JP2009282535A - 光学的投影システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素のアレイを生成するように構成された画像ソースを含む。レンズアセンブリは、この画素のアレイを１８０°より大きな投影角度で半球形の表面上へと投影する光学的投影システムを提供する。
【解決手段】レンズアセンブリは、隣接する画素間の角度分離が一定になるように、画素のアレイを半球形の表面上へと投影するように構成される。光学的投影システムは、第１及び第２の画素のアレイを生成するように構成された２つの画像ソースと、これらの第１及び第２の画素のアレイを１８０°よりも大きな投影角度で互いに反対方向の表面上へとそれぞれ投影するように構成された２つのレンズアセンブリとを含みうる。これらの第１及び第２の画素のアレイの組合せにより、半球形の表面の連続した３６０°の部分をカバーすることができる。
【選択図】図３

Description

［仮出願の相互参照］
本出願は、２００１年３月２９日に出願した「Methods and Systems for Projecting Images at Greater than 180 Degrees」という題名の仮の米国特許出願第６０／２７９，９１２号に対する利点を請求する。この特許の開示内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

［発明の背景］
本発明は光学的な投影システム及び方法に関し、より詳細には、半球形の光学的システム及び方法に関する。

没入形仮想環境（immersive virtual environment）には、シミュレーションや視覚化や空間設計などの分野において多くの用途がある。多くのこれらのシステムの目標は、観察者に完全な球形（１８０°ｘ３６０°）の画像を提供することである。この目標を達成するには、複雑さと費用との間にトレードオフがもともと存在する。透過投影法を使用する完全没入形のシステム（full immersive system）は、ディスプレイ表面の周りに配置された複数の投影器を使用する。しかしながら、これらのシステムは、エッジブレンディング（edge blending）とカラーマッチングとを含む重要な位置合わせ及び維持を必要とする。それらはまた高価であり、平均してディスプレイ表面の２倍の大きさの空間を必要とする。複数投影器の反射投影環境は、一般に、透過投影環境の余分な空間を必要としないが、通常は、同じレベルの熱中は実現できず、なおも同じ費用及び位置合わせの問題がある。単一投影器の反射投影環境は低価格であり、より容易に位置合わせすることができるが、観察者を投影器の後に位置させる必要があるため、これらのシステムはユーザに１７０°より大きな視野（field of view：以下、「ＦＯＶ」とよぶ）を提供できない。例えば、図１に示すように、投影角度が約１７０°の投影器の後にいる観察者の有効ＦＯＶは、約１２５°である。

［発明の要約］
本発明のいくつかの実施形態によれば、光学的投影システムは、画素のアレイを生成するように構成された画像ソースを含む。レンズアセンブリは、画素のアレイを１８０°より大きな投影角度で表面上へと投影するように構成される。これにより、光学的投影システムの後に配置された観察者は、完全に球形の視野、すなわち、少なくとも１８０°の視野を得ることができる。

レンズアセンブリは、隣接する投影された画素間が一定の角度で離れるように、画素のアレイを表面上へと投影するようにさらに構成される。さらに、このレンズアセンブリは、半径が変化する半球形をした表面などの上へと画素のアレイを投影することができる。

本発明の種々の実施形態では、画像ソースはブラウン管、フィールドエミッタアレイ（field emitter array）、及び／又は、他の何らかの二次元画像アレイから構成する。画像ソースは、ディジタル光処理（以下、「ＤＬＰ」とよぶ）ユニット、液晶ディスプレイ（以下、「ＬＣＤ」とよぶ）ユニット、及び／又は、液晶オンシリコン（liquid crystal on silicon：以下、「ＬＣＯＳ」とよぶ）ユニットから構成することもできる。

本発明のさらに別の実施形態では、レンズアセンブリは、広角レンズアセンブリと、画像ソースと広角レンズアセンブリとの間に画素のアレイを光学的に中継する画像リレーレンズアセンブリとを含む。本発明の特定の実施形態では、広角レンズアセンブリは、色補正と高次の波面成形との両方を提供するように構成された回折光学素子を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、光学的投影システムは内面を有するドームを含む。レンズアセンブリは、画素のアレイをドームの内面上へと１８０°よりも大きい角度で投影するように構成される。

没入的効果を提供するために、例えば、本発明の別の実施形態は、第１及び第２の画素のアレイを生成するように構成された２つの画像ソースと、これらの第１及び第２の画素のアレイを１８０°よりも大きな投影角度で互いに反対方向の表面上へとそれぞれ投影するように構成された２つのレンズアセンブリとを含む。これらの第１及び第２の画素のアレイの組合せにより、半球形の表面の連続した３６０°の部分がカバーされる。

