3D光场LED墙面显示屏
技术领域
本发明涉及用于3D显示、描述模块化LED墙面样式的3D光场显示屏的方法和装置。
背景技术
3D光场显示代表下一代3D系统，该下一代3D系统可以提供自然的类似全息图的3D视图而无需眼镜或任何限制，优于其他3D解决方案。
光场是3D信息的一般表示，该3D信息将3D场景视为从3D场景点发射或反射的光线的集合。3D光场表示对于3D显示屏是理想的，因为3D显示的目标是从真实的或合成的3D场景重建可见光束，从而以与人类视觉能够处理的方向、位置、强度、颜色相同的参数将光束再现到真实空间中。换句话说，该目标是重建如在自然视图中存在的光场。
3D光场显示屏能够从3D光场显示屏的像素中的每一个向各个方向发射多个单独控制的光束，就像这些光束是从屏幕后面的物体的点发射的，或者在屏幕前面的点处交叉，以显示浮在空中的物体。
作为潜在的技术，通常作为发射型显示屏的LED显示屏提供非常高效的操作。当这些LED显示屏关闭时，它们可以提供生动的色彩和具有真实黑色色阶的优异对比度。这些LED显示屏不使用如LCD面板的背光照明，其根据图像信息吸收光。
此外，普通的无机LED比有机LED(OLED)效率高得多。在OLED显示屏中，尽管是发射型显示屏，但亮度是关键参数，因为在大多数情况下，这些OLED显示屏是基于白色发射机制的，且颜色是由滤色器产生的，从而再次损失了所产生的光的重要部分，没有提及如寿命、色移、老化等其他问题，这些问题仍然是未解决的问题。
可以看出，LED芯片在显示屏技术中是理想的，LED芯片在合理的功耗下能够高效地实现高亮度，LED芯片提供前所未有的对比度，LED芯片可以提供接近激光发射器的但是在稍微更宽的光谱上的广色域，以避免散斑。
最近，微LED芯片，微小LED芯片被转移到有源矩阵背板，用晶体管直接驱动芯片，以形成高分辨率、高亮度、广色域、高效的微LED显示屏，提供OLED显示面板的替代物。
LED墙面显示屏已广泛用于大规模显示。这些显示屏的模块化特性使得它们成为非常有吸引力的选择，以建造任何大小、任何宽高、任何形状的显示屏，其中甚至弯曲表面也是可能的。相对于显示屏的大小，LED墙面模块可以被认为是扁平面板、轻量的解决方案，该解决方案可以实际上匹配若干应用情况，例如在公共空间、商场、机场、视觉上印象深刻的音乐会和舞台技术、电视演播室、体育赛事和体育场、建筑组件处的，包括永久性和容易建造的临时安装的室内与室外广告显示屏。
虽然LED墙面主要被考虑用于具有减小到1mm或甚至更小的LED像素间距大小的大规模应用，但是全高清显示屏可以小于2m，这已经是放置在客厅中的电视机的范围。在这种趋势下，LED墙面显示屏将甚至与70-80英寸对角线的消费者类别单面板显示屏竞争。提供极好的质量和灵活性的LED显示屏将主导未来的显示，也渗透到消费者市场和广泛的应用范围。
显示的基本目标是给出具有最高完美性的真实世界或合成场景。显然，在所有形式的可视化中，都将存在对3D的需要，因为这就是我们看到世界的方式。虽然我们正在接近对于普通用户没有任何差异的2D显示、4K、8K、HDR、HFR、广色域或更多的合理极限，但是该极限所缺少的是完美地可视化3D，以克服立体和多视图裸眼3D系统的限制以及创建在LED墙面显示屏方面尚未解决的真实3D显示能力。
对于LED墙面显示屏，我们可以看到立体3D解决方案(索尼，CCDL)。这些是无源的、基于偏振的解决方案，其中左眼和右眼分离由直接粘贴在LED上的相应的圆形偏振滤光片提供。然而，这使分辨率减半，偏振片给显示屏提供了发光的外观。另一种解决方案是LED墙面的双速操作，快速连续地显示L&R图像。然而，这需要同步主动快门眼镜，由于电池的原因，该同步主动快门眼镜需要持续的护理，并且由于同样的原因，该同步主动快门眼镜体积大且相对昂贵。需要观众佩戴眼镜的3D系统是不可行的，特别是在人们正在移动的公共场所，不能发放和收集干净的眼镜，更不用提及立体3D系统在显示正确的深度线索方面的固有限制、使得观众在视觉上不太可接受的光学矛盾。
已经尝试将双凸透镜片(lenticular lens sheet)放置在TV大小的LED显示屏上以产生裸眼3D多视图效果(https：//www.dimenco.eu)。具有1mm间距的LED墙面的问题不允许具有足够分辨率和观看范围的高质量3D显示。为了将分辨率损失差异分布在水平和垂直像素300之间，应用倾斜双凸透镜阵列400。一方面，这将导致奇怪的可见像素形状，特别是在直线处可见，但作为附加限制，它将排除通过无缝拼接来按比例放大显示的选项。在多视图系统中，视图周期性地出现，因此总是存在无效和混合区，在这些区中3D视图被反转或者视图被混合。例如，对于具有9个视图的典型多视图系统，视图1至9表示从左到右改变的视点。在非连续的观看范围内，在视图的离散的窄波瓣之间，将总是存在左眼从另一波瓣看到右视图和右眼看到相对的左视图、或者两只眼睛都看到更多的视图的位置，如图2所示。在这些区中，3D视觉将令人不适、透视反转或模糊，将出现重影图像。在多视图系统中，在观看范围中，甚至存在可以看到正确3D视图的更少区域，并且当观众移动以更近地看到3D物体时，3D视图立即崩溃。观众应该在固定的最佳光斑处观看正确的3D，这些最佳光斑是所谓的菱形光斑，总体上表示比观看区域中的无效和混合区更小的区域，这阻止了公众对裸眼3D多视图系统的更广泛的接受。
