KR20220045195A - 광 필드 프로젝터 장치 - Google Patents

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KR20220045195A
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Abstract

광 필드를 출력하는 광 필드 프로젝터 장치가 설명된다. 프로젝터는 광선을 출력하여 투사된 이미지를 형성하도록 구성된 투사 광학 시스템, 광 필드 이미지를 생성하도록 디스플레이 광학 시스템으로 지향되는 제2 투사된 이미지를 형성하기 위해 투사된 이미지 광선을 시준하도록 구성된 시준 광학 시스템을 구비한 프로젝터 베이스를 갖는다. 광 필드 프로젝터 장치는 개별적으로 또는 직접 투사 광 필드 디스플레이트를 형성하도록 배열될 수 있는 하나 이상의 다른 프로젝터와 조합하여 사용될 수 있다. 광 필드 프로젝터 장치의 배열은 개별 또는 공유 디스플레이 광학 시스템을 가질 수 있다. 프로젝터 장치는 높은 픽셀 밀도를 제공하도록 설계되어 선명하고 픽셀이 없어 보이는 이미지를 제공한다.

Description

광 필드 프로젝터 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 그 내용의 전체가 참조를 위해 포함된 2019년 8월 14일에 제출된 미국 특허 출원 번호 제62/886,521호에 대해 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 개시는 광 필드 디스플레이 기술, 보다 상세하게는 광 필드 프로젝터 장치에 관한 것이다. 본 개시는 특히 개별적으로 또는 상기 장치의 어레이 내에서 높은 각도 해상도, 넓은 시야, 다중 뷰 디스플레이를 형성하는 광 필드 프로젝터 장치에 관한 것이다.
광 필드 디스플레이는 다중 뷰를 제공하여 사용자가 각눈에서 별도의 뷰를 수신할 수 있도록 한다. 이 범주의 현재 디스플레이는 흥미로운 시청 경험을 제공하지만 매혹적인 광 필드 디스플레이는 높은 픽셀 밀도, 뷰 간의 낮은 각도 분리 및 큰 시야각을 필요로 한다. 사용자는 인접한 뷰로부터 독립적이고 인지 가능한 뷰를 유지하면서 뷰 구역 사이의 부드러운 전환을 경험하는 것이 바람직하다. 3차원 디스플레이는 시청자가 그들이 보고 있는 이미지에 대해 더 넓은 관점을 얻을 수 있게 한다. 일부 3차원 디스플레이는 편광을 사용하며 뷰어는 특수 안경을 착용해야 한다. 다른 것들은 직접 투영을 사용하고 단일 차원에서 약간의 시차를 제공하는 이미지를 생성한다.
프로젝터 기반 광 필드 디스플레이는 일반적으로 하나 이상의 프로젝터로 구성되며 일반적으로 광 필드를 생성하기 위해 일련의 광학 시스템을 필요로 한다. 고 선명 광필드 디스플레이를 달성하기 위해 픽셀 수를 달성하려면 다중 광학 시스템과 결합하여 더 많은 수의 프로젝터가 필요하여 시스템이 크고 비용이 많이 드는 경우가 많을 수 있다.
Chung 등의 미국 특허 출원 공개 번호 US20180101018은 스크린, 격자 픽셀 어레이 및 이미지 생성기를 포함하는 광 필드 디스플레이를 설명한다. 이 시스템은 출력 광 필드 이미지를 표시하기 위해 격자 픽셀 어레이가 필요하므로 상당한 전력 요구사항이 있는 대형 디스플레이가 생성된다.
Pasolini의 미국 특허 US9383591은 광 빔을 생성하기 위한 광원, 디스플레이 표면을 향해 광 빔을 지향하게 하는 거울 메커니즘, 및 투사된 이미지를 안정화시키기 위한 보상 신호를 생성 및 감산하기 위해 거울 메커니즘을 위한 구동 신호를 공급하기 위한 구동 회로를 갖는 피코 프로젝터 장치를 설명한다. 설명된 피코 프로젝터 장치는 자이로스코프를 사용하여 장치의 임의의 움직임을 보상한다. 이 장치는 투사된 이미지를 생성할 수 있지만 광 필드를 생성하기 위해 추가 광학 부품과 처리가 필요하다.
전체 시차 광 필드 디스플레이를 제공할 수 있는 광 필드 프로젝터 장치에 대한 요구가 남아있다.
이 배경 정보는 본 발명에 가능한 관련성이 있다고 출원인이 믿는 알려진 정보를 만들기 위해 제공된다. 앞의 정보 중 어느 것이 본 발명에 대한 선행 기술을 구성한다는 것을 인정할 필요가 없으며 그렇게 해석되어서도 안된다.
본 발명의 목적은 발광 다이오드, 프로젝터 본체 및 발광 다이오드에 의해 생성된 복수의 광선이 광 필드를 생성하게 하도록 구성되는 복수의 광학 시스템을 갖는 광 필드 프로젝터 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 높은 각도 해상도, 넓은 시야, 다중 뷰 광 필드 디스플레이를 제공하도록 구성되는 광 필드 프로젝터 장치의 어레이를 제공하는 것이다.
일 양태에서, 광 필드 프로젝터 장치가 제공되며, 광 필드 프로젝터 장치는: 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광원; 광원으로부터 광을 수신하고 광을 단일 광선 경로로 지향시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 조명 광학 시스템, 조명 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 광을 픽셀 어레이로 변환시키는 픽셀 형성 장치, 및 확대 광학 시스템을 포함하는 투사 광학 시스템; 및 확대 광학 시스템으로부터 수신된 픽셀 어레이로부터 광을 시준하고(collimate) 시준된 투사된 이미지를 생성하는 시준 광학 시스템을 포함한다.
일 실시예에서, 장치는 시준 광학 시스템으로부터 시준된 투사된 이미지를 수신하고 이미지를 표시하도록 위치된 디스플레이 광학 시스템을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 디스플레이 광학 시스템은 적어도 하나의 렌즈, 렌즈릿(lenslet), 메타표면 또는 이들의 조합을 포함한다.
일 실시예에서, 디스플레이 광학 시스템은 적어도 하나의 다른 광 필드 프로젝터 장치와 공유된다.
일 실시예에서, 시준 광학 시스템은 하나 이상의 확산 표면, 시준 렌즈릿, 프레임리스 시준 렌즈릿 평면-볼록 렌즈, 볼록 렌즈, 양면 볼록 렌즈를 포함한다.
일 실시예에서, 광원은 하나 초과의 발광 다이오드를 포함한다.
일 실시예에서, 장치는 복수의 광원을 포함하며, 조명 광학 시스템은 복수의 광원 각각으로부터 광을 수신하고 지향하여 단일 광선 경로를 형성한다.
일 실시예에서, 광원은 적어도 하나의 적색 LED, 적어도 하나의 녹색 LED 및 적어도 하나의 청색 LED를 포함한다.
일 실시예에서, 장치는 하나 초과의 광원을 더 포함하며, 광원 중 적어도 하나는 적어도 2 개의 상이한 색상의 하나 초과의 LED를 포함한다.
일 실시예에서, 장치는 프로젝터 하우징을 더 포함한다.
일 실시예에서, 장치는 프로젝터 장치를 나가는 광선 경로의 조정을 위한 조정 메커니즘을 더 포함한다.
일 실시예에서, 장치는 광선 경로를 따라 시준 광학 시스템의 다운스트림에 확산기를 더 포함한다.
다른 양태에서, 광 필드 이미지 디스플레이 장치가 제공되며, 광 필드 이미지 디스플레이 장치는: 어레이로 배치된 복수의 광 필드 프로젝터 장치로서, 각 프로젝터 장치는, 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광원, 투사 광학 시스템으로서, 광원으로부터 광을 수신하고 단일 광선 경로로 광을 지향시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 조명 광학 시스템, 조명 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 픽셀 어레이로 광을 변환시키는 픽셀 형성 장치, 확대 광학 시스템을 포함하는, 투사 광학 시스템 및 투사 광학 시스템 및 확대 광학 시스템으로부터 수신된 광을 시준하고 시준된 투사된 이미지를 생성하는 시준 광학 부품을 포함하는 시준 광학 시스템을 포함하는, 복수의 광 필드 프로젝터 장치; 및 복수의 광 필드 프로젝터 장치 중 적어도 하나의 시준 광학 시스템으로부터 시준된 투사된 이미지를 수신하고 이미지를 디스플레이하도록 위치된 디스플레이 광학 시스템을 포함한다.
일 실시예에서, 디스플레이 광학 시스템은 광 필드 이미지 디스플레이 장치에서 광 필드 프로젝터 장치 중 2 개 이상에 의해 공유된다.
다른 실시예에서, 디스플레이 장치는 복수의 광 필드 프로젝터 장치를 제자리에 유지하기 위한 하우징을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 디스플레이 장치는 복수의 프로젝터 장치 각각을 빠져나가는 광선 경로의 조정을 위한 복수의 조정 메커니즘을 더 포함한다.
다른 양태에서, 복수의 광 필드 프로젝터 장치로 타일링된(tiled) 광 필드 이미지를 생성하기 위한 방법이 제공되며, 방법은: LED 광원으로 광을 생성하고; 광원으로부터의 광을 단일 광선 경로로 지향시키고, 광을 픽셀 어레이로 픽셀화하고, 픽셀 어레이를 확대하고, 시준된 투사된 이미지를 생성하기 위해 시준하고, 그리고 광 필드 이미지를 제공하도록 시준된 투사된 이미지를 디스플레이함으로써 복수의 광 필드 프로젝터 장치에서 광 필드 이미지를 생성하는 단계; 및 타일링된 광 필드 이미지를 제공하기 위해 복수의 광 필드 프로젝터로부터 생성된 광 필드 이미지를 타일링하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 복수의 광 필드 프로젝터 각각에서 픽셀 어레이를 확대하는 것은 균일한 타일링된 광 필드 이미지를 제공하기 위해 복수의 광 필드 프로젝터로부터 광 필드 이미지의 중첩을 달성한다.
다른 실시예에서, 방법은 이미지를 디스플레이하기 전에 시준된 투사된 이미지를 확산시키는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 시준된 투사된 이미지를 확신시키는 단계는 각도 포인트 확산 함수(angular point spread function)를 부여하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 포인트 확산 함수는 광 필드 프로젝터 장치의 하나 이상의 파라미터를 특징으로 하는 FWHM(Full-Width at Half Maximum)을 갖는 가우시안 함수에 의해 설명된다.
다른 실시예에서, 방법은 조정 메커니즘을 사용하여 복수의 광 필드 프로젝터 장치 중 하나 이상의 광선 경로를 조정하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 방법은 디스플레이의 공간 해상도 및 피사계 심도(depth of field)를 정의하기 위해 픽셀 피치 및 호겔 피치(hogel pitch)를 조정하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 방법은 디스플레이 광학 시스템의 초점 거리를 조정하는 단계를 더 포함한다.
다른 양태에서, 광 필드 프로젝터 장치가 제공되며, 광 필드 프로젝터 장치는: 광원; 투사 광학 시스템으로서, 광원으로부터 광을 수신하고 광을 단일 광선 경로로 지향시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 조명 광학 시스템, 조명 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 광을 픽셀 어레이로 변환시키는 픽셀 형성 장치; 및 확대 광학 시스템을 포함하는 투사 광학 시스템; 및 확대 광학 시스템으로부터 수신된 픽셀 어레이로부터 광을 시준하고 시준된 투사된 이미지를 생성하는 시준 광학 부품을 포함하는 시준 광학 시스템을 포함한다.
일 실시예에서, 광원은 적색, 청색 및 녹색 광을 방출한다.
다른 실시예에서, 장치는 복수의 광원을 포함하며, 복수의 광원은 함께 적색, 청색 및 녹색 광을 방출한다.
다른 양태에서 광 필드 이미지 디스플레이 장치가 제공되며, 광 필드 이미지 디스플레이 장치는: 어레로 배열된 복수의 광 필드 프로젝터 장치로서, 각 프로젝터 장치는: 광원; 광원으로부터 광을 수신하고 광을 단일 광선 경로로 지향시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 조명 광학 시스템, 조명 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 광을 픽셀 어레이로 변환시키는 픽셀 형성 장치 및 확대 광학 시스템을 포함하는 투사 광학 시스템; 확대 광학 시스템으로부터 수신된 광을 시준하고 시준된 투사된 이미지를 생성하는 시준 광학 부품을 포함하는 시준 광학 시스템; 및 복수의 광 필드 프로젝터 장치 중 적어도 하나의 시준 광학 시스템으로부터 시준된 투사된 이미지를 수신하고 이미지를 디스플레이하도록 위치된 디스플레이 광학 시스템을 포함한다.
