CN113574472A - 利用具有非零偏转角的能量引导表面引导能量的系统 - Google Patents

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Abstract

非零偏转角可以通过实施本公开的实施例来实现，以允许将投射的能量引导到期望的区域，例如更靠近能量引导表面的区域。所述能量引导表面可以与能量源结合使用，以提供具有四维坐标系的传播路径，所述四维坐标系具有基于所述能量引导表面的两个空间坐标和基于相对于所述能量引导表面的能量源位置的两个角坐标。

Description

利用具有非零偏转角的能量引导表面引导能量的系统
背景技术
能量引导装置可以包括能量投射表面，该能量投射表面包含多个位置，其中在每个位置处能量沿多个方向投射。通常，从单个能量表面位置引导的能量可以由围绕单个能量传播轴以立体角分组的许多分离的能量投射路径(或能量射线)或中心能量投射路径组成。该能量传播轴是对称线，因为它大致位于在水平和垂直维度上离开单个能量表面位置的所有能量投射路径的中点。它通常基本上与离开单个能量表面位置的所有能量射线的平均能量矢量对准。
发明内容
在一个实施例中，能量引导系统包含能量表面和能量波导阵列，能量表面包含多个能量源位置。每个波导可以被配置成沿着不同的传播路径从能量表面的不同能量位置引导能量，其中每个传播路径具有四维坐标，该四维坐标包含对应于相应能量波导的位置的两个空间坐标和至少部分地由相对于相应波导的能量源位置确定的两个角坐标，角坐标限定相应传播路径的方向。每个波导的传播路径围绕能量传播轴分组，该能量传播轴相对于相应波导的传播路径的角度范围限定对称轴。能量波导阵列限定了能量引导表面，并包含具有第一能量传播轴的第一波导和具有第二能量传播轴的第二波导，第一和第二能量传播轴分别相对于能量引导表面的法线形成第一和第二偏转角，并且进一步其中第一和第二偏转角是不同的。
在一个实施例中，能量引导系统可以包含能量表面和能量波导阵列，能量表面包含多个能量源位置。每个波导配置成沿着不同的传播路径从能量表面的不同能量位置引导能量，其中每个传播路径具有四维坐标，该四维坐标包含对应于相应能量波导的位置的两个空间坐标和至少部分地由相对于相应波导的能量源位置确定的两个角坐标，角坐标限定相应传播路径的方向。能量引导系统可进一步包括设置在能量波导阵列的至少第一能量波导的传播路径中的光学元件，该光学元件被配置成沿第一能量波导的多个传播路径接收能量，并且沿着多个偏转传播路径重定向能量，在多个偏转传播路径和第一能量波导的多个传播路径之间形成非零偏转角。在一个实施例中，能量引导系统可以被配置成使得中心传播路径映射到偏转传播路径，该偏转传播路径基本上沿着多个偏转传播路径的对称轴对准。在一个实施例中，能量引导系统可以被配置成使得多个偏转传播路径的非零偏转角形成偏转角梯度。
在一个实施例中，机械能引导系统可包含：位于多个能量源位置处的机械能源的阵列；以及包含多个偏转位置的偏转元件，其中每个偏转位置被配置成从多个能量源位置中的至少一个接收机械能，以及沿对应的一个或多个偏转传播路径偏转接收到的机械能。每个偏转传播路径在四维坐标系中具有四维坐标，该四维坐标包含对应于偏转元件中的相应偏转位置的位置的两个空间坐标，以及限定相应偏转传播路径的角方向的两个角坐标。
在一个实施例中，多能量引导系统可以包含多能量表面，该多能量表面包含：多个电磁能源位置；以及多个机械能源位置。多能量引导系统可以进一步包括多能量引导表面，该多能量引导表面包含：1)能量波导阵列，每个波导被配置成沿着不同的传播路径引导电磁能穿过不同的电磁能源位置，其中每个传播路径在四维坐标系中具有四维坐标，对应的四维坐标包含对应于相应能量波导的位置的两个空间坐标和至少部分地由电磁能源位置相对于相应波导确定的两个角坐标，角坐标限定相应传播路径的方向；以及2)与能量波导阵列交错的多个偏转位置，其中每个偏转位置被配置成从多个机械能源位置中的至少一个接收机械能，并沿相应的偏转传播路径偏转接收到的机械能，其中每个偏转传播路径在四维坐标系中具有对应的四维坐标，每个偏转传播路径的四维坐标包含对应于相应偏转位置的位置的两个空间坐标，以及限定对应的偏转传播路径的角方向的两个角坐标。
附图说明
图1A示出了根据本公开的在四维坐标系中的能量引导系统的实施例；
图1B示出了根据本公开的在图1A所示的四维坐标系中的能量引导的实施例；
图1C示出了根据本公开的光场显示器的侧视图；
图1D示出了根据本公开的在四维坐标系中具有有源能量区域的能量装置的实施例；
图1E示出了根据本公开的光场显示器对两个全息对象的投射；
图2A示出了根据本公开的在某些位置处具有零偏转角的能量引导系统的实施例的示意图；
图2B示出了根据本公开的在某些位置处具有非零偏转角的能量引导系统的实施例的示意图；
图3A示出了根据本公开的具有零偏转角的能量引导系统的子系统的正交视图；
图3B示出了根据本公开的具有非零偏转角的能量引导系统的子系统的正交视图；
图3C示出了根据本公开的非对称构造的能量波导的正交视图；
图4A示出了根据本公开的具有用于沿多个偏转传播路径重定向能量的光学元件的能量引导系统的实施例的正交视图；
图4B示出了根据本公开的图4A所示的能量引导系统的偏转角；
图4C示出了根据本公开的具有超颖表面层的能量引导系统的实施例；
图4D示出了根据本公开的被配置成引导机械能的能量引导系统的实施例；
图5A示出了根据本公开的具有60度视场和零偏转角的能量引导表面的能量引导系统的实施例的顶视图；
图5B示出了根据本公开的能量引导系统的实施例的顶视图，该能量引导系统具有能量引导表面和光学元件，该光学元件被配置成实现作为横向方向上的位置的函数的可变非零偏转角；
图5C示出了根据本公开的能量引导系统的另一实施例的顶视图，该能量引导系统具有能量引导表面和光学元件，该光学元件被配置成实现作为横向方向上的位置的函数的可变非零偏转角；
图5D示出了根据本公开的能量引导系统的实施例的顶视图，该能量引导系统具有能量引导表面，该能量引导表面被配置成实现作为横向方向上的位置的函数的可变非零偏转角；
图5E示出了根据本公开的被配置成引导机械能的能量引导系统的实施例的视图；
图5F示出了根据本公开的包含偏转元件的四维声能引导系统的正交视图；
图5G示出了根据本公开的生成触觉界面的图5F所示的声能引导系统；
图5H示出了根据本公开的具有交错的能量波导和声能偏转位置的双能量引导表面；
图5I示出了根据本公开的投射全息对象的表面592和触觉表面591的双能量引导表面；
图6示出了全息显示器的实施例的正交视图，该全息显示器包含直接在观看空间前面的中央壁装式面板，以及相对于中央面板成45度角并且朝向观看空间倾斜的侧面板；以及
图7示出了光场显示表面的实施例的顶视图，该光场显示表面包含中心平坦表面和在该中心表面的任一侧上的两个光场显示表面，这两个光场显示表面相对于该中心表面朝观看空间向内成角度。
具体实施方式
在许多情况下，中心能量传播路径或能量传播轴垂直于能量引导装置的能量投射表面。在这些情况下，来自能量表面上的每个位置的能量射线组以围绕垂直于能量引导表面的轴的立体角分布，而与能量表面上的位置无关。换句话说，在能量表面上的每个位置处，能量传播轴与显示表面的法线对准。我们引入能量偏转角，或简单地引入偏转角，作为能量传播轴与显示表面的法线所成的角。通常，偏转角给出来自能量表面的能量流的方向。它描述了在该能量表面上的特定位置处的多个投射路径相对于该表面的法线的平均偏转。
对于能量引导装置的一些实施例，可能有利的是使能量传播方向或能量传播轴在能量表面上的一些位置处不再与显示表面的法线对准。换句话说，对于能量引导表面上的一些位置，存在非零偏转角。在一些实施例中，偏转角可以随着跨越能量引导装置的能量投射表面的位置而改变。这样做可以将投射的能量射线聚焦到更局部的区域。如果对应于靠近能量引导表面边缘的位置的能量传播路径组朝着能量引导表面的中心倾斜，则还可以允许所有能量射线的会聚位置更靠近能量引导表面。
