CN106574994A - 用于多层显示系统的衍射光栅 - Google Patents

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Abstract

描述了一种显示设备，并且所述显示设备包括第一显示屏幕，所述第一显示屏幕包括像素的掩模图案。所述显示设备包括第二显示屏幕，所述第二显示屏幕包括所述掩模图案，其中，所述第二显示屏幕被定位成比所述第一显示屏幕离所述显示设备的前部更远，其中，所述显示设备的所述前部最接近于观看者。所述显示设备包括衍射元件，所述衍射元件被配置成用于将所述第二显示屏幕的所述掩模图案复制成一个或多个可视副本，以便最小化与所述第一显示屏幕的所述掩模图案的波纹干扰。

Description

用于多层显示系统的衍射光栅
相关申请的交叉引用
本申请要求具有提交日期2014年5月9日并且具有律师卷号PURE-0076.A的题为“ADIFFRACTION GRATING FOR USE WITH A MULTIPLE LAYERED DISPLAY SYSTEM(用于多层显示系统的衍射光栅)”的共同拥有的美国临时专利申请序号61/991,336的优先权和权益，该临时专利申请的全部内容通过引用结合在此。
背景技术
现有技术图1示出了本领域众所周知的条纹液晶显示器(LCD 100)的像素结构。当第一和第二显示层堆叠时，产生波纹干扰(moiré interference)。当被投射到观看者的视网膜上时，所述干扰由所述层内的滤色器之间的相互作用引起。例如，当绿色滤色器相互重叠时，光被透射导致相对亮的斑。当绿色滤色器在比如说红色滤色器之上时，将没有那么多光被透射导致暗区域。由于当投射到视网膜上时，后显示层和前显示层的大小略有不同，因此像素将从同相慢慢地变成异相。这具有产生暗带和亮带(另外的被称为波纹干扰)的效果。
存在几种方法来在MLD系统中去除波纹干扰。大部分方法依赖于通过空间滤波来去除不需要的频率部件。这可以通过漫散器型系统或衍射型系统两者之一来完成，具有大约l.5的衍射率的元件通过所述漫散器型系统具有随机表面扰动。这些系统在视觉美学(例如，图像看起来多模糊；留下多少剩余波纹；极化的效果；以及成本等)方面的性能很大程度上取决于系统配置。
当前多层显示(MLD)系统利用漫射光学器件来使最后面的显示层模糊。虽然在商业上是成功的，但是这种方法受到以下限制：(a)最后面的图像是固有模糊的——在减少波纹干扰与最后面的图像显示层的清晰度之间存在折衷；(b)漫散元件利用难以获得的专用漫散器图案；(c)漫散元件位于偏振器之间，并且薄膜基底和加强件基底两者必须没有任何双折射；以及(d)漫散元件需要一个向最终显示系统增加重量和支出的单独的加强部件(通常为玻璃)。因此，漫射型系统并不提供减少MLD系统(尤其是具有减少的构成因素的系统)中的波纹干扰的理想解决方案。
在现有技术的衍射型系统中，为了防止来自滤色器的干扰，需要图像的若干副本，其中，副本数量被定义为像素的宽度与子像素的宽度的取整比率。然而，虽然衍射光栅被配置成用于适当地生成图像的副本，但是从与电子迹线相关联的黑色矩阵掩模到每个像素的波纹干扰没有减轻。
此外，衍射型系统解决方案的缺点是很难同时生成多阶，由于这需要多个周期，因此现有技术图2示出了用于一种被实施用于减少波纹干扰的衍射型系统的各种闪耀光栅的效率。如从现有技术图2中可看到的，具有简单重复结构的相位光栅仅在同时产生零阶和一阶衍射时有效。更高阶(包括二阶和三阶副本)未被示出为与一阶同时生成。
期望的是一种处理由于对来自多显示层黑色矩阵掩模进行重叠而引起的波纹干扰的MLD系统。
附图说明
本发明的进一步方面将从以下仅通过举例方式并且参考附图给出的说明中变得明显，在附图中：
现有技术图1示出了条纹LCD的像素结构。
现有技术图2示出了各种闪耀光栅的效率。
图3是根据本公开的一个实施例的多层显示系统的框图，所述多层显示系统包括被配置成用于最小化向后显示层的波纹干扰贡献的衍射元件。
图4A是根据本公开的一个实施例的示例性像素的图示，展示了在水平方向上可重复的一个或多个竖直部分，以及在竖直方向上可重复的一个或多个水平部分。
图4B是根据本公开的一个实施例通过透射光栅生成的衍射阶数的展示。
图5是根据本公开的一个实施例的具有照亮的仅绿色子像素的显示系统的图像的展示。
现有技术图6A至图6C示出了一种衍射型系统，所述衍射型系统包括代表性的3阶图像内核以及导致由于黑色掩模区域而引起的波纹干扰图案。
图7是根据本公开的一个实施例的流程图700，展示了一种用于在MLD系统中最小化波纹干扰的方法中的步骤。
