KR20210068030A - 직접 투영 광 필드 디스플레이 - Google Patents

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KR20210068030A
KR20210068030A KR1020217009754A KR20217009754A KR20210068030A KR 20210068030 A KR20210068030 A KR 20210068030A KR 1020217009754 A KR1020217009754 A KR 1020217009754A KR 20217009754 A KR20217009754 A KR 20217009754A KR 20210068030 A KR20210068030 A KR 20210068030A
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조단 팩함
다니엘 웨버
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아발론 홀로그래픽스 인코퍼레이션
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Abstract

광 필드의 직접 투영을 위한 프로젝터의 어레이를 포함하는 직접 투영 광 필드 디스플레이. 전체적인 설계 및 추가 광학 장치의 포함은 최적의 광 분배와 작은 픽셀 크기를 달성하여 고화질 3D 디스플레이를 생성한다. 직접 투영 광 필드 디스플레이의 아키텍쳐는 각 프로젝터에 대한 낮은 밝기 요구 사항을 가셔 증가된 프로젝터 밀도, 감소된 시스템 및 감소된 전력 요구 사항을 초래하면서 고해상도 광 필드를 생성한다.

Description

직접 투영 광 필드 디스플레이
우선권 주장
본 출원은 그 내용이 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된 2018년 9월 28일 제출된 미국 특허 출원 번호 제62/738,307호에 대해 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 고정된 요소 이미지 세트로 광 필드를 직접 투영하기 위한 프로젝터 어레이에 관한 것이다. 직접 투영 방법은 감소된 시스템 깊이, 뷰 수에 대한 직접적인 픽셀 관계 및 프로젝터 당 감소된 밝기 요구사항을 포함하여 전체 디자인에서 많은 이점을 제공한다.
3차원 디스플레이는 시청자가 보고 있는 이미지에 대해 더 넓은 시야(broader perspective)를 얻을 수 있게 한다. 일부 3차원 디스플레이는 편광을 사용하며 시청자가 특수 안경을 착용해야 한다. 다른 것은 직접 투영을 사용하고 단일 차원에서 일부 시차(parallax)를 제공하는 이미지를 생성한다.
양태에 따르면 다음을 포함하는 광 필드 디스플레이가 있다:
i. 복수의 광 프로젝터를 포함하는 프로젝터 어레이 ― 각 프로젝터는 광선을 생성하도록 구성됨 ―;
ii. 프로젝터 어레이에 의해 생성된 광선이 광 필드를 생성하도록 구성된 복수의 렌즈 시스템으로서, 복수의 렌즈 시스템은:
a. 렌즈렛(lenslet)의 어레이를 포함하고, 프로젝터 어레이로부터 광선을 수신하도록 위치되는 제1 렌즈 시스템; 및
b. 마이크로어레이 렌즈렛을 포함하고, 확산되고 시준된(collimated) 빔을 수신하도록 위치되는 제2 렌즈 시스템 ― 마이크로어레이 렌즈렛으로부터의 광 출력은 광 필드를 형성함 ―을 포함하는, 복수의 렌즈 시스템.
실시예는 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 제1 렌즈 시스템의 각 렌즈셋은 프로젝터 어레이에서의 프로젝터 중 대응하는 하나로부터 광을 수신하도록 위치된다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 제1 렌즈 시스템은 제1 렌즈 서브 시스템 및 제2 렌즈 서브 시스템을 포함하고, 제2 렌즈 서브 시스템은 제1 렌즈 서브 시스템과 제2 렌즈 시스템 사이에 위치하며, 제2 렌즈 서브 시스템은 제1 렌즈 서브 시스템으로부터 광을 수신하도록 위치되며 제2 렌즈 시스템은 제2 렌즈 서브 시스템으로부터 확산되고 시준된 빔을 수신하도록 위치된다.
