CN111295612B - 用于光场显示器中的孔径扩展的方法和系统 - Google Patents

Abstract

描述了一些显示方法和装置。在一些实施方式中，为了生成图像，从发光层中的一个或多个发光元件(例如μLED)选择性地发射光。使用例如具有小孔径的微透镜阵列来准直从每个元件发射的光。每个准直光束由第一衍射光栅分成第一代子光束，并且该第一代子光束由第二衍射光栅分成第二代子光束。所述第二代子光束中不平行于初始准直光束的光束可以被空间光调制器(例如，LCD面板)阻挡。未被阻挡的光束在某些方面如同它们是使用具有比所述微透镜的孔径大的孔径的光学器件产生的那样工作。

Description

用于光场显示器中的孔径扩展的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请是以下申请的非临时申请，并根据35 U.S.C.§119(e)而要求其权益：2017年11月2日递交的题为“用于光场显示器中的孔径扩展的方法和系统”的美国临时专利申请序列号62/580,797，该申请在此通过引用而被整体并入。

背景技术

人类的大脑部分地通过接收来自用于定向每只眼睛的肌肉的信号来感知和确定所观看的对象的深度。该大脑将眼睛的相对角取向与所确定的焦深相关联。正确的聚焦提示引起在观看的焦平面(focal plane)之外的对象上的自然模糊和自然的动态视差效应。

能够提供正确的聚焦提示的一种类型的3D显示器使用体积显示技术，其能够在真实3D空间中产生3D图像。3D图像的每个“体素”物理上位于其应该所处的空间位置，并且从该位置向观看者反射或发射光以在观看者的眼睛中形成实像。3D体积显示器的主要问题是它们的低分辨率、大的物理尺寸和昂贵的制造成本。这些问题使得它们太麻烦而不能在特殊情况(例如产品展示、博物馆、展览等)之外使用。

能够提供正确的视网膜聚焦提示的另一种类型的3D显示设备是全息显示器。全息显示器的目的在于重建从自然环境中的对象散射的整个光波阵面。这种技术的主要问题是缺少可以用于产生非常详细的波阵面的适当的空间光调制器(SLM)组件。

能够提供自然视网膜聚焦提示的再一种类型的3D显示技术被称为光场(LF)显示。LF显示系统被设计成产生所谓的光场，该光场表示在空间中向所有方向传播的光线。LF系统旨在控制空间域和角度域中的光发射，而不是像传统的立体3D显示器那样基本上只能控制具有较高像素密度的空间域。存在至少两种不同的方式来产生光场。

在第一种方法中，在观看者的每只眼睛上产生视差，产生与被观看对象的3D位置相对应的正确视网膜模糊。这可以通过每单只眼睛呈现多个视图来完成。

第二种方法是多焦平面方法，其中对象的图像被投影到与其3D位置相对应的适当焦平面。许多光场显示器使用这两种方法中的一种。所述第一种方法通常更适合于头戴式单用户设备，因为眼睛瞳孔的位置更容易确定并且眼睛更靠近显示器，使得可以生成期望的密集光线场。所述第二种方法更适合于位于距观看者(一个或多个)一定距离处的显示器，并且可以在没有头戴装备的情况下被使用。

在当前的相对低密度的多视图成像显示器中，当观看者在设备前面移动时，视图以粗略的步进方式改变。这降低了3D体验的质量，甚至可能导致3D感知的完全崩溃。为了减轻这个问题(以及VAC)，已经用多达512个视图测试了一些超多视图(SMV)技术。该思想是产生非常大量的视图，以便使两个视点之间的任何过渡非常平滑。如果来自至少两个图像的光从稍微不同的视点同时进入瞳孔，则会产生更加逼真的视觉体验。在这种情况下，由于大脑无意识地预测由于运动而引起的图像变化，因此运动视差效果更好地类似于自然条件。

SMV条件可以通过将在正确观看距离处的两个视图之间的间隔减小到比眼睛瞳孔的尺寸更小的值来满足。在正常照射条件下，人的瞳孔通常被估计为直径大约4mm。如果环境光水平高(例如，在日光中)，则所述直径可以小至1.5mm，并且在黑暗条件下大至8mm。SMV显示器可以实现的最大角密度受衍射限制，并且在空间分辨率(像素尺寸)和角分辨率之间存在反比关系。衍射增加了通过孔径(aperture)的光束的角展度，并且在设计非常高密度的SMV显示器时需要考虑这种效应。

不同的现有3D显示器可以基于它们的成型因素被分类成四个不同的类别。

头戴式设备(HMD)比无护目镜的解决方案占用更少的空间，这也意味着它们可以用更小的组件和更少的材料制成，使得它们相对低成本。然而，由于头戴式VR护目镜和智能眼镜是单个用户设备，它们不允许如无护目镜解决方案那样自然地共享体验。

体积3D显示器从所有三个空间方向占据空间，并且需要大量物理材料，很容易使得这些系统笨重、制造昂贵并且难以运输。由于大量使用材料，因此所述体积显示器还往往具有小的“窗口”和有限的视场(FOV)。

基于屏幕的3D显示器通常具有一个大而平的组件(即，屏幕)和从一定距离在自由空间上投影图像(一个或多个)的系统。这些系统可以被制造得更紧凑以便运输，并且它们还覆盖比例如体积显示器大得多的FOV。这些系统很复杂且昂贵，因为它们需要投影仪子组件以及例如不同部件之间的精确对准，使得它们最适用于专业使用情况。

平面形状因素3D显示器可能在两个空间方向上使用大量空间，但是由于第3方向仅是虚拟的，因此它们相对容易运输和组装在不同的环境中。由于该设备是平的，所以其中使用的至少一些光学组件更可能以片或卷的形式制造，使得它们在大批量时成本相对较低。

发明内容

在一些实施例中，显示设备包括具有多个可单独控制的发光元件的发光层。所述发光元件可以以二维阵列布置。包括多个准直透镜(例如，透镜(lenticular)片中的柱面透镜，或凸透镜阵列)的光学层覆盖所述发光层。第一衍射光栅覆盖所述光学层，并且第二衍射光栅覆盖所述第一衍射光栅。在一些实施例中，诸如LCD面板的空间光调制器覆盖所述第二衍射层。

在一些实施例中，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的光栅线基本上平行，并且它们可以具有基本上相同的线对密度。

在一些实施例中，在所述发光层与所述光学层之间提供可移动折射层。

所述第一和第二衍射光栅表面可以是平行的，并且它们之间的间隔可以基于期望的使用情况来确定。在一些实施例中，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅被分开0.5mm与5mm之间。在一些实施例中，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅被分开5mm与10mm之间。

在提供显示的示例方法中，为了产生图像，从具有多个发光元件的发光层中的至少一个发光元件选择性地发射光。例如使用微透镜阵列来准直所发射的光。使用第一衍射光栅将所准直的光分成第一代子光束，并且使用第二衍射光栅将所述第一代子光束分成第二代子光束。在一些实施例中，例如通过选择性地使空间光调制器的一部分不透明，阻挡第二代子光束中具有与所准直的光的方向不同的方向的至少一个子光束。

附图说明

图1A是示出了可以实现一个或多个所公开的实施例的示例通信系统的系统图。

图1B是根据实施例的系统图，其示出了可在图1A所示的通信系统中使用的示例性无线发射/接收单元(WTRU)。

图2A描绘了当观看自然场景时的视网膜聚焦。

图2B描绘了当观看自动立体3D显示器时的视网膜聚焦。

图3A-3D描绘了平的光场(LF)显示器上的像素簇以及各种眼睛聚焦角度(FA)和会聚角度(CA)。

图4A-4C描述了朝向瞳孔的光场的各种遮挡水平。

图5描绘了朝向相应观看者的各种光发射角度。

图6A描绘了由几何因素引起的光束发散增加。

图6B描绘了由衍射引起的光束发散增加。

图7是根据至少一个实施例的利用孔径扩展器的示例LF显示器结构的示意图。

图8是根据至少一个实施例的利用孔径扩展器的示例LF显示器结构的示意图。

图9是根据至少一个实施例的利用孔径扩展器的示例LF显示器结构的示意图。

图10是对于不同波长的光的不同级别的孔径扩展的示意图。

图11A-11B是根据一些实施例的使用孔径扩展器的显示设备的示意性透视图。

图12是根据一些实施例的使用孔径扩展器的显示设备的示意性透视图。

图13是在没有孔径扩展器的情况下实现的光场显示器的示意图。

图14是根据一些实施例的利用孔径扩展器实现的光场显示器的示意图。

用于实施例的实现的示例网络

图1A是示出了可以实施一个或多个所公开的实施例的示例通信系统100的示图。该通信系统100可以是为多个无线用户提供语音、数据、视频、消息传递、广播等内容的多址接入系统。该通信系统100可以通过共享包括无线带宽在内的系统资源而使多个无线用户能够接入此类内容。举例来说，通信系统100可以使用一种或多种信道接入方法，例如码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、正交FDMA(OFDMA)、单载波FDMA(SC-FDMA)、零尾唯一字DFT-扩展OFDM(ZT UW DTS-s OFDM)、唯一字OFDM(UW-OFDM)、资源块过滤OFDM以及滤波器组多载波(FBMC)等等。

如图1A所示，通信系统100可以包括无线发射/接收单元(WTRU)102a、102b、102c、102d、RAN 104/113、CN 106/115、公共交换电话网络(PSTN)108、因特网110以及其他网络112，然而应该了解，所公开的实施例设想了任意数量的WTRU、基站、网络和/或网络部件。每一个WTRU 102a、102b、102c、102d可以是被配置成在无线环境中工作和/或通信的任何类型的设备。举例来说，任一WTRU 102a、102b、102c、102d都可被称为“站”和/或“STA”，其可以被配置成发射和/或接收无线信号，并且可以包括用户设备(UE)、移动站、固定或移动订户单元、基于签约的单元、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、膝上型计算机、上网本、个人计算机、无线传感器、热点或Mi-Fi设备、物联网(IoT)设备、手表或其他可穿戴设备、头戴显示器(HMD)、车辆、无人机、医疗设备和应用(例如远程手术)、工业设备和应用(例如机器人和/或在工业和/或自动处理链环境中工作的其他无线设备)、消费类电子设备、以及在商业和/或工业无线网络上工作的设备等等。WTRU 102a、102b、102c、102d中的任意者可被可交换地称为UE。

通信系统100还可以包括基站114a和/或基站114b。每一个基站114a、114b可以是被配置成通过以无线方式与WTRU 102a、102b、102c、102d中的至少一个无线对接来促使其接入一个或多个通信网络(例如CN 106/115、因特网110、和/或其他网络112)的任何类型的设备。举例来说，基站114a、114b可以是基地收发信台(BTS)、节点B、e节点B、家庭节点B、家庭e节点B、gNB、NR节点B、站点控制器、接入点(AP)、以及无线路由器等等。虽然每一个基站114a、114b都被描述成了单个部件，然而应该了解。基站114a、114b可以包括任何数量的互连基站和/或网络部件。

