TWI721519B - 具有使用者追蹤功能的多視像顯示器、系統和方法 - Google Patents

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Abstract

一種使用者追蹤多視像顯示器和使用者追蹤多視像顯示系統，其根據使用者追蹤多視像顯示器的相對運動與週期性使用者位置測量二者確定使用者的位置，以選擇性地提供主要視像集合和次要視像。使用者追蹤多視像顯示器包含多光束背光件，被配置以提供與多視像影像的不同的視像方向相對應的方向性光束；以及光閥陣列，被配置以調變方向性光束以提供包含主要視像集合和次要視像的複數個視像。使用者追蹤多視像顯示系統進一步包含使用者追蹤器，被配置為使用週期性使用者位置測量和使用者追蹤多視像顯示系統的相對運動二者來確定使用者的位置。

Description

具有使用者追蹤功能的多視像顯示器、系統和方法
本發明係關於一種具有使用者追蹤功能的多視像顯示器、系統和方法。
對於種類廣泛的裝置及產品的使用者而言，電子顯示器是一種幾乎無處不在的媒介，用於傳播資訊給使用者。其中最常見的電子顯示器包含陰極射線管（cathode ray tube, CRT）、電漿顯示面板（plasma display panels, PDP）、液晶顯示器（liquid crystal displays, LCD）、電致發光顯示器（electroluminescent displays, EL）、有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）、和主動式矩陣有機發光二極體（active matrix OLEDs, AMOLED）顯示器、電泳顯示器（electrophoretic displays, EP），以及各種採用機電或電流體光調變（例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等）的顯示器。在一般情況下，電子顯示器可以分為主動顯示器（即，會發光的顯示器）或被動顯示器（即，調變由另一個光源提供的光的顯示器）的其中一者。在主動顯示器的分類中，最明顯的示例是CRTs、PDPs、及OLEDs/AMOLEDs。在上述以發射光進行分類的情況下，LCDs顯示器及EP顯示器一般是被歸類在被動顯示器的分類中。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於如固有的低功率消耗等具有吸引力的性能特徵，但由於其缺乏發光的能力，在許多實際應用中被動顯示器可能有使用上的限制。
為了克服被動顯示器與發射光相關聯的使用限制，許多被動顯示器係與一外部光源耦合。耦合光源可使這些被動顯示器發光，並使這些被動顯示器基本上發揮主動顯示器的功能。背光件即為這種耦合光源的示例之一。背光件是放在被動顯示器後面以照亮被動顯示器的光源（通常是面板背光件）。舉例來說，背光件可以與LCD顯示器或EP顯示器耦合。背光件會發出可以穿過LCD顯示器或EP顯示器的光。發出的光會由LCD或EP顯示器調變，且經調變後的光會隨後依序地由LCD顯示器或EP顯示器射出。通常背光件係配置為發出白色光。彩色濾光片接著會將白光轉化成顯示器中使用的各種顏色的光。舉例來說，彩色濾光片可以被設置在LCD顯示器或EP顯示器的輸出處（不太常見的配置），或者可以被設置在背光件和LCD顯示器或EP顯示器之間。
為了實現這些與其他優點並且根據本發明的目的，如本文所體現和廣泛描述的，提供有一種使用者追蹤多視像顯示器，包括：一多光束背光件，被配置以提供方向性光束，該等方向性光束具有方向，對應一多視像影像之視像方向；以及一光閥陣列，被配置以調變該等方向性光束作為該多視像影像，該多視像影像包括一主要視像集合和一次要視像，該次要視像在角度上鄰接該主要視像集合之一終端視像，其中，該使用者追蹤多視像顯示器被配置以根據藉由該使用者追蹤多視像顯示器之一相對運動和一週期性使用者位置測量二者而確定的一使用者位置，選擇性地提供該主要視像集合或一擴增視像集合，該擴增視像集合包括該次要視像和該主要視像集合中的一視像子集合。
根據本發明一實施例，該多光束背光件包括：一導光體，被配置以在沿著該導光體之長度的一傳導方向上引導光；以及複數個多光束元件，沿著該導光體之該長度互相隔開，該複數個多光束元件中的一多光束元件被配置以從該導光體中散射出該被引導的光之一部分，作為該等方向性光束，其中，該多光束元件之尺寸相當於該光閥陣列中的一光閥之尺寸。
根據本發明一實施例，該多光束元件之該尺寸在該光閥之該尺寸的百分之五十和百分之二百之間。
根據本發明一實施例，該多光束元件包括一繞射光柵，被配置以繞射地散射出該被引導的光之該部分，作為該等方向性光束。
根據本發明一實施例，該多光束元件包括一微反射元件及一微折射元件之其中之一或二者，該微反射元件被配置以反射地散射出該被引導的光之一部分，該微折射元件被配置以折射地散射出該被引導的光之一部分。
根據本發明一實施例，所述的使用者追蹤多視像顯示器，進一步包括一光源，該光源光學地耦合至該多光束背光件之一輸入部，該光源被配置以提供在該多光束背光件中要被引導的光，作為具有一非零值傳導角度的該被引導的光和根據預定的一準直因子被準直的該被引導的光之其中之一或二者。
根據本發明一實施例，該次要視像包括該終端視像。
根據本發明一實施例，該次要視像包括一立體視像，在角度上鄰接該主要視像集合之該終端視像。
在本發明之另一態樣中，提供有一種使用者追蹤多視像顯示系統，包括：所述的使用者追蹤多視像顯示器，該使用者追蹤多視像顯示系統進一步包括一使用者追蹤器，被配置以藉由在週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間使用該週期性使用者位置測量和該使用者追蹤多視像顯示器之該相對運動二者以確定該使用者相對於該多視像顯示器的位置，其中，在確定的一第一位置處，該使用者追蹤多視像顯示器被配置以選擇性地提供該主要視像集合，而在確定的一第二位置處，該使用者追蹤多視像顯示器被配置以提供包含該次要視像的該擴增視像集合。
根據本發明一實施例，該使用者追蹤器包括：一使用者位置測量系統，包括一攝影機和一影像處理器，該攝影機被配置以週期性地擷取該使用者之影像，該影像處理器被配置以確定該使用者在該週期性地擷取的影像中的位置，以提供該週期性使用者位置測量；以及一運動感測器，被配置以在該等週期性使用者位置測量之間的該時間間隔期間追蹤該多視像顯示器之一相對運動，以確定該使用者追蹤多視像顯示器之該相對運動，其中，該相對運動被配置以在該等週期性使用者位置測量之間的該時間間隔期間提供該使用者位置之一估計值。
在本發明之另一態樣中，提供有一種使用者追蹤多視像顯示系統，包括：一多視像顯示器，被配置以提供一多視像影像，該多視像影像之複數個視像包括一主要視像集合和一次要視像，該次要視像在角度上鄰接該主要視像集合之一終端視像；以及一使用者追蹤器，被配置以藉由在週期性使用者位置測量之間週期性地測量一使用者位置與監視該多視像顯示器之一相對運動的組合以追踪相對於該多視像顯示器的一使用者位置，其中，該多視像顯示器被配置以在相對於該多視像顯示器的一第一使用者位置處提供該主要視像集合，並且在相對於該多視像顯示器的一第二使用者位置處提供一擴增視像集合，該擴增視像集合包括該次要視像。
根據本發明一實施例，該多視像顯示器包括：一多光束背光件，被配置以提供複數條方向性光束，該複數條方向性光束具有不同的主要角度方向，對應該複數個視像之不同的視像方向；以及一光閥陣列，被配置以調變該複數條方向性光束以提供該複數個視像。
根據本發明一實施例，該多光束背光件包括：一導光體，被配置以沿著該導光體之長度在一傳導方向上引導光；以及一多光束元件陣列，沿著該導光體之長度互相隔開，該多光束元件陣列中的一多光束元件被配置以從該導光體散射出該被引導的光之一部分，作為具有該等不同的主要角度方向的該複數條方向性光束，其中，該多光束元件之尺寸相當於該光閥陣列中的一光閥之尺寸。
根據本發明一實施例，該多光束元件包括一繞射光柵、一微反射元件、和一微折射元件之其中之一以上，光學地連接到該導光體以散射出該被引導的光之該部分。
根據本發明一實施例，該次要視像包括該終端視像和一立體視像之其中之一，該立體視像在角度上鄰接該主要視像集合之該終端視像。
根據本發明一實施例，該使用者追蹤器包括：一攝影機，被配置以週期性地擷取該使用者之一影像；一影像處理器，被配置以測量該使用者在擷取的該影像中的位置，以提供該週期性使用者位置測量；以及一運動感測器，包括一陀螺儀和一加速計之其中之一或二者，以監視該多視像顯示器之該相對運動，其中，該相對運動被配置以在該等週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間提供該使用者位置之一估計值。
在本發明之另一態樣中，提供有一種採用使用者追蹤的多視像顯示器的操作方法，該方法包括：使用一多視像顯示器提供一景象之複數個視像，該複數個視像包括一主要視像集合和一次要視像，該次要視像在角度上鄰接該主要視像集合之一終端視像；以及使用一週期性使用者位置測量與該多視像顯示器之一相對運動的組合以確定相對於該多視像顯示器的一使用者位置，當確定使用者位於一第一位置時，該多視像顯示器選擇性地提供該主要視像集合，並且當確定使用者位於一第二位置時，該多視像顯示器選擇性地提供一擴增視像集合，該擴增視像包括該次要視像。
根據本發明一實施例，所述提供複數個視像之步驟包括：沿著一導光體之長度在一傳導方向上引導光；以及使用一多光束元件從該導光體散射出該被引導的光之一部分，以提供複數條散射出的方向性光束，該複數條散射出的方向性光束具有不同的主要角度方向，對應該多視像顯示器之分別不同的視像方向；以及使用複數個光閥調變該複數條散射出的方向性光束，以提供該景象之該複數個視像，作為一多視像影像，其中，該多光束元件之尺寸相當於該複數個光閥中的一光閥之尺寸。
根據本發明一實施例，該次要視像包括該終端視像和一立體視像之其中之一，該立體視像在角度上鄰接該主要視像集合之該終端視像。
根據本發明一實施例，所述確定一使用者位置之步驟包括：使用一攝影機週期性地擷取該使用者之一影像；使用一影像處理器在擷取的該影像中建立該使用者之位置，建立的該位置對應該週期性使用者位置測量；以及監視該多視像顯示器之一相對運動，以在該等週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間提供該使用者位置之一估計值。
根據與本發明所描述的原理一致的示例和實施例，提供了使用使用者位置或「使用者追蹤」的多視像影像顯示器。與本發明所描述的原理一致的實施例，可以採用多視像顯示器以根據使用者相對於多視像顯示器的位置，提供藉由多視像影像表示的景象（scene）的不同集合的視像（views）。具體來說，當使用者位於第一位置時，可以提供主要視像集合（a set of primary views）。主要視像集合配置為在視角範圍內向使用者提供多視像影像。此外，當使用者移動到第二位置或位於第二位置時，例如超出了主要視像集合的視角範圍，可以提供擴增視像集合（augmented set of views）。根據本發明的各個實施例，擴增視像集合包含次要視像以及主要視像子集合（a subset of the primary views）。舉例而言，次要視像在角度上鄰近於（但基本上超出）主要視像集合的角度範圍，並且可以表示主要視像集合的終端視像或主要視像集合中未表示的景象的立體視像（perspective view）。提供與使用者的不同位置相對應的不同視像集合，可以增加所顯示的多視像影像的有效的角度的視野（field-of-view，FOV）。例如，增加的角度的FOV可以減少或減輕多視像影像感覺的所謂「跳動」或「倒轉視像」，這種現象可能會在以傾斜角度觀看多視像影像時發生的。
