CN114080559A - 图像显示系统、用于操作图像显示系统的方法和图像投影设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种图像显示系统(100，200)。所述图像显示系统包括用于产生图像的图像源(102，202，302，402，502)。所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元(104，204，504)，并且每个显示单元被配置为发射准直光(210)以产生所述图像的像素。所述图像显示系统包括立体显示模块(106，206，304，404)，所述立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件(108，208)。此外，所述多个光散射元件中的光散射元件保持在第一状态或第二状态。所述图像显示系统包括可操作地耦合到所述图像源和所述立体显示模块中的每一个的控制器(114)。所述控制器被配置为控制一个光散射元件以将所述光散射元件保持在第二状态以及控制所述多个显示单元以将图像投影在保持在所述第二状态的所述光散射元件上。

Description

图像显示系统、用于操作图像显示系统的方法和图像投影 设备
技术领域
本公开总体上涉及显示系统；更具体地涉及用于显示三维图像的图像显示系统。此外，本公开涉及操作这种图像显示系统的方法。此外，本公开涉及用于产生三维图像的图像投影设备。
背景技术
传统上，视觉多媒体内容一直以二维格式被消费。例如，电视显示屏向观看者显示二维图像(或视频)，而计算机屏幕向用户提供二维格式的图形信息。然而，随着技术的进步以及随之而来的以简单易懂的形式向用户提供复杂信息的需求，三维格式的视觉多媒体内容的消费越来越流行。例如，人们的偏好已经从观看二维格式和标清(StandardDefinition，SD)电影转变为体验三维格式和高清(High Definition，HD)或超高清(Ultra-high Definition，UHD)电影。
然而，商用技术通常无法解决满足以高清方式向观看者显示三维内容的需求。通常，旨在向观看者显示三维内容的大多数技术都依赖于立体技术。这种技术在显示屏幕上显示一对略有不同的二维图像，使得观看者的视觉系统将这对图像组合起来并将其中展示的对象感知为本质上三维的。然而，这种立体技术存在多种缺点。例如，立体技术能够以相同的实际深度向观看者显示位于所所展示的图像内的不同虚拟深度处的对象，使得实际深度对应于显示屏相对于观看者眼睛的位置。因此，观看者的眼睛无法聚焦在不同的点以观看不同虚拟深度的对象，从而产生辐辏冲突。辐辏冲突以眼睛劳累、疲劳、恶心、头痛等形式给观看者带来不适。
通常，立体显示系统试图克服与向观看者显示三维内容的传统立体技术相关联的辐辏冲突的这种问题。然而，向观看者显示高质量三维图像(例如，具有高图像分辨率和/或清晰度的图像)的、市售的立体显示系统体积庞大、不能令人满意且效率低下。
因此，根据前述讨论，需要克服与用于向观看者显示三维内容的传统系统和技术相关联的前述缺点。
发明内容
本公开寻求提供一种图像显示系统。本公开还寻求提供一种用于操作图像显示系统的方法。此外，本公开寻求提供一种图像投影设备。
本公开寻求提供对与向观看者显示具有高分辨率的三维内容相关联的庞大、不可靠和低效率的现有问题的解决方案。本公开的目的是提供一种解决方案，该解决方案至少部分地克服了现有技术中遇到的问题，并提供了一种稳健且高效的图像显示系统，用于显示在亮度、对比度、图像分辨率等方面具有高质量的三维内容。
一方面，本发明实施例提供了一种图像显示系统，包括：
-用于产生图像的图像源，其中，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元，并且其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光以产生所述图像的像素；
-立体显示模块，所述立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件，其中，所述多个光散射元件中的一个光散射元件保持在：
-第一状态，以使得入射光能够穿过所述光散射元件，或
-第二状态，以使得能够通过入射光的散射将图像投影到所述光散射元件上；
以及
-控制器，所述控制器可操作地耦合到所述图像源和所述立体显示模块中的每一个，其中，所述控制器配置为控制以下各项：
-所述多个光散射元件中的一个光散射元件，以将所述光散射元件保持在所述第二状态；
-所述多个光散射元件中的剩余光散射元件，以将所述剩余光散射元件保持在所述第一状态；以及
-所述多个显示单元，以发射准直光以将所述图像投影到保持在所述第二状态的所述光散射元件上。
另一方面，本公开的实施例提供了一种用于用于操作图像显示系统的方法，所述方法包括：
-使用图像源产生图像，其中，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元，并且其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光以产生所述图像的像素；
-提供立体显示模块，所述立体显示模块模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件，其中，所述多个光散射元件中的一个光散射元件保持在：
-第一状态，以使得入射光能够穿过所述光散射元件；或
-第二状态，以使得入射光能够散射以及使得能够将图像投影到所述光散射元件上；
-使用控制器控制以下各项：
-所述多个光散射元件中的一个光散射元件，以将所述光散射元件保持在所述第二状态，
-所述多个光散射元件中的剩余光散射元件，以将所述剩余光散射元件保持在所述第一状态，以及
-所述多个显示单元，以发射准直光以将所述图像投影到保持在所述第二状态的所述光散射元件上。
在又一方面，本公开的实施例提供了一种图像投影设备，其中，所述图像投影设备配置为在立体显示模块的光散射元件上产生图像，并且其中，所述图像投影设备包括：
-图像源，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元，其中所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光以产生所述图像的像素；以及
-控制器，所述控制器可操作地耦合到所述图像源，其中，所述控制器被配置为控制所述多个显示单元发射准直光以在所述立体显示模块的所述光散射元件上产生所述图像的对应像素。
本公开的实施例基本上消除了或至少部分地解决了现有技术中的上述问题，并且能够通过立体显示设备真实地描绘三维图像。此外，所展示的三维图像具有增强的心理深度线索和物理深度线索，以正确模仿与观看者正在观看的图像相关联的深度。此外，通过将现实世界环境的视图与正在观看的图像相结合，进一步增强了观看者的体验。
本公开的附加方面、优点、特征和目的将从结合所附权利要求解释的说明性实施例的详细描述和附图变得明显。
应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以各种组合进行组合。
附图说明
以上发明内容以及以下详细描述的说明性实施例在结合附图阅读时可以被更好地理解。为了说明本公开，附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文公开的特定方法和手段。此外，本领域技术人员将理解附图不是按比例绘制的。在可能的情况下，相同的元件用相同的数字表示。
现在将仅通过示例的方式，参照下图描述本公开的实施例。
图1和图2是根据本公开的各种实施例的图像显示系统的示意图。
图3和图4是根据本公开的各种实施例的、被实现为头戴式显示设备的图像显示系统的示意图。
图5是根据本公开的实施例的图像显示系统的示意图。
图6是根据本公开的实施例的用于操作图像显示系统的方法的步骤的图示。
在附图中，下划线数字用于表示下划线数字所在的项目或下划线数字相邻的项目。无下划线数字与由将无下划线数字链接到项目的线所标识的项目相关。当数字不带下划线并伴有相关箭头时，不带下划线的数字用于标识箭头所指向的一般项目。
具体实施例
