JP2023525839A - 多焦点画像生成装置、ヘッドアップディスプレイ装置、関連する方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

多焦点画像生成装置、ヘッドアップディスプレイ装置、関連する方法、および装置が提供される。多焦点画像生成装置は、画像生成ユニット、光スプリッタ（２０３）、および焦点距離調整器（２０４）を含む。画像生成ユニットは、多焦点画像生成装置の第１の焦点面を生成するように構成される。光スプリッタ（２０３）は：画像生成ユニットに光分割を実行し、光分割により得られた光ビームを焦点距離調整器（２０４）の表面に照射する。焦点距離調整器（２０４）は、多焦点画像生成装置の第２の焦点面を生成するために、焦点距離調整器（２０４）の表面に照射された光ビームに焦点距離調整を実行するように構成される。焦点距離は、焦点距離調整器（２０４）を使用することによって柔軟に調整され、その結果、任意の焦点距離の連続調整を実装することができ、任意の数量の焦点面（またはイメージング面）および任意の位置の焦点面を実装することができる。

Description

本出願は、2020年5月15日に中国国家知識産権局に出願され、"MULTI-FOCAL PICTURE GENERATION APPARATUS, HEAD-UP DISPLAY APPARATUS, RELATED METHOD, AND DEVICE"と題する中国特許出願第２02010413996.4号に対する優先権を主張しており、その全体は参照により本出願に組み込まれる。

本出願は、画像表示（picture display）技術の分野、特に、多焦点画像生成（multi-focal picture generation）装置、ヘッドアップディスプレイ装置及び関連する方法に関する。

ヘッドアップディスプレイ（Head-up display、ＨＵＤ）は、並列ディスプレイシステムとも呼ばれ、ドライバー中心の多機能ダッシュボードである。ヘッドアップディスプレイは、ドライバーが頭を下げたり回したりすることなく、可能な限り時速およびナビゲーションなどの重要な運転情報を見ることができるように、ドライバーの前のウインドシールド（windshield（フロントガラス））に、時速およびナビゲーションなどの重要な運転情報を投影するために使用される。図１は、ＨＵＤのディスプレイインターフェースの概略図である。図１に示すように、ＨＵＤに表示される画像は、時速「４ｋｍ／ｈ」およびナビゲーション「２０ｍ右折矢印」などの情報を含む。

しかし、一般的なＨＵＤに表示される画像と実際の道路上の物体は同じ焦点面上にないため、ドライバーの視界（sight）は道路上の物体とＨＵＤのイメージング面（imaging plane）を行き来して、目の焦点を調整する必要がある。現在のＨＵＤは頭を下げる問題を解決しているが、頻繁な焦点調整は、視覚疲労の原因にもなり、ユーザー体験を低下させる。真に拡張現実（Augmented reality、ＡＲ）に基づくＨＵＤを実現するためには、画像生成装置の多焦点面イメージングの技術的課題を解決する必要がある。

本出願は、主に画像生成装置の多焦点面イメージングの技術的問題を解決し、任意の焦点距離の連続調整を実現するために、多焦点画像生成装置、ヘッドアップディスプレイ装置および関連する方法を提供する。

第１の態様によれば、本出願は多焦点画像生成装置を提供する。この装置は、画像生成ユニット、光スプリッタ、および焦点距離調整器を含む。画像生成ユニットは、多焦点画像生成装置の第１の焦点面を生成するように構成され；光スプリッタは：画像生成ユニット上で光分割（optical splitting）を実行し、光分割によって得られた光ビームを焦点距離調整器の表面に照射するように構成され；焦点距離調整器は、焦点距離調整器の表面に照射された光ビームに対して焦点距離調整を実行し、多焦点画像生成装置の第２の焦点面を生成するように構成される。

本出願の技術的な解決策では、焦点距離位置が、焦点距離調整器を使用することによって柔軟に調整され、その結果、任意の焦点距離の連続的な調整を実現し、任意の数量（quantity）の焦点面（またはイメージング面）および任意の位置の焦点面を実現することができる。

可能な実装では、異なる位相情報が焦点距離調整器にロードされて、多焦点画像生成装置が複数の第２の焦点面を生成することを可能にし、異なる位相情報は異なる第２の焦点面に対応する。

本出願の技術的解決策では、位相情報は、焦点距離調整器にロードされて、焦点距離を調整し、焦点面の数量および位置を制御し、それによって、比較的高い柔軟性を達成する。

可能な実装では、焦点距離調整器は、複数のイメージング領域を含み、異なるイメージング領域は、異なる第２の焦点面に対応する。焦点距離調整器のイメージング領域は、ソフトウェアを使用することによって分割され得、任意の境界形状をサポートし、高い柔軟性を有する。

