CN113359314A - 一种多背光光源的显示模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多背光光源的显示模组，包括时序线光源阵列/时序点光源阵列、显示器件、会聚器件、光路引导器件、控制器件，其中时序线光源阵列/时序点光源阵列包括多于一个的线光源/点光源，各线光源/点光源各循环周期内时序循环开关，且在一个时间点仅一个线光源/点光源被打开。各光源出射光经会聚器件向观察者瞳孔所处区域会聚，显示器件加载待显示场景的二维投射图像信息，在光路引导器件的引导下，时序投射显示器件所加载二维投射图像信息至观察者瞳孔所处区域。设计各光源的空间分布，使显示器件于各循环周期内投射待显示场景的一个或至少两个图像信息入射观察者瞳孔，基于麦克斯韦投射或单目多图像实现克服聚焦‑会聚冲突的三维显示。

Description

一种多背光光源的显示模组

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，更具体涉及一种多背光光源的显示模组。

背景技术

相对于传统二维显示，三维显示可以提供更多的维度信息，正受到越来多的关注。现有三维显示技术主要是利用双目视差原理，向观察者双目分别投射各自对应的一幅二维图像，通过双目视向的交叉激发大脑的深度感知，实现三维视觉的呈现。各目为了看清楚对应的二维图像，需一直聚焦于显示面，而双目的视向需要交叉于出屏的显示场景以实现深度感知，由此导致聚焦-会聚冲突问题，即观察者单目聚焦深度和双目会聚深度的不一致。自然情况下，观察者观察真实的三维场景时，单目聚焦深度和双目会聚深度一致于观察者关注点的空间深度。所以，传统仅基于双目视差实现三维显示的光学设备，其固有聚焦-会聚冲突有悖于人体自然进化的生理习惯，由此导致观察者的视觉不适，是目前阻碍三维显示技术推广应用的瓶颈性问题。

单目多图像(PCT/CN2017/080874,THREE-DIMENTIONAL DISPLAY SYSTEM BASEDON DIVISION MULTIPLEXING OF VIEWER'S ENTRANCE-PUPIL AND DISPLAY METHOD)和麦克斯韦投射法(maxwellian view)(US2019/0204600,AUGMENTED REALITY OPTICS SYSTEMWITH PINPOINT MIRROR)是两种可以解决聚焦-会聚冲突问题的技术路径。前者，显示器件向观察者各目分别投射至少两个待显示场景的二维图像，以实现过各显示物点至少两束光束入射观察者的瞳孔，该至少两束光束空间叠加形成光斑，该叠加光斑处的光强分布于一定深度范围内具有足够的牵引能力，可以牵引观察者眼睛自由聚焦于该叠加光斑，克服上述聚焦-会聚冲突问题。后者，各像素向观察者眼睛投射一束小发散度的光束，沿传输方向上该光束具有较小的光强变化，从而，于传输路径上的一定深度范围内，光束于各深度上的光强分布对观察者单目聚焦的牵引能力差别不大，则双目会聚可以牵引观察者单目在该深度范围内自由聚焦于双目会聚深度，实现单目聚焦深度和双目会聚深度的一致。

发明内容

本发明提出一种多背光光源的显示模组，包括时序线光源阵列或者时序点光源阵列、显示器件、会聚器件、光路引导器件、控制器件。该多背光光源的显示模组，还可以包括其他组件。其中时序线光源阵列包括多于一个的线光源，各线光源在相邻时间点组成的各循环周期内时序循环开关，且在一个时间点仅一个线光源被打开；其中时序点光源阵列包括多于一个的点光源，各点光源在相邻时间点组成的各循环周期内时序循环开关，且在一个时间点仅一个点光源被打开。各线光源或各点光源经会聚器件或会聚器件及其它组件成该线光源或点光源的会聚像，显示器件置于各线光源或各点光源出射光的传输路径上，加载待显示场景的图像信息，在光路引导器件的引导下，时序投射显示器件所加载待显示场景的图像至观察者瞳孔所处区域。设计各线光源或点光源的空间分布，使显示器件于各循环周期内投射待显示场景的一个或至少两个图像信息入射观察者瞳孔，基于麦克斯韦投射或单目多图像实现克服聚焦-会聚冲突的三维显示。本专利引入线光源，相对于二维视区对点光源的二维分布要求，一维分布的线光源即可实现二维视区，降低了对显示器件帧频的要求；本专利也引入具有正交特性的子光源，可以通过牺牲分辨率，增大模组所能投射的二维投射图像的数量。所述一种多背光光源的显示模组可以单独作为双目三维显示光学引擎，也可以作为目镜，利用两个所述模组搭建双目三维显示光学引擎。

为了克服聚焦-会聚冲突，引入时序光源做为时序背光源，基于单目多图像或/和麦克斯韦投射法实现单目可自由聚焦的显示，本发明提供如下方案：

一种多背光光源的显示模组，包括：

时序线光源阵列，包括M个沿一维方向排列的线光源，在相邻M个时间点组成的各循环周期内时序打开，且在一个时间点仅一个线光源打开，其中M≧2；

显示器件，包括多个像素，位于与所述时序线光源阵列对应的位置并以来自所述时序线光源阵列的投射光为背光，加载并投射光信息；

会聚器件，用于调制所述显示器件加载光信息，引导其各像素投射光束会聚传输；

光路引导器件，置于所述时序线光源阵列出射光传输路径上，引导来自时序线光源阵列的光入射所述显示器件或/和引导来自所述显示器件的光信息入射观察者瞳孔所处区域；

控制器件，分别与所述时序线光源阵列和所述显示器件连接，用于控制所述时序线光源阵列的M个线光源在相邻M个时间点组成的各循环周期，一个时间点仅一个地依次打开，并同步加载对应光信息至所述显示器件各像素；

该一种多背光光源的显示模组被设置为使得其显示器件各像素所加载光信息，为沿来自该像素的、入射观察者瞳孔所处区域的光束的矢向，待显示场景于该矢向与观察者瞳孔所在面交点上的投影信息。

进一步地，所述显示器件各像素在各循环周期，时序投射至少两束光束至观察者瞳孔。

进一步地，所述的多背光光源的显示模组还包括前置会聚器件，置于所述时序线光源阵列和显示器件之间，调整所述显示器件入射光的发散度。

进一步地，所述的多背光光源的显示模组还包括和所述控制器件连接的追踪器件，用于实时跟踪确定观察者瞳孔的空间位置。

进一步地，所述控制器件被设置为能够根据瞳孔的空间位置实时选择时序线光源阵列的M个线光源中的K个作为有效线光源，控制器件能够控制该K个有效线光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关工作，并同步以对应光信息刷新显示器件各像素，其中M﹥K≧2.