광 필드 디스플레이이의 실시예에서, 제2 렌즈 서브 시스템은 확산 어레이를 포함한다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 확산 어레이는 제1 렌즈 서브 시스템의 렌즈렛 중 하나 이상으로부터 시준된 빔을 수신하도록 위치된다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 제1 렌즈 시스템은 시준 렌즈렛의 어레이를 포함한다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 제2 렌즈 시스템에 의해 확산되고 시준된 빔은 포인트 확산 함수에 따라 확산된다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 포인트 확산 함수는 광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터를 특징으로 하는 반치전폭(Full-Width at Half Maximum, FWHM)을 갖는 가우스 함수로 설명된다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터는:
i. 호겔 피치(hogel pitch);
ii. 픽셀 피치; 및
iii. 제2 렌즈 시스템의 초점 길이 중 하나 이상을 포함한다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 프로젝터 어레이는 각 프로젝터의 방향의 조정을 위한 조정 요소를 포함한다.
광 필드 디스플레이의 실시예에서, 하우징을 포함하며, 프로젝터 어레이 및 복수의 렌즈 시스템은 하우징 내에 배열된다.
양태에 따르면 다음을 포함하는 광 필드를 생성하기 위한 방법이 있다:
i. 프로젝터 어레이의 다수의 프로젝터 각각에 의해 광선을 생성하는 단계;
ii. 광 필드 이미지로 프로젝터 어레이에 의해 생성되는 광선을 랜더링하는 단계로서, 랜더링하는 단계는:
a. 렌즈렛의 어레이를 포함하는 제1 렌즈 시스템에 의해, 시준된 빔을 형성하도록 프로젝터 어레이에 의해 생성되는 광선을 시준하는 단계;
b. 마이크로어레이 렌즈렛을 포함하는 제2 렌즈 시스템에 의해, 광 필드로 확산되고 시준된 빔을 랜더링하는 단계;를 포함하는, 광 필드 이미지로 광선을 랜더링하는 단계.
실시예는 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
방법의 실시예에서, 마이크로 렌즈렛의 제1 어레이의 대응하는 하나의 렌즈렛으로부터 방출되는 광은 확산 어레이에서 수신된다.
방법의 실시예에서 디퓨저(diffuser) 어레이로부터 방출된 확산된 광은 포인트 확산 함수를 특징으로 한다.
방법의 실시예에서, 포인트 확산 함수는 광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터를 특징으로 하는 반치전폭(FWHM)을 갖는 가우스 함수로 설명된다.
방법의 실시예에서, 프로젝터 어레이의 프로젝터 중 하나 이상의 각각의 방향은 조정된다.
본 명세서에 설명된 접근 방식에는 다음과 같은 이점 중 하나 이상을 가질 수 있다. 광 필드 디스플레이는 넓은 시야와 높은 각도 해상도를 가질 수 있는 자동 입체 디스플레이일 수 있다. 광 필드 디스플레이는 수평 및 수직 시차를 모두 허용할 수 있다. 광 필드 디스플레이는 상대적으로 낮은 전력 소비를 가질 수 있다. 감소된 픽셀 크기는 고해상도로 자연스러운 “실제 생활” 이미지를 재현하기 위한 광 필드 디스플레이를 생성한다.
하나 이상의 구현의 세부 사항은 첨부된 도면과 아래의 설명에서 설명된다. 다른 특징 및 이점은 설명 및 도면으로부터, 그리고 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 광 필드 디스플레이의 분해도이다.
도 2는 광 필드 디스플레이의 예시적인 실시예의 분해도이다.
도 3a는 시준 렌즈 어레이의 정면도이다.
도 3b는 도 3a의 시준 렌즈 어레이의 2×4 그리드의 확대도(magnified view)의 다이어그램이다.
도 3c는 도 3a의 시준 렌즈 어레이의 프로파일 뷰(profile view)의 다이어그램이다.
도 3d는 도 3a의 시준 렌즈 어레이의 단일 렌즈의 등각 투영도(isometric view)의 다이어그램이다.
도 4a는 엔지니어드 디퓨저(engineered diffuser)의 정면도이다.
도 4b는 레이저 에칭된 엔지니어드 디퓨저의 확대도이다.
도 4c는 확산 렌즈 어레이의 확대도이다.
도 4d는 도 4a의 엔지니어드 디퓨저의 등각 투영도의 다이어그램이다.
도 5는 엔지니어드 디퓨저 어레이의 픽셀에 대한 포인트 확산 함수의 다이어그램이다.
도 6a는 디스플레이 렌즈 어레이의 다이어그램이다.
도 6b는 메타 표면 디스플레이 렌즈의 확대도의 다이어그램이다.
도 6c는 메타 표면 디스플레이 렌즈의 확대도의 다이어그램이다.