以下详细描述说明了本公开的实施例以及它们可以实现的方式。尽管已经公开了一些实施本公开的方式，但是本领域技术人员将认识到用于实施或实践本公开的其他实施例也是可能的。
一方面，本公开的实施例提供了一种图像显示系统，包括：
-用于产生图像的图像源，其中，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元，并且其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光以产生所述图像的像素；
-立体显示模块，包括以堆叠方式布置的多个光散射元件，其中，所述多个光散射元件中的一个光散射元件保持在：
-第一状态，以使得入射光能够穿过所述光散射元件，或
-第二状态，以使得能够通过入射光的散射将图像投影到所述光散射元件上；
以及
-控制器，可操作地耦合到所述图像源和所述立体显示模块中的每一个，其中，所述控制器配置为控制以下各项：
-所述多个光散射元件中的一个光散射元件，以将该光散射元件保持在所述第二状态；
-所述多个光散射元件中的剩余的光散射元件，以将剩余的光散射元件保持在所述第一状态；以及
-所述多个显示单元，以发射准直光以将所述图像投影到保持在所述第二状态的所述光散射元件上。
另一方面，本公开的实施例提供了一种用于操作图像显示系统的方法，所述方法包括：
-使用图像源产生图像，其中，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元，并且其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光以产生所述图像的像素；
-提供立体显示模块，所述立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件，其中，所述多个光散射元件中的一个光散射元件保持在：
-第一状态，以使得入射光能够穿过该光散射元件；或
-第二状态，以使得入射光能够散射以及能够将所述图像投影到该光散射元件上；
-使用控制器对以下各项进行控制：
-所述多个光散射元件中的一个光散射元件，以将该光散射元件保持在所述第二状态，
-所述多个光散射元件中的剩余的光散射元件，以将剩余的光散射元件保持在所述第一状态，以及
-所述多个显示单元，以发射准直光以将所述图像投影到保持在所述第二状态的所述光散射元件上。
在又一方面，本公开的实施例提供了一种图像投影设备，其中，所述图像投影设备配置为在立体显示模块的光散射元件上产生图像，并且其中，所述图像投影设备包括：
-图像源，该图像源包括布置成阵列的多个显示单元，其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光以产生所述图像的像素；以及
-控制器，该控制器可操作地耦合到所述图像源，其中，所述控制器被配置为控制所述多个显示单元发射准直光以在所述立体显示模块的所述光散射元件上产生所述图像的对应像素。
图像显示系统包括图像源。该图像源包括多个显示单元，使得该多个显示单元配置为发射准直光以产生图像。由于用于产生图像而传输的光所经历的发散，使用准直光产生的图像降低了图像质量(例如图像分辨率)损失。因此，与通过用于产生图像的常规技术产生的图像相比，由图像源产生的图像具有高图像分辨率、清晰度等。此外，图像显示系统包括立体显示模块，该立体显示模块包含多个光散射元件，使得每个光散射元件可以在第一状态和第二状态之间切换。这样的多个光散射元件能够将三维图像的不同平面以不同的深度进行投影，从而使观看者能够体验图像内所展示的对象的实际深度。此外，由于观看者的眼睛可以在与不同的光散射元件相关联的不同物理深度处聚焦，因此观看者不会经历辐辏冲突，从而能够克服与向观看者显示三维内容的传统立体技术相关的各种问题。此外，由于图像源能够产生具有高质量(例如高图像分辨率和/或亮度)的图像而无需额外的光学元件，因此与市售立体显示系统相比，该图像显示系统紧凑、耐用且高效。
贯穿本公开，术语“图像显示系统”是指能够向观看者显示一个或多个图像的互连组件的系统。使用图像显示系统显示的这样的一个或多个图像可以是三维图像。贯穿本公开使用的术语“三维图像”是指使观看者能够感知图像内所显示的对象的深度的图像。例如，传统的图像显示系统能够将二维图像展示给观看者，使得观看者在二维平面(例如，在所使用的、用于显示二维图像的显示屏上)上仅感知图像内显示的对象的高度和宽度。此外，这种二维图像在显示屏上的显示使得观看者将对象感知为具有单位深度(或没有深度)。然而，图像显示系统使观看者能够感知对象的二维性质以及图像内显示的对象的深度(这在下文中进行了更详细地解释)。
图像显示系统可用于要求观看者感知图像内显示的对象的深度的应用中。对象的这种深度是对象的实际深度(或基本接近于实际深度)，这与观看者在二维平面上的对象的立体重建期间所感知的对象的立体深度相反。例如，产品设计师可以在使用计算机建模软件设计产品时使用该图像显示系统，以感知同时从多个方向设计的产品。在另一示例中，图像显示系统可以用于医疗应用，例如由医生查看患者的三维身体扫描。
图像显示系统包括用于产生图像的图像源。图像源是图像显示系统的一个组件，图像源接收并随后产生与要使用图像显示系统显示的图像相关联的图形信息。图像源可以可操作地耦合到计算机，使得计算机向图像源提供图形信息以显示为图像。例如，可以使用通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)连接、高清多媒体接口(High-DefinitionMultimedia Interface，HDMI)连接、无线通信链接(例如，通过使用WiGig或局域网)等将计算机耦合到图像源。此外，计算机使用能够优化图像显示的文件格式向图像源提供图形信息。可替代地，计算机使用第一文件格式向图像源提供图形信息，并且图像源将图形信息的文件格式从第一文件格式转换为第二文件格式以实现图像的最佳显示。
如前所述，使用图像显示系统显示的图像是三维图像(以下称为“3D图像”)。因此，由图像源产生的图像包括与要使用图像显示系统显示的3D图像相对应的多个图像切片。贯穿本公开使用的术语“图像切片”是指3D图像的平面部分中的每一个。当对象的这种图像切片在被放在一起时能够显示3D图像，使得观看者可以感知在3D图像内显示的对象的深度。例如，3D图像内待显示的对象是球体。在这种示例中，球体的图像切片对应于第一组圆和第二组圆，第一组圆中的每个圆的直径都大于第一组圆中的前一个圆的直径，第二组圆中的每个圆的直径都小于第二组圆中的前一个圆的直径。此外，由具有直径大于第一组圆或第二组圆内的任一圆的直径的圆将第一组圆和第二组圆隔开，使得该圆对应于球体的中间平面。此外，当将与第一组圆、具有最大直径的圆和第二组圆对应的图像切片按上述顺序布置在一起并显示给观看者时，观看者感知到与球体相关联的深度。这种使用图像切片的3D图像的显示提供了一种便捷的技术，使观看者能够感知到图像内显示的对象的深度。此外，这样的图像切片减少了改变图像(例如，用于图像的立体重建)的必要性，从而保持图像的质量(例如，图像分辨率和/或清晰度)。此外，使用图像切片显示3D图像减少了显示图像深度所需的图像预处理量(例如，用于图像的光场渲染或全息渲染)。
图像源包括布置成阵列的多个显示单元。贯穿本公开使用的术语“显示单元”涉及可被控制以发光的电子部件。多个显示单元中的每一个所发出的光可以被控制为具有与其他显示单元相同或不同的特性(例如颜色和/或强度)。例如，可以控制多个显示单元中的每个显示单元发出红光。在另一示例中，可以控制第一组多个显示单元发出蓝光，而控制第二组多个显示单元发出绿光。此外，显示单元以阵列布置，例如以具有预定行数和列数的矩形矩阵布置。例如，显示单元布置成具有1920列和1080行的阵列，使得显示的图像具有1920×1080像素的图像分辨率。在另一示例中，显示单元布置成具有4096列和2160行的阵列，使得显示的图像具有4096×2160像素的图像分辨率(或“4K分辨率”)。