일 실시예에서, 광원은 적색, 청색 및 녹색 광을 방출한다.
다른 실시예에서, 장치는 복수의 광원을 포함하며, 복수의 광원은 함께 적색, 청색 및 녹색 광을 방출한다.
다른 양태에서, 복수의 광 필드 프로젝터 장치로 타일링된 광 필드 이미지를 생성하기 위한 방법이 제공되며, 방법은: LED 광원으로 광을 생성하고, 광원으로부터의 광을 단일 광선 경로로 지향시키고, 광을 픽셀 어레이로 픽셀화하고, 픽셀 어레이를 확대하고 시준된 투사된 이미지를 생성하도록 픽셀 어레이를 시준하고 광 필드 이미지를 제공하도록 시준된 투사된 이미지를 디스플레이함으로써 복수의 광 필드 프로젝터에서 광 필드 이미지를 생성하는 단계; 및 타일링된 광 필드 이미지를 제공하기 위해 복수의 광 필드 프로젝터로부터 생성된 광 필드 이미지를 타일링하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 광원은 적색, 청색 및 녹색 광을 방출한다.
다른 실시예에서, 복수의 광원은 함께 적색, 청색 및 녹색 광을 방출한다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 첨부된 도면을 참조하는 다음의 상세한 설명에서 더 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 등각도(isometric view)를 도시한다.
도 2는 투사 광학 시스템 배열과 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 3은 투사 광학 시스템 배열과 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 4는 투사 광학 시스템 배열과 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 5는 투사 광학 시스템 배열과 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 6은 투사 광학 시스템 배열과 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 7은 투사 광학 시스템 배열 및 대안적인 시준 광학 시스템의 대안적인 구성을 도시한다.
도 8은 투사 광학 시스템 배열 및 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 9는 투사 광학 시스템 배열 및 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 10은 투사 광학 시스템 배열 및 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 11은 투사 광학 시스템 배열 및 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 12는 투사 광학 시스템 배열 및 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 13은 투사 광학 시스템 배열 및 대안적인 시준 광학 시스템의 구성을 도시한다.
도 14a는 시준 렌즈 어레이의 정면도이다.
도 14b는 도 14a의 시준 렌즈 어레이의 2×4 그리드의 확대도이다.
도 14c는 도 14a의 시준 렌즈 어레이의 프로파일 뷰(profile view)이다.
도 14d는 도 14a의 시준 렌즈 어레이의 단일 렌즈의 등각도이다.
도 15a는 공학 확산기의 도면이다.
도 15b는 레이저 에칭 공학 확산기의 확대도이다.
도 15c는 확산기 렌즈 어레이의 확대도이다.
도 16a는 디스플레이 광학 시스템 디스플레이 렌즈의 도면이다.
도 16b는 메타표면을 포함하는 대안적인 디스플레이 광학 시스템의 도면이다.
도 16c는 대안적인 디스플레이 광학 시스템의 도면이다.
도 17은 광 필드 프로젝터 장치의 실시예의 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 18은 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 19는 광 필드 프로젝터 장치의 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 20은 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 21은 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 22는 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 23은 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 24는 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 25는 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 26은 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 27은 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 실시예의 광학 시스템 부품 및 단일 픽셀의 샘플 광선 경로를 도시한다.
도 28은 공학 확산기 어레이의 픽셀에 대한 포인트 확산 함수의 도면이다.
도 29는 광 프로젝터 장치의 어레이로 구성되는 시스템의 등각도를 도시한다.
도 30은 광 프로젝터 장치의 어레이로 구성되는 시스템의 분해도를 도시한다.
도 31은 광 필드 프로젝터 어레이 및 3×4 디스플레이 유닛을 포함하는 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 구성을 도시한다.
도 32는 광 필드 디스플레이를 생성하기 위한 모든 광학 시스템 및 디스플레이 유닛의 어레이를 포함하는 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 구성을 도시한다. 시스템은 타일링/스태킹될 수 있어 더 큰 디스플레이를 생성할 수 있다.
도 33은 광 필드 프로젝터 장치의 블록도를 도시한다.
도 34a는 광 필드 프로젝터를 통해 LED 광원으로부터 투사된 이미지를 도시한다.
도 34b는 활성 이미지, 중첩 영역 및 보정 버퍼에 대한 프로젝터 프레임의 픽셀 할당을 도시한다.
현재의 직접 투사 광 필 드 디스플레이 설계를 개선하기 위해, 본 개시는 픽셀 크기를 최소화하고 조립, 정렬 및 디스플레이 뷰 파라미터를 최적화하기 위해 광 필드 디스플레이를 생성하도록 특별히 설계된 프로젝터를 설명한다.
본 개시의 실시예에서, 본체 전방의 전체 개구를 채우기 위해 광학계(optic)의 설계를 활용하는 광 필드 투사 렌즈 설계가 제공된다. 광 필드 투사 렌즈에 의해 생성된 이미지는 다음의 광학 아키텍처가 광 필드를 생성할 수 있도록 하면서 프로젝터 이미지가 에지에서 겹칠 수 있도록 작은 발산을 갖는다.
본 명세서에는 광 필드 디스플레이를 제공할 수 있는 광 필드 프로젝터 장치가 설명된다. 본 광 필드 프로젝터 장치는 다중 뷰, 자동입체(autostereoscopic), 고각 해상도, 광 필드 디스플레이에 사용될 수 있다. 광 필드 디스플레이는 또한 수평 및 수직 시차로 볼 수 있다.
작동 시에, 광 필드 프로젝터 장치는 하나 이상의 광원으로부터 광을 수신하고 조명 광학 장치를 사용하여 광을 픽셀 형성 장치로 지향시킨다. 픽셀 형성 장치는 조명 광학 장치로부터 오는 광을 복수의 픽셀로 변환시킨다. 픽셀 형성 장치로부터 오는 광은 조명 광학 시스템의 하나 이상의 발광 다이오드(LED)에서 발생하고 픽셀 형성 장치에 의해 픽셀 어레이로 변환된다. 픽셀 형성 장치로부터의 광은 그 후에 픽셀 형성 장치로부터 오는 이미지를 확대하는 기능을 하는 투사 광학계 또는 일련의 투사 광학 부품을 통해 진행된다. 투사 광학 시스템으로부터의 광은 그 후에 시준된다. 시준 광학 시스템은 높은 픽셀 밀도를 갖는 작은 이미지를 만들고 광을 시준하여 발산이 최소화되거나 낮거나 없는 광선을 생성한다. 디스플레이 렌즈는 발산되는 입사광이 거의 또는 전혀 없을 때 최적으로 기능하므로, 시준 광학 시스템은 디스플레이 광학 시스템의 디스플레이 렌즈에 실질적으로 시준된 광을 제공한다.
통상적인 프로젝터는 일반적으로 통상적인 투사된 이미지 크기 및 공간 크기 또는 투사 스크린까지의 거리를 가정할 때 mm2 당 약 1 픽셀의 거친 픽셀 밀도로 큰 이미지를 생성하도록 구성된다. 본 프로젝터는 mm2 당 10,000 픽셀 정도의 훨씬 더 높은 픽셀 밀도를 제공한다. 투사 광학계는 픽셀 밀도를 방해하는 상당한 확대 없이 다중 투사 장치에 의해 생성된 이미지에 의해 생성된 타일링 효과를 극복하기 위해 저배율로 설계된다. 광 필드 디스플레이를 만들기 위해 전체 광 필드 이미지를 생성하도록 다중 프로젝터 장치로부터 광 필드 이미지 장치 출력을 함께 타일링해야 한다. 2 개의 투사된 이미지 사이에 광 필드 이미지가 끊어지면 광이 투사되지 않는 각 광 장치의 출력 사이에 어두운 이음새(dark seam) 또는 인터페이스가 생성되어 각 프로젝터 장치로부터의 출력 사이에 말뚝(picket)이 있는 말뚝 울타리(picket-fence)와 같은 효과를 생성할 수 있다. 현재 설명된 프로젝터 장치는 픽셀 형성 장치에 의해 형성된 이미지를 확대함으로써 타일링 문제를 극복한다. 픽셀 형성 장치의 이미지를 확대함으로써, 디스플레이 광학 시스템 렌즈의 출력에서의 이미지가 적어도 프로젝터 자체의 물리적 치수만큼 커져서 프로젝터 장치의 어레이에 의해 생성된 광 필드 이미지 사이의 겹침이 가능해진다. 투사 광학 시스템은 타일링 효과를 극복할 만큼 충분히 광을 확대하지만 픽셀 밀도를 희생할 만큼은 아니다. 따라서 광 필드 디스플레이에 필요한 높은 픽셀 밀도가 달성된다. 인간의 눈은 좋은 시력과 최적의 뷰 조건을 가정할 때 약 35 미크론의 픽셀 크기만 해상(resolve)할 수 있다. 디스플레이 렌즈 없이, 현재 설명된 프로젝터에 의해 달성된 픽셀 밀도는 10 미크론 정도에서 인간의 눈으로 해상될 수 있는 것보다 높다. 따라서, 본 프로젝터 장치에 의해 생성된 이미지는 유동적이고 또렷하며 픽셀화되지 않은 것처럼 보인다.
일반적으로, 당업계에 공지된 광 필드 디스플레이는 매우 고 휘도의 프로젝터가 필요하다. 현재 설명된광 필드 프로젝터 장치의 한 가지 이점은 프로젝터 자체에 대한 감소된 휘도 요구사항이다. 현재 설명된 프로젝터의 감소된 휘도 요구사항은 광의 각도 분포를 제어하는 광 필드 프로젝터 장치의 광학 시스템의 능력과 광 빔에 대한 포인트 확산 함수의 적용을 통해 달성된다. 광의 각도 분포를 제어하는 능력과 적용된 포인트 확산 함수는 손실을 최소화하면서 효율적인 광 출력을 보장한다. 감소된 밝기 요구사항은 내부 냉각 요구사항 없이 작은 LED의 사용을 허용하므로 장치의 전체 공간이 더 작아질 수 있다. 현재 설명된 설계의 2 개 이상의 광 필드 프로젝터가 서로 조합되어 사용되는 경우, 더 엄격한 패킹 밀도도 달성될 수 있다. 개별 프로젝터 장치의 감소된 크기 및 무게는 또한 직접 투사 광 필드 디스플레이를 위한 감소된 전력 요구사항을 초래할 수 있다.
공간과 시간의 광을 기반으로 하는 관찰자 기반 함수 또는 플렌옵틱 함수의 개념은 시각 시스템이 인지하는 시각적 자극을 설명하기 위해 개발되었다. 플렌옵틱 조명 함수 또는 플렌옵틱 함수는 컴퓨터 피전 및 컴퓨터 그래픽에 사용되는 이상적인 함수로 임의의 시점에서 모든 시야각에서 가능한 모든 시야 위치에서 장면의 이미지를 표현한다. 플렌옵틱 함수의 기본 변수는 광이 보고 있는 3D 좌표(x, y, z)와 각도(θ, φ)로 설명된 대로 광이 보기 위치에 접근하는 방향을 포함한다. 광의 파장 λ와 관찰 시간 t를 사용하여 다음과 같은 플렌옵틱 함수가 초래된다:
P(x, y, z, θ, φ, λ, t)
플렌옵틱 함수에 대한 대안으로, 3D 공간에서 한 지점과 주어진 방향에서 광선을 따른 방사(radiance)가 사용되어 광 필드로 표현될 수 있다. 광 필드의 정의는 플렌옵틱 함수의 정의와 동일할 수 있다. 광 필드는 5D 함수로 가능한 모든 방향의 모든 지점을 통해 흐르는 방사로 설명될 수 있다. 정적 광 필드의 경우 광 필드는 스칼라 함수로 나타낼 수 있다:
L(x, y, z, θ, φ)
여기서 (x, y, z)는 위치의 함수로 방사를 나타내고 광의 진행 방향은 (θ, φ)로 특성화된다.