可能な実装では、異なる位相情報が異なるイメージング領域にロードされる。異なる位相情報は、異なるイメージング領域にロードされ、その結果、異なる焦点面の画像を異なる領域に表示することができる。

可能な実装では、画像生成ユニットは光源を含み、光スプリッタは光源によって生成された光ビームを分割するように構成される。アップグレードおよび変更は、画像生成ユニットの光路に基づいて実行され得るため、実装が容易である。

可能な実装では、第２の焦点面が２つの焦点面を含む場合、一方の第２の焦点面の位置は固定され、他方の第２の焦点面の位置は調整可能である。第２の焦点面が複数の焦点面を含む場合、任意の１つまたは複数の焦点面の位置が、調整可能な二焦点面（bifocal plane）または多焦点面を構成するようにランダムに調整され得る。

可能な実装では、焦点距離調整器にロードされる位相情報は、フレネルレンズの位相分布またはゼルニケレンズの位相分布を含む。等価レンズ焦点距離（equivalent lens focal length）が、多焦点画像生成装置を制御して複数の連続した焦点面を生成するために、フレネルレンズまたはゼルニケレンズのものであり、焦点距離調整器にロードされている位相分布パターンを変化させることによって、変えられ得る。

可能な実装では、焦点距離調整器は空間光変調器である。空間光変調器は、位相型の空間光変調器であり得、液晶またはマイクロエレクトロメカニカルシステムに基づいて実装され得る。

第２の態様によれば、本出願は多焦点画像生成方法を提供する。本方法は、多焦点画像生成装置に適用され得、多焦点画像生成装置は、画像生成ユニット、光スプリッタ、および焦点距離調整器を含む。本方法は：画像生成ユニットを使用することによって第１の焦点面を生成すること；光スプリッタを使用することによって画像生成ユニット上で光学分割を実行し、光分割によって得られた光ビームを焦点距離調整器の表面に照射すること；および第２の焦点面を生成するために、焦点距離調整器を使用することによって焦点距離調整器の表面に照射された光ビームに焦点距離調整を実行すること；を含む。

本出願の技術的な解決策では、焦点距離位置が、焦点距離調整器を使用することによって柔軟に調整され、その結果、任意の焦点距離の連続的な調整性（adjustability）を実装することができ、任意の数量の焦点面（またはイメージング面）および任意の位置の焦点面を実装することができる。

可能な実装では、第２の焦点面を生成するために、焦点距離調整器の表面に照射された光ビームに焦点距離調整を実行することは：複数の第２の焦点面を生成するために、焦点距離調整器に異なる位相情報をロードすることを含み、異なる位相情報は異なる第２の焦点面に対応する。

本出願の技術的解決策では、位相情報は、焦点距離調整器にロードされて、焦点距離を調整し、焦点面の数量および位置を制御し、それによって、比較的高い柔軟性を達成する。

可能な実装では、本方法は：焦点距離調整器を複数のイメージング領域に分割することを含み、異なるイメージング領域は異なる第２の焦点面に対応する。焦点距離調整器のイメージング領域は、ソフトウェアを使用することによって分割され得、任意の境界形状をサポートし、高い柔軟性を有する。

可能な実装では、本方法はさらに：異なるイメージング領域に異なる位相情報をロードすることを含む。異なる位相情報は異なるイメージング領域にロードされ、その結果、異なる焦点面の画像を異なる領域に表示することができる。

可能な実装では、画像生成ユニットは光源を含み、光源によって生成された光ビームは光スプリッタを使用することによって分割される。画像生成ユニットの光路に基づいてアップグレードや変更が実行され得るため、実装が容易である。

可能な実装では、第２の焦点面が２つの焦点面を含む場合、本方法は：一方の第２の焦点面の位置を固定すること、および他方の第２の焦点面の位置を調整することを含む。第２の焦点面が複数の焦点面を含む場合、任意の１つまたは複数の焦点面の位置が、調整可能な二焦点面または多焦点面を構成するように、ランダムに調整され得る。

可能な実装では、焦点距離調整器にロードされる位相情報は、フレネルレンズの位相分布またはゼルニケレンズの位相分布を含む。等価レンズ焦点距離が、多焦点画像生成装置を制御して複数の連続した焦点面を生成するために、フレネルレンズまたはゼルニケレンズのものであり、焦点距離調整器にロードされている位相分布パターンを変化させることによって、変えられ得る。

可能な実装では、焦点距離調整器は空間光変調器である。空間光変調器は、位相型の空間光変調器であり得、液晶またはマイクロエレクトロメカニカルシステムに基づいて実装され得る。

