CN108428716A

CN108428716A - 增强现实显示系统

Info

Publication number: CN108428716A
Application number: CN201810145421.1A
Authority: CN
Inventors: 谢学军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2018-08-21

Abstract

本发明公开了一种增强现实显示系统，包括透明基板，在透明基板上形成的发光像素阵列以及在发光像素阵列上形成的微透镜阵列。微透镜阵列包括在相邻透镜元件之间具有间隔的多个透镜元件。当透明光场显示装置与稀疏微透镜阵列接近观看者的眼睛布置时，相邻透镜元件之间的空间允许观看者透过透明光场显示装置看到物体。

Description

增强现实显示系统

技术领域

本发明设计虚拟现实与增强现实显示系统，特别涉及一种便携光场近眼显示器与摄像机的装置。

背景技术

从个人计算机，笔记本电脑，智能手机，个人电子设备的进化趋势是设备尺寸变得更小，屏幕像素变得更多。人在更便携的设备上创造和接收更多的信息。个人电子设备的下一个进化方向是能在人眼前产生图像并记录图像的的头戴显示器。一种解决方案是结合光波导，微光栅和透镜将微显示的图像投影于人眼前，再结合分立的摄像头记录场景。这种解决方案只能显示和记录单焦平面的图像，光学损耗大，导致图像很难在阳光下被看清。人眼通过不同的焦平面或者光场来感知世界。固定焦平面的图像无法还原真实三维物体的光线。长时间的注视固定焦平面的图像会导致视觉不协调，导致近视和头晕。

光场显示器能分成两种类别，多焦平面系统和微透镜阵列系统。前者在多个焦平面上或者用可变透镜切换不同焦平面进行图像显示和记录。光场图像的质量取决于焦平面的数量。增加焦平面数量会增加设备尺寸。可变透镜比较笨重，且切换速率不够快。

微透镜阵列光场显示系统在人眼和微显之间放置微透镜阵列。微透镜阵列光场记录系统在感光器阵列表面放置微透镜阵列。每个微透镜覆盖多个像素来显示或者记录来自不同方向的光场。

限制微透镜光场显示的应用的主要因素有几个：首先，光场图像质量取决于像素尺寸。目前的液晶和有机发光微显示器技术不能创造非常小的像素来满足光场显示的要求。第二，紧密排列的微透镜阵列不透明。第三，所有目前的微显示器都是在不透明的硅衬底上。所以基于微透镜的光场显示器目前只能用于虚拟现实。观察者不需要透过显示器看到外界环境。当然，目前的微透镜光场显示器也可以结合增强现实光学系统把图像投影于用户眼前。最后，光场显示和记录需要大量的数据吞吐和处理。当前的可穿戴设备的电池，运算能力，储存能力，都无法满足需求。这会限制头戴光场显示设备的用户体验。

发明内容

本发明实施例提供了一种增强现实显示系统。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种透明光场显示装置，包括：透明基板，形成在所述透明基板上的透明发光像素阵列，和在所述发光像素阵列上形成的稀疏微透镜阵列；所述稀疏微透镜阵列包括多个透镜元件，所述多个透镜元件两两之间具有间隔；其中，当所述透明光场显示装置与所述稀疏微透镜阵列接近观看者的眼睛，相邻透镜元件之间的空间允许观看者透过光场显示装置看到物体。

可选的，所述多个稀疏透镜元件中的每一个的位置从矩形微透镜阵列中的相应标称位置随机地或伪随机地移位。

可选的，所述多个透镜元件中的每一个被随机地或伪随机地定位在所述微透镜阵列内。

可选的，所述透明基板是圆柱形表面的一部分。

可选的，将所述发光像素阵列和所述稀疏微透镜阵列通过移除衬底，从平面衬底转移到圆柱形衬底。

可选的，将所述发光像素阵列和所述稀疏微透镜阵列从平面衬底转移到可变形衬底；使所述可变形基板变形为圆柱形。

可选的，所述发光像素阵列的每个像素包括：

一个或多个发光元件；和用于一个或多个发光元件的控制电路。

可选的，所述控制电路包括从绝缘体上硅晶片转移的单晶硅膜。

可选的，所述控制电路包括沉积在所述发光元件上的半导体层。

可选的，所述一个或多个发光元件是氮化镓GaN发光二极管。

可选的，所述控制电路包括所述GaN发光二极管之间的GaN晶体管。

可选的，所述GaN发光二极管被离子注入绝缘区分开。

可选的，还包括在每个相应的GaN发光二极管上的波长转换元件。

可选的，所述发光像素阵列的每个像素包括：第一氮化镓GaN发光二极管，第二GaN发光二极管和第三GaN发光二极管；第一发光二极管和第三发光二极管的控制电路；以及相应的波长转换元件，以将来自第一发光二极管和第三发光二极管的蓝光、紫光或紫外辐射分别转换成红光，绿光和蓝光。