3D 현실 세계 객체의 뷰어는 무한 뷰 또는 연속적으로 분포된 광 필드의 대상이다. 이를 실제로 복제하기 위해, 본 개시는 연속적으로 분포된 광 필드를 유한한 수의 뷰 또는 다중 뷰로 서브샘플링하여 광 필드를 근사화할 수 있는 광 필드 프로젝터 디스플레이 장치를 설명한다. 광 필드 프로젝터 장치의 출력은 인간 눈의 각도 해상도를 충족하거나 초과하는 유한한 뷰의 수를 기반으로 하는 연속적으로 분포된 광 필드의 3D 표현인 광 필드 이미지이다. 광 필드는 공간의 모든 지점을 통해 모든 방향으로 흐르는 광의 양을 설명하는 벡터 함수로 생각할 수도 있다.
프로젝터 어레이 기반 디스플레이는 적어도 정밀하게 정렬된 작은 공간에 많은 조밀하게 배향된 프로젝터를 포함해야 하는 요구사항으로 인해 설계에 대한 도전을 제기할 수 있다. 광의 시준 및 확산을 위한 다중 광학 시스템과 결함하여 프로젝터 베이스 내의 광학 부품의 현재 설명된 배향은 다중 광학 시스템 광 필드 디스플레이 설계로부터 감소된 픽셀 크기, 최소 프로젝터 설치 공간, 더 큰 디스플레이로 완전히 확장 가능한 설계, 감소된 허용 오차 제약 및 감소된 색수차를 달성할 수 있다.
광 필드 디스플레이의 하나 이상의 파라미터는 호겔 피치, 픽셀 피치 및 초점 길이 중 하나 이상을 포함한다. 픽셀이라는 용어는 적색, 녹색 및 청색 서브 픽셀의 세트를 나타낸다. 픽셀 피치는 한 픽셀의 중심에서 다음 픽셀의 중심까지의 거리로 정의된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 픽셀 어레이는 호겔 내부의 픽셀 어레이를 지칭한다. 호겔은 방향 제어가 가능한 기존 픽셀의 클러스터(cluster)인 홀로그램 픽셀의 대체 용어이다. 호겔 어레이는 광 필드를 생성할 수 있다. 그런 다음 호겔 피치는 한 호겔의 중심에서 인접한 호겔의 중심까지의 거리로 정의된다. 렌즈의 시야각은 초점 거리로 정의된다. 일반적으로, 초점 거리가 짧을수록 시야가 넓어진다. 초점 거리는 렌즈의 후방 주요 평면에서 측정된다는 점에 유의해야 한다. 렌즈의 후방 주요 평면은 이미징 렌즈의 기계적 후면에 거의 위치되지 않는다. 이 때문에 일반적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 시스템의 근사치 및 기계적 설계가 계산된다.
본 발명의 다양한 특징은 도면의 예사와 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 명세서에 개시된 광 필드 프로젝터 장치 및 구조의 설계 파라미터, 설계 방법, 구성 및 사용은 본 명세서에 기술되고 청구된 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않은 실시예를 나타내는 다양한 예를 참조하여 기술된다. 본 발명이 속하는 분야의 숙련된 기술자는 본 발명의 범위를 벗어남 없이 본 개시의 교시에 따라 실시될 수 있는 본 명세서에 개시되지 않은 본 발명의 다른 변형, 예 및 실시예가 있을 수 있음을 이해할 것이다.
정의
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
“포함하는”이라는 용어와 함께 명세서에서 사용될 때 “a” 또는 “an”이라는 단어의 사용은 “하나”를 의미할 수 있지만, “하나 이상”, “적어도 하나” 및 “하나 또는 둘 이상”의 의미와도 일치한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, “포함하는(comprising)”, “가지는”, “포함하는(including)”, “함유하는(containing)”이라는 용어와 이들의 문법적 변형은 포괄적이거나 개방형이며 추가의 인용되지 않은 요소 및/또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 구성, 장치, 물품, 시스템, 용도 또는 방법과 관련하여 본 명세서에서 사용될 때 “본질적으로 구성되는”이라는 용어는 추가 요소 및/또는 방법 단계가 존재할 수 있지만 이러한 추가가 인용된 구성, 장치, 물품, 시스템, 방법 또는 용도 기능의 방식에 실질적으로 영향을 미치지 않음을 나타낸다. 구성, 장치, 물품, 시스템, 용도 또는 방법과 관련하여 본 명세서에서 사용될 때 “구성되는”이라는 용어는 추가 요소 및/또는 방법 단계의 존재를 배제한다. 특정 요소 및/또는 단계를 포함하는 것으로 본 명세서에 기재된 조성, 장치, 물품, 시스템, 용도 또는 방법은 이들 실시예가 구체적으로 언급되었는지 여부에 관계없이 또한 특정 실시예에서 이러한 요소 및/또는 단계로 본질적으로 구성될 수 있고, 다른 실시예에서는 이러한 요소 및/또는 단계로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “약”은 주어진 값으로부터 대략 +/- 10% 변동을 지칭한다. 이러한 변형은 그것이 구체적으로 언급되었는지 여부에 관계 없이 본 명세서에 제공된 임의의 주어진 값에 항상 포함된다는 것을 이해해야 한다.
본 명세서에서 범위의 언급은 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한 범위 및 범위 내에 속하는 개별 값 모두를 범위를 나타내는데 사용되는 숫자와 동일한 자릿수로 전달하도록 의도된다.
임의의 예 또는 예시적 언어의 사용, 예를 들어, “~와 같은”, “예시적인(exemplary) 실시예”, “예시적인(illustrative) 실시예” 및 “예를 들어”는 본 발명에 관한 양태, 실시예, 변형, 요소 또는 특징을 설명하거나 나타내기 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “연결하다” 및 “연결된”은 본 개시의 요소 또는 특징 사이의 임의의 직접적 또는 간접적 물리적 연관을 지칭한다. 따라서 이러한 용어는 연결되는 것으로 설명되는 요소 또는 특징 사이에 개재하는 다른 요소 또는 특징이 있는 경우에도 부분적으로 또는 완전히 서로 내에 포함되고, 부착, 결합, 배치, 함께 결합, 통신, 작동적으로 연관된 등의 요소 또는 특징을 나타내는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “픽셀”은 디스플레이를 생성하는데 사용되는 공간적으로 별개의 발광 메커니즘을 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 “서브픽셀”은 광학 미세 공동 내에 수용된 발광 장치를 갖는 구조를 의미한다. 광학 미세 공동은 실질적으로 광을 시준, 조작 또는 조정하기 위해 복수의 반사 표면과 작동적으로 연관된다. 반사 표면 중 적어도 하나는 광을 미세 공동 외부로 전파기 위해 광학 미세 공동에 연결된 광 전파 반사 표면이다. 본 개시는 개별적으로 어드레스 가능한 적색, 녹색 및 청색(RGB) 서브픽셀을 제공한다. 현재 설명된 바와 같은 서브픽셀 크기는 나노스케일에서 수 마이크론 범위에 있으며, 이는 당업계에 이전에 알려진 픽셀 크기보다 상당히 작다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 기본 수준에서 용어 “광 필드”는 폐색이 없는 공간의 지점을 통해 모든 방향으로 흐르는 광의 양을 설명하는 함수를 나타낸다. 따라서, 광 필드는 자유 공간에서 광의 위치와 방향의 함수로서 방사를 나타낸다. 광 필드는 다양한 렌더링 프로세스를 통해 합성정으로 생성되거나 광 필드 카메라 또는 광 필드 카메라의 어레이로부터 캡쳐될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, “광 필드 디스플레이”는 장치에 입력되는 유한한 수의 광 필드 방사 샘플로부터 광 필드를 재구성하는 장치이다. 방사 샘플은 동일한 색상의 LED로부터 발생하는 적색, 녹색 및 청색(RGB) 색상 구성요소를 포함한다. 광 필드 디스플레이의 재구성을 위해 광 필드는 4차원 공간에서 단일 RGB 색상으로의 매핑으로 이해될 수도 있다. 4차원은 디스플레이의 수직 및 수평 차원과 광 필드의 방향성 구성요소를 설명하는 2차원을 포함한다. 광 필드는 다음 함수로 정의된다:
LF: (x, y, u, v) -> (r, g, b)
광 필드 LF(xf, yf, u, v)에서 고정된 지점 xf, yf에 대해 “요소 이미지”라고 하는 2차원(2D) 이미지를 나타낸다. 요소 이미지는 고정된 xf, yf 위치에서 광 필드의 방향성 이미지이다. 복수의 요소 이미지가 나란히 연결되는 경우, 결과 이미지를 “통합 이미지”라고 한다. 통합 이미지는 광 필드 디스플레이 필요한 전체 광 필드로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, “FWHM”이라는 약어는 '반치전폭'을 나타내며, 이는 종속 변수가 최대값의 절반과 같은 독립 변수의 두 극단 값 간의 차이에 의해 주어지는 함수의 정도의 표현이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “호겔”은 방향성 제어를 갖는 전통적인 픽셀의 클러스터인 홀로그래픽 픽셀에 대한 대체 용어이다. 호겔의 어레이는 광 필드를 생성할 수 있다. 픽셀이 2차원 디스플레이의 공간 해상도를 설명하는 것처럼 홀로그래픽 픽셀 또는 호겔은 3차원 디스플레이의 공간 해상도를 설명한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 “호겔 피치”는 하나의 호겔의 중심에서 인접한 호겔의 중심까지의 거리를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “광학 거울”은 일부 파장 범위의 입사광에 대해 반사광이 원래 광의 상세한 물리적 특성의 대부분 또는 거의 보존하는 방식으로 광을 반사하는 물체를 의미한다. 이는 또한 정반사라고 할 수 있다. 정확히 평행하게 정렬되고 서로 마주하는 2 개 이상의 거울은 무한 거울 효과라고 하는 반사의 무한 회귀를 줄 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “픽셀 피치”는 한 픽셀의 중심에서 다음 픽셀의 중심까지의 거리를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “픽셀 어레이”는 선택적으로 호겔 내부에 있는 픽셀 어레이를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “파장”은 광 또는 소리와 같은 이동 에너지의 반복 패턴인 파동에서 2 개의 동일한 피크(높은 지점) 또는 골(낮은 지점) 사이의 거리를 측정한 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “시뮬레이션”은 물체 또는 물리적 현상의 컴퓨터 모델을 의미한다. 시뮬레이션은 연구 목적으로 사용하거나 제작 사양을 개발하고 개선하는데 사용될 수 있다. 유한 차분 시간 영역(finite difference time domain, FDTD), 광선 추적(ray tracing), 유한 요소 분석(finite element analysis, FEA) 및 유한 요소 방법(finite element method, FEM)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 시뮬레이션 방법이 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 조성, 장치, 물품, 방법 및 용도의 임의의 실시예는 당업자에 의해 있는 그대로, 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이러한 변형 또는 균등물을 만들어 구현될 수 있는 것으로 고려된다.
설계 방법론
광 필드 디스플레이는 디스플레이의 공간 및/또는 방향 해상도를 증가시키기 위해 달성 가능한 가장 작은 픽셀 크기를 필요로 한다. 직접 투사 광 필드 디스플레이에 사용되는 광 필드 프로젝터의 경우, 픽셀 크기는 프로젝터 초점 거리에서 활성 영역의 투사된 이미지 크기에 의해 결정되며, 여기서 단일 프로젝터의 전체 공간은 이미지 치수와 같아야 한다. 픽셀이 상주하는 전체 공간을 채우면 픽셀 또는 픽셀 피치 사이의 공간이 픽셀 크기와 같다. 픽셀 피치 및 호겔 피치 파라미터는 디스플레이의 공간 해상도와 피사계 심도를 결정할 때 시청자 경험을 정의한다. 호겔 피치가 작을수록 광 필드 디스플레이의 공간 해상도가 더 높아진다. 호겔 내의 픽셀 수가 많을수록 디스플레이의 피사계 심도가 높아진다. 픽셀 밀도를 높이는 것은 설계자에게 호겔 피치를 증가시키고 공간 해상도를 감소시킴으로써 피사계 심도를 증가시키기 위해 애플리케이션을 기반으로 상이한 광 필드 디스플레이 설계를 달성하는 능력을 준다.
