CN108351468A - 使用移位多束元件对多视图显示器的角子像素渲染 - Google Patents

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Abstract

一种多视图显示器，包含背光体和用于形成多个多视图像素的屏幕。每个多视图像素包含多组光阀。背光体包含光源，该光源光学耦合到配置有多个多束元件的板光导。每个多束元件对应于一组光阀，并且在空间上相对于该组光阀的中心向多视图像素的中心偏移。多个多束元件还配置为从板光导耦合出具有不同角度和角偏移的光，使得耦合出的光束的至少一部分交织并且在多视图显示器的不同视向上传播。

Description

使用移位多束元件对多视图显示器的角子像素渲染
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年9月5日提交的美国临时专利申请序列号62/214，970、2016年6月8日提交的国际(PCT)申请号PCT/US2016/36495、以及2016年6月30日提交的国际(PCT)申请号PCT/US2016/40584的优先权并且通过引用并入其全部内容。
背景技术
电子显示器是用于向各种各样的设备和产品的用户传递信息的几乎无处不在的媒介。最常见的电子显示器是阴极射线管(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)和主动式矩阵OLED(AMOLED)显示器、电泳显示器(EP)和采用了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)等。通常，电子显示器可以被分类为主动式显示器(即，发光的显示器)或被动式显示器(即，对由另一个源提供的光进行调制的显示器)。主动式显示器的最明显的示例是CRT、PDP和OLED/AMOLED等。在考虑发光时通常被归类为被动式的显示器是LCD和EP显示器。被动式显示器尽管经常表现出有吸引力的性能特性(包括但不限于固有的低功耗)，但由于缺乏发光能力，可能在许多实际应用中发现某种程度上有限的使用。
为了克服被动式显示器的与发光相关联的限制，将许多被动式显示器耦合到外部光源。耦合的光源可以允许这些原本为被动式的显示器发光并且基本上用作主动式显示器。这样的耦合的光源的示例是背光体。背光体是被放置在原本为被动式的显示器后面以对被动式显示器进行照明的光源(通常为“板”光源)。例如，背光体可以耦合到LCD或EP显示器。背光体发出穿过LCD或EP显示器的光。由背光体发出的光由LCD或EP显示器调制，然后经调制的光继而从LCD或EP显示器发出。通常，背光体被配置为发出白光。然后，使用彩色滤光片(Color filter)将白光变换为显示器中使用的各种颜色。例如，彩色滤光片可以被放置在LCD或EP显示器的输出处(较不常见)、或者放置在背光体与LCD或EP显示器之间。
附图说明
参考以下结合附图中所示出的各种示例的详细描述，可以更容易地理解根据本文所描述的原理的示例和实施例的各种特征，其中，相同的附图标记指定相同的结构元件，并且其中：
图1A图示了由示例性多视图显示器产生的多视图图像的透视图。
图1B图示了从多视图显示器出射的光束的角分量的图形表示。
图2A图示了示例性多视图显示器的等距视图。
图2B图示了图2A中所示的多视图显示器沿线I-I的横截面图视图。
图2C图示了图2A中所示的多视图显示器的分解等距视图。
图3图示了图2B中所示的多视图显示器在有光耦合到多视图显示器的板光导中情况下的横截面视图。
图4图示了全内反射的示例。
图5A-图5B图示了透射模式和反射模式多束元件的示例的横截面视图。
图5C-图5D图示了包含多个衍射光栅的透射模式和反射模式多束元件的示例的横截面视图。
图6A-图6C图示了微结构多束元件的示例的横截面视图。
图7图示了多视图显示器的各组光阀和对应的空间上偏移的多束元件的平面视图。
图8A图示了包括四组光阀的示例性多视图像素和对应的空间上偏移的多束元件的平面视图。
图8B图示了图8A中所示的多视图像素沿线II-II的横截面视图。
图9A图示了作为三维(3D)对象的示例的字母“R”。
图9B图示了图9A中所示的3D字母“R”字母的一系列二维(2D)图像。
图10图示了对应于图9B中的八个不同的2D图像的区域的示例性各组像素的放大视图。
图11图示了多视图显示器的三个相邻多视图像素的截面视图。
图12图示了从多视图显示器的多视图像素的各组光阀中的光阀出射的定向像素。
图13图示了显示多视图图像的方法的流程图。
某些示例和实施例可以具有除了以上参考附图中所示出的特征之外且替代这些特征中的特征的其他特征。下面参考上述附图描述这些和其他特征。
具体实施方式
根据本文所描述的原理的示例和实施例提供了使用移位多束元件在多视图显示器中的角(angular)子像素渲染。如本文所描述的，多视图显示器是配置为提供多视图图像在不同的视向上的多个不同视图的电子显示器或显示器系统。特别地，在术语“多视图图像”中使用的术语“多视图”是指表示不同透视图或包含许多不同视图的视图之间的角度差异的多个或若干个视图。此外，术语“多视图”包含多于两个不同的视图(即，最少三个视图并且一般多于三个视图)。如此，“多视图显示器”区分于立体显示器，该立体显示器仅仅提供或显示两个不同的视图来表示场景或图像。然而注意，尽管多视图图像和多视图显示器包含多于两个视图，但是可以通过一次仅选择观看多视图视图中的两个视图(例如，每个眼睛一个视图)将多视图图像作为一对立体图像来观看(例如，在多视图显示器上)。
