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增加視窗尺寸

（映維網(wǎng)Nweon?2022年05月25日）諸如空間光調(diào)制器（SLM）這樣的相位調(diào)制裝置可以使用衍射形成強(qiáng)度分布。強(qiáng)度分布可以作為信息顯示器的圖像，并用于投影用于深度傳感的點(diǎn)陣列。相位調(diào)制裝置可以是透射式或反射式，如硅上液晶（LCoS）裝置。

SLM通常是像素化設(shè)備，其中正方形像素放置在規(guī)則網(wǎng)格之上。具有像素行和像素列的空間量化設(shè)備通常會(huì)形成中心衍射圖案，并在水平軸和垂直軸重復(fù)所述圖案。重復(fù)源自光的高衍射階。

例如，第一衍射階可表示預(yù)期圖像，而光的更高衍射階可致使其他位置形成圖像的重復(fù)。較高的衍射階是由于混疊而形成。任何定期采樣的信號(hào)都將以與采樣頻率相同的頻率重復(fù)其頻譜。

一般來說，較高的衍射階不可取，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致中心圖像和圖像的一個(gè)或多個(gè)重復(fù)同時(shí)進(jìn)入用戶眼睛。例如，圖1示意性地示出了由全息圖104產(chǎn)生的鋸齒圖像102。

如果像素的大小無限小，則較高衍射階將具有與中心圖像相同的強(qiáng)度。但由于像素大小有限，衍射圖案在遠(yuǎn)離中心階的地方振幅減小。高衍射階通常是衍射系統(tǒng)不需要的副作用，所以廠商經(jīng)常使用各種技術(shù)來消除不需要的階，從而應(yīng)對(duì)與階間距相關(guān)的視覺偽影，并增加中心所需階的可用功率。然而，大多數(shù)技術(shù)通常會(huì)增加整個(gè)設(shè)備的體積和/或復(fù)雜性。

另外，在圖像形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一個(gè)共同目標(biāo)是增加視窗的尺寸，尤其是當(dāng)需要大視場(chǎng)（FOV）時(shí)。由這種圖像形成系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像光通常聚焦于出瞳。如果出瞳與人眼瞳孔重合，則人類可感知預(yù)期圖像。所以，可以通過創(chuàng)建更多的出瞳和/或增加系統(tǒng)移動(dòng)出瞳來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展視窗。

在名為“Pixel sampling for spatial light modulator”的專利申請(qǐng)中，微軟介紹了一種通常不需要或能夠消除較高衍射級(jí)光的技術(shù)。另外，所述技術(shù)可用于形成額外的出瞳，從而增加視窗尺寸。

簡(jiǎn)單來說，圖像形成系統(tǒng)包括具有重采樣層的SLM，重采樣層使用每像素兩個(gè)或更多個(gè)采樣對(duì)SLM的每個(gè)像素進(jìn)行采樣。這會(huì)影響通過高階光重復(fù)圖像的間距。結(jié)果，可以形成具有足夠間距的多個(gè)出瞳，使得一次只有一個(gè)出瞳與人眼瞳孔重合，從而減輕通常與較高衍射階相關(guān)聯(lián)的視覺偽影。

另外，對(duì)像素進(jìn)行采樣以令每個(gè)采樣類似于點(diǎn)源，可以增加所產(chǎn)生的更高衍射階的亮度。由于采樣的尺寸依然有限，并且不是真正的點(diǎn)源，所以在較高的衍射階中或會(huì)觀察到一定程度的強(qiáng)度損失。但考慮到采樣的小尺寸，可以減輕這種振幅損失，以便較高的衍射階在各自的出瞳形成足夠清晰和明亮的圖像。

圖2A示意性地示出了包括所述SLMs 202的示例圖像形成系統(tǒng)200。SLM 202可以采用任何合適的形式并使用任何合適的技術(shù)。盡管發(fā)明主要關(guān)注反射型SLM（例如，LCoS實(shí)現(xiàn)），但可以使用透射型SLM。

SLM 202包括多個(gè)像素電極，包括像素電極204A、204B和204C。每個(gè)像素電極配置為反射入射到像素電極的光。例如，圖2B示出了從像素電極204B反射的入射光的單光束。反射光包括實(shí)線所示的一階光束以及虛線所示的兩個(gè)高階光束。所述光束中的每一個(gè)都可以離開SLM以通過各自的出瞳。例如，光的第一衍射階可以通過第一出瞳，而更高的衍射階可以通過與第一出瞳位置不同的一個(gè)或多個(gè)附加出瞳。

