具有光混频的光源的制作方法

1.本公开涉及有源光学部件和模块，且特别地涉及光源，这些光源包括波长可调谐光源，并且涉及基于这种光源的光学设备。


背景技术：

2.视觉显示器用于向一位或多位观看者提供信息，这些信息包括静止图像、视频、数据等。视觉显示器在各种领域都有应用，仅举几个例子，这些领域包括娱乐、教育、工程、科学、专业培训、广告。一些视觉显示器(例如，电视机)向若干用户显示图像，而一些视觉显示器旨在用于个人用户。头戴式显示器(head mounted display，hmd)和近眼显示器(near-eye display，ned)等越来越多地用于向个人用户显示内容。hmd/ned显示的内容包括虚拟现实(virtual reality，vr)内容、增强现实(augmented reality，ar)内容、混合现实(mixed reality，mr)内容等。所显示的vr/ar/mr内容可以是三维(three-dimensional，3d)的，以增强体验，并且对于ar/mr应用，将虚拟对象与用户观看到的真实对象进行匹配。
3.头戴式显示器需要紧凑型显示设备。因为hmd或ned的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以大型的、体积庞大且笨重的、不平衡的、和/或重型的显示设备对于用户穿戴而言将是麻烦的且可能是不舒服的。紧凑型显示设备需要紧凑高效的部件和模块，例如光源和图像投射器。光学部件和模块的小型化使得光源和图像投射器的其他应用成为可能，例如用在移动通信设备中。这些应用不限于显示器，还包括如遥感、3d扫描、成像、激光雷达(lidar)等任务。


技术实现要素：

4.根据本公开的第一方面，提供了一种光源，该光源包括：第一激光器，该第一激光器用于以第一光频发射光；多个第二激光器，该多个第二激光器用于以不同的第二光频发射光；以及光学混频器，该光学混频器耦接到该第一激光器和该多个第二激光器，该光学混频器用于对由该第一激光器发射的光的光频和由该多个第二激光器中的每一个第二激光器发射的光的光频进行非线性光混合，从而以混合光频提供多个输出光束。
5.在一些实施例中，第一激光器是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器，并且多个第二激光器中的每个第二激光器是用于以固定光频发射光的固定激光器。
6.在一些实施例中，第一激光器是用于以固定光频发射光的固定激光器，并且多个第二激光器中的每个第二激光器是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器。
7.在一些实施例中，第一激光器和多个第二激光器中的每个第二激光器是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器。
8.在一些实施例中，多个输出光束中的每一个输出光束的混合光频是第一光频和多个第二光频中的一个特定第二光频的和光频(sum optical frequency)。
9.在一些实施例中，多个输出光束包括红色波长的光束、绿色波长的光束和蓝色波长的光束，其中，红色波长、绿色波长和蓝色波长是通过调谐以下中的至少一者来改变的：
第一激光器；或者多个第二激光器中的第二激光器。
10.在一些实施例中，光学混频器包括耦接到多个非线性光学元件的光学路由元件，其中，该光学路由元件被配置用于将第一光频的光耦合到该多个非线性光学元件中的每一个非线性光学元件，并且用于将每个第二光频的光耦合到该多个非线性光学元件中的一个特定非线性光学元件。
11.在一些实施例中，光学路由元件包括光子集成电路(photonic integrated circuit，pic)。
12.在一些实施例中，多个非线性光学元件中的每一个非线性光学元件包括准相位匹配非线性光学元件。
13.在一些实施例中，准相位匹配非线性光学元件包括极化晶体材料，其中，极化晶体材料的极化周期是啁啾的，极化周期的变化为极化周期的中值的至少0.1％且不超过50％。
14.在一些实施例中，光源还包括在极化晶体材料附近的多个电极，该多个电极用于提供沿极化晶体材料的静态或动态可变电场梯度，以通过使用电光效应改变极化晶体材料的相位匹配。
15.根据本公开的第二方面，提供了一种可调谐红绿蓝(rgb)光源，该rgb光源包括：红色光源、绿色光源和蓝色光源，红色光源、绿色光源和蓝色光源各自包括可调谐激光器和耦接到该可调谐激光器的非线性光学元件；以及控制器，该控制器可操作地耦接到红色光源的可调谐激光器、绿色光源的可调谐激光器和蓝色光源的可调谐激光器，该控制器用于同步调谐以下项的光频：红色光源的可调谐激光器、绿色光源的可调谐激光器和蓝色光源的可调谐激光器。
16.在一些实施例中，红色光源、绿色光源和蓝色光源中的每一者的非线性光学元件包括倍频非线性光学元件。
17.在一些实施例中，红色光源、绿色光源或蓝色光源中的至少一者包括多个激光器，该多个激光器用于提供同一颜色通道的不同波长的多个输出光束。
18.在一些实施例中，红色光源、绿色光源和蓝色光源中的每一者还包括：用于以固定光频发射光的固定激光器；以及用于将固定激光器和可调谐激光器光学耦合到非线性光学元件的光合路器；其中，该非线性光学元件被配置用于混合固定激光器的光频和可调谐激光器的光频。