图8A至图8C示出了根据本公开的实施例的衍射元件，所述衍射元件被配置成用于最小化由于黑色掩模区域而引起的波纹干扰，所述黑色掩模区域包括代表性的图像滤波器内核以及已经消除了黑色掩模区域在水平方向上可重复的部分的所产生的波纹干扰图案。
图8D示出了根据本公开的一个实施例的用于对所需要的图像滤波器内核进行建模的MATLAB代码，所述图像滤波器内核最小化由于MLD系统中的黑色掩模区域而引起的波纹干扰。
图9示出了根据本公开的一个实施例的单个像素上的代表性的图像滤波器内核的实现方式，其中，所述图像滤波器内核被配置成用于最小化由于MLD系统中的黑色掩模区域而引起的波纹干扰。
图10示出了根据本公开的一个实施例的维格纳分布代码，所述维格纳分布代码用于对候选衍射光栅轮廓进行建模，所述候选衍射光栅轮廓被配置成用于最小化由于MLD系统中的黑色掩模区域而引起的波纹干扰。
图11A至图11C是根据本公开的实施例的衍射元件的展示、以及示出由于MLD系统中的黑色区域而引起的波纹干扰的减少的各种响应图。
发明内容
在一个实施例中描述了一种显示设备，并且所述显示设备包括第一显示屏幕，所述第一显示屏幕包括掩模图案，其中所述掩模图案可以被减小到对应于像素的单位大小。显示设备包括第二显示屏幕，所述第二显示屏幕还包括掩模图案。所述第二显示屏幕被定位成比所述第一显示屏幕离所述显示设备的前部更远，这样使得所述显示设备的所述前部最接近于观看者。所述显示设备包括衍射元件，所述衍射元件被配置成用于将所述第二显示屏幕的所述掩模图案卷积成一个或多个可视副本，以便最小化与所述第一显示屏幕的所述掩模图案的波纹干扰。
在另一个实施例中，公开了一种用于处理显示设备中的波纹干扰的方法。所述方法包括提供第一显示屏幕，所述第一显示屏幕包括像素的掩模图案。所述方法包括提供第二显示屏幕，所述第二显示屏幕包括所述掩模图案。所述第二显示屏幕被定位成比所述第一显示屏幕离所述显示设备的前部更远，其中，所述显示设备的所述前部最接近于观看者。所述方法包括将所述第二显示屏幕的所述掩模图案卷积成一个或多个可视副本，以便最小化与所述第一显示屏幕的所述掩模图案的波纹干扰。
在一个实施例中，优选地将存在至少两个显示层。在另一个实施例中，优选地衍射光栅将位于最前面的显示层之上以便不增加双折射。在又另一个实施例中，优选地将针对红色、绿色和蓝色(RGB)显示系统来对衍射光栅的阶数(order)进行定时。在另一个实施例中，衍射光栅可以与触摸系统集成。在又另一个实施例中，优选地，衍射光栅为闪耀光栅，对所述光栅的角度进行优化以提供所需要的衍射阶数。在另一个实施例中，显示层具有偏振器和分析器两者。在又另一个实施例中，可以去除内部偏振器和分析器。
具体实施方式
现将详细地参照本公开的各种实施例，在附图中示出了所述实施例的示例。当结合这些实施例进行描述时，应当理解的是，所述实施例并不旨将本公开限制于这些实施例。相反，本公开旨在覆盖可以包括在所附权利要求书所定义的本公开的精神和范围内的替代形式、修改形式和等效物。此外，在本公开的以下具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，应当理解的是，在没有这些特定细节的情况下也可以实践本公开。在其他实例中，没有对已知的方法、程序、部件和电路进行详细描述以免不必要模糊本公开的方面。
描述了根据本发明的实施例的用于减少多层显示系统中的波纹干扰的方法的示例的流程图。尽管在流程图中公开了特定步骤，但是这些步骤是示例性的。也就是说，本发明的实施例特别适合用于执行各种其他步骤以及在流程图中所述的步骤的变形形式。
相应地，本发明的实施例提供了根据本公开的实施例的包括被配置成用于减少波纹干扰的衍射元件的MLD系统。具体地，衍射元件被配置成用于最小化由于在重叠显示层上的黑色掩模图案而引起的波纹干扰的影响，并且通过卷积来操作以便生成向后显示器的黑色掩模图案的多个副本，其中，所述副本中的每一个副本具有基本上相等的能量(例如，亮度)。此外，在相应像素的占用区内生成并定位所述副本。应当理解的是，当通过卷积来构造掩模图案的多个副本时，还以相同的间隔形成滤色器阵列的相同数量的副本，由此同时地去除将由滤色器以其他方式生成的波纹干扰图案。
图3是根据本公开的一个实施例的多层显示系统300的框图，所述多层显示系统包括被配置成用于最小化向后显示层的波纹干扰贡献的衍射元件层330。
如在图3中所示出的，MLD系统300包括多个显示屏幕，其中，每一个显示屏幕是选择性透明的，具有显示图像的能力。例如，MLD系统300包括第一显示屏幕310和第二显示屏幕320。第一显示屏幕310被定位成比第二显示屏幕320更接近MLD系统300的前部340。此外，如在图3中所示出的，MLD系统300的前部340最接近于观看者。
