CN108474943A - 用于执行子像素压缩以减少包括多个显示器的显示系统中的莫尔干涉的方法和系统 - Google Patents

用于执行子像素压缩以减少包括多个显示器的显示系统中的莫尔干涉的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种多显示器系统(例如，包括多个显示面板的显示器)至少包括第一显示器和第二显示器(例如，显示面板或显示层)，所述第一显示器和所述第二显示器基本彼此平行地被安排以向(多个)观看者显示三维(3D)特征。至少使用子像素压缩来减少莫尔干涉。

Description

用于执行子像素压缩以减少包括多个显示器的显示系统中的 莫尔干涉的方法和系统
本申请涉及2016年1月20日提交的临时美国专利申请号62/281,037(我们的参考文献6468-16)和2015年10月2日提交的62/236,779(我们的参考文献6468-6)中的每一个并且要求其优先权，所述申请以其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及多显示器系统(例如，包括多个显示面板/显示层的显示器)，其中至少第一显示器和第二显示器(例如，显示面板或显示层)彼此基本平行地被安排以向(多个)观看者显示三维(3D)特征。因此，本发明总体上涉及显示器，并且更具体地，涉及用于显示三维特征的显示系统和方法。
背景技术和发明内容
传统上，显示器以二维呈现信息。由这种显示器显示的图像是缺乏深度信息的平面图像。由于人们以三维观察世界，因此一直在努力提供能够以三维来显示对象的显示器。例如，立体显示器通过显示向左眼和右眼分开显示的偏移图像来传达深度信息。当观察者观看这些平面图像时，其在大脑中被组合以给出深度感知。然而，这样的系统是复杂的并且需要增加的分辨率和处理器计算能力来提供所显示对象的现实感知。
已经开发了包括堆叠安排的多个显示屏幕的多组件显示器以显示真实深度。由于显示屏幕的物理位移，每个显示屏幕可以显示其自己的图像以提供视觉深度。例如，美国专利公开号2015/0323805和2016/0012630中公开了多显示器系统，其公开内容通过引用结合于此。
当多显示器系统中的第一和第二显示器或显示层以传统方式彼此堆叠时，发生莫尔干涉(moire interference)。当被投射到观看者的视网膜上时，莫尔干涉由层内的滤色器之间的相互作用引起。例如，当绿色滤色器重叠时，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，后显示器或显示层和前显示器或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(另外的被称为莫尔干涉)的效果。
已经有几种方法试图去除多层显示器(MLD)系统中的莫尔干涉。某些MLD系统仅利用漫射光学器件来模糊最后面的显示层。这种方法受到以下限制：(a)最后面的图像本质上是模糊的——在减少莫尔干涉和最后面的图像显示层的清晰度之间存在折衷；(b)漫射元件利用难以获得的专用漫射器图案；和(c)漫射元件位于偏振器之间，并且薄膜衬底和加强衬底两者必须没有任何双折射。因此，仅使用漫射器来解决莫尔问题的MLD系统不能提供减少莫尔干涉的理想解决方案，特别是当这些系统具有减小的形式因数时。仅依靠漫射器来解决莫尔干涉的历史和现有方法不能在不对图像质量引入显著且有害的副作用的情况下提供莫尔问题的可接受的解决方案。
本发明的某些示例实施例提供了使MLD系统中的莫尔干涉消失或基本上消失但不显著牺牲后显示器分辨率和对比度的(多个)解决方案。在本发明的某些示例实施例中，MLD系统包括第一和第二显示器。使用子像素压缩以减少或消除莫尔干涉。例如，当MLD系统的后显示器具有在相应列(或行)中排列的红色(R)、绿色(G)、和蓝色(B)滤色器时，物理子像素压缩将R、G、和B子像素基于其颜色重新映射成单个组合条纹(在列或行方向上)，所述条纹可以是白色(W)。可以使用子像素压缩的方法来构造多层光学元件，所述多层光学元件将红色和蓝色子像素转换或压缩到绿色子像素上(例如，经由基于衍射的光栅、(多个)棱镜、和/或(多个)分光装置)，从而形成白线。这将给定子像素或像素区域的后显示器的RGB滤色器图案变为单个白色条纹或区域，这去除显示层之间的滤色器相互作用并可以减少莫尔干涉。然后可以将白色条纹或区域复制到左边和/或右边以便随着其向MLD系统的前显示器前进而再次展开它(例如，经由内核，比如可以是(例如)正方形形状的折射光束映射器(RBM))。
在本发明的某些示例实施例中，提供了一种显示装置，包括：在第一平面内的第一显示器，用于显示第一图像；在第二平面内的第二显示器，用于显示第二图像，其中，所述第一和第二平面彼此大致平行；子像素压缩结构，设置在所述第一显示器与所述第二显示器之间以用于减少莫尔干涉，所述子像素压缩结构包括用于将来自红色子像素的红光、来自绿色子像素的绿光、和来自蓝色子像素的蓝光压缩成白色区域的第一光学元件、以及用于扩散所述白色区域的第二光学元件。
在本发明的各种实施例中，子像素压缩可以或可以不与用于减少莫尔干涉的其他技术(例如，相应显示器上的滤色器偏移或不相似的滤色器图案、漫射器技术、和/或折射元件技术)结合使用。
附图说明
通过结合附图参考对示例性说明性实施例的以下详细描述，可以更好地并且更全面地理解这些和其他特征和优点，附图中：
图1是液晶显示器(LCD)的滤色器的俯视平面图，其中像素在每一列(或行)中是相同的颜色；
