CN113811809A - 高分辨率3d显示器 - Google Patents

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Abstract

用于对三维图像的投影进行基于时间的复用以增加其分辨率的装置包括包含像素阵列的二维显示器。光学元件阵列放置在像素前面。光学元件被构造成将像素发出的光以多个角度折射并配置为多个平行光束。可调光偏转装置阵列安装在像素前面。每个可调光偏转装置被构造成偏转由像素发出的光。至少一个控制器被配置为(1)根据用于显示三维图像的三维信息集改变每个像素发射的光的强度或颜色中的至少一者；(2)在人类视觉系统的图像整合期间改变光偏转装置的偏转角。

Description

高分辨率3D显示器
相关申请
本申请要求于2019年2月18日提交的美国临时专利申请第62/806,948号、2019年6月4日提交的美国临时专利申请第62/856,766号和于2019年9月3日提交的美国临时专利申请第62/894,999号的优先权的权益，所述申请的内容通过引用整体并入本文。
背景技术
本发明在其一些实施方案中涉及高分辨率和大视场的三维显示器，更具体地但不排他地，涉及用于三维图像的投影的基于时间的复用以增加其分辨率的装置。本发明在其一些实施方案中还涉及用于以高分辨率对光场进行成像的装置，并且特别地但不排他地涉及用于光场的基于时间的复用以增加其分辨率的设备。
已经开发了用于从二维显示器投影三维图像的各种方法。立体方法分别向观看者的左眼和右眼呈现两个偏移图像。然后将这些二维图像在大脑中组合起来，给出3D深度的感知。在立体显示器中，3D图像信息仅限于显示的单个平面。深度感觉和眼睛调节之间的混淆会导致眼睛劳损、疲劳、恶心以及眼睛对对象距离的调节变慢。
有多种类型的3D显示器能够提供正确聚焦的3D图像感觉。体积显示器使用某种物理机制来显示3D空间内的光点。3D图像的每个体素物理上位于特定的空间位置，并从该位置向观看者反射或发射光。结合起来，3D体积显示器的体素形成真实的3D图像。然而，体积显示器存在各种问题，包括分辨率低、物理尺寸大和系统复杂。这些问题使得体积显示器对于常规使用来说既昂贵又笨重。
第二类3D显示器是全息显示器。全息显示器是一种利用光衍射来创建对象的虚拟三维图像的显示器。在这些显示器中，对象的光波前被重建。这种技术的一个缺点是它非常复杂。此外，创建极其详细的波前需要非常稀有的合适的空间光调制器(SLM)。
另一种能够提供自然视网膜聚焦线索的3D显示技术称为光场(LF)显示器。LF显示器在显示时使用分层LCD面板和压缩算法。通过控制对双眼可见的发光像素，扁平外形的LF3D显示器可以同时产生眼睛会聚和聚焦角。来自被照亮像素的光束的方向也受到控制。然而，该技术的缺点在于它能够进行具有有限视场和有限角度分辨率的显示。
光场相机，也称为全光相机，可捕获有关从场景发出的光场以及光束在空间中传播的方向的信息。这与仅记录光强度的传统相机形成对比。一种类型的光场相机使用放置在高分辨率传感器阵列前面的微透镜阵列来感测强度、颜色和方向信息。另一种类型的光场相机是多相机阵列。带有微透镜阵列的光场相机的缺点是分辨率低。为了以高角度分辨率感测方向信息，每个微透镜必须放置在许多具有高填充因子和分辨率的传感器前面。这一要求限制了目前已知的光相机的性能。
发明内容
本发明的目的是提供3D显示器，其创建具有高分辨率和大视场的3D场景，并且避免诸如眼睛劳损、疲劳、恶心和较慢的场调节等问题。本发明的另一个目的是提供用于以高分辨率(包括高角度分辨率)对光场进行成像并且不需要多相机阵列的装置。
在一些实施方案中，通过增加从二维显示器显示的像素的有效数量来实现这些目的，从而以高分辨率显示从该显示器显示的三维图像。通过使用可调节的光偏转装置来增加像素的有效数量，该装置在人类视觉系统的整合周期内多次偏转像素发出的光束。
因此，例如，如果传统屏幕包括10个单独发光的像素，并且发射的光通过微透镜准直，则从各个角度观看屏幕的观看者会辨别出10个不同的像素。根据本发明实施方案的可调光偏转装置，如果该装置在人类视觉系统的分辨率周期内被调整八次，则从各个角度观看屏幕的观看者可辨别出80个像素。实际上，屏幕看起来就像屏幕中物理像素数是其八倍一样。因此，以高分辨率观看产生的3D图像，没有眼睛劳损或类似问题。类似的原理适用于增加光场成像装置中传感器的有效数量。
根据第一实施方案，公开了用于对三维图像的投影进行基于时间的复用以提高其分辨率的装置。该装置包括二维显示器，该二维显示器包括多个像素的阵列。光学元件阵列被构造成将从阵列上限定的相邻像素的子阵列的每个成员发射的光以多个角度折射并配置成多个平行光束。多个可调光偏转装置的阵列安装在像素前面。多个可调光偏转装置中的每一个被构造成偏转由像素发射的光。至少一个控制器被配置为(1)根据用于显示三维图像的三维(3D)信息来改变由每个像素发射的光的强度或颜色中的至少一者；(2)在人类视觉系统的图像整合周期内多次改变光偏转装置的偏转角。
有利地，改变偏转角导致三维图像被复用，从而在观看者的视场内从多个角度感知。这种从多个角度对图像的感知有效地增加了有效像素的密度，从而增强了观看者解析图像的能力。在整合图像时，观看者会感觉到他或她看到了具有更多有效像素的更高分辨率图像。此外，在3维图像的每个偏转视图中，从屏幕发出的偏转光线准确地再现了最初从二维显示器发出的光线。无论观看者的数量或观看者相对于屏幕的位置如何，该设备也同样良好地运行。以高角度分辨率、大视场以及深度感觉和观看者眼睛的调节之间的适应性感知图像。
在根据第一方面的进一步实施方式中，所述光学元件阵列为微透镜阵列，并且所述二维显示器位于所述微透镜阵列的焦平面处。有利地，当二维显示器位于阵列的焦平面时，从像素发出的所有光线都被相应的微透镜聚集并被投射为准直光束。
在根据第一方面的进一步实施方式中，光学元件阵列是微透镜阵列，并且每个微透镜和相邻像素的对应子阵列限定单元。该装置还包括布置在相邻微透镜之间并被配置为防止相邻单元之间的串扰的屏障。有利地，防止相邻单元之间的串扰防止图像模糊。
在根据第一方面的进一步实施方式中，光学元件阵列是微透镜阵列，并且每个微透镜的相邻像素的每个对应子阵列包括多于一个像素。有利地，与每个微透镜仅单个像素相反，用每个微透镜偏转来自多于一个像素的光增加了光被偏转的角度的数量，因此增加了图像的视场。
在根据第一方面的进一步实施方式中，每个可调光偏转装置将相邻像素子阵列的每个成员发射的光偏转小于像素的宽度。有利地，图像的位移小于像素的宽度使得能够以超分辨率显示图像。
在根据第一方面的进一步实施方式中，可调光偏转装置包括可调微棱镜、液晶系统、微机电系统、电光装置、液晶偏振光栅装置或微镜中的一个或多个。任选的，所述可调光偏转装置包括微棱镜阵列和相应的液晶系统，每个微棱镜的偏转角可以通过激活相应的液晶系统进行调节。有利地，可以精细地控制液晶系统以连续或离散地改变通过每个微棱镜传播的光的偏转角。
在根据第一方面的进一步实施方式中，像素是RGB像素，各个红色、绿色和蓝色像素的每个的填充因子大约为25％，并且作为所述基于时间的复用的结果，来自相应的红色、绿色和蓝色像素的光被感知为从整个像素阵列发射。有利地，与填充因子相比，该设备因此能够将图像的有效分辨率提高很大百分比。
