CN114545652B - 一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构。该显示结构由一个以上的像素块‑孔径簇复合结构构建，各像素块‑孔径簇复合结构包括相互对应的一个像素块、一个指向调控单元及由大于一个的小尺寸孔径组成的孔径簇；各像素块的像素或子像素分为多个像素组或子像素组，在指向调控单元的调控下，它们分别投射对应视图单元至对应孔径簇的不同孔径；所有像素块‑孔径簇复合结构所投射视图单元，拼连为大于一个的拼合图像，投射至对应眼睛。两个所述光学显示结构分别对应观察者双眼置放，设计在各孔径沿至少一个方向尺寸小于观察者瞳孔直径，基于麦克斯韦图或单眼多图像的技术路径，实现无聚焦‑会聚冲突的三维显示。
Description
技术领域
本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，通过各像素块上不同基本显示单元组分别向对应孔径簇中各自对应小尺寸孔径所投射视图单元的拼连，克服单个小尺寸孔径对视角的限制，以基于麦克斯韦图或单眼多图像的技术路径，实现无聚焦-会聚冲突的三维显示。
背景技术
作为潜在的新一代移动终端平台，虚拟现实(VR)/增强现实(AR)在各个相关领域都有极其广阔的应用前景。但现有VR/AR系统大都是基于传统体视技术进行三维场景的呈现，通过向观察者双眼分别投射一幅对应二维图像，利用双眼视向于相应深度的空间交叉会聚，触发观察者的深度感知。在此过程中，来自对应显示屏的各像素或子像素的光束，均为发散角覆盖观察者瞳孔的锥状发散光束，该类锥状光束牵引观察者各目聚焦于对应显示屏，以看清楚各自对应二维图像，由此导致单眼固定的聚焦深度(显示屏或显示屏像所处深度)和双眼会聚深度(所注视显示场景的深度)之间的不一致，也即聚焦-会聚冲突问题。该问题会导致观察者视觉不适，是三维显示推广应用的瓶颈问题。
为了克服所述聚焦-会聚冲突问题，沿至少一个方向尺寸小于观察者瞳孔直径Dp的小尺寸孔径可作被置于观察者眼睛之前(作为近眼孔径)，沿该至少一个方向约束入射观察者眼睛各光束的发散度，从而基于麦克斯韦图(Maxwellian view)或单眼多图像的技术路径，实现自由聚焦显示，即单眼聚焦距离和双眼会聚距离一致的三维显示。其中，基于麦克斯韦图(Maxwellian view)进行显示时，所述小尺寸孔径沿各个方向都需要小于观察者瞳孔直径Dp；基于单目多图像进行显示时，所述小尺寸孔径沿至少一个方向的尺寸小于观察者瞳孔直径Dp。通过一个实物存在的小尺寸孔径，距离该小尺寸孔径一定距离(该距离用于容纳睫毛之类的眼睛附着组织)处的观察者瞳孔，所能接收到图像的视角受限。如图1，以沿一维x方向为例，该受限视角为观察者瞳孔直径Dp对小尺寸孔径A1的张角，该张角于显示屏上覆盖的区域示为S1S2。此处为了便于描述，忽略了小尺寸孔径的孔径尺寸；考虑其实际孔径尺寸时，小于瞳孔直径的小尺寸孔径约束下的受限视角，会略大于图1所示，但也是受限的。图1中，E和F为显示屏边点。更大的视角，需要通过多个该类小尺寸孔径各自对应受限视角的拼连来实现。例如，中国发明专利《一种增加视点呈现数目的时分复用模组和方法》(公开号：CN105807438A，公开日：2016-07-28)所采用时序特性孔径，如图2。图2中，E和F为显示屏边点。根据几何关系，观察者眼睛通过于各时间周期内时序打开的三个时序特性孔径A1、A2和A3，基于视觉滞留，可以观察到具有更大视角范围的显示内容。图2中，具体地表现为从时序特性孔径A1对应受限视角所覆盖的区域S1S2，扩展到拼连视角对应的覆盖区域S3S6。但这种视角扩展需要牺牲显示频率来实现。中国发明专利《一种实现大视区小视点间距的三维显示方法》(公开号：CN112114437A、公开日：2020-12-22)将显示屏划分为不同的子屏作为像素块，并设计相邻子屏出射具有互不相同正交特性的光；同时，各子屏对应的小尺寸孔径可设计为多于一个，等效为孔径簇。于这种基于像素块-孔径簇复合结构所设计的光学显示结构中，在一个时间点，对应各子屏分别打开一个小尺寸孔径，各子屏通过打开的对应小尺寸孔径投射待显示场景关于此小尺寸孔径的视图；观察者眼睛于该时间点通过打开的多个小尺寸孔径，观察到视角扩展的一幅拼合图像。在一个时间周期的不同时间点，各子屏对应的打开小尺寸孔径不同，实现各时间周期内多个视角扩展的拼合图像向观察者眼睛的时序投射。其中，其各小尺寸孔径被赋予对应正交特性，以允许对应像素块出射光通过，但挡除对应像素块的相邻像素块所投射光。如图3所示，子屏1对应的小尺寸孔径A11和A12成簇，在打开状态下仅允许入射“-”光出射。图3中，D1和D2为相邻子屏交点，E和F为显示屏边点。类似地，子屏2对应的小尺寸孔径A21和A22成簇，在打开状态下仅允许入射“·”光出射；子屏3对应的小尺寸孔径A31和A32成簇，在打开状态下仅允许入射“-”光出射。图3所示一个时间周期的时间点t1，子屏1投射的“-”光通过此时被打开的小尺寸孔径A11向围绕V1点的视区投射、子屏2投射的“·”光通过此时被打开的小尺寸孔径A21向围绕V1点的视区投射、子屏3投射的“-”光通过此时被打开的小尺寸孔径A31向围绕V1点的视区投射；其它孔径关闭。其中，小尺寸孔径A11、A12、A31、A32被赋予的正交特性，使它们在打开状态下仅允许入射的“-”光出射，小尺寸孔径A21、A22被赋予的正交特性，使它们在打开状态下仅允许入射的·”光出射。这里，“-”和“·”表示两种互不相同的正交特性，例如偏振方向相互垂直的两个线偏光态。则，在一个时间周期的时间点t1，围绕V1点的视区处的观察者眼睛，可以接收到子屏1、子屏2和子屏3所投射图像拼连而成的、视角扩展的拼合图像。同理，在该时间周期的另外一个时间点t2，仅小尺寸孔径A12、A22、A32打开，围绕V2点的视区处的观察者眼睛，可以观察到另外一个被投射的拼合图像。