CN113504718B

CN113504718B - 用于全息超分辨率的编码能量波导

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Publication number: CN113504718B
Application number: CN202110847331.9A
Authority: CN
Inventors: J·S·卡拉夫; B·E·比弗森
Original assignee: Light Field Lab Inc
Current assignee: Light Field Lab Inc
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2037-07-17
Also published as: EP3485330A1; US20190004326A1; JP7430870B2; JP7088904B2; US20190361253A1; JP2023113766A; JP2024056717A; JP2022109940A; US11681091B2; US11726256B2; US20210149108A1; JP2022165952A; EP3485354A1; CA3030861A1; KR20190026890A; CN109477973B; EP3485353A4; NZ743841A; US20190004228A1; US11740402B2

Abstract

所公开的实施例包含用于全息超分辨率的编码能量波导和一种能量装置，所述能量装置具有被配置为沿着通过所述装置的多个能量传播路径引导能量的波导元件阵列，以及可操作以限制沿所述多个路径的能量传播的能量编码元件。能量不受抑制的传播路径可以延伸通过能量位置的第一和第二区域，所述第一和第二区域重叠且偏移，且所述能量编码元件可以限制能量通过所述第一和第二区域中的每个能量位置传播到一条不受抑制的能量传播路径。在一实施例中，所述能量编码元件可以限制沿着不受抑制的传播路径在第一时刻通过所述第一区域以及在第二时刻通过所述第二区域的传播。包括能量装置子系统和能量组合器的能量系统可以被配置为叠加来自所述能量位置的能量。

Description

用于全息超分辨率的编码能量波导

本申请是国际申请日为2017年07月17日、进入国家阶段日为2019年01月15日的名称为“用于全息超分辨率的编码能量波导”的中国专利申请201780043934.5(PCT/US2017/042468)的分案申请。

技术领域

本公开涉及能量引导装置，并且具体地涉及能量波导，所述能量波导被配置为根据4D全光函数从共享能量位置引导来自编码光圈的能量。

背景技术

由Gene Roddenberry的“星际迷航(Star Trek)”推广并且最初由作家亚历山大·莫斯科斯基(Alexander Moszkowski)在20世纪初设想的“全息甲板(holodeck)”室内的交互式虚拟世界的梦想，近一个世纪以来一直是科幻和技术创新的灵感来源。然而，除了文学、媒体以及儿童和成年人的集体想象之外，没有令人信服地实施此体验。

发明内容

在一实施例中，一种能量装置可以包括波导元件阵列，其中波导元件阵列可以包括第一侧和第二侧，并且可以被配置为沿着多个能量传播路径引导能量通过其中，所述多个能量传播路径延伸通过阵列的第一侧上的多个能量位置。能量装置可进一步包括能量编码元件，其可操作以限制沿所述多个能量传播路径的能量传播。

在一实施例中，通过波导元件阵列的第一和第二波导元件的不受抑制的能量传播路径可以限定能量位置的第一和第二区域，所述第一和第二区域重叠且偏移。能量编码元件可以基本上限制能量通过第一和第二区域中的每个能量位置传播到一条不受抑制的能量传播路径。通过第一和第二波导元件的不受抑制的能量传播路径可以形成由4D全光函数限定的体积能量场的至少一部分。

在一实施例中，通过所述多个能量位置的能量可以在两个不同的能量状态中编码，并且能量编码元件可以包括多个第一区域和多个第二区域，每个第一区域被配置为允许能量在第一能量状态中基本上不受抑制地通过其中，且基本上抑制能量在第二能量状态中的传播，且每个第二区域被配置成允许能量在所述第二能量状态中基本上不受抑制地通过其中，且基本上抑制能量在所述第一能量状态中的传播。

在一实施例中，在第一时刻，能量编码元件可以基本上抑制通过第一区域中的能量位置的能量传播路径，并且能量编码元件可以允许通过第二区域中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径，并且在第二时刻，能量编码元件可以基本上抑制通过第二区域中的能量位置的能量传播路径，并且能量编码元件可以允许通过第一区域中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径。

在一实施例中，一种能量系统可以包括：能量装置子系统，其包括具有第一多个能量位置的第一能量装置，以及具有第二多个能量位置的第二能量装置；以及能量组合元件，其被配置为在能量装置子系统和形成在能量组合元件上的能量位置表面之间中继能量，其中所述多个能量位置可位于能量组合元件的能量位置表面上。

在一实施例中，第一和第二能量装置可以以相对定向叠加，使得叠加所述第一多个能量位置的布置和所述第二多个能量位置的布置导致能量位置表面处的第三多个能量位置，第三多个能量位置的数目大于针对每个非边界区域组合的所述第一和第二多个的总和，所得能量位置尺寸不同于所述第一或第二能量位置的任一个。

附图说明

图1是示出能量引导系统的设计参数的示意图；

图2是示出具有带有机械包络的有源装置区域的能量系统的示意图；

图3是示出能量中继器系统的示意图；

图4是示出能量中继器元件附连在一起并固定到基部结构的实施例的示意图；

图5A是示出通过多芯光纤的中继图像的实例的示意图；

图5B是示出通过光学中继器的中继图像的实例的示意图，所述光学中继器展现横向安德森定位(Transverse Anderson Localization)原理的特性；

图6是示出从能量表面传播到检视者的射线的示意图；

图7示出具有由能量波导元件和多个能量位置指示的视场的实施例；

图8示出展示具有能量波导元件的系统的具有挑战性的特性的实施例，所述能量波导元件具有设计成实现120度视场的有效焦距；

图9是能量组合元件的实施例的图示，所述能量组合元件被配置为在能量装置和形成在能量组合元件上的能量位置表面之间中继能量；

图10示出能量装置的实施例；

图11示出能量装置的实施例；

图12A-B是能量引导装置在第一和第二时刻的实施例的图示；

图13A-B是能量引导装置在第一和第二时刻的实施例的图示；

图14A-B是能量引导装置在第一和第二时刻的实施例的图示；

图15A-B是能量引导装置在第一和第二时刻的实施例的图示；

图16A-B是能量引导装置在第一和第二时刻的实施例的图示；

图17A-B是能量引导装置在第一和第二时刻的实施例的图示；

图18是示例性有源能量编码元件的俯视图；

图19A是能量组合器系统的侧视图；

图19B以俯视图示出能量组合器表面的一部分；

图19C示出能量装置的替代实施例的顶视图；以及

图20例示额外实施例，其示出可如何通过利用变形能量中继器元件来实现相同的有效像素密度和像素纵横比变化。

具体实施方式

Holodeck(统称为“Holodeck设计参数”)的实施例提供足够的能量刺激以欺骗人类感觉受体，使其相信在虚拟、社交和交互式环境中接收的能量脉冲是真实的，提供：1)双眼视差而无需外部附件、头戴式眼镜或其它外围设备；2)对于任何数目的检视者，同时在整个检视体积内准确的运动视差、遮挡和不透明度；3)对于所有感知到的光线，通过眼睛的同步会聚、适应和瞳孔缩小实现的视觉焦点；4)会聚能量波传播，其密度和分辨率足以超过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉和/或平衡性的人类感觉“分辨率”。

基于迄今为止的传统技术，我们距离能够按照Holodeck设计参数(包含视觉、听觉、体感、味觉、嗅觉和前庭系统)所建议的令人信服的方式提供所有感受场的技术有几十年甚至几个世纪。

在本公开中，术语光场和全息可以互换使用以限定用于刺激任何感觉受体响应的能量传播。虽然初始公开可能提及通过能量表面用于全息图像和体积触觉的电磁和机械能量传播的实例，但是在本公开中设想了所有形式的感觉受体。此外，本文公开的用于沿传播路径传播能量的原理可适用于能量发射和能量捕获两者。

当今存在的许多技术经常不幸地与全息图混淆，包含光栅印刷、Pepper's Ghost、无眼镜立体显示器、水平视差显示器、头戴式VR和AR显示器(HMD)，以及其它广义为“照骗(fauxlography)”的幻象。这些技术可能展现真正的全息显示器的一些所需特性，然而，缺乏以足以解决四个识别的Holodeck设计参数中的至少两个的任何方式刺激人类视觉感觉响应的能力。

传统技术尚未成功地实现这些挑战，以产生足以用于全息能量传播的无缝能量表面。有各种方法来实现体积和方向复用光场显示，包含视差屏障、微元(hogel)、体素、衍射光学、多视图投影、全息漫射器、旋转镜、多层显示器、时序显示器、头戴式显示器等，但是传统方法可能涉及对图像质量、分辨率、角取样密度、尺寸、成本、安全性、帧速率等的折衷，最终导致不可行的技术。