在本發明的各個實施例中，使用者追蹤可以使用週期性使用者位置測量（periodic user locationi measurement）和多視像顯示器的相對運動（relative motion）的組合，以提供使用者相對於多視像顯示器的方位或位置。舉例而言，使用者位置可以藉由週期性測量使用者頭部的位置來確定或推斷。此外，在週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間，多視像顯示器的相對運動可以用於推斷或估計使用者位置。
在本發明中，「二維顯示器」或「2D顯示器」被定義為配置以提供影像的顯示器，而不論該影像是從甚麼方向觀看的（亦即，在預定視角內或在2D顯示器的預定範圍內），該影像的視像基本上是相同的。智慧型手機和電腦螢幕中可能會有的液晶顯示器（LCD）是2D顯示器的示例。與此相反，「多視像顯示器」定義為配置以在不同的視像方向（view direction）上或從不同的視像方向提供多視像影像（multiview image）的不同視像（different views）的電子顯示器或顯示系統。具體來說，不同視像可以表示多視像影像的景象或物體的不同立體視像。在一些情況下，多視像顯示器也可以稱為三維（3D）顯示器，例如，在同時觀看多視像影像的兩個不同視像時，提供觀看三維影像的感覺。
圖1A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器10的透視圖。如圖1A中所示的，多視像顯示器10包括螢幕12，其用於顯示或提供要被觀看的多視像影像。多視像顯示器10在相對於螢幕12的不同的視像方向16上提供多視像影像的不同視像14。視像方向16係用從螢幕12沿著各個不同的主要角度方向上延伸的箭頭來表示；不同視像14在箭頭（亦即，表示視像方向16的箭頭）的終止處以複數個多邊形框來顯示；並且僅示出了四個視像14和四個視像方向16，這全都是作為示例而非限制。應注意，雖然不同的視像14在圖1A中被顯示為在螢幕上方，但是當多視像影像被顯示在多視像顯示器10上時，視像14實際上出現在螢幕12上或附近。在螢幕12上方描繪視像14僅是為了簡化說明，並且意圖表示從對應於特定視像14的相應的一個視像方向16觀看多視像顯示器10。圖1A還顯示了「次要」視像14’。所顯示的次要視像14’表示景象的立體視像，或者等效地具有次要視像方向16’，其在角度上鄰近於（但基本上超出）視像14的角度範圍（亦即，主要視像集合14）。
根據本發明的定義，視像方向或等效地具有與多視像顯示器的視像方向對應方向的光束，通常具有由角度分量｛θ, ϕ｝給出的主要角度方向。角度分量θ在本發明中被稱為光束的「仰角分量」或「仰角」。角度分量ϕ被稱為光束的「方位角分量」或「方位角」。根據定義，仰角θ是垂直平面中的角度（例如，垂直於多視像顯示器的螢幕平面），而方位角ϕ是水平平面內的角度（例如，平行於多視像顯示器的螢幕平面）。
圖1B係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例說明在示例中的具有與多視像顯示器的視像方向（例如，圖1A中的視像方向16）相對應的特定主要角度方向的光束20的該角度分量｛θ, ϕ｝的示意圖。此外，根據本發明的定義，光束20從特定點被發射或發出。也就是說，根據定義，光束20具有與多視像顯示器內的特定原點相關聯的中心射線。圖1B還顯示了原點O的光束（或視像方向）。
此外在本發明中，在術語「多視像影像」和「多視像顯示器」中使用的「多視像（multiview）」一詞定義為在複數個視像（views）之中的視像之間表示不同視像或包含視像的角度差異的複數個視像。另外，根據本發明的定義，本發明中術語「多視像」明確地包含多於兩個不同視像（亦即，最少三個視像並且通常多於三個視像）。如此一來，本發明中所使用的「多視像顯示器」一詞明確地與僅包含表示景象或影像的兩個不同視像的立體顯示器區分開。然而應注意的是，雖然多視像影像和多視像顯示器包含多於兩個視像，但是根據本發明的定義，每次可以藉由僅選擇該等多視像影像中的兩個視像觀看（亦即，在多視像顯示器上）作為立體影像對（a stereoscopic pair of images）（亦即，每隻眼睛一個視像）。
根據本發明的定義，「多視像像素」一詞係定義為在多視像顯示器的類似的複數個不同視像的每一個視像之中的子像素的集合或「視像」像素的集合。具體來說，多視像像素可具有對應或表示多視像影像中的該等不同視像的每一個中的視像像素的個別視像像素。此外，根據本發明的定義，多視像像素的視像像素是所謂的「方向性（directional）像素」，因為每個視像像素與不同視像中相應的一個的預定觀看方向相關聯。此外，根據本發明的各個示例和實施例，多視像像素的不同視像像素可以在每個不同視像中具有等同的或至少基本相似的位置或座標。舉例而言，第一多視像像素可以具有個別視像像素，其位於多視像影像的每個不同視像中的｛x1, y1｝處；而第二多視像像素可以具有個別視像像素，其位於多視像影像的每個不同視像中的｛x2, y2｝處，依此類推。
在本發明的一些實施例中，多視像像素中的複數子像素的數量可等於多視像顯示器的複數視像的數量。舉例而言，多視像像素可以提供與具有六十四（64）個不同視像的多視像顯示器相關聯的64個子像素。在另一示例中，多視像顯示器可提供四乘八的複數視像的陣列（亦即，三十二（32）個視像），且多視像像素可包含32個子像素（亦即，每個視像一個）。另外，在上述示例中，每個不同的子像素可具有對應於視像方向之中不同方向的關聯方向（亦即，光束的主要角度方向），舉例而言，對應於64個不同視像或對應於32個不同視像。進一步地，根據本發明的一些實施例，多視像顯示器的多視像像素的數量，大致上可等於多視像顯示器的「視像」像素的數量（亦即，構成所選視像的像素）。例如，如果視像包含640乘480的視像像素（亦即，640 x 480的視像解析度），多視像顯示器可具有三十萬七千二百（307,200）個多視像像素。在另一示例中，當視像包括100乘100的視像像素，多視像顯示器可包括總數為一萬（亦即，100 x 100=10,000）的多視像像素。
在本發明中，「導光體」被定義為使用全內反射在結構內引導光的結構。具體來說，導光體可以包括在導光體的工作波長處基本上透明的核心。「導光體」一詞一般指的是介電質的光波導，其係利用全內反射在導光體的介電材料和圍繞導光體的物質或介質之間的界面引導光。根據定義，全內反射的條件是導光體的折射係數大於與導光體材料的表面鄰接的周圍介質的折射係數。在本發明的一些實施例中，導光體可以在利用上述的折射係數差之外另外包含一塗層，或者利用塗層取代前述的折射係數差，藉此進一步促成內全反射。舉例來說，該塗層可以是反射塗層。導光體可以是數種導光體中的任何一種，包含但不限於平板或厚平板導光體和條狀導光體其中之一或二者。
此外，在本發明中，術語「平板（plate）」在應用於導光體時如「平板導光體」被定義為片段線性的或微分地平面（differentially planar）的層或片，其有時被稱為「厚平板（slab）」導光體。具體來說，平板導光體被定義為導光體，被配置以在由導光體的頂部表面和底部表面（亦即，相對的表面）界定的兩個基本正交的方向上引導光。此外，根據本發明的定義，頂部表面和底部表面都是彼此分離的，並且可以至少在微分的意義上基本上相互平行。也就是說，在導光體的任何微分地小的部分內，頂部表面和底部表面基本平行或共平面。
在本發明的一些實施例中，平板導光體可以是基本上平坦的（亦即，侷限為平面），並且因此平板導光體是平面導光體。在其他實施例中，平板導光體可以在一者或二者正交維度上彎曲。例如，平板導光體可以以單個維度彎曲以形成圓柱型的平板導光體。然而，任何曲率都需具有足夠大的曲率半徑，以確保導光體中能保持全內反射來引導光。
在本發明中，「角度保持散射特徵」或等同的「角度保持散射器」係配置為一種方式散射光的任一特徵或散射器，所述的方式在散射光中基本上保留入射在特徵或散射體上的光的角展度。更具體來說，根據定義，藉由角度保持散射特徵散射的光的角展度σs 是入射光的角展度σ的函數（即σs = f （σ））。在本發明的一些實施例中，散射光的角展度σs 是入射光的角展度或準直因子σ的線性函數（例如，σs = a·σ，其中a是整數）。亦即，藉由角度保持散射特徵散射的光的角展度σs ，可以基本上與入射光的角展度或準直因子σ成比例。例如，散射光的角展度σs 可以基本上等於入射光的角展度σ （例如，σs ≈ σ ）。均勻繞射光柵（即，具有大致均勻或恆定的繞射結構特徵間距或光柵間距的繞射光柵）是角度保持散射特徵的一個示例。相反地，根據本發明的定義，朗伯散射器（Lambertian scatterer）或朗伯反射器（Lambertian reflector）以及一般漫射器（例如，具有或接近朗伯散射）不是角度保持的散射體。
本文中，「偏振保持散射特徵（polarization-preserving scattering feature）」或等同的「偏振保持散射器（polarization-preserving scatterer）」係配置為以一種方式散射光的任一特徵或任一散射器，所述的方式在散射光中基本上保留入射在特徵或散射體上的光的偏振或至少一偏振度。因此，「偏振保持散射特徵」是任一特徵或任一散射體，其中，入射在特徵或散射體上的光的偏振度大致上等同於該散射光的該偏振度。此外，根據定義，「偏振保持散射」是一種保持或基本上保持被散射的光的預定偏振的散射（例如，被引導的光（guided light）的散射）。舉例而言，被散射的光可以是由偏振光源提供的偏振光。
本文中，「繞射光柵」通常被定義為設置成提供入射在繞射光柵上的光的繞射的複數個結構特徵（亦即，繞射結構特徵）。在一些示例中，複數個結構特徵可以以週期性或準週期性的方式佈置。舉例而言，繞射光柵可以包含佈置在一維（one-dimensional, 1D）陣列中的複數個結構特徵（例如，在材料表面中的複數個凹槽或脊部）。在其他示例中，繞射光柵可以是結構特徵的二維（2D）陣列。舉例而言，繞射光柵可以是材料表面上的凸部或材料表面中的孔洞的二維陣列。
如此一來，根據本發明的定義，「繞射光柵」是提供入射在繞射光柵上的光的繞射的結構。如果光從導光體入射在繞射光柵上，則所提供的繞射或繞射地散射可以導致並且因此被稱為「繞射地耦合」，因為繞射光柵可以透過繞射將光耦合出導光體。繞射光柵也藉由繞射（亦即，以繞射角）重定向或改變光的角度。具體來說，由於繞射，離開繞射光柵的光通常具有與入射在繞射光柵上的光（亦即，入射光）的傳導方向不同的傳導方向。藉由繞射產生之光的傳導方向上的變化於本發明中被稱為「繞射地重定向」。因此，繞射光柵可被理解為包含繞射結構特徵的結構，其經由繞射方式將入射在繞射光柵上的光重新定向，以及，如果光是由導光體射出，繞射光柵也可將來自導光體的光繞射地耦合出。
此外，根據本發明的定義，繞射光柵的結構特徵被稱為「繞射結構特徵」，並且可以是在材料表面（亦即，兩種材料之間的邊界）處、之中、和之上的其中的一個以上。舉例而言，所述表面可以是導光體的表面。繞射結構特徵可以包含繞射光的各種結構特徵中的任何一種，包含但不限於在表面處、表面中、或表面上的凹槽、脊部、孔洞、和凸部其中的一個以上。例如，繞射光柵可以在材料表面中包括複數個基本上平行的凹槽。在另一個示例中，繞射光柵可以包含從材料表面上突出的複數個平行的凸脊。繞射特徵（例如：凹槽、凸脊、孔洞、凸部等等）可以具有提供繞射的各種橫截面形狀或輪廓中的任何一種，包含但不限於正弦曲線輪廓、矩形輪廓（例如，二元繞射光柵）、三角形輪廓、和鋸齒輪廓其中的一個以上（例如，炫耀光柵（blazed grating））。