此外，多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光以用于产生图像的像素。如上所述，每个显示单元可以被控制为发射具有特定颜色和强度特性的光。此外，每个显示单元被配置为发射准直光。这种准直光是作为包括平行光线的光束发射的，使得发射光在从源(例如显示单元)传输到发射光的目标(例如立体显示模块的光散射元件，这在后面会详细解释)期间经历最小的发散。应当理解，与发射光相关联的发散度的这种减小提高了由发射光产生的图像的质量(例如，图像分辨率)。此外，多个显示单元中的一个显示单元发射具有与图像的像素相关联的特性的光，使得像素在产生的图像内的位置对应于显示单元在阵列内的位置。例如，显示单元布置成具有4096列和2160行的阵列，所产生的图像分辨率为4096×2160像素。在这种示例中，如果产生的图像右上角的一个像素是白色像素，则控制布置在阵列右上角的显示单元发射具有所需强度的准直光以产生白色像素。这种显示单元可以被实现为被配置为发射与红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素对应的光的RGB(红-绿-蓝)显示器。此外，RGB显示器发出红色光、绿色光和蓝色光，使得红色光、绿色光和蓝色光的组合产生具有所需颜色(例如白色)和强度的像素。可替代地，显示单元可以实现为B&W(黑白)显示器。类似地，如果生成的图像左下角的像素为橙色像素，则控制布置在阵列左下角的显示单元发出具有所需强度的准直光以产生橙色像素。
可选地，显示单元被控制发射对应于所产生图像的子像素的准直光。例如，显示单元可以沿阵列布置成多对，使得属于一对显示单元的每个显示单元被配置为发射具有相同特性的准直光。在这种示例中，当产生的图像右上角的像素为白色像素时，则控制布置在阵列右上角的一对显示单元中的每个显示单元发出白光。可替代地，该对显示单元中的每个显示单元被配置为发射具有不同特性的准直光，使得发射光的组合产生图像的像素。
在一个实施例中，图像源是基于激光二极管的阵列、发光二极管(LED)微显示器、薄膜晶体管液晶显示器或超发光二极管(LED)阵列中的一种。例如，图像源被实现为激光二极管阵列，使得每个激光二极管被配置为发射准直光。在另一示例中，图像源被实现为包括多个微型LED的微型LED显示器，使得多个微型LED中的每个微型LED被控制以发射对应于所产生图像的像素的准直光。
可替代地，图像源可以被实现为透射型空间光调制器的一部分。在这种示例中，透射型空间光调制器包括光源阵列，使得光源阵列的每个光源被配置为发射准直光。此外，每个光源发射的光的特定特性在其通过空间光调制器的传输过程中受到控制，从而能够显示具有高质量(例如，图像分辨率)的图像。可选地，作为透射型空间光调制器的一部分实施的每个光源包括至少一个激光二极管。例如，当图像源被配置为产生多色图像时，每个光源包括一组激光二极管，该组激光二极管配置为分别发射红光、绿光和蓝光。在这种示例中，由使用激光二极管实现的光源发射的光将被高度准直。此外，通过控制每个激光二极管发射的光(例如强度)，可以使所发射的光具有任何颜色，例如通过组合具有红色光、绿色光和蓝色光的光。在另一示例中，当图像源被配置为产生单色图像时，每个光源被实现为被配置为发射单色光的激光二极管。可选地，作为透射型空间光调制器的一部分实施的每个光源包括被配置为发射非相干光的发光设备和位于所发射的非相干光的光路中的光学设备。例如，配置为发射非相干光的发光设备为LED微显示器，位于非相干光的光路中的光学设备为电可调液晶微透镜。在另一示例中，被配置为发射非相干光的发光设备为LED微显示器，并且位于非相干光的光路中的光学设备为光导(例如，光波导)。在这种示例中，光导可以包括至少一个全息光栅，使得由光导接收的非相干光通过至少一个全息光栅传输。因此，离开光导的光将是准直光。进一步作为一种示例，图像源可以使用与相关的准直光学器件结合的超发光二极管来实现。准直光学器件可以是准直光学器件的平面层。这种准直光学器件的示例是单层或多层光学器件，例如微光学器件、全息光学元件、衍射光学元件、金属表面或其任意组合。以上确实形成了准直背板，即用于被准直的图像显示系统的图像源。
可选地，图像源还包括背光设备，背光设备被配置为发射准直且定向的光。例如，图像源被实现为薄膜晶体管液晶显示器(Film Transistor Liquid-Crystal Display，TFTLCD)。这种TFT LCD可以是不发射准直光的图像源，因此需要外部光源来产生图像。因此，背光设备与TFT LCD一起布置，使得背光设备向TFT LCD发射准直且定向的光。背光设备发出的准直且定向的光通过TFT LCD传输，使TFT LCD能够充当图像源并随后产生图像。可选地，在从背光设备发出的光的光路中布置至少一个微透镜、至少一个全息微透镜、至少一个菲涅耳微透镜和/或至少一个超材料微透镜。这样的至少一个微透镜、至少一个全息微透镜、至少一个菲涅耳微透镜和/或至少一个超材料微透镜能够准直背光设备发射的光，从而减少与发射光相关联的发散，并且因此提高TFT LCD使用由背光设备发射的光所产生的图像的质量(例如图像分辨率)。
可选地，图像源包括可操作地耦合到反射型空间光调制器的多个光源。此外，多个光源中的每个光源可以被配置为发射准直光。在一个示例中，多个光源中的每个光源包括至少一个激光束(例如，单个扩展的激光束或对应于不同颜色的多个激光束)。可以理解的是，当多个光源中的每个光源都包括对应于不同颜色的多个激光束时，反射型空间光调制器可以以时序方式发射具有不同颜色的准直光。可选地，作为反射型空间光调制器的一部分实施的每个光源包括至少一个激光二极管。例如，当图像源被配置为产生多色图像时，每个光源包括一组激光二极管，该组激光二极管被配置为分别发射红光、绿光和蓝光。在这种示例中，由使用激光二极管实现的光源发射的光将被高度准直。此外，通过控制每个激光二极管发射的光(例如强度)，可以使所发射的光具有任何颜色，例如通过组合具有红色光、绿色光和蓝色光的光。在另一示例中，当图像源被配置为产生单色图像时，每个光源被实现为被配置为发射单色光的激光二极管。可选地，作为反射型空间光调制器的一部分实施的每个光源包括被配置为发射非相干光的发光设备和位于所发射的非相干光的光路中的光学设备。例如，发射非相干光的发光设备为LED微显示器，位于非相干光光路中的光学设备为电可调液晶微透镜。在另一示例中，配置为发射非相干光的发光设备为LED微显示器，并且位于非相干光的光路中的光学设备为光导(例如，光波导)。在这种示例中，光导可以包括至少一个全息光栅，使得由光导接收的非相干光通过至少一个全息光栅传输。因此，离开光导的光将是准直光。
在一个示例中，反射型空间光调制器可以包括数字微镜设备(DigitalMicromirror Device，DMD)。这种DMD可以包括多个微镜，该多个微镜布置成阵列，使得阵列对应于待由图像源产生的图像的图像分辨率。此外，多个微镜中的每一个微镜可以向多个光源中对应的一个光源倾斜，以实现与图像的一像素对应的光的发射；或者微镜可以倾斜远离光源以防止光的发射。此外，被微镜反射的光可以通过光学元件(例如折叠镜、微透镜或微透镜阵列)和滤色器传输，以使得能够投影具有所需特性(例如颜色和/或强度)的像素。使用可操作地耦合到反射型空间光调制器的多个光源实现的这种图像源能够通过准直且定向的光的发射来产生图像，从而能够向观看者显示具有高质量(例如，图像分辨率)的图像。在另一示例中，反射型空间光调制器可以包括硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon，LCoS)微设备(例如反射LCoS或铁电LCoS微设备)。LCoS微设备可选地采用包含在偏振面板之间的液晶，以将多个光源中的每个光源发射的光引导至微透镜和/或微棱镜。此外，可以使用额外的准直后调制器来提高图像的清晰度。通过微透镜和/或微棱镜传输的光能够投影具有所需特性(例如颜色和/或强度)的像素。
