JP6095686B2 - Spatial optical type and spatio-temporal optical type directional light modulator - Google Patents

Spatial optical type and spatio-temporal optical type directional light modulator Download PDF

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Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、2011年12月6日に出願された米国仮特許出願第61/567,520号、及び2012年3月27日に出願された米国仮特許出願第61/616,249号の利益を主張するものである。
[Cross-reference with related applications]
This application is a benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 567,520, filed December 6, 2011, and US Provisional Patent Application No. 61 / 616,249, filed March 27, 2012. Is an insistence.

本発明は、指向性光変調、3Dディスプレイ、発光マイクロディスプレイ、2D/3D切換可能ディスプレイ及び2D/3D切換可能裸眼立体ディスプレイの分野に関する。   The present invention relates to the field of directional light modulation, 3D displays, light emitting micro displays, 2D / 3D switchable displays and 2D / 3D switchable autostereoscopic displays.

3Dディスプレイでは、3D視聴の知覚を生み出すために出射光の方向変調が必要である。典型的な3Dディスプレイでは、空間光変調器において空間多重化と時間多重化の何らかの組み合わせを利用することによって異なる方向からの同じシーンの画像を表示するために、複数の照明方向に均一に照明を行うバックライトが必要である。これらの3Dディスプレイでは、一般に指向性のバックライトから到来する光が、通常は(例えば、回折プレート又はホログラフィック光プレートなどの)方向選択的なフィルタによって処理された後に空間光変調器の画素に到達して、その指向性を保ちながら光の色及び強度を変調される。   In 3D displays, directional modulation of the emitted light is necessary to create the perception of 3D viewing. In a typical 3D display, the illumination is evenly distributed in multiple illumination directions in order to display images of the same scene from different directions by utilizing some combination of spatial and temporal multiplexing in the spatial light modulator. A backlight to do is needed. In these 3D displays, light coming from a directional backlight is typically processed by a direction-selective filter (eg, a diffractive plate or a holographic light plate) before entering the spatial light modulator pixel. The color and intensity of the light is modulated while reaching its directivity.

2D/3D切換可能ディスプレイの中には、ディスプレイを異なる表示モードで動作させるために指向性バックライトを必要とするものもある。2D表示モードでは、(液晶ディスプレイ(LCD)などの)空間光変調器によって単一の画像を表示するために、均一な照明を行う角度範囲の大きなバックライトが必要である。3D表示モードでは、空間光変調器において空間多重化と時間多重化の何らかの組み合わせを利用することによって異なる方向からの同じシーンの画像を表示するために、複数の照明方向に均一に照明を行うバックライトが必要である。   Some 2D / 3D switchable displays require a directional backlight to operate the display in different display modes. In the 2D display mode, in order to display a single image with a spatial light modulator (such as a liquid crystal display (LCD)), a backlight with a large angular range for uniform illumination is required. In the 3D display mode, the spatial light modulator uses a combination of spatial multiplexing and time multiplexing to display images of the same scene from different directions so that illumination is uniformly illuminated in multiple illumination directions. I need a light.

2Dモード及び3Dモードのいずれにおいても、指向性のバックライトから到来する光は、通常は(回折プレート、ホログラフィック光プレートなどの)方向選択的なフィルタによって処理された後に空間光変調器の画素に到達して、指向性を保ちながら光ビームが均一に拡大される。   In both 2D and 3D modes, light coming from a directional backlight is usually processed by a directionally selective filter (such as a diffractive plate, holographic light plate, etc.) and then the pixel of the spatial light modulator. The light beam is uniformly expanded while maintaining directivity.

現在利用可能な指向性光変調器は、複数の光源を含む照明装置と、光源から出射された光を指定方向に導く方向変調装置とを組み合わせたものである(図1、図2及び図3を参照)。先行技術の複数の変形例を示す図1、図2及び図3に示すように、通常、照明装置は、走査ミラー又は回転障壁などの電気機械的動作装置(米国特許第6,151,167号、第6,433,907号、第6,795,221号、第6,803,561号、第6,924,476号、第6,937,221号、第7,061,450号、第7,071,594号、第7,190,329号、第7,193,758号、第7,209,271号、第7,232,071号、第7,482,730号、第7,486,255号、第7,580,007号、第7,724,210号及び第7,791,810号、並びに米国特許出願公開第2010/0026960号及び第2010/0245957号を参照)、又は液体レンズ又は偏光スイッチングなどの電気光学的動作装置(図1、図2及び図3、並びに米国特許第5,986,811号、第6,999,238号、第7,106,519号、第7,215,475号、第7,369,321号、第7,619,807号及び第7,952,809号を参照)と組み合わせられる。   The currently available directional light modulator is a combination of an illumination device including a plurality of light sources and a direction modulation device that guides light emitted from the light sources in a specified direction (FIGS. 1, 2, and 3). See). As shown in FIGS. 1, 2 and 3, which show several variations of the prior art, typically the illumination device is an electromechanical operating device such as a scanning mirror or rotating barrier (US Pat. No. 6,151,167). 6,433,907, 6,795,221, 6,803,561, 6,924,476, 6,937,221, 7,061,450, No. 7,071,594, No. 7,190,329, No. 7,193,758, No. 7,209,271, No. 7,232,071, No. 7,482,730, No. 7, 486, 255, 7,580,007, 7,724,210 and 7,791,810 and U.S. Patent Application Publication Nos. 2010/0026960 and 2010/0245957), or Liquid lens or polarization switch (See FIGS. 1, 2 and 3, and US Pat. Nos. 5,986,811, 6,999,238, 7,106,519, 7,215, U.S. Pat. 475, 7,369,321, 7,619,807 and 7,952,809).

米国特許第6,151,167号明細書US Pat. No. 6,151,167 米国特許第6,433,907号明細書US Pat. No. 6,433,907 米国特許第6,795,221号明細書US Pat. No. 6,795,221 米国特許第6,803,561号明細書US Pat. No. 6,803,561 米国特許第6,924,476号明細書US Pat. No. 6,924,476 米国特許第6,937,221号明細書US Pat. No. 6,937,221 米国特許第7,061,450号明細書US Patent No. 7,061,450 米国特許第7,071,594号明細書US Patent No. 7,071,594 米国特許第7,190,329号明細書US Pat. No. 7,190,329 米国特許第7,193,758号明細書US Pat. No. 7,193,758 米国特許第7,209,271号明細書US Pat. No. 7,209,271 米国特許第7,232,071号明細書US Pat. No. 7,232,071 米国特許第7,482,730号明細書US Pat. No. 7,482,730 米国特許第7,486,255号明細書US Pat. No. 7,486,255 米国特許第7,580,007号明細書US Pat. No. 7,580,007 米国特許第7,724,210号明細書US Pat. No. 7,724,210 米国特許第7,791,810号明細書US Pat. No. 7,791,810 米国特許出願公開第2010/0026960号明細書US Patent Application Publication No. 2010/0026960 米国特許出願公開第2010/0245957号明細書US Patent Application Publication No. 2010/0245957 米国特許第5,986,811号明細書US Pat. No. 5,986,811 米国特許第6,999,238号明細書US Pat. No. 6,999,238 米国特許第7,106,519号明細書US Pat. No. 7,106,519 米国特許第7,215,475号明細書US Pat. No. 7,215,475 米国特許第7,369,321号明細書US Pat. No. 7,369,321 米国特許第7,619,807号明細書US Pat. No. 7,619,807 米国特許第7,952,809号明細書US Pat. No. 7,952,809 米国特許第7,623,560号明細書US Pat. No. 7,623,560 米国特許第7,829,902号明細書US Pat. No. 7,829,902 米国特許第8,049,231号明細書US Pat. No. 8,049,231 米国特許第8,098,265号明細書US Pat. No. 8,098,265 米国特許出願公開第2010/0066921号明細書US Patent Application Publication No. 2010/0066921 米国特許出願公開第2012/0033113号明細書US Patent Application Publication No. 2012/0033113

電気機械変調型の指向性光変調器及び電気光学変調型の指向性光変調器には、いずれも以下の3つの主な欠点がある。
1.応答時間:通常、機械的動作又は光学面の変更は瞬時に行われず、変調器の応答時間に影響を与える。また、通常、これらの動作速度は画像フレーム時間の一部を占め、これにより達成可能な表示輝度が落ちる。
2.体積面:これらの方法では、光源と、協働する方向変調装置との間に距離が必要であり、これによりディスプレイの総体積が増す。
3.光損失:光を可動ミラーに連結すると光損失が生じ、これにより表示システムの出力効率が劣化するとともに、巨大な冷却方法を組み込むことによって排除する必要がある熱が発生し、これによりさらなる体積が加わって電力消費量が増す。
Each of the electromechanical modulation type directional light modulator and the electro-optic modulation type directional light modulator has the following three main drawbacks.
1. Response time: Normally, no mechanical movement or optical surface changes are made instantaneously, affecting the response time of the modulator. Also, these operating speeds usually occupy part of the image frame time, thereby reducing the achievable display brightness.
2. Volume plane: These methods require a distance between the light source and the cooperating directional modulator, which increases the total volume of the display.
3. Light loss: When light is coupled to a movable mirror, light loss occurs, which degrades the output efficiency of the display system and generates heat that must be eliminated by incorporating a huge cooling method, which increases the volume. In addition, power consumption increases.

先行技術の指向性バックライト装置は、低速、大型で光学的に損失が大きいだけでなく、3D表示を行う目的で方向選択的なフィルタと組み合わせるために、狭いスペクトル帯域幅、高いコリメーション及び個別の制御性を有している必要がある。狭いスペクトル帯域幅及び高いコリメーションを達成するには、装置レベルの革新、及び光学的な光調整が必要であり、ディスプレイシステム全体のコスト及び体積が増すことになる。個別の制御性を達成するには、回路及び複数の光源を追加する必要があり、システムの複雑性、容量及びコストが増すことになる。   Prior art directional backlight devices are not only slow, large and optically lossy, but also combined with a direction-selective filter for the purpose of 3D display, narrow spectral bandwidth, high collimation and individual It must have controllability. Achieving narrow spectral bandwidth and high collimation requires device level innovation and optical light conditioning, which increases the overall cost and volume of the display system. Achieving individual controllability requires the addition of circuitry and multiple light sources, increasing system complexity, capacity, and cost.

従って、本発明の目的は、先行技術の欠点を解決し、従って実用的な体積及び視聴体験を提供する3Dディスプレイの形成を実現可能にする空間光学型光変調器を提供することである。本発明の別の目的は、先行技術の制約を解決し、従って体積上の利点に加えて広い視野角にわたる視聴体験を提供する3D及び高解像度2Dディスプレイの形成を実現可能にする、角度範囲を拡大した時空間光学型光変調器を提供することである。添付図面を参照しながら行う以下の好ましい実施形態の詳細な説明から、本発明のさらなる目的及び利点が明らかになるであろう。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a spatial optical light modulator that overcomes the shortcomings of the prior art and thus enables the formation of 3D displays that provide a practical volume and viewing experience. Another object of the present invention is to provide an angular range that solves the limitations of the prior art, thus enabling the formation of 3D and high resolution 2D displays that provide a viewing experience over a wide viewing angle in addition to the volume advantage. An enlarged spatiotemporal optical modulator is provided. Further objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

添付図面では、本発明を限定ではなく一例として示し、同様の要素は同じ参照番号で示す。   In the accompanying drawings, the present invention is illustrated by way of example and not limitation, and like elements are designated with the same reference numerals.

液体レンズを使用する先行技術の指向性光変調器を示す図である。1 shows a prior art directional light modulator that uses a liquid lens. FIG. 走査ミラーを使用する先行技術の指向性光変調器を示す図である。1 shows a prior art directional light modulator that uses a scanning mirror. FIG. 先行技術の方向変調型3D光変調器を示す図である。It is a figure which shows a prior art direction modulation type | mold 3D optical modulator. 時空間光学型指向性光変調器の空間光学的指向性光変調の態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the space optical directional light modulation of a spatio-temporal optical directional light modulator. 空間光学型指向性光変調器の指向性光変調の原理を示す等角図である。It is an isometric view showing the principle of directional light modulation of a spatial optical directional light modulator. 空間光学型指向性光変調器の例示的な平行ウェハレベルオプティクスの設計を示す図である。FIG. 5 illustrates an exemplary parallel wafer level optics design for a spatial optical directional light modulator. 図6に示すウェハレベルオプティクスの例示的な設計を使用する空間光学型指向性光変調器の例示的な設計を示す図である。FIG. 7 illustrates an exemplary design of a spatial optical directional light modulator that uses the exemplary design of wafer level optics shown in FIG. 6. 時空間光学型指向性光変調器の空間変調画素グループの1つにおける方向的アドレス指定能力の例示的な実施形態を示す図である。FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment of directional addressability in one of the spatially modulated pixel groups of a spatiotemporal optical directional light modulator. 時空間光学型指向性光変調器の空間変調画素グループの1つにおける方向変調の例示的な実施形態を示す図である。FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment of directional modulation in one of the spatially modulated pixel groups of a spatiotemporal optical directional light modulator. 空間光学型指向性光変調器のデータ処理ブロック図を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the data processing block diagram of a spatial optical type directional light modulator. 多数の空間光学型指向性光変調器をタイル配置することにより実装される3D/2D切換可能ディスプレイの例示的な実施形態を示す等角図である。FIG. 2 is an isometric view illustrating an exemplary embodiment of a 3D / 2D switchable display implemented by tiling a number of spatial optical directional light modulators. 時空間光学型指向性光変調器の原理の態様を示す等角図である。1 is an isometric view illustrating a principle aspect of a spatio-temporal optical directional light modulator. FIG. 時空間光学型指向性光変調器の時間的関節運動の態様によって可能になる角放出の拡大を示す図である。FIG. 5 shows the angular emission expansion enabled by the temporal articulation aspect of the spatio-temporal optical directional light modulator. 時空間光学型指向性光変調器の時間的角関節運動を示す図である。It is a figure which shows the temporal angular joint motion of a spatiotemporal optical directional light modulator. 時空間光学型指向性光変調器の拡大された角度範囲の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the expanded angle range of a spatio-temporal optical directional light modulator. 時空間光学型指向性光変調器の1つの実施形態の等角図、側面図及び上面図である。1 is an isometric view, a side view, and a top view of one embodiment of a spatio-temporal optical directional light modulator. FIG. 時空間光学型指向性光変調器の別の実施形態の等角図、側面図及び上面図である。FIG. 6 is an isometric view, a side view, and a top view of another embodiment of a spatio-temporal optical directional light modulator.

以下の詳細な説明における「1つの実施形態」又は「ある実施形態」に対する言及は、その実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。本詳細な説明における様々な箇所で出現する「1つの実施形態では」という表現は、必ずしも全てが同じ実施形態を示すわけではない。   References to “one embodiment” or “an embodiment” in the following detailed description include the specific features, structures, or characteristics described in connection with that embodiment in at least one embodiment of the invention. Means that. The expressions “in one embodiment” appearing in various places in the detailed description are not necessarily all referring to the same embodiment.

最近になって、新たなクラスの発光マイクロスケール画素アレイ装置が導入された。これらの装置は、全ての駆動回路を含む超小型の単一装置サイズにおける高輝度、超高速光多色強度及び空間変調能力を特徴とする。1つのこのような装置の固体発光画素は、発光マイクロスケール画素アレイが固着したCMOSチップ(又はデバイス)に含まれる駆動回路によってオン/オフ状態を制御される発光ダイオード(LED)又はレーザーダイオード(LD)とすることができる。通常、このような装置の発光アレイを含む画素のサイズは、約5〜20ミクロンであり、この装置の典型的な発光表面積は、約15〜150平方ミリメートルである。発光マイクロスケール画素アレイ装置内の画素は、通常はCMOSチップの駆動回路を通じて空間的、彩色的及び時間的に個別にアドレス指定が可能である。このような装置の一例に、以下で説明する例示的な実施形態において言及するQPI装置(米国特許第7,623,560号、第7,767,479号、第7,829,902号、第8,049,231号及び第8,098,265号、並びに米国特許出願公開第2010/0066921号、第2012/0033113号を参照)がある。このような装置の別の例に、OLEDベースのマイクロディスプレイがある。しかしながら、QPI装置は、本発明の実施形態で使用できる装置のタイプの一例にすぎないと理解されたい。従って、以下の説明では、QPI装置に対する言及は、開示する実施形態を明確にするためのものであり、本発明を限定するためのものではないと理解されたい。   More recently, a new class of light emitting microscale pixel array devices has been introduced. These devices are characterized by high brightness, ultrafast light multicolor intensity, and spatial modulation capability in an ultra-compact single device size that includes all drive circuits. The solid state light emitting pixel of one such device is a light emitting diode (LED) or laser diode (LD) whose on / off state is controlled by a drive circuit included in a CMOS chip (or device) to which a light emitting microscale pixel array is fixed. ). Typically, the size of the pixel containing the light emitting array of such a device is about 5-20 microns, and the typical light emitting surface area of this device is about 15-150 square millimeters. The pixels in the light emitting microscale pixel array device can be individually addressed spatially, chromatically and temporally, usually through a CMOS chip drive circuit. An example of such a device is the QPI device (US Pat. Nos. 7,623,560, 7,767,479, 7,829,902, No. 7) referred to in the exemplary embodiments described below. 8,049,231 and 8,098,265 and U.S. Patent Application Publication Nos. 2010/0066921 and 2012/0033113). Another example of such a device is an OLED-based microdisplay. However, it should be understood that a QPI device is only one example of the type of device that can be used in embodiments of the present invention. Accordingly, in the following description, it should be understood that references to QPI devices are for clarity of the disclosed embodiments and are not intended to limit the invention.

本発明は、QPI装置の発光マイクロ画素アレイの能力を、受動的なウェハレベルオプティクス(WLO)のみと、又はアセンブリ全体の関節運動と組み合わせて、先行技術の指向性光源の機能性と回折プレートの機能性を同時に実行できる光変調器を形成するものである。本明細書におけるウェハレベル又はウェハとは、直径が少なくとも2インチの、より好ましくは直径が4インチ又はそれ以上の装置又はマトリクス状の装置のことを意味する。WLOは、紫外線(UV)インプリントリソグラフィを使用して、ポリマーからウェハ上に一体的に作製される。WLOの主な利点に、小さな特徴部のマイクロレンズアレイ(MLA)を作製し、複数のWLOマイクロレンズアレイ層を共に、或いはCMOSセンサ又はQPIなどのオプトエレクトロニクス装置と正確に位置合わせできる能力がある。典型的なWLO作製技術によって達成できる位置合わせ精度は1ミクロン未満になり得る。QPIの発光マイクロエミッタ画素アレイの個々の画素のアドレス指定能力と、QPIのマイクロエミッタアレイに対して正確に位置合わせできるWLOマイクロレンズアレイ(MLA)とを組み合わせることにより、システム内に方向選択的なフィルタを有することという先行技術において直面する必要性が排除されると同時に、光源における狭いスペクトル帯域幅の要件が緩和され、システムの体積、複雑性及びコストが低減される。本発明のいくつかの実施形態では、出射光の方向変調が、WLOにより実現される光の発散によって実現され、他の実施形態では、WLOにより実現される光の発散と、アセンブリ全体の関節運動との組み合わせによって実現される。   The present invention combines the capabilities of a light emitting micropixel array of a QPI device with either passive wafer level optics (WLO) alone or articulation of the entire assembly, and the functionality of prior art directional light sources and the diffraction plate. It forms an optical modulator that can perform functionality simultaneously. As used herein, wafer level or wafer means a device or matrix device having a diameter of at least 2 inches, more preferably 4 inches or more. WLO is fabricated integrally from a polymer on a wafer using ultraviolet (UV) imprint lithography. A key advantage of WLO is the ability to create small feature microlens arrays (MLAs) and accurately align multiple WLO microlens array layers together or with optoelectronic devices such as CMOS sensors or QPIs. . The alignment accuracy that can be achieved by typical WLO fabrication techniques can be less than 1 micron. By combining the addressability of individual pixels of the QPI emitting microemitter pixel array with a WLO microlens array (MLA) that can be accurately aligned with the QPI microemitter array, it is directionally selective in the system. While eliminating the need faced in the prior art to have a filter, the narrow spectral bandwidth requirement at the light source is relaxed, reducing the volume, complexity and cost of the system. In some embodiments of the invention, directional modulation of the emitted light is achieved by light divergence realized by WLO, and in other embodiments, light divergence realized by WLO and articulation of the entire assembly. It is realized by the combination.

