CN111556979B - 基于多光束元件的近眼显示器、系统、与方法 - Google Patents

基于多光束元件的近眼显示器、系统、与方法 Download PDF

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Abstract

一种近眼显示器以及一种双目近眼显示系统，其将多视图图像的多个不同视图提供至眼箱中的不同位置处，以将焦距深度提示提供给使用者。近眼显示器包括用于提供不同视图的基于多光束元件的显示器，以及用于将不同视图转送至眼箱中的不同位置的光学系统。双目近眼显示系统包括一对基于多光束元件的显示器以及双目光学系统，用于提供并转送一对多视图图像至对应的一对横向偏移的眼箱，该对多视图图像作为代表三维(3D)场景的立体图像对。

Description

基于多光束元件的近眼显示器、系统、与方法
相关申请的交叉引用
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关于联邦赞助的声明
N/A
背景技术
对于种类广泛的装置及产品的用户而言，电子显示器是一个几乎无处不在的媒介，用于传递信息给用户。其中最常见的电子显示器包括阴极射线管(cathode ray tube,CRT)、电浆显示面板(plasma display panel,PDP)、液晶显示器(liquid crystaldisplay,LCD)、电致发光显示器(electroluminescent display,EL)、有机发光二极管(organic light emitting diode,OLED)、和主动式矩阵有机发光二极管(active matrixOLED,AMOLED)显示器、电泳显示器(electrophoretic display,EP)，以及各种采用机电或电流体光调节(例如，数字微镜装置、电润湿显示器等等)的显示器。在一般情况下，电子显示器可以分为主动显示器(即，会发光的显示器)或被动显示器(即，调节由另一个光源提供的光的显示器)的其中一者。在主动显示器的分类中，最明显的示例是CRT、PDP、及OLED/AMOLED。在以射出光进行考虑的情况下，LCD及EP显示器一般是被归类在被动显示器中。被动显示器虽然经常表现出包括但不限于如固有的低功率消耗等具有吸引力的性能特征，但由于其缺乏发光的能力，在许多实际应用中被动显示器可能有使用上的限制。
除了以主动式或被动式来进行分类以外，也可以根据电子显示器的预期观看距离来对判断电子显示器的特征。举例来说，大多数的电子显示器的设计是必须放置在与人眼具有一定距离的正常或“自然”的调节范围(accommodation range)中。因此，该种电子显示器可以在不需要额外的光学元件的情况下供用户直接且自然地观看。另一方面，一些显示器是特别设计成需摆放在比正常调节范围更靠近人眼的位置。这些电子显示器经常被称为“近眼”显示器，且通常包括某种形式的光学元件以利于用户观看。举例来说，该光学元件可以提供位于正常调节范围内的实体电子显示器的虚像，如此一来，纵使无法直接观看到实体电子显示器其本身，用户仍然可以舒服的进行观看。使用近眼显示器之应用的示例包括了头戴式显示器(Head Mounted Display,HMD)、类似的穿戴式显示器，以及一些抬头式显示器；但近眼显示器的示例并不受限于此。由于近眼显示器相对于传统的显示器来说可以提供使用者更为身历其境的体验，各种虚拟现实(virtual reality,VR)系统以及增强现实(augmented reality,AR)系统经常也会包括有近眼显示器。
附图说明
根据在此描述的原理的示例和实施例的各种特征可以参考以下结合附图的详细描述而更容易地理解，其中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中：
图1A根据与在此所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的多视像显示器的透视图。
图1B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的多视像显示器的具有主要角度方向的光束的角度分量的示意图。
图2根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的衍射光栅的剖面图。
图3根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的近眼显示器的示例的方块图。
图4根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的近眼显示器的光学元件的示例的示意图。
图5根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的具有光学系统的近眼显示器的示例的剖面图，所述的光学系统包括自由曲面棱镜。
图6A根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的基于多光束元件的显示器的示例的剖面图。
图6B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的基于多光束元件的显示器的平面图。
图6C根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的基于多光束元件的显示器的透视图。
图7A根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的包括多光束元件的基于多光束元件的显示器的一部分的剖面图。
图7B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的包括多光束元件的基于多光束元件的显示器的一部分的剖面图。
图8A根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的包括多个子光栅的衍射光栅的剖面图。
图8B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的图8A的衍射光栅的平面图。
图9根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的一对多光束元件的平面图。
图10A根据与本发明所描述的原理一致的另实施例，说明在示例中的包括多光束元件的多光束式显示器的一部分的剖面图。
图10B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的包括多光束元件的基于多光束元件的显示器的一部分的剖面图。
图11根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的包括多光束元件的多视图背光板的一部分的剖面图。
图12根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的双目近眼显示系统的方块图。
图13根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的近眼显示器的操作方法的流程图。
一些示例和实施例具有除了上述参考附图中所示的特征之外的其他特征，或代替以上参考附图中所示的特征的其他特征。下面将参考上述附图详细描述这些和其他特征。
具体实施方式
下文的实施例与示例系依据本发明的原理，提供了一种能够提供调节支持功能(accommodation support)的近眼图像显示器。尤其，根据本说明书中所描述原理的各种实施例，本发明系提供了一种采用多视图显示器的近眼显示器，以产生图像的多个不同视图。多个不同视图被投射或被排列到眼箱(eye box)中的不同位置，近眼多视图图像在所述的眼箱被观看。根据各种实施例，位于不同位置的不同视图可以支持相对于多视图图像的调节功能(即，帮助眼睛聚焦于一物体上)。
在本文中，“二维显示器”或“2D显示器”定义为用以提供图像的一显示器，该图像的视图不管观看图像的方向都大致上是相同的(即，在预定视角内或2D显示范围)。智能型手机和计算机屏幕中可能会有的液晶显示器(LCD)是2D显示器的示例。与此相反，“多视图显示器”定义为配置以在不同视图方向(view direction)上或从不同视图方向提供多视图图像(multiview image)的不同视图(different views)的电子显示器或显示系统。具体来说，不同视图可以表示多视图图像的场景或物体的不同透视图。在一些情况下，多视图显示器也可以称为三维(3D)显示器，例如，在同时观看多视图图像的两个不同视图时，提供观看三维图像的感觉。
图1A根据与在此描述的原理一致的实施例，说明在示例中的多视图显示器10的透视图。如图1A中所示的，多视图显示器10包括屏幕12，其用于显示或提供要被观看的多视图图像。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如箭头所示，从屏幕12以各种不同的主要角度方向延伸。不同视图14在箭头(亦即，表示视图方向16)的终点处被显示为阴影多边形框，并且仅示出了四个视图14和四个视图方向16，这全都是作为示例而非限制。所需注意者，虽然图1A中不同视图14被绘示为在屏幕上方，但是当多视图图像被显示在多视图显示器10上，视图14实际上出现在屏幕上或屏幕附近。在屏幕12上方描绘视图14仅是为了简化说明，并且意图表示从对应于特定视图14的相应的一个视图方向16观看多视图显示器10。
根据本文的定义，视图方向或等效地具有与多视图显示器的视图方向对应方向的光束，通常具有由角度分量{θ,φ}给出的主要角度方向。角度分量θ在本文被称为光束的“仰角分量”或“仰角”。角度分量φ被称为光束的“方位角分量”或“方位角”。根据定义，仰角θ是垂直平面中的角度(例如，垂直于多视图显示器的屏幕平面)，而方位角是水平平面内的角度(例如，平行于多视图显示器的屏幕平面)。
图1B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在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或简称为“方向”的光束20的角度分量{θ,φ}的示意图。此外，根据本文的定义，光束20从特定点被发射或发出。也就是说，根据定义，光束20具有与多视图显示器内的特定原点相关联的中心射线。图1B还显示了原点O的光束(或视图方向)。
