特許 7178137 直接投影型ライト・フィールド・ディスプレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-16

(45)【発行日】2022-11-25

(54)【発明の名称】直接投影型ライト・フィールド・ディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/33 20200101AFI20221117BHJP

   G09F 9/00 20060101ALI20221117BHJP

   G03B 35/18 20210101ALI20221117BHJP

   H04N 13/307 20180101ALI20221117BHJP

   H04N 13/363 20180101ALI20221117BHJP

【ＦＩ】

G02B30/33

G09F9/00 313

G09F9/00 361

G09F9/00 350Z

G03B35/18

H04N13/307

H04N13/363

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021513280

(86)(22)【出願日】2019-09-30

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-19

(86)【国際出願番号】 CA2019051393

(87)【国際公開番号】W WO2020061714

(87)【国際公開日】2020-04-02

【審査請求日】2022-09-26

(31)【優先権主張番号】16/433,303

(32)【優先日】2018-09-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/738,307

(32)【優先日】2018-09-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】521093576

【氏名又は名称】アヴァロン ホログラフィックス インク．

(74)【代理人】

【識別番号】100124039

【弁理士】

【氏名又は名称】立花 顕治

(74)【代理人】

【識別番号】100176337

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 弘樹

(72)【発明者】

【氏名】ペッカム ジョーダン

(72)【発明者】

【氏名】ウェバー ダニエル

【審査官】近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０６２２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２９８２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／３０９０４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／３７３７０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／２０１１７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／１９４４５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／２８５９６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／１４４１７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／３０９７５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第６７９５２４１（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３０／３３

Ｇ０９Ｆ ９／００

Ｇ０３Ｂ ３５／１８

Ｈ０４Ｎ １３／３０７

Ｈ０４Ｎ １３／３６３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ライト・フィールド・ディスプレイであって、
複数のライト・フィールドプロジェクタを含むプロジェクタ・アレイであって、各プロジェクタは光線を生成するように構成されているプロジェクタ・アレイと、
前記プロジェクタ・アレイによって生成された前記光線にライト・フィールドを作成させるように構成された複数のレンズ・システムとを含み、
前記複数のレンズ・システムは、
第１のレンズ・システムであって、
小型レンズのアレイを含む第１のレンズ・サブシステムであって、前記第１のレンズ・サブシステムは、前記プロジェクタ・アレイからの前記光線を受け取るように配置された、第１のレンズ・サブシステム、および
前記第１のレンズ・サブシステムから光を受け取るように配置された第２のレンズ・サブシステムであって、前記第２のレンズ・サブシステムは、前記第１のレンズ・サブシステム内の前記小型レンズのうちの１つまたは複数から平行にされたビームを受け取るように配置された拡散アレイを含む、第２のレンズ・サブシステム、
を含む、第１のレンズ・システムと、
マイクロアレイ小型レンズを含む第２のレンズ・システムであって、前記第２のレンズ・システムは、前記第２のレンズ・サブシステムから拡散され平行にされたビームを受け取るように配置され、前記マイクロアレイ小型レンズからの光出力は、前記ライト・フィールドを形成する、第２のレンズ・システムとを含む、
ライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項2】

前記第１のレンズ・サブシステムの各小型レンズは、前記プロジェクタ・アレイ内の前記プロジェクタのうちの対応する１つから光を受け取るように配置されている、請求項１に記載のライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項3】

前記第１のレンズ・サブシステムは、平行にする小型レンズのアレイを含む、請求項１に記載のライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項4】

前記第２のレンズ・システムによって受け取られた前記拡散され平行にされたビームは、点広がり関数に従って拡散される、請求項１に記載のライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項5】

前記点広がり関数は、前記ライト・フィールド・ディスプレイの１つまたは複数のパラメータによって特徴付けられる半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するガウス関数によって記述される、請求項４に記載のライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項6】

前記ライト・フィールド・ディスプレイの前記１つまたは複数のパラメータは、
ホーゲル・ピッチ、
ピクセル・ピッチ、および、
前記第２のレンズ・システムの焦点距離
のうちの１つまたは複数を含む、請求項５に記載のライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項7】

前記プロジェクタ・アレイは、各プロジェクタの方向を調整するための調整要素を含む、請求項１に記載のライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項8】

