(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイと、
複数の光チャンネルを含む光学系にして、各前記光チャンネルが１以上の小型レンズを含み、１以上の前記小型レンズは、各前記小型レンズが前記ディスプレイから目位置に光を投射することにより、そのチャンネルに関連の前記ディスプレイ上の１以上の個別の部分リアルイメージから１以上のサブイメージを生成するように設けられる、光学系を備え、
前記サブイメージが結合して目位置から見ることができる仮想イメージを形成し、異なる前記光チャンネルが前記ディスプレイの同一の部分を仮想イメージの異なる部分に映し、
前記個別の部分リアルイメージは、複数のピクセルから構成される前記ディスプレイにおいて空間的に連続した部分であり、
前記ディスプレイから瞳孔範囲への前記光チャンネルの第１の選択されたサブセットを通じた光の伝播を許容し、前記ディスプレイから瞳孔範囲への前記光チャンネルの第２の選択されたサブセットを通じた光の伝播を阻止する光スイッチングシステムを備え、
前記光スイッチングシステムは、前記光チャンネルの第１又は第２の選択されたサブセットを介して伝播する光を選択的に阻止するように動作するシャッターを備え、
前記光スイッチングシステムは、光が前記光チャンネルを通じて連続的に伝播することを許容するように前記光チャンネルを連続的に開けるように設けられ、前記ディスプレイは、各前記光チャンネルが開かれている間、そのチャンネルに関連の１以上の個別の前記部分リアルイメージを表示するように設けられ、
各前記光チャンネルは、繰り返しシーケンスにおいて周期的に開くように設けられる、ディスプレイ装置。
【請求項２】
少なくとも一つの前記部分リアルイメージが、前記ディスプレイの実質的に全体のアクティブエリアを占める、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項３】
少なくとも２つの前記部分リアルイメージが前記ディスプレイの第１及び第２部分を占め、前記第１及び第２部分がお互いに重畳せず、前記ディスプレイは、これらの２つの前記部分リアルイメージを表示し、単一の前記光チャンネルとして同時に、表示された前記部分リアルイメージの集合に関連の光学系の前記小型レンズを開けるように構成される、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項４】
前記光スイッチングシステムは、前記ディスプレイの選択部分からの光の伝播方向を制御するように動作可能である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項５】
入力イメージを受け取り、各々が前記ディスプレイ上の前記部分リアルイメージの位置に割り当てられる部分入力イメージを生成し、生成された部分入力イメージを前記部分リアルイメージとして連続的に表示する時、対応の前記サブイメージが配列して入力イメージの非中断の仮想イメージを形成するように動作可能であるイメージ生成器を更に備え、少なくとも幾つかの前記部分リアルイメージは、重畳して位置し、また、これらの位置で前記入力イメージの部分を前記ディスプレイ上に形成しない部分リアルイメージを含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項６】
全ての前記光チャンネルが、その個別の前記サブイメージから瞳孔範囲へ光を向けるように配列され、瞳孔範囲が、目位置で２１〜２７ｍｍの直径の仮想球の表面のエリアを含み、瞳孔範囲が、球の中心で１５度の全角度に対する（subtending）円を含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項７】
前記ディスプレイは、物体ピクセルを備えるデジタル・ディスプレイであり、物体ピクセルが、隣接ピクセルのクラスターにグループ化され、各クラスターが前記部分リアルイメージを生成し、前記光チャンネルの一つに属する個別の前記小型レンズに関連し、少なくとも幾つかの物体ピクセルが、どの個別の前記光チャンネルがアクティブであるかに応じて、異なる時間に１つよりも多いクラスターに属する、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項８】
請求項１に記載のディスプレイ装置を備えるヘッドギアであって、ヒトの頭部上にディスプレイ装置を位置付けるためのマウントを有し、前記ディスプレイの目位置がヒトの目に一致する、ヘッドギア。
【請求項９】
第２のディスプレイ装置の目位置がヒトの第２の目に一致するようにマウントされる請求項１に係る第２のディスプレイ装置を更に備え、
前記ディスプレイ装置の前記ディスプレイと前記第２のディスプレイ装置の前記ディスプレイが単一のディスプレイの部分である、請求項８に記載のヘッドギア。
【請求項１０】
あるイメージを表示するための方法であって、
前記あるイメージを表示するために部分リアルイメージの連続を生成することにして、各々の前記部分リアルイメージが前記あるイメージの一部を表し、少なくとも幾つかの前記部分リアルイメージが空間的に重畳した位置を占め、前記部分リアルイメージは、複数のピクセルから構成されるディスプレイにおいて空間的に連続した部分であること、及び、
前記部分リアルイメージを連続的に映して目位置から見ることができる個別のサブイメージを生成することを含み、
前記連続的に映すことが、前記ディスプレイから目位置に複数の光チャンネルの第１の選択されたサブセットを通じて光が伝播することを連続的に生じさせ或いは許容し、前記ディスプレイから目位置の瞳孔範囲に複数の前記光チャンネルの第２の選択されたサブセットを通じて光が伝播することを阻止することを含み、
前記サブイメージが、目位置から見ることができる仮想イメージを生成するように空間的に結合し、異なる前記部分リアルイメージの空間的に重畳した部分が仮想イメージの異なる部分を形成することを含み、
各前記光チャンネルは、繰り返しシーケンスにおいて周期的に開くように設けられる、あるイメージを表示するための方法。
【請求項１１】
連続的に光の伝播を生じさせ又は許容することは、前記光チャンネルの第１又は第２の選択されたサブセットを通じて伝播することから光を選択的に阻止するべくシャッターを作動させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
光の伝播を生じさせ又は許容することが、リアルイメージの部分から伝播する光の方向を制御することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
物体ピクセルを備えるデジタル・ディスプレイ上にリアルイメージを形成し、
隣接ピクセルのクラスターに物体ピクセルをグループ化し、
各クラスターに、前記光チャンネルの一つに属する個別の小型レンズに関連する前記部分リアルイメージを生成させ、どの個別の前記光チャンネルがアクティブであるかに応じて、少なくとも幾つかの物体ピクセルを異なる時間に１つを超えるクラスターにグループ化することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記サブイメージから瞳孔範囲へ光を向けることを含み、瞳孔範囲が、目位置で２１〜２７ｍｍの直径の仮想球の表面のエリアを含み、瞳孔範囲が、球の中心で１５度の全角度に対する（subtending）円を含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、各々が「没入型コンパクトディスプレイグラス」について、共通して発明及び譲渡された２０１５年１月２１日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６２／１０５，９０５と２０１５年８月２１日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６２／２０８，２３５に基づく優先権を主張する。これらの出願の両方が、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。この出願は、「没入型コンパクトディスプレイグラス」について、共通して発明及び譲渡された２０１５年５月２８日に公開の国際特許出願Ｎｏ．ＷＯ２０１５／０７７７１８に関し、これが、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、視覚ディスプレイ、特にはヘッドマウント・ディスプレイ技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
１．引用された文献
【０００４】
「没入型コンパクトディスプレイグラス」について共通に発明及び譲渡されたPCT/US2014/067149であり、２０１５年５月２８日に公開されたWO2015/077718（以下、「ＰＣＴ１」として参照される）。
【０００５】
A. Bruckner et al., Thin wafer-level camera lenses inspired by insect compound eyes, Opt. Exp. Vol. 18, no. 14 (2010) (“Bruckner 2010”). 
【０００６】
A. Bruckner, “Microoptical Multi Aperture Imaging System” Ph.D. Thesis dissertation Friedrich Schiller University, Jena, Germany, 2011 http://www.db-thueringen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-24992/br%C3%BCckner/dissertation_a_brueckner_Multi_Aperture_Imaging_Systems_2011_12_22.pdf (“Bruckner 2011”) 
【０００７】
D. Cheng et al., Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling, Opt. Lett. 36, 2098-2100 (2011) (“Cheng 2011”). 
【０００８】
C. Chinnock, Why Counting RGB sub-pixels isn't the Best Way to Measure Resolution, Insight Media Display Intelligence (3 Morgan Ave. Norwalk, CT 06581 USA), November 13th, 2015. http://www.insightmedia.info/insight-media-releases-new-white-paper-on-sub-pixel-rendering-and-resolution/ (“Chinnock 2015”)
【０００９】
J. Duparre and R. Volkel, Novel Optics / Micro Optics for Miniature Imaging Systems, Proc. SPIE 6196, Photonics in Multimedia, 619607 (April 21, 2006); doi:10.1117/12.662757 (“Duparre 2006”). 
【００１０】
D. Fattal, Z. Peng, T. Tran, S. Vo, M. Fiorentino, J. Brug, and R. G. Beausoleil, “A multi-directional backlight for a wide-angle, glasses-free three-dimensional display,” Nature, vol. 495, 7441, pp 348-351, 2013. DOI: 10.1038/nature11972 (“Fattal 2013”) 
【００１１】
F. Heide, D. Lanman, D. Reddy, J. Kautz, K. Pulli, D. Luebke, Cascaded Displays: Spatiotemporal Superresolution using Offset Pixel Layers doi:10.1145/2601097.2601120 (“Heide 2014”) 
【００１２】
F. Huang, K. Chen, G. Wetzstein. “The Light Field Stereoscope: Immersive Computer Graphics via Factored Near-Eye Light Field Displays with Focus Cues”, ACM SIGGRAPH (Transactions on Graphics 33, 5), 2015 (“Huang 2015”) 
【００１３】
S. Liu and H. Hua, "Time-multiplexed dual-focal plane head-mounted display with a liquid lens," Opt. Lett. 34, 1642-1644 (2009) (“Liu 2009”). 
【００１４】
P. Llull, N. Bedard,W. Wu, I. Tocic, K. Berkner, and N. Balram Design and optimization of a near-eye multifocal display system for augmented reality doi: 10.1364/AOMS.2015.JTH3A.5 (“Llull 2015) 
【００１５】
A. Maimone, R. Chen, H. Fuchs, R. Raskar, G. Wetzstein. “Wide Field of View Compressive Light Field Display using a Multilayer Architecture and Tracked Viewers”, Journal of the Society for Information Display, 2015 (“Maimone 2015”) 
【００１６】
J.E. Melzer, Overcoming the Field of View: Resolution Invariant in Head Mounted Displays, SPIE Vol. 3362, 1998 (“Meltzer 1998”) 
【００１７】
John R. Moore ; Neil A. Dodgson ; Adrian R. L. Travis and Stewart R. Lang, Time-multiplexed color autostereoscopic display, Proc. SPIE 2653, Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems III, 10 (April 10, 1996); doi:10.1117/12.237418) (“Moore 1996”). 
