JP2004508779A - 立体3次元表示システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、光学リレーと、モータと、モータに連結した支持構造体と、支持構造体上に配置した投影画面と、投影光学素子とを含んだ立体表示システムを特徴とする。動作時には、投影光学素子が、光学リレーから光線を受け取り、その光線を投影画面に投影する。又、モータが、支持構造体、投影画面、及び投影光学素子を回転軸のまわりに回転させる。
Description
【0001】
35合衆国法典§119(e)(1)に従い、本願は、2000年9月7日付けの米国仮特許出願第60/230,972号の優先権の利益を主張し、その内容はここに引用して本開示の一部とする。
【0002】
技術分野
本発明は3次元表示装置に関し、より詳細には、立体3次元表示装置に関する。
【0003】
発明の背景
立体表示装置とは、立体充填画像(原語:volume−filling imagery)を表示する3次元表示技術の一種である。一般的に、立体表示装置は自己立体的であり、すなわち、付加的アイウェアを用いなくても3次元的に見える画像を表示する。
【0004】
立体表示装置によっては、画像立体内の一定の位置範囲からの光を放射または散乱するさいに時空的マルチプレックシングを用いることによって、3次元画像を生成するものもある。すなわち、少数の光発生装置(例えば、レーザ、光学投影ピクセルなど)を、全体的な立体的リフレッシュ速度よりも高い度数で動作させ、光を回転する面に結像させる。残像性が、回転する面により走査される立体における異なる時空的場所で形成された画像スライスを統合するので、観察者は立体充填された3次元画像を知覚する。
【0005】
回転する画面上に投影された一連の画像を視覚的に統合することで3次元画像が知覚される立体表示というアイデアは、少なくとも1950年代後半からは存在している。1958年には、マックス・ハーシ(Max Hirsch)が、陰極線管(CRT)の表面に形成された画像が、背面映写スクリーンに結像するペリスコープ式の装置構成により中継されるという「ジェネレスコープ」に関する特許出願を行っている。ジェネレスコープにおいては、CRT、ミラー、及び画面が一体的に回転する。回転リレーミラーという構成により、投影光学距離が投影画面角度に対して変化しない。これに関して、ハーシは1961年に米国特許第2,967,905号を取得している。
【0006】
「新たな表示装置が、臨場感のある3次元効果を作り出す」という表題の1960年に発行されたAviation Weekの記事(66乃至67ページ、1960年10月31日)には、ITT Laboratories社が開発した3次元表示装置が記載されている。CRTの表面上に形成された一連の2次元画像が、回転する投影画面上に、その投影画面と共に回転する複数のミラ―構成によってリレーされ、従って、投影光学距離を投影画面角度に対して一定に保つという点では、これはハーシが教示する表示装置に似ている。しかし、ITTの表示装置は、静止CRT及びフロントエンド光学構成要素を使用している。この構成の1つの結果として、CRTの画像は、投影画面の回転と共に投影画面の平面内で回転する。
【0007】
類似の半径方向に延伸したリレー光学素子を用いる他の立体表示装置には、バッチコ(Batchko)(米国特許第5,148,310号)及びツァオ等(Tsao et al)(米国特許第5,754,147号及び5,954,414号)が開示した立体表示装置がある。 バッチコは、回転する画面が、固定式のベクトル走査レーザ照光源により照光される立体表示装置を開示している。ツァオとその共同開発者は、画面の角振動数の半分で回転するkミラーシステムを用いて、投影機の画像が投影画面の平面内で回転するのを防止している。
【0008】
発明の概要
本発明は、3次元の立体充填画像を生成するシステム及び方法を特徴とする。立体充填表示システムは、高速で回転する投影画面に一連の2次元画像を投影することにより立体画像を生成する。ヒトの視覚系の残像性が、これら2次元画像スライスを3次元の立体充填画像に統合する。
【0009】
一般的に、一態様において、本発明は、光学リレーと、モータと、モータに連結した支持構造体と、支持構造体上に位置決めされた投影画面と、投影光学素子とを含んだ立体表示システムを特徴とする。動作時には、投影光学素子が、光学リレーから光線を受け取り、その光線を投影画面に投影する。又、モータが、支持構造体、投影画面、及び投影光学素子を回転軸のまわりに回転させる。
【0010】
この表示システムの実施形態には、次の特徴の任意のものが含まれうる。
【0011】
この表示システムでは、上記の投影光学素子が更に回転軸上に位置決めされていてもよい。
【0012】
又、投影光学素子は投影レンズでよい。実施形態によっては、投影レンズがレンズ軸を備え、且つ、このレンズ軸及び上記の回転軸が、10度以下の角度をなす。更に、この角度は、約4.9度と5.0度との間でよい。投影レンズはトリプレットレンズでよい。
【0013】
更に、この表示システムでは、投影画面が平面を画定し、回転軸がこの平面内に位置するように、投影画面を支持構造体上に位置決めしてもよい。
【0014】
このシステムは、支持構造体上に配置された第1及び第2ミラーを更に含むこともできる。動作時には、モータが、第1及び第2ミラーを回転軸のまわりに回転させる。更に、第1ミラーが、投影光学素子から光線を受け取り且つ、その光線を第2ミラーに向け、第2ミラーが、その光線を投影画面に投影する。
【0015】
このシステムは、支持構造体上に配置された第3ミラーを更に含むこともできる。動作時には、モータが、第3ミラーを回転軸を中心に回転させ、第3ミラーが、第2ミラーから光線を受け取り且つ、光線を投影画面に投影する。
【0016】
幾つかの実施形態では、支持構造体を、開口部を備えたプラットフォームとしてもよく、更に、投影レンズをその開口部内に取り付けてもよい。
【0017】
更に、光学リレーが、リレーレンズ及び視野レンズを含んでもよい。動作時には、このリレーレンズが、光源から光線を受け取り且つ、その光線を視野レンズに中継可能であり、更に、この視野レンズが、この光線を投影レンズに中継可能である。
