CN112868227A - 用于基于镶嵌周期性层的光场显示的光学方法及*** - Google Patents

Abstract

描述了用于提供诸如光场显示器的3D显示器的***和方法。在一些实施例中，显示设备包括发光层，该发光层包括多个可单独控制的像素。光学层覆盖发光层。光学层包括以二维阵列(例如，棋盘形布置)布置的多个镶嵌单元。每个镶嵌单元包括多个光学瓦片。不同的瓦片在屈光度、倾斜方向、半透明度或其他光学特性上可以彼此不同。空间光调制器提供对哪些光学瓦片透射来自发光层的光至显示设备外部的控制。以同步的方式控制发光层和空间光调制器以显示期望的光图案。

Description

用于基于镶嵌周期性层的光场显示的光学方法及***

相关申请的交叉引用

本申请是2018年08月29日提交的名称为“用于基于镶嵌周期性层的光场显示的光学方法及***”的美国临时申请序列号62/724,492和2018年10月11日提交的名称为“用于基于透镜簇和周期性层的光场显示的光学方法和***”的美国临时申请序列号62/744,525的非临时申请，并且根据35 U.S.C.§119(e)要求这些申请的权益，这些申请的每个申请通过引用整体并入本文。

背景技术

不同的3D显示器可以基于它们的形状因子被分类为不同的类别。头戴式设备(HMD)比无护目镜的解决方案占用更少的空间，这也意味着它们可以用更小的部件和更少的材料制成，使得它们成本相对较低。然而，由于头戴式VR护目镜和智能眼镜是单用户设备，它们不允许如无护目镜解决方案那样自然地共享体验。立体3D显示器从所有三个空间方向占据空间，并且通常需要大量物理材料，使得这些***容易笨重、制造昂贵并且难以运输。由于大量使用材料，因此立体显示器还往往具有小的“窗口”和有限的视场(FOV)。基于屏幕的3D显示器通常具有一个大而平的组件，即屏幕和从一定距离将图像(一个或多个)投影到自由空间上的***。这些***可以被制造得更紧凑以便运输，并且它们还覆盖比例如立体显示器大得多的FOV。这些***可能是复杂且昂贵的，因为它们需要投影仪子组件以及例如不同部件之间的精确对准，使得它们最适用于专业使用情况。平面形状因子3D显示器可能在两个空间方向上需要大量空间，但是由于第三方向仅仅是虚拟的，因此它们相对容易运输到不同环境中并在不同环境中组装。由于该设备是平的，所以其中使用的至少一些光学部件更可能以片或卷的形式制造，使得它们在大批量时成本相对较低。

人类的大脑部分地通过接收来自用于定向每只眼睛的肌肉的信号来感知和确定观察对象的深度。大脑将眼睛的相对角取向与所确定的焦深相关联。正确的聚焦提示引起在观察的焦平面之外的对象上的自然模糊和自然的动态视差效应。能够提供正确的聚焦提示的一种类型的3D显示器使用可以在真实3D空间中产生3D图像的立体显示技术。3D图像的每个“体素”物理上位于其应该所处的空间位置，并且将来自该位置光向观察者反射或发射以在观察者的眼睛中形成实像。3D立体显示的主要问题是它们的低分辨率、大的物理尺寸和昂贵的制造成本。这些问题使得它们太笨重而不能在特殊情况例如产品展示、博物馆、展览等之外使用。能够提供正确的视网膜聚焦提示的另一种类型的3D显示设备是全息显示器。全息显示的目的在于重建从自然环境中的对象散射的整个光波阵面。这种技术的主要问题是缺少可以用于产生非常详细的波前的适当的空间光调制器(SLM)部件。

能够提供自然视网膜聚焦提示的另一类型的3D显示技术被称为光场(LF)显示。LF显示***被设计成产生所谓的光场，该光场表示在空间中向所有方向传播的光线。LF***旨在控制空间域和角度域中的光发射，而不像传统的立体3D显示器那样基本上只能控制具有较高像素密度的空间域。存在至少两种不同的方式来产生光场。在第一种方法中，在观看者的每只眼睛上产生视差，从而产生与正在观看的物体的3D位置相对应的正确视网膜模糊。这可以通过每单只眼睛呈现多个视图来完成。第二种方法是多焦平面方法，其中对象的图像被投影到与其3D位置相对应的适当焦平面。许多光场显示器使用这两种方法中的一种。第一种方法通常更适合于头戴式单用户设备，因为眼睛瞳孔的位置更容易确定并且眼睛更靠近显示器，使得可以生成期望的密集光线场。第二种方法更适合于位于距观察者(一个或多个)一定距离处的显示器，并且可以在没有头戴装置的情况下使用。

聚散-调节冲突(VAC)是当前立体3D显示的一个问题。平坦形状因子的LF 3D显示器可以通过同时产生正确的眼睛会聚和正确的聚焦角度来解决这个问题。在当前的消费型显示器中，图像点位于显示器的表面上，并且只需要双眼可见的一个照亮的像素来正确地表示该点。两只眼睛都聚焦并会聚到相同的点。在视差屏障3D显示器的情况下，虚像点在显示器后面，并且两个像素簇被照亮以正确地表示单个点。此外，来自这两个空间上分离的像素簇的光线的方向以这样的方式被控制，使得发射的光仅对于正确的眼睛是可见的，因此使得眼睛能够会聚到相同的单个虚拟点。

在当前的相对低密度的多视图成像显示器中，当观看者在设备前面移动时，视图以粗略的步进方式改变。这降低了3D体验的质量，甚至可能导致3D感知的完全崩溃。为了减轻这个问题(与VAC一起)，已经用多达512个视图测试了一些超级多视图(SMV)技术。该思想是产生非常大量的视图，以便使两个视点之间的任何过渡非常平滑。如果来自至少两个图像的光从稍微不同的视点同时进入瞳孔，则会产生更加逼真的视觉体验。在这种情况下，由于大脑无意识地预测由于运动而引起的图像变化，因此运动视差效果更好地类似于自然条件。

SMV条件可以通过将在正确观看距离处的两个视图之间的间隔减小到比眼睛瞳孔的尺寸更小的值来满足。在正常照明条件下，人的瞳孔通常估计直径为大约4mm。如果环境光水平高(例如，在日光中)，则直径可以小至1.5mm，并且在黑暗条件下大至8mm。SMV显示器可以实现的最大角密度受衍射限制，并且在空间分辨率(像素尺寸)和角分辨率之间存在反比关系。衍射增加了通过孔径的光束的角展度，并且在设计非常高密度的SMV显示器时可以考虑这种效应。

发明内容

描述了用于提供诸如光场显示的3D显示的***和方法。在一些实施例中，一种显示设备包括：发光层，包括发光元件的可寻址阵列；覆盖所述发光层的镶嵌(mosaic)光学层，所述镶嵌光学层包括多个镶嵌单元，每个镶嵌单元至少包括具有第一倾斜方向的第一光学瓦片(tile)和具有不同于所述第一倾斜方向的第二光学瓦片；以及空间光调制器，其可操作用于提供通过哪些光学瓦片透射来自发光层的光至显示设备外部的的控制。在一些实施例中，每个镶嵌单元进一步包括至少一个半透明光学瓦片，其可操作用于散射来自发光层的光。第一光学瓦片和第二光学瓦片可以是具有不同倾斜方向的平坦小平面。

在一些实施例中，每个镶嵌单元包括具有第一光学屈光度(optical power)的至少一个光学瓦片和具有不同于第一光学屈光度的第二光学屈光度的至少一个光学瓦片。

在一些实施例中，每个镶嵌单元包括具有相同屈光度的至少两个非邻接光学瓦片。在一些实施例中，具有相同屈光度的至少两个光学瓦片具有不同的倾斜方向。

在一些实施例中，显示设备被配置成使得对于至少一个体素位置，第一镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将来自第一发光元件的在第一光束中的光朝向体素位置引导，并且第二镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将来自第二发光元件的在第二光束中的光朝向体素位置引导。

在一些实施例中，对于至少一个体素位置，第一镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将第一发光元件的图像聚焦到所述体素位置上，并且第二镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将第二发光元件的图像聚焦到所述体素位置上。

在一些实施例中，每个镶嵌单元中的光学瓦片基本上是正方形或矩形的。

在一些实施例中，镶嵌单元以二维镶嵌布置。

在一些实施例中，所述镶嵌光学层定位在所述发光层与所述空间光调制器之间。在其他实施例中，空间光调制器位于发光层和镶嵌光学层之间。

在一些实施例中，显示设备包括在发光层和镶嵌光学层之间的准直层。

在一些实施例中，一种显示方法包括：从包括发光元件的可寻址阵列的发光层中的至少一个选定的发光元件发射光，所发射的光朝向覆盖所述发光层的镶嵌光学层发射，所述镶嵌光学层包括多个镶嵌单元，每个镶嵌单元至少包括具有第一倾斜方向的第一光学瓦片和具有不同于所述第一倾斜方向的第二倾斜方向的第二光学瓦片；以及操作空间光调制器以允许至少两个选定的光学瓦片将来自发光层的光透射到显示设备外部。

在一些实施例中，基于要显示的体素的位置来选择所述选定的发光元件和所述选定的光学瓦片。

在一些实施例中，对于至少一个体素位置，第一镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被选择为将来自第一发光元件的在第一光束中的光朝向体素位置引导，并且第二镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置为将来自第二发光元件的在第二光束中的光朝向体素位置引导，使得第一光束和第二光束在体素位置处交叉。

在一些实施例中，显示设备包括发光层，该发光层包括多个可单独控制的像素。光学层覆盖发光层。光学层包括以二维阵列(例如，棋盘形布置)布置的多个镶嵌单元。每个镶嵌单元包括多个光学瓦片。不同的瓦片在屈光度、倾斜方向、半透明度或其他光学特性上可以彼此不同。空间光调制器提供对哪些光学瓦片将来自发光层的光透射至显示设备外部的的控制。以同步的方式控制发光层和空间光调制器以显示期望的光图案(例如光场)。

一些实施例提供了创建诸如光场显示器的显示器的能力，该显示器能够呈现3D图像的多个焦平面，同时克服聚散度-调节冲突(VAC)问题。一些实施例提供了利用薄光学器件创建诸如光场(LF)显示器的显示器而不需要移动部件的能力。

在一些实施例中，一种方法基于使用镶嵌周期性层和空间光调制器(SLM)。光从可单独控制的小发射器发射。具有光学特征的镶嵌层，用于产生多个聚焦光束和聚焦到不同距离的光束部分。SLM控制每个光束部分的孔径并选择所使用的焦距。可以使用两个或多个交叉光束，以便实现正确的眼睛会聚，并且形成体素而不产生矛盾的聚焦提示。

在一些实施例中，光学方法和光学***的构造用于利用交叉光束产生高分辨率3DLF图像。在包含可单独寻址像素(LEL)的层上产生光。该发光层可以是例如μLED矩阵或OLED显示器。重复光学元件的周期性层将发射的光准直并分成聚焦到距该结构不同距离的若干光束。周期性层中的几个单独的特征作为一个簇一起工作。该周期性层可以是例如具有UV固化的折射或衍射结构的聚碳酸酯箔。周期性层具有排列成镶嵌图案的重复小特征，其中每个特征具有特定的曲率、倾斜角和表面性质。在一些实施例中，在周期性层的前面使用空间光调制器(SLM)(例如，LCD面板)，用于选择性地阻挡或通过用于3D LF图像形成的光束部分。

在一些实施例中，光学***可以使用交叉束来形成体素。在一些实施例中，体素可以形成在距显示表面的不同距离处(例如，在显示器前面、在显示器后面和/或在显示表面)上。不同的光束部分聚焦到距光学结构的不同距离，该光学结构根据距离将源成像到不同尺寸的点。因为可以单独地选择用于每个镶嵌特征的有效焦距，所以几何放大率也可以被影响，从而导致更小的源像点和更好的分辨率。源自单个源的一个光束可以被分成若干部分并且用于形成到一只眼睛的体素图像，从而创建正确的视网膜聚焦提示，通过以正确的体素距离交叉两个光束，为两只眼睛创建完整的体素并且产生正确的眼睛会聚角。由于可以分别创建视网膜聚焦提示和会聚角，因此在一些实施例中可以将***实现为无VAC。源矩阵和周期性层特征共同构成一个***，该***能够在显示器周围的3D空间中生成多个虚拟焦面。

在一些实施例中，SLM是LCD面板。如果发光像素(例如，μLED)被分别调制，则SLM像素可仅与二进制开关功能一起使用。然而，LCD面板也可用于像素强度调制。SLM的切换速度足以使SLM达到大约60Hz的无闪烁图像。主3D图像生成是利用孔径控制结构后面的更快的像素化光发射器模块来完成的，并且SLM可以仅用于传递或阻挡需要到达观察者眼睛的光束部分，使得人类视觉***成为SLM更新频率的决定因子。

在一些实施例中，提供了一种用于产生虚拟像素的方法。在一种这样的方法中，提供了由光源组成的多个发光元件块，提供了周期性镶嵌光学元件，并且提供了空间光调制器。以时间同步的方式控制发光元件的照明和空间光调制器的部分的透明度，以产生各种尺寸、强度和角度的光束，从而复制光场的特性。

附图说明

图1A是示出根据一些实施例的示例通信***的***图。

图1B是示出根据一些实施例的可在图1A所示的通信***中使用的示例性无线发射/接收单元(WTRU)的***图。

图1C是示出根据一些实施例的该***图示了可以在图1A中图示的通信***内使用的示例无线电接入网络(RAN)和示例核心网络(CN)的示例***的***图。

图2A-2C描绘了示出被引导向瞳孔的光场的遮挡的示例水平的示意性透视图。

图3是示出根据一些实施例的朝向相应观看者的示例光发射角度的示意性平面图。

图4A描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由显示器为在显示表面处形成的体素而产生的聚焦角度(FA)和会聚角度(CA)的示意性平面图。

图4B描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由显示器针对在显示表面的后面形成的体素而产生的FA和CA的示意性平面图。

图4C描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由显示器针对在显示表面之后的无限距离处形成的体素产生的FA和CA的示意性平面图。

图4D描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由显示器针对在显示表面的前面形成的体素产生的FA和CA的示意性平面图。

