TWI726530B - 具有多視域的靜態多視像顯示器和方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種採用繞射光柵的多視域靜態多視像顯示器，其被配置以對靜態多視像顯示器的多視像影像的視像提供具有主要角度方向的方向性光束。多視域靜態多視像顯示器包含導光體，其引導來自光源的光。光源可以包含光學發射器，其可以在縱向方向上偏移。光源的光學發射器提供在導光體內準直的引導光束，其具有由光學發射器的縱向偏移決定的傳播角度。此外，不同的繞射光柵組將準直引導光束的不同部分散射為或繞射為表示多視像影像的不同的複數個方向性光束並進入不同的視域中。這些視域可以具有不同的、不重疊的角度範圍，其可以由空白區域隔開。

Description

具有多視域的靜態多視像顯示器和方法
本發明係關於一種靜態多視像顯示器和方法，特別是具有多視域的靜態多視像顯示器和方法。
對於種類廣泛的裝置及產品的使用者而言，電子顯示器是一個幾乎無處不在的媒介，用於傳遞資訊給使用者。一般而言，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。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射出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，諸如背光件。
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，提供一種多視域靜態多視像顯示器，包括：一導光體，被配置以引導光；一光源，被配置為在該導光體內提供一準直引導光束；以及複數個繞射光柵，其分佈在整個導光體上，該複數個繞射光柵之中的第一繞射光柵組被配置為將該準直引導光束的一部分散射出至一第一視域中以作為表示一第一多視像影像的方向性光束，並且該複數個繞射光柵之中的第二繞射光柵組被配置為將該準直引導光束的另一部分散射出至一第二視域中以作為表示一第二多視像影像的方向性光束。
根據本發明一實施例，任一該第一繞射光柵組和該第二繞射光柵組之中的該複數個繞射光柵之中的一繞射光柵被配置為提供具有一強度和一主要角度方向的一方向性光束，該強度和該主要角度方向與該第一多視像影像和該第二多視像影像之中的相應一個多視像影像的一視像像素的一強度和一視像方向相對應。
根據本發明一實施例，該繞射光柵的一光柵特性被配置以決定該強度和該主要角度方向，該光柵特性被配置以決定包括該繞射光柵的一光柵間距和該繞射光柵的一光柵方位其中之一或之二的主要角度方向。
根據本發明一實施例，該光柵特性被配置以決定包括該繞射光柵的一光柵深度的該強度。
根據本發明一實施例，該第一繞射光柵組和該第二繞射光柵組位於該導光體的與該導光體的一發射表面相對的一表面上，該準直引導光束的一部分通過該發射表面被散射出以作為表示該第一多視像影像和該第二多視像影像的複數條方向性光束。
根據本發明一實施例，該多視域靜態多視像顯示器進一步包括位在該導光體的輸入處的一準直光耦合器，該準直光耦合器被配置以將來自該光源的光光學地耦合到該導光體的輸入處中，以作為該準直引導光束。
根據本發明一實施例，該準直光耦合器包括一圓柱型光柵耦合器，該光源與該導光體的一引導表面相鄰，並且該光源被配置以通過該引導表面發射光。
根據本發明一實施例，該第一視域被配置以具有一第一角度範圍，該第二視域被配置以具有一第二角度範圍，以及該第一視域與該第二視域為互斥的角度範圍。
根據本發明一實施例，該第一視域和該第二視域由一空白區域互相隔開，在該空白區域中該第一多視像影像和該第二多視像影像皆為不可見的。
根據本發明一實施例，該第一多視像影像不同於該第二多視像影像。
根據本發明一實施例，該導光體和該繞射光柵組對於在與該引導光束的傳播方向相對應的縱向方向正交的垂直方向上傳播的光是透明的。
在本發明之另一態樣中，提供一種具有多視域的靜態多視像顯示器，該靜態多視像顯示器包括：一導光體，被配置以將來自一光源的光引導為一引導光；以及複數個繞射光柵，被配置以將該引導光的一部分散射出以作為表示在複數個視域內可見的多視像影像的方向性光束，每一個多視像影像對應於該複數個繞射光柵之中的不同繞射光柵組的方向性光束，並且該複數個視域中的每一個視域皆具有不同的角度範圍，在該角度範圍中對應的一多視像影像被配置為可見的。
根據本發明一實施例，在每一對不同的視域中可見的該多視像影像互相不同。
根據本發明一實施例，該複數個視域中的一視域與一相鄰視域之間由一空白區域隔開，在該空白區域中該多視像影像是不可見的。
根據本發明一實施例，該複數個繞射光柵之中的一繞射光柵被配置以提供具有一強度和一主要角度方向的該複數條方向性光束之中的一方向性光束，該強度和該主要角度方向與該多視像影像之中的相應一個多視像影像的一視像像素的一強度和一視像方向相對應，該繞射光柵的一光柵間距和一光柵方位被配置以決定該方向性光束的該主要角度方向，並且該繞射光柵的一光柵深度被配置以決定該方向性光束的該強度。
根據本發明一實施例，該具有多視域的靜態多視像顯示器進一步包括位在該導光體的輸入處的一準直光耦合器，該準直光耦合器被配置以根據準直因子並且在該導光體內具有的一預定的傳播角度，將來自一光源的光光學地耦合到該導光體的輸入處中，以作為一準直引導光束。
在本發明之另一態樣中，提供一種多視域靜態多視像顯示器的操作方法，該方法包括：在一導光體內提供一準直引導光束；使用第一繞射光柵組將該引導光束的一部分繞射地散射出指向一第一視域中以作為方向性光束，以表示在該第一視域中可見的一第一多視像影像；以及使用第二繞射光柵組將該引導光束的另一部分繞射地散射出指向一第二視域中以作為方向性光束，以表示在該第二視域中可見的一第二多視像影像，其中，該第一視域和該第二視域具有互相不同的角度範圍。
根據本發明一實施例，其中，該第一多視像影像和該第二多視像影像互相不同，該第一多視像影像僅在該第一視域中是可見的，而該第二多視像影像僅在該第二視域中是可見的。
根據本發明一實施例，其中，該第一視域與該第二視域由一空白區域隔開。
根據本發明一實施例，其中，由該第一繞射光柵組和該第二繞射光柵組之中的一繞射光柵繞射地散射出的一方向性光束的一主要角度方向由該繞射光柵的一光柵間距和一光柵方位來決定，該方向性光束的一強度由該繞射光柵的一光柵深度來決定。
根據本文描述的原理的示例和實施例，本發明提供了一種多視域多視像顯示器，其發射代表多視像影像或三維（3D）影像的方向性光束。特別是，與本文描述的原理一致的實施例提供了一種具有引導來自光源的光的導光體的多視域多視像顯示器。光源可以包含在縱向方向上偏移的光學發射器。光源的光學發射器在導光體內提供準直的引導光束，其具有由光學發射器的縱向偏移決定的傳播角度。此外，不同組的繞射光柵將準直引導光的不同部分散射為或繞射為表示多視像影像的不同的複數個方向性光束並進入不同的視域。這些視域可以具有不同的、不重疊的角度範圍，其可以由空白區域隔開。此外，多視像影像的方向是準直引導光束的顏色和傳播角度的函數。應注意的是，多視像影像可以互相不同。
繞射光柵組中每一個繞射光柵的光柵特性決定方向性光束的強度和主要角度方向，其對應於視域中對應的多視像影像的視像像素的強度和視像方向。光柵特性可以包含繞射光柵的光柵間距或特徵間隔、繞射光柵的光柵方位或兩者，其決定由繞射光柵提供的方向性光束的主要角度方向。此外，光柵特性可以包含決定由繞射光柵提供的方向性光束的強度的光柵深度、光柵尺寸（例如，長度或寬度）或兩者。此外，所述的繞射光柵組之中的繞射光柵可以位於與導光體的發射表面相同的表面上，準直引導光的一部分通過所述表面被散射為複數個方向性光束。或者，所述的繞射光柵組之中的繞射光柵可以位於導光體的與導光體的發射表面相對的表面上。因此，導光體和繞射光柵組對於在與縱向方向正交的垂直方向上傳播的光是透明的。此外，多視域多視像顯示器在導光體的輸入處可以包括準直光耦合器。準直光耦合器將來自光源的光學發射器的光光學耦合到導光體的輸入處中以作為準直引導光束，其中，光學發射器的縱向偏移為光學發射器在縱向方向上相對於準直光耦合器的位置。舉例而言，準直光耦合器可以包含圓柱型光柵耦合器，諸如反射模式繞射光柵或透射模式繞射光柵。