图2是另一液晶显示器(LCD)的滤色器的俯视平面图，其中像素在每一列(或行)中是相同的颜色；
图3是由图1和图2的LCD的组合产生的MLD系统的俯视平面图，其中图1和图2的LCD以堆叠关系彼此重叠，这导致莫尔干涉；
图4是展示MLD系统的后显示器的像素到前显示器中的像素的伪随机映射的示意图；
图5是展示可以结合图4的伪随机映射使用以减少莫尔干涉的映射元件的示意图(在本发明的各种实施例中，这可以或可以不与子像素压缩实施例结合使用)；
图6是根据本发明的示例实施例的MLD的示意性侧视横截面图，其可以与本文中任何附图的实施例一起使用；
图7是根据本发明的实施例的可以用于减少MLD系统中的莫尔干涉的子像素压缩的示意图(在本发明的各种实施例中，这可以或可以不与本文中所讨论的用于减少莫尔干涉的其他技术结合使用)；
图8展示了具有折射光学器件的RBM的带宽限制实现；
图9是在p＝40的角度范围内以及透镜特征大小小于或等于160微米的情况下表现出改进的超洛伦兹特性的强度轮廓；
图10是展示较大的微透镜通常将具有较好的抗莫尔漫射器轮廓的曲线图；
图11是展示可以在本发明的各种实施例中使用的RBM的示例制造工艺的示意图；
图12展示了根据本发明的示例实施例的微透镜；
图13是入射角vs.透射系数曲线图，其示出了展示S波和P波的透射系数对比入射角的曲线；
图14是示出系统对比度(对比度(θi，n1，n2，N)的曲线图，其中θi是入射角，n1是LCD之间的材料的折射率，n2是玻璃的折射率，并且N是界面的数量；
图15-17是根据本发明的实施例的MLD系统的侧视横截面图，其中根据本发明的各种实施例，将莫尔减少元件(例如，RBM)放置在MLD系统中的堆叠的各种位置(在本发明的各种实施例中，这可以或可以不与子像素压缩结合使用)；
图18是MLD系统中的后显示器的俯视平面图，所述显示器包括彩色子像素阵列；
图19是展示根据本发明的示例实施例的在来自图18后显示器的分别着色的子像素中的一些分别着色的子像素的光被压缩之后的多个白色条纹或条带的俯视平面图；
图20是展示根据本发明的示例实施例的随着压缩光向前显示器前进而被复制或扩散开之后来自图19的光的俯视平面图；
图21是展示根据本发明的示例实施例的MLD系统中的子像素压缩的示意图；
图22是展示具有全对比度的期望像素结构的俯视图；
图23是展示根据本发明的示例实施例的子像素颜色压缩/挤压并且然后扩展的示意图；
图24是展示根据本发明的示例实施例的在来自图23的分别着色的子像素中的一些分别着色的子像素的光被压缩之后的多个白色条纹或条带的俯视平面图。
图25是展示根据本发明的示例实施例的随着压缩光向前显示器前进而被复制或扩散开之后来自图24的光的俯视平面图；
图26展示了可以在本发明的各种子像素压缩实施例中使用的示例六层衍射光栅的特性；
图27(a)是将蓝光引导成-1阶的衍射光栅的侧视横截面图；
图27(b)是将红光引导成-1阶的衍射光栅的侧视横截面图；
图27(c)是将绿光引导成0阶的光栅的侧视横截面图；
图28是组合来自图27的光栅的过相(overphased)光栅的侧视横截面图；
图29是可以在本发明的子像素压缩实施例中使用的使用RCWA模拟的衍射光栅的图像；
图30是展示对来自图29的光栅的分析的衍射效率vs.λ(米)曲线图；
图31是展示在本发明的替代子像素压缩实施例中可以代替衍射光栅或除衍射光栅之外用于转向彩色光束的棱镜的示意图。
具体实施方式
本发明涉及多显示器系统(例如，包括多个显示面板的显示器)，其中至少第一和第二显示器(例如，显示面板或显示层)彼此基本平行地被安排以向(多个)观看者显示三维(3D)特征。在不同的实施例中，显示器可以是平的或弯曲的。因此，本发明的实施例总体上涉及显示器，并且更具体地，涉及用于显示三维特征的显示系统和方法。根据本发明的示例实施例的MLD例如可以用作(例如)车辆仪表板中的显示器以提供3D图像(例如，用于速度计、车辆仪表、车辆导航显示器等)。
颜色莫尔干涉问题由两个液晶显示器(LCD)滤色器阵列的图案规则性引起，因为例如RGB像素在MLD系统的两个显示器中被排列成RGB列。颜色莫尔干涉可能在水平方向上普遍存在。
图1-3展示了经历莫尔干涉的MLD系统中的安排。图1是第一液晶显示器(LCD)的滤色器/像素的俯视平面图，其中像素或子像素在每一列中是相同的颜色。具体地，图1示出了具有传统红绿蓝(RGB)重复图案或安排的LCD，其中像素或子像素在每一列中是相同的颜色。从图1的左侧开始，滤色器条纹按照BGR顺序以垂直线安排，并且该BGR顺序在图1的显示器上从左向右反复自身重复。因此，图1的显示器或显示层中的图案包括蓝色列、绿色列、和红色列。绿色(G)列位于蓝色(B)和红色(R)列之间。子像素可以被认为是特定滤色器的区域中的给定像素电极的区域。例如，R、G、和B子像素可以构成像素。替代地，可以将子像素视为像素。图1被示出为没有彩色掩模旋转。传统上，多层显示器(MLD)的两个面板可以用这种RGB安排类似地配置。可重复图案可以是RGB、或RBG、或任何其他组合。
同样地，图2是第二LCD的滤色器/像素/子像素的俯视平面图，其中像素或子像素在每一列中也是相同的颜色。从图2的左侧开始，滤色器条纹按照RGB顺序以垂直线安排，并且该顺序在图2中从左向右反复自身重复。可重复图案可以是RGB、或RBG、或涉及这些颜色的任何其他组合。如图2所示，如在图1中那样，绿色(G)列位于蓝色(B)和红色(R)列之间。