进一步地，所述时序线光源阵列各线光源分别由L个正交特性子线光源组成，各线光源打开(即指其对应的L个正交特性子线光源打开)，在所述显示器件的像素中，沿至少一个方向间隔(L-1)个像素的像素分别成组，所述显示器件的像素组成L个正交特性像素组，其中L≧2；

其中，各线光源的L个正交特性子线光源和L种正交特性一一对应，各正交特性子线光源仅出射对应正交特性的光；所述L个正交特性像素组和各线光源的L个正交特性子线光源分别一一对应，各正交特性像素组的像素仅允许对应正交特性子线光源投射光入射、被调制和出射，截止非对应正交特性子线光源投射光；

该一种多背光光源的显示模组的特征在于，各循环周期内入射观察者瞳孔的光束束数至少等于两个正交特性像素组所包含像素的数目。

进一步地，所述的多背光光源的显示模组还包括和所述控制器件连接的追踪器件，用于实时跟踪确定观察者瞳孔的空间位置；

控制器件被设置为能够根据观察者瞳孔的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔的K个线光源作为有效线光源，控制器件能够控制该K个有效线光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关，并同步以对应光信息刷新显示器件各像素，其中M﹥K≧2。

进一步地，所述的多背光光源的显示模组还包括和所述控制器件连接的追踪器件，实时跟踪确定观察者瞳孔的空间位置；

所述控制器件被设置为能够在各时间点根据观察者瞳孔的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔的一个线光源作为有效线光源，该控制器件能够控制该有效线光源的L个正交特性子线光源在该时间点打开，并同步以对应光信息刷新显示器件各像素。

本发明还提供另外一种方案。

一种多背光光源的显示模组包括：

时序点光源阵列，包括M个点光源，在相邻M个时间点组成的各循环周期内时序打开，且在一个时间点仅一个点光源打开，其中M≧2；

其中，各点光源分别由L个正交特性子点光源组成，各点光源打开(即指其对应的L个正交特性子点光源打开)，该L个正交特性子点光源和L种正交特性一一对应，各正交特性子点光源仅投射对应正交特性的光，其中L≧2；

显示器件，包括多个像素，位于与所述时序线光源阵列对应的位置并以来自所述时序点光源阵列的投射光为背光，加载并投射光信息，其像素沿至少一个方向间隔(L-1)个像素的像素分别成组，组成L个正交特性像素组；

其中，显示器件的L个正交特性像素组和各点光源的L个正交特性子点光源分别一一对应，各像素组的像素仅允许对应正交特性子点光源所投射光入射、被调制和出射，截止其它非对应正交特性子点光源所投射光；

会聚器件，调制所述显示器件加载光信息，引导其各像素投射光束会聚传输；

光路引导器件，置于所述时序点光源阵列出射光路传输路径上，引导来自时序点光源阵列的光入射所述显示器件或/和引导来自所述显示器件的光入射观察者瞳孔所处区域；

控制器件，分别与所述时序点光源阵列和所述显示器件连接，用于控制所述时序点光源阵列的M个点光源在相邻M个时间点组成的各循环周期，一个时间点仅一个地依次打开，并同步加载对应光信息至所述显示器件各像素；

该一种多背光光源的显示模组被设置为使得其显示器件各像素所加载光信息，为沿来自该像素的、入射观察者瞳孔所处区域的光束的矢向，待显示场景于该矢向与观察者瞳孔所在面交点上的投影信息，且在各循环周期内，入射观察者瞳孔的光束束数至少等于一个正交特性像素组所包含像素的数目。

进一步地，所述的多背光光源的显示模组还包括前置会聚器件，置于所述时序点光源阵列和显示器件之间，用于调整所述显示器件入射光的发散度。

进一步地，所述的多背光光源的显示模组还包括和所述控制器件连接的追踪器件，用于实时跟踪确定观察者瞳孔的空间位置；

所述控制器件被设置为能够根据观察者瞳孔的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔的K个点光源作为有效点光源，该控制器件能够控制该K个有效点光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关，并同步以对应光信息刷新显示器件各像素，其中M﹥K≧2。

进一步地，所述的多背光光源的显示模组还包括和所述控制器件连接的追踪器件，用于实时跟踪确定观察者瞳孔的空间位置；

所述控制器件被设置为能够在各时间点根据观察者瞳孔的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔的一个点光源作为有效点光源，所述控制器件能够控制该有效点光源的L个正交特性子点光源在该时间点打开，并同步以对应光信息刷新显示器件各像素。

本发明具有以下技术效果：本发明利用时序打开的光源作为背光，加载显示目标场景的不同二维投射图像，并由光路引导器件向观察者瞳孔所处区域引导，搭建可以基于单目多图像或/和麦克斯韦投射进行显示的显示模组。线光源的设计，缓解二维视区对光源数量的过高要求，正交特性子光源的设计，利用空间复用复用提高待显示场景的图像的呈现数量。本发明一种多背光光源的显示模组，基于单目多图像或/和麦克斯韦投射进行无聚焦-会聚冲突的三维显示。