도 7a는 디스플레이 렌즈 어레이의 수평 렌티큘러 부분(horizontal lenticular portion)의 프로파일 뷰의 다이어그램이다.
도 7b는 도 7a의 디스플레이 렌즈 어레이의 수평 렌티큘러 부분의 확대도의 다이어그램이다.
도 7c는 도 7a에 도시된 디스플레이 렌즈 어레이의 수평 렌티큘러 부분의 프로파일 뷰의 다이어그램이다.
도 7d는 도 7a의 디스플레이 렌즈 어레이의 수평 렌티큘러 부분의 프로파일 뷰의 확대도의 다이어그램이다.
도 7e는 디스플레이 렌즈 어레이의 수직 렌티큘러 부분의 정면도이다.
도 7f는 도 7a의 디스플레이 렌즈 어레이의 수직 렌티큘러 부분의 확대도의 다이어그램이다.
도 7g는 도 7a에 도시된 디스플레이 렌즈 어레이의 수직 렌티큘러 부분의 프로파일 뷰의 다이어그램이다.
도 7h는 도 7a의 디스플레이 렌즈 어레이의 수직 렌티큘러 부분의 프로파일 뷰의 확대도의 다이어그램이다.
도 8은 직접 투영 광 필드 디스플레이를 통해 단일 프로젝터로부터 픽셀의 광선 경로를 나타내는 다이어그램이다.
본 명세서에서는 다중 뷰, 자동 입체 및 고 각 해상도 광 필드 디스플레이를 설명한다. 광 필드 디스플레이는 수평 및 수직 시차로 볼 수 있다.
시각 시스템에 의해 인지되는 시각적 자극을 설명하기 위해 공간과 시간의 광을 기반으로 하는 관찰자 기반 함수 또는 플렌옵틱 함수(plenoptic function)의 개념이 개발되었다. 플렌옵틱 함수의 기본 변수는 광이 보이는 3D 좌표(x, y, z)와 각도(
Figure pct00001
,
Figure pct00002
)로 설명되는 광이 보기 위치(viewing location)에 접근하는 방향에 의존한다. 광의 파장, λ 및 관찰 시간 t를 사용하면 다음과 같은 플렌 옵틱 함수가 발생한다:
Figure pct00003
플렌옵틱 함수에 대한 대안으로, 3D 공간에서 광선을 따라 한 지점에서 광도(radiance)를 사용할 수 있으며 주어진 방향은 광 필드로 표현될 수 있다. 광 필드의 정의는 플렌옵틱 함수의 정의와 동일할 수 있다. 광 필드는 5D 함수로서 가능한 모든 방향으로 모든 지점을 통해 흐르는 광도로 설명될 수 있다. 정적 광 필드의 경우 광 필드는 스칼라 함수로 표시될 수 있다:
Figure pct00004
여기서 (x, y, z)는 위치 함수로서 광도를 나타내며 광 이동 방향은 (
Figure pct00005
,
Figure pct00006
)를 특징으로 한다. 3D 현실 세계 객체의 시청자는 무한한 뷰 또는 연속적으로 분포된 광 필드의 영향을 받는다. 이를 실질적으로 복제하기 위해, 본 개시는 연속적으로 분포된 광 필드를 유한한 수의 뷰 또는 다수의 뷰로 서브 샘플링하여 광 필드를 근사하기 위해 직접 투영 광 디스플레이를 설명한다. 직접 투영 광 필드 디스플레이의 출력은 인간의 눈의 해상도를 초과하는 각 해상도를 갖는 유한한 수의 뷰를 기반으로 하는 연속적으로 분포된 광 필드의 3D 표현인 광 필드이다.