为了清晰起见并为了帮助理解本发明，在附图中采用简化、示意性的形式来示出MLD系统300以及相关联的显示屏幕310和320(至少部分地和选择性地透明的)，从而使得将对于展示本发明而言不是必不可少的元件从附图中省略以便帮助理解。例如，MLD系统300可以包括以下项目中的一项或多项：与一个或多个显示屏幕相关联的一个或多个偏振器、用于增大观看角度的折射器、后光源(例如，偏振的背光源)、导光板、镜子、玻璃基板等。在一个实施例中，MLD系统300不包括漫散器型元件。
对于本领域技术人员而言应当明显的是，可以利用多种替代性显示技术来替代LCD屏幕。此外，尽管图3示出了在后显示层310前面的单个屏幕320，但是为了清晰和方便起见，可以结合任何数量的附加(至少部分透明的)成像屏幕。尽管后显示屏幕320也可以是LCD屏幕，将明显的是，可以采用替代性的非透明显示技术。
具体地，第一显示屏幕310包括与显示器310中的像素相关联的掩模图案或者黑色掩模图案。例如，黑色掩模图案被用来例如隐藏将信号发送至像素部件的电子迹线。黑色掩模图案的单位与每一个像素相关联，并且关于图4而进一步描述所述单位。此外，第二显示屏幕320包括与第二显示屏幕320中的像素相关联的相同或完全相同的掩模图案。
本发明的实施例被配置成用于最小化并减少由于来自第一显示屏幕310和第二、后显示屏幕320的黑色掩模图案的重叠而引起的波纹干扰的影响。具体地，MLD系统300还包括衍射元件，所述衍射元件被配置成用于将第二显示屏幕320的掩模图案卷积成一个或多个可视和/或虚拟副本(例如，由观看者)以便最小化与第一显示屏幕310的掩模图案的波纹干扰。
在一个实施例中，衍射元件330比第一显示屏幕310和第二显示屏幕320更接近于MLD系统300的前部340。在另一个实施例中，衍射元件330被定位在第一显示屏幕310与第二显示屏幕320之间。例如，衍射元件330可以被定为成邻近偏振器部件。
出于展示的目的，图4是根据本公开的一个实施例的代表性的显示屏幕(例如，屏幕310和320)的示例性像素400的图示，展示了黑色掩模图案的在水平方向470上可重复的一个或多个竖直部分以及黑色掩模图案的在竖直方向480上可重复的一个或多个水平部分。如在图4中所示出的，像素400包括红色滤色器部分451、绿色滤色器部分452和蓝色滤色器部分453，每一个所述滤色器部分对应于子像素。例如，红色滤色器部分451对应于红色子像素，绿色滤色器部分452对应于绿色子像素，并且蓝色滤色器部分453对应于蓝色子像素。通过改变相应子像素的滤色器部分中的每一个滤色器部分的亮度，生成了像素的结果颜色。
更具体地，像素400的黑色掩模图案包括竖直部分420和水平部分410。与像素400相关联的黑色掩模图案的单位大小对于相应显示屏幕(例如，图3的310和320)中的每一个像素而言是可重复的。
可以将像素400的黑色掩模图案进一步分解成子像素部件。例如，子像素中的每一个子像素包括黑色掩模的水平部分和竖直部分。将红色子像素作为代表性的样本，竖直部分420包括左竖直侧421-L以及位于红色子像素的侧面的右竖直侧421-R。进一步地，每一个竖直侧的宽度是“W/2”。竖直侧421-L和/或竖直侧421-R在水平方向470上是可重复的。此外，对于红色子像素，水平部分410包括底部410-B和顶部410-T。
对于红色子像素和蓝色子像素中的每一者，红色子像素的黑色掩模图案是可重复的。例如，水平部分410包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素中的每一者的顶部410-T。尽管在邻接的子像素的竖直侧(例如，421-R和421-L)之间示出了间隔或间隙，但是这仅仅是为了清晰而展示。在实施例中，在邻接的子像素的竖直侧之间存在最小间隔或不存在间隔。如此，水平部分410是接合红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素的顶部并且接合红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素的底部的一个连续的子图案。将像素400的水平部分410的高度标记为“H”。水平部分420在竖直方向480上是可重复的，并且用于确定衍射元件的物理特性和功能，所述衍射元件用于减少来自黑色掩模图案在竖直方向480上的水平部分410的波纹干扰。
进一步地，两个邻接的子像素的竖直侧421-R和421-R具有最小间隔或不具有间隔。例如，绿色子像素的竖直侧421-R被定位成邻近绿色子像素的竖直侧421-L。分别将绿色子像素和蓝色子像素的两个竖直侧421-R和421-L的结果宽度标记为“W”。竖直侧421-R和421-L的组合在水平方向470上是可重复的，并且用于确定衍射元件的物理特性和功能，所述衍射元件用于减少来自黑色掩模图案在水平方向470上的竖直部分420的波纹干扰。
