微软AR/VR专利提出减少激光显示脉冲历史效应影响的解决方案
减少脉冲历史效应影响
（映维网Nweon 2023年07月19日）由于激光固有的非线性特性，在扫描激光显示器中精确控制亮度是一项挑战。具体地说，脉冲历史效应对亮度的精确控制提出了挑战，因为脉冲历史效应导致脉冲激光器发出光的亮度受到先前提供给脉冲激光器的每个电流脉冲的参数的影响。
由于脉冲历史效应，脉冲激光器产生的实际光可能具有不同于第一亮度的第二亮度。更具体地说，脉冲激光器最初偏压低于激光阈值，对高于激光阈值的电流脉冲有延迟的光学响应。
传统的扫描激光显示器在驱动脉冲激光时不能考虑脉冲历史效应。由于未能考虑脉冲历史效应，在扫描激光显示器显示的图像中的像素可能比期望的更亮或更暗，并且/或者可能具有与期望的颜色有所不同的颜色。
在名为“Pulse shaping to reduce pulse history effects in pulsed lasers”的专利申请中，微软提出了一种相关的解决方案。
在一个实施例中，显示系统配置预先考虑一个porch脉冲电流脉冲以用于驱动脉冲激光器，其中至少一个porch脉冲的幅度和持续时间是基于时间的后缘之间的电流脉冲之前用来驱动脉冲激光器和一个电流脉冲的前沿。
porch脉冲的振幅和/或持续时间可以以补偿脉冲激光器发射的光的脉冲历史效应的方式计算。在一个实例中，当所述porch脉冲的计算幅值大于所述电流脉冲的幅值时，所述porch脉冲的幅值可设置为等于所述电流脉冲的幅值，从而保持所述脉冲激光器的动态范围。
在另一个示例中，计算的振幅和/或计算的持续时间可以随着前一个电流脉冲的后沿和当前脉冲的前缘之间的时间量的增加而增加，以便为脉冲激光器提供足够的预充电。
在另一个例子中，当前一个电流脉冲的后沿和当前脉冲的前缘之间的时间量低于预定义的阈值时，显示系统可能无法将porch脉冲前置到当前脉冲，从而避免条纹。因此，发明描述的显示系统使显示表面上的像素（基于脉冲激光器发出的光）以所需的亮度出现。
图1示出了当输出视频图像时考虑脉冲历史效应的示例性显示系统100。显示系统100包括激光显示系统102。激光显示系统102包括扫描激光系统104。所述扫描激光系统104配置为基于驱动所述扫描激光系统104的脉冲激光器的电流脉冲发射光脉冲，其中脉冲激光器发射的光脉冲的亮度基于所述电流脉冲的幅度。
激光显示系统102进一步包括脉冲历史补偿器106。所述脉冲历史补偿器106配置为计算附加到电流脉冲的porch脉冲的参数，其中所述电流脉冲将传输到所述扫描激光系统104中的脉冲激光器。
因此，扫描的激光系统104和脉冲历史补偿器106彼此联合工作以引起发射光脉冲，其中，相对于脉冲激光器的脉冲历史效应解释为使得光脉冲具有所需的亮度。
图2示出了当输出视频图像时补偿脉冲历史效应的示例性显示系统200。显示系统200可以包括或是佩戴在用户头上的头显。
显示系统200包括扫描激光系统104。扫描的激光系统104包括能量源202，其中电流可从能量源202提取。例如，能源202可以是电池、光伏电池、可耦合到插座的电源或其他合适的能源。
所述显示系统200进一步包括与所述能源202电耦合的脉冲电路204。所述脉冲电路204配置为基于所述脉冲电路204接收到的来自所述能量源202的电流输出电流脉冲，因此所述脉冲电路204可包括可配置为使所述脉冲电路204发射具有所需脉冲形状、幅度、脉冲间隔时间等的电流脉冲的电容器和其他电路。
扫描激光系统104包括与脉冲电路204电耦合的脉冲激光器206。所述脉冲激光器206配置为接收由所述脉冲电路204输出的电流脉冲，并且进一步配置为基于从所述脉冲电路204接收的电流脉冲向所述显示表面110发射光脉冲。
对于驱动所述脉冲激光器206的电流脉冲，所述脉冲激光器206发射的光脉冲的亮度基于所述电流脉冲的幅度。在一个实施例中，脉冲激光器206可以是配置为发射红光的激光器、配置为发射绿光的激光器或配置为发射蓝光的激光器。
所述显示表面110配置成接收由所述脉冲激光器206发射的光脉冲。当被用户的眼睛感知时，显示表面110的像素基于由脉冲激光器206发出的光脉冲。