【0018】
一般に、別の態様においては、本発明は、立体充填画像を生成する方法を含む。この方法は、(i)投影光学素子及び投影画面を回転軸を中心として回転させる段階と、(ii)静止光源から光線を供給する段階と、(iii)光線を投影光学素子を介して投影画面に投影する段階とを含む。
【0019】
この方法の実施形態には、次の特徴の任意のものが含まれうる。
【0020】
投影光学素子は、レンズ軸を備えた投影レンズでよく、更に、この方法は、そのレンズ軸と回転軸との間の角度が10度以下となるように、その投影レンズを傾斜させる段階を更に含んでいる。
【0021】
この方法は、第1及び第2ミラーを回転軸のまわりに回転させる段階を含んでもよい。更に、投影光学素子は光線を第1ミラーに投影でき、第1ミラーは、その光線を第2ミラーに向け、又、第2ミラーは、その光線を投影画面に投影できる。
【0022】
幾つかの実施形態では、第3ミラーを回転軸のまわりに回転させる段階を更に含みうる。第3ミラーは、この光線を第2ミラーから受け取り且つ、その光線を投影画面に向けることができる。
【0023】
幾つかの実施形態では、この方法は、光源からの光線を、光学リレーを用いて投影光学素子に向ける段階を更に含む。更に、この光学リレーはミラーを含んでもよく、又、この方法は、このミラーを調節して、光線を投影画面の中心に位置合わせする段階を更に含んでもよい。
【0024】
本発明の1つ又は複数の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。本発明のその他の特徴、目的、及び利点は、詳細な説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなるはずである。
【0025】
詳細な説明
本発明の実施形態となる3次元立体表示装置は、画像を供給且つ中継するフロントエンドと、画像を観察者に表示するバックエンドとの2つの基本的部分を備えた投影システムを含む。フロントエンドは、表示立体の下方に、観察者から見えない位置に静止状態で設置されている。フロントエンドは、コンピュータからデータ及び命令を受け取り且つ処理して、画像を生成する。このコンピュータはユーザインターフェースでもある。バックエンドは、フロントエンドの上方に配置されたプラットフォーム上に取り付けられ(すなわち、連結され)ており、動作時にはプラットフォームと共に回転する。バックエンドは、フロントエンドが供給した画像を画面まで送出する。また、この画面は、プラットフォーム上に取り付けられて、プラットフォームと共に回転する。
【0026】
図1は、立体表示装置100の実施形態を示す。この立体表示装置は、その上に投影システム120が設置されるベースプレート110と、フロントエンド投影光学素子(図示しない)と、システム電子機器130と、フレームレス直流モータ(図示しない)とを含む。更に、ベースプレート110上には、ベースプレート110上に設置された上述の構成要素を囲み、保護し、且つ視線から覆い隠すケーシング140も設置されている。コンピュータが、インターフェース150を介してシステム電子機器130に接続している。
【0027】
円形プラットフォーム160が、投影システム120及びフロントエンド投影光学素子の上方に配置してある。プラットフォーム160は、フレームレス直流モータの環状シャフトに同軸で取り付けられている。動作時には、モータが、シャフト及びプラットフォーム160を回転軸170を中心として回転させる。バックエンド投影光学素子180の一部及び投影画面190は、プラットフォーム160上に取り付けられており、動作時には、これらも軸170を中心として回転する。透明なドーム195が、プラットフォーム160の外縁部に取り付けられたフランジ内に嵌合された状態で、投影画面190及びバックエンド光学素子180を覆っている。ドーム195も動作時には回転する。第2ドーム(図示しない)がドーム195を覆っている。動作時には第2ドームは静止している。
【0028】
立体表示装置100は次のように作動する。ホストコンピュータが、画像データ及びコマンドをインターフェース150を介して表示装置100に送る。システム電子機器130が、この情報をボクセルに変換処理して、表示するため必要となるまでこの処理済みデータをグラフィックメモリに格納しておく。必要となれば、システム電子機器130が、この画像情報を投影エンジンに送り、投影エンジン120がそこで光線を空間的に変調することで、この情報を光学情報に変換する。光線が投影エンジンを出ると、フロントエンド投影光学素子が、その光線を軸170に沿ってプラットフォーム160に方向付ける。フロントエンド投影光学素子には、映写レンズを介してこの光線を集束する一連のレンズ及びミラーが含まれ、この映写レンズは、フレームレス直流モータの環状シャフト内でプラットフォーム160の開口部に取り付けられている。プラットフォーム160上に取り付けられた一連のミラーが、光線を投影画面190まで中継し、この光線が、投影画面上で2次元画像を形成する。
【0029】
モータが、プラットフォーム160と、バックエンド投影光学素子と、投影画面190とを概ね毎分600回転の速度で回転させる。モータは、これら構成要素全てを同一の角速度で回転させる。システム電子機器及び投影エンジン120はこの2次元画像を、少なくとも概ね毎秒4,000回の割合でリフレッシュする。各2次元画像は、3次元立体画像の「画像スライス」を形成する。この投影及び回転率においては、ヒトの視覚系は、「画像スライス」を立体を充填する3次元立体画像へと知覚的に融合する。
【0030】
この投影システムは、ケーシング140及びドーム195内の非常に限られたスペースに収容できるように極めてコンパクトに設計されている。これと同時に所望の画像倍率(例えば20倍)と解像度を有する。この投影システムは、上記の光線を静止光源から移動画面へ中継するようにも設計されている。こうした光学投影システムの一実施形態を以下で詳細に説明する。
【0031】