此外，图像显示系统包括立体显示模块，该立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件。立体显示模块是指图像显示系统的如下组件，该组件接收由图像源产生的图像，从而使图像能够展示给观看者。立体显示模块位于由图像源发射的光的光路中。立体显示模块包括多个光散射元件。多个光散射元件中的每个光散射元件单独用作显示屏以能够显示由图像源产生的图像。光散射元件彼此平行布置以形成光散射元件的堆叠。在一个实施例中，立体显示模块被实现为具有整体结构。例如，光散射元件的堆叠被层压以形成整体结构。在另一示例中，树脂层、聚合物层或树脂和聚合物的交替层被布置在以堆叠方式布置的连续光散射元件之间。在这种示例中，在光散射元件之间具有树脂和/或聚合物层的光散射元件的堆叠可以层压在一起以形成整体结构。可选地，立体显示模块被布置在壳体内。例如，壳体可以是立方体结构，其尺寸对应于光散射元件的堆叠。在这种示例中，立方体结构的至少一个面将保持打开以使得观看者能够观看显示在立体显示模块上的3D图像。
此外，多个光散射元件中的一个光散射元件保持在第一状态以使得入射光能够穿过光散射元件，或保持在第二状态以使得能够通过入射光的散射将图像投影在光散射元件上。多个光散射元件中的每个光散射元件实施为电可控的、基于液晶的设备。此外，跨光散射元件施加特定电压会改变该光散射元件光学状态。因此，多个光散射元件中的每个光散射元件可操作地耦合到电压源，该电压源能够将电压施加到光散射元件。光散射元件可以保持在对应于光学透明状态的第一状态。光散射元件的这种光学透明状态使得入射光能够通过光散射元件传输。例如，当保持在第一状态时，基本上95％的属于可见光谱的入射光通过光散射元件传输。可替代地，光散射元件可以保持在对应于光学光散射状态的第二状态。光散射元件的这种光学光散射状态导致入射在光散射元件上的光被散射，从而能够将图像投影到光散射元件上。
基于特定电压的施加或施加电压的移除，可操作地耦合到多个光散射元件中的每一个的电压源使得每个光散射元件的光学状态能够在第一状态和第二状态之间改变。例如，电压源被配置为将特定电压施加到光散射元件以将光散射元件保持在第一状态(或光学透明状态)。相应地，电压源被配置为所施加的电压从光散射元件移除，以将光散射元件的光学状态从第一状态改变为第二状态(或光学光散射状态)。此外，在图像显示系统的操作期间，多个光散射元件中仅一个光散射元件保持在光学光散射状态，而所有其他光散射元件在任何给定时刻均保持在光学透明状态。保持在光学光散射状态的光散射元件用作显示屏以允许图像投影在光散射元件上，使得图像对应于图像源通过从图像源发射的光而产生的图像。可选地，多个光散射元件中的每个光散射元件从光学透明状态连续切换到光学光散射状态。相应地，3D图像的多个图像切片中的一个图像切片被投影到保持在光学光散射状态的光散射元件上，以使得能够在立体显示模块上显示3D图像(在下文中详细解释)。
在一个实施例中，图像显示系统还包括光学结构，该光学结构包括布置成阵列的多个光管。光学结构被实施为使得阵列包括与图像源的多个显示单元中的每个显示单元对应的光管。例如，当多个显示单元布置成具有1920列和1080行的阵列时，多个光管布置成具有1920列和1080行的阵列。光学结构位于图像源与立体显示模块之间。因此，由多个显示单元中的一个显示单元发射的光从多个光管中的一个相应的光管的一端进入，并从该光管的另一端射出。此外，每个光管的内表面被配置为吸收光，使得从显示单元发射的可能发散的光从光管的一端进入并从光管的另一端出来以待进行预准直。例如，光管可以被配置为通过沿着光管的内表面吸收光来限制离开光管的光的发散。在这种示例中，如果离开光管的光的最大发散角由角β给出，并且当光管与长度“l”和直径“d”相关联时，则最大发散角β可以确定为2arctan(d/l)。此外，每个光管的直径d将对应于被配置为将光发射到光管中的图像源的显示单元的直径(使得显示单元被实施为点光源)。因此，通过光学结构传输的光将是发散角小于或等于最大发散角β的准直光，使得在光散射元件上产生的图像将具有高质量(例如，高图像分辨率和亮度)。此外，每个光管的长度是基于待实现的光的所需准直来选择的。可以理解的是，每个光管长度的这种选择还取决于图像显示系统中使用的每个显示单元的质量，使得与每个显示单元发射的光相关的更高发散量需要实现更多的光准直。相应地，与每个显示单元发射的光相关的发散量较低时相比，光学结构的每个光管的长度将被选择为更长，以实现更高的准直。此外，可选地，每个光管的体积填充有透明介质，使得透明介质的折射率高于空气的折射率(例如，空气的折射率基本上为“1”)。例如，光学透明介质包括光学树脂、聚合物或半粘性介质。
在另一个实施例中，图像显示系统还包括光学设备，该光学设备包括布置成阵列的多个光学元件，其中，光学设备位于图像源和立体显示模块之间，并且其中，多个光学元件对应于图像源的多个显示单元。
在一个实施例中，图像显示系统还包括光学设备，该光学设备包括布置成阵列的多个光学元件。光学设备是图像显示系统的一个组件，用于改善由图像源的多个显示单元发射的光的准直度。光学设备位于图像源与立体显示模块之间。例如，当图像显示系统包括光学结构时，光学设备布置在离开光学结构的光的光路中。此外，多个光学元件对应于图像源的多个显示单元和光学结构的多个光管，使得光学元件位于来自每个显示单元和/或光管的光路中。由图像源的多个显示单元发射的光经由多个光管而传输，并且被传输通过光学设备的多个光学元件。光学设备的这种光学元件聚焦光，从而减少所传输的光的发散并改善所传输的光的准直度。光学设备包括多个光学元件，该多个光学元件被布置成阵列，使得多个光学元件的阵列对应于图像源的多个显示单元的阵列以及光学结构的多个光管的阵列。因此，经由每个光管传输的光通过位于其光路中的多个光学元件中的一个光学元件传输。例如，当多个显示单元和光管以具有1920列和1080行的阵列布置时，多个光学元件以具有1920列和1080行的阵列布置。在这种示例中，经由每个光管而传输的光通过单独的光学元件传输以形成对应于所产生图像的像素的一束准直光。可选地，可以使用多个光学元件阵列来实现光学设备。例如，使用以堆叠方式布置的至少两个光学元件阵列来实现光学设备，使得每个光学元件阵列包括多个光学元件(并且每个光学元件阵列包括对应于图像源的多个显示单元和/或光学结构的多个光管的光学元件)。因此，在通过光学结构的多个光管中的光管传输的光的光路中布置了多于一个的光学元件，使得每个光学元件在光通过光学元件传输期间聚焦和重新聚焦光。因此，通过光学设备传输的光的准直度得到了多方面的改善。
根据一种实施例，多个光学元件中的每个光学元件是微透镜、全息微透镜、菲涅耳微透镜、超材料微透镜或可调焦微透镜(例如电可调液晶微透镜)中的一种。例如，多个光学元件中的每个光学元件被实现为常规微透镜，该常规微透镜从一侧接收入射光并从相对侧发射聚合光束。在另一示例中，多个光学元件中的每个光学元件被实现为电可调液晶微透镜。在这种示例中，每个电可调液晶微透镜可操作地耦合到电压源，该电压源被配置为向电可调液晶透镜施加电压。应当理解，当施加电压时，可以改变电可调液晶透镜的焦距。因此，当光从对应的显示单元发射并通过电可调液晶透镜传输时，施加电压以对通过电可调液晶透镜传输的光进行聚焦并改善光的准直度。可选地，这种电压源可以耦合到控制电压的施加和移除的控制器。
可选的，多于一个的光学元件被设置为多个显示单元中的每个显示单元对应。例如，一对光学元件(例如一对微透镜)位于每个显示单元的光路中。可替代地，多于一个的光学元件被设置为与待显示的图像的每个像素对应。例如，当一对显示单元被配置为发射与图像的像素对应的准直光时，一对光学元件位于该对显示单元的光路中。在这种示例中，该对光学元件中的一个光学元件对应于该对显示单元中的一个显示单元。此外，由该对显示单元发射的并通过该对光学元件传输的准直光能够产生与待显示的图像对应的像素。
图像显示系统包括可操作地耦合到图像源和立体显示模块中的每一个的控制器。控制器是图像显示系统的组件，控制器通过控制图像显示系统的不同的其他组件(例如图像源和立体显示模块)来实现图像显示系统的操作。控制器可以实现为微控制器，该微控制器电耦合到图像源和立体显示模块中的每一个。此外，控制器被配置为通过向图像源和立体显示模块传输信号(例如，模拟信号或数字信号)来控制图像源和立体显示模块的操作。这种信号携带必要的信息以实现图像源和立体显示模块中的每一个的正确操作。
控制器被配置为控制多个光散射元件中的一个光散射元件，以将该光散射元件保持在第二状态。如上所述，在任何给定时刻，多个光散射元件中只有一个光散射元件保持在光学光散射状态。保持在光学光散射状态的光散射元件用作显示屏以能够投影由图像源产生的图像。控制器经由电压源耦合到多个光散射元件中的每个光散射元件。控制器被配置为控制电压源以移除在任何给定时刻施加到仅一个光散射元件上的电压，以保持光散射元件处于光学光散射状态。