前記プロジェクタ・アレイおよび複数のレンズ・システムが収納容器内に配置されている、前記収納容器をさらに含む、請求項１に記載のライト・フィールド・ディスプレイ。

【請求項9】

ライト・フィールドを作成するための方法であって、
プロジェクタ・アレイの複数のプロジェクタのそれぞれによって光線を生成することと、
前記プロジェクタ・アレイによって生成された前記光線を、ライト・フィールド画像にレンダリングすることを含み、
前記レンダリングすることは、小型レンズの第１のアレイによって、平行にされたビームを形成するために前記プロジェクタ・アレイによって生成された前記光線を平行にすることと、
マイクロアレイ小型レンズの少なくとも１つのアレイを含む拡散アレイに前記小型レンズの第１のアレイからの前記平行にされたビームを受け取らせ、拡散され平行にされたビームをライト・フィールドにレンダリングすることと、
を含む方法。

【請求項10】

前記拡散アレイから放出された拡散光は、点広がり関数によって特徴付けられる、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記点広がり関数は、ライト・フィールド・ディスプレイの１つまたは複数のパラメータによって特徴付けられる半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するガウス関数によって記述される、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記プロジェクタ・アレイの前記複数のプロジェクタのうちの１つまたは複数のプロジェクタの方向を調整することを含む、請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

優先権の主張
本出願は、２０１８年９月２８日に出願された米国特許出願第６２／７３８，３０７号の優先権を主張し、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

３次元ディスプレイにより、視聴者は自分が見ている画像についてより広い視野を得ることができる。一部の３次元ディスプレイは偏光を使用し、視聴者は専用のメガネを着用する必要がある。他の３次元ディスプレイは、直接投影を使用して、一次元で視差を提供する画像を作成する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、要素画像の固定されたセットを用いてライト・フィールドを直接投影するためのプロジェクタのアレイに関する。直接投影法は、システム深度の減少、直接ピクセルとビュー数の関係、プロジェクタあたりの輝度要件の減少など、設計全体に多くの利点をもたらす。

【課題を解決するための手段】

【0004】

ある態様によれば、ライト・フィールド・ディスプレイは、以下を含む。
ｉ．複数の光プロジェクタを含むプロジェクタ・アレイであって、各プロジェクタは光線を生成するように構成される。
ｉｉ．プロジェクタ・アレイによって生成された光線に、ライト・フィールドを作成させるように構成された複数のレンズ・システムであって、複数のレンズ・システムは、以下を含む。
ａ．小型レンズのアレイを含む第１のレンズ・システムであって、プロジェクタ・アレイからの光線を受け取るように配置された第１のレンズ・システム。
ｂ．マイクロアレイ小型レンズを含む第２のレンズ・システムであって、第２のレンズ・システムは、第１のレンズ・システムから、拡散され平行にされたビームを受け取るように配置され、マイクロアレイ小型レンズからの光出力がライト・フィールドを形成する。

【0005】

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。

【0006】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、第１のレンズ・システムの各小型レンズは、プロジェクタ・アレイ内の対応するプロジェクタのうちの１つから光を受け取るように配置されている。

【0007】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、第１のレンズ・システムは、第１のレンズ・サブシステムおよび第２のレンズ・サブシステムを含み、第２のレンズ・サブシステムは、第１のレンズ・サブシステムと第２のレンズ・システムとの間に配置され、第２のレンズ・サブシステムは、第１のレンズ・サブシステムからの光を受け取るように配置され、そして、第２のレンズ・システムは、第２のレンズ・サブシステムから、拡散され平行にされたビームを受け取るように配置されている。

【0008】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、第２のレンズ・サブシステムは拡散アレイを含む。

【0009】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、拡散アレイは、第１のレンズ・サブシステムの１つまたは複数の小型レンズから平行にされたビームを受け取るように配置される。

【0010】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、第１のレンズ・システムは、コリメート小型レンズのアレイを含む。

【0011】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、第２のレンズ・システムによって受け取られた、拡散され平行にされたビームは、点広がり関数に従って拡散される。

【0012】

ライト・フィールド・ディスプレイの実施形態では、点広がり関数は、ライト・フィールド・ディスプレイの１つまたは複数のパラメータによって特徴付けられる半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するガウス関数によって記述される。

【0013】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、ライト・フィールド・ディスプレイの１つまたは複数のパラメータは、以下のうちの１つまたは複数を含む。
ｉ．ホーゲル・ピッチ
ｉｉ．ピクセル・ピッチ
ｉｉｉ．第２のレンズ・システムの焦点距離

