CN117651896A - 直接投影复用光场显示器 - Google Patents

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Abstract

描述了输出光场图像的复用光场投影仪装置和复用光场显示器。投影仪具有投影仪底座，投影仪底座具有被配置为输出光线以形成投影图像的投影光学系统、被配置为准直投影图像光线以形成第二投影图像的准直光学系统，第二投影图像被引导到显示光学系统以产生光场图像。光场投影仪装置或替代投影仪装置可单独使用或与可布置成形成复用直接投影光场显示器的一个或多个其他投影仪结合使用。投影仪装置的布置可以具有单独的或共享的显示光学系统。

Description

直接投影复用光场显示器
技术领域
本发明涉及光场显示器技术，更具体地，涉及基于投影的光场显示器和光场投影仪装置。本公开具体涉及单独的复用光场投影仪装置，其单独地或者在所述装置的阵列内形成复用的、高角分辨率、宽视场、多视图显示器。
背景技术
光场显示器提供多个视图，允许用户在每只眼睛中接收单独的视图。虽然当前此类显示器提供了有趣的观看体验，但令人着迷的光场显示器需要高像素密度、视图之间的小角距以及大视角。为了获得高质量的观看体验，期望用户体验观看区域之间的平滑过渡，同时保持与相邻视图的独立且可感知的视图。三维显示器允许观看者对他们正在观看的图像获得更广阔的视角。一些三维显示器使用偏振光并要求观看者佩戴专门的眼镜。其他人产生的图像在单一维度上提供一些视差。
基于投影仪的光场显示器通常由一个或多个投影仪组成并且通常需要一系列光学系统来生成光场。为了实现高清晰度光场显示器的像素数量，可能需要增加数量的投影仪并结合多个光学系统，从而导致系统庞大且通常成本高昂。
Chung等人的美国专利申请公开号US2018/0101018描述了一种光场显示器，包括屏幕、光栅像素阵列和图像生成器。该系统需要光栅像素阵列来显示输出光场图像，从而导致大显示器对功率的要求很高。
Pasolini的美国专利US9,383,591描述了一种微型投影仪装置，其具有用于产生光束的光源、用于将光束引向显示表面的反射镜机构、以及用于为反射镜机构提供驱动信号以产生并减去补偿信号以稳定投影图像的驱动电路。所描述的微型投影仪装置使用陀螺仪来补偿装置的任何运动。该装置可以创建投影图像，但需要额外的光学部件和处理来创建光场。
提供该背景信息的目的是使申请人相信与本发明可能相关的信息为人所知。不一定要承认、也不应解释为任何前述信息构成针对本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供复用光场投影仪装置和复用光场显示器。复用光场投影仪装置或任何其他合适的投影仪装置包括复用装置并且可以布置成阵列以形成复用直接投影光场显示器。复用光场投影仪装置由一个或多个发光二极管、投影仪本体和光学系统组成，该光学系统被配置为使发光二极管产生的多条光线产生复用光场。本发明的另一个目的是提供用于复用以创建高清晰度光场显示器的方法。光场显示器可以是基于投影仪的光场显示器或平板显示器。两种类型都包含复用装置。
在一方面，提供了投影仪，包括：光源，该光源包括发光二极管(LED)；投影光学系统，该投影光学系统包括：至少一个照明光学部件，用于接收来自光源的光并将光引导至单个光线路径；像素形成装置，用于接收来自照明光学部件的光并将所述光转换成像素阵列；以及放大光学部件，用于接收像素阵列；准直光学系统，用于准直来自该像素阵列的光并创建准直投影图像；显示光学系统，该显示光学系统包括显示光学部件；以及复用装置，该复用装置连接到照明光学部件、像素形成装置、放大光学部件和显示光学部件中的至少一个，以移动光线路径以提供复用光场输出。
在实施方案中，照明光学部件包括平凸透镜、二向色镜、微透镜阵列、弯月透镜、双凸透镜、单棱镜和折叠棱镜中的至少一种。
在另一实施方案中，像素形成装置是硅基液晶(LCOS)面板或数字微镜装置(DMD)。
在另一实施方案中，放大光学部件是投影双合透镜或双凸透镜。
在另一实施方案中，准直光学系统包括光场投影(LFP)透镜、双凸透镜和包括多个准直小透镜的准直透镜阵列中的至少一个。
在另一实施方案中，多个准直小透镜中的每个准直小透镜均包括两个平凸透镜。
在另一实施方案中，显示光学部件包括单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面和超透镜中的至少一种。
在另一实施方案中，复用装置包括连接到第一电极和第二电极的电压发生器，并且其中所述第一电极和所述第二电极附接到照明光学部件、像素形成装置、放大光学部件或具有克尔效应的显示光学部件复用装置。
在另一实施方案中，复用装置是位于显示光学系统前面的复用层。
在另一个实施方案中，复用装置是复用致动器。
在另一实施方案中，复用致动器是压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
在另一实施方案中，复用光场输出包括第一位置处的第一图像和第二位置处的第二图像，其中第二图像相对于第一图像偏移小于一个像素宽度的距离。
在另一方面，提供了创建复用光场图像的方法，包括：沿着光线路径从光源产生光线；将光线引导至像素形成装置；将光线转换为像素阵列；放大像素阵列，以形成放大像素阵列；准直放大像素阵列以产生准直投影图像；将准直投影图像引导至显示光学部件以产生光场输出；以及移动光线路径以复用光场输出并产生复用光场图像。
在实施方案中，光线通过一个或多个平凸透镜、二向色镜、微透镜阵列、弯月透镜、双凸透镜、单棱镜和折叠棱镜引导至所述像素形成装置。
在另一实施方案中，通过硅基液晶(LCOS)面板或数字微镜器件(DMD)将所述光线转换成像素。
在另一实施方案中，像素阵列通过投影双合透镜或双凸透镜被光学放大。
在另一实施方案中，放大像素阵列通过光场投影(LFP)透镜、双凸透镜或包括多个准直小透镜的准直透镜阵列来准直。
在另一个实施方案中，该方法还包括：通过向第一电极和第二电极施加电压来移动光线路径，其中该第一电极和第二电极附接到照明光学部件，像素形成装置、放大光学部件或具有克尔效应的显示光学部件复用装置。
在另一个实施方案中，该方法还包括：使用复用层来移动光线路径。
在另一实施方案中，该方法还包括：通过使用一个或多个压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器和基于形状记忆合金的致动器致动投影仪中的光学部件的位置来移动光线路径。
在另一实施方案中，复用光场输出包括第一位置处的第一图像和第二位置处的第二图像，其中第二图像相对于第一图像偏移小于一个像素宽度的距离。
在另一方面，提供了创建复用光场图像的方法，包括：沿着光线路径从光源产生光线；将光线转换为像素阵列；放大像素阵列；准直放大的像素阵列以产生准直投影图像；显示准直投影图像以产生光场输出；以及移动光线路径以复用光场输出并产生复用光场图像。
在该方法的实施方案中，移动光线路径包括：致动投影仪中的可移动光学部件的位置、向能够产生克尔效应的光学部件复用装置施加电压、致动能够变形的光学部件，或者在光线路径中定位复用层。
在另一方面，提供了复用光场投影仪，沿着光路包括：LED光源；投影光学系统，该投影光学系统包括：微透镜阵列；透镜；棱镜；以及像素形成装置；包括透镜的准直光学系统；显示光学系统；以及用于移动光路的复用装置。
在实施方案中，LED光源包括红色、绿色和蓝色光源，并且投影光学系统还包括多个二向色镜以引导来自LED光源的光。
在另一实施方案中，复用装置连接到微透镜阵列、透镜、棱镜、像素形成装置、准直光学系统中的透镜或显示光学系统中的光学部件中的至少一个。
附图说明
在下面参考附图的详细描述中，本发明的这些和其他特征将变得更加明显。
图1示出了根据本发明实施方案的光场投影仪装置的立体图。
图2A示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2B示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2C示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2D示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2E示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2F示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2G示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2H示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图2I示出了具有投影光学系统布置和准直光学系统的复用光场投影仪的配置。
图3A示出了具有投影光学系统布置和替代准直光学系统的复用光场投影仪的替代配置。
图3B示出了具有投影光学系统布置和替代准直光学系统的复用光场投影仪的替代配置。
图3C示出了具有投影光学系统布置和替代准直光学系统的复用光场投影仪的替代配置。
图3D示出了具有投影光学系统布置和替代准直光学系统的复用光场投影仪的替代配置。
图4A示出了投影光学系统布置和准直光学系统的替代配置。
图4B示出了投影光学系统布置和准直光学系统的替代配置。
图4C示出了投影光学系统布置和准直光学系统的替代配置。
图4D示出了投影光学系统布置和准直光学系统的替代配置。
图5A示出了投影光学系统布置和准直光学系统的替代配置。
图5B示出了投影光学系统布置和准直光学系统的替代配置。
图5C示出了投影光学系统布置和准直光学系统的替代配置。
图6A是准直透镜阵列的正视图。
图6B是图6A中的准直透镜阵列的2×4网格的放大视图的示意图。
图6C是图6A中的准直透镜阵列的剖面图的示意图。
图6D是图6A中的准直透镜阵列中的单个透镜的等距视图的示意图。
图7A是工程漫射器的图。
图7B是激光蚀刻工程漫射器的放大图。
图7C是漫射器透镜阵列的放大图。
图8A是显示光学系统显示透镜的图。
图8B是包括超表面(metasurface)的替代显示光学系统的图。
图8C是替代显示光学系统的图。
图9示出了光场投影仪装置的实施方案的单个像素的样本光线路径。
图10示出了光场投影仪装置的替代实施方案的单个像素的样本光线路径。
图11示出了光场投影仪装置的实施方案的单个像素和光学系统组件的样本光线路径。
图12示出了光场投影仪装置的替代实施方案的单个像素和光学系统组件的样本光线路径。
图13示出了光场投影仪装置的替代实施方案的单个像素和光学系统组件的样本光线路径。
图14是工程漫射器阵列中的像素的点扩散函数的图。
图15示出了由光投射仪装置阵列组成的系统的等距视图。
图16示出了由光投射仪装置阵列组成的系统的分解视图。
图17示出了包含3x4显示单元和光场投影仪阵列的光场投影仪装置的替代配置。
图18示出了包含显示单元阵列和用于创建光场显示的所有光学系统的光场投影仪装置的替代配置。该系统可以平铺/堆叠以创建更大的显示。
图19示出了光场投影仪装置的框图。
图20A示出了投影仪和具有光路的投影图像。
图20B示出了投影仪帧中的像素对于活动图像、重叠区域和校正缓冲器的分配。
图21是光场显示器的分解图的等距视图。
图22是光场显示器的示例性实施方案的分解图的等距视图。
图23示出了针对光场显示器的顶视图的根据本公开的复用方法。
图24示出了针对光场显示器的替代实施方案的俯视图的复用方法。
图25示出了复用平板光场显示器的实施方案的顶视图。
图26示出了复用平板光场显示器的替代实施方案的顶视图。
具体实施方式
本文描述的是复用多视图、自动立体和高角分辨率光场显示器。光场显示可在水平和垂直视差下查看。光场显示复用是一种通过在投影仪中移动光路或光场或从投影仪移动光路或光场来增加视图(像素)密度的方法。
一般来说，复用是一次通过链路发送多于一个信号的方法。具体来说，对于光场显示器，复用是在非复用显示器中发送单个帧的时间帧内发送多个图像，对应于每个复用帧的显示器的光学系统中的一些变化。复用图像包括两个或更多个光场图像，每个光场图像被投影到不同的位置。这与仅输出或包括一个投影光场图像的非复用图像或未复用输出形成对比。使用快速帧速率的复用从同一投影仪创建多个图像，可以有效地将光场的图像或像素密度乘以每个复用图像中的图像数量。
开发了基于空间和时间中的光的基于观察者的函数或全光函数的概念来描述视觉系统感知的视觉刺激。全光函数的基本变量取决于并包括观看光的三维(3D)坐标(x,y,z)以及光接近该观看位置的方向，由角度(θ,φ)描述。根据光的波长λ和观察时间t，可得出全光函数：
P(x,y,z,θ,φ,λ,t)
作为全光函数的替代，人们可以使用3D空间中一点处沿着光线的辐射率，并且给定方向可以由光场表示。光场的定义可以等效于全光函数的定义。光场可以被描述为在所有可能的方向上流经所有点的辐射率，作为5D函数。对于静态光场，光场可以表示为标量函数：
L(x,y,z,θ,φ)
