CN114859558A - 用于减少头戴式显示器中的固定模式噪声的校正光学器件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于减少头戴式显示器中的固定模式噪声的校正光学器件。电子显示组件包括显示元件和耦合到显示元件的校正元件。显示元件具有第一类型的第一多个子像素和第二类型的第二多个子像素。第一多个子像素的两个相邻子像素分隔开子像素距离。校正元件具有多个特征，多个特征被配置为使由第一多个子像素发射的光漫射，使得在远离电子显示组件的观察距离处观察到的在第一类型的两个相邻子像素之间的视距小于子像素距离。

Description

用于减少头戴式显示器中的固定模式噪声的校正光学器件
本申请是申请日为2018年4月4日，申请号为201880023934.3，发明名称为“用于减少头戴式显示器中的固定模式噪声的校正光学器件”的申请的分案申请。
背景
本公开总体上涉及减少固定模式噪声，并且特别地涉及至少使用光学元件的衍射部分来减少固定模式噪声。
电子显示器包括多个像素，它们可以各自包括多个子像素(例如，红色子像素、绿色子像素等)。单独子像素的布置可能影响电子显示设备的外观和性能。在某些条件下，子像素的一些布置可能增加固定模式噪声。例如，像素的放大可以导致在像素的单独子像素之间的边界变得对用户可见，导致在呈现给用户的图像中的“纱门(screen door)”图样(即，固定模式噪声的增加)。
减少纱门图样的现有技术包括使用微透镜阵列或双光栅来调整图像。双光栅和微透镜是使用难以控制的多步制造工艺来制造的。此外，微透镜阵列必须与子像素对准以防止强莫尔纹(moirépattern)在所得到的图像中是可见的，这导致在微透镜显示器中的误差。
根据本发明的实施例在针对电子显示组件的所附权利要求中被具体公开，其中在一个权利要求类别(例如电子显示组件)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如系统、方法、存储介质和计算机程序产品)中被要求保护。在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面权利要求的有意往向引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
在根据本发明的实施例中，电子显示组件可以包括：
显示元件，其具有第一类型的第一多个子像素和第二类型的第二多个子像素，其中第一多个子像素的两个相邻子像素分隔开子像素距离；以及
校正元件，其耦合到显示元件，校正元件具有多个特征，多个特征被配置为使由第一多个子像素发射的光漫射，使得在远离电子显示组件的观察距离(viewing distance)处观察到的在第一类型的两个相邻子像素之间的视距(apparent distance)小于子像素距离。
校正元件的特征可以是柱(pillar)、阶梯式柱、孔和阶梯式孔之一。
特征可以布置在正方形网格中。
特征可以布置在六边形网格中。
在校正元件的相邻特征之间的间距可以小于子像素距离。
在校正元件的相邻特征之间的间距可以满足下面的等式：df＝3λD/dp，其中df表示在校正元件的相邻特征之间的间距，λ表示由第一多个子像素发射的光的波长，D表示观察距离，以及dp表示子像素距离。
子像素距离的一部分可以是暗区(dark space)，并且多个特征可以被配置为通过使两个相邻子像素中的每一个的图像模糊以掩蔽在两个相邻子像素之间的暗区来校正固定模式噪声。
多个特征可以被配置成通过使由每个子像素发射的光在观察距离处显现为多个紧密间隔的子像素来使两个相邻子像素中的每一个的图像模糊。
第一多个子像素可以被配置成发射第一波长的光，以及第二多个子像素可以被配置成发射第二波长的光。
校正元件可以被配置成选择性地使由第一多个子像素发射的光漫射，并且不使由第二多个子像素发射的光漫射。
校正元件可以被配置为使由第一多个子像素发射的光比由第二多个子像素发射的光漫射更大的量。
校正元件可以包括显示元件的表面，并且特征可以使用单步法(single stepprocess)被蚀刻到显示元件的表面上。
可以使用纳米压印光刻工艺来将特征蚀刻到显示元件的表面上。
显示元件可以是移动设备的屏幕，并且校正元件可以是贴到移动设备以减少屏幕上的缺陷的出现的膜。
在根据本发明的实施例中，电子显示组件可以包括：
显示元件，其具有多个子像素，其中，多个子像素中的两个子像素分隔开子像素距离；以及
校正元件，其耦合到显示元件，该校正元件具有多个特征，多个特征被配置为使由多个子像素发射的光漫射，使得在远离电子显示组件的观察距离处观察到的在两个相邻子像素之间的视距小于子像素距离。
校正元件的特征可以是柱、阶梯式柱、孔和阶梯式孔中的一种，并且特征布置在正方形网格或六边形网格之一中。
在校正元件的相邻特征之间的间距可以小于子像素距离。
子像素距离的一部分可以是暗区，并且多个特征可以被配置为通过使两个相邻子像素中的每一个的图像模糊以掩蔽在两个相邻子像素之间的暗区来校正固定模式噪声。
多个特征可以被配置成通过使由每个子像素发射的光在观察距离处显现为多个紧密间隔的子像素来使两个相邻子像素中的每一个的图像模糊。
校正元件可以包括显示元件的表面，并且特征可以使用单步纳米压印光刻工艺被蚀刻到显示元件的表面上。