对于大规模户外广告3D显示屏，激光扫描像素解决方案也是已知的(http://www.trilite-tech.com/)。每个像素包含3个激光二极管、plus扫描器、控制器和反馈电子器件，这导致不可接受的实际尺寸(即像素间距大约为2cm)，以及由于有限的光学扫描角度而伴随的窄视野(FOV)，同时单个像素的成本在完整的激光微投影仪引擎的范围内，这导致对于更大的组件的巨大的最终系统成本。
Balogh的美国专利No.6,736,512中描述了像素元件来组装3D显示屏，每个元件都包含一组单独可寻址的点光源和光学成像装置，所述单独可寻址的点光源被布置成行。然而，由于像素大小、FOV和视图数量是固定的，使用这种像素元件来构建3D显示屏是不灵活的。这些参数的任何改变都需要另一个不同的像素元件，包括不同的芯片结构、驱动电路、光学器件和封装，这使得像素元件在构建各种显示屏时不太可行。除此之外，单独可调节的像素元件使得显示屏对准和校准过程更加复杂。
一种类似的像素元件由郑州中原显示技术有限公司公开(公开为CN104199197和CN 104200757)，两者都涉及相同的解决方案，第一个公开了透镜，而第二个公开了在透镜上构建的显示屏。他们还描述了在多个LED芯片上方具有透镜的元件。LED像素元件不能接近理论上的最大光密度，因为最大光密度在原理上受到芯片和间隙的实际大小的限制，LED像素元件被认为是布局中的基本单元。最多描述的是复杂元件，有8个RGB LED在透镜下方被布置成一列，每个像素有24个分离的元件(3个行×8个随后的行)，由于单个元件光学器件，导致至少15-20mm的像素间距，在窄角度中具有8个视图。该布置在其他方面类似于上述引用的Dimenco/ex飞利浦倾斜双凸系统，因此，在布局中没有笔直的边界以允许无缝拼接，由此可以构建一块大的8个视图3D显示组件，或者仅在它们之间用边框拼接的较小组件。由于实际实施中的技术困难，该理论解决方案在实践中没有找到方法。
如上所述，在广泛使用的LED显示屏中存在对3D的需求，这仍然是不能满足的。作为简单的尝试，已经示出了立体眼镜3D系统。为了实现裸眼3D效果，明显的方式是在LED显示屏上放置双凸片。然而，这产生了几个问题。
在主流LED显示屏中，像素间距通常在几毫米的范围内，从10毫米下降到3毫米，并且即使最精细的间距为1毫米的LED显示屏，其分辨率也是限制因素。在小透镜下，存在更多的像素，每个像素都属于其他发射方向，换言之，3D像素包含所谓的子像素(例如3D像素大于2D子像素)，每个子像素本身都是LED。在3D显示屏中，最终屏幕分辨率被视图的数目分开，如果仅有对于双凸多视图显示屏是非常典型的9个视图，则分辨率将是原始底层显示屏的1/9。
从像素的角度来看，代表单个元件光学器件的双凸片受限于它们可以发送来自相邻像素的光的角度。具有适当的光学质量(远场光斑大小)的光束的观看范围被限制在30-40度。另一方面，具有有限数量的视图以及为了保持3D效果，甚至设置更窄的角度，例如对于9个视图显示屏，通常设置20度。然后这个具有相同视图图像的窄观看范围在更宽的FOV中被重复。我们再次参考图2，双凸系统通常实现具有无效或混合区的上述缺点的多视图操作，其中右眼看到左视图，或两者，反之亦然，并且其中3D视图崩溃。
水平视差比垂直视差更重要。我们在屏幕前面在地板上水平地移动时，我们的眼睛水平地移位，因此多视图系统仅提供水平地变化的不同视图。多视图系统通常是仅水平视差(HOP)系统。因此，将光从不同水平位置的像素分配到多个水平方向中将降低水平分辨率，同时使垂直分辨率不受影响。为了平衡在显示屏表面上具有在水平行和垂直列300中的像素的不对称的分辨率损失，双凸片被倾斜400以将垂直位置转换为相对于小透镜的不同水平位置。然而，倾斜的几何形状总是导致在规则排列的像素上的小透镜的边界处的像素的碎片，参见图3。在倾斜的透镜阵列的边缘上，将总是存在可见的伪影、丢失的视图、全内反射，该全内反射不允许面板的无缝拼接。在参考的现有技术解决方案中，单个双凸片必须放置在整个显示屏屏幕上以获得不受干扰的视图，放弃LED显示屏的模块化特征。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有特殊模块化结构的3D裸眼LED墙面显示屏，该LED墙面显示屏能够实现真正的3D光场显示，能够从每个像素P发射大量单独可控的光束到宽视野(FOV)上的各个方向，以便提供具有高角分辨率的连续的3D视觉。参见图1b。
在本发明的一个方面中，通过根据权利要求1的模块化3D光场LED墙面显示屏和根据权利要求15的方法来实现该目的。
3D光场LED显示屏包括相同的面板10，每个面板均包括LED背板30，所述LED背板30包括像素P，每个像素P包含多个LED发射器20，光学装置放置在LED发射器20之上以将多个光束从每个像素P引导到多个方向。
来自每个LED发射器的光束由面板光学器件引导到一个方向，并且从像素发射到多个方向的光束(L1…LN)在单个波瓣中覆盖连续的角度范围α。连续地覆盖角度范围α意味着理想地具有散度δ的光束不重叠，或者在发射的光束之间没有角度间隙。
根据观看方向、从像素P发射的光束的数量N来选择LED发射器20的数量，使得来自每个LED发射器20的光都被引导到一个单一方向，这取决于LED发射器在像素区域p中的位置。
作为示例，在FOV被设置为100度且3D显示屏的角分辨率被设置为1度(这已经导致可接受的显示屏的3D深度质量或深度场FOD)的情况下，则应当从每个像素P发射100个单独可控的光束，其中光束的散度为1度，即每个类准直光束覆盖1度波瓣。
