TWI720401B

TWI720401B - 近眼顯示系統、在一近眼顯示系統中之方法及顯現系統

Info

Publication number: TWI720401B
Application number: TW108100486A
Authority: TW
Inventors: 約翰Ｄ派瑞奧特; 派翠克魯爾; 布萊恩柯普羅斯基
Original assignee: 美商谷歌有限責任公司
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2021-03-01
Also published as: WO2019156866A1; US11314083B2; EP3622338A1; EP3622338B1; TW201935082A; CN110603474A; US20190243134A1

Abstract

本發明揭示一種近眼顯示系統，該近眼顯示系統包括一顯示面板以呈現影像圖框至一使用者之眼睛以供檢視。該系統亦包括面向該顯示面板之一光束控制總成，該光束控制總成係可組態以移置經入射在該光束控制總成上之一光束，由此相對於經入射在該光束控制總成上之該光束之一光徑來側向地移位光。該光束控制總成包括一雙折射片，該雙折射片係可組態以複製經入射在該光束控制總成上之一光線，使得該經複製光線相對於經入射在該光束控制總成上之該光線之一光徑側向地移位。

Description

近眼顯示系統、在一近眼顯示系統中之方法及顯現系統

本申請案係關於光束控制光學元件，且更特定言之係關於用於近眼及頭戴顯示器之光束控制光學元件。

頭戴顯示器(Head-mounted display；HMD)及其他近眼顯示系統可利用一體式光場顯示器、放大鏡、微透鏡或針孔陣列，或其他檢視光學元件來提供三維(three-dimensional；3D)圖形之有效顯示。通常，該一體式光場顯示器採用一或多個顯示面板及上覆於該一或多個顯示面板之微透鏡、針孔或其他光學元件特徵之陣列。HMD及其他近眼顯示裝置可經受與當前顯示器之受限像素密度關聯的挑戰。基於有機發光二極體(organic light emitting diode；OLED)之顯示器及其他類似顯示器中之特定問題係相對低之像素填充因數；即，基於OLED之顯示器之像素之間的相對大程度的「黑色空間」。儘管此黑色空間正常地對於距使用者具有大於手臂長度之檢視距離的顯示器不可偵測，但在HMD及其他近眼顯示器中，此黑色空間歸因於顯示器極為貼近使用者之眼睛而可容易地被使用者偵測到。像素(或子像素)之間的間距之可見性常常歸因於由上覆於顯示面板之光學元件進行的放大而加劇。因此，出現一種網格效應(screen-door effect)，其中在顯示器中實現之影像中可見類似於網篩之格子，該格子通常干擾在虛擬實境(virtual reality；VR)或擴增實境(augmented reality；AR)體驗中之使用者沉浸。

100:近眼顯示系統

102:計算顯示子系統

104:左眼顯示器

106:右眼顯示器

108:設備

110:視圖

112:顯示面板

114:陣列

116:基本影像

118:眼睛

120:光束控制總成

122:截面圖

124:光束控制元件

126:光束控制元件

130:顯示器控制器

132:光束控制控制器

134:顯現組件

136:中央處理單元

138:圖形處理單元

140:圖形處理單元

142:系統記憶體

144:顯現程式

146:顯現資訊

148:本地或遠端內容源

150:影像圖框

152:影像圖框

200:實施

202:子像素

204:子像素

206:子像素

208:子像素

210:子像素

212:不發光空間

214:光束控制元件

216:透鏡/晶狀體

218:面板/視網膜平面/視網膜

220:放大鏡透鏡總成

222:位置

224:位置

300:光束控制元件

302:第一光柵

304:第二光柵

306:原始入射光束

400:光束控制元件

402:稜鏡

404:稜鏡

406:白光入射光束

500:光束控制元件

502:液晶胞元

504:液晶分子

506:非偏振光

508:光線

510:光線

600:用於超解析度影像之顯示之近眼顯示系統的操作的實例方法

602:方塊

604:方塊

606:方塊

608:方塊

610:方塊

612:方塊

702:第一影像

704:像素

706:像素

708:像素

710:像素

712:第二影像

714:加總影像

716:子像素部分

718:子像素部分

800:光束控制元件/雙折射片

802:平面軸線

804:平面內對稱軸線

806:輸入光線

808:輸出光線

810:輸出光線

812:光徑

814:致動器

902:平面軸線

904:第一雙折射片

906:第二雙折射片

908:四分之一波片

910:平面內對稱軸線

912:平面內對稱軸線

914:輸入光線

916:輸出光線

918:致動器

藉由參考附圖，本發明可得到更好理解，且其大量特徵及優勢對熟習此項技術者而言變得顯而易見。在不同圖式中使用相同參考符號指示相似或相同項目。

圖1為根據一些實施例的說明利用光束控制總成投影影像之近眼顯示系統的組件之配置的圖解。

圖2為根據一些實施例的說明用於提供超解析度影像的圖1之近眼顯示系統的實施之橫截面圖的圖解。

圖3為根據一些實施例的說明供用於圖1之近眼顯示系統中的繞射光束控制元件的圖解。

圖4為根據一些實施例的說明供用於圖1之近眼顯示系統中之折射光束控制元件的圖解。

圖5為根據一些實施例的說明供用於圖1之近眼顯示系統中的另一折射光束控制元件的圖解。

圖6為根據一些實施例的說明一種用於依序顯示影像以在圖1之近眼顯示系統中提供超解析度影像顯示之方法的流程圖。

圖7為根據一些實施例的說明一種產生被動超解析度影像的方法之圖解。

圖8為根據一些實施例的說明雙折射光束控制元件之俯視圖的圖解。

圖9為根據一些實施例的說明另一雙折射光束控制元件之俯視圖的圖解。

對相關申請案之交叉參考

本申請案主張題為「用於虛擬實境系統之光束控制光學元件(BEAM STEERING OPTICS FOR VIRTUAL REALITY SYSTEMS)」且在2018年2月6日申請之美國專利申請案第15/889,796號(代理人案號1500-G17033-US)的優先權，該案全文係以引用的方式併入本文中。