與SLM的相位調(diào)制層206串聯(lián)的多個(gè)像素電極可共同包括多個(gè)單獨(dú)的像素205A-205C，配置為衍射入射光并令衍射光離開SLM。例如，多個(gè)像素可操作地與控制邏輯耦合，控制邏輯可用于影響每個(gè)像素電極未知的電氣條件。這又可影響SLM的相位調(diào)制層206內(nèi)的電條件。相位調(diào)制層影響通過它的任何入射/反射光的相位，從而將光衍射成各種衍射階。所以，通過經(jīng)由像素電極改變相位調(diào)制層內(nèi)的電條件，可以改變?nèi)肷?反射光的相位。以這種方式，控制邏輯可用于控制每個(gè)像素以控制其對(duì)入射到像素的光的調(diào)制，并令多個(gè)像素在每個(gè)出瞳共同形成圖像。

盡管圖2A中未示出，但SLM可包括附加電極，例如接地電極或公共電極，其可布置在相位調(diào)制層與多個(gè)像素電極相對(duì)的一側(cè)。

SLM 202同時(shí)可以包括設(shè)置在像素電極和相位調(diào)制層之間的模糊層208。相位調(diào)制層（例如液晶層）中的缺陷可導(dǎo)致形成圖像出現(xiàn)不期望的視覺偽影。例如，相位調(diào)制層的相位可能不會(huì)在像素之間均勻地或最佳地改變，從而導(dǎo)致當(dāng)像素在其邊緣附近采樣時(shí)發(fā)生像差。

這可以通過使用模糊層或內(nèi)插層來緩解。其中，模糊層或內(nèi)插層可以具有比相位調(diào)制層更高的介電常數(shù)。以這種方式，模糊層可以配置為平滑相位調(diào)制層的液晶狀態(tài)在與像素電極/像素相關(guān)聯(lián)的局部區(qū)域之間的相變。模糊層可以具有任何合適的布置，并由任何合適的材料構(gòu)成。在一個(gè)示例中，模糊層可由鋯鈦酸鉛（PZT）構(gòu)成。

圖2B示意性地示出了圖像形成系統(tǒng)200的另一視圖。系統(tǒng)200可用于定位出瞳并提供視窗。

如上所述，圖像形成系統(tǒng)200包括SLM 202。圖像形成系統(tǒng)200同時(shí)包括被配置為向SLM發(fā)射入射光（Li）的光源210。在一個(gè)實(shí)施例中，光源可配置為以動(dòng)態(tài)可控的入射角向SLM發(fā)射入射光。例如，這可用于控制出瞳形成的位置，從而增加視窗的大小。例如，動(dòng)態(tài)控制入射角會(huì)改變每個(gè)出瞳形成的各自位置。

在所描繪的示例中，從光源210發(fā)射的光進(jìn)入SLM 202。可以以各種方式控制將光引入SLM的輸入角度。作為一個(gè)示例，光源可以包括可控制的可操縱微鏡，以改變來自微射影的光引入SLM 202的角度，從而控制圖像形成系統(tǒng)200的出瞳。

盡管圖2B中未描繪，但任何合適的元件可布置在光源和SLM之間。例如，來自光源的光可以首先通過具有適當(dāng)?shù)鸟钊牒婉畛鲈牟▽?dǎo)。

圖2B所示的光輸入角對(duì)應(yīng)于光的第一衍射階（Lr1），并會(huì)聚到接近人眼瞳孔214的出瞳212。因此，通過出瞳的光可以經(jīng)由人眼瞳孔214進(jìn)入眼睛并照射視網(wǎng)膜，從而允許大腦將所述光視為圖像。

圖2B同時(shí)顯示了由代表更高衍射階（Lr2）的光形成的另一出射光瞳212B。在所示示例中，兩個(gè)出瞳212A和212B都接近人眼瞳孔。所以，通過兩個(gè)出瞳的光可以進(jìn)入人眼瞳孔，并視為雙倍圖像。不過，對(duì)應(yīng)于光的不同衍射階的出瞳之間的間距可以通過SLM的子采樣像素來增加。

另外在所示示例中，離開SLM的光聚焦到各自的焦點(diǎn)。為此，圖像形成系統(tǒng)可以在SLM和人眼之間的光路中包括任何合適的聚焦光學(xué)元件。例如，光可以通過任何靜態(tài)透鏡、動(dòng)態(tài)透鏡合波導(dǎo)等到達(dá)人眼。以這種方式，SLM不需要如圖所示直接定位在眼睛前方，而是可以具有另一個(gè)合適的位置。同時(shí)，離開SLM的光可以在到達(dá)出瞳之前采用任何合適的路徑并通過任何合適的光學(xué)元件。