图5描绘了示出由几何因子引起的增加的光束发散度的示例的示意图。

图6描绘了示出由衍射引起的增加的光束发散度的示例的示意图。

图7描绘了示出具有各种放大率的三个示例透镜的示意图。

图8A-8D是示出了以固定放大率成像到固定距离的一个或两个扩展光源的示例几何和衍射效应的示意图。

图9是示出根据一些实施例的3D显示结构可用的示例性观看几何形状的示意性平面图。

图10-11是示出根据一些实施例的3D显示器的示例性观看几何情形的示意性平面图。

图12A是示出根据一些实施例的3D显示器的一部分的周期性特征的示意性正视图。

图12B是示出根据一些实施例的3D显示器的一部分的周期性特征的示意性侧视图或俯视图。

图13是示出根据一些实施例的3D显示器的示意性侧视图或俯视图。

图14是示出根据一些实施例的周期性特征的镶嵌单元的示例镶嵌图案的示意性前视图。

图15是示出根据一些实施例的周期性特征的镶嵌单元的示例镶嵌图案的示意性前视图。

图16是示出根据一些实施例的周期性特征的镶嵌图案的示例阵列的示意性前视图。

图17是示出根据一些实施例的周期性特征的镶嵌图案的示例阵列的示意性前视图。

图18是示出根据一些实施例的具有周期性特征的示例空间光调制器像素滤色器布置的示意性正视图。

图19是示出根据一些实施例的具有周期性特征的示例空间光调制器像素滤色器布置的示意性正视图。

图20是示出根据一些实施例的用于形成体素的示例性配置的示意性侧视图或俯视图。

图21是示出根据一些实施例的3D显示器的示例配置和观看者的示意性立体图。

图22是示出根据一些实施例的示例显示器的光学结构的示意侧视图或俯视图。

图23A是示出根据一些实施例的用作周期性特征的示例镶嵌单元的示意性正视图。

图23B是图23A的镶嵌单元的截面C-C的示意图。

图24A是示出根据一些实施例的示例3D显示器的一部分的示意性侧视图或俯视图，其中该显示器在显示表面的前方生成体素。

图24B是示出根据一些实施例的示例性周期性特征的示意性侧视图。

图24C是示出根据一些实施例的示例3D显示器的一部分的示意性侧视图或俯视图，其中该显示器正在显示表面的后面生成体素。

图24D是示出根据一些实施例的示例3D显示器的一部分的示意性侧视图或俯视图。

图25是示出根据一些实施例的示例性显示结构的示意性侧视图或俯视图。

图26是示出根据一些实施例的显示结构的一部分的示例周期性结构的示意性侧视图。

图27A是示出根据一些实施例的显示结构的示例光线跟踪几何结构的示意性俯视图。

图27B是示出根据一些实施例的朝向左眼发射的光束的示例光线跟踪几何结构的示意性俯视图。

图27C是示出根据一些实施例的朝右眼发射的光束的示例光线跟踪几何结构的示意性平面图。

图27D是示出根据一些实施例的用于眼睛模型的示例光线跟踪几何形状的示意性俯视图。

用于实施例的实现的示例网络

图1A是示出了可以实施所公开的一个或多个实施例的示例通信***100的图示。该通信***100可以是为多个无线用户提供诸如语音、数据、视频、消息传递、广播等内容的多址接入***。该通信***100可以通过共享包括无线带宽在内的***资源而使多个无线用户能够访问此类内容。举例来说，通信***100可以使用一种或多种信道接入方法，例如码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、正交FDMA(OFDMA)、单载波FDMA(SC-FDMA)、零尾唯一字DFT扩展OFDM(ZT UW DTS-sOFDM)、唯一字OFDM(UW-OFDM)、资源块滤波OFDM以及滤波器组多载波(FBMC)等等。

如图1A所示，通信***100可以包括无线发射/接收单元(WTRU)102a、102b、102c、102d、RAN 104/113、CN 106/115、公共交换电话网络(PSTN)108、因特网110以及其他网络112，然而应该了解，所公开的实施例设想了任意数量的WTRU、基站、网络和/或网络部件。每一个WTRU 102a、102b、102c、102d可以是被配置成在无线环境中工作和/或通信的任何类型的设备。举例来说，任一WTRU 102a、102b、102c、102d都可被称为“站”和/或“STA”，其可以被配置成发射和/或接收无线信号，并且可以包括用户设备(UE)、移动站、固定或移动订户单元、基于签约的单元、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、膝上型计算机、上网本、个人计算机、无线传感器、热点或Mi-Fi设备、物联网(IoT)设备、手表或其他可穿戴设备、头戴显示器(HMD)、车辆、无人机、医疗设备和应用(例如远程手术)、工业设备和应用(例如机器人和/或在工业和/或自动处理链环境中工作的其他无线设备)、消费类电子设备、以及在商业和/或工业无线网络上工作的设备等等。WTRU 102a、102b、102c、102d的任一者可被可互换地称为UE。

通信***100还可以包括基站114a和/或基站114b。每一个基站114a和/或基站114b可以是被配置成通过以无线方式与WTRU 102a、102b、102c、102d中的至少一者对接来促使其接入一个或多个通信网络(例如CN106/115、因特网110、和/或其他网络112)的任何类型的设备。例如，基站114a、114b可以是基地收发信台(BTS)、节点B、e节点B、家庭节点B、家庭e节点B、gNB、NR节点B、站点控制器、接入点(AP)、以及无线路由器等等。虽然每一个基站114a、114b都被描述成了单个部件，然而应该了解，基站114a、114b可以包括任何数量的互连基站和/或网络部件。

基站114a可以是RAN 104/113的一部分，并且所述RAN还可以包括其他基站和/或网络部件(未显示)，例如基站控制器(BSC)、无线电网络控制器(RNC)、中继节点等等。基站114a和/或基站114b可被配置成在名为小区(未显示)的一个或多个载波频率上发射和/或接收无线信号。这些频率可以处于许可频谱、未许可频谱或是许可与未许可频谱的组合之中。小区可以为相对固定或者有可能随时间变化的特定地理区域提供无线服务覆盖。小区可被进一步分成小区扇区。例如，与基站114a相关联的小区可被分为三个扇区。由此，在一个实施例中，基站114a可以包括三个收发信机，即，每一个收发信机都对应于小区的一个扇区。在实施例中，基站114a可以使用多输入多输出(MIMO)技术，并且可以为小区的每一个扇区使用多个收发信机。例如，通过使用光束成形，可以在期望的空间方向上发射和/或接收信号。

基站114a、114b可以通过空中接口116来与WTRU 102a、102b、102c、102d中的一者或多者进行通信，其中所述空中接口可以是任何适当的无线通信链路(例如射频(RF)、微波、厘米波、毫米波、红外线(IR)、紫外线(UV)、可见光等等)。空中接口116可以使用任何适当的无线电接入技术(RAT)来建立。

更具体地说，如上所述，通信***100可以是多址接入***，并且可以使用一种或多种信道接入方案，例如CDMA、TDMA、FDMA、OFDMA以及SC-FDMA等等。例如，RAN 104/113中的基站114a与WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如通用移动电信***(UMTS)陆地无线电接入(UTRA)，其中所述技术可以使用宽带CDMA(WCDMA)来建立空中接口115/116/117。WCDMA可以包括如高速分组接入(HSPA)和/或演进型HSPA(HSPA+)之类的通信协议。HSPA可以包括高速下行链路(DL)分组接入(HSDPA)和/或高速UL分组接入(HSUPA)。

在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如演进型UMTS陆地无线电接入(E-UTRA)，其中所述技术可以使用长期演进(LTE)和/或先进LTE(LTE-A)和/或先进LTE Pro(LTE-APro)来建立空中接口116。

在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施某种无线电技术，例如NR无线电接入，其中所述无线电技术可以使用新无线电(NR)建立空中接口116。

在实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施多种无线电接入技术。例如，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以共同实施LTE无线电接入和NR无线电接入(例如使用双连接(DC)原理)。由此，WTRU 102a、102b、102c使用的空中接口可以通过多种类型的无线电接入技术和/或向/从多种类型的基站(例如eNB和gNB)发送的传输来表征。

在其他实施例中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可以实施以下的无线电技术，例如IEEE 802.11(即无线高保真(WiFi))、IEEE 802.16(全球微波接入互操作性(WiMAX))、CDMA2000、CDMA2000 1X、CDMA2000 EV-DO、临时标准2000(IS-2000)、临时标准95(IS-95)、临时标准856(IS-856)、全球移动通信***(GSM)、用于GSM演进的增强数据速率(EDGE)以及GSM EDGE(GERAN)等等。

图1A中的基站114b例如可以是无线路由器、家庭节点B、家庭e节点B或接入点，并且可以使用任何适当的RAT来促成局部区域中的无线连接，例如营业场所、住宅、车辆、校园、工业设施、空中走廊(例如供无人机使用)以及道路等等。在一个实施例中，基站114b与WTRU 102c、102d可以通过实施IEEE 802.11之类的无线电技术来建立无线局域网(WLAN)。在实施例中，基站114b与WTRU 102c、102d可以通过实施IEEE 802.15之类的无线电技术来建立无线个人局域网(WPAN)。在再一个实施例中，基站114b和WTRU 102c、102d可通过使用基于蜂窝的RAT(例如WCDMA、CDMA2000、GSM、LTE、LTE-A、LTE-A Pro、NR等等)来建立微微小区或毫微微小区。如图1A所示，基站114b可以直连到因特网110。由此，基站114b不需要经由CN 106/115来接入因特网110。

RAN 104/113可以与CN 106/115进行通信，所述CN可以是被配置成向一个或多个WTRU 102a、102b、102c、102d提供语音、数据、应用和/或借助网际协议语音(VoIP)服务的任何类型的网络。该数据可以具有不同的服务质量(QoS)要求，例如不同的吞吐量要求、等待时间要求、容错要求、可靠性要求、数据吞吐量要求、以及移动性要求等等。CN 106/115可以提供呼叫控制、记账服务、基于移动位置的服务、预付费呼叫、因特网连接、视频分发等等，和/或可以执行用户验证之类的高级安全功能。虽然在图1A中没有显示，然而应该了解，RAN104/113和/或CN 106/115可以直接或间接地和其他那些与RAN 104/113使用相同RAT或不同RAT的RAN进行通信。例如，除了与使用NR无线电技术的RAN 104/113相连之外，CN 106/115还可以与使用GSM、UMTS、CDMA 2000、WiMAX、E-UTRA或WiFi无线电技术的别的RAN(未显示)通信。

CN 106/115还可以充当供WTRU 102a、102b、102c、102d接入PSTN 108、因特网110和/或其他网络112的网关。PSTN 108可以包括提供简易老式电话服务(POTS)的电路交换电话网络。因特网110可以包括使用了公共通信协议(例如传输控制协议/网际协议(TCP/IP)网际协议族中的TCP、用户数据报协议(UDP)和/或IP)的全球性互联计算机网络设备***。网络112可以包括由其他服务供应商拥有和/或运营的有线或无线通信网络。例如，网络112可以包括与一个或多个RAN相连的另一个CN，其中所述一个或多个RAN可以与RAN 104/113使用相同RAT或不同RAT。

通信***100中一些或所有WTRU 102a、102b、102c、102d可以包括多模能力(例如WTRU 102a、102b、102c、102d可以包括在不同无线链路上与不同无线网络通信的多个收发信机)。例如，图1A所示的WTRU 102c可被配置成与使用基于蜂窝的无线电技术的基站114a通信，以及与可以使用IEEE 802无线电技术的基站114b通信。

图1B是示出了示例WTRU 102的***图示。如图1B所示，WTRU 102可以包括处理器118、收发信机120、发射/接收部件122、扬声器/麦克风124、数字键盘126、显示器/触摸板128、不可移除存储器130、可移除存储器132、电源134、全球定位***(GPS)芯片组136、和/或其他***设备138等。应该了解的是，在保持符合实施例的同时，WTRU 102还可以包括前述部件的任何子组合。

处理器118可以是通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、其他任何类型的集成电路(IC)以及状态机等等。处理器118可以执行信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理、和/或其他任何能使WTRU102在无线环境中工作的功能。处理器118可以耦合至收发信机120，收发信机120可以耦合至发射/接收部件122。虽然图1B将处理器118和收发信机120描述成单独组件，然而应该了解，处理器118和收发信机120也可以集成在一电子组件或芯片中。

发射/接收部件122可被配置成经由空中接口116来发射或接收去往或来自基站(例如基站114a)的信号。例如，在一个实施例中，发射/接收部件122可以是被配置成发射和/或接收RF信号的天线。作为示例，在实施例中，发射/接收部件122可以是被配置成发射和/或接收IR、UV或可见光信号的放射器/检测器。在再一个实施例中，发射/接收部件122可被配置成发射和/或接收RF和光信号。应该了解的是，发射/接收部件122可以被配置成发射和/或接收无线信号的任何组合。

虽然在图1B中将发射/接收部件122描述成是单个部件，但是WTRU 102可以包括任何数量的发射/接收部件122。更具体地说，WTRU 102可以使用MIMO技术。由此，在一个实施例中，WTRU 102可以包括两个或更多个通过空中接口116来发射和接收无线信号的发射/接收部件122(例如多个天线)。

收发信机120可被配置成对发射/接收部件122所要传送的信号进行调制，以及对发射/接收部件122接收的信号进行解调。如上所述，WTRU 102可以具有多模能力。因此，收发信机120可以包括允许WTRU 102借助多种RAT(例如NR和IEEE 802.11)来进行通信的多个收发信机。

WTRU 102的处理器118可以耦合到扬声器/麦克风124、数字键盘126和/或显示器/触摸板128(例如液晶显示器(LCD)显示单元或有机发光二极管(OLED)显示单元)，并且可以接收来自这些部件的用户输入数据。处理器118还可以向扬声器/麦克风124、数字键盘126和/或显示器/触摸板128输出用户数据。此外，处理器118可以从诸如不可移除存储器130和/或可移除存储器132之类的任何适当的存储器中存取信息，以及将数据存入这些存储器。不可移除存储器130可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘或是其他任何类型的记忆存储设备。可移除存储器132可以包括订户身份模块(SIM)卡、记忆棒、安全数字(SD)记忆卡等等。在其他实施例中，处理器118可以从那些并非实际位于WTRU 102的存储器存取信息，以及将数据存入这些存储器，作为示例，此类存储器可以位于服务器或家庭计算机(未显示)。

处理器118可以接收来自电源134的电力，并且可被配置成分发和/或控制用于WTRU 102中的其他组件的电力。电源134可以是为WTRU 102供电的任何适当设备。例如，电源134可以包括一个或多个干电池组(如镍镉(Ni-Cd)、镍锌(Ni-Zn)、镍氢(NiMH)、锂离子(Li-ion)等等)、太阳能电池以及燃料电池等等。

处理器118还可以耦合到GPS芯片组136，该芯片组可被配置成提供与WTRU 102的当前位置相关的位置信息(例如经度和纬度)。作为来自GPS芯片组136的信息的补充或替换，WTRU 102可以经由空中接口116接收来自基站(例如基站114a、114b)的位置信息，和/或根据从两个或更多个附近基站接收的信号定时来确定其位置。应该了解的是，在保持符合实施例的同时，WTRU 102可以借助任何适当的定位方法来获取位置信息。

处理器118可以进一步耦合到其他***设备138，其中所述***设备可以包括提供附加特征、功能和/或有线或无线连接的一个或多个软件和/或硬件模块。例如，***设备138可以包括加速度计、电子指南针、卫星收发信机、数码相机(用于照片和视频)、通用串行总线(USB)端口、振动设备、电视收发信机、免提耳机、

模块、调频(FM)无线电单元、数字音乐播放器、媒体播放器、视频游戏机模块、因特网浏览器、虚拟现实和/或增强现实(VR/AR)设备、以及活动***等等。***设备138可以包括一个或多个传感器，所述传感器可以是以下的一者或多者：陀螺仪、加速度计、霍尔效应传感器、磁强计、方位传感器、邻近传感器、温度传感器、时间传感器、地理位置传感器、高度计、光传感器、触摸传感器、磁力计、气压计、手势传感器、生物测定传感器、和/或湿度传感器。

