JP7311581B2 - 正しい単眼奥行き手がかりを持つニアアイシーケンシャルライトフィールドプロジェクタ - Google Patents
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Description
ここでは、空間光変調器30は、FLCOSのもののような偏光回転層156を備え、層系136は、偏光フィルタ160と、レンズと反射面156との間の最小距離に等しい焦点距離を有するレンズ158を有するマイクロレンズアレイとを備える。図14bは、偏光回転層156の明るい画素152と暗い画素154とを示す(下記参照)。
本発明に開示されているライトフィールドプロジェクタの全体構造は、2つの最も重要な部分、二次元点光源アレイ28のような照明源と、高速反射型SLM30とを備える。SLM30及び点光源アレイ28の制御エンジン88及び90は、38又は40のような特定の入射光ライトフィールドを、SLM30上の対応する、66、68、120、122、124、又は126のような画像で変調するために同期される(同期92)。点光源アレイ28内の点光源とSLM30上に表示された画像との組み合わせのそれぞれは、広開口ライトフィールド26の少なくとも部分的な情報に対応する。例えば、SLM30が点光源34で生成された入射ライトフィールド38で照らされると、プロジェクタはピンホール開口ライトフィールド16を形成する。この点光源34に対するSLM30上の画像は、仮想ピンホール20を通して見られると想定されるように、人工シーンの(特定色のビットプレーンなどのような)画像情報の少なくとも一部を含まなければならない。案内光学系32は、点光源アレイ28からSLM30への入射光を、SLM30からの反射後に広開口ライトフィールド26の形態の出力へと案内するように働く。
眼132の瞳孔10(図1参照)は、複数のピンホール開口ライトフィールド26から構成される広開口ライトフィールド26の一部を受け取る。複数のピンホール開口ライトフィールド26は、ピンホール開口ライトフィールド16と、別のピンホール開口ライトフィールド18を含む。広開口ライトフィールド26の開口絞りによって与えられる射出瞳は、瞳孔10がプロジェクタに対して相対的に移動している場合であっても、ライトフィールド26の少なくとも一部を瞳孔10内に投影するために瞳孔10よりも大きい。広開口ライトフィールド26は、20及び22のような複数の仮想ピンホールを通して見られるように、遠い対象物12及び近い対象物14のような複数の対象物の画像を運ぶ。仮想ピンホール20及び22は瞳孔10の近傍に配置され、技術的に可能な限り小さな直径を有する。網膜24は、例えば遠い対象物12及び近い対象物14を有する人工シーンの画像を受け取り、観察される対象物の距離及び眼132の焦点距離に依存する画像のぼけを、図2及び3に示されるように、感知する。ライトフィールドプロジェクタエンジン62(図10参照)は、点光源34と、他の点光源36とを含む複数の点光源を含む二次元の点光源アレイ28を備える。点光源34と、別の点光源36とは、入射光ライトフィールド38及び40を含む入射光ライトフィールドの光源である。34及び36のような複数の点光源は、案内光学系32を介して反射型SLM30を速い順序で次々に照射する。光学系32は、随意に、点光源アレイ28とSLM30との間に配置されたコリメートレンズ42と、SLM30によって変調された所望のライトフィールドを他の光成分から分離する全反射プリズム44とを含む。レンズ52及び56などの任意選択の光学素子は、SLM30から反射されたライトフィールドが接眼部46に入る前にフーリエフィルタ54を介して案内するように機能する。フーリエフィルタ54は、例えば、SLM30からの反射後のライトフィールドから回折成分を除去する。
図1は、本開示に提示されるニアアイライトフィールドプロジェクタの基本原理を示す。観察者に現実的な有限の被写界深度及び正確な眼の調節を提供するメカニズムは、16及び18のような複数のピンホール開口の構成により、12及び14のような対象物を有する仮想3Dシーンから瞳10に入ると想定される全光フィールドの近似に基づいている。仮想ピンホール開口ライトフィールド16及び18は、異なる仮想ピンホール20及び22を通って、瞳孔10に入光する。仮想ピンホール10、22及び別のものは、そのライトフィールドが少なくとも部分的及び少なくとも一時的に瞳孔10を通るように、瞳孔10の近くに位置しなければならない。
ニアアイライトフィールドプロジェクタエンジン62は、常時合焦ライトフィールドの、時間的に多重化されるシーケンスからなる自律ライトフィールド26を提供する。このプロジェクタは、現実的な単眼の奥行き手がかりを提供するため観察者の眼の調節に関する情報を必要としない。(瞳孔運動の領域をカバーするために)眼の瞳孔10及びその近傍に直接投影することは、(大型の3Dディスプレイとは対照的に)プロジェクタに伝達されプロジェクタから投影されなければならない情報量を減少させる。眼の調節からの画像深度の単眼知覚及び有限の被写界深度による画像ぼけの他に、観察者は、観察される物体の距離を、瞳孔10が動くときの近い対象物14及び遠い対象物12の小さな相互変位から、感知する。投影対象物が実世界に関して正確な位置を有するようにプロジェクタ32の光学系を設定してもよい。光学系32及び投射ライトフィールド26は、被写界深度の影響を低減又は増幅するように配置してもよい。
