JP7043095B2 - 位相変調層及び位相補償層を有する光学装置 - Google Patents

Description

本発明は光学ディスプレイシステムに関し、特に、イメージを表示する透明光学装置に関する。

透明（シースルー）ディスプレイは、ディスプレイ上の情報をユーザーに見せつつ、ユーザーがディスプレイを通して外景を見ることができるようにする電子ディスプレイである。多くの応用に必要とされるのは、拡張情報を実世界とオーバーラップさせられる鮮明な色彩の画像を表示する完全透明スクリーンである。これらの応用には、小売店における透明デジタルサイネージや、博物館や展示会におけるショーケースや、自動車のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）や、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）ディスプレイシステムも含まれる。これまでにも、透明ディスプレイを実行するいくつかの方法はあった。これらの方法には、透明ＬＣＤ／ＯＬＥＤディスプレイ、部分的透明プロジェクションスクリーン、透明ＬＥＤディスプレイ等が含まれる。これらの方法はいずれも、表示画素の一部を利用してコンテンツを表示している間、表示画素の他の部分の透明な状態を維持するものであるが、不鮮明で透明度が低いので、応用が限られてしまう。

より高い透明度とより鮮明な色彩を有する透明ディスプレイが求められる。

本発明においては、位相変調層、反射層及び位相補償層を含む光学装置を開示する。位相変調層は光学ガラスや光学ポリマー材料のような光学透明材料から作製される。位相変調層は、光エネルギーの方向を変更することによりその光をコントロールできる疑似的にランダムな表面を生成する。この位相変調層により光の方向がコントロールされるだけでなく、その光のエネルギー分布も所望のパターンに再分布される。反射層は、多層の誘導体コーティング、屈折率が実質的に異なる単層の光学材料、又は金属若しくは合金のコーティングであってもよい。

光が前述の位相変調層上及び前述の反射層上に入射すると、光の一部は反射し、一部は透過する。反射した光はこの位相変調層により位相変調されるので、その光の方向及び分散は所望の反射方向及び反射／散乱パターンになるようコントロールされる。本発明の位相変調構造は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）表面レリーフグレーティング、表面レリーフ光散乱パターン、バイナリオプティクス等によって生成される。ＣＧＨはホログラフィーの干渉パターンをデジタル的に生成する方法である。ホログラフィックイメージは、例えばホログラフィーの干渉パターンをデジタル的に計算し、適切なコヒーレント光源による後の照明のためにそのパターンをマスク上又はフィルム上にプリントすることにより生成される。位相変調のパターンは反射後の光の分布パターンを決定する。

プロジェクターからの光が前述の位相変調層に入射すると、その光は視聴者の目に方向が向け直されて画像を生成する。一方、光が逆方向から入射すると、その光はこの位相変調層を通過した後、位相補償層を通過する。こうしてすべての位相変調が保障される。したがって、光は妨げられることなくすべての層を通過することから、プロジェクションフィルムは光に対して完全に透明であるといえる。

プロジェクションフィルムはプロジェクターと共に使用されると、空中に浮いているような鮮明で光り輝く画像を作り出すことができる。スクリーンは完全に透明で光が外界から妨げられることはない。視聴者はプロジェクターからの鮮明な画像と外景を見ることができる。コンピューターにより生成された情報は実世界とオーバーラップされ、未来的な３Ｄホログラムのディスプレイ効果を生み出す。

本発明においては、プロジェクターからの光を視聴者の目の方向に選択的に向け直し、その間は光の透過に影響を与えないプロジェクションフィルムを開示する。視聴者はスクリーンの後ろ側のオブジェクトを見ることができる。投影されたイメージは実世界のオブジェクトとオーバーラップすることにより拡張現実の効果が達成される。これにより、デジタルサイネージ広告や、博物館や展示会におけるショーケースや、自動車のＨＵＤのような独特の応用が可能になる。

本発明において開示されるプロジェクションフィルムは、そこに投射された光の偏極を維持できるので、３Ｄプロジェクションフィルムとして用いられる。

本発明においては、プロジェクターからの光を視聴者の目の方向に選択的に向け直し、その間は環境光を視聴者とは異なる方向に向け直す、プロジェクションフィルムを開示する。これは環境光を排除するプロジェクションフィルムとして使用され、通常の環境光の下で投影されたイメージのコントラストを向上できる。