通常，衍射元件被配置成用于最小化由于黑色掩模图案在各种方向上可重复的部分而引起的波纹干扰。通过衍射元件的结果解决方案/部件来处理对应于特定方向的每一个部分。通过组合一个或多个结果解决方案/部件，衍射元件能够减少来自在多个方向上的黑色掩模图案的波纹干扰。
例如，公开了一种用于使用多层显示系统的衍射光栅的一个部件，其中，所述衍射光栅在水平方向上具有多个阶数，所述多个阶数基于将像素宽度除以竖直黑色矩阵宽度，并且其中所述阶数具有大体上相等的能量。此外，衍射光栅的另一个部件具有在竖直方向上的阶数，所述阶数基于将分子像素高度除以竖直黑色矩阵高度，其中，所述阶数具有大体上相等的能量。在多层显示系统中，像素为相对于观看者而言显示层在衍射光栅的后面的部分。
出于讨论的目的，选择水平方向470来展示衍射元件的一个部件的功能。具体地，衍射元件被配置成用于最小化由于黑色掩模图案在水平方向上可重复的竖直部分而引起的波纹干扰。
通常，掩模图案包括在第一方向上可重复的第一部分。例如，所述第一部分可以是在水平方向470上可重复的竖直部分420。此外，所述第一部分还可以是在竖直方向480上可重复的水平部分410。
衍射元件被配置成用于在相应的第一方向上卷积所述掩模图案的所述第一部分。具体地，衍射元件被配置成用于在水平方向470上卷积竖直部分420。可视副本的数量基于将所述像素的宽度除以所述第一部分的宽度。在一个实施例中，在水平方向上可重复的第一部分的宽度为“W”，并且对应于与邻接的子像素相关联的右竖直侧421-R和左竖直侧421-L两者。
在一个实施例中，该数量的可视副本在水平方向480上完全覆盖像素400。也就是说，一个或多个可视副本之间的间隔为第一部分的宽度(例如，“W”)。在此方式下，至少在水平方向上，衍射元件卷积黑色掩模图案的第一部分以便覆盖所述像素。在一个实施例中，使用衍射元件卷积后的结果像素强度与黑色掩模图案的第一部分的宽度(例如，“W”)成比例下降，这样使得子像素的组合的颜色没有隐藏。如此，来自后显示器(例如，第二显示器320)的黑色掩模图案现在是一致的结构，这样使得在显示级别没有产生重复的图案。在并不使后显示器所示出的信息模糊的情况下，完成此内容。
在一个实施例中，副本数量包括超过变量二的多个阶数。例如，副本数量包括四个，这样使得存在8个副本(例如，每阶两个)。其他实施例特别适合用于生成三阶或大于四阶。
图4B是根据本公开的一个实施例的衍射阶数的展示，所述衍射阶数通过透射光栅或衍射元件499生成。例如，当入射光碰到衍射元件499时，创建了经卷积的图像的阶数。未对0阶图像进行衍射。一阶图像包括正(+1)阶图像和负(-1)阶图像。二阶图像包括正(+2)阶图像和负(-2)阶图像。对于每一阶而言情况都是如此，包括：N阶包括正(+N)阶图像和负(-N)阶图像。
在一个实施例中，像素400的黑色掩模图案的第一部分的一个或多个可视副本是在像素的占用区内生成的，在一个实施例中。也就是说，副本在像素的占用区内是可视的，其中，所述占用区被定义为像素400的外边缘，并且包括外表面490(水平部分410的)和外表面495(竖直部分420的)。在另一个实施例中，可视副本主要在像素的占用区内生成。
图5是根据本公开的一个实施例的具有照亮的仅绿色子像素的显示系统的图像500的展示。例如，在图5中，图像500与显示屏幕的像素的5*6矩阵相关联。轮廓510示出了变黑(例如，未通电)的红色子像素、被照亮为“白色”的绿色子像素、以及变黑(或未通电)的蓝色子像素。如所讨论的，出于展示波纹干扰的减少的目的，考虑或者未考虑红色子像素和蓝色子像素变黑。此外，第二列和第二行中的像素完全变黑，这样使得绿色子像素也变黑。相比于在减少来自黑色掩模图案的波纹干扰中没有效果的现有技术的衍射型系统，图像500被用来展示本发明的实施例的衍射元件在减少波纹干扰中的效果。
现有技术图6A至图6C示出了一种衍射型系统，所述衍射型系统包括代表性的3阶图像内核以及由于黑色掩模区域的第一部分(例如，竖直部分)而引起的所产生的波纹干扰图案。具体地，现有技术图6A示出了3阶图像滤波器内核。这种图像滤波器内核被设计成用于复制像素的更大噪声部件，并且更具体地说，用于复制子像素。如此，绿色子像素将被复制到红色子像素的左边并且被复制到绿色子像素的右边。这些复制将在子像素的大小的间隔处进行。
现有技术图6B示出了当通过其他显示层(例如，前显示屏幕310)观看时显示为波纹干扰的不希望的黑色掩模区域。现有技术图6C示出了图像滤波器内核中的3阶MTF(调制传递函数)。如图6B所示，由于减少了邻接的子像素的重复竖直部分(例如，减少为一半)，因此减小了波纹干扰的影响。然而，如由包含竖直和水平元件两者的晶格结构所证明的，波纹干扰的影响依然存在。存在水平元件，因为所讨论的衍射元件的部件仅处理在水平方向上可重复的竖直部分。
