CN107950024B - 具有头部追踪的多视图显示器 - Google Patents

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Abstract

头部追踪多视图显示器和头部追踪多视图显示器系统选择性地提供主视图集合和辅视图，辅视图表示与主视图集合在角度上相邻的场景的透视图。头部追踪多视图显示器包括被配置为提供对应于多视图图像的不同视图方向的多个光束的多束背光，以及被配置为调制光束以提供包括主视图集合和辅视图的多个视图的光阀阵列。头部追踪多视图显示器系统还包括被配置为确定用户的位置的头部追踪器。在第一确定的位置处，头部追踪多视图显示器被配置为提供主视图集合，并且在第二确定的位置处，头部追踪多视图显示器被配置为提供增强视图集合。

Description

具有头部追踪的多视图显示器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月5日提交的美国临时专利申请序列号62/214,979的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
关于联邦政府资助研究或开发的声明
不适用。
背景技术
电子显示器是用于向各种设备和产品的用户通信信息的几乎无处不在的介质。最常用的电子显示器包括阴极射线管(CRT)、等离子显示面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、电致发光显示器(EL)、有机发光二极管(OLED)和有源矩阵OLED(AMOLED)显示器、电泳显示器(EP)和使用机电或电流体光调制的各种显示器(例如，数字微镜器件、电润湿显示器等)。通常，电子显示器可以被分类为有源显示器(即，发射光的显示器)或无源显示器(即，调制由另一个源提供的光的显示器)。有源显示器最明显的示例当中是CRT、PDP和OLED/AMOLED。当考虑发射光时典型地被分类为无源显示器的显示器是LCD和EP显示器。尽管经常表现出包括但不限于固有的低功耗的有吸引力的性能特征的无源显示器，但考虑到缺乏发射光的能力，在许多实际应用中可能会发现有一些有限的使用。
为了克服与发射光相关的无源显示器的限制，许多无源显示器被耦合到外部光源。耦合的光源可以允许这些另外的无源显示器发射光并且基本上功能地用作有源显示器。这种耦合的光源的示例是背光。背光可以用作光源(通常是面板背光)，其放置在另外的无源显示器后面以照亮无源显示器。例如，背光可以耦合到LCD或EP显示器。背光发射通过LCD或EP显示器的光。发射的光由LCD或EP显示器调制，并且然后调制的光依次从LCD或EP显示器发射。通常背光灯配置为发射白光。然后使用滤色器将白光转换成显示器中使用的各种颜色。例如，滤色器可以放置在LCD或EP显示器的输出处(较不常用)，或者放置在背光灯和LCD或EP显示器之间。
附图说明
参考以下结合附图的详细描述，根据在此描述的原理的示例和实施例的各种特征可以更容易地理解，其中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中：
图1A示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的多视图显示器的透视图。
图1B示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的具有与多视图显示器的视图方向相对应的特定主要角度方向的光束的角度分量的图形表示。
图2示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅的横截面图。
图3示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器的横截面图。
图4A示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器的横截面图。
图4B示出根据与在此描述的原理一致的实施例的另一示例中的图4A的头部追踪多视图显示器的横截面图。
图5A示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的包括多光束背光的头部追踪多视图显示器的横截面图。
图5B示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的包括多光束背光的头部追踪多视图显示器的平面图。
图5C图示了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中包括多光束背光的头部追踪多视图显示器的透视图。
图6A示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的包括多光束元件的多光束背光的一部分的横截面图。
图6B示出了根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件的多光束背光的一部分的横截面图。
图7A示出根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件的多光束背光的一部分的横截面图。
图7B示出根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件的多光束背光的一部分的横截面图。
图8示出了根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件的多光束背光的一部分的横截面图。
图9A示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器的横截面图。
图9B图示了根据与在此描述的原理一致的实施例的另一示例中的图9A的头部追踪多视图显示器的横截面图。
图10示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器系统的框图。
图11示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的使用头部追踪是多视图显示器操作的方法的流程图。
某些示例和实施例具有除了以上参考的附图中所示的特征之外的特征以及代替参考的附图中所示的特征的特征的中一个特征的其他特征。下面参照以上参考的附图详细描述这些和其他特征。
具体实施方式
根据在此描述的原理的示例和实施例提供使用使用用户位置或“头部追踪”的多视图或三维(3D)图像显示器。与在此此处描述的原理一致的实施例可以使用多视图显示器来根据用户的位置提供由多视图图像表示的场景的不同视图集合。特别地，当用户位于第一位置时，可以提供主视图集。主视图集被配置成在一定范围的视角内为用户提供多视图图像。此外，当用户移动到或位于第二位置时，可以提供增强视图集。增强视图集包括主视图的子集和辅视图。辅视图表示场景的角度或视图方向，其与主视图集的角度范围成角度地相邻，但基本上超出角度范围。提供对应于用户的不同位置的不同视图集可以增加正被显示的多视图图像的有效的角度视场(FOV)。例如，增加的角度FOV可以减小或减轻当以斜角观看多视图图像时可能发生的多视图或三维(3D)图像感知的所谓的“跳跃”或“反转视图”。
在各种实施例中，头部追踪可以将用户的定位或位置提供给多视图显示器。也就是说，用户位置可以通过追踪用户头部的位置来确定或推断。这样，为了便于讨论而不是限制，在此描述的实施例可以被称为例如使用头部追踪的“头部追踪”多视图显示器、系统和方法。
此处，“多视图显示器”被定义为被配置为在不同视图方向上提供多视图图像的不同视图的电子显示器或显示器系统。图1A示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的多视图显示器10的透视图。如图1A所示，多视图显示器10包括屏幕12以显示要观看的多视图图像。多视图显示器10在相对于屏幕12的不同视图方向16上提供多视图图像的不同视图14。视图方向16被示出为以各种不同的主要角度方向从屏幕12延伸的箭头；不同的视图14在箭头的终点处(即，描绘视图方向16)被图示为阴影多边形框；并且仅仅示出了四个视图14和四个视图方向16，所有作为示例而不是限制性的。注意，尽管在图1A中将不同视图14示出为在屏幕上方，但是当在多视图显示器10上显示多视图图像时，视图14实际上出现在屏幕12上或其附近。描绘屏幕12上方的视图14仅为了说明的简单，并且意在表示从对应于特定视图14的视图方向16中的相应一个观看多视图显示器10。图1A还示出了“辅”视图14'。所示出的辅视图14'代表场景的透视图，或者等效地具有角度上相邻但基本上超过视图14(即，主视图集14)的角度范围的辅视图方向16'。
多视图显示器的视图方向或等同地具有与视图方向对应的方向的光束通常具有由通过在此的定义的角度分量
Figure GDA0001587230010000041
给出的主要角度方向。角度分量θ在此处被称为光束的“仰角度分量”或“仰角”。角度分量
Figure GDA0001587230010000042
