CN113767307B - 用于具有光转向层和周期性光学层的光场显示器的光学方法和*** - Google Patents

用于具有光转向层和周期性光学层的光场显示器的光学方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种装置的发光层，该发光层包括发光元件的可寻址阵列，这些发光元件包括第一发光元件，以及覆盖该发光层的周期性光学层。该周期性光学层包括至少具有第一光焦度的第一周期性光学特征结构和具有不同的光焦度的第二周期性光学特征结构。第一可控光转向层设置在该发光层和该周期性光学层之间。该第一可控光转向层能够在将来自该第一发光元件的光引导穿过该第一周期性光学特征结构和将来自该第一发光元件的光引导穿过该第二周期性光学特征结构之间切换。

Description

用于具有光转向层和周期性光学层的光场显示器的光学方法 和***
相关申请的交叉引用
本申请是2019年4月12日提交的名称为“OPTICAL METHOD AND SYSTEM FOR LIGHTFIELD DISPLAYS BASED ON LIGHT STEERING ELEMENTS AND PERIODIC OPTICAL LAYER”的美国临时专利申请序列号62/833,427的非临时申请，并且根据35 U.S.C§119(e)要求该美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入。
背景技术
不同的3D显示器(也称为显示设备)可基于其形状因数而分类为不同的类别。头戴式设备(HMD)占据比无防护眼镜解决方案更少的空间，这也意味着HMD可由更小的部件和更少的材料制成，从而使它们的成本相对较低。因为头戴式虚拟现实(VR)防护眼镜和智能眼镜是单个用户设备，所以它们不允许像无防护眼镜解决方案那样自然地共享体验。体积式3D显示器在所有三个空间方向上占据了空间，并且通常需要大量物理材料，使得这些***重、制造昂贵并且难以运输。由于尺寸较大，因此这些体积式显示器也往往具有较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但平坦的部件(屏幕)以及将图像从一定距离投影到自由空间上的***。基于屏幕的3D显示***可更紧凑以用于运输，并且还覆盖了比例如体积式显示器大得多的FOV。因为它们需要投影仪子组件以及在不同部件之间的准确对准，所以这些***可能是复杂且昂贵的，使得它们最适合专业使用。平坦形状因数3D显示器可需要在两个空间方向上的大量空间，但由于第三方向仅为虚拟的，因此平坦形状因数3D显示器相对易于运输到不同环境中并在不同环境中组装。因为这些设备是平坦的，所以它们的光学部件中的至少一些部件更有可能以片或卷的形式制造，从而使得这些设备在大批量生产时成本相对较低。
人类大脑部分地通过从用于确定每只眼睛方位的肌肉接收信号来感知并确定所观察物体的深度。大脑将该眼睛的相对角取向与所确定的焦深相关联。正确的聚焦提示在所观察焦平面之外的物体上产生自然模糊并产生自然动态视差效应。一种类型的能够提供正确的聚焦提示的3D显示器使用可在真实3D空间中产生3D图像的体积式显示器。3D图像的每个体素物理地位于空间位置处，在该空间位置处，该体素应被显示并从该位置朝观察者反射或发射光，以在观看者的眼睛中形成实像。3D体积式显示器的主要问题是其低分辨率、大物理尺寸和昂贵的制造成本。这些问题使得3D体积式显示器太笨重而不能在特殊情况(例如，产品展示、博物馆、展出等)之外使用。全息显示器是能够提供正确的视网膜聚焦提示的另一种类型的3D显示器。全息显示器重建了从自然环境中的物体散射的整个光波前。该技术的主要问题是缺乏可用于创建极其详细的波前的合适的空间光调制器(SLM)部件。
光场(LF)显示器被称为能够提供自然视网膜聚焦提示的另外类型的3D显示技术。LF显示***被设计成创建表示光线在空间中的各个方向上传播的光场。LF***旨在控制空间域和角域两者中的光发射，这与基本上仅控制具有更高像素密度的空间域的常规立体3D显示器不同。许多光场显示器利用至少两种完全不同的方式来创建光场。在一种方法中，在观看者的每只眼睛上创建视差，以产生对应于被观看物体的3D位置的正确视网膜模糊。该视差可通过向每只眼睛呈现多个视图来实现。第二种方法是多焦面方法，其中物体的图像被投影到对应于其3D位置的适当的焦平面。
在当前相对低密度的多视图成像显示器中，当观看者在设备的前面移动时，视图以粗略的逐步方式改变。这种移动降低了3D体验的质量，并且可能会导致3D感知的完全崩溃。为了减轻该问题和VAC，已使用多达512个视图实现了一些超多视图(SMV)技术。该想法是生成数量非常多的视图以使两个视点之间的任何过渡非常平滑。如果来自略微不同视点的至少两个图像的光同时进入眼睛瞳孔，则会产生更加逼真的视觉体验。在这种情况下，运动视差效果更接近自然条件，因为大脑会无意识地预测由于运动引起的图像变化。通过将正确观看距离处的两个视图之间的间隔减小到小于眼睛瞳孔大小的值，可以满足SMV条件。可用SMV显示器实现的最大角密度受到衍射的限制，并且空间分辨率(像素尺寸)和角分辨率之间存在反比关系。衍射增加了穿过孔径的光束的角展度，并且在密度非常高的SMV显示器的设计中可考虑该效应。
发明内容
本发明公开了一种装置的发光层，该发光层包括发光元件的可寻址阵列，这些发光元件包括第一发光元件，以及覆盖该发光层的周期性光学层。该周期性光学层包括至少具有第一光焦度的第一周期性光学特征结构和具有不同的光焦度的第二周期性光学特征结构。第一可控光转向层设置在该发光层和该周期性光学层之间。该第一可控光转向层能够在将来自该第一发光元件的光引导穿过该第一周期性光学特征结构和将来自该第一发光元件的光引导穿过该第二周期性光学特征结构之间切换。
该第一周期性光学特征结构和该第二周期性光学特征结构可被包括在第一光学区域中。该周期性光学层可包括类似于该第一光学区域布置的光学区域的重复图案。会聚透镜层可设置在该发光层和该周期性光学层之间。该会聚透镜层可包括会聚透镜的二维阵列，并且其中每个会聚透镜与投影仪单元中的这些发光元件中的至少一个发光元件相关联。每个投影仪单元可包括该周期性光学层的对应光学区域。第一光转向层的不同区段可与不同的投影仪单元相关联并且可以是单独可控的。该第一周期性光学特征结构可以操作以将来自至少该第一发光元件的光聚焦在距该周期性光学层的第一距离处，并且该第二周期性光学特征结构可以操作以将来自至少该第一发光元件的光聚焦在距该周期性光学层的第二距离处，其中该第二距离不同于该第一距离。该第一可控光转向层可包括至少一个液晶光转向层。该发光层还可包括第二发光元件。周期性光学层还可包括具有第一倾斜方向的第三周期性光学特征结构和具有不同于该第一倾斜方向的第二倾斜方向的第四周期性光学特征结构。该第一可控光转向层可能够在将来自该第二发光元件的光引导穿过该第三周期性光学特征结构和将来自该第二发光元件的光引导穿过该第四周期性光学特征结构之间切换。该装置还可包括位于该发光层和该周期性光学层之间的第二可控光转向层。该第一光转向层可被配置为使光在第一平面中偏转，并且第二光转向层可被配置为使光在基本上垂直于该第一平面的第二平面中偏转。该第一光转向层和该第二光转向层可各自被配置为使光在第一平面中偏转。
一种方法，该方法包括通过由包括多个发光元件的发光层的第一发光元件选择性地发射第一光来显示包含多个体素的图像，该多个体素包括位于第一体素位置处的第一体素，以及操作可控光转向层的第一区段以选择性地朝向包括多个周期性光学特征结构的周期性光学层的第一周期性光学特征结构引导光，其中该第一周期性光学特征结构将该第一光聚焦到该第一体素位置上。
该方法还可包括通过该发光层的第二发光元件选择性地发射第二光，并且操作该可控光转向层的至少第二区段以选择性地朝向该周期性光学层的第二周期性光学特征结构引导该第二光，其中该第二周期性光学特征结构将该第二光聚焦到该第一体素位置上。该第一光和该第二光可按时间多路复用方式在不同时间同时或同步或交替地发射。对于该图像中具有第二体素位置的至少第二体素，该方法还可包括通过该发光层的至少第三发光元件选择性地发射第三光，以及操作该可控光转向层的至少第三区段以选择性地朝向该周期性光学层的第三周期性光学特征结构引导光，其中该第三周期性光学特征结构将该第三光聚焦到该第二体素位置上。该第一体素位置可具有第一深度，并且该第二体素位置可具有不同于该第一深度的第二深度。由该多个发光元件中的一个发光元件发射的光可基于该图像的深度信息朝向该多个周期性光学特征结构中的一个周期性光学特征结构转向。
附图说明
图1A是示出可在其中实现一个或多个所公开的实施方案的示例性通信***的***图。
图1B是示出根据实施方案可在图1A所示的通信***内使用的示例性无线发射/接收单元(WTRU)的***图。
图1C是示出根据实施方案的可在图1A所示的通信***内使用的示例性无线电接入网络(RAN)和示例性核心网络(CN)的***图。
图2描绘了光场(LF)显示器的光发射角。
图3A描绘了一双眼睛以及由LF显示器为形成在LF显示器表面的体素产生的聚焦角(FA)和会聚角(CA)。
图3B描绘了一双眼睛以及由LF显示器为形成在LF显示器表面的后面的体素产生的FA和CA。
图3C描绘了一双眼睛以及由LF显示器为形成在LF显示器表面的后面无限距离处的体素产生的FA和CA。
图3D描绘了一双眼睛以及由LF显示器为形成在LF显示器表面的前面的体素产生的FA和CA。
图4A示出了由透镜的几何因数引起的光束发散。
图4B示出了由衍射引起的光束发散。
图5示出了不同光焦度的三个透镜的图像放大率。
图6A示出了一个扩展光源和小镜头孔径的几何因数和衍射的组合效应。
图6B示出了两个光源和小镜头孔径的几何因数和衍射的组合效应。
图6C示出了一个光源和大镜头孔径的几何因数和衍射的组合效应。
图6D示出了两个光源和大镜头孔径的几何因数和衍射的组合效应。
图7示出了根据一些实施方案的3D光场显示器的示例性观看几何形状。
图8A描绘了根据一些实施方案的3D LF显示器的第一示例性观看几何形状。
图8B描绘了根据一些实施方案的3D LF显示器的第二示例性观看几何形状。
图9描绘了根据一些实施方案的3D LF显示器结构及其功能。
图10A描绘了根据一些实施方案的用于改变光源NA的聚光器。
图10B描绘了根据一些实施方案的用于混合三个LED的颜色的聚光器。
图10C描绘了根据一些实施方案的用于混合具有较小孔径结构的四个LED的颜色的聚光器。
图11是根据一些实施方案的示例性光转向层结构的表示。
图12A是根据一些实施方案的第一周期性层结构的第一侧视图，其中重复的周期性特征结构具有带有不同光学特性的三个不同区域。
图12B描绘了根据一些实施方案的第二周期性层结构，其中单个周期性特征结构具有带有九个区域的重复图案。
图13示出了根据一些实施方案的LF显示器的空间多路复用功能。
图14描绘了根据一些实施方案的使用交叉光束来形成体素的显示器。
图15描绘了根据一些实施方案的从一定距离观看的曲面3D光场显示器。
图16A是根据一些实施方案的发光层的两个聚光器的表示。
图16B是根据一些实施方案的发光层的光源矩阵的表示。
图17是根据一些实施方案的显示器的光学设计的表示。
图18是描绘来自三个光源簇的光穿过聚焦透镜、光转向层和周期性层的光线追踪图的示例。
图19是示出根据一些实施方案的显示三维图像的方法的流程图。
用于实现实施方案的示例性网络
图1A是示出在其中一个或多个所公开的实施方案可得以实现的示例性通信***100的示意图。通信***100可以是向多个无线用户提供诸如语音、数据、视频、消息、广播等内容的多址接入***。通信***100可使多个无线用户能够通过***资源(包括无线带宽)的共享来访问此类内容。例如，通信***100可采用一个或多个信道接入方法，诸如码分多址接入(CDMA)、时分多址接入(TDMA)、频分多址接入(FDMA)、正交FDMA(OFDMA)、单载波FDMA(SC-FDMA)、零尾唯一字DFT扩展OFDM(ZT UW DTS-s OFDM)、唯一字OFDM(UW-OFDM)、资源块滤波OFDM、滤波器组多载波(FBMC)等。
如图1A所示，通信***100可包括无线发射/接收单元(WTRU)102a、102b、102c、102d、RAN 104、CN 106、公共交换电话网(PSTN)108、互联网110和其他网络112。本公开的实施方案设想了任何数量的WTRU、基站、网络和/或网络元件。WTRU 102a、102b、102c、102d中的每一者可以是被配置为在无线环境中操作和/或通信的任何类型的设备。作为示例，WTRU102a、102b、102c、102d(其中任何一个均可被称为“站”和/或“STA”)可被配置为发射和/或接收无线信号，并且可包括用户装备(UE)、移动站、固定或移动订阅者单元、基于订阅的单元、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、膝上型电脑、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、头戴式显示器(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，在工业和/或自动处理链环境中操作的机器人和/或其他无线设备)、消费电子设备、在商业和/或工业无线网络上操作的设备等。WTRU 102a、102b、102c和102d中的任一者可互换地称为UE。
通信***100还可包括基站114a和/或基站114b。基站114a、114b中的每一者可为任何类型的设备，其被配置为与WTRU 102a、102b、102c、102d中的至少一者无线对接以促进对一个或多个通信网络(诸如CN 106、互联网110和/或其他网络112)的访问。作为示例，基站114a、114b可为基站收发台(BTS)、节点B、演进节点B、家庭节点B、家庭演进节点B、gNB、NR节点B、站点控制器、接入点(AP)、无线路由器等。虽然基站114a、114b各自被描绘为单个元件，但基站114a、114b可包括任何数量的互连基站和/或网络元件。
