JP2005504339A

JP2005504339A - 平面型投影ディスプレイ

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Publication number: JP2005504339A
Application number: JP2003531240A
Authority: JP
Inventors: アドリアンロバートリートラヴィス
Original assignee: ケンブリッジフラットプロジェクションディスプレイズリミテッド
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: CN1271447C; IL160902A0; US20040246391A1; IL160902A; CA2456907C; EP1430351B1; US7101048B2; JP5060704B2; DE60124961T2; WO2003027754A1; DE60124961D1; CA2456907A1; EP1430351A1; CN1549946A

Abstract

平面型投影ディスプレイは、１つの面に好ましく施された回折格子２を有するスラブ導波路１と、前記導波路の端部に光を誘導するレンズ３と、前記レンズの焦点面において、横方向の一及び仰角の進行方向の関数として前記光の強度を変調する液晶変調器とを備えている。前記光は、入力角度に対応する角度で前記回折格子によって前記スラブ導波路１から放射され、仮想表示を与える。前記変調器からの光は、拡大導波路７を通過することによって１次元に拡張され、前記導波路７の他の端部のレンズ１０による投影をスクリーン１３によって平面に拡散させることに従う。ヘッドアップ３−Ｄディスプレイはこの原理を利用して構成され得る。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｄディスプレイに関し、ヘッド装着ディスプレイ及び他のコンパクト投影ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
投影ディスプレイは、従来、光放射器の２次元アレーと、投影レンズとを備えている。このレンズは、空間内のある平面にアレーの映像を形成し、そしてこの像形成平面が投影レンズから遠く離れており、光線がほぼ平行である場合、投影レンズの効果は、本質的には２次元アレー上のピクセルからの光を平行化することである。
【０００３】
投影ディスプレイは、最も一般的には、アレーの映像が大型の半透明のスクリーンに入射し、そしてスクリーンを見ている視聴者が２次元アレーの画像の相当に拡大された映像を見るように構成される。しかし、小型の投影ディスプレイが視聴者の頭部に装着され、その投影ディスプレイが視聴者の目に向けられ、光放射器の２次元アレー上の単一ピクセルから投影レンズによって平行化された光がその後角膜により網膜に収束され、視聴者が、バーチャル映像としてしばしば知られている見掛け上離れた映像を見るようなことが次第に一般的となってきている。
【０００４】
【非特許文献１】
トラビス、Ａ.Ｒ.Ｌ、”Autostereoscopic 3-D Display”、アプライド・オプティックス、第２９巻、第２９号、ページ４３４１−４３４３、１９９０年１０月１０日
【０００５】
また、２次元アレーの指向性のある光放射器を備えている大直径の投影ディスプレイを液晶ディスプレイ又は他の空間的光変調器の後方に配置して、３次元映像を合成することもできる。例えば、非特許文献１を参照されたい。光放射器の２次元アレーの１つのピクセルが一度に照射され、そして３次元物体の適当な表示が液晶ディスプレイに同時に表示され、この３次元物体の表示は、ピクセルから投影レンズによって平行化された光線が進行する方向から見た場合しか見えない。目がちらつきを検出し得る以上の速度で一連の表示が繰り返され、これにより、３次元映像が時間多重化される。
【０００６】
このディスプレイは、３次元であるが、ホログラムではない。原理的には、点光源の光放射器の２次元アレーを投影レンズの焦点面に配置し、各点光源を順次に照射し、そして投影レンズの頂部に配置された液晶ディスプレイに適当なホログラムを表示して、各ホログラムが順次に異なる視点に見えるようにすることにより、ホログラム型の３次元映像を形成することができる。
【０００７】
【非特許文献２】
アミタイ、レインホルム、及びフリーセム著、”Visor-display design based on planar holographic optics”、アプライド・オプティックス、第３４巻、第８号、ページ１３５２−１３５６、１９９５年３月１０日
【０００８】