【００１８】
A Shilov, “Toshiba Develops High-Speed, High-Contrast Active Shutter 3D Glasses”, http://www.xbitlabs.com/news/monitors/display/20100519223434_Toshiba_Develops_High_Speed_High_Contrast_Active_Shutter_3D_Glasses.html, 05/19/2010, (“Shilov 2010”) 
【００１９】
G. Wetzstein, D. Lanman, M. Hirsch, R. Raskar, Tensor displays: compressive light field synthesis using multilayer displays with directional backlighting, Siggraph 2012. DOI: 10.1145/2185520.2185576 (“Wetzstein 2012”) 
【００２０】
R. Winston, J. C. Minano, and P. Benitez, Nonimaging optics, New York: Elsevier-Academic Press, 2005 (“Winston 2005”) 
【００２１】
２．定義：
【表１−１】
0006782703.tif 000002
【表１−２】
0006782703.tif 000003
【表１−３】
0006782703.tif 000004
【表１−４】
0006782703.tif 000005
【表１−５】
0006782703.tif 000006
【００２２】
４．技術水準
【００２３】
４．１ヘッドマウント・ディスプレイ
【００２４】
ヘッドマウント・ディスプレイ（ＨＭＤ（Head Mounted Display））技術は、急速に発展している分野である。ヘッドマウント・ディスプレイ技術の一側面が、（仮想現実として説明され得る）完全な没入型視覚環境を提供し、外部環境が視覚的に遮断される間、ユーザーは、１以上のディスプレイにより提供されるイメージのみを観察する。これらの装置は、エンターテインメント、ゲーム、軍事、医療、及び産業といった分野において用途を有する。Ismael et al.のUS 2010/0277575 A1には、そのような装置の一例の記述がある。ＨＭＤの基本的な光学機能は、Mizukawaの米国特許5,390,047に記述のものといったステレオビューアー（stereoviewer）のものである。
【００２５】
ヘッドマウント・ディスプレイは、典型的には、１つ又は２つのディスプレイと、これらに対応の光学系であり、ユーザーの目により視覚（visualized）される仮想スクリーンにディスプレイらを映す光学系と、外部環境を視覚的に遮断し、先に述べた構成要素の支持構造を提供するヘルメットから構成される。ディスプレイは、また、瞳トラッカー（pupil tracker）及び／又はヘッドトラッカーも有し得、ディスプレイにより提供されるイメージが、ユーザーの動きに応じて変化する。
【００２６】
理想的なヘッドマウント・ディスプレイは、高解像度、広い視野、軽くまた良く分配された重量、及び小さな寸法の構造を兼ね備える。幾つかの技術は、首尾良くこれらの望まれる特徴を個別に達成するが、今のところ、これら全てを兼ね備えることができる技術は知られていない。これは、ユーザーにとって不完全又はより不快な体験に帰結する。低レベルのリアリズム、眼精疲労（低い解像度又は光学イメージング品質）、没入型環境の生成の失敗（小さい視野）、又はユーザーの頭部への過度な圧力（過剰な重量）が問題に含まれ得る。
【００２７】
解像度を維持しながらも視野を増加するために用いられる一つのアプローチは、タイリング（tiling）であり、すなわち、モザイクパターンに配置され、同一平面に配置されない複数のディスプレイが単眼当たりに用いられる。このアプローチは、Melzer 1998又はCheng 2011の文献に提示されている。Massofの米国特許6,529,331 B2もこの解法を提示する。
【００２８】
小型レンズ（lenslet）アレイが、マルチ・アパチャー・カメラ（multi-aperture cameras）の分野で、仮想マシーンセンサー（virtual machine sensors）において顕著な用途を見出している。これらは、小型さを提供する小さな焦点距離を用いつつ、全体（overall system）の視野を高める能力を有する。昆虫の目から啓発された小型レンズアレイ基準のセンサーの２つの主要なアプローチ：（１）並置（apposition）システム及び（２）重ね合わせ（superposition）システムがある。重ね合わせシステムは、幾つかの隣接のレンズを用いて単一のセンサーエリアを照明し、環境の単一の現実のイメージを形成する。並置システムでは、表面上への単一の現実のイメージの形成がない。
【００２９】
並置マルチ・アパチャー・カメラシステムの幾つかの亜種があり、最も良く知られたものは、小型レンズ当たりにただ一つのピクセルを用いるものであり、他方、本開示においては、小型レンズ当たりに多数のピクセルがある。この並置小型レンズアレイシステムの一例が、Bruckner 2011、ページ２８に見られる。別例がDuparre 2006に見られ、ここでも、非点収差を補正するための片方寄り（single sided）トロイダル小型レンズが開示されている。
【００３０】
並置マルチ・アパチャー・カメラシステムの第２種は、光学ステッチ（optical stitching）を用い、各小型レンズが、ＦｏＶのその関連の部分を送り、隣接の部分イメージ間の交差部のイメージ細部が保存されるように、隣接の部分イメージが一つに光学的にステッチ（optically stitched）される。一例が、Bruckner 2011、ページ７５のOptical Cluster Eyeに見ることができる。Brucknerのシステムでは、各小型レンズが、視野（FoV (Field of View)）の非重畳部分を取得する。これは、各小型レンズにより取得されるＦｏＶが他と重畳し、クロストークを回避するためにマスクを要求しないＰＣＴ１に開示された装置とは対照的である。Brucknerは、小型レンズの代わりに用語「光チャンネル」を用いる。我々は、一貫するように本明細書ではそれを変更している。
【００３１】
並置マルチ・アパチャー・カメラシステムの第３種は、セグメントの電子ステッチング（stitching）を用いる。Bruckner 2010では、各小型レンズにおいて、全ＦｏＶのたった一部のみが記録（recorded）され、ソフトウェア処理の手段により全部分イメージをステッチング（stitching）することにより最終イメージが生成されるように、マルチ小型レンズのアプローチを用いるシステムが用いられる。電子ステッチングを伴うマルチ・アパチャー・カメラでは、小型レンズのピッチは、その視野を広げ、センサーエリアを小さくするため、センサーにおけるそれらの照明セクターのピッチよりも常に大きい。これは、カメラの入力瞳孔（input pupil）が仮想であり、センサーの後方に位置し、その位置と形状が関係せず、また設計において考慮されないことを意味する。
【００３２】
マルチ・アパチャー・カメラの別の先行技術のアプローチは、同一の参考文献のBruckner 2010、ページ２４３８４（及び、また、Bruckner 2011、ページ３８）にあり、「増加したサンプリング（increased sampling）」として参照される。ＰＣＴ１の図２に提示のように、小型レンズの各隣接のペアの部分イメージが「ブレイズされ（編まれ）（braided）」、短い焦点距離で高い解像度を可能とし、ピクセルのセクターを通じてセンサーに収束する。Brucknerに記載のブレイズすること（Braiding）は、センサーからフィールドへのマッピング（sensor-to-field mapping）への冗長性を完全に除去し、つまり、（本明細書ではオピクセル（opixels）と呼ばれる）センサーのピクセルとこれらのオピクセルのイメージ、つまり、（本明細書でアイピクセル（ipixels）と呼ばれる）フィールドにおけるピクセルの間に全単写像（bijective mapping）（つまり、点から点）がある。
【００３３】
ＰＣＴ１は、ヘッドマウント・ディスプレイ用の並置型光学系（optics）をどのように設計するかを教示する。（ＰＣＴ１の図３である）図１は、４つのクラスター０１０４ｔ，０１０４ｂ，０１０５ｔ及び０１０５ｂのみの単純な例を示し、これが、デジタル・ディスプレイ０１０７上のオピクセルにより生成される複合イメージ（compound image）を形成する。これらのオピクセルが、小型レンズアレイ光学系により投射され、（ここでは簡易化のために矩形輪郭の平坦に描かれている）仮想スクリーン０１０８上にアイピクセルのイメージを形成する。各オピクセルが、一つのクラスターに属する（任意の２つのクラスターの交差部（intersection）は、空のセット（empty set）であり、全てのクラスターの集合が、デジタル・ディスプレイの全体である）。
【００３４】
各クラスターは、仮想スクリーン上にイメージの一部を表示する。隣接するクラスターは、あるシフト量でイメージの部分を表示する。イメージの幾つかの部分は、一つよりも多い数のクラスターに現れる。この必要性を説明するため、２次元の概略図が図１の上部に加えられている。それは、オピクセルとアイピクセルの間のマッピングのエッジを規定するために関連のある光線を示す。この図においては、アイピクセルの仮想スクリーンが無限位置に置かれ、光線０１００ａ，０１０１ａ，０１０２ａ及び０１０３ａの光線の方向が、仮想スクリーン上のアイピクセルの位置を示す。図面は、簡潔さのために２次元であるが、図１の下部の左にイメージを投射する実際の装置が３次元であり、２つが上で２つが下に置かれた４つの小型レンズを含み、図１の上部の概略図における１０４及び１０５で示される２つのみではない。２次元スキームが、オピクセルとアイピクセルの間のマッピングの水平座標を説明するために用いられ、類似の理由が垂直座標にも当てはまる。
【００３５】
仮想スクリーンの水平範囲が、０１００ａ〜０１０３ａまで延びる。左クラスター０１０４ｔ及び０１０４ｂに表されたイメージの部分が、仮想スクリーン０１０８上に縦線０１００ａ及び０１０２ａを規定する、瞳孔範囲０１０６のエッジに到達するエッジ光線０１００ａ及び０１０２ａにより与えられる。類似して、右クラスター０１０５ｔ及び０１０５ｂに表されるイメージの部分が、仮想スクリーン０１０８上に２つの縦線を規定する、エッジ光線０１０１ａ及び０１０３ａにより与えられる。従って、０１０１ａと０１０２ａの間の仮想スクリーン０１０８の部分が左右のクラスターの両方に表示される。詳細には、小型レンズ０１０４が、仮想スクリーンのエッジ光線０１００ａ及び０１０２ａをデジタル・ディスプレイ０１０７上の０１００ｂ及び０１０２ｂ上にマップ化する。類似して、小型レンズ０１０５が、エッジ光線０１０１ａ及び０１０３ａをデジタル・ディスプレイ０１０７上の０１０１ｂ及び０１０３ｂ上にマップ化する。光学設計は、クラスターが重複しないことを保証しなければならず、これは、０１０１ｂ及び０１０２ｂが一致するときのデジタル・ディスプレイの最大利用で達成される。下部クラスター０１０４ｂ，０１０５ｂとの上部クラスター０１０４ｔ，０１０５ｔの類似のアライメントが図１から明らかである。
【００３６】
クラスター上の情報の部分的な一致のため、アイピクセルｉｐ１が、４つのオピクセルｏｐ１１，ｏｐ１２，ｏｐ１３及びｏｐ１４の投射により形成される。このオピクセルのセットが、アイピクセルｉｐ１の「ウェブ（web）」として言及される。ｉｐ１といった仮想スクリーンの中央に設けられたアイピクセルのウェブそれぞれには４つのオピクセルが含まれる。しかしながら、仮想スクリーンの境界に近いアイピクセルのウェブが少数のオピクセルを有し得る。例えば、アイピクセルｉｐ２のウェブが、たった２つのオピクセルｏｐ２１及びｏｐ２２のみを含み、ｉｐ３のウェブがｏｐ３１のみ含む。
【００３７】
４．２時分割多重
【００３８】
視覚ディスプレイにおける解像度を高めるための古典物理のアプローチが時分割多重（TDM(time-division multiplexing)）方式に基づく。それは、電子光（electro-optical）ディスプレイで生成されるイメージの早い変化と比較して相対的に長いヒトの網膜上のイメージの持続性に依拠する。これは、また、スクリーンの蛍光体の持続性と我々の網膜の持続性の組み合わせにより、カソードビームがＣＲＴのスクリーン上にラスタースキャン（raster scanned）される時、単一のスキャニング点（一時に一点のみが引かれる）からの安定したイメージの幻影が生成される古典物理のブラウン管の基礎でもある。