其中(x,y,z)表示辐射率与位置的函数关系，光传播方向由(θ,φ)表征。3D现实世界对象的观看者会受到无限视图或连续分布的光场的影响。为了实际上复制这一点，本公开描述了一种直接投影光场显示器，用于将连续分布的光场二次采样为有限数量的视图或多个视图，以近似光场。直接投影光场显示器的输出是光场，它是基于有限数量的视图的连续分布光场的3D表示，其角分辨率超过人眼的角分辨率。
复用光场显示器是通过在时间上或空间上复用或叠加两个或更多图像来实现的。空间复用显示器可以被描述为一种使用透镜、电机或其他等效光学或机械部件与光源结合以在不同视角显示单独视图的显示器。空间复用光场显示器可以为多个观看者或观察者位置产生独特的图像。通过使用相同的硬件创建在不同位置或角度投影的两个或更多个图像，并以比观看者可辨别的速度更快的速度改变图像位置，光场显示器中的像素数量可以有效地乘以复用系统可实现的投影仪图像位置的数量。显示器的最小帧速率介于24-30Hz之间，这是基于人眼无法辨别的最小速率(小于约30Hz)。因此，对于复用系统，帧速率必须以与每帧复用帧数增加相同的系数增加。在一个实施例中，如果正常显示器以30Hz刷新，则具有每个位于不同位置的四个输出光场图像的复用图像需要120Hz的整体帧刷新率，使得四个输出光场中的每个具有至少30Hz的刷新率。因此，使用复用组件快速改变光场投影仪装置中的每个投影仪的投影图像位置可以利用相同的硬件提供像素密度的显著增加。
为了使用本发明的投影仪实现复用和复用图像，将至少一个复用光学元件添加到投影仪中的一个或多个光学部件，以将LED或其下游的光路发射的光线移动期望的量，其速度足够快，以至于人眼无法辨别复用图像。为了创建具有两个不同光场图像的复用图像，投影仪使用复用光学元件来改变光线的投影角度，从投影第一图像的第一位置到第二或下一位置，该第二或下一位置相对于第一图像位置距离小于一个像素宽度并且相对于第一图像的投影方向成期望的角度。这会导致两个图像投影到两个不同的位置，合成图像称为复用图像。可以理解的是，复用投影仪可以使用一个或多个复用装置来创建两个以上的光场图像，从而得到由两个以上的角度偏移的光场图像组成的复用图像。
可以使用各种类型的复用装置。优选地，复用装置是复用致动器、能够产生二次电光效应(也称为克尔效应(Kerr effect))的光学部件、或者能够变形以调节光路方向的光学部件。各种类型的致动器可以用作复用装置以机械地移动投影仪的光学部件以调整光线路径。这些包括但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。能够产生克尔效应的复用装置是由可以响应于所施加的电场来调节材料的折射率的材料制成的部件。已知能够产生二次电光效应的各种材料，并且将这些材料之一的光学部件与能够产生调节材料折射率所需的电场的装置结合使用可以实现相同或相似的复用图像。克尔效应，也称为二次电光(QEO)效应，是材料响应于施加的电场而发生的折射率变化，其中引起的折射率变化与电场的平方成正比，而不是随电场线性变化。所有材料都表现出克尔效应，但某些液体比其他液体显示得更强烈。另外，可以使用投影仪中的可适应光学部件以及能够使可变形光学部件变形的部件来实现光学元件变形以改变光路。自适应光学器件还可用于操纵光学系统中的波前。例如，可变形光学部件(例如镜子)可以在施加外部控制信号时通过改变其形状来校正波前。自适应光学系统中的光学部件的一些非限制性示例是可变形镜和波前传感器。
除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
当本文与术语“包括”结合使用时，词语“一”或“一个”的使用可以表示“一个”，但它也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或一个以上”的含义一致。
如本文所使用的，术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”及其语法变体是包含性的或开放式的，并且不排除附加的、未列举的元件和/或方法步骤。当本文结合组合物、装置、物品、系统、用途或方法使用术语“由......组成”时，排除附加元件和/或方法步骤的存在。本文描述的包含某些元件和/或步骤的组合物、装置、物品、系统、用途或方法在某些实施方案中也可以基本上由那些元件和/或步骤组成，并且在其他实施方案中由那些元件和/或步骤组成，无论这些实施方案是否被具体提及。
如本文所用，术语“约”是指与给定值的大约+/-10％的变化。应当理解，这样的变化总是包括在本文提供的任何给定值中，无论其是否被具体提及。
除非本文另有说明，本文中范围的叙述旨在将范围和落入该范围内的各个值传达至与用于表示该范围的数字相同的位值。
任何示例或示例性语言的使用，例如“诸如”、“示例性实施方案”、“说明性实施方案”和“例如”旨在说明或表示与本发明相关的方面、实施方案、变体、元件或特征，并非旨在限制本发明的范围。
如本文所使用的，术语“连接”和“已连接”指的是本公开的元件或特征之间的任何直接或间接的物理关联。因此，这些术语可被理解为表示部分或完全彼此包含、附接、耦合、布置在其上、接合在一起、连通、可操作地关联等的元件或特征，即使存在介于被描述为连接的元件或特征之间的其他元件或特征。
如本文所使用的，术语“像素”指的是用于创建显示器的空间离散的光发射机制。
如本文所使用的，术语“子像素”指的是具有容纳在光学微腔内的发光器件的结构。光学微腔与多个反射表面可操作地关联以基本上准直、操纵或调谐光。至少一个反射表面是连接到光学微腔以将光传播出微腔的光传播反射表面。本公开提供了可单独寻址的红色、绿色和蓝色(RGB)子像素。目前描述的子像素尺寸在纳米级至几微米范围内，其明显小于本领域先前已知的像素尺寸。
如本文所使用的，术语“光场”在基本层面上指的是描述在没有遮挡的情况下沿各个方向流经空间中的点的光量的函数。因此，光场将辐射率表示为自由空间中光的位置和方向的函数。光场可以通过各种渲染过程综合生成，或者可以从光场相机或光场相机阵列捕获。
如本文所使用的，术语“光场显示器”是一种根据输入到装置的有限数量的光场辐射率样本来重建光场的装置。辐射率样本包含源自相同颜色LED的红色、绿色和蓝色(RGB)颜色分量。对于光场显示器中的重建，光场也可以理解为从四维空间到单一RGB颜色的映射。这四个维度包括显示器的垂直维度和水平维度以及描述光场的方向分量的两个维度。光场可以定义为函数：
LF:(x,y,u,v)→(r,g,b)
对于光场中的固定点xf,yf，LF(xf,yf,u,v)表示被称为“元素图像”的二维(2D)图像。元素图像是来自固定xf,yf位置的光场的定向图像。当多个元素图像并排连接时，所得到的图像被称为“积分图像”。积分图像可以理解为光场显示器所需的整个光场。
如本文所使用的，术语“LFP透镜”是指光场投影透镜。LFP透镜的作用是准直入射光。
如本文所用，首字母缩略词“FWHM”是指“半高全宽(Full-Width at HalfMaximum)”，其是由自变量的两个极值之间的差给出的函数范围的表达，在两个极值处，因变量等于其最大值的一半。
如本文所使用的，术语“hogel”是全息像素的替代术语，全息像素是具有方向控制的传统像素的簇。hogel阵列可以产生光场。正如像素描述二维显示器的空间分辨率一样，全息像素或hogel描述三维显示器的空间分辨率。
如本文所用，术语“hogel节距”是指从一个hogel的中心到相邻的hogel的中心的距离。
如本文所使用的，术语“光学镜”是指以这样的方式反射光的物体，使得对于某些波长范围内的入射光，反射光保留原始光的许多或大部分详细物理特性。这也可以称为镜面反射。两个或更多个镜子完全平行对齐并彼此面对可以产生无限的反射回归，也称为无限镜面效果。
如本文所使用的，术语“像素节距”指的是从一个像素的中心到下一像素的中心的距离。
如本文所使用的，术语“像素阵列”指的是hogel内部的像素阵列。
如本文所使用的，术语“波长”是波中两个相同峰(高点)或谷(低点)之间的距离的量度，波是行进能量(例如光或声音)的重复模式。
如本文所使用的，术语“模拟”是指对象或物理现象的计算机模型。例如，模拟可用于研究或开发和完善制造规范。可以使用各种模拟方法，包括但不限于以下：时域有限差分(FDTD)；光线追踪；有限元分析(FEA)；以及有限元法(FEM)。
如本文所使用的，光场显示器的一个或多个参数包括以下一项或多项：hogel节距、像素节距和焦距。术语“像素”指的是红色、绿色和蓝色子像素的集合。像素节距定义为从一个像素的中心到下一个像素的中心的距离。如本文所使用的，像素阵列指的是hogel内部的像素阵列。hogel是全息像素的替代术语，全息像素是具有方向控制的传统像素簇。hogel阵列可以产生光场。因此，hogel节距定义为从一个hogel的中心到相邻的hogel的中心的距离。透镜的视场角由其焦距定义。一般来说，焦距越短，视野就越宽。应当注意，焦距是从透镜的后主平面测量的。透镜的后主平面很少位于成像透镜的机械后部。因此，系统的近似值和机械设计通常使用计算机模拟来计算。
预期本文公开的组合物、装置、制品、方法和用途的任何实施方案可由本领域技术人员按原样实施，或通过做出这样的变化或等同物实施，而不脱离本发明的范围。
本文描述的是能够提供复用光场显示器的复用光场投影仪装置。本发明的光场投影仪装置可用于多视图、自动立体和高角分辨率的光场显示器。光场显示器还可以以水平和垂直视差来观看。为了改进当前的直接投影光场显示器设计，本公开描述了专门设计用于创建复用光场显示器以最小化像素尺寸并优化显示器观看参数的投影仪。在本公开中，描述了光场投影(LFP)透镜设计，其利用光学器件的设计来填充主体前面的全孔径。LFP透镜创建的图像具有较小的发散度，允许投影仪图像在边缘重叠，同时仍然允许后续光学架构创建光场。
在正常操作中，光场投影仪装置接收来自一个或多个光源的光，并使用投影光学系统中的照明光学部件将光引导到像素形成装置上。照明光学部件可以包括但不限于平凸透镜、二向色镜、微透镜阵列、弯月透镜、双凸透镜、单棱镜或折叠棱镜。像素形成装置将从照明光学部件传入的光转换分成多个像素。进入像素形成装置的光源自照明光学系统中的一个或多个发光二极管(LED)，并被像素形成装置转换成像素阵列。来自像素形成装置的光然后行进穿过放大光学部件中的一系列投影光学部件或投影光学器件，放大光学部件用于放大来自像素形成装置的像素阵列以形成放大的像素阵列。放大光学部件可以是投影双合透镜、双凸透镜或任何其他合适的光学部件。来自投影光学系统的光然后在准直光学系统中被准直以产生准直投影图像。这需要拍摄具有高像素密度的小图像并对光进行准直，从而产生具有最小发散、低发散或无发散的光线阵列。当有很少发散的入射光或没有发散的入射光时，投影仪中的显示透镜发挥最佳作用，因此准直光学系统向显示光学系统中的显示透镜提供基本准直的光。
传统的投影仪通常被配置为创建具有粗像素密度的大图像，例如，大约每平方毫米1个像素，假设典型的投影图像尺寸和房间尺寸或到投影屏幕的距离。当前描述的投影仪提供了高得多的像素密度，大约为每平方毫米10,000个像素。本系统中的投影光学器件被设计为具有低放大倍数，以克服由多个投影装置产生的图像所创建的平铺效应，但没有显著的放大倍数以干扰像素密度。为了创建光场显示器，来自多个投影仪装置的光场图像输出被平铺在一起以创建完整的光场图像。如果两个投影图像之间的光场图像存在中断，则可能会在来自每个没有投射光的照明装置的光场图像输出之间产生暗缝或界面，从而产生类似尖桩栅栏的效应或平铺效应，每个投影装置的输出之间的接缝处有尖桩。当前描述的投影仪装置通过放大由显示装置形成的图像来克服平铺问题。通过放大来自显示装置的图像，显示光学系统透镜输出处的图像因此至少与投影仪本身的物理尺寸一样大，从而确保由投影仪装置阵列创建的光场图像之间的重叠。投影光学系统将光放大到足以克服平铺效应，但不足以牺牲像素密度。由此实现了光场显示器所需的高像素密度。假设良好的视敏度和最佳观看条件，人眼只能分辨大约35微米的像素尺寸。在没有显示透镜的情况下，目前描述的投影仪实现的像素密度约为10微米。因此，由本投影仪装置创建的图像看起来流畅、清晰且无像素化。
一般而言，本领域已知的光场显示器需要非常高亮度的投影仪。当前描述的光场投影仪装置的一个优点是降低了对投影仪本身的亮度要求。当前描述的投影仪的降低的亮度要求是通过设计光场投影仪装置的光学系统控制光的角度分布的能力以及对光束应用点扩散函数来实现的。控制光的角度分布的能力和所应用的点扩散函数确保了高效的光输出和最小的损失。降低的亮度要求可能允许使用小型LED，而没有内部冷却要求，从而缩小装置的整体占地面积。如果当前描述的设计的两个或更多个光场投影仪彼此组合使用，则还可以实现更紧密的封装密度。
基于投影仪阵列的显示器可能对设计提出挑战，至少由于需要将许多密集定向的投影仪包含在小空间中并精确对准。目前描述的投影仪底座内的光学部件的定向与用于光的准直和漫射的多个光学系统相结合可以实现减小的像素尺寸、最小的投影仪占地面积、针对更大显示器的完全可扩展的设计、减小的公差约束以及减小的与多光学系统的光场显示设计的色差。
