CN114545653B - 基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其包括由多个子像素阵列组成的像素阵列、多个由正交特性孔径组成的正交特性孔径组、瞳孔定位系统和控制装置。根据瞳孔定位系统所确定观察者瞳孔位置，控制装置选择激活至少一个的正交特性孔径组，并控制像素阵列各子像素阵列经激活正交特性孔径组中各自对应正交特性孔径，向观察者瞳孔所投射各自对应图像单元；经激活正交特性孔径组所投射图像单元，拼连为至少一个视角覆盖待显示场景的拼合图像，以基于单眼多图像或麦克斯韦图的技术路径进行显示。随着观察者瞳孔位置的改变，控制装置选择激活的正交特性孔径组随之改变，通过其以对观察者瞳孔的追踪对应，实现观察区域的扩展。

Description

基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构
技术领域
本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，设计多个正交特性孔径组，通过其中任一正交特性孔径组的各正交特性孔径，像素阵列可以投射至少一个的拼合图像；根据观察者瞳孔空间位置，对应选择激活一个或多于一个的部分正交特性孔径组，以实现至少一个拼合图像向该位置观察者瞳孔的投射，从而基于基于单眼多图像或麦克斯韦图的技术路径进行显示。随着观察者瞳孔相对位置的移动，选择激活的正交特性孔径组随之改变，通过总有一个或多于一个的部分正交特性孔径组对观察者瞳孔的追踪对应，保证该瞳孔于一定空间范围内的不同位置时，均可接收到至少一个的对应拼合图像。
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，来自各像素的光束，均为大发散角的锥状发散光束，该类锥状光束牵引观察者各目聚焦于对应像素所在面，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(像素所在面的深度)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，近眼孔径常被置于观察者瞳孔之前，以沿至少一个方向约束入射该瞳孔各光束的发散度，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，即单眼聚焦距离和双眼会聚距离一致的三维显示。其中，麦克斯韦图显示要求圆形状孔径，其沿各个方向尺寸均小于观察者瞳孔直径，以保证观察者瞳孔接收到的各光束沿各个方向均具有较小的发散角，降低光束出射像素对观察者眼睛焦点的约束力，从而通过双眼会聚的牵引作用，实现单眼聚焦深度对双眼会聚深度的跟随一致；单眼多图像显示要求孔径(圆形状孔径或条形状孔径)沿至少一个方向的间距小于观察者瞳孔直径，则过显示各物点，有至少两束光束通过小间距的不同孔径入射观察者瞳孔，从而利用该至少两束光束的空间叠加积分，牵引瞳孔对应眼睛聚焦至该叠加点。
但距离观察者瞳孔一定距离的近眼孔径，其小的尺寸极大限制了过一个近眼孔径所能观察到图像的视角。为了解决近眼孔径小的尺寸带来的视角过小问题，在将投射光信息的像素所组成的像素阵列分为多个子像素阵列的前提下，对观察者各瞳孔，分别设计各自对应的一组多个近眼孔径，其中各近眼孔径分别对应一个子像素阵列；各子像素阵列，分别向各自对应近眼孔径投射对应图像单元，也即待显示场景关于该近眼孔径的视图；经不同近眼孔径所投射图像单元的拼连，实现视角相对扩展的拼合图像向观察者瞳孔的投射。例如图1所示，子像素阵列S1经近眼孔径A1向围绕VP点的视区投射待显示场景关于该近眼孔径A1的视图作为图像单元，子像素阵列S2经近眼孔径A2向围绕VP点的视区投射待显示场景关于该近眼孔径A2的视图作为图像单元，子像素阵列S3经近眼孔径A3向围绕VP点的视区投射待显示场景关于该近眼孔径A3的视图作为图像单元，子像素阵列S4经近眼孔径A4向围绕VP点的视区投射待显示场景关于该近眼孔径A4的视图作为图像单元。则，置于VP点处的观察者瞳孔，可以同时观察到子像素阵列S1、S2、S3、S4所投射各图像单元，它们拼连为拼合视图，其视角相对于各图像单元得到扩展。在该过程中，为了避免一个子像素阵列投射光经非对应近眼孔径出射而引入串扰噪声，相邻近眼孔径常被设计为对应某正交特性的不同状态，称之为正交特性孔径。各正交特性孔径，仅允许具有对应状态的正交特性入射光出射，挡除非对应状态的正交特性入射光。对应地，各子像素阵列也被设计为仅投射对应正交特性孔径所对应状态的正交特性光。则，通过正交特性设计，实现相邻正交特性孔径间的串扰抑制。如图2所例，子像素阵列S1所出射“-”光无法通过对应正交特性孔径A1的相邻非对应正交特性孔径A2，其中正交特性孔径A1仅允许入射“-”光通过，正交特性孔径A2仅允许入射“·”光通过。这里，“-”和“·”分别表示线偏光正交特性的偏振方向相互垂直的两个状态。中国发明专利《基于光出射受限像素块-孔径对的近眼显示模组》(公开号：CN112925098A、公开日：2021-06-08)、《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)、《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)均是通过各瞳孔对应的一个正交特性孔径组，向其投射一个或大于一个的、视角展宽(相对于通过一个孔径所投射图像单元的视角)的拼合图像，从而基于麦克斯韦图或单眼多图像进行三维显示。它们以时序特性、线偏光特性、旋转偏光特性、颜色特性、及它们的组合等作为正交特性。其中，中国发明专利《基于光出射受限像素块-孔径对的近眼显示模组》、《基于光出射受限像素块-孔径对的三维显示模组》和《一种实现大视区小视点间距的三维显示方法》中，各子像素阵列为同一显示屏的不同“块”状区域，各“块”状区域所投射光信息分别经各自对应正交特性孔径出射，拼连为拼合图像。图1和图2仅以投射一幅拼合图像为例。也可以通过一个正交特性孔径组投射多于一个的拼合图像。如图3所示正交特性孔径A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8组成的正交特性孔径组及其对应光学显示结构。其中各正交特性孔径分别被赋予时序特性和线偏光特性，例如，如图所示，正交特性孔径A1对应的状态为时序特性t1和线偏光特性“-”。于各时间周期内，正交特性孔径A1、A2、A3、A4仅在一个时间点t1打开，同时，子像素阵列S1、S2、S3、S4依次分别经各自对应的、打开的正交特性孔径A1、A2、A3、A4投射图像单元；正交特性孔径A5、A6、A7、A8仅在另一个时间点t2打开，同时，子像素阵列S1、S2、S3、S4依次分别经各自对应的、打开的正交特性孔径A5、A6、A7、A8投射图像单元。则，可实现两幅拼合图像分别向围绕VP点的视区和围绕VP'点的视区的时序投射。此处所述各时间点，为时序正交特性的一个状态，实际上对应一个时间段。例如，于时间周期t～t+Δt内，时间点t1对应t～t+Δt/2时间段，时间点t2对应t+Δt/2～t+Δt时间段。用时间点代替时间段的表述，易于被行业人员理解，以下部分不再说明。
上述各发明基于正交特性孔径进行视角扩展的显示过程中，均通过一个正交特性孔径组进行光信息投射，其投射拼合图像对应视区所构建的观察区域固定不变。例如图1、图2所示观察区域均为围绕VP的视区，图3所示观察区域包含围绕VP点的视区和围绕VP'点的视区。该情况下，光学显示结构所能投射的有限数量的拼合图像所对应有限数量的视区，空间上限制了观察者瞳孔所对应观察区域。
发明内容
本发明的目的为克服上述缺陷而提供一种基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构。本发明的光学显示结构根据观察者瞳孔位置，能够选择性地激活一个或多于一个的正交特性孔径组，以通过其向观察者瞳孔投射至少一个的拼合图像，基于麦克斯韦图或单眼多图像的技术路径进行显示；观察者瞳孔空间位置发生相对移动时，对应激活的正交特性孔径组相应变化，以保证至少一个拼合图像向观察者瞳孔的追踪投射。如此，在激活的正交特性孔径组数量不需要很大的情况下，为观察者瞳孔提供大的观察区域。其中，考虑来自不同组的、物理空间上不能重叠存在的正交特性孔径，设计排布方法，实现多组正交特性孔径的空间共存。