因為具有強度和主要角度方向的複數個方向性光束，所以多視域多視像顯示器可以被配置以提供多視像影像。舉例而言，複數個繞射光柵組可以提供具有不同方向的多視像影像，並且因此，可以看見多視像影像的視域中的不同角度範圍。此功能可以允許多視域多視像顯示器，以同時向不同的觀看者提供不同的多視像影像。
在一些實施例中，光源可以包含複數個具有不同顏色以及所選擇的縱向偏移的光學發射器，以使由準直引導光束提供的對於不同顏色的多視像影像的群組，會在角度範圍內產生合成多視像影像。合成多視像影像可以具有表示不同顏色和不同光學發射器的相對照度的組合的顏色。
本文所述的多視域多視像顯示器的使用，包含但不限於，行動電話（例如，智慧型手機）、手錶、平板電腦，行動電腦（例如，膝上型電腦）、個人電腦和電腦螢幕、汽車顯示控制台、抬頭（head up）顯示器、相機顯示器以及其他各種行動顯示器以及基本上非行動顯示器的應用程式和裝置。舉例而言，多視域多視像顯示器可以通過汽車的擋風玻璃或窗戶提供靜態抬頭多視像影像。因此，如前文所述，本討論中的多視域多視像顯示器可以包括導光體，其對於在與導光體內的複數條準直引導光之中的準直引導光束的傳播方向正交的方向上傳播的光是透明的，藉由設置在導光體表面上的複數繞射光柵組來操縱或提供表示視域中的角度範圍內的多視像影像的方向性光束。
在本文中，「多視像顯示器」定義為被配置以在不同視像方向（view direction）上提供多視像影像（multiview image）的不同視像（different views）的電子顯示器或顯示系統。圖1A係根據與本文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的立體圖。如圖1A所示，多視像顯示器10包含在螢幕12上的繞射光柵，以在多視像影像中的視像14中顯示視像像素。舉例而言，螢幕12可以是電話（例如手機、智慧型手機等等）、平板電腦、筆記型電腦、桌上型電腦的電腦顯示器、相機顯示器、抬頭顯示器、汽車顯示器或基本上顯示任何其他裝置的電子顯示器的顯示螢幕。多視像顯示器10在相對於螢幕12上的繞射光柵的不同的視像或主要角度方向16中提供多視像影像的不同視像14。視像方向16如箭頭所示，從螢幕12以各種不同的主要角度方向延伸；不同的視像14在箭頭（亦即，表示視像方向16的箭頭）的終止處顯示為複數個多邊形框；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12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，並且指的是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。類似地，儘管視像14描繪為沿著圍繞y軸的弧線，但這也只是為了簡化說明，並不旨在進行限制。
根據本文的定義，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在本文中被稱為光束的「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」。根據本發明中的定義，仰角θ為是在垂直平面（例如，垂直於多視像顯示器螢幕的平面）內的角度，而方位角ϕ是在水平面（例如，平行於多視像顯示器螢幕的平面）內的角度。圖1B係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中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的角度分量｛θ, ϕ｝的示意圖。此外，根據本文的定義，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進一步顯示了原點O的光束（或視像方向）。
此外，在本文中，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（view）之中的視像之間表示不同的立體圖或包含視像的角度差異的複數個視像。另外，根據本文的定義，本發明中術語「多視像」明確地包含多於兩個不同的視像（亦即，最少三個視像並且通常多於三個視像）。如此一來，本文中所使用的「多視像顯示器」一詞明確地與僅包含表示場景或影像的兩個不同的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兩個以上的視像，但是根據本文的定義，可以一次透過僅選擇該些多視像影像中的兩個影像來觀看（例如，在多視像顯示器上觀看），以將多視像影像觀看為立體影像對（a stereoscopic pair of images）（例如，每隻眼睛一個視像）。
在多視像顯示器中，複數個繞射光柵之中的每一個繞射光柵可以構成多視像影像之中的視像像素。特別是，每一個繞射光柵皆可以提供光束（具有強度和主要角度方向），其表示在由多視像顯示器提供的多視像影像的特定視像之中的視像像素。因此，在一些實施例中，每一個繞射光柵皆可以提供有用於多視像影像的視像的光束。在一些實施例中，多視像顯示器包含640×480或307,200個繞射光柵。在其他實施例中，多視像顯示器包含100 x 100或10,000個繞射光柵。
在本文中，「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，導光體可以包含在導光體的工作波長處基本上透明的核心。在各個示例中，「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率大於與導光體材料的表面鄰接的周圍介質的折射率。在一些實施例中，導光體可以在利用上述的折射率差異之外額外包含塗層，或者利用塗層取代前述的折射率差異，藉此進一步促成全內反射。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之二。
本文進一步，術語「平板（plate）」（如在「平板導光體」中一樣）應用於導光體時，定義為片段地（piece-wise）或微分地（differentially）平坦的層或片，有時也稱為「厚平板（slab）」導光體。具體來說，平板導光體被定義為導光體，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，根據本文的定義，頂部表面和底部表面都互相分開，並且至少在微分的意義上可以基本互相平行。也就是說，在平板導光體的任何微分地小的部分內，頂部表面和底部表面大致上為平行或共平面的。
在一些實施例中，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的導光體。在其他實施例中，平板導光體可以在一個或兩個正交維度上彎曲。舉例而言，平板導光體可以在單個維度上彎曲以形成圓柱形的平板導光體。然而，任何曲率都具有足夠大的曲率半徑，以確保在平板導光體內保持全內反射以引導光。
本文中，「繞射光柵」一般而言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特徵（feature）（亦即，繞射特徵）。在一些示例中，複數個特徵可以以週期性或準週期性方式來排列，在成對特徵之間具有一個以上的光柵間隔。舉例而言，繞射光柵可以包含排列在一維（one-dimensional, 1D）陣列之中的複數個結構（例如，在材料表面中的複數凹槽或凸脊）。在其他示例中，繞射光柵可以是特徵的二維（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2D陣列。
如此，根據本文的定義，「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產生並且因此被稱為「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）重新導向或改變光的角度。特別是，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）的傳播方向不同的傳播方向。藉由繞射產生之光的傳播方向上的變化於本發明中被稱為「繞射地重新導向」。因此，繞射光柵可被理解為包含繞射特徵的結構，其經由繞射方式將入射在繞射光柵上的光重新導向，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，根據本文的定義，繞射光柵的特徵被稱為「繞射特徵」，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。繞射特徵可以包含繞射光的各種結構中的任何一種，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，繞射光柵可以包含在材料表面內的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剖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（例如，閃耀光柵（blazed grating））之中的一個以上。