可选的，所述发光图像阵列的至少一个子集包括图像传感器元件，以检测从观看者的眼睛反射并通过所述稀疏微透镜阵列接收的光。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种透视镜片上系统SOL装置，包括：透明光场显示装置和设置在透明基板上的光场相机；所述透明光场显示器包括：

形成在透明基板上的发光像素阵列；以及在所述发光像素阵列上方形成的稀疏微透镜阵列，所述稀疏微透镜阵列包括多个透镜元件，所述多个透镜元件之间具有间隔，所述像素间具有图像传感器，所述光场相机包括：图像传感器；以及设置在所述图像传感器外侧的照相机微透镜阵列。

可选的，图像传感器是硅集成电路芯片的一部分，硅集成电路芯片还包括用于与远程渲染引擎通信的收发器。

可选的，所述收发器是用于与所述远程渲染引擎无线通信的无线收发器。

可选的，所述收发器是用于经由光与所述远程渲染引擎通信的光收发器。

可选的，所述硅集成电路芯片还包括运动传感器。

可选的，还包括形成在所述衬底的面向所述场景的表面上的薄膜光伏电池。

可选的，还包括用于深度映射所述场景的激光成像和测距子系统。

可选的，还包括无线电力天线接收器。

本发明公开的技术方案，能够使用透明的微透镜阵列，通过较小的像素来满足光场显示的要求，且通过与远程渲染引擎进行无线通信具有较好的运算能力和储存能力。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是微透镜光场显示装置的示意性横截面图；

图2是另一微透镜光场显示装置的示意性横截面图；

图3是可穿戴式透视光场显示器的示意性横截面图；

图4A是透视光场显示器和照相机系统的示意性横截面图；

图4B是示出通过图4A的透视光场显示器和照相机系统的示例性光线的路径的图；

图5是图4A的透视光场显示器和照相机系统的另一种形态的示意性横截面图；

图6是集成光场显示器和光场相机的透视式透视系统装置的示意性横截面图；

图7是集成镜头上系统设备的系统的原理图；

图8A和图8B是用户佩戴镜上系统(SOL)的示意性前视图和俯视图；

图8C是镜上系统的两种不同的佩戴位置的俯视图；

图9A和图9B是另一种用户佩戴镜上系统(SOL)的示意性前视图和俯视图；

图9C是图9B的透镜装置上的系统的放大示意性顶视图；

图10是镜上系统的微透镜布局细节示意图；

图11是组装光场显示装置的过程的流程图；

图12是用于将光场显示装置转移到曲面基底的过程的流程图；

图13是另一种将光场显示装置转移到曲面基底的过程的流程图；

图14是组装光场显示装置的另一过程的流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

图1是微透镜光场显示器100的示意性横截面图。

微透镜光场显示器100包括透明衬底110，发光元件阵列120，驱动电路130和微透镜阵列140.在此上下文中，术语“阵列”是指“形成完整单元的一组元件”。“每个阵列中的元素可能是，但不一定按行和列排列。每个阵列中的元素可以以某种其他方式排列，包括伪随机定位。每个阵列可以是密集的或稀疏的，其中“稀疏”的含义是“在组成元素之间具有空间”。相反，“密集”阵列可以密集地填充，组成元素之间很少或没有空间。微透镜光场显示器100的一些实施例还可以包括波长转换元件阵列150。

在整个附图中，为了便于展示，任何阵列中的元件的数量都被极大地减少，并且元件的尺寸都被极大地扩大。对于发光元件120的阵列，元件的实际尺寸可以是几百纳米，对于微透镜阵列可以是几微米。在每个阵列中元素的数量可能非常大，示例性的，数量可以达到数百万。

衬底110可以是在其上制造发光元件阵列120的衬底。例如，发光元件120的阵列可以是在诸如蓝宝石或GaN晶片的平面衬底110上制造的氮化镓(GaN)发光二极管(LED)。或者，发光元件120的阵列可以被制造在不同的，可能不透明的衬底上，随后被转移到透明衬底上。在这种情况下，透明衬底110可以是任何合适的材料，例如聚碳酸酯，丙烯酸或其他塑料材料，玻璃或其他透明材料。此外，当发光元件120的阵列被转移到透明衬底110时，衬底110可以是平面或圆柱面的一部分。术语“圆柱面”是指“由与给定线平行的所有线上的所有点组成的表面，其在与给定线不平行的平面内穿过固定平面曲线”，并不限于正圆形圆柱面。随后将描述的用于将微透镜光场显示器转移到圆柱面衬底的方法。

发光元件120的阵列可以由GaN LED组成，每个GaN LED可以包括夹在p型和n型GaN层之间的GaN多量子阱结构。微透镜光场显示器100不限于GaN LED。发光元件的阵列可以是有机LED，量子点LED，以及除了GaN以外的一种或多种无机半导体材料中的LED或其他类型的发光元件。