先前技术(例如，图6A至图6C)包括当考虑一些随后的照亮元件的效果时使用光线的光线踪迹或照亮物体的虚拟图像。这一技术的缺点在于，黑色掩模仍然产生针对MLD系统的波纹干扰。
另一方面，本发明的实施例提供了上述实现的反面。确切地，在间隔处黑色掩模的副本为黑色矩阵的宽度与像素的宽度之比，所述间隔为针对被复制的副本数量的黑色掩模的宽度。这意味着黑色掩模遍布于像素的宽度，并且同时子像素遍布于像素的宽度且仅像素的宽度。因此，系统在没有模糊的情况下工作。由于出于分析的目的而需要明确且不可逆地颠倒所述情况——也就是，子像素从发射有色光变化成黑色，并且黑色矩阵变化成发射光——因此先前技术没有考虑本发明的实施例的逆系统。
图7是根据本公开的一个实施例的流程图700，展示了一种用于在MLD系统中最小化波纹干扰的方法中的步骤。在一个实施例中，流程图是一种用于制造MLD系统或能够减少由于来自重叠的显示屏幕上的黑色掩模图案的贡献而引起的波纹干扰的MLD显示设备的方法。确切地，流程图700的方法被配置成用于生成黑色掩模图案的副本以便减小波纹干扰的影响。
在流程图700的710处，所述方法包括提供包括黑色掩模图案的第一显示屏幕。如之前关于图4描述的，黑色掩模图案的单位与每个像素相关联。例如，黑色掩模图案被用来隐藏用于激励显示屏幕的相应的像素的电子迹线元件。
在720处，所述方法包括提供第二显示屏幕，其中所述第二显示屏幕包括相同或完全相同的掩模图案。此外，所述第二显示屏幕被定位成比所述第一显示屏幕离所述显示设备的前部更远，并且其中，所述显示设备的所述前部最接近于观看者。
在730处，所述方法包括将所述第二显示屏幕的所述掩模图案卷积成一个或多个可视副本，以便最小化或减少由于将第一和第二显示屏幕的掩模图案重叠而引起的波纹干扰。例如，在第一方向上卷积所述掩模图案的第一部分，其中，所述第一部分在所述第一方向上是可重复的。所述方法进一步包括提供衍射元件，所述衍射元件包括被配置成用于在第一方向上卷积黑色掩模图案的第一部分的部件。应当理解的是，当通过卷积来构造掩模图案的多个副本时，还以相同的间隔形成滤色器阵列的相同数量的副本，由此同时地去除将由滤色器以其他方式生成的波纹干扰图案。
如之前描述的，在特殊情况下，在水平方向上卷积黑色掩模图案的第一部分，这样使得与副本相关联的阶数基于将像素的宽度除以所述第一部分的宽度，如黑色矩阵图案的竖直部分(例如，图4中的“W”)。此外，副本或阶数具有大体上相等的能量(例如，相似的亮度值)。
在另一种情况下，在竖直方向上卷积黑色掩模图案的第一部分，这样使得与副本相关联的阶数基于将子像素高度除以黑色矩阵高度的水平部分的高度(例如，图4中的“H”)，其中，阶数具有大体上相等的能量(例如，相似的亮度值)。在一个实施例中，衍射元件的单独部件在不同方向上(例如，一个部件在水平方向上以及另一个部件在竖直方向上)生成副本。
出于展示的目的，图8A至图8C示出了根据本公开的实施例的衍射元件，所述衍射元件被配置成用于最小化由于黑色掩模区域而引起的波纹干扰，所述黑色掩模区域包括代表性的图像滤波器内核以及已经消除了黑色掩模区域在水平方向上可重复的部分的所产生的波纹干扰图案。例如，图8A至图8C展示了关于图3、图4和图7描述的衍射元件的性能。
图8A至图8C中描述的系统仅采用说明的方式，并且由衍射元件的部件执行的卷积仅发生在水平方向上。附加的卷积将需要通过衍射元件的另一个合适的部件发生在竖直方向上，以导致显示层平面的亮度轮廓。
具体地，图8A示出了根据本公开的一个实施例的图像滤波器内核800A，所述图像滤波器内核被配置成用于最小化向后显示层的波纹干扰贡献。也就是说，图像滤波器内核800A表示相应的衍射元件的功能。如所示出的，图像滤波器内核800A在一条线上包括十五个差量函数，以如之前描述的在水平方向上的黑色矩阵的宽度“W”为间隔。
图8B示出了根据本公开的一个实施例的在应用图像滤波器内核800A之后的结果图像800B。也就是说，使用图像滤波器内核800A卷积显示图像500，并且所述显示图像产生结果图像800B。值得注意的是，在结果图像800B中，在水平方向上的黑色掩模已经消失。图8C示出了根据本公开的一个实施例的衍射光栅(示出为内核800A)的结果MTF。图8D示出了用于对需要的图像内核800A进行建模的示例性MATLAB代码。
在一个实施例中，衍射元件/光栅(例如，表示为图像滤波器内核800A)可以通过振幅变化、相位变化或两者的结合来调制入射光。
在另一个实施例中，衍射元件/光栅(例如，表示为图像滤波器内核800A)可以通过正常的光学手段(如在光致抗蚀剂上产生干扰图案、研制光致抗蚀剂以揭示期望的轮廓以及然后通过沉积金属锌来从光致抗蚀剂中制成金属母盘)来发起。
