具有谐振子波长透镜层的用于多个观众的无需眼镜的3d显示器的制造方法

文档序号:7978124阅读:300来源:国知局
具有谐振子波长透镜层的用于多个观众的无需眼镜的3d显示器的制造方法
【专利摘要】提供了一种用于向多个视点处的观众提供连续的3D图像的光场显示器。所述光场显示器包括具有多个像素层元件的像素层、具有多个谐振子波长透镜的谐振子波长透镜层以及连接到所述像素层和所述谐振子波长透镜层的电路板。所述谐振子波长透镜层中的每个谐振子波长透镜与所述像素层中的元件相结合。所述元件可以是像素或子像素,使得所述像素层中的每像素或子像素可以提供每个图像视点。
【专利说明】具有谐振子波长透镜层的用于多个观众的无需眼镜的3D显示器
【背景技术】
[0001]已经出现向观众提供三维(“3D”)真实世界场景的更准确的视觉再现而无需专门的观察眼镜的光场显示器。这种显示器对光场进行仿真,所述光场表示朝四面八方行进通过空间中的每个点的光的量。目标是通过使用显示屏捕获穿过物理表面的光场并且发射相同的光场来使得多个观众能够同时地从多个视点体验到真实的3D立体效果。这样做具有引起如娱乐、商业、医学以及艺术等等这样多样的领域中的许多基于视觉的应用的巨大变化的潜力。
[0002]当前可用的光场显示器的示例包括基于全息光栅、视差障碍或柱状透镜的那些显示器。全息显示器常常需要非常大的数据速率并且由于它们使用干涉来引导光而遭受光无效。它们还在被用不同波长照射时产生模糊的图像,并且因此迄今为止在商业应用中具有有限的使用。基于视差和柱镜的显示器依靠现有二维(“2D”)显示技术,并且因此实现起来不太昂贵,但同样遭受差图像质量和有限的视角。
[0003]视差障碍具有控制光的方向并且还阻挡来自像素的大部分光的窄孔径,这使得它们在使用大量的视点时变得非常低效。柱状透镜通过光学界面处的常规折射来引导光并且由于球面像差而需要相对较长的焦距。这限制视角并且还因为来自相邻像素的光进入错误的透镜而导致串扰(重影)。
[0004]这些显示器之中的公共主题是制造具有如下光场的显示器的困难:所述光场以像素级的精确度被控制以便针对宽广范围的视角实现良好的图像质量。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]连同结合附图进行的以下详细说明一起可以更全面地理解本申请,在附图中相同的附图标记贯穿附图指代相似的部分,并且在附图中:
图1图示了依照各种实施例的光场显示器的示意图;
图2图示了依照各种实施例的图1的示例光场显示器的更具体的示意图;
图3图示了示出多个像素的图2的示例光场显示器的示意图;
图4图示了依照各种实施例的图1的光场显示器的另一示例的更具体的示意图;
图5图示了示出多个像素的图4的示例光场显示器的示意图;
图6图示了示例RSL的示意图;
图7A-B图不了不出不例RSL的等距视图和顶视图的不意图;
图8图示了示出光如何透射通过RSL的示意图;
图9是用于设计具有RSL层的光场显示器的流程图;以及 图10图示了依照各种实施例的具有与像素层相结合的RSL层的光显示屏。
【具体实施方式】
[0006]公开了用于多个观众和视角的无需眼镜的3D显示器。所述显示器由包括谐振子波长透镜(“RSL”)的阵列以便改变入射光的波前的新颖谐振子波长透镜形成。如在本文中一般地描述的那样,RSL包括基底和由从基底的平面表面垂直延伸的柱的薄二维阵列构成的子波长光栅(“SWG”)。这些柱被配置在具有小于入射光的波长的周期的SWG图案中(“子波长”命名由此而来)并且由高指数材料的薄膜制造而成,所述高指数材料诸如例如非晶硅(“a-Si”)、氮化硅(“Si3N4”)等等。基底可以由与SWG中的柱相比具有相对较低的折射率的材料形成,所述材料诸如例如石英、二氧化硅(“Si02”)、氧化铝(“A1203”)或聚合物等等。