驱动电路130包括相应的控制电路，以控制通过发光元件120的阵列中的每一个元件的电流。每个控制电路包括至少一个晶体管，并且可以包括多个晶体管和其他组件，诸如电容器和电阻器。驱动电路130可以被制造为包括半导体层，一个或多个导体层，一个或多个光阻挡层以及一个或多个绝缘体层的多层结构，其被适当地图案化和处理以形成控制电路。例如，驱动电路130可以是制造在绝缘体上的硅(SOI)晶片上，所述绝缘体上硅(SOI)晶片包括通过绝缘层与硅衬底分离的单晶硅膜。一旦制造完成，驱动电路130就可以与硅衬底分离并且键合/连接到发光元件120的阵列。随后将描述从SOI晶片转移驱动电路的过程。可选地，驱动电路130可以在发光元件120的阵列顶部的半导体膜中原位制造。半导体膜可以是例如从SOI晶片或薄膜半导体转移的单晶硅膜诸如铟镓锌氧化物(IGZO)，硫化钼(MoS₂)或者硒化钨(WSe₂)，被沉积或者转移到发光元件120的阵列上。可选地，驱动电路130可以在GaN LED之间的GaN区域。

图像传感器元件135可以交错在发光元件120的阵列的元件之间。图像传感器元件可以制造在用于发光元件120的相同半导体材料中，或者在用于驱动电路130的半导体膜中。例如，当驱动电路130形成在单晶硅膜中时，也可以在硅膜中形成图像感测元件，如光电二极管或光电晶体管，和必要的读出电路。图像传感器元件135和微透镜阵列140构成指向观看者的眼睛的光场相机。这个照相机可以被用于虹膜识别以用于观看者认证和/或通过检测从观看者的眼睛反射的光来确定观看者的眼睛位置。图像传感器元件的数量可以小于，等于或大于发光元件阵列120中的元件的数量。

当发光元件120的阵列由GaN LED组成时，可使用波长转换元件阵列150将来自GaN LED的蓝色或紫色发射转换为一种或多种可见颜色。波长转换元件阵列中的每个元件是荧光材料，其吸收来自发光元件阵列120的对应元件的蓝色或紫色辐射，并且发射三种基色之一。在这种情况下，“荧光材料”是响应于吸收来自另一个源的辐射而发射可见光的材料。荧光材料包括荧光粉，荧光染料，荧光聚合物，荧光量子点和其他材料。波长转换元件150的阵列可以包括交错的三种不同的荧光材料以形成红/绿/蓝(RGB)像素以提供全色显示。荧光材料可以通过旋涂或其他沉积工艺沉积在驱动电路130上，然后被光刻图案化。

发光元件120，驱动电路130，图像传感器元件135和可选的波长转换元件150的阵列是透明的。然而，这不需要在透明光场显示装置100的整个区域上具有均匀的透明度。具体元件，如驱动电路内的金属导体，可以是不透明的，只要这些元件对于观看者是不可见的并且占用很小透明光场显示装置100的面积的一部分。

微透镜阵列140可以使用光刻技术以合适的透明材料制造。透明材料的厚度被配置为使得发光元件120的阵列，或可选的波长转换元件的阵列150，位于微透镜阵列140的焦平面中。微透镜阵列中的发光元件和透镜元件之间不需要一一对应。通常，每个透镜元件可以跨越多个发光元件或多个RGB像素。每个镜头元素的大小和每个镜头下的像素数量不受限制，并且可以根据具体应用进行缩放。

尽管微透镜阵列140被制造成透明材料，但是其并不是透明的，因为微透镜元件衍射并且有效地散射透射光，使得微透镜阵列140不透明。

图2是另一个微透镜光场显示器200的示意性横截面图。微透镜光场显示器100包括透明衬底210，发光元件阵列220和波长转换元件阵列250以及微透镜阵列240。发光元件220的阵列可以是GaN发光二极管或发射蓝光、紫光或紫外光的其它元件。波长转换元件250的阵列可吸收蓝光、紫光或紫外光并发射可见光。波长转换元件250的阵列可以包括三种不同类型的元件，以将来自发光元件阵列220的发射转换为红色，绿色和蓝色原色。发光元件阵列220中的元件与波长转换元件阵列之间可以有1：1的对应关系。每个发光元件220和相应的波长转换元件250可以夹在下分布式布拉格反射器215和上分布式布拉格反射器255之间。术语“下”和“上”是指相对于衬底210的位置。下分布式布拉格反射器215可以形成在衬底210上或者紧邻衬底210，并且上分布式布拉格反射器255可以形成在顶部。下部分布式布拉格反射器215和上部分布式布拉格反射器255都被配置为反射来自发光元件阵列220的紫色或紫外发射，同时对由波长转换元件250发射的可见光是透明的。下分布式布拉格反射器可以包含选择性反射由波长转换元件发出的光的反射器，以消除泄漏至眼睛注视方向的图像光线。