WTRU 102可以包括全双工无线电设备，其中对于该无线电设备来说，一些或所有信号(例如与用于UL(例如对传输而言)和下行链路(例如对接收而言)的特定子帧相关联)的接收或传输可以是并发和/或同时的。全双工无线电设备可以包括借助于硬件(例如扼流线圈)或是凭借处理器(例如单独的处理器(未显示)或是凭借处理器118)的信号处理来减小和/或基本消除自干扰的干扰管理单元。在实施例中，WTRU 102可以包括传送或接收一些或所有信号(例如与用于UL(例如对传输而言)或下行链路(例如对接收而言)的特定子帧相关联)的半双工无线电设备。

图1C是示出了根据实施例的RAN 104和CN 106的***图示。如上所述，RAN 104可以使用E-UTRA无线电技术来通过空中接口116与WTRU 102a、102b、102c进行通信。所述RAN104还可以与CN 106进行通信。

RAN 104可以包括e节点B 160a、160b、160c，然而应该了解，在保持符合实施例的同时，RAN 104可以包括任何数量的e节点B。每一个e节点B 160a、160b、160c都可以包括通过空中接口116与WTRU 102a、102b、102c通信的一个或多个收发信机。在一个实施例中，e节点B 160a、160b、160c可以实施MIMO技术。由此，举例来说，e节点B 160a可以使用多个天线来向WTRU 102a发射无线信号，和/或接收来自WTRU 102a的无线信号。

每一个e节点B 160a、160b、160c都可以关联于一个特定小区(未显示)，并且可被配置成处理无线电资源管理决策、切换决策、UL和/或DL中的用户调度等等。如图1C所示，e节点B 160a、160b、160c彼此可以通过X2接口进行通信。

图1C所示的CN 106可以包括移动性管理网关(MME)162、服务网关(SGW)164以及分组数据网络(PDN)网关(或PGW)166。虽然前述的每一个部件都被描述成是CN 106的一部分，然而应该了解，这其中的任一部件都可以由CN运营商之外的实体拥有和/或运营。

MME 162可以经由S1接口连接到RAN 104中的每一个e节点B 162a、162b、162c，并且可以充当控制节点。例如，MME 162可以负责验证WTRU 102a、102b、102c的用户，执行承载激活/去激活处理，以及在WTRU 102a、102b、102c的初始附着过程中选择特定的服务网关等等。MME 162还可以提供一个用于在RAN 104与使用其他无线电技术(例如GSM或WCDMA)的其他RAN(未显示)之间进行切换的控制平面功能。

SGW 164可以经由S1接口连接到RAN 104中的每一个e节点B 160a、160b、160c。SGW164通常可以路由和转发去往/来自WTRU 102a、102b、102c的用户数据分组。SGW 164还可以执行其他功能，例如在e节点B间的切换过程中锚定用户平面，在DL数据可供WTRU 102a、102b、102c使用时触发寻呼处理，以及管理并存储WTRU 102a、102b、102c的上下文等等。

SGW 164可以连接到PGW 166，所述PGW可以为WTRU 102a、102b、102c提供分组交换网络(例如因特网110)接入，以便促成WTRU 102a、102b、102c与启用IP的设备之间的通信。

CN 106可以促成与其他网络的通信。例如，CN 106可以为WTRU 102a、102b、102c提供对电路交换网络(例如PSTN 108)的接入，以便促成WTRU 102a、102b、102c与传统的陆线通信设备之间的通信。例如，CN 106可以包括IP网关(例如IP多媒体子***(IMS)服务器)或与之进行通信，并且该IP网关可以充当CN 106与PSTN 108之间的接口。此外，CN 106可以为WTRU 102a、102b、102c提供针对其他网络112的接入，其中该网络可以包括其他服务供应商拥有和/或运营的其他有线或无线网络。

虽然在图1A-1C中将WTRU描述成了无线终端，然而应该想到的是，在某些典型实施例中，此类终端与通信网络可以使用(例如临时或永久性)有线通信接口。

在典型的实施例中，其他网络112可以是WLAN。

采用基础设施基本服务集(BSS)模式的WLAN可以具有用于所述BSS的接入点(AP)以及与所述AP相关联的一个或多个站(STA)。所述AP可以访问或是对接到分布式***(DS)或是将业务送入和/或送出BSS的别的类型的有线/无线网络。源于BSS外部且去往STA的业务可以通过AP到达并被递送至STA。源自STA且去往BSS外部的目的地的业务可被发送至AP，以便递送到相应的目的地。处于BSS内部的STA之间的业务可以通过AP来发送，例如在源STA可以向AP发送业务并且AP可以将业务递送至目的地STA的情况下。处于BSS内部的STA之间的业务可被认为和/或称为点到点业务。所述点到点业务可以在源与目的地STA之间(例如在其间直接)用直接链路建立(DLS)来发送。在某些典型实施例中，DLS可以使用802.11eDLS或802.11z隧道化DLS(TDLS))。使用独立BSS(IBSS)模式的WLAN不具有AP，并且处于所述IBSS内部或是使用所述IBSS的STA(例如所有STA)彼此可以直接通信。在这里，IBSS通信模式有时可被称为“自组织(ad-hoc)”通信模式。

在使用802.11ac基础设施工作模式或类似的工作模式时，AP可以在固定信道(例如主信道)上传送信标。所述主信道可以具有固定宽度(例如20MHz的带宽)或是借助信令动态设置的宽度。主信道可以是BSS的操作信道，并且可被STA用来与AP建立连接。在某些典型实施例中，所实施的可以是具有冲突避免的载波监听多路访问(CSMA/CA)(例如在802.11***中)。对于CSMA/CA来说，包括AP在内的STA(例如每一个STA)可以感测主信道。如果特定STA感测到/检测到和/或确定主信道繁忙，那么所述特定STA可以回退。在给定的BSS中，在任何给定时间都有一个STA(例如只有一个站)进行传输。

高吞吐量(HT)STA可以使用宽度为40MHz的信道来进行通信，例如，借助于将宽度为20MHz的主信道与宽度为20MHz的相邻或不相邻信道相结合来形成宽度为40MHz的信道。

甚高吞吐量(VHT)STA可以支持宽度为20MHz、40MHz、80MHz和/或160MHz的信道。40MHz和/或80MHz信道可以通过组合邻接的20MHz信道来形成。160MHz信道可以通过组合8个邻接的20MHz信道或者通过组合两个不邻接的80MHz信道(这种组合可被称为80+80配置)来形成。对于80+80配置来说，在信道编码之后，数据可被传递并经过一个分段解析器，所述分段解析器可以将数据分成两个流。在每一个流上可以单独执行反向快速傅里叶变换(IFFT)处理以及时域处理。所述流可被映射在两个80MHz信道上，并且数据可以由执行传输的STA来传送。在执行接收的STA的接收机上，用于80+80配置的上述操作可以是相反的，并且组合数据可被发送至媒体接入控制(MAC)。

802.11af和802.11ah支持1GHz以下的工作模式。相比于802.11n和802.11ac，在802.11af和802.11ah中使用的信道工作带宽和载波有所缩减。802.11af在TV白空间(TVWS)频谱中支持5MHz、10MHz和20MHz带宽，并且802.11ah支持使用非TVWS频谱的1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz带宽。依照典型实施例，802.11ah可以支持仪表类型控制/机器类型通信(例如宏覆盖区域中的MTC设备)。MTC设备可以具有某种能力，例如包含了支持(例如只支持)某些和/或有限带宽在内的受限能力。MTC设备可以包括电池，并且该电池的电池寿命高于阈值(例如用于保持很长的电池寿命)。

对于可以支持多个信道和信道带宽的WLAN***(例如802.11n、802.11ac、802.11af以及802.11ah)来说，这些***包含了可被指定成主信道的信道。所述主信道的带宽可以等于BSS中的所有STA所支持的最大公共工作带宽。主信道的带宽可以由某一STA设置和/或限制，其中所述STA源自在BSS中工作的所有STA且支持最小带宽工作模式。在关于802.11ah的示例中，即使BSS中的AP和其他STA支持2MHz、4MHz、8MHz、16MHz和/或其他信道带宽工作模式，但对支持(例如只支持)1MHz模式的STA(例如MTC类型的设备)来说，主信道的宽度可以是1MHz。载波感测和/或网络分配矢量(NAV)设置可以取决于主信道的状态。如果主信道繁忙(例如因为STA(其只支持1MHz工作模式)对AP进行传输)，那么即使大多数的频带保持空闲并且可供使用，也可以认为整个可用频带繁忙。

在美国，可供802.11ah使用的可用频带是902MHz到928MHz。在韩国，可用频带是917.5MHz到923.5MHz。在日本，可用频带是916.5MHz到927.5MHz。依照国家码，可用于802.11ah的总带宽是6MHz到26MHz。

本文对照以下的一项或多项描述的一个或多个或所有功能可以由一个或多个仿真设备(未显示)来执行：WTRU 102a-d、基站114a-b、e节点B 160a-c、MME 162、SGW 164、PGW166和/或这里描述的一个或多个其他任何设备。仿真设备可以是被配置成仿真这里描述的一个或多个或所有功能的一个或多个设备。举例来说，仿真设备可用于测试其他设备和/或模拟网络和/或WTRU功能。

仿真设备可被设计成在实验室环境和/或运营商网络环境中实施关于其他设备的一项或多项测试。例如，所述一个或多个仿真设备可以在被完全或部分作为有线和/或无线通信网络一部分实施和/或部署的同时执行一个或多个或所有功能，以便测试通信网络内部的其他设备。所述一个或多个仿真设备可以在被临时作为有线和/或无线通信网络的一部分实施或部署的同时执行一个或多个或所有功能。所述仿真设备可以直接耦合到别的设备以执行测试，和/或可以使用空中无线通信来执行测试。

一个或多个仿真设备可以在未被作为有线和/或无线通信网络一部分实施或部署的同时执行包括所有功能在内的一个或多个功能。例如，所述仿真设备可以在测试实验室和/或未被部署(例如测试)的有线和/或无线通信网络的测试场景中使用，以便实施关于一个或多个组件的测试。所述一个或多个仿真设备可以是测试设备。所述仿真设备可以使用直接的RF耦合和/或借助了RF电路(作为示例，该电路可以包括一个或多个天线)的无线通信来传送和/或接收数据。

具体实施方式

图2A-2C是示出了朝向瞳孔的图像的示例遮挡水平的示意图。图2A-2C示出了由瞳孔上的视差引起的场景遮挡。在图2A中，仅有人体的一部分(他们的脚)可见，并且人的其余部分被遮挡202阻挡。该视图200对应于来自瞳孔左侧的左视野。在图2B中，人体的较大部分是可见的，但是人体的一小部分仍然被遮挡222所阻挡。该视图220对应于来自瞳孔中心的中心视场。在图2C中，人的身体的整体是可见的，并且遮挡242不阻塞人的视野。该视图240对应于来自瞳孔右侧的右视场。所得到的变化图像表示可以被呈现以便产生正确的视网膜模糊的视图。如果来自至少两个图像的光从稍微不同的视点同时进入眼睛瞳孔，则会产生更逼真的视觉体验。在这种情况下，由于大脑无意识地预测由于运动而引起的图像变化，因此运动视差效果更好地类似于自然条件。通过确保在正确的观看距离处的两个视图之间的间隔是比眼睛瞳孔的尺寸更小的值，可以实现超多视图(SMV)效果。

在正常照明条件下，人的瞳孔通常估计直径为大约4mm。如果环境光水平高(例如，在日光中)，则直径可以小至1.5mm，并且在黑暗条件下大至8mm。SMV显示器可以实现的最大角密度受衍射限制，并且在空间分辨率(像素尺寸)和角分辨率之间存在反比关系。衍射增加了通过孔径的光束的角展度，并且在设计非常高密度的SMV显示器时应该考虑这种效应。

图3是示出根据一些实施例的朝向相应观看者的示例性光发射角度的示意性平面图。图3描绘了指向相应观看者的各种光发射角度。特别地，图3示出了在从显示器产生光发射角度中涉及的几何结构300的示意图。图3中的显示器在单个平坦形状因子面板中产生期望的视网膜聚焦提示和3D内容的多个视图。单个3D显示表面向单个用户的两只眼睛投射至少两个不同的视图，以便创建粗略的3D感知效果。大脑使用这两个不同的眼睛图像来确定3D距离。逻辑上，这是基于三角测量和瞳孔间距。为了提供这种效果，如图3所示，从光源318将至少两个视图投影到单用户视角(SVA)310中。此外，在至少一个实施例中，显示器在单眼瞳孔内投影至少两个不同的视图，以便提供正确的视网膜聚焦提示。为了光学设计的目的，如果确定在其中形成可视图像的立体空间，则可以在观看者眼睛瞳孔周围定义“眼睛盒”308。在显示器的一些实施例中，至少两个部分重叠的视图被投影在由眼睛盒覆盖的眼睛盒角(EBA)314内的某个观看距离316处。在一些实施例中，显示器由从不同视角观看显示器的多个观看者302、304、306观看。在这样的实施例中，相同3D内容的若干不同视图被投影到覆盖整个预期多用户视角(MVA)312的相应观看者。

以下段落提供了关于上述几何形状的示例计算。在随后的情况中的值是为了清楚而提供的，并且不意味着以任何方式进行限制。如果显示器位于距单个观看者1m的距离处并且眼睛盒宽度被设置为10mm，则EBA的值将是大约0.6度，并且针对大约0.3度的每个角度生成3D图像内容的至少一个视图。由于标准的人瞳孔间距是大约64mm，SVA是大约4.3度，并且对于位于显示器法线方向的单个观看者(如果观看者的整个面部区域被覆盖)来说，大约14个不同的视图将是期望的。如果显示器打算供多个用户使用，所有用户都位于90度的中等MVA内部，则可以使用总共300个不同的视图。对于位于30cm距离处的显示器(例如，移动电话显示器)的类似计算将导致对于90度的水平多视角角度仅90个不同的视图。并且如果显示器位于距离观看者3m远(例如，电视屏幕)，则总共900个不同视图可以用于覆盖相同的90度多视图角度。

该计算表明，与用户远离显示器的使用情况相比，对于显示器离观看者更近的使用情况，更容易创建多视图***。此外，图3示出了在显示器的设计中可以考虑的三个不同的角度范围：一个用于覆盖单只眼睛的瞳孔，一个用于覆盖单个用户的两只眼睛，一个用于多用户情况。在这三个角度范围中，后两个可以通过使用在双凸透镜或视差屏障结构下的若干发光像素或者通过使用具有公共屏幕的若干投影仪来解决。这些技术适合于产生在产生多个视图中使用的相对大的光发射角度。然而，这些***缺乏寻址眼瞳孔所需的角分辨率，这意味着它们不一定能够产生正确的视网膜聚焦提示并且对VAC敏感。

图4A描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由显示器针对在显示表面处形成的体素而产生的聚焦角度(FA)和会聚角度(CA)的示意性平面图。对于平坦形状因子的高质量3D显示器，可能期望能够同时产生眼睛会聚角(CA)424和视网膜聚焦角(FA)422。图4A-D示出了在四种不同的3D图像内容情况下的这些角度。在图4A所示的第一种情况下，图像点420位于显示器405的表面上，并且只需要一个对于双眼410可见的照亮的显示像素。两只眼睛410聚焦并会聚到相同点420。