本公开中的许多实例图通过示出由全息能量表面(例如光场显示表面)投射光线的实施例来演示该原理。全息能量表面上的每个位置具有二维(2D)空间坐标，并以多个角度投射一组光线。每条光线与2D角坐标相关联，并且2D空间坐标和2D角坐标一起形成每条能量投射路径的4D坐标。在每个实例中，可以将讨论概括为包括其它类型的能量，例如机械能，其中换能器在能量投射表面处产生能量，该能量投射表面能够根据能量投射表面上的位置在多个方向上投射超声波，或者甚至在能量投射表面上的每个位置处的多个方向上投射超声波。这些超声波可以会聚以在能量表面的前面形成触觉表面。
能量表面可以与波导阵列结合以产生能量引导系统。图1A示出了一个实例，其中单个波导104A被放置在由多个可单独寻址的能量源位置(例如分别在坐标u0、uk和u-k处的位置110、111和112)限定的能量源平面120上。在一个实施例中，在无缝能量表面102上限定能量源位置。在一个实施例中，能量表面102可以是显示面板的表面或中继介质的表面。这样，在一个实施例中，能量源位置可以是显示面板的各个像素。在另一实施例中，能量源位置对应于中继能量表面上的能量位置。
在一个实施例中，波导104A被配置成沿着至少部分地由能量源位置103相对于波导104A的位置确定的角度，将能量传播到能量表面102上的能量源位置(例如位置103)和/或从能量源位置(例如位置103)传播能量。例如，来自uk111处的能量源位置的一些能量由波导104A接收并传播到由主射线传播路径132限定的传播路径142中，其对应于能量源位置uk111相对于波导104A的位置。类似地，到达和/或来自u-k112处的像素的能量由波导104A接收并沿传播路径141引导，该传播路径141由主射线传播路径131限定，其对应于能量源位置u-k112相对于波导104A的位置。在这个实例中，垂直于能量表面102的主射线130由靠近波导104A的传播路径的对称轴的能量源位置u0110提供，波导104A的传播路径基本上与能量传播路径130对准。坐标u0、uk和u-k是能量传播路径在一维(轴U)中的角坐标，但是在正交维(轴V)中存在对应的角坐标。在四维坐标系中，波导104A可以被指定为在二维(X，Y)中具有单个空间坐标，并且与波导相关联的能量源位置可以产生具有二维角坐标(U，V)的能量传播路径。这些2D空间坐标(X，Y)和2D角坐标(U，V)一起形成分配给位于能量源平面120中的每个能量源位置103的4维(4D)能量传播路径坐标(X，Y，U，V)。
作为实例，在一个实施例中，四维光场可以由多个波导在各种空间坐标处的所有4D坐标(X，Y，U，V)来限定，每个波导104A与多个照明源像素103相关联，每个像素具有独立的U，V坐标。图1B示出了全息电磁能引导系统160，其包含设置在由能量表面102限定的照明源平面120上的波导阵列。在能量表面102上方，全息系统160可以包括由波导104A、104B和104C组成的波导阵列104。与每个波导104A、104B和104C相关联的是一组像素102A、102B和102C，其分别沿着传播路径125A、125B和125C投射和/或接收电磁能。波导阵列104限定能量引导表面101。主射线131、130和132分别以光场角坐标U的最小值、中间值和最大值限定通过波导104A引导的能量传播路径的范围。由于能量表面102的能量源位置在两个维度上延伸，所以在与U正交的光场角坐标V中存在通过波导104A的多个能量传播路径，尽管这些未在图1B中示出。换句话说，存在从与波导104A相关联的所有能量源位置投射的一束光线(能量传播路径)，并且这些光线基本上围绕中心轴130分组。该中心能量传播轴或能量传播轴限定对称线，因为它通常与从能量引导系统160投射到波导104A的特定(X，Y)位置的光线的角度范围的大致中点重合，在水平和垂直维度上都是这样。在图1B中，在一个实施例中，能量抑制结构109可以被配置成在相邻波导104A、104B和104C之间形成垂直壁，以抑制来自与第一波导相关联的一组能量源的能量到达相邻波导。例如，与中心波导104B相关联的任何像素102B的电磁能不能到达波导104A，因为这两个波导之间的能量抑制结构109可以吸收该能量。
在一个实例中，图1C示出了光场显示器150的侧视图，光场显示器150包含具有安装在其有源显示区域表面上方的图1B所示的二维波导阵列104的显示装置108。该光场显示器将光线投射到传播路径中，如图1B所示。在一个实施例中，显示器150可以用作比使用锥形能量中继的单个光场显示器150具有更高分辨率的光场显示器组合件中的构建块。
图1D示出了例如显示器之类的能量装置101A，其具有被波导阵列104覆盖的有源能量区域105，该有源能量区域105被非能量边框106包围。区域130的放大视图示出了由图1B中所示的U，V和Z轴140限定的在(X,Y)＝(0,0)处的波导104A和在(X,Y)＝(1,0)处的波导104B，以及与每个波导相关联的能量源的4-D坐标。这些能量源位置位于能量表面102上并限定能量源平面120。例如，能量源位置183与(X,Y,U,V)坐标(0,0,-2,-2)相关联，由x0y0u- 2v-2表示。在与能量源位置183相对于波导104A的位置相同的相对于波导104B的相对位置下，能量源位置193具有相同的(U,V)坐标(-2,-2)，具有(X,Y,U,V)坐标(1,0,-2,-2)。类似地，在波导104A中心的能量源位置181具有(X,Y,U,V)坐标(0,0,0,0)，而在波导104B中心的能量源位置191具有(X,Y,U,V)坐标(1,0,0,0)。一些其它的4D能量传播路径坐标在图1D中示出，包括(X,Y,U,V)＝(0,0,-1,0)、(0,0,-2,0)、(0,0,-3,0)和(1,0,0,0)。
图1E示出了这样的实例，其中两个全息对象122和124由光场显示系统投射，该光场显示系统包含限定能量引导表面101的五个波导104A-E，其中每个波导分别从一组关联像素102A-E投射光。全息对象122和124由例如传播路径组121和123的多个光投射路径的会聚产生，并由观察者151感知。像素平面120由无缝能量表面102限定。由形成全息对象124的主射线123限定的光线包括由波导104A投射的来自像素171的光，由波导104B投射的来自像素172的光，以及由波导104C投射的来自像素173的光。由会聚在屏幕内全息对象122处的主射线121限定的光线包括由波导104C投射的来自像素174的光，由波导104D投射的来自像素175的光，以及由波导104E投射的来自像素176的光。在图1E中，在相邻波导104A-E之间形成垂直壁的光抑制结构109防止由与第一波导相关联的一组像素生成的光到达相邻波导。例如，来自与波导104C相关联的任何像素102C的光不能到达波导104B或波导104D，因为围绕波导104C的光抑制结构109将阻挡并吸收这种杂散光。虽然图1E示出了用于投射光的光场显示系统的实施例，但是应当理解，相同的原理适用于其它类型的全息能量系统，例如光场捕获系统、光场显示和捕获系统、其它电磁能或机械能的全息能量系统、双向能量系统或多能量域。
图2A示出了能量引导系统200的实施例的示意图。在一个实施例中，能量引导系统可以是壁装式的，将例如光波或声波之类的电磁和/或机械能向外投射给座位中的观众，座位包括安装在阶梯式地板89上的座位88。在一个实施例中，能量引导系统200可以类似于上面参考图1A、1B和1E讨论的能量引导系统。具体地，能量引导系统200包括由能量波导阵列(未示出)形成的能量引导表面201A。能量引导表面201A可以根据以上关于由波导104限定的能量引导表面101公开的原理来配置，如图1A-1E所示，其中每个波导与一组能量源位置相关联，并且被配置成沿着与四维(4D)坐标相关联的能量传播路径引导来自每个相关联的能量源位置的能量。该4D坐标包含对应于相应能量传播路径通过的波导的位置的两个空间坐标，以及至少由相应能量源位置的位置确定的两个角坐标，角坐标限定相应传播路径的方向。