本発明のシステム及び／又は装置の実施形態に関連して前に述べたが、本発明は光学的な投影方法として具体化されることを理解されたい。

本発明の別の特徴は、以下の特定の実施形態の詳細な説明を添付の図面と併せて読むことにより、一層容易に理解されよう。

本発明によれば、バックフォーカスディスタンスと有効焦点距離との間の不一致を減らすことができる。また、本発明によれば、２つの光学的投影システムの後にいる観察者は、影がかかることなく、完全な３６０°の視野を達成できる。

１８０°よりも小さい投影角度で画素のアレイを投影する従来の光学的投影システムを示す概略図である。 Ａ及びＢは、本発明のいくつかの実施形態に基づいて、１８０°よりも大きい投影角度で画素のアレイを投影する光学的投影システム及び方法を示すブロック図である。 本発明のいくつかの実施形態に基づいて、１８０°よりも大きい投影角度で画素のアレイを投影する光学的投影システム及び方法で使用することができる画像ソース及びレンズアセンブリの実施形態を示す概略図である。 観察者に完全な半球形の視野を提供するために２４０°の投影角度で画素のアレイを投影する、本発明のいくつかの実施形態による光学的投影システムを説明する概略図である。 観察者に３６０°の視野を提供するために画素のアレイを２４０°の投影角度で投影する二重の画像ソースとレンズアセンブリとを組み込んでいる、本発明のいくつかの実施形態による光学的投影システムを説明する概略図である。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
本発明については各種の修正や別の形態が可能であるが、その特定の実施形態を図面の中の実施例により示し、本願で詳細に説明する。しかしながら、本発明を開示された特定の形態に限定する意図はなく、逆に、本発明は、特許請求の範囲により定義する本発明の精神及び範囲の中に入る全ての変形例と均等物と代替例とをカバーすることを理解されたい。同じ参照番号は、全ての図面の説明の中で同様の要素を意味する。

ここで図２Ａ及び図２Ｂを参照して、本発明のいくつかの実施形態による、投影される画素を一定角度で分離する傾斜可能な光学的投影システムを説明する。光学的投影システム１０は、角度θで示すように隣接する画素間が一定の角度で分離された画素のアレイ１２を投影する。この角度θは、隣接する画素１２ａ〜１２ｎの間で一定である。さらに、この光学的投影システム１０は、画素のアレイ１２を１８０°よりも大きい投影角度で投影するように構成される。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、光学的投影システム１０は、角度が一定に分離された画素のアレイ１２を先端が切り取られた半球形のドーム２０の内面２０ａ上へと投影する。１８０°よりも大きい光学的投影システム１０はｆ−θ逆望遠レンズと呼ぶことができる。ここでｆはレンズの焦点距離であり、θは投影角度である。本発明の実施形態は画素を半球形の表面上へと投影することに関連して本願で説明されるが、限定はされないが、超半球形表面（hyper-hemispherical surface）及び楕円形表面を含むどのようなスクリーン表面をも使用できることは理解されよう。

隣接する画素間に一定の角度分離を維持することによって、光学的投影システム１０は表面２０’で示される半径が変化するドーム上へと小さい歪みの画像を投影することができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、半径が４〜８メートルのドームを受け入れることができる。一定角度の分離を用いて歪みを小さく維持するために、光学的投影システム１０を内側のドーム表面２０ａの中心に備え付けて、画素のアレイ１２を内側のドーム表面上へと径方向に投影する。

図２Ａ及び図２Ｂをさらに参照する。光学的投影システム１０のいくつかの実施形態は、光学的投影システム１０が画素のアレイを内部のドーム表面２０ａ上の複数の選択可能な位置に投影するように、画素のアレイ１２を傾ける又は照準を与える手段も含む。例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、投影光学素子１４がピボット１８を用いてベース１６上に回動可能に取り付けられる。ベース１６は、ドーム２０の床面２４上に配置される。ピボット１８は、１以上の面内で回動できる。ピボット１８の設計は一般に当業者にはよく知られており、本願ではさらに説明する必要はない。

傾斜手段又は照準手段を組み込むことによって、光学的投影システム１０は、図２Ａに示すようにプラネタリウム投影式で縦方向の上方に、又は図２Ｂに示すように劇場投影位置で垂直線からある角度（例えば、４５度）で投影することができる。一般に、図２Ａに示すようにプラネタリウム方式で投影する場合には、観客領域２２は投影システム１０を取り巻く。これとは対照的に、劇場方式で投影する場合には、観客領域２２’は一般に光学的投影システム１０の後にあり、観客が彼らの前の全視野を見ることができるように、観客領域２２’は高くされている。従って、種々の観客の配置を取り入れることができる。

