微软AR专利探索紧凑、轻便、节能的SLM方案
使用激光发射来照明近眼显示设备中的SLM的实用方法
（映维网Nweon 2023年01月11日）近眼显示技术面临的一个挑战是使用紧凑、重量轻、低功耗组件投射高亮度显示图像的能力。这对于使用空间光调制器（SLM）来形成显示图像的近眼显示设备尤其如此。诸如LCOS和DMD矩阵能够以相对出色的空间和色彩保真度进行高亮度操作。
然而，基于SLM的显示器的总效率受到SLM的照明效率的限制。发光二极管（LED）发射器尽管对于近眼显示而言足够紧凑，但其呈现出显著的光电导损耗，并且需要SLM照明的下游偏振滤波。SLM的LED照明的Etendue和偏振损耗可以分别为约30%和50%。
相比之下，半导体激光器的输出本质上是偏振，并且保光，同时可以提供高亮度和高效率。然而，激光发射的空间和时间相干性对于近眼显示而言可能存在问题。在用户视场中的任何角度，近眼显示设备允许从发射源到用户解剖瞳孔的多个光路。
当沿着任意两条光路到达的相干光会聚在瞳孔处时，这种光将相长或相消地干涉。因此，在光路长度的差异与相干发射的纵向模式匹配的视场中的角度处，用户可以看到干涉条纹形式的分散注意力的显示伪影。
针对以上问题，微软在名为“Pulse-modulated laser-based near-eye displa”和“Compact laser-based near-eye display”的专利申请中提出了一种使用激光发射来照明近眼显示设备中的SLM的实用方法。这家公司指出，所述方案提供了高亮度和较少的照明相干性伪影。以此方式，单独或以任何组合实施这一发明给可以实现紧凑、重量轻和节能的近眼显示器。
一种解决方案是在一个到所有原色通道中使用多个激光器来照明SLM。每个基色通道的多个激光器可以在腔长度不同，从而提供更宽（即更少单色）的发射。
因此，对于与光路长度差匹配并导致干涉条纹的任何模式，将存在一个或多个与光路距离差不匹配的附加模模式，所以任何一种模式产生的干涉条纹都会被有效地“洗去”，即降至用户无法感知的颜色变化，从而减轻潜在的视觉伪影。
另一种解决方案实现了类似的效果，但每个基色通道的激光器更少。它利用了由足够高频含量的调制电流驱动的半导体激光器的加宽增益谱。通过在预定间隔内调制高于和低于激射阈值的驱动电流，在足够宽的波长（和纵向模式）范围内实现受激发射，以洗去上述干涉条纹。在一个示例中，单个驱动调制激光器可以模拟具有不同腔长度的多个激光器的发射光谱。
与上述策略相关的是，有效且紧凑地组合多个半导体激光器的输出的附加解决方案。基于双折射或衍射的光束组合器在不超过实际近眼显示设备的严格尺寸约束的情况下可能无法扩展到更大数量的组合光束。
相比之下，微软描述的几何波束组合器可线性扩展到更大数量的组合波束。另外，几何光束组合器相对于单个激光器的布置允许使用相同的一组准直光学器件来准直从每个光束到SLM的发射。
图2示出了近眼显示设备10的示例单眼系统18。单眼系统包括配置为形成光学图像20的显示投影仪22。显示投影仪包括由多个激光器26照明的高分辨率SLM 24。每个激光器配置为在特定波长带中发射（即激光）。
例如，第一激光器26A配置为以第一波长带发射，第二激光器26B配置为按第二波长带发射并且第三激光器26C配置为按照第三波长带发射。在一个示例中，多个激光器可以包括每种原色（例如，红色、绿色和蓝色）的至少一个激光器。
有激光器可以采用半导体激光器的形式，例如二极管激光器。在任何示例中，可以使用几乎任何结构的高效、紧凑激光器。
图3示出了示例性边缘发射二极管激光器26A。激光器26A包括横跨增益结构30和反射器结构32的细长光学腔28。增益结构包括外延层34P和34N，它们在外延方向上包围光学腔。外延层34N是生长在n型衬底36上并耦合到导电阴极38的n掺杂层。
