CN114175627A - 用于基于分布式光孔的光场显示器的光学方法和系统 - Google Patents
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Abstract
描述了用于提供诸如光场显示器的3D显示器的系统和方法。在一些实施例中，显示设备包括发光层，该发光层包括发光元件的可寻址阵列。光学层覆盖所述发光层。该光学层包括多个分布式透镜。在一些实施例中，该分布式透镜包括非邻接透镜区域。在一些实施例中，具有不同光学中心的分布式透镜区域彼此交错。空间光调制器可操作以提供对哪些透镜区域将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。在一些实施例中，交错和/或非邻接分布式透镜的使用提供了改进的显示分辨率，同时衍射效应减小。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是以下临时申请的非临时申请，并按照35U.S.C.§119(e)要求其优先权：2019年6月7日提交的题为“Optical Method and System for Light Field DisplaysBased on Distributed Apertures(用于基于分布式光孔的光场显示器的光学方法和系统)”的美国临时专利申请序列号62/858,671和2019年7月5日提交的题为“Optical Methodand System for Light Field Displays Based on Varifocal Mosaic Lenses(用于基于可变焦马赛克透镜的光场显示器的光学方法和系统)”的美国临时专利申请序列号62/870,858，这两篇申请通过引用而被整体结合于此。
背景技术
不同的3D显示器可以基于它们的形状因子(form factor)被分类为不同的类别。头戴式设备(HMD)比无护目镜的解决方案占用更少的空间，这也意味着它们可以用更小的组件和更少的材料制成，使得它们成本相对低。然而，由于头戴式VR护目镜和智能眼镜是单用户设备，它们不允许如无护目镜解决方案那样自然地共享体验。体积(Volumetric)3D显示器从所有三个空间方向占据空间，并且通常需要大量物理材料，使得这些系统容易笨重、制造昂贵并且难以运输。由于大量使用材料，因此立体显示器还往往具有小的“窗口”和有限的视场(FOV)。基于屏幕的3D显示器通常具有一个大而平的组件(即，屏幕)和从一定距离将图像(一个或多个)投影到自由空间上的系统。这些系统可以被制造得更紧凑以便运输，并且它们还覆盖比例如体积显示器大得多的FOV。这些系统可能是复杂且昂贵的，因为它们需要投影子组件以及例如不同部分之间的精确对准，使得它们最适用于专业使用情况。平面形状因子3D显示器可能在两个空间方向上需要大量空间，但是由于第三方向仅仅是虚拟的，因此它们相对容易运输到不同环境中并在不同环境中组装。由于该设备是平的，所以其中使用的至少一些光学组件更可能以片或卷的形式制造，使得它们在大批量时成本相对较低。
人类的大脑部分地通过接收来自用于定向每只眼睛的肌肉的信号来感知和确定观察对象的深度。大脑将眼睛的相对角取向与所确定的焦深相关联。正确的聚焦提示(cue)引起在观察的焦平面(focal plane)之外的对象上的自然模糊和自然的动态视差效应。能够提供正确的聚焦提示的一种类型的3D显示器使用能够在真实3D空间中产生3D图像的体积显示技术。3D图像的每个“体素(voxel)”物理上位于其应该所处的空间位置，并且从该位置向观察者反射或发射光以在观察者的眼睛中形成实像。3D体显示器的主要问题是它们的低分辨率、大的物理尺寸和昂贵的制造成本。这些问题使得它们太麻烦而不能在特殊情况例如产品展示、博物馆、展览等之外使用。能够提供正确的视网膜聚焦提示的另一种类型的3D显示设备是全息显示器。全息显示器的目的在于重建从自然环境中的对象散射的整个光波阵面。这种技术的主要问题是缺少可以用于产生非常详细的波阵面的适当的空间光调制器(SLM)组件。
能够提供自然视网膜聚焦提示的另一类型的3D显示技术被称为光场(LF)显示。LF显示系统被设计成产生所谓的光场，该光场表示在空间中向所有方向传播的光线。LF系统旨在控制空间域和角度域中的光发射，而不是像传统的立体3D显示器那样基本上只能控制具有较高像素密度的空间域。存在至少两种根本不同的方法来产生光场。在第一种方法中，在观看者的每只眼睛上产生视差，从而产生与正在观看的对象的3D位置相对应的正确视网膜模糊。这可以通过每单只眼睛呈现多个视图来完成。第二种方法是多焦平面方法，其中对象的图像被投影到与其3D位置相对应的适当焦平面。许多光场显示器使用这两种方法中的一种。
聚散-调节冲突(VAC)是当前立体3D显示器的一个问题。平坦形状因子的LF 3D显示器可以通过同时产生正确的眼睛会聚和正确的聚焦角度来解决这个问题。在当前的消费型显示器中，图像点位于显示器的表面上，并且只需要双眼可见的一个照亮的像素来正确地表示该点。两只眼睛都聚焦并会聚到相同的点。在视差屏障3D显示器的情况下，照亮两个像素集群以正确地表示单个点。此外，来自这两个空间上分离的像素集群的光线的方向以这样的方式被控制，使得发射的光仅对于正确的眼睛是可见的，因此使得眼睛能够会聚到相同的单个虚拟点。
在当前的相对低密度的多视图成像显示器中，当观看者在设备前面移动时，视图以粗略的步进方式改变。这降低了3D体验的质量，甚至可能导致3D感知的完全崩溃。为了减轻这个问题(与VAC)，已经用多达512个视图测试了一些超级多视图(SMV)技术。该思想是产生非常大量的视图，以便使两个视点之间的任何过渡非常平滑。如果来自至少两个图像的光从稍微不同的视点同时进入瞳孔，则会产生更加逼真的视觉体验。在这种情况下，由于大脑无意识地预测由于运动而引起的图像变化，因此运动视差效果更好地类似于自然条件。SMV条件可以通过将在正确观看距离处的两个视图之间的间隔减小到比眼睛瞳孔的尺寸更小的值来满足。SMV显示器可以实现的最大角密度受衍射限制，并且在空间分辨率(像素尺寸)和角分辨率之间存在反比关系。衍射增加了通过光孔的光束的角展度，并且在设计非常高密度的SMV显示器时可以考虑这种效应。
发明内容
根据一些实施例的显示设备包括：发光层，包括发光元件的可寻址阵列；覆盖所述发光层的光学层，其中所述光学层包括多个分布式透镜，每个分布式透镜具有光学中心，并且其中所述分布式透镜中的每个分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他分布式透镜交错；以及空间光调制器，其可操作以提供对哪些透镜区域将来自发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。
在一些实施例中，所述分布式透镜中的每一个包括多个透镜区域，并且其中第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间，所述第一和第二分布式透镜具有不同的光学中心。
在一些实施例中，相应的分布式透镜内的所述透镜区域中的每一个具有基本上相同的主焦点。
在一些实施例中，每个分布式透镜包括至少两个非邻接的透镜区域。
在一些实施例中，所述空间光调制器包括多个光调制像素，并且其中所述空间光调制器的每个像素对应于所述透镜区域中的不超过一个透镜区域。
在一些实施例中，对于所述多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个预定体素位置。
在一些实施例中，对于所述多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为使来自至少一个预定发光元件的光朝向至少一个预定体素位置准直(collimate)。
根据一些实施例的一种操作显示设备的方法包括：从发光元件的可寻址阵列中的发光元件选择性地发射光，所发射的光朝向包括多个透镜区域的光学层发射；以及操作空间光调制器以允许所发射的光通过所选择的多个透镜区域传播到所述显示设备之外，所选择的多个透镜区域包括在所选择的第一分布式透镜内的至少两个所选择的透镜区域。
在一些实施例中，所选择的透镜区域包括在所述第一分布式透镜内的至少两个非邻接的透镜区域。
在一些实施例中，所述第一分布式透镜具有第一光学中心，并且所述第一分布式透镜与具有不同于所述第一光学中心的第二光学中心的第二分布式透镜交错。
在一些实施例中，所述第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于所述第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间。在一些实施例中，所选择的非邻接透镜区域具有基本上相同的主焦点。
在一些实施例中，该方法还包括：确定待显示体素的位置；以及基于所确定的体素位置来选择所述发光元件和所述第一分布式透镜。
在一些实施例中，所述发光元件和所述分布式透镜被选择，以使得所述发光元件和所述第一分布式透镜的光学中心基本上共线。
在一些实施例中，所述发光元件和所述分布式透镜被选择，以使得来自所述发光元件的光基本上聚焦在所确定的体素位置处。
附图说明
图1A是示出了可以实现一个或多个所公开的实施例的示例通信系统的系统图。
图1B是根据实施例的系统图，其示出了可在图1A所示的通信系统中使用的示例性无线发射/接收单元(WTRU)。
图2描绘了来自显示器的光的光发射角度。
图3A描绘了一对眼睛以及由显示器针对在显示表面处形成的体素而产生的聚焦角度和会聚角度。
图3B描绘了一对眼睛以及由显示器为在显示表面后面形成的体素产生的聚焦角度和会聚角度。
图3C描绘了一对眼睛以及由显示器针对在显示表面之后的无限远距离处形成的体素而产生的聚焦角度和会聚角度。
图3D描绘了一对眼睛以及由显示器为在显示表面的前面形成的体素产生的聚焦角度和会聚角度。
图4A示出了由透镜的几何因子引起的光束发散。
图4B示出了由衍射引起的光束发散。
图5示出了不同光焦度(optical power)的三个透镜的图像放大率。
图6A示出了一个扩展源(source)和小透镜光孔的几何因子和衍射的组合效应。
图6B示出了两个源和小透镜光孔的几何因子和衍射的组合效应。
图6C示出了一个光源和大透镜光孔的几何因子和衍射的组合效应。
图6D示出了两个源和大透镜光孔的几何因子和衍射的组合效果。
图7示出了根据一些实施例的显示器的示例性观看几何结构。
图8A描绘了根据一些实施例的显示器的第一示例观看几何结构。
图8B描绘了根据一些实施例的显示器的第二示例观看几何结构。
图9A示出了利用两个交叉光束创建体素。
图9B示出了利用马赛克透镜3D显示器创建体素。
图10示出了根据一些实施例的3D显示器的光学结构和功能。
图11A描绘了在一些实施例中用作周期性特征的马赛克单元的示例马赛克图案。
图11B描绘了在一些实施例中用作周期性特征的马赛克单元的示例马赛克图案。
图12A描绘了根据一些实施例的马赛克图案周期性特征的示例阵列。
图12B描绘了根据一些实施例的马赛克图案周期性特征的示例阵列。
图13A示出了根据一些实施例的具有周期性特征的示例空间光调制器(SLM)像素滤色器布置。
图13B示出了根据一些实施例的具有周期性特征的示例SLM像素滤色器布置。
图14示出了根据一些实施例的体素的形成。
图15A-15C示出了可交错的示例性光孔集群(aperture cluster)设计。
图16示意性地示出了示例显示系统，其中从350mm的距离观看移动7”3D显示设备。
图17A-17C示意性地示出了示例性光学显示器设计。
图18示出了显示设备的光学层中的分布式透镜的光学特性。
图19A示出包括九个不邻接透镜区域的分布式透镜的示例形式。
图19B示出了具有图19A的形式并且在光学层中交错的多个分布式透镜。
图20示出了包括十六个非邻接透镜区域并且能够在光学层中以4×4间隔交错的分布式透镜的示例形式。
图21示出了包括十六个非邻接透镜区域并且能够在光学层中以4×4间隔交错的分布式透镜的另一示例形式。
图22示出了包括非周期性交错的分布式透镜的光学层的一部分。
图23描绘了可变焦距微透镜阵列及其功能。
图24描述了根据一些实施例的马赛克透镜设计的第一示例，其中该马赛克透镜由连续圆形对称透镜形成。
图25描绘了根据一些实施例的马赛克透镜设计，其中该马赛克透镜由两种不同的透镜形状形成，并且其中该马赛克瓦片(tile)包括额外的微透镜表面。
图26描绘了根据一些实施例的示例可变焦马赛克透镜(VFML)的光学结构和功能。
图27描绘了根据一些实施例的3D显示器的光学结构和功能。
图28示出了根据一些实施例的用于将三个源成像到距显示设备相同距离的公共马赛克特征集群的使用。
图29A示出了根据一些实施例的空间光调制器(SLM)的第一示例滤色器布置。
图29B示出了根据一些实施例的SLM的第二示例滤色器布置。
图30描绘了根据一些实施例的具有眼睛跟踪模块的3D显示器。
图31描绘了根据一些实施例的具有扩展焦深(EDoF)的3D显示器的变型。
图32描绘了根据一些实施例的VFML马赛克透镜设计示例的结构和度量(measurement)(以μm为单位)。
图33描绘了示例性3D显示器光学设计的结构和度量(以μm为单位)。
图34是根据一些实施例的操作显示器的方法的流程图。
图35示出了小光孔的模拟辐照分布。
图36示出了不同尺寸的光孔的模拟辐照分布。
图37示出了两个不同分布式光孔的模拟辐照分布。
图38示出了三种不同颜色源的模拟辐照分布。
图39示出了三种不同尺寸的源的模拟辐照分布。
图40示出五个不同的分布式光孔的模拟辐照分布。
图41示出了两种不同尺寸的分布式光孔的模拟辐照分布。
图42示出了比较不同眼睛焦距和光波长下的单光孔和分布式光孔视网膜图像的模拟结果。
图43描绘了对三种不同的VFML和眼睛聚焦距离模拟的视网膜光斑(spot)的模拟结果
用于实施例的实现的示例网络
图1A是示出了可以实施一个或多个所公开的实施例的示例通信系统100的示图。该通信系统100可以是为多个无线用户提供语音、数据、视频、消息传递、广播等内容的多址接入系统。该通信系统100可以通过共享包括无线带宽在内的系统资源而使多个无线用户能够接入此类内容。举例来说，通信系统100可以使用一种或多种信道接入方法，例如码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、正交FDMA(OFDMA)、单载波FDMA(SC-FDMA)、零尾唯一字DFT-扩展OFDM(ZT UW DTS-s OFDM)、唯一字OFDM(UW-OFDM)、资源块过滤OFDM以及滤波器组多载波(FBMC)等等。
如图1A所示，通信系统100可以包括无线发射/接收单元(WTRU)102a、102b、102c、102d、RAN 104、CN 106、公共交换电话网络(PSTN)108、因特网110以及其他网络112，然而应该了解，所公开的实施例设想了任意数量的WTRU、基站、网络和/或网络部件。每一个WTRU102a、102b、102c、102d可以是被配置成在无线环境中工作和/或通信的任何类型的设备。举例来说，任一WTRU 102a、102b、102c、102d都可被称为“站”和/或“STA”，其可以被配置成发射和/或接收无线信号，并且可以包括用户设备(UE)、移动站、固定或移动订户单元、基于签约的单元、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、膝上型计算机、上网本、个人计算机、无线传感器、热点或Mi-Fi设备、物联网(IoT)设备、手表或其他可穿戴设备、头戴显示器(HMD)、车辆、无人机、医疗设备和应用(例如远程手术)、工业设备和应用(例如机器人和/或在工业和/或自动处理链环境中工作的其他无线设备)、消费类电子设备、以及在商业和/或工业无线网络上工作的设备等等。WTRU 102a、102b、102c、102d中的任意者可被可交换地称为UE。
通信系统100还可以包括基站114a和/或基站114b。每一个基站114a、114b可以是被配置成通过以无线方式与WTRU 102a、102b、102c、102d中的至少一个无线对接来促使其接入一个或多个通信网络(例如CN 106、因特网110、和/或其他网络112)的任何类型的设备。举例来说，基站114a、114b可以是基地收发信台(BTS)、节点B、e节点B、家庭节点B、家庭e节点B、gNB、NR节点B、站点控制器、接入点(AP)、以及无线路由器等等。虽然每一个基站114a、114b都被描述成了单个部件，然而应该了解。基站114a、114b可以包括任何数量的互连基站和/或网络部件。
基站114a可以是RAN 104的一部分，并且所述RAN还可以包括其他基站和/或网络部件(未显示)，例如基站控制器(BSC)、无线电网络控制器(RNC)、中继节点等等。基站114a和/或基站114b可被配置成在名为小区(未显示)的一个或多个载波频率上发射和/或接收无线信号。这些频率可以处于授权频谱、无授权频谱或是授权与无授权频谱的组合之中。小区可以为相对固定或者有可能随时间变化的特定地理区域提供无线服务覆盖。小区可被进一步分成小区扇区。例如，与基站114a相关联的小区可被分为三个扇区。由此，在一个实施例中，基站114a可以包括三个收发信机，也就是说，每一个收发信机都对应于小区的一个扇区。在实施例中，基站114a可以使用多输入多输出(MIMO)技术，并且可以为小区的每一个扇区使用多个收发信机。举例来说，通过使用波束成形，可以在期望的空间方向上发射和/或接收信号。
基站114a、114b可以通过空中接口116来与WTRU 102a、102b、102c、102d中的一者或多者进行通信，其中所述空中接口可以是任何适当的无线通信链路(例如射频(RF)、微波、厘米波、微米波、红外线(IR)、紫外线(UV)、可见光等等)。空中接口116可以使用任何适当的无线电接入技术(RAT)来建立。
更具体地说，如上所述，通信系统100可以是多址接入系统，并且可以使用一种或多种信道接入方案，例如CDMA、TDMA、FDMA、OFDMA以及SC-FDMA等等。例如，RAN 104中的基站114a与WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如通用移动电信系统(UMTS)陆地无线电接入(UTRA)，其中所述技术可以使用宽带CDMA(WCDMA)来建立空中接口116。WCDMA可以包括如高速分组接入(HSPA)和/或演进型HSPA(HSPA+)之类的通信协议。HSPA可以包括高速下行链路(DL)分组接入(HSDPA)和/或高速UL分组接入(HSUPA)。
在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如演进型UMTS陆地无线电接入(E-UTRA)，其中所述技术可以使用长期演进(LTE)和/或先进LTE(LTE-A)和/或先进LTA Pro(LTE-A Pro)来建立空中接口116。
在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如NR无线电接入，其中所述无线电技术可以使用新型无线电(NR)来建立空中接口116。
在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施多种无线电接入技术。举例来说，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以共同实施LTE无线电接入和NR无线电接入(例如使用双连接(DC)原理)。由此，WTRU 102a、102b、102c使用的空中接口可以通过多种类型的无线电接入技术和/或向/从多种类型的基站(例如eNB和gNB)发送的传输来表征。
在其他实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施以下的无线电技术，例如IEEE 802.11(即无线高保真(WiFi))、IEEE 802.16(全球微波接入互操作性(WiMAX))、CDMA2000、CDMA2000 1X、CDMA2000 EV-DO、临时标准2000(IS-2000)、临时标准95(IS-95)、临时标准856(IS-856)、全球移动通信系统(GSM)、用于GSM演进的增强数据速率(EDGE)以及GSM EDGE(GERAN)等等。
图1A中的基站114b可以是无线路由器、家庭节点B、家庭e节点B或接入点，并且可以使用任何适当的RAT来促成局部区域中的无线连接，例如营业场所、住宅、车辆、校园、工业设施、空中走廊(例如供无人机使用)以及道路等等。在一个实施例中，基站114b与WTRU102c、102d可以通过实施IEEE 802.11之类的无线电技术来建立无线局域网(WLAN)。在实施例中，基站114b与WTRU 102c、102d可以通过实施IEEE 802.15之类的无线电技术来建立无线个人局域网(WPAN)。在再一实施例中，基站114b和WTRU 102c、102d可通过使用基于蜂窝的RAT(例如WCDMA、CDMA2000、GSM、LTE、LTE-A、LTE-A Pro、NR等等)来建立微微小区或毫微微小区。如图1A所示，基站114b可以直连到因特网110。由此，基站114b不需要经由CN 106来接入因特网110。
RAN 104可以与CN 106进行通信，其中所述CN可以是被配置成向一个或多个WTRU102a、102b、102c、102d提供语音、数据、应用和/或借助网际协议语音(VoIP)服务的任何类型的网络。该数据可以具有不同的服务质量(QoS)需求，例如不同的吞吐量需求、延时需求、容错需求、可靠性需求、数据吞吐量需求、以及移动性需求等等。CN 106可以提供呼叫控制、记账服务、基于移动位置的服务、预付费呼叫、因特网连接、视频分发等等，和/或可以执行用户验证之类的高级安全功能。虽然在图1A中没有显示，然而应该了解，RAN 104和/或CN106可以直接或间接地和其他那些与RAN 104使用相同RAT或不同RAT的RAN进行通信。例如，除了与使用NR无线电技术的RAN 104相连之外，CN 106还可以与使用GSM、UMTS、CDMA 2000、WiMAX、E-UTRA或WiFi无线电技术的别的RAN(未显示)通信。