【００３９】
ＴＤＭは、網膜上に完全なイメージを生成するために用いられる時間が持続時間よりも長くないとすれば、網膜上に一フレームのイメージを一度に全て形成することを許容しないが、連続的である。一フレームの間に仮想スクリーン上に示されるべきイメージが、サブイメージと呼ばれる幾つかの部分に分割される。これらの部分それぞれが、サブフレーム・スロットと呼ばれる時間フレームの一区間（portion）の間に示される。時間フレームの終端部にて、全ての部分イメージが、少なくとも一つのサブフレーム・スロットの間で示されている。
【００４０】
時分割多重技術が用いられるとき、一フレームのイメージの一部分が、全イメージのこの部分のみを生成するためにオピクセルの完全なセットを用いるサブフレーム・スロットに表示される。イメージの先の部分が網膜上に持続する間、イメージの残部が後続のサブフレーム・スロットで生成される。次に、イメージの解像度（アイピクセルの全数）が、ディスプレイの解像度（オピクセルの全数）よりも大きくなり得る。
【００４１】
ＴＤＭ技術は、デジタル・ディスプレイの多数の種類に適用されている。Chinnock 2015は、各ピクセル内で２以上のサブピクセルを生成するべくディスプレイ・パネルの各ピクセルの内部構造を開発することにより実効解像度を改善する多数のスキームを記述する。より高い解像度のイメージは、次に、２以上のインターレース（interlaced）されたサブイメージに分割され、各ディスプレイ・ピクセルが、各サブイメージに一つのサブピクセルを提供する。例えば、図２に図示のように、パナソニックは、１０Ｋピクセル・イメージを４つの２．５Ｋピクセルのサブイメージに分割し、これらが空間において僅かにシフトされた各サブイメージで連続的に表示され、表示されたサブイメージが、Brucknerの「increased sampling」の場合のようにインターレース又は「ブレイズされ(braided)」されることで、２．５Ｋピクセル・ディスプレイに１０Ｋのピクセル・イメージを生成することができた（図２の０２０１，０２０２，０２０３及び０２０４参照。ここでは、非黒色のスクエアのそれぞれ一つが１つのアクティブなサブイメージピクセルを表す）。プロジェクターが２４０サブフレーム毎秒（fps）で動作する。これらのサブフレームのそれぞれ一つが、４つのサブイメージの一つに対応するため、複合イメージは、６０ｆｐｓでリフレッシュされる。光学素子で達成されるシフト（shifting）は、チェッカー・ボード（checker board）を埋めてイメージを完成する。
【００４２】
時分割多重は、また、オートマルチスコープ（automultiscopic）ディスプレイでも用いられ（Wetzstein 2012参照）、高速のリフレッシュ速度で動作し、高速スイッチング指向性バックライト（すなわち、低解像度光フィールド・エミッター（field emitter））で照明される多層パネルに基づく。この場合、イメージ・ピクセルは、イメージ平面の小領域から現れる全ての光線により規定できないが、あるフェーズ空間領域（phase space region）を占める光線の細い光束（thin pencil of rays）により規定される（すなわち、空間及び角度精細度（spatial and angular definition））。ＴＤＭは、物理ディスプレイの同一の部分から異なる方向に光束（ray pencils）を生成するために用いられる。
【００４３】
ラコステ（Lacoste）等によるWO 2009156752A1は、時分割多重を用いてＨＵＤのためのホログラフィック・ディスプレイ（holographic display）を開示する。ラコステにより開示された構成の幾つかにおいては、イメージがモノクロであり、全色が、異なる色のイメージを時分割多重することにより達成される。ラコステにより開示された構成におけるサブフレーム・スロットの間に表示されるイメージは、常に完全であり、すなわち、仮想スクリーンを埋める。このモノクロ・イメージの時分割多重は、時折、カラー・シーケンス（color sequential）と知られる。カラー・シーケンスは、例えば、液晶カラーシャッターを用いても実施されている（Moore 1996参照）。
【００４４】
Liu 2009は、２つの焦点面までイメージするように目近傍（near-eye）ディスプレイ・システムに時分割多重を適用した。各サブフレーム・スロットにて表示されるイメージが、完全に仮想スクリーンを占める。数年後、Llull 2015は、６つの焦点面について同様のコンセプトを実施した。Liu 2009とLlull 2015は、時分割多重を用いて、従来のステレオスコープ・ディスプレイにおける順応キュー（accommodation cues）と目のふくそう（ocular convergence）の不整合を解決する。Liu 2009とLlull 2015は、高速の焦点変調器（focal modulator）（その焦点距離が高速に変化できる液体レンズ（liquid lens）から成る）を用いて異なる焦点面で幾つかの連続のイメージ（それら全てが、完全な仮想スクリーンを占める）を表示することにより目標を達成する。これらの異なるイメージが各フレーム期間の間に表示される。ラコステ等によるWO 2009/156752 A1は、（ラコステではホログラムを用いることによるが）異なる平面イメージ（plane images）が時分割多重される構成も開示する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００４５】
本出願の一側面においては、ディスプレイ・グラスは、一つの目あたり一つのデジタルディスプレイを用いる。イメージは、サブイメージの連続として示され、各サブイメージが、サブフレーム・スロットと呼ばれるフレーム期間の一部（fraction）の間に示される。全てのサブフレーム・スロットの集合（union）が、フレーム表示時間であり、全てのサブイメージの集合が、仮想スクリーン上に示される完全なイメージを形成する。サブイメージが、時間において重畳（intersection）を有しないサブフレーム・スロットとは異なり、空間において重畳し得る。デジタル・ディスプレイからの光を収集する光学系が異なるチャンネルに分割される；各チャンネルが、典型的には、単一のサブフレーム・スロット及び単一のサブイメージに対応する。「チャンネル」との用語は、それが時分割多重において異なるセグメントについて用いられる信号理論（Signal Theory）に由来する。全ての光チャンネルが、デジタル・ディスプレイである同一の対象を映すが、異なるイメージ領域に関し、なぜならサブイメージが一致しないためである。この要求は、一般的に、各光チャンネルについて非対称な構成を意味する；また、これらの非対称性が自由曲面の光設計（つまり、回転又は並進（translational）対称性を有しない設計）から利益を得るため、本出願に記述の光装置が自由曲面である。単一のチャンネルが、一つよりも多くの小型レンズを含み得る。結果として、チャンネルにより生成されるオピクセルとアイピクセルの間のマッピングが、アプリケーションのそのドメイン（domain）で連続である単一の小型レンズにより確立されるマッピングとは異なり、非連続であり得る。
【００４６】
別の側面においては、ディスプレイ装置は、リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイと、複数の光チャンネルを含む光学系を含み、各光チャンネルが１以上の小型レンズを含み、各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、そのチャンネルに関連のディスプレイ上の１以上の個別（respective）の部分リアルイメージから１以上のサブイメージを生成するように１以上の小型レンズが設けられる。サブイメージが結合して目位置から見ることができる仮想イメージを形成し、異なる光チャンネルがディスプレイの同一の部分を仮想イメージの異なる部分に映す。光スイッチングシステムは、ディスプレイから瞳孔範囲へ選択されたチャンネルを通じた光の伝播を許容し、ディスプレイから瞳孔範囲への他の選択されたチャンネルを通じた光の伝播を阻止する。光スイッチングシステムは、光が光チャンネルを通じて連続的に伝播することを許容するように光チャンネルを連続的に開くように設けられ、ディスプレイは、各光チャンネルが開かれている間、そのチャンネルに関連の１以上の個別の部分リアルイメージを表示するように設けられる。
【００４７】
別の側面においては、ディスプレイ装置は、リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイと、複数の光チャンネルを含む光学系を含み、各光チャンネルが１以上の小型レンズを含み、各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージからサブイメージを生成するように１以上の小型レンズが設けられる。サブイメージが結合して目位置から見ることができる仮想イメージを形成し、異なる光チャンネルがディスプレイの同一の部分を仮想イメージの異なる部分に映す。光スイッチングシステムは、ディスプレイから瞳孔範囲への選択されたチャンネルを通じた光の伝播を許容し、ディスプレイから瞳孔範囲への他の選択されたチャンネルを通じた光の伝播を阻止する。同期コントローラーは、関連の光チャンネルを通じて光が伝播することを許容するべく関連の光チャンネルを開く間、部分リアルイメージの連続を表示するようにディスプレイと光スイッチングシステムを制御するように動作可能である。
【００４８】
更なる側面においては、あるイメージを表示するための方法は、各々が前記あるイメージの一部を表し、一緒に前記あるイメージを表す部分リアルイメージの連続を生成することを含み、少なくとも幾つかの部分リアルイメージが空間的に重畳した位置を占めること、及び、部分リアルイメージを連続的に映して目位置から見ることができる個別のサブイメージを生成し、目位置から見ることができる仮想イメージを生成するようにサブイメージが空間的に結合（combine）し、異なる部分リアルイメージの空間的に重畳した部分が仮想イメージの異なる部分を形成することを含む。
【００４９】
更なる側面においては、あるイメージを表示するための方法は、各々が前記あるイメージの一部を表し、一緒に前記あるイメージを表す部分リアルイメージの連続を生成することを含み、少なくとも幾つかの部分リアルイメージが空間的に重畳した位置を占めること、及び、部分リアルイメージを連続的に映して目位置から見ることができるサブイメージを生成することを含む。サブイメージは、目位置から見ることができる仮想イメージを生成するように空間的に結合し、異なる部分リアルイメージの空間的に重畳した部分が仮想イメージの異なる部分を形成する。
【００５０】
一実施形態においては、サブフレーム・スロットの間、たった一つのチャンネルが照明される。他のチャンネルを通じて光が到来することを避けるため、デジタル・ディスプレイとしてのＬＣＤと一緒に指向性バックライト（例えば、Fattal 2013, US 9201270 B2 to Fattal et al.,及びWetzstein 2012参照）も使用可能である。非指向性バックライトを用いるＯＬＥＤディスプレイ又はＬＣＤディスプレイのような、デジタル・ディスプレイの角放射パターンが切り替えできない時、望まないチャンネルを通じて光が伝播することを阻止するため、各チャンネルの入口（又は光路）で電子シャッターが使用可能である。誤ったチャンネルを伝播する光は、ゴーストのサブイメージを生成し得る。電子シャッターは、強誘電性液晶（ＦＬＣ）から成り得る。強誘電性液晶は、典型的には１００μｓ未満のその高速なスイッチング時間のために有利である。
【００５１】
サブイメージは、一般的に重畳する。この重畳は、これらの領域が１つよりも多いサブフレーム・スロットで表示されるとしても、これらの領域が非重畳領域よりも明るいことを意味しない。
【００５２】