프로젝터 어레이 기반 디스플레이는 예를 들어 정밀하게 정렬된 조밀하게 배향된 프로젝터가 많이 포함되기 때문에 설계하기 어려울 수 있다. 도 1을 참조하면, 광 필드 디스플레이는 프로젝터 어레이(12) 및 2 개의 렌즈 어레이(16, 18)를 수용하는 인클로저(10)를 포함한다. 프로젝터 어레이(12)는 각각이 광을 생성하는 다수의 프로젝터를 포함한다. 프로젝터 어레이의 프로젝터는 증강 현실 헤드셋 또는 자동차 헤드업 디스플레이(HUD)에 특화된 피코 프로젝터(pico-projector)일 수 있다. 프로젝터는 이미지 데이터를 수신하고 이미지 데이터를 투영된 광으로 변환한다. 투영된 광은 그 후에 프로젝터로부터 제1 렌즈 시스템 또는 어레이(16)로 전송된다. 광은 그 후에 제1 렌즈 시스템(16)에서 제2 렌즈 시스템(18)으로 전송되어 광 필드 이미지를 형성한다. 모든 광학 기계 부품은 렌즈 인클로저(14)에 맞는다(fit).
일반적으로, 당 업계에 알려진 광 필드 디스플레이에는 매우 고 휘도 프로젝터가 필요하다. 본 발명의 광 필드 디스플레이의 이점은 프로젝터 어레이(12)의 프로젝터에 대한 감소된 밝기 요구 사항이다. 감소된 밝기 요구 사항은 광의 각도 분포 및 광 빔으로 포인트 확산 함수의 적용을 제어하는 직접 투영 디스플레이의 렌즈 시스템의 능력의 설계를 통해 달성된다. 감소된 밝기 요구 사항은 내부 냉각 요구 사항 없이 작은 LED를 허용할 수 있으므로, 더 작은 프로젝터 풋 프린트(footprint)는 프로젝터 어레이(12)의 더 타이트한 패킹 밀도, 개별 프로젝터의 크기 및 무게 감소 및 직접 투영 광 필드 디스플레이에 대한 전력 감소로 이어질 수 있다.
시준 어레이일 수 있는 제1 렌즈 서브 시스템(16)은 프로젝터 어레이(12)로부터 방출되는 광의 발산을 감소시킨다. 제1 렌즈 서브 시스템(16)은 프로젝터 어레이(12)로부터 투사 거리(throw-distance)에 위치된다. 일 예에서, 투사 거리는 프로젝터 이미지의 각 픽셀이 인접 픽셀에 비례하여 크기가 증가하고 픽셀이 겹치치 않도록 한다. 프로젝터는 프로젝터와 제1 렌즈 서브 시스템(16) 사이의 거리가 제1 렌즈 서브 시스템(16)의 단일 렌즈렛과 동일한 크기의 투영된 이미지를 생성하도록 배치된다. 프로젝터 어레이(12)로부터의 발산 패턴은 프로젝터(12) 및 제1 렌즈 서브 시스템(16)의 시준 어레이 렌즈렛 사이의 1:1 비율을 허용하는 단일 프로젝터와 대략 동일한 크기이다.
도 2는 광 필드 디스플레이를 도시한다. 제1 렌즈 서브 시스템(16) 및 제2 렌즈 서브 시스템(20)을 포함하는 제1 렌즈 시스템(22)을 떠나는 시준된 광 빔으로서, 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 엔지니어드 디퓨저 어레이일 수 있다. 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 제1 렌즈 서브 시스템(16) 및 제2 렌즈 시스템(18) 사이에 위치되며, 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 제1 렌즈 서브 시스템(16)으로부터 광을 수신한다. 제1 및 제2 렌즈 서브 시스템(16, 20)은 단일 통합 부품 또는 별개일 수 있다. 제2 렌즈 시스템(18)은 제2 렌즈 서브 시스템(20)으로부터 확산되고 시준된 빔을 수신하도록 위치될 수 있다. 따라서, 제1 렌즈 서브 시스템 또는 시준 어레이(16)로부터의 광은 일 예에서 엔지니어드 디퓨저 어레이인 제2 렌즈 서브 시스템 또는 확산 어레이(20)로 이동한다. 프로젝터(12)의 출력은 이미지의 투영된 크기를 보존하기 위해 시준된다.
제2 렌즈 서브 시스템(20)에서, 각 픽셀의 발산은 다음 인자만큼 증가한다:
Figure pct00007
여기서 C는 샘플링된 파면의 적절한 재구성을 위해 선택된 상수이고 fm은 필 팩터(fill factor)이다. 일 예에서, C의 값은 약 2이다. 이러한 경우에 필 팩터 fm은 대략 0.9여서, 스폿 크기 xs는 다음과 같이 픽셀 간격 xp에 관련된다.