[0007]RSL上的入射光子被暂时存储在光栅中并且以取决于RSL中的柱的尺寸、折射率以及光的波长的相位被重新发射。通过改变RSL中的柱的尺寸,入射光能够被引导(在相位线性变化的情况下)或者聚焦(针对抛物线变化)。
[0008]在各种实施例中,RSL层被提供在像素层之上以使在像素平面中的给定位置处发射的入射光准直和或偏转到具有受控的垂直和水平角度扩展的特定输出角度。像素层由形式为子像素的阵列的多个像素形成,其中每个子像素对应于可独立寻址的单个彩色元件。RSL和像素层可以被设计为使得每个像素或子像素以定义明确的方向或视角提供不同的图像或不同的视点。使用RSL阵列代替标准微透镜或柱镜阵列降低了引起重影的像素之间的串扰,提高了效率,限制了像差,并且简化了制造和组装过程。
[0009]应认识到的是,在以下描述中,许多特定的细节被阐述以提供对实施例的透彻理解。然而,应认识到的是,可以在不限于这些特定的细节的情况下实践实施例。在其它实例中,众所周知的方法和结构可能未被详细地描述以避免不必要地混淆对实施例的描述。另外,可以彼此相结合地使用所述实施例。
[0010]现在参考图1,描述了依照各种实施例的光场显示器的示意图。光场显示器100包括像素层105、RSL层110以及电路板115。像素层105由包括像素和子像素的多个元件构成。每个像素(例如,来自1024 X 600、1920 x 1080等个像素)由子像素的阵列(例如,4X 4、5 X 5等)形成。每个子像素对应于单个彩色元件(例如,R/G/B),所述单个彩色元件可独立寻址并且生成用于多视点显示器的一个视点的光。RSL层110由多个RSL组成以便在多个方向使来自像素层105的入射光束偏转。每个RSL具有薄二维柱120的阵列,如在下面更详细地描述的那样。如由本领域的技术人员所认识到的那样,电路板115可以提供处理器、存储器、传感器以及用于处理用于显示器100的通信、像素/子像素寻址以及数据处理的其它电子装置。
[0011]图2图示了依照各种实施例的图1的示例光场显示器的更具体的示意图。光场显示器200具有像素层205、RSL层210以及电路板215。像素层205包括光源220、滤色器阵列以及快门面板中的多个像素,其中每个像素由子像素的阵列形成,诸如子像素230a-b。光源220可以是例如提供准直的(即,最低程度地发散的、几乎平行的)白光束235的均匀源的准直背光。白光束235通过滤色器阵列被转换成彩色,所述滤色器阵列包含多个滤色器,其中每个子像素一个滤色器(例如,滤色器225a用于子像素230a而滤色器225b用于子像素230b)。每个子像素对应于可独立寻址的单个彩色元件(例如,R/G/B)。应认识到的是,光源220可以与滤色器阵列分离开一定间隙。
[0012]在各种实施例中,RSL层210由多个RSL阵列组成,其中每个像素一个RSL阵列。每个RSL阵列具有多个RSL,其中单独的RSL被耦合到每个子像素。例如,RSL 240a被用来以给定方向使来自像素230a的光束235偏转成光束245a,并且RSL阵列240b被用来以另一方向使来自子像素230b的光束235偏转成光束245b。应认识到的是,RSL层210中的每个RSL (例如,RSL 240a和RSL 240b)可以被用来使光偏转成小水平方向(例如,小于10度)以及垂直方向上的大角度(例如,大于60度),从而生成多个图像视点。因为RSL层210中的每个RSL被紧密地耦合到它对应的子像素(例如,RSL 240a用于子像素230a ;RSL 240b用于子像素230b等等),所以来自每个像素的经偏转的光具有定义明确的方向和视角。这限制了引起重影的像素之间的串扰,提高了效率,限制了像差,并且允许RSL被定义用于与每个彩色相对应的窄波长范围。
[0013]如由本领域的技术人员所认识到的那样,仅出于说明目的,RSL层210和像素层205分别示出具有两个RSL (即,RSL 240a_b)以及两个子像素(即,子像素230a_b)和两个滤色器(即,滤色器225a-b)。在实践中,依照各种实施例建立的光场显示器中的RSL层和像素层包含许多RSL阵列、像素以及滤色器。例如,光场显示器220可以包括1920 x 1080个像素,其中每个像素具有对应的RSL阵列(其中RSL阵列中的一个RSL被耦合到一个子像素)和对应的滤色器。