本发明提供一种基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，包括：
像素阵列，该像素阵列包括多个由像素排列而成的子像素阵列；
G个正交特性孔径组，各正交特性孔径组由各自对应一个子像素阵列的正交特性孔径组成，且同一正交特性孔径组中，对应子像素阵列投射光能够相互经对方入射观察者瞳孔的相邻正交特性孔径，被设置为分别仅允许对应子像素阵列所投射的正交特性光出射，其中G>1；
瞳孔定位系统，该瞳孔定位系统用于跟踪定位观察者瞳孔位置；
控制装置，该控制装置和瞳孔定位系统、像素阵列、或/和各正交特性孔径组信号连接；
其中，像素阵列各子像素阵列经同一正交特性孔径组中的各自对应正交特性孔径所投射图像，拼连所成拼合图像对观察者瞳孔的张角覆盖待显示场景，且对应同一观察者瞳孔的不同正交特性孔径组之间，沿排布路径的相对偏移量可选值Δ为：
其中，Δd为同组的相邻正交特性孔径沿排布路径的距离，J、K、I2分别为正整数，正整数I1<(N+J)，且J的取值保证N/(N+J)为最简分数，M>1为不可切换孔径周期结构所包含正交特性孔径的数目，该不可切换孔径周期结构为同一正交特性孔径组中，各正交特性孔径仅保留冲突性正交特性情况下的最小孔径周期结构；冲突性正交特性是指在控制装置控制下，一个正交特性孔径所对应正交特性不能于该正交特性的不同状态之间进行切换的正交特性。
进一步地，各正交特性孔径为透射型孔径，或反射型孔径。
进一步地，各正交特性孔径包含可控液晶开关器件，各正交特性孔径的激活或休眠，通过其可控液晶开关器件在控制装置控制下的打开或关闭来实现。
进一步地，各正交特性孔径形态为沿不同方向尺寸均小于观察者瞳孔直径的圆形状。
进一步地，各正交特性孔径形态为沿一个方向尺寸大于观察者瞳孔直径、且沿另外一个方向尺寸小于观察者瞳孔直径的条形状。
进一步地，同一正交特性孔径组的正交特性孔径沿二维方向分布。
进一步地，所述正交特性为包括偏振方向相互垂直的两个状态的线偏光正交特性，或包括旋转方向相反的两个状态的旋转偏光正交特性，或在不同时间点分别允许入射光出射的时序正交特性，或对应不同波长的颜色正交特性，或方向正交特性，或者为包括线偏光正交特性、旋转偏光正交特性、时序正交特性、颜色正交特性、方向正交特性的正交特性组中的任意两种或两种以上正交特性的组合；
其中，方向正交特性是指，一个正交特性孔径对应像素或子像素投射光指向该正交特性孔径，且不同时入射其它可以经其入射观察瞳孔的非对应正交特性孔径的特性。
进一步地，所述排布路径可以沿直线，也可以沿曲线。
进一步地，各子像素阵列和对应正交特性孔径组之间设置中继器件。
进一步地，所述继光学器件为偏转光传输方向的反射镜，或对对应子像素阵列成放大像的透镜，或偏转光传输方向并对对应子像素阵列成放大像的自由曲面器件。
为解决现有技术中的存在的问题，本发明还提供以下方案：
基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示方法，包括：
该光学显示方法是使用基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，该光学显示结包括：
像素阵列，该像素阵列包括多个由像素排列而成的子像素阵列；
G个正交特性孔径组，各正交特性孔径组由各自对应一个子像素阵列的正交特性孔径组成，且同一正交特性孔径组中，对应子像素阵列投射光能够相互经对方入射观察者瞳孔的相邻正交特性孔径，被设置为分别仅允许对应子像素阵列所投射的正交特性光出射，其中G>1；
瞳孔定位系统，该瞳孔定位系统用于跟踪定位观察者瞳孔位置；
控制装置，该控制装置和瞳孔定位系统、像素阵列、或/和各正交特性孔径组(20)信号连接，
像素阵列各子像素阵列经同一正交特性孔径组中的各自对应正交特性孔径所投射图像，拼连所成拼合图像对观察者瞳孔的张角覆盖待显示场景，且对应同一观察者瞳孔的不同正交特性孔径组之间，沿排布路径的相对偏移量可选值Δ为：
其中，Δd为同组的相邻正交特性孔径沿排布路径的距离，J、K、I2分别为正整数，正整数I1<(N+J)，且J的取值保证N/(N+J)为最简分数，M>1为不可切换孔径周期结构所包含正交特性孔径的数目，该不可切换孔径周期结构为同一正交特性孔径组中，各正交特性孔径仅保留冲突性正交特性情况下的最小孔径周期结构，冲突性正交特性是指在该控制装置控制下，一个正交特性孔径所对应正交特性不能于该正交特性的不同状态之间进行切换的正交特性；
该光学显示方法包括以下步骤：
S1：瞳孔定位系统跟踪定位观察者瞳孔位置；
S2：控制装置根据观察者瞳孔位置，激活G'个正交特性孔径组作为有效正交特性孔径组，控制像素阵列各子像素阵列分别加载待显示场景关于激活的对应正交特性孔径的视图作为图像单元，通过有效正交特性孔径组投射至少一个张角覆盖待显示场景的拼合图像至观察者瞳孔，其中1≦G'<G；
S3：随着观察者瞳孔的移动，重复上述过程。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明为观察者瞳孔设置物理存在的多组正交特性孔径，根据观察者瞳孔位置，选择性地激活对应视区一致于观察者瞳孔的一个或多于一个的正交特性孔径组进行显示；随着观察者瞳孔位置的变化，在瞳孔定位系统跟踪其位置的基础上，动态地激活不同的正交特性孔径组来实现拼合图像视区对观察者瞳孔的追踪对应，在被激活而实施显示的正交特性孔径组数量不需很大的情况下，实现相关光学显示结构的观察区域扩展。
附图说明
图1所示为基于一个近眼孔径组的光学显示结构的结构示意图。
图2为基于一个近眼孔径组的显示结构中，利用相邻近眼孔径的不同正交特性状态设计实现噪声抑制的原理示意图。
图3为基于一个近眼孔径组进行两个拼合图像投射的显示结构范例的示意图。
图4为本发明实施例1基于I型正交特性孔径组的光学显示结构的结构示意图。
图5为本发明实施例1的I型正交特性孔径组及对应的一种多组排布范例的示意图。
图6为本发明实施例1采用一种中继器件的光学显示结构的结构示意图。
图7为本发明实施例1采用另一种中继器件的光学显示结构的结构示意图。
图8为本发明实施例1的I型正交特性孔径组的另一种多组排布范例的示意图。
图9为本发明实施例1的二维I型正交特性孔径组及其对应的一种多组排布范例的示意图。
图10是本发明实施例2基于II型正交特性孔径组的光学显示结构的结构示意图。
图11为本发明实施例2的II型正交特性孔径组的结构示意图。
图12为本发明实施例3的由条形状正交特性孔径组成的III型正交特性孔径组的结构示意图。
图13为本发明实施例4的IV型正交特性孔径组的结构示意图。
图14为本发明实施例4的基于V型正交特性孔径组的光学显示结构的结构示意图。
图15为本发明实施例4的V型正交特性孔径组及对应的一种多组排布范例的示意图。
图16为本发明实施例4的基于V型正交特性孔径组的光学显示结构的一种背光结构的结构示意图。
图17为本发明实施例4的基于V型正交特性孔径组的光学显示结构的另一种背光结构的结构示意图。
图18为本发明实施例4的基于V型正交特性孔径组的光学显示结构的再一种背光结构的结构示意图。
图19为本发明的基于反射型正交特性孔径组光学显示结构范例的示意图。
图20为本发明的采用反射型正交特性孔径组时另一种子像素阵列布局的示意图。
图21为正交特性孔径对应像素遍布整个像素阵列时的一个正交特性孔径组的结构示意图。
图22为图21对应的另一个正交特性孔径组的结构示意图。
图23为图21对应的再一个正交特性孔径组的结构示意图。
图24为正交特性孔径对应像素遍布像素阵列情况下所激活两个正交特性孔径组的结构示意图。
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