在发明的另一个实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质体现软件，该软件在被执行时可操作来在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中执行。
在本发明的另一个实施例中，计算机实现的方法使用根据本发明或任何上面提到的实施例的系统。
在本发明的另一个实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中被使用。
概述
电子显示组件向用户呈现内容。电子显示组件包括显示元件和耦合到显示元件的校正元件。显示元件具有第一类型的第一多个子像素和第二类型的第二多个子像素。第一多个子像素中的两个相邻子像素分隔开子像素距离。校正元件具有多个特征，多个特征被配置为使由第一多个子像素发射的光漫射，使得在远离电子显示组件的观察距离处观察到的在第一类型的两个相邻子像素之间的视距小于子像素距离。在两个相邻子像素之间的视距的减小起作用来降低暗区的可见度，否则暗区可能在两个相邻像素之间是可见的。
在一些实施例中，电子显示组件可以是头戴式显示器(例如，用于在人工现实应用中使用)的部件。电子显示组件也可以是移动设备(例如，移动电话、平板电脑等)的部件。
附图简述
图1A是根据实施例的头戴式显示器(HMD)的布线图。
图1B是根据实施例的图1A中所示的HMD的前刚性主体的横截面。
图2A是根据实施例的在电子显示元件上的子像素的示例阵列。
图2B是根据实施例的、示出了由光学块(optical block)对图2A的阵列的图像数据的调整的示例。
图3是根据实施例的光学块，其中光学器件块(optics block)是具有校正表面的单个光学元件。
图4是根据实施例的正弦光栅的设计的一部分的图示。
图5是根据实施例的具有覆盖在菲涅耳(Fresnel)透镜上的正弦衍射光栅的校正表面的设计。
图6A是根据实施例的全息漫射器的设计的一部分的图示。
图6B是根据实施例的、基于图6A中的全息漫射器的设计的部分的、在像平面(除去中心点)处的傅里叶幅度的一维切片(slice)的图示。
图7A是根据实施例的正方形衍射光栅的设计的一部分的图示。
图7B示出了根据实施例的、示出通过正方形光栅选择性使绿光而不是红光模糊(即，衍射)的图示。
图7C示出了根据实施例的、示出通过正方形光栅选择性使红光模糊并且使绿光和蓝光少量模糊的图示。
图8是根据实施例的示例光学块，其中电子显示组件包括校正元件。
图9A是根据实施例的柱的阵列的设计的一部分的图示。
图9B是根据实施例的基于图9A中的设计的傅里叶平面强度的图示。
图10A是根据实施例的密实填集(densely packed)的柱的阵列的设计的一部分的图示。
图10B是根据实施例的基于图10A中的设计的傅里叶平面强度的图示。
图11A是根据实施例的阶梯式柱的阵列的设计的一部分的图示。
图11B是根据实施例的基于图11A中的设计的傅里叶平面强度的图示。
图12是示出根据实施例的子像素光源的示意图的示意图，其中由子像素光源发射的光被校正元件漫射。
图13A是根据实施例的一对示例性子像素的图像。
图13B示出了根据实施例的具有由校正元件产生的漫射图样的一对示例性子像素。
附图仅为了说明的目的描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员将从下面的描述中容易认识到，在本文示出的结构和方法的替代实施例可以被采用而不偏离本文描述的本公开的原理或所推崇的益处。
详细描述
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，其中任一个可以在单个通道中或在多个通道(例如为观看者产生三维效果的立体视频)中被呈现。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中被使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
图1A是根据实施例的头戴式显示器(HMD)100的布线图。HMD 100包括前刚性主体105和带110。前刚性主体105包括电子显示器的电子显示元件(在图中1A未示出)和光学器件块(在图1A中未示出)。如详细讨论的，光学器件块和/或电子显示器可以包括减少呈现给用户的图像中的固定模式噪声的校正元件。
在一些实施例中，HMD 100可以充当虚拟现实(VR)头戴式装置(headset)、增强现实(AR)头戴式装置、混合现实(MR)头戴式装置或其某种组合。在描述AR系统环境的实施例中，HMD 100用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理现实世界环境的视图。例如，HMD 100的一个或更多个部分可以是至少部分地透明的。在描述MR系统环境的实施例中，HMD 100将物理现实世界环境的视图与虚拟环境合并以产生新的环境和可视化效果，其中物理和数字对象共存并实时地交互作用。
图1B是根据实施例的图1A中所示的前刚性主体105的横截面115。如图1B所示，前刚性主体105包括向出射光瞳125提供改变的图像光的光学块120。出射光瞳125(也被称为视窗(eyebox)或视窗区域(eyebox region))是前刚性主体105的用户的眼睛130所位于的位置。为了说明的目的，图1B示出了与单只眼睛130相关联的横截面115，但与光学块120分离的另一个光学块向用户的另一只眼睛提供改变的图像光。