図2A及び図2Bを参照すると、フロントエンド光学構成要素200が、プラットフォーム160(図1を参照)の下方に、表示装置100のベース110上に取り付けられている。図2A及び2Bには、投影エンジン120(図1を参照)の一部も示されている。投影エンジンは、光源と、広帯域光線をプリズム集成装置210に送出する均質化及びコリメーティング光学素子とを含む。プリズム集成装置210は、光線を3つの原色の成分(すなわち、赤、緑、及び青)に分離し、各成分を空間光変調器(SLM)220(1つのみ図示する)に向ける。これらSLMは、切替え可能なミクロミラー(例えば、テキサスインスツルメンツ社のDMDTM)の微小電気機械システム(MEMS)アレーであり、少なくとも約4kHzの周波数でXGA解像度(1024×786)の画像を生成する能力がある。各SLMは、それぞれの入射光線を空間的に変調して、赤、緑、又は青色成分画像を生成する。これらの画像は、プリズム集成装置210内部で再度組み合わされて、単一のフルカラー像(8色)となり、表面225において投影エンジンから出る。
【0032】
投影エンジン120は、光線をテレセントリック・リレーレンズ系230に向ける。このリレーレンズ系は、3つのダブレットレンズ235、236、及び237を含む。リレーレンズ系230は、SLM220を投影エンジンから約600ミリメートル離れた位置で中間像に結像する。この中間像は3.8倍の倍率であり、同様にダブレットレンズである2つの視野レンズ240と250との間に形成される。これら視野レンズの機能は以下に説明する。
【0033】
リレーレンズ系230は、SLMを中間像に結像して、光学距離及び像の倍率を表示装置ハウジングが課す制約内に収まるようにする。SLMを投影画面に直接結像してしまうと、本実施形態よりもかなり長い光学距離が必要となるはずである。これは、SLM220と光学投影システムとの間のプリズム集成装置210に大量のガラスが使用されているからである。中間像から投影画面に結像すると、投影光学素子を中間像に近づけて配置可能で、光学距離も相当短くできる。
【0034】
フロントエンド光学素子200には、3つ折りミラー260、270、及び280が含まれている。これらミラーは、投影光路を折り曲げて、光路を表示装置ケーシングの立体内部に収容する。また、ミラー260、270、及び280は、光線をミラー290に向けるが、このミラー290は、軸170上に位置しており且つ、光線をベース110(図1を参照)の平面から外部へ、回転軸170に沿って投影レンズまで導く。投影レンズにおいて、回転軸170は、投影システムの光学軸に一致している。折り曲げミラー260及び270は、動作中に手動で調節可能であり、ユーザが画像を投影画面の中心に正確に位置合わせすることができる。
【0035】
図3を参照すると、投影レンズ310は、フレームレス直流モータ330の環状シャフト320を通して光線を集束させる。投影レンズ310は、ミラー340、350、及び360と共に光学投影システムのバックエンドを構成する。ミラー340、350、及び360は、プラットフォーム160(図1を参照)上に取り付けられており、光線の光路を折り曲げ、光路をドーム195(図1を参照)の内部に収容する。投影レンズ310は光線をミラー340に向け、ミラー350は光線をミラー360に向け、ミラー350は光線をミラー360に向け、更に、ミラー360は光線を投影画面190に向けて、SLMの拡大像を領域370内に形成する。画像領域370は、直径約10インチに亘り、SLMにおける画像の20倍に相当する。SLM像は、768x768ピクセルの解像度となるようにトリミングされる。上述のように、動作時には、モータ330が、バックエンド投影光学素子(すなわち、投影レンズ310、ミラー340、350、及び360)を軸170を中心として回転させる。
【0036】
図4を参照すると、投影レンズ310は、レンズ410、420、及び430からなるトリプレットレンズ集成装置を含む。レンズ410、420、及び430は、レンズ軸440に沿って同軸に位置合わせしてある。レンズ軸440は、投影システムの光学軸に対して約10度以下(例えば、約4.94度)の角度450で傾いており、この光学軸はこの地点では回転軸170に一致している。光線は、レンズ410を介して投影レンズ310に進入して、レンズ420付近のウエストに焦点を合わせてある。レンズ410の第1表面においては、レンズ軸440は光学軸から約5.9mm変位している。光線がモータ330(図3を参照)の開口部を通過するには、光線をウェストに集束させる必要がある。光線は、レンズ430を介して投影レンズ310から出る。投影レンズをこのように設計する目的は、投影システムの光学通路を展開してみれば明らかとなる。
【0037】
展開した光学通路を示す図5を参照すると、投影画面190は、投影システムの光学軸510に対して45度の角度をなしている。投影レンズ310を光学軸510に対して傾けているのは、これが理由である。投影レンズを傾けると、画像の平面を予測可能な量(所謂シャイムフルーグ(原語:Scheimflug )条件によって与えられる)だけ傾けることになる。これにより、光学軸に対して直交していない平面への画像の投影が原因となる歪みが減少する。傾斜角450は、投影画面の平面と光学軸との間の角度により決まり、これら2つの角度は上述の角度に限定されない。
【0038】
投影レンズ310は、画像に、負の像面湾曲、負の軸色、及び横色(原語:lateral color)などの光学収差をもたらす。プリズム集成装置210(図2を参照)も、画像に収差をもたらす。これらの収差は、リレーレンズ230及び視野レンズ240及び250によって部分的に補償される。3つのダブレットレンズ235、236、及び237をリレーレンズ230に用いて、収差を減少させるためにリレーレンズの倍率を最小限にする。ダブレットを用いるのは、各成分の分散効果を最小限に抑えるためである。少なくとも1つのダブレットは、屈折率(原語:index)が高いダブレットであり、これが軸色及び像面湾曲を増加させて、投影レンズ310がもたらす収差を補償する。視野レンズ240及び250もダブレットレンズであり、平面520に形成される中間像の位置でテレセントリック性(原語:telecentricity)を維持する。第1ダブレットレンズ240は、中間像平面520の正面の約30mmに位置していて、入射光線が近テレセントリック(原語:near−telecentric)となるよう補正する。