参见图4，基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，包括G>1个正交特性孔径组，由多个子像素阵列构建的像素阵列10，瞳孔定位系统30和控制装置40。其中，任一正交特性孔径组20包含多个正交特性孔径，任一子像素阵列由像素组成。同一正交特性孔径组中的各正交特性孔径分别对应一个子像素阵列。同一正交特性孔径组中，对应子像素阵列投射光可以相互经对方入射观察者瞳孔的相邻正交特性孔径，被设置为对应不同状态的正交特性。各正交特性孔径仅允许具有对应状态的正交特性入射光出射，不允许非对应状态的正交特性入射光出射。各子像素阵列仅投射对应状态的正交特性光。在控制装置40的控制下，各子像素阵列通过对应的一个正交特性孔径，可以投射待显示场景关于该正交特性孔径的视图，称之为图像单元。像素阵列10通过一个正交特性孔径组20所投射的不同图像单元，可以拼接为至少一个视角可以覆盖待显示场景的拼合图像。正交特性孔径的正交特性设置，可以抑制各子像素阵列对应投射至一个正交特性孔径的光信息，经相邻非对应正交特性孔径出射所导致噪声。上述“允许”和“不允许”并不是绝对的要求入射光100％出射和0％出射。各正交特性孔径，其对对应正交特性入射光和非对应正交特性入射光的出射率比值≧9时，即可认为其仅允许对应状态的正交特性入射光出射，不允许非对应状态的正交特性入射光出射。
具体以图4为例，沿-x方向，等间距的正交特性孔径A11、A12、A13、A14依次仅允许“-”、“·”、“-”、“·”光通过，依次不允许“·”、“-”、“·”、“-”光通过，它们组成I型正交特性孔径组20。“-”和“·”分别表示线偏光正交特性的两种偏振方向相互垂直的状态。一个正交特性孔径的线偏光正交特性状态，可通过设置偏光片作为该正交特性孔径的组件来实现。对应地，沿-x方向，像素阵列10的子像素阵列S1、S2、S3和S4依次出射“-”、“·”、“-”、“·”光。正交特性孔径A11、A12、A13、A14依次对应于子像素阵列S1、S2、S3和S4。D1、D2、…表示子像素阵列的分界点。则，子像素阵列S1投射光过对应正交特性孔径A11向围绕点VP的视区投射；子像素阵列S2投射光过对应正交特性孔径A12向围绕点VP的视区投射；子像素阵列S3投射光过对应正交特性孔径A13向围绕点VP的视区投射；子像素阵列S4投射光过对应正交特性孔径A14向围绕点VP的视区投射。控制装置40控制子像素阵列S1、S2、S3和S4所投射图像单元分别为待显示场景关于各自对应正交特性孔径A11、A12、A13、A14的视图。则VP点视区处的观察者瞳孔，通过正交特性孔径A11、A12、A13、A14观察到像素阵列10上各子像素阵列所加载图像单元拼连而成的拼合图像，为待显示场景的一个投影图像。该拼合图像相对于通过仅一个正交特性孔径所观察到的、呈现于一个子像素阵列上的图像单元，视角得到约4倍的扩展。正交特性孔径为沿各方向尺寸均小于观察者瞳孔直径的圆形状孔径时，如图5所示，观察者瞳孔所接收各光束，具有小的发散角。在观察者各瞳孔分别通过各自对应的正交特性孔径组接收到一幅对应拼合图像时，即可基于麦克斯韦图技术路径实现三维显示。且于该控制装置(40)控制下，一个正交特性孔径所对应正交特性不能于该正交特性的不同状态之间进行切换的正交特性，被定义为冲突性正交特性
本发明中，在控制装置(40)控制下，一个正交特性孔径所对应正交特性不能于该正交特性的不同状态之间进行切换的正交特性，定义为冲突性正交特性。否者，为非冲突性正交特性。具有冲突性正交特性的正交特性孔径，称之为冲突性正交特性孔径；具有非冲突性正交特性的正交特性孔径，称之为非冲突性正交特性孔径。以下实施例中，正交特性示例为对应线偏光正交特性，其包括偏光方向相互垂直的两个状态；或旋转偏光正交特性，其包括光矢量旋转方向相反的两个状态；或在同一周期的不同时间点分别允许入射光出射的时序正交特性，其以不同的时间点作为不同状态；或不同波长的颜色正交特性，其以不同波长作为不同状态；或一个正交特性孔径对应像素或子像素投射光指向该正交特性孔径且不同时入射其它可以出射的非对应正交特性孔径的方向正交特性，其以投射光指向一个正交特性孔径的子像素阵列的不同，作为不同状态；或上述不同正交特性的组合。其中，通过以非可控偏光片为组件的的线偏光正交特性孔径，其对应正交特性状态不能在“-”和“·”之间切换，为冲突性正交特性。但一个正交特性孔径对应的正交特性，是否可以在不同状态之间进行切换，取决于具体情况。例如，若选用可以于控制装置40控制下，改变其允许出射光线偏振方向的器件作为正交特性孔径的组件，其对应线偏光正交特性为非冲突性正交特性孔径。本发明中，线偏光正交特性、旋转偏光正交特性、或颜色正交特性，取例为冲突性正交特性。时序正交特性孔径，本发明中举例为通过其包含的可控液晶器件组件来实现，或者其本身就是一个可控液晶器件。该可控液晶器件组件可以在控制装置40的控制进行打开或关闭，以实现对应时序正交特性孔径的激活或休眠，被认为可以在不同状态之间切换，为非冲突性正交特性孔径。方向正交特性是指在一个时间点，一个正交特性孔径对应像素或子像素投射光指向该正交特性孔径且不入射其它可以出射的非对应正交特性孔径的特性。在一组像素或子像素投射光可以受控地指向不同正交特性孔径时，各正交特性孔径可以在不同的对应正交特性状态之间切换，而被作为非冲突性正交特性孔径，例如本发明所例情况：通过可控地时序改变背光入射方向，而引导一个像素组或子像素组投射光时序指向不同的正交特性孔径。图4具体地以一组4个具有线偏光特性的正交特性孔径为例。实际上，一个正交特性孔径组所包含正交特性孔径的数量，可根据需要变化。
图4中，若仅通过正交特性孔径A11、A12、A13、A14构建的I型正交特性孔径组20进行显示，观察区域受限于围绕VP点的视区，要求观察者瞳孔必须苛刻地对应置于该观察区域，才能观察到显示光信息，也即存在观察区域受限的情况。为了缓解受限观察区域对观察者瞳孔空间位置的苛刻要求，本发明一种基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构中，设置G个正交特性孔径组，不同组之间错位排布，其中G>1。瞳孔定位系统30确定观察者瞳孔空间位置后，控制装置40选择并激活对应视区与观察者瞳孔发生重叠的正交特性孔径组，并以该激活的正交特性孔径组作为有效正交特性孔径组，实施显示；同时其它正交特性孔径组休眠，休眠的正交特性孔径不允许入射光出射。其中，对应某个位置的观察者瞳孔，激活的正交特性孔径组数目1≦G'≦G。各正交特性孔径的激活和休眠，可以通过其可控液晶器件组件来实施：可控液晶器件可以在控制装置40的控制下进行打开或关闭，以实现对应正交特性孔径的激活或休眠。在观察者瞳孔相对正交特性孔径组发生相对空间位置变化时，定位系统30重新定位观察者瞳孔位置后，重复上述过程。则，通过正交特性孔径组所对应视区对观察者瞳孔的对应追踪，也即通过正交特性孔径组对观察者瞳孔的对应追踪，保证投射至少一个拼合图像至移动的观察者瞳孔，等效于增大了观察者瞳孔的观察区域。如图4所示，相对于I型正交特性孔径组20各正交特性孔径，沿-x方向偏移Δd/2的位置上，分别设置正交特性孔径A'11、A'12、A'13、A'14，它们组成I型正交特性孔径组20'。Δd为同组相邻正交特性孔径沿排布路径的距离。I型正交特性孔径组20'各正交特性孔径所对应正交特性，沿排布方向一致于I型正交特性孔径组20各正交特性孔径所对应正交特性。也即是说，I型正交特性孔径组20'相当于I型正交特性孔径组20从位置Po1沿-x方向平移Δd/2至位置Po2所得。控制装置40激活正交特性孔径组20'为有效正交特性孔径组时，正交特性孔径组20休眠，此时对应的观察区域将从图4中的围绕VP点的视区转移至围绕VP'点的视区。则，图4所示光学显示结构提供两个可选的观察区域。定位系统30确定瞳孔位置，控制装置40激活对应视区和该位置瞳孔发生重叠的正交特性孔径组作为有效正交特性孔径组，并控制各子像素阵列加载待显示场景关于各自对应的激活正交特性孔径的视图，从而向观察者瞳孔投射至少一个的拼合视图。随着观察者瞳孔的移动，重复上述过程，实现观察区域的扩展。图4和图5以G＝2、G'＝1为例。