第３の態様によれば、本出願はヘッドアップディスプレイ装置を提供する。ヘッドアップディスプレイ装置は、第１の態様または第１の態様の可能な実装のいずれかによる多焦点画像生成装置およびイメージングコンポーネントを含む。多焦点画像生成装置は、複数の第１の画像を生成するように構成され、多焦点画像生成装置は複数の焦点面を有し、異なる焦点面は複数の第１の画像の異なる画像に対応する。イメージングコンポーネントは、人間の目によって受けるために、第２の画像を生成するように複数の第１の画像にイメージングを実行するように構成されている。

ヘッドアップディスプレイ装置に適用されることに加えて、本出願の技術的解決策は、フラットガラスディスプレイまたはプロジェクタなどのディスプレイ装置に適用され得る。連続的に調整可能な焦点面は、多焦点ピクチャーユニットを使用することによって生成されるため、異なるイメージング面に異なる情報を提示することができ、それによってユーザー体験を向上させる。

第４の態様によれば、本出願は、オペレータキャビン（operator cabin（運転室））、オペレータキャビンに取り付けられたウインドシールド、および第３の態様によるヘッドアップディスプレイ装置を含む、ドライビング装置（driving device）を提供する。ヘッドアップディスプレイ装置は、オペレータキャビンに搭載され、ウインドシールドはヘッドアップディスプレイ装置によって生成された第２の画像に対して反射イメージング（reflection imaging）を実行する。

本出願の技術的な解決策は、車載ヘッドアップディスプレイの多焦点面イメージングの技術的な問題を解決することができ、その結果、ユーザーは、運転プロセスにおいて頻繁に焦点を調整する必要がなく、それによってユーザー体験を向上させる。

ＨＵＤのディスプレイインターフェースの概略図である。 本出願による多焦点画像生成装置の構造の概略図である。 本出願による多焦点画像生成装置の構造の概略図である。 本出願による多焦点画像生成装置の構造の概略図である。 本出願による多焦点画像生成装置の構造の概略図である。 本出願による多焦点面画像生成装置の構造の概略図である。 本出願による別の多焦点面画像生成装置の構造の概略図である。 本出願によるフレネルレンズの位相分布の図である。 本出願によるフレネルレンズの位相分布の図である。 本出願による二焦点面イメージングの概略図である。 本出願による二焦点面イメージングの概略図である。 本出願による空間光変調器のイメージング領域分割方法の概略図である。 本出願による空間光変調器のイメージング領域分割方法の概略図である。 本出願による空間光変調器のイメージング領域分割方法の概略図である。 本出願による空間光変調器のイメージング領域分割方法の概略図である。 本出願によるイメージング面領域分割方法の概略図である。 本出願によるＨＵＤの構造の概略図である。

本出願の実施形態は、多焦点画像生成装置、ヘッドアップディスプレイ装置、および関連する方法に関する。以下、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本出願による多焦点画像生成装置の構造の概略図である。図２に示すように、多焦点イメージング装置は、光源２０１、イメージングコンポーネント２０２、光スプリッタ２０３、および焦点距離調整器２０４を含む。光源２０１は、画像信号による光ビームを生成するように構成される。イメージングコンポーネント２０２は、レンズ、またはレンズ群などを含み得、多焦点画像生成装置の焦点面１を生成するように、光源２０１によって生成された光ビームにイメージング（imaging）を実行する。光スプリッタ２０３は、光源２０１からの光ビームの一部を分割し、多焦点画像生成装置が異なる焦点面（焦点面２、焦点面３、...、焦点面Ｎ）を有し、複数の焦点面を連続的に調整可能であるように、焦点距離調整が、焦点距離調整器２０４を使用することによって分割された光ビームに実行される。焦点距離調整器２０４は、空間光変調器（Spatial light modulator、ＳＬＭ）であり得る。焦点面の位置を変更できるように、任意の位相分布のホログラフィック位相画像がＳＬＭにロードされる。加えて、焦点面位置は、ＳＬＭのライトフィールド（light field）振幅、または偏光状態などを変化させることによって代替的に変化され得る。本出願の多焦点画像生成装置によれば、任意の焦点距離の連続的な調整が、連続的な可変イメージング面を生成するために、光路内のイメージングコンポーネントの物理的位置を変えることなく実現することができる。本出願における「焦点面」および「イメージング面」は、同じ空間的位置、言い換えれば光ビームイメージング位置を示し得る。ＳＬＭの焦点距離が変化するとき、それに応じて焦点面またはイメージング面は変化する。