又、レンズ240は、軸色及び像面湾曲も減少させる。第2ダブレットレンズ250は、中間像平面520を約30mm過ぎた地点に位置していて、正の像面湾曲及び軸色をもたらし、レンズ240の補正を過補償する。レンズ235、236、237、240、及び250がもたらす像面湾曲並びに軸色及び横色への正味寄与は、投影レンズ310がもたらす反対の効果を補償する。投影画面190において、青及び緑色の画像は重なるが、赤色の画像は軸方向に変位する。システムFナンバーは投影画面で低くなるように設定されているので、焦点深度は大きい。投影レンズ及び他のレンズの像面湾曲への補償寄与により、この収差は、湾曲表面でなく傾斜平面となるように設計されている。また、画像の非点収差は低く、横色も最小限である。画像の歪みは通常の台形歪みで、残余糸巻き型歪みは2パーセント未満である。投影画面での像質は、SLMの1ミリメートル解像度当たり40ピクセルを十分解像できる。この解像度は、投影画面において1ミリメートル当たり約2ピクセルに相当する。
【0039】
ソフトウェアが、画像を予め歪ませて画像平面における台形像効果を補償する。又、ソフトウェアは、画像データを反対方向へ回転させることで画像の動軸回転表示を補正する。画像の動軸回転表示(すなわち、投影画面平面における像の回転)が起こる理由は、フロントエンド光学素子が、固定した画像を回転する投影画面上に表示するからである。
【0040】
投影画面190は回転軸170にその中心が位置し、散漫散乱性材料から形成されている。この材料は、入射光を前及び後ろ方向に実質的に等方散乱させる。これにより、2次元画像スライスにおけるピクセルに対応した入射光の一部を、表示装置の周囲のどの観察位置からでも観察者が確実に感知できるようにし、「視覚不感帯」と呼ばれる3次元像の暗帯が最小限に抑えられる。投影画面を可能な限り薄く設計することでも、この視覚不感帯を最小限に抑えることができる。
【0041】
本実施形態では、投影画面190は半円形状である。一般的には、本発明の実施形態はそれに限定されるわけではない。投影画像が、回転軸に対して最小のオフセット及び偏心率で位置決めされている限りは、投影画面190は、こうした像を形成するのに十分な大きさと形状があればよい。
【0042】
又、プラットフォーム160は、上述した円形プラットフォームには限定されない。一般的に、このプラットフォームは、モータにバックエンド光学素子及び投影画面を機械的に連結するのに十分であれば、どのような支持構造体であっても、複数の支持構造体を組み合わせたものであってもよい。例えば、幾つかの実施形態では、このプラットフォームは、光線を投影レンズから投影画面まで適切に中継するためのバックエンド光学素子のミラーを位置決めする半径方向に延伸した一連のアームを含む。
【0043】
一般的に、モータは、フレームレス直流モータ330に限定されない。このモータは、バックエンド光学素子及び投影画面を所望の速度で回転させる、バックエンド光学素子及び投影画面に連結されたいかなるモータであってもよい。例えば、実施形態によっては、このプラットフォームをベルト及び/又はギヤでモータに連結し、モ―タは回転軸から離間して配置する。
【0044】
実施形態によっては、放射ピクセル化(原語:emissive pixelated)装置を投影エンジン及び光源の替わりに使用できる。こうした装置の例としては、オーガニック発光ダイオードを含む発光ダイオードのアレイ又は垂直キャビティ面放射レーザー(原語:vertical cavity surface−emitting laser)すなわちVCSELなどがある。
【0045】
本発明の複数の実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの修正が可能なことは理解されるであろう。例えば、画像を投影エンジンから投影画面まで中継するのに用いる光学素子は、上述のものに限定されるわけではない。レンズ、ミラー、回折又はホログラフィック光学素子、若しくは、その他の光制御構成要素をこの目的で組み合わせてもよい。更に、画像立体、解像度、及びグレースケールは上述のものに限定されない。従って、これ以外の実施形態も次の請求項の範囲に入る。
【図面の簡単な説明】
【図1】
立体表示装置の斜視図である。
【図2A】
フロントエンド光学素子及び投影エンジンの一部の斜視図である。
【図2B】
フロントエンド光学素子及び投影エンジンの一部の平面図である。
【図3】
バックエンド光学素子及びモータの斜視図である。
【図4】
投影レンズの側面図である。
【図5】
投影システムの展開した光学通路の図である。
これら様々な図面中の類似記号は類似の構成要素を示す。
35合衆国法典§119(e)(1)に従い、本願は、2000年9月7日付けの米国仮特許出願第60/230,972号の優先権の利益を主張し、その内容はここに引用して本開示の一部とする。
【0002】
技術分野
本発明は3次元表示装置に関し、より詳細には、立体3次元表示装置に関する。
【0003】
発明の背景
立体表示装置とは、立体充填画像(原語:volume−filling imagery)を表示する3次元表示技術の一種である。一般的に、立体表示装置は自己立体的であり、すなわち、付加的アイウェアを用いなくても3次元的に見える画像を表示する。
【0004】
立体表示装置によっては、画像立体内の一定の位置範囲からの光を放射または散乱するさいに時空的マルチプレックシングを用いることによって、3次元画像を生成するものもある。すなわち、少数の光発生装置(例えば、レーザ、光学投影ピクセルなど)を、全体的な立体的リフレッシュ速度よりも高い度数で動作させ、光を回転する面に結像させる。残像性が、回転する面により走査される立体における異なる時空的場所で形成された画像スライスを統合するので、観察者は立体充填された3次元画像を知覚する。
【0005】
