（映維網Nweon 2023年11月21日）LED對溫度非常敏感。除非實現糾正反饋系統，否則輸出功率可能會隨使用時間而漂移，輸出波長可能會隨溫度和電流設置而漂移。空間光調製器的反射率同樣容易由於溫度而漂移，從而導致次優的性能特徵。
如果佩戴近眼顯示系統的用戶從一個環境溫度移動到另一個環境溫度，或顯示系統在操作時間內變熱，或顯示系統老化，或電池電量下降，保持相同的性能配置文件可能導致輸出圖像的變化。
所以在名為「Methods for adjusting display engine performance profiles」的專利申請中，微軟就介紹了一種在製造過程中不會增加大量校準時間的精確LED功率反饋方法。具體來說，這家公司提出的方法用於調整包括多個光源的照明光束路徑和包括選擇性反射成像裝置的光學成像路徑的性能。
可以定位一個或多個光電二極體，以便捕獲從選擇性反射成像裝置反射的光。通過命令選擇性反射成像裝置以預定的反射率工作，並命令每個光源發射光脈衝，可以根據光電二極體的讀出來確定光源的輸出功率和選擇性反射成像裝置的反射率。然後，可以相應地調整所述光源和選擇性反射成像裝置的性能配置文件。
圖2示出包括顯示引擎201和投影光學元件202的示例近眼顯示系統200。顯示引擎201包括照明光束路徑205和光學成像路徑210。控制器215可以操作耦合到照明光束路徑205和光學成像路徑210的有源組件。例如，控制器215可以提供適當的控制信號，以形成所需的顯示圖像。
照明光束路徑205可包括包含一個或多個光源的光源簇225。照明光束路徑205可進一步包括光學元件235，光學元件235可配置為對包含在光學成像路徑210中的選擇性反射成像裝置240產生均勻照明。
反射和/或折射光學元件可用於允許以非遠心方式定位照明光束路徑205和光學成像路徑210。這既可以減少由於反射和眩光引起的問題，又可以實現容納其他組件的功能配置。
光學成像路徑210配置為形成顯示圖像並通過出瞳245釋放所述顯示圖像。選擇性反射成像裝置240可以是反射性LCOS或DMD裝置，或其他可選擇性調節反射率角度的合適裝置。
作為示例，在像素的完全打開狀態下，反射元件可以偏轉，使得入射到該元件上的光被反射到出瞳245中。在完全關閉狀態下，反射元件可以偏轉，使得入射光從出瞳245反射出去，例如反射回照明光束路徑205。
在一個實施例中，可以利用LCOS陣列，其中偏振旋轉液晶位於鈍化的高反射像素元素的矩形陣列之上。。LCOS陣列是一種規則的二維液晶片件陣列。元件可以共享光學透明的前電極，同時為每個元件提供單獨可尋址的反射後電極。
在其他例子中，兩個電極對每個像素都是可尋址。施加到陣列的元件的電偏置改變其中的液晶的對準，使元件能夠對從後電極反射的照明起偏振濾光器的作用。
以這種方式，受控偏振狀態的光從每個像素元中出現。不需要的偏振分量可以移除，因為它通過一個共同的前偏振片陣列的所有元素。這個動作將來自每個元件的光的編碼偏振狀態轉換為來自元件的相應反射強度。合適的陣列驅動器提供控制數據，以確定每個元件的偏置水平，從而定義從陣列反射的圖像。
在實施DMD陣列的實施例中，可以為顯示圖像的每個像素提供單獨可偏轉的鏡像元件。在其他實施例中，選擇性反射成像器件240可以採取具有降低極化狀態切換延遲的FLCOS陣列或全息空間光調製器SLM的形式。
光學成像路徑210可以與近眼顯示系統200的用戶的視場相偏移。圖3示出了顯示引擎300，其包括照明光束路徑301和光學成像路徑303。
照明光束路徑301包括光源簇305，光源簇305包括由控制器309控制的綠色光源306、藍色光源307和紅色光源308。來自綠色光源306的綠光通過光學器件310、311和312至光束組合器314。
同樣，來自藍色光源307和紅色光源308的光通過光學器件316、318、320至光束組合器314。光束組合器314將紅光、綠光和藍光組合成一束，並將光束引導到微透鏡陣列MLA 322。
微透鏡陣列322使單光束均勻化，並且至少部分地塑造光束以更均勻地向下游光學元件提供照明並去除偽影。微透鏡陣列322將所述光輸出至稜鏡324，稜鏡324將所述光引導至透鏡326。