図３ａ～図３ｃは、本出願による３つの多焦点画像生成装置の構造の概略図である。図３ａに示すように、図２の例に基づいて、光源は単色光源３０１であり得、イメージングコンポーネントはレンズまたはレンズ群３０２であり得、焦点距離調整器は位相型空間光変調器３０４であり得る。レンズまたはレンズ群３０２は、焦点面１を生成するように、単色光源３０１によって生成された光ビームにイメージングを実行する。位相型空間光変調器３０４は、複数の連続した焦点面（焦点面２、焦点面３、...、焦点面Ｎ）を生成するように、光源からの光スプリッタ３０３によって分割された光ビームに焦点距離調整を実行する。

図３ｂに示すように、図３ａとの違いは、光源がＲ、Ｇ、Ｂ三色光源３０１であり得る点にある。焦点距離調整器が単一位相型空間光変調器（single phase-type spatial light modulator）３０４である場合、位相型空間光変調器３０４はＲ、Ｇ、Ｂ三色光源３０１による時分割多重を実行し得る。例えば、位相型空間光変調器３０４は、第１の瞬間（first second）にＲ光源に焦点距離調整を実行し、第２の瞬間にＧ光源に焦点距離調整を実行し、第３の瞬間にＢ光源に焦点距離調整を実行する。位相型空間光変調器３０４は、複数の連続した焦点面（焦点面２、焦点面３、...、焦点面Ｎ）を生成するように、Ｒ、Ｇ、Ｂ単色光源のいずれか１つに対して同時に焦点距離調整を実行する。

図３ｃに示すように、図３ａとの違いは、光源がＲ、Ｇ、Ｂ三色光源３０１であり得る点にある。焦点距離調整器が３つの位相型空間光変調器３０４である場合、各位相型空間光変調器３０４は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源の１つに焦点距離調整を実行し得る。位相型空間光変調器１はＲ光源に焦点距離調整を実行し、位相型空間光変調器２はＧ光源に焦点距離調整を実行し、位相型空間光変調器３はＢ光源に焦点距離調整を実行する。Ｒ、Ｇ、Ｂ光源によって発せられた光ビームが位相型空間光変調器３０４によって処理された後、処理された光ビームは、連続した複数の焦点面（焦点面２、焦点面３、...、焦点面Ｎ）を生成するように、ビームコンバイナ３０５を使用することによって合成され得る。

本出願の実施形態では、画像生成ユニット（picture generation unit、ＰＧＵ）の光路に基づいて変更やアップグレードが実装され得るため、実装が容易である。空間光変調器は焦点距離を調整して焦点面の数量および位置を制御し、それによって、比較的高い柔軟性を達成する。

図４ａは、本出願による多焦点平面画像生成装置の構造の概略図である。図４ａに示すように、多焦点平面画像生成装置は、ＰＧＵモジュール４１０、空間光変調器４２０、および光スプリッタ４３０を含み得る。オプションで、イメージングスクリーン４４０およびイメージングスクリーン４５０が、多焦点画像生成装置の異なる焦点面に配置され得る。例えば、イメージングスクリーン４４０は焦点面１に位置し、イメージングスクリーン４５０は焦点面２に位置する。ＰＧＵモジュール４１０は、振幅イメージングユニット４１１およびイメージングコンポーネント４１２を含み得る。振幅イメージングユニット４１１は、単色光源または多色光源を含み得る。例えば、図４ａはＲ、Ｇ、Ｂ三色光源を示している。イメージングコンポーネント４１２は、レンズまたはレンズ群を含み得る。空間光変調器４２０は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（Microelectromechanical systems、ＭＥＭＳ）に基づいてまたは液晶に基づいて実装され得る。例えば、液晶オンシリコン（liquid crystal on silicon、ＬＣｏＳ）は、液晶に基づいて実装された空間光変調器である。光路上では、イメージングコンポーネント４１２は、イメージングスクリーン４４０上に画像を形成するように、振幅イメージングユニット４１１によって生成された光ビームにイメージングを実行するように構成される。別の光路では、光スプリッタ４３０は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源のうちのいずれか１つ又は複数に対して光分割を実行する。図４ａはＧ光源に光分割が実行されていることを示している。加えて、光分割は、Ｒ、Ｇ、Ｂの三色光源に、時分割多重方式で実行され得る。オプションで、光スプリッタ４３０によって分割された光ビームの拡散損失を低減するために、光スプリッタ４３０によって分割された光ビームを、イメージングコンポーネント４６０を用いてコリメートされ得、その後空間光変調器４２０の表面に照射され得る。代替的には、偏光子（図示せず）が、空間光変調器の表面に入射する光ビームの偏光状態を空間光変調器のアライメント層方向に揃えるために、空間光変調器４２０の前に配置され得る。イメージングコンポーネント４６０は、レンズまたはレンズ群であり得る。空間光変調器４２０は透過型又は反射型であり得、位相分布が、光ビームを収束させるように等価レンズ機能（equivalent lens function）を実装し、それによってイメージングスクリーン４５０上に画像を形成するために、空間光変調器４２０の表面にロードされる。イメージングスクリーン４５０の位置をランダムに調整することができるように、イメージングスクリーン４５０の位置は、空間光変調器４２０の等価レンズ焦点距離を調整することによって変更され得る。イメージングスクリーン４５０は、散光器（diffusor）、スクリーン、ホワイトペーパーなどを使用することによって実装され得る。イメージングスクリーン４５０は、焦点面（またはイメージング面）上に配置され、焦点面上で画像を受けるように構成される。

