光场和全息波导阵列中的能量的选择性传播的制作方法
本公开涉及能量引导装置，并且具体地说，涉及配置成根据四维全光系统引导能量的能量波导。
背景技术：
通过generoddenberry的《星际迷航(startrek)》推广的“全息甲板”室内的交互式虚拟世界的梦想最初是在20世纪初由作家alexandermoszkowski设想出来的，近一个世纪以来它一直是科幻和技术创新的灵感来源。然而，除了文学、媒体以及儿童和成年人的集体想象之外，这种体验并不具有令人信服的实施方案。
技术实现要素：
用于限定多个能量传播路径的能量波导系统的实施例包括能量波导阵列，所述阵列包括第一侧和第二侧，且配置成沿着延伸通过所述第一侧上的多个能量位置的多个能量传播路径引导能量从其通过。所述多个能量传播路径的子集可延伸通过第一能量位置。
在实施例中，第一能量波导配置成沿着所述多个能量传播路径的第一子集的第一能量传播路径引导能量，所述第一能量传播路径由在所述第一能量位置和所述第一能量波导之间形成的第一主光线限定，且另外其中所述第一能量传播路径在至少通过所述第一能量位置确定的唯一方向上从所述第一能量波导朝向所述阵列的所述第二侧延伸。沿着所述第一能量传播路径通过所述第一能量波导引导的能量可大体上填充所述第一能量波导的第一孔径。在实施例中，能量波导系统包括能量抑制元件，所述能量抑制元件定位成限制能量沿着所述多个能量传播路径的所述第一子集中未延伸通过所述第一孔径的一部分的传播。
在实施例中，所述能量抑制元件可位于所述能量波导阵列和所述多个能量位置之间的第一侧上。在实施例中，所述第一能量波导包括二维空间坐标，并且其中至少通过所述第一能量位置确定的所述唯一方向包括二维角坐标，其中所述2d空间坐标和所述2d角坐标形成四维(4d)坐标集。
在实施例中，沿着所述第一能量传播路径引导的能量可包括在大体上平行于所述第一主光线的方向上通过所述第一能量波导引导的一个或多个能量射线。
在实施例中，沿着所述第一能量传播路径引导的能量可与沿着第二能量传播路径通过第二能量波导引导的能量汇聚。此外，所述第一和第二能量传播路径可在所述阵列的所述第二侧上、在所述阵列的所述第一侧上或在所述阵列的所述第一和第二侧之间汇聚。
此外，所述能量抑制元件的结构可配置成限制接近所述第一能量位置的能量的角度范围，并且可包括邻近于所述第一能量位置的能量中继器。另外，所述能量抑制结构可包括至少一个数值孔径，并且可包括挡扳结构。所述能量抑制结构可定位成邻近于所述第一能量波导，并且大体上朝向所述第一能量位置延伸，或者可定位成邻近于所述第一能量位置，并且大体上朝向所述第一能量波导延伸。
在实施例中，所述能量波导阵列可被布置成形成平面表面，或可被布置成形成弯曲表面。
用于限定多个能量传播路径的能量波导系统的实施例可包括微透镜阵列，所述阵列包括第一侧和第二侧，且配置成沿着延伸通过多个能量位置的多个能量传播路径引导能量从其通过。所述多个能量传播路径的第一子集延伸通过第一能量位置。
在实施例中，第一微透镜配置成沿着所述多个能量传播路径的所述第一子集的第一能量传播路径引导能量，所述第一能量传播路径由在所述第一能量位置和所述第一微透镜之间形成的第一主光线限定，且另外其中所述第一能量传播路径在至少通过所述第一能量位置确定的唯一方向上从所述第一能量波导朝向所述阵列的所述第二侧延伸。沿着所述第一能量传播路径通过所述第一微透镜引导的能量可填充所述第一微透镜的第一孔径。
在实施例中，能量波导系统包括能量抑制元件，所述能量抑制元件定位成限制能量沿着所述多个能量传播路径的所述第一子集中未延伸通过所述第一孔径的一部分的传播。在实施例中，所述波导阵列可被布置成形成平面表面，或可被布置成形成弯曲表面。
在实施例中，所述波导阵列中的元件可为菲涅耳透镜。
在实施例中，所述第一波导的形状可配置成另外改变至少通过所述第一能量位置确定的所述唯一方向。
用于限定多个能量传播路径的能量波导系统的实施例包括反射器元件，所述反射器元件包括：位于所述反射器元件的第一侧上的第一反射器，所述第一反射器包括通过其形成的一个或多个孔径光阑；以及位于所述反射器元件的第二侧上的第二反射器，所述第二反射器包括通过其形成的一个或多个孔径光阑。所述第一和第二反射器配置成沿着多个能量传播路径引导能量，所述多个能量传播路径延伸通过所述第一和第二反射器的所述孔径光阑和在所述反射器元件的所述第一侧上的多个能量位置。所述多个能量传播路径的第一子集可延伸通过第一能量位置。
在实施例中，所述反射器元件配置成沿着所述多个能量传播路径的所述第一子集的第一能量传播路径引导能量，所述第一能量传播路径由在所述第一能量位置和所述第一反射器的第一孔径光阑之间形成的第一主光线限定，且另外其中所述第一能量传播路径在至少通过所述第一能量位置确定的唯一方向上从所述第二反射器的第一孔径光阑朝向所述反射器元件的所述第二侧延伸。沿着所述第一能量传播路径引导的能量可大体上填充所述第一反射器的所述第一孔径光阑和所述第二反射器的所述第一孔径光阑。
在实施例中，所述能量波导系统包括能量抑制元件，所述能量抑制元件定位成限制能量沿着所述多个能量传播路径的所述第一子集中未延伸通过所述第一反射器的所述第一孔径光阑的一部分的传播。
在实施例中，所述第一和第二反射器的所述一个或多个孔径光阑的大小可为恒定的，或者可以变化。
在实施例中，所述第一和第二反射器包括一个或多个抛物面，使得所述第一反射器的第一抛物面和所述第二反射器的第一抛物面配置成沿着所述第一能量传播路径反射能量。所述第一反射器的所述第一抛物面的焦距可与所述第二反射器的所述第一抛物面的焦距相同，或者可与所述第二反射器的所述第一抛物面的焦距不同。
在实施例中，额外的能量抑制元件可位于所述反射器元件的所述第一和第二侧之间。
在实施例中，能量波导系统双向传播能量。
在实施例中，能量波导配置成传播机械能
在实施例中，能量波导配置成传播电磁能。
在实施例中，能量波导配置成同时传播机械能、电磁能和/或其它形式的能量。
在实施例中，能量波导在4d坐标系内分别以u和v的不同比传播能量。
在实施例中，能量波导以合成函数传播能量。
在实施例中，能量波导包括沿着所述能量传播路径的多个元件。
在实施例中，能量波导直接由光纤中继器抛光表面形成。
在实施例中，能量波导系统包括展现横向安德森局域化的材料。
在实施例中，能量抑制元件配置成抑制电磁能。
在实施例中，能量抑制元件配置成抑制机械能。
在实施例中，能量抑制元件配置成抑制机械能、电磁能和/或其它形式的能量。
根据以下详细描述和所附权利要求书，所属领域的技术人员将清楚本公开的这些和其它优点。
附图说明
图1是说明用于能量引导系统的设计参数的示意图；
图2是说明具有主动装置区域的带机械外壳的能量系统的示意图；
图3是说明能量中继器系统的示意图；
图4是说明粘合在一起且紧固到底座结构上的能量中继器元件的实施例的示意图；
图5a是说明通过多核光纤中继的图像的实例的示意图；
图5b是说明通过光学中继器中继的图像的实例的示意图，所述光学中继器具有横向安德森局域化原理的特性；
图6是示出从能量表面传播到观察者的光线的示意图；
图7说明可用于限定多个能量传播路径的能量波导系统的实施例的自上向下的透视图；
图8说明图7中示出的实施例的前透视图；
图9a-h说明能量抑制元件的各种实施例；
图10说明能量波导系统的另一实施例；
图11说明能量波导系统的另一实施例；
图12突显了用于能量波导设计考虑的方形包装、六边形包装和不规则包装之间的差异；
图13说明具有布置成弯曲配置的能量波导阵列的实施例；
图14说明突显了波导元件可如何影响从中通过的能量的空间分布的实施例；
图15说明进一步突显了波导元件可如何影响从中通过的能量的空间分布的另一实施例；
图16说明其中多个能量波导包括衍射波导元件的实施例；
图17说明用于为所要视角提供全密度光线照明的微透镜配置。
具体实施方式
全息甲板(统称为“全息甲板设计参数”)的实施例提供足以迷惑人类感觉受体以使其相信在虚拟、社交和交互环境内接收到的能量脉冲真实的能量刺激，从而提供：1)在没有外部配件、头戴式眼镜或其它外围设备的情况性下的双眼视差；2)任何数目个观察者同时的整个视体中的准确运动视差、阻挡和不透明度；3)通过眼睛对所有所感知光线的同步汇聚、调节和缩瞳的视觉焦点；以及4)汇聚具有足够密度和分辨率的能量波传播以超过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉和/或平衡的人类感觉“分辨率”。
基于迄今为止的常规技术，我们距离能够按照如全息甲板设计参数(包含视觉、听觉、体感、味觉、嗅觉和前庭系统)所提出的令人信服的方式实现所有感受野有数十年，甚至几个世纪。