此外在本文中，在术语“多视图图像”和“多视图显示器”中使用的“多视图(multiview)”一词定义为在多个视图(view)之中的视图之间表示不同视角或包括角度差异的多个视图。另外，按照本文定义，本文中术语“多视图”明确地包括多于两个不同视图(亦即，最少三个视图并且通常多于三个视图)。如此，本文中所使用的“多视图显示器”一词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分开。惟需注意者，虽然多视图图像和多视图显示器可以包括多于两个视图，但是根据本文的定义，每次可以通过仅选择多视图中的两个视图来在多视图显示器上观看多视图图像作为立体图像对(例如，每只眼睛一个视图)。
根据本发明的定义，“多视图像素”一词系定义为在多视图显示器的类似的多个不同视图中的每一个中的一组子像素或一组“视图”像素。具体来说，多视图像素可具有对应或表示多视图图像中的该些不同视图的每一个中的视图像素的个别视图像素。此外，根据本文的定义，多视图像素的视图像素是所谓的“方向性(directional)像素”，因为每个视图像素与不同视图中相应的一个的预定视图方向相关联。此外，根据各种示例和实施例，多视图像素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相似的位置或坐标。举例而言，第一多视图像素可以具有个别视图像素，其位于多视图图像的每个不同视图中的{x1,y1}处；而第二多视图像素可以具有个别视图像素，其位于多视图图像的每个不同视图中的{x2,y2}处，依此类推。
在一些实施例中，多视图像素中的视图像素的数量可以等于多视图显示器的不同视图的数量。举例而言，该多视图像素可提供六十四(64)个视图像素，六十四(64)个视图像素系关联于具有六十四(64)个不同视图的一多视图显示器。在另一示例中，该多视图显示器可提供一八乘四的视图阵列(即，32个视图)，且该多视图像素可包括32个视图像素(即，为每一个视图提供一个)。此外，举例而言，不同视图像素的每一个可包括关联方向(例如，光束方向)，其对应与64个不同视图对应的多个视图方向中的不同视图方向。进一步地，根据一些实施例，多视图显示器的多视图像素的数量可以大致上同等于多视图显示器的像素(即，构成所选的视图的像素)的数量。例如，如果一视图包括六百四十乘四百八十的视图像素(即，640x 480的视图分辨率)，则多视图显示器可以具有三万零七千二百(307,200)个多视图像素。在另一示例中，当视图包括一百乘一百的像素，多视图显示器可包括总数为一万(即，100x 100＝10,000)的多视图像素。
本文中，“光导”被定义为使用全内反射(total internal reflection,TIR)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上透明的核心。在各种示例中，“光导”一词一般指的是介电质的光波导，其系利用全内反射在光导的介电材料的物质和围绕光导的物质或介质之间的界面引导光。根据定义，全内反射的条件是光导的折射系数大于与光导材料的表面邻接的周围介质的折射系数。在一些实施例中，光导可以在利用上述的折射系数差之外另外包括涂层，或者利用涂层取代前述的折射系数差，藉此进一步促成全内反射。例如，涂层可以是反射涂层。光导可以是数种光导中的任何一种，包括但不限于平板(plate)或厚平板(slab)光导和条状光导中的一个或两个。
此外，在本发明中，术语“平板”在应用于光导时如“平板光导”被定义为片段线性的或微分地平面(differentially planar)的层或片，其有时被称为“厚平板”光导。具体地，平板光导被定义为光导，该导光体被配置在由光导的顶部表面和底部表面(亦即，相对的表面)局限的两个基本正交的方向上引导光。此外，根据本文的定义，顶部表面和底部表面都是彼此分离的，并且可以至少在微分的意义上基本上相互平行。也就是说，在平板光导的任何微分地小的部分内，顶部表面和底部表面大致上为平行或共平面的。
在一些实施例中，平板光导可以是基本上平坦的(亦即，局限为平面)，并且因此平板光导是平面光导。在其他实施例中，平板光导可以在一个或两个正交维度上弯曲。例如，平板光导可以以单个维度弯曲以形成圆柱型的平板光导。然而，任何曲率都具有足够大的曲率半径以确保在板型光导内保持全内反射以引导光。
本文中，“角度保持散射特征”或等同的“角度保持散射器”系被配置为以一种方式散射光的任一特征或散射器，所述的方式在散射光中基本上保留入射在特征或散射体上的光的角展度(angular spread)。更具体来说，根据定义，通过角度保持散射特征散射的光的角展度σs是入射光的角展度σ的函数(即σs＝f(σ))。在一些实施例中，散射光的角展度σs是入射光的角展度或准直因子σ的线性函数(例如，σs＝a·σ，其中a是整数)。也就是，通过角度保持散射特征散射的光的角展度σs，可以基本上与入射光的角展度或准直因子σ成比例。例如，散射光的角展度σs可以基本上等于入射光的角展度σ(例如，σs≈σ)。均匀衍射光栅(即，具有大致均匀或恒定的衍射特征间距或光栅间距的衍射光栅)是角度保持散射特征的一个示例。相反地，根据本文的定义，朗伯散射器(Lambertian scatterer)或朗伯反射器(Lambertian reflector)以及一般扩散器(例如，具有或接近朗伯散射)不是保持角度的散射体。
在本文中，“偏振保持散射特征”或等同的“偏振保持散射器”系配置为以一种方式散射光的任一特征或任一散射器，所述的方式在散射光中基本上保留入射在特征或散射体上的光的偏振或至少一偏振度。因此，“偏振保持散射特征”是任一特征或任一散射体，其中，入射在特征或散射体上的光的偏振度大致上等同于该散射光的该偏振度。此外，根据定义，“偏振保持散射”是一种保持或基本上保持被散射的光的预定偏振的散射(例如，被引导的光的散射)。举例而言，被散射的光可以是由偏振光源提供的偏振光。
在本文中，“衍射光栅”通常被定义为设置成提供入射在衍射光栅上的光的衍射的多个特征(即，衍射特征)。在一些示例中，多个特征可以以周期性或准周期性的方式设置。举例而言，衍射光栅可以包括布置在一维(one-dimensional,1D)阵列中之多个特征(例如，在材料表面中的多个凹槽或脊部)。在其他示例中，衍射光栅可以是二维(2D)阵列的特征。例如，绕射光栅可以是材料表面上的凸部或材料表面中的孔洞的二维阵列。
如此，根据本文的定义，“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，则所提供的衍射或绕射地散射可以导致并且因此被称为“衍射地耦合”，因为衍射光栅可以通过绕射将光耦合出光导。衍射光栅还通过衍射(亦即，以衍射角)复位向或改变光的角度。特别地，由于衍射，离开衍射光栅的光通常具有与入射在衍射光栅上的光(亦即，入射光)的传导方向不同的传导方向。通过衍射的光的传导方向的变化在这里被称为“衍射复位向”。因此，衍射光栅可被理解为包括衍射特征的结构，其经由衍射方式将入射在衍射光栅上的光重新定向，以及，如果光是由光导射出，衍射光栅也可将来自光导的光衍射地耦合出。
此外，根据本文的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是在材料表面(亦即，两种材料之间的边界)处、之中、和之上的其中一个或多个。例如，所述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，包括但不限于在表面处、表面中、或表面上的凹槽、脊部、孔洞、和凸部中的一个或多个。例如，衍射光栅可以在材料表面中包括多个基本上平行的凹槽。在另一个示例中，衍射光栅可以包括从材料表面上突出的多个平行的脊部。衍射特征(例如：凹槽、脊部、孔洞、凸部等等)可以具有提供衍射的各种横截面形状或轮廓中的任何一种，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(blazed grating))。
根据本文所述的各种示例，可以采用衍射光栅(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，平板光导)衍射地散射出或耦合出以作为光束。特别是，局部周期性衍射光栅的衍射角θm或由局部周期性衍射光栅提供的衍射角θm可通过方程式(1)给定如：
Figure GDA0002546472730000081
其中λ是光的波长，m是衍射阶数，n是光导的折射系数，d是衍射光栅的特征之间的间隔或间距，θi是衍射光栅上的光入射角。为了简单起见，等式(1)假设衍射光栅与光导的表面邻接并且光导外部的材料的折射系数等于1(亦即，nout＝1)。通常，衍射阶数m给定为整数。衍射角θm由衍射光栅产生的光束可以由其中衍射阶数为正(例如，m>0)的等式(1)给定。例如，当衍射阶数m等于1(亦即，m＝1)时提供第一阶衍射。
图2根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在一示例中的衍射光栅30的剖面图。举例而言，衍射光栅30可以位于光导40的表面上。另外，图2示出了以入射角θi入射在衍射光栅30上的入射光束50。入射光束50可以是光导40内的一束被引导的光(即，被引导的光束)。图2中还示出了由于入射光束50的衍射，衍射光栅30衍射地产生并耦合出方向性光束60。方向性光束60具有如方程式(1)所示的衍射角θm(或者，在在本文中，“主要角度方向”)。衍射角θm可以对应于衍射光栅30的衍射阶数“m”，例如，衍射阶数m＝1(即，第一衍射阶数)。
根据本文的定义，“多光束元件”一词是为产生包括多个光束的光的背光板或显示器的结构或元件。在一些实施例中，多光束元件可光学地耦合至背光板的光导，以通过耦合出或散射出在光导中被引导的光的一部分来提供多条光束。进一步地，根据本文的定义，由多光束元件所产生的多条光束中的光束具有彼此不同的多个主要角度方向。具体来说，根据定义，多条光束中的光束具有与所述的多条光束中的另一光束不同的预定主要角度方向。因此，根据本文的定义，光束被称为“方向性光束”，并且多条光束可以称为多条方向性光束。