为了实现视觉、听觉、体感系统的Holodeck设计参数，研究和理解相应系统的人类敏锐度以传播能量波以充分欺骗人类感觉受体。视觉系统能够解析到大约1弧分，听觉系统可以将放置的差异区分为小到3度，并且手上的体感系统能够识别分开2-12mm的点。虽然存在各种且相互矛盾的方法来测量这些敏锐度，但这些值足以理解刺激能量传播感知的系统和方法。

在所提到的感觉受体中，人类视觉系统是迄今为止最敏感的，因为即使单个光子也可以引起感觉。由于这个原因，本介绍的大部分将集中在视觉能量波传播上，并且在公开的能量波导表面内联接的极低分辨率能量系统可以会聚适当的信号以引起全息感觉感知。除非另有说明，否则所有公开内容适用于所有能量和感觉域。

当在给定检视体积和检视距离的情况下计算视觉系统的能量传播的有效设计参数时，可以将期望的能量表面设计为包含许多有效能量位置密度的千兆像素。对于宽检视体积或近场检视，期望的能量表面的设计参数可包含数百千兆像素或更多的有效能量位置密度。相比之下，根据输入的环境变量，可以将所需的能量源设计成具有1至250个有效百万像素的能量位置密度，用于体积触觉的超声波传播，或者具有36至3,600个有效能量位置的阵列，用于全息声音的声传播。重要的是应注意，利用所公开的双向能量表面架构，所有组件可以被配置为形成用于任何能量域的适当结构以实现全息传播。

然而，现今支持Holodeck的主要挑战涉及可用的视觉技术和电磁装置限制。考虑到基于相应感受场中的感觉敏锐度的所需密度的数量级差异，声学和超声波装置不太具有挑战性，但不应低估复杂性。虽然存在分辨率超过所需密度的全息乳胶以编码静态图像中的干涉图案，但是现有技术的显示装置受到分辨率、数据处理量和制造可行性的限制。迄今为止，没有一种单一的显示装置能够有意义地产生具有视敏度的接近全息分辨率的光场。

能够满足令人信服的光场显示器的所需分辨率的单个硅基装置的生产可能是不实际的，并且可能涉及超出当前制造能力的极其复杂的制造工艺。将多个现有显示装置拼接在一起的限制涉及由封装、电子装置、壳体，光学器件的物理尺寸和许多其它挑战形成的接缝和间隙，其不可避免地导致从成像、成本和/或尺寸的立场来看不可行的技术。

本文公开的实施例可以提供构建Holodeck的真实世界路径。

现在将在下文中参考附图来描述实例实施例，附图形成本发明的一部分，并且示出可以实践的实例实施例。如在公开内容和所附权利要求书中所使用，术语“实施例”、“实例实施例”和“示例性实施例”不一定是指单个实施例(尽管它们可以指单个实施例)，并且各种实例实施例可以容易地组合和互换，而不脱离实例实施例的范围或精神。此外，本文使用的术语仅用于描述实例实施例的目的，而不是限制。在这方面，如本文所用，术语“在…中”可以包含“在......中”和“在……上”，并且术语“一”、“一个”和“所述”可以包含单数和复数的参考。此外，如本文所用，术语“由”也可以表示“依据”，这取决于上下文。此外，如本文所用，术语“如果”还可以表示“在……时”或“在……后”，这取决于上下文。此外，如本文所使用，词语“和/或”可以指代并涵盖一个或多个相关所列项目的任何和所有可能的组合。

全息系统考虑事项：

光场能量传播分辨率的概述

光场和全息显示是多个投影的结果，其中能量表面位置提供在检视体积内传播的角度、颜色和强度信息。所公开的能量表面提供了额外信息共存且通过相同表面传播以引起其它感觉系统响应的机会。与立体显示器不同，当检视者围绕检视体积移动时，会聚的能量传播路径在空间中的检视位置不会变化，并且任何数目的检视者可以同时看到真实世界空间中的传播对象，就好像它确实在那里一样。在一些实施例中，能量的传播可以位于相同的能量传播路径中但是位于相反的方向上。例如，在本公开的一些实施例中，沿着能量传播路径的能量发射和能量捕获都是可能的。

图1是示出与刺激感觉受体响应相关的变量的示意图。这些变量可以包含表面对角线101、表面宽度102、表面高度103、所确定的目标就座距离118、来自显示器的中心的目标就座视场104、本文示出为眼睛之间的样本的中间样本的数目105、平均成人眼间间距106、人眼以弧分计的平均分辨率107、在目标检视者位置和表面宽度之间形成的水平视场108、在目标检视者位置和表面高度之间形成的垂直视场109、跨越表面的所得水平波导元件分辨率或元件总数110、跨越表面的所得垂直波导元件分辨率或元件总数111、基于眼睛之间的眼间间距和用于眼睛之间的角投射的中间样本的数目的样本距离112。角取样可以基于样本距离和目标就座距离113、从期望的角取样导出的每个波导元件的总分辨率水平(Horizontal)114、从期望的角取样导出的每个波导元件的总分辨率垂直(Vertical)115。装置水平是所需离散能量源的所确定数目的计数116，且装置垂直是所需离散能量源的所确定数目的计数117。

理解所需最小分辨率的方法可以基于以下标准以确保对视觉(或其它)感觉受体响应的充分刺激：表面尺寸(例如，84"对角线)、表面纵横比(例如，16:9)、就座距离(例如，距显示器128")、就座视场(例如，围绕显示器中心120度或+/-60度)，某一距离处的所需中间样本(例如，眼睛之间的一条额外传播路径)、成人的平均眼间间距(约65mm)，以及人眼的平均分辨率(约1弧分)。应根据具体的应用设计参数将这些实例值视为占位符。

此外，归因于视觉感觉受体的每个值可以用其它系统代替，以确定所需的传播路径参数。对于其它能量传播实施例，可以认为听觉系统的角灵敏度低至三度，并且体感系统的手的空间分辨率小至2-12mm。

虽然存在各种且相互矛盾的方法来测量这些感觉敏锐度，但这些值足以理解刺激虚拟能量传播感知的系统和方法。有许多方法可以考虑设计分辨率，下文提出的方法将实用产品考虑因素与感觉系统的生物分辨率限制结合起来。如所属领域的普通技术人员将理解，以下概述是任何这样的系统设计的简化，并且应该仅考虑用于示例性目的。

在理解了感觉系统的分辨率限制的情况下，可以计算总能量波导元件密度，使得接收感觉系统不能辨别单个能量波导元件与相邻元件，给定：

上述计算产生大约32x18°的视场，导致需要大约1920x1080(舍入到最接近的格式)个能量波导元件。还可以约束变量，使得视场对于(u,v)两者是一致的，以提供能量位置的更规则的空间取样(例如，像素纵横比)。系统的角取样假设限定的目标检视体积位置和在优化距离处的两点之间的额外传播能量路径，给定：

在这种情况下，利用眼间距离来计算样本距离，但可以利用任何度量来将适当数目的样本考虑为给定距离。考虑到上述变量，可能需要每0.57°大约一条射线，且可以确定每个独立感觉系统的总系统分辨率，给定：

·总分辨率H＝N*水平元件分辨率

·总分辨率V＝N*垂直元件分辨率

在上述情况下，给定能量表面的尺寸和针对视敏度系统所考虑的角分辨率，所得能量表面可以理想地包含大约400k×225k像素的能量分辨率位置，或90千兆像素的全息传播密度。提供的这些变量仅用于示例性目的，并且应当考虑许多其它感觉和能量计量考虑因素以优化全息能量传播。在额外实施例中，基于输入变量可能需要1千兆像素的能量分辨率位置。在额外实施例中，基于输入变量，可能需要1,000千兆像素的能量分辨率位置。

当前技术局限：

有源区域、装置电子学、封装和机械包络

图2示出具有带有特定机械形状因子的有源区域220的装置200。装置200可以包含驱动器230和电子设备240，用于为有源区域220供电和介接到有源区域220，有源区域具有如x和y箭头所示的尺寸。此装置200不考虑布线和机械结构来对组件进行驱动、供电和冷却，并且机械占地面积可以通过将柔性电缆引入到装置200被进一步最小化。此装置200的最小占地面积也可以称为机械包络210，其具有如M:x和M:y箭头所示的尺寸。此装置200仅用于说明目的，并且定制电子设计可以进一步降低机械包络开销，但是在几乎所有情况下可能不是装置的有效区域的确切尺寸。在一实施例中，此装置200示出电子设备的依赖性，因为它涉及用于微OLED、DLP芯片或LCD面板的有源图像区域220，或具有图像照明目的的任何其它技术。