在本公开中，术语光场和全息可互换使用以限定用于刺激任何感觉受体反应的能量传播。尽管初始公开可能是指通过全息图像和立体触觉的能量表面的电磁和机械能传播的实例，但是本公开中可以设想所有形式的感觉受体。此外，本文中所公开的沿着传播路径的能量传播的原理可适用于能量发射和能量捕获。
当今存在的许多技术通常不幸地与全息图混淆，所述全息图包含透镜印刷、佩珀尔幻象(pepper'sghost)、无眼镜立体显示器、水平视差显示器、头戴式vr和ar显示器(hmd)，以及其它概括为“配镜(fauxlography)”的此类幻象。这些技术可能会展现出真正的全息显示器的一些所要特性，但是它们无法通过任何足以实现四个识别出的全息甲板设计参数中的至少两个的方式刺激人类视觉反应。
常规技术尚未成功实现这些挑战以产生足以用于全息能量传播的无缝能量表面。存在各种实施立体和方向复用光场显示器的方法，包含视差屏障、微元(hogel)、体元、衍射光学器件、多视图投影、全息漫射器、旋转镜、多层显示器、时序显示器、头戴式显示器等，但是常规方法可能会涉及对图像质量、分辨率、角度采样密度、大小、成本、安全性、帧速率等的损害，这最终使得技术不可行。
为了实现视觉、听觉、体感系统的全息甲板设计参数，需要研究和理解相应系统中的每一个的人类敏锐度来传播能量波，以便充分迷惑人类感觉受体。视觉系统能够分辨到大致1弧分，听觉系统可以区分小到三度的位置差异，且手部的体感系统能够辨别分隔2-12mm的点。尽管测量这些敏锐度的方式各种各样且相互矛盾，但是这些值足以理解刺激能量传播的感知的系统和方法。
在所提到的感觉受体中，人类视觉系统到目前为止是最敏感的，因为即使是单个光子也可诱发感觉。出于此原因，这一介绍的大部分将集中在视觉能量波传播，且联接在所公开的能量波导表面内的分辨率低得多的能量系统可将适当的信号汇聚以诱发全息感觉感知。除非另外指出，否则所有公开内容适用于所有能量和感觉域。
在给定视体和观察距离的情况下计算视觉系统的能量传播的有效设计参数时，所要能量表面可设计成包含数千兆像素的有效能量位置密度。对于宽视体或近场观察，所要能量表面的设计参数可包含数百千兆像素或更多的有效能量位置密度。相比而言，所要能量源可设计成依据输入环境变量，针对立体触觉的超声波传播具有能量位置密度的1到250个有效百万像素，或针对全息声音的声学传播具有36到3,600个有效能量位置的阵列。重要的是，注意在所公开的双向能量表面架构的情况下，所有组件都可配置成形成适用于任何能量域的结构来实现全息传播。
然而，目前实现全息甲板的主要挑战涉及可用视觉技术和电磁装置的局限性。鉴于基于相应感受野中的感觉敏锐度的所要密度的数量级差异，声学和超声波装置不太具有挑战性，但是不应低估复杂性。尽管存在分辨率超过所要密度的全息乳剂来对静态图像中的干扰图案进行编码，但是现有技术的显示装置受到分辨率、数据吞吐量和制造可行性的限制。迄今为止，没有一个单个的显示装置能够有意义地产生具有视觉敏锐度的近全息分辨率的光场。
能够满足令人信服的光场显示器的所要分辨率的单个硅基装置的生产可能是不实际的，并且可能会涉及极其复杂的超出当前制造能力的制造工艺。对将多个现有显示装置平铺在一起的限制涉及由封装、电子器件、壳体、光学器件的物理大小形成的缝隙和空隙以及从成像、成本和/或大小角度来看会不可避免地导致技术不可行的数个其它挑战。
本文中所公开的实施例可提供构建全息甲板的现实路径。
现将在下文中参考附图描述实例实施例，附图形成本发明的一部分并说明可以实践的实例实施例。如在本公开和所附权利要求书中使用的，术语“实施例”、“实例实施例”和“示例性实施例”不一定指代单个实施例，但是它们可以指代单个实施例，并且各种实例实施例可易于组合和互换，同时不脱离实例实施例的范围或精神。此外，本文所使用的术语仅用于描述各种实例实施例，而不意图为限制性的。就此而言，如本文中所使用，术语“在……中”可包含“在……中”和“在……上”，并且术语“一”、“一个”和“所述”可包含单数引用和复数引用。另外，如本文中所使用，术语“通过(by)”还可依据上下文意指“根据(from)”。此外，如本文所使用，术语“如果”还可依据上下文意指“当……时”或“在……时”。此外，如本文中所使用，词语“和/或”可以指代并涵盖相关联的所列物品中的一个或多个的任何和所有可能组合。
全息系统考虑因素：
光场能量传播分辨率概述
光场和全息显示是多个投影的结果，其中能量表面位置提供在视体内传播的角度、颜色和亮度信息。所公开的能量表面为额外信息提供通过相同表面共存和传播以诱发其它感觉系统反应的机会。不同于立体显示器，观察到的汇聚能量传播路径在空间中的位置在观察者在视体中四处移动时不会变化，且任何数目个观察者可以同时在现实空间中看见所传播的物体，就像它真的在现实空间中一样。在一些实施例中，能量的传播可以定位于相同的能量传播路径中，但是是沿着相反的方向。例如，在本公开的一些实施例中，沿着能量传播路径的能量发射和能量捕获均为可能的。
图1是说明与感觉受体反应的刺激相关的变量的示意图。这些变量可包含表面对角线01、表面宽度02、表面高度03、所确定目标座位距离18、从显示器04的中心起的视场的目标座位场、在本文中展示为眼睛05之间的样本的中间样本的数目、平均成人眼间间隔06、以弧分为单位的人眼的平均分辨率07、在目标观察者位置和表面宽度之间形成的水平视场08、在目标观察者位置和表面高度之间形成的竖直视场09、所得水平波导元件分辨率或元件在表面上的总数10、所得竖直波导元件分辨率或元件在表面上的总数11、基于眼睛之间的眼间间距和眼睛之间的角度投影的中间样本的数目的样本距离12。角度采样可基于样本距离和目标座位距离13、从所要角度采样导出的每波导元件总分辨率horizontal14、从所要角度采样导出的每波导元件总分辨率vertical15。装置horizontal是所确定数目个所要精密能量源的计数16，且装置vertical是所确定数目个所要精密能量源的计数17。
一种理解所要最小分辨率的方法可基于以下判据来确保视觉(或其它)感觉受体反应的足够刺激：表面大小(例如，84"对角线)、表面高宽比(例如，16:9)、座位距离(例如，距离显示器128")、座位视场(例如，120度或围绕显示器的中心+/-60度)、在一距离处的所要中间样本(例如，在眼睛之间的一个额外传播路径)、成人的平均眼间间隔(大致65mm)，以及人眼的平均分辨率(大致1弧分)。应该依据特定应用设计参数将这些实例值视为占位符。
另外，归于视觉感觉受体的这些值中的每一个可由其它系统代替以确定所要传播路径参数。对于其它能量传播实施例，可以考虑低至三度的听觉系统的角度敏感度，以及小至2-12mm的手部的体感系统的空间分辨率。
尽管测量这些感觉敏锐度的方法各种各样且相互矛盾，但是这些值足以理解刺激虚拟能量传播的感知的系统和方法。考虑设计分辨率具有许多方式，并且下文提出的方法组合了实用产品考虑因素与感觉系统的生物分辨极限。如所属领域的普通技术人员将了解，以下概述是任何此类系统设计的简化，并且应该被视为仅用于示例性目的。
在理解了感觉系统的分辨率极限的情况下，给定下式可以计算总能量波导元件密度，使得接收感觉系统无法辨别来自邻近元件的单个能量波导元件：
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上述计算得到大致32x18°视场，从而产生所要的大致1920x1080(舍入到最接近格式)能量波导元件。还可以约束变量，使得视场对于(u，v)来说是一致的，从而提供能量位置的更规则空间采样(例如，像素高宽比)。系统的角度采样采用限定的目标视体位置和在优化距离处的两个点之间的额外传播能量路径，给定下式：
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在此情况下，利用眼间距离来计算样本距离，但是可以利用任何度量将适当数目个样本视为给定距离。考虑到上述变量，可能需要大致每0.57°一条光线，并且给定下式，可以确定每独立感觉系统的总系统分辨率：
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·总分辨率h＝n*水平元件分辨率
·总分辨率v＝n*竖直元件分辨率
在上述情形下，给定能量表面的大小和视觉敏锐度系统所实现的角度分辨率，所得能量表面可理想地包含大致400kx225k个像素的能量分辨率位置，或90千兆像素的全息传播密度。所提供的这些变量只是出于示例性目的，并且优化能量的全息传播应该考虑许多其它感觉和能量计量考虑因素。在另一个实施例中，基于输入变量，可能需要1千兆像素的能量分辨率位置。在另一个实施例中，基于输入变量，可能需要1,000千兆像素的能量分辨率位置。