根据各种实施例，多视图显示器包括带有多个多视图像素的屏幕。每个多视图像素包括多组光阀。另外，多视图显示器包含背光体，该背光体包括光学耦合到板光导的光源，该板光导配置有多个多束元件。每个多束元件对应于一组光阀，并且每个多束元件的尺寸与该组光阀中的光阀的尺寸相当。用于描述多束元件和光阀的术语“尺寸”可以例如是长度、宽度或面积等。此外，每个多束元件相对于对应组光阀的中心在空间上偏移，或等效具有空间偏移。特别地，通常多束元件可以在空间上向多视图像素的中心偏移。在一些实施例中，多束元件的形状类似于多视图像素的形状。
在各种实施例中，多视图像素的各组光阀对由对应的多束元件从背光体耦合出的光进行调制。多束元件的空间偏移创建了从该组光阀出射的经调制光束的角偏移。作为角偏移的结果，从与每个多视图像素相关联的各组光阀中出射的经调制的光束在距离屏幕的观看距离处交织以创建多视图图像。根据本文所描述的原理的各种实施例，具有交织的经调制光束的多视图显示器可以提供多视图图像，该多视图图像具有被感知为高于多视图显示器的“固有”分辨率的分辨率，即，该分辨率高于在没有交织的光束情况下的多视图显示器的分辨率。特别地，根据各种实施例，感知到的高于固有分辨率是由多视图显示器提供的与交织的经调制光束相关联的角子像素渲染的结果。
图1A示出了由示例性多视图显示器100产生的多视图图像的透视图。如图1A所示出的，多视图显示器100可以同时显示多个图像。每个图像从不同的视向(view direction)或视角提供场景或物体的不同视图。在图1A中，视向是由在各种不同的主角方向上从多视图显示器100延伸的箭头示出的。不同的视图是由在箭头的终端处的阴影多边形面板示出的。例如，在图1A中，四个多边形面板102-105表示多视图图像从不同的相对应的视向106-109的四个不同视图。假设多视图显示器100用于显示物体的多视图图像(例如，如下面关于图9A-9B所示出的三维字母“R”)。在观看者在方向106上观看多视图显示器100时，观看者看到物体的视图102。然而，在观看者从方向109观看多视图显示器100时，观看者看到相同物体的不同的视图105。注意到，为了简化图示，在图1A中将不同的视图示出为在多视图显示器100上方。在实践中，不同的视图实际上同时显示在多视图显示器100的屏幕上，使得观看者能够通过简单地改变观看者对多视图显示器100的视向来从不同的视向观看物体或场景。
视向或等效地具有与多视图显示器的视向相对应的方向的光束一般具有由角分量(α,β)给定的主角方向。角分量α称为光束的“仰角分量”或“仰角”。角分量β被称为光束的“方位角分量”或“方位角”。仰角α是垂直平面(例如，与多视图显示器的屏幕的平面垂直)中的角度，而方位角β是水平面(例如，与多视图显示器的屏幕的平面平行)内的角度。
图1B示出了从多视图显示器100上的点发出或出射的光束110的角分量(α,β)的图形表示，该光束110具有与一视向(诸如图1A中的视向108)相对应的特定主角方向。光束110具有与多视图显示器100内的特定原点“O”相关联的中心射线。
图2A示出了示例性多视图显示器200的等距视图。图2B示出了多视图显示器200沿图2A中的线I-I的横截面视图。图2C示出了多视图显示器200的分解等距视图。如图2A-2C所示出的，多视图显示器200包括背光体202和屏幕204，该屏幕204继而包括光阀阵列。如所示出的，光阀阵列中的光阀由正方形表示。例如，光阀由正方形206表示。背光体202包括板光导208和光学耦合于该板光导208边缘的光源210。由光源210产生的光沿着板光导208的与光源210相邻的边缘耦合到板光导208中。
板光导208可以是具有分别为基本上平坦的、平行的第一和第二表面212和214的板或平板光学波导。板光导208可以包括若干不同的光学透明材料中的任意一种或者包括各种介电材料中的任意一种，包括但不限于：各种类型的玻璃(诸如二氧化硅玻璃、碱金属铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃)以及基本上光学透明的塑料或聚合物(诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)或丙烯酸玻璃、以及聚碳酸酯)中的一种或多种。在一些实施例中，板光导208可以包含在板光导208的表面的至少一部分上的包覆层(未示出)以进一步便于全内反射(TIR)。
光源210可以包括一个或多个光学发射器。光学发射器可以是发光二极管(LED)、激光器、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管、等离子体光发射器、荧光灯、白炽灯和任何其他光源。由光源210产生的光可以具有特定的波长(即，可以是特定的颜色)，或者可以跨越或包含一波长范围(例如，白光)。在一些实施例中，光源210可以包含多组光学发射器，其中每组光学发射器产生特定波长或波长范围的光，该特定波长或波长范围不同于由其他组光学发射器产生的波长或波长范围。例如，光源210可以包括多组光学发射器，其中每一组一个或多个光学发射器产生基色(例如，红、绿和蓝)中的一种。