如下文參考圖4A和4B進一步描述的，本文的繞射光柵可以具有光柵特性，其包含特徵間隔或間距、方向、和尺寸（諸如繞射光柵的寬度或長度）之中的一個以上。如下文參考圖3A至3C進一步描述的，光柵特性可以取決於準直引導光的傳播角度、準直引導光的顏色或其兩者。例如，繞射光柵的光柵特性可以取決於光源中的光學發射器的縱向偏移和繞射光柵的位置。通過適當改變繞射光柵的光柵特性，由繞射光柵繞射的光束的強度和主要角度方向（有時也稱為「方向性光束」）對應多視像影像的視像像素的強度和視像方向。
根據本文所述的各個示例，繞射光柵（例如，多視像顯示器的繞射光柵，如下文所述）可以被用於將光繞射地散射，或者將光耦合出導光體（例如，平板導光體）以成為光束。特別是，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（與其顏色對應），m是繞射階數，n是導光體的折射率，d是繞射光柵的特徵之間的距離或間隔，θi 是繞射光柵上的光的入射角（亦即，傳播角度）。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率等於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 可以由方程式（1）給定，其中繞射階數為正（例如，m＞ 0）。舉例而言，當繞射階數m等於1（亦即，m ＝ 1）時，提供一階繞射。
圖2係根據與本文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。舉例而言，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（或光束的集合）50。光束50是導光體40內的準直引導光束。在圖2中還示出了由於入射光束50的繞射而由繞射光柵30繞射地產生並且耦合出的光束（或光束的集合）60。耦合出的光束60具有如方程式（1）所示的繞射角θm （或者，在本文中，「主要角度方向」）。舉例而言，耦合出的光束60可以對應於繞射光柵30的繞射階數「m」。
根據各個實施例，各個光束的主要角度方向由光柵特性決定，包含但不限於繞射光柵的尺寸（例如，長度、寬度、或面積等等）、方位、特徵間隔和光柵深度之中的一個以上。此外，由繞射光柵產生的光束具有由角度分量｛θ, ϕ｝給出的主要角度方向，根據本文的定義，並且如上文關於圖1B所述。
如下文參考圖3A至3C進一步所描述的，多視像顯示器可以基於耦合來自導光體的光的能力，並且具體來說，藉由使用在導光體上的特定位置處的繞射光柵操縱方向性光束在視域中的主要角度方向。來自繞射光柵的單一條方向性光束（具有強度和主要角度方向），其表示多視像顯示器的多視像影像的特定視像中的視像像素。導光體上的繞射光柵實際上是一個角度保持耦合結構，其中相對於入射角的發射角由光柵方程式決定，亦即，方程式（1）。因此，入射到繞射光柵的單一條單色光束可以對於繞射光柵的特定繞射階數產生或輸出單一方向性光束。
在一些實施例中，在導光體中的引導光沿著縱向方向、垂直方向或兩者至少部分地被準直。例如，光源可以提供至少部分準直的光，所述導光體可以至少部分地準直引導光，並且/或者所述多視像顯示器可以包含準直器。因此，在一些實施例中，多視像顯示器中的一個以上的組件執行準直器的功能。
在本文中，「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，導光體中的準直引導光束）基本上互相平行。此外，根據本文的定義，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。此外，在本文中，「準直器」被定義為基本上被配置以準直光的任何光學裝置或元件。舉例來說，準直器可以包含但不限於，準直鏡或反射器、準直透鏡、和上述各種準直器的組合。在一些實施例中，準直器係包含準直反射器，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。如下文參考圖6A和6B進一步描述的，在另一個示例中，準直反射器可以包含類拋物面反射器（shaped parabolic reflector）。「類拋物面」本文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）。類似地，準直透鏡可以包含球形的表面（例如，雙凸球面透鏡）。
在一些實施例中，準直器可為連續反射器或連續透鏡（亦即，具有基本上平滑、連續表面的反射器或透鏡）。在其他實施例中，準直反射器或準直透鏡可包含基本上為不連續的表面，例如，可包含但不限定於，用於提供光的準直的菲涅耳（Fresnel）反射器或菲涅耳透鏡。根據各個實施例，由準直器提供的準直量可以預定程度或大小在實施例間變化。進一步地，準直器可被配置以在兩個正交方向（例如，縱向方向和垂直方向）其中之一或之二上提供準直。也就是，根據一些實施例，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之二的形狀。
本文中，「準直因子」定義為光的準直程度。具體來說，根據本文的定義，準直因子定義準直光束中的光線的角展度。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決定的角度。
在本文中，「光源」被定義為發出光的源頭（例如，被配置以產生光和發射光的一個以上的光學發射器）。舉例而言，光源可以包含光學發射器，例如，發光二極體（light emitting diode, LED），其在被啟動或開啟時發光。具體來說，在本文中光源基本上可為任何一種來源的光或包含基本上任何光學發射器，其包含但不限於，發光二極體（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，以及實質上任何的光源之中的一個以上。由光源所產生的光可以具有一顏色（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）。在一些實施例中，光源可以包含複數個光學發射器。舉例而言，光源可以包含光學發射器組或群組，其中至少一個光學發射器產生具有一顏色或等同的一波長的光，所述顏色或等同的波長不同於由該組或該群組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。舉例而言，該等不同的顏色可包含原色（例如，紅、綠、藍）。
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「一個或多個」。例如，「一繞射光柵」是指一個或多個繞射光柵，因此，「該繞射光柵」在本文中是指「該（些）繞射光柵」。此外，本文中對「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「向上」、「向下」、「前」、「後」、「第一」、「第二」、「左」、或「右」並非意使其成為任何限制。本文中，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，本文所使用「基本上（substantially）」一詞是指大部分、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限制的目的而呈現。