被称为光束的“方位分量”或“方位角”。根据定义，仰角θ是垂直平面内的角度(例如，垂直于多视图显示屏幕的平面，而方位角
Figure GDA0001587230010000043
是水平面内的角度(例如，平行于多视图显示屏幕平面)。图1B示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的具有与多视图显示器的视图方向(例如，图1A中的视图方向16)相对应的特定主要角度方向的光束20的角度分量
Figure GDA0001587230010000044
的图形表示。此外，根据在此的定义，光束20从特定点被发射或发出。也就是说，根据定义，光束20具有与多视图显示内的特定起始点相关联的中心射线。图1B还示出了光束(或观察方向)的起点O。
此外，在术语“多视图图像”和“多视图显示器”中使用的术语“多视图”被定义为表示不同视角的多个视图或包括视图多元化的视图之间的角度差异的多个视图。此外，此处术语“多视图”明通过定义确地包括多于两个不同的视图(即，最少三个视图并且通常多于三个视图)。这样，此处使用的“多视图显示器”明确地与仅包括表示场景或图像的两个不同视图的立体显示器区别开来。但是注意，虽然多视图图像和多视图显示器包括多于两个视图，但是根据在此的定义，通过在某个时刻仅选择多视图视图中的两个来观看(即每只眼睛一个视图)，多视图图像可以被观看为立体图像对(即，在多视图显示器上)。
“多视图像素”在此处被定义为表示多视图显示器的相似的多个不同视图中的每一个中的“视图”像素的子像素集。特别地，多视图像素可以具有与多视图图像的每个不同视图中的视图像素相对应或代表多视图图像的每个不同视图中的视图像素的单独的子像素。此外，通过此处的定义，多视图像素的子像素是所谓的“定向像素”，其中每个子像素与不同视图的相应一个的预定视图方向相关联。此外，根据各种示例和实施例，由多视图像素的子像素表示的不同视图像素可以在每个不同视图中具有等同的或至少基本类似的位置或坐标。例如，第一多视图像素可以具有与位于多视图图像的不同视图中的每一个视图中的{x1，y1}的视图像素相对应的单独的子像素，而第二多视图像素可以具有与位于不同视图中的每一个视图中的{x2，y2}的视图像素相对应的单独的子像素等。
在一些实施例中，多视图像素中的子像素的数量可以等于多视图显示器的视图的数量。例如，多视图像素可以提供与具有64个不同视图的多视图显示器相关联的六十四(64)个子像素。在另一个示例中，多视图显示器可以提供八乘四视图阵列(即，三十二(32)视图)，并且多视图像素可以包括32个子像素(即，每个视图一个)。另外，每个不同的子像素可以具有对应于视图方向不同的视图方向中的一个的相关方向(即，光束主要角度方向)，例如，在上面的示例中，对应于64个不同视角，或者对应于32个不同视角。此外，根据一些实施例，多视图显示器中的多视图像素的数量可以基本上等于多视图显示视图中的“视图”像素(即，构成选择的视图的像素)的个数。例如，如果视图包括六百四十乘四百八十个视图像素(即，640×480视图分辨率)，则多视图显示器可以具有三十万七千二百(307,200)个多视图像素。在另一示例中，当视图包括一百乘一百个视图像素时，多视图显示器可以包括总共一万(即，100×100＝10,000)多视图像素。
此处，“光导”被定义为使用全内反射在结构内引导光的结构。具体地，光导可以包括在光导的工作波长处基本透明的芯。术语“光导”通常是指使用全内反射来在光导的介电材料与围绕该光导的材料或介质之间的界面处引导光的介电光波导。根据定义，用于全内反射的条件是光导的折射率大于与光导材料的表面相邻的周围介质的折射率。在一些实施例中，光导可以包括除了上述折射率差之外的或替代上述折射率差的涂层，以进一步促进全内反射。例如，涂层可以是反射涂层。光导可以是几个光导中的任何一个，包括但不限于板(plate)或板(slab)导和条(strip)导中的一个或两个。
进一步地，在此，术语“板”在应用于光导时与“板光导”一样被定义为分段或不同平面的层或片，其有时被称为“板”导。特别地，板光导被定义为光导，该光导被配置成在由光导的顶表面和底表面(即，相对的表面)界定的两个基本正交的方向上引导光。此外，根据在此的定义，顶部表面和底部表面都是彼此分离的，并且可以至少在差异的感测(sense)上基本上相互平行。也就是说，在光导的任何不同的小部分内，顶面和底面基本平行或共面。
在一些实施例中，板光导可以是基本平坦的(即，局限于一个平面)，并且因此，板光导是平面光导。在其他实施例中，板光导可以在一个或两个正交维度上弯曲。例如，板光导可以以单个维度弯曲以形成圆柱形板光导。然而，任何曲率都具有足够大的曲率半径以确保在光导内保持全内反射以引导光。
此处，“衍射光栅”通常被定义为多个特征(即衍射特征)，其被布置成提供入射在衍射光栅上的光的衍射。在一些示例中，可以以周期性或准周期性的方式来布置多个特征。例如，衍射光栅可以包括以一维(1D)阵列布置的多个特征(例如，材料表面中的多个凹槽或脊)。在其他示例中，衍射光栅可以是二维(2D)阵列的特征。例如，衍射光栅可以是材料表面上的凸块或孔上的二维(2D)阵列。
如此，以及根据在此的定义，“衍射光栅”是提供入射在衍射光栅上的光的衍射的结构。如果光从光导入射在衍射光栅上，则所提供的衍射或衍射散射可以导致并且因此被称为“衍射耦合”，因为衍射光栅可以通过衍射将光耦合出光导。衍射光栅也通过衍射(即，以衍射角)重新导向或改变光的角度。特别是，作为衍射的结果，离开衍射光栅的光通常具有与入射到衍射光栅的光的传播方向(即入射光)不同的传播方向。通过衍射的光的传播方向的变化在此处被称为“衍射重定向”。因此，衍射光栅可以理解为包括衍射特征的结构，衍射特征衍射地重新引导入射在衍射光栅上的光，并且如果光从光导入射，衍射光栅也可以衍射地耦合出来自光导的光。
此外，根据在此的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是在材料表面(即，两种材料之间的边界)处、在材料表面中和在材料表面上中的一个或多个。例如，表面可以是光导的表面。衍射特征可以包括衍射光的各种结构中的任何一种，包括但不限于表面处、表面中或表面上的凹槽、脊、孔和凸块中的一个或多个。例如，衍射光栅可以在材料表面中包括多个基本平行的凹槽。在另一个示例中，衍射光栅可以包括从材料表面上升起的多个平行的脊。衍射特征(例如，凹槽、脊、孔、凸块等)可具有提供衍射的各种横截面形状或轮廓中的任一种，包括但不限于正弦曲线轮廓、矩形轮廓(例如，二元衍射光栅)、三角形轮廓和锯齿轮廓(例如闪耀光栅)中的一个或多个。
根据本文所述的各种示例，可以使用衍射光栅(例如，如下所述的多光束元件的衍射光栅)来将光从光导(例如，板光导)衍射地散射或耦合为光束。特别地，局部周期性衍射光栅的衍射角度θm或由局部周期性衍射光栅提供的衍射角度θm可以由等式(1)给出：
Figure GDA0001587230010000071
其中，其中λ是光的波长，m是衍射级数，n是光导的折射率，d是衍射光栅的特征之间的距离或间隔，θ1是衍射光栅上的光的入射角。为简单起见，等式(1)假定衍射光栅与光导的表面相邻并且光导外部的材料的折射率等于1(即，nout＝1)。通常，衍射级数m由整数给出。由衍射光栅产生的光束的衍射角θm可以由其中衍射级数为正(例如，m>0)的等式(1)给出。例如，当衍射级数m等于1(即，m＝1)时提供一级衍射。
图2示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅30的横截面图。例如，衍射光栅30可以位于光导40的表面上。另外，图2示出以入射角θ1入射在衍射光栅30上的光束20。光束20是在光导40内的被引导的光束。在图2中还示出了作为入射光束20的衍射的结果的由衍射光栅30衍射地产生并耦合输出的耦合输出光束50。耦合输出光束50具有由等式(1)给出的衍射角度θm(在此，或为‘主要角度方向’)。例如，衍射角度θm可以对应于衍射光栅30的衍射级数“m”。
根据在此的定义，“多光束元件”是产生包括多个光束的光的背光或显示器的结构或元件。在一些实施例中，多光束元件可以光耦合到背光的光导，以通过耦合输出在光导中引导的光的一部分来提供多个光束。在其他实施例中，多光束元件可以产生作为光束发射的光(例如，可以包括光源)。此外，根据在此的定义，由多光束元件产生的多个光束的光束具有彼此不同的主要角度方向。特别地，根据定义，多个光束中的一个光束具有与多个光束的另一个光束不同的预定主要角度方向。而且，多个光束可以代表光场。例如，多个光束可以被限制在基本上圆锥形的空间区域中，或者具有包括多个光束中的光束的不同主要角度方向的预定角度扩展。这样，集合合中(即，多个光束)的光束的预定角度扩展可以表示光场。
根据各种实施例，多个光束中的各种光束的不同主要角度方向由包括但不限于多光束元件的尺寸(例如，长度、宽度、面积等)的特性确定。在一些实施例中，根据在此的定义，多光束元件可以被认为是“扩展点光源”，即，分布在跨多光束元件的范围上的多个点光源。此外，根据在此的定义，由多光束元件产生的光束具有由角度分量
Figure GDA0001587230010000081
