[发明专利]用于光场显示器中的孔径扩展的方法和系统

说明书

描述了一些显示方法和装置。在一些实施方式中，为了生成图像，从发光层中的一个或多个发光元件(例如μLED)选择性地发射光。使用例如具有小孔径的微透镜阵列来准直从每个元件发射的光。每个准直光束由第一衍射光栅分成第一代子光束，并且该第一代子光束由第二衍射光栅分成第二代子光束。所述第二代子光束中不平行于初始准直光束的光束可以被空间光调制器(例如，LCD面板)阻挡。未被阻挡的光束在某些方面如同它们是使用具有比所述微透镜的孔径大的孔径的光学器件产生的那样工作。

相关申请的交叉引用

本申请是以下申请的非临时申请，并根据35 U.S.C.§119(e)而要求其权益：2017年11月2日递交的题为“用于光场显示器中的孔径扩展的方法和系统”的美国临时专利申请序列号62/580,797，该申请在此通过引用而被整体并入。

背景技术

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所观看的对象的深度。该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看的焦平面(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显示器使用体积显示技术，其能够在真实3D空间中产生3D图像。3D图像的每个“体素”物理上位于其应该所处的空间位置，并且从该位置向观看者反射或发射光以在观看者的眼睛中形成实像。3D体积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。

能够提供自然视网膜聚焦提示的再一种类型的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，产生与被观看对象的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。所述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。所述第二种方法更适合于位于距观看者(一个或多个)一定距离处的显示器，并且可以在没有头戴装备的情况下被使用。

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(以及VAC)，已经用多达512个视图测试了一些超多视图(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。在正常照射条件下，人的瞳孔通常被估计为直径大约4mm。如果环境光水平高(例如，在日光中)，则所述直径可以小至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(aperture)的光束的角展度，并且在设计非常高密度的SMV显示器时需要考虑这种效应。

不同的现有3D显示器可以基于它们的成型因素被分类成四个不同的类别。