圖1至圖9說明用於在近眼顯示系統或成像系統中提供光束控制之各種系統及技術。如在下文進一步詳細地描述，頭戴顯示器(HMD)或其他近眼顯示系統實施安置在顯示面板與使用者眼睛之間的光束控制總成。光束控制總成可部署為被動組態以減小或移除網格效應或增加感知之解析度，或部署為主動組態(例如經由時間多工)以經由利用人眼之視覺暫留效應增大有效解析度。在一些實施中，近眼顯示系統以較高顯示速率投影經時間多工影像，以使得具有不同視覺資訊之影像中的兩個或多於兩個由人類視覺感知系統有效地組合為單一「超解析度」影像；即，具有高於顯示面板之原有解析度之有效解析度的影像。在其他實施中，近眼顯示系統投影兩個或多於兩個鄰接影像，該兩個或多於兩個鄰接影像具有相同視覺資訊但經由光束控制設備相對於彼此空間地移位，以便被使用者感知為具有增加之外觀大小的發光元件之影像，且因此有效地覆蓋顯示器發光元件之間的不發光部分。

圖1說明根據一些實施例的用於在頭戴裝置(HMD)、抬頭顯示器或相似裝置中之實施的近眼顯示系統100。如所描繪，近眼顯示系統100包括計算顯示子系統102。近眼顯示系統100進一步可包括其他組件，諸如眼睛追蹤子系統、慣性量測單元(inertial measurement unit；IMU)、音訊部件等，前述各者出於清楚起見已被省略。計算顯示子系統102包括安裝於設備108(例如，護目鏡、眼鏡等)中之左眼顯示器104及右眼顯示器106，該設備分別在使用者之左眼及右眼的前方置放顯示器104、106。

如由視圖110所展示，顯示器104、106中之各者包括至少一個顯示面板112以顯示一系列或一連串近眼影像，該等影像中之每一者包含基本影像116之陣列114。顯示面板112用於以正常影像(例如，對於超解析度實施)或光場(例如，對於光場實施)形式顯示影像給使用者的至少一隻眼睛118。在一些實施例中，對於顯示器104、106中之各者實施分離顯示面板112，而在其他實施例中，左眼顯示器104與右眼顯示器106共用單一顯示面板112，其中顯示面板112之左半部分用於左眼顯示器104，且顯示面板112之右半部分用於右眼顯示器106。

如所描繪，近眼顯示系統100包括上覆於顯示面板112以安置在顯示面板112與使用者的至少一隻眼睛118之間的光束控制總成120。截面圖122描繪上覆於顯示面板112之光束控制總成120的沿線A-A截取的橫截面圖。光束控制總成120包括一或多個光束控制元件之堆疊，諸如圖1中所說明的兩個光束控制元件124、126，各光束控制元件經組態以複製及移置源自顯示面板112之入射光線。

近眼顯示系統100亦包括顯示器控制器130以控制顯示面板 112，且在一些實施例中，包括光束控制控制器132以控制光束控制總成120之操作。如圖1中亦展示，近眼顯示系統100亦包括顯現組件134，該顯現組件包括：一組一或多個處理器，諸如所說明之中央處理單元(central processing unit；CPU)136及圖形處理單元(graphics processing unit；GPU)138、140；以及一或多個儲存器組件，諸如系統記憶體142，以儲存軟體程式或其他可執行指令，該等軟體程式或其他可執行指令藉由處理器136、138、140存取及執行以操控處理器136、138、140中之一或多者執行如本文所描述之各種任務。如下所述，此等軟體程式包括例如顯現程式144，該顯現程式包含可執行指令以用於光束控制及影像顯現程序。

在操作中，顯現組件134自本地或遠端內容源148接收顯現資訊146，其中顯現資訊146表示圖形資料、視訊資料，或表示待在顯示子系統102處顯現及顯示之影像之目標的物件或場景之其他資料。執行顯現程式144時，CPU 136使用顯現資訊146以發送繪圖指令至GPU 138、140，其繼而使用各種熟知VR/AR計算/光場顯現程序，利用繪圖指令並行地顯現一系列影像圖框150以供顯示於左眼顯示器104處，且顯現一系列光場圖框152以供顯示於右眼顯示器106處。

如本文中更詳細描述，光束控制總成120側向移置或「移位」影像圖框150、152中之像素的位置，以填充顯示面板112之不發光部分。舉例而言，在一些實施例中，光束控制總成120移位顯示面板112處顯示之連續影像的位置，以歸因於該連串影像向使用者投影超解析度影像或較高解析度光場，該連串影像歸因於人類視覺系統的視覺暫留效應經有效疊加。在其他實施例中，光束控制總成120複製各給定影像之像素，且側向移置經複製像素，以便投影具有感知上更大之大小(例如，歸因於增加之有效像素計數)之像素的影像，該影像隱藏像素之間的不發光空間。應瞭解，儘管在近眼顯示系統100之情形下描述，但本文中描述之光束控制可用於任何類型之VR或AR系統(例如，習知放大顯示器、計算顯示器、透視顯示器及類似者)。