光学块120包括电子显示组件135和光学器件块140。电子显示组件135朝着校正光学器件块140投影图像光。如下面关于图3-图13B详细讨论的，电子显示组件135和/或光学器件块140可以通过使子像素稍微模糊来改变所投影的图像光以校正固定模式噪声。光学器件块140将改变的图像光引导到出射光瞳125，用于呈现给用户。在一些实施例中，光学器件块140还可以放大和/或校正与所投影的图像相关联的光学误差(例如，像散(astigmatism)、色像差(chromatic aberration)等)。
电子显示组件135可以包括一个或更多个电子显示面板。电子显示面板的示例包括：液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、透明OLED、有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)、某种其他显示器或其某种组合。
电子显示面板包括显示区域，该显示区域包括多个像素和子像素，其中子像素是分离的光发射部分。像素(也被称为全像素)包括多个子像素。在一些实施例中，像素包括不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的多个子像素。不同的子像素彼此由暗区分隔开。例如，子像素发射红光、黄光、蓝光、绿光、白光或任何其他合适颜色的光。在一些实施例中，由电子显示面板投影的图像在子像素级上被渲染。这不同于比如具有分离的红色、绿色和蓝色像素(红色、绿色和蓝色)的RGB(红绿蓝)布局，并且在RGB布局中的每个像素包括与绿色子像素相邻的红色子像素，绿色子像素与蓝色子像素相邻；红色、绿色和蓝色子像素一起操作来形成不同的颜色。在RGB布局中，在像素中的子像素被限制为在该像素内起作用。然而在一些实施例中，在电子显示器中的子像素在它们的周围区域中的多个“逻辑”像素内操作以形成不同的颜色。子像素以子像素阵列被布置在电子显示面板的显示区域上。子像素阵列的示例包括
Figure BDA0003621765120000081
RGBG、
Figure BDA0003621765120000082
RGBW、RGB条纹、六边形填集的RGB(hex-packedRGB)以及在子像素级处渲染图像的子像素的某种其他合适的布置。
在一些实施例中，电子显示组件135还可以包括校正元件(例如，柱的阵列)。如下面详细讨论的，校正元件耦合到电子显示面板的显示表面，并且通过使每个子像素的图像稍微模糊使得模糊的子像素掩蔽在子像素之间的暗区来校正固定模式噪声。
光学器件块140包括调整由电子显示组件135通过HMD 100投影给用户的图像的一个或更多个光学元件。在一些实施例中，光学器件块140位于离电子显示组件135至少35mm的位置处。在一些实施例中，在光学器件块140中的光学元件(例如，透镜)的至少一个表面包括校正表面(例如，工程漫射器(engineered diffuser)、正弦光栅、全息漫射器、正方形光栅、梯形光栅等)。如结合图3-图7C进一步讨论的，校正元件通过使每个子像素的图像稍微模糊使得模糊的子像素掩蔽在子像素之间的暗区来校正固定模式噪声。以及在一些实施例中，光学器件块140包括校正表面，且电子显示组件135包括校正元件。
可以使用例如在图8-图13B中讨论的特征来形成校正元件。以及如下面所讨论的，也可以使用在图3-图7C中描述的用于创建光学元件的校正表面的技术来形成校正元件。同样，可以使用在图8-图13B中描述的用于创建校正元件的技术来形成校正表面。
另外在一些实施例中，光学元件可以是光圈、滤波器或影响由电子显示器投影的图像的任何其他合适的光学元件。在一些实施例中，在光学器件块140中的一个或更多个光学元件可以具有一个或更多个涂层(例如抗反射涂层)。
光学器件块140放大由电子显示组件135投影的图像光，并校正与图像光相关联的光学误差。图像光的放大允许电子显示组件135比更大的显示器在物理上更小、重量更轻以及消耗更少的功率。此外，放大可以增加所显示的媒体的视场角。例如，所显示的媒体的视场角使得所显示的媒体利用用户的几乎所有(例如，110度对角线)并且在一些情况下所有视场角来被呈现。然而，放大可能引起也被称为“纱门效应”的固定模式噪声的增加，其是一种视觉伪像，其中分离显示器的像素和/或子像素的暗区在由显示器呈现的图像中变得对用户可见。例如，没有光学误差校正的放大可能将固定模式噪声增加到所投影的图像遭受纱门效应的程度。在一些实施例中，光学器件块140被设计成使得它的有效焦距大于与电子显示组件135的间距，这放大了由电子显示组件135投影的图像光。此外在一些实施例中，可以通过添加或移除光学元件来调整放大的量。
光学器件块140可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差。光学误差可以是固定模式噪声(即，纱门效应)、二维光学误差、三维光学误差或其某种组合。二维误差是在二维中出现的光学像差。二维误差的示例类型包括：桶形失真、枕形失真、纵向色像差、横向色像差或任何其他类型的二维光学误差。三维误差是在三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型包括球面像差、彗形像差、场曲率(field curvature)、像散或任何其他类型的三维光学误差。在一些实施例中，提供给电子显示器用于显示的媒体是预失真的，并且光学器件块140校正失真。