再者，多条方向性光束可以表示光场。例如，多条方向性光束可被限制在基本上为圆锥形的空间区域中，或者具有包括多条光束中的光束的不同主要角度方向的预定角展度。因此，该些光束的预定角展度的组合(即，所述的多条光束)可表示光场。
根据各种实施例，该多条方向性光束中的各种方向性光束的不同主要角度方向根据特性，可包括但不限于，多光束元件的尺寸(例如，长度、宽度、面积等)来决定。在一些实施例中，根据本文的定义，多光束元件可被视为一“扩展点光源”，即，多个点光源分布在多光束元件的范围内。此外，由多光束元件产生的方向性光束具有由角度分量{θ,φ}给出的主要角度方向，如本文所定义，并且如上文关于图1B所述。
在本文中，“准直器”系被定义为基本上任何用于准直光的光学元件或装置。举例来说，准直器可以包括但不限于，准直镜或反射器、准直透镜、衍射光栅、锥形光导、以及上述各种准直器的组合。根据各种实施例，由准直器提供的一准直量可以从一个实施例到另一个实施例以预定的角度或数量做变化。进一步地，准直器可用以在两个正交方向(例如，垂直方向以及水平方向)中的一个或两个方向上提供准直。换言之，根据本发明的一些实施例，准直器可包括用于提供光准直的两个正交方向中的一个或两个的形状或类似的准直特征。
在本文中，“准直因子”被定义为光被准直的程度。更详细地说，准直因子定义准直光束中的光线的角展度。例如，准直因子σ可以指定一束准直光中的大部分光线在特定的角展度内(例如，相对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在角度方面具有高斯分布(Gaussian distribution)，并且角展度可以是由准直光束的峰值强度的一半所确定的角度。
在本文中，“光源”被定义为发出光的源头(例如，用以产生光和发射光的光学发射器)。例如，光源可以包括光学发射器，例如，发光二极体(LED)，其在被启动或开启时发光。更具体来说，在本文中光源基本上可为任何一种来源的光或光学发射器，其包括但不限于，一个或多个LED、雷射、有机发光二极管(organic light emitting diode,OLED)、聚合物发光二极管电浆光学发射器、日光灯、白炽灯，以及任何其他视觉可见的灯光来源。由光源所产生的光线可以具有一颜色(即，可包括特定波长的光)，或可为一定范围的波长(例如，白光)。在一些实施例中，光源可以包括多个光学发射器。例如，光源可以包括一组或一群光学发射器，其中至少一个光学发射器产生具有一颜色或等同的一波长的光，所述颜色或波长不同于由该组或该群的至少一个其它光学发射器产生的光所具有的一颜色或一波长。不同颜色可以包括例如原色(例如，红色、绿色、蓝色)。“偏振”光源在本文中定义为，产生或提供具有预定偏振的光的基本上任何光源。举例而言，偏振光源可以包括在光源的光学发射器的输出处的偏光板。
在本说明书使用的“调节(accommodation)”一词，是指通过改变眼睛的光学能量来聚焦在物体或图像元件上的过程。换言之，调节是指眼睛聚焦的能力。在本文中，“调节范围”或等同的“调节距离”系被定义为与眼睛相距一距离的范围，在其中聚焦可以实现。虽然每个个体的调节范围可能会有所不同，举例而言，作为简化而非限制的，将最小的“正常”调节距离设定为大约等于25公分。因此，当物体在所谓的“正常调节范围”中时，一般应理解为该物体位于距离眼睛超过25公分以外的位置。
在本文中，“眼箱(eye box)”是指使用者可以观看显示器或其他光学系统(例如，透镜系统)所形成的图像的区域或空间。换言之，眼箱界定了为了观看由显示系统所产生的图像，用户的眼睛在空间中适合放置的位置。在一些实施例中，眼箱代表了二维的空间区域(例如，具有长度与宽度但没有实际深度的区域)，然而在其他实施例中，眼箱可以包括三维的空间区域(例如，具有长度、宽度、以及深度的区域)。此外，当在本文中提到“箱(box)”时，眼箱并不受限于矩形的区域。举例来说，在一些实施例中，眼箱可以是圆柱形的空间区域。
此外，如本文所使用的，冠词“一”旨在具有其在专利领域中的通常含义，亦即“一个或多个”。例如，“多光束元件”指一个或多个多光束元件，更确切来说，“多光束元件”于此意指“该(等)多光束元件”。此外，本文中对“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”、或“右”并不意味着在作为限制。本文中，当应用到一个值时，除非有另外特别说明，“大约”一词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，或者可以表示加减10％、或加减5％、或加减1％。此外，本文使用的术语“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，这里的示例仅仅是说明性的，并且是为了讨论的目的而不是为了限制。
根据与本说明书中所描述的原理一致的一些实施例，本发明系提供一种近眼显示器。图3根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的近眼显示器100的方块图。近眼显示器100用以在近眼显示器100的眼箱102提供多视图图像。更具体来说，近眼显示器100可以用以提供多视图图像的多个不同视图104。此外，可以在眼箱102内的不同位置处提供不同视图104。根据各种实施例，提供在眼箱102中的不同位置的不同视图104，系被配置以将焦距深度提示(focus depth cues)提供给近眼显示器100的使用者。举例来说，焦距深度提示可以让使用者能够基于焦距深度提示察觉出多视图图像的深度或距离。由近眼显示器100所提供给使用者的焦距深度提示可以包括调节与视网膜模糊(retinalblurring)等提示，但其并不受限于此。
如图3所示，近眼显示器100包括基于多光束元件的显示器110。多光束元件式显示器110用于提供多视图图像的多个不同视图104。根据各种实施例，基本上可以提供任何数量的视图作为该些不同视图104。举例来说，多视像图像的多个不同视图104的数量，可以包括两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、或更多个的不同视图。在其他示例中，多视图图像的多个不同视图104包括相对大的数量的不同视图，其数量可以包括十六(16)个、三十二(32)个、六十四(64)个、一百二十八(128)个或两百五十六(256)个不同视图，但所述的不同视图的数量并不受限于此。在一些实施例中，多个不同视图104包括至少四个不同视图。
在一些示例中，由近眼显示器100提供或显示的多视图图像仅包括三维(3D)信息或内容(例如，表示3D物体或场景的3D图像)。因此，多视图图像可以称为“完全”多视图或3D图像。在其他示例中，多视图图像可以包含提供3D内容的部分以及包括二维(2D)信息或内容(例如，2D图像部分)的部分。当多视图图像包括3D内容或等同的“3D图像”时，所述的多个不同视像104可以表示3D图像的不同透视图。根据本文所述的原理，举例而言，不同视图可以通过调节或视网膜模糊中一者或两者的方式，增进用户在所显示的图像中对于景深的感知。在一些示例中(例如，在双目近眼显示系统中，如下文所述)，调节功能可以减缓3D图像和特定3D显示器中常常发生所谓的调节-收敛差异所造成的效果。
图3中所示的近眼显示器100还包括光学系统120。根据各种实施例，光学系统120系用于将多视图图像转送(relay)至近眼显示器100的眼箱102。具体来说，根据各种实施例，光学系统120系用于将多视图图像的该些不同视图104转送至眼箱102中对应的不同位置。根据各种实施例，将不同视图104转送至眼箱102中不同位置的过程，系用于将焦距深度提示提供给近眼显示器100的使用者。举例来说，多视图图像的第一视图可以通过光学系统120转送至第一位置，而第二视图可以由光学系统120转送至眼箱102中与该第一位置分离的一第二位置。举例而言，第一位置与第二位置可以与彼此横向分离。通过第一视图与第二视图在对应的第一位置与第二位置的分离，可以允许用户在多视图图像中相对于该些位置的两个视图不同地调节。
根据本发明的一些实施例，由基于多光束元件的显示器110在光学系统120的输入孔所提供的多个不同视图104的完全角度范围，其配置为对应于输入孔的尺寸。具体来说，多个不同视图104的组合对向的一角度被配置，使得所述的不同视图104的任何部分没有位于输入孔外或超出输入孔。换言之，根据本发明的一些实施例，几乎所有基于多光束元件的显示器110的与不同视图104相关联的输出光束，都是配置为在光学系统120的输入孔中被接收。在一些示例中，多个不同视图104的完全角度范围(即，对向角(subtended angle))系被配置以下列两种方式的其中之一或同时以下列两种方式大致对应于输入孔尺寸：以基于多光束元件的显示器110与光学系统输入孔之间的一预定距离，以及，以基于多光束元件的显示器110所提供的不同视图104的预定角展度。
根据本发明的一些实施例，光学系统120包括放大镜。在一些实施例中，放大镜包括简易放大镜。简易放大镜系用于提供位于与眼箱102具有一距离的多视图图像的虚像，该距离系对应于使用者的眼睛的一正常调节范围。此外，根据各种实施例，由简易放大镜所提供的虚像包括多视图图像的该些不同视图104。在其他的实施例中，放大镜可以是复杂放大镜(例如，用于提供放大功能的多个透镜)。
在本文中，“简易放大镜”一词系定义为能够形成小型物体或图像的放大虚像的透镜或相似的光学装置(即，简易放大镜能够提供角放大率(angular magnification))。由简易放大镜所形成的虚像，可以形成在简易放大镜的输出、等同的输出孔、或者简易放大镜的光圈(例如，在眼箱102处)。
此外，根据本文中的定义，简易放大镜可以在大于物体的实际距离之视距(apparent distance)或虚拟距离处形成放大虚像。因此，当物体的位置与用户的眼睛之间的距离小于正常调节范围或距离时，简易放大镜可以用来提供使用者或“观看者”聚焦于物体的能力。在本文中，根据本发明的一些实施例，“正常调节”一般可以在与使用者的眼睛之间的距离大于二十五公分(25厘米)时达成，因此在本文中系将其距离定义为此。因此，虽然提供多视图图像的基于多光束元件的显示器110与用户的眼睛(即，或等同于近眼显示器100的眼动范围102)之间的距离系小于正常调节距离(即，小于25厘米)，光学系统120的简易放大镜可以允许使用者舒服地观看聚焦的多视图图像(即，“物体”)的多个不同视图104。