在本发明仅以观察者一个瞳孔所对应多个正交特性孔径组的排布为例进行说明。明显地，当同一个像素阵列10需要对应同一观察者的两个瞳孔时，各瞳孔需要分别对应设置多个正交特性孔径组，例如各瞳孔分别对应设置G1>1个正交特性孔径组，共需要G＝2G1个正交特性孔径组。各瞳孔对应G1个正交特性孔径组中，根据瞳孔定系统30所确定该瞳孔位置，控制装置40激活1≦G2<G1个正交特性孔径组，以实现至少一个拼合图像向该位置观察者瞳孔的投射。
图4所示像素阵列10各子像素阵列直接投射光信息至正交特性孔径组20或20'。像素阵列10各子像素阵列和对应正交特性孔径之间也可以置中继器件50。图6以对像素阵列10成像的透镜作为中继器件50，其对像素阵列10成放大虚像。该情况下，各子像素阵列共同对应同一个中继器件50。像素阵列10各子像素阵列，通过中继器件50向对应正交特性孔径投射光信息。两个图6所示光学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。该情况下，一个光学显示结构的像素阵列10仅对应一个观察者瞳孔。中继器件50也可以是其它结构，例如图7所示的自由曲面器件，具有偏转光传输方向和成像素阵列10放大像的功能。图7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共同参与对像素阵列10的成像，并允许外部环境光通过曲面F5、F2、F4入射。此时，图7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，例如偏转光传输方向的半透半反镜、反射镜等，也可以作为中继器件50。中继器件50的引入，于本领域，特别是头戴式显示领域，是技术人员的常识性做法，下文不再累述。
实际上，希望设计更大的G值，以通过更多正交特性孔径组所对应视区对更大空间范围的覆盖，为瞳孔提供更大的观察区域。当冲突性正交特性被选用时，来自不同组的、对应不同状态的冲突正交特性孔径，无法空间上重叠共存，称之为正交特性孔径的空间冲突。例如，图5中，沿-x方向从位置Po2再次移动Δd/2的距离，尝试等间距地置放第三个I型正交特性孔径组20”时，该试图置放的第三个I型正交特性孔径组20”的正交特性孔径，会和正交特性孔径组20的正交特性孔径发生空间冲突，因而不能实现该第三个I型正交特性孔径组20”的置放。也即是说，来自不同组的、对应不同状态的正交特性孔径的空间互不相容，阻止了该第三组I型正交特性孔径组20”的置放。
为了避免该空间冲突问题，沿一个排布路径，设置不同正交特性孔径组相对偏移量可选值Δ为：
其中，Δd为同一正交特性孔径组中相邻正交特性孔径沿排布路径的距离，J、K、I2＝1，2，3，…，且J的取值保证N/(N+J)为最简分数，正整数I1<(N+J)，大于1的M为不可切换孔径周期结构所包含正交特性孔径的数目。不可切换孔径周期结构为同一正交特性孔径组中，各正交特性孔径仅保留冲突性正交特性情况下的最小孔径周期结构。图5中，同一正交特性孔径组的各正交特性孔径对应的线偏光正交特性为冲突性正交特性，其相邻M＝2个正交特性孔径构建为一个不可切换孔径周期结构，并具体以J＝1、K＝1、N＝1<KM＝1×2、I1＝1<(N+J)＝(1+1)为例。在这种情况下，最多I1+1＝2组正交特性孔径组的均匀排布，可以避免上述正交特性孔径的空间冲突问题。这里，最大的I1+1个正交特性孔径组中，相邻正交特性孔径组的偏移量小于NΔd。如果需要避免来自不同组、对应不同冲突性正交特性的正交特性孔径发生部分重叠，各正交特性孔径在尺度上，不能大于Δd/(N+J)。较小的K和J有利于各正交特性孔径沿排布路径通光孔径尺寸具有较大值。
根据式(1)，当取N＝KM时，可允许排布的正交特性孔径组数目不再受限。如图8，同一正交特性孔径组中，相邻的M＝2个正交特性孔径构建为一个不可切换孔径周期结构，并具体以J＝1、K＝1、N＝KM＝2，I2＝1为例。图8所示各I型正交特性孔径组包括4个对应线偏光正交特性的正交特性孔径，所示G＝4个I型正交特性孔径组中，相邻正交特性孔径组相对偏移量为2Δd/3。位于位置Po1的A11、A12、A13、A14构建生成I型正交特性孔径组20，位于位置Po2的A'11、A'12、A'13、A'14构建生成I型正交特性孔径组20'，位于位置Po3的A”'11、A”'12、A”'13、A”'14构建生成I型正交特性孔径组20”'，位于位置Po4的A””11、A””12、A””13、A””14构建生成I型正交特性孔径组20””。该情况下，来自不同组的、对应冲突性正交特性具有相同状态的正交特性孔径可以发生重叠。例如，I型正交特性孔径组20的正交特性孔径A13，和I型正交特性孔径组20””的正交特性孔径A””11重合；正交特性孔径组20的正交特性孔径A14，和I型正交特性孔径组11””的正交特性孔径A””12重合。图8仅示出依次错位2Δd/3的4组正交特性孔径。若更多正交特性孔径组被置放，会有更多的正交特性孔空间位置重叠。但根据式(1)，发生重叠的正交特性孔径，它们对应正交特性的状态相同。来自不同组、对应冲突性正交特性具有不同状态的正交特性孔径，都是错位分布的。
图4、图5、图8示出的各I型正交特性孔径组中，各正交特性孔径沿一维方向排列，称之为一维正交特性孔径组。同一正交特性孔径组的正交特性孔径也可以二维排列，如图9所示二维I型正交特性孔径组20”，由正交特性孔径A11、A12、…、A14、A21、…、A24、A31、…A34、A41、…、A44构建，其中各正交特性孔径的位置均以Po1示出。在这种情况下，多个二维I型正交特性孔径组可以设计为沿一维路径排布，也可以设计为沿二维路径排布。如图9所示沿二维排布的3个二维I型正交特性孔径组。二维I型正交特性孔径组20”之外的两个二维I型正交特性孔径组，它们各自正交特性孔径的位置分别用Pov2、Poh2示出。其中，为了图示的清晰，该另外2个二维I型正交特性孔径组的仅部分正交特性孔径被示出。在一个二维I型正交特性孔径组中，如图9所示二维I型正交特性孔径组20”中，沿x向或y向排列的相邻正交特性孔径分别对应不同的正交特性。但沿对角线方向，即沿和x向成±45°的方向，相邻正交特性孔径对应相同的正交特性，例如相邻的正交特性孔径A31和A22即对应相同的正交特性状态“-”。为了避免该对角线方向上相邻正交特性孔径间的串扰，它们可以进一步被赋予其它不同的正交特性状态。例如图9所示二维I型正交特性孔径组20”中，相邻两行正交特性孔径分别在各时间周期的不同的时间点打开。也即各正交特性孔径具有时序正交特性和线偏光正交特性。图9中，各正交特性孔径的下标t1或t2分别表示该正交特性孔径在一个时间周期内的不同时间点t1或t2点被打开。本发明中，在考虑设计对角线方向上相邻正交特性孔径所对应正交特性状态相互不相同的前提下，多个正交特性孔径组沿各排布路径的排布位置，均可遵循式(1)进行设计。以下部分不再重复提及二维正交特性孔径组，仅以一维正交特性孔径组沿一维排布路径的排布为例进行说明。
实施例2