图2A是在电子显示组件135上的子像素的示例阵列200。图2A中所示的示例阵列200包括红色子像素210、蓝色子像素220和绿色子像素230。例如，阵列200是
Figure BDA0003621765120000091
显示器的一部分。在其他实施例中，阵列200可以处于某个其他配置(例如，RGB)中。
暗区240将每个子像素与一个或更多个相邻的子像素分开。暗区240是阵列200的不发射光的部分，并且在某些情况(例如，放大)下可能变得对用户可见，引起降低图像质量的纱门效应。如上面结合图1B所讨论的，光学器件块140和/或电子显示组件135可以包括光学元件(例如，校正表面和/或校正元件)，其被配置为减少固定模式噪声，所以在子像素之间的暗区240对用户是不可见的(例如，通过使每个子像素模糊，产生与图像中的每个子像素相关联的模糊斑点)。模糊斑点足够大，因此相邻的模糊斑点掩蔽在相邻全像素之间的暗区240。换句话说，对于任何显示面板，如果在子像素之间根本没有间隙，则最大像素填充比是100％。然而，为了完全去除在面板侧上的纱门伪像，像素填充比可以大得多(例如，300％)，使得不同颜色的子像素重叠。这样，当只有绿色像素正发射光时，例如当用精确的观察光学器件(viewing optics)被观察时，在子像素之间才没有间隙。这对于OLED和/或LCD显示面板来说很难完成，但是对于如下所述的校正光学元件(例如，衍射元件、工程漫射器)是可行的。
图2B是示出由光学块120对图2A的阵列200的图像数据的调整的示例250。如图2B所示，每个子像素具有相关联的模糊斑点。特别地，红色子像素210具有相应的红色模糊斑点260，蓝色子像素220具有相应的蓝色模糊斑点270，以及绿色子像素230具有相应的绿色模糊斑点280。模糊斑点是填充有模糊子像素的图像的区域。只要模糊斑点不与由相同颜色的子像素产生的相邻模糊斑点的最大强度点重叠，这两个模糊斑点作为两个相邻像素就是可分辨的。在一些实施例中，三个子像素都重叠并产生白色像素。模糊斑点的形状不一定是圆，而是包括子像素的模糊图像的区域。光学器件块140和/或电子显示组件135被配置成使每个子像素模糊，所以模糊斑点掩蔽在相邻像素之间的暗区240。这如何被实现将在下面结合图3-图13B被详细讨论。
图3是根据实施例的光学块300，其中光学器件块340是具有校正表面320的单个光学元件310。光学器件块340可以是光学器件块140的实施例。在图3的示例中，光学块300包括电子显示组件335和光学元件310。电子显示组件335是电子显示组件135的实施例。光学元件310包括校正表面320和第二表面330。
校正表面320是减少来自电子显示组件335的光中的固定模式噪声的表面结构。校正表面320可以是例如正弦光栅、斩波正弦函数光栅(chopped sine function grating)、全息漫射器、正方形光栅、梯形光栅、减少固定模式噪声的某种其他表面结构、或者其某种组合。下面关于图4讨论示例正弦光栅，下面关于图6A-图6B讨论示例全息漫射器，以及下面关于图7A-图7C讨论示例正方形光栅。此外在一些实施例中，可以使用下面关于图8-图13B针对校正元件描述的技术来形成校正表面320。这将在下面关于图8被详细讨论。注意，相对于例如直接耦合到显示元件的校正元件，使校正表面在光学元件上的一个优点是不需要额外的元件。光学元件可以是注射成型(injection molded)的以创建校正表面320，或者例如校正表面320可以是转变成光学元件310的金刚石。
校正表面320可以被设计成使来自单个像素的光显现为N x n网格(其中n和N都是整数)、使单个像素看起来更大、调整像素显现的形状(例如，使圆形像素看起来是矩形的)或其某种组合。此外在一些实施例中，校正表面320可以被设计成根据波长选择性地使光漫射。例如，校正表面320可以使红光漫射，但不使蓝光漫射。另外，校正表面320也可以被设计成使得漫射的量根据波长而变化。例如，校正表面320可以比例如绿光更多地使红光漫射，并且可以比例如蓝光更多地使绿光漫射。
另外在一些实施例中，校正表面320也可以调整系统的光功率。例如，校正表面320可以是弯曲表面(例如凹面或凸面)、菲涅耳透镜(例如，如在图5中所讨论的)等的一部分。
在该实施例中，校正表面320面向电子显示组件335且第二表面面向眼睛130。这个配置可以有助于在校正表面320上的任何图样对用户不太可见。在替代实施例中，该定向反转，且校正表面320面向眼睛130且第二表面330面向电子显示组件335。
第二表面330可以是平坦的，或者它可以改变图像光。例如，第二表面330可以被弯曲以例如放大由电子显示组件335呈现的图像和/或校正在呈现给用户的图像中的光学误差。
图4是根据实施例的正弦光栅的设计的一部分的图示400。正弦光栅具有峰，例如相邻的峰410和420。在该实施例中，图示400示出了在峰410和420之间以及在其他组相邻峰之间的大约1mm的间距，并且每个峰具有大约1微米的高度。该设计使得正弦光栅使来自单个子像素的光漫射到紧密间隔的子像素的3x3网格(其以该单个子像素为中心)内，紧密间隔的子像素填满在其他情况下将在该单个子像素周围的暗区。