CN 106还可以充当供WTRU 102a、102b、102c、102d接入PSTN 108、因特网110和/或其他网络112的网关。PSTN 108可以包括提供简易老式电话服务(POTS)的电路交换电话网络。因特网110可以包括使用了公共通信协议(例如TCP/IP网际协议族中的传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)和/或网际协议(IP))的全球性互联计算机网络设备系统。所述网络112可以包括由其他服务供应商拥有和/或运营的有线和/或无线通信网络。例如，所述其他网络112可以包括与一个或多个RAN相连的另一个CN，其中所述一个或多个RAN可以与RAN 104使用相同RAT或不同RAT。
通信系统100中一些或所有WTRU 102a、102b、102c、102d可以包括多模能力(例如，WTRU 102a、102b、102c、102d可以包括在不同无线链路上与不同无线网络通信的多个收发信机)。例如，图1A所示的WTRU 102c可被配置成与可以使用基于蜂窝的无线电技术的基站114a通信，以及与可以使用IEEE 802无线电技术的基站114b通信。
图1B是示出了例示WTRU 102的系统图示。如图1B所示，WTRU 102可以包括处理器118、收发信机120、发射/接收部件122、扬声器/麦克风124、键盘126、显示器/触摸板128、不可移除存储器130、可移除存储器132、电源134、全球定位系统(GPS)芯片组136以及其他周边设备138。应该了解的是，在保持符合实施例的同时，WTRU 102还可以包括前述部件的任何子组合。
处理器118可以是通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、其他任何类型的集成电路(IC)以及状态机等等。处理器118可以执行信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理、和/或其他任何能使WTRU102在无线环境中工作的功能。处理器118可以耦合至收发信机120，收发信机120可以耦合至发射/接收部件122。虽然图1B将处理器118和收发信机120描述成单独组件，然而应该了解，处理器118和收发信机120也可以集成在一个电子组件或芯片中。
发射/接收部件122可被配置成经由空中接口116来发射或接收去往或来自基站(例如基站114a)的信号。举个例子，在一个实施例中，发射/接收部件122可以是被配置成发射和/或接收RF信号的天线。作为示例，在实施例中，发射/接收部件122可以是被配置成发射和/或接收IR、UV或可见光信号的放射器/检测器。在实施例中，发射/接收部件122可被配置成发射和/或接收RF和光信号。应该了解的是，发射/接收部件122可以被配置成发射和/或接收无线信号的任何组合。
虽然在图1B中将发射/接收部件122描述成是单个部件，但是WTRU 102可以包括任何数量的发射/接收部件122。更具体地说，WTRU 102可以使用MIMO技术。由此，在实施例中，WTRU 102可以包括两个或多个通过空中接口116来发射和接收无线电信号的发射/接收部件122(例如多个天线)。
收发信机120可被配置成对发射/接收部件122所要传送的信号进行调制，以及对发射/接收部件122接收的信号进行解调。如上所述，WTRU 102可以具有多模能力。因此，收发信机120可以包括允许WTRU 102借助多种RAT(例如NR和IEEE 802.11)来进行通信的多个收发信机。
WTRU 102的处理器118可以耦合到扬声器/麦克风124、键盘126和/或显示器/触摸板128(例如液晶显示器(LCD)显示单元或有机发光二极管(OLED)显示单元)，并且可以接收来自这些部件的用户输入数据。处理器118还可以向扬声器/麦克风124、键盘126和/或显示器/触摸板128输出用户数据。此外，处理器118可以从诸如不可移除存储器130和/或可移除存储器132之类的任何适当的存储器中存取信息，以及将信息存入这些存储器。不可移除存储器130可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘或是其他任何类型的记忆存储设备。可移除存储器132可以包括订户标识模块(SIM)卡、记忆棒、安全数字(SD)记忆卡等等。在其他实施例中，处理器118可以从那些并非实际位于WTRU 102的存储器存取信息，以及将数据存入这些存储器，作为示例，此类存储器可以位于服务器或家庭计算机(未显示)。
处理器118可以接收来自电源134的电力，并且可被配置分发和/或控制用于WTRU102中的其他组件的电力。电源134可以是为WTRU 102供电的任何适当设备。例如，电源134可以包括一个或多个干电池组(如镍镉(Ni-Cd)、镍锌(Ni-Zn)、镍氢(NiMH)、锂离子(Li-ion)等等)、太阳能电池以及燃料电池等等。
处理器118还可以耦合到GPS芯片组136，该芯片组可被配置成提供与WTRU 102的当前位置相关的位置信息(例如经度和纬度)。作为来自GPS芯片组136的信息的补充或替换，WTRU 102可以经由空中接口116接收来自基站(例如基站114a、114b)的位置信息，和/或根据从两个或更多个附近基站接收的信号定时来确定其位置。应该了解的是，在保持符合实施例的同时，WTRU 102可以借助任何适当的定位方法来获取位置信息。
处理器118还可以耦合到其他周边设备138，其中所述周边设备可以包括提供附加特征、功能和/或有线或无线连接的一个或多个软件和/或硬件模块。例如，周边设备138可以包括加速度计、电子指南针、卫星收发信机、数码相机(用于照片和/或视频)、通用串行总线(USB)端口、振动设备、电视收发信机、免提耳机、
模块、调频(FM)无线电单元、数字音乐播放器、媒体播放器、视频游戏机模块、因特网浏览器、虚拟现实和/或增强现实(VR/AR)设备、以及活动跟踪器等等。周边设备138可以包括一个或多个传感器，所述传感器可以是以下的一个或多个：陀螺仪、加速度计、霍尔效应传感器、磁力计、方位传感器、邻近传感器、温度传感器、时间传感器、地理位置传感器、高度计、光传感器、触摸传感器、磁力计、气压计、手势传感器、生物测定传感器和/或湿度传感器。
WTRU 102可以包括全双工无线电设备，其中对于该无线电设备来说，一些或所有信号(例如与用于UL(例如对传输而言)和下行链路(例如对接收而言)的特定子帧相关联)的接收或传输可以是并发和/或同时的。全双工无线电设备可以包括借助于硬件(例如扼流线圈)或是凭借处理器(例如单独的处理器(未显示)或是凭借处理器118)的信号处理来减少和/或基本消除自干扰的干扰管理单元。在实施例中，WTRU 102可以包括传送和接收一些或所有信号(例如与用于UL(例如对传输而言)或下行链路(例如对接收而言)的特定子帧相关联)的半双工无线电设备。
虽然在图1A-1B中所述WTRU被描述为无线终端，但是可以预期在某些代表性实施例中，这样的终端可以(例如临时或永久地)使用与通信网络的有线通信接口。
在代表性的实施例中，其他网络112可以是WLAN。
采用基础架构基本服务集(BSS)模式的WLAN可以具有用于所述BSS的接入点(AP)以及与所述AP相关联的一个或多个站(STA)。所述AP可以访问或是对接到分布式系统(DS)或是将业务量送入和/或送出BSS的别的类型的有线/无线网络。源于BSS外部且去往STA的业务量可以通过AP到达并被递送至STA。源自STA且去往BSS外部的目的地的业务量可被发送至AP，以便递送到相应的目的地。处于BSS内部的STA之间的业务量可以通过AP来发送，例如其中源STA可以向AP发送业务量并且AP可以将业务量递送至目的地STA。处于BSS内部的STA之间的业务量可被认为和/或称为点到点业务量。所述点到点业务量可以在源与目的地STA之间(例如，在其间直接)用直接链路建立(DLS)来发送。在某些代表性实施例中，DLS可以使用802.11e DLS或802.11z隧道化DLS(TDLS))。举例来说，使用独立BSS(IBSS)模式的WLAN可不具有AP，并且处于所述IBSS内部或是使用所述IBSS的STA(例如，所有STA)彼此可以直接通信。在这里，IBSS通信模式有时可被称为“自组织”通信模式。
在使用802.11ac基础设施工作模式或类似的工作模式时，AP可以在固定信道(例如，主信道)上传送信标。所述主信道可以具有固定宽度(例如，20MHz的带宽)或是借助信令动态设置的宽度。主信道可以是BSS的工作信道，并且可被STA用来与AP建立连接。在某些代表性实施例中，所实施的可以是具有冲突避免的载波感测多址接入(CSMA/CA)(例如，在802.11系统中)。对于CSMA/CA来说，包括AP在内的STA(例如，每一个STA)可以感测主信道。如果特定STA感测到/检测到和/或确定主信道繁忙，那么所述特定STA可以退避。在指定的BSS中，在任何指定时间都有一个STA(例如，只有一个站)进行传输。
高吞吐量(HT)STA可以使用宽度为40MHz的信道来进行通信(例如，借助于将宽度为20MHz的主信道与宽度为20MHz的相邻或非邻接信道相结合来形成宽度为40MHz的信道)。
甚高吞吐量(VHT)STA可以支持宽度为20MHz、40MHz、80MHz和/或160MHz的信道。40MHz和/或80MHz信道可以通过组合连续的20MHz信道来形成。160MHz信道可以通过组合8个连续的20MHz信道或者通过组合两个不连续的80MHz信道(这种组合可被称为80+80配置)来形成。对于80+80配置来说，在信道编码之后，数据可被传递并经过一个分段解析器，所述分段解析器可以将数据非成两个流。在每一个流上可以单独执行反向快速傅里叶变换(IFFT)处理以及时域处理。所述流可被映射在两个80MHz信道上，并且数据可以由执行传输的STA来传送。在执行接收的STA的接收机上，用于80+80配置的上述操作可以是相反的，并且组合数据可被发送至介质接入控制(MAC)。
802.11af和802.11ah支持次1GHz的工作模式。相比于802.11n和802.11ac，在802.11af和802.11ah中使用信道工作带宽和载波有所缩减。802.11af在TV白空间(TVWS)频谱中支持5MHz、10MHz和20MHz带宽，并且802.11ah支持使用非TVWS频谱的1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz带宽。依照代表性实施例，802.11ah可以支持仪表类型控制/机器类型通信(例如，宏覆盖区域中的MTC设备)。MTC可以具有某种能力，例如包含了支持(例如，只支持)某些和/或有限带宽在内的受限能力。MTC设备可以包括电池，并且该电池的电池寿命高于阈值(例如，用于保持很长的电池寿命)。
对于可以支持多个信道和信道带宽的WLAN系统(例如，802.11n、802.11ac、802.11af以及802.11ah)来说，这些系统包含了一个可被指定成主信道的信道。所述主信道的带宽可以等于BSS中的STA所支持的最大公共工作带宽。主信道的带宽可以由某一个STA设置和/或限制，其中所述STA源自在支持最小带宽工作模式的BSS中工作的STA。在关于802.11ah的示例中，即使BSS中的AP和其他STA支持2MHz、4MHz、8MHz、16MHz和/或其他信道带宽工作模式，但对支持(例如，只支持)1MHz模式的STA(例如，MTC类型的设备)来说，主信道的宽度可以是1MHz。载波感测和/或网络分配向量(NAV)设置可以取决于主信道的状态。如果主信道繁忙(例如，因为STA(其只支持1MHz工作模式)对AP进行传输)，那么即使大多数的频带保持空间并且可供使用，也可以认为整个可用频带繁忙。
在美国，可供802.11ah使用的可用频带是902MHz到928MHz。在韩国，可用频带是917.5MHz到923.5MHz。在日本，可用频带是916.5MHz到927.5MHz。依照国家码，可用于802.11ah的总带宽是6MHz到26MHz。
在这里对照以下的一项或多项描述的一个或多个或所有功能可以由一个或多个仿真设备(未显示)来执行：WTRU 102a-d、基站114a-b、e节点B 160a-c、MME 162、SGW 164、PGW 166、gNB 180a-c、AMF 182a-ab、UPF 184a-b、SMF 183a-b、DN 185a-b和/或这里描述的一个或多个其他任何设备。这些仿真设备可以是被配置成模拟这里一个或多个或所有功能的一个或多个设备。举例来说，这些仿真设备可用于测试其他设备和/或模拟网络和/或WTRU功能。
所述仿真设备可被设计成在实验室环境和/或运营商网络环境中实施关于其他设备的一项或多项测试。例如，所述一个或多个仿真设备可以在被完全或部分作为有线和/或无线通信网络一部分实施和/或部署的同时执行一个或多个或所有功能，以便测试通信网络内部的其他设备。所述一个或多个仿真设备可以在被临时作为有线和/或无线通信网络的一部分实施/部署的同时执行一个或多个或所有功能。所述仿真设备可以直接耦合到别的设备以执行测试，和/或可以使用空中无线通信来执行测试。
所述一个或多个仿真设备可以在未被作为有线和/或无线通信网络一部分实施/部署的同时执行包括所有功能在内的一个或多个功能。例如，所述仿真设备可以在测试实验室和/或未被部署(例如，测试)的有线和/或无线通信网络的测试场景中使用，以便实施关于一个或多个组件的测试。所述一个或多个仿真设备可以是测试设备。所述仿真设备可以使用直接的RF耦合和/或借助了RF电路(作为示例，该电路可以包括一个或多个天线)的无线通信来发射和/或接收数据。
具体实施方式
本发明涉及显示设备，尤其涉及用于显示三维(3D)图像的显示设备。图2是示出朝向显示设备的不同观看者的示例性光发射角度的示意性平面图。图2中的显示器在单个平坦形状因子面板中产生期望的视网膜聚焦提示和3D内容的多个视图。单个3D显示表面300向每个用户的两只眼睛投射至少两个不同的视图，以便创建粗略的3D感知效果。大脑使用这两个不同的眼睛图像来确定3D距离。逻辑上，这是基于三角测量和瞳孔间距。为了提供这种效果，如图2所示，从光源318将至少两个视图投影到单用户视角(SVA)310中。此外，在至少一个实施例中，显示器在单眼瞳孔内投影至少两个不同的视图，以便提供正确的视网膜聚焦提示。为了光学设计的目的，如果确定在其中形成可视图像的空间体积，则可以在观看者眼睛瞳孔周围定义“眼箱(eye-box)”308。在显示器的一些实施例中，至少两个部分重叠的视图被投影在某个观看距离316处的由眼箱覆盖的眼箱角(EBA)314内。在一些实施例中，显示器由从不同视角观看显示器的多个观看者302、304、306观看。在这样的实施例中，相同3D内容的若干不同视图被投影到覆盖整个预期多用户视角(MVA)312的相应观看者。
图2示出了可能期望显示器同时覆盖三个不同的角度范围：一个范围用于覆盖单只眼睛的瞳孔，一个范围用于覆盖单个用户的两只眼睛，一个范围用于多用户情况。在这三个角度范围中，后两个可以例如通过使用在透镜状(lenticular)或视差屏障结构下的若干发光像素或者通过使用具有公共屏幕的若干投影仪来解决。这些技术可适合于产生在产生多个视图中利用的相对大的光发射角度。然而，可能优选的是，处理覆盖眼睛瞳孔的范围，以便产生正确的视网膜聚焦提示并克服VAC。
期望一平坦形状因子高质量3D显示器，其能够同时产生眼睛会聚(CA)角和视网膜聚焦(FA)角。
图3A描绘了一示意性平面图，其根据一些实施例，示出了一对眼睛以及由显示器针对在显示表面处形成的体素而产生的聚焦角度(FA)和会聚角度(CA)。对于平坦形状因子高质量3D显示器，可能期望能够同时产生眼睛会聚角(CA)424和视网膜聚焦角(FA)422。图3A-D示出了在四种不同的3D图像内容情况下的这些角度。在图3A所示的第一种情况下，图像点420位于显示器405的表面上，并且只需要一个对于双眼410可见的照亮的显示像素。两只眼睛410聚焦并会聚到相同点420。
图3B描绘了一示意性平面图，其根据一些实施例，示出了一对眼睛以及由显示器针对在显示表面后面形成的体素而产生的FA和CA。在如图3B所示的第二种情况下，虚拟图像点(体素)430在显示器405后面，并且两个像素集群432被照亮。另外，来自这两个显示像素集群432的光线的方向以这样的方式被控制，使得发射的光仅对正确的眼睛可见，因此使得眼睛410能够会聚到相同的单个虚拟点430。
图3C描绘了一示意性平面图，其根据一些实施例，示出了一对眼睛以及由显示器为在显示表面之后的无限距离处形成的体素产生的FA和CA。在如图3C所示的第三种情况下，虚拟图像440在屏幕405之后的无穷远处，并且仅有平行光线从两个像素集群442从显示表面发射。
图3D描绘了一示意性平面图，其根据一些实施例，示出了一对眼睛以及由显示器为在显示表面的前面形成的体素产生的FA和CA。在如图3D所示的最后一种情况下，图像点或体素450在显示器405的前面，两个像素集群452被激活，并且发射的光束在它们聚焦的相同点450处交叉。在最后三个所呈现的一般化情况(图3B、3C和3D)中，显示设备使用所发射光的空间和角度控制这两者以便产生针对3D图像内容的自然眼睛响应的会聚角度和聚焦角度这两者。
平板型多视图显示器可以仅基于空间复用。发光像素(其可以被称为子像素)的行或矩阵可以位于凸透镜片或微透镜阵列之后，并且每个像素可以被投影到显示结构前面的唯一的观看方向或有限的一组观看方向。在每个光束准直特征后面的发光层上存在的像素越多，可以生成的视图就越多。这导致在所生成的唯一视图的数目与空间分辨率之间的直接折衷情形。如果从3D显示器期望更小的像素尺寸，则可以减小各个子像素的尺寸；或者可替换地，可以生成更少数量的观看方向。由于缺少合适的组件，子像素尺寸可能被限制在相对大的区域。希望高质量显示器同时具有高空间分辨率和角分辨率。在满足SMV条件时，需要高的角分辨率。
为了使用交叉光束在不同焦平面处产生具有足够分辨率的3D图像，优选地，利用窄直径对每个光束进行良好的准直。在一些实施例中，准直水平与正被显示的焦平面的位置有关。例如，光束可以基本上准直但稍微发散，以用于显示器后面的焦平面的显示，并且光束可以基本上准直但稍微会聚，以用于显示器前面的焦平面的显示。
此外，可能优选的是，光束腰定位在光束交叉的相同点处，以便避免眼睛的聚焦提示矛盾。如果光束直径大，则在光束交叉中形成的体素作为大光斑成像到眼睛视网膜。大的发散值意味着(对于显示器和观察者之间的中间图像)随着体素和眼睛之间的距离变小，光束变宽。在距离较小的情况下，眼睛以较高的细节分辨图像。然而，虚拟焦平面的空间分辨率随着距离的减小而变差。位于显示表面后面的体素由发射光束的虚拟扩展形成，并且更宽的光束是可接受的，因为眼睛的分辨率在更长的距离处也变得更差。为了在显示表面的前面和后面都具有高分辨率，优选的是，分离的光束具有可调节的焦点。在没有可调焦点的情况下，所述光束具有设定最小可实现体素尺寸的单个固定聚焦。然而，因为眼睛分辨率在较大距离处较低，所以可以允许光束虚拟扩展在显示器后面变宽，并且光束聚焦可以被设置为3D图像的最接近的指定观看距离。在一些实施例中，焦面(focal surface)分辨率也可以在整个体积中被平衡，其中图像通过组合若干相邻光束以试图使体素大小均匀而形成。
图4A描绘了一示意图，其示出了由几何因子引起的增加的光束发散的示例的。在理想透镜的情况下，可实现的光束准直取决于两个几何因子：光源的尺寸和透镜的焦距。只有在单色点源(PS)502精确地位于距理想正透镜焦距距离处的理论情况下，才可以实现没有任何光束发散的完美准直。这种情况在图4A的顶部示出。不幸的是，所有现实生活光源都具有一些表面区域，光从该表面区域发射，使得它们成为扩展的源(ES)504、506。由于该源的每个点由透镜分别成像，总光束最终由一组准直的子光束组成，这些子光束在透镜之后传播到稍微不同的方向。并且如图4A中所示，利用一系列透镜配置500，随着源502、504、506变大，总光束发散508、510、512增大。这种几何因子不能用任何光学装置来避免，并且它是导致相对大的光源的光束发散的主要特征。
引起光束发散的另一个非几何特征是衍射。该术语是指当(光的)波遇到障碍物或狭缝时发生的各种现象。它可以被描述为光在光孔的角落周围弯曲到几何阴影区域中。衍射效应可以从所有成像系统中发现，并且即使利用能够抵消所有光学像差的完美透镜设计，它们也不能被去除。实际上，能够达到最高光学质量的透镜通常被称为“衍射受限”，因为图像中剩余的大部分模糊来自衍射。衍射受限透镜可实现的角分辨率可以由公式sinθ＝1.22*λ/D计算，其中λ是光的波长，D是透镜的入射光瞳的直径。从该等式可以看出，光的颜色和透镜光孔尺寸对衍射的量有影响。图4B示出了当透镜光孔尺寸减小时光束发散如何增加的示意性表示。这种效应可以被公式化为成像光学设计中的一般原理：如果设计是衍射受限的，则提高分辨率的方法是使光孔更大。衍射是引起相对小的光源光束发散的主要特征。
图4B描绘了示出根据一些实施例的由衍射引起的增加的光束发散的示例的示意图。图4B示出了点源602、604、606的示意性表示600，其示出了如果减小透镜光孔尺寸614、616、618，光束发散608、610、612如何增加。这种效应可以被公式化为成像光学设计中的一般原理：如果设计是衍射受限的，则提高分辨率的方法是使光孔更大。衍射是相对小的光源引起光束发散的主要特征。
如图4A所示，扩展源的尺寸对可实现的光束发散具有大的影响。源几何结构或空间分布被映射到光束的角分布，并且这可以在源透镜系统的所得“远场图案”中看到。实际上，这意味着如果准直透镜位于距源的焦距处，则该源被成像到距透镜相对大的距离处，并且图像的大小可以根据系统“放大率”来确定。在简单的成像透镜的情况下，这个比率可以通过将透镜和图像之间的距离除以源和透镜之间的距离来计算，如图5所示。如果源和透镜之间的距离是固定的，则可以通过改变透镜的光焦度和透镜曲率来实现不同的像距。但是，当像距与透镜焦距相比变得越来越大时，所需的透镜光焦度的变化变得越来越小，接近于该透镜有效地将发射的光准直成一具有映射到角分布的源的空间分布的光束并且在不聚焦的情况下形成源图像的情况。