在根据第一方面的另一实施方式中，第一偏振器阵列和第二偏振器阵列与像素阵列和微透镜阵列共面。当像素所发出的光束通过第一及第二偏光板阵列时，所述光束的第一部分沿第一方向偏振，而所述光束的第二部分沿垂直于第一方向的第二方向偏振。任选地，每个微透镜和与其平行的相邻像素的子阵列定义3D像素，并且给定单元的像素发射的光线的至少一部分在穿过第一和第二偏振器阵列后转向穿过与不同的3D像素相关联的微透镜。有利地，通过使用偏振器将来自像素的光转向通过相邻微透镜，该设备能够增加所显示图像的视场。作为时分复用的结果，来自转向像素的图像的“缺失”部分被填充。任选地，其中像素是RGB像素，当穿过偏振器阵列时，相应的红色、绿色和蓝色像素中的每一个的填充因子大约为12.5％，并且作为所述基于时间的复用的结果，来自相应的红色、绿色和蓝色像素中的每一个被感知为从整个像素阵列发射。有利地，与填充因子相比，该设备因此能够将图像的有效分辨率提高很大百分比。
在根据第一方面的另一实施方式中，像素是RGB像素，并且装置包括一个或多个滤色器。每个滤色器被配置为仅允许红光、绿光或蓝光中的一种通过。任选地，每个微透镜和与其平行的相邻像素的子阵列定义一个3D像素，并且相邻单元的滤色器被周期性地图案化以交替地允许红光、绿光或蓝光通过。有利地，滤色器可用于通过相邻的微透镜将来自像素的光的部分转向，使得该设备能够增加所显示图像的视场。被遮挡像素的“缺失位置”可以作为时间复用的结果来完成或填充。可以在大视场中以高分辨率查看所得图像。
在根据第一方面的另一实施方式中，光学元件阵列为微透镜阵列，并且可移除微透镜阵列可与微透镜阵列配合布置以抵消由微透镜阵列引起的折射。有利地，可移除微透镜阵列因此使显示器能够以传统的二维格式显示图像。
在根据第一方面的另一实施方式中，可调光偏转装置位于像素阵列与光学元件阵列之间。在根据第一方面的另一实施方式中，光学元件阵列位于像素阵列与多个可调光偏转装置的阵列之间。有利地，因为微透镜阵列和可调光偏转装置的效果是累积的，所以它们可以放置在设备内的可互换位置，从而允许设备构造的灵活性。
在根据第一方面的另一实施方式中，根据包括以下步骤的算法设置3D信息：(1)对于要显示的多个点，利用(x,y,z,R,G,B)矢量数据创建3D数据矩阵；(2)通过计算从该点到每个微透镜中心的所有矢量的方向，对于要显示的每个点创建射线扇形；(3)对于要显示的每个点，通过选择具有最接近通过其单元的矢量的角度的角度的R、G和/或B子像素，确定合适的R、G和/或B子像素以创建要显示的点的射线；(4)对于每个要显示的点，以适当的强度打开适当的R和/或G和/或B子像素，例如以创建要显示的点的RGB光；(5)如果使用可调光偏转装置，执行步骤(l)-(4)考虑每个R和/或G和/或B子像素的时间图像位置。有利地，每当要显示的每个唯一图像被改变时，都可以实施该算法。
在根据第一方面的另一实施方式中，光学元件阵列为微透镜阵列，每个微透镜包括平面和球面，并且球面朝向二维显示器取向。有利地，在这种情况下的球面可以封闭在支撑件中或由支撑件支撑，该支撑件可以具有比微透镜阵列更低的折射率并且形成平坦表面。
根据第二方面，公开了用于光场的图像的基于时间的复用以增加其分辨率的设备。该设备包括由多个传感器组成的二维传感器阵列。光学元件阵列放置在传感器的前面。光学元件阵列被配置为将来自光场的光折射并聚焦到一个或多个传感器上。可调光偏转装置阵列布置在传感器前面并且被配置为根据可调偏转角偏转从光场接收的光的传播角度。控制器被配置为调整光偏转装置的偏转角。
有利地，作为时间的函数改变折射或偏转角使得来自场景中不同方向的光束被传感器记录。结果，场景的不同角度图像被记录为时间的函数。这种从多个角度改变图像有效地提高了有效传感器的分辨率，从而增强了传感器对光场成像的能力。
在根据第二方面的另一实施方式中，所述可调光偏转装置包括微棱镜、液晶微机电系统；电光装置、液晶偏振光栅装置、可调光栅或微镜中的一个或多个。有利地，由这些材料制成的可调光偏转装置是可以被精细地控制以连续或离散地改变每个微棱镜的偏转角的系统。
根据第三方面，公开了三维图像的投影的基于时间的复用以提高其分辨率的方法。该图像由包括多个像素的阵列的二维显示器生成。光学元件阵列放置在像素前面。聚焦元件被构造成将从阵列上限定的相邻像素的子阵列的每个成员发射的光以多个角度折射并配置成多个平行光束。多个可调光偏转装置的阵列安装在像素前面。多个可调光偏转装置中的每一个被构造成偏转由像素发射的光。二维显示器还具有至少一个控制器。该方法包括利用至少一个控制器根据用于三维图像的显示的三维(3D)信息选择由每个像素发射的光的强度或颜色中的至少一种；在人类视觉系统的图像整合周期内，通过控制器多次调整光偏转装置的偏转角。
有利地，改变偏转角导致三维图像被复用，从而在观看者的视场内从多个角度感知三维图像。这种从多个角度对图像的感知有效地提高了像素的分辨率，从而增强了观看者解析图像的能力。在整合图像时，观看者会感觉到他或她看到了具有更多有效像素的更高分辨率图像。此外，在3维图像的每个偏转视图中，从屏幕发出的偏转光线准确地再现了最初从二维显示器发出的光线。无论观看者的数量或观看者相对于屏幕的位置如何，该方法也同样有效。以高角度分辨率、大视场以及深度感觉和观看者眼睛的调整之间的适应性感知图像。
在根据第三方面的另一实施方式中，选择步骤包括遵循具有以下步骤的算法：(1)对于要显示的点，利用(x,y,z,R,G,B)矢量数据创建多个3D数据矩阵；(2)通过计算从该点到每个微透镜中心的所有矢量的方向，对于要显示的每个点创建射线扇形；(3)对于要显示的每个点，通过选择具有最接近通过其单元的矢量的角度的角度的R、G和/或B子像素，确定合适的R、G和/或B子像素以创建要显示的点的射线；(4)对于每个要显示的点，以适当的强度打开适当的R和/或G和/或B子像素，以创建要显示的点的RGB光；(5)如果使用可调光偏转装置，执行步骤(l)-(4)考虑每个R和/或G和/或B子像素的时间图像位置。有利地，每当要显示的每个唯一图像被改变时，都可以实施该算法。
在根据第三方面的另一实施方式中，可调光偏转装置包括可调微棱镜、液晶系统、微机电系统；电光装置、液晶偏振光栅装置或微镜中的一个或多个。任选的，可调光偏转装置包括微棱镜阵列和相应的液晶系统，调节步骤包括激活液晶系统，从而调节相应微棱镜的偏转角。有利地，由这些材料制成的可调光偏转装置是可以被精细地控制以连续或离散地改变每个微棱镜的偏转角的系统。
在根据第三方面的另一实施方式中，聚焦元件包括微透镜阵列，并且该方法还包括将可移除微透镜阵列可释放地附接到微透镜阵列以抵消由微透镜阵列引起的折射。有利地，可移除微透镜阵列因此使显示器能够以传统的二维格式显示图像。
本公开的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员在检查以下附图和详细描述后将变得或变得显而易见。旨在将所有这样的附加系统、方法、特征和优点包括在本说明书中，在本公开的范围内，并且受到所附权利要求的保护。
附图说明
本发明的一些实施方案在此仅通过示例并参考附图来描述。现在具体详细地参考附图，强调所显示的细节是通过实施例的方式并且出于对本发明的实施方案的说明性讨论的目的。在这点上，结合附图的描述使本领域技术人员清楚可以如何实践本发明的实施方案。
图中：
图1是示出了根据本发明的实施方案的用于三维图像的投影的基于时间的复用的装置的组件的示意图；
图2是根据本发明的实施方案的被投射通过2D显示器以看起来好像它们是三维的光束的示意图；
图3是根据本发明的实施方案的用于包括多个单元的3D显示器的微透镜阵列的示意图；