在一個(gè)實(shí)施例中，圖像形成系統(tǒng)200可以基于用戶瞳孔的位置改變出瞳位置。因此，圖2B示出了配置為追蹤人眼瞳孔當(dāng)前位置的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)216。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)216可以包括將光投射到眼睛的光源，以及捕獲從角膜或眼睛其他結(jié)構(gòu)反射的光的圖像傳感器。

通過圖像傳感器，可以識(shí)別閃爍和/或其他特征以確定瞳孔位置。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)216識(shí)別的瞳孔位置可提供給控制邏輯218，而控制邏輯218可配置為設(shè)置光源發(fā)射的入射光的當(dāng)前角度，從而令出瞳形成接近人眼瞳孔的當(dāng)前位置。

另外，控制邏輯218可以通過與SLM的像素電極耦合操作地耦合到多個(gè)像素。通過改變每個(gè)像素電極的電氣條件，控制邏輯可以影響每個(gè)像素發(fā)生的光調(diào)制。以這種方式，可以令多個(gè)像素在每個(gè)出瞳共同形成圖像。控制組件218可以實(shí)現(xiàn)為任何合適的處理組件。

如上所述，在圖2B中，兩個(gè)出瞳212A和212B接近同一人眼瞳孔214。圖2C同樣進(jìn)行了示出。在圖2C中，我們可以看到一個(gè)示例視窗220，其中人眼瞳孔可以接收來自圖像形成系統(tǒng)200的光。為簡(jiǎn)單起見，本文所指的視窗通常指二維矩形空間區(qū)域，但在實(shí)際應(yīng)用中視窗可以具有任何合適的形狀和尺寸。

在圖2C中，出瞳212A和212B都接近人眼瞳孔214。因此，人眼可以同時(shí)接收通過兩個(gè)出瞳的光。以這種方式，用戶可以感知對(duì)應(yīng)于光的不同衍射階的相同圖像的兩個(gè)副本。

如上所述，SLM的每個(gè)像素可以用每個(gè)像素的兩個(gè)或更多離散采樣進(jìn)行二次采樣。圖4A示出了包括SLM 402的另一示例圖像形成系統(tǒng)400。與SLM 202一樣，SLM 402包括多個(gè)像素電極404A-404C、相位調(diào)制層406和模糊層408。像素電極和相位調(diào)制層共同包括配置為衍射和調(diào)制入射光以形成圖像的多個(gè)像素405A-405C。

然而，SLM 402進(jìn)一步包括布置在光源和相位調(diào)制層之間的重采樣層410。重采樣層與入射光相互作用，使得在兩個(gè)或多個(gè)特定區(qū)域?qū)Χ鄠€(gè)像素中的每個(gè)像素進(jìn)行選擇性采樣。具體聚焦于像素電極404B，第一光束作為第一采樣412A反射，而第二光束作為第二采樣412B從相同的像素電極反射。

圖4B從另一角度顯示了多個(gè)像素。具體地，圖4B示出了與多個(gè)其他像素一起排列在規(guī)則網(wǎng)格中的像素電極404A、404B和404C中的每一個(gè)。每個(gè)像素的采樣位置（包括采樣412A和412B）用黑色圓圈表示。如圖所示，每個(gè)像素可以采樣四次。但這并非限制性，根據(jù)離開SLM的光的各種衍射階之間的期望間距，每個(gè)像素可以使用任何合適數(shù)量的采樣。

各像素的每個(gè)采樣位置同樣不受限制。如上所述，當(dāng)像素在其邊緣附近采樣時(shí)，相位調(diào)制層（例如液晶層）中的缺陷可能導(dǎo)致視覺像差。

因此，某些情況可能需要對(duì)每個(gè)像素的中心區(qū)域進(jìn)行采樣。然而，可以通過在SLM中使用模糊層來減輕這種視覺像差，從而潛在地允許在不引入像差的情況下對(duì)每個(gè)像素的邊緣區(qū)域進(jìn)行采樣。

可以基于每個(gè)像素的大小以及期望的出瞳間距來設(shè)置每個(gè)像素采樣之間的間距。在所示示例中，對(duì)于多個(gè)像素中的每一個(gè)，每個(gè)像素的兩個(gè)或多個(gè)采樣中的每一個(gè)之間的像素內(nèi)間隔基本相同。另外，每個(gè)像素的兩個(gè)或多個(gè)采樣共同形成規(guī)則的樣本網(wǎng)格。

換言之，無論兩個(gè)相鄰像素是在同一像素上還是在相鄰像素上，兩個(gè)相鄰樣本之間的間距基本相同。

用于對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行采樣的重采樣層可以采用任何合適的形式。在一個(gè)示例中，重采樣層可以采用掩模的形式，并選擇性地阻止入射光到達(dá)多個(gè)像素中每個(gè)像素的至少一部分。