【0014】

ライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、プロジェクタ・アレイは、各プロジェクタの方向を調整するための調整要素を含む。

【0015】

収納容器を含むライト・フィールド・ディスプレイの一実施形態では、プロジェクタ・アレイおよび複数のレンズ・システムが収納容器内に配置されている。

【0016】

ある態様によれば、以下を含むライト・フィールドを作成するための方法がある。
ｉ．プロジェクタ・アレイの複数のプロジェクタのそれぞれによって光線を生成する。
ｉｉ．プロジェクタ・アレイによって生成された光線を、次のようなライト・フィールド・イメージにレンダリングする。
ａ．平行にされたビームを形成するために、小型レンズのアレイを含む第１のレンズ・システムによって、プロジェクタ・アレイによって生成された光線を平行にする。
ｂ．マイクロアレイ小型レンズを含む第２のレンズ・システムによって、拡散され平行にされたビームをライト・フィールドにレンダリングする。

【0017】

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。

【0018】

本方法の一実施形態では、マイクロアレイ小型レンズの第１のアレイの対応する１つの小型レンズから放出された光は、拡散アレイで受け取られる。

【0019】

本方法の一実施形態では、拡散器アレイから放出される拡散光は、点広がり関数によって特徴付けられる。

【0020】

本方法の一実施形態では、点広がり関数は、ライト・フィールド・ディスプレイの１つまたは複数のパラメータによって特徴付けられる半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するガウス関数によって記述される。

【0021】

本方法の一実施形態では、プロジェクタ・アレイの１つまたは複数のプロジェクタのそれぞれの方向が調整される。

【0022】

ここで説明するアプローチには、次の１つ以上の利点がある。ライト・フィールド・ディスプレイは、広い視野と高い角度分解能を持つことができる裸眼立体視ディスプレイにすることができる。ライト・フィールド・ディスプレイは、水平視差と垂直視差の両方を考慮に入れることができる。ライト・フィールド・ディスプレイの消費電力を、比較的低くできる。ピクセル・サイズを小さくすることで、自然な「現実の」画像を高解像度で複製することを目的としたライト・フィールド・ディスプレイが作製される。

【0023】

１つまたは複数の実装の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。他の特徴および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】ライト・フィールド・ディスプレイの分解図である。

【0025】

【図2】ライト・フィールド・ディスプレイの例示的な実施形態の分解図である。

【0026】

【図3A】コリメート・レンズ・アレイの正面図である。

【0027】

【図3B】図３Ａのコリメート・レンズ・アレイの２ｘ４グリッドの拡大図である。

【0028】

【図3C】コリメート・レンズ・アレイ図３Ａの側面図である。

【0029】

【図3D】コリメート・レンズ・アレイ図３Ａの単一レンズの等角図である。

【0030】

【図4A】設計された拡散器の正面図である。

【0031】

【図4B】レーザ・エッチングされた設計された拡散器の拡大図である。

【0032】

【図4C】拡散器レンズ・アレイの拡大図である。

【0033】

【図4D】図４Ａの設計された拡散器の等角図である。

【0034】

【図5】設計された拡散器アレイ内のピクセルの点広がり関数の図である。

【0035】

【図6A】ディスプレイ・レンズ・アレイの図である。

【0036】

【図6B】メタサーフェス・ディスプレイ・レンズの拡大図である。

【0037】

【図6C】メタサーフェス・ディスプレイ・レンズの拡大図である。

【0038】

【図7A】ディスプレイ・レンズ・アレイの水平レンズ状の部分の正面図である。

【0039】

【図7B】図７Ａのディスプレイ・レンズ・アレイの水平レンズ状の部分の拡大図である。

【0040】

【図7C】図７Ａに示されるディスプレイ・レンズ・アレイの水平レンズ状の部分の側面図である。

【0041】

【図7D】図７Ａのディスプレイ・レンズ・アレイの水平レンズ状の部分の側面図の拡大図である。

【0042】

【図7E】ディスプレイ・レンズ・アレイの垂直レンズ状の部分の正面図である。

【0043】

【図7F】図７Ａのディスプレイ・レンズ・アレイの垂直レンズ状の部分の拡大図である。

【0044】

【図7G】図７Ａに示されるディスプレイ・レンズ・アレイの垂直レンズ状の部分の側面図である。

【0045】

【図7H】図７Ａのディスプレイ・レンズ・アレイの垂直レンズ状の部分の側面図の拡大図である。

【0046】

【図8】単一のプロジェクタから直接投影型ライト・フィールド・ディスプレイを通過するピクセルの光線経路を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0047】