控制器被配置为控制多个光散射元件中的剩余光散射元件，以将剩余光散射元件保持在第一状态。控制器被配置为控制电压源向除了待保持在光学光散射状态的光散射元件之外的所有剩余光散射元件施加电压，以将剩余光散射元件保持在光学透明状态。此外，控制器被配置为从光散射元件接连地移除所施加的电压，使得堆叠的每个光散射元件在预定持续时间(例如，以微秒的数量级)保持在光学光散射状态，而所有其他光散射元件都保持在光学透明状态。例如，如果堆叠的多个光散射元件包括10个光散射元件，则控制器被配置为控制电压源以在预定持续时间从该10个光散射元件中的第一个光散射元件移除所施加的电压(同时将电压施加到堆叠的所有其他光散射元件上)。在这种示例中，控制器被配置为：一旦预定持续时间已经过去，则控制电压源将电压施加到第一个光散射元件上，同时从该10个光散射元件中的第二个光散射元件移除所施加的电压(同时将电压施加到堆叠的所有其他光散射元件上)。类似地，控制器被配置为控制电压源接连地移除所施加的电压，直到在预定持续时间内从该10个光散射元件中的最后一个光散射元件移除所施加的电压。随后，控制器被配置为从该10个光散射元件中的第一个光散射元件移除所施加的电压，以重新开始上述过程。
基于立体显示模块的“立体刷新率”来选择使多个光散射元件中的每个光散射元件保持在第二状态的预定持续时间。立体显示模块的立体刷新率与每个光散射元件从第一状态切换到第二状态并切换回第一状态的频率有关。可以理解的是，立体显示模块的立体刷新率将根据人类视觉系统的“闪烁融合阈值”来选择。人类视觉系统的闪烁融合阈值与间歇性光刺激的变化频率有关，使得光刺激在观看者看来是完全稳定的。因此，立体刷新率被选择为使得当在从光学透明状态变为光学光散射状态的连续的光散射元件上显示不同的图像切片从光学透明状态变为光学光散射状态时，不同图像切片的集合使观看者能够将在图像内显示的三维对象感知为在立体显示模块上显示的连续的立体对象(下文将详细解释)。
控制器被配置为控制多个显示单元发射准直光以将图像投影到保持在第二状态的光散射元件上。如前所述，由图像源产生的图像包括多个图像切片。控制器被配置为控制多个显示单元发射准直光，使得在任何给定时刻仅产生多个图像切片中的一个图像切片。因此，由多个显示单元产生的图像切片被投影到保持在第二状态(或光学光散射状态)的光散射元件上。应当理解，如果保持在第二状态的光散射元件是不位于堆叠前面的光散射元件，那么由于其他光散射元件将被保持在第一状态(或光学透明的状态)，因此由多个显示单元发射的准直光会通过其他光散射元件传输，直到准直光到达保持在第二状态的光散射元件。此外，当控制器将每个连续的光散射元件从第一状态切换到第二状态时，控制器被配置为控制多个显示单元发射与多个图像切片中的不同图像切片对应的准直光。控制器被配置为控制多个显示单元直到于3D图像的所有图像切片对应的准直光已经被发射，使得所有这些图像切片的显示与立体显示模块上的“立体帧”的显示有关。可选地，控制器被配置为以任何预定义的顺序将光散射元件从第一状态切换到第二状态。例如，控制器被配置为将位于奇数位置(例如第一、第三、第五等)的光散射元件从第一状态切换到第二状态，随后将位于偶数位置(例如第二、第四、第六等)的光散射元件从第一状态切换到第二状态。在另一示例中，控制器被配置为随机地将光散射元件从第一状态切换到第二状态。
此外，用于切换投影图像切片的频率对应于立体显示模块的立体刷新率，使得多个图像切片中的不同图像切片显示在多个光散射元件的不同光散射元件上。因此，由于用于显示图像切片的频率将大于人类视觉系统的闪烁融合阈值，因此对多个图像切片的感知使得图像显示系统能够将3D图像内的对象作为连续的、立体的对象显示给观看者。
可选地，控制器可操作地耦合到计算机。控制器被配置为从计算机接收与图像相关联的图形信息并将图形信息提供给图像源以显示给观看者。例如，控制器被配置为从计算机接收第一文件格式的图形信息，并随后将该文件格式转换为第二文件格式以使得图像源能够在立体显示器上最佳地显示图像。在另一示例中，控制器被配置为在图像源产生图像之前缓冲图形信息。
可选地，图像源、光学设备、立体显示模块和控制器可以位于壳体内。这种壳体可以包括图像源和立体显示模块之间的空气间隙，以使得由图像源发射的光能够朝向立体显示模块传输。此外，壳体包括用于将图像显示系统的各种部件可操作地耦合在一起的各种电气和电子部件(例如电线、电插座等)。
在一个实施例中，图像源被配置为以相对于立体显示模块的平面的法线的一倾斜角发射准直光。如上所述，当多个光散射元件中的一个光散射元件保持在光学光散射状态时，所有其他光散射元件保持在光学透明状态。此外，当图像源发出的光完全准直时(例如，没有任何光束的光线发散)，观看者会感知到图像的图像切片位于与光学散射元件相对于堆叠的光散射元件的深度对应的深度处。然而，由图像源发射的光不能被完美地准直，并且发射的光在到达保持在光学光散射状态的光散射元件之前会经历一些发散。例如，当由显示单元发射的光束在到达以堆叠方式布置的多个光散射元件中的第一个光散射元件时可以具有直径D1。然而，该光束可能经历发散并且在离开以堆叠方式布置的多个光散射元件中的最后一个光散射元件之前这束光的直径可能增加到D2。因此，由于光束所经历的发散以及光束的直径从D1到D2的增加，观看者在观看分别投影在第一个光散射元件和最后一个光散射元件上的图像切片时会体验到不同质量的图像(例如，具有不同图像分辨率和/或清晰度的图像)。此外，观看者可能在位于预期的光散射元件之后的光散射元件处感知到发射光束的未散射的分量，因此，导致观看者除了在预期的光散射元件上感知到适当图像之外，还会在位于预期的光散射元件之后的光散射元件上感知到模糊的图像，这种模糊的图像进一步导致观看者对3D图像的观看体验的劣化。
图像源被布置成使得多个显示单元中的每个显示单元相对于立体显示模块的平面的法线以倾斜角α发射光。术语“平面的法线”是指垂直于平面并用作确定平面在空间中的定向方向的参考的向量。应当理解，由于立体显示模块的多个光散射元件中的每一个彼此平行布置，所以每个光散射元件的法线将是平行的。此外，每个光散射元件的法线将平行于立体显示模块的平面的法线。
可选地，当图像源没有发射准直光时(例如，在TFT LCD的情况下)，用于照亮图像源的外部光源被配置为以相对于立体显示模块的平面的法线的倾斜角α发射光。
可选地，图像源发射准直光并且数字微镜设备(Digital Micromirror Device，DMD)位于发射光的光路中。此外，DMD被配置为以相对于立体显示模块的平面的法线的倾斜角α反射所发射的光。更可选地，全内反射(Total Internal Reflection，TIR)棱镜位于从DMD反射的光的光路中以管理所反射的光的传输方向。
光的发射方向与立体显示模块的平面的法线之间的倾斜角被选择为使得观看者无法在位于预期的光散射元件之后的光散射元件处感知到所发射的光的任何未散射的分量。在一个实施例中，倾斜角在5°到30°的范围内。例如倾斜角从5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°或23°至8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°或30°。在另一实施例中，倾斜角在10°至20°的范围内。例如，倾斜角从10°、11°、12°、13°、14°、15°或16°至12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°或20°。此外，观看者无法感知到所发射的光的未散射的分量，这使得观看者无法感知在位于预期的光散射元件之后的光散射元件处形成的模糊图像，从而改善了观看者对于3D图像的观看体验。
应当理解，光的发射方向与立体显示模块的平面的法线之间的倾斜角会导致由图像源产生的图像与投影在保持在第二状态的光散射元件上的图像之间的未对准。控制器被配置为在将图形信息传输到用于产生图像的图像源之前预处理与图像相关联的图形信息，以解决未对准。因此，控制器被配置为移动待由图像源产生的图像，使得投影在光散射元件上的图像被适当地对准。然而，图像的这种偏移可能导致投影在光散射元件上的图像的质量(例如图像分辨率和/或清晰度)下降。因此，图像源被配置为产生与待投影在保持在第二状态的光散射元件上的图像的所需图像分辨率相比具有更高图像分辨率的图像。