19.在一些实施例中，非线性光学元件被配置用于以固定激光器和可调谐激光器的和光频提供输出光束。
20.根据本公开的第三方面，提供了一种投射器，该投射器包括：光源，该光源包括：可调谐激光器，该可调谐激光器用于以可调谐光频发射光；以及非线性光学元件，该非线性光学元件用于接收可调谐光频的光，并将该光转换为较高光频的第一束可见光；并且该投射器包括光学元件，该光学元件被配置成接收该第一束可见光，该光学元件具有取决于该第一光束的光频的光学特性。
21.在一些实施例中，非线性光学元件被配置成使可调谐光频加倍。
22.在一些实施例中，光源还包括用于以固定光频发射光的固定激光器，其中，该固定激光器光学耦合到非线性光学元件，其中，非线性光学元件被配置成以固定激光器和可调谐激光器的和频产生第一光束。
23.在一些实施例中，光源包括耦接到非线性光学元件的多个激光器，该多个激光器用于为红色通道、绿色通道和蓝色通道中的每一者以可调谐光频提供包括第一光束的可见光光束。
附图说明
24.现在将结合附图描述示例性实施例，在附图中：
25.图1是本公开的光源的示意图；
26.图2是包括可调谐激光器和多个固定激光器的、图1的光源的示意图，展示了通过和频产生(sum frequency generation，sfg)从红外光产生可见光波长的可调谐光；
27.图3是包括固定激光器和多个可调谐激光器的、图1的光源的示意图，该光源用于通过sfg产生可见光；
28.图4是包括多个可调谐激光器的、图1的光源的示意图，该光源用于通过sfg产生可见光；
29.图5a是具有加热极化晶体波导(heated poled crystal waveguide)的光源的局部截面侧视图；
30.图5b是具有电场可调谐极化晶体波导的光源的局部截面侧视图；
31.图6为可调谐rgb光源的示意图，其中，不同颜色通道的可见光是通过二次谐波产生(second harmonic generation，shg)从红外光获得的；
32.图7是可调谐rgb光源的示意图，其中，不同颜色通道的可见光是通过激光器对的sfg从红外光获得的；
33.图8a和图8b是针对基于sfg的光源，频率转换蓝光波长变化和频率转换红光波长变化分别相对于可调谐红外激光器的红外光波长变化的百分比的曲线图；
34.图9a是用于提供可变发散光束的投射器的示意图；
35.图9b是提供具有可变传播方向的光束的扫描投射器的示意图；
36.图10是示出波长可调谐的红色光源、绿色光源、蓝色光源的颜色坐标，以及基于这几种光源的投射器的可实现的颜色空间的颜色图表；以及
37.图11是本公开的具有一副眼镜的形状要素的增强现实(ar)显示器的视图。
具体实施方式
38.虽然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局限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代方案和等同物。本文中记载的对本公开的原理、方面和实施例以及本公开的具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。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，即所开发的用于执行相同功能的任何元素，而不管结构如何。
39.如本文所用，除非有明确说明，否则术语“第一”和“第二”等不旨在暗示顺序次序，而是旨在将一个元素与另一个元素区分开。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序次序并不意味着这些方法步骤执行的顺序次序。在图1至图7中，相同的附图标记表示相同的元素。
40.便携式/可穿戴显示器通常需要如下功能：对携带所显示图像的颜色通道的光束
进行可变聚焦和/或重定向。基于可倾斜反射镜的光束扫描仪和变焦透镜可用于这些目的。然而，基于反射镜的光束扫描仪和变焦透镜组件往往相对体积庞大且笨重，这些设备小型化的可能性有限。提供光束重定向/扫描和/或重聚焦的一种方法是将波长调谐后的光束导向波长色散光学元件，例如衍射光栅、衍射透镜、衍射反射器等。衍射光学元件可以做得非常薄。例如，衍射光学元件可以被制造为其他光学元件上的表面起伏特征。仅举几种技术和方法，也可以将衍射光学部件写入薄的光敏透明衬底和/或形成在液晶层中。
41.取决于光束波长，多个准直的、波长可调谐的光束可以被衍射光栅重定向。当光束的波长被调谐时，衍射光栅对这些光束本身进行成角度地扫描。当光束扫描整个视场(field of view，fov)时，可以形成角域中的图像。在每个时刻，携带红色通道、绿色通道和蓝色通道的准直光束的方向对应于正在显示的图像的像素。携带被正显示的像素的颜色通道的准直光束的波长可以在一定限度内变化，以例如通过使用相应的衍射部件来提供期望的光束重定向和/或重聚焦功能。通过在调谐波长的同时调节光束的相对亮度，可以避免或减少改变图像像素的颜色坐标。