光场投影仪的各种特征将从下面结合附图中图示的详细描述变得显而易见。本文所公开的光场投影仪装置和结构的设计参数、设计方法、构造和使用是参考代表实施方案的各种实施例来描述的，这些实施方案并不旨在限制本文所描述和要求保护的本发明的范围。本发明所属领域的技术人员将理解，可以存在本文未公开的本发明的其他变型例、实施例和实施方案，它们可以根据本公开的教导来实践而不脱离本发明的范围。
光场显示器需要可实现的最小像素尺寸以增加显示器的空间和/或方向分辨率。对于直接投影光场显示中使用的光场投影仪，像素尺寸由投影仪焦距处活动区域的投影图像尺寸决定，其中单个投影仪的总空间必须与图像尺寸相同。如果像素填充其所在的整个空间，则像素之间的间距或像素节距等于像素大小。参数像素节距和hogel节距定义了观看者的体验，因为它们决定了显示器的空间分辨率和景深。hogel节距越小，光场显示器的空间分辨率越高。hogel内的像素数量越多，显示器的景深就越高。增加像素密度使设计者能够根据应用实现不同的光场显示设计，例如通过增加hogel节距来增加景深，降低空间分辨率。
为了实现最小的像素尺寸，必须最小化单个投影仪所占据的空间。最小化投影仪占地面积的一种方法是直接安装策略，其中投影仪阵列中的投影仪本体直接安装到底盘，在相邻投影仪之间留下最小的空间，如图16所示。投影仪的占地面积尽可能接近投影仪中使用的显示装置的尺寸。直接安装投影仪会导致失去在显示器中调整投影仪对准的机械方法，从而需要数字投影仪校正方法，使得在每个投影仪的活动区域之外允许额外数量的校正像素。这些校正像素允许在显示装置的x维度和y维度上偏移投影仪框架，以校正6个自由度的未对准。
校正所需的像素数量与投影仪阵列系统的机械设计直接相关，其中以尽可能小的公差安装投影仪导致所需的校正像素的数量最少。数字校正的实施例将单个投影仪帧中的像素划分为光场图像、重叠像素和校正缓冲区。校正缓冲区是根据投影仪阵列的定义的容差和最大像素未对准来确定的。例如，如果整个投影仪图像分辨率为2048x1080，则可以划分投影仪图像中的像素，使得投影仪光场图像具有1944x1000的分辨率，与相邻投影仪有20个像素重叠。重叠像素使用相邻投影仪显示重复数据，并应用强度函数来混合平铺显示。光场帧和重叠像素的分辨率为1984x1040像素，并且还必须考虑由于光学校正(例如畸变和色差)而导致的图像尺寸的增加。此1984x1040分辨率图像与显示装置中心的偏移量在2048x1080范围内，以允许校正每个投影仪的未对准，相当于x方向上的64个像素和y方向上的40个像素。在此实施例中，最大投影仪占地面积的计算方法为光场投影仪分辨率乘以光场显示器中的等效像素大小。
给出了投影仪和显示器校准过程的概要。首先通过在显示器的整个颜色范围内表征投影仪输出，为每个投影仪生成与显示器的指定白点相关的校准文件。每台投影仪的校准会改变LED电压、电流和混合比，以实现整个显示器的颜色均匀性，同时确保每个颜色步骤的强度在指定的容差值内。投影仪校准可以通过安装在显示器中的投影仪来执行，也可以在安装之前使用已校准的成像装置(例如光度计、色度计或数码单镜反光相机(DSLR))来使用单独的投影仪来执行。在此阶段期间，可以应用对畸变、扭曲或其他基于投影仪的量的光学校正。
在下一步骤中，显示光学系统被安装在显示系统中，使得可以校正任何强度不均匀性。根据透镜的数量和光学器件的光学质量，可能不需要此步骤。将光场投影仪装置安装到显示器中后，在显示器表征和校正之前确定并设置投影仪数字偏移。每个投影仪中的光场投影仪框架都会被照亮，并且使用DSLR通过迭代过程自动确定数字偏移。每个投影仪都需要一组独立的值。确定偏移值后，投影仪中指定为与相邻投影仪重叠的附加像素被照亮。为每个投影仪分配默认系数集，注明外边缘投影仪的不同系数。然后在自动程序中更新系数以实现所需的混合。最后一步是光场显示器校准，用于测量从投影仪像素到光场像素的像素到像素的对应关系。
光场投影仪的复用可以通过空间或时间复用技术来实现，如先前所描述的。本公开的目的是描述用于光场投影仪的复用方法。复用光场显示器是通过在时间上或空间上复用或叠加由单个投影仪生成的两个或更多个光场图像来实现的，以为多个观看者或观察者位置提供多个独特的图像。空间复用显示器可以被描述为一种使用透镜、电机或其他等效光学或机械部件与光源结合以在不同视角显示单独视图的显示器。在一个实施例中，可以通过向所公开的光场投影仪装置添加致动器装置来实现复用。致动器可以被定义为机械和/或电气部件，其在一个维度或两个维度上移动光学元件，以将来自投影仪的光以像素尺寸的某个分数距离移位。这在本文中被称为“复用致动器”。
图1示出了光场投影仪装置的等距视图。所有光学部件可以包含在投影仪壳体60或者固定部件的任何其他壳体或结构内。由投影光学系统中的一组LED产生的光场图像通过包括光场投影(LFP)透镜的准直光学系统18投影。所示的光场投影仪装置还包括柔性印刷电路(FPC)130，也称为光场投影仪柔性电缆，以将光场投影仪装置和光源连接至驱动电子器件。光场投影仪本体用于容纳并固定投影仪装置中的光学部件。替代的投影仪本体配置可以包括一个或多个单个表面或结构，光学部件可以固定到一个或多个单个表面或结构或保持在一个或多个单个表面或结构就位。
图2A示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2A示出了如图所示的投影光学系统14的布置，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由光场投影(LFP)透镜98构成。在操作中，光场投影仪装置接收来自一个或多个光源的光并使用照明光学部件将光引导到显示装置上。像素形成装置将来自照明光学部件的光转换成多个像素。进入显示装置的光源自照明光学系统中的一个或多个发光二极管(LED)，并由显示装置转换成像素阵列。然后，来自显示装置的光穿过一系列投影光学部件或投影光学器件，这些投影光学部件或投影光学器件用于放大来自显示装置的图像。然后来自投影光学系统的光被准直。准直光学系统产生具有高像素密度的小图像并对光进行准直，产生具有最小发散、低发散或无发散的光线。图2A还包括显示光学系统22。显示光学系统包括显示透镜，并且当有很少发散的入射光或没有发散的入射光时最佳地工作，因此准直光学系统向显示光学系统22中的显示透镜提供基本上准直的光。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。可以通过使用复用致动器沿第二轴116或第三轴122移动LFP透镜98来实现复用，该复用致动器被编程为将传入像素移动例如对应于等效帧的四分之一或半整数像素值以根据设计在一个方向上创建额外的像素。还可以通过由包括致动器的复用装置沿第二轴116和第三轴122将LFP透镜98在每个方向上移动某个四分之一或半整数像素值来实现复用，其中每次移动的结束对应于一帧，增加两个方向上的有效像素。复用还可以通过LFP透镜98的变形或操纵材料的折射率来实现，以实现两个方向上的有效分辨率增加。
图2B示出了具有复用的光场投影仪配置的另一个实施方案。图2B示出了如图所示的投影光学系统14布置，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由LFP透镜98构成。图2B还包括显示光学系统22。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。图2B示出了复用的实施方案，其中LFP透镜98通过复用装置沿第一轴114朝正z方向移动，以稍微增加投影仪图像中的像素的发散度，从而将图像平面处的投影仪图像的尺寸增加一定量，该量引起例如等效的四分之一或半整数像素值位移。类似地，LFP透镜98可以通过复用装置沿负z方向移动以减小发散度，从而根据设计的空间限制在成像平面处创建更小的投影仪图像。该移动可以例如通过复用致动器来实现。
图2C示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2C示出了如图所示的投影光学系统14布置，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由LFP透镜98构成。图2C还包括显示光学系统22。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该实施方案中，像素形成装置76可以是例如硅上液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或使用复用致动器或其他合适的部件或复用方法操纵的其他显示装置。如图2C所示，为了实现复用，可以使用诸如复用致动器的复用装置沿着第一轴114、第二轴116或两个轴的组合移动像素形成装置76。像素形成装置76的位置的操纵与输入图像同步，使得装置的移动增加在一个维度或两个维度上的分辨率。
图2D示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2D示出了将光线路径引导至准直光学系统18的投影光学系统14布置，其中准直光学系统18由LFP透镜98构成。图2D还包括显示光学系统22。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该实施方案中，通过使用诸如复用致动器之类的复用装置沿第二轴116、第三轴122或沿两个轴与输入帧同步地操纵折叠棱镜74的角度和/或位置以提高一个或两个方向上的有效分辨率来实现复用。多路致动器可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图2E示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2E示出了将光线路径引导至准直光学系统18的投影光学系统14，其中准直光学系统18由LFP透镜98构成。图2E还包括显示光学系统22。投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中，如图1所示。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。图2E示出了所公开的具有复用的光场投影仪配置的实施方案。在该实施方案中，复用装置124与折叠棱镜74和像素形成装置76成一直线。复用装置124是机械装置，其在这种情况下移动折叠棱镜74的位置和/或角度，以移动光路并从投影仪创建一个或多个附加光场。复用装置124的受控致动使得能够以超过人眼的速度和角分辨率的速度和角分辨率形成附加光场，使得观看者无法察觉到该致动。这允许两个部件通过复用装置124在x、y或z方向或其任意组合上以1D或2D方式移动，复用装置124可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图2F示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2F示出了如图所示的投影光学系统14布置，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由LFP透镜98构成。图2F还包括显示光学系统22。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该实施方案中，复用装置124是复用致动器，其连接到折叠棱镜74和像素形成装置76以将这些部件移动预期量以增加投影仪装置在x、y或z方向或其任意组合上的有效分辨率。
图2G示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2G示出了如图所示的投影光学系统14布置，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由LFP透镜98构成。图2G还包括显示光学系统22。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。图2G示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。在该实施方案中，使用复用致动器或其他合适的部件或复用方法来操纵第二双凸透镜72b。具体地，第二双凸透镜72b可以被配置为使得其可以例如沿着第二轴116、第三轴122或以任何组合移动，每个移动的端点具有等效框架以增加输出装置的有效分辨率。在另一实施方案中，第二双凸透镜72b可以由能够响应于所施加的电场而改变折射率的材料制成，并且连接到能够改变施加到第二双凸透镜72b的电场的复用装置。这将允许元件72b的焦点以等于输入帧速率的频率移位校准量，以增加有效分辨率。对于通过光学部件的变形实现复用装置的实施方案，光学部件可以由可变形或弹性材料制成，其中变形改变透镜表面的曲率。适合形成光学部件的可变形或弹性材料包括但不限于由弹性体聚(乙烯-辛烯)层和玻璃状聚合物聚碳酸酯层组成的聚合物；两种不混溶的液体，例如超纯水和聚二甲基硅氧烷；以及与介电弹性体致动器粘合的硅酮弹性体透镜。可以通过向光学部件施加物理力以使材料变形来实现变形。这可以通过但不限于压电换能器、热驱动、液晶、电润湿、可调声折射率梯度和介电弹性体致动来完成。在最简单的应用中，变形可以是二元的，使得第一配置具有第一透镜曲率并且第二配置具有第二曲率。任何可以连接到复用装置以产生适当电压的电源都可以与可变形光学部件结合使用。