Figure pct00008
여기서 xp는 각 샘플(angular sample)의 수로 나눈 렌즈 피치이다. 따라서, 제2 렌즈 서브 시스템 또는 확산 어레이(20)는 이미지의 각 픽셀에 포인트 확산 함수를 부여한다. 도 5는 상기 포인트 확산 함수의 평면도 이미지를 도시한다.
제2 렌즈 서브 시스템 또는 확산 어레이(20)로부터의 포인트 확산 함수를 갖는 픽셀은 디스플레이 렌즈를 구성하는 제2 렌즈 시스템(18)의 후면에 입사된다. 제2 렌즈 시스템(18) 및 제2 렌즈 서브 시스템(20) 사이의 거리는 이미지 당 픽셀의 출력 폭의 미세 조정을 허용할 것이며 시스템 공간을 줄이기 위해 최소화될 수 있다.
광이 제1 렌즈 서브 시스템 또는 엔지니어드 디퓨저 어레이(20)에 입사되고 이를 통과할 때, 광은 가우시안 함수로 근사된 포인트 확산 함수에 따라 분산된다. 제2 렌즈 서브 시스템은 원하는 각도를 달성하고 이웃 프로젝터(12)로부터 광의 투영으로부터의 블리드(bleed)를 방지하는데 사용되는 각 디퓨저(angular diffuser) 또는 엔지니어드 디퓨저 어레이(20)를 포함할 수 있다. 본 개시의 일 예에서, 특정 포인트 확산 함수가 각 개별 프로젝터 픽셀로부터의 광에 적용되어 특정 각도로 픽셀을 지향시킨다. 하나의 프로젝터 및 그 픽셀은 작은 이미지를 생성할 수 있다.
예를 들어, 각 프로젝터는 프로젝터의 투사율(throw ratio)로 정의된 거리에서 26mm×15mm의 이미지를 생성하는 것이 관찰될 수 있다. 이 이미지는 그 후에 제1 렌즈 서브 시스템 또는 시준 렌즈(16)에 투영되어 디퓨저 스크린 또는 엔지니어링 디퓨저 어레이(20)로 구성된 제2 렌저 서브 시스템을 향해 투영되는 정확한 크기(26mm×15mm)인 패킷 이미지를 초래한다. 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 그 후에 작은 정의된 포인트 확산 함수를 생성할 수 있다. 원하는 포인트 확산 함수를 사용하면 해상도 바이어스 에러 또는 피켓 펜스 효과(picket fence effect)를 감소시키고 그리고 더 나은 시청 경험을 위해 광을 분산시키는 것이 달성된다. 해상도 바이어스 에러는 스펙트럼의 샘플 사이에 누락된 정보를 참조한다. 해상도 바이어스 에러의 감소는 시야 영역 전환을 부드럽게 하는 것을 허용한다. 이 예에서 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 예를 들어 엔지니어드 발산(engineered divergence)이 5 도 원형 FWHM(반치전폭)을 갖는 경우, 렌즈 시스템을 통과하는 빔 또한 5도의 강도 프로파일을 가질 것이다. 이 출력은 디스플레이 렌즈(18)로 지향되는 광이며 이는 메타 표면 경사 인덱스 렌즈 재료 또는 전술한 바와 같은 플렌옵틱 샘플링 함수에 따라 각 픽셀로부터 광을 분배하기 위한 임의의 대체 광학 구조일 수 있다.
각 프로젝터(12)는 제1 렌즈 시스템(22)을 빠져 나가는 광이 제2 렌즈 시스템(18)에 수직으로 닿도록 정렬될 수 있다. 이와 같이, 각 프로젝터(12)는 정렬 하드웨어 및 미세 제어를 구비할 수 있다. 필요한 공차에 따라 프로젝터(12) 정렬에 대한 몇 가지 접근 방식이 있다;
ㆍ 나사 조정 장치가 있어 한번의 대략적인 정렬을 제공하는 정렬 요소, 즉, 기계식 마운트(mechanical mount).
ㆍ 나노에서 마이크로 스케일의 전자 조정을 위한 압전 변환기. 피드백을 활용하는 활성 교정 계획에 잠재적으로 유용하다.
조정 요소는 운동학적 마운트(kinematic mount) 및/또는 위에서 언급한 압전 변환기와 같은 디지털 제어 조정 요소를 포함할 수 있다.