작은 픽셀 크기를 달성하기 위해 단일 프로젝터가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다. 프로젝터 설치 공간을 최소화하는 하나의 방법은 프로젝터 어레이의 프로젝터 본체가 도 34b에 도시된 바와 같이 인접한 프로젝터 사이에 최소 공간을 남기는 섀시에 직접 장착하는 직접 장착 전략이다. 그러면 프로젝터 설치 공간은 프로젝터에 사용된 디스플레이 장치의 치수에 최대한 가깝다. 프로젝터를 직접 장착하면 디스플레이에서 프로젝터의 정렬을 조정하는 기계적 방법이 없으므로 보정 픽셀(94)의 추가 수가 각 프로젝터의 활성 영역 외부에 허용되도록 디지털 프로젝터 보정 방법이 필요하다. 이들 보정 픽셀(94)은 6 자유도에서 오정렬을 보정하기 위해 디스플레이 장치의 x 및 y 차원 모두에서 프로젝터 프레임을 오프셋하는 것을 허용한다.
보정에 필요한 픽셀의 수는 프로젝터 어레이 시스템의 기계적 설계와 직접적인 관련이 있으며, 여기서 가능한 가장 작은 허용 오차로 프로젝터를 장착하면 필요한 보정 픽셀(94)의 수가 가장 작다. 디지털 보정의 예는 단일 프로젝터 프레임의 픽셀을 광 필드 이미지, 중첩 픽셀(92) 및 보정 버퍼로 나눈다. 보정 버퍼는 프로젝터 어레이의 정의된 허용 오차와 픽셀 단위의 최대 오정렬을 기반으로 결정된다. 예를 들어 전체 프로젝터 이미지 해상도가 2048 × 1080이면, 광 필드 이미지(24)가 인접 프로젝터와 중첩되는 20 개의 픽셀을 갖는 1944 × 1000의 해상도를 갖도록 프로젝터 이미지의 픽셀이 나눠질 수 있다. 중첩 픽셀(92)은 타일링된 디스플레이의 블렌딩을 위해 적용된 강도 기능을 갖는 인접 프로젝터와의 중복 데이터를 디스플레이한다. 광 필드 프레임 및 중첩 픽셀(92)의 해상도는 1984 × 1040 픽셀이며 왜곡 및 색수차와 같은 광학 보정으로 인한 이미지 크기의 증가도 고려해야 한다. 이 1984 × 1040 해상도 이미지는 2048 × 1080 내에서 디스플레이 장치의 중심에서 오프셋되어 프로젝터별 오정렬을 보정할 수 있으며, 이는 x-방향으로 64 픽셀, y-방향으로 40 픽셀에 해당한다. 이 예에서, 최대 프로젝터 설치 공간은 광 필드 프로젝터 해상도에 광 필드 디스플레이의 해당 픽셀 크기를 곱한 값으로 계산된다.
프로젝터 및 디스플레이 보정 절차의 개요가 제공된다. 디스플레이의 지정된 화이트 포인트(white point)와 관련된 보정 파일은 디스플레이의 전체 색상 범위를 통해 프로젝터 출력을 특성화하여 각 프로젝터에 대해 먼저 생성된다. 각 프로젝터의 보정은 LED 전압, 전류 및 혼합 비율을 변경하여 디스플레이 전체에서 색상 균일성을 달성하는 동시에 각 색상 단계의 강도가 지정된 허용 오차 값 내에 있도록 한다. 프로젝터 보정은 디스플레이에 설치된 프로젝터로 수행되거나 광도계, 색도계 또는 디지털 일안 반사식 카메라(digital single-lens reflex camera, DSLR)와 같은 보정된 이미징 장치를 사용하여 설치하기 전에 개별 프로젝터를 사용하여 수행될 수 있다. 이 단계에서 왜곡, 뒤틀림 또는 다른 프로젝터 기반 수량에 대한 광학 보정이 적용될 수 있다.
다음 단계에서, 강도 불균일이 보정될 수 있도록 디스플레이 광학 시스템을 디스플레이 시스템에 설치되어야 한다. 렌즈 수와 광학계의 광학 품질에 따라 이 단계가 필요하지 않을 수 있다.
디스플레이에 설치된 광 필드 프로젝터 장치로, 프로젝터 디지털 오프셋은 디스플레이 특성화 및 보정 전에 결정되고 설정될 수 있다. 광 필드 프로젝터 프레임은 각 프로젝터에서 조명되며 디지털 오프셋은 DSLR을 사용하는 반복 과정을 통해 자동으로 결정될 수 있다. 각 프로젝터에는 독립적인 값의 세트가 필요하다. 오프셋 값이 결정되면 인접한 프로젝터와 중첩되도록 할당된 프로젝터의 추가 픽셀이 조명된다. 기본 계수 세트는 각 프로젝터에 할당되며, 외부 에지 프로젝터에 대해 서로 다른 계수를 나타낸다. 그런 다음 계수는 필요한 블렌딩을 달성하기 위해 자동화된 절차에서 업데이트된다.
마지막 단계는 프로젝터 픽셀에서 광 필드 픽셀까지의 픽셀 대 픽셀 대응을 측정하는데 사용되는 광 필드 디스플레이 보정이다.
도 1은 광 필드 프로젝터 장치의 등각 투영도를 예시한다. 모든 광학 부품은 프로젝터 하우징(60) 또는 부품을 고정하는 임의의 다른 하우징 또는 구조 내에 포함될 수 있다. 투사 광학 시스템의 LED 세트에 의해 생성된 광 필드 이미지는 광 필드 투사 렌즈를 포함하는 시준 광학 시스템(18)을 통해 투사된다. 도시된 광 필드 프로젝터 장치는 광 필드 프로젝터 플렉스 케이블이라고도 하는 유연성 인쇄 회로(FPC)(62)를 포함하여 광 필드 프로젝터 장치 및 광원을 구동 전자 장치에 연결한다. 광 필드 프로젝터 본체는 프로젝터 장치의 광학 부품을 수용하고 고정시키는 역할을 한다. 대안적인 프로젝터 본체 구성은 광학 부품이 제자리에 고정되거나 유지될 수 있는 하나 이상의 단일 표면 또는 구조를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 것과 같은 광 필드 프로젝터 본체에 수용되는 투사 광학 시스템(14) 및 시준 광학 시스템(18)의 구성을 도시한다. 이 구성에서, 일련의 3 개의 발광 다이오드(LED)(10a, 10b, 10c)에서 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. LED(10a)는 녹색 광을 방출하고, LED(10b)는 적색 광을 방출하고, LED(10c)는 청색 광을 방출한다. 각 LED는 단일 LED일 수 있고 대안적으로 어레이 또는 다른 구성으로 배열된 동일한 색상의 다중 LED일 수 있다. 도시된 투사 광학 시스템(14)은 조명 광학 시스템(108)에서 일련의 평면 볼록 렌즈(64a, 64b, 64c), 일련의 2 개의 다이크로익 미러(dichroic mirror)(66a, 66b), 마이크로렌즈 어레이(68), 메니스커스 렌즈(meniscus lens)(70) 및 제1 양면 볼록 렌즈(72a)를 갖는다. 3 개의 평면-볼록 렌즈(64a, 64b, 64c)가 있으며, 각각의 LED(10a, 10b, 10c)에 대해 하나씩 있으며, 이를 통해 각각의 LED로부터 광이 지향된다. 3 개의 LED(10a, 10b, 10c)로부터 발생하는 3 개의 개별 광선 경로는 이후 일련의 2 개의 다이크로익 미러(66a, 66b)를 통해 지향되고 병합되어 단일 광선 경로를 형성한다. 다이크로익 미러(66a)는 LED(10a)로부터의 녹색 광의 투과 및 LED(10b)로부터 투과된 적색 광의 반사를 허용한다. 유사하게, 다이크로익 미러(66b)는 LED(10a 및 10b)로부터의 녹색 및 적색 광의 투과 및 LED(10c)로부터 투과된 청색 광의 반사를 허용한다. 따라서, 적색, 녹색 및 청색 광이 병합되어 광의 단일 광선 경로를 형성한다. 그 다음 광의 단일 광선 경로는 마이크로렌즈 어레이(68)를 통해 메니스커스 렌즈(70)를 거쳐 제1 양면 볼록 렌즈(72a)를 거쳐 접힌 프리즘(74)으로 이동한다. 접힌 프리즘(74)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된다. 픽셀 형성 장치(76)는 예를 들어 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 패널, DMD(digital micromirror device) 또는 다른 디스플레이 장치일 수 있다. 그 다음 광선 경로는 접힌 프리즘(74)을 통해 제2 양면 볼록 렌즈(72b) 및 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)을 포함하는 확대 광학 시스템(110)으로 다시 진행한다. 양면 볼록 렌즈는 예를 들어 Zeonex® E48R, 유리, 환형 올레핀 폴리머(COP), PMMA, 폴리스티렌, 아이소플라스트, 광학 폴리에스테르, 아크릴, 폴리에테르이미드(PEI) 또는 다른 적합한 재료로 형성될 수 있다. 투사 더블릿(78a, 78b)은 디스플레이 장치로부터 작은 이미지를 수신하고 확대함으로써 투사된 이미지를 생성하는 기능을 한다. 더블릿은 일반적으로 이미지를 더 크게 만들어 나쁜 영향을 최소화하는데 사용된다. 투사 더블릿(78a, 78b)은 상이한 특성, 즉 재료 및 곡률의 2 개의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 더블릿은 광학 수차를 최소화하는데 사용된다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 평면-볼록 렌즈(80)인 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 시준 광학 시스템(18)에서 평면-볼록 렌즈(80)의 기능은 투사 광학 시스템(14)에서 나오는 광의 시준을 위한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 갖는 일련의 광학 시스템을 도시하며, 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 안내하며, 시준 광학 시스템(18)은 양면 볼록 렌즈(72)로 구성된다. 투사 광학 시스템(14) 및 시준 광학 시스템(18)은 도 1에 도시된 바와 같이 광 필드 프로젝터 본체에 수용된다. 이 구성에서, 녹색 LED(10a), 적색 LED(10b) 및 청색 LED(10c)로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. 도시된 투사 광학 시스템(14)은 LED(10a, 10b, 10c) 각각에 대해 하나씩인 일련의 3 개의 평면-볼록 렌즈(64a, 64b, 64c)를 가지며, 이를 통해 각각의 LED로부터의 광이 지향된다. 3 개의 LED(10a, 10b, 10c)로부터 발생하는 3 개의 개별 광선 경로는 이후 일련의 2 개의 다이크로익 미러(66a, 66b)를 통해 지향되고 병합되어 단일 광선 경로를 형성한다. 다이크로익 미러(66a)는 LED(10a)로부터의 녹색 광의 투과 및 LED(10b)로부터 투과된 적색 광의 반사를 허용한다. 유사하게, 다이크로익 미러(66b)는 LED(10a 및 10b)로부터의 녹색 및 적색 광의 투과 및 LED(10c)로부터 투과된 청색 광의 반사를 허용한다. 따라서, 적색, 녹색 및 청색 광이 병합되어 광의 단일 광선 경로를 형성한다. 그런 다음 광은 마이크로렌즈 어레이(68), 메니스커스 렌즈(70), 제1 양면 볼록 렌즈(72a) 및 접힌 프리즘(74)을 차례로 통과한다. 접힌 프리즘(74)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된다. 픽셀 형성 장치(76)는 예를 들어 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 패널, DMD(digital micromirror device) 또는 다른 디스플레이 장치일 수 있다. 광선 경로는 그 다음 접힌 프리즘(74)을 통해 제2 양면 볼록 렌즈(72b)로 그리고 일련의 투사 더블릿(78a 및 78b)을 통해 다시 진행한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 다른 양면 볼록 렌즈(72c)를 포함하는 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다.