ディスプレイ又はディスプレイ群は、ライト・フィールド・ディスプレイ（Light Field Displays）と呼ばれる種類であり得（Huang 2015参照）、特には、スタックトランスミッシブＬＣＤ（stacked transmissive LCDs）により実施されるものであり得る。とりわけセパレータを有するただ２つのスタックＬＣＤを有するＬＦＤは、小さな厚みを有し、非常に魅力的である。ライト・フィールド・ディスプレイが、装置の残部と一緒に、合理的な費用と量で両眼転導の順応（vergence-accommodation）の矛盾を解消することに役立つ焦点キュー（focus cues）をサポートする。この矛盾は、視覚的な不快感、つかれ、眼精疲労、複視（diplopic vision）、頭痛、吐き気、妥協されたイメージ品質に繋がり、また、子供の視覚系の発達における病理にすら繋がり得る。これらのカスケード（cascaded）されたディスプレイは、ただオピクセル（空間解像度）の密度（density）を高めるためにも使用可能である。特には、Heide 2014は、二層ディスプレイが見かけの空間解像度（apparent spatial resolution）を４倍にし、実効リフレッシュ速度を２倍にできたことを示した。フィールドの深さと同様、空間解像度は、Maimone 2015に記述されるように目がトラックされる（また表示される情報が、その観察者の位置に限定される）時、よりいっそう高められる。
【００５３】
ディスプレイ装置は、１以上の音生成装置、及び／又は、カメラと、カメラにより取得されたイメージをディスプレイ上に再生するように動作可能であるディスプレイ・ドライバー、又は、ステレオスコープ音又は画像（vision）を提供するどちらか又はそれぞれの２つを更に含み得る。
【００５４】
装置は、ヘッド・トラッキング装置と身体面（physical ground）に固定されたイメージをディスプレイ上に再生するように動作可能であるディスプレイ・ドライバーを更に備え得る。
【００５５】
ディスプレイ装置は、ユーザーの瞳孔間距離（interpupil distance）及び／又は視覚の欠陥を補償するために小型レンズのアレイからデジタル・ディスプレイへの距離を調整するためのシステムを更に備え得る。
【００５６】
装置は、更に、目トラッキング装置と、光学系を介して見られる時に目トラッキング装置により検出された目位置、これに限らず、他の目位置に認識されるイメージをディスプレイ上に再生するように動作可能であるディスプレイ・ドライバーを備え得る。
【００５７】
部分リアルイメージの連続がディスプレイ上に生成され、少なくとも一つの部分リアルイメージがディスプレイの実質的に全体のアクティブエリアを占め得る。
【００５８】
部分リアルイメージの連続がディスプレイ上に生成され、少なくとも２つの部分リアルイメージがディスプレイの非重畳部分を占め得、また、連続的にイメージングすることが、同時にこれらの２つの部分リアルイメージをイメージングすることを含み得る。ディスプレイは、これらの２つの部分リアルイメージを表示し、単一の開いた光チャンネルと同時に、表示された部分リアルイメージの集合に関連する光学系の部分が活性化され得る。
【００５９】
光スイッチングシステムは、関連のチャンネルを通じて光が伝播することを選択的に阻止するように動作可能であるシャッターを備え得る。代替として又は加えて、光スイッチングシステムは、ディスプレイの選択部分へ又はそこからの光の伝播方向を制御するように動作可能であり得る。
【００６０】
部分リアルイメージを連続的にイメージングすることが、同時に表示される部分リアルイメージのセットを連続的にイメージングすることを含み得、少なくとも一つのセットが、複数の非重畳の部分リアルイメージを含む。
【００６１】
連続的にイメージングすることが、繰り返しシーケンスにおいて周期的にチャンネルを通じて光が伝播することを許容することを含み得る。各チャンネルは、開かれ（open）、また、個別の部分リアルイメージは、同時に、その繰り返しシーケンスにおいて周期的に表示され得る。
【００６２】
少なくとも一つのチャンネルは、ディスプレイの一つの空間的に連続した部分を一つの空間的に連続した部分仮想イメージに一緒に映す並列の２つの小型レンズを備え得る。
【００６３】
方法は、更に、入力イメージを受け取り、入力イメージの部分を部分入力イメージとして規定して各々が一つの位置に割り当てられ、対応のサブイメージが配列して入力イメージの非中断の仮想イメージを形成するように位置付けられる部分リアルイメージとして部分入力イメージを生成することを含み得る。ディスプレイ装置は、入力イメージを受け取り、また、各々がディスプレイ上の部分リアルイメージの位置に割り当てられる部分入力イメージを生成し、生成された部分入力イメージを部分リアルイメージとして連続的に表示する時、対応のサブイメージが配列して入力イメージの非中断の仮想イメージを形成するように動作可能であるイメージ生成器を更に備え得る。少なくとも幾つかの部分リアルイメージ位置が重畳し、また、これらの位置で単一の非中断のイメージの部分をディスプレイ上に形成しない部分リアルイメージを含み得る。
【００６４】
入力イメージを受け取ることが、入力ビデオを受け取ること、入力ビデオのイメージの連続のそれぞれについて部分リアルイメージを生成し、それぞれは、対応のサブイメージが配列して入力イメージの非中断の仮想イメージを形成するように位置付けられることを含み得る。イメージ生成器は、入力ビデオを受け取り、入力ビデオのイメージの連続のそれぞれについて、対応のサブイメージが配列して入力イメージの非中断の仮想イメージを形成するように各ディスプレイ上に位置付けられる部分リアルイメージを生成するように動作可能であり得る。ビデオは、次に、連続的に入力ビデオのイメージを表示することによりディスプレイ装置に表示され、入力ビデオのイメージそれぞれが、次に、連続的に入力ビデオのそのイメージの部分リアルイメージを表示することにより表示され得る。
【００６５】
方法は、更に、サブイメージから瞳孔範囲へ光を向けることを含み、瞳孔範囲が、目位置で２１〜２７ｍｍの直径の仮想球の表面のエリアを含み、瞳孔範囲が、球の中心で１５度の全角度に対する（subtending）円を含む。全ての光チャンネルは、それらの個別のサブイメージからそのサイズの瞳孔範囲へ光を向けるように配列され得る。
【００６６】
方法は、更に、物体ピクセル（object pixels）を備えるデジタル・ディスプレイ上にリアルイメージを形成し、隣接（contiguous）ピクセルのクラスターに物体ピクセルをグループ化し、各クラスターに、光チャンネルの一つに属する個別の小型レンズに関連する部分リアルイメージを生成させ、どの個別の光チャンネルがアクティブであるかに応じて、少なくとも幾つかの物体ピクセルを異なる時間に（at different times）１つよりも多いクラスターにグループ化することを含み得る。ディスプレイは、物体ピクセルを備えるデジタル・ディスプレイであり得、物体ピクセルが隣接ピクセルのクラスターにグループ化され、各クラスターが、部分リアルイメージを形成し、光チャンネルの一つに属する個別の小型レンズに関連し、ここで、少なくとも幾つかの物体ピクセルが、どの個別の光チャンネルがアクティブであるかに応じて、異なる時間に（at different times）一つよりも多いクラスターに属する。
【００６７】
ある小型レンズを通じて上記の瞳孔範囲に到達する実質的に全てのイメージング光線が、関連した部分リアルイメージから到来し得、関連した部分リアルイメージから上記瞳孔範囲に到来する実質的に全ての上記したイメージング光線が、関連した小型レンズを透過し得る。
【００６８】
瞳孔範囲に向けてある小型レンズから放出し、仮想イメージの任意の一つの位置から事実上到来する実質的に全てのイメージング光線が、次に、関連した部分リアルイメージの単一の位置から生成され得る。
【００６９】
連続的にイメージングすることが、ディスプレイから目位置へ光を複数の選択された光チャンネルを通じて伝播することを連続的に生じさせ又は許容し、また、ディスプレイから瞳孔範囲へ複数の他の選択された光チャンネルを通じた光の伝播を阻止することを含み得る。
【００７０】
連続的に光の伝播を生じさせ又は許容することは、次に、関連のチャンネルを通じて伝播することから光を選択的に阻止するべくシャッターを作動させることを含み得る。
【００７１】
光の伝播を生じさせ又は許容することが、リアルイメージの選択部分へ又はそこから伝播する光の伝播方向を制御することを含み得る。
【００７２】
光チャンネルは、部分リアルイメージからサブイメージを形成する小型レンズを備え得る。
【００７３】
ディスプレイ装置は、更に、通常のヒトの頭部に対して装置を実質的に一定の位置に維持するように動作可能であるマウント（mounting）を備え得、仮想スクリーンにより形成される仮想球の中心に一つの目が位置付けられる。
【００７４】
第２の上記したディスプレイ装置、お互いに対して第１及び第２ディスプレイ装置を位置付けるマウントにして、各仮想球の位置が人間の２つの目の相対位置に一致するマウント、２つのディスプレイに物体を表示するように生じさせ、各仮想球の中心位置で観察者のヒトの目により見られる時に２つの仮想イメージが結合して単一のイメージを形成するように動作可能であるディスプレイ・ドライバーが在り得る。
【００７５】
マウントは、２つの仮想球の位置に目を有するヒトの頭部に対して実質的に一定の位置に装置を維持するように動作可能であり得る。
【００７６】
マウントは、視覚に欠陥を有するユーザーの目の前に矯正レンズを保持するマウント特性を含み得る。
【００７７】
第１及び第２ディスプレイ装置のディスプレイが、単一のディスプレイを形成し得る。
【００７８】
別の側面が、上記した側面の任意のディスプレイ装置を備え、ヒトの目に一致するディスプレイ装置の目位置でヒトの頭部にディスプレイ装置を位置づけるためのマウントを有するヘッドギアを提供する。
【００７９】
ヘッドギアは、更に、第２ディスプレイ装置を備え、これは、第１のものと同様であり得、第２ディスプレイ装置の目位置がヒトの第２の目に一致するように実装される。２つのディスプレイ装置が同一であり、又は、お互いに鏡像であり、また単一のディスプレイを共有し得る。
【００８０】
別側面が、ディスプレイ装置のためにイメージデータを生成する方法を提供し、入力イメージを受け取り、入力イメージの部分に対応する部分イメージを生成し、部分イメージに位置を割り当て、少なくとも幾つかの位置が重畳し、もし各部分イメージがその割り当てられた位置に連続的に表示され、上記側面のいずれかに応じて適切に構成されたディスプレイ装置の複数のチャンネルの個別の一つにより仮想サブイメージに映されるならば、仮想サブイメージが結合して入力イメージの非中断の仮想イメージを形成することを含む。
【００８１】
更なる側面が、コンピューター読み取り可能なデータを含む非一時的なコンピューター読取り可能記憶装置として実施され得る、コンピューター読み取り可能データを提供し、入力イメージの複数の部分イメージ及び部分イメージのための位置を表し、少なくとも幾つかの位置が重複し、もし各部分イメージがその割り当てられた位置に連続的に表示され、適切に構成されたディスプレイ装置の複数のチャンネルの個別の一つにより仮想サブイメージに映されるならば、仮想サブイメージが結合して入力イメージの非中断の仮想イメージを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
上記及び他の側面、特徴及び利益が、次の図面と一緒に提示される特定の実施形態に係る次のより特定の記述から明らかになる。
【００８３】
【図１】図１は、オピクセルからアイピクセルへのマッピングの概略図である（先行技術）。
【００８４】
【図２】図２は、（先行技術）時分割多重スキームにおいて連続的に示される４つのサブイメージ（０２０１，０２０２，０２０３及び０２０４）に分解（decomposed）されたイメージを示す。
【００８５】
【図３】図３は、ヘッドマウント・ディスプレイのための２つ型（2-hold）工学設計の概略図である。
【００８６】
【図４】図４は、別の工学設計の等角投影図（isometric view）である。
【００８７】
【図５】図５は、２チャンネル２サブフレーム・ディスプレイ装置のための光学構成の垂直（vertical）断面模式図である。
【００８８】
【図６Ａ】図６Ａは、２回多重化されたサブイメージ内の仮想スクリーン分配（distribution）の前面図である。
【００８９】
【図６Ｂ】図６Ｂは、２回多重化されたサブイメージ内の別の仮想スクリーン分配（distribution）の前面図である。
【００９０】
【図６Ｃ】図６Ｃは、４回多重化されたサブイメージ内の仮想スクリーン分配（distribution）の前面図である。