図4及び図5を参照すると、2次元マイクロレンズアレイMLA220を構成するマイクロレンズ素子400の各々が、個別にアドレス指定可能なQPI画素(p1,p2,...,pn)のグループに関連付けられており、これによりこの画素グループ内の各画素から出射される光は、関連するマイクロレンズ素子の開口数(角度範囲)内の一意の方向(d1,d2,...,dn)の1つに屈折されるようになる。QPI装置210のマイクロ画素アレイ全体は、本明細書では画素変調グループとも呼ばれる多数のQPI画素グループ(G1,G2,...,Gn)を含み、これにより各変調グループGiは、2次元アレイMLA220のレンズ素子の1つに関連付けられ、この結果、この画素変調グループ(G1,G2,...,Gn)は、集合的に本発明の空間光学型指向性光変調器の空間変調アレイを表すようになる。図12に示す時間的関節運動、及び各画素グループ内の個々の画素(p1,p2,...,pn)と出射光方向(d1,d2,...,dn)との1対1の関連付けにより、図12に概念的に示す本発明の時空間光学型指向性光変調器は、各画素グループ(G1,G2,...,Gn)内の個々の画素(p1,p2,...,pn)を時間的にアドレス指定することによって各々が個別にアドレス指定可能である多数の時間的に多重化された方向(d1i,d2i,...,dni);i=1,2,...,を画素グループGiの各々に関連付けることが可能になる。この結果、図12の2次元アレイMLA220に関連付けられた多数のQPI画素グループ(G1,G2,...,Gn)は、本発明の時空間光学型指向性光変調器の空間変調アレイを表し、時間的に多重化された方向(d1i,d2i,...,dni);i=1,2,...,は、各画素変調グループを含むQPI装置210の画素(p1,p2,...,pn)の時間的アドレス指定能力を通じて個別にアドレス指定可能な多数の光変調方向を表すようになる。換言すれば、時空間光学型指向性光変調器は、QPI画素グループ(G1,G2,...,Gn)のアドレス指定能力を通じて光を空間的に変調し、各グループを含む画素(p1,p2,...,pn)の時間的アドレス指定能力を通じて、各画素グループから出射された光を方向(d1i,d2i,...,dni);i=1,2,...,に方向的に変調できるようになる。従って、図12に示す時空間光学型指向性光変調器は、空間的及び方向的に変調できる光を生成できるようになり、これにより画素グループのアドレス指定能力を通じて、QPI画素グループ(G1,G2,...,Gn)の発光領域に等しい空間的位置の各々から出射される光が個別にアドレス指定可能になるとともに、各画素グループ内の個々の画素の時間的アドレス指定能力を通じて方向的にもアドレス指定可能になる。 Referring to FIGS. 4 and 5, each of the microlens elements 400 constituting the two-dimensional microlens array MLA 220 is individually addressable group of QPI pixels (p 1 , p 2 ,..., P n ). , So that the light emitted from each pixel in this pixel group has a unique direction (d 1 , d 2 ,...) Within the numerical aperture (angle range) of the associated microlens element. d n ). The entire micropixel array of QPI device 210 includes a number of QPI pixel groups (G 1 , G 2 ,..., G n ), also referred to herein as pixel modulation groups, so that each modulation group G i is Associated with one of the lens elements of the two-dimensional array MLA 220, this pixel modulation group (G 1 , G 2 ,..., G n ) is collectively referred to as the spatial optical directional light modulation of the present invention. To represent a spatial modulation array of instruments. 12 shows temporal articulation, and each pixel in each pixel group (p 1, p 2, ... , p n) and the outgoing light direction (d 1, d 2, ... , d n) , The spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention conceptually shown in FIG. 12 can be used in each pixel group (G 1 , G 2 ,..., G n ). Of pixels (p 1 , p 2 ,..., P n ) by temporally addressing a number of temporally multiplexed directions (d 1i , d 2i , each individually addressable. , ..., d ni ); i = 1, 2,. . . , Can be associated with each of the pixel groups G i . As a result, a number of QPI pixel groups (G 1 , G 2 ,..., G n ) associated with the two-dimensional array MLA 220 of FIG. Representing an array and temporally multiplexed directions (d 1i , d 2i ,..., D ni ); i = 1, 2,. . . , Represents a number of light modulation directions that can be individually addressed through the temporal addressability of the pixels (p 1 , p 2 ,..., P n ) of the QPI device 210 including each pixel modulation group. Become. In other words, the spatio-temporal optical directional light modulator spatially modulates light through the addressability of the QPI pixel groups (G 1 , G 2 ,..., G n ), and includes pixels that include each group. Through the temporal addressability of (p 1 , p 2 ,..., P n ), the light emitted from each pixel group is directed (d 1i , d 2i ,..., D ni ); , 2,. . . , Can be modulated in the direction. Accordingly, the spatio-temporal optical directional light modulator shown in FIG. 12 can generate light that can be spatially and directionally modulated, and thus, through the addressability of the pixel group, the QPI pixel group (G 1 , G 2 ,..., G n ) light emitted from each of the spatial locations equal to the light emitting region can be individually addressed and through the temporal addressability of individual pixels within each pixel group It can also be addressed directionally.

図5に、本発明の空間的及び方向的変調の原理を示す。図5には、各々がウェハレベルのマイクロレンズアレイ(MLA)の1つのマイクロレンズに関連付けられる多数のQPI装置画素グループG1,G2,...,GNを含む2次元アレイを示している。各グループ内の個々の画素p1,p2,...,pnと出射光の方向d1,d2,...,dnとの1対1の関連付けにより、図5に示す発光装置は、空間的及び方向的に変調できる光を生成することが可能になる。従って、QPI装置の画素グループG1,G2,...,GNの発光領域内の空間的位置の各々から光を出射することができ、この光は、画素グループのアドレス指定能力を通じて個別にアドレス指定可能であるとともに、各画素グループ内の個々の画素のアドレス指定能力を通じて方向的にもアドレス指定可能である。QPI装置の個々の画素は、MLA内の各レンズが同時に複数の方向に光を出射できるように変調することができる。個別の画素制御により、QPI装置の画素の個々のアドレス指定能力を通じて、光振幅、発光継続時間、特定の光方向、及び各マイクロレンズから出射される光方向の総数を個別に調整することができる。 FIG. 5 illustrates the principle of spatial and directional modulation of the present invention. FIG. 5 shows a number of QPI device pixel groups G 1 , G 2 ,... Each associated with one microlens of a wafer level microlens array (MLA). . . , G N is shown. Individual pixels p 1 , p 2 ,. . . , P n and the direction of outgoing light d 1 , d 2 ,. . . , D n makes it possible for the light emitting device shown in FIG. 5 to generate light that can be spatially and directionally modulated. Therefore, the pixel groups G 1 , G 2 ,. . . , GN can emit light from each of the spatial locations within the light emitting region, and this light can be individually addressed through the addressability of the pixel group and can be an individual pixel within each pixel group. Can also be addressed directionally through the addressability capability. Individual pixels of the QPI device can be modulated such that each lens in the MLA can emit light in multiple directions simultaneously. With individual pixel control, the light amplitude, emission duration, specific light direction, and total number of light directions emitted from each microlens can be individually adjusted through the individual addressability of the pixels of the QPI device. .

当業者には、レンズタイプ(すなわち、レンチキュラレンズアレイ又は2軸レンズアレイ)を選択することによってレンズによる方向変調を単一の軸上で、又は2つの軸上で行えることが明らかである。しかしながら、これまでは、レンズアレイと画素化された光源との正確な位置合わせ、及び(数ミクロンの、或いは10ミクロン又はそれ未満の程度の)小さな画素サイズの達成可能性が、高精細3Dディスプレイを形成するために必要な指向性光変調能力を生み出すことができる指向性光変調器の実現を妨げてきた。本発明では、QPI装置の発光マイクロ画素アレイを利用することによって高い画素分解能が実現され、これにより10ミクロン未満の画素ピッチを達成することができ、ウェハレベルオプティクスにより、1ミクロン未満とすることができるレンズアレイの高精度の位置合わせが可能になる。これにより、この空間光学型光変調器は、高精細3Dディスプレイを実現するのに十分な空間的及び方向的変調分解能を達成できるようになる。   It will be apparent to those skilled in the art that directional modulation by the lens can be performed on a single axis or on two axes by selecting the lens type (ie, lenticular lens array or biaxial lens array). Until now, however, the precise alignment of the lens array with the pixelated light source and the feasibility of a small pixel size (on the order of a few microns, or even 10 microns or less) has been achieved with high definition 3D displays. This has hindered the realization of a directional light modulator capable of producing the directional light modulation capability necessary for forming the directional light. In the present invention, high pixel resolution is achieved by utilizing the light emitting micropixel array of the QPI device, which can achieve a pixel pitch of less than 10 microns, and by wafer level optics can be less than 1 micron. It is possible to position the lens array with high accuracy. This allows the spatial optical light modulator to achieve sufficient spatial and directional modulation resolution to achieve a high definition 3D display.

図6及び図7に、本発明の例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態を示す図6を参照して分かるように、画素グループGi内の各個々の画素から出射された光は、QPI装置の発光面から、3つの光学素子610、620及び630を含むマイクロレンズの出射孔に進む。画素グループGi内の各個々の画素から出射された光は、平行化され拡大されてWLOマイクロレンズアレイ220の出射孔を満たし、Θ=±15°の角度発散内で特定の方向に横断するようになる。基本的に、WLOマイクロレンズアレイ220は、QPI装置を含む2次元画素グループGiの個々の画素から出射された光を、WLOマイクロレンズアレイ220のΘ=±15°の角度発散によって定められる3次元体積内の個々の方向にマッピングする。 6 and 7 show an exemplary embodiment of the present invention. As can be seen with reference to FIG. 6 illustrating this exemplary embodiment, the light emitted from each individual pixel in the pixel group G i is separated from the light emitting surface of the QPI device by three optical elements 610, 620 and Proceed to the exit hole of the microlens containing 630. The light emitted from each individual pixel in the pixel group Gi is collimated and expanded to fill the exit hole of the WLO microlens array 220 and traverse in a specific direction within an angle divergence of Θ = ± 15 °. become. Basically, the WLO microlens array 220 has a three-dimensional structure in which light emitted from individual pixels of the two-dimensional pixel group Gi including the QPI device is determined by an angle divergence of Θ = ± 15 ° of the WLO microlens array 220. Map to individual directions within the volume.

例示的な実施形態を示す図6及び図7を参照して分かるように、多数の光学素子610、620及び630は、互いに対して、及びQPI装置画素グループG1,G2,...,GNの関連するアレイに対して正確に位置合わせされるマイクロレンズアレイ層710、720及び730を形成するように作製される。図7に示す例示的な実施形態は、QPI装置210、及び関連するQPI装置カバーガラス760も含む。光学系610、620及び630の設計では、QPI装置カバーガラス760の発光面の画像を取得するためにQPI装置カバーガラス760の厚み及び光学特性を考慮する。図7の例示的な実施形態は、空間光学型指向性光変調器の完全なアセンブリを示す。図7に示す本発明の空間光学型指向性光変調器のこの例示的な実施形態の典型的な全厚は5ミリメートル未満になる。指向性光変調器のこのようなコンパクト性は、先行技術の指向性光変調技術では恐らく達成不可能である。 As can be seen with reference to FIGS. 6 and 7, which illustrate exemplary embodiments, a number of optical elements 610, 620, and 630 are connected to each other and to the QPI device pixel groups G 1 , G 2 ,. . . They are made to form a microlens array layer 710, 720 and 730 are accurately aligned with respect to the relevant array of G N. The exemplary embodiment shown in FIG. 7 also includes a QPI device 210 and an associated QPI device cover glass 760. In designing the optical systems 610, 620, and 630, the thickness and optical characteristics of the QPI device cover glass 760 are taken into account in order to acquire an image of the light emitting surface of the QPI device cover glass 760. The exemplary embodiment of FIG. 7 shows a complete assembly of a spatial optical directional light modulator. The typical overall thickness of this exemplary embodiment of the inventive spatial optical directional light modulator shown in FIG. 7 is less than 5 millimeters. Such compactness of directional light modulators is probably not achievable with prior art directional light modulation techniques.

図8及び図9に、空間光学型指向性光変調器の動作原理を示す。図8には、画素グループGiの1つの軸に沿ったサイズが便宜上n=2mとなるように選択した、QPI装置の発光画素の(n×n)の2次元アレイで構成された変調グループGiのうちの1つの例示的な実施形態を示している。図8を参照して分かるように、画素グループGiによって達成できる方向変調アドレス指定能力は、変調グループGiを含む画素の、2つの軸x及びyの各々に沿ったmビットのワードを使用したアドレス指定能力を通じて実現される。図9には、QPI装置の画素グループGiを含む(n×nの)画素から出射された光の、例示的な実施形態600などの関連するWLOマイクロレンズの角度発散±Θにより定められる3次元体積内の個々の方向へのマッピングを示している。説明例として、QPI装置の個々の画素の寸法が(5×5)ミクロンであり、QPI装置の画素グループが(n×n)=(28×28)=(256×256)の画素アレイで構成され、関連するWLOマイクロレンズの角度発散がΘ=±15°である場合、QPI装置の発光面におけるサイズが(1.28×1.28)ミリメートルのQPI装置の2次元変調画素グループGiの各々からは、Θ=±15°の角度発散に及ぶ(256)2=65,536個の個別にアドレス指定可能な指向性光ビームを生成することが可能であり、これにより各65,536方向に生成される光は、典型的には各画素の色成分の比較的高い周波数パルス幅変調を使用して、その色及び強度も個別に変調することができるが、必要に応じて比例制御などの他の制御法を使用することもできる。 FIG. 8 and FIG. 9 show the operating principle of the spatial optical directional light modulator. FIG. 8 shows a modulation group composed of an (n × n) two-dimensional array of light-emitting pixels of a QPI device, which is selected so that the size along one axis of the pixel group Gi is n = 2 m for convenience. It illustrates one exemplary embodiment of the G i. As can be seen with reference to FIG. 8, the directional modulation addressability that can be achieved by the pixel group Gi is the address of the pixel containing the modulation group Gi using an m-bit word along each of the two axes x and y. Realized through designated ability. FIG. 9 shows the three-dimensionality defined by the angular divergence ± Θ of the associated WLO microlens, such as exemplary embodiment 600, of light emitted from (n × n) pixels including the pixel group Gi of the QPI device. A mapping to individual directions within the volume is shown. As an illustrative example, a pixel array in which the individual pixel dimensions of the QPI device are (5 × 5) microns and the pixel group of the QPI device is (n × n) = (2 8 × 2 8 ) = (256 × 256). And the associated WLO microlens has an angle divergence of Θ = ± 15 °, the QPI device's two-dimensional modulation pixel group G of size (1.28 × 1.28) millimeters at the light emitting surface of the QPI device. From each of i , it is possible to generate (256) 2 = 65,536 individually addressable directional light beams spanning an angular divergence of Θ = ± 15 °, thereby producing 65, The light generated in the 536 direction can also be modulated individually with its color and intensity, typically using a relatively high frequency pulse width modulation of the color components of each pixel, but proportionally as needed. Use other control methods such as It is also possible to.

QPI装置ベースの空間光学型指向性光変調器のあらゆる所望の空間的及び方向的変調能力は、これまでの設計例で説明したような方向変調グループGiの(N×M)のアレイを使用して可能になる。例えば、(256)2=65,536の方向的変調分解能をもたらすN=320×M=240の空間的変調分解能を有する空間光学型指向性光変調器を形成することが必要である場合、この空間光学型指向性光変調器は、(320×240)の方向変調グループのアレイを含み、(5×5)ミクロンの画素サイズを有するQPI装置を使用する場合には、空間光学型指向性光変調器の全体的なサイズは約41×31cmになる。このような空間光学型指向性光変調器から出射される光は、そのWLOマイクロレンズアレイに関連する角度発散±Θ(例えば、例示的な実施形態600についてはΘ=±15°)内で(320×240)の解像度で空間的に変調し、65,536の解像度で方向的に変調することができ、また各方向における色及び強度を変調することもできる。 Any desired spatial and directional modulation capability of a QPI device based spatial optical directional light modulator uses an (N × M) array of directional modulation groups Gi as described in previous design examples. It becomes possible. For example, if it is necessary to form a spatial optical directional light modulator having a spatial modulation resolution of N = 320 × M = 240 resulting in a directional modulation resolution of (256) 2 = 65,536, this The spatial optical directional light modulator includes an array of (320 × 240) directional modulation groups, and when using a QPI device having a pixel size of (5 × 5) microns, the spatial optical directional light modulator. The overall size of the modulator will be about 41 × 31 cm. Light emitted from such a spatial optical directional light modulator is within the angular divergence ± Θ associated with the WLO microlens array (eg, Θ = ± 15 ° for the exemplary embodiment 600) ( 320 × 240) and spatially modulated with 65,536 resolution, and the color and intensity in each direction can be modulated.

ウェハレベルのマイクロレンズアレイの角度発散±Θ内の個別にアドレス指定可能な方向の数という面から見た光変調器の方向変調の解像度は、発光マイクロエミッタアレイQPI装置の画素ピッチを選択すること、又はウェハレベルのマイクロレンズアレイのレンズピッチを選択すること、或いはこれらの2つの組み合わせによって決まる。当業者には、図6に示すようなレンズシステムを、より広い又は狭い角度発散±Θを可能にするように設計できることが明らかである。当業者には、あらゆる所望の方向的変調分解能を生じるように各変調グループGi内の画素の数を少なく又は多くできることも明らかである。 The resolution of the directional modulation of the light modulator in terms of the number of individually addressable directions within the angular divergence ± Θ of the wafer level microlens array selects the pixel pitch of the light emitting microemitter array QPI device. Or by selecting the lens pitch of the wafer-level microlens array, or a combination of the two. It will be apparent to those skilled in the art that a lens system such as that shown in FIG. 6 can be designed to allow for wider or narrower angular divergence ± Θ. It will be apparent to those skilled in the art that the number of pixels in each modulation group G i can be reduced or increased to produce any desired directional modulation resolution.

このような空間光学型指向性光変調器は、使用するQPI装置の総画素分解能に応じて、多数のQPI装置を含むタイル状アレイを用いて実装することができる。例えば、画素分解能が(1024×1024)のQPI装置を使用する場合、このような各QPI装置を使用して、(2×2)の変調グループGiのアレイを実現することができ、また図11に示すこのようなQPI装置のタイル状アレイ(3×3)を使用して、(6×6)の空間的光変調分解能及び65,536の方向的光変調分解能を有する空間光学型指向性光変調器が実現されるようになる。   Such a spatial optical directional light modulator can be implemented using a tiled array including a number of QPI devices, depending on the total pixel resolution of the QPI device used. For example, when using a QPI device with a pixel resolution of (1024 × 1024), each such QPI device can be used to realize an array of (2 × 2) modulation groups Gi, and FIG. Using a tiled array (3 × 3) of such QPI devices shown in FIG. 4, a spatial optical directional light having a spatial light modulation resolution of (6 × 6) and a directional light modulation resolution of 65,536 A modulator is realized.