图5是根据实施例的具有覆盖在菲涅耳透镜上的正弦衍射光栅的校正表面500的设计。校正表面500允许固定模式噪声的校正而不影响场曲率。校正表面500包括一系列相等地间隔开的凹槽，在凹槽之间的距离被称为“间距宽度”。间距宽度确定子像素被模糊的量。校正表面500使来自电子显示组件335的图像光衍射，并且图像光的衍射生成上面结合图2B讨论的模糊斑点。在一些实施例中，间距宽度使较高密度的凹槽在光学元件的中心附近，中心通常对应于在用户的视网膜上的包含最高密度的视锥细胞(cones)的区域。
可以通过光学计算机辅助设计(CAD)程序或其他合适的方法来改变系统参数以确定光学块300的配置。例如，光学块300具有10mm的眼睛间隙(eye relief)，并且视场角高达110度。在其他实施例中，可以改变一个或更多个系统参数；例如，参数被改变以适应更长的眼睛间隙(例如，15mm)。
图6A是根据实施例的全息漫射器的设计的一部分的图示600。在图示600中，全息漫射器使来自红色子像素的光漫射，使得它看起来更大，例如80微米x80微米的正方形。在该示例中，红色像素的像素间距为80微米，因此漫射器将红色子像素的尺寸增大到足够大，使得漫射的红色子像素填充在邻近红色子像素之间的间隙。可以选择漫射的量，使得当只有单一颜色子像素发射光时漫射的子像素覆盖在其他情况下将出现在子像素周围的暗区的一部分(或全部)。该设计给较长波长的光比给较短波长的光提供更多的模糊，使得绿色像素比红色像素更不模糊。蓝色像素被模糊了最小的量，并且在一些情况下模糊可能不能精确地填充在蓝色子像素之间的间隙。然而，因为人眼对蓝色亮度不太敏感且因此对蓝光中的纱门效应不敏感，所以较小量的模糊通常足以抑制蓝光中的固定模式噪声。在设计600中，表面高度在～1.6微米的范围内变化，平均高度大约为0.5微米。沿着漫射器图示的水平轴和垂直轴的标度以米为单位。
全息漫射器的一个优点是，相较于例如包括某种类型的周期性图样的校正表面(或校正元件)，莫尔纹更不可能对用户是可见的。
图6B是根据实施例的、基于图6A中的全息漫射器的设计的部分的、在像平面处的傅里叶幅度的一维切片的图示610。该傅里叶平面强度示出一个红色子像素(具有16微米的宽度)被漫射，使得它看起来在宽度上是80微米的更大的子像素，该宽度与在红色子像素之间的80微米间距相同。这样，当只有红色子像素发射光时，没有间隙在相邻的红色子像素之间被看到，并且显示屏看起来是均匀的红色。在一些情况下，这可能有助于减少在衍射级之间的暗区，并进一步减少固定模式噪声。此外，到80x80微米2正方形之外的任何区域内的光泄漏被最小化，保持良好的显示对比度。
图7A是根据实施例的正方形衍射光栅的设计的一部分的图示700。该部分示出正方形衍射光栅的10mm x 10mm截面。该部分包括多个正方形衍射元件，其各自的周期(period)是大约1毫米。这些正方形衍射元件的表面高度为-2微米、0微米(齐平)或2微米。例如，两个衍射元件(元件1 710和元件2 720)具有2微米的高度。元件1 710和元件2 720被分隔开大约为1毫米的周期730。正方形衍射光栅由多个单元(例如单元740)组成。例如在图7A中，单元740包括4个正方形，每个正方形都是平坦的表面。可以使用三步微光刻工艺来制造正方形衍射光栅。
正方形衍射光栅的设计使来自单个像素的光漫射到紧密间隔的像素的3x3网格(其以该单个像素为中心)内，紧密间隔的像素填满在其他情况下将在该单个像素的周围的暗区。可以选择漫射的量，使得如果开启相同颜色的相邻子像素，则漫射光的网格覆盖在其他情况下将出现在每个像素周围的暗区的一部分(或全部)。通过为正方形光栅选择不同的振幅，不同的波长可以选择性地被漫射或者具有不同的模糊尺寸。
例如，图7B示出了根据实施例的示出通过正方形光栅选择性使绿光而不是红光模糊(即，衍射)的图示。在该示例中，1D正方形光栅的振幅为1.4微米(对于峰到谷为2.8微米)，且所设计的正方形光栅在绿光中产生相等振幅的0、+1、-1级衍射，但它在红色中完全不衍射。
图7C示出了根据实施例的示出通过正方形光栅选择性使红光模糊并且使绿光和蓝光少量模糊的图示。在这些图示中，1D正方形光栅的振幅为0.85微米(对于峰到谷为1.7微米)或2微米(对于峰到谷为4微米)，该光栅可以在红光中产生相等振幅的0、+1、-1级衍射，但它在绿光中很少衍射或不衍射。
在一些实施例中，1D光栅面形(grating profile)堆叠在彼此的顶部上以产生可以选择性地衍射不同波长的2D光栅。组合可以选择性地衍射不同波长的不同光栅提供对根据波长出现多少模糊的控制。
图8是根据实施例的示例光学块800，其中电子显示组件810包括校正元件820。电子显示组件810是电子显示组件135的实施例。
电子显示组件810包括电子显示元件830和校正元件820。校正元件820耦合到电子显示元件830的显示区域，使得来自电子显示元件830中的像素/子像素的光在穿过校正元件820后入射在光学器件块140上。校正元件820是包括减少在来自电子显示组件810的光中的固定模式噪声的多个特征的表面结构。特征可以是柱、阶梯式柱、孔或阶梯式孔。校正元件820可以是例如多个二元柱(binary pillar)、多个阶梯式柱、多个二元孔、多个阶梯式孔、一维或二维正弦光栅、一维或二维正方形光栅、斩波正弦函数光栅、正方形光栅、梯形光栅、具有其他形状的光栅、全息漫射器特征、减少固定模式噪声的某种其他表面结构或其某种组合。在下面关于图9A-图9B和10A-图10B讨论二元柱的示例阵列，以及在下面关于图11A-图11B讨论阶梯式柱的示例阵列。在一些实施例中，特征可以具有任意填集(packing)、正方形填集、六边形填集、半随机填集或其某种组合。