在一个实施例中，全息能量系统200被配置成投射光线束，包括来自光场显示表面201A的顶部位置33(x1，y1)的光线束63和来自光场显示表面201A的底部位置35(x2，y2)的光线束65。顶部位置33和底部位置35各自与空间坐标(X,Y)相关联，并且根据以上关于图1A-1E讨论的4D坐标系限定多个光传播路径。每个光线组可以以中心光能传播轴或中心光线为中心，中心光能传播轴或中心光线限定了在该光场显示表面201A上的给定位置(X，Y)处离开显示表面201A的光线的一般传播方向。在图1A所示的实施例中，光线组63沿中心光能传播轴53投射，光线组65沿中心光能传播轴55投射。每个光能传播轴(也称为中心能量传播路径)可以表示对称线，因为它通常与在4D坐标系中的特定(X，Y)位置处从全息能量系统200投射的光线的角度范围的大致中点重合，在水平和垂直维度上都是这样。例如，中心光传播轴53大致沿着离开能量引导表面201A的顶部位置33的光线的角度范围73的中点，而中心光传播轴55靠近从能量引导表面201A的底部位置35投射的光线组65的角度范围75的中点。中心光传播轴或中心能量投射路径通常基本上与在给定位置离开显示表面的所有光线的平均能量矢量对准。
图2A示出了具有零偏转角的全息能量系统200的实施例，其中，从光场显示表面201A投射的每组光线的中心光能传播轴是平行的，并且垂直于该能量引导表面201A，如中心光能传播轴55与光场显示表面形成的直角45所示。注意，对于该实施例，没有来自光线组63的光线到达观看者座位88，这意味着该座位88中的观看者不能看到来自光场显示表面201A的顶部位置33的光线，因此座位88不在显示器的全息观看空间67中。通过在全息对象空间66中会聚来自光场显示器的光传播路径而形成的全息对象对于全息观看空间67内的观看者是完全可见的。在图2A所示的侧视图中，全息观看空间的边界可以由这样的区域形成，在该区域中，在显示器顶部的能量位置33处来自波导的至少一个能量传播路径可以与显示器底部的能量位置35处的波导的至少一个能量传播路径相交。在图2A中，在光场显示器的全息观看空间67内的每个位置处，来自光引导显示表面上的大多数波导的至少一个光传播路径可以相交。通常，波导阵列的全息观看空间包含一组位置，其中来自波导阵列的每个波导的至少一个传播路径可以相交。通过将非零偏转角引入到从能量引导表面201A上的选定位置处的波导投射的光线组，可以实现包括座位88的不同全息观看空间。能量传播轴中的这种偏转可以以不同的幅度和方向施加在光场显示表面201A上的不同点处，以便针对显示器的观看者的给定座位布置，优化观看空间，并导致全息观看空间67更靠近光场显示表面201A，并因此更靠近从光场显示表面201A投射的全息对象。
图2B示出了根据本公开中公开的原理的全息能量系统250的实施例。全息能量系统250类似于图2A所示的全息能量系统200，其修改在于在全息能量系统250中包括至少一个非零偏转角。在图2A和2B中，相同的附图标记被分配给相同的组件。在一个实施例中，光场显示表面201B可以对应于由与以上在图1A-1E中限定的波导104类似的波导阵列限定的能量引导表面101的替代配置。在一个实施例中，图2B中的全息能量系统250被配置成向和/或从观众传播能量，观众位于主要在全息能量系统250的一部分之下的位置，例如其中点高度。
在一个实施例中，这是通过配置全息能量系统250使得至少一些投射光线的光投射轴向下倾斜来实现的。例如，从光场显示表面201B的顶部位置33投射的光线束13由光能传播轴63限定，与光场显示表面201B的法线10形成非零偏转角43，在该实施例中，这导致光能传播轴63朝向观众成员向下倾斜。在一个实施例中，从光场显示表面201B的底部位置35投射的光线由光能传播轴65限定，该光能传播轴65具有与轴63不同的方向，在这种情况下是光场显示表面201B的法线45。投射光线13围绕从显示器顶部投射的轴63的角展度23表示垂直视场23，而投射光线组15围绕从显示器底部投射的轴65的角展度表示垂直视场25，其中角展度23和25可以相等。在一个实施例中，在位于光场显示表面201B的顶部位置33与底部位置35之间的位置处投射的光线可具有在光场显示表面201B的顶部处的角度43与光场显示表面201B的底部处的零角度(显示表面的法线45)之间变化的偏转角。在一个实施例中，该变化可以是梯度，使得从光场显示表面201B的中间高度投射并由光能传播轴4表征的光线以偏转角44投射，该偏转角44是光场显示表面201B的顶部位置33处的偏转角43与光场显示表面201B的底部位置35处的零偏转角(法线45)之间的值。这种梯度配置的一个可能的优点是，对于从光场显示表面201投射的全息对象的全息观看空间7可以针对预期的座位布置进行优化，从而在给定投射光线的可用角度范围23、25的情况下，为该组观看者实现改进的性能和复合视场。注意，与图2A所示的具有零偏转角的全息观看空间67与全息对象空间66的增加的分离相比，增加的优点是全息观看空间7现在更接近图2B所示的具有非零偏转角的光场显示表面201B和全息对象空间6。通常，波导阵列中的波导的偏转角可以被配置成使得如果波导阵列的波导的偏转角被配置成零，则波导阵列的全息观看空间比波导阵列的全息观看空间更接近能量引导表面。
偏转角，无论它在能量引导表面201B上是恒定的还是可变的，都可以利用本公开的用于显示表面处的波导的配置来实施，或者利用靠近能量引导表面201B放置的单独的能量偏转元件来实施。
图3A示出了能量引导系统的第一子系统300的实施例的正交视图，该第一子系统具有零偏转角。在一个实施例中，全息能量引导系统300可用以沿光场显示表面301A的法线投射全息内容。子系统300可以包括波导302A和302B，波导302A和302B是波导阵列345的相邻元件，波导阵列345限定对应于图2A中的光场显示表面201A的能量引导表面301A，以及由图1A-1E中所示的波导层104限定的能量引导表面101。波导302A被配置成沿着多条传播路径从能量表面340上的能量位置303传播能量并通过波导302A，而波导302B被配置成沿着多条传播路径从能量表面340上的能量位置305传播能量并通过波导302B。每个能量传播路径的角方向至少部分地取决于对应的能量位置的位置。例如，穿过波导302A并由波导302A引导的来自能量位置304的能量被示为阴影区域311，阴影区域311是来自能量位置304的能量传播路径，并由能量传播轴308限定。类似地，来自能量源位置303的一个边缘处的能量源位置361的能量由波导302A沿能量传播路径362投射，而来自能量源位置303的相对边缘处的能量源位置363的能量沿能量传播路径364投射。这些能量投射路径362和364限定了与波导302A相关的传播路径组的角度范围307。与波导302B相关联的能量传播路径在行为上类似。穿过波导302B的来自能量位置306的传播路径被示为阴影区域312，阴影区域312是来自能量位置306的能量传播路径，并且由能量传播轴310限定。波导302B的传播路径的角度范围309类似于与波导302A相关联的角度范围307。在一个实施例中，能量位置304和306位于分别与两个不同波导302A和302B相关联的能量位置303和305的近似中心。另外，中心能量位置304和306分别与波导302A和302B的对称中心对准。如此配置，通过波导302A的传播路径和对应的能量位置303限定了与波导302A相关联的传播路径的角度范围307，并且能量传播轴308是这些传播路径的对称线。通过波导302B的传播路径和对应的能量位置305在与波导302B相关联的一个维度中限定了传播路径的角度范围309，并且能量传播轴310是该组传播路径的对称线。能量传播轴308和310，也称为中心能量传播路径，平行于能量引导表面301A的法线，实现相对于能量引导表面301A的零偏转角。全息能量系统300中的波导302A和302B以及能量表面340的配置可以实施为在期望的位置实现零偏转角。例如，图2A中所示的位置33、35和图2B中所示的位置35可以都具有如上所述的零偏转角，并且这些位置处的零偏转角可以通过使全息能量系统200和250在这些位置处包括与波导302A、302B类似的波导来实施。
在一个实施例中，通过能量位置303传播的能量可以各自填充波导302A的孔的大部分，并且可以被能量抑制壁315中的一个阻止进入相邻波导302B的孔。类似地，从能量位置305传播的能量可以各自填充波导302B的孔的大部分，并且可以被能量抑制壁315中的一个阻止进入相邻波导302A的孔。注意，在本公开中，大多数时间能量表面340(例如303和305)上的能量位置被称为能量源，但是其中能量传播路径入射到波导上并且波导上的能量位置是能量传感器的配置是可能的(例如光场感测装置)。在一个实施例中，还记录和投射光传播路径的光场显示器可以具有能量位置组303和305，全部发射或感测电磁能的能量位置组，或者包含可以交错的能量发射器和能量传感器的组合的能量位置组。