图3是由图1和图2的LCD的组合产生的MLD系统的俯视平面图，在MLD系统中，一个LCD以堆叠重叠关系在另一个LCD之上。图3示出了图1和图2所示的滤色器和像素/子像素图案的混合。具体地，图3展示了在两个LCD具有类似RGB列安排的情况下的莫尔干涉的出现，其中像素在每一列中是相同的颜色。例如，当在MLD系统中图2图案与图1图案重叠时，绿色滤色器线重叠(例如，参见图3的左边部分)，并且该绿色滤色器线重叠区域中的光透射穿过MLD系统，形成相对亮的绿斑。例如当绿色滤色器与红色滤色器重叠(或者蓝色滤色器在红色滤光器之上)时，将没有那么多光被透射导致暗区域(例如，参见图3左侧的绿色条纹周围的暗区域)。由于当投射到视网膜上时，后显示器或显示层和前显示器或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(另外的被称为莫尔干涉)的效果。
本发明的实施例提出并减少或解决了这种莫尔干涉问题。本发明的某些示例实施例提供了使MLD系统中的莫尔干涉消失或基本上消失但不显著牺牲后显示器分辨率和对比度的(多个)解决方案。在本发明的某些示例实施例中，MLD系统至少包括第一和第二显示器，所述第一和第二显示器以堆叠关系提供以便位于彼此平行或基本平行的不同相应平面上(例如，参见图5-7和图21)。在本发明的某些实施例中利用子像素压缩以减少莫尔干涉(例如，参见图7和图21)。例如，当MLD系统的后显示器具有如图1或图2所示的在相应列(或行)中排列的红色(R)、绿色(G)、和蓝色(B)滤色器时，物理子像素压缩将(多个)给定像素的R、G、和B子像素基于其颜色重新映射成组合白色(W)条纹(在列或行方向上)，如图7、图19、图21、和图24所示。可以使用子像素压缩的方法来构造多层光学元件，所述多层光学元件将红色和蓝色子像素转换或压缩到绿色子像素上(例如，经由基于衍射的光栅、(多个)棱镜、和/或(多个)分光装置)，从而形成从MLD系统的后显示器出现的白线，如图7、图19、图21、和图24所示。这将给定子像素或像素的后显示器的RGB滤色器图案变为单个白色条纹或区域，这去除显示层和显示器之间的滤色器相互作用并且可以减少莫尔干涉。然后，如图7、图20、图21、和图25所示，白色条纹或区域可以(例如)被复制到左边和/或右边以便随着其向MLD系统的前显示器前进而再次展开它(例如，经由内核，比如可以是(例如)正方形形状的折射光束映射器(RBM))。注意，当然，本发明不限于RGB系统，并且也可以或可以替代地使用其他颜色的滤色器和子像素，比如黄色、白色、或青色。图7和图19-25所示的子像素压缩涉及莫尔干涉将相对减少或消失(与图3相比)并且MLD系统的颜色在从期望的距离看时将近似为白色(例如，灰色)(例如，处于常黑(NB)型显示系统的开启状态)的实施例。
在某些子像素压缩实施例中，多层光学元件(例如，棱镜或RBM)将红色和蓝色子像素转换或压缩到相邻的绿色子像素上以减少/消除莫尔干涉(例如，参见图7和图19-25)。这将后滤色器图案变为给定像素区域的单个白色条带，这去除显示层之间的滤色器相互作用。此外，该技术可以与本文中所描述的本发明的任何其他实施例结合使用。折射光束映射器(RBM)可以与这种颜色压缩器相结合，用于在光向观看者前进时扩展白色条纹。压缩实施例中的压缩和扩展的组合有效地从后LCD去除颜色结构而不降低分辨率。
在本发明的各种实施例中，子像素压缩(例如，参见图7和图19-25)可以或可以不与用于减少莫尔干涉的其他技术(例如，相应显示器上的滤色器偏移或不相似的滤色器图案、漫射器技术、如图6所示的前显示器和后显示器相对于彼此翻转、和/或折射元件技术)结合使用。例如，本文中所描述和/或展示的子像素压缩技术可以可选地与在2016年9月30日提交的美国序列号15/281,381中描述的滤色器偏移(各个显示器中的滤色器图案不同)技术中的任何技术结合使用，其公开内容通过引用结合于此。在色偏技术中，例如，从观看者的角度来看，与第二显示器的滤色器相比，第一显示器的滤色器被偏移和/或以不同方式被安排，以便减少或消除莫尔干涉。因此，根据本公开的实施例，描述了通过子像素压缩来消除和/或减少多层显示器中的莫尔干涉的系统和方法，所述子像素压缩可以或可以不与(多种)其他技术结合使用，比如漫射器技术、折射元件(例如，RBM)技术、滤色器/区域抖动、或其他滤色器/区域差异。
在本发明的某些实施例中，诸如衍射光学元件(DOE)或由许多微透镜构成的折射光束映射器(RBM)的光束映射元件可以用于压缩来自相应子像素的彩色光作为子像素压缩技术的一部分，以自己单独地减少莫尔干涉、和/或在其已被压缩成白线或条纹(例如，参见图5至图17)之后以子像素压缩技术复制或扩展白光。当单独使用RBM而不是与子像素压缩技术结合使用时，可以提供伪随机映射以便不引入额外的莫尔效应(例如，参见图4-6和图15-17)。在某些示例实施例中，可以限制单个光束的发散，使得后LCD上的任何点不偏离直线多于一个像素的距离。在某些示例实施例中，这样的光束映射元件层可以层压到前显示器并且光学匹配使用非双折射材料的两个LCD之间的介质，并且这样的实施例可以或可以不与本文中所讨论的子像素压缩技术结合使用(例如，参见图5、图6、图15、和图17)。