최대 조정량은 각 프로젝터(12)에 의해 조명되는 렌즈렛의 치수에 의해 결정된다.
도 3a는 제1 렌즈 서브 시스템 또는 시준 렌즈 어레이(16)의 예를 도시한다. 일부 예에서, 제1 렌즈 서브 시스템 시준 렌즈 어레이(16)는 도 3d에 도시된 바와 같이 복수의 시준 렌즈렛(24)을 갖는 일반적으로 직사각형일 수 있다. 제1 렌즈 서브 시스템(16)은 시준 렌즈렛(16)의 어레이로서 제1 렌즈 서브 시스템을 형성하기 위해 특정 굴절률을 갖는 광학적으로 투명한 접착제 또는 광학적으로 투명한 테이프를 사용하여 기판에 고정된 단일 조각을 형성하기 위해 복수의 작은 렌즈에 부착된 기판(28)을 사용하여 구성될 수 있다. 기판은 무엇보다도 시클릭 올레핀 코폴리머(cyclic olefin copolymer, COC) 유리, 유리, 시클릭 올레핀 폴리머(cyclic olefin polymer, COP), PMMA, 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystyrene), 이소플라스트(isoplast), 제오넥스(zeonex), 광학 폴리에스테르(optical polyester), 아크릴(acrylic), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI)일 수 있다.
각각의 시준 렌즈렛(24)은 각각의 시준 렌즈렛(24)이 그 대응하는 프로젝터로부터 광을 수신하도록 프로젝터 어레이에서 대응하는 프로젝터와 정렬하기 위해 위치될 수 있다. 제1 렌즈 서브 시스템 시준 렌즈 어레이(16)는 반사 방지 코팅으로 일면 또는 양면에 코팅될 수 있다.
도 3d는 제1 렌즈 시스템 시준 어레이(16)의 단일 시준 렌즈렛(24)를 도시한다. 도 3b의 예에서, 시준 렌즈렛(24)은 2 개의 평면-볼록 렌즈 및 기판(28)을 포함한다. 볼록 렌즈는 예를 들어 Zeonex®E48R, 유리, 시클릭 올레핀 폴리머(COP), PMMA, 폴리스티렌, 이소플라스트, 광학 폴리에스테르, 아크릴, 폴리에테르이미드(PEI) 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있다. 2 개의 평면-볼록 렌즈 및 기판(28)은 시준 렌즈렛(24)으로 작용할 수 있는 단일의 이중 비구면(bi-aspherical) 볼록 렌즈를 형성하도록 배열될 수 있다.
도 4a는 제2 렌즈 서브 시스템 또는 엔지니어드 디퓨저 어레이(20)를 도시한다. 일부 예에서, 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 도 4b에 도시된 바와 같이 레이저 에칭된 엔지니어드 디퓨저(56)이다. 일부 예에서, 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 도 4c에 도시된 바와 같이 디퓨저 렌즈 어레이(58)이다. 본 개시의 일 구현예에서, 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 3.5도의 원형 각도를 가지며 코팅을 필요로 하지 않는다. 도 4d는 도 4a에 도시된 바와 같이 제2 렌즈 서브 시스템(20)의 등각 투영을 도시한다.
도 5는 제2 렌즈 서브 시스템(20)의 렌즈렛에 대한 본 개시의 실시예에 따른 명목 포인트 확산 함수(nominal point spread function)를 도시한다. 예로서, 포인트 확산 함수(36)는 2 방향 픽셀 사이의 각도가 2 배인 반치전폭(FWHM)을 가질 수 있다. 도 5는 제2 렌즈 서브 시스템(20)의 함수로서 광선의 강도(50) 대 방위각(azimuthal angle, 48) 및 극각(polar angle, 46)에 대한 픽셀의 각도 확산의 그래픽 표현을 도시한다.
먼저, 광은 프로젝터(12)로부터 방출되며, 지정된 투사율ㅇ르 특징으로 하며, 여기서 프로젝터 이미지의 각 픽셀은 인접 픽셀에 비례하여 크기가 증가하여 픽셀이 겹치지 않는다. 프로젝터(12)는 프로젝터와 제1 렌즈 서브 시스템 시준 렌즈 어레이(16) 사이의 거리가 프로젝터(12)가 조명하는 렌즈렛(18)의 수와 동일한 크기의 투영된 이미지를 생성하도록 배치된다.
