JP2022526996A - 光ステアリング層および周期的光学層を有するライトフィールドディスプレイのための光学的方法およびシステム - Google Patents
光ステアリング層および周期的光学層を有するライトフィールドディスプレイのための光学的方法およびシステム Download PDFInfo
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Abstract
Description
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2019年4月12日に出願された「OPTICAL METHOD AND SYSTEM FOR LIGHT FIELD DISPLAYS BASED ON LIGHT STEERING ELEMENTS AND PERIODIC OPTICAL LAYER」と題された米国特許仮出願第62/833,427号の非仮出願であり、米国特許法第119項(e)項の下でその利益を主張するものである。
図1Aは、1つまたは複数の開示された実施形態を実施できる例示的な通信システム100を示す図である。通信システム100は、複数の無線ユーザに音声、データ、ビデオ、メッセージング、ブロードキャストなどのコンテンツを提供する多元接続システムであってよい。通信システム100は、無線帯域幅を含むシステムリソースの共有を通してそのようなコンテンツに複数の無線ユーザがアクセスすることを可能にし得る。例えば、通信システム100は、符号分割多元接続(CDMA)、時分割多元接続(TDMA)、周波数分割多元接続(FDMA)、直交FDMA(OFDMA)、シングルキャリアFDMA(SC-FDMA)、ゼロテールユニークワード離散フーリエ変換拡散OFDM(ZT-UW-DFT-S-OFDM)、ユニークワードOFDM(UW-OFDM)、リソースブロックフィルタ処理済みOFDM、フィルタバンクマルチキャリア(FBMC)などの1つまたは複数のチャネルアクセス方式を採用することができる。
ライトフィールドディスプレイなどの3Dディスプレイを提供するためのシステムおよび方法が説明される。いくつかの実施形態では、光学的方法および光学システムの構成が、交差する光ビームを用いて高解像度3D LF画像を生成する。光は、例えばμLEDマトリックスまたはOLEDディスプレイなど、個別にアドレス可能な光源またはピクセルを含む層から放射される。収束レンズ構造、例えば、ポリカーボネートレンチキュラシート(polycarbonate lenticular sheet)が、エミッタをオーバーレイする。収束レンズ構造は、光をビームのセット内に集束させる。別個の光ステアリング層または素子を使用して、周期的光学層上の特定の位置に向けてビームを傾けることができる。いくつかの実施形態では、非機械的ビームステアリングコンポーネント、例えば、偏光スイッチングまたはエレクトロウェッティングマイクロプリズムに基づく液晶材料およびポリマーマイクロプリズムシートを含むハイブリッド構造が使用され得る。周期層フィーチャは、各ビームの焦点距離を変更するように構成されてよく、一連の固定された焦点面を作成するために利用されてよい。周期層は、例えば、UV硬化性材料から作られた光学的形状を有するポリカーボネートシートとして、またはエンボス加工された回折構造を有する薄いシートとして製造され得る。いくつかの実施形態では、複数の光源を含むプロジェクタセルを使用することによって、LFディスプレイシステムにおける空間多重化が提供され得る。時間的多重化は、異なる投影焦点距離間の切り替えのために光ステアリング層を使用することによって提供され得る。
いくつかの実施形態は、ディスプレイを作成する能力を提供する。いくつかの実施形態では、ディスプレイは、輻輳調節矛盾(VAC)問題に対処しながら3D画像の複数の焦点面を提示することができるライトフィールドディスプレイ200として使用され得る。
いくつかの実施形態ではμLEDを利用する。μLEDは、標準的なLEDと同じ基本技術を用いて同じ材料から製造されるLEDであるが、μLEDは、一般的に入手可能なコンポーネントの小型化されたバージョンであり、1μmから10μmのサイズにされ得る。密なマトリックスの一例は、3μmピッチで組み立てられた2μm×2μmのチップを有する。μLEDは、テレビのバックライトコンポーネントとして使用されている。OLEDと比較すると、μLEDははるかに安定したコンポーネントであり、非常に高い光強度に到達することができる。
いくつかの実施形態では、エレクトロウェッティングセルが非機械的ビームステアリングのために実装され得る。エレクトロウェッティングセルは、例えば、非特許文献1に記載された技法を使用することによって、高いスイッチング速度(~ms)で相対的に大きな角度範囲(例えば、±7°)にわたってビームの連続走査を提供するために使用され得る調整可能なマイクロプリズムを形成するように構成され得る。エレクトロウェッティングセル手法によって提供される偏光非依存性は、コンポーネントのより高い光学効率を達成するために有用であり得る。いくつかの実施形態ではエレクトロウェッティングセルは、例えば、2Dディスプレイモードと3Dディスプレイモードとの間で切り替えるための非特許文献2に見られる技法、および方向性バックライトシステムにおけるビームステアリングのための非特許文献3に見られる技法を含む技法を使用して実装され得る。いくつかの実施形態では、エレクトロウェッティングは、例えば、非特許文献2に記載された技法を使用することによって、マルチビューディスプレイシステムのレンチキュラ構造を形成するために実装され得る。