图4是根据本发明实施方案的3D显示器的单个单元的示意图，其中光束由像素发射并由微透镜折射和准直；
图5是根据本发明实施方案的3D显示器的多个单元的示意图，其中光束由像素发射并由微透镜折射和准直；
图6A是根据本发明的实施方案的具有像素阵列、微透镜和可调光偏转装置的3D显示器的单个单元的示意图；
图6B是根据本发明的实施方案的图6A的可调光偏转装置用于复用来自3D显示器的光的示意图；
图6C是根据本发明的实施方案的具有RGB像素阵列、微透镜和可调光偏转装置的3D显示器的单个单元的示意图；
图6D是根据本发明的实施方案的图6C的可调光偏转装置用于复用来自图8C的单元的光的示意图；
图7A是根据本发明实施方案的两个复用光束通过3D显示器投射到用户眼睛的示意图；
图7B是根据本发明实施方案的三个复用光束通过3D显示器投射到用户眼睛的示意图；
图8是根据本发明的实施方案的具有微透镜、可调光偏转装置和用于放大视场的偏振器的3D显示器的单个单元的示意图；
图9是根据本发明的实施方案的具有偏振器的三个相邻单元的示意图，示出了加宽投影图像视场的偏振器；
图10是根据本发明的实施方案的图9的单元的示意图，其中显示器由RGB像素组成；
图11是根据本发明实施方案的具有微透镜、可调光偏转装置和RGB滤光器的3D显示器的示意图；
图12是根据本发明的实施方案的具有微透镜、可调光偏转装置和RGB滤光器的3D显示器的示意图，其中单个RGB像素对应于每个微透镜；
图13是根据本发明实施方案的光场成像系统的示意图；
图14是根据本发明的实施方案的光场成像系统的设置的示意图，其中光束被微透镜折射并被引导至传感器；
图15A是根据本发明实施方案的具有可调光偏转装置的光场成像系统的示意图；
图15B是根据本发明的实施方案的图15A的可调光偏转装置向图像传感器折射两束光束的示意图；
图16是根据本发明的实施方案的微透镜阵列与可用于抵消第一微透镜阵列的影响的第二微透镜阵列组合的示意图；
图17是根据本发明的实施方案的微透镜阵列的替代实施方案的示意图，其中微透镜的球面面向二维显示器；以及
图18是根据本发明的实施方案的用于代替微透镜阵列的替代光学系统的示意图。
具体实施方式
本发明在其一些实施方案中涉及高分辨率和大视场的三维显示器，更具体地但不排他地，涉及用于三维图像的投影的基于时间的复用以增加其分辨率的装置。本发明在其一些实施方案中还涉及用于以高分辨率对光场进行成像的装置，并且特别地但不排他地涉及用于光场的基于时间的复用以增加其分辨率的设备。
在详细解释本发明的至少一个实施方案之前，应当理解，本发明在其应用方面不一定限于以下描述阐述和/或在附图和/或实施例中说明的组件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够有其他实施方案或能够以各种方式实践或实施。
图1描绘了示出用于三维图像的投影的基于时间的复用的装置10的元件的示意图。装置10包括屏幕20、光学元件阵列30、可调光偏转装置40和控制器50。
屏幕20可以是适合于显示图像的任何显示器。如在本公开中使用的，术语“屏幕”和“二维显示器”可互换使用。在优选实施方案中，屏幕20具有具有8K分辨率的超高密度二维显示器。8K UHD(7680x 4320像素)是Rec.2020(UHDTV)标准中定义的最高分辨率。8K显示器的一个优点是投影图像具有高分辨率，即使在图像被复用之前也是如此。
屏幕20被布置为多个像素22的二维阵列。像素22可以是单色(即灰度)或RGB像素。
在所描绘的实施方案中，光学元件阵列30由平行于屏幕20安装的微透镜阵列32组成。微透镜阵列30位于像素22的前面，意味着像素22发射的光穿过微透镜阵列30。如在本公开中所使用的，微透镜是小透镜，直径小于1mm，小至10微米，甚至小至1微米。微透镜32可由本领域技术人员已知的许多材料制成，例如通过纳米光刻图案化的玻璃、胶体颗粒或液体。微透镜阵列30可以布置在支撑基板(图1中未示出)上。
微透镜阵列30包含以二维阵列形成的多个微透镜32。每个微透镜32具有平面33和球面凸面36。在图示的实施方案中，球面36背向二维显示器；然而，球面36也可以面向二维显示器20取向。优选地，屏幕20位于微透镜阵列30的焦平面处。当二维显示器20位于阵列30的焦平面上时，从像素22发出的所有光束被相应的微透镜32聚集并被投射为准直光束(即，其中所有光线都指向相同方向的光束)。
可调光偏转装置40也安装在像素22的前面。在所示实施方案中，光偏转装置40由可调微棱镜42组成。微棱镜42相对于显示器20和微透镜阵列30的平面成一定角度布置。通过合适的电光装置的操作，微棱镜42是动态的，这意味着微棱镜42的角度是可调节的。在所示实施方案中，每个微棱镜42可通过基于液晶的系统44的操作进行调节。液晶系统可被配置为基于电输入改变形状、角度、折射率或偏振。液晶可以是胆甾相、近晶相或向列相。可调节光偏转装置40可替代地或附加地包括电光装置、液晶偏振光栅(LCPG)装置、微镜或能够偏转和控制光束传播角度的任何其他已知装置。
在图示的实施方案中，可调光偏转装置40被定向在屏幕20和微透镜阵列30之间。该取向仅是示例性的，并且微透镜阵列30和可调光偏转装置40的位置可以颠倒，使得微透镜阵列30被定向于屏幕20与可调光偏转装置40之间。
控制器50向屏幕20和可调光偏转装置40提供指令。这些功能可以由不同的子控制器执行。例如，屏幕可由屏幕控制器52控制，偏转装置40可由偏转控制器54控制。
控制器50可以包括计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有用于使处理器执行本发明的方面的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多个介质)。计算机可读存储介质可以是可以保留和存储指令以供指令执行装置使用的有形装置。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或前述的任何合适的组合。
控制器50及其子控制器可以被编程为接收来自用户的指令。例如，用户可以根据用于三维图像显示的三维信息，通过控制器50和/或屏幕控制器52选择每个像素22发出的光的强度或颜色中的至少一种。该选择可以包括遵循算法，如下文将进一步描述的。
用户可以类似地利用控制器50和/或偏转控制器54在人类视觉系统的图像整合的时间(t)内多次调整光偏转装置40的偏转角。
人类视觉系统平均能够大约每0.1秒整合一次图像。该持续时间在本文中将被称为“视觉整合时间”。在操作中，用户可以向控制器50提供指令以将视觉整合时间划分为n个离散周期，t1到tn。在每个时间段t1到tn期间，屏幕20显示图像，其光线通过微透镜阵列30和可调光反射装置40折射。在每个时间段之间，可调光偏转装置40的偏转角(例如，棱镜42的偏转角)被改变。偏转角的变化也可以是连续的。偏转角的变化导致观看由像素22生成的图像的视角的变化。结果，图像的投影在时间(t)期间被复用n次。在时间(t)结束时，与查看图像的单个显示相比，眼睛将以更高分辨率、更多有效像素数感知图像。
图2-7B图示了屏幕20和微透镜阵列30如何用于创建3D显示器，以及装置10的每个组件如何影响来自像素22的3D图像的传输。