图3B示出了全息能量引导系统的第二子系统350的实施例的正交视图，第二子系统350具有非零偏转角。子系统350可以包括波导322A和322B，波导322A和322B是波导阵列345的相邻元件，波导阵列345限定了可以对应于图2B中的显示表面201B的一些部分的能量引导表面301B，或者是由图1A-1E中所示的波导104限定的能量引导表面101的替代配置。波导322A被配置成沿着传播路径传播能量，通过能量表面340上的能量位置323，而波导322B被配置成传播能量，通过能量表面340上的能量位置325。能量传播路径的角方向至少部分地取决于对应的能量位置的位置。穿过波导322A并由波导322A引导的来自能量位置324的能量被示为阴影区域331，阴影区域331是由能量传播轴328限定的来自能量位置324的能量传播路径。类似地，来自能量位置326的沿着传播路径332的能量沿着能量传播轴330。来自能量源位置323的一个边缘处的能量源位置365的能量由波导322A沿能量传播路径366投射，而来自能量源位置323的相对边缘处的能量源位置367的能量沿能量传播路径368投射。这些能量传播路径366和368限定了与波导322A相关联的传播路径组的角度范围327。与波导322B相关联的能量传播路径是类似的。在一个实施例中，能量位置324和326分别位于能量位置323和325的近似中心。如此配置，源自对应的能量位置323的通过波导322A的所有传播路径限定了角度范围327，并且能量传播轴328是这些传播路径的对称线。通过波导322B并源自对应的能量位置325的所有传播路径限定了角度范围329，并且能量传播轴330是这些传播路径的对称线。能量投射轴328和330也被称为中心能量投射路径，它们与能量引导表面301B的法线339所成的角338被称为偏转角。与第一子系统300相比，与波导322A相关联的能量位置组323的中心能量位置324偏离波导322A的对称中心。结果，能量传播轴328不再垂直于能量引导表面301B，并且相对于能量引导表面301B的法线339形成非零偏转角338。以类似的方式，与波导322B相关联的能量位置组325的中心能量位置326偏离波导322B的对称中心，并且能量传播轴330相对于能量引导表面301B的法线339形成非零偏转角338。全息能量系统350中的波导322A和322B以及能量表面340的配置可以实施为在所需位置实现非零偏转角。例如，图2B中所示的位置33具有如上所述的非零偏转角，并且该位置处的非零偏转角可以通过使全息能量系统350在该位置处，或期望非零偏转角的其它位置处包括与波导322A、322B类似的波导来实施。
如上所述，在一个实施例中，在位于图2B所示的显示表面201B的顶部位置33和底部位置35之间的位置处投射的光线可以具有在显示表面101的顶部处的角度43和显示表面101的底部处的零角度(显示表面的法线45)之间变化的偏转角。在这样的实施例中，可以结合波导302A、302B、322A和322B的配置以实现偏转角的期望变化。例如，在一个实施例中，全息能量引导系统可以包括由类似于波导302A或302B的波导实现的零第一偏转角和由类似于波导322A或322B的波导实现的非零第二偏转角。在另一实例中，全息能量引导系统可包括由类似于波导302A或302B的波导实现的第一非零偏转角和由类似于波导322A或322B的波导实现的第二非零偏转角，其中第一和第二非零偏转角可以相同或不同。在另一个实例中，在一个实施例中，全息能量系统可以包括能量波导302A、302B、322A或322B的阵列，所述能量波导302A、302B、322A或322B包含各自具有能量传播轴的波导，所述能量传播轴限定相对于能量引导表面301B的法线的偏转角，波导的偏转角不同于能量波导345的阵列中的其它波导的偏转角。
如上所述，在一些实施例中，可能需要偏转角的梯度。为了实现期望的偏转角梯度，可以配置能量波导阵列，例如波导302A、302B、322A或322B，使得每个紧邻的后续波导在第一方向上的偏转角可以被配置成不同于每个紧邻的在前波导的偏转角。在一个实施例中，每个紧邻的后续波导在第一方向上的偏转角大于每个紧邻的在前波导在第一方向上的偏转角。在另一个实施例中，每个紧邻的后续波导在第一方向上的偏转角可以被配置成小于每个紧邻的在前波导在第一方向上的偏转角。在又一实施例中，两个相邻波导的偏转角可以显著不同。在一个实施例中，偏转角的梯度可以在一个或多个期望位置处被沿第一方向的偏转角变化的不连续性中断。在一个实施例中，通过能量位置323传播的能量可以各自填充波导322A的孔的大部分，并且可以被能量抑制壁335中的一个阻止进入相邻波导322B的孔。类似地，通过能量位置325传播的能量可以各自填充波导322B的孔的大部分，并且可以被能量抑制壁335中的一个阻止进入相邻波导322A的孔。
图3C示出了非对称构造的能量波导的实施例，这些能量波导可以结合到能量引导系统(如系统250)中，用于实现非零偏转角。波导342A和342B是能量波导阵列345的相邻元件，并限定能量引导表面301C。在一个实施例中，能量引导表面301C是光场显示表面。能量引导表面301C可以对应于图2B中的显示表面201B的一些部分，或者对应于图1A-1E中所示的能量引导表面101的替代配置。能量波导342A引导能量通过能量表面340上的能量位置343，而波导342B引导能量通过能量表面340上的能量源位置345。
来自接近波导342A的能量位置344的能量由以轴348A为中心的阴影区域388A表示，且此能量由波导342A重定向到传播路径388B中，传播路径388B是以轴348B为中心的离开波导342A的阴影区域。类似地，来自接近波导342B的能量位置346的能量由以轴399A为中心的阴影区域398A表示，并且该能量由波导342B重定向到传播路径398B中，该传播路径398B是以轴399B为中心的离开波导342B的阴影区域。以类似的方式，来自能量源位置343的一个边缘处的能量源位置371的能量沿着轴372A朝向波导342A传播，沿着轴372B在波导内折射，并且沿着轴372C离开波导342A。来自能量源位置343的相对边缘处的能量源位置373的能量沿轴374A向波导342A传播，在波导内沿轴374B折射，并沿轴374C离开波导。这些能量传播路径372C和374C限定了与波导342A相关联的所有传播路径组的角度范围347。与波导342B相关联的能量投射路径是类似的。注意，与图3B相比，与波导342A相关联的能量源位置组343的中心能量源位置344直接在波导342A的中心下方，并且波导的靠近光场显示表面301C的表面是不对称的。结果，来自源344的能量的能量传播轴348A被波导342A折射到能量传播轴348B中，该能量传播轴348B大致是源自所有能量源位置343并穿过波导342A的能量传播路径组的角度范围347的中心。这意味着，根据上面的讨论，348B是由波导342A投射的能量的能量传播轴，并且该能量传播轴348B不垂直于光场显示表面301C，相对于光场显示表面的法线339形成非零角度338。类似地，399B是由波导342B投射的能量的能量传播轴，因为它基本上位于由波导342B传播的来自能量源位置345的所有投射能量路径的角度范围349的中心附近，并且该能量传播轴399B不垂直于能量引导表面301C，相对于能量引导表面的法线339形成非零角度338。来自与波导342A相关联的位置343的能量可以被能量抑制结构355中的一个阻止到达相邻波导342B的孔，反之亦然。
尽管图3B和3C示出了用于实现非零偏转角的波导的实施例，但是，其它实施例也是可能的。例如，在一个实施例中，波导可以相对于能量表面340的法线倾斜一定角度。其它实例可以包括包含倾斜截面或小平面，包含多个元件的波导，或以其它方式不同于图3B和3C所示的配置的波导，以便相对于显示表面以非零偏转角引导能量。波导可以被配置用于能量位置的排列，能量位置围绕每个波导的中心分布或偏离每个波导的中心。这些波导解决方案可以与其它光学元件组合，包括具有不同折射率的玻璃层、镜面层、薄膜、衍射光栅、全息光学元件、超颖材料层等，以便实现非零偏转角。