当该两个视区间距小到足以被观察者眼睛瞳孔所覆盖时，即可基于单眼多图像进行显示；当该两个视区间距不足以被观察者眼睛瞳孔所覆盖时，可基于麦克斯韦图技术进行显示。但受限于可用正交特性的数目，在为了获得较大的视角而需要子屏数量较大时，会存在出射相同正交特性光的子屏。该情况下，一个子屏出射光会经过非对应的、允许同种正交特性光出射的小尺寸孔径，作为噪声出射，例如图3所示光束1。相邻子屏出射不同正交特性光的前提条件，导致在图3所示的噪声区域之间，存在一个空间有限的无噪声区域，如图3所示。为了保证好的显示效果，观察者瞳孔将被迫约束于该空间有限的无噪声区域。为了进一步的摒除上述噪声，中国发明专利《基于光出射受限像素块-孔径对的三维显示模组》(公开号CN112925110A，公开日20210608)于多个像素块/孔径对组合而成的光学显示结构中，引入像素投射光调控器件，对各像素出射光的角覆盖范围进行约束，避免各像素投射光进入非对应孔径而产生上前述的噪声区域。如图4所示，像素块1对应子孔径A1、A2、A3成簇，等效于一个孔径簇。类似地，像素块2对应子孔径A4、A5、A6成簇，像素块S3对应子孔径A7、A8、A9成簇。图4中，D1和D2为相邻像素块交点，E和F为显示屏边点。其像素投射光调控器件调控各像素出射光的指向和角范围，使任一像素或子像素出射光仅覆盖该像素或子像素所属像素块对应的子孔径，不入射非对应子孔径，以避免图3所示噪声区域的出现。例如图4所示像素pi，其出射光经像素投射光调控器件约束，仅覆盖其所属像素块2对应的子孔径A4、A5、A6，不入射其它子孔径。然后，在各时间周期的一个时间点，各像素块仅一个且仅一个对应子孔径被打开，各像素块通过打开的对应小尺寸孔径，共同地向对应视区投射视角扩展的拼合图像。如图4所示一个时间周期的t2时间点，仅对应像素块1的子孔径A2、对应像素块2的子孔径A5打开、对应像素块3的子孔径A8打开，即子孔径A2、A5、A8作为一个子孔径阵列，于时间点t2打开；则像素块1通过子孔径A2、像素块2通过子孔径A5、像素块3通过子孔径A8共同投射一个拼合图像给围绕VP2点的视区。类似地，子孔径A1、A4、A7构建为一个子孔径阵列，子孔径A3、A6、A9构建为一个子孔径阵列。在各时间周期的M＝3个时间点，M＝3个子孔径阵列时序打开，依次地，M＝3个像素块共同依次投射拼合图像分别至围绕VP1点、围绕VP2点、围绕VP3点的视区，从而实现多个视角扩展的拼合图像的时序投射，基于视觉滞留实现单眼多图像显示。这里以各周期对应M＝3个时间点为例进行说明。且各子孔径以沿x方向排列的条形状孔径为例，各条形状子孔径沿x方向尺寸小于观察者瞳孔直径Dp，为小尺寸孔径。图4对应发明中，各像素块对应的子孔径，被设计为相邻排列，即不同像素块对应的子孔径之间不发生交错排布，以实施各像素块投射光在像素投射光调控器件调控下，仅覆盖该像素所述像素块对应的子孔径，而不入射相邻像素块对应的子孔径这一目的。根据图4所示，在一个时间点，一个像素块通过一个打开的对应子孔径所投射图像，若观察者对应眼睛全部接收到其光信息，该眼睛瞳孔需要覆盖该像素块上全部像素出射光的分布区域，例如图4所示尺寸为dv的区域，也即要求dv≦Dp(Dp为观察者瞳孔直径)。根据图4所示几何关系，dv＝Lred/D，相邻像素块所对应小尺寸孔径之间的间距di＝Lred/(Lre+D)。各像素块对应子孔径相邻排列情况下，di是同一像素块对应子孔径沿排列方向的最大覆盖尺寸。其中，D为像素块和子孔径之间的距离，Lre为观察者瞳孔和子孔径之间的距离。其所述子孔径及，均设计为近眼置放，也即都是近眼孔径。在该情况下，D远大于Lre，也即相邻像素块所对应小尺寸孔径之间的间距di略小于或近似等于观察者瞳孔需要覆盖的区域尺寸dv，即di≈dv≦Dp。通过采用高频的显示屏，于各时间周期内取更多的时间点，以通过设计各像素块对应更多的子孔径，实现更多拼合图像的投射。但于di≈dv≦Dp的约束下，该更多的拼合图像所对应所有视区中，距离最远视区的间距Wvp＝(Lre+D)di(Nvp-1)/(DNvp)<(Lre+D)di/D≈di≦Dp，如图4中所示Wvp。则，Wvp+dv<2Dp为所有视区覆盖区域的尺寸，即观察者眼睛对应的观察区域尺寸。其中Nvp为投射拼合图像的数目，或它们对应视区的数目。这也意味着，通过将显示屏分为多个像素块、各像素块分别通过不同孔径进行投射以实现视角扩展的技术方案中，不同像素块所对应小尺寸孔径之间无空间交错的设计，使同一像素块所对应的全部小尺寸孔径，沿排列方向的覆盖区域尺寸最大不能超过di≈dv≦Dp。该同一像素块对应小尺寸孔径覆盖区域的尺寸受限，导致该技术方案固有的观察区域尺寸受限问题：Wvp+dv<2Dp，且该问题无法通过各像素块对应小尺寸孔径数量的提高，也即各像素块复用度的提高来解决。
发明内容
本发明的目的为解决上述现有技术存在的问题而设计一种像素块-孔径簇复合结构，其像素块的多个基本显示单元组(具体为像素组或子像素组)出射光，一一对应地指向其孔径簇的多个小尺寸孔径；多个像素块-孔径簇复合结构组成的光学显示结构中，各像素块-孔径簇复合结构所投射视图单元，拼连为大于一个的视角得到扩展的拼合图像。在观察者双眼分别接收到至少一个拼合图像的情况下，设计各孔径沿至少一个方向尺寸小于观察者瞳孔直径，从而基于麦克斯韦图或单眼多图像的技术路径，实现无聚焦-会聚冲突的三维显示。
本发明提供一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，包括：
多个像素块-孔径簇复合结构，各像素块-孔径簇复合结构分别包括由基本显示单元组成的像素块指向调控单元和M个小尺寸孔径组成的孔径簇，其中指向调控单元用于调控像素块各基本显示单元出射光的指向，像素块的基本显示单元对应分为M个基本显示单元组，该M个基本显示单元组投射光一一对应地分别指向该像素块-孔径簇复合结构的M个小尺寸孔径，其中M≧2，所述小尺寸孔径是指沿至少一个方向的尺寸小于观察者瞳孔直径的孔径；