基站114a可以是RAN 104的一部分，该RAN还可包括其他基站和/或网络元件(未示出)，诸如基站控制器(BSC)、无线电网络控制器(RNC)、中继节点等。基站114a和/或基站114b可被配置为在一个或多个载波频率上发射和/或接收无线信号，该基站可被称为小区(未示出)。这些频率可在许可频谱、未许可频谱或许可和未许可频谱的组合中。小区可向特定地理区域提供无线服务的覆盖，该特定地理区域可为相对固定的或可随时间改变。小区可进一步被划分为小区扇区。例如，与基站114a相关联的小区可被划分为三个扇区。在一个实施方案中，基站114a可包括三个收发器，例如，小区的每个扇区一个收发器。在一个实施方案中，基站114a可采用多输入多输出(MIMO)技术并且可针对小区的每个扇区利用多个收发器。例如，可使用波束成形在所需的空间方向上传输和/或接收信号。
基站114a、114b可通过空中接口116与WTRU 102a、102b、102c、102d中的一者或多者通信，该空中接口可为任何合适的无线通信链路(例如，射频(RF)、微波、厘米波、微米波、红外(IR)、紫外(UV)、可见光等)。可使用任何合适的无线电接入技术(RAT)来建立空中接口116。
更具体地讲，如上所指出，通信***100可为多址接入***，并且可采用一个或多个信道接入方案，诸如CDMA、TDMA、FDMA、OFDMA、SC-FDMA等。例如，RAN 104中的基站114a和WTRU 102a、102b、102c可实现无线电技术诸如通用移动电信***(UMTS)陆地无线电接入(UTRA)，其可使用宽带CDMA(WCDMA)来建立空中接口116。WCDMA可包括诸如高速分组接入(HSPA)和/或演进的HSPA(HSPA+)之类的通信协议。HSPA可包括高速下行链路(DL)分组接入(HSDPA)和/或高速上行链路(UL)分组接入(HSUPA)。
在一个实施方案中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可实现诸如演进的UMTS陆地无线电接入(E-UTRA)之类的无线电技术，其可使用长期演进(LTE)和/高级LTE(LTE-A)和/或高级LTE Pro(LTE-A Pro)来建立空中接口116。
在一个实施方案中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可实现诸如NR无线电接入之类的无线电技术，其可使用新无线电(NR)来建立空中接口116。
在一个实施方案中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可实现多种无线电接入技术。例如，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可例如使用双连接(DC)原理一起实现LTE无线电接入和NR无线电接入。因此，WTRU 102a、102b、102c所利用的空中接口可由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。
在其他实施方案中，基站114a和WTRU 102a、102b、102c可实现诸如IEEE 802.11(即，无线保真(WiFi))、IEEE 802.16(即，全球微波接入互操作性(WiMAX))、CDMA2000、CDMA2000 1X、CDMA2000 EV-DO、暂行标准2000(IS-2000)、暂行标准95(IS-95)、暂行标准856(IS-856)、全球移动通信***(GSM)、GSM增强数据率演进(EDGE)、GSM EDGE(GERAN)等无线电技术。
图1A中的基站114b可为例如无线路由器、家庭节点B、家庭演进节点B或接入点，并且可利用任何合适的RAT来促进诸如商业场所、家庭、车辆、校园、工业设施、空中走廊(例如，供无人机使用)、道路等局部区域中的无线连接。在一个实施方案中，基站114b和WTRU102c、102d可实现诸如IEEE 802.11之类的无线电技术以建立无线局域网(WLAN)。在一个实施方案中，基站114b和WTRU 102c、102d可实现诸如IEEE 802.15之类的无线电技术以建立无线个域网(WPAN)。在又一个实施方案中，基站114b和WTRU 102c、102d可利用基于蜂窝的RAT(例如，WCDMA、CDMA2000、GSM、LTE、LTE-A、LTE-A Pro、NR等)来建立微微小区或毫微微小区。如图1A所示，基站114b具有与互联网110的直接连接。因此，基站114b可不需要经由CN106/115访问互联网110。
RAN 104可与CN 106通信，该CN可以是被配置为向WTRU 102a、102b、102c、102d中的一者或多者提供语音、数据、应用和/或互联网协议语音技术(VoIP)服务的任何类型的网络。数据可具有不同的服务质量(QoS)要求，诸如不同的吞吐量要求、延迟要求、误差容限要求、可靠性要求、数据吞吐量要求、移动性要求等。CN 106可提供呼叫控制、账单服务、基于移动位置的服务、预付费呼叫、互联网连接、视频分发等，和/或执行高级安全功能，诸如用户认证。尽管未在图1A中示出，但RAN 104和/或CN 106可与采用与RAN 104相同的RAT或不同RAT的其他RAN进行直接或间接通信。例如，除了连接到可利用NR无线电技术的RAN 104之外，CN 106还可与采用GSM、UMTS、CDMA 2000、WiMAX、E-UTRA或WiFi无线电技术的另一RAN(未示出)通信。
CN 106也可充当WTRU 102a、102b、102c、102d的网关，以访问PSTN 108、互联网110和/或其他网络112。PSTN 108可包括提供普通老式电话服务(POTS)的电路交换电话网络。互联网110可包括使用常见通信协议(诸如传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)和/或TCP/IP互联网协议组中的互联网协议(IP))的互连计算机网络和设备的全球***。网络112可包括由其他服务提供商拥有和/或操作的有线和/或无线通信网络。例如，网络112可包括连接到一个或多个RAN的另一个CN，其可采用与RAN 104相同的RAT或不同的RAT。
通信***100中的一些或所有WTRU 102a、102b、102c、102d可包括多模式能力(例如，WTRU 102a、102b、102c、102d可包括用于通过不同无线链路与不同无线网络通信的多个收发器)。例如，图1A所示的WTRU 102c可被配置为与可采用基于蜂窝的无线电技术的基站114a通信，并且与可采用IEEE 802无线电技术的基站114b通信。
图1B是示出示例性WTRU 102的***图。如图1B所示，WTRU 102可包括处理器118、收发器120、发射/接收元件122、扬声器/麦克风124、小键盘126、显示器/触摸板128、不可移动存储器130、可移动存储器132、电源134、全球定位***(GPS)芯片组136和/或其他***设备138等。WTRU 102可包括前述元件的任何子组合，同时保持与实施方案一致。
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核心相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、任何其他类型的集成电路(IC)、状态机等。处理器118可执行信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理和/或任何其他功能，这些其他功能使WTRU 102能够在无线环境中工作。处理器118可耦合到收发器120，该收发器可耦合到发射/接收元件122。虽然图1B将处理器118和收发器120描绘为单独的部件，但处理器118和收发器120可在电子封装或芯片中集成在一起。
发射/接收元件122可被配置为通过空中接口116向基站(例如，基站114a)传输信号或从基站接收信号。例如，在一个实施方案中，发射/接收元件122可以是被配置为传输和/或接收RF信号的天线。在一个实施方案中，发射/接收元件122可以是被配置为传输和/或接收例如IR、UV或可见光信号的发射器/检测器。在又一个实施方案中，发射/接收元件122可被配置为传输和/或接收RF和光信号。发射/接收元件122可被配置为发射和/或接收无线信号的任何组合。
尽管发射/接收元件122在图1B中被描绘为单个元件，但是WTRU 102可包括任何数量的发射/接收元件122。例如，WTRU 102可采用MIMO技术。因此，在一个实施方案中，WTRU102可包括用于通过空中接口116传输和接收无线信号的两个或更多个发射/接收元件122(例如，多个天线)。
收发器120可被配置为调制由发射/接收元件122发射的信号并且解调由发射/接收元件122接收的信号。如上所指出，WTRU 102可具有多模式能力。因此，收发器120可包括多个收发器，以便使WTRU 102能够经由多种RAT(诸如NR和IEEE 802.11)进行通信。
WTRU 102的处理器118可耦合到扬声器/麦克风124、小键盘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)并且可从其接收用户输入数据。处理器118还可将用户数据输出到扬声器/麦克风124、小键盘126和/或显示器/触摸板128。此外，处理器118可从任何类型的合适存储器(诸如不可移动存储器130和/或可移动存储器132)访问信息，并且将数据存储在任何类型的合适存储器中。不可移动存储器130可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘或任何其他类型的存储器存储设备。可移动存储器132可包括用户身份模块(SIM)卡、记忆棒、安全数字(SD)存储卡等。在其他实施方案中，处理器118可从未物理上定位在WTRU 102上(诸如，服务器或家用计算机(未示出)上)的存储器访问信息，并且将数据存储在该存储器中。
处理器118可从电源134接收电力并可被配置为向WTRU 102中的其他部件分配和/或控制电力。电源134可以是用于为WTRU 102供电的任何合适的设备。例如，电源134可包括一个或多个干电池组(例如，镍镉(NiCd)、镍锌(NiZn)、镍金属氢化物(NiMH)、锂离子(Li-ion)等)、太阳能电池、燃料电池等。
处理器118还可耦合到GPS芯片组136，该GPS芯片组可被配置为提供关于WTRU 102的当前位置的位置信息(例如，经度和纬度)。除了来自GPS芯片组136的信息之外或代替该信息，WTRU 102可通过空中接口116从基站(例如，基站114a、114b)接收位置信息和/或基于从两个或更多个附近基站接收到信号的定时来确定其位置。在与实施方案保持一致的同时，WTRU 102可通过任何合适的位置确定方法来获取位置信息。
处理器118还可耦合到其他***设备138，该其他***设备可包括提供附加特征、功能和/或有线或无线连接的一个或多个软件模块和/或硬件模块。例如，***设备138可包括加速度计、电子指南针、卫星收发器、数字相机(用于照片和/或视频)、通用串行总线(USB)端口、振动设备、电视收发器、免提耳麦、模块、调频(FM)无线电单元、数字音乐播放器、媒体播放器、视频游戏播放器模块、互联网浏览器、虚拟现实和/或增强现实(VR/AR)设备、活动***等。***设备138可包括一个或多个传感器，该传感器可为以下一者或多者：陀螺仪、加速度计、霍尔效应传感器、磁力计、方位传感器、接近传感器、温度传感器、时间传感器；地理位置传感器；测高计、光传感器、触摸传感器、磁力计、气压计、手势传感器、生物识别传感器和/或湿度传感器。
WTRU 102(例如，WTRU 102a、102b、102c、102d中的一者或多者)可包括全双工无线电台，对于该全双工无线电台，一些或所有信号的发射和接收(例如，与用于UL(例如，用于发射)和DL(例如，用于接收)的特定子帧相关联)可以是并发的和/或同时的。全双工无线电台可包括干扰管理单元，该干扰管理单元用于经由硬件(例如，扼流圈)或经由处理器(例如，单独的处理器(未示出)或经由处理器118)进行的信号处理来减少和/或基本上消除自干扰。在一个实施方案中，WTRU 102可包括半双工无线电台，对于该半双工无线电台，发射和接收一些或所有信号(例如，与用于UL(例如，用于发射)或DL(例如，用于接收)的特定子帧相关联)。
图1C是示出根据一个实施方案的RAN 104和CN 106的***图。如上所述，RAN 104可采用E-UTRA无线电技术通过空中接口116与WTRU 102a、102b、102c通信。RAN 104还可与CN 106通信。
RAN 104可包括演进节点B 160a、160b、160c，但是RAN 104可包括任何数量的演进节点B，同时保持与实施方案一致。演进节点B 160a、160b、160c各自可包括一个或多个收发器以便通过空中接口116与WTRU 102a、102b、102c通信。在一个实施方案中，演进节点B160a、160b、160c可实现MIMO技术。演进节点B 160a例如可使用多个天线来向WTRU 102a发射无线信号和/或从WTRU 102a接收无线信号。
演进节点B 160a、160b、160c中的每一者可与特定小区(未示出)相关联，并且可被配置为处理无线电资源管理决策、切换决策、UL和/或DL中的用户的调度等。如图1C所示，演进节点B 160a、160b、160c可通过X2接口彼此通信。
图1C所示的CN 106可包括移动性管理实体(MME)162、服务网关(SGW)164和分组数据网络(PDN)网关(或PGW)166。虽然这些元件中的每一者被描绘为CN 106的一部分，但是这些元件中的任何元件可由除CN运营商之外的实体拥有和/或操作。
MME 162可经由S1接口连接到RAN 104中的演进节点B 162a、162b、162c中的每一者，并且可用作控制节点。例如，MME 162可负责认证WTRU 102a、102b、102c的用户、承载激活/去激活、在WTRU 102a、102b、102c的初始附加期间选择特定服务网关等。MME 162可提供用于在RAN 104和采用其他无线电技术(诸如GSM和/或WCDMA)的其他RAN(未示出)之间进行切换的控制平面功能。