図４ｂは、本出願による別の多焦点平面画像生成装置の構造の概略図である。図４ｂに示すように、図４ａとの違いは、空間光変調器４２０の後ろにイメージングスクリーン４７０が追加されている点である。イメージングスクリーン４５０およびイメージングスクリーン４７０は、二つの独立した要素であり得るまたは一体化され得るが、異なる空間位置にある。イメージングスクリーン４５０と同様に、イメージングスクリーン４７０の位置もまた、空間光変調器４２０の等価レンズ焦点距離を調整することによって、調整され得る。

本出願の実施形態では、焦点距離位置は、空間光変調器を使用することによって柔軟に調整され、その結果、任意の焦点距離の連続調整を実装することができ、任意の数量の焦点面（またはイメージング面）および任意の位置の焦点面を実装することができる。

以下は、具体例を参照して、空間光変調器によるイメージングスクリーンの位置調整の原理について説明する。図５ａおよび図５ｂは、本出願によるフレネルレンズの位相分布の図である。焦点距離の異なる２つのフレネルレンズのものであり、図５ａおよび図５ｂに示す位相分布が空間光変調器の表面に別々にロードされると、２つの異なる焦点面が形成され得る、すなわち、イメージングスクリーンの位置が２つの異なる焦点面に調整され得る。フレネルレンズの位相分布は、ライトフィールドを制御するために空間光変調器の表面にロードされる。これはレンズ機能と等価である。フレネル位相のｍ番目のリングの半径はｒｍ＝（２ｍｆλ）１／２であり、ここでλは入射光の波長、ｆはｍ番目のリングの位相における等価レンズ焦点距離である。異なる焦点距離のレンズの機能が、焦点面およびイメージングスクリーンの位置を調整するために実装することができるように、空間光変調器に異なる位相分布がロードされることがわかる。

図６ａおよび図６ｂは、本出願による二焦点面画像の概略図である。実際の応用では、１つの焦点面は固定され得、フレネルレンズの焦点距離が、調整可能な二焦点面を構成するようにランダムに調整され得る。図６ａは、異なる焦点面上の文字Ａおよび文字Ｂについて生成された画像を示しており、文字Ａは文字Ｂよりも鮮明に見える。この場合、文字Ａと文字Ｂの両方をはっきりと見るために、文字Ａおよび文字Ｂは、異なるイメージングスクリーン（例えば、イメージングスクリーン４５０およびイメージングスクリーン４７０）上に別々にイメージングされ得る。図６ｂは同一焦点面上の文字Ａおよび文字Ｂの画像を示し、文字Ａの精細解像度（definition resolution）は文字Ｂのものとほぼ同じである。この場合、文字Ａおよび文字Ｂの両方を、同一のイメージングスクリーン（例えば、イメージングスクリーン４５０）上ではっきりと見ることができる。

空間光変調器の表面は、さらにイメージング領域に分割され得、異なるイメージング領域に異なる位相分布をロードして、異なる焦点面を形成する。図７ａ～図７ｄは、本出願による空間光変調器の４つのイメージング領域分割方法の概略図である。空間光変調器のイメージング領域は、ソフトウェア構成方法により、任意の数量、任意の形状、および任意の焦点距離の複数のイメージング領域に分割され得る。イメージング領域の数量、形状、焦点距離は、自動車の走行プロセスにおける環境要因（例えば、車、歩行者、道路状況など）に基づいて、決定され得、その結果、異なる焦点面に異なる情報がイメージングされる。図７ａに示すように、空間変調器の表面は２つの矩形領域に分割されている。図７ｂに示すように、空間光変調器の表面は３つの矩形領域に分割されている。図７ｃに示すように、空間光変調器の表面は２つの不規則な領域に分割されている。図７ｄに示すように、空間光変調器の表面は３つの不規則な領域に分割されている。図７ａ～図７ｄに示す分割方法に加えて、空間光変調器の表面は、代替的に、Ｎ個のイメージング領域に分割され得、イメージング領域は、正方形、扇形、三角形、円形、多角形などである。０から２５５のグレースケール（０から２π位相深度に対応）のパターンが空間光変調器の表面にロードされ、異なる焦点距離のレンズの位相分布が各イメージング領域にロードされ得る。例えば、ゼルニケレンズの位相分布またはフレネルレンズの位相分布が空間光変調器の各イメージング領域にロードされ、位相分布は、ゼルニケ関数（Zernike function（ゼルニケ機能））またはフレネルレンズ関数（Fresnel lens function（フレネルレンズ機能））などのホログラフィックイメージング関数（holographic imaging function（ホログラフィックイメージング機能））を使用することによって実装され得る。異なる焦点面が異なる領域に生成され、各焦点面に形成される画像は２Ｄ画像であり得る。空間光変調器の領域は、ソフトウェアを使用することによって分割され得、任意の境界形状をサポートし、高い柔軟性を有する。