42.用于扫描式颜色调谐显示器(scanning color-tuned display)的光源的波长和输出功率需要在高达约200khz的频率下可变，波长调谐范围为大约10纳米(nm)。为了提供对按波长来调谐光束参数的高选择性，光源需要是高度单色的，在一些应用中光谱线宽不大于10皮米(pm)。由于光谱带宽的限制，红色通道、绿色通道和蓝色通道中的每一者都可能需要可调谐激光源。
43.满足上述要求的可见光激光源并不容易获得，尤其是在可穿戴显示设备所需的紧凑形式中是如此的。然而，在光谱的近红外部分(例如，在光通信波长下)也有这种源。根据本公开，非线性光混频光学现象可以用于基于对可调谐激光源所发射的光的非线性光学转换来获得可见光光源，这些可调谐激光源发射光谱的不可见部分，例如红外(infrared，ir)和紫外(ultraviolet，uv)。
44.根据本发明，提供了一种光源，该光源包括：第一激光器，该第一激光器用于以第一光频发射光；多个第二激光器，该多个第二激光器用于以不同的第二光频发射光；以及光学混频器，该光学混频器耦接到该第一激光器和该多个第二激光器，该光学混频器用于对由第一激光器发射的光的光频和由该多个第二激光器中的每一个第二激光器发射的光的光频进行非线性光混合，从而以混合光频提供多个输出光束。该第一激光器可以是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器，并且该多个第二激光器中的每个第二激光器可以是用于以固定光频发射光的固定激光器。该第一激光器可以是用于以固定光频发射光的固定激光器，并且该多个第二激光器中的每个第二激光器可以是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器。该第一激光器和该多个第二激光器中的每个第二激光器可以是可调谐的。
45.该多个输出光束中的每一个输出光束的混合光频可以是第一光频和多个第二光频中的一个特定第二光频的和光频。该多个输出光束可以包括红色波长的光束、绿色波长的光束和蓝色波长的光束。可以通过调谐以下中的至少一者来改变红色波长、绿色波长和蓝色波长：第一激光器；或者该多个第二激光器中的第二激光器。
46.在一些实施例中，光学混频器包括耦接到多个非线性光学元件的光学路由元件。该光学路由元件可以被配置用于将第一光频的光耦合到该多个非线性光学元件中的每一个非线性光学元件，并且用于将每个第二光频的光耦合到该多个非线性光学元件中的一个
特定非线性光学元件。光学路由元件可以包括光子集成电路(photonic integrated circuit，pic)。该多个非线性光学元件中的每一个非线性光学元件可以包括准相位匹配非线性光学元件。准相位匹配非线性光学元件例如可以包括极化晶体材料。极化晶体材料的极化周期是啁啾的，极化周期的变化为极化周期的中值的至少0.1％且不超过50％。可以在极化晶体材料附近设置多个电极，该多个电极用于提供沿极化晶体材料的静态或动态可变电场梯度，以通过使用电光效应(electro-optical effect)来改变极化晶体材料的相位匹配。
47.根据本公开，提供了一种可调谐rgb光源，该可调谐rgb光源包括：红色光源、绿色光源和蓝色光源，红色光源、绿色光源和蓝色光源各自包括可调谐激光器和耦接到该激光器的非线性光学元件；以及控制器，该控制器可操作地耦接到红色光源的可调谐激光器、绿色光源的可调谐激光器和蓝色光源的可调谐激光器，该控制器用于同步调谐这些可调谐激光器的光频。红色光源、绿色光源和蓝色光源中的每一者的非线性光学元件可以包括倍频非线性光学元件。
48.红色光源、绿色光源或蓝色光源中的至少一者可以包括多个激光器，该多个激光器用于提供同一颜色通道的不同波长的多个输出光束。红色光源、绿色光源和蓝色光源中的每一者还可以包括用于以固定光频发射光的固定激光器，以及用于将固定激光器和可调谐激光器光学耦合到非线性光学元件的光合路器。该非线性光学元件可以被配置用于混合固定激光器的光频和可调谐激光器的光频。例如，非线性光学元件可以被配置用于以固定激光器和可调谐激光器的和光频提供输出光束。
49.根据本公开，还提供了一种投射器，该投射器包括上述包括非线性光学元件的一个或多个光源中的任一光源，该非线性光学元件可以被配置成使可调谐光频加倍。该光源还可以包括用于以固定光频发射光的固定激光器。该固定激光器可以光学耦合到非线性光学元件。该非线性光学元件可以被配置成以固定激光器和可调谐激光器的和频产生第一光束。该光源可以包括耦接到非线性光学元件的多个激光器，该多个激光器用于为红色通道、绿色通道和蓝色通道中的每一者以可调谐光频提供包括第一光束的可见光光束。
50.现在参考图1，光源100包括用于以第一光频发射光111的第一激光器101。多个102第二激光器(在该示例中，该多个第二激光器为红色通道激光器102r、绿色通道激光器102g和蓝色通道激光器102b)被设置用于分别以不同的第二光频发射光112r、112g和112b。光学混频器104耦接到第一激光器101和多个102第二激光器102r、102g和102b，该光学混频器用于对第一激光器101发射的光111的光频和由多个第二激光器102r、102g和102b中的每一个第二激光器相应发射的光112r、112g和112b的光频进行非线性光混合。作为非线性光频混合的结果，以混合光频产生多个输出光束，这些输出光束包括红色输出光束122r、绿色输出光束122g和蓝色输出光束122b。光学混频器104提供由第一激光器101发射的光111以及第二激光器101、102r、102g和102b发射的光112r、112g和112b的非线性光学相互作用。该非线性光学相互作用可以包括和频产生、差频产生、一个或多个谐波产生等。