基站114a可以是RAN 104/113的一部分，并且所述RAN还可以包括其他基站和/或网络部件(未显示)，例如基站控制器(BSC)、无线电网络控制器(RNC)、中继节点等等。基站114a和/或基站114b可被配置成在名为小区(未显示)的一个或多个载波频率上发射和/或接收无线信号。这些频率可以处于授权频谱、无授权频谱或是授权与无授权频谱的组合之中。小区可以为相对固定或者有可能随时间变化的特定地理区域提供无线服务覆盖。小区可被进一步分成小区扇区。例如，与基站114a相关联的小区可被分为三个扇区。由此，在一个实施例中，基站114a可以包括三个收发信机，也就是说，每一个收发信机都对应于小区的一个扇区。在实施例中，基站114a可以使用多输入多输出(MIMO)技术，并且可以为小区的每一个扇区使用多个收发信机。举例来说，通过使用波束成形，可以在期望的空间方向上发射和/或接收信号。

基站114a、114b可以通过空中接口116来与WTRU 102a、102b、102c、102d中的一者或多者进行通信，其中所述空中接口可以是任何适当的无线通信链路(例如射频(RF)、微波、厘米波、微米波、红外线(IR)、紫外线(UV)、可见光等等)。空中接口116可以使用任何适当的无线电接入技术(RAT)来建立。

更具体地说，如上所述，通信系统100可以是多址接入系统，并且可以使用一种或多种信道接入方案，例如CDMA、TDMA、FDMA、OFDMA以及SC-FDMA等等。例如，RAN 104/113中的基站114a与WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如通用移动电信系统(UMTS)陆地无线电接入(UTRA)，其中所述技术可以使用宽带CDMA(WCDMA)来建立空中接口115/116/117。WCDMA可以包括如高速分组接入(HSPA)和/或演进型HSPA(HSPA+)之类的通信协议。HSPA可以包括高速下行链路(DL)分组接入(HSDPA)和/或高速UL分组接入(HSUPA)。

在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如演进型UMTS陆地无线电接入(E-UTRA)，其中所述技术可以使用长期演进(LTE)和/或先进LTE(LTE-A)和/或先进LTA Pro(LTE-A Pro)来建立空中接口116。

在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如NR无线电接入，其中所述无线电技术可以使用新型无线电(NR)来建立空中接口116。

在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施多种无线电接入技术。举例来说，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以共同实施LTE无线电接入和NR无线电接入(例如使用双连接(DC)原理)。由此，WTRU 102a、102b、102c使用的空中接口可以通过多种类型的无线电接入技术和/或向/从多种类型的基站(例如eNB和gNB)发送的传输来表征。

在其他实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施以下的无线电技术，例如IEEE 802.11(即无线高保真(WiFi))、IEEE 802.16(全球微波接入互操作性(WiMAX))、CDMA2000、CDMA2000 1X、CDMA2000 EV-DO、临时标准2000(IS-2000)、临时标准95(IS-95)、临时标准856(IS-856)、全球移动通信系统(GSM)、用于GSM演进的增强数据速率(EDGE)以及GSM EDGE(GERAN)等等。

图1A中的基站114b可以是无线路由器、家庭节点B、家庭e节点B或接入点，并且可以使用任何适当的RAT来促成局部区域中的无线连接，例如营业场所、住宅、车辆、校园、工业设施、空中走廊(例如供无人机使用)以及道路等等。在一个实施例中，基站114b与WTRU102c、102d可以通过实施IEEE 802.11之类的无线电技术来建立无线局域网(WLAN)。在实施例中，基站114b与WTRU 102c、102d可以通过实施IEEE 802.15之类的无线电技术来建立无线个人局域网(WPAN)。在再一实施例中，基站114b和WTRU 102c、102d可通过使用基于蜂窝的RAT(例如WCDMA、CDMA2000、GSM、LTE、LTE-A、LTE-A Pro、NR等等)来建立微微小区或毫微微小区。如图1A所示，基站114b可以直连到因特网110。由此，基站114b不需要经由CN 106/115来接入因特网110。

RAN 104/113可以与CN 106/115进行通信，其中所述CN可以是被配置成向一个或多个WTRU 102a、102b、102c、102d提供语音、数据、应用和/或借助网际协议语音(VoIP)服务的任何类型的网络。该数据可以具有不同的服务质量(QoS)需求，例如不同的吞吐量需求、延时需求、容错需求、可靠性需求、数据吞吐量需求、以及移动性需求等等。CN 106/115可以提供呼叫控制、记账服务、基于移动位置的服务、预付费呼叫、因特网连接、视频分发等等，和/或可以执行用户验证之类的高级安全功能。虽然在图1A中没有显示，然而应该了解，RAN104/113和/或CN 106/115可以直接或间接地和其他那些与RAN 104/113使用相同RAT或不同RAT的RAN进行通信。例如，除了与使用NR无线电技术的RAN 104/113相连之外，CN 106/115还可以与使用GSM、UMTS、CDMA 2000、WiMAX、E-UTRA或WiFi无线电技术的别的RAN(未显示)通信。

CN 106/115还可以充当供WTRU 102a、102b、102c、102d接入PSTN 108、因特网110和/或其他网络112的网关。PSTN 108可以包括提供简易老式电话服务(POTS)的电路交换电话网络。因特网110可以包括使用了公共通信协议(例如TCP/IP网际协议族中的传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)和/或网际协议(IP))的全球性互联计算机网络设备系统。所述网络112可以包括由其他服务供应商拥有和/或运营的有线和/或无线通信网络。例如，所述其他网络112可以包括与一个或多个RAN相连的另一个CN，其中所述一个或多个RAN可以与RAN 104/113使用相同RAT或不同RAT。

通信系统100中一些或所有WTRU 102a、102b、102c、102d可以包括多模能力(例如，WTRU 102a、102b、102c、102d可以包括在不同无线链路上与不同无线网络通信的多个收发信机)。例如，图1A所示的WTRU 102c可被配置成与可以使用基于蜂窝的无线电技术的基站114a通信，以及与可以使用IEEE 802无线电技术的基站114b通信。

图1B是示出了例示WTRU 102的系统图示。如图1B所示，WTRU 102可以包括处理器118、收发信机120、发射/接收部件122、扬声器/麦克风124、键盘126、显示器/触摸板128、不可移除存储器130、可移除存储器132、电源134、全球定位系统(GPS)芯片组136以及其他周边设备138。应该了解的是，在保持符合实施例的同时，WTRU 102还可以包括前述部件的任何子组合。

处理器118可以是通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、其他任何类型的集成电路(IC)以及状态机等等。处理器118可以执行信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理、和/或其他任何能使WTRU102在无线环境中工作的功能。处理器118可以耦合至收发信机120，收发信机120可以耦合至发射/接收部件122。虽然图1B将处理器118和收发信机120描述成单独组件，然而应该了解，处理器118和收发信机120也可以集成在一个电子组件或芯片中。

发射/接收部件122可被配置成经由空中接口116来发射或接收去往或来自基站(例如基站114a)的信号。举个例子，在一个实施例中，发射/接收部件122可以是被配置成发射和/或接收RF信号的天线。作为示例，在实施例中，发射/接收部件122可以是被配置成发射和/或接收IR、UV或可见光信号的放射器/检测器。在实施例中，发射/接收部件122可被配置成发射和/或接收RF和光信号。应该了解的是，发射/接收部件122可以被配置成发射和/或接收无线信号的任何组合。

虽然在图1B中将发射/接收部件122描述成是单个部件，但是WTRU 102可以包括任何数量的发射/接收部件122。更具体地说，WTRU 102可以使用MIMO技术。由此，在实施例中，WTRU 102可以包括两个或多个通过空中接口116来发射和接收无线电信号的发射/接收部件122(例如多个天线)。

收发信机120可被配置成对发射/接收部件122所要传送的信号进行调制，以及对发射/接收部件122接收的信号进行解调。如上所述，WTRU 102可以具有多模能力。因此，收发信机120可以包括允许WTRU 102借助多种RAT(例如NR和IEEE 802.11)来进行通信的多个收发信机。

WTRU 102的处理器118可以耦合到扬声器/麦克风124、键盘126和/或显示器/触摸板128(例如液晶显示器(LCD)显示单元或有机发光二极管(OLED)显示单元)，并且可以接收来自这些部件的用户输入数据。处理器118还可以向扬声器/麦克风124、键盘126和/或显示器/触摸板128输出用户数据。此外，处理器118可以从诸如不可移除存储器130和/或可移除存储器132之类的任何适当的存储器中存取信息，以及将信息存入这些存储器。不可移除存储器130可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘或是其他任何类型的记忆存储设备。可移除存储器132可以包括订户标识模块(SIM)卡、记忆棒、安全数字(SD)记忆卡等等。在其他实施例中，处理器118可以从那些并非实际位于WTRU 102的存储器存取信息，以及将数据存入这些存储器，作为示例，此类存储器可以位于服务器或家庭计算机(未显示)。

处理器118可以接收来自电源134的电力，并且可被配置分发和/或控制用于WTRU102中的其他组件的电力。电源134可以是为WTRU 102供电的任何适当设备。例如，电源134可以包括一个或多个干电池组(如镍镉(Ni-Cd)、镍锌(Ni-Zn)、镍氢(NiMH)、锂离子(Li-ion)等等)、太阳能电池以及燃料电池等等。

处理器118还可以耦合到GPS芯片组136，该芯片组可被配置成提供与WTRU 102的当前位置相关的位置信息(例如经度和纬度)。作为来自GPS芯片组136的信息的补充或替换，WTRU 102可以经由空中接口116接收来自基站(例如基站114a、114b)的位置信息，和/或根据从两个或更多个附近基站接收的信号定时来确定其位置。应该了解的是，在保持符合实施例的同时，WTRU 102可以借助任何适当的定位方法来获取位置信息。

处理器118还可以耦合到其他周边设备138，其中所述周边设备可以包括提供附加特征、功能和/或有线或无线连接的一个或多个软件和/或硬件模块。例如，周边设备138可以包括加速度计、电子指南针、卫星收发信机、数码相机(用于照片和/或视频)、通用串行总线(USB)端口、振动设备、电视收发信机、免提耳机、

模块、调频(FM)无线电单元、数字音乐播放器、媒体播放器、视频游戏机模块、因特网浏览器、虚拟现实和/或增强现实(VR/AR)设备、以及活动跟踪器等等。周边设备138可以包括一个或多个传感器，所述传感器可以是以下的一个或多个：陀螺仪、加速度计、霍尔效应传感器、磁力计、方位传感器、邻近传感器、温度传感器、时间传感器、地理位置传感器、高度计、光传感器、触摸传感器、磁力计、气压计、手势传感器、生物测定传感器和/或湿度传感器。