图5示出了具有各种放大率的三个示例透镜。在简单的成像透镜的情况下，所述放大率可以通过将透镜712、742、772与图像714、744、774之间的距离704、734、764除以源710、740、770与透镜712、742、772之间的距离702、732、762来计算，如图5所示。如果源710、740、770与透镜712、742、772之间的距离702、732、762是固定的，则可以通过随着透镜曲率改变透镜704、734、764的光焦度来实现不同的像距704、734、764。但是，如果像距704、734、764与透镜焦距702、732、762相比变得越来越大，则所需的透镜光焦度的变化变得越来越小，接近于该透镜有效地将发射的光准直成具有被映射到角分布中的源的空间分布的光束并且在不聚焦的情况下形成源图像的情形。在透镜配置700、730、760的集合中，随着源706、736、766变大，所投影的图像高度708、738、768增加。
在平坦形状因子无护目镜显示器中，像素投影透镜具有非常小的焦距以便实现平坦结构并且以便允许来自单个投影单元的光束被投影到相对大的观看距离可能是有帮助的。这意味着当光束传播到观看者时，源可以以高放大率被有效地成像。例如，如果源尺寸为50μm×50μm，投影透镜焦距为1mm，观看距离为1m，则得到的放大率为1000:1，并且源几何图像的尺寸为50mm×50mm。这意味着在该50mm直径的眼箱内仅用一只眼睛就可以看到单个光发射器。如果源具有100μm的直径，则所得图像将为100mm宽，并且由于眼睛瞳孔之间的平均距离仅为64mm，所以同一像素可同时被两只眼睛看到。在后一种情况下，将不会形成立体3D图像，因为双眼将看到相同的图像。示例计算示出了如光源尺寸、透镜焦距和观看距离的几何参数如何彼此联系。
当光束从显示像素投射时，发散导致光束扩展。这不仅适用于从显示器向观看者发射的实际光束，而且适用于看起来在显示器后面发射的虚拟光束，其会聚到靠近显示表面的单个虚焦点。在多视图显示器的情况下，这可能是有帮助的，因为发散扩大了眼箱的尺寸。然而，提供不超过两只眼睛之间的距离的光束尺寸可能是有用的，因为这可能破坏立体效果。如果希望利用显示表面之外的任何地方的两个或更多交叉光束来创建虚拟焦平面的体素，则随着发散增加，利用光束可实现的空间分辨率变差。还可以注意到，如果在观看距离处的光束尺寸大于眼睛瞳孔的尺寸，则瞳孔成为整个光学系统的限制光孔。
在显示器的设计中利用几何和衍射效应，以便实现体素分辨率的最优解决方案。在非常小的光源的情况下，光学系统度量变得更接近于光的波长，并且衍射效应变得更显著。图6A-D的示意图示出了在情况800、820、850、870中几何和衍射效应如何一起工作，使得一个扩展源802、852或两个扩展源822、824、872、874以固定放大率成像到固定距离。图6A示出了情况800，其中透镜光孔尺寸804相对较小，并且扩展光源802位于远离透镜的焦距810处。在图6A中，几何图像(GI)806被来自衍射的模糊包围，使得衍射图像(DI)808大得多。
图6B示出了情况820，其中两个扩展光源822、824被并排放置在距透镜焦距836处，并且利用具有相同的小光孔尺寸826的透镜成像。即使两个源822、824的GI 828、830被清楚地分离，但由于衍射图像832、834重叠，所以不能分辨这两个源图像。实际上，这种情况将意味着光源尺寸的减小将不会提高可实现的体素分辨率，因为所得到的源图像尺寸对于两个单独的光源(其中一较大的源覆盖两个单独的发射器的区域)相同。为了将两个源图像分辨为单独的像素/体素，应当增加成像透镜的光孔尺寸。
图6C示出了情况850，其中透镜具有相同焦距860但使用更大的光孔854来对扩展源852成像。现在衍射减少，DI 858仅稍大于GI 856，其在放大倍数固定时保持不变。
图6D示出了情况870，其中两个扩展源872、874位于距离透镜的焦距886处，光孔尺寸876等于透镜的尺寸。DI 882、884仅稍大于GI 878、880。现在可以分辨这两个光斑，因为DI 882,884不再重叠，使得能够使用两个不同的源872,874并提高体素栅格的空间分辨率。
基于交叉光束的显示器的光学设计特征
一些实施例提供了创建显示器的能力。在一些实施例中，该显示器可以用作3D显示器，例如光场显示器，其能够呈现3D图像的多个焦平面，同时解决聚散-调节冲突(VAC)问题。
在一些实施例中，所述显示器向观看者的双眼投射发射器图像，而在3D显示器与观看者之间没有光散射介质。为了通过创建位于显示表面外部的体素来创建立体图像，显示器被配置为使得与该体素相关联的显示器内部的发射器对于两只眼睛不同时可见可能是有用的。因此，对于所发射的光束集束(bundle)的视场(FOV)来说，覆盖双眼可能是有用的。对于单光束来说，具有使它们在观看距离处比两个眼睛瞳孔之间的距离(平均约64mm)更窄的FOV也是有用的。一个显示部分的FOV以及单个发射器的FOV可能受发射器行/发射器的宽度和成像光学器件的放大率的影响。可以注意到，只有当光束在焦点之后继续传播并在指定的观看距离处进入眼睛瞳孔时，用聚焦光束创建的体素才可以是眼睛可见的。对于体素的FOV来说，同时覆盖两只眼睛可能是特别有用的。如果体素仅对单只眼睛可见，则可能不形成立体效果，并且可能看不到3D图像。因为单个显示发射器一次仅对一只眼睛可见，所以通过将来自多于一个显示发射器的多个交叉光束引导至人的视觉暂留(POV)时间帧内的相同体素来增加体素FOV可能是有用的。在一些实施例中，总体素FOV是各个发射器光束FOV的总和。
为了使局部光束集束FOV在它们相关的指定观看距离重叠，一些实施例可以包括具有一定半径的弯曲显示器。在一些实施例中，例如使用平的菲涅耳透镜片，投射光束方向可以被转向特定点。如果FOV未被配置为重叠，则3D图像的一些部分可能不被形成。由于显示设备的实际尺寸限制和可能的焦距的实际限制，可以在显示设备的前面和/或后面形成与3D图像可见的特定区域相对应的图像区域。
图7是示出了根据一些实施例的3D显示结构可用的示例性观看几何结构的示意性平面图。图7示出了可以基于交叉光束的使用而利用3D显示器结构902实现的示例观看几何结构的示意性呈现900。在弯曲显示器902的前面，3D图像区域904的限制可以被认为是距离具有合理空间分辨率的显示器的最远焦距。图像区域904也可以被认为是由整个显示器的FOV 906限制。为了在最小像距处获得最大分辨率，显示光学特征可以被设计成将源图像聚焦到该区的最远边缘。在一些实施例中，在显示器后面还可以存在由所发射的光束的虚拟延伸形成的另一图像区域。在一些实施例中，显示器902后面的体素可以具有更大的可允许尺寸，因为观察者位于更远的位置并且因为眼睛分辨率在更大的距离处可能更低。在一些实施例中，可以基于扩展光束虚拟扩展可实现的最小可接受分辨率来选择最大像距。
图7示出了根据一些实施例的显示器902的示例性观看几何结构。特别地，图7中所示的显示面是弯曲的，其半径与指定的观看距离相同。在该示例中，重叠光束集束FOV 910形成围绕观看者912的面部区域的观看区域。该观看区域的尺寸可以影响观看者头部所允许的移动量。为了使立体图像成为可能，将两个瞳孔(以及瞳孔之间的距离914)同时定位在该区域内可能是有用的。所述观看区域的尺寸可以通过改变所述光束集束FOV 908来选择。可以基于特定的使用情况来选择特定的设计。
图8A-8B是示出根据一些实施例的3D显示器的示例性观看几何情形的示意性平面图。图8A-8B示出了两个不同的示例观看几何情况1000、1100的示意性表示。
如图8A所示，第一场景1000描绘了在显示器前面的单个观看者1004的场景以及其中小观看区域覆盖了双眼瞳孔的对应观看几何结构。这可以使用窄光束集束FOV 1002来实现。该区域的最小功能宽度可以受眼睛瞳孔距离的影响。例如，平均瞳孔距离可以是大约64mm。小的宽度也意味着对于观看距离变化的小的容限，因为窄FOV 1002倾向于在最佳观看位置的前面和后面以增加的距离彼此快速分离。
如图8B所示，第二场景1100描绘了具有更宽光束集束FOV 1102的观察几何结构。这种观看几何结构可以使得多个观看者1104处于观看区域内并且处于不同的观看距离。在该示例中，位置容限可以很大。
可以通过增加每个显示光束集束FOV来增加所述观看区域。这例如可以通过增加光发射器行的宽度或者通过改变光束准直光学器件的焦距来完成。较小的焦距可导致较大的体素，因此增加焦距以实现较好的分辨率可能是有用的。可以在光学设计参数和设计需要之间找到折衷。因此，不同的使用情况可以在这些因素之间进行不同的平衡。
在一些实施例中解决的问题
基于集成成像的3D显示950可以通过在期望的空间位置交叉两个光束954、956来形成体素952，如图9A所示。观看者的眼睛958将该体素看作源图像，该体素通过该体素位置从显示器投影到瞳孔。体素也可以由显示器后面的发散光束的虚拟延伸形成。如果单个投影光束聚焦到体素位置，眼睛在体素位置的前面和后面都看到源的模糊图像。这导致仅当目镜(eye lens)聚焦到正确距离时才看起来清晰的3D图像。两个交叉的光束用于为两只眼睛产生体素图像，并且它们之间的角度用于产生正确的眼睛会聚。这种系统能够分别产生视网膜聚焦提示和眼睛会聚，并且可以在没有VAC的情况下看到3D图像。
所显示的3D图像的分辨率取决于源被成像到体素位置的程度。如上所述，存在基于几何和衍射的因素，其确定投影图像的尺寸和锐度。如果可以使显示结构中的光束投影透镜的光学光孔很大，则像投影透镜焦距和发光区域的尺寸之类的几何因子将决定可实现的源图像尺寸。然而，如果所述光学光孔很小，则衍射效应将对最小体素尺寸设置限制，因为图像可能严重模糊。对于用在例如移动电话中的小型显示器，2D显示器像素尺寸通常在30μm-75μm的范围内。为了在显示表面上达到类似的2D空间分辨率，3D集成成像显示器应当具有相同尺寸范围内的光学光孔，但是衍射会引起问题。
当显示投影透镜光孔的尺寸增加时，投影体素的空间分辨率会提高，但不幸的是，同时显示表面的空间分辨率随着光孔的增大而降低。这种折衷问题在旨在创建若干焦平面的3D显示器中或在旨在用于3D和2D模式两者的显示器中尤其明显。例如，具有50μm像素的6英寸移动电话显示器将具有2660×1500像素矩阵和～500ppi(像素每英寸)分辨率，但是具有250μm像素的相同尺寸的显示器将仅具有532×300像素的阵列和～100ppi分辨率。前者将被认为是高端移动电话显示器，而后者甚至不具有VGA级分辨率，并且像素将用肉眼清楚可见。这两个光孔尺寸的例子表明，在具有当前用于集成成像解决方案的光学器件的小型显示器中，难以实现足够的3D图像空间分辨率和2D显示器分辨率的组合。
本文描述了用于增加投影透镜光孔尺寸而不损失显示表面上的空间分辨率的系统和方法。在马赛克透镜解决方案中，投影透镜由可以在显示表面处交错的分布式较小光学特征的集群创建。这使得可以利用单个源960创建两个或更多个光束部分962、964，其在体素位置966处交叉和聚焦，如图9B所示。显示表面上的大光孔尺寸通过若干较小的光孔而被采样，这些较小的光孔可以用自适应空间光调制器(图9B中未示出)打开或关闭，使得可以利用显示光学结构产生宽交错光束。
μLED光源
可在一些实施例中使用的显示技术为μLED。这些是用与当今使用的标准LED芯片相同的基本技术和相同的材料制造的LED芯片。然而，μLED是小型化的形式，并且它们可以被制成小至1μm-10μm的尺寸。一种已经制造的密集矩阵具有按照3μm间距装配的2μm x 2μm芯片。当与OLED相比时，μLED是更稳定的组件且其可达到极高光强度，这使得其可用于例如头戴式显示系统的应用。μLED可用于示例性实施例中以提供可非常快速地接通及关断的可个别寻址的光发射器的密集矩阵。
一个裸露的μLED芯片发射特定颜色，光谱宽度为～20-30nm。通过用磷光体层涂覆所述芯片，可以产生白光源，该磷光体层将由蓝色或UV LED发射的光转换成更宽的白光发射光谱。全色光源也可以通过并排放置单独的红、绿和蓝LED芯片来产生，因为当人类视觉系统组合单独的颜色发射时，这三种原色的组合产生了全色像素的感觉。前面提到的非常密集的矩阵将允许制造具有低于10μm(3×3μm间距)的总宽度的自发光全色像素。
来自半导体芯片的光提取效率是确定LED结构的电-光效率的参数之一。存在若干方法，其旨在提高提取效率，并且因此使得可以构建尽可能高效地使用可用电能的基于LED的光源，这对于具有有限电源的移动设备尤其重要。一种方法使用直接集成在LED芯片顶部上的成形塑料光学元件。由于较低的折射率差，与芯片被空气包围的情况相比，塑料形状的集成从芯片材料提取更多的光。所述塑料形状还以增强从塑料件的光提取并使发射图案更具方向性的方式引导光。另一种方法增强从μLED芯片的光提取。这通过将芯片本身成形为有利于光发射角度更垂直于半导体芯片的前小面(front facet)并且使光更容易逸出高折射率材料的形式来完成。这些结构还引导从芯片发射的光。在后一种情况下，在一个示例情况下的提取效率被计算为当与常规μLED相比时好两倍，并且与其中光均匀地分布到周围半球的标准Chip Lambertian分布相比，相当多的光被发射到30°的发射锥体。
一些示例显示结构的概述
本公开描述了可以用于利用交叉光束创建高分辨率3D图像的光学方法和系统。在包含可单独寻址的像素的发光层(LEL)上产生光。该发光层可为例如μLED或激光二极管(LD)矩阵或OLED显示器。重复光学元件的层将发射的光准直并分成聚焦到距该结构不同距离的若干光束和光束部分。周期性层(periodic layer)中的几个单独的特征可以作为一个集群一起工作，所述特征可以是例如具有UV固化的折射或衍射结构的聚碳酸酯箔。所述周期性层具有排列成马赛克图案的重复小特征，其中每个特征具有特定的曲率、倾斜角和表面特性。空间光调制器(SLM)(其可以是例如LCD面板)被用在所述周期性层的前面，用于选择性地阻挡或通过用于3D图像形成的光束部分。马赛克透镜和SLM具有同步分布的小光孔集群，目的在于降低衍射模糊的影响并提高图像分辨率。
虽然本文参考周期性层描述了一些示例，但应注意，光学层的特征不一定是周期性的。例如，不同的分布式透镜可以具有构成对应的分布式透镜的透镜区域的不同布置。
整个光学系统可以用于利用交叉光束形成体素。该体素可以位于显示器前面和后面的不同距离处以及显示表面上。不同的光束部分聚焦到离光学结构不同的距离，根据该距离将源成像到不同尺寸的光斑。由于可以单独选择每个马赛克特征的有效焦距，因此几何放大率也会受到影响，从而导致更小的源图像光斑和更好的分辨率。选择光孔集群的目的是减少衍射效应和增加空间分辨率。源自单个源的光束被分成几个部分，并且用于形成到一只眼睛的体素图像，从而产生正确的视网膜聚焦提示。以正确的体素距离交叉的两个光束用于创建到两只眼睛的完整体素，并且它们引起正确的眼睛会聚角。由于视网膜聚焦提示和会聚角两者可以被分别创建，所以该系统可以被设计成降低VAC。源矩阵、周期性层特征和SLM一起形成能够在显示器周围的3D空间中产生若干虚焦面的系统。
本文描述的系统和方法的一些实施例可以用于创建具有相对简单和薄的显示光学器件而没有移动组件的3D显示器。一些方法通过提供具有多个焦平面的3D显示器来解决VAC问题。
使用马赛克周期性层和SLM允许对光学系统的有效焦距和几何放大率进行单独控制，而不会过度地减小显示视场(FOV)和光束光孔尺寸。这使得可以对较小的体素成像，并提高显示表面外部的虚焦平面上的图像分辨率。
在一些实施例中，发光层上的连续发射器矩阵允许非常宽的FOV，这使得可以为多个用户创建宽的观看窗。这种显示器可以在没有弯曲或附加的聚焦光学器件(其可能将与来自显示器边缘区域的FOV重叠)的情况下制造，从而进一步简化了系统。由于单个体素形成光束被分成几个部分，并且使用分布式光孔，所以可以通过扩展整个光束光孔尺寸来减小衍射效应。
本文描述的示例显示结构可以适用于移动设备，因为马赛克周期层或其他分布式透镜光学层允许高分辨率体素和相对薄的显示结构。移动设备也在近距离使用，使得分辨率具有高优先级。
在一些实施例中，空间光调制器功能允许使用LCD面板。如果发光像素(例如μLED)被分别调制，则SLM像素可以仅与二元开关功能一起使用。然而，在一些实施例中，LCD面板也可用于像素强度调制，从而使得有可能保持发光层控制更简单。由于在一些实施例中希望利用SLM获得～60Hz的无闪烁图像，因此可实现空间光调制器的开关速度要求。主3D图像生成是利用光孔控制结构后面的更快的像素化光发射器模块来完成的，并且空间光调制器仅用于通过或阻挡意图到达观看者眼睛的光束的部分，使得人类视觉系统作为空间光调制器更新频率的决定因素。
3D显示器光学结构和功能
本公开提出了一种可以用于利用交叉光束创建高分辨率3D图像的光学方法和系统。图10示意性地示出了3D显示器光学结构及其功能的示例。在包含可单独寻址的像素的层上产生光。一层重复光学元件将所发射的光准直并分成聚焦到距该结构不同距离的几个光束部分。周期性光学层中的若干单独特征作为集群一起工作。重复的小特征可以被布置为马赛克图案，其中每个特征具有特定的曲率、倾斜角和表面特性。空间光调制器(SLM)被用在所述周期性层的前面，用于选择性地阻挡或通过用于在焦面上形成3D图像的光束部分，所述焦面可以位于显示表面的外部。所述马赛克图案遵循分布式光孔形状，其可被设计成在小光孔的情况下减少衍射效应。利用SLM产生可调光孔图案。
图10是示出了根据一些实施例的3D显示器的一部分的示意性横截面侧视图或俯视图。一些实施例提供了一种光学方法和关于光学系统的基本构造，其可以用于利用交叉光束创建高分辨率3D图像。如图10中的示例所示，在含有可单独寻址像素的二维阵列的层1302上产生光。这里称为周期性层的重复光学元件的层1304将发射的光准直并分成聚焦到距该结构不同距离的几个光束部分。所述周期性层中的几个单独的特征可以作为一个集群一起工作。该重复的小特征可以被布置为马赛克图案，其中每个特征具有特定的曲率、倾斜角和表面特性。空间光调制器(SLM)1306可以用于选择性地阻挡或通过用于3D图像形成的光束部分。SLM 1306可以位于所述周期性层的前面或后面。光束部分的阻挡和通过可以用于在多个焦面上形成图像，这可以由周期性马赛克层特性来确定。
在图10的示例中，为了在显示表面前面的位置1310处生成体素，从位置1308(例如，从位置1308处的像素)发射光。所发射的光穿过光学层1304，并且SLM 1306操作以控制离开所述显示表面的光(SLM的透明部分被示为空框，SLM的不透明部分被示为黑框)。在该示例中，SLM 1306仅允许来自马赛克单元1312的中心部分的光离开显示器。那些射线在体素1310处会聚。体素1310位于图像平面1314上。体素1310可以是发光元件在位置1308的图像。可以使用类似的技术在图像平面1314上显示其他体素。
为了在位置1316处生成体素，从发光层的位置1318和1320处的像素发射光，并且SLM 1306操作以允许仅聚焦在体素位置1316上的光通过，而阻挡其他光(例如，阻挡否则将聚焦在图像平面1314上或其他地方的光)。体素1316可以包括在位置1318和1320处的发光元件的叠加图像。体素1316位于图像平面1322上。可以使用类似技术在图像平面1322上显示其他体素。从图10中可以明显看出，可以使用来自单个像素的光或来自多于一个像素的光来生成体素。类似地，可以使用穿过单个马赛克单元的光或穿过多于一个马赛克单元的光来生成体素。虽然图10示出了在显示表面前面生成体素，但是下面给出了在显示表面上或后面生成体素的进一步的示例。
发光层(LEL)可为例如μLED矩阵、OLED显示器或具有背光的LCD显示器。具有马赛克光学特征的光学层(例如周期性层)被置于LEL结构的前面，并且它可以是例如具有通过卷对卷工艺中的UV固化制造的折射光学形状的聚碳酸酯箔或片。由于大多数源(例如μLED)将光发射到相当大的数值光孔(numerical aperture,NA)中，层中的若干单独光学特征一起作为集群工作，该集群将来自单个发射器的光准直并聚焦到形成光源图像的若干光束部分中。在形成单个光源图像中利用的特征的数量取决于源NA、LEL与周期性层之间的距离以及层特征设计。在一些情况下，至少两个光束部分用于一个源图像，以便为单只眼睛提供聚焦提示。具有至少两个部分的至少两个光束用于校正眼睛会聚提示。如果仅期望水平视图，则光学结构可以是一维的(例如，向一个方向倾斜的圆柱形折射特征)，或者如果期望在两个方向上的视图，则它们可以是二维的(例如，双锥形微透镜)。
所述光学层可以是包含重复周期性特征的周期性层，所述重复周期性特征由以马赛克图案构造的较小光学子特征形成。周期性层重复特征的每个较小马赛克子特征或瓦片可以具有不同的光学特性，这取决于折射率、表面形状和/或表面特性。所使用的表面形状可以是简单的平坦小面、在两个方向上具有不同曲率的连续曲面、或者具有光学粗糙表面的漫射矩形等。所述瓦片可以在重复特征上用不同的图案填充不同的表面区域。
马赛克图案的瓦片可以将所发射的光准直并分成不同的光束部分，所述不同的光束部分根据瓦片光学特性而行进到略微不同的方向。所述光束部分可以聚焦到距光学结构不同的距离，并且可以在垂直和水平方向上进行聚焦。如上所述，远离显示器成像的光斑通常大于以较短距离成像的光斑。然而，由于可以单独地选择每个马赛克特征瓦片的有效焦距，因此为了达到更小的源图像光斑和更好的分辨率，几何放大率也会受到影响。分布式光孔用于减少来自小的马赛克特征光孔尺寸的衍射，使得可以使用几何成像用于视网膜聚焦提示创建。一个源矩阵内的相邻光发射器被成像到光斑矩阵中。源矩阵、周期性层马赛克特征和SLM一起形成能够在显示器周围的3D空间中生成若干虚焦面的系统。
图11A是示出根据一些实施例的具有示例马赛克单元的光学瓦片的布置的示意性前视图。在该示例中，光学瓦片1402a是半透明的(例如，光学上粗糙的)光学瓦片，其散射穿过它们的光。光学瓦片1404a-b和1406a-b被配置成将光聚焦到第一焦距。这些瓦片中的两个1406a-b用于在x方向上聚焦光束部分，并且其中两个1404a-b用于在正交的y方向上聚焦。类似地，另外四个瓦片1408a-b和1410a-b用于将光束部分聚焦到第二焦距。马赛克单元中心的四个瓦片1412a-b和1414a-b用于将光束在两个方向上聚焦到第三焦距。在第一示例图案中呈现的布置中，每个嵌套的聚焦区的矩形拐角可以用于创建具有更高像素分辨率的2D显示图像。在一些实施例中，这些瓦片或“2D像素”可具有粗糙表面或其它半透明特征，以便将光散射到所有角度中，从而使得像素从所有观看方向可见。在一些实施例中，当体素位于显示表面处时，所述2D像素可用于3D图像形成。