控制单元，该控制单元与所述像素块信号连接以用于控制所述各基本显示单元组加载并投射待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图，每个基本显示单元所加载并投射的待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图作为视图单元；
所述多个像素块-孔径簇复合结构的像素块无间隙地排列，各像素块分别为一个显示屏的不同区域，其中一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径至少会和另外一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径发生空间交错，且该多个像素块-孔径簇复合结构所投射的视图单元，能够拼连成多于一幅的拼合图像，其中各拼合图像相对于观察者眼睛的张角覆盖待显示场景。
进一步地，所述基本显示单元为像素或者子像素。
进一步地，像素块的基本显示单元空间地分为M个交错排列的基本显示单元组，所述指向调控单元为微结构阵列，该微结构型指向调控单元各微结构和对应像素块各基本显示单元一一对应置放。
进一步地，像素块于各时间周期的M个时间点分别对应M个不同背光，作为M个具有不同时序特性的基本显示单元组，所述指向调控单元为能够时序投射不同背光的背光组件，该时序背光型指向调控单元于各时间周期的M个时间点所时序投射背光，一一对应地分别指向对应孔径簇的M个小尺寸孔径。
进一步地，各像素块-孔径簇复合结构的时序背光型指向调控单元分别为包括M个光源的光波导结构，其M个光源投射背光经其出瞳一一对应指向对应孔径簇的M个小尺寸孔径。
进一步地，多个像素块-孔径簇复合结构的时序背光型指向调控单元为包括M个光源的光波导结构，其M个光源投射背光经各像素块分别一一对应指向该像素块对应孔径簇的M个小尺寸孔径。
进一步地，所述孔径簇各小尺寸孔径为透射式孔径，或反射式孔径。
进一步地，显示屏和各孔径簇之间置中继器件，用以引导显示屏投射光的传输路径、或/和成像显示屏。
进一步地，中继器件为偏转光传输方向的反射镜、或/和对像素块起放大成像功能的透镜、或具有偏转光传输方向和放大像素块的自由曲面器件。
进一步地，相邻小尺寸孔径设置为具有不同的正交特性，具有一种正交特性的小尺寸孔径，仅允许对应正交特性入射光出射，挡除非对应正交特性入射光出射，且各小尺寸孔径对应基本显示单元组出射该小尺寸孔径所对应正交特性光。
进一步地，所述互正交特性光，是在一个时间周期的不同时间点分别投射的时序特性光、或偏振方向相互垂直的两种线偏特性光、或分别为左旋光和右旋光的两种旋偏特性光、或者为一个时间周期的不同时间点分别投射的时序特性光、偏振方向相互垂直的两种线偏特性光、分别为左旋光和右旋光的两种旋偏特性光的组中的任意两种或两种以上特性光的组合。
为了克服现在技术中存在的技术问题，本发明还提供以下技术方案：
一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，包括：
多个像素块-孔径簇复合结构，各像素块-孔径簇复合结构分别包括由基本显示单元组成的像素块、指向调控单元和由M个小尺寸孔径组成的孔径簇，其中指向调控单元用于调控像素块各基本显示单元出射光的指向，像素块的基本显示单元对应分为M个基本显示单元组，该M个基本显示单元组出射光一一对应地分别指向该像素块-孔径簇复合结构的M个小尺寸孔径，其中M≧2，所述小尺寸孔径是指沿至少一个方向的尺寸小于观察者瞳孔直径的孔径；
控制单元，该控制单元与所述像素块信号连接以用于控制所述各基本显示单元组加载并投射待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图，每个基本显示单元所加载并投射的待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图作为视图单元；
其中，所述多个像素块-孔径簇复合结构的像素块有空间间隔地排列，其中一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径至少会和另外一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径发生空间交错，且该多个像素块-孔径簇复合结构所投射视图单元，能够拼连成多于一幅的拼合图像，其中各拼合图像相对于观察者瞳孔的张角覆盖待显示场景。
进一步地，所述基本显示单元为像素或者子像素。
进一步地，像素块的基本显示单元空间地分为M个交错排列的基本显示单元组，所述指向调控单元为微结构阵列，该微结构型指向调控单元各微结构和对应像素块各基本显示单元一一对应置放。
进一步地，像素块于各时间周期的M个时间点分别对应M个不同背光，作为M个具有不同时序特性的基本显示单元组，所述指向调控单元为能够时序投射不同背光的背光组件，该时序背光型指向调控单元于各时间周期的M个时间点所时序投射背光，一一对应地分别指向对应孔径簇的M个小尺寸孔径。
进一步地，所述小尺寸孔径为透射式孔径，或反射式孔径。
进一步地，像素块出射光传输路径上对应置中继器件，用以引导像素块投射光的传输路径、或/和成像像素块。与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明利用不同像素块经各自对应孔径进行光信息投射，可以克服单个孔径对视角的限制；控制像素块各像素或子像素出射指向性光，避免不同孔径之间的串扰噪声，并在此前提下，通过同一像素块所对应不同小尺寸孔径之间间距的可不受限设值，实现观察区域的扩展。
附图说明
图1所示为单个小尺寸孔径对应的受限视角的示意图。