WTRU 102可以包括全双工无线电设备，其中对于该无线电设备来说，一些或所有信号(例如与用于UL(例如对传输而言)和下行链路(例如对接收而言)的特定子帧相关联)的接收或传输可以是并发和/或同时的。全双工无线电设备可以包括借助于硬件(例如扼流线圈)或是凭借处理器(例如单独的处理器(未显示)或是凭借处理器118)的信号处理来减少和/或基本消除自干扰的干扰管理单元。在实施例中，WTRU 102可以包括传送和接收一些或所有信号(例如与用于UL(例如对传输而言)或下行链路(例如对接收而言)的特定子帧相关联)的半双工无线电设备。

虽然所述WTRU被描述为无线终端，但是可以预期在某些代表性实施例中，这样的终端可以(例如临时或永久地)使用与通信网络的有线通信接口。

具体实施方式

缩写

LF 光场

3D 三维

SLM 空间光调制器

SMV 超多视图

VAC 聚散-适应冲突((vergence-accommodation conflict))

SVA 单用户视角

MVA 多用户视角

EBA 适眼区(eye-box)角

EBE 适眼区放大

EPE 出瞳扩展器(Exit Pupil Expander)

引言

本文公开的实施例可操作以基于所投影的光束来改进性能并扩展3D LF显示器的特征集。本文所揭示的系统和方法使用组合了光栅干涉仪和空间光调制器的结构来增加有效LF像素孔径尺寸。所提出的系统和方法以不一定影响显示表面上的空间分辨率的方式来扩展孔径。

在一些实施例中，用于扩大光束孔径尺寸的系统和方法提供了减小的衍射效应。通过利用由所扩大的孔径提供的减小的衍射效应，可以构造更高分辨率的LF显示器。通过利用由光栅干涉仪和SLM提供的光学调制，在显示表面和虚焦平面处都获得了改进的空间分辨率。

此外，所提出的过程和结构可以被用于增加3D显示器适眼区的尺寸。较大的适眼区可以提高整体用户友好性并且允许眼睛跟踪系统中的不太严格的要求。所提出的结构可以被添加到利用所投影的光束起作用的现有LF显示器结构，或者用作新型LF显示器的一部分。

本文公开了用于通过利用光栅干涉仪和空间光调制器(SLM)来增加光束投影LF像素的孔径尺寸的方法和系统。各种实施例采用光学方法的形式。在本文所述的一些实施例中，扩大的孔径尺寸允许通过减小的衍射效应而实现更高分辨率的LF显示器。本文描述的系统和方法使得可以以不影响显示表面上的空间分辨率的方式而增加像素孔径。在显示表面和虚焦平面上都可以获得较高分辨率的图像。作为替代，相同的基本结构可以用于增加3D显示器虚拟适眼区的尺寸，从而提高显示系统的整体可用性。所提出的结构可以被添加到利用所投影的交叉光束起作用的现有LF显示器结构上，或者用作新型LF显示器的一部分。

在此公开的全LF显示系统的第一部分是LF图像生成模块。该LF图像生成模块可以是能够使良好准直的光束用于在光束交叉点处创建虚焦平面的任何LF显示器。所提出的结构的第二部分包括具有两个连续线性光栅的光栅干涉仪和SLM。在至少一个实施例中，所述两个光栅在光学性质上是相同的。所述SLM可以具体化为例如LCD面板，而所述光栅干涉仪可以具体化为在两侧上具有浮雕光栅结构的单个聚碳酸酯片。

所述干涉仪结构中的第一光栅用于将所述LF像素中产生的准直光束分成传播到不同方向的不同子光束。当所述子光束撞击第二光栅(其在光学性质上可以与第一光栅相同)时，第二代子光束中的一些被衍射回到与从LF像素发射的原始光束相同的方向。组合的第二代子光束相互作用并形成最终的单向统一光束，该最终的单向统一光束朝向观看者眼睛前方的显示器适眼区传播。所得到的光束具有比从LF显示像素发射的原始光束更大的孔径。所述SLM位于第二光栅之前或之后，并且用于阻挡由双光栅结构产生的所有不必要的衍射级。所述SLM减少了图像中的对比度恶化串扰。

在此教导的示例性LF显示器的基本构造在该详细描述的其余部分中被描述。由于显示设备中的组件很小且可大量生产，所以这种模块的成本可以容易地大量降低。由于仅有非常少的组件装配在一起，因此简单的构造也有利于整个系统的可靠性、设置和校准。

在本详细描述中公开的一些工艺和结构利用光学孔径扩展器结构，其可以提供以下益处中的一个或多个：(i)降低光学系统级的制造和组件容限，(ii)通过扩大适眼区尺寸来提高系统的易用性，和/或(iii)提高3D LF图像空间分辨率。这些特征中的每一个可以用于增强LF显示器的性能，其中该LF显示器使用交叉投影光束来形成3D图像。在一些实施例中，示例性光学扩展器结构本身可以被添加到现有LF显示器结构上，该结构可为诸如为在2017年9月28日递交的题为“用于使用倾斜折射板生成3D光场的系统和方法”的的临时专利申请No.62/564,913中公开的结构中的一者或多者，该申请通过引用而被整体并入本文。在其他实施例中，示例性光学扩展器可以用于新的LF显示器类型。

扩展的LF像素孔径导致了较大的3D显示器适眼区，这又降低了对组件和系统级容限的要求。通过降低所述系统级容限，可以构建制造成本较低并且对于不同用户而言更易于校准的整个显示设备。成本降低是可能的，因为由扩展的孔径而导致的扩大的适眼区可允许较慢的眼睛跟踪组件和系统模块之间较不严格的对准。此外，不同的人在其自身物理性质上具有自然差异，并且利用所提出的方法，可以处理诸如瞳距变化的常见差异。在一些实施例中，将不需要校准例程来将系统调整到适于不同用户。

本文描述的示例性孔径扩展器方法提供了改进的易用性，因为对于用户的自然眼睛和头部移动存在更大的容限。这在移动显示器的情况下特别有用，因为移动显示器通常在手持设备中，并不像HMD那样被固定到头部。许多当前的移动电话和平板已经配备有可以执行眼睛跟踪的前置相机，并且由于移动设备对低功耗具有严格的要求，因此可以实现眼睛跟踪以便通过直接眼睛投影来节省能量。显示视图可以一次限于一只眼睛，以便创建3D图像。使用眼睛跟踪的实施例还可增加隐私，因为图像信息仅被投影到被跟踪用户的眼睛。

衍射受限成像系统的分辨率能够通过增加系统孔径的尺寸而被增加。一些孔径扩展器方法可以通过减少衍射模糊来实现LF显示系统中的改进的空间分辨率。分辨率增强可以在任何给定焦平面的改进的像素密度中和/或在增加的体素深度(这在没有改进的光束发散的情况下是不能获得的)中被看到。还可以保持显示表面本身上的空间分辨率，这对于被持为相对靠近用户眼睛的移动显示器特别有用，因为需要高分辨率来提供良好质量的图片。此外，一些实施例可以通过仅允许0级衍射光束通过SLM来模拟常规的2D显示器。

在继续该详细描述之前，应该注意，在各个附图中描绘并结合各个附图描述的实体、连接、布置等是作为示例而非作为限制来呈现的。因此，关于以下的任何和所有陈述或其他指示在孤立且脱离上下文的情况下可被解读为绝对的且因此是限制性的：特定附图“描绘了什么”、特定附图中的特定元素或实体“是”或“具有”什么、以及任何和所有类似陈述，其可以仅其前被建设性冠以诸如“在至少一个实施例中，…”等条款的情况下被正确地解读。

此外，在随后的段落中以及在本公开中的任何其他地方描述的任何变化和置换可以相对于任何实施例来实现，这其中包括相对于任何方法实施例和相对于任何系统实施例。

一般3D图像感知

图2A和2B描绘了不同的焦距和眼睛会聚角。图2A描绘了当观看自然场景中的真实世界对象202时的视网膜聚焦。图2B描绘了当观看自动立体3D显示器204时的视网膜聚焦。在图2A中描述的真实世界的情况下，所述图像的一些部分是模糊的，而在图2B中描述的显示器的情况下，所有部分都是聚焦的。当前通常用于家庭影院和电影院的立体显示器采用次优技术来产生3D图像。在人脑中，在眼视网膜上的光敏细胞和感测眼肌运动的细胞之间存在神经连接。当产生深度感知时，该相关区域一起工作。自动立体3D显示器由于图像信息被限制在显示器的平面内的事实而缺乏正确的视网膜聚焦提示。当眼睛聚焦到与它们会聚的点不同的点时，大脑中的生理信号变得混乱。会聚和适应的深度提示不匹配导致例如眼睛疲劳、疲乏、恶心和眼睛对物距的较慢适应。这种现象被称为聚散-适应冲突(VAC)，并且它是人工3D图像中的非比例深度挤压的结果。

图3A-3D描绘了平的光场(LF)显示器上的像素簇以及各种眼睛聚焦角度(FA)和会聚角度(CA)。描绘了在四种情况下在平面LF显示器上的像素簇以及眼睛聚焦角度和会聚角度：显示表面上的图像点(图3A)、显示表面后面的虚像点(图3B)、显示表面后面一无限距离处的虚像(图3C)以及显示表面前面的图像点(图3D)。

聚散-适应冲突是从当前的立体3D显示器向更先进的光场系统发展的一个驱动因素。平面形状因素的LF 3D显示器可以同时产生眼睛会聚角度和聚焦角度。图3A-3D示出了在四种不同的3D图像内容情况下的这些角度。在图3A中，图像点320位于显示器305的表面上，并且只需要一个对于双眼310可见的照亮的像素。两只眼睛聚焦(角度322)并会聚(角度324)到相同点。在图3B中，虚像点(例如，体素)330在显示器305后面，并且显示器上的两个像素簇332被照亮。此外，来自这两个照亮的像素簇332的光线的方向被控制，使得所发射的光仅对正确的眼睛可见，从而使得眼睛能够会聚到相同的单个虚拟点330。在图3C中，虚像340位于显示屏305之后的无限远的距离处，并且从两个照亮的像素簇342中仅从显示表面发射平行光线。在这种情况下，像素簇342的最小尺寸是眼睛瞳孔的尺寸，并且所述簇的尺寸还表示显示表面上所需的像素簇的最大尺寸。在图3D中，虚像点(例如，体素)350在显示器305的前面，并且两个像素簇352被在相同点交叉的发射光束照亮，其中该发射光束在该相同点聚焦。在图3B-3D的一般情况下，使用对来自LF显示设备的发射光的空间和角度控制，以便为了对3D图像内容的自然眼睛响应而产生会聚角度和聚焦角度。