回転する画面上に投影された一連の画像を視覚的に統合することで3次元画像が知覚される立体表示というアイデアは、少なくとも1950年代後半からは存在している。1958年には、マックス・ハーシ(Max Hirsch)が、陰極線管(CRT)の表面に形成された画像が、背面映写スクリーンに結像するペリスコープ式の装置構成により中継されるという「ジェネレスコープ」に関する特許出願を行っている。ジェネレスコープにおいては、CRT、ミラー、及び画面が一体的に回転する。回転リレーミラーという構成により、投影光学距離が投影画面角度に対して変化しない。これに関して、ハーシは1961年に米国特許第2,967,905号を取得している。
【0006】
「新たな表示装置が、臨場感のある3次元効果を作り出す」という表題の1960年に発行されたAviation Weekの記事(66乃至67ページ、1960年10月31日)には、ITT Laboratories社が開発した3次元表示装置が記載されている。CRTの表面上に形成された一連の2次元画像が、回転する投影画面上に、その投影画面と共に回転する複数のミラ―構成によってリレーされ、従って、投影光学距離を投影画面角度に対して一定に保つという点では、これはハーシが教示する表示装置に似ている。しかし、ITTの表示装置は、静止CRT及びフロントエンド光学構成要素を使用している。この構成の1つの結果として、CRTの画像は、投影画面の回転と共に投影画面の平面内で回転する。
【0007】
類似の半径方向に延伸したリレー光学素子を用いる他の立体表示装置には、バッチコ(Batchko)(米国特許第5,148,310号)及びツァオ等(Tsao et al)(米国特許第5,754,147号及び5,954,414号)が開示した立体表示装置がある。 バッチコは、回転する画面が、固定式のベクトル走査レーザ照光源により照光される立体表示装置を開示している。ツァオとその共同開発者は、画面の角振動数の半分で回転するkミラーシステムを用いて、投影機の画像が投影画面の平面内で回転するのを防止している。
【0008】
発明の概要
本発明は、3次元の立体充填画像を生成するシステム及び方法を特徴とする。立体充填表示システムは、高速で回転する投影画面に一連の2次元画像を投影することにより立体画像を生成する。ヒトの視覚系の残像性が、これら2次元画像スライスを3次元の立体充填画像に統合する。
【0009】
一般的に、一態様において、本発明は、光学リレーと、モータと、モータに連結した支持構造体と、支持構造体上に位置決めされた投影画面と、投影光学素子とを含んだ立体表示システムを特徴とする。動作時には、投影光学素子が、光学リレーから光線を受け取り、その光線を投影画面に投影する。又、モータが、支持構造体、投影画面、及び投影光学素子を回転軸のまわりに回転させる。
【0010】
この表示システムの実施形態には、次の特徴の任意のものが含まれうる。
【0011】
この表示システムでは、上記の投影光学素子が更に回転軸上に位置決めされていてもよい。
【0012】
又、投影光学素子は投影レンズでよい。実施形態によっては、投影レンズがレンズ軸を備え、且つ、このレンズ軸及び上記の回転軸が、10度以下の角度をなす。更に、この角度は、約4.9度と5.0度との間でよい。投影レンズはトリプレットレンズでよい。
【0013】
更に、この表示システムでは、投影画面が平面を画定し、回転軸がこの平面内に位置するように、投影画面を支持構造体上に位置決めしてもよい。
【0014】
このシステムは、支持構造体上に配置された第1及び第2ミラーを更に含むこともできる。動作時には、モータが、第1及び第2ミラーを回転軸のまわりに回転させる。更に、第1ミラーが、投影光学素子から光線を受け取り且つ、その光線を第2ミラーに向け、第2ミラーが、その光線を投影画面に投影する。
【0015】
このシステムは、支持構造体上に配置された第3ミラーを更に含むこともできる。動作時には、モータが、第3ミラーを回転軸を中心に回転させ、第3ミラーが、第2ミラーから光線を受け取り且つ、光線を投影画面に投影する。
【0016】
幾つかの実施形態では、支持構造体を、開口部を備えたプラットフォームとしてもよく、更に、投影レンズをその開口部内に取り付けてもよい。
【0017】
更に、光学リレーが、リレーレンズ及び視野レンズを含んでもよい。動作時には、このリレーレンズが、光源から光線を受け取り且つ、その光線を視野レンズに中継可能であり、更に、この視野レンズが、この光線を投影レンズに中継可能である。
【0018】
一般に、別の態様においては、本発明は、立体充填画像を生成する方法を含む。この方法は、(i)投影光学素子及び投影画面を回転軸を中心として回転させる段階と、(ii)静止光源から光線を供給する段階と、(iii)光線を投影光学素子を介して投影画面に投影する段階とを含む。
【0019】
この方法の実施形態には、次の特徴の任意のものが含まれうる。
【0020】
投影光学素子は、レンズ軸を備えた投影レンズでよく、更に、この方法は、そのレンズ軸と回転軸との間の角度が10度以下となるように、その投影レンズを傾斜させる段階を更に含んでいる。
【0021】
この方法は、第1及び第2ミラーを回転軸のまわりに回転させる段階を含んでもよい。更に、投影光学素子は光線を第1ミラーに投影でき、第1ミラーは、その光線を第2ミラーに向け、又、第2ミラーは、その光線を投影画面に投影できる。
【0022】
幾つかの実施形態では、第3ミラーを回転軸のまわりに回転させる段階を更に含みうる。第3ミラーは、この光線を第2ミラーから受け取り且つ、その光線を投影画面に向けることができる。
【0023】
幾つかの実施形態では、この方法は、光源からの光線を、光学リレーを用いて投影光学素子に向ける段階を更に含む。更に、この光学リレーはミラーを含んでもよく、又、この方法は、このミラーを調節して、光線を投影画面の中心に位置合わせする段階を更に含んでもよい。
【0024】
本発明の1つ又は複数の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。本発明のその他の特徴、目的、及び利点は、詳細な説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなるはずである。
【0025】
詳細な説明