図８は、本出願によるイメージング面領域分割方法の概略図である。図８に示すように、人間の目の前の空間位置が、複数のイメージング面領域に分割され得、異なるイメージング面領域は、異なる空間位置に位置し得る。空間光変調器の表面領域が、図７ａ～図７ｄに示されるものと同様の方法で分割され、異なる位相分布が、異なるイメージング面（または焦点面）を生成するために、異なる領域にロードされる。例えば、ダッシュボード８０１およびダッシュボード８０２が、人の目の前３０ｃｍから４０ｃｍの位置でイメージングされ、ナビゲーション情報８０３が、人の目の前２ｍから３ｍの位置でイメージングされ、マップ８０４が、人の目の前３ｍから５ｍの位置でイメージングされ、プロンプト情報（例えば、天気または周囲の建物）８０５が、人の目の前５ｍから１０ｍの位置でイメージングされる。領域分割は、空間光変調器の表面で実行され、異なる位相分布が、異なる領域にロードされ、その結果、異なる焦点面の画像が異なる領域に表示される。

本出願の実施形態では、異なる位相情報が、焦点面の数量と位置を制御するために、領域分割方式で空間光変調器にロードされ、それによって、比較的高い柔軟性を達成する。したがって、任意の数量の焦点面（またはイメージング面）および任意の位置の焦点面が実装される。

本出願の実施形態における図中の多焦点イメージング装置は、ＨＵＤ、プロジェクタ、または平面ガラスディスプレイなどのディスプレイデバイスに適用され得る。ＨＵＤは説明の例として使用される。図９は、本出願によるＨＵＤの構造の概略図である。図９に示すように、ＨＵＤは、上記の実施形態のいずれか１つの多焦点画像生成装置９０１、およびイメージングスクリーン９０２を含み得る。多焦点画像生成装置９０１は、複数の焦点面を有し、複数の画像を生成するように構成される。異なる画像が異なる焦点面に形成される。イメージングスクリーン９０２は、散光器、スクリーン、ホワイトペーパーなどを含み得る。イメージングスクリーン９０２は、焦点面上に配置され、異なる焦点面上にあり、画像生成装置９０１によって生成される画像を受けるように構成される。異なる焦点面上の画像は、１つのイメージングスクリーンを使用することによって受けられ得る、または、複数の焦点面の画像は、複数のイメージングスクリーンを使用することによって（１つのイメージングスクリーンが１つの焦点面に対応する）それぞれ受けられ得る。オプションで、光路折り返しミラーまたは反射鏡などの光学要素が、イメージングスクリーン９０２の後ろに配置され得、イメージングスクリーン上のイメージング面によって反射された光ビームをウインドシールド９０３に投影するように構成され、その結果、ウインドシールド上に形成された仮想画像（または画像）９０４および９０５が人間の目９０６によって受けられる。多焦点画像生成装置９０１の焦点距離は連続的に調整可能であり、その結果、異なるイメージング面が、同じイメージングスクリーンの異なる位置または異なる位置の複数のイメージングスクリーンに生成され、最終的に人間の目は異なる距離の画像を観察する。

本出願で提供されるＨＵＤは、自動車、バス、飛行機などのドライビング装置に適用され得、複数の種類のＡＲ表示シナリオに適用され得る。ＨＵＤをドライビング装置に適用する場合、ＨＵＤは、ドライビング装置のオペレータキャビンに搭載され得、ＨＵＤによって生成された画像は、ドライビング装置のウインドシールドを使用することによって人間の目に映される。

本出願の本実施形態における多焦点画像装置は、ＨＵＤに適用され、その結果、ＨＵＤの焦点距離は連続的に調整可能であり、異なる情報を異なるイメージング面に提示することができる。したがって、ユーザーは運転プロセスで頻繁に焦点を調整する必要がなく、それによってユーザー体験を向上させる。