外延层34P是生长在外延层34N上并耦合到导电阳极40的p掺杂层。部分反射孔42布置在光学腔的一端；反射器结构32布置在相对端。增益结构30由从阳极40流向阴极38的电流抽运，通过受激辐射发射放大在光学腔内来回反射的光。反射器结构32可以包括提供高反射率和波长选择性的衍射反射器。
在一个示例中，反射器结构包括二极管激光器的涂覆面，其具有垂直于光学腔排列的交替折射率的平行层。来自层之间界面的反射以建设性的方式组合，以在选定的波长带中实现部分或高反射面。
继续图3，来自边缘发射二极管激光器的发射在宽发散平面44W中最大程度地发散，并且在与宽发散平面正交的窄发散平面44N中最小程度地发散。
显示投影仪22的每个激光器26可操作地耦合到驱动电路48。驱动电路配置为驱动受控电流通过每个激光器。第一电流通过第一激光器26A，第二电流通过第二激光器26B等。更具体地，受控电流通过增益结构30从阳极40驱动到阴极38。
在一个示例中，驱动电路48配置为驱动周期性电流通过增益结构。这一功能支持场序彩色显示、用于颜色平衡的脉宽调制和下文所述的光谱展宽。驱动电路尤其可以包括用于每个被驱动激光器的脉宽调制器和跨导放大器。
多个激光器26可以经由布置在显示投影仪22中的光束组合器来照射SLM 24。光束组合器可以配置为将来自每个激光器的并行和/或顺序发射几何地组合成准直光束。
图4示出了示例波束组合器50A。光束组合器50A包括其中布置有激光器26的激光器外壳52。图5示出了示例性激光器外壳52A的方面。
激光器外壳52A包括窗口54，窗口54配置为透射来自激光器的发射。每个激光器26可以在激光器外壳54A中定向，使得激光器的宽发散平面44W彼此平行并正交于激光器外壳的底部56。所以，激光器可定向为具有相互平行的光学腔28。
在一个示例中，激光器可以共享电极，例如阴极38。电极布置成与基底56接触。在所示的示例中，基座限定了配置为将热量从激光器带走的平坦安装件58。
激光器外壳可以配置为将来自激光器的发射重定向到窄发散平面之外。这种光束转向效应有助于光束组合器的整体紧凑配置。在所示示例中，激光器外壳52A包括反射镜60，反射镜60配置为接收和反射来自激光器26的发射，从而实现所述效果。
在所示示例中，反射镜60布置在激光器外壳内，在窗口54后面。在一个示例中，反射镜可以支持一个或多个高反射率涂层，例如每个基色的不同衍射涂层，其配置为反射对应于该基色的波长。反射镜60可以是玻璃反射镜。在其他示例中，反射镜可以包括高度抛光和钝化的金属，例如铝。
如图4所示，光束组合器可以包括一个或多个准直光学器件，其配置为准直来自激光器的组合发射。在所述示例中，光束组合器50A包括宽直径圆柱形准直光学器件62W和窄直径圆柱形准直透镜62N。
宽直径圆柱形准直光学器件具有垂直于激光器的宽发散平面对齐的圆柱形轴64W。窄直径圆柱形准直光学器件具有垂直于与激光器的宽发散平面正交的任何平面的圆柱形轴64N。
因此，宽直径圆柱形准直光学器件反转发生在宽发散平面44W中的发散，而窄直径圆柱形准直透镜反转发生在窄发散平面44N中的发散。在其他示例中，工程非球面菲涅耳光学器件可用于准直来自激光器26的组合发射。
光束组合器50A的转动光学器件66A和66B折叠激光器外壳52的光轴，这有助于整体紧凑的配置。光束组合器50A包括一个或多个传感器68（例如光电二极管），其具有响应于激光器26的同时发射的输出。传感器的输出可用于维持单眼系统18中的颜色平衡。
光束组合器50A包括与一个或多个准直光学器件串联布置的漫射器70，漫射器70配置为漫射来自激光器26的发射。漫射器配置为使准直光束均匀化，使得来自每个激光器的发射均匀地照射SLM24的像素元件矩阵。
光束组合器50包括一个激光去斑器72，它与准直光学器件串联设置当空间相干的单色波前与足够粗糙的表面相互作用，使光沿着波长量级不同的光路散射并到达同一观察点时，就可以观察到“散斑”。在所示示例中，漫射器光学地布置在准直光学器件的下游，并且去斑器光学布置在漫射器的下游。