이어서, 제1 렌즈 서브 시스템(16)에서, 이미지의 투영된 크기를 보존하기 위해 프로젝터의 출력이 시준된다. 시준된 빔은 제2 렌즈 서브 시스템(20)에 입사되며, 여기서 빔의 폭은 2 개의 렌즈 시스템(16, 20)에서 대략적으로 동일하다.
마지막으로, 제2 렌즈 서브 시스템(20)으로부터의 포인트 확산 함수(36)를 갖는 픽셀은 디스플레이 렌즈(18)를 구성하는 마이크로렌즈 어레이의 후면에 입사된다. 디스플레이(18)와 제2 렌즈 서브 시스템(20) 사이의 거리는 이미지 당 픽셀의 출력 폭을 미세 조정하는 것을 허용한다.
도 6a는 디스플레이 렌즈 시스템(18)을 도시한다. 제2 렌즈 서브 시스템(20)은 도 6b에 도시된 바와 같이 메타 표면 또는 도 6c에 도시된 바와 같이 메타 재료 기반 렌즈로 구성될 수 있다.
일부 예에서, 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 제2 렌즈 시스템은 수평 렌티큘러 부분(38) 및 수직 렌티큘러 부분(40)을 포함한다. 도 7a는 또한 수평 렌티큘러 부분(38)의 프로파일 뷰(42)를 도시한다. 도 7b는 또한 수직 렌티큘러 부분(40)의 프로파일 뷰(44)를 도시한다. 수평 및 수직 부분은 제2 렌즈 서브 시스템(20)을 떠나는 광이 각 부분을 연속적으로 통과하도록 적층될 수 있다.
도 8은 직접 투영 광 필드 디스플레이의 단일 프로젝터(12)로부터의 광선 경로를 도시한다. 단일 프로젝터(12)에서 제1 렌즈 시스템(16)으로 이동하는 단일 픽셀(62)의 샘플 광선 경로. 시준된 광 빔은 제1 렌즈 시스템(16)을 떠나 제2 렌즈 서브 시스템(20)으로 이동하고, 제2 렌즈 서브 시스템은 엔지니어드 디퓨저 어레이(20)일 수 있다. 포인트 확산 함수는 광선이 확산되고 시준되는 광 빔(36)을 생성하는 제2 렌즈 서브 시스템(20)을 통과할 때 단일 픽셀로부터의 광선에 적용된다. 확산되고 시준된 광 빔은 디스플레이 렌즈(18)를 통과하여 광 필드(64)를 생성한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터는 호겔 피치, 픽셀 피치 및 초점 길이 중 하나 이상을 포함한다. 용어 픽셀은 적색, 녹색 및 청색 서브 픽셀의 세트를 지칭한다. 픽셀 피치는 한 픽셀의 중심으로부터 다음 픽셀의 중심까지의 거리로 정의된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 픽셀 어레이는 호겔 내부의 픽셀의 어레이를 지칭한다. 호겔은 방향 제어를 갖는 기존 픽셀의 클러스터인 홀로그램 픽셀의 대체 용어이다. 호겔의 어레이는 광 필드를 생성할 수 있다. 그런 다음 호겔 피치는 하나의 호겔의 중심으로부터 인접한 호겔의 중심으로의 거리로서 정의된다. 렌즈의 시야각은 초점 거리로 정의된다. 일반적으로 초점 거리가 짧을수록 시야가 넓어진다. 초점 거리는 렌즈의 후방 주면(rear principal plane)으로부터 측정된다는 점을 유의해야 한다. 렌즈의 후방 주면은 이미징 렌즈의 기계적 후방(mechanical back)에 거의 위치하지 않는다. 이로 인하여 시스템의 근사치와 기계적 설계는 일반적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 계산된다.
다수의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 위에서 설명한 단계 중 일부는 순서에 독립적일 수 있으므로 설명된 것과 다른 순서로 수행될 수 있다.
다른 구현예도 또한 다음 청구 범위 내에 있다.