在另一个实施方案中，复用是通过改变光学部件的折射率来实现的。在第一种情况下，光学部件的材料受到施加的电压，导致其折射率发生变化。可以基于所施加的电压以校准方式控制折射率变化。折射率的变化对应于进一步导致与原始输出不同的角输出的折射。在最简单的应用中，光学部件的折射率的变化可以是二进制的或校准二进制的，其中第一电压的施加产生第一折射率并且第二电压的施加产生第二折射率。在另一种情况下，可以向光学部件的材料施加电压差，使得材料具有电阻特性。在这种情况下，附接到光学部件的两个电极之间会出现电压降，从而导致材料中产生折射率梯度。这可能是有益的，因为可以在整个表面上实现角输出的变化，这为入射到光学部件上的像素提供角梯度。合适的光学部件材料可以是具有电可调光学特性的半导体材料，其可以包括但不限于二硫化钼(MoS2)单层；五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)层；以及超表面，例如带有铝栅的氧化铟锡(ITO)超表面、与石墨烯和非晶硅制成的介质间隔物耦合的超表面、hBN/MoS2/hBN组成的范德华异质结构(van der Waals heterostructure)等。任何可以连接到复用装置以产生适当电压的电源都可以与具有可修改折射率的光学部件结合使用。
图2H示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2H示出了如图所示的投影光学系统14布置，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由LFP透镜98构成。图2H还包括显示光学系统22。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面、或超透镜。图2H示出了复用技术，其中第一投影双合透镜78a或第二投影双合透镜78b的位置由复用装置沿着第一轴114操纵。在实施例中，移动投影双合透镜之一将改变投影系统的焦点并增加或减小投影仪图像的放大率。例如，如果元件78a的移动将图像尺寸增加了某个像素/4或像素/2整数，则对应于输入帧，将在两个维度上发生复用效应，从而增加有效分辨率。由于需要轻微的移动，这可以通过使用小型压电换能器来实现。
图2I示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。图2I示出了如图2I所示的投影光学系统14的布置，将光线路径引导至准直光学系统18。图2I还包括直接位于显示光学系统22之前的本文称为复用层118的附加光学部件。投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中，如图1所示。在该实施方案中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED 10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到LFP透镜98。光线路径继续到复用层，然后到显示光学系统22。从显示光学系统22投影的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。可以使用一个或多个复用装置来实现复用，如其他实施方案中所描述的，但是另外，在此配置中，可以通过改变附加复用层118的折射率来实现复用。这是作为复用层118来实现的，复用层118能够实现克尔效应，是一种由这样的材料制成的部件：其中材料的折射率可以响应于所施加的电场而被调整。已知能够产生二次电光效应的各种材料，并且将这些材料之一的光学部件与能够产生调节材料折射率所需的电场的装置结合使用可以实现相同或相似的复用图像。这可以在一个维度和/或两个维度中实现。
图3A示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。该配置包括一系列光学系统，其中投影光学系统14布置如图所示，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由双凸透镜72c组成。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在此配置中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列两个二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后，光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括另一个双凸透镜72c，直到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。
可以通过使用复用致动器沿着第二轴116或第三轴122移动双凸透镜72c来实现复用，该复用致动器被编程为将传入像素移动对应于等效帧的某个四分之一或半整数像素值，以根据设计在一个方向上创建附加的像素。还可以通过将双凸透镜72c沿第二轴116和第三轴122在每个方向上移动某个四分之一或半整数像素值来实现复用，其中每次移动的结束对应于一帧，从而增加了两个方向上的有效像素。复用还可以通过双凸透镜72c的变形或操纵材料的折射率以实现两个方向上的有效分辨率增加来实现。另外，双凸透镜72c可沿第一轴114朝正z方向移动，以稍微增加投影仪图像中像素的发散度，从而将投影仪图像在图像平面处的尺寸增加一定量，从而导致等效的四分之一或半整数像素值移位。类似地，双凸透镜72c可以在负z方向上移动以减小发散度，从而根据设计的空间限制在成像平面处创建更小的投影仪图像。其他复用技术还可以包括操纵像素形成装置76，其可以是例如硅上液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或使用复用致动器的其他显示装置。如图3A所示，像素形成装置76可沿第一轴114、第二轴116或两个轴的组合移动。像素形成装置76的位置的操纵与输入图像同步，使得装置的移动增加在一个维度或两个维度上的分辨率。还可以通过使用复用致动器沿第二轴116、第三轴122或沿两个轴与输入帧同步地操纵折叠棱镜74以增加一个或两个方向上的有效分辨率来实现复用。
如图3A所示的投影仪配置还可以通过使用复用致动器或其他合适的部件或复用方法来操纵第二双凸透镜72b来进行复用。在实施例中，第二双凸透镜72b可沿第二轴116、第三轴122或第一轴114、第二轴116或第三轴122中的任何一个以任何组合移动，在每个移位的端点处有等效的框架，以提高输出装置的有效分辨率。第二双凸透镜72b还可以用响应于所施加的电场或克尔效应而改变折射率的晶体或其他材料来制造，并且与能够可控地施加所需的电以产生所需的折射率的变化的装置结合。这将允许元件72b的焦点以等于输入帧速率的频率移动校准量，以增加有效分辨率。图3A所示的附加复用技术是这样的复用技术：其中第一投影双合透镜78a或第二投影双合透镜78b的位置沿第一轴114被操纵。沿第一轴114移动投影双合透镜78a、78b之一或改变投影双合透镜78a、78b之间的距离，将改变投影系统的焦点并增加或减少投影仪图像的放大率。例如，如果投影双合透镜78a的移动将图像尺寸增加了某个像素/4或像素/2整数，则对应于输入帧，将在两个维度上发生复用效应，从而增加有效分辨率。由于需要轻微的移动，例如可以通过使用小型压电换能器来实现该移动。
图3B示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。该配置包括一系列光学系统，其中投影光学系统14布置如图所示，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由双凸透镜72c构成。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在此配置中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列两个二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后，光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括另一个双凸透镜72c，直到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该实施方案中，复用装置124是与折叠棱镜74和像素形成装置76成一直线并连接到折叠棱镜74和像素形成装置76的复用致动器。这允许两个部件通过复用装置124在x、y或z方向或其任意组合上在一个维度、两个维度或三个维度上移位。复用装置124可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图3C示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。该配置包括一系列光学系统，其中投影光学系统14布置如图所示，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由双凸透镜72c构成。如图1所示，投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中。在此配置中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED 10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，LED10a、10b、10c中的每一个分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列两个二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单个光线路径。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后，光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括另一个双凸透镜72c，直到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该实施方案中，复用装置124是与折叠棱镜74和像素形成装置76相邻放置的复用致动器，以在x、y或z方向或其任意组合上将这些部件移动预期量，以实现复用光场输出112以增加投影装置的有效分辨率。
图3D示出了具有复用的光场投影仪配置的实施方案。该配置包括一系列光学系统，其中投影光学系统14布置如图所示，并将光线路径引导至准直光学系统18，其中准直光学系统18由双凸透镜72c构成。图3D还包括直接位于显示光学系统22之前的复用层118。投影光学系统14和准直光学系统18容纳在光场投影仪本体中，如图1所示。图3D还包括直接位于显示光学系统22之前的复用层118。在该配置中，从绿色LED 10a、红色LED 10b和蓝色LED10c发射的光被引导至投影光学系统14。所示的投影光学系统14具有一系列三个平凸透镜80a、80b、80c，每个LED 10a、10b、10c分别对应一个平凸透镜，来自各个LED的光被引导通过该平凸透镜。源自三个LED 10a、10b、10c的三个单独的光线路径然后被引导通过一系列两个二向色镜66a、66b并且被合并以形成单个光线路径。二向色镜66a允许来自LED 10a的绿光的透射以及来自LED 10b的红光的反射。类似地，二向色镜66b允许来自LED 10a和10b的绿光和红光的透射，以及从LED 10c透射的蓝光的反射。红光、绿光和蓝光由此合并形成单条光路。然后光依次穿过微透镜阵列68、弯月透镜70、第一双凸透镜72a和折叠棱镜74。穿过折叠棱镜74的光线路径被引导至像素形成装置76。像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或其他显示装置。然后，光线路径返回通过折叠棱镜74到达第二双凸透镜72b并穿过而到达一系列投影双合透镜78a和78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18包括另一个双凸透镜72c。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单个透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该配置中，可以通过改变附加复用层118的折射率来实现复用。在该配置中用作复用器件的复用层118可以是例如具有栅极可调谐响应的光调制器、具有周期和对称性可调谐自组装纳米图案的超材料或多层纳米层可调谐材料的形式。在该实施例中，可以在一个维度或两个维度中实现光路重定向。