目前的技术限制：
主动区域、装置电子器件、封装和机械外壳
图2说明具有带特定机械外观尺寸的主动区域22的装置20。装置20可包含用于供电和介接到主动区域22的驱动器23和电子器件24，所述主动区域具有如由x和y箭头展示的尺寸。此装置20不考虑用于驱动、供电和冷却组件的走线和机械结构，并且机械占用面积可通过引入排线到装置20中来进一步最小化。此类装置20的最小占用面积还可被称作具有如由m:x和m:y箭头展示的尺寸的机械外壳21。此装置20仅出于说明的目的，且定制电子器件设计可进一步减少机械外壳开销，但是几乎在所有情况中可能都并不是装置的主动区域的确切大小。在实施例中，此装置20说明电子器件在它关于微oled、dlp芯片或lcd面板或目的是图像照明的任何其它技术的主动图像区域22时的依赖性。
在一些实施例中，还可能考虑其它将多个图像聚合到更大的整体显示器上的投影技术。然而，这些技术可能会以投射距离、最短聚焦、光学质量、均匀场分辨率、色差、热特性、校准、对齐、额外大小或外观尺寸的更大复杂性为代价。对于大多数实际应用，托管数十或数百个这些投影源20可产生大得多且可靠性更低的设计。
仅出于示例性目的，假设具有3840x2160个站点的能量位置密度的能量装置，给定下式，可以确定能量表面所需的个别能量装置(例如，装置10)的数目：
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鉴于上述分辨率考虑因素，可能需要类似于图2中所示的那些的大致105x105个装置。应注意，许多装置由各种像素结构组成，所述像素结构可能映射到也可能不映射到规则网格上。在每一完整像素内存在额外子像素或位置的情况下，这些可用于生成额外分辨率或角密度。可以使用额外信号处理来确定如何依据像素结构的指定位置将光场转换成正确的(u，v)坐标，且额外信号处理可以是已知和校准的每一装置的显式特征。另外，其它能量域可涉及这些比和装置结构的不同处理，所属领域的技术人员将理解所要频率域中的每一个之间的直接内在关系。这将在后续公开内容中更详细地示出和论述。
可以使用得到的计算值来理解产生完整的分辨率能量表面可能需要这些个别装置中的多少个。在此情况下，达到视觉敏锐度阈值可能需要大致105x105或大致11,080个装置。从这些可用的能量位置制造无缝能量表面以进行足够的感觉全息传播存在挑战性和新颖性。
无缝能量表面综述：
能量中继器阵列的配置和设计
在一些实施例中，公开实现由于装置的机械结构的限制而从个别装置的阵列无缝地生成高能量位置密度的挑战的方法。在实施例中，能量传播中继器系统可允许主动装置区域的有效大小增加以满足或超过机械尺寸，从而配置中继器阵列并形成单个无缝能量表面。
图3说明此类能量中继器系统30的实施例。如所示，中继器系统30可包含安装到机械外壳32上的装置31，其中能量中继器元件33传播来自装置31的能量。中继器元件33可配置成具有减小任何空隙34的能力，在装置的多个机械外壳32被放置到多个装置31的阵列中时可产生所述空隙34。
例如，如果装置的主动区域310是20mmx10mm且机械外壳32是40mmx20mm，那么能量中继器元件33可设计有2:1放大率，以产生在缩小端部上(箭头a)大致为20mmx10mm且在放大端部上(箭头b)为40mmx20mm的锥形形式，从而提供将这些元件33的阵列无缝地对齐在一起而不改变每一装置31的机械外壳32或与所述机械外壳32碰撞的能力。在机械上，中继器元件33可结合或熔合在一起以便对齐和抛光，从而确保装置31之间的缝隙空隙34最小。在一个此类实施例中，有可能实现小于眼睛的视觉敏锐度极限的缝隙空隙34。
图4说明具有能量中继器元件410的底座结构400的实例，所述能量中继器元件410形成在一起且牢牢地紧固到额外机械结构430上。无缝能量表面420的机械结构提供通过结合或安装中继器元件410、450的其它机械过程将多个能量中继器元件410、450串联联接到同一底座结构上的能力。在一些实施例中，每一中继器元件410可熔合、结合、粘合、压配、对齐或以其它方式附接到一起以形成所得的无缝能量表面420。在一些实施例中，装置480可安装到中继器元件410的后部上，并被动地或主动地对齐以确保维持在所确定容差内的适当能量位置对齐。
在实施例中，无缝能量表面包括一个或多个能量位置，且一个或多个能量中继器元件堆叠包括第一和第二侧，且每一能量中继器元件堆叠被布置成形成单个无缝显示表面，从而沿着在一个或多个能量位置和无缝显示表面之间延伸的传播路径引导能量，其中终端能量中继器元件的任何两个邻近的第二侧的边缘之间的间隔小于最小可感知轮廓，所述最小可感知轮廓如由视力优于20/40的人眼在大于单个无缝显示表面的宽度的距离处的视觉敏锐度所限定。
在实施例中，无缝能量表面中的每一个包括一个或多个能量中继器元件，每一能量中继器元件具有形成带横向和纵向定向的第一和第二表面的一个或多个结构。第一中继器表面具有不同于第二中继器表面的面积，从而产生正放大率或负放大率，且配置有明确的表面轮廓以供第一和第二表面通过第二中继器表面传递能量，从而大体上填充相对于在整个第二中继器表面上的表面轮廓的法线的+/-10度角。
在实施例中，多个能量域可在单个能量中继器内或多个能量中继器之间配置，以引导包含视觉、声学、触觉或其它能量域的一个或多个感觉全息能量传播路径。
在实施例中，无缝能量表面配置有能量中继器，所述能量中继器针对每一第二侧包括两个或更多个第一侧以同时接收和发射一个或多个能量域，从而在整个系统中提供双向能量传播。
在实施例中，提供能量中继器作为松散相干元件。
组件工程化结构的介绍：
横向安德森局域化能量中继器的公开进展
根据本文中针对诱发横向安德森局域化的能量中继器元件所公开的原理，可以显著优化能量中继器的特性。横向安德森局域化是通过横向无序但纵向一致的材料传输的光线的传播。
这意味着相比于其中波干扰在纵向定向上继续时可能会完全限制横向定向上的传播的多个散射路径之间的随机化，产生安德森局域化现象的材料的效果受到全内反射的影响可能更小。
最显著的额外益处是去除了传统的多核光纤材料的包层。包层是为了在功能上消除光纤之间的能量的散射，但是同时充当能量光线的屏障，从而将传输至少减少核心覆盖比(例如，核心覆盖比70:30将传输最多70％的所接收能量传输)，并且另外在传播能量中形成强像素化图案。
图5a说明这样一个非安德森局域化能量中继器500的实例的端视图，其中图像通过多核光纤中继，其中由于光纤的内在特性可以展现像素化和光纤噪声。对于传统的多模和多核光纤，由于核心的分散阵列的全内反射的特性，中继图像在本质上可为像素化的，其中核心之间的任何串扰将降低调制传递函数并增加模糊。用传统的多核光纤产生的所得图像往往会具有类似于图3所示的那些的残差固定噪声光纤图案。
图5b说明通过能量中继器中继的相同图像550的实例，所述能量中继器包括具有横向安德森局域化的特性的材料，其中相比于图5a的固定光纤图案，中继图案具有更大密度的颗粒结构。在实施例中，包括随机化微观组件工程化结构的中继器诱发横向安德森局域化，且更高效地传输光，与可商购的多模玻璃光纤相比，传播的可分辨分辨率更高。
横向安德森局域化材料特性在成本和重量两个方面均匀显著优势，其中类似的光学级玻璃材料的成本和重量可能比实施例内生成的相同材料的成本高10到100倍，其中所公开的系统和方法包括随机化微观组件工程化结构，相比于本领域中已知的其它技术，它们有大量机会来改进成本和质量。
在实施例中，展示横向安德森局域化的中继器元件可在布置成三维栅格的三个正交平面中的每一个中包括多个至少两种不同组件工程化结构，且所述多个结构形成在三维栅格内的横向平面中的材料波传播特性的随机化分布及在三维栅格内的纵向平面中的材料波传播特性的类似值的通道，其中相较于横向定向，通过能量中继器传播的局域化能量波在纵向定向上具有更高传输效率。
在实施例中，多个能量域可在单个横向安德森局域化能量中继器内或在多个横向安德森局域化能量中继器之间配置，以引导包含视觉、声学、触觉或其它能量域的一个或多个感觉全息能量传播路径。
在实施例中，无缝能量表面配置有横向安德森局域化能量中继器，所述中继器针对每一第二侧包括两个或更多个第一侧以同时接收和发射一个或多个能量域，从而在整个系统中提供双向能量传播。
在实施例中，横向安德森局域化能量中继器被配置为松散相干的或柔性的能量中继器元件。
4d全光函数的考虑因素：
通过全息波导阵列的能量的选择性传播