本文中的显示器或显示层(例如，参见图6中的前显示器1和后显示器2，或者图4、图5、图7、图15-17、和图21中的对应显示器)可以是LCD、OLED等。扭曲向列型(TN)LCD可以遵循相当通用的像素布局，比如被分成水平(或垂直)延伸的三个部分的正方形，每个部分具有红色绿色和蓝色子像素。子像素可以在水平和垂直方向上由黑色掩模分离。在子像素的拐角处通常有正方形凸起以覆盖驱动晶体管。存在可以实现现代桌面监视器和电视所需的宽屏幕观看和时间性能的几种不同类型的像素技术。本发明的实施例与所有这些LCD兼容，因为背板被设计为遵循基本的RGB条纹像素布局。因此，每个像素所需的背板布局不需要改变。例如，制造商生产的像素型显示器包括：松下(Panasonic)(IPS Pro)、LG显示器(LGDisplay)(H-IPS&P-IPS)、翰宇彩晶(Hannstar)(S-IPS)、友达光电(AU Optronics)(A-MVA)、三星(Samsung)(AFFS)、S-LCD(S-PVA)、和夏普公司(Sharp Corporation)(ASV和MVA)。在某些实施例中，显示器或显示层两者可以是OLED，或者一个显示器可以是OLED而另一个是LCD。注意，在OLED中，相应子像素或像素将被填充红色材料、绿色材料、和蓝色材料作为滤色器材料(与具有LCD型滤色器相反)。
图6展示了根据本发明的示例实施例的MLD，其中可以提供和利用本文任何附图的堆叠的重叠层/显示器。例如，图4-5、图7、图15-17、或图21所示的显示器可以分别是图6中的前显示器1和后显示器2。MLD的第一显示器或显示层可以是元件1(或2)，并且MLD的第二显示器或显示层可以是元件2(或1)。显示器或显示层2最接近MLD的背光，并且可能期望使其背板面向背光系统以将可能通过行驱动器、列驱动器、晶体管、和存储电容线的光回收到背光中。可以使用双偏振器配置，如图所示，并且间隙可以被设计为包括空气或具有双折射的材料，所述双折射被设计成当需要时保持显示器的黑色状态。间隙可以包括具有与玻璃或任一侧的层紧密匹配的折射率的材料，以降低内部反射和/或消偏振效应。对于前显示器或显示层1，其背板可以与显示器或显示层2的背板相反定向。具体地，对于前显示器1，其背板可以被定向为面向观看者以减少内部反射。因此，在某些示例实施例中，在图6中可以看到，相应显示器1和2的滤色器层(其中的每一个可以由一个或多个层构成)可以被设计为彼此面对，其中来自任一显示器的液晶层不位于第一显示器和第二显示器的滤色器层之间。在某些示例实施例中，为了减少环境光的外部反射，可以在前部提供抗反射系统，比如由四分之一波长延迟器和抗反射偏振器构成的图6所示的抗反射系统，使得正常会被反射的环境光将在第一次通过AR偏振器时经历四分之一波旋转、被背板元件反射、经历四分之一波长延迟器的第二次旋转。到其经历该第二次旋转的时候，其已经基本上正交于AR偏振器的透射轴并且因此将基本上被吸收。另外，黑色掩模(BM)或其他非反射材料可以添加在显示器的导电迹线后面以减少反射。另外，在本发明的某些示例实施例中，(多个)抗反射(AR)涂层可以施加到内表面。AR涂层例如可以在可见光范围内操作，例如蛾眼、单层干扰、多层干扰等。
在本发明的各种实施例中，关于折射光束映射器(RBM)，这样的光束映射元件由多个微透镜构成或包括多个微透镜、并且可以用作用于通过伪随机映射来减少莫尔干涉的独立元件(例如，参见图4-6和图15-17)或用作子像素压缩实施例的一部分(例如，参见图6-7、图16、和图19-30)。在某些示例伪随机映射实施例(例如，图4-5)中，RBM的折射微透镜中的每一个可以被设计为将来自后LCD2的入射光线以限定的路径引导至观看者，每个光线根据伪随机映射通过前LCD 1中的不同子像素。例如，图4示出了后显示器2的后像素到前显示器1中的像素的伪随机映射(后显示器是图4中最左边的显示器)。使用伪随机映射是为了不引入额外的莫尔效应，并且伪随机映射可以减少莫尔干涉。在示例实施例中，限制这些单个光束的发散，使得来自后LCD的任何像素或子像素的光不偏离前显示器上的直线多于一个像素或子像素的距离。可选地，RBM可以层压到顶部LCD 1(参见图5、图15、和图17)、并且可选地与使用非双折射材料的两个LCD之间的介质光学匹配或基本光学匹配。然而，在其他实施例中，折射光束映射器可以放置在LCD堆叠内的任何地方。图5例如示出了位于前LCD和后LCD之间并且层压到前显示器的内侧的光束映射元件(例如，包括微透镜阵列的RBM)。
在某些示例实施例中，RBM的微透镜可以使用灰度光刻制造，以产生微透镜形式的任意表面结构。每个透镜元件可以被配置用于以受控方向引导光，从而能够实现任意和不对称散射角，如图4至图5所示。可以使熟练工人使用各种大批量制造工艺和材料来复制RBM(如在微透镜特征的复制中)，轮廓倾斜角度比轮廓高度更重要。图4-5示出了从观看者的角度来看，折射光束映射器如何将来自后LCD 2的光线叠加到前LCD 1上。光束路径以伪随机方式映射，因此不会引入其他伪影，比如额外的莫尔。下面的LCD结构2是随机的并且因此不能对顶部LCD 1产生显著莫尔干涉。
替代地，漫射器可以替代地用于构造莫尔抑制元件。虽然所述工艺可以适用于制作折射光束映射器，但工程漫射器也可以用作用于更多的减少的最佳漫射器元件。
折射光束映射器可以展现各种特征。例如，RBM可以展现消色差性能。另外，RBM可以展现任意/不对称散射角。此外，RBM可以展现受控强度分布图案(例如，圆形、方形、矩形、椭圆形、线形、环形等)。而且，RBM可以展现受控强度轮廓(例如，平顶、高斯、蝙蝠翼、定制等)。RBM也可以展现高光学透射效率(例如，90％)。另外，RBM可以展现偏振的保持。RBM可以是或包括各种材料，比如聚合物注塑、热压花聚合物、玻璃上聚合物部件等。