发光元件阵列250的元件之间的GaN区域260可以通过离子注入来处理，例如但不限于H，He，N，F，Mg，Ar，Al离子，以产生电绝缘区域隔离发光元件。基于蚀刻的LED隔离在侧壁上会产生缺陷，并且由于非辐射电子空穴复合而导致漏电，这降低了LED效率，降低了寿命/产量并导致自发热。离子注入可以将GaN转换成高电阻材料或绝缘体而不会产生漏电路径。图像传感器元件235和驱动电路可以在绝缘GaN区域260上方的半导体层中制造。每个图像传感器元件235可以包括光阻挡层232，使得每个图像传感器元件仅接收通过微透镜阵列240，即从观看者的眼睛反射的光。

图3是可穿戴式透视光场显示器300的示意性横截面图。可穿戴式透视光场显示器300包括光场显示装置310，光场显示装置310可以是光场显示装置100或200，光导320。光场显示装置310以光场315的形式产生图像。反射表面322将光场315反射到光导320中。反射表面322可以是光导内的金属或介电层320，或者可以是棱镜面320，在这种情况下，阴影材料326将不存在。光导320由透明材料形成，其可以是例如玻璃，蓝宝石，石英或聚合物。光导320内的多个部分反射表面324朝向观察者眼睛330反射光场的部分。每个部分反射表面324可以是例如具有折射率低的透明材料的薄膜或低于光导320的折射率。

观看者感觉到光场好像它是由位于观看者的视线中的虚拟光场显示器315产生的。由于光场显示器可以产生可变焦距的图像，所以从观看者的眼睛330到光场显示器的虚像的距离可以小于最小的明视距离。光场显示的虚像被投影到光导320之外，从观看者的眼睛330到光导320的距离可能小于最小明视距离。

图4A是另一种可佩戴的透视光场显示和照相机系统400的示意性横截面图，包括可以是透明光场显示装置100或200的光场显示装置410的。光场显示装置410包括像素阵列412，可选的，包括发光元件、驱动电路和波长转换元件，和微透镜阵列414。图像元素412和微透镜阵列414的阵列等于微透镜阵列的焦距f，使得图像元素412的阵列位于透镜阵列414的焦平面。微透镜阵列414可以用微透镜密集地填充。

微透镜阵列414面向观察者的眼睛450。如前所述，由于微透镜折射从不同方向的场景接收到的光，因此不可能直接通过密集的微透镜阵列观看外部场景。透明光场显示器400通过将光场显示装置410结合微透镜阵列414，第二微透镜阵列420和第三微透镜阵列430组成的一倍放大望远镜中来解决这个问题。

感光器元件阵列440和/或快门元件阵列450可以位于第二微透镜阵列420和第三微透镜阵列430之间。快门元件阵列450可以是例如有源阵列液晶显示装置。快门元件450的阵列可用于遮挡由光场显示器410形成的图像占据部分的外部场景。图像元素阵列412与微透镜阵列414之间的间隔等于焦距f，使得阵列检测器元件440和/或快门元件阵列450位于第二微透镜阵列420的焦平面中。

图4B是通过图4A的透视光场显示器和照相机系统的示例性光线的路径的图。第二微透镜阵列420用作望远镜的物镜。第二微透镜阵列420形成一个在第一焦平面425处的场景的图像。感光元件阵列440和/或快门元件阵列450可以设置在第一焦平面425处，感光元件阵列440和第二微透镜阵列420形成用于记录场景的摄像机。快门元件阵列形成用于产生光场阴影。第三微透镜阵列430用作图像正立体倍率中继透镜。第三微透镜阵列430在作为像素阵列412的位置的第二焦平面435处形成第一焦平面425的反转图像。第三微透镜阵列与第一和第二图像平面中的每一个之间的距离是2f。光场显示装置410内的微透镜阵列414用作望远镜的眼睛透镜将在第二焦平面处的图像投射到观看者的眼睛460。

图5是可佩戴的透视光场显示器和照相机系统500的另一个实施例的示意性横截面图。透视光场显示器和照相机系统500包括光场显示装置510，第二微透镜阵列520，第三微透镜阵列530，感光元件阵列540和快门阵列550。这些元件的功能和间隔与透视光场显示器和照相机系统400的可比较元件相同。三个微透镜阵列514，520，530可以被不同地缩放以补偿大视角边缘像素的角度差。

图6示出透视的透镜上系统(SOL)设备600，其包括透明光场显示器610以提供叠加在外部场景上的图像和光场相机620以捕捉外部场景。透明光场显示器610包括像素阵列612，可选的，包括发光元件、感光元件、驱动电路和波长转换元件，和稀疏微透镜阵列614。像素阵列612可以包括用于佩戴者认证的图像传感器元件和如前所述的眼睛位置检测。与图1的光场显示器100相比，如图1所示，光场显示器610利用在相邻透镜元件之间具有空间的稀疏微透镜阵列614。观看者感知由光场显示器610产生的光场，但是也可以通过透镜元件之间的空间看到外部场景。因此，光现场显示610是透明的。

光场照相机620包括图像传感器622和第二微透镜阵列624.第二微透镜阵列624可以是与稀疏微透镜阵列614相邻且共面设置的透镜元件的密集阵列。第二微透镜阵列624和稀疏微透镜阵列614可以使用相同的工艺和材料同时形成。