图4根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的近眼显示器100的光学元件的示意图。如图所示，光学系统120包括具有焦距f的简易放大镜122。作为示例而非限制，图4中的简易放大镜122绘示为双凸透镜。简易放大镜122的位置与眼箱102之间的距离可以对应于简易放大镜122的焦距f(例如，如图4所示)。此外，简易放大镜122是位于基于多光束元件的显示器110以及眼箱102之间。简易放大镜122用以提供基于多光束元件的显示器110的多个不同视图(例如，图3中的不同视图104)(即，当通过简易放大镜122于眼箱102看到的视图)所形成的多视图图像的虚像106。由于放大效果是由简易放大镜122所提供，虚像106与眼箱102之间的距离系大于(或者至少看起来大于)由基于多光束元件的显示器110所产生的实像(即，显示图像)与眼箱102之间的实际距离。具体来说，根据一些实施例，当从眼箱102观看时，虚像106可以位于人眼的一正常调节范围或正常调节距离da中，而基于多光束元件的显示器110(或等同的，多光束衍射元件式显示器110所产生或所显示的图像)与眼箱102之间的距离可以小于正常调节范围。因此，举例而言，简易放大镜122可利于使用者在眼箱102中更舒服的观看基于多光束元件的显示器110(或者，等同的多光束衍射元件式显示器110的输出或虚像106)。
如下文所述，由基于多光束元件的显示器110所发散出的光线108，在图4中系进一步以实线与虚线显示。实线系代表与基于多光束元件的显示器110所提供的多视图图像的不同视图104相关联的实际的光线108，而虚线系代表对应于虚像106的光线的投射。举例而言，如下文中所述，图4中所显示的光线108可以对应于基于多光束元件的显示器110所产生的各种方向性光束(即，光线)。此外，如图所示，在眼箱102中于不同点收敛的光线108系代表了转送至眼箱102中的不同位置后的基于多光束元件的显示器110提供的多视图图像的不同视图。
根据本发明的一些实施例，基于多光束元件的显示器110以及光学系统120系位于使用者的视野(Field-of-view,FOV)中，并且大致阻挡使用者的视野的一部分。在这些实施例中，近眼显示器100可以是虚拟现实显示器。具体来说，近眼显示器100可配置为，通过在被阻挡的部分视野中的近眼显示图像以取代或至少大致取代物理环境的视图(即，现实世界的视图)。换句话说，近眼显示图像可以大致替换被阻挡的部分视野中的物理环境视图。根据各种实施例，阻挡的视野部分可以包括使用者的一些视野或使用者的全部视野。通过取代物理环境场景，用户会得到由近眼显示图像提供的虚拟现实视图(以及相关的多个视图)，而不是物理环境视图。
在本文中，“物理环境的视图”或“物理环境视图”系被定义为使用者在没有近眼显示器100时会看到的视图。相同的，根据本说明书中的定义，物理环境是指近眼显示器100以外使用者可以看见的所有事物，且物理环境“视图”是指位于使用者的视野中的任何事物，但不包括近眼显示器100对使用者的场景所造成的任何效果。
在其他的实施例中，基于多光束元件的显示器110系位于使用者的视野外，而光学系统120或光学系统120的一部分则是位于所述的视野中。在这些实施例中，近眼显示器100可以为增强现实显示器。具体来说，近眼显示器100可用以通过近眼显示图像(以及相关联的多个不同视图104)以增强物理环境的视图。此外，作为增强现实显示器，近眼显示器100配置用以将近眼显示图像与近眼显示器100以外的物理环境场景的重迭或组合作为视图提供给使用者。
在一些实施例中，近眼显示器100的光学系统120配置为具有自由曲面棱镜(freeform prism)的增强现实显示器。自由曲面棱镜系用于将包括该些不同视图104的多视图图像从基于多光束元件的显示器110转送至眼箱102，以供使用者观看。此外，自由曲面棱镜用于转送位于使用者的视野以外或外侧的基于多光束元件的显示器110的多视图图像。根据各种实施例，自由曲面棱镜系利用自由曲面棱镜的两个表面(例如，前表面与后表面)之间的全内反射来转送多视图图像。在一些实施例中，自由曲面棱镜是简易放大镜或者可以作为简易放大镜(例如，简易放大镜122)。
在一些实施例中，配置为增强现实显示器的光学系统120系还包括自由曲面补偿透镜。自由曲面补偿透镜又可以称为自由曲面校正器。具体来说，自由曲面补偿透镜用于补偿或校正自由曲面透镜对从光学系统120以外的物理环境通过光学系统120到眼箱102的光所造成的效果。亦即，根据各种实施例，自由曲面补偿透镜让用户可以接收到物理环境的完整场景(即，使用者的视野中)，并且不会受到自由曲面棱镜所造成的明显变形的影响。
图5根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明示例中的具有光学系统120的近眼显示器100的剖面图，所述的光学系统包括自由曲面棱镜124。如图5所示，光学系统120的自由曲面棱镜124的位置是设置在多光束元件式显示器110以及近眼显示器100的眼箱102(即，出射瞳)之间。代表由基于多光束元件的显示器110所提供之包括该些不同视图104的多视图图像的光，是由自由曲面棱镜124从其输入孔转送至眼箱102。在图5中，来自多光束元件式显示器110的光系显示为光线108。根据各种实施例，将光线108从自由曲面棱镜124的输入部转送至其输出的过程，可以由自由曲面棱镜124中的全内反射所提供。
图5中也显示了用户的视野。虚像106位于视野中，以提供虚像106与视野中的物理环境的场景的迭加。此外，如图5所示，基于多光束元件的显示器110系位于视野外。因此，作为本发明的示例，图5中显示了近眼显示器100的增强现实显示器的实施例。
图5中显示的光学系统120还包括了自由曲面补偿透镜126。根据各种实施例，自由曲面补偿透镜126可以设置在物理环境(例如，供用户观看的物理环境)与眼箱102之间的光学路径中。具体来说，如图中所示，自由曲面补偿透镜126相邻于自由曲面棱镜124，并且位于物理环境与自由曲面棱镜124之间。自由曲面补偿透镜126系用于校正自由曲面棱镜124的效果，使得来自物理环境中的物体的光线(未显示于图中)根据一大致直线的路径(即，光线基本上未失真)通过至眼箱102。在一些实施例中(如图所示)，部分反射器或部分反射表面128可以设置在自由曲面补偿透镜126以及自由曲面棱镜124之间。部分反射表面128系用于反射从自由曲面棱镜124中入射在部分反射表面128上的光，并且配置为允许来自物理环境的光通过部分反射表面128。
请再次参考图3，在一些实施例中，基于多光束元件的显示器110包括光导，其用于以非零值传导角度引导准直光束。在一些实施例中，多光束元件式显示器110系还包括位于或者相邻于光导的表面的多光束元件阵列。根据各种实施例，基于多光束元件的阵列系用于将经引导的准直光束的一部分衍射地耦合出成为具有不同主要角度方向的多条耦合出的光束，其中，该些不同主要角度方向系对应于多视图图像的不同视图104的不同视图方向。
根据各种实施例，近眼显示器100的基于多光束元件的显示器110包括多光束元件阵列。多光束元件阵列用以提供多条方向性光束，其具有与多视图图像的多个不同视图的各种视图方向对应的方向。根据各种实施例，近眼显示器100的基于多光束元件的显示器110还包括光阀阵列，其用以调节多条方向性光束以提供多视图图像。
图6A根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明一示例中的基于多光束元件的显示器110的剖面图。图6B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明示例中的基于多光束元件的显示器110的平面图。图6C根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明示例中的基于多光束元件的显示器110的透视图。图6C中的透视图被绘示为部分切除，以仅便于在本文中讨论。
图6A至图6C示出的基于多光束元件的显示器110用以提供具有彼此不同的主要角度方向的多条方向性光束111(例如，成为光场)。具体来说，根据各种实施例，所提供的多条方向性光束111在与多个不同视图104的各种视图方向对应的不同主要角度方向上远离基于多光束元件的显示器110。此外，方向性光束111被调节(例如，如下文所述，使用光阀)以提供或显示多视图图像。在一些实施例中，多视图图像可以包括3D内容(例如，虚拟物体以不同的透视图以表示，在使用者观看时，所述的不同的透视图会呈现3D物体)。
如图6A至图6C所示，基于多光束元件的显示器110包括光导112。根据一些实施例，光导112可以为平板光导。光导112配置以沿着光导112的长度引导光作为被引导的光113。例如，光导112可以包括配置为光波导的介电材料。介电材料可以具有比围绕介电质的光波导的介质的第二折射系数大的第一折射系数。例如，根据光导112的一个或多个引导模式，折射系数的差异被配置以促成被引导的光113的全内反射。
具体来说，光导112可以是厚板或平板光波导，其包括延伸的、基本上平坦的光学透明介电材料片。所述的大致为平面薄板状的介电材料，系通过全内反射来引导被引导的光113。根据各种示例，光导112中的光学透明材料可包括各种任何的介电材料，其可包括但不限于，各种形式的玻璃中的一种或多种(例如，石英玻璃(silica glass)，碱-铝硅酸盐玻璃(alkali-aluminosilicate glass)，硼硅酸盐玻璃(borosilicate glass)等等)以及基本上光学透明的塑料或聚合物(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methyl methacrylate))或“丙烯酸玻璃(acrylic glass)”，聚碳酸酯(polycarbonate)等等)。在一些示例中，光导112还可以在光导112的表面(例如，顶部表面和底部表面中的一个或两个)的至少一部分上包括包覆层(图中未显示)。根据一些示例，包覆层可以用于进一步促成全内反射。