本発明の実施形態となる3次元立体表示装置は、画像を供給且つ中継するフロントエンドと、画像を観察者に表示するバックエンドとの2つの基本的部分を備えた投影システムを含む。フロントエンドは、表示立体の下方に、観察者から見えない位置に静止状態で設置されている。フロントエンドは、コンピュータからデータ及び命令を受け取り且つ処理して、画像を生成する。このコンピュータはユーザインターフェースでもある。バックエンドは、フロントエンドの上方に配置されたプラットフォーム上に取り付けられ(すなわち、連結され)ており、動作時にはプラットフォームと共に回転する。バックエンドは、フロントエンドが供給した画像を画面まで送出する。また、この画面は、プラットフォーム上に取り付けられて、プラットフォームと共に回転する。
【0026】
図1は、立体表示装置100の実施形態を示す。この立体表示装置は、その上に投影システム120が設置されるベースプレート110と、フロントエンド投影光学素子(図示しない)と、システム電子機器130と、フレームレス直流モータ(図示しない)とを含む。更に、ベースプレート110上には、ベースプレート110上に設置された上述の構成要素を囲み、保護し、且つ視線から覆い隠すケーシング140も設置されている。コンピュータが、インターフェース150を介してシステム電子機器130に接続している。
【0027】
円形プラットフォーム160が、投影システム120及びフロントエンド投影光学素子の上方に配置してある。プラットフォーム160は、フレームレス直流モータの環状シャフトに同軸で取り付けられている。動作時には、モータが、シャフト及びプラットフォーム160を回転軸170を中心として回転させる。バックエンド投影光学素子180の一部及び投影画面190は、プラットフォーム160上に取り付けられており、動作時には、これらも軸170を中心として回転する。透明なドーム195が、プラットフォーム160の外縁部に取り付けられたフランジ内に嵌合された状態で、投影画面190及びバックエンド光学素子180を覆っている。ドーム195も動作時には回転する。第2ドーム(図示しない)がドーム195を覆っている。動作時には第2ドームは静止している。
【0028】
立体表示装置100は次のように作動する。ホストコンピュータが、画像データ及びコマンドをインターフェース150を介して表示装置100に送る。システム電子機器130が、この情報をボクセルに変換処理して、表示するため必要となるまでこの処理済みデータをグラフィックメモリに格納しておく。必要となれば、システム電子機器130が、この画像情報を投影エンジンに送り、投影エンジン120がそこで光線を空間的に変調することで、この情報を光学情報に変換する。光線が投影エンジンを出ると、フロントエンド投影光学素子が、その光線を軸170に沿ってプラットフォーム160に方向付ける。フロントエンド投影光学素子には、映写レンズを介してこの光線を集束する一連のレンズ及びミラーが含まれ、この映写レンズは、フレームレス直流モータの環状シャフト内でプラットフォーム160の開口部に取り付けられている。プラットフォーム160上に取り付けられた一連のミラーが、光線を投影画面190まで中継し、この光線が、投影画面上で2次元画像を形成する。
【0029】
モータが、プラットフォーム160と、バックエンド投影光学素子と、投影画面190とを概ね毎分600回転の速度で回転させる。モータは、これら構成要素全てを同一の角速度で回転させる。システム電子機器及び投影エンジン120はこの2次元画像を、少なくとも概ね毎秒4,000回の割合でリフレッシュする。各2次元画像は、3次元立体画像の「画像スライス」を形成する。この投影及び回転率においては、ヒトの視覚系は、「画像スライス」を立体を充填する3次元立体画像へと知覚的に融合する。
【0030】
この投影システムは、ケーシング140及びドーム195内の非常に限られたスペースに収容できるように極めてコンパクトに設計されている。これと同時に所望の画像倍率(例えば20倍)と解像度を有する。この投影システムは、上記の光線を静止光源から移動画面へ中継するようにも設計されている。こうした光学投影システムの一実施形態を以下で詳細に説明する。
【0031】
図2A及び図2Bを参照すると、フロントエンド光学構成要素200が、プラットフォーム160(図1を参照)の下方に、表示装置100のベース110上に取り付けられている。図2A及び2Bには、投影エンジン120(図1を参照)の一部も示されている。投影エンジンは、光源と、広帯域光線をプリズム集成装置210に送出する均質化及びコリメーティング光学素子とを含む。プリズム集成装置210は、光線を3つの原色の成分(すなわち、赤、緑、及び青)に分離し、各成分を空間光変調器(SLM)220(1つのみ図示する)に向ける。これらSLMは、切替え可能なミクロミラー(例えば、テキサスインスツルメンツ社のDMDTM)の微小電気機械システム(MEMS)アレーであり、少なくとも約4kHzの周波数でXGA解像度(1024×786)の画像を生成する能力がある。各SLMは、それぞれの入射光線を空間的に変調して、赤、緑、又は青色成分画像を生成する。これらの画像は、プリズム集成装置210内部で再度組み合わされて、単一のフルカラー像(8色)となり、表面225において投影エンジンから出る。
【0032】
投影エンジン120は、光線をテレセントリック・リレーレンズ系230に向ける。このリレーレンズ系は、3つのダブレットレンズ235、236、及び237を含む。リレーレンズ系230は、SLM220を投影エンジンから約600ミリメートル離れた位置で中間像に結像する。この中間像は3.8倍の倍率であり、同様にダブレットレンズである2つの視野レンズ240と250との間に形成される。これら視野レンズの機能は以下に説明する。
【0033】
リレーレンズ系230は、SLMを中間像に結像して、光学距離及び像の倍率を表示装置ハウジングが課す制約内に収まるようにする。SLMを投影画面に直接結像してしまうと、本実施形態よりもかなり長い光学距離が必要となるはずである。これは、SLM220と光学投影システムとの間のプリズム集成装置210に大量のガラスが使用されているからである。中間像から投影画面に結像すると、投影光学素子を中間像に近づけて配置可能で、光学距離も相当短くできる。
【0034】
