微软专利介绍消除高阶衍射光，形成额外出瞳，增加视窗尺寸

　　诸如空间光调制器(SLM)这样的相位调制装置可以使用衍射形成强度分布。强度分布可以作为信息显示器的图像，并用于投影用于深度传感的点阵列。相位调制装置可以是透射式或反射式，如硅上液晶(LCoS)装置。

　　SLM通常是像素化设备，其中正方形像素放置在规则网格之上。具有像素行和像素列的空间量化设备通常会形成中心衍射图案，并在水平轴和垂直轴重复所述图案。重复源自光的高衍射阶。

　　例如，第一衍射阶可表示预期图像，而光的更高衍射阶可致使其他位置形成图像的重复。较高的衍射阶是由于混叠而形成。任何定期采样的信号都将以与采样频率相同的频率重复其频谱。

　　一般来说，较高的衍射阶不可取，因为这会导致中心图像和图像的一个或多个重复同时进入用户眼睛。例如，图1示意性地示出了由全息图104产生的锯齿图像102。

　　如果像素的大小无限小，则较高衍射阶将具有与中心图像相同的强度。但由于像素大小有限，衍射图案在远离中心阶的地方振幅减小。高衍射阶通常是衍射系统不需要的副作用，所以厂商经常使用各种技术来消除不需要的阶，从而应对与阶间距相关的视觉伪影，并增加中心所需阶的可用功率。然而，大多数技术通常会增加整个设备的体积和/或复杂性。

　　另外，在图像形成系统的设计中，一个共同目标是增加视窗的尺寸，尤其是当需要大视场(FOV)时。由这种图像形成系统产生的图像光通常聚焦于出瞳。如果出瞳与人眼瞳孔重合，则人类可感知预期图像。所以，可以通过创建更多的出瞳和/或增加系统移动出瞳来实现扩展视窗。

　　在名为“Pixel sampling for spatial light modulator”的专利申请中，微软介绍了一种通常不需要或能够消除较高衍射级光的技术。另外，所述技术可用于形成额外的出瞳，从而增加视窗尺寸。

　　简单来说，图像形成系统包括具有重采样层的SLM，重采样层使用每像素两个或更多个采样对SLM的每个像素进行采样。这会影响通过高阶光重复图像的间距。结果，可以形成具有足够间距的多个出瞳，使得一次只有一个出瞳与人眼瞳孔重合，从而减轻通常与较高衍射阶相关联的视觉伪影。

　　另外，对像素进行采样以令每个采样类似于点源，可以增加所产生的更高衍射阶的亮度。由于采样的尺寸依然有限，并且不是真正的点源，所以在较高的衍射阶中或会观察到一定程度的强度损失。但考虑到采样的小尺寸，可以减轻这种振幅损失，以便较高的衍射阶在各自的出瞳形成足够清晰和明亮的图像。

　　图2A示意性地示出了包括所述SLMs 202的示例图像形成系统200。SLM 202可以采用任何合适的形式并使用任何合适的技术。尽管发明主要关注反射型SLM(例如，LCoS实现)，但可以使用透射型SLM。

　　SLM 202包括多个像素电极，包括像素电极204A、204B和204C。每个像素电极配置为反射入射到像素电极的光。例如，图2B示出了从像素电极204B反射的入射光的单光束。反射光包括实线所示的一阶光束以及虚线所示的两个高阶光束。所述光束中的每一个都可以离开SLM以通过各自的出瞳。例如，光的第一衍射阶可以通过第一出瞳，而更高的衍射阶可以通过与第一出瞳位置不同的一个或多个附加出瞳。

　　与SLM的相位调制层206串联的多个像素电极可共同包括多个单独的像素205A-205C，配置为衍射入射光并令衍射光离开SLM。例如，多个像素可操作地与控制逻辑耦合，控制逻辑可用于影响每个像素电极未知的电气条件。这又可影响SLM的相位调制层206内的电条件。相位调制层影响通过它的任何入射/反射光的相位，从而将光衍射成各种衍射阶。所以，通过经由像素电极改变相位调制层内的电条件，可以改变入射/反射光的相位。以这种方式，控制逻辑可用于控制每个像素以控制其对入射到像素的光的调制，并令多个像素在每个出瞳共同形成图像。

　　尽管图2A中未示出，但SLM可包括附加电极，例如接地电极或公共电极，其可布置在相位调制层与多个像素电极相对的一侧。

　　SLM 202同时可以包括设置在像素电极和相位调制层之间的模糊层208。相位调制层(例如液晶层)中的缺陷可导致形成图像出现不期望的视觉伪影。例如，相位调制层的相位可能不会在像素之间均匀地或最佳地改变，从而导致当像素在其边缘附近采样时发生像差。