图4B描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由LF显示器针对在LF显示表面的后面形成的体素而产生的FA和CA的示意性平面图。在如图4B所示的第二种情况下，虚拟图像点(体素)430在显示器405后面，并且两个像素簇432被照亮。另外，来自这两个显示像素簇432的光线的方向以这样的方式被控制，使得发射的光仅对正确的眼睛可见，因此使得眼睛410能够会聚到相同的单个虚拟点430。

图4C描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由显示器针对在显示表面之后的无限距离处形成的体素产生的FA和CA的示意性平面图。在如图4C所示的第三种情况下，虚像440在屏幕405之后的无穷远处，并且仅有平行光线从两个像素群442、从显示表面发射。

图4D描绘了示出根据一些实施例的一对眼睛以及由显示器为在LF显示表面的前面形成的体素产生的FA和CA的示意性平面图。在如图4D所示的最后一种情况下，图像点或体素450在显示器405的前面，两个像素簇452被激活，并且发射的光束在它们聚焦的相同点450处交叉。在最后三个所呈现的一般化情况(图4B、4C和4D)中，LF显示设备使用发射光的空间和角度控制两者以便产生针对3D图像内容的自然眼睛响应的会聚和聚焦角度两者。

平板型多视图显示器可以仅基于空间复用。发光像素(LF子像素)的行或矩阵可以位于双凸透镜片或微透镜阵列之后，并且每个像素被投影到显示器结构前面的唯一的观看方向或有限的一组观看方向。在每个光束准直特征后面的发光层上存在的像素越多，可以生成的视图就越多。这导致在所生成的唯一视图的数目与空间分辨率之间的直接折衷情形。如果从3D显示器期望较小的LF像素尺寸，则可以减小各个子像素的尺寸；或者可替换地，可以生成更少数量的观看方向。由于缺少合适的部件，子像素尺寸被限制在相对大的区域。高质量LF显示器应当具有高空间分辨率和角分辨率。在满足SMV条件时需要高的角分辨率。本具体实施方式的其余部分集中在用于提高平坦形状因子LF显示设备的空间分辨率的***和方法。

为了利用交叉光束在不同焦平面处创建良好分辨率的3D LF图像，每个光束优选地利用窄直径被良好准直。此外，理想地，束腰应定位在光束交叉的相同点处，以避免眼睛的聚焦提示矛盾。如果光束直径大，则在光束交叉中形成的体素作为大光斑成像到眼睛视网膜。大的发散值意味着(对于显示器和观察者之间的中间图像)，随着体素和眼睛之间的距离变小，光束变得更宽，并且当眼睛分辨率由于近距离而变得更好时，虚焦平面空间分辨率变得更差。位于显示表面后面的体素由发射光束的虚拟扩展形成，并且由于眼睛分辨率随着距离的增加而降低，可以允许它们更大。为了在显示表面的前面和后面都具有高分辨率，分离的光束应当具有可调节的焦点。没有它，光束具有单个固定的焦点，其设定最小可实现的体素尺寸。然而，当眼睛分辨率在较大距离处较低时，可以允许光束虚拟扩展在显示器后面变宽，并且可以将光束焦点设置为3D图像的最接近的指定观看距离。焦面分辨率也可以在整个体积中平衡，在该体积中通过组合若干相邻射束以试图使体素尺寸均匀来形成图像。

图5描绘了示出由几何因子引起的增加的光束发散度的示例的示意图。在理想透镜的情况下，可实现的光束准直取决于两个几何因子：光源的尺寸和透镜的焦距。只有在单色点源(PS)502精确地位于距理想正透镜焦距距离处的理论情况下，才可以实现没有任何光束发散的完美准直。这种情况在图5的顶部示出。不幸的是，所有的实际光源都具有一些表面区域，光从该表面区域发射，使得它们成为扩展光源(ES)504、506。由于光源的每个点由透镜分别成像，总光束最终由一组准直的子光束组成，这些子光束在透镜之后传播到稍微不同的方向。并且如图5中所示，利用一系列透镜配置500，随着源502、504、506变大，总光束发散度508、510、512增大。这种几何因子不能用任何光学装置来避免，并且它是导致相对大的光源的光束发散的主要特征。

引起光束发散的另一个非几何特征是衍射。该术语是指当(光的)波遇到障碍物或狭缝时发生的各种现象。它可以被描述为光在孔径的角周围弯曲到几何阴影区域中。衍射效应可以从所有成像***中发现，并且即使利用能够抵消所有光学像差的完美透镜设计，它们也不能被去除。实际上，能够达到最高光学质量的透镜通常被称为“衍射受限”，因为图像中剩余的大部分模糊来自衍射。衍射受限透镜可实现的角分辨率可由公式sinθ＝1.22*λ/D计算，其中λ是光的波长，D是透镜的入射光瞳的直径。从该等式可以看出，光的颜色和透镜孔径尺寸对衍射的量有影响。

如图5所示，扩展源的尺寸对可实现的光束发散具有大的影响。源几何结构或空间分布实际上被映射到光束的角分布，并且这可以在源透镜***的所得“远场图案”中看到。实际上，这意味着如果准直透镜位于距光源焦距处，则光源实际上成像在距透镜相对大的距离处，并且图像的尺寸可以由***“放大率”确定。

图6描绘了示出根据一些实施例的由衍射引起的增加的光束发散度的示例的示意图。图6示出了点源602、604、606的示意性表示600，其示出了如果减小透镜孔径尺寸614、616、618，则光束发散度608、610、612如何增加。这种效应可以被公式化为成像光学设计中的一般原理：如果设计是衍射受限的，则提高分辨率的方法是使孔径更大。衍射是利用相对小的光源引起光束发散的主要特征。

图7示出了具有各种放大率的三个示例透镜。在简单的成像透镜的情况下，放大率可以通过将透镜712、742、772与图像714、744、774之间的距离704、734、764除以源710、740、770与透镜712、742、772之间的距离702、732、762来计算，如图7所示。如果源710、740、770与透镜712、742、772之间的距离702、732、762是固定的，则可以通过随着透镜曲率改变透镜704、734、764的屈光度来实现不同的图像距离704、734、764。但是，如果像距704、734、764与透镜焦距702、732、762相比变得越来越大，则透镜屈光度的所需变化变得越来越小，接近透镜有效地将发射的光准直成具有被映射到角分布中的源的空间分布的光束并且在不聚焦的情况下形成源图像的情形。在透镜配置700、730、760的集合中，随着源706、736、766变大，投影图像高度708、738、768增加。

在平坦形状因子无护目镜3D显示器中，3D像素投影透镜可以具有非常小的焦距以便实现平坦结构，并且来自单个3D像素的光束可以被投影到相对大的观看距离。这意味着如果光束传播到观察者，则光源以高放大率有效地成像。例如，如果源尺寸为50μm×50μm，投影透镜焦距为1mm，观察距离为1m，则得到的放大率为1000:1，并且源几何图像的尺寸为50mm×50mm。这意味着，在该50mm直径的眼睛盒内仅用一只眼睛就可以看到单个光发射器。如果光源具有100微米的直径，则所得图像将为100毫米宽，并且由于眼睛瞳孔之间的平均距离仅为64毫米，所以同一像素可同时被两只眼睛看到。在后一种情况下，将不会形成立体3D图像，因为双眼将看到相同的图像。示例计算示出了如光源尺寸、透镜焦距和观看距离的几何参数如何彼此关联。

当光束从3D显示像素投射时，发散导致光束扩展。这不仅适用于从显示器向观看者发射的实际光束，而且适用于看起来在显示器后面发射的虚拟光束，会聚到靠近显示表面的单个虚焦点。在多视图显示器的情况下，这是一个好的事情，因为发散度扩展了眼镜盒的尺寸，并且人们只需注意在观看距离处的光束尺寸不超过两个眼睛之间的距离，因为这将破坏立体效果。然而，如果期望利用显示表面外部的任何地方的两个或更多个交叉光束来创建虚拟焦平面的体素，则利用光束可实现的空间分辨率将随着发散度增加而变差。还可以注意到，如果在观看距离处的光束尺寸大于眼睛瞳孔的尺寸，则瞳孔将成为整个光学***的限制孔径。

图8A-8D是示出了以固定放大率成像到固定距离的一个或两个扩展光源的示例性几何和衍射效应的示意图。几何和衍射效应在所有光学***中都一致地工作，并且它们在显示器3D像素设计中被平衡，以便实现体素分辨率的最优解决方案。这在非常小的光源下被强调，因为光学***测量变得更接近于光波长，并且衍射效应开始支配性能。图8A-D的示意图示出了在情况800、820、850、870中几何和衍射效果如何一起工作，使得一个扩展源802、852或两个扩展源822、824、872、874以固定放大率成像到固定距离。图8A示出了情况800，其中透镜孔径尺寸804相对较小，并且扩展光源802位于远离透镜的焦距810处。在图8A中，几何图像(GI)806被来自衍射的模糊包围，使得衍射图像(DI)808大得多。

图8B示出了情况820，其中两个扩展光源822、824被并排放置在距透镜焦距836处，并且利用具有相同的小孔径尺寸826的透镜成像。即使两个源822、824的GI 828、830被清楚地分离，但由于衍射图像832、834重叠，所以不能解析这两个源图像。实际上，这种情况将意味着光源尺寸的减小将不会提高可实现的体素分辨率，因为所得到的源图像尺寸对于两个单独的光源将与对于覆盖两个单独的发射器的区域的一个较大的源相同。为了将两个源图像分解为单独的像素/体素，应当增加成像透镜的孔径尺寸。

图8C示出了透镜具有相同焦距860但使用更大的孔径854来对扩展源852成像的情况850。现在衍射减少，并且DI 858仅稍大于GI 856，其在放大倍数固定时保持不变。

图8D示出了情况870，其中两个扩展源872、874位于距离透镜的焦距886处，孔径尺寸876等于透镜的尺寸。DI 882、884仅稍大于GI 878、880。现在分辨这两个光斑，因为DI882、884不再重叠，使得能够使用两个不同的源872,874并提高体素栅格的空间分辨率。

示例性显示器的光学设计特征

一些实施例提供了创建显示器的能力。在一些实施例中，显示器可以用作能够呈现3D图像的多个焦平面同时解决聚散度-调节冲突(VAC)问题的光场显示器。

在一些实施例中，显示器向观看者的双眼投射发射器图像，而在3D显示器与观看者之间没有光散射介质。为了通过创建位于显示表面外部的体素来创建立体图像，显示器被配置为使得与该体素相关联的显示器内部的发射器对于两只眼睛不同时可见可能是有用的。因此，对于发射的光束集束的视场(FOV)来说，覆盖双眼可能是有用的。对于单光束来说，具有使它们比在观看距离处的两个眼睛瞳孔之间的距离(平均大约64mm)更窄的FOV也是有用的。一个显示截面的FOV以及单个发射器的FOV可能受发射器行的宽度/发射器的宽度和成像光学器件的放大率的影响。可以注意到，只有当光束在焦点之后继续传播并在指定的观察距离处进入眼睛瞳孔时，用聚焦光束创建的体素才可以是眼睛可见的。对于体素的FOV来说，同时覆盖两只眼睛可能是特别有用的。如果体素仅对单只眼睛可见，则可能不形成立体效果，并且可能看不到3D图像。因为单个显示发射器一次仅对一只眼睛可见，所以通过将来自多于一个显示发射器的多个交叉光束引导至人的视觉暂留(POV)时间帧内的相同体素来增加体素FOV可能是有用的。在一些实施例中，总体素FOV是各个发射器光束FOV的总和。

为了使局部光束集束FOV在它们相关的指定观察距离重叠，一些实施例可以包括具有一定半径的弯曲显示器。在一些实施例中，例如使用平的菲涅耳透镜片，投射光束方向可以转向特定点。如果FOV未被配置为重叠，则3D图像的一些部分可能不被形成。由于显示设备的实际尺寸限制和可能的焦距的实际限制，可以在显示设备的前面和/或后面形成与3D图像可见的特定区域相对应的图像区。

图9是示出根据一些实施例的3D显示结构可用的示例性观看几何结构的示意性平面图。图9示出了可以基于交叉光束的使用利用3D显示器结构902实现的示例观看几何结构的示意性呈现900。在弯曲显示器902的前面，3D图像区域904的界限可以被认为是距离具有合理空间分辨率的显示器的最远焦距。图像区904也可以被认为是由整个显示器的FOV 906限制。为了在最小像距处获得最大分辨率，显示光学特征可以被设计成将源图像聚焦到该区的最远边缘。在一些实施例中，在显示器后面还可以存在由所发射的光束的虚拟延伸形成的另一图像区。在一些实施例中，显示器902后面的体素可以具有更大的可允许尺寸，因为观察者位于更远的位置并且因为眼睛分辨率在更大的距离处可能更低。在一些实施例中，可以基于扩展光束虚拟扩展可实现的最小可接受分辨率来选择最大图像距离。

图9示出了根据一些实施例的3D光场显示器902的示例观看几何结构。特别地，图9中所示的显示面是弯曲的，其半径与指定观看距离相同。在该示例中，重叠光束集束FOV910形成围绕观看者912的面部区域的观看区。该观看区的尺寸可以影响观看者头部所允许的移动量。为了使立体图像成为可能，将两个瞳孔(以及瞳孔之间的距离914)同时定位在该区域内可能是有用的。观看区域的尺寸可以通过改变光束集束FOV 908来选择。可以基于特定的使用情况来选择特定的设计。

图10-11是示出根据一些实施例的3D显示器的示例性观看几何结构场景的示意性平面图。图10-11示出了两个不同的示例观看几何结构场景1000、1100的示意性表示。

如图10所示，第一场景1000描绘了在显示器前面的单个观看者1004的场景以及其中小视区覆盖了双眼瞳孔的对应观看几何结构。这可以使用窄光束集束FOV 1002来实现。该区的最小功能宽度可以受眼睛瞳孔距离的影响。例如，平均瞳孔距离可以是大约64mm。小的宽度也意味着对于观看距离变化的小的容限，因为窄FOV 1002倾向于在最佳观看位置的前面和后面以增加的距离彼此快速分离。

如图11所示，第二场景1100描绘了具有更宽光束集束FOV 1102的观察几何结构。这种观察几何结构可以使得多个观看者1104处于观看区内并且处于不同的观看距离。在该示例中，位置公差可以很大。

可以通过增加每个显示光束集束的FOV来增加观看区。这可以例如通过增加光发射器行的宽度或者通过改变光束准直光学器件的焦距来完成。较小的焦距可导致较大的体素，因此增加焦距以实现较好的分辨率可能是有用的。可以在光学设计参数和设计需要之间找到折衷。因此，不同的使用情况可以在这些因子之间进行不同的平衡。