如图2A-2C所示出的，光阀阵列被分区为由虚线正方形划分的各组光阀。在图2A-2C的示例中，每组光阀包括十六个光阀的四乘四子阵列。例如，一组光阀216包括由虚线正方形划分的光阀的四乘四阵列。每组光阀对应于板光导208的一个多束元件218。在图2A-2C的示例中，多束衍射光栅218由在板光导208的第一表面212上的阴影块(patch)表示。根据各种实施例，每个多束元件218的尺寸与光阀206的尺寸相当。例如，多束元件218的尺寸可以处于光阀206的尺寸的约一半与约二倍之间，例如，参见下面的公式(2)。
注意到，虽然本文参考如图2A-2C所示的包括光阀的四乘四子阵列(即，十六个光阀的子阵列)的各组光阀来示出和描述多视图显示器的示例和实施例，但是，用于形成各组光阀的光阀的数目可以为光阀的N乘N子阵列，其中N是大于或等于二的整数。各组光阀也可以是光阀的矩形N乘M子阵列，其中N是大于或等于二的整数，并且M是大于或等于零的整数。
可以对各组光阀进行分组，以形成多视图像素阵列的多视图像素。“多视图像素”是在多视图显示器的相似多个不同视图中的每一个视图中表示“视图”像素的多组光阀。特别地，多视图像素可以具有对应于或表示多视图图像的不同视图的每个视图中的视图像素的多组光阀。此外，多视图像素的各组光阀是所谓的“定向像素”，在于各组光阀中的每组光阀是与不同视图中的对应一个视图的预定视向相关联的。另外，根据各种示例和实施例，由多视图像素的各组光阀表示的不同的视图像素可以在不同视图的每一个中具有等效的或至少基本相似的位置或坐标。例如，图2A和2C中所示出的屏幕204的二十四组光阀可以被分组以形成六个多视图像素的阵列，每个多视图像素包括四组光阀的二乘二阵列。在图2C中，包括四组光阀的二乘二阵列的示例性多视图像素由虚线正方形220描画轮廓。在某些实施例中，多视图像素阵列的多视图像素可以由九组光阀的三乘三阵列、十六组光阀的四乘四阵列和二十五组光阀的五乘五阵列形成。在其他的实施例中，多视图像素阵列的多视图像素可以由各组光阀的矩形阵列形成。通常，多视图像素阵列的多视图像素可以由K×L组光阀的K乘L阵列形成，其中K是大于或等于二的整数并且L是大于或等于一的整数。
图3示出了多视图显示器200的横截面视图，其中由光源210产生的光302被输入到或被耦合到板光导208中。光302以相对于板光导208的第一和第二表面212和214的非零传播角(例如，约30-35度)被耦合到板光导208中。多视图显示器200可以包含一个或多个透镜、反射镜或类似的反射器(例如，倾斜的准直反射器)，并且一个或多个棱镜(未示出)可以被用于将由光源210产生的光以非零传播角耦合到板光导208中。光302可以作为准直光302(例如，作为光302的准直光束)输入到板光导208中。光302在准直光束内被准直的程度由用σ表示的准直因子表示。准直因子定义了光线在准直光束内的角扩展。例如，准直因子σ可以指定准直光302的准直光束中的大部分光束在特定角扩展(例如，关于准直的引导光束的中心或主角方向的+/-σ度)之内。准直光302的光线在角度方面可以具有高斯分布，并且角扩展可以是由准直光束的峰值强度的一半确定的角度。
板光导208根据TIR以非零传播角在板光导208的第一表面212和第二表面214之间引导光302。图4示出了可以在板光导208内传播并且入射到板光导208的表面402(例如，表面402可以是第一表面212或第二表面214)的相同点的两束光的轨迹。如所示出的，表面402是板光导208和空气(或另一材料)404之间的边界，空气(或另一材料)404具有比板光导208低的折射率。点划线406表示表面402的法线方向，并且θC指示相对于法线方向406的临界角。入射角是相对于法线方向406测量的。以大于临界角度θC入射在表面402上的光经历TIR。例如，因为由方向箭头408表示的光以大于临界角θC的角度入射在表面402上，所以光如方向箭头410所表示的内部地反射。如方向箭头412所表示的以小于临界角θC的角度入射在表面402的光如方向箭头414所表示的透射过表面402。
根据一些实施例，多束元件218可以包括被配置为对入射光进行衍射的衍射光栅。特别地，多束元件218可以包括以周期性或准周期性方式布置的多个衍射特征。例如，多束元件218可以包含布置成一维(1D)阵列的多个衍射特征(例如，材料表面中的多个凹槽或脊)。在其他的示例中，多束元件218可以是衍射特征的二维(2D)阵列。多束元件218可以是板光导208的材料表面上的凸块或材料表面内的孔洞的2D阵列。多束元件218可以使用许多不同的微制造技术中的任何一种来形成，其包含但不限于湿法蚀刻、离子铣削、光刻、各向异性蚀刻和等离子体蚀刻。