光束组合器可以配置为几何地组合来自多个激光器26的发射。当在给定颜色通道中需要高亮度时，可以转动具有较高输出功率的第一激光器；当不需要高亮度时，可以开启低输出功率的第二激光器。光束组合器同时可以组合来自具有不同发射光谱的激光器的发射。
图6示出了近眼显示设备的示例显示投影仪22。显示投影仪22A基于反射LCOS型SLM 24A。显示投影仪包括PCB安装件74。高效反射涂层78布置在CMOS层上，并配置为反射来自光束组合器50的入射光束。
入射光束经由液晶（LC）层80被空间调制。LC层包括经由取向层82保持静态取向的LC分子膜。一个或多个透明电极84布置在对准层上。一个或多个透明电极可以包括在适当衬底上的简并掺杂半导体（例如氧化铟锡）。
在其他示例中，一个或多个透明电极可以包括微丝网或极薄的金属膜。覆盖玻璃86布置在一个或多个透明电极上。在所述配置中，从反射涂层78反射的空间调制光被引导回穿过堆叠以离开偏振器88，然后到达单眼系统18的目镜（例如，瞳孔扩展光学器件）。
计算机12可操作地耦合到驱动电路48和SLM24。计算机配置为解析数字图像，数字图像可以包括多个分量图像，每个分量图像与对应的原色相关联。计算机配置为通过控制由驱动电路48提供给激光器的增益结构30的驱动电流来触发来自激光器26的发射。
计算机同时配置为控制SLM 24的像素元素矩阵。这种控制是同步和协调地进行，使得从SLM发射的空间调制形式投射出与解析的数字图像相对应的光学图像20。
在一个示例中，计算机配置为以时分复用的方式协调控制驱动电路和像素元件矩阵，以提供场顺序彩色显示。通过对数字图像的时间索引序列重复这种控制，计算机可以使显示投影仪22投影视频。
尽管衍射光学元件用于将光耦合进和耦合出光波导，但基于反射、折射和/或散射的内耦合和外耦合光学元件可设想为DOE的替代方案。在其他示例中，光瞳扩展光学器件可以包括一系列相对于光轴成45度取向的反射折射界面（所谓的“软百叶窗”）来代替光波导。
无论采用何种特定的光瞳扩展技术，光瞳扩展光学器件都必须增加发射源和用户光瞳之间的光路长度的数量，从而增加光路长度和相干激光发射的纵向模式间隔之间的重叠可能性。
尽管相干照明可能在各种类型的显示系统中造成显示伪影，但具有光瞳扩展光学器件的近眼显示设备特别容易出现这种伪影，因为光孔扩展器的主要功能是将从显示投影仪到用户瞳孔的光路的数量相乘。
下面介绍了可用于近眼显示设备中的各种光谱展宽方法，以消除由纵向模式和光路长度差之间的重合引起的干涉条纹。
在一个实施例中，整体条纹减少策略的一部分可以包括，避免对于给定的近眼显示器配置产生最强干涉条纹的纵向模式。因此，在允许来自激光器并通过光瞳扩展光学器件的多个光路长度的近眼显示设备中，其可以选择腔长度以避免纵向模式间隔与多个光路长度中的任何差异之间的重合。
所述方法可能仅适用于避免最突出和/或可预测的干涉条纹。因此，在第一激光器的纵向模式和光路长度差之间的重合导致干涉条纹的情况下，可以选择相同原色的第二激光器的腔长度以洗掉干涉条纹，从而将其降低到用户无法感知的颜色变化。
专利描述的一种方法是通过在每个基色带内包括来自具有偏移发射波长带的多个激光器的发射来提供光谱分集。
简要返回图5，激光器外壳52A包括两个每种基色的激光器：红色发射激光器26R1和26R2、绿色发射激光器26G1和26G2以及蓝色发射激光器26B1和26B2。
如图10A所示，二极管激光器的峰值发射波长可以随着腔长度的增加而增加。因此，期望的波长分集可以由腔长度基本不同的第一激光器26G1和第二激光器26G2的组合发射产生。换言之，空腔长度可能根据工程规范而不同，而不仅仅是制造公差的结果。在一个示例中，第一激光器的腔长度可以超过第二激光器的腔长百分之五或更多。