示例μLED光源

一些实施例使用μLED。这些是用与标准LED芯片相同的基本技术和相同的材料制造的LED芯片。然而，μLED是通常可获得组件的小型化版本，且其尺寸可小到1μm到10μm。迄今为止制造的一种致密矩阵具有以3微米间距组装的2微米×2微米芯片。当与OLED相比时，μLED是稳定得多的组件且其可达到非常高的光强度，这使得其对于从头戴式显示***到适应性汽车前灯(LED矩阵)及TV背光的许多应用是有利的。μLED也可视为用于3D显示器的高电位技术，其需要可非常快速地接通及关断的可个别寻址的光发射器的非常密集的矩阵。

裸μLED芯片可发射光谱宽度为约20-30nm的特定颜色。通过用磷光体层涂覆芯片可以产生白光源，该磷光体层将由蓝色LED或UV LED发射的光转换成更宽的白光发射光谱。全色光源也可以通过并排放置单独的红、绿和蓝LED芯片来产生，因为当人类视觉***组合单独的彩色发射时，这三种原色的组合产生了全色像素的感觉。前面提到的非常密集的矩阵将允许制造具有低于10μm(3×3μm间距)的总宽度的自发光全色像素。

来自半导体芯片的光提取效率是确定LED结构的电-光效率的参数之一。存在若干方法，其旨在提高提取效率，并因此允许基于LED的光源尽可能有效地使用可用的电能，这对于具有有限电源的移动设备是有用的。一些方法使用直接集成在LED芯片顶部上的成形塑料光学元件。由于较低的折射率差，与芯片被空气包围的情况相比，塑料形状的集成从芯片材料提取更多的光。塑料形状还以增强从塑料件的光提取并使发射图案更具方向性的方式引导光。其它方法将芯片本身成形为有利于光发射角度更垂直于半导体芯片的前端面的形式，并且使光更容易逸出高折射率材料。这些结构还引导从芯片发射的光。

示例光学结构和功能

图12A是示出根据一些实施例的3D显示器的一部分的周期性特征的示意性正视图。图12B是示出根据一些实施例的3D显示器的一部分的周期性特征的示意性侧面或顶部截面图。在一些实施例中，3D显示器的发光层(LEL)可为例如μLED矩阵、OLED显示器或具有背光的LCD显示器。具有镶嵌光学特征的周期性层1200被放置在LEL结构的前面，并且它可以是例如具有通过卷对卷工艺中的UV固化制造的折射光学形状的聚碳酸酯箔或片。对于一些实施例，周期性层1250可以包括如图12B中的侧视图所示的影响透射角度的几何形状。

由于大多数光源(例如，μLED)将光发射到相当大的数值孔径(NA)中，因此该层中的若干单独的光学特征可作为簇一起工作。簇可以将来自单个发射器的光准直并聚焦成形成光源图像的几个光束部分。在形成单个光源图像中利用的特征的数量可以取决于源NA、LEL和周期性层之间的距离和/或周期性层的特征的设计。两个光束部分可以用于一个源图像，以便为单只眼睛提供正确的聚焦提示。使用具有至少两个部分的至少两个光束以提供正确的眼睛会聚提示可能是有帮助的。在一些实施例中，光学结构可以是一维的(例如，向一个方向倾斜的圆柱形折射特征)，以提供跨一个轴的视图(例如，仅提供水平视图)。在一些实施例中，光学结构可以是二维的(例如双锥形微透镜)，例如以提供跨两个轴的视图(例如提供水平和垂直方向上的视图)。

在一些实施例中，周期性层包含重复的镶嵌单元，其由以镶嵌图案构造的较小光学子特征形成。镶嵌单元的每个较小的镶嵌子特征或瓦片可以具有不同的光学特性，这取决于折射率、表面形状和/或表面特性。表面形状的示例可以包括平坦小平面、在两个方向上具有不同曲率的连续曲面、以及具有光学粗糙表面的漫射矩形等。所述瓦片可以在重复特征上用不同的图案填充不同的表面区域。

在一些实施例中，镶嵌图案的瓦片准直所发射的光并将其***成不同的光束部分，所述光束部分可取决于瓦片的光学特性而行进到略微不同的方向。光束部分可以聚焦到距光学结构不同的距离，并且可以在垂直和水平方向上执行聚焦。如前所述，远离显示器成像的光斑可以大于在较短距离成像的光斑。然而，由于可以单独地选择每个镶嵌特征瓦片的有效焦距，因此还可以选择几何放大率以便达到较小的源图像光斑和更好的分辨率。一个源矩阵内的相邻光发射器可以被成像到光斑矩阵中。源矩阵、周期性层镶嵌特征和SLM一起形成能够在显示器周围的3D空间中产生若干虚焦面的***。

图13是示出根据一些实施例的3D显示器的一部分的示意性横截面侧视图或俯视图。一些实施例提供了光学方法和光学***的基本构造，其可以用于利用交叉光束创建高分辨率3D图像。如图13中的实例所示，在含有可单独寻址像素的二维阵列的层1302上产生光。这里称为周期性层的重复光学元件的层1304将发射的光准直并分成聚焦到距该结构不同距离的几个光束部分。周期性层中的几个单独的特征可以作为簇一起工作。重复的小特征可以被布置为镶嵌图案，其中每个特征具有特定的曲率、倾斜角和表面特性。空间光调制器(SLM)1306可以用于选择性地阻挡或通过用于3D图像形成的光束部分。SLM 1306可以位于周期性层的前面或后面。光束部分的阻挡和通过可以用于在多个焦面上形成图像，这可以由周期性镶嵌层特性来确定。

在图13的示例中，为了在显示表面前面的位置1310处生成体素，从位置1308(例如，从位置1308处的像素)发射光。所发射的光穿过光学层1304，并且SLM 1306操作以控制离开显示表面的光。(SLM的透明部分被示为空框，SLM的不透明部分被示为黑框)。在该示例中，SLM 1306仅允许来自镶嵌单元1312的中心部分的光离开显示器。那些射线在体素1310处会聚。体素1310位于图像平面1314上。体素1310可以是发光元件在位置1308的图像。可以使用类似的技术在图像平面1314上显示其他体素。

为了在位置1316处生成体素，从发光层的位置1318和1320处的像素发射光，并且SLM 1306操作以允许仅聚焦在体素位置1316上的光通过，而阻挡其他光(例如，阻挡否则将聚焦在图像平面1314上或其他地方的光)。体素1316可以包括在位置1318和1320处的发光元件的叠加图像。体素1316位于图像平面1322上。可以使用类似技术在图像平面1322上显示其他体素。从图13中可以明显看出，可以使用来自单个像素的光或来自多于一个像素的光来生成体素。类似地，可以使用穿过单个镶嵌单元的光或穿过多于一个镶嵌单元的光来生成体素。虽然图13示出了在显示表面前面生成体素，但是下面给出了在显示表面上或后面生成体素的进一步的示例。

图14是示出根据一些实施例的具有示例镶嵌单元的光学瓦片的布置的示意性前视图。在该示例中，光学瓦片1402a是半透明的(例如，光学上粗糙的)光学瓦片，其散射穿过它们的光。光学瓦片1404a-b和1406a-b被配置成将光聚焦到第一焦距。这些瓦片中的两个1406a-b用于在x方向上聚焦光束部分，并且其中两个1404a-b用于在正交的y方向上聚焦。类似地，另外四个瓦片1408a-b和1410a-b用于将光束部分聚焦到第二焦距。镶嵌单元中心的四个瓦片1412a-b和1414a-b用于将光束在两个方向上聚焦到第三焦距。在第一示例图案中呈现的布置中，每个嵌套的聚焦区的矩形拐角可以用于创建具有更高像素分辨率的2D显示图像。在一些实施例中，这些瓦片或“2D像素”可具有粗糙表面或其它半透明特征，以便将光散射到所有角度中，从而使得像素从所有观看方向可见。在一些实施例中，当体素位于显示表面处时，2D像素可用于3D图像形成。

图15是示出根据一些实施例的周期性特征的镶嵌单元的示例镶嵌图案的示意性前视图。图15中描绘的示例图案示出了类似的布置，但是没有半透明的2D像素特征。光学瓦片1502a-b和1504a-b用于将光聚焦到第一焦距。光学瓦片1506a-b和1508a-b可操作以将光聚焦到第二焦距，并且光学瓦片1510a-b和1512a-b可操作以将光聚焦到第三焦距。聚焦到第二和第三距离的瓦片具有相同的总面积，这可以帮助抵消落在这两个焦点层上的光强度。在这种情况下，第一焦点层由较大表面积的瓦片形成，这使得例如可以以较高的光强度强调一些焦点表面，或者增加较大尺寸的体素上的光量以平衡辐照度。当不形成3D图像时，这些较大的区域也可以用作具有较高强度的2D显示像素。

图16是示出根据一些实施例的光学层中的镶嵌单元的示例二维阵列的示意性正视图。镶嵌单元可以在周期性层上布置成不同的阵列图案。图16-17描绘了根据一些实施例的阵列图案的两个示例。在第一个示例中，如图16所示，镶嵌单元形成矩形矩阵，其中行和列形成直的水平和垂直线。这种图案可以允许更容易的绘制计算，因为所生成的体素也被布置成矩形矩阵。

图17是示出根据一些实施例的周期性特征的镶嵌图案的示例阵列的示意性前视图。图17中示出的第二示例阵列图案描绘其中在相邻列之间存在偏移(例如，垂直或水平)的替代布置。该图案对于增加有效分辨率是有用的，例如，在仅产生水平交叉光束的情况下。

在一些实施例中，周期性层可以被制造为例如具有光学形状的聚碳酸酯片材，其由UV固化材料以卷对卷工艺制成。在一些实施例中，周期性层可以包括具有压印衍射结构的箔。在一些实施例中，周期性层可以包括具有渐变折射率透镜特征的片或通过将光致抗蚀剂材料暴露于激光产生的干涉图案而制造的全息光栅。个别子特征尺寸和图案填充因子可通过减少引入到***的杂散光而对可实现的分辨率且例如对图像对比度的量有影响。这意味着非常高质量的光学器件制造方法可能有助于生产母版，然后将其复制。由于单个特征可以非常小，具有适当形状的第一母版的尺寸也可以非常小，这可以有助于降低制造成本。因为在整个显示表面上重复该相同的图案，所以可能需要较低的精度以便在水平或垂直方向上精确地对准发光层与周期性层。深度方向可以很好地对准，因为它可以影响显示表面外部的焦曲面的位置。

在一些实施例中，SLM可以是例如用于选择性地阻挡或通过部分投射光束的LCD面板。由于光学结构用于产生多个光束部分，所以可能没有清楚限定的显示像素结构，并且LCD用作***的光束产生部分前面的自适应掩模。为了实施足够小的像素尺寸，像素尺寸在与周期性特征瓦片尺寸相同的尺寸范围内或小于周期性特征瓦片尺寸可能是有用的。如果像素比特征瓦片小得多，则可能不太需要将周期性层精确对准到SLM，但是如果像素是相同尺寸，则这两层之间的良好对准可能更有利。像素可以以规则的矩形图案排列，或者它们可以根据周期性镶嵌层光学特征来定制。如果从LEL发射的光是白色的，例如在磷光体涂覆的蓝色μLED矩阵的情况下，则像素还可包含用于产生颜色的滤色器。

图18是示出根据一些实施例的具有周期性特征的示例空间光调制器像素滤色器布置的示意性剖切正视图。图18和19中示出了两个示例滤色器布置，如果LEL包含彩色像素(例如，单独的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)μLED)，则SLM可以用于光束的更简单的强度调整。

在一些实施例中，显示***使用空间和时间复用的组合。在这种情况下，具有足够快以获得无闪烁图像的足够刷新率的SLM部件是有用的。当渲染图像时，SLM和发光层可以一致地工作。同步LEL和SLM可能特别有用。SLM可以用作具有孔径图案的自适应掩模，当单个源或一组源被激活时，该孔径图案例如扫过显示表面。通过在LEL的不同部分同时掩蔽源簇，可以同时使用这些图案中的几个。在一些实施例中，实施具有比SLM快的刷新速率的发光部件(例如，μLED)可能是有帮助的。这样，在SLM(例如，具有60Hz刷新率的SLM)的刷新周期内，源可以被激活若干次。眼睛跟踪还可以用于通过仅向某些指定的眼镜盒区域渲染图像而不是向显示器的整个FOV渲染图像来降低对更新速度的要求。

图20是示出根据一些实施例的用于形成体素的示例性配置的示意性截面侧视图或俯视图。在一些实施例中，光学***可以实现使用交叉光束来形成体素。这些体素可以形成在距显示表面的不同距离处(例如，在显示器前面、在显示器后面和/或在显示表面上)。图20是示出示例体素2002的示意图，该示例体素在显示器前面特定焦距处利用源自发光层2010上的位置2004、2006、2008处的光源的光束创建。来自位置2004、2006、2008处的光源的光被光学层2012折射到不同的方向，并且空间光调制器2014允许被导向体素2002的光的透射，同时阻挡未被导向体素2002并且未被用于生成其他体素的光。

在图20的示例中，通过使在发光层2010上的位置2018、2020和2022处的光源发射的光束部分的虚拟延伸交叉，在显示器后面的体素位置处生成体素2016。来自位置2018、2020和2022处的源的光被光学层2012折射到不同的方向，并且空间光调制器2014允许从体素2016的位置引导的光的透射，同时阻挡未从体素2016的位置引导并且未被用于生成其他体素的光。在一些实施例中，可以使用若干光源以便补偿由于光束部分的更宽的角展度而传播到眼睛方向的较低光强度。

在图20的示例中，在显示器上的一位置处生成体素2024。来自位置2026处的源的光被体素位置2024处的光学层2012上的半透明光学瓦片散射。空间光调制器2014允许散射光传输到显示器的外部，同时阻挡来自其它光学瓦片的光的传输。

图20示出了一示例，其中在显示表面上生成体素2024，而在显示表面的前面和后面生成其他体素(2002,2016)。然而，在一些实施例中，显示器可以操作以仅在显示表面上生成体素。这可以通过操作空间光调制器使得只有穿过半透明光学瓦片的光到达显示设备的外部来完成。这样的体素可以用作2D像素，以在显示表面上显示2D图像。

在一些实施例中，通过组合源自两个相邻源以及源自两个源自单个源的射束截面的两个光束部分来创建体素。两个光束部分可以用于产生用于正确的眼睛视网膜聚焦提示的单个光束聚焦，而两个组合光束可以用于覆盖观看者眼睛对的较大FOV。这种配置可以帮助视觉***校正眼睛会聚。这样，在光学结构中，用于单眼视网膜聚焦提示的小发光角度的生成和用于立体效果所需的眼睛会聚的较大发光角度的生成彼此分离。该布置使得可以利用显示器的光学设计来分别控制两个角域。

在一些实施例中，可以将焦面距离编码到光学硬件中。例如，周期性层特征瓦片的屈光度可以将体素深度坐标固定到离散位置。因为可以用单个发射器光束来创建单眼视网膜聚焦提示，所以在一些实施例中，可以通过仅利用来自两个发射器的两个光束来形成体素。这种布置可以有助于简化渲染任务。在没有周期性特征的情况下，足够的源数值孔径和几何放大率的组合可能要求体素尺寸非常大并且可能使分辨率低。周期性特征可以提供单独选择成像***的焦距的能力，并且可以制作更小的体素以获得更高分辨率的3D图像。