图2在基本层面上说明了屏幕20通常如何用于描绘三维显示。出于说明的目的，可以认为由屏幕20投影的三维对象在屏幕20后面的不同平面中具有点24和26。被照亮或自照亮(例如，灯泡)的类似的真实3D对象将从点24和26向所有方向发射光线。类似地，为了显示来自显示器20的栩栩如生的3D场景，显示器20的每个点(例如，每个像素22)，尽管实际上都在同一个平面，但同时发出许多不同颜色、强度和角度的光线。这样，根据视差效应，观看者将能够从任何角度以不同的方式观看3D对象的图像。
举例来说，像素28是屏幕20上的任意一个点。为了使观看者能够从任何角度看到点24和26，像素28应该同时向不同角度发射不同颜色和不同强度的光线。在所描绘的实施例中，像素28发射似乎从点24发射的光线61，并且还发射似乎从点26发射的光线63。相同的分析适用于屏幕20上的每个像素22。如果屏幕20上的所有像素22同时发射具有适当颜色、强度和角度的光线，使得光线看起来像是来自3D对象所有点的光线的延续，则观看者将从任何角度三维地看到图像。
图3描绘了图2的屏幕20，前面有微透镜阵列30。屏幕20位于微透镜阵列30的焦平面上。微透镜阵列30包括多个微透镜32，每个微透镜32与一个或多个像素22共面。在图示的实施方案中，每个微透镜32对着一组像素22。与每个微透镜相对的像素组在本文中也被称为像素的“子阵列”。
屏幕20和微透镜阵列30的组合形成由3D像素14组成的3D显示器12。每个3D像素14由单元34构成，单元34包括一个微透镜32和屏幕20的至少一个对应像素22。如在本公开中使用的术语“单元”和“3D像素”可互换使用。如上所述，屏幕20可以是任何已知的二维显示器，并且像素22可以是单色或RGB。屏障36、38任选地配置在不同的单元34之间，以防止不同的单元34之间的串扰。
图4描绘了光束通过3D显示器12的单个3D像素14的传输。在图3中，3D像素14或单元34包括像素22、屏障36和38以及微透镜32。像素22位于微透镜32的焦平面处。在所示实施方案中，像素22是RGB像素。
如上所述，为了从3D显示器12获得真实的3D图像，显示器12上的每个点同时发出许多不同颜色、强度和角度的光线，使得由于视差效应，观看者从不同角度以不同方式看到对象。因此，由于每个单元34相当于3D显示器12的单个像素14，每个单元34同时发出许多具有不同颜色、强度和角度的光线。为了每个单元34将产生这些许多不同的光线，使用屏幕20的不同RGB像素22。例如，为了创建来自对象的任意点24的方向的具有特定强度和颜色的光线，同时创建来自对象的另一任意点26的方向的具有另一种强度和颜色的不同光线，RGB像素21发出的光的强度和颜色与理论上来自点24的光线的强度和颜色相同，而同时RGB像素23发出的光强度和颜色与理论上来自来自点26的光线相同。由于屏幕20及其每个像素22位于微透镜阵列30的微透镜32的焦平面处，因此在每个单元34处，从每个RGB像素发出的所有光线都由该单元34的微透镜32聚集并被投射为准直光束，例如光束61a、61b、61c、63a、63b、63c。每个准直光束61、63以发射像素与单元34的光轴31形成的角度定向。RGB像素21、23相对于光轴31以特定角度定位，并且这些角度类似于当对于看向从单元34发出的光束的观看者看起来的对象的点24、26的角度。因此，对于看向单元34的观看者，光束61、63看起来像是分别来自点21或为23。在观看者的视网膜上，来自每个RGB像素22的每个光束都聚焦到一个点。单元34的所述操作适用于显示的3D对象上的所有其他点(点24、26之外)，因此观看者看到的是3D对象。
当观看者在左右或上下维度上移动视角时，3D对象的感知会继续。有利地，由于来自3D显示器12的每个单元34的光线被准直并形成窄光束，观看者在其“真实”距离看到所显示的对象，并且防止了眼睛劳损、疲劳和恶心。
现在参考图5，示出了3D显示器12的更全面的设置。在该图示中，多个单元34显示在单个平面中，其中每个单元34包括一个微透镜32、位于微透镜32的焦平面处的至少两个像素22以及任选的两个屏障36、38。上面结合图4描述每个单独的单元34的功能。因此，为了创建3D对象的一个点，例如点24，每个单元34创建一个光束，其强度和颜色与理论上应该来自点24的光线的强度和颜色相同。每个单元34以不同的传播角创建此光束。这是通过每个单元中适当的一个或多个RGB像素22来实现的，一个或多个RGB像素22发射的光的强度和颜色与理论上应该来自点24的光线的强度和颜色相同，但相对于单元34的光轴位于适当的相对角度。因此，对于观看者来说，来自3d显示器12的所有单元34的所有光束的扇形被视为来自点24。类似地，为了创建3D对象15的另一个点，例如，例如点26，基于来自以相对于单元34的光轴的适当角度定向的适当的一个或多个RGB像素22的光的传播，每个单元34产生的光束的强度和颜色与应当来自点26的光线的强度和颜色相同，每个单元产生的光束强度和颜色与应该来自点26的光线的强度和颜色相同。因此，对于观看者来说，来自3D显示器12的所有单元34的所有光束的扇形被视为来自点26。当观看者在左右维度或上下维度上移动视角时，3D对象的感知继续。
上述系统具有各种优点。由于3D显示器12产生许多具有适当角度的光束，这些光束被视为来自3D对象的适当点，因此它适合同时用于许多不同的观看者，其中每个观看者将根据他或她相对于3D显示器12的位置以不同的角度看到对象。此外，由于来自3D显示器12的每个单元34的光束被准直并投射成窄光束，观看者在其“真实”位置看到对象。防止眼睛劳损、疲劳和恶心。
然而，图4和图5中描绘的3D显示器12仍然只提供有限的3D分辨率。由于每个单元34中RGB像素22的数量有限，可以产生的光束的不同角度是有限的。3D对象的许多近点可由每个单元34的相同RGB像素22重建，因此重建的角度分辨率降低。此外，由于任何给定RGB像素22中的R、G和B子像素的填充因子有限，R、G和B子像素中的每一个都没有覆盖整个角范围，因此重建的角度分辨率降低了。
增加3D分辨率的一种可能方式是增加微透镜32的焦距，以减小像素22相对于微透镜32的对角。然而，增加焦距导致在视场中的相应限制。另一种方法是增加RGB像素22的数量以增加视场。然而，这种增加也会导致微透镜的孔径尺寸增加，这相应地导致3D显示器的横向分辨率降低。
本公开提出另一种增加每个单元34中RGB像素22的有效数量的方法。在每个单元34中，在微透镜32之前或之后添加可调光偏转装置40。在人类视觉系统的图像解析周期内，离散或连续地调整可调光偏转装置40一次或多次，从而有效地倍增观看者可见的像素数量。
参考图6A，3D显示器12的单元34包括2D显示屏的至少一个RGB像素22、至少一个微透镜32和两个任选的屏障36、38。单元34还包括可调光偏转装置40。在一个实施方案中，偏转装置40由微棱镜42和液晶系统44组成。液晶系统44可操作以偏转微棱镜42的角度，如上文结合图1所述。可调节偏转装置40还可以是附加地或替代地是电光装置、液晶偏振光栅、微镜或任何其他已知的能够偏转和控制光束的传播角度的装置。当光束的折射或偏转角随时间变化时，获得RGB像素22在不同角度的不同图像。
图6B示出了在两个不同时间出现在观看者面前的两个RGB像素21、23的图像。在偏转装置40的一种偏转状态下，像素21、23被视为RGB像素21a和23a，并且在偏转装置的另一偏转状态下，它们被视为RGB像素21b、23b。RGB像素21b、23b因此被感知为位于不同的位置，例如，在RGB像素21a、23a之间。偏转的结果是增加了RGB像素的有效数量，提高了3D显示器的整体角度分辨率。