本发明实施例的细节在附图或以下描述中进行体现。本发明的其它特性、目的和优点通过下述描述、附图而变得更为明显。

附图说明

附图用于帮助更好地理解本发明，也是本说明书的一部分。这些对实施例进行图解的附图和描述一起用以阐述本发明的原理。

图1是采用时序线光源阵列的显示模组光学结构示意图。

图2是采用线光源时显示器件和会聚器件的另一种位置关系示意图。

图3是采用线光源时引入前置会聚器件的显示模组结构示意图。

图4是线光源沿出射光传输方向错位排列的显示模组示意图。

图5是采用线光源时的光路引导器件的其它范例一。

图6是采用线光源时的光路引导器件的其它范例二。

图7是采用线光源时的光路引导器件的其它范例三。

图8是采用线光源时的光路引导器件的其它范例四。

图9是引入正交特性子线光源的显示模组范例示意图。

图10是正交特性像素组的另一种像素排列方式示意吐。

图11是采用时序点光源阵列的显示模组光学结构示意图。

图12是采用正交特性子点光源时显示器件和会聚器件的另一种位置关系。

图13是采正交特性子点光源时引入前置会聚器件的显示模组结构示意图。

图14是正交特性子点光源沿出射光传输方向错位排列的显示模组示意图。

图15是采用点光源时的光路引导器件的其它范例一。

图16是采用点光源时的光路引导器件的其它范例二。

图17是采用点光源时的光路引导器件的其它范例三。

具体实施方式

本发明一种多背光光源的显示模组，通过引入时序光源作为显示器件的背光，沿不同矢向向观察者瞳孔所处区域投射待显示场景的多个二维投射图像，基于单目多图像或/和麦克斯韦投射实现无聚焦-会聚冲突的三维显示。

实施例1

本专利的一种多背光光源的显示模组包括时序线光源阵列110、显示器件20、会聚器件30、光路引导器件40、控制器件60。该一种多背光光源的显示模组还可以包括其他组件。其中时序线光源阵列110包括多于一个的线光源，各线光源在相邻时间点组成的各循环周期内时序循环开关，且在一个时间点仅一个线光源被打开。各线光源出射光经会聚器件30或会聚器件30及其它组件向对应会聚像会聚。显示器件20置于线光源阵列110出射光传输路径上，加载待显示场景的二维投射图像信息，在光路引导器件40的引导下，时序投射至线光源会聚像附近的观察者瞳孔50所处区域。设计显示器件20于各循环周期内投射待显示场景的至少两个图像信息入射观察者瞳孔，基于单目多图像实现克服聚焦-会聚冲突的三维显示。

图1所示为采用线光源的显示模组的基本结构，包括时序线光源阵列110、显示器件20、会聚器件30、光路引导器件40和控制器件60，控制器件60，分别与所述时序线光源阵列110和所述显示器件20连接，。其中，时序线光源阵列110包括M≧2个线光源。该M个线光源出射光被会聚器件30向对应会聚像会聚。图1以M＝3为例。M＝3个z向线光源LS₁、LS₂、LS₃沿y向排列，经会聚器件30，其出射光分别被会聚至对应会聚像I_LS1、I_LS2、I_LS3。显示器件20以各线光源投射光为背光，置于时序线光源阵列110投射光的传输路径上，调制加载并投射光信息。光路引导器件40可以是单个器件，也可以包括多个组件，置于时序线光源阵列110投射光的传播路径上，引导显示器件20投射光信息入射观察者瞳孔50所处区域。图1所示模组中，光路引导器件40包括三个反射面401a、401b、401c，分别置于M＝3个线光源对应会聚像I_LS1、I_LS2、I_LS3处。在相邻M＝3个时间点组成的各循环周期内，各线光源由控制器件60控制，时序开关，且在一个时间点，仅一个线光源打开。具体地，在时间点t，仅线光源LS₁打开，LS₂和LS₃均关闭，线光源LS₁投射光经显示器件20调制，携带光信息经会聚器件30投射至线光源LS₁的会聚像I_LS1处，然后被线光源会聚像I_LS1处的反射面401a反射，向观察者瞳孔50所处区域传播；在时间点t+Δt/3，仅线光源LS₂打开，LS₁和LS₃均关闭，线光源LS₂投射光经显示器件20调制，携带光信息经会聚器件30投射至线光源LS₂的会聚像I_LS2处，然后被会聚像I_LS2处的反射面401b反射，向观察者瞳孔50所处区域传播；如此类推。在各时间点，显示器件20各像素所加载光信息，为沿该像素所投射的、入射观察者瞳孔50所处区域的光束的矢向，待显示场景于该矢向和观察者瞳孔50所处面的交点上的投影信息，该各像素所加载信息，组成待显示场景的一个二维投射图像。则，于一个循环周期内，向观察者瞳孔50所处区域投射带待显示场景的M＝3个二维投射图像。相邻线光源会聚像间距小于一定值时，观察者瞳孔50可以接收到来自显示器件20的至少两个二维投射图像。则过一个显示物点，至少两束光束入射观察者瞳孔50，从而基于单目多图像实现无聚焦-会聚冲突的三维显示。上述过程中，观察者瞳孔50可能无法接收到至少两个完整二维投射图像对应的所有光束，例如偏离线光源会聚像较远时。实际上，不同二维投射图像的不同部分可以拼连形成拼合型二维投射图像。该类拼合型二维投射图像所包含像素的数目，等于二维投射图像的像素数目，其像素分布范围和二维投射图像的像素分布范围一致。进行单目多图像显示，要求在一个循环周期内，投射至少两个待显示场景的图像入射观察者瞳孔50。该两个图像可以为二维投射图像，也可以是拼合型二维投射图像。也就是说，要求在各循环周期内，显示器件20各像素在有对应光信息加载的情况下，投射至少两束光束入射观察者瞳孔50。