在一些实施例中，所创建的光束可以在周期性层之后向不同方向传播。发光层和周期性光束聚焦层之间的距离可以用作孔径扩展器。为了达到特定的光学性能，将可应用的距离值与周期性层特征的尺寸/节距和各个瓦片的尺寸相匹配可能是有帮助的。尽可能多地扩展单个光束孔径以便改善光束聚焦并减少与小孔径相关的衍射效应可能是有用的。这对于更靠近观察者创建的体素层可能是特别有用的，因为眼睛分辨率变得更高并且几何放大迫使体素尺寸更大。两个光束部分可以在焦平面上的体素位置处交叉，并且到达观察者的单眼瞳孔，以便创建右视网膜聚焦提示而没有太多的衍射模糊。

3D显示特性

在3D显示器结构的设计中要考虑的一个因子是光学材料将具有不同波长的光折射到不同角度(色散)的事实。这意味着如果使用三个彩色像素(例如，红色、绿色和蓝色)，则不同颜色的光束倾斜并聚焦到与折射特征稍微不同的方向和距离。在一些实施例中，可以通过使用混合层在结构本身中补偿色散，其中例如衍射特征用于颜色校正。由于彩色子像素可以在LEL上空间分离，因此对于彩色光束投影角也可以存在一些小的角度差。如果源分量的投影图像在聚焦表面层上保持足够小，则三个彩色像素将被彼此相邻地成像，并且以与利用当前的常规2D屏幕看到的方式类似的方式被眼睛组合成全色体素，在所述当前的常规2D屏幕中，彩色子像素被空间地分离。3D显示结构的彩色子像素图像是高度定向的，并且确保所有三种不同颜色的光束通过瞳孔进入眼睛可能是有用的。

发光元件的物理尺寸和显示光学器件的总放大率可以影响每个3D图像虚拟焦面上可实现的空间分辨率。在发光像素聚焦于位于更远离显示设备的表面的情况下，几何放大率可以使得像素图像比在焦平面位于更靠近显示器的情况下更大。在一些实施例中，使用周期性层使得可以增加焦距，而不使光学器件的孔径尺寸或显示表面处的源图像太大。这是所提出的方法的性能益处，因为它使得可以在显示器表面和显示器外部的焦面处实现相对高分辨率的3D图像层。

如前所述，例如在光发射器和微透镜孔尺寸非常小的情况下，衍射也可以影响可实现的分辨率。利用光场显示器可实现的深度范围和实际光场绘制方案可能受到来自每个子像素的光束准直的质量的影响。发光像素的尺寸、周期性层瓦片孔径的尺寸以及瓦片的有效焦距是可能影响准直质量的三个参数。如果像素尺寸小(例如，在移动设备的情况下)，周期性层前面的小SLM孔径也可能导致衍射。然而，可以以这样的方式进行孔径尺寸的选择，即当体素距离较大时使用较大的孔径(或较大的孔径对距离)。这样，可以使衍射效应最小化，以便实现更好的分辨率。特别地，一些实施例操作用于利用单个源渲染用于单眼聚焦的体素，所述单个源在光学结构的帮助下生成两个光束部分。这允许光束干涉和减少的衍射模糊。

在一些实施例中，发光层上的连续发射器矩阵允许非常宽的视场。由于几何成像中使用的焦距可以利用周期性镶嵌层来选择的事实，所公开的***和方法使得可以同时实现良好的分辨率和大的观看区。然而，这可能以降低光效率为代价，因为当为了更好的分辨率而增加聚焦瓦片的有效焦距时，所发射的光中仅有较小部分可以用于体素形成。如果仅有一部分光束通过以用于成像，则大部分屈光度可以被空间光调制器层吸收。

在一些实施例中，位于光源前面的周期性层使得可以利用对于像OLED和μLED的部件典型的宽光发射图案。因为透镜簇层是连续的，所以如果源层具有发射器的连续矩阵，则可能不需要将镶嵌瓦片与特定的源对准。然而，由于典型的朗伯发射图案使得光强度对于与表面法线方向相比更大的角度下降，所以相对于光束角校准光束强度可能是有帮助的。例如，通过相应地选择空间光调制器的发射，或者通过利用电流或脉冲宽度调制来调整光源的光发射，可以进行这种校准或强度调整。

在一些实施例中，位于周期性层前面的空间光调制器可以用于阻挡来自先前光学层的杂散光。在一些实施例中，光学层可以用抗反射涂层处理，以避免从折射表面的多次反射。这种反射可能引起降低图像对比度的杂散光。因为空间光调制器用于阻挡部分发射光束，所以它也可以有效地用于阻挡来自光学元件的杂散反射。在一些实施例中，空间光调制器用作自适应掩模，其在选定的源簇前面具有小的可调节孔径。该掩模可以扫过显示表面。在这些扫描期间，它可以阻挡或通过适当的光束，并且同时抑制局部杂散光发射。

3D显示渲染方案

几种不同类型的渲染方案可以与所呈现的显示结构和光学方法一起使用。根据所选择的渲染方案，所实现的显示设备可以是具有多个视图和焦面的真正的3D光场显示器或常规的2D显示器。后一功能也可以由如上所述的光学硬件设计支持。

在一些实施例中，除了多个观看方向之外，3D光场渲染方案观看者(一个或多个)前面且在物理显示表面的前面或后面创建若干焦点或焦面。为每个3D物点或体素产生至少两个投影光束是有用的。使用至少两个光束的原因可以包括(i)显示器内的单个子像素应当具有使得其在任何给定时间仅对一只眼睛可见的视场，以及(ii)所创建的体素应当具有同时覆盖两只眼睛的视场，以便创建立体视图。当同时使用多于一个光束时，体素视场可以被创建为单独光束视场的总和。对于显示器和观察者之间的所有体素，使会聚光束在显示器前面在正确的体素距离处交叉可能是有帮助的。以类似的方式，对于位于与距离显示器相比距离观察者更远的距离处的体素而言，具有实际上在显示器后面虚拟交叉的光束对可能是有帮助的。(至少)两个光束的交叉有助于产生不是仅在显示表面的焦点(或表面)。使分离的光束聚焦到它们交叉的相同光斑可能是有用的。使用镶嵌周期性层特征使得有可能利用该方法创建单光束焦点，并且可以创建更自然的视网膜聚焦提示。

在3D显示器上渲染深度的真正连续范围可能涉及大量的计算。在一些实施例中，3D数据可被缩减到某些离散深度层以便降低计算要求。在一些实施例中，离散的深度层可被布置成彼此足够接近以向观察者的视觉***提供连续的3D深度体验。基于所估计的人类视觉***平均深度分辨率，覆盖从50cm到无穷大的视觉范围可以花费大约27个不同的深度层。在一些实施例中，所提出的方法和光学硬件允许创建多个焦表面，由于空间上分离的镶嵌瓦片和SLM被用于深度层选择的事实，所述多个焦表面可以被同时显示。在一些实施例中，可以在设备中主动地检测观察者位置，并且可以仅将体素渲染到观察者所位于的那些方向。在一些实施例中，主动观察者眼睛跟踪用于检测观察者位置(例如，使用近红外(NIR)光，其中相机在显示器结构周围或在显示器结构中)。

可以在空间/角度和深度分辨率之间找到与渲染方案相关联的一种折衷情形。在有限数量的像素和组件切换速度的情况下，强调高的空间/角分辨率可以具有更少焦平面(更低深度分辨率)的代价。相反，具有更多的焦平面以获得更好的深度分辨率可能带来更多像素化图像(低空间/角分辨率)的代价。相同的折衷可以应用于***级的数据处理，因为更多的焦平面可以涉及更多的计算和更高的数据传输速度。在人类视觉***中，深度分辨率随着距离而对数地降低，这可以允许在对象更远时减少深度信息。另外，随着图像平面变得更远，眼睛可以仅分辨更大的细节，这可以允许远距离处的分辨率的降低。在一些实施例中，通过在距观察者的不同距离处产生不同的体素分辨率来优化渲染方案，以便降低图像渲染的处理要求。还可以基于所呈现的图像内容来解决与渲染方案相关的折衷，从而实现例如更高的分辨率或图像亮度。

在一些实施例中，在LEL或SLM上实现三种不同颜色的像素，以便产生全色图像。彩色渲染方案可以包括用于适应不同颜色在周期性层处被折射到稍微不同的角度方向的事实的***和/或方法。除了特殊的颜色渲染方案之外，可以利用硬件去除该色散中的一些，例如，通过将衍射结构集成到周期性层特征以用于颜色校正。这在补偿折射瓦片的不同焦距时尤其有用。根据一些实施例，示例性的颜色渲染方案是使用白色照明和具有滤色器的SLM。可用(例如)蓝色μLED与磷光体薄层的组合产生白光束。在这种情况下，在SLM(例如LCD面板)层中为每个焦点层体素分别选择光束颜色，并且以类似于当前常规2D显示的方式在眼睛中组合这三种颜色。

实现示例

图21是示出根据一些实施例的3D显示器和观看者的示例配置的示意性立体图。具体地，图21描绘了用于具有放置在距离单个观看器2104 500mm处的6"3D显示器2102的移动设备的示例观看配置2100。显示器将光场图像形成到位于移动设备的前面和后面的虚像区。对于一些实施例，示例图像区覆盖观看者前方的从400mm到576mm的距离，从观看者眼睛位置起测量。对于一些实施例，示例图像区可以是其他尺寸，诸如在显示器的前面和后面近似居中的176mm或181mm。显示器2102能够利用所呈现的光学结构在水平和垂直方向上生成多个体素形成光束。光束被聚焦到两个虚焦面，一个在图像区的前面，一个在图像区的后面。第三焦面位于设备本身上。这三个离散焦面之间的距离被设置为与离指定观看距离、具有≤0.5屈光度的目镜屈光度变化相对应，从而使3D图像看起来连续。

图22是示出根据一些实施例的示例显示器的光学结构的一部分的示意性侧视图。图22示出根据一些实施例的显示器的光学设计的结构和测量(以μm为单位)。在该示例中，从连续的μLED矩阵2202发射光，其中组件尺寸为2μm×2μm，间距为3μm。元件上涂覆有磷光体层，该磷光体层将发射的蓝光转换成更宽的白光光谱。周期性层2204放置在离发射器大约1.4mm距离处，并且其被制造为大约0.03mm厚的箔，其具有聚碳酸酯衬底层和通过UV固化制成的微光学特征。具有RGB滤色器2208的LCD面板2206被放置在紧邻周期性层的位置，并且用作空间光调制器。整个光学结构可以具有小于2mm的厚度。

对于一些实施例，具有偏振器和图案化液晶层的0.5mm厚的LCD面板堆栈被放置在***的光产生部分的前面。LCD面板可以尽可能靠近周期性层组件放置，如图22所示。LCD具有12μm×12μm像素，其具有用于产生有色体素的红色、绿色和蓝色滤色器(每个4μm宽)。在此例中，滤色器的布置可与图19所示的相同，面板的像素尺寸等于最小周期性层的瓦片尺寸，使得可选择性地阻挡源自不同瓦片的光束。精确地对准周期性特征和LCD可能是有用的。

应当注意，在图22和其它附图中，测量仅作为特定示例给出。根据本公开的教导，可以替换地构造具有不同测量的显示设备。

图23A是示出根据一些实施例的用作周期性特征的示例镶嵌单元的示意性正视图。图23A示出了根据一些实施例的显示器的光学设计的周期性特征。在此实例中，周期性特征被划分成具有四个不同瓦片集合的镶嵌图案。第一瓦片集合2301a-d和第二瓦片集合2302a-d用于产生被引导到观察者的单个眼睛的准直良好的聚焦光束。这些瓦片可以是光学平滑的，并且可以具有它们自己的相应曲率半径和倾斜值。图23A中所示的周期性特征具有这些瓦片中的每一者的四个，并且它们被布置到矩形的四条边，形成两个正交对。这些瓦片在水平和垂直方向上聚焦两个光束部分。相对的瓦片可以相对于特征表面法线朝向相反方向倾斜。

在根据图23A的示例中，在周期性特征的边缘处的瓦片2301a-d具有大约0.80mm的半径值并且倾斜13.0°。这些瓦片可用于在距离观察者400mm的焦面处形成体素。第三瓦片集合包括瓦片2303a-d，位于特征中心的四个瓦片2303a-d具有倾斜7.4°的平坦表面。这些在显示表面上形成定向体素，并且由于平坦的表面形状，它们可以同时对两只眼睛可见。瓦片集合2302a-d具有大约0.70mm的半径，并且它们倾斜12.0°。这些瓦片可用于在显示器后面在576mm的观察距离处形成体素。

八个瓦片2304a-h具有平行于特征表面的平坦表面，并且是光学上粗糙的(例如，半透明的)以用于散射光。当显示器在可选的2D模式下使用时，集合2304a-h中的瓦片可以用于形成2D图像。这些瓦片可以将光散射到更宽的角度范围，使得可以扩展观察窗并且包括多于一个观察者。在显示2D模式中，分辨率可以相对较高，因为有更多的瓦片专用于2D图像，并且瓦片较小。

在一特定实施例中，瓦片2301a-d具有12×48μm的尺寸，瓦片2302a-d具有12×24μm的尺寸，瓦片2303a-d具有12×12μm的尺寸，瓦片2304a-k具有12×12μm的尺寸，且镶嵌单元具有27μm的厚度。

图23B是图23A的镶嵌单元沿截面C-C的示意性截面图。

为了测试结构的功能性和可实现的分辨率，利用光学模拟软件OpticsStudio 17执行一组模拟，光学显示结构被放置在距观察窗500mm处，并且中间检测器表面被放置在距设备和观察者之间的显示表面100mm处。从体素的相应观察距离是400mm。具有2μm×2μm表面积和3μm间距的微LED源被用作用于模拟的源。由4mm孔径(瞳孔)和两个理想的近轴透镜构建简化的眼睛模型，所述近轴透镜用于将眼睛焦距(约17mm)调节到适当的焦距。

在视网膜上模拟单光束光斑图像。对于位于400mm远的虚焦面上的1mm×1mm检测器表面和位于视网膜上的0.1mm×0.1mm检测器表面，产生辐照度分布，所述视网膜被模拟为眼睛模型。这些模拟是用656nm波长的红光进行的，其代表可见光范围内的最长波长之一。结果模拟了几何成像效果。衍射效应可能根据所使用的波长和阻挡孔径尺寸(其可能由LCD产生)使光斑模糊。对于一些实施例，因为示例模拟使用两个孔来生成单个源***光束，所以如果两个光束部分被组合以形成体素的一部分，则衍射效应可以由于干涉效应而被稍微减少。因为眼睛仅看到一个光束，所以这种干涉效应在眼睛视网膜上也很可能是可见的。

用单个源和分成两个交叉部分的一个产生的光束获得的光斑尺寸在中间400mm焦面处为大约150μm。单个源产生光束，该光束在中间400mm焦面上被分成两个相隔约150μm的交叉部分。该光斑尺寸是利用LCD像素掩模孔径获得的，该孔径的尺寸为12μm×48μm，对应于周期性特征瓦片T1。对于这种单个分离光束，孔不是位于单个周期性特征的顶部，但是孔之间的距离为360μm，对应于5个周期性特征的宽度。在显示表面上，光束部分覆盖的面积大于体素焦距上的面积，并且单只眼睛将它们看作分离图像或模糊点。这种光束特性为单眼启动了正确的聚焦提示，因为在400mm焦距处获得了最小的光斑尺寸。