在一个实施例中，图像源、立体显示模块和控制器中的每一个都被结合在桌面式显示设备中。这种桌面式显示设备是布置成类似于环境中的桌子(家具物品)的显示设备。桌面式显示设备使观看者能够在桌子表面观看图像。桌面式显示设备可以包括壳体，并且图像源可以靠近壳体的底部布置，使得图像源被配置为沿着竖直向上的方向发射准直光。此外，立体显示模块布置在靠近桌子的表面，使得当观看者坐在或站在桌子附近时，在立体显示模块上向观看者显示3D图像。可选地，图像源被配置为以相对于立体显示模块的平面的法线的倾斜角发射准直光。如上所述，当图像源被配置为以倾斜角发射准直光时，防止观看者感知由图像源发射的光的未散射的分量。因此，观看者不会感觉到在预期的光散射元件之后的光散射元件处形成的模糊图像，从而使桌面显示器内实施的图像显示系统能够提供高质量的3D图像(例如，具有高图像分辨率和/或清晰度的图像)给观看者。可选地，多于一个的这种桌面式显示器可以被布置为彼此靠近以用于协作应用，例如显示与单个桌面式显示器的宽度相比具有更大尺寸的3D图像或3D环境。
根据实施例，图像源、立体显示模块和控制器中的每一个都被结合在平视显示器(Heads-up Display，HUD)中。例如，HUD包括壳体并且图像源布置在靠近HUD的后部。此外，立体显示模块布置在靠近HUD的前部并且图像源被配置为朝向立体显示模块发射准直光。此外，观看者会感知到在HUD前面展示的3D图像。可选地，HUD包括布置在从立体显示模块到观看者的光路中的光学元件(例如光波导)。因此，基于光学元件在HUD内的布置，图像源可以布置在任何其他方向。例如，这种光学元件包括配置为改善从立体显示模块发射的光的准直度的折叠光学元件、聚焦光学元件(例如，微透镜阵列)等。
在一个实施例中，图像源、立体显示模块和控制器中的每一个都被结合在近眼显示设备中。近眼显示设备可以是例如头戴式显示设备(Head-mounted display device，HMD)设备。近眼显示设备也可以简称为显示器或设备，在本文中含义相同。例如，近眼显示设备可以是头戴式虚拟现实(Virtual-reality，VR)设备。在这种示例中，HMD设备包括壳体并且图像源被布置为朝向壳体的后部并且远离HMD设备的佩戴者的眼睛。此外，立体显示模块充当HMD设备的显示器并且被布置为靠近HMD设备的佩戴者的眼睛。
在另一示例中，近眼显示设备可以是头戴式增强现实(Augmented-reality，AR)显示设备。头戴式增强现实(AR)显示设备可以包括壳体，并且图像源位于壳体内。此外，立体显示模块位于从图像源发射的准直光的光路中。然而，立体显示模块可以布置在HMD设备的佩戴者的眼睛的远侧。在这种示例中，HMD设备还包括布置在立体显示模块和佩戴者的眼睛之间的光学元件。这种光学元件可以包括布置在立体显示模块和观看者的眼睛之间的光路中的光波导，使得光波导通过其全内反射传输从立体显示模块发射的光。可选地，HMD设备还包括至少一个全息光栅，该至少一个全息光栅被布置为位于立体显示模块和近眼显示设备的佩戴者的眼睛之间。该至少一个全息光栅起到将从立体显示模块发射的光引导至观看者的眼睛的作用。该至少一个全息光栅可以包括输入耦合全息光栅，输入耦合全息光栅被布置为位于立体显示模块和光波导之间的光路中。可替代地，HMD设备包括布置为位于立体显示设备和观看者的眼睛之间的全息镜，使得全息镜充当图像组合器以将由立体显示设备投影的图像与观看者的现实世界环境组合。此外，HMD设备还包括至少一个全息光栅，该至少一个全息光栅被布置为位于立体显示模块和观看者的眼睛之间，使得该至少一个全息光栅起到将从全息镜反射的光导向观看者的眼睛。在一个示例中，光波导是使用光学透明材料实现的，并且至少一个全息光栅被制造为光波导的一部分。在这种示例中，朝向光波导发射的光由被制造为光波导的一部分的至少一个全息光栅操纵。此外，作为光波导的一部分制造的这种至少一个全息光栅提高了光波导相对于为观看者显示的图像的透明度，从而能够提高与作为观看者周围真实世界环境的一部分的3D对象的显示相关联的、观看者的沉浸感。可选地，HMD设备还包括位于立体显示模块和至少一个全息光栅之间的聚焦光学元件(例如，微透镜阵列、全息微透镜、菲涅耳微透镜、超材料微透镜和/或电可调液晶透镜)，使得聚焦光学元件被配置为协助将从立体显示模块传输的光导向至观看者的眼睛。可选地，至少一个全息光栅中的每一个是表面光栅或立体光栅。例如，至少一个全息光栅中的每一个都是立体光栅。可以通过将包括全息光栅的聚合物膜附着到结构坚固、光学透明的基板(例如矿物玻璃、有机玻璃等)上来制造这种立体光栅。
根据另一实施例，图像显示系统还包括至少一个全息光栅，该至少一个全息光栅被布置为位于光源和立体显示模块之间。
此外，公开了一种图像投影设备。以上公开的与图像显示设备相关的变型和实施例加以必要的变通适用于图像投影设备。图像投影设备被配置为在立体显示模块的光散射元件上产生图像。图像投影设备包括图像源，图像源包括布置成阵列的多个显示单元，其中，多个显示单元中的每个显示单元被配置为发射准直光以产生图像的像素。此外，图像投影设备包括控制器，控制器可操作地耦合到图像源，其中，控制器被配置为控制多个显示单元发射的准直光以在立体显示模块的光散射元件上产生图像的对应像素。
可选地，图像源为基于激光二极管的阵列、发光二极管微显示器或薄膜晶体管液晶显示器中的一种。可选地，图像投影设备还包括光学结构，光学结构包括布置成阵列的多个光管，光学结构位于图像源和立体显示模块之间，多个光管对应于图像源的多个显示单位。可选地，图像投影设备还包括光学设备，光学设备包括布置成阵列的多个光学元件，其中，光学设备位于通过光学结构传输的光的光路中，并且其中，多个光学元件对应于光学结构的多个光管。在另一实施例中，图像投影设备包括光学设备，光学设备包括布置成阵列的多个光学元件，其中，光学设备位于图像源和立体显示模块之间的光的光路中，并且其中，多个光学元件对应于图像源的多个显示单元。可选地，多个光学元件中的每个光学元件是微透镜、全息微透镜、菲涅耳微透镜、超材料微透镜或可聚焦微透镜(例如电可调谐液晶微透镜)之一。可选地，图像源包括可操作地耦合到空间光调制器的多个光源。更可选地，空间光调制器是以下之一：透射型空间光调制器，或反射型空间光调制器。
上面公开的各种实施例和变体加以必要的变通适用于图像投影设备。
此外，公开了一种用于用于操作图像显示系统的方法。该方法包括使用图像源产生图像，其中，图像源包括布置成阵列的多个显示单元，并且其中，多个显示单元中的每个显示单元被配置为发射准直光以产生图像的像素。此外，该方法包括提供立体显示模块，该立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件，其中，多个光散射元件中的一个光散射元件保持在第一状态以使得入射光能够穿过该光散射元件，或保持在第二状态以使得入射光能够散射以及能够将图像投影在该光散射元件上。此外，该方法包括使用控制器控制多个光散射元件中的一个光散射元件以将该光散射元件保持在第二状态，以及控制多个光散射元件的剩余光散射元件以将剩余光散射元件保持在第一状态。该方法包括使用控制器控制多个显示单元发射准直光以将图像投影到保持在第二状态的光散射元件上。可选地，图像显示系统还包括多个可调焦微透镜，例如位于图像源和立体显示模块之间的电可调液晶微透镜，并且多个电可调液晶微透镜中的每一个都可操作地耦合到控制器。该方法还包括使用控制器控制多个光散射元件中的一个光散射元件以将该光散射元件保持在第二状态，以及使用控制器控制多个电可调液晶微透镜以对从图像源发射到保持在第二状态的光散射元件上的准直光进行聚焦。
上面公开的各种实施例和变体加以必要的变通适用于该方法。
附图的详细描述