图11B是示出根据一些实施例的周期性特征的马赛克单元的示例马赛克图案的示意性前视图。图11B中描绘的示例图案示出了类似的布置，但是没有半透明的2D像素特征。光学瓦片1502a-b和1504a-b可操作以将光聚焦到第一焦距。光学瓦片1506a-b和1508a-b可操作以将光聚焦到第二焦距，并且光学瓦片1510a-b和1512a-b可操作以将光聚焦到第三焦距。聚焦到第二和第三距离的瓦片具有相同的总面积，这可以帮助抵消落在这两个聚焦层上的光强度。在这种情况下，第一聚焦层由较大表面积的瓦片形成，这使得例如可以以较高的光强度强调一些焦面，或者增加较大尺寸的体素上的光量以平衡辐照度。当不形成3D图像时，这些较大的区域也可以用作具有较高强度的2D显示像素。
图12A是示出根据一些实施例的光学层中的马赛克单元的示例二维阵列的示意性前视图。马赛克单元可以在周期性层上布置成不同的阵列图案。图12A-12B描绘了根据一些实施例的阵列图案的两个示例。在第一个示例中，如图12A所示，所述马赛克单元形成矩形矩阵，其中行和列形成直的水平和垂直线。这种模式可以允许更容易的渲染计算，因为所生成的体素也被布置成矩形矩阵。
图12B是示出根据一些实施例的周期性特征的马赛克图案的示例阵列的示意性前视图。图12B中所示出的第二示例性阵列图案描绘了其中在相邻列之间存在偏移(例如，垂直或水平)的替代布置。该图案对于增加有效分辨率是有用的，例如，在仅产生水平交叉光束的情况下增加有效分辨率。
例如，所述周期性层可以被制造为由UV固化材料以卷对卷工艺制成的具有光学形状的聚碳酸酯片，或者可以是具有压印衍射结构的箔等。它也可以是具有渐变折射率透镜特征的片、或通过将光致抗蚀剂材料暴露于激光产生的干涉图案而制造的全息光栅。各个子特征大小和图案填充因子对可实现的分辨率具有直接影响，且例如对减少引入到系统的杂散光的图像对比度的量具有直接影响。高品质光学器件制造方法对于生产母版是理想的，该母版然后被复制。由于单个特征非常小，具有适当形状的第一母版的尺寸也可以非常小，使得制造成本更低。并且由于在整个显示表面上重复该相同的图案，因此不需要在水平或垂直方向上精确地对准发光层与周期性层。深度方向对对准更敏感，因为它确定显示表面外部的焦面的位置。
在一些实施例中，SLM被放置在所述周期性马赛克层的前面。在一些实施例中，SLM是LCD面板，并且它用于选择性地阻挡或通过部分投射光束。由于整个连续光学结构可以用于产生多个光束部分，因此不必存在清楚限定的显示像素结构，并且LCD可以用作系统的光束产生部分前面的自适应掩模。像素尺寸优选地较小，并且可以在与周期性特征瓦片尺寸相同的尺寸范围内或小于周期性特征瓦片尺寸。如果像素比特征瓦片小得多，则不需要将周期性层精确对准到SLM，但是如果像素尺寸相同，则希望这两层之间良好对准。像素可以是规则的矩形图案，或者它们可以是针对周期性马赛克层光学特征定制的。如果从LEL发射的光是白色的，例如在磷光体涂覆的蓝色μLED矩阵的情况下，则像素还可包含用于颜色产生的滤色器。图13A-13B中示出了两个示例性滤色器布置。如果LEL包含有色像素(例如，单独的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)μLED)，则SLM可以用于光束的强度调整。
在一些实施例中，显示系统使用空间和时间复用的组合。在这种情况下，具有足够快以获得无闪烁图像的足够刷新率的SLM组件是有用的。当渲染图像时，SLM和发光层可以一致地工作。同步LEL和SLM可能特别有用。SLM可以用作具有光孔图案的自适应掩模，当单个源或一组源被激活时，该光孔图案例如扫过显示表面。通过在LEL的不同部分同时掩蔽源群集，可以同时使用这些图案中的几个。在一些实施例中，实施具有比SLM快的刷新速率的发光组件(例如，μLED)可能是有帮助的。这样，在SLM(例如，具有60Hz刷新率的SLM)的刷新周期内，源可以被激活若干次。眼睛跟踪也可以用于通过仅向某些指定的眼箱区域渲染图像而不是向显示器的整个FOV渲染图像来降低对更新速度的要求。
图14是示出了根据一些实施例的用于形成体素的示例性配置的示意性截面侧视图或顶视图。在一些实施例中，光学系统可以实现使用交叉束来形成体素。这些体素可以形成在距显示表面的不同距离处(例如，在显示器前面、在显示器后面和/或在显示表面上)。图14是示出示例体素2002的示意图，该示例体素是利用源自发光层2010上的位置2004、2006、2008处的光源的光束在显示器前方特定焦距处创建的。来自位置2004、2006、2008处的源的光被光学层2012折射到不同的方向，并且空间光调制器2014允许被导向体素2002的光的透射，同时阻挡未被导向体素2002并且未被用于生成其他体素的光。
在图14的示例中，通过从在发光层2010上的位置2018、2020和2022处的光源发射的光束部分的虚拟延伸相交，在显示器后面的体素位置处生成体素2016。来自位置2018、2020和2022处的源的光被光学层2012折射到不同的方向，并且空间光调制器2014允许从体素2016的位置引导的光的透射，同时阻挡未从体素2016的位置引导并且未被用于生成其他体素的光。在一些实施例中，可以使用若干源以便补偿由于光束部分的较宽的角展度而传播到眼睛方向的较低光强度。
在图14的示例中，在显示器上的一个位置处生成体素2024。来自位置2026处的源的光被体素位置2024处的光学层2012上的半透明光学瓦片散射。空间光调制器2014允许散射光透射到显示器的外部，同时阻挡来自其它光学瓦片的光的透射。
图14示出了一个示例，其中在显示表面上生成体素2024，而在显示表面的前面和后面生成其他体素(2002,2016)。然而，在一些实施例中，显示器可以操作以仅在显示表面上生成体素。这可以通过操作空间光调制器使得只有穿过半透明光学瓦片的光到达显示设备的外部来完成。这样的体素可以用作2D像素，以在显示表面上显示2D图像。
在一些实施例中，通过组合源自两个相邻源的两个光束以及源自单个源的两个光束部分来创建体素。所述两个光束部分可以用于产生用于正确的眼睛视网膜聚焦提示的单个光束聚焦，而两个组合光束可以用于覆盖观看者一对眼睛的较大FOV。这种配置可以帮助视觉系统校正眼睛会聚。这样，在光学结构中，用于单眼视网膜聚焦提示的小发光角度的生成和用于立体效果所需的眼睛会聚的较大发射角度的生成彼此分离。该布置使得可以利用显示器的光学设计来分别控制两个角域。
在一些实施例中，可以将焦面距离编码到光学硬件中。例如，周期性层特征瓦片的光焦度可以将体素深度坐标固定到离散位置。因为可以用单个发射器光束来创建单眼视网膜聚焦提示，所以在一些实施例中，可以通过仅利用来自两个发射器的两个光束来形成体素。这种布置可以有助于简化渲染任务。在没有周期性特征的情况下，足够的源数值光孔和几何放大率的组合可能要求体素尺寸非常大并且可能使分辨率很低。所述周期性特征可以提供单独选择成像系统的焦距的能力，并且可以制作更小的体素以获得更高分辨率的3D图像。
在一些实施例中，所创建的光束可以在周期性层之后向不同方向传播。发光层和周期性光束聚焦层之间的距离可以用作光孔扩展器。为了达到特定的光学性能，将可应用的距离值与周期性层特征的尺寸/间距和各个瓦片的尺寸相匹配可能是有帮助的。尽可能多地扩展单个光束光孔以便改善光束聚焦并减少与小光孔相关的衍射效应可能是有用的。这对于更靠近观看者创建的体素层可能是特别有用的，因为眼睛分辨率变得更高并且几何放大迫使体素尺寸更大。两个光束部分可以在焦面上的体素位置处交叉，并且到达观看者的单眼瞳孔，以便创建右视网膜聚焦提示而没有太多的衍射模糊。
用于减少衍射模糊的分布式光孔设计特征
如上所述，当小光孔与马赛克特征一起使用时，衍射使投影的源图像变模糊，并显著降低3D图像体素分辨率。如果光孔尺寸足够小，则几何成像是不可行的，因为衍射效应支配了光束发散。在这些情况下，光束将具有位于显示表面上的最小可见光斑(其中光孔对光进行衍射)，并且几何成像不提供足够的视网膜聚焦提示。通过使光学光孔更大可以减轻衍射效应。在一些实施例中，使用分布式光孔设计来增加投影光学器件孔尺寸，而基本上不牺牲显示表面上的空间分辨率。该分布式设计允许光孔交错，这使得有可能增加体素分辨率，因为投影光束也可以被交错，并且体素可以以比标准连续光孔更高的空间分辨率形成。
为了提供可抑制衍射模糊的分布式光孔，在一些实施例中，使用对期望的较大光孔区域进行采样的一组较小的孔。在一些实施例中，较小的光孔可以是连续的链。在一些实施例中，该组较小的孔具有对称中心点，并且在一些实施例中，较小的光孔中的一个位于所述对称中心点处。光孔集群的极限尺寸可以选择为足够大，以便提供小的光束发散和良好的源成像特性，同时具有有限的衍射模糊。
可以选择较小光孔的布置，使得会导致低3D图像体素空间分辨率的源视网膜图像中的中心强度最大值不会变得太大。还可以选择更小光孔的布置，以便基本上最小化降低图像对比度的衍射次级光斑的强度。通过使用一组分布式较小光孔，可以使中心视网膜图像光斑非常小，接近由几何成像确定的光斑尺寸，并且可以大大减少投影源图像周围的衍射模糊。
分布式光孔交错
为了与马赛克透镜3D显示方法兼容，光孔图案可以交错。在一些实施例中，分布式光孔集群具有可与其它光孔集群重叠而没有重叠或未利用的表面区域的设计。不同的设计也将导致稍微不同的可实现的空间分辨率，因为重复图案之间的间距取决于集群在SLM上可以被排序的方式。
图15C的具有十二个正方形光孔的棋盘图案对于小型显示器可能是有利的，因为其组合了充分的衍射移除和交错的可能性。矩形和三角形光孔集群示例情况的光学性能落在四个圆形光孔情况和棋盘图案情况之间的某处。这些也可以用于具有稍微降低的光学性能的小尺寸显示器中，或者当显示器尺寸在小型移动和大型墙壁尺寸屏幕之间的中间范围中的某处时，可以使用它们。图15B示出了光孔设计情况的另一示例，其可以使用750μm宽的具有三角形的光孔图案来产生足够的视网膜聚焦提示。在马赛克显示方法中，光孔集群和马赛克透镜的设计可以适用于特定的使用情况，马赛克特征光孔尺寸影响需要多少衍射去除。大屏幕尺寸对于交错光孔设计具有更大的自由度，而具有高分辨率的小型移动屏幕可以被设计用于更大的衍射抑制。
作为交错设计的示例，图15A-15C中示出了不同的光孔集群。在所有这些示例中，两个不同的透镜形状被覆盖有彼此为镜像的两个光孔集群。这两个分布式光孔几何结构通过交错而组合，并且它们一起形成一个光孔集群瓦片。可将该瓦片放置成连续的马赛克图案，该图案重复原始光孔的形状，而在光孔集群之间没有重叠或空区域。
参照图15A，第一分布式透镜1552示意性地图示为表示传统(例如，圆形对称)透镜1550的采样部分。类似地，第二分布式透镜1556示意性地图示为表示常规(例如，圆形对称)透镜1554的采样部分。分布式透镜1552和1554是彼此的镜像。它们可以具有相同的光焦度，或者它们可以具有不同的光焦度。分布式透镜1552和1554可以被组合而不重叠，如1557处所示，并且那些分布式透镜的多个示例可以在光学层上以图案交错，如1558处所示。
类似地，参考图15B，第一分布式透镜1560和第二分布式透镜1562彼此成镜像。它们可以具有相同的光焦度，或者它们可以具有不同的光焦度。如1564所示，可以无重叠地组合分布式透镜1560和1562，并且如1566所示，可以在光学层上以图案交错这些分布式透镜的多个示例。
参照图15C，第一分布式透镜1570和第二分布式透镜1572彼此成镜像。它们可以具有相同的光焦度，或者它们可以具有不同的光焦度。分布式透镜1570和1572可以如1574所示无重叠地组合，并且这些分布式透镜的多个示例可以如1576所示在光学层上以图案交错。
当产生最终的分布式光孔交错马赛克图案时，确定从显示器发射的两个完整成像光束之间的间距。根据使用情况，光孔集群可以被配置为对于垂直、水平和对角线方向具有不同的间距值。例如，静态桌面显示器在水平方向上可以具有更好的角分辨率，但是移动电话显示器可以在两个方向上具有相等的分辨率，因为它可以在纵向或横向模式下操作。图15A和15B中所示的马赛克图案在垂直和水平方向上具有不同的间距，但是图15C中所示的示例马赛克图案在两个方向上具有相等的间距。
在一些实施例中，所述分布式交错马赛克图案由若干不同的光孔集群几何结构形成。这些光孔群集中的一些可以更大以便更好地进行衍射控制，而一些可以更小以便例如在体素在显示表面上创建的情况下创建大的衍射图案。对于不同的3D图像焦深，期望的体素尺寸可以不同。一些实施例使用更大且更连续的光孔来创建更靠近观察者的体素，并且使用更高分辨率的源图像。这样的实施例可以针对更远的体素，使用更小或更不连续的分布式光孔。
示例性3D显示器特性
在3D显示器结构的设计中要考虑的一个因素是光学材料将具有不同波长的光折射到不同角度(色散)的事实。结果，如果使用三个有色像素(例如，红、绿和蓝)，则使不同颜色的光束倾斜并聚焦到与折射特征稍微不同的方向和距离。在一些实施例中，可以通过使用混合层在结构本身中补偿色散，其中例如衍射特征用于颜色校正。由于有色子像素可以在LEL上空间分离，因此对于有色光束投影角也可以存在一些小的角度差。如果源组件的投影图像在焦面层上保持足够小，则三个有色像素将被彼此相邻地成像，并且以与利用当前的常规2D屏幕(其中有色子像素被空间地分离)看到的方式类似的方式被眼睛组合成全色体素。所述3D显示结构的有色子像素图像是高度定向的，并且确保所有三种不同颜色的光束通过瞳孔进入眼睛可能是有用的。
发光元件的物理尺寸和显示光学器件的总放大率可以影响每个3D图像虚焦面上可实现的空间分辨率。在发光像素聚焦于位于更远离显示设备的表面的情况下，几何放大率可以使得像素图像比在焦平面位于更靠近显示器的情况下更大。在一些实施例中，使用所述周期性层使得可以增加焦距，而不使光学器件的光孔尺寸或显示表面处的源图像太大。这是所提出的方法的性能益处，因为它使得可以在显示表面和显示器外部的焦面处实现相对高分辨率的3D图像层。
如前所述，例如在光发射器和微透镜孔尺寸非常小的情况下，衍射也可以影响可实现的分辨率。显示和渲染方案可实现的深度范围可能受到来自每个子像素的光束准直的质量的影响。发光像素的尺寸、周期性层瓦片光孔的尺寸以及瓦片的有效焦距是可能影响准直质量的三个参数。如果像素尺寸小(例如，在移动设备的情况下)，周期性层前面的小SLM光孔也可能导致衍射。然而，可以以这样的方式进行光孔大小的选择，即当体素距离较大时使用较大的光孔集群。这样，可以使衍射效应最小化，以便实现更好的分辨率。特别地，一些实施例可操作以利用单个源渲染用于单眼聚焦的体素，所述单个源在光学结构的帮助下生成两个或更多个光束部分。这允许光束干涉和减少的衍射模糊。如本文所述的分布式光孔集群的使用有助于衍射模糊去除。
在一些实施例中，LEL上的连续发射器矩阵允许宽FOV。由于几何成像中使用的焦距可以利用周期性马赛克层单独影响的事实，示例实施例使得可以同时实现良好的分辨率和大的观看区域。然而，这可能伴随着降低光效率的代价，因为当为了更好的分辨率而增加聚焦瓦片的有效焦距时，在体素形成中仅使用所发射的光的较小部分。当仅有部分光束通过用于成像时，大部分光焦度被SLM层吸收。
光源前面的周期性层使得可以利用更好的宽光发射图案，该宽光发射图案对于像OLED和μLED的组件是典型的。对于透镜集群层是连续的实施例，如果源层具有基本上连续的发射器矩阵，则不需要将马赛克瓦片与特定的源对准。然而，由于典型的朗伯发射图案使得光强度朝向与表面法线方向相比更大的角度下降，因此可能期望相对于光束角来校准光束强度。例如，通过相应地选择空间光调制器的透射，或者通过利用电流或脉冲宽度调制来调整所述源的光发射，可以进行这种校准或强度调整。
在一些实施例中，位于周期性层前面的空间光调制器也可以用于阻挡来自先前光学层的杂散光。该光学层可以用抗反射涂层处理，以避免从折射表面的多次反射。这些反射可引起降低图像对比度的杂散光。由于SLM用于阻挡部分发射光束，所以它也可以有效地用于阻挡来自光学元件的杂散反射。所述SLM用作自适应掩模，其在选定的源群集前面具有小的可调节光孔，并且该掩模可以扫过显示表面。在这些扫描期间，它可以阻挡或通过适当的光束，并且同时抑制局部杂散光发射。
虽然在这里的许多示例中，SLM被描述为位于发光层和光学层之间，但是在一些实施例中，所述光学层位于发光层和SLM之间，使得SLM调制已经穿过光学层的光。
示例3D显示渲染方案
几种不同类型的渲染方案可以与所呈现的显示结构和光学方法一起使用。根据所选择的渲染方案，所实现的显示设备可以作为具有多个视图和焦面的3D显示器或者作为常规的2D显示器来操作。后一功能也可以由光学硬件设计支持。
在根据一些实施例的3D渲染方案中，一个目标是除了多个观看方向之外，在物理显示表面的前面或后面在观看者(一个或多个)前面创建若干焦点或焦平面。通常，这要求为每个3D物点或体素产生至少两个投影光束。显示器内的单个子像素可以具有FOV，该FOV使得其在任何给定时间仅对一只眼睛可见，但是所创建的体素通常应当具有同时覆盖两只眼睛的FOV，以便创建立体视图。当同时使用多于一个光束时，体素FOV被创建为各个光束FOV的总和。对于显示器和观察者之间的所有体素，会聚光束可以在显示器前面在正确的体素距离处交叉。以类似的方式，位于比显示器离观察者更远距离处的体素可以具有实际上在显示器后面交叉的光束对。(至少)两个光束的交叉能够产生不在显示表面上的焦点(或焦面)。希望分开的光束聚焦到它们交叉的相同光斑处。使用马赛克周期性层特征使得有可能利用该方法创建单光束聚焦，并且可以创建更自然的视网膜聚焦提示。在一些情况下，分布式光孔还可以产生扩展景深成像光束。延伸的光束腰允许连续的交叉深度范围而没有分辨率降低，并且可以利用简单的渲染方法来创建更自然的视网膜聚焦提示，所述简单的渲染方法仅使用发射器定位来进行正确的光束角选择和眼睛会聚的启动。
由于3D渲染可能需要繁重的计算，因此可能期望将3D数据减少到彼此刚好足够接近以使观察者视觉系统具有连续3D深度体验的某些离散深度层。基于估计的人类视觉系统平均深度分辨率，覆盖从50cm到无穷大的视觉范围将花费大约～27个不同深度层。由于空间上分离的马赛克瓦片和SLM被用于深度层选择的事实，示例方法和光学硬件允许创建可以被同时显示的多个焦面。在一些实施例中，在设备中主动地检测观察者位置，并且体素仅被渲染到观察者所处的那些方向。主动观察者眼睛跟踪可以使用近红外光与显示器结构周围或其中的相机来执行。
可以在空间/角度分辨率和深度分辨率之间找到与渲染方案相关联的一种折衷情况。在有限数量的像素和组件切换速度的情况下，可以选择是以较低数量的焦平面为代价来强调高空间/角分辨率，还是以更多像素化的图像为代价来具有更多的焦平面以获得更好的深度效果。这同样适用于系统级的数据处理，因为更多的焦平面通常使用更多的计算和更高的数据传输速度。当对象距离较远时，人类视觉系统允许深度信息的减少，因为深度分辨率对数性地降低。同时，随着图像平面变得更远，眼睛仅可以分辨更大的细节。这使得可以使用在距离观察者的不同距离处产生例如不同体素分辨率的渲染方案，从而降低了图像渲染的处理速度要求。与渲染方案有关的所有这些折衷也可以基于所呈现的图像内容来适配，从而实现例如更高的分辨率或图像亮度。
在一些实施例中，为了创建全色图像，可以在LEL或SLM上使用三种不同颜色的像素。颜色渲染方案可以适应于不同颜色在周期性层处被折射到稍微不同的角度方向的事实。除了颜色渲染方案之外，可以利用硬件去除这种色散中的一些，例如通过将衍射结构集成到周期性层特征，使得它们被颜色校正。这在补偿折射瓦片的不同焦距时可能是有用的。一种颜色渲染方案是使用白色照明和具有滤色器的SLM。可以用例如蓝色μLED和磷光体薄层的组合产生白光束。在这种情况下，在SLM(例如LCD面板)层中为每个聚焦层体素分别选择光束颜色，并且在眼睛中组合这三种颜色。
示例实现
下面呈现根据本文描述的实施例的一个示例显示器。图16示出了其中具有7”3D显示器的移动设备2102放置于距单个观看者2104 350mm距离处的使用情况。显示器将图像形成到位于移动设备的前面和后面的虚拟图像区域。在一些实施例中，所述图像区域可覆盖从观察者眼睛位置测量的281mm至463mm的距离。所述显示器能够利用所呈现的光学结构在水平和垂直方向上生成多个体素形成光束。马赛克透镜以这样的方式排列，使得所述光束在几何上聚焦到离显示器69mm的距离。然而，分布式光孔几何结构和衍射扩展了光束聚焦深度，并且没有特定的可见焦点。3D图像被渲染成三个不同的图像平面和仅利用交叉光束和眼睛会聚创建的体素。这三个离散体素平面之间的距离被设置为对应于彼此相距0.7屈光度的目镜光焦度变化，使得3D图像看起来连续。
图17A是示例性显示器光学设计的示意性剖视图。从连续的μLED矩阵1702发射光，其中组件尺寸为2μm×2μm，间距为3μm。被接合到交错矩阵中的红、绿和蓝组件被用于全色光束生成。周期性光束聚焦层1704放置在离发射器～1.9mm的距离处，并且其被制成～0.08mm厚的箔，该箔具有聚碳酸酯基底层和通过UV固化制成的微光学特征。在一个示例中，所述周期性特征可具有176μm的宽度。没有滤色器的LCD面板1706被放置在紧邻(例如，覆盖或位于其下)所述周期性层处，并起SLM的作用。各个LCD像素可具有44μm的宽度。整个光学结构可以具有低于2.5mm的厚度。
在一些实施例中，所述周期性特征遵循图17B所示的分布式光孔几何结构，具有一中心正方形和四个角正方形，该中心正方形的宽度和高度可以是88μm，该四个角正方形的宽度和高度可以是44μm，总尺寸为176μm×176μm。这种形状可以如图17C所示的交错图案重复通过整个周期性层。该图案在水平(88μm)和垂直(176μm)方向上具有不同的间距值。结果，体素在水平方向上可以具有两倍更好的分辨率，该水平方向是显示“横向”模式中的眼睛对的方向。
在一些实施例中，具有～2.0mm焦距的单个非球面光学形状可以用于光收集和光束生成。在一些实施例中，所使用的小光孔集群使光学器件进入扩展的聚焦深度系统，其中不需要在马赛克层中具有多于一个聚焦深度的光学器件。
在一些实施例中，具有偏振器和图案化液晶层的0.5mm厚的LCD面板叠层被置于系统的光产生部分的前面，尽可能靠近周期性层组件。该LCD具有44μm×44μm像素，而无需任何滤色器。该面板的像素尺寸与最小周期性层特征尺寸相同，使得可以选择性地阻挡源自不同光孔形状位置的光束。在所述周期性特征和LCD之间执行精确对准。这种像素排列使得可以在显示表面上创建体素的同时或者当显示器在2D模式下使用时，使用来自四个相邻周期特征角落的四个较小正方形部分。在后一种情况下，可以同时对一个显示像素使用几个发射器，以便使像素FOV更大。这种方法允许显示表面上也在垂直方向上的更高空间分辨率，这是可以在横向和纵向模式之间切换的移动设备显示器中的有用特征。最终的2D图像像素大小为88μm×88μm，并且7”显示器可以在没有3D图像的情况下以全HD分辨率操作。