空間光学型指向性光変調器を実装するQPI装置のアレイのタイル配置は、発光QPI装置及びその関連するWLOによって実現できるコンパクト性によって可能になる。例えば、図7に示すような実装では、図7に示すような、幅、高さ及び厚みが5.12×5.12×5ミリメートルのQPI装置/WLOアセンブリを作製すること、又は先の例の(2×2)の変調グループの空間光学型指向性光変調器を実現することが可能になる。発光面の逆側に位置するマイクロボールグリッドアレイ(MBGA)を電気的インターフェイスとするこのようなQPI装置/WLOアセンブリを実装することも可能であり、これによりQPI装置/WLOアセンブリの頂面全体が装置の発光面を構成することが可能になり、これにより多数のこのようなQPI装置/WLOアセンブリをシームレスにタイル配置してあらゆる所望のサイズの空間光学型指向性光変調器を実装することがさらに可能になる。図11は、多数のQPI装置/WLOアセンブリをタイル配置して任意のサイズの空間光学型指向性光変調器を実装することを示す図である。   Tiling of an array of QPI devices that implement a spatial optical directional light modulator is made possible by the compactness that can be achieved by a light emitting QPI device and its associated WLO. For example, an implementation such as that shown in FIG. 7 may produce a QPI device / WLO assembly having a width, height and thickness of 5.12 × 5.12 × 5 millimeters as shown in FIG. (2 × 2) modulation group spatial optical directional light modulator can be realized. It is also possible to implement such a QPI device / WLO assembly with a microball grid array (MBGA) located on the opposite side of the light emitting surface as an electrical interface, so that the entire top surface of the QPI device / WLO assembly is It is possible to configure the light emitting surface of the device so that many such QPI devices / WLO assemblies can be seamlessly tiled to implement any desired size spatial optical directional light modulator. It becomes possible further. FIG. 11 is a diagram illustrating the tiling of multiple QPI devices / WLO assemblies to implement any size spatial optical directional light modulator.

図8及び図9の説明図を参照しながら、空間光学型指向性光変調器の動作原理について説明する。図8には、方向変調にmビットの分解能を使用する、各変調グループGiの2次元アドレス指定能力を示す。上述したように、変調グループGiのn×nアレイ内の(2m×2m)個の個々の画素から出射される光は、その関連するWLO素子により、関連するWLOマイクロレンズの角度発散±Θ内の22mの光方向にマッピングされる。各変調グループGi内の個々の画素の(x、y)次元座標を使用すると、出射される光ビームの角座標(θ、φ)は以下によって与えられる。
The operation principle of the spatial optical directional light modulator will be described with reference to the explanatory diagrams of FIGS. Figure 8 uses a resolution of m bits in the direction modulation, it shows a two-dimensional addressing capability of each modulation group G i. As described above, the light emitted from (2 m × 2 m ) individual pixels in the n × n array of modulation group G i is caused by its associated WLO element to cause the angular divergence of the associated WLO microlens. It is mapped to the light direction of 2 2 m within ± Θ. Using the (x, y) dimensional coordinates of the individual pixels in each modulation group G i , the angular coordinates (θ, φ) of the emitted light beam are given by

式中、角度(θ、φ)は、θ=0における極軸が変調グループGiの発光面のz軸に平行な球面座標であり、m=log2nは、変調グループGiのx及びyの画素分解能を表すために使用されるビット数である。 Where the angles (θ, φ) are spherical coordinates whose polar axis at θ = 0 is parallel to the z axis of the light emitting surface of the modulation group G i , and m = log 2 n is the x and x of the modulation group G i The number of bits used to represent the pixel resolution of y.

空間光学型指向性光変調器の空間分解能は、全体的な空間光学型指向性光変調器を含む変調グループの2次元アレイ内の個々の変調グループGiの各々の座標によって単純に定められる。当然ながら、1つのグループの画素と隣接グループのマイクロレンズとの間には多少のクロストークが存在する。しかしながら、このクロストークは、以下の設計態様によって実質的に低減される。第1に、QPI装置の本質的に平行な発光により、通常、QPI装置の画素から出射された光は、QPI装置の画素が発光ダイオードである場合には±17°の円錐形に、或いはQPI装置の画素がレーザーダイオードである場合には±5°の円錐形に限定される。従って、図6に示すように、ウェハレベルオプティクス(WLO)のコリメートレンズ素子をQPI装置のカバーガラス660の近傍に配置すると、各変調グループのエッジ画素から出射される光の大部分は、その関連するWLOレンズ素子600に限定されるようになる。第2に、さらなる対策として、WLOマイクロレンズアレイの隣接するレンズ間の光の漏出(クロストーク)をさらに避けるために、各画素グループの少数(いくつか)のエッジ画素をオフにする。例えば、画素が発光ダイオードであるQPI装置の発光が±17°に限定されており、第1のマイクロレンズ素子が図6に示すように近接して配置されているとすれば、シミュレーションにより、5画素しか含まない変調グループの外縁部周囲のダークリングがクロストークを1%未満に低減することが分かっている。QPI装置の画素がレーザーダイオードである場合、QPI装置の画素発光は、さらに狭い±5°の円錐形に限定されるので、オフにする必要がある画素の数はさらに減少し、その必要がない場合さえもある。最終的に、アレイ内のQPI装置内のアクティブな画素間に、いくつかの(少数の)非アクティブな、ブランクの、又は常時消灯する画素の位置が生じることがある。当然ながら、必要に応じて邪魔板及び/又は帯域制限用光分散器を使用することもできるが、これらは光変調器の設計を複雑化し、過剰な光損失を引き起こす傾向にある。 The spatial resolution of the spatial optical type directional light modulator is simply defined by the individual each of the coordinates of the modulation group G i in a two-dimensional array of modulating groups include the entire spatial optical type directional light modulator. Of course, there is some crosstalk between one group of pixels and an adjacent group of microlenses. However, this crosstalk is substantially reduced by the following design aspects. First, due to the essentially parallel emission of the QPI device, the light emitted from the pixels of the QPI device typically has a ± 17 ° conical shape if the QPI device pixel is a light emitting diode, or QPI When the pixel of the device is a laser diode, it is limited to a cone of ± 5 °. Therefore, as shown in FIG. 6, when the collimating lens element of the wafer level optics (WLO) is arranged in the vicinity of the cover glass 660 of the QPI device, most of the light emitted from the edge pixel of each modulation group is related to it. The WLO lens element 600 is limited. Second, as a further measure, a small number (some) edge pixels in each pixel group are turned off to further avoid light leakage (crosstalk) between adjacent lenses of the WLO microlens array. For example, if the light emission of a QPI device whose pixel is a light-emitting diode is limited to ± 17 °, and the first microlens elements are arranged close to each other as shown in FIG. It has been found that a dark ring around the outer edge of a modulation group containing only pixels reduces crosstalk to less than 1%. If the pixels of the QPI device are laser diodes, the pixel emission of the QPI device is limited to a narrower ± 5 ° cone so that the number of pixels that need to be turned off is further reduced and not necessary. There are even cases. Eventually, some (few) inactive, blank or permanently extinguished pixel locations may occur between active pixels in the QPI devices in the array. Of course, baffles and / or band limiting optical dispersers can be used if desired, but these tend to complicate the design of the light modulator and cause excessive light loss.

図10に、本発明の空間光学型指向性光変調器のデータ処理ブロック図の例示的な実施形態を示す。空間光学型指向性光変調器への入力データは複数のビットワードでフォーマットされ、これにより各入力されるワードは、1つのフィールドが、空間光学型指向性光変調器を含む変調グループアレイ内の変調グループGiのアドレスであり、残りの2つのデータフィールドが、その変調グループから出射される光のデータ表現を色、強度及び方向に関して提供する3つのデータフィールドを含むようになる。図10を参照して分かるように、データ処理ブロック120は、入力データの変調グループアドレスフィールドを復号し、指定された変調グループに関連するQPI装置に光変調データフィールドをルーティングする。データ処理ブロック130は、ルーティングされた変調グループアドレスフィールドを復号し、指定された変調グループのアドレスにマッピングする。データ処理ブロック140は、方向変調データフィールドを復号し、変調グループ内の指定された画素アドレスのアドレスにマッピングする。データ処理ブロック150は、結果として得られた画素アドレスを、入力データの関連する光強度及び色データフィールドに結び付ける。データ処理ブロック160は、指定された画素アドレスを復号し、空間光学型指向性光変調器を含む指定されたQPI装置内の指定された画素に光変調データをルーティングする。   FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a data processing block diagram of the spatial optical directional light modulator of the present invention. The input data to the spatial optical directional light modulator is formatted with a plurality of bit words, whereby each input word is stored in a modulation group array in which one field includes the spatial optical directional light modulator. The address of the modulation group Gi, the remaining two data fields will contain three data fields that provide a data representation of the light emitted from that modulation group in terms of color, intensity and direction. As can be seen with reference to FIG. 10, data processing block 120 decodes the modulation group address field of the input data and routes the optical modulation data field to the QPI device associated with the specified modulation group. Data processing block 130 decodes the routed modulation group address field and maps it to the address of the designated modulation group. Data processing block 140 decodes the directional modulation data field and maps it to the address of the designated pixel address in the modulation group. Data processing block 150 binds the resulting pixel address to the associated light intensity and color data field of the input data. The data processing block 160 decodes the specified pixel address and routes the light modulation data to the specified pixel in the specified QPI device that includes the spatial optical directional light modulator.

方向変調を表すために16ビットを使用し、各方向における変調された光強度及び色を表すために24ビットを使用した際には、各変調グループの変調データワードを表す総ビット数は40ビットになる。空間光学型指向性光変調器を構成する変調グループを連続的にアドレス指定するために、このような40ビットのワードを空間光学型指向性光変調器に入力し、すなわち連続アドレス指定を使用して変調グループデータの40ビットワードを入力することを、一般性を失わずに仮定した場合、図10のブロック120は、この連続的に入力されたデータワードを指定のQPI装置にルーティングする役割を担うようになる。図10のブロック130は、指定された変調グループに変調データをルーティングする役割を担うようになる。図10のブロック140は、16ビットの方向変調データフィールドを、指定された変調グループと共に指定された画素アドレスにマッピングする役割を担うようになる。図10のブロック150は、24ビットの光強度及び色データを、マッピングされる画素グループアドレスに結び付ける役割を担うようになる。図10のブロック160は、24ビットの光強度及び色変調データを、空間光学型指向性光変調器を含む指定されたQPI装置内の指定された画素にルーティングする役割を担うようになる。この40ビットワードの連続データ入力の例示的なデータ処理フローでは、空間光学型指向性光変調器が、その開口部から出射される光の強度、色及び方向を、その入力データ内の符号化された情報に基づいて変調する。一例として、光強度及び色変調は、多色画素のオン/オフ時間をパルス幅変調して光の平均強度を制御し、結果的に得られる色を構成する各色成分の強度を制御することであってもよいが、必要に応じて他の制御法を使用することもできる。いずれにせよ、方向及び強度が制御され、多色システムでは、色、方向及び強度が制御される。   When 16 bits are used to represent directional modulation and 24 bits are used to represent the modulated light intensity and color in each direction, the total number of bits representing the modulation data word for each modulation group is 40 bits. become. In order to continuously address the modulation groups that make up the spatial optical directional light modulator, such a 40-bit word is input to the spatial optical directional light modulator, that is, using continuous addressing. Assuming that a 40-bit word of modulation group data is input without loss of generality, block 120 of FIG. 10 is responsible for routing this continuously input data word to a designated QPI device. Come to bear. Block 130 of FIG. 10 is responsible for routing the modulation data to the designated modulation group. Block 140 of FIG. 10 is responsible for mapping the 16-bit directional modulation data field to the specified pixel address along with the specified modulation group. Block 150 of FIG. 10 will be responsible for linking the 24-bit light intensity and color data to the mapped pixel group address. Block 160 of FIG. 10 will be responsible for routing the 24-bit light intensity and color modulation data to a designated pixel in a designated QPI device that includes a spatial optical directional light modulator. In this exemplary data processing flow for continuous data input of 40-bit words, a spatial optical directional light modulator encodes the intensity, color, and direction of light emitted from the aperture into the input data. Modulate based on the information. As an example, light intensity and color modulation are performed by controlling the average intensity of light by pulse width modulating the on / off time of multicolor pixels, and controlling the intensity of each color component constituting the resulting color. There may be, but other control methods may be used as required. In any case, direction and intensity are controlled, and in a multicolor system, color, direction and intensity are controlled.

考えられる用途:
本発明の空間光学型指向性光変調器は、3Dディスプレイを実装するための液晶ディスプレイ(LCD)のバックライトとして使用することができる。この空間光学型指向性光変調器を単独で使用して、例えば図11に示すような多数のQPI装置/WLOアセンブリのタイル状アレイとして実現される任意のサイズの3Dディスプレイを実装することができる。光変調器は、2D高解像度ディスプレイとして動作することもできる。この場合、QPI装置の個々の画素を使用して色及び強度を変調し、その統合されたWLOを使用してディスプレイの視野角を満たす。光変調器の入力データのフォーマットを所望の動作モードに見合うように適合させることにより、光変調器を2Dディスプレイモードから3Dディスプレイモードに切り換えることも可能である。光変調器を2Dディスプレイとして使用する場合、その光の角度発散は、WLOマイクロレンズアレイ±Θに関連するものになり、個々の変調グループGiの画素分解能を利用して高空間分解能を達成する。
Possible uses:
The spatial optical directional light modulator of the present invention can be used as a backlight of a liquid crystal display (LCD) for mounting a 3D display. This spatial optical directional light modulator can be used alone to implement any size 3D display implemented as a tiled array of multiple QPI devices / WLO assemblies, for example as shown in FIG. . The light modulator can also operate as a 2D high resolution display. In this case, the individual pixels of the QPI device are used to modulate the color and intensity, and the integrated WLO is used to fill the viewing angle of the display. It is also possible to switch the light modulator from 2D display mode to 3D display mode by adapting the format of the input data of the light modulator to match the desired mode of operation. When the light modulator is used as a 2D display, the angular divergence of the light is related to the WLO microlens array ± Θ and achieves high spatial resolution utilizing the pixel resolution of the individual modulation groups Gi.

図12に、別の実施形態である時空間光学型指向性光変調器を概念的に示す。図12に示すように、この指向性光変調器は、発光面上にWLOマイクロレンズアレイ(MLA)220を直接搭載した発光マイクロアレイQPI装置210で構成され、アセンブリ全体が、少なくとも1つの軸を中心に、好ましくはそのx軸及びy軸を中心に±αx及び±αyの範囲内の角度だけ時間的に関節運動する。図12に示すようなQPI/MLAアセンブリ230の関節運動は、アセンブリ全体を2軸ジンバル上に配置することにより、ジンバルのx軸を±αxの範囲内の角度だけ時間的に作動させ、ジンバルのy軸を±αyの範囲内の角度だけ時間的に作動させることによって達成される。2軸ジンバルによって実現されるx軸及びy軸の時間的関節運動は、QPI/MLAアセンブリ230から出射される光の方向変調角を、MLA220のマイクロレンズ素子(図4を参照)により提供される角度範囲を越えてx軸を中心に2αxだけ、及びy軸を中心に2αyだけ時間的に拡大するようになる。本明細書では、ジンバル及び2軸ジンバルという単語は一般的な意味で使用され、常にいずれかの2本の直交する軸の一方又は両方を中心とする少なくとも制限された角度を通じた回転を可能にするあらゆる構造を意味する。従って、定義には、この能力を提供する同心リング、球継ぎ手及びその他のいずれかの構造が含まれる。 FIG. 12 conceptually shows a spatio-temporal optical directional light modulator which is another embodiment. As shown in FIG. 12, this directional light modulator is composed of a light emitting microarray QPI device 210 in which a WLO microlens array (MLA) 220 is directly mounted on a light emitting surface, and the entire assembly is centered on at least one axis. Preferably, the articulation is performed temporally about the x and y axes by an angle within a range of ± α x and ± α y . The articulation of the QPI / MLA assembly 230 as shown in FIG. 12 can be accomplished by placing the entire assembly on a two-axis gimbal so that the x-axis of the gimbal is actuated over time by an angle within a range of ± α x. This is accomplished by operating the y-axis of the time by an angle in the range of ± α y . The x-axis and y-axis temporal articulation achieved by the two-axis gimbal is provided by the MLA 220 microlens element (see FIG. 4), the directional modulation angle of the light emitted from the QPI / MLA assembly 230. Beyond the angular range, it expands in time by 2α x around the x axis and by 2α y around the y axis. In this specification, the terms gimbal and two-axis gimbal are used in a general sense and always allow rotation through at least a limited angle about one or both of any two orthogonal axes. Means any structure that does. The definition thus includes concentric rings, ball joints and any other structure that provides this capability.

図12に示すようなQPI/MLAアセンブリ230のx軸及びx軸の関節運動により、方向(d1,d2,...,dn)に出射される光は、MLA220のレンズ素子によって与えられる角度範囲に、x方向に2αx、y方向に2αyを加えた範囲まで広がる多数の光方向(d1i,d2i,...,dni);i=1,2,...,に時間的に多重化される。このことを、1つの関節運動軸に沿ったQPI/MLAアセンブリ230の角度的発光範囲の時間的拡大を示す図13Aに例示目的で示す。図13Aにおいて、角度Θは、MLA220の1つのレンズ素子の角度範囲を表し、角度αは、ジンバルがx軸及びy軸を中心にそれぞれ角度αx(t)及びαy(t)だけ関節運動した結果としてのレンズ素子の瞬時的複合関節運動角を表す。図12に示すとともに図13Aにより説明するQPI/MLAアセンブリ230の関節運動により、QPI駆動回路を通じて個別にアドレス指定可能なQPI装置210の発光マイクロスケールアレイ内の画素は、空間的、彩色的及び方向的に変調された光を出射できるようになり、これにより方向的に変調された光の角度範囲は、MLA220のレンズ素子の角度範囲Θ(又は開口数)を越えてx方向に角度2αx及びy方向に角度2αyだけ時間的に拡張される。さらに、時空間光学型指向性光変調器200の時間的関節運動により、変調された光方向(d1,d2,...,dn)の数が、(Θ+αx)(Θ+αy)/Θ2として表される各関節運動の方向に、角度範囲が拡張する割合だけ時間的に増加する。 The light emitted in the directions (d 1 , d 2 ,..., D n ) by the x-axis and x-axis joint movement of the QPI / MLA assembly 230 as shown in FIG. A number of light directions (d 1i , d 2i ,..., D ni ) extending to a range of 2α x in the x direction and 2α y in the y direction, i = 1, 2,. . . Are multiplexed in time. This is illustrated by way of example in FIG. 13A, which shows the temporal expansion of the angular emission range of the QPI / MLA assembly 230 along one articulation axis. In FIG. 13A, the angle Θ represents the angle range of one lens element of the MLA 220, and the angle α is the joint motion of the gimbal by angles α x (t) and α y (t) about the x-axis and y-axis, respectively. As a result, the instantaneous complex joint motion angle of the lens element is represented. Due to the articulation of the QPI / MLA assembly 230 shown in FIG. 12 and illustrated by FIG. 13A, the pixels in the light emitting microscale array of the QPI device 210, individually addressable through the QPI drive circuit, are spatial, chromatic and directional. The angle range of the directionally modulated light exceeds the angle range Θ (or numerical aperture) of the lens element of the MLA 220 and the angle 2α x and x in the x direction. It is expanded in time in the y direction by an angle 2α y . Furthermore, the number of light directions (d 1 , d 2 ,..., D n ) modulated by the temporal joint movement of the spatio-temporal optical directional light modulator 200 is (Θ + α x ) (Θ + α y ). In each articulation direction, expressed as / Θ 2 , increases in time by the rate at which the angular range expands.