图4A示出了并入并容纳在如图1所示的光场投影仪本体中的投影光学系统14和准直光学系统18的替代配置。在这一配置中，从LED封装100中的光源发出的光被引导至投影光学系统14。LED封装100可以包括一个或多个LED，这些LED产生多条光线，多条光线被引导至投影光学系统14中。当LED封装100具有多个LED时，多个LED优选地以阵列或密装配置(closely-packed configuration)布置，使得从LED封装100发射的光相对聚焦并且具有小直径。LED封装100还可以包括一种或多种颜色的LED，这取决于系统设计。优选地，LED封装100包括至少三个LED，绿色、红色和蓝色各一个。投影光学系统14由接收来自LED封装100的光的照明光学系统构成。首先，光从LED封装100接收到平凸透镜80。然后将光线路径引导至第一双凸透镜72a，之后是一对弯月形透镜70a、70b，然后穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径然后被引导至折叠棱镜74和像素形成装置76，像素形成装置76优选地是数字微镜装置(DMD)，然后返回穿过折叠棱镜74。光线路径继续穿过具有第二双凸透镜72b的放大光学部件，后面是一系列投影双合透镜78a、78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18是LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。可以利用复用装置通过使用复用致动器沿第二轴116或第三轴122移动LFP透镜98来实现复用，该复用致动器被编程为将传入像素移位对应于等效帧的某个四分之一或半整数像素值，以根据设计在一个方向上创建额外的像素。复用还可以通过将LFP透镜98沿第二轴116和第三轴122在每个方向上移位某个四分之一或半整数像素值来实现，其中每次移动的结束对应于一帧，从而增加在两个方向上的有效像素。复用还可以通过LFP透镜98的变形或操纵材料的折射率来实现，以实现两个方向上的有效分辨率增加。另外，LFP透镜98可以沿第一轴114朝正z方向移动，以稍微增加投影仪图像中的像素的发散度，从而将投影仪图像在图像平面处的尺寸增加一定量以引起等效的四分之一或半整数像素值移位。类似地，LFP透镜98也可以在负z方向上移动以减小发散度，从而根据设计的空间限制在成像平面处创建更小的投影仪图像。
复用技术还包括操纵像素形成装置76，该像素形成装置76可以是例如硅上液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或使用复用致动器或其他合适的部件或复用方法的其他显示装置。如图4A所示，像素形成装置76可沿第一轴114、第二轴116或两个轴的组合移动。像素形成装置76的位置的操纵与输入图像同步，使得装置的移动增加一个维度或二个维度上的分辨率。还可以通过使用复用致动器沿第二轴116、第三轴122或沿两个轴与输入帧同步地操纵折叠棱镜74以增加一个或两个方向上的有效分辨率来实现复用。如图4A所示的投影仪配置可以通过使用复用致动器或其他合适的部件或复用方法操纵第二双凸透镜72b来复用。第二双凸透镜72b可沿第二轴116、第三轴122或任何组合移动，每个移动的端点具有等效帧，以增加输出装置的有效分辨率。等效实施方案将包括用晶体材料制造元件72b，该晶体材料响应于所施加的电场或克尔效应而改变折射率。这将允许元件72b的焦点以等于输入帧速率的频率移动校准量，以增加有效分辨率。图4A所示的附加复用技术是这样的复用技术：其中，第一投影双合透镜78a或第二投影双合透镜78b的位置沿第一轴114被操纵。移动投影双合透镜之一将改变投影系统的焦点并增加或减小投影仪图像的放大倍率。例如，如果元件78a的移动将图像尺寸增加了某个像素/4或像素/2整数，则对应于输入帧，将在两个维度上发生复用效应，从而增加有效分辨率。由于需要轻微的移动，这可以通过使用小型压电换能器来实现。
图4B示出了并入并容纳在如图1所示的光场投影仪本体中的投影光学系统14和准直光学系统18的替代配置。在这一配置中，从LED封装100中的光源发出的光被引导至投影光学系统14。LED封装100可以包括一个或多个LED，这些LED产生多条光线，多条光线被引导至投影光学系统14中。当LED封装100具有多个LED时，多个LED优选地以阵列或密装配置布置，使得从LED封装100发射的光相对聚焦并且具有小直径。LED封装100还可以包括一种或多种颜色的LED，这取决于系统设计。优选地，LED封装100包括至少三个LED，绿色、红色和蓝色各一个。投影光学系统14由接收来自LED封装100的光的照明光学系统构成。首先，光从LED封装100接收到平凸透镜80。然后光线路径被引导到第一双凸透镜72a，随后是一对弯月形透镜70a、70b，然后穿过单个棱镜82。然后，穿过棱镜82的光线路径被引导到折叠棱镜74和像素形成装置76，像素形成装置76优选地是数字微镜装置(DMD)，然后穿过折叠棱镜74返回。光线路径继续穿过具有第二双凸透镜72b的放大光学部件，随后是一系列投影双合透镜78a、78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18是LFP透镜98。LFP透镜98用于准直入射光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该实施方案中，复用装置124与单个棱镜82、折叠棱镜74和像素形成装置76成一直线。这允许复用装置124在x、y或z方向或其任意组合上以1D或2D方式移动两个部件，复用装置可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图4C示出了如图1所示的并入并容纳在光场投影仪本体中的投影光学系统14和准直光学系统18的替代配置。在这一配置中，从LED封装100中的光源发出的光被引导至投影光学系统14。LED封装100可以由一个或多个LED组成，这些LED产生多条光线，多条光线被引导至投影光学系统14中。当LED封装100具有多个LED时，多个LED优选地以阵列或密装配置布置，使得从LED封装100发射的光相对聚焦并且具有小直径。LED封装100还可以包括一种或多种颜色的LED，这取决于系统设计。优选地，LED封装100包括至少三个LED，绿色、红色和蓝色各一个。投影光学系统14由接收来自LED封装100的光的照明光学系统构成。首先，光从LED封装100接收到平凸透镜80。然后将光线路径引导至第一双凸透镜72a，之后是一对弯月形透镜70a、70b，然后穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径然后被引导至折叠棱镜74和像素形成装置76，像素形成装置76优选地是数字微镜装置(DMD)，然后返回穿过折叠棱镜74。光线路径继续穿过具有第二双凸透镜72b的放大光学部件，随后是一系列投影双合透镜78a、78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18是LFP透镜98。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该实施方案中，复用装置124连接到单个棱镜82、折叠棱镜74和像素形成装置76，以将这些部件移位预期量，从而产生复用光场输出112，从而增加投影仪装置的有效分辨率。
图4D示出了如图1所示的被并入并容纳在光场投影仪本体中的投影光学系统14和准直光学系统18的替代配置。图4D还包括直接位于显示光学系统22之前的复用层118。在该配置中，从LED封装100中的光源发射的光被引导至投影光学系统14。LED封装100可以包括一个或多个LED，LED产生被引导到投影光学系统14中的多个光线。当LED封装100具有多个LED时，多个LED优选地布置成阵列或密装配置，使得从LED封装100发出的光相对聚焦且直径较小。LED封装100还可以包括一种或多种颜色的LED，这取决于系统设计。优选地，LED封装100包括至少三个LED，绿色、红色和蓝色各一个。投影光学系统14由接收来自LED封装100的光的照明光学系统构成。首先，光从LED封装100接收到平凸透镜80。然后将光线路径引导至第一双凸透镜72a，之后是一对弯月形透镜70a、70b，然后穿过到达单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径然后被引导至折叠棱镜74和像素形成装置76，像素形成装置76优选地是数字微镜装置(DMD)，然后返回穿过折叠棱镜74。光线路径继续穿过具有第二双凸透镜72b的放大光学部件，后面是一系列投影双合透镜78a、78b。然后光线路径继续到准直光学系统18，在该实施方案中准直光学系统18是LFP透镜98。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。在该配置中，可以通过改变附加复用层118的折射率来实现复用。这可以在例如一个维度或两个维度中实现。
图5A示出了并入如图1所示的光场投影仪本体中的投影光学系统14和准直光学系统18的配置。在此配置中，从发光二极管(LED)10或发光二极管(LED)封装100发射的光被引导到投影光学系统14。LED封装100可以包括一个或多个LED，LED产生多条光线，多条光线被引导到投影光学系统14中。当LED封装100具有多个LED时，多个LED优选地布置成阵列或密装配置，使得从LED封装100发射的光相对聚焦且直径较小。LED封装100还可以包括一种或多种颜色的LED，这取决于系统设计。优选地，LED封装100包括至少两个LED。来自LED 10的光被引导通过其自身的平凸透镜80a，并且从LED封装100发射的光被引导至平凸透镜80b。然后，两个单独的光线路径被引导至以二向色镜66a开始的照明光学系统，二向色镜66a合并光以形成单个光线路径。LED 10可以是由二向色镜66a透射的单色，并且LED封装100可以包括由二向色镜66a反射以形成单个光线路径的任何其他颜色。在一种示例情况下，其中LED封装100发射蓝光和红光并且LED 10是绿光LED，二向色镜66a允许来自LED 10的绿光的透射以及从LED封装100透射的红光和蓝光的反射。光线路径在照明光学系统中继续通过微透镜阵列68到达弯月形透镜70、到达二向色镜66b。二向色镜66b反射来自LED 10和LED封装100的绿光、红光和蓝光。光被重定向通过双凸透镜72并穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径被引导至像素形成装置76，然后返回通过单个棱镜82并穿过一系列投影双合透镜78。光被重定向通过双凸透镜72并穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径被引导到像素形成装置76，然后返回通过单个棱镜82并通过包括一系列投影双合透镜78a、78b的放大光学部件。然后光线路径继续到准直光学系统18，在本实施方案中准直光学系统18是LFP透镜98。准直光学系统18中的LFP透镜98的功能是用于准直来自投影光学系统14的光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们共同构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜。可以使用复用装置通过使用复用致动器沿第二轴116或第三轴122移动LFP透镜98来实现复用，该复用致动器被编程为将传入像素移动对应于等效帧的某个四分之一或半整数像素值，以根据设计在一个方向上创建额外的像素。还可以使用复用装置通过将LFP透镜98沿着第二轴116和第三轴122在每个方向上移动某个四分之一或半整数像素值来实现复用，其中每次移动的结束对应于一帧，增加两个方向上的有效像素。还可以通过使用复用装置来实现复用，该复用装置影响LFP透镜98的变形或者操纵材料的折射率以实现在两个方向上的有效分辨率增加。在一种情况下，LFP透镜由可变形材料制成，并且复用装置向LFP透镜施加可控变形力以实现变形。在另一种情况下，改变LFP透镜的折射率可以通过由能够改变折射率的材料或以能够改变折射率的配置制造的LFP透镜来实现，并且复用装置包括使LFP透镜经历折射率的变化的电气装置。另外，LFP透镜98可以沿第一轴114朝正z方向移动，以稍微增加投影仪图像中的像素的发散度，从而将投影仪图像在图像平面处的尺寸增加一定量以引起等效的四分之一或半整数像素值移位。类似地，LFP透镜98可以在负z方向上移动以减小发散度，从而根据设计的空间限制在成像平面处创建更小的投影仪图像。
复用技术还包括操纵像素形成装置76，该像素形成装置76可以是例如硅基液晶(LCOS)面板、数字微镜装置(DMD)或使用复用致动器或其他合适的部件或复用方法的其他显示装置。如图5A所示，像素形成装置76可沿第一轴114、第二轴116或两个轴的组合移位。像素形成装置76的位置的操纵与输入图像同步，使得装置的移动增加在一个维度或两个维度上的分辨率。还可以通过使用复用致动器沿第二轴116、第三轴122或沿两个轴与输入帧同步地操纵单个棱镜82以增加一个或两个方向上的有效分辨率来实现复用。图5A所示的附加复用技术是这样的复用技术：其中，第一投影双合透镜78a或第二投影双合透镜78b的位置沿第一轴114被操纵。移动投影双合透镜之一将改变投影系统的焦点并增加或减小投影仪图像的放大倍数。例如，如果元件78a的移动将图像尺寸增加了某个像素/4或像素/2整数，则对应于输入帧，将在两个维度上发生复用效应，从而增加有效分辨率。由于需要轻微的移动，这可以通过使用小型压电换能器来实现。