51.控制器106可以可操作地耦接到第一激光器101和多个102第二激光器102r、102g和102b，该控制器用于控制这些激光器的光功率水平和/或发射波长，这影响红色输出光束122r、绿色输出光束122g和蓝色输出光束122b的光功率水平和波长/光频。
52.现在将提供光源的特定实施例和光频混合配置的非限制性示例。
53.参考图2，光源200是图1的光源100的实施例。图2的光源200包括可调谐激光器201以及多个固定激光器，该可调谐激光器以可调谐光频发射光211，该多个固定激光器在本示例中为红色通道固定激光器202r、绿色通道固定激光器202g和蓝色通道固定激光器202b，该多个固定激光器分别以不同的固定光频发射光212r、212g和212b。在所示的特定非限制性示例中，所有四个激光器都是红色或红外激光器：可调谐激光器201在1550nm的波长附近是可调谐的，红色通道固定激光器202r发射波长为1033nm的光，绿色通道固定激光器202g发射波长为780nm的光，蓝色通道固定激光器202b发射波长为655nm的光。
54.光源200的光学混频器204包括耦接到多个非线性光学元件210r、210g和210b的光子集成电路(pic)208。pic 208被配置用于将可调谐光频的光211耦合到多个非线性光学元件210r、210g和210b中的每一个非线性光学元件，并且用于将每个固定光频的光212r、212g和212b耦合到非线性光学元件210r、210g和210b中的相应一个非线性光学元件。每个单光束耦合到多个非线性光学元件210r、210g和210b中的一个特定非线性光学元件。光分路器和合路器的组合，例如y-光分路器/合路器、定向光分路器/合路器、或另一个或多个光学路由元件，可以用来代替pic 208以提供相同的功能。
55.每个非线性光学元件210r、210g和210b可以包括准相位匹配非线性元件，例如极化铌酸锂(poled lithium niobate，ppln)晶体或薄膜铌酸锂波导结构。准相位匹配非线性元件可以形成波导，该波导被配置用于使可调谐光频的光211与固定光频的光212r、212g或212b一起共同传播。在如图2所示的实施例中，红色输出光束222r、绿色输出光束222g和蓝色输出光束222b中的每一者的混合光频是第一(可调谐)光频与红色通道固定激光器202r、绿色通道固定激光器202g和蓝色通道固定激光器202b的多个第二(固定)光频中的一个特定光频的和频。随着可调谐激光器201的光频在低值与高值之间进行扫频(swept)，红色输出光束222r、绿色输出光束222g和蓝色输出光束222b的光频和波长在它们相应的低值与高值之间同时进行扫频。为了在可调谐光频的光211的每个光频下提供合理的非线性转换效率，准相位匹配非线性元件的极化周期可以是啁啾的，例如，极化周期的变化例如为中值的至少0.1％且不超过中值的50％。在本文中和说明书的其余部分，术语“红色光束”或“红色波长”表示对观看者呈现红色的单色光的波长范围，例如该波长范围在600nm与750nm之间；术语“绿色光束”或“绿色波长”表示对观看者呈现绿色的单色光的波长范围，例如该波长范围在500nm与600nm之间；术语“蓝色光束”或“蓝色波长”表示对观看者呈现蓝色的单色光的波长范围，例如该波长范围在350nm与500nm之间。
56.现在参考图3，光源300是图1的光源100的实施例。与图2的光源200不同，图3的光源300包括固定激光器301以及多个可调谐激光器，该固定激光器用于以固定光频发射光311，该多个可调谐激光器在该示例中为红色通道可调谐激光器302r、绿色通道可调谐激光器302g和蓝色通道可调谐激光器302b，该多个可调谐激光器用于分别以不同的可调谐波长/光频发射光312r、312g和312b。在该特定示例中，所有四个激光器都是红外激光器：固定激光器301发射波长为990nm的光，红色通道可调谐激光器302r发射波长为1650nm的光，绿色通道固定激光器302g发射波长为1100nm的光，蓝色通道固定激光器302b发射波长为860nm的光。
57.光源300的光学混频器304类似于图2的光源200的光学混频器204。图3的光学混频器304可以包括pic 308或耦接到多个非线性光学元件310r、310g和310b的另一个合适的光
学路由元件，这些非线性光学元件例如是准相位匹配晶体，例如铌酸锂(linbo3)准相位匹配极化晶体波导。pic 308被配置用于将固定光频的光311耦合到多个非线性光学元件310r、310g和310b中的每一个非线性光学元件，并且用于将各个可调谐光频的光312r、312g和312b分别耦合到非线性光学元件310r、310g和310b。每个可调谐光频的单光束耦合到多个非线性光学元件310r、310g和310b中的一个特定非线性光学元件。红色输出光束322r、绿色输出光束322g和蓝色输出光束322b的混合光频是第一(固定)光频与红色通道可调谐激光器302r、绿色通道可调谐激光器302g和蓝色通道可调谐激光器302b的多个第二(可调谐)光频中的一个特定第二(可调谐)光频的和频。为了在可调谐光频的光211的每个光频下提供合理的非线性转换效率，极化晶体材料的极化周期可以是啁啾的，如上面参考图2所述。与图2的光源200相比，图3的光源300的一个优点是红色输出光束322r的波长、绿色输出光束322g的波长和蓝色输出光束322b的波长是单独可调谐的。