如上文和本文中所论述的，光场显示系统大体上包含能量源(例如，照明源)和配置有足够能量位置密度的无缝能量表面，如上文论述中所阐述的。可以使用多个中继器元件从能量装置将能量中继到无缝能量表面。一旦能量被传送到具有必需的能量位置密度的无缝能量表面，能量就可以根据4d全光函数通过所公开的能量波导系统传播。如所属领域的普通技术人员将了解，4d全光函数在本领域中是众所周知的，且在本文中将不另外详述。
能量波导系统沿着无缝能量表面通过多个能量位置选择性地传播能量，所述无缝能量表面表示4d全光函数的空间坐标，其中结构配置成改变通过的能量波的角度方向，所述角度方向表示4d全光函数的角度分量，其中所传播的能量波可根据通过4d全光函数引导的多个传播路径而在空间中汇聚。
现在参考图6，图6说明根据4d全光函数的4d图像空间中的光场能量表面的实例。本图示出了能量表面600到观察者620的光线轨迹，其描述了能量光线如何从视体内的各个位置汇聚在空间630中。如图所示，每一波导元件610限定描述通过能量表面600的能量传播640的四个信息维度。两个空间维度(在本文中称为x和y)是可以在图像空间中观察到的物理多个能量位置，角度分量θ和
然而，本领域技术人员将理解，光场和全息显示技术的显著挑战源于不受控的能量传播，因为设计没有精确地考虑到以下中的任一个：衍射、散射、漫射、角度方向、校准、焦点、准直、曲率、均匀性、元件串扰以及促使有效分辨率降低及无法以足够的保真度精确地汇聚能量的大量其它参数。
在实施例中，用于实现与全息显示相关联的挑战的选择性能量传播的方法可包含能量抑制元件以及大体上填充的波导孔径，其中近准直能量进入由4d全光函数限定的环境。
在实施例中，能量波导阵列可针对每一波导元件限定多个能量传播路径，所述能量传播路径配置成在由针对沿着无缝能量表面的多个能量位置所规定的4d函数限定的唯一方向上，延伸通过并大体上填充波导元件的有效孔径，所述多个能量位置由定位成将每一能量位置的传播限制成仅通过单个波导元件的一个或多个元件抑制。
在实施例中，多个能量域可在单个能量波导内或多个能量波导之间配置，以引导包含视觉、声学、触觉或其它能量域的一个或多个感觉全息能量传播。
在实施例中，能量波导和无缝能量表面配置成接收和发射一个或多个能量域，以在整个系统中提供双向能量传播。
在实施例中，能量波导配置成针对包含墙壁、桌子、地板、天花板、房间或基于其它几何结构的环境的任何无缝能量表面定向，利用数字编码、衍射、折射、反射、grin、全息、菲涅耳(fresnel)等等波导配置传播能量的非线性或不规则分布，包含非传输空隙区域。在另一个实施例中，能量波导元件可配置成产生各种几何结构，所述几何结构提供任何表面轮廓和/或桌面浏览以使用户能够从成360度配置的能量表面的各个位置观察到全息图像。
在实施例中，能量波导阵列元件可为反射表面，且所述元件的布置可为六边形的、方形的、不规则的、半规则的、弯曲的、非平面的、球状的、圆柱形的、倾斜规则的、倾斜不规则的、空间变化的和/或多层的。
对于无缝能量表面内的任何组件，波导或中继器组件可包含但不限于光纤、硅、玻璃、聚合物、光学中继器、衍射、全息、折射或反射元件、光学面板、能量组合器、分束器、棱镜、偏振元件、空间光调制器、主动像素、液晶单元、透明显示器或展示安德森局域化或全内反射的任何类似材料。
实现全息甲板：
用于在全息环境内刺激人类感觉受体的双向无缝能量表面系统的聚合
有可能通过将多个无缝能量表面平铺、熔合、结合、附接和/或拼接在一起以形成任意大小、形状、轮廓或外观尺寸来构建无缝能量表面系统的大型环境，包含整个房间。每一能量表面系统可包括组合件，所述组合件具有底座结构、能量表面、中继器、波导、装置和电子器件，它们共同配置成用于双向全息能量传播、发射、反射或感测。
在实施例中，平铺无缝能量系统的环境聚合以形成大型无缝平面或弯曲壁，所述壁包含包括高达给定环境中的所有表面的设施，且被配置为无缝、不连续平面、有刻面、弯曲、圆柱形、球状、几何或不规则几何结构的任何组合。
在实施例中，对于戏剧或基于场所的全息娱乐，平面表面的聚合平铺块形成墙壁大小的系统。在实施例中，对于基于洞穴的全息设施，平面表面的聚合平铺块覆盖具有四个到六个墙壁的房间，包含天花板和地板。在实施例中，对于沉浸式全息设施，弯曲表面的聚合平铺块产生圆柱形无缝环境。在实施例中，对于基于全息甲板的沉浸式体验，无缝球状表面的聚合平铺块形成全息圆顶。
在实施例中，无缝弯曲能量波导的聚合平铺块沿着能量波导结构内的能量抑制元件的边界依照精确图案提供机械边缘，以结合、对齐或熔合邻近波导表面的邻近平铺机械边缘，从而产生模块化的无缝能量波导系统。
在聚合平铺环境的另一实施例中，针对多个同时能量域，双向传播能量。在另一个实施例中，能量表面提供同时从相同能量表面显示和捕获的能力，其中波导被设计成使得光场数据可以通过波导由照明源投影，并同时通过相同能量表面接收。在另一个实施例中，可以利用额外深度感测和主动扫描技术来实现在正确的世界坐标中能量传播和观察者之间的交互。在另一个实施例中，能量表面和波导可用于发射、反射或汇聚频率以诱发触觉感觉或体触觉反馈。在一些实施例中，双向能量传播和聚合表面的任何组合是可能的。
在实施例中，系统包括能量波导，所述能量波导能够通过能量表面双向发射和感测能量，其中一个或多个能量装置独立地与两个或更多个路径能量组合器配对，以将至少两个能量装置配对到无缝能量表面的相同部分，或一个或多个能量装置固定在能量表面后面并靠近固定到底座结构上的额外组件，或靠近在用于轴外直接或反射投影或感测的波导的fov的前面和外部的位置，并且得到的能量表面实现能量的双向传输，从而使得波导能够汇聚能量，第一装置能够发射能量，第二装置能够感测能量，并且其中信息经处理以执行计算机视觉相关任务，包含但不限于4d全光眼睛和视网膜对传播能量图案内的干扰的跟踪或感测、深度估计、接近、运动跟踪、图像、颜色或声音形成，或其它能量频率分析。在另一个实施例中，所跟踪位置基于双向所捕获数据和投影信息之间的干扰进行主动计算并修正能量位置。
在一些实施例中，包括超声波传感器、可见电磁显示器和超声波发射装置的三个能量装置的多个组合针对组合成单个第二能量中继器表面的传播能量的三个第一中继器表面中的每一个进行共同配置，其中所述三个第一表面中的每一个包括特定于每一装置的能量域的工程化特性，并且两个工程化波导元件分别针对超声波和电磁能配置以提供独立引导和汇聚每一装置的能量的能力，且大体上不受配置成用于单独能量域的其它波导元件的影响。
在一些实施例中，公开一种实现高效制造以去除系统伪影并产生与编码/解码技术一起使用的所得能量表面的几何映射的校准程序，以及用于将数据转换成适合基于校准配置文件进行能量传播的校准信息的专用集成系统。
在一些实施例中，串联的额外能量波导和一个或多个能量装置可集成到系统中以产生不透明全息像素。
在一些实施例中，包括能量抑制元件、分束器、棱镜、主动视差屏障或偏振技术的额外波导元件可为集成的，以便提供大于波导直径的空间和/或角度分辨率或用于其它超分辨率目的。
在一些实施例中，所公开的能量系统还可配置为可穿戴双向装置，例如虚拟现实(vr)或扩增现实(ar)。在其它实施例中，能量系统可包含调整光学元件，所述调整光学元件使所显示的或接收到的能量聚焦在观察者的空间中的确定平面附近。在一些实施例中，波导阵列可并入到全息头戴式显示器中。在其它实施例中，系统可包含多个光学路径，以使观察者能够看到能量系统和现实世界环境(例如，透明的全息显示器)。在这些情况下，除了其它方法之外，系统可呈现为近场。
在一些实施例中，数据的传输包括具有可选择或可变压缩比的编码过程，所述编码过程接收信息和元数据的任意数据集；分析所述数据集并接收或分配材料特性、向量、表面id、新像素数据，从而形成更稀疏的数据集，并且其中接收到的数据可包括：2d、立体、多视图、元数据、光场、全息、几何结构、向量或向量化元数据，并且编码器/解码器可提供包括图像处理的实时或离线转换数据的能力，以用于：2d；2d加深度、元数据或其它向量化信息；立体、立体加深度、元数据或其它向量化信息；多视图；多视图加深度、元数据或其它向量化信息；全息；或光场内容；在具有或不具有深度元数据的情况下通过深度估计算法；以及逆光线跟踪方法通过特征化4d全光函数以适当方式将通过各种2d、立体、多视图、立体、光场或全息数据的逆光线跟踪产生的所得转换数据映射到现实世界坐标中。在这些实施例中，所需的总数据传输可为比原始光场数据集少多个数量级的传输信息。
光场和全息波导阵列中的能量的选择性传播
图7说明可用于限定多个能量传播路径108的能量波导系统100的实施例的自上向下的透视图。能量波导系统100包括能量波导阵列112，其配置成沿着所述多个能量传播路径108引导能量从其通过。在实施例中，多个能量传播路径108通过阵列的第一侧116上的多个能量位置118延伸到阵列的第二侧114。