ドーム２０は、持ち運びすることができ、組立て及び分解を容易にできるよう構成することができる。ドーム２０の典型的な実施形態は、「Multi-Pieced, Portable Projection Dome and Method of Assembling the Same」という名称の、本願の譲受人に譲渡された米国特許第５，７２４，７７５号公報の中で説明されている。その開示内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

ここで図３を参照して、本発明のいくつかの実施形態によるレンズアセンブリ３０を説明する。このレンズアセンブリ３０は光学的投影システム１０の中で使用され、画素のアレイを１８０°よりも大きい投影角度で投影する。レンズアセンブリ３０は、画素のアレイの光路内に配置された画像リレーレンズアセンブリ３２及び広角レンズアセンブリ３４から構成される。レンズアセンブリ３０は、画素のアレイを１８０°よりも大きい投影角度で投影できるように構成される。画素のピクセルは、画像ソース３６によって生成される。本発明の各種の実施形態によれば、画像ソース３６は、ブラウン管、フィールドエミッタアレイ、又は他の何らかの二次元画像アレイとすることができる。画像ソースは、ＤＬＰユニット、ＬＣＤユニット、及び／又は、ＬＣＯＳユニットも含みうる。画素のアレイは、「Tillable Hemispherical Optical Projection Systems and Methods Having Constant Angular Separation of Projected Pixels」という名称の、本願の譲受人に譲渡された米国特許第５，７６２，４１３号公報（以後「’４１３号特許」と呼ぶ）の中で説明されているような、グレースケール画像を投影する１つの光路、カラー画像を投影する１つの光路、又は、分離した赤と緑と青の光路の組合せによって形成される。その特許の開示内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

広角レンズアセンブリ３４は、レンズアセンブリ３８と、波面形成レンズアセンブリ４２と、メニスカスレンズアセンブリ４４とを含む。波面成形レンズアセンブリ４２は、回折光学素子４６を含む。この回折光学素子４６は、設けられている視野に基づいて、カラー補正及び／又は高次の波面形成を可能にする。波面形成レンズアセンブリ４２及びメニスカスレンズアセンブリ４４の例示的な実施形態は、’４１３号特許の中で説明されている。

従来の逆望遠投影システム（inverse telephoto projection system）は、光学的及び機械的な構成要素が占める空間のために、バックフォーカスディスタンス（すなわち、レンズアセンブリ内のレンズと画像ソースとの間の最も遠い距離）が有効焦点距離（すなわち、レンズアセンブリと同じ光学特性を有する理論的な単一素子のレンズの焦点距離）よりも長いという一般的特徴を示す。都合がよいことに、本発明のいくつかの実施形態によれば、レンズ４８及び５２を含む画像リレーレンズアセンブリ３２は、画像ソース３６と広角レンズアセンブリ３４との間に画素のアレイを光学的に中継することができる。広角レンズアセンブリ３４に近い中間の画面における画素のアレイ内の分散は、画像ソース３６に近い画素のアレイ内の分散に類似している。都合がよいことに、これにより、バックフォーカスディスタンスと有効焦点距離との間の不一致を減らすことができる。

ここで図４を参照すると、本発明のいくつかの実施形態による光学的投影システム６０が、画素のアレイを１８０°よりも大きな投影角度で半球形のドーム構造体６２の内面上へと投影するように示されている。光学的投影システム６０は、図２及び図３に関連して上述されたように実現される。図４に示すように、光学的投影システム６０は、画素のアレイを約２４０°の投影角度で投影する。都合がよいことに、これにより、光学的投影システム６０の後にいる観察者は完全な半球形の視野、すなわち、少なくとも１８０°の視野を達成できる。

図５に示した本発明の別の実施形態では、２つの光学的投影システム７０及び７２が、第１及び第２の画素のアレイをそれぞれ１８０°よりも大きな投影角度で半球形のドーム構造体７４の内面上へと投影するように構成される。２つの光学的投影システム７０及び７２のそれぞれは、図２及び図３に関連して前に説明されたように実現される。図５に示すように、各光学的投影システム７０及び７２は、それぞれの画素のアレイを約２４０°の投影角度で投影する。光学的投影システム７０及び７２によって投影された第１及び第２の画素のアレイの組合せにより、ドーム構造体７４の半球形の内面の連続した３６０°の部分がカバーされる。都合がよいことに、これにより、２つの光学的投影システム７０及び７２の後にいる観察者は、影がかかることなく、完全な３６０°の視野を達成できる。

図４及び図５で示された本発明のいくつかの実施形態では、１つ以上の光学的投影システム６０と７０と７２とのそれぞれは、画素のアレイを１８０°よりも大きい横方向の投影角度と約１６５°の縦方向の投影角度とにより投影することができる。そのような投影法は、ビデオ表示で用いられることが多い４：３の画像アスペクト比を効率的に使用することができる。