在又另一个实施例中，衍射元件/光栅(例如，表示为图像滤波器内核800A)可以通过电子束写入掩模来发起，通过所述掩模使用电子来在玻璃或其他透明基板上烧蚀薄的铝膜，并且所述掩模应用于光致抗蚀剂和使用UV或其他光暴露的抗蚀剂的顶部。还可以研制光致抗蚀剂，并且可以通过应用如锌的金属来构造金属母盘。
在另一个实施例中，衍射元件/光栅(例如，表示为图像滤波器内核800A)可以通过在如但不限于环烯烃聚合物、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺纤维、三醋酸纤维素、聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)以及聚碳酸酯的透明光学基板上热压印、冷压印、或UV压印来物理地实现。完成的薄膜可能具有应用于后面以附着在玻璃增强板、保护层或触摸屏幕上的透明的粘合剂，如3M TM 光学透明粘合剂8173D。
在另一个实施例中，相反地，如果没有使用触摸屏幕，衍射元件/光栅(例如，在单独的层中)可以指向观看者，其中，这种配置的优点是，其作为防眩光涂层来防止除了衍射效果之外的不想要的反射被注意。
在另一个实施例中，衍射元件上的衍射膜可以被优化以具有指向显示层的特征，为了触摸屏幕层的目的，使光学光滑表面朝向观看者。这是主要是使得来自观看者手指的油在这种情况下不污染衍射层并且导致其无用。
在又另一个实施例中，衍射元件上的衍射膜可以被放置在显示层之间或被放置在最顶层显示层的顶部。优选地，当使用LCD屏幕来避免双折射问题时，所述薄膜将在显示层的最顶层上。
在另一个实施例中，可以通过在水平方向和竖直方向上的幅度、频率或相位的正弦波的任何组合来构造衍射元件的表面特征。在一个实施例中，优选地，这些正弦波形成序列，其中，波数按基础波长的某个整数倍增长，所述波数被表示为如下等式1：
Sn＝An*sin(x*kn+chi)。 (1)
在等式1中，术语“An”被定义为正弦波的幅度，并且chi是相位。术语“kn”被定义如下：kn＝2*pi*n*拉姆达，其中，拉姆达(lambda)是基础波长，并且“n”是整数。基础波长取决于衍射薄膜与目标图像层之间的距离。
在另一个实施例中，在所要求的黑色掩模的每一个副本的序列中存在一个元件。
在又另一个实施例中，可以针对在如透明OLED或单色显示器中不存在滤色器的情形而优化衍射元件/光栅。
在另一个实施例中，还可以针对红色、绿色和蓝色条纹图案、差量图案、拜耳图案、磷光点或者其他像素化配置(在所述像素化配置中，在像素之间存在黑色掩模或阴影掩模)来优化衍射光栅。
在一个实施例中，根据本公开的一个实施例，当生成减少由于黑色掩模图案而引起的波纹干扰的衍射元件时，使用衍射光栅实现图像内核(例如，内核800A)考虑了三项要求。如之前所描述的，第一项要求是阶数，所述阶数分别由在水平方向和竖直方向上的黑色掩模宽度与像素宽度之比来确定。第二项要求是衍射元件与后像素显示之间的间隔。第三项要求是滤色器透射的光的(多个)波长。
图9示出了根据本公开的一个实施例的单个像素上的代表性的图像滤波器内核的实现方式，其中，考虑到之前所描述的三项要求，所述图像滤波器内核被配置成用于最小化由于MLD系统中的黑色掩膜区域而引起的波纹干扰。
显示系统示出了在最后面的层或屏幕920上的一个像素940。所述像素包括红色滤色器部件941、绿色滤色器部件942、以及蓝色滤色器部件943。
此外，显示系统包括干扰或介入层，如前显示层或屏幕910。前显示层910和后显示层920被配置成用于显示图像。
显示系统包括最顶部衍射元件930，所述衍射元件在滤色器的波长光谱传输上进行操作。具体地，衍射元件被配置成用于减少和/或最小化由于重叠显示屏幕/层上的黑色矩阵图案而引起的波纹干扰。也就是说，衍射元件930被配置成用于生成黑色矩阵图案的副本，如复制掩模图案在第一方向上的第一部分，其中，所述第一部分在第一方向上是可重复的。
如图9所示，衍射元件对像素940上宽度为“W”的黑色矩阵部分进行卷积。在一个实施例中，副本被限制在像素940的占用区内。例如，黑色矩阵960沿着虚线950与零阶模式相关联。由衍射元件沿着实线生成黑色矩阵的部分960的虚拟副本。例如，沿着线951A和线951B生成一阶副本；沿着线952A和线952B生成二阶副本；沿着线953A和线953B生成三阶副本；并且沿着线954A和线954B生成四阶副本。作为说明，沿着线952A生成二阶虚拟副本970。可以使用不同的衍射元件来生成附加的阶数。而且，可以使用不同的衍射元件来生成更少数量的阶数。