给出的主要角度方向，并且如上述关于图1B所描述的。
在此，“准直器”被定义为基本上任何被配置为准直光的光学设备或装置。例如，准直器可以包括但不限于准直镜或反射器、准直透镜或其各种集合合。在一些实施例中，包括准直反射器的准直器可以具有由抛物线曲线或形状表征的反射表面。在另一个示例中，准直反射器可以包括成形的抛物线反射器。“成形的抛物线”是指成形的抛物线反射器的曲线反射表面以确定为实现预定反射特性(例如，准直度)的方式偏离“真”抛物线曲线。准直透镜可以包括球形表面(例如，双凸球面透镜)。
根据各种实施例，由准直器提供的准直量可以从一个实施例到另一个实施例以预定程度或量变化。此外，准直器可以被配置为在两个正交方向(例如，垂直方向和水平方向)中的一个或两个方向上提供准直。也就是说，根据一些实施例，准直器可以包括在提供光准直的两个正交方向中的一个或两个方向上的形状。
此处，“准直因子”被定义为光被准直的程度。特别地，根据在此的的定义，准直因子定义准直光束内的光线的角度扩展。例如，准直因子σ可以指定准直光束中的大部分光线在特定角度扩展内(例如，关于准直光束的中心或主要角度方向的+/-σ度)。根据一些示例，准直光束的光线可以具有角度方面的高斯分布，并且角度扩展可以是由准直光束的峰值强度的一半确定的角度。
此处，“光源”被定义为光源(例如，被配置为产生和发射光的光学发射器)。例如，光源可以包括光发射器，例如发光二极管(LED)，其在被激活或开启时发光。特别地，在此，光源可以基本上是任何光源，或者基本上包括任何光学发射器，包括但不限于发光二极管(LED)、激光器、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管、基于等离子体的光学发射器、荧光灯、白炽灯以及实际上任何其他光源。由光源产生的光可以具有颜色(即，可以包括光的特定波长)，或者可以是波长范围(例如，白光)。在一些实施例中，光源可以包括多个光发射器。例如，光源可以包括光发射器集合或光发射器集合，其中至少一个光发射器产生具有不同于由光发射器集合或光发射器集合中的至少一个其它光发射器产生的光的颜色或波长的颜色或等同地波长的光。不同的颜色可以包括例如原色(例如，红色、绿色、蓝色)。
此外，如本文所使用的，冠词“a”旨在具有其在专利领域中的普通含义，即“一个或多个”。例如，“多光束元件”是指一个或多个多光束元件，并且因此“多光束元件”在此意指“(多个)多光束元件”。此外，本文中对“顶部”、“底部”、“上部的”、“下部的”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”的任何引用并不意味着在此限制。在此，术语“约”在应用于某个值时通常意味着在用于产生该值的设备的公差范围内，或者可以意味着加或减10％、或加或减5％、或加或减1％，除非另有明确说明。此外，在此使用的术语“基本上”是指大部分或几乎全部或全部或在约51％至约100％的范围内的量。而且，在此的示例仅仅是旨在说明性的，并且是为了讨论的目的而不是为了限制。
根据在此描述的原理的一些实施例，提供了一种头部追踪多视图显示器。图3示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器100的横截面图。头部追踪多视图显示器100被配置为将场景的多个视图提供为多视图图像，即所显示的多视图图像。具体地，通过头部追踪多视图显示器100在相应的多个视图方向上提供多个视图。在图3中，视图方向或等同地多个视图的视图被描绘为指向从头部追踪多视图显示器100延伸的不同角度方向的箭头102。
根据各种实施例，由头部追踪多视图显示器100提供的多个视图包括主视图集合。例如，图3中的实线箭头102'可以表示主视图集合或等同地是主视图的方向集合。由头部追踪多视图显示器100提供的多个视图还包括辅视图方向上的辅视图。例如，图3中的虚线箭头102”可以表示辅视图或辅视图方向。根据各种实施例并且通过在此的定义，辅视图表示与主视图集合的角度范围有角度地相邻但基本上超过其范围的场景的透视或视图方向。具体地，辅视图对应于视图方向，该视图方向具有在由此处定义的主视图集合所对(substend)的角度范围之外的视图角度，例如图3中的实线箭头102'所对的角度范围。在一些实施例中，头部追踪多视图显示器100可以提供多个辅视图。根据各种实施例，头部追踪多视图显示器100被配置为选择性地提供主视图集合或增强视图集合。增强视图集合包括辅视图和主视图集合的视图的子集。
参照图3，所示的头部追踪多视图显示器100包括多光束背光110。多光束背光110被配置为提供具有不同的主要角度方向的多个光束112。具体地，光束112可以具有与头部追踪多视图显示器100的不同视图方向相对应的不同的主要角度方向，或者等同地将由头部追踪多视图显示器100显示的多视图图像的不同视图方向。例如，图3中的箭头102也可以表示由多光束背光110提供的光束112，或者等同地对应于不同视图方向的光束112的不同主要角度方向。
此外，如图3所示，多个光束112包括光束112'的第一集合和光束112”的第二集合。在图3中，使用实线箭头(即，实线箭头102)来描绘光束112'的第一集合，并且使用虚线箭头(即，虚线箭头102”)来描绘光束112”的第二集合。光束112'的第一集合表示具有对应于主视图集合的视图方向的主要角度方向的多个光束112的光束112。例如，光束112”的第二集合表示具有对应于头部追踪多视图显示器100的各种辅视图方向的主要角度方向的多个光束的光束112。
图3中所示的头部追踪多视图显示器100还包括光阀阵列120。在各种实施例中，可以使用多种不同类型的光阀中的任一种作为光阀阵列120的光阀，包括但不限于基于液晶光阀、电泳光阀和基于电润湿的光阀中的一个或多个。
光阀阵列120被配置为调制多个光束112以提供场景的视图作为多视图图像。特别地，光阀阵列120被配置为调制光束112并且选择性地提供主视图集合和包括辅视图的增强视图集。根据各种实施例，在提供主视图集合和增强视图集合之间的选择是基于头部追踪多视图显示器100的用户或观看者的位置。例如，视图集合的选择可以基于用户头部相对于头部追踪多视图显示器100的位置。例如，视图集合的选择可以由处理器(例如，图形处理器单元)或类似电路的指导下的光阀阵列120的驱动器(例如，驱动器电路)来控制。
图4A示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器100的横截面图。图4B示出根据与在此描述的原理一致的实施例的另一示例中的图4A的头部追踪多视图显示器100的横截面图。图4A和4B所示的头部追踪多视图显示器100包括多光束背光110和光阀阵列120，例如，如上述针对图3所描述的。具体地，图4A示出了被配置为选择性地提供主视图集合102a的头部追踪多视图显示器100。此外，图4B示出了被配置为选择性地提供增强视图集合102b的头部追踪多视图显示器100。图4A还示出了第一位置A中的用户(或用户的头部)，并且图4B还示出了相对于头部追踪多视图显示器100的第二位置B中的用户或用户的头部。用户(或用户的头部)的位置或定位是可追踪的或被追踪的，例如，如在此进一步描述的。
如上面关于图3所描述的，主视图集合102a和增强视图集合102b两者的各种视图或等同地视图方向由箭头102表示。具体而言，在图4A和4B中，实线箭头102'代表主视图集合102a的视图或等同地视图方向，而虚线箭头102”代表辅视图或等效地辅视图方向，例如在增强视图集合102b内。另外，在图4A-4B中，各种视图或视图方向由从左向右依次增加的字母标识，其中字母“a”代表第一视图，字母“b”代表第二视图等。如图所示，主视图集合102a包括在图4A中被标记为“a”到“h”的八(8)个视图。辅视图代表场景的第九个视图，并在图4B中被标记为“i”。
如图4A所示，当用户位于第一位置A时，头部追踪多视图显示器100可以选择性地显示主视图集合102a(即，被标记为'a'至'h'的实线箭头102')。例如，第一位置A可以是基本位于头部追踪多视图显示器100前方的区域。例如，当用户处于第一位置A时，用户可以看到由头部追踪多视图显示器100所显示的场景的“正常”多视图图像(例如，“3D图像”)。特别地，“正常”或前向多视图图像被定义为包括主视图集合102a，主视图集合102a又包括被标记为“a”到“h”的视图，如图4A所示。
如图4B所示，当用户位于第二位置B中时，头部追踪多视图显示器100可以选择性地显示增强视图集合102b。特别地，图4B示出用户已经移动或位于第二位置B。如图4B所示，例如，第二位置“B”可基本上偏离头部追踪多视图显示器100的一侧(即，“偏离侧”)。如图所示，增强视图集合102b包括主视图集合102a的视图的七个(7个)的子集(即，实线箭头102'‘b’-‘h’)和在用户的偏离侧位置的方向上的辅视图‘i’(即，被标记为‘i’的虚线箭头102”)。增强视图集合102b包括主视图的子集(即，不包括‘a’的子集)和辅视图i两者，以促进从偏离侧用户位置的多视图图像的观看。