此外，根据一些实施例，光导112配置以根据在光导112的第一表面112’(例如，“前”表面或侧面)和第二表面112”(例如，“后”表面或侧面)之间在非零值传导角度上的全内反射来引导被引导的光113。具体来说，被引导的光113通过以非零值传导角度在光导112的第一表面112’和第二表面112”之间反射或“跳动”而传导。在一些实施例中，被引导的光113包括多个不同光色的被引导的光束。多个被引导的光束中的光束，可于不同颜色特定的非零值传导角度中相应的一个上被光导112引导。应注意的是，为了简化说明，非零值传导角度并未示出。然而，描绘传导方向115的粗箭头示出了被引导的光113的总体传导方向，其沿着图6A中的光导的长度。
如本文所定义，“非零值传导角度”是相对于光导112的表面(例如，第一表面112’或第二表面112”)的角度。此外，根据各种实施例，非零值传导角度均大于零且小于光导112内的全内反射的临界角度。例如，被引导的光113的非零值传导角度可以在大约十(10)度和大约五十(50)度之间，或者在一些示例中，在大约二十(20)度和大约四十(40)度之间，或者约二十五(25)度和约三十五(35)度之间。例如，非零值传导角度可以是大约三十(30)度。在其他示例中，非零值传导角度可以是大约20度、或者大约25度、或者大约35度。此外，对于特定的实施，可以选择(例如任意)特定的非零值传导角度，只要特定的非零值传导角度被选择为小于光导112内的全内反射的临界角度即可。
光导112中的被引导的光113可以非零值传导角度被引入或被耦合到光导112中(例如，大约30～35度)。举例而言，一个或多个透镜、镜子、或类似的反射器(例如，一倾斜的准直反射器)、衍射光栅、以及棱镜(图中未显示)可以促使光以非零值传导角度耦合进入光导112的输入以成为被引导的光113。一旦耦合进入光导112，被引导的光113以可以一般远离该输入端的方向沿着光导112传导(例如，图6A中以指向x轴的粗箭头示出)。
进一步地，根据各种实施例，通过将光耦合至光导112中所产生的被引导的光113或等效于被引导的光束113者可为准直光束。在本发明中，“准直光”或“准直光束”通常定义为一束光，其中，数道光束在光束内(例如，被引导的光113内)基本上互相平行。此外，根据本文的定义，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，多光束元件式显示器110可以包括准直器，例如但不限于透镜、反射器或镜子、衍射光栅、或锥形光导，其用以准直光，例如准直来自光源的光。在一些实施例中，光源包括准直器。提供给光导112的准直光是准直被引导的光113。在各种实施例中，被引导的光113可以根据准直因子σ以准直，或者被引导的光113俱有准直因子σ。
在一些实施例中，光导112可用以“回收”被引导的光113。具体来说，沿着光导长度引导的被引导的光113，可以沿着与传导方向115不同的另一传导方向115’重新引导回来。举例而言，光导112可以包括反射器(图中未显示)，其位于光导112的一端部，所述的端部相对于与光源相邻的输入端。反射器可用以将被引导的光113反射回输入以作为回收的被引导的光。以此方式回收被引导的光113，通过使被引导的光不只一次的提供，例如，至多光束元件，来增加基于多光束元件的显示器110的亮度(例如，方向性光束111的强度，)如下文所述。
在图6A中，显示回收的被引导的光的传导方向115’的粗箭头(例如，指向负x方向)，示出了在光导112内的回收的被引导的光的一般传导方向。替代地(例如，与回收被引导的光相反)，可以通过以另一传导方向115’将光引入光导112中来提供在另一传导方向115’上传导的被引导的光113(例如，除了具有传播方向115的被引导的光113之外)。
如图6A至图6C所示，基于多光束元件的显示器110还包括沿着光导110长度彼此间隔开来的多个多光束元件114或多光束元件114的阵列。具体来说，多光束元件114的阵列(或多光束元件阵列)中的多光束元件114通过有限空间彼此分开，并且沿着光导长度表示单独的、不同的元件。因此，根据本文的定义，多光束元件阵列中的多光束元件114根据有限(即，非零值)的元件间的距离(例如，有限的中心至中心的距离)以互相隔开。此外，根据一些实施例，多光束元件阵列中的多光束元件114通常不相交、重迭、或互相接触。因此，多光束元件阵列中的每一个多光束元件114通常是不同的且与多个多光束元件114中的其他多光束元件114分离。
根据一些实施例，多光束元件阵列的多光束元件114可以排列成一维(one-dimensional,1D)阵列或二维(two-dimensional,2D)阵列。举例而言，多光束元件114的阵列可以排列成线性1D阵列。在另一示例中，多光束元件114的阵列可以排列成矩形2D阵列或圆形2D阵列。进一步地，在一些示例中，阵列(即，1D或2D阵列)可以是常规或统一的阵列。具体来说，多个多光束元件114之间的元件间的距离(例如，中心至中心的距离或间距)可以在整个阵列上基本均匀或恒定。在其他示例中，多个多光束元件114之间的元件间的距离可以变化为横跨阵列与沿着光导112的长度的其中一个或两者。
根据各种实施例，多光束元件阵列中的多光束元件114用以将被引导的光113的一部分耦合为或散射为多条方向性光束111。具体来说，图6A和图6C将方向性光束111绘示为多个发散箭头，其被描绘为从光导112的第一表面(或前表面)112’被定向离开。此外，根据各种实施例，多光束元件114的尺寸与基于多光束元件的显示器110的多视图像素中的视图像素的尺寸(或等效地，如下所述的光阀116的尺寸)相当(comparable)。
在本文中，该“尺寸”可以以包括但不限于，长度、宽度、或面积的各种方式中的任何一种来定义。举例而言，视图像素的尺寸可以是其长度，并且多光束元件114的可比较的尺寸也可以是多光束元件114的长度。在另一示例中，尺寸可以指的是区域，使得多光束元件114的区域可以与视图像素的区域相当。
在一些实施例中，多光束元件114的尺寸可以与视图像素的尺寸相当，且多光束元件的尺寸系介于视图像素的尺寸的百分之五十(50％)至百分之两百(200％)之间。例如，如果多光束元件的尺寸系标示为“s”及视图像素的尺寸系标示为“S”(如图6A中所示)，那么多光束元件的尺寸s可用方程式(2)来给定，方程式(2)为：
Figure GDA0002546472730000201
在其他示例中，多光束元件的尺寸系大于视图像素的尺寸的约百分之六十(60％)，或约百分之七十(70％)，或大于视图像素的尺寸的约百分之八十(80％)，或大于视图像素的尺寸的约百分之九十(90％)，且多光束元件系小于视图像素的尺寸的约百分之一百八十(180％)，或小于视图像素的尺寸的约百分之一百六十(160％)，或小于视图像素的尺寸的约百分之一百四十(140％)，或小于视图像素的尺寸的约百分之一百二十(114％)。例如，通过“可比较的尺寸”，多光束元件的尺寸可在视图像素的尺寸的约百分之七十五(75％)及约百分之一百五十(150％)之间。在另一示例中，多光束元件114在尺寸上可以与视图像素相当，其中，多光束元件的尺寸系在视图像素的尺寸的约百分之一百二十五(125％)至百分之八十五(85％)之间。根据一些实施例，可以将减少或者在一些示例中将多视图图像的视图之间的暗区域最小化为目的，来选择多光束元件114及视图像素(或光阀116)的可比较尺寸，同时，可以减少多视图显示器的不同视图之间的重迭，或在一些示例中将其最小化。
如图6A至图6C所示，基于多光束元件的显示器110还包括光阀116的阵列(或光阀阵列)。光阀116的阵列用以调节多条方向性光束中的方向性光束111。具体来说，光阀阵列可用以将方向性光束111调节为由多光束元件式显示器110显示的图像，例如多视图图像。在图6C中，光阀116的阵列被部分地切除以允许光导112与光阀阵列下方的多光束元件114的可视化。
具有不同主要角度方向的方向性光束111中的不同方向性光束，配置为穿过光阀阵列中的不同光阀116，并因此被不同光阀116调节。此外，如图中所示，阵列中的光阀116对与视图像素对应，而光阀阵列中的一组光阀116与基于多光束元件的显示器110的多视图像素对应。具体来说，光阀阵列中一组不同的光阀116用以接收并调节来自不同的多个多光束元件114中的不同的多光束元件的方向性光束111。因此，如图所示，每个多光束元件114有一组独特的光阀116。在各种实施例中，不同种类的光阀中的任何一种可被用作该光阀阵列的多个光阀116，其种类包括但不限于，多个液晶光阀、多个电泳光阀、以及基于或使用电润湿的多个光阀中的其中一个或多个。
如图所示，图6A示出了第一光阀组116-1，配置为从第一多光束元件114-1接收并调节方向性光束111，而第二光阀组116-2配置为从第二多光束元件114-2接收并调节方向性光束111。因此，如图6A中所示，光阀阵列中的复数个光阀组的每一组(例如，第一光阀组116-1及第二光阀组116-2)分别对应于不同的多视图像素，其中，多个光阀组中的单独光阀116与相应多视图像素的视图像素对应。
应注意的是，在图6A中，视图像素的尺寸可对应于光阀阵列中的光阀116的实际尺寸。在其他示例中，视图像素的尺寸或等效的光阀尺寸可被定义为光阀阵列中相邻的多个光阀116之间的一距离(例如，中心至中心的距离)。举例而言，光阀116可小于光阀阵列中多个光阀116之间的中心至中心的距离。举例而言，视图像素的尺寸或光阀尺寸可定义为光阀116的尺寸或对应于多个光阀116之间的中心至中心的距离的尺寸。
在一些实施例中，多光束元件阵列中的多光束元件114与对应的多视图像素(例如，复阵列光阀116)之间的关系可以是一对一的关系。亦即，可以存在相同数量的多视图像素和多光束元件114。图6B通过示例的方式明确地示出了一对一关系，其中，包括不同组的光阀116的每个多视图像素，都以虚线围绕来描绘。在其他实施例中(图中未显示)，多视图像素与多个多光束元件114的数量可以彼此不同。
在一些实施例中，多光束元件阵列中的多光束元件114中相邻的一对多光束元件之间的元件间的距离(例如，中心至中心的距离)，可等于对应的多个多视图像素中相邻的一对多视图像素之间的像素间的距离(例如，中心至中心的距离)，例如，由多个光阀组来表示。举例而言，如图所示，在图6A至图6B中，第一多光束元件114-1和第二多光束元件114-2之间的中心至中心的距离d基本上等于第一光阀组116-1与第二光阀组116-2之间的中心至中心的距离D。在另实施例中(图中未显示)，该对多光束元件114及对应光阀组的相对中心至中心的距离可不同，例如，多光束元件114可具有大于或小于表示多视图像素的多个光阀组之间的间距(例如，中心至中心的距离D)的元件间的间距(即，中心至中心的距离d)。
