JP2005531812A - 自由空間映像ディスプレイ及びインターフェイスのための方法及びシステム - Google Patents

自由空間映像ディスプレイ及びインターフェイスのための方法及びシステム Download PDF

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Abstract

自由空間にフルカラーで高解像度の映像又は静止画像を表示すると同時に、ユーザが視覚映像とリアルタイムで直接に相互作用を有することを可能にする方法及びシステム。上記システムは、周囲の空気に存在する細分化された凝縮物を制御された方法で不可視の粒子雲の中へ噴出することにより、動的な非固体粒子雲を作り出す自然発生手段を有する。像生成手段と投影光学とからなる投影システムは、粒子雲上に像を投影する。像領域の内部に空間的に生じる物理的侵入は、検出システムによりとらえられ、侵入情報は、像を更新する場合にリアルタイムでユーザの相互作用を可能にするために使用される。この入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェイスは、ディスプレイ及びコンピュータリンクを備え、ユーザが像を作り出す装置の物理的制約を超えて自由空間浮動視覚情報を選択し、解析し、操作することを可能にする。

Description

発明の詳細な説明
技術分野
この発明は、自由空間映像ディスプレイ（free-space imaging display）、環境、シミュレーション、及び相互作用を有する強化現実入出力インターフェイスに関する。
背景技術
最新技術は、確立した技術を用いる二次元データから生成されるデプスキュー（depth cue）の操作を通じて、浮動像（free-floating image）の視覚認知を作り出そうとする。これらのいくつかの実施例は、従来のディスプレイから光を指向させるレンチキュラースクリーン（lenticular screen）からなる自動立体技術、すなわち、凹面鏡配置を利用する実像形成装置と同様に、シャッタ又は偏光メガネを介して立体映像を有する。これらの技術はすべて、収束及び調節限界を受ける。これは、元の２次元画像生成データと認知された空間的位置との間の相違の働きである。その結果、発生していると認知されるところに本当には存在しない画像に焦点を合わせることの難しさのために、ユーザの目の疲れ及び疲労が起こる。
この視覚限界を解決するために、画像と認知された位置とが空間的に一致しなければならない。この制約を解く確立した方法は、本当に空間的に認知された像形成位置を本質的に有する、不可視表面上への投影によるものであり、更に、従来技術の方法は、忠実性の悪い像が表示される。非固体画面上への投影は、最初に特許番号第６２０５９２号においてジャスト（Just）により１８９９年に提案され、像は、フォグスクリーン投影として当技術分野で周知である、単純なウォータースクリーン上へ投影された。それ以来、画質に対する全般的な進歩は、画質に直接に関連する画面の層流品質を向上させることだけに依存して記述されている。このように従来技術では、これらの方法は、画面の動的性質だけに基づいて鮮明さ、明瞭性、及び空間的画像安定性を制限し、比較的空間的に不安定な画像を本質的に作り出す。小さい画面の変動が更に、画像ゆがみを悪化させる。像の忠実性が更に悪化され、像の収差は、自由空間像の本来の目的を損なう容易に認識できる画面によって増幅される。この発明における進歩は、上記装置が自立可能であり、像安定性及び忠実性について先行技術の制限を克服し、視角を向上させ、更なる対話型機能（interactive capability）を組み込むことを可能にする。
先行技術に見られる主な不利な点の１つは、画面生成物質の供給への依存であった。これらの装置は、画面生成物質用の補充可能な貯蔵タンク、あるいは作動するために湖のような大量の水の集まっている所、又はそのまわりに位置付けられるべき上記装置次第であった。これは、補充、すなわち、一定の運転のために給排水接続を必要とする、例えば室内など閉ざされた環境において上記装置の動作時間を制限した。その結果、動作の容易さ、携帯性、及びこの依存性により引き起こされる上記装置の配置を厳しく制限した。更に、いくつかのフォグスクリーン投影システムは、例えば湿気又は他の噴出ガスなどの粒子を備えた周囲の外気を過飽和状態にすることにより動作環境を変更した。噴出物質の一定の流れが、例えば室内など閉鎖的な空間において蓄積される性質の潜在的な健康被害を引き起こすだけでなく、電子機器を短絡させることを可能にする危険な環境を作り出した。カタオカ（Kataoka）の米国特許第５２７０７５２号及びイズモ・ラッコライネン（Ismo Rakkolainen）のウェイブ（ＷＡＶＥ）白書の両方において開示された除湿プロセスは、投影面画面を生成する水分を集めるためではなく、むしろ別の分離した吸引装置として層流性能を強めるために用いられた。本発明は、具体的に言えば、自律的粒子雲生成及び送出システムとしての機能を果たす凝縮物抽出方法を用いる。
先行技術では更に、投影面は、層流性能を向上させることにより均一性、厚さ、及び平面性を最適化させることができるが、乱れの方への動的システムの自然な傾向を有する本来の性質は、最終的には、全体的な像形成の明瞭性又は鮮明さ、及び、例えば像のちらつき（fluttering）など像空間的安定性に影響を及ぼす。一般の流動的な空気流により引き起こされるこれらのわずかな変化、及び、ほとんどの屋内及び屋外環境において見られる別の環境状態が、不安定な画面をもたらし、それにより像に影響を及ぼす。先行技術は、乱流への層流の変化を抑制するために画面の改良に依存することによりこれらの像の低下及び安定性の問題を解決することを試みた。カタオカの米国特許第５２７０７５２号は、保護エアカーテンを使用することにより画面と周囲の空気との間の境界層摩擦を最小化する改良を備え、それにより比較的一様な層流の薄い画面深さ及び安定した像のために均一な粒子密度を維持したまま画面サイズである噴出距離を増大させる。比較的層状である画面は、既存の方法を使用して達せられ得るが、空間的に安定した鮮明な像を生成することは、画面に対する改良にのみ依存することによって限定されている。
単一の第１反射面を備えた従来の物理的画面上への投影とは異なり、バーチャル投影画面の媒体は常に厚さを示し、その結果、映された投影は、媒体の深さを通じて認識できる。そのようなものとして、像は、軸上の正面において直接に見られる場合に最も鮮明に見られる。これは、互いに真後ろにあり、観察者に対して軸上にある、画面の深さを通じて積み重ねられた同一の像の配置によるものである。不可視からほぼ不可視（invisible to near-invisible）画面上に良く見える像を生成するために、スクリーンクラウド（screen cloud）の低い透過率及び反射率を補正するために高輝度照明を必要とする。像は、低密度、不可視からほぼ不可視画面の低い透過率及び反射率を補正するために明るい投影源の方へ直接に見られる場合に最も明るく明瞭に見られる。これはいつも、圧倒的に明るい源をじっと見ることにおいて観察困難を引き起こす。更に、高い粒子数（高密度）の粒子雲のシナリオ（scenario）では、低輝度照明は、画面の高反射率を補正することができる。このことはいつも、非常に多くの量の空中浮遊粒子を集めるためにより大きくより強力な凝縮システムを必要とするだけでなく、画面を視認可能なようにそらさせる。
この発明に記述される更なる進歩は、粒子雲画面の視認性を最小にする手段として雲密度、微環境及び投影パラメータを調整するために、例えば湿度及び大気温度など変化する環境状態を自動的に監視する。この発明は、照度を最大にし、個々の照明光源強度を最小にするために、所望の像形成位置において交差する複数のビームを投影することにより、複数源の実施形態において画面の不可視性及び像コントラストを向上させる。
先行技術はまた、軸上又はその近くに限定された明瞭な視域（viewing zone）を作り出した。投影源のファン角度が、像の端部の方へ増大する軸外投影を生成し、媒体の前表面が観察者の視線に対する媒体の深さを通じて、わずかにオフセットした像を映している場合に像の忠実性が劣化する。画像は、画面の深さを通じて映されるので、観察者は、従来の画面上のように所望の前表面像を見るだけでなく、画面の深さにわたって意図せず照らされたすべての微粒子を見ており、不明確なほんやりした像を生じさせる。この発明では、複数源投影システムは、連続した軸上の照明を提供し、画面の深さを通じて軸上の同一の像を位置調整し、それにより、視覚的に像を安定化させ、像のちらつきを最小にする。
この発明は、自律的粒子雲生成プロセスを組み込むことにより、これらの上記制限の一部から苦しまず、像形成投影に対して重大な進歩をさせ、像の忠実性を向上させる微環境に対して進歩させ、更なる相互作用機能を備えている。
発明の開示
本発明は、相互作用機能を備えた真の高品質多色高解像自由空間ビデオ又は静止画像を生成する方法及び装置を提供する。構成されるビデオ又は静止画像は明瞭であり、広視野角を有し、更なるユーザ入力相互作用機能を備え、像形成位置を囲む別々の位置からそれぞれ見られる個別の画像を表示することができる。これらの特性のすべては、現在の強化現実装置、既存のフォグスクリーン投影、現在のディスプレイ、又は先行技術で開示されるものにおいて不可能である。