当光从板光导208内入射到多束元件218上时，包括衍射光栅的多束元件218通过从板光导208穿过多束元件218衍射地耦合出光，来提供透射衍射。在本文中定义，将配置为穿过多束元件218来透射衍射光的多束元件218称为“透射模式”多束元件。另一方面，在本文中定义，将配置为既衍射又反射入射光(反射衍射)的多束元件218称为“反射模式”多束元件。通常，多束元件也通过或使用衍射(即，以衍射角)来重定向或改变光的角度。特别地，衍射使得从多束元件218耦合出的光以与入射到多束元件上的光(即，入射光)的传播方向不同的传播方向传播。通过衍射改变光的传播方向上被称为“衍射重定向”。结果，多束元件218可以被理解为包括衍射特征的结构，该衍射特征衍射地重定向入射在多束元件218上的光，并且如果在板光导208内传播的光入射在多束元件上，多束元件218还可以从板光导208衍射地耦合出光。由多束元件从板光导208衍射地散射出的光的形式取决于衍射特征的结构和配置。
在一些实施例中，多束元件218可以包括在整个衍射光栅中具有基本恒定或不变的衍射特征间隔的衍射光栅。图5A图示了透射模式多束元件502的横截面图，该透射模式多束元件502配置为具有在板光导208的第一表面212中形成的基本恒定或不变的衍射特征间隔的衍射光栅。衍射特征间距d跨多束元件502恒定或不变。入射在多束元件502上的光穿过多束元件502而被衍射地透射出或衍射地耦合出板光导208，并且多束元件502称为“透射模式”多束元件502。衍射特征间隔d可以是子波长(即，小于光的波长)。
考虑与多束元件502相互作用的特定波长λ的光。当光从多束元件502出射时，通过衍射特征，在不同的方向上透射和散射光，但是因为光波以不同的相位从多束元件502中出射，所以这些波相长干涉且相消干涉，从而在这些波相长干涉处创建光束。例如，当从相邻衍射特征出射的波之间的路径差是波长的一半(即，λ2)时，这些波不同相位地出射并且可以通过相消干涉而被抵消。另一方面，当从相邻衍射特征出射的波之间的路径差等于波长λ时，这些波相长干涉创建了具有最大强度的出射光束。从多束元件502以最大强度出射的光在图5A中由方向箭头504表示，并且每个光束从多束元件502相对于第一表面212的法线方向506出射的衍射角可以根据衍射公式来计算：
其中
m是衍射顺序(即，m＝…,-2,-1,0,1,2,…)；
n是板光导208的折射率；
θi是光相对于法线方向506的入射角；以及
θm是从板光导208衍射地耦合出的第m个光束相对于法线方向506的衍射角。
在图5B中图示的另一示例中，多束元件508可以是形成在板光导208的第二表面214中的衍射光栅。多束元件508包含反射涂层510，反射涂层510诸如银、铝或另一反射材料，其填充衍射光栅的衍射特征和凹槽以创建“反射模式”多束元件508。衍射光栅创建衍射光512，该衍射光被反射涂层510反射向第一表面212并且作为衍射地耦合出的光514出射。由于板光导208与周围空气的折射率之间的差异，从板光导208沿第一表面212出射的光514被折射。衍射特征可以配置为考虑折射。在其他的实施例中(未图示)，多束元件218可以是位于板光导208的第一表面212和第二表面214之间的衍射光栅。
根据一些实施例，多束元件218可以包括啁啾(chirp)衍射光栅。根据本文的定义，啁啾衍射光栅的衍射特征间隔在啁啾衍射光栅的延伸或长度上是变化的。在一些实施例中，啁啾衍射光栅可以具有或呈现随距离线性变化的衍射特征间隔的啁啾。因此，根据本文的定义，啁啾衍射光栅是一种“线性啁啾”衍射光栅。在其他的实施例中，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，包含但不限于：指数啁啾、对数啁啾或以另一种基本上不均匀或随机但仍然以单调的方式变化的啁啾。也可以采用非单调啁啾，诸如但不限于：正弦啁啾或三角啁啾或锯齿啁啾。也可以采用任何非线性啁啾的组合。
在一些实施例中，多束元件218可以包括具有变化衍射特性的多个衍射光栅。图5C图示了包括多个衍射光栅518-521的示例性多束元件516的横截面视图。图5D图示了包括多个衍射光栅526-532的示例性多束元件524的平面视图。图5C中的截面图可以表示穿过多束元件516的四个衍射光栅518-521的横截面图。如图5C所示，多束元件516的多个衍射光栅518-521设置在板光导208的第一表面212处，每个衍射光栅具有不同的特征间隔d。此外，如图所示，在多束元件516内，第一衍射光栅518独立于并且与第二衍射光栅519相邻。多束元件516和524的尺寸在图5C和5D中都用s表示，而衍射多束元件524的边界在图5D中用虚线表示。
根据一些实施例，衍射光栅在多束元件内的有差别的密度可以配置为控制由多束元件516和524的相应不同衍射多束元件衍射耦合出的光的相对强度。换言之，衍射多束元件516和524可以在其中具有不同的衍射光栅密度，并且可以配置不同的密度(即，衍射光栅的有差别的密度)以控制耦合出的光的相对强度。特别地，在多个衍射光栅内具有较少衍射光栅的衍射多束元件516可以产生具有比具有相对较多衍射光栅的另一多束元件更低强度(或光束密度)的耦合出的光。例如，衍射光栅的有差别的密度可以使用多束元件524内的缺少或不具有衍射光栅的位置来提供，诸如图5D中示出的位置533和534。多束元件516和524也可以形成在板光导208的第二表面214中，其中反射材料填充凹槽并覆盖衍射特征以形成包括多个衍射光栅的反射模式多光束元件，如上参考图5B所述。