除了光场显示器610和光场照相机620之外，可透视SOL装置600可以包括其他元件。具体地，图像传感器622可以是硅集成电路630的一部分，其包含例如，运动传感器和/或无线数据收发器。硅集成电路630还可以包含耦合到围绕SOL设备的周边形成的天线或者在像素间的天线的无线电力接收器。校正透镜640可以结合或以其他方式融合到SOL装置以校正近视或远视。透明薄膜太阳能电池650可以设置在SOL装置600的外表面上，以在SOL装置在明亮的环境照明条件下使用时提供额外的电力。可以与可透视SOL设备600集成的其他元件包括附加传感器，诸如用于映射外部场景的LIDAR以及包括耳机和麦克风的音频部件。

图7是增强现实系统700的框图，增强现实系统700包括用于生成用于在SOL设备710上显示的图像的镜片上系统(SOL)设备710和渲染引擎770。SOL设备可以是可透视SOL设备600。渲染引擎770可以是例如云端的780内的图像渲染服务器785或高性能工作站或者移动渲染终端790。

SOL装置710包括光场显示器712，眼图像传感器714，捕捉外部场景的光场照相机716，运动传感器718，诸如激光雷达(LIDAR)之类的其他传感器720中的一些或全部来映射外部场景以及诸如耳机和/或麦克风的音频元件722。所有这些组件都经由无线收发器724与渲染引擎770通信。SOL装置710还可以包括太阳能电池板和/或无线电力接收器以及电池以向其他组件。

渲染引擎770从眼睛图像传感器714，光场照相机716以及传感器718，720接收数据。渲染引擎770处理从其他源接收到的数据和数据，并渲染图像以供光呈现现场显示712。

当渲染引擎770是具有云端的780的服务器785时，无线收发器可以使用诸如IEEE802.11标准的子部分之类的标准通信协议经由接入点782与云进行通信。系统700不限于IEEE 802.11，并且可以使用任何其他当前或未来的无线通信协议。

当渲染引擎770是包括无线收发器792的本地工作站或者移动渲染终端790时，无线收发器724可以使用标准或专有无线通信协议或者光通信(LiFi)与工作站或者移动渲染终端通信。或者无线收发器724，792可以被光纤或电缆的收发器替代。光学或电子通信的使用可以提供更高的通信带宽，而以在本地工作站或者移动渲染终端790和SOL设备710之间通过缆线连接为代价。

图8A和图8B分别是可透视SOL装置800的实施例的示意性前视图和侧视图。可透视SOL装置800包括两个平面显示元件810L，810R，其可以安装在与传统的眼镜架相当的镜架。每个平面显示元件810L，810R包括诸如透明光场显示器610和眼睛图像传感器元件的透明光场显示器。SOL装置800的其它元件可以包括在平面显示器元件810L，810R上，或者可以分布在平面显示元件810L，810R之间的无线收发器，光场照相机，运动传感器，其他传感器，无线电力接收器和/或太阳能电池板中的一些或全部的。SOL装置800的一些元件，诸如电池或音频部件，可以布置在镜框上或镜框内。

图8C展示对于观看者的眼睛820A，820B的两个不同位置的平面显示元件810L，810R的示意性俯视图。在图的左侧部分，在图8C中，观看者眼睛820A被相对于平面显示元件810L/R相对较远。在这种情况下，光场显示的边缘像素815A是相对于平面显示元件的法线以角度θA布置。对应部分上的边缘像素815A叠加在外部场景上。在图的右侧部分，如图8C所示，观看者眼睛820A相对接近平面显示元件810L/R。在这种情况下，光场显示器的边缘像素815B相对于平面显示元件的法线以角度θB布置，其中θB大于θA。最终结果是不同部分上的边缘像素815A和815B叠加在外部场景上。因此，在光场显示器上呈现的渲染图像可以根据平面显示元件810L/R后面的观看者眼睛的位置不同而不同。尽管未示出，但是根据观看者的眼睛之间的双眼距离，呈现在光场显示器上的图像可以根据眼睛相对于平面显示元件810L/R的横向位置不同呈现不同的渲染图像。

如前所述，图像感测元件可以被嵌入在光场显示器的一些或全部像素中。这些图像传感元件检测从观看者的眼睛反射的光，这又使渲染引擎能够确定观看者的眼睛在三个轴上的位置并适当地呈现所显示的图像。

在图9中的图9A，9B分别是可透视SOL装置900的另一个例子的示意性前视图和侧视图。可透视SOL装置900包括单个圆柱形显示元件910，其可以安装在镜框上。圆柱形显示元件910包括诸如透明光场显示器610的透明光场显示器和在佩戴者的两只眼睛的视野内的眼睛图像传感器元件。SOL设备900的其他元件包括无线收发器，光场相机，无线电力接收器和/或太阳能电池板。他们可以设置在透明光场显示器的左侧或右侧，或者可以分布在光场显示的周围。