根據與本文所述的原理的一些實施例，本發明提供一種多視域多視像顯示器。根據與本文所描述的原理一致的一實施例，圖3A顯示示例中多視域多視像顯示器100的剖面圖，圖3B顯示示例中多視域多視像顯示器100的俯視圖，圖3C顯示示例中多視域多視像顯示器100的立體圖。多視域多視像顯示器100可以包含導光體110，例如平板導光體。導光體110可以沿著導光體110的縱向方向108引導光，以作為準直引導光束112。例如，導光體110可以包含被配置為光波導的介電材料。所述的介電材料具有一第一折射率，環繞介電質的光波導的一介質具有一第二折射率，其中，第一折射率係大於第二折射率。例如，根據導光體110的一個以上引導模式，折射率的差異被配置以促進準直引導光束112的全內反射。應注意，縱向方向108可以限定準直引導光束112的總體傳播方向或淨傳播方向。
在一些實施例中，導光體110可以是厚平板或平板光波導，其包含延伸的、基本上平坦的光學透明介電材料片。所述之大致為平面薄板狀的介電材料，其被配置以藉由全內反射來引導準直引導光束112。根據各個示例，導光體110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以上玻璃（例如，石英玻璃（silica glass），鹼性鋁矽酸鹽玻璃（alkali-aluminosilicate glass），硼矽酸鹽玻璃（borosilicate glass）等）以及基本上光學透明的塑膠或聚合物（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）。在一些示例中，導光體110可以進一步包含包覆層（圖中未顯示），其在導光體110的表面（例如，頂部表面和底部表面其中之一或之二）的至少一部分上。根據一些示例，包覆層可以用於進一步促進全內反射。
此外，多視域多視像顯示器100可以包含光源114（例如光發射器），所述光源114具有在縱向方向108上的縱向位置118並且光學地耦合至導光體110。光源114可以在導光體110內提供準直引導光束112，其具有由光源114的縱向位置118決定的非零值傳播角度120。在一些實施例中，縱向位置118為零。此外，光源114可以位於與導光體110的入射表面或端部（輸入端）相鄰，並且光源114可以提供光122，其藉由準直光學耦合器124耦合到導光體110中，使得準直引導光束112具有非零值傳播角度120（例如，大約30至35度），並且大致上沿著縱向方向108（例如，沿著圖3A中的x軸）遠離輸入端傳播。
在各個實施例中，光源114可以包含大致任何種類的光源（例如，光學發射器），該些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。在一些實施例中，光源114被配置為產生基本上是單色的光，其具有由特定顏色表示的窄帶光譜。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（RGB）顏色模型）。或者，在一些實施例中，光源114中的複數個光學發射器可以位在不同的縱向偏移處或不同的位置，其可以產生具有不同顏色的光122，亦即，位在不同的縱向偏移或位置處的來自光學發射器的光122的顏色可以不同。因此，光源114可以包含複數個不同的光學發射器，被配置以提供光的不同顏色。此外，不同的光學發射器可以被配置以提供具有與光的不同顏色中的每一個顏色相對應的準直引導光束112的不同的、顏色特定的、非零值傳播角度120的光122。
下文參考圖5A至6B進一步描述，可以用作準直光學耦合器124的圓柱型光柵耦合器的實施例。舉例而言，在其他實施例中，準直光學耦合器124可以包含以下之一：透鏡（例如，圓柱形透鏡）、鏡子或類似的反射鏡（例如，傾斜的準直反射鏡）、稜柱（圖中未顯示）可以用於將光以平均非零值傳播角度120耦合到導光體110的輸入端以作為準直引導光束112。
導光體110根據在導光體110的第一表面136’（ 例如，「前」表面或側面）和第二表面136” （例如「背面」或側面）之間的平均非零值傳播角度120處的全內反射被配置以引導準直引導光束112。特別是，準直引導光束112藉由在導光體110的第一表面136’和第二表面136”之間以非零值傳播角度120反射或「跳動」零次或更多次而傳播。
如本文所定義，「非零值傳播角度」（例如傳播角120）是相對於導光體110的表面（例如，第一表面136’或第二表面136”）的角度。此外，根據各個實施例，非零值傳播角度均大於零且小於導光體110內的全內反射的臨界角度。例如，準直引導光束112的平均非零值傳播角度120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。舉例而言，非零值傳播角度可以是大約三十（30）度。在其他示例中，非零值傳播角度可以是大約20度、或者大約25度、或者大約35度。此外，對於特定的實施，可以選擇（例如任意）特定的非零值傳播角度，只要特定的非零值傳播角度被選擇為小於導光體110內的全內反射的臨界角即可。
如圖3B所示，多視域多視像顯示器100可以在第一表面136’上包含複數組的繞射光柵128，例如，繞射光柵128a在第一繞射光柵組中、繞射光柵128b在第二繞射光柵組中和繞射光柵128c在第三繞射光柵組中。這些組的繞射光柵可以在導光體110的表面（例如表面136’）上在空間散佈或交叉。例如，在繞射光柵組中的繞射光柵可以均勻地間隔開。儘管所描述的實施例顯示了具有三組繞射光柵128的多視域多視像顯示器100，但是在其他實施例中，可以存在更少或更多組的繞射光柵。通常，多視域多視像顯示器100可以包含兩組或多組的繞射光柵128。返回參考圖3A，這些組的繞射光柵128發射表示多視像影像132（例如多視像影像132a、132b和132c）的方向性光束130（例如方向性光束130a和130c）。應注意，每一個多視像影像132皆具有一個相關聯的中心視像方向134（諸如中心視像方向134a、134b和134c），並且多視像影像132中的其他視像相對於中心視像方向134。此外，多視像影像132僅在具有角度範圍146a、146b、146c的相對應的非重疊視域144a、144b、144c中可見。因此，角度範圍可以是互斥的，並且多視像影像可以僅在相應的視域中可見。在一些實施例中，相鄰的視域由空白區域148a、148b隔開，在所述空白區域148a、148b中多視像影像132是不可見的。應注意，視域中的多視像影像132可以互相不同，亦即，不同的多視像影像在不同的視域中是可見的。
例如，第一繞射光柵組發射的方向性光束130a可以從側面126被照射的透明導光體110生成多視像影像132a（在視域144a中具有視像V1 、視像V2 和視像V3 ，在角度範圍146a中具有中心視像方向134a），所述方向性光束130a有助於顯示具有3D內容的資訊。第一繞射光柵組中的每一個繞射光柵從複數條準直引導光束112之中的準直引導光束的一部分提供方向性光束130之中的方向性光束，該方向性光束130具有與多視像影像132a的視像像素的強度和視像方向相對應的強度和主要角度方向。在一些實施例中，根據一些實施例，繞射光柵組128中的繞射光柵通常不相交、重疊或彼此接觸。亦即，繞射光柵組128中的每一個繞射光柵通常是不同的，並且與繞射光柵組128中的其他繞射光柵分開。
方向性光束130（例如方向性光束130a）可以，至少部分地，在與縱向方向108正交的方向上傳播，亦即，正交於導光體110內的複數個準直引導光束112之中的準直引導光束的平均傳播方向。特別是，在一些實施例中，導光體110和間隔開的複數組的繞射光柵128允許光通過第一表面136’和第二表面136”之中的其一或其二以穿過導光體110。因此，導光體110對於在與複數條準直引導光束112之中的準直引導光束的平均傳播方向的正交方向上傳播的光為透明的。透過繞射光柵組128的之中繞射光柵的基本透明性至少在一定程度上促進了其透明性透。應注意，來自單一個繞射光柵（例如繞射光柵128a）的方向性光束的強度和主要角度方向可以對應於多視域多視像顯示器100的視域144a中的多視像影像132a中的視像中的視像像素。
如前所述，繞射光柵組128之中的每一個繞射光柵都具有相關的光柵特性，其取決於被繞射光柵繞射耦合的準直引導光束112的至少一部分的顏色和傳播角度。換句話說，繞射光柵組128之中的繞射光柵的相關光柵特性取決於準直引導光束112的至少一部分的顏色和傳播角度。