具体地，根据在此描述的原理，头部追踪多视图显示器100在处于第二位置B时向用户提供从除了在主视图集合102a(位置A)中呈现的透视的透视(即，由辅视图表示的透视)观看多视图图像中的一部分场景的能力，该主视图集合102a作为在增强视图集合102b中的辅视图(即，位置B方向上的‘b’-‘h’)的包含物(inclusion)的结果。此外，根据在此描述的原理，由头部追踪多视图显示器100提供的辅视图的包含物可以减少或者甚至基本消除例如当用户从基本上超越头部追踪多视图显示器100的的“正常”或前向视图角度观看多视图图像时可能发生的所谓的“跳跃”。注意，虽然此处针对第一位置和第二位置描述了用户的位置，但是此处描述的原理的范围不仅仅限于用户(或者等同地用户的头部)的两个位置。此处的原理的范围旨在包括头部追踪多视图显示器100的用户的任何数量的不同位置。
根据此处描述的原理的各种实施例，头部追踪多视图显示器100可以包括基本上任何多光束背光。具体而言，根据各种实施例，可以使用被配置为提供具有对应于多视图图像的不同视图方向的不同主要角度方向的多个光束112的任何背光。例如，在一些实施例中，多光束背光110可以基于多光束衍射光栅。在其他实施例中，头部追踪多视图显示器100的多光束背光110包括多光束元件。如下所述，多光束背光110可以包括光导和多个多光束元件。
图5A示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的包括多光束背光110的头部追踪多视图显示器100的横截面图。图5B示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的包括多光束背光110的头部追踪多视图显示器100的平面图。图5C图示了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中包括多光束背光110的头部追踪多视图显示器100的透视图。图5C中的透视图以局部剖视图示出，仅为了便于本文的讨论。图5A-5C还示出了位于多光束背光110上方的光阀阵列120，如下面进一步描述的。
图5A-5C所示的多光束背光110被配置为提供具有彼此不同的主要角度方向(例如，作为光场)的多个耦合输出光束112。具体而言，根据各种实施例，如图5A和5C所示，所提供的多个耦合输出光束112在与头部追踪多视图显示器100的相应视图方向对应的不同主要角度方向上被引导离开多光束背光源110。此外，耦合输出光束112可以被调制(例如，使用光阀阵列120的光阀，如本文所述)，以便于通过头部追踪多视图显示器100将具有3D内容的信息显示为多视图图像。
如图5A-5C所示，多光束背光110包括光导114。根据一些实施例，光导114可以是板光导。光导114被配置为沿着光导114的长度引导光作为被引导的光104，例如具有由粗箭头103指示的方向。例如，光导114可以包括被配置为光波导的电介质材料。电介质材料可以具有比围绕电介质光波导的介质的第二折射率大的第一折射率。折射率的差异被配置为根据光导114的一个或多个导模促进导光104的全内反射。
在一些实施例中，光导114可以是板(plate)或板(slab)光波导，其包括延伸的、基本上平坦的光学地透明介电材料片。根据各种示例，光导114的光学地透明材料可以包括或者由多种介电材料中的任何一种制成，该介电材料包括但不限于一种或多种各种类型的玻璃(例如石英玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱硼硅酸盐玻璃等)，一种或多种基本上光学地透明的塑料或聚合物(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)或“丙烯酸玻璃”、聚碳酸酯等)或其集合合。在一些示例中，光导114还可以在光导114的表面(例如，顶表面和底表面中的一个或两个)的至少一部分上包括覆层(未示出)。覆层可用于进一步促进全内反射。
此外，根据一些实施例，光导114被配置为在光导114的第一表面114'(例如，‘前’表面或侧面)与第二表面114”(例如，‘后’表面或侧面)之间的非零传播角度处引导被引导的光104。被引导的光104可以通过在非零传播角度(虽然在由粗箭头103指示的传播方向上)处在光导114的第一表面114'和第二表面114”之间反射或“跳动”来传播。在一些实施例中，包括光的不同颜色的多个被引导的光104的束可以由光导114以不同颜色特定的、非零传播角中的相应的一个来引导。注意，为了简化说明，在图5A-5C中未示出非零传播角度。
如在此所定义，‘非零传播角度’是相对于光导114的表面(例如，第一表面114'或第二表面114”)的角度。此外，根据此处描述的原理，非零传播角度都大于零且小于光导114内的全内反射临界角。例如，被引导的光104的非零传播角度可以在大约十(10)度和大约五十(50)度之间，或者在一些示例中，可以在大约二十(20)度和大约四十(40)度之间，或在大约二十五(25)度到大约三十五(35)度之间。例如，非零传播角度可以是大约三十(30)度。在其他示例中，非零传播角度可以是大约20度、或者大约25度、或者大约35度。此外，对于特定的实现，可以选择(例如，任意)特定的非零传播角度，只要特定的非零传播角度被选择为小于光导114内的全内反射的临界角度即可。
光导114中的被引导的光104可以以非零传播角度(例如，大约30-35度)引入或耦合到光导114中。例如，透镜、反射镜或类似的反射器(例如，倾斜的准直反射器)和棱镜(未示出)中的一个或多个可以有助于以非零传播角度将光耦合到作为被引导的光104的光导114的输入端中。一旦耦合到光导114中，被引导的光104在可以大体上远离输入端(例如，沿着图5A中的沿着x轴指向的粗箭头103所示)的方向上沿着光导114传播。
此外，根据此处描述的原理，通过将光耦合到光导114中而产生的被引导的光104或等同地被引导的光束是准直的光束。此处，“准直光”或“准直光束”通常被定义为其中光束中的光线基本上彼此平行的光束(例如，被引导的光104)。此外，根据在此的定义，从准直光束发散或散射的光线不被认为是准直光束的一部分。在一些实施例中，多光束背光110可以包括如上所述的准直器(诸如透镜、反射器或反射镜)(例如，倾斜准直反射器)以准直例如来自光源的光。在一些实施例中，光源包括准直器。提供给光导114的准直光是要被引导的准直光束。在各种实施例中，被引导的光104可以根据或具有准直因子σ被准直。
在一些实施例中，光导114可以被配置成“再循环”被引导的光104。特别地，沿着光导长度已经被引导的被引导的光104可以在由粗箭头103'表示的另一不同的传播方向上沿着该长度被重新引导回去。例如，光导114可以在光导114的与邻近光源的输入端相对的端部处包括反射器(未示出)。反射器可以被配置为将被引导的光104反射回输入端作为再循环的被引导的光。以这种方式再循环被引导的光可以通过使得被引导的光104不止一次地可用于例如下文所述的多光束元件来增加多光束背光110的亮度(例如，耦合输出光束112的强度)。
在图5A中，指示再循环被引导的光的另一传播方向(例如，指向负x方向)的粗箭头103'示出了从上述输入端被引入到光导114中的光导114内的再循环被引导的光的大致传播方向。可替代地(例如，与再循环被引导的光相反)或者除了再循环被引导的光以外，在一些实施例中，光可以在与具有另一传播方向(即，沿着负x方向引导的粗箭头103')的前述输入端相反的端部被引入到光导114中，例如除了来自前述的具有由粗箭头103指示的传播方向的输入端的被引导的光104之外。
如图5A-5C所示，多光束背光110还包括沿着光导长度(x方向)彼此间隔开的多个多光束元件116。特别地，多个元件的多光束元件116通过有限的空间彼此间隔开并且表示沿着光导长度的单独的、不同的元件。也就是说，根据在此的定义，多个的多光束元件116根据有限(即，非零)元件间距离(例如，有限的中心到中心的距离)彼此间隔开。此外，根据一些实施例，多个元件的多光束元件116通常不相交、重叠或另外彼此接触。也就是说，多个元件的每个多光束元件116通常与多光束元件116中的其他多个元件不同并且分离。
根据一些实施例，多个的多光束元件116可以以一维(1D)阵列或二维(2D)阵列布置。例如，多个多光束元件116可以布置为线性1D阵列。在另一个示例中，多个多光束元件116可以被布置为矩形2D阵列或圆形2D阵列。此外，在一些示例中，阵列(即，1D或2D阵列)可以是规则的或均匀的阵列。具体地，多光束元件116之间的元件间距离(例如，中心到中心的距离或间隔)可以跨阵列基本均匀或恒定。在其他示例中，多光束元件116之间的元件间距离可以跨(y方向)阵列和沿着光导114的长度(x方向)中的一个或两个被改变。
根据各种实施例，多个元件的多光束元件116被配置为耦合输出被引导的光104的一部分作为多个耦合输出光束112。具体地，图5A和5C将耦合输出光束112示出为从光导114的第一(或前)表面114'指向的多个发散箭头。此外，根据各种实施例，多光束元件116的尺寸与多视图像素中的“子像素”的尺寸可比较的或等同地与光阀阵列120中的光阀的尺寸可比较的。此处，“尺寸”可以以各种方式中的任何一种来定义，包括但不限于长度、宽度或面积。例如，光阀(或“子像素”)的尺寸可以是其长度，并且多光束元件116的可比较的尺寸也可以是多光束元件116的长度。在另一示例中，尺寸可以指的是使得多光束元件116的面积可以与光阀(或“子像素”)的面积可比较的面积。