在一些实施例中，还可以考虑其其它投影技术以将多个图像聚合到更大的整体显示器上。然而，这可能以投射距离、最小焦点、光学质量、均匀场分辨率、色差、热特性、校准、对准，额外尺寸或形状因子的更大复杂性为代价。对于大多数实际应用，代管数十或数百个这些投影源200可能导致设计更大且可靠性更低。

仅出于示例性目的，假设能量位置密度为3840×2160个站点的能量装置，可以确定能量表面所需的个别能量装置(例如，装置100)的数目，给定：

考虑到上述分辨率考虑因素，可能需要类似于图2中所示的大约105×105个装置。应注意，许多装置由各种像素结构组成，这些像素结构可以或可以不映射到规则网格。在每个完整像素内存在额外子像素或位置的情况下，可以利用这些子像素或位置来产生额外的分辨率或角密度。可以使用额外信号处理来确定如何根据像素结构的指定位置将光场转换为正确的(u,v)坐标，并且可以是已知和经校准的每个装置的显式特征。此外，其它能量域可能涉及对这些比率和装置结构的不同处理，并且所属领域的技术人员将理解每个期望频域之间的直接内在关系。这将在随后的公开中更详细地示出和讨论。

所得计算可用于理解可能需要多少这些个别装置来产生全分辨率能量表面。在这种情况下，可能需要大约105×105或大约11,080个装置来实现视敏度阈值。为实现足够的感觉全息传播从这些可用的能量位置制造无缝能量表面存在挑战和新颖性。

无缝能量表面的概述：

能量中继器阵列的配置和设计

在一些实施例中，公开了一些方法，以解决由于装置的机械结构的限制而从没有接缝的个别装置阵列产生高能量位置密度的挑战。在一实施例中，能量传播中继器系统可以允许增加有源装置区域的有效尺寸以满足或超过用以配置中继器阵列并形成单个无缝能量表面的机械尺寸。

图3示出这种能量中继器系统300的实施例。如图所示，中继器系统300可以包含安装到机械包络320的装置310，其中能量中继器元件330传播来自装置310的能量。中继器元件330可以被配置为提供减轻当装置的多个机械包络320被放置到多个装置310的阵列中时可能产生的任何间隙340的能力。

例如，如果装置的有效区域310是20mm×10mm并且机械包络32是40mm×20mm，则能量中继器元件330可以设计成具有2:1的放大率以产生缩小末端(箭头A)上大约20mm×10mm以及放大末端(箭头B)上大约40mm×20mm的锥形形状，从而提供将这些元件330的阵列无缝地对准在一起而不会改变或碰撞每个装置310的机械包络320的能力。在机械上，中继器元件330可以粘合或熔合在一起以对准和抛光，确保装置310之间的最小接缝间隙340。在一个这样的实施例中，可以实现小于眼睛的视敏度极限的接缝间隙340。

图4示出基部结构400的实例，基部结构400具有形成在一起并牢固地固定到额外机械结构430的能量中继器元件410。无缝能量表面420的机械结构提供了通过粘合或其它机械工艺将多个能量中继器元件410、450串联联接到相同的基部结构以安装中继器元件410、450的能力。在一些实施例中，每个中继器元件410可以熔合、粘合、附连、压力配合、对准或以其它方式附接在一起以形成所得的无缝能量表面420。在一些实施例中，装置480可以安装到中继器元件410的后部并且无源地或有源地对准，以确保维持所确定的容差内的适当的能量位置对准。

在一实施例中，无缝能量表面包括一个或多个能量位置，并且一个或多个能量中继器元件堆叠包括第一和第二侧，并且每个能量中继器元件堆叠被布置为形成单个无缝显示表面，所述无缝显示表面沿着在一个或多个能量位置和无缝显示表面之间延伸的传播路径引导能量，且其中终端能量中继器元件的任何两个相邻第二侧的边缘之间的间隔小于由人眼的视敏度所限定的最小可感知轮廓，该人眼在大于单一无缝显示表面的宽度的距离下具有好于20/40视力。

在一实施例中，每个无缝能量表面包括一个或多个能量中继器元件，每个能量中继器元件具有形成具有横向和纵向定向的第一和第二表面的一个或多个结构。第一中继器表面具有与第二中继器表面不同的面积，从而产生正或负放大率，并且配置有第一和第二表面两者的明确的表面轮廓，使能量通过第二中继器表面以相对于整个第二中继器表面上的表面轮廓的法线基本上填充+/-10度角。。

在一实施例中，多个能量域可以配置在单个能量中继器内或多个能量中继器之间，以引导包含视觉、声学、触觉或其它能量域的一个或多个感觉全息能量传播路径。

在一实施例中，无缝能量表面配置有能量中继器，所述能量中继器包括用于每个第二侧的两个或两个以上第一侧，以同时接收和发射一个或多个能量域，从而在整个系统中提供双向能量传播。

在一实施例中，能量中继器被提供为松散的相干元件。

组件工程结构的介绍：

横向安德森定位能量中继器的所公开进展

根据本文公开的引起横向安德森定位的能量中继器元件的原理，可以显著优化能量中继器的特性。横向安德森定位是通过横向无序但纵向一致的材料传送的射线的传播。

这意味着产生安德森定位现象的材料的效果可能受到全内反射的影响小于多次散射路径之间的随机化的影响，其中波干涉可以在纵向定向继续的同时完全限制横向定向中的传播。

显著的额外益处是消除了传统多芯光纤材料的包层。包层在功能上消除了纤维之间的能量散射，但同时作为能量射线的屏障，从而将透射率至少减小芯与包层的比率(例如，芯与包层的比率为70:30将最多传输70％的所接收能量传输)并且另外在传播的能量中形成强烈的像素化图案。

图5A示出一个这样的非安德森定位能量中继器500的实例的端视图，其中图像通过多芯光纤中继，其中由于光纤的固有特性可能展现像素化和光纤噪声。对于传统的多模和多芯光纤，由于芯的离散阵列的全内反射特性，中继图像可能本质上是像素化的，其中芯之间的任何串扰将削弱调制传递函数并增加模糊。用传统的多芯光纤产生的所得图像往往具有类似于图3所示的残余固定噪声光纤图案。

图5B示出通过能量中继器的相同中继图像550的实例，所述能量中继器包括展现横向安德森定位的特性的材料，其中，与图5A中的固定光纤图案相比，所述中继图案具有更大的密度晶粒结构。在一实施例中，包括随机化微观组件工程结构的中继器引起横向安德森定位，且与市售的多模玻璃光纤相比具有更高的可分辨分辨率传播，更有效地传送光。

在成本和重量方面，横向安德森定位材料特性具有显著的优点，其中类似的光学级玻璃材料的成本和重量可能比实施例内产生的相同材料的成本高10至100倍，其中所公开的系统和方法包括随机化的微观组件工程结构，与所属领域已知的其它技术相比，它们显示出改善成本和质量的重要机会。

在一实施例中，展现横向安德森定位的中继器元件可以包括在以三维网格布置的三个正交平面中的每一个中的多个至少两个不同的组件工程结构，并且所述多个结构在尺寸网格内的横向平面中形成材料波传播特性的随机化分布，且在尺寸网格内的纵向平面中形成材料波传播特性的相似值的通道，其中通过能量中继器传播的局部能量波在纵向定向上相对于横向定向具有更高的传送效率。

在一实施例中，多个能量域可以配置在单个横向安德森定位能量中继器内或多个横向安德森定位能量中继器之间，以引导包含视觉、声学、触觉或其它能量域的一个或多个感觉全息能量传播路径。

在一实施例中，无缝能量表面配置有横向安德森定位能量中继器，其包括用于每个第二侧的两个或两个以上第一侧，以同时接收和发射一个或多个能量域，以在整个系统中提供双向能量传播。

在一实施例中，横向安德森定位能量中继器被配置为松散相干或柔性能量中继器元件。

4D全光函数的考虑事项：

通过全息波导阵列的选择性能量传播

如上文和此处所讨论的，光场显示系统通常包含能量源(例如，照明源)和无缝能量表面，所述无缝能量表面配置有如上述讨论中所阐述的足够的能量位置密度。多个中继器元件可用于将能量从能量装置中继到无缝能量表面。一旦能量以所需的能量位置密度递送到无缝能量表面，就可以通过所公开的能量波导系统根据4D全光函数传播能量。如所属领域的普通技术人员将理解，4D全光函数在所属领域中是众所周知的，并且在此不再进一步详述。

能量波导系统沿着无缝能量表面通过多个能量位置选择性地传播能量，所述无缝能量表面表示4D全光函数的空间坐标，其结构被配置为改变通过的能量波的角方向，表示4D全光函数的角分量，其中传播的能量波可以根据由4D全光函数引导的多个传播路径在空间中会聚。