尽管图5示出了每种原色的两个激光器，但给定的原色通道可以包括多于两个激光器或仅一个激光器。在任何配置中，如果两个红色发射激光器不能提供足以洗掉红色干涉条纹的光谱分集，则可以添加第三个红色发射激光。
如果来自一个适当配置的蓝色发射激光器的干涉条纹是可接受的细微，则不必要使用第二个蓝色发射激光器。上述配置使得能够同时操作选定的激光器组合。微软指出，这一方法可以提供最大显示亮度和简化的控制策略。
然而，另一种可接受的方法是以时间复用的方式操作所指示的激光器组合，并依赖于人眼系统的延迟来将连续的条纹倾向图像子帧融合到条纹平均结果中。
激光器26可以包括包括电光材料的反射器结构32。通过改变施加到反射器结构的控制电压，可以移动激光器的增益谱，使得激光器的发射波长带基于控制电压可控。图10B提供了示出峰值发射波长对控制电压的示例依赖性的图示。
在示例中，驱动电路48可以进一步配置为基于来自计算机的控制信号来改变控制电压，以便促使发射波长带朝向预定波长分布。这一功能可用于模拟可变空腔长度。增益谱的受控变化可用于例如抑制在近眼显示设备的特定操作条件下出现的条纹，例如当用户的视线指向视场极值处的角度时。
实现光谱多样性的另一种方法是利用驱动电流瞬变对半导体激光器增益光谱的影响。这种策略可能需要更少的激光器来实现与上述多激光器配置类似的效果。
驱动电路48可配置为驱动周期性电流通过任何激光器26的增益结构。计算机12可以配置为在单个光学图像的投影期间控制周期性电流以驱动通过增益结构的多个调制周期。结果，当由未调制的驱动电流驱动时，来自激光器的发射的波长带可以比来自同一激光器的发射波长带宽。
在一个示例中，周期性电流包括包括电流脉冲串的脉冲调制电流。如上所述，脉冲宽度的值可以在足够短的脉冲宽度的范围内影响激光器的增益分布。图10C中的曲线图提供了这种效果的图示。在更具体的示例中，脉冲调制电流可以包括脉冲宽度为20纳秒或更短的电流脉冲串。
图11A的时序图示出了激光器26G1的示例脉冲串。图11B示出了相同激光器的较短脉冲串，插图示出了进一步加宽的发射波长带。
如上所述，在腔长度变化的背景下，条纹减少策略的一部分可以包括明智地避免对于给定的近眼显示器配置产生最强条纹的发射波长带。因此，在允许从激光器通过瞳孔扩展光学器件的多个光路长度的近眼显示设备中，可以选择脉冲宽度以避免纵向模式间隔和多个光路长度之间的重合。
例如，这可以通过在激光器的发射波长带中设计预定的蓝移来实现。在纵向模式间隔和多个光路长度之间的重合导致干涉条纹的情况下，可以增加脉冲宽度，以便洗掉干涉条纹。
在包括相同基色的第一和第二激光器的配置中，第二激光器周期性调制的脉冲宽度可用于洗去由第一激光器的发射引起的干涉条纹，反之亦然。
一般来说，施加到激光器增益部分的电流脉冲串定义了激光器的平均占空比。计算机12可以配置为考虑脉冲宽度来调整脉冲间隔，以便控制平均占空比。计算机可以控制平均占空比，以便例如在基色带中提供设定点功率。
通过驱动电流的脉冲调制可实现的频谱展宽同样可以通过具有等效傅里叶频谱的连续波（例如正弦）调制来实现。因此，施加到增益部分的周期性电流可以包括射频调制电流。
相关专利：Microsoft Patent | Pulse-modulated laser-based near-eye display
相关专利：Microsoft Patent | Compact laser-based near-eye display
名为“Pulse-modulated laser-based near-eye displa”和“Compact laser-based near-eye display”的微软专利申请最初在2021年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