图3B和3C示出了具有内置于能量引导装置的表面中的偏转角的示例性实施例。相比之下，图4A示出了具有偏转角的全息能量系统的实施例的正交视图，该偏转角使用放置在能量引导表面401(例如光场显示表面)上的光学元件层来实现，以便一旦光线离开能量引导表面401就偏转光线。在位置405处离开能量引导表面401的能量在包括传播路径411、412和413的角度范围406上扩展。能量引导表面401可以具有零偏转角，并且以与上文讨论的图3A中的能量引导表面301A、图2A中的能量引导表面201A或图1A-1E中的能量引导表面101类似的方式构造。例如，例如图3A所示的302A或302B的波导可以位于能量引导表面401的位置405以实现零偏转，由此能量传播轴412与显示表面401的法线平行。光学元件可以包含折射光学器件层402，以折射从能量引导表面401接收到的能量传播路径，从而改变许多入射能量传播路径的方向。在图4A所示的实例中，传播路径411被偏转到传播路径431中，传播路径412被偏转到传播路径432中，并且传播路径413沿着传播路径433被偏转。光学元件402的近视图421、422和423示出了能量传播路径，当它们在第一表面441A处，然后再次在第二表面441B处穿过可以是折射元件的较高折射率的光学元件402时，它们被弯曲两次。当路径411、412和413在表面441A处行进到折射材料402的较高折射率材料中时，它们首先朝向第一表面441A的法线弯曲，然后当它们在第二表面441B处离开折射光学器件402的较高折射率材料时，它们离开界面的法线。结果是，离开能量引导表面401的能量传播路径的角度范围406(其围绕能量输出轴412对称)已经被映射并变换为角度范围426，该角度范围426具有能量传播轴432，该能量传播轴432是多个偏转传播路径的近似对称轴并且相对于能量引导表面401的法线439以角度438倾斜。换句话说，能量射线全部被偏转了非零偏转角，使得全息内容在相对于显示表面的法线大致倾斜的方向上传播。注意，尽管图4A中所示的该实例示出了来自能量投射表面的光线如何可以被使用具有变化特性的棱镜的折射光学器件偏转，但是可以使用具有变化折射率的玻璃层、镜面层、薄膜、衍射光栅、衍射光学器件、全息光学元件、单透镜、多元件透镜、液体透镜、可变形表面、超颖材料表面等。可以针对特定的观看几何形状优化光学器件层，并将其耦合到光场显示表面，从而允许以比定制跨越显示表面的波导的偏转角相对较少的费用来定制观看空间。
图4B示出了图4A所示的相同光学系统，示出了能量传播轴432与能量引导表面401的法线所成的偏转角 439。当来自显示表面401上的位置405的传播路径组451接近光学元件402时，它们围绕输入光轴412分组，并且当它们离开光学元件402时，它们被重定向到以光轴432为中心的组452。输入传播路径451的角度范围406可以基本上与输出传播路径452的角度范围426相同，或者它们可以不同，这取决于实施方案。
图4B的实例示出了光学元件的平面层，该平面层用于在其表面上实现来自光场显示器的能量的非零偏转角。在一些实施例中，光场显示器被配置成传播多于一种类型的能量。例如，光场显示器可以投射两种类型的能量，例如声能和电磁能。在一些实施例中，声能从设置在距显示表面401短距离处的一个或多个表面上的多个位置被引导，并且这些位置将声能引导到全息对象空间中。在其它实施例中，显示表面401本身包含声能换能器以及电磁波导两者，投射电磁能和声能两者。声能可以从换能器或显示表面上的波导阵列(例如图3A、3B和3C中的345)的电磁波导元件之间的声波导位置投射，并且可以帮助形成抑制能量从一个电磁波导元件传输到另一个电磁波导元件的结构(例如图3A中的315或图3C中的355)。
在一个实施例中，投射超声波声能的空间分离的换能器阵列可以被配置成在空中产生三维触觉形状和表面。阵列上的相位延迟和幅度变化可以帮助引导来自多个源的超声在可以提供触摸感觉的一个或多个特定触觉位置干涉。这些触觉位置可以与投射的全息对象重合。通常，放置在平坦表面上的声波导或换能器，无论该表面是远离显示表面还是集成到显示表面中，都倾向于向外且垂直于该表面投射声能。理想地，这些声音产生位置的偏转角阵列将使得声音能够从平坦表面上的多个位置引导向会聚点，这能够形成立体触觉表面。
在一个实施例中，电磁和声能的偏转角可以用超颖材料实现。这些超颖材料主要是称为超颖表面的二维图案化表面，其具有可用作重定向能量波阵面的材料的设计的亚波长单元或结构。输入能量束的这种偏转可以通过沿着超颖材料的轮廓布置渐变相移来实现。超颖表面设计的一种常规方法是实现局部相位调制，其根据广义斯涅尔定律(GSL)规定输出波的行为。这已经在光学器件中用于设计例如透镜和分束器之类的结构。在声学中，在超颖表面内的相移被用于操纵波阵面和吸收声音。
这种方法在散射效率方面具有限制，这可以通过使用被称为双各向异性材料的超颖材料来克服。在双各向同性电磁介质中，电场和磁场通过介质的固有常数耦合。如果耦合常数取决于介质内的方向，则介质被称为双各向异性的。对于显示Willis耦合的不同类的弹性材料，在声学中出现类似的现象，其中，在频域中，应变与动量耦合，应力与速度耦合。
双各向异性电磁响应可以通过双各向异性超颖表面来实施，其中散射的电磁场根据照射方向不同而不同。对于电磁超颖表面，典型的解决方案是基于级联阻抗层。已经通过实验验证了这些结构以高效率偏转光、聚焦光并实现其它光学功能。
图4C示出了类似于图4B所示的全息能量系统，但是具有一个或多个光学超颖表面404来代替图4B所示的光学元件402。在图4B和4C中，相同的附图标记被分配给相同的组件。在图4C所示的实例中，使用一层或多层超颖表面404来实现偏转角 438。超颖材料可以根据广义斯涅尔定律实现局部相位调制，或者通过由双各向同性材料或双各向异性材料制成的结构来构造，具有用于偏转光束的更高效率。如果单独的超颖表面区域是单独可寻址和可配置的，则偏转角 438可以在这些区域中的每一个处的角度范围上被编程。
在声学方面，最近已经表明，使用以特定谐振器几何尺寸实现的双各向异性谐振器，入射平面声波可以以大于90％的功率效率被重定向大于60度的大角度[1]。这样的技术是用于生成跨越包含例如换能器之类的声音生成器阵列的表面的声波波阵面的梯度偏转角的候选技术。这种梯度偏转角可以用于帮助将多个超声波波阵面聚焦到共同的干涉点，实现立体触觉表面，其可以提供如上所述的触摸感觉。
图4D是以基本偏转角 476将输入声波471偏转为输出声波473的系统的实例。图4D表示具有单个偏转位置的偏转元件，该偏转位置被配置成从单个能量源位置接收机械能，并沿着偏转传播路径偏转接收到的机械能。声波由位于声能源481表面上的位置403处的声波导或声换能器产生。表面481可以是与包含许多声波导或换能器的光场显示表面相邻设置的表面，或者表面481可以是包含电磁波导和声能换能器的双能量光场显示表面，其中电磁波导和声能换能器可以是交错的。声波471沿能量轴472产生，垂直于表面481并平行于法线475，并被一个或多个超颖表面层480沿轴474偏转成声波473。偏转声波的能量传播轴474与声源481的表面的法线439之间的角度 476为偏转角。如果单独的超颖表面区域是单独可寻址和可配置的，则偏转角 476可以在这些区域中的每一个处的角度范围上被编程。一个或多个超颖表面层480可由亚波长单元或声学单元的排列的2D图案化表面制成，所述亚波长单元或声学单元由双各向异性超颖材料制成。
可以在显示表面上使用逐渐变化的偏转角(称为偏转梯度)来增加特定观看空间的视场，或者使观看空间更靠近显示表面。图5A示出电磁能引导系统的实施例的顶视图，该电磁能引导系统可以是本公开中讨论的任何能量引导系统，包括光场显示器。在一个实施例中，图5A的能量引导系统包括能量投射表面501，其在能量投射表面501的各个表面位置处具有60度角的能量传播范围，并且没有偏转角。在一个实施例中，能量表面501可以结合类似于1B和1E的101的能量引导表面的构造，图2A中的光场显示表面201A和图3A中的表面301A。在一个实施例中，表面501的能量传播路径组垂直于表面501，实现零偏转角。具有能量传播轴521-525的每组能量传播路径分别分布在60度角度范围514-518上。所得到的全息观看空间504具有相同的60度视场519，其中来自所有不同表面位置的能量重叠，并且其中可以看到位于全息对象空间503中各处的全息对象。注意，对于这种几何形状，全息观看空间504可能不比显示器的大致宽度更近。在这种配置中，全息对象空间在几何上相当大，但是它可能受到离光场显示表面501的最大投射距离的限制。