【００９１】
【図７】図７は、平坦シャッターを有する４チャンネル４サブフレーム・ディスプレイ装置のための光学構成の概略的な断面模式図である。それは、平坦シャッターを有する２チャンネル２サブフレームの実施形態のための光学構成の垂直断面模式図でもある。
【００９２】
【図８】図８は、図７に斜視断面が示された装置の等角投影図（isometric schematic view）である。
【００９３】
【図９】図９は、ディスプレイ装置の概略図である。
【００９４】
【図１０Ａ】図１０Ａは、仮想スクリーンのサブイメージの配分（distribution）と、非時分割多重の実施形態のためのデジタル・ディスプレイのクラスター配分を示す図である。
【００９５】
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図９のディスプレイ装置の第１サブフレーム・スロットのための図１０Ａに類似の図である。
【００９６】
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図９のディスプレイ装置の第２サブフレーム・スロットのための図１０Ａに類似の図である。
【００９７】
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、図９のディスプレイ装置の第３サブフレーム・スロットのための図１０Ａに類似の図である。
【００９８】
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、図９のディスプレイ装置の第４サブフレーム・スロットのための図１０Ａに類似の図である。
【００９９】
【図１１Ａ】図１１Ａは、第１サブフレーム・スロットの間のデジタル・ディスプレイの完全な使用について仮想スクリーンのサブイメージ分配とデジタル・ディスプレイのクラスター分配を示す。
【０１００】
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第２サブフレーム・スロットの間のデジタル・ディスプレイの完全な使用について仮想スクリーンのサブイメージ分配とデジタル・ディスプレイのクラスター分配を示す。
【０１０１】
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、第３サブフレーム・スロットの間のデジタル・ディスプレイの完全な使用について仮想スクリーンのサブイメージ分配とデジタル・ディスプレイのクラスター分配を示す。
【０１０２】
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、第４サブフレーム・スロットの間のデジタル・ディスプレイの完全な使用について仮想スクリーンのサブイメージ分配とデジタル・ディスプレイのクラスター分配を示す。
【０１０３】
【図１２】図１２は、全てのサブイメージを有する仮想スクリーンの前面図である。
【０１０４】
【図１３】図１３は、３チャンネルのための構成の概略図である。
【０１０５】
【図１４】図１４は、２チャンネルのための構成の概略図である。
【０１０６】
【図１５】図１５は、２チャンネル３小型レンズの実施形態の等角投影図である。
【０１０７】
【図１６】図１６は、図１５の２チャンネル３小型レンズの実施形態の水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０８】
本装置の様々な特徴及び利益のより良い理解が、特定の原理を用いる例証の実施形態を提示する次の詳細な記述と添付図面の参照により獲得されるだろう。
【０１０９】
添付図面の図３乃至９及び１０Ｂ乃至１４、まずは図３を参照すると、ヘッドマウント・ディスプレイの一実施形態が、参照番号０３１１により概して示される誘電体固体の片部を備え、その面０３０２及び０３０７が鏡面にされる（mirrored）。この装置は、デジタル・ディスプレイ０３０８を、目０３００を通して網膜に映す。図３は、ユーザーの鼻０３０９と目０３００の位置を示す２つ型の設計（2-fold design）の断面の側面図である。この２つ型構成において、デジタル・ディスプレイ０３０８は、垂直位置に配置されるように示される。光線０３０４，０３０５，及び０３０６が、入射面（entry surface）０３０１で屈折し、続いて、鏡面（mirrored surface）０３０２で反射され、面０３０１で反射され、最後に、出射面（exit surface）０３０３で屈折を受け、目０３００に向けられる。光線０３０４の場合、全反射（total internal reflection (TIR)）により第２反射が起こるが、光線０３０５及び０３０６の場合、それは、面０３０７のミラー部分により起きる。
【０１１０】
この種の光学素子は、時々、ＲＸＩと呼ばれ、屈折(refraction)（R）、反射（reflection）(X)及び全反射（total internal reflection）(I)を示し、大部分の使用可能な光線がこれを受ける。本明細書に開示のＲＸＩの幾つかは、ある程度、照明用途、より詳細には自動車のヘッドライトにおいてＬＥＤの光を平行化するためのBenitez et al.の米国特許7,460,985 B2に類似している。装置のＬＥＤチップからの光が、第１屈折の後、誘電体片に入射する。その後、幾つかの光線が全反射、金属反射及び最後の屈折を受ける。光線入射のシーケンスが、図３におけるもののような本明細書に開示の幾つかの実施形態と同様であるが、この二つの装置は実際には完全に異なり、なぜならば、先行技術の装置は、照明のために設計され、非イメージング光学系の原理、例えば、Winston 2005参照を用い、これは、本装置が関係するイメージング・光学系から完全に異なるフレームワークである。特には、本装置では重要である物体（object）、イメージ、ピクセル、瞳孔範囲、イメージ品質等のコンセプトは、米国特許7,460,985 B2では、意味や用途を持たない。この差にも関わらず、両方の種類の光学装置が「ＲＸＩ」に分類可能である。
【０１１１】
図３のＲＸＩ光学系０３１１の表面が自由曲面である。ＰＣＴ１で説明されているものと同様、デジタル・ディスプレイ０３０８に示されるイメージが２クラスターに分割され、それらが光学系０３１１を介して目０３００の網膜に投射される時、２つのクラスターのサブイメージが単一のイメージに円滑に統合する。（中央点線０３１２により表される垂直面により分割される）光学部品０３１１の２つの対称部分のそれぞれが小型レンズと呼ばれる。各サブイメージが、その対応の小型レンズを通じて網膜上に形成される。誤った小型レンズを通じて伝播する光が、光学クロストークと呼ばれる、望まないゴーストイメージ（ghost images）を生成する。小型レンズ間の光学クロストークが、まさにＰＣＴ１と同じ方法で瞳孔範囲の規定（definition）により回避される：面０３０１のキンク（kink）に当たる瞳孔範囲のエッジ光線０３１０が、０３０６としてクラスターエッジに送られる。
【０１１２】
同一の光学設計が図４に提示されるが、この場合、レンズが９０°で回転され、図３の平面が水平面になり、２つのレンズ０３１１は、一方が他方の上に実装されて単一の４つ型（4-fold）レンズを形成する。このＲＸＩの配向は、両方のレンズが単一標準（single standard）の約５〜６インチ（１２５〜１５０ｍｍ）対角(diagonal)の１６：９のディスプレイで稼働する構成を許容する。
【０１１３】
図４は、図３の構成の修正版の３次元図を示し、２つの４ファセット（4-faceted）レンズ（一つの目あたりに一つ、図面の明確さのためにメタライズ部分（metallized parts）が図示されない）を有し、１６：９のアスペクト比の１４５ｍｍ（５．７’’）対角の単一標準のデジタル・ディスプレイ０４０１で稼働する。図４から明らかに理解されるように、目０４０２の前に配置される各装置は、４つの小型レンズを有し、各小型レンズが、デジタル・ディスプレイ０４０１に最も近い屈折面０４０３、反射面０４０４、及び目０４０２に最も近い屈折面０４０５から本質的に構成される。デジタル・ディスプレイ０４０１は、光を放出し、これが、面０４０３で屈折され、面０４０４で反射され、面０４０３で再び全反射され、面０４０５で屈折され、また最後に目０４０２に到達する。
【０１１４】
図４では、各目が、左右の２つのチャンネルを有するが、各チャンネルが、上下の２つの小型レンズを用いる。この構成は、光学面、特には放射面（exit surface）０４０５の過剰なカーブを抑制し、過剰なカーブの結果としての色収差を回避するために用いられ得る。面０４０３，０４０４，０４０５のいずれか又は全てを２つの小型レンズに分割することにより、面の曲率が低減され、色収差が軽減される。
【０１１５】
この種類の設計（図３及び４）は、デジタル・ディスプレイに表示されるイメージを時分割多重することにより、仮想スクリーン上のアイピクセルの解像度を高めるための修正（modification）を許す。小型レンズそれぞれを通じて到来する光線を交互に遮断する幾つかのシャッターのおかげでこの多重化が可能である。この実施形態は、シャッターとして作動する高速強誘電性光液晶（ＦＬＣＤ（fast ferroelectric light crystal display））を用い得る。ＦＬＣＤは、応用場（applied field）により光軸が再配向可能である古典物理の半波長板（half-wave plate）として作動する。ＦＬＣＤの利点は、その解像度が高く、またスイッチング時間（100μｓ未満）が非常に短いことである。ネルソンの文献US 4,924,215では、これらのＦＬＣＤがシャッターとしても用いられている。Shilov 2010によれば、東芝のアクティブシャッターステレオ３Ｄグラスが０．１ｍｓ（開から閉／減衰（decay））と１．８ｍｓの（閉から開／上昇(rise)）応答速度を有し、多くの代替の解決方法が、それぞれ、０．３ｍｓと３．７ｍｓの速度、ましてや２ｍｓの「典型的な」応答時間である。
【０１１６】
この新しい実施形態が図５に提示される。これは、また、２つの小型レンズの例であり、デジタル・ディスプレイ０５０１が左側に示される。図４の設計とは異なり、デジタル・ディスプレイ０５０１の全体が、上部及び下部小型レンズそれぞれの物体（object）である。一時に単一のクラスターがあり、これは、この場合、デジタル・ディスプレイの全体を占める。
【０１１７】
図５に示されるように、デジタル・ディスプレイは、上部小型レンズのために端部光線（extreme ray）０５０４及び０５０５を放射し、これが、上部シャッター０５０２が開かれている時のみ、目が受光する。この状況において、下部シャッター０５０３が閉じられる；従って、目は、上部小型レンズからの光のみを受光する。上部シャッター０５０２が閉じられ、下部シャッター０５０３が開かれる時、目は、レンズの下部小型レンズを通過した情報のみを受け取る。この実施形態においては、２サブフレーム・スロットに対応する２チャンネルと単チャンネル当たりの単一の小型レンズがある。各小型レンズは、デジタル・ディスプレイ０５０１を仮想スクリーンの異なる領域上に映し、上部小型レンズが仮想スクリーンの上半分を送り、他方、下部小型レンズが仮想スクリーンの下半分を送る。厳密に言えば、２つのサブイメージが重畳する。なぜなら、本明細書で開示の大半のマルチ小型レンズ設計において一般的であるように、それらは、目が瞳孔範囲内で動くことを許容しなければならないためである。２つのサブイメージがあり、これが一緒に仮想スクリーンを完全に占める。
【０１１８】
フレームの第１サブフレーム・スロットの間に上部サブイメージに対応の情報のみが示され、他方、第２（最後の）サブフレーム・スロットが下部サブイメージの情報を示す。これらの２つのサブフレーム・スロットの間の推移が十分に早く行われるならば、目は、両方の小型レンズから到来する全体的に敷設（タイル置き）された（global tiled）又は重畳したイメージを感受し、つまり、垂直方向において当初に有していたもののほぼ２倍に達する仮想スクリーンの合計を感受する。これは、スクリーンの蛍光体の持続性と我々の網膜の持続性の組み合わせは、電子ビームがＣＲＴスクリーンにラスタースキャンされる時に単一のスキャニング点（一時に一点のみが引かれる）から安定したイメージの幻影を生成する古典物理の陰極線管で生じるものと同一の「視覚の存続（persistence of vision）」効果を使用する。
【０１１９】