上記システムは、周囲の空気に存在する縮合物を集め、層流、半層流、又は乱流の粒子雲の中へ制御された噴霧方法で、その後に噴出することにより、動的な、不可視又はほぼ不可視の、非固体粒子雲を作り出す自然発生手段を備えている。像生成手段及び投影光学からなる投影システムは、上記粒子雲上へ１つ又は複数の像を投影する。本発明は、不可視からほぼ不可視粒子雲画面表面上に、静止画像、動画像、文書又は情報データを投影する。粒子雲は、有向エネルギー源が粒子雲を照明する場合には、像形成のために反射、屈折及び透過特性を示す。単一又は複数の投影源を有する投影システムは、制御された方法で粒子雲を照明し、そこでは、粒子雲の微粒子又は要素は、制御された光の焦点及び交差点が、像が構成される可視的な、三次元空間的にアドレス可能な自由空間照明を生成する媒体の機能を果たす。
更に、粒子雲像領域内で空間的に発生するあらゆる物理的侵入は、検出システムにより捕えられ、例えば指の運動などの侵入は、情報又は画像がリアルタイムで更新され相互作用されることを可能にする。この入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェイスは、新しいディスプレイ及びコンピュータインターフェイスを提供し、ユーザが画像を作り出す装置の物理的制限を超えて自由空間浮動視覚情報を選択し、移動させ、操作することを可能にする。
本発明は、現実の物質世界の内部でオーバーレイとして空間的に共存する情報を表示する新しい強化現実プラットフォームを提供する。像の相互作用非固体浮動特性は、広告用のプレゼンテーションディスプレイ及び店頭プレゼンテーションだけでなく、軍事計画、会議及びビデオゲーム用の共同環境を備えたマルチタスキングのシナリオにおいて、表示スペースが物理的と、‘バーチャル’活動との間で効率的な同時使用のために物理的に貫通できることを可能にする。
本発明は、非層流、半層流、及び乱流の粒子雲で機能することにより、従来技術に見られる純層流画面（purelaminar screen）から独立した明瞭な画像を表示するために、既存の非物質的画面にわたって重要な改良を備えている。多段階にわたる均等室（equalization chamber）及びバッフル（baffle）を用いて微環境配置方法に対する新しい進歩は、気圧傾度及び粒子雲と周囲の空気との間の境界層の抵抗を下げる層流空気流を生成する。更に、電子環境管理制御（ＥＭＣ）は、生成され粒子雲流出速度と連動して噴出される粒子の数を制御することにより、粒子雲密度を少なくし、それにより不可視からほぼ不可視画面を確保する。粒子雲密度及び照度のこの微妙な平衡は、従来技術において不可能であり、そのために、上記雲は非常に見えるか、明るい像を生成するために密度が低すぎるかのどちらかであった。両方の改良された投影システムに対する更なる進歩は、画面の内部に乱れにより引き起こされるちらつきなど、従来技術に対して内在する視覚限界を向上させる。更に、本発明の内蔵自律式システムは、周囲の空気から湿気を凝縮することにより、粒子雲の一定の流れを作り出すことができ、それにより上記システムが、一般的な動作環境に影響を及ぼすことなく独立して作動することを可能にする。更に、本発明は、従来技術にない相互作用機能を組み込んでいる。
この発明の複数の投影源は、複数の像を作り出す能力を有し、種々の源から投影される別々の像はそれぞれ、異なる位置から観察され得る。これは、敵対するプレイヤが、像を通じて対戦相手を観察することができるにもかかわらず、別の“視点”を観察するビデオゲームのシナリオにおける実施例として使用するために、別々の像が生成され、ディスプレイの前部及び後部から独立して見ることを可能にする。更に、複数の源の投影過剰は、投影源と画面との間に立っている人が、像が表示されることを妨げる従来技術の場合のように閉鎖が発生することを軽減する。
片側だけから投影することにより、ディスプレイはまた、像が片側から見え反対側からほとんど透明である一方向プライバシーディスプレイとしての機能を果たすことができ、例えばテレビ、プラズマ又はコンピュータＣＲＴ及び液晶（ＬＣＤ）モニタなど、従来のディスプレイを用いて不可能なものである。投影される照度及び雲密度を変更することは更に、像透明性及び不透明性を弱めることができ、既存のディスプレイでは不可能な機能である。更に、像が、従来のディスプレイのように、正面が平らな物理的画面を備えた“物理的容器”の内部に含まれないので、像は、平らな平面に限定されない非常に多くの形状を呈することができる。更に、像は、例えば従来のＬＣＤ又はＣＲＴなど物理的な囲い（enclosure）に拘束されないので、像の寸法は、像を作り出す装置の寸法より実質的には大きい。ディスプレイはまた、幾何学的形状を変更することを呈することができ、例えば円柱形又は湾曲表面など平らな平面以外の粒子雲表面を生成する。これらの粒子雲の形式において、適応又は補正光学は、投影のために可変焦点距離を補正することを可能にする。
表示された像は非物理的であり、それにより目立たないので、この技術の用途は広範囲に及ぶ。映された情報は、テレビ会議用に人又は物体が像を進むことができる部屋の中央に表示することが可能である、あるいは、外科手術を妨げることなく医療手術室において‘バーチャル’ヘッドアップディスプレイとして使用することが可能である。この発明のシステムは、従来の表示装置が配置される空間を自由に使えるだけでなく、可変不透明性及び複数視野機能のために、上記装置が、自由に眺め、議論し、画像及び互いに共同して相互作用するために、複数の集団のあたりの中心におくことを可能にする。上記装置は、画像が使用されない場合には引っ込められ得るとしても、天井からつるされ、床上の壁に配置され、例えば机などの家具の内部に隠されることが可能であり、すべての方向から像を投影することができる。縮小版は、例えばＰＤＡ及び携帯電話などの携帯機器が、物理的に小さい囲いにおいて‘バーチャル’大型ディスプレイ及び相互作用インターフェイスを有することを可能にする。
発明を実施するための最良の形態
本発明の基本的要素が、図１の模式図に説明されている。本発明を実施するための最良の形態が、例えば熱電（ＴＥＣ）モジュールなどの固体素子を利用するヒートポンプ抽出装置(１)、圧縮機に基づく除湿装置、又はその後に収集のために蓄積される凝縮をもたらす温度差を作り出す別の手段を通じて、周囲の空気（２２）から湿気を抽出する。抽出装置（１）は、例えば粒子雲（５）の上空など、本体から離れた位置に分離され得る。抽出された凝縮物は、更なる補充のためにあるいは抽出装置（１）なしの操作のために、外部接続（３４）を有し得る貯蔵容器（２）の中に蓄えられる。凝縮物は、更に書類に記述される粒子雲生成システム（３）に送られ、それは、機械的、音響的、電気的又は化学的な手段、あるいは１つ若しくはそれ以上の手段の組合せにより凝縮物を微小粒子雲物質（５）へ変える。粒子雲送出装置（particle cloud delivery device）（４）は、周囲の空気（２１）を局所的に再加湿する微小粒子雲物質を噴出し、制御された微環境（３７）の内部に含まれる、不可視からほぼ不可視粒子雲画面を作り出す。制御装置（３５）及びセンサ（３６）を有する電子環境管理制御システム（１８）は、画面（５）の密度（所定容積当りの粒子数）、速度、及び粒子雲（５）のその他のパラメータを調節する。例えば温度、湿気、及び周囲の照明など外部の周囲条件が、センサ（３６）により読み取られ、データを解析し、上記パラメータを調節するように粒子雲生成システム（３）に指示する制御装置（３５）に送られ、像形成のために有効な、不可視からほぼ不可視画面を確保する。
外部源（１２）、ビデオ（ＶＣＲ）、ＤＶＤ、ビデオゲーム、コンピュータ又は他の映像源から生ずる信号は、光学走査コンバータ（３８）を通じ、入力する映像信号を解読するために処理装置（６）に渡る。例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ、光学又は代わりの記憶手段上に蓄えられた映像データ（１３）は、コンテンツの源として使用され得る。これらの信号を受信する処理装置（６）は、それらを解析し、像生成手段（９）に送られる映像信号（８）を生成するグラフィックボード（７）に指示を送り、静止又は映像画像を作り出す。像生成器（９）は、投影用静止又は映像データを表示する手段を備え、それらは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、デジタルライトプロセシングユニット（ＤＬＰ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）あるいは静止又は映像画像を生成するために使用される照明源からの光を指向させる、あるいは調節するレーザに基づく手段であり得る。テレセントリック（telecentric）投影光学を有する単一像伝送光学（single image delivery optics）（１０）は、例えば曲面画面など非線形画面に焦点合わせする適合可能なアナモルフィック光学を備え得る。構成要素（３８、６、７、８、９、１０）はまた、簡略化された実施形態ではビデオプロジェクタにより置き換えられてもよい。アナモルフィック光学及びデジタルキーストン補正がまた、非線形表面上に軸外投影を補正するために使用される。