ここでは、マルチ・ビュー、裸眼立体視、高角度分解能のライト・フィールド・ディスプレイについて説明する。ライト・フィールド・ディスプレイは、水平視差と垂直視差の両方で表示できる。

【0048】

空間および時間に基づく観察者ベースの関数、またはプレノプティック関数の概念は、視覚システムによって感じられる視覚刺激を説明するために開発された。プレノプティック関数が依存する基本変数は、光が表示されている３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）、および、角度（θ，φ）で記述される、この視点に光が近づく方向を含む。光の波長λおよび観測時間ｔとともに、これらが、プレノプティック関数となる。

【式１】

【0049】

Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，λ，ｔ）
プレノプティック関数の代わりに、ある点での３次元空間の光線に沿った放射輝度を使用することができ、特定の方向をライト・フィールドで表し得る。ライト・フィールドの定義は、プレノプティック関数の定義と同等であり得る。ライト・フィールドは、５次元関数として、すべての可能な方向にすべてのポイントを通過して流れる放射輝度として説明し得る。静的ライト・フィールドの場合、ライト・フィールドはスカラー関数として表し得る。

【式２】

【0050】

Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ）
ここで、（ｘ、ｙ、ｚ）は位置関数としての放射輝度を表し、光の進行方向は（θ，φ）で特徴付けられる。３次元の実世界オブジェクトの視聴者は、無限大のビュー、または連続的に分散されたライト・フィールドの影響を受ける。これを実際に複製するために、本開示は、ライト・フィールドを近似するために、連続的に分散されたライト・フィールドを有限数のビューまたは複数のビューにサブ・サンプリングする直接投影型ライト・フィールド・ディスプレイについて説明する。直接投影型ライト・フィールド・ディスプレイの出力はライト・フィールドであり、ヒト眼球の角度分解能を超える有限数のビューに基づく、連続的に分散されたライト・フィールドの３次元表現である。

【0051】

プロジェクタ・アレイベースのディスプレイは、設計が難しい場合がある。それは、例えば、正確に位置合わせされた高密度を重視したプロジェクタが多数含まれているためである。図１を参照すると、ライト・フィールド・ディスプレイは、プロジェクタ・アレイ１２および２つのレンズ・アレイ１６、１８を収容する筐体１０を含む。プロジェクタ・アレイ１２は、それぞれが光を生成する複数のプロジェクタを含む。プロジェクタ・アレイ内のプロジェクタは、拡張現実ヘッドセットまたは自動車用ヘッドアップ・ディスプレイ（ＨＵＤ）に特化した超小型プロジェクタであり得る。プロジェクタは、画像データを受け取り、画像データを投影光に変換する。次に、投影光は、プロジェクタから第１のレンズ・システムまたはアレイ１６に送信される。次に、光は、第１のレンズ・システム１６から第２のレンズ・システム１８に転送され、これがライト・フィールド画像を形成する。すべてのオプト・メカニカル構成要素は、レンズ筐体１４内に収まる。

【0052】

一般に、当技術分野で知られているライト・フィールド・ディスプレイには、非常に高輝度のプロジェクタが必要である。本開示のライト・フィールド・ディスプレイの利点は、プロジェクタ・アレイ１２内のプロジェクタの輝度要件が低減されることである。輝度要件の低下は、光の角度分布を制御する直接投影ディスプレイのレンズ・システムの機能の設計と、光ビームへの点広がり関数の適用によって実現される。プロジェクタ・アレイ１２の輝度要件の低下は、内部冷却要件のない小型ＬＥＤを可能にし得る。それゆえ、プロジェクタの占有面積が小さくなる結果、プロジェクタ・アレイ１２の実装密度をより密にすることができ、個々のプロジェクタのサイズおよび重量を減少させ、直接投影型ライト・フィールド・ディスプレイに対する電力要件を低下させることができる。