至少三种类型的3D显示器能够提供用于自然3D图像感知的正确聚焦提示。第一类是能够在真实3D空间中产生3D图像的体积显示技术。所述3D图像的每个“体素”物理上位于其应该所处的空间位置，并且从该位置向观看者反射或发射光以在观看者的眼睛中形成实像。3D体显示器的主要问题是系统的低分辨率、大的物理尺寸和高复杂性。它们制造昂贵，并且在特殊使用情况(如产品展示、博物馆等)之外使用太麻烦。能够提供正确的视网膜聚焦提示的第二类3D显示设备是全息显示器。这些显示器通过重构从自然环境中的对象散射的整个光波前来操作。在该技术领域中的一个问题是缺少可以用于产生极其详细的波前的适当的空间光调制器(SLM)组件。能够提供自然视网膜焦点提示的第三种3D显示技术类别被称为光场(LF)显示，并且其是本公开的主要技术领域。

图4A-4C描述了朝向瞳孔的光场的各种遮挡水平。LF系统旨在控制空间域和角度域中的光发射，这不同于传统立体3D显示器，其仅能控制空间域。存在两种不同的方式来产生光场。在第一种方法中，在观看者的每只眼睛上产生视差，从而产生与被观看对象的3D位置相对应的正确视网膜模糊。第二种方法是多焦平面方法，其中对象的图像被投影到对应于其3D位置的焦平面。所述第一种方法通常更适合于头戴式单用户设备，因为眼睛瞳孔的位置更容易确定并且眼睛更靠近显示器，使得更容易提供所需的密集光线场。所述第二种方法更适合于位于距观看者一定距离处的显示器，并且可以在没有头盔的情况下使用。在本系统的一个实施例中，通过每个单眼呈现多个视图来实现正确的视网膜模糊。图4A-4C示出了由所述瞳孔上的视差引起的遮挡。在图4A中，仅有人体的一部分(他们的脚)是可见的，并且人的其余部分被阻挡。这对应于从瞳孔的左侧观看的视图。在图4B中，人体的较大部分是可见的，但是人体的一小部分仍然被阻挡。这对应于从瞳孔中心观看的视图。在图4C中，整个人体是可见的。这对应于从瞳孔的右侧观看的视图。所得到的变化图像可表示多个视图，其可以被呈现以产生正确的视网膜模糊。如果来自至少两个图像的光从稍微不同的视点同时进入瞳孔，则会产生更逼真的视觉体验。在这种情况下，由于大脑无意识地预测由于运动而引起的图像变化，因此运动视差效果更好地类似于自然条件。SMV效应可以通过确保在正确观看距离处的两个视图之间的间隔是一比眼睛瞳孔的尺寸更小的值而被实现。

在正常照明条件下，人的瞳孔通常估计直径为大约4mm。如果环境光水平高(例如，在日光中)，则直径可以小至1.5mm，并且在黑暗条件下大至8mm。SMV显示器可以实现的最大角密度受衍射限制，并且在空间分辨率(像素尺寸)和角分辨率之间存在反比关系。衍射增加了通过孔径的光束的角展度，并且在设计非常高密度的SMV显示器时应该考虑这种效应。

图5是与能够利用单个平面形状因素面板来产生视网膜聚焦提示以及3D内容的多个视图的LF显示器1405相关联的光发射角度的创建所涉及的几何结构的示意图。单个3D显示表面1405优选地能够生成针对单个用户的两只眼睛的至少两个不同视图，以便创建已经在当前3D立体显示器中利用的粗糙3D感知效果。大脑使用这两个不同的眼睛图像来基于三角测量方法和瞳孔间距而计算3D距离。这意味着，优选地将至少两个视图投影到图5所示的单用户视角(SVA)中。此外，真实LF显示器优选地能够在单个眼睛瞳孔内部投影至少两个不同的视图，以便提供正确的视网膜聚焦提示。出于光学设计的目的，当确定在其中形成可观看图像的空间体积(例如，“适眼区”宽度1425)时，“适眼区”通常被定义为围绕观看者的眼睛瞳孔。在LF显示器1405的情况下，优选地将至少两个部分重叠的视图投影到特定观看距离1420处的由适眼区覆盖的适眼区角(EBA)内。如果显示器1405意图由从不同视角观看该显示器1405的多个观看者(例如1401、1402、1403)使用，则优选地将相同3D内容(例如，虚拟对象点1410)的若干视图投影到覆盖整个预期多用户视角(MVA)的所有观看者。

以下段落提供了关于上述几何结构的示例计算。在随后的情况中的值是为了清楚而提供的，并且不意味着以任何方式进行限制。如果所述LF显示器位于距单个观看者1m的距离处，并且适眼区宽度被设置为10mm，则EBA的值将是大约0.6度，并且针对每～0.3度角生成3D图像内容的至少一个视图。由于标准的人瞳孔间距为大约65mm，所述SVA将为大约4.3度，并且仅对于位于显示器法线方向的单个观看者(如果该观看者的整个面部区域被覆盖)，将需要大约14个不同的视图。如果显示器打算供多个用户使用，所有用户都位于90度的中等MVA内部，那么总共需要300个不同的视图。对于位于30cm距离处的显示器(例如移动电话显示器)的类似计算将导致对于90度的水平多视角角度而言仅需要90个不同的视图。并且如果显示器位于距离观看者3m远(例如，电视屏幕)，则总共900个不同的视图将用于覆盖相同的90度多视图角度。

所述计算表明：相比于显示器离用户较远的使用情况，对于显示器离观看者较近的使用情况，LF多视图系统更容易创建。此外，图5示出了由LF显示器同时覆盖的三个不同的角度范围：一个用于覆盖单只眼睛的瞳孔，一个用于覆盖单个用户的两只眼睛，以及一个用于多用户情况。在这三个角度范围中，后两个可以通过使用在透镜结构或视差屏障结构下的若干发光像素或者通过使用具有公共屏幕的若干投影仪来解决。这些技术适合于产生在产生多个视图中使用的相对大的光发射角度。然而，这些系统缺乏角分辨率来解决眼睛瞳孔，这意味着它们通常不能产生正确的视网膜聚焦线索并且对VAC非常敏感。

平板型多视图LF显示器可以仅基于空间复用。发光像素(LF子像素)行或矩阵可以位于透镜状透镜片(例如，具有平行柱面透镜的片)或微透镜阵列(例如，凸透镜二维阵列)之后，并且每个像素被投影到显示器结构前方的唯一的视图方向。在每个透镜状特征后面的发光层上存在的像素越多，可以生成的视图就越多。这导致在所生成的唯一视图的数量与空间分辨率之间的直接折衷情况。如果从3D显示器期望较小的LF像素尺寸，则可以减小各个子像素的尺寸；或者可替换地，可以生成较少数量的观看方向。高品质LF显示器具有高空间分辨率和角度分辨率。本详细描述的其余部分集中于用于LF显示设备中的孔径扩展的系统和方法。

限制了平面形状因素LF显示器的分辨率的光学特征

在一些实施例中，生成高分辨率LF图像包括使用交叉光束将多个高分辨率、深度相关的2D图像投影到不同的焦平面上。优选地，每个焦平面之间的距离被保持在人类视觉系统深度分辨率之内。一个或多个光束在其处相交的相应位置被称为体素。该体素的每个光束被紧密地准直并且具有窄的直径。优选地，每个光束腰与所述多个光束相交的位置(即，所述体素)同位。这有助于避免观察者接收到冲突的聚焦提示。如果光束直径大，则在光束交叉处形成的体素作为大光斑被成像到眼睛的视网膜。大的发散值指示至少两个关系：(i)光束直径随着给定体素和观看者眼睛之间的距离变小而增大，以及(ii)虚焦平面空间分辨率随着给定体素和观看者眼睛之间的距离变小而减小。眼睛处的原始分辨率随着给定体素和观看者眼睛之间的距离变小而增大。

图6A描绘了由几何因素引起的光束发散增加，而图6B描绘了由衍射引起的光束发散增加。在理想透镜的情况下，可实现的光束准直取决于两个几何因素：(i)光源的尺寸和(ii)透镜的焦距。完美的准直(即，没有任何光束发散的准直)仅能在理论情形中实现，在该理论情形中，单色点光源(PS)精确地位于距理想正透镜的焦距距离处。这种情况在图6A的最顶部的示例中被示出。不幸的是，所有的真实世界光源都具有非零的表面区域，光从该表面区域发射，使得它们成为扩展光源(extended source,ES)。由于所述光源的每个点由透镜分别成像，总光束可以被认为包括多个准直子光束，这些子光束在所述透镜之后传播到稍微不同的方向。图6A中呈现的下面两种情况示出了随着ES变大，总光束发散增加。这种几何因素不能用任何光学设备来避免。对于相对大的光源，来自系统光学几何结构的发散是过高的主导特征。

引起光束发散的另一个特征是衍射。该术语是指当波(例如，光的波)遇到障碍物或狭缝(例如，在光栅中)时发生的各种现象。可以认为是光在孔径的角周围弯曲进入几何阴影的区域。衍射效应可以在所有成像系统中发现，并且即使利用能够抵消所有光学像差的完美透镜设计，它们也不能被去除。实际上，能够达到最高光学质量的透镜通常被称为“衍射受限”，因为图像中剩余的大部分模糊来自衍射。利用衍射受限透镜可实现的角分辨率可以从以下公式计算：

sinθ＝1.22*λ/D

其中λ是光的波长，D是透镜的入瞳的直径。在上述等式中，光的颜色和透镜孔径尺寸是对衍射量有影响的主要因素。图6B示出了随着透镜孔径尺寸的减小，光束发散增加。如果设计是衍射受限的，则仍然可能通过使孔径更大来提高分辨率。对于相对较小光源而已，衍射是光束发散的主要原因。

如图6A所示，扩展光源的尺寸对可实现的光束发散具有显著影响。光源几何结构或空间分布由投影仪透镜映射到光束的角分布，并且这可以在光源-透镜(source-lens)系统的所得“远场图案”中观察到。实际上，这意味着如果准直透镜位于距一光源的焦距处，则该光源被成像到距所述透镜相对大的距离。该图像的尺寸可以从系统“放大率”中确定。在简单的成像透镜的情况下，通过将透镜和图像之间的距离除以所述光源和透镜之间的距离来计算所述比率。如果所述光源和透镜之间的距离是固定的，则可以通过调节透镜曲率来改变所述透镜的光焦度(optical power)，从而实现不同的像距。但是，随着所述像距变大(相对于所述透镜焦距)，所需的透镜光焦度变化变小。极端情况接近这样的情况，其中所述透镜有效地将发射的光准直成一光束，该光束具有所述光源的映射到角分布中的空间分布。在这些情况下，光源图像在没有聚焦的情况下被形成。

在平面形状因素无护目镜LF显示器中，LF像素投影透镜具有非常小的焦距以便实现所述平面结构。通常，来自单个LF像素的光束被投影到相对大的观看距离。这意味着当光束传播到观看者时，所述光源以高放大率被有效地成像。例如：如果光源尺寸为50μm×50μm，投影透镜焦距为1mm，观看距离为1m，则得到的放大率为1000:1。给定这些条件，所述光源的图像的尺寸将是50mm×50mm。这表明，在该50mm直径适眼区内仅用一只眼睛就可以看到单个光发射器。如果所述光源的直径为100微米，则所得图像的宽度为100毫米，并且同一像素可同时被两只眼睛看到，眼睛瞳孔之间的平均距离仅为64mm。在后一种情况下，将不会形成立体3D图像，因为双眼将看到相同的图像。上面的示例计算示出了包括光源尺寸、透镜焦距和观看距离的几何参数如何彼此联系并影响整体性能。

