Microsoft untersucht AR/VR-Patente mit Mikrolinsen-Arrays zur weitreichenden Manipulation des Hauptstrahlwinkels

(Nweon, 26. September 2023) Microsoft ist davon überzeugt, dass Micro-LED die Eigenschaften einer geringen Größe, eines geringen Gewichts, einer hohen Helligkeit und einer hohen Packungsdichte aufweist und möglicherweise besonders für Anwendungen geeignet ist, die eine hohe Auflösung, geringe Größe und ein geringes Gewicht erfordern. Am Kopf montiertes Display.

In der Patentanmeldung mit dem Titel „Mikrolinsen bieten eine weitreichende Manipulation des Hauptstrahlwinkels für ein Panel-Display“ stellte Microsoft eine Mikrolinse vor, die eine weitreichende Manipulation des Hauptstrahlwinkels für ein Panel-Display ermöglicht, sowie eine Methode zum Konfigurieren des Mikrolinsen-Array-Anzeigesystems.

Dabei entspricht jede Mikrolinse im Array einem jeweiligen Pixel des Panel-Displays. Die Konfiguration der Mikrolinsen variiert je nach Abstand von der zentralen Projektionsachse in der Anzeigeebene des Panels. Mikrolinsen können als Oberflächen gestaltet werden, um die optische Effizienz zu erhöhen.

Um die Gleichmäßigkeit der Displaybeleuchtung zu verbessern, können Mikrolinsen verwendet werden, um den Emissionswinkel eines bestimmten Pixels an seinen Hauptstrahlwinkel CRA anzupassen. Auf diese Weise verläuft der Hauptstrahl des Pixels durch die Pupillenmitte des optischen Projektionssystems im Anzeigesystem, wodurch ein gleichmäßigerer Lichteffekt erzielt wird

Mikrolinsen mit zwei verschiedenen Konfigurationen können verwendet werden, um Licht für Pixel auf der Achse näher an der Mittelachse im Vergleich zu Pixeln außerhalb der Achse zu formen. Für außeraxiale Pixel umfasst die Mikrolinsenkonfiguration eine asymmetrische Freiformlinsenoberfläche, um das Licht zu bündeln und an den CRA anzupassen.

Der ursprüngliche Satz kann wie folgt umgeschrieben werden: Die Formen kreissymmetrischer und asymmetrischer freier Mikrolinsen können mit dem räumlichen Versatz zwischen den Mikrolinsen und entsprechenden Pixeln kombiniert werden, um eine genauere CRA-Anpassung zu erreichen

Microsoft weist darauf hin, dass Panel-Displays, die aus entsprechenden Micro-LED-Arrays und entsprechenden Mikrolinsen bestehen, Verbesserungen der optischen Effizienz und der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung für Projektionsdisplaysysteme bieten. Eine erhöhte optische Effizienz spart Strom, während eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Beleuchtung für ein zufriedenstellenderes Benutzererlebnis sorgt

Darüber hinaus kann der breite CRA-Betriebsbereich, der durch die aktuelle Mikrolinsenkonfiguration ermöglicht wird, mehr Gestaltungsfreiheit für nachgeschaltete Komponenten im Anzeigesystem bieten, z. B. indem das optische Projektionssystem kompakter gestaltet und dadurch die Größe des Head-Mounted-Displays verringert wird die aktuelle Größe und das Gewicht des Mikrolinsen-Arrays

Abbildung 6 zeigt den Kegelwinkel Q für die Lichtemission einer beispielhaften Mikro-LED 600, die beispielsweise für die Emission von monochromatischem Licht für Pixel oder Subpixel im Panel-Display 320 konfiguriert ist. Der emittierende Bereich 605 des Halbleiterchips 610 in einer Mikro-LED kann verschiedene Formen annehmen, einschließlich rechteckig, kreisförmig, sechseckig usw., um den Anforderungen einer bestimmten Anwendung gerecht zu werden.

Nicht das gesamte vom Emissionsbereich emittierte Licht kann das Panel-Display effektiv beleuchten. Beispielsweise kann sich bei projektionsbasierten Anzeigegeräten nur Licht, das innerhalb des Kegelwinkels Ω=±10–15 Grad emittiert wird, erfolgreich zum nachgeschalteten Projektionssystem ausbreiten

Daher geht Licht verloren, nachdem es vom Weitwinkelsender emittiert wurde, was zu einer Verringerung der optischen Effizienz des Anzeigesystems führt. Gemäß der von Microsoft vorgeschlagenen Methode kann die optische Effizienz maximiert werden, indem Mikrolinsenarrays auf jeder Pixelquelle des Panel-Displays angeordnet werden, um das Licht auf den zentralen Kegelwinkel zu bündeln. Diese Optimierung spart Energie

Abbildung 7 zeigt den Hauptstrahlwinkel θ. In dieser Ausführungsform sind das Flächendisplay und die Projektionsoptik koaxial oder telezentrisch ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen, die die vorliegenden Prinzipien nutzen, kann jedoch eine nicht-telezentrische Konfiguration verwendet werden.

