Microsoft、広範囲の主光線角度操作にマイクロレンズアレイを使用した AR/VR 特許を検討

(Nweon 2023 年 9 月 26 日) Microsoft は、Micro LED には小型、軽量、高輝度、高実装密度という特性があり、高解像度、小型、軽量を必要とするアプリケーションに特に適している可能性があると考えています。重量 ヘッドマウントディスプレイの重量。

「パネル ディスプレイに広範囲の主光線角度操作を提供するマイクロレンズ」というタイトルの特許出願で、マイクロソフトは、パネル ディスプレイに広範囲の主光線角度操作を提供するマイクロレンズと、マイクロレンズ アレイ ディスプレイ システムの構成を紹介しました。

ここで、アレイ内の各マイクロレンズは、パネルディスプレイのそれぞれのピクセルに対応します。マイクロレンズの構成は、パネルの表示面内の中心投影軸からの距離に応じて変化します。マイクロレンズは、光学効率を高めるために表面として構成できます。

ディスプレイ照明の均一性を向上させるために、マイクロレンズを使用して特定のピクセルの放射角度を調整し、その主光線角度 CRA に一致させることができます。このようにして、ピクセルの主光線がディスプレイ システムの投影光学系の瞳の中心を通過するため、より均一な照明効果が実現されます。

2 つの異なる構成のマイクロレンズを使用すると、軸外のピクセルに対して中心軸に近い軸上のピクセルの光を整形できます。軸外ピクセルの場合、マイクロレンズ構成には、光をコリメートして CRA に適合する非対称自由曲面レンズ面が含まれています。

元の文は次のように書き直すことができます: 円形の対称および非対称の自由マイクロレンズの形状を、マイクロレンズと対応するピクセルの間の空間オフセットと組み合わせて、より正確な CRA マッチングを実現できます。

マイクロソフトは、それぞれのマイクロ LED アレイと対応するマイクロレンズで構成されるパネル ディスプレイが、投影ディスプレイ システムの光学効率と照明均一性の向上をもたらすと指摘しました。光学効率の向上により電力が節約され、照明の均一性が向上してより満足のいくユーザー エクスペリエンスが提供されます

さらに、現在のマイクロレンズ構成によって可能になる幅広い CRA 動作により、光学投影システムをよりコンパクトにし、それによって現在のマイクロレンズ アレイを使用するシステムのサイズを縮小するなど、ディスプレイ システムの下流コンポーネントの設計の自由度が高まります。 . ヘッドセットのサイズと重量。

＃＃＃ 図６は、例えばパネルディスプレイ３２０のピクセルまたはサブピクセルに対して単色光を放射するように構成された例示的なマイクロＬＥＤ６００から光を放射するための円錐角Ｑを示す。マイクロＬＥＤの半導体チップ６１０の発光領域６０５は、所与の用途の要件を満たすために、長方形、円形、六角形などを含む様々な形状をとることができる。

発光領域から発せられるすべての光がパネル ディスプレイを効果的に照明できるわけではありません。たとえば、投影ベースのディスプレイ デバイスの場合、コーン角 Ω=±10 ～ 15 度内で放射された光のみが下流の投影システムに正常に伝播できます。

したがって、広角エミッタから放射された後に光が失われ、その結果、表示システムの光効率が低下します。 Microsoft が提案した方法によれば、パネル ディスプレイの各ピクセル ソース上にマイクロレンズ アレイを配置し、光を中心コーン角にコリメートすることで光学効率を最大化できます。この最適化によりエネルギーを節約できます

図 7 に主光線角度 θ を示します。この実施形態では、パネルディスプレイおよび投影光学系は、同軸またはテレセントリック構成を有する。しかしながら、本発明の原理を利用する代替実施形態では、非テレセントリック構成を使用することもできる。

書き直す必要があるのは次のとおりである: 主光線角度 CRA は、軸外ピクセル 705 のパネルディスプレイ 320 上の点と投影光学系 345 の瞳の中心の間で追跡される主光線 715 の角度を表す。 。図では、瞳孔は参照番号７２０で示され、中心点は参照番号７２５で示されている。図示されるように、エッジ光線７３０は、パネルディスプレイの中心にある軸上のピクセル７１０から瞳孔の最大開口まで通過する。 書き換えられた内容：主光線角度ＣＲＡは、パネルディスプレイ３２０上の軸外ピクセル７０５における追跡された主光線７１５の点と投影光学素子３４５の瞳中心との間の角度を指す。図の瞳孔には 720 の番号が付けられ、中心点には 725 の番号が付けられます。図示のように、エッジ光線７３０は、パネルディスプレイの中心にある軸上のピクセル７１０から瞳孔の最大開口部まで通過する。

投影システムでは、主光線に最も近い光だけが収集され、ユーザーの目に虚像を伝えるために使用されます。したがって、システムの光効率はディスプレイ内のピクセルの位置に応じて変化し、パネルディスプレイの明るさが不均一になります。

この現象は、システムの視野内のさまざまな場所、特に CRA の最大のディスプレイの端や隅に暗い領域として現れます。特定の投影システム アーキテクチャ、特にコンパクトなフォーム ファクタを備えた投影システム アーキテクチャでは、CRA が大きくなる可能性があるため、この問題が悪化する可能性があります。 ＃＃＃＃ 図８Ａ〜８Ｅは、本発明による構成で使用するためのマイクロレンズを示す。 Microsoftは、マイクロレンズ構成を使用してパネルディスプレイの光学効率を高め、利用可能な電力を最大化し、ディスプレイ内の軸外ピクセルに対してCRA操作を実行することで照明の均一性を向上させることができると述べています。