圖2說明根據本發明之至少一個實施例的用於提供超解析度影像至使用者之眼睛118的近眼顯示系統100之實施200的橫截面圖。在此實例中，顯示面板112包含像素陣列，該等像素通常配置為具有不同顏色之子像素諸如紅色、綠色及藍色(RGB)子像素的交織圖案，且其中人類視覺之空間暫留效應致使具有不同顏色之鄰接子像素被感知為單一像素，該單一像素具有藉由鄰接子像素與其各別強度之混合表示的顏色。為了易於說明，顯示面板112未按比例描繪，且描繪為在橫截面中具有僅五個子像素(子像素202、204、206、208、210)，而典型顯示器沿橫截面將具有數百或數千個子像素，且因此應瞭解，子像素202至210之尺寸及該等子像素之間的不發光空間(例如，子像素206與208之間的不發光空間212)相對於實施200之其他組件經顯著地誇示。

此外，為輔助說明光束控制總成120之操作，圖2之實施200說明光束控制總成120為具有僅單一光束控制元件214。此外，在圖2中，使用者之眼睛118描繪為表示眼睛118之晶狀體的透鏡216，及表示眼睛118之視網膜平面的面板218。由此，面板218在本文中亦被稱作「視網膜218」。此外，實施200包括覆疊於顯示面板112以諸如安置在光束控制元件214與使用者之眼睛118之間的放大鏡透鏡總成220(為了易於說明，圖1中未展示)。儘管圖2中說明單一透鏡，但在其他實施例中，放大鏡透鏡總成220包括微透鏡陣列(未展示)，其中各微透鏡聚焦顯示面板112之對應區至眼睛的晶狀體216上。亦應注意到，儘管圖2描繪在顯示面板112與眼睛118之間具有單一透鏡及光束控制元件214的光學組態，但在典型實施中，光學系統在顯示面板112與眼睛118之間可包含更大數目個鏡頭、稜鏡或其他光學元件。

如所展示，光束控制元件214經組態以複製源自子像素206之光，且移置經複製子像素，以使得眼睛118感知經複製子像素為源自子像素206與208之間的不發光空間212，且因此產生對具有顯示面板112之實際解析度之大致兩倍的有效解析度之顯示器的感知。舉例說明，在一個實施例中，圖1的光束控制控制器132在時間t₀處停用光束控制元件214，且顯示器控制器130掃描第一影像以供顯示面板112顯示。由第一影像之子像素206輸出之所得光被引導至光束控制元件214的顯示面板面向之表面。因為光束控制元件214在時間t₀停用，所以入射光穿過光束控制元件214至使用者之眼睛118而無側向移置，因此眼睛118之晶狀體216在位置222處聚焦光至視網膜218上(其中，來自其他子像素202至204及208至210之光採用對應路徑)。

隨後，在時間t₁，圖1之光束控制控制器132啟用光束控制元件214，此舉對光束控制元件214進行組態以側向移置入射光(例如，入射光在圖2之X軸及/或Y軸方向上的二維移位)。顯示器控制器130掃描第二影像以供顯示面板顯示，且藉由第二影像之子像素206輸出的所得光被引導至光束控制元件214的顯示面板面向之表面。因為光束控制元件214在時間t₁啟用，所以入射光在穿過光束控制元件214之後側向移置。側向移置之光被傳遞至使用者的眼睛118，因此眼睛118之晶狀體216在位置 224處聚焦光至視網膜218上。眼睛118在位置224處感知光為源自子像素206與208之間的不發光空間212(儘管光實際上源自子像素206)。入射光在光束控制元件214處之側向移置致使第二影像之子像素在數個位置處呈現，該該等位置處，不發光空間自時間t₀處之第一影像之顯示已被眼睛118感知為黑色空間。因此，若時間t₀處之第一影像及時間t₁處之第二影像快速連續顯示(亦即，在人眼之大致係10ms的視覺暫留區間內)，則人類視覺系統將該第一影像及第二影像感知為重疊的。即，在此實例中，對第二影像之光引入的側向移置具有呈現來自第一影像之顯示的黑色空間將已顯露給眼睛118的第二影像之子像素的結果，且因此第二影像之子像素顯露至眼睛118以佔據與第一影像之顯示面板112之不發光部分關聯的黑色空間。

在一些實施例中，時間t₁處之第二影像與時間t₀處之第一影像具有相同視覺內容。在此等實施例中，眼睛118感知兩個影像為重疊成具有與該第一影像及第二影像之解析度相同的解析度(亦即，處於顯示面板112之原有解析度)但具有填充與顯示面板112之不發光部分關聯之黑色空間之更大感知像素的單一影像，且因此減小或消除否則將對眼睛118可見的網格效應。在其他實施例中，時間t₁處之第二影像相較於時間t₀處之第一影像具有不同視覺內容。在此等實施例中，眼睛118感知兩個影像為重疊成單一超解析度影像，其中第二影像之視覺內容填充與顯示面板112之不發光部分關聯的黑色空間。此情形減少或消除使用者之感知顯示面板112之此等不發光部分的能力，由此產生具有為顯示面板112之實際解析度之大致兩倍之有效解析度的顯示器的感知。