フロントエンド光学素子200には、3つ折りミラー260、270、及び280が含まれている。これらミラーは、投影光路を折り曲げて、光路を表示装置ケーシングの立体内部に収容する。また、ミラー260、270、及び280は、光線をミラー290に向けるが、このミラー290は、軸170上に位置しており且つ、光線をベース110(図1を参照)の平面から外部へ、回転軸170に沿って投影レンズまで導く。投影レンズにおいて、回転軸170は、投影システムの光学軸に一致している。折り曲げミラー260及び270は、動作中に手動で調節可能であり、ユーザが画像を投影画面の中心に正確に位置合わせすることができる。
【0035】
図3を参照すると、投影レンズ310は、フレームレス直流モータ330の環状シャフト320を通して光線を集束させる。投影レンズ310は、ミラー340、350、及び360と共に光学投影システムのバックエンドを構成する。ミラー340、350、及び360は、プラットフォーム160(図1を参照)上に取り付けられており、光線の光路を折り曲げ、光路をドーム195(図1を参照)の内部に収容する。投影レンズ310は光線をミラー340に向け、ミラー350は光線をミラー360に向け、ミラー350は光線をミラー360に向け、更に、ミラー360は光線を投影画面190に向けて、SLMの拡大像を領域370内に形成する。画像領域370は、直径約10インチに亘り、SLMにおける画像の20倍に相当する。SLM像は、768x768ピクセルの解像度となるようにトリミングされる。上述のように、動作時には、モータ330が、バックエンド投影光学素子(すなわち、投影レンズ310、ミラー340、350、及び360)を軸170を中心として回転させる。
【0036】
図4を参照すると、投影レンズ310は、レンズ410、420、及び430からなるトリプレットレンズ集成装置を含む。レンズ410、420、及び430は、レンズ軸440に沿って同軸に位置合わせしてある。レンズ軸440は、投影システムの光学軸に対して約10度以下(例えば、約4.94度)の角度450で傾いており、この光学軸はこの地点では回転軸170に一致している。光線は、レンズ410を介して投影レンズ310に進入して、レンズ420付近のウエストに焦点を合わせてある。レンズ410の第1表面においては、レンズ軸440は光学軸から約5.9mm変位している。光線がモータ330(図3を参照)の開口部を通過するには、光線をウェストに集束させる必要がある。光線は、レンズ430を介して投影レンズ310から出る。投影レンズをこのように設計する目的は、投影システムの光学通路を展開してみれば明らかとなる。
【0037】
展開した光学通路を示す図5を参照すると、投影画面190は、投影システムの光学軸510に対して45度の角度をなしている。投影レンズ310を光学軸510に対して傾けているのは、これが理由である。投影レンズを傾けると、画像の平面を予測可能な量(所謂シャイムフルーグ(原語:Scheimflug )条件によって与えられる)だけ傾けることになる。これにより、光学軸に対して直交していない平面への画像の投影が原因となる歪みが減少する。傾斜角450は、投影画面の平面と光学軸との間の角度により決まり、これら2つの角度は上述の角度に限定されない。
【0038】
投影レンズ310は、画像に、負の像面湾曲、負の軸色、及び横色(原語:lateral color)などの光学収差をもたらす。プリズム集成装置210(図2を参照)も、画像に収差をもたらす。これらの収差は、リレーレンズ230及び視野レンズ240及び250によって部分的に補償される。3つのダブレットレンズ235、236、及び237をリレーレンズ230に用いて、収差を減少させるためにリレーレンズの倍率を最小限にする。ダブレットを用いるのは、各成分の分散効果を最小限に抑えるためである。少なくとも1つのダブレットは、屈折率(原語:index)が高いダブレットであり、これが軸色及び像面湾曲を増加させて、投影レンズ310がもたらす収差を補償する。視野レンズ240及び250もダブレットレンズであり、平面520に形成される中間像の位置でテレセントリック性(原語:telecentricity)を維持する。第1ダブレットレンズ240は、中間像平面520の正面の約30mmに位置していて、入射光線が近テレセントリック(原語:near−telecentric)となるよう補正する。又、レンズ240は、軸色及び像面湾曲も減少させる。第2ダブレットレンズ250は、中間像平面520を約30mm過ぎた地点に位置していて、正の像面湾曲及び軸色をもたらし、レンズ240の補正を過補償する。レンズ235、236、237、240、及び250がもたらす像面湾曲並びに軸色及び横色への正味寄与は、投影レンズ310がもたらす反対の効果を補償する。投影画面190において、青及び緑色の画像は重なるが、赤色の画像は軸方向に変位する。システムFナンバーは投影画面で低くなるように設定されているので、焦点深度は大きい。投影レンズ及び他のレンズの像面湾曲への補償寄与により、この収差は、湾曲表面でなく傾斜平面となるように設計されている。また、画像の非点収差は低く、横色も最小限である。画像の歪みは通常の台形歪みで、残余糸巻き型歪みは2パーセント未満である。投影画面での像質は、SLMの1ミリメートル解像度当たり40ピクセルを十分解像できる。この解像度は、投影画面において1ミリメートル当たり約2ピクセルに相当する。
【0039】
ソフトウェアが、画像を予め歪ませて画像平面における台形像効果を補償する。又、ソフトウェアは、画像データを反対方向へ回転させることで画像の動軸回転表示を補正する。画像の動軸回転表示(すなわち、投影画面平面における像の回転)が起こる理由は、フロントエンド光学素子が、固定した画像を回転する投影画面上に表示するからである。
【0040】
投影画面190は回転軸170にその中心が位置し、散漫散乱性材料から形成されている。この材料は、入射光を前及び後ろ方向に実質的に等方散乱させる。これにより、2次元画像スライスにおけるピクセルに対応した入射光の一部を、表示装置の周囲のどの観察位置からでも観察者が確実に感知できるようにし、「視覚不感帯」と呼ばれる3次元像の暗帯が最小限に抑えられる。投影画面を可能な限り薄く設計することでも、この視覚不感帯を最小限に抑えることができる。
【0041】