在一些实施例中，多光束元件116的尺寸与光阀尺寸可比较的，使得多光束元件尺寸在子像素尺寸的大约百分之五十(50％)和大约百分之二百(200％)之间。在一些实施例中，如果多光束元件尺寸被表示为‘s’并且子像素尺寸被表示为‘S’(例如，如图5A所示)，则多光束元件尺寸s可以由等式(2)给出
Figure GDA0001587230010000161
在一些示例中，多光束元件尺寸等于或大于约子像素尺寸的百分之六十(60％)、或者等于或大于约子像素尺寸的百分之七十(70％)、或者等于或大于约子像素尺寸的百分之八十(80％)、或者等于或大于约子像素尺寸的百分之九十(90％)。在一些示例中，多光束元件等于或小于约子像素尺寸的百分之一百八十(180％)、或等于或小于约子像素尺寸的百分之一百六十(160％)、或等于或小于约子像素尺寸的百分之四十(140％)、或者等于或小于约子像素尺寸的百分之一百二十(120％)。在一些实施例中，通过“可比较的尺寸”，多光束元件尺寸可以在子像素尺寸的大约百分之七十五(75％)和大约一百五十(150％)之间(包括端值)。在另一个实施例中，多光束元件116可以在尺寸上与其中多光束元件尺寸是子像素尺寸的大约百分之一百二十五(125％)和大约百分之八十五(85％)之间(包括端值)的子像素是可比较的。根据一些实施例，可以选择多光束元件116和光阀的可比较的尺寸以减小多视图显示器的视图之间的暗区，或者在一些实施例中使多视图显示器的视图之间的暗区最小化，并且同时减小多视图显示器的视图之间的重叠，或者在一些实施例中使多视图显示器的视图之间的重叠最小化。
如上所述，图5A-5C进一步示出了位于多光束背光110上的光阀阵列120。如此定位的光阀阵列120被配置为调制多个耦合输出光束112。在图5C中，光阀阵列120被部分剖开以允许光导114和光阀阵列120下面的多光束元件116的可视化。
如图5A-5C所示，具有不同主要角度方向的耦合输出光束112中的不同耦合输出光束112穿过并且可以通过光阀阵列120中的相应不同光阀进行调制。此外，光阀阵列120的光阀对应于子像素，并且光阀集合对应于头部追踪多视图显示器100的多视图像素。具体而言，光阀阵列120的不同光阀集合被配置成接收和调制来自不同的多光束元件116的耦合输出光束112，即，针对每个多光束元件116存在独特的光阀集合，如图5A-5C所示。
如图5A所示，第一光阀集合120a被配置为接收并调制来自第一多光束元件116a的耦出光束112，第二光阀集合120b被配置成接收和调制来自第二多光束元件116b的耦合输出光束112。此外，光阀阵列120中的每个光阀集合(例如，第一和第二光阀集合120a、120b)分别对应于不同的多视图像素108(参见图5B)，其中光阀集合120a、120b的单独的光阀对应于各个不同多视图像素108的子像素，如图5A-5C所示。
在一些实施例中，多光束元件116和对应的多视图像素108(例如，光阀集合120a，120b)之间的关系可以是一对一的关系。也就是说，可以有相同数量的多视图像素108和多光束元件116。在图5B中，举例说明了一对一关系，其中每个多视图像素108(包括不同集合的光阀或子像素)被图示为被虚线包围。在其他实施例(未示出)中，多视图像素和多光束元素的数量可以彼此不同。
在一些实施例中，一对相邻的多光束元件116之间的元件间距离(例如，中心到中心的距离)可以等于例如由光阀集合表示的相应的相邻的多视图像素108对之间的像素间距离(例如，中心到中心的距离)。例如，如图5A所示，第一多光束元件116a和第二多光束元件116b之间的中心到中心的距离d基本上等于第一光阀集合120a和第二光阀集合120b之间的中心到中心的距离D。在其它实施例(未示出)中，多对多光束元件116和对应的光阀集合的相对中心距离可以不同，例如，多光束元件116可以具有元件间间距(即，中心到中心距离d)，其是大于或小于代表多视图像素的光阀集合之间的间隔(即，中心到中心距离D)中的一个。
在一些实施例中，多光束元件116的形状类似于多视图像素108的形状，或者等同地，对应于多视图像素108的光阀阵列120中的光阀集合(或“子阵列”)的形状。例如，多光束元件116可以具有基本上正方形的形状，并且多视图像素108(或者对应的光阀集合的布置)可以是基本正方形的。在另一个示例中，多光束元件116可以具有基本上矩形的形状，即，可以具有比宽度或横向尺寸更大的长度或纵向尺寸。在这个示例中，对应于多光束元件116的多视图像素108可以具有基本类似的矩形形状。图5B示出了正方形多光束元件116和包括正方形的光阀集合(例如，由虚线画出)的相应的正方形多视图像素的顶视图或平面图。在另外的示例中(未示出)，多光束元件116和相应的多视图像素具有包括或至少近似于但不限于三角形、六边形和圆形的各种形状。
根据各种实施例，多光束元件116可以包括被配置成耦合输出被引导的光104的一部分的多个不同结构中的任何一个。例如，不同的结构可以包括但不限于衍射光栅、微反射元件、微折射元件或其各种组合。在一些实施例中，包括衍射光栅的多光束元件116被配置为衍射地耦合输出被引导的光104的一部分的光导114a，作为具有不同主要角度方向的多个耦合输出光束112。在另一个实施例中，包括微反射元件的多光束元件116被配置成反射地耦合输出被引导的光104的一部分的光导114a作为多个耦合输出光束112。在其它实施例中，包括微折射元件的多光束元件116被配置为通过折射(或折射地耦合出被引导的光部分)耦合输出被引导的光104的一部分的光导114a作为多个耦合输出光束112。
图6A示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的包括多光束元件116的多光束背光110的一部分的横截面图。图6B示出了根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件116的多光束背光110的一部分的横截面图。具体地，图6A-6B示出了在光导114内包括衍射光栅的多光束背光110的多光束元件116。衍射光栅被配置为衍射地耦合输出被引导的光104的一部分的光导114a作为多个耦合输出光束112。衍射光栅包括通过衍射特征间隔或衍射特征或光栅间距(即，衍射光栅中的衍射特征的间隔或间距)彼此间隔开的多个衍射特征。间距或间隔被配置为提供衍射的耦合输出被引导的光的部分。根据各种实施例，衍射光栅中的衍射特征的间距或光栅间隔可以是亚波长(即，小于导光104的波长)。
在一些实施例中，多光束元件的衍射光栅116可位于或临近光导114的表面处。例如，如图6A所示，衍射光栅可以位于或临近光导114的第一表面114'处。位于光导第一表面114'处的衍射光栅可以是透射模式衍射光栅，其被配置为穿过第一表面114'衍射地耦合被引导的光的部分作为耦合输出的光束112。在另一个示例中，如图6B所示，衍射光栅可以位于或临近光导114的第二表面114”。当位于第二表面114”处时，衍射光栅可以是反射模式衍射光栅。作为反射模式衍射光栅，衍射光栅被配置为衍射被引导的光的部分，并且将被衍射的被引导的光的部分朝向第一表面114'反射，以通过作为衍射地耦合输出的光束112的第一表面114'离开。在其他实施例(未示出)中，衍射光栅可以位于光导114的表面之间，例如作为透射模式衍射光栅和反射模式衍射光栅中的一个或两个。注意，在此描述的一些实施例中，耦合输出光束112的主要角度方向可以包括由于耦合输出光束112在光导表面处离开光导114而产生的折射效应。例如，图6B示出了在耦合输出光束112通过第一表面114'离开时由于折射率的变化而引起的耦合输出光束112的折射(即，弯曲)，其作为示例而非限制。也参见下面描述的图7A和7B。
根据一些实施例，衍射光栅的衍射特征可以包括彼此间隔开的凹槽和凸脊中的一个或两个。凹槽或凸脊可以包括光导114的材料，例如可以形成在光导114的表面中。在另一个示例中，凹槽或凸脊可以由除了导光材料以外的材料形成，例如在光导114的表面上的膜或者另一种材料的层。
在一些实施例中，多光束元件的衍射光栅116是其中衍射特征间隔在整个衍射光栅中基本恒定或不变化的均匀衍射光栅。在其他实施例中，衍射光栅是啁啾(chirped)衍射光栅。根据定义，“啁啾”衍射光栅是衍射光栅，其呈现或具有跨啁啾衍射光栅的范围或长度上变化的衍射特征的衍射间隔(即，光栅间距)。在一些实施例中，啁啾衍射光栅可以具有或表现出随距离线性变化的衍射特征间隔的啁啾。因此，啁啾衍射光栅根据定义是“线性啁啾”衍射光栅。在其他实施例中，多光束元件116的啁啾衍射光栅可以呈现衍射特征间隔的非线性啁啾。可以使用各种非线性啁啾，包括但不限于指数啁啾、对数啁啾或以基本不均匀或随机但仍然单调的方式变化的啁啾。也可以使用非单调啁啾，例如但不限于正弦啁啾或三角形或锯齿啁啾。任何这些类型的啁啾的组合也可以被使用。