在显示器表面上，当中心LCD孔径掩模与四个瓦片(例如瓦片2303a-d)一起使用时，获得大约25μm的光斑尺寸。然而，因为周期性层特征间距是显示表面上的决定性空间因子，所以在该结构上生成的体素间隔72μm。显示表面上的分辨率近似于全HD显示。与显示表面上的稀疏像素矩阵相关联的可能的屏幕门效应可以通过同时使用2D瓦片(2304a-h)来减轻。对于一些实施例，模拟结果指示，由于利用单个分离光束生成的较大体素尺寸，在3D图像区的前面的最大可实现体素分辨率近似为VGA质量。

为了测试显示器后面的焦平面的图像分辨率，针对聚焦在400mm、500mm和576mm的距离上的眼睛进行模拟，并且针对眼睛视网膜模型对与每个距离相关联的光束进行光线跟踪。对于400mm焦面模拟，眼睛看到约9μm光斑的光斑。对于500mm和576mm焦面模拟，眼睛分别看到大约10μm和11μm光斑的光斑。对于一些实施例，视网膜图像分辨率彼此接近，并且可见体素尺寸随着距离而略微增加。

具有准直表面的示例光学结构和功能

图24A是示出根据一些实施例的示例3D显示器的一部分的示意性侧视图。图24B是根据一些实施例的示例镶嵌单元的示意性横截面图。一些实施例提供了一种光学方法和光学***的基本构造，其可以用于利用交叉光束创建高分辨率3D图像。如图24A中的例子所示，在包含可单独寻址的发光像素的发光层(LEL)2404上产生光。在一些实施例中，发光层可为例如μLED矩阵、OLED显示器或具有背光的LCD屏幕。作为重复光学元件层的光准直层2404将发射的光准直成射入周期性光学层2406的若干光束。光准直层2404中的几个单独的透镜或光学特征可以作为一簇一起工作。周期性层可以具有被布置为将光束的不同部分聚焦到不同焦距的若干区的重复小特征(例如光学瓦片)。图24B示出了示例周期性特征的横截面侧视图的三个示例区域(2452、2454、2456)。例如，穿过区域2452的光可以以第一焦距聚焦。穿过区域2454的光可以以第二焦距聚焦，并且穿过区域2456的光可以以第三焦距聚焦。空间光调制器(SLM)2408可以用于选择性地阻挡或通过用于3D图像形成的光束部分。光束部分的阻挡和通过可以用于在多个焦面上形成图像，这可以由周期性层的特性确定。

在图24A的示例中，光从发光层2402上的位置2410发射。所发射的光由准直层2404准直并且由周期性光学层2406中的光学瓦片折射。空间光调制器2408操作用于允许被指向体素位置2412的光通过，同时阻挡未被用于产生任何体素的光。(为了简单起见，图24A中未示出最终被阻挡的光线。)光也从发光层2402上的位置2414发射。所发射的光由准直层2404准直并且由周期性光学层2406中的光学瓦片折射。空间光调制器2408操作用于允许指向体素位置2412的光通过，同时阻挡未用于产生任何体素的光。特别地，空间光调制器2408允许被相应镶嵌单元的光学瓦片2454折射的光通过。可以使用相应镶嵌单元的光学瓦片2456类似地生成另一体素2416。

图24A示出了显示器前面体素的生成，而图24C示出了使用与图24A中相同的显示装置在显示表面处和显示表面后面体素的生成。为了在位置2418处产生体素，从发光层2402的位置2420和2422发射光。光由准直层2404准直并由周期性光学层2406折射。空间光调制器2418允许从体素位置2418引导的光通过，同时阻挡从位置2420和2422发射的其他光(未示出)。在一些配置中，空间光调制器可以仅允许光通过周期性层的不具有屈光度的光学瓦片，使得进入瓦片的准直光在离开瓦片时保持准直。

为了在位置2424处产生体素，从发光层2402的位置2426和2428发射光(不必同时)。光由准直层2404准直并由周期性光学层2406折射。空间光调制器2418允许从体素位置2418引导的光通过，同时阻挡从位置2420和2422发射的其他光(未示出)。体素2424可以使用时间复用来显示，其中空间光调制器2418在光从位置2424发射时具有一种配置，而在光从位置2428发射时具有另一种配置。

图24D示出了显示设备的另一实施例。该设备包括发光层2482、准直层2484、周期性光学层2486和空间光调制器2488。在图24D的示例中，准直层2484和周期性光学层2486是同一片材料的相对表面。

在一些实施例中，例如图24A-24D中的那些，光准直层可以包括例如微透镜/双凸透镜聚碳酸酯片或具有浮雕衍射结构的箔。由于大多数光源(例如，μLED)将光发射到相当大的数值孔径(NA)中，光准直层中的若干单独透镜或光学特征可以作为簇一起工作。簇可以将来自单个发射器的光准直并聚焦成形成光源图像的几个光束部分。在所述簇中的元件的数量可以是例如3×3或5×5，这取决于源数值孔径(NA)、发光层和准直光学器件层之间的距离以及单个准直透镜或元件的孔径尺寸。为了减少杂散光，可以在微透镜阵列的顶部上或在微透镜片与发光层之间放置孔阵列，从而将所生成的光束彼此光学隔离。例如，可以为该功能实施穿孔的塑料片。在一些实施例中，光学结构可以是一维的(例如，柱面透镜)，以提供跨一个轴的视图(例如，仅提供水平视图)。在一些实施例中，光学结构可以是二维的(例如，旋转对称的微透镜)，例如以提供跨两个轴的视图(例如，提供水平和垂直方向上的视图)。

在一些实施例中，周期性层包含由比准直透镜或光学特征的孔径尺寸小的更小区或段形成的重复周期特征。在这样的实施例中，准直光束横截面被实现为大于周期性层的单个区或段，使得单个光束同时覆盖这些光学特征中的若干光学特征。周期性层特征的每个区可具有不同的屈光度，这取决于诸如折射率和/或表面形状的性质。表面形状可以是例如简单的平面或更连续的曲面。在一些实施例中，周期性层可以包括例如聚碳酸酯片或具有压印衍射结构的箔。在一些实施例中，周期性层可以包括具有渐变折射率透镜特征的片或通过将光致抗蚀剂材料暴露于激光产生的干涉图案而制造的全息光栅。

在一些实施例中，周期性层段被布置成多个区，使得光束被分成不同的部分，所述不同的部分根据区屈光度而行进到略微不同的方向。光束部分可以聚焦到距成像源的光学结构不同的距离，并且可以聚焦成不同尺寸的光斑，这取决于距离。如前所述，远离显示器成像的光斑可以大于在较短距离成像的光斑。然而，由于可以单独地选择每个特征区域的有效焦距，所以几何放大率也会受到影响，从而导致更小的源图像光斑和更好的分辨率。

对于一些实施例，一个源矩阵内的相邻光发射器被成像到光斑矩阵中。源矩阵、准直器光学元件簇和周期性层特征一起形成能够在显示器周围的3D空间中生成若干虚焦面的***。在一些实施例中，来自相邻矩阵的源利用准直透镜簇被成像到不同方向并且利用周期性层被成像到不同距离。

在一些实施例中，放置在周期性层前面的空间光调制器可以是例如用于选择性地阻挡或通过部分投射光束的LCD面板。由于光学结构用于产生多个光束，所以可能没有清楚限定的显示光场像素结构，并且LCD可以用作***的光束生成部分前面的自适应掩模。为了实现足够小的像素尺寸，像素尺寸在与周期性特征区尺寸相同的尺寸范围内或小于周期性特征区尺寸可能是有用的。像素可以以规则的矩形图案布置，或者它们可以根据周期性层光学特征定制。如果发光层发出的光为白色，例如在磷光体涂覆的蓝色μLED矩阵的情况下，则像素还可含有用于产生色彩的滤色器。但是，如果发光层含有彩色像素(例如，单独的红色、绿色及蓝色μLED)，则空间光调制器可用于光束的强度调整。将空间光调制器组件实现得足够快以达到无闪烁图像的足够刷新率可能是有用的。空间光调制器和发光层可以在渲染图像时一致地工作。使发光层和空间光调制器同步可能是特别有用的。这使得可使用例如μLED矩阵的较快刷新速率，以便可用最小60Hz的速率刷新空间光调制器。眼睛跟踪也可以用于通过仅向某些指定的眼睛盒区域渲染图像而不是向显示器的整个视场渲染图像来降低对更新速度的要求。

在一些实施例中，所产生的光束可在透镜簇之后传播到发散方向。在所述透镜簇和周期性重聚焦层之间的距离可以用作孔径扩展器。为了达到特定的光学性能，将可应用的距离值与透镜簇的透镜间距和周期性层特征的尺寸/间距相匹配可能是有帮助的。为了改善光束聚焦和减少与小孔径相关的衍射效应，尽可能扩展孔径是有用的。两个光束部分可以在焦平面上的体素位置处交叉，并且到达观察者的单眼瞳孔，以便创建正确的视网膜聚焦提示，而没有太多的衍射模糊。

在一些实施例中，通过组合源自两个相邻源簇的两个光束来创建体素，也可以根据源自单个源的两个光束部分来创建体素。两个光束部分可以用于产生用于正确的眼睛视网膜聚焦提示的单个光束聚焦，而两个组合光束可以用于覆盖观看者眼睛对的较大FOV。这种配置可以帮助视觉***校正眼睛会聚。这样，在光学结构中，用于单眼视网膜聚焦提示的小发光角度的生成和用于立体效果所期望的眼睛会聚的较大发光角度的生成彼此分离。这种布置使得可以利用显示器的光学设计来分别控制两个角域。

在一些实施例中，焦面距离可以被编码到光学硬件中。例如，周期性层特征区的屈光度可以将体素深度坐标固定到离散位置。因为单眼视网膜聚焦提示是用单发射器光束创建的，所以在一些实施例中，体素可以仅利用来自两个发射器的两个光束来形成。在没有周期性特征的情况下，足够的源数值孔径和几何放大率的组合可能要求体素尺寸非常大并且可能使分辨率低。周期性特征可以提供单独选择成像***的焦距的能力，并且可以制作更小的体素以获得更高分辨率的3D图像。

图25是示出了根据一些实施例的示例性显示结构的示意性横截面俯视图。图25示出根据一些实施例的显示器的光学设计的结构和测量(以μm为单位)。在该示例中，从连续的μLED矩阵2502发射光，其中组件尺寸为2μm×2μm，间距为3μm。组件上涂覆有磷光体层，该磷光体层将发射的蓝光转换成更宽的白光光谱。旋转对称的准直透镜2504放置在距μLED大约1mm的距离处，并且该阵列由聚碳酸酯制成，作为热压印的0.3mm厚的微透镜片。平凸非球面准直仪透镜具有0.65mm的曲率半径和-0.18的二次曲线常数，其给出大约1mm的后焦距。周期性层2506被制成0.15mm厚的片，其具有聚碳酸酯衬底层和通过UV固化制成的微光学特征。该层位于离准直光学层2504的0.85mm距离处。准直透镜和单周期特征的孔径尺寸为0.16mm。

放置在LCD面板后面的光产生光学结构的总厚度小于2.5mm。具有偏振器和图案化液晶层的0.5mm厚的LCD面板叠层被置于***的光产生部分的前面。LCD面板堆栈2508可以尽可能靠近周期性层元件放置，如图25所示，LCD具有13μm像素，其具有用于产生有色体素的红色、绿色和蓝色滤色器。在该示例中，面板的像素尺寸是周期性层区尺寸的一半，使得可以选择性地阻挡源自不同区的光束。

图25还示出了源自单个源和不同周期性层区的三个分束对。每个光束部分对用于形成聚焦到由镶嵌单元内的不同光学瓦片的倾斜角确定的特定距离的单个定向光束。图25的示例镶嵌单元的倾斜区角度在图26中示出。

图26是示出根据一些实施例的显示结构的一部分的示例性周期性结构的示意性横截面俯视图。在图26的例子中，光学瓦片2601a-b用于创建位于显示表面上的体素。光学瓦片2602a-b用于创建位于显示表面后面距观察者607mm距离处的体素。光学瓦片2602a-b用于创建位于显示表面前方离观察者426mm距离处的体素。

对于一些实施例，周期性特征被分成六个区域，每个区域约27μm宽，总计160μm，如图26所示。图26所示的三个区域具有相对于光轴倾斜不同角度(例如6.9°、13.8°和14.5°)的平坦小面(具有平坦表面的小面)。重复特征中的另一组的三个区具有所述相同的形状，但具有相反的倾斜角。图26的示例性周期性特征为大约150μm×160μm。

图27A是示出根据一些实施例的显示器结构的示例光线跟踪几何结构的示意性俯视图。为了测试结构功能性和可实现的分辨率，利用光学模拟软件OpticsStudio 17执行一组模拟。图27A表示在体素空间分辨率模拟中使用的水平方向上的光线跟踪几何结构。显示光学结构被放置在离观察窗500mm的距离处，并且一个中间检测器表面被放置在设备和观察者之间，离显示器表面74mm的距离处。从体素起的相应观察距离是426mm。

用于在426mm虚焦面处生成体素的两个光束集束源自显示面上的两个不同位置。这些点之间的距离为约11mm。在发射光束之间的这个距离的情况下，当瞳孔间距为64mm时，对于8.6°的正确眼睛会聚角，两只眼睛能够获得正确的照明角度。通过使用更多的交叉光束来生成单个体素，可以扩展眼睛盒以包括瞳孔间距和观察者位置的变化，因为这将增加体素视场。

图27B是示出根据一些实施例的朝向左眼发射的光束的示例光线跟踪几何结构的示意性俯视图。图27C是示出根据一些实施例的朝右眼发射的光束的示例光线跟踪几何结构的示意性俯视图。在光线轨迹模拟中，使用六个正方形发光表面，其中μLED测量值为2μm×2μm表面积和3μm间距。模拟三个发射器以产生用于右眼的光束，并且模拟三个发射器用于左眼光束。每只眼睛的三个光束产生大约0.6mm的扩展孔径。

图27D是示出根据一些实施例的用于眼睛模型的示例光线跟踪几何形状的示意性俯视图。眼睛模型由4mm孔径(瞳孔)和两个理想的旁轴透镜构成，这两个透镜用于将眼睛焦距(大约17mm)调节到适当的焦距。图27D的光线轨迹图像示出了来自相邻源的三个光束通过孔进入眼睛，这意味着眼睛可以组合来自相邻源部件的光束，以形成正确的视网膜聚焦提示。

对于两个1mm×1mm检测器表面模拟体素分辨率的辐照分布。一个检测器表面在位于距观察者眼睛426mm的虚焦面内。第二检测器表面在位于离观察者眼睛500mm处的显示表面内。这些模拟是用红色654nm波长光进行的，其代表可见光范围内的最长波长之一。结果模拟了几何成像效果。衍射效应可能根据所使用的波长和阻挡孔径尺寸(其可能由LCD产生)使光斑模糊。蓝色光束的衍射效应可以比绿色光束的衍射效应稍小，红色光束的衍射效应可以稍大。对于一些实施例，因为示例模拟使用两个孔来生成单个源分离光束，所以如果两个光束部分被组合以形成体素的一部分，则衍射效应可以由于干涉效应而被稍微减少。因为眼睛仅看到一个光束，所以这种干涉效应在眼睛视网膜上也很可能是可见的。