当光束被从LF显示像素投影时，发散导致该光束扩展。这不仅适用于从显示器向观看者发射的实际光束，而且适用于看起来在所述显示器后面发射的、会聚到靠近显示表面的单个虚焦点的任何虚拟光束。在多视图显示器的情况下，这可以是有益的，因为发散扩展了适眼区的尺寸。在这样的实施例中，LF系统被设计成使得在观看距离处的光束尺寸不超过两只眼睛之间的距离，因为这将破坏立体效果。然而，当使用两个或更多个交叉光束在所述显示表面外部的任何地方的虚拟焦平面上创建体素时，利用所述光束可实现的空间分辨率随着所述发散增加而降低。还应当注意，如果在观看距离处的光束尺寸大于眼睛瞳孔的尺寸，则该瞳孔成为整个光学系统的限制孔径。

几何效应和衍射效应这两者在所有光学系统中协同工作。本结构提供了一种在LF显示设计期间控制几何效应和衍射效应的手段，以便能够实现体素分辨率的各种解决方案。在非常小的光源的情况下，随着光学系统测量变得更接近于光波长，衍射效应开始支配整个LF显示器的性能。考虑在一个或两个扩展光源以固定放大率被成像到固定距离的情况下的几何效应和衍射效应。在一种情况下，透镜孔径尺寸可以相对较小，并且几何图像(GI)可以被来自衍射图像(DI)的模糊包围，该模糊很大。在另一种情况下，两个扩展光源并排放置，并用与先前情况相同的小孔径透镜成像。即使所述两个光源的GI可以被分离，由于衍射图像重叠，也可能不能分辨这两个光源图像。实际上，这意味着减小光源尺寸不会提高可实现的体素分辨率。所得到的光源图像尺寸对于两个单独的光源将是相同的，便如同存在一个较大的光源覆盖了这两个单独的发射器的区域。为了将两个光源图像分辨为单独的像素/体素，应当增加成像透镜的孔径尺寸。在另一种情况下，具有相同焦距但具有较大孔径的透镜用于对所述扩展光源成像。在这种情况下，衍射减小，并且DI仅稍大于GI，GI由于放大率固定而保持不变。这允许这两个图像被分辨，因为DI不再重叠。通常，增加孔径尺寸使得可以使用两个不同的光源，并因此提高体素栅格的空间分辨率。

示例设计案例研究：真实LF显示器分辨率

随后的部分涉及LF显示器设计案例研究。该案例研究有助于阐明与基于交叉光束的实际LF显示器相关联的光学要求。该研究包含对显示器和观看者之间的中间3D图像焦平面上的图像空间分辨率的示例计算。在所述研究期间，改变一些设计参数，以便提供如何在不同使用情况下平衡图像分辨率的示例，并讨论在起作用时的不同折衷。

示例系统目标参数如下：

·显示器尺寸被设置为24"，其模拟常规PC桌面显示器。

·观看距离被设置为1m。

·LF像素尺寸被设置为250μm，这意味着在设备表面上的全高清分辨率(1920×1080像素)。

·投影透镜孔径被设置为250μm，与LF像素尺寸相同。

·LF像素透镜的初始焦距被设置为1mm。

·光发射器尺寸被设置为50μm×50μm，以便在观看距离处达到用于立体图像的最大光斑尺寸。

初始分辨率计算如下：

·当放大率为1000:1时，50μm尺寸的光源以50mm宽的光斑成像到1m的观看距离。

·由于眼睛瞳孔限制了整个系统的孔径尺寸，眼睛看到的光束宽度为～5mm。

·如果在距显示器50mm距离处创建了虚像平面，则来自交叉光束的焦平面体素宽度为～490μm，并且焦平面尺寸为～23"。这意味着大约1000×560个像素，这可以被认为是足够的。

·如果相同的光束用于在离显示器500mm距离处形成3D图像体素，则两个相交光束的可见横截面将具有～2.6mm的宽度。在这种情况下，中间图像平面尺寸将是12"，并且在其上将仅有～100×75个单独的像素。

·用这种系统可实现的分辨率可能不足以用于高质量显示图像，尤其是在图像体素靠近观看者的情况下。

在所述示例系统中增加空间分辨率的一种策略是使光束聚焦到与虚焦平面相同的距离。在这种情况下，所述示例系统可以包括诸如以下的特征：(i)可调节光焦度透镜(例如，液体透镜)和/或(ii)光源与透镜之间的可控可变距离。在任一情形中，放大率仍然是限制因素。例如，如果LF像素投影透镜的焦距从1mm加倍到2mm，则放大率变为500:1，并且在观看距离处的50μm光源图像变为25mm宽。考虑到这仍然大于眼睛瞳孔尺寸，瞳孔保持系统中的限制孔径，并且在500mm距离虚像平面处的可见光斑尺寸保持相同，大约2.6mm。为了在该虚像平面上具有例如1000×560体素网格，光束光斑尺寸必须小十倍，大约250μm。这将要求从LF像素的5:1的放大率，这将意味着LF像素准直器的焦距为约100mm。这种焦距与250μm的透镜孔径一起将引起大的不想要的衍射效应，使得所述光斑比单独的几何图像大得多。这种策略也会导致光焦度的损失，因为投影透镜250μm孔径在100mm距离处的角度范围很小。来自发光组件的典型朗伯照明分布的仅一小部分可以用于图像成形，使得100mm焦距不切实际。

用于提高体素分辨率的另一潜在策略是减小光发射器的尺寸。如果上述示例中的发射器的宽度从50μm减小到5μm，则在观看距离处所得到的几何光斑尺寸将是大约5mm，其与眼睛瞳孔的尺寸大致相同。然而，这种改变对于改进中间焦平面空间分辨率仍然是不够的，因为可见光束发散将保持不变。如果光源尺寸进一步减小，接近实际最小值2μm，则在1m观看距离处的几何光斑尺寸减小到2mm，并且眼睛瞳孔不再是系统中的限制孔径。利用这样的光源，500mm焦平面几何体素宽度将是大约1.1mm，这是更好的，但是仍然不是理想的。为了在所述中间焦平面处获得大约1000×560像素，LF像素透镜焦距可以增加到大约4mm的值。利用该焦距，放大率将被减小到250:1，并且中间图像平面处的几何光斑尺寸将是大约250μm。不幸的是，衍射效应在这种小光源下将变得显著，并且将所述光斑模糊到大约1mm的尺寸，这意味着将不能实现对分辨率的实际改进。

为了在示例LF显示器情况中去除一些衍射效应，投影透镜直径可以增加到例如0.75mm。这种变化将把在500mm中间图像平面处的衍射光斑的尺寸降低到大约330μm，并且可分辨的像素的数量将是大约750×420。不幸的是，较大LF像素孔径尺寸也将使显示表面上的像素数量降低到大约670×380。这种平衡设计将能够在一体积内利用交叉光束创建3D画面，该体积从一端由24″对角矩形显示设备界定并且从一端由虚拟12″对角矩形焦平面界定。该体积内的每个图像平面将具有近似VGA质量的空间分辨率。通过考虑平均人类视觉系统深度分辨率，显然在这样的体积中所需的焦平面的适当数目是3，使得体素的总数为～1百万。这是合理的数字，但是与当前可用的2D显示器相比，所实现的显示分辨率较低。

示例LF像素衍射模拟

为了进一步阐明衍射对LF显示器的可见分辨率的影响，提供以下部分。以下部分描述了利用一对小光源执行的一组光学模拟。在该模拟中，两个相同的矩形发光表面并排放置，间隙(间距)是一个光源的宽度的一半。当光源的尺寸在三个值(1μm、2μm和5μm)之间改变时，该基本光源几何结构保持固定。应当注意，这些对于实际光源是很小的值，但是它们准确地代表当前发射可见光的光电元件的可行尺寸。例如，激光二极管可以具有大约1μm×3μm的发射器孔径尺寸，而μLED组件可以具有2μm×2μm的发射器孔径尺寸。多个μLED组件可以以3μm间距结合为一矩阵，使得它们成为用于该特定模拟组的良好的实际寿命示例光源。在光学模拟中仅使用一个波长(红色650nm)，因为最长的可见波长代表了最坏的情况。

在LF像素模拟研究中产生了不同的光学设计，使得两个像素成像到离显示器500mm的距离，形成如从几何放大率计算的5mm宽的照明图案。基本目标是产生这样一种情况，其中两个并排的像素作为分离的光束被成像到一只眼睛的瞳孔中。因为模拟被设计成展示所述像素将如何被肉眼可见，所以具有17mm焦距的理想透镜被放置在500mm“观看距离”处。该透镜模拟了功能眼睛并且使得到的照明图案类似于落在眼睛视网膜上的光分布。由于几何模板规定了最终图像尺寸和距离，因此对于不同尺寸的光源固定的仅有两个光学参数是LF像素透镜焦距和孔径尺寸。为了获得所需的几何放大率，将透镜的焦距在1μm光源下设定为250μm，在2μm光源下设定为500μm，并在5μm光源下设定为1250μm。用每个光源尺寸模拟四个不同的透镜孔径尺寸，以便查看在不同情况下衍射是如何受影响的。F#被用作确定正确孔径尺寸的参数，以努力使模拟情况彼此可比。F#通常被定义为透镜焦距与入瞳直径的比值。例如，焦距为500μm且孔径尺寸为200μm的透镜的F#为2.5。

使用三种不同的光源尺寸和用于每种光源尺寸的四个孔径尺寸，模拟了十二种组合。所得到的照明分布示出了当孔径尺寸增大(F#减小)时，两个光源图像开始表现为分离的光斑，然后表现为分离的矩形对象。当考虑1μm和2μm的光源尺寸时，F#10个情况仅示出单个模糊光斑，并且成像系统的分辨率不足以分离所述两个像素。在这些情况下，分辨率受到衍射的限制，并且孔径尺寸太小。

从结果中还可以明显看出，所有光源的最小期望孔径尺寸在200μm-250μm的范围内。这意味着为了从光源尺寸的减小而获得分辨率益处，LF显示系统优选地使用不小于200μm的LF像素孔径尺寸。这对于移动设备而言是一个有问题的限制，因为它们当前的2D显示器具有250ppi-500ppi范围的像素密度，其转化为50μm-100μm之间的像素尺寸。例如，具有200μm像素的5"移动电话显示器将仅具有大约550×300分辨率的显示器，其具有125ppi密度，这低于例如十年之前在2007年引入的第一个iPhone所具有的显示器。总之，所讨论的模拟表明，为了受益于像μLED或激光二极管那样的最小规模的可见光源，平面形状因素的LF显示器受益于最小的200μm孔径投影透镜。