根据其他的实施例，多束元件218可以包括微折射元件。图6A图示板光导208的横截面视图，其中多束元件602包括微折射元件。根据各种实施例，微折射多束元件602配置为跨不同的角度从板光导208折射地耦合出光302的一部分，作为耦合出的光604。微折射多束元件602可以具有各种形状中的任何形状，包含但不限于半球形、矩形或棱柱形(即，具有倾斜切面(facets)的形状)。根据各种实施例，如图所示，微折射多束元件602可以延伸或突出到板光导208的第一表面212之外，或者可以是第一表面212中的腔或凹处(未图示)。在一些实施例中，微折射多束元件602可以包括作为板光导208的材料。在其他实施例中，微折射多束元件602可以包括与第一表面212相邻并且在一些示例中与第一表面212接触的另一种材料。
根据其他实施例，多束元件218可以包括微反射元件。图6B图示了板光导208的横截面图，其中多束元件608包括沿第二表面214定位的棱镜形的微反射元件。图6C图示了板光导208的横截面图，其中多束元件610包括沿第二表面214定位的半球形微折反射元件。微反射多光束元件608和610可以包含但不限于采用反射材料或反射材料的层(例如，反射金属)的反射器或基于TIR的反射器。在其他实施例中(未图示)，微反射多束元件可以位于板光导208内在第一表面212和第二表面214之间。
特别地，图6B图示了配置有在板光导208内延伸的反射切面的棱镜形微反射多束元件608。棱镜微反射多束元件608的切面配置成将光612的一部分反射(即，反射地耦合)到板光导208外。切面可以相对于光302的传播方向是斜的或倾斜(即，具有倾斜角)以将光部分反射出板光导208。根据各种实施例，切面可以使用反射材料在板光导208内形成(例如，如图6B所示)，或者可以是第二表面214中的棱镜腔的表面。例如，当采用棱镜腔时，腔表面处的折射率改变可以提供反射(例如TIR)，或者形成切面的腔表面可以涂覆反射材料以提供反射。
在图6C中，所示的半球形微反射元件610具有基本光滑的弯曲表面。取决于光302与弯曲表面形成的入射点，半球形微反射多束元件610的表面曲率(curvature)反射光302的一部分。图6C中的半球形微反射多束元件610可以是在板光导208内延伸的反射材料或形成在第二表面214中的腔(例如，半圆形腔)，如图6C所示。注意到，在图6B和6C中，当耦合出的光616和618出射第一表面212进入空气(或类似的周围材料)中时，反射光612和614的主角方向通常由于折射率的改变而被折射。
如上参考图2C所述，多视图像素的阵列可以由各组光阀的阵列形成。与多视图像素的每组光阀相关联的多束元件可以在空间上向多视图像素的中心偏移。
图7图示了多视图显示器700的示例性十六组光阀和对应的多束元件的平面视图。如所示的，多视图显示器700中的每组光阀包括由虚线正方形划分的光阀的四乘四阵列。例如，一组光阀702包括光阀的四乘四阵列。在图7中，将示例性十六组光阀分组以形成四个多视图像素，每个多视图像素包括四组光阀的二乘二阵列。例如，将四组光阀702-705分组以形成多视图像素706。图7包含由四组光阀702-705形成的多视图像素706的放大视图。多视图像素706的放大视图揭示了与对应的各组光阀702-705相关联的四个多束元件708-711在空间上向多视图像素706的中心712偏移。
根据各种实施例(例如，如图7所示)，多束元件(例如，图示的多束元件708-711)的尺寸与光阀的尺寸相当。术语“尺寸”可以是长度、宽度或面积。多束元件的尺寸可以由多束元件的一侧的长度s或由多束元件的面积s×s给定(在图5-图6中，多束元件的尺寸由s表示)。在图7中，光阀的长度由dx表示，并且光阀的尺寸可以由光阀的长度dx或由光阀的面积(例如，dx×dx)给定。根据本文的定义，多束元件的尺寸与光阀的尺寸“相当”，在于多束元件尺寸是多视图像素中的光阀的尺寸(例如，dx)和光阀组的数量两者的函数。例如，对于多视图像素中光阀组的p乘p阵列，多束元件尺寸可以由光阀尺寸dx除以p的约一半(即，p/2)给定。这样，对于多视图像素中的光阀组的二乘二(2×2)阵列(例如，如图7和8A所示)，多束元件的尺寸可以在光阀尺寸的约百分之二十五(25％)和至约百分之一百(100％)之间。换言之，根据一些实施例，相对于光阀的尺寸dx的多束元件的尺寸可以满足以下条件：
在其他示例中，例如对于示例二乘二阵列，多束元件尺寸大于光阀尺寸的约百分之三十(30％)，或者光阀尺寸的约百分之四十(40％)，或者大于光阀尺寸的约百分之五十(50％)，并且多束元件小于光阀尺寸的约百分之一百(100％)，或小于光阀尺寸的约百分之八十(80％)，或小于光阀尺寸的约百分之七十(70％)，或者小于光阀尺寸的约百分之六十(60％)。因此，通过“尺寸相当”，对于光阀组的2×2阵列，多束元件尺寸可以在光阀尺寸除以二的约百分之七十五(75％)至约一百五十(150％)之间。在另一个示例中，多束元件在尺寸上可以与光阀相当，其中该多束元件尺寸在光阀尺寸除以p的一半的约百分之一百二十五(125％)至约百分之八十五(85％)之间，p是多视图像素内的光阀组的p乘p阵列中的光阀组的数量。根据一些实施例，可以选择多束元件和光阀尺寸的相当尺寸，以减少(或者在一些示例中最小化)多视图显示器的视图之间的暗区，同时减小(或者在一些示例中最小化)多视图显示器的视图之间的重叠。