图5B示出了并入如图1所示的光场投影仪本体中的投影光学系统14和准直光学系统18的配置。在此配置中，从发光二极管(LED)10或发光二极管(LED)封装100发射的光被引导到投影光学系统14。LED封装100可以包括一个或多个LED，LED产生多条光线，多条光线被引导到投影光学系统14中。当LED封装100具有多个LED时，多个LED优选地布置成阵列或密装配置，使得从LED封装100发射的光相对聚焦且直径较小。LED封装100还可以包括一种或多种颜色的LED，这取决于系统设计。优选地，LED封装100包括至少两个LED。来自LED 10的光被引导通过其自身的平凸透镜80a，并且从LED封装100发射的光被引导至平凸透镜80b。然后，两个单独的光线路径被引导至以二向色镜66a开始的照明光学系统，二向色镜66a合并光以形成单个光线路径。LED 10可以是由二向色镜66a透射的单色，并且LED封装100可以包括由二向色镜66a反射以形成单个光线路径的任何其他颜色。在一种示例情况下，其中LED封装100发射蓝光和红光并且LED 10是绿光LED，二向色镜66a允许来自LED 10的绿光的透射以及从LED封装100透射的红光和蓝光的反射。光线路径在照明光学系统中继续通过微透镜阵列68到达弯月形透镜70、到达二向色镜66b。二向色镜66b反射来自LED 10和LED封装100的绿光、红光和蓝光。光被重定向通过双凸透镜72并穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径被引导至像素形成装置76，然后返回通过单个棱镜82并穿过一系列投影双合透镜78。光被重定向通过双凸透镜72并穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径被引导到像素形成装置76，然后返回通过单个棱镜82并通过包括一系列投影双合透镜78a、78b的放大光学部件。然后光线路径继续到准直光学系统18，在本实施方案中准直光学系统18是LFP透镜98。准直光学系统18中的LFP透镜98的功能是用于准直来自投影光学系统14的光。光线路径继续到显示光学系统22。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们共同构成复用光场输出112。应当注意，在该配置中，显示光学系统22可以是任何合适的显示光学部件，包括但不限于单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面或超透镜，其功能是将像素引导到不同的观看区域以创建3D显示。在该实施方案中，复用装置124与单个棱镜82和像素形成装置76成一直线。这允许两个部件通过复用装置124以1D或2D方式移位，复用装置124可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图5C示出了并入如图1所示的光场投影仪本体中的投影光学系统14和准直光学系统18的配置。图5C还包括直接位于显示光学系统22之前的复用层118。在此配置中，从发光二极管(LED)10或发光二极管(LED)封装100发射的光被引导至投影光学系统14。LED封装100可以包括一个或多个LED，LED产生多条光线，多条光线被引导到投影光学系统14中。当LED封装100具有多个LED时，多个LED优选地布置成阵列或密装配置，使得从LED封装100发出的光相对聚焦并且具有小直径。LED封装100还可以包括一种或多种颜色的LED，这取决于系统设计。优选地，LED封装100包括至少两个LED。来自LED 10的光被引导通过其自身的平凸透镜80a，并且从LED封装100发射的光被引导至平凸透镜80b。然后，两个单独的光线路径被引导至以二向色镜66a开始的照明光学系统，二向色镜66a合并光以形成单个光线路径。LED 10可以是由二向色镜66a透射的单色，并且LED封装100可以包括由二向色镜66a反射以形成单个光线路径的任何其他颜色。在一种示例情况下，其中LED封装100发射蓝光和红光并且LED 10是绿光LED，二向色镜66a允许来自LED 10的绿光的透射以及从LED封装100透射的红光和蓝光的反射。光线路径在照明光学系统中继续通过微透镜阵列68到达弯月形透镜70、到达二向色镜66b。二向色镜66b反射来自LED 10和LED封装100的绿光、红光和蓝光。光被重定向通过双凸透镜72并穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径被引导至像素形成装置76，然后返回通过单个棱镜82并穿过一系列投影双合透镜78。光被重定向通过双凸透镜72并穿过单个棱镜82。穿过棱镜82的光线路径被引导到像素形成装置76，然后返回通过单个棱镜82并通过包括一系列投影双合透镜78a、78b的放大光学部件。然后光线路径继续到准直光学系统18，在本实施方案中准直光学系统18是LFP透镜98。准直光学系统18中的LFP透镜98的功能是用于准直来自投影光学系统14的光。光线路径继续到显示光学系统22。
图2A-I、图3A-D、图4A-D和图5A-C示出了根据本公开的用于复用光场投影仪的实施方案的各种装置和方法。应当理解，光场投影仪装置的变型以及适合于创建光场显示器的任何投影仪可以使用上述方法进行复用。
图6A是作为准直光学系统中的准直透镜阵列发挥功能的准直透镜阵列的主视图。在该实施例中，准直透镜阵列26通常是矩形的，并且具有多个也称为小透镜(lenslet)的准直小透镜32，其特写在图6D中示出。准直透镜阵列26可以使用基底来构造，该基底粘附到多个小的透镜或准直小透镜32以形成固定到基底的单个件。可以使用例如具有特定折射率的光学透明粘合剂或光学透明胶带来完成粘附。基底可以由例如环烯烃共聚物(COC)、玻璃、环烯烃聚合物(COP)、PMMA、聚碳酸酯、聚苯乙烯、isoplast、E48R、光学聚酯、丙烯酸、聚醚酰亚胺(PEI)或其他合适的材料制成。准直透镜阵列26包括一个或多个准直小透镜32，其定位成与投影光学系统上游的相应LED对准，使得每个准直小透镜32接收来自LED的光。准直透镜阵列26可以在一侧或两侧涂覆有抗反射涂层。在图6B的实施例中，准直小透镜32包括两个平凸透镜和基底。凸透镜可以由例如/>E48R、玻璃、环烯烃聚合物(COP)、PMMA、聚苯乙烯、isoplast、光学聚酯、丙烯酸、聚醚酰亚胺(PEI)或其他合适的材料形成。两个平凸透镜和基底可以布置成形成单个双非球面凸透镜，其可以充当准直小透镜32。
图6B是图6A所示的具有准直小透镜32的准直透镜阵列的2×4网格的放大视图的图。
图6C是具有如图6A所示的激光蚀刻工程漫射器34的准直透镜阵列的剖面视图的图。工程漫射器是一种先进的光束整形器，能够均匀化输入光束并塑造输出强度分布以及光在空间中的分布方式。工程漫射器可以在从入射平面发散的圆形或方形光束轮廓中产生非高斯强度分布。工程漫射器可以是例如玻璃上的聚合物(例如玻璃基板上的复制聚合物)、蚀刻硬质材料(例如熔融石英、硅或锗)，具有塑料压花、注塑塑料部件或柔性基板上的微光学元件。工程漫射器的一些具体实施例是激光蚀刻漫射器和工程全息漫射器。
图6D是图6A所示的准直透镜阵列中的单个准直小透镜32的特写等距视图的图。
图7A是漫射器36的图，漫射器36可以任选地位于沿着光线路径的准直光学系统下游的投影仪装置中。在该实施方案中，漫射器36是激光蚀刻工程漫射器，其起到散射光线的作用。在一些实施例中，漫射器36是单个漫射器小透镜或漫射器小透镜阵列，如图7C所示。在本公开的一种实施方式中，漫射器36具有3.5度的圆角并且不需要涂层。
图7B是激光蚀刻工程漫射器34的放大图，放大为图7A的截面A。这是代表激光蚀刻工程漫射器的分子排列的插图。
图7C是漫射器小透镜阵列38的放大图，其是激光蚀刻工程漫射器的一个实施方案。与激光蚀刻工程漫射表面相反，漫射器小透镜阵列38是由多个漫射小透镜构成的替代漫射部件。
图8A示出了显示光学系统22，被示出为单个显示透镜。显示透镜由hogel阵列组成，其功能是将来自准直光学系统的准直光线重新引导为光线分布，跨越显示器视场描述的一系列角度，使得它们的聚合形成光场图像。
图8B示出了作为超表面、超透镜或超材料的替代显示光学系统。显示透镜可以是例如周期性透镜阵列、超表面、超透镜或任何类型的光波导。光学超表面是用于操纵光的偏振、相位和振幅的工程表面。光学超表面通常由与撞击波前相互作用的柱型结构的二维晶格组成，其中晶格常数和结构尺寸相对于结构被设计用于与之相互作用的电磁波长范围具有亚波长厚度。改变超表面中柱的尺寸和柱间距的设计以获得所需的光学特性。在光场显示技术中使用超表面可以创建几乎平坦的光学装置，可以提高光学元件的性能，并且可以操纵光来为光学系统提供新的特性。
图8C示出了作为工程表面的另一替代显示光学系统，其用于将来自准直光学系统18的准直光线重新引导成光线分布，跨越由显示器的视场描述的一系列角度，使得它们的聚合形成光场图像。
图9示出了从光场投影仪装置中的LED 10或LED封装件发射的光的光线路径。如图所示，光线12从光源(优选地是发光二极管(LED)10发射，穿过投影光学系统14，该光源也可以是多个LED(任选地在LED封装件中)。投影光学系统14可以包括如前所述的各种布置的光学投影仪部件。然后，光从投影光学系统14输出以形成第一投影图像16，第一投影图像16行进到准直光学系统18，准直光学系统18准直并漫射形成第二投影图像20的光线。像素节距表示第二投影图像20中的相邻像素之间的间距。图像离开像素形成装置后，由于放大光学部件的放大作用，像素节距尺寸增大。焦距是准直光学系统18和显示光学系统22之间的距离。准直光学系统18准直光并且可以包括例如准直阵列、一个或多个透镜结构或能够准直的光学部件。然后，第二投影图像20行进至显示光学系统22，在这种情况下，显示光学系统22是显示透镜。显示透镜可以由任何合适的显示光学部件(例如，小透镜阵列、超表面、超透镜)形成，并将空间像素转换为定向视图。显示光学系统22中的显示透镜的输出形成光场图像24。hogel将像素的空间位置转换成定向的或良好控制的定向射线。hogel实现方式的一个实施例是由具有一系列入射到其上的像素的透镜创建的实施例。光场图像24包括hogel阵列。
光场投影仪装置还可以包括用于调节投影图像或光线路径的方向的调节机构。调节可以补偿由机械公差、光学像差或导致光线路径偏离标称值的其他误差引入的误差。在一个实施例中，调节机构可以是运动学调节机构，以允许在设计公差内对投影仪进行所有六个角度的微调。具体地，投影仪本体可以在所有笛卡尔方向x、y、z以及在角度方向偏航、俯仰和滚动上进行调节。光场投影仪装置还可以包括数字调节机构，其可以设置具有物理公差的特定自由度并且使用显示装置周边周围的附加像素来用于装置的对准。还可以组合使用运动调节机构和数字调节机构。可以作为内部光学部件的部分的其他特征包括但不限于静态光圈、工程漫射器和准直透镜或准直装置、光学透镜、衍射光栅、光纤部件、激光光学部件中的一个或多个，其中的一个或多个可以被纳入光场投影仪装置的设计中。准直透镜可以是例如能够利用光学器件的双凸设计来填充光场投影仪装置的主体前面的透镜孔径的无框准直透镜设计。透镜孔径可以定义为光传播通过的所需要的孔或开口。光场投影仪装置还可包括一个或多个常规投影仪部件，例如印刷电路板(PCB)、一个或多个存储器以及壳体。投影仪还可以包括一个或多个额外的内部光学部件，用于进一步操纵、漫射和/或准直光。这些内部光学部件之一可以用作复用装置，其可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图10示出了光场投影仪装置中的单个像素的光线路径。光线12从发光二极管(LED)10通过投影光学系统14发射。投影光学系统14可以包括各种布置的光学投影仪部件。投影光学系统14发射光线以形成行进到准直光学系统18的第一投影图像16。准直光学系统18准直并漫射形成第二投影图像20的光线。准直光学系统包括用于准直光线的准直透镜阵列26，以及用于漫射光线的漫射器36。第二投影图像20行进至显示光学系统22，该显示光学系统22是显示透镜。显示透镜的输出形成光场图像24。准直透镜阵列26可包括一个或多个透镜、小透镜、光学镜或准直光学器件。准直透镜阵列26减小从投影光学系统14发射的光的发散度。准直透镜阵列26定位成距投影光学系统14一投射距离(throw distance)。在一种情况下，该投射距离使得投影图像仪的每个像素的大小与相邻像素成比例增加，并且导致像素不重叠。投影光学系统14被放置成使得投影光学系统14和准直透镜阵列26之间的距离产生尺寸等于准直透镜阵列26中的单个小透镜的投影图像。