プロジェクションフィルムのその他の実施例は、以下の詳細な説明や請求項により明らかにされる。本発明と本質的に同様の目的を遂行するのであれば、異なる位相調整パターンの設計のように、ここに開示されるコンセプトや具体的な実施例は変更可能であることを当業者は理解する。このような同等の構造はここに開示される発明に包含される。

第一実施例におけるプロジェクションフィルムの断面図である。 点光源からのＣＧＨを示す図である。 ＣＧＨが点光源の光を特定方向へ反射することを示す図である。 第二実施例におけるプロジェクションフィルムの断面図である。 本発明の使用例を示す図である。 コーナーキューブ位相変調構造を有する光学フィルムを示す図である。 コーナーキューブ微細構造を有する光学フィルムを備えた３Ｄディスプレイを示す図である。 ３Ｄディスプレイの実施例におけるプロジェクションフィルムの断面図である。 パッシブ偏光メガネを付属する光学フィルムを備える３Ｄディスプレイを示す図である。 実施例におけるフレネルレンズの微細構造を示す図である。 Ｚ走査機構を利用したライトフィールド３Ｄディスプレイを示す図である。 角度投影を利用したライトフィールド３Ｄディスプレイを示す図である。

図１に示すように、本発明の第一実施例におけるプロジェクションフィルムは、１）ナノメートル又はマイクロメートルスケールの位相変調構造を有する第一光学構造１と、２）第一光学基板を補償するナノメートル又はマイクロメートルスケールの位相補償構造を有する第二光学構造２と、３）光を部分的に反射するとともに部分的に透過させる、第一子光学構造と第二光学構造の間にある、部分的に透明かつ部分的に反射する層１１とを含む。別の実施例において、上述した構造を複数重複して多層構造が形成される（１及び２からｉ‐1及びｉまで）。異なる光線（ａ、ｂからｚまで、アルファベットは異なる光線を示しているにすぎず、光線の数量は２６に限定されない）が異なる位置及び異なる角度で光学フィルムを通過する。

光学において、光路長（ＯＰＬ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｔｈ Ｌｅｎｇｔｈ）又は光学距離は、システムを通過する光線の幾何学的長さ（Ｌ１、Ｌ２からＬｉ）と、通過する媒体の屈折率（ｎ）の積である（ＯＰＬ＝Ｌｉ×ｎ）。２つの経路の間の光路長の差は光路差（ＯＰＤ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）と呼ばれることが多い。光路差は、光の位相を決定し、光が伝わる際の干渉や回析を制御するので重要である。第一光学構造と第二光学構造の間の光路長はＯＰＤ１である。第一光学構造及び第二光学構造は相反する光学位相を有するので、相互に補償し合う。フィルム全体を通過するすべての光線（ａからｚ）の光路長の合計は定数Ｃである。

Ｃは定数であり、ＯＰＤｉは各光学構造の位相変調であり、ｉは１からｉの異なる光学層を示す。

用いられる前述の位相変調構造の光学製造方法には、光エッチング、光リソグラフィー、ナノプレス、ナノインプリント等が含まれるが、これらに限定されない。

第一実施例におけるナノメートル又はマイクロメートルスケールの位相構造は、散乱面レリーフ構造、グレーティング、及びＣＧＨを含む異なるアプローチで実行されるが、これらのアプローチに限定されない。一実施例における表面レリーフ構造はホログラフィック記録されたマスターから複製可能である。これらの疑似的ランダムで非周期的な構造は、光のエネルギー方向を変えることにより光をコントロールできる。結果として、モアレの除去、カラーオーバーアングル、及び正確な角度のビーム制御といった効果がもたらされる。別の実施例においては、図２ａ及び図２ｂに示すように、位相変調層はＣＧＨ構造である。例えばＣＧＨ構造は、点光源のコンセプトに基づいた計算戦略により設計され、オブジェクトは図２ａの自発光点で分解される。要素ホログラムは、各点光源ごとに算出され、最終的なホログラムはすべての要素ホログラムを重ね合わせることにより合成される。点光源からの光は特定の方向に反射する。

本明細書の残りの内容を検討することにより、当業者はこれらの実施例やその他の実施例の特徴及び態様をより理解することになる。異なる分布角度で異なる方向に光を向け直すことができる異なる位相変調層があるが、これらの変更は開示された技術と方法論の範囲から逸脱するものではない。