應注意，儘管圖2中之近眼顯示系統100的實施200描繪具有單一光束控制元件214用於側向光移置的光束控制總成，但如上所提及，光束控制總成120可使用具有不同組態之多個光束控制元件(例如，圖1之光束控制元件124、126)的堆疊以提供多個不同側向移置，且因此提供在不同方向上移位多個連續影像的選項。舉例而言，假定堆疊使用具有為2之複製因數的光束控制元件(例如，圖2之光束控制元件214，其基於光束控制元件214之啟用或停用的兩個對應狀態，隨著經側向移置抑或不側向移置來傳遞入射光至兩個不同位置)，四個光束控制元件之堆疊允許複製及控制顯示面板的各子像素至四個不同位置(亦即，三個側向移置位置加上一個原始子像素位置，其中全部四個光束控制元件經停用，使得光穿過而無任何側向移置)。

應進一步注意，儘管圖2之實例係在光束控制元件214具有為2之複製因數(亦即，經停用以在無任何側向移置情況穿過，或經啟用以複製子像素用於移位至另一位置)的情形中描述，但其他實施例可能使用具有多個不同狀態之光束控制元件。舉例而言，替代使用各自具有為2之複製因數之四個光束控制元件的堆疊，具有為4之複製因數的單一光束控制元件(未展示)可受圖1的光束控制控制器132控制，以在四個不同狀態之間切換，該四個不同狀態允許複製及控制顯示面板之各子像素至四個不同位置(亦即，三個側向移置位置加上一個原始子像素位置，其中全部四個光束控制元件經停用以使得光通過而無任何側向移置)。

在一些實施例中，對於全部空間頻率u，網格效應感知的量(亦即，網格效應嚴重性之量度)藉由如下等式表示：MTF(u)*CSF(u)，其中MTF表示調製傳遞函數，該調製傳遞函數指定系統(例如，近眼顯示系統100)之光學元件如何處置不同空間頻率，且CSF表示對比靈敏度函數，該對比靈敏度函數表示眼睛辨別靜態影像中的不同位準之亮度的能力。眼睛之對比靈敏度(亦即，眼睛對特定空間頻率靈敏的程度，其證明為對於網格頻率為極靈敏的)與藉由複製生成的圖案之空間頻率內容之乘積提供系統傳遞函數，其中傳遞函數愈大(對於彼特定空間頻率u)，對網格之感知將愈多。因此，該系統傳遞函數之減小可藉由如藉由以下等式(1)提供之最佳化量度表示：

其中u表示空間頻率，d表示複製點之間的可能的側向移置，且θ表示複製/光束控制元件之旋轉。該等式之結果提供在堆疊N數目個光束控制元件之後可感知多少網格效應之量度。舉例而言，基於等式(1)，對於具有為2之複製因數的光束控制元件(其亦可被稱作「過濾器」)(諸如本文中關於圖2描述)，一個過濾器致使對網格效應的大致41%之感知能力，兩個過濾器致使對網格效應的大致14%之感知能力，三個過濾器致使對網格效應的大致7.5%之感知能力，且四個過濾器致使對網格效應的大致3.1%之感知能力。因此，增加光束控制總成之堆疊中之光束控制元件之數目通常減少對網格效應之感知能力。

光束控制總成可使用能夠進行子像素尺度控制(亦即，基於光束控制元件之狀態，在位置之間控制經複製子像素)的各種合適之光束控制元件中之任一者實施。舉例而言，圖3為根據一些實施例的說明繞射光束控制元件的圖解。在圖3的實例中，光束控制元件300(例如，圖1之光束控制元件124、126或圖2之光束控制元件214中之一者)係光柵之堆疊對，該等光柵包括第一光柵302及第二光柵304，該第二光柵使入射光分裂且繞射為在不同方向上行進之若干光束。

在一些實施例中，光柵間距與光束控制元件300的入射及繞射光束之角度之間的關係藉由等式(2)及(3)來表示：

其中θ表示繞射光束之間的繞射角(亦即，繞射光束之角偏轉)，n表示階數，λ表示入射光之波長，D表示光柵之時間段，t代表光柵之間的距離，且d表示經複製子像素之間的光學側向移置。如相對於圖2更詳細地論述，側向移置距離d小於填充子像素之間的不發光部分之像素。

如所展示，光束控制元件300之第一光柵302使入射光束306(例如，來自顯示面板之子像素的光)繞射至±1第一階。光柵對之第二光柵304進一步使±1第一階之光束繞射至±2第二階中，且反轉繞射光束之角偏轉，以使得通過第二光柵304(且因此離開光束控制元件300)的光束具有與來自顯示面板之子像素的入射光束306的入射角匹配的方向。以此方式，光束控制元件300複製原始入射光束306，且側向移置經複製光束。在不脫離本發明之範疇的情況下，可利用各種振幅或相位光柵用於繞射入射光束且隨後反轉角偏轉。此外，可針對單一或多個繞射階設計光柵，以減小光束控制元件之厚度。

在一些實施例中，經光束控制元件300複製的點(例如，經複製光束)之相對點強度(亦即，繞射效率)表示為等式(4)： sinc(n * w/D)² (4)

其中n表示繞射階數，w/D係光柵之開口分率，且sinc(x)=sin(π*x)(π*x)。因此，可基於光束控制元件300中之光柵的開口分率而調整經複製點之強度。

在另一個實施例中，圖4為根據一些實施例的說明折射光束控制元件的圖解。在圖4的實例中，光束控制元件400(例如，圖1之光束控制元件124、126或圖2之光束控制元件214中的一者)係稜鏡之堆疊對，其包括第一稜鏡402及第二稜鏡404，該第二稜鏡折射入射光為在不同方向上行進之若干光束。如所展示，第一稜鏡402成角度地分散來自顯示面板112之白光入射光束406為三束成角度地偏離的光線。隨著稜鏡之折射率隨光之波長(亦即，顏色)發生變化，不同顏色之光線將不同地折射且離開第一稜鏡402，由此分離白光入射光束406為紅色、綠色及藍色光線。紅色光線R相較於綠色光線G及藍色光線B具有更長波長，且因此使得相對於白光入射光束406，第一稜鏡402之角偏離相較於其他光線更小。類似地，綠色光線G相較於藍色光線B具有更長波長，且因此使得相對於白光入射光束406，第一稜鏡402之角偏離相較於藍色光線B更小。