在一些实施例中，校正元件820是(例如，经由折射率匹配的粘合剂)贴到电子显示元件830的显示区域的膜。在其他实施例中，它被直接蚀刻到显示区域上。特征可以按照单步法(例如，将一系列孔蚀刻到显示区域的表面内的单个步骤，或者蚀刻在一系列柱周围的区域的单个步骤)被蚀刻。作为另一个示例，可以使用微光刻来制造母版(master)，并且母版可以在单步纳米压印光刻工艺中被使用以在电子显示元件830的表面上形成特征。校正元件820的特征不需要如在一些现有的纱门减少技术中那样与子像素对齐或者固定到特定的定向。因此，制造校正元件820的工艺比现有的纱门减少工艺更简单、更快并且更不容易出错。
在一些实施例中，可以使用上面关于图3-图7C对在光学元件上的校正表面描述的技术来形成耦合到电子显示元件830的校正元件820。同样，可以使用关于图8-图13B描述的技术来形成光学元件的校正表面。在每个实例中，特征高度保持不变，并且在特征之间的间距基于从校正表面/校正元件到电子显示器的距离来被按比例缩放。例如，光学元件的校正表面设计可以用作耦合到电子显示元件的校正元件。如果从校正元件到电子显示元件的设计距离是X，并且从校正表面到电子显示元件的设计距离是Y，则特征间距按比例缩放Y/X以利用在校正元件上的校正表面的原始设计。类似地，对于校正元件设计将被用作光学元件的校正表面的相反情况，特征间距将按比例缩放X/Y。
校正元件820可以被设计成使来自单个像素的光显现为多个紧密间隔的像素，紧密间隔的像素相对于中心像素出现在不同的位置处(例如，相对于中心像素，像素也可以出现在2点钟位置、4点钟位置、6点钟位置、8点钟位置、10点钟位置和12点钟位置处)。例如，图9A中所示的特定特征的六边形填集的几何结构与正方形子像素相结合产生图9B中所示的衍射图样，其中来自单个子像素的光看起来来自7个子像素。不同的设计和/或不同填集的几何形状给出当通过校正元件看时单个子像素看起来如何的不同外观。在一些实施例中，校正元件820可以被设计成使来自单个子像素的光显现为多个紧密间隔的子像素，例如N xn网格(其中n和N都是整数)、使单个子像素看起来更大、调整子像素显现的形状(例如，使圆形子像素看起来是矩形的)或其某种组合。此外在一些实施例中，校正元件820可以被设计成根据波长来选择性地使光漫射。例如，校正元件820可以使红光漫射，但不使蓝光漫射。另外，校正元件820也可以被设计成使得漫射的量根据波长而变化。例如，校正元件820可以比例如绿光更多地使红光漫射，并且可以比例如蓝光更多地使绿光漫射。
校正元件820的平均特征间距(即，柱或阶梯式柱、或孔或阶梯式孔、正弦或正方形光栅、或其他光栅、或全息漫射器)小于显示像素间距或子像素间距。这有助于防止具有与特征相同的空间频率的拍频/莫尔纹出现。如果间距太大，则伪像之一表现为具有与特征相同的空间频率的拍频/莫尔纹。拍频/莫尔纹由在特征的“阴影”和显示像素或子像素之间的相互作用引起。该图样沿着眼睛的注视方向居中，随着眼睛的注视而移动，并且通常位于小区域内。另外，为了减少莫尔伪像，校正元件820可以具有关于电子显示元件830的最佳旋转。在校正元件820上的特征和显示像素或子像素之间的距离也可以被调整以最小化莫尔可见度。在一些实施例中，对于具有高于400PPI的显示器，该距离小于1mm。在一些实施例中，柱和/或孔的高度在350nm和800nm之间。此外，在一些实施例中，其他类型特征的高度低于10微米。
在校正元件820中的特征在傅里叶平面上提供特定的衍射图样。特定的衍射图样扩大子像素宽度以覆盖分隔开相邻像素的暗区。在一个实施例中，特征被设计成使得大部分能量相等地进入0、1、-1级内，并且使最小泄漏进入到更高级内，因而提供高对比度并保持特征的小间距。
特征的间距和填充比与电子显示元件830的像素几何形状和盖玻片(coverglass)厚度相关。它们使用傅里叶变换算法被计算。在一个实施例中，调整特征的填充比，使得大部分能量相等地进入0、1、-1级内。在其他实施例中，填充比和其他可用参数被调整，使得当通过校正元件被看到时，子像素宽度被放大到全像素间距，并且在“放大的”子像素中没有显著的调制可以被眼睛分辨。在特征到显示像素之间的距离限定特征的间距。例如在一个实施例中，在特征之间的间距是12微米，每个特征具有7.6微米的直径，每个特征具有0.62微米的高度，并且在特征和像素之间的空气中的距离是325微米。通过使膜或盖玻片的机械厚度除以它的折射率来计算空气中的距离。如果该距离被按比例缩放了例如2倍，则特征间距也被按比例缩放2倍。特征可以以六边形填集来布置。校正元件820可以使用微光刻以制造母版来被制造，并被复制用于大规模生产。
在一些实施例中，校正元件820(其为贴到电子显示元件830的膜)也可以在移动设备(例如，智能电话、平板电脑等)上用作防指纹膜、防划伤膜、防眩光膜或其某种组合。指纹在移动设备显示器上是非常明显的，因为在指纹中的油充当微透镜，其随机地放大或以其他方式扭曲在显示器上的单独像素。在防眩光膜上的划痕和特征也可以充当小透镜和衍射光学特征，并放大或扭曲单独像素。当像素以不受控制的方式被放大或扭曲时，缺陷(例如由非最佳防眩光结构引起的指纹、划痕或闪耀点(sparkle))对用户明显得多。然而，使用校正元件(例如，校正元件820)减少固定模式噪声，使得电子显示组件810的单独像素是不可见的，且因此不单独地被放大或扭曲。因此，校正元件820有利地使缺陷看起来对移动设备的用户是不太可见的。