通常通过在后LCD和观看者之间添加漫射器元件来抑制MLD中的莫尔干涉，使得后LCD中的像素结构模糊不清。漫射器扩散越大，莫尔越少，但相应地，观察到的后LCD的分辨率降低。这成为优化问题并且可以被描述为图像质量成本函数IQC，其范围从0到4，0是完美并且4是莫尔和模糊两者最差。考虑的因素包括对比度＝(max-min)/(max+min)，其中(1是最好，0是最差)；串扰＝1-交替黑线和白线的对比度(范围0:1)；莫尔(moiré)＝两个LCD上的恒定白色图案的莫尔对比度(范围0:1)；IQC＝莫尔_X+莫尔_Y+串扰_X+串扰_Y(即范围是0:4)，该值越低越好。通常，成本函数将具有约为2的实际最大值，如下面的限制所示：无漫射器：莫尔_X+莫尔_Y＝2，串扰_X+串扰_Y＝0；和强漫射器：莫尔_X+莫尔_Y＝0，串扰_X+串扰_Y＝2。
图8展示了具有定制折射光学器件的RBM的带宽限制实现，所述定制折射光学器件接近平顶轮廓，使得远场图案尽可能接近平顶轮廓。定义了构成分布的一组透镜的处方，包括基于散射要求的特征大小和倾斜角度。可以根据概率分布函数来定义这些参数，所述概率分布函数指定某个透镜将呈现特定处方的可能性。用于创建表面结构的透镜的空间分布被设计为根据所需的分布函数创建表面结构。应该理解，在某些示例实施例中，可以消除微透镜的空间分布中的任何潜在的周期性。而且，可以消除透镜失配，其中，透镜失配可导致广角散射，其被消除。这两种改进最大限度地利用可用光。图9示出了在p＝40的整个角度范围内以及透镜特征大小≤160μm的情况下显示出极大改进的超洛伦兹表现的强度轮廓。表面结构的精心伪随机化也产生没有伪影和诱发莫尔的散射分布。这可能是重要的，因为规则图案可以引入额外的莫尔干涉。
图10示出了在微透镜大小和引入的图像伪影之间存在折衷。较大的微透镜通常将具有更好的抗莫尔漫射器轮廓。如果微透镜的大小变得肉眼可见，那么额外的图像伪影将变得明显。这些伪影包括闪烁、像素行走(walking)、以及图案与任一或两个LCD之间的更多干扰。图10展示了各种直径值的单个微透镜的PSF。也可以在LCD莫尔减少元件的设计中利用使特征大小最小化。特征大小应理想地小于子像素以保持肉眼基本上不可见，如图4所示。在散射中心采用微透镜的形式的情况下，特征大小由微透镜直径给出。具体地，期望微型折射元件。如果微透镜的大小变得肉眼可见，那么额外的图像伪影将变得明显。这些伪影包括闪烁、像素行走、以及图案与任一或两个LCD之间的莫尔干涉。闪烁最常见于显示器表面经过处理以产生哑光纹理表面的防眩光显示器中。这些表面特征用作折射或衍射元件并且可以根据观看者位置来聚焦或散焦个别像素元件从而导致强度变化或闪烁。像素行走是折射畸变出现移动并使各个像素失真的结果，并且观看者移动位置。当微透镜阵列中的规则特征与一个或两个LCD“击打”时引入额外的莫尔干涉。RBM或漫射器中的随机化和透镜大小的减小以及放置减少这些额外的莫尔伪影。在这方面需要考虑两个因素，即垂度(sag)和平均。为确保最好的均匀性和莫尔减少，应在每个像素区域内照射大量散射中心，如图4所示。同时，对于某一组参数(例如，扩散角、折射率、以及圆锥常数)，透镜深度随着微透镜直径减小而减小。如果所述过程继续，则最终达到衍射状态，其中透镜深度仅产生为2π的小部分的相位延迟。在这方面，在下面的等式中定义相数是有用的：
在上面的等式中，ymax表示总透镜垂度，λ是所考虑的波长，并且Δn等于n(λ)1，其中n是波长λ下的折射率(对于空气中的元件)。相数基本上表示相位周期语言中的总垂度并定义微透镜操作的状态——衍射或折射：M＝1意味着具有恰好2π相移的衍射元件。在一个实施例中，为了使微透镜以折射状态操作，如对于具有高目标效率的消色差组件所希望的那样，相数M应该尽可能大。
再次考虑以40°扩散来散射准直光束的微透镜的情况。随着直径变小，远场散射显示较粗的振荡以及更多的倾斜衰减，转化为较低的目标效率。下面的等式给出了用于帮助确定要使用的最小特征大小或透镜直径的简单的经验法则。
在上面的等式中，θ0是以度(空气)为单位的半宽度光束扩散角。为了在折射状态内，M应该在8或更大。假设θ＝2°且λ＝0.633μm、并且M＝8，则获得D≥582μm的结果，其与200um像素相比太大并且将非常可见，从而损害图像。将扩散增加到20度将使D减小10到58μm。在上面的等式中，漫射器越靠近后面板，FWHM角度θ0越大。所述等式还给出了微透镜直径与θ0之间的经验法则。
将折射体嵌入诸如硅OCA而不是空气的较高折射率(RI)的介质中允许有效地使用较宽角度的折射器，因为较高的RI将降低每个微透镜的折射能力。RI＝1.42时，θ0相当于θ＝-11°的角度，或者按照上面的参考等式，D≥105μm，这是更可接受的。在一个实施例中，嵌入高RI材料中有效地减小微透镜直径，这产生较少的图像伪影。具体地，用折射率匹配介质替换两个面板之间的空气也将允许在空气中测量的较小发散角、并由此允许较小的微透镜直径。
在以上方面根据本公开的一个实施例，图11示出了RBM的制造工艺，包括在晶片支撑件上形成微透镜。为了改善MLD的图像对比度，可以将RBM嵌入高RI材料中以减少菲涅尔消偏振。
图12示出了微透镜表面，其通常具有0度和约20度之间的表面法线的分布。表面法线的分布导致对比度减小，因为S偏振和P偏振以不同的衰减透射。图13示出了展示S波和P波的透射系数vs.入射角的曲线，并且图14示出了系统对比度(对比度(θi，n1，n2，N)，其中θi是入射角，n1是LCD之间的材料的折射率，n2是玻璃的折射率，并且N是界面的数量。如所示，最右边的线(RI为1.4和1.5)显示最好的对比度，因为菲涅耳消偏振是最少的。