μLED光源在显示器应用中的技术状况

μLED是用与当今通常使用的标准LED芯片相同的基本技术和相同的材料制造的LED芯片。然而，μLED是通常可获得的LED组件的小型化版本，并且它们可以被制成小至尺寸为1μm–10μm。目前，μLED的密集矩阵可具有以3μm间距组装的2μm×2μm芯片。当与OLED相比时，μLED是稳定得多的组件，并且它们可以提供更大的光强度，这使得它们可用于从头戴式显示系统到自适应汽车前照灯(LED矩阵)和TV背光源的许多应用。μLED可用于3D显示器中以提供可非常快速地接通及关断的可个别寻址的光发射器的非常密集的矩阵。

一个裸露的μLED芯片能够发射光谱宽度大约20-30nm的特定颜色。通过用磷光体层覆盖所述芯片，可以产生白光源，该磷光体层将由蓝色或UVμLED发射的光转换成更宽的白光发射光谱。也可以通过并排放置单独的红色、绿色和蓝色μLED芯片来产生全色源，因为当人类视觉系统组合单独的颜色发射时，这三种原色的组合可产生全色像素。前面提到的以这种风格设计的非常密集的矩阵可以包括具有低于10μm(3×3μm间距)的总宽度的自发射全色像素。

半导体芯片的光提取效率是确定μLED结构的电-光效率的一个参数。有几种方法可以用于提高所述提取效率，这对于具有有限电源的移动设备尤其重要。一种这样的方法使用直接集成在μLED芯片上的成形塑料光学元件。由于较低的折射率差，与芯片被空气包围的情况相比，塑料成型的集成能够从芯片材料提取更多的光。该塑料成型还以增强从塑料件的光提取并使发射图案更具方向性的方式来引导光。另一种方法包括将芯片本身成型为有利于光发射角度更垂直于半导体芯片的前小面(facet)的形式。这使光更容易逸出所述芯片的高折射率材料。这些结构还引导从所述芯片发射的光。在后一种情况下，当与常规μLED相比时，所述提取效率可以好两倍。与其中光更均匀地分布到周围半球的标准芯片的朗伯分布相比，相当多的光被发射到30°的发射光锥。

孔径扩展器的示例

许多当前HMD系统包含被称为出瞳扩展器(EPE)的光学模块或特征。该组件的目的是扩展与小型微显示器或直接视网膜扫描结合使用的成像系统的出瞳尺寸。EPE提供了一种解决方案，用于解决眼睛扫描FOV时出现的自然快速眼睛移动(扫视)所引起的问题，并且在光学系统相对于用户眼睛的定位中提供了更大的灵活性。通常用于HMD设备的扩展的出瞳的术语是适眼区。用于大FOV系统的典型适眼区尺寸在10mm-15mm的范围内。紧密地固定到头部(例如，安装在头盔上)的系统可以具有较小的出瞳，因为设备相对于眼睛瞳孔没有移动太多。不固定到头部的系统(例如移动设备显示器)要求大得多的适眼区以便允许小的头部移动。当设计旨在例如借助于眼睛跟踪系统将视图仅投影到用户的眼睛瞳孔的无护目镜显示器时，应当考虑该因素。所投影的视图的适眼区尺寸应当足够大，以便考虑在跟踪系统和显示系统之间的时间延迟时段内发生的任何用户运动。如果所述适眼区太小，则存在随着用户移动而丢失3D图像的风险。所投影的光束可能错过眼镜瞳孔，并且在视网膜上将不会形成图像(或者至少部分图像将丢失)。总之，光学模块EPE和出瞳扩展方法允许显示系统的其余部分中的更大容限，使得更容易例如出于成本和易于使用的目的而优化全LF显示器结构。

用于通过光学显微镜达到良好成像分辨率的主要方法之一是设计具有尽可能大的数值孔径(NA)的物镜。所述NA将显微镜物镜焦距与孔径尺寸相关联，并且类似于在成像光学的其他领域中通常使用的F#。然而，在这种情况下，较大的NA值意味着相对孔径尺寸较大，并且接下来是衍射受限透镜中的较少衍射。对于显微镜物镜，焦距通常是固定的，因为它决定了用特定的光学器件可以获得的放大率；然而，可以通过增加孔径尺寸而提高分辨率。

详细的工艺和结构

图7描绘了利用孔径扩展器的示例LF显示器结构的示意性表示。图7示出了具有光源的发光层702和准直光学器件704。所述发光层具有可单独控制的小发射器，例如μLED。诸如单元706的投影仪单元具体化为发光层和准直透镜的组合。图7的显示器还包括第一衍射光栅708和第二衍射光栅710以及空间光调制器712。在图7中，视觉上强调了一行相同单元中的一个投影仪单元706。从发光层702的发光元件714发射光。发光层702中的发光元件可以以二维阵列布置。透镜结构(例如聚碳酸酯透镜片)覆盖在发光层上。每个透镜(例如透镜716)将所述光准直为离开单个LF投影仪单元的光束718，形成一个LF像素。在一些实施例中，在所述LF像素内部(或前面)，可以存在单独的光学特征(例如倾斜板)，其向所述单元结构添加时间复用，从而通过相对于像素光轴来移位光源的虚拟位置而实现更高的光束密度。所述示例显示器结构的LEL和准直仪光学器件可充当LF图像生成模块。该模块可以是能够使良好准直的光束用于LF显示器的任何LF显示引擎。

图7的孔径扩展器结构包括两个衍射光栅708、710和SLM 712。特别地，图7中所示的孔径扩展器包括具有两个连续线性光栅的光栅干涉仪和SLM，该SLM可以是例如LCD面板。所述光栅708、710可以是例如纳米压印的聚合物箔或在两侧上具有压印的光栅结构的单个聚碳酸酯片。所述光栅708、710优选具有相同的线密度。所述第一光栅708将LF像素中生成的准直光束(诸如光束718)分成根据衍射级(diffraction order)传播到不同方向的不同的第一代子光束(例如光束702a、702b、702c)。当所述第一代子光束撞击所述第二光栅710时，一些第二代子光束被衍射回到与从LF像素发射的原始光束718相同的方向，从而生成光束722a、722b、722c。

由于来自单个发射器的光首先被分离然后再次被组合的事实，所述第二代子光束以与在单个光束借助于例如公共折射光束扩展器透镜被扩展的情况下所看到的方式类似的方式相互作用。因为第一代子光束在两个光栅之间空间被分离，所以在第二光栅之后朝向观看者传播的所得单向统一光束具有比从LF显示器像素发射的原始光束大的孔径。所述SLM 712位于第二光栅710之前或之后，并且用于阻挡由双光栅结构产生的不必要的衍射级。可以根据要被阻挡的光束来调制所述空间光调制器的不同区域的不透明度。在图7的示例中，例如，区域724(除了别的以外)是不透明的，而区域726(除了别的以外)是透明的。所述空间光调制器有助于减少图像中的对比度恶化串扰。不是所有的更高衍射级都需要被阻挡，因为它们中的大多数传播到预期显示FOV之外的方向。在一些实施例和/或操作模式中，显示器可以仅传送零级光束，因此该结构可以用作普通2D显示器。

图8描绘了利用孔径扩展器的另一示例LF显示器结构的示意性表示。图8示出了发光层802、具有倾斜透明板的层803和准直光学器件804，它们一起形成投影仪单元806。图8的显示器还包括第一衍射光栅808和第二衍射光栅810以及空间光调制器812。具有倾斜透明板的可移动折射层803可以用于向单元结构添加时间复用，从而通过相对于像素光轴而移位光源的虚拟位置来实现更高的光束密度。可以以振荡或其它受控方式驱动所述板，例如通过在所述板中产生驻波或行波。在一些实施例中，除了层803的倾斜板之外的光学元件(例如振荡透明膜)也可以用于提供时间复用。在一些实施例中，诸如菲涅耳透镜818的组件可以用于将光束引向期望的观看区域。

如图9所示，可以通过在投影仪单元内照射哪个发光元件来控制发射光束的方向。在图9的结构中，发光层902的发光元件914在投影仪单元906内被照射。发光元件914的虚拟位置可以由倾斜板903来调制。来自发光元件914的光被准直光学器件904准直，并且所得到的准直光束通过第一衍射光栅908、第二衍射光栅910和空间光调制器912。空间光调制器912的适当区域被呈现为透明的，以允许期望光束通过，而其他区域被呈现为不透明的，以阻挡不期望的光束。

应注意，可在一个LF显示像素(例如投影仪单元706、806或906)内同时激活一个以上光发射器。当从多于一个光源发射光时，空间分离的发射器生成以不同角度撞击所述第一光栅的一系列准直光束。在某些实施例中，除了该空间复用之外，通过利用例如倾斜板结构(诸如结构803或903)和时间复用来增加视图方向的数量。多组第一和第二代子光束由衍射光栅产生，并且每个定向光束在该结构中以相同的方式被扩展。所述SLM(例如结构712、812或912)用于根据图像内容选择性地阻挡不必要的方向和级。利用这种结构，每个LF像素能够生成多个光束方向，所述多个光束方向可用于以在虚拟焦平面处的光束交叉的形式创建体素。在一些实施例中，每个定向光束可被阻挡，或者其孔径尺寸可被放大或缩小。在一些实施例中，孔径减小用于增加衍射模糊，以便例如扩散像素边界或创建模糊的图像效果。

因为光栅的角度控制是连续的，所以LF像素(诸如投影仪单元706、806、906)可以以小于扩展光束的宽度的间距并排地定位在光栅干涉仪结构之后。这导致了光束孔径的扩展，即使原始显示器空间分辨率(如由LF像素投影透镜孔径尺寸所确定的)保持恒定。不同的投影仪单元可以用于同时产生不同的光束方向，并且发光定时可以与SLM同步，以便在不同的时间间隔显示不同的像素。在这样的实施例中，发光层上使用的组件(例如μLED)比SLM(例如LCD)调制得更快，并且发射器可以在SLM的一个刷新周期内打开和关闭若干次。此结构和过程有助于减轻LF像素之间的串扰。

虽然图7、8和9示出了包括被布置成行的投影仪单元的光场显示器结构的横截面，但是应当理解，在大多数实施例中，所述投影仪单元被布置成二维阵列，其中在每个投影仪单元内具有发光元件的二维阵列。

在各种实施例中，使用LCD面板来获得期望的SLM功能。如果与SLM分开地调制发光像素(例如，μLED)，则所述SLM可使用具有二元开关功能的像素来实现。然而，在一些实施例中，LCD面板与发光层一起或代替发光层用于像素强度调制。在一些实施例中，SLM是黑色透明面板，其调制三色发光像素。在其它实施例中，发光像素仅产生白光，SLM用于滤色。SLM达到大约60Hz的无闪烁图像的操作切换速度是可行的。在一些实施例中，大部分3D图像生成是利用位于孔径扩展器结构之前的快得多的LF显示模块来完成的。在一些实施例中，SLM仅用于通过或阻挡由LF显示控制模块选择的到达观看者的眼睛的光束。在一些实施例中，SLM和发光层控制器被连接和同步，但是如前所述，当前可用的LCD面板刷新率足以用于该目的。