ヘッド装着ディスプレイは、大型であり、ユーザは、それを平らにすることを希望する。ヘッド装着ディスプレイは、非特許文献２に開示されたように弱いホログラムを組み込んだスラブ導波器を使用して平らにすることができる。陰極線管及びホログラムからの光は、導波器に結合され、この光は、光が放射された陰極線管内のピクセルにより決定される方向にホログラムにより導波器から外れて（すなわちスラブに対する法線方向に）回折する。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５６００４５４号
【００１０】
液晶ディスプレイの照射を時間多重化することにより合成される３次元映像は、液晶ディスプレイに薄膜トランジスタの高速スイッチングアレーをもたせることを必要とし、これらは高価である。トラニア及びオラ氏は、特許文献１においてホログラムを従来の液晶ディスプレイの後方に配置して交互の行の照射を左目又は右目の視野に向けることによりこれを回避する装置を実証している。しかしながら、これも、スイッチング式照射概念も、大型であり、平らにするというヘッド装着ディスプレイに必要とされるものを示していない。
【００１１】
【特許文献２】
ＰＣＴ／ＧＢ９７／０２７１０（ＷＯ９８／１５１２８号）
【００１２】
実際、平面型の３次元ディスプレイは、本発明者の以前の特許文献２に開示されたように、投影ディスプレイにスクリーンを結合し、このスクリーンの表面に平行に照射された光をそのスクリーンに沿って１組の選択可能な線の１つに放出させることにより形成できる。スクリーンの１つの線が一度に選択されると同時に、投影ディスプレイがスクリーンに平行にピクセルの線を投射し、選択された線においてそれらが放射される。スクリーン上の一連の線の各々が順次に選択されるにつれて、投影ディスプレイ上のピクセルの同じ線が繰り返し変更され、スクリーン上に完全な像を時間多重化する。投影ディスプレイの１本の線だけが使用され、従って、光放射器のアレーは、一本の線だけを高くすればよく、放射光がスクリーンの平面内で平行化される場合には、投影レンズは、１又は２ｍｍ高いだけでよく、プロジェクタ及びスクリーンの結合体が平らなものとなる。
【００１３】
３次元ディスプレイからの光は、光放射器のアレーが１ピクセルだけ高いものであっても、選択可能な線のスクリーンの表面に平行に向けられる場合には、スクリーンに形成される像が３次元となる。３次元ディスプレイは、上述したように、投影レンズの後方に光放射器のアレーを備え、そして投影レンズの前方に液晶ディスプレイを備えているが、ディスプレイの１つの線周期内に多数の表示を入れるためには、液晶のスイッチング速度が、表示の数にディスプレイの線速度を乗じたものに等しくなければならず、幾つかの液晶混合体でこのように高速にスイッチングしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
多数の他の種類のオートステレオスコピック及びホログラム型３次元ディスプレイの概念が存在し、平面型システムに使用することができる。特に関心のあるのは、小型ビデオプロジェクタのグループをフィールドレンズの焦点面に含むという古い概念である。各プロジェクタは、レンズが半透明のスクリーンであるかのようにフィールドレンズの平面に表示を形成するように配置されるが、半透明のスクリーンとは異なり、フィールドレンズは、光を平行化し、映像が単一方向からしか見えないようにする。他のプロジェクタは、フィールドレンズにより他の方向から見える表示を形成し、視聴者は、オートステレオスコピックの３次元映像を見ることができる。しかしながら、視聴者は、３次元映像が方位方向及び仰角方向の両方にオートステレオスコピックであることを好むが、このような概念で表示を仰角と共に変更するための考慮がほとんどなされていない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、望ましくは１つの面に施される回折格子を有するスラブ導波路と、前記導波路の端部に光を誘導するレンズと、前記レンズ手段の焦点面において横方向の位置及び進行の仰角方向の関数として前記光の強度を変調させる手段と、から成る平面型投影ディスプレイが提供される。
【００１６】
この配置は、前記導波路の異なる角度に衝突する平面波に対する変調手段からピクセルを変換し、その後、前記導波路の外の対応する角度に回折する。このようにして、仮想映像が前記導波路に形成され、例えば、ヘッドアップディスプレイ又は３−Ｄディスプレイに用いられる。
【００１７】
前記導波路に対してより強い光を放射するために、ディスプレイは、望ましくはスラブの端部の幅を通って光を拡散するために１次元スクリーンを含んでいる。このスクリーン自体は、導波路に包含され、ミラーは、光を維持するための導波路の終端と協働する。入力導波路はまた、入力映像を拡大する。ディスプレイは、プリズム導波路終端の利用により折り曲げられる。導波路レンズもまた、構想され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明をより理解するために、ここで、以下に示すように、特定の実施例について例を通して添付図を参照して描写する。
【００１９】