如所展示，第二稜鏡404自第一稜鏡402接收三個成角度地偏離的光線，且反轉角偏離，以使得離開第二稜鏡404(且因此離開光束控制元件400)之光線具有經側向移置同時具有與白光入射光束406之入射角匹配的方向之紅色、綠色及藍色光線。以此方式，光束控制元件400在子像素尺度下擴展或改變像素之位置。

圖5為根據一些實施例的說明另一折射光束控制元件的圖解。在圖5的實例中，光束控制元件500(例如，圖1之光束控制元件124、126或圖2之光束控制元件214中的一者)包括液晶胞元502，該液晶胞元具有定向為諸如形成雙折射材料的液晶分子504，該材料具有取決於光之偏振及傳播方向的折射率。如所展示，液晶分子504定向為使得其對稱軸線相對於基板平面為45度。因此，歸因於入射光線基於偏振分裂成採用稍微不同路徑之光線藉以的雙折射現象，非偏振光之入射光束506分裂成兩個光線508、510且取決於偏振狀態被控制至兩個偏轉角中的一者。

對於非偏振光之入射光束506，具有第一偏振狀態(例如，其偏振與液晶胞元502之光軸垂直的光，稱作「常軸定向」)之第一光線508通過液晶胞元502而無偏轉。具有第二偏振狀態(例如，其偏振係在液晶胞元502之光軸方向的光，稱作「非常軸定向」)之第二光線510經偏轉且以側向移置d通過。

在一些實施例中，光束控制元件500包括液晶分子504，其如圖5中所說明定向且聚合，以使得液晶分子504在彼組態中連結為靜態的，由此形成光束複製總成。在其他實施例中，光束控制元件500進一步包括堆疊於聚合液晶胞元之頂部上的偏振切換器(未展示)，其在兩個值之間切換偏振，以使得液晶分子504僅接收經偏振光(而不接收圖5中所說明之非偏振光的光束506)。因此，取決於入射光之偏振，使傳入之經偏振光通過或偏離(而非傳遞如圖5中所說明之光線508、510兩者)。

應注意，儘管本文中出於說明性目的描述實施各種光束控制元件(諸如圖3至圖5及圖8至圖9之光束控制元件)之實施例，但可實施具有側向(亦即，非角向)子像素移位能力的其他合適光束控制元件代替本文描述之光束控制元件，除非另外指出。

圖6說明根據各種實施例的用於超解析度影像之顯示的近眼顯示系統100之操作的實例方法600。如上文相對於圖1至圖2所描述，近眼顯示系統100利用視覺暫留效應以提供經移位影像之時間多工顯示，以使得一系列影像中之任一者被使用者感知為單一超解析度影像或原有解析度影像，該原有解析度影像具有隱藏顯示面板112之不發光部分的有效較大的像素。該方法600說明針對左眼顯示器104或右眼顯示器106中之一者顯現及顯示一影像之程序的一個反覆，且因此說明之程序對於顯示器104、106中之各者並行重複地執行，以在不同時間點對於各眼睛產生且顯示不同的圖框串流或序列，且因此對使用者提供3D、自動立體VR或AR體驗。

該方法600以判定待產生及在顯示面板112處顯示之顯示器影像在方塊602處起始。在一些實施例中，顯現組件134標識待顯示給使用者之對應眼睛的影像內容為一圖框。在至少一個實施例中，顯現組件134自各種位姿相關感測器諸如陀螺儀、加速計、磁力計、全球定位系統(Global Positioning System；GPS)感測器等接收位姿資料，以判定用於靠近使用者之眼睛佩戴顯示器104、106的設備108(例如，HMD)之當前位姿。自此位姿資料，執行顯現程式144的CPU 136可判定目標場景或物件之對應當前視點，且自此視點及提供為顯現資訊146的場景或物件之圖形及空間描述判定待顯現之影像。

在方塊604處，顯現程式144操縱CPU 136以對源影像取樣且產生表示待顯現之影像(例如，如在方塊602中所判定)的第一像素陣列。所產生之第一像素陣列隨後被傳輸至顯示面板112以供顯示。

在方塊606處，光束控制控制器132組態光束控制總成120處於第一組態狀態，同時顯示器控制器130控制面向光束控制總成120之顯示面板112以顯示在方塊604中產生的第一像素陣列。在一些實施例中，諸如上文在圖2中相對於時間t₀所描述，光束控制總成之第一組態狀態係停用狀態，在該停用狀態下，光束控制元件214允許第一像素陣列通過而無任何側向移置。在其他實施例中，光束控制總成之第一組態狀態使第一像素陣列側向移置，以使得其不與顯示面板112與光束控制總成120之間的原始光徑側向對準。因此，即使處於第一組態狀態，光束控制總成亦賦予第一側向移置至第一像素陣列。

如上文所解釋，對於各種光束控制裝置，光束控制總成的組態狀態之間的切換通常包括啟用或停用包含光束控制總成的光束控制元件堆疊之數個級的特定組合，以使得離開光束控制總成之像素陣列基於組態狀態側向移位。應注意，方塊606之程序可能與方塊604處之對應影像產生同時執行。