以线光源为背光，显示器件20各像素出射光束为一维发散光，于线光源的线向对应存在一个发散面。该发射面的空间方位可能随着光束的传输而变化，但该发射面一致存在。上述“在各时间点，显示器件20各像素所加载光信息，为沿该像素所投射的、入射观察者瞳孔50所处区域的光束的矢向”中的光束矢向，于该光束发散面内，往往设置为指向观察者瞳孔50经常出现的位置。或者，引入追踪器件80，该追踪器件80与控制器件60连接，实时确定观察者瞳孔50的位置，并实时设置各像素出射光束的矢向，于其发散面内指向观察者瞳孔50的实时位置。

沿光束传输方向，会聚器件30置于显示器件20前时，会聚器件30的调制功能还表现在成显示器件20的放大虚像。另外，沿光束传输方向，显示器件20还可以置于会聚器件30前，如图2所示。本专利一种多背光光源的显示模组中，还可以于时序线光源阵列110和显示器件20之间引入前置会聚器件70，调制各线光源投射背光入射显示器件20时的发散度。图3中，前置会聚器件70取透镜为例，各线光源置于该前置会聚器件70的前焦面上。各光源上的发光点，经前置会聚器件70投射平行光束入射显示器件20。实际上，各线光源和前置会聚器件70的位置设置，也可以使各线光源上的发光点出射光，经前置会聚器件70，以发散态或会聚态入射显示器件20。进一步的，各线光源沿投射光传输方向，也可以错位放置，如图4所示。

光路引导器件40用以调整本专利所述显示模组的光束传输路径，以使之适用于各种应用环境。例如，以上各图中，各线光源会聚像处所置的反射面，作为光路引导器件40的组件，其一致于线光源会聚像的长条状，可以允许通过该各反射面之间的空隙，接收外部环境光信息。另外，该各反射面尺寸和位置合理设计，也可以起低通或带通滤波功能。若不需要外部环境光的应用中，以上各图中，线光源会聚像处的多个反射面，可以去除，或者用一个整体反射面代替，且该整体反射面，可以偏离各线光源会聚像放置。这时，观察者瞳孔50可以被设计置于线光源会聚像处，甚至更接近会聚器件30处。进一步的，光路引导器件40可以设计为其它多种不同的结构，如图5至图8所示范例。图5中，增加组件反射面402至光路引导器件40，更有利于显示模组结构的紧凑化。图6所示为采用反射式显示器件20的一种光路结构。光路引导器件40由偏光片403、偏光分光面404、1/4波片405和置于各正交特性子线光源会聚像处的反射面401a、401b、401c、401d组成。偏光片403起偏入射光，使之以“-”态线偏光入射偏光分光面404并透射，随后经1/4波片405入射反射式显示器件20进行信息加载。反射式显示器件20投射光携带光信息二次入射1/4波片405，被转换为偏光方向和“-”态线偏光的偏光方向相互垂直的“·”态线偏光，再经偏光分光面404反射，向会聚器件30传播。其中，偏光分光面404透射“-”态线偏光，反射“·”态线偏光。进一步，以半透半反面406代替图6中的偏光分光面404，如图7，该情况下，不再需要偏光片403和1/4波片405。图5至图7中，置于各线光源会聚像处的反射面作为光路引导器件40的组件被保留，以4个为例示出。图8采用自由曲面光组件作为引导器件40，且复合了会聚器件30。其中，自由曲面F3、F2和F4作为引导器件40的组件，自由曲面F1、F2、F3和F4起会聚器件30的作用。另外，自由曲面F5消除自由曲面F2和F4对外部环境入射光的影响，允许外部环境光和显示场景一起入射观察者瞳孔50。

本实施例采用线光源的一种多背光光源的显示模组中，更大的M值，有利于更大视区的获取。但也同时对显示器件20的帧率也提出更高的要求。线光源的采用，仅需考虑沿线光源排列方向上的视区扩展，沿另一个方向的视区扩展无需考虑，可以降低容纳观察者瞳孔50对准偏差所需二维视区对显示器件20帧率的要求。另外，根据追踪器件80所实时确定的观察者瞳孔50空间位置，从时序线光源阵列110的M个线光源中，由控制器件60实时选择实现单目多图像所必须的K个作为有效线光源，K<M，并控制该K个有效线光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关进行显示，也可以降低对显示器件20帧频的要求。

当M取值较大时，显示器件20投射光可以覆盖观察者双目，且各目均可以接收到待显示场景的至少两个图像时，本专利一种多背光光源的显示模组可以独立作为三维显示***的光学引擎。其它的，本专利一种多背光光源的显示模组可以作为一个目镜，仅向观察者的一个眼睛投射两个或两个以上的图像，利用两个该模组搭建双目显示***，例如AR/VR，的光学引擎。