もう１つの実施例において本発明は、前述の第一光学構造及び第二光学構造の複数のユニットｉをさらに含む。ｉの範囲は１から５００である。第一光学構造と第二光学構造の間の光路差（ＯＰＤ）はＯＰＤｊである。各ユニットｉは特定の方向に特定の波長の光を反射させるように設計される。フルカラーディスプレイには赤、緑、青の３色が必要であるため、ｉは３よりも大きいことになる。異なるユニットからの異なる反射光線の光路差（ＯＰＤ）は互いに強め合う関係である。

すべての実施例において、すべての光学構造間の全体的な光路差は相当小さいため、前述の光学フィルムは、フィルム全体にわたって均一な光学経路を有している。この光学フィルムは通過する光に対して完全に透明であるため、通過する光を妨げる。このフィルムは透明なので、視聴者はスクリーンの向こう側のオブジェクトもはっきりと見ることができる。

第二実施例では、図３が示すように、位相変調層３１、部分反射層３８及び位相補償層３６が含まれる。入射光３０が位相変調層３１を通過する時、部分反射層３８は反射光３２を反射及び散乱させる。反射光３２の方向及びプロファイルは位相変調プロファイルにより決定される。位相変調プロファイルは、特定の反射パターンを達成するように設計されることにより、応用の必要条件を満たす。

一実施例において、位相変調は、表面に入射する光線が異なる方向に散乱して視野角を増大できるようにランダム化される。別の実施例において、表面レリーフ構造はホログラフィック記録されたマスターから複製が可能である。これらの疑似的ランダムで、非周期的な構造は、光のエネルギー方向を変更することにより光をコントロールできる。結果として、モアレの除去、カラーオーバーアングル、及び正確な角度のビーム制御といった効果がもたらされる。反射した光に対しては、基板がプロジェクションスクリーンとして作用する。

一方、光３４が層３を通過する時、その位相は変調される。その後、光３４は位相変調層３を通過し、その位相変調は相当小さいレベルに補正される。したがって、透過光は平行透明基板を何の妨げもなしに通過するように光学装置を通過し、視聴者は何の妨げもない外景を目にする。

反射層３８は、多層の誘導体コーティング、屈折率が実質的に異なる単層の光学材料、又は金属若しくは合金のコーティングであってもよい。反射スペクトルは従来の多層光学設計ツールを使用して設計される。一実施例においては、層３１と比べると、屈折率が実質的に異なる単層の透明光学材料が使用されている。別の実施例においては、特定の屈折率と光学的厚さを有する多層の透明誘導材料が層３１として使用されている。レーザー光源を有するプロジェクターのように、赤、緑、青の狭い光帯域を有するプロジェクターにとって、反射スペクトルは、外界からの他の波長の光を通過させると同時に、プロジェクターからの波長でより多くの光を反射するように設計されている。このため、表示されるイメージの明るさと光学フィルムの透明度はいずれも最適化される。

本発明の応用におけるさらに別の実施例では、位相構成構造は、位相変調構造と比べて実質的に似た屈折率（ｎ）を有する液体又は硬化性の光学用樹脂を使用して自動的に形成される。この光学用樹脂が位相変調構造に塗布されて硬化すると、位相変調構造は自動的に補償される。

図４が示すように、さらに別の実施例では、１）前の実施例で説明したプロジェクションフィルム４０と、２）前述のプロジェクションフィルム４０に画像４３を投影するプロジェクター４１とが備えられる。視聴者４２は投影された画像と外景４４を同時に見る。投影された画像４３は外景４４と関連するものでも、関連しないものでもよい。投影された画像４３は外景４４０にさらなる情報を提供して拡張現実を生成する。

反射光の方向及びプロファイルは位相変調プロファイルにより決定される。位相変調プロファイルは、特定の反射パターンを達成するように設計される。当業者にとっては、多くの位相変調プロファイルの設計が存在する。本発明のプロジェクションフィルムの別の実施例には、図５が示すように、１）ナノメートル又はマイクロメートルスケールの位相変調構造、すなわちコーナーキューブアレイ５１を有する第一基板５０と、２）光を部分的に元の入射方向５４に反射するとともに部分的に通過させる、コーナーキューブアレイ５１上の部分的に透明かつ部分的に反射する層と、３）第一基板５０により引き起こされる位相差を実質的に補償する第二位相補償基板が含まれる。コーナーキューブアレイ５１は入射光５３を元の入射方向５４に反射する。コーナーキューブアレイ５１はまた光５３をわずかに散乱させて視野角を増大する。散乱した入射光５３の光円すいは、両目の角距離よりも小さくなるはずである。