在方塊608處，顯現程式144操縱CPU 136以對源影像取樣且產生表示待顯現之影像(例如，如在方塊602中判定)之第二像素陣列。所產生之第二像素陣列隨後被傳輸至顯示面板112以供顯示。

在方塊610處，光束控制控制器132組態光束控制總成120處於第二組態狀態，同時顯示器控制器130控制面向光束控制總成120之顯示面板112顯示在方塊608中產生的第二像素陣列。在一些實施例中，諸如上文在圖2中相對於時間t₁所描述，光束控制總成之第二組態狀態係啟用狀態，在該啟用狀態下，光束控制元件214側向移置第二像素陣列，以使得其不與第一像素陣列側向對準。

如上文所解釋，對於各種光束控制裝置，光束控制總成的組態狀態之間的切換通常包括啟用或停用包含光束控制總成的光束控制元件堆疊之數個級之特定組合，以使得離開光束控制總成之像素陣列基於組態狀態側向移位。應注意，方塊608之程序可能與在方塊610處的對應影像產生同時執行。

在方塊612處，顯示器控制器130指導顯示面板在視覺感知區間內顯示該第一像素陣列及第二像素陣列(例如，如自區塊604至610所產生)，以使得該第一像素陣列及第二像素陣列被使用者感知為具有高於顯示面板112之原有解析度的有效解析度之單一影像，由此呈現超解析度影像。

應注意，儘管圖6之方法600係在僅組合彼此側向移位的兩個像素陣列以產生超解析度影像的情形下描述，但熟習此項技術者將認識到，區塊604至610之程序的數目及反覆速率可能發生變化，增加在人眼的視覺暫留區間期間由顯示面板112顯示之側向移位影像的數目。舉例而言，假定光束控制總成120包括具有不同組態狀態之多個不同光束控制元件(例如，圖1之光束控制元件124、126)的堆疊，則區塊604至608的程序對於不同組態狀態中的各者重複，使得相對於彼此側向移位的多個像素陣列可被產生及顯示，以被使用者感知為單一超解析度影像。替代地，相同像素陣列可越過各種組態狀態移位及顯示，以被使用者感知為具有減少之網格效應的單一標準解析度影像，而非在像素的各側向移置之間對源影像進行重取樣。

如上文所證明，可有利地使用描述之各種光束控制總成以充分利用人類視覺系統的視覺暫留效應，以提供經動態時間多工、空間移位的影像，該等影像被使用者感知為超解析度影像或具有對顯示器之不發光部分之減少的感知的原有解析度影像。另外，在其他實施例中，描述之光束控制總成可被用以被動地複製(亦即，不發送控制電壓及改變光束控制總成之狀態)且空間地移位來自顯示面板的入射光束，以提供具有對顯示器之不發光部分之減少的感知的原有解析度影像。

應瞭解，其他實施例提供影像之被動超解析度而無任何時間多工。圖7為根據一些實施例之說明一種產生被動超解析度影像之方法的圖解。如所展示，第一影像702包括複數個像素(其中為了易於說明展示僅四個像素704、706、708、710)。第二影像712提供與第一影像702相同之內容資料(例如，像素704、706、708、710)，但相對於第一影像702之位置經側向移位。

舉例而言，在一些實施例中，藉由呈現來自顯示屏幕之非偏振光至圖5之光束控制元件500來產生第一影像702及第二影像712。對於入射非偏振光，具有第一偏振狀態之第一組光線(例如，其偏振與光束控制元件500之光軸垂直的光)通過而無偏轉，由此提供第一影像702。另外，對於相同入射非偏振光，具有第二偏振狀態之第二組光線(例如，其偏振係在光束控制元件500之光軸方向上的光)經偏轉且以子像素距離之側向移置d通過。在此實例中，側向移置d在x軸方向上係像素的一半，且在y軸方向上係像素的一半，由此對於第二影像712而言使該等像素中之各者對角地移位像素的一半。

第一影像702上覆有自身之經一或多個子像素移位的複本(例如，第二影像712)，以產生加總影像714，該加總影像可感知為具有相對於第一影像702及第二影像712之解析度改良的解析度。應瞭解，取決於重疊，加總影像714之特定子像素部分獲得來自相同像素值之貢獻量。舉例而言，子像素部分716提供僅由像素704之值提供的影像資料。加總影像714之其他子像素部分獲得來自多個不同像素值之貢獻量。舉例而言，子像素部分718提供藉由像素704及像素706之兩個值提供的影像資料。以此方式，所感知影像(亦即，加總影像714)的有效解析度增大，而不需要藉由使光束控制元件的狀態發生變化情況下進行影像之時間多工或協調影像之顯現。

圖8為根據一些實施例之說明雙折射光束控制元件之俯視圖的圖解。在圖8之實例中，光束控制元件800(例如，圖1之光束控制元件124、126或圖2之光束控制元件214中的一者)係雙折射材料層，該雙折射材料層相對於平面軸線802傾斜。如本文中所定義，平面軸線802表示縱向軸，若光束控制元件平行於顯示面板112，則光束控制元件800將沿該縱向軸定向。

在一些實施例中，光束控制元件800之雙折射材料層係包括拉伸聚合物片之雙折射片800。許多聚合物具有偏振性各向異性或歸因於其三維化學結構而本身為各向同性的，且由此在未受應力狀態下不展示雙折射。在完全非晶態中，因為聚合物分子鏈隨意定向，所以用於重複單元之偏振性各向異性彼此補償。因而，聚合物宏觀上變成光學各向同性且不展現雙折射。然而，當聚合物分子鏈由應力定向時，聚合物展現出雙折射。舉例而言，當聚合物由於擠壓、拉伸及注入、吹塑製程或製造後無意損害經受應力時，誘發之應力使成品材料中顯現雙折射。