[0014]现在把注意力针对图3,图3图示了示出多个像素的图2的示例光场显示器的示意图。光场显示器300包括许多(例如,1920 X 1080)个像素,其中每个像素(诸如像素305)被用准直白光的均匀源310照射。每个像素由子像素的阵列(例如,子像素的LCD快门阵列)构成,所述子像素的阵列诸如具有16个子像素的4 X 4子像素阵列315。每个子像素提供不同的视点。在具有16个子像素和16个视点的这个示例中,64°的视角将具有使光水平地偏转超过4°且垂直地偏转超过64°的每个子像素。为了使光场显示器300与更大量的视角相称,可以使用子像素的更密集阵列用于对应RSL阵列。
[0015]耦合到像素层的RSL层由用于每个像素的各自的RSL阵列组成,诸如RSL阵列320用于像素305。RSL阵列320又是其中单独的RSL被耦合到像素阵列315中的每个子像素的RSL的阵列。在一个实施例中,像素在大小上可以是约I mm并且子像素在大小上可以是约200 um X 100 μπι。如本领域的技术人员所认识到的那样,这些大小形状是说明性的。可以用不同数目的具有不同尺寸的像素、像素阵列以及对应的RSL阵列来制造不同的光场显示器。
[0016]现在参考图4,描述了依照各种实施例的图1的光场显示器的另一示例的更详细的示意图。光场显示器400包括像素层405、RSL层410以及电路板415。像素层405由多个(例如,1024 X 600,1920 x 1080等)个像素构成,其中每个像素由有源矩阵阵列和发射体阵列(诸如,例如与像素层405中的单个像素相对应的有源矩阵420和发射体阵列425)形成。如由本领域的技术人员所理解的那样,有源矩阵阵列由子像素的阵列(例如,4 X 4、5 X 5等)构成。每个子像素对应于可独立寻址的单个彩色元件(例如,R/G/B)。发射体阵列425可以是例如多个OLED元件的阵列。
[0017]RSL层410由多个RSL (例如,RSL 430)组成以便使来自像素层405的入射光束425偏转,如在下面更详细地描述的那样。在这个实施例中,入射光束435以不同的角度进入RSL层410并且单个RSL (例如,RSL 430)被用来引导单个像素的光。通过发射体阵列425中每个OLED元件的间隔来提供由RSL 430偏转的光束440的方向。
[0018]图5更详细地示出了图4的示例光场显示器的示意图。光场显示器500包括具有许多(例如,1920 X 1080)个像素的像素层,其中每个像素(例如,像素505)由有源矩阵阵列和发射体阵列(诸如,用于像素505的有源矩阵阵列510和发射体阵列520)形成。有源矩阵阵列520由16个子像素的4 X 4阵列组成,其中每个子像素具有通孔(例如,通孔515)。发射体阵列520具有16个OLED发射体(与16个子像素相对应),所述16个OLED发射体在水平方向上非常窄但在垂直方向上延伸像素的宽度。发射体阵列520中的每个发射体都通过覆盖通孔(例如,通孔515)而接触有源矩阵阵列510中的子像素。
[0019]耦合到光场显示器500中的像素层的RSL层由用于每个像素的单个RSL组成,诸如RSL 525用于像素505。在这个实施例中,每个OLED发射体的间隔提供不同的偏转角度。RSL 525可以是柱面透镜、或基于发射体阵列520中的OLED的间隔提供不同的偏转角度的任何其它形状的RSL。应认识到的是,仅出于说明目的而示出16个子像素。光场显示器可以被设计成通过将子像素的更密集阵列(例如,5 X 5、6 X 6等)用于对应的RSL来提供更大量的视角。