水平に対して４５度回転したミラーで垂直に光を照射することは、単純な実験であり、図１は、ミラーが光をどのように水平面（点線）に反射するかを示す。入射光の方向が反射光の最初の方向から離れて垂直面で回転される場合、反射光の方向は水平面で回転する。同様に、入射光の方向が、入射光及び反射光によって共用される面で回転する場合、反射光の方向は同じ垂直面で等しい角度により回転する。
【００２０】
ミラーは、部分的に反射することができ、４５度で枢転する一連のミラーは、図２に示すような別の１つの上に積み重ねられ、光は下のミラーで垂直に放射され、光が全反射するまで、ミラーが積層の連続するミラーを介して通過することによっては反射されない。入射光の方向が適切な垂直面で回転する場合、一連のミラーは単一ミラーと同じように動作し、反射光は水平面で回転する。これらのミラーは、十分に広く薄い場合であって、十分なだけミラーが存在する場合、結果として、表面光が任意の１つの選択可能な水平方向に進行し得る、全ての部分からの平面型装置である。１つは、光がミラーの積層の面からそらされることなしには、入射光と反射光によって共用される面で入射光の方向を回転させることができず、積層がスラブ導波路に入れられる場合、導波路は光を積層に閉じ込めた状態を維持し、垂直面の反射光の方向を回転させることが可能となる。しかしながら、２つのスラブ導波路の壁の間ではね返る光線は、択一的に２つの方向のどちらかに進行し、ミラーの積層は、２つの異なる方向に進行する光線を放射する。
【００２１】
図３に示すように、スラブ導波路において、その導波路の表面に対して垂直に伝搬する光線を放射する別の方法は、導波路の１つの面に施される適切な空間周波数の回折格子を備えることである。図１及び図２のミラーの場合のように、導波路の表面に対する垂直な軸から角度θに導かれる光線の方向を回転させることにより、放射される光線の方向は、法線を共有する面であって回折格子の任意のラインにおいて同じ角度で回転させることができる。図３が示すように、回折格子の任意のラインに平行な軸について伝搬する光線の角度を変更することによって放射される光線の方向を直交する方向に変更させることもまた可能である。光線は、反射の間回折格子と相互作用するのみであり、（仮に、回折格子がブレーズ格子であるか、又は他の１次回折の方向が臨界角内である場合には）光線は１方向にのみ進行して放射される。
【００２２】
光線の波長がλ、回折格子間隔がｄ、回折格子周期の方向がｊ、回折格子面に対する法線がｉ、第３の方向がｋであると想定する。光線が任意の角度で回折格子に入射する場合であって、Φ、ψ及びθが図３に描写するような場合、入射光の波数ベクトルβ_inは、以下のように表される。
【００２３】

【００２４】
一次回折の光線の波数ベクトルβ_outは、以下のようになる。
【００２５】

【００２６】
Φは、入力と出力の両方に対して同じであり、光線が回折格子を出る方位角は、光線の仰角によって影響を受けない。しかしながら、θはΨと異なり、これは他の軸の歪に繋がる。
【００２７】
図４に例証される平面型投影ディスプレイは、上記の原理を用いている本発明の実施例を表している。これは、スラブ導波路１、スラブ導波路に施された弱い回折格子２、レンズ３、望ましくは平行化された光を使って照射される液晶ディスプレイ４、１次元の半透明スクリーン５、及び前面が銀メッキされたミラー６を備えている。スラブ導波路１の１つの終端は、レンズ３の１つの焦点面に配置され、液晶ディスプレイ４は、レンズ３の他の焦点面に配置され、液晶ディスプレイ４の任意のピクセルからの光は、平面波に平行にされ、その一部は、スラブ導波路１の終端に入射する。波の回折される要素は、回折格子２の全ての部分から生じ、単一波面に結合し、その方向は、光が通過する液晶ディスプレイ４のピクセルによって決定される。他の方向に進行する波は、液晶ディスプレイ４の他のピクセルによって変調され、結果として、完全な（２次元の）仮想映像が、細い平らな導波路１から投影される。
【００２８】
効果をより大きくするためには、液晶ディスプレイ４からの光の全てがスラブ導波路１の終端に放射されることが望ましい。この終端に対して、導波路１の照射は、液晶ディスプレイ４に近接した１次元に半透明なスクリーン５を通過する、平行化される光線を含んでいる。スクリーン５は、例えば、１つの（垂直の）次元の角度範囲で光線を散乱するが、他の次元ではそれらを平行化されたままにする、小さな円筒の小型レンズのアレーを備えており、レンズ３の他の焦点面において、スラブ導波路１の終端の全体に照射する。
【００２９】
また、液晶ディスプレイ４の１ピクセルからの光がスラブ導波路１の１つのモードにのみ放射されることが望ましい。これは、平面波が、スラブ導波路１の終端に放射されるので、導波路１と垂直の分解される反対方向の要素を除いて、導波路１の面に分解される同じ方向の要素を有する等しい強度の平面波を放射することを必要とする。光線の描写に関して、この第２の波の用途は、元の波によって別様の照射されずに残されるスラブ導波路１の前面のギャップを埋めることである。第２の波は、スラブ導波路１の前面に対して前面に銀メッキされたミラー６の前面に配置することによって提供され、ミラー６は導波路１の終端を超えてはみ出す。液晶ディスプレイ４からの光は、導波路１の終端とミラー６のその映像の両方を照射する両方の次元で十分に散乱されなけれならず、これは、第１に対して直交する第２の弱い１次元に半透明なスクリーンを付加すること、又は液晶ディスプレイ４のピクセルを回折により散乱を生じさせるために十分に小さくすること、のいずれかによって行われる。