在图7的示例中，每个多束元件708-711在空间上在x方向和y方向上向多视图像素的中心偏移距离δ，其中距离δ可以是光阀的尺寸或长度dx的取正或取负(例如，-dx≤δ≤dx)。例如，如图7所示，对于光阀组的2×2阵列，空间偏移距离δ可以是约dx除以2(dx/2)的取正或取负。多视图显示器700的平面视图还揭示了：对应于三个其他的多视图像素716-718的四组光阀的四个多束元件也在空间上向该三个多视图像素716-718的中心偏移。每个四乘四的光阀组(诸如光阀组702-705)创建十六个不同的视图。结果，多视图像素706、716-718中的每一个以大约4×dx的分辨率创建64个视图。在其他实施例中，多束元件的从对应组光阀的中心向多视图像素的中心的空间偏移的距离可以仅在x方向和y方向中的一个方向上。注意到，图7并非旨在提供多束元件708-711和光阀(例如光阀716-718)的相对尺寸的比例描绘，而是代替地仅提供各种所示元件的某些相关方面。
多束元件相对于多视图像素的对应的各组光阀的空间偏移配置为，向从板光导的耦合出的光提供除了由多束元件本身提供的不同的角度之外的角偏移(或倾斜)。图8A图示了示例性多视图像素800的平面视图，该示例性多视图像素800包括由虚线正方形标识的四组光阀802-805以及四个对应的多束元件806-809。图8B图示了多视图像素800沿图8A所示的线II-II的横截面视图。在图8A中，多束元件806-809配置为以不同角度从板光导208耦合出光。此外，如方向箭头812所指示的，所示的多束元件806-809在空间上向多视点像素800的中心810偏移。在图8B中，如方向箭头816和817所表示的，在板光导208中传播的光302入射在多束衍射光栅807和808上。如以上参考图5A-图5D和图6A-图6C所述，多束元件807和808配置为耦合出具有不同角度的光。注意到，图8并非旨在提供多束元件806-809和光阀(例如光阀716-718)的相对尺寸的比例描绘，而是代替地仅提供各种所示元件的某些相关方面。
在图8B中，方向箭头818表示从多束元件807耦合出的光的路径。具有由方向箭头818表示的路径的耦合出的光穿过该组光阀803中的光阀。此外，在图8B中，方向箭头819表示从多束元件808耦合出的光的路径。如所示的，具有由方向箭头819表示的路径的耦合出的光穿过该组光阀804中的光阀。多束元件(或等效于虚拟光源)的空间偏移创建了相对于耦合出的光到屏幕204的、位于每组光阀中心处的法线方向的角偏移dθ。通常，角偏移dθ基本上相等地施加到与特定组光阀相关联的耦合出的光的所有光束。例如，在图8B中，点划线820和821分别表示在各组光阀803和804的中心处的屏幕204的法线方向。点划线823表示多束元件807的中心的法线方向。由多束元件807以不同角度耦合出的光相对于法线方向823由φ表示，并且包含相对于该组光阀803的法线方向820的角偏移dθ。在其中多束元件807和808配置为上面参考图5A-图5D所述的衍射光栅的某些实施例中，不同的角度是衍射角(即，φ＝θm)。
如图8B所示，从多视图元件耦合出的光穿过对应组光阀中的光阀。从多视图像素的各组光阀中出射的经调制光束在超出屏幕204的距离处交织。可以对各组光阀中的光阀进行调制以创建以上参考图1A所描述的和以下参考图9-图12所描述的多视图图像的不同视图。
图9-12示出使用多视图像素的各组光阀投射多视图图像的不同视图。图9A示出作为要被投射在多视图图像的不同视图中的三维(3D)物体的示例的字母“R”。字母R存在于xy平面内，并在z方向上突出。标记为1-8的方向箭头表示沿着存在于xz平面内的曲线902的、3D字母R的八个不同的视向。图9B示出了标记为1-8的3D字母“R”的一系列八个不同的二维(2D)图像。每个2D图像显示在图9A中示出的字母R的八个不同的视图中的一个。图9B的图像1-8表示当观看者的眼睛904沿曲线902在对应的视向上观看3D字母R时观看者将会看到的字母R的离散视图。换言之，图像1-8沿曲线902形成2D字母R的多视图图像。例如，图9B的2D图像3显示了字母R在图9A的视向3上的视图。该系列图像1-8是连续的，或者是以对应于图9A的图像1-8的视向在空间上连续布置的。例如，观看者注意力从图9B中的图像3改变到图像2或4中的任一个等效于图9A中的视向3改变到视向2或4的中的任一个。
图9B中示出的2D图像中的每一个包括一组像素。每个像素在图像中具有强度和对应的地址或坐标位置(例如，像素等于(x,y,像素强度))。图10示出了对应于图9B的图像1-8的区域911-918的示例性八组像素1001-1008的放大视图。例如，图10的像素组1001是图9B中图像1的区域911中的像素的放大视图。在图10中，各组像素1001-1008在图9B的对应的图像1-8中具有相同的地址或坐标位置。例如，像素组1001中标记为1a、1b和1c的三个相邻像素具有与像素组1005中标记为5a、5b和5c的三个相邻像素相同的坐标(x，y)。为简化起见，在图10的示例中，像素的强度是二元的(即，黑色和白色)，其中散列标记(hash-marked)的像素对应于图9B的区域911-918中字母R的边缘。在其他的实施例中，像素可以是彩色像素，诸如红色、绿色和蓝色，并且可以对强度进行调制以控制从每个像素发出的光量。