好ましい複数源の実施形態では、単一投影源（９）は、複数の伝送光学距離（２０）を備え、装置の周辺を囲む“幻像”源の位置に生成された像を分割し、粒子雲（５）上に投影ビームを再指向させるために必要とされる一連のレンズ、プリズム、ビームスプリッタ、ミラー及び他の光学部品を備えている。代わりの複数像生成の実施形態では、複数の像が、１つの投影ユニットなど単一像生成器又は複数の像生成器（１９）上に生成され、単一光学伝達距離（１０）又は複数の伝送光学（２０）を使用する複数の伝達経路を使用し、投影を分割し、結合し直すように指向させられる。当技術分野で周知のように、光学又はソフトウェアに基づく手段、あるいは両方の手段の組合せは、１つ若しくはそれ以上の軸（すなわち、４点キーストン）用の像台形キーストン補正（image trapezoidal keystone correction）を有する軸外投影からもたらされる像焦点を補正及び訂正するために使用される。すべての場合において、有向投影が、自由空間像（１１）が周囲の空気（２１）の内部の保護微環境において浮遊しているように見える粒子雲（５）を照明する。微環境（３７）は、粒子雲（５）の噴出速度と同様の噴出速度を有する保護用の空気の流れを作り出すことにより、粒子雲と周囲を取り巻く周囲の空気との間の境界層性能を強める働きをする。この微環境（３７）及び粒子雲（５）の特性は、以下に更に詳細に論じられるように、雲の可視性を最小にするために、変化する環境状態を補正するように絶えず最適化することが可能である。
相互作用の実施形態では、入力を検出可能な空間（３９）が、像（１１）と空間的に共存しており、像が入出力（Ｉ／Ｏ）装置としての機能を果たすことを可能にする。例えばユーザの指、ペン（stylus）又は別の異物など、粒子雲（５）の入力検出可能空間（３９）の内部における物理的侵入は、入力指示（１４）として認識される。上記入力は、例えば赤外線（ＩＲ）源など特定の波長からなる照明源（１６）が、侵入を強調表示する検出可能空間の方へ指向される場合に記録される。照明は、レーザラインストリップ（laser line strip）、赤外線発光ダイオード、従来のランプを使用することにより所定の検出可能領域の内部で光を対称物から反射する手段を有する、あるいは検出可能空間を照明する像投影から同一の照明源を備え得る。好ましい実施形態では、ユーザの指又は他の入力手段（１４）から散乱された反射光は、光学センサ（１５）によって捕らえられる。光学センサ又は検出器（１５）は、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化物シリコン（ＣＭＯＳ）センサ又は像データをとらえることができる同様の形式の検出器又はセンサを備えていてもよい。
センサ（１５）は、特定の帯域幅センサを用いること、帯域通過フィルタを利用すること、あるいはそれらの組合せを利用することにより照明源（１６）の波長と類似するあるいは等しい、制限された、あるいは最適化された感度反応で作動することによって不要な‘ノイズ’をフィルタ処理することができる。センサの周波数反応帯域幅を超える光は、無視又は最小化され、バックグラウンド干渉（background interference）を減少させ、意図的な入力（１４）のみを認識する。侵入が照明源により照明される空間における座標は、侵入信号（１４）が、例えばマウスカーソルとして機能するグラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）など、バーチャルタッチスクリーン（virtual touch-screen）に類似のコンピュータ環境内に類似の２又は３次元位置に対応する。強調表示されたセンサに捕らえられた座標は、処理装置（６）又は制御装置（１７）においてブロブ認識(blob recognition)又はジェスチャ認識ソフトを使用する強調表示された入力データを読み取り、解析する制御装置（１７）に送られる。例えばマウスエミュレーションソフトに連結された追跡ソフトは、像を更新するために処理装置（６）、従ってグラフィカルユーザインターフェイスにおいて作動しているオペレーティングシステム又はアプリケーションを指示する。別の検出システムの変形は、超音波検出、近接に基づく検出、レーダーに基づく検出の使用を備え、それらはすべて、位置及び移動情報を検知することができる。
好ましい実施形態では、本発明は、それ自体の粒子雲物質を作り出すことにより水源に依存しない電源だけで作動する。ヒートポンプを通じて周囲の空気を通すことにより、空気は冷却され、凝縮物が除去され、上記雲物質のために集められ得る露点以下に下がる。当技術分野で周知のような１つの方法は、圧縮機が、コイル又はフィンの温度を下げる蒸発器コイルを通じて冷却剤を推進させ、空気内の湿気が、凝縮が熱を放出したまま凝縮することを可能にする除湿プロセスを備えている。もう１つの変形は、小さいビスマス・テルル（Ｂｉ２Ｔｅ３）の配列を“対”としてそれらの間に備えた２つのセラミックプレートのサンドイッチのように、一連の固体ペルチェ熱電モジュールの使用を備え、それは、冷却側に集められ得る凝縮物を作り出す。別の変形は、膨張により過冷却された気体又は液体を生成するために、例えば窒素又は酸素、同様に他の気体など、周囲の空気から抽出する要素を備え、その結果、凝縮雲物質を生成するために温度格差を作り出す。別の方法は、例えば燃料電池技術に使用されるように電気化学エネルギー変換を備え、水と電気が作り出される電解液のあたりに挟み込まれた２つの電極から構成される。１つの電極を横切る酸素と他方のまわりの水素とは、上記装置を作動する電気、粒子雲用の水、及び副生成物として熱を生成する。
粒子雲の構成物は、１から１０ミクロン程度の平均径を備え、表面張力によってつなぎ合わせらた膨大な数の個々の縮合物球体からなり、それらは、非常に小さいので観察者によって個々には見えないが、照明された雲に像を提供するには十分に大きい。上記雲全体上への焦点及び制御された照度は、個々の球体が、軸上の最も高い強度で光を伝え、焦点合わせするレンズとして作用することを可能にし、それにより画面及び投影源の両方の前にまっすぐに配置された観測者は、最も明るく最も明瞭に像を見る。複数源の実施形態では、複数源から粒子雲に光を指向させることは、明瞭な像が至る所から見えることを確保し、連続した軸上の表示を提供する。複数源投影に連結された雲画面の軸上の像透過率は、観測者の位置に関係なく鮮明な像を保証し、上記雲の乱れた崩壊により引き起こされる収差を補正する。複数源から光線を交差させることは更に、同一の粒子雲像形成位置を照明する各投影源からの照明全体をある位置に配置することにより所定の像形成位置で照明を最大にする。このようにして、粒子雲を超えた照明の衰えは、従来技術に見られるように、光の大部分が、画面を通り抜け、所望の粒子雲上よりはむしろそれを超えた表面により明るい画像を作り出したところをこえた意図しない表面上において最小にされる。同様に、複数源の投影は更に、個々の投影源光度を最小にし、従来技術に見られるように、単一高輝度投影源で満たされることなく、観察者が軸上にまっすぐに見ることを可能にする。
代わりの実施形態では、粒子雲物質は、視覚映像を生成するために、不可視照明源を利用する特有の励振源を備えた上下の蛍光変換を作り出す、蛍光放射添加物又は添加された溶液を有し得る。上記方法のいずれの時点において上記雲の流れの中へ注入される溶解非毒性添加物は、カソードの、レーザの、可視の、ＵＶ（紫外線）の、又は赤外線の刺激源（stimulation source）により励起された特定の吸収スペクトルをそれぞれ備えた、例えばローダミン（Rhodamine）、又は、例えばキサンタン（Xanthane）などのトレーサ染料を有することができる。特定の波長によりそれぞれ励起された、赤、緑及び青の可視的に放射された染料の３つの混合は、可視的に十分なスペクトル像を生成する。これらの添加物は、低い吸収遅延時間、及び、ナノ秒からマイクロ秒の範囲にある蛍光存続時間を有し、動的に動く画面からぼやけた像を抑制し、満足な像形成光度のために高い蛍光収率を生成する。統合された又は別々の吸引装置モジュールは、空気からの添加物を回収し、これらの添加物染料が周囲の空気の中へ散乱することを防止する。
従来技術では、レンチキュラースクリーンは、観察者の特定の目又は位置が別々の像を与えるようにレンズスクリーンを用いて所定の像を選択的に指向させるために利用されていた。同様に、この発明の粒子雲画面は、内部の屈折及び反射が各球体の内部において起こる以下の強度レベルにより照明され、散乱され拡散された光線を作り出し、個々の粒子球体が、レンチキュラー映像の類似する光学特性を行う小型レンズとしての機能を果たし、上記雲がレンチキュラー映像システムとして行うことを可能にする。この概念は更に、図２から７において説明される。
図２は、ボールレンズの光の屈折特性に類似した、個々の雲粒の光学を表しており、Ｄは、表面張力によって自然に形成されるほぼ完全な球体の粒子の直径である。入射光は、経路（Ｅ）に沿ってたどり、分解能（ｄ）で、それが球体（３０）に入ると回折され、軸（３１）上の最大強度である、粒子（Ｐ）の中心から軸上（Ｅ）の点（３１）において有効焦点距離（ＥＦＬ）離れて焦点合わせされる。この方法は、雲の深さにわたって隣接した粒子において繰り返され、最終的に観察者の位置（１１０）に達するまで軸上で続く。