通常，光柵特性可以包含特徵間隔或間距、光柵深度、繞射光柵的方向和尺寸的其中一個以上。此外，繞射光柵組128之中的繞射光柵的光柵特性的變化可以確保這些繞射光柵有助於對應多視像影像132的相同匹配視像。這在圖3B顯示為位在空間座標（X1，Y1）、（X2，Y2）和（X3，Y3）處的繞射光柵128a、128b和128c，其具有不同的光柵特性，以補償從光源114入射到繞射光柵組128上的複數個準直引導光束112的不同傳播方向。
在一些實施例中，繞射光柵耦合效率（例如，繞射光柵面積、凹槽深度或凸脊高度等等）依照與側面126的距離而增加，以校正準直引導光束112的強度的減少。從而，由繞射光柵組128組之中的繞射光柵提供的方向性光束130的強度以及對應於相應視像像素的強度是由繞射光柵組128的繞射地耦合效率來決定。
如上文所述，準直引導光束112或等效地藉由將光耦合到導光體110而產生的準直引導光束112可以是準直光束。在一些實施例中，多視域多視像顯示器100可以包含準直器，例如，如上文所述的透鏡、反射器、或鏡子（例如，傾斜準直反射器）以準直光，例如，準直來自光源的光。例如，導光體110可以包含準直器，或者可以至少部分地準直該準直引導光束112。在一些實施例中，光源114包含準直器，例如LED上的透鏡。提供給導光體110的準直光是準直引導光束112，例如，其藉由位於光源114和導光體110之間的準直器以將光有效地耦合到導光體110中，例如，外部透鏡、反射器、拋物面反射器、繞射光柵、桶狀準直器（barrel collimator）等。在各個實施例中，如上文所述，準直引導光束112可以根據準直因子以準直，或者準直引導光束112可以具有準直因子。
準直器可以被配置以接收來自光源114的大致非準直光。準直器係進一步被配置以將大致非準直光轉換為準直光。特別是，根據一些實施例，準直器可提供具有非零值傳播角度120並且依據預定準直因子以準直的準直光。而且，當在光源114中採用複數個不同顏色的光學發射器時，準直器可以被配置以提供具有不同的、顏色特定的非零值傳播角度以及不同顏色特定的準直因子其中之一或之二的準直光。如上文所述，準直器進一步被配置以將準直光束傳送到導光體110，以將其傳播為準直引導光束112。
如圖3A至3C所示，繞射光柵組128中的繞射光柵可以位於第一表面136’處或附近，所述第一表面136’是導光體110的光束發射表面。舉例而言，繞射光柵組128的中的繞射光柵可以是透射模式繞射光柵，其被配置為通過第一表面136’繞射耦合出引導光的一部分以作為方向性光束130。或者，在一些實施例中，繞射光柵組128中的繞射光柵位於與導光體110的光束發射表面（亦即，第一表面136’）相對的第二表面136”處或附近。特別是，繞射光柵128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128被配置為既繞射引導光的一部分並且將所繞射的引導光的一部分朝向第一表面136’ 反射以作為繞射地耦合出的方向性光束130通過第一表面136’出射。在其他實施例（圖中未顯示）中，繞射光柵128可以位於導光體110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之二。應注意，在本文所述的一些實施例中，耦合出的方向性光束130的主要角度方向可以包含由於耦合出的方向性光束130在導光體表面處離開導光體110而產生的折射效應。作為示例而非限制的，例如，當繞射光柵128位於第二表面136”處或與第二表面136”相鄰時，耦合出的方向性光束130可以折射（亦即，彎曲），因為耦合出的方向性光束130穿過第一表面136’時折射率會改變。
在一些實施例中，使用繞射（例如，使用繞射光柵128）發射多視域多視像顯示器100的方向性光束130。圖4A係根據與本文所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器100之中繞射光柵128a在第一繞射光柵組中的俯視圖。此外，圖4B係根據與本文所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器100之中的繞射光柵組128的俯視圖。特別是，圖4A和4B顯示了多視域多視像顯示器100的繞射光柵128。繞射光柵128被配置為繞射地耦合出複數條準直引導光束112（其可以為單色光）以作為複數條方向性光束130之中的方向性光束。此外，該些繞射光柵可以分為複數個組，例如，第一組的繞射光柵150a、第二組的繞射光柵150b、第三組的繞射光柵150c，如上文所述，其對應於不同的視域144。
應注意，每一個繞射光柵128皆包含複數個繞射特徵，其藉由繞射特徵間隔（有時稱為「光柵間隔」）或繞射特徵或光柵間距互相隔開，該繞射特徵被配置以提供繞射地耦合出的部分引導光。根據各個實施例，繞射光柵128中的繞射特徵的間隔或光柵間距可為子波長 （亦即，小於準直引導光束112的波長）。應注意的是，為了簡化說明，圖4A和4B顯示了具有單一光柵間隔（亦即，恆定的光柵間距）的繞射光柵128。在各個實施例中，如下文所述，繞射光柵128可包含複數個不同的光柵間隔（例如，兩個以上的光柵間隔）或可變的光柵間隔或間距，以提供圖3A至3C中的方向性光束130。因此，圖4A和4B並不意味著單一光柵間距是繞射光柵128的一個實施例。
根據一些實施例，繞射光柵128的繞射特徵可以包含互相隔開的凹槽和凸脊其中之一或之二。凹槽或凸脊可以包含導光體110的材料，例如，可以形成在導光體110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110的表面上的另一種材料的膜或層。
如之前所討論的和圖4A中所示，繞射特徵的配置包含繞射光柵128a的光柵特性。舉例而言，繞射光柵的光柵深度可以被配置以決定由繞射光柵128a提供的方向性光束的強度。替代地或另外地，如先前所討論的並且在圖4B中示出，光柵特性包含繞射光柵128a的光柵間距和繞射光柵128a的光柵方位γ其中之一或之二。這些光柵特性與準直引導光束112的入射角（亦即，傳播角度120）一起決定由繞射光柵128提供的方向性光束的主要角度方向。
在一些實施例中（圖中未顯示），被配置為提供方向性光束130的繞射光柵128為可變或啁啾（chirped）式繞射光柵或包含可變或啁啾（chirped）式繞射光柵。根據定義，「啁啾式」繞射光柵是一種繞射光柵，其表現或具有在啁啾式繞射光柵的範圍或長度上變化的繞射特徵的繞射間隔（亦即，光柵間距）。在一些實施例中，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特徵間隔的啁啾。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，多視域多視像顯示器100的啁啾式繞射光柵可以表現出繞射特徵間隔的非線性啁啾。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。本發明的非單調式的啁啾可以使用諸如正弦啁啾、三角啁啾或鋸齒啁啾，但其並不受限於此。本發明中亦可以使用上述任何這些種類之啁啾的組合。
在其它實施例中，被配置以提供方向性光束130的繞射光柵128是或包含複數個繞射光柵。在一些實施例中，複數個繞射光柵的各個繞射光柵可以互相疊加。在其它實施例中，繞射光柵可以是互相相鄰排列的分開的繞射光柵，例如，排列為陣列。
如圖4B所示，繞射光柵組150的之中的繞射光柵128可以具有不同的光柵特性。例如，繞射光柵128具有不同的光柵方位。
如上文所述，上述實施例中的繞射光柵128可以位於導光體110的第一表面136’和/或第二表面136”處。此外，繞射光柵128可設置在第一表面136’、第二表面136”上或者第一表面136”與第二表面136”之間。此外，繞射光柵可以是從第一表面136’和/或第二表面136”突出的「正向特徵」，也可以是凹入第一表面136’和/或第二表面136”的「負向特徵」。在一些實施例中，繞射光柵中的特徵直接壓印在層壓在導光體表面上的材料中，例如壓印在旋塗在導光體表面上的樹脂層上，舉例而言，其使用個別的卷對卷壓印片（roll-to-roll imprint sheet）等等。