图10所示为基于另外一种正交特性孔径组20的光学显示结构。该正交特性孔径组20被命名为II型正交特性孔径组20，其具体的排布如图11所示，Δd为其相邻正交特性孔径的间距。其中，正交特性孔径A11、A12、A13、A17、A18、A19对应线偏光正交特性的“-”状态，A14、A15、A16对应线偏光正交特性的“·”状态；在同一个周期内依次的三个时间点t1、t2和t3，时序正交特性孔径A11、A14、A17仅在时间点t1打开，A12、A15、A18仅在时间点t2打开，A13、A16、A19仅在一个时间点t3打开。也即各正交特性孔径同时被赋予线偏光正交特性的一个状态和时序正交特性的一个状态。本发明中，一个正交特性孔径在一个时间点打开后，在下一个时间点之前，是可以持续打开的。像素阵列10沿-x方向的三个子像素阵列S1、S2、S3分别仅投射“-”光、“·”光、“-”光。其中正交特性孔径A11、A12和A13对应子像素阵列S1；正交特性孔径A14、A15和A16对应子像素阵列S2；正交特性孔径A17、A18和A19对应子像素阵列S3。在一个时间点，控制装置40控制子像素阵列S1、S2、S3分别经打开的对应正交特性孔径所投射图像单元，为待显示场景关于该对应正交特性孔径的视图。例如，在时间点t1，子像素阵列S1经对应正交特性孔径A11投射待显示场景关于该正交特性孔径A11的视图信息，子像素阵列S2经对应正交特性孔径A14投射待显示场景关于该正交特性孔径A14的视图信息，子像素阵列S3经对应正交特性孔径A17投射待显示场景关于该正交特性孔径A17的视图信息。则在时间点t1，产生围绕VP1点的视区，位于该视区的观察者瞳孔，可以接收到来自于像素阵列10的三个视图拼连而成的拼合图像。同理，在时间点t2和t3，像素阵列10向围绕VP2点和VP3点的视区也分别投射各自对应的拼合图像。相对于图4和图5所示经一组正交特性孔径组仅投射一个拼合图像的情况，经图10所示的一个正交特性孔径组，投射多于一个的拼合图像。在观察者各瞳孔仅能接收到一幅完整拼合图像时，可以基于麦克斯韦图的技术路径进行显示，在观察者各瞳孔接收到至少两幅完整拼合图像时，可以基于单眼多图像的技术路径进行显示。此处，观察者瞳孔实际接收到的拼合图像，也可以是不同时间点所投射不同拼合图像的不同部分二次拼合而成的图像，其特征在于其相对观察者瞳孔的视角可以覆盖待显示场景。则，在图10所示情况下，一个正交特性孔径组所能提供的观察区域为分别围绕VP1点、VP2点和VP3点的三个视区的联合区域。本发明所述不可切换孔径周期结构，为同一正交特性孔径组中，各正交特性孔径仅保留冲突性正交特性情况下的最小孔径周期结构。II型正交特性孔径组中，以II型正交特性孔径组20为例，其各正交特性孔径对应的时序正交特性为非冲突性正交特性，在确定不可切换孔径周期结构时，需要忽略各正交特性孔径的时序正交特性。忽略各正交特性孔径的时序正交特性，仅考虑冲突性正交特性情况下，对应孔径排布如图11所示。明显地，仅考虑冲突性正交特性情况下的最小孔径周期结构对应包括6个相邻正交特性孔径，也即不可切换孔径周期结构由6个相邻正交特性孔径构建，即M＝6。图11所示正交特性孔径组中，第二个不可切换孔径周期结构没有完整出现，但根据正交特性孔径的排布规律，很明显可以看出当该正交特性孔径组包含更多正交特性孔径时，第二个甚至更多个的不可切换孔径周期结构会出现。为了图示的清晰，图10和图11中仅示出一个正交特性孔径组。根据式(1)，可以进行多个II型正交特性孔径组的排布。瞳孔定位系统30实时确定观察者瞳孔位置，控制装置40同步确定并激活对应视区对应观察者瞳孔的G'个II型正交特性孔径组，以其为有效正交特性孔径组进行显示。这样，在观察者瞳孔发生相对移动时，通过总有一个或多于一个的部分II型正交特性孔径组对观察瞳孔的追踪对应，实现观察区域的扩展。需要注意，在激活的正交特性孔径组组数G'大于1时，激活的不同正交特性孔径组之间，需要具有或进一步被赋予不同的互不相同的正交特性。
以上各实施例中，各正交特性孔径均示为圆形状，它们可以一维排布，也可以二维排布。
实施例3
本发明与实施2略有不同，不同之处在于本实例的各正交特性孔径取为条形状，如图12所示III型正交特性孔径组20。图12所示III型正交特性孔径组20的正交特性孔径数量及各正交特性孔径所对应正交特性，一致于图11所示II型正交特性孔径组20。采用该类条形状正交特性孔径时，多个正交特性孔径组的排布仅能沿一维路径。图12所示III型正交特性孔径组对应时序正交特性的三个状态，可以用颜色正交特性代替，如图13所示IV型正交特性孔径组20，其中R(红光)、G(绿光)、B(蓝光)表示不同波长的颜色正交特性。具有R颜色正交特性的正交特性孔径仅允许入射R光出射，挡除入射的G光和B光；具有G颜色正交特性的正交特性孔径仅允许入射G光出射，挡除入射的R光和B光；具有B颜色正交特性的正交特性孔径仅允许入射B光出射，挡除入射的G光和R光。所述IV型正交特性孔径组20，可于图10所示光学显示结构中代替其II型正交特性孔径组20实施显示。此时，像素阵列10的子像素阵列S1所有出射R光的R子像素对应正交特性孔径A1，子像素阵列S1所有出射G光的G子像素对应正交特性孔径A2，子像素阵列S1所有出射B光的B子像素对应正交特性孔径A3，子像素阵列S2所有出射R光的R子像素对应正交特性孔径A4，子像素阵列S2所有出射G光的G子像素对应正交特性孔径A5，子像素阵列S2所有出射B光的B子像素对应正交特性孔径A6，子像素阵列S3所有出射R光的R子像素对应正交特性孔径A7，子像素阵列S3所有出射G光的G子像素对应正交特性孔径A8，子像素阵列S3所有出射B光的B子像素对应正交特性孔径A9。各正交特性孔径的颜色正交特性，本发明中通过各自的滤色片组件来实现。此时，图10所示正交特性孔径组的各正交特性孔径，分别对应两种冲突性正交特性，不可切换孔径周期结构由M＝6个相邻正交特性孔径构建。为了图示的清晰，图10仅示出一组II型正交特性孔径组20。实际上，图10所示光学显示结构可以根据公式(1)设置多个的II型正交特性孔径组。同时，它们均可对应地被多个III型或IV型正交特性孔径组代替。瞳孔定位系统30实时确定观察者瞳孔位置，控制装置40同步确定并激活视区对应观察者瞳孔的G'个III型或IV型正交特性孔径组，以其为有效正交特性孔径组进行显示。这样，在观察者瞳孔发生相对移动时，通过总有一个或多于一个的正交特性孔径组对观察瞳孔的追踪对应，实现观察区域的扩展。
实施例4
图14所示为基于另外一种V型正交特性孔径组20的光学显示结构，其正交特性孔径具有具有方向正交特性。为了示图的简单清晰，图14及以下相关各图中，控制装置40和瞳孔定位系统30未示出。其中，正交特性孔径A11、A12、A13构成一个V型正交特性孔径组20，正交特性孔径A'11、A'12、A'13构成V型正交特性孔径组20'，正交特性孔径A”11、A”12、A”13构成V型正交特性孔径组20”，如图15。正交特性孔径A11、A'11、A”11对应像素阵列10的子像素阵列S1，正交特性孔径A12、A'12、A”12对应像素阵列10的子像素阵列S2，正交特性孔径A13、A'13、A”13对应像素阵列10的子像素阵列S3。各正交特性孔径被设计赋予线偏光正交特性，各子像素阵列出射对应状态的正交特性光。该G＝3组正交特性孔径，于J＝1、K＝1、N＝KM＝2、I2＝1情况下，根据式(1)设定相互之间的位置偏移量。在一个正交特性孔径组被控制装置50激活时，各子像素阵列出射光指向该正交特性孔径组中的对应正交特性孔径。例如，在V型正交特性孔径组20激活时，像素阵列10的子像素阵列S1各像素投射指向光束至正交特性孔径A11、子像素阵列S2各像素投射指向光束至正交特性孔径A12、子像素阵列S3各像素投射指向光束至正交特性孔径A13。该类具有方向正交特性的正交特性孔径，其正交特性表现在对应子像素阵列出射光在控制装置40控制下时序指向对应正交特性孔径。当各子像素阵列可以在控制装置40控制下可以分别指向于不同正交特性孔径组中对应的不同正交特性，方向正交特性为非冲突性正交特性。该情况下，在图14所示光学显示结构中，根据瞳孔定位系统30所确定观察者瞳孔位置，控制装置40选择激活不同V型正交特性孔径组时，需要控制背光结构101为激活的V型正交特性孔径组提供对应的指向背光，以保证各子像素阵列出射光分别向被激活V型正交特性孔径组中各自对应正交特性孔径投射。图16示出一种可能的背光结构101。像素阵列10各子像素阵列S1、S2、S3依次对应设置光会聚器件101a、101b、101c；各子像素阵列分别对应设置G＝3个背光源，具体地为对应子像素阵列S1的背光源LSa、LSa'、LSa”，对应子像素阵列S2的背光源LSb、LSb'、LSb”，对应子像素阵列S3的背光源LSc、LSc'、LSc”。