SGW 164可经由S1接口连接到RAN 104中的演进节点B 160a、160b、160c中的每一者。SGW 164通常可向/从WTRU 102a、102b、102c路由和转发用户数据分组。SGW 164可执行其他功能，诸如在演进节点B间切换期间锚定用户平面、当DL数据可用于WTRU 102a、102b、102c时触发寻呼、管理和存储WTRU 102a、102b、102c的上下文等。
SGW 164可连接到PGW 166，该PGW可向WTRU 102a、102b、102c提供对分组交换网络(诸如互联网110)的访问，以促进WTRU 102a、102b、102c和启用IP的设备之间的通信。
CN 106可有利于与其他网络的通信。例如，CN 106可为WTRU 102a、102b、102c提供对电路交换网络(诸如，PSTN 108)的访问，以有利于WTRU 102a、102b、102c与传统传统陆线通信设备之间的通信。例如，CN 106可包括用作CN 106与PSTN 108之间的接口的IP网关(例如，IP多媒体子***(IMS)服务器)或者可与该IP网关通信。另外，CN 106可向WTRU 102a、102b、102c提供对其他网络112的访问，该其他网络可包括由其他服务提供商拥有和/或运营的其他有线和/或无线网络。
尽管WTRU在图1A至图1C中被描述为无线终端，在一些实施方案中，此类终端可(例如，临时或永久)使用与通信网络的有线通信接口。
在一些实施方案中，其他网络112可以是WLAN。
处于基础结构基本服务集(BSS)模式的WLAN可具有用于BSS的接入点(AP)以及与AP相关联的一个或多个站点(STA)。AP可具有至分配***(DS)或将流量携带至和/或携带流量离开BSS的另一种类型的有线/无线网络的接入或接口。源自BSS外部并通向STA的流量可通过AP到达并且可被传递到STA。源自STA并通向BSS外部的目的地的流量可被发送到AP以被传递到相应目的地。BSS内的STA之间的流量可通过AP发送，例如，其中源STA可向AP发送流量，并且AP可将流量传递到目的地STA。BSS内的STA之间的流量可被视为和/或称为点对点流量。可利用直接链路建立(DLS)在源和目的地STA之间(例如，直接在它们之间)发送点对点流量。在一个或多个实施方案中，DLS可使用802.11e DLS或802.11z隧道DLS(TDLS)。使用独立BSS(IBSS)模式的WLAN可不具有AP，并且IBSS内或使用IBSS的STA(例如，所有STA)可彼此直接通信。IBSS通信模式在本文中有时可称为“ad-hoc”通信模式。
当使用802.11ac基础结构操作模式或相似操作模式时，AP可在固定信道(诸如主信道)上传输信标。主信道可为固定宽度(例如，20MHz宽带宽)或经由信令动态设置的宽度。主信道可为BSS的操作信道，并且可由STA用来建立与AP的连接。在一个或多个实施方案中，可例如在802.11***中实现载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)。对于CSMA/CA，STA(例如，每个STA)(包括AP)可侦听主信道。如果主信道被特定STA侦听/检测和/或确定为繁忙，则特定STA可退避。一个STA(例如，仅一个站)可在给定BSS中在任何给定时间传输。
高吞吐量(HT)STA可使用40MHz宽的信道进行通信，例如，经由主20MHz信道与相邻或不相邻的20MHz信道的组合以形成40MHz宽的信道。
极高吞吐量(VHT)STA可支持20MHz、40MHz、80MHz和/或160MHz宽的信道。40MHz和/或80MHz信道可通过组合连续的20MHz信道来形成。可通过组合8个连续的20MHz信道，或通过组合两个非连续的80MHz信道(这可被称为80+80配置)来形成160MHz信道。对于80+80配置，在信道编码之后，数据可通过可将数据分成两个流的段解析器。可单独地对每个流进行快速傅里叶逆变换(IFFT)处理和时间域处理。可将这些流映射到两个80MHz信道，并且可通过发射STA来传输数据。在接收STA的接收器处，可颠倒上述用于80+80配置的操作，并且可将组合的数据发送到介质访问控制(MAC)。
802.11af和802.11ah支持低于1GHz的操作模式。相对于802.11n和802.11ac中使用的那些，802.11af和802.11ah中减少了信道操作带宽和载波。802.11af支持电视白空间(TVWS)频谱中的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。根据一个实施方案，802.11ah可支持仪表类型控制/机器类型通信，诸如宏覆盖区域中的MTC设备。MTC设备可具有某些能力，例如有限的能力，包括支持(例如，仅支持)某些带宽和/或有限的带宽。MTC设备可包括电池寿命高于阈值(例如，以保持非常长的电池寿命)的电池。
可支持多个信道的WLAN***以及诸如802.11n、802.11ac、802.11af和802.11ah之类的信道带宽包括可被指定为主信道的信道。主信道可具有等于由BSS中的所有STA支持的最大公共操作带宽的带宽。主信道的带宽可由来自在BSS中操作的所有STA的STA(其支持最小带宽操作模式)设置和/或限制。在802.11ah的示例中，对于支持(例如，仅支持)1MHz模式的STA(例如，MTC型设备)，主信道可为1MHz宽，即使AP和BSS中的其他STA支持2MHz、4MHz、8MHz、16MHz和/或其他信道带宽操作模式。载波侦听和/或网络分配向量(NAV)设置可取决于主信道的状态。如果主信道繁忙，例如，由于STA(仅支持1MHz操作模式)正在向AP传输，即使大多数频段保持空闲并且可能可用，整个可用频段也可被视为繁忙。
在美国，可供802.11ah使用的可用频段为902MHz至928MHz。在韩国，可用频段为917.5MHz至923.5MHz。在日本，可用频段为916.5MHz至927.5MHz。802.11ah可用的总带宽为6MHz至26MHz，具体取决于国家代码。
本文参照以下中的一者或多者描述的功能中的一个或多个功能或全部功能可由一个或多个仿真设备(未示出)执行：WTRU 102a-d、基站114a-b、演进节点B 160a-c、MME162、SGW 164、PGW 166、gNB 180a-c、AMF 182a-b、UPF 184a-b、SMF 183a-b、DN 185a-b和/或本文所述的任何其他设备。仿真设备可以是被配置为模仿本文所述的一个或多个或所有功能的一个或多个设备。例如，仿真设备可用于测试其他设备和/或模拟网络和/或WTRU功能。
仿真设备可被设计为在实验室环境和/或运营商网络环境中实现其他设备的一个或多个测试。例如，该一个或多个仿真设备可执行一个或多个或所有功能，同时被完全或部分地实现和/或部署为有线和/或无线通信网络的一部分，以便测试通信网络内的其他设备。该一个或多个仿真设备可执行一个或多个功能或所有功能，同时临时被实现/部署为有线和/或无线通信网络的一部分。仿真设备可直接耦合到另一个设备以用于测试目的和/或可使用空中无线通信来执行测试。
该一个或多个仿真设备可执行一个或多个(包括所有)功能，同时不被实现/部署为有线和/或无线通信网络的一部分。例如，仿真设备可在测试实验室和/或非部署(例如，测试)有线和/或无线通信网络中的测试场景中使用，以便实现一个或多个部件的测试。该一个或多个仿真设备可为测试设备。经由RF电路(例如，其可包括一个或多个天线)进行的直接RF耦合和/或无线通信可由仿真设备用于传输和/或接收数据。
具体实施方式
本发明描述了用于提供3D显示器诸如光场显示器的***和方法。在一些实施方案中，光学***的光学方法和构造生成了具有交叉光束的高分辨率3D LF图像。光从包含可单独寻址的光源或像素的层(例如，μLED矩阵或OLED显示器)发射。会聚透镜结构(例如，聚碳酸酯透镜状片材)与发射器重叠。会聚透镜结构将光聚焦成一组光束。单独的光转向层或元件可用于使光束朝向周期性光学层上的特定位置倾斜。在一些实施方案中，可以使用非机械光束转向部件，例如包括液晶材料和基于偏振切换或电润湿微棱镜的聚合物微棱镜片材的混合结构。周期性层特征结构可被配置为改变每个光束的焦点距离，并且可用于产生一系列固定焦平面。周期性层可被制造为例如具有由UV可固化材料制成的光学形状的聚碳酸酯片材或具有压印衍射结构的薄片。在一些实施方案中，LF显示***中的空间多路复用可通过使用包含多个光源的投影仪单元来提供。可通过使用光转向层在不同投影焦距之间切换来提供时间多路复用。
在一些实施方案中，光学***可使用交叉光束来形成体素。在一些实施方案中，体素可形成在距显示器表面的离散距离处。体素可例如在显示器表面的前面、后面和/或上面形成。发射光束可聚焦到距光学结构的不同距离处，并且根据距离在不同尺寸的区域中对光源进行成像。可使用单个光束来为单只眼睛生成正确的视网膜聚焦提示。在正确的体素距离处交叉的多个光束可用于为两只眼睛生成完整体素，以及用于产生正确的眼睛会聚角。这些视网膜聚焦提示和会聚角可单独创建。该配置可克服视觉辐辏-调节冲突(VAC)。这些光源矩阵、聚焦透镜、光转向层和周期性层可被配置为形成能够在显示器周围的3D空间中生成若干虚拟焦面的***。
在一些实施方案中，光学方法基于使用一个或多个光转向层或元件以及周期性聚焦层。光从单独可控的小型发射器发射。光学层可用于将光准直或会聚成光束。在一些实施方案中，光学层包括微透镜。光转向层和光学特征结构的周期性层的组合可用于将光束聚焦到多个焦点层。两个或更多个交叉光束可用于引发眼睛会聚。该配置可形成不与聚焦提示相矛盾的体素。
一些实施方案提供了创建显示器(诸如光场(LF)显示器)的能力，该显示器能够呈现3D图像的多个焦平面，同时克服视觉辐辏-调节冲突(VAC)问题。一些实施方案提供了在不需要移动部件的情况下创建显示器(诸如具有薄光学器件的光场显示器)的能力。在一些实施方案中，可以使用液晶技术来产生非机械光束转向层。
在一些实施方案中，一种方法包括使用光束转向光学元件和周期性或重复聚焦层来改变光投影的焦深。
一些实施方案提供了一种能够在多个焦平面上产生图像的显示器，该显示器使用周期性光学结构，而不需要光学器件前面的空间光调制层。一些此类实施方案可降低光学硬件和/或电子器件的复杂性。与例如利用充当自适应掩模并衰减大量光的空间光调制器的配置相比，此类实施方案可允许更好的光学效率和能量节省。
图2描绘了朝向相应观看者或用户的各种光发射角。例如，图2示出了来自LF显示器200的虚拟对象点202的光发射角的几何形状的视图。显示器/触摸板128可包括LF显示器200。图2中的LF显示器200在单个平坦形状因数面板中产生所需的视网膜聚焦提示和3D内容的多个视图。单个3D显示器200向单个用户212的两只眼睛投影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，这基于三角测量和瞳孔间距。为了提供这种效果，将至少两个视图投影到单个用户视角(SVA)204中，如图2所示。在至少一个实施方案中，LF显示器200朝单个眼睛瞳孔投影至少两个不同的视图以便提供正确的视网膜聚焦线索。出于光学设计目的，当确定在其中形成可视图像的空间的体积时，可在观看者眼睛瞳孔周围表征眼盒。参见例如图2所示的眼盒宽度206。在LF显示器200的一些实施方案中，至少两个部分重叠的视图以已知的观看距离214投影在由眼盒覆盖的眼盒角(EBA)208内。在一些实施方案中，LF显示器200被从不同视角观看显示器的多个观看者212观看。在此类实施方案中，将相同3D内容的若干不同视图投影到观看者212，从而覆盖整个预期多用户观看角度(MVA)210。
图2示出了LF显示器200可有利地同时覆盖三个不同的角度范围：一个范围用于覆盖单只眼睛的瞳孔，一个范围用于覆盖单个用户的两只眼睛，并且一个范围用于多个观看者212。在这三个角度范围中，后两者可例如通过在透镜状或视差屏障结构下使用若干发光像素或通过使用具有公共屏幕的若干投影仪来解决。此类技术可适用于创建相对较大的光发射角，该光发射角用于创建多个视图。解决覆盖眼睛瞳孔的范围以便产生正确的视网膜聚焦提示并克服视觉辐辏-调节冲突(VAC)可产生更有利的结果。
VAC是当前立体3D显示器的一个问题。平坦形状因数LF 3D显示器可通过同时产生正确的眼睛会聚和正确的聚焦角度两者来解决该问题。在当前消费者显示器中，图像点位于显示器的表面上，并且仅需要对两只眼睛可见的一个受照像素来正确地表示该点。两只眼睛聚焦并会聚到同一点。就视差屏障3D显示器而言，两个像素簇受照以正确地表示该单个点。此外，以这样的方式控制来自这两个空间上分离的像素簇的光线的方向，使得所发射的光仅对正确的眼睛可见，从而使得眼睛能够会聚到同一单个虚拟点。
能够同时产生眼睛会聚(CA)角318和视网膜聚焦(FA)角320两者的平坦形状因数高质量LF 3D显示器可提供更理想的效果。图3A至图3D示出了四种不同3D图像内容情况中的这些角318、320。在图3A所示的第一种情况下，单个图像点304位于LF显示器200的表面上，并且仅需要对两只眼睛302可见的一个受照显示器像素。两只眼睛聚焦并会聚在同一点304上。在第二种情况下，如图3B所示，其中虚拟图像点(体素)306在LF显示器200后面，并且两个像素簇308受照。此外，以这样的方式控制来自这两个显示器像素簇308的光线的方向，使得所发射的光仅对正确的眼睛可见，从而使得眼睛能够会聚到同一单个虚拟点306。在如图3C所示的第三种情况下，虚拟图像在屏幕后面的无限距离310处有效地会聚，并且仅平行光线或光束322从显示器表面从两个像素簇312发射。在如图3D所示的最后一种情况下，图像点或体素314在显示器的前面，两个像素簇316被激活，并且所发射的光束在它们聚焦的同一点314处交叉。在最后三种呈现的一般化情况下，对发射的光的空间和角度控制均由LF显示器200使用，以便创建会聚角318和聚焦角320两者以用于对3D图像内容的自然眼睛响应。
平板型多视图LF显示器200可独自实现空间多路复用。发光像素(LF子像素)的行或矩阵可位于双凸透镜片或微透镜阵列后面，并且每个像素可投影到显示结构前面的独特观看方向或一组有限的观看方向。随着每个光束准直或会聚特征结构后面的发光层上存在更多像素，可以生成更多视图。可以在所生成的独特视图的数量与空间分辨率之间进行权衡。如果3D显示器期望较小的LF像素尺寸，则可减小单个子像素的尺寸；或者另选地，可生成较少数量的观看方向。由于缺乏合适的部件，子像素尺寸可限于相对较大的区域。期望既具有高空间分辨率又具有高角分辨率的高质量LF显示器200。在满足SMV条件时，期望高角分辨率。