扫描的激光系统104同时任选地包括耦合到脉冲激光器206的温度模块207。例如，温度模块207可以是或包括位于脉冲激光器206的结处或附近的热探头。温度模块207配置成产生所述脉冲激光器206的结的估计温度。
在一个实施例中，扫描的激光系统104包括包括反射镜208的微机电系统MEMs。反射镜208配置成将所述脉冲激光206发出的光反射到所述显示表面110的位置上。可以调整反射镜208以随时间将由脉冲激光器206发射的光反射到显示表面110上的不同位置。
显示系统200同时包括脉冲历史补偿器106。在图2所示的实施例中，脉冲历史补偿器106是专用集成电路ASIC，并包括与脉冲电路204电耦合的控制电路210。
在示例性实施例中，控制电路210可以是或包括多个逻辑门，所述逻辑门配置为执行下面描述的动作。更具体地说，控制电路210配置为控制脉冲电路204，使得由脉冲电路204发出的电流脉冲具有期望的幅度和脉冲宽度等。
第一电路逻辑212执行返回偏置规则。当所述第一电路逻辑212执行所述返回偏置规则时，所述第一电路逻辑212确定要传输到所述脉冲激光器206的第一电流脉冲的后沿和第二电流脉冲的前缘之间的时间量是否低于阈值。
第一电流脉冲的后沿和第二电流脉冲的前缘之间的时间量称为“脉冲间隔”。当第一电路逻辑212确定所述脉冲间距低于所述阈值时，所述控制电路210控制所述脉冲电路204，使得所述脉冲电路204向所述脉冲激光器206传输所述第二电流脉冲，而不将所述porch脉冲加在其前面。
更具体地说，当所述第一电路逻辑212确定所述脉冲间距低于所述阈值时，所述控制电路210控制所述脉冲电路204使得：所述脉冲电路204向所述脉冲激光器206传输所述第一电流脉冲；在向所述脉冲激光器发送第一电流脉冲之后，所述脉冲电路204立即发出振幅与所述脉冲激光器206的偏置电流相同的电流；以及脉冲电路204向脉冲激光器206传送第二电流脉冲，其中提供给脉冲激光器206的电流幅值在整个脉冲间距处为偏置电流。
在第一电流脉冲和第二电流脉冲之间的偏置电流处驱动电流的幅值，可以减少在扫描激光系统104的图像输出中明显的条纹，特别是当脉冲激光器206具有相对较低的结温时。
当第一电路逻辑212确定脉冲间距高于阈值时，例如，第一电路逻辑212可输出第一电流脉冲与第二电流脉冲之间的脉冲间距值，第二电路逻辑214和第三电路逻辑216接收该值。
第二电路逻辑214执行porch持续时间规则，其中porch持续时间规则接收由第一电路逻辑212输出的值作为输入。另外或可选地，porch持续时间规则可接收由温度模块207输出的脉冲激光器206的（当前）估计结温。当第二电路逻辑214执行porch持续时间规则时，第二电路逻辑214计算要加到第二电流脉冲上的porch脉冲的持续时间。
其中，第二电路逻辑214通过在最小porch脉冲持续时间和最大porch脉冲持续时间之间插值来计算porch脉冲的持续时间。
在另一示例中，第二电路逻辑214可以访问二维查找表并根据脉冲间距和估计结温的值确定porch脉冲的持续时间。当所述脉冲间距的值较大时，基于所述插值的第二电路逻辑214可计算出较大的porch脉冲持续时间。相反，当值相对较小时，基于所述插值的第二电路逻辑214可计算相对较小的porch脉冲持续时间。
例如，当脉冲间距的值为第一值时，第二电路逻辑214基于所述porch持续时间规则的执行，可以将所述porch脉冲持续时间计算为第一持续时间。当脉冲间距的值为第二值时，第二电路逻辑214在执行部分持续时间规则时，可以将porch脉冲持续时间计算为第二持续时间，其中第一持续时间大于第二持续时间，并且其中第一持续时间大于第二持续时间。
另外，第二电路逻辑214可以设置预定的最大porch持续时间，使得当脉冲间距的值高于第二阈值时，第二电路逻辑214可以将porch脉冲的持续时间设置在预定的最大porch持续时间。在另一个示例中，随着温度模块207的估计温度输出的增加，第二电路逻辑输出的porch脉冲的持续时间可以减少。
第三电路逻辑216同时可以接收由第一电路逻辑212输出的脉冲间距值，并且可以任选地接收由温度模块207输出的脉冲激光器206的估计温度。第三电路逻辑216可执行porch幅度规则。