用单个源和一个产生的波束分离成两个交叉部分而获得的光斑尺寸在中间426mm焦面处为大约200μm。该光斑尺寸是用尺寸为81μm×27μm的LCD像素掩模孔径获得的。在显示表面上，当中心LCD孔径眼掩模用于约54μm×54μm的孔径尺寸时，光斑约为60μm。对于一些实施例，模拟结果指示在3D图像区的前面的最大可实现体素分辨率近似为VGA质量，而显示表面上的分辨率近似为全HD。

为了测试焦点提示，用眼睛模型模拟单个分离光束，并且获得视网膜图像的光斑。模拟体素距离和眼睛聚焦距离的不同组合。用单个分离光束渲染426mm(在显示器前面)、500mm(在显示器表面上)和607mm(在显示器后面)的距离的体素。渲染与体素相同距离的眼睛聚焦距离。例如，当眼睛聚焦到500mm的距离时，为426mm和607mm距离渲染的体素表现为光斑对。这种效应是由周期性层的单个源光束分离成两个光束部分而引起的，这两个光束部分在指定的焦距处彼此交叉并且在所有其他距离处表现为分离的光束部分。这种分离用于在人类视觉***中引起正确的响应，以试图通过重新聚焦目镜来覆盖这两个光斑。当光斑在与用两个分开的光束形成对于两只眼睛的体素的相同位置处交叉时，视网膜聚焦提示和眼睛会聚角都给人类视觉***提供相同的信号，并且没有VAC。

如果眼睛聚焦到426mm的最近距离，则在500mm距离处渲染的体素表现为一个光斑，但是在607mm距离处渲染的体素表现为分离的光斑。如果眼睛聚焦到607mm的最远距离，则在500mm距离处渲染的中间体素是聚焦的，而在426mm处的最近体素表现为两个分离的光斑。这种效果意味着可以使体素深度范围对于眼睛看起来是连续的，因为单个光束具有长的聚焦范围，并且两个光束交叉可以用于形成对于两只眼睛的全部体素，而不会与视网膜聚焦提示相矛盾。这个特征还允许在LCD层中使用更大的孔径，因为两个单个光束部分对可以用于形成一个眼睛体素光束。对于一些实施例，这种配置可以提高图像亮度，因为所发射的光的较大部分可以用于体素形成。这种配置还使得能够更好地利用由透镜簇方法产生的大***数值孔径。总之，模拟示出，对于一些实施例，准直透镜簇可以与周期性层组合以创建具有相对良好的分辨率和亮度的3D图像区。

其他实施例

根据一些实施例的示例装置可以包括：包括多个像素的发光层；覆盖所述发光层的光学层，所述光学层包括多个镶嵌单元，每个镶嵌单元至少包括(i)第一光学瓦片集合，所述第一集合中的每个光学瓦片具有第一屈光度，以及(ii)第二光学瓦片集合，所述第二集合中的每个光学瓦片具有第二屈光度；以及空间光调制器，其可操作用于提供对哪些光学瓦片透射来自发光层的光至显示设备外部的控制。

对于示例装置的一些实施例，第二屈光度可以不同于第一屈光度。

对于示例装置的一些实施例，每个镶嵌单元还可以包括第三光学瓦片集合，第三集合中的每个光学瓦片具有第三屈光度，第三屈光度不同于第一屈光度和第二屈光度。

对于示例装置的一些实施例，其中一集合的屈光度可以是零。

对于示例装置的一些实施例，镶嵌单元可以以二维棋盘形布置来布置。

对于示例装置的一些实施例，镶嵌单元可以布置在正方形网格中。

对于示例装置的一些实施例，第一集合内的不同光学瓦片可以具有不同的倾斜方向。

对于示例装置的一些实施例，第二集合内的不同光学瓦片可以具有不同的倾斜方向。

对于示例装置的一些实施例，对于所述集合中的至少一集合，相应集合内的不同光学瓦片可以具有不同的倾斜方向，并且可以选择倾斜方向，使得从所述像素中的至少一个像素发射并且穿过所述集合中的不同光学瓦片的光束会聚在与相应集合相关联的焦平面处。

对于示例装置的一些实施例，每个镶嵌单元还可以包括至少一个半透明的瓦片，其操作用于散射来自发光层的光。

对于示例装置的一些实施例，光学层可以位于发光层和空间光调制器之间。

对于示例装置的一些实施例，空间光调制器可以位于发光层和光学层之间。

对于示例装置的一些实施例，空间光调制器可以包括液晶显示面板。

对于示例装置的一些实施例，发光层可以包括发光二极管元件的阵列。

对于示例装置的一些实施例，镶嵌单元可以彼此相同。

对于示例装置的一些实施例，镶嵌单元可以仅在几何反射或旋转方面彼此不同。

对于示例装置的一些实施例，具有第一屈光度的光学瓦片可以操作用于将来自发光层的光聚焦到第一焦平面上；并且具有第二屈光度的光学瓦片可以操作用于将来自发光层的光聚焦到第二焦平面上。

对于示例装置的一些实施例，空间光调制器可以包括多个空间光调制器像素。

对于示例装置的一些实施例，全部数量的空间光调制器像素覆盖每个光学瓦片。

根据一些实施例的另一示例装置可以包括：包括多个像素的发光层；覆盖所述发光层的光学层，所述光学层包括多个镶嵌单元，每个镶嵌单元包括多个光学瓦片，镶嵌单元中的每个光学瓦片在以下光学特性中的至少一个方面不同于所述镶嵌单元中的任何其他光学瓦片：屈光度，(ii)倾斜度，和(iii)半透明度；以及空间光调制器，其可操作用于提供对哪些光学瓦片透射来自发光层的光至显示设备外部的控制。

根据一些实施例的示例方法可以包括：从多个发光元件发射光；通过使用光学特征的周期性层聚焦所发射的光来产生光束；以及使用空间光调制器以时间同步的方式控制光束。

根据一些实施例的另一示例装置可以包括：包括发光元件阵列的发光层(LEL)；光学层，所述光学层包括具有光学特性的多个瓦片；以及空间光调制器(SLM)；其中瓦片将从发光元件发射的光聚焦成光束；其中，每个光束聚焦到取决于相应瓦片的光学特性的方向；并且其中SLM以与发光层同步的方式控制光束，以便复制光场的特性。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述光学层可以包括多个周期性特征，所述周期性特征包括以镶嵌图案布置的多个瓦片。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述镶嵌图案可以包括多个瓦片集合，每个集合中的所述瓦片可操作用于将光束聚焦到相同的焦距。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述多个周期性特征可以被布置在网格中。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述多个周期性特征可以按列布置，并且其中相邻列以垂直偏移定位。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，SLM可以通过选择性地阻挡或通过光束来控制光束。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述SLM可以包括多个孔径。

对于进一步的示例装置的一些实施例，光束可以交叉以便形成体素。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述SLM可以是LCD面板。

对于所述另一示例装置的一些实施例，所述LEL可以包括μLED矩阵或OLED显示器。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述光学层可以包括具有渐变折射率透镜特征的片。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述光学层可以包括通过将光致抗蚀剂材料暴露于激光产生的干涉图案而制造的全息光栅。

对于所述另外的示例装置的一些实施例，所述LEL可以具有比所述SLM的刷新速率更快的刷新速率。

所述另外的示例装置的一些实施例可以包括眼睛跟踪模块，其中所述眼睛跟踪模块可以检测至少一个观察者的位置。

在一些实施例中，一种显示设备，包括：包括多个像素的发光层；覆盖所述发光层的光准直层，所述光准直层包括透镜阵列；覆盖所述光准直层的周期性重聚焦层，所述周期性重聚焦层包括多个周期性特征，每个周期性特征至少包括(i)具有第一屈光度的第一区、以及(ii)具有第二屈光度的第二区；以及空间光调制器，其可操作用于提供对哪些区域透射来自发光层的光至显示设备外部的控制。第二屈光度可以不同于第一屈光度。其中一个区的屈光度可以是零。具有第一屈光度的区可以操作用于将来自发光层的光聚焦到第一焦平面上，并且具有第二屈光度的区可以操作用于将来自发光层的光聚焦到第二焦平面上。

在一些实施例中，不同区具有不同的倾斜方向，并且选择倾斜方向，使得从所述像素中的至少一个像素发射并且穿过集合中的不同区的光束会聚在焦平面处。

在一些实施例中，空间光调制器位于发光层和光准直层之间。在一些实施例中，空间光调制器定位在光准直层与周期性重聚焦层之间。在一些实施例中，周期性层位于光准直层和空间光调制器之间。

在一些实施例中，来自透镜阵列的多个透镜形成透镜簇，该透镜簇可操作用于将来自所述像素中的一个像素的光聚焦和准直成与单个源相关联的多个光束。与单个源关联的光束可以穿过不同的区，并且可以聚焦到不同的焦平面。与单个源相关的光束可以穿过不同的区，并且可以聚焦到相同的焦平面。与单个源相关联的光束可以穿过不同的区，并且可以聚焦到相同的体素。

在一些实施例中，透镜阵列包括透镜状片。在一些实施例中，透镜阵列包括微透镜阵列。在一些实施例中，透镜阵列中的每个透镜具有沿单个轴的屈光度。在一些实施例中，透镜阵列中的每个透镜具有沿多于一个轴的屈光度。

在一些实施例中，一种显示设备，包括：包括多个像素的发光层；覆盖所述发光层的光准直层，所述光准直层可操作用于将来自各个像素的光束聚焦并准直成多个光束部分；周期性重聚焦层，其覆盖所述光准直层，所述周期性重聚焦层包括多个周期性特征，每个周期性特征包括多个光学区，周期性特征中的每个光学区在以下光学特性中的至少一个方面不同于所述周期性特征中的任何其他光学区：(i)屈光度，(ii)倾斜度，和(iii)半透明度；以及空间光调制器，其可操作用于提供对哪些光学区透射来自发光层的光至显示设备外部的控制。

在一些实施例中，一种从显示设备产生图像的方法，包括：将从多个发光元件发射的光准直成一个或多个光束；通过使所述一个或多个光束聚焦通过光学特征阵列来形成多个光束部分，每个光学特征包括多个区，其中每个光束部分具有基于其被聚焦通过的对应区的光学特性的焦距；以及通过使用空间光调制器选择性地阻挡光束部分来控制哪些光束部分被透射到显示设备外部。

在一些实施例中，一种产生虚拟像素的方法，包括：从多个发光元件发射光；通过使用透镜阵列准直所发射的光来产生光束；使用周期性特征的阵列将所述光束聚焦成光束部分，每个周期性特征包括多个区，每个区在下列光学特性中的至少一个方面不同于所述周期性特征中的任何其他区：(i)屈光度，(ii)倾斜，和(iii)半透明度；以及使用空间光调制器控制光束的传输。

注意，所描述的一个或多个实施例的各种硬件元件被称为“模块”，其实行(即，执行、实施等)在此结合相应模块描述的各种功能。如本文所使用的，模块包括相关领域的技术人员认为适合于给定实现的硬件(例如，一个或多个处理器、一个或多个微处理器、一个或多个微控制器、一个或多个微芯片、一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个存储器设备)。每个所描述的模块还可以包括可执行用于实施被描述为由相应模块执行的一个或多个功能的指令，并且注意，这些指令可以采取硬件(即，硬连线的)指令、固件指令、软件指令等的形式或包括它们，并且可以存储在任何适当的非暂时性计算机可读介质或媒介中，诸如通常被称为RAM、ROM等。

尽管以上以特定的组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可以单独使用或与其它特征和元件任意组合使用。另外，本文描述的方法可以在计算机程序、软件或固件中实现，所述计算机程序、软件或固件并入计算机可读介质中以由计算机或处理器执行。计算机可读存储介质的示例包括但不限于，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移动盘等的磁介质、磁光介质、以及诸如CD-ROM盘和数字多功能盘(DVD)等的光介质。与软件相关联的处理器可以用于实现在WTRU、UE、终端、基站、RNC或任何主机计算机中使用的射频收发信机。

Claims (15)

1.一种显示设备，包括：

发光层，包括发光元件的可寻址阵列；

覆盖所述发光层的镶嵌光学层，所述镶嵌光学层包括多个镶嵌单元，每个镶嵌单元至少包括具有第一倾斜方向的第一光学瓦片和具有不同于所述第一倾斜方向的第二倾斜方向的第二光学瓦片；以及

空间光调制器，可操作用于提供对通过哪些光学瓦片将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。

2.根据权利要求1所述的显示设备，其中每个镶嵌单元进一步包括至少一个半透明光学瓦片，可操作用于散射来自所述发光层的光。

3.根据权利要求1或2所述的显示设备，其中所述第一光学瓦片和所述第二光学瓦片是具有不同倾斜方向的平坦小面。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的显示设备，其中每个镶嵌单元包括具有第一屈光度的至少一个光学瓦片和具有不同于所述第一屈光度的第二屈光度的至少一个光学瓦片。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的显示设备，其中每个镶嵌单元包括具有相同屈光度的至少两个非邻接光学瓦片。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的显示设备，其中每个镶嵌单元包括具有相同屈光度但不同倾斜方向的至少两个光学瓦片。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的显示设备，其中对于至少一个体素位置，第一镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将来自第一发光元件的在第一光束中的光朝向所述体素位置引导，并且第二镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将来自第二发光元件的在第二光束中的光朝向所述体素位置引导。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的显示设备，其中对于至少一个体素位置，第一镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将第一发光元件的图像聚焦到所述体素位置上，并且第二镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将第二发光元件的图像聚焦到所述体素位置上。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的显示设备，其中每个镶嵌单元中的所述光学瓦片大体上是正方形或矩形。

10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的显示设备，其中所述镶嵌单元以二维棋盘形布置而被布置。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的显示设备，其中所述镶嵌光学层被定位在所述发光层与所述空间光调制器之间。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的显示设备，进一步包括在所述发光层与所述镶嵌光学层之间的准直层。

13.一种方法，包括：

从包括发光元件的可寻址阵列的发光层中的至少一个选定的发光元件发射光，所发射的光朝向覆盖所述发光层的镶嵌光学层发射，所述镶嵌光学层包括多个镶嵌单元，每个镶嵌单元至少包括具有第一倾斜方向的第一光学瓦片和具有不同于所述第一倾斜方向的第二倾斜方向的第二光学瓦片；以及

操作空间光调制器以允许至少两个选定的光学瓦片将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述选定的发光元件和所述选定的光学瓦片基于要被显示的体素的位置而被选择。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中对于至少一个体素位置，第一镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被选择成将来自第一发光元件的在第一光束中的光朝向所述体素位置引导，并且第二镶嵌单元中的至少一个光学瓦片被配置成将来自第二发光元件的在第二光束中的光朝向所述体素位置引导，使得所述第一光束和所述第二光束在所述体素位置处交叉。

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