图9C示出了相对于观察者眼睛920的位置的圆柱形显示元件910的一部分的放大示意性俯视图。圆柱形显示元件910的使用可以提供比平面SOL更大的视野角度(FOV)。圆柱形显示元件910包括显示像素912，可以但不限定于包括发光元件，感光元件，驱动电路，波长转换元件等的阵列以及稀疏微透镜阵列914。如点划线箭头所示，外部场景可以透过稀疏微透镜。

如前所述，观看者的眼睛的位置会影响图像如何呈现在可透视SOL设备900上。嵌入在显示像素阵列912的一些或全部像素中的图像感测元件检测光从观看者的眼睛反射，这反过来又允许渲染引擎确定观看者的眼睛的三维位置并适当地呈现所显示的图像。

图6，图8和图9的可透视光场显示器都包括稀疏的微透镜阵列，以允许观看者通过透镜元件之间的空间看到外部场景。然而，每个透镜元件将衍射从外部场景接收的一部分光。来自多个周期性间隔的透镜元件的衍射可以建设性地干涉，形成衍射级，该衍射级会围绕物体产生晕圈。如图10所示，稀疏微透镜阵列的透镜元件可以通过设计的排列方式最小化衍射效应。

在图10中，810R是SOL系统800的平面显示元件之一，910是SOL系统900的圆柱形显示元件。显示元件810R和910都包括稀疏微透镜阵列。当稀疏微透镜阵列的透镜元件以矩形阵列的规则的行和列排列时，如细节1010所示，可能出现令人反感的衍射效应。如细节1020中所示，如果透镜元件被移动或者从它们各自的名义位置稍微随机地移位，则衍射效应可以被减小。如果透镜元件被随机定位，衍射效应可以被最小化，如细节1020所示注意，在任何情况下，渲染引擎都必须知道每个透镜元件的位置，以便适当地生成用于显示的图像。因此，细节1020中的透镜元件和细节1030中的透镜元件可以根据已知函数被伪随机地移动或放置，该已知函数允许渲染引擎确定每个透镜元件的位置。

图11是用于生产光场显示装置的过程1100的流程图。过程1100在1105处开始并在1195处结束。与流程图中的每个步骤相邻的是在对应的过程步骤结束时的光场显示装置的一部分的示意性横截面图。

在1110处，驱动电路被制造在SOI晶片上，所述SOI晶片包括通过中间绝缘层1114从硅晶片1112分离的薄膜单晶硅。图像感测元件的阵列可以与驱动电路交错。驱动电路1116可以使用常规半导体制造工艺来制造，包括选择性地掺杂薄硅膜的部分以及沉积并图案化一个或多个绝缘体层和一个或多个导体层。

在1120处，发光元件1124的阵列被制造在透明衬底1122上。发光元件可以是例如GaN发光二极管，在这种情况下，透明衬底1122可以是蓝宝石或GaN晶片。工艺1100不限于GaN发光二极管，并且可以使用一些其他类型的发光元件和透明衬底。注意，步骤1110和1120可以同时执行或以任一顺序执行。

在1130处，驱动电路1116和发光元件阵列1124可以物理和电连接。附件可以例如通过热和压力的组合来完成。也可以使用其他连接方法。

在1140处，可以去除硅晶片1112和居间绝缘层1114。例如，可以通过化学蚀刻去除中间绝缘层1114以分离硅晶片1112.在去除之后，驱动电子器件1116保持连接到透明衬底1122上的发光二极管阵列1124。

当发光元件1124的阵列包括GaN发光二极管时，可以在1150处在驱动电路1116上方形成波长转换元件1152的阵列。波长转换元件1152的阵列将来自GaN LED的蓝色或紫色发射转换成一个或多个可见的颜色。波长转换元件阵列1152中的每个元件可以是吸收来自发光元件阵列1124的对应元件的蓝色或紫色辐射的荧光材料，并且发射三种基色之一。波长转换元件阵列1152可以包括交错的三种不同的荧光材料以形成红/绿/蓝(RGB)像素以提供全色显示。荧光材料可以通过旋涂或其他沉积工艺沉积在驱动电路1116上，然后光刻图案化。

在1160处，通过在波长转换元件1152的阵列或驱动电路1116之上形成微透镜阵列1162来完成光场显示装置1190。微透镜阵列1162可通过光刻，模制，铸造或压印透明聚合物材料。微透镜阵列1162也可以通过施加透明液体光聚合物材料，如通过旋涂等方式，然后使用3D光刻技术来形成透镜元件而形成。微透镜阵列1162可使用用于制造微透镜阵列的任何已知或将来的工艺来形成。

图12是用于将光场显示装置转移到圆柱形衬底的过程1200的流程图。过程1200在1205开始并在1295结束。过程1200可以适合于制造透视SOL装置900。与流程图中的每个步骤相邻的是一部分显示设备在相应的处理步骤结束时的示意性横截面图。

在1210处，光场显示装置1290A被制造在刚性衬底1212上。光场显示装置1290A通常可以包括发光元件1214，驱动电路1216和可选的波长转换元件阵列1218，以及微透镜阵列1220。光场显示装置1290A可以例如使用过程1000或其他合适的过程来制造。