稜鏡324允許光學成像路徑303的非遠心照明，使照明源的輸出傾斜。預偏振器327可以光學地位於光學成像路徑303的偏振分束器PBS 328的前面，使得進入PBS 328的光被偏振。然後PBS 328將所述光指向選擇性反射成像裝置332，所述裝置由控制器309控制以形成圖像。
透鏡可任選地位於PBS 328和選擇性反射成像裝置332之間。來自選擇性反射成像裝置332的像光通過透鏡330和偏振分束器328返回，從反射鏡334反射，然後從四分之一波片336射出。然後，從四分之一波片336引導的光穿過透鏡340，朝向其他投影光學元件342以顯示。
可以在照明光束路徑301中包括另外一個傳感器，例如光電二極體，以表征顯示引擎300中所包括的一個或多個光學元件的當前方面。作為示例，PD 350被定位為捕獲從選擇性反射成像設備332反射回照明光束路徑301的光。
例如，當選擇性反射成像器件332關閉時，由於光沒有以通過偏振光分束器328的方式被偏振，因此大量的光返回到照明光束路徑301。當選擇性反射成像器件332打開時，由於選擇性反射成像器件332的有效性小於100%，大多數反射光通過偏振光分束器328，但不是全部。
光電二極體PD 351的定位是捕獲來自光束組合器314的殘餘光，由於其塗層，這使得它對波長移動非常敏感。
在一個實施例中，一個或多個光電二極體包括兩個或多個具有不同波長濾波器的光電二極體。因此，可以將控制器配置為在命令每個光源發射光脈衝時，基於具有不同波長濾波器的兩個或多個光電二極體的讀出來確定每個光源的波長。
一個或多個溫度傳感器可以位於光源簇305中。因此，可以將控制器配置為基於一個或多個溫度傳感器的讀數和LED電流設置來確定每個光源的波長。
圖4示出用於顯示引擎400的備用配置，其包括與光學成像路徑403偏移的照明光束路徑401。照明光束路徑401包括光源簇405，光源簇405包括綠色光源406、藍色光源407和紅色光源408，由控制器409控制。
來自綠色光源406的綠光通過光學器件410、411和412到達光束組合器414，而來自藍色光源407和紅色光源408的光通過光學器件416、418、420到達光束組合器414。
光束組合器414將紅光、綠光和藍光組合成一束，並將光束引導到摺疊鏡421，摺疊鏡421將單光束反射到MLA 422。MLA 422將光輸出到透鏡426。然後，透鏡426將所述光引導至光學成像通路403。
通過使用摺疊鏡，可以將光學成像通路403與照明光束通路401偏移。預偏振器427位於光學成像路徑303的偏振分束器428的光學前方，使進入PBS 328的光發生偏振。光學成像通路403的PBS 428將所述光通過可選透鏡430引導至選擇性反射成像裝置432，所述選擇性反射成像裝置由控制器409控制以形成圖像。
根據光學成像路徑303，光學成像路徑403進一步包括反射鏡434、四分之一波片436和透鏡340，其將光聚焦到投影光學元件442以進行顯示。
光電二極體可以包括在照明光束路徑401中，以表征顯示引擎300中所包括的一個或多個光學元件的當前方面。
作為示例，光電二極體PD 450定位為捕獲從選擇性反射成像設備332反射回照明光束路徑301的光。附加的光電二極體452可以光學地定位在摺疊鏡421的後面。光電二極體452的輸出可以對摺疊鏡421的塗層以及對由光源406、407和408的光輸出的波長的任何移位敏感。
通過將光電二極體PD 452朝向透鏡426定位，可以捕獲來自光源的光和從選擇性反射成像裝置432反射的光。一個或多個溫度傳感器可以位於光源簇405中。
所述光電二極體和溫度傳感器可用於表征和調整顯示引擎的光源和選擇性反射成像裝置的性能特徵。
圖5示出用於校準近眼顯示設備的示例方法500。
在510，方法500包括命令選擇性反射成像裝置以預定的反射率操作。所述預定反射率可以是相對於一個或多個光電二極體的反射率。換句話說，基於每個光電二極體的相對定位，可以命令所述選擇性反射成像裝置的第一預定反射率，以便將光反射出所述光電二極體。
在520，方法500包括在選擇性反射成像裝置以預定反射率操作時命令光源發射光脈衝。在530，在選擇性反射成像裝置以預定反射率操作時讀出一個或多個光電二極體。