光学装置可以被实现为具有与面板相同的大小和外形的面板光学器件，所述面板光学器件包括多个光学表面，所述多个光学表面形成透镜阵列，所述透镜阵列包含整数个具有笔直边缘的笔直定向的小透镜，所述小透镜对应于像素P的布置，形成无缝可拼接阵列。
我们描述了LED面板10结构和对应的面板光学器件40，其提供了真实的3D光场显示，该3D光场显示提供了整个FOV上的大量非重复视图，允许在广角中的自然的3D视图而没有失效区、干扰伪影、对立的多视图，并且其可以无缝地拼接以构建模块化的可自由扩展的3D LED墙面显示屏。
方便地，对于3D光场LED墙面显示屏组件，多个面板10可以进一步被组织成作为更大单元的机柜2，这可以帮助更大规模显示屏的实际组装。还包括LED驱动器电子器件34和连接器35的面板10将分别电连接和机械连接到公共控制单元板3和机构4以形成机柜。因此，包括多个面板10和控制板3的机柜2本身已经代表了全功能3D光场显示屏单元。
为了显示真实的3D图像，需要比2D更多的光发射器，这对于具有作为2D子像素的封装LED或LED芯片22的LED显示屏是一个挑战。3D显示屏的像素P大小和从像素P发射的光束的数量N是冲突的参数。
我们提出了达到理论极限的布置，其中LED被布置成达到最高的光密度，解决了用于3D显示的分辨率问题，以及提出了超过单个元件光学器件的限制的多层面板光学器件40，该多层面板光学器件40具有允许无缝拼接的适当地定向的周期性特征，这对于倾斜结构将是不可能的。
我们认识到，在3D LED显示屏处，可以从给定的像素P发射的独立光束的数量N仅取决于所使用的LED芯片22的有效发光区域E的大小。我们将子像素SMD LED封装21或LED芯片22布置在像素区域中，该像素区域基本上对应于芯片的发光区域E在偏移方向上的大小/延伸Ex而偏移。在这种情况下，我们从给定的像素P大小达到最佳的理论最大的方向数量。
可以概述如何布置LED的各种布局，即(3D)像素区域p中的子像素，子像素可以被布置在更多的行中，行可以相对于彼此偏移，但是对于3D LED显示屏的关于分辨率和视图数量的光学性能总是最大的，即像素P大小和可以从像素P发射的独立光束的最大数量：px＝Ex*N，其中，px是水平像素大小，Ex是LED发射器20的发射区域E的水平大小，N是从像素发射的单独可控的光束的数量。
在显示屏中，预期像素纵横比是对称的，即px等于py，以具有相同的水平和垂直分辨率。原则上，可以以不同的水平/垂直分辨率来工作，但是关键因素是像素的水平延伸px。虽然像素大小与要发射的光束的数量成比例，但是像素区域与像素大小的平方函数成比例，因此区域越大，可以在区域中放置的芯片越多。通常，较大的像素对于3D LED显示屏可能更有效。
遵循所提出的方法，可以实现比SMD LED封装21或LED芯片22的实际大小/尺寸L以及必要的间隙c所允许的高得多的密度的光学布局。通过这种方式，可以消除所有的技术缺点，这在SMD LED封装21、LED芯片22处具有显著意义，即有效相对于无效区域(如机械封装外壳、或在LED芯片22处的结合、其它暗衬底结构相对于有效发光窗口E)的比率，以达到高密度光学布置的理论最大值，这对于实现3D LED光场显示是至关重要的，从而能够连续观看。
从像素P发射的各个光束的散度δ取决于LED发射器20的有效发光区域E的延伸。在光学密集地布置的LED发射器20基本上以d＝E偏移的情况下，从像素P中光学邻近的接触发光区域E发出的光束将连续地覆盖发射角度范围α。散度δ将等于发射角度范围α除以LED发射器20的数量N，δ≈α/N，实际上在最佳情况下，散度δ等于显示屏的角分辨率。所有像素一起将在FOV上产生连续的3D光场。尽管显示屏的FOV与发射角度范围α密切相关，但在近场中，例如在观看区域的形状被定义为观众可在整个屏幕上看到3D的情况下，它们可根据FOV的可能的定义而不同。然而，在远场中，当从远处观看3D显示屏时，FOV等于发射角度范围α。为了描述的简单起见，我们遵循该考虑，不区分这些值并且不处理次要的各种FOV定义。
当然，在实际系统中，偏移d可以小于或大于关于其它因素的理论最佳值，如用于面板10中的不同类型/颜色的LED芯片22的不同大小的发射面积，或者在设计中遵循的某些四舍五入的数或整数。然而，最佳的偏移是围绕发光区域E的平均延伸方便地选择的，也就是说，好的布置可以设置为偏移1/2直到Ex的10倍大小。
在偏移较小(例如，1/2Ex)的情况下，光束的相邻波瓣将部分重叠，并且在视图之间将出现串扰，导致3D重影效应。在偏移较大(例如2倍Ex)的情况下，则在发光区域E之间将出现间隙，导致3D图像中可察觉的异质性。然而，通过使用稍微散焦的面板光学器件40，或者在面板的覆盖光学层41中并入给定的漫射功能，可以减小该第二效应。使用这种光学补偿也可以产生可行的更松的布局，其中由于一些技术原因，SMD LED封装21、LED芯片22的实际尺寸或必要的最小间隙c导致了达到最佳的密度布置的障碍。
在限定最佳的密度布置的同时，在确定给定整数的面板10的适当大小时，应当考虑产生无缝可拼接模块化面板10。虽然在像素区域p内具有全致密的的LED芯片22布置，但是方便地是在像素P之间设置间隙g以将LED芯片22分离。对于无缝拼接，出于相同的原因，沿着面板10的边缘设置空的边界区域，其具有小于(如在像素之间的)间隙g的一半的宽度。因此，当接合模块时，模块之间的间隙将与模块中的像素之间的间隙g相同。