图11示出了如上所述的多视图显示器200的三个相邻多视图像素1101-1103的横截面视图，并且示出了将2D图像的像素强度分配给多视图像素的光阀。虚线1104和1105表示在多视图像素1101-1103之间的边界。点划线1106-1108表示构成多视图像素1101-1103的各组光阀之间的边界。例如，多视图像素1101包括一组光阀1109和一组光阀1110。图11示出将图10中所示出的三个相邻像素的像素强度分配到多视图像素1101-1103的各组光阀中的一行光阀。如图11所示的，在图像1-8中具有相同坐标的三个相邻像素中的像素被分配到相同的多视图像素图像。例如，在图11中，像素1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a和8a在图10的图像1-8中具有相同的坐标，并且都被分配到多视图像素1101。像素1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b和8b在图像1-8中具有相同的坐标并被分配到多视图像素1102。像素1c、2c、3c、4c、5c、6c、7c和8c在图像1-8中具有相同的坐标并被分配到多视图像素1103。连续图像中具有相同坐标的像素的强度按交替顺序分配到多视图像素的各组光阀中的光阀。方向箭头(诸如方向箭头1112-1115)表示交替顺序，其中分配到多视图像素1102的像素的强度被分配到两组光阀1109和1110中的光阀。例如，方向箭头1112表示将图像1中的像素1b的像素强度分配到该组光阀1109中的第一像素。方向箭头1113表示将图像2(相邻于图像1)中的像素2b的像素强度分配到该组光阀1110中的第一像素。方向箭头1114表示将图像1中的像素3b的像素强度分配到该组光阀1109中的第二像素。方向箭头1115表示将图像2中的像素4b的像素强度分配到该组光阀1110中的第二像素。可以通过对光阀的强度进行调制将图像1-8中的像素的强度分配到一组光阀中的光阀，以基本上匹配像素的强度。例如，调制各组光阀1109和1110中的光阀1116和1117，以基本上分别匹配像素1b和6b的强度。
从板光导的多束元件衍射地耦合出的光传播到对应的一组光阀。透射过一组光阀的经调制光阀的光创建远离于多视图显示器200的屏幕204而传播的经调制光束。由如上参考图11所述的多视图像素的各组光阀所创建的某些经调制光束远离于屏幕204而交织，从而在多视图图像中创建图像的定向像素。
图12示出从图11的多视图像素1102的各组光阀1109和1110的光阀出射的定向像素。如上参考图8A-8B所述，多束元件1201和1202从对应组光阀1109和1110衍射地耦合出光。实线方向箭头1204表示衍射地耦合出来的光，其从如上参考图11所述的该组光阀1109中的光阀作为调制光束而出射。虚线方向箭头1206表示衍射地耦合出来的光，其从如上参考图11所述的该组光阀1110中的光阀作为调制光束而出射。如图12所示出的，对应于像素2b、3b、4b、5b、6b和7b的定向像素在观看距离1208内交织。在观看距离1208内，对应于像素1b和8b的经调制光束可以不与从该组光阀1109和1110输出的其他经调制光束交织。换言之，在观看距离1208内，对应于该系列图像1-8中的第一图像和最后图像的像素的调制光束可以不与对应于该系列图像2-7中的图像的像素的经调制光束交织。从各组光阀1109和1110输出的调制光束的交织对像素重新排列，以在大约观看距离1208处匹配图像1-8的顺序。当观看者的眼睛1210在x方向上在屏幕204上移动时，来自经调制光束的光以与该系列图像1-8相同的顺序进入观看者的眼睛。在其他多视图像素以相同方式操作时，当观看者的眼睛从观看距离1208在屏幕204上移动时，观看者以连续顺序看见图像1-8，从而重新创建如上参考图1A所述的多视图图像体验。
图13示出了显示多视图图像的方法的流程图。在方框1301中，如上参考图2和图3所述，光学耦合到板光导的光源产生的光被光学耦合到板光导中。在方框1302中，如上参考图10和图11所述，将多视图图像的一系列二维(2D)图像的像素强度分配到多视图像素的多组光阀中的光阀。在方框1303中，如上参考图6所述，从板光导的多个多束元件衍射地耦合出在板光导中传播的光的一部分。如上参考图8和12所述，经调制光束具有不同的角度和角偏移，以便使经调制光束交织。在方框1304中，如上参考图12所述，根据所分配到的像素强度，在多视图像素的多组光阀的光阀处调制耦合出的光束。已交织和经调制的光束是对应于多视图图像的不同视图的定向像素。
应该理解的是，提供了所公开的实施例的先前描述，以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本公开。对于本领域技术人员而言，对这些实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可将本文定义的一般原理应用于其他实施例。因此，本公开并不旨在限于本文中所示出的实施例，而是应被赋予与本文中所公开的原理和新颖特征一致的最广泛范围。

Claims (20)

1.一种多视图显示器，包括：
具有多组光阀的多视图像素；以及