所提出的方法和光学结构可以适用于具有小屏幕尺寸的移动设备以及头戴式或其他近眼显示器。
分布式透镜的示例
在一些实施例中，所述光学层包括多个分布式透镜。每个分布式透镜可以对应于如本文所述的分布式光孔。分布式透镜可以具有两个或更多个透镜区域。在分布式透镜内，两个或更多个透镜区域可以是不邻接的。仅在角落处相交的透镜区域可以被认为是不邻接的区域。
在一些实施例中，当透镜区域具有基本上相同的主焦点时，这些透镜区域可以被认为是相同的分布式透镜的一部分。光学层中透镜区域的主焦点是垂直于光学层的入射光线将被聚焦的点。图18示意性地示出了分布式透镜区域的主焦点，以横截面示出了具有多个分布式透镜(透镜A、B、C、D和E)的光学层1802。垂直于光学层的准直光线被示为从左侧进入光学层1802。应当注意，在操作中，光学层并非必须在这种准直光上操作；相反，提供图18仅是为了阐明示例性光学层的光学特性。
如图18所示，尽管分布式透镜A包括四个非邻接的透镜区域，但是这些区域都将入射光聚焦到单个主焦点1800a，并且因此它们可以被认为是单个分布式透镜的一部分。类似地，尽管分布式透镜B包括七个非邻接的透镜区域，但是这些区域都将入射光聚焦到单个主焦点1800b，并且因此它们可以被认为是单个分布式透镜的一部分。还应当注意，在不同空间位置具有不同主焦点的透镜仍然可以具有相同的焦距。例如，分布式透镜B和D被示出为具有相同的焦距，但是它们在不同的垂直位置具有不同的主焦点(分别为1800b和1800d)。并且分布式透镜A、C和E被图示为具有相同的焦距，但是它们具有不同的主焦点(分别为1800a、1800c和1800e)。通常，光学层可以包括在同一表面上交错的具有第一焦距的分布式透镜的第一二维阵列、具有第二焦距的分布式透镜的第二二维阵列等。
在弯曲光学层的情况下，可能不存在单个“垂直”方向。在这种情况下，透镜区域的主焦点可以被认为是垂直于该透镜区域附近的光学层的入射光线将被聚焦的点。然而，在目标是确定两个透镜区域是否具有相同的主焦点而不是确定主焦点的精确位置的程度上，该目标对入射光方向的选择的小变化相对不敏感。
如果对于发光层中的多个发光元件中的每一个，不同的透镜区域各自在空间中基本相同的位置处生成相应发光元件的(真实或虚拟)图像，则不同的透镜区域也可以被视为相同的分布式透镜的一部分。注意，除了主焦点或图像是虚焦点或图像之外，分布式透镜的上述标准可以应用于图18所示的发散透镜以及会聚透镜。
每个分布式透镜还可以具有光轴，其中分布式透镜的光轴穿过分布式透镜的主焦点并且垂直于光学层。例如，分布式透镜B的光轴在1804b处示出。分布式透镜的光轴穿过光学层的点可以被称为该分布式透镜的光学中心。例如，分布式透镜B的光学中心在1806b处示出。分布式透镜的光学中心不一定包括在该分布式透镜内的任何透镜区域内。可以为分布式透镜中的每个单独透镜区域定义光学中心，其中分布式透镜中的透镜区域具有基本上相同的光学中心。
除了图15A-15C中所示的分布式透镜形式之外，图19-22中提供了分布式透镜的其它示例。图19A示出由九个1×1正方形透镜区域(以任意单位)构成的分布式透镜形式。每个正方形透镜区域可以(但不是必须)对应于空间光调制器的单个正方形像素。即使透镜形式在其最大程度上具有5×5的尺寸，具有相同形式的分布式透镜可以以3×3间隔被细分。图19B中示出九个这种分布式透镜的布置。用相同类型的阴影示出的透镜区域是相同的分布式透镜的一部分。每个分布式透镜的光学中心也使用常规的“重心”符号来说明。
注意，虽然图19A-19B的分布式透镜可期望大致表现出5×5透镜的衍射性能，但这些分布式透镜可按3×3间隔布置。相反，非分布式5×5正方形透镜仅可以以5×5间隔布置。因此，使用分布式透镜可以有助于更大的显示分辨率，同时减少由于衍射引起的问题。还可以注意到，分布式透镜不一定具有相同的垂直和水平尺寸，并且分布式透镜布置的水平间隔和垂直间隔不必相同。
各种分布式透镜形式可以用作上述形式的替代形式。例如，图20的分布式透镜形式在其最大范围具有10×10的尺寸，但可以4×4正方形间隔布置。在一些实施例中，可以选择分布式透镜形式以便具有伪随机特性，同时仍然能够与其他分布式透镜交错。分布式透镜中缺少规则特征可以减小衍射图案中偏离期望中心峰的强衍射峰的可能性。图21示出了没有清晰图案或对称性的示例性12×12分布式透镜形式，然而其能够以4×4间隔的正方形阵列与具有相同形式的其它分布式透镜交错。
虽然图19-22的各个分布式透镜形式示出了示例性光学中心，但是应当注意，这种光学中心的位置由分布式透镜的光学特性确定。光学中心不必位于分布式透镜的对称轴或几何形心处。
一些实施例的一个特征是具有不同光学中心的分布式透镜在光学层中彼此交错。当具有一个光学中心的一个分布式透镜的透镜区域位于具有不同光学中心的不同分布式透镜的两个透镜区域之间时，该两个分布式透镜可以被认为是交错的。
如图22所示，在一些实施例中的分布式透镜不一定是周期性的。图22示出了包括九个交错的分布式透镜的光学层的一部分。每个分布式透镜包括九个正方形透镜区域，并且单个分布式透镜的区域用相同类型的阴影示出。没有阴影部分的区域可以与除了所述九个所示透镜之外的分布式透镜相关联。所示出的九个分布式透镜中的每一个具有与光学层中的其他分布式透镜不同的形式。虽然周期性特征的使用在一些情况下可以简化显示器的制造和/或在操作显示器时使用的计算，但是周期性特征的使用不是所有实施例都必需的，并且在一些实施例中，非周期性特征可以用于减少衍射。
示例显示方法
可以使用各种技术来操作如本文所述的显示设备。一种这样的技术如下。为了显示在特定体素位置处的体素，选择至少一个发光元件和对应的分布式透镜，使得发光元件、分布式透镜的光学中心和体素位置基本上共线。激活所述发光元件，并且操作SLM，使得来自所述发光元件的光朝向体素位置(在体素在显示器前面的情况下)或直接远离体素位置(在体素在显示器后面的情况下)穿过相应的分布式透镜。在一些实施例中，选择多个这样的发光元件和对应的分布式透镜对，并且同时或以时分复用的方式激活，以生成在体素位置处交叉(或虚拟交叉)的光束。
在一些实施例中，应用进一步的选择标准来选择发光元件对和对应的分布式透镜对。可以选择这样的对，使得与发光元件一起使用的所选择的分布式透镜在体素位置处生成所述发光元件的真实或虚拟图像。在其他实施例中，例如在分布式透镜用于基本上准直来自发光元件的光的情况下，可以不应用这样的标准。
为了显示多个体素，可以使用诸如上述方法的方法来显示每个体素。在一些情况下，可以在不同时间生成针对不同体素的光束(例如，以时间复用方式)。在其他情况下，例如，在不同的发光元件/分布式透镜对在显示表面上充分远离以避免不期望的光泄漏的情况下，可以同时显示不同的体素。
3D显示应用中的非机械光束调节组件
在一些实施例中，电润湿单元可以被实现用于非机械光束操纵(steering)。电润湿单元可以被配置成形成可调的微棱镜，该微棱镜可以用于例如通过使用以下文献中讨论的技术，以高切换速度(～ms)提供通过相对大的角度范围(例如±7°)的光束的连续扫描：Neil R.Smith,Don C.Abeysinghe,Joseph W.Haus,以及Jason Heikenfeld,“Agile wide-angle beam steering with electrowetting microprisms(利用电润湿微棱镜的灵活广角光束控制),”Optics Express Vol.14,Issue 14,pp.6557-6563,(2006)。由电润湿单元方法提供的偏振无关性可有助于实现组件的更高光学效率。在一些实施例中，可以使用包括例如在CA2905147中找到的用于在2D和3D显示模式之间切换的技术以及在WO2008142156中找到的用于定向背光系统中的光束操纵的技术来实现电润湿单元。在一些实施例中，可以实现电润湿以形成多视图显示系统的透镜结构，这可例如通过使用以下中描述的技术来实现：J.Kim,D.Shin,J.Lee,G.Koo,C.Kim,J-H.Sim,G.Jung,Y-H.Won,"Electro-wettinglenticular lens with improved diopter for 2D and 3D conversion using lens-shaped ETPTA chamber(使用透镜形状的ETPTA室的用于2D和3D转换的具有改进屈光度的电润湿凸透镜),"Opt.Express 26,No.15,19614-19626(2018)。
在一些实施例中，基于液晶(LC)材料的利用的组件和系统被实现用于非机械光束操纵。作为高度双折射材料，LC层在两个正交方向上具有不同的折射率。当与聚合物微棱镜一起实施时，例如通过使用以下文献中所述的技术，这种特性可能是有用的：H.Wang,O.Yaroshchuk,X.Zhang,Z.Zhuang,P.Surman,X.Wei Sun,Y.Zheng,“Large-aperturetransparent beam steering screen based on LCMPA(基于LCMPA的大光孔透明光束操纵屏),”Applied Optics Vol.55,Issue 28,(2016)。如H.Wang等人(2016)中所述，聚合物微棱镜用于在两个光束操纵状态之间切换，其结构包含两个LC层。第一有源LC层夹在例如两个包含电极的玻璃片之间。第二无源层是在玻璃或聚合物基材与聚合物微棱镜片之间形成。切换由所述有源LC层启动，当施加电压时，所述有源LC层在与光传播垂直的方向上将入射光束线性偏振扭曲90°。这种扭曲选择双折射无源LC层的折射率中哪一折射率用于系统的第二部分中。在所述操纵系统的第一状态中，无源LC层和微棱镜聚合物材料之间的折射率差小到不发生光弯曲，而在第二状态中，折射率差使光线在界面处弯曲到预定角度。该角度通常相当小(～1°)，但在一些实施例中，它可通过采用各种技术来增大。例如，通过例如在LC层之后使用以下文献中描述的技术添加全息光栅，光线可以弯曲到较大的角度：P.McManamon,P.Bos,M.Escuti,J.Heikenfeld,S.Serati,H.Xie,E.Watson,“A Review ofPhased Array Steering for Narrow-Band Electrooptical Systems(窄带电光系统的相控阵列操纵的综述),”Proceedings of the IEEE,Vol 97,Issue 6,(2009)。在一些实施例中，可以增大角度的另一种方式是通过堆叠若干基于偏振的光束操纵组件，使得可以达到例如±15°那么大的角度，如WO2011014743中所描述的。
基于LC的光束控制方法的一个优点是，可以利用当前可用的制造技术和设备相当容易地生产所述组件，使得可以达到低成本、大量。不需要机械运动来启动光束操纵的事实也是有利于在3D显示器中使用这种技术的因素。该技术的一个缺点是使用线性偏振光，这降低了系统的光学效率并增加了功耗。然而，由于当前的LCD显示器已经是偏振相关系统，所以新的操纵组件可以更容易地集成而没有效率方面的高成本。此外，一些实施例可以利用胆甾型LC(代替更常见的向列相晶体)，其可以用于没有偏振依赖性的光束操纵。胆甾型LC的使用可以例如通过使用诸如以下文献中讨论的技术来实现：Shang X,Meeus L,Cuypers D,De Smet H,“Fast switching cholesteric liquid crystal optical beamdeflector with polarization independence(具有偏振无关性的快速切换胆甾型液晶光束偏转器),”Scientific Reports,Jul 26,7(1):6492,(2017)。这些实施例可有助于增加基于例如OLED或μLED的显示面板的组件透射率。
在一些实施例中，例如通过使用US9664914中所论述的技术，可将液晶组件实施为可电切换的视差屏障，其中实施黑色光栅结构以在激活液晶层时阻挡一些显示器像素观看方向。这种配置可以产生可以向观看者的双眼示出的不同图像。在没有激活的光栅的情况下，显示器可以用作正常的2D显示器。液晶层还可以用于通过使用例如US9709851中讨论的技术利用电流重新定向一些液晶材料分子而在密集像素矩阵的顶部上形成凸透镜结构。这种配置可能需要特殊的电极设计，但是它也可以用于在2D和3D模式之间切换，因为液晶透镜将像素图像投影到不同的观看方向。在3D模式中，由于在创建多视图图像时仅使用空间复用，因此可以以较低空间分辨率为代价获得多视图。一些实施例可以采用使用诸如以下文献中所讨论的那些技术来扫描电形成的透镜状液晶透镜通过显示表面：Y-P.Huang,C-W.Chen,T-C.Shen,J-F.Huang,“Autostereoscopic 3D Display with Scanning Multi-Electrode Driven Liquid Crystal(MeD-LC)Lens(具有扫描多电极驱动液晶(MeD-LC)透镜的自动立体3D显示器),”3D Research,Vol.1,Issue 1,pp 39–42,(2010)。这样的实施例可以帮助允许时间复用。例如，与扫描动作同步的像素可以在单个扫描时间帧内被激活若干次，从而创建若干附加视图。一些实施例可以采用混合系统，其中在刚性聚合物透镜状片结构之前或之后使用光束操纵液晶元件。这种混合系统的示例包括在WO2012025786和以下文献中讨论的那些：Xiangyu Zhang,Hongjuan Wang,Phil Surman,Yuanjin Zheng,“ANovel Spatio-temporal Multiplexing Multi-view 3D Display(一种新的时空多路复用多视图3D显示器),”IEEE Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim(CLEO-PR),(2017)。这种混合系统可以允许在由像素位置和透镜光学元件确定的方向之间创建附加的角观看方向。在一些这样的实施例中，在3D多视图显示器中可以与空间复用一起使用时间复用。在一些实施例中，基于液晶的光束操纵屏幕组件可以以类似的方式用于多个投影仪，这可例如通过使用在以下中讨论的技术来进行：X.Xia,X.Zhang,L.Zhang,P.Surman和Y.Zheng,“Time-multiplexed Multi-view Three-dimensional Display withProjector Array and Steering Screen(具有投影仪阵列和操纵屏幕的时分多路复用多视图三维显示器),”Optics Express Vol.26,Issue 12,pp.15528-15538,(2018)。
除了光束角操纵之外，电润湿单元和具有混合结构的基于LC的组件都可以用于调节光束聚焦而无需机械移动。在一些实施例中可以实现的电润湿单元的示例包括在US6369954和以下文献中讨论的那些：K.Mishra,H.van den Ende,F.Mugele,“RecentDevelopments in Optofluidic Lens Technology(光流控透镜技术的最新发展),”Micromachines 7(6):102,(2016)。在一些实施例中可以实现的混合结构的示例包括在US7408601、US9709829和WO2016135434中讨论的那些。
在一些实施例中，电子聚焦调节可以在头戴式设备中使用，例如，其中立体3D显示虚拟图像可以例如通过使用在以下文献中讨论的技术而被移动到距眼睛的不同焦距：G.Love,D.Hoffman,P.Hands,J.Gao,A.Kirby,and M.Banks,“High-speed switchablelens enables the development of a volumetric stereoscopic display(高速可切换透镜使得能够开发立体立体显示器),”Opt.Express,17(18):15716–15725,(2009)。以这种方式，可以使图像看起来更自然。在一些实施例中，例如通过如以下文献中所述那样调整投影图像焦面的位置或形状，可以在无护目镜的3D显示器中使用光束聚焦调整：N.Matsuda,A.Fix,D.Lanman,“Focal Surface Displays(焦面显示),”ACM Transactions onGraphics 36(4):1-14,(2017)。在本文所述的实施例中，聚焦调节可以提供改变整个投影图像或单独调节多个光束的聚焦的能力。
一些实施例使用例如诸如在以下文献中描述的那些技术来实现焦距可调的微透镜阵列：L.G.Commander,S.E.Day和D.R.Selviah,“Variable focal length microlenses(可变焦距微透镜),”Optics Communications.177(1–6),157-170(2000)。图23示出了根据一些实施例的可变焦距微透镜阵列及其功能。在该示例中，液晶(LC)层2302夹在玻璃基板2304和微透镜阵列(MLA)2306之间。在一些实施例中，边界材料界面(bounding materialinterface)具有透明导电ITO(氧化铟锡)图案2308、2310，其可以用作用于液晶层的主动调整的阳极和阴极。例如，当施加电压时，电场使液晶分子转向，并且材料折射率可以在一个线性偏振方向上改变。对于使用例如0-12V范围内的低电压的向列型液晶材料，折射率变化量可以例如在～0.2的量级。在一些实施例中，液晶材料的折射率(例如，～1.5)可被配置为接近微透镜阵列材料的折射率。图23示出了首先撞击偏振器组件2312(其仅透射线性偏振光)的三个示例准直光束。通过利用电压来调节LC层的折射率，可以使光束聚焦(光束2314)、发散(光束2316)或保持不变(光束2318)。例如，如果液晶折射率被调整为匹配微透镜阵列折射率，则所述界面消失，并且光束准直可能不受影响。如果折射率被调整为低于或高于微透镜阵列的折射率值，则光束将折射，并且可以在结构的前面或后面创建实聚焦(2320)或虚聚焦(2322)。
使用非机械光束调整的示例结构和功能
一些实施例提供了一种光学方法和光学系统的构造，其可以用于利用交叉光束创建高分辨率3D图像。在一些此类实施例中，在含有可单独寻址的像素的层(例如，μLED矩阵或OLED显示器)上产生光。可变焦马赛克透镜(VFML)可用于将发射的光准直并分成若干光束和光束部分。在一些实施例中，VFML包括夹层结构，该夹层结构包括例如玻璃基板、LC材料和具有UV固化的折射或衍射结构的聚合物箔。所述结构可以被布置成马赛克图案，其中每个特征具有特定的曲率、倾斜角和表面特性。该马赛克图案中的若干个别特征可经配置以作为群集一起工作。例如，通过将驱动电压施加到在LC层的两侧形成图案的透明阳极和阴极，可以将各个光束和光束部分聚焦到距该结构不同的距离。空间光调制器(SLM)(例如LCD面板)可以位于VFML的前面，以便产生选择性阻挡杂散光的马赛克光孔掩模。
在一些实施例中，光学系统可以使用交叉束来形成体素。在一些实施例中，体素可以形成在距显示器的表面的不同距离处。例如，体素可以形成在显示表面的前面、后面和/或上面。通过用驱动电压电子调节VFML的焦距，可以使所产生的图像区域连续。光束部分可以聚焦到距光学结构不同的距离，并且根据该距离将源成像到不同尺寸的光斑。因为这种配置对于单独选择每个马赛克特征的有效焦距是有用的，所以为了实现更小的源图像光斑和更好的分辨率，几何放大率也会受到影响。可以通过将源自单个源的一个光束分成若干部分来实现眼睛中体素图像的形成和正确的视网膜聚焦提示的生成。可以使用在正确的体素距离处交叉的多个(例如，两个或更多个)光束来创建到两只眼睛的完整体素以及引起正确的眼睛会聚角。视网膜聚焦提示和会聚角是分别创建的。这种配置可以帮助克服聚散-调节冲突
可变焦马赛克透镜(VFML)
一些实施例实现了如下所述的可变焦马赛克透镜(VFML)。VFML可具有与图23所示的可变焦微透镜阵列有些类似的结构和功能，然而，VFML可具有带变化的光学特征的马赛克图案，而不是如图23所示具有整个光学表面的有序阵列。
VFML的光焦度来自光学层。在一些实施例中，光学层是具有布置成马赛克图案的UV固化折射结构的聚合物箔。这些特征中的每一个可被配置成具有特定的曲率和倾斜角。图24描述了马赛克透镜的第一示例，其中透镜可以概念化为由具有矩形光孔的连续圆形对称透镜2402形成。在该示例中，来自较大透镜2402的四个正方形部分被组合成一个马赛克瓦片2404。在该示例中，所述部分选自全透镜光孔在垂直和水平方向上的边缘。以这种方式，选择透镜部分的参数(例如曲率和倾斜角)以便使马赛克透镜能够在两个方向上成像。马赛克透镜可以从单独的马赛克瓦片编制(compile)而成。如图24的例子中所描述的，所得到的马赛克透镜结构2406可以被配置成使得透镜部分以与原始连续透镜2402中相同的布置(例如，彼此相同的距离)定位。在一些实施例中，可从四个以上特征编制马赛克瓦片。例如，在图24所示的例子中，可以从例如图24所示的光孔位置之间的区域选择附加的透镜部分。在这种情况下，可以从一个源产生多于四个的图像光束部分。例如在优选使小光孔衍射效应最小化的情况下，这种配置可能是有益的。此外，本文描述的任何其他分布式透镜布置可以用作可变焦马赛克透镜布置中的光学特征。
在一个示例性实施例中，如图15A所示的分布式透镜布置可以用于可变焦马赛克透镜系统中，其中马赛克透镜由两种不同的透镜形状形成，并且其中马赛克瓦片交错。在该示例中，在形成形状不是正方形而是采用具有空心加号轮廓的形状的马赛克瓦片时，使用两种不同的透镜形状。这些瓦片可以以交错马赛克透镜图案布置，该图案组合了两种不同透镜形状的光焦度。在一些实施例中，该布置还与两个不同的分布式光孔图案交错。例如，在不同的光孔图案用于显示不同深度处的体素的显示器设计情况下，例如，在第一透镜形状用于形成显示器后面的体素并且第二透镜形状用于形成显示器前面的体素表面的情况下，这种配置可能是有用的。这样的实施例可以允许3D图像的更大的深度范围，或者可替换地，LC材料折射率调谐可以被设置为较低的动态范围。