现在参考图6，其示出根据4D全光函数的4D图像空间中的光场能量表面的实例。该图示出能量表面600到检视者620的射线轨迹，描述了能量射线如何从检视体积内的各个位置会聚在空间630中。如图所示，每个波导元件610限定描述通过能量表面600的能量传播640的四维信息。两个空间维度(此处称为x和y)是当通过能量波导阵列投射时可在图像空间中检视的物理多个能量位置，以及在虚拟空间中检视的角分量θ和

(此处称为u和v)。通常，并且根据4D全光函数，多个波导(例如，小透镜)能够在形成本文描述的全息或光场系统时沿着由u,v角分量限定的方向将能量位置从x,y维度引导到虚拟空间中的唯一位置。

然而，所属领域的技术人员将理解，对光场和全息显示技术的重大挑战源于能量的不受控制的传播，这是由于设计没有准确地考虑任何衍射、散射、扩散、角方向、校准、聚焦、准直、曲率、均匀性、元件串扰，以及许多其它参数，这些参数促使降低有效分辨率以及无法以足够的保真度精确地会聚能量。

在一实施例中，用于解决与全息显示相关联的挑战的选择性能量传播的方法可以包含能量编码元件和基本上将具有近准直能量的波导孔填充到由4D全光函数限定的环境中。

在一实施例中，能量波导阵列可以为每个波导元件限定多个能量传播路径，所述多个能量传播路径被配置成在由规定的4D函数限定的独特方向上延伸通过并基本上填充波导元件的有效光圈到沿着无缝能量表面的多个能量位置，所述无缝能量表面受到一个或多个元件的抑制，这些元件被定位成将每个能量位置的传播限制为仅通过单个波导元件。

在一实施例中，多个能量域可以配置在单个能量波导内或多个能量波导之间，以引导包含视觉、声学、触觉或其它能量域的一个或多个感觉全息能量传播。

在一实施例中，能量波导和无缝能量表面被配置为接收和发射一个或多个能量域，以在整个系统中提供双向能量传播。

在一实施例中，能量波导被配置为利用用于任何无缝能量表面定向(包含墙壁、桌子、地板、天花板、房间或其它基于几何形状的环境)的数字编码、衍射、折射、反射、微笑、全息、菲涅耳等波导配置传播非线性或非规则能量分布(包含非透射空隙区域)。在另外的实施例中，能量波导元件可以被配置为产生各种几何形状，其提供任何表面轮廓和/或桌面检视，允许用户以360度配置检视来自能量表面周围的全息图像。

在一实施例中，能量波导阵列元件可以是反射表面，并且元件的布置可以是六边形、正方形、不规则、半规则、弯曲、非平面、球形、圆柱形、倾斜规则、倾斜不规则、空间变化和/或多层。

对于无缝能量表面内的任何组件，波导或中继器组件可包含但不限于光纤、硅、玻璃、聚合物、光学中继器、衍射、全息、折射或反射元件、光学面板、能量组合器、分束器、棱镜、偏振元件、空间光调制器、有源像素、液晶单元、透明显示器，或任何展现安德森定位或全内反射的类似材料。

实现Holodeck：

双向无缝能量表面系统的聚合以刺激全息环境内的人类感觉受体

通过将多个无缝能量表面拼接、熔合、粘合、附接和/或缝合在一起形成任意尺寸、形状、轮廓或包含整个房间的形状因子，可以构建无缝能量表面系统的大规模环境。每个能量表面系统可以包括具有基部结构、能量表面、中继器、波导、装置和电子设备的组合件，这些组件共同配置用于双向全息能量传播、发射、反射或感测。

在一实施例中，平铺无缝能量系统的环境被聚合以形成大的无缝平面或弯曲壁，包含在给定环境中包括多达所有表面的安装，并且被配置为无缝、不连续平面、刻面、弯曲、圆柱形、球面、几何或非规则几何形状的任何组合。

在一实施例中，平面表面的聚合平铺片形成用于基于剧院或会场的全息娱乐的壁尺寸的系统。在一实施例中，平面表面的聚合平铺片覆盖用于基于洞穴的全息安装的具有四到六个壁的房间，包含天花板和地板。在一实施例中，弯曲表面的聚合平铺片产生用于沉浸式全息安装的圆柱形无缝环境。在一实施例中，无缝球面的聚合平铺片形成用于基于Holodeck的沉浸式体验的全息圆顶。

在一实施例中，无缝弯曲能量波导的聚合平铺片沿着能量波导结构内的能量编码元件的边界遵循精确图案提供机械边缘，以粘合、对准或熔合相邻波导表面的相邻平铺机械边缘，从而产生模块化无缝能量波导系统。

在聚合平铺环境的另一实施例中，能量针对多个同时能量域双向传播。在另外的实施例中，能量表面提供了从相同能量表面同时显示和捕获的能力，其中波导被设计成使得光场数据可以由照明源通过波导投射并同时通过相同的能量表面接收。在另外的实施例中，可以利用额外的深度感测和有源扫描技术以允许能量传播和检视者之间在正确的世界坐标中交互。在另外的实施例中，能量表面和波导可操作以发射、反射或会聚频率以引发触觉感觉或体积触觉反馈。在一些实施例中，双向能量传播和聚合表面的任何组合都是可能的。

在一实施例中，系统包括能量波导，所述能量波导能够双向发射并且通过能量表面感测能量，其中一个或多个能量装置独立地与两个或两个以上路径能量组合器配对以将至少两个能量装置配对到无缝能量表面的相同部分，或者一个或多个能量装置固定在能量表面后面，靠近固定到基部结构的额外组件，或靠近用于离轴引导或者反射投射或感测的波导的FOV前方和外部的位置，并且所得的能量表面提供能量的双向传输，允许波导会聚能量，第一装置发射能量且第二装置感测能量，且其中处理信息以执行与计算机视觉相关的任务，包含但不限于4D全光眼和视网膜跟踪或感测所传播能量模式内的干扰、深度估计、近程、运动跟踪、图像、颜色或声音形成，或其它能量频率分析。在另外的实施例中，跟踪位置基于双向捕获数据和投影信息之间的干扰有源地计算和修改能量位置。

在一些实施例中，包括超声传感器、可见电磁显示器和超声发射装置的三个能量装置的多个组合被配置在一起，以使传播能量的三个第一中继表面中的每一个组合成单个第二能量中继表面，三个第一表面的每一个包括特定针对每个装置的能量域的工程特性，且两个工程波导元件分别配置用于超声波和电磁能量，以提供独立地引导和会聚每个装置的能量的能力，且基本上不受经配置用于单独能量域的其它波导元件的影响。

在一些实施例中，公开了一种校准程序，以使得能够有效制造以移除系统假影，并产生所得能量表面的几何映射以与编码/解码技术一起使用，以及用于基于经校准配置文件将数据转换为适于能量传播的经校准信息的专用集成系统。

在一些实施例中，串联的额外能量波导和一个或多个能量装置可以集成到系统中以产生不透明的全息像素。

在一些实施例中，可以集成包括能量编码元件、分束器、棱镜、有源视差屏障或偏振技术的额外波导元件，以便提供大于波导直径的空间和/或角分辨率或用于其它超分辨率目的。

在一些实施例中，所公开的能量系统还可以被配置为可穿戴双向装置，例如虚拟现实(VR)或增强现实(AR)。在其它实施例中，能量系统可以包含调节光学元件，其使得所显示或接收的能量聚焦在检视者的空间中的所确定平面附近。在一些实施例中，波导阵列可以并入到全息头戴式显示器。在其它实施例中，系统可以包含多个光学路径以允许检视者看到能量系统和真实世界环境(例如，透明全息显示器)。在这些情况下，除了其它方法之外，系统可以呈现为近场。

在一些实施例中，数据传输包括具有可选择或可变压缩比的编码过程，其接收信息和元数据的任意数据集；分析所述数据集并接收或指派材料属性、向量、表面ID、形成更稀疏数据集的新像素数据，并且其中所接收的数据可包括：2D、立体、多视图、元数据、光场、全息、几何、向量或者向量化元数据，且编码器/解码器可以提供实时或离线转换数据的能力，包括针对以下各项的图像处理：2D；2D加深度、元数据或其它向量化信息；立体、立体加深度、元数据或其它向量化信息；多视图；多视图加深度、元数据或其它向量化信息；全息；或光场内容；通过深度估计算法，有或没有深度元数据；且逆射线追踪方法通过特征化的4D全光函数将通过逆射线追踪产生的所得经转换数据从各种2D、立体、多视图、体积、光场或全息数据适当地映射到真实世界坐标。在这些实施例中，期望的总数据传输可以是比原始光场数据集少多个数量级的所传输信息。