图5B示出了与图5A中所示相同的显示表面501，但是在显示表面上实现了梯度偏转角，该显示表面是利用类似于图4A-4B中所示的，直接放置在显示表面501前面的层402的光学偏转层571实现的，允许全息观看空间508被放置得更靠近光场显示表面501。在图5B中，每个以零偏转角围绕平行于显示表面501的法线509的能量传播轴对称产生的能量传播组581-585几乎全部被光学偏转层571偏转偏转角531-535，偏转角531-535的范围从光场显示表面左侧的+30度到右侧的-30度。围绕垂直于显示表面501的能量传播轴509对称产生的能量传播路径581都被偏转层571偏转30度的角度531，进入以轴551为中心的偏转能量传播路径，朝向中心全息观看空间508。类似地，能量射线582偏转15度进入能量传播轴552；能量射线583未被偏转并且沿着能量传播轴553继续，能量射线584被偏转-15度进入能量传播轴554，并且能量射线585被偏转-30度进入能量传播轴555，其方式为使得偏转的传播轴551-555中的每一个都指向接近全息观看空间508的中间，而与显示表面上的位置无关。在光场显示表面501上的中间点处，偏转角可以是刚刚给出的偏转角的内插值。换句话说，偏转角可以在能量引导表面上的位置上连续变化，或者它可以在多个区域中分组并具有不连续的边界。在图5B中示出偏转角仅在一个维度上变化，但是通常偏转角可以是跨越能量引导表面的位置的任何连续或非连续函数。在图5B所示的配置中，能量传播路径581-585的偏转之前和之后的角展度是60度的角541-555。
结果是，以能量传播轴为中心的能量传播路径束从光场显示表面的每个部分引导向全息观看空间508，从而导致可以是等于大约120度的角度529的视场，以及全息观看空间508，其显示表面501可以与显示表面的水平宽度的一小部分接近。注意，离开显示表面边缘的光线可能不会被引导到比显示表面的宽度更宽的水平区域中，从而避免了从全息观看空间508投射出的能量。
检查图5A和图5B中所示的实施例之间的差异，我们看到，可以使用梯度偏转角来增大观看者的观看空间的视场，减小能量投射表面与观看空间之间的间隔，并因此增大全息对象与观众的接近度。全息对象空间在图5B中比在图5A中更小，但是它可以定制为适应光场显示器的最大投射距离。显示器的设计参数可以考虑这一点，平衡投射距离、分辨率和视场的相互竞争的要求。
图5C是与图5B所示相同的全息显示系统，除了图5B中的偏转光学器件层571已被产生相同偏转角的一层或多层575梯度超颖表面代替。另外，在图5B和5C中相同的附图标记被分配给相同的组件。梯度超颖表面层575可以将光线偏转可调的角度，类似于图4C所示的超颖材料表面404的行为。超颖表面层575可以通过根据广义斯涅尔定律实现局部相位调制来改变光线的方向，或者通过由双各向同性超颖材料或双各向异性超颖材料制成的结构来构造，具有用于偏转光束的更高效率。
如图3B和3C所示，可以使用波导阵列来实现光场显示器上的偏转角，其中每个波导被配置成通过多个能量位置传播能量并产生一组能量投射路径，该组能量投射路径以不垂直于波导平面的能量传播对称轴为中心。图5D示出了能量投射表面520的实施例的顶视图，该能量投射表面520被配置成具有作为能量投射表面上的位置的函数的可变非零偏转角，从而允许全息观看空间被定位成比不使用偏转角时更靠近能量投射表面。在图5C和5D中，相同的附图标记被分配给相同的组件。图5D的全息系统几乎与图5C中所示的相同，除了图5D中的梯度偏转角用形成显示表面520的波导来实现，而不是用设置在显示表面501前面的超颖材料509的表面来实现。能量引导显示表面520可以包含形成图3B所示的能量引导表面301B的类似于322A和322B的波导，形成图3C所示的能量引导表面301C的类似于342A和342B的波导，具有各种偏转角的这些波导的一些组合，或一些其它类型的波导。
存在光场显示表面的另外的实施例，其可以用于增加视场和投射的全息对象与观看空间的接近度，或者换句话说，增加观看者的沉浸体验。包含以弧形围绕观众正面的曲面的实施例是一个实施例。在其它实施例中，一个或多个显示表面可以与中心显示表面成一定角度放置。这允许所得到的集合显示表面围绕观看空间，使全息对象更接近该空间，并实现增加的视场。使用相对于彼此成角度的平坦表面允许在一种配置中使用多个相同的面板，使得整个显示表面可以以模块化方式构造并且对于特定的观看空间要求快速优化。
作为能量引导表面上的位置的函数的偏转角的概念可以针对机械能的传播实施。投射声机械能的空间分离的位置阵列可以被配置成在空中产生三维触觉形状和表面。在一些实施例中，阵列上的相位延迟和幅度变化可以帮助创建这些触觉形状。在一些应用中，能够将从声能位置发出的声音以一定角度朝向触觉空间倾斜可能是有益的。图5E示出了声机械能引导装置的自顶向下的正交视图，该声机械能引导装置由声能量层561上的三个声机械能源561A、561F和561K组成，分别产生声波56A、56F和56K，其中，声波被静态声偏转层592接收并分别朝向触觉空间558偏转成声波57A、57F和5K。声能量源561A、561F和561K可以是与位于图4D所示位置403的声能量源相似的声换能器。静态声偏转层592可以是由超颖材料制成的超颖表面，类似于参考图4D中的480所讨论的480，并且可以帮助将声波阵面引导向生成触觉表面的区域。在一个实施例中，图5E中所示的声能引导装置可与光场显示器一起使用以生成与全息对象重合的触觉表面。在另一个实施例中，图5E中所示的声能引导装置对于光是透明的，并且可以放置在光场显示器的能量引导表面上，以产生显示全息对象并生成触觉表面的双能量引导装置。
可以从放置在单个声能源阵列上的可重新配置的单个声能偏转装置的阵列构造可重新配置的四维(4D)声能场。图5F示出了4D声能引导系统的正交视图，该系统包含偏转元件，该偏转元件提供放置在声能源561A-D的阵列561上的可重新配置的声能偏转位置562A-D的阵列562。可重新配置的声能偏转位置562A-D可以由偏转元件提供，该偏转元件包含单个装置，或者一个或多个基板上的单个位置，其中每个基板包含多个位置。能量偏转位置562A-D可以是由如上所述的超颖材料制成的超颖表面，并且可以类似于图4D的层480上所示的那些。能量源位置561A-D分别投射声波56A-D，声波56A-D各自被声能偏转位置562A-D接收并偏转为具有偏转传播方向的声波57A-D。每个声能偏转位置562A-D与具有二维角坐标(u,v)和确定能量引导表面501A上的位置的二维坐标(x,y)的至少一个声能传播路径相关联。这些坐标一起形成每个声能传播路径的四维坐标(x,y,u,v)。在图5F中，声音传播路径57A-D的位置坐标是(x,y)＝(0,0)，(1,0)，(2,0)和(3,0)，相应的角坐标是(u,v)＝(u0,v0)，(u1,v1)，(u2,v2)和(u3,v3)，分别得到4D坐标＝(0,0,u0,v0)，(1,0,u1,v1)，(2,0,u2,v2)和(3,0,u3,v3)。在图5F所示的实施例中，每个声能偏转位置562A-D仅偏转来自一个声能位置561A-D的能量，但是每个声能偏转位置可以将多个声源引导到多个传播路径中，每个传播路径具有(u,v)坐标。这种能量引导系统看起来与图1B和1E所示的4D光场显示系统非常相似。