58.转向图4，光源400是图1的光源100的实施例。图4的光源400的所有激光源在波长/光频上是可调谐的，这些激光源包括第一激光器401以及多个第二激光器，该第一激光器在1550nm附近可调谐，该多个第二激光器包括在1033nm附近可调谐的红色通道激光器402r、在780nm附近可调谐的绿色通道激光器402g和在655nm附近可调谐的蓝色通道激光器402b。光学混频器404在构造和操作上类似于图3的光学混频器304和图2的光学混频器204。简而言之，第一激光器401以第一光频发射光411，并且plc 408在非线性光学元件410r、410g和410b之间分配光411。由红色通道激光器402r发射的光412r耦合到红色通道非线性光学元件410r，由绿色通道激光器402g发射的光412g耦合到绿色通道非线性光学元件410g，由蓝色通道激光器402b发射的光412b耦合到蓝色通道非线性光学元件410b。通过各个非线性光学元件410r、410g和410b中的和频产生，获得红色输出光束422r、绿色输出光束422g和模糊输出光束422b。光源400的一个优点是增加了输出波长的调谐范围，因为该光源中的所有激光器都是独立可调谐的，从而扩展了和光频的可调谐范围。
59.参考图5a，光源500a在构造和操作上类似于先前考虑的光源100、200、300和400。图5a的光源500a包括耦接到具有相位匹配的非线性光学元件(例如，极化晶体材料510)的plc 508，以用于混合在极化晶体材料510中传播的光的光频。作为非限制性示例，极化晶体材料510可以包括块状晶体(例如被切割成期望形状的铌酸锂块状晶体)，或者电介质衬底上的并且随后被制造成波导的薄晶体层。加热器511可以热耦合到极化晶体材料510，该加热器用于提供沿极化晶体材料510的温度梯度。热梯度由于热光效应产生折射率梯度，并且还可以导致极化晶体材料510以空间变化的方式膨胀，这导致极化晶体材料510的折射率调制强度和有效极化周期在空间上变化。变化的程度可以通过改变由加热器511施加到极化晶体材料510的热量来调谐。
60.现在参考图5b，光源500b类似于图5a的光源500a，并且包括类似的元件。代替加热器511或者除了加热器511之外，图5b的光源500b包括多个电极513。该多个电极513可以被配置用于提供沿极化晶体材料510的静态或动态变化的电场梯度。例如，在图5b所示的实施例中，该多个电极513包括公共电极513c和相对的分段式电极513s。
61.在操作中，施加到极化晶体材料510的电场使得其折射率由于电光效应而改变。施加到极化晶体材料510的电场梯度使得极化晶体材料的折射率调制强度在空间上变化。通过向该多个电极513施加不同幅度的电压来改变电场梯度，从而可以调谐变化的程度。
62.转向图6，可调谐rgb光源600是图1的光源100的实施例。图6的可调谐rgb光源600包括红色通道光源632r、绿色通道光源632g和蓝色通道光源632b。每个光源632r、632g和632b包括耦接到非线性光学元件的可调谐激光器。在该示例中，这些可调谐激光器都是红外激光器：红色光源632r包括在1260nm附近可调谐的激光器602r，该激光器耦接到非线性光学元件610r；绿色光源632g包括在1060nm附近可调谐的激光器602g，该激光器耦接到非线性光学元件610g；并且蓝色光源632b包括在940nm附近可调谐的激光器602b，该激光器耦接到非线性光学元件610b。控制器606可以可操作地耦接到红色光源632r的可调谐激光器602r、绿色光源632g的可调谐激光器602g和蓝色光源632b的可调谐激光器602b，该控制器用于同步或单独调谐可调谐激光器602r、602g和602b的光频。在图6所示的实施例中，非线性光学元件610r、610g和610b是倍频晶体，从而通过二次谐波产生(shg)以较高光频提供输出的红色输出光束622r、绿色输出光束622g和蓝色输出光束622b。倍频晶体可以包括例如极化倍频晶体波导，可以如上面参考图5a和图5b所解释的那样对这些极化倍频晶体波导进行温度控制和/或电场调谐。