時空間光学型指向性光変調器200のQPI/MLAアセンブリ230の2軸関節運動は、時間的に連続するものであっても、又は不連続(段階的)なものであってもよい。図13Bに、関節運動が時間的に連続する場合1310、及び作動が時間的に不連続な場合1320の、1つの軸におけるQPI/MLAアセンブリ230の複合的な時間的関節運動角α(t)を例示目的で示す。時空間光学型指向性光変調器200の時間的関節運動が不連続又は段階的である場合(1320)、典型的な角度ステップのサイズは、MLA220の角度範囲Θと、QPI/MLAアセンブリ230の空間分解能との比率に比例することが好ましい。図13A及び図13Bに示すように、通常、時空間光学型指向性光変調器のQPI/MLAアセンブリ230の時間的関節運動は、2軸の各々を中心とした反復的(又は周期的)で単独的ものになる。通常、時空間光学型光変調器の関節運動の反復周期は、ディスプレイの入力データフレームの持続時間に比例してこれと同期する(参考までに、典型的なディスプレイへの画像入力データは毎秒60フレームで到来し、しばしば60Hzフレームレート入力と呼ばれる)。時空間光学型光変調器により提供される拡張された角度範囲は、図13A及び図13Bに示す時間的関節運動の最大値±αxmaxによって決まり、MLA220のレンズ素子の角度範囲をΘとする値±(Θ+αxmax)によって求められる。通常、x軸及びy軸の関節運動の周期性は、時空間光学型指向性光変調器200の所望の拡張された角度範囲の時間的範囲が、必要なディスプレイの入力フレームレート内に収まるようにまとめて選択される。 The biaxial articulation of the QPI / MLA assembly 230 of the spatio-temporal optical directional light modulator 200 may be temporally continuous or discontinuous (stepwise). FIG. 13B shows the combined temporal articulation angle α (t) of the QPI / MLA assembly 230 in one axis when the articulation is continuous in time 1310 and when the actuation is discontinuous in time 1320. Are shown for illustrative purposes. If the temporal articulation of the spatio-temporal optical directional light modulator 200 is discontinuous or stepped (1320), the typical angular step size is the angular range Θ of the MLA 220 and the QPI / MLA assembly 230. It is preferable to be proportional to the ratio with the spatial resolution. As shown in FIGS. 13A and 13B, the temporal articulation of the QPI / MLA assembly 230 of a spatio-temporal optical directional light modulator is typically repetitive (or periodic) about each of the two axes. It will be alone. Usually, the repetitive period of articulation of the spatio-temporal optical modulator is synchronized with this in proportion to the duration of the input data frame of the display (for reference, image input data to a typical display is 60 per second. Coming in frames, often referred to as 60Hz frame rate input). The extended angle range provided by the spatio-temporal optical modulator is determined by the maximum value ± α xmax of the temporal joint motion shown in FIGS. 13A and 13B, and the angle range of the lens element of the MLA 220 is Θ. It is obtained by ± (Θ + α xmax ). Typically, the x-axis and y-axis articulation periodicity is such that the temporal range of the desired expanded angular range of the spatio-temporal directional light modulator 200 is within the required display input frame rate. Are selected together.

図12、図13及び図14には、MLAレンズ素子の多数の時間的角度範囲断面520で構成された、時空間光学型指向性光変調器200のQPI/MLAアセンブリ230の角度範囲断面510を示している。QPI/MLAアセンブリ230のx軸及びy軸をそれぞれ中心とした適切に選択された時間的関節運動αx(t)及びαy(t)により、MLA220のレンズ素子の多数の時間的に多重化された角度範囲で構成される角度範囲が生成されるようになる。この角度範囲の断面形状は、QPI/MLAアセンブリ230のx軸及びy軸を中心とした角関節運動αx及びαyの大きさに応じてアスペクト比を適合させることができる。x方向及びy方向を中心とした関節運動速度は、時間的に生成されるこの角度範囲内の光方向が、入力画像データの変調フレーム内に収まる適当な負荷サイクル(変調持続時間)を有することを確実にするのに十分なものとなる。例えば、入力画像データの変調フレームが、一般に60Hz画像フレームレートと呼ばれる60画像フレーム/秒である場合、図14に示す各時間的角度範囲内の各光方向は1フレームにつき1回変調される必要があり、従って図14に示す角度範囲を生成するために必要な関節運動速度は、x軸又はy軸を中心にいずれも少なくとも180Hzになる。換言すれば、図14に示す角度範囲の例では、時間的角度範囲のサイズが各軸における角度範囲のサイズの3倍であり、図14の説明図のx方向又はy方向を中心とした関節運動速度は、入力画像データフレームレートの少なくとも3倍である必要がある。MLAレンズ素子の角度範囲は、重なっていても、又は重なっていなくてもよい。一般に、QPI/MLAアセンブリ230のx軸又はy軸を中心とする関節運動速度は、各軸に沿った角度範囲のサイズ(°単位)と同じ軸に沿った角度範囲のサイズ(°単位)との比率に等しい係数を入力画像データの変調フレームレートに乗じたものに少なくとも等しいものである必要がある。 12, 13 and 14 show an angular range cross-section 510 of the QPI / MLA assembly 230 of the spatio-temporal optical directional light modulator 200 composed of multiple temporal angular range cross-sections 520 of MLA lens elements. Show. Multiple temporal multiplexing of lens elements of MLA 220 with appropriately selected temporal articulations α x (t) and α y (t) about the x and y axes of QPI / MLA assembly 230, respectively. An angle range composed of the set angle ranges is generated. The cross-sectional shape of this angular range can adapt the aspect ratio according to the magnitude of angular joint motions α x and α y about the x-axis and y-axis of the QPI / MLA assembly 230. The joint motion speed around the x and y directions has a suitable duty cycle (modulation duration) in which the light direction within this angular range generated in time fits within the modulation frame of the input image data. It will be sufficient to ensure. For example, if the modulation frame of the input image data is 60 image frames / second, generally called a 60 Hz image frame rate, each light direction within each temporal angle range shown in FIG. 14 needs to be modulated once per frame. Therefore, the articulation speed required to generate the angular range shown in FIG. 14 is at least 180 Hz both about the x-axis or the y-axis. In other words, in the example of the angle range shown in FIG. 14, the size of the temporal angle range is three times the size of the angle range on each axis, and the joint is centered on the x direction or the y direction in the explanatory diagram of FIG. 14. The motion speed needs to be at least three times the input image data frame rate. The angular ranges of the MLA lens elements may or may not overlap. In general, the articulation speed about the x-axis or y-axis of the QPI / MLA assembly 230 is the size of the angular range along each axis (in degrees) and the size of the angular range along the same axis (in degrees). Must be at least equal to the product of the modulation frame rate of the input image data.

図14を参照すると、角度範囲を有し、QPI装置210を構成する多数の画素に対応する多数の方向的に変調された出射光を含む、時空間光学型指向性光変調器200のQPI/MLAアセンブリ230の時間的関節運動では、光ビームのいくつかが時間的に減少した際に、新たな方向的に変調された光ビームの組が、時空間光学型指向性光変調器200の拡張された角度範囲が全てカバーされるまでパイプライン方式で連続的に追加される。関節運動した開口部の範囲内に所与の方向が時間的に留まっている時に、所与の瞬間にQPI/MLAアセンブリ230の全ての発光開口部を利用して、この方向において所望の光ビーム強度を蓄積(変調)する(通常はパルス幅変調によって行われるが、必要に応じて比例制御を使用することもできる)。この多数の方向的に変調される光ビームの時空間光学的なパイプライン方式の結果、時空間光学型光変調器の応答時間を、最小限のレイテンシで画像データ入力速度に見合うようにすることができる。この所与の方向が角度範囲内に留まる継続時間により、その方向の光強度を変調するために利用可能な変調時間が決まり、この結果、拡張された角度範囲の周辺領域内の方向は、補正されない限り角度範囲の内部領域よりも強度が低くなり得る。この強度エッジのテーパ化の効果は、一般に時空間光学型光変調器の場合を除く光学系のエッジで生じるフレネル損失と若干類似しており、このような効果は、時空間光学型指向性光変調器200のQPI/MLAアセンブリ230の時間的関節運動の速度を適切に選択することによって補正することができる。   Referring to FIG. 14, the QPI / s of the spatio-temporal optical directional light modulator 200 having a range of angles and including a number of directionally modulated outgoing lights corresponding to the number of pixels comprising the QPI device 210. In the temporal articulation of the MLA assembly 230, when some of the light beams are reduced in time, a new set of directionally modulated light beams can be used to expand the space-time optical directional light modulator 200. It is continuously added in a pipeline fashion until all the angle ranges covered are covered. When a given direction remains in time within the articulated opening, all the light emitting openings of the QPI / MLA assembly 230 are utilized at a given moment and the desired light beam in this direction. Accumulate (modulate) intensity (usually done by pulse width modulation, but proportional control can be used if desired). As a result of the spatio-temporal optical pipelining of this number of directionally modulated light beams, the response time of the spatio-temporal optical modulator is matched to the image data input speed with minimal latency. Can do. The duration that this given direction stays within the angular range determines the modulation time available to modulate the light intensity in that direction, so that the direction in the peripheral region of the extended angular range is corrected If not done, the intensity can be lower than the inner region of the angular range. The effect of the taper of the intensity edge is somewhat similar to the Fresnel loss that generally occurs at the edge of an optical system except in the case of a spatio-temporal optical modulator. Correction can be made by appropriate selection of the rate of temporal articulation of the QPI / MLA assembly 230 of the modulator 200.

選択肢として、ここでも3×3の例を用いて、1つのレンズ素子のx軸を中心とした角度範囲(半角)をΘxとし、1つのレンズ素子のy軸を中心とした角度範囲をΘyとした場合、αxが2Θxに等しくαyが2Θyに等しければ、関節運動を含む総角度範囲は、1つのマイクロレンズ素子の角度範囲の3倍(2Θxの3倍又は2Θyの3倍)になる。一例として、x軸については、これら3つの連続的な角度範囲は以下のようになる。
(−αx−Θx)〜(−Θx)、
(−Θx)〜(Θx)、及び
(Θx)〜(Θx+αx)。
各角度範囲は、関節運動の角度増分も構成する。
As an option, again, using a 3 × 3 example, the angle range (half angle) around the x-axis of one lens element is Θ x, and the angle range around the y-axis of one lens element is Θ If the y, alpha if x is equal alpha y in 2 [Theta] x equal to 2 [Theta] y, the total angular range including the articulating 3 times or 2 [Theta] y triple (2 [Theta] x angular range of one microlens element 3 times). As an example, for the x-axis, these three consecutive angular ranges are:
(−α x −Θ x ) to (−Θ x ),
(−Θ x ) to (Θ x ), and (Θ x ) to (Θ x + α x ).
Each angular range also constitutes an angular increment of articulation.

各方向の3つの連続する個々の角度範囲は、以下のように2次元角度範囲マトリクスと見なすことができる。
1、2、3
4、5、6
7、8、9
Three consecutive individual angle ranges in each direction can be considered as a two-dimensional angle range matrix as follows.
1, 2, 3
4, 5, 6
7, 8, 9

この選択肢は不連続法であり、すなわち割り当て時間にわたって角度範囲1を表示し、第1の軸を中心に1角度増分だけ進み、同じ割り当て時間にわたって角度範囲2を表示し、また1角度増分だけ進み、割り当て時間にわたって角度範囲3を表示した後で、他軸において1角度増分だけ進んで割り当て時間にわたって範囲6を表示し、この軸において1角度増分だけ戻り、割り当て時間にわたって角度範囲5を表示し、以下同様である。割り当て時間に角度範囲9を表示した後には、9を繰り返す(割り当て時間の2倍にわたって表示し続ける)ことができ、その後、1つの軸における同時に2つ以上の角度増分を避けるために後戻りするが、こうすると、より高い速度を使用しない限りフリッカが発生すると予想される。より良い方法は、角度範囲9から角度範囲1に移行すること、すなわち2つの軸上で同時に2角度増分だけジャンプすることである。しかしながら、2つの軸上における2角度増分のジャンプでは、x軸とy軸が互いに独立し、全ての変化が角度加速の後に角度減速を含み、従って2角度増分の変化のほうが1角度増分の変化よりも平均速度が速くなるので、1つの軸上における1角度増分の角度変化の2倍の長さを取るべきではない。さらなる選択肢は、不連続法と連続法の組み合わせを含むことができる。要するに、多くの選択肢が存在し、これらは全て本発明の範囲に含まれる。   This option is a discontinuous method, i.e. displays angular range 1 over the assigned time, advances by one angular increment around the first axis, displays angular range 2 over the same assigned time, and advances by one angular increment. , After displaying the angular range 3 over the allocated time, advance one angle increment on the other axis to display the range 6 over the allocated time, return on this axis by one angular increment, display the angular range 5 over the allocated time, The same applies hereinafter. After displaying the angular range 9 at the allocation time, 9 can be repeated (and continue to display for twice the allocation time), but then go back to avoid more than one angular increment simultaneously on one axis. In this way, flicker is expected to occur unless a higher speed is used. A better way is to go from angle range 9 to angle range 1, i.e. jump on the two axes simultaneously by two angle increments. However, in a two-angle increment jump on two axes, the x-axis and y-axis are independent of each other, and all changes include angular deceleration after angular acceleration, so a change of two angular increments is a change of one angular increment. The average speed should be faster than that and should not be twice as long as the angular change in one angular increment on one axis. Further options can include a combination of discontinuous and continuous methods. In short, there are many options, all within the scope of the present invention.

本明細書では1500と称する本発明の1つの実施形態を図15に示しており、この図には、この実施形態の等角図、上面図及び側面図が含まれる。図15に示すように、時空間光学型指向性光変調器は、複数のシリコン基板層、すなわちヒンジ層1521、スペーサ層1528及び基層1530を用いて作製された2軸ジンバルアセンブリ1520の上面に、(図12に示す)QPI/MLAアセンブリ230を結合することによって実現される。図15に示すように、2軸ジンバルアセンブリ1520のヒンジ層1521は、外側フレーム1522、内側リング1523、及びQPI/MLAアセンブリ230が結合される内側セグメント1525で構成される(以下、1525を同義的に装置ボンディングパッド1525とも呼ぶ)。外側フレーム1522と、内側リング1523と、内側セグメント1525との間の間隙は、標準的な半導体リソグラフィ法を用いてエッチングされる。内側セグメント1525は、典型的には各々が約0.3〜0.5mm幅の2つのシリコンヒンジ1524により、x軸に沿って内側リング1523に物理的に接続され、これらのシリコンヒンジ1524は、x軸ヒンジの役割を果たすとともにジンバルの中立的なx軸位置も定めて、x軸の関節運動のための機械的抵抗ばねの役割を果たす。内側リング1523は、典型的には各々が約0.3〜0.5mm幅の2つのシリコンヒンジ1526により、y軸に沿って外側フレーム1522に接続され、これらのシリコンヒンジ1526は、y軸ヒンジの役割を果たすとともにジンバルの中立的なy軸位置も定めて、y軸の関節運動のための機械的抵抗ばねの役割を果たす。2対のシリコンヒンジ1524及び1526は、x軸及びy軸の関節運動が行われる中心となる2軸ジンバルの枢動軸を構成する。2軸ジンバルアセンブリ1520のヒンジ層1521の内側セグメント1525は、フリップチップはんだボールなどの標準的なはんだ付け技術を用いてQPI/MLAアセンブリ230が結合される多数のコンタクトパッドを含み、従って内側セグメント1525は、QPI/MLAアセンブリ230が結合されるボンディングパッドになる。2軸ジンバルアセンブリ1520のヒンジ層1521の内側セグメント1525には、x軸及びy軸シリコンヒンジ1524及び1526を介して内側セグメント1525の上面の一連のコンタクトパッドを外側フレーム1522の周辺に沿って配置された一連の装置コンタクトパッド1527に接続する多数の金属レールが埋め込まれる。内側セグメント1525の上面の一連のコンタクトパッドは、QPI/MLAアセンブリ230の裏面に電気的及び物理的に接触するコンタクトパッドである。   One embodiment of the present invention, referred to herein as 1500, is shown in FIG. 15, which includes isometric, top and side views of this embodiment. As shown in FIG. 15, the spatio-temporal optical directional light modulator has a biaxial gimbal assembly 1520 formed using a plurality of silicon substrate layers, that is, a hinge layer 1521, a spacer layer 1528, and a base layer 1530. This is accomplished by combining the QPI / MLA assembly 230 (shown in FIG. 12). As shown in FIG. 15, the hinge layer 1521 of the biaxial gimbal assembly 1520 is composed of an outer frame 1522, an inner ring 1523, and an inner segment 1525 to which the QPI / MLA assembly 230 is coupled (hereinafter 1525 is synonymous). Also referred to as device bonding pad 1525). The gap between the outer frame 1522, the inner ring 1523, and the inner segment 1525 is etched using standard semiconductor lithography methods. Inner segment 1525 is physically connected to inner ring 1523 along the x-axis by two silicon hinges 1524, each typically about 0.3-0.5 mm wide, which silicon hinges 1524 are It acts as an x-axis hinge and also defines a neutral x-axis position for the gimbal and acts as a mechanical resistance spring for x-axis articulation. The inner ring 1523 is connected to the outer frame 1522 along the y-axis by two silicon hinges 1526, each typically about 0.3-0.5 mm wide, which are connected to the y-axis hinges 1526. And the neutral y-axis position of the gimbal is also determined, and it acts as a mechanical resistance spring for y-axis articulation. The two pairs of silicon hinges 1524 and 1526 constitute a pivot axis of a two-axis gimbal serving as a center where the x-axis and y-axis articulations are performed. The inner segment 1525 of the hinge layer 1521 of the biaxial gimbal assembly 1520 includes multiple contact pads to which the QPI / MLA assembly 230 is coupled using standard soldering techniques such as flip chip solder balls, and thus the inner segment 1525. Becomes a bonding pad to which the QPI / MLA assembly 230 is coupled. On the inner segment 1525 of the hinge layer 1521 of the biaxial gimbal assembly 1520, a series of contact pads on the upper surface of the inner segment 1525 are arranged along the periphery of the outer frame 1522 via x-axis and y-axis silicon hinges 1524 and 1526. A number of metal rails that connect to a series of device contact pads 1527 are embedded. A series of contact pads on the top surface of the inner segment 1525 are contact pads that make electrical and physical contact with the back surface of the QPI / MLA assembly 230.

図15の側面図を参照すると、QPI/MLAアセンブリ230が、内側セグメント1525の上面に結合された形で示されている。上述したように、この結合は、はんだ又は共晶ボールグリッドアレイタイプの結合を用いた内側セグメント1525の上面のコンタクトパッドとQPI/MLAアセンブリ230の裏面のコンタクトパッドとの間の電気的及び物理的接点結合である。図15の側面図には、ベンゾシクロブテン(BCB)ポリマー接着などを用いて基層1530の上面及びヒンジ層の裏面にウェハレベルで結合されるスペーサ層1528も示している。スペーサ層1528の高さ(又は厚み)は、内側セグメント1525及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の角部の最大作動角での垂直変位に対応するように選択される。内側セグメント1525の対角線が共に5mmであり、角部における最大関節運動角が15°である場合、スペーサ層1528の厚みは、内側セグメント1525の角部の最大関節運動における垂直変位に対応するために約0.65mmとすべきである。   Referring to the side view of FIG. 15, QPI / MLA assembly 230 is shown coupled to the top surface of inner segment 1525. As described above, this bond is an electrical and physical connection between the contact pad on the top surface of the inner segment 1525 and the contact pad on the back surface of the QPI / MLA assembly 230 using a solder or eutectic ball grid array type bond. Contact coupling. The side view of FIG. 15 also shows a spacer layer 1528 bonded at the wafer level to the top surface of the base layer 1530 and the back surface of the hinge layer using benzocyclobutene (BCB) polymer adhesion or the like. The height (or thickness) of the spacer layer 1528 is selected to correspond to the vertical displacement at the maximum operating angle of the inner segment 1525 and the corners of the coupled QPI / MLA assembly 230. When the inner segments 1525 are both 5 mm diagonal and the maximum articulation angle at the corner is 15 °, the thickness of the spacer layer 1528 is to accommodate the vertical displacement at the maximum articulation at the corner of the inner segment 1525. Should be about 0.65 mm.