[0020]示例RSL的示意图在图6中被示出。RSL 600具有由高指数材料的薄膜制造而成的一系列线段或柱,所述高指数材料诸如例如非晶硅(“a-Si”)、氮化硅(“Si3N4”)等等。柱(例如,柱605)被配置在具有小于入射光的波长的周期的圆柱状子波长光栅(“SWG”)图案610中。在各种实施例中,柱可以具有变化的直径(例如,200 nm),并且从非常薄的基底(例如,约120 nm)的平面表面垂直地延伸。柱可以被设计为使得光大部分被透射同时经受任意的相前(phase front)变换,包括但不限于聚焦和/或偏转变换。入射光子被暂时存储在RSL 600中,并且以取决于RSL 600的尺寸、折射率以及光的波长的相位被重新发射。
[0021]图7A-7B示出了示例RSL的等距视图和顶视图。RSL 700包括充当沉积在基底710的平面表面715上的柱面透镜的SWG 705。图7B示出了被配置成以约15°的透射角使光偏转的SWG 705的顶视图。SWG 705由通过阴影圆720表示的圆柱状柱的二维六角点阵组成。柱的六角点阵通过由Λ所表示的点阵常数来表征,所述点阵常数对应于任何一对相邻柱的中心之间的距离。
[0022]SffG 705可以由单元素半导体或化合物半导体组成,所述单元素半导体诸如硅(“Si”)、非晶硅(“a-Si”)以及锗(“Ge”)。基底710可以由与SWG 705相比具有相对较低的折射率的材料组成。例如,基底710可以由石英、二氧化硅(“Si02”)、氧化铝(“A1302”)或聚合物组成。
[0023]诸如RSL 700的RSL是紧凑的且是单片的,并且能够用用来制造微电子器件的许多相同的CMOS兼容技术来制造。例如,可以通过使用晶圆结合或者化学或物理汽相沉积将半导体层沉积在基底的平面表面上来制造RSL 700。可以使用纳米制造技术在半导体层中形成组成SWG (例如,RSL 700中的SWG 705)的柱,所述纳米制造技术诸如光刻术、纳米压印平版印刷、反应离子蚀刻或卷到卷处理。可以通过形成柱以使得基底710的诸部分被暴露在柱之间来制造SWG 705,如在截面视图730中所示的。
[0024]在各种实施例中,SWG 705因为组成SWG 705的材料的折射率与基底710的折射率之间的相对较高的反差而是高反差SWG。例如,可以被用来形成SWG 705的元素半导体和许多化合物半导体当与具有632.8 nm的波长的光相互作用时具有大于约3.5的有效折射率。与此相对照,用来形成基底710的材料当与具有相同波长632.8 nm的光相互作用时具有约1.55的有效折射率。
[0025]SffG 705的点阵常数Λ被选择为使得RSL 700不以不想要的方式将光散射到基底中。可以通过基于取决于基底710的折射率的无散射极限来选择点阵常数而防止不想要的散射。除基于无散射极限选择点阵常数之外,RSL 700可被配置为使得被分离Λ的两个柱之间期望的相位差小于η,从而使得期望的输出相位由处于足够高的空间密度的点阵来确定。
[0026]应认识到的是,组成SWG 705的柱的直径是变化的。例如,如图7Β中所示,柱的直径可以被改变以形成不同的区,诸如区725-740。在每个区中,柱的直径可以在y方向上系统地增加,而在X方向上,柱的直径可以是恒定的。可以针对每个区重复柱直径在y方向上的系统性增加的图案。柱的直径在y方向上系统性增加同时使点阵常数Λ保持固定还对应于占空比在y方向上的增加。应认识到的是,SWG 705还被称为“子波长光栅”,因为柱直径和点阵常数Λ小于SWG 405被配置成与其相互作用的光的波长λ。
[0027]图7Β还示出了沿着在y方向上延伸的线段A-A的一部分被定位的柱的放大的yz平面截面视图。柱在y方向上被几乎等间隔地隔开固定的点阵常数Λ。每个区内的柱的直径在y方向上增加。在区735中,柱745-765的直径在y方向上增加,其中具有最小直径的柱745被定位成与在区730中沿着线A-A具有最大直径的柱765相邻并且柱760具有最大直径。该放大的视图揭示了柱直径的系统性增加在区740中被重复。