上述各种结构中，时序线光源阵列110的各线光源，也可以分别由L≧2个正交特性子线光源组成，该L个正交特性子线光源和L种正交特性一一对应，分别仅出射具有对应正交特性的光。此时，要求所述显示器件20也具有正交特性：沿至少一个方向，其间隔(L-1)个像素的像素分别成组，显示器件20的像素共形成为L个正交特性像素组，该L个像素组和各线光源的L个正交特性子线光源分别一一对应。各正交特性像素组的像素仅允许对应正交特性子线光源投射光入射调制，截止其它正交特性子线光源投射光。同一线光源的L个正交特性子线光源，在一个时间点同步地打开或关闭。这样，在各个时间点，显示器件20的L个正交特性像素组等效为L个显示屏，通过对应同步打开的L个正交特性子线光源，互不相干地分别投射待显示场景的L个二维投射图像。对比地，在未采用正交特性子线光源的设计时，显示器件20作为1个显示屏，在各时间点，通过同步打开的对应线光源，仅投射待显示场景的1个二维投射图像。所以，正交特性子线光源的引入，通过牺牲所投射二维投影图像的分辨率，将一个循环周期内所能投射二维投射图像的数目提高至M×L个。图9以M×L＝3×2示例说明正交特性像素组的像素成组规则和正交特性子线光源的排列方式。该M×L＝6个z向正交特性子线光源沿一维y向排列，L＝2个正交特性取为相互垂直的线向偏光态“·”和“-”。具体地，线光源LS₁包括L＝2个正交特性子线光源LS₁₁和LS₁₂；线光源LS₂包括L＝2个正交特性子线光源LS₂₁和LS₂₂；线光源LS₃包括L＝2个正交特性子线光源LS₃₁和LS₃₂。其中，正交特性子线光源LS₁₁、LS₂₁、LS₃₁仅出射“-”正交特性光，正交特性子线光源LS₁₂、LS₂₂、LS₃₂仅出射“-”正交特性光。沿y向，显示器件20间隔L-1＝1个像素的像素成组，也即图中分别以“·”和“-”标注的像素各自成组，组成L＝2个正交特性像素组，分别命名为“·”态正交特性像素组和“-”态正交特性像素组，它们对应分别仅允许“·”态光和“-”态光入射并对其调制。图9所示模组中，光路引导器件40包括M×L＝6个反射面401a、401b、401c、401d、401e、401f，分别置正交特性子线光源会聚像I_LS11、I_LS21、I_LS31、I_LS12、I_LS22、I_LS32处。在相邻M＝3个时间点组成的各循环周期内，各线光源由控制器件60控制，时序开关，且在一个时间点，仅一个线光源的L＝2个正交特性子线光源同时被打开。例如在时间点t，仅正交特性子线光源LS₁₁和LS₁₂打开时，“·”态正交特性像素组以正交特性子线光源A₁₂投射光为背光进行光信息加载和投射，“-”态正交特性像素组以正交特性子线光源A₁₁投射光为背光进行光信息加载和投射，如图9。其中，各像素在各时间点所加载光信息，为沿该时间点该像素所投射的、入射观察者瞳孔50所处区域的光束的矢向，待显示场景于该矢向和观察者瞳孔50所处面的交点上的投影信息。则一个循环周期，M×L＝6个待显示场景的二维投射图像被投射至观察者瞳孔50所处区域。当观察者瞳孔50可以接收到至少两个二维投射图像的光信息时，过一个显示物点，至少两束光束入射观察者瞳孔50，从而基于单目多图像实现无聚焦-会聚冲突的三维显示。上述过程中，显示器件20的正交特性像素组的分组方式，也可以是沿两个方向，间隔(L-1)个像素的像素成组，如图10所示。该过程中，观察者瞳孔50可能无法接收到两个完整二维投射图像对应的所有光束，例如偏离正交特性子线光源会聚像较远时。实际上，不同二维投射图像的不同部分可以拼连形成拼合型二维投射图像。该类拼合型二维投射图像所包含像素的数目，等于二维投射图像的像素数目，其像素分布范围和二维投射图像的像素分布范围一致。实现单目多图像显示，要求在一个循环周期内，投射至少两个待显示场景的图像给观察者瞳孔50，该两个图像可以为二维投射图像，也可以是拼合型二维投射图像。或者说，要求在各循环周期内，显示器件20各像素在有对应光信息加载的情况下，投射至观察者瞳孔50的光束的束数，至少等于两个正交特性像素组所包含像素的个数。

各时序线光源阵列110的各线光源，分别由L≧2个正交特性子线光源组成时，根据追踪器件80所实时确定的观察者瞳孔50空间位置，也可以从时序线光源阵列110的M个线光源中，由控制器件60实时选择满足单目多图像要求的K个线光源作为有效线光源，2≦K<M，并控制该K个有效线光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关，同理进行显示。还有一种情况，是在一个时间点，仅一个线光源的L个正交特性子线光源即可满足单目多视图显示的要求。该情况下，在各时间点，根据追踪器件80所确定观察者瞳孔50的空间位置，由控制器件60实时确定满足单目多图像显示所需要求的线光源作为有效线光源，控制器件60控制该有效正交特性光源的L个正交特性子线光源投射打开，并同步以对应光信息刷新显示器件20各像素。

实施例2

本专利一种多背光光源的显示模组由时序点光源阵列120、显示器件20、会聚器件30、光路引导器件40、控制器件60及其它组件组成，其中时序点光源阵列120包括多于一个的点光源，各点光源由多于一个的、分别出射不同正交特性光的正交特性子点光源组成，各点光源在相邻时间点组成的各循环周期内时序循环开关，且在一个时间点仅一个点光源的正交特性子点光源被打开。各正交特性子点光源出射光经会聚器件30或会聚器件30及其它组件向该正交特性子点光源的会聚像会聚。显示器件20置于点光源阵列120出射光传输路径上，由分别允许不同正交特性光入射的像素组组成，加载待显示场景的二维投射图像信息，在光路引导器件40的引导下，时序投射加载光信息至正交特性子点光源会聚像附近的观察者瞳孔50所处区域。设计显示器件20于各循环周期内投射待显示场景的至少一个图像信息入射观察者瞳孔，基于麦克斯韦投射或/和单目多图像实现克服聚焦-会聚冲突的三维显示。