图2为基于时序打开孔径进行视角扩展原理示意图。
图3为像素出射光不受约束情况下像素块-孔径簇设计所伴随的无噪声区域示意图。
图4为不同像素块所对应小尺寸孔径之间无交错排布情况下的视区分布区域受限示意图。
图5为本发明实施例1的采用微结构型指向调控单元的像素块-孔径簇复合结构示意图。
图6为本发明实施例1的采用微结构型指向调控单元的光学显示结构示意图。
图7为本发明实施例2的采用一种时序背光型指向调控单元的光学显示结构示意图。
图8为本发明实施例3的采用另一种时序背光型指向调控单元的光学显示结构示意图。
图9为本发明实施例4的采用再一种时序背光型指向调控单元的光学显示结构示意图。
图10为本发明的采用一种中继器件的光学显示结构示意图。
图11为本发明的采用另一种中继器件的光学显示结构示意图。
图12为本发明的采用反射式小尺寸孔径的光学显示结构示意图。
图13为本发明的基于有空间间隔排布的像素块-孔径簇复合结构的一种光学显示结构示意图。
图14为本发明的基于有空间间隔排布的像素块-孔径簇复合结构的另一种光学显示结构示意图。
图15为本发明的基于有空间间隔排布的像素块-孔径簇复合结构的再一种光学显示结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构、重复性结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
图5所示为一个像素块-孔径簇复合结构100。其中，像素块11的基本显示单元为像素或子像素；基本显示单元组为像素组或子像素组。指向调控单元13以微结构阵列为例，该微结构型指向调控单元13的各微结构，和像素块11的各基本显示单元一一对应置放，用来调控对应像素投射光的指向方向。孔径簇12由M≧2个小尺寸孔径组成，图5以M＝3为例。沿-x方向，间隔M-1个像素的像素成组，经微结构型指向调控单元13调控，不同像素组出射光分别指向各自对应小尺寸孔径。具体地，像素…、pk、pk+3、pk+6、pk+9、…成组，出射光指向小尺寸孔径A1；像素…、pk+1、pk+4、pk+7、pk+10、…成组，出射光指向小尺寸孔径A2；像素…、pk+2、pk+5、pk+8、pk+11、…成组，出射光指向小尺寸孔径A3。dj为同簇小尺寸孔径间距。这里以一维方向排列的小尺寸孔径为例进行说明，当然可以同理扩展至二维方向排列的小尺寸孔径。在小尺寸孔径一维排列情况下，各小尺寸孔径可以为沿各方向尺寸均小于瞳孔直径Dp的圆形状，也可以为仅沿排列方向尺寸小于瞳孔直径Dp的条形状；小尺寸孔径二维排列情况下，各小尺寸孔径常为沿各方向尺寸均小于瞳孔直径Dp的圆形状。微结构型指向调控单元13的各微结构于图5中示为和像素块11的各像素一一对应，明显地，其也可以和像素块11的各子像素一一对应，引导各子像素组相对应小尺寸孔径进行光投射。
N≧2个像素块-孔径簇复合结构，构建一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，本发明中也可简称为光学显示结构。例如图6所示光学显示结构，由N＝3像素块-孔径簇复合结构100、100'、100”构建。它们的像素块无间隙排列，也即各像素块为同一显示屏10上不同的像素部分，各像素部分之间无像素间隔。其中，沿-x方向，各像素块的像素，间隔M-1＝2个像素的像素分别成组，组成沿-x方向的M＝3个像素组。图6以N＝3和M＝3为例。像素块-孔径簇复合结构100中，像素块11的像素组1、像素组2、像素组3分别投射光至孔径簇12中各自对应的M＝3个小尺寸孔径A1、A2和A3；像素块-孔径簇复合结构100'中，像素块11'的像素组1、像素组2、像素组3分别投射光至孔径簇12'中各自对应的M＝3个小尺寸孔径A'1、A'2和A'3；像素块-孔径簇复合结构100”中，像素块11”的像素组1、像素组2、像素组3分别投射光至孔径簇12”中各自对应的M＝3个小尺寸孔径A”1、A”2和A”3。各孔径簇中沿-x方向空间位置序号相同的小尺寸孔径分别构建小尺寸孔径阵列。具体地，小尺寸孔径A1、A'1、A”1构建为小尺寸孔径阵列1；小尺寸孔径A2、A'2、A”2构建为小尺寸孔径阵列2；小尺寸孔径A3、A'3、A”3构建为小尺寸孔径阵列3。最优地，同簇小尺寸孔径以间距dj均匀排布，同阵列小尺寸孔径以间距di均匀排布，各像素块以间距d均匀设置，如图6所示。D1和D2为相邻像素块交点，E和F为显示屏10边点。根据几何关系，沿-x方向，像素块11中点C1和对应小尺寸孔径A1连线、像素块11'中点C2和对应小尺寸孔径A'1连线、像素块11”中点C3和对应小尺寸孔径A”1连线相交于中心视点VP。类似地，像素块11中点C1和对应小尺寸孔径A2连线、像素块11'中点C2和对应小尺寸孔径A'2连线、像素块11”中点C3和对应小尺寸孔径A”2连线相交于中心视点VP'；像素块11中点C1和对应小尺寸孔径A3连线、像素块11'中点C2和对应小尺寸孔径A'3连线、像素块11”中点C3和对应小尺寸孔径A”3连线相交于中心视点VP”。控制单元20控制各像素组分别加载待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图，称之为视图单元。则，沿-x方向，分别来自N个像素块的N个像素组，通过同一个小尺寸孔径阵列中各自对应的小尺寸孔径，向围绕一个中心视点的视区投射N个视图单元，该N个视图单元拼连而成一个拼合图像。具体到图6，M×N＝9个像素组中，N＝3个像素组(像素块11的像素组1、像素块11'的像素组1、像素块11”的像素组1)通过小尺寸孔径阵列1的N＝3个小尺寸孔径，共同投射对应拼合图像至围绕中心视点VP的视区；N＝3个像素组(像素块11的像素组2、像素块11'的像素组2、像素块11”的像素组2)通过小尺寸孔径阵列2的N＝3个小尺寸孔径，共同投射对应拼合图像至围绕中心视点VP'的视区；N＝3个像素组(像素块11的像素组3、像素块11'的像素组3、像素块11”的像素组3)通过小尺寸孔径阵列3的N＝3个小尺寸孔径，共同投射对应拼合图像至围绕中心视点VP”的视区。