用于全息系统中的超分辨率的能量抑制编码波导

考虑到通过波导光圈的传播路径的总角分布与能量引导系统的检视体积之间的不匹配，全息和全光4D系统将遭受显著的角假影。在不受控制的系统中，当阵列内的有效波导光圈仅包括给定波导函数的理想主射线角时，来自能量波导元件的路径可以传播到限定系统的角分布的预定能量位置阵列之外的区域，但是实际上可能不限于所述视场，因为能量继续超出波导元件的理想主射线角而离轴传播。在没有适当考虑波导阵列的选择性能量传播的情况下，来自分配给相邻波导的能量位置的能量传播路径可能损害能量引导系统性能。

图7示出实施例700，其具有由能量波导元件704和多个能量位置706指示的视场702，以限定波导元件704和相关联检视体积区708的有效角分布。沿着射线712检视能量波导元件704的检视者710将错误地检视能量位置714，其可能不将适当的能量信息引导到检视者710。

为了解决传播路径的更宽角分布以适应图7的离轴检视者，可以探索减小的有效波导元件。对于120度的主射线角分布，这将导致大约有效的f/.6光圈。根据能量波导元件的设计，低于f/1.4的任何光圈变得越来越具有挑战性。图8示出实施例800，其展示了具有能量波导元件802的系统的具有挑战性的特性，所述能量波导元件802具有设计成实现120度视场806的有效焦距804。

图8示出理想化的波导能量传播角分布，其不考虑通过波导元件的有效光圈的传播。如本文所公开，对于任何能量引导系统设计，可能需要用于通过波导阵列选择性地传播能量以抑制离轴能量传播路径的能量编码元件。

在一个实施例中，能量编码元件可以被定位成限制能量沿着能量传播路径的一部分的传播。另外，能量编码元件可包括至少一个数值光圈，并且可包括挡板结构。在一实施例中，能量编码元件的结构可以被配置为借此限制能量传播的角范围。

作为能量编码元件的进一步扩展，包括提供时空超分辨率的系统，以通过经由波导光圈的至少一部分和能量编码元件之间的指定编码将元件的抑制方面有效地转换为能量编码方法，来通过与能量编码元件重叠的空间、时间或时空能量位置而增加有效焦距，同时保持相同的扩展视场。能量引导系统内到空间、时间、时空或其它方面的配对将统称为能量编码元件，并且能量编码元件的集合构成能量编码系统。

通过能量保持组合器和能量保持组件工程结构的能量编码装置

通过包括多个偏振保持能量组合器或偏振保持组件工程结构从而形成展现横向安德森定位的能量组合器的系统，公开了通过在能量编码元件的实施例中使用一种针对能量中继器装置的新颖的方法，来提供角超分辨率、偏振或能量状态保持能量组合器。通过此系统，可以直接或间接地编码多个能量位置，并通过能量中继路径和单个无缝能量表面保持能量编码状态。在一实施例中，沿着能量组合器的多个编码能量路径是可能的。在另一实施例中，提供4个编码能量路径。在另一实施例中，提供8个编码能量路径。

在能量编码中继器装置的实施例中，提供双态偏振系统(例如，水平和垂直，或顺时针和逆时针)以使每个能量波导元件或每个能量波导元件的区域偏振并传播两个或两个以上重叠能量位置区域，同时基本上抑制杂散路径的传播，其中每个传播路径被抑制到单个能量波导元件或其一部分。

在一实施例中，一种能量装置可以包括能量组合元件，所述能量组合元件被配置为在多个能量装置和形成在能量组合元件上的能量位置表面之间中继能量，其中所述多个能量位置位于能量组合元件的能量位置表面上，且另外其中，通过不同能量装置传播的能量通过能量位置表面上的交错能量位置中继。在一实施例中，能量组合元件可包括展现横向安德森定位的多个能量结构。在一实施例中，能量组合元件可以包括多个编码的能量保持光纤，或编码的能量保持组件工程结构，从而形成展现横向安德森定位的能量中继器元件。在一实施例中，交错或编织能量位置处的能量可具有交替能量状态。在一实施例中，交替能量状态可以是不同的偏振状态。在一实施例中，能量组合器包括在中继能量表面上的能量编码元件。

能量组合器、偏振的多个能量位置、通过能量位置表面保持的偏振状态以及偏振能量波导元件都可以组合以产生两个完全离散且重叠的能量位置区域。在一实施例中，可以将偏振膜施加到能量波导元件基板，直接内置在能量波导元件中，放置在能量波导元件阵列的上方、下方或中心，以适合于波导元件功能和偏振能量编码系统。

图9是能量组合元件900的实施例的图示，其示出此方法。能量组合元件900被配置为在能量装置902和904与形成在能量组合元件900上的能量位置表面906之间中继能量。多个能量位置908位于能量位置表面906上，并且通过能量组合元件900传播的能量通过具有正交偏振状态914、916的能量位置表面906上的交错能量位置910、912进行中继。

在一实施例中，能量编码元件可以位于波导元件阵列的第二侧上。

在一实施例中，能量编码元件可以位于第一侧上在所述多个能量位置和波导元件阵列之间。

在一实施例中，可以利用有源能量编码元件来进一步扩展检视单个无缝能量表面的多个同时能量位置区域的能力。

用于全息系统中的超分辨率的无源能量编码系统

在一实施例中，通过所述多个能量位置的能量可以在两个不同的能量状态中编码，并且能量编码元件可以包括能量编码元件，所述能量编码元件包括多个第一区域和多个第二区域，每个第一区域被配置为允许能量在第一能量状态中基本上不受抑制地通过其中，并且基本上抑制能量在第二能量状态中的传播，并且每个第二区域被配置为允许能量在第二能量状态中基本上不受抑制地通过其中，并且基本上抑制能量在第一能量状态中的传播。

在一实施例中，能量编码元件可以包括能量偏振元件。在一实施例中，不同的能量状态可以包括第一和第二偏振态，并且能量编码元件可以包括能量偏振滤波器。

在一实施例中，能量编码元件可以包括能量偏振器，例如线性偏振器；圆偏振器；或能量调制装置。

在一实施例中，能量编码元件的第一多个区域可各自包括具有第一光学轴的能量偏振元件，并且能量编码元件的第二多个区域可各自包括具有第二光学轴的能量偏振元件。

在一实施例中，第一和第二区域中的能量位置可以通过能量编码状态交错或编织。

在一实施例中，第一和第二区域中的能量位置可以分组且通过能量编码状态交错或编织。

在一实施例中，能量编码元件的所述多个第一区域和所述多个第二区域可以协作以为每个波导元件限定光圈的区域。

图10示出能量装置1000的实施例。能量装置1000包括波导元件阵列1002，其进一步包括第一侧1004和第二侧1006，并且被配置为沿着多个能量传播路径1008引导能量通过其中，所述多个能量传播路径1008延伸通过阵列1002的第一侧1004上的多个能量位置1010。装置1000进一步包括能量编码元件1012，其可操作以限制沿所述多个能量传播路径1008的能量传播。通过第一和第二波导元件1018、1020的不受抑制的传播路径1014、1016限定能量位置的第一和第二区域1022、1024，所述第一和第二区域1022、1024重叠且偏移。能量编码元件1012可以基本上限制能量通过第一和第二区域1022、1024中的每个能量位置传播到不受抑制的能量传播路径1014或1016中的一个。通过第一和第二波导元件1018、1020的不受抑制的传播路径1014、1016可以形成由4D全光函数限定的体积能量场的至少一部分。在装置1000中，所述多个能量位置1010无源地编码为第一无源编码状态1026或第二无源编码状态1028，使得第一和第二区域1022、1024中的能量位置通过能量编码状态交错或编织。能量编码元件1012包括编码，包括第一区域1030，其被配置为允许能量在第一状态1026中通过其中并且抑制第二状态1028中的能量；以及第二区域1032，其被配置为允许能量在第二状态1028中通过其中并且抑制第一状态1026中的能量。能量编码元件1012的第一区域1030形成波导元件1018的光圈1034，并且能量编码元件1012的第二区域1032形成波导元件1020的光圈1036。

在一实施例中，能量编码元件的所述多个第一区域和所述多个第二区域可以协作以为每个波导元件限定多个光圈。

图11示出能量装置1100的实施例。在能量装置1100中，能量编码元件1106的第一区域1102和第二区域1104形成波导元件1112的第一光圈区域1108和第二光圈区域1110。能量编码元件1106的第三区域1114和第四区域1116形成波导元件1122的第一光圈区域1118和第二光圈区域1120。