ここに開示された本発明の好ましい実施例は、赤、緑、青のような複数の発光ダイオードからなる点光アレイ28を用いて製造され得る。点光アレイ28は、レーザ切断、マイクロマシニング、又はエッチングによって製造される、ピンホールのアレイを包含するマスクで覆われている。あるいは、各ダイオードを、その出力が点光として機能する光ファイバと結合することで作製し得る。光ファイバスプリッタ、可動ダイオード、可動ミラーなどの使用を含む、点光アレイの多数の実施形態が、存在し得る。
図6は、本発明において開示されるライトフィールドプロジェクタのより特定の代替的な一実施形態を示す。DMD又はFLCOSのような反射型SLM30は、約10μmの典型的な画素ピッチを有し、これは反射されたライトフィールドにおいて回折成分の出現をもたらす。したがって、図6の実施形態は、フーリエフィルタ54の位置に点光アレイ28の像面を形成する追加の光学系52と、56及び46のような接眼光学系とを含む。フーリエフィルタ54は、変調されたピンホール開口ライトフィールドを透過し、点ライトアレイ28とフーリエフィルタ54との間に生成されたライトフィールドの全ての回折成分を遮断する。実際には、フーリエフィルタ54は、点-光アレイ28の拡大縮小画像である固定ピンホールアレイである。フィルタ52上のピンホールは、好ましくは、それらの開口での回折を最小にするのに十分に大きい、例えば300μm以上である。他方、アレイ28内の点光の大きさは、それらが十分な光強度を提供する限り可能な限り小さくしてもよい。各ピンホール開口ライトフィールドの開口絞りがフーリエフィルタ54によって決定されるとき、アレイ28内の点光はより大きい直径を有し得る。より大きい直径の点光は、DMD内のマイクロミラーの反射角度の変動を補償する。
12 遠い対象物
14 近い対象物
16 ピンホール開口ライトフィールド
18 他のピンホール開口ライトフィールド
20 仮想ピンホール
22 別の仮想ピンホール
24 網膜
26 広開口ライトフィールド
27 SLM
28 点光源アレイ
29 放射状光源とミラー
30 空間光変調器SLM
32 誘導光学系
34 点光源
36 他の点光源
37 コリメート光ビーム
38 入射ラジアルライトフィールド
40 他の入射放射状ライトフィールド
41 入射光線フィールド
42 コリメータ
44 全反射プリズム
46 接眼レンズ
48 仮想点対象物
50 仮想点対象物のソース画像
52 凸レンズ
54 フーリエフィルタ
56 調整レンズ
58 傾斜ミラー
59 部分的に透明なミラー
60 実世界
62 ライトフィールドプロジェクタエンジン
64 メガネ、透明箱
66 常に合焦される網膜像
68 別の常に合焦される網膜像
70、72 合成網膜像
74、76 合成網膜像
78 合成網膜像
82、84 暗い画素に対応する合成網膜像
86 合成網膜像
88 ディスプレイ制御電子機器
90 照明制御電子機器
92 同期信号
94 映像信号
96 照明信号
98 アクティブ点光源
100 非アクティブ点光源
102 画像構成要素のシーケンス
104 初期化オン/オフ
106 アクティブ点光源の位置
108 画像フレーム
110 画像構成要素(ソース画像)
112 他の画像構成要素(ソース画像)
114 照射ステップを持つ要素
116 もう1つのステップ
118 画像構成要素シーケンス
120 表示されている画像構成要素
122 表示されている画像構成要素
124 表示されている画像構成要素
126 表示されている画像構成要素
128 画像シーケンス
130 他の画像シーケンス
132 眼
134 シースルーボックス
136 層系
138 光吸収コーティング
140 要素
142 透明給電線
144 透明給電線
146 光線
148 光拡散要素
150 最初の透明ホルダ
151 第2の透明ホルダ
152 反射型SLMの明るい画素
154 反射型SLMの暗い画素
156 SLMの反射面
158 マイクロレンズ
160 偏光フィルタ
162 DMDディスプレイ(明るい画素)のマイクロミラー
164 DMDディスプレイ(暗い画素)のマイクロミラー
168 暗い画素に対応するマイクロミラーから反射された光線
170 メガネの腕部
171 フレーム
172 視軸線
Claims (12)
- 複数の入射ライトフィールド(38、40)を順次放出するように構成された複数の照明点光(34、36)を備える光源(28)と、
一連のソース画像を提供するように構成された空間光変調器(30)と、
を備え、
空間光変調器(30)はさらに、複数のピンホール開口ライトフィールド(16、18)を順次投影するように、入射光フィールド(38、40)のそれぞれをソース画像に従って変調するように構成され、各ピンホール開口ライトフィールド(16、18)は、ソース画像からのライトフィールド成分を搬送する、
ニアアイ投影画像をユーザの眼に投影するライトフィールドプロジェクタであって、