根據本發明所述的各個示例，可以採用繞射光柵（例如，如下所述的多光束元件的繞射光柵）來將光從導光體（例如，平板導光體）繞射地散射出或耦合出以作為光束。具體來說，局部週期性繞射光柵的繞射角θm 或由局部週期性繞射光柵提供的繞射角θm 可藉由方程式（1）給定如：
Figure 02_image001
（1） 其中，λ是光的波長，m是繞射階數，n是導光體的折射係數，d是繞射光柵的結構特徵之間的距離或間隔，θi 是繞射光柵上的光入射角。為了簡單起見，方程式（1）假設繞射光柵與導光體的表面鄰接並且導光體外部的材料的折射係數等於1（亦即，nout = 1）。通常，繞射階數m給定為整數。由繞射光柵產生的光束的繞射角θm ，可以由繞射階數為正（例如，m > 0）的方程式（1）給定。例如，當繞射階數m等於1（亦即，m = 1）時提供第一階繞射。
圖2係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的繞射光柵30的剖面圖。例如，繞射光柵30可以位於導光體40的表面上。另外，圖2示出了以入射角θi 入射在繞射光柵30上的光束20。光束20是導光體40內的被引導的光束。圖2中還示出了由於入射光束20的繞射，繞射光柵30繞射地產生散射出的光束50，並將其散射出。散射出的光束50具有如方程式（1）所示的繞射角度θm （或者，在本發明中，「主要角度方向（principal angular direction）」）。例如，繞射角θm 可以對應於繞射光柵30的繞射階數「m」。
根據本發明的定義，「多光束元件（multibeam element）」為產生包含複數條光束或複數條方向性光束的光的背光件或顯示器的結構或元件。在本發明的一些實施例中，該多光束元件可光學地耦合至背光件的導光體，以藉由耦合出在該導光體中的被引導的光的一部分而提供該複數條光束。在其他實施例中，多光束元件可產生被發射為方向性光束（例如，可以包括一光源）。進一步地，根據本發明的定義，由多光束元件所產生的複數條方向性光束中的方向性光束具有彼此互相不同的主要角度方向。具體來說，根據定義，方向性光束具有與複數條光束中的另一條方向性光束不同的預定主要角度方向。再者，複數條光束可表示光場。例如，複數條光束可被限制在基本上為圓錐形的空間區域中，或者具有預定角展度，其包含所述複數條光束中的光束的不同的主要角度方向。因此，方向性光束的預定角展度在組合（亦即，複數條光束）上可以表示光場。
根據本發明的各個實施例，各個光束的不同的主要角度方向係根據一特性來確定，所述特性可包括但不限於，多光束元件的尺寸（例如，長度、寬度、面積等）。在本發明的一些實施例中，根據本發明的定義，多光束元件可被視為「擴展點光源」，亦即，複數點光源分佈在多光束元件的一個範圍上。此外，由多光束元件產生的光束具有由角度分量｛θ, ϕ｝給出的主要角度方向，根據本發明的定義，並且如上文關於圖1B所述。
在本發明中，「準直器」一詞被定義為基本上係配置為用於準直光的任何光學裝置或元件。舉例來說，準直器可以包括但不限於，準直鏡或反射器、準直透鏡、或上述各種準直器的組合。在本發明的一些實施例中，準直器係包括一準直反射器，該準直反射器的反射表面可以具有拋物線曲線或拋物線形狀的特性。在另一示例中，準直反射器可以包括類拋物面（shaped parabolic）反射器。「類拋物面」在此係指類拋物面反射器的反射曲面與「真正」的拋物曲線有所偏離，藉以達到預定的反射特性（例如，準直度）。準直透鏡可包括球形的表面（例如，雙凸球面透鏡）。
根據本發明的各個實施例，由準直器提供的準直量可以從一個實施例到另一個實施例以預定的角度或數量做變化。進一步地，準直器可用以在兩個正交方向（例如，垂直方向以及水平方向）其中之一或二者上提供準直。換言之，根據本發明的一些實施例，準直器可包含用於提供光準直的兩個正交方向其中之一或二者的形狀。
本文中，「準直因子」被定義為光被準直的程度。具體來說，根據本發明的定義，準直因子定義準直光束內的光線的角展度。例如，準直因子σ可以指定一束準直光中的大部分光線在特定的角展度內（例如，相對於準直光束的中心或主要角度方向的+/− σ度）。根據一些示例，準直光束的光線可以在角度方面具有高斯分布（Gaussian distribution），並且角展度可以是由準直光束的峰值強度的一半所確定的角度。
在本發明中，「光源」一詞係被定義為發出光的源頭（例如，配置以產生和發射光的光學發射器）。例如，光源可以包括光學發射器，例如，發光二極體（light emitting diode, LED），其在被啟動或開啟時發光。更具體來說，在本發明中光源基本上可為任何一種來源的光或光學發射器，其包含但不限於，一個以上的LED、雷射、有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）、聚合物發光二極體、電漿光學發射器、日光燈、白熾燈，以及任何其他視覺可見的燈光來源。由光源所產生的光線可以具有一顏色（亦即，可包含特定波長的光），或者可以具有一定範圍的波長（例如，白光）。在本發明的一些實施例中，光源可以包括複數個光學發射器。舉例而言，光源可以包括一組或一群光學發射器，其中至少一個光學發射器產生具有一顏色或等同波長的光，所述顏色或等同波長不同於由該組或該群的至少一個其它光學發射器產生的光所具有的一顏色或一波長。不同顏色可以包含例如原色（例如，紅色、綠色、藍色）。「偏振（polarized）」光源在本文中定義為，產生或提供具有預定偏振的光的基本上任何光源。舉例而言，偏振光源可以包括在光源的光學發射器的輸出處的偏光器。
此外，如本文所使用的，冠詞「一」旨在具有其在專利領域中的通常含義，亦即「一個以上」。例如，本文中「一多光束元件」指一個以上多光束元件，更確切來說，「多光束元件」於此意指「該（等）多光束元件」。此外，本發明中，任何「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「向上」、「向下」、「前」、「後」、「第一」、「第二」、「左」、或「右」皆並不意味著在作為限制。本文中，當應用到一個值時，除非有另外特別說明，「大約（about）」一詞在應用於某個值時通常意味著在用於產生該值的設備的公差範圍內，或者可以表示加減10％、或加減5％、或加減1％。此外，本發明所使用的術語「基本上（substantially）」是指大部分、或幾乎全部、或全部、或在約51％至約100％的範圍內的量。再者，本發明中的示例僅僅是說明性的，並且是為了討論的目的而不是為了限制。
根據與本發明所描述的原理的一些實施例，本發明係提供一種使用者追蹤多視像顯示器。圖3係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的使用者追蹤多視像顯示器100的剖面圖。使用者追蹤多視像顯示器100配置為提供景象或物體的複數個視像作為多視像影像，亦即，所顯示的多視像影像。具體來說，由使用者追蹤多視像顯示器100在對應的複數個視像方向上提供複數個視像。在圖3中，視像方向或等效的複數個視像中的該等視像被描繪為指向從使用者追蹤多視像顯示器100延伸的不同角度方向的箭頭102。
根據本發明的各個實施例，由使用者追蹤多視像顯示器100提供的複數個視像，或更一般而言，多視像影像包括主要視像集合（a set of primary view）。舉例而言，圖3中的實線箭頭102’可以表示主要視像集合或等同的表示主要視像集合的方向集合。使用者追蹤多視像顯示器100提供的複數個視像進一步包括沿著次要視像方向的次要視像（secondary view）。次要視像在角度上鄰近於主要視像集合的終端視像（terminal view）。舉例而言，圖3中的虛線箭頭102”可以代表次要視像或次要視像方向。如圖所示，由虛線箭頭102”表示的次要視像位於主要視像集合（亦即，實線箭頭102’）的右邊緣和左邊緣的每個視像的旁邊。根據本發明的定義，與主要視像集合的邊緣相鄰的主要視像集合的視像為或表示為終端視像。在圖3中，由實線箭頭102’表示的主要視像集合具有兩個終端視像，其中一個在左邊緣並且其中一個在右邊緣。
根據本發明的一些實施例，次要視像可以表示景象或物體的立體視像或視像方向，其在角度上鄰近於（但基本超出）主要視像集合的角度範圍。具體來說，次要視像可以對應於具有如本發明所定義的主要視像集合所對向的角度範圍之外的視像的視像方向，例如，圖3中的實線箭頭102’對向的角度範圍。在其他實施例中，次要視像可以包括終端視像，如下文更詳細地所描述的。根據本發明的各個實施例，使用者追蹤多視像顯示器100配置為選擇性地提供主要視像集合或擴增視像集合（augmented set of views）。擴增視像集合包括次要視像，並且可以進一步包括主要視像集合的視像子集合。
參照圖3，所示的使用者追蹤多視像顯示器100包括多光束背光件110。多光束背光件110配置為提供具有不同的主要角度方向的複數條方向性光束112。具體來說，由多光束背光件110提供的方向性光束112具有與使用者追蹤多視像顯示器100的不同的視像方向（或等效於將由使用者追蹤多視像顯示器100顯示的多視像影像）相對應的不同的主要角度方向。舉例而言，圖3中的箭頭102也可以表示由多光束背光件110提供的方向性光束112，或者等效地表示與不同的視像方向相對應的方向性光束112的不同的主要角度方向。
另外，如圖3所示，方向性光束112包含方向性光束第一集合112’和方向性光束第二集合112”。在圖3中，使用實線箭頭102’描繪了方向性光束第一集合112’，並且使用虛線箭頭102”描繪了方向性光束第二集合112”。方向性光束第一集合112’表示具有與該主要視像集合的視像方向相對應的主要角度方向的方向性光束112。方向性光束第二集合112”表示具有對應於各種次要視像方向的主要角度方向的方向性光束112。
圖3所示的使用者追蹤多視像顯示器100進一步包括光閥陣列120。在本發明的各個實施例中，不同種類的光閥中的任何一種可被用作該光閥陣列120的複數光閥，其種類包含但不限於，複數液晶光閥、複數電泳光閥、以及基於電潤濕的複數光閥之其中一種以上。
光閥陣列120配置為調變方向性光束112以提供多視像影像的各種視像。具體來說，光閥陣列120配置為調變方向性光束112並且選擇性地提供主要視像集合和包含次要視像的擴增視像集合。根據本發明的各個實施例，在提供主要視像集合和擴增視像集合之間的選擇是基於使用者追蹤多視像顯示器100的使用者或觀看者的位置。舉例而言，視像集合的選擇可以基於使用者頭部相對於使用者追蹤多視像顯示器100的位置。舉例而言，視像集合的選擇可以由光閥陣列120的驅動器（例如，驅動器電路）在處理器（例如，圖形處理器單元）或類似電路的指示下進行控制。根據本發明的各個實施例，使用者的位置（例如，使用者的頭部）的位置取決於使用者追蹤多視像顯示器的相對運動以及週期性使用者位置測量。