用于全息系统中的超分辨率的有源和混合能量编码系统

图10-11提供了可能不利用有源电子装置来实现能量抑制方法的编码的技术。假定无源组件不会展现与多个装置的聚合冲突的机械包络，这有利于提供将多个超分辨率系统聚合在一起的能力。然而，考虑到角取样除以系统内的编码状态的数目，其在任何这种重叠的交错或编织配置中另外有效地提供潜在空间分辨率的一半。在另外的实施例中，公开了一种有源能量编码系统，其包括时间编码元件，以进一步扩展以可能更高的空间分辨率传播单个无缝能量表面的多个同时能量位置区域的能力。

在一实施例中，通过波导元件阵列的第一和第二波导元件的不受抑制的能量传播路径可以限定能量位置的第一和第二区域，所述第一和第二区域重叠且偏移。在第一时刻，能量编码元件可以基本上抑制通过第一区域中的能量位置的能量传播路径，并且能量编码元件可以允许通过第二区域中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径。在第二时刻，能量编码元件可以基本上抑制通过第二区域中的能量位置的能量传播路径，并且能量编码元件可以允许通过第一区域中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径。通过第一和第二波导元件的时间上聚合的不受抑制能量传播路径可以形成由4D全光函数限定的体积能量场的至少一部分。

在一实施例中，能量编码元件可以包括被配置为在至少第一状态和第二状态之间切换的有源编码系统，其中，当被驱动到第一状态时，有源编码元件被配置为形成第一组光圈，且当被驱动到第二状态时，有源编码元件被配置为形成第二组光圈。在一实施例中，第一和第二组光圈可以由具有二进制值的有源编码元件形成，用于透射或吸收特定能量。在一实施例中，有源编码元件可以包括透明像素阵列。在一实施例中，有源编码元件可以包括有源视差屏障。在一实施例中，有源视差屏障可包括百叶窗。

图12A是能量引导装置1200在第一时刻的实施例的图示，且图12B是能量引导装置1200在第二时刻的图示。能量引导装置1200包括有源编码元件1202，其进一步包括第一和第二区域1204、1206。在第一时刻，区域1204被配置为抑制能量沿着能量传播路径1208从能量位置1212传播通过波导元件1214，而区域1206被配置为允许能量沿能量传播路径1210从能量位置1212传播通过波导元件1216。在第二时刻，区域1204被配置为允许能量从能量位置1212沿能量传播路径1204传播通过波导元件1214，而区域1206被配置为抑制能量沿能量传播路径1208从能量位置1212传播通过波导元件1216。应注意，在实施例1200中，仅存在一个编码元件，即有源编码元件1202。

在一实施例中，所述一个或多个有源能量编码元件可以是能量偏振开关、能量带通开关或能量调制装置。

在一实施例中，所述一个或多个无源能量编码元件可以是能量偏振滤波器、能量带通滤波器或能量波导。

在一实施例中，所述一个或多个有源能量编码元件可以将能量编码为不同的能量状态，并且所述一个或多个无源能量编码元件可以基于能量状态对能量进行滤波。

在一实施例中，所述一个或多个有源能量编码元件可以在连续的能量位置群组处将能量暂时编码成不同的能量状态。

图13A是第一时刻的能量装置1300的实施例的图示。能量装置1300包括能量编码元件1302，其是无源能量编码元件并且在第一时刻与有源能量编码元件1318组合，基本上抑制通过第一区域1306中的能量位置的能量传播路径1304，并且允许通过第二区域1310中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径1308，所述第一和第二区域1306、1310重叠且偏移。

图13B是第二时刻的能量装置1300的实施例的图示。在第二时刻，结合有源能量编码元件1318，能量编码元件1302基本上抑制通过第二区域1310中的能量位置的能量传播路径1308，并且允许通过第一区域1306中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径1304。

参考图13A和图13B，通过第一和第二波导元件1312、1314在时间上聚合不受抑制的能量传播路径1304和1308形成由4D全光函数限定的体积能量场的一部分。能量装置1300进一步包括有源能量编码元件1318，其被配置为在第一和第二时刻在连续的能量位置群组1316处将能量暂时编码成不同的编码状态。

特别注意，有源能量编码元件1318在所述多个能量位置1316上提供单个状态，并且与被分成编码区域的无源能量编码元件1302相结合，基本上抑制通过系统内的相应波导的能量传播路径，并且通过时间聚合产生能量传播路径的分辨率和角分布两者的有效显著增加。

在一实施例中，所述一个或多个有源能量编码元件可以在交错或编织能量位置处将能量暂时编码成不同的能量状态。

图14A是能量引导装置1400在第一时刻的实施例的图示，且图14B是能量引导装置1400在第二时刻的图示。能量装置1400包括有源能量编码元件1402，其被配置为在第一和第二时刻将交错或编织能量位置1404处的能量在时间上编码成交替的第一和第二编码状态1406、1408。

在一实施例中，所述一个或多个无源能量编码元件可以将能量编码为不同的能量状态，并且所述一个或多个有源能量编码元件可以基于能量状态选择性地引导能量。

在一实施例中，所述一个或多个无源能量编码元件可以在交错的能量位置处将能量编码为不同的能量状态。

图15A是能量引导装置1500在第一时刻的实施例的图示，且图15B是能量引导装置1500在第二时刻的实施例的图示。能量装置1500包括无源能量编码元件1502，其将来自能量位置1504的能量编码成交错的第一和第二编码状态1506、1508。能量装置1500进一步包括有源能量编码元件阵列1510，其基于能量的编码状态选择性地引导来自能量位置1504的能量。

在一实施例中，第一和第二组光圈可以形成为使得针对每个波导元件形成多个光圈，并且其中能量编码元件进一步包括分裂光圈能量编码元件，其被配置为限制能量沿所述多个能量传播路径传播通过每个波导元件的所述多个光圈。

在一实施例中，第一和第二组光圈可以形成为使得针对每个波导元件形成多个光圈或光圈区域，并且其中在时间上针对每个波导元件引导能量通过所述多个光圈。

图16A是能量装置1600在第一时刻的实施例的图示，且图16B是能量装置1600在第二时刻的实施例的图示。能量装置1600包括有源能量编码元件1602和偏离第一有源能量编码元件的第二有源能量编码元件1614，并且进一步包括第三无源能量编码元件1616以编码交错或编织的能量位置。在第一时刻，能量编码元件1602和1614形成第一区域1604和第二区域1606，使得第一波导元件1608被分成第一和第二光圈区域1610、1612。在第二时刻，切换区域1604和1606，且因此也切换光圈区域1610和1612。所述对有源能量编码元件1602和1614与无源能量编码元件1616结合提供，以便提供抑制通过其它相邻光圈区域的能量传播的基本上填充的光圈区域。

图17A是能量装置1700在第一时刻的实施例的图示，且图17B是能量装置1700在第二时刻的实施例的图示。能量装置1700包括无源地编码第一区域1704和第二区域1706的无源能量编码元件1702和偏离第一无源能量编码元件的第二无源能量编码元件1714，以及第三有源能量编码元件1716，所述第三有源能量编码元件1716在第一时刻对交错或编织能量位置进行编码，使得第一波导元件1708被分成第一和第二光圈区域1710、1712。在第二时刻，有源能量编码元件1716切换交错或编织能量位置的编码，从而切换通过能量位置的哪一光圈区域1710、1712能量可以基本上不受抑制地传播。所述对无源能量编码元件1702和1714与有源能量编码元件1716结合提供，以便提供抑制通过其它相邻光圈区域的能量传播的基本上填充的光圈区域。

图18是示例性有源能量编码元件1800的俯视图，其中波导阵列和有源能量编码系统被配置为使得第一波导元件光圈1802被细分为9个区域1802A-I，从而形成3×3网格，9个区域中的每一个经编码以从能量位置1804传播能量1808，并且其中9个区域在时间上被划分为9个循序时刻1806，使得能量1808可以在每个循序时刻1806传播通过不同区域1802A-1。对于任何给定的期望系统刷新率，能量装置、能量引导表面、能量编码元件各自将以有效刷新速度的9倍操作，以便循序地将能量引导到九个区域中的每一个，并且其中所有其它波导元件和有源能量编码元件被配置为以类似的模式协调以传播来自未以任何所示时间间隔传播的能量位置的能量路径，使得每个能量位置累积地传播。

在另外的实施例中，波导元件被配置为沿x轴和y轴展现不同的角传播角度。在另外的实施例中，角度差在x轴上大2倍。在另外的实施例中，角度差在y轴上大2倍。在另外的实施例中，角度差在x轴上大3倍。在另外的实施例中，角度差在y轴上大3倍。