在一个实施方案中，像素21、23的感知偏转小于像素的宽度。图像位移小于一个像素的宽度使能够以超分辨率显示图像。
每个单元34的光束的偏转角可以连续地或离散地多次变化，从而在图像整合时间的不同部分期间可以以不同的角度看到每个像素的图像。
图6C示出了具有至少一个RGB像素的3D显示器的单个单元34。每个RGB像素22包括子像素R、G和B，例如R子像素25、G子像素27和B子像素29。由于每个子像素R、G和B的填充因子小于100％，小于整个角度范围被R、G和B子像素“覆盖”。因此，投影图像的角度分辨率降低。此外，由于每个子像素R、G、B的对角有限，单元34的角度分辨率是有限的。使用可调节的光偏转装置40，随着时间改变折射和偏转的角度，导致获得不同角度的子像素R、G和B的不同图像。
图6D示出了图6C的单元34中的R子像素25的不同图像。在偏转装置40的一种偏转状态下，R子像素被视为R子像素25a；在偏转装置40的另一种偏转状态下，R子像素被视为R子像素25b；在第三偏转状态下，R子像素被视为R子像素25c。R子像素的光线相应地沿不同方向从单元34射出，分别表现为光束65a、65b和65c。对于整个3D显示器，对于单元34中的每一个中的R、G和B子像素中的每一个都发生相同的过程。这反过来又增加了R、G和B子像素的有效数量，从而增加了每个子像素的填充因子。
与2D显示器不同，在3D显示器中，需要像素或子像素的填充因子显着小于100％的显示器。在这样的系统中，每个像素的对角很小，因此可以生成具有高角度分辨率的3D图像。然而，相应地，这样的系统需要通过调制来自2D显示器的像素来显示多个图像。因此像素的有效倍增补偿了较低的填充因子。
值得注意的是，在具有RGB像素的显示器中，R、G和B子像素中的每一个都占据了显示器的大约25％，而显示器的其余部分则由机械部件占据。基于时间的复用的效果是增加R、G、B子像素的有效数量，使得每个R子像素复用到覆盖G和B子像素的空间，反之亦然。因此，来自相应的红色、绿色和蓝色子像素中的每一个的光被感知为从整个像素阵列发射。
除了改变偏转状态之外，还可以连续或离散地改变子像素的强度和颜色。这种改变还导致RGB像素的有效数量增加。填充因子相应增加，3D显示的角度分辨率提高。
图7A是被复用三次并通过3D显示器投射到用户的眼睛的两个光束61、63的示意图。图7B是根据本发明实施方案的通过3D显示器投射到用户眼睛的三个复用光束61、63、65的示意图。如图7A-7B所示，在该实施例中，复用的效果是将光束61、63、65的有效分辨率提高三倍。
现在参考图8，公开了用于三维图像的投影的基于时间的复用的装置的第二实施方案110。装置110在大多数方面与装置10相似，因此相似的元件具有相似的附图标记，除了附图标记以“1”开头。装置110与先前描述的实施方案的不同之处在于它包括与微透镜阵列130共面的第一偏振器阵列170和第二偏振器阵列172。在所示实施方案中，第一偏振器阵列170与像素阵列120相邻并且第二像素阵列172被配置在像素阵列120与微透镜阵列130之间。该配置仅仅是示例性的，并且其他配置是可能的。偏振器170、172使装置110能够在比之前描述的实施方案更大的视场上显示3D图像。
在操作中，第一偏振器阵列170包括偏振方向平行于偏振器172的偏振方向的第一组偏振器173和偏振方向垂直于偏振器172的偏振方向的第二组偏振器174。偏振器173、174沿像素阵列120交替定位，每个偏振器173、174平行于不同像素或像素组，使得从相邻单元发射的光被偏振器173或174交替偏振。例如，从奇数编号像素175和177发射的光被偏振器173偏振，偏振方向平行于偏振器172的偏振方向，从偶数编号像素176和178发射的光被偏振器174偏振，偏振方向垂直于偏振器172的偏振方向。因此，分别从像素175和177发射的光线165和167分别在平行于偏振器172的偏振方向的方向上偏振，并且它们通过偏振器172。另一方面，从像素176和178发射的光线166和168分别在垂直于偏振器172的偏振方向的方向上偏振，并且因此被偏振器172阻挡。偏振器170、172不需要位于它们的准确位置，如图8所示，可以位于单元134内的任意平面内，只要能够实现单元134中部分像素的光传输和单元134中其他部分像素的光的阻隔即可。
图9是具有偏振器170、172、174的三个相邻单元135、137、139的示意图，并且图示了偏振器172、174、176在加宽投影图像的视场中的效果。单元135、137、139中的每一者包括至少一个RGB像素。在图示的实施方案中，每个单元具有具有多个像素的像素子阵列。例如，单元137具有像素183、184和185。每个单元还具有至少一个微透镜132和至少一个偏转装置140。如上文参照图8所描述的，每个单元还具有偏振器172a、172b、172c，具有第一偏振方向。偏振器173a、173b、173c和174a、174b和174c交替覆盖每个单元的像素，其中每个相应偏振器173具有平行于偏振器172的偏振方向的偏振方向，并且每个相应偏振器174具有与垂直于偏振器172的偏振方向的偏振方向垂直的偏振方向。单元135、137、139之间没有任何屏障。
值得注意的是，在本实施方案中，任意两个相邻单元(例如单元135和137或137和139)的偏振器172的偏振方向彼此正交。如上所述，作为偏振器的结果，一些像素的光线，例如由单元135中的像素184发射的光线194，通过其偏振器172b。另一方面，由于与单元137相邻的单元135中的偏振器172a和单元139中的偏振器172c的偏振方向垂直于偏振器172b的偏振方向，因此单元137中的被阻挡像素183和185发出的光线例如光线193和195只能分别通过相邻单元135、139中的偏振器172a和172c。结果，可以获得每个单元的广角光投影，从而增加图像的视场。换句话说，使用将光辐射到相邻单元的像素，可以创建在大视场中可见的图形。任何特定单元中像素的“缺失位置”可以通过使用偏转装置140按角度偏转该单元的像素的图像来填充或完成，如上所述。本领域技术人员可以认识到，每个单元134的偏振器173、174必须与设计为穿过该单元的光的极性相关。
在本实施方案中，由于偏振器的作用，每个单元的像素只有一半通过自己的单元发光，因此红、绿、蓝子像素中的每个的填充系数仅为12.5％左右。作为基于时间的复用的结果，来自相应红色、绿色和蓝色像素中的每一个的光被感知为从整个像素阵列发射。
图10示出了用于三维图像投影的基于时间的复用的装置的另一个实施方案210。如在图8和图9的实施方案110中那样，实施方案210被配置为在大视场上显示3D图像。实施方案210在大多数方面与前述实施方案相似，因此相似的元件被分配相似的附图标记，除了附图标记以“2”开头。
每个单元234包括2D屏幕的至少一个RGB像素，例如像素283、284和285；至少一个偏转装置240和微透镜232。此外，还有滤光器，例如红色滤光器290。因此，RGB像素的红色子像素(例如像素283r)发出的光线例如光线293r通过红色滤光器290。然而，单元234中RGB像素的绿色和蓝色子像素发射的光线例如283g和283b被红色滤光器290阻挡。滤光器290可以位于单元234内的任何平面中，甚至可以位于在单元234之外以实现本文所述的功能，即透射单元234中部分像素的光，并阻挡单元234的其他部分像素的光。