圖4A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的使用者追蹤多視像顯示器100的剖面圖。圖4B係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示在另一示例中的圖4A的使用者追蹤多視像顯示器100的剖面圖。圖4C係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的圖4A的使用者追蹤多視像顯示器100的剖面圖。具體來說，如圖4A至4C所示，使用者追蹤多視像顯示器100包含多光束背光件110和光閥陣列120，例如，如上文對於圖3所描述。此外，圖4A顯示了使用者追蹤多視像顯示器100，被配置以選擇性地提供主要視像集合102a。圖4B和圖4C顯示了使用者追蹤多視像顯示器100，被配置以選擇性地提供擴增視像集合102b。圖4A還顯示了處於第一位置A的使用者（或使用者的頭部），而圖4B至4C顯示了相對於使用者追蹤多視像顯示器100處於第二位置B的使用者（或使用者的頭部）。如本發明中進一步描述的，可以使用使用者追蹤多視像顯示器100的相對運動以及週期性使用者位置測量，讓使用者（或使用者的頭部）的方位或位置為可跟蹤的或被跟蹤。
如上文對於圖3所描述，主要視像集合102a和擴增視像集合102b的各個視像或等效的視像方向藉由箭頭102表示。具體來說在圖4A至4C中，實線箭頭102’代表主要視像集合102a的視像或等效的視像方向，而虛線箭頭102”代表次要視像或等效的次要視像方向，例如在擴增視像集合102b中。此外，在圖4A至4C中，各種視像或視像方向由從左到右依序增加的字母標示，其中，字母「a」代表第一視像、字母「b」代表第二視像，依此類推。如圖所示，主要視像集合102a包括在圖4A中標記為「a」至「h」的八（8）個視像。圖4B中所顯示的次要視像代表表示景象的不同立體視像的第九視像，並且在圖4B中被標記為「i」。替代地，次要視像是終端視像h （亦即，次要視像不是第九視像），如圖4C所示。
如圖4A所示，當使用者位於第一位置A時，使用者追蹤多視像顯示器100可以選擇性地顯示主要視像集合102a（亦即，標記為「a」至「h」的實線箭頭102’）。例如，第一位置A可以是大致上在使用者追蹤多視像顯示器100前面的區域。例如，當使用者位於第一位置A時，使用者可能會看到由使用者追蹤多視像顯示器100顯示的景象的「垂直的（normal）」多視像影像（例如「3D影像」）。具體來說，如圖4A所示，「垂直的」或面向前方的（front-facing）多視像影像定義為包括主要視像集合102a，其依次包含標記為「a」至「h」的視像。
如圖4B至4C所示，當使用者位於第二位置B時，使用者追蹤多視像顯示器100可以選擇性地顯示擴增視像集合102b。具體來說，圖4B至4C顯示了使用者已經移動到或位於第二位置B中。第二位置「B」可以基本上偏向使用者追蹤多視像顯示器100的一側（亦即，「偏離的（off-side）」），例如，如圖4B所示。換句話說，第二位置「B」可以位在由主要視像集合表示的角度範圍之外。
如圖4B所示，擴增視像集合102b包括主要視像集合102a的七（7）個視像的子集合（亦即，實線箭頭102’「b」至「h」）以及沿著使用者偏離的位置的方向的次要視像「i」（亦即，標記為「i」的虛線箭頭102”）。擴增視像集合102b包括主要視像子集合（亦即，不包括「a」的子集合）和次要視像i，以利於從偏離的使用者位置觀看多視像影像。具體來說，當使用者在第二位置B中時，由於次要視像（亦即，B方向上的「i」）包含在擴增視像集合102b中，使用者追蹤多視像顯示器100可以向使用者提供從立體視像（亦即，次要視像表示的立體視像）看見多視像影像中的景象或物體除了在主要視像集合102a（位置A）中表示的立體視像之外的一部分的能力。
圖4C顯示了其中次要視像是終端視像的實施例。具體來說，如圖4C所示，擴增視像集合102b包括圖4A所示的主要視像集合102a的八（8）個視像，亦即，標記為「a」至「h」的視像。然而，這些視像在圖4C中已進行了移動，以使主要視像集合102a的終端視像「h」作為擴增視像集合102b的次要視像呈現給使用者。此外，擴增視像集合102b內的主要視像子集合包括其他視像「a」至「g」。因此，如圖4C所示，使用者追蹤多視像顯示器100，由於在擴增視像集合102b中包含了次要視像（亦即，位置B方向上的「h」）以及其他視像「a」至「g」之間的位移，可以向在第二位置B的使用者提供在主要視像集合102a（位置A）中表示的相同的視像以及相同的立體視像。
舉例而言，在兩個實施例中（亦即，圖4B和4C），包括由使用者追蹤多視像顯示器100提供的次要視像，其可以減少或甚至大致上消除當使用者從大致上超過使用者追蹤多視像顯示器100的「垂直的」或面向前方的角度觀看多視像影像時可能發生的所謂的「跳動（jumps）」。應注意的是，儘管在本發明中使用者的位置相對於第一位置和第二位置而描述，但是本發明所描述的原理的範疇不僅限於使用者（或等效地，使用者的頭部）的兩個位置。本發明所述的原理的範疇旨在包括使用者追蹤多視像顯示器100的使用者的任何數量的不同位置。
根據本發明所述的原理的各個實施例，使用者追蹤多視像顯示器100可以包括基本上任何多光束背光件。具體來說，根據本發明的各個實施例，可以使用配置以提供具有與多視像影像的不同的視像方向相對應的不同的主要角度方向的方向性光束112的任何背光件。例如，在本發明的一些實施例中，多光束背光件110可以基於多光束繞射光柵。在其他實施例中，使用者追蹤多視像顯示器100的多光束背光件110包括多光束元件。如下所述，多光束背光件110可以包括導光體和複數個多光束元件。
圖5A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的包括多光束背光件110的使用者追蹤多視像顯示器100的剖面圖。圖5B係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的包括多光束背光件110的使用者追蹤多視像顯示器100的平面圖。圖5C係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的包括多光束背光件110的使用者追蹤多視像顯示器100的透視圖。圖5C中的透視圖被繪示為部分切除，以僅便於在本文中討論。圖5A至5C還顯示了位於多光束背光件110上方的光閥陣列120，如下文進一步描述的。
圖5A至5C顯示的多光束背光件110配置為提供具有彼此不同的主要角度方向的方向性光束112（例如，成為一光場）。具體來說，根據本發明的各個實施例，如圖5A和5C所示，所提供方向性光束112在與使用者追蹤多視像顯示器100的各個觀看方向相對應的不同的主要角度方向上被引導遠離多光束背光件110。此外，可以對方向性光束112進行調變（例如，如本文所述，使用光閥陣列120的光閥），以促進藉由使用者追蹤多視像顯示器100以顯示多視像影像的資訊。
如圖5A至5C所示，多光束背光件110包括導光體114。根據本發明的一些實施例，導光體114可以為平板導光體。導光體114配置為沿著導光體114的長度將光引導為被引導的光（guided light）104，例如，具有由粗箭頭103指示的方向。舉例而言，導光體114可以包含配置為光波導的介電材料。介電材料可以具有比圍繞介電質的光波導的介質的第二折射係數大的第一折射係數。根據導光體114的一個以上引導模式，折射係數的差異配置以促成被引導的光104的全內反射。
在本發明的一些實施例中，導光體114可以是厚平板或平板光波導，其包括延伸的、基本上平坦的光學透明介電材料片。根據本發明的各個示例，導光體114中的光學透明材料可包含各種任何的介電材料，其可包含但不限於，各種形式的玻璃中的一種或多種玻璃（例如，石英玻璃（silica glass），鹼-鋁矽酸鹽玻璃（alkali-aluminosilicate glass），硼矽酸鹽玻璃（borosilicate glass）等）以及一個以上的基本上光學透明的塑料或聚合物（例如，聚（甲基丙烯酸甲酯）（poly（methyl methacrylate））或「丙烯酸玻璃（acrylic glass）」，聚碳酸酯（polycarbonate）等）或其組合。在一些示例中，導光體114可以在導光體114的表面（例如，頂部表面和底部表面其中之一或二者）的至少一部分上進一步包含包覆層（圖中未顯示）。包覆層可以用於進一步促進全內反射。
此外，根據本發明的一些實施例，導光體114配置以在導光體114的第一表面114’（例如，「後｣表面或側面）和第二表面114”（例如，「前｣表面或側面）之間的非零值傳導角度（non-zero propagation angle）來引導被引導的光104。被引導的光104可以藉由以非零值傳導角度（儘管在由粗箭頭103指示的傳導方向上）在導光體114的第一表面114’和第二表面114”之間反射或「反彈（bouncing）」來傳導。在本發明的一些實施例中，被引導的光104中的複數光束包括數種不同顏色的光，其可於複數不同的顏色特定的非零值傳導角度中相應的一個被導光體114引導。應注意的是，為了簡化說明，非零值傳導角度並未於圖5A至5C中示出。
如本文所定義，「非零值傳導角度｣是相對於導光體114的表面（例如，第一表面114’或第二表面114”）的角度。此外，根據本發明所述的原理，非零值傳導角度均大於零且小於導光體114內的內全反射的臨界角度。例如，被引導的光104的非零值傳導角度可以在大約十（10）度和大約五十（50）度之間，或者在一些示例中，在大約二十（20）度和大約四十（40）度之間，或者約二十五（25）度和約三十五（35）度之間。例如，非零值傳導角度可以是大約三十（30）度。在其他示例中，非零值傳導角度可以是大約20度、或者大約25度、或者大約35度。此外，對於特定的實現，可以選擇（例如任意）特定的非零值傳導角度，只要特定的非零值傳導角度被選擇為小於導光體114內的內全反射的臨界角度即可。
導光體114中的被引導的光104可以非零值傳導角度被引入或被耦合到導光體114中（例如，大約30至35度）。舉例而言，透鏡、鏡子、或類似的反射器（例如，一傾斜的準直反射器）、繞射光柵耦合器、以及稜鏡（圖中未顯示）其中的一個以上可以促使光以非零值傳導角度耦合進導光體114的輸入端以成為被引導的光104。一旦耦合進導光體114，被引導的光104以可以一般遠離該輸入端的方向沿著導光體114傳導（例如，圖5A中以指向x軸的粗箭頭103示出）。
此外，根據本發明所描述的原理，藉由將光耦合到導光體114中產生的被引導的光104或等效的被引導的光束，是根據本發明所述原理的準直光束。在本發明中，「準直光」或「準直光束」通常定義為一束光，其中，數道光束在光束內（例如，被引導的光104內）基本上互相平行。此外，根據本發明的定義，從準直光束發散或散射的光線不被認為是準直光束的一部分。在本發明的一些實施例中，多光束背光件110可包含準直器，例如透鏡、反射器、或鏡子，如上文所述（例如，傾斜準直反射器），以準直該光，例如，準直來自光源的光。在本發明的一些實施例中，光源包括準直器。提供給導光體114的準直光是要被引導的準直光束。在本發明的各個實施例中，被引導的光104可以根據準直因子σ以準直，或者被引導的光104俱有準直因子σ。
在本發明的一些實施例中，導光體114可用以「回收（recycle）」被引導的光104。具體來說，沿著導光體長度引導的被引導的光104，可以沿粗箭頭103’指示的另一個不同的傳導方向沿著該導光體長度重定向回去。舉例而言，導光體114可以包含反射器（圖中未顯示），其位於導光體114的一端部，所述的端部相對於與光源相鄰的輸入端。反射器可用以將被引導的光104反射回的輸入端以作為回收的被引導的光。藉由使被引導的光104不只一次地提供，例如，至多光束元件，以此方式回收的被引導的光可以增加多光束背光件110的亮度（例如，散射出的方向性光束112的強度），如下文所述。