图11所示为采用点光源的显示模组的基本结构，包括时序点光源阵列120、显示器件20、会聚器件30、光路引导器件40和控制器件60。其中，时序点光源阵列120包括M≧2个点光源，各点光源分别由L≧2个正交特性子点光源组成，各点光源的L个正交特性子点光源和L种正交特性一一对应，分别仅出射具有对应正交特性的光。该M个点光源的M×L个正交特性子点光源出射光被会聚器件30向对应会聚像会聚。图11以M＝3和L＝2为例。M×L＝6个正交特性子点光源PS₁₁、PS₁₂、PS₂₁、PS₂₂、PS₃₁、PS₃₂沿y向排列，经会聚器件30，其出射光分别被会聚至对应会聚像I_PS11、I_PS12、I_PS21、I_PS22、I_PS31、I_PS32。显示器件20以各正交特性子点光源出射光为背光，置于其投射光的传输路径上，调制加载并投射光信息。光路引导器件40可以是单个器件，也可以包括多个组件，置于各正交特性子点光源投射光的传播路径上，引导显示器件20投射光向观察者瞳孔50所处区域传输。所述显示器件20也具有正交特性：沿至少一个方向，其间隔(L-1)个像素的像素分别成组，显示器件20的像素共形成为L个正交特性像素组，该L个像素组和各点光源的L个正交特性子点光源分别一一对应。各正交特性像素组的像素仅允许对应正交特性子点光源投射光入射调制，截止其它非对应正交特性子点光源投射光。同一点光源的L个正交特性子点光源，在一个时间点同步地打开或关闭。这样，在各个时间点，显示器件20的L个正交特性像素组等效为L个显示屏，通过对应同步打开的L个正交特性子点光源，互不相干地分别投射待显示场景的L个二维投射图像。图11中，L＝2个正交特性取为相互垂直的线向偏光态“·”和“-”。具体地，点光源PS₁包括L＝2个正交特性子点光源PS₁₁和PS₁₂；点光源PS₂包括L＝2个正交特性子点光源PS₂₁和PS₂₂；点光源PS₃包括L＝2个正交特性子点光源PS₃₁和PS₃₂。其中，正交特性子点光源PS₁₁、PS₂₁、PS₃₁出射“-”正交特性光，正交特性子点光源PS₁₂、PS₂₂、PS₃₂出射“-”正交特性光。沿y向，显示器件20间隔L-1＝1个像素的像素成组，也即图中分别以“·”和“-”标注的像素各自成组，组成L＝2个正交特性像素组，分别命名为“·”态正交特性像素组和“-”态正交特性像素组，它们对应分别仅允许“·”态光和“-”态光入射并对其调制。则在一个时间点，仅一个点光源的L＝2个正交特性子点光源打开，例如仅正交特性子点光源PS₁₁和PS₁₂打开时，“·”态正交特性像素组以正交特性子点光源A₁₂投射光为背光进行光信息加载和投射，“-”态正交特性像素组以正交特性子点光源A₁₁投射光为背光进行光信息加载和投射。其中，各像素在各时间点所加载光信息，为沿该时间点该像素所投射的、入射观察者瞳孔50所处区域的光束的矢向，待显示场景于该矢向和观察者瞳孔50所处面的交点上的投影信息。图11所示模组中，光路引导器件40包括M×L＝6个反射面401a、401b、401c、401d、401e、401f，分别置正交特性子点光源会聚像I_PS11、I_PS21、I_PS31、I_PS12、I_PS22、I_PS32处。在相邻M＝3个时间点组成的各循环周期内，各点光源由控制器件60控制，时序开关，且在一个时间点，仅一个点光源打开。具体地，在时间点t，仅点光源PS₁打开，PS₂和PS₃均关闭，正交特性子点光源PS₁₁和PS₁₂出射光经显示器件20的两个正交特性像素组分别调制，携带各自对应光信息经会聚器件30投射至正交特性子点光源PS₁₁和PS₁₂的会聚像I_PS11和I_PS12处，然后分别被反射面401a和410d反射，向观察者瞳孔50所处区域传播；在时间点t+Δt/3，仅点光源PS₂打开，PS₁和PS₃均关闭，正交特性子点光源PS₂₁和PS₂₂出射光经显示器件20的两个正交特性像素组分别调制，携带各自对应光信息经会聚器件30投射至正交特性子点光源PS₂₁和PS₂₂的会聚像I_PS21和I_PS22处，然后分别被反射面401b和410e反射，向观察者瞳孔50所处区域传播；如此类推。则，于一个循环周期内，向观察者瞳孔50所处区域实现了M×L＝6个待显示场景的二维投射图像的投射。相邻点光源会聚像间距小于一定值时，观察者瞳孔50可以接收到来自显示器件20的至少两个二维投射图像，则过一个显示物点，至少两束光束入射观察者瞳孔50，从而基于单目多图像实现无聚焦-会聚冲突的三维显示。当观察者瞳孔50可以自己恰好接收到来自显示器件20的一个二维投射图像，则过一个显示物点，有一束光束入射观察者瞳孔50，从而基于麦克斯韦投射实现无聚焦-会聚冲突的三维显示。

上述过程中，观察者瞳孔50可能无法接收到恰好一个或至少两个完整二维投射图像对应的所有光束，例如偏离点光源会聚像较远时。实际上，不同二维投射图像的不同部分可以拼连形成拼合型二维投射图像。该类拼合型二维投射图像所包含像素的数目，等于二维投射图像的像素数目，其像素分布范围和二维投射图像的像素分布范围一致。进行单目多图像显示，要求在一个循环周期内，投射至少两个待显示场景的图像入射观察者瞳孔50。该两个图像可以为二维投射图像，也可以是拼合型二维投射图像。也即是说，单目多图像显示要求在各循环周期内，入射观察者瞳孔50的光束束数至少等于两个正交特性像素组所具有像素的数目。进行麦克斯韦投射显示，要求在一个循环周期内，投射待显示场景的一个图像入射观察者瞳孔50。该一个图像可以为二维投射图像，也可以是拼合型二维投射图像。也即是说，麦克斯韦投射要求在各循环周期内，入射观察者瞳孔50的光束束数等于一个正交特性像素组所具有像素的数目。当观察者瞳孔50接收光束数目介于一个正交特性像素组所具有像素的数目和两个正交特性像素组所具有像素的数目之间时，单目多图像和麦克斯韦投射可以共同起作用，保证单目的自由聚焦。

沿光束传输方向，会聚器件30置于显示器件20前时，会聚器件30的调制功能还表现在成显示器件20的放大虚像。另外，沿光束传输方向，显示器件20还可以置于会聚器件30前，如图12所示。本专利一种多背光光源的显示模组中，还可以于时序点光源阵列120和显示器件20之间引入前置会聚器件70，调制各正交特性子点光源投射背光入射显示器件20时的发散度。图13中，前置会聚器件70取透镜为例，各正交特性子点光源置于该前置会聚器件70的前焦面上。各正交特性子光源经前置会聚器件70投射平行光束入射显示器件20。实际上，各正交特性子点光源和前置会聚器件70的位置设置，也可以使各正交特性子点光源经前置会聚器件70投射发散态或会聚态光入射显示器件20。进一步的，各正交特性子点光源沿投射光传输方向，也可以错位放置，如图14所示。