図15の側面図を参照すると分かるように、内側セグメント1525及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の関節運動は、内側セグメント1525の裏面の4つの角部に配置された電磁石の組1535、及び内側セグメント1525の裏面の4つの角部と位置合わせされて基層1530の上面に配置された永久磁石1536の組を使用して行われる。電磁石1535は、内側セグメント1525の裏面で多層インプリントリソグラフィを用いてウェハレベルで形成された金属コアを有するコイルである。永久磁石1536は、典型的にはネオジム磁石(Nd214B)などの薄い磁気ストリップである。上述したような、内側セグメント1525及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の関節運動は、内側セグメント1525及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230を上述したように時間的に関節運動させる、電磁石の組1535と永久磁石1536の間の磁力の適切な時間的変動に影響を与えるのに適した時間的振幅変動を有する電気信号で電磁石の組1535を駆動させることによって行われる。上述した、QPI装置210により生成され、内側セグメント1525に組み込まれた金属レール及び接点を介して電磁石の組1535に供給される、電磁石の組1535に対する電気駆動信号は、QPI装置210の画素アレイから出射され強度及び色を変調された光の所望の方向変調を可能にする範囲で、QPI装置210によって行われる画素変調に同期される。電磁石の組1535に対する電気駆動信号の時間的変動は、図15に示すような内側セグメント1525及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230のx軸及びy軸を中心とした時間的角関節運動を可能にするように選択される。通常、本発明の実施形態1500によって実現できる図13Bに示す時間的角関節運動α(t)の最大値±αmaxは、ヒンジ層1521のシリコン基板の厚み、並びにシリコンヒンジ1524及び1526の選択された幅に応じて±15°〜±17°になる。 As can be seen with reference to the side view of FIG. 15, the articulation of the inner segment 1525 and the coupled QPI / MLA assembly 230 includes a set of electromagnets 1535 located at the four corners on the back of the inner segment 1525, and the inner This is done using a set of permanent magnets 1536 aligned with the four corners of the back side of the segment 1525 and placed on the top surface of the base layer 1530. The electromagnet 1535 is a coil having a metal core formed at the wafer level using multilayer imprint lithography on the back surface of the inner segment 1525. The permanent magnet 1536 is typically a thin magnetic strip such as a neodymium magnet (Nd 2 F 14 B). As described above, articulation of inner segment 1525 and coupled QPI / MLA assembly 230 causes electromagnet set 1535 to articulate inner segment 1525 and coupled QPI / MLA assembly 230 in time as described above. This is done by driving the electromagnet set 1535 with an electrical signal having a temporal amplitude variation suitable to affect the appropriate temporal variation of the magnetic force between the magnet and the permanent magnet 1536. The electrical drive signals for the electromagnet set 1535 generated by the QPI device 210 and supplied to the electromagnet set 1535 via the metal rails and contacts incorporated in the inner segment 1525 described above are derived from the pixel array of the QPI device 210. Synchronized with pixel modulation performed by the QPI device 210 to the extent that allows desired direction modulation of the emitted intensity and color modulated light. The temporal variation of the electrical drive signal for the electromagnet set 1535 allows for temporal angular articulation about the x and y axes of the inner segment 1525 and the coupled QPI / MLA assembly 230 as shown in FIG. Selected to do. Typically, the maximum value ± α max of the temporal angular joint motion α (t) shown in FIG. 13B that can be realized by the embodiment 1500 of the present invention is selected by the thickness of the silicon substrate of the hinge layer 1521 and the silicon hinges 1524 and 1526. ± 15 ° to ± 17 ° depending on the width.

上述した、QPI装置210により生成され、内側セグメント1525に組み込まれた金属レール及び接点を介して電磁石の組1535に供給される、電磁石の組1535に対する電気駆動信号は、基本成分及び補正成分で構成される。電磁石の組1535に対する電気駆動信号の基本成分は公称値を表し、補正成分は、シリコンヒンジ1524及び1526と位置合わせされて内側セグメント1525の裏面に配置される4つのセンサの組により生成される角関節運動の誤差値から導出される。これらのセンサは、基層1530の上面に配置された4つのIRエミッタと位置合わせされて内側セグメント1525の裏面に配置された赤外線(IR)検出器のアレイである。これらの4つのIR検出器アレイの出力値は、ここでも上述した内側セグメント1525に組み込まれた金属レール及び接点を介してQPI装置にルーティングされて、導出された関節運動の角度と実際の関節運動の角度の誤差推定値を計算するために使用され、QPIにより供給された駆動信号に対する補正として電磁石の組1535に組み込まれる。内側セグメント1525の裏面に配置されるセンサは、ジンバルの2軸の各々に沿った作動角を検出するように正しく位置合わせされたマイクロスケールジャイロとすることもできる。   The electric drive signal for the electromagnet set 1535 generated by the QPI device 210 and supplied to the electromagnet set 1535 via the metal rails and contacts incorporated in the inner segment 1525 is composed of a basic component and a correction component. Is done. The basic component of the electrical drive signal for electromagnet set 1535 represents a nominal value, and the correction component is the angle generated by the set of four sensors aligned with silicon hinges 1524 and 1526 and placed on the back of inner segment 1525. Derived from joint motion error values. These sensors are an array of infrared (IR) detectors positioned on the back surface of the inner segment 1525 aligned with four IR emitters positioned on the top surface of the base layer 1530. The output values of these four IR detector arrays are routed to the QPI device again through the metal rails and contacts incorporated in the inner segment 1525 described above to obtain the derived articulation angle and actual articulation. And is incorporated into the electromagnet set 1535 as a correction to the drive signal supplied by the QPI. The sensor located on the back surface of the inner segment 1525 can also be a microscale gyro that is correctly aligned to detect the operating angle along each of the two axes of the gimbal.

本明細書では1600と称する本発明の別の実施形態を図16に示す。図16は、この実施形態の等角図及び側面図を含む。図16に示すように、本発明の実施形態1600は、頂部にQPI/MLAアセンブリ230が結合された2軸ジンバルアセンブリ1620で構成される。図16には、実施形態1600の分解等角図も示して、この実施形態の2軸ジンバルアセンブリ1620の構成層を示している。図16に示すように、時空間光学型指向性光変調器は、複数のシリコン基板層、すなわちパッド層1621、ばね層1625及び基層1630を用いて作製された2軸ジンバルアセンブリ1620の上面に、(図12に示す)QPI/MLAアセンブリ230を結合することによって実現される。パッド層1621の上面は、フリップチップはんだボールなどの標準的なはんだ付け技術を用いてQPI/MLAアセンブリ230が結合される多数のコンタクトパッドを含み、従ってパッド層1621の上面は、QPI/MLAアセンブリ230が結合される結合層/コンタクトパッド1623になる。パッド層1621の裏面は、UVインプリントリソグラフィなどを用いてパッド層1621の裏面にポリカーボネート重合体をウェハレベルでエンボス加工することによって形成される球状ピボット1635を含む。パッド層1621及びその裏面にエンボス加工された球状ピボット1635は、ヒンジパッド1621/1635と呼ばれる。この球状ピボット1635の中心の高さによって角偏向のx軸及びy軸の高さが決まる。基層1630の上面は、基層1630の上面においてポリカーボネートポリマをウェハでエンボス加工することにより形成される球状ソケット1636を含む。基層1630及びその上面にエンボス加工された球状ソケット1636は、台座1630/1636と呼ばれる。パッド層1621の裏面に含まれる球状ピボット1635、及び基層1630の上面に含まれる球状ソケット1636の表面曲率は、ヒンジパッド1621/1635が台座1630/1636の頂部に配置された時に2軸関節パッドとなるように±を適合される。球状ピボット1635及び球状ソケット1636のエンボス加工面は、数nmRMS程度の表面粗度の面から見て光学的品質であるが、関節運動に起因して2つの面間で起こり得る摩擦は、球状ピボット1635及び球状ソケット1636の表面を黒鉛の薄層(50〜100nm)でコーティングすることによって低減される。   Another embodiment of the present invention, referred to herein as 1600, is shown in FIG. FIG. 16 includes an isometric view and a side view of this embodiment. As shown in FIG. 16, embodiment 1600 of the present invention comprises a biaxial gimbal assembly 1620 with a QPI / MLA assembly 230 coupled to the top. FIG. 16 also shows an exploded isometric view of the embodiment 1600 showing the layers of the biaxial gimbal assembly 1620 of this embodiment. As shown in FIG. 16, the spatio-temporal optical directional light modulator is formed on the upper surface of a biaxial gimbal assembly 1620 made using a plurality of silicon substrate layers, that is, a pad layer 1621, a spring layer 1625, and a base layer 1630. This is accomplished by combining the QPI / MLA assembly 230 (shown in FIG. 12). The top surface of the pad layer 1621 includes a number of contact pads to which the QPI / MLA assembly 230 is coupled using standard soldering techniques such as flip chip solder balls, and thus the top surface of the pad layer 1621 includes the QPI / MLA assembly. 230 becomes a bonding layer / contact pad 1623 to be bonded. The back surface of the pad layer 1621 includes a spherical pivot 1635 formed by embossing a polycarbonate polymer on the back surface of the pad layer 1621 using UV imprint lithography or the like. The pad layer 1621 and the spherical pivot 1635 embossed on the back side thereof are called hinge pads 1621/1635. The height of the center of the spherical pivot 1635 determines the height of the x-axis and y-axis of angular deflection. The top surface of base layer 1630 includes a spherical socket 1636 formed by embossing a polycarbonate polymer with a wafer on the top surface of base layer 1630. The base layer 1630 and the spherical socket 1636 embossed on the top surface thereof are referred to as a pedestal 1630/1636. The surface curvature of the spherical pivot 1635 included on the back surface of the pad layer 1621 and the spherical socket 1636 included on the top surface of the base layer 1630 is such that when the hinge pad 1621/1635 is placed on top of the pedestal 1630/1636, ± to be adapted. The embossed surfaces of the spherical pivot 1635 and the spherical socket 1636 are of optical quality when viewed from a surface with a surface roughness on the order of several nanometers RMS, but the friction that can occur between the two surfaces due to the joint motion is the spherical pivot. It is reduced by coating the surface of 1635 and spherical socket 1636 with a thin layer of graphite (50-100 nm).

ヒンジパッド1621/1635は、ばね層1625内にエッチングされた単一の螺旋形ばね1626を4つの角部の各々に含むばね層1625により、台座1630/1636の表面曲率の範囲内で適所に保持される。図16の等角分解図に示すように、4つの螺旋形ばねの各々の内端は、パッド層1621の裏面に位置する同一のコンタクトパッド1622に対応する内側ボンディングパッド1627を含む。螺旋形ばね1626には、内側ボンディングパッド1627からの電気インターフェイス信号を、ばね層1625の裏面の周縁部に位置する一連のエッジ接点/パッド1628にルーティングするために使用される複数の金属レールが埋め込まれる。ばね層1625の外端の裏面上のエッジ接点/パッド1628は、基層1630の周縁部に位置する適合するボンディングパッドの組1629に対応する。基層1630の上面上のエッジ接点は、基層内に埋め込まれた金属レールを介して、基層1630の裏面上に位置する装置コンタクトパッドの組1631に接続される。図16の側面図に示す本発明の実施形態1600の最終アセンブリでは、ばね層1625のエッジ接点/パッド1628の裏面が基層1630の上面ボンディングパッド1629に結合し、螺旋形ばね1626の内側ボンディングパッド1627がパッド層1621の裏面の対応するコンタクトパッド1622に結合した時に、4つの螺旋形ばね1626が拡張される。上記で説明したように、ばね層1625がパッド層1621の裏面及び基部層1630の螺旋形ばね1626の上面に結合すると、4つの螺旋形ばねは完全に拡張し、その完全な拡張した構成において、(1)球状ソケット1636内に球状ピボット1635を保持するために必要なばね負荷抵抗を生じること、(2)ヒンジパッド1621/1635の中立位置を維持するのに必要な機械的バランスを生じること、及び(3)装置コンタクトパッド1631からQPI/MLAアセンブリ230の結合層/コンタクトパッド1623に電気インターフェイス信号をルーティングすること、という複数の目的を果たす。図16の側面図を参照すると、QPI/MLAアセンブリ230は、パッド層1621の結合層/コンタクトパッド1623の上面に結合された形で示されている。この結合は、はんだ又は共晶ボールグリッドアレイタイプの結合を用いた結合層/コンタクトパッド1623とQPI/MLAアセンブリ230の裏面のコンタクトパッドとの間の電気的及び物理的接点結合である。この動作構成では、装置アセンブリ1600全体が、基層の裏面に位置するコンタクトパッド1631を用いて基板に、或いははんだ又は共晶ボールグリッドアレイタイプの結合を用いてプリント基板に結合される。   The hinge pad 1621/1635 is held in place within the surface curvature of the pedestal 1630/1636 by a spring layer 1625 that includes a single helical spring 1626 etched into the spring layer 1625 at each of the four corners. Is done. As shown in the isometric exploded view of FIG. 16, the inner end of each of the four helical springs includes an inner bonding pad 1627 corresponding to the same contact pad 1622 located on the back surface of the pad layer 1621. Embedded in the helical spring 1626 is a plurality of metal rails that are used to route electrical interface signals from the inner bonding pad 1627 to a series of edge contacts / pads 1628 located at the periphery of the back surface of the spring layer 1625. It is. The edge contact / pad 1628 on the back surface of the outer edge of the spring layer 1625 corresponds to a matching bonding pad set 1629 located at the periphery of the base layer 1630. Edge contacts on the top surface of base layer 1630 are connected to a set of device contact pads 1631 located on the back surface of base layer 1630 via metal rails embedded in the base layer. In the final assembly of embodiment 1600 of the present invention shown in the side view of FIG. 16, the back side of the edge contact / pad 1628 of the spring layer 1625 is bonded to the top bonding pad 1629 of the base layer 1630 and the inner bonding pad 1627 of the helical spring 1626. Are coupled to corresponding contact pads 1622 on the back side of the pad layer 1621, the four helical springs 1626 are expanded. As explained above, when the spring layer 1625 is bonded to the back surface of the pad layer 1621 and the top surface of the helical spring 1626 of the base layer 1630, the four helical springs are fully expanded, and in their fully expanded configuration, (1) creating the spring load resistance necessary to hold the spherical pivot 1635 within the spherical socket 1636; (2) creating the mechanical balance necessary to maintain the neutral position of the hinge pad 1621/1635; And (3) the multiple purposes of routing electrical interface signals from the device contact pads 1631 to the bonding layer / contact pads 1623 of the QPI / MLA assembly 230. Referring to the side view of FIG. 16, QPI / MLA assembly 230 is shown coupled to the top surface of bonding layer / contact pad 1623 of pad layer 1621. This bond is an electrical and physical contact bond between the bond layer / contact pad 1623 using a solder or eutectic ball grid array type bond and the contact pad on the backside of the QPI / MLA assembly 230. In this operational configuration, the entire device assembly 1600 is bonded to the substrate using contact pads 1631 located on the backside of the base layer, or to the printed circuit board using solder or eutectic ball grid array type bonding.

図16の側面図には、ヒンジパッド1621/1635及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の角部の最大作動角での垂直変位に対応するように選択される球状ソケット1636の拡大された高さも示している。例えば、ヒンジパッド1621/1635及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の対角線が5mmであり、角部における最大作動角が±30°である場合、球状ソケット1636の拡大された高さの厚みは、ヒンジパッド1621/1635及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の角部の最大作動角での垂直変位に対応するために約1.25mmとすべきである。   The side view of FIG. 16 also shows the enlarged height of the spherical socket 1636 selected to accommodate vertical displacement at the maximum operating angle of the corners of the hinge pad 1621/1635 and the coupled QPI / MLA assembly 230. Show. For example, if the diagonal of hinge pad 1621/1635 and the coupled QPI / MLA assembly 230 is 5 mm and the maximum working angle at the corner is ± 30 °, the expanded height thickness of the spherical socket 1636 is Should be about 1.25 mm to accommodate vertical displacement at the maximum operating angle of the corners of hinge pad 1621/1635 and the coupled QPI / MLA assembly 230.

パッド層1621及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の作動は、球状ピボット1635内に埋め込まれた電磁石の組、及び球状ソケット1636内に埋め込まれた永久磁石の組を用いて行われる。上記の段落で説明した作動動作に影響を与えるために、球状ピボット1635に埋め込まれた電磁石には作動電気駆動信号がルーティングされる。球状ピボット1635に埋め込まれた電磁石に対する作動電気駆動信号の基本成分は公称値を表し、角関節運動から導出される補正成分は、パッド層1621の裏面に配置された4つのセンサの組により生成される誤差値を表す。これらのセンサは、基層1630の上面に配置された4つのIRエミッタと位置合わせされてパッド層1621の裏面に配置された赤外線(IR)検出器のアレイである。これらの4つのIR検出器アレイの出力値は、ここでも上述したパッド層1621に組み込まれた金属レール及び接点を介してQPI装置にルーティングされて、導出された関節運動の角度と実際の関節運動の角度の誤差推定値を計算するために使用され、QPI装置により供給された駆動信号への補正として、球状ピボット1635に埋め込まれた電磁石の組に組み込まれる。パッド層1621の裏面に配置されるセンサは、ジンバルの2軸の各々に沿った作動角を検出するように正しく位置合わせされたマイクロスケールジャイロとすることもできる。   Actuation of the pad layer 1621 and the coupled QPI / MLA assembly 230 is performed using a set of electromagnets embedded in a spherical pivot 1635 and a set of permanent magnets embedded in a spherical socket 1636. In order to affect the actuation behavior described in the previous paragraph, an actuation electrical drive signal is routed to the electromagnet embedded in the spherical pivot 1635. The fundamental component of the actuation electrical drive signal for the electromagnet embedded in the spherical pivot 1635 represents a nominal value, and the correction component derived from angular joint motion is generated by a set of four sensors located on the back side of the pad layer 1621. Error value. These sensors are an array of infrared (IR) detectors positioned on the back side of the pad layer 1621 aligned with four IR emitters located on the top surface of the base layer 1630. The output values of these four IR detector arrays are again routed to the QPI device via the metal rails and contacts incorporated in the pad layer 1621 described above to derive the derived articulation angle and actual articulation. Is used to calculate an error estimate of the angle, and is incorporated into the set of electromagnets embedded in the spherical pivot 1635 as a correction to the drive signal supplied by the QPI device. The sensor located on the back side of the pad layer 1621 can also be a microscale gyro that is correctly aligned to detect the operating angle along each of the two axes of the gimbal.

球状ソケット1636に埋め込まれた永久磁石は、典型的にはネオジム磁石(Nd2Fe14B)などの薄い磁気ロッド又はワイヤであり、球状ソケット1636の湾曲したキャビティにわたって均一な磁場を与えるように成形される。上述したような、パッド層1621及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の作動は、パッド層1621及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230を上述したように時間的に関節運動させる、球状ピボット1635に埋め込まれた電磁石の組と球状ソケット1636内に埋め込まれた永久磁石との間の磁力の適切な時間的変動に影響を与えるのに適した時間的振幅変動を有する電気信号で球状ピボット1635に埋め込まれた電磁石の組を駆動させることによって行われる。上述した、QPI装置210により生成され、パッド層1621に組み込まれた金属レール及び接点を介してルーティングされる、球状ピボット1635に埋め込まれた電磁石の組に対する電気駆動信号は、QPI装置の画素アレイから出射され強度及び色を変調された光の所望の方向変調を可能にする範囲で、QPI装置によって行われる画素変調に同期される。球状ピボット1635に埋め込まれた電磁石の組に対する電気駆動信号の時間的変動は、図15に示すようなパッド層1621及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230のx軸及びy軸の両方に沿った時間的角関節運動を可能にするように選択される。通常、本発明の実施形態1600によって実現できる図15に示す時間的角関節運動α(t)の最大値±αmaxは、パッド層1621及び結合されるQPI/MLAアセンブリ230の角部の最大垂直変位を規定する球状ソケット1636の拡張された高さに応じて±30°〜±35°になる。 The permanent magnet embedded in the spherical socket 1636 is typically a thin magnetic rod or wire, such as a neodymium magnet (Nd 2 Fe 14 B), shaped to provide a uniform magnetic field across the curved cavity of the spherical socket 1636. Is done. Actuation of pad layer 1621 and coupled QPI / MLA assembly 230, as described above, is embedded in a spherical pivot 1635 that articulates pad layer 1621 and coupled QPI / MLA assembly 230 in time as described above. Embedded in the spherical pivot 1635 with an electrical signal having a temporal amplitude variation suitable to affect the appropriate temporal variation in magnetic force between the set of electromagnets and the permanent magnet embedded in the spherical socket 1636 This is done by driving a set of electromagnets. The electrical drive signals for the set of electromagnets embedded in the spherical pivot 1635, which are generated by the QPI device 210 and routed through the metal rails and contacts embedded in the pad layer 1621, are derived from the pixel array of the QPI device. Synchronized with pixel modulation performed by the QPI device to the extent that allows desired directional modulation of the emitted intensity and color modulated light. The temporal variation of the electrical drive signal for the set of electromagnets embedded in the spherical pivot 1635 is the time along both the x-axis and y-axis of the pad layer 1621 and the coupled QPI / MLA assembly 230 as shown in FIG. Selected to allow for proper angular joint movement. The maximum value ± α max of the temporal angular joint motion α (t) shown in FIG. Depending on the expanded height of the spherical socket 1636 defining the displacement, it will be ± 30 ° to ± 35 °.