在圖5A中，指示回收的被引導的光的另一傳導方向的粗箭頭103’，顯示了從上述輸入端引入到導光體114中的在導光體114內的回收的被引導的光的總體傳導方向。替代地（例如，相對於回收的被引導的光）或除了回收的被引導的光之外，在本發明的一些實施例中，可以在與具有另一傳導方向（亦即，沿負x方向指向的粗箭頭103’）的上述輸入端相對的端處將光引入導光體114中，例如，除了來自上述輸入端的被引導的光104外，其傳導方向由粗箭頭103指示。
如圖5A至5C所示，多光束背光件110進一步包括沿著導光體長度（x方向）互相間隔開的複數個多光束元件116。具體來說，複數個多光束元件中的多光束元件116藉由有限空間互相隔開，並且沿著導光體長度表示單獨的、不同的元件。因此，根據本發明的定義，複數個多光束元件中的多光束元件116根據有限（亦即，非零值）的元件間距離（例如，有限的中心至中心的距離）以互相隔開。此外，根據本發明的一些實施例，複數個多光束元件中的多光束元件116通常不相交、重疊或彼此接觸。因此，複數個多光束元件中的每一個多光束元件116通常是不同的且與複數多光束元件116中的其他多光束元件分離。
根據本發明的一些實施例，複數個多光束元件116可以排列成一維（one-dimensional, 1D）陣列或二維（two-dimensional, 2D）陣列。例如，複數多光束元件116可以排列為線性1D陣列。在另一示例中，複數多光束元件116可以被排列成矩形2D陣列或圓形2D陣列。進一步地，在一些示例中，陣列（即，1D或2D陣列） 可以是正規或均勻的陣列。具體來說，複數個多光束元件116之間的元件間距離（例如，中心至中心的距離或間隔）可以在整個陣列上基本均勻或恆定。在其他示例中，複數多光束元件116之間的元件間距離可以變化為橫跨陣列（y方向）及沿著導光體114的長度（x方向）的其中之一或二者。
根據本發明的各個實施例，複數個元件中的多光束元件116配置為將被引導的光104的一部分散射為方向性光束112。具體來說，圖5A和5C將散射出的方向性光束112顯示為複數個發散箭頭，其被描繪為從導光體114的第一表面（或前表面）114’定向。此外，根據本發明的各個實施例，多光束元件116的尺寸與多視像像素中的「子像素」的尺寸相當，或等效地，與光閥陣列120中的光閥的尺寸相當。在本文中，該「尺寸」可以以包含但不限於，長度、寬度、或面積的各種方式中的任何一種來定義。例如，光閥（或「子像素」）的尺寸可以是其長度，並且多光束元件116的相當尺寸也可以是多光束元件116的長度。在另一示例中，尺寸可被稱為區域，使得多光束元件116的區域可以與光閥（或「子像素」）的面積相當。
在本發明的一些實施例中，多光束元件116的尺寸可以與光閥的尺寸相當（comparable），且多光束元件的尺寸係介於光閥的尺寸的百分之五十（50%）至百分之兩百（200%）之間。在本發明的一些實施例中，如果多光束元件尺寸係標示為「s」及光閥尺寸係標示為「S」（如圖5A中所示），那麼多光束元件尺寸s可用方程式（2）來給定，方程式（2）為：
Figure 02_image003
（2）
在本發明的一些示例中，多光束元件的尺寸等於或大於光閥尺寸的百分之六十（60％）、或等於或大於光閥尺寸的百分之七十（70％）、或等於或大於光閥尺寸的百分之八十（80％）、或等於或大於光閥尺寸的百分之九十（90％）。在本發明的一些示例中，多光束元件等於或小於光閥尺寸的百分之一百八十（180％），或等於或小於光閥尺寸的百分之一百六十（160％），或等於或小於光閥尺寸的百分之一百四十（140％），或等於或小於光閥尺寸的百分之一百二十（120％）。在本發明的一些實施例中，藉由「相當尺寸」，多光束元件尺寸可在光閥尺寸的約百分之七十五（75%）及約百分之一百五十（150%）之間。在本發明的一些實施例中，多光束元件116在尺寸上可以與光閥相當，其中，多光束元件尺寸係在光閥尺寸的約百分之一百二十五（125%）至百分之八十五（85%）之間。根據本發明的一些實施例，可以將減少或者在一些實施例中將多視像顯示器的視像之間的暗區域最小化為目的，來選擇多光束元件116及光閥的相當尺寸，同時，可以減少多視像顯示器的複數視像之間的重疊，或在一些實施例中將其最小化。
如上文所述，圖5A至5C進一步顯示了位於多光束背光件110上方的光閥陣列120。如此定位的光閥陣列120配置為調變複數個散射出的方向性光束112。在圖5C中，光閥陣列120被部分地切除以允許導光體114以及光閥陣列120下方的多光束元件116的可視化。
如圖5A至5C所示的，具有複數不同的主要角度方向穿過的複數個散射出的方向性光束112中不同的光束可藉由光閥陣列120中不同的複數光閥來調變。此外，光閥陣列120中的光閥對應於子像素，並且光閥集合對應於使用者追蹤多視像顯示器100的多視像像素。具體來說，光閥陣列120中不同集合的光閥係配置成用以接收及調變來自不同的多光束元件116的散射出的方向性光束112，亦即，如圖5A至5C所示，每一個多光束元件116皆具有一個獨特的光閥集合。
如圖5A所示，第一光閥集合120a配置為接收和調變從第一多光束元件116a散射出的方向性光束112，第二光閥集合120b配置為接收和調變從第二多光束元件116b散射出的方向性光束112。此外，如圖5A至5C所示，光閥陣列120中的每個光閥集合（例如，第一光閥集合120a與第二光閥集合120b）分別對應不同的多視像像素108（參見圖5B），其中光閥集合120a、120b中的各個光閥對應於各個不同的多視像像素108的子像素。
在本發明的一些實施例中，多光束元件116和對應的多視像像素108（例如，光閥集合120a、120b）之間的關係可以是一對一的關係。亦即，可以存在相同數量的多視像像素108和多光束元件116。在圖5B中，以示例的方式顯示了所述的一對一的關係，其中，每個多視像像素108（包括不同集合的光閥）以被虛線包圍而顯示。在其他實施例中（圖中未顯示），多視像像素與複數多光束元件的數量可以彼此不同。
在本發明的一些實施例中，多光束元件116中相鄰的一對多光束元件之間的元件間距離（例如，中心至中心的距離）可等於對應的複數多視像像素中相鄰的一對多視像像素108之間的像素間距離（例如，中心至中心的距離），例如，由光閥集合表示。例如，如圖5A所示，第一多光束元件116a及第二多光束元件116b之間的中心至中心的距離d係基本上等同於第一光閥集合120a及第二光閥集合120b之間的中心至中心的距離D。在另一實施例中（圖中未顯示），該對多光束元件116及對應光閥集合的相對中心至中心的距離可不同，例如，多光束元件116可具有大於或小於表示多視像像素的複數光閥集合之間的間距（例如，中心至中心的距離D）的元件間間距（即，中心至中心的距離d）。
在本發明的一些實施例中，多光束元件116的形狀類似於多視像像素108的形狀，或者等效地，對應於多視像像素108的光閥陣列120中的光閥集合的形狀（或「子陣列」）。舉例而言，多光束元件116可以具有大致上為正方形的形狀，並且多視像像素108（或對應的光閥集合的佈置）可以基本上是正方形的。在另一示例中，多光束元件116可具有大致上為長方形的形狀，亦即，可具有大於一寬度或橫向（transverse）尺寸的一長度或縱向（longitudinal）尺寸。在該示例中，對應於多光束元件116的多視像像素108可以具有大致上類似矩形的形狀。圖5B顯示正方形多光束元件116和對應的正方形多視像像素的俯視圖或平面圖，該多視像像素包括正方形的光閥集合，例如，以虛線畫出輪廓。在進一步的其他示例中（圖中未顯示）中，多光束元件116和對應的多視像像素具有各種形狀，包含或至少近似，但不限於，三角形、六角形、和圓形。
根據本發明的各個實施例，多光束元件116可包括配置以散射出被引導的光104的一部分的複數個不同結構中的任何一種。舉例而言，不同結構可以包含但不限於繞射光柵、微反射元件、微折射元件、或其各種組合。在本發明的一些實施例中，多光束元件116包括繞射光柵，其配置以將被引導的光104的一部分繞射地散射出導光體114以成為具有不同的主要角度方向的複數條方向性光束112。在另一個實施例中，包括微反射元件的多光束元件116被配置為將被引導的光的一部分散射出導光體114以作為方向性光束112。在其他實施例中，包括微折射元件的多光束元件116被配置為藉由或使用折射將被引導的光的一部分散射出導光體114以作為方向性光束112（亦即，折射地散射出被引導的光部分）。
圖6A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中包含多光束元件116的多光束背光件110的一部分的剖面圖。圖6B係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包含多光束元件116的多光束背光件110的一部分的剖面圖。具體來說，圖6A至6B顯示了多光束背光件110的多光束元件116，其在導光體114內包括繞射光柵。繞射光柵配置為將被引導的光104的一部分從導光體114繞射地散射出以作為方向性光束112。繞射光柵包括以一繞射結構特徵間距或一繞射結構特徵或光柵間距互相隔開的複數個繞射結構特徵（亦即，繞射光柵中繞射結構特徵的間距或間隔）。間距或間隔配置以繞射地耦合出被引導的光的一部分。根據本發明的各個實施例，繞射光柵中的繞射特徵的間距或光柵間距可為子波長 （亦即，小於被引導的光104的波長）。
在本發明的一些實施例中，多光束元件116的繞射光柵可被定位在或相鄰於導光體114的表面。舉例而言，如圖6A所示，繞射光柵可以位在導光體114的第一表面114’處或位在導光體114的第一表面114’的附近。位於導光體第一表面114’處上的繞射光柵可以是透射模式繞射光柵，被配置以通過第一表面114’繞射地散射出被引導的光的一部分以作為方向性光束112。在另一示例中，如圖6B所示，繞射光柵可被定位在或相鄰於導光體114的第二表面114”。當位於第二表面114”時，繞射光柵可以是反射模式繞射光柵。作為反射模式繞射光柵，繞射光柵配置以繞射部分被引導的光並且反射部分被引導的光，使其朝向第一表面114’以通過第一表面114’離開作為繞射地散射出的方向性光束112。在其他實施例（圖中未顯示）中，繞射光柵可以位於導光體114的表面之間，例如作為透射模式繞射光柵和反射模式繞射光柵中的其中之一或二者。應注意，在本發明所描述的一些實施例中，方向性光束112的主要角度方向可以包含由於方向性光束112在導光體表面處離開導光體114而產生的折射效應。舉例而言，作為示例而非限制，圖6B示出了當方向性光束112通過第一表面114’離開時由於折射係數的變化而導致方向性光束112的折射（亦即，彎曲）。亦參見圖7A及圖7B，如下文所描述的。
根據本發明的一些實施例，繞射光柵的繞射特徵可以包括互相隔開的凹槽和凸脊其中之一或二者。凹槽或凸脊可以包括導光體114的材料，例如，可以形成在導光體114的表面中。在另一個示例中，凹槽或凸脊可以由除了導光材料以外的材料形成，例如在導光體114的表面上的另一種材料的膜或層。