本明細書の説明では、特定の特徴、構造、材料、または特性が、実施形態または例のうちのいずれか１つまたは複数において適切な方法で組み合わされ得る。

上記の説明は、本発明の特定の実装にすぎないが、本発明の保護範囲を限定することを意図するものではない。本発明に開示された技術的範囲内で当業者が容易に理解できる変形または置換は、本発明の保護範囲内にあるものとする。したがって、本発明の保護範囲は、請求項の保護範囲に従うものとする。

図２は、本出願による多焦点画像生成装置の構造の概略図である。図２に示すように、多焦点画像生成装置は、光源２０１、イメージングコンポーネント２０２、光スプリッタ２０３、および焦点距離調整器２０４を含む。光源２０１は、画像信号による光ビームを生成するように構成される。イメージングコンポーネント２０２は、レンズ、またはレンズ群などを含み得、多焦点画像生成装置の焦点面１を生成するように、光源２０１によって生成された光ビームにイメージング（imaging）を実行する。光スプリッタ２０３は、光源２０１からの光ビームの一部を分割し、多焦点画像生成装置が異なる焦点面（焦点面２、焦点面３、...、焦点面Ｎ）を有し、複数の焦点面を連続的に調整可能であるように、焦点距離調整が、焦点距離調整器２０４を使用することによって分割された光ビームに実行される。焦点距離調整器２０４は、空間光変調器（Spatial light modulator、ＳＬＭ）であり得る。焦点面の位置を変更できるように、任意の位相分布のホログラフィック位相画像がＳＬＭにロードされる。加えて、焦点面位置は、ＳＬＭのライトフィールド（light field）振幅、または偏光状態などを変化させることによって代替的に変化され得る。本出願の多焦点画像生成装置によれば、任意の焦点距離の連続的な調整が、連続的な可変イメージング面を生成するために、光路内のイメージングコンポーネントの物理的位置を変えることなく実現することができる。本出願における「焦点面」および「イメージング面」は、同じ空間的位置、言い換えれば光ビームイメージング位置を示し得る。ＳＬＭの焦点距離が変化するとき、それに応じて焦点面またはイメージング面は変化する。

空間光変調器の表面は、さらにイメージング領域に分割され得、異なるイメージング領域に異なる位相分布をロードして、異なる焦点面を形成する。図７ａ～図７ｄは、本出願による空間光変調器の４つのイメージング領域分割方法の概略図である。空間光変調器のイメージング領域は、ソフトウェア構成方法により、任意の数量、任意の形状、および任意の焦点距離の複数のイメージング領域に分割され得る。イメージング領域の数量、形状、焦点距離は、自動車の走行プロセスにおける環境要因（例えば、車、歩行者、道路状況など）に基づいて、決定され得、その結果、異なる焦点面に異なる情報がイメージングされる。図７ａに示すように、空間光変調器の表面は２つの矩形領域に分割されている。図７ｂに示すように、空間光変調器の表面は３つの矩形領域に分割されている。図７ｃに示すように、空間光変調器の表面は２つの不規則な領域に分割されている。図７ｄに示すように、空間光変調器の表面は３つの不規則な領域に分割されている。図７ａ～図７ｄに示す分割方法に加えて、空間光変調器の表面は、代替的に、Ｎ個のイメージング領域に分割され得、イメージング領域は、正方形、扇形、三角形、円形、多角形などである。０から２５５のグレースケール（０から２π位相深度に対応）のパターンが空間光変調器の表面にロードされ、異なる焦点距離のレンズの位相分布が各イメージング領域にロードされ得る。例えば、ゼルニケレンズの位相分布またはフレネルレンズの位相分布が空間光変調器の各イメージング領域にロードされ、位相分布は、ゼルニケ関数（Zernike function）またはフレネルレンズ関数（Fresnel lens function）などのホログラフィックイメージング関数（holographic imaging function）を使用することによって実装され得る。異なる焦点面が異なる領域に生成され、各焦点面に形成される画像は２Ｄ画像であり得る。空間光変調器の領域は、ソフトウェアを使用することによって分割され得、任意の境界形状をサポートし、高い柔軟性を有する。

Claims (27)