63.现在参考图7，可调谐rgb光源700是图1的光源100的实施例。图7的可调谐rgb光源700包括耦接到可选控制器706的红色光源732r、绿色光源732g和蓝色光源732b。每个光源包括非线性光学元件，该非线性光学元件通过光合路器耦接到固定激光器和可调谐激光器。具体地，红色光源732r包括固定激光器701r和可调谐(也称为扫频)激光器702r，该固定激光器和该可调谐激光器通过光合路器708r耦接到非线性光学元件710r；绿色光源732g包括固定激光器701g和可调谐激光器702g，该固定激光器和该可调谐激光器由光合路器708g耦接到非线性光学元件710g；并且蓝色光源732b包括固定激光器701b和可调谐激光器702b，该固定激光器和该可调谐激光器由光合路器708b耦接到非线性光学元件710b。非线性光学元件710r、710g和710b例如可以各自包括诸如极化晶体或晶体波导等非线性光学晶体，非线性光学晶体被配置用于混合相应的固定激光器的光频和可调谐激光器的光频。极化周期可以是啁啾的，以在波长或光频调谐的频带内提供所需的转换效率。在示出的实施例中，非线性光学元件710r、710g和710b被配置用于以相应的固定激光器和可调谐激光器的和光频提供输出光束，分别提供红色输出光束722r、绿色输出光束722g和蓝色输出光束722b。控制器706可以耦接到每个可调谐激光器702r、702g和702b，并且耦接到每个固定激光器701r、701g和701b，该控制器用于控制激光器输出功率和/或发射波长，如果适用的话，用于提供通过sfg产生的红色输出光束722r、绿色输出光束722g和蓝色输出光束722b的所需的功率水平和发射波长。
64.由固定激光器和可调谐激光器的sfg产生的输出光束的波长可以从下面的关系式中计算出来:
[0065][0066]
其中，λ
可见
是输出光束的波长，λ
固定
是固定波长激光器的发射波长，λ
扫频
是波长可调谐激光器的发射波长，c是光速。从(1)可以得出，随着对可调谐激光器的波长进行扫频，以较慢的速率对可见输出光束的波长进行扫频。图8a和图8b分别示出了针对蓝色输出光束和针对红色输出光束的纳米/纳米扫频速率(nanometer per nanometer sweeping rate)的示例。可以看出，例如对于蓝色光(图8a)，在1300nm附近扫频的红外光束的波长每改变1nm，
输出光束波长就改变大约0.12nm。对于红色光(图8b)，输出光束波长以较快的速率变化，在1300nm附近扫频的红外光束每改变1nm，输出光束波长就改变大约0.23nm。参与sfg的两个红外光束的扫频波长可以进一步增加可获得的总波长调谐范围。对于shg，该关系是红外(基本)光束波长每调谐1nm，可见光光束的波长调谐大约0.5nm。由于材料的色散，该关系可能不是精确的0.5nm/1nm。
[0067]
现在参考图9a，投射器900a包括波长可调谐可见光光源902，例如上文考虑的图1至图7的光源100至700中的任何光源。波长可调谐可见光光源902光学耦合到波长色散元件，在这种情况下，该波长色散元件是衍射透镜904a。衍射透镜或反射镜的焦距很大程度上取决于照射光的波长。在操作中，衍射透镜904a接收由波长可调谐可见光光源902发射的输出光束922，并根据输出光束922的波长或光频改变输出光束922的发散度，该输出光束的波长或光频由波长可调谐可见光光源902控制。根据输出光束922的波长，输出光束922可以聚焦在位置941、942或943中的任何一个位置。图9a的投射器900a是光学系统的示例，其中通过调谐输出光束的光频或波长来实现调谐光束参数，在这种情况下，该光束参数是光束发散度。为了清楚起见，夸大了位置941、942与943之间的间距。
[0068]
转向图9b，投射器900b包括波长可调谐可见光光源902，例如图1至图7的光源100至700中的任何一个光源，该波长可调谐可见光光源光学耦合到波长色散元件，特别是衍射光栅904b。在操作中，衍射光栅904b接收由光源902发射的输出光束922，并根据输出光束922的光频或波长改变输出光束922的传播方向。根据输出光束922的波长，输出光束922可以被导向951(实线)、952(短划线)或953(点虚线)。当输出光束922的波长被连续调谐时，连续地对输出光束922的方向进行扫频。图9b的投射器900b是光学系统的示例，其中调谐输出光束的光频或波长使得能够对该输出光束进行成角度地扫描。通过调制光束的强度，可以对角域中的图像进行光栅化。通过同时对输出光束波长进行扫频，可以同时对携带不同颜色通道(例如红色通道、绿色通道和蓝色通道)的光束进行扫频，从而渲染彩色图像。更一般地，光源902可以光学耦合到具有取决于输出光束922的光频或波长的光学特性的任何元件。光源902的可调谐性将使得元件下游的光束的光学特性被调谐。该光学特性可以包括发散度、方向、功率水平、光学相位等。
[0069]
当以波长或光频对携带各个颜色通道的光束进行扫频时，这些光束的颜色会发生轻微的变化。在渲染彩色图像时，需要考虑这种影响。为了将颜色坐标保持在所需值，可能需要根据输出彩色光束的当前波长来调节红色通道光束的光功率水平、绿色通道光束的光功率水平和蓝色通道光束的光功率水平。
[0070]
图10示出了波长扫描显示器在cie x,y颜色坐标中的颜色空间。点1001r、1002r和1003r表示当对波长扫描显示器的红色通道光束的波长进行扫频时，该红色通道光束的颜色坐标。类似地，点1001g、1002g和1003g表示当对波长扫描显示器的绿色通道光束的波长进行扫频时，该绿色通道光束的颜色坐标；点1001b、1002b和1003b表示当对波长扫描显示器的蓝色通道光束的波长进行扫频时，该蓝色通道光束的颜色坐标。三角形1011、1012和1013表示通过改变与点1001r、1001g、1001b；1002r、1002g、1002b和1003r、1003g、1003b分别相对应的波长的红色光束、绿色光束和蓝色光束的相对光功率，可获得的颜色空间。三角形1011、1012和1013的由三角形1050(粗短划线)表示的公共区域近似表示srgb颜色空间，并且是可用于扫描式彩色显示器的总颜色空间的子集，在该扫描式彩色显示器中，通过调