在如下等式2中限定了与任何虚拟副本相关联的衍射角度。在等式2中，变量“h”是衍射元件930与后显示层920之间的距离。变量“a”指示虚拟副本的阶数。例如，对于虚拟副本970，变量“n”是值2。
衍射角度＝n tan(h/W) (2)
在一个实施例中，可以针对以上要求经由以下所描述的以下过程来优化所要求的衍射元件/光栅。
所述过程包括被配置成用于选择待测试的(多个)候选衍射光栅轮廓的操作。例如，这可以是针对所考虑的波长而设计的第一、第二、一直到n阶光栅的组合。在一个实施例中，可以用如遗传算法、模拟退火算法、或者levenberg-marquardt算法等优化算法来生成所述候选项。可以针对如在图8A至图8C中的绿色光谱中的单个波长(比如，525nm)而优化设计，或者可以对优化算法进行修改以针对3个或更多个给定的波长而创建帕累托最优。
所述过程包括被配置成用于创建候选光栅轮廓的模型的操作。在时域有限差分模拟包(例如，在http://ab-initio.mit.edu/wiki/index.php/Meep处可以获得的MEEP)中对候选轮廓进行建模。所述模型包括基本上准直的入射光束以及被定义在光源与衍射光栅之间并且仅位于衍射光栅之外的兴趣计算单元。可以使用傅里叶变换来推测远场。
所述过程包括被配置成用于创建待使用增大光域方法来建模的候选光栅轮廓的模型。在一个实施例中，所述模型使用数值维格纳分布代码(比如，包含在图10中的代码)。根据本公开的一个实施例，由维格纳分布代码1000生成的模型最小化由于MLD系统中的黑色掩模区域而引起的波纹干扰。在图10中的代码1000可以从麻省理工学院媒体实验室相机文化组处获得，并且经受改变。
所述过程进一步包括被配置成用于使用模型来计算穿过衍射光栅之后的入射光束的场密度的操作。
所述过程进一步包括被配置成用于对在以所要求的入射角度穿过衍射光栅之后的入射光束的强度进行比较的操作。良好的候选项将在这些角度处具有其场强的大部分，并且在被定义为高度除以像素宽度的反正切的最大衍射角度之外必定将不具有场强。所述过程被进一步配置成用于根据这些标准来向候选项分配适当性测量并且继续进行算法以停止或测试新的候选项。
在图11A至图11C中示出了所计算的衍射元件的配置的所期望的实际一维轮廓。在图11A中所示出的侧面轮廓(其中，使用折射率1.55来测量y(以mm为单位))具有角输出，在穿过表示衍射光栅的一维轮廓之后，所述角输出具有在图11B中所示出的相应的点扩散函数。在图11C中示出了对一维图像轮廓的影响，在图11C中，已经使图像轮廓的顶部变平，而对应于暗色像素的图像轮廓的低点为轮廓顶部部分的大约7％。
因此，根据本公开的实施例，描述了提供用于与能够减少由于位于重叠显示屏幕上的黑色矩阵图案而引起的波纹干扰的多层显示系统一起使用的衍射光栅的系统和方法。
虽然以上披露利用多个具体的框图、流程图、以及示例来阐述不同的实施例，但本文描述和/或展示的每个框图部件、流程图步骤、操作、和/或组件都可以单独地和/或共同地使用大量硬件、软件、或者固件(或者它们的任何组合)配置来实施。另外，在其他部件之中所包含的任何部件的披露都应该看作示例，因为可以实施许多其他的体系结构来实现同样的功能。
本文描述和/或展示的过程参数以及步骤的顺序仅仅是以举例的方式给出并且可以根据需要来更改。例如，虽然本文展示和/或描述的这些步骤可以按照一个具体的顺序来示出或讨论，但这些步骤并非必须按照所展示或者所讨论的顺序来执行。本文描述和/或展示的不同的示例方法还可以省略在此说明或展示的一个或者多个步骤或者还可以包括除所披露的那些之外的额外步骤。
虽然不同的实施例在此已经在全功能性计算系统的背景下进行了描述和/或展示，这些示例实施例中的一个或者多个能够以多种形式作为一个程序产品来分发，而无论实际用于进行该分发的计算机可读介质的具体形式如何。本文披露的这些实施例还可以通过使用执行一些特定任务的软件模块来实施。这些软件模块可以包括脚本、批文件、或者其他可执行文件，它们可以存储在一种计算机可读的存储介质上或者在一种计算系统中。这些软件模块可以将一个计算系统配置用于实施在此披露的一个或者多个示例实施例。在此所述的不同功能可以通过远程桌面环境或任何其他的基于云的计算环境来提供。
为了便于解释，参考具体实施例说明了上述描述。但是，上面的说明性讨论并非意图是详尽的，也并非意图把本发明局限于公开的具体形式。鉴于上面的教导，许多修改和变化都是可能的。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，选择并说明了这些实施例，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明，以及针对预期的具体用途而作了各种适当修改的不同实施例。