【００３０】
投影ディスプレイの１つの部類は、ヘッドアップディスプレイであり、一般に、航空機で見受けられ、ファーフィールドの焦点になる（仮想の）映像を投影される全ての部分の故に大きな（斜め方向に数インチの）スクリーンを備えている。上述した平面型投影ディスプレイは、前記ヘッドアップディスプレイを作成するように構成されるが、レンズ３及び液晶ディスプレイ４は、大きくて都合が悪い。図５は、小さな液晶ディスプレイ４からの映像が、ディスプレイ導波路１に類似する大きさの第２のスラブ導波路７内部における投影によって拡大される方法を示す。液晶ディスプレイ４は投影レンズ３の１つの面に配置され、このスラブ導波路７の終端はもう一方の面に配置され、液晶ディスプレイ４は平行化された光によって照射される。液晶ディスプレイ４の単一の行からの光線は、スラブ導波路７内の一方向を有し、液晶の行（図の左から右）に垂直の面に分解され、（時折、アウトオブプレーン角（out-of-plane angle）と呼ばれる）単一の角度を有する。しかしながら、液晶ディスプレイ４の単一の列からの光線は、拡大する導波路７の終端の単一領域に投影され、１次元に半透明のスクリーン８は、（時折、インプレーン角（in-plane angle）と呼ばれる）スラブ導波路７の平面でアウトオブプレーン角を拡散させることを除いて、光線のアウトオブプレーン角を保護するために、スラブ導波路７の終端に配置される。これは、実質的にスクリーン８の１次元に拡大された実映像を作り出す。
【００３１】
光線は、その後、円筒レンズ１０であり、望ましくは、導波路それ自体と一体である終端で第３の長さのスラブ導波路９に結合され、その軸は、スラブ導波路の面に直交する。１次元に半透明のスクリーン８は、円筒レンズ１０の焦点面に存在することになり、スクリーン上の任意のポイントからの光線がレンズ１０を通り過ぎる時に平行化される。導波路の適切な再構成をもってレンズの代わりにミラーを利用でき、ミラーは、事実上、歪を少なくさせる。
【００３２】
光は、その後、弱い回折格子２を施されたスラブ導波路１に通過して、上記のように回折し、ファーフィールド投影像を生み出す。同じアウトオブプレーン角に対する光線を制限するために、１次元に半透明なスクリーン８及び円筒レンズ１０はスラブ導波路として同じ厚さで作られ、１組の前面に銀メッキされたミラー１１、１２の前面は、同じアウトオブプレーン角に対する光線を制限するために界面要素８、１０の各々の上下に配置される。１次元に半透明なスクリーン８は、例えば、円筒形の小型レンズのアレーで形成される。図５の大きな平面型投影ディスプレイは長く、さらに、利用される円筒形の小型レンズのアレーをカットして仕上げを施し、１次元に半透明なスクリーン８を光学的許容範囲内で近接したスラブ導波路７、９と同じ厚さにすることは難しい。図６は、半透明なスクリーン８の代わりに、半透明な又は１次元に鏡面のミラー１３を利用することによって改善され得る方法を示す。１次元に半透明なミラーは、単純にはアルミニウムでコーティングされた円筒形の小型レンズのアレーであり、これは、拡大するスラブ導波路７の終端に十分に近接して配置され、前面に銀メッキされたミラー１１、１２がないことにかかわらず、半透明のミラー１３からの反射中に光線の制限が最小限の損失ですむ。ここで、１つの導波路７は、それを通る光の二重通過という価値によって拡大及びコリメーションの両方に役立つ。
【００３３】
図６の平面型投影ディスプレイはかなり長いままである。導波路の小さい半径の曲率の曲りは、光線のアウトオブプレーン角を変更するが、十分に大きい半径の曲率の曲りは光線を破壊させることはなく、５ｃｍの曲率半径は破壊的でないということが実験によって分かっている。図７は、実際に、スクリーン１の後方の導波路７を折り曲げている曲り７ａが、図６のシステムをどのように折り曲げているかを示す。図７において、また、スクリーン１は、垂直の軸について曲げられており、カーブの中心付近に座っている視聴者は、自分の周辺視野で映像を観ることになる。さらなる変更なくスクリーン１を曲げることにより、単一ピクセルからの光線は、必要に応じて平行化される代わりに収束することができる。その方法は、円筒レンズ１０に近接した１次元に半透明のミラー１３を移動させることであり、この距離が存在する場合、これを行うことによって失われる収束がスクリーンを曲げることによって生じる余分の収束をキャンセルする。ヘッドアップディスプレイは一般に航空機で利用されるが、ディスプレイのこのデザインは、確立されるのに非常に大きな（おそらく斜め方向に数メートルの）ディスプレイに対して十分に安価であり、ディスプレイがバーチャルリアリティ映像を表示するか、又は遠目のきく視聴者がより心地よいスクリーンとして、オフィスで用いられることが考えられる。