相邻视区的中心视点间距不大于观察者瞳孔直径Dp的情况下，各视区为观察者瞳孔构建连续观察区域，于该观察区域内的观察者瞳孔，可以接收到至少一幅的拼合图像。该接收到的至少一幅拼合图像，也可以不是通过同一小尺寸孔径阵列所投射视图单元的拼合图像，而是通过属于不同阵列的小尺寸孔径投射的不同视图单元拼连而成，或通过属于不同阵列的小尺寸孔径投射的不同部分视图单元拼连而成。不同小尺寸孔径阵列之间的间距dj独立于同阵列小尺寸孔径间距di。如图6中，设计dj＝2di/3，(M-1)dj＝2dj＝4di/3>di。则一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径至少会和另外一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径发生空间交错，实现(M-1)dj>di≈dv，从而克服现有技术中如图4所述观察区域受限问题。
实施例2
本实施例与实施例1不同，不同之处在于本实施例中选用时序投射不同背光的背光组件作为指向调控单元13，命名为时序背光型指向调控单元13：对应像素块11的时序背光型指向调控单元13，于各时间周期的M个时间点所时序投射背光，一一对应地分别指向对应孔径簇12的M个小尺寸孔径。此时，像素块11于各时间周期的M个时间点分别对应M个不同背光，作为M个具有不同时序特性的基本显示单元组，这里也即是M个具有不同时序特性的像素组。也即是说，该情况下，M个像素组由相同的像素组成，但它们在各时间周期的M个时间点，分别对应不同的背光。相对于图6所述情况下各像素块不同的像素分别成组的空间特性像素组，图7所示情况下的像素组为时序特性像素组。在各时间周期的不同时间点，控制单元20控制各像素块加载待显示场景关于此时对应的小尺寸孔径的视图，作为对应视图单元。则同样，于各时间周期内，各像素块所时序投射的视图单元，拼连为大于一个的拼合图像。在各拼合图像对应中心视点间距不大于观察者瞳孔直径Dp的情况下，基于视觉滞留，可以通过麦克斯韦图或单眼多图像的技术路径实现克服聚焦-会聚冲突的三维显示。图7示出一种时序背光型指向调控单元13，及基于其的光学显示结构。具体地，M＝3个光源LSa、LSa'、LSa”及一个会聚器件1301a组成时序背光型指向调控单元13；M＝3个光源LSb、LSb'、LSb”及一个会聚器件1301b组成时序背光型指向调控单元13'；M＝3个光源LSc、LSc'、LSc”及一个会聚器件1301c组成时序背光型指向调控单元13”。以时序背光型指向调控单元13为例，光源LSa出射光经对应会聚器件1301a会聚指向对应小尺寸孔径A3，光源LSa'出射光经对应会聚器件1301a会聚指向对应小尺寸孔径A2，光源LSa”出射光经对应会聚器件1301a会聚指向对应小尺寸孔径A1；同时，各光源投射光覆盖对应像素块11。其它各时序背光型指向调控单元同理设计。则，在一个时间点，各时序背光型指向调控单元13的一个且仅一个光源被与之有信号连接的控制单元20打开，各像素块投射光入射并出射对应小尺寸孔径，向围绕一个中心视点的视区投射一个拼合图像。具体如图7所示的时间点，控制单元20打开的光源LSa”，投射光经会聚器件1301a会聚入射并出射小尺寸孔径A1，向围绕中心视点VP的视区投射关于小尺寸孔径A1的视图单元；控制单元20打开的光源LSb”，投射光经会聚器件1301b会聚入射并出射小尺寸孔径A'1，向围绕中心视点VP的视区投射关于小尺寸孔径A'1的视图单元；控制单元20打开的光源LSc”，投射光经会聚器件1301c会聚入射并出射小尺寸孔径A”1，向围绕中心视点VP的视区投射关于小尺寸孔径A”1的视图单元。则在该时间点，处于中心视点VP处的观察者眼睛，可以接收到N＝3个视图单元拼连而成的拼合视图。同理，于同一时间周期的其它两个时间点，观察者眼睛于围绕中心视点VP'和VP”的视区处分别接收到其它两个拼合图像。相邻中心视点间距不大于观察者瞳孔直径Dp的情况下，可以为观察者瞳孔构建连续观察区域，处于该观察区域内的观察者瞳孔，可以接收到至少一幅的拼合图像。该接收到的至少一幅拼合图像，也可以不是通过同一小尺寸孔径阵列所投射视图单元的拼合图像，而是通过属于不同阵列的小尺寸孔径投射的不同视图单元拼连而成，或通过属于不同阵列的小尺寸孔径投射的不同部分视图单元拼连而成。所述光源，可以为点光源，也可以为条状光源，后者多对应条形状的小尺寸孔径。
实施例3
本实施例与实施例2略有不同，不同之处在于本实施例选用另一种时序背光型指向调控单元，及基于其的光学显示结构，如图8所示。各时序背光型指向调控单元是具有M个光源的光波导结构，各光波导结构的出瞳覆盖其对应像素块。各时序背光型指向调控单元中的M个光源出射光，经光波导结构耦出器件的调制，一一对应地分别会聚指向对应孔径簇的M个小尺寸孔径。则在一个时间点，各时序背光型指向调控单元中一个且仅一个光源被控制单元20打开，投射背光经对应像素块向相对应小尺寸孔径投射。为了图示清晰，图8及本发明以下各图中，不再示出控制单元20。然后，类似于图7所述的显示原理，于各时间周期内，实现M个拼合图像向各自对应视区的时序投射。
实施例4
本实施例与实施例2略有不同，不同之处在于本实施例选用再一种时序背光型指向调控单元，及基于其的光学显示结构，如图9所示。相对于图8所示时序背光型指向调控单元，图9所示时序背光型指向调控单元用一个光波导结构为多个像素块提供背光。该情况下，该一个光波导结构的出瞳分为N个区域，经该N个区域出射光分别对应入射N个像素块；设计该出瞳所述N个区域中的任一区域于光波导结构耦出器件上对应部分的光调制特性，让其耦出光在M个光源依次被打开时，分别经所述光波导结构会聚指向至该区域对应像素对所对应孔径簇中的M个小尺寸孔径。