图9A是根据实施例的柱和/或孔的阵列的设计的一部分的图示900。一个特征910被标记；其他特征基本上相同。在图示900中，特征基本上是相同的高度(例如，大约0.5微米)，并且在特征之间的间距大约为10微米。全像素间距约为40微米，且每个子像素的宽度在8微米至16微米之间。盖玻片厚度为300微米，且该特征在具有180微米的厚度的有粘合剂背衬的塑料膜的顶部上。
图9B是根据实施例的基于在图9A中的设计的傅里叶平面强度的图示950。当通过图9A中所示的校正特征由眼睛看到时，该傅里叶平面强度示出一个子像素看起来是7个子像素，具有全像素的宽度。
图10A是根据实施例的密实填集的柱和/或孔阵列的设计的一部分的图示1000。在图示1000中，特征1010(例如，柱或孔)基本上是相同的高度(例如，大约0.5微米)，并且在柱/孔之间的特征间距1030大约为12微米。填充比(特征直径1020除以特征间距1030)大于在图示900中的柱/孔的填充比，并且可以进一步减少固定模式噪声。然而，在一些情况下，它可能引起细黑线的对比度的稍微下降。所有其他参数与图9A中所示的设计相同。
图10B是根据实施例的基于图10A中的设计的傅里叶平面强度的图示1050。当通过图10A中所示的校正特征由眼睛看到时，该傅里叶平面强度示出一个子像素看起来是7个子像素加上到+2和-2级内的多一点泄漏。到更高级内的泄漏有助于进一步减少纱门伪像或固定模式噪声，但可能引起细线的显示对比度的稍微下降。
图11A是根据实施例的阶梯式柱/孔的阵列的设计的一部分的图示1100。阶梯式柱/孔在它的基部1110处具有第一直径，并且当阶梯式柱/孔远离它的基部移动时，它到达阶梯1120，其中阶梯式柱/孔的直径减小。在该实施例中，有单个阶梯1120。但是在其他实施例中，可以包括附加阶梯。阶梯的添加可以增加在远场中的衍射级的数量。在该实施例中，柱是大约2微米高，阶梯1120在0.5微米处，并且该设计具有小于30微米的特征间距。所有其他参数与图9A中所示的设计相同。
图11B是根据实施例的基于图11A中的设计的傅里叶平面强度的图示1150。当通过图11A中所示的校正特征由眼睛看到时，该傅里叶平面强度示出一个子像素看起来是19个子像素。在一些情况下，这可以有助于减少在衍射级之间的暗区并进一步减少固定模式噪声。
可以向该特征添加更多中间阶梯，并且在无限数量的阶梯的限制下，该特征变成小透镜阵列。
图12是子像素光源1210的示意图，其中由子像素光源1210发射的光被校正元件1220漫射。子像素源1210是电子显示元件830的子像素。校正元件1220类似于上面所述的校正元件820，并且可以是图9A、图10A或图11A所示的设计之一。在校正元件1220上的特征由被表示为df的间距分隔开。当光穿过校正元件1220时，它分成子像素的多个图像，其可以以不同的衍射级为中心；在图12中示出了级n＝±2、n＝±1和n＝0。在一些实施例例如图9A-图9B所示的示例中，只有级n＝±1和n＝0是可见的；在其他实施例中，附加级是可见的。在n＝0和n＝1之间的角度由θ表示。显示平面1230是像平面，用户在该像平面处观察由子像素源1210发射的光。显示平面1230和校正元件1220被分隔开被表示为D的观察距离。例如，显示平面1230可以是图3和/或图8中所示的出射光瞳125。光学器件块140如果被包括，则位于校正元件1220和显示平面1230之间。如果观察光学器件块140放大或调整图像，则观察距离D可以表示到校正元件1220的视距而不是实际距离。在其他实施例中，例如，如果子像素源1210是在移动设备屏幕中的子像素，则显示平面1230是一个位置，用户在该位置处观察移动设备。在显示平面1230上的n＝0和n＝1图像之间的间距由y表示。
图13A是一对示例性子像素1300的图像。两个相邻的子像素1300彼此分隔开被表示为dp的像素间距。每个子像素1300由相应的子像素源1210发射。在该示例中，来自这组子像素1300的光不通过校正元件传播。因此，如关于图2A所述的，在两个子像素1300之间存在对用户可能可见的暗区。
图13B示出了具有由校正元件1220产生的漫射图样的该对示例性子像素1300。在图13B中所示的示例中，每个子像素1300被呈六边形在n＝1衍射级处布置在子像素1300周围的六个漫射的像素图像1350围绕。如在图12中的，在子像素1300和每个漫射的像素图像1350之间的间距由y表示。可以针对给定的像素间距dp和观察距离D来确定产生图13B中所示的漫射图样的特征间距df。
图12中所示的尺寸通过下面的等式来关联：
sinθ＝y/D (1)
在图12、图13A和图13B所示的示例中，像素间距dp是像素图像间距y的三倍，因此等式(1)可以被写为：
sinθ＝(dp/3)/D (2)
基于下面的等式，通过光栅的光的衍射与由子像素源1210发射的光的波长λ相关：
dfsinθ＝nλ (3)
使用等式(3)，等式(2)可以被重写为：
df(dp/3)/D＝λ (4)
对特征间距的等式(4)求解得到下面的关系：
df＝3λD/dp (5)
除等式(5)之外，特征间距还可以通过使特征间距df小于像素间距dp来进一步被限制，以便减少或防止莫尔纹(如上所述)。因此，给定像素间距dp和观察距离D，可以选择特征间距df，使得特征间距df小于像素间距dp并且特征间距df满足等式(5)。
