Transparent and high gain screens based on microlens arrays for projection displays

Abstract

Tablet bilgisayarlar ve akıllı telefonlar kullanıcının hareket kabiliyetini arttırmaktadır ancak küçük ekranları kullanıcı açısından önemli bir kısıtlayıcı etken olmaktadır. Piko-projektör adı verilen taşınabilir projektörler, bu cihazların içine gömülerek istenilen uzaklıkta ve büyüklükte görüntü yansıtılmasına olanak tanımaktadır. Elde taşınabilir projektörler ekran büyüklüğü sorununu çözmekle birlikte pille çalışmaları ve lazer güvenliği gereği çıkış güçleri düşük olduğundan istenilen parlaklıkta görüntü üretememektedirler. Bu araştırmanın amacı lazer piko-projektörlerle kullanıldığında yüksek verim ve parlaklık sağlayan, özgün şeffaf ve opak ekran teknolojilerinin geliştirilmesidir. Bu ekranlara augmented reality, head-up display ve head-mounted display gibi uygulamalar için gerek duyulmaktadır. Duvar, kağıt gibi sıradan yüzeylere projeksiyon yapıldığında ışık bütün yarıküreye dağıtılır. Yansıtılan ışığı yalnızca kullanıcının gözleri çevresine dağıtan özel bir mikro yapılı ekran geliştirilmiştir. Projektörün çıkış enerjisi daha küçük bir alana yoğunlaştırıldığından daha parlak görüntü elde edilmektedir ve ekranın sıradan yüzeylere göre kazancı vardır. Mikromercek dizinleri (MMD) kullanılarak üç farklı tasarım yapılmıştır: tek katman MMD, çift takman MMD ve döndürülmüş MMD. Otomobillerde head-up display uygulaması için geliştirilen tek katman MMD ekranının kazancı 3?tür. Eşleştirilmiş kırınım ideksi yapısı sayesinde ekran hem çok iyi şeffaflık hemde çok parlak görüntü sağlamaktadır. Çift katman MMD ışınları optik eksene paralel hale getirdiği için yayılan ışığı daha verimli bir şekilde yağunlaştırır. Tasarlanan ekranın kazancı 9?dur. Özgün olarak tasarlanan döndürülmüş mikromerceklerden oluşan ekran ile çok yüksek kazançlar elde etmek mümkündür. Uygulamaya özel olarak tasarlanan ekranlar her mikromerceğin kendine özel döndürülme açıları nedeniyle her pikseli kullanıcıya doğru çok verimli bir şekilde yönlendirir. Bu teknolojiyle ekran kazancını 100?ler mertebesine çıkarmak mümkündür.

Tablet computers and smart phones have increased the mobility of the users but small screen size has been a major limitation for the productivity of the users. Mobile projectors, called pico-projectors, are emerging technologies and can project images to any distance and size from a tiny display engine that can be embedded in mobile computers and phones. While pico-projectors can overcome the screen size limitation, they are limited in brightness due to battery operation and laser safety concerns. The aim of this research was to develop reflective and transparent novel screen technologies that can provide high-efficiency and high-brightness when used together with laser scanning based pico-projectors. Such screens are needed in augmented reality displays, head-up displays, and head-mounted projection displays. When an image is projected on ordinary surfaces, such as walls or a piece of paper, the light is scattered onto the entire hemisphere. We developed special micro-structured screens that concentrate the scattered light only around the user?s eyes. As the projected energy is concentrated into a smaller area, the brightness of the image is increased and the screen has a gain compared to ordinary surfaces. Three different screen technologies have been developed that use microlens array (MLA) based diffusers: a single MLA screen, a dual MLA screen and a rotated MLA screen. The single MLA screen has a gain of 3 and it was designed for automotive head-up display applications. Due to its unique index matched structure the screen provides excellent transparency and high brightness at the same time. The dual MLA screen is an opaque screen with a gain of 9. It concentrates the diffused light more efficiently compared to the single MLA due to the telecentricity of the microlenses. A novel rotated MLA provides the highest gain of all the screens. It is designed specifically for a given application such that every pixel on the screen is reflected towards the user due to the rotation of the microlenses. It can provide gains on the order of 100.