在540處，調整一個或多個光源和基於一個或多個光電二極體的讀出的選擇性反射成像裝置的性能配置文件。例如，可以調整光源的驅動功率。通過這種方式，可以校準光源的指定波長和強度。另外或可選地，可以調整所述選擇性反射圖像形成裝置的驅動信號和/或一個或多個附加操作參數。
任選地在550，當每個光源被命令發射光脈衝時，基於一個或多個傳感器的讀數確定每個光源的波長。例如，一個或多個溫度傳感器可位於光源簇內或近端。控制器可以進一步配置為在命令每個光源發射光脈衝時，基於一個或多個溫度傳感器的讀數來估計、推斷和/或確定每個光源的波長。
圖7示意性地示出用於至少基於光電二極體的讀數來確定LED波長的工作流程700。
白平衡模型705可以包括LED電壓預測器720，其配置為基於LED驅動電流710和光源簇溫度712近似LED的電壓。
光電二極體讀出器708可用作光電二極體計數到optical power計算器723的輸入。723可以通過任何合適的方法直接從光電二極體讀出708確定optical power。然後可以將計算的optical power輸出為LED optical power714。
然後可以將所述LEDoptical power、所述確定的LED電功率和所述光源簇溫度712用作LED效率計算器724的輸入。LEDoptical power可以允許精確地確定LED效率計算器724，而不是通過基於先前計算的估計來確定，因為熱功率等於電功率減去optical power。然後可使用LED效率來確定LED熱功率和LEDoptical power。
可以輸出確定的optical power。然後可以將所確定的LED熱功率和光源簇溫度712用作LED外殼溫度預測器726的輸入。外殼溫度可以通過任何合適的方法來確定，例如使用福斯特熱模型來模擬通過半導體的熱傳遞。
然後可以將預測的LED外殼溫度和LED熱功率用作結溫計算器728的輸入。這種結溫可以根據經驗確定每種LED類型，並包含在LED的規格數據表中。結溫可以存儲在查找表中。然後可以將所確定的LED結溫用作主導波長移位計算器730的輸入。
接下來，主導波長位移計算器730可以確定LED的主導波長，例如通過對先前測量的數據進行回歸。確定的波長可作為主導LED波長716輸出。
圖8示出用於校準一個或多個LED的optical power的方法800。通過精確校準每個LED，可以在顯示器顯示更準確的顏色。
方法800可由控制器執行。方法800可響應於執行第一校準步驟的指示而執行。例如，執行第一校準步驟的指示可包括在近眼顯示設備的預熱階段執行第一校準步驟的指示。可選地，執行第一校準步驟的指示可包括在近眼顯示設備的操作階段響應環境溫度的閾值變化執行第一校準步驟的指示。
另外，執行第一校準步驟的指示包括響應於近眼顯示設備操作期間超過閾值運行時間而執行第一校準步驟的指令。這樣，由於外部溫度、環境溫度、電池充電、定期維護等因素的變化，LED電源可以實現校準。
在810，命令LCOS面板顯示黑色幀，LCOS面板位於光學成像路徑內。例如，LCOS面板可能會在預先確定的持續時間內關閉電源，例如顯示內容的單個幀。在關閉構造中，LCOS面板可以將大部分光反射回照明光束路徑，很少光會指向近眼顯示的投影光學。
因此，當用戶正在查看虛擬圖像時，可以命令LCOS面板顯示黑色幀，而這對用戶體驗的影響不大。由於圖像光可以集成在數幀上，用戶可能只感知到短暫的輕微顯示變暗，而不是長時間的黑色圖像。
在820，命令一個或多個LED發出光脈衝，同時命令LCOS面板顯示黑色幀，LED位於配置為產生LCOS面板的均勻照明的照明光束路徑內。通過這種方式，可以直接測量從LCOS面板反射回照明光束路徑的LED功率，從而測量入射到LCOS面板的光量。
在830，讀出一個或多個光電二極體，以便捕獲從LCOS面板反射的光。由於LED結溫隨環境溫度、LED電流或LED占空比的變化，LED的波長可以在任何方向上移動幾納米。然而，光電二極體的響應可以設置為有效地獨立於LED輸出波長在幾個納米的位移。因此，光電二極體可以高精度地測量實際optical power。
