（映維網Nweon 2023年01月11日）近眼顯示技術面臨的一個挑戰是使用緊湊、重量輕、低功耗元件投射高亮度顯示圖像的能力。這對于使用空間光調制器（SLM）來形成顯示圖像的近眼顯示裝置尤其如此。諸如LCOS和DMD矩陣能夠以相對出色的空間和色彩保真度進行高亮度操作。
然而，基于SLM的顯示器的總效率受到SLM的照明效率的限制。發光二極管（LED）發射器盡管對于近眼顯示而言足夠緊湊，但其呈現出顯著的光電導損耗，并且需要SLM照明的下遊偏振濾波。SLM的LED照明的Etendue和偏振損耗可以分别為約30%和50%。
相比之下，半導體雷射器的輸出本質上是偏振，并且保光，同時可以提供高亮度和高效率。然而，雷射發射的空間和時間相幹性對于近眼顯示而言可能存在問題。在使用者視場中的任何角度，近眼顯示裝置允許從發射源到使用者解剖瞳孔的多個光路。
當沿着任意兩條光路到達的相幹光會聚在瞳孔處時，這種光将相長或相消地幹涉。是以，在光路長度的差異與相幹發射的縱向模式比對的視場中的角度處，使用者可以看到幹涉條紋形式的分散注意力的顯示僞影。
針對以上問題，微軟在名為“Pulse-modulated laser-based near-eye displa”和“Compact laser-based near-eye display”的專利申請中提出了一種使用雷射發射來照明近眼顯示裝置中的SLM的實用方法。這家公司指出，所述方案提供了高亮度和較少的照明相幹性僞影。以此方式，單獨或以任何組合實施這一發明給可以實作緊湊、重量輕和節能的近眼顯示器。
一種解決方案是在一個到所有原色通道中使用多個雷射器來照明SLM。每個基色通道的多個雷射器可以在腔長度不同，進而提供更寬（即更少單色）的發射。
是以，對于與光路長度差比對并導緻幹涉條紋的任何模式，将存在一個或多個與光路距離差不比對的附加模模式，是以任何一種模式産生的幹涉條紋都會被有效地“洗去”，即降至使用者無法感覺的顔色變化，進而減輕潛在的視覺僞影。
另一種解決方案實作了類似的效果，但每個基色通道的雷射器更少。它利用了由足夠高頻含量的調制電流驅動的半導體雷射器的加寬增益譜。通過在預定間隔内調制高于和低于激射門檻值的驅動電流，在足夠寬的波長（和縱向模式）範圍内實作受激發射，以洗去上述幹涉條紋。在一個示例中，單個驅動調制雷射器可以模拟具有不同腔長度的多個雷射器的發射光譜。
與上述政策相關的是，有效且緊湊地組合多個半導體雷射器的輸出的附加解決方案。基于雙折射或衍射的光束組合器在不超過實際近眼顯示裝置的嚴格尺寸限制的情況下可能無法擴充到更大數量的組合光束。
相比之下，微軟描述的幾何波束組合器可線性擴充到更大數量的組合波束。另外，幾何光束組合器相對于單個雷射器的布置允許使用相同的一組準直光學器件來準直從每個光束到SLM的發射。
圖2示出了近眼顯示裝置10的示例單眼系統18。單眼系統包括配置為形成光學圖像20的顯示投影儀22。顯示投影儀包括由多個雷射器26照明的高分辨率SLM 24。每個雷射器配置為在特定波長帶中發射（即雷射）。
例如，第一雷射器26A配置為以第一波長帶發射，第二雷射器26B配置為按第二波長帶發射并且第三雷射器26C配置為按照第三波長帶發射。在一個示例中，多個雷射器可以包括每種原色（例如，紅色、綠色和藍色）的至少一個雷射器。
有雷射器可以采用半導體雷射器的形式，例如二極管雷射器。在任何示例中，可以使用幾乎任何結構的高效、緊湊雷射器。
圖3示出了示例性邊緣發射二極管雷射器26A。雷射器26A包括橫跨增益結構30和反射器結構32的細長光學腔28。增益結構包括外延層34P和34N，它們在外延方向上包圍光學腔。外延層34N是生長在n型襯底36上并耦合到導電陰極38的n摻雜層。