도 4는 도 2에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 도시하며, 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 지향시키며, 시준 광학 시스템(18)은 양면 볼록 렌즈(72) 및 평면-볼록 렌즈(80)로 구성된다. 투사 광학 시스템(14) 및 시준 광학 시스템(18)은 도 1에 도시된 바와 같은 광 필드 프로젝터 본체에 수용된다. 도시된 바와 같이, 녹색 LED(10a), 적색 LED(10b) 및 청색 LED(10c)로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. 도시된 투사 광학 시스템(14)은 LED(10a, 10b, 10c) 각각에 대해 하나씩인 일련의 3 개의 평면-볼록 렌즈(64a, 64b, 64c)를 가지며, 이를 통해 각각의 LED로부터의 광이 지향된다. 3 개의 LED(10a, 10b, 10c)로부터 발생하는 3 개의 개별 광선 경로는 이후 일련의 2 개의 다이크로익 미러(66a, 66b)를 통해 지향되고 병합되어 단일 광선 경로를 형성한다. 다이크로익 미러(66a)는 LED(10a)로부터의 녹색 광의 투과 및 LED(10b)로부터 투과된 적색 광의 반사를 허용한다. 유사하게, 다이크로익 미러(66b)는 LED(10a 및 10b)로부터의 녹색 및 적색 광의 투과 및 LED(10c)로부터 투과된 청색 광의 반사를 허용한다. 따라서, 적색, 녹색 및 청색 광이 병합되어 광의 단일 광선 경로를 형성한다. 그런 다음 광은 마이크로렌즈 어레이(68), 메니스커스 렌즈(70), 제1 양면 볼록 렌즈(72a) 및 접힌 프리즘(74)을 차례로 통과한다. 접힌 프리즘(74)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된다. 픽셀 형성 장치(76)는 예를 들어 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 패널, DMD(digital micromirror device) 또는 다른 디스플레이 장치일 수 있다. 광선 경로는 그 다음 접힌 프리즘(74)을 통해 제2 양면 볼록 렌즈(72b)로 그리고 일련의 투사 더블릿(78a 및 78b)을 통해 다시 진행한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 광선 경로를 따른 평면-볼록 렌즈(80)가 뒤따르는 제3 앙면 볼록 렌즈(72c)인 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다.
도 5는 도 2에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 도시하며, 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 지향시키며, 시준 광학 시스템(18)은 2 개 이상의 광학 부품으로 구성된다. 투사 광학 시스템(14) 및 시준 광학 시스템(18)은 도 1에 도시된 바와 같은 광 필드 프로젝터 본체에 수용된다. 이 실시예에서, 녹색 LED(10a), 적색 LED(10b) 및 청색 LED(10c)로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. 도시된 투사 광학 시스템(14)은 LED(10a, 10b, 10c) 각각에 대해 하나씩인 일련의 3 개의 평면-볼록 렌즈(64a, 64b, 64c)를 가지며, 이를 통해 각각의 LED로부터의 광이 지향된다. 3 개의 LED(10a, 10b, 10c)로부터 발생하는 3 개의 개별 광선 경로는 이후 일련의 다이크로익 미러(66a, 66b)를 통해 지향되고 병합되어 단일 광선 경로를 형성한다. 다이크로익 미러(66a)는 LED(10a)로부터의 녹색 광의 투과 및 LED(10b)로부터 투과된 적색 광의 반사를 허용한다. 유사하게, 다이크로익 미러(66b)는 LED(10a 및 10b)로부터의 녹색 및 적색 광의 투과 및 LED(10c)로부터 투과된 청색 광의 반사를 허용한다. 따라서, 적색, 녹색 및 청색 광이 병합되어 광의 단일 광선 경로를 형성한다. 그런 다음 광은 마이크로렌즈 어레이(68), 메니스커스 렌즈(70), 제1 양면 볼록 렌즈(72a) 및 접힌 프리즘(74)을 차례로 통과한다. 접힌 프리즘(74)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된다. 픽셀 형성 장치(76)는 예를 들어 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 패널, DMD(digital micromirror device) 또는 다른 디스플레이 장치일 수 있다. 광선 경로는 그 다음 접힌 프리즘(74)을 통해 제2 양면 볼록 렌즈(72b)로 그리고 일련의 투사 더블릿(78a 및 78b)을 통해 다시 진행한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 하나 이상의 시중 광학 부품(102)을 포함하는 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 시준 광학 시스템(18)의 하나 이상의 시준 광학 부품(102)은 입사광을 시준하는 기능을 하며 광학 확산기 및 양면 볼록 렌즈 및 평면 렌즈와 같은 하나 이상의 상이한 렌즈 유형의 렌즈와 같은 하나 이상의 부품을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 6은 도 1에 도시된 바와 같은 광 필드 프로젝터 본체에 통합되고 수용되는 투사 광학 시스템(14) 및 시준 광학 시스템(18)의 대안적인 구성을 도시한다. 이 구성에서, LED 패키지(100)의 광원으로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)로 지향된다. LED 패키지(100)는 투사 광학 시스템(14)으로 지향되는 복수의 광선을 생성하는 하나 이상의 LED로 구성될 수 있다. LED 패키지(100)가 복수의 LED를 가질 때, 복수의 LED는 바람직하게는 LED 패키지(100)로부터 방출된 광이 상대적으로 집속되고 작은 직경을 갖도록 어레이 또는 조밀하게 패킹된 구성으로 배열된다. LED 패키지(100)는 또한 시스템 설계에 따라 하나 이상의 색상의 LED를 포함할 수 있다. 바람직하게는 LED 패키지(100)는 녹색, 적색 및 청색 각각 하나씩인 적어도 3 개의 LED를 포함한다. 투사 광학 시스템(14)은 LED 패키지(100)로부터 광을 수신하는 조명 광학 시스템(108)으로 구성된다. 먼저, LED 패키지(100)로부터 조명 광학 시스템(108)으로 광이 수신된다. 조명 광학 시스템은 평면-볼록 렌즈(64), 제1 앙면 볼록 렌즈(72a)를 포함하며, 한 쌍의 메니스커스 렌즈(70a, 70b)가 뒤따른다. 광선 경로는 그 다음 단일 프리즘(82)으로 향한다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 그 다음 접힌 프리즘(74) 및 바람직하게는 DMD(digital micromirror device)인 픽셀 형성 장치(76)로 지향되며 그 후에 접힌 프리즘(74)을 다시 통과한다. 광선 경로는 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)이 뒤따르는 제2 양면 볼록 렌즈(72b)를 갖는 확대 광학 시스템(110)을 통해 계속된다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 평면-볼록 렌즈(80)인 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 평면-볼록 렌즈(80)의 기능은 광 빔의 시준을 위한 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 도시하며 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 지향시키며, 시준 광학 시스템(18)은 양면 볼록 렌즈(72)로 구성된다. 이 구성에서, LED 패키지(100)로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. 투사 광학 시스템(14)은 LED 패키지(100)로부터의 광이 지향되는 평면-볼록 렌즈(64)로 구성된다. 광선 경로는 한 쌍의 메니스커스 렌즈(70a, 70b)가 뒤따르는 제1 양면 볼록 렌즈(72a)로 지향되며 그 후에 단일 프리즘(82)으로 통한다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 그 다음 접힌 프리즘(74) 및 픽셀 형성 장치(76)로 지향되며, 접힌 프리즘(74)을 다시 통해 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)이 뒤따르는 제2 양면 볼록 렌즈(72b)로 통한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 양면 볼록 렌즈(72)인 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 양면 볼록 렌즈(72)의 기능을 광 빔의 시준을 위한 것이다.
도 8은 도 6에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 도시하며 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 지향시키며, 시준 광학 시스템(18)은 양면 볼록 렌즈(72) 및 평면-볼록 렌즈(80)로 구성된다. 이 구성에서, LED 패키지(100)로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. 투사 광학 시스템(14)은 평면-볼록 렌즈(64)로 구성되며, LED 패키지(100)로부터의 광이 지향된다. 광선 경로는 그 후에 한 쌍의 메니스커스 렌즈(70a, 70b)가 뒤따르는 제1 양면 볼록 렌즈(72a)로 지향되며 그 후에 단일 프리즘(82)을 통한다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 그 후에 접힌 프리즘(74) 및 픽셀 형성 장치(76)로 지향되며 그 후에 접힌 프리즘(74)를 다시 통하며 그리고 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)이 뒤따르는 제2 양면 볼록 렌즈(72b)를 통한다. 광선 경로는 그 후에 이 실시예에서 광선 경로를 따르는 평면-볼록 렌즈(80)가 뒤따르는 제3 양면 볼록 렌즈(72c)인 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 시준 광학 시스템(18)에서 양면 볼록 렌즈(72c) 및 평면-볼록 렌즈(80)의 조합의 기능은 광 빔의 시준을 위한 것이다.
도 9는 도 6에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 도시하며 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 지향시키며, 시준 광학 시스템(18)은 2 개 이상의 광학 부품으로 구성된다. 이 구성에서, LED 패키지(100)로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. 투사 광학 시스템(14)은 평면-볼록 렌즈(64)로 구성되며 LED 패키지(100)로부터의 광이 지향된다. 광선 경로는 그 후에 한 쌍의 메니스커스 렌즈(70a, 70b)가 뒤따르는 제1 양면 볼록 렌즈(72a)로 지향되며, 그 후에 단일 프리즘(82)으로 통한다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 접힌 프리즘(74) 및 픽셀 형성 장치(76)으로 지향되며 접힌 프리즘(74)을 다시 통하며 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)이 뒤따르는 제2 양면 볼록 렌즈(72b)를 통한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 하나 이상의 시준 광학 부품을 포함하는 시준 광학 시스템(18)으로 계쏙된다. 시준 광학 시스템(18)의 하나 이상의 시준 광학 부품(102)은 입사광을 시준하는 기능을 하고 광학 확산기 및 양면 볼록 렌즈 및 평면 렌즈와 같은 하나 이상의 상이한 렌즈 유형의 렌즈와 같은 하나 이상의 부품을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 10은 도 1에 도시된 바와 같은 광 필드 프로젝터 본체에 통합된 투사 광학 시스템(14) 및 시준 광학 시스템(18)의 구성을 도시한다. 이 구성에서, 발광 다이오드(LED)(10) 또는 발광 다이오드(LED) 패키지(100)로부터 방출된 광 은 투사 광학 시스템(14)으로 지향되는 복수의 광선을 생성하는 하나 이상의 LED로 구성될 수 있다. LED 패키지(100)가 복수의 LED를 가질 때, 복수의 LED는 바람직하게는 LED 패키지(100)로부터 방출된 광이 상대적으로 집속되고 작은 직경을 갖도록 어레이 또는 조밀하게 패킹된 구성으로 배열된다. LED 패키지(100)는 또한 시스템 설계에 따라 하나 이상의 색상의 LED를 포함할 수 있다. 바람직하게는 LED 패키지(100)는 적어도 2 개의 LED를 포함한다. LED(10)로부터의 광은 자체 평면-볼록 렌즈(64a)를 통해 지향되며 LED 패키지(100)로부터 방출된 광은 평면-볼록 렌즈(64b)로 지향된다. 2 개의 개별 광선 경로는 그 다음 광을 병합하여 단일 광선 경로를 형성하는 다이크로익 미러(66a)로 시작하는 조명 광학 시스템(108)으로 지향된다. LED(10)는 다이크로익 미러(66a)에 의해 투과되는 단일 색상일 수 있고 LED 패키지(100)는 단일 광선 경로를 형성하기 위해 다이크로익 미러(66a)에 의해 반사되는 임의의 다른 색상을 포함할 수 있다. LED 패키지(100)는 청색 및 적색 광을 방출하고 LED(10)는 녹색 LED인 일 예시적인 경우에서, 다이크로익 미러(66a)는 LED(10)로부터의 녹색 광의 투과 및 LED 패키지(100)로부터 투과되는 적색 및 청색 광의 반사를 허용한다. 광선 경로는 마이크로렌즈 어레이(68)를 통해 메니스커스 렌즈(70), 다이크로익 미러(66b)까지 조명 광학 시스템(108)에서 계속된다. 다이크로익 미러(66b)는 LED(10) 및 LED 패키지(100)로부터의 녹색, 적색 및 청색 광을 반사한다. 광은 양면 볼록 렌즈(72)를 통해 그래고 단일 프리즘(82)을 통해 재지향된다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된 다음 단일 프리즘(82)을 다시 통하며 일련의 투사 더블릿(78)을 통한다. 광은 양면 볼록 렌즈(72)를 통하고 단일 프리즘(82)을 통해 재지향된다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향되며, 단일 프리즘(82)을 다시 통하며 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)을 포함하는 확대 광학 시스템(11)을 통한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 평면-볼록 렌즈(80)인 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 시준 광학 시스템(18)에서 평면-볼록 렌즈(80)의 기능은 투사 광학 시스템(14)으로부터 오는 광의 시준을 위한 것이다.