図３の極線図に表される軸上の照度は、源強度、密度（粒子サイズ及び数）及び雲の深さにより決定され、最大の密度及び透明度は正面で０度（１２８）軸上であり、最低は、後方１８０度（１２９）である。これらの像形成特性は、照度が粒子雲の飽和照明レベル以下である場合に起こり、不必要に好ましくない照明を受ける雲の内部に意図せず隣接する粒子に全方向性鏡面散乱を作り出す。従って、浮動画像は、リアプロジェクション配置（rear-projection arrangement）からの画面の正面から明瞭に見ることが可能であり、プライバシー一方向画面としての機能を果たし、後方（１２９）からは不可視からほぼ不可視である。雲は、後方から見られる場合には、前又は後ろから見る独立した２つの像のために交互の、あるいは反転した像を投影するために空の表面を付与し、それぞれ別々の像が反対側から最も認識できることを可能にする。
図３ａは、観測者（１８１）が粒子雲（１８３）の方へ１つの源若しくは複数の源（１８２）から生じる投影像“Ａ”を観察する片側投影の実施形態を説明する。位置（１８４）にいる観測者は、像“Ａ”を観察することができない、あるいはよくてもほとんど見えない逆転像を観察する。図３ｂは、符号（１８８、１８９）で示される場所に位置付けられた両方の観測者が像“Ａ”を見ることができる粒子雲（１８７）上に両側から投影されている像“Ａ”を示す。両側の１つの投影源あるいは複数の投影源は、例えば文章が両側から左から右に読むことができるように像を反転することができる、あるいは、像は、片側において像が反転されるように一致することができる。図３ｃは、粒子雲（１９２）上の両方において、１つの投影源あるいは複数の投影源（１９０）が像“Ａ”を投影し、１つの投影源あるいは複数の投影源（１９１）が別個の像“Ｂ”を投影する２つの表示の実施形態を示す。符号（１９３）で示される場所に位置付けられた観測者は、像“Ｂ”を観察し、観察者（１９４）は、像“Ａ”を観察する。
図４は、投影源（１２２、１２３）の間に角度シータ（θ）を有する複数源の投影を説明しており、粒子（１９５）が、観察者の位置に関係なく、軸上からほぼ軸上の像を付与し、それにより鮮明な画像を確保する。符号（１２１）で示される場所に配置された観察者にとって、投影源（１２３）から経路（１４５）に従う投影された像は明瞭に視認でき、同時に角度θで投影される投影源（１２２）から生じる投影された像の光線（１４４、１４５）は、各源の強度の和を生成する。別々の立体画像は、距離Ｌ１が、観察者の右目と左目の両眼間距離に等しく又は近く、各投影源の衰えが、所望の投影源のみが所望の左又は右の目に視認可能であるように十分に大きい場合には、疑似三次元映像を可能にする角度θで投影され得る。
図５は、観察者が別々の源位置から投影される同一又は別々の２つの像を与えられる全体図を表す。投影源（１２４）からの光線（１４９）は粒子雲（１４６）を照明し、それは、光の大部分を観察者の目（１４８）に指向させられた軸（１４７）上に伝える。同様に、光線（２７）に従う投影源（１２５）からの別々又は同一の像は、粒子雲（１４６）を照明し、観察者の目（２９）が投影軸（２８）の方へ指向させられる場合に軸上（２８）に見られる。
図６は、符号（１９６）で示される０度の軸上で最大の強度及び明瞭度の像を備え、デカルト座標において単一投影源の角度に関する透明度の減少を表す。個々の微小な微粒子の組合せが、全体としてレンズアレイとして作用し、投影源の前に光の大部分の焦点を合わせ、軸上にこの照明パターンを作り出す。全体として粒子雲だけでなく、粒子球体のこれらの固有の光学特性は、（軸上又はその近くから投影源の前まで）特定の位置から見ることができる類似又は別々の像を投影する複数の光路を指向させる制御可能な手段として軸外の照明強度の減少を保証する。
図７は、ｎ個の源が可能であるが、３つの源を備えた複数源の投影の実施例を示す。３つの源は、透明度閾値（ＯＴ）を有する（Ｐａ）、軸上（０）、源（Ｐｂ）にある。角度の閾値角度は、符号（１２６）ではＰａと軸上（０）との間の中点であり、同様に符号（１２７）では軸上（０）とＰｂとの間の中点にある。
図８は、図７のグラフに説明される本発明の平面図である。符号（２４）として示される源Ｐａ、符号（２５）として示される軸上の源（０）及び符号（２６）として示される源Ｐｂは、深さ（１５０）を有する表面（２３）上に投影する。観察者（１５２）が粒子雲（２３）を見る場合には、画素深さ（１５１）が視軸（１５３）に平行であるので、投影源（２６）は、観察者がこの位置で見る最大且つ最も明瞭に照らされた像を照明する。観察者が位置（１５４）に移動する場合、彼又は彼女が見る像は、像投影が粒子雲（１５０）の深さ（１９７）にわたって映される軸上の投影源（２５）により照明される。同様に、観察者が粒子雲（１５０）のまわりに移動し、位置（１５５）に位置付けられる場合、見られる像は源（２４）から生じる。これらの位置のいずれか又はそれらの間に位置付けられた観測者は、それぞれ連続又は同時に投影される源の光線が粒子雲（１５０）の方へ指向させられる複数の投影源により構成される全体の像を同時に見ている。
図９は、本発明の好ましい実施形態の動作を詳細に記述する。周囲の空気（１５６）は、ファン又はブロワー（４０）によって装置（３２）内に引き込まれる。この空気は、集光器として機能する、粒子雲上に位置付けられる吸引装置（４８）として組み込まれる、あるいは分離され得る、熱電冷却板、蒸発器フィン又はコイル（３３）のような冷たい表面を有する熱交換器（３３、４１）を通される。この空気は、その後、熱電モジュールのヒートシンクあるいはコンデンサコイル（４１）の熱い側を通り過ぎる。ここで、生成された熱は、周囲の空気（４９）に対して排出され、あるいはファン（５９、６０）を通じ、ファン（５６）の下方へ通過し、その結果、排出された空気が同一の温度となる。冷却板、コイル、又はフィン（３３）上に形成される凝縮物は、重力又は強制エアによって滴り、パン（４２）内に回収され、一方向逆止弁（５０）を通じて貯蔵容器（４３）内に通過する。その代わりに、容器（４３）は、水でいっぱいにする、あるいは外部配管に接続するために、上記装置が、開口部（４４）又は他の付属部品を備え、熱交換器を使用することなく独立して作動することを可能とする。レベルセンサ、光学又は機械的スイッチが、熱交換器を制御し、容器（４３）があふれることを防止する。管（４６）及び（４７）を通じてフレオン又は他の冷却剤を送り込む圧縮機（１５７）が、当技術分野で周知である従来の除湿プロセスにおいて用いられ得る。
凝縮物を最大にすることは、高出力を要するプロセスである場合には重要である。空気流を増大させ、蒸発器の表面領域を最大にすることは、一定の動作を確保し、熱交換機、熱電又は圧縮機上の過負荷を最小にするために最も重要である。固体熱電の形態では、圧縮機（４５）がなく、蒸発器（３３）及び凝縮装置（４１）が、冷たい側に水分を回収し、他方の側に熱を引き込むために、適切なヒートシンクを備え、熱電モジュールの温冷両側で置き換えられている。凝縮形成の前の時間差のために、容器（４３）は、上記装置が、凝縮物が形成され回収される継続時間の間作動することを可能とする。蓄えられた凝縮物は、センサ又はスイッチ（５５）によって適量を制御する逆止弁（５１）を通じて移動し、粒子雲生成プロセス用の噴霧膨張室に入る。
好ましい実施形態では、膨張室（５２）が、凝縮物を超音波で振動させ、霧状にし、その後の現像（deployment）のために、微小の微粒子の純度の高いクラウドミスト（cloud mist）を生成する圧電円盤又は変換器（５３）を振動させる電気機械噴霧を用いる。熱噴霧器、低温学を利用する熱冷却、スプレー又は噴霧ノズル、あるいは細かい霧を作り出す更なる手段を有する別のクラウドミストを生成する技術が、用いられ得る。上記膨張室の設計は、大きい粒子が膨張室（５２）から出ることを防止する一方、霧が膨張室（５２）の内部に形成することを可能にする。例えば機械的フロートスイッチ又は光学センサなどのレベルセンサ（５５）が、粒子生成を調整するために、膨張室（５２）の内部において特定の液体レベルに維持する。流体表面（５４）が降下する場合には、弁（５１）が開き、それにより最適化された噴霧のための所定の深さが維持される。
ファン又はブロア（５６）は、空気を膨張室（５２）内に導入し、噴霧器（５３）により生成されたミストと混ぜられ、空気／ミスト混合物が、粒子雲（５８）を作り出すために必要とされる高さによって決定される速度で、中央ノズル（５７）を通じて噴出される。更に、ノズル（５７）は、ノズル（５７）の縁部で流体の蓄積を防止するために先細りの幾何学的形状を備え得る。噴出ノズル（５７）は、非常に多くの押し出された粒子雲の可能性をもたらすために、例えば湾曲又は円柱状の表面など非常に多くの異なる形状を有し得る。粒子雲（５８）は、像形成用粒子雲画面として、現像のために層流、半層流、又は、乱れた空気流を備えている。
ファン（５９及び６０）は、雲画面（５８）を覆う層流保護空気微環境（６２、６３）を作り出すために、周囲の空気を引き込む、あるいは、バッフル又はベントを有するベント（６１及び８８）を通じて空気を熱交換機から排出する。層流粒子雲画面（５８）において、この微環境は、境界層の抵抗を減少させ、像形成用画面（５８）の層流品質を向上させることにより境界層の性能を向上させる。