　　这可以通过使用模糊层或内插层来缓解。其中，模糊层或内插层可以具有比相位调制层更高的介电常数。以这种方式，模糊层可以配置为平滑相位调制层的液晶状态在与像素电极/像素相关联的局部区域之间的相变。模糊层可以具有任何合适的布置，并由任何合适的材料构成。在一个示例中，模糊层可由锆钛酸铅(PZT)构成。

　　图2B示意性地示出了图像形成系统200的另一视图。系统200可用于定位出瞳并提供视窗。

　　如上所述，图像形成系统200包括SLM 202。图像形成系统200同时包括被配置为向SLM发射入射光(Li)的光源210。在一个实施例中，光源可配置为以动态可控的入射角向SLM发射入射光。例如，这可用于控制出瞳形成的位置，从而增加视窗的大小。例如，动态控制入射角会改变每个出瞳形成的各自位置。

　　在所描绘的示例中，从光源210发射的光进入SLM 202。可以以各种方式控制将光引入SLM的输入角度。作为一个示例，光源可以包括可控制的可操纵微镜，以改变来自微射影的光引入SLM 202的角度，从而控制图像形成系统200的出瞳。

　　尽管图2B中未描绘，但任何合适的元件可布置在光源和SLM之间。例如，来自光源的光可以首先通过具有适当的耦入和耦出元件的波导。

　　图2B所示的光输入角对应于光的第一衍射阶(Lr1)，并会聚到接近人眼瞳孔214的出瞳212。因此，通过出瞳的光可以经由人眼瞳孔214进入眼睛并照射视网膜，从而允许大脑将所述光视为图像。

　　图2B同时显示了由代表更高衍射阶(Lr2)的光形成的另一出射光瞳212B。在所示示例中，两个出瞳212A和212B都接近人眼瞳孔。所以，通过两个出瞳的光可以进入人眼瞳孔，并视为双倍图像。不过，对应于光的不同衍射阶的出瞳之间的间距可以通过SLM的子采样像素来增加。

　　另外在所示示例中，离开SLM的光聚焦到各自的焦点。为此，图像形成系统可以在SLM和人眼之间的光路中包括任何合适的聚焦光学元件。例如，光可以通过任何静态透镜、动态透镜合波导等到达人眼。以这种方式，SLM不需要如图所示直接定位在眼睛前方，而是可以具有另一个合适的位置。同时，离开SLM的光可以在到达出瞳之前采用任何合适的路径并通过任何合适的光学元件。

　　在一个实施例中，图像形成系统200可以基于用户瞳孔的位置改变出瞳位置。因此，图2B示出了配置为追踪人眼瞳孔当前位置的眼动追踪系统216。眼动追踪系统216可以包括将光投射到眼睛的光源，以及捕获从角膜或眼睛其他结构反射的光的图像传感器。

　　通过图像传感器，可以识别闪烁和/或其他特征以确定瞳孔位置。眼动追踪系统216识别的瞳孔位置可提供给控制逻辑218，而控制逻辑218可配置为设置光源发射的入射光的当前角度，从而令出瞳形成接近人眼瞳孔的当前位置。

　　另外，控制逻辑218可以通过与SLM的像素电极耦合操作地耦合到多个像素。通过改变每个像素电极的电气条件，控制逻辑可以影响每个像素发生的光调制。以这种方式，可以令多个像素在每个出瞳共同形成图像。控制组件218可以实现为任何合适的处理组件。

　　如上所述，在图2B中，两个出瞳212A和212B接近同一人眼瞳孔214。图2C同样进行了示出。在图2C中，我们可以看到一个示例视窗220，其中人眼瞳孔可以接收来自图像形成系统200的光。为简单起见，本文所指的视窗通常指二维矩形空间区域，但在实际应用中视窗可以具有任何合适的形状和尺寸。

　　在图2C中，出瞳212A和212B都接近人眼瞳孔214。因此，人眼可以同时接收通过两个出瞳的光。以这种方式，用户可以感知对应于光的不同衍射阶的相同图像的两个副本。

　　如上所述，SLM的每个像素可以用每个像素的两个或更多离散采样进行二次采样。图4A示出了包括SLM 402的另一示例图像形成系统400。与SLM 202一样，SLM 402包括多个像素电极404A-404C、相位调制层406和模糊层408。像素电极和相位调制层共同包括配置为衍射和调制入射光以形成图像的多个像素405A-405C。

　　然而，SLM 402进一步包括布置在光源和相位调制层之间的重采样层410。重采样层与入射光相互作用，使得在两个或多个特定区域对多个像素中的每个像素进行选择性采样。具体聚焦于像素电极404B，第一光束作为第一采样412A反射，而第二光束作为第二采样412B从相同的像素电极反射。

　　图4B从另一角度显示了多个像素。具体地，图4B示出了与多个其他像素一起排列在规则网格中的像素电极404A、404B和404C中的每一个。每个像素的采样位置(包括采样412A和412B)用黑色圆圈表示。如图所示，每个像素可以采样四次。但这并非限制性，根据离开SLM的光的各种衍射阶之间的期望间距，每个像素可以使用任何合适数量的采样。