도 11은 도 10에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 도시하며 시준 광학 시스템(18)에 광선 경로를 지향하며 시준 광학 시스템(18)은 양면 볼록 렌즈(72b)로 구성된다. 이 구성에서, 발광 다이오드(LED)(10) 및 발광 다이오드(LED) 패키지(100)로부터 방출된 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. LED(10) 및 LED 패키지(100) 이후, 광선 경로는 다이크로익 미러(66b), 마이크로렌즈 어레이(68), 메니스커스 렌즈(70), 제2 다이크로익 미러(66b)로 연속적으로 계속된다. 광은 양면 볼록 렌즈(72)를 통해 그리고 단일 프리즘(82)을 통해 재지향된다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된 다음 단일 프리즘(82)을 다시 통하며 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)으로 통한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 제2 양면 볼록 렌즈(72b)를 포함하는 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 시준 광학 시스템(18)은 투사 광학 시스템(14)으로부터 나오는 광을 시준한다.
도 12는 도 10에 도시된 바와 같은 투사 광학 시스템(14) 배열을 도시하며 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 지향시키며 시준 광학 시스템(18)은 양면 볼록 렌즈(72b) 및 평면-볼록 렌즈(80)로 구성된다. 이 구성에서, 발광 다이오드(LED)(10) 및 발광 다이오드(LED) 패키지(100)로부터 방출되는 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. LED(10) 및 LED 패키지(100) 이후, 광선 경로는 다이크로익 미러(66b), 마이크로렌즈 어레이(68), 메니스커스 렌즈(70), 제2 다이크로익 미러(66b)로 연속적으로 계속된다. 광은 양면 볼록 렌즈(72a)를 통해 그리고 단일 프리즘(82)을 통해 재지향된다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된 다음 단일 프리즘(82)을 다시 통하며 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)으로 통한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 광선 경로를 따른 평면-볼록 렌즈(80)에 뒤따르는 제2 양면 볼록 렌즈(72b)를 포함하는 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 시준 광학 시스템(18)은 투사 광학 시스템(14)으로부터 나오는 광을 시준한다.
도 13은 도 10에 도시된 바와 같은 시준 광학 시스템(14) 배열을 도시하며 시준 광학 시스템(18)으로 광선 경로를 지향시키며 시준 광학 시스템(18)은 2 개 이상의 광학 부품으로 구성된다. 이 구성에서, 발광 다이오드(LED)(10) 및 발광 다이오드(LED) 패키지(100)로부터 방출되는 광은 투사 광학 시스템(14)으로 지향된다. LED(10) 및 LED 패키지(100) 이후, 광선 경로는 다이크로익 미러(66b), 마이크로렌즈 어레이(68), 메니스커스 렌즈(70), 제2 다이크로익 미러(66b)로 연속적으로 계속된다. 광은 양면 볼록 렌즈(72)를 통해 그리고 단일 프리즘(82)을 통해 재지향된다. 프리즘(82)을 통한 광선 경로는 픽셀 형성 장치(76)로 지향된 다음 단일 프리즘(82)을 다시 통하며 일련의 투사 더블릿(78a, 78b)으로 통한다. 광선 경로는 그 다음 이 실시예에서 하나 이상의 시준 광학 부품(102)을 포함하는 시준 광학 시스템(18)으로 계속된다. 시준 광학 시스템(18)의 하나 이상의 시준 광학 부품(102)은 입사광을 시준하는 기능을 하고 광학 확산기 및 양면 볼록 렌즈 및 평면 렌즈와 같은 하나 이상의 상이한 렌즈 유형의 렌즈와 같은 하나 이상의 부품을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 시준 광학 시스템(18)은 투사 광학 시스템(14)으로부터 나오는 광을 시준한다.
도 14a는 시준 광학 시스템의 시준 렌즈 어레이로 기능하는 시준 렌즈 어레이의 정면도이다. 이 예에서, 시준 렌즈 어레이(26)는 일반적으로 직사각형이고 렌즈릿이라고도 하는 복수의 시준 렌즈릿(32)을 가지며 그 클로즈 업이 도 14d에 도시된다. 시준 렌즈 어레이(26)는 기판에 고정된 단일편을 형성하기 위해 복수의 소형 렌즈 또는 시준 렌즈릿(32)이 부착된 기판을 사용하여 구성될 수 있다. 접착은 예를 들어 특정 굴절률을 갖는 광학적으로 투명한 접착제 또는 광학적으로 투명한 테이프를 사용하여 수행될 수 있다. 기판은 예를 들어 환형 올레핀 코폴리머(COC), 유리, 환형 올레핀 폴리머(COP), PMMA, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 이소플라스트, Zeonex® E48R, 광학 폴리에스테르, 아크릴, 폴리에테르이미드(PEI) 또는 다른 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 시준 렌즈 어레이(26)는 각 시준 렌즈릿(32)이 그 LED로부터 광을 수신하도록 투사 광학 시스템의 상류의 대응하는 LED와 정렬하도록 위치된 하나 이상의 시준 렌즈릿(32)을 포함한다. 시준 렌즈 어레이(26)는 반사 방지 코팅으로 한 면 또는 양 면에 코팅될 수 있다. 도 14b의 예에서, 시준 렌즈릿(32)은 2 개의 평면-볼록 렌즈 및 기판(34)을 포함한다. 볼록 렌즈는 Zeonex® E48R, 유리, 환형 올레핀 폴리머(COP), PMMA, 폴리스티렌, 이소플라스트, 광학 폴리에스테르, 아크릴, 폴리에테르이미드(PEI) 또는 다른 적합한 재료로 형성될 수 있다. 2 개의 평면-볼록 렌즈 및 기판(34)은 시준 렌즈릿(32)으로 작용할 수 있는 단일 양면-비구면 볼록 렌즈를 형성하도록 배열될 수 있다.
도 14b는 도 14a에 도시된 시준 렌즈 어레이의 2 × 4 그리드의 확대도이다.
도 14c는 도 14a의 시준 렌즈 어레이의 프로파일 뷰이다.
도 14d는 도 14a에 도시된 시준 렌즈 어레이의 단일 시준 렌즈릿(32)의 확대 등각 투영도이다.
도 15a는 광선 경로를 따라 시준 광학 시스템의 하류의 프로젝터 장치에 선택적으로 있을 수 있는 공학 확산기(36)의 도면이다. 공학 확산기(36)는 광선을 산란시키는 기능을 하는 레이저 에칭 공학 확산기(36)를 포함한다. 일부 예에서, 공학 확산기(36)는 도 15c에 도시된 바와 같은 단일 확산기 렌즈릿 또는 확산기 렌즈릿 어레이이다. 본 개시의 일 구현에서, 공학 확산기(36)는 3.5도의 원형 각도를 가지며 코팅을 필요로 하지 않는다.
도 15b는 도 15a로부터 섹션A로 확대된 레이저 에칭 공학 확산기의 확대도이다. 이는 레이저 에칭 공학 확산기의 분자 배열을 나타내는 도면이다.
도 15c는 공학 확산기의 일 실시예인 확산기 렌즈릿 어레이(38)의 확대도이다. 확산기 렌즈릿 어레이는 레이저 에칭 공학 확산기 표면과 반대로 다중 확산 렌즈릿으로 구성된 대안적인 확산 부품이다.
도 16a는 단일 디스플레이 렌즈로서 도시된 디스플레이 광학 시스템(22)을 도시한다. 디스플레이 렌즈는 호겔의 어레이로 구성되며, 시준 광학 시스템(18)으로부터 시준된 광선을 디스플레이의 시야에 의해 설명된 각도 범위에 걸친 광선 분포로 재지향하는 기능을 하여 그 집합체가 광 필드 이미지를 형성한다.
도 16b는 메타표면 또는 메타재료로서 대안적인 디스플레이 광학 시스템(22)을 도시한다. 디스플레이 렌즈는 렌즈의 주기적인 어레이, 메타표면 또는 위의 설명을 충족하는 모든 유형의 광학 도파관(optical waveguide)일 수 있다.
도 16c는 시준 광학 시스템(18)으로부터 시준된 광선을 디스플레이의 시야에 의해 설명된 각도 범위에 걸친 광선 분포로 재지향하는 기능을 하여 그 집합체가 광 필드 이미지를 형성하는 공학 표면으로서 추가의 대안적인 디스플레이 광학 시스템(22)을 도시한다.
도 17은 광 필드 프로젝터 장치에서 LED(10) 또는 LED 패키지로부터 방출되는 광의 광선 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 광선(12)은 광원, 바람직하게는 또한 복수의 LED일 수 있는 발광 다이오드(LED)(10) 선택적으로 투사 광학 시스템(14)을 통한 LED 패키지에서 방출된다. 투사 광학 시스템(14)은 이전에 설명된 바와 같이 다양한 배열의 광학 프로젝터 부품을 포함한다. 광은 그 다음 투사 광학 시스템(14)으로부터 출력되어 제2 투사된 이미지(20)를 형성하는 광선을 시준하고 확산시키는 시준 광학 시스템(18)으로 이동하는 제1 투사된 이미지(16)를 형성한다. 픽셀 피치는 제2 투사된 이미지(20)에서 인접한 픽셀 사이의 공간을 나타낸다. 픽셀 피치는 이미지가 확대 효과 또는 확대 광학 시스템으로 인해 픽셀 형성 장치를 떠난 후 크기가 증가했다. 초점 거리는 시준 광학 시스템(18)과 디스플레이 광학 시스템(22) 사이의 거리이다. 시준 광학 시스템(18)은 광을 시준하며 예를 들어, 시준 어레이, 하나 이상의 렌즈 구조 또는 시준이 가능한 광학 부품을 포함할 수 있다. 제2 투사된 이미지(20)는 그 다음 이 경우 디스플레이 렌즈인 디스플레이 광학 시스템(22)으로 이동한다. 디스플레이 렌즈는 예를 들어 렌즈릿 또는 메타표면의 어레이로부터 형성될 수 있으며 공간 픽셀을 방향성 뷰로 변환시킨다. 디스플레이 광학 시스템(22)에서 디스플레이 렌즈의 출력은 광 필드 이미지(24)를 형성한다. 호겔은 픽셀의 공간적 위치를 방향성 또는 잘 제어된 방향성 광선으로 변환시킨다. 호겔의 일 예는 렌즈이다. 광 필드 이미지(24)는 호겔 어레이를 포함한다.
광 필드 프로젝터 장치는 또한 투사된 이미지 또는 광선 경로의 방향을 조정하기 위한 조정 메커니즘을 포함할 수 있다. 조정은 기계적 허용 오차, 광학 수차 또는 공칭에서 광선 경로의 편차를 유발하는 다른 오류로 인해 발생하는 오류를 보상할 수 있다. 일 예에서, 조정 메커니즘은 설계 허용 오차 내에서 모든 6 도에서 프로젝터의 미세 조정을 허용하는 운동학적 조정 메커니즘일 수 있다. 특히 프로젝터 본체는 모든 직교 방향 x, y, z 및 각도 방향 요(yaw), 피치, 롤(roll)로 조정할 수 있다. 광 필드 프로젝터 장치는 물리적 허용 오차로 특정 자유도를 설정할 수 있고 장치의 정렬을 위해 디스플레이 장치의 주변 주위에 추가 픽셀을 사용하는 디지털 조정 메커니즘을 포함할 수 있다. 운동학적 조정 메커니즘과 디지털 조정 메커니즘을 함께 사용하는 것도 가능하다. 내부 광학 부품의 일부일 수 있는 다른 특징은 정적 조리개(static iris), 공학 확산기, 시준 렌즈 또는 시준 장치, 광학 렌즈, 회절 격자, 광섬유 부품, 레이저 광학 부품 중 하나 이상을 포함하지만 이에 제한되지는 않으며 그 중 하나 이상은 광 필드 프로젝터 장치의 설계로 통합될 수 있다. 시준 렌즈는 예를 들어 광학계의 양면 볼록 설계를 활용하여 광 필드 프로젝터 장치의 본체 전방에 있는 렌즈 조리개를 채울 수 있는 프레임 없는 시준 렌즈 설계일 수 있다. 렌즈 조리개는 광이 통과하는 필수 홀 또는 개구로 정의될 수 있다. 광 필드 프로젝터 장치는 또한 인쇄 회로 기판(PCB), 하나 이상의 메모리 및 하우징과 같은 하나 이상의 통상적인 프로젝터 부품을 더 포함할 수 있다. 프로젝터는 또한 광의 추가 조작, 확산 및/또는 시준을 위한 추가 내부 광학 부품을 포함할 수 있다.