【００３４】
投影ディスプレイの第２の部類は、頭部に装着されるディスプレイであり、一般に、バーチャルリアリティ映像を表示するのに用いられているが、現存するディスプレイは分厚くてグロテスクである。ユーザは、１組のサングラスのような平らかつスリムなディスプレイを望んでいるが、全てのディスプレイは上述する限り、平らなスラブ導波路を有する一方で、プロジェクタは比較的分厚い。液晶ディスプレイは小型化することが可能であるが、液晶ピクセルを２又は３ミクロンよりも小さくすることは難しく、その結果としてディスプレイはまだ大きすぎる。
【００３５】
図８は、２つの１次元液晶ディスプレイ又は装置が、平らな装置で投影されるディスプレイを統合して用いられる方法を示す。前記第１の液晶ディスプレイ１４は、回折格子として構成されており、平行化された光で照射される場合、中心軸に対し反対のインプレーン角を除いて等しい２つの方向に光を回折する。光は、その後、連続する４５度のミラーを有する３つの立方体を備えるような、図９に詳細に示されるマイクロプリズム１５を介して（機能を以下に述べる）１組のレンズ１７、１８を経由して通過し、インプレーン変化の光線方向をアウトオブプレーン変化の光線方向に変換するために、入射する光を９０度回転させる。また、光は、逆戻りするが、利便性のため、細かくは図８に示されていない。
【００３６】
光線は、円筒レンズ又はミラー１６ａによって拡張され、第２の１次元の液晶ディスプレイ１６に近接した１次元に半透明なスクリーン８の全体を照射する。第２の液晶ディスプレイ１６は、最終の円筒レンズ１０の焦点面にあり、最終のスラブ導波路１に入る光のインプレーン角を変調する。各角度の光線は、スラブ導波路１に施される弱い回折格子によってファーフィールド投影された像で列に変換される。第１液晶ディスプレイ１４は、最終のスラブ導波路１に入る全ての光線のアウトオブプレーン角を変調し、回折格子２をファーフィールド映像の行に変換する。第１の液晶ディスプレイ１４によって選択される各アウトオブプレーン角に対して、第２の液晶ディスプレイアルゴリズム１６は、全てのインプレーン角を変調し、ファーフィールド投影された像は、陰極線管と同様にラインごとに書かれる。
【００３７】
液晶ピクセルは２又は３ミクロンの大きさで作られるが、前記ピクセルで達成可能な回折の最大角度はおおよそ１度であることを除けば、２０又は３０ミクロンの大きさを有するピクセルを作ることはより容易である。第１の液晶ディスプレイ１４とマイクロプリズム１５の間の２つのレンズ１７、１８は、１０度又はそれ以上の角度に対する回折のこの最大の角度を拡大する。第１の２つのレンズ１７は、第２のレンズ１８よりも少なくとも１０倍大きい焦点距離を有しており、それらは焦点面を共用し、マイクロプリズム１５においては、共用されない第２のレンズ１８の焦点面があり、光線は様々な角度からでなく一定のポイントでプリズム１５に入射する。
【００３８】
第１の液晶ディスプレイ１４が従来手法で振幅を変調する場合、光はゼロ（回折されない）次及び第１次と同様に、第２次及びより高次の回折次数で伝送される。ゼロ次が、両レンズ１７、１８によって共用される焦点面の中心に不透明な材料を配置することによって除去され得る一方で、第２及びより高次の回折次数は、適切な格子パターンを選定することによって最小化され得る。液晶ディスプレイ１４が、０度から１８０度によって光の位相を変調するように構成されている強誘電性の液晶からなる場合、ゼロ次は生じることはなく、両液晶ディスプレイ１４、１６が十分に迅速に切り替えるために強誘電性である必要がある場合には、この選択肢が望ましい。
【００３９】
図８のシステムを眼鏡レンズと同じサイズの領域に折り曲げることが残されているが、５ｃｍの曲率半径を通って導波路を曲げることにより、結果として非常に分厚すぎるものとなる。代わりに、図１０は１組の直角をなすプリズム１９が導波路を折り曲げるのにどのように利用されるかを示し、また、その調整は、以前の実施例に対するものを用いることができる。低い屈折率材料が、光線が正確なインプレーン角に制限されるのを保持するために各々の直角をなすプリズム１９の両透過的表面に配置されなければならず、さらに、各々の直角をなすプリズム１９の前記４５度の表面は、光が鋭角に反射もされるように銀メッキされなければならない。
【００４０】
図１１は、図８の折り曲げられたシステムの各層を展開した図を示し、図１２は、詰め込んだ図を示す。２つの液晶ディスプレイ１４、１６は、液晶層が単一ガラス又はシリコン基板と透明な上部層の間に挟まれており、マイラで作られ、光線のインプレーン角が変化しないように、又は光線が漏れないように、可能な限り薄く保たれている、図１２に示される部分的な単一の液晶装置である。
【００４１】