为了通过利用交叉光束在具有足够分辨率的不同焦平面上产生3D LF图像，每个光束有利地良好准直或以窄直径会聚。在一些实施方案中，准直或会聚的水平与正在显示的焦平面的位置相关。例如，光束可以是基本上准直的或会聚的，但对于显示器后面的焦平面的显示是略微发散的，并且光束可以是基本上准直的，但对于显示器前面的焦平面的显示是略微会聚的。
光束腰可有利地定位在其中光束交叉的相同区域处，以避免与眼睛的聚焦提示相矛盾。如果光束直径较大，则在光束交叉中形成的体素作为较大的斑点或区域被成像到眼睛视网膜上。较大的发散值(对于显示器和观看者之间的中间图像)导致光束随着体素与眼睛之间的距离变小而变宽。距离越小，眼睛的分辨率越高。然而，随着距离变小，虚拟焦平面的空间分辨率变差。定位在显示器表面后面的体素形成有所发射的光束的虚拟延伸部，并且更宽的光束可能是可以接受的，因为眼睛的分辨率在较远的距离处也会变差。为了在显示器表面的前面和后面均具有高分辨率，可利用具有可调节焦点的单独光束。在没有可调节焦点的情况下，光束具有设定了最小可实现的体素尺寸的单个固定焦点。因为在较远距离处眼睛分辨率较低，所以可允许光束的虚拟延伸部在显示器后面变宽，并且可将光束焦点设定为3D图像的最近指定的观看距离。在一些实施方案中，焦面分辨率也可在整个体积中平衡，其中通过组合若干相邻光束以试图使体素尺寸均匀来形成图像。
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数：光源的尺寸和透镜的焦距。只有在单色点光源(PS)402恰好位于距理想正透镜的焦距距离处(诸如图4A的顶部所示)的理论情况下，才能实现没有任何光束发散的完美准直408。遗憾的是，真实光源具有从其发射光的有限表面区域，使得它们扩展光源(ES)404。当光源的每个点通过透镜单独成像时，总光束最终成为一组准直或会聚的子光束，这些子光束在透镜之后或之外沿着稍微不同的方向传播。如图4A所示，较小的扩展光源404具有较小的总光束发散410，而较大的扩展光源406具有较大的总光束发散412，因此总光束发散随扩展光源的尺寸而增大。这种几何因数无法通过任何光学手段来避免，并且是导致相对较大的光源的光束发散的主要特性。
引起光束发散的另一个非几何特征是衍射。衍射包括当光的波遇到障碍物或狭缝时发生的各种现象。其可被描述为围绕光圈拐角将光弯曲到几何阴影区域中。衍射效应可见于所有成像***中，并且即使采用能够平衡所有光学像差的完美镜片设计也不能去除。能够达到最高光学质量的透镜通常被称为衍射受限透镜，因为保留在图像中的大多数模糊来自衍射。用衍射受限透镜可实现的角分辨率可通过公式sinθ＝1.22*λ/D计算，其中λ为光的波长，并且D为透镜的入射光瞳的直径。因此，光的颜色和透镜孔径尺寸对衍射量具有影响。图4B示出了当透镜孔径尺寸减小时光束发散如何增大的表示。该效应可被表述为成像光学设计中的一般原理：如果设计受到衍射限制，则提高分辨率的方式是使孔径变大。衍射是在相对较小的光源下引起光束发散的主要特征。
如图4A所示，扩展光源的尺寸对可实现的光束发散具有很大影响。光源几何形状或空间分布被映射到光束的角分布，如在光源透镜***的所得远场图案中可见。如果准直透镜或会聚透镜定位在距光源的一定焦距处，则将该光源成像至距透镜相对较大的距离，并且可根据***放大率来确定图像的尺寸。就简单成像透镜而言，该比率可通过将透镜与图像之间的距离除以光源与透镜之间的距离来计算，如图5所示。如果光源与透镜之间的距离是固定的，则可通过用透镜曲率改变透镜的光焦度来实现不同的图像距离。随着图像距离与透镜焦距相比变得更大，透镜光焦度的所需变化变得更小，接近其中透镜有效地将所发射光的准直或会聚成光束的情况，该光束将光源的空间分布映射到角分布中，并且在不聚焦的情况下形成光源图像。
在平坦形状因数无防护眼镜LF显示器中，LF像素投影透镜可具有非常小的焦距，以便实现平坦结构并且允许来自单个LF像素的光束投影到相对大的观看距离。因此，当光束传播到观看者时，光源可以高放大率被有效地成像。例如，如果光源尺寸为50μm×50μm，投影透镜焦距为1mm，观看距离为1m，则所得放大率为1000∶1，并且光源几何图像的尺寸为50mm×50mm。因此，在该50mm直径的眼盒内部只能用一只眼睛看到单个光发射器。如果光源具有100μm的直径，则所得图像将为100mm宽，并且相同像素可同时对两只眼睛可见，因为眼睛瞳孔之间的平均距离仅为64mm。将不会形成立体3D图像，因为两只眼睛将看到相同图像。示例性计算示出了几何参数诸如光源尺寸、透镜焦距和观看距离如何彼此相关。
当光束从LF显示器像素投影时，发散导致光束扩展。该发散不仅适用于从显示器朝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，该虚拟光束会聚到接近显示器表面的单个虚拟焦点。就多视图显示器而言，这种发散可能是有用的，因为发散扩展了眼盒的尺寸。提供不超过两只眼睛之间的距离的光束尺寸可用于打破立体效果。当在虚拟焦平面中创建具有两个或更多个在显示器表面之外的任何位置处的交叉光束的体素时，光束可实现的空间分辨率随着发散增大而减小。如果观看距离处的光束尺寸大于眼睛瞳孔的尺寸，则瞳孔变成光学***的限制孔径。
在LF显示器的设计中利用几何效应和衍射效应以便实现体素分辨率的最佳解决方案。利用非常小的光源，光学***测量值变得更接近光的波长，并且衍射效应变得更显著。图6A至图6D示出了几何效应和衍射效应如何在一个和两个扩展光源以固定放大率成像到固定距离的情况下一起工作的示例。图6A描绘了透镜602，其中透镜孔径尺寸相对较小，为5μm，并且几何图像(GI)604被来自衍射的模糊包围，从而使衍射图像(DI)606大得多。图6B示出了并排放置并且用相同的小孔径(5μm)透镜成像的两个扩展光源404。即使两个光源404的GI 608、610是明显分开的，但因为衍射图像612、614重叠，所以也不能解析两个光源图像。实际上，减小光源尺寸将不会改善可实现的体素分辨率，因为无论是使用两个单独的光源还是使用覆盖两个单独发射器的区域的一个较大光源，所得的光源图像尺寸都是相同的。为了将两个光源图像解析为单独的像素/体素，增加成像透镜的孔径尺寸可能是有利的。图6C示出了相同焦距的透镜616，但其具有更大的孔径(5μm)，用于对扩展光源404进行成像。在这种情况下，衍射减小，并且DI 620仅略大于GI 618，该GI未改变，因为放大率是固定的。在图6D中，因为DI 626、628不再重叠，所以现在可以解析两个GI 622、624。在该配置中，使用两种不同的光源改善了体素网格的空间分辨率。
基于交叉光束的LF显示器的光学设计特征
一些实施方案提供了创建显示器的能力。在一些实施方案中，显示器可用作光场显示器200，其能够呈现3D图像的多个焦平面，同时解决视觉辐辏-调节冲突(VAC)问题。
在一些实施方案中，LF显示器200在3D显示器和观看者之间没有光散射介质的情况下朝观看者的双眼投影发射器图像。为了通过创建位于显示器表面之外的体素来创建立体图像，LF显示器200可被配置为使得与该体素相关联的显示器内部的发射器不能同时对两只眼睛可见。因此，发射的光束簇的视场(FOV)可覆盖两只眼睛。单个光束可具有在观看距离处比两个瞳孔之间的距离(例如，平均～64mm)更窄的FOV。一个显示器区段的FOV以及单个发射器的FOV可受到发射器行/发射器的宽度和成像光学器件的放大率的影响。仅当光束在焦点之后继续传播并进入眼睛瞳孔时，用聚焦光束创建的体素才可能对眼睛可见。体素的FOV可以有利地同时覆盖两只眼睛。如果体素仅对单只眼睛可见，则可能无法形成立体效果，并且可能无法看到3D图像。因为单个显示器发射器一次可能仅对一只眼睛可见，所以通过在人类视觉暂留(POV)时间范围内将来自多于一个显示器发射器的多个交叉光束引导到相同体素来增大体素FOV可能是有利的。在一些实施方案中，总体素FOV是单个发射器光束FOV的总和。
为了使局部光束簇FOV在其相关联的指定观看距离处重叠，一些实施方案可以包括具有固定半径的曲面显示器702。在一些实施方案中，可例如使用平坦菲涅耳透镜片材将所投影光束方向朝向特定点。如果FOV未被配置为重叠，则可不形成3D图像的一些部分。由于显示器的实际尺寸限制和可能焦距的实际限制，图像区域可形成于显示器的前面和/或后面，该显示器对应于其中3D图像可见的区域。图7为可利用3D LF显示器702使用交叉光束实现的示例性观看几何形状的表示。在曲面显示器702的前面，3D图像区域704的边缘可以是距具有适当空间分辨率的显示器的最远焦距。图像区域704也可能受整个显示器702的FOV 708限制。为了在最小图像距离714处获得最高分辨率，显示器702的光学特征可被设计成将光源图像聚焦到该图像区域704的最远边缘。在一些实施方案中，显示器后面的另一图像区域706可由所发射的光束的虚拟延伸部形成。在一些实施方案中，因为观看者被定位成更远，并且因为眼睛分辨率在更远的距离处可能更低，所以显示器702后面的体素可具有更大的允许尺寸。在一些实施方案中，可基于能够用波束虚拟延伸部实现的最小可接受分辨率来选择最远图像距离718。
图7描绘了根据一些实施方案的3D光场显示器的示例性观看几何形状。图7所描绘的显示器702的表面为曲面的，其半径与指定的观看距离716相同。在该示例中，重叠的光束簇FOV形成了围绕观看者712的面部区域的观看区域710。该观看区域710的尺寸可影响允许观看者头部移动的量。同时位于该区域内的两个瞳孔使立体图像成为可能。可以通过改变光束簇FOV来选择观看区域的尺寸。图8A和图8B示出了两种不同的示例性观看几何形状情况的表示。如图8A所示，单个观看者802被示出为位于具有对应观看几何形状的显示器702前方，其中较小观看区域804覆盖了两只眼睛的瞳孔，这可使用窄光束簇FOV 806来实现。观看区域804的最小功能宽度可能受到眼睛瞳孔距离的影响。例如，平均瞳孔距离720可为～64mm，诸如图7所示。较小宽度还可能意味着观看距离变化的较小公差，因为窄FOV往往会随着最佳观看位置的前方和后方的距离增加而快速地彼此分离。具有较宽光束簇FOV 808的观看几何形状在图8B中示出。该观看几何形状可促进较大观看区域810内和/或不同观看距离处的多个观看者802。在该示例中，位置公差可能较大。
可通过增大每个显示器光束簇的FOV来增大观看区域。例如，增加光发射器行的宽度或通过改变光束准直或会聚光学器件的焦距可增大FOV。较小的焦距可导致较大的体素，因此增加焦距可能实现更高的分辨率。可以在光学设计参数与设计需要之间进行权衡。因此，不同的用例可在这些因素之间不同地平衡。
μLED光源在显示器应用中的技术现状
一些实施方案利用μLED。μLED是以与标准LED相同的基本技术并且由与标准LED相同的材料制造的LED，但μLED是常用部件的小型化版本并且可被制成尺寸小至1μm至10μm。致密矩阵的一个示例具有以3μm间距组装的2μm×2μm芯片。μLED已被用作TV中的背光源部件。当与OLED相比时，μLED是更加稳定的部件并且可达到非常高的光强度。
裸露的μLED芯片可发射光谱宽度为～20nm至30nm的特定颜色。可通过用荧光粉层涂覆芯片来创建白色光源，该荧光粉层将由蓝色或UV μLED发射的光转换成更宽的白光发射光谱。还可通过并排放置单独的红色、绿色和蓝色μLED芯片来创建全色光源，因为当人类视觉***组合单独的颜色发射时，这三种原色的组合会产生全色像素的感觉。前述致密矩阵促进了制造总宽度低于10μm(3×3μm间距)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-光效率的参数中的一个参数。若干方法旨在提高提取效率，从而促进基于LED的光源尽可能有效地使用可用电能，这对于例如具有有限电源的移动设备非常有用。一些方法利用直接集成在LED芯片顶部上的成形塑料光学元件。由于较低的折射率差值，与被空气包围的芯片相比，塑料元件的集成从芯片材料中提取了更多的光。塑料元件还以增强从塑料元件的光提取并使发射图案更具方向性的方式引导光。其他方法(诸如见于美国专利7,518,149中的方法)使芯片自身成形为有利于光发射角的形式，这些光发射角更垂直于半导体芯片的正面，并且光更易于逸出高折射率材料。这些结构还引导从芯片发射的光。在后一种情况下，当与常规μLED相比时，提取效率估计为两倍高。与光均匀分布到周围半球的标准芯片朗伯分布相比，30°的发射锥体发射的光要多得多。
3D显示器应用中的非机械光束转向部件
在一些实施方案中，可实现电润湿单元以用于非机械光束转向。电润湿单元可被配置为形成可调谐微棱镜，该微棱镜可用于例如通过使用以下文献中讨论的技术以高切换速度(～ms)在相对较大的角度范围(例如±7°)内提供光束的连续扫描：Neil R.Smith、DonC.Abeysinghe、Joseph W.Haus和Jason Heikenfeld，“Agile wide-angle beam steeringwith electrowetting microprisms”，Optics Express，第14卷，第14期，第6557-6563页(2006年)。由电润湿单元方法提供的偏振独立性可用于实现部件的更高光学效率。在一些实施方案中，可使用以下技术来实现电润湿单元，所述技术包括例如见于加拿大专利CA2905147中的用于在2D和3D显示模式之间切换的技术，以及见于WO2008142156中的用于定向背光源***中的光束转向的技术。在一些实施方案中，可例如通过使用以下文献中所述的技术来实现电润湿以用于形成多视图显示***的透镜结构：J.Kim、D.Shin、J.Lee、G.Koo、C.Kim、J-H.Sim、G.Jung、Y-H.Won，“Electro-wetting lenticular lens withimproved diopter for 2D and 3D conversion using lens-shaped ETPTA chamber”，Opt.Express，第26卷，第15期，第19614-19626页(2018年)。