当業者であれば、上記の段落で説明した本発明の実施形態1500及び1600のジンバルアクチュエータを、電磁石及び永久磁石の位置を交換することによって実質的に同じ目的を達成するように実装できることが分かるであろう。   One skilled in the art will appreciate that the gimbal actuators of embodiments 1500 and 1600 of the present invention described in the above paragraph can be implemented to achieve substantially the same purpose by exchanging the positions of the electromagnet and the permanent magnet. Will.

本発明の2つの例示的な実施形態1500及び1600は、主に各々が実現できる時間的角関節運動α(t)の最大値±αmax、及び各実施形態がQPI/MLAアセンブリ230の境界を越えて必要とする外部領域が異なる。第1に、本発明の実施形態1600では、図16に示すように、2軸ジンバルがQPI/MLAアセンブリ230の占有面積に完全に収容される(以下、ゼロエッジの特徴と呼ぶ)のに対し、本発明の実施形態1500では、図15に示すように、2軸ジンバルがQPI/MLAアセンブリ230外側境界の外周に収容される。第2に、実施形態1600が達成できる時間的角関節運動α(t)の最大値±αmaxは、恐らく実施形態1500が実現できるものの2倍になり得る。当然ながら、実施形態1600が達成できる時間的角関節運動α(t)の大きな最大値±αmaxは、実施形態1500よりも大きな鉛直高さを必要とするという犠牲によって得られるものである。実施形態1600のゼロエッジの特徴は、大面積ディスプレイを形成するようにタイル配置するのに適しており、実施形態1500の低プロファイル(低い高さ)の特徴は、モバイル用途のためのコンパクトなディスプレイを形成するのに適している。 The two exemplary embodiments 1500 and 1600 of the present invention mainly include the maximum value ± α max of the temporal angular joint motion α (t) each can achieve, and each embodiment defines the boundaries of the QPI / MLA assembly 230. The required external area is different. First, in the embodiment 1600 of the present invention, as shown in FIG. 16, the biaxial gimbal is completely accommodated in the occupied area of the QPI / MLA assembly 230 (hereinafter referred to as the zero edge feature). In the embodiment 1500 of the present invention, as shown in FIG. 15, the biaxial gimbal is accommodated on the outer periphery of the QPI / MLA assembly 230 outer boundary. Second, the maximum value ± α max of the temporal angular joint motion α (t) that can be achieved by the embodiment 1600 can probably be twice that which the embodiment 1500 can achieve. Of course, the large maximum ± α max of temporal angular joint motion α (t) that can be achieved by the embodiment 1600 is obtained at the expense of requiring a greater vertical height than the embodiment 1500. The zero edge feature of embodiment 1600 is suitable for tiling to form a large area display, and the low profile (low height) feature of embodiment 1500 makes a compact display for mobile applications. Suitable for forming.

MLA220のマイクロレンズシステム610、620及び630の角度範囲Θは、マイクロレンズシステム610、620及び630の屈折面の適切な設計選択を通じて、又はその光学素子の数を増減することにより、図6の例示的な実施形態の±15°より大きくすることも、又は小さくすることもできる。しかしながら、画素変調グループGi内の画素数という観点から見た所与の解像度については、MLA220マイクロレンズシステムの角度範囲Θを変化させると、本発明の時空間光学型指向性光変調器のQPI/MLAアセンブリ230により出射される方向的に変調された光ビーム間の角度分解能(分離)が変化するようになる。例えば、上述した例示的な実施形態のΘ=±15°の角度範囲では、画素グループGiが(128×128)の画素を含む場合、本発明の時空間光学型指向性光変調器のQPI/MLAアセンブリ230により出射される方向的に変調された光ビーム間の角度分解能は、近似的にδΘ=0.23°になる。このδΘ=0.23°という同じ角度分解能値は、MLA220マイクロレンズシステムの角度範囲をΘ=±7.5°に、画素グループGiを構成する画素の数を(64×64)画素に低減することによって達成することもできる。一般に、MLA220のマイクロレンズシステムにより高いF/#(すなわち、より小さな角度範囲の値Θ)を使用すると、より小さな画素変調グループGiのサイズを用いて所与の角度分解能値を達成することができ、この結果、QPI装置210の所与の画素分解能の範囲内でより多くの画素グループGiを形成するためにより多くの画素が利用可能になり、従って本発明の時空間光学型指向性光変調器のQPI/MLAアセンブリ230により達成できる空間分解能よりも高い空間分解能が得られるようになる。この設計上のトレードオフにより、MLA220のマイクロレンズシステムの設計パラメータのF/#と、QPI/MLAアセンブリ230によって達成できる空間分解能との間で適切なバランスを選択することができる。一方、空間分解能を高めるためにMLA220マイクロレンズシステムのF/#を高めると、本発明の時空間光学型指向性光変調器のQPI/MLA230によって達成できる角度範囲が減少する。この時点で、時間的角関節運動α(t)の最大値αmaxは、空間分解能を高めることを選択して失った角度範囲を回復するための設計上のトレードオフの一部になる。上述した例では、関節運動角の最大値αmaxを、αmax=±7.5°となるように選択した場合、本発明の時空間光学型方向変調器は、(64×64)画素の画素グループGiを使用して(αmax+Θ)=±15°の拡張された角度範囲を達成することができる。基本的に、δΘという所与の角度分解能値では、関節運動角の最大値αmaxは、時空間光学型方向変調器によって達成できる方向変調又は空間分解能の角度範囲を増やすために使用できるパラメータとしてトレードオフになる。 The angular range Θ of the microlens systems 610, 620 and 630 of the MLA 220 is illustrated in FIG. 6 through an appropriate design choice of refractive surfaces of the microlens systems 610, 620 and 630, or by increasing or decreasing the number of optical elements thereof. It can be larger or smaller than ± 15 ° of a typical embodiment. However, for a given resolution in terms of the number of pixels in the pixel modulation group G i , changing the angular range Θ of the MLA220 microlens system changes the QPI of the spatiotemporal optical directional light modulator of the present invention. The angular resolution (separation) between the directionally modulated light beams emitted by the / MLA assembly 230 will change. For example, in the angle range of Θ = ± 15 ° of the exemplary embodiment described above, when the pixel group G i includes (128 × 128) pixels, the QPI of the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention. The angular resolution between the directionally modulated light beams emitted by the / MLA assembly 230 is approximately δΘ = 0.23 °. The same angular resolution value of the [Delta] [theta] = 0.23 ° is reduced to MLA220 microlens an angular range Θ = ± 7.5 ° of the system, the number of pixels constituting the pixel group G i in (64 × 64) pixels Can also be achieved. In general, a high F / # (i.e., smaller angle range of values theta) by the microlenses system MLA220 With, to achieve a given angular resolution value using a more size smaller pixel modulation group G i can, as a result, becomes available more pixels by to form more pixel group G i in the range of a given pixel resolution of the QPI device 210, thus the space-optic directional light when the present invention A spatial resolution higher than that achievable by the modulator QPI / MLA assembly 230 will be obtained. This design trade-off allows an appropriate balance to be chosen between the F / # of the design parameters of the MLA 220 microlens system and the spatial resolution that can be achieved by the QPI / MLA assembly 230. On the other hand, increasing the F / # of the MLA220 microlens system to increase the spatial resolution reduces the angular range that can be achieved by the QPI / MLA230 of the spatiotemporal optical directional light modulator of the present invention. At this point, the maximum value α max of the temporal angular joint motion α (t) becomes part of the design trade-off for recovering the angular range lost by choosing to increase the spatial resolution. In the above-described example, when the maximum value α max of the joint motion angle is selected to be α max = ± 7.5 °, the spatio-temporal optical directional modulator of the present invention has (64 × 64) pixels. The pixel group G i can be used to achieve an extended angular range of (α max + Θ) = ± 15 °. Basically, for a given angular resolution value of δΘ, the maximum joint angle α max is a parameter that can be used to increase the angular range of directional modulation or spatial resolution that can be achieved by spatio-temporal optical directional modulators. It becomes a trade-off.

本発明の時空間光学型光変調器は、方向的に変調された多数の光ビームを所与の時点で同時に生成するという点において、走査ミラーを使用して光ビームを時間方向的に変調する先行技術とは1つの非常に重要な側面が異なる。本発明の時空間光学型光変調器の場合、ジンバル付きのQPI/MLAアセンブリ230が関節運動して方向変調分解能及び角度範囲を拡張することにより、多数の方向的に変調された光ビームが時間的に多重化される。上述したように(図14を参照)、ジンバル付きのQPI/MLAアセンブリ230が関節運動すると、光ビームのいくつかが時間的に減少した際に、新たな方向的に変調された光ビームの組が、時間的に一部が抜け落ちたときに、本発明の時空間光学型指向性光変調器200により提供される拡張された角度範囲が全てカバーされるまでパイプライン方式で追加される。従って、QPI/MLAアセンブリ230の関節運動した開口部の範囲内に所与の方向が時間的に留まっている時に、所与の瞬間にジンバル付きQPI/MLAアセンブリ230の全ての発光開口部を利用して、この方向における所望の強度を蓄積する。この多数の方向的に変調される光ビームの時間的なパイプライン方式の結果、本発明の時空間光学型光変調器の応答時間を、最小限のレイテシで画像データ入力速度に見合うようにすることができる。また、本発明の時空間光学型指向性光変調器のジンバル付きQPI/MLAアセンブリ230の関節運動をノンストップパターンで行うことにより、ジンバル付きQPI/MLAアセンブリ230が本発明の時空間光学型光変調器の拡張された角度範囲にわたって関節運動する時に、その発光開口部のブランキングが最低限しか、又は全く行われなくなる。従って、本発明の時空間光学型光変調器により、先行技術の指向性光変調器の応答時間の遅さ、効率の悪さ及び体積の大きさという欠点は実質的に全て解消される。   The spatio-temporal optical modulator of the present invention uses a scanning mirror to modulate a light beam in a time direction in that it generates a number of directionally modulated light beams simultaneously at a given time. One very important aspect differs from the prior art. In the case of the spatio-temporal optical modulator of the present invention, the QPI / MLA assembly 230 with gimbal is articulated to expand the directional modulation resolution and angular range so that a number of directionally modulated light beams can be temporally modulated. Multiplexed. As described above (see FIG. 14), when the QPI / MLA assembly 230 with gimbal is articulated, a new set of directionally modulated light beams when some of the light beams are reduced in time. However, when part of it drops out in time, it is added in a pipeline manner until all of the extended angular range provided by the spatio-temporal optical directional light modulator 200 of the present invention is covered. Thus, when a given direction remains in time within the articulated opening of the QPI / MLA assembly 230, all light emitting openings of the gimbaled QPI / MLA assembly 230 are utilized at a given moment. Then, the desired intensity in this direction is accumulated. As a result of the temporal pipelining of this large number of directionally modulated light beams, the spatio-temporal optical light modulator response time of the present invention is matched to the image data input rate with minimal latency. be able to. Further, the QPI / MLA assembly 230 with gimbal of the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention performs joint movement in a non-stop pattern, so that the QPI / MLA assembly 230 with gimbal is the spatio-temporal optical light of the present invention. When articulating over the extended angular range of the modulator, blanking of the light emitting aperture is minimal or not at all. Thus, the spatio-temporal optical modulator of the present invention substantially eliminates all of the disadvantages of slow response time, inefficiency and volume size of prior art directional light modulators.

図8及び図9に、時空間光学型指向性光変調器の動作原理を示す。図8には、画素グループGiの1つの軸に沿ったサイズが便宜上n=2mとなるように選択した、QPI装置210の発光画素の(n×n)の2次元アレイで構成された画素グループGiのうちの1つの例示的な実施形態を示している。図8を参照して分かるように、画素グループGiによって達成できる方向変調アドレス指定能力は、変調グループGiを構成する(n×n)画素の、2つの軸x及びyの各々に沿ったmビットのワードを使用したアドレス指定能力を通じて実現される。図9には、QPI画素変調グループGiを構成する(n×n)個の画素から出射された光を、図6に示す例示的な実施形態のような関連するMLA220のマイクロレンズ素子の角度範囲Θにより定められる3次元体積内の個々の方向にマッピングしたものを示している。説明例として、QPIの個々の画素の寸法が(5×5)ミクロンであり、QPI画素グループGiが(n×n)=(27×27)=(128×128)の画素アレイで構成され、関連するMLA220のマイクロレンズ素子の角度範囲がΘ=±15°である場合、QPIの発光面におけるサイズ(0.64×0.64)ミリメートルのQPIの2次元変調画素グループGiの各々からは、Θ=±15°の角度範囲に及ぶ(128)2=16,384個の個別にアドレス指定可能な指向性光ビームを生成することが可能であり、これにより各16,384方向に生成される光は、色及び強度も個別に変調することができる。上述したように(図12及び図13Aを参照)、QPI/MLAアセンブリ230が、実施形態1500及び1600の2軸ジンバルを使用して関節運動すると、QPI/MLAアセンブリ230のレンズ素子により提供される方向変調角の範囲が、ジンバルにより提供される最大関節運動角±αmaxによって時間的に拡大される。従って、本発明の時空間光学型指向性光変調器により提供される方向変調角の範囲は、合計で±(Θ+αmax)の角度範囲にわたって時間的に拡大されるようになる。例えば、MLA220のレンズ素子の角度範囲がΘ=±15°であり、最大関節運動角がαmax=±30°の場合、時空間光学型指向性光変調器により提供される拡張された角度範囲は、(Θ+αmax)=±45°になり、この変調器が時間的に生成できる光変調方向は、[n(Θ+αmax)/Θ]2=9×QPI/MLAアセンブリ230により生成できる光変調方向の数(図14を参照)、すなわち、9(128)2=147,456個の光変調方向になる。すなわち、本発明の時空間光学型指向性光変調器により生成できる光変調方向の数は(3n×3n)になり、ここで(n×n)は、QPIの画素数の面から見たMLA220のレンズ素子の1つに関連する画素グループGiのサイズである。従って、この例では、時空間光学型指向性光変調器が、9×QPI/MLAアセンブリ230により提供される方向変調分解能までの拡張された方向変調分解能を提供する。一般に、時空間光学型指向性光変調器により提供される方向変調分解能は、±(Θ+αmax)の角度に及ぶ角度範囲内で[n(Θ+αmax)/Θ]2になる。 8 and 9 show the operation principle of the spatio-temporal optical directional light modulator. FIG. 8 shows a pixel composed of an (n × n) two-dimensional array of light-emitting pixels of the QPI device 210 selected so that the size along one axis of the pixel group Gi is n = 2 m for convenience. It illustrates one exemplary embodiment of the group G i. As can be seen with reference to FIG. 8, m direction modulation addressability achievable by the pixel group Gi is constituting the modulation groups G i of (n × n) pixels, along each of two axes x and y This is accomplished through addressability using a word of bits. 9 shows, the angle of the associated MLA220 microlens element such as the exemplary embodiments which constitute the QPI pixel modulation groups G i the light emitted from the (n × n) pixels shown in FIG. 6 It shows a mapping in individual directions within a three-dimensional volume defined by the range Θ. As an illustrative example, the size of each pixel of the QPI is (5 × 5) microns, and the QPI pixel group G i is a pixel array of (n × n) = (2 7 × 2 7 ) = (128 × 128). Each configured QPI two-dimensional modulation pixel group Gi of size (0.64 × 0.64) millimeters on the light emitting surface of the QPI if the angle range of the configured MLA 220 microlens elements is Θ = ± 15 °. Can generate (128) 2 = 16,384 individually addressable directional light beams spanning an angular range of Θ = ± 15 °, which in each 16,384 directions The light produced can also be individually modulated in color and intensity. As described above (see FIGS. 12 and 13A), the QPI / MLA assembly 230 is provided by the lens elements of the QPI / MLA assembly 230 when articulated using the biaxial gimbal of embodiments 1500 and 1600. The range of directional modulation angles is extended in time by the maximum articulation angle ± α max provided by the gimbal. Accordingly, the range of directional modulation angles provided by the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention is expanded in time over a total angle range of ± (Θ + α max ). For example, when the angle range of the lens element of the MLA 220 is Θ = ± 15 ° and the maximum joint motion angle is α max = ± 30 °, the extended angle range provided by the spatio-temporal optical directional light modulator (Θ + α max ) = ± 45 °, the light modulation direction that this modulator can generate in time is [n (Θ + α max ) / Θ] 2 = 9 × QPI / MLA assembly 230 The number of directions (see FIG. 14), that is, 9 (128) 2 = 147,456 light modulation directions. That is, the number of light modulation directions that can be generated by the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention is (3n × 3n), where (n × n) is the MLA 220 as viewed from the QPI pixel number. Is the size of the pixel group G i associated with one of the lens elements. Thus, in this example, the spatio-temporal optical directional light modulator provides extended directional modulation resolution to the directional modulation resolution provided by the 9 × QPI / MLA assembly 230. In general, the directional modulation resolution provided by a spatio-temporal optical directional light modulator will be [n (Θ + α max ) / Θ] 2 within an angular range spanning ± (Θ + α max ) angles.

上記の設計例で説明したようなQPI画素変調グループGiの(N×M)のアレイを使用すれば、本発明の時空間光学型指向性光変調器の方向変調能力に加えて空間変調も可能になる。例えば、上記の例の(9×128)2=147,456という方向変調分解能を提供するN=16×M=16空間変調分解能を有する本発明の指向性光変調器を形成することが必要である場合、本発明の時空間光学型指向性光変調器は、(16×16)の方向変調グループGiのアレイを含み、(5×5)ミクロンの画素サイズを有するQPIを使用する場合、時空間光学型指向性光変調器全体のサイズは、約10.24×10.24mmになる。上記の例の角度範囲値を使用すると、このような本発明の空間光学型指向性光変調器から出射された光は、(16×16)の解像度で空間変調され、±45°の角度範囲内において147,456の解像度で方向的に変調され、各方向における色及び強度も変調することができる。 If an (N × M) array of QPI pixel modulation groups G i as described in the above design example is used, in addition to the directional modulation capability of the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention, spatial modulation is also possible. It becomes possible. For example, it is necessary to form a directional light modulator of the present invention having N = 16 × M = 16 spatial modulation resolution that provides a directional modulation resolution of (9 × 128) 2 = 147,456 in the above example. In some cases, the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention includes an array of (16 × 16) directional modulation groups G i and uses a QPI having a pixel size of (5 × 5) microns, The total size of the spatio-temporal optical directional light modulator is about 10.24 × 10.24 mm. Using the angle range values of the above example, the light emitted from the spatial optical type directional light modulator of the present invention is spatially modulated with a resolution of (16 × 16), and an angular range of ± 45 °. Are directionally modulated with a resolution of 147,456, and the color and intensity in each direction can also be modulated.

上記の例に示すように、所与の角度範囲内における個別にアドレス指定可能な方向の数という面から見た時空間光学型光変調器の空間及び方向変調分解能は、発光マイクロエミッタアレイQPI装置210の解像度及び画素ピッチ、MLA220レンズ素子のピッチ、MLA220レンズ素子の角度範囲、及び変調器ジンバルの最大関節運動角を選択することによって決まる。当業者には、上記の説明で示した教示に従ってあらゆる所望の空間及び方向変調能力を実現できる時空間光学型指向性光変調器を形成するために、MLAレンズシステムをより広い又はより狭い角度範囲が可能になるように設計することができ、ジンバル設計をより広い又はより狭い関節運動角が可能になるように選択することができ、各変調グループ内の画素数をより少なく又はより多くなるように選択できることが明らかである。   As shown in the above example, the spatial and directional modulation resolution of a spatio-temporal optical modulator viewed from the standpoint of the number of individually addressable directions within a given angular range is It is determined by selecting 210 resolution and pixel pitch, MLA 220 lens element pitch, MLA 220 lens element angle range, and modulator gimbal maximum joint motion angle. Those skilled in the art will recognize that the MLA lens system has a wider or narrower angular range to form a spatio-temporal optical directional light modulator that can achieve any desired spatial and directional modulation capability in accordance with the teachings set forth in the above description. The gimbal design can be selected to allow for wider or narrower articulation angles, so that fewer or more pixels are in each modulation group It is clear that you can choose.