图7A示出根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件116的多光束背光110的一部分的横截面图。图7B示出根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件116的多光束背光110的一部分的横截面图。具体地，图7A和图7B示出了包括微反射元件的多光束元件116的各种实施例。用作多光束元件116或在多光束元件116中的微反射元件可包括但不限于使用采用反射材料或其层(例如，反射金属)的反射器或基于全内反射(total internal reflection，TIR)的反射器。根据一些实施例(例如，如图7A-7B中举例说明的)，包括微反射元件的多光束元件116可以位于或临近光导114的表面(例如，第二表面114”)。在其他实施例中(未示出)，微反射元件可以位于第一表面114'和第二表面114”之间的光导114内。
例如，图7A示出了包括微反射元件的多光束元件116，该微反射元件具有反射面，例如，该反射面可以类似于位于临近光导114的表面114”的棱镜的面(例如，“棱镜”微反射元件)。所示出的棱镜微反射元件的面被配置为将被引导的光104的部分反射(即反射地耦合)到光导114之外。例如，面可以相对于被引导的光104的传播方向偏向或倾斜(即，具有倾斜角)，以将被引导的光部分反射出光导114。根据各种实施例，可以使用光导114内的反射材料(例如，如图7A所示)来行成面或者面可以是第二表面114”中的棱镜腔的表面。在一些实施例中，当使用棱镜腔时，腔表面处的折射率变化可以提供反射(例如，TIR反射)，或者形成面的腔表面可以涂覆有反射材料以提供反射。
在另一个示例中，图7B示出了包括具有弯曲表面的微反射元件的多光束元件116，诸如但不限于半球形微反射元件。在一些示例中，微反射元件的弯曲表面可以是基本光滑的。例如，微反射元件的特定表面曲线可以被配置为根据被引导的光104与其接触的弯曲表面上的入射点在不同方向上反射被引导的光的部分。如图7A和7B所示，反射地耦合出光导114的被引导的光的部分离开或从第一表面114'射出。与图7A中的棱镜微反射元件一样，图7B中的微反射元件可以是光导114内的反射材料或者是形成在第二表面114”中的腔(例如，半圆形腔)，如图7B中作为示例而非限制所示。作为示例而非限制，图7A和7B还示出了具有箭头103、103'所示的两个传播方向的被引导的光104。例如，使用被引导的光104的两个传播方向可以有助于提供具有主要角方向的基本对称分布的多个耦合输出光束112。
图8示出了根据与在此描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括多光束元件116的多光束背光110的一部分的横截面图。具体地，图8示出了包括微折射元件的多光束元件116。根据各种实施例，微折射元件被配置为从光导114折射地耦合输出被引导的光104的一部分。也就是说，如图8所示，微折射元件被配置成使用折射(例如，与衍射或反射相反)以将从光导114耦合输出被引导的光的部分作为耦合输出光束112。微折射元件可以具有各种形状，包括但不限于半球形、矩形或棱柱形(即，具有倾斜面的形状)。根据各种实施例，例如如所示的，微折射元件可以延伸或突出到光导114的表面(例如，第一表面114')外，或者可以是表面中的腔(未示出)。此外，在一些实施例中，微折射元件可以包括光导114的材料。在其他实施例中，微折射元件可以包括与光导表面相邻的另一种材料，并且在一些示例中，可以包括与光导表面接触的另一种材料。
再次参考图5A和5C，在一些实施例中，多光束背光110可以进一步包括光源118。光源118被配置为以非零传播角度提供要在光导114内被引导的光。特别地，光源118可以位于临近光导114的入口表面或端部(输入端)。在各种实施例中，光源118可以包括例如如上面提供的基本上任何光源(例如，光学发射器)，包括但不限于一个或多个发光二极管(LED)或激光器(例如，激光二极管)。在一些实施例中，光源118可以包括被配置为产生具有由特定颜色表示的窄带谱的基本单色光的光学发射器。特别地，单色光的颜色可以是特定颜色空间或颜色模型(例如，红-绿-蓝(RGB)颜色模型)的原色。在其他示例中，光源118可以是被配置为提供基本上宽带或多色光的基本上宽带的光源。例如，光源118可以提供白光。在一些实施例中，光源118可以包括被配置为提供光的不同颜色的多个不同的光发射器。不同的光学发射器可以被配置成提供具有与光的不同颜色中的每一个相对应的被引导的光104的不同的、颜色特定的、非零传播角度的光。
在一些实施例中，光源118可以进一步包括准直器。准直器可以被配置为从光源118的一个或多个光发射器接收基本上未经准直的光。准直器进一步被配置为将基本未经准直的光转换为准直的光。具体地，根据一些实施例，准直器可以提供具有非零传播角并且根据预定准直因子σ被准直的准直光。而且，当使用不同颜色的光发射器时，准直器可以被配置为提供具有不同的、颜色特定的、非零传播角度和具有不同的颜色特定准直因子的一个或两个的准直光。如上所述，准直器还被配置为将准直光束通信到光导114以作为被引导的光104传播。
在一些实施例中，被引导的光的非零传播角度和准直因子中的一个或两个可被配置为调整头部追踪多视图显示器100中的多个光束112的发射模式。特别地，非零传播角度可以被配置为朝向用户倾斜(或选择性地引导)发射模式。例如，第一非零传播角度可以被配置成提供在第一位置A中基本上指向用户的光束112的发射模式，并且第二非零传播角度可以被配置成在第二位置B中指向用户的发射模式，例如如上面关于图4A-4B所描述的。图9A-9B提供了头部追踪发射模式的另一个示例。
具体地，图9A示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器100的横截面图。图9B图示了根据与在此描述的原理一致的实施例的另一示例中的图9A的头部追踪多视图显示器100的横截面图。图9A和9B示出了基于多光束背光的光导内的被引导的光的不同非零传播角度的耦合输出光束112的不同发射模式的示例。在图9A-9B中，头部追踪多视图显示器100包括多光束背光110和光阀阵列120。在一些实施例中，头部追踪多视图显示器100基本上类似于上面关于图5A-5C描述的头部追踪多视图显示器100。例如，如图9A-9B中所提供的，多光束背光110被配置为向光阀阵列120提供具有由虚线描绘的发射模式的多个光束112。
在图9A中，用户位于基本是光阀阵列120的前方(即，相对于中心位于光阀阵列120的中心)或头部追踪多视图显示器100的中心的第一位置A。来自头部追踪多视图显示器100的发射模式被配置成基本指向(例如，没有倾斜)在第一位置A处的用户。例如，多光束背光110的光导114中的被引导的光104可以以第一非零传播角度γ1传播以指向或指引朝向第一位置A的发射模式，如图9A所示。
在图9B中，用户已经移动到或位于第二位置B，该第二位置B与位置A(例如，以倾斜角度)相比，基本上偏离光阀阵列120的一侧(即，相对于光源阵列120的中心不位于中心)或偏离头部追踪多视图显示器100。的中心。图9B所示的多个光束112的发射模式相对于第一位置A的发射模式倾斜，并且因此被配置为基本指向在第二位置B处的用户。在该示例中，如图9B所示，光导114中的被引导的光104可以以第二非零传播角γ2传播以向发射模式提供朝向第二位置B的倾斜。
在各种实施例中，指向第一位置A的发射模式包括对应于主视图集合(即，由被引导的光的第一非零传播角γ1提供的)的光束112'的第一集合。此外，向第二位置B倾斜的倾斜的发射模式可以包括与主视图集合对应的光束112'的第一集合的子集和与辅视图对应的第二光束112”(即由被引导的光的第二非零传播角γ2提供的)。如上所述，倾斜的发射模式可以表示增强视图集合。
在一些实施例中，多光束背光源110被配置为在通过与导光104的传播方向(即，粗箭头103、103')正交的光导114的方向上对光基本上透明。具体地，在一些实施例中，光导114和间隔开的多个多光束元件116允许光穿过光导114并且具体地穿过第一表面114'和第二表面114”两者。由于多光束元件116的尺寸相对较小以及多光束元件116的元件间间隔相对较大(例如，与多视图像素一一对应)，因此可以促进透明度的至少一部分。
根据在此描述的原理的一些实施例，提供了一种头部追踪多视图显示器系统。头部追踪多视图显示器系统被配置为提供或“显示”表示场景的3D或多视图图像。特别地，多视图图像被提供为与多视图图像相关联的多个不同“视图”。例如，不同的视图可以在正在被显示的多视图图像中提供信息的“无眼镜(glasses free)”(例如，自动立体)表示。此外，根据各种实施例，可以针对头部追踪多视图显示器系统的用户的不同位置或定位(例如，头部位置)提供不同的视图集合。