参照图1，示出了根据本公开的实施例的图像显示系统100的示意图。如图所示，图像显示系统100包括用于产生图像的图像源102。图像源102包括布置成阵列的多个显示单元104。此外，图像显示系统100包括立体显示模块106，该立体显示模块106包括以堆叠方式布置的多个光散射元件108。图像显示系统100包括光学设备110，该光学设备110包括布置成阵列的多个光学元件112。如图所示，光学设备110位于图像源102和立体显示模块106之间。此外，图像显示系统100包括控制器114，其可操作地耦合到图像源102和立体显示模块106中的每一个。如图所示，控制器114包括耦合到图像源102、光学设备110和散射驱动器118中的每一个的控制逻辑116。控制逻辑116被配置为控制图像源102、光学设备110和散射驱动器118中的每一个的操作。此外，散射驱动器118可操作地耦合到多个光散射器元件108中的每一个并且被配置为控制该多个光散射器元件108中的每一个的操作(例如，在第一状态和第二状态之间切换)。
参照图2，示出了根据本公开的实施例的图像显示系统200的示意图。图像显示系统200包括用于产生图像的图像源202。图像源202包括布置成阵列的多个显示单元204。此外，图像显示系统200包括立体显示模块206，该立体显示模块206包括以堆叠方式布置的多个光散射元件208。如图所示，图像源202被配置为以相对于立体显示模块206的平面的法线212的倾斜角α发射准直光210。从图像源202发射的光被散射元件208散射并且散射的光到达观看者的眼睛214。
参照图3，示出了根据本公开的实施例的实现为头戴式显示设备300的图像显示系统的示意图。头戴式显示设备300包括图像源302和位于来自图像源302的光路中的立体显示模块304。头戴式显示设备300包括位于立体显示模块304和观看者的眼睛308之间的光的光路中的光波导306。此外，头戴式显示设备300包括至少一个全息光栅，例如内耦合全息光栅310、中间全息光栅312和出射全息光栅314，该至少一个全息光栅布置为位于立体显示模块304和头戴式显示设备300的佩戴者的眼睛308之间。此外，头戴式显示设备300包括位于立体显示模块304和内耦合全息光栅310之间的聚焦光学元件316。
参照图4，示出了根据本公开的实施例的实现为头戴式显示设备400的图像显示系统的示意图。头戴式显示设备400包括图像源402和位于来自图像源402的光路中的立体显示模块404。此外，头戴式显示设备400包括光学设备406，该光学设备位于从立体显示模块404传输的光的光路中，使得光学设备406聚焦光以改善光的准直度。可选地，光学设备406用作放大目镜。此外，头戴式显示设备400包括光学图像组合器408，光学图像组合器408使得与真实世界的对象410相关联的光能够到达观看者的眼睛412。可选地，光学图像组合器408被实现为半透明镜。如图所示，光学图像组合器408在其内部结合了至少一个全息光栅414。可选地，至少一个全息光栅414被实现为立体光栅。如图所示，从立体显示模块404传输的光穿过光学设备406并且随后被光学图像组合器408朝向观看者的眼睛412反射。此外，当这种光与虚拟3D对象416(例如，计算机生成的对象)相关联时，由于真实世界的对象410对于观看者的眼睛412可见的，因此观看者将虚拟3D对象416感知为是真实世界环境的一部分，该真实世界环境的一部分是由真实世界对象410形成的。至少一个全息光栅414能够操纵从立体显示模块404发射的、与虚拟3D对象416相关联的光，使得观看者感知到与虚拟3D对象416相关联的深度，从而改善观看者对作为真实世界环境的一部分的虚拟3D对象416的感知。
参照图5，示出了根据本公开的实施例的图像显示系统500的示意图。图像显示系统500包括图像源502，该图像源502包括布置成阵列的多个显示单元504。此外，图像显示系统500包括光学结构506，该光学结构506包括布置成阵列的多个光管508。光学结构506的多个光管508对应于图像源502的多个显示单元504，使得由显示单元504发射的光被接收到对应的光管508中。此外，每个光管508的内表面被配置为吸收光，使得光以角度β离开光管508。此外，当每个光管508的直径为“d”且光管508的长度为“l”时，角度β由2arctan(d/l)给出。因此，每个光管508用作预准直器，以能够对离开光管508的光进行准直。如图所示，图像显示系统500还包括光学设备510，光学设备布置在离开光学结构506的光的光路中，使得光学设备510包括与光学结构506的多个光管508对应的多个小透镜512(例如，微透镜)。光学设备510被配置为对离开光学结构506的光进行聚焦，使得通过光学设备510传输的光514是高度准直的光。
现在参照图6，示出了根据本公开的实施例的用于操作图像显示系统的方法600的步骤。在步骤602，使用图像源产生图像。图像源包括布置成阵列的多个显示单元，并且多个显示单元中的每个显示单元被配置为发射准直光以产生图像的像素。在步骤604，提供立体显示模块。立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件，并且多个光散射元件中的一个光散射元件保持在第一状态以使得入射光能够穿过该光散射元件，或保持在第二状态以使得入射光能够散射和能够将图像投影在该光散射元件上。在步骤606，控制器用于控制多个光散射元件中的一个光散射元件以将该光散射元件保持在第二状态、控制多个光散射元件中的剩余光散射元件以将剩余光散射元件保持在第一状态，以及控制多个显示单元发射准直光以将图像投影在保持在第二状态的光散射元件上。
在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对上文描述的本公开的实施例进行修改。用于描述和要求保护本公开的诸如“包括”、“包含”、“结合”、“具有”、“是”等表述旨在以非排他性方式解释本公开，即允许存在未明确描述的项目、组件或元件。对单数的描述也应解释为与复数相关。

Claims (25)

1.一种图像显示系统(100，200，500)，包括：
-用于产生图像的图像源(102，202，302，402，502)，其中，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元(104，204，504)，并且其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光(210)以产生所述图像的像素；
-立体显示模块(106，206，304，404)，所述立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件(108、208)，其中，所述多个光散射元件中的一个光散射元件保持在：
-第一状态，以使得入射光能够穿过所述光散射元件，或
-第二状态，以使得能够通过入射光的散射将图像投影到所述光散射元件上；
以及
-控制器(114)，所述控制器可操作地耦合到所述图像源和所述立体显示模块中的每一个，其中，所述控制器配置为控制以下各项：
-所述多个光散射元件中的一个光散射元件，以将所述光散射元件保持在所述第二状态；
-所述多个光散射元件中的剩余光散射元件，以将所述剩余光散射元件保持在所述第一状态；以及
-所述多个显示单元，以发射准直光以将所述图像投影到保持在所述第二状态的所述光散射元件上。
2.根据权利要求1所述的图像显示系统(100，200)，其中，所述图像源(102，202，302，402，502)是基于激光二极管的阵列、发光二极管微显示器、薄膜晶体管液晶显示器以及超发光二极管阵列中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的图像显示系统(100，200，500)，所述图像显示系统还包括光学结构(506)，所述光学结构(506)包括布置成阵列的多个光管(508)，其中，所述光学结构位于所述图像源(102，202，302，402，502)和所述立体显示模块(106，206，304，404)之间，并且其中，所述多个光管对应于所述图片源的所述多个显示单元(104，204，504)。
4.根据权利要求3或4所述的图像显示系统(100，200，500)，所述图像显示系统还包括光学设备(110，406，510)，所述光学设备(110，406，510)包括布置成阵列的多个光学元件(112，512)，其中，所述光学设备位于所述光学结构(506)和所述立体显示模块(106，206，304，404)之间，并且其中，所述多个光学元件对应于所述光学结构的所述多个光管(508)。