外延層34P是生長在外延層34N上并耦合到導電陽極40的p摻雜層。部分反射孔42布置在光學腔的一端；反射器結構32布置在相對端。增益結構30由從陽極40流向陰極38的電流抽運，通過受激輻射發射放大在光學腔内來回反射的光。反射器結構32可以包括提供高反射率和波長選擇性的衍射反射器。
在一個示例中，反射器結構包括二極管雷射器的塗覆面，其具有垂直于光學腔排列的交替折射率的平行層。來自層之間界面的反射以建設性的方式組合，以在標明的波長帶中實作部分或高反射面。
繼續圖3，來自邊緣發射二極管雷射器的發射在寬發散平面44W中最大程度地發散，并且在與寬發散平面正交的窄發散平面44N中最小程度地發散。
顯示投影儀22的每個雷射器26可操作地耦合到驅動電路48。驅動電路配置為驅動受控電流通過每個雷射器。第一電流通過第一雷射器26A，第二電流通過第二雷射器26B等。更具體地，受控電流通過增益結構30從陽極40驅動到陰極38。
在一個示例中，驅動電路48配置為驅動周期性電流通過增益結構。這一功能支援場序彩色顯示、用于顔色平衡的脈寬調制和下文所述的光譜展寬。驅動電路尤其可以包括用于每個被驅動雷射器的脈寬調制器和跨導放大器。
多個雷射器26可以經由布置在顯示投影儀22中的光束組合器來照射SLM 24。光束組合器可以配置為将來自每個雷射器的并行和/或順序發射幾何地組合成準直光束。
圖4示出了示例波束組合器50A。光束組合器50A包括其中布置有雷射器26的雷射器外殼52。圖5示出了示例性雷射器外殼52A的方面。
雷射器外殼52A包括視窗54，視窗54配置為透射來自雷射器的發射。每個雷射器26可以在雷射器外殼54A中定向，使得雷射器的寬發散平面44W彼此平行并正交于雷射器外殼的底部56。是以，雷射器可定向為具有互相平行的光學腔28。
在一個示例中，雷射器可以共享電極，例如陰極38。電極布置成與基底56接觸。在所示的示例中，基座限定了配置為将熱量從雷射器帶走的平坦安裝件58。
雷射器外殼可以配置為将來自雷射器的發射重定向到窄發散平面之外。這種光束轉向效應有助于光束組合器的整體緊湊配置。在所示示例中，雷射器外殼52A包括反射鏡60，反射鏡60配置為接收和反射來自雷射器26的發射，進而實作所述效果。
在所示示例中，反射鏡60布置在雷射器外殼内，在視窗54後面。在一個示例中，反射鏡可以支援一個或多個高反射率塗層，例如每個基色的不同衍射塗層，其配置為反射對應于該基色的波長。反射鏡60可以是玻璃反射鏡。在其他示例中，反射鏡可以包括高度抛光和鈍化的金屬，例如鋁。
如圖4所示，光束組合器可以包括一個或多個準直光學器件，其配置為準直來自雷射器的組合發射。在所述示例中，光束組合器50A包括寬直徑圓柱形準直光學器件62W和窄直徑圓柱形準直透鏡62N。
寬直徑圓柱形準直光學器件具有垂直于雷射器的寬發散平面對齊的圓柱形軸64W。窄直徑圓柱形準直光學器件具有垂直于與雷射器的寬發散平面正交的任何平面的圓柱形軸64N。
是以，寬直徑圓柱形準直光學器件反轉發生在寬發散平面44W中的發散，而窄直徑圓柱形準直透鏡反轉發生在窄發散平面44N中的發散。在其他示例中，工程非球面菲涅耳光學器件可用于準直來自雷射器26的組合發射。
光束組合器50A的轉動光學器件66A和66B折疊雷射器外殼52的光軸，這有助于整體緊湊的配置。光束組合器50A包括一個或多個傳感器68（例如光電二極管），其具有響應于雷射器26的同時發射的輸出。傳感器的輸出可用于維持單眼系統18中的顔色平衡。
光束組合器50A包括與一個或多個準直光學器件串聯布置的漫射器70，漫射器70配置為漫射來自雷射器26的發射。漫射器配置為使準直光束均勻化，使得來自每個雷射器的發射均勻地照射SLM24的像素元件矩陣。
光束組合器50包括一個雷射去斑器72，它與準直光學器件串聯設定當空間相幹的單色波前與足夠粗糙的表面互相作用，使光沿着波長量級不同的光路散射并到達同一觀察點時，就可以觀察到“散斑”。在所示示例中，漫射器光學地布置在準直光學器件的下遊，并且去斑器光學布置在漫射器的下遊。