图6至9所述各实施例，均以沿一维方向排布的像素块-孔径簇复合结构为例进行说明，其可以同理扩展至二维排布。
图6所述实施例，以像素为基本显示单元进行说明，也即一个像素对应一个指向调控单元。也可以以子像素为基本显示单元进行显示，例如一个像素块上，出射红光(R)的子像素分为M组，出射绿光(G)的子像素分为M组，出射蓝光(B)的子像素分为M组，设计该像素块的3M个子像素组分别对应3M个小尺寸孔径组成的孔径簇。图7至9中，也可以以子像素为基本显示单元。该情况下，同一个时间点，各时序背光型指向调控单元可以同时投射不同颜色(该不同颜色对应子像素所需投射光的不同颜色)的光，分别会聚于对应像素块所对应的不同小尺寸孔径。相对于以像素为基本显示单元，以子像素(一个像素对应Mc种颜色的子像素)为基本显示单元时，同一个时间点指向调控单元需要会聚投射Mc束不同颜色背光至Mc个小尺寸孔径。如果不同颜色的背光来自不同颜色的光源，则同一时间点打开的光源变为Mc个出射不同颜色的光源。图6和7中各小尺寸孔径示为圆形状，它们也可以是条形状。在采用条形状的小尺寸孔径情况下，所有小尺寸孔径设计为沿一个方向排布，也即各素块-孔径簇复合结构也仅能沿一维方向进行排布。类似于中国发明专利《一种实现大视区小视点间距的三维显示方法》(公开号：CN112114437A、公开日：2020-12-22)和中国发明专利《基于光出射受限像素块-孔径对的三维显示模组》(公开号：CN112925110A、公开日：2021-06-08)所采用的正交特性孔径，本发明中，空间排布的相邻小尺寸孔径可以分别对应赋予不同的正交特性，具有某正交特性的小尺寸孔径，仅允许具有该正交特性的入射光出射，挡除其它正交特性入射光；对应地，各小尺寸孔径对应的像素组或子像素组被设计为仅出射该小尺寸孔径对应正交特性光。该设计可以进一步地避免相邻小尺寸孔径之间的光信息串扰。所述正交特性光，可以是在一个时间周期的不同时间点分别投射的时序特性光、或偏振方向相互垂直的两种线偏特性光、不同波长的颜色特性光、或分别为左旋光和右旋光的两种旋偏特性光、或具有上述特性组合而成正交特性光。上述以子像素做基本显示情况下，各子像素出射的不同颜色光即为不同波长的颜色特性光。
图6所示显示屏10以主动发光式显示器件为例。其也可以选用由背光源提供背光的显示器件，此时，指向调控单元13也可以和像素块11交换前后位置关系，调控各像素或子像素入射光的入射方向，引导各像素出射光指向对应小尺寸孔径。
显示屏10和各孔径簇之间还可以置中继器件14，用以引导显示屏10投射光向观察者眼睛投射，或对各像素块成放大虚像。例如，图10所示的透镜作为中继器件14，可以对显示屏10成放大虚像。此时，两个图10所示显示结构分别置于观察者双眼前，可以搭建近眼的头戴式VR光学系统。明显地，两个图6至图9所示任一显示结构分别置于观察者双眼前，可以搭建近眼的头戴式VR光学系统当然。中继器件14也可以是其它结构，例如图11所示的自由曲面器件。图11中，自由曲面器件的曲面F1为透射面，曲面F3为反射面，曲面F2为半反半透面，曲面F4为透射面，其中曲面F1、F3、F2和F4共同参与对显示屏10的成像，并允许外部环境光通过曲面F5、F2、F4入射。此时，图11所示光学显示结构可以作为头戴式AR光学系统的一个目镜。其它器件，例如半透半反镜等，也可以作为中继器件14。
以上各实施例中，小尺寸孔径均示为透射式孔径。其也可以采用反射式小尺寸孔径，如图12所示的各小尺寸孔径向观察者眼睛反射入射光。
上述实施例中，各像素块为同一显示屏10的不同像素部分。各像素块也可以设计为空间间隔排布，如图13所示的N＝3个像素块-孔径簇复合结构100、100'、100”所搭建的光学显示结构。其中各像素块-孔径簇复合结构类似于图5所示的像素块-孔径簇复合结构100，其指向调控单元可以采用图6所示微结构型指向调控单元，也可以采用图7、或图8、或图9所示的时序背光型指向调控单元。不同于图5所示像素块-孔径簇复合结构100之处在于，图13各像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径为反射型。采用反射型小尺寸孔径时，各像素块可以经同一小尺寸孔径阵列中的、各自对应的小尺寸孔径的反射，拼连投射一幅甚至一幅以上的拼合图像；或者于各像素块出射光传输路径上置对应中继器件，例如透镜或起成像功能的相位调整器件，对对应像素块成放大虚像，各拼合图像等效为同一小尺寸孔径阵列对应的各像素组或子像素组，关于对应中继器件和小尺寸孔径的像，拼连投射的一幅或一幅以上的拼合图像。则可基于图6至9所述的过程，同理进行显示。图13所示各像素块-孔径簇复合结构中置中继器件。各像素块-孔径簇复合结构被简单示出，如像素块-孔径簇复合结构100的像素块11、指向调控单元13，及对应的中继器件14，一起用一个立体线条块示出。相邻孔径簇的小尺寸孔径的排列发成交错。图13设计dj＝2di/3。图13中，像素块-孔径簇复合结构100、100'、100”置于外部支撑结构上，该支撑结构常常可以为镜片状结构。