光路引导器件40用于调整本专利所述显示模组的光束传输路径，以使之适用于各种应用环境。例如，以上各图中，各正交特性子点光源会聚像处所置的反射面，作为光路引导器件40的组件，可以通过该各反射面之间的空隙，接收外部环境光信息。另外，设置该各反射面尺寸和位置，也可以起低通或带通滤波功能。若不需要外部环境光时，以上各图正交特性子点光源会聚像处的多个反射面，可以去除，或者用一个整体反射面代替，且该整体反射面，可以偏离各点光源会聚像放置。这时，观察者瞳孔50可以被设计置于正交特性子点光源会聚像处，甚至更接近会聚器件30处。进一步的，光路引导器件40可以设计为其它多种不同的结构，如图15、图16和图17所示范例。图15、图16和图17取M×L＝2×2进行示例。图15中，增加组件反射面402至光路引导器件40，更有利于显示模组结构的紧凑化。图16所示为采用反射式显示器件20的一种光路结构。光路引导器件40由以半透半反面406和置于各正交特性子点光源会聚像处的反射面401a、401b、401c、401d组成。来自各正交特性子点光源的出射光经前置会聚器件70和半透半反面406入射反射式显示器件20进行信息加载。反射式显示器件20投射光携带光信息再次入射半透半反面406并被反射，然后被反射面401a、401b、401c、401d引导向观察者瞳孔50所处区域。图17采用自由曲面光组件作为引导器件40，且复合了会聚器件30。其中，自由曲面F3、F2和F4作为引导器件40的组件，自由曲面F1、F2、F3和F4起会聚器件30的作用。另外，自由曲面F5消除自由曲面F2和F4对外部环境入射光的影响，允许外部环境光和显示场景一起入射观察者瞳孔50。

本实施例上述各图中，以各正交特性子点光源一维排列为例，其也可以扩展至二维方向排列。本实施例上述过程中，显示器件20的正交特性像素组的分组方式，也可以是沿两个方向，间隔(L-1)个像素的像素成组，如图10所示。

本实施例采用正交特性子点光源的一种多背光光源的显示模组中，更大的M值，有利于更大视区的获取。但也同时对显示器件20的帧率也提出更高的要求。根据追踪器件80所实时确定观察者瞳孔50的空间位置，从时序点光源阵列120的M个正交特性子点光源中，由控制器件60实时选择实现麦克斯韦投射或单目多图像所必须的K个作为有效点光源，2≦K<M，并控制该K个有效正交特性子点光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关，同理进行显示，也可以降低对显示器件20帧频的要求。还存在一种情况，即在一个时间点，仅一个点光源的L个正交特性子点光源即可满足单目多视图或麦克斯韦投射显示的要求。该情况下，在各时间点，根据追踪器件80所确定观察者瞳孔50的空间位置，由控制器件60实时确定满足单目多图像或麦克斯韦投射显示要求的一个点光源作为有效点光源，控制器件60控制该有效点光源的L个正交特性子点光源打开，并同步以对应光信息刷新显示器件20各像素。

当M取值较大时，显示器件20投射光可以覆盖观察者双目，且各目均可以接收到麦克斯韦投射显示或单目多视图显示所需待显示场景的一个或至少两个图像时，本专利一种多背光光源的显示模组可以独立作为三维显示***的光学引擎。其它的，本专利一种多背光光源的显示模组可以作为一个目镜，仅向观察者的一个眼睛投射麦克斯韦投射显示或单目多视图显示所需的一个或至少两个图像，使用两个该模组搭建双目显示***，例如AR/VR，的光学引擎。

本专利中，各光源，包括本专利所述的线光源、或正交特性子线光源、或正交特性子点光源，和其对应会聚像之间，并不要求是严格意义上的物像关系。其意义是，一个光源投射光，经显示器件20调制后，各像素出射光以会聚的形态，向一个区域投射，该区域即可作为该光源的对应的会聚像。

本发明的核心思想是以时序开关的光源做为背光源，基于时序复用，向观察者瞳孔50投射待显示场景的一个或至少两个图像，搭建基于麦克斯韦投射法或单目多图像实现无聚焦-会聚冲突三维显示的显示模组，其中线状光源的设计缓解该显示模组对光源数量的过高要求，正交特性的设计提高该显示模组所能投射二维投射图像数量。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。相应地，所有相关实施例都落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种多背光光源的显示模组，其特征在于，包括：

时序线光源阵列(110)，包括M个沿一维方向排列的线光源，在相邻M个时间点组成的各循环周期内时序打开，且在一个时间点仅一个线光源打开，其中M≧2；

显示器件(20)，包括多个像素，位于与所述时序线光源阵列(110)对应的位置并以来自所述时序线光源阵列(110)的投射光为背光，加载并投射光信息；

会聚器件(30)，用于调制所述显示器件(20)加载光信息，引导其各像素投射光束会聚传输；

光路引导器件(40)，置于所述时序线光源阵列(110)出射光传输路径上，引导来自时序线光源阵列(110)的光入射所述显示器件(20)或/和引导来自所述显示器件(20)的光信息入射观察者瞳孔(50)所处区域；

控制器件(60)，分别与所述时序线光源阵列(110)和所述显示器件(20)连接，用于控制所述时序线光源阵列(110)的M个线光源在相邻M个时间点组成的各循环周期，一个时间点仅一个地依次打开，并同步加载对应光信息至所述显示器件(20)各像素；