图10示出了根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的头部追踪多视图显示器系统200的框图。头部追踪多视图显示器系统200被配置为根据在不同的视图方向上的不同的视图显示多视图图像。具体地，由头部追踪多视图显示器系统200发射的光束被用于显示多视图图像，并且可以对应于不同视图的像素(即，视图像素)。不同的视图或等同地不同的视图方向被示出为从图10中的头部追踪多视图显示器系统200发出的箭头202。如下所提供的，箭头202还表示由头部追踪多视图显示器系统200发射的光束。
图10中所示的头部追踪多视图显示器系统200包括多视图显示器210。多视图显示器210被配置为提供场景的多个视图(例如，箭头202)作为多视图图像。根据各种实施例，多个视图包括场景的主视图集合以及代表与主视图集合在角度上相邻的场景透视的辅视图。如在此描述的，可以将辅视图(或在一些实施例中的多个辅视图)与主视图集合的视图的子集进行结合以提供增强视图集合。另外，根据一些实施例，头部追踪多视图显示器系统200的主视图集合、辅视图和增强视图集合可以基本上类似于上述针对上述头部追踪多视图显示器100描述的相应视图集合和视图。在图10中，主视图由实线箭头202'表示，而辅视图由虚线箭头202”表示。
头部追踪多视图显示器系统200的多视图显示器210可以基本上包括可以被配置为提供主视图集合和一个或多个辅视图两者的各种不同多视图显示器中的任何一种。例如，多视图显示器210可以是多视图显示器，诸如但不限于基于多束衍射光栅的多视图显示器或基于透镜或透镜阵列的多视图显示器。此处，根据定义，‘基于多光束衍射光栅的多视图显示器’是包括使用多束衍射光栅阵列的基于多束衍射光栅的背光的多视图显示器。同样根据在此的定义，基于透镜或透镜阵列的多视图显示器是包括透镜阵列以在不同视图方向上提供视图的多视图显示器。
在其他实施例中，多视图显示器210可以是基于多光束元件的多视图显示器。具体地，根据一些实施例，头部追踪多视图显示器系统200的多视图显示器210可以基本上类似于上述头部追踪多视图显示器100。例如，多视图显示器210可以包括被配置为提供具有与多个视图的不同视图方向对应的不同主要角度方向的多个发射的光束或耦合输出光束的多束背光。例如，多视图显示器210可以进一步包括被配置为调制多个耦合输出光束以提供多个视图的光阀阵列。此外，多视图显示器210还可以包括光源，诸如上面针对头部追踪多视图显示器100描述的光源118。
根据这些实施例中的一些，头部追踪多视图显示系统200的多光束背光可以与上面描述的多光束背光110基本类似。例如，多光束背光可以包括被配置为沿着光导的长度在传播方向上引导光的光导，并且还包括沿着光导长度彼此间隔开的多光束元件的阵列。多光束元件阵列的多光束元件可以被配置为从光导耦合输出被引导的光的一部分作为具有不同的主要角度方向的多个耦合输出光束。例如，多光束元件阵列的多光束元件可以基本上类似于多光束元件116，并且光导可以基本类似于光导114。
在一些实施例中，多光束元件的尺寸可以是与光阀阵列的光阀的尺寸可比较的。而且，光阀可以在尺寸上与显示器的多视图像素中的子像素基本上可比较的。此外，多光束元件可以包括衍射光栅、微反射元件和光学地连接到光导以耦合输出被引导的光的一部分的微折射元件中的一个或多个。在一些实施例中，多光束元件阵列的相邻多光束元件之间的元件间距离对应于相邻多视图像素之间的像素间距离。而且，多视图像素表示光阀阵列内对应于单个多光束元件的光阀集合。
再次参考图10，头部追踪多视图显示器系统200进一步包括头部追踪器220。头部追踪器220被配置为确定用户相对于多视图显示器210的位置。在第一确定的位置处，多视图显示器210被配置为提供主视图集合。此外，在第二确定的位置处，多视图显示器210被配置为提供包括辅视图和主视图集合的视图的子集的增强视图集。如图10所示，头部追踪器220可以被配置为在多点视图显示器210前面的区域222中追踪用户(例如，用户的头部的)的位置，所述区域222由点划线描绘。‘前’是指与多视图显示器210的发光表面或图像观看屏幕相邻。
根据各种实施例，可以使用提供头部追踪(或者等同地追踪用户的位置)的各种设备、系统和电路中的任何一种作为头部追踪多视图显示系统200的头部追踪器220。例如，在一些实施例中，头部追踪器220可以包括被配置为捕捉用户相对于多视图显示器210的观看屏幕的图像的相机。此外，头部追踪器220可以包括图像处理器(或被编程为图像处理器的通用计算机)，其被配置为确定在所捕捉的图像内的用户相对于多视图显示器210的观看屏幕的位置。例如，所确定的位置可以对应于如上所描述的第一确定的位置A和第二确定的位置B中的一个。例如，用户相对于多视图显示器210的观看屏幕的位置可以由图像处理器使用各种技术从捕捉的图像中确定，该技术包括但不限于图像识别或模式匹配。头部追踪器220的输出可以用于修改多视图显示器210的操作(例如，光阀阵列对光束的调制)。例如，所确定的用户的位置可以被提供给多视图显示器210的处理器和光阀驱动器(例如，驱动器电路)中的一个或两个，以调整来自多视图显示器210的发射模式以对应于用户位置。头部追踪器220实现的其它示例可以包括各种二维(2D)和三维(3D)对象追踪系统中的任何一个，例如但不限于
Figure GDA0001587230010000251
对象追踪系统。
Figure GDA0001587230010000252
是华盛顿州雷蒙德市微软公司的注册商标。
如上所提到的，在一些实施例中，头部追踪多视图显示器系统200的多视图显示器210还可以包括光源。光源被配置为用作多视图显示器210的光源。具体地，例如，在这些实施例中的一些(图10中未示出)中，光源可以被配置成以非零传播角度将光提供给光导，并且在一些实施例中，根据准直因数进行准直以在光导内提供被引导的光的预定角度扩展。在一些实施例中，光源可以被进一步配置成响应于来自头部追踪器220的输入而倾斜由多视图显示器210朝向用户发射的光的发射模式。在这些实施例中，发射模式倾斜，或等同地发射的光的“倾斜角度”对应于由头部追踪器220确定的用户的位置。例如，光源可以是用于照亮多光束背光的光导的光源。由光源提供的在光导内传播的光的角度又可以确定由多光束背光发射的光束的倾斜角。根据一些实施例，发射角度倾斜可促进或增强辅视图的产生。
根据此处描述的原理的其他实施例，提供了一种使用头部追踪的多视图显示器操作的方法。图11示出根据与在此描述的原理一致的实施例的示例中的使用头部追踪是多视图显示器操作的方法300的流程图。如图11所示，使用头部追踪的多视图显示器操作的方法300包括使用多视图显示器提供场景的多个视图310。根据各种实施例，多个视图包括场景的主视图集合以及代表与主视图集合在角度上相邻的场景透视的辅视图。
根据各种实施例，提供了多个视图310的多视图显示器可以是能够提供主视图集合和辅视图两者的基本上任何多视图显示器或多视图显示器系统。例如，多视图显示器可以是多视图显示器，诸如但不限于基于多光束元件的多视图显示器、基于多光束衍射光栅的多视图显示器或基于透镜或透镜阵列的多视图显示器。在一些实施例中，多视图显示器可以基本上类似于上面描述的头部追踪多视图显示器100。
具体地，在一些实施例中，多视图显示器可以包括光导、多光束元件和多个光阀。在这些实施例中，提供多个视图310可以包括沿着光导的长度在传播方向上引导光。例如，光导可以是板光导。提供多个视图310还可以包括使用多光束元件将被引导的光的一部分耦合输出光导，以提供具有与多视图显示器的各个不同视图方向相对应的不同主要角度方向的多个耦合输出光束。在一些实施例中，多光束元件可以包括衍射光栅、微反射元件和光学连接到光导以耦合出被引导的光的一部分的微折射元件中的一个或多个。例如，多光束元件可以是多光束元件阵列的成员。在这些实施例中，提供多个视图310进一步包括使用多个光阀来调制耦合输出光束以将场景的多个视图提供为多视图图像。例如，光阀可以以与多光束元件阵列相邻的光导表面的阵列布置。在一些实施例中，多光束元件的尺寸与光阀阵列的光阀的尺寸是可比较的。
如图11所示，使用头部追踪的多视图显示器操作的方法300还包括确定用户相对于多视图显示器的位置，并且根据所确定的用户位置来选择被设置为显示或提供给用户的视图320。根据各种实施例，为用户的确定的第一位置选择主视图集合，并为用户确定的第二位置选择增强视图集合。根据定义，增强视图集合包括辅视图和主视图集合的视图的子集。根据使用头部追踪的多视图显示器操作的方法300，多视图显示器根据所确定的位置和视图选择来提供主视图集合和增强视图集合。
换句话说，多视图显示器操作的方法300确定用户相对于多视图显示器的位置(或相对于多视图显示器的屏幕或由多视图显示器提供的视图)320。多视图显示器操作的方法300根据用户被确定处于第一位置还是第二位置320而选择性地提供主视图集合或增强视图集。具体地，当用户被确定处于第一位置(例如，在多视图显示器的前面)时，多视图显示器提供主视图集合。此外，当确定用户处于第二位置320(例如，基本上离开多视图显示器的一侧)时，多视图显示器提供包括辅视图的增强视图集合。如此，多视图显示器根据所确定的用户位置320来适配或调整所提供的多个视图310以包括主视图集合或增强视图集。