在一些实施方案中，基于利用液晶(LC)材料的部件和***被实现用于非机械光束转向。作为高度双折射材料，LC层在两个正交的方向上具有不同的折射率。当与聚合物微棱镜一起实现时，该特性可能是有用的，例如通过使用如以下文献中所述的技术：H.Wang、O.Yaroshchuk、X.Zhang、Z.Zhuang、P.Surman、X.Wei Sun、Y.Zheng，“Large-aperturetransparent beam steering screen based on LCMPA”，Applied Optics，第55卷，第28期(2016年)。如H.Wang等人(2016年)所述，聚合物微棱镜用于在具有包含两个LC层的结构的两个光束转向状态之间切换。第一有源LC层被夹在例如包含电极的两个玻璃片材之间。在玻璃或聚合物基底与聚合物微棱镜片材之间形成第二无源层。当施加电压时，有源LC层在与光传播垂直的方向上将入射光束线性偏振扭转90°来引发切换。该扭转选择在***的第二部分中使用双折射无源LC层的哪个折射率。在转向***的第一状态下，无源LC层和微棱镜聚合物材料之间的折射率差值非常小以至于不发生光弯曲，而在第二状态下，折射率差值使得光线在界面处弯曲成预先确定的角度。该角度通常较小(～1°)，但在一些实施方案中可通过采用各种技术来增大该角度。例如，光线可通过例如在LC层之后添加全息光栅而被弯曲成较大角度，例如通过使用以下文献中所述的技术：P.McManamon、P.Bos、M.Escuti、J.Heikenfeld、S.Serati、H.Xie、E.Watson.“A Review of Phased Array Steering forNarrow-Band Electrooptical Systems”，Proceedings of the IEEE，第97卷，第6期(2009年)。在一些实施方案中，可增大角度的另一种方式是通过堆叠若干基于偏振的光束转向部件，达到大至例如±15°的角度，如例如WO2011014743中所述。
显示器行业已使用液晶显示器(LCD)数十年。经过如此漫长的研究，LCD材料特性和加工方法已经众所周知。基于LC的光束转向方法的一个优点是，可以用当前可用的制造技术和装备相当容易地生产部件，从而使大量低成本制造成为可能。不需要机械移动来引发光束转向也是有利于在3D显示器中使用此类技术的一个因素。使用线性偏振光的缺点是降低了***的光学效率并增加了功耗。因为当前的LCD显示器已经是偏振相关***，所以可以更易于集成新的转向部件而没有高效率成本。此外，代替更常见的向列型相晶体，一些实施方案可以利用胆甾型LC，其可以用于光束转向而没有偏振依赖性。胆甾型LC的使用可例如通过使用以下文献中讨论的技术来实现：Shang X、Meeus L、Cuypers D、De Smet H“Fastswitching cholesteric liquid crystal optical beam deflector with polarizationindependence”，Scientific Reports，第7卷，第1期，第6492页(2017年7月26日)。此类实施方案可增加包括例如OLED或μLED的显示面板的部件透射率。
在一些实施方案中，LC部件可例如通过使用美国专利9,664,914中讨论的技术实现为可电切换的视差屏障，其中当LC层被激活时，实现黑色光栅结构以阻挡一些显示器像素视图方向。该配置可产生能够显示给观看者的两只眼睛的不同图像。在没有激活的光栅的情况下，显示器可用作正常2D显示器。LC层还可用于通过使用例如美国专利9,709,851中讨论的技术用电流重新定向LC材料分子中的一些分子来在致密像素矩阵的顶部上形成双凸透镜结构。此类配置可利用特殊的电极设计，但也可用于在2D和3D模式之间切换，因为这些LC透镜将像素图像投影到不同的观看方向。在3D模式下，可获得具有较低空间分辨率成本的多个视图，因为在创建多视图图像时仅使用空间多路复用。一些实施方案可采用通过显示器表面扫描电形成的双凸液晶透镜，使用诸如以下文献中讨论的技术：Y-P.Huang、C-W.Chen、T-C.Shen、J-F.Huang，“Autostereoscopic 3D Display with Scanning Multi-Electrode Driven Liquid Crystal(MeD-LC)Lens”，3D Research，第1卷，第1期，第39-42页(2010年)。此类实施方案可促进时间复用。例如，与扫描动作同步的像素可以在单个扫描时间段内被激活若干次，从而创建若干个附加视图。一些实施方案可以采用混合***，其中光束转向LC元件在刚性聚合物透镜状片材结构之前或之后使用。此类混合***的示例在WO2012025786和Xiangyu Zhang、Hongjuan Wang、Phil Surman、Yuanjin Zheng，“A NovelSpatio-temporal Multiplexing Multi-view 3D Display”IEEE Conference on Lasersand Electro-Optics Pacific Rim(CLEO-PR)，(2017)中有所讨论。此类混合***可促进在由像素位置和透镜状光学器件确定的方向之间创建附加角视图方向。在一些此类实施方案中，时间复用可与3D多视图显示器中的空间复用一起使用。在一些实施方案中，基于LC的光束转向屏幕部件可以类似的方式与多个投影仪一起使用，例如通过使用在以下文献中讨论的技术：X.Xia、X.Zhang、L.Zhang、P.Surman和Y.Zheng，“Time-multiplexed Multi-viewThree-dimensional Display with Projector Array and Steering Screen”，OpticsExpress，第26卷，第12期，第15528-15538页(2018年)。
除了光束角转向之外，具有混合结构的电润湿单元和基于LC的部件均可用于调节光束焦点而无需机械移动。可在一些实施方案中实现的电润湿单元的示例包括在美国专利6,369,954和以下文献中讨论的那些：K.Mishra、H.van den Ende、F.Mugele，“RecentDevelopments in Optofluidic Lens Technology”，Micromachines，第7卷，第6期，第102页(2016年)。可在一些实施方案中实现的混合结构的示例在美国专利7,408,601、美国专利9,709,829和WO2016135434中有所讨论。
在一些实施方案中，可在头戴式设备中利用电子焦点调节，例如，其中立体3D显示虚拟图像可移动到距眼睛的不同焦距，例如，通过使用以下文献中讨论的技术：G.Love、D.Hoffman、P.Hands、J.Gao、A.Kirbv和M.Banks，“High-speed switchable lens enablesthe development of a volumetric stereoscopic display”，Opt Express，第17卷，第18期，第15716-15725页(2009年)。这样，可使图像看起来更自然。在一些实施方案中，光束焦点调节可用于无防护眼镜3D显示器中，例如，通过调节所投影图像焦表面的位置或形状，如在以下文献中所述：N.Matsuda、A.Fix、D.Lanman，“Focal Surface Displays”，ACMTransactions on Graphics，第36卷，第4期，第1-14页(2017年)。在本文所述的实施方案中，焦点调节可提供改变整个投影图像或单独调节多个光束的焦点的能力。
示例性光学结构和功能
一些实施方案提供了光学***的光学方法和装置，该光学***可用于创建具有交叉光束的高分辨率3D LF图像。图9描绘了根据一些实施方案的3D LF显示器200的光生成模块900。如图9中的示例所示，利用单独可控的光发射器904、906、908、910、912、914、916(诸如μLED)从发光层902发射光。覆盖发光层902的发射器的会聚透镜结构或层920(例如，聚碳酸酯微透镜片材)将光收集并聚焦成用于在不同观看方向上形成图像的一组光束。会聚透镜层920可以包括会聚透镜923的阵列。该阵列可为透镜944的二维阵列，并且每个会聚透镜944可与投影仪单元946中的发光元件908中的至少一个发光元件相关联。每个发射器及其对应会聚透镜是投影仪单元946中的部件。邻近投影仪单元可利用抑制串扰的不透明阻挡结构(未示出)彼此分离。如果使用非偏振光源诸如μLED或OLED，则可添加偏振器918以获得线性偏振光束。当利用LCD面板光源时，偏振器可集成到光源部件，使得不需要附加偏振器918。
图9示出了光转向层922、924和周期性光学层926(也称为周期性层926)。在一些实施方案中，周期性层926是连续的。周期性层926可覆盖光转向层922、924和发光层902。光或光束转向层922、924可倾斜或改变来自光生成模块900的光或光束的方向。一个或多个光转向层922、924可以是可控的，如下所述。这些光束可被转向至周期性层926上的特定位置或定位。周期性层926的一个表面上的周期性特征结构928、930、932能够以不同方式改变每个光束的焦距，从而生成一系列固定焦平面，其中3D图像的层由交叉光束形成。周期性特征结构928、930、932具有至少一个彼此不同的光学特性，例如折射率、光散射和表面特性，诸如形状或曲率半径。在图9的示例中，定位在结构中间的第一光源910穿过周期性层上的平坦特征结构928并且穿过未被激活的转向层922、924聚焦到整个显示结构的前面。第一光源910被成像为直接位于显示器表面上的焦点934。第一光源910上方的另一个光源906生成了另一个聚焦光束，该聚焦光束通过光转向层922、924朝向周期性层926的另一个特征结构930以角度936倾斜。该特征结构930具有负光焦度，该负光焦度以使得光束看起来从显示器200后面的焦点938发射的方式来扩展光束焦距。第一光源910下方的第三发射器914生成了以另一个角度940倾斜的光束。该光束聚焦在周期性层926上的第二类型的负光焦度特征结构932上，使得光束聚焦在显示器200前面的焦点942处。周期性层926上的焦点改变光学特征结构930、932中的一者或多者可被配置为具有相对于光束光轴的附加倾斜，以便补偿光转向层922、924中的光束方向变化。这样，不同焦距的光束可以从单个光源朝向观看者投影。因此，光转向层922、924可用于在不同投影焦距之间切换，从而为LF显示***增加时间多路复用。
在一些实施方案中，发光层中的光源部件可包括设置有模制聚光器结构诸如聚合物聚光器结构的μLED，如本文所述。在一些实施方案中，聚光器1002将从光源1004发射的光收集到大数值孔径(NA)1006，并且将光会聚到较小的NA 1008。图10A描绘了根据一些实施方案的改变光源NA的聚光器1002。在图10A的示例中，NA 1008小于NA 1006。在一些实施方案中，例如，当利用单独的红色1014、绿色1016和蓝色1018部件时，聚光器会混合颜色。图10B描绘了根据一些实施方案的具有混合器1012的聚光器1010，该混合器混合了三个LED1014、1016、1018的颜色。在这些类型的聚光器中，结构的一部分1010可以提供光会聚，而另一部分1012提供不同着色的光的空间混合，从而得到混合的RGB输出1020。空间混合在其中光源的空间位置引起角度方向的LF***中可能是有用的。在不混合的情况下，可导致体素中的颜色分离。随着聚光器中的角展度减小，光学孔径的尺寸增大。在需要较小像素尺寸的情况下，增大的光学孔径可对使用空间多路复用的LF***产生负面影响。图10C示出了根据一些实施方案的用于将四个LED(诸如LED簇)1022的颜色与较小孔径结构1024混合的聚光器。在图10C的示例中，光源1022被分组为如侧视图1026所示的正方形图案，并且被包覆成型为输出混合的RGB光1032的联合聚光器1028和混合器1030。在该示例中，聚光器的前表面或输入表面是曲面的以改善NA聚光率。该表面也可为倾斜的，以便将光输出倾斜到偏轴角度。
图11是根据一些实施方案的LF显示器200的光生成模块900的示例性光转向层结构922、924的表示。在该示例中，两个光转向层922、924使光束路径在两个不同的方向上以两个不同的角度936、938弯曲。一个光束转向层可以用于例如在两个角度之间切换，但是两个级联层可以生成至少三个不同的转向状态。例如，图11示出了三个不同的射线路径1102、1104和1106。对于第一路径1102，使第一光束转向层922对光线透明，而第二层924使传播方向倾斜角度936。对于第二路径1106，第一元件使传播方向倾斜角度940。中间光线路径1104不经历方向变化，因为两个转向层例如通过两个有源LC层中的线性偏振方向的合适扭转而均被制成透明的。倾斜方向的组合对于合适的LC层布置方式也是可能的。在一些实施方案中，堆叠多于两个元件以便产生更多数量的离散转向角度。