1. 画像生成ユニット、光スプリッタ、および焦点距離調整器を有する画像生成装置であって、
   前記画像生成ユニットは、前記画像生成装置の第１の焦点面を生成するように構成され；
   前記光スプリッタは：前記画像生成ユニット上で光分割を実行し、光分割によって得られた光ビームを前記焦点距離調整器の表面に照射するように構成され；
   前記焦点距離調整器は、前記焦点距離調整器の前記表面に照射された前記光ビームに対して焦点距離調整を実行するように構成される、
   画像生成装置。
2. 前記焦点距離調整器は、前記画像生成装置の第２の焦点面を生成するように構成される、
   請求項１に記載の画像生成装置。
3. 異なる位相情報が、前記画像生成装置が複数の第２の焦点面を生成することを可能にするように、前記焦点距離調整器にロードされ、前記異なる位相情報は異なる第２の焦点面に対応する、
   請求項２に記載の画像生成装置。
4. 前記複数の第２の焦点面は、複数の連続した焦点面である、
   請求項３に記載の画像生成装置。
5. 前記焦点距離調整器は、複数のイメージング領域を有し、異なるイメージング領域は異なる第２の焦点面に対応する、
   請求項３又は４に記載の画像生成装置。
6. 異なる位相情報が、前記異なるイメージング領域にロードされる、
   請求項５に記載の画像生成装置。
7. 前記複数のイメージング領域の数量、形状、または焦点距離のうちの少なくとも１つが動的に設定可能である、
   請求項５又は６に記載の画像生成装置。
8. 前記画像生成ユニットは光源を有し、前記光スプリッタは、前記光源によって生成された光ビームを分割するように構成される、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像生成装置。
9. 前記光源は多色光源であり、前記焦点距離調整器は、前記多色光源の異なる色を持つ光源に時分割多重方式で焦点距離調整を実行する、
   請求項８に記載の画像生成装置。
10. 前記第２の焦点面が２つの焦点面を含むとき、一方の第２の焦点面の位置は固定され、他方の第２の焦点面の位置は調整可能である、
    請求項２乃至７のいずれか１項に記載の画像生成装置。
11. 前記焦点距離調整器にロードされる前記位相情報は、フレネルレンズの位相分布またはゼルニケレンズの位相分布を含む、
    請求項３乃至７のいずれか１項に記載の画像生成装置。
12. 前記焦点距離調整器は、空間光変調器である、
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の画像生成装置。
13. 画像生成方法であって：
    画像生成ユニットを使用することによって第１の焦点面を生成すること；
    光スプリッタを使用することによって前記画像生成ユニット上で光分割を実行し、光分割によって得られた光ビームを焦点距離調整器の表面に照射すること；および
    前記焦点距離調整器を使用することによって、前記焦点距離調整器の前記表面に照射された前記光ビームに焦点距離調整を実行すること；を含む、
    方法。
14. 画像生成装置の第２の焦点面が、前記焦点距離調整器を使用することによって生成される、
    請求項１３に記載の方法。
15. 画像生成装置の第２の焦点面が、前記焦点距離調整器を使用することによって生成されることは：
    異なる位相情報が、複数の第２の焦点面を生成するために、前記焦点距離調整器にロードされることを含み、前記異なる位相情報は、異なる第２の焦点面に対応する、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数の第２の焦点面は、複数の連続した焦点面である、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記方法は：
    前記焦点距離調整器を複数のイメージング領域に分割することを含み、異なるイメージング領域は異なる第２の焦点面に対応する、
    請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記方法はさらに：
    異なる位相情報を前記異なるイメージング領域にロードすることを含む、
    請求項１７に記載の方法。
19. 前記複数のイメージング領域の数量、形状、または焦点距離のうち少なくとも１つが動的に設定可能である、
    請求項１７又は１８に記載の方法。
20. 前記画像生成ユニットは光源を含み、前記光源によって生成された光ビームは前記光スプリッタを使用することによって分割される、
    請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記光源は多色光源であり、焦点距離調整が、前記多色光源の異なる色を持つ光源に時分割多重方式で前記焦点距離調整器を使用することによって実行される、
    請求項２０に記載の方法。
22. 前記第２の焦点面が２つの焦点面を含むとき、前記方法は：
    一方の第２の焦点面の位置を固定すること、および他方の第２の焦点面の位置を調整することを含む、
    請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記焦点距離調整器にロードされる前記位相情報は、フレネルレンズの位相分布またはゼルニケレンズの位相分布を含む、
    請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記焦点距離調整器は空間光変調器である、
    請求項１３乃至２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の画像生成装置およびイメージングコンポーネントを有するディスプレイ装置であって、
    前記画像生成装置は第１の画像を生成するように構成され；
    前記イメージングコンポーネントは、第２の画像を生成するように前記第１の画像にイメージングを実行するように構成される、
    ディスプレイ装置。
26. 前記ディスプレイ装置はさらに、イメージングスクリーンを含み、前記イメージングスクリーンは、前記画像生成装置の焦点面上に配置される、
    請求項２５に記載のディスプレイ装置。
27. ドライビング装置であって：オペレータキャビン、前記オペレータキャビン内に取り付けられたウインドシールド、および請求項２５または２６に記載のディスプレイ装置を有し、前記ディスプレイ装置は、前記オペレータキャビン内に取り付けられ、前記ウインドシールドは、前記ディスプレイ装置によって生成された第２の画像に反射イメージングを実行する、ドライビング装置。

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