附加配置信息
为了说明的目的提出了本公开的实施例的前述描述；它并不旨在是无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，根据上述公开，许多修改和变化是可能的。
在说明书中使用的语言主要为了可读性和教学目的而被选择，并且它可以不被选择为描述或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，所公开的实施例旨在是说明性的而不是限制在所附权利要求中阐述的本公开的范围。

Claims (17)

1.一种电子显示组件，包括：
显示元件，其具有第一类型的第一多个子像素和第二类型的第二多个子像素，其中，所述第一多个子像素中的两个相邻子像素分隔开子像素距离；以及
校正元件，其耦合到所述显示元件，所述校正元件具有多个阶梯式孔，所述多个阶梯式孔被配置为使由所述第一多个子像素发射的光漫射，使得在远离所述电子显示组件的观察距离处观察到的在所述第一类型的所述两个相邻子像素之间的视距小于所述子像素距离，其中，在所述校正元件的相邻特征之间的间距小于所述子像素距离，并且在所述校正元件的相邻特征之间的所述间距还满足下面的等式：
df＝3λD/dp，
其中，df表示在所述校正元件的相邻特征之间的所述间距，λ表示由所述第一多个子像素发射的光的波长，D表示所述观察距离，以及dp表示所述子像素距离。
2.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述校正元件还包括选自包括以下项的组的一个或更多个特征：一个或更多个孔，和一个或更多个阶梯式柱。
3.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述阶梯式孔布置在正方形填集中。
4.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述阶梯式孔布置在六边形填集中。
5.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述子像素距离的一部分是暗区，并且所述多个阶梯式孔被配置为通过使所述两个相邻子像素中的每一个的图像模糊以掩蔽在所述两个相邻子像素之间的所述暗区来校正固定模式噪声。
6.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述多个阶梯式孔被配置成通过使由每个子像素发射的光在所述观察距离处显现为多个紧密间隔的子像素来使所述两个相邻子像素中的每一个的图像模糊。
7.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述第一多个子像素被配置成发射第一波长的光，以及所述第二多个子像素被配置成发射第二波长的光。
8.根据权利要求7所述的电子显示组件，其中，所述校正元件被配置成选择性地使由所述第一多个子像素发射的光漫射，并且不使由所述第二多个子像素发射的光漫射。
9.根据权利要求7所述的电子显示组件，其中，所述校正元件被配置为使由所述第一多个子像素发射的光比由所述第二多个子像素发射的光漫射更大的量。
10.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述校正元件包括所述显示元件的表面，并且所述阶梯式孔使用单步法被蚀刻到所述显示元件的所述表面上。
11.根据权利要求10所述的电子显示组件，其中，使用纳米压印光刻工艺来将所述阶梯式孔蚀刻到所述显示元件的所述表面上。
12.根据权利要求1所述的电子显示组件，其中，所述显示元件是移动设备的屏幕，并且所述校正元件是贴到移动设备以减少所述屏幕上的缺陷的出现的膜。
13.一种电子显示组件，包括：
显示元件，其具有多个子像素，其中，所述多个子像素中的两个子像素分隔开子像素距离；以及
校正元件，其耦合到所述显示元件，所述校正元件具有多个阶梯式孔，所述多个阶梯式孔被配置为使由第一多个子像素发射的光漫射，使得在远离所述电子显示组件的观察距离处观察到的在第一类型的所述两个相邻子像素之间的视距小于所述子像素距离，其中，在所述校正元件的相邻特征之间的间距小于所述子像素距离，并且在所述校正元件的相邻特征之间的所述间距还满足下面的等式：
df＝3λD/dp，
其中，df表示在所述校正元件的相邻特征之间的所述间距，λ表示由第一多个子像素发射的光的波长，D表示所述观察距离，以及dp表示所述子像素距离。
14.根据权利要求13所述的电子显示组件，其中，所述校正元件还包括选自包括以下项的组的一个或更多个特征：一个或更多个孔，和一个或更多个阶梯式柱。
15.根据权利要求13所述的电子显示组件，其中，所述子像素距离的一部分是暗区，并且所述多个阶梯式孔被配置为通过使所述两个相邻子像素中的每一个的图像模糊以掩蔽在所述两个相邻子像素之间的所述暗区来校正固定模式噪声。
16.根据权利要求13所述的电子显示组件，其中，所述多个阶梯式孔被配置成通过使由每个子像素发射的光在所述观察距离处显现为多个紧密间隔的子像素来使所述两个相邻子像素中的每一个的图像模糊。
17.根据权利要求13所述的电子显示组件，其中，所述校正元件包括所述显示元件的表面，并且所述阶梯式孔使用单步纳米压印光刻工艺被蚀刻到所述显示元件的所述表面上。
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