在本發明的一些實施例中，多光束元件116的繞射光柵是均勻的繞射光柵，其中，繞射結構特徵間距在整個繞射光柵中是大致上恆定或不變的。在其他實施例中，繞射光柵是啁啾式（chirped）繞射光柵。根據定義，「啁啾式」繞射光柵（”chirped” diffraction grating）是一種繞射光柵，其表現出或具有隨著啁啾式繞射光柵的範圍或長度而變化的繞射結構特徵的繞射間距（亦即，光柵間距）。在本發明的一些實施例中，啁啾式繞射光柵可以具有或表現出隨距離線性變化的繞射結構特徵間距的啁啾。因此，根據定義，啁啾式繞射光柵為「線性啁啾式」繞射光柵。在其他實施例中，多光束元件116的啁啾式繞射光柵可表現出繞射結構特徵間距的非線性啁啾。可以使用各種非線性啁啾，包含但不限於指數啁啾、對數啁啾、或基本上不均勻或隨機但仍然單調的方式變化的啁啾。也可以使用非單調的啁啾，例如但不限於正弦啁啾、或三角形、或鋸齒啁啾。本發明中亦可以使用上述任何這些種類之啁啾的組合。
圖7A係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包含多光束元件116的多光束背光件110的一部分的剖面圖。圖7B係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包含多光束元件116的多光束背光件110的一部分的剖面圖。具體來說，圖7A及圖7B示出包括微反射元件的多光束元件116的各個實施例。用作或在多光束元件116中的複數微反射元件可包含但不限於，採用一反射材料或其膜的反射器（例如，反射金屬）或內全反射式（total internal reflection, TIR）的反射器。根據本發明的一些實施例（例如，如圖7A至7B中的示例所示），包括微反射元件的多光束元件116可以位於導光體114的表面（例如，第二表面114”）或位於導光體114的附近。在其他實施例中（圖中未顯示），微反射元件可被定位在第一表面114’及第二表面114”之間的導光體114內。
舉例而言，圖7A示出了包括具有反射多面結構的微反射元件的多光束元件116，舉例而言，其可能類似於位於導光體114的第二表面114”附近的稜鏡（例如，「稜鏡式（prismatic）」微反射元件）的多面結構。所示的稜鏡式微反射元件的多面結構配置以將被引導的光104的一部分反射（即，反射地散射器）出導光體114。舉例而言，多面結構可以相對於被引導的光104的傳導方向傾斜或偏斜（亦即，具有傾斜角度），以將被引導的光的一部分反射出導光體114。根據本發明的各個實施例，多面結構可以利用導光體114內的反射材料（例如，如圖7A所示）而形成，或者可以是第二表面114”中的稜柱形空腔的複數表面。在本發明的一些實施例中，當採用稜柱形空腔時，空腔表面處的折射係數變化可以提供反射（例如，TIR反射），或者形成面的空腔表面可以被反射材料塗覆以提供反射。
在另一示例中，圖7B顯示了包括具有彎曲表面的微反射元件的多光束元件116，例如但不限於半球形的微反射元件。在一些示例中，微反射元件的彎曲表面可以大致上為光滑的。舉例而言，微反射元件的特定表面曲線可以配置以在不同的方向上反射被引導的光的一部分，其方向取決於在與被引導的光104接觸的彎曲表面上的入射點。如圖7A及圖7B中所示出的，從導光體114反射地散射出來的被引導的光的一部分係從第一表面114’射出或離開。如同圖7A中的稜鏡式微反射元件，圖7B中的微反射元件可以是導光體114內的反射材料或形成在第二表面114”中的凹腔（例如，半圓形凹腔），如同圖7B中作為示例而非限制所示出的。做為示例而非限制的，圖7A和圖7B還示出了具有由粗箭頭103、103’指示的兩個傳導方向的被引導的光104。舉例而言，使用被引導的光104的兩個傳導方向可以促進方向性光束112提供主要角度方向的大致上對稱分佈。
圖8係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包含多光束元件116的多光束背光件110的一部分的剖面圖。具體來說，圖8示出了包括微折射元件的多光束元件116。根據本發明的各個實施例，微折射元件配置以從導光體114折射地散射出被引導的光104的一部分。亦即，如圖8所示，微折射元件配置以利用折射（例如，相對於繞射或反射）將一部分的被引導的光從導光體114散射出以作為方向性光束112。微折射元件可具有各種形狀，其包含但不限於，半圓形形狀、矩形形狀、或稜柱形狀（亦即，具有傾斜面的形狀）。根據本發明的各個實施例，微折射元件可從導光體114的一表面（例如，第一表面114’）延伸或突出，例如，如圖所示，或可為表面中的空腔（圖中未顯示）。此外，在本發明的一些實施例中，微折射元件可包括導光體114的材料。在其他實施例中，微折射元件可包括相鄰於導光體表面的另一材料，以及在本發明的一些示例中，微折射元件可包括與導光體表面接觸的另一材料。
再次參考圖5A和5C，在本發明的一些實施例中，多光束背光件110可以進一步包括光源118。光源118配置為以非零值傳導角度提供在導光體114內被引導的光。具體來說，光源118可以位在相鄰於導光體114的入口表面或入口端（輸入端）。在本發明的各個實施例中，光源118可以包含大致任何種類的光源（例如，光學發射器），例如，如上所述，該等光源係包含一個以上的發光二極體（light emitting diodes, LEDs）或雷射（例如，雷射二極體），但其並不受限於此。在本發明的一些實施例中，光源118可以包括光學發射器，被配置以產生代表特定顏色之具有窄頻光譜的基本上為單色的光。具體來說，該單色光的顏色可為特定顏色空間或特定顏色模型的原色（例如，紅-綠-藍（red-green-blue, RGB）顏色模型）。在其他示例中，光源118可以是用以提供基本上寬帶或多色光的基本寬頻帶光源。例如，光源118可提供白光。在本發明的一些實施例中，光源118可以包括複數個不同的光學發射器，被配置以提供不同顏色的光。不同的光學發射器可以配置以提供具有與不同光色中的每一個相對應的被引導的光104的不同的、顏色特定的、非零值傳導角度的光。
在本發明的一些實施例中，光源118可進一步包括準直器。準直器可以配置以接收來自光源118的一個以上的光學發射器的大致非準直光。準直器係進一步配置為將大致非準直光轉換為準直光。具體來說，根據本發明的一些實施例，準直器可提供具有非零值傳導角度並且依據預定準直因子σ以準直的準直光。而且，當採用不同顏色的光學發射器時，準直器可以配置以提供具有不同的、顏色特定的非零值傳導角度以及不同顏色特定的準直因子其中之一或二者的準直光。準直器進一步用以將準直光束傳送到導光體114，以將其傳導為被引導的光104，如上文所述。
在本發明的一些實施例中，非零值傳導角度和被引導的光的準直因子其中之一或二者可以配置為調整使用者追蹤多視像顯示器100中的方向性光束112的發射圖案（ emission pattern）。具體來說，非零值傳導角度可以配置為朝向使用者傾斜（或選擇性地引導）發射圖案。例如，第一非零值傳導角度可以配置為方向性光束112的發射圖案，其提供大致上指向在第一位置A的使用者、以及第二非零值傳導角度可以配置為在第二位置B將發射圖案指向使用者，舉例而言，如上文關於圖4A至4B所述。
在本發明的一些實施例中，多光束背光件110配置為對一方向上的光基本透明，該方向通過導光體114並與被引導的光104的傳導方向（亦即，粗箭頭103、103’）正交。具體來說，在本發明的一些實施例中，導光體114和間隔開的複數個多光束元件116允許光穿過導光體114，特別是通過第一表面114’和第二表面114”。由於多光束元件116的相對小的尺寸和多光束元件116的相對大的元件間的間距（例如，與多視像像素一對一的對應），使得透明度可以增強，至少增強一部份的透明度。
根據本發明所述的原理的一些實施例，提供了一種使用者追蹤多視像顯示系統。舉例而言，使用者追蹤多視像顯示系統配置為提供或「顯示」表示景象或物體的多視像影像。具體來說，多視像影像被提供為與多視像影像相關聯的複數個不同的「視像」。例如，在被顯示的多視像影像中，複數不同視像可提供表示為一「裸眼（glasses free）」（例如，裸視立體（autostereoscopic））的資訊。此外，根據本發明的各個實施例，可以為使用者追蹤多視像顯示系統的使用者的不同方位或位置（例如，頭部位置）提供不同的視像集合。
圖10係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的使用者追蹤多視像顯示系統200的方塊圖。使用者追蹤多視像顯示系統200配置為根據不同的視像方向上的不同視像顯示多視像影像。具體來說，使用者追蹤多視像顯示系統200發射的光束用於顯示多視像影像，並且可以對應於不同視像的像素（亦即，視像像素）。在圖9中，不同視像或等效的不同的視像方向被顯示為從使用者追蹤多視像顯示系統200發出的箭頭202。如下文所提供，箭頭202也可以代表由使用者追蹤多視像顯示系統200發射的光束。
圖9所示的使用者追蹤多視像顯示系統200包括多視像顯示器210。多視像顯示器210配置為提供包括複數個視像（例如，箭頭202）的多視像影像。根據本發明的各個實施例，多視像影像的複數個視像包含主要視像集合以及次要視像，所述次要視像位於與主要視像的終端視像在角度上相鄰的位置。如本發明所述，次要視像（或在本發明的一些實施例中，複數個次要視像）可以與主要視像集合的視像的子集合結合以提供擴增視像集合。另外，根據本發明的一些實施例，使用者追蹤多視像顯示系統200的主要視像集合、次要視像集合和擴增視像集合可以基本上類似於相對於上文關於使用者追蹤多視像顯示器100所述的對應視像集合和視像。在圖9中，主要視像由實線箭頭202’表示，次要視像由虛線箭頭202”表示。
使用者追蹤多視像顯示系統200的多視像顯示器210可以包含基本上可以配置為提供主要視像集合和一個以上的次要視像二者的各種不同多視像顯示器中的任何一個。舉例而言，多視像顯示器210可以是，例如但不限於多光束繞射光柵式顯示器或雙凸透鏡或透鏡陣列式多視像顯示器。在本發明中，根據定義，「多光束繞射光柵式的多視像顯示器」是一種包括採用了多光束繞射光柵陣列的多光束繞射光柵式背光件的多視像顯示器。同樣根據本發明的定義，雙凸透鏡或透鏡陣列式的多視像顯示器是包含透鏡陣列的多視像顯示器，以提供不同的視像方向的視像。
在其他實施例中，多視像顯示器210可以是多光束元件式多視像顯示器。具體來說，根據本發明的一些實施例，使用者追蹤多視像顯示系統200的多視像顯示器210可以基本上與上述的使用者追蹤多視像顯示器100相似。舉例而言，多視像顯示器210可以包括配置為提供複數個發射出的光束或散射出的光束的多光束背光件，所述的發射出的光束或散射出的光束具有對應複數個視像的不同的視像方向的不同的主要角度方向。舉例而言，多視像顯示器210可以進一步包括光閥陣列，被配置以調變複數個散開出的光束以提供複數個視像。此外，多視像顯示器210可以進一步包括光源，諸如以上文關於使用者追蹤多視像顯示器100所述的光源118。
根據本發明的其中一些實施例，如上文所述，使用者追蹤多視像顯示系統200的多光束背光件可以與多光束背光件110基本相似。舉例而言，多光束背光件可以包括配置為沿著導光體的長度在傳導方向上被引導的光的導光體，並且進一步包括沿著導光體長度互相隔開的多光束元件的陣列。多光束元件陣列中的多光束元件可以配置為將被引導的光的一部分耦合出或散射出導光體，作為具有不同的主要角度方向的方向性光束。舉例而言，多光束元件陣列中的多光束元件可以大致上與多光束元件116相似，並且導光體可以大致上與導光體114相似。
在本發明的一些實施例中，多光束元件的尺寸可以與光閥陣列中的光閥的尺寸相當。此外，光閥的尺寸可以基本上與顯示器的多視像像素中的子像素相當。此外，多光束元件可以包括光學地連接至導光體以耦合出被引導的光的該部分的繞射光柵、微反射元件、與微折射元件的其中一個以上。在本發明的一些實施例中，多光束元件陣列的相鄰多光束元件之間的元件間距離對應於相鄰多視像像素之間的像素間距離。此外，多視像像素表示光閥陣列內與單個多光束元素相對應的光閥集合。