在一些实施例中，确定用户的位置320包括使用头部追踪器。在这些实施例的一些中，头部追踪器可以是基本上类似于头部追踪多视图显示器系统200的头部追踪器220。例如，头部追踪器可以包括照相机和图像处理器。在该示例中，确定用户的位置320可以包括使用相机捕捉用户的图像；以及使用图像处理器在捕捉的图像内建立用户的位置。根据各种实施例中，建立的位置是确定的位置320。例如，建立的位置可以对应于确定的第一位置和确定的第二位置中的一个。
在一些实施例(未示出)中，多视图显示器操作的方法300还包括倾斜(或选择性地引导)由多视图显示器发射的光的发射模式以对应于用户的所确定的位置。发射模式可以包括对应于特定视图集合(例如主视图集合或增强视图集合)的光束。发射模式可以被倾斜以指向实质上朝向确定的第一位置中的用户或实质上指向确定的第二位置中的用户。在一些实施例中，可以通过选择性地控制多视图显示器的光导内的光的非零传播角度来提供倾斜发射模式。例如，第一非零传播角度可以提供基本上指向在第一位置中的用户的光束的发射模式，并且第二非零传播角度可以提供基本上指向在第而位置中的用户的发射模式。如上所述，可以确定用户位置320，并且因此例如可以使用头部追踪器的输出来提供对非零传播角度的控制或选择。此外，在一些实施例中，倾斜由多视图显示器发射的光的发射模式包括使用光源和准直器中的一个或两者来以相对于光导的相应的非零传播角度提供光作为被引导的光。在一些示例中，光源基本上类似于上面关于头部追踪多视图显示器100描述的光源118。
因此，已经描述了使用主视图集合和包括辅视图和主视图集合的视图的子集的增强视图集两者的头部追踪多视图显示器、头部追踪多视图显示器系统和使用头部追踪的多视图显示器操作的方法的示例和实施例。应该理解的是，上述示例仅仅是说明表示在此描述的原理的许多具体示例中的一些示例。显然，本领域的技术人员可以很容易地设计出许多其他的布置，而不偏离由所附权利要求限定的范围。

Claims (19)

1.一种头部追踪多视图显示器，包括：
多光束背光，被配置为提供具有与多视图图像的不同视图方向对应的具有不同主要角度方向的多个光束；以及
光阀阵列，被配置为调制所述多个光束的光束以提供场景的多个视图作为所述多视图图像，所述多个视图包括主视图集合和辅视图，所述辅视图表示与所述主视图集合在角度上相邻的所述场景的透视图，
其中，所述多光束背光包括被配置为提供要在所述多光束背光中被引导的光作为被引导的光的光源，所述被引导的光具有非零传播角度和根据预定的准直因子被准直中的一者或两者，其中，所述被引导的光的非零传播角度和准直因子中的一者或两者被配置为调整所述头部追踪多视图显示器中的多个光束的发射模式，以提供指向第一位置的用户的光束的发射模式和指向偏离第一位置的第二位置的用户的光束的发射模式，
其中，所述头部追踪多视图显示器被配置为根据追踪的用户的位置，选择性地提供第一位置处的所述主视图集合或者第二位置处的、包括所述辅视图和所述主视图集合的视图的子集的增强视图集合。
2.根据权利要求1所述的头部追踪多视图显示器，其中，所述多光束背光包括：
光导，被配置为沿着所述光导的长度在传播方向上引导光；以及
沿着所述光导长度彼此间隔开的多个多光束元件，所述多个多光束元件中的多光束元件被配置为从所述光导耦合输出被引导的光的一部分作为所述具有不同主要角度方向的多个光束，
其中，所述多光束元件的尺寸是在所述光阀阵列的光阀的尺寸的百分之五十和百分之二百之间。
3.根据权利要求2所述的头部追踪多视图显示器，其中，所述多光束元件包括衍射光栅，所述衍射光栅被配置为衍射地耦合输出被引导的光的一部分作为所述多个光束。
4.根据权利要求2所述的头部追踪多视图显示器，其中，所述多光束元件包括微反射元件和微折射元件中的一个或两个，所述微反射元件被配置为反射地耦合输出被引导的光的一部分，所述微折射元件被配置为折射地耦合输出被引导的光的一部分。
5.根据权利要求2所述的头部追踪多视图显示器，其中，所述多光束元件位于所述光导的第一表面和第二表面中的一个或两者，所述多光束元件被配置为通过所述第一表面耦合输出被引导的光的一部分。
6.根据权利要求2所述的头部追踪多视图显示器，还包括光学地耦合到所述多光束背光的输入端的光源。
7.根据权利要求6所述的头部追踪多视图显示器，其中，所述非零传播角度被配置为朝向所述用户倾斜多个光束的发射模式。
8.一种头部追踪多视图显示器系统，包括：
多视图显示器，被配置为提供场景的多个视图作为多视图图像，所述多个视图包括所述场景的主视图集合以及辅视图，所述辅视图表示与所述主视图集合在角度上相邻的场景透视图，其中，所述多视图显示器包括多光束背光，所述多光束背光被配置为提供具有与多视图图像的不同视图方向对应的具有不同主要角度方向的多个光束，所述多光束背光包括被配置为提供要在所述多光束背光中被引导的光作为被引导的光的光源，所述被引导的光具有非零传播角度和根据预定的准直因子被准直中的一者或两者，其中，所述被引导的光的非零传播角度和准直因子中的一者或两者被配置为调整所述多视图显示器中的多个光束的发射模式，以提供指向第一位置的用户的光束的发射模式和指向偏离第一位置的第二位置的用户的光束的发射模式；以及
头部追踪器，被配置为确定用户相对于所述多视图显示器的位置，其中，在确定的第一位置处，所述多视图显示器被配置为提供所述主视图集合，在确定的第二位置处，所述多视图显示器被配置为提供包括所述辅视图和所述主视图集合的视图的子集的增强视图集合。
9.根据权利要求8所述的头部追踪多视图显示器系统，其中，所述多视图显示器包括：
光阀阵列，被配置成调制所述多个光束以提供所述多个视图。
10.根据权利要求9所述的头部追踪多视图显示器系统，其中，所述多光束背光包括：
光导，被配置为沿着所述光导的长度在传播方向上引导光；以及
沿着光导长度彼此间隔开的多光束元件的阵列，所述多光束元件阵列中的多光束元件被配置为从所述光导耦合输出被引导的光的一部分作为具有所述不同主要角度方向的所述多个光束，
其中，所述多光束元件的尺寸是在所述光阀阵列的光阀的尺寸的百分之五十和百分之二百之间。
11.根据权利要求10所述的头部追踪多视图显示器系统，其中，所述多光束元件包括光学地连接至所述光导以耦合输出被引导的光的一部分的衍射光栅、微反射元件和微折射元件中的一个或多个。
12.根据权利要求10所述的头部追踪多视图显示器系统，其中，所述多光束元件阵列的相邻多光束元件之间的元件间距离对应于相邻多视图像素之间的像素间距离，多视图像素表示光阀内的光阀数集合对应于单独的多光束元件。
13.根据权利要求8所述的头部追踪多视图显示器系统，其中，所述头部追踪器包括：
相机，被配置为捕捉用户的图像；以及
图像处理器，被配置为确定在捕捉的图像内的所述用户的位置，
其中，所确定的位置对应于所述第一位置和所述第二位置中的一个。
14.根据权利要求8所述的头部追踪多视图显示器系统，还包括光源，所述光源被配置为选择性地将由所述多视图显示器发射的光的发射模式朝向由所述头部追踪器提供的所述用户的确定的位置倾斜。
15.一种使用头部追踪的多视图显示器操作的方法，所述方法包括：
使用多光束背光提供具有与多视图图像的不同视图方向对应的具有不同主要角度方向的多个光束，所述多光束背光包括被配置为提供要在所述多光束背光中被引导的光作为被引导的光的光源，所述被引导的光具有非零传播角度和根据预定的准直因子被准直中的一者或两者，其中，所述被引导的光的非零传播角度和准直因子中的一者或两者被配置为调整所述头部追踪多视图显示器中的多个光束的发射模式，以提供指向第一位置的用户的光束的发射模式和指向偏离第一位置的第二位置的用户的光束的发射模式，
使用多视图显示器提供场景的多个视图，所述多个视图包括场景的主视图集合和辅视图，所述辅视图表示与所述主视图集合在角度上相邻的场景的透视图；以及
确定用户相对于所述多视图显示器的位置，所述多视图显示器在当用户被确定处于第一位置时选择性地提供所述主视图集合，并且当所述用户被确定处于第二位置时选择性地提供增强视图集合，
其中增强视图集合包括辅视图和主视图集合的视图的子集的增强视图集合。
16.根据权利要求15所述的多视图显示器操作的方法，其中，提供多个视图包括：
沿着光导的长度在传播方向上引导光；以及
使用多光束元件将被引导的光的一部分耦合输出所述光导，以提供具有与所多视图显示器的各个不同视图方向相对应的具有不同主要角度方向的多个耦合输出光束；以及
使用多个光阀来调制所述多个耦合输出光束以提供场景的多个视图作为多视图图像，
其中，所述多光束元件的尺寸是在所述多个光阀的光阀的尺寸的百分之五十和百分之二百之间。
17.根据权利要求16所述的多视图显示器操作的方法，其中，所述多光束元件包括光学地连接至所述光导以耦合输出被引导的光的一部分的衍射光栅、微反射元件和微折射元件中的一个或多个。
18.根据权利要求16所述的多视图显示器操作的方法，其中，确定用户的位置包括：
使用相机捕捉所述用户的图像；以及
使用图像处理器确立在所捕捉的图像内的所述用户的位置，所确立的位置对应于确定的第一位置和确定的第二位置中的一个。
19.根据权利要求15所述的多视图显示器操作的方法，还包括使由所述多视图显示器发射的光的发射模式倾斜以对应于确定的所述用户的位置。
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