参看图7和图9h，在实施例中，多个能量传播路径108的第一子集290延伸通过第一能量位置122。第一能量波导104配置成沿着多个能量传播路径108的第一子集290中的第一能量传播路径120引导能量。第一能量传播路径120可由在第一能量位置122和第一能量波导104之间形成的第一主光线138限定。第一能量传播路径120可包括在第一能量位置122和第一能量波导104之间形成的光线138a和138b，光线138a和138b由第一能量波导104分别沿着能量传播路径120a和120b引导。第一能量传播路径120可从第一能量波导104朝向阵列的第二侧114延伸。在实施例中，沿着第一能量传播路径120引导的能量包括在能量传播路径120a与120b之间的或包含能量传播路径120a和120b的一个或多个能量传播路径，在大体上平行于第一主光线138通过第二侧114传播的角度的方向上通过第一能量波导104引导所述一个或多个能量传播路径。
实施例可配置成使得沿着第一能量传播路径120引导的能量可以在大体上平行于能量传播路径120a和120b且平行于第一主光线138的方向上离开第一能量波导104。可假设延伸通过第二侧114上的能量波导元件112的能量传播路径包括具有大体上类似的传播方向的多个能量传播路径。
图8是能量波导系统100的实施例的正视图图示。第一能量传播路径120可在从第一能量波导104延伸且至少通过第一能量位置122确定的唯一方向208上朝向阵列的第二侧114延伸。第一能量波导104可由空间坐标204限定，且至少通过第一能量位置122确定的唯一方向208可由限定第一能量传播路径120的方向的角坐标206限定。空间坐标204和角坐标206可形成四维全光坐标集210，所述四维全光坐标集210限定第一能量传播路径120的唯一方向208。
在实施例中，沿着第一能量传播路径120通过第一能量波导104引导的能量大体上填充第一能量波导104的第一孔径134，并且沿着位于能量传播路径120a和120b之间且平行于第一能量传播路径120的方向的一个或多个能量传播路径传播。在实施例中，大体上填充第一孔径134的一个或多个能量传播路径可包括大于50％的第一孔径134的直径。
在优选实施例中，沿着大体上填充第一孔径134的第一能量传播路径120通过第一能量波导104引导的能量可包括第一孔径134的直径的50％到80％。
转回图7和9a-h，在实施例中，能量波导系统100还可包括能量抑制元件124，所述能量抑制元件124定位成限制在第一侧116和第二侧114之间的能量的传播并抑制邻近波导112之间的能量传播。在实施例中，能量抑制元件配置成抑制沿着多个能量传播路径108的第一子集290中未延伸通过第一孔径134的一部分的能量传播。在实施例中，能量抑制元件124可位于在能量波导阵列112和多个能量位置118之间的第一侧116上。在实施例中，能量抑制元件124可位于在多个能量位置118和能量传播路径108之间的第二侧114上。在实施例中，能量抑制元件124可位于与能量波导阵列112或多个能量位置118正交的第一侧116或第二侧114上。
在实施例中，沿着第一能量传播路径120引导的能量可与沿着第二能量传播路径126通过第二能量波导128引导的能量汇聚。第一和第二能量传播路径可在阵列112的第二侧114上的位置130处汇聚。在实施例中，第三能量传播路径140和第四能量传播路径141还可在阵列112的第一侧116上的位置132处汇聚。在实施例中，第五能量传播路径142和第六能量传播路径143还可在阵列112的第一侧116和第二侧114之间的位置136处汇聚。
在实施例中，能量波导系统100可包括用于引导能量的结构，例如：配置成改变从其通过的能量的角度方向的结构，例如折射、衍射、反射、梯度折射率、全息或其它光学元件；包括至少一个数值孔径的结构；配置成重新引导能量离开至少一个内表面的结构；光学中继器；等等。应了解，波导112可包含双向能量引导结构或材料中的任一个或组合，例如：
a)折射、衍射或反射；
b)单个或复合多层元件；
c)全息光学元件和以数字方式编码的光学器件；
d)3d打印元件或光刻原版或复制品；
e)菲涅耳透镜、光栅、波带板、二元光学元件；
f)逆反射元件；
g)光纤、全内反射或安德森局域化；
h)梯度折射率光学器件或各种折射率匹配材料；
i)玻璃、聚合物、气体、固体、液体；
j)声学波导；
k)微米级和纳米级元件；或
l)偏振、棱镜或分束器。
在实施例中，能量波导系统双向传播能量。
在实施例中，能量波导配置成传播机械能。
在实施例中，能量波导配置成传播电磁能。
在实施例中，通过在能量波导元件内的一个或多个结构内和包括能量波导系统的一个或多个层内交错、分层、反射、组合或以其它方式提供适当的材料特性，将能量波导配置成同时传播机械能、电磁能和/或其它形式的能量。
在实施例中，能量波导在4d坐标系内分别以u和v的不同比传播能量。
在实施例中，能量波导以合成函数传播能量。在实施例中，能量波导包括沿着所述能量传播路径的多个元件。
在实施例中，能量波导直接由光纤中继器抛光表面形成。
在实施例中，能量波导系统包括展现横向安德森局域化的材料。
在实施例中，能量波导系统传播超高音速频率以在立体空间中汇聚触感。
图9a-h是能量抑制元件124的各种实施例的图示。为避免疑义，这些实施例出于示范性目的而提供，且决不局限于本公开的范围内提供的组合或实施方案的范围。
图9a说明多个能量位置118的实施例，其中能量抑制元件251放置成邻近于能量位置118的表面，且包括指定的折射、衍射、反射或其它能量改变特性。能量抑制元件251可配置成通过抑制能量沿着能量传播路径252的传播而将能量传播路径的第一子集290限制在更小范围的传播路径253。在实施例中，能量抑制元件是数值孔径小于1的能量中继器。
图9b说明多个能量位置118的实施例，其中能量抑制结构254放置成正交于能量位置118的各区域之间，并且其中能量抑制结构254展现吸收特性，并且其中抑制能量结构254沿着能量传播路径256具有限定高度，使得某些能量传播路径255被抑制。在实施例中，能量抑制结构254的形状是六边形。在实施例中，能量抑制结构254的形状是圆形。在实施例中，能量抑制结构254的形状或大小沿着传播路径的任何定向是不均匀的。在实施例中，能量抑制结构254嵌入于具有额外特性的另一结构内。
图9c说明多个能量位置118，其中第一能量抑制结构257配置成将通过其传播的能量259大体上定向成第一状态。第二能量抑制结构258配置成允许大体上定向成第一状态的能量259通过其传播，并限制大体上以与第一状态不类似的方式定向的能量260的传播。在实施例中，能量抑制元件257、258是能量偏振元件对。在实施例中，能量抑制元件257、258是能量波带通元件对。在实施例中，能量抑制元件257、258是衍射波导对。
图9d说明多个能量位置118的实施例，其中能量抑制元件261被构造成依据能量传播路径263延伸通过多个能量位置118中的哪些能量位置而在某一程度上改变能量传播路径263。能量抑制元件261可沿着能量传播路径263以均匀或不均匀的方式改变能量传播路径263，使得某些能量传播路径262被抑制。能量抑制结构254放置成正交于能量位置118的各区域之间，并且其中能量抑制结构254展现吸收特性，并且其中抑制能量结构254沿着能量传播路径263具有限定高度，使得某些能量传播路径262被抑制。在实施例中，抑制元件261是场透镜。在实施例中，抑制元件261是衍射波导。在实施例中，抑制元件261是弯曲波导表面。
图9e说明多个能量位置118的实施例，其中能量抑制元件264提供吸收特性以在允许其它传播路径267通过的同时限制能量266的传播。
图9f说明多个能量位置118和多个能量波导112的实施例，其中第一能量抑制结构268配置成将通过其传播的能量270大体上定向成第一状态。第二能量抑制结构271配置成允许大体上定向成第一状态的能量270通过其传播，并限制大体上以不与第一状态类似的方式定向的能量269的传播。为了进一步控制通过系统的能量传播，例如杂散能量传播272，能量抑制结构268、271可能需要复合能量抑制元件来确保能量传播维持准确的传播路径。
图9g说明多个能量位置118的实施例，并且其中能量抑制元件276提供吸收特性以在针对波导阵列112内的有效孔径284，允许沿着能量传播路径277的其它能量通过一对能量波导112的同时，限制能量沿着能量传播路径278的传播。在实施例中，能量抑制元件276包括黑铬。在实施例中，能量抑制元件276包括吸收材料。在实施例中，能量抑制元件276包括透明像素阵列。在实施例中，能量抑制元件276包括阳极化材料。