順次投影されたピンホール開口ライトフィールド(16、18)のそれぞれは、交差仮想ピンホール(20、22)を形成し、それを通してソース画像からの構成要素が可視であって、仮想ピンホール(20、22)のそれぞれが、開口絞りを備えて、照明点光(34、36)のサイズによって決定され、互いに空間的にシフトされ、ニアアイ投影画像が複数の仮想ピンホール(20、22)を通して見られる、ライトフィールドプロジェクタにおいて、
前記ライトフィールドプロジェクタは、複数の要素(29)を備えるシースルーボックス(134)を備え、各要素(29)が、複数の要素(29)が点光源を形成するように照明点光(34、36)と、ミラー(58、59)とを備えていて、
ミラー(58、59)が、各要素(29)が1つの点光源及びフーリエフィルタとしての機能を果たすように、フーリエフィルタとして作用する、ライトフィールドプロジェクタ。 - 前記要素(29)の照明点光(34、36)によって放出されたライトフィールド(38、40)が、レンズ(52)を通って伝わり、空間光変調器(30)で反射されて、変調されたライトフィールド(16、18)として伝わるように、レンズ(52)がシースルーボックス(134)と空間光変調器(30)との間に備えられている、請求項1に記載のライトフィールドプロジェクタ。
- 前記ミラー(58、59)が全反射型ミラーを備える、請求項2に記載のライトフィールドプロジェクタ。
- 空間光変調器(30)が、ライトフィールド(38、40)を反射するように構成されていて、層系(136)であって、要素(29)の点光照明(34、36)から放出されたライトフィールド(38、40)が空間光変調器(30)で反射して、変調されたライトフィールド(16、18)として同じ前記要素(29)に伝わって戻る、層系(136)を備えている、請求項1に記載のライトフィールドプロジェクタ。
- 前記ミラー(58、59)が部分反射型ミラーを備える、請求項4に記載のライトフィールドプロジェクタ。
- シースルーボックス(134)が、ピンホール開口ライトフィールド(16、18)を実世界(60)による自然光と混合するように構成されている、請求項1に記載のライトフィールドプロジェクタ。
- 空間光変調器(30)はシースルーボックス(134)に接している、請求項1に記載のライトフィールドプロジェクタ。
- 空間光変調器(30)はシースルーボックス(134)から離れている、請求項1に記載のライトフィールドプロジェクタ。
- 請求項1に記載のライトフィールドプロジェクタを備える、ユーザが装着することとした拡張現実感装置。
- 2つのライトフィールドプロジェクタであって、各ライトフィールドプロジェクタが、前記ライトフィールドプロジェクタの外側に空間光変調器(30)を備えている、前記シースルーボックス(134)を備えている、請求項9に記載の拡張現実感装置。
- 複数の入射ライトフィールド(38、40)を順次放出するように構成された複数の照明点光(34、36)を備える光源(28)と、
一連のソース画像を提供するように構成された空間光変調器(30)と、
を備える、ライトフィールドプロジェクタであって、
空間光変調器(30)がさらに、複数のピンホール開口ライトフィールド(16、18)を順次投影するように、入射光フィールド(38、40)のそれぞれをソース画像に従って変調するように構成され、各ピンホール開口ライトフィールド(16、18)は、ソース画像からのライトフィールド成分を搬送し、
順次投影されたピンホール開口ライトフィールド(16、18)のそれぞれが、交差仮想ピンホール(20、22)を形成し、それを通してソース画像からの構成要素が可視であって、仮想ピンホール(20、22)のそれぞれが、開口絞りを備えて、照明点光(34、36)のサイズによって決定され、互いに空間的にシフトされ、ニアアイ投影画像が複数の仮想ピンホール(20、22)を通して見られる、前記ライトフィールドプロジェクタを備える拡張現実感装置を操作する方法において、
前記ライトフィールドプロジェクタは、複数の要素(29)を備えるシースルーボックス(134)を備え、各要素(29)は、複数の要素(29)が点光源を形成するように照明点光(34、36)と、ミラー(58、59)とを備えていて、
ミラー(58、59)は、各要素(29)が1つの点光源及びフーリエフィルタとしての機能を果たすように、フーリエフィルタとして作用する、
前記拡張現実感装置を操作する方法が、
空間光変調器(30)上に一連のソース画像(110、112)を表示することと、
表示されたソース画像(110、112)を放射光線のライトフィールド(38、40)で照明することと、
を備え、
複数の点光源(34、36)の組み合わせが、時系列関数に従って点灯される、拡張現実感装置を操作する方法。 - ニアアイ投影画像は、遠方視(60)の対象物から来るライトフィールドによって形成される遠い画像と組み合わせ可能であって、
ニアアイ投影画像が、表示されたソース画像(110、112)を放射光線のライトフィールド(38、40)で順次照明することによって遠い画像と組み合わされる、請求項11に記載の方法。
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