图15-17示出了莫尔减小元件(例如，诸如RBM的折射元件)的各种放置。例如在图15和图17中，莫尔减少元件可以作为可层压膜定位在前显示器1的顶表面上，其中图案化的表面朝下以使特征大小较小，如前所述。这些实施例可以或可以不与本文中所描述的子像素压缩技术结合使用。在一个实施例中，使图案化的表面朝上也将用作防眩光机制，但是需要嵌入具有大约1.5的折射率的光学耦合粘合剂(OCA)中以实现小于70μm的特征大小。替代地，如图16所示，也可以将莫尔减小元件放置在两个LCD之间，其中发散度将更大，并且因此特征大小更小。此外，RBM的图16放置可以或可以不与本文中所讨论的子像素压缩技术结合使用。使内部空隙与R.I.大于1.4的材料(参见OCA)折射率匹配将大大减少菲涅尔消偏振，从而改善对比度并减少反射。内部空隙与玻璃和OCA折射率匹配以减少菲涅尔偏振也改善对比度并减少反射。在一个实施例中，该实现的FWHM宽度可以是大约1.8度，具有正方形轮廓。
图7展示了如上所讨论的子像素压缩实施例。现代成像系统采用离散的、规则安排的像素，这些像素经常与系统本身或整个环境中的其他规则安排的特征相互作用。例如，相机上的滤色器可以干扰环境中的特征，从而在最终图像中产生莫尔干涉。环境中的这些特征可以是显示系统、衣服上的条纹、屋顶上的波纹、网状椅子、花边等。即使条纹是单色的，所产生的干扰也可以在外观上是彩色的。在多层显示器中发现了这种干扰的特别强烈的版本，其中两个堆叠显示层上的滤色器可以相互作用从而造成亮带和暗带，如上所讨论。本文中讨论了几种用于消除这种干扰的方案，包括上面讨论的子像素压缩和折射元件技术。
考虑使用某种低通滤波来使传感器阵列响应或显示系统更均匀的技术。这通常以图像质量为代价。考虑来自显示器的示例。在这种情况下，人们希望有效地从系统中去除或隐藏所有黑色掩模和子像素结构，同时试图保持中央像素的对比度。但是，在这种情况下对比度通常会受到损害。这是因为不管方形光栅如何完美地接近顶帽，在滤色器和期望的中央黑色像素之间仍然经常存在一些泄漏。例如，考虑图1-2和图18中的蓝色滤色器安排：如果制作了3个副本——一个在中间，一个在左边，并且一个在右边，则最右边的副本侵入到图18中的黑色区域中。这降低中央黑色像素的对比度。为了得到保持全像素对比度的结果，通常需要的方法是复制每个彩色子像素，使得其保持在其自身像素的范围内。为此，可以使用本文中所讨论的物理方法如子像素压缩技术来将子像素基于其颜色重新映射成组合条纹。在一个实施例中，可以使用子像素压缩的方法来构建将红色和蓝色子像素转换或压缩到绿色子像素上的多层光学元件。这将后滤色器图案变为单个白色条带，如(例如)图7所示，这去除显示层之间的滤色器相互作用。然后扩展/复制白色条纹。在一个实施例中，这可以使用设计成分离颜色的光栅来实现。也就是说，通过使用色分离光栅将光分成多种颜色。基于衍射的系统依靠过相并且可以使用光刻技术来制造。通过光栅的白光被分成三个单独的阶：红色、绿色、和蓝色。在一个实施例中，使用颜色光栅可以将颜色阵列扩散开(如图7所示)，然而，在一个实施例中，可以使用分色器来预先布置光线以向绿色元件驱动它们。为了压缩，在示例实施例中，当光栅被施加到显示器时，这些阶将红色子像素的位置移位到中间，并且将蓝色子像素移位到中间，即在绿色子像素的顶部，如图7所示。这产生白色条纹，其被配置用于去除颜色信息。然后可以随着光向观看者前进而如图7所示使用标准正方形形状的折射光束映射器将组合中央条纹复制到左边和右边，从而可以清楚地看到期望的图像。
图18示出了压缩之前的示例像素和子像素结构。可以重复红绿蓝(RGB)条纹图案。例如，垂直红色条纹被示为在像素的左侧，向右接着是垂直绿色条纹，并且向右是垂直蓝色条纹。对于每个像素，该RGB图案另外又重复四次，使得图18中示出5组RGB条纹图案。另外，图18中示出了中央黑色像素区域。
图19展示了将像素中的每个像素压缩成中央白色条纹的分色内核(例如，棱镜或衍射光栅)的应用。也参见图7。换句话说，如图7所示，每个像素中的分色内核将红色子像素的位置移位到中间，并且将蓝色子像素移位到中间，即在该像素的绿色子像素的顶部，如图7所示。这产生该像素的白色条纹(如图7和图19所示)，其被配置用于基本去除颜色信息。如图19所示，颜色条纹图案几乎全部消失。如图19所示，对于至少三个相应的像素，三个中央白色条纹每一个被示为代替相应的绿色条纹。注意，为了简单起见，图19中未示出从图18生成的所有白色条纹。图20然后展示了如何扩散开(例如，复制或扩展)(一个或多个)条纹，同时仍然保持中央黑色像素的对比度。这通过将诸如RBM的正方形内核应用于条纹来实现(例如，参见图7)。例如，然后可以使用标准正方形形状的折射光束映射器将每个组合中央条纹(例如，白色)复制到左边和右边，从而产生图20所示的扩散白光，其中中央黑色像素仍被保留。这具有减少莫尔干涉的效果。
因此，在某些示例实施例中，存在一种用于显示图像的方法，包括：针对给定像素，将来自多个彩色子像素(例如，R、G、和B子像素)的彩色光基于其颜色进行映射以产生单个白色条纹或白色区域；并且然后针对所述像素，将所述白色条纹或区域复制到所述单个白色条纹或区域的左边和右边。参见图7和图18至图20。应用的颜色挤压装置可以是色分离衍射光栅。在一个实施例中，颜色阵列装置可以是应用于图像传感器的滤色器阵列。在一个实施例中，颜色阵列装置可以是以规则的基于颜色的图案发光的任何装置。例如，这样的图案可以是红色条纹、绿色条纹、和蓝色条纹。在另一个示例中，这样的图案可以是红色条纹、绿色条纹、蓝色条纹、和白色条纹。在一个实施例中，这样的图案可以是拜耳图案等。在一个实施例中，这种扩散元件可以是全息漫射器、折射光束映射器、或衍射分束器。在一个实施例中，颜色挤压装置可以与常规阵列成一定角度定位以去除任何局部相互作用。在一个实施例中，可以将颜色挤压装置定位在距规则阵列任何距离处以提供适当的子像素位移。在一个实施例中，颜色挤压装置可以被设计成具有被设计成提供适当的子像素位移的位移角。在一个实施例中，颜色挤压装置可以具有被设计成使与规则阵列的局部相互作用最小化的周期性。