该一种多背光光源的显示模组被设置为使得其显示器件(20)各像素所加载光信息，为沿来自该像素的、入射观察者瞳孔(50)所处区域的光束的矢向，待显示场景于该矢向与观察者瞳孔(50)所在面交点上的投影信息。

2.根据权利要求1所述的多背光光源的显示模组，其特征在于其显示器件(20)各像素在各循环周期，时序投射至少两束光束至观察者瞳孔(50)。

3.根据权利要求1和2任一项所述的一种多背光光源的显示模组，其特征在于，还包括前置会聚器件(70)，置于所述时序线光源阵列(110)和显示器件(20)之间，调整所述显示器件(20)入射光的发散度。

4.根据权利要求1和2任一项所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，还包括和所述控制器件(60)连接的追踪器件(80)，用于实时跟踪确定观察者瞳孔(50)的空间位置。

5.根据权利要求4所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，所述控制器件(60)被设置为能够根据瞳孔(50)的空间位置实时选择时序线光源阵列(110)的M个线光源中的K个作为有效线光源，控制器件(60)能够控制该K个有效线光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关工作，并同步以对应光信息刷新显示器件(20)各像素，其中M﹥K≧2。

6.根据权利要求1所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，所述时序线光源阵列(110)各线光源分别由L个正交特性子线光源组成，各线光源打开，在所述显示器件(20)的像素中，沿至少一个方向间隔(L-1)个像素的像素分别成组，所述显示器件(20)的像素组成L个正交特性像素组，其中L≧2；

其中，各线光源的L个正交特性子线光源和L种正交特性一一对应，各正交特性子线光源仅出射对应正交特性的光；所述L个正交特性像素组和各线光源的L个正交特性子线光源分别一一对应，各正交特性像素组的像素仅允许对应正交特性子线光源投射光入射、被调制和出射，截止非对应正交特性子线光源投射光；

该一种多背光光源的显示模组的特征在于，各循环周期内入射观察者瞳孔(50)的光束束数至少等于两个正交特性像素组所包含像素的数目。

7.根据权利要求6所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，还包括和所述控制器件(60)连接的追踪器件(80)，用于实时跟踪确定观察者瞳孔(50)的空间位置；

控制器件(60)被设置为能够根据观察者瞳孔(50)的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔(50)的K个线光源作为有效线光源，该控制器件(60)能够控制该K个有效线光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关，并同步以对应光信息刷新显示器件(20)各像素，其中M﹥K≧2。

8.根据权利要求6所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，还包括和所述控制器件(60)连接的追踪器件(80)，实时跟踪确定观察者瞳孔(50)的空间位置；

所述控制器件(60)被设置为能够在各时间点根据观察者瞳孔(50)的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔(50)的一个线光源作为有效线光源，该控制器件(60)能够控制该有效线光源的L个正交特性子线光源在该时间点打开，并同步以对应光信息刷新显示器件(20)各像素。

9.一种多背光光源的显示模组，其特征在于，包括：

时序点光源阵列(120)，包括M个点光源，在相邻M个时间点组成的各循环周期内时序打开，且在一个时间点仅一个点光源打开，其中M≧2；

其中，各点光源分别由L个正交特性子点光源组成，各点光源打开，该L个正交特性子点光源和L种正交特性一一对应，各正交特性子点光源仅投射对应正交特性的光，其中L≧2；

显示器件(20)，包括多个像素，位于与所述时序线光源阵列(110)对应的位置并以来自所述时序点光源阵列(120)的投射光为背光，加载并投射光信息，其像素沿至少一个方向间隔(L-1)个像素的像素分别成组，组成L个正交特性像素组；

其中，显示器件(20)的L个正交特性像素组和各点光源的L个正交特性子点光源分别一一对应，各像素组的像素仅允许对应正交特性子点光源所投射光入射、被调制和出射，截止其它非对应正交特性子点光源所投射光；

会聚器件(30)，调制所述显示器件(20)加载光信息，引导其各像素投射光束会聚传输；

光路引导器件(40)，置于所述时序点光源阵列(120)出射光路传输路径上，引导来自时序点光源阵列(120)的光入射所述显示器件(20)或/和引导来自所述显示器件(20)的光入射观察者瞳孔(50)所处区域；

控制器件(60)，分别与所述时序点光源阵列(120)和所述显示器件(20)连接，用于控制所述时序点光源阵列(120)的M个点光源在相邻M个时间点组成的各循环周期，一个时间点仅一个地依次打开，并同步加载对应光信息至所述显示器件(20)各像素；

该一种多背光光源的显示模组被设置为使得其显示器件(20)各像素所加载光信息，为沿来自该像素的、入射观察者瞳孔(50)所处区域的光束的矢向，待显示场景于该矢向与观察者瞳孔(50)所在面交点上的投影信息，且在各循环周期内，入射观察者瞳孔(50)的光束束数至少等于一个正交特性像素组所包含像素的数目。

10.根据权利要求9所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，还包括前置会聚器件(70)，置于所述时序点光源阵列(120)和显示器件(20)之间，用于调整所述显示器件(20)入射光的发散度。

11.根据权利要求9所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，还包括和所述控制器件(60)连接的追踪器件(80)，用于实时跟踪确定观察者瞳孔(50)的空间位置；

所述控制器件(60)被设置为能够根据观察者瞳孔(50)的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔(50)的K个点光源作为有效点光源，该控制器件(60)能够控制该K个有效点光源在相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关，并同步以对应光信息刷新显示器件(20)各像素，其中M﹥K≧2。

12.根据权利要求9所述的多背光光源的显示模组，其特征在于，还包括和所述控制器件(60)连接的追踪器件(80)，用于实时跟踪确定观察者瞳孔(50)的空间位置；

所述控制器件(60)被设置为能够在各时间点根据观察者瞳孔(50)的空间位置，实时选择投射光入射观察者瞳孔(50)的一个点光源作为有效点光源，控制该有效点光源的L个正交特性子点光源在该时间点打开，并同步以对应光信息刷新显示器件(20)各像素。

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