背光源LSa、LSb、LSc投射光经各自对应会聚器件101a、101b、101c分别指向正交特性孔径A11、A12、A13，并向围绕VP点的视区会聚；背光源LSa'、LSb'、LSc'投射光经各自对应会聚器件101a、101b、101c分别指向正交特性孔径A'11、A'12、A'13，并向围绕VP'点的视区会聚；背光源LSa”、LSb”、LSc”投射光经各自对应会聚器件101a、101b、101c分别指向正交特性孔径A”11、A”12、A”13，并向围绕VP”点的视区会聚。其中，各背光源可以为点状，也可以为条状，后者对应正交特性孔径为条形状的情况。根据瞳孔定位系统30所确定观察者瞳孔位置，控制装置40激活视区对应该瞳孔的正交特性孔径组进行显示。此处，各正交特性孔径组的激活，实际上转换为控制装置40对对应背光源的激活，即对应背光源的开和关控制。此时，可以不再需要各正交特性特性孔径开和关的控制。例如，瞳孔定位系统30确定观察者瞳孔移动至VP'点附近时，控制装置40打开有效正交特性孔径组20'对应的背光源LSa'、LSb'、LSc'，子像素阵列S1、S2、S3分别同步加载待显示场景关于正交特性孔径A'11、A'12、A'13的视图信息，即可向该观察者瞳孔投射对应拼合图像，通过正交特性孔径组对观察者瞳孔的追踪对应实现拼合图像对观察者瞳孔的追踪投射。在图14至16中，各子像素阵列及其对应正交特性孔径，均同时示为具有线偏光正交特性，该线偏光正交特性的设置，可以降低噪声，例如降低各背光源投射光经对应会聚器件的相邻会聚器件产生的噪声，和/或降低各子像素阵列投射光经非对应正交特性孔径产生的噪声。此时，对应地，各背光源出射光也可以设置为具有对应的线偏光正交特性。明显地，在噪声可控的前提下，各子像素阵列及其对应正交特性孔径的线偏光正交特性，也可以去除。图15的V型正交特性孔径，显示为条形状；图14和图16中，经一个V型正交特性孔径组仅投射一幅拼合图像。这种情况下，无法进行麦克斯韦图显示或单眼多图像显示。此时，若采用圆形状正交特性孔径，可以实施麦克斯韦图显示；或者进一步地设计通过一个正交特性孔径组投射大于一幅的拼合图像，以实施单眼多图像显示。例如，图15所示各正交特性孔径组由图11至图13所示的正交特性孔径组代替，同时，背光源对应从新设计。再或者，对应某个位置上的观察者瞳孔，于各时间周期的不同时间点时序激活大于一个的正交特性孔径组，以投射大于一个的拼合图像。用图12所示正交特性孔径组作为图16中的V型正交特性孔径组，在一个正交特性孔径组被激活时，各子像素阵列时序向该正交特性孔径组中的3个对应正交特性孔径投射光信息，该功能由该3个对应正交特性孔径所分别对应3个背光源的时序激活来实现。用图13所示正交特性孔径作为图16中的V型正交特性孔径组，在一个正交特性孔径组被激活时，各子像素阵列中R、G、B子像素所分别组成的子子像素阵列，分别向该正交特性孔径组中该子像素阵列对应的R正交特性孔径、G正交特性孔径、B正交特性孔径投射光学信息。其中，R子子像素阵列、G子子像素阵列、B子子像素阵列分别向对应的R正交特性孔径、G正交特性孔径、B正交特性孔径进行光信息投射，由该R正交特性孔径、G正交特性孔径、B正交特性孔径分别对应的R、G、B背光源的打开来实现。此处，用R、G、B修饰子像素，是指出射R、G、B光的子像素；用R、G、B修饰子子像素阵列，是指一个子像素阵列中，出射R、G、B光的子像素所分别组成的子子像素阵列；用R、G、B修饰正交特性孔径，是指具有R、G、B颜色正交特性的正交特性孔径。此时，各正交特性孔径也可以被去除对应颜色正交特性。当上述各V型正交特性孔径仅具有方向正交特性，而不附有颜色正交特性或/和线偏光正交特性时，因为正交特性孔径的方向正交特性由对应背光的时序指向承载，其为非冲突性正交特性孔径，不同正交特性孔径组之间的正交特性孔径可以共用，多个正交特性孔径组的排布不再受式(1)的约束。实际上，即使冲突性正交特性存在的情况下，多个正交特性孔径组的排布位置，在不实际发生冲突性正交特性孔径之间的空间冲突时，也可以不遵循式(1)的要求。例如，多个正交特性孔径组的排布位置不是很密集、且不同组之间的相对错位值不相同时。图12和图13所示条形状正交特性孔径为圆形状正交特性孔径代替时，多个正交特性孔径组的排布，也可以从一维同理扩展至二维。图14所示光学显示结构中，设计通过一个正交特性孔径组投射大于一幅的拼合图像，也可以通过微结构阵列对各像素出射光指向的调制来实现。例如，于图14所示光学显示结构中，像素阵列10各像素分别对应附设微结构，各像素对应微结构组成微结构阵列；在一束背光入射任一子像素阵列时，其微结构阵列将该子像素阵列的奇数列像素出射光引导至一个正交特性孔径，将该子像素阵列的偶数列像素出射光引导至另外的一个正交特性孔径；不同背光入射时，各子像素阵列奇数列像素和偶数列像素指向的正交特性孔径对应不同。在该设计下，可以通过一个正交特性孔径组实现两个拼合图像的投射。当然，也可以设计为通过一个正交特性孔径组实现更多个拼合图像的投射。
图17示出另一种背光结构101'。图17所示背光结构101'为一个光波导结构。该光波导结构包含G个背光源，此处以G＝3个背光源LS、LS'、LS”为例进行说明。该G＝3个背光源分别对应G＝3个正交特性孔径组。具体地，背光源LS对应正交特性孔径A11、A12、A13组成的正交特性孔径组20；背光源LS'对应正交特性孔径A'11、A'12、A'13组成的正交特性孔径组20'；背光源LS”对应正交特性孔径A”11、A”12、A”13组成的正交特性孔径组20”。一个背光源被控制装置40激活时，其经光波导向像素阵列10的不同子像素阵列所投射的背光，受光波导内部耦出器件的调制，分别会聚指向对应正交特性孔径组的不同正交特性孔径；各子像素阵列投射光分别经其于该正交特性孔径组中的对应正交特性孔径出射，共同投射一幅拼合图像至该背光源对应的视区。例如，瞳孔定位系统30确定观察者瞳孔处于VP'点处时，控制装置40激活背光源LS'(等效于激活激活对应的正交特性孔径组20')，则被激活的背光源LS'投射光经光波导器件的耦出器件调制，为像素阵列10的不同子像素阵列提供的背光，分别指向其于正交特性孔径组20'中的对应正交特性孔径：子像素阵列S1于正交特性孔径组20'中对应正交特性孔径11'，子像素阵列S2于正交特性孔径组20'中对应正交特性孔径12'，子像素阵列S3于正交特性孔径组20'中对应正交特性孔径13'。图17中，类似地，正交特性孔径组20、背光源LS和围绕VP点的视区相互对应；正交特性孔径组20”、背光源LS”和围绕VP”点的视区相互对应。
图17所示背光结构101'，通过光波导器件的耦出器件，来调制各子像素阵列入射光的指向。其也可以由图18所示背光结构101”代替。图18所示背光结构中，像素阵列10各子像素阵列，分别由各自对应光波导器件提供背光；各光波导器件也分别包括多个背光源，以对应相应子像素阵列于不同正交特性孔径组中的不同正交特性孔径。具体地，光波导器件102a为子像素阵列S1提供背光，光波导器件102b为子像素阵列S2提供背光，光波导器件102c为子像素阵列S3提供背光。光波导器件102a的背光源LSa所投射背光，指向正交特性孔径组20的正交特性孔径A11；光波导器件102b的背光源LSb所投射背光，指向正交特性孔径组20的正交特性孔径A12；光波导器件102c的背光源LSc所投射被光，指向正交特性孔径组20的正交特性孔径A13。则背光源LSa、LSb、LSc被控制控制装置40激活时，它们投射光分别经正交特性孔径组20的正交孔径A11、A12、A13，向围绕VP点的视区会聚。各子像素阵列分别加载待显示场景关于对应的激活背光源所对应正交特性孔径的视图，则可以实现向围绕VP点的视区的对应拼合图像投射。同理，在则背光源LSa'、LSb'、LSc'被激活时，可以向围绕VP'点视区投射对应拼合图像，在则背光源LSa”、LSb”、LSc”被激活时，可以向围绕VP”点的视区投射对应拼合图像。类似图16，为了简单，图17和图18均示为通过一个正交特性孔径组仅可投射一幅拼合图像的情况。也类似于上述关于图16的讨论，图17和图18所示光学显示结构，也可以进一步地设计为，通过一个正交特性孔径组投射大于一幅的拼合图像。