도 18은 광 필드 프로젝터 장치에서 단일 픽셀의 광선 경로를 도시한다. 광선(12)은 투사 광학 시스템(14)을 통해 발광 다이오드(LED)(10)로부터 방출된다. 투사 광학 시스템(14)은 다양한 배열의 광학 프로젝터 부품을 포함할 수 있다. 투사 광학 시스템(14)은 광선을 방출하여 시준 광학 시스템(18)으로 이동하는 제1 투사된 이미지(16)를 형성한다. 시준 광학 시스템(18)은 제2 투사된 이미지(20)를 형성하는 광선을 시준하고 확산시킨다. 시준 광학 시스템은 광선의 시준을 위한 시준 렌즈 어레이(26) 및 광선의 확산을 위한 확산기(36)를 포함한다. 제2 투사된 이미지(20)는 디스플레이 렌즈인 디스플레이 광학 시스템(22)으로 이동한다. 디스플레이 렌즈의 출력은 광 필드 이미지(24)를 형성한다.
시준 렌즈 어레이(26)는 하나 이상의 렌즈, 렌즈릿, 광학 거울 또는 시준 광학계를 포함할 수 있다. 시준 렌즈 어레이(26)는 투사 광학 시스템(14)로부터 방출되는 광의 발산을 감소시킨다. 시준 렌즈 어레이(26)는 투사 광학 시스템(14)으로부터 투사 거리(throw distance)에 위치된다. 일 예에서, 투사 거리는 프로젝터 이미지의 각 픽셀이 인접 픽셀에 비례하여 크기가 증가하고 픽셀이 겹치지 않도록 한다. 투사 광학 시스템(14)은 투사 광학 시스템(14)과 시준 렌즈 어레이(26) 사이의 거리가 시준 렌즈 어레이(26)의 단일 렌즈릿과 동일한 크기의 투사된 이미지를 생성하도록 배치된다.
시준 렌즈 어레이(26)를 떠나는 시준 광 빔(30)은 확산기(36)로 이동한다. 일부 예에서, 확산기(36)는 공학 확산기 어레이, 또는 하나 이상의 렌즈, 광학 거울, 또는 확산에 적합할 수 있는 광학 재료를 포함할 수 있다. 확산기(36)는 시준 렌즈 어레이(26) 및 디스플레이 광학 시스템(22) 사이에 위치되며, 확산기(36)는 시준 렌즈 어레이(26)로부터 광을 수신한다. 시준 렌즈 어레이(26) 및 확산기(36)는 단일 통합 부품 또는 개별 부품일 수 있다. 디스플레이 광학 시스템(22)은 확산기(36)로부터 제2 투사된 이미지(20)를 수신하도록 배치될 수 있다. 따라서, 시준 렌즈 어레이(26)로부터의 광은 일 예에서 공학 확산기 어리이인 확산기(36)로 이동한다. 투사 광학 시스템(14)으로부터 제1 투사된 이미지(16)를 형성하는 출력 광선은 이미지의 투사된 크기를 보존하기 위해 시준된다.
확산기(36)에서, 각 픽셀의 발산은 다음 요소만큼 증가한다:
Figure pct00001
여기서 C는 샘플링된 웨이브프론트(wavefront)의 적절한 재구성을 위해 선택된 상수이며 fm은 충전율(fill factor)이다. 일 예에서, C의 값은 대략 2이다. 이러한 경우에 충전율, fm은 대략 0.9이며, 따라서 스폿 크기, xs는 다음과 같이 픽셀 간격 xp와 관련된다.
Figure pct00002
여기서 xp는 각 샘플의 수로 분할된 렌즈 피치이다.
따라서, 확산기(36)는 이미지의 각 픽셀에 포인트 확산 함수를 부여한다. 그 후에 확산기(36)로부터의 포인트 확산 함수를 갖는 픽셀은 디스플레이 렌즈를 구성하는 디스플레이 광학 시스템(22)의 후면에 입사한다. 광이 확산기(36)에 입사되어 통과함에 따라 광은 가우스 함수로 근사된 포인트 확산 함수에 따라 분산된다. 확산기(36)는 원하는 확산 함수를 달성하고 이웃하는 픽셀로부터 광의 투사로부터 블리드(bleed)를 방지하는데 사용되는 각진 확산기(angular diffuser) 또는 공학 확산 어레이를 포함할 수 있다. 일 예에서, 투사 광학 시스템(14)은 프로젝터의 투사 비율에 의해 정의된 거리에서 20 mm × 10 mm의 크기를 갖는 이미지를 생성하며, 여기서 투사 비율은 렌즈에서 스크린까지(투사) 거리 대 스크린 폭의 비율이다. 그 다음 이 이미지는 시준 렌즈 어레이(26)에 투사될 수 있고, 그 결과 정확한 크기 (20 mm × 10 mm)인 패킷 이미지가 예를 들어 확산기 스크린 또는 공학 확산기 어레이인 확산기(36)를 향해 투사된다. 그 다음 확산기(36)는 작고 정의된 포인트 확산 함수를 생성할 수 있다. 원하는 포인트 확산 함수를 사용하여 픽셀 간의 적절한 중첩을 달성하여 해상도 바이어스 오류 또는 피켓 펜스 효과를 줄이고 더 나은 시청 경험을 위해 광을 분산시킨다. 해상도 바이어스 오류는 스펙트럼의 샘플 간에 누락된 정보를 참조한다. 해상도 바에어스 오류의 감소는 부드러운 보기 구역 전환을 허용한다. 이 경우에 확산기(36)는 예를 들어 공학 발산이 5도 원형 FWHM을 갖는 경우 광학 시스템을 통한 빔 또한 5도의 강도 프로파일을 갖도록 매우 특정한 각도 출력으로 설계된다. 이 출력은 디스플레이 광학 시스템(22)의 디스플레이 렌즈로 지향되는 광이며 이는 메타표면, 구배 굴절률 렌즈 재료, 또는 위에서 설명된 플렌옵틱 샘플링 함수에 따라 각 픽셀로부터 광을 분배하는 임의의 대체 광학 구조일 수 있다.
다중 장치 또는 다중 프로젝터 배열에서, 각 장치 또는 프로젝터의 각 투사 광학 시스템(14)은 시준 광학 시스템(18)을 나가는 광이 디스플레이 광학 시스템(22)에 수직으로 충돌하도록 정렬될 수 있다. 이와 같이, 각각의 투사 광학 시스템(14)은 정렬 하드웨어 및 프로젝터 장치에서 광선을 배향하기 위한 미세 제어 메커니즘이 장착될 수 있다. 필요한 허용 오차에 따라 프로젝터 또는 투사 광학 시스템(14) 정렬에 대한 몇 가지 접근 방식이 있다. 일 예에서, 1회 러프 정렬을 제공하기 위해 나사 조정기(screw adjuster)와 함께 하나 이상의 조정 요소, 예를 들어 기계적 마운트가 제공될 수 있다. 다른 예에서, 예를 들어 나노부터 마이크로 스케일의 전자 조정을 위해 하나 이상의 압전 변환기가 제공될 수 있다. 이는 피드백을 활용하는 활성 보정 계획에도 잠재적으로 유용할 수 있다. 다른 조정 요소는 운동학적 마운트 및/또는 위에서 언급한 압전 변환기와 같은 디지털 방식으로 제어되는 조정 요소를 포함할 수 있다. 필요한 조정의 최대량은 각각의 투사 광학 시스템(14)에 의해 조명되는 렌즈릿의 치수에 의해 결정된다.
도 19는 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 2-5에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 일련의 3 개의 LED(10a, 10b, 10c)로부터의 출력 광선(12)은 투사 광학 시스템(14)을 통해 시준 광학 시스템(18)으로 진행하는 제1 투사된 이미지(16)를 형성한다. 도시된 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)에 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하는 단일 렌즈이다. 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 투사 렌즈로 구성될 수 있다.
도 20은 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 2-5에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 일련의 3 개의 LED(10a, 10b, 10c)로부터의 출력 광선(12)은 투사 광학 시스템(14)을 통해 제1 투사된 이미지(16)를 시준 광학 시스템(18)에 투사하며, 시준 광학 시스템(18)은 본 명세서에서 시준 렌즈 어레이(26) 및 확산기(36)로 도시된 하나 초과의 렌즈 또는 광학 부품을 갖는다. 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)으로 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력한다.
도 21은 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 2-5에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 추가적인 대안적인 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 일련의 3 개의 LED(10a, 10b, 10c)로부터의 출력 광선(12)은 투사 광학 시스템(14)을 통해 제1 투사된 이미지(16)를 시준 광학 시스템(18)에 투사하며, 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)에 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하는 하나 초과의 렌즈 또는 광학 부품을 갖는다. 이 배열에서, 시준 광학 시스템(18)은, 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)으로 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하기 위한 광학 시스템 또는 다른 광학 부품일 수 있는 확산기 어레이 또는 공학 확산기(36)로 시준 광 빔(30)을 출력하는 복수의 시준 렌즈릿(32)을 포함하는 시준 렌즈 어레이로 구성된다.
도 22는 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 6-9에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 투사 광학 시스템(14)을 통한 단일 LED(10)로부터의 출력 광선(12)은 시준 광학 시스템(18)으로 제1 투사된 이미지(16)를 투사하며 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)에 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하는 단일 렌즈이다. 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 투사 렌즈로 구성될 수 있다.
도 23은 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 6-9에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 투사 광학 시스템(14)을 통한 단일 LED(10)로부터의 출력 광선(12)은 시준 광학 시스템(18)으로 제1 투사된 이미지(16)를 투사하며 시준 광학 시스템(18)은 본 명세서에서 시준 렌즈 어레이(26) 또는 확산기(36)로 도시된 하나 초과의 렌즈 또는 광학 부품을 갖는다. 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)으로 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력한다.
도 24는 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 6-9에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 추가적인 대안적인 광선 경로 다이어그램을 개시한다. 투사 광학 시스템(14)을 통한 단일 LED(10)로부터의 출력 광선(12)은 제1 투사 이미지(16)를 시준 광학 시스템(18)으로 투사하며 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)으로 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하는 하나 초과의 렌즈 또는 광학 부품을 갖는다. 이 배열에서, 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)으로 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하기 위한 광학 시스템 또는 다른 광학 부품일 수 있는 확산 어레이 또는 공학 확산기(36)로 시준 광 빔(30)을 출력하는 시준 렌즈릿(32)을 포함하는 시준 렌즈 어레이를 구성한다.
도 25는 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 10-13에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 투사 광학 시스템(14)을 통한 발광 다이오드(LED)(10a) 및 발광 다이오드(LED) 패키지(100)로부터의 출력 광선(12)은 제1 투사된 이미지(16)를 시준 광학 시스템(18)에 투사하며 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 투사 렌즈와 같은 단일 렌즈이다. 그 다음 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)에 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력한다.
도 26은 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 10-13에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 투사 광학 시스템(14)을 통한 발광 다이오드(LED)(10) 및 발광 다이오드(LED) 패키지(100)로부터의 출력 광선(12)은 제1 투사된 이미지(16)를 시준 광학 시스템(18)에 투사하며 시준 광학 시스템(18)은 시준 렌즈 어레이(26) 및 확산기(36)와 같은 본 명세서에 도시된 하나 초과의 렌즈 또는 광학 부품을 갖는다. 그 다음 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)에 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력한다.
도 27은 투사 광학 시스템(14)의 광학계가 도 10-13에 도시된 바와 같은 배열인 본 개시에 따른 광 필드 프로젝터 장치의 추가적인 대안적인 광선 경로 다이어그램을 도시한다. 투사 광학 시스템(14)을 통한 발광 다이오드(LED)(10) 및 발광 다이오드(LED) 패키지(100)를 통한 출력 광선(12)은 제1 투사된 이미지(16)를 시준 광학 시스템(18)에 투사한다. 도시된 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)에 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하는 하나 초과의 렌즈 또는 광학 부품을 갖는다. 이 배열에서, 시준 광학 시스템(18)은 광 필드 이미지(24)를 출력하는 디스플레이 광학 시스템(22)에 지향되는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하기 위한 광학 시스템 또는 다른 광학 부품일 수 있는 확산 어레이 또는 공학 확산기(36)에 시준 광 빔(30)을 출력하는 시준 렌즈릿(32)을 포함하는 시준 렌즈 어레이로 구성된다.