图5G示出了图5F所示的4D声能引导系统可以如何用于生成触觉界面。在图5G中，多个声能量源56D、56H和56L由平面561上的能量源位置561D、561H和561L产生，并由平面562上的声能量偏转位置562D、562H和562L偏转为声波57D、57H和57L。这些声波57D、57H和57L会聚，产生触觉界面591。在一个实施例中，声波是超声波，并且在干涉时产生可以产生触觉的频率低得多的波。图5G所示的能量引导系统可以靠近光场显示表面的平面设置，但在空间上相对于其完全偏移以避免阻挡来自显示表面的光。声能源平面561和声偏转平面562对于来自光场显示器的光可以是透明的。触觉表面591可以与由光场显示器投射的全息对象重合。层592上的声能偏转位置562D、562H和562L可以各自通过根据广义斯涅尔定律实现局部相位调制来偏转声波，或者通过由双各向同性声学超颖材料或双各向异性声学超颖材料构成的结构来构造，具有用于偏转声束的更高效率。
图5H示出了如何通过使能量波导与声能偏转位置交错来构造双能量引导表面595。图5H中左侧的顶视图示出了能量波导3020如何与双能量引导表面595上的声能偏转位置5620交错。虽然该实例示出这些元件具有相等的尺寸，但是存在许多更规则和不规则的交错图案布置，其中声偏转位置可以具有比波导更小或更大的尺寸。在该实例中，一行元件589可以包含波导302A、302B和302C，其可以是图3A所示的波导302A和302B，并且该行还可以包含声束偏转位置562X和562Y，其可以类似于图5G所示的562D和562H。图5H中右侧的侧视图示出了波导302A-C如何引导来自一个或多个电磁能源位置组303A-C的电磁能，其中波导302A沿着能量传播路径508A引导能量，波导302B沿着传播路径580B引导能量，并且波导302C沿着能量传播路径580C引导能量。能量抑制结构315A可以配置在相邻波导302B和302C之间，以抑制来自与第一波导相关联的一组能量源的能量到达相邻波导。能量抑制结构315A可以类似于图3A中的315。声能引导位置562X-Y分别从声能或机械能源位置561X-Y接收机械能，并将该能量分别偏转为声波57X和57Y。能量抑制结构315B可以配置在例如302B的波导和例如562X的声能偏转位置之间，以限制波导的能量不与声能偏转位置干涉，反之亦然。双能量源表面594包含两种类型的能量源位置，并且该能量通过波导和双能量引导表面595上的声能偏转位置被引导到能量传播路径中。虽然图5H中的实施例示出了不同波导和声束偏转装置的一种布置，但是还有许多其它的布置允许投射两个不同4D能量场的交错解决方案。
图5I示出了如何使用双能量引导表面595来同时投射全息对象的表面592和触觉表面591。能量引导表面595在图5H中详细示出。分布在双能量表面595上的如图5H所示的多个光波导3020包含投射光线580的4D光场，光线580的一部分会聚以形成全息表面592。在全息对象空间中产生的例如592的全息对象可以在全息观看空间中观看。图5H中所示的分布在双能量表面595上并与波导3020交错的多个声能偏转位置5620包含4D声能场，并且偏转多个声能束57，使得它们会聚形成触觉表面591，该触觉表面591可以与全息表面592重合。投射的光线580以类似于图5H中595的侧视图中所示的光线580A-C的方式生成，并且声能传播路径57以类似于图5H中所示的声能束57X-Y的方式生成。
图6示出了全息显示器的实施例的正交视图，该全息显示器包含直接在观看空间前面的中央壁装式光场显示表面601，以及相对于中央面板成45度角并且朝向观看空间倾斜的侧光场显示表面602，其中两个面板都具有跨越其表面的梯度偏转角。全息内容从中央面板沿通常朝向观看空间的方向投射。光线组631沿靠近显示器顶部的能量传播轴611投射，光线组632沿靠近显示器中部的能量传播轴612投射，光线组633沿靠近显示器底部的能量传播轴613A投射。这些能量投射轴中的每一个与显示表面601的法线608成一定角度(621、622和623A)。类似地，全息内容也以相对于显示表面602的法线609的可变角度在观看空间的总方向上从下部光场显示表面602投射。光线组633在显示表面位置603处沿着靠近显示器602顶部的轴613B，沿着显示器602中间的能量传播轴614，以及沿着显示器602底部的能量传播轴615投射。这些传播方向中的每一个也与显示表面602的法线609成一定角度(623B、624、625)。结果是，观看空间可以包括所示的所有观众成员，包括小女孩605和两个成人606，并且全息剑龙607的头部可以被投射得更远和更靠近观众成员605，从而增加场景的逼真度和沉浸度。
图7示出了光场显示表面的实施例的顶视图，该光场显示表面包含中心平坦表面701和在中心表面701的任一侧上的两个光场显示表面702、703，这两个光场显示表面702、703相对于中心表面701朝向观看空间705向内成一定角度。以不垂直于显示表面的角度的多个能量投射轴710实现的梯度偏转角允许全息内容从每个显示表面上的每个位置沿能量投射轴710在大致朝向理想观看空间705的中心的方向上投射。该显示表面覆盖位于理想观看空间705中的面对中心显示表面701的观看者的整个视场。对于在扩展观看空间706中可能更远的观看者，可以看到全息对象。能量引导表面可用于除图7所示的那些以外的配置中。例如，可以使能量投射表面具有多个小平面，曲面或楔形面，或这些表面的组合。
仅具有中心平面表面的能量引导表面具有全息对象和观看空间之间的平面接近度、平面视场，以及中心显示表面和观看空间之间的平面阈值间隔。增加一个或多个朝向观看者倾斜的侧面能量引导表面可以相对于平面接近度增加显示表面和全息对象之间的接近度，可以相对于平面视场增加视场，或者可以相对于平面间隔减小显示表面和观看空间之间的间隔。进一步使侧表面朝向观看者倾斜可以进一步增大接近度，增大视场，或减小间隔。换句话说，侧表面的倾斜放置可以增加观看者的沉浸体验。
图7的实施例可以扩展到其它能量域。在图7中，全息对象空间是光能射线在其上会聚以形成光能表面的空间，观看空间是用于接收离开光能表面的光能的空间，并且视场是在能量接收空间内接收的能量投射路径的角度范围。

Claims (47)

1.一种能量引导系统，其包含：
能量表面，所述能量表面包含多个能量源位置；以及
能量波导阵列，每个波导被配置成沿着不同传播路径从所述能量表面的不同能量位置引导能量，其中每个传播路径具有四维坐标，所述四维坐标包含对应于相应能量波导的位置的两个空间坐标和至少部分地由相对于相应波导的所述能量源位置确定的两个角坐标，所述角坐标限定相应传播路径的方向；
其中，每个波导的所述传播路径围绕能量传播轴分组，所述能量传播轴相对于所述相应波导的所述传播路径的角度范围限定对称轴；以及
其中，所述能量波导阵列限定了能量引导表面，并且包含具有第一能量传播轴的第一波导和具有第二能量传播轴的第二波导，所述第一和第二能量传播轴分别相对于所述能量引导表面的法线形成第一和第二偏转角，并且进一步其中，所述第一和第二偏转角是不同的。
2.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，每个波导的所述能量传播轴与每个能量波导的所有传播路径的平均能量矢量基本对准。
3.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，其中每个波导的所述能量传播轴是所述相应波导的光轴。
4.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述第一偏转角为零，且所述第二偏转角为非零。
5.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述第一偏转角为非零，且所述第二偏转角为非零。
6.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述能量表面包含能量像素并限定像素平面，并且所述多个能量位置对应于所述像素平面中的能量像素的位置。
7.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述能量表面包含中继能量表面，并且所述多个能量位置对应于所述中继能量表面上的位置。
8.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述能量波导阵列包含附加波导，每个附加波导具有限定相对于所述能量引导表面的所述法线的偏转角的能量传播轴。
9.根据权利要求8所述的能量引导系统，其中，每个紧邻的后续波导在第一方向上的所述偏转角能够被配置成不同于每个紧邻的在前波导的所述偏转角。