再次參考圖9，使用者追蹤多視像顯示系統200進一步包含使用者追蹤器220。使用者追蹤器220配置為追蹤使用者相對於多視像顯示器210的位置。具體來說，根據本發明的各個實施例，使用者追蹤器220採用週期性使用者位置測量以及週期性地監視多視像顯示器在週期性使用者位置測量之間的相對運動的組合，以追蹤使用者的位置。在本發明的一些實施例中，多視像顯示器210的相對運動在週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間提供了使用者位置的估計值。
在第一使用者位置，多視像顯示器210配置為提供主要視像集合。此外，在第二使用者位置，多視像顯示器210配置為提供擴增視像集合，其包含次要視像集合以及主要視像集合的視像的子集合。如圖9所示，使用者追蹤器220可以配置為追蹤使用者（例如，使用者的頭部的位置）在多視像顯示器210前面的由點虛線所描繪的區域204中。「前面」是指鄰近多視像顯示器210的發光表面或影像視像螢幕。
根據本發明的各個實施例，藉由測量使用者的位置（或等效地，確定使用者的位置）來追蹤使用者的各種裝置、系統和電路中的任何一種可以被使用，可以被使用以向使用者追蹤多視像顯示系統200的使用者追蹤器220提供週期性使用者位置測量。例如，在本發明的一些實施例中（例如，如圖9所示），使用者追蹤器220可以包括配置為週期性地擷取使用者相對於多視像顯示器210的視像螢幕的影像的攝影機222。此外，使用者追蹤器220可以包括影像處理器224（或編程為影像處理器的一般電腦），被配置以測量使用者在擷取影像中相對於多視像顯示器210的視像螢幕的位置並提供週期性使用者位置測量。可以由影像處理器224使用各種技術從擷取的影像確定使用者相對於多視像顯示器210的位置，舉例而言，這些技術包括但不限於影像識別或圖案匹配。使用者追蹤器220的其他示例可以包括各種二維（2D）和三維（3D）物體追蹤系統中的任何一個，例如但不限於，Kinect®物體追蹤系統以提供週期性使用者位置測量。Kinect®是華盛頓州雷蒙德市的微軟公司的註冊商標。
根據本發明的各個實施例，可以以各種週期性間隔中的任何間隔執行週期性使用者位置測量。舉例而言，週期性使用者位置測量可以每十分之一秒執行一次、或者每秒執行一次、或者每十秒鐘執行一次、或者每分鐘執行一次等等。舉例而言，可以對使用者位置進行週期性測量以減少功耗。
如上文所述，使用者追蹤器220還採用結合多視像顯示器210的相對運動的週期性使用者位置測量來確定使用者的位置。根據本發明的各個實施例，使用者追蹤器220可以進一步包括運動感測器226，以提供所確定的使用者位置。運動感測器226配置為在週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間追蹤多視像顯示器的相對運動，以確定多視像顯示器的相對運動。運動感測器226可以包括各種運動感測器中的任何一個，包括但不限於陀螺儀和加速計其中之一或二者，以監視多視像顯示器210的相對運動。
在操作過程中，如上文所述，例如，由週期性使用者位置測量和多視像顯示器的相對運動的組合提供的確定位置可以對應於第一使用者位置A和第二使用者位置B其中之一。使用者追蹤器220的輸出可以用於修改多視像顯示器210的操作（例如，藉由光閥陣列調變光束）。舉例而言，可以將確定的使用者位置提供給多視像顯示器210的處理器和光閥驅動器（例如，驅動電路）其中之一或二者，以將多視像顯示器210的發射模式調整為與使用者位置相對應。
在本發明的一些實施例（圖中未顯示）中，使用者追蹤多視像顯示系統200的多視像顯示器210可以進一步包括光源。光源配置為用作多視像顯示器210的光源。具體來說，在這些實施例的其中一些實施例中，該光源可配置以非零值傳導角度提供光至導光體，以及，在本發明的一些實施例中，係根據準直因子進行準直，以在導光體內提供被引導的光的預定角展度。
根據本發明所描述的原理的其它實施例，本發明提供了一種使用使用者追蹤多視像顯示器操作的方法。圖10係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中使用使用者追蹤的多視像顯示器的操作方法300的流程圖。如圖10所示，多視像顯示器的操作方法300包括使用多視像顯示器提供景象的複數個視像的步驟310。根據本發明的各個實施例，複數個視像包括景象的主要視像集合和次要視像，所述的次要視像與主要視像集合的終端視像在角度上相鄰。在本發明的一些實施例中，次要視像可以包括終端視像的主要集合。在本發明的其他實施例中，次要視像可以包括與第一視像集合的終端視像在角度上相鄰的立體視像。
根據本發明的各個實施例，提供複數個視像（步驟310）的多視像顯示器可以是基本上任何能夠同時提供主要視像和次要視像的集合的多視像顯示器或多視像顯示系統。舉例而言，多視像顯示器可以是，例如但不限於多光束元件式多視像顯示器、多光束繞射光柵式顯示器、或雙凸透鏡或透鏡陣列式多視像顯示器。在本發明的一些實施例中，多視像顯示器可以基本上與上文所述的使用者追蹤多視像顯示器100相似。
具體來說，在本發明的一些實施例中，多視像顯示器可以包括導光體、多光束元件和複數個光閥。在本發明的這些實施例中，提供複數個視像的步驟310可以包括沿著導光體的長度在傳導方向上引導光的步驟。舉例而言，導光體可以是平板導光體。提供複數個視像的步驟310可以進一步包括使用多光束元件將被引導的光的一部分從導光體散射出去，以提供複數條散射出的方向性光束，其具有與多視像顯示器的各個不同的視像方向相對應的不同的主要角度方向。在本發明的一些實施例中，多光束元件可以包括光學地連接至導光體以耦合出被引導的光的該部分的繞射光柵、微反射元件、與微折射元件的其中一個以上。例如，多光束元件可以是多光束元件陣列的構件。在這些實施例中，提供複數個視像的步驟310進一步包括使用複數個光閥調變複數條散射出的方向性光束，以提供景象的複數個視像以作為多視像影像。舉例而言，可以將光閥佈置成陣列，並與具有多光束元件陣列的導光體的表面相鄰。在本發明的一些實施例中，多光束元件的尺寸與光閥陣列中的光閥的尺寸相當。
如圖10所示，使用多視像顯示器的多視像顯示器操作的方法300進一步包括：確定使用者相對於多視像顯示器的位置的步驟320；以及根據確定的使用者位置，選擇視像集合以顯示或提供給使用者。具體來說，步驟320使用週期性使用者位置測量和多視像顯示器的相對運動的組合以確定使用者的位置。根據本發明的各個實施例，當確定使用者處於第一位置時，多視像顯示器會選擇性地提供主要視像集合，並且當確定使用者處於第二位置時，多視像顯示器會選擇性地提供包括次要視像的擴增視像集合。根據定義，擴增視像集合包括次要視像和主要視像集合的視像的子集合。
換句話說，多視像顯示器的操作方法300使用週期性使用者位置測量和多視像顯示器的相對運動來確定使用者相對於多視像顯示器（或相對於多視像顯示器的螢幕或相對於多視域顯示器提供的視像）的位置（步驟320）。多視像顯示器的操作方法300會根據確定使用者是位於第一位置還是第二位置（步驟320），以選擇性地提供主要視像集合或擴增視像集合。具體來說，當確定使用者位於第一位置時（例如，在多視像顯示器的前面）（步驟320），多視像顯示器會提供主要視像集合。此外，當確定使用者位於第二位置（例如，大致上偏向多視像顯示器的一側）時（步驟320），多視像顯示器會提供包含次要視像的擴增視像集合。如此一來，多視像顯示器會根據步驟320所確定的使用者的位置，以改動或調整步驟310所提供的包含主要視像集合或擴增視像集合的複數個視像。
在本發明的一些實施例中，確定使用者位置的步驟320包含使用使用者追蹤器。在這些實施例的其中一些實施例中，使用者追蹤器可以大致上與使用者追蹤多視像顯示系統200的使用者追蹤器220相似。舉例而言，使用者追蹤器可以包含攝影機、影像處理器、和運動感測器。在該示例中，確定使用者的位置的步驟320可以包含使用攝影機週期性地擷取使用者的影像；以及使用影像處理器在擷取的影像內建立使用者的位置，以提供週期性使用者位置測量。此外，確定使用者的位置的步驟320包含監視多視像顯示器的相對運動，以在週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間提供使用者位置的估計值。舉例而言，相對運動可以由運動感測器以提供。根據本發明的各個實施例，確定使用者的位置的步驟320可以對應於所確定的第一位置和所確定的第二位置之其中之一。
因此，本發明已經描述了使用者追蹤多視像顯示器、使用者追蹤多視像顯示系統、以及使用使用者追蹤的多視像顯示器並使用主要視像集合與包括次要視像和主要視像集合的視像的子集合的擴增視像集合之操作方法的示例和實施例。應該理解的是，上述示例僅僅是說明代表本發明所描述的原理的許多具體示例中的一些示例。顯然，所屬技術領域中具有通常知識者可以很容易地設計出許多其他的配置，而不偏離本發明的申請專利範圍所界定的範疇。
本申請案主張於2018年8月26日提交的第 PCT/US2018/048038號國際專利申請的優先權，其全部內容通過引用併入本文。
10:多視像顯示器 12:螢幕 14:視像 14’:次要視像 16:視像方向 16’:次要視像方向 20:光束 30:繞射光柵 40:導光體 50:散射出的光束 100:使用者追蹤多視像顯示器 102:箭頭 102’:實線箭頭 102”:虛線箭頭 102a:主要視像集合 102b:擴增視像集合 103:粗箭頭 103’:粗箭頭 104:被引導的光 108:多視像像素 110:多光束背光件 112:方向性光束 112’:方向性光束第一集合 112”:方向性光束第二集合 114:導光體 114’:第一表面 114”:第二表面 116:多光束元件 116a:第一多光束元件 116b:第二多光束元件 118:光源 120:光閥陣列 120a:第一光閥集合、光閥集合 120b:第二光閥集合、光閥集合 200:使用者追蹤多視像顯示系統 202:箭頭 202’:實線箭頭 202”:虛線箭頭 204:區域 210:多視像顯示器 220:使用者追蹤器 222:攝影機 224:影像處理器 226:運動感測器 300:方法 310:步驟 320:步驟 A:第一位置、位置、第一使用者位置 a:第一視像 B:第二位置、位置、第二使用者位置 b:第二視像 c:第三視像 D:距離 d:第四視像、距離 e:第五視像 f:第六視像 g:第七視像 h:第八視像 i:第九視像、次要視像 O:原點 S:光閥尺寸 s:多光束元件尺寸 θ:角度分量、仰角分量、仰角 θi:入射角 θm:繞射角 ϕ:角度分量、方位角分量、方位角 σ:角展度、準直因子