在一些实施例中，多光束元件114的形状可以类似于多视图像素的形状，或者等效地，对应于多视图像素的一组光阀116(或“子阵列”)的形状。举例而言，多光束元件114可以具有正方形的形状，并且多视图像素(或对应的一组光阀116的布置)可以基本上是方形的。在另一示例中，多光束元件114可具有长方形的形状，即，可具有大于一宽度或横向尺寸的一长度或纵向尺寸。在此示例中，对应多光束元件114的多视图像素(或等效于该复阵列光阀116的排列)可具有类似矩形的形状。图6B显示正方形多光束元件114和对应的正方形多视图像素的俯视图或平面图，该多视图像素包括正方形的复阵列光阀116。在进一步的其他示例中(图中未显示)中，多光束元件114和对应的多视图像素具有各种形状，包括或至少近似，但不限于，三角形、六角形、和圆形。
此外(例如，如图6A中所示的)，根据一些实施例，每一个多光束元件114用以将方向性光束111提供至一个且只有一个多视图像素。特定来说，对于给定的一个多光束元件114，具有与多视图图像的不同视图104对应的不同主要角度方向的方向性光束111，其基本上限于单个对应的多视图像素及其视图像素，即，对应于多光束元件114的一单组光阀116(例如，如图6A所示)。因此，基于多光束元件的显示器110的每一个多光束元件114提供具有对应于多视图图像的不同视图104的一组不同主要角度方向的对应的一组方向性光束111(即，该组方向性光束111包括具有对应于每一个不同视图方向的一方向的光束)。
根据各种实施例，多光束元件114可包括用以耦合出被引导的光113的一部分的多个不同结构中的任何一种。举例而言，不同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，多光束元件114包括衍射光栅，其用以衍射地耦合出被引导的光的一部分以成为具有不同主要角度方向的多条方向性光束111。在其他实施例中，多光束元件114包括微反射元件，其用以反射地耦合出部分被引导的光的以成为多条方向性光束111，或者多光束元件114包括微折射元件，其用以通过或利用折射以耦合出被引导的光的一部分以成为多条方向性光束111(即，折射地耦合出部分被引导的光)。
图7A根据与本发明所描述的原理一致的实施例说明在示例中的包括多光束元件114的基于多光束元件的显示器110的一部分的剖面图。图7B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在一例中的包括多光束元件114的基于多光束元件的显示器110的一部分的剖面图。具体来说，图7A至图7B示出了包括衍射光栅114a的基于多光束元件的显示器110的多光束元件114。衍射光栅114a用以将被引导的光113的一部分衍射地耦合为多条方向性光束111。衍射光栅114a包括多个衍射特征，其通过衍射特征间距、或衍射特征、或光栅间距彼此隔开，该衍射特征用以提供衍射地耦合出的部分被引导的光。根据各种实施例，衍射光栅114a中的衍射特征的间距或光栅间距可为次波长(即，小于被引导的光的波长)。
在一些实施例中，多光束元件114的衍射光栅114a可以位于光导112的表面，或者可以相邻于光导112的表面。举例而言，衍射光栅114a可以位于光导112的第一表面112’处或光导112的第一表面112’的附近，如图7A所示。位于光导第一表面112’的衍射光栅114a可以是透射模式衍射光栅，其用以将部分被引导的光通过第一表面112’衍射地耦合为方向性光束111。在另一个示例中，如图7B所示，衍射光栅114a可以位于光导112的第二表面112”处或光导112的第二表面112”附近。当位于第二表面112”时，衍射光栅114a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114a用以衍射部分被引导的光并且反射部分被引导的光，使其朝向第一表面112’以通过第一表面112’离开作为衍射的方向性光束111。在其他实施例中(图中未显示)，衍射光栅可以位于光导112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其中之一或二者。应注意，在本文描述的一些实施例中，方向性光束111的主要角度方向可以包括由于方向性光束111在光导表面处离开光导112而产生的折射效应。举例而言，作为示例而非限制，图7B示出了当方向性光束111穿过第一表面112’时由于折射系数的变化而导致方向性光束111的折射(即，弯曲)。亦参见图10A及图10B，如下文所描述的。
根据一些实施例，衍射光栅114a的衍射特征可以包括彼此间隔的凹槽和脊部中的一者或两者。凹槽或脊部可以包括光导112的材料，例如，可以形成在光导112的表面中。在另一个示例中，凹槽或脊部可以由除了导光材料以外的材料形成，例如在光导112的表面上的另一种材料的膜或层。
在一些实施例中，多光束元件114的衍射光栅114a是均匀衍射光栅，其中，衍射特征间距在整个衍射光栅114a中是大致恒定或不变的。在其他实施例中，衍射光栅114a可以是啁啾式(chirped)衍射光栅。根据定义，“啁啾式”衍射光栅是一种衍射光栅，其表现或具有在啁啾式衍射光栅的范围或长度上变化的衍射特征的衍射间隔(亦即，光闸间距)。在一些实施例中，啁啾式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”或变化。因此，根据定义，啁啾式衍射光栅为“线性啁啾式”衍射光栅。在其他实施例中，多光束元件114的啁啾式衍射光栅可表现出衍射特征间距的非线性啁啾。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、或基本上不均匀或随机但仍然单调的方式变化的啁啾。也可以使用非单调的啁啾，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。
在一些实施例中，衍射光栅114a可包括多个衍射光栅或等效的多个子光栅。图8A根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在一示例中的包括多个子光栅的衍射光栅114a的剖面图。图8B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的图8A的衍射光栅114a的平面图；图8A中的剖面图可以表示例如从图8B中所示的衍射光栅114a的子光栅的底列从左到右截取的剖面。如图8A与图8B所示，多个子光栅包括在光导112的表面上(例如，如图所示的第二表面112”)的多光束元件114的衍射光栅114a内的第一子光栅114a-1和第二子光栅114a-2。多光束元件114的尺寸s在图8A与图8B示出，而多光束元件114的边界在图8B中用虚线以示出。
根据一些实施例，在多个多光束元中的不同多光束元件114之间的衍射光栅114a内的子光栅的差异密度，可以用以控制由相应的不同多光束元件114衍射地散射出的多条方向性光束111的相对强度。换言之，衍射多光束元件114可以在其中具有不同密度的衍射光栅114a，且不同密度(即，子光栅的差异密度)可以用于控制多条方向性光束111的相对强度。具体来说，在绕射光栅114a中，具有较少子光栅的多光束元件114可以产生多条方向性光束111，其具有比具有相对更多子光栅的另一个多光束元件114更低的强度(或光束密度)。举例而言，可以利用多光束元件114中的位置来提供子光栅的差异密度，例如图8B中所示之缺少或没有设置子光栅的位置114a’。
图9根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在一示例中的一对多光束元件114的平面图。如图所示，该对多光束元件114中的第一多光束元件114-1在衍射光栅114a内具有比在该对多光束元件114中的第二多光束元件114-2中存在的密度更高的子光栅。具体来说，第二多光束元件114-2具有衍射光栅114a，其具有比第一多光束元件114-1更少的子光栅和更多的没有子光栅的位置114a’。在一些实施例中，第一多光束元件114-1中的较高密度的子光栅可以提供多条方向性光束，其具有比由第二多光束元件114-2提供的多条方向性光束的强度更高的强度。根据一些实施例，由图9中所示的差异子光栅密度提供的相应的多条方向性光束的较高强度和较低强度，可以用来补偿被引导的光的光强度，其在光导内随传导距离而变化。作为示例而非限制，图9还示出了具有子光栅的衍射光栅114a，所述的子光栅具有弯曲衍射特征。
图10A根据与本发明所描述的原理一致的另实施例，说明在示例中的包括多光束元件114的多光束式显示器110的一部分的剖面图。图10B根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在示例中的包括多光束元件114的基于多光束元件的显示器110的一部分的剖面图。具体来说，图10A及图10B示出包括微反射元件的多光束元件114的各种实施例。用作或在多光束元件114中的多个微反射元件可包括但不限于，采用一反射材料或其膜的反射器(例如，反射金属)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10A至图10B所示)，包括微反射元件的多光束元件114可以位于光导112的表面(例如，第二表面112”)或位于光导112的附近。在其他的实施例中(图中未显示)，微反射元件可以在光导112中位于第一表面112与第二表面112之间的位置。
举例而言，图10A示出了包括微反射元件114b的多光束元件114，微反射元件114b具有位于光导112的第二表面112”附近的反射多面结构(facets)(例如，“棱镜式(prismatic)”微反射元件)。棱镜式微反射元件114b的多面结构用以将被引导的光113的一部分反射(即，反射地散射)出光导112之外以作为方向性光束111。举例而言，多面结构可以相对于被引导的光113的传导方向倾斜或偏斜(即，具有倾斜角)，以将部分被引导的光反射出光导112。根据各种实施例，多面结构可以利用光导112内的反射材料(例如，如图10A所示)而形成，或者可以是第二表面112”中的棱柱形空腔的多个表面。在一些实施例中，当采用棱柱形空腔时，空腔表面处的折射系数变化可以提供反射(例如，TIR反射)，或者形成多面结构的空腔表面可以被反射材料涂覆以提供反射。