图11示出了由图10中描绘的类型的单元组成的3D显示器的部分。图11示出了3D显示器的三个相邻单元235、237和239。每个单元包括2D屏幕220的至少一个RGB像素。为简单起见，仅描绘了具有仅一组R、G和B子像素的一个RGB像素。每个单元还包括至少一个偏转装置(未示出)和微透镜232。此外，每个单元具有一个滤光器290。
3D显示器的相邻单元中的滤光器290被循环地图案化以交替地允许红光、绿光或蓝光通过。作为滤光器的结果，每个单元中与该单元的滤光器290颜色相同的子像素R、G和B发出的光线通过滤光器290。颜色不同于滤光器290的子像素发出的光线被滤光器阻挡。例如，单元235具有红色滤光器。其R子像素的光线，例如光线235r，通过该单元的R滤光器290，但其G和B子像素发射的光线被R滤光器阻挡。然而，单元235中被阻挡的G和B子像素发出的光线可以通过相邻单元237和239中的滤光器290。例如，光线235g可以通过单元237处的G滤光器，而光线252b可以通过单元239处的B滤光器。结果，获得了具有大视场的广角光投影。如上所述，可以通过使用偏转装置240偏转像素的图像来完成每个单元中像素的“缺失位置”。
现在参考图12，图11的实施方案的原理扩展到3D显示器的每个单元仅包括R、G或B子像素之一的情况。元素222代表2D显示器220的单个RGB像素，并且元素235、237和239代表3D显示器的三个单元，其中单元235、237、239中的每一个仅包括RGB像素222的R、G或B子像素。如图11的实施方案中，由于光线仅通过某些滤光器290，每个单元的视场增加，并且通过使用偏转装置偏转像素的图像来完成像素的“缺失位置”。本实施方案的优点是，3D显示器除了获得大视场和高角度分辨率外，还具有高横向分辨率，因为3D显示器的每个单元的尺寸与2D显示像素222的尺寸相当。
上述实施方案仅是示例性的，并且可以应用任何种类的滤光器、单元布置和滤光器布置或排序以增加视场。
图13描绘了光场成像系统310的组件，其可以根据结合上述实施方案所讨论的原理来实现。光场成像装置310具有与前述实施方案相似的部件，因此相似的元件用相似的附图标记表示，除了附图标记以“3”开头。
光场成像系统310由诸如微透镜阵列的光学元件阵列330和位于其焦平面处的2D传感器阵列320组成。微透镜阵列中的每个微透镜332代表光场成像系统310中的一个像素或单元334。每个像素314由一个微透镜332和2D传感器阵列320的至少一个传感器组成。2D传感器阵列320可以是任何已知的2D传感器阵列，包括单色、RGB、高光谱和/或偏振检测传感器。
参考图14，示出了光场成像系统310的一个像素或单元334。每个像素334由来自微透镜阵列的一个微透镜332和位于微透镜焦平面处的至少两个传感器组成，例如2D传感器阵列320的传感器321、323。当从场景中任何点发出的光线照射到微透镜阵列330上时，每个微透镜332将一束光聚焦到其焦平面，其中每束光根据其主光线的方向被引导到不同的传感器。例如，光笔361的光线被导向并聚焦在传感器321上，而光笔363的光线被导向并聚焦在传感器323上。因此，不仅光线361、363的强度和它们的颜色被记录，也是它们的方向也被记录。任选地，也可以插入偏振器以记录偏振。
由于光场成像系统310的每个像素或单元334中传感器322的数量有限，图14的系统的角度分辨率能力有限。因此可以记录的光笔的不同角度是有限的，并且场景的角度接近点可能会记录在像素中的同一传感器上，从而导致角度分辨率降低。该系统的另一个限制是其有限的视场，这也取决于光场成像系统中每个像素中的传感器数量。然而，增加每个像素322中传感器的数量将导致增加微透镜322的孔径尺寸，从而降低成像系统310的横向分辨率。
参考图15A，为了增加每个像素或单元334中传感器322的有效数量，而不增加微透镜尺寸，添加了可调偏转装置340。可调偏转装置340可以包括液晶系统、液晶可编程光栅、电光装置、微镜或任何其他能够偏转和控制光线传播角度的装置。可调偏转装置340可以是与参考前述实施方案描述的装置40、140、240类似的装置。具体地，偏转装置340可用控制器来控制。在一个示例性实施方案中，装置340是可调微棱镜。偏转装置340可以横向放置在微透镜阵列之前或之后。
如图15A所示，光场成像系统310中的像素或单元334包括若干传感器，例如传感器321、323、一个微透镜332和可调偏转装置340。通过随时间而改变装置340的折射角或偏转角，场景的不同角度图像被记录为时间的函数。换句话说，通过随时间改变装置340的折射角或偏转角，获得每个像素334的传感器322的不同图像，从而增加像素的有效数量。
图15B示出了传感器321和323在两个不同时间观察到的图像。在可调偏转装置340的一种偏转状态下，传感器看起来位于像素位置321a和323a处，而在可调偏转装置340的另一种偏转状态下，传感器看起来位于像素位置321b和323b处。与物理上位于传感器阵列320平面中的传感器相比，传感器321b和323b被视为位于不同的角度。例如，传感器321b和323b被视为位于传感器321a和323a之间，因此来自场景的具有不同方向的另一光笔也会被记录下来。表征该现象的另一种方式是显示在传感器322上的图像似乎相对于其在传感器上的原始位置发生了位移。因此，这种布置增加了有效传感器322的数量。
每个像素334的光束的传播角度可通过可调偏转装置340的操作而连续或离散地变化。装置340可以以许多不同的角度改变很多次，使得可以在不同的时间以不同的角度看到每个传感器322的图像。因此，传感器322的有效密度通过在时间上复用记录的场景而增加，从而增加光场成像系统的整体分辨率。
很明显，3D显示器10和光场成像系统彼此高度相似。两种装置之间的区别在于，在3D显示器10中，2D显示器20的像素22发光，而在光场成像系统310中，检测器阵列320的像素接收光。因此，也可以在光场成像中实现以上在用于增加横向和/或角度分辨率和/或视场的3D显示屏的上下文中描述的所有想法和实施方案，例如使用可调偏转装置和/或偏振器和/或滤光器的想法。
可以实现用于3D显示装置10或光场成像装置310的其他组件的各种替代布置。例如，在先前公开的实施方案中，微透镜阵列30包括微球面透镜。这些透镜产生了光束扇形，这些光束似乎来自左右和上下两个维度的某个点。代替使用微球面透镜，微柱面透镜阵列可用于仅在诸如“左右”的一维中产生光束扇形。在这种情况下，可以使用一维偏转装置。在以上各个实施方案中讨论的偏振器和滤光器也可以是二维的或一维的。
此外，参考图16，3D显示器中的微透镜阵列30(无论是球面还是柱面)可以包括“开启”和“关闭”装置，意思是通过“开启”装置作为微透镜阵列，光学成像系统作为3D显示器或光场成像系统，通过“关闭”装置，它充当常规2D显示或成像系统。这可以通过任何已知的“开启”和“关闭”微透镜阵列装置来实现。例如，在图16中，正微透镜阵列30被负微透镜阵列装置430覆盖以形成平板。当两个装置30、430的折射率不同时，每个微透镜32由一个正负微透镜组成，其总光焦度不为零。当两个装置的折射率相等时，每个微透镜32的总光焦度为零。正和/或负微透镜阵列可以由任何可控材料制成，例如液晶或电光材料。
另外，在图17的实施方案中，微透镜阵列530的球形部分指向2D显示屏520，而不是远离2D显示屏520。球形部分也可以被包围在支撑件519中或由支撑件519支撑，支撑件519可以具有比微透镜阵列530低的折射率，并且还形成平坦的表面。