在一个示例中，第三电路逻辑216通过在最小porch脉冲幅度和最大porch脉冲幅度之间插值来计算porch脉冲的幅度。在另一示例中，第二电路逻辑214可以访问二维查找表并根据脉冲间距和估计结温的值确定porch脉冲的幅度。
当所述脉冲间距值较大时，基于所述插补的第三电路逻辑216可计算出较大的porch脉冲幅度。相反，当值相对较小时，基于所述插值的第三电路逻辑216可计算相对较小的porch脉冲幅度。
例如，当标识所述脉冲间隔持续时间的值为第一值时，基于执行所述porch幅度规则的第三电路逻辑216可将所述porch脉冲幅度计算为第一幅度。当标识所述脉冲间隔持续时间的值为第二值时，第三电路逻辑216在执行所述porch幅度规则时，可以将所述porch脉冲幅度计算为第二幅度，其中第一值大于第二值，并且进一步地，第一幅度大于第二幅度。
另外，第二电路逻辑214可以设置预定的最大porch幅度，使得当脉冲间距的值高于第三阈值时，第二电路逻辑214可以将porch脉冲的幅度设置在预定的最大porch幅度处。在又一示例中，随着温度模块207的估计温度输出的增加，第二电路逻辑输出的porch脉冲的幅度可以减小。
所述第四电路逻辑218可执行弱光规则，其中所述弱光规则在所述第一电路逻辑212输出所述脉冲间距值时触发。当由第四电路逻辑218执行时，所述触发规则确保所述porch脉冲的幅度不超过所述第二电流脉冲的幅度。
当第四电路逻辑218执行所述弱光规则时，第四电路逻辑218确定所述porch脉冲的计算幅度是否大于所述porch脉冲将被附加到的第二电流脉冲的幅度。当所述porch脉冲的计算幅度大于所述第二电流脉冲的幅度时，所述第四电路逻辑218将所述porch脉冲的幅度设置为等于所述第二电流脉冲的幅度。
因此，第四电路逻辑218将所述porch脉冲的幅度限制在将所述porch脉冲附加到的第二电流脉冲的幅度上，从而有利于保存所述脉冲激光器206的动态范围。当所述porch脉冲的计算幅度小于所述第二电流脉冲的幅度时，所述第四电路逻辑218将所述porch脉冲的幅度设置为等于所述计算幅度。
图3示出可由脉冲电路204输出的电流脉冲的示例性图300。在图300中，x轴对应时间，y轴对应电流幅值。
控制电路210可以接收来自外部源的第一指示，指示将由脉冲激光器206发射光的第一脉冲。例如，第一指示可包括第一光脉冲的期望亮度。
根据所述第一指示，所述控制电路210控制所述脉冲电路204以向所述脉冲激光器206传输第一电流脉冲302。第一电流脉冲302具有由参考编号304表示的幅度和由参考编号305表示的第一持续时间。
如图300所示，第一电流脉冲302包括在其处电流从脉冲激光器206的偏置电流307增加到幅度304的前缘306和在其处电流幅度减小的后缘310，其中第一电流脉冲302在前缘306和后缘310之间的持续时间305内具有幅度302。
所述脉冲激光器206接收所述第一电流脉冲302并基于所述第一电流脉冲302发射所述第一光脉冲，所述第一光脉冲指向所述反射镜208，所述反射镜208反过来将所述第一光脉冲指向所述显示表面110上所需的位置。第一光脉冲具有在第一指示中指定的所需亮度。其中，亮度基于振幅304。视频图像的帧中的第一像素具有基于第一光脉冲的颜色和亮度。
控制电路210可以接收来自外部源的第二指示，指示将由脉冲激光器206发射第二光脉冲。例如，第二指示可包括第二光脉冲的期望亮度。如图300所示，第二电流脉冲312具有由参考数字314表示的幅度和由参考数字315表示的第二持续时间。
其中，电流脉冲302和312的幅度和持续时间可以相同或不同。与第一电流脉冲302类似，第二电流脉冲312包括电流增加到幅值314的前缘316和电流从幅值314减小到偏置电流307的后缘320，其中第二电流脉冲312在第二电流脉冲312的持续时间315上具有幅值314。
在第一电流脉冲302和第二电流脉冲312之间存在脉冲间距322。所述第一电路逻辑212接收脉冲间距322的值并执行返回偏置规则，使得所述脉冲间距322的值与上述阈值比较。