如前所述，在一些實施例中，準直光學耦合器124是圓柱型光柵耦合器。圖5A係根據與本文所描述的原理一致的一示例，顯示透射模式繞射光柵耦合器138的剖面圖。圖5B係根據與本文所描述的原理一致的另一示例，顯示反射模式繞射光柵耦合器140的剖面圖。圖5C係根據與本文所描述的原理一致的另一示例，顯示反射模式繞射光柵耦合器140的立體圖。在圖5A至5C中，光柵耦合導光體110被配置以將光122耦合到光柵耦合導光體110中以作為準直引導光束112。舉例而言，光122可以由光源114（例如，基本上未準直的光源）提供。根據各個示例，光柵耦合導光體110可以提供相對較高的耦合效率。此外，根據各個示例，光柵耦合導光體110可以將光122轉換成在光柵耦合導光體110內具有預定準直因子的準直引導光束112（例如，引導光的光束）。
特別是，根據一些示例，可以實現大於約百分之二十（20％）的耦合效率。舉例而言，在透射的配置（如下文所述）中，光柵耦合導光體110的耦合效率可以大於約百分之三十（30％），或者甚至大於約百分之三十五（35％）。舉例而言，可以實現高達約百分之四十（40％）的耦合效率。舉例而言，在反射的配置中，光柵耦合導光體110的耦合效率可以高達約百分之五十（50％）、或者約百分之六十（60％）或者甚至約百分之七十（70％）。
根據各個示例，由光柵耦合導光體110提供並在光柵耦合導光體110內的預定準直因子可以提供具有所控制或預定的傳播特性的準直引導光束112。具體來說，光柵耦合導光體110可以在「垂直」方向上，即在垂直於光柵耦合導光體110的表面的平面中，提供所控制或預定的準直因子。此外，光122可以由基本上垂直於光柵耦合導光體的平面的角度從光源114被接收，然後轉換為在光柵耦合導光體110內的具有平均非零值傳播角度120的準直引導光束112，例如，具有等於或小於光柵耦合導光體110中全內反射的臨界角的非零值傳播角度。
根據一些示例，光柵耦合器可以是透射光柵耦合器138（亦即，透射模式繞射光柵耦合器），而在其他示例中，光柵耦合器可以是反射繞射光柵耦合器140（亦即，反射模式繞射光柵耦合器）。特別是，如圖5A所示，光柵耦合器138可以包含透射模式繞射光柵，其位在導光體的與光源相鄰的表面處。舉例而言，光柵耦合器138的透射模式繞射光柵可以位在導光體110的底部（或第二）表面136”上，並且光源114可以從底部照亮光柵耦合器138。如圖5A所示，光柵耦合器138的透射模式繞射光柵被配置為使透射或穿過透射模式繞射光柵的光122繞射重新導向。應注意，沿著縱向方向108移動光源114的相對位置改變了繞射角，並且因此改變了在導光體110中的傳播角度。
或者，如圖5B所示，光柵耦合器140可以是反射繞射光柵耦合器140，其具有位在與光源114相鄰的表面相對的導光體110的表面上反射模式繞射光柵。舉例而言，光柵耦合器140的反射模式繞射光柵可以位在導光體110的頂部（或第一）表面136’上，並且光源114可以通過導光體110的底部（或第二）表面136”的一部分照亮光柵耦合器140。如圖5B所示，反射模式繞射光柵被配置以使用反射的繞射（亦即，反射和繞射）將光122繞射地重新導向到導光體110中。
根據各個示例，光柵耦合器138或140的繞射光柵可以包含位在導光體110的表面136’或136”之上或之中形成或以其他方式提供的繞射光柵的凹槽、凸脊或類似的繞射特徵。例如，可以在導光體110的光源鄰近表面136”（例如，底部或第二表面）之中或之上形成凹槽或凸脊，以作為透射光柵耦合器138的透射模式繞射光柵。類似地，舉例而言，可以在導光體110的與光源相鄰表面136”相對的表面136’之中或之上或在其上形成或以其他方式形成凹槽或凸脊，以作為反射繞射光柵耦合器140的反射模式繞射光柵。
根據一些示例，光柵耦合器138或140可以在導光體表面之上或之內包含光柵材料（例如，光柵材料層）。在一些示例中，光柵材料可以基本上類似於導光體110的材料，而在其他示例中，光柵材料可以與導光體材料不同（例如，具有不同的折射率）。在一些示例中，導光體表面中的繞射光柵凹槽可以被光柵材料填充。例如，透射光柵耦合器138或反射的繞射光柵耦合器140的繞射光柵的凹槽可以用與導光體110的材料不同的介電材料（亦即，光柵材料）填充。根據一些示例，舉例而言，光柵耦合器138或140的光柵材料可以包含氮化矽，而導光體110可以是玻璃。也可以使用其他光柵材料，其包含但不限於，氧化錫銦（ITO）。
在其他示例中，透射光柵耦合器138或反射繞射光柵耦合器140可以包含凸脊、凸部或類似的繞射特徵，其在導光體110的相應表面上沉積、形成或以其他方式設置，以作為特定的繞射光柵。舉例而言，可以在沉積在導光體110的相應表面上的介電材料層（亦即，光柵材料）中形成凸脊或類似的繞射特徵（例如，藉由蝕刻、塑形等）。在一些示例中，反射繞射光柵耦合器140的光柵材料可以包含反射金屬。例如，反射繞射光柵耦合器140可以是或包含反射金屬層，例如但不限於，金、銀、鋁、銅和錫，以利於藉由反射模式繞射光柵進行反射。
應注意，透射光柵耦合器138和反射繞射光柵耦合器140中的繞射光柵沿y方向可以是均勻的。這在圖5C中顯示，其根據與本文描述的原理一致的另一示例提供了反射模式繞射光柵耦合器140的立體圖。
儘管圖5A至5C顯示了繞射光柵耦合器的使用，但是在其他實施例中，可以使用其他類型的光耦合器。舉例而言，圖6A係根據與本文所描述的原理一致的示例，顯示拋物面反射耦合器142的剖面圖。圖6B係根據與本文所描述的原理一致的另一示例，顯示拋物面反射耦合器142的立體圖。如圖6B所示，拋物面反射耦合器142可以沿著Y方向是均勻的。
根據本文所述原理的一些實施例，本發明提供一種多視域多視像顯示器。多視域多視像顯示器被配置以發射由多視域多視像顯示器提供的複數條方向性光束。此外，基於包含在多視域多視像顯示器中的繞射光柵組的光柵特性，所發射的方向性光束較佳是可以指向不同視域中的多視域多視像顯示器的複數個視像。此外，繞射光柵組中的繞射光柵可能會在方向性光束中產生對應於不同的視像方向的不同的主要角度方向，以用於多視域多視像顯示器的視域之中的多視像影像的不同視像。在一些示例中，多視域多視像顯示器被配置以提供或「顯示」兩個以上的3D多視像影像。根據各個示例，方向性光束之中不同的一條方向性光束可以對應於與不同視域之中的多視像影像相關的不同「視像」的各個視像像素。例如，在藉由多視域多視像顯示器顯示的多視像影像中，複數個不同視像可提供表示為「裸眼（glasses free）」（例如，裸視立體（autostereoscopic））的資訊。
圖7係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器200的方塊圖。根據各個實施例，多視域多視像顯示器200被配置以根據在不同視像方向上的不同視像顯示多視像影像232，其位在具有角度範圍218a、218b、218c的互斥的視域216a、216b、216c中。特別是，由多視域多視像顯示器200發射的複數條方向性光束202用於顯示多視像影像232，並且可以對應於不同視域216a、216b、216c中的不同視像的像素（即，視像像素）。方向性光束202被顯示為從導光體206中的繞射光柵204（可以包含繞射光柵組）發出的箭頭。應注意，與繞射光柵204相關聯的方向性光束202是準靜態的（亦即，未調變）。相反地，與繞射光柵204相關的方向性光束202或者在被照射時提供方向性光束202，或者在不被照射時不提供方向性光束202。在一些實施例中，相鄰的視域由空白區域220a、220b隔開，觀看者在所述空白區域220a、220b中不會看見多視像影像232。
圖7所顯示的多視域多視像顯示器200包含繞射光柵204。繞射光柵204被配置為在視域216中提供多視域多視像顯示器200的多視像影像232的複數個不同的視像。根據各個實施例，繞射光柵組中的繞射光柵被配置以將複數條方向性光束202之中的方向性光束繞射地耦合或發射到對應於視域（例如視域216a）的角度範圍（例如角度範圍218a）。複數個方向性光束202可以具有主要角度方向，其對應於多視域多視像顯示器的不同的視域216中的多視像影像232的不同視像的不同視像方向。此外，繞射光柵204中的繞射光柵的光柵特性可以根據入射到繞射光柵（亦即，由準直光學耦合器210提供的準直引導光束208）的光束的傳播角度和顏色而改變。在一些實施例中，繞射光柵204之中的繞射光柵基本上類似於上文關於多視域多視像顯示器100所描述的繞射光柵128，例如，如圖4A和4B所示。