本実施形態では、投影画面190は半円形状である。一般的には、本発明の実施形態はそれに限定されるわけではない。投影画像が、回転軸に対して最小のオフセット及び偏心率で位置決めされている限りは、投影画面190は、こうした像を形成するのに十分な大きさと形状があればよい。
【0042】
又、プラットフォーム160は、上述した円形プラットフォームには限定されない。一般的に、このプラットフォームは、モータにバックエンド光学素子及び投影画面を機械的に連結するのに十分であれば、どのような支持構造体であっても、複数の支持構造体を組み合わせたものであってもよい。例えば、幾つかの実施形態では、このプラットフォームは、光線を投影レンズから投影画面まで適切に中継するためのバックエンド光学素子のミラーを位置決めする半径方向に延伸した一連のアームを含む。
【0043】
一般的に、モータは、フレームレス直流モータ330に限定されない。このモータは、バックエンド光学素子及び投影画面を所望の速度で回転させる、バックエンド光学素子及び投影画面に連結されたいかなるモータであってもよい。例えば、実施形態によっては、このプラットフォームをベルト及び/又はギヤでモータに連結し、モ―タは回転軸から離間して配置する。
【0044】
実施形態によっては、放射ピクセル化(原語:emissive pixelated)装置を投影エンジン及び光源の替わりに使用できる。こうした装置の例としては、オーガニック発光ダイオードを含む発光ダイオードのアレイ又は垂直キャビティ面放射レーザー(原語:vertical cavity surface−emitting laser)すなわちVCSELなどがある。
【0045】
本発明の複数の実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの修正が可能なことは理解されるであろう。例えば、画像を投影エンジンから投影画面まで中継するのに用いる光学素子は、上述のものに限定されるわけではない。レンズ、ミラー、回折又はホログラフィック光学素子、若しくは、その他の光制御構成要素をこの目的で組み合わせてもよい。更に、画像立体、解像度、及びグレースケールは上述のものに限定されない。従って、これ以外の実施形態も次の請求項の範囲に入る。
【図面の簡単な説明】
【図1】
立体表示装置の斜視図である。
【図2A】
フロントエンド光学素子及び投影エンジンの一部の斜視図である。
【図2B】
フロントエンド光学素子及び投影エンジンの一部の平面図である。
【図3】
バックエンド光学素子及びモータの斜視図である。
【図4】
投影レンズの側面図である。
【図5】
投影システムの展開した光学通路の図である。
これら様々な図面中の類似記号は類似の構成要素を示す。
Claims (17)
- 光学リレーと、
モータと、
前記モータに結合された支持構造体と、
前記支持構造体に配置した投影画面と、
投影光学素子とを包含したシステムであって、動作時には、前記投影光学素子が、前記光学リレーから光線を受け取り且つ、その光線を前記投影画面に投影し、且つ、前記モータが、前記支持構造体と、前記投影画面と、前記投影光学素子とを回転軸を中心に回転させる、システム。 - 前記投影光学素子が前記回転軸上に位置決めされた、請求項1に記載のシステム。
- 前記投影光学素子が投影レンズである、請求項2に記載のシステム。
- 前記投影画面が平面を画定し、且つ、前記回転軸が前記平面内に位置するように、前記投影画面が前記支持構造体に配置されている、請求項3に記載のシステム。
- 前記投影レンズがレンズ軸を備え、且つ、前記レンズ軸と前記回転軸とが角度をなし、この角度が10度以下である、請求項3に記載のシステム。
- 前記角度が、少なくとも4.9度で且つ5.0度以下である、請求項5に記載のシステム。
- 前記投影光学素子がトリプレットレンズである、請求項3に記載のシステム。
- 前記支持構造体に配置された第1及び第2ミラーを更に包含し、動作時には、前記モータが、前記第1及び第2ミラーを前記回転軸を中心に回転させ、前記第1ミラーが、前記投影レンズから前記光線を受け取り且つ、その光線を前記第2ミラーに向け、前記第2ミラーが、その光線を前記投影画面に投影する、請求項3に記載のシステム。
- 前記支持構造体に配置された第3ミラーを更に包含し、動作時には、前記モータが、前記第3ミラーを前記回転軸を中心に回転させ、前記第3ミラーが、前記第2ミラーから前記光線を受け取り且つ、その光線を前記投影画面に投影する、請求項8に記載のシステム。
- 前記支持構造体が、開口部を備えたプラットフォームを包含し、更に、前記投影レンズが前記開口部内に取り付けられている、請求項3に記載のシステム。
- 前記光学リレーが、リレーレンズ及び視野レンズを包含し、更に、動作時には、前記リレーレンズが、光源から前記光線を受け取り、且つその光線を前記視野レンズに中継し、前記視野レンズが、前記光線を前記投影レンズに中継する、請求項3に記載のシステム。
- 投影光学素子及び投影画面を回転軸を中心として回転させる段階と、
静止光源から光線を供給する段階と、
前記光線を前記投影光学素子を介して前記投影画面に投影する段階とを包含した、方法。 - 前記投影光学素子が、レンズ軸を備えた投影レンズであって、更に、前記方法が、前記レンズ軸と前記回転軸との間の角度が10度以下となるよう、前記投影レンズを傾斜させる段階を更に包含した、請求項12に記載の方法。
- 前記第1及び第2ミラーを前記回転軸を中心に回転させる段階を更に包含し、前記投影光学素子が投影レンズであり、前記投影レンズが、前記第1ミラーに前記光線を投影し、前記第1ミラーが、前記光線を前記第2ミラーに向け、前記第2ミラーが、前記光線を前記前記投影画面に投影する、請求項12に記載の方法。
- 第3ミラーを前記回転軸を中心に回転させ、前記第3ミラーが、前記第2ミラーから前記光線を受け取り且つ、前記光線を前記投影画面に投影する、請求項14に記載の方法。
- 前記光源からの前記光線を、光学リレーを用いて前記投影レンズに向ける段階を更に包含した、請求項13に記載の方法。
- 前記光学リレーがミラーを包含し、更に、前記方法が、前記ミラーを調節して、前記光線を前記投影画面の中心に位置合わせする段階を更に包含した、請求項16に記載の方法。
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