Claims (16)

  1. 광 필드 디스플레이로서,
    복수의 광 필드 프로젝터를 포함하는 프로젝터 어레이 ― 각 프로젝터는 광선을 생성하도록 구성됨 ―; 및
    상기 프로젝터 어레이에 의해 생성된 광선이 광 필드를 생성하도록 구성된 복수의 렌즈 시스템으로서, 복수의 렌즈 시스템은:
    렌즈렛(lenslet)의 어레이를 포함하고, 프로젝터 어레이로부터 광선을 수신하도록 위치되는 제1 렌즈 시스템; 및
    마이크로어레이 렌즈렛을 포함하고, 상기 제1 렌즈 시스템으로부터 확산되고 시준된(collimated) 빔을 수신하도록 위치되는 제2 렌즈 시스템 ― 상기 마이크로어레이 렌즈렛으로부터의 광 출력은 광 필드를 형성함 ―을 포함하는, 복수의 렌즈 시스템;을 포함하는,
    광 필드 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 시스템의 각각의 렌즈렛은 프로젝터 어레이의 프로젝터 중 대응하는 하나로부터 광을 수신하도록 위치되는,
    광 필드 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 시스템은 제1 렌즈 서브 시스템 및 제2 렌즈 서브 시스템을 포함하며, 상기 제2 렌즈 서브 시스템은 제1 렌즈 서브 시스템 및 제2 렌즈 시스템 사이에 위치되며, 제2 렌즈 서브 시스템은 제1 렌즈 시스템으로부터 광을 수신하도록 위치되며 제2 렌즈 시스템은 제2 렌즈 서브 시스템으로부터 확산되고 시준된 빔을 수신하도록 위치되는,
    광 필드 디스플레이.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 서브 시스템은 확산 어레이를 포함하는,
    광 필드 디스플레이.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 확산 어레이는 제1 렌즈 서브 시스템의 렌즈렛 중 하나 이상으로부터 시준된 빔을 수신하도록 위치되는,
    광 필드 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 시스템은 시준 렌즈렛의 어레이를 포함하는,
    광 필드 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 시스템에 의해 수신되는 확산되고 시준된 빔은 포인트 확산 함수에 따라 확산되는,
    광 필드 디스플레이.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 포인트 확산 함수는 광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터를 특징으로 하는 반치전폭(FWHM)을 갖는 가우시안 함수에 의해 설명되는,
    광 필드 디스플레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터는: 호겔 피치; 픽셀 피치; 및 제2 렌즈 시스템의 초점 거리 중 하나 이상을 포함하는,
    광 필드 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프로젝터 어레이는 각 프로젝터의 방향의 조정을 위한 조정 요소를 포함하는,
    광 필드 디스플레이.
  11. 제1항에 있어서,
    하우징을 더 포함하며, 상기 프로젝터 어레이 및 복수의 렌즈 시스템은 하우징 내에 배치되는,
    광 필드 디스플레이.
  12. 광 필드를 생성하기 위한 방법으로서,
    프로젝터 어레이의 다수의 프로젝터 각각에 의해 광선을 생성하는 단계; 및
    광 필드 이미지로 상기 프로젝터 어레이에 의해 생성되는 광선을 랜더링하는 단계로서, 랜더링하는 단계는:
    렌즈렛의 제1 어레이에 의해, 시준된 빔을 형성하도록 프로젝터 어레이에 의해 생성되는 광선을 시준하는 단계; 및
    마이크로어레이 렌즈렛의 적어도 하나의 어레이에 의해, 광 필드로 확산되고 시준된 빔을 랜더링하는 단계;를 포함하는, 광 필드 이미지로 광선을 랜더링하는 단계;를 포함하는,
    광 필드를 생성하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로어레이 렌즈렛의 제1 어레이의 대응하는 하나의 렌즈렛으로부터 방출된 광을 확산 어레이에서 수신하는 단계를 포함하는,
    광 필드를 생성하기 위한 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 확산 어레이로부터 방출된 확산된 광은 포인트 확산 함수를 특징으로 하는,
    광 필드를 생성하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 포인트 확산 함수는 광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터를 특징으로 하는 반치전폭(FWHM)을 갖는 가우시안 함수에 의해 설명되는,
    광 필드를 생성하기 위한 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 프로젝터 어레이의 프로젝터 중 하나 이상의 각각의 방향을 조정하는 단계를 포함하는,
    광 필드를 생성하기 위한 방법.
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