面板10上的SMD LED封装21的数目等于单独可控的光束N与像素P的数目的乘积，且在使用分离的RGB LED芯片22的情况下面板10上的SMD LED封装21的数目是单独可控的光束N与像素P的数目的乘积的3倍。面板10的水平及垂直大小是具有间隙的像素大小px，py的整数倍，是分别在水平及垂直方向上的像素数量PX与PY。PX和PY代表面板10的分辨率。对于方形面板10，PX＝PY，假定1:1纵横比像素，px＝py，而其它面板10纵横比也可以是实际的(如4:3或16:9)，以构建类似纵横比的最终显示屏。为了获得方便的配置，单独可控的光束的数量N、面板分辨率PX、PY、LED驱动器芯片34的通道的大小(所占空间)和数量以及面板10的机械尺寸应当匹配。
面板光学器件40的作用是将来自LED发射器20的光引导到各个方向。专用的面板光学器件40解决了几个挑战。
对于光场显示，每个光束L1…LN应当是单独可控的，意味着来自相应的单独可控的LED发射器20的光通过面板光学器件40应当进入一个且仅一个方向。光束从LED芯片22发射到非常宽的角度，应当避免光束可以在另一个方向或在另一个像素P位置处从面板光学器件40出射，例如通过属于相邻像素P的小透镜42射出。这是对立的多视图系统，然而这不是问题，问题在于由于光束通过相邻的像素小透镜42不受控地离开而导致的典型的特性在观看范围上重复相同的几个视图。在3D光场重建时，面板光学器件40只能传输来自底层像素区域p的光，而阻挡来自位于相邻像素区域p中的LED发射器20的光。
为了创建要铺设在LED发射器20阵列上的连续周期性图案，属于像素的光学器件(即小透镜42)不能大于像素区域p和其周围的间隙g的一半。如果应当设计更宽角度的光学器件，则这种大小限制尤其具有挑战性，因为相对于光源区域，广角光学器件(如鱼眼光学器件)往往较大。为了为宽FOV上的多个自由移动的观众提供不受限制的3D视图，面板光学器件40应当在广角上工作。简单的透镜阵列代表单个元件光学系统，它们不能用于广角操作，为了围绕这一点，我们在可以堆叠的面板光学器件40中应用多个光学层41，所述多个光学层41包括多个光学表面、光圈、最终漫射功能、阴影、光学涂层等。
来自每个LED发射器20的光应当被收集和准直。对于理想的点状源，光学准直将意味着在无限远处聚焦以实现最小的散度。这对于水平方向上的HOP系统也是如此，即使没有垂直地偏转。光束的散度δ与有效发光区域E的大小有关，并且光学系统应当分辨远场中的所有LED发射器20。换句话说，光学系统的角分辨率应当远低于来自FOV与像素中的LED发射器20的数量的商的值，像素中的LED发射器20的数量也等于N。所需的角分辨率应当小于FOV/N。为了在广角投影上实现适当的远场光斑大小，需要多个元件光学器件。
为了组装没有可见标记的模块化3D显示屏，面板10应当无缝地拼接。属于未分割像素区域p的整数个的不包括倾斜结构的笔直定向的整数个小透镜42的透镜阵列43构成光学平板46。面板10是独立的，没有光可以从相邻面板进入，这可能导致光线从面板射出到不正确的方向。如果满足上述边缘的标准，并且仅形成自身像素的区域p的光可以离开面板，则在接合处将不会出现暗痕或重影。光学平板46的大小和形状与面板10和LED背板30的大小和形状完全相同，从而允许无缝拼接，有时也称为无边框拼接。
LED面板光学器件40被实现为多层透镜阵列43的堆叠的光学平板46，其中布置在平板46中的小透镜42的大小不超过像素P的大小，并且这些小透镜42的周期对应于像素布局。小透镜42仅从位于相应像素区域中的LED发射器20将准直光束投射到广角范围中，使得在像素区域p中的不同位置处的每个LED发射器20与显示屏的FOV中的一个且仅一个发射方向相关联。
作为方便地两层基本实施例，在LED发射器20上的主透镜层411通过将光束聚焦到光圈中来创建方向，具有用于滤除几何失真光束的光圈的层，和用于校正光束并使光束重定向的次透镜层412。对于HOP系统，圆柱形透镜阵列44与垂直光圈条纹一起使用，其中圆柱形小透镜42仅水平聚焦，而对于全视差使用球面光学器件45和球面光圈。当然，对于圆柱形和球面对称光学系统，也可以使用非球面光学表面。
对于全视差3D成像，需要巨大数量的像素。虽然对于100个视图的HOP系统，100倍的像素用于100个视图，但是对于全视差，相同的性能达到100×100，即比2D多4个数量级的像素。比如说，从4K 2D显示屏面板，可以创建38×21(3D)个像素P全视差3D显示屏。除了分辨率问题之外，大小也是问题。对于平常的显示屏面板，3D像素P的大小将变得太大。即使利用现有技术的700-800ppi面板，对于100×100的视图系统，像素P的大小也将为3mm，并且在～6英寸对角线主流移动电话显示面板上，像素P的大小为25×14。
理论上，微显示屏可以为现有技术提供具有5微米像素间距(到目前为止不处理颜色)的更好的选择，然而，有效窗口和周围机械框架的比率在无缝拼接中造成了障碍。对于拼接，建议了几种解决方案，以扩展用于较大屏幕的微显示屏像素表面，但是对于微显示屏本身，到目前为止不存在无伪像的可操作解决方案。