图9h说明包括多个能量位置118和多个能量波导112的实施例，其中第一能量抑制结构251放置成邻近于能量位置118的表面，并且包括指定的折射、衍射、反射或其它能量改变特性。能量抑制结构251可配置成通过抑制能量沿着能量传播路径274的传播而将能量传播路径的第一子集290限制在更小范围的传播路径275。第二能量抑制结构261被构造成依据能量传播路径275延伸通过多个能量位置118中的哪些能量位置而在某一程度上改变能量传播路径275。能量抑制结构261可以均匀或不均匀的方式改变能量传播路径275，使得某些能量传播路径274被抑制。第三能量抑制结构254放置成正交于能量位置118的各区域之间。能量抑制结构254展现吸收特性，并且沿着能量传播路径275具有限定高度，使得某些能量传播路径274被抑制。能量抑制元件276提供吸收特性以在允许能量281从其通过的同时限制能量280的传播。类似或相异波导元件112的复合系统定位成利用来自多个能量位置118的能量大体上填充有效波导元件孔径285，且如特定系统所限定的那样改变能量的传播路径273。
在实施例中，能量抑制元件124可包括用于衰减或修改能量传播路径的结构。在实施例中，能量抑制元件124可包含一个或多个能量吸收元件或壁，所述一个或多个能量吸收元件或壁定位在系统内以限制能量到波导112或能量从波导112的传播。在实施例中，能量抑制元件124可包含指定的数值孔径，所述数值孔径定位在系统100内以限制到波导112的能量和来自波导112的能量的角度分布。
在实施例中，能量抑制元件124可包含一个或多个能量阻挡壁、结构、金属、塑料、玻璃、环氧树脂、颜料、液体、显示技术或其它吸收或结构材料，其中能量位置122的平面和波导阵列平面之间具有确定厚度，所述波导阵列平面具有间距高达波导开口直径的空隙或结构。
在实施例中，能量抑制结构124位于第一能量位置122附近，且包括邻近于第一能量位置122的光学中继器面板。在实施例中，能量抑制元件124可包含光学中继器面板，所述光学中继器面板包括一个或多个空间一致或可变的数字孔径，其中数值孔径的值有意义地限制到波导112的能量和来自波导112的能量的角度分布。例如，数值孔径的实施例可设计成提供等于或接近在能量位置之间形成且垂直于有效波导元件大小、入射光瞳、孔径或用于能量传播的其它物理参数的中心的视场的两倍的角度分布，从而为指定的波导孔径134提供轴外填充因数。
在实施例中，能量抑制元件124可包含二元、梯度折射率、菲涅耳、全息光学元件、波带板，或改变通过系统的能量波的路径以减少散射、漫射、杂散光或色差的其它衍射光学元件。在实施例中，能量抑制元件124可包含在所述位置处或在所述位置周围的正或负光学元件，其中改变能量传播路径以进一步增加波导孔径134的填充因数或减少杂散光。在实施例中，能量抑制元件124可包含主动或被动偏振元件以及第二主动或被动偏振元件，所述第二主动或被动偏振元件设计成提供能量位置122、波导孔径134或其它区域的限定区域的空间或时间复用衰减。在实施例中，能量抑制元件124可包含主动或被动孔径光阑屏障，所述主动或被动孔径光阑屏障设计成提供能量位置122、波导孔径134或其它区域的限定区域的空间或时间复用衰减。在实施例中，能量抑制元件124可包含以下中的任一个或其任何组合：
a)物理能量挡扳结构；
b)立体、锥形或有刻面的机械结构；
c)孔径光阑或掩模；
d)光学中继器和受控制的数值孔径；
e)折射、衍射或反射；
f)逆反射元件；
g)单个或复合多层元件；
h)全息光学元件和以数字方式编码的光学器件；
i)3d打印元件或光刻原版或复制品；
j)菲涅耳透镜、光栅、波带板、二元光学元件；
k)光纤、全内反射或安德森局域化；
l)梯度折射率光学器件或各种折射率匹配材料；
m)玻璃、聚合物、气体、固体、液体；
n)毫米级、微米级和纳米级元件；以及
o)偏振、棱镜或分束器。
在实施例中，能量抑制结构124可被构造成包含以六边形包装的能量阻挡挡板，所述能量阻挡挡板构造成形成沿着z轴逐渐变细的空隙，从而在到达波导系统的孔径光阑位置时减小空隙大小。在另一实施例中，能量抑制结构124可被构造成包含与光学中继器面板结合的以六边形包装的能量阻挡挡板。在另一实施例中，能量抑制结构124可被构造成包含以六边形包装的能量阻挡挡板，所述能量阻挡挡板填充有所规定的折射率以进一步改变到能量波导阵列的能量波投影路径和从能量波导阵列的能量波投影路径。在另一实施例中，衍射或折射元件可利用限定的波导处方放置、附接或结合到能量阻挡挡扳上，以进一步改变到波导元件112的能量投影路径和从波导元件112的能量投影路径。在另一实例中，能量抑制结构124可形成为单个机械组合件，并且能量波导阵列112可放置、附接或结合到已组装的能量抑制元件124上。应了解，可以利用其它实施方案来实现其它能量波导配置或超分辨率考虑因素。
在实施例中，能量抑制结构124可位于第一能量位置122附近，并大体上朝向第一能量波导104延伸。在实施例中，能量抑制结构124可位于第一能量波导104附近，并且大体上朝向第一能量位置122延伸。
在实施例中，能量抑制元件配置成抑制电磁能。
在实施例中，能量抑制元件配置成抑制机械能。
在实施例中，通过在能量抑制元件内的一个或多个结构内和包括能量波导系统的一个或多个层内，交错、分层、反射、组合或以其它方式提供适当的材料特性，将能量抑制元件配置成同时衰减机械能、电磁能和/或其它形式的能量。
在实施例中，能量波导阵列可被布置成形成平面表面，或具有所要形状的弯曲表面。图13是具有布置成弯曲配置的能量波导阵列1102的实施例1100的图示。
本公开的实施例可配置成引导具有属于电磁波谱的任何波长的能量，包含可见光、紫外光、红外光、x射线，等等。本公开还可配置成引导其它形式的能量，例如声学声音振动和触觉压力波。
图10是能量波导系统300的另一实施例的图示。能量波导系统300可限定多个能量传播路径304，并且可包括反射器元件314，所述反射器元件314包括：位于反射器元件314的第一侧310上的第一反射器306，所述第一反射器306包括通过其形成的一个或多个孔径光阑316；以及位于反射器元件314的第二侧312上的第二反射器308，所述第二反射器308包括通过其形成的一个或多个孔径光阑318。第一反射器306和第二反射器308配置成沿着多个能量传播路径304引导能量，所述能量传播路径304延伸通过第一反射器316和第二反射器318的孔径光阑以及反射器元件314的第一侧310上的多个能量位置320。多个能量传播路径304的第一子集322延伸通过第一能量位置324。反射器元件314配置成沿着多个能量传播路径304的第一子集322中的第一能量传播路径326引导能量。
在实施例中，第一能量传播路径326可由在第一能量位置324和第一反射器306的第一孔径光阑328之间形成的第一主光线338限定。第一能量传播路径326可在从第二反射器308的第一孔径光阑330延伸且至少通过第一能量位置324确定的唯一方向上从第二反射器308的第一孔径光阑330朝向反射器元件314的第二侧312延伸。
在实施例中，沿着第一能量传播路径326引导的能量大体上填充第一反射器306的第一孔径光阑328和第二反射器308的第一孔径光阑330。
在实施例中，能量抑制元件332可定位成限制能量沿着多个能量传播路径304的第一子集322中未延伸通过第一反射器306的第一孔径光阑328的部分350的传播。
在能量是光且能量波导可用于引导所述光的实施例中，通过完美的抛物面结构，通过第一反射器的焦点或从第一反射器的焦点传递的任何光线将平行于光轴进行反射，通过第二反射器反射，然后在反向定向上以相同角度中继。
在实施例中，第一反射器和第二反射器具有不同焦距，以便产生不同的能量信息的放大率和/或改变观察者从第二反射器的表面上方观察所反射信息时的视场角范围。孔径光阑可针对不同设计目的而具有不同大小以及不同焦距。
提供其中两个反射表面均为锥形的、有刻面的、以非线性形状弯曲的或成其它形状的另一实施例。这一弯曲的设计对于确保显示信息和观察到的信息能够具有非线性关系以改变或简化信号处理来说是至关重要的。
在实施例中，能量波导包括柔性反射表面，所述柔性反射表面能够动态地改变反射表面轮廓以改变通过能量波导系统的能量的传播路径。
在实施例中，包含但不限于反射或光学元件、双折射材料、液体透镜、折射、衍射、全息等等的额外波导可位于能量传播路径内的任何位置。通过此方法，这样一个实施例提供一种使得在观察时，视角处于与原本提供的孔径光阑和焦距显著不同的位置处的设计。图11展示此方法的这样一个应用。