离开准直透镜阵列26的准直光束30行进至漫射器36。在一些实施例中，漫射器36可包括工程漫射器阵列、或一个或多个透镜、光学镜、或可适合于漫射的光学材料。漫射器36位于准直透镜阵列26和显示光学系统22之间，并且漫射器36接收来自准直透镜阵列26的光。准直透镜阵列26和漫射器36可以是单个集成件，或者是单独的件。显示光学系统22可定位成从漫射器36接收第二投影图像20。因此，来自准直透镜阵列26的光行进至漫射器36，在一个实施例中，漫射器36是工程漫射器阵列。来自投影光学系统14的形成第一投影图像16的输出光线被准直以保留图像的投影尺寸。在漫射器36处，每个像素的发散度增加以下因子：
其中C是为采样波前的正确重建而选择的常数，fm是填充因子。在一个实施例中，C的值大约为2。在这种情况下，填充因子fm大约为0.9，使得光斑尺寸xs与像素间距xp相关，如下所示
其中xp是透镜节距除以角度样本的数量。
因此，漫射器36对图像中的每个像素赋予点扩散函数。然后，来自漫射器36的具有点扩散函数的像素入射到构成显示透镜的显示光学系统22的后表面上。当光入射并穿过漫射器36时，光根据近似为高斯函数的点扩散函数而被分散。漫射器36可以包括角度漫射器或工程漫射阵列，其用于实现期望的扩散函数并防止来自相邻像素的光投射的渗色。在一个实施例中，投影光学系统14在由投影仪的投射比定义的距离处创建尺寸为20mm x10mm的图像，其中投射比是从透镜到屏幕的距离(投射)与屏幕宽度的比率。然后可以将该图像投影到准直透镜阵列26，从而产生向漫射器36投影的精确尺寸(20mm×10mm)的分组图像(packet image)，漫射器36例如是漫射器屏幕或工程漫射器阵列。漫射器36然后可以创建小的、限定的点扩散函数。使用所需的点扩散函数，可以实现像素之间的适当重叠，以减少分辨率偏差误差或尖桩栅栏效应并分配光线以获得更好的观看体验。分辨率偏差误差指的是光谱中样本之间缺失的信息。分辨率偏差误差的减少允许平滑的观看区域过渡。在这种情况下，漫射器36被设计成非常特定的角度输出，使得如果例如设计的发散度具有5度圆形FWHM，则通过光学系统的光束也将具有5度的强度分布。该输出是引导到显示光学系统22的显示透镜的光，该显示光学系统22可以是超表面、超透镜、梯度折射率透镜材料、或任何合适的显示光学部件，用于根据如上所述的全光采样函数分布来自每个像素的光。可以通过使用某种形式的复用致动器或定制装置沿第一轴114或第二轴116或两者的任意组合移动显示光学系统22以将光学系统移动已知距离来实现复用，该已知距离对应于显示器的输入帧。复用还可以通过显示光学系统22的变形来实现。其他基于显示的复用技术包括操纵显示光学系统22的材料的折射率或通过调整针孔阵列显示光学系统22的孔径。
在多装置或多投影仪布置中，每个投影光学系统14可以被对准，使得离开准直光学系统18的光垂直于显示光学系统22射出。这样，每个投影光学系统14可以配备对准硬件和精细控制机构以在投影仪装置中定向光线。根据所需的公差，存在多种投影仪或投影光学系统14对准的方法。在一个实施例中，可以提供一个或多个调节元件，例如机械安装件，其具有螺钉调节器以提供一次性粗略对准。在另一实施例中，可以提供一个或多个压电换能器，例如用于纳米级到微米级的电子调节。这些对于利用反馈的主动校准方案也可能有用。其他调节元件可以包括运动安装件和/或数字控制调节元件，例如上述压电换能器。所需调整的最大量由每个投影光学系统14照射的小透镜的尺寸决定。多个光场投影仪装置可以平铺在一起以形成光场显示器。在这种情况下，可以使用各种方法来实现复用。在一个实施方案中，投影仪包括多个复用装置，每个复用装置与系统的不同光学部件(即，像素形成装置、光场投影透镜、折叠棱镜等)连接，并且每个复用装置同时进行复用，所有都在相同的帧速率下进行。在另一种情况下，通过两个或更多个不同的复用装置或者通过两种或更多种不同的复用方法以增加的帧速率并发地操纵相同的内部光学部件(即，像素形成装置、光场投影透镜、折叠棱镜等)来实现复用。投影仪阵列的复用还可以通过复用由阵列中的所有投影仪装置共享的公共光学部件(诸如显示透镜或显示透镜阵列)来实现。共享光学部件的复用可以通过复用致动器或定制装置来实现，以将光学系统移动已知距离，该已知距离对应于显示器的输入帧。复用也可以通过公共光学部件的变形来实现。其他基于显示的复用技术包括操纵公共光学部件的材料的折射率或者通过调整公共光学部件的孔径。
图11示出了根据本公开的具有投影光学系统14的光学器件的光场投影仪装置的光线路径图。来自一系列三个LED 10a、10b、10c的输出光线12穿过投影光学系统14形成第一投影图像16，该第一投影图像16行进至准直光学系统18。示出的准直光学系统18是输出第二投影图像20的单个透镜，第二投影图像20被引导至输出光场图像24的显示光学系统22。准直光学系统18可以由光场投影透镜组成。投影仪还可以包括附加的内部光学部件，用于进一步操纵、漫射和/或准直光。这些内部光学部件之一可以用作复用装置，其可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图12示出了根据本公开的光场投影仪装置的替代光线路径图，其中投影光学系统14的光学器件是如图11中所示的布置。来自一系列三个LED 10a、10b、10c的输出光线12通过投影光学系统14将第一投影图像16投影到准直光学系统18，其中准直光学系统18具有多于一个透镜或光学部件，这里示出为准直透镜阵列26和漫射器36。准直光学系统18输出第二投影图像20，该第二投影图像20被引导至显示光学系统22，显示光学系统22输出光场图像24。投影仪还可以包括附加的内部光学部件，用于进一步操纵、漫射和/或准直光。这些内部光学部件之一可以用作复用装置，其可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图13示出了根据本公开的光场投影仪装置的附加替代光线路径图，其中投影光学系统14的光学器件是如图11和图12中所示的布置。来自一系列三个LED 10a、10b、10c的输出光线12通过投影光学系统14将第一投影图像16投影到准直光学系统18，其中准直光学系统18具有多于一个透镜或光学部件，其输出第二投影图像20，第二投影图像20被引导到输出光场图像24的显示光学系统22。在该布置中，准直光学系统18由准直透镜阵列组成，该准直透镜阵列包括多个准直小透镜32，准直小透镜将准直光束30输出到漫射器36，漫射器36可以是漫射阵列或工程漫射器，其可以是光学系统或其他光学部件以输出第二投影图像20，第二投影图像20被引导到输出光场图像24的显示光学系统22。投影仪还可以包括额外的内部光学部件，用于进一步操纵、漫射和/或准直光。这些内部光学部件之一可以用作复用装置，其可以是但不限于压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
图14描绘了根据本公开的实施方案的漫射器中的小透镜的标称点扩散函数。在实施例中，点扩散函数40可以具有两个方向像素之间的角度的两倍的FWHM。示出了根据方位角42和极角44的像素角展度与作为漫射器的函数的光线强度46的关系的图形表示。在目前描述的投影仪装置中，光从投影光学系统发射，其特征在于指定的投射比，其中投影仪图像的每个像素的尺寸与相邻像素成比例地增加，导致像素中没有重叠。随后，在准直透镜阵列处，投影光学系统的输出被准直以保留图像的投影尺寸。然后，准直光束入射到漫射器上，两个光学系统上的光束宽度大致相等。最后，来自漫射器的具有点扩散函数40的像素入射到构成显示透镜的显示光学系统的后表面上。显示光学系统和准直光学系统之间的距离允许微调每个图像的像素的输出宽度。必须确定通过复用创建的像素或复用创建像素的位置，因为该位置将指示输入图像帧的渲染位置，使得复用创建像素显示与正确位置相对应的图像数据。通常，会期望出现精确量(即像素节距/4或像素节距/2距离)的小幅移动。这些也可能是更大的距离，但这些距离必须是已知的。
复用创建像素的位置将取决于复用的方法。复用部件或装置的规格还可用于确定复用创建像素位置，并且将使用显示器校准的形式来映射像素，作为光场校正例程的一部分。在这种情况下，复用创建像素位置将通过模拟和/或计算来确定。
图15示出了包括当前描述的光场投影仪装置阵列的光场图像显示装置的等距视图。所示的系统具有用侧轨54固定在光场图像显示装置壳体内的多个光场投影仪装置。该系统优选地由印刷控制板(PCB)架构56控制。显示光学系统22输出光场图像并通过显示透镜安装件48固定至光场投影系统。
图16示出了具有光场投影仪装置阵列的光场图像显示装置或系统的分解图。该系统包括PCB架构56。电源和冷却系统由侧轨54容纳，侧轨54还具有风扇安装件以用于冷却系统。PCB阵列52被供电并通过投影仪安装件58连接到光场投影仪阵列50。显示光学系统22输出光场图像并且通过显示透镜安装件48固定到光场投影系统。在如图所示的实施例中，光场图像显示装置具有18行12列光场投影仪装置，阵列中总共216个光场投影仪装置。其他阵列大小也是可能的，并且任何大小的阵列都是可能的。在本光场图像显示装置或系统的一种工作配置中，显示光学系统22高187mm，宽228mm，约为小平板电脑的大小。
图17示出了具有投影仪阵列的光场投影仪装置的替代配置，该投影仪阵列包括在单个投影仪本体中的多个3×4投影仪装置。
图18示出了包含显示装置阵列和用于创建光场显示的所有光学系统的光场投影仪装置的替代配置。该系统可以平铺/堆叠以创建更大的光场显示器。
图19示出了本公开的框图。底板84将视频和控制数据从输入装置发送到光场投影装置96。显示面板控制器86为显示面板90创建视频输入，同时还将使能信号发送到光源驱动器88以采用帧顺序驱动方案向光源LED 10供电。来自光源LED 10的光入射到投影仪装置中的显示面板90上，从而在显示光学系统22上产生投影图像。
图20A和图20B示出了投影仪帧中对于活动图像、重叠区域和校正缓冲器的像素分配。在一些实施方案中，投影仪包含定制设计的无边缘光LFP透镜98，其环绕投影仪的前边缘，如图20A所示。图20A示出了从LED 10光源通过LFP透镜98的第一投影图像16，LFP透镜98充当准直光学系统18以输出第二投影图像20。这种无边缘设计将消除光场显示器中由于投影仪对准和透镜阵列组装公差倒置的平铺伪影。每个投影仪的投影光场图像24尺寸将允许去除系统中投影仪平铺的任何显示伪影，并且允许光场显示器的数字校正。下图显示了穿过LFP透镜98的光线路径，展示了光场显示器上每个投影仪的像素使用情况。图20B示出了具有重叠像素92的配给的投影光场图像24(注意校正像素94)和光场图像像素。图20A中还示出了重叠像素92和校正像素94的侧视图。
本公开的替代实施方案描述了基于平板的复用显示器。基于平板的显示器可以包括但不限于液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)技术，或两者的组合作为复用、自动立体和高角分辨率光场显示器。光场显示器可在水平和垂直视差下观看，其中复用用于提高一维或二维的有效分辨率，从而提高显示质量。
基于投影仪阵列的显示器至少由于需要包含许多具有精确对准的密集定向投影仪而可能难以设计。参考图21，光场显示器包括外壳104，其容纳投影仪阵列50和两个透镜系统：准直光学系统18或漫射光学系统以及显示光学系统22。投影仪阵列50包括多个投影仪，每个投影仪产生光。投影仪阵列中的投影仪可以是微型投影仪，专门用于增强现实耳机或汽车平视显示器(HUD)。投影仪接收图像数据并将图像数据转换成投影的光。投射的光然后从投影仪传输到包括透镜系统或阵列的准直光学系统18。然后，光从准直光学系统18传输到显示光学系统22，其形成复用光场图像。所有光学机械部件装配在透镜外壳108内。
一般而言，本领域已知的光场显示器需要非常高亮度的投影仪。本公开的光场显示器的优点是降低了对投影仪阵列50中的投影仪的亮度要求。降低的亮度要求是通过直接投影显示透镜系统控制光的角分布的能力以及对光束应用点扩散函数的设计来实现的。对投影仪阵列50的降低的亮度要求可以允许小型LED而无需内部冷却要求，因此更小的投影仪占地面积可以导致投影仪阵列50的更紧密的填装密度、减小各个投影仪的尺寸和重量以及降低对直接投影光场显示器的功率要求。准直光学系统18可以是准直阵列，其减少从投影仪阵列50发射的光的发散度。准直光学系统18定位成与投影仪阵列50相距一投射距离。在一种情况下，该投射距离使得投影仪图像的每个像素的尺寸与相邻像素成比例地增加，并且导致像素中没有重叠。投影仪被放置成使得投影仪和准直光学系统18之间的距离产生尺寸等于准直光学系统18中的单个小透镜的投影图像。来自投影仪阵列50的发散图案的尺寸大约与单个投影仪的尺寸相同，允许可包括准直阵列小透镜的准直光学系统18与投影仪阵列50中的每个投影仪之间的比率为1:1。
图22示出了根据本公开的光场显示器的实施方案。准直光束离开准直光学系统，在该实施方案中准直光学系统包括准直透镜阵列26和漫射器36，其中漫射器36可以是工程漫射器阵列。漫射器36位于准直透镜阵列26和显示光学系统22之间并接收来自准直透镜阵列26的光。准直透镜阵列26和漫射器36可以是单个集成件或单独的部件，其中任一种都形成准直光学系统18。显示光学系统22可以被定位成从准直光学系统18接收漫射的准直光束。因此，来自准直透镜阵列26的光传播到漫射器36，在一个实施例中，漫射器36是工程漫射器小透镜阵列。投影仪的输出经过准直以保留图像的投影尺寸。