本発明の空間光学型指向性光変調器を使用すれば、あらゆる所望の空間及び方向変調能力を実現することができる。上記の例では、単一の10.24×10.24mmのQPI装置210を用いて、(16)2の空間分解能及び(3×128)2の方向分解能を有する本発明の空間光学型指向性光変調器をどのように実装できるかを示した。高い空間分解能を実現するために、本発明の時空間光学型光変調器は、本発明のより小さな空間分解能の時空間光学型指向性光変調器を数多く含むタイル状アレイを用いて実装することができる。例えば、上記の例の時空間光学型指向性光変調器の(3×3)のアレイを図11に示すようにタイル配置した場合、結果として得られる時空間光学型指向性光変調器は、(3×16)2の空間分解能及び(3×128)2の方向分解能を提供するようになる。高空間分解能バージョンを実現するために本発明の多数の時空間光学型方向変調器をタイル状に配置することが可能なのは、その体積寸法がコンパクトなためである。例えば、それ自体の例示的な幅、高さ及び厚みがそれぞれ10.24×10.24×5mmである単一のQPI装置210を用いた上記の例の時空間光学型指向性光変調器を使用して、幅、高さ及び厚みの寸法がそれぞれ3.07×3.07×0.5cmである、図11に示すさらなる高分解能バージョンを形成することができる。例えば、このタイル配置を、より小さな解像度時空間光学型指向性光変調器の(30×30)のアレイを含むように拡張した場合、結果として得られる時空間光学型指向性光変調器は、(30×16)2の空間分解能及び(3×128)2の方向分解能を有し、幅、高さ及び厚みはそれぞれ30.07×30.07×0.5cmになる。上記の例の多数の時空間光学型指向性光変調器を、その裏面に位置するマイクロボールグリッドアレイ(MBGA)の電気接点を用いてバックプレーンに結合することにより、図11に示す本発明の時空間光学型指向性光変調器の高空間分解能バージョンを実装することが可能になり、実施形態1600のゼロエッジの特徴を前提とすれば、これにより多数のこのような指向性光変調器装置のシームレスなタイル配置を実現してあらゆる所望のサイズの時空間光学型指向性光変調器を実装することが可能になる。当然ながら、図11に示す時空間光学型指向性光変調器のアレイのサイズは、あらゆる所望の空間分解能を実現するために必要な範囲まで増大させることができる。空間分解能を高めるために、時空間光学型指向性光変調器の方向分解能を犠牲にすることも可能である。例えば、画素変調グループのサイズを(64×64)に低減した場合、図11に示す(3×3)のアレイは、(3×32)2の空間分解能及び(3×64)2の方向分解能をもたらすようになる。特筆すべきは、図11に示す拡張された空間開口部を提供する時空間光学型指向性光変調器のアレイが、本発明の時空間光学型指向性光変調器の実施形態1600の上述したゼロエッジの特徴によって可能になる点である。 Any desired spatial and directional modulation capability can be achieved using the spatial optical directional light modulator of the present invention. In the above example, using a single 10.24 × 10.24 mm QPI device 210, the spatial optical directivity of the present invention having a spatial resolution of (16) 2 and a directional resolution of (3 × 128) 2 . We showed how the optical modulator can be implemented. In order to achieve high spatial resolution, the spatio-temporal optical modulator of the present invention should be implemented using a tiled array that includes a number of smaller spatio-temporal optical directional light modulators of the present invention. Can do. For example, when the (3 × 3) array of spatio-temporal optical directional light modulators in the above example is tiled as shown in FIG. 11, the resulting spatio-temporal optical directional light modulator is It will provide a spatial resolution of (3 × 16) 2 and a directional resolution of (3 × 128) 2 . The large number of spatio-temporal optical directional modulators of the present invention can be tiled to achieve a high spatial resolution version because of their compact volume dimensions. For example, the spatio-temporal optical directional light modulator of the above example using a single QPI device 210 with its own exemplary width, height and thickness of 10.24 × 10.24 × 5 mm, respectively. It can be used to form a further high resolution version shown in FIG. 11 with width, height and thickness dimensions of 3.07 × 3.07 × 0.5 cm each. For example, if this tile arrangement is expanded to include a (30 × 30) array of smaller resolution spatio-temporal optical directional light modulators, the resulting spatio-temporal optical directional light modulator is With a spatial resolution of (30 × 16) 2 and a directional resolution of (3 × 128) 2 , the width, height, and thickness are 30.07 × 30.07 × 0.5 cm, respectively. A number of spatio-temporal optical directional light modulators in the above example are coupled to the backplane using electrical contacts of a microball grid array (MBGA) located on the back surface of the present invention shown in FIG. It becomes possible to implement a high spatial resolution version of a spatio-temporal optical directional light modulator, and given the zero edge feature of embodiment 1600, this allows a number of such directional light modulator devices to be implemented. It is possible to implement a space-time optical directional light modulator of any desired size by realizing a seamless tile arrangement. Of course, the size of the spatio-temporal optical directional light modulator array shown in FIG. 11 can be increased to the range necessary to achieve any desired spatial resolution. In order to increase the spatial resolution, it is possible to sacrifice the directional resolution of the spatio-temporal optical directional light modulator. For example, when reducing the size of the pixel modulation group (64 × 64), arrays, (3 × 32) 2 spatial resolution and (3 × 64) 2 in the direction resolution shown in FIG. 11 (3 × 3) Will come to bring. Of note, the array of spatio-temporal optical directional light modulators providing the expanded spatial aperture shown in FIG. 11 is the above-described embodiment 1600 of the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention. This is made possible by the zero edge feature.

図8及び図9の説明図を参照して、時空間光学型指向性光変調器の動作原理を説明する。図8には、方向変調にmビットの分解能を使用する変調グループGiの各々の2次元アドレス指定能力を示す。上述したように、変調グループGiの(2m×2m)の個々の画素から出射された光は、その関連するMLA220の素子により、関連するMLAのマイクロレンズ素子の±Θの角度範囲内で22mの光方向にマッピングされる。変調グループGiの各々における個々の画素の(x,y)次元の座標を使用すると、出射される光ビームの角座標(θ、φ)は、以下により与えられる。
式中、αx(t)及びαy(t)は、それぞれ時間エポックtにおけるx軸及びy軸を中心とした関節運動角の値であり、角度θ(t)及びφ(t)は、θ=0における極軸が変調グループGiの発光面のz軸に平行な、時間エポックtにおける方向変調球面座標の値であり、m=log2nは、変調グループGi内のx及びy画素分解能を表すために使用されるビット数である。時空間光学型指向性光変調器の空間分解能は、全ての時空間光学型指向性光変調器を含む変調グループの2次元アレイ内の個々の変調グループGiの各々の座標(x,y)により定められる。基本的に、この時空間光学型光変調器は、その変調グループアレイにより定められる空間座標(x,y)及び方向座標(θ、φ)によって記述される光照射野を時間的に生成(変調)することができ、方向座標(θ、φ)は、変調グループGi内の発光画素の座標(x,y)の値、及び上記の方程式3及び4により定義される時空間光学型指向性光変調器の関節運動角の時間値によって定められる。
The operation principle of the spatio-temporal optical directional light modulator will be described with reference to the explanatory diagrams of FIGS. FIG. 8 shows the two-dimensional addressability of each modulation group Gi that uses m-bit resolution for directional modulation. As described above, the light emitted from each (2 m × 2 m ) individual pixel of modulation group Gi is caused by its associated MLA 220 element to fall within the ± Θ angular range of the associated MLA microlens element. 2 2m mapped in the light direction. Using the (x, y) dimensional coordinates of the individual pixels in each of the modulation groups Gi, the angular coordinates (θ, φ) of the emitted light beam are given by:
In the equation, α x (t) and α y (t) are values of joint motion angles around the x axis and the y axis in the time epoch t, respectively, and the angles θ (t) and φ (t) are The polar axis at θ = 0 is the value of the directional modulation spherical coordinate at time epoch t, which is parallel to the z-axis of the light emitting surface of modulation group G i , and m = log 2 n is x and y in modulation group G i The number of bits used to represent pixel resolution. The spatial resolution of the space-time-optic directional light modulator, each of the coordinates of each modulation group G i in a two-dimensional array of modulating groups include all spatio-optic directional light modulator (x, y) Determined by. Basically, this spatio-temporal optical light modulator temporally generates (modulates) a light field described by spatial coordinates (x, y) and direction coordinates (θ, φ) defined by the modulation group array. The directional coordinates (θ, φ) are the spatio-temporal optical directivities defined by the values of the coordinates (x, y) of the luminescent pixels in the modulation group G i and equations 3 and 4 above. It is determined by the time value of the joint motion angle of the light modulator.

図10には、空間光学型指向性光変調器のデータ処理ブロック図の例示的な実施形態を示しており、本発明の時空間光学型の実施形態にも適用可能である。16ビットを使用して方向変調を表し、典型的な24ビットを使用して各方向における変調された光強度及び色を表すという上記の説明は、本発明の時空間光学型の実施形態にも適用可能である。   FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a data processing block diagram of a spatial optical directional light modulator, which is applicable to the spatio-temporal optical embodiment of the present invention. The above description of using 16 bits to represent directional modulation and using typical 24 bits to represent the modulated light intensity and color in each direction is also applicable to the spatio-temporal optical embodiment of the present invention. Applicable.

考えられる用途:
本発明の時空間光学型指向性光変調器を使用して、例えば図11に示すような多数の時空間光学型指向性光変調器装置のタイル状アレイとして実現される任意のサイズの3Dディスプレイを実装することができる。この時空間光学型指向性光変調器によって実現できる拡張された角度範囲は、体積がコンパクトで広い視野角を提供しながら、大型でコストの掛かる光学アセンブリを使用しない3Dディスプレイの実現を可能にする。この時空間光学型指向性光変調器によって達成できるコンパクトな体積のレベルは、デスクトップ、及び場合によってはモバイル3Dディスプレイの実現を可能にする。さらに、この時空間光学型指向性光変調器は、その拡張された方向変調能力により、その拡張された角度範囲内で、ヒトの視覚系の眼の角度分離に相応するδΘの角度分解能値で多数のビューを変調することができ、従って表示する3Dコンテンツを視聴するために眼鏡を使用する必要がない3Dディスプレイになる。実際に、本発明の時空間光学型指向性光変調器が生成できる独立して変調される光ビームの多さを考慮すると、この時空間光学型指向性光変調器は、生成される複数のビュー間の十分な角度分解能値によって3D画像を変調し、これにより一般に3Dディスプレイのパフォーマンスを妨げて眼の疲労を引き起こす輻輳調節矛盾(VAC)を排除することができる。換言すれば、本発明の時空間光学型指向性光変調器は、その角度分解能により、視聴者の眼の疲労を引き起こさないVACフリーな3D画像を生成することができる。この時空間光学型指向性光変調器は、その光照射野変調能力により、合成ホログラフィ3Dディスプレイを実装するために使用できる3D光照射野ディスプレイの基礎となることもできる。
Possible uses:
Any size 3D display implemented as a tiled array of multiple spatio-temporal optical directional light modulator devices, such as shown in FIG. 11, using the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention. Can be implemented. The extended angular range that can be achieved with this spatio-temporal optical directional light modulator enables the realization of a 3D display without using a large and costly optical assembly while providing a compact and wide viewing angle. . The compact volume level that can be achieved with this spatio-temporal optical directional light modulator enables the realization of desktop and possibly mobile 3D displays. Furthermore, this spatio-temporal optical directional light modulator has an angular resolution value of δΘ corresponding to the angular separation of the human visual system eye within its extended angular range due to its extended directional modulation capability. Multiple views can be modulated, thus resulting in a 3D display that does not require the use of glasses to view the 3D content to be displayed. In fact, considering the number of independently modulated light beams that can be generated by the spatio-temporal optical directional light modulator of the present invention, the spatio-temporal optical directional light modulator has a plurality of generated light beams. A 3D image can be modulated with sufficient angular resolution values between views, thereby eliminating convergence adjustment discrepancies (VAC) that generally interfere with 3D display performance and cause eye fatigue. In other words, the spatiotemporal optical directional light modulator of the present invention can generate a VAC-free 3D image that does not cause fatigue of the viewer's eyes due to its angular resolution. This spatio-temporal optical directional light modulator can also be the basis for a 3D light field display that can be used to implement a synthetic holographic 3D display due to its light field modulation capability.

この時空間光学型指向性光変調器は、3Dディスプレイを実装するための液晶ディスプレイ(LCD)のバックライトとして使用することもできる。この時空間光学型指向性光変調器は、2D高解像度ディスプレイとして動作することもできる。この場合、QPI装置210の個々の画素を使用して色及び強度を変調し、MLA220を使用してディスプレイの視野角を埋める。時空間光学型光変調器の入力データのフォーマットを所望の動作モードに見合うように適合させることにより、時空間光学型光変調器を2D表示モードから3D表示モードに切り換えることも可能である。時空間光学型指向性光変調器を2Dディスプレイとして使用する場合、その光角度範囲は、高空間分解能を実現するために利用される個々の変調グループGiの画素分解能を有する、MLA220のマイクロレンズ素子にジンバルの関節運動角±(Θ+αmax)を加えたものに関連したものになる。 This spatiotemporal optical directional light modulator can also be used as a backlight of a liquid crystal display (LCD) for mounting a 3D display. This spatiotemporal optical directional light modulator can also operate as a 2D high resolution display. In this case, the individual pixels of the QPI device 210 are used to modulate color and intensity, and the MLA 220 is used to fill the viewing angle of the display. It is also possible to switch the spatiotemporal optical light modulator from the 2D display mode to the 3D display mode by adapting the format of the input data of the spatiotemporal optical light modulator to match the desired operation mode. When using a spatio-temporal optical directional light modulator as a 2D display, the light angle range has a pixel resolution of the individual modulation group Gi used to achieve a high spatial resolution, the microlens element of the MLA 220 Is related to the gimbal joint motion angle ± (Θ + α max ).

従って、本発明には多くの側面があり、これらの側面は、単独で、或いは様々な組み合わせ又は部分的組み合わせで望む通りに実践することができる。本明細書では、限定ではなく例示を目的として本発明のいくつかの好ましい実施形態を開示し説明したが、当業者であれば、以下の特許請求の範囲の全容によって定められる本発明の思想及び範囲から逸脱することなく本明細書において形式及び詳細の様々な変更を行うことができると理解するであろう。   Accordingly, there are many aspects to the present invention that can be practiced as desired either alone or in various combinations or subcombinations. Although certain preferred embodiments of the present invention have been disclosed and described herein for purposes of illustration and not limitation, those of ordinary skill in the art will recognize the spirit and scope of the present invention as defined by the full scope of the following claims. It will be understood that various changes in form and detail may be made herein without departing from the scope.

d1〜d4 方向
p1〜p4 画素
d1 to d4 direction p1 to p4 pixels

Claims (36)