图11是能量波导系统700的实施例的图示。能量波导系统700分别包括第一反射器702和第二反射器704。定位在第二反射器702的焦点处的是额外光学元件706和垂直于能量位置708的能量抑制器707。额外光学元件设计成影响通过能量波导系统700传播的能量的能量传播路径。额外波导元件可包含于能量波导系统700内，或额外能量波导系统可放置到能量传播路径中。
在实施例中，能量波导元件阵列可包含：
a)能量波导阵列的六边形包装；
b)能量波导阵列的方形包装；
c)能量波导阵列的不规则或半规则包装；
d)弯曲或非平面的能量波导阵列；
e)球状能量波导阵列；
f)圆柱形能量波导阵列；
g)倾斜的规则能量波导阵列；
h)倾斜的不规则能量波导阵列；
i)空间变化的能量波导阵列；
j)多层能量波导阵列；
图12突显了能量波导元件阵列的方形包装901、六边形包装902和不规则包装903之间的差异。
能量波导可在玻璃或塑料基板上制造，以在需要时特定地包含光学中继器元件，并且可设计有玻璃或塑料光学元件，以在需要时特定地包含光学中继器。此外，能量波导可为有刻面的，从而用于提供多个传播路径或其它列/行或棋盘定向的设计，特别是考虑到但不限于由分束器或棱镜间隔开，或针对允许平铺或单个整体式板的波导配置平铺，或平铺成弯曲布置(例如，有刻面的柱体或几何结构变成平铺块以便匹配的球状)的多个传播路径，弯曲表面包含但不限于特定应用所需要的球状和圆柱形或任何其它任意几何结构。
在能量波导阵列包括弯曲配置的实施例中，弯曲波导可通过热处理或通过直接在弯曲表面上制造以包含光学中继器元件来产生。
在实施例中，能量波导阵列可抵靠其它波导，并且可依据特定应用而覆盖整个墙壁和/或天花板和或房间。波导可明确地设计成用于基板上或基板下安装。波导可设计成直接匹配到能量表面，或偏移有气隙或其它偏移介质。波导可包含对齐设备，所述对齐设备提供作为永久性夹具或工具元件而主动地或被动地聚焦平面的能力。所描述的几何结构的目的是帮助优化由波导元件的法线和所表示的图像限定的视角。对于极大的能量表面平面表面，在表面的最左侧和最右侧的大部分角度样本主要在环境的视体之外。对于相同的能量表面，通过弯曲轮廓和弯曲波导，显著提高了使用这些传播光线中的更多个来形成汇聚体积的能力。然而，这在轴外时是以可用信息为代价的。设计的应用特定性质大体上指示将实施这些提出的设计中的哪些。此外，波导可设计有规则的、渐变的或区域性的元件结构，这些元件结构与额外波导元件一起制造以使元件朝向预定波导轴线倾斜。
在能量波导是透镜的实施例中，实施例可包含凸形和凹形微透镜，并且可包含透镜直接制造到光学中继器表面上。这可涉及分解性或加性微透镜制造工艺，包含去除要形成或印模的材料和微透镜轮廓，或直接制造到此表面上的直接复制品。
实施例可包含多个分层式波导设计，从而实现额外的能量传播优化和角度控制。所有上述实施例可独立地或结合此方法组合到一起。在实施例中，可设想多个分层式设计，其中在第一波导元件上具有倾斜的波导结构，且第二波导元件具有区域性变化的结构。
实施例包含作为单个波导接合在一起的每元件或每区域液体透镜波导的设计和制造。此方法的额外设计包含单个双折射或液体透镜波导电学单元，所述单元可同时修改整个波导阵列。这一设计能够动态地控制系统的有效波导参数，而不用重新设计波导。
在配置成引导光的实施例中，通过本文所提供的本公开的任何组合，有可能生成壁装式2d、光场或全息显示器。壁装式配置被设计成使得观察者看到可能浮动在所设计显示表面的前面、在所设计显示表面处或在所设计显示表面的后面的图像。通过这一方法，依据特定显示要求，光线的角度分布可为均匀的，或在空间中的任何特定位置处具有增加的密度。以此方式，有可能将波导配置成依据表面轮廓改变角度分布。例如，对于垂直于显示表面和平面波导阵列的给定距离，光学完美的波导将在显示器的垂直中心处提供增加的密度，其中光线分隔距离沿着到显示器的给定垂直距离逐渐增加。相反地，如果在显示器周围径向观察光线，其中观察者保持眼睛和显示器的中心点之间的距离，那么观察到的光线将在整个视场上保持一致的密度。依据预期观察条件，每一元件的特性可通过改变波导函数来优化，以产生优化任何此类环境的观察体验的任何潜在的光线分布。
图14是实施例1200的图示，其突显了单个波导元件函数1202可如何在径向观察环境1206上产生相同的能量分布1204，而相同的波导元件函数1202在平行于波导表面1210的恒定距离1208处传播时看起来在波导表面的波导元件中心1212处展现增加的密度且在更远离波导表面的中心1212的位置展现减小的密度。
图15是实施例1300的图示，其说明将波导元件函数1302配置成在围绕波导表面1306的中心的半径1308周围测量时，在平行于波导表面1306的恒定距离1304处展现均匀密度，同时在波导表面1306的中心1310处产生明显更低的密度。
生成在场距离上改变采样频率的波导函数的能力是各种波导畸变的特征并且是所属领域中已知的。传统上，不希望在波导函数中包含畸变，然而，出于波导元件设计的目的，这些为声称是依据所需的特定视体进一步控制和分布能量传播的能力的益处的所有特征。依据视体要求，可能需要在整个波导阵列上添加多个函数或层或函数梯度。
在实施例中，通过能量表面和/或波导阵列的弯曲表面进一步优化函数。主光线角的法线相对于能量表面自身的变化还可提高效率，且需要不同于平面表面的功能，但波导函数的梯度、变化和/或优化仍然适用。
另外，考虑到波导拼接方法，利用所得的优化波导阵列，有可能通过平铺每一个波导和系统以产生具有所要形状因数的任何大小而进一步增加波导的有效大小。重要的是要注意，由于在任两个单独基板之间产生的反射、机械缝隙处的明显对比度差异，或由于任何形式的非方形网格包装模式，波导阵列可能会展现不同于能量表面的缝隙伪影。为了消除这个影响，要么可以产生更大的单个波导，可以在任两个表面的边缘之间利用折射匹配材料，要么可以采用规则的波导网格结构来确保没有元件在两个波导表面之间是分离的，和/或可以利用能量抑制元件之间的精确切割和沿着非方形波导网格结构的接缝。
利用这个方法，有可能产生房间规模的2d、光场和/或全息显示器。这些显示器可以无缝跨越较大的平面墙壁或弯曲墙壁，可以产生而以立方体方式覆盖所有墙壁，或可按弯曲配置产生，其中形成圆柱形型形状或球状型形状以提高整个系统的视角效率。
替代地，有可能设计一种扭曲所传播的能量以虚拟地去除所需视角不需要的区域从而引起能量传播的不均匀分布的波导函数。为了实现这一点，可以实施金牛座形状的光学轮廓、环形透镜、同心棱镜阵列、菲涅耳或衍射函数，二元、折射、全息和/或任何其它波导设计可以实现更大孔径和更短焦距(在本文中将被称为“菲涅耳微透镜”)以提供实际形成单元件或多元件(或多片材)菲涅耳波导阵列的能力。依据波导配置，这可以与也可以不与额外的光学器件组合，包含额外的波导阵列。
为了产生宽的能量传播角度(例如，180度)，需要极低的有效f/数(例如，<f/.5)，并且为了确保不会出现4d“盘翻转”(来自一个波导元件的光线看到在任何第二波导元件的下方的非所需能量位置的能力)，还需要焦距与所需视角以适当方式紧密地匹配。这意味着为了产生约160度视体，需要约为f/.17的透镜和几乎匹配的约为.17mm的焦距。
图16说明其中多个能量波导包括衍射波导元件1402的实施例1400，并展示一个所提议的用于所修改菲涅耳波导元件结构1404的结构，所述结构产生有效极短的焦距和低f/数，同时将能量涉县引导到明确限定的位置1406。
图17说明其中多个能量波导包括元件1502的实施例1500，并且展示此类波导配置1506可如何用于阵列以提供所要视体1504的全密度的光线传播。
所提议的所修改波导配置的另一实施例提供一种沿着横向或纵向定向中的任一个或两个产生具有某一折射率的两个或更多个材料的径向对称或螺旋形环或梯度的方法，它们间隔预定量，其中每一环间距具有直径x，其中x可为恒定或可变的。
在另一实施例中，针对壁装式和/或桌装式波导结构以及所有基于房间或环境的波导结构，所有光线的相等或非线性分布产生有或没有所修改波导配置，其中多个波导是平铺的。
通过波导阵列，有可能产生在空间中汇聚在并不位于显示器自身的表面上的位置处的所投影光的平面。通过对这些光线进行光线追踪，可以清楚地看到所涉及的几何结构和汇聚光线如何可以在屏幕中(远离观察者)以及在屏幕外(朝向观察者)或同时在屏幕中和在屏幕外呈现。当平面在具有传统波导阵列设计的平面显示器上远离观察者移动时，平面会随着视点景体生长，并且可能会被显示器自身的物理框架遮挡，这取决于起作用的照明源的数目。相比之下，当平面在具有传统波导阵列设计的平面显示器上朝向观察者移动时，平面会随着视点景体缩小，但是可以在指定位置从所有角度看到，只要观察者处于向眼睛呈现能量的角度，并且虚拟平面没有移动超出在观察者和主动显示区域的远边之间形成的角度即可。