在另一实施例中，能量编码元件与波导元件协调配置，使得能量编码函数应用于沿x轴和y轴具有相同角分布的有源或无源编码、沿x轴的更大角分布、沿y轴的更大角分布，或围绕任意轴的更大角分布。

为避免疑问，只要满足等式和系统的要求，就可以执行和实现循序取样的任何值。

另外的实施例将有源编码元件放置在能量波导元件阵列下方。

另外的实施例将有源编码元件放置在能量波导元件阵列的中心。

用于子像素超分辨率的能量合成器

在一实施例中，能量组合器可以允许两个或两个以上能量装置的能力由来自能量波导元件的区段的数目确定，并且对准像素结构使得它们沿着x和y轴彼此偏移某一值，该值是像素除以区段的数目，或者能量装置单独在单个轴上偏移适当比例，以便产生基本相同的覆叠虚拟能量位置结构。应了解，虽然本文中的讨论可提及像素和像素结构，但一些实施例中的这些元件可提及能量装置中的能量输入或输出单元。

在一实施例中，一种能量系统可以包括：能量装置子系统，其包括具有第一多个能量位置的第一能量装置和具有第二多个能量位置的第二能量装置；以及能量组合元件，其被配置为在能量装置子系统和形成在能量组合元件上的能量位置表面之间中继能量，其中所述多个能量位置位于能量组合元件的能量位置表面上。

在一实施例中，第一和第二能量装置可以以相对定向叠加，使得叠加所述第一多个能量位置的布置和所述第二多个能量位置的布置产生能量位置表面处的第三多个能量位置，所述第三多个能量位置的数目大于针对每个非边界区域组合的第一和第二多个的总和，所得能量位置尺寸小于或不同于第一或第二能量位置中的任一个。

在一实施例中，所述第一多个能量位置可包括在矩形区域中限定的能量位置。

在一实施例中，所述第一和第二多个能量位置都可以包括在矩形区域中限定的能量位置。

在一实施例中，所述第一多个能量位置可以包括在正方形区域中限定的能量位置。

在一实施例中，所述第一多个能量位置可以包括在矩形区域中限定的能量位置，并且所述第二多个能量位置可以包括被限定为正方形、圆形、矩形、三角形、六边形、三角洲结构、规则或不规则区域中的任何一个的能量位置。

利用此方法，以例如两个区段为例，第二能量装置可以从第一能量装置参考像素偏移0.5个像素。通过执行此子像素移位，可以通过所得子像素结构产生更高的有效分辨率。

可以利用替代的子像素结构。在一实施例中，矩形像素被覆叠而不是执行子像素偏移，一个能量装置相对于另一个旋转90度并且安装到能量组合器的第二表面，使得子像素正方形的规则网格由两个正交的矩形结构形成，并且产生比单独的两个装置更高的总有效分辨率。

图19A是能量组合器系统1900的侧视图，其例示覆叠像素结构的方法。能量组合器1900与两个偏移能量装置1902、1904结合使用。能量组合器1900将来自能量装置1902、1904的能量以偏移定向彼此叠加，以在能量组合器表面1906上形成子像素结构。图19B以俯视图示出能量组合器表面1906的一部分。来自能量装置1902的像素结构1908与来自能量装置1904的像素结构1910覆叠，从而形成多个子像素1912。图19C示出能量装置1902、1904和所得能量组合器表面1906的替代实施例的俯视图，且示出矩形像素结构1914在以正交定向组合时可如何产生正方形子像素结构1916。当通过能量组合器1900聚合时，正方形子像素结构1916可以允许像素密度增加3倍，其分辨率高于单独的两个能量装置1902、1904。

在另一实施例中，具有多于两个第一表面的能量组合器用于增加超出所公开的第一实施例的有效像素密度。

在另外的实施例中，能量组合器与无源或有源能量编码系统一起利用。

图20举例说明了另外的实施例，其示出如何通过利用变形能量中继器元件来实现相同的有效像素密度和像素纵横比的变化，其中输入矩形像素结构2002应用于底面2006处的变形能量中继器元件2004，其中变形能量中继器提供3:1变形挤压，如能量元件表面的矩形形式所示，并且应用在矩形像素结构的相反定向上，从而导致当原始结构2002是矩形时能量中继器表面2008的顶部处检视到的结果现在包括12个正方形像素。

在另外的实施例中，能量组合器包括任意放大率和任意像素结构。

在另外的实施例中，能量组合器以相同的变形配置来利用。

虽然上文已经描述了根据本文公开的原理的各种实施例，但是应该理解，它们仅以示例的方式呈现，而不是限制性的。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制，而应仅根据从本公开发布的权利要求书及其等效物来限定。此外，在所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但是不应将这些所公开的权利要求的应用限制于实现任何或所有上述优点的过程和结构。

应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在各种实施例中采用本公开的主要特征。所属领域的技术人员将认识到或能够仅仅使用常规的实验确定本文所描述的特定方法的许多等效物。这些等效物被认为是在本公开的范围内并且由权利要求书涵盖。

此外，本文中的章节标题是为了与37CFR 1.77下的建议保持一致或以其它方式提供组织线索。这些标题不应限制或表征可能从本公开发布的任何权利要求中阐述的发明。具体来说，并且作为实例，尽管标题指的是“技术领域”，但是此些权利要求不应受该标题下的语言的限制以描述所谓的技术领域。此外，“背景技术”章节中的技术描述不应被解释为承认技术是本公开中的任何发明的现有技术。“发明内容”也不被认为是在所发布的权利要求中阐述的发明的特征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应用于论证在本公开中仅存在单个新颖点。可以根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述多个发明，并且此些权利要求因此限定由其保护的发明及其等效物。在所有情况下，根据本公开内容，此些权利要求的范围应根据其自身的优点来考虑，但不应受本文所阐述的标题的约束。

当与权利要求书和/或说明书中的术语“包括”结合使用时，使用词语“一”或“一个”可以表示“一个”，但其也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或一个以上”的含义一致。权利要求书中术语“或”的使用用于表示“和/或”，除非明确指出仅指替代方案或替代方案是相互排斥的，但本公开支持仅指替代方案和“和/或”的定义。在整个本申请中，术语“约”用于表示值包含装置的误差的固有变化，使用所述方法来确定值，或研究对象之间存在的变化。一般而言，但是根据前面的讨论，这里通过例如“约”等近似词修饰的数值可以相对于所陈述值变化至少±1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、10％、12％或15％。

如在本说明书和权利要求书中所使用，词语“包括(comprising)”(和任何形式的包括，例如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”)、“具有(having)”(和任何形式的具有(having)，例如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包含(including)”(和任何形式的包含，例如“包含(includes)”和“包含(includes)”)或“含有(containing)”(和任何形式的含有，例如“含有(contains)”和“含有(contain)”)都是包含或开放式的，并且不排除额外未列举的元件或方法步骤。

例如“在……时”、“等效”、“在……期间”、“完成”等的比较、测量和定时的词应理解为表示“基本上在……时”、“基本上等效”、“基本上在……期间”、“基本上完成”等，其中“基本上”意味着这种比较、测量和定时对于实现隐含或明确陈述的期望结果是切实可行的。与例如“近”、“接近”和“邻近”的元件的相对位置相关的词应当意味着足够接近以对相应的系统元件交互具有实质性影响。近似的其它词语类似地指代当被如此修饰时被理解为不一定是绝对的或完美的但是将被所属领域的普通技术人员认为是足够接近的条件，以保证将所述条件指定为存在。描述内容可以变化的程度将取决于可以设置多大的变化，并且仍然使所属领域的普通技术人员认识到被修饰的特征仍然具有未修饰特征的所需特征和能力。

本文使用的术语“或其组合”是指该术语之前列出的项目的所有排列和组合。例如，“A、B、C或其组合”希望包含以下中的至少一个：A、B、C、AB、AC、BC或ABC，并且如果顺序在特定上下文中是重要的，那么还包含BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。继续此实例，明确地包含含有一个或多个项目或术语的重复的组合，例如BB、AAA、AB、BBC、AAABCCCC、CBBAAA、CABABB等。熟练的技术人员将理解，除非从上下文中另外显而易见，否则通常对任何组合中的项目或术语的数目没有限制。

根据本公开，无需过度实验即可制造和执行本文公开和要求保护的所有组合物和/或方法。尽管已经根据优选实施例描述了本公开的组合物和方法，但是对于所属领域的技术人员显而易见的是，可以对组合物和/或方法以及方法的步骤或步骤序列应用变化，而不脱离本公开的概念、精神和范围。对于所属领域的技术人员显而易见的所有这些类似的替代和修改被认为是在由所附权利要求书限定的本公开的精神、范围和概念内。