在1230处，可以在微透镜阵列上形成厚的柔性转印层1232。柔性转印层可以通过现场铸造或模制，或通过沉积和固化诸如聚甲基丙烯酸甲酯的液体聚合物材料而形成。

在1240处，透明衬底被移除，使得光场显示器的元件仅由柔性转移层支撑。柔性转印层的厚度和机械性能必须在移除透明衬底时将光场显示装置的元件保持在适当位置。可以使用已知的技术将透明基板1212与发光元件1214的阵列分离。例如，可以在形成阵列之前在基板1212上形成可以用化学反应除去的分离层。然后可以选择性地蚀刻分离层以分离衬底。作为另外的实例，可以在形成GaN发光元件阵列之前将石墨烯的分离层沉积在蓝宝石衬底上。然后可以通过机械力分离衬底。或者，可以通过聚焦激光退火形成分离层，以在衬底1212和GaN发光元件1214的阵列之间的界面处产生金属镓的薄层。然后可以选择性蚀刻镓层以分离衬底。在所有情况下，可能需要对发光元件阵列的暴露表面进行机械抛光。之后在1214表面可以沉积分布式布拉格反射器来选择性的反射像素产生的光的波段。

在1250处，将组件柔性转移层1232，微透镜阵列1220，波长转换元件1218的阵列，驱动电路1216和发光元件1214的阵列等弯曲并结合到圆柱形衬底1252。在1260处，通过使用选择性溶剂或其他工艺去除柔性转印层1252来完成光场显示装置1290B点转移。除了基板1252的圆柱曲率之外，光场显示器1290B在功能上等同于光场显示器件1290A。

图13是用于将光场显示装置转移到圆柱形衬底的另一过程1300的流程图。过程1300在1305开始并在1395结束。过程1300可以适合于制造透视SOL装置900。

1310，1330和1340处的动作与处理1200中的对应动作相同。将不重复对这些动作的描述。

在1350处，来自1340柔性转印层，微透镜阵列，波长转换元件阵列，驱动电路和发光元件阵列的组件被结合到可变形基板。可变形基底可以是可以永久变形的塑料材料，例如通过施加热和压力。在1360，柔性转印层可以使用选择性溶剂或其他工艺去除。然后在1370处将可变形的衬底变形成圆柱形，从而得到与显示装置1290B基本相同的完整显示装置，如图12所示，1360和1370处的动作可以以相反的顺序执行，使得可变形基板变形之后移除转印层。

图14是用于组装光场显示装置的另一个过程1400的流程图，光场显示装置可以是光场显示装置200。过程1400在1405开始并在1495结束。

在1410，如前所述的可选分离层可以形成在基底上。如果完成的光场显示将从衬底分离并且使用诸如处理1200或1300的处理转移到弯曲衬底，则可以使用释放层。如果不需要转移到弯曲衬底，则在1410处的动作可以被省略。

在1420处，可以在衬底上或在分离层上形成分布式布拉格反射器。分布式布拉格反射器通常可以通过交替沉积具有不同折射率的两种材料的薄层来形成。这些材料可以通过原子层外延，金属有机化学气相沉积，溅射，蒸发，激光脉冲沉积或其它沉积工艺来沉积。可以选择层的材料和数量以及厚度，使得分布式布拉格反射器选择性反射由像素发出的光波的波段并透射其他波段的可见光。

在1430处，在分布式布拉格反射器的顶部上制造GaN发光元件的阵列。制造GaN发光元件阵列可以包括连续形成下掺杂的GaN层，多量子阱结构和上掺杂的GaN层。制造GaN发光元件阵列还可以包括GaN发光元件之间的区域的离子注入来隔离像素。

在1440处，诸如氧化硅的绝缘层可以沉积在发光元件阵列的顶部上。SOI晶片可以使用已知的晶片键合技术，如等离子体辅助热压力或化学中间介质晶片键合，附着到绝缘层的顶部。SOI晶片由硅衬底和由绝缘层分隔的薄单晶膜组成。在1440，SOI晶片与面对发光元件阵列的薄的单晶硅膜结合。在1450处，SOI晶片的硅衬底可以通过化学蚀刻绝缘层来去除，在发光元件阵列上留下薄的单晶硅层。

作为1440和1450处的动作的替代方案，可以在1445处将诸如铟镓锌氧化物(IGZO)，硫化钼(MoS₂)或者硒化钨(WSe₂)，的薄膜半导体沉积到发光元件阵列上。

在1460处，驱动电路和图像传感器元件被制造在来自1450的薄单晶硅膜上或来自1445的薄膜半导体层上。驱动电路可以使用常规半导体制造工艺来制造，包括选择性地掺杂薄硅或半导体膜以及沉积和图案化一个或多个绝缘体层和一个或多个导体层。图像传感器元件的阵列可以与驱动电路交错。可以同时或连续地制造驱动电路和图像传感器元件阵列。