いくつかの実施形態は、交差するビームを有する高解像度3D LF画像を作成するために使用され得る光学システムの光学的方法および装置を提供する。図9は、いくつかの実施形態による、3D LFディスプレイ200の光生成モジュール900を示す。図9の例に示されるように、別個に制御可能な光エミッタ904、906、908、910、912、914、916、例えば、μLEDを有する、発光層902から、光が放射される。収束レンズ構造または層920、例えば、ポリカーボネートマイクロレンズシートは、発光層902のエミッタをオーバーレイし、異なる視線方向で画像を形成するために使用されるビームのセットに光を収集し集束させる。収束レンズ層920は、収束レンズ923のアレイを含むことができる。アレイは、レンズ944の二次元アレイであってよく、各収束レンズ944は、プロジェクタセル946における発光素子908のうちの少なくとも1つと関連付けられてよい。各エミッタおよびその対応する収束レンズは、プロジェクタセル946におけるコンポーネントである。隣接するプロジェクタセルは、クロストークを抑制する不透明バッフル構造(図示せず)を用いて互いに分離され得る。μLEDまたはOLEDなどの非偏光光源を使用する場合、直線偏光ビームを得るために偏光子918が追加され得る。LCDパネル光源が利用される場合、追加の偏光子918が必要とされないように、偏光子は光源コンポーネントに統合されてよい。
いくつかの実施形態では、LFディスプレイシステムは、空間多重化と時間多重化の組み合わせを使用する。光ステアリングコンポーネントが十分なリフレッシュレートに達するのに十分な速さがあるとき、ちらつきのない画像が得られる。発光層902と光ステアリング層922、924は、一緒に動作して画像を形成する。したがって、発光層902および光ステアリング層922、924を同期させることが有利であり得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイ200は、発光層902の発光素子のアドレス可能アレイの照明を制御するため、および光ステアリング層922、924のうちの少なくとも1つのステアリング特性を時間同期された様式で制御するための信号を生成する。例えば、光ステアリング層は、投影されたビームが集束される焦点面を選択することができる。周期層926は固定された周期的光学フィーチャを有するので、いくつかの実施形態において、この同期は、光ステアリング層制御パラメータを周期的フィーチャの個々のビーム焦点深度および角度に接続するルックアップテーブルを利用することによって、実装され得る。パラメータは各ディスプレイに対して予め決定されているため、そのようなテーブルは画像レンダリングの制御を単純化することができる。いくつかの実施形態では、発光コンポーネントは、個別に活性化され、または、例えば空間内の特定の点でボクセルを形成するグループで活性化され得る。いくつかの実施形態では、グループのエミッタが、単一の視聴者の個別の眼について一連の隣接するボクセルの半分を形成することができ、異なるグループのエミッタが、他方の眼についてボクセルの他方の半分を形成することができる。制御パラメータは、例えば、単一のエミッタ活性化およびビームステアリング電圧を特定の測定されたビーム焦点深度および角度方向値に接続する測定を行うことによって、個々のディスプレイについて任意選択で較正され得る。有利には、μLEDなどの発光コンポーネントのより速いリフレッシュレートが使用され得る。例えば、光源は、ビームステアリングコンポーネントのリフレッシュレート内で数回活性化され得る。いくつかの実施形態では、リフレッシュレートまたは更新速度の要件を低くするためにアイトラッキングが使用され得る。例えば、画像は、ディスプレイFOV全体の代わりに、指定されたアイボックス領域のサブセットにレンダリングされ得る。
本明細書に記載されているディスプレイ構造および光学的方法と一緒に、いくつかの異なる種類のレンダリング方式が使用されてよい。選択されたレンダリング方式に応じて、ディスプレイデバイスは、複数のビューおよび焦点面を有する3Dライトフィールドディスプレイ、または通常の2Dディスプレイとすることができる。2D機能性は、周期的フィーチャのいくつかを光学的に拡散させることによってサポートされることができ、それにより単一ビームが大きなFOV内で可視化される。
図15は、いくつかの実施形態による、視聴者1504によって特定の距離から見られた湾曲された3Dライトフィールドディスプレイ1502デバイスを示す。この例では、14インチ(35.56cm)デスクトップ3D LFディスプレイが500mmの距離1506から見られる。ディスプレイ画面は、単一ディスプレイLFピクセル発光パターンが視聴者1504位置で重なるように、500mm半径で湾曲されている。この例では、単一LFピクセルが約42°FOVに光を放射する。この例では、単一のユーザの適切な頭および眼の動きを可能にするために、約380mm幅表示ウィンドウが視聴者の眼の周りに形成される。
Claims (17)
- 第1の発光素子を含む発光素子のアドレス可能アレイを備える発光層と、