光束組合器可以配置為幾何地組合來自多個雷射器26的發射。當在給定顔色通道中需要高亮度時，可以轉動具有較高輸出功率的第一雷射器；當不需要高亮度時，可以開啟低輸出功率的第二雷射器。光束組合器同時可以組合來自具有不同發射光譜的雷射器的發射。
圖6示出了近眼顯示裝置的示例顯示投影儀22。顯示投影儀22A基于反射LCOS型SLM 24A。顯示投影儀包括PCB安裝件74。高效反射塗層78布置在CMOS層上，并配置為反射來自光束組合器50的入射光束。
入射光束經由液晶（LC）層80被空間調制。LC層包括經由取向層82保持靜态取向的LC分子膜。一個或多個透明電極84布置在對準層上。一個或多個透明電極可以包括在适當襯底上的簡并摻雜半導體（例如氧化铟錫）。
在其他示例中，一個或多個透明電極可以包括微絲網或極薄的金屬膜。覆寫玻璃86布置在一個或多個透明電極上。在所述配置中，從反射塗層78反射的空間調制光被引導回穿過堆疊以離開偏振器88，然後到達單眼系統18的目鏡（例如，瞳孔擴充光學器件）。
計算機12可操作地耦合到驅動電路48和SLM24。計算機配置為解析數字圖像，數字圖像可以包括多個分量圖像，每個分量圖像與對應的原色相關聯。計算機配置為通過控制由驅動電路48提供給雷射器的增益結構30的驅動電流來觸發來自雷射器26的發射。
計算機同時配置為控制SLM 24的像素元素矩陣。這種控制是同步和協調地進行，使得從SLM發射的空間調制形式投射出與解析的數字圖像相對應的光學圖像20。
在一個示例中，計算機配置為以時分複用的方式協調控制驅動電路和像素元件矩陣，以提供場順序彩色顯示。通過對數字圖像的時間索引序列重複這種控制，計算機可以使顯示投影儀22投影視訊。
盡管衍射光學元件用于将光耦合進和耦合出光波導，但基于反射、折射和/或散射的内耦合和外耦合光學元件可設想為DOE的替代方案。在其他示例中，光瞳擴充光學器件可以包括一系列相對于光軸成45度取向的反射折射界面（所謂的“軟百葉窗”）來代替光波導。
無論采用何種特定的光瞳擴充技術，光瞳擴充光學器件都必須增加發射源和使用者光瞳之間的光路長度的數量，進而增加光路長度和相幹雷射發射的縱向模式間隔之間的重疊可能性。
盡管相幹照明可能在各種類型的顯示系統中造成顯示僞影，但具有光瞳擴充光學器件的近眼顯示裝置特别容易出現這種僞影，因為光孔擴充器的主要功能是将從顯示投影儀到使用者瞳孔的光路的數量相乘。
下面介紹了可用于近眼顯示裝置中的各種光譜展寬方法，以消除由縱向模式和光路長度差之間的重合引起的幹涉條紋。
在一個實施例中，整體條紋減少政策的一部分可以包括，避免對于給定的近眼顯示器配置産生最強幹涉條紋的縱向模式。是以，在允許來自雷射器并通過光瞳擴充光學器件的多個光路長度的近眼顯示裝置中，其可以選擇腔長度以避免縱向模式間隔與多個光路長度中的任何差異之間的重合。
所述方法可能僅适用于避免最突出和/或可預測的幹涉條紋。是以，在第一雷射器的縱向模式和光路長度差之間的重合導緻幹涉條紋的情況下，可以選擇相同原色的第二雷射器的腔長度以洗掉幹涉條紋，進而将其降低到使用者無法感覺的顔色變化。
專利描述的一種方法是通過在每個基色帶内包括來自具有偏移發射波長帶的多個雷射器的發射來提供光譜分集。
簡要傳回圖5，雷射器外殼52A包括兩個每種基色的雷射器：紅色發射雷射器26R1和26R2、綠色發射雷射器26G1和26G2以及藍色發射雷射器26B1和26B2。
如圖10A所示，二極管雷射器的峰值發射波長可以随着腔長度的增加而增加。是以，期望的波長分集可以由腔長度基本不同的第一雷射器26G1和第二雷射器26G2的組合發射産生。換言之，空腔長度可能根據工程規範而不同，而不僅僅是制造公差的結果。在一個示例中，第一雷射器的腔長度可以超過第二雷射器的腔長百分之五或更多。