在一个实施例中，观察到的2d图像在屏幕外呈现。
在另一实施例中，观察到的2d图像在屏幕中呈现。
在另一实施例中，观察到的2d图像同时在屏幕中和/或在屏幕外呈现。
在另一实施例中，观察到的2d图像与其它立体元素一起呈现，或出于其它平面设计或交互原因而呈现为文本。
在另一实施例中，观察到的2d图像呈现的有效2d分辨率比原本表明的x和y波导元件的物理数目高，这是因为光线能够在空间中以高于物理元件的密度汇聚。
这个方法的新颖性在于它完全有可能制造一种全息显示器，这个全息显示器既能够立体成像，也能产生极高分辨率的2d图像，使得显示器中的波导在平坦和立体图像之间无缝地移动或产生其它令人感兴趣的效果不再需要其它机械或电子设备或改变。
通过这个特性，有可能以编程方式隔离某些照明源，从而呈现给仅在一些明显角度能够被显示器看见的观察者。
在一个实施例中，在每一波导元件下方以与观察者的眼睛成三角形且呈现仅从观察者在空间中的位置可见的图像的角度照射单个像素或一组像素。
在另一实施例中，同时呈现第二照明源或第二组照明源以与一位置成三角形，所述位置仅被第二观察者看见且包含可与呈现给第一观察者的第一图像相同或不同的图像。为避免疑义，这可为x个可寻址视点，其中x表示可能是一个也可能是多个的可分别寻址的视点的数目。
在另一实施例中，利用眼睛、视网膜、物体等等本领域中已知的利用传感器和算法的追踪来呈现这些图像，从而使照射的像素位置动态地变化，以便将图像动态地呈现给观察者和每一波导元件下方的像素之间的成三角形的位置。这可应用于一个或多个观察者。可将追踪执行为2d过程或3d/立体过程，或利用本领域中已知的其它深度感测技术。
在一个实施例中，第一区和第二区的轮廓均为抛物线形，其中第一区的焦点位于第二区的顶点处，且第二区的焦点位于第一区的顶点处，并且显示表面位于在第二区的顶点处的开口处，且等同于显示表面的直径的开口呈现给位于第一区的顶点处的第二区的顶点。通过这种方法，显示表面图像像是漂浮在不具有任何物理表面的表面上，因为从轴外视点观察到的通过第二区的焦点的光线将从第二区表面反射，并且与第一表面解列，然后在从第一区到显示表面的反向定向上与观察位置成相同角度。
在实施例中，双抛物面中继器系统包含两个反射区域，在每一反射区中，焦点位于另一反射器的顶点处，显示表面位于第二区的顶点处，且开口等同于所呈现显示表面的直径，并位于第一区处以产生显示表面的虚拟图像。在利用波导阵列、全息或光场显示器的情况下，观察到的图像将保持全息数据的性质，并且像是在不具有物理显示表面的空间中漂浮。
在另一实施例中，区二的焦点位置是不同的，从而产生放大或缩小。在第二实施例中，两个区具有匹配的焦距，并且彼此偏移大于焦距的距离，以便以增加的放大率产生虚拟图像。
在另一实施例中，制造抛物面轮廓以适应特定形状，使得与显示器不同的观察位置适应各种显示表面几何结构或其它所需视角或条件。
在另一实施例中，这两个区包含多个刻面，以便独立地通过刻面区传播光线，而不是作为单个表面来传播光线。
在另一实施例中，反射表面由能量中继器形成，使得能量表面的cra超过应用于一个或多个表面的曲面的可能视角，其中原本为反射表面的第一表面具有特定几何轮廓，且在波导元件的另一端处的第二表面具有特定几何轮廓，它们累积地具有从观察者的位置反射能量的cra，可以实施在第二表面处的能量表面面板的添加，从而提供从观察者的直接位置不可见但是可以间接通过一个或多个反射表面提供的能量信息，以及计算关于最终观察到的数据的反射成像数据所需的相关联校准过程。
虽然上面已经描述了根据本文公开的原理的各种实施例，但是应该理解，它们仅以示例的方式呈现，且不具有限制性。因此，本公开的广度和范围不应受到上文所描述的示例性实施例中的任一者限制，而是应该仅根据由本公开发布的权利要求书和其等同物来定义。此外，上文优点及特征在所描述实施例中提供，且不应将此类所发布权利要求的应用限于实现上文优点中的任一个或全部的过程及结构。
应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在各种实施例中采用本公开的主要特征。所属领域的技术人员将认识到或能够使用不超过常规的实验来确定本文中所描述的具体方法的许多等同物。此类等同物被视为处于本公开的范围内并且被权利要求书涵盖。
另外，本文中的章节标题是出于与依据37cfr1.77的建议一致而提供，或以其它方式提供组织性提示。这些标题不应限制或特征化可以从本公开发布的任何权利要求中所阐述的发明。确切地说且作为实例，虽然标题提及“技术领域”，但此类权利要求不应受到此标题下描述所谓技术领域的语言限制。此外，“背景技术”部分中对技术的描述不应理解为承认技术是本公开中的任何发明的现有技术。“发明内容”也不应视为所发布权利要求中阐述的发明的特征。此外，本发明中以单数形式对“发明”的任何参考不应用于争论在本发明中仅存在单个新颖性点。多项发明可根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述，且此类权利要求相应地限定由此保护的发明和其等同物。在所有情况下，此类权利要求的范围应鉴于本公开而基于其自有优点加以考虑，而不应受到本文中阐述的标题约束。
使用词语“一”在结合术语“包括”用在权利要求书和/或说明书中时可指“一个”，而且其还符合“一个或多个”、“至少一个”及“一个或超过一个”的含义。尽管本公开支持提及单独替代物和“和/或”的定义，但是除非明确指示提及单独替代物或替代物相互排斥，否则权利要求书中使用的术语“或(or)”用于指“和/或(and/or)”。在整个本申请中，术语“约”用于指示一个值包括用于确定所述值的装置、方法的误差的固有变化，或在研究受试者间存在的变化。总的来说但符合前文论述，本文中由“约”等近似词语修饰的数值可由所陈述的值变化至少±1、2、3、4、5、6、7、10、12或15％。
如本说明书和权利要求书中所用，词语“包括”(和包括(comprising)的任何形式，例如“comprise”和“comprises”)、“具有”(和具有(having)的任何形式，例如“have”和“has”)、“包含”(和包含(including)的任何形式，例如“includes”和“include”)或“含有”(和含有(containing)的任何形式，例如“contains”和“contain”)是包含性或开放性的，且不排除其它未列出的要素或方法步骤。
例如“在…时”、“等同”、“在…期间”、“完全”等比较、测量和时序词语应理解为意指“大体上在…时”、“大体上等同”、“大体上在…期间”、“大体上完全”等，其中“大体上”意指此类比较、测量和时序可用来实现暗含地或明确地陈述的所要结果。“附近”、“接近于”和“邻近”等与元件的相对位置相关的词语应意指足够接近以对相应的系统元件交互具有实质效果。其它近似词语类似地指代某种条件，所述条件在如此修饰时被理解为未必是绝对或完善的，但会被视为足够接近以使所属领域的技术人员保证指定所存在的条件。描述可变化的程度将取决于可形成多大的变化，且仍使所属领域的普通技术人员将修改的特征辨识为仍具有未修改特征的所需特性和能力。
如本文所用的术语“或其组合”是指在所述术语前面的所列项目的所有排列和组合。例如，a、b、c或其组合旨在包含以下至少一个：a、b、c、ab、ac、bc或abc，并且如果次序在特定情况下较重要，则还有ba、ca、cb、cba、bca、acb、bac或cab。继续此实例，明确包含含有一个或多个项目或项的重复的组合，例如bb、aaa、ab、bbc、aaabcccc、cbbaaa、cababb等。本领域技术人员将了解，除非另外从上下文显而易见，否则通常不存在对任何组合中的项目或项的数目的限制。
本文中所公开和要求的所有组合物和/或方法都可以根据本公开在无不当实验的情况下制造和执行。尽管已在优选实施例方面描述了本公开的组合物和方法，但对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在不脱离本公开的概念、精神和范围的情况下对组合物和/或方法以及在本文所描述的方法的步骤中或步骤序列中进行变化。对于所属领域的技术人员来说显而易见的所有此类类似取代和修改被视作属于所附权利要求书所限定的本公开的精神、范围和概念内。
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