背光体，包括板光导和多个多束元件，所述板光导配置为引导光作为被引导的光，所述多个多束元件配置为耦合出所述被引导的光的一部分作为具有不同角度的耦合出的光，所述多个多束元件中的每个多束元件对应于所述多视图像素的不同一组光阀，并且每个多束元件具有相对于该组光阀的中心向所述多视图像素的中心的空间偏移，
其中所述多束元件的尺寸与所述多视图像素的各组光阀中的光阀的尺寸相当，并且其中所述耦合出的光的角偏移由每个多束像素的空间偏移提供，所述各组光阀配置为提供经调制的光束，作为所述耦合出的光的角偏移的结果，所述经调制的光束在所述多视图显示器的观看距离内交织以产生多视图图像的定向视图。
2.如权利要求1所述的多视图显示器，其中所述多个多束元件中的多束元件包括在所述板光导的表面处的衍射光栅，所述衍射光栅配置为衍射地耦合出所述被引导的光的一部分作为具有不同衍射角的耦合出的光。
3.如权利要求2所述的多视图显示器，其中所述衍射光栅包括线性啁啾衍射光栅。
4.如权利要求2所述的多视图显示器，其中所述衍射光栅包括多个衍射光栅。
5.如权利要求1所述的多视图显示器，其中所述多个多束元件中的多束元件包括微反射元件和微折射元件中的一个或两者，所述微反射元件配置为反射地耦合出所述被引导的光的一部分作为所述耦合出的光，并且所述微折射元件配置为折射地耦合出所述被引导的光的一部分作为所述耦合出的光。
6.如权利要求1所述的多视图显示器，其中所述多束元件的尺寸在所述各组光阀中的光阀的尺寸的百分之二十五至百分之一百之间。
7.如权利要求1所述的多视图显示器，其中所述多束元件的形状类似于所述多视图像素的形状。
8.如权利要求1所述的多视图显示器，其中所述多束元件位于所述板光导的第一表面处和所述板光导的第二表面处中的一个处，所述多束元件配置为穿过所述第一表面耦合出被引导的光部分。
9.如权利要求1所述的多视图显示器，还包括光学耦合到所述板光导的输入的光源，所述光源配置为提供具有非零传播角和根据预定准直因子被准直中的一个或两者的被引导的光。
10.如权利要求1所述的多视图显示器，其中相对于该组光阀的中心的空间偏移包括等于所述光阀的尺寸的一部分的距离。
11.一种多视图显示器，包括：
具有多个多视图像素的屏幕，每个多视图像素具有多组光阀；以及
具有多个多束元件的背光体，每个多束元件对应于一组光阀并且具有相对于对应组光阀的中心向多视图像素的中心的空间偏移，所述多束元件的尺寸与所述多视图像素中的各组光阀中的光阀的尺寸相当，
其中所述多个多束元件配置为从所述背光体耦合出光作为具有不同角度的耦合出的光，并且其中所述多束元件的空间偏移配置为提供所述耦合出的光的角偏移，使得所述各组光阀提供经调制的光束，所述经调制的光束在所述多视图显示器的观看距离内交织为多视图图像的定向视图。
12.如权利要求11所述的多视图显示器，其中所述背光体包括：
板光导，配置为引导光作为被引导的光，所述多个多束元件位于所述板光导的表面处；以及
光源，耦合到所述板光导的边缘，所述光源用以产生耦合入所述板光导的光作为所述被引导的光，
其中所述多束元件将耦合入的光的一部分耦合出所述板光导作为所述耦合出的光。
13.如权利要求12所述的多视图显示器，其中所述背光体还包括光学耦合到所述板光导的输入的光源，所述光源配置为提供具有非零传播角和根据预定准直因子被准直中的一个或两者的被引导的光。
14.如权利要求11所述的多视图显示器，其中所述多个多束元件中的多束元件包括衍射光栅，所述衍射光栅配置为从所述背光体衍射地耦合出光作为所述耦合出的光。
15.如权利要求14所述的多视图显示器，其中所述衍射光栅包括多个衍射光栅。
16.如权利要求11所述的多视图显示器，其中所述多个多束元件中的多束元件包括微反射元件和微折射元件中的一个或两者，所述微反射元件配置为从所述背光体反射地耦合出光作为所述耦合出的光，并且所述微折射元件配置为从所述背光体折射地耦合出光作为所述耦合出的光。
17.如权利要求11所述的多视图显示器，其中所述多束元件相对于该组光阀的中心的空间偏移包括等于所述各组光阀中的光阀的尺寸的一部分的距离。
18.一种显示多视图图像的方法，所述方法包括：
将由光源产生的光光学耦合入板光导；
将多视图图像的一系列二维(2D)图像的像素强度分配给多视图像素的多组光阀中的光阀；
从所述板光导的多个多束元件耦合出所述光的一部分，每个多束元件对应于一组光阀并且具有相对于该组光阀的中心向多视图像素的中心的空间偏移；以及
根据所分配的像素强度，使用所述多视图像素的多组光阀中的光阀来调制耦合出的光部分，
其中从所述光阀出射的经调制光束根据所述多束元件的空间偏移在距各组光阀的观看距离处交织以产生多视图图像的定向视图，并且其中多束元件的尺寸与所述多组光阀中的光阀的尺寸相当。
19.如权利要求18所述的方法，其中分配所述多视图图像的系列2D图像的像素强度包括：
将所述2D图像的具有相同像素坐标的像素分配到所述多视图像素；以及
以交替顺序将连续2D图像中具有相同像素坐标的像素的像素强度分配到所述多视图像素的多组光阀中的光阀。
20.如权利要求18所述的方式中，其中该系列2D图像中的每个2D图像属于一个或多个三维(3D)物体或3D场景的不同视图。
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