所添加的光束扩展器结构(尤其是SLM)可能增加用于创建3D图像的(i)渲染方法和(ii)像素调制控制的复杂度。在一些实施例中，SLM与发光像素和图像内容同步。在各种实施例中，SLM提供关于被阻挡和通过的光束方向的最终选择。

在一些实施例中，所述SLM调制基于例如用主动眼睛跟踪模块确定的(一个或多个)当前用户视图方向。通过将发光层和SLM像素分组，使得图像被显示为隔行而不是连续的单个像素，可以降低渲染的处理需求。包括在一组中的像素的数量由发光像素的尺寸和间距、SLM像素尺寸和由SLM控制的扩展光束孔径的尺寸确定。

如本文所公开的孔径扩展器可以操作以减少衍射效应，使得可以改善光束发散和体素空间分辨率。改善体素空间分辨率是孔径扩展器的第一使用情况。然而，在一些情况下，在本详细描述中描述的光束扩展器可用于制造用于LF显示器的更大的适眼区。这两种不同的使用情况意味着可以选择扩展器结构的各种参数以更好地适合一个目标或另一个目标。离开第二光栅和SLM的光束的孔径尺寸可以通过改变(i)所述两个光栅之间的距离和(ii)确定子光束角度的光栅周期而被调节。在至少一个实施例中，所述光栅被配置成将光焦度均匀地分配到仅三个级，即：-1，0和+1。在其它实施例中，还利用更高级，例如以促进更大的光束扩展比率。在以较高体素空间分辨率为目标的使用情况下，容忍较小的扩展比，并且所述两个光栅之间的距离保持相对较小(例如，在1mm以下)。在目标是增加适眼区尺寸的使用情况下，眼镜瞳孔确定期望的光束扩展，并且所述光栅之间的距离增加到几毫米。在各种结构实现之间存在性能折衷关系。因此，在设计真实世界系统时，应该考虑期望的LF显示器特性。在至少一个实施例中，所述两个光栅之间的距离在一定范围内是可调节和可控制的(例如，从1mm到5mm，且步长为.1mm)。

应当注意，由于在第二光栅中产生的一些衍射级将被SLM阻挡或损失在显示FOV之外，所以所提出的结构会导致一些光损失。在两个光栅中仅产生三个级的实施例中，发射功率在所发射光的1/3范围内。然而，本文公开的实施例可以示出比使用没有孔径扩展器的结构所示出的具有更大范围的深度的更高质量的3D图像。在没有孔径扩展器的情况下，衍射将限制可实现的光束发散。这尤其适用于远焦点层，因为它们要求严格的光束准直，并且还适用于小规模LF显示器，该显示器使用小的投影透镜孔径以便帮助在显示表面上维持足够的空间分辨率。被设计成增加适眼区尺寸的实施例通常非常适合于手持设备中的小型显示器，因为这些显示器相对于观看者的眼睛不是稳定固定的。在这些情况下，多视图图像像素在扩展的适眼区内是可见的，降低了对对准系统例如眼睛跟踪系统的需求。

衍射组件(例如光栅)可分离颜色，因为不同波长被衍射到稍微不同的角度。在许多实施例中，所述两个光栅具有相同的光学性质(例如，相同的凹槽间隔)，形成匹配的双光栅结构。该匹配的双光栅结构的一个好处是第二相同光栅恰好地补偿了由第一相同光栅产生的光束传播角。因此，在相同LF像素位置处产生的所有光束(即使具有不同颜色的光束)也将在第二光栅之后传播到相同的方向并具有相同的发散。然而，由于衍射角不同，所以红色光束将比绿色光束宽，绿色光束将比蓝色光束宽。这种分离具有许多益处。所提出的双光栅的一个有用性质涉及衍射效应在较长波长下更严重的事实。通过双光栅结构使红色光束变宽的事实在光学上是有用的，因为红色光束也需要较宽的孔径以补偿增加的衍射模糊。

图10描绘了利用与颜色分离相关的各种参数进行操作的示例结构。在图12中所描绘的情形中，在LF像素1006中使用250μm宽的准直透镜，其中小的红色(650nm)、绿色(550nm)及蓝色(450nm)光源位于透镜下方的相同点1014处。位于所述LF像素上方的两个薄光栅结构1008、1010彼此相距1mm的距离，并且它们的光栅线密度是1000lp/mm(每mm的线对)。所述光栅结构的光栅线基本上彼此平行。如图10所示，所述光束的零级沿着光轴的方向传播通过两个光栅，作为包括所有三种颜色的大约250μm宽的一个光束。(为了清楚地说明，图10中仅示出了光束中心线)，-1级和+1级在第一光栅1008处被从中心光束分离，并且不同颜色以不同角度弯曲。在第二光栅1010中，-1级第一代子光束被再次衍射，并且+1级第二代子光束被转回LF像素光束的原始方向。对于+1级子光束，发生类似的过程，但是在第二光栅中使用的衍射级现在为-1。(其它衍射光束未在图10中示出)在第二光栅1010之后，红色光束的总孔径宽度1050为1.7mm，绿色光束的总孔径宽度1052为1.3mm，蓝色光束的总孔径宽度1054为1.0mm。

示例使用情况

在随后的段落中，给出了光束扩展器方法和结构的使用情况。第一种情况给出了移动多视图显示器，其中所述方法用于出瞳扩展(EPE)。第二种情况给出了桌面显示器结构，其中所述方法利用交叉光束增加光场显示器的体素空间分辨率。

具有EPE的移动10"多视图显示器

图11A和11B描绘了突出由所提出的LF显示器结构提供的EPE改进的第一真实世界示例场景。具体地，图11A示出了示例性观看场景的第一视图，而图11B示出了同一示例性观看场景的第二视图。在所述示例性观看场景中，具有平的或弯曲的10"多视图3D屏幕1110的平板设备1102被放置在距单个观看者1104 500mm的距离处。该平板设备包括立体相机对1106和照射观看者的面部区域的IR LED1108。所述相机和IR LED提供准确的眼睛跟踪，其能够确定观看者的瞳孔的3D位置，以及在一些实施例中，确定注视方向。在至少一个实施例中，使用所述平板设备投影立体3D图像包括使用观看者的瞳孔的3D位置(以及在一些实施例中，所述注视方向)来将所述立体3D图像仅投影到眼睛方向。这些实施例节省能量，因为光仅被引导到眼镜瞳孔而不是整个周围空间。此外，在这样的实施例中，存在至少一个更多的益处，其形式为减少需要为图像数据渲染处理的信息量。

具有为EPE设计的光束扩展器的LF显示器结构的配置的一个示例参考图7进行描述。所述显示器可以是基于空间和时间复用的组合的10"LF显示器。空间复用是使用二维μLED矩阵或阵列来实现。在一些变型中，时间复用例如通过使用倾斜板阵列(类似于阵列803)来完成，如以上引用的申请No.62/564,913中所公开的。所述发光层702包括5μm×5μm尺寸的μLED，其以7μm间距被定位成一行。每个投影单元706形成100μm宽的LF像素。每个LF像素内部的每个水平行上的μLED的总数为十四，并且每个像素的最外组成部分与LF像素中心相距45.5μm的距离。投影透镜716的孔径尺寸为100μm，焦距为400μm，对应于F#4.0光学系统。距所述移动显示器的观看距离是500mm。几何放大率是1250:1，这导致在眼镜瞳孔处的光源几何图像宽度是6.25mm。该行中最外面的μLED在距中心线大约60mm的距离处成像，从而为每个LF像素创建大约120mm宽的观看窗口。为了保持所有像素在整个表面上可见，所述显示器可以在水平方向上弯曲，使得所有单独的LF像素观看窗口重叠并形成共同的观看区域。像素μLED列能够在该区域内投影十四个不同的视图。在本示例中，所述LF像素投影透镜是柱面的，这意味着在垂直方向上没有光焦度。(这种柱面透镜是准直透镜的示例，因为它们沿至少一个维度来对光进行准直)。由此得出，通过光学堆叠保持了μLED自然发散，并且像素在由μLED数值孔径确定的垂直FOV内部可见。在该示例中，层703是50μm厚的聚苯乙烯倾斜板箔，用于扫描μLED虚拟位置的水平方向。这导致了当使用±7°的最大板倾斜时，在所述观看距离处，所投影的光束在4mm瞳孔宽度上被扫描。该范围能够满足矩阵上的两个相邻μLED之间的所有投影角度，使得本示例为非常密集的LF多视图显示器。

位于所述LF像素矩阵上方的光束扩展器层具有两个76.5μm厚的聚苯乙烯光栅箔708、710，每个具有1000lp/mm。这些箔彼此之间的距离为6.2mm。所述光栅干涉仪将原始光束分成三部分。根据所述光栅箔的光学性质，这三个部分的光强度可以具有基本相等的光强度。在穿过所述光栅箔之后，右侧和左侧子光束(722a、722c)之间的距离变为大约9mm。在显示表面上，分离的子光束具有大约300μm的直径。具有不带滤色器的大约300μm像素(适合光束尺寸)的LCD面板712位于所述光束扩展器的顶部，以便阻挡不必要的衍射级。由几何效应和衍射效应的组合产生的发散使得离开所提供的EPE结构的光束在500mm的观看距离处部分重叠，形成具有约15mm宽度的单个μLED的适眼区。这表明通过使用所述光束扩展器，单个μLED适眼区已经从大约6.25mm加宽到大约15mm，使得更容易将单个LF子像素图像投影到眼镜瞳孔。

图13和14示意性地示出了出瞳扩展的一个益处。图13示出了将光束1304导向用户的眼睛1306的光场显示器1302。该光场显示器1302没有配备任何孔径扩展组件。结果，如果观看者稍微向页面的左侧移动，则光束1304将不再对用户的眼睛1306可见。另一方面，图14示出了配备有孔径扩展器的光场显示器1402。结果，不是单个窄光束1404被引导至用户的眼睛1406，而是三个光束1408a-c被引导至用户的眼睛。这允许用户更大的自由度向左或向右移动，同时来自显示器的光保持可见。注意，在该实施例中，分离的光束1408a、1408b是平行的，并且聚焦到用户眼睛中的相同点，而眼睛聚焦在无穷远处；结果，即使在光束之间存在间隙，用户也可以在眼睛移动期间体验到显示器的外观的很小变化或没有变化。