在漫射器36处，每个像素的发散度增加以下因子：
其中C是为采样波前的正确重建而选择的常数，fm是填充因子。在一个实施例中，C的值大约为2。在这种情况下，填充因子fm大约为0.9，使得光斑尺寸xs与像素间距xp相关，如下所示
其中xp是透镜节距除以角度样本的数量。因此，漫射器36对图像中的每个像素赋予点扩散函数。图14是所述点扩散函数的图形图示。
来自漫射器36的具有点扩散函数的像素然后入射到构成显示透镜的显示光学系统22的后表面上。显示光学系统22和准直光学系统18之间的距离将允许微调每个图像的像素的输出宽度，并且可以被最小化以减少系统空间。当光入射并穿过准直透镜阵列26时，光根据近似为高斯函数的点扩散函数而被分散。漫射器36可以包括角度漫射器或工程漫射小透镜阵列，其用于实现期望的角度并防止来自相邻投影仪的光的投影的渗色。在本公开的一个实例中，将特定的点扩散函数应用于来自每个单独的投影仪像素的光，从而将像素引导到特定的角度。一个投影仪及其像素可以创建一个小图像。
如图22所示，可以观察到每个投影仪在由投影仪的投射比限定的距离处创建26mmx15mm的图像。然后可以将该图像投影到准直透镜阵列26，从而产生被投影到由漫射器屏幕或工程漫射器小透镜阵列组成的漫射器36的精确尺寸(26mm×15mm)的分组图像。准直透镜阵列26与漫射器36相结合形成准直光学系统18。漫射器36然后可产生小的、限定的点扩散函数。使用所需的点扩散函数，可以实现像素之间的适当重叠，以减少分辨率偏差误差或尖桩栅栏效应并分配光线以获得更好的观看体验。分辨率偏差误差指的是光谱中样本之间缺失的信息。分辨率偏差误差的减少允许平滑的观看区域过渡。在这种情况下，漫射器36被设计成非常特定的角度输出，使得如果例如设计的发散具有5度圆形FWHM(半高全宽)，则通过透镜系统的光束也将具有5度的强度分布。该输出是引导至显示光学系统22的光，并且其可以是超表面、超透镜、梯度折射率透镜材料、或用于根据如上所述的全光采样函数分布来自每个像素的光的任何合适的光学部件。
每个投影仪可以被对准，使得离开准直光学系统18的光垂直于显示光学系统22撞击。这样，每个投影仪可以配备有对准硬件和精细控制。根据所需的公差，有多种投影仪对准方法。在一种方法中，可以使用调节元件，例如具有螺丝调节器的一个或多个机械安装件，以提供一次性粗略对准。在另一种方法中，压电换能器可以提供纳米级到微米级的电子调节。其他调节元件可以包括运动安装件和/或数字控制调节元件，例如上述压电换能器。最大调整量由每台投影仪照射的小透镜的尺寸决定。所有这些方法对于利用反馈的主动校准方案都是有用的。
图23示出了根据本公开的用于光场显示器的复用方法。图23示出了由投影仪阵列50、准直光学系统18组成的光场显示器的实施方案，其中输出光线12被引导到显示光学系统22。从显示光学系统22投影的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，被示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面、超透镜或任何其他合适的显示光学部件。可以通过使用某种形式的致动器或定制装置沿第一轴114或第二轴116或两者的任意组合移动显示光学系统22以将光学系统移动已知距离来实现复用，已知距离对应于显示器的输入帧。还可以通过显示光学系统22的变形来实现复用，这可以以2D或3D方式实现。其他基于显示的复用技术包括操纵包括显示光学系统22的显示光学部件的材料的折射率或者通过调节针孔阵列显示光学系统22的孔径。
图24示出了光场显示器的替代实施方案，其包括投影仪阵列50、准直光学系统18，其中输出光线12首先被引导至直接位于显示光学系统22之前的附加复用层118，然后引导至显示光学系统22。从显示光学系统22投影的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在此配置中，显示光学系统22可以是单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面、超透镜或任何其他合适的显示光学部件。复用可以通过如图23中所有先前公开的方法来实现，但另外在此配置中，可通过向材料施加电场或电压以将像素位置移动已知像素距离以增加2D中的有效分辨率来主动改变附加复用层118的折射率来实现复用。
图25示出了复用平板光场显示器的实施方案。图25示出了由平板显示器120、准直光学系统18组成的光场显示器的实施方案，其中输出光线12被引导到显示光学系统22。平板显示器120可以是但不是仅限于LED、LCD、等离子或电致发光面板。发光二极管(LED)可以是有机发光二极管(OLED)或量子点发光二极管(QLED)或其他合适的二极管。从显示光学系统22投射的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面、超透镜或任何其他合适的显示光学部件。可以通过沿着第一轴114、第二轴116移动显示光学系统22或者通过沿着第三轴122移动显示光学系统22或者沿着第一轴114、第二轴116、第三轴122这三者的任意组合移动显示光学系统22来实现复用。还可以通过显示光学系统22的变形来实现复用，这可以以2D方式实现。其他基于显示的复用技术包括操纵包括显示光学系统22的显示光学部件的材料的折射率或者通过调节针孔阵列显示光学系统22的孔径。孔径调节复用方法可以使用液晶阵列或等效物以1D或2D实现。
图26示出了复用平板光场显示器的替代实施方案。该实施方案包括平板显示器120、准直光学系统18，其中输出光线12首先被引导至直接位于显示光学系统22之前的附加复用层118，然后被引导至显示光学系统22。从显示光学系统22投影的复用光场输出112包括两个单独的光场图像，示出为第一组实线光线和第二组虚线光线，它们一起构成复用光场输出112。在该配置中，显示光学系统22可以是单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面、超透镜或任何其他合适的显示光学部件。复用可以通过如图25中所有先前公开的方法来实现，但另外在此配置中，可以通过改变附加复用层118的折射率来实现复用。这可以在1D和2D中实现。
已经描述了多个实施方案。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，上述步骤中的一些可以是顺序无关的，并且因此可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行。
本说明书中引用的所有专利、专利申请、出版物的公开内容特此通过引用整体具体并入，其程度如同每个这样的单独的专利、专利申请、出版物和数据库条目被具体且单独地指示为通过引用并入一样。尽管已经参考某些具体实施方案描述了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，其各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。所有这些对本领域技术人员来说显而易见的修改都旨在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.投影仪，包括：
光源，所述光源包括发光二极管(LED)；
投影光学系统，所述投影光学系统包括：
至少一个照明光学部件，用于接收来自所述光源的光并将所述光引导至单个光线路径；
像素形成装置，用于接收来自所述照明光学部件的光并将所述光转换成像素阵列；以及
放大光学部件，用于接收所述像素阵列；
准直光学系统，用于准直来自所述像素阵列的光并创建准直投影图像；
显示光学系统，所述显示光学系统包括显示光学部件；以及
复用装置，所述复用装置连接到所述照明光学部件、像素形成装置、放大光学部件和显示光学部件中的至少一个，以移动所述光线路径以提供复用光场输出。
2.根据权利要求1所述的投影仪，其中所述照明光学部件包括平凸透镜、二向色镜、微透镜阵列、弯月透镜、双凸透镜、单棱镜和折叠棱镜中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的投影仪，其中所述像素形成装置是硅基液晶(LCOS)面板或数字微镜装置(DMD)。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的投影仪，其中所述放大光学部件是投影双合透镜或双凸透镜。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的投影仪，其中所述准直光学系统包括光场投影(LFP)透镜、双凸透镜和包括多个准直小透镜的准直透镜阵列中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的投影仪，其中所述多个准直小透镜中的每个准直小透镜均包括两个平凸透镜。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的投影仪，其中所述显示光学部件包括单透镜、透镜阵列、针孔阵列、超表面和超透镜中的至少一种。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的投影仪，其中所述复用装置包括连接到第一电极和第二电极的电压发生器，并且其中所述第一电极和所述第二电极附接到照明光学部件、像素形成装置、放大光学部件或具有克尔效应的显示光学部件复用装置。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的投影仪，其中所述复用装置是位于所述显示光学系统前面的复用层。
10.根据权利要求1-7中的任一项所述的投影仪，其中所述复用装置是复用致动器。
11.根据权利要求10所述的投影仪，其中所述复用致动器是压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器或基于形状记忆合金的致动器。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的投影仪，其中所述复用光场输出包括第一位置处的第一图像和第二位置处的第二图像，其中所述第二图像相对于所述第一图像偏移小于一个像素宽度的距离。
13.创建复用光场图像的方法，包括：
沿着光线路径从光源产生光线；
将所述光线引导至像素形成装置；
将所述光线转换为像素阵列；
放大所述像素阵列，以形成放大像素阵列；
准直所述放大像素阵列以产生准直投影图像；
将所述准直投影图像引导至显示光学部件以产生光场输出；以及
移动所述光线路径以复用所述光场输出并产生复用光场图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述光线通过一个或多个平凸透镜、二向色镜、微透镜阵列、弯月透镜、双凸透镜、单棱镜和折叠棱镜引导至所述像素形成装置。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中通过硅基液晶(LCOS)面板或数字微镜器件(DMD)将所述光线转换成像素。
16.根据权利要求13-15中的任一项所述的方法，其中所述像素阵列通过投影双合透镜或双凸透镜被光学放大。
17.根据权利要求13-16中的任一项所述的方法，其中所述放大像素阵列通过光场投影(LFP)透镜、双凸透镜或包括多个准直小透镜的准直透镜阵列来准直。
18.根据权利要求13-17中的任一项所述的方法，还包括：通过向第一电极和第二电极施加电压来移动所述光线路径，其中所述第一电极和所述第二电极附接到照明光学部件，像素形成装置、放大光学部件或具有克尔效应的显示光学部件复用装置。
19.根据权利要求13-17中的任一项所述的方法，还包括：使用复用层来移动所述光线路径。
20.根据权利要求13-17中的任一项所述的方法，还包括：通过使用一个或多个压电致动器、电热致动器、磁致动器、静电致动器和基于形状记忆合金的致动器致动所述投影仪中的光学部件的位置来移动所述光线路径。
21.根据权利要求13-20中的任一项所述的方法，其中所述复用光场输出包括第一位置处的第一图像和第二位置处的第二图像，其中所述第二图像相对于所述第一图像偏移小于一个像素宽度的距离。
22.创建复用光场图像的方法，包括：
沿着光线路径从光源产生光线；
将所述光线转换为像素阵列；
放大所述像素阵列；
准直放大的像素阵列以产生准直投影图像；
显示所述准直投影图像以产生光场输出；以及
移动所述光线路径以复用所述光场输出并产生复用光场图像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中移动所述光线路径包括：致动所述投影仪中的可移动光学部件的位置、向能够产生克尔效应的光学部件复用装置施加电压、致动能够变形的光学部件，或者在所述光线路径中定位复用层。
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