【0053】

コリメート・アレイであり得る第１のレンズ・サブシステム１６は、プロジェクタ・アレイ１２から放出される光の発散を低減する。第１のレンズ・サブシステム１６は、プロジェクタ・アレイ１２から投写距離に配置されている。一例では、投写距離は、プロジェクタ画像の各ピクセルが隣接するピクセルに比例してサイズが大きくなるようにして、その結果、ピクセルの重なりが生じない。プロジェクタと第１のレンズ・サブシステム１６との間の距離が、第１のレンズ・サブシステム１６内の単一の小型レンズと同一サイズの投影画像を作成するように、プロジェクタが配置される。プロジェクタ・アレイ１２からの発散パターンは、単一のプロジェクタとほぼ同一サイズであり、第１のレンズ・サブシステム１６のコリメート・アレイ小型レンズとプロジェクタ１２との間を、１：１の比率にすること可能とする。

【0054】

図２は、ライト・フィールド・ディスプレイを示す。平行にされた光ビームは、第１のレンズ・サブシステム１６および第２のレンズ・サブシステム２０を含む第１のレンズ・システム２２を離れ、第２のレンズ・サブシステム２０は、設計された拡散器アレイであり得る。第２のレンズ・サブシステム２０は、第１のレンズ・サブシステム１６と第２のレンズ・システム１８との間に配置され、第２のレンズ・サブシステム２０は、第１のレンズ・サブシステム１６から光を受け取る。第１および第２のレンズ・サブシステム１６、２０は、単一の統合された部品であり得るか、または別個であり得る。第２のレンズ・システム１８は、第２のレンズ・サブシステム２０から拡散され平行にされたビームを受け取るように配置することができる。したがって、第１のレンズ・サブシステムまたはコリメート・アレイ１６からの光は、第２のレンズ・サブシステムまたは拡散アレイ２０（一例では、設計された拡散器アレイ）に進む。プロジェクタ１２の出力は、画像の投影されたサイズを維持するために平行にされる。

【0055】

第２のレンズ・サブシステム２０では、各ピクセルの発散は、以下の要因で増加する。

【式３】

【0056】

ここで、Ｃは、サンプリングされた波面を適切に再構成するために選択された定数であり、ｆ_mは、フィル・ファクタである。一例では、Ｃの値は約２である。このような場合、フィル・ファクタｆ_mは約０．９であるため、スポット・サイズｘ_sは、次のようにピクセル間隔ｘ_pに関係する。

【式４】

【0057】

ここで、ｘ_pはレンズ・ピッチを角度サンプルの数で割ったものである。したがって、第２のレンズ・サブシステムまたは拡散アレイ２０は、画像内の各ピクセルに点広がり関数を与える。図５は、前記点広がり関数の平面図の画像を示している。

【0058】

次に、第２のレンズ・サブシステムまたは拡散アレイ２０からの点広がり関数を有するピクセルが、ディスプレイ・レンズを構成する第２のレンズ・システム１８の背面に入射する。第２のレンズ・システム１８と第２のレンズ・サブシステム２０との間の距離は、画像あたりのピクセルの出力幅の微調整することを可能にし、システムの空間を減らすように最小化され得る。

【0059】

光が第１のレンズ・サブシステムまたは設計された拡散器アレイ２０に入射して通過するとき、光は、ガウス関数として近似される点広がり関数に従って分散される。第２のレンズ・サブシステムは、所望の角度を達成し、かつ隣接するプロジェクタ１２からの光の投射からの漏れを防止するために使用される、角度拡散器または設計された拡散アレイ２０を含み得る。本開示の一例では、特定の点広がり関数が、個々のプロジェクタピクセルからの光に適用され、ピクセルを特定の角度に向ける。１台のプロジェクタおよびそのピクセルが、小さな画像を作成できる。

【0060】

例えば、各プロジェクタが、プロジェクタの投写比によって定義された距離で２６ｍｍ×１５ｍｍの画像を作成することを、観察する場合がある。次に、この画像は第１のレンズ・サブシステムまたはコリメーション・レンズ１６に投影され得、その結果、拡散器スクリーンまたは工学的拡散器アレイ２０からなる第２のレンズ・サブシステムに向かって投影される正確なサイズ（２６ｍｍ×１５ｍｍ）のパケット画像が得られる。次に、第２のレンズ・サブシステム２０は、小さな、定義された点広がり関数を作成することができる。所望の点広がり関数を使用して、解像度の偏り誤差、またはピケット・フェンス効果（杭垣効果）を減らし、より良い表示体験のために光を分散させるためにピクセル間の適切な重なりを実現する。解像度の偏り誤差は、スペクトル内のサンプル間で欠落している情報を参照する。解像度の偏り誤差の低減により、スムーズな表示ゾーンの遷移が可能になる。この場合の第２のレンズ・サブシステム２０は、例えば、設計された発散が５度の円形ＦＷＨＭ（半値全幅）を有する場合、レンズ・システムを通過するビームもまた５度の強度プロファイルを有するように、非常に特殊な角度出力に設計される。この出力は、ディスプレイ・レンズ１８に向けられた光であり、メタサーフェス、屈折率分布型レンズ材料、または上記のプレノプティック・サンプリング関数に従って各ピクセルからの光を分散するための任意の代替光学構造であり得る。