應注意，儘管本文中出於說明性目的描述實施各種光束控制元件為拉伸聚合物片或拉伸聚合物薄膜的實施例，但可實施具有側向(亦即，非角向)子像素移位能力的其他合適之雙折射光束控制元件代替本文中描述之光束控制元件，除非另外指出。舉例而言，在不脫離本發明之範疇的情況下，可使用自歸因於作用於並非天然為雙折射之材料的外部力及/或變形的應力及應變形成的各種雙折射材料，諸如變形玻璃、塑膠透鏡及受應力聚合物鑄件。

如圖8中所展示，雙折射片800包括平面內對稱軸線804，該對稱軸線平行於雙折射片800之縱向長度。對於各輸入光線806，雙折射片800藉由複製輸入光線806產生兩個輸出光線808、810。因此，經複製光線(亦即，輸出光線808、810)兩者表示與入射於光束控制總成上之輸入光線806相同的視覺內容。輸出光線中之一者808沿與入射輸入光線806(亦即，入射於光束控制總成上之光線)之光徑812大體上相同的方向通過雙折射片800。另一輸出光線810係入射輸入光線806之經複製光線，該經複製光線相對於輸入光線806及輸出光線808經側向移置(例如，入射光在圖8之X及/或Y軸方向上的二維移位)。應注意，雙折射片800致使側向光線移置，但不致使光線之角移置。即，自顯示面板112發出之光線不經歷其光徑(亦即，入射於光束控制元件800之光束的光徑)的角方向上之改變。因此，光束控制元件(亦即，雙折射片800)複製各給定影像之像素，且側向移置經複製像素，以便以具有感知上更大之大小(例如，歸因於增加之有效像素計數)的像素投影影像，該影像隱藏顯示面板112的像素之間的不發光空間。

在一些實施例中，光束控制元件800耦接至致動器814，該致動器經組態以圍繞X軸、Y軸及/或Z軸旋轉光束控制元件800，諸如以改變雙折射片之平面內對稱軸線804與平面軸線802之間的相對角度。在各種實施例中，該致動器814受顯現組件134控制，以改變兩個輸出光線808、810之間的側向移置的量。在各種實施例中，該致動器814可包括光學機械致動器，諸如壓電、發聲圈，或電活性聚合物致動器。儘管此處在光學機械致動器之情況下描述，但熟習此項技術者將認識到，在不脫離本發明之範疇的情況下可使用能夠實體地旋轉光束控制元件800之任何機械致動器。

在各種實施例中，經複製光線側向移置之距離△x藉由以下等式表示： △x=α *△z (5)

其中△z係雙折射片800之厚度，且α係雙折射片800內部的經複製光線之角偏差，其在離開之後轉變成△x之側向移置。θ表示雙折射片之平面內對稱軸線804與入射於光束控制總成上的傳入輸入光線806之角度(或平面軸線802)之間的傾角。通常，當雙折射片之平面內對稱軸804相對於傳入光線成45度時，達成最大移置距離。在90度處，出現經複製光線之零移置。

應注意，儘管圖8之實例在具有為2的複製因數(亦即，複製傳入輸入光線且將子像素側向移位至另一位置)的光束控制元件800之情形下描述，但其他實施例可使用雙折射片光束控制元件之堆疊，以增大光線倍增之量。舉例而言，如下文相對於圖9更詳細地描述，替代使用單一傾斜雙折射片，藉由使用各具有為2的複製因數的兩個傾斜雙折射片之堆疊，具有為4的複製因數的單一光束控制元件可受圖1之光束控制控制器132及/或顯現組件134控制，以允許複製及控制顯示面板之各子像素至四個不同位置(亦即，三個側向移置位置加上一個原始子像素位置)。

圖9為根據一些實施例的說明另一雙折射光束控制元件之俯視圖的圖解。在圖9之實例中，光束控制元件900(例如，圖1之光束控制元件124、126或圖2之光束控制元件214中之一者)相對於平面軸線902傾斜，且包括雙折射片之堆疊，該等雙折射片包括第一雙折射片904及第二雙折射片906。類似圖8之軸線，平面軸線902表示縱向軸線，若光束控制元件平行於顯示面板112，則光束控制元件900將沿該縱向軸線定向。光束控制元件900進一步包括定位於第一雙折射片904與第二雙折射片906之間的四分之一波片908。

在各種實施例中，光束控制元件900之雙折射材料的各層(例如，第一雙折射片904及第二雙折射片906)係拉伸聚合物片。然而，儘管本文中出於說明性目的描述實施各種光束控制元件為拉伸聚合物片或拉伸聚合物薄膜的實施例，但可實施具有側向(亦即，非角向)子像素移位能力的其他合適之雙折射聚合物光束控制元件代替本文描述之光束控制元件，除非另外指出。舉例而言，在不脫離本發明之範疇的情況下，可使用自歸因於作用於並非天然為雙折射之材料上的外部力及/或變形的應力及應變形成的各種雙折射材料，諸如變形玻璃、塑膠透鏡及受應力聚合物鑄件。