従来技術では、“レイノルズ数”が、かつては画質及び最大サイズについて決定的要素であったが、この発明は、複数源の投影を統合するので、層流品質への依存が減少させられることに注意しておくことは重要である。“レイノルズ数”（Ｒ）は、流れが層流であるかないかを決定する。粘度が（ｕ）であり、速度（Ｖ）、密度（ρ）及び流れの厚さ（Ｄ）は、従来技術では限定要因であった層流と乱流との間の遷移点を判定する。更に、電子環境管理制御は、雲の視認性を最小にするために、粒子雲密度における変化を補正するように微環境及び粒子雲噴出速度を連続的に修正する。粒子雲密度における変化は、雲の粘度に直接に影響を及ぼし、それにより噴出速度が、層流を最大化するようにそれに応じて変化しなければならない。
Figure 2005531812
（従来技術）
噴出された粒子雲は、像形成用の粒子雲表面又は容積を作り出すまっすぐな経路に沿って軌道（６４）上に続き、最終的に符号（８５）で示される場所で分散し、像形成目的で使用されない。符号（５８）で示される場所における画面の微粒子は、連続したループシステムを作り出すために、装置（８４）に戻る。粒子雲水分が積まれた空気は、装置（８４）内に戻され、装置が作動している室（room）において水分レベルに影響を与えない。上記雲の密度は、その不可視性について、内蔵環境診断管理制御ＥＭＣ（６６）により連続的に監視される。該内蔵環境診断管理制御は、これらに限定することはないが、湿度、温度、及び周囲の光度を含む周囲のパラメータを監視し、それらのファクターは、複数のセンサ（６５）により得られる。センサ（６５）は、データを集めるために、例えばフォトダイオード、光センサ、更に、他の気候用のセンサとともに、温度センサ、気圧センサを備えている。センサの情報は、診断管理制御（６６）により解析され、それらに基づき、符号（５３）で示される場所で粒子雲生成の強度を最適化することにより、画面（５８）の密度、及び、雲画面（５８）の不可視性を制御するために、周囲湿度及び周囲光度に関して源（６９）からの投影光度が調節される。粒子雲の片側に配置された光電子放出体と反対側の光検出器は、エミッタから検出器へ進む光の量を監視することにより雲の視認性を計算するために使用され、それにより雲の不可視性が最大化される。
例えばテレビ、ＤＶＤ、又はビデオゲーム（６８）など付属の外部のビデオ源を含む、例えばＣＤ、プログラム可能なメモリ、ＣＤ、ＤＶＤ、コンピュータ（６７）、又は外部コンピュータなど内部の像又はデータ記憶装置に蓄えられる像は、像生成手段（７０）上に形成される未加工の像データを作り出す。像生成手段（７０）は、光集束アセンブリ（７１）を通じて像を作り出し、指向させるために、液晶ディスプレイ、音響光学スキャナ、回転ミラーアセンブリ、レーザスキャナ、あるいはＤＬＰのマイクロミラーを備えていてもよい。
例えばハロゲンバルブ、キセノンアークランプ、紫外線又は赤外線ランプ、あるいは発光ダイオードなど、電磁スペクトルの範囲における照明源（６９）は、単色又は多色、コヒレント又は非コヒレント、可視又不可視の照明からなる放射エネルギーのビームを、最終的に雲画面（５８）へ向かって指向させる。照明源（６９）から像生成手段（７０）に向かって指向させられた光は、集束用の光学系（７１）を通り、これにより、“幻像”伝達源位置（７７）として外部の位置に指向させられた光線（７６）が作り出される。幻像源（７７）は、投影（７９、８０）を粒子雲（５８）の方へ再指向させる、あるいは導くために、鏡又はプリズム（８３）を有する１つ若しくはそれ以上の光学素子を使用し得る。
例えば放物面鏡、レンズ、プリズム、又は他の光学素子などの平行光学系が、１つ若しくはそれ以上の軸において軸外キーストン用投影を補正するアナモルフィック補正光学系（７７又は７８）において使用され得る。更に、電子キーストン補正が、発生器（７１）を制御するために使用され得る。アナモルフィック補正光学系（７８）は、また、像発生器を通じて、例えば雲（５８）の周囲の位置に配置される源（７７）など種々の源へ通過するように、光源を指向させるためのビーム分割手段を備え、源（７７）に達するまでビームを平行にしてもよい。ビーム分割のためには、プレート、キューブビームスプリッタ、最初の像の投影物を複数の投影物へ分割する電子シャッタ又は光チョッパを備えた回転走査ミラーを使用することができる。投影ビーム（７６）は、単一又は複数の幻像源、あるいは像形成用上記雲（５８）上に光線（７９、８０）を再指向させる雲（５８）を囲む位置の方へ向けられる。粒子雲（５８）を通じて進む像形成光線（８１、８２）は減衰し続け、光学系（７１、７８、８３）の領域範囲の限界深さにより引き起こされ、焦点が外れて現れる。
検出システムは、単一又は２つの光のストリップ面（strip plane）（１３１，１３２）を作り出す照明ビーム（１３０）を指向させる照明源（７２）を備え、その内部への侵入が、雲画面（５８）のセンサ像境界（１３３、１３４）の円錐状の視野に含まれる光学センサ（８６）により捕らえられる。同様に、２つの別個の源が、２つの別々の面に生成するために使用されてもよい。あるいは、上記装置が、専ら光の１つの面を利用するように作動してもよい。異物侵入により、像に平行な平面の光源（１３１、１３２）が貫かれた場合には、この照明は、侵入に反射し、光学センサ（８６）により捕らえられる。検出された情報は、入力情報に基づいて像生成器（７０）を更新するために最新のソフトウェア又はオペレーティングシステム（ＯＳ）を作動するコンピュータ（６７）に信号（１３５）によって送信される。上記装置は、また、選択あるいは非固体像との相互作用を認識するユーザの音響フィードバックを備えることができ、それにより、必要なユーザの触覚によるフィードバックが供給される。
本発明の好ましい実施形態では、検出システムが、像の検出可能な限界の範囲内で物理的侵入を捕らえるために、光学のマシンビジョン（machine vision）手段を利用する。また、別の検出方法を採用してもよい。これらは、例えば、リアルタイムでの追跡を目的として、例えば手又は指などの対象物を位置付け、配置するために、超音波検出器など音響に基づく検出方法、赤外線検出器などの照明に基づく方法を備えている。像が構成される領域は、例えば指、手、ペン又は外科用ナイフなど他の対象物など異質の物理的侵入のために監視されている。検出可能な空間は、像の重ねられた領域に直接に対応し、検出システムと連結される像が、コンピュータの使用を通じて操作され得るＩ／Ｏインターフェイスとしての機能を果たすことを可能にする。その好ましい実施形態において、外部検出インターフェイスを減少させるために、検出システムは、ユーザ入力に関係していないバックグラウンドの対象物を照明する、捕らえられた周囲の背景光を最小限に抑制する不可視スペクトル範囲内での狭帯域で作動する光学検出器（８６）に依存する。動作検出システムの波長は、更に、像形成と干渉せず、ユーザに知られないままである。好ましい実施形態は、例えば赤外線（ＩＲ）又は近赤外線（ＮＩＲ）照明など可視スペクトルを越えて、狭帯域照明源（７２）を採用し、その後に照明を平行にすることにより１本のビームへ構成される。照明源（７２）により生成されるビームは、線を生成する円柱レンズを用いるなど１つ若しくは複数の線生成手段、あるいは雲（５８）上の像に空間的に平行に、あるいはその上に共存する単一又は２つの照明された光の面（７３、７４）を作り出す回転ミラー手段に送られる。この相互作用プロセスは、以下により明瞭に記述される。
図９ａは、上記雲を保護する層流空気流の流れに高い均一性を供給し、それにより既存の保護エアカーテン上で格段に画質を向上させるための、微環境生成プロセスを記述する。１つ若しくはそれ以上の室（chamber）の多段ベント又はベッフル配置、あるいは大きさ及び形状が様々であるバッフル、ベント又はメッシュは、微環境と雲との間で温度及び速度において微小に変わる変化を抑制し、それにより、摩擦及び雲の衰弱を最小にし、既存技術を越えて画質を格段に向上させる。取り囲む周囲の空気又は熱交換器から排出された空気（１９８）は、側壁を備えた囲い（２００）の内部に収容された軸流又は横流ファンあるいは送風機（１９９）など、この空気を移動する手段を通る。空気は、囲い（２００）において空間領域（２０２）の内部で気流速度と方向とのバランスをとるために第１段階均等室（２０１）内に混合される。その次に、空気は、噴出口端部（２３３）と注入口端部（２３４）が、層流空気流微環境（２３５）と同一直線上である層流空気流を作り出すためにレイノルズ方程式により決定される長さ及びセル直径サイズの線形平行バッフル又はベント（２０３）を通過する。同時に、粒子雲層流噴出薄壁ノズル（２０４）は、粒子雲物質を、外部（２０５）へ向かって、層流空気流微環境（２３５）内に噴出させる。上記雲と微環境との間に温度及び速度においていつもわずかな違いが存在するので、２つの空気流は、空気（２０５）に対して噴出される前に、更に安定させるために、最後の均等室（２０６）を通過する。更に、均等化は、隣接した部屋が空気流を共有するように、バッフルをオフセットすることにより達せられ、これにより、空気流の速度勾配が最小化される。外部噴出バッフル又はベント（２０７）は、凝縮物が蓄積されることを防止するために厚さ及び深さにおいて薄く、これにより、拡大された使用が可能とされる。
図９ｂは、雲の視認性を最小限に抑制し、粒子雲の乱れによるちらつきを減少させることにより、自由空間に浮かんだ忠実性の高い像を維持する上で含まれる主プロセスを説明する。環境センサ（２０９）は、周囲の空気（２０８）を監視する。センサは、温度を測定するために、周囲の温度センサ（２１０）に限定されないが、例えば固体の熱抵抗等を備えている。同様に、相対的な湿度センサ（２１１）、及び、例えば光検出器など周囲の光度センサ（２１２）が、例えば２つの、抵抗の、電圧の、又は電流の値など、更なるデータ（２１１）を集める。データ（２１１）は、粒子雲のパラメータの修正に際して将来的に使用するための信号（２２８）として、絶対的あるいは相対的変化の量に対応する合成の合計値を作り出すべく、別々のセンサ値情報を集めるための電子ハードウェア回路を構成する制御装置（２１４）に送られる。