さらに別の実施例では、図６が示すように、視聴者の両目６１に実質的に近い位置に取り付けられる２つのプロジェクター６３がさらに備えられる。２つのプロジェクターは、２つの異なる目に対してそれぞれ２つの異なるイメージ６４を生成し、これにより完全に透明な基板上に３Ｄイメージが生成される。さらに、各目に対して十分な大きさのアイボックスを生成するわずかな散乱構造が含まれる。かくして、裸眼用の３Ｄディスプレイシステムが実現される。

本発明の応用の別の実施例には、図７が示すように、位相変調層７１、部分反射層７３及び位相補償層７５が含まれる。入射光７０がこの位相変調層７１を通過する時、部分反射層７３は反射光７２を反射及び散乱させる。前述の部分反射層はこの反射光７２の偏極を維持する。かくして光学フィルムが３Ｄプロジェクションディスプレイに使用できるようになる。視聴者はパッシブメガネを着用し、３Ｄプロジェクターによって投影された３Ｄイメージを見る。このようにしてパッシブ偏光メガネを付属する３Ｄディスプレイが実現される。

簡略化された別の実施例では、図８が示すように、反射層８１及び位相補償層８２が含まれる。入射光８３は反射層８１により反射される。反射層８１は反射光８４の偏極を維持する。かくして、光学フィルムが３Ｄプロジェクションディスプレイに使用できるようになる。視聴者はパッシブ偏光３Ｄメガネを着用すれば、３Ｄプロジェクターによって投影された３Ｄイメージを見られる。

別の実施例では、図９が示すように、前述の位相変調構造はフレネルレンズ９０であり、プロジェクター９１からの光は実質的平行方向９２に分布する。さらに、視聴者にとって実質的に十分な視野角を作り出すわずかな散乱構造が含まれる。

プロジェクションフィルムのさらに別の実施例では、図１０が示すように、１）レール又は螺旋軸１０１上に取り付けられる光学装置１００が備えられる。光学装置１００としてのプロジェクション基板は１つの空間で前後に走査される。２）プロジェクター１０３は異なる層（１０５、１０７、１０９等）で３Ｄオブジェクトのイメージを投影し、それらのイメージは走査機構と同期する。当該空間における３Ｄオブジェクトの各層はその空間容積内で再現され、視聴者に対して３Ｄオブジェクトが再構成される。そして、視聴者はメガネなしで３Ｄオブジェクトを見ることができる。

光学装置のさらに別の実施例では、図１１が示すように、１）透明プロジェクション基板１１１と、２）複数のプロジェクター１１０（プロジェクターの数量は２つより多く、Ｎ１からＮ７で示される）とが備えられ、これらのプロジェクターは異なる角度（α１からα７）で３Ｄオブジェクトのイメージを投影し、当該空間におけるこの３Ｄオブジェクトのすべての異なる角度のイメージは、その空間内で再現され、視聴者に対して３Ｄオブジェクトが再構成される。そして、視聴者はメガネなしで３Ｄオブジェクトを見ることができる。概してプロジェクターの数量は２つより多く、通常プロジェクターが７台あれば良好な３Ｄ効果が生まれる。プロジェクターは多いほど３Ｄ効果が優れたものになる。