图11所示的每个光转向层922、924具有两个薄玻璃基底层1108、1118、1110、1120，这些薄玻璃基底层充当第一LC层1112、1122的支承材料。该有源LC层1112、1122可充当偏振调制器。光转向层922、924可以是可控的，例如，通过将电压施加到光转向层922、924中的一者或多者的电极。电极可有利地为透明的，例如包含氧化铟锡。每个投影仪单元946可与光转向层922、924中的一者或多者的不同区段相关联。光转向层922、924中的一者或多者的每个区段均可被单独地控制或为可控的。当将电压施加到在玻璃基底1108、1118、1110、1120上图案化的透明电极时，LC层对于线性偏振光可变得透明，使得透射光束保持不变。当没有电压施加到第一LC层1112、1122时，其通过将偏振方向旋转垂直于传播方向90°来充当偏振旋转器。如图11所示，第二无源LC层1114、1124分别夹在第二玻璃基底1110、11120与微棱镜诸如聚合物微棱镜层1116、1126之间。作为高度双折射材料，有源LC层1112、1122具有两种不同的折射率，两种线性偏振旋转状态中的每一种具有一种折射率，而微棱镜1116、1126在两种线性偏振旋转状态下仅具有一种折射率。无源LC层1114、1124可在一个方向上被调谐至与微棱镜1116、1126相同的折射率，例如对于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物层，在550nm波长下为1.49。当将电压施加到透明电极时，第二LC层1114、1124与微棱镜1116、1126之间的界面没有折射率差值，并且对于具有适当偏振方向的入射光束是光学透明的。当不施加电压时，偏振方向在第一LC层1112、1122中旋转90°，并且LC层1112、1122与微棱镜1116、1126之间的折射率差值将光束折射至由折射率差值的量和棱镜角确定的固定转向角。在示出的示例中，两个光转向层922和924中的第二LC层1114、1124与微棱镜1116、1126之间的边界的形状看起来是不同的，但光转向层922、924可以是有效相同的，例如，具有非常小的差异，例如制造差异。第一光转向层可被配置为使光在第一平面中偏转，并且第二光转向层可被配置为使光在基本上垂直于第一平面的第二平面中偏转。基本上垂直包括例如90±0.01度、90±0.1度、90±0.5度、90±1度、90±2度、90±5度等。另选地，第一光转向层和第二光转向层可各自被配置为使光在一个平面中偏转。两个光转向层922、924可以相同的方式构造，每个层具有相同的形状、尺寸和材料，但是一个层924相对于另一个层924旋转例如90度、180度或一些其他角度，并且对准以实现期望的光学效果。在一些实施方案中，一个转向层922、924水平布置，并且另一个转向层924、922竖直布置，例如，两个基本上相同的层922、924相对于彼此旋转90度，以促进控制光从发光层902朝向周期性光学层926的任何部分的方向。一个或多个光转向层922、924在引导来自发光层902的一个或多个发光元件的光穿过周期性层926的一个周期光学特征结构和引导来自一个或多个发光元件的光穿过周期性层926的另一个周期光学特征结构之间切换。一个或多个转向层922、924可在引导来自发光层902的一个或多个发光元件的光穿过周期性层926的三个或更多个不同的周期性光学特征结构之间切换。因此，光转向层922、924中的任一者或两者可在引导来自发光层902的光穿过周期性层926的一个周期性特征结构和任何其他周期性光学特征结构之间切换。
图12A和图12B示出了根据一些实施方案的周期性光学层926的周期性光学特征结构的重复光学区域的示例。周期性层926的一个表面包括两个或更多个重复或周期性特征结构1202、1204、1206，每个周期性特征结构可被配置为根据折射率、表面形状、光焦度和/或表面特性而具有不同的光学特征或特性。在一些实施方案中所使用的表面形状包括例如平坦小面、在两个方向上具有不同曲率的连续弯曲表面和/或具有光学粗糙表面的漫射矩形，以及其他可能的表面形状。在图12A的示例中，周期性层926被划分为多个光学区域1208、1210、1212，并且每个光学区域包括相同组周期性特征结构1202、1204、1206。另选地，这些光学区域可包括周期性特征结构1202、1204、1206的不同组、不同图案和/或不同布置。周期性层926可包括光学区域1208、1210、1212的重复图案，其中周期性特征结构1202、1204、1206中的每一者可相对于彼此以相同的取向布置。光学区域1208、1210、1212可包括具有周期性特征结构1202、1204、1206的不同图案的不同表面区域。另选地，周期性层926的一个或多个重复光学区域中可包括更少或附加的周期性特征结构。可根据总体光学结构来选择周期性特征结构1202、1204、1206和区域1208、1210、1212的比例或尺寸。例如，这些光学区域可小于这些光会聚透镜。由于可单独地选择光学区域内的每个周期性特征结构的有效焦距，因此也可选择几何放大率以实现更小的光源图像斑点以及更高的分辨率。一个光源阵列或矩阵内的相邻光发射器可成像为斑点的阵列或矩阵。在更大的显示器表面区域上使用周期性特征结构的重复图案可降低制造这些部件的成本。例如，可产生具有精细光学特征结构的单个母模工具，并将其复制到更大的压印或模塑工具上以用于大量生产。
图12A描绘了示例性周期性层926的第一侧视图，诸如图9所示。根据一些实施方案，各自具有不同光学特性的三个重复周期性特征结构1202、1204、1206各自设置在三个不同的光学区域1208、1210、1212中。这些周期性特征结构的光学特性可基于其材料的折射率、周期性特征结构的表面形状、光焦度和/或表面特性而不同。通过在光转向层922、924中的一者或多者处适当地倾斜聚焦光束，可选择一个光学区域1208内的特定周期性特征结构1202。这种非机械切换技术可用于从由这些光学区域内的周期性特征结构的光学特性确定的有限组选项中选择显示器光束的特性。在图12A的示例中，第一周期性特征结构1202可具有带有第一曲率半径1214的光学表面，并且特征结构1202的表面可相对于光轴以第一倾斜角度1216倾斜。这种表面曲率1214可修改入射光束的焦距。具有不同曲率的特征结构可用于将形成体素的光束聚焦到距显示器200表面不同的距离。例如，第一周期性特征结构可以操作以将来自第一发光元件的光聚焦在距周期性光学层926的第一距离处，并且第二周期性特征结构可以操作以将来自该第一发光元件的光聚焦在距该周期性光学层的第二距离处。该第二距离有利地不同于该第一距离。不同的周期性光学特征结构可具有促进不同聚焦特征的不同倾斜角或不同倾斜方向。在不同光学区域1208、1210、1212中朝向相同周期性特征结构1202转向的光束可通过选择性地使用光的倾斜而在周期性层926之后或之外有效地共轴。以类似的方式，第二周期性特征结构1206可被配置为具有第二曲率半径1218和第二倾斜角1220。当第一曲率半径1214和第二曲率半径1218不同时，用于LF显示器200的光学特性不同。类似地，当倾斜角1216、1220不同时，用于LF显示器200的光学特性不同。周期性特征结构1204中的一些周期性特征结构可被配置为具有非常大(或无限)的曲率半径1224R3，该曲率半径是光学平坦的并且不影响透射光束或光的焦点。
图12B描绘了周期性光学层的另一个示例，其中单个区域1200具有九个周期性特征结构1202、1204、1206、1226、1228、1230、1232的图案。在该示例中，这些周期性特征结构中的六个周期性特征结构1202、1206、1226、1228、1230、1232用于在x方向和y方向上聚焦光束并将光束倾斜到不同的焦深。这些周期性特征结构1202、1206、1226、1228、1230、1232具有不散射光的平滑且弯曲的表面。周期性特征结构1202、1206、1226、1228、1230、1232中的每一者可具有相同的光学特性，每一者可具有不同的光学特性，或者两种或更多种光学特性的任何组合。其他三个周期性特征结构1204在该示例中是相同的，并且可用于直接在显示器表面的顶部上形成体素或用于创建具有更高像素分辨率的2D显示图像。这些周期性特征结构1204可散射入射光以便使像素从所有观看方向可见。例如，这些周期性特征结构1204可具有散射光的粗糙表面。
周期性特征结构可以不同的阵列或图案布置在周期性层926上。例如，在一些实施方案中，周期性特征结构形成矩形矩阵，其中行和列在矩形网格中水平地且竖直地对准，其中邻近行或列之间没有偏移。当所生成的体素也被布置成矩形矩阵或网格时，该图案可促进更容易的渲染计算。在一些实施方案中实现的另一示例性阵列图案可具有在相邻或邻近列之间具有竖直偏移的布置，诸如在图12B所示的图案中。例如，在仅生成水平交叉光束的情况下，该图案可增加有效分辨率。另选地，在一些实施方案中实现的另一示例阵列图案可具有在相邻或邻近行(未示出)之间具有水平偏移的布置。在一些实施方案中，周期性特征结构布置的图案和/或周期性特征结构特性可在整个显示区域上不同。重叠的显示器像素FOV问题可以例如通过利用跨显示区域的不同光学区域中的不同周期性特征结构将光束从显示器的边缘朝向中心观看区域倾斜来解决。
在一些实施方案中，周期性光学层926可以是具有以卷对卷工艺由UV可固化材料制成的光学形状的聚碳酸酯片材。在一些实施方案中，周期性层926可为具有压印衍射结构的层，诸如箔或薄片。在一些实施方案中，周期性层926可以是通过将光致抗蚀剂材料暴露于激光生成的干涉图案而制造的具有渐变折射率透镜特征结构或全息光栅的片材。各个子特征结构尺寸和图案填充因数可例如通过减少引入***的杂散光线来影响可实现的分辨率和/或图像对比度的量。当向特定的周期性特征结构引导光束时，将发光层902与周期性层926以足够的准确度在水平方向和竖直方向上对准是有利的。光转向层922、924不具有使准确对准至关重要的任何特性。光转向层922、924可用于通过用施加的电压微调倾斜角来进行显示器校准，从而减轻可能的对准公差问题中的至少一些。
3D LF显示器特性
在一些实施方案中，LF显示***使用空间多路复用和时间多路复用的组合。当光转向部件足够快以达到足够的刷新率时，会产生无闪烁图像。发光层902和光转向层922、924一起工作以形成图像。因此，使发光层902和光转向层922、924同步可能是有利的。在一些实施方案中，显示器200生成信号以按时间同步方式控制发光层902的发光元件的可寻址阵列的照明并且控制光转向层922、924中的至少一者的转向特性。例如，光转向层可选择所投影光束聚焦的焦平面。因为周期性层926具有固定的周期性光学特征结构，所以在一些实施方案中，可以通过利用将光转向层控制参数连接到周期性特征结构的各个光束焦深和角度的查找表来实现该同步。此类表可简化用于图像渲染的控件，因为每个显示器的参数是预先确定的。在一些实施方案中，发光部件可被单独激活或成组激活，例如，在空间中的特定点处形成体素。在一些实施方案中，一组发射器可为单个观看者的单只眼睛形成一系列相邻体素的一半，并且不同组的发射器可为另一只眼睛形成体素的另一半。通过执行将例如单个发射器激活和光束转向电压连接到特定测量的光束焦深和角度方向值的测量，控制参数可任选地针对各个显示器进行校准。可有利地使用发光部件诸如μLED的更快刷新率。例如，光源可以在光束转向部件的刷新率内被激活若干次。在一些实施方案中，眼睛跟踪可用于降低刷新率或更新速度的要求。例如，图像可被渲染到指定的眼盒区域的子集，而不是整个显示器FOV。
图13示出了根据一些实施方案的LF显示器200的空间多路复用功能。在该示例中，每个聚焦透镜1304后面的光发射器1302的阵列或矩阵(也称为发光元件的可寻址阵列)生成了聚焦在周期性层926的周期性特征结构附近的一组光束。这些特征结构改变了每个光束的焦距和传播角，并且各个光源例如在显示器200上的一个或多个焦点1306处、在显示器200前面的一个或多个焦点1308、1310处和/或在显示器200后面的一个或多个焦点1312、1314处成像。所得的光源图像大于这些光源，并且光学放大率例如通过聚焦透镜1304和周期性特征结构焦深的组合来确定。聚焦元件的间距或角度可被配置为与周期性特征结构间距或角度相同，以便在不使用光转向层的情况下处理周期性层926的各个周期性特征结构。光源或发光元件1302可被布置成簇或组，这些簇或组可具有一次成像为一个周期性特征结构的部件的子组。通过适当的布置，相邻的光源或子组1302创建沿相同方向离开结构926但具有不同焦距的光束。该功能的示例在图13中示出，其中光束具有不同的焦点1306、1308、1312。在显示器边缘处的光源1302或光源子组还可以产生撞击相邻周期性层特征结构的光束，在这种情况下，光束以更陡的角度离开显示器200，从而增大所投影图像FOV。该效应的示例由具有分别以相关联的视角1316、1318投影的焦点1314、1310的光束示出。
在一些实施方案中，光场显示器1300可在没有任何光转向层的情况下操作，诸如图13所示。在此类实施方案中，仅使用空间多路复用来生成3D图像所需的多个交叉光束和焦点层。因此，可以在用于每个焦点层的像素的数量与每个观看方向之间进行权衡，因为各个发射器可各自仅提供在单个方向上传播并且具有单个焦点的单个光束。例如，设置在光源矩阵中间的光源的所投影图像可具有一个焦点1306，并且靠近中心光源的光源的所投影图像可具有另一个焦点1308。光转向层可通过向***添加时间复用来提高图片质量。光转向层可提供改变图像层被投影的距离而不损害空间分辨率的能力。该效果可有助于提供具有较少发光部件1302的较高分辨率图像或较低成本结构。
在一些实施方案中，显示器1400的光学***可使用交叉光束来形成体素，诸如图14所示。这些体素可以在显示器的前面和后面以及在显示器表面上以不同的距离形成。在图14的示例中，描绘了示例性体素1402。使用源自三个不同光源1302的三个光束在显示器1400前面的特定焦距处创建了该体素1402。这些光束中的两者(底部和中间)在没有光束转向的情况下创建，但是第三光束(顶部)由光转向层922、924和时间多路复用引导并聚焦在体素位置处。另一个体素1404通过跨越从两个不同光源发射的两个光束区段的虚拟延伸部而被显示在显示器1400后面。具有特定焦距的单个光束用于生成正确的眼睛视网膜聚焦提示，而在体素位置处交叉的多个光束用于覆盖观看者眼睛对的较大FOV。该配置可为视觉***提供正确的眼睛会聚。这样，用于单只眼睛视网膜聚焦提示的小光发射角和用于眼睛会聚的较大发射角的生成(例如，以创建立体效果)在光学结构中彼此分离。该布置可提供独立地利用显示器的光学特征或特性来控制两个角域的能力。焦面距离可被编码并存储在光学硬件中作为周期性特征结构的光焦度，这可将体素深度坐标固定在离散位置处。渲染任务可能会相对简化，因为单只眼睛视网膜聚焦提示是利用单个发射器光束创建的。例如，可以仅使用来自两个发射器的两个光束来形成一个体素。一些实施方案可使用更多的光束来创建每个体素，例如，当需要更宽的眼盒或观看区域时。
3D LF显示器设计中可考虑的一个因素是光学材料以不同角度折射具有不同波长的光(色散)。如果使用三种着色的像素，诸如红色、绿色和蓝色子像素，则不同着色的光束在一定程度上不同的方向上以及在距折射特征结构的一定程度上不同的距离处倾斜并聚焦。在一些实施方案中，可通过使用混合层来补偿显示器中的颜色色散，其中例如衍射特征结构用于颜色校正。由于着色的子像素可在发光层上在空间上分离，因此可导致着色的光束投影角之间的一些小的角度差。如果光源分量的所投影图像在焦表面层上保持足够小，则三种着色的像素将彼此靠近地成像，并且以类似于2D屏幕如何渲染其中着色的子像素在空间上分离的图像的类似方式由眼睛组合成全色体素。3D显示器的着色的子像素图像是高度定向的，并且确保所有三个不同着色的光束穿过瞳孔进入眼睛是有利的。例如，实现本文所述的聚光器和混色结构可能是有利的。