根據在本文所描述的原理的示例和實施例的各種特徵可以參考以下結合附圖的詳細描述而更容易地理解，其中相同的元件符號表示相同的結構元件，並且其中： 圖1A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的透視圖。 圖1B係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的具有與多視像顯示器的視像方向相對應的特定主要角度方向的光束的角度分量的示意圖。 圖2係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的繞射光柵的剖面圖。 圖3係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的使用者追蹤多視像顯示器的剖面圖。 圖4A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的使用者追蹤多視像顯示器的剖面圖。 圖4B係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示在另一示例中的圖4A的使用者追蹤多視像顯示器的剖面圖。 圖4C係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的圖4A的使用者追蹤多視像顯示器的剖面圖。 圖5A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的包括多光束背光件的使用者追蹤多視像顯示器的剖面圖。 圖5B係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的包括多光束背光件的使用者追蹤多視像顯示器的平面圖。 圖5C係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的包括多光束背光件的使用者追蹤多視像顯示器的透視圖。 圖6A係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中包括多光束元件的多光束背光件的一部分的剖面圖。 圖6B係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包括多光束元件的多光束背光件的一部分的剖面圖。 圖7A係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包括多光束元件的多光束背光件的一部分的剖面圖。 圖7B係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包括多光束元件的多光束背光件的一部分的剖面圖。 圖8係根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中包括多光束元件的多光束背光件的一部分的剖面圖。 圖9係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的使用者追蹤多視像顯示系統的方塊圖。 圖10係根據與本發明所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中使用使用者追蹤的多視像顯示器的操作方法的流程圖。 一些示例和實施例具有除了上述參考附圖中所示的特徵之外的其他特徵，或代替以上參考附圖中所示的特徵的其他特徵。下面將參照上述附圖詳細描述這些和其他特徵。
100:使用者追蹤多視像顯示器
102:箭頭
102’:實線箭頭
102”:虛線箭頭
110:多光束背光件
112:方向性光束
112’:第一集合
112”:第二集合
120:光閥陣列

Claims (16)

  1. 一種使用者追蹤多視像顯示器，包括：一多光束背光件，被配置以提供方向性光束，該等方向性光束具有方向，對應一多視像影像之視像方向；以及一光閥陣列，被配置以調變該等方向性光束作為該多視像影像，該多視像影像包括一主要視像集合和一次要視像，該次要視像在角度上鄰接該主要視像集合之一終端視像，其中，該使用者追蹤多視像顯示器被配置以根據藉由該使用者追蹤多視像顯示器之一相對運動和一週期性使用者位置測量二者而確定的一使用者位置，選擇性地提供該主要視像集合或一擴增視像集合，該擴增視像集合包括該次要視像和該主要視像集合中的一視像子集合，其中，當選擇性地提供該擴增視像集合時，該等主要視像位移，使得該次要視像包括該終端視像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的使用者追蹤多視像顯示器，其中，該多光束背光件包括：一導光體，被配置以在沿著該導光體之長度的一傳導方向上引導光；以及複數個多光束元件，沿著該導光體之該長度互相隔開，該複數個多光束元件中的一多光束元件被配置以從該導光體中散射出該被引導的光之一部分，作為該等方向性光束，其中，該多光束元件之尺寸相當於該光閥陣列中的一光閥之尺寸。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的使用者追蹤多視像顯示器，其中，該多光束元件之該尺寸在該光閥之該尺寸的百分之五十和百分之二百之間。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的使用者追蹤多視像顯示器，其中，該多光束元件包括一繞射光柵，被配置以繞射地散射出該被引導的光之該部分，作為該等方向性光束。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的使用者追蹤多視像顯示器，其中，該多光束元件包括一微反射元件及一微折射元件之其中之一或二者，該微反射 元件被配置以反射地散射出該被引導的光之一部分，該微折射元件被配置以折射地散射出該被引導的光之一部分。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的使用者追蹤多視像顯示器，進一步包括一光源，該光源光學地耦合至該多光束背光件之一輸入部，該光源被配置以提供在該多光束背光件中要被引導的光，作為具有一非零值傳導角度的該被引導的光和根據預定的一準直因子被準直的該被引導的光之其中之一或二者。
  7. 一種使用者追蹤多視像顯示系統，包括：如申請專利範圍第1項所述的使用者追蹤多視像顯示器，該使用者追蹤多視像顯示系統進一步包括一使用者追蹤器，被配置以藉由在週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間使用該週期性使用者位置測量和該使用者追蹤多視像顯示器之該相對運動二者以確定該使用者相對於該多視像顯示器的位置，其中，在確定的一第一位置處，該使用者追蹤多視像顯示器被配置以選擇性地提供該主要視像集合，以及在確定的一第二位置處，該使用者追蹤多視像顯示器被配置以提供包含該次要視像的該擴增視像集合。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的使用者追蹤多視像顯示系統，其中，該使用者追蹤器包括：一使用者位置測量系統，包括一攝影機和一影像處理器，該攝影機被配置以週期性地擷取該使用者之影像，該影像處理器被配置以確定該使用者在該週期性地擷取的影像中的位置，以提供該週期性使用者位置測量；以及一運動感測器，被配置以在該等週期性使用者位置測量之間的該時間間隔期間追蹤該多視像顯示器之一相對運動，以確定該使用者追蹤多視像顯示器之該相對運動，其中，該相對運動被配置以在該等週期性使用者位置測量之間的該時間間隔期間提供該使用者位置之一估計值。
  9. 一種使用者追蹤多視像顯示系統，包括：一多視像顯示器，被配置以提供一多視像影像，該多視像影像之複數個視像包括一主要視像集合和一次要視像，該次要視像在角度上鄰接該主要視像集合之一終端視像；以及 一使用者追蹤器，被配置以藉由在週期性使用者位置測量之間週期性地測量一使用者位置與監視該多視像顯示器之一相對運動的組合以追踪相對於該多視像顯示器的一使用者位置，其中，該多視像顯示器被配置以在相對於該多視像顯示器的一第一使用者位置處提供該主要視像集合，並且在相對於該多視像顯示器的一第二使用者位置處提供一擴增視像集合，該擴增視像集合包括該次要視像，其中，當選擇性地提供該擴增視像集合時，該等主要視像位移，使得該次要視像包括該終端視像。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的使用者追蹤多視像顯示系統，其中，該多視像顯示器包括：一多光束背光件，被配置以提供複數條方向性光束，該複數條方向性光束具有不同的主要角度方向，對應該複數個視像之不同的視像方向；以及一光閥陣列，被配置以調變該複數條方向性光束以提供該複數個視像。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的使用者追蹤多視像顯示系統，其中，該多光束背光件包括：一導光體，被配置以沿著該導光體之長度在一傳導方向上引導光；以及一多光束元件陣列，沿著該導光體之長度互相隔開，該多光束元件陣列中的一多光束元件被配置以從該導光體散射出該被引導的光之一部分，作為具有該等不同的主要角度方向的該複數條方向性光束，其中，該多光束元件之尺寸相當於該光閥陣列中的一光閥之尺寸。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的使用者追蹤多視像顯示系統，其中，該多光束元件包括一繞射光柵、一微反射元件、和一微折射元件之其中之一以上，光學地連接到該導光體以散射出該被引導的光之該部分。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的使用者追蹤多視像顯示系統，其中，該使用者追蹤器包括：一攝影機，被配置以週期性地擷取該使用者之一影像；一影像處理器，被配置以測量該使用者在擷取的該影像中的位置，以提供該週期性使用者位置測量；以及 一運動感測器，包括一陀螺儀和一加速計之其中之一或二者，以監視該多視像顯示器之該相對運動，其中，該相對運動被配置以在該等週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間提供該使用者位置之一估計值。
  14. 一種採用使用者追蹤的多視像顯示器的操作方法，該方法包括：使用一多視像顯示器提供一景象之複數個視像，該複數個視像包括一主要視像集合和一次要視像，該次要視像在角度上鄰接該主要視像集合之一終端視像；以及使用一週期性使用者位置測量與該多視像顯示器之一相對運動的組合以確定相對於該多視像顯示器的一使用者位置，當確定使用者位於一第一位置時，該多視像顯示器選擇性地提供該主要視像集合，並且當確定使用者位於一第二位置時，該多視像顯示器選擇性地提供一擴增視像集合，該擴增視像包括該次要視像，其中，當選擇性地提供該擴增視像集合時，該等主要視像位移，使得該次要視像包括該終端視像。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的多視像顯示器的操作方法，其中，所述提供複數個視像之步驟包括：沿著一導光體之長度在一傳導方向上引導光；以及使用一多光束元件從該導光體散射出該被引導的光之一部分，以提供複數條散射出的方向性光束，該複數條散射出的方向性光束具有不同的主要角度方向，對應該多視像顯示器之分別不同的視像方向；以及使用複數個光閥調變該複數條散射出的方向性光束，以提供該景象之該複數個視像，作為一多視像影像，其中，該多光束元件之尺寸相當於該複數個光閥中的一光閥之尺寸。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的多視像顯示器的操作方法，其中，所述確定一使用者位置之步驟包括：使用一攝影機週期性地擷取該使用者之一影像； 使用一影像處理器在擷取的該影像中建立該使用者之位置，建立的該位置對應該週期性使用者位置測量；以及監視該多視像顯示器之一相對運動，以在該等週期性使用者位置測量之間的時間間隔期間提供該使用者位置之一估計值。
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