ここで図６Ａ，６Ｂ及び６Ｃ（総じて図６）を参照すると、図６Ａは、標準の１６：９のデジタル・ディスプレイを単眼当たり用いる仮想スクリーン０６０１を提示する。デジタル・ディスプレイが水平位置（つまり、その最長寸法が床面に平行である）に置かれ、ディスプレイの上部及び下部仮想イメージ０６０２，０６０３が重畳するようにレンズが設けられ、図５の実施形態が、約１：１のアスペクト比（垂直及び水平視野が同様）の仮想スクリーンを生成する。垂直視野がどのように２倍になるかの説明は、この設計の仮想スクリーン０６０１を提示する図６Ａに見ることができる。点線矩形０６０２が、上部チャンネルにより生成された仮想スクリーンの上部サブイメージを表し、他方、破線矩形０６０３が、下部チャンネルにより生成された仮想スクリーンの下部サブイメージを表す。上述のように、両方のサブイメージの追加が、より大きい正方形のイメージ全体を生成する。サブイメージが、図６に示されるように、中央領域において重畳し得る。
【０１２０】
代替構成が、上記した単眼当たりのデジタル・ディスプレイの代わりに、このサイズに限定されるものではないが、両方の目について約１４５ｍｍ（５．７インチ）対角の単一の標準の１６：９のデジタル・ディスプレイを用いる。この場合、ＲＸＩが９０°回転されて水平位置に置かれ、シャッターの２つの半分が左右に配列される。この代替構成は、水平に延びた視野につながり、水平方向により大きい視野を持つ。
【０１２１】
図６Ｂは、水平位置のＲＸＩを用いて１６：９のアスペクト比を持つ仮想スクリーン０６０４の生成を示す。物理スクリーン０３０８が正方形である。点線正方形０６０５が、左チャンネルにより生成された仮想スクリーンの左サブイメージを表し、他方、破線正方形０６０６が、右チャンネルにより生成された仮想スクリーンの右サブイメージを表し、より大きい矩形形状の視野全体に帰結する。図６Ｂの実施形態の場合、チャンネルあたりに２つの小型レンズがある。
【０１２２】
時分割多重の背景にあるアイデアは、フレーム期間内の幾つかの連続の部分においてイメージを表すことによりアイピクセルの数を増加し、また、これらの任意の部分イメージについて利用可能な全てのオピクセルを用いることである。明らかに、そのような戦略が達成されるかは、ＯＬＥＤといった早いスイッチング速度を有するデジタル・ディスプレイ、透過又は反射ＦＬＣ、又はＤＭＤデジタル・ディスプレイの利用可能性に依存する。図５においては、イメージが２つの部分に分割され、各部分が、半分のフレーム期間に目に提示された。ここで、我々は、イメージがτ2サブイメージに分割され、フレーム期間が、それぞれにおいてサブフレームが目に提示されるサブフレーム・スロットに対応するτ2（τ2は、１よりも大きい整数である）に分割されるアーキテクチャーを開示する。サブフレーム・スロットにおいて作動する光学系（optics）の部分がチャンネルと呼ばれる。サブフレーム・スロット及びサブイメージと同数のチャンネル、つまり、τ2チャンネルがある。本明細書に開示のアーキテクチャーの２つのものにおいては、異なるサブイメージのそれぞれが、視野上で規則的に離間した正方形又は六角形のイメージ島部のセットにより形成される。これらのサブイメージの全ての集合（union）が全体のイメージであり、これは、我々の網膜の持続性のおかげで目に見えるものである。全てのサブフレーム・スロットの集合（union）がフレーム表示時間（又はフレーム期間）である。より詳細には、デジタル・ディスプレイは、被写体ぶれ（モーションブラー（motion blur））を低減するためにサブフレーム・スロットの間でブラック（black）にセットされ得る。その場合、我々は、サブフレーム・スロットの集合が全体のフレーム期間になるように、このブラックアウト時間（black out time）が、幾つかのサブフレーム・スロットに属するものと想定する。
【０１２３】
図６Ｃは、デジタル・ディスプレイの物理スクリーンとおおよそ同一形状である仮想スクリーン０６０７を形成するように２つずつのアレイにて重畳する４つのチャンネル０６０８，０６０９，０６１０，０６１１の例を示す。簡潔さの利益のため、図６Ｃは、四角ばったスクリーンに描かれているが、もちろん、任意の所望のアスペクト比を持ち得る。
【０１２４】
図７及び８は、４つ型の構成を示し、ここでは、τ2＝４を持ちＴＤＭが適用される。図７は、装置の対角の２Ｄ断面を示し、デジタル・ディスプレイ０７０１の対角プロファイルも併せて示す。シャッターにより光線がどのように交互に（alternatively）阻止されるのかの説明が類似する。明らかに、この場合、我々は、２つではなく４つのシャッター（チャンネル当たりに一つ）を有する。図７は、図における２つのシャッター０７０２，０７０３の対角断面と、上部小型レンズの端部光線０７０４，０７０５を示す。ここで図示のシャッターは、全て共面に配置され、図５に図示の傾斜シャッター０５０２，０５０３よりも実施が簡単である。図８は、４つのチャンネル０８０２を示す図７の４つ型構成０８０１の前面図である。図７及び８に図示の４つ型設計（4-fold design）は、両目について約５”〜６”（１２５〜１５０ｍｍ）対角（図６Ｃの０６０７）を有する単一の１６：９デジタル・ディスプレイで動作するのに適合可能でもあるが、それに限定されない。従って、レンズの上部左小型レンズが仮想スクリーンの上部左セクションを生成し、上部右小型レンズが仮想スクリーンの上部右セクションを生成する等である。これが図６Ｃにより表され、そこでは、２つの点線正方形０６０８及び０６０９が上部左及び下部右小型レンズにより生成された仮想スクリーンのセクションを表し、他方、破線正方形０６１０及び０６１１が上部右及び下部左小型レンズにより生成された仮想スクリーンのセクションを表し、より大きい約１：１、つまり、水平及び垂直視野が同様のアスペクト比の全視野に帰結する。
【０１２５】
図５における２つ型のレンズは、共面のシャッターも許容するため、僅かに修正可能である。この場合の垂直断面が図７によっても表され得る。２つの共面（coplanar）シャッターが、これらそれぞれ一つが開いたシャッターのエリアを有する２つのピクセルを有する単一のＬＣＤから構成され得る。このような２つ型システムでは、一つのシャッターが開き、他方の一つが閉じられ、シャッターシステムがただ２つの状態を持ち、単一の液晶ピクセルで製造可能である。これは、Rolic Technologies Ltd., in Gewerbestrasse 18, 4123 Allschwil, Switzerland (http://www.rolic.com/products/display/rolicr-lcmo-optical-films/rolicr-lcmo-lx/)により製造されるものといった異方性フィルムを用いて実施可能である。これらのフィルムは、フィルムの異なるゾーンについて異なるリターデイション（retardation）、例えば、両方のシャッターが同一の偏光の到来光で照射される時、２つのシャッターから放出する光の偏光がお互いに直交するように、シャッターの個別について異なるリターデイションで製造可能である。通常のＬＣＤの２つの偏光子の間でこのようなフィルムを用いることにより、単一ピクセルのＬＣＤディスプレイが達成でき、液晶の２つの状態（有又は無電界）がシャッターシステムの２つの状態（２つのシャッターが反対に開かれ又は閉じられる）に対応する。これは、装置の設計を簡素化する。なぜなら、（各シャッターが独自の電極を有するならば要求される）分離仕切り（separation corridor）が２つのシャッターの間に要求されないためであり、ただ一つの駆動信号がＬＣＤシャッター層に要求され、２つのシャッターチャンネルが非同期になるリスクがない。しかしながら、シャッターを用いてデジタル・ディスプレイをオフにすることができない。なぜなら、２つのシャッター両方が閉じられた状態がないためである。上述したように、フレーム期間の幾つかの時点でデジタル・ディスプレイ全体をオフにすることは、特に、サブフレーム間で変化する時、モーションブラーを低減するのに有効であり得る。
【０１２６】
小型レンズを開くことの制御がシャッター抜きでも為し得る。代替のオプションが、Fattal 2013, US 9201270 B2 to Fattal et al., and Wetzstein 2012.に記述のように指向性バックライトの使用である。修正不可能である相対的に大きい角度の広がりでバックライトから光が放射する従来のバックライトとは異なり、指向性バックライトでは、バックライトから放射する光の方向が制御可能であり、時間及び空間の関数として変更可能である。これは、例えば、各サブフレームの間、指向性バックライトがそのサブフレームに対応する小型レンズの入射面（entrance）に向けてのみ光を放射することを許容する。指向性バックライトは、また、シャッターと一緒に用いられ、光学クロストークが低減され、また指向性バックライトの設計要求が緩和され得る。
【０１２７】
光学系の量を低減するため、ＰＣＴ１に開示された戦略も適用し、サブイメージの個別を異なるクラスターに分離できる。これは、図４において既に為されており、チャンネル当たりに２つの小型レンズ（サブイメージ当たりに２つのクラスター）が用いられ、この場合、面０４０５の過度な凸状カーブを阻止する目的のためである。このイメージ分割戦略と時分割多重（ＴＤＭ）の組み合わせは、幾つかのコンセプトが定義されることを必要とする。これは、上記に設けた定義リストにおいて為されている。光学系がチャンネルのアレイから成る一般的な場合を検討すれば、これらのそれぞれが、幾つかの小型レンズを含む（これらの小型レンズは、屈折素子から成る必要はない）。各小型レンズが仮想スクリーンにおいてそのクラスターのイメージを形成する。このイメージは、そのチャンネルが開かれている時、サブフレーム・スロットの間のみに目に送られる。同一のチャンネルのクラスターのイメージの集合がサブイメージと呼ばれる。非時分割多重のディスプレイ装置においては、各小型レンズについて一つのクラスターがあり、どのオピクセルも一つ及びただ一つのクラスターに属する。ＴＤＭの場合、もしクラスターが異なるサブフレーム・スロットに対応するならば、一つのオピクセルが幾つかのクラスターに属し得る。ここで思い出されたいことは、クラスターが、ある小型レンズを通じて瞳孔範囲を照明（illuminates）するオピクセルのグループであることである。このオピクセルのグループが、それらに対応する小型レンズを通じて仮想スクリーンに映される。サブフレーム・スロットの間、各オピクセルは、たった一つの単一の開いたクラスターに属することができ、全ての開いたクラスターのセットがデジタル・ディスプレイを形成する。誤った小型レンズを通じて、つまり、開いたチャンネル以外に属する小型レンズを通じて、デジタル・ディスプレイから放出される光を回避するためにシャッターが用いられる。従って、サブフレーム・スロット内で、一つの開いたチャンネルがあり、その小型レンズら（対応のクラスターを有する）も同じく明らかに開いている。残部のチャンネルが閉じられる。どの小型レンズも一つの及びただ一つのチャンネルに属し、一般的には、フレーム期間の一つよりも多いサブフレーム・スロットで開くチャンネルがない。開いたクラスターが各サブフレーム・スロットについて異なるものの、全ての開いたクラスターのセットが、常に、デジタル・ディスプレイの全体に一致する。
【０１２８】
ＴＤＭ適用の目的は、（幾つかのＯＬＥＤディスプレイのような）高速なデジタル・ディスプレイのフレームレートと長い目の持続性を活用して、利用可能なアイピクセルの数を増加することである。τ2サブフレーム・スロットの一つの間、及び、オピクセルの全体で生成されるサブイメージを示す期間の間、各チャンネルが開かれる。次に、デジタル・ディスプレイにおいて利用可能なオピクセルの数のτ2倍を用いて、τ2連続サブフレーム・スロットにおいてイメージ全体が示される。これは、アイピクセルの数が、オピクセルの数のτ2倍により上限付けられることを意味する。上限は、小型レンズアレイに内在するイメージの重畳のため、つまり、一つのアイピクセルが一つよりも多いオピクセルから形成され得るため、また、図６に示されるように、サブイメージが、視認可能な継ぎ目（seam）のリスクを避けるために意図的に重畳されるため、一般的に到達されない。
【０１２９】
時分割多重により取得されるアイピクセルの増加は、視野、瞳孔範囲、解像度、又はこれら３つの任意の組み合わせを大きくするために用いられ得る。例えば、解像度（単位当たりのアイピクセルの数）が、より長い焦点距離の小型レンズ設計を用いることにより高められる（τ倍以上まで）。
【０１３０】