【0061】

各プロジェクタ１２は、第１のレンズ・システム２２を出る光が第２のレンズ・システム１８に垂直に当たるように位置合わせすることができる。したがって、各プロジェクタ１２は、位置合わせ機構および微調整を備えていてもよい。必要な許容誤差に応じて、プロジェクタ１２の位置合わせにはいくつかのアプローチがある。
● 調整要素、つまり、ネジ調整器付きで、１回限りの大まかな位置合わせを提供する、機械的な取付台。
● ナノからマイクロスケールの電子調整用の圧電トランスデューサ。フィードバックを利用した能動的な較正機構に役立つ可能性がある。

【0062】

調整要素は、運動学的な取付台、および／または上記の圧電トランスデューサなどのデジタル制御された調整要素を含み得る。

【0063】

調整の最大量は、各プロジェクタ１２によって照らされる小型レンズの寸法によって決定される。

【0064】

図３Ａは、第１のレンズ・サブシステムまたはコリメート・レンズ・アレイ１６の例を示す。いくつかの例では、第１のレンズ・サブシステム・コリメート・レンズ・アレイ１６は、図３Ｄに示されるように、複数のコリメート小型レンズ２４を有する、通常、長方形であり得る。第１のレンズ・サブシステム１６は、複数の小さなレンズに接着された基板２８を使用して、特定の屈折率を有する光学的に透明な接着剤または光学的に透明なテープを使用して基板に固定された単一の部品を形成するように構築されて、コリメート小型レンズのアレイ１６として、第１のレンズ・サブシステムを形成し得る。基板は、とりわけ、環状オレフィン・コポリマー（ＣＯＣ）、ガラス、環状オレフィン・ポリマー（ＣＯＰ）、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ポリスチレン、アイソプラスト、ゼオネックス、光学ポリエステル、アクリル、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）であり得る。

【0065】

各コリメート小型レンズ２４は、各コリメート小型レンズ２４がその対応するプロジェクタから光を受け取るように、プロジェクタ・アレイ内の対応するプロジェクタと位置合わせするように配置し得る。第１のレンズ・サブシステム・コリメート・レンズ・アレイ１６は、片面または両面を反射防止コーティングでコーティングされ得る。

【0066】

図３Ｄは、第１のレンズ・システム・コリメート・アレイ１６内の単一のコリメート小型レンズ２４を示す。図３Ｂの例では、コリメート小型レンズ２４は、２つの平凸レンズおよび基板２８を含む。凸レンズは、例えば、Ｚｅｏｎｅｘ（登録商標）Ｅ４８Ｒ、ガラス、環状オレフィン・ポリマー（ＣＯＰ）、ＰＭＭＡ、ポリスチレン、アイソプラスト、光学ポリエステル、アクリル、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、または他の適切な材料で形成し得る。２つの平凸レンズおよび基板２８は、コリメート小型レンズ２４として機能することができる単一の双非球面凸レンズを形成するように配置できる。

【0067】

図４Ａは、第２のレンズ・サブシステムまたは設計された拡散器アレイ２０を示す。いくつかの例では、第２のレンズ・サブシステム２０は、図４Ｂに示されるような、レーザ・エッチングされた設計された拡散器５６である。いくつかの例では、第２のレンズ・サブシステム２０は、図４Ｃに示されるような、拡散器レンズ・アレイ５８である。本開示の一実施形態では、第２のレンズ・サブシステム２０は、３．５度の円形角度を有し、コーティングを必要としない。図４Ｄは、図４Ａに示されるような第２のレンズ・サブシステム２０の等角投影を示す。

【0068】

図５は、第２のレンズ・サブシステム２０における小型レンズの開示の一実施形態による公称点広がり関数を示している。一例では、点広がり関数３６は、２つの指向性ピクセル間の角度の２倍の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有し得る。図５は、第２のレンズ・サブシステム２０の関数としての光線の強度５０に対する方位角４８および極角４６に関するピクセルの角度広がりのグラフ表示を示している。