도 28은 확산기의 렌즈릿에 대한 본 개시의 실시예에 따른 공칭 포인트 확산 함수를 도시한다. 일 예에서, 포인트 확산 함수(40)는 2 개의 방향성 픽셀 사이의 각도의 2 배의 FWHM을 가질 수 있다. 확산기의 함수로서 광선의 강도(46)에 대한 방위각(42) 및 극각(polar angle)(44)의 관점에서 픽셀의 각도 확산의 그래픽 표현이 도시된다. 현재 설명된 프로젝터 장치에서, 광은, 프로젝터 이미지의 각 픽셀이 인접 픽셀에 비례하여 크기가 증가하여 픽셀이 겹치지 않는 특정 투사 비율을 특징으로 투사 광학 시스템으로부터 방출된다. 그 후, 시준 렌즈 어레이에서 투사 광학 시스템의 광학계가 이미지의 투사된 크기를 보존하도록 시준된다. 그 다음 시준 빔은, 빔의 폭이 두 광학 시스템에서 대략 동일한 확산기에 입사한다. 바지막으로, 확산기로부터의 포인트 확산 함수(40)를 갖는 픽셀은 디스플레이 렌즈를 구성하는 디스플레이 광학 시스템의 후면에 입사한다. 디스플레이 광학 시스템 및 시준 광학 시스템 사이의 거리는 이미지당 픽셀의 출력 폭을 미세 조정할 수 있다.
도 29는 현재 설명된 광 필드 프로젝터 장치의 어레이를 포함하는 광 필드 이미지 디스플레이 장치의 등각도를 도시한다. 도시된 시스템은 측면 레일(54)을 갖는 광 필드 이미지 디스플레이 장치 하우징 내에 고정된 복수의 광 필드 프로젝터 장치를 갖는다. 시스템은 바람직하게는 인쇄 제어 보드(PCB)아키텍처(56)에 의해 제어된다. 디스플레이 광학 시스템(22)이라고도 하는 디스플레이 렌즈는 광 필드 이미지를 출력하고 디스플레이 렌즈 마운트(48)에 의해 광 필드 투사 시스템에 고정된다.
도 30은 광 필드 프로젝터 장치의 어레이를 갖는 광 필드 이미지 디스플레이 장치 또는 시스템의 분해도를 도시한다. 시스템은 PCB 아키텍처(56)를 포함한다. 전원 및 냉각 시스템은 시스템을 냉각하기 위한 팬 마운트를 갖는 측면 레일(54)에 의해 수용된다. PCB 어레이(52)는 전원이 공급되고 프로젝터 마운트(58)에 의해 광 필드 프로젝터 어레이(50)에 연결된다. 디스플레이 광학 시스템(22)이라고도 하는 디스플레이 렌즈는 광 필드 이미지를 출력하며 디스플레이 렌즈 마운트(48)에 의해 광 필드 투사 시스템에 고정된다. 도시된 예에서, 광 필드 이미지 디스플레이 장치는 광 필드 프로젝터 장치의 18 행 12 열을 가지며 어레이에 총 216 개의 광 필드 프로젝터 장치가 있다. 다른 배열 크기가 가능하며 모든 배열 크기가 가능하다. 본 광 필드 이미지 디스플레이 장치 또는 시스템의 하나의 작업 구성에서, 디스플레이 광학 시스템(22)은 높이 187 mm 및 너비 228 mm이며, 이는 작은 태블릿 크기와 비슷하다.
도 31은 단일 프로젝터 본체에 복수의 3 × 4 프로젝터 장치를 포함하는 프로젝터 어레이를 갖는 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 구성을 도시한다.
도 32는 광 필드 디스플레이를 생성하기 위한 모든 광학 시스템 및 디스플레이 장치의 어레이를 포함하는 광 필드 프로젝터 장치의 대안적인 구성을 도시한다. 시스템은 타일링/스태킹하여 더 큰 광 필드 디스플레이를 생성할 수 있다.
도 33은 본 개시에 대한 블록도를 도시한다. 백플레인(84)은 입력 장치에서 광 필드 투사 장치(96)로 비디오 및 제어 데이터를 전송한다. 디스플레이 패널 컨트롤러(86)는 디스플레이 패널(90)에 대한 비디오 입력을 생성하는 동시에 인에이블 신호(enable signal) 광원 드라이버(88)에 전송하여 프레임 순차 구동 방식으로 광원(10)에 전원을 공급한다. 광원 LED(10)로부터의 광은 투사 장치의 디스플레이 패널(90)에 입사되어 디스플레이 광학 시스템(22)에 투사된 이미지를 초래한다.
도 34a 및 34b는 활성 이미지, 중첩 영역 및 보정 버퍼에 대한 프로젝터 프레임의 픽셀 할당을 도시한다. 일부 실시예에서, 프로젝터는 도 34a에 도시된 바와 같은 프로젝터의 전방 에지를 감싸는 에지리스(edge-less) 광 필드 투사(LFP) 렌즈(98)를 포함한다. 도 34a는 LFP 렌즈를 통한 LED 광원(10)으로부터 제1 투사된 이미지(16)를 도시하며, 이는 제2 투사된 이미지(20)를 출력하기 위한 시준 광학 시스템(18)으로 작용한다. 이 에지리스 설계는 렌즈 어레이 조립 공차 및 프로젝터 정렬로 인한 광 필드 디스플레이의 타일링 아티팩트(tiling artifact)를 제거할 것이다. 각 프로젝터의 프로젝터 광 필드 이미지(24) 크기는 시스템에서 프로젝터 타일링의 임의의 디스플레이 아티팩트를 제거를 허용하고 광 필드 디스플레이의 디지털 보정을 허용할 것이다. 아래 다이어그램은 LFP 렌즈(98)를 통한 광선 경로를 보여주며, 광 필드 디스플레이에서 각 프로젝터에 대한 픽셀 사용을 설명한다. 도 34b는 중첩 픽셀(92)의 할당을 도시하며, 보정 픽셀(94) 및 광 필드 이미지 픽셀에 주목한다. 중첩 픽셀(92) 및 보정 픽셀(94)의 측면도가 도 34a에도 도시된다.
본 명세서에 언급된 모든 특허, 특허 출원, 공개의 개시는 각각의 이러한 개별 특허, 특허 출원, 공개 및 데이터베이스 항목이 참조로 포함도록 구체적이고 개별적으로 표시되는 것과 같이 동일한 정도로 그 전체가 참조로 구체적으로 포함된다. 본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 이의 다양한 변형이 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 자명한 이러한 모든 수정은 다음 청구범위의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
다수의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 위에 설명된 단계 중 일부는 순서 독립적일 수 있으므로 설명된 것과 다른 순서로 수행될 수 있다. 다른 구현은 또한 다음 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (24)

  1. 광 필드 프로젝터 장치로서,
    발광 다이오드(LED)를 포함하는 광원;
    투사 광학 시스템으로서,
    광원으로부터 광을 수신하고 단일 광선 경로로 광을 지향시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 조명 광학 시스템;
    상기 조명 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 픽셀 어레이로 광을 변환시키는 픽셀 형성 장치; 및
    확대 광학 시스템;을 포함하는, 투사 광학 시스템; 및
    상기 확대 광학 시스템으로부터 수신된 픽셀 어레이로부터의 광을 시준하고 시준된 투사된 이미지를 생성하는 시준 광학 부품을 포함하는 시준 광학 시스템;을 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시준 광학 시스템으로부터의 시준된 투사된 이미지를 수신하고 이미지를 디스플레이하기 위해 배치되는 디스플레이 광학 시스템을 더 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디스플레이 광학 시스템은 적어도 하나의 렌즈, 렌즈릿, 메타표면 또는 이들의 조합을 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 디스플레이 광학 시스템은 적어도 하나의 다른 광 필드 프로젝터 장치와 공유되는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시준 광학 시스템은 하나 이상의 확산 표면, 시준 렌즈릿, 프레임리스 시준 렌즈릿 평면-볼록 렌즈, 볼록 렌즈 및 양면 볼록 렌즈를 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 하나 초과의 발광 다이오드를 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 광원을 포함하며, 상기 조명 광학 시스템은 단일 광선 경로를 형성하기 위해 복수의 광원 각각으로부터 광을 수신하고 지향시키는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 적어도 하나의 적색 LED, 적어도 하나의 녹색 LED 및 적어도 하나의 청색 LED를 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 초과의 광원을 더 포함하며, 상기 광원 중 적어도 하나는 적어도 2 개의 상이한 색상의 하나 초과의 LED를 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    프로젝터 하우징을 더 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로젝터 장치를 빠져나가는 광선 경로의 조정을 위한 조정 메커니즘을 더 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    광선 경로를 따른 시준 광학 시스템의 하류의 확산기를 더 포함하는,
    광 필드 프로젝터 장치.
  13. 광 필드 이미지 디스플레이 장치로서,
    어레이로 배열된 복수의 광 필드 프로젝터 장치 ― 각 프로젝터 장치는:
    발광 다이오드(LED)를 포함하는 광원;
    투사 광학 시스템으로서,
    광원으로부터 광을 수신하고 단일 광선 경로로 광을 지향시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 조명 광학 시스템;
    상기 조명 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 픽셀 어레이로 광을 변환시키는 픽셀 형성 장치; 및
    확대 광학 시스템;을 포함하는, 투사 광학 시스템; 및
    상기 확대 광학 시스템으로부터 수신된 픽셀 어레이로부터의 광을 시준하고 시준된 투사된 이미지를 생성하는 시준 광학 부품을 포함하는 시준 광학 시스템;을 포함함 ―; 및
    복수의 광 필드 프로젝터 장치 중 적어도 하나의 시준 광학 시스템으로부터 시준된 투사된 이미지를 수신하고 이미지를 디스플레이하기 위해 배치되는 디스플레이 광학 시스템;을 포함하는,
    광 필드 이미지 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디스플레이 광학 시스템은 광 필드 이미지 디스플레이 장치의 광 필드 프로젝터 장치 중 2 개 이상에 의해 공유되는,
    광 필드 이미지 디스플레이 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    복수의 광 필드 프로젝터 장치를 제 위치에 유지하기 위한 하우징을 더 포함하는,
    광 필드 이미지 디스플레이 장치.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 프로젝터 장치 각각을 빠져나가는 광선 경로의 조정을 위한 복수의 조정 메커니즘을 더 포함하는,
    광 필드 이미지 디스플레이 장치.
  17. 복수의 광 필드 프로젝터 장치로 타일링된 광 필드 이미지를 생성하는 방법으로서,
    LED 광원으로 광을 생성하고;
    단일 광선 경로로 광원으로부터의 광을 지향시키고;
    픽셀 어레이로 광을 픽셀화하고;
    픽셀 어레이를 확대시키고;
    시준된 투사된 이미지를 생성하기 위해 픽셀 어레이를 시준하고; 그리고
    광 필드 이미지를 제공하기 위해 시준된 투사된 이미지를 디스플레이함으로써; 복수의 광 필드 프로젝터 장치에서 광 필드 이미지를 생성하는 단계; 및
    타일링된 광 필드 이미지를 제공하기 위해 복수의 광 필드 프로젝터로부터 생성된 광 필드 이미지를 타일링하는 단계;를 포함하는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서,
    복수의 광 필드 프로젝터 각각에서 픽셀 어레이를 확대하는 것은 균일한 타일링된 광 필드 이미지를 제공하기 위해 복수의 광 필드 프로젝터로부터의 광 필드 이미지의 중첩을 달성하는,
    방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    이미지를 디스플레이하기 전에 시준된 투사된 이미지를 확산시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 시준된 투사된 이미지를 확산시키는 단계는 각도 포인트 확산 함수를 부여하는 단계를 포함하는,
    방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 포인트 확산 함수는 광 필드 프로젝터 장치의 하나 이상의 파라미터로 특성화되는 반치전폭(FWHM)을 갖는 가우스 함수에 의해 설명되는,
    방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    조정 메커니즘을 사용하여 복수의 광 필드 프로젝터 장치 중 하나 이상의 광선 경로를 조정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스플레이의 피사계 심도 및 공간 해상도를 정의하기 위해 픽셀 피치 및 호겔 피치르 조정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  24. 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스플레이 광학 시스템의 초점 길이를 조정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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