图21展示了子像素压缩技术的概况，包括将像素挤压成中央条纹，并且然后再次展开以形成均匀的显示层而不侵入到中央像素中。图22示出了期望的结构，其中在中央黑色像素中具有全对比度，在掩模外没有残余像素结构。图18示出了压缩之前的原始像素/子像素结构。如所示，有三种不同的结构基本上从观看者的视野中去除：1)彩色掩模；2)水平黑色矩阵；和3)滤色器。图23示出了颜色挤压步骤等。为了保持图像质量，使用“分光装置”将光线预倾斜以将子像素驱动成中央条纹(即，红色向右移动，绿色保持在中央，并且蓝色向左移动，如虚线的左半部分所示)，然后分成三列。图24示出了在图像应用上，分色内核有效地将像素各自压缩成中央条纹。颜色条纹图案几乎全部消失。图24中的中央白色像素任一侧的小的颜色毛边是不同波长下的不同衍射位移的结果，并且是可接受的。图25示出了通过将诸如RBM的正方形内核应用于条纹，然后可以将条纹扩散开，同时保持中央黑色像素的对比度。
对于复制/扩散或压缩，可以实施使用阶梯光栅的色分离光栅。所述系统可以依靠衍射过相、并且可以使用光刻技术制造。通过光栅的白光在这里被分成单独的阶：红色、绿色、和蓝色。然而，当光栅应用于显示器时，这些阶将红色子像素的位置移位到中间，并将蓝色子像素移位到中间，两者在绿色子像素的顶部，以便实现如上所讨论的压缩。这产生白色条纹，从而去除颜色信息。图26示出了示例实施例中的六层光栅的特性。注意到(-1，0，+1)阶以外的低级噪声。在其他实施例中，取决于LED或颜色波长，可以使用三级或四级光栅。图27(a)至图27(c)示出了多层光栅。在图27(a)中，示出了将蓝光引导成-1阶的光栅，而图27(b)示出了将红光引导成+1阶的光栅。并且图27(c)示出了将绿光引导成0阶的结构。图28示出了过相光栅，所述过相光栅是图27结构的组合。图29示出了使用RCWA模拟的衍射光栅的图像。图例表示模拟中使用的材料的折射率。图30示出了对图29的光栅进行分析的结果。如图30所示，注意波长之间的分离。x轴是以米为单位的波长，且y轴表示每个相应阶的透射衍射效率。为了实现色分离，光源(或滤色器)与以所示高斯型图形的平均值为中心的窄光谱一起使用。
图31示出了在替代实施例中微棱镜可以用于转向光束以用于(例如)压缩。在一个实施例中，微棱镜位于显示器的前方。
虽然上述公开内容使用具体的框图、流程图、以及示例来阐述各个实施例，但本文中所描述和/或展示的每个框图组成部分、流程图步骤、操作和/或组件可以单独地和/或共同地使用大量硬件、软件、或者固件(或者其任何组合)配置来实施。另外，在其他组件内所包含的组件的任何公开内容都应视为示例，因为可以实施许多其他的架构来实现同样的功能。
本文中所描述和/或展示的过程参数以及步骤序列仅以示例的方式给出并且可以根据期望进行改变。例如，虽然本文中所展示和/或描述的步骤可以按照具体的顺序示出或讨论，但是这些步骤并不一定需要按照所展示的或者所讨论的顺序来执行。本文中所描述和/或展示的各种示例方法还可以省略本文中所描述或展示的一个或多个步骤或者可以包括除所公开的步骤之外的额外步骤。
虽然已经在全功能性计算系统的背景下描述和/或展示了各个实施例，但是这些示例实施例中的一个或者多个示例实施例可以以各种形式作为一个程序产品而分布，而无论用于实际执行这种分布的计算机可读介质的具体类型如何。本文中所公开的这些实施例还可以使用执行某些任务的软件模块来实施。这些软件模块可以包括可以存储在计算机可读存储介质上或者在计算系统中的脚本、批文件或其他可执行文件。这些软件模块可以将计算系统配置成用于执行本文中所公开的示例实施例中的一个或多个示例实施例。本文中所描述的各种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。
出于解释的目的，已经参考具体实施例来描述了前述说明。然而，以上的说明性讨论并不旨在是详尽的或旨在将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于以上教导，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，选择并且描述了所述实施例，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具有可能适合于所设想的特定用途的各种修改的各个实施例。
此外，本申请的范围并不旨在受限于说明书中所描述的过程、机器、制造物、物质组成、装置、方法、和步骤的具体实施例。根据本发明的公开内容，本领域的技术人员将容易地理解，可以根据本发明而利用与本文中所描述的相应实施例执行基本相同功能或获得基本相同结果的现有的或随后将开发的过程、机器、制造物、物质组成、装置、方法、或步骤。因此，所附权利要求书旨在在其范围内包括这种过程、机器、制造物、物质组成、装置、方法或步骤。