在840，當命令LCOS面板顯示黑色幀時，基於一個或多個光電二極體的讀出，確定一個或多個LED的optical power。optical power可以通過經驗和/或通過光電二極體讀數和環境條件的查找表來確定。這種用於LED功率確定的方法直接基於入射光的數量，從而反射出LCOS面板，因此與顯示校準高度相關。
在850，方法800包括根據所確定的optical power調整LED的輸出功率。例如，可以增加或減少一個或多個LED的輸出功率，以平衡光團的輸出，從而按要求生成顯示圖像的亮度和著色。
所述校準程序可用於不同的LED占空比設置，例如範圍或占空比設置或跨兩個或多個離散的占空比設置。例如，可以命令光源在占空比模式上發射光脈衝。
在占空比模式下，每個占空比可以讀出一個或多個光電二極體。光源的輸出功率可以根據在占空比模式中每個占空比的一個或多個光電二極體的讀出來調整。在校準階段之間，可以利用輸出功率和占空比的梯度來調整一個或多個LED的輸出功率。
圖9示出了當選擇性反射成像設備332關閉時用於顯示引擎300的示例場景900。
從一個或多個光源發射的光在光束組合器314中組合，然後通過微透鏡陣列322定向到稜鏡324。如箭頭902所示，稜鏡324發出的光經透鏡326和預偏振器327定向到偏振分束器336，預偏振器327反射到選擇性反射成像裝置332，如箭頭904所示。
當選擇性反射成像裝置332關閉時，光不會重新極化。相反，它反射回偏振分束器336，如箭頭906所示。光不是通過偏振分束器336，而是反射回照明光束路徑，如箭頭908所示。因此，光電二極體350處於檢測這種反射光的位置。然後，光電二極體350的讀數可用於評估optical power，反射率和/或其他參數。
如上所述，當選擇性反射成像裝置關閉電源時所進行的測量可以與當選擇性反射成像裝置通電時所進行的測量相結合，以確定顯示引擎性能的更完整的圖像。
圖10示出用於校準選擇性反射圖像形成裝置的反射率的示例方法1000。方法1000可響應於執行第二校準步驟的指示而執行。例如，第二校準步驟可以在第一校準步驟之後執行，例如方法800。執行第二校準步驟的指示包括響應於近眼顯示設備預熱期間、響應於環境溫度變化、響應於設備溫度或操作時間等執行第二校準步驟的指示。
在1010，方法1000包括命令LCOS面板顯示白色幀，LCOS面板位於光學成像路徑內。當LCOS通電並顯示白色幀時，光通過投影光學元件發送給用戶。然而，並不是100%的光被發送給用戶，還有相當一部分光被反射回照明模塊。
在1020，命令一個或多個LED發出光脈衝，同時命令LCOS面板顯示白色幀，位於照明光束路徑內的LED配置為產生LCOS面板的均勻照明。由於光脈衝將被定向到投影光學，用戶很可能會注意到這個校準步驟。
因此，方法1000可以在預熱期間和/或在向用戶提供校準警告之後進行。然而，如果校準是作為單幀進行，用戶可能只會體驗到背景亮度的短暫增加，因此可能不需要提前警告。
在1030，方讀出一個或多個光電二極體，以便捕獲從LCOS面板反射的光。在理想的情況下，當LCOS打開時，所有的光線都進入出瞳，沒有光線反射回照明光束路徑。在實際應用中，LCOS並不能實現完美的反射，並且會有一定的光入射到光電二極體上。
當通電時，由於LCOS的非完美反射率，預計大約10-50%的入射光將反射回照明模塊。黨LCOS關閉時，大約90%或更多的光被反射回照明光束路徑併入射到光電二極體上。
在1040，當命令LCOS面板顯示白色幀時，基於一個或多個光電二極體的讀出，確定LCOS面板的反射率。
在1050時，根據確定的反射率調整LCOS面板的驅動參數。確定的反射率可以允許調整LCOS驅動參數，以最大限度地提高顯示效率，例如，在不浪費額外電池功率的情況下最佳地反射光。
相關專利：Microsoft Patent | Methods for adjusting display engine performance profiles
名為「Methods for adjusting display engine performance profiles」的微軟專利申請最初在2022年4月提交，並在日前由美國專利商標局公布。