この装置において、光は、第１スラブ側から入射し、回折型ＬＣＤ１４によって分割される平面波を形成するために前面に銀メッキされた円筒ミラー２３によって拡散されるか又は拡大され、第１プリズム対１９ａによって次のスラブに送られる。ここで、光は、図５のレンズ３に類似するレンズ１８を介してマイクロプリズム１５と同等のコーナーに収束され、第３スラブ、１次元に半透明のレンズ８を有する“拡大する”スラブ７、及び第２ＬＣＤ１６に送られる。アウトオブプレーン反射は、示されるように第３スラブで始まる。第４スラブの９は円筒形の平行化レンズ１０であり、最終スラブは、表示又は出力スラブ１である。
【００４２】
投影ディスプレイの第３の部類は、３次元ディスプレイであり、アミューズメントアーケイド及び手術室での利用が見受けられるが、現存するディスプレイは分厚すぎる。３次元ディスプレイが、高フレームレート液晶ディスプレイの後方に大きな投影ディスプレイを配置することによって作られるように、図１３は平らな３次元ディスプレイが液晶ディスプレイ２０の後方に図５に示すような平面型投影ディスプレイを配置することによって作られる方法を示す。ここで、スラブは、矢印によって示されるように変調器２０に同期して、横向きの移動又は光源を横向きに走査することによって出力角度の範囲を通して走査される平行化された光源として単純に機能する。３−Ｄディスプレイに対して、仰角の変調は、必要とされず、格子は規定の回折格子である必要はないが、単純に１組の平行な走査線であり得る。液晶ディスプレイのフレームレートは、電圧が各ピクセルに亘り配置されるパターン層の伝導性によって制限されており、その層の伝導性は、非常に厚く不透明である場合には増大され得る。例えば、マイクロディスプレイは、結晶性のシリコン集積回路に強誘電性の液晶層を配置することによって２０ｋＨｚのフレームレートで作られるが、液晶ディスプレイは動作としては反射のみである。
【００４３】
液晶ディスプレイを高フレームレートで作る別の方法は、映像を光学的に向けられた空間光変調器の感光性の側面に投影することであるが、この装置もまた、動作としては反射のみである。図１４は、平面型投影ディスプレイが、多量のホログラム又は平面に対して４５度であってスラブ１２の入口端部に軸の方向に平行である部分的ミラーの積層を有する、スラブ導波路１の利用によって前面照射を提供するのに用いられる方法を示す。ホログラムにある傾向のように太陽光線の擬似回折をユーザの眼に生じさせないため、ミラー、例えば、ガラススライドの積層が、ＨＵＤアプリケーションに対しては望ましい。光源４から横向きに変調された光が、レンズ３によってスラブ１に誘導される。それは、部分的ミラー又はホログラムによって事実上ミラーピクセルのアレーであるＬＣＤ２０に対して後方へ反射される。これらのミラーピクセルは、現に作り出されている視野の特定角度の映像次第で、オン又はオフになるプロジェクター３０によって変調される。映像は、その後、スラブ１を逆向きに通過し、この場合において、そのほとんど全てが視聴者に伝送される。
【００４４】
また、平面型投影ディスプレイは、ホログラムを単一方向に平行化された波で照射するようにディスプレイを構成することによって静止ホログラムを前面照射するのに用いられ得る。また、手法は、広視野ホログラフィックビデオディスプレイの平面型照射を提供するために拡張され、液晶ディスプレイ２０を幾つかの離散方向に同時に平行化される波で照射し、同時に、液晶ディスプレイの適切なホログラムに書き込み、眼のフリッカ応答時間内にシーケンスを繰り返す。
【００４５】
高フレームレート液晶ディスプレイに必要とされる薄膜トランジスタを大きなスクリーンに置くことは難しいことであり、ＷＯ９８／１５１２８は、それが選択される場合に３次元ディスプレイがスクリーンから光を放射する任意の１つに１組のラインを取り入れるスクリーンの表面に平行な光を放つことによって代わりに作られる方法を描写する。しかし、前記装置が３次元方位である映像をどのように作り出すことができるかのみを前記文書は説明する。本当の３次元又はバーチャルリアリティ映像に対しては、方位と高度の両方におけるその方向の関数としてスクリーンの任意ポイントを通り過ぎる光線の強度を制御することは難しい。
【００４６】
図１５は、高度制御を有する３次元ディスプレイが、スクリーン２１を有する投影ディスプレイを結合することによって作られる方法を示しており、この場合において、スクリーン２１の表面におおよそ平行に照射される光は、スクリーン２１に沿って１組の選択可能なラインの１つに放射される。これは、一般的に、上記のＷＯ９８／１５１２８について発明者によって詳述される方式に従う。しかし、個々で、スクリーン２１は、スラブ導波路として構成されており、投影ディスプレイの全ラインが変調され、スラブ導波路内の光線のインプレーン角及びアウトオブプレーン角の両方の制御が存在している。ここで、スラブ導波路のクラッディングは、全ての屈折率が電圧で制御される材料であるナノドロップレットポリマー分散液晶（nano-droplet polymer-dispersed liquid-crystal）を備えている。