谐红色光束、绿色光束和蓝色光束的各自的波长来扫描红色光束、绿色光束和蓝色光束。
[0071]
转向图11，增强现实(ar)近眼显示器1100是可以使用本公开的光源或投射器的示例性光学系统。ar近眼显示器1100包括具有一副眼镜的形状要素的框架1101。框架1101针对每只眼睛支撑：投射器1108，例如本文所述的任何投射器；光瞳复制波导1110，该光瞳复制波导光学耦合到投射器1108；眼睛跟踪相机1104；以及多个照明器1106。各照明器1106散布于光瞳复制波导1110上以用于照亮适眼区(eyebox)1112。投射器1108提供一扇光束，该扇光束携带角域中的待投射到用户的眼睛中的图像。光瞳复制波导1110接收该扇光束并且提供该扇光束的每个光束的多个横向偏移的平行副本，从而在适眼区1112上方扩展所投射的图像。本文所公开的这些光源中的任何光源都可以在投射器1108中使用。
[0072]
对于ar应用，光瞳复制波导1110可以是透明或半透明的，以使用户能够观看外部世界以及投射到每只眼睛中并与外部世界视图叠加的图像。投射到每只眼睛中的图像可以包括用模拟视差处理的物体，以便看起来沉浸在真实世界视图中。
[0073]
眼睛跟踪相机1104的目的是确定用户的两只眼睛的位置和/或取向。一旦知道了用户两只眼睛的位置和取向，就可以确定注视会聚的距离和方向。考虑到用户的注视，可以动态地调整由投射器1108显示的影像，从而使用户更逼真地沉浸到所显示的增强现实场景中，和/或提供与增强现实的交互的特定功能。在操作中，照明器1106在对应的适眼区1112处照亮眼睛，以使得眼睛跟踪相机能够获得眼睛的图像，以及提供参考反射(即闪烁)。闪烁可以用作所采集的眼睛图像中的参考点，从而通过确定眼睛瞳孔图像相对于闪烁图像的位置来有助于确定眼睛注视方向。为了避免使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，红外光可以用于照亮适眼区1112。
[0074]
本公开的实施例可以包括人工现实系统，或者结合人工现实系统来实现。人工现实系统以某种方式调整通过感测获得的关于外界的感觉信息(例如，视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等)，之后呈现给用户。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mixed reality，mr)、混合现实(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产生的内容或与捕获的(例如，真实世界的)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。可以在单个通道中或在多个通道中(例如，在向观看者生成三维效果的立体视频中)呈现这些内容中的任何内容。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用程序、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用程序、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实中(例如，在人工现实中执行活动)。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，这些平台包括可穿戴显示器，例如连接至主计算机系统的hmd、独立式hmd、具有眼镜的形状要素的近眼显示器、移动设备或计算系统、或者能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。
[0075]
本公开不限于本文描述的特定实施例的范围。实际上，除了本文描述的实施例和修改之外，其他各种实施例和修改根据前述的描述和附图对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，虽然本文已出于特定目的而在特定环境中的特定实施方案的上下文中描述了本公开，但所属领域的普通技术人员将认识到，其有用性不限于此，且本公开可以出于任何数量的目在任何数量的环境中有益地实现。因此，以下阐述的权利要求应当鉴于如本文所述的本公开的全部范围
来解释。

技术特征：