盡管圖5示出了每種原色的兩個雷射器，但給定的原色通道可以包括多于兩個雷射器或僅一個雷射器。在任何配置中，如果兩個紅色發射雷射器不能提供足以洗掉紅色幹涉條紋的光譜分集，則可以添加第三個紅色發射雷射。
如果來自一個适當配置的藍色發射雷射器的幹涉條紋是可接受的細微，則不必要使用第二個藍色發射雷射器。上述配置使得能夠同時操作標明的雷射器組合。微軟指出，這一方法可以提供最大顯示亮度和簡化的控制政策。
然而，另一種可接受的方法是以時間複用的方式操作所訓示的雷射器組合，并依賴于人眼系統的延遲來将連續的條紋傾向圖像子幀融合到條紋平均結果中。
雷射器26可以包括包括電光材料的反射器結構32。通過改變施加到反射器結構的控制電壓，可以移動雷射器的增益譜，使得雷射器的發射波長帶基于控制電壓可控。圖10B提供了示出峰值發射波長對控制電壓的示例依賴性的圖示。
在示例中，驅動電路48可以進一步配置為基于來自計算機的控制信号來改變控制電壓，以便促使發射波長帶朝向預定波長分布。這一功能可用于模拟可變空腔長度。增益譜的受控變化可用于例如抑制在近眼顯示裝置的特定操作條件下出現的條紋，例如當使用者的視線指向視場極值處的角度時。
實作光譜多樣性的另一種方法是利用驅動電流瞬變對半導體雷射器增益光譜的影響。這種政策可能需要更少的雷射器來實作與上述多雷射器配置類似的效果。
驅動電路48可配置為驅動周期性電流通過任何雷射器26的增益結構。計算機12可以配置為在單個光學圖像的投影期間控制周期性電流以驅動通過增益結構的多個調制周期。結果，當由未調制的驅動電流驅動時，來自雷射器的發射的波長帶可以比來自同一雷射器的發射波長帶寬。
在一個示例中，周期性電流包括包括電流脈沖串的脈沖調制電流。如上所述，脈沖寬度的值可以在足夠短的脈沖寬度的範圍内影響雷射器的增益分布。圖10C中的曲線圖提供了這種效果的圖示。在更具體的示例中，脈沖調制電流可以包括脈沖寬度為20納秒或更短的電流脈沖串。
圖11A的時序圖示出了雷射器26G1的示例脈沖串。圖11B示出了相同雷射器的較短脈沖串，插圖示出了進一步加寬的發射波長帶。
如上所述，在腔長度變化的背景下，條紋減少政策的一部分可以包括明智地避免對于給定的近眼顯示器配置産生最強條紋的發射波長帶。是以，在允許從雷射器通過瞳孔擴充光學器件的多個光路長度的近眼顯示裝置中，可以選擇脈沖寬度以避免縱向模式間隔和多個光路長度之間的重合。
例如，這可以通過在雷射器的發射波長帶中設計預定的藍移來實作。在縱向模式間隔和多個光路長度之間的重合導緻幹涉條紋的情況下，可以增加脈沖寬度，以便洗掉幹涉條紋。
在包括相同基色的第一和第二雷射器的配置中，第二雷射器周期性調制的脈沖寬度可用于洗去由第一雷射器的發射引起的幹涉條紋，反之亦然。
一般來說，施加到雷射器增益部分的電流脈沖串定義了雷射器的平均占空比。計算機12可以配置為考慮脈沖寬度來調整脈沖間隔，以便控制平均占空比。計算機可以控制平均占空比，以便例如在基色帶中提供設定點功率。
通過驅動電流的脈沖調制可實作的頻譜展寬同樣可以通過具有等效傅裡葉頻譜的連續波（例如正弦）調制來實作。是以，施加到增益部分的周期性電流可以包括射頻調制電流。
相關專利：Microsoft Patent | Pulse-modulated laser-based near-eye display
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名為“Pulse-modulated laser-based near-eye displa”和“Compact laser-based near-eye display”的微軟專利申請最初在2021年6月送出，并在日前由美國專利商标局公布。