图25描绘了根据一些实施例的马赛克透镜设计的另一个例子，其中马赛克透镜由两种不同的透镜形状形成，并且其中马赛克瓦片包括附加的微透镜表面。在图25的示例中，马赛克瓦片2557包括可以被概念化为来自邻接透镜2550的样本的分布式透镜部分2552和可以被概念化为来自邻接透镜2554的样本的分布式透镜部分2556。
除了分布式透镜之外，马赛克瓦片2557包括例如使用垂直透镜结构操作以在水平方向上漫射光的区域2558a、b。区域2558a、b可以用于通过例如增加FOV或改变光束发散来改变水平投影图像的具有特定放大因子的角分辨率。马赛克瓦片2557还包括区域2560a、b，其例如使用水平透镜结构操作以在垂直方向上漫射光。这些漫射区域可以一起实现以切换显示功能。这在例如移动显示器被旋转并且图片模式在横向和纵向模式之间改变的场景中可能是特别有用的。马赛克瓦片2557中的区域2562可以用于在垂直和水平方向上都漫射光。区域2562可以是例如小曲率微透镜阵列，其有效地在垂直和水平方向上散射光。这种表面形状可以被实现用于形成位于显示表面上的体素，并且可以提供同时对两只眼睛可见的大FOV。在马赛克透镜设计中更密集地填充这些特征可帮助在显示表面处实现较高图像像素分辨率，例如用于显示2D图像。
可将马赛克瓦片2557布置成周期性阵列，例如2558处所展示。
图26示出了根据一些实施例的示例可变焦马赛克透镜(VFML)的光学结构和功能。在该示例中，提供偏振器2600，并且液晶(LC)材料层2602夹在薄玻璃基板2604和马赛克透透镜片2606之间。LC材料的折射率可以与马赛克透镜材料的折射率相适应。例如，在一些实施例中，可以使用折射率为～1.5的向列型液晶，以便接近例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光学聚合物材料的折射率(1.49)。在一些实施例中，可以局部地调制折射率。例如，一些实施例实现了以精细图案涂覆在LC材料两侧上的层上的透明ITO电极2608、2610，以便支持在各个光学马赛克特征上的材料折射率的局部调制。这些图案可以是例如不对称的孔图案化的电极，其产生不均匀的电场，该电场以适当的方式在不均匀的LC材料厚度上改变材料折射率。电极可以例如在光学形状的顶部上被图案化或者单独地施加在用于光学形状制造的薄基板层(例如聚合物箔)的平坦侧上。例如，可以使用卷对卷处理来制造所述电极和光学形状，这可以有助于达到大表面积和高体量的低成本。
在一些实施例中，VFML组件和偏振器一起用于将源成像到可变焦距。在图26所示的示例中，光源2612成像到位于透镜结构前面的焦点2614中，而光源2616具有VFML后面的虚拟图像2618。这可以例如通过将不同的驱动电压施加到负责对那些特定点成像的马赛克特征对的顶部上的电极来执行。如果LC折射率被调整为低于马赛克透镜的折射率，则该特征将光束部分折射为聚焦光束。另一方面，如果LC折射率被调节为高于透镜材料的折射率，则光束部分开始发散，并且它们的虚延伸形成VFML后面的虚焦点。图26中呈现的示例还示出了在一些实施例中，在成像中使用的两个光孔可以被配置为重叠。这种配置对于通过减轻衍射效应而不使用大光孔透镜组件来提供较小的焦点尺寸可能是特别有用的。
在一些实施例中，所述光学马赛克特征可以被制造为例如具有由UV固化材料以卷对卷工艺制成的光学形状的聚碳酸酯片，或者被制造为具有浮雕衍射结构的箔。因为VFML的可变焦特性可涉及在LC层和马赛克透镜之间的可调节折射率差的实现，所以对于具有几何形状的光学特征可能是有用的。各个子特征大小和图案填充因子可影响可实现的分辨率和例如通过减少引入到系统的杂散光而影响图像对比度的量。
每个VFML马赛克透镜组件可根据诸如其折射率、表面形状和/或表面特性的参数而具有不同的光学特性。所述马赛克瓦片可被配置以在所述重复特征上用不同图案填充不同表面区域。在一些实施例中实现的示例表面形状包括简单的平坦倾斜小面(棱镜)、沿不同轴具有不同曲率的连续曲面、和/或具有光学粗糙表面的漫射矩形。在漫射表面的情况下，该漫射表面可以被配置成通过将LC层的折射率调整为与马赛克透镜材料的折射率相同的值来光学地消失。这种特征可以用于例如打开和关闭位于3D显示表面上的像素或体素。此外，由于LC材料可以是高度双折射的，因此它可以用于在两个正交方向上调整层的漫射特性。这在例如3D显示器被旋转并且期望在一个方向上漫射可被调节的投影光场的场景中可能是有用的特征。如前所述，离显示器较远的源图像可以比距离较短的源图像大。然而，因为可以单独地选择每个马赛克特征的有效焦距，所以为了实现更小的源图像光斑并提高分辨率，几何放大率也会受到影响。
可以根据各种阵列图案来布置马赛克透镜组件。例如，在一些实施例中，所述特征可形成简单的矩形矩阵，其中行和列在直的水平和垂直线路中(例如，如图24中所呈现的)。例如，该矩阵图案可以允许利用3D显示器进行更容易的渲染计算，因为所生成的源图像也可以被布置成矩形矩阵。在一些实施例中实施的另一示例性阵列图案包含有布置，其中在相邻列之间存在垂直偏移。该图案对于例如在仅生成水平交叉光束的场景中增加有效分辨率可能是有用的。在此些情况下，可以考虑到偏移的方式来构造所述重复马赛克瓦片。
在一些实施例中，VFML可采用多个不同的特征。然而，考虑到用以产生单一源图像的特征的数目可影响图像亮度可能是有帮助的，因为从所述源发射的光焦度散布在多个特征上。例如，更多数量的独特特征可能导致用于作为成像集群一起工作的特征的更少空间。在这样的场景中，大比例的源光可能被浪费到杂散光。因此，可能希望限制VFML中使用的独特特征的数量。为了降低马赛克透透镜片制造过程的复杂性和潜在地降低成本，也可能需要较少数量的独特特征。
3D显示器光学结构和功能
在一些实施例中，通过用VFML结构覆盖显示区域来创建基于交叉光束的高分辨率3D显示器。图27描绘了根据一些实施例的3D显示器的光学结构和功能。在该示例中，在包含诸如像素2712和2716的可单独寻址的像素的层2701上生成光。偏振组件2700使光线线性偏振。可变焦马赛克透镜2706将所发射的光准直并分成光束部分，这些光束部分根据使用电极层2710、2708施加到液晶层2702的电压而聚焦到距显示器不同距离的位置(例如2714、2718)。所述马赛克层中的多个单独特征一起作为一个群集工作。空间光调制器(SLM)2720和第二偏振器片2722可以位于马赛克层前面，并且用于选择性地阻挡或通过用于3D图像形成的相应光束部分。
一些实施例包括发光层(LEL)。在一些实施例中实施的发光层的示例包括μLED矩阵、OLED显示器和背光LCD显示器。可以在发射器前面放置偏振器片，以使光线性偏振。在一些实施例中，偏振器作为箔层叠到VFML的玻璃基板上，例如以使结构更紧凑和/或更坚固。因为大多数源(例如μLED)将光发射到相当大的数值光孔(NA)中，所以马赛克透镜中的若干单独光学特征可以被配置成一起作为集群工作，该集群将来自单个发射器的光准直并聚焦到形成光源图像的若干光束部分中。在形成单个光源图像中使用的特征的数量可以至少部分地基于诸如源NA、LEL和VFML之间的距离和/或马赛克特征设计的参数来选择。一些实施例实现了一维光学结构，例如向一个方向倾斜的圆柱形折射特征。例如，如果仅需要水平视图，则一维光学结构可以是优选的。在一些实施例中，实现了诸如双锥形微透镜的二维光学结构。例如，如果希望在两个(例如，水平和垂直)方向上产生视图，则二维光学结构可以是优选的。
如图27的示例所示，VFML将单个源成像到距显示器特定距离。该距离可以例如通过使用可变焦距透镜的驱动电压来调节。在该示例中，源2712被成像到比具有源2716的图像的位置2718更靠近显示器的位置2714。因为光孔重叠，所以形成图像的体素之间的间距可以小于成像光孔的尺寸。马赛克透镜特征的设计可能影响可以创建体素的一般图像区域位置。图像区域可以在显示设备的前面、后面或两侧。LC材料折射率的调谐范围可以影响利用该结构可以实现多少聚焦范围和图像区域深度。由于光束焦距可以在聚焦范围内自由调节，因此可以使图像区域本身连续。
当多于一个发光元件与马赛克特征的群集同时使用时，源图像从显示法线被投射到不同方向。源离特征集群的公共光轴越远，光束的角度越大。图28示出了根据一些实施例的用于将三个源成像到距显示设备相同距离的公共马赛克特征集群的使用。图28所示的显示器与图27所示的显示器相同。图28的示例示出了当入射到相同的特定马赛克特征上的光束部分被允许穿过SLM和第二偏振器组合时，光源2711、2712、2713如何被成像到距显示器相同的距离。SLM 2720的部分已经被呈现为不透明的(以实心黑色示出)以防止杂散光的透射。(为了避免附图过于复杂，没有示出杂散光)
位于所述成像特征集群的公共光轴上的源2712产生在光轴方向上形成源图像2714的两个光束部分。源2711和源2713位于相同距离处，但在中央源的相对侧上。源2711和2713的光束部分将图像投影到所述光轴的两侧。在2715对源2711成像，在2717对源2713成像。如果这两个源位于光学系统所允许的极限处，则它们限定了显示器的视场(FOV)。因为发光层可以被制成连续的，并且因为成像特征光孔可以被配置成在显示表面上重叠，所以系统的FOV可以非常大。例如对于多用户设计和/或对于适应观察者移动的大容差，大FOV可能是优选的。
在一些实施例中，光学系统用于利用交叉光束形成体素。该体素可以位于显示器前面和后面的不同距离处以及显示表面上。图9B描绘了根据一些实施例的体素的形成。在该示例中，在特定焦距处在显示器前面创建体素。该体素是由来源于3D显示器内部的源960和961的两个光束创建的。每个光束由也在体素位置处交叉的两个光束部分组成。该两个光束部分用于产生用于正确的眼睛视网膜聚焦提示的单个光束聚焦，而该两个组合光束用于覆盖观看者眼睛对的较大FOV。以这种方式，可以为视觉系统提供正确的眼睛会聚以产生立体效果。关于光学结构，提供单眼视网膜聚焦提示的较小光发射角度的生成与提供适当的眼睛会聚的较大发射角度的生成被分开地控制
可以使用每源图像两个光束部分，以便为单只眼睛提供正确的聚焦提示。光束部分的数量可以更大，例如用于在垂直和水平方向上都产生光束部分。图24中呈现的马赛克透镜图案是可以用于将光束分成四个部分的结构的一个示例，所述四个部分形成两个光束部分对：一个用于垂直方向，一个用于水平方向。因为单光束部分从显示表面上的多个位置开始，所以即使几何放大率使得源图像更大，也可以使得焦点小于马赛克透镜光孔尺寸。结果，当单只眼睛聚焦到显示器时，它看到比聚焦在光束部分交叉的焦点上时更宽的光斑。因此，如果相应的视网膜聚焦提示与用两个分离的源光束产生的眼睛会聚角相干，则在没有VAC的情况下感知到该体素。
一些实施例包括空间光调制器(SLM)。该空间光调制器可以放置在马赛克透镜的前面，并且可以被配置成选择性地阻挡或通过部分投影光束。在一些实施例中，LCD面板被用作SLM。SLM可以操作以阻挡不需要的杂散光进入观看者的眼睛瞳孔。例如，杂散光可能在具有错误方向和/或光焦度的VFML马赛克特征处产生。这些特征可以用例如吸收不需要的光的偏振器和LCD面板的组合来有效地掩蔽。在LCD和偏振器用作SLM的一些实施例中，使像素与VFML驱动控制同步可能是有帮助的。例如，线性偏振光可以被每个分组扭曲，但是可能期望偏振光实现特定取向以在第二偏振器中适当吸收。在一些实施例中，通过使用查找表来实现这种同步，该查找表列出了针对相对于重复显示结构的每个唯一体素xyz-位置的两个组件的驱动参数值。第二偏振器的位置也有利于抑制例如源自马赛克透镜光孔的其它杂散光传播路径。这些杂散反射和折射往往是随机偏振的，并且因为第二偏振器被设计成透射具有特定偏振态的光，所以在图像的光束通过的同时可以衰减杂散光。
SLM像素尺寸最好在与马赛克特征尺寸相同的尺寸范围内或小于马赛克特征尺寸。如果该像素比所述特征小得多，则可能不太需要马赛克层与SLM的精确对准。然而，如果该像素是相同的尺寸，则精确的对准可能是期望的。例如，可以以规则的矩形图案或以定制以适合马赛克层的光学特征的图案来布置像素。如果从LEL发射的光是白色的，例如在磷光体涂覆的蓝色μLED矩阵的情况下，则所述像素还可包含用于颜色产生的滤色器。如果LEL含有有色像素(例如，单独的红色、绿色和蓝色μLED)，则SLM可用于光束的强度调整。图29A和29B示出了根据一些实施例的空间光调制器(SLM)的两个示例性滤色器布置。图29A示出了SLM上的滤色器布置的第一示例，其中像素矩阵包含排列成矩形交错图案的用于红色、绿色和蓝色的滤色器。该阵列还具有白色像素，其可以用于例如高动态范围(HDR)图像，其中白色像素可以以较高亮度突出显示一些图像区域。图29B描绘第二示例性滤色器布置，其中所述阵列具有布置成带结构的三个滤色器。
一些实施例实现眼睛跟踪模块以提供3D场显示器而不使用VFML前面的空间光调制器。图30描绘了根据一些实施例的具有眼睛跟踪模块3002的3D显示器。眼睛跟踪模块可以操作以定位观看者的眼睛瞳孔周围的眼箱。通过使发光组件和VFML控制信号同步，预期光束可被引导至这些眼箱。通过仅渲染(在一个时间点)形成图像体素并击中瞳孔的那些光线，可以为一个用户创建清晰的图像。在3D图像的渲染中可以忽略诸如杂散光3004的不会到达用户瞳孔的杂散光，并且不需要被SLM阻挡。通过使用VFML不仅聚焦光束，而且通过折射率调谐而倾斜离轴光束的方向，可以引导从源发射的杂散光远离瞳孔。这种配置可能要求渲染算法除了考虑体素形成光束之外还考虑禁止射线方向区域，但是它可以被配置为在没有SLM的情况下操作。通过省去SLM，系统不再需要同步和驱动与SLM相关联的电子器件。这种配置的益处可以包括由于缺少第二偏振器层而导致的更薄的显示器、更低的成本和更亮的图像。在这种情况下，如果需要有色图像，LEL可以要求具有有色发射器。
移动电话是一个应用示例，其中可以使用没有SLM的显示结构变型。当前的电话已经具有可以执行眼睛跟踪的前置相机，它们的计算能力对于渲染任务是足够的，并且它们最经常由单个人使用。移动电话通常要求具有高空间分辨率的薄显示结构，这是对这种特定显示结构变型的良好配合。因为杂散光在眼箱外部可能是可见的，所以图像仅对观看者的瞳孔是可见的，在一些实施例中，光学结构可以用作有效的隐私过滤器。
3D显示器特性
在一些实施例中，3D显示系统使用空间和时间复用的组合。在这样的实施例中，对于无闪烁图像，VFML和SLM具有足够的刷新率是理想的。SLM、VFML和发光层可被同步以在渲染图像时一致地工作。在一些实施例中，SLM可以用作具有光孔图案的自适应杂散光掩模，当单个源或一组源被激活时，该光孔图案例如扫过显示表面。这些图案中的几个可以同时用于在LEL的不同部分同时掩蔽源集群。VFML的刷新频率可被配置为具有与SLM相同的刷新频率。或者，在一些实施例中，VFML被配置以比SLM的刷新速率更快地切换焦距，以便在单个SLM掩模配置期间提供几个焦深体素。可以有利地使用发光组件(例如，μLED)的通常更快的刷新速率，使得光源可以在SLM(例如，具有60Hz刷新速率的SLM)的刷新周期内被激活若干次。在利用眼睛跟踪的实施例中，较低的更新速度可能更可行，因为图像可以被渲染到一些指定的眼箱区域而不是整个显示FOV。
VFML和SLM都可由组件控制值表驱动。在这样的实施例中，只要一组分布式VFML马赛克特征被用于体素形成，相关的光孔在SLM层中就是打开的。在焦距的时间扫描期间，通过改变VFML驱动电压同时保持SLM控制恒定，也可以使用相同的VFML特征和SLM光孔。驱动信号值的单个查找表也可以扩展到发光层控制，因为源选择可以用于创建正确的光束方向，在这种情况下，可以确定离散体素位置的预定集合，以同时控制所有有源层。这种方法可以帮助加速渲染过程。总之，使用三个有源层使得整个显示系统硬件对于许多不同的渲染方法非常灵活。
因为整个连续光学结构可以用于创建多个光束部分，所以在一些实施例中，显示像素结构可能不被清楚地限定。在光学马赛克层上，相同的图案可以在整个显示表面上重复。这导致在水平或垂直方向上精确对准发光层与马赛克层的需要较少。深度方向对于对准可能更重要，因为它影响显示表面外部的焦面的位置。然而，因为体素聚焦位置可以用VFML调整，深度容限仍然可以相当宽松。这种配置的益处可包括制造过程中的成本节约和通过例如针对不同温度用不同驱动参数校准VFML而抵抗诸如温度变化的环境因素的鲁棒性。后一特征对于在变化的环境中使用的移动设备可能尤其有用。
所产生的光束在马赛克层之后传播到不同的方向。在一些实施例中，LEL和VFML之间的距离可以用作光孔扩展器。实现特定的光学性能可能要求适用距离与周期性层特征尺寸/间距和各个马赛克特征的尺寸匹配。可以以这样的方式扩展单个光束出口光孔，使得在考虑几何放大因子的同时，源的聚焦图像更小。大的分布式光孔还可以减少与单个小光孔相关的衍射效应。这对于更靠近观看者创建的体素层可能尤其重要，因为眼睛分辨率变得更高并且几何放大迫使体素尺寸更大。优选地，所有光束部分在体素位置处交叉并到达观看者的单眼瞳孔，以便创建正确的视网膜聚焦提示而没有太多的衍射模糊。
在实现3D显示器时要考虑的一个因素是光学材料将具有不同波长的光折射到不同角度(色散)的事实。如果使用三种有色像素(例如红色、绿色和蓝色)，则不同颜色的光束倾斜并聚焦到自折射特征稍微不同的方向和距离。在一些实施例中，可以通过使用混合层来在光学结构本身中补偿色散，其中例如衍射特征用于颜色校正。因为有色子像素可以在发光层上空间分离，所以有色光束投影角可能存在一些小的角度差。如果源组件的投影图像在焦点上保持足够小，则三个有色像素将被彼此相邻地成像，并且以与利用当前的常规2D屏幕看到的类似的方式被眼睛组合成全色体素，在所述当前的常规2D屏幕中，有色子像素被空间地分离。3D显示器的有色子像素图像可以是高度定向的，并且确保所有三种不同颜色的光束通过瞳孔进入眼睛可能是有用的
发光元件的物理尺寸和显示光学器件的总放大率可以影响在每个3D图像的虚聚焦位置上可实现的空间分辨率。当发光像素被聚焦到更远离显示设备的表面时，几何放大率可以使得像素图像比在焦面更靠近显示器的情况下更大。在一些实施例中，使用马赛克透镜有助于增加焦距，而不会使光学器件的光孔尺寸和显示表面处的源图像太大。一些实施例操作以不仅在显示表面处而且在显示器外部的焦面处实现相对高分辨率的3D图像层。
例如在光发射器和光学光孔尺寸非常小的情况下，衍射也可能影响可实现的分辨率。显示和渲染方案可实现的深度范围可能受到来自每个光学特征的光束准直的质量的影响。可以确定准直质量的参数包括发光像素的尺寸、马赛克特征光孔的尺寸和有效焦距。如果像素尺寸小(例如，在移动设备的情况下)，在马赛克透镜前面的小SLM光孔也可能引起衍射。然而，可以以这样的方式选择光孔尺寸，即，当体素距离较大且特别期望最小化衍射效应以实现更好的分辨率时，使用较大的分布式光孔(或光孔集群距离)和更多的马赛克特征。
LEL上的连续发射器矩阵可以允许非常宽的FOV。因为几何成像中使用的焦距可以单独地受马赛克层影响，所以可以同时实现高分辨率和大观看区域。
在光源前面的马赛克透镜使得可以更好地利用对于如OLED和μLED的组件典型的宽光发射图案。因为透镜是连续的，所以如果源层具有发射器的连续矩阵，则可以不需要将马赛克瓦片与特定的源对准。然而，由于典型的朗伯发射图案使得光强度对于与表面法线方向的更大角度下降，所以相对于光束角来校准光束强度可能是有帮助的。例如，通过相应地选择空间光调制器透射，或者通过利用电流或脉冲宽度调制来调整所述源的光发射，可以进行这种校准或强度调整。
3D显示渲染方案
几种不同类型的渲染方案可以与这里描述的显示结构和光学方法一起使用。取决于所选择的渲染方案，显示设备可以是具有多个视图和焦面的3D显示器或常规2D显示器。在一些实施例中，可以通过使用用于生成3D图像的相同硬件同时向所有可能的方向显示相同图像来激活2D显示模式。在一些实施例中，如前所述，通过利用可切换的漫射表面，用马赛克透镜支持2D功能。
在一些实施例中，除了多个观看方向之外，3D渲染方案在物理显示表面的前面或后面的(一个或多个)观看者前面创建若干焦点或焦面。为每个3D对象点或体素产生至少两个投影光束是有用的。使用至少两个光束的原因可以包括：(i)显示器内的单个子像素应当具有在任何给定时间仅对一只眼睛可见的FOV，以及(ii)所创建的体素应当具有同时覆盖两只眼睛以便创建立体视图的FOV。当同时使用多于一个光束时，体素FOV可以被创建为各个光束FOV的总和。对于显示器和观察者之间的所有体素，使会聚光束在显示器前面在正确的体素距离处交叉可能是有帮助的。以类似的方式，对于位于比显示器离观察者更远的距离处的体素而言，具有在显示器后面虚拟交叉的光束对可能是有帮助的。该(至少)两个光束的交叉有助于产生不限于显示表面的焦点(或焦面)。所述光束的交叉也可以启动立体3D图像感知所必需的眼睛会聚。使分离的光束聚焦到它们交叉的相同光斑可能是有用的。使用马赛克透镜可以帮助用光束部分产生期望的单光束聚焦，从而可以产生更自然的视网膜聚焦提示。
在3D显示器上渲染连续范围的深度可能涉及繁重的计算。在一些实施例中，3D数据可被缩减到某些离散深度层以便降低计算要求。在一些实施例中，离散的深度层可被安排成彼此足够接近以向观察者的视觉系统提供连续的3D深度体验。基于所估计的人类视觉系统平均深度分辨率，覆盖从50cm到无穷大的视觉范围可以花费大约27个不同的深度层。在一些实施例中，所提出的方法和光学硬件允许通过控制VFML马赛克特征的焦距来创建可在不同时间点显示到相同方向的多焦面。在一些实施例中，可以在设备中主动地检测观察者位置，并且可以仅将体素渲染到观察者所位于的那些方向。在一些实施例中，主动观察者眼睛跟踪用于检测观察者位置(例如，使用近红外(NIR)光，其中相机在显示器结构周围或在显示器结构中)。
可以在空间/角度分辨率和深度分辨率之间找到与渲染方案相关联的一种折衷情形。在有限数量的像素和组件切换速度的情况下，强调高的空间/角分辨率可能具有更少焦平面(更低深度分辨率)的代价。相反，具有更多的焦平面以获得更好的深度分辨率可能带来更多像素化图像(低空间/角分辨率)的代价。相同的折衷可以应用于系统级的数据处理，因为更多的焦平面可能涉及更多的计算和更高的数据传输速度。在人类视觉系统中，深度分辨率随着距离而对数性地降低，这可以允许在对象更远时减少深度信息。另外，随着图像平面变得更远，眼睛仅可以分辨更大的细节，这可以允许远距离处的分辨率的降低。在一些实施例中，渲染方案被配置成在距观看者的不同距离处产生不同的体素分辨率，以便降低图像渲染的处理要求。还可以基于所呈现的图像内容来解决与渲染方案相关的折衷，从而实现例如更高的分辨率或图像亮度。