在具有繞射光柵204的實施例中，多視域多視像顯示器200可以進一步包含被配置以引導準直引導光束208的導光體206。根據一些實施例，繞射光柵204可以被配置為從導光體206耦合出準直引導光208的一部分，以作為 複數條方向性光束202（亦即，準直引導光208可以是上文所討論的入射光束）。具體來說，繞射光柵204中的繞射光柵可以光學地連接到導光體，以耦合出準直引導光208的一部分。在一些實施例中，該些繞射光柵204中的繞射光柵的光柵特性可以基於入射到繞射光柵的準直引導光208的傳播角度、準直引導光的顏色或其兩者而改變。以此方式，來自繞射光柵組之中的不同繞射光柵的方向性光束202可以對應於由多視域多視像顯示器200提供的視域中的多視像影像的相同視像。在一些實施例中，多視域多視像顯示器200的導光體206可以基本上類似於上文關於多視域多視像顯示器100所述的導光體110。
此外，在這些實施例的一部分中，多視域多視像顯示器200可以進一步包含準直光學耦合器210。準直光學耦合器210可以被配置以接收來自光源214中的光學發射器的光束212，並且可以準直入射光束以將該準直光束208提供給導光體206。因此，在一些實施例中，準直光學耦合器210根據準直因子準直入射光束212，以在導光體206內提供準直引導光208的預定角展度。根據一些實施例，準直光學耦合器210可以基本上類似於上文所述的多視域多視像顯示器100中的光學耦合器124。
此外，在這些實施例的一部分中，多視域多視像顯示器200可以進一步包含光源214。光源214可以被配置為將光束212提供給導光體206，其基於光學發射器在光源214中的縱向偏移造成準直引導光208的非零值傳播角度。在一些實施例中，例如，光源214提供的光束212根據準直因子以準直，以在導光體206內提供準直引導光208的預定角展度。根據一些實施例，如上所述，光源214可以基本類似於多視域多視像顯示器100的光源114。
根據本文所述原理的其他實施例，本發明提供一種多視域多視像顯示器的操作方法。圖8係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器的操作方法300的流程圖。如圖8中所示，多視域多視像顯示器的操作方法300包含：使用第一繞射光柵組將來自導光體的準直引導光束的一部分繞射地散射出，以作為引導到第一視域的方向性光束的步驟320。此外，多視域多視像顯示器的操作方法300包含：使用第二繞射光柵組將來自導光體的準直引導光束的另一部分繞射出，以作為指向到第二視域的方向性光束的步驟330，以表示在第二視域中可見的第二多視像影像，其中，第一視域和第二視域的角度範圍互相不同。此外，第一多視像影像和第二多視像影像可以互相不同。舉例而言，汽車中的乘客和駕駛可以在第一視域和第二視域中查看不同的多視像影像。另外，第一多視像影像可以僅在第一視域中可見，而第二多視像影像可以僅在第二視域中可見。在一些實施例中，第一視域與第二視域由空白區域隔開。這樣可以提供隱私並且可以需要更少的像素，這可以改善空間-角度解析度。應注意，第一繞射光柵組、第二繞射光柵組和視域可以基本上類似於如上所述的多視域多視像顯示器100的繞射光柵組150和視域144。
此外，由第一繞射光柵組和第二繞射光柵組之中的繞射光柵繞射地散射出的方向性光束的主要角度方向可以由繞射光柵的光柵間距和光柵方位來決定，並且方向性光束的強度可以由繞射光柵的光柵深度來決定。此外，由第一繞射光柵組和第二繞射光柵組之中的繞射光柵繞射地散射的方向性光束的主要角度方向可以是準直引導光束的顏色和傳播角度的函數。具體來說，根據一些實施例，用於散射引導光的一部分的步驟320以及散射引導光的另一部分的步驟330的繞射光柵可以包含光學地耦合到導光體的繞射光柵，以將準直引導光的一部份繞射地耦合出以作為一條或多條的方向性光束。應注意，由第一繞射光柵組和第二繞射光柵組所產生的複數條方向性光束，可以具有與第一視域和第二視域中的多視像影像的不同視像對應的不同主要角度方向。每一個繞射光柵在與多視像影像中的視像像素相對應的單一個主要角度方向上產生單一個方向性光束。在各個實施例中，複數個繞射光柵的光柵特性可以基於入射到繞射光柵的準直引導光束的傳播角度和顏色而改變。以此方式，來自繞射光柵組之中的不同繞射光柵的方向性光束可以對應於由多視域多視像顯示器提供的多視像影像的視像。
在一些實施例中，多視域多視像顯示器的操作方法300進一步包含在導光體內提供準直引導光束的步驟310。舉例而言，提供準直引導光束的步驟310可以包含在光源中使用光學發射器以將具有顏色的光提供給導光體。光學發射器可以在縱向方向上偏移。所提供的光可以是單色的。所提供的光可以變成在導光體內具有非零值傳播角度的準直引導光束。具體來說，所產生的準直引導光在導光體內的傳播角度可以至少一部分基於在光源上的光學發射器的縱向偏移上來決定。所提供的光可以根據準直因子在導光體內被準直（例如，通過光耦合器），以在導光體內提供準直引導光束的預定角展度。在一些實施例中，如上所述，光源可以基本類似於多視域多視像顯示器100的光源114。
在一些實施例中，提供準直引導光束的步驟310可以包含使用準直光耦合器將光耦合成導光體以作為準直引導光束。舉例而言，來自光源中的光學發射器的光可以耦合到導光體導中以作為準直引導光束。此外，準直引導光束可以具有由光學發射器的縱向偏移決定的傳播角度。在一些實施例中，光耦合器準直來自光源的入射光。此外，如上所述，光耦合器可以基本上相似於多視域多視像顯示器100的光耦合器124。
因此，本發明已經描述了多視域多視像顯示器、多視域多視像顯示器的操作方法以及具有繞射光柵的多視域多視像顯示器的示例與實施例。多視域多視像顯示器、該方法和多視域多視像顯示器採用繞射光柵以提供方向性光束。複數條方向性光束對應於不同視域中的多視像影像的視點。此外，繞射光柵組被配置為在複數條方向性光束中提供複數個主要角度方向。主要角度方向對應於在與多視域多視像顯示器的視域相對應的角度範圍內的多視像影像的視像。應該理解的是，上述示例僅僅是說明代表本文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12月20日提交的第 PCT/US2018/066968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 16:視像方向 20:光束 30:繞射光柵 40:導光體 50:光束 60:耦合出的光束 100:多視域多視像顯示器 108:縱向方向 110:導光體 112:準直引導光束 114:光源 118:縱向位置 120:非零值傳播角度 122:光 124:準直光學耦合器 126:側面 128:繞射光柵（組） 128a:繞射光柵 128b:繞射光柵 128c:繞射光柵 130:方向性光束 130a:方向性光束 130c:方向性光束 132:多視像影像 132a:多視像影像 132b:多視像影像 132c:多視像影像 134:中心視像方向 134a:中心視像方向 134b:中心視像方向 134c:中心視像方向 136':第一表面 136":第二表面 138:光柵耦合器 140:光柵耦合器 142:拋物面反射耦合器 144a:視域 144b:視域 144c: 視域 146a:角度範圍 146b:角度範圍 146c:角度範圍 148a:空白區域 148b:空白區域 150: 繞射光柵組 150a:第一繞射光柵組 150b:第二繞射光柵組 150c:第三繞射光柵組 200:多視域多視像顯示器 202:方向性光束 204:繞射光柵 206:導光體 208:準直引導光（束） 210:準直光學耦合器 212:光束 214:光源 216a:視域 218a:角度範圍 232:多視像影像 V1,V2…Vn:視像 O:原點 γ:光柵方位 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