5.根据权利要求1或2所述的图像显示系统(100，200，500)，所述图像显示系统还包括光学设备(110，406，510)，所述光学设备(110，406，510)包括布置成阵列的多个光学元件(112，512)，其中，所述光学设备位于所述图像源(102，202，302，402，502)与所述立体显示模块(106，206，304，404)之间，并且其中，所述多个光学元件对应于所述图像源的所述多个显示单元(104，204，504)。
6.根据权利要求4或5所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述多个光学元件中的每个光学元件(112)是微透镜、全息微透镜、菲涅耳微透镜、超材料微透镜以及可调焦微透镜中的一种。
7.根据前述权利要求中任一项所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述图像源(102，202，302，402，502)包括可操作地耦合到空间光调制器的多个光源。
8.根据权利要求7所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述空间光调制器是透射型空间光调制器或反射型空间光调制器中的一种。
9.根据前述权利要求中任一项所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述图像源(102，202，302，402，502)配置为以相对于所述立体显示模块(106，206，304，404)的平面的法线(212)的倾斜角发射准直光(210)。
10.根据权利要求9所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述倾斜角为5°-30°。
11.根据权利要求9所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述倾斜角为10°-20°。
12.根据前述权利要求中任一项所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述立体显示模块(106，206，304，404)被实现为具有整体结构。
13.根据前述权利要求中任一项所述的图像显示系统(100，200，500)，其中，所述图像源(102，202，302，402，502)、所述立体显示模块(106，206，304，404)和所述控制器(114)中的每一个都被结合在近眼显示设备(300，400)中。
14.根据权利要求13所述的图像显示系统(100，200，500)，所述图像显示系统还包括至少一个全息光栅(312，314，414)，所述至少一个全息光栅(312，314，414)布置为位于所述立体显示模块(106，206，304，404)和所述近眼显示设备(300，400)的佩戴者的眼睛(214，308，412)之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的图像显示系统(100，200，500)，还包括至少一个全息光栅(312，314，414)，所述至少一个全息光栅(312，314，414)布置为位于所述光源和所述立体显示模块(106，206，304，404)之间。
16.一种操作图像显示系统(100，200，500)的方法，所述方法包括：
-使用图像源(102，202，302，402，502)产生图像，其中，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元(104，204，504)，并且其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光(210)以产生所述图像的像素；
-提供立体显示模块(106，206，304，404)，所述立体显示模块包括以堆叠方式布置的多个光散射元件(108，208)，其中，所述多个光散射元件中的一个光散射元件保持在：
-第一状态，以使得入射光能够穿过所述光散射元件，或
-第二状态，以使得入射光能够散射以及使得能够将所述图像投影到所述光散射元件上；以及
-使用控制器(114)控制以下各项：
-所述多个光散射元件中的一个光散射元件，以将所述光散射元件保持在所述第二状态；
-所述多个光散射元件中的剩余光散射元件，以将所述剩余光散射元件保持在所述第一状态；以及
-所述多个显示单元，以发射准直光以将所述图像投影到保持在所述第二状态的所述光散射元件上。
17.根据权利要求16的方法，其中，所述图像显示系统(100，200，500)还包括位于所述图像源(102，202，302，402，502)和所述立体显示模块(106，206，304)之间的多个可调焦微透镜，并且其中，所述多个可调焦微透镜中的每一个可操作地耦合到所述控制器(114)，所述方法还包括使用所述控制器控制：
-所述多个光散射元件中的一个光散射元件(108，208)，以将所述光散射元件保持在所述第二状态，以及
-所述多个可调焦微透镜，以对从所述图像源发射到保持在所述第二状态的所述一个光散射元件上的所述准直光(210)进行聚焦。
18.一种图像投影设备，其中，所述图像投影设备配置为在立体显示模块(106，206，304，404)的一个光散射元件(108，208)上产生图像，并且其中所述图像投影设备包括：
-图像源(102，202，302，402，502)，所述图像源包括布置成阵列的多个显示单元(104，204，504)，其中，所述多个显示单元中的每个显示单元配置为发射准直光(210)以用于产生所述图像的像素；以及
-可操作地耦合到所述图像源的控制器(114)，其中，所述控制器配置为控制所述多个显示单元发射准直光以在所述立体显示模块的所述光散射元件上产生所述图像的对应像素。
19.根据权利要求18所述的图像投影设备，其中，所述图像源(102，202，302，402，502)是基于激光二极管的阵列、发光二极管微显示器、薄膜晶体管液晶显示器以及超发光二极管阵列中的一种。
20.根据权利要求18或19所述的图像投影设备，所述图像投影设备还包括光学结构(506)，所述光学结构(506)包括布置成阵列的多个光管(508)，其中，所述光学结构位于所述图像源(102，202，302，402，502)和所述立体显示模块(106，206，304，404)之间，并且其中，所述多个光管对应于所述图像源的所述多个显示单元(104，204，504)。
21.根据权利要求20所述的图像投影设备，所述图像投影设备还包括光学设备(110，406，510)，所述光学设备(110，406，510)包括布置成阵列的多个光学元件(112，512)，其中，所述光学设备位于通过所述光学结构(506)传输的光的光路中，并且其中，所述多个光学元件对应于所述光学结构的所述多个光管(508)。
22.根据权利要求20所述的图像投影设备，所述图像投影设备还包括光学设备(110，406，510)，所述光学设备(110，406，510)包括布置成阵列的多个光学元件(112，512)，其中，所述光学设备位于所述图像源(102，202，302，402，502)与所述立体显示模块(106，206，304，404)之间的光的光路中，并且其中，所述多个光学元件对应于所述图像源的所述多个显示单元(104，204，504)。
23.根据权利要求21或22所述的图像投影设备，其中，所述多个光学元件中的每个光学元件(112)是微透镜、全息微透镜、菲涅耳微透镜、超材料微透镜以及可调焦微透镜中的一种。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的图像投影设备，其中，所述图像源(102，202，302，402，502)包括可操作地耦合到空间光调制器的多个光源。
25.根据权利要求24所述的图像投影设备，其中，所述空间光调制器是透射型空间光调制器或反射型空间光调制器中的一种。
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