本発明の応用の別の実施例では、１）請求項１に記載の光学装置と、２）イメージを表示するプロジェクターと、３）車両に関する情報を表示するコントローラーと備えられる。

１ 第一光学構造
２ 第二光学構造
１１ 部分的に透明かつ部分的に反射する層
１、２～ｉ‐１、ｉ 多層構造
ａ～ｚ 光線
Ｌ１、Ｌ２～Ｌｉ 異なる経路の光線の幾何学的長さ
３０ 入射光
３１ 位相変調層
３２ 反射光
３４ 光
３６ 位相補償層
３８ 部分反射層
４０ プロジェクションフィルム
４１ プロジェクター
４２ 視聴者
４３ 画像
４４ 外景
５０ 第一基板
５１ コーナーキューブアレイ
５３ 入射光
５４ 元の入射方向
６１ 両目
６３ プロジェクター
６４ イメージ
７０ 入射光
７１ 位相変調層
７２ 反射光
７３ 部分反射層
７５ 位相補償層
８１ 反射層
８２ 位相補償層
８３ 入射光
８４ 反射光
９０ フレネルレンズ
９１ プロジェクター
９２ 実質的平行方向
１００ 光学装置
１０１ レール又は螺旋軸
１０３ プロジェクター
１０５、１０７、１０９ 層
１１０ 複数のプロジェクター
１１１ 透明プロジェクション基板
Ｎ１～Ｎ７ プロジェクター
α１～α７ 角度

Claims (13)

1. １）ナノメートル又はマイクロメートルスケールの位相変調構造を有する第一光学構造と、
   ２）光を部分的に反射するとともに部分的に透過させる、部分的に透明かつ部分的に反射する層と、
   ３）前記第一光学構造により引き起こされるいかなる位相変調も実質的に補償する位相補償構造を有する第二光学構造と、を含み、
   前記位相変調構造を有する光学構造は、散乱面のレリーフパターンであり、
   前記部分的に透明かつ部分的に反射する層は、前記第一光学構造と前記第二光学構造との間に配置され、
   前記第一光学構造と、前記部分的に透明かつ部分的に反射する層と、前記第二光学構造と、からなる構造は複数重複して多層構造とされる、光学装置。
2. 前記位相変調構造を有する光学構造は、光エネルギーの方向や分布をコントロールする疑似的にランダムな散乱面のレリーフパターンであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記位相変調構造を有する光学構造は、マイクロコーナーキューブアレイであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
4. 前記位相補償構造を有する第二光学構造は、前記光学構造が軟らかい又は液体の硬化性光学材料により積層される時に自動的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
5. 前記部分的に透明かつ／又は部分的に反射する層は、投射された光の偏極を維持する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
6. 前記部分的に透明かつ／又は部分的に反射する層は、プロジェクターのコントラストを向上させるため、視聴者とは異なる方向に環境光を向け直す時にプロジェクターからの光のみを反射する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
7. 請求項２に記載の光学装置と、
   視聴者の両目の実質的な近くに取り付けられる２つのプロジェクターと、を備え、前記２つのプロジェクターは両目に対してそれぞれ異なる２つのイメージを生成することにより完全透明基板の上に３Ｄイメージを生成する、裸眼用の３Ｄディスプレイシステム。
8. 前記位相変調構造はフレネルレンズアレイであることを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
9. １）右目と左目の角距離よりも小さい光円すいに光を散乱させることを特徴とする請求項１に記載の光学装置と、
   ２）左右の目それぞれに対してイメージを表示することにより眼鏡を着用することなく見られる３Ｄイメージを生成する２つ以上のプロジェクターと、を含む３Ｄ光学ディスプレイ装置。
10. レール又は螺旋軸上に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の光学装置と、３Ｄオブジェクトの異なる層でイメージを投影するプロジェクターとを含み、投影された前記イメージは前記レール又は前記螺旋軸の走査と同期することにより３Ｄイメージを生成する３Ｄ光学ディスプレイ装置。
11. ナノメートル又はマイクロメートルスケールの位相変調構造を有し、散乱面のレリーフパターンであることを特徴とする第一光学基板を作製するステップ１と、光を部分的に反射するとともに部分的に透過させる部分的に透明かつ部分的に反射する層をコーティングするステップ２と、前記第一光学基板により引き起こされるいかなる位相変調も実質的に補償する位相補償構造を有する第二光学基板を作製するステップ３とを含む光学製造方法であって、
    前記第一光学基板と、前記部分的に透明かつ部分的に反射する層と、前記第二光学基板と、からなる構造を、複数重複して多層構造とする、光学製造方法。
12. 前記ステップ３では、前記第一光学基板上に光学材料の液体又は変形可能な層を適用し、前記光学材料の液体又は変形可能な層は前記第一光学基板の屈折率に実質的に近い屈折率を有することを特徴とする請求項１１に記載の光学製造方法。
13. １）請求項１に記載の光学装置と、２）イメージを表示するプロジェクターと、３）車両に関する情報を表示するコントローラーとを備える車両用光学ディスプレイ装置。

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