在1470，可以形成波长转换元件的阵列。波长转换元件的阵列可以形成在驱动电路之上，或者可以形成在发光元件之上，如可以通过在制造驱动电路的半导体膜中打开的窗口。波长转换元件阵列中的每个元件可以是从发光元件阵列的对应元件吸收蓝光、紫光或者紫外辐射并发射可见光的荧光材料。荧光材料可以通过旋涂或其他沉积工艺沉积在驱动电路上，然后光刻图案化。

在1480处，可以在波长转换元件阵列的元件的顶部上形成分布式布拉格反射器。分布式布拉格反射器可以被配置为选择性反射由像素发出的光波的波段并透射其他波段的可见光。

在1490处，通过在光场显示装置的其他元件上方形成微透镜阵列来完成光场显示装置。微透镜阵列可以通过在原处模制，铸造或压印透明聚合物材料而形成。微透镜阵列通过应用透明液体光聚合物材料，然后使用3D光刻技术来成形透镜元件而形成。微透镜阵列可以使用用于制造微透镜阵列的任何已知或将来的工艺来形成。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种透明光场显示装置，包括：透明基板，形成在所述透明基板上的发光像素阵列，和在所述发光像素阵列上形成的稀疏微透镜阵列；所述稀疏微透镜阵列包括多个透镜元件，所述多个透镜元件两两之间具有间隔；其中，当所述透明光场显示装置与所述稀疏微透镜阵列接近观看者的眼睛，相邻透镜元件之间的空间允许观看者透过光场显示装置看到物体。

2.根据权利要求1所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述多个稀疏透镜元件中的每一个的位置从矩形微透镜阵列中的相应标称位置随机地或伪随机地移位。

3.根据权利要求1所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述多个透镜元件中的每一个被随机地或伪随机地定位在所述微透镜阵列内。

4.根据权利要求1所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述透明基板是圆柱形表面的一部分。

5.根据权利要求4所述的透明光场显示装置，其特征在于，将所述发光像素阵列和所述稀疏微透镜阵列通过移除衬底，从平面衬底转移到圆柱形衬底。

6.如权利要求4所述的透明光场显示装置，其特征在于，将所述发光像素阵列和所述稀疏微透镜阵列从平面衬底转移到可变形衬底；使所述可变形基板变形为圆柱形。

7.如权利要求1所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述发光像素阵列的每个像素包括：

8.根据权利要求7所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述控制电路包括从绝缘体上硅晶片转移的单晶硅膜。

9.如权利要求7所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述控制电路包括沉积在所述发光元件上的半导体层。

10.根据权利要求7所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述一个或多个发光元件是氮化镓GaN发光二极管。

11.根据权利要求10所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述控制电路包括所述GaN发光二极管之间的GaN晶体管。

12.根据权利要求10所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述GaN发光二极管被离子注入绝缘区分开。

13.根据权利要求10所述的透明光场显示装置，其特征在于，还包括在每个相应的GaN发光二极管上的波长转换元件。

14.根据权利要求1所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述发光像素阵列的每个像素包括：第一氮化镓GaN发光二极管，第二GaN发光二极管和第三GaN发光二极管；第一发光二极管和第三发光二极管的控制电路；以及相应的波长转换元件，以将来自第一发光二极管和第三发光二极管的紫光或紫外辐射分别转换成红光，绿光和蓝光。

15.根据权利要求1所述的透明光场显示装置，其特征在于，所述发光图像阵列的至少一个子集包括图像传感器元件，以检测从观看者的眼睛反射并通过所述稀疏微透镜阵列接收的光。

16.一种透视镜片上系统SOL装置，包括：透明光场显示装置和设置在透明基板上的光场相机；所述透明光场显示器包括：

形成在透明基板上的发光像素阵列；以及在所述发光像素阵列上方形成的稀疏微透镜阵列，所述稀疏微透镜阵列包括多个透镜元件，所述多个透镜元件之间具有间隔，所述光场相机包括：图像传感器；以及设置在所述图像传感器外侧的照相机微透镜阵列。

17.根据权利要求16所述的SOL装置，其特征在于，图像传感器是硅集成电路芯片的一部分，硅集成电路芯片还包括用于与远程渲染引擎通信的收发器。

18.根据权利要求17所述的SOL装置，其特征在于，所述收发器是用于与所述远程渲染引擎无线通信的无线收发器。

19.根据权利要求17所述的SOL装置，其特征在于，所述收发器是用于经由光缆与所述远程渲染引擎通信的光收发器。

20.根据权利要求17所述的SOL器件，其特征在于，所述硅集成电路芯片还包括运动传感器。

21.根据权利要求16所述的SOL装置，其特征在于，还包括形成在所述衬底的面向所述场景的表面上的薄膜光伏电池。

22.根据权利要求16所述的SOL设备，其特征在于，还包括用于深度映射所述场景的激光成像和测距子系统。

23.根据权利要求16所述的SOL设备，其特征在于，还包括无线电力天线接收器。