使用所提出的方案，全视差3D LED显示屏面板11也可以基于微LED芯片32和TFT背板33来实现。极小的微LED芯片23大小，甚至能够实现6000ppi的密度，代表了具有实际像素P大小的更高密度全视差布置的可行选择。面板11包括背板33，所述背板33包含微LED芯片23或微LED阵列，该微LED芯片23或微LED阵列与光学覆盖层40组装在一起。控制全部在多层控制板PCB 3上解决。微LED芯片23可被转移到背板33上，以周期性图案分布在整个背板33区域上，而不需要比正常像素间隙g设置更大的围绕像素区域p的无效框架。
小透镜42接受来自整个像素区域p的光，并以周期性结构组织，其中光学表面41精确地覆盖像素的区域p直到面板11的边缘。在面板的边缘处存在具有小于像素之间的间隙g的一半的无效边界，以便也考虑机械公差。面板11可以被拼接，并且两个面板11之间的间隙将与面板11上的像素之间的间隙g完全相同，因此可以获得连续的像素周期，从而产生无缝拼接的3D显示屏表面。
尤其对于需要大量LED芯片22的较大规模全视差3D LED显示屏，模块化方法是唯一可行的解决方案。
附图说明
下面将基于附图中描述的优选实施例来描述本发明，其中
图1a、b比较了多视图和3D光场显示原理；
图2示出了多视图系统的主要限制；
图3示出了多视图系统中的倾斜透镜阵列400和底层像素矩阵；
图4示出了具有笔直定向透镜阵列的用于RGB SMD LED封装的LED芯片发射区域特定布局；
图5示出了具有与与发射区域E大小相对应地LED芯片偏移的LED芯片布局；
图6示出了直接结合到PCB的板上芯片(COB)结构，该板上芯片(COB)结构示出了在像素区域p中分组的LED芯片；
图7示出了具有两层透镜阵列和光圈的优选光学实施例；
图8示出了在高密度像素P布置中，SMD LED封装和光学有源LED芯片去耦的示例；所述SMD LED封装和光学有源LED芯片封闭在物理上分离的不同定向的SMD LED封装中；
图9示出了可替代地具有偏移行的高密度RGB SMD LED封装像素P的布置；
图10a示出了在TFT背板上具有偏移的微LED芯片的HOP像素的放大部分；
图10b示出了在TFT背板上的微LED芯片的全视差像素布置；
图11a示出了全视差微LED面板11，所述微LED面板11具有光学覆盖层40和在背板33上的微LED芯片23；
图11b示出了控制板上的全视差微LED面板11；
图12a示出了具有圆柱形透镜阵列的面板光学器件40的HOP面板10；
图12b是示出了光学层、LED背板的，在背面具有驱动电子器件的，且连接到控制板的HOP面板的侧视图；
图13示出了用机构封闭控制板的完全组装的面板的机柜；
图14a、b、c示出了具有面板的系统的整体模块化架构，并且机柜组成拼接的3D光场LED显示屏；
图15示出了无缝拼接的3D光场LED墙面显示屏；
图16从背面示出了具有机构的完整的LED墙面显示屏组件，结合了冷却和控制板而没有线缆；
图17示出了具有机械框架的完整的无缝拼接的HOP 3D光场LED显示屏；
图18示出了在水平配置中使用的完整的无缝拼接的全视差3D光场LED显示屏。
具体实施方式
如上所述，3D图像包含比类似的2D更多的信息，因此3D显示屏应当具有更多的像素或更高速的组件以传递增强的光学和处理能力，否则3D图像将被损害。在光场显示期间，我们重建如在真实视图中存在的光束。3D光场显示屏可以在宽的观看范围上提供自然的3D视图，而对观众没有任何限制，3D光场显示屏提供各种深度线索，不仅提供双目，而且还提供动作视差。观众可以看到物体的后面，该物体可以在屏幕的后面或前面。在光场显示中，在整个FOV上存在连续的视图，没有图像跳跃，没有光学矛盾或不适。不需要定位或跟踪，因此无限数量的自由移动的观众可以看到3D场景，从而允许具有使用舒适度的社交体验和协作场景。
为了建立高质量的3D视图，需要大量的独立可控的光束L1…LN，因此为了用物理手段实现高质量的3D显示，需要大量的像素。为了具有可接受的3D视图，比方说，在仅100度FOV中，具有1度角分辨率，其对于屏幕大小深度而言是足够的，我们应当具有对于类似的2D分辨率而言所期望的最小100倍的像素。作为当今的优势，我们具有4K或8K组件，然而这是不够的，我们必须使用几个数量级的更多像素。我们有了这些考虑，并实现了模块化方式来创建永不过时的3D光场显示屏系统。
换句话说，为了构建高像素数量的系统，模块化方式不仅在去除技术限制方面是非常有效的途径，而且在处理实际问题(例如在构造实际系统时的产量，或者在以后使用这种系统时的实用要点，例如损坏部件的维护或简单更换)方面也是至关重要的。
LED技术在显示方面提供了优越的特性。LED可以提供高亮度，其可以与室外照明环境竞争，提供用于生动的颜色的广色域、当关闭时与总黑色的极好对比度、以及关于亮度和功耗的高效操作。这些使得LED技术优于如LCD、投影、或甚至OLED的其它显示技术，成为用于未来显示屏的理想组件。
然而，构建模块化3D光场LED墙面样式的显示屏产生了问题。在以前的LED墙面显示屏中，每个像素是RGB SMD LED封装21，或者由3个分离的R、G、B LED芯片22组成。在这样的显示屏中的典型的像素间距为几毫米(从10毫米下降到1毫米，并且在最新的LED面板中稍微低于这些)，这是因为实际大小和间隙限制。在3D显示屏中，我们还需要类似的如在传统的2D LED墙面中的几毫米像素P大小以获得分辨率，而同时对于3D功能，我们需要大量的LED发射器20(即在相同像素区域中的SMD LED封装21或LED芯片22)，矛盾的是，这对于SMDLED封装21或LED芯片22大小L是不可能的，此外对于布线和间隙c，在它们周围具有必要的技术开销。