＃＃＃第１の例示的な構造 図８Ａは、レンズ表面が円対称形状を示すマイクロレンズ８０５の構造（構造Ａ）を示す。第２の例示的な構造 図８Ｂは、自由曲面レンズ表面形状＃＃＃を有するマイクロレンズ８１０（構造Ｂ）を示す。 明確にするために、「自由曲面レンズ面」とは、回転不変軸のない形状を指します。したがって、自由曲面レンズはマイクロ LED の中心軸に対する回転位置に応じて異なる特性を示します。

自由曲面を構成して、ほぼすべての入射光線に対してレンズのビーム整形を最適化できます。非球面光学系は、回転不変の軸を持つ自由曲面光学系の特殊なケースとみなすことができます。一般に、非球面には軸がある場合がありますが、自由曲面には軸がない場合があります

＃＃＃＃ 図８Ｃは、自由曲面レンズ表面形状を有するマイクロレンズ８１５の第３の例示的な構造（構造Ｃ）を示す。構造 C は、軸外ピクセルの光操作に使用でき、その機能は、CRA に対する放射光の角度を一致させるためにマイクロレンズ表面を傾けることです。

＃＃＃＃ 図８Ｄは、軸外ピクセルのＣＲＡマッチングを提供する自由曲面レンズ表面形状を有するマイクロレンズ８２０の第４の例示的な構造（構造Ｄ）を示す。さらに、構造Ｄは、マイクロＬＥＤ６００の発光領域６０５がアレイ面内のマイクロレンズの中心線からオフセットされる非同軸の空間関係を利用する。

＃＃＃＃ 図８Ｅは、規則的な球形を有し、マイクロＬＥＤの発光領域とマイクロレンズの中心線との間のオフセットを利用するマイクロレンズ８２５を示す（構造Ｅ）。

図９は、パネルディスプレイ３２０における異なるマイクロレンズ構成の分布を示す。特定のピクセルのマイクロレンズ構成は、パネル ディスプレイの中心軸上の距離 d に依存します。中心軸に近いピクセルの場合、より良い結果を得るために、円対称または自由曲面を備えたマイクロレンズ構造 A または B を使用することを選択できます。 ＃＃＃軸外ピクセルの場合、それぞれ自由形状および空間オフセットを伴う自由形状である構成ＣまたはＤを有利に利用して、パネルから投影光学系の瞳７２０に発せられる光線を操作して、それぞれのＣＲＡに一致させることができる。

したがって、特定のパネル ディスプレイは、図 8 に示す 1 つ以上のマイクロレンズ構成とともに使用できます。中心と軸外の極端な位置の間にある表示ピクセルの場合、同様のレンズ表面形状を実装し、マイクロレンズ間の線形補間を使用して計算された異なる空間オフセットを適用することで、構成タイプ間のスムーズな移行を実現できます

マイクロレンズ アレイの中心軸は、遠位マイクロレンズ アレイの中心軸に対応するため、マイクロレンズ アレイはパネル ディスプレイの軸上および軸外のピクセルと一致します。 マイクロレンズ アレイは、ディスプレイの中心軸と同軸の複数の環状領域に分割できます。各領域のマイクロレンズの自由曲面形状は、本発明で説明されている原理に従って、対応するピクセルの主光線角度を操作できます。

本発明の原理に従って、マイクロレンズで構成されたパネルディスプレイの正規化された光効率を CRA の変化と比較して図 1000 に示します。図 10 の結果がわかります

図に示すように、CRA 20 度のピクセル 1005 の光学効率は、CRA 0 度のピクセル 1010 の光学効率の約 70% です。この結果は、20 度 CRA ピクセルの光学効率が 0 度 CRA ピクセルの光学効率の約 28% にすぎない、特定の従来の投影システムと比べて優れています。

＃＃＃フローチャート１１００は、視野内に虚像を表示するために光学表示システムを動作させるための図１１＃＃を示す。

＃＃＃１１０５で、発光パネルディスプレイを利用して、虚像を形成するピクセルのアレイを生成する。パネルディスプレイは、パネルディスプレイの発光方向に沿って投影された中心軸を有し、ピクセルアレイは、中心軸に対して上軸ピクセルと、中心軸に対して軸外ピクセルとを含む。

1110において、パネルディスプレイ上に配置されたマイクロレンズアレイが提供される。ここで、アレイ内の各マイクロレンズは、虚像を形成するピクセルアレイ内のそれぞれのピクセルに対応する。

1115で、マイクロレンズアレイは、ヘッドマウントディスプレイデバイスの視野内の軸上ピクセルと同様の明るさを有するように、軸外ピクセルに対する主光線角度に光を調整するように構成される。

関連特許: Microsoft 特許 | パネル ディスプレイの広範囲の主光線角度操作を提供するマイクロレンズ

特許出願「パネルディスプレイに広範囲の主光線角度操作を提供するマイクロレンズ」は、2022 年 3 月にマイクロソフトによって提出され、最近米国特許商標庁によって公開されました。

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