在一些实施例中，在发光层(LEL)和/或空间光调制器(SLM)上实现三种不同颜色的像素，以便产生全有色图像。该颜色渲染方案可以涉及系统和/或方法，其适应于不同颜色在周期性层处被折射到稍微不同的角度方向的事实。除了特殊的颜色渲染方案之外，可以利用硬件去除这种色散中的一些，这可例如通过集成用于颜色校正的衍射结构而进行。这在补偿折射特征的不同焦距时尤其有用。根据一些实施例，示例性的颜色渲染方案将使用白色照明和具有滤色器的SLM。例如，可以用蓝色μLED和磷光体薄层的组合产生白光束。在这种情况下，可以在SLM层(例如LCD面板)中为每个聚焦层体素分别选择光束颜色。可以以类似于当前2D显示器的方式在眼睛中组合颜色。
实现示例
图31描绘了根据一些实施例的具有扩展焦深(EDoF)的3D显示器的变型。在这种情况下，马赛克透镜光学特征3106以可以同时使用不同光孔尺寸的方式设计。这可以通过例如从较大透镜到马赛克瓦片的不同径向距离选择若干不同区域来实现。利用这种结构，可以与较大光孔特征一起使用彼此相距较短距离的特征，并且所得到的光束部分仍然可以被投影到相同的方向。
图31所示的例子说明，如果中心和边缘特征的焦距被调整为具有稍微不同的焦距，则可以产生扩展焦深(EDoF)光束。两个EDoF光束可用于通过在扩展聚焦范围内的所有距离处交叉它们来形成体素，而不会引起眼睛会聚和视网膜聚焦的混合提示。这种布置可以简化匹配所述光束内部聚焦和两个光束交叉位置。由于VFML的较大区域用于单光束产生，因此较少的光被阻挡或浪费，所以它还可以提供更亮的图像和更少的能量消耗。扩展聚焦深度范围可以通过VFML LC材料折射率调谐来调节。所述EDoF范围可使用与前述相同的硬件来创建，但通过利用LC材料折射率调谐动态范围来创建。在后一种情况下，可以通过控制VFML驱动参数而不是改变硬件设计来在系统级进行改变。在图31的示例中，来自光源3112的光同时聚焦在三个不同的距离3114、3115、3117处。
图16描绘了具有7”3D显示器的移动设备被放置在距单个观看者350mm距离处的场景。显示器将图像形成到位于移动设备后面的虚拟图像区域。显示器可以给出作为3D空间的窗口的外观。在一些实施例中，连续图像区域覆盖从观察者眼睛位置测量的390mm到800mm的距离。利用聚焦调节范围，更深的图像区域是可能的。显示器可以被配置为利用所呈现的光学结构在水平和垂直方向两者上生成多个体素形成光束。
图32示出了VFML马赛克透镜设计示例的结构和度量(以μm为单位)。在该示例中，每个马赛克瓦片3202可以被概念化为从取自圆形对称透镜3204的四个区域采样，该圆形对称透镜在LC材料折射率标称状态下具有2mm的焦距。在一些实施例中，马赛克瓦片3202内的每一象限的大小为27.5μm×27.5μm，且所得瓦片3202为55μm正方形。如3204所示，可以在显示表面区域上跨矩形网格图案来细化该瓦片。该尺寸也是相邻体素在一个角度方向上可以具有的间距。在55μm像素大小的情况下，7”显示器具有1440×2880个像素的阵列，这可被认为是当前移动电话的高分辨率。四个透镜特征可以一起用于每个光束，其中每个光束在水平方向上具有两个分离的光束部分，在垂直方向上具有两个分离的光束部分。当从马赛克透镜中适当地选择这四个部分时，可以模拟原始连续透镜(在3206处指示)的全330μm光孔的光学功能，如3208处所示。例如，可以在具有UV固化光学材料的PMMA箔片基板上制造所述马赛克透镜。
图33描绘了示例3D显示器光学设计的结构。在该示例中，从连续的μLED矩阵发射光，其中组件尺寸为2μm×2μm，间距为3μm。组件上涂覆有磷光体层(未示出)，该磷光体层将发射的蓝光转换成更宽的白光光谱。VFML和LCD显示器子组件可以精确对准地粘合在一起。在一些实施例中，VFML和LCD都是300μm厚。将两个50μm厚的线性偏振器片2700、2722层压在有源组件的两侧，使整个叠层的厚度为～700μm。μLED矩阵2701可大致定位在2mm VFML透镜标称焦距(其可为距偏振器2700 1950μm)处，从而使整个显示光学设计厚度低于3mm。单个源产生良好准直的光束，在一些实施例中，该光束具有来自四个马赛克透镜光孔的四个部分：两个部分在水平方向上分开，两个在垂直方向上分开。该光束在显示表面处的两个方向上的总宽度3302可以是330μm，并且部分之间的空间3304可以是220mm宽，如由马赛克光学特征间隔和大小所给出的。
在该示例中，VFML由薄玻璃片基板和马赛克透镜结构构成。这两个组件都具有ITO电极涂层并限制了向列液晶材料的薄层。液晶材料的折射率被调整以适合马赛克透镜的折射率，使得透镜特征的标称焦距为2.0mm。LC材料折射率的调谐范围用于将透镜的焦距从标称值增加到～2.1mm。这种小的焦距变化足以使光束部分彼此发散。每个光束可以在显示器后面距光学结构40mm至450mm的距离范围内产生虚焦点。
该LCD面板具有27.5μm×27.5μm像素，其具有用于生成有色体素的红色、绿色和蓝色滤色器(每个宽～9μm)。这意味着LCD面板的分辨率比显示体素的标称分辨率高四倍(2880×5760像素～6K分辨率)。滤色器布置与图29A所示的相同。面板的像素尺寸与马赛克透镜单个特征尺寸相同，使得可以选择性地阻挡源自不同特征的光束部分。
使用可变焦马赛克透镜和SLM允许对光学系统有效焦距和几何放大率的单独控制，而不会过度地减小显示视场(FOV)和光束光孔尺寸。这使得可以对较小的体素成像，并提高显示表面外部的虚焦平面上的图像分辨率。
发光层上的连续发射器矩阵允许非常宽的FOV，这使得可以为多个用户创建宽的观看窗口。这还允许显示器被制造成没有会与来自显示器边缘区域的FOV重叠的弯曲或附加聚焦光学器件，从而进一步简化了系统。
在一些实施例中，整个连续光学结构用于创建多个光束部分。在这样的实施例中，可以减少在水平或垂直方向上精确地对准发光层与马赛克层的需要。深度方向也可以具有宽松的容限，因为可以用VFML调整体素焦距。这可以导致制造过程中的成本节约，并且通过例如针对不同温度利用不同驱动参数校准VFML，还可以使显示器对于环境因素具有鲁棒性。后一特征对于在变化的环境中使用的移动设备尤其有用。
在一些实施例中，3D显示器的可变焦特征可用于为具有近视或远视眼睛的人校正图像聚焦。这使得可以例如在没有处方眼镜的情况下或者在显示器靠近观看者定位并且目镜不能适当地适应的情况下使用显示器。
由于单个体素形成光束被分成几个部分，所以通过扩展整个光束光孔尺寸可以稍微减小衍射效应。
一些实施例特别适合于移动设备，因为马赛克可变焦透镜允许高分辨率体素和相对薄的显示结构。移动设备在近距离使用，使得空间分辨率成为高优先级。这些设备通常还具有可用于眼睛跟踪的前置相机，从而使得可能利用所呈现的显示器结构变型而无需SLM，从而使得结构更简单、更薄和成本更低。
SLM功能可以用LCD面板来实现。如果发光像素(例如μLED)被分别调制，则SLM像素可以仅与二元开关功能一起使用。然而，在一些实施例中，LCD面板也可用于像素强度调制，从而使得有可能保持发光层控制更简单。SLM和VFML的切换速度要求并不困难，因为目标是达到～60Hz的无闪烁图像。主3D图像生成是利用聚焦和光孔控制结构后面的更快的像素化光发射器模块来完成的，并且SLM仅用于传递或阻挡需要到达观看者眼睛的光束部分，使得人类视觉系统成为SLM更新频率的决定因素。
示例渲染方法
图34示出了操作显示设备的示例方法。在该示例方法中，光从发光元件的可寻址阵列(例如1302、2701)中的至少一个发光元件(例如元件1308、1318、1320、2711、2712、2713、2716)选择性地发射。所发射的光朝向包括多个透镜区域的光学层(例如1304、2706)发射。操作空间光调制器(例如1306、2720)以允许所发射的光穿过选定的多个透镜区域行进到显示设备之外。选定的多个透镜区域包括选定的第一分布式透镜内的至少两个选定的透镜区域。
为了执行这样的方法，在一些实施例中，确定(3402)要显示的体素的位置。基于该体素位置，选择发光元件中的至少一个(3404)，并且选择至少第一分布式透镜(3406)。
所选定的透镜区域可包括所述第一分布式透镜内的至少两个非邻接的透镜区域。所选择的非邻接透镜区域可以具有基本上相同的主焦点。所述第一分布式透镜可具有第一光学中心，并且所述第一分布式透镜可与具有不同于所述第一光学中心的第二光学中心的至少第二分布式透镜交错，例如，如图15A-15C、17C、18-22、24、25和32中所示。在一些实施例中，所述第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于所述第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间。
在一些实施例中，选择所述发光元件(3404)和分布式透镜(3404)，使得发光元件和第一分布式透镜的光学中心基本共线，例如如图10所示。在一些实施例中，可以针对单个体素位置(例如，位置1316)选择多个发光元件(例如，元件1318和1320)和对应的分布式透镜。可以选择发光元件(一个或多个)和分布式透镜(一个或多个)，使得来自所述发光元件的光基本上聚焦在所确定的体素位置(例如，位置1316)，或者可以选择它们，使得所发射的光基本上朝向所确定的体素位置准直。
在一些实施例中，可以利用查找表或其他预先配置的信息来进行(一个或多个)发光元件和(一个或多个)分布式透镜的选择，所述查找表或其他预先配置的信息针对多个体素位置中的每一个体素位置，指示发光元件和分布式透镜的哪个或哪些组合将被用于显示所述体素。在使用可变焦透镜的实施例中，这样的配置信息可以进一步包括关于可变焦透镜的设置的信息(例如，指示跨液晶层施加的电压的水平的信息)。
从所选择的(一个或多个)发光元件(3408)选择性地发射光，并且操作所述空间光调制器(3410)以允许所发射的光通过(一个或多个)分布式透镜的透镜区域行进到显示设备外部。所述空间光调制器也可以被操作以阻挡将引起杂散光的光线(例如，对期望图像的显示没有贡献的光线)。所述空间光调制器可以配置在透镜层的任一侧上，从而允许在不需要的光在其到达该透镜层之前或在它已经穿过该透镜层之后被阻挡。
其它实施例
根据一些实施例的显示设备包括：发光层，其包括发光元件的可寻址阵列；覆盖所述发光层的光学层，其中所述光学层包括多个分布式透镜，每个分布式透镜具有光学中心，并且其中所述分布式透镜中的每个分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他分布式透镜交错；以及空间光调制器，其可操作以提供对哪些透镜区域将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。
在一些实施例中，所述分布式透镜中的每一者包括多个透镜区域，且第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间，所述第一和第二分布式透镜具有不同光学中心。
在一些实施例中，相应的分布式透镜内的透镜区域中的每一个具有基本上相同的主焦点。
在一些实施例中，每个分布式透镜包括至少两个非邻接的透镜区域。
在一些实施例中，所述空间光调制器包括多个光调制像素，并且其中所述空间光调制器的每个像素对应于所述透镜区域中的不超过一个透镜区域。
在一些实施例中，对于多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个预定体素位置。
在一些实施例中，对于多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为使来自至少一个预定发光元件的光朝向至少一个预定体素位置准直。
根据一些实施例的显示设备包括：发光层，包括发光元件的可寻址阵列；覆盖所述发光层的光学层，其中所述光学层包括多个分布式透镜，每个分布式透镜包括至少两个非邻接透镜区；以及空间光调制器，其可操作以提供对哪些透镜区域将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。
在一些实施例中，所述分布式透镜中的非邻接透镜区域具有基本上相同的主焦点。
在一些实施例中，每个分布式透镜具有光学中心，并且每个分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他分布式透镜交错。
在一些实施例中，第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于具有不同光学中心的第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间。
在一些实施例中，对于多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个预定体素位置。
在一些实施例中，对于多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为使来自至少一个预定发光元件的光朝向至少一个预定体素位置准直。
根据一些实施例的一种操作显示设备的方法包括：从发光元件的可寻址阵列中的发光元件选择性地发射光，所发射的光朝向包括多个透镜区域的光学层发射；以及操作空间光调制器以允许所发射的光通过所选择的多个透镜区域传播到所述显示设备之外，所选择的多个透镜区域包括在所选择的第一分布式透镜内的至少两个所选择的透镜区域。
在一些实施例中，所选择的透镜区域包括所述第一分布式透镜内的至少两个非邻接的透镜区域。
在一些实施例中，所述第一分布式透镜具有第一光学中心，并且所述第一分布式透镜与具有不同于所述第一光学中心的第二光学中心的第二分布式透镜交错。
在一些实施例中，所述第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于所述第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间。
在一些实施例中，所选择的非邻接透镜区域具有基本上相同的主焦点。
在一些实施例中，该方法还包括：确定待显示体素的位置；以及基于所确定的体素位置来选择所述发光元件和所述第一分布式透镜。可以选择所述发光元件和所述分布式透镜，使得所述发光元件和所述第一分布式透镜的光学中心基本上共线。可以选择所述发光元件和所述分布式透镜，使得来自所述发光元件的光基本上被准直向所确定的体素位置。可以选择所述发光元件和所述分布式透镜，使得来自所述发光元件的光基本上聚焦在所确定的体素位置处。
根据一些实施例的显示设备包括：发光层，包括发光元件的可寻址阵列；覆盖所述发光层的光学层，其中所述光学层包括多个可变焦分布式透镜，每个可变焦分布式透镜具有光学中心，并且其中所述可变焦分布式透镜中的每个可变焦分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他可变焦分布式透镜交错；以及空间光调制器，其可操作以提供对哪个可变焦分布式透镜将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。
在一些实施例中，所述可变焦分布式透镜中的每个包括多个可变焦透镜区域，并且第一可变焦分布式透镜的至少一个可变焦透镜区域位于第二可变焦分布式透镜的至少两个可变焦透镜区域之间，所述第一可变焦分布式透镜和所述第二可变焦分布式透镜具有不同的光学中心。
在一些实施例中，相应的分布式透镜中的可变焦透镜区域可操作以将光聚焦到可变的公共焦点，所述公共焦点由到光学层的输入来控制。
在一些实施例中，每个可变焦分布式透镜包括至少两个非邻接的可变焦透镜区域。
在一些实施例中，所述空间光调制器包括多个光调制像素，并且其中所述可变焦空间光调制器的每个像素对应于所述可变焦透镜区域中的不超过一个可变焦透镜区域。
在一些实施方案中，对于多个可变焦分布式透镜中的每一个，相应的可变焦分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个体素位置，其中该体素位置的焦距能够通过输入到光学层来控制。
在一些实施方案中，对于多个所述可变焦分布式透镜中的每一个，该相应的可变焦分布式透镜响应于到所述光学层的输入，以将来自至少一个预定发光元件的光朝向至少一个体素位置准直。
根据一些实施例的显示设备包括：发光层，包括发光元件的可寻址阵列；覆盖所述发光层的光学层，其中所述光学层包括多个可变焦分布式透镜，每个可变焦分布式透镜包括至少两个非邻接的可变焦透镜区域；以及空间光调制器，其可操作以提供对哪个可变焦透镜区域将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。
在一些实施例中，所述可变焦分布式透镜中的所述非邻接可变焦透镜区可操作以将光聚焦到可变的公共焦点，所述公共焦点由到所述光学层的输入来控制。
在一些实施例中，每个可变焦分布式透镜具有光学中心，并且每个可变焦分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他可变焦分布式透镜交错。
在一些实施例中，第一可变焦分布式透镜的至少一个可变焦透镜区域位于具有不同光学中心的第二可变焦分布式透镜的至少两个可变焦透镜区域之间。
在一些实施方案中，对于多个可变焦分布式透镜中的每一个，该相应的可变焦分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个体素位置，其中该体素位置的焦距能够通过输入到光学层来控制。
在一些实施方案中，对于多个所述可变焦分布式透镜中的每一个，该相应的可变焦分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光朝向至少一个体素位置准直。
在一些实施例中，所述光学层包括至少一个液晶层。
在一些实施例中，所述光学层包括偏振层。
根据一些实施例的一种操作显示设备的方法包括：从发光元件的可寻址阵列中的发光元件选择性地发射光，所发射的光朝向包括多个可变焦透镜区域的光学层发射；以及操作空间光调制器以允许所发射的光穿过所选择的多个可变焦透镜区域行进到所述显示设备的外部，所选择的多个可变焦透镜区域包括在所选择的第一可变焦分布式透镜内的至少两个所选择的可变焦透镜区域。
在一些实施例中，所选择的可变焦透镜区域包括在所述第一可变焦分布式透镜内的至少两个非邻接的可变焦透镜区域。
在一些实施例中，所述第一可变焦分布式透镜具有第一光学中心，并且所述第一可变焦分布式透镜与第二可变焦分布式透镜交错，所述第二可变焦分布式透镜具有不同于所述第一光学中心的第二光学中心。
在一些实施例中，所述第一可变焦分布式透镜的至少一个可变焦透镜区域位于所述第二可变焦分布式透镜的至少两个可变焦透镜区域之间。
在一些实施例中，所选择的非邻接可变焦透镜区域可操作以将光聚焦到可变的公共焦点，所述公共焦点由到所述光学层的输入来控制。
在一些实施例中，该方法还包括：确定待显示体素的位置；以及基于所确定的体素位置来选择所述发光元件、所述第一可变焦分布式透镜以及所述第一可变焦分布式透镜的焦距。在一些实施例中，所述发光元件和所述可变焦分布式透镜被选择为使得所述发光元件和所述第一分布式透镜的光学中心基本上共线。在一些实施例中，所述发光元件、所述可变焦分布式透镜以及所述可变焦分布式透镜的焦距被选择为使得来自所述发光元件的光朝向所确定的体素位置基本上被准直。在一些实施例中，所述发光元件、所述可变焦分布式透镜以及所述可变焦分布式透镜的焦距被选择为使得来自所述发光元件的光基本上聚焦在所确定的体素位置处。
在一些实施例中，一种显示方法包括：从多个发光元件发射光；通过使用可变焦马赛克层聚焦所发射的光来产生光束，所述可变焦马赛克层包括以马赛克图案布置的多个光学特征，其中所述多个光学特征中的至少一个包括可控制的焦距；使用空间光调制器选择性地传递光束；以及以时间同步的方式改变对所述发光元件、所述变焦马赛克层和所述空间光调制器的控制输入。
在一些实施例中，改变所述控制输入包括：基于期望的颜色、角度、焦深和强度来改变控制输入。
在一些实施例中，改变所述控制输入包括：使用查找表以协调的方式驱动所述发光元件、所述可变焦马赛克层和所述空间光调制器，以产生期望的体素分布并阻挡不想要的杂散光。
根据一些实施例的显示设备包括：发光层，其包括多个可控发光元件；可变焦马赛克层，其包括光学元件的重复图案，每个光学元件具有一组光学特性和可调节的焦距；以及可控空间光调制器，其操作以选择性地将从所述发光层发射的光传递到所述显示器的外部。
在一些实施例中，光场显示设备包括：可控发光元件阵列；以及光学元件叠堆，其包括：偏振层；可控可变焦马赛克层，其可操作以控制所产生的光束的焦距；以及可控空间光调制层，其可操作以使用可调节光孔来阻挡杂散光。
根据一些实施例的显示设备包括：包括发光元件阵列的发光层(LEL)；光学层，所述光学层包括具有光学特性的多个瓦片；以及空间光调制器(SLM)；其中所述瓦片将从所述发光元件发射的光聚焦成光束；其中，每个光束聚焦到取决于相应瓦片的光学特性的方向；其中所述多个瓦片中的至少一个瓦片的所述光学特性包括可调整的焦距；并且其中所述SLM以与所述发光层同步的方式控制所述光束，以便复制光场的特性。
注意，所描述的一个或多个实施例的各种硬件元件被称为“模块”，其实施(即，执行、运行等)在此结合相应模块描述的各种功能。如本文所使用的，模块包括相关领域的技术人员认为适合于给定实现的硬件(例如，一个或多个处理器、一个或多个微处理器、一个或多个微控制器、一个或多个微芯片、一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个存储器设备)。每个所描述的模块还可以包括可执行用于执行被描述为由相应模块执行的一个或多个功能的指令，并且注意，这些指令可以采取硬件(即，硬连线的)指令、固件指令、和/或软件指令等的形式或包括它们，并且可以存储在任何适当的非暂时性计算机可读介质或媒体中，诸如通常被称为RAM、ROM等。