Was umgeschrieben werden muss, ist: Der Hauptstrahlwinkel CRA beschreibt den Winkel des Hauptstrahls 715, der zwischen dem Punkt auf der Panelanzeige 320 für das außeraxiale Pixel 705 und der Mitte der Pupille der Projektionsoptik 345 verfolgt wird. In der Figur ist die Pupille mit der Bezugszahl 720 und der Mittelpunkt mit der Bezugszahl 725 bezeichnet. Wie gezeigt, verlaufen Randstrahlen 730 von einem axialen Pixel 710 in der Mitte des Paneldisplays zur maximalen Apertur der Pupille. Umgeschriebener Inhalt: Der Hauptstrahlwinkel CRA bezieht sich auf den Winkel zwischen dem Punkt des verfolgten Hauptstrahls 715 am außeraxialen Pixel 705 auf dem Paneldisplay 320 und der Pupillenmitte des optischen Projektionselements 345 . Die Pupille in der Abbildung trägt die Nummer 720 und der Mittelpunkt die Nummer 725. Wie gezeigt, verläuft der Randstrahl 730 vom axialen Pixel 710 in der Mitte des Panel-Displays bis zur maximalen Apertur der Pupille

In einem Projektionssystem wird nur das Licht, das dem Hauptstrahl am nächsten liegt, gesammelt und verwendet, um den Augen des Benutzers ein virtuelles Bild zu liefern. Daher variiert die optische Effizienz des Systems je nach Position der Pixel im Display, was zu einer ungleichmäßigen Helligkeit des Panel-Displays führt.

Dieses Phänomen manifestiert sich als dunkle Bereiche an verschiedenen Stellen im Sichtfeld des Systems, insbesondere an den Rändern und Ecken des größten Displays des CRA. Eine bestimmte Architektur des Projektionssystems kann dieses Problem verschärfen, insbesondere bei solchen mit kompakten Formparametern, da der CRA möglicherweise größer ist

Die Abbildungen 8A-8E zeigen Mikrolinsen zur Verwendung in erfindungsgemäßen Anordnungen. Microsoft weist darauf hin, dass die Mikrolinsenkonfiguration verwendet werden kann, um die optische Effizienz von Panel-Displays zu erhöhen, die verfügbare Leistung zu maximieren und die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung zu verbessern, indem CRA-Vorgänge an außeraxialen Pixeln im Display durchgeführt werden.

Erste veranschaulichende Struktur FIG. 8A zeigt eine Struktur für die Mikrolinse 805 (Struktur A), bei der die Linsenoberfläche eine kreisförmige symmetrische Form aufweist. Die zweite veranschaulichende Struktur Abbildung 8B zeigt die Mikrolinse 810 (Struktur B) mit einer Freiform-Linsenoberflächenform

Zur Klarstellung: Eine „Freiformlinsenoberfläche“ bezieht sich auf eine Form ohne Rotationsinvarianzachse. Daher weist die Freiformlinse abhängig von ihrer Drehposition relativ zur Mittelachse der Micro-LED unterschiedliche Eigenschaften auf.

Sie können die Freiformfläche konfigurieren, um die Strahlformung der Linse für nahezu alle einfallenden Lichtstrahlen zu optimieren. Asphärische Optiken können als Sonderfall der Freiformoptiken mit rotationsinvarianten Achsen angesehen werden. Im Allgemeinen können asphärische Flächen eine Achse haben, während Freiformflächen keine Achse haben können

Abbildung 8C zeigt eine dritte veranschaulichende Struktur der Mikrolinse 815 (Struktur C) mit einer Freiform-Linsenoberflächenform. Struktur C kann zur Lichtmanipulation von außeraxialen Pixeln verwendet werden. Ihre Funktion besteht darin, die Mikrolinsenoberfläche zu neigen, um den Winkel des emittierten Lichts an ihren CRA anzupassen.

Abbildung 8D zeigt eine vierte veranschaulichende Struktur der Mikrolinse 820 (Struktur D) mit einer Freiform-Linsenoberflächenform, die eine CRA-Anpassung von außeraxialen Pixeln ermöglicht. Darüber hinaus nutzt Struktur D eine nicht koaxiale räumliche Beziehung, bei der der emittierende Bereich 605 der Mikro-LED 600 von der Mittellinie der Mikrolinse in der Array-Ebene versetzt ist.