画素のマイクロアレイを有する発光マイクロエミッタアレイ装置と、
WLO(ウェハレベルオプティクス)マイクロレンズアレイと、
を備え、前記画素のマイクロアレイは、複数の画素からなる複数の画素グループを含み、前記画素グループは空間変調アレイを表し、前記マイクロレンズアレイ内の各マイクロレンズは、前記発光マイクロエミッタアレイの前記画素グループにわたり、これにより前記マイクロレンズアレイ内のマイクロレンズが、それぞれの画素グループ内の各画素からの照明を異なる方向に導く、
ことを特徴とする光変調器。
A light emitting microemitter array device having a microarray of pixels;
WLO (wafer level optics) microlens array;
Comprising a microarray of the pixels includes a plurality of pixel groups composed of a plurality of pixels, the pixel group represents a spatial modulation array, each microlens in the microlens array, the pixels of the luminescent micro emitter array Across groups, whereby the microlenses in the microlens array direct illumination from each pixel in each pixel group in different directions,
An optical modulator characterized by that.
各画素グループは、2次元画素グループである、
ことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
Each pixel group is a two-dimensional pixel group.
The optical modulator according to claim 1.
前記発光マイクロエミッタアレイ装置の前記画素の各々は、発光ダイオード及びレーザーダイオードから成る群から選択される個別にアドレス指定可能な固体発光体である、
ことを特徴とする請求項2に記載の光変調器。
Each of the pixels of the light emitting microemitter array device is an individually addressable solid state light emitter selected from the group consisting of a light emitting diode and a laser diode.
The optical modulator according to claim 2.
前記発光マイクロエミッタアレイ装置の各画素は、複数色の光を出射することができ、各画素は、選択された色及び強度の光を出射するように個別にアドレス指定可能である、
ことを特徴とする請求項3に記載の光変調器。
Each pixel of the light emitting microemitter array device can emit multiple colors of light, and each pixel can be individually addressed to emit light of a selected color and intensity.
The optical modulator according to claim 3.
前記発光マイクロエミッタアレイ装置の前記画素は、10μm又はそれ未満の長さ寸法を有する、
ことを特徴とする請求項3に記載の光変調器。
The pixels of the light emitting microemitter array device have a length dimension of 10 μm or less;
The optical modulator according to claim 3.
前記マイクロレンズアレイは、複数の積層マイクロレンズアレイで構成される、
ことを特徴とする請求項3に記載の光変調器。
The microlens array is composed of a plurality of laminated microlens arrays.
The optical modulator according to claim 3.
前記光変調器の方向、色及び強度のアドレス指定能力は、前記画素グループの空間アレイ内の指定された画素グループアドレス毎に、少なくとも1つの入力データフィールドを用いて出射光の方向を指定し、少なくとも1つのフィールドを用いて、前記指定された方向に出射された光の色及び強度を指定する、前記光変調器への複数のフィールドデータ入力を用いて達成される、
ことを特徴とする請求項4に記載の光変調器。
The addressing capability of the light modulator direction, color and intensity specifies the direction of emitted light using at least one input data field for each specified pixel group address in the spatial array of pixel groups; Accomplished using a plurality of field data inputs to the light modulator that uses at least one field to specify the color and intensity of light emitted in the specified direction;
The optical modulator according to claim 4.
光変調器のタイル状アレイを複数含む、
ことを特徴とする請求項4に記載の光変調器。
Including a plurality of tiled arrays of light modulators,
The optical modulator according to claim 4.
タイル状アレイの形の光変調器の集合的な組を複数含み、各光変調器において、前記発光マイクロエミッタアレイ装置の前記画素は多色画素であるとともに、選択された色及び強度の光を出射するように個別にアドレス指定可能であり、前記マイクロレンズアレイは、複数の積層マイクロレンズアレイで構成され、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの各々は、前記それぞれの発光マイクロエミッタアレイ装置のそれぞれの画素グループ内の複数の画素に関連付けられて位置合わせされ、各レンズは、前記複数の画素から出射される前記光を前記レンズの開口数の範囲内の対応する離散的な方向の組に光学的にマッピングして、前記離散的な方向の組の各個々の方向に出射される前記光の前記色及び強度を可能にすることにより、前記光変調器が、前記集合的な光変調器の組にわたる開口部全体を通じて、色、強度及び方向を変調された光を生成することができる、
ことを特徴とする請求項4に記載の光変調器。
A plurality of collective sets of light modulators in the form of a tiled array, wherein each pixel of the light-emitting microemitter array device is a multicolor pixel, and the light of a selected color and intensity is included in each light modulator. Individually addressable to emit, and the microlens array comprises a plurality of stacked microlens arrays, each of the lenses of the microlens array being a respective one of the respective light emitting microemitter array devices Each lens is aligned and associated with a plurality of pixels in a pixel group, and each lens optically emits the light emitted from the plurality of pixels into a corresponding set of discrete directions within the numerical aperture of the lens The light and the light by allowing the color and intensity of the light emitted in each individual direction of the set of discrete directions to Modulator is throughout the opening over the set of collective optical modulator, color, it is possible to generate a strength and light modulated direction,
The optical modulator according to claim 4.
前記光変調器の各画素の方向、色及び強度のアドレス指定能力は、前記画素グループの空間アレイ内の指定された画素グループアドレス毎に、少なくとも1つの入力データフィールドを用いて出射光の空間方向を指定し、少なくとも1つのフィールドを用いて、前記指定された方向に出射された光の色及び強度を指定する、前記個々の光変調器への複数のフィールドデータ入力を用いて達成される、
ことを特徴とする請求項4に記載の光変調器。
The direction, color and intensity addressability of each pixel of the light modulator is determined by the spatial direction of the emitted light using at least one input data field for each designated pixel group address in the spatial array of pixel groups. And using a plurality of field data inputs to the individual light modulators to specify the color and intensity of light emitted in the specified direction using at least one field.
The optical modulator according to claim 4.
前記光変調器は、前記複数のフィールドデータ入力の前記フォーマットを望の動作モードに見合うように適合させることにより、3Dディスプレイとして、又は高解像度2Dディスプレイとして動作するように切り換えることができる、
ことを特徴とする請求項4に記載の光変調器。
It said optical modulator, by adapting to meet the format of the plurality of field data input to a Nozomu Tokoro operation mode can be switched to operate as a 3D display, or as a high-resolution 2D display,
The optical modulator according to claim 4.
液晶ディスプレイに、該液晶ディスプレイのバックライトとして含まれて3Dディスプレイ又は2Dディスプレイを形成する、
ことを特徴とする請求項4に記載の光変調器。
The liquid crystal display is included as a backlight of the liquid crystal display to form a 3D display or a 2D display.
The optical modulator according to claim 4.
前記発光マイクロエミッタからの照明の異なる方向は角度範囲を定め、前記発光マイクロエミッタアレイ装置及び前記マイクロレンズアレイは共に組み立てられ、少なくとも1つの軸を中心に単一のアセンブリとして角関節運動して、前記発光マイクロエミッタアレイの発光面の平面内かつプラス及びマイナスの最大角関節運動の範囲内で光を出射する、
ことを特徴とする請求項1から請求項12のいずれかに記載の光変調器。
Different directions of illumination from the light emitting microemitter define an angular range, the light emitting microemitter array device and the microlens array are assembled together and angularly articulated as a single assembly about at least one axis; Emitting light within the plane of the light emitting surface of the light emitting microemitter array and within the range of positive and negative maximum angular joint motion;
The optical modulator according to claim 1, wherein the optical modulator is a light modulator.
前記発光マイクロエミッタアレイ装置及び前記マイクロレンズアレイは、2本の直交する軸を中心とするプラス及びマイナスの最大角関節運動の範囲内で、それぞれの軸を中心に単一のアセンブリとして角関節運動するように構成される、
ことを特徴とする請求項13に記載の光変調器。
The light emitting microemitter array device and the microlens array are angularly articulated as a single assembly about each axis within a range of positive and negative maximum angular articulation about two orthogonal axes. Configured to
The optical modulator according to claim 13.
前記角関節運動は、前記異なる方向の間の角度分解能を増加させ、又は前記発光マイクロエミッタからの照明の前記異なる方向の前記角度範囲を増加させるように構成される、
ことを特徴とする請求項14に記載の光変調器。
The angular articulation is configured to increase the angular resolution between the different directions or to increase the angular range of the different directions of illumination from the light emitting microemitter.
The optical modulator according to claim 14.
前記タイル状アレイ内の隣接する光変調器は、隣接する画素グループ内のアクティブな画素間にいくつかの非アクティブなエッジ画素を有する、
ことを特徴とする請求項13に記載の光変調器。
Adjacent light modulators in the tiled array have a number of inactive edge pixels between active pixels in adjacent pixel groups.
The optical modulator according to claim 13.
前記発光マイクロエミッタアレイ装置の前記画素は多色画素であるとともに、選択された色及び強度の光を出射するように個別にアドレス指定可能であり、前記マイクロレンズアレイは、複数の積層マイクロレンズアレイを有し、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの各々は、前記発光マイクロエミッタアレイ装置の画素グループ内の複数の画素に関連付けられて位置合わせされ、各レンズは、前記それぞれの複数の画素から出射される前記光を前記それぞれのレンズの開口数の範囲内の対応する離散的な方向の組に光学的にマッピングして、前記離散的な方向の組の各個の方向に出射される前記光の前記色及び強度を可能にすることにより、前記光変調器が、色、強度及び方向を変調された光を生成することができる、
ことを特徴とする請求項3に記載の光変調器。
The pixels of the light emitting microemitter array device are multicolor pixels and individually addressable to emit light of a selected color and intensity, the microlens array comprising a plurality of stacked microlens arrays Each of the lenses of the microlens array is aligned and associated with a plurality of pixels in a pixel group of the light emitting microemitter array device, and each lens is emitted from the respective plurality of pixels. Optically mapping the light into a corresponding set of discrete directions within the numerical aperture of the respective lens, and the light of the light emitted in each direction of the discrete direction set By enabling color and intensity, the light modulator can generate light that is modulated in color, intensity and direction.
The optical modulator according to claim 3.
光変調器のタイル状アレイを複数含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
Including a plurality of tiled arrays of light modulators,
The optical modulator according to claim 1.
前記光変調器は、前記複数のフィールドデータ入力の前記フォーマットを望の動作モードに見合うように適合させることにより、3Dディスプレイとして、又は高解像度2Dディスプレイとして動作するように切り換えることができる、
ことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
It said optical modulator, by adapting to meet the format of the plurality of field data input to a Nozomu Tokoro operation mode can be switched to operate as a 3D display, or as a high-resolution 2D display,
The optical modulator according to claim 1.
2次元発光マイクロエミッタアレイ装置と、
マイクロレンズ素子のマイクロレンズアレイと、
を備え、前記2次元発光マイクロエミッタアレイ装置及び前記マイクロレンズアレイは共に組み立てられ、2つの軸を中心に単一のアセンブリとして角関節運動して、前記発光マイクロエミッタアレイの発光面の平面内かつ各それぞれの軸におけるプラス及びマイナスの最大角関節運動の範囲内で光を出射し、
前記2次元発光マイクロエミッタアレイは画素のアレイを含み、各画素は個別にアドレス指定可能な固体発光体であり、
前記2つの軸のまわりの前記各関節運動の周期性は、前記最大角関節運動の時間的範囲が、入力画像データのフレームレート内に収まるように選択される
ことを特徴とする指向性光変調器。
A two-dimensional light emitting microemitter array device;
A microlens array of microlens elements;
The two-dimensional light emitting microemitter array device and the microlens array are assembled together and angularly articulated as a single assembly about two axes, and in the plane of the light emitting surface of the light emitting microemitter array and Emit light within the range of positive and negative maximum angular joint motion in each respective axis ,
The two-dimensional light emitting microemitter array includes an array of pixels, each pixel being an individually addressable solid state light emitter,
The periodicity of each joint movement about the two axes is selected such that the temporal range of the maximum angular joint movement is within the frame rate of the input image data .
A directional light modulator characterized by that.
前記2次元発光マイクロエミッタアレイの各画素は、20×20ミクロンを超えない寸法を有する、
ことを特徴とする請求項20に記載の指向性光変調器。
Each pixel of the two-dimensional light emitting microemitter array has a size not exceeding 20 × 20 microns,
The directional light modulator according to claim 20 .
各画素は、該画素が出射する光の色及び強度をいずれも変調するように個別にアドレス指定可能である、
ことを特徴とする請求項20に記載の指向性光変調器。
Each pixel is individually addressable to modulate both the color and intensity of the light emitted by the pixel.
The directional light modulator according to claim 20 .
前記角関節運動は、前記2次元発光マイクロエミッタアレイ装置及び前記マイクロレンズアレイの前記アセンブリのジンバル支持部によって行われ、前記ジンバル支持部の前記角関節運動によって前記2つの軸の各々における前記角度範囲を時間的に拡大させることにより、前記2つの軸の各々に沿った前記光の方向の組が時間的に拡大する、
ことを特徴とする請求項20に記載の指向性光変調器。
The angular joint movement is performed by a gimbal support of the assembly of the two-dimensional light emitting microemitter array device and the microlens array, and the angular range in each of the two axes by the angular joint movement of the gimbal support. , The set of light directions along each of the two axes is expanded in time.
The directional light modulator according to claim 20.
前記時間的に拡大する角度範囲は、時間的に連続的又は不連続的なものであるとともに、画像入力データのフレームレートに比例してこれに同期された繰り返し率を有し、これにより前記指向性光変調器の前記拡大された角度範囲、前記角度のカバレッジ、形状及びアスペクト比が前記2つの軸の各々を中心とする前記最大角関節運動によって決まる、
ことを特徴とする請求項23に記載の指向性光変調器。
The temporally expanding angular range is continuous or discontinuous in time and has a repetition rate synchronized with the frame rate of the image input data. The expanded angular range, angular coverage, shape and aspect ratio of the directional light modulator are determined by the maximum angular joint movement about each of the two axes;
The directional light modulator according to claim 23 .
前記2つの軸の各々を中心とする前記角関節運動は、少なくとも前記入力画像データのフレームレートに、前記拡大された角度範囲と各それぞれの軸に沿った前記角度範囲との比率に等しい係数を乗じたものに等しい、
ことを特徴とする請求項24に記載の指向性光変調器。
The angular joint movement about each of the two axes has a coefficient equal to at least the ratio of the enlarged angular range and the angular range along each respective axis to the frame rate of the input image data. Equal to the product multiplied,
25. The directional light modulator according to claim 24 .
各画素のアドレス指定能力は、前記画素グループの空間アレイ内の指定された画素グループアドレス毎に、少なくとも1つの入力データフィールドを用いて出射光の方向を指定し、少なくとも1つのフィールドを用いて、前記指定された方向に出射された光の色及び強度を指定する、前記指向性光変調器への複数のフィールドデータ入力を用いて達成される、
ことを特徴とする請求項23に記載の指向性光変調器。
The addressing capability of each pixel specifies the direction of emitted light using at least one input data field for each specified pixel group address in the spatial array of pixel groups, and using at least one field, Accomplished using a plurality of field data inputs to the directional light modulator that specify the color and intensity of light emitted in the specified direction.
The directional light modulator according to claim 23 .
2次元発光マイクロエミッタアレイ装置と、
マイクロレンズ素子のマイクロレンズアレイと、
を備え、前記2次元発光マイクロエミッタアレイ装置及び前記マイクロレンズアレイは共に組み立てられ、2つの軸を中心に単一のアセンブリとして角関節運動して、前記発光マイクロエミッタアレイの発光面の平面内かつ各それぞれの軸におけるプラス及びマイナスの最大角関節運動の範囲内で光を出射する、
ことを特徴とする指向性光変調器であって、
入力データのフォーマットを所望のモードに見合うように適合させることにより、3Dディスプレイモード又は高解像度2Dディスプレイモードで動作するように切り換えることができるディスプレイとして使用される、
ことを特徴とする指向性光変調器。
A two-dimensional light emitting microemitter array device;
A microlens array of microlens elements;
The two-dimensional light emitting microemitter array device and the microlens array are assembled together and angularly articulated as a single assembly about two axes, and in the plane of the light emitting surface of the light emitting microemitter array and Emit light within the range of positive and negative maximum angular joint motion in each respective axis,
A directional light modulator characterized in that
Used as a display that can be switched to operate in 3D display mode or high-resolution 2D display mode by adapting the format of the input data to match the desired mode.
A directional light modulator characterized by that.
2次元発光マイクロエミッタアレイ装置と、
マイクロレンズ素子のマイクロレンズアレイと、
を備え、前記2次元発光マイクロエミッタアレイ装置及び前記マイクロレンズアレイは共に組み立てられ、2つの軸を中心に単一のアセンブリとして角関節運動して、前記発光マイクロエミッタアレイの発光面の平面内かつ各それぞれの軸におけるプラス及びマイナスの最大角関節運動の範囲内で光を出射する、
ことを特徴とする指向性光変調器であって、
3Dディスプレイ又は高解像度2Dディスプレイとして動作するように切り換えることができる液晶ディスプレイ(LCD)のバックライトとして使用される、
ことを特徴とする指向性光変調器。
A two-dimensional light emitting microemitter array device;
A microlens array of microlens elements;
The two-dimensional light emitting microemitter array device and the microlens array are assembled together and angularly articulated as a single assembly about two axes, and in the plane of the light emitting surface of the light emitting microemitter array and Emit light within the range of positive and negative maximum angular joint motion in each respective axis,
A directional light modulator characterized in that
Used as a backlight for a liquid crystal display (LCD) that can be switched to operate as a 3D display or a high-resolution 2D display;
A directional light modulator characterized by that.
2次元発光マイクロエミッタアレイ装置と、
マイクロレンズ素子のマイクロレンズアレイと、
を備え、前記2次元発光マイクロエミッタアレイ装置及び前記マイクロレンズアレイは共に組み立てられ、2つの軸を中心に単一のアセンブリとして角関節運動して、前記発光マイクロエミッタアレイの発光面の平面内かつ各それぞれの軸におけるプラス及びマイナスの最大角関節運動の範囲内で光を出射する、
ことを特徴とする指向性光変調器であって、
拡大された角度範囲内で、ヒトの視覚系の眼の角度分離に相応する角度分解能値で多数のビューを変調し、従って表示する3Dコンテンツを視聴するために眼鏡を使用する必要がない3Dディスプレイになることができる、
ことを特徴とする指向性光変調器。
A two-dimensional light emitting microemitter array device;
A microlens array of microlens elements;
The two-dimensional light emitting microemitter array device and the microlens array are assembled together and angularly articulated as a single assembly about two axes, and in the plane of the light emitting surface of the light emitting microemitter array and Emit light within the range of positive and negative maximum angular joint motion in each respective axis,
A directional light modulator characterized in that
Within an expanded angular range, a 3D display that modulates multiple views with angular resolution values commensurate with the angular separation of the eyes of the human visual system, thus eliminating the need to use glasses to view the 3D content to display Can become,
A directional light modulator characterized by that.
指向性光変調器を形成する方法であって、
発光マイクロエミッタアレイ装置を設けるステップと、
マイクロレンズ素子のWLO(ウェハレベルオプティクス)マイクロレンズアレイを設けるステップと、
前記発光マイクロエミッタアレイ装置は、マイクロエミッタの2次元アレイを含み、前記マイクロエミッタの2次元アレイは、複数のマイクロエミッタからなる複数のグループを含み、前記グループは空間変調アレイを表し、
前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ素子が、前記発光マイクロエミッタアレイ装置のマイクロエミッタの2次元アレイ内の対応する前記グループの複数のマイクロエミッタに関連付けられて位置合わせされ、前記発光マイクロエミッタアレイの発光面の平面内かつプラス及びマイナスの最大角度範囲内で2つの軸を中心に光を出射し、これにより各マイクロレンズ素子が、前記対応する複数のマイクロエミッタから出射された光を、各マイクロレンズ素子の開口数により定められる角度範囲内の対応する離散的な方向の組に光学的にマッピングするように、前記マイクロレンズアレイを前記発光マイクロエミッタアレイ装置に位置合わせして指向性光変調器サブアセンブリにするステップと、
前記指向性光変調器サブアセンブリを前記アセンブリの平面内の少なくとも第1の軸を中心に時間的に関節運動させて、該角関節運動に応答して前記離散的な方向の組が含まれる角度範囲を拡張するステップと、
を含み、
前記第1の軸についての前記時間的な関節運動の周期性は、前記拡張した角度範囲の角関節運動の時間的範囲が、入力画像データのフレームレート内に収まるように選択されることを特徴とする変調器の形成方法。
A method of forming a directional light modulator comprising:
Providing a light emitting microemitter array device;
Providing a WLO (wafer level optics) microlens array of microlens elements;
The light emitting microemitter array device includes a two-dimensional array of microemitters, the two-dimensional array of microemitters includes a plurality of groups of a plurality of microemitters, the group representing a spatial modulation array,
Each microlens element of the microlens array is aligned and associated with a corresponding plurality of microemitters of the group in the two-dimensional array of microemitters of the light emitting microemitter array device, and the light emission of the light emitting microemitter array In the plane of the surface and within the maximum angle range of plus and minus, light is emitted around the two axes, whereby each microlens element emits light emitted from the corresponding plurality of microemitters. The microlens array is aligned with the light emitting microemitter array device so as to optically map to a corresponding set of discrete directions within an angular range defined by the numerical aperture of the element. An assembly step;
An angle at which the directional light modulator subassembly is articulated in time about at least a first axis in a plane of the assembly and includes the set of discrete directions in response to the angular articulation Extending the range ; and
Only including,
The periodicity of the temporal articulation about the first axis is selected such that the temporal range of angular articulation of the expanded angular range falls within the frame rate of the input image data. A method of forming a modulator.
前記指向性光変調器サブアセンブリは、前記アセンブリの前記平面内の前記第1の軸に垂直な第2の軸を中心とした関節運動も行い、該角関節運動に応答して前記離散的な方向の組が含まれる角度範囲をさらに拡張する、
ことを特徴とする請求項30に記載の方法。
The directional light modulator subassembly also performs articulation about a second axis that is perpendicular to the first axis in the plane of the assembly and is responsive to the angular articulation. Further expand the angular range containing the set of directions,
32. The method of claim 30 , wherein:
前記発光マイクロエミッタアレイ装置を設けるステップは、単一の基板上にマトリクス状のマイクロエミッタアレイ装置を設けるステップを含み、
前記マイクロレンズアレイを設けるステップは、
マトリクス状のマイクロレンズアレイを設けるステップと、
前記マトリクス状のマイクロレンズアレイを前記マトリクス状のマイクロエミッタアレイ装置上に取り付けてマトリクス状の指向性光変調器を形成するステップと、
前記マトリクス状の指向性光変調器をダイシングして複数の個々の指向性光変調器を提供するステップと、
を含む、
ことを特徴とする請求項31に記載の方法。
Providing the light emitting microemitter array device includes providing a matrix-shaped microemitter array device on a single substrate;
The step of providing the microlens array includes:
Providing a matrix-like microlens array;
Mounting the matrix-like microlens array on the matrix-like microemitter array device to form a matrix-like directional light modulator;
Dicing the matrix directional light modulator to provide a plurality of individual directional light modulators;
including,
32. The method of claim 31 , wherein:
前記マトリクス状のマイクロレンズアレイは、半導体ウェハレベルのアラインメント技術を用いて前記マトリクス状のマイクロエミッタアレイ装置に対して位置合わせされてマトリクス状の指向性光変調器を形成する、
ことを特徴とする請求項32に記載の方法。
The matrix microlens array is aligned with the matrix microemitter array device using a semiconductor wafer level alignment technique to form a matrix directional light modulator.
35. The method of claim 32 .
前記マトリクス状のマイクロレンズアレイを設けるステップは、複数のマイクロレンズアレイ層を設けるステップを含み、該マイクロレンズアレイ層は、スタックの形で取り付けられ互いに位置合わせされて前記マトリクス状のマイクロレンズアレイを形成する、
ことを特徴とする請求項32に記載の方法。
Providing the matrix-shaped microlens array includes providing a plurality of microlens array layers, the microlens array layers being attached in a stack and aligned with each other to form the matrix-shaped microlens array. Form,
35. The method of claim 32 .
各マイクロエミッタは、該マイクロエミッタの色及び輝度を制御するように個別にアドレス指定可能である、
ことを特徴とする請求項32に記載の方法。
Each microemitter is individually addressable to control the color and brightness of the microemitter.
35. The method of claim 32 .
前記対応する複数のマイクロエミッタから各マイクロレンズ素子の開口数によって定められる角度範囲内の対応する離散的な方向の組に出射される光は、対応する画素グループを形成し、各画素グループ内の画素を、時間的に拡張された方向の組及び前記個別の画素アドレス指定能力に関連付けることにより、前記時間的に拡張された方向の組の前記個別のアドレス指定能力が可能になり、これにより前記指向性光変調器が、時間的に拡張された光方向の組を含む前記方向のいずれかに方向を変調された光を生成する、
ことを特徴とする請求項35に記載の方法。
Light emitted from the corresponding plurality of microemitters to a corresponding set of discrete directions within an angular range defined by the numerical aperture of each microlens element forms a corresponding pixel group, By associating a pixel with a temporally extended direction set and the individual pixel addressability, the individual addressability of the temporally extended direction set is enabled, thereby A directional light modulator generates directionally modulated light in any of the directions including a set of temporally extended light directions;
36. The method of claim 35 .
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