例如，当光发射器和聚焦透镜孔径尺寸非常小时，衍射也可影响可实现的分辨率。用光场显示器和真实LF渲染方案可实现的深度范围可受到来自每个子像素的光束准直或会聚的质量的影响。能够确定准直或会聚质量的参数包括发光源的尺寸、周期性层区域孔径的尺寸和有效焦距。发光层上的连续光发射器矩阵可促进非常宽的FOV。然而，当光束被投影到较大角度时，准确地处理所有周期性层特征结构的难度增加可能会限制可实现的FOV。将光转向层的光束位置微调到更大角度可能会减轻减小FOV的问题。在一些实施方案中，可以实现其他光束转向部件诸如电润湿微棱镜，例如以更好地控制光束转向角度。
3D LF显示器渲染方案
若干不同种类的渲染方案可与本文所述的显示结构和光学方法一起使用。根据所选择的渲染方案，显示设备可以是具有多个视图和焦面的3D光场显示器或常规2D显示器。可通过使周期性特征结构中的一些光学漫射来支持2D功能，由此单个光束在大FOV中是可见的。
在一些实施方案中，3D LF渲染方案除了多个观看方向之外还在物理显示器表面的前面或后面生成了若干焦点或焦面。为每个3D对象点或体素生成至少两个投影光束是有利的。使用至少两个光束的原因可包括(i)显示器内部的单个发射器应具有使其在任何给定时间仅对一只眼睛可见的FOV，以及(ii)所创建的体素应具有同时覆盖两只眼睛以创建立体视图的FOV。当同时使用多于一个光束时，体素FOV可以作为单个光束FOV的总和生成。对于在显示器和观察者之间显示的所有体素，在显示器前面以正确的体素距离交叉会聚光束可能是有利的。对于定位在距观察者比距显示器更远的距离处的体素，与实际上在显示器后面的光束对交叉可能是有利的。至少两个光束的交叉生成了不仅在显示器表面上的焦点或焦面。将单独的光束聚焦在它们交叉的同一点可为有利的。更自然的视网膜聚焦提示可通过生成聚焦在周期性层926中的周期性特征结构处的单个光束来创建。
用3D LF显示器渲染真正连续的深度范围可能会涉及大量计算。在一些实施方案中，3D数据可减少到固定数量的离散深度层以降低计算要求。在一些实施方案中，离散深度层可被布置成彼此足够靠近，以为观察者的视觉***提供连续的3D深度体验。基于估计的人类视觉***平均深度分辨率，覆盖50cm至无穷大的视觉范围可以采用约27个不同的深度层。在一些实施方案中，由于用于深度层选择的空间上分离的特征结构，本文所述的方法和光学硬件促进了创建多个焦面，该多个焦面可同时显示，或者在视觉***的视觉暂留POV时间范围内显示。在一些实施方案中，可由LF显示器主动检测观察者位置，并且可仅在观察者所处的那些方向上渲染体素。在一些实施方案中，活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)光与围绕显示结构或在显示结构中的相机。
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权衡。考虑到有限数量的像素和分量切换速度，强调高空间/角度分辨率可得到较少的焦平面或较低的深度分辨率。相反，具有用于更好深度分辨率的更多焦平面可得到更像素化的图像或低空间/角度分辨率。相同的权衡可应用于***级的数据处理，因为更多的焦平面可涉及更多的计算和更高的数据传输速度。在人类视觉***中，深度分辨率随距离呈对数下降，这可在对象离得更远时促进减少深度信息。当图像平面离得更远时，眼睛仅能分辨更大的细节，这可促进降低远距离处的分辨率。在一些实施方案中，通过在距观看者不同距离处产生不同的体素分辨率来优化渲染方案，以降低对图像渲染的处理要求。还可基于所呈现的图像内容来解决与渲染方案相关的权衡，从而实现例如更高的分辨率或图像亮度。
在一些实施方案中，可在发光层902上实现三个不同着色的光发射器，以便创建全彩图片。色彩渲染方案可涉及用于适应在周期性层926处以一定程度不同的角度方向折射的不同颜色的***和/或方法。除了特殊的色彩渲染方案之外，可用硬件例如通过集成用于颜色校正的衍射结构来移除该色散中的一些，这可补偿折射周期性特征结构的不同焦距。根据一些实施方案，示例性色彩渲染方案通过将三个不同着色的部件的输出与如本文所述的光学混光结构组合来使用白色照明，并且可用发光层控件来选择光束颜色。
具体实施例
图15描绘了根据一些实施方案的由观看者1504从特定距离观看的曲面3D光场显示设备1502。在该示例中，从500mm的距离1506观看14英寸台式3D LF显示器。该显示器屏幕以500mm的半径弯曲，使得单个显示器LF像素发射图案在观看者1504位置处重叠。在该示例中，单个LF像素将光发射至大约42°FOV。在该示例中，围绕观看者眼睛形成了大约380mm宽的观看窗以为单个用户提供足够的头部和眼睛移动。
图16A是根据一些实施方案的发光层902的两个聚光器1602、1604的表示。μLED簇1606被实现为以矩形图案定位的四个2μm×2μm的μLED，诸如侧视图1608中所示(从附图左侧查看聚光器)，其中这些μLED的中心之间的间距为3μm。每个簇1606具有一个红色RμLED、一个蓝色BμLED和两个绿色GμLED，如侧视图1608所示。图16A中的聚光器1602、1604内示出了来自侧视图1608的簇1606右侧的仅RμLED和GμLED的侧面。μLED簇1606可包覆成型为分别包括聚光器1602、1604和颜色混合器1610、1612的结构，该结构将总发射图案分别集中在30°锥体1614、1616中。在该示例中，聚光器1602、1604的出口孔径尺寸为12μm×12μm。聚光器的前小面是曲面的，以便到达促进整个显示器的光路中的高能量效率的数值孔径(NA)。
图16B是根据一些实施方案的发光层902的光源矩阵1600的表示。在该示例中，具有集成聚光器1620的光源簇形式的发光元件被布置成21×21矩阵并且粘结到基底1622，从而形成子组件。该基底具有可单独激活每个μLED光源的电触点1624。电触点1624和光簇1620形成了发光元件的可寻址阵列。显示器生成信号以按时间同步方式控制发光层902的发光元件的可寻址阵列的照明并且控制光转向层922、924中的至少一者的转向特性。邻近全彩集成光源之间的间距为14μm，使得矩阵的总宽度为292μm。矩阵边缘处的聚光器具有倾斜的前小平面，这些前小平面将发射图案朝向阵列的光轴1604倾斜10°的倾斜角度1618，如图16A和图16B所示。在一些实施方案中，在本示例中，前小平面在穿过矩阵的角度上以使得发射图案中心线在矩阵前面以800μm的距离交汇的方式变化。该距离可通过减少到随后集光透镜孔径外部的浪费的光来提供非常高的光学效率和低杂散光性能。在图16B所示的示例中，集成光源被分组为宽96μm的7×7光源簇1622。
图17是根据一些实施方案的显示器的光学设计的表示。图17呈现了具有大约4mm厚的显示器的光学结构的测量值(以μm计)的示例性设计。在示例中，从发光层902的光源矩阵1600发射的光用会聚透镜层920的两个平凸微透镜阵列1702、1704收集并聚焦，该阵列1702、1704可通过热压印PMMA材料制造。在该示例中，透镜孔径尺寸为600μm×600μm。第一透镜1702具有800μm的焦距，并且在该示例中收集所发射的光。在该示例中，第二透镜1704具有1670μm的焦距，并且穿过两个光转向层922、924将光聚焦到周期性层926的周期性特征结构1706、1708、1710。周期性特征结构928、930、932具有至少一个彼此不同的光学特性，例如折射率、光散射和表面特性，诸如形状或曲率半径。在该示例中，将200μm厚的线性偏振器片材或箔918层合到收集器微透镜1702。第二透镜1704被层合到包含两个400μm厚的光转向层或部件922、924的叠堆，该光转向层或部件结合液晶材料和聚合物微棱镜的组合一起工作，如本文所述。在该示例中，光转向层922、924可使聚焦光束在光轴上方沿逆时针方向倾斜8.7°，并且在水平面中沿顺时针方向倾斜12.5°。在该示例中，在给定层叠堆与周期性层926之间的距离为800μm的情况下，这些倾斜角可促进将发射器簇图像从周期性层926的一个光学区域1712转向到周期性层926的下一个光学区域1714。
在图17所示的示例中，周期性层926整合到1.2mm厚的显示器保护窗口1718，该窗口由注塑PMMA材料制成。保护窗口1718的外表面1720可为LF显示器1700的外表面并且因此可由观看者触摸。在该示例中，每个重复光学区域1712、1714、1716的宽度为600μm，并且每个光学区域1712、1714、1716包含三个200μm的周期性特征结构1706、1708、1710，每个周期性特征结构具有不同的光学特性。在该示例中示出的光学区域1712、1714、1716中的每一者具有负光焦度，因此入射聚焦光束发散。在该示例中，第一周期性特征结构1706具有-240μm的焦距，并且将光束聚焦在从显示器表面1720朝向观察者的～100mm距离处。在该示例中，第二周期性特征结构1708具有-340μm的焦距，并且将光束聚焦在保护窗口1718的前表面1720上。在该示例中，第三周期性特征结构1710具有-230μm的焦距，并且将通过光束的虚拟延伸部在显示器后～200mm距离处形成体素。第一周期性特征结构1706和第三周期性特征结构1710具有从光轴1722偏移的光学孔径，从而促进5.6°光束倾斜。该光束倾斜可用于补偿来自光轴1722的不同光源簇位置的倾斜。在该示例中，当光束倾斜元件未被激活时，所有三个光学区域都能够在相同的中心方向上投影光束，如图18中的示例性光线追踪图所示。显示器200被配置为生成控制发光元件的可寻址阵列的照明的信号和控制光转向层922、924的转向特性的信号。这些信号是同步的。控制光转向层922、924的转向特性的信号可以是例如施加到光转向层922、924的光束转向电压。这些信号可例如由执行存储在存储器中的指令的处理器118生成。基于在显示器200上渲染的三维图像的深度信息来选择周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710。由发光元件发射的光基于所显示的图像的深度信息朝向周期性光学特征结构中的一个周期性光学特征结构转向。光穿过转向层922、924被引导到所选择的周期性特征结构以产生体素，该体素聚焦在距显示器200的表面的各种距离934、938、942处以产生三维图像。尽管仅具体示出了三个距离，但可在显示器的前面和后面的一定距离范围内显示任何数量的距离。显示器1700中的示例性投影仪单元1724包括一组对应部件，例如，多个发光元件1600、透镜阵列1702、1704的会聚透镜、光转向层922、924的区段以及周期性层926的光学区域1716。
图18是描绘来自三个光源簇1802的光的光线追踪图的示例，该三个光源簇横穿聚焦透镜1702、1704、光转向层922、924和具有保护窗口1720的周期性层926。在该示例中，集光透镜1702和聚焦透镜1704的光学放大率为～2.1，因此一个7×7光源簇1802的图像为～200μm宽。该尺寸图像适配在周期性特征结构1804、1806、1808的区域内，从而促进将此类矩阵图像从所有周期性特征结构1804、1806、1808投影到由周期性特征结构1804、1806、1808的光焦度确定的不同焦平面。中心周期性特征结构1806将该矩阵图像聚焦到保护窗口1718的前表面1720，该表面1720是整个显示结构1800的出射表面。在该示例中，该光学特征结构的总放大率为～6.25，因此在该实例中，单个全色发射器成像为～85μm全色像素。14英寸显示器通常具有3840×2160像素簇的阵列，从而得到4K显示器。
同样如图18所示，单个光源图像光束穿过中心周期性特征结构1806从显示器1800投影出来，并且在指定的500mm观看距离处创建了～70mm直径的模糊斑点。在一些情况下，眼睛瞳孔起到限制孔径的作用。因为该斑点如此宽，所以相同的光源对于具有大约64mm瞳孔间距的两只眼睛是可见的。因此，由中心周期性特征结构1806创建的体素定位在显示器表面1720上，并且应当同时对两只眼睛可见。投影穿过第一周期性特征结构1804和第三周期性特征结构1808的单个光源光束在500mm的观看距离处创建了～55mm宽的斑点。较小的斑点起因于穿过具有不同焦距的周期性特征结构1804、1808的各方面的光束会聚，从而导致***对光源成像时，对观看者定位或位置的模糊程度较低。较小的斑点同时对两只眼睛是不可见的，并且交叉在显示器表面1720之外的两个光束可以形成体素而不与视网膜聚焦提示相矛盾。在一些实施方案中，光转向层922、924促进了光束仅沿水平方向交叉，但由于发射器矩阵1802和微透镜阵列1702、1704是二维的，因此生成了二维光束。可以凭借显示器1800相对于水平间隔开的眼睛的固定定位来提供体素形成。体素分辨率可由眼睛瞳孔的尺寸确定，因为该尺寸可以为限制光学孔径。