10.根据权利要求9所述的能量引导系统，其中，每个紧邻的后续波导在第一方向上的所述偏转角大于每个紧邻的在前波导在所述第一方向上的所述偏转角。
11.根据权利要求9所述的能量引导系统，其中，每个紧邻的后续波导在第一方向上的所述偏转角小于每个紧邻的在前波导在所述第一方向上的所述偏转角。
12.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，波导阵列的全息观看空间包含一组位置，来自所述波导阵列的每个波导的至少一个传播路径能够在所述一组位置相交。
13.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述波导阵列的所述波导的所述偏转角被配置成使得如果所述波导阵列的所述波导的所述偏转角被配置成零，则所述波导阵列的所述全息观看空间比所述波导阵列的所述全息观看空间更接近所述能量引导表面。
14.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述波导阵列的所述波导的所述偏转角被配置成使得所述能量传播轴朝向所述能量引导表面的中心部分定向。
15.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述第一和第二波导中的一个被配置成通过所述能量表面上的第一组能量源位置传播能量，所述能量源位置组具有偏离所述相应波导的对称中心的中心能量位置。
16.根据权利要求15所述的能量引导系统，其中，所述第一和第二波导中的另一个被配置成通过所述能量表面上的第二组能量位置传播能量，所述能量位置组具有与所述第二波导的对称轴对准的中心能量位置。
17.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述第二波导相对于所述能量表面的法线倾斜一定角度。
18.根据权利要求1所述的能量引导系统，其中，所述第二波导具有非对称表面。
19.一种能量引导系统，其包含：
能量表面，所述能量表面包含多个能量源位置；
能量波导阵列，每个波导被配置成沿着不同传播路径从所述能量表面的不同能量位置引导能量，其中每个传播路径具有四维坐标，所述四维坐标包含对应于相应能量波导的位置的两个空间坐标和至少部分地由相对于相应波导的所述能量源位置确定的两个角坐标，所述角坐标限定相应传播路径的方向；
设置在所述能量波导阵列的至少第一能量波导的所述传播路径中的光学元件，所述光学元件被配置成沿着所述第一能量波导的多个传播路径接收能量，并且沿着多个偏转传播路径重定向能量，在所述多个偏转传播路径和所述第一能量波导的所述多个传播路径之间形成非零偏转角。
20.根据权利要求19所述的能量引导系统，其中，中心传播路径映射到偏转传播路径，所述偏转传播路径基本上沿着所述多个偏转传播路径的对称轴对准。
21.根据权利要求19所述的能量引导系统，其中，所述多个偏转传播路径的所述非零偏转角形成偏转角梯度。
22.根据权利要求19所述的能量引导系统，其中，所述光学元件包含折射元件。
23.根据权利要求19所述的能量引导系统，其中，所述光学元件包含多个并排的棱镜。
24.根据权利要求1919所述的能量引导系统，其中，所述光学元件包含面向波导阵列的第一表面和背向所述波导阵列的第二表面，其中，所述第一和第二表面中的至少一个是刻面的或两者都是刻面的。
25.根据权利要求19所述的能量引导系统，其中，所述光学元件包含面向所述波导阵列的第一表面和背向所述波导阵列的第二表面，其中，当能量通过第一和第二表面中的每一个时，能量在所述第一和第二表面中的每一个处被偏转。
26.根据权利要求19所述的能量引导系统，其中，所述光学元件包含一层或多层超颖材料，所述超颖材料层被配置成偏转沿着所述第一能量波导的所述多个传播路径接收到的能量。
27.一种机械能引导系统，其包含：
位于多个能量源位置处的机械能源阵列；以及
偏转元件，所述偏转元件包含多个偏转位置，其中，每个偏转位置被配置成从所述多个能量源位置中的至少一个接收机械能并且沿着对应的一个或多个偏转传播路径偏转接收到的机械能；
其中，每个偏转传播路径在四维坐标系中具有四维坐标，所述四维坐标包含对应于所述偏转元件中的相应偏转位置的位置的两个空间坐标，以及限定相应偏转传播路径的角方向两个角坐标。
28.根据权利要求27所述的机械能引导系统，其中，所述偏转元件包含被配置成使机械能偏转的多个单独的装置。
29.根据权利要求27所述的机械能引导系统，其中，所述偏转元件包含一个或多个基板，所述一个或多个基板包含被配置成使机械能偏转的多个偏转位置。
30.根据权利要求27所述的机械能引导系统，其中，所述偏转元件包含限定所述偏转位置的一层或多层超颖材料。
31.根据权利要求30所述的机械能引导系统，其中，所述一层或多层超颖材料包含具有单独可调节的偏转角的至少一个偏转位置。
32.根据权利要求27所述的机械能引导系统，其中，第一偏转位置被配置成使来自所述多个能量源位置中的一个的机械能偏转。
33.根据权利要求27所述的机械能引导系统，其中，第一偏转位置被配置成使来自所述多个能量源位置中的多于一个的机械能偏转。
34.根据权利要求27所述的机械能引导系统，其中，所述偏转传播路径会聚并能用以产生触觉界面。
35.根据权利要求34所述的机械能引导系统，其中，所述触觉界面与由光场显示器投射的全息对象基本重合。
36.根据权利要求35所述的机械能引导系统，其中，所述机械能源阵列和所述偏转元件被配置成透射从所述光场显示器投射的电磁能。
37.根据权利要求35所述的机械能引导系统，其中，所述机械能源阵列和所述偏转元件从所述光场显示器的显示表面偏移，以避免阻挡从所述光场显示器的所述显示表面投射的电磁能。
38.根据权利要求35所述的机械能引导系统，其中，所述偏转元件被配置成使得所述偏转位置与限定所述光场显示器的显示表面的多个能量波导交错。
39.一种多能量引导系统，其包含：
多能量表面，包含：
多个电磁能源位置；以及
多个机械能源位置；以及
多能量引导表面，包含：
能量波导阵列，每个波导被配置成沿着不同的传播路径引导电磁能穿过不同的电磁能源位置，其中，每个传播路径在四维坐标系中具有四维坐标，对应的四维坐标包含对应于相应能量波导的位置的两个空间坐标和至少部分地由相对于相应波导的电磁能源位置确定的两个角坐标，所述角坐标限定所述相应传播路径的方向；以及
与所述能量波导阵列交错的多个偏转位置，其中，每个偏转位置被配置成从所述多个机械能源位置中的至少一个接收机械能，并沿着对应的偏转传播路径偏转接收到的机械能，其中，每个偏转传播路径在所述四维坐标系中具有对应的四维坐标，每个偏转传播路径的所述四维坐标包含对应于相应偏转位置的位置的两个空间坐标，以及限定相应偏转传播路径的角方向两个角坐标。
40.根据权利要求39所述的多能量引导系统，
其中，每个波导的所述传播路径围绕能量传播轴分组，所述能量传播轴相对于所述相应波导的所述传播路径的角度范围限定对称轴；并且
其中，所述能量波导阵列包含具有第一能量传播轴的第一波导和具有第二能量传播轴的第二波导，所述第一和第二能量传播轴分别相对于所述多能量引导表面的法线形成第一和第二偏转角，并且进一步其中所述第一和第二偏转角是不同的。
41.根据权利要求39所述的多能量引导系统，其中，多个偏转位置被配置成透射从所述多个电磁能源位置传播的电磁能。
42.根据权利要求39所述的多能量引导系统，其中，所述多个偏转位置以规则交错图案与所述能量波导阵列交错。
43.根据权利要求39所述的多能量引导系统，其中，所述多个偏转位置以不规则交错图案与所述能量波导阵列交错。
44.根据权利要求39所述的多能量引导系统，其中，所述多个偏转位置和多能量引导的所述能量波导阵列能用以同时引导机械能和电磁能以分别形成触觉表面和全息表面。
45.根据权利要求44所述的多能量引导系统，其中，所述全息表面和触觉表面重合。
46.根据权利要求39所述的多能量引导系统，其中，所述多个偏转位置位于一层或多层超颖材料上。
47.根据权利要求46所述的多能量引导系统，其中，所述一层或多层超颖材料上的所述多个偏转位置中的至少一个被配置成具有单独可调节的偏转角。
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