另外，在图18的实施方案中，代替微透镜，使用另一个光学元件630。任何光学元件或光学元件阵列都可以，只要它执行上述聚焦和准直光束的功能即可。
此外，用于偏转和控制光束传播角度的可调偏转装置40可以是任何配置，例如一个偏转装置40对一个单元或像素，几个可调装置40对每个单元或像素，一个偏转装置到几个单元或像素，甚至整个3D显示器或光场成像系统的偏转装置。
偏转装置40可以用于一维偏转或二维偏转。
用于偏转和控制光束在单元或像素中的传播角度的偏转装置40可以是可调棱镜、旋转镜、可移动偏转透镜、可调光栅或任何其他可以偏转和控制光传播角度的装置。
此外，不是使用光偏转装置来增加有效像素数，而是通过微振动产生相同的效果。像素阵列、光学元件阵列、偏振器和/或滤光器，或作为整体的整个装置，可以多次振动很小的量，以便在人类视觉系统整合期间位于相对于观看者的多个物理位置和/或的角取向。结果，观看者将感知到组合了装置在每个位置显示的3D图像的累积3D图像。
使用偏转装置偏转和控制像素发出的光束的传播角度以增加有效像素数的概念也可以用于常规2D显示器，例如增加像素的有效数量和因此它们的横向分辨率。
使用偏转装置偏转和控制光束在每个像素中的传播角度以增加有效传感器数量的概念也可用于常规成像系统，例如相机，以提高其分辨率。
使用偏转装置偏转和控制光束传播角度的概念也可用于任何成像系统，例如相机，以稳定成像系统的视场。当成像系统的视场不稳定时，图像在探测器阵列上从像素到像素发生“跳跃”。利用偏转装置对场景光线的传播角度进行偏转和控制，使场景光线向与图像“跳跃”相反的方向偏转，从而稳定图像。
每个单元中光束的偏转角可以根据每个偏转装置连续或离散地变化。
3D显示器的每个单元可能包含少至一个RGB像素，甚至仅包含一个R、G或B子像素。光场成像系统的每个像素中也可以只有一个RGB传感器，甚至只有一个R、G或B传感器。
用于偏转和控制光束传播角度的装置40可以位于微透镜阵列30的后面，即在微透镜阵列和像素阵列20之间，或在微透镜阵列30的前面。
所公开的实施方案的概念可以扩展到照明3D屏幕，例如通过图像投影仪将图像投影在屏幕上的电影屏幕。屏幕中的每个“像素”可能由一个旋转镜组成，例如
Figure BDA0003216398620000231
以便在特定时间，与图像投影仪同步的屏幕每个“像素”处的每个镜将由具有适当颜色和强度的图像投影仪投射的特定光线偏转到适当的角度，以便观看者看到来自3D对象某个点的整个光线扇形。通过使用图像投影仪用适当变化的RGB图像照亮屏幕，并控制和改变镜的偏转角，在任何给定时刻，具有适当颜色和强度的适当光线被某个镜偏转，例如它在那一刻被看到来自对象的适当点。只要在眼睛的整合时间内产生对象每一点的光线的扇形的所有光线，即使不是在准确的时间，也能正确地看到对象。
在3D显示器中创建3D图像的算法可以包括以下步骤：(1)创建3D数据的矩阵，意思是，对于要显示的每个点，指定具有(x,y,z,R,G,B)数据的矢量。该矩阵的3D信息可以从各种装置获得，例如CT或NMR扫描仪，或从3D相机(如
Figure BDA0003216398620000232
)或光场相机获得。3D信息也可以通过二维摄影获得，使用两个或更多个相机，并依赖于视差效果的合适算法。(2)通过计算从该点到每个微透镜中心的所有矢量的方向，对于要显示的每个点创建射线扇形；(3)通过选择与通过该单元的矢量角度最近的R和/或G和/或B子像素，确定每个单元中适当的R和/或G和/或B子像素以创建要显示的点的光线；(4)以适当的强度开启适当的R和/或G和/或B子像素，以产生要显示点的RGB光；(5)如果使用偏转装置，则考虑到每个R和/或G和/或B子像素的时间图像位置，执行上述相同步骤。该算法的3D数据可以通过由3D相机直接获得或通过使用已知算法将2个视差图像转换为3D数据来获得。
预计在从该申请成熟的专利有效期内，将开发多种类型的屏幕和2D显示器，并且术语屏幕和2D显示器的范围旨在先验地包括此类新技术。
如本文所用，术语“约”是指±10％。
术语“包含”、“包含有”、“包括”、“包括有”、“具有”及其共轭意思是“包括但不限于”。该术语包括术语“由……组成”和“基本上由……组成”。
短语“基本上由……组成”是指组合物或方法可以包括附加成分和/或步骤，但前提是附加成分和/或步骤不会实质上改变要求保护的组合物或方法的基本和新颖特征。
如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括它们的混合物。
“示例性”一词在本文中用于表示“作为实施例、实例或说明”。描述为“示例性”的任何实施方案不一定被解释为优选于或优于其他实施方案和/或排除其他实施方案的特征的结合。
词语“任选地”在本文中用于表示“在一些实施方案中提供而在其他实施方案中不提供”。本发明的任何特定实施方案可以包括多个“任选”特征，除非这些特征冲突。
在本申请中，可以以范围格式呈现本发明的各种实施方案。应当理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁，不应理解为对本发明范围的不灵活限制。因此，应该认为对范围的描述已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，对诸如从1到6的范围的描述应被认为具有具体公开的子范围，例如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等，以及该范围内的单个数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围的广度如何，这都适用。
无论何时在本文中指示数字范围，都意味着包括在指示范围内的任何引用的数字(分数或整数)。短语“范围为第一指示数字与第二指示数字之间/在第一指示数字与第二指示数字之间的范围”和“范围为第一指示数字至第二指示数字/范围从第一指示数字至第二指示数字”在本文中可互换使用并且意在包括第一指示数字和第二指示数字以及它们之间的所有小数和整数。
应当理解，为了清楚起见，在单独实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为了简洁起见在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或在本发明的任何其他描述的实施方案中合适地提供。在各种实施方案的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方案的必要特征，除非实施方案在没有这些元件的情况下是不可操作的。
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用整体并入本说明书中，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示通过引用并入本文中一样。此外，本申请中对任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认此类参考文献可作为本发明的现有技术。就使用章节标题而言，它们不应被解释为必然限制。
此外，本申请的任何优先权文件的全部内容通过引用并入本文中。

Claims (25)

1.用于三维图像的投影的基于时间的复用以提高其分辨率的装置，包括：
二维显示器，包括多个像素的阵列；