在图19的流程图中示出了显示三维图像的方法。该流程图可例如由显示器200的一个或多个处理器执行的软件来执行。该方法可包括比所示和/或所述更多或更少的过程，并且能够以不同的顺序执行。可由一个或多个处理器执行以执行该方法的计算机可读代码可存储在计算机可读介质诸如非暂态计算机可读介质中。通过在多个体素位置处显示或投影多个体素来显示包含多个体素的图像。周期性光学层926的周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710中的一者或多者基于由显示器200渲染的三维图像的像素的深度信息和周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710的一个或多个光学特性来选择1902。由发光元件发射的光基于所显示的图像的深度信息朝向周期性光学特征结构中的一个周期性光学特征结构转向。显示器200通过激活1904与所渲染的3D图像的数据相关联的像素或发光元件来选择性地从发光元件1600的可寻址阵列的像素或发光元件发射光。朝向所选择的周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710中的一者或多者引导从发光层902的发光元件1600的可寻址阵列的像素或发光元件发射的光，以基于所渲染或显示的3D图像的数据将光聚焦在距显示器200的表面1720的各种距离处。光可聚焦在显示器200的表面前面、表面1720处以及表面后面的一个或多个距离处。通过操作1906至少一个光转向层922、924来朝向一个或多个所选择的周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710引导所发射的光。可以时间同步方式朝向所选择的周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710引导所发射的光。另选地，可以时分复用方式朝向所选择的周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710引导所发射的光。向光转向层922、924中的至少一者施加电压将来自发射器的光朝向周期性层926引导。光转向层922、924的第一区段可***作以选择性地将来自第一发光元件的光朝向周期性光学层926的第一周期性光学特征结构引导，并且第一周期性光学特征结构将光聚焦到第一体素位置上。光转向层922、924的第二区段可***作以选择性地将来自第二发光元件的光朝向周期性光学层926的第二周期性光学特征结构引导，并且第二周期性光学特征结构将光聚焦到第一体素位置上。光转向层922、924的第三区段可***作以选择性地将来自第三发光元件的光朝向周期性光学层926的第三周期性光学特征结构引导，并且第三周期性光学特征结构将光聚焦到第二体素位置上。第一体素位置可以具有第一深度，并且第二体素位置可以具有不同于第一深度的第二深度。一个或多个光转向层922、924可基于像素进行控制。从像素选择性地发射光的信号可例如单独地或通过显示器200、与该显示器相关联的处理器以及存储用于创建信号的数据的软件的任何组合来生成。穿过所选择的周期性特征结构928、930、932、1706、1708、1710的光可以有利地产生用于形成体素的交叉光束，例如，在显示器200前面的距离处、在显示器200的表面1720处以及在显示器200后面的距离处。离开显示器200的外表面1720的光可聚焦成在不同观看方向上形成图像的一组光束。
所述方法和光学结构中的一些更适用于大屏幕尺寸，因为衍射效应限制了需要非常小的投影仪单元孔径尺寸的较小显示器中可实现的聚焦光束斑点尺寸。当衍射使光源图像过于模糊时，可能会丢失正确的视网膜聚焦提示的生成。所呈现的光学特征结构与显示器尺寸一起按比例缩放。一些实施方案可使用大规模制造方法诸如卷对卷纳米压印来实现。
在一些实施方案中使用的非机械光转向层可以用诸如液晶(LC)的材料和显示器工业中已知的工艺来生产。一些实施方案可使用采用线性偏振光的LC技术，这降低了***的光学效率并增加了功率消耗。
显示器可操作以在多个焦平面处产生体素。可通过生成聚焦在距显示器表面一个或多个不同距离处的光束来产生体素。该显示器可包括：发光层，该发光层包括由光源和光准直或会聚光学结构组成的多个单元，也称为发光元件；周期性光学层，该周期性光学层包括光学区域的重复图案，其中每个光学区域包括多个空间布置的周期性特征结构，这些周期性特征结构具有不同的光学折射和散射特性；和至少一个光转向层。该显示器生成信号以按时间同步方式控制发光元件的照明和该至少一个光转向层的转向特性。该一个或多个光转向层的转向特性可任选地在像素级进行控制。可任选地生成为控制转向层的转向特性而生成的信号，以使转向层将由受照发光元件生成的光束转向到周期性层的所选择的周期性特征结构，其中该周期性特征结构基于由显示器渲染的3D内容的深度信息来选择。该发光层可任选地包括光发射器簇，该光发射器簇包括具有第一几何形状和第二几何形状的聚光器，其中具有第二几何形状的聚光器沿着簇的一个或多个边缘设置。这些空间布置的周期性特征结构的光学特性可基于材料的折射率、周期性特征结构的表面形状和/或表面特性而任选地不同。这些空间布置的周期性特征结构可任选地竖直地和/或水平地偏移，以增加显示器的有效分辨率。
一种显示器，该显示器包括：发光元件的可寻址阵列；周期性光学层，该周期性光学层包括多个重复区域，其中这些重复区域中的两个或更多个重复区域各自包括具有第一光学特性的第一周期性特征结构和具有第二光学特性的第二周期性特征结构；至少一个光转向层，该至少一个光转向层设置在发光元件的可寻址阵列和周期性光学层之间，其中该光转向层对从发光元件的可寻址阵列到达周期性光学层的光的方向提供了选择性控制，使得光聚焦在距显示器的表面的各种距离处。可基于由显示器渲染的三维图像的深度信息来使光束朝向第一周期性特征结构和第二周期性特征结构中的一者转向。为控制至少一个转向层的转向特性而生成的信号可使转向层将由发光元件的可寻址阵列生成的光束转向到周期性光学层的所选择的周期性特征结构。可基于由显示器渲染的三维图像的深度信息来选择所选择的周期性特征结构。第一光学特性与第二光学特性的差异可在于至少折射率、表面形状、光焦度和/或表面特性。该显示器可被配置为按时间同步方式生成控制发光元件的可寻址阵列的照明的信号以及控制该至少一个光转向层的转向特性的信号，以产生聚焦在距该显示器表面的各种距离处的体素。第一周期性特征结构可将光聚焦在距显示器表面的第一距离处，并且第二周期性特征结构可将光聚焦在距显示器表面的第二距离处。第三周期性特征结构可将光聚焦在第一方向上，并且第四周期性特征结构可将光聚焦在第二方向上。第一光转向层可被布置成基本上垂直于第二光转向层。多个重复区域可彼此竖直地或水平地偏移，以增加显示器的有效分辨率。发光元件的可寻址阵列可包括用多个聚光器构造的多个光发射器，这些聚光器在阵列的边缘附近具有倾斜的前小面。
一种方法，该方法包括从布置在周期性光学层的重复区域中的多个周期性特征结构中选择周期性特征结构。该周期性特征结构基于由显示器渲染的三维图像的体素的深度信息和周期性特征结构的至少一种光学特性来选择。通过以下步骤由显示器渲染三维图像：从发光元件的可寻址阵列选择性地发射光，并且通过按时间同步方式操作至少一个光转向层以朝向一个或多个所选择的周期性特征结构引导所发射的光，从而将光聚焦在距显示器的表面的各种距离处。交叉光束可用于在显示器前面的距离处和显示器后面的距离处形成体素。该多个周期性特征结构中的第一周期性特征结构可具有第一光学特性，并且该多个周期性特征结构中的第二周期性特征结构可具有不同于第一光学特性的第二光学特性。操作可包括将电压施加到该至少一个光转向层。光可聚焦为在不同观看方向上形成图像的一组光束。可基于由显示器渲染的三维图像的深度信息来使光朝向第一周期性特征结构和第二周期性特征结构中的一者转向。为控制至少一个转向层的转向特性而生成的信号可使转向层将由发光元件的可寻址阵列生成的光转向到周期性光学层的所选择的周期性特征结构。可基于由显示器渲染的三维图像的深度信息来选择所选择的周期性特征结构。
本发明描述了用于在多个焦平面处产生体素的***和方法。通过生成聚焦在距显示器表面的各种距离处的光束来产生体素。在一些实施方案中，显示器包括发光层、周期性光学层和一个或多个光转向层。该发光层包括多个单元，每个单元包括至少一个发光元件。该周期性层可包括区域的重复图案，并且每个区域可包括具有不同的光学折射和/或散射特性的多个空间布置的周期性特征结构。显示器按时间同步方式控制发光元件的照明和光转向层的转向特性。
需注意，所述实施方案中的一个或多个实施方案的各种硬件元件被称为进行(例如，执行、实行等)本文结合相应模块所述的各种功能的“模块”。如本文所用，模块包括相关领域的技术人员认为适合于给定具体实施的硬件(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)。每个所述的模块还可包括用于执行被描述为由相应模块执行的一个或多个功能的可执行指令，并且需注意，这些指令可采取以下指令的形式或包括以下指令：硬件(例如，硬连线)指令、固件指令、软件指令等，并且可被存储在任何合适的一个或多个非暂态计算机可读介质(诸如通常称为RAM、ROM等)中。
尽管上文以特定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，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。另外，本文所述的方法可在结合于计算机可读介质中以供计算机或处理器执行的计算机程序、软件或固件中实现。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、高速缓存存储器、半导体存储器设备、磁介质(诸如内置硬盘和可移动磁盘)、磁光介质和光介质(诸如CD-ROM磁盘和数字通用光盘(DVD))。与软件相关联的处理器可用于实现用于WTRU、UE、终端、基站、RNC或任何主计算机的射频收发器。

Claims (18)

1.一种光学***的装置，所述装置包括：
发光层，所述发光层包括发光元件的可寻址阵列，所述发光元件包括第一发光元件；
周期性光学层，所述周期性光学层覆盖所述发光层，所述周期性光学层包括至少具有第一光焦度的第一周期性光学特征结构和具有不同的光焦度的第二周期性光学特征结构；和
第一可控光转向层，所述第一可控光转向层位于所述发光层和所述周期性光学层之间，其中所述第一可控光转向层能够在将来自所述第一发光元件的光引导穿过所述第一周期性光学特征结构和将来自所述第一发光元件的光引导穿过所述第二周期性光学特征结构之间切换。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一周期性光学特征结构和所述第二周期性光学特征结构包括在第一光学区域中，并且其中所述周期性光学层包括与所述第一光学区域布置相同的光学区域的重复图案。
3.根据权利要求2所述的装置，所述装置还包括位于所述发光层和所述周期性光学层之间的会聚透镜层。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述会聚透镜层包括会聚透镜的二维阵列，并且其中每个会聚透镜与投影仪单元中的所述发光元件中的至少一个发光元件相关联。
5.根据权利要求4所述的装置，其中每个投影仪单元包括所述周期性光学层的对应光学区域。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一可控光转向层的不同区段与不同的投影仪单元相关联并且是单独可控的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述第一周期性光学特征结构可操作以将来自至少所述第一发光元件的光聚焦在距所述周期性光学层的第一距离处，并且所述第二周期性光学特征结构可操作以将来自至少所述第一发光元件的光聚焦在距所述周期性光学层的第二距离处，其中所述第二距离不同于所述第一距离。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述第一可控光转向层包括至少一个液晶光转向层。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述发光层还包括第二发光元件；
其中所述周期性光学层还包括具有第一倾斜方向的第三周期性光学特征结构和具有不同于所述第一倾斜方向的第二倾斜方向的第四周期性光学特征结构；并且
其中所述第一可控光转向层能够在将来自所述第二发光元件的光引导穿过所述第三周期性光学特征结构和将来自所述第二发光元件的光引导穿过所述第四周期性光学特征结构之间切换。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，所述装置还包括位于所述发光层和所述周期性光学层之间的第二可控光转向层。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一可控光转向层被配置为使光在第一平面中偏转，并且所述第二可控光转向层被配置为使光在基本上垂直于所述第一平面的第二平面中偏转。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一可控光转向层和所述第二可控光转向层各自被配置为使光在第一平面中偏转。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一周期性光学特征结构和所述第二周期性光学特征结构中的至少一者包括散射光的粗糙表面。
14.一种用于通过光学***显示图像的方法，所述方法包括：
通过以下方式显示包含多个体素的图像，所述多个体素包括位于第一体素位置处的第一体素：
由包括多个发光元件的发光层的第一发光元件选择性地发射第一光；
操作可控光转向层的第一区段以选择性地朝向包括多个周期性光学特征结构的周期性光学层的第一周期性光学特征结构引导光，其中所述第一周期性光学特征结构具有第一光焦度，并且将所述第一光聚焦到所述第一体素位置上；
通过所述发光层的第二发光元件选择性地发射第二光；以及
操作所述可控光转向层的至少第二区段以选择性地朝向所述周期性光学层的第二周期性光学特征结构引导所述第二光，其中所述第二周期性光学特征结构具有不同的光焦度，并且将所述第二光聚焦到所述第一体素位置上。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括对于所述图像中具有第二体素位置的至少第二体素：
通过所述发光层的至少第三发光元件选择性地发射第三光；以及
操作所述可控光转向层的至少第三区段以选择性地朝向所述周期性光学层的第三周期性光学特征结构引导光，其中所述第三周期性光学特征结构将所述第三光聚焦到所述第二体素位置上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一体素位置具有第一深度，并且所述第二体素位置具有不同于所述第一深度的第二深度。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中由所述多个发光元件中的一个发光元件发射的光基于所述图像的深度信息朝向所述多个周期性光学特征结构中的一个周期性光学特征结构转向。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个周期性光学特征结构中的至少一个周期性光学特征结构包括散射光的粗糙表面。
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