それは一連のラインにピクセレートされ、光は、クラッディングの屈折率が下げられているラインのスラブ導波路から放射される。方位における光線方向は、スラブ導波路内の光線のインプレーン方向によって制御されるが、高度における光線方向は、光線のアウトオブプレーン方向によって決定される。投影ディスプレイ２２がビデオホログラムを構成する場合、選択されるラインで放射される光のパターンはまた、ホログラムを構成し、これは、薄膜トランジスタを要することなく方位と高度の両方である３次元のビデオホログラムを遮蔽する方法を与える。しかし、高度に対するホログラムの視野は狭い。高度においてより広い視野は、光を放射するのに選択可能な液晶格子を利用することによって作られ、各ラインから高度に対して異なる角度に幾つかのホログラムを１つずつ投影するために、液晶格子の空間周波数を変更する。
【００４７】
これまで述べてきた幾つかの実施例は、近接した導波路間の円筒レンズの利用を必要としていたが、分離した要素としてレンズを含むことは、導波路とレンズの間の表面が仕上げを施されなければならず、これは費用が高い。図１６は、導波路の光線のアウトオブプレーン角が、導波路が段階的に薄くなる場合に、どのように大きくなるのかを示す。光線のアウトオブプレーン角が大きい場合、導波路面における光線速度要素は、減少する。厚い中心を有して周辺に関して波の中心部を遅らせることによって、レンズ焦点が光を平行化するように、導波路は、導波路の中心部を端部よりも薄くすることによって平行化された波に焦点を合わせることができる。前記“レンズ”は、述べてきた実施例の全てにおいて、実際には、レンズを必要とする任意の平らな光学システムに用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】９０度の入射光を垂直に反射するために方向転換されたミラーを例証する。
【図２】図１の単一ミラーに類似する一連のミラーを例証する。
【図３】スラブ導波路の１つの面に施された回折格子によってスラブ導波路から外れて結合される光の方向が、導波路に放射される光の方向及び回折格子の周期性によってどのように決定されるかを例証する。
【図４】本発明を具体化する平面型投影ディスプレイを例証する。
【図５】映像がマイクロプロジェクターから拡大される、大きなスクリーンを有する平面型投影ディスプレイを例証する。
【図６】透過する代わりに反射する１次元に半透明なスクリーンを利用する図５に例証するディスプレイのバージョンを例証する。
【図７】視聴者の周辺視野に進行するために視聴者の周りに曲げられたスクリーンを有する図６に示されるディスプレイの折り曲げられたバージョンを例証する。
【図８】行と列に多重化された平面型投影ディスプレイを例証する。
【図９】プリズムが、光線方向（k_parallel）のインプレーン変化を光線方向（k_transverse）のアウトオブプレーン変化に変換する方法を示す。
【図１０】プリズムが、平面型投影ディスプレイを折り曲げるのにどのように用いられるのかを示す。
【図１１】折り曲げられ行と列に多重化された平面型投影ディスプレイを引き伸ばした図である。
【図１２】折り曲げられ行と列に多重化された平面型投影ディスプレイの簡潔な図であり、液晶ディスプレイが平面型の面に対して４５度にする方法を示す。
【図１３】平面型３次元ディスプレイを例証する。
【図１４】光学的に空間的光変調器に向けられるような反射する液晶ディスプレイを用いて３次元ディスプレイの平面型照射を例証する。
【図１５】平面型スキャニングライン３次元ディスプレイを例証する。
【図１６】可変厚導波路がレンズとして動作するように用いられる方法を例証する。

Claims

導波路において伝搬する光を生じさせ、導波路の１つの面から出現するために動作する回折格子を有するディスプレイスラブ導波路と、
前記導波路システムの端部に光を誘導するレンズ要素と、
前記レンズ要素の焦点面において、横方向の位置及び仰角の進行方向の関数として前記光の強度を変調させる手段と、を含む導波路システムを備える平面型ディスプレイにおいて、
前記導波路に対して、前記回折格子が前記横方向の位置及び仰角方向に依存する角度で前記スラブから視聴者に向けて前記導波路システムに導かれる光を放射するようになっていることを特徴とする平面型ディスプレイ。
前記変調手段が液晶変調器を含んでいる請求項１に記載のディスプレイ。
前記導波路システムの前記光を前記スラブの端部の幅を介して１次元に拡散させるスクリーンをさらに含んでいる請求項１又は２に記載のディスプレイ。
