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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度分布。強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，因為這會導致中心圖像和圖像的一個或多個重復(fù)同時進入用戶眼睛。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度。但由于像素大小有限，衍射圖案在遠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)通常會增加整個設(shè)備的體積和/或復(fù)雜性。

另外，在圖像形成系統(tǒng)的設(shè)計中，一個共同目標是增加視窗的尺寸，尤其是當需要大視場（FOV）時。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)移動出瞳來實現(xiàn)擴展視窗。

在名為“Pixel sampling for spatial light modulator”的專利申請中，微軟介紹了一種通常不需要或能夠消除較高衍射級光的技術(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或更多個采樣對SLM的每個像素進行采樣。這會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出瞳，使得一次只有一個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，對像素進行采樣以令每個采樣類似于點源，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，并且不是真正的點源，所以在較高的衍射階中或會觀察到一定程度的強度損失。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實現(xiàn)），但可以使用透射型SLM。

SLM 202包括多個像素電極，包括像素電極204A、204B和204C。每個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。反射光包括實線所示的一階光束以及虛線所示的兩個高階光束。所述光束中的每一個都可以離開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或多個附加出瞳。

與SLM的相位調(diào)制層206串聯(lián)的多個像素電極可共同包括多個單獨的像素205A-205C，配置為衍射入射光并令衍射光離開SLM。例如，多個像素可操作地與控制邏輯耦合，控制邏輯可用于影響每個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像素以控制其對入射到像素的光的調(diào)制，并令多個像素在每個出瞳共同形成圖像。

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)制層與多個像素電極相對的一側(cè)。

SLM 202同時可以包括設(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在像素之間均勻地或最佳地改變，從而導致當像素在其邊緣附近采樣時發(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同時包括被配置為向SLM發(fā)射入射光（Li）的光源210。在一個實施例中，光源可配置為以動態(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，動態(tài)控制入射角會改變每個出瞳形成的各自位置。

在所描繪的示例中，從光源210發(fā)射的光進入SLM 202?？梢砸愿鞣N方式控制將光引入SLM的輸入角度。作為一個示例，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?shù)鸟钊牒婉畛鲈牟▽А?/p>

圖2B所示的光輸入角對應(yīng)于光的第一衍射階（Lr1），并會聚到接近人眼瞳孔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，兩個出瞳212A和212B都接近人眼瞳孔。所以，通過兩個出瞳的光可以進入人眼瞳孔，并視為雙倍圖像。不過，對應(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。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元件。例如，光可以通過任何靜態(tài)透鏡、動態(tài)透鏡合波導等到達人眼。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合適的位置。同時，離開SLM的光可以在到達出瞳之前采用任何合適的路徑并通過任何合適的光學元件。

在一個實施例中，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前位置的眼動追蹤系統(tǒng)216。眼動追蹤系統(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，可以識別閃爍和/或其他特征以確定瞳孔位置。眼動追蹤系統(tǒng)216識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)射的入射光的當前角度，從而令出瞳形成接近人眼瞳孔的當前位置。

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像素。通過改變每個像素電極的電氣條件，控制邏輯可以影響每個像素發(fā)生的光調(diào)制。以這種方式，可以令多個像素在每個出瞳共同形成圖像。控制組件218可以實現(xiàn)為任何合適的處理組件。

如上所述，在圖2B中，兩個出瞳212A和212B接近同一人眼瞳孔214。圖2C同樣進行了示出。在圖2C中，我們可以看到一個示例視窗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，人眼可以同時接收通過兩個出瞳的光。以這種方式，用戶可以感知對應(yīng)于光的不同衍射階的相同圖像的兩個副本。

如上所述，SLM的每個像素可以用每個像素的兩個或更多離散采樣進行二次采樣。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像素405A-405C。

然而，SLM 402進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，使得在兩個或多個特定區(qū)域?qū)Χ鄠€像素中的每個像素進行選擇性采樣。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像素。具體地，圖4B示出了與多個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。每個像素的采樣位置（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，每個像素可以使用任何合適數(shù)量的采樣。

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

因此，某些情況可能需要對每個像素的中心區(qū)域進行采樣。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每個像素的邊緣區(qū)域進行采樣。

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

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

用于對每個像素進行采樣的重采樣層可以采用任何合適的形式。在一個示例中，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多個像素中每個像素的至少一部分。

或者，重采樣層可以采用光學陣列元件的形式，例如將入射光聚焦在每個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。

作為另一個示例，重采樣層可以采用衍射光學元件的形式，例如全息光學元件?；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。當使用動態(tài)全息圖或幾何相位超材料時，可以動態(tài)改變像素上的樣本間距。

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

回到圖4A，這里僅示出光的一個衍射階從每個像素電極反射。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，可以有效地擴大視窗的大小，因為可以使用光的各種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；而光的更高衍射級通過出瞳506B，其不接近人眼瞳孔。

圖5B顯示了一個視窗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，形成圖像的每個出瞳之間的間距大于人眼瞳孔寬度。

對于某些情況，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，例如對應(yīng)于平均瞳孔大小的瞳孔寬度。在一個實施例中，可以使用在普通日光條件下的第百分位瞳孔大小、對應(yīng)于已知用戶的特定瞳孔寬度、當前用戶的測量瞳孔寬度或其他合適的間距。

可以使用各種技術(shù)，并通過移動形成每個出瞳位置來進一步擴展視窗。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。這進而改變了光的各種衍射階通過的每個相應(yīng)出瞳的位置，因為出瞳506A和506B位于與圖5A所示不同的位置。這可以基于眼動追蹤系統(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)可以包括多個光源。例如，圖7示意性地示出了包括SLM 702、光源704A、眼動追蹤系統(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?shù)谝还庠聪騍LM發(fā)射入射光時，可以在各自的第一位置處形成每個第一出射光瞳（對應(yīng)于光的第一衍射階）和一個或多個附加出射光瞳（對應(yīng)于光的一個或多個更高衍射階）。

相反，當?shù)诙庠聪騍LM發(fā)射入射光時，每個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追蹤系統(tǒng)710的反饋來切換激活的光源，在兩個或多個離散位置之間切換每個出瞳形成的位置。

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，并在日前由美國專利商標局公布。

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