B是根据上述发明描述的布置设计，并且示出了示例显示设备250的后端。示例显示设备250使用光束扫描仪200将图像光耦合到显示器的中继波导240中。中继波导240包括耦入器225，并且可以代表例如上述的光瞳复制波导。

图2A和2B中的布置设计可以允许扫描反射器以相对较小的占地面积垂直入射。扫描仪200包括具有孔径215的扫描反射器（SR）210和面向SR 210的后向反射器（BR）220。后向反射器（BR）220又可以称为第二反射器。光圈215允许输入图像光201从SR 210的后侧211引导到BR 220，并且可以只是SR 210中的孔径或开口。

BR 220可以配置为将通过孔径215传输的图像光反射回SR 210。图像光201可以在SR 210和BR 220之间的空腔222中行进至少两次，以第二次入射穿过BR 220。

BR 220可布置在中继波导240的耦入器225附近，以便通过BR 220传输的光可以耦合到波导240中。在一个实施例中，BR 220可布置成在垂直于波导240的光输入面的方向反射输入图像光201。

在一个实施例中，BR 220可接近或甚至接触波导240的光输入面。

在一个实施例中，BR 220可包括偏振反射器，其配置为反射第一偏振状态PS1的光，并允许第二正交偏振状态PS2的光通过其透射。在一个实施例中，BR 220可以具有透光率，并且可以至少部分聚焦或至少部分准直从其反射的光。

BR 220可适当地布置在SR 210附近，这允许SR 210与波导240或耦入器225之间的距离d变小。变小的SR-BR距离允许SR 210和波导240的耦入器225之间具有相应的较小距离。举例来说，SR 210与波导240的距离可以小于等于1mm，或者与波导240的距离可以小于等于0.3mm。

换句话说，这可以实现更为紧凑的设计。

在操作中，图像光201通过孔径215进入空腔222，并作为发散光束213向BR 220传播。BR 220将图像光作为反射光束203反射回SR 210，然后作为扫描光束209从SR 210反射回耦入器215，在通过BR 220传输后到达耦入器225。光束203照亮远大于孔径215面积的SR 210面积，并作为扫描光束209从SR 210向BR 220和耦入器225反射。在一个实施例中，光束209被准直。在一个实施例中，光束203和209被准直。BR 220可以配置为发送扫描光束209的至少一部分，以便经由耦入器225耦合到波导240。

SR 210可用于在1D或2D角度范围内扫描角度域中的扫描光束209。在图2所示的实施例中。2A和2B，SR 210是一个倾斜反射器，可围绕垂直于图形平面的倾斜轴倾斜，即平行于Y轴。在一些实施例中，SR 210还可操作为围绕平行于X轴的第二轴倾斜。倾斜轴可以延伸穿过孔径215，例如穿过其中心，从而孔径的位置不会随着倾斜而改变。

图2A示出了SR 210的状态。对于所述状态，SR 210以正入射接收反射图像光束203，并沿相同路径返回扫描光束209。SR 210的这种状态可以称为非倾斜状态，并且在一个实施例中可以是SR 210未通电时的默认状态。

参考图2C，显示设备250可包括光源205、控制器255、聚焦光学元件235和可选偏振器207。光源205配置为提供输入图像光201。光源205可以包括一个或多个发射器。聚焦光学元件235可配置为通过光圈215聚焦图像光201。在操作中，光源205可以提供携带图像信息的输入图像光201。控制器255可操作地耦合到光源205和SR 210，并配置为与操作SR 210协调地向光源205提供驱动信号113至SR 210，以及控制信号111。

图6A是一个示例扫描投影仪600。扫描投影仪600包括耦合到BR 620的SR 610的光束扫描仪630，以及配置成将一个或多个输入光束601聚焦到SR 610的孔径615的聚焦光学器件635。在一个实施例中，SR 610可以是MEMS反射器，并可由MEMS壳体640支撑。

图6B中扫描投影600可包括光源605，其包括一个或多个发射器606。

参考图7，在一个实施例中，光子集成电路（PIC）750可用于提供输入光601。输入光601可以通过一个或多个波导711传送到孔径615。

PIC包括一个用于输出来自波导的第一光束的耦出器。耦出器可包括用于将第一光束重定向出PIC的平面转向镜。转向镜可以是凹面，并用于通过第一反射器中的开口聚焦光束。光束扫描器同时可以包括从PIC向第一反射器中的开口延伸的辅助波导，其用于将由转向镜反射的第一光束传输到第一反射器中的开口。PIC同时可以包括用于引导第二光束的第二波导。

在一个实施例中，SR 610可以是如上所述的MEMS反射器，并且PIC 750和波导711可以包括在也容纳MEMS反射器的MEMS封装740中，从而减小投影仪的总体尺寸。