1.一种光源，包括：第一激光器，所述第一激光器用于以第一光频发射光；多个第二激光器，所述多个第二激光器用于以不同的第二光频发射光；以及光学混频器，所述光学混频器耦接到所述第一激光器和所述多个第二激光器，所述光学混频器用于对由所述第一激光器发射的光的光频和由所述多个第二激光器中的每一个第二激光器发射的光的光频进行非线性光混合，从而以混合光频提供多个输出光束。2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述第一激光器是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器，并且所述多个第二激光器中的每个第二激光器是用于以固定光频发射光的固定激光器；或者其中，所述第一激光器是用于以固定光频发射光的固定激光器，并且所述多个第二激光器中的每个第二激光器是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器；或者其中，所述第一激光器和所述多个第二激光器中的每个第二激光器是用于以可调谐光频发射光的可调谐激光器。3.根据任一前述权利要求所述的光源，其中，所述多个输出光束中的每一个输出光束的混合光频是所述第一光频和各所述第二光频中的一个特定第二光频的和光频。4.根据任一前述权利要求所述的光源，其中，所述多个输出光束包括红色波长的光束、绿色波长的光束和蓝色波长的光束，其中，所述红色波长、所述绿色波长和所述蓝色波长是能够通过调谐以下中的至少一者来改变的：所述第一激光器；或者所述多个第二激光器中的第二激光器。5.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光学混频器包括耦接到多个非线性光学元件的光学路由元件，其中，所述光学路由元件被配置用于将所述第一光频的光耦合到所述多个非线性光学元件中的每一个非线性光学元件，并且用于将每个第二光频的光耦合到所述多个非线性光学元件中的一个特定非线性光学元件。6.根据权利要求5所述的光源，其中，所述光学路由元件包括光子集成电路(pic)。7.根据权利要求5或6所述的光源，其中，所述多个非线性光学元件中的每一个非线性光学元件包括准相位匹配非线性光学元件；并且可选地，所述准相位匹配非线性光学元件包括极化晶体材料，其中，所述极化晶体材料的极化周期是啁啾的，所述极化周期的变化为所述极化周期的中值的至少0.1％且不超过50％；并且可选地，所述光源还包括在所述极化晶体材料附近的多个电极，所述多个电极用于提供沿所述极化晶体材料的静态或动态可变电场梯度，以通过使用电光效应改变所述极化晶体材料的相位匹配。8.一种可调谐rgb光源，包括：红色光源、绿色光源和蓝色光源，所述红色光源、所述绿色光源和所述蓝色光源各自包括可调谐激光器和耦接到所述可调谐激光器的非线性光学元件；以及控制器，所述控制器可操作地耦接到所述红色光源的可调谐激光器、所述绿色光源的可调谐激光器和所述蓝色光源的可调谐激光器，所述控制器用于同步调谐以下项的光频：所述红色光源的可调谐激光器、所述绿色光源的可调谐激光器和所述蓝色光源的可调谐激光器。
9.根据权利要求8所述的可调谐rgb光源，其中，所述红色光源、所述绿色光源和所述蓝色光源中的每一者的非线性光学元件包括倍频非线性光学元件。10.根据权利要求8或9所述的可调谐rgb光源，其中，所述红色光源、所述绿色光源或所述蓝色光源中的至少一者包括多个激光器，所述多个激光器用于提供同一颜色通道的不同波长的多个输出光束。11.根据权利要求8至10所述的可调谐rgb光源，其中，所述红色光源、所述绿色光源和所述蓝色光源中的每一者还包括：固定激光器，所述固定激光器用于以固定光频发射光；以及光合路器，所述光合路器用于将所述固定激光器和所述可调谐激光器光学耦合到所述非线性光学元件；其中，所述非线性光学元件被配置用于混合所述固定激光器的光频和所述可调谐激光器的光频。12.根据权利要求8至11所述的可调谐rgb光源，其中，所述非线性光学元件被配置用于以固定激光器和所述可调谐激光器的和光频提供输出光束。13.一种投射器，包括：光源，所述光源包括：可调谐激光器，所述可调谐激光器用于以可调谐光频发射光；以及非线性光学元件，所述非线性光学元件用于接收所述可调谐光频的光，并将所述光转换为较高光频的第一束可见光；以及光学元件，所述光学元件被配置成接收所述第一束可见光，所述光学元件具有取决于所述第一光束的光频的光学特性。14.根据权利要求13所述的投射器，其中，所述非线性光学元件被配置成使所述可调谐光频加倍。15.根据权利要求13或14所述的投射器，其中，所述光源还包括用于以固定光频发射光的固定激光器，其中，所述固定激光器光学耦合到所述非线性光学元件，其中，所述非线性光学元件被配置成以所述固定激光器和所述可调谐激光器的和频产生所述第一光束；或者其中，所述光源包括耦接到非线性光学元件的多个激光器，所述多个激光器用于为红色通道、绿色通道和蓝色通道中的每一者以可调谐光频提供包括所述第一光束的可见光光束。

技术总结
公开了一种基于光学混频器的光源。该光源具有：第一激光器，该第一激光器用于以第一光频发射光；以及多个第二激光器，该多个第二激光器用于以不同的第二光频发射光。该光学混频器以第一激光器和第二激光器的混合光频提供输出光束。这些输出光束的波长可以通过调谐第一激光器或第二激光器中的任一者的波长来调谐。以这种方式，可以基于红色或近红外激光器来构建RGB波长可调谐光源。这些输出光束的波长可调谐性可以用于成角度地扫描光束或重聚焦光束。焦光束。焦光束。


技术研发人员：加雷斯
受保护的技术使用者：元平台技术有限公司
技术研发日：2021.12.11
技术公布日：2023/9/26