第一电路逻辑212确定用于脉冲间距322的值高于阈值，并输出用于脉冲间距322的值。这样的输出表明，将porch脉冲324附加到第二电流脉冲302。然而，如果第一电路逻辑212确定脉冲间距322的值低于阈值，则控制电路210将控制脉冲电路204，使得在第二电流脉冲312之前不存在porch脉冲。
第一电路逻辑212确定脉冲间隔的值322高于阈值,脉冲间隔的值322提供至少一第二电路逻辑214或216年第三电路逻辑为了计算至少一个porch脉冲的振幅324或porch脉冲持续时间324，其中计算振幅和/或计算时间是基于脉冲间隔的值322。
porch脉冲324可具有低于脉冲激光器206的激光阈值的幅度。另外，第二电路逻辑214和/或第三电路逻辑216可以基于作为温度模块207输出的脉冲激光器206的估计结温来计算porch脉冲的持续时间和/或幅度。
第四电路逻辑218可确保第三电路逻辑216输出的计算幅度不超过第二电流脉冲302的幅度314。在图3所示的实施例中，porch脉冲324的幅度326不超过第二电流脉冲312的幅度304，因此第四电路逻辑218不改变porch脉冲324的幅度。
然而，如果所述porch脉冲324的计算幅度大于所述第二电流脉冲312的幅度304，则所述控制电路210设置所述porch脉冲324的幅度326等于所述第二电流脉冲312的幅度314。
所述控制电路210控制所述脉冲电路204，使得所述脉冲电路204在向所述脉冲激光器206发送第一电流脉冲302之后和在所述脉冲电路向所述脉冲激光器发送第二电流脉冲312之前向所述脉冲激光器发送所述porch脉冲324。
在图3所示的实施例中，porch脉冲324具有所计算的幅度或所计算的持续时间中的至少一个。例如，porch脉冲324可具有所计算的幅度和所计算的持续时间，所计算的幅度和所预定的持续时间，或所预定的幅度和所计算的持续时间。
在图300中，porch脉冲324具有计算的或预定的幅度326。另外，所述porch脉冲324具有从所述脉冲激光器206的偏置电流307延伸至所述porch脉冲324的幅度326的porch前缘328。
porch脉冲324同时具有持续时间330，其从porch脉冲的前缘328延伸至第二电流脉冲的前缘316，其中porch脉冲324具有porch脉冲324持续时间330的幅度326。
控制电路210可以使脉冲电路204随着时间的推移将电流从脉冲激光器206的偏置电流307增加到porch脉冲324的幅度326，以避免由porch脉冲324的不连续引入引起的高频光学伪影。
紧接着使脉冲电路204传送第一电流脉冲302，控制电路210使传送到脉冲激光器206的电流返回到偏置电流207，直到porch脉冲324的前缘328。传输到脉冲激光器206的电流处于偏置电流307的时间量为脉冲间距322的值减去porch脉冲324的持续时间330。
同样，为了减少在向脉冲激光器206提供第二电流脉冲312时达到脉冲激光器206的激光阈值的时间量，将porch脉冲324附加到第二电流脉冲312之前。
在操作中，脉冲激光器206接收第一电流脉冲302、前厅脉冲324和第二电流脉冲312，并基于前厅脉冲324和第二电流脉冲312发射第二光脉冲，其中第二光脉冲指向所述反射镜208，所述反射镜又将第二光脉冲指向所述显示表面110上所需位置。
第二光脉冲具有第二指示中指定的所需亮度。视频图像帧中的第二像素具有基于第二光脉冲的颜色和亮度。在一个示例中，第二像素可以相邻于第一像素。上述步骤可以重复，使得显示表面110上的像素具有所需的颜色和亮度。
相关专利：Microsoft Patent | Pulse shaping to reduce pulse history effects in pulsed lasers
名为“Pulse shaping to reduce pulse history effects in pulsed lasers”的微软专利申请最初在2023年2月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