信号（２２８）は、超音波噴霧器に供給電圧又は電流を規制することにより生成される粒子雲の量を制御することにより、粒子雲生成密度（２１６）を抑制する。同様に、信号（２２８）は、膨張室を逃れる粒子雲の排出口の開口部を変えることができ、それにより、雲（２２１）に対して排出される粒子雲（２１７）の量を制御する。排出される粒子の量は、レイノルズ方程式に定義されるように粘度に直接的に比例するので、粒子密度（空気の中への物質の量）を修正することは、粒子雲排出速度（２１８）と微環境排出速度（２１９）との両方において比例変化を必要とする。信号（２２８）は、ファン回転速度を変更することにより、例えば、粒子雲（２２１）及び微環境（２２０）の流出速度を変更するためのパルス幅変調を利用することにより、この排出速度を制御する。
これらの検出器を増やす、若しくは、別々のユニットとして動作させる上で、雲視認検出器（２２４）は、例えば光エミッタ又はレーザ等の照明源（２２２）と、例えば硫化カドミウム光電セル等の対応する光検出器（２２３）と、を有する。粒子雲の反対の端部にそれぞれ配置された検出器（２２３）及び照明源（２２２）の両方は、反対の検出器によって受け取られる粒子雲（２２１）を通過する照明源（２２２）からの周知の光量を集めるように配置されている。粒子雲（２２１）から反射され、検出器（２２３）によって受け取られない光に対する信号強度における損失は、密度、そして、雲の視認性に対応する。この信号（２２５）は、雲（２２１）の視認性を修正する密度及び速度を規制するために、制御装置（２１４）に送られ得る。同様に、別の方法は、粒子雲（２２１）の密度又は視認性に対応する粒子数を決定するために、粒子雲（２２１）内における特定の空気サンプルデータを得るための空中浮遊粒子計数器（２２６）を備えている。粒子データ（２２７）は制御装置（２１４）に送られ、これにより、上記に記述した方法と同様に、粒子雲生成（２１６）及び流出速度（２１５）を調節するように指示（２２８）される。
図１０は、本発明の複数の源の実施形態の上面図を示しており、主投影器（９０）及び光学系（９１、９２、１０４、１０５、１０６、１０７）は、主ユニット（９３）の一部である。像投影は、高フレーム率プロジェクタ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、デジタルライトプロセシング（ＤＬＰ）ユニット、又は平行光学系（９１）の方へ向けられた他の上記方法からなる像発生器（９０）から、ビーム分割機構（９２）へ指向させられるように生じる。固体状態の形態では、これらの光学要素は、当技術分野でよく理解されているように、最初のビームを多数のビームに徐々に分割するために一連のプリズム、及び、又はビームスプリッタを有する。無数のビーム分割機能の場合には、最初のビームは、例えば（１０１、１０２、１０３）など複数の源の方へビームを再指向させる単一又は多面的回転スキャナ（１０４）へ向かって指向させられる。例えば、光チョッパ又は電子シャッタなどのフォトインタラプタ（１０５）が、フレームを通じて動く従来のオープンリール式の投影器と類似した方法で、連続した像部分をもたらす上で必要である。更に、アナモルフィック光学アセンブリ（１０６、１０７）が、主像形成ユニット（９３）の一部として、あるいは個別の源（１０１、１０２、１０３）において軸外投影を補正する。すべての実施形態におけるアナモルフィック光学系及びキーストン補正器により、それぞれ各源から同じ像を投影し焦点合わせする、指向させられた投影ビーム（２２９、２３０、２３１）、及び、等しい投影シナリオにて使用される照明粒子雲（２３２）が、粒子雲（２３２）上の同一の位置に焦点を合わせられることが保証される。
図１１は、別の複数の源の実施形態の上面図を示しており、投影器及び光学系（１５８）は、主ユニット（９４）から離れている。像源（９５）は、光をビーム転送手段（beam re-directing means）（９６）に向ける。ビーム転送手段（９６）は、キューブビームスプリッタ、プレートビームスプリッタ、ミラー、ウェッジプリズム（wedge prism）又は走査ミラーを備えていてもよい。投影は、像が雲（１００）上に構成される幻像源（９７、９８、９９）に送られる。図１２は、各投影源（１３６、１３７、１３８、１３９、１４０、１４１）が雲（１４２）上に投影する別々のユニットである第３の実施形態を示す。別の変形では、ファイバーオプティクスが、像投影を各源に移すために使用され得る。
検出システムは、図１３から図１５においてより明瞭な説明のために分離されている。本発明の好ましい実施形態では、図１３は、図９に示される分離した検出システムと、光学検出器、センサあるいはレンズ又は帯域幅フィルタ（１６０）を使用する、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ検出器（１５９）などのカメラを使用するユーザ入力を捕らえる手段とを示す。キャプチャ手段（１５９）は、単に、粒子雲（１６３）の所定の像領域（１６２、１６４）内における像境界の範囲内に映し出された照明を捕らえる。
線発生器及びコリメータ（１６６）を通じてビームを投影する赤外線レーザなど、検出器の周波数応答と同様のスペクトル出力を備えた照明源（１６７）からの光は、ビームスプリッタ（１７６）を介して、ミラー（１６５）及びミラー（１０８）の方へ向かって、２つの別々の赤外線ライトプレーン（１０９及び１７７）内へ分離するように反射される。例えばオオモリの特許米国特許第５０１２４８５号など、回転ミラー又は円柱レンズを用いるもののように、光の面を作り出すために当技術分野で周知である線生成技術は、符号（１０８、１６５）で示される場所で使用され得る。指（１１１）は、リアルタイムキャプチャにおいて光が検出器（１５９）に反射するビーム（１０９）と交差する。同様に、両方のビーム（１０９及び１７７）と交差する指（１１２）は、検出器（１５９）によって捕らえられた２つの別々の最も明るい部分を反射する。別の実施形態においては、各検出可能な光平面が、異なる波長で機能する。同様に、本発明は、単一の検出可能なライトプレーンを用いて作動し、当技術分野で周知のドウェルソフトウェア（dwell software）を利用することができる、あるいは、コンピュータオペレーティングシステムにおけるように、“ダブルクリック”に対して続けざまに２度上記面を貫通することによる選択をもたらすことができる。
図１４は、図１３の不等角投影図である。例えばレーザダイオード（１７１）などの照明源は、例えばビームスプリッタ（１７８）などビームを分割する手段を通るコリメータ（１７０）へ向かって光を指向させる。同様に、照明源は、投影源照明（１７２）、又は粒子雲に平行な平行赤外線発光ダイオードを有してもよい。例えば回転ミラー（１７９、１８０）など面生成手段に指向させられたスプリットビームは、２つの検出ビーム面（１６８、１６９）を作り出す。指（１１９）は、三次元空間において位置ｘ、ｙ、ｚに集中された平行検出ビーム面（７９及び８０）に交差する。検出器（１７３）は、２軸座標として、あるいは位置情報を追跡する第３の軸を提供する２つの別々の検出器又はセンサを組み合わせることにより、強調表示された交差点を捕らえる。この情報は、制御装置（１７４）に送信され、オペレーティングシステム又はソフトウェアを使用する処理装置又はコンピュータ中央演算処理装置（１７５）により解析される。当技術分野で周知のソフトウェアを駆動させるマウスエミュレーションに連結されたプロブ認識ソフトウェアは、ユーザが指又はペンを使用して自由に指示することを可能にするために、捕らえられた画素を、デスクトップ環境又はアプリケーション内でアドレス可能な座標として表す。ナチュラルポイント（Natural Point）、エックスビジョン（Xvision）、スムーズウェアデザイン（Smooth Ware Design）により設計されたもののようなソフトウェアは、マウス形式環境においてインターフェイスを駆動させるソフトウェアを作動するために捕らえられたデータを解析するように使用され得る。同様に、ジェスチャ認識又は音声認識手段が、入力インターフェイスを増やすために使用することが可能である。
図１５は、指（１１３）が第１の検出ビーム（１１８）に符号（１１４）で示された場所で交差する場合に、検出システムにより捕らえられたユーザ入力の光反射の一例である。照明は、指（１１３）に反射し、符号（１１５）として表される光学センサ（１４３）の対応する画素を活性化する光学センサ（１１５）により捕らえられる。三日月形状画素（クレセントピクセル：crescent pixel）（１１５）の中心は、ｘｙ座標を表す点（１１６）におけるユーザ入力に対応する。同じ方法で、指（１１７）が両方の検出ビーム（１１８、１２０）に交差する場合には、強調表示された２つの三日月形状は、検出器によって捕らえられる。像の表面上においてユーザの指を移動し、それにより像表面をかすめることは、ユーザが、バーチャルタッチスクリーンインターフェイスとして指を使用して指図することを可能にする。ユーザが、選択、典型的なオペレーティングシステムにおけるダブルクリックに相当するものを必要とする場合には、指の侵入が、ボタンを押すことと同様に、まるでそれを選択するように像内に更に進められなければならない。