前記発光層をオーバーレイする周期的光学層であって、前記周期的光学層は、第1の屈折力を有する第1の周期的光学フィーチャと、異なる屈折力を有する第2の周期的光学フィーチャとを少なくとも含む、周期的光学層と、
前記発光層と前記周期的光学層との間の第1の制御可能な光ステアリング層であって、前記第1の制御可能な光ステアリング層は、第1の発光素子からの光を前記第1の周期的光学フィーチャを介して方向付けることと、前記第1の発光素子からの光を前記第2の周期的光学フィーチャを介して方向付けることとの間で切り替え可能である、第1の制御可能な光ステアリング層と
を備えた装置。 - 前記第1の周期的光学フィーチャおよび前記第2の周期的光学フィーチャは、第1の光学領域に含まれており、前記周期的光学層は、前記第1の光学領域と同様に配置された光学領域の繰り返しパターンを含む、請求項1の装置。
- 前記発光層と前記周期的光学層との間の収束レンズ層をさらに備えた、請求項1および請求項2のいずれか一項に記載の装置。
- 前記収束レンズ層は、収束レンズの2次元アレイを含み、各収束レンズは、プロジェクタセルにおける前記発光素子のうちの少なくとも1つに関連付けられる、請求項3の装置。
- 各プロジェクタセルは、前記周期的光学層の対応する光学領域を含む、請求項4の装置。
- 前記第1の制御可能な光ステアリング層の異なるセクションは、異なるプロジェクタセルに関連付けられており、かつ別個に制御可能である、請求項4の装置。
- 前記第1の周期的光学フィーチャは、前記周期的光学層から第1の距離で少なくとも前記第1の発光素子からの光を集束させるように動作し、前記第2の周期的光学フィーチャは、前記周期的光学層から第2の距離で少なくとも前記第1の発光素子からの光を集束させるように動作し、前記第2の距離は、前記第1の距離とは異なる、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第1の制御可能な光ステアリング層は、少なくとも1つの液晶光ステアリング層を含む、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の装置。
- 前記発光層は、第2の発光素子をさらに含み、
前記周期的光学層は、第1の傾斜方向を有する第3の周期的光学フィーチャと、前記第1の傾斜方向とは異なる第2の傾斜方向を有する第4の周期的光学フィーチャとをさらに含み、
前記第1の制御可能な光ステアリング層は、前記第2の発光素子からの光を前記第3の周期的光学フィーチャを介して方向付けることと、前記第2の発光素子からの光を前記第4の周期的光学フィーチャを介して方向付けることとの間で切り替え可能である、
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の装置。 - 前記発光層と前記周期的光学層との間に第2の制御可能な光ステアリング層をさらに備えた、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第1の制御可能な光ステアリング層は、第1の平面において光を偏向させるように構成されており、前記第2の制御可能な光ステアリング層は、前記第1の平面に実質的に垂直な第2の平面において光を偏向させるように構成されている、請求項10の装置。
- 前記第1の制御可能な光ステアリング層および前記第2の制御可能な光ステアリング層はそれぞれ、第1の平面において光を偏向させるように構成されている、請求項10の装置。
- 複数の発光素子を含む発光層の第1の発光素子によって、第1の光を選択的に放射するステップと、
制御可能な光ステアリング層の第1のセクションを操作して、複数の周期的光学フィーチャを含む周期的光学層の第1の周期的光学フィーチャに向けて光を選択的に方向付けるステップであって、前記第1の周期的光学フィーチャは、前記第1の光を第1のボクセル位置に集束させる、ステップと
によって、前記第1のボクセル位置に第1のボクセルを含む複数のボクセルを備える画像を表示するステップを含む方法。 - 前記発光層の第2の発光素子によって、第2の光を選択的に放射するステップと、
前記制御可能な光ステアリング層の少なくとも第2のセクションを操作して、前記周期的光学層の第2の周期的光学フィーチャに向けて前記第2の光を選択的に方向付けるステップであって、前記第2の周期的光学フィーチャは、前記第2の光を前記第1のボクセル位置に集束させる、ステップと
をさらに備える、請求項13の方法。 - 第2のボクセル位置を有する前記画像における少なくとも第2のボクセルについて、
前記発光層の少なくとも第3の発光素子によって、第3の光を選択的に放射するステップと、
前記制御可能な光ステアリング層の少なくとも第3のセクションを操作して、前記周期的光学層の第3の周期的光学フィーチャに向けて光を選択的に方向付けるステップであって、前記第3の周期的光学フィーチャは、前記第3の光を前記第2のボクセル位置に集束させる、ステップと
をさらに備える、請求項13および請求項14のいずれか一項に記載の方法。 - 前記第1のボクセル位置は、第1の深度を有し、前記第2のボクセル位置は、前記第1の深度とは異なる第2の深度を有する、請求項15の方法。
- 前記複数の発光素子のうちの1つによって放射された光は、前記画像の深度情報に基づいて複数の周期的光学フィーチャの1つに向けられる、請求項13乃至16のいずれか一項に記載の方法。
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