在另一示例中，图10B示出了包括微反射元件114b的多光束元件114，微反射元件114b具有大致光滑的弯曲表面，例如但不限于半球形微反射元件114b。举例而言，微反射元件114b的特定表面曲线可以用以在不同方向上反射部分被引导的光，其根据与被引导的光113接触的弯曲表面上的入射点。如图10A及图10B中所示出的，作为示例而非限制，从光导112反射地散射出来的部分被引导的光系从第一表面112’射出或离开。如同图10A中的棱镜式微反射元件114b，图10B中的微反射元件114b可以是光导112内的反射材料或形成在第二表面112”中的空腔(例如，一半圆形空腔)，如同图10B中作为示例而非限制所示出的。做为示例而非限制的，图10A及图10B亦示出具有二个传导方向115、115’的被引导的光113(即，由粗箭头示出)。例如，利用二个传导方向115、115’可助于对多条方向性光束111提供对称的主要角度方向。
图11根据与本发明所描述的原理一致的另实施例，说明在一示例中的包括多光束元件114的多光束式显示器110的一部分的剖面图。具体来说，图11示出了包括微折射元件114c的多光束元件114。根据各种实施例，微折射元件114c用以将来自光导112的被引导的光113的一部分折射地耦合出或散射出。亦即，如图11所示，微折射元件114c用以使用折射(例如，与衍射或反射相对的折射耦合)以将来自光导112的部分被引导的光耦合为或散射为方向性光束111。微折射元件114c可以具有各种形状，其包括半球形、矩形、棱柱形(即，具有斜度的多面结构)、和反向棱柱形(例如，如图所示图11)，但不限于此。根据各种实施例，微折射元件114c可从光导112的一表面(例如，第一表面112’)延伸或突出，如图所示，或可为表面中的一空腔(图中未显示)。此外，在一些实施例中，微折射元件114c可包括光导112的材料。在其他实施例中，微折射元件114c可包括相邻于光导表面的另一材料，以及在一些示例中，微折射元件114c可包括与光导表面接触的另一材料。
再次参考图6A，基于多光束元件的显示器110可还包括光源118。根据各种实施例，光源118用以提供在光导112内被引导的光。尤其，光源118可以位于相邻于光导112的入口表面或入口端(输入)。在本发明的各种实施例中，光源118可以包括大致任何种类的光源(例如，光学发射器)，该些光源包括一个以上的发光二极管(light emitting diodes,LEDs)或雷射(例如，雷射二极管)，但其并不受限于此。在一些实施例中，光源118可以包括光学发射器，用于产生代表特定颜色之具有窄频光谱的基本上为单色的光。具体来说，该单色光的颜色可为特定颜色空间或特定颜色模型的原色(例如，红-绿-蓝(red-green-blue,RGB)颜色模型)。在其他示例中，光源118可以是用以提供基本上宽带或多色光的基本宽带带光源。例如，光源118可提供白光。在一些实施例中，光源118可以包括多个不同的光学发射器，用于提供不同颜色的光。不同的光学发射器可以用以提供具有与不同光色中的每一个相对应的被引导的光的不同的、颜色特定的、非零值传导角度的光。
在一些实施例中，光源118可还包括准直器(图中未显示)。准直器可以用于接收来自光源118的一个以上的光学发射器的大致非准直光。准直器系进一步用于将大致非准直光转换为准直光。具体来说，根据一些实施例，准直器可提供具有非零值传导角度并且依据预定准直因子而被准直的准直光。而且，当采用不同颜色的光学发射器时，准直器可用以提供具有不同的、颜色特定的非零值传导角以及不同颜色特定的准直因子中的一者或两者的准直光。准直器进一步用以将准直光束传送到光导112，以将其传导为被引导的光113，如上文所述。
根据与本文所述的原理一致的一些实施例，本发明提供了近眼双目显示系统。图12根据与本发明所描述的原理一致的实施例，说明在一示例中的双目近眼显示系统200的方块图。双目近眼显示系统200用以提供多视图图像202作为表示三维场景(3D)的一对立体图像，并将一对立体图像对转送到对应的一对眼箱204以供用户观看。根据各种实施例，该对眼箱204彼此横向偏移，以对应于用户的眼睛的位置。具体来说，使用者可以在该对横向偏移的眼箱204中舒服且自然的观看多视图图像202的该对立体图像。此外，根据本发明的一些实施例，该对立体图像的多视图图像202都可以提供3D体验，并且可以同时解决经常与近眼立体显示器相关联的各种收敛-调节(convergence-accommodation)的问题。
如图12所示，双目近眼显示系统200包括一对基于多光束元件的显示器210。根据各种实施例，基于多光束元件的显示器210都用以提供表示3D场景的该对立体图像的不同多视图图像202。在一些实施例中，该对基于多光束元件的显示器210中的基于多光束元件的显示器210的其中一者或两者，可以大致相似于上文中针对近眼显示器100所描述的基于多光束元件的显示器110。
具体来说，如图所示，基于多光束元件的显示器210都包括光导212和多光束元件阵列214(例如，如图所示)。光导212用以将光引导为被引导的光。多光束元件阵列214用以将被引导的光的一部分散射为多条方向性光束，其具有与不同多视图图像的视图方向对应的主要角度方向。在一些实施例中，光导212可以大致相似于基于多光束元件的显示器110的光导112，而多光束衍射光栅214的阵列可以大致相似于基于多光束元件的显示器110的多光束衍射光栅114的阵列。具体来说，多光束元件阵列214的多光束元件可以位于光导212的表面，或者可以相邻于光导212的表面。此外，在一些实施例中，多光束元件阵列214中的多光束元件可以包括光学地连接至光导以散射出被引导的光的该部分的衍射光栅、微反射元件、与微折射元件的其中一个或多个。
图12中所示的基于多光束元件的显示器210还包括光阀阵列216。光阀阵列216用以选择性地调节多条方向性光束中的方向性光束。根据各种实施例，选择性调节的方向性光束可以表示所提供的多视图图像的不同视图。在一些实施例中，光阀阵列216可以大致与上述的基于多光束元件的显示器110的光阀116的阵列相似。举例而言，光阀阵列216中的光阀可包括液晶光阀。在其他的实施例中，作为示例，光阀阵列216可以包括其他种类的光阀，该些光阀可以包括电润湿光阀、电泳光阀、上述光阀的组合、或者液晶光阀其他种类的光阀的组合，但光阀的种类并不受限于此。在一些实施例中，多光束元件阵列214的多光束元件的尺寸与基于多光束元件的显示器210的光阀阵列216中的光阀的尺寸相当。
根据一些实施例，由该对基于多光束元件的显示器210所提供的该对立体图像的各种多视图图像202包括该三维场景的多个不同视图。作为示例，不同视图系代表了三维场景的不同视图。此外，在各种实施例中，多条方向性光束中的方向性光束可以具有与多视图图像的视图方向对应的不同的主要角度方向。
图12中所示的双目近眼显示系统200还包括双目光学系统220。双目光学系统220系将该对基于多光束元件的显示器210所提供的该对立体图像的不同多视图图像202分别转送至该对眼箱204中的对应一者处。根据各种实施例，该对眼箱204系彼此横向偏移。如上文所批注，举例而言，眼箱204的横向偏移可利于使用者观看。图12中的垂直虚线系表示眼箱204之间的横向偏移。
在一些实施例中，尽管是以双目的形式配置，双目光学系统220可以大致相似于近眼显示器100的光学系统120。尤其，双目光学系统220系用于将该些不同视图转送至眼箱204中的对应的不同位置。此外，眼箱204中的不同位置用以将焦距深度提示提供给双目近眼显示系统200的用户。具体来说，根据的各种实施例，焦距深度提示可以对应于该对立体图像所提供的多视图图像202之间的双目像差。
此外，根据一些实施例，双目光学系统220可以包括第一自由曲面棱镜与第二自由曲面棱镜(图12中未显示)。第一自由曲面棱镜可用以将由该对基于多光束元件的显示器中的第一基于多光束元件的显示器210所提供的第一多视图图像202转送到该对眼箱中的第一眼箱204。类似地，第二自由曲面棱镜可用以将该对基于多光束元件的显示器中的第二基于多光束元件的显示器210所提供的第二多视图图像202转送至该对眼箱中的第二眼箱204。在其他的实施例中(图中未显示)，双目光学系统220可以包括一对放大镜(例如，与上文中所述的简易放大镜122相似的一对简易放大镜)。
在一些实施例中，双目近眼显示系统200配置为虚拟现实显示系统。更具体来说，该对立体图像所提供的不同多视图图像202可以至少在眼动范围204中用于替换物理环境中的双目视图。在其他的实施例中，图12中显示的近眼双目显示系统200可以配置为增强现实显示系统。举例而言，当用于增强现实显示系统时，该对立体图像所提供的不同多视图图像202可以增强眼箱204中的物理环境场景，但一般来说不会取代物理环境场景。换言之，配置为增强现实显示系统的双目近眼显示系统200系将物理环境的场景与该对立体图像的光学迭加提供给用户。此外，当配置为增强现实显示器时，双目光学系统220可以还包括一对自由曲面补偿透镜。根据各种实施例，自由曲面补偿透镜可以用于将物理环境的图像提供至该对眼箱204。
根据一些实施例，如图12所示，基于多光束元件的显示器210可进一步包括光源218。光源218系用于将光提供至光导212。在一些实施例中，光源218可包括光学准直器，其用以准直由光源218提供的光。在一些实施例中，由光源218提供的被引导的光具有预定的准直因子。根据一些实施例，光源218可以大致相似于上文中针对近眼显示器100所描述的基于多光束元件的显示器110的光源118。
根据与本说明书中所述原理一致的其他实施例，本发明系提供一种近眼显示器的操作方法。图13根据与本发明所描述的原理一致的一实施例，说明在示例中的近眼显示器的操作方法300的流程图。如图13中所示，近眼显示器的操作方法300包括步骤310，其为使用基于多光束元件的显示器以提供具有多个不同视图的多视图图像。在一些实施例中，步骤310中，用于提供多视图图像的基于多光束元件的显示器可以基本上类似于上文关于近眼显示器100所描述的基于多光束元件的显示器110。
具体来说，根据各种实施例，基于多光束元件的显示器包括多光束元件阵列和光阀阵列。多光束元件阵列提供多条方向性光束，其具有与多个不同视图的各种视图方向对应的方向。此外，光阀阵列将多条方向性光束调节为多视图图像。