本明細書で記述される時分割多重のコンセプトは、ライト・フィールド・ディスプレイ（ＬＦＤ（Light Field Displays））にも適用可能であり、僅かな違いは、イメージ処理を実施するためのオピクセルからアイピクセルへのマッピングである。ＬＦＤは、Huang et al (“Huang 2015”)による従来のステレオスコープに既に適用されている。
【０１３１】
τ2＝４の別例を用いてＴＤＭコンセプトについて更に説明する（後ほど、我々は、τ2＝２及びτ2＝３の場合について説明する)）。図９に図示の構成では、我々は、τ2＝４に分類される小型レンズアレイ・光学系０９０２を用いる。図９の左側は、その前方に配置された小型レンズアレイ・光学系０９０２を有するデジタル・ディスプレイ０９０１を示す。シャッターアレイ０９１０が図示され、開口したシャッター０９１１と閉じたシャッター０９１２を有する。ヒトの目が０９０３である。ＦＬＣＤシャッターが、図９に示されるように、小型レンズアレイと目の間、又は、デジタル・ディスプレイと小型レンズアレイの間に配置され得る。小型レンズアレイ０９０２の中央部の１６個の小型レンズ０９０４のグループがハイライトされている。これに対応する１６個のオピクセルクラスター０９０９が図９の右側上に詳細に拡大されて示される。各クラスターは、多数のオピクセルを含み、これは特にここでは関係しない。図９の右側のクラスターが異なるパターンで陰影付けられ、各クラスターが属するチャンネルを示す：０９０５−白色矩形，０９０６−水平ストライプ矩形、０９０７−垂直ストライプ矩形、及び０９０８−点（dashed）矩形。
【０１３２】
ＰＣＴ１のセクション６．１、パラグラフ[0158]-[0166]に記述の４つの小型レンズの導入例に類似して、我々は、本明細書において、より大きい小型レンズアレイの均等例を記述し、その１６個の中央の小型レンズは、我々が分析するものである。我々は、図１０Ａにおいて、非時分割多重の場合（先行技術）の記述を始める。図１０Ａ（下部右）は、そのオピクセル・クラスターに分割されたデジタル・ディスプレイ１０１４を示す。小型レンズアレイ・光学系が仮想スクリーン１０１５（ここでは簡潔さのために矩形輪郭の平坦に示されている）上にアイピクセル・イメージ（図１０Ａ下部左に示される）を形成する。各オピクセルが単一のクラスターに属する。任意の２つのクラスターの交差部（intersection）が空のセットであり、全クラスターの集合がデジタル・ディスプレイ全体である。
【０１３３】
図１０Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥにおいて、我々は、１６個の類似の小型レンズがどのようにＴＤＭと作動するのかを示す。図１０Ｂ〜１０Ｅそれぞれの左欄がアイピクセル・イメージを示し、右欄は、オピクセル・デジタル・ディスプレイ１０１４を示し、開いた（open）クラスター分割が特定のサブフレーム・スロットに対応する。４列（Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥ）は、４つのサブフレーム・スロットを表す。右欄の開いたクラスターが、破線により囲まれる。
【０１３４】
図１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ及び１０Ｅの右欄は、１６個の中央小型レンズの輪郭も示す。既に述べたように、τ2＝４のため、我々は、小型レンズを４つのチャンネル１００９，１０１０，１０１１及び１０１２にグループ化する。開いたクラスターが、あるシフトを有するイメージの部分を表す（図１０Ａの仮想スクリーン１０１５におけるもの参照）。イメージの幾つかの部分が一つよりも多くのクラスターで表示されるようなシフトである。非時分割多重の場合の２次元の概略図が図１０Ａの上部に加えられている。図１０Ａの上部が、配置の列の一つの水平断面の下面図を表す。関連の光線も示され、オピクセルとアイピクセルの間のマッピングのエッジ（edges）も規定する。この図面においては、アイピクセルを有する仮想スクリーンが無限に置かれ、仮想スクリーン上のアイピクセルの位置を示すものが光線１００１ａ，１００２ａ，１００３ａ，１００４ａ，１００５ａ，１００６ａ，１００７ａ，及び１００８ａの方向である。図面が簡潔さのために２次元であるが、図１０Ａの左側のイメージを投射する実際のアレイの中央部分が３次元であり、４×４アレイにおいて１６個の小型レンズを含み、単一の小型レンズアレイ列の中央部に対応する図１０Ａの上部に示される４つの小型レンズのみではない。この図１０Ａ上部の２次元のスキームは、オピクセルとアイピクセルの間のマッピングの水平座標（horizontal coordinates）を説明するために用いられる。類似の理由が垂直座標に当てはまる。図１０Ａ上部における光線１００１ａ〜１００８ａにより規定される方向が、仮想スクリーン上のドットにより表され得るピクセルに対応する。それにもかかわらず、図１０Ａ上部が断面であるため、図１０Ａ左におけるどの線１００１ａ，１００２ａ，１００３ａ，１００４ａ，１００５ａ，１００６ａ，１００７ａ，及び１００８ａも、図１０Ａ上部において同一の光線軌道（ray trajectory）で投射するように表される光線方向のセットを表す。図１０Ａ右における線１００１ｂ，１００２ｂ，１００３ｂ，１００４ｂ，１００５ｂ，１００６ｂ，１００７ｂ，及び１００８ｂは、それらに対応の小型レンズにより仮想スクリーン（図１０Ａ左）の線１００１ａ，１００２ａ，１００３ａ，１００４ａ，１００５ａ，１００６ａ，１００７ａ，及び１００８ａに映されるオピクセルである。図１０Ａ右でクラスターがその対応の小型レンズの番号でラベル付けされる。これらの小型レンズ（１００９及び１０１０）の幾つかが図１０Ａ上部に示される。図１０Ａ右におけるクラスターの輪郭が、この特定の場合の小型レンズの投射に一致する。
【０１３５】
図１０Ｂは、時分割多重の場合の第１のサブフレーム・スロットを示す。時分割多重の場合の２次元の概略図が図１０Ｂの上部に加えられている。図１０Ｂ上部は、この新しい時分割多重配置の一つの列の水平断面の上面図（top view of a horizontal cross-section）を表す。図１０Ａ上部と比較すると、シャッターアレイ１０２０が、目と小型レンズの間に加えられる。シャッターは、代替的に、デジタル・ディスプレイと小型レンズアレイの間に配置可能である。先と同様、アイピクセルを有する仮想スクリーンが図１０Ｂ上部において無限に置かれる。光線１００１ａ，１００３ａ，１００４及び１００７ａの方向が、仮想スクリーン上のアイピクセルの位置を示す。繰り返すが、図面が簡潔さのために２次元であるが、左側のイメージを投射する実際のアレイの中央部分が３次元であり、１６個の小型レンズを含み、単一の小型レンズアレイ列の中央部に対応する図１０Ｂの上部に示される４つの小型レンズのみではない。この図１０Ｂ上部の２次元のスキームは、時分割多重の場合の第１のサブフレーム・スロットの開いたクラスターについてオピクセルとアイピクセルの間の新たなマッピングの水平座標（horizontal coordinates）を説明することに役立つ。図１０Ｂは、オピクセルとアイピクセルの間の新たなマッピングのエッジを規定する関連の光線を示す。類似の理由が垂直座標に当てはまる。
【０１３６】
特には、開いたクラスター１００９ａのマッピングがハイライトされる。チャンネル１００９（図１０Ｂ右）は、第１のサブフレーム・スロット（図１０Ｂ）の間に開く。クラスター１００９ａ（図１０Ｂ右）は、このチャンネルに属する。このクラスターは、瞳孔範囲１０１３（図１０Ｂ上）のエッジに到達するエッジ光線１００４ａ及び１００７ａにより囲まれるイメージ１０１６（図１０Ｂ左）の部分を生成する。イメージ１０１６のこの部分が、仮想スクリーン１０１５（図１０Ｂ左）における縦線１００４ａ及び１００７ａにより囲まれる。
【０１３７】
図１０Ｂに図示されたこの特定の例において、小型レンズ１００９がエッジ光線１００４ａ及び１００７ａをデジタル・ディスプレイ１０１４（図１０Ｂ右）上の１００４ｂ’及び１００７ｂ’にマッピングする。図１０Ｂ右における実線が、小型レンズの輪郭の投射である。１６個の小型レンズがあり、それぞれがチャンネル番号（１００９，１０１０，１０１１及び１０１２）によりラベル付けされる。４つの小型レンズ断面が図１０Ｂ上部に見られる。同一チャンネルの小型レンズが、デジタル・ディスプレイ全体（complete digital display）を、仮想スクリーンの異なる非接続（non-connected）の部分にマッピングし、すなわち、サブフレーム・スロットの間、開いたクラスターが重畳せず、全ての開いたクラスターの集合がデジタル・ディスプレイ全体に等しい。なぜなら、図１０Ｂ上部において１００９とラベル付けされた２つの小型レンズが、仮想スクリーンの２つの異なる光線方向のセット：１００３ａ及び１００４ａにオピクセル１００４ｂ’をマッピングするためである。このサブフレーム・スロットにおける仮想スクリーンの他の部分が、同一のチャンネル１００９に属する開いたクラスターにより表される。
【０１３８】
図面から明らかなように、１００９ａといった時分割多重の場合（図１０Ｂ）のクラスターは、そのサイズが単一の小型レンズ１００９のものと同様であり、それが示す部分イメージがＴＤＭ及び非ＴＤＭについて同一のサイズを有する非時分割多重の場合（図１０Ａ）のものよりも４倍大きい。これは、時間の１／４で表示可能であるだけであるが、ＴＤＭの場合において４倍を超えるオピクセルがあることを意味する。
【０１３９】
類似の理由が、後続のサブフレーム・スロットにも当てはまる。図１０Ｃは、第２のサブフレーム・スロットを示す。ここでは、チャンネル１０１０（図１０Ｃ右）が開いている。開いたクラスター１０１０ａがイメージ１０１７の一部を生成し、一方でこの第２のサブフレーム・スロットで表示されるイメージの他の部分が同一チャンネルのクラスターにより表される。第３のサブフレーム・スロットが図１０Ｄに表される。ここで、開いたチャンネルが１０１１としてラベル付けされる（図１０Ｄ右）。イメージ１０１８の部分が開いたクラスター１０１１ａにより表される。図１０Ｅは、第４のサブフレーム・スロットを表す。クラスター１０１２ａが、仮想スクリーン上のイメージ１０１９の一部を表す（図１０Ｅ左）。
【０１４０】
図１０は、小型レンズアレイを用いた時分割多重スキームに存在する２種類の重畳も示す：１）異なるサブフレーム・スロットのクラスターが交差（intersect）すること。任意のオピクセルがτ2の異なるクラスターに属し、例えば、デジタル・ディスプレイの中央におけるものが４つのクラスター１００９ａ，１０１０ａ，１０１１ａ及び１０１２ａに属する。このクラスターの重畳は、時分割多重の特徴であり、アイピクセルの数がオピクセルの数のτ2倍にまで増加可能であることの結果を持つ。２）隣接のクラスターのサブイメージ（例えば、サブイメージ１０１６，１０１７，１０１８及び２６１９）も重畳し、すなわち、１つよりも多い小型レンズを通じて見られるアイピクセルがある。このサブイメージの重畳は、小型レンズアレイの特徴であり、その結果として、図１０Ａ下部の非時分割多重の場合にも見られる。この重畳は、アイピクセルの数がオピクセルの数のτ2倍よりも通常は少ないという結果を有し、従って、このサブイメージ重畳（これは、光学系の量を減じるために必要である）は、ＴＤＭにより提供される解像度の向上に競合する。このサブイメージ重畳は、ＰＣＴ１のセクション６．２におけるアイピクセルに関連のウェブのコンセプトにつながる。ＰＣＴ１によれば、ウェブが、同一のアイピクセルにマッピングされるオピクセルのセットである。ＴＤＭについては、この定義が修正されなければならない：ウェブは、同一のサブフレーム・スロットの間に同一のアイピクセルにマッピングされるオピクセルのセットである。
【０１４１】
同一のチャンネルの開いた小型レンズが十分にお互いに隔離される時、開いたクラスターが情報を共有せず、結果として、ウェブは、先行例において単一のオピクセルにより形成される。これは、図１０の場合である。それにもかかわらず、先に述べたように、異なるサブフレーム・スロットで開いたクラスターが情報を共有する。しかしながら、デジタル・ディスプレイの境界近く又はクラスターの中央のオピクセルは、アイピクセルと１対１の対応を有する。
【０１４２】