前記変調器及びレンズ要素が、前記スラブより横方向に小さく、前記導波路システムが、前記レンズ要素と前記ディスプレイスラブ導波路の間に置かれる幅を整合させる、拡大スラブ導波路を含み、前記光を前記レンズから前記ディスプレイ導波路の全幅に拡大する上記いずれか１つの請求項に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記スクリーンが、前記拡大導波路の端部において１次元に半透明のストリップ状であり、面の光の拡散を除いてアウトオブプレーン角（out-of plane angle）を保存する請求項３及び４に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記導波路システムが、前記拡大導波路から前記ディスプレイ導波路へ前記光を結合している中間スラブ導波路を含んでいる請求項４又は５に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記中間導波路が、前記拡大導波路と同じであり、前記光が、拡大するために１方向に前記導波路を通過し、前記ディスプレイ導波路に結合するために反対方向に通過する請求項４及び６に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記スクリーンが、前記拡大導波路の端部で１次元に円筒なミラーストリップ状であり、面の光の拡散を除いてアウトオブプレーン角を保存している請求項７に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記導波路システムが、前記ディスプレイ導波路に入射するファーフィールド（平行光線）像を作成するために前記中間導波路に協働するレンズ又はミラーを含んでいる請求項５から８のいずれか１つに記載の平面型投影ディスプレイ。
任意の又は全ての前記スラブが、近接したスラブ間のラインを覆っているミラーによって前記アウトオブプレーン方向に結合される請求項４から９のいずれか１つに記載の平面型投影ディスプレイ。
前記拡大導波路及び／又は存在する場合には前記中間導波路が、前記ディスプレイ導波路の後方に存在するように折り曲げられている請求項４から１０のいずれか１つに記載の平面型投影ディスプレイ。
前記変調手段が、２つの１次元変調器を含み、第１変調器が、前記最終像のアウトオブプレーン角に対応する所望の角度の変調入力光を変調し、第２変調器が、前記最終像の各々のアウトオブプレーン角に対してインプレーン角を変調する請求項１から３のいずれか１つに記載の平面型投影ディスプレイ。
前記第１変調器から生じる前記光の面が、例えば、マイクロプリズムによって曲げられ、前記装置全体が本質的にフラットである請求項１２に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記第１変調器の出力が、円筒形の光学装置によって拡大され、それは、前記第２変調器に近接した１次元に半透明なスクリーンの全体を照射する請求項１２又は１３に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記導波路システムが、前記光学的要素を組み込んでいるスラブ導波路から成る請求項１３又は１４に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記導波路が積み重ねられ、前記光が１つの導波路から次の導波路へプリズムによって隣接する終端に結合され、前記２つの変調器が単一基板上に備えられている請求項１５に記載の平面型投影ディスプレイ。
ヘッドアップディスプレイを構成する請求項１２から１６のいずれか１つに記載の平面型投影ディスプレイ。
前記出力スラブそれ自体が変調可能であり、任意の時間に１列のみからの光が放射され、１組の１次元変調器が、前記多様なインプレーン角において前記入力光を備えている上記いずれか１つの請求項に記載の平面型投影ディスプレイ。
導波路において伝搬する光を生じさせ、導波路の１つの面から出現するために動作する回折格子を有するディスプレイスラブ導波路と、
前記導波路システムの端部に光を誘導するレンズ要素と、
前記レンズ要素の焦点面において、横方向の位置の関数として前記光の強度を変調させる手段と、を含む導波路システムから成る平面型ディスプレイであって、
前記導波路に関し、前記回折格子が前記横方向の位置に依存する角度で前記スラブから視聴者に向けて前記導波路システムに導かれる光を放射するために存在する平面型ディスプレイにおいて、
前記ディスプレイスラブから生じる光が、３次元表示を与えるために出力パネルによって変調される平面型ディスプレイ。
前記出力パネルが、前記視聴者が観られるように前記ディスプレイスラブの前に取り付けられる液晶ディスプレイパネルである請求項１９に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記出力パネルが、光源によって変調される感光性の反射器アレーであり、前記視聴者が観られるように前記ディスプレイスラブの後方に取り付けられている請求項１９に記載の平面型投影ディスプレイ。
前記ディスプレイスラブが、前記入力光を前記出力パネルに向けて反対に反射し、前記視聴者に向けて再度反射されることが可能となる部分反射器の積層を含んでいる請求項２１に記載の平面型投影ディスプレイ。