在一些实施例中，多光束元件阵列通过使用多光束元件阵列散射出来自光导的被引导的光的一部分以提供多条方向性光束，以产生具有不同的主要角度方向的多条方向性光束。在一些实施例中，使被引导的光的该部分散射的过程包括，使用包括衍射光栅的多光束元件阵列的多光束元件，以衍射地散射出被引导的光的该部分。在一些实施例中，使被引导的光的该部分散射的过程包括，使用包括微反射元件的多光束元件阵列的多光束元件，以反射地散射出被引导的光的该部分。在一些实施例中，使被引导的光的该部分散射的过程包括，使用包括微折射元件的多光束元件阵列的多光束元件，以折射地散射出被引导的光的该部分。
如图13中所示，近眼显示器的操作方法300还包括步骤320，其为使用光学系统将多视图图像的该些不同视图转送至眼箱。在一些实施例中，光学系统可以大致相似于上文所述的近眼显示器100的光学系统120。具体来说，根据一些实施例，在步骤320中，将图像的不同视图转送的步骤，系将不同视图中的不同者转送到眼箱中的不同位置处，藉此将焦距深度提示提供给在观看眼箱中的图像的用户。举例而言，焦距深度提示可以利于使用者的眼睛进行图像调节。
在一些实施例中，转送的多视图图像可以包括三维图像，且不同视图的不同视图可以代表三维图像的不同立体视图。在一些实施例中，被转送的图像是该对立体图像的多视图图像。此外，在一些示例中，该图像的多个不同视图可以包括至少四个不同的视图。在一些实施例中，转送该图像的多个不同视图的步骤320，包括将图像放大以提供与眼箱相距一距离的位置的虚像，其中，该距离系对应于使用者的眼睛的正常调节范围。在一些实施例中，将多个不同视图转送的步骤320提供了增强现实显示器及虚拟现实显示器的其中一者或两者的多视图图像。
因此，本文中描述了近眼显示器、双目近眼显示系统、以及近眼显示器的操作方法的示例与实施例，其采用基于多光束元件的显示器来提供图像的多个不同视图。应该理解的是，上述示例仅仅是说明代表本文所描述的原理的许多具体示例中的一些示例。显然，所属技术领域中具有通常知识者可以很容易地设计出许多其他的配置，而不偏离本发明的申请专利范围所界定的范畴。

Claims (26)

1.一种近眼显示器，包括：
基于多光束元件的显示器，被配置以提供多视图图像的多个不同视图，该基于多光束元件的显示器包括多光束元件阵列和光阀阵列，该多光束元件阵列被配置以提供多条方向性光束，该多条方向性光束具有对应该多个不同视图的各个视图方向的方向，该光阀阵列被配置以调节该多条方向性光束以提供该多视图图像；以及
光学系统，被配置以转送该多视图图像的该多个不同视图至在该近眼显示器的输出处的眼箱内的对应的多个不同位置，
其中，该多光束元件阵列中的多光束元件的尺寸在该光阀阵列中的光阀的尺寸的百分之五十至百分之两百之间。
2.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该眼箱内的该对应的多个不同位置被配置以传达焦距深度提示至该近眼显示器的使用者，而且其中，该多个不同视图中的不同视图代表该多视图图像的不同视角的视图。
3.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该多视图图像的该多个不同视图包括至少四个不同视图。
4.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该多个不同视图具有完全角度范围，而且该光学系统具有输入孔，该完全角度范围被配置以对应该输入孔的尺寸。
5.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该光学系统包括简易放大镜，被配置以在与该眼箱相隔的距离处提供该多视图图像的虚像，该距离对应使用者的眼睛的正常调节范围。
6.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该基于多光束元件的显示器和该光学系统都位于用户的视野中以阻挡该视野的部分，该近眼显示器是虚拟现实显示器，被配置以通过被阻挡的该视野的该部分中的该多视图图像取代物理环境的视图。
7.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该基于多光束元件的显示器位于使用者的视野以外，该光学系统位于该视野中，该近眼显示器是增强现实显示器，被配置以通过该多视图图像增强该视野中的物理环境的视图。
8.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该光学系统包括自由曲面棱镜。
9.如权利要求8所述的近眼显示器，其中，该光学系统还包括自由曲面补偿透镜。
10.如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该基于多光束元件的显示器还包括光导，该光导被配置以沿着该光导的长度引导光作为被引导的光，该多光束元件阵列中的多光束元件被配置以从该光导散射出该被引导的光的部分作为该多条方向性光束中的方向性光束。
11.如权利要求10所述的近眼显示器，其中，该多光束元件包括衍射光栅，该衍射光栅被配置以衍射地散射出该被引导的光的该部分。
12.如权利要求10所述的近眼显示器，其中，该多光束元件包括微反射元件和微折射元件之一或二者，该微反射元件被配置以反射地散射出该被引导的光的该部分，该微折射元件被配置以折射地散射出该被引导的光的该部分。
13.如权利要求10所述的近眼显示器，其中，该基于多光束元件的显示器还包括光源，该光源光学地耦合至该光导的输入，该光源被配置以提供将要被引导的光作为具有非零值传导角度的该被引导的光和根据预定准直因子被准直的该被引导的光之一或二者。
14.一种双目近眼显示系统，包括一对如权利要求1所述的近眼显示器，其中，该对近眼显示器中的第一近眼显示器被配置以提供第一多视图图像的第一多个不同第一视图至第一眼箱，该对近眼显示器中的第二近眼显示器被配置以提供第二多视图图像的第二多个不同第二视图至第二眼箱，该第二眼箱自该第一眼箱作横向偏置，该第一多视图图像和该第二多视图图像代表一对立体图像。
15.一种双目近眼显示系统，包括：
一对基于多光束元件的显示器，该对基于多光束元件的显示器中的每一个被配置以提供代表三维(3D)场景的一对立体图像中的不同多视图图像；以及
双目光学系统，被配置以分开地转送该对立体图像中的该不同多视图影像至对应的一对眼箱，该些眼箱互相作横向偏置，
其中，该对显示器中的基于多光束元件的显示器包括：光导，被配置以将光引导作为被引导的光；多光束元件阵列，被配置以将该被引导的光的部分散射作为多条方向性光束，该多条方向性光束具有对应该不同多视图图像的视图方向的主要角度方向；以及光阀阵列，该光阀阵列被配置以选择性地调节该多条方向性光束中的方向性光束，该选择性地调节的方向性光束代表所提供的该多视图图像的该不同视图，
其中，该多光束元件阵列中的多光束元件的尺寸在该光阀阵列中的光阀的尺寸的百分之五十至百分之两百之间。
16.如权利要求15所述的双目近眼显示系统，其中，该多光束元件阵列的多光束元件包括衍射光栅、微反射元件、及微折射元件其中的一个或多个，光学地连接至该光导以散射出该被引导的光的该部分。
17.如权利要求15所述的双目近眼显示系统，其中，该被引导的光具有预定的准直因子，该多光束元件阵列中的多光束元件位于邻接该光导的表面处，并且具有与该基于多光束元件的显示器的该光阀阵列中的光阀的尺寸相当的尺寸。
18.如权利要求15所述的双目近眼显示系统，其中，该双目光学系统被配置以转送各该多视图图像的多个不同视图至该眼箱中的对应的多个不同位置，该眼箱中的该不同视图的该不同位置被配置以提供焦距深度提示至该双目近眼显示系统的用户，该焦距深度提示对应该对立体图像的该不同图像之间的双目像差。
19.如权利要求15所述的双目近眼显示系统，其中，该双目光学系统包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，该第一自由曲面棱镜被配置以转送该对基于多光束元件的显示器中的第一基于多光束元件的显示器所提供的第一多视图图像至该对眼箱中的第一眼箱，该第二自由曲面棱镜被配置以转送该对基于多光束元件的显示器中的第二基于多光束元件的显示器所提供的第二多视图图像至该对眼箱中的第二眼箱。
20.如权利要求19所述的双目近眼显示系统，其中，该双目光学系统还包括一对自由曲面补偿透镜，被配置以提供物理环境的不同图像至该对眼箱，该双目近眼显示系统是增强现实显示系统。
21.如权利要求15所述的双目近眼显示系统，其中，所提供的该对立体图像的该不同多视图图像被配置以取代该眼箱中的物理环境的一双目视图，该双目近眼显示系统被配置为虚拟现实显示系统。
22.一种近眼显示器的操作方法，包括：
使用基于多光束元件的多视图显示器提供具有多个不同视图的多视图图像，该基于多光束元件的多视图显示器包括多光束元件阵列和光阀阵列，该多光束元件阵列提供多条方向性光束，该多条方向性光束具有对应该多个不同视图的各个视图方向的方向，而且该光阀阵列调节该多条方向性光束作为该多视图图像；以及
利用光学系统转送该多视图图像的该多个不同视图至眼箱，
其中，该多光束元件阵列中的多光束元件的尺寸在该光阀阵列中的光阀的尺寸的百分之五十至百分之两百之间。
23.如权利要求22所述的近眼显示器的操作方法，其中，该多光束元件阵列通过散射出来自光导的被引导的光的部分提供该多条方向性光束，该光导使用该多光束元件阵列以产生具有不同的主要角度方向的该多条方向性光束。
24.如权利要求23所述的近眼显示器的操作方法，其中，所述散射出被引导的光的该部分的步骤包括下列步骤的一个或多个：
使用包括衍射光栅的该多光束元件阵列中的多光束元件，以衍射地散射出该被引导的光的该部分；
使用包括微反射元件的该多光束元件阵列中的多光束元件，以反射地散射出该被引导的光的该部分；以及
使用包括微折射元件的该多光束元件阵列中的多光束元件，以折射地散射出该被引导的光的该部分。
25.如权利要求22所述的近眼显示器的操作方法，其中，所述转送该多个不同视图转送该多个不同视图中的不同视图至该眼箱中的不同位置，该多个不同视图的该不同位置提供焦距深度提示至观看该眼箱中的该多视图图像的用户。
26.如权利要求22所述的近眼显示器的操作方法，其中，所述转送该多视图图像的该多个不同视图提供该多视图图像的增强现实显示器和虚拟现实显示器中的一个或两者。
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