　　各像素的每个采样位置同样不受限制。如上所述，当像素在其边缘附近采样时，相位调制层(例如液晶层)中的缺陷可能导致视觉像差。

　　因此，某些情况可能需要对每个像素的中心区域进行采样。然而，可以通过在SLM中使用模糊层来减轻这种视觉像差，从而潜在地允许在不引入像差的情况下对每个像素的边缘区域进行采样。

　　可以基于每个像素的大小以及期望的出瞳间距来设置每个像素采样之间的间距。在所示示例中，对于多个像素中的每一个，每个像素的两个或多个采样中的每一个之间的像素内间隔基本相同。另外，每个像素的两个或多个采样共同形成规则的样本网格。

　　换言之，无论两个相邻像素是在同一像素上还是在相邻像素上，两个相邻样本之间的间距基本相同。

　　用于对每个像素进行采样的重采样层可以采用任何合适的形式。在一个示例中，重采样层可以采用掩模的形式，并选择性地阻止入射光到达多个像素中每个像素的至少一部分。

　　或者，重采样层可以采用光学阵列元件的形式，例如将入射光聚焦在每个像素的特定部分的微透镜阵列。这可以确保使用更多的入射光，而不是被遮罩遮挡。

　　作为另一个示例，重采样层可以采用衍射光学元件的形式，例如全息光学元件。或者可选地，重采样层可配置为修改入射光的几何相位，例如超材料。当使用动态全息图或几何相位超材料时，可以动态改变像素上的样本间距。

　　换言之，重采样层对每个像素进行二次采样的每像素采样间隔或采样量可以动态可控，例如影响每阶衍射光离开SLM的角度。因此，可以动态地改变由光的各种衍射阶形成的每个出瞳之间的间距，例如跟随移动的瞳孔。

　　回到图4A，这里仅示出光的一个衍射阶从每个像素电极反射。增加像素网格的采样频率改变了离开SLM的光的各种衍射阶之间的间距。实际上，这增加了各种衍射阶光通过的出射光瞳之间的间距。通过这种方式，可以有效地扩大视窗的大小，因为可以使用光的各种衍射阶来形成具有足够间距的额外出瞳，使得人眼瞳孔仅接收通过其中一个出瞳的光。

　　图5A示出了包括SLM 502的另一示例图像形成系统500。由光源504发射的入射光(Li)被SLM的像素衍射并通过出射光瞳506A和506B。具体地说，光的第一衍射阶通过出瞳506A，其接近人眼瞳孔508;而光的更高衍射级通过出瞳506B，其不接近人眼瞳孔。

　　图5B显示了一个视窗514。在图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。换句话说，形成图像的每个出瞳之间的间距大于人眼瞳孔宽度。

　　对于某些情况，系统可以将所述间距设置为大于预定的人眼瞳孔宽度，例如对应于平均瞳孔大小的瞳孔宽度。在一个实施例中，可以使用在普通日光条件下的第百分位瞳孔大小、对应于已知用户的特定瞳孔宽度、当前用户的测量瞳孔宽度或其他合适的间距。

　　可以使用各种技术，并通过移动形成每个出瞳位置来进一步扩展视窗。图6再次示出图5A的图像形成系统500。

　　但在图6中，进入SLM的光的入射角已经改变。换句话说，光源504配置成以动态可控的角度发射入射光。因此，所有光离开SLM的角度都发生了变化，包括光的所有衍射阶。这进而改变了光的各种衍射阶通过的每个相应出瞳的位置，因为出瞳506A和506B位于与图5A所示不同的位置。这可以基于眼动追踪系统510提供的反馈来解释人眼瞳孔508的改变位置。

　　另外，或者可选地，图像形成系统可以包括多个光源。例如，图7示意性地示出了包括SLM 702、光源704A、眼动追踪系统710和控制逻辑712的另一示例图像形成系统700。离开SLM的光在朝向人眼瞳孔708的光路形成出瞳706A和706B。

　　但图像形成系统700进一步包括第二光源704B，其配置为以与第一光源704A不同的入射角度向SLM发射入射光。结果，当第一光源向SLM发射入射光时，可以在各自的第一位置处形成每个第一出射光瞳(对应于光的第一衍射阶)和一个或多个附加出射光瞳(对应于光的一个或多个更高衍射阶)。

　　相反，当第二光源向SLM发射入射光时，每个出射光瞳可以形成在各自的第二位置。以这种方式，可以通过例如基于来自眼动追踪系统710的反馈来切换激活的光源，在两个或多个离散位置之间切换每个出瞳形成的位置。

　　名为“Pixel sampling for spatial light modulator”的微软专利最初在2022年2月提交，并在日前由美国专利商标局公布。