此外，本发明的范围并不意图限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质构成、装置、方法和步骤的具体实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的披露中轻易认识到的，可以根据本发明利用现有的或往后要开发的、大体上执行相同功能或大体上实现和此处所述的对应实施例相同结果的工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法以及步骤。相应地，所附权利要求书旨在在其范围内包括此类过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。
因此，描述了根据本公开的实施例。尽管本公开已经在具体实施例中进行了描述，但应当认识到的是，本公开不应当在这些实施例的限制的情况下进行解释。

Claims (20)

1.一种显示设备，包括：
第一显示屏幕，所述第一显示屏幕包括像素的掩模图案；
第二显示屏幕，所述第二显示屏幕包括所述掩模图案，其中，所述第二显示屏幕被定位成比所述第一显示屏幕离所述显示设备的前部更远，其中，所述显示设备的所述前部最接近于观看者；以及
衍射元件，所述衍射元件被配置成用于将所述第二显示屏幕的所述掩模图案卷积成一个或多个可视副本，以便最小化与所述第一显示屏幕的所述掩模图案的波纹干扰。
2.如权利要求1所述的显示设备，其中，所述掩模图案包括在第一方向上可重复的第一部分，并且其中所述衍射元件被配置成用于在所述第一方向上复制所述掩模图案的所述第一部分。
3.如权利要求2所述的显示设备，其中，所述第一方向包括水平方向。
4.如权利要求2所述的显示设备，其中，所述第一方向包括竖直方向。
5.如权利要求2所述的显示设备，其中，所述可视副本的数量基于将所述像素的宽度除以所述第一部分的宽度。
6.如权利要求5所述的显示设备，其中，所述数量的可视副本在所述第一方向上完全覆盖所述像素，这样使得所述一个或多个可视副本的间隔包括所述第一部分的所述宽度。
7.如权利要求1所述的显示设备，其中，所述一个或多个可视副本是在所述像素的占用区内生成的。
8.如权利要求1所述的显示设备，其中，所述衍射元件包括奇数个狭缝。
9.如权利要求1所述的显示设备，其中，所述副本数量包括四阶或更多阶。
10.如权利要求1所述的显示设备，其中，所述衍射元件比所述第一显示屏幕和所述第二显示屏幕离所述显示设备的所述前部更近。
11.一种用于处理显示设备中的波纹干扰的方法，包括：
提供包括像素的掩模图案的第一显示屏幕；
提供包括所述掩模图案的第二显示屏幕，其中，所述第二显示屏幕被定位成比所述第一显示屏幕离所述显示设备的前部更远，其中，所述显示设备的所述前部最接近于观看者；以及
将所述第二显示屏幕的所述掩模图案卷积成一个或多个可视副本，以便最小化与所述第一显示屏幕的所述掩模图案的波纹干扰。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
在第一方向上卷积所述掩模图案的第一部分，其中，所述第一部分在所述第一方向上是可重复的。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
提供被配置成用于在所述第一方向上卷积所述掩模图案的所述第一部分的衍射元件。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
将所述衍射元件配置为包括奇数个狭缝。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一方向包括水平方向。
16.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一方向包括竖直方向。
17.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
基于将所述像素的宽度除以所述第一部分的宽度来确定所述可视副本的数量，其中，所述数量的可视副本在所述第一方向上完全覆盖所述像素，这样使得所述一个或多个可视副本的间隔包括所述第一部分的所述宽度。
18.如权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个可视副本是在所述像素的占用区内生成的。
19.如权利要求11所述的方法，其中，所述副本数量包括四阶或更多阶。
20.如权利要求11所述的方法，其中，所述衍射元件比所述第一显示屏幕和所述第二显示屏幕离所述显示设备的所述前部更近。
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