一つの望ましい設計条件は、全ての開いたクラスターの集合がデジタル・ディスプレイ全体に等しいことである。全ての開いたクラスターがサイズにおいて等しいならば、これらの全ての集合の輪郭が一つのサブフレーム・スロットから別のものにシフトし、通常、この条件を遂行することが不可能になる。なぜなら、デジタル・ディスプレイの輪郭が変化するためである。その理由のため、デジタル・ディスプレイの境界近くの幾つかのクラスターが残余のクラスターよりも大きく規定され得、全ての開いたクラスターの集合の輪郭が任意のサブフレーム・スロットでのデジタル・ディスプレイの輪郭に一致する。これらの大きいクラスターは、より大きいサブイメージを割り当て、全体のデジタル・ディスプレイ上でオピクセルに対するアイピクセルの比率を一定に維持する。
【０１４３】
全てのサブフレーム・スロットの間でデジタル・ディスプレイ全体を用いるためのクラスターとサブイメージの可能な配置が図１１に示される。図１０のように、左欄が仮想スクリーン１１０１上のサブイメージを示し、右欄がデジタル・ディスプレイ１１１１上のクラスター（太い破線で囲まれる）を示す。４つのチャンネル（同じく、４つのサブフレーム・スロット）と単チャンネル当たり９つの小型レンズ（合計６×６＝３６つの小型レンズ）がある。小型レンズ当たりに１つのサブイメージがある。図１１の欄が４つのサブフレーム・スロットに対応する。図１１Ａ（第１のサブフレーム・スロット）が、幾つかの特定のクラスターをラベル付けする：最小クラスター１１１２，最大クラスター１１１４，及び中央クラスター１１１３。中央クラスター１１１３がたった一つの正規（regular）クラスターである。他の２つのクラスターが、デジタル・ディスプレイのそれらの状況（situation）に適合したサイズを有する。そのサブフレーム・スロットの間での開いた小型レンズ出口輪郭（exit contours）が、１１２３といった薄い破線内に描かれたものであり、これは、サブイメージ１１０３にクラスター１１１３を映す小型レンズである。これらの開いた小型レンズは、図１１Ｂ，Ｃ，及びＤではハイライトされていない。図１１に与えられた例では、サブイメージの重畳がなく、説明の簡潔さのため、左欄に示されたサブイメージの集合が仮想スクリーン上のイメージ全体を形成し、これらのサブイメージの間に交差部（intersection）がない。各サブイメージのサイズは、そのクラスターのサイズに比例する。左欄における破線が、正規サブイメージが持つサイズを表す。これらは、非正規のものと比較のために描かれている。４つ中央クラスター１１１３，１１１５，１１１６，及び１１１７のみが正規サイズのサブイメージ１１０３，１１０５，１１０６及び１１０７を有する。
【０１４４】
より多くの小型レンズを有する実施形態は、中央部により正規のクラスターを持ち、デジタル・ディスプレイのエッジ又は仮想スクリーンのエッジに通常たった２列の非正規クラスター及びサブイメージを持つ。非正規列数は、チャンネル数と変化する。
【０１４５】
図１２は、全てのサブイメージが結合した仮想スクリーンの前面図である。薄い実線がサブイメージの境界を表す。４つの正規サブイメージが、１２０３，１２０５，１２０６及び１２０７とラベル付けされている。
【０１４６】
我々が４チャンネルの実施形態に適用してきた同一のコンセプトが他のチャンネル数にも拡張可能である。例えば、図１３は、３チャンネルの例を示す(τ2＝３)。六角形配置（hexagonal arrangement）の小型レンズアレイ光学系１３０５が、図１３の左側に示される。このアレイは、デジタル・ディスプレイ１３０４とシャッター（図１３では不図示）の前に置かれる。図１３右は、クラスター配置を有するデジタル・ディスプレイ（太い破線）と小型レンズの出口開口（exit apertures）の輪郭（薄い実線）の前面図を示す。小型レンズアレイが３チャンネルに分割される：水平ストライプの六角形小型レンズ１３０６、垂直ストライプの六角形小型レンズ１３０７，及び白色六角形小型レンズ１３０８。図１３右は、小型レンズグループ１３０８（白色六角形）に対応する開いたクラスター１３０９も示す。図１４は、２チャンネルを有する例を示す(τ2＝２)。一つのチャンネルの小型レンズが水平ストライプ１４０１を有する矩形であり、他方のチャンネルが白色矩形１４０２である。図１４は、チャンネル１４０２（白色矩形）に対応する開いたクラスター１４０３も示す。図１４のものと同一のデジタル・ディスプレイと同一の仮想スクリーンを有する非ＴＤＭ実施形態においては、クラスターは、小型レンズ開口（apertures）と同様のサイズを持ち、小型レンズの焦点距離が、ＴＤＭ実施形態のものよりも小さいτ因数（この実施形態ではτ2＝√２）になる。
【０１４７】
ＰＣＴ１（セクション６．２及び６．９）で導入及び発展した概念のアイピクセルのインターレース（interlacing）により、小型レンズのサイズが瞳よりも小さい時にサブイメージの重畳の冗長さが低減される。このインターレース（interlacing）の概念は、小型レンズをセットにグループ化することに存在し、各セットが、他のセットとインターレースされたイメージを目に投射し、デジタル・ディスプレイのオピクセルの放射エリア（emitting area）が、通常、オピクセルエリアの全体のたった一部（fraction）であるという事実の利益を得る。インターレースされたイメージの例が図２の４つのイメージであり、イメージ０２０１，０２０２，０２０３及び０２０４の非黒色正方形のそれぞれ上に単一のアイピクセルがあることを前提とする。次に、イメージがインターレースされているため、これらは、冗長ではない。もしインターレースのセット数がｋ2であり、ここで、ｋ2＞１が整数である（ｋ2＝１は、インターレースが行われていないことを示す）ならば、ＰＣＴ１に記述されたインターレースされたシステム（interlaced systems）は、ｋ2＞１及びτ2＝１を持つ（すなわち、時分割多重無し）。他方、ここまでに本明細書に記述された時分割多重スキームは、ｋ2＝１及びτ2＞１を持つ。しかしながら、本明細書及びＰＣＴ１に記述された設計規則に従い、両方のコンセプトが、ｋ2＞１及びτ2＞１で、すなわち、アイピクセルのインターレースと時分割多重を同時に用いて結合可能であり、視野、瞳孔範囲、解像度又はこれら３つの任意の組み合わせを更に増加する。インターレースのセットが、ＴＤＭチャンネルと一致し得るが、これは必須条件ではない。
【０１４８】
時分割多重は、デジタル・ディスプレイとしてデジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ（Digital Micromirror Device））でも達成可能である。この場合、照射する小型レンズセクションの選択が、シャッターを用いることの代わりに、ＤＭＤ照明器（DMD illuminators）の適切な設計で為し得る。この代替に関して、単チャンネル当たりに一つの照明器セットがある。この照明器セットは、ＤＭＤが対応のチャンネルに対応するイメージの部分を示す時にのみオンである。照明器セットは、ＬＥＤに加えて集光器で実現可能であり、ある視準（collimation）で均一にＤＭＤを照明し、ＤＭＤピクセルが狭角度の光線（angularly narrow pencil of rays）により照明される。これらの光線の方向は、その２つの状態の一つにおいてＤＭＤにより反射されるや、光が対応のチャンネルのみに到達するように設定される。この照明スイッチングスキームは、既に述べた指向性バックライトユニットとしての指向性フロントライトユニットの適切な設計により、ＬＣＯＳデジタル・ディスプレイにも適用可能である。
【０１４９】
本明細書の全ての実施形態のための設計手順が次のステップを用いて実行され得る。
【０１５０】
１）チャンネルの数を選択する。この数の選択は、用いられる時のディスプレイのスイッチング時間（switching time）、及びシャッターのものに依存する。現在において商業的に利用可能な装置では、一般的に、ディスプレイのスイッチング時間がより制限的である。ディスプレイの最大フレームレートの逆数が最小サブフレーム・スロット時間を与える。チャンネル数×最小サブフレーム・スロット時間が、仮想イメージについて最小表示時間を与える。例えば、２チャンネルでの１８０ｆｐｓの表示フレームレートが、仮想イメージの表示について９０ｆｐｓレートを与える。
【０１５１】
２）サブイメージ構造を選択する。サブイメージのサイズ及び概位の場所がこのステップで選択される。図６は、２つのサブイメージの幾つかの例を与える。図９，１０及び１１に対応の例は、正方形マトリクス構造における４つのサブイメージのためのものである。図１３（破線）は、六角形マトリクス構造における３つのサブイメージを示し、また図１４は、正方形マトリクス構造において２つのサブイメージを示す。図１５は、２チャンネル構成を示す。この場合、中央チャンネルと、中央チャンネルを囲む第２チャンネルがある。レンズ１５００は、第１チャンネルのための中央小型レンズ１５０３を有する。第２チャンネルが、中央小型レンズ１５０３の両側の２つの小型レンズ１５０４により形成される。光学系１５００は、目１５０２とデジタル・ディスプレイ１５０１の間にある。クラスターが、同一のチャンネルの小型レンズでデジタル・ディスプレイを共有する。中央小型レンズ１５０３を用いる第１チャンネルが、デジタル・ディスプレイ１５０１の全体を占める単一のクラスターを有する。外側小型レンズ１５０４を用いる第２チャンネルが２つのクラスター、各小型レンズのために一つのクラスターを有し、これが、破線１５０５に沿ってデジタル・ディスプレイを分割する。
【０１５２】
図１６は、図１５のレンズ１５００に類似のレンズ１６００の水平断面図を示す。中央チャンネル１６０３における幾つかの例示の光線が、破線で図１６の下部半分に描かれる。第２チャンネルの幾つかの例示の光線が図１６の上部半分に実線で描かれる。図面は、目１６０２中心とデジタル・ディスプレイ１６０１の中心を結ぶ線に関して対称である。そのために、上部及び下部半分における光線も対称である。上述の対称性のため、デジタル・ディスプレイ１６０１の中心が、第２チャンネルの２つのクラスターを分離する。特に関心のあるものは、デジタル・ディスプレイ１６０１の中心から到来して瞳孔範囲１６０６の一つのエッジに到達する光線１６０７であり、これは、ＰＣＴ１に説明されるようにクロストークを回避するために必要な設計条件である。
【０１５３】
３）光学設計。光学設計は、ＰＣＴ１のセクション６（特には、６．２〜６．７）に即して為され得る。違いは、リアルイメージディスプレイ（real image display）上のオピクセルのその対応のクラスターが連続するとしても、同一チャンネルの小型レンズが離間され得ることのみである。これは、２つのクラスター１６０８が連続する図１６の２つの隔離された小型レンズ１６０４の場合である。
【０１５４】
４）シャッター設計。シャッターが用いられる時、これらはチャンネルの光線の光路に沿うどこかに配置されなければならず、各シャッターがその個別のチャンネルの全ての光線を阻止し、他のチャンネルの光線を阻止しない。アライメント及び製造公差を最大化するため、異なるチャンネルの光線軌跡が重畳せず、好ましくは連続しない領域にシャッターを配置することが推奨できる。良い場所は、通常、図１６に示すように、レンズに近い、デジタル・ディスプレイとレンズの間の光路である。この例では、全てのクラスターのシャッター１６０５が同一面に配置される。中央チャンネルに対応するシャッターが黒色で示される。白色で示される第２チャンネルのシャッターが、２つの隔離した小型レンズ１６０４に対応して２部分に分割される。
【０１５５】
特定の実施形態が記述されたが、本発明を実施する現時点で想到されたモードの先行の記述は、限定する意味に取られず、本発明のある一般原理を記述する目的で単に為される。記述された特定の実施形態からのバリエーションが可能である。例えば、相互参照された上述の特許及び出願は、本出願の教示と有利に組み合わされ得るシステム及び方法を記述する。特定の実施形態が記述されたが、当業者は、どのように異なる実施形態が組み合わされるのか理解するだろう。
【０１５６】
例えば、ディスプレイと小型レンズの間又は小型レンズと目の間の光チャンネルにシャッターを設けることに代えて、幾つかの実施形態では、光源とディスプレイの間にシャッターを置き、又は、異なる部分光源をオンとオフに切り替えて異なる光の伝播を生成することも可能である。
【０１５７】
本発明の全範囲が、請求項に参照により決定され、任意の２以上の請求項の特徴が組み合わされ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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