对于3D光场显示屏，我们将需要非常高密度的LED布置，该LED布置超出了现有技术中已知布置的实际尺寸限制。我们描述了特定的布置，其中在像素区域p中的SMD LED封装21或LED芯片22基本上对应于芯片的有效光学发光区域E在偏移方向上的延伸而偏移。在这种情况下，我们对于从给定像素P大小发射的光束的数量N达到最佳的理论最大值。
现有技术方式将封装LED、SMD LED封装21或LED芯片22视为像素，设计用于此类像素和/或子像素布局。在新的描述的布置中，仅考虑芯片的有效发光区域E，我们从SMD LED封装21或LED芯片22的外部实际尺寸L中去耦。
如图5所示，在HOP系统的情况下，SMD LED封装21或LED芯片22在像素区域p内以基本上对应于芯片的发光区域E的水平延伸Ex的距离相对于彼此水平地偏移。以LED芯片22的发光区域E的水平延伸Ex相对于彼此偏移的LED芯片22将在光学上相邻，无论它们在像素区域中垂直地位于何处。
属于一个方向的LED芯片22甚至不应该在相同的SMD LED封装21中。如图8所示，RGB LED芯片22被封闭在两个物理上分离的、而且在行1和2中不同定向的SMD LED封装21中，还在光学上构成一个发射方向。类似地，光学相邻的LED芯片22与邻近的发射方向相关联，不应在物理上相邻，它们可以分别位于行1-2和3-4中的像素区域p中的完全不同的位置，如图8所示。仅为水平位置计数。
如图9所示，即使使用普通的SMD LED封装21，我们也可以达到比SMD LED封装21的Lx水平大小本身所允许的光学地更密集的布置。我们通过垂直地、以多行方式方便地移动SMD LED封装21或LED芯片22来利用整个像素区域p，但是这可以是任何布置，如蜂窝图案，以用LED发射器20填充像素区域p。
假设1:1纵横比的像素，对于HOP系统，像素P的大小与将要发射的光束的数量N成比例，而像素区域p与像素P大小的平方函数成比例，因此像素区域p越大，可以在像素区域p中放置的芯片越多。为了简单起见，作为实际的例子，假设在5mm像素P大小中0.5mm的正方形芯片，可以以必要的间隙c实现36个方向，而从8mm像素P间距显示屏，可以以相同的设计开销产生100个方向，使得该显示屏对于光场显示是理想的。
为此，即使我们可以将更多的SMD LED封装21或LED芯片22关入像素P中，在芯片数量将大于像素大小px除以它们的水平有效发光区域E的大小的结果的情况下，这将不会带来任何进一步的增益。可以从像素发射的，独立的、非重叠的光束的理论最大值是：N＝px/Ex。
这在图9中示出，其中SMD LED封装21使用整个像素区域p安全地布置，保持由PCB和拾取与放置技术允许的标准间隙c，还水平地利用偏移达到最大光密度，d＝Ex。
图9示出了光学地相邻的偏移d的SMD LED封装21。SMD LED封装21被布置成行。方便地，行的数量和成行的SMD LED封装21的数量是相似的，因此像素区域p中的SMD LED封装21的数量(即视图的数量)，通常接近平方数量。如图9中可见，光学的相邻元素不一定在随后的行中，它们甚至可以在另一行中的更远的垂直位置处。在若干变型中，行可以相对于彼此以d的倍数偏移。图9示出了优化的行的序列，以避免在光学地相邻的LED发射器20位置中的、从一行到另一行的大的垂直跳跃，因为当观众从一个方向移动到相邻方向时，在像素P中可以看到这种闪烁。
如图9所示，在偏移的SMD LED封装21中，多个LED芯片(22)，优选R、G、B LED芯片(22)位于像素区域(p)中的相同水平位置，对应于发射方向，提供正确的彩色3D图像而没有方向移位的着色效果。
创建该布置使得LED发射器20的位置不得延伸超过像素区域p的边界和/或对应的小透镜42之间的笔直定向的边界。如果我们在相邻像素P处使用匹配的偏移的空区域，则无缝拼接将是不可能的。
这种高密度LED发射器背板30布置通过将RGB SMD LED封装21放置并焊接在多层印刷电路板(PCB)上作为LED板31而实现。尽管需要来自已知的LED供应商的最小可用的RGBSMD LED封装21并且应当使用先进的PCB技术，具有细线、间隙c、激光钻孔通路等，但是LED板31可以用商业上可用的部件和可行的非研究级技术来制造。作为附加的优点，根据所提出的SMD LED封装21布置，也可以生产具有超过当前的0.9mm技术发展水平的间距大小的2DLED墙面式面板。LED驱动器电子器件34方便地位于具有连接器35的PCB的背面，以将面板连接到公共控制板3。LED发射器背板30的材料可以是刚性或柔性PCB材料，或者任何标准的TFT背板材料，包括玻璃或硅基基板。
另一种选择是板上芯片(COB)技术，其中LED芯片22直接结合到PCB 32。这提供了几个优点，由于具有纯LED芯片22而没有SMD LED封装21内部结合衬垫、空区域，所以开销较小。我们可以具有更坚固的平坦表面，其中改进的LED芯片22直接放置在PCB 32平面上。另一方面，需要复杂的拾取与放置工艺，分离地处理每个R、G、B LED芯片22。由于没有库存项目SMD LED封装21规格，所以易于进行规则的最佳布置，如图5所示，对于偏移的LED芯片22，其中偏移等于LED芯片的有效光学发光区域的相应大小，d＝Ex。