在本发明的某些示例实施例中，提供了一种显示装置，包括：在第一平面内的第一显示器，用于显示第一图像；在第二平面内的第二显示器，用于显示第二图像，其中，所述第一和第二平面彼此大致平行；子像素压缩结构，设置在所述第一显示器与所述第二显示器之间以用于减少莫尔干涉，所述子像素压缩结构包括用于将来自红色子像素的红光、来自绿色子像素的绿光、和来自蓝色子像素的蓝光压缩成白色区域的第一光学元件、以及用于扩散所述白色区域的第二光学元件。
在前一段落的显示装置中，所述第一光学元件可以将所述红光的位置移位到所述绿色子像素上方的位置并且将所述蓝光的位置移位到所述绿色子像素上方的位置，同时基本上保持来自所述绿色子像素的绿光的位置，以形成所述白色区域。
在前面两段中的任何一段的显示装置中，所述白色区域可以是白色条纹。
在前面三段中的任何一段的显示装置中，所述第一光学元件可以包括棱镜、衍射光栅、和/或折射光束映射器。
在前面四段中的任何一段的显示装置中，所述第二光学元件可以包括折射光束映射器。
在前面五段中的任何一段的显示装置中，所述第二光学元件可以包括多个微透镜。
在前面六段中的任何一段的显示装置中，从所述显示装置的观看者的角度来看，所述第一和第二显示器可以分别具有不同的滤色器图案。
在前面七段中的任何一段的显示装置中，所述第一显示器可以是所述显示装置的后显示器，并且其中，所述第一显示器中的红色滤色器、绿色滤色器、和蓝色滤色器可以在第一方向上以基本平行的线被定向。
因此，描述了根据本公开的实施例。尽管已经在具体实施例中描述了本公开，但应认识到，本公开不应当在被解释为受这种实施例的限制。

Claims (19)

1.一种显示装置，包括：
在第一平面内的第一显示器，用于显示第一图像；
在第二平面内的第二显示器，用于显示第二图像，其中，所述第一和第二平面彼此大致平行；
子像素压缩结构，设置在所述第一显示器与所述第二显示器之间以用于减少莫尔干涉，所述子像素压缩结构包括用于将来自红色子像素的红光、来自绿色子像素的绿光、和来自蓝色子像素的蓝光压缩成白色区域的第一光学元件、以及用于扩散所述白色区域的第二光学元件。
2.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述第一光学元件将所述红光的位置移位到所述绿色子像素上方的位置并且将所述蓝光的位置移位到所述绿色子像素上方的位置，同时基本上保持来自所述绿色子像素的所述绿光的位置，以形成所述白色区域。
3.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，所述白色区域是白色条纹。
4.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，所述第一光学元件包括棱镜。
5.如权利要求1至3中任一项所述的显示装置，其中，所述第一光学元件包括衍射光栅。
6.如权利要求1至3中任一项所述的显示装置，其中，所述第一光学元件包括折射光束映射器。
7.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，所述第二光学元件包括折射光束映射器。
8.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，所述第二光学元件包括多个微透镜。
9.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，从所述显示装置的观看者的角度来看，所述第一和第二显示器分别具有不同的滤色器图案。
10.如任一前述权利要求所述的显示装置，其中，所述第一显示器是所述显示装置的后显示器，并且其中，所述第一显示器中的红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器在第一方向上以基本平行的线被定向。
11.一种用于经由显示装置来显示图像的方法，所述显示装置包括：在第一平面内的后显示器，用于显示第一图像；以及在第二平面内的前显示器，用于显示第二图像，其中，所述第一和第二平面彼此大致平行，所述方法包括：
将来自所述后显示器的多个子像素的光基于其颜色进行挤压以生成单个白色条纹；并且
在所述前显示器之前，使用带宽受限内核将所述白色条纹扩散和/或扩展到所述单个白色条纹的左边和右边。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个子像素包括红色子像素、绿色子像素、和蓝色子像素。
13.如权利要求11至12中任一项所述的方法，其中，所述挤压包括：将来自红色子像素的光的位置移位到相邻绿色子像素上方，并且将来自蓝色子像素的光的位置移位到所述相邻绿色子像素上方。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述扩散和/或扩展是使用正方形形状的折射光束映射器来完成的。
15.如权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述挤压包括由色分离光栅执行的映射。
16.如权利要求11至15中的任一项所述的方法，进一步包括：将来自所述后显示器的所有子像素的光的发散限制在所述前显示器上小于一个像素的距离。
17.如权利要求11至16中任一项所述的方法，其中，所述带宽受限内核是正方形内核。
18.如权利要求11-16中任一项所述的方法，其中，所述带宽受限内核是圆形内核。
19.如权利要求11至18中任一项所述的方法，其中，所述带宽受限内核是折射光束映射器。
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