[0028]在各种实施例中,RSL的SWG可以被设计成具有期望的光学属性,诸如期望的偏转和/或聚焦属性。特别地,柱的大小越大,入射光保持被捕获在柱内越久。结果,透射通过具有较大尺寸的柱的SWG的区的光与具有较小尺寸的柱的相同SWG的其它区相比获得更大的透射相位。可以通过改变柱的尺寸同时使点阵常数保持固定、改变点阵常数同时使柱的尺寸保持固定、或者通过改变点阵常数和柱的尺寸来获得具有期望的光学属性的SWG。
[0029]如由本领域的技术人员所认识到的那样,RSL的SWG还可以被设计成通过应用涉及SWG的设计中的变换的等分标度的麦克斯韦方程的属性来与特定波长λ的光相互作用。还应认识到的是,SffG不限于柱的六角点阵,如图7Β中所示。替换地,SffG的点阵可以是正方形、矩形、菱形或平行四边形。还应认识到的是,RSL中的SWG可以被设计成以期望的透射角使透射光偏转。例如,RSL可以包括以10°、15°、20°等等使光偏转的SWG。
[0030]示出光如何透射通过RSL的示意图在图8中被图示。RSL 800被示出为具有平面入射波前805和透射波前810的快照。入射波前805以垂直入射撞击RSL 800,并且作为具有15°的透射角的透射波前810被输出。虚线815-825描绘出入射波前805的四个不同的段830-845,其中每个段获得一透射相位。结果,入射波前805的每个段都被输出为具有相同的约15°的透射角。如由本领域的技术人员所认识到的那样,RSL层中的每个RSL都可以被设计成以期望的角度使光偏转,从而向观众提供多个视点。
[0031]现参考图9,描述了用于设计具有RSL层的光场显示器的流程图。首先,使用纳米制造技术来设计和制造具有多个RSL的RSL层(900)。然后,制造像素层(905)并且将RSL层和像素层对准并相结合以形成用于多个观众的无需眼镜的光场显示器(910)。RSL层和像素层被对准和结合为使得像素层中的元件(例如,如图2-3中所示出的子像素或如图4-5中所示出的像素)能够以给定方向提供图像视点(915)。
[0032]依照各种实施例的具有与像素层相结合的RSL层的光显示屏在图10中被图示。显示屏1000是具有与像素层相结合的RSL层以便将连续的3D图像提供给观众(例如,将连续的3D图像1005a-d提供给观众1010a_d)而不需要使用专门的观察眼镜的光场显示屏。因此,显示屏1000的观众(他们可以位于相对于显示屏1000的不同位置处)在许多不同的视点处感知到明亮且高质量的3D图像。
[0033]如由本领域的技术人员所认识到的那样,用在光场显示器1000中的RSL层对于使用纳米制造技术(例如,卷到卷压印)来制造而言是便宜的,并且具有用以提供大量的视点的高光学质量。还应认识到的是,RSL的容易制造允许分别的RSL被用于每个子像素,如在图2-3中所图示的那样,或者被用于每个像素,如在图4-5中所图示的那样。这允许来自每个子像素的光具有定义明确的方向并且被紧密地耦合到它对应的像素,从而限制引起重影的像素之间的串扰,提高效率,限制像差,并且允许RSL被定义用于与每个色彩相对应的窄波长范围。
[0034]还应认识到的是,如图8中所示,透射波前的相位受到RSL中的平坦表面而不是如在光学透镜的情况下的球面或更复杂的形状的控制。这改进所生成的图像的像差和光学质量。另外,SWG在RSL中的使用使得光能能够被偏转成第O阶,而不是如在常规全息光栅或菲涅耳(Fresnel)透镜中那样的更高阶。这导致更明亮且更高质量的图像。作为用来制造RSL的高指数材料的结果,图像质量也得以改善。所述材料(例如,具有指数4的a-Si)允许小焦距并且导致更大的视角、减少的像素串扰以及改进的光收集效率。利用基于RSL的光场显示器可实现的更好的光学质量以及更大量的视点向多个观众提供了更连续的运动视差和无需眼镜的立体图像。