光学元件阵列，放置在所述像素前面并被构造成将从限定在阵列上的相邻像素子阵列的每个成员发射的光以多个角度折射和配置成多个平行光束；
多个可调光偏转装置的阵列，每个可调光偏转装置都安装在所述像素前面，其中所述多个可调光偏转装置中的每一个被构造成偏转由所述像素发出的光；以及
至少一个控制器，被配置为(1)根据用于三维图像的显示的三维(3D)信息来改变由每个像素发射的光的强度或颜色中的至少一者；以及(2)在人类视觉系统的图像整合周期内多次改变所述光偏转装置的偏转角。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光学元件阵列为微透镜阵列，并且所述二维显示器位于所述微透镜阵列的焦平面处。
3.如权利要求2所述的装置，其中，每个微透镜和相邻像素的对应子阵列定义单元，并且还包括布置在相邻微透镜之间并被配置为防止相邻单元之间的串扰的屏障。
4.如权利要求2所述的装置，其中，每个微透镜的相邻像素的每个对应子阵列包括一个以上像素。
5.如权利要求1所述的装置，其中，每个可调光偏转装置将相邻像素子阵列的每个成员发射的光偏转小于像素的宽度。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述可调光偏转装置包括可调微棱镜、液晶系统、微机电系统、电光器件、液晶偏振光栅器件或微镜中的一个或多个。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述可调光偏转装置包括微棱镜阵列和相应的液晶系统，其中每个微棱镜的偏转角能够通过激活相应的液晶系统进行调节。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述像素是RGB像素，相应的红色、绿色和蓝色像素中的每一个的填充因子大约为25％，并且作为所述基于时间的复用的结果，来自相应的红色、绿色和蓝色像素中的每一个的光被感知为从整个像素阵列发射。
9.如权利要求1所述的装置，还包括与所述像素阵列和所述聚焦元件共面的第一偏振器阵列和第二偏振器阵列；其中，当像素发出的光束通过第一和第二偏振器阵列时，所述光束的第一部分沿第一方向偏振，而所述光束的第二部分沿垂直于所述第一方向的第二方向偏振。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述光学元件阵列是微透镜阵列，每个微透镜和与其平行的相邻像素的子阵列限定3D像素，并且由给定3D像素的像素发射的至少一部分光线，在通过所述第一和第二偏振器阵列后，被转向以通过与不同3D像素相关联的微透镜。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述像素是RGB像素，当穿过所述偏振器阵列时，相应的红色、绿色和蓝色像素中的每一个的填充因子为大约12.5％，并且作为所述基于时间的复用的结果，来自各个红色、绿色和蓝色像素中的每一个的光被感知为从整个像素阵列发射。
12.如权利要求1所述的装置，其中，所述像素为RGB像素，且进一步包括一个或多个滤色器，其中所述滤色器中的每一者经配置以仅允许红光、绿光或蓝光中的一者通过。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述光学元件阵列是微透镜阵列，每个微透镜和与其平行的相邻像素的子阵列限定单元，并且相邻单元的滤色器被周期性地图案化以交替地允许红光、绿光或蓝光通过。
14.如权利要求2所述的装置，还包括可移除的微透镜阵列，其可与所述微透镜阵列协同布置以抵消由所述微透镜阵列引起的折射。
15.如权利要求1所述的装置，其中，所述可调光偏转装置位于所述像素阵列与所述光学元件阵列之间。
16.如权利要求1所述的装置，其中，所述光学元件阵列位于所述像素阵列与所述多个可调光偏转装置阵列之间。
17.如权利要求1所述的装置，其中，根据包括以下步骤的算法设置所述3D信息：
(1)针对要显示的多个点利用(x,y,z,R,G,B)矢量数据创建3D数据矩阵；
(2)通过计算从该点到每个微透镜中心的所有矢量的方向，对于每个要显示的点创建射线扇形；
(3)对于要显示的每个点，通过选择具有最接近通过其单元的矢量的角度的角度的R、G和/或B子像素，确定合适的R、G和/或B子像素以创建要显示的点的射线；
(4)对于要显示的每个点，以适当的强度打开适当的R和/或G和/或B子像素，以创建要显示的点的RGB光；
(5)如果使用可调光偏转装置，考虑每个R和/或G和/或B子像素的时间图像位置执行步骤(l)-(4)。
18.如权利要求2所述的装置，其中，每个微透镜包括平面和球面，并且所述球面朝向所述二维显示器定向。
19.用于光场图像的基于时间的复用以增加其分辨率的设备，包括：
由多个传感器组成的二维传感器阵列；
放置在所述传感器前面的光学元件阵列，其中所述光学元件阵列被配置为将来自光场的光折射并聚焦到一个或多个传感器上；
可调节光偏转装置阵列，布置在所述传感器前面，并被配置为根据可调节偏转角偏转从光场接收的光的传播角；以及
控制器，用于调整所述光偏转装置的偏转角。
20.如权利要求19所述的设备，其中，所述可调光偏转装置包括可调微棱镜、液晶系统、微机电系统、电光装置、液晶偏振光栅装置、可调光栅或微镜中的一种或多种。
21.用于三维图像的投影的基于时间的复用以提高其分辨率的方法，其中该图像是由二维显示器生成的，该二维显示器包括多个像素的阵列，被构造为将限定在阵列上的相邻像素子阵列的每个成员发出的光以多个角度折射并配置成多条平行光束的光学元件阵列，以及在像素前面安装的多个可调光偏转装置的阵列，其中所述多个可调光偏转装置中的每一个被构造成偏转由所述像素发出的光，以及至少一个控制器，该方法包括：
利用所述至少一控制器，根据用于三维图像的显示的三维(3D)信息选择每一所述像素发出的光的强度或颜色中的至少一者；
在人类视觉系统的图像整合周期内，利用所述控制器多次调整所述光偏转装置的偏转角。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述选择步骤包括遵循具有以下步骤的算法：
(1)对于要显示的多个点，利用(x,y,z,R,G,B)矢量数据创建3D数据矩阵；
(2)通过计算从该点到每个微透镜中心的所有矢量的方向，对于要显示的每个点创建射线扇形；
(3)对于要显示的每个点，通过选择具有最接近通过其单元的矢量的角度的角度的R、G和/或B子像素，确定合适的R、G和/或B子像素以创建要显示的点的射线；
(4)对于要显示的每个点，以适当的强度打开适当的R和/或G和/或B子像素，以创建要显示的点的RGB光；
(5)如果使用可调光偏转装置，考虑每个R和/或G和/或B子像素的时间图像位置执行步骤(l)-(4)。
23.如权利要求21所述的方法，其中，所述可调光偏转装置包括微棱镜、液晶系统、微机电系统、电光装置、液晶偏振光栅装置或微镜中的一个或多个。
24.如权利要求21所述的方法，其中，所述光学元件阵列为微透镜阵列，所述可调光偏转装置包括微棱镜阵列和相应的液晶系统，并且其中，所述调整步骤包括激活液晶系统从而调整相应微棱镜的偏转角。
25.如权利要求21所述的方法，其中，所述光学元件阵列是微透镜阵列，并且还包括将可移除微透镜阵列可释放地附接到所述微透镜阵列以抵消由所述微透镜阵列引起的折射。
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