【0069】

第１に、光は、指定された投写比を特徴とするプロジェクタ１２から放出され、プロジェクタ画像の各ピクセルは、隣接するピクセルに比例してサイズが大きくなり、ピクセルの重なりがなくなる。プロジェクタ１２は、プロジェクタと第１のレンズ・サブシステム・コリメート・レンズ・アレイ１６との間の距離が、プロジェクタ１２が照らしている小型レンズ１８の数に等しいサイズの投影画像を作成するように配置される。

【0070】

続いて、第１のレンズ・サブシステム１６で、プロジェクタの出力は、画像の投影されたサイズを維持するために平行にされる。次に、平行にされたビームは、第２のレンズ・サブシステム２０に入射し、ビームの幅は、両方のレンズ・システム１６、２０でほぼ等しい。

【0071】

最後に、第２のレンズ・サブシステム２０からの点広がり関数３６を有するピクセルは、次に、ディスプレイ・レンズ１８を構成するマイクロレンズ・アレイの背面に入射する。ディスプレイ１８と第２のレンズ・サブシステム２０との間の距離は、画像あたりのピクセルの出力幅の微調整を可能にする。

【0072】

図６Ａは、ディスプレイ・レンズ・システム１８を示している。ディスプレイ・レンズ・システム１８は、図６Ｂに示されるようなメタサーフェスまたは図６Ｃに示されるようなメタマテリアル・ベースのレンズから構成され得る。

【0073】

いくつかの例では、図７Ａおよび図７Ｅに示されるように、第２のレンズ・システムは、水平レンズ状の部分３８および垂直レンズ状の部分４０を含む。図７Ｃはまた、水平レンズ状の部分３８の側面図４２を示す。図７Ｆはまた、垂直レンズ状の部分４０の側面図５０を示す。第２のレンズ・サブシステム２０を離れる光が各部分を連続的に通過するように、水平部分および垂直部分を積み重ねることができる。

【0074】

図８は、直接投影型ライト・フィールド・ディスプレイにおける単一のプロジェクタ１２からの光線経路を示す。単一のプロジェクタ１２から第１のレンズ・システム１６に進む単一のピクセル６２のサンプルの光線経路。平行にされた光ビームは、第１のレンズ・システム１６を離れて第２のレンズ・サブシステム２０に入り、第２のレンズ・サブシステムは、設計された拡散器アレイ２０であり得る。点広がり関数は、単一のピクセル６２からの光線が第２のレンズ・サブシステム２０を通過するときに光線に適用され、拡散され平行にされた光ビーム３６を生成する。拡散され平行にされた光ビームは、ディスプレイ・レンズ１８を通過し、結果としてライト・フィールド６４をもたらす。

【0075】

本明細書で使用される場合、ライト・フィールド・ディスプレイの１つまたは複数のパラメータは、ホーゲル・ピッチ、ピクセル・ピッチ、および焦点距離のうちの１つまたは複数を含む。ピクセルという用語は、赤、緑、および青のサブピクセルのセットを指す。ピクセル・ピッチは、あるピクセルの中心から次のピクセルの中心までの距離として定義される。本明細書で使用される場合、ピクセル・アレイは、ホーゲル内のピクセルのアレイを指す。ホーゲルは、方向制御を有する従来のピクセル（複数）であるホログラフィック・ピクセルの代替用語である。ホーゲルのアレイは、ライト・フィールドを生成できる。したがって、ホーゲル・ピッチは、１つのホーゲルの中心から隣接するホーゲルの中心までの距離として定義される。レンズの視野角は、その焦点距離によって定義される。一般的に、焦点距離が短いほど視野が広くなる。焦点距離はレンズの後部主平面から測定されることに注意する必要がある。レンズの後部主平面がイメージング・レンズの機械的な背面に配置されることは、ほとんどない。このため、システムの近似と機械設計は、通常、コンピューター・シミュレーションを使用して計算される。

【0076】

いくつかの実施形態が説明されてきた。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができることが理解されよう。例えば、上記の手順の一部は順序に依存しない場合があるため、説明した順序とは異なる順序で実行することができる。

【0077】

他の実装もまた、以下の特許請求の範囲内にある。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図7G】

【図7H】

【図8】