在图6中是板上芯片布置的示例，示出了LED芯片22的规则图案，所述LED芯片22在像素区域p中被分组，由间隙g分离，直接结合在PCB 32上，周围具有g/2宽的空区域。COBPCB 32的背面支撑驱动电子器件，类似于先前的构造。
为了达到更密集的布置和更小的像素P大小，新兴的微LED 23技术提供了解决方案。微LED是大小非常小的LED芯片，在10微米的范围内，被转移到背板33。微LED芯片23基于常规的氮化镓LED技术，并且对于各种类型，发射表面可以具有特殊的3D结构(如纳米线)，其提供远高于例如OLED产品的总亮度，以及在lux/W方面的更高的效率，且不遭受OLED的更短的寿命。芯片通过拾取与放置技术被转移到薄膜晶体管(TFT)背板33(LTPS，IGZO)，或者完整的微LED阵列的转移可以在一个步骤中执行，以被附接到CMOS背板，这被称为杂混。
图10a示出了用于具有偏移的晶体管图案的HOP 3D光场显示屏的微LED芯片23像素P的TFT背板33。微LED芯片23的大小在几微米到几十微米的范围内，使得能够利用从小像素P大小发射的大量光束进行密集光场显示。
虽然对于普通的LED芯片22大小，HOP布置表示了唯一现实的选择，但是在微LED芯片23发射器的大小下，用于全视差布置的非常高的密度的阵列变得可行。已证明的6000ppi密度的4K微LED阵列使得具有小于0.5mm像素P大小的100个视图3D光场显示屏成为可能。
在图10b中，类似地，示出了用于全视差3D光场微LED显示屏的TFT背板33像素图案。对于全视差系统，该图案可以是基本上对称的，如所示出的，但是微LED芯片23的位置密度可以在水平和垂直方向上不同，因为微LED芯片23不占据整个像素区域p，而且背板开销可以垂直地布置在芯片之间。由此，相对于垂直视图的数量，水平视图的数量可以方便地增加，分布在比垂直FOV本质上更宽的水平FOV上。
3D光场显示屏可以从它们的像素P中的每一个发射多个单独可控的光束到广角范围α中。来自像素P的光束连续地覆盖该角度范围α。理想地，不存在间隙或重叠，例如，在100度发射并且具有N＝100个单独可寻址的光束(从左到右依次为L1至LN)的情况下，每个光束的散度δ将是1度，一起形成单个波瓣，如图1b所示。面板光学器件40的作用是收集来自每个单独可寻址的LED发射器20的光并将这些光引导到一个方向，该方向对应于像素P内的LED发射器20的位置，因此每个LED发射器20关联到一个且仅一个方向。这对于具有圆柱形对称面板光学器件40的HOP系统也是如此，该HOP系统将来自像素(P)中的不同水平位置的LED发射器20的光水平地引导到不同的方向，同时不垂直地偏转。在不准直的情况下，光束将以广角垂直地传播，并且该垂直波瓣的轮廓将对应于LED发射器20的普通角度发射轮廓，其与3D显示屏的垂直FOV相关。
如所解释的，光束的散度δ与有效发光区域大小E有关，并且光学系统应当分辨远场中的所有LED发射器20。为了在更宽角度投影时也能获得合适的光学角分辨率，需要多个光学表面，这可以消除与单个元件光学系统相关的限制，即，确定FOV的窄输出角、确定最终显示屏的角分辨率的光斑大小。
在本发明的一个实施例中，如图7所示，多元件光学系统是利用两层透镜阵列和其间的合适的光圈实现的。
图12a示出了具有圆柱形透镜光学层41的完整HOP面板10。图12b示出了HOP面板10的上视图，分别示出了第一、第二和第三光学层411、412、413，LED板31在背面具有驱动电子器件34，该LED板31利用连接器35连接到控制板3。
如图12a，b所示，面板光学器件40被实现为多层透镜阵列43的堆叠光学平板46。对于HOP系统是圆柱形透镜阵列44的层，参见图12a，而对于全视差系统是球面对称透镜阵列45，参见图11a，在HOP系统和全视差系统两种情况下都可以包括非球面光学表面。透镜阵列43可为单侧的，具有一个光学表面，包含平凸或平凹小透镜42，或透镜阵列43可为双侧的，具有两个光学表面，包括凸或凹小透镜42。光学平板46覆盖在LED背板30上的LED发射器20上，如图11a和12b所示。光学平板46的大小与LED背板30的大小完全相同，如图12a所示，小透镜42的间距与像素P周期相同，如图4所示，并且光学平板46包括整数个小透镜42。当形成连续的周期性结构时，小透镜42属于每个像素P，在HOP结构中，圆柱形小透镜42垂直地属于该列中的更多像素P，小透镜42和属于像素P的光学层41的部分允许仅来自所属像素区域p中的LED发射器20的光通过，并且多层光学结构被配置为阻挡来自其他像素P的光。
光学平板46可以由玻璃或方便地由例如PMMA、聚碳酸酯等光学塑料制成，为显示屏提供轻量、仍然坚固的光学表面。塑料光学平板46代表用于大量生产的光学组件的最佳选择。光学平板46可以通过在大批量时成本效益好的注塑成型制造。光学平板46可以通过光学胶粘合到LED板31并且可以通过光学胶彼此粘合。
作为用于大量生产的方便地实施例，将第一透镜层411实现为单个光学表面透镜，参见图11a和12b，使得透镜411的第一层可以直接结合到LED板31。
第一透镜层411可以在杂混模内工艺中直接包覆模制(over moulded)在LED板31上。将现成的LED板31或LED背板30放入包含光学插入件的模具中，作为第一透镜阵列411的光学母版，并在一个步骤中执行注塑成型，即，将熔化的光学塑料材料直接压在LED板31上以形成透镜阵列43、411表面。