産業上の利用可能性
本発明は、周囲の空気からの凝縮物を使用する非固体粒子雲上に投影された１つの像あるいは複数の像を作り出す装置及び方法、及び、更に、像と直接的な相互作用により像を修正する性能を提供する。これは、像を作り出し、必要に応じて、像と直接的な相互作用による像の修正を行うために、建築家、製品設計者及びモデル設計者による工業的用途だけでなく、エンターテイメントのために利用することができる。
本発明の主要構成要素及びプロセスの模式図である。 単一球面雲粒に類似した従来技術のボールレンズの光学的性質を示した説明図である。 各投影源の極角照度を示した説明図である。 片側像投影の実施形態を表した説明図である。 両側同一又は反転像投影の実施形態を表した説明図である。 両側別々の像投影の実施形態を表した説明図である。 複数源の投影配置における単一雲粒の局部的光学特性を表した説明図である。 図４に提示されるより大規模で複数源の光学原理を表した説明図である。 単一投影源の像透明度レベルを表した説明図である。 複数源投影からの像透明度レベルを表した説明図である。 図７の複数投影源を表した説明図である。 本発明の構成要素の断面側面図である。 本発明の微環境を生成するバッフルベントの拡大図である。 環境管理制御プロセスの模式図である。 複数源投影の平面図を表した説明図である。 単側遠隔操作である複数源投影の別の平面図である。 両側個別である複数源投影の別の平面図である。 図９の検出システムの側面図を表した説明図である。 図１３の検出システムの不等角投影図である。 検出システム、すなわち、シングルクリック（移動）及びダブルクリック（選択）からとらえられる像の実施例を表した説明図である。

Claims (64)

  1. 自由空間ディスプレイを作り出すシステムであって、
    ヒートポンプと、
    前記ヒートポンプを通じて周囲の空気を導入する手段と、
    前記ヒートポンプにおいて温度差をもたらす手段と、
    前記温度差を用いて周囲の空気から凝縮物を抽出する手段と、
    前記凝縮物を膨張室の中へ通す手段と、
    粒子雲物質を作り出すために前記膨張室において凝縮物を細分化する手段と、
    粒子雲画面を作り出すために前記粒子雲物質を空気の中へ噴出する噴出ノズル手段と、
    前記粒子雲を覆う平行な層流空気流れを噴出する手段と、
    １つの像あるいは複数の像を生成する手段と、
    前記粒子雲上に１つの像あるいは複数の像を投影する投影手段と、
    を備えていることを特徴とするシステム。
  2. 前記粒子雲画面に隣接して位置づけられ、投影された像の内部あるいはそれに隣接した侵入を捕らえるのに適した検出手段と、
    それぞれの侵入の位置を読み取る手段と、
    前記侵入位置情報を制御装置に送信する手段と、
    前記侵入位置情報に応じて前記像生成手段を修正する手段と、
    を更に備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
  3. 前記ヒートポンプが、圧縮機に基づくリバースサイクル冷却除湿システムを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  4. 前記ヒートポンプが、熱電ペルチェ接合に基づくシステムを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  5. 前記ヒートポンプが、燃料電池又は冷却された気体あるいは液体を使用する手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  6. 前記凝縮物の回収用保持容器を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  7. 前記凝縮物を、１から１０ミクロンの平均径を有する個々の粒子の微細粒子雲に細分化する手段を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  8. 前記凝縮物を、１０ミクロン以上の平均径を有する個々の粒子の微細粒子雲に細分化する手段を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  9. 前記微細化手段が、電子機械又は超音波手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  10. 前記粒子雲において蛍光トレーサ又は染料を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  11. 同一直線上に噴出される粒子雲を作り出すために前記粒子を前記空気の中へ噴出する同一直線上噴出ノズルを更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  12. 前記粒子雲画面の深さ及び幅に対応する幾何学的形状の噴出ノズルを備えており、ここで、第３の寸法が押し出された粒子雲の噴出距離であることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
  13. 前記噴出された粒子が、層流、半層流又は乱流の粒子雲を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  14. 前記粒子雲が、不可視、ほぼ不可視又は可視の粒子雲を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  15. 前記粒子雲が、光、すなわち、前記粒子雲へ指向させられた投影源からの像を反射し、屈折し、伝達する媒体を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  16. 前記粒子雲が、反射及び屈折照明係数より高い透過照明係数を備えた媒体を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  17. 前記層流空気流を作り出す前記手段が、前記層流空気流の反対の開口部端部に配置されたファン又はブロワーとともに、平行な直線状のバッフル、ベント、メッシュ又はそれらの組合せを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  18. 前記層流空気流を作り出す前記手段が、１つの開口部端部にファン又はブロワーとともに、他方の開口部端部に層流空気流を有する、一連の積み重ねられた平行、直線状のバッフル、ベント、又はメッシュを備えていることを特徴とする請求項１７記載のシステム。
  19. 速度均等室を作り出すために、前記バッフル、ベント、又はメッシュの間の単一の空間領域又は複数の空間領域を更に備えていることを特徴とする請求項１８記載のシステム。
  20. 前記粒子雲画面の視認性を監視する手段を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  21. 互いに向かって指向させられた発光手段と光検出手段とを備え、前記粒子雲画面の光透過率及び反射率を測定するために、前記発光手段と光検出手段との間に前記粒子雲が存在することを特徴とする請求項２０記載のシステム。
  22. 前記発光手段が、発光ダイオード又はレーザを備え、前記光検出手段が光検出器を備えていることを特徴とする請求項２１記載のシステム。
  23. 前記粒子雲画面の粒子総数を監視する周囲の粒子計数器を更に備えていることを特徴とする請求項２０記載のシステム。
  24. 前記周囲湿度、周囲温度及び周囲光度を監視する手段を更に備えていることを特徴とする請求項２０記載のシステム。
  25. 前記監視されたデータに応答して、環境管理制御手段が、粒子雲の不可視性を最大にするために粒子雲物質の噴出速度、粒子雲生成強度又はそれらの組合せを規制することを特徴とする請求項２０記載のシステム。
  26. 前記環境管理制御手段が、ファン速度制御手段を利用することにより噴出速度を規制することを特徴とする請求項２５記載のシステム。
  27. 前記像生成手段が、静止画像又はビデオ画像を作り出すことを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  28. 像投影器を作り出すために、前記像生成手段と組み合わされて、偏向した、ランダムな、干渉性の、可視又は不可視の波長の光を利用することを備えていることを特徴とする請求項２７記載のシステム。
  29. 前記像生成手段が、液晶ディスプレイ、デジタルライトプロセシングパネル、有機発光ダイオード、光変調又はレーザスキャナを備えていることを特徴とする請求項２７記載のシステム。
  30. 像形成用の前記粒子雲画面の方へ向けられ、位置調整された単一の投影手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  31. 像形成用の前記粒子雲画面の方へ向けられた複数の投影器を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  32. 前記投影器又は複数の投影器が、１つ若しくはそれ以上の軸用の光学又は電子アナモルフィックキーストン像ひずみ補正を備えていることを特徴とする請求項３０又は３１に記載のシステム。