尽管以上以特定的组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可以单独使用或与其它特征和元件任意组合使用。另外，本文描述的方法可以在计算机程序、软件或固件中实现，所述计算机程序、软件或固件并入计算机可读介质中以由计算机或处理器执行。计算机可读存储介质的示例包括但不限于，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移动盘等的磁媒体、磁光媒体、以及诸如CD-ROM盘和数字多功能盘(DVD)等光媒体。与软件相关联的处理器可以用于实现在WTRU、UE、终端、基站、RNC或任何主机计算机中使用的射频收发信机。
模拟结果
为了进一步研究小光孔空间分辨率问题，利用光学设计程序OpticStudio 18进行了一组模拟。将具有单一550nm波长的矩形2μm×2μm源置于投影透镜后面2mm的距离处。所使用的绿光代表在全色显示器中使用的可见光范围的中心波长。投影透镜利用单束光将所述源成像到50mm的距离，该单束光继续传播到位于离表示显示表面的透镜350mm距离处的眼睛模型。为了看到光学效果，对于每个模拟情况，改变投影透镜光孔。该眼睛模型具有4mm直径瞳孔、17mm焦距的目镜、以及被调节到三个不同的眼睛焦距的第二聚焦透镜。使用该眼睛模型以便获得用投影光束产生的视网膜图像。350mm的第一眼睛焦距被设置到显示表面上的投影透镜光孔位置，并且300mm的第二焦距被设置到投影体素位置。第三焦距是250mm，其离体素朝向眼睛模型50mm。进行基于几何和衍射的模拟，以便观察不同的光学效果和它们彼此的关系。
图35示出了用两个50μm和250μm的小投影透镜圆形光孔尺寸进行的模拟的结果。在前两种情况下，使用单个中心光孔，但在第三种情况下，测试具有四个50μm光孔的分布式光孔集群，所述光孔位于距中心100μm距离处。列并排地将一种光孔类型的几何和衍射模拟的结果呈现为与三行上所示的三个不同眼睛焦距关联的2D辐照图。每个视网膜图像中的检测器区域尺寸为50μm×50μm。底部行的几何分布示出了当眼睛直接聚焦到显示表面时的圆形光孔形状。第二行的几何分布示出了小的矩形辐照分布，其是单个矩形源的放大图像。所有这三个图像具有相同的尺寸和形状，因为几何成像因子在每个模拟情况下是相同的，并且唯一的差异是由光学光孔的不同区域确定的每个光斑中的总的光焦度。
当在不同的眼睛焦距处比较图35中的单个50μm光孔的几何模拟结果时，很明显，光学器件不能在300mm体素距离处产生比其在显示表面上示出的更小的光斑。这是由于2mm焦距投影透镜将2μm光源成像到距显示器50mm体素距离处的50μm光斑中。在这种情况下，在眼睛视网膜中的源的矩形图像具有与在350mm的另一显示距离处看到的圆形光孔几乎相同的宽度。在250mm的最短眼睛焦距处，光束和眼睛的组合仍然成像矩形图案。但是随着离显示投影透镜的距离变大，几何放大率更高，并且由此可见源图像更大并且在图像失焦时也有些模糊。几何辐照分布显示了50μm光孔将使眼睛聚焦到显示表面(在该显示表面处最小的光斑是可见的)，而不是预期的体素位置。然而，从衍射模拟结果可以看出，利用这种小光孔，衍射效应支配了辐照分布，并且几何放大率以及光束焦距变得不相关。衍射模糊还显著地增加了源视网膜图像尺寸，从而对可实现的体素分辨率设置了严格的限制。
为了使显示器投影透镜光孔几何图像看起来大于体素尺寸，并且为了降低衍射模糊量，可以增加投影透镜的尺寸。图35的第二列示出了用250μm光孔透镜进行的模拟的结果。几何辐照分布显示了现在五倍大的光孔尺寸使得有可能产生一种情况，即，当眼睛聚焦到体素位置(300mm距离)时，源视网膜图像尺寸比当眼睛聚焦到显示表面(350mm)或体素前面(250mm)的50mm时小得多。不幸的是，衍射效应模拟表明，衍射模糊仍然主导着整体成像性能，并且即使光孔尺寸为250μm，光束也不能产生足够的视网膜聚焦提示。然而，由于衍射光束现在通过100mm深的眼睛聚焦范围显示出实际上恒定的视网膜图像，所以透镜实际上像扩展景深(EDoF)投影系统一样工作。这使得有可能通过单独诱导眼睛会聚而用交叉束创建体素，并且由于视网膜光斑保持恒定，所以不应该存在VAC。当眼睛聚焦到体素位置时，源视网膜图像不如几何放大率所预测的那样小，但是它比用较小的50μm光孔获得的大的模糊光斑小得多。这意味着通过将光孔尺寸从50μm增加到250μm，可以获得在显示器前面投影的体素的更合理的空间分辨率。
图35的最后一列中的模拟结果显示了一个示例性马赛克光孔集群。在这种情况下，用四个50μm宽的圆形光孔对250μm宽的圆形光孔进行取样，其中所述四个圆形光孔以十字形图案放置以覆盖与第二列中所示的单个较大光孔相同的水平和垂直尺寸。几何模拟的结果表明，当眼睛聚焦到体素位置时，这种布置能够产生适当的小源视网膜图像。当眼睛聚焦到显示器时，它看到光孔集群，而当它聚焦到体素前面时，它看到四个模糊源图像的集群。在后两种情况下，整个照亮的视网膜表面积大于在体素位置可见的成像光斑的尺寸。如果只发生几何成像，眼睛将具有正确的视网膜聚焦提示，并且目镜将自然地适应正确的体素距离。这将适用于集群中的单个光孔足够大以使几何因子主导辐照分布的情况。不幸的是，该情况不同于衍射开始占主导地位的小光孔情况。示例情况衍射模拟表明，分布式十字形光孔集群不仅产生单个中心光斑图像，而且产生从小光孔衍射的一系列侧光斑。分布式光孔设计可以考虑来自小光孔的衍射现象，以便用投影光束达到足够的体素空间分辨率。
为了比较几何和衍射主导的成像情况，用如前所述的相同基本光学配置进行一组三个光学模拟。在这种情况下，投影透镜光孔尺寸被设置为250μm、500μm和750μm。结果如图36所示。如前所述，250μm光孔产生对于所有三个眼睛焦距都非常相似的视网膜图像。当光孔增加到500μm时，这种情况改变，因为在350mm眼睛聚焦距离处的衍射视网膜图像明显大于在眼睛正在观看体素位置的300mm聚焦距离处的衍射视网膜图像。而且，最近的250mm眼睛聚焦距离在较亮的中心光斑周围引起一些衍射模糊。通过使用这种500μm光孔尺寸，可以在显示器前面的50mm空间中为单只眼睛产生适当的视网膜聚焦提示。图36的最后一列显示了用750μm光孔获得的结果。现在，该光孔尺寸足够大，以使几何成像因子支配视网膜图像，因为通过将眼睛聚焦到体素距离而获得的光斑显著小于在体素两侧的两个其他距离处所见的光斑。必须注意，这些模拟结果仅适用于所描述的使用具有单个550nm波长的2μm源和2mm焦距投影透镜的模拟情况。如果例如使用具有较长波长的红光，则结果将有些不同。然而，模拟的情况示出了与设计具有若干折衷的3D显示器结构相关联的复杂性，并且其强调了衍射在针对高分辨率投影3D图像的小尺寸显示器中是实际问题的事实。
为了说明分布式光孔的潜力和功能，利用光学设计程序OpticStudio 18进行了一组模拟。将具有单一550nm波长的矩形2μm×2μm源置于投影透镜后面2mm的距离处。所使用的绿光代表在全色显示器中使用的可见光范围的中心波长。投影透镜利用单束光将所述源成像到50mm的距离，该单束光继续传播到位于离表示显示表面的透镜350mm距离处的眼睛模型。为了看到光学效果，对于每个模拟情况，改变投影透镜光孔。该眼睛模型具有4mm直径瞳孔、17mm焦距的目镜和被调节到三个不同的眼睛焦距的第二聚焦透镜。使用所述眼睛模型以便获得用投影光束产生的视网膜图像。350mm的第一眼睛焦距被设置到显示表面上的投影透镜光孔位置，并且300mm的第二焦距被设置到投影体素位置。第三焦距是250mm，其离体素朝向眼睛模型50mm。进行基于几何和衍射的模拟，以便观察不同的光学效果和它们彼此的关系。
图37示出了用两种不同的分布式光孔设计进行的模拟的结果以及用单个250μm圆形孔对其进行的模拟的结果，以用于比较。列并排地将一种光孔类型的几何和衍射模拟的结果呈现为与三行上所示的三个不同眼睛焦距关联的2D辐照图。每个视网膜图像中的检测器区域尺寸为50μm×50μm。底行的几何分布示出了当眼睛直接聚焦到显示表面时的光孔几何结构。第二行的几何分布示出了小的矩形辐照分布，其是单个矩形源的放大图像。所有这三个图像具有相同的尺寸和形状，因为几何成像因子在每个模拟情况下是相同的，并且唯一的差异是由光学光孔的不同区域确定的每个光斑中的总的光焦度。
在图37的第二列中呈现的第一分布式光孔的情况下，测试了放置在距中心100μm距离处的四个50μm圆形光孔的集群。结果表明，尽管几何成像将为体素位置提供良好的视网膜聚焦提示(在300mm处的眼睛聚焦具有最小的光斑)，但是衍射的视网膜图像在所有眼睛聚焦距离上实际上保持相同。该图像还包含几个衍射的次级源图像，使得不可能使用这种分布式光孔的情况来创建视网膜聚焦提示。最后一列中呈现的第二分布式光孔情况示出了一光孔几何结构，其中九个50μm圆形光孔以250μm宽的十字形图案而被使用。几何模拟结果再次示出了当眼睛聚焦到体素位置时良好的视网膜聚焦提示，但是衍射图像示出了光斑尺寸在整个眼睛聚焦范围内保持相同。然而，在这种情况下，大部分光能集中在中央光斑中，并且衍射的二次光斑非常微弱。这表明通过使用适当的分布式光孔设计可以显著地增加潜在的3D图像分辨率。在后一种情况下，中心光斑比用连续250μm圆形光孔获得的光斑稍大，但差别不是很大。投射光束视网膜光斑尺寸在整个眼睛聚焦范围内保持相同的事实意味着分布式光孔也可用于扩展景深(EDoF)系统，并且体素可仅通过眼睛会聚来形成。
图38示出了为了测试衍射图样对光波长的依赖性而进行的模拟的结果。使用来自先前模拟情况的相同十字形图案，但现在还模拟红色650nm和蓝色450nm源。在所有情况下，几何成像都是用颜色校正光学器件完成的，并且所有投影透镜具有相同的50mm成像距离。衍射图像表明，用红色源获得的视网膜光斑稍大于用绿色源获得的光斑，蓝色源给出最小的视网膜光斑尺寸。红色源图像还具有围绕中心强度最大值的微弱但明显的次级衍射光斑，并且这些次级衍射光斑在蓝色源图像的情况下几乎缺失。这些是预期的结果，因为衍射现象依赖于光波长，并且具有较长波长的红光比具有较短波长的蓝光更容易衍射。然而，模拟表明，不同颜色的光斑之间的差异相对较小，并且通过使用550nm的单个中心绿色波长可以相当好地估计分布式光孔的一般衍射行为。
图39示出了用于测试具有三个不同尺寸源的相同十字形分布式光孔的成像行为的模拟结果。所有源具有单一的550nm绿色波长，并且它们具有正方形形状。所用的三种源尺寸为2μm、8μm和16μm，其可代表例如一些非常小的μLED组件。在8μm的中等源尺寸的情况下，当眼睛聚焦到体素(300mm)和显示器上的光孔(350mm)时，几何视网膜图像在尺寸上大致相同，但是在更近的250mm范围处，光斑图像显著更大。然而，在光斑尺寸对于所有眼睛焦距都相同的衍射图像中，这种行为是不可见的。当将2μm和8μm源的结果彼此比较时，显然，几何成像因子对于所使用的分布式光孔不是非常重要，因为两个源尺寸在模拟的眼睛聚焦范围内产生相同的恒定光斑尺寸。几何图像放大因子表明，8μm源应具有比2μm源宽四倍的光斑图像，但这不是这种情况，因为成像现在受衍射支配。8μm源视网膜光斑尺寸仅为2μm源视网膜图像的尺寸的～2倍。这也意味着衍射可以有效地将两个2μm源彼此紧邻放置而产生的两个光束熔合在一起。这种特征对于空间分辨率是不利的，但是它也可以用于例如将来自小的不同颜色源组件的矩阵的不同颜色光束融合在一起。
图39的最后一列显示了16μm宽的源的模拟结果。在这种情况下，衍射的视网膜图像显示了模糊的矩形形状，其明显大于两个较小光源情况下的视网膜光斑。这表明最大的模拟源接近于几何因子开始支配成像性能的尺寸。衍射仍然模糊了源图像的边缘，但是矩形形状已经是可见的。最后一个示例表明，当设计具有小的分布式光孔的系统时，也可以考虑源尺寸，因为成像性能取决于几何和衍射效应之间的精细平衡。
图37中呈现的两个示例分布式光孔情况示出了可能期望选择较小光孔的特定布置而不是简单地将一组较小光孔放置到要采样的单个大光孔的极限维度。为了测试不同几何结构的行为，如前所述，用相同的光学模拟设置对一组五个不同的分布式光孔进行建模。图40在底部行呈现了以当眼睛聚焦到距离观察者300mm和距离显示器50mm的中间体素位置时获得的衍射视网膜辐照图案。包括单个250μm圆形光孔的模拟结果作为参考。在每种情况下，第一行图像示出了被设置为250μm的总宽度和高度的光孔群集几何结构，其以不同的填充因子和形状对圆形单光孔几何结构进行采样。
图40的具有四个50μm光孔的第一分布式光孔情况产生可能具有太多噪声以致于不能形成良好质量的体素的视网膜光斑。紧接着的第二种情况示出了用八个50μm光孔获得的改进的结果。后一个视网膜光斑可以是对第一个视网膜光斑的改进，但不如图38的先前模拟结果中所呈现的用九个50μm光孔获得的视网膜光斑好。尽管中心小光孔没有向分布式光孔增加太多区域，但是所增加的小光孔的中心位置可以帮助移除在图40的八光孔视网膜图像上可见的微弱衍射光斑。在使用四个矩形光孔的第三种模拟分布式光孔情况下，中心光孔区域的效果被强调。在该示例中，光孔图案中的中心孔在中心强度最大值周围引起更清晰的次级衍射斑。
图40所示的第四分布式光孔情形具有八个三角形光孔，它们沿着与光孔的对称中心点相交的垂直和水平线彼此连接。模拟结果表明，虽然光孔几何结构具有比例如前面四个矩形孔更小的总表区域，但是它仍然能够产生清楚的中心强度最大值，并且周围的次级衍射光斑相对微弱。第五和最后一个示例性光孔情况具有布置成棋盘图案的十二个42μm宽的正方形。这种分布式光孔形状能够产生良好的视网膜衍射图像，其在中心最大值周围具有非常微弱的二次光斑。该光斑尺寸也与在一个对角线方向上用连续圆形250μm光孔获得的光斑尺寸相当。最后一个示例表明，通过良好设计的分布式光孔，可以获得接近于单个采样连续更大光孔的功能的成像性能。
所使用的光学光孔的总尺寸对视网膜图像衍射模糊的量具有较大的影响。图41示出了用两种不同尺寸的分布式光孔进行的模拟的结果，以及用单个250μm的连续光孔进行的模拟的结果，其用作比较。两种分布式光孔的情况使用与先前图40中的第四种情况相同的连接三角形几何结构，但是在第一尺寸模拟情况下，总的光孔集群高度和宽度是250μm，而在第二种情况下，集群是三倍大。当比较较小和较大的三角形光孔时，很明显，较大的光孔能够产生适当的视网膜聚焦提示但也具有衍射，因为当眼睛聚焦到体素位置(300mm)时，光斑尺寸最小。同样明显的是，尽管单个三角形仅为～188μm宽，分布式750μm宽的光孔能够产生比单个连续250μm圆形光孔更小的衍射点。因此，模拟表明，可以用具有足够大的总尺寸的分布式光孔来创建适当的视网膜提示。
为了测试结构功能和可实现的分辨率，利用光学模拟软件OpticsStudio 17执行一组模拟。显示器光学结构被放置在距观察窗口350mm的距离处。由4mm光孔(眼睛瞳孔)和两个理想的近轴透镜构建一简化的眼睛模型，其中所述近轴透镜用于将眼睛焦距(～17mm)调节到适当的焦距。用2μm×2μm表面区域的μLED度量来制造模拟源，并使用红色650nm、绿色550nm和蓝色450nm三种颜色以显示具有不同可见波长的衍射图案。将眼模型聚焦到三个不同的距离281mm、350mm和463mm，其表示了三个体素形成深度平面。还进行了一组比较模拟，以便示出来自分布式小光孔设计的分辨率增强。在这些模拟中，使用了88μm×88μm的正方形光孔，并且它们与专门设计的分布式光孔的中心正方形尺寸相同。
图42示出了在位于眼睛模型视网膜上的50μm×50μm尺寸的检测器表面上的辐照分布的体素分辨率模拟结果。仅进行衍射模拟以便示出分布式光孔设计的效果。三个主要的列示出了利用三个不同的源波长获得的结果，并且行示出了所使用的眼睛焦距。在每个波长/焦距情况下，示出了一对模拟的辐照分布。左边的分布示出了用单个矩形光孔获得的视网膜图像，右边的分布示出了用分布式光孔设计获得的图像。
当在所使用的眼睛聚焦范围上比较模拟的光斑时，来自小光孔的衍射会支配成像。所有视网膜光斑在整个眼睛聚焦范围内的尺寸大致相同，并且没有合适的视网膜聚焦提示可用。图42还示出了源颜色之间的衍射光斑尺寸之间存在差异。在所有情况下，用红光获得的光斑大于用绿色模拟的光斑，且蓝色光斑具有最小直径。总之，衍射模糊有助于颜色混合，因为衍射的不同颜色的光束被融合在一起成为全色成像光束。
当将图42所示的单光孔情况与分布式光孔情况进行比较时，分布式光孔的分辨率增强特性是明显的。光孔集群布置产生一些衍射的次级光斑，但是大部分光能集中在一个中心最大值。分布式光孔能够产生具有中心光斑的视网膜图像，该中心光斑大约是利用单个光孔产生的图像光斑的宽度的一半。这可以允许在光孔尺寸小的情况下使空间分辨率加倍。
为了测试可变焦马赛克透镜(VFML)的功能，利用光学模拟软件OpticsStudio 17进行一组模拟。将显示光学结构放置在距简化的眼睛模型350mm的距离处，该简化的眼睛模型由4mm光孔(瞳孔)和用于将眼睛焦距(～17mm)调节到适当的焦距的两个理想的近轴透镜构成。使用具有0.7屈光度间隔的三个焦距：距离眼睛模型390mm、500mm和800mm。通过首先将眼睛焦点固定到上述距离之一，然后将VFML焦距调整到三个示例体素投影距离，总共进行9次模拟。
用2μm正方形表面区域的μLED度量来制造模拟源。只使用一个550nm绿色光源，因为目的是证明产生单眼视网膜聚焦提示。为此，LCD光孔尺寸固定为9μm×27μm的绿色滤色器光孔尺寸。所述模拟也仅用几何光线跟踪进行，并且它们不包括衍射效应。然而，因为衍射图案仅进一步模糊光斑，并且例如将四个光束部分光斑融合在一起，所以几何模拟被视为足以显示期望的效果。
图43描述了对三种不同的VFML焦距和眼睛焦距而模拟的视网膜光斑的模拟结果。模拟结果以所有情况下尺寸为80μm×80μm的检测器表面上的视网膜图像的表格呈现。列对应于不同的体素焦距，行对应于眼睛焦距。该表格示出了当眼睛聚焦到与体素相同的位置时，在视网膜上可以看到源的单个清晰的正方形图像。当体素进一步远离位于350mm观看距离处的显示器移动时，源图像的尺寸也增大。还清楚的是，当眼睛没有聚焦到与体素相同的深度时，一组四个源图像变得可见。这四个光斑来自于在马赛克透镜处产生的四个光束部分。当该光束部分在体素聚焦位置相遇时，只要所述两个距离相同，就会产生单个源图像。在所有模拟眼睛聚焦的情况下，四个离焦的光斑会占据比具有正确聚焦的单个图像更大的表面区域。这意味着单只眼睛将具有到仅在指定体素焦距处的体素的精确聚焦。总之，仿真结果表明，该方法可以用于在没有实质VAC的情况下利用交叉光束创建3D图像。
Claims (15)
1.一种显示设备，包括：
发光层，包括发光元件的可寻址阵列；
光学层，覆盖所述发光层，其中所述光学层包括多个分布式透镜，每个分布式透镜具有光学中心，并且其中所述分布式透镜中的每个分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他分布式透镜交错；以及
空间光调制器，其可操作以提供对哪些透镜区域将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述分布式透镜中的每一个包括多个透镜区域，并且其中，第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间，所述第一和第二分布式透镜具有不同的光学中心。
3.根据权利要求1或2所述的显示设备，其中相应分布式透镜内的所述透镜区域中的每一者具有实质上相同的主焦点。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的显示设备，其中，每个分布式透镜包括至少两个非邻接的透镜区域。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，其中，所述空间光调制器包括多个光调制像素，并且其中，所述空间光调制器的每个像素对应于所述透镜区域中的不超过一个透镜区域。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的显示设备，其中，对于多个所述分布式透镜中的每一个，该相应分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个预定体素位置。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的显示设备，其中，所述分布式透镜中的至少一个是可变焦分布式透镜。
8.一种操作显示设备的方法，所述方法包括：
从发光元件的可寻址阵列中的发光元件选择性地发射光，所发射的光朝向包括多个透镜区域的光学层发射；以及
操作空间光调制器以允许所发射的光穿过所选择的多个所述透镜区域行进到所述显示设备之外，所选择的多个透镜区域包括在所选择的第一分布式透镜内的至少两个所选择的透镜区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所选择的透镜区域包括所述第一分布式透镜内的至少两个非邻接的透镜区域。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述第一分布式透镜具有第一光学中心，并且其中，所述第一分布式透镜与具有不同于所述第一光学中心的第二光学中心的第二分布式透镜交错。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于所述第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间。
12.根据权利要求8到11中任一项所述的方法，其中所选择的非邻接透镜区域具有基本上相同的主焦点。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，还包括：
确定待显示体素的位置；以及
基于所确定的体素位置，选择所述发光元件和所述第一分布式透镜。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述发光元件和所述分布式透镜被选择为使得所述发光元件和所述第一分布式透镜的光学中心基本上共线。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述发光元件和所述分布式透镜被选择为使得来自所述发光元件的光基本上聚焦在所确定的体素位置处。
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