具有改进的体素分辨率的桌面24"真实LF显示器

图12描绘了第二示例性使用情况，其突出了由所提出的LF显示器结构提供的体素分辨率改进。特别地，该第二种使用情况给出了24"真实LF桌面显示器设计，其中所公开的孔径扩展器结构用于提高体素空间分辨率。图12还描绘了一些相关的观看几何结构。单个观看者1204坐在显示器1202前面1000mm的距离处。该显示器在水平方向上将多个视图投影到观看者的眼睛。在垂直方向上，光束被漫射以提供宽的垂直观看窗口。

参考图8描述了具有设计用于增加体素分辨率的光束扩展器的光场显示器结构的示例配置。在该示例中，光从μLED行802发射，其中每个μLED组件是2μm×2μm，并且以3μm间距分开。LF像素孔径尺寸806为250μm，而柱面投影透镜816焦距为1mm。在倾斜板阵列803中使用50μm厚的带有凹槽的聚苯乙烯箔。在μLED矩阵中，红色、绿色和蓝色组件具有相同的尺寸，并且它们在垂直方向上被接合为交替的行。它们的颜色在投影光束中被组合，因为所提出的示例结构仅在水平方向上具有光焦度。每个LF像素具有三个不同颜色的83μLED行，其用于将83个独特的视图投影到1m的观看距离。在该距离处，它们覆盖大约250mm宽的观看窗口。为了使像素从显示器的所有部分可见，整个平的显示表面覆盖有2mm厚的聚碳酸酯菲涅耳透镜818，其将所投影的光束聚焦到位于显示器法线上1m距离处的中心点。这种布置使得单个LF像素观看窗口重叠，并且为单个用户形成250mm宽的观看区域。

通过使用1000:1的系统几何放大率进行计算，在距一个2μmμLED1m观看距离处的几何图像尺寸为2mm。若此子像素投影可在无衍射模糊的情况下实现，则两个并排的μLED可同时通过瞳孔成像至眼睛中且可满足SMV条件。不幸的是，来自250μm宽的投影透镜孔径的衍射效应增加了光束发散，并且使用绿色μLED时，落在眼睛上的衍射光斑尺寸为～5.4mm。对于蓝色组件，光斑尺寸将稍小，而对于红色组件，光斑尺寸将稍大。这意味着在没有光束扩展器布置的情况下，仅可以分辨来自两个相邻μLED的一个模糊光斑。

为了增加LF图像中的空间分辨率，孔径扩展器结构位于LF显示器1202的顶部。在该示例中，衍射光栅808、810都是彼此相距1.0mm距离定位的具有1000lp/mm的76.5μm厚的聚苯乙烯光栅箔。光栅干涉仪将原始光束分成具有基本相等光强的三个部分，右侧子光束和左侧子光束之间的距离对于蓝色光源大约为1.0mm，对于绿色光源大约为1.3mm，对于红色光源大约为1.7mm。已参考前面的图10给出和描述了这种颜色分离。在这种配置中的空间光调制器812是具有不带滤色器的大约300μm像素(适合于子光束尺寸)的LCD面板，其位于光束扩展器的顶部，以便阻挡不必要的衍射级。通过包括所述孔径扩展器，在扩展器结构之后的组合光束减少了衍射模糊，使得眼睛瞳孔上的光斑尺寸更接近几何尺寸。

其它实施例

在一些实施例中，所述第一和第二衍射结构被蚀刻、印刷或以其他方式生成在单个材料片的相对侧上。一些实施例使用具有可变光栅周期的光栅干涉仪结构。在上述实施例中，所述第一和第二光栅结构具有基本相同的光栅线密度。然而，在一些实施例中，所述光栅干涉仪结构的第二光栅具有与第一光栅略微不同的光栅参数(例如，线密度)。在这样的实施例中，扩展光束将发散或聚焦。焦距可以通过利用SLM扩展或减小光束的孔径尺寸来控制。这允许受控的光束聚焦到不同的焦平面，使得图像质量更好。换句话说，可以使交叉的光束聚焦到它们交叉的相同点。所述第二光栅也可以具有电子可调谐光栅周期，在这种情况下，LF显示器可以提供对光束的聚焦范围的附加控制。这种结构可以例如利用压电致动器在弹性材料上引起的声波或者通过周期性地拉伸和松弛弹性光栅箔来实现。

在一些实施例中，光场显示器包括LF显示像素源和孔径扩展器，LF显示像素源被配置为发射在各个焦平面处相交的准直光束，孔径扩展器包括衍射光栅干涉仪和SLM。

在一些此类实施例中，LF显示器像素源包括具有至少一个光源的发光层、定位在该发光层前面的倾斜板、以及定位在该倾斜板前面的准直透镜。所述光源可以是白光源，SLM可以具有用于调制所投影的光束的滤色器像素。所述光源可以包括至少一个红色光源、一个绿色光源和一个蓝色光源，且所述SLM可以包括用于通过或停止所投影的光束的像素。所述光源可为μLED。作为替代，所述光源可以是激光二极管。

在一些实施例中，衍射光栅干涉仪包括用于分离颜色并加宽光束孔径的第一衍射光栅和用于补偿由所述第一衍射光栅引起的传播方向的角偏差的第二衍射光栅。所述第一和第二衍射光栅可以是光学上相同的，或者可以至少具有相同的光栅线密度。

所述SLM可以操作以阻挡(i)来自衍射级的在图像成形中未使用的光束和/或(ii)未沿着预期的视图方向传播的光束。

在一些实施例中，提供了LF显示器孔径扩展器。该孔径扩展器包括：第一衍射光栅，用于分离从LF像素投影仪单元接收的光束的颜色并加宽其孔径；第二衍射光栅，用于补偿由所述第一衍射光栅引起的光束传播方向的角偏差；以及SLM，用于传递和阻挡从所述第二衍射光栅接收的各级光束，其中所述SLM与所述LF投影仪单元的激活同步。

在一些实施例中，提供了一种用于在LF显示系统中扩展投影仪光束孔径尺寸的方法。在该方法中，使用LF像素投影仪单元产生至少一个准直的LF投影仪光束，该LF像素投影仪单元包括(i)发光层，(ii)用于相对于光轴移动光源位置的折射倾斜板，以及(iii)准直透镜。所述至少一个准直LF投影仪光束穿过第一衍射光栅，该第一衍射光栅将不同颜色的光束朝向不同的传播方向发送并且扩大光束孔径尺寸。所衍射的LF投影仪光束通过第二衍射光栅，该第二衍射光栅使不同颜色的光束向回朝光轴倾斜。所述颜色分离且孔径扩大的投影仪光束被SLM调制。

所述光栅可以是纳米压印的聚合物箔。所述光栅可以是在两侧具有浮雕光栅结构的单个聚碳酸酯片。所述SLM可以是LCD面板。

其它讨论

通常，来自小孔径的不期望的衍射是有问题的物理限制，其很难用除了扩展孔径之外的任何手段来解决。所提出的孔径扩展方法不影响显示表面上的空间分辨率，并且与简单的折射或反射孔径扩展方法相比，可以通过较大的深度范围获得较高的分辨率。基于光场的直接调制的真正全息系统将不会有这个问题，但是那些全息系统需要小得多的SLM来适当地运行。

注意，所描述的一个或多个实施例的各种硬件元件被称为“模块”，其实行(即，执行、运行等)在此结合相应模块描述的各种功能。如本文所使用的，模块包括相关领域的技术人员认为适合于给定实现的硬件(例如，一个或多个处理器、一个或多个光学处理器、一个或多个SLM、一个或多个微处理器、一个或多个微控制器、一个或多个微芯片、一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个存储器设备)。每个所描述的模块还可以包括可执行用于执行被描述为由相应模块执行的一个或多个功能的指令，并且注意，这些指令可以采取硬件(即，硬连线的)指令、固件指令、和/或软件指令等的形式或包括它们，并且可以存储在任何适当的非暂时性计算机可读介质或媒体中，诸如通常被称为RAM、ROM等的那些。

尽管以上以特定的组合描述了特征和元素，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元素可以单独使用或与其它特征和元素任意组合使用。另外，本文描述的方法可以部分通过使用计算机程序、软件或固件而被实现，所述计算机程序、软件或固件并入计算机可读介质中以由计算机或处理器执行。计算机可读存储媒体的示例包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、寄存器、缓冲存储器、半导体存储器设备、磁媒体(例如内部硬盘和可移除磁盘)、磁光媒体和光学媒体(例如CD-ROM盘和数字通用盘(DVD))。与软件相关联的处理器可用于实施用于LF显示设备内的图像引擎、控制器、定时模块、操作系统等。

Claims (13)

1.一种光场显示设备，包括：

发光层，其包括多个可单独控制的发光元件；

光学层，所述光学层覆盖所述发光层，且包括多个准直透镜，每个透镜对应于所述多个发光元件的一组发光元件并被配置为将对应发光元件发射的光准直成在各种各自方向上发射的相应原始准直光束；

第一衍射光栅，其覆盖所述光学层，并被配置为将所述原始准直光束中的每一者分成第一代准直子光束；

第二衍射光栅，其覆盖所述第一衍射光栅，并被配置为将所述第一代子光束中的每一者分成第二代准直子光束；以及

空间光调制器，覆盖所述第二衍射光栅，被配置为选择性地使所述空间光调制器的一部分不透明，以使得所述第二代准直子光束中的到达所述述空间光调制器的第二光束在该第二光束具有与所述原始准直光束中的一原始光束的方向不同的方向的情况下被阻挡，其中所述第二光束通过所述第一和第二衍射光栅而被从所述原始光束分出来。

2.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述空间光调制器是LCD面板。

3.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述第一衍射光栅的光栅线和所述第二衍射光栅的光栅线基本上平行。

4.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述第一衍射光栅的光栅线和所述第二衍射光栅的光栅线具有基本上相同的线对密度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，其中所述准直透镜是柱面透镜。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，其中所述准直透镜是凸透镜。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，进一步包括在所述发光层与所述光学层之间的可移动折射层。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，其中所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅分开0.5mm至5mm。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，其中所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅分开5mm至10mm。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，其中所述发光层中的所述多个可单独控制的发光元件被布置成二维阵列。

11.一种提供光场显示的方法，所述方法包括：

从包括多个发光元件的发光层中的至少一个发光元件选择性地发射光；

通过使用包括多个准直透镜的光学层，将所发射的光准直成在各种各自方向上发射的原始准直光束；

使用第一衍射光栅将所述原始准直光束中的每一者分成第一代准直子光束；

使用第二衍射光栅将所述第一代准直子光束中的每一者分成第二代准直子光束；以及

使用空间光调制器，在所述第二代准直子光束中的第二光束具有与所述原始准直光束中的一原始光束的方向不同的方向的情况下，阻挡该第二光束，其中所述第二光束通过所述第一和第二衍射光栅而被从所述原始光束分出来，所述阻挡通过选择性地使所述空间光调制器的部分不透明而进行。

12.根据权利要求11所述的方法，其中光被从多个所述发光元件选择性地发射，以生成图像。

13.根据权利要求11所述的方法，其中准直所发射的光通过使用微透镜阵列而被执行。

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