  33. 幻像源の方へ投影ビームを平行にする光学手段を備え、前記光学手段が、前記粒子雲上に前記投影ビームを再指向させる、前記粒子雲を囲むビームを導く、あるいは反射する手段を備えていることを特徴とする請求項３０又は３１に記載のシステム。
  34. 前記投影器又は複数の投影器が、１つ若しくはそれ以上の軸用の光学又は電子アナモルフィックキーストン焦点距離補正を備えていることを特徴とする請求項３０又は３１に記載のシステム。
  35. 単一投影手段を備え、単一又は複数の幻像源の方へ投影ビームを指向させる手段であり、該投影ビームを指向させる手段が、前記粒子雲の方へ前記ビームを再指向させる前記粒子雲を囲む、ビームを導く、あるいは反射する手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  36. 前記投影像を複数の投影ビームに分割するために、複数の投影ビーム分割、ビーム操縦、ビームビームチョピング（beam-beam chopping）又はそれらの組合せを備えていることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
  37. 前記粒子雲を囲み、幻像を再指向させる複数の源へ向けられた複数のビーム内に投影ビームを分割するために、ビームスプリッタ、ポルカドットスプリッタ（polka dot splitter）、帯域通過フィルタ、ウェッジプリズム、プリズム、静止ミラー、回転ミラー、デジタルライトプロセシング、電子又は物理的シャッタ、光チョッパ又はそれらの組合せを備えていることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
  38. 前記粒子雲上に類似した又は別々の像を構成するために、前記粒子雲に向かって、別々の又は同一の源から同一の像又は別々の像を投影する手段を備えていることを特徴とする請求項３０又は３１に記載のシステム。
  39. ユーザ入力追跡のために前記粒子雲領域に指向させられた可視又は不可視照明源を更に備えていることを特徴とする請求項２記載のシステム。
  40. 前記照明源が、ハロゲンランプ、白熱ランプ、発光ダイオード又はレーザを備えていることを特徴とする請求項３９記載のシステム。
  41. 前記照明源が、赤外線又は近赤外線スペクトルにおいて光を作り出すことを特徴とする請求項４０記載のシステム。
  42. 前記粒子雲内における物理的侵入を検出する前記手段が、マシンビジョン、光学検出器及びセンサを備えた光学像形成手段、ビデオカメラ、相補型金属酸化ケイ素センサ、又は電荷結合素子を備えていることを特徴とする請求項２記載のシステム。
  43. 帯域通過フィルタを更に備えていることを特徴とする請求項４２記載のシステム。
  44. 単一の照明検出面を備えていることを特徴とする請求項３９記載のシステム。
  45. 複数の照明検出面を更に備えていることを特徴とする請求項３９記載のシステム。
  46. 単一又は複数の検出面を構成するために、円柱レンズ、コリメータレンズ、回転ファセットミラー（rotating faceted mirror）、又はそれらの組合せを更に備えていることを特徴とする請求項４４又は４５に記載のシステム。
  47. ２又は３次元空間において前記粒子雲内でユーザ入力侵入を追跡する複数の検出器を備えていることを特徴とする請求項２記載のシステム。
  48. 制御装置、処理装置又はコンピュータに対して、照明され、検出された位置データを伝える手段を更に備えていることを特徴とする請求項４２記載のシステム。
  49. ソフトウェアアプリケーション環境又はグラフィックユーザ環境内で指図するために、照明され、検出された位置データを解析する動作追跡ソフトウェアを更に備えていることを特徴とする請求項５２記載のシステム。
  50. 前記追跡ソフトウェアが、ブロブ認識、クレセント認識又はジェスチャ認識ソフトウェアを備えていることを特徴とする請求項４９記載のシステム。
  51. ノイズフィルタリングソフトウェアを更に備えていることを特徴とする請求項４９記載のシステム。
  52. マウスエミュレーションソフトウェアを利用するナビゲーションを更に備えていることを特徴とする請求項４９記載のシステム。
  53. 前記オペレーティングシステム又は前記投影ソフトウェアを制御するソフトウェアアプリケーションに向けるためにマウスエミュレーションソフトウェア又はナビゲーションソフトウェアを実行する追跡ソフトウェアに連携させられた、前記検出器により記録された前記照明された検出位置データに応じて前記投影生成手段を修正する手段を備えていることを特徴とする請求項４９記載のシステム。
  54. 前記像投影器を制御するために、追跡ソフトウェアの投影コンテンツを実行するコンピュータを備えていることを特徴とする請求項２記載のシステム。
  55. 凝縮物を回収するために前記粒子雲軌道の端部に配置された吸引装置と、粒子雲生成用に前記凝縮物を前記膨張室に移動させる手段とを更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  56. 前記吸引装置を備えたヒートポンプを更に備えていることを特徴とする請求項５５記載のシステム。
  57. 自由空間ディスプレイを作り出す方法であって、
    周囲の空気を除湿するステップと、
    その湿気を捕らえるステップと、
    直径１から１０ミクロンの粒子雲物質を作り出すために前記湿気を細分化するステップと、
    粒子雲を作り出すために前記粒子雲物質を噴出するステップと、
    前記粒子雲に対して等しい又は類似した速度及び軌道の平行層流空気流れ微環境で前記粒子雲を囲むステップと、
    １つの像又は複数の像を生成するステップと、
    前記粒子雲上に前記像又は複数の像を投影するステップと、
    を備えていることを特徴とする方法。
  58. 対話型自由空間ディスプレイを作り出す方法であって、
    周囲の空気を除湿するステップと、
    その湿気を捕らえるステップと、
    直径１から１０ミクロンの粒子雲物質を作り出すために前記湿気を細分化するステップと、
    粒子雲を作り出すために前記粒子雲物質を噴出するステップと、
    前記粒子雲に対して等しい又は類似した速度及び軌道の平行層流空気流れ微環境で前記粒子雲を囲むステップと、
    １つの像又は複数の像を生成するステップと、
    前記粒子雲上に前記像又は複数の像を投影するステップと、
    侵入を照明することにより前記自由空間ディスプレイの内部への又はそれに隣接した侵入を検出するステップと、
    追跡可能データを作り出すために前記照明侵入を検出するステップと、
    コンピュータで前記像の前記投影を更新するために前記追跡可能データを使用するステップと、
    を備えていることを特徴とする方法。
  59. 前記投影された１つの像又は複数の像を複数の投影ビームに分割するステップと、
    前記複数の投影ビームを再指向させるステップと、
    自由空間像を作り出すために前記投影ビームを前記粒子雲上に焦点を合わせるステップと、
    を更に備えていることを特徴とする請求項５７又は５８に記載の方法。
  60. 対話型自由空間ディスプレイを作り出す方法であって、
    周囲の空気を除湿し、その湿気を捕らえ、１から１０ミクロンの平均径の微粒子からなる粒子雲の表面又は容積を作り出す方法で前記空気を再加湿するためにそれを噴出する方法と、
    等しい又は類似した速度の微環境を備えた前記粒子雲を囲む方法と、
    照明源を用いて、前記雲を照明し、その照明を像生成手段上に送り、反射させ、該像生成手段を通過させる投影手段と、
    投影された像を、複数の投影ビームに分割する手段と、
    自由空間像を生成するために、光を反射し、屈折させ、伝達する手段として作用する粒子雲上に、投影ビームを再指向させ、投影手段からの前記投影像を焦点合わせする手段と、
    を有し、
    また、前記侵入を照明する手段を有するビデオキャプチャ手段により、自由空間像内の若しくは自由空間像に隣接した対象物の侵入を検出する手段と、
    追跡可能なデータを生成すべく、前記照明を検出する手段と、
    コンピュータで前記投影手段を更新するために、入力としての前記追跡可能データを使用する手段と、
    を有していることを特徴とする方法。
  61. 前記周囲の空気から凝縮物を抽出するために前記ヒートポンプと周囲の空気との間に１０度若しくはそれ以上の摂氏の温度差降下を生成するステップを備えていることを特徴とする請求項５７又は５８に記載の方法。
  62. 前記粒子雲画面と周囲の空気との間の境界層性能を高めるために、前記粒子雲画面の１つ若しくはそれ以上の平行側面を囲む層流空気流微環境を噴出するステップを更に備えていることを特徴とする請求項５７又は５８に記載の方法。
  63. 前記層流空気流微環境速度及び軌道が、前記粒子雲のそれに対する速度及び軌道に同一又は類似していることを特徴とする請求項６２記載の方法。
  64. 前記検出照明が、空間的に共存し、前記粒子雲像領域に平行であることを特徴とする請求項５９又は６０に記載の方法。
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