以上各实施例中，各正交特性孔径示例为透射型孔径，它们也可以是反射型孔径。如图19所例，三个圆形状的反射面作为反射型正交特性孔径A11、A12、A13，构成一个正交特性孔径组20，三个圆形状的反射面作为反射型正交特性孔径A'11、A'12、A'13，构成一个正交特性孔径组20'，三个圆形状的反射面作为反射型正交特性孔径A”11、A”12、A”13，构成一个正交特性孔径组20”。图19以空间分离置放的子像素阵列11、11'、11”为例。子像素阵列11和正交特性孔径组20的正交特性孔径A11、正交特性孔径组20'的正交特性孔径A'11、正交特性孔径组20”的正交特性孔径A”11对应；子像素阵列11'和正交特性孔径组20的正交特性孔径A12、正交特性孔径组20'的正交特性孔径A'12、正交特性孔径组20”的正交特性孔径A”12对应；子像素阵列11”和正交特性孔径组20的正交特性孔径A13、正交特性孔径组20'的正交特性孔径A'13、正交特性孔径组20”的正交特性孔径A”13分别对应。子像素阵列11、11'、11”经同一正交特性孔径组中各自对应的正交特性孔径反射所投射图像单元，拼连为一个拼合图像。各子像素阵列和其对应的正交特性孔径之间可以置放中继器件，如图19中未明确示出具体结构的中继器件50、50'、50”。如上所述，各中继器件可以具有偏转光传输方向或/和对对应子像素阵列成像的功能。这里为了图示的简洁，以经一个正交特性孔径组仅投射一幅拼合图像进行说明。也类似于上述关于图16的讨论，图19所示光学显示结构，也可以进一步地设计为，通过一个正交特性孔径组投射大于一幅的拼合图像。图19所示光学显示结构的优点在于，同一正交特性孔径组中，可以通过设计正交特性孔径反射面的不同朝向，抑制它们相互之间的串扰。例如，图19中的子像素阵列11”所对应正交特性孔径的反射面朝向下，不同于其它子像素阵列所对应正交特性孔径反射面的向上朝向，可以避免子像素阵列11”所对应正交特性孔径和其它子像素阵列所对应正交特性孔径之间的串扰。该情况下，反射面朝向不同的正交特性孔径，被作为对应不同的冲突性正交特性。则图19中的各正交特性孔径组，其可不切换孔径周期结构包括M＝3个正交特性孔径。也即各正交特性孔径组的所有3个正交特性孔径均对应不同的冲突性正交特性状态，其分别为“-”+向上朝向、“·”+向上朝向、向下朝向。具体地，图19所的同一正交特性孔径组中，子像素阵列11对应的正交特性孔径对应正交特性为·”+向上朝向，子像素阵列11'对应的正交特性孔径对应正交特性为“-”+向上朝向，子像素阵列11”对应的正交特性孔径对应正交特性为向下朝向。图19中G＝3个正交特性孔径组之间相对位置偏移量，同理基于式(1)设计。图19所示情况下，子像素阵列11、11'、11”关于各自对应中继器件50或/和同一正交特性孔径组中各自对应正交特性孔径的像，空间上可以毗邻连接，也可以有空隙地、或部分重叠地分布，只要它们对观察者瞳孔的张角连续且可以覆盖待显示场景。图19以取J＝1、K＝1、N＝KM＝3、I2＝1为例，所示出的G＝3个正交特性孔径组之间，依次错位3Δd/4。类似地，根据瞳孔定位系统30所获取观察者瞳孔的位置，由控制装置40对应激活一个或大于一个的正交特性孔径组，实施显示。
图19所示结构中，也可以容纳更多的子像素阵列，如图20所示的5个子像素阵列11、11'、11”、11”'、11””。出射相同正交特性光的子像素阵列11和11””，其所对应正交特性孔径的反射面大致朝向同一方向。由于其它子像素阵列对应正交特性孔径的插入，子像素阵列11和11””之间较大的距离也可以降低它们对应正交特性孔径之间的串扰。
以上各实施例中，各正交特性孔径组中，正交特性孔径的排布路径示为直线，它们也可以是曲线。此时，Δd可以是同组相邻正交特性孔径沿排布路径的路程距离，或同组相邻正交特性孔径之间的直线距离。
以上实施例中，也可以根据观察者的位置，激活多于一个的正交特性孔径组作为有效正交特性孔径组。此时，需要考虑激活的不同正交特性孔径组之间串扰的抑制。比如，设计被激活的不同正交特性孔径组之间具有相异的正交特性，比如不同的时序正交特性，或不同的方向正交特性。不同于同一正交特性孔径组中相邻正交特性孔径的等间距排列，由多于一个的被激活正交特性孔径组组成的有效正交特性孔径组，其相邻正交特性孔径之间，距离是可以不相等的。
本发明中，组成像素阵列10的不同子像素阵列，分别经不同的正交特性孔径出射光信息。另外一种常见的基于正交特性孔径的光学显示结构中，过一个正交特性孔径进行投射的光信息，来自于遍布整个像素阵列10的对应像素组或子像素组。该情况下，式(1)不再被遵循。具体地如图21所示范例。图21中，沿x方向，像素阵列10上奇数列和偶数列的像素分别成组，分别出射“-”光和“·”光。正交特性孔径A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8沿x方向依次排列，其中正交特性孔径A1、A3、A5、A7仅允许“·”入射光出射，挡除“-”入射光，正交特性孔径A2、A4、A6、A8仅允许“-”入射光出射，挡除“·”入射光。以正交特性孔径A1、A2、A3、A4构建正交特性孔径组20。在一个时间周期内的t1时间点，正交特性孔径组20的正交特性孔径A1、A2被控制装置40打开，其它正交特性孔径被关闭；在一个时间周期内的t2时间点，正交特性孔径组20的正交特性孔径A3、A4被控制装置40打开，其它正交特性孔径被关闭。在各时间点，出射“·”光的像素组，向此时被打开的、仅允许“·”入射光出射的正交特性孔径投射待显示场景关于该正交特性孔径的视图；出射“-”光的像素组，向此时被打开的、仅允许“-”入射光出射的正交特性孔径投射待显示场景关于该正交特性孔径的视图。则通过正交特性孔径组20，像素阵列10投射一幅拼合图像至VP点处视区。VP点为像素阵列10边点和正交特性孔径组20两个边端正交特性孔径中点连线的交点。该拼合图像，由通过同一正交特性孔径组各正交特性孔径所投射不同视图的不同部分拼连而成。类似地，以正交特性孔径A2、A3、A4、A5构建另一个正交特性孔径组20'，如图22。在一个时间周期内的t1时间点，正交特性孔径组20'的正交特性孔径A2、A3被控制装置40打开，其它正交特性孔径被关闭；在一个时间周期内的t2时间点，正交特性孔径组20'的正交特性孔径A4、A5被控制装置40打开，其它正交特性孔径被关闭。在各时间点，出射“·”光的像素组，向此时被打开的、仅允许“·”入射光出射的正交特性孔径投射待显示场景关于该正交特性孔径的视图；出射“-”光的像素组，向此时被打开的、仅允许“-”入射光出射的正交特性孔径投射待显示场景关于该正交特性孔径的视图。则通过正交特性孔径组20'，像素阵列10投射一幅拼合图像至VP'点处视区。类似地，正交特性孔径A3、A4、A5、A6构建另一个正交特性孔径组20”，如图23，则通过正交特性孔径组20”，像素阵列10投射一幅拼合图像至VP”点处视区。如此类推。明显地，过一个正交特性孔径进行投射的光信息，来自于遍布整个像素阵列10的对应像素组或子像素组的情况下，设置总的正交特性孔径数目大于一个正交特性孔径组所包含正交特性孔径数目，所有这些正交特性孔径依次排列。其中，相邻的、数目一致于一个正交特性孔径组所包含正交特性孔径数目的正交特性孔径，均可作为一个正交特性孔径组。根据瞳孔定位系统30所确定观察者瞳孔位置，控制装置40激活对应视区靠近观察者瞳孔的正交特性孔径，进行至少一个拼合图像向该观察者瞳孔的投射。重复操作，即可通过正交特性孔径组对应视区对观察瞳孔的追踪对应，为观察者瞳孔提供更大的观察区域。且在该情况下，来自不同组的冲突性正交特性孔径可以共用，但不发生空间冲突。图21至23中，经一个正交特性孔径组，仅一个拼合图像被投射。多于一个的正交特性空间组被激活时，可以投射多于一个拼合图像，如图24。图24中，正交特性孔径组20和20'同时被激活作为有效正交特性孔径。则通过正交特性孔径组20向围绕VP1点的观察区域投射一个拼合图像，通过正交特性孔径组20'向围绕VP2点的观察区域投射另一个拼合图像。此时，有效正交特性孔径组中，在一个时间点，还是分别对应“·”特性和“-”特性的仅两个正交特性孔径被打开，有效正交特性孔径组的正交特性孔径在三个时间点分别被打开，如图24。图21中，像素阵列10的子像素可以分为分别出射R、G、B光的子像素组，同一个时间点对应打开的正交特性孔径可以设置为分别仅允许R、G、B光通过的3个正交特性孔径。当然，像素阵列10的像素出射光也可以具有相同的特性，也即不分组。此时，在一个时间点，仅一个时序正交特性孔径被打开。
