用于基于分布式光孔的光场显示器的光学方法和系统技术方案

描述了用于提供诸如光场显示器的3D显示器的系统和方法。在一些实施例中，显示设备包括发光层，该发光层包括发光元件的可寻址阵列。光学层覆盖所述发光层。该光学层包括多个分布式透镜。在一些实施例中，该分布式透镜包括非邻接透镜区域。在一些实施例中，具有不同光学中心的分布式透镜区域彼此交错。空间光调制器可操作以提供对哪些透镜区域将来自所述发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。在一些实施例中，交错和/或非邻接分布式透镜的使用提供了改进的显示分辨率，同时衍射效应减小。小。小。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于分布式光孔的光场显示器的光学方法和系统
相关申请的交叉引用
[0001]本申请是以下临时申请的非临时申请，并按照35U.S.C.
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119(e)要求其优先权：2019年6月7日提交的题为“Optical Method and System for Light Field Displays Based on Distributed Apertures(用于基于分布式光孔的光场显示器的光学方法和系统)”的美国临时专利申请序列号62/858,671和2019年7月5日提交的题为“Optical Method and System for Light Field Displays Based on Varifocal Mosaic Lenses(用于基于可变焦马赛克透镜的光场显示器的光学方法和系统)”的美国临时专利申请序列号62/870,858，这两篇申请通过引用而被整体结合于此。

技术介绍

[0002]不同的3D显示器可以基于它们的形状因子(form factor)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组件和更少的材料制成，使得它们成本相对低。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。体积(Volumetric)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，使得这些系统容易笨重、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系统。这些系统可以被制造得更紧凑以便运输，并且它们还覆盖比例如体积显示器大得多的FOV。这些系统可能是复杂且昂贵的，因为它们需要投影子组件以及例如不同部分之间的精确对准，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组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。
[0003]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(cue)引起在观察的焦平面(focal plane)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显示器使用能够在真实3D空间中产生3D图像的体积显示技术。3D图像的每个“体素(voxel)”物理上位于其应该所处的空间位置，并且从该位置向观察者反射或发射光以在观察者的眼睛中形成实像。3D体显示器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麻烦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。全息显示器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阵面的适当的空间光调制器(SLM)组件。
[0004]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
显示系统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系统旨在控制空间域和角度域中的光发射，而不是像传统的立体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。存在至少两种根本不同的方法来产生光场。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对象的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。
[0005]聚散
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调节冲突(VAC)是当前立体3D显示器的一个问题。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，照亮两个像素集群以正确地表示单个点。此外，来自这两个空间上分离的像素集群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。
[0006]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)，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。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。衍射增加了通过光孔的光束的角展度，并且在设计非常高密度的SMV显示器时可以考虑这种效应。

技术实现思路

[0007]根据一些实施例的显示设备包括：发光层，包括发光元件的可寻址阵列；覆盖所述发光层的光学层，其中所述光学层包括多个分布式透镜，每个分布式透镜具有光学中心，并且其中所述分布式透镜中的每个分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他分布式透镜交错；以及空间光调制器，其可操作以提供对哪些透镜区域将来自发光层的光透射到所述显示设备外部的控制。
[0008]在一些实施例中，所述分布式透镜中的每一个包括多个透镜区域，并且其中第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间，所述第一和第二分布式透镜具有不同的光学中心。
[0009]在一些实施例中，相应的分布式透镜内的所述透镜区域中的每一个具有基本上相同的主焦点。
[0010]在一些实施例中，每个分布式透镜包括至少两个非邻接的透镜区域。
[0011]在一些实施例中，所述空间光调制器包括多个光调制像素，并且其中所述空间光调制器的每个像素对应于所述透镜区域中的不超过一个透镜区域。
[0012]在一些实施例中，对于所述多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个预定体素位置。
[0013]在一些实施例中，对于所述多个分布式透镜中的每一个，该相应的分布式透镜被配置为使来自至少一个预定发光元件的光朝向至少一个预定体素位置准直(collimate)。
[0014]根据一些实施例的一种操作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种显示设备，包括：发光层，包括发光元件的可寻址阵列；光学层，覆盖所述发光层，其中所述光学层包括多个分布式透镜，每个分布式透镜具有光学中心，并且其中所述分布式透镜中的每个分布式透镜与具有不同光学中心的至少一个其他分布式透镜交错；以及空间光调制器，其可操作以提供对哪些透镜区域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，所述分布式透镜中的每一个包括多个透镜区域，并且其中，第一分布式透镜的至少一个透镜区域位于第二分布式透镜的至少两个透镜区域之间，所述第一和第二分布式透镜具有不同的光学中心。3.根据权利要求1或2所述的显示设备，其中相应分布式透镜内的所述透镜区域中的每一者具有实质上相同的主焦点。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的显示设备，其中，每个分布式透镜包括至少两个非邻接的透镜区域。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的显示设备，其中，所述空间光调制器包括多个光调制像素，并且其中，所述空间光调制器的每个像素对应于所述透镜区域中的不超过一个透镜区域。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的显示设备，其中，对于多个所述分布式透镜中的每一个，该相应分布式透镜被配置为将来自至少一个预定发光元件的光聚焦到至少一个预定体素位置。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的显示设备，其中，所述分布式透镜中的至...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱卡塔帕尼，
申请(专利权)人：PCMS控股公司，
类型：发明
国别省市：