或者，重采樣層可以采用光學(xué)陣列元件的形式，例如將入射光聚焦在每個(gè)像素的特定部分的微透鏡陣列。這可以確保使用更多的入射光，而不是被遮罩遮擋。

作為另一個(gè)示例，重采樣層可以采用衍射光學(xué)元件的形式，例如全息光學(xué)元件?；蛘呖蛇x地，重采樣層可配置為修改入射光的幾何相位，例如超材料。當(dāng)使用動(dòng)態(tài)全息圖或幾何相位超材料時(shí)，可以動(dòng)態(tài)改變像素上的樣本間距。

換言之，重采樣層對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行二次采樣的每像素采樣間隔或采樣量可以動(dòng)態(tài)可控，例如影響每階衍射光離開SLM的角度。因此，可以動(dòng)態(tài)地改變由光的各種衍射階形成的每個(gè)出瞳之間的間距，例如跟隨移動(dòng)的瞳孔。

回到圖4A，這里僅示出光的一個(gè)衍射階從每個(gè)像素電極反射。增加像素網(wǎng)格的采樣頻率改變了離開SLM的光的各種衍射階之間的間距。實(shí)際上，這增加了各種衍射階光通過的出射光瞳之間的間距。通過這種方式，可以有效地?cái)U(kuò)大視窗的大小，因?yàn)榭梢允褂霉獾母鞣N衍射階來形成具有足夠間距的額外出瞳，使得人眼瞳孔僅接收通過其中一個(gè)出瞳的光。

圖5A示出了包括SLM 502的另一示例圖像形成系統(tǒng)500。由光源504發(fā)射的入射光（Li）被SLM的像素衍射并通過出射光瞳506A和506B。具體地說，光的第一衍射階通過出瞳506A，其接近人眼瞳孔508；而光的更高衍射級(jí)通過出瞳506B，其不接近人眼瞳孔。

圖5B顯示了一個(gè)視窗514。在圖5B中，第一出瞳506A接近人眼瞳孔508，而第二出瞳孔506B不接近人眼瞳孔508。換句話說，形成圖像的每個(gè)出瞳之間的間距大于人眼瞳孔寬度。

對(duì)于某些情況，系統(tǒng)可以將所述間距設(shè)置為大于預(yù)定的人眼瞳孔寬度，例如對(duì)應(yīng)于平均瞳孔大小的瞳孔寬度。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用在普通日光條件下的第百分位瞳孔大小、對(duì)應(yīng)于已知用戶的特定瞳孔寬度、當(dāng)前用戶的測(cè)量瞳孔寬度或其他合適的間距。

可以使用各種技術(shù)，并通過移動(dòng)形成每個(gè)出瞳位置來進(jìn)一步擴(kuò)展視窗。圖6再次示出圖5A的圖像形成系統(tǒng)500。

但在圖6中，進(jìn)入SLM的光的入射角已經(jīng)改變。換句話說，光源504配置成以動(dòng)態(tài)可控的角度發(fā)射入射光。因此，所有光離開SLM的角度都發(fā)生了變化，包括光的所有衍射階。這進(jìn)而改變了光的各種衍射階通過的每個(gè)相應(yīng)出瞳的位置，因?yàn)槌鐾?06A和506B位于與圖5A所示不同的位置。這可以基于眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)510提供的反饋來解釋人眼瞳孔508的改變位置。

另外，或者可選地，圖像形成系統(tǒng)可以包括多個(gè)光源。例如，圖7示意性地示出了包括SLM 702、光源704A、眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)710和控制邏輯712的另一示例圖像形成系統(tǒng)700。離開SLM的光在朝向人眼瞳孔708的光路形成出瞳706A和706B。

但圖像形成系統(tǒng)700進(jìn)一步包括第二光源704B，其配置為以與第一光源704A不同的入射角度向SLM發(fā)射入射光。結(jié)果，當(dāng)?shù)谝还庠聪騍LM發(fā)射入射光時(shí)，可以在各自的第一位置處形成每個(gè)第一出射光瞳（對(duì)應(yīng)于光的第一衍射階）和一個(gè)或多個(gè)附加出射光瞳（對(duì)應(yīng)于光的一個(gè)或多個(gè)更高衍射階）。

相反，當(dāng)?shù)诙庠聪騍LM發(fā)射入射光時(shí)，每個(gè)出射光瞳可以形成在各自的第二位置。以這種方式，可以通過例如基于來自眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)710的反饋來切換激活的光源，在兩個(gè)或多個(gè)離散位置之間切換每個(gè)出瞳形成的位置。

相關(guān)專利：Pixel sampling for spatial light modulator

名為“Pixel sampling for spatial light modulator”的微軟專利最初在2022年2月提交，并在日前由美國(guó)專利商標(biāo)局公布。

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