本发明所提及的各光学显示结构，在基于麦克斯韦图技术路径进行三维显示的同时，也可以进行二维显示。像素阵列10通过正交特性孔径组向观察者瞳孔呈现像素阵列10上的二维图像信息时，正交特性孔径组可作为小孔眼镜，用于屈光不正的观察者，在其不佩戴其它眼镜的情况下，清晰看到像素阵列10上的显示图像。相对于现有的小孔眼镜，例如中国发明专利《一种液晶镜片以及液晶小孔眼镜》(专利公开号：CN103472619A、公开日：2013-12-25)所保护的小孔眼镜，可以有效避免了相邻孔径间的串扰。
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。这是可以实现的。因此无法对所有的实施方式予以穷举。例如，正交特性的也不仅限于本发明提及的时序正交特性、线偏光正交特性、颜色正交特性等。实际上，凡在本发明的精神和原则之内，通过总有一个或多于一个的部分正交特性孔径组对瞳孔的追踪激活对应，来实现观察区域扩展，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (11)

1.基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，包括：
像素阵列(10)，该像素阵列(10)包括多个由像素排列而成的子像素阵列；
G个正交特性孔径组(20)，各正交特性孔径组(20)由各自对应一个子像素阵列的正交特性孔径组成，且同一正交特性孔径组中，对应子像素阵列投射光能够相互经对方入射观察者瞳孔的相邻正交特性孔径，被设置为分别仅允许对应子像素阵列所投射的正交特性光出射，其中G>1；
瞳孔定位系统(30)，该瞳孔定位系统(30)用于跟踪定位观察者瞳孔位置；
控制装置(40)，该控制装置(40)和瞳孔定位系统(30)、像素阵列(10)、或/和各正交特性孔径组(20)信号连接；
其中，像素阵列(10)各子像素阵列经同一正交特性孔径组(20)中的各自对应正交特性孔径所投射图像，拼连所成拼合图像对观察者瞳孔的张角覆盖待显示场景，且对应同一观察者瞳孔的不同正交特性孔径组之间，沿排布路径的相对偏移量Δ为：
其中，Δd为同组的相邻正交特性孔径沿排布路径的距离，J、K、I2分别为正整数，正整数I1<(N+J)，且J的取值保证N/(N+J)为最简分数，M>1为不可切换孔径周期结构所包含正交特性孔径的数目，该不可切换孔径周期结构为同一正交特性孔径组中，各正交特性孔径仅保留冲突性正交特性情况下的最小孔径周期结构；冲突性正交特性是指在控制装置控制下，一个正交特性孔径所对应正交特性不能于该正交特性的不同状态之间进行切换的正交特性。
2.根据权利要求1所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，各正交特性孔径为透射型孔径，或反射型孔径。
3.根据权利要求1所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，各正交特性孔径包含可控液晶开关器件，各正交特性孔径的激活或休眠，通过其可控液晶开关器件在控制装置(40)控制下的打开或关闭来实现。
4.根据权利要求1所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，各正交特性孔径形态为沿不同方向尺寸均小于观察者瞳孔直径的圆形状。
5.根据权利要求1所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，各正交特性孔径形态为沿一个方向尺寸大于观察者瞳孔直径、且沿另外一个方向尺寸小于观察者瞳孔直径的条形状。
6.根据权利要求4所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，同一正交特性孔径组(20)的正交特性孔径沿二维方向分布。
7.根据权利要求1所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，所述正交特性为包括偏振方向相互垂直的两个状态的线偏光正交特性，或包括旋转方向相反的两个状态的旋转偏光正交特性，或在不同时间点分别允许入射光出射的时序正交特性，或对应不同波长的颜色正交特性，或方向正交特性，或者为包括线偏光正交特性、旋转偏光正交特性、时序正交特性、颜色正交特性、方向正交特性的正交特性组中的任意两种或两种以上正交特性的组合；
其中，方向正交特性是指，一个正交特性孔径对应像素或子像素投射光指向该正交特性孔径，且不同时入射其它可以经其入射观察瞳孔的非对应正交特性孔径的特性。
8.根据权利要求1所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，所述排布路径是直线或曲线。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于，各子像素阵列和对应正交特性孔径组之间设置中继器件(50)。
10.根据权利要求9所述的基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，其特征在于所述中继器件(50)为偏转光传输方向的反射镜，或对对应子像素阵列成放大像的透镜，或偏转光传输方向并对对应子像素阵列成放大像的自由曲面器件。
11.基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示方法，其特征在于，
该光学显示方法是使用基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构，该基于正交特性孔径组对瞳孔追踪对应的光学显示结构包括：
像素阵列(10)，该像素阵列(10)包括多个由像素排列而成的子像素阵列；
G个正交特性孔径组(20)，各正交特性孔径组(20)由各自对应一个子像素阵列的正交特性孔径组成，且同一正交特性孔径组中，对应子像素阵列投射光能够相互经对方入射观察者瞳孔的相邻正交特性孔径，被设置为分别仅允许对应子像素阵列所投射的正交特性光出射，其中G>1；
瞳孔定位系统(30)，该瞳孔定位系统(30)用于跟踪定位观察者瞳孔位置；
控制装置(40)，该控制装置(40)和瞳孔定位系统(30)、像素阵列(10)、或/和各正交特性孔径组(20)信号连接；
其中，像素阵列(10)各子像素阵列经同一正交特性孔径组(20)中的各自对应正交特性孔径所投射图像，拼连所成拼合图像对观察者瞳孔的张角覆盖待显示场景，且对应同一观察者瞳孔的不同正交特性孔径组之间，沿排布路径的相对偏移量可选值Δ为：
其中，Δd为同组的相邻正交特性孔径沿排布路径的距离，J、K、I2分别为正整数，正整数I1<(N+J)，且J的取值保证N/(N+J)为最简分数，M>1为不可切换孔径周期结构所包含正交特性孔径的数目，该不可切换孔径周期结构为同一正交特性孔径组中，各正交特性孔径仅保留冲突性正交特性情况下的最小孔径周期结构，冲突性正交特性是指在该控制装置(40)控制下，一个正交特性孔径所对应正交特性不能于该正交特性的不同状态之间进行切换的正交特性；
该光学显示方法包括以下步骤：
S1：瞳孔定位系统(30)跟踪定位观察者瞳孔位置；
S2：控制装置(40)根据观察者瞳孔位置，激活G'个正交特性孔径组作为有效正交特性孔径组，控制像素阵列(10)各子像素阵列分别加载待显示场景关于激活的对应正交特性孔径的视图作为图像单元，通过有效正交特性孔径组投射至少一个张角覆盖待显示场景的拼合图像至观察者瞳孔，其中1≦G'<G；
S3：随着观察者瞳孔的移动，重复步骤S1和S2。
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