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係根據與本文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立體圖； 圖1B係根據與本文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係根據與本文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3A係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器的剖面圖； 圖3B係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器的俯視圖； 圖3C係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器的立體圖； 圖4A係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器中的繞射光柵的俯視圖； 圖4B係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器中的繞射光柵的俯視圖； 圖5A係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的透射模式繞射光柵耦合器的剖面圖； 圖5B係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的反射模式繞射光柵耦合器的剖面圖； 圖5C係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的反射模式繞射光柵耦合器的立體圖； 圖6A係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的拋物面反射耦合器的剖面圖； 圖6B係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的拋物面反射耦合器的立體圖； 圖7係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域多視像顯示器的方塊圖；以及 圖8係根據與本文所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視域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。下文將參照上文所述附圖，詳細描述這些和其他特徵。
100:多視域多視像顯示器
108:縱向方向
110:導光體
112:準直引導光束
114:光源
118:縱向位置
120:非零值傳播角度
122:光
124:準直光學耦合器
126:側面
128:繞射光柵(組)
128a:繞射光柵
128c:繞射光柵
130:方向性光束
130a:方向性光束
130c:方向性光束
132:多視像影像
132a:多視像影像
132b:多視像影像
132c:多視像影像
134:中心視像方向
134a:中心視像方向
134b:中心視像方向
134c:中心視像方向
136':第一表面
136":第二表面
144a:視域
144b:視域
144c:視域
146a:角度範圍
146b:角度範圍
146c:角度範圍
148a:空白區域
148b:空白區域
V1,V2...Vn:視像

Claims (18)

  1. 一種多視域靜態多視像顯示器，包括：一導光體，被配置以引導光；一光源，被配置為在該導光體內提供一準直引導光束；以及複數個繞射光柵，其分佈在整個導光體上，該複數個繞射光柵之中的第一繞射光柵組被配置為將該準直引導光束的一部分散射出至一第一視域中以作為表示一第一多視像影像的方向性光束，並且該複數個繞射光柵之中的第二繞射光柵組被配置為將該準直引導光束的另一部分散射出至一第二視域中以作為表示一第二多視像影像的方向性光束，其中，該第一視域被配置以具有一第一角度範圍，該第二視域被配置以具有一第二角度範圍，以及該第一視域與該第二視域為互斥的角度範圍。
  2. 如請求項1之多視域靜態多視像顯示器，其中，任一該第一繞射光柵組和該第二繞射光柵組之中的該複數個繞射光柵之中的一繞射光柵被配置為提供具有一強度和一主要角度方向的一方向性光束，該強度和該主要角度方向與該第一多視像影像和該第二多視像影像之中的相應一個多視像影像的一視像像素的一強度和一視像方向相對應。
  3. 如請求項2之多視域靜態多視像顯示器，其中，該繞射光柵的一光柵特性被配置以決定該強度和該主要角度方向，該光柵特性被配置以決定包括該繞射光柵的一光柵間距和該繞射光柵的一光柵方位其中之一或之二的主要角度方向。
  4. 如請求項3之多視域靜態多視像顯示器，其中，該光柵特性被配置以決定包括該繞射光柵的一光柵深度的該強度。
  5. 如請求項1之多視域靜態多視像顯示器，其中，該第一繞射光柵組和該第二繞射光柵組位於該導光體的與該導光體的一發射表面相對的一表面上，該準直引導光束的一部分通過該發射表面被散射出以作為表示該第一多視像影像和該第二多視像影像的複數條方向性光束。
  6. 如請求項1之多視域靜態多視像顯示器，進一步包括位在該導光體的輸入處的一準直光耦合器，該準直光耦合器被配置以將來自該光源的光光學地耦合到該導光體的輸入處中，以作為該準直引導光束。
  7. 如請求項6之多視域靜態多視像顯示器，其中，該準直光耦合器包括一圓柱型光柵耦合器，該光源與該導光體的一引導表面相鄰，並且該光源被配置以通過該引導表面發射光。
  8. 如請求項1之多視域靜態多視像顯示器，其中，該第一視域和該第二視域由一空白區域互相隔開，在該空白區域中該第一多視像影像和該第二多視像影像皆為不可見的。
  9. 如請求項1之多視域靜態多視像顯示器，其中，該第一多視像影像不同於該第二多視像影像。
  10. 如請求項1之多視域靜態多視像顯示器，其中，該導光體和該繞射光柵組對於在與該引導光束的傳播方向相對應的縱向方向正交的垂直方向上傳播的光是透明的。
  11. 一種具有多視域的靜態多視像顯示器，該靜態多視像顯示器包括：一導光體，被配置以將來自一光源的光引導為一引導光；以及複數個繞射光柵，被配置以將該引導光的一部分散射出以作為表示在複數個視域內可見的多視像影像的方向性光束，每一個多視像影像對應於該複數個繞射光柵之中的不同繞射光柵組的方向性光束，並且該複數個視域中的每一個視域皆具有不同的角度範圍，在該角度範圍中對應的一多視像影像被配置為可見的。
  12. 如請求項11之具有多視域的靜態多視像顯示器，其中，在每一對不同的視域中可見的該多視像影像互相不同。
  13. 如請求項11之具有多視域的靜態多視像顯示器，其中，該複數個視域中的一視域與一相鄰視域之間由一空白區域隔開，在該空白區域中該多視像影像是不可見的。
  14. 如請求項11之具有多視域的靜態多視像顯示器，其中，該複數個繞射光柵之中的一繞射光柵被配置以提供具有一強度和一主要角度方向的該複數條方向性光束之中的一方向性光束，該強度和該主要角度方向與該多視像影像之中的相應一個多視像影像的一視像像素的一強度和一視像方向相對應，該繞射光柵的一光柵間距和一光柵方位被配置以決定該方向性光束的該主要角度方向，並且該繞射光柵的一光柵深度被配置以決定該方向性光束的該強度。
  15. 如請求項11之具有多視域的靜態多視像顯示器，進一步包括位在該導光體的輸入處的一準直光耦合器，該準直光耦合器被配置以根據準直因子並且在該導光體內具有的一預定的傳播角度，將來自一光源的光光學地耦合到該導光體的輸入處中，以作為一準直引導光束。
  16. 一種多視域靜態多視像顯示器的操作方法，該方法包括：在一導光體內提供一準直引導光束；使用第一繞射光柵組將該引導光束的一部分繞射地散射出指向一第一視域中以作為方向性光束，以表示在該第一視域中可見的一第一多視像影像；以及使用第二繞射光柵組將該引導光束的另一部分繞射地散射出指向一第二視域中以作為方向性光束，以表示在該第二視域中可見的一第二多視像影像，其中，該第一視域和該第二視域具有互相不同的角度範圍，以及其中，該第一多視像影像和該第二多視像影像互相不同，該第一多視像影像僅在該第一視域中是可見的，而該第二多視像影像僅在該第二視域中是可見的。
  17. 如請求項16之多視域靜態多視像顯示器的操作方法，其中，該第一視域與該第二視域由一空白區域隔開。
  18. 如請求項16之多視域靜態多視像顯示器的操作方法，其中，由該第一繞射光柵組和該第二繞射光柵組之中的一繞射光柵繞射地散射出的一方向性光束的一主要角度方向由該繞射光柵的一光柵間距和一光柵方位來決定，該方向性光束的一強度由該繞射光柵的一光柵深度來決定。
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