如圖9中所展示，第一雙折射片904包括平面內對稱軸線910，該平面內對稱軸線平行於第一雙折射片904之縱向長度。對於各輸入光線914，第一雙折射片904產生兩個輸出光線(未展示)。輸出光線中之一者沿與入射輸入光線914之光徑大體上相同的方向通過第一雙折射片904。另一輸出光線係入射輸入光線914之經複製光線，該經複製光線相對於輸入光線914經側向移置(例如，入射光在圖9之X及/或Y軸方向上的二維移位)。因此，經複製光線(亦即，自第一雙折射片904輸出之輸出光線)兩者表示與入射於光束控制總成上之輸入光線914相同的視覺內容。四分之一波片908使彼等兩個輸出光線(亦即，由通過第一雙折射片904之輸入光線914產生的經複製光線)偏振，以在光線到達第二雙折射片906之前產生具有圓偏振之光線。若入射於雙折射片上之光並不經圓形地偏振，則點倍增(亦即，光線複製)不出現。

對於各輸入光線，第二雙折射片906亦產生兩個輸出光線(未展示)。因此，經偏振的兩個輸出光線(亦即，由通過第一雙折射片904及四分之一波片908之輸入光線914產生的經複製光線)致使總計至少四個輸出光線916。因此，經複製光線(亦即，輸出光線916)表示與入射於光束控制總成上之輸入光線914相同的視覺內容。輸出光線916中之一者沿與入射輸入光線914(亦即，入射於光束控制總成上之光線)之光徑大體上相同的方向通過光束控制元件900。其他三個輸出光線916相對於光徑側向移置。以此方式，光束控制元件900複製各給定影像之像素，且側向移置經複製像素，以便以感知上更大之大小(例如，歸因於增大之有效像素計數)的像素投影影像，該影像隱藏顯示面板112的像素之間的不發光空間。

在一些實施例中，光束控制元件900耦接至致動器918，該致動器經組態以圍繞X軸、Y軸及/或Z軸旋轉光束控制元件900，以改變光束控制元件900的平面內對稱軸線910、912與平面軸線902之間的相對角度。在各種實施例中，該致動器918受顯現組件134控制，以改變四個輸出光線916之間的側向移置的量。在各種實施例中，該致動器918可包括光學機械致動器，諸如壓電、發聲圈，或電活性聚合物致動器。儘管本文中在光學機械致動器之情況下描述，但熟習此項技術者將認識到，在不脫離本發明之範疇的情況下，可使用能夠實體地旋轉光束控制元件900之任何機械致動器。

在一些實施例中，上文所述之技術的特定態樣可由執行軟體的處理系統的一或多個處理器實施。該軟體包含在非暫時性電腦可讀儲存媒體上儲存或者有形地實施的一或多組可實行指令。軟體可包括指令及特定資料，其在由該一或多個處理器執行時，控制該一或多個處理器以執行上文所述之技術的一或多個態樣。舉例而言，非暫時性電腦可讀儲存媒體可包括磁碟或光碟儲存裝置、諸如快閃記憶體之固態儲存裝置、快取記憶體、隨機存取記憶體(random access memory；RAM)或其他非揮發性記憶體裝置或裝置，及類似者。儲存於非暫時性電腦可讀儲存媒體上的可實行指令可為由一或多個處理器解譯或可由其執行的原始程式碼、組合語言程式碼、對象程式碼或其他指令格式。

電腦可讀儲存媒體可包括可由電腦系統在使用期間存取以將指令及/或資料提供至電腦系統的任何儲存媒體或儲存媒體之組合。此等儲存媒體可包括但不限於光學媒體(例如，緊密光碟(compact disc；CD)、數位多功能光碟(digital versatile disc；DVD)、藍光光碟)、磁性媒體(例如，軟碟、磁帶或磁性硬碟機)、揮發性記憶體(例如，隨機存取記憶體(RAM)或快取記憶體)、非揮發性記憶體(例如，唯讀記憶體(read-only memory；ROM)或快閃記憶體)，或基於微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)之儲存媒體。電腦可讀儲存媒體可嵌入於計算系統中(例如，系統RAM或ROM)、固定地附接至計算系統(例如，磁性硬碟機)、可拆卸地附接至計算系統(例如，光學光碟或基於通用串列匯流排(Universal Serial Bus；USB)之快閃記憶體)，或經由有線或無線網路耦接至電腦系統(例如，網路可接入儲存器(network accessible storage；NAS))。

應注意，並非所有在上文於一般描述中描述的活動或元件為所要的，可能不需要特定活動或裝置的一部分，且可執行除描述之彼等以外的一或多個其他活動或包括除描述之彼等以外的一或多個其他元件。再者，列出活動所用的次序未必為該等活動經執行所用的次序。此外，已參考特定實施例描述了概念。然而，一般熟習此項技術者瞭解，可進行各種修改及改變而不背離如以下申請專利範圍中所闡述的本發明之範疇。因此，本說明書及圖式應以說明性而非限制性意義來看待，且所有此類修改意欲包括在本發明之範疇內。

已在上文中就特定實施例描述了益處、其他優勢以及對問題的解決方案。然而，益處、優勢、對問題的解決方案以及可使任何益處、優勢或解決方案出現或變得更明顯的任何特徵不應被解釋為任何或所有技術方案的關鍵、必需或基本特徵。此外，上文所揭示的特定實施例僅為說明性的，由於對於受益於本文中教示的熟習此項技術者而言顯而易見的是，可以不同但等效的方式修改及實踐所揭示之主題。除以下申請專利範圍中所描述以外，並不意欲限制本文中展示的構造或設計的細節。因此顯然的是，上文揭示之特定實施例可經變更或修改，且所有此類變化被認為是係在所揭示之主題的範疇內。因此，本文尋求之保護係如以下之申請專利範圍中所闡述。