空间间隔排布的像素块-孔径簇复合结构，也可以采用透射式小尺寸孔径，如图14所示的沿曲面排列的N＝3个像素块-孔径簇复合结构100、100'、100”。该情况下，各像素块出射光传输路径上往往需要置对应中继器件，例如透镜或起成像功能的相位调整器件，对对应像素块成放大虚像，则各拼合图像等效为同一小尺寸孔径阵列对应的各像素组或子像素组，关于对应中继器件的像，拼连投射的一幅或一幅以上的拼合图像。具体地，像素块-孔径簇复合结构100的像素块11经中继器件14成放大虚像，像素块11的虚像示为I11。其它各像素块-孔径簇复合结构同理设计。令各像素块的虚像对观察者眼睛张角的拼连，连续地完全覆盖待现实场景，即可基于图6至9所述的过程进行显示。例如图14，各像素块虚像I11、I11'、I11”被示为首尾相连分布，它们对观察者瞳孔张角的覆盖角空间，即为显示场景的分布空间范围。各像素块虚像也可以相互有交叉，或相互空间上是分离的，只要它们对观察者瞳张角沿角方向是连续的，且能覆盖待显示场景即可。图15示出一种空间间隔排布的像素块-孔径簇复合结构平面排列时的一种光学显示结构，以N＝3个像素块-孔径簇复合结构100、100'、100”为例。该情况下，各像素块-孔径簇复合结构对应的中继器件可以由两个组件组成。以像素块-孔径簇复合结构100为例，对应的中继器件14由1401和1402两个分离的组件组成。其中中继器件组件1401对对应像素块11成放大虚像I11。类似地，其它像素块-孔径簇复合结构中，中继器件组件1401'对对应像素块11'成放大虚像I11'，中继器件组件1401”对对应像素块11”成放大虚像I11”。中继器件组件1402、1402'、1402”共用，图15以一个透镜为例，再次成像放大虚像I11、I11'、I11”为II11、II11'、II11”。像II11、II11'、II11”对观察区域的张角沿角方向是连续的，且能覆盖待显示场景。当像素块-孔径簇复合结构有空间间隔排布时，往往需要通过中继器件对对应像素块放大成像，以实现各像素块的像对观察者瞳孔张角的无缝拼合；此时，若排布的像素块-孔径簇复合结构足够密集时，N个像素块的N个像素组经一个小尺寸孔径阵列投射的视图单元，也可以投射一幅以上的拼合图像。
上述同簇小尺寸孔径，分别和对应像素块上不同像素组成的不同像素组一一对应，或者分别和对应像素块上所有像素于同一时间周期内的不同时间点对应。它们对应地是分别通过像素的空间复用和时间复用进行拼合图像的投射。前者，各拼合图像的分辨率相对于显示屏发生下降；后者各拼合图像的显示频率相对于显示屏的刷新频率发生下降。实际上，该两种复用还可以进一步结合起来。例如，在各个时间周期内的同一时间点，一个像素块上不同像素组成的不同像素组对应不同的小尺寸孔径；在该时间周期的另一个时间点，该像素块上所述不同像素组成的不同像素组各自对应另外的不同小尺寸孔径。这样，可以将通过空间复用和时间复用的结合，更合理地调整拼合图像的显示频率和显示分辨率，或者投射更多的拼合图像。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，是可以实现的。例如，对引导各像素投射指向性光的指向调控单元，无法对其具体光学结构进行穷举，它可以是本发明所示例之外的其它光学结构，只要其能实现各像素块上不同像素组，无论是空间特性像素组还是时序特性像素组，出射光向各自对应小尺寸孔径的投射即可。再例如，本发明多以圆形状小尺寸孔径为例进行说明，其也可以采用其它形状的、沿至少一维方向尺寸小于观察者瞳孔直径的小尺寸孔径。另外，本发明中，一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径至少会和另外一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径发生空间交错，利用间距不受强制限定的多个小尺寸孔径阵列各自生成视区的拼连来实现观察视区扩展的思想，可以应用于其它光学结构，并包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，包括：
多个像素块-孔径簇复合结构(100)，各像素块-孔径簇复合结构(100)分别包括由基本显示单元组成的像素块(11)、指向调控单元(13)和M个小尺寸孔径组成的孔径簇(12)，其中指向调控单元(13)用于调控像素块(11)各基本显示单元出射光的指向，像素块(11)的基本显示单元对应分为M个基本显示单元组，该M个基本显示单元组投射光经该指向调控单元(13)的调控，一一对应地分别指向该像素块-孔径簇复合结构的M个小尺寸孔径，其中M≧2，所述小尺寸孔径是指沿至少一个方向的尺寸小于观察者瞳孔直径的孔径；
控制单元(20)，该控制单元(20)与所述像素块(11)信号连接以用于控制所述各基本显示单元组加载并投射待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图，每个基本显示单元所加载并投射的待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图作为视图单元；
所述多个像素块-孔径簇复合结构的像素块无间隙地排列，各像素块分别为一个显示屏(10)的不同区域，其中一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径至少会和另外一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径发生空间交错，且该多个像素块-孔径簇复合结构所投射的视图单元，能够拼连成多于一幅的拼合图像，其中各拼合图像相对于观察者眼睛的张角覆盖待显示场景。
2.根据权利要求1所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，所述基本显示单元为像素或者子像素。
3.根据权利要求1或2所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，像素块(11)的基本显示单元空间地分为M个交错排列的基本显示单元组，所述指向调控单元(13)为微结构阵列，该微结构型指向调控单元(13)各微结构和对应像素块(11)各基本显示单元一一对应置放。
4.根据权利要求1或2所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，像素块(11)于各时间周期的M个时间点分别对应M个不同背光，作为M个具有不同时序特性的基本显示单元组，所述指向调控单元(13)为能够时序投射不同背光的背光组件，该指向调控单元(13)于各时间周期的M个时间点所时序投射背光，一一对应地分别指向对应孔径簇(12)的M个小尺寸孔径。