Abbildung 8E zeigt eine Mikrolinse 825, die eine regelmäßige Kugelform hat und einen Versatz zwischen der Emissionsfläche der Mikro-LED und der Mittellinie der Mikrolinse nutzt (Struktur E).

Abbildung 9 zeigt die Verteilung verschiedener Mikrolinsenkonfigurationen im Panel-Display 320. Die Mikrolinsenkonfiguration eines bestimmten Pixels hängt von seinem Abstand d auf der Mittelachse des Paneldisplays ab. Für Pixel nahe der Mittelachse können Sie für bessere Ergebnisse die Mikrolinsenstruktur A oder B mit Kreissymmetrie oder Freiformfläche verwenden

Für außeraxiale Pixel kann man vorteilhafterweise die Konfigurationen C oder D verwenden, d. h. freie Form bzw. freie Form mit räumlichem Versatz, um die vom Panel in Richtung der Pupille 720 der Projektionsoptik emittierten Strahlen so zu manipulieren, dass sie zu ihrem jeweiligen CRA passen.

So kann ein bestimmtes Panel-Display mit einer oder mehreren der in Abbildung 8 gezeigten Mikrolinsenkonfigurationen verwendet werden. Für Anzeigepixel, die sich zwischen der Mitte und extrem außeraxialen Positionen befinden, können sanfte Übergänge zwischen Konfigurationstypen erreicht werden, indem ähnliche Linsenoberflächenformen erzielt und unterschiedliche räumliche Versätze angewendet werden, die mithilfe linearer Interpolation zwischen Mikrolinsen berechnet werden

Die Mittelachse des Mikrolinsen-Arrays entspricht der Mittelachse des distalen Mikrolinsen-Arrays, wodurch das Mikrolinsen-Array an die axialen und außeraxialen Pixel des Panel-Displays angepasst werden kann

Das Mikrolinsenarray kann in mehrere ringförmige Bereiche unterteilt werden, die koaxial zur Mittelachse des Displays liegen. Die freie Oberflächenform der Mikrolinse in jedem Bereich kann den Hauptstrahlwinkel des entsprechenden Pixels gemäß dem in der Erfindung beschriebenen Prinzip manipulieren

Abbildung 1000 der normalisierten optischen Effizienz eines mit Mikrolinsen konfigurierten Panel-Displays im Verhältnis zu CRA gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung. Die Ergebnisse sind in Abbildung 10 zu sehen

Wie in der Abbildung gezeigt, beträgt der optische Wirkungsgrad von Pixel 1005 mit einem CRA von 20 Grad etwa 70 % des optischen Wirkungsgrads von Pixel 1010 mit einem CRA von 0 Grad. Die Ergebnisse sind im Vergleich zu bestimmten herkömmlichen Projektionssystemen gut, bei denen die optische Effizienz eines 20-Grad-CRA-Pixels nur etwa 28 % der eines 0-Grad-CRA-Pixels beträgt.

Flussdiagramm 1100 zeigt Abbildung 11 für den Betrieb eines optischen Anzeigesystems, um ein virtuelles Bild innerhalb eines Sichtfelds anzuzeigen

Bei 1105 wird ein emittierendes Panel-Display verwendet, um eine Reihe von Pixeln zu erzeugen, die ein virtuelles Bild bilden. Das Panel-Display weist eine Mittelachse auf, die entlang einer Lichtemissionsrichtung des Panel-Displays projiziert wird, und das Pixelarray umfasst Pixel auf der oberen Achse relativ zur Mittelachse und Pixel außerhalb der Achse relativ zur Mittelachse.

Bei 1110 wird ein Mikrolinsen-Array auf dem Panel-Display bereitgestellt. Dabei entspricht jede Mikrolinse im Array einem jeweiligen Pixel im Pixelarray und bildet ein virtuelles Bild.

Bei 1115 ist das Mikrolinsen-Array so konfiguriert, dass es das Licht auf den Hauptstrahlwinkel relativ zu den außeraxialen Pixeln abstimmt, sodass diese eine ähnliche Helligkeit wie die auf der Achse befindlichen Pixel im Sichtfeld des Headsets haben

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Die Patentanmeldung „Mikrolinsen bieten weitreichende Hauptstrahlwinkelmanipulation für ein Panel-Display“ wurde im März 2022 von Microsoft eingereicht und kürzlich vom US-Patent- und Markenamt veröffentlicht

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