[0035]应认识到的是,提供对所公开的实施例的先前描述来使得本领域的任何技术人员都能够做出或者使用本公开。对这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员而言将是容易地显而易见的,并且本文中所定义的通用原理可以适用于其它实施例而不脱离本公开的精神或范围。因此,本公开并不意图被限于本文中所示出的实施例,而是符合与本文中所公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
【权利要求】
1.一种用于向多个视点处的观众提供连续的3D图像的光场显示器,包括: 像素层,其包括多个像素层元件; 谐振子波长透镜层,其包括多个谐振子波长透镜,每个谐振子波长透镜与所述像素层中的元件相结合;以及 电路板,其被连接到所述像素层和所述谐振子波长透镜层。
2.根据权利要求1所述的光场显示器,其中像素层元件包括像素。
3.根据权利要求1所述的光场显示器,其中像素层元件包括子像素。
4.根据权利要求2所述的光场显示器,其中像素包括子像素的阵列。
5.根据权利要求1所述的光场显示器,其中所述像素层包括准直背光、多个滤色器以及形成多个像素的多个子像素。
6.根据权利要求1所述的光场显示器,其中所述像素层包括有源矩阵阵列、发射体阵列以及多个像素。
7.根据权利要求5所述的光场显示器,其中每个谐振子波长透镜与子像素对准以便每个子像素提供一图像视点。
8.根据权利要 求6所述的光场显示器,其中每个谐振子波长透镜与像素对准以便每个像素提供一图像视点。
9.根据权利要求1所述的光场显示器,其中谐振子波长透镜包括由从具有平面表面的基底延伸的柱组成的高反差子波长光栅。
10.根据权利要求9所述的光场显示器,其中所述柱具有变化的尺寸并且以给定角度使透射光偏转。
11.一种将连续的3D图像提供给多个观众的方法,包括: 制造包括多个谐振子波长透镜的谐振子波长透镜层; 制造包括多个像素层元件的像素层; 将所述谐振子波长透镜层中的每个谐振子波长透镜与所述像素层中的像素层元件相结合;以及 将多个图像视点提供给所述多个观众,其中针对每个像素层元件提供图像视点。
12.根据权利要求11所述的方法,其中像素层元件包括像素。
13.根据权利要求11所述的方法,其中像素层元件包括子像素。
14.根据权利要求12所述的方法,其中像素包括子像素的阵列。
15.根据权利要求11所述的方法,其中所述像素层包括准直背光、多个滤色器以及形成多个像素的多个子像素。
16.根据权利要求11所述的方法,其中所述像素层包括有源矩阵阵列、发射体阵列以及多个像素。
17.根据权利要求11所述的方法,其中制造谐振子波长透镜层包括制造高反差子波长光栅,所述高反差子波长光栅由从具有平面表面的基底延伸并且以给定角度使透射光偏转的具有变化尺寸的柱的图案组成。
18.一种用在具有像素层的光场显示器中的谐振子波长透镜层,所述谐振子波长透镜层包括: 具有平面表面的基底;以及形成在所述基底上的多个谐振子波长透镜,每个谐振子波长透镜与所述像素层中的元件相结合并且具有高反差子波长光栅,所述高反差子波长光栅由从所述基底延伸并且以给定角度使透射光偏转的具有变化的尺寸的柱的图案组成,以便所述像素层中的每个元件提供一图像视点。
19.根据权利要求18所述的谐振子波长透镜层,其中所述元件包括像素。
20.根据权利要求18所述的谐振子波长透镜层,其中所述元件包括子像素。
【文档编号】H04N13/00GK103635850SQ201180072001
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2011年6月30日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】J.A.伯格, D.法塔尔, H.P.扩 申请人:惠普发展公司,有限责任合伙企业
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