5.根据权利要求4所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，各像素块-孔径簇复合结构(100)的指向调控单元(13)分别为包括M个光源的光波导结构，其M个光源投射背光经其出瞳一一对应指向对应孔径簇(12)的M个小尺寸孔径。
6.根据权利要求4所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，多个像素块-孔径簇复合结构(100)的指向调控单元(13)为包括M个光源的光波导结构，其M个光源投射背光经各像素块(11)分别一一对应指向该像素块(11)对应孔径簇(12)的M个小尺寸孔径。
7.根据权利要求1或2所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，所述孔径簇(12)各小尺寸孔径为透射式孔径，或反射式孔径。
8.根据权利要求1或2所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，显示屏(10)和各孔径簇之间置中继器件(14)，用以引导显示屏(10)投射光的传输路径、或/和成像显示屏(10)。
9.根据权利要求8所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，中继器件(14)为偏转光传输方向的反射镜、或/和对像素块(11)起放大成像功能的透镜、或具有偏转光传输方向和放大像素块(11)的自由曲面器件。
10.根据权利要求1或2所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，相邻小尺寸孔径设置为具有不同的正交特性，具有一种正交特性的小尺寸孔径，仅允许对应正交特性入射光出射，挡除非对应正交特性入射光出射，且各小尺寸孔径对应基本显示单元组出射该小尺寸孔径所对应正交特性光。
11.根据权利要求10所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，所述正交特性光，是在一个时间周期的不同时间点分别投射的时序特性光、或偏振方向相互垂直的两种线偏特性光、或分别为左旋光和右旋光的两种旋偏特性光、或者为一个时间周期的不同时间点分别投射的时序特性光、偏振方向相互垂直的两种线偏特性光、分别为左旋光和右旋光的两种旋偏特性光的组中的任意两种或两种以上特性光的组合。
12.一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，包括：
多个像素块-孔径簇复合结构(100)，各像素块-孔径簇复合结构(100)分别包括由基本显示单元组成的像素块(11)、指向调控单元(13)和M个小尺寸孔径组成的孔径簇(12)，其中指向调控单元(13)用于调控像素块(11)各基本显示单元出射光的指向，像素块(11)的基本显示单元对应分为M个基本显示单元组，该M个基本显示单元组出射光经该指向调控单元(13)的调控，一一对应地分别指向该像素块-孔径簇复合结构的M个小尺寸孔径，其中M≧2，所述小尺寸孔径是指沿至少一个方向的尺寸小于观察者瞳孔直径的孔径；
控制单元(20)，该控制单元(20)与所述像素块(11)信号连接以用于控制所述各基本显示单元组加载并投射待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图，每个基本显示单元所加载并投射的待显示场景关于对应小尺寸孔径的视图作为视图单元；
其中，所述多个像素块-孔径簇复合结构的像素块有空间间隔地排列，其中一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径至少会和另外一个像素块-孔径簇复合结构的小尺寸孔径发生空间交错，且该多个像素块-孔径簇复合结构所投射视图单元，能够拼连成多于一幅的拼合图像，其中各拼合图像相对于观察者瞳孔的张角覆盖待显示场景。
13.根据权利要求12所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，所述基本显示单元为像素或者子像素。
14.根据权利要求12或13所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，像素块(11)的基本显示单元空间地分为M个交错排列的基本显示单元组，所述指向调控单元(13)为微结构阵列，该微结构型指向调控单元(13)各微结构和对应像素块(11)各基本显示单元一一对应置放。
15.根据权利要求12或13所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，像素块(11)于各时间周期的M个时间点分别对应M个不同背光，作为M个具有不同时序特性的基本显示单元组，所述指向调控单元(13)为能够时序投射不同背光的背光组件，该指向调控单元(13)于各时间周期的M个时间点所时序投射背光，一一对应地分别指向对应孔径簇(12)的M个小尺寸孔径。
16.根据权利要求12或13所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，所述小尺寸孔径为透射式孔径，或反射式孔径。
17.根据权利要求12或13所述的一种像素块出射光各自指向对应小尺寸孔径的光学显示结构，其特征在于，像素块(11)出射光传输路径上对应置中继器件(14)，用以引导像素块(11)投射光的传输路径、或/和成像像素块(11)。
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