也可以通过光学3D打印工艺来生产透镜层411，特别是对于特定的定制参数。
面板光学器件40中的多个光学层41可以被实现为堆叠的光学平板46，光学层41还包括选自多个光学表面的至少一个元件，所述多个光学表面包括非球面表面、光圈、具有漫射特性的光学表面、阴影结构、着色形状、光学涂层、增透的防闪光层或涂层、外表面上的抗划伤保护层或涂层等。
图11a示出全视差面板11。该面板包括支撑微LED芯片23的TFT背板33，该TFT背板33与多层球面对称光学透镜阵列45覆盖层组装。背板33和面板光学器件40覆盖层大小相同，并且等于面板11大小。微LED芯片23被转移到TFT背板33上，并且微LED芯片23被成组布置，构成像素P，如图10b所示。微LED芯片23被布置在整个背板33区域上，而没有围绕边缘的较宽的无效边界，围绕边缘的无效区域的最大宽度小于像素间隙g的一半，即g/2。与传统的微显示屏布局相比，在有效发光区域周围的芯片上具有结合衬垫和驱动器结构，在所建议的布置中的硅基板上的微LED阵列覆盖整个基板区域，直到没有无效边界围绕的边缘，或者仅覆盖具有g/2的最大宽度的技术框架。微LED芯片23仅占据整个像素区域p的一部分，因此列/行驱动器芯片也可以被放置在前面上之间。在边缘周围构造的通孔(通路)或配线连接TFT背板33的前面和后面。TFT背板33可以是精细构造的PCB或其它TFT基板，该PCB或其它TFT基板具有被配置为在后面的连接，以将面板11连接到控制板3。
图11b示出了连接到公共控制板3的全视差微LED面板11。控制板3控制面板11的微LED驱动器电子器件，分配信号并为面板11提供电源。该结构是可扩展的，可以制造各种大小的组件，如图11b所示。
TV型全视差3D微LED显示屏的优选实施例是将公共控制板3设置为最终显示屏的大小，优选地具有16:9的纵横比，其中无缝拼接的全视差面板11沿着整个前面放置。所有必要的TV与显示屏相关的输入和控制功能可以被集成在控制板3的其他面上，以具有全功能3D光场微LED显示屏。这些单元也可以被视为机柜，以构建3D视频墙的无边框配置，其在较大表面上延伸，仅具有几厘米厚度。
全视差3D系统的附加优点是它们可以在垂直和水平方向上使用，从而打开了广泛的应用，如图18所示。
图13示出了完全组装好的HOP面板10的机柜2，将面板10组织成机柜2，作为较大的单元，可以有助于较大显示屏的实际组装。机柜2是具有机构4支撑面板的自支撑单元，提供机械的坚固性和冷却性。机械壳体配置有精确的固定架，使得机柜2可以与其他机柜2无缝拼接。机柜2还包括公共控制板3，面板10连接到公共控制板3上。控制板3控制面板10电子器件中的LED驱动器芯片34，分配对应于面板10中的每一个的视频信号，并且包括用于面板10的电源。控制板3具有输入和输出连接器5。信号输入/输出可以是千兆以太网、或HDMI、或显示接口(DP)、或类似的高速视频或数据连接，而功率输入可以方便地是230/110AC、或更低的电压DC。机柜2可以是正方形的，如图13所示，或16:9用于类似纵横比以易于拼接的显示屏。它可以是由更多面板10组成的更大单元，使得更容易构造更大的显示墙面，或者可以更小，具有更少的面板10，这在成形曲面显示屏方面更有利。
图14a、b、c示出了整个系统结构。
图14a示出了面板10，该面板10包括LED面板30、面板光学器件40以及在背面上的LED驱动器电子器件34；所述LED面板30具有LED发射器20；所述面板光学器件40包括多个堆叠的光学平板46。相同的结构分别适用于HOP或全视差面板10、11。
图14b示出了机柜2，所述机柜2包括多个面板10、公共控制板3以及自支撑机构4；所述公共控制板3具有输入和输出连接器5；所述自支撑机构4支撑面板10和具有连接器5的控制板3。输入可以是千兆以太网、或HDMI、或显示接口(DP)、或类似的高速视频或数据连接。机柜2本身是全功能3D光场显示屏单元。
图14c示出了拼接的完整模块化大规模3D光场显示屏1。显示屏1包括机柜2，并遵循该结构，可以构建更大的无缝拼接组件。最终显示屏1的输入是具有相同的千兆以太网、或HDMI、或显示接口(DP)、或类似的高速视频或数据连接的机柜2中的一个的输入。机柜2以链的形式互连，并通过这个链路，它们还传递它们在显示屏1墙面中的位置，系统控制板3将相应地分配视频内容，机柜2将访问专用于它们的内容。
图15示出无缝拼接的3D光场LED显示屏1墙面。采用模块化结构，可以构建更大的3D光场LED显示屏组件。组件可以是包括曲面显示屏实现创造性用途的任何大小、任何纵横比、任何形状。最终显示屏的纵横比可以是符合TV标准的16:9，或者可以是符合3D影院屏幕应用的21:9的更宽的纵横比。
图16从背面示出了3D LED墙面显示屏组件，其中机柜2的机构4被配置为用于无缝拼接，具有强机械连接，方便地具有带肋的后部，轻量且刚性，具有能够有效冷却的散热器状形状。机械外壳包含控制板3、(被示出为没有线缆的)连接器5以及用于反馈灯和服务编程连接器的可选开口。整个显示屏机构可以被固定在墙上，可以从上面用牵索悬挂，也可以自立式的，集成到外部机械框架或装饰罩中。
图17示出了HOP 3D光场LED墙面显示屏组件，还示出了水平不同光束L1…LN的垂直波瓣。
图18示出了在水平方向上使用的完全无缝拼接的全视差3D光场LED显示屏。