Claims

1.一种能量装置，其包括：

波导元件阵列，其中所述波导元件阵列包括第一侧和第二侧，所述波导元件阵列被配置成沿多个能量传播路径引导能量通过其中，所述多个能量传播路径延伸通过所述阵列的所述第一侧上的多个能量位置；以及

能量编码元件，其能够操作以限制沿所述多个能量传播路径的能量传

播；

其中通过所述波导元件阵列的第一和第二波导元件的不受抑制的能量

传播路径限定能量位置的第一和第二区域，所述第一和第二区域重叠且偏移；且另外其中，在第一时刻，所述能量编码元件基本上抑制通过所述第一区域中的能量位置的能量传播路径，且所述能量编码元件允许通过所述第二区域中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径；

其中在第二时刻，所述能量编码元件基本上抑制通过所述第二区域中的能量位置的能量传播路径，且所述能量编码元件允许通过所述第一区域中的能量位置的基本上不受抑制的能量传播路径。

其中通过第一和第二波导元件的在时间上聚集的不受抑制的能量传播路径形成由4D全光函数限定的体积能量场的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的能量装置，其中所述能量装置包括被配置为在至少第一状态和第二状态之间切换的有源能量编码系统，其中当被驱动到所述第一状态时，所述有源能量编码系统被配置为形成第一组孔径，且当被驱动到所述第二状态时，所述有源能量编码系统被配置为形成第二组孔径。

3.根据权利要求2所述的能量装置，其中所述第一和第二组孔径由所述有源能量编码系统的能量编码元件形成。

4.根据权利要求3所述的能量装置，其中所述能量编码元件包括有源孔径屏障。

5.根据权利要求4所述的能量装置，其中所述有源孔径屏障包括百叶窗。

6.根据权利要求2所述的能量装置，其中所述第一和第二组孔径是通过控制所述有源能量编码系统的一个或多个有源能量编码元件与所述有源能量编码系统的一个或多个无源能量编码元件协作而形成。

7.根据权利要求6所述的能量装置，其中所述一个或多个有源能量编码元件选自以下组成的组：

a)能量偏振开关；b)

能量带通开关；以及c)

能量调制装置。

8.根据权利要求6所述的能量装置，其中所述一个或多个无源能量编码元件选自以下组成的组：

a)能量偏振滤波器；b)

能量带通滤波器；以及c)

能量波导。

9.根据权利要求6所述的能量装置，其中所述一个或多个有源能量编码元件将能量编码成不同的能量状态，且所述一个或多个无源能量编码元件基于所述能量状态编码能量。

10.根据权利要求9所述的能量装置，其中所述一个或多个有源能量编码元件在时间上将一组连续能量位置处的能量编码为不同的能量状态。

11.根据权利要求9所述的能量装置，其中所述一个或多个有源能量编码元件在时间上将交错或编织的能量位置处的能量编码为不同的能量状态。

12.根据权利要求6所述的能量装置，其中所述一个或多个无源能量编码元件将能量编码成不同的能量状态，且所述一个或多个有源能量编码元件基于所述能量状态选择性地引导能量。

13.根据权利要求12所述的能量装置，其中所述一个或多个无源能量编码元件在交错或编织的能量位置处将能量编码成不同的能量状态。

14.根据权利要求2所述的能量装置，其中形成所述第一和第二组孔径，使得针对每个波导元件形成多个孔径，且其中所述能量编码元件进一步包括分裂孔径能量编码元件，所述分裂孔径能量编码元件被配置为限制能量沿所述多个能量传播路径传播通过每个波导元件的所述多个孔径。

15.根据权利要求2所述的能量装置，其中形成所述第一和第二组孔径，使得针对每个波导元件形成多个孔径，且其中能量在时间上被引导通过每个波导元件的所述多个孔径。

16.根据权利要求2所述的能量装置，所述有源能量编码系统被配置为切换到一个或多个额外状态，其中，当被驱动到一个或多个额外状态时，所述有源能量编码系统被配置为形成一组或多组额外的孔径。

17.一种能量系统，其包括：能量装置子系统，其包括：

第一能量装置，其具有第一多个能量位置；

以及第二能量装置，其具有第二多个能量位置；所述第一能量装置和第二能量装置为权利要求1至16任一项所述的能量装置，以及

能量组合元件，其被配置为在所述能量装置子系统和形成在所述能量组合元件上的能量位置表面之间中继能量，其中多个能量位置位于所述能量组合元件的所述能量位置表面上；

其中所述第一和第二能量装置以相对定向叠加，使得叠加所述第一多个能量位置的布置和所述第二多个能量位置的布置导致能量位置表面处的第三多个能量位置，第三多个能量位置的数目大于针对每个非边界区域组合的所述第一和第二多个的总和，所得能量位置尺寸不同于所述第一或第二能量位置的任一个。

18.根据权利要求17所述的能量装置，其中所述第一多个能量位置包括在矩形区域中限定的能量位置。

19.根据权利要求17所述的能量装置，其中所述第一和第二多个能量位置包括在矩形区域中限定的能量位置。

20.根据权利要求17所述的能量装置，其中所述第一多个能量位置包括在正方形区域中限定的能量位置。

21.根据权利要求17所述的能量装置，其中所述第一多个能量位置包括在矩形区域中限定的能量位置，且其中所述第二多个能量位置包括限定为正方形、圆形、矩形、三角形、六边形、三角洲结构、规则或不规则区域中的任一个的能量位置。

22.一种能量装置，其包括：

播；

传播路径限定能量位置的第一和第二区域，所述第一和第二区域重叠且偏移；且进一步其中，所述能量编码元件基本上限制能量通过所述第一和第二区域中的每个能量位置传播到一条不受抑制的能量传播路径；

其中通过第一和第二波导元件的所述不受抑制的能量传播路径形成由

4D全光函数限定的体积能量场的至少一部分；

其中通过所述多个能量位置的能量在两个不同的能量状态中编码；以及

其中所述能量编码元件包括多个第一区域和多个第二区域，每个第一区域被配置成允许能量在第一能量状态中基本上不受抑制地通过其中，且基本上抑制能量在第二能量状态中的传播，且每个

第二区域被配置成允许能量在所述第二能量状态中基本上不受抑制地通过

其中，且基本上抑制能量在所述第一能量状态中的传播。

23.根据权利要求22所述的能量装置，其中所述不同的能量状态包括第一和第二能量编码状态，且所述能量编码元件包括能量偏振元件。

24.根据权利要求23所述的能量装置，其中所述能量编码元件包括选自以下组成的组的能量偏振元件：

a)线性偏振器；

b)圆偏振器；

c)四分之一、半或全波片；以及

d)能量偏振调制装置。

25.根据权利要求23所述的能量装置，其中所述能量编码元件的所述多个第一区域各自包括具有第一光学轴的能量偏振元件，且所述能量编码元件的所述多个第二区域各自包括具有第二光学轴的能量偏振元件。

26.根据权利要求23所述的能量装置，其中所述第一和第二区域中的所述能量位置通过能量编码状态而交错或编织。

27.根据权利要求23所述的能量装置，其中所述第一和第二区域中的所述能量位置被分组且通过能量编码状态而交错或编织。

28.根据权利要求22所述的能量装置，其中所述能量编码元件的所述多个第一区域和所述多个第二区域协作以限定用于每个波导元件的光圈。

29.根据权利要求22所述的能量装置，其中所述能量编码元件的所述多个第一区域和所述多个第二区域协作以限定用于每个波导元件的多个光圈。

30.根据权利要求22所述的能量装置，其进一步包括能量组合元件，所述能量组合元件被配置为在多个能量装置和形成在所述能量组合元件上的能量位置表面之间中继能量，其中所述多个能量位置位于所述能量组合元件的所述能量位置表面上，且另外其中传播通过不同能量装置的能量通过所述能量位置表面上的交错或编织的能量位置而中继。

31.根据权利要求30所述的能量装置，其中所述能量组合元件包括表现出横向安德森定位的元件。

32.根据权利要求30所述的能量装置，其中能量编码状态通过所述能量组合元件保持，且所述交错的能量位置保持交替编码能量状态。

33.根据权利要求32所述的能量装置，其中所述交替编码能量状态是正交偏振状态。

34.根据权利要求22所述的能量装置，其中所述能量编码元件位于所述波导元件阵列的所述第二侧上。

35.根据权利要求22所述的能量装置，其中所述能量编码元件位于所述第一侧上在所述多个能量位置和所述波导元件阵列之间。