本発明の原理から著しく逸脱することなく、多くの変形例及び修正例を好ましい実施形態に対して作ることができる。そのような変形例及び修正例の全ては、以下の特許請求の範囲の中に記載するように本発明の範囲の中に含まれるものとする。

Claims (45)

1. 画素のアレイを生成するように構成された画像ソースと、
   １８０度よりも大きい投影角度で該画素のアレイを表面上へと投影するように構成され、 広角レンズアセンブリと、前記画像ソースと該広角レンズアセンブリとの間に存在する画像リレーレンズアセンブリとを含むレンズアセンブリと
   を含んでなることを特徴とする光学的投影システム。
2. 前記レンズアセンブリが、隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように前記表面上へと前記画素のアレイを投影するようにさらに構成される請求項１に記載の光学的投影システム。
3. 前記表面が半球形の表面である請求項１に記載の光学的投影システム。
4. 前記レンズアセンブリが、半径が変化する半球形の表面上へと前記画素のアレイを投影するようにさらに構成される請求項３に記載の光学的投影システム。
5. 前記画像ソースがブラウン管を含む請求項１に記載の光学的投影システム。
6. 前記画像ソースがフィールドエミッタアレイを含む請求項１に記載の光学的投影システム。
7. 前記画像ソースが、ディジタル光処理ユニットと液晶ディスプレイユニットと液晶オンシリコンユニットからなるユニットのグループから選択されたユニットを含む請求項１に記載の光学的投影システム。
8. 前記広角レンズアセンブリが、カラー補正と高次の波面成形とを行うように構成された回折光学素子を含む請求項１に記載の光学的投影システム。
9. 内面を有するドームをさらに含み、前記レンズアセンブリが１８０度よりも大きい投影角度で前記ドームの内面上へと前記画素のアレイを投影するようにさらに構成される請求項１に記載の光学的投影システム。
10. 前記画素のアレイを前記表面の選択可能な部分に向ける手段をさらに含む請求項１に記載の光学的投影システム。
11. 第１の画素のアレイを生成するように構成された第１の画像ソースと、
    直列に配置された第１の複数のレンズを含み、第１の方向に１８０度よりも大きい投影角度で前記第１の画素のアレイを表面上へと投影するように構成された第１のレンズアセンブリと、
    第２の画素のアレイを生成するように構成された第２の画像ソースと、
    直列に配置された第２の複数のレンズを含み、前記第１の方向とは反対の第２の方向に１８０度よりも大きい投影角度で前記第２の画素のアレイを前記表面上へと投影するように構成された第２のレンズアセンブリと
    を含んでなる光学的投影システム。
12. 前記第１の画素のアレイと前記第２の画素のアレイとの組合せが、前記表面の連続した３６０度の部分をカバーするものである請求項１１に記載の光学的投影システム。
13. 前記第１及び第２のレンズアセンブリが、前記第１及び第２の画素のアレイを隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように前記表面上へと投影するようにさらに構成される請求項１１に記載の光学的投影システム。
14. 画素のアレイを生成するように構成された画像ソースと、
    １８０度よりも大きい投影角度で該画素のアレイを表面上へと投影するように構成され、 カラー補正と高次の波面成形とを行うように構成された広角レンズアセンブリを含むレンズアセンブリと
    を含んでなる光学的投影システム。
15. 前記画像ソースと前記広角レンズアセンブリとの間にある画像リレーレンズアセンブリをさらに含む請求項１４に記載の光学的投影システム。
16. 前記レンズアセンブリが、隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように前記画素のアレイを前記表面上へと投影するようにさらに構成される請求項１４に記載の光学的投影システム。
17. 前記表面が半球形の表面である請求項１４に記載の光学的投影システム。
18. 内面を有するドームをさらに含み、前記レンズアセンブリが１８０度よりも大きい投影角度で前記ドームの内面上へと前記画素のアレイを投影するようにさらに構成される請求項１４に記載の光学的投影システム。
19. 直列に配置された複数のレンズからなるレンズアセンブリから１８０度よりも大きい投影角度で表面上へと画素のアレイを投影するステップを含む画像の投影方法。
20. 前記画素のアレイを投影するステップが、隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように直列に配置された複数のレンズからなるレンズアセンブリから１８０度よりも大きい投影角度で前記表面上へと前記画素のアレイを投影するステップを含む請求項１９に記載の方法。
21. 前記表面が半球形の表面である請求項１９に記載の方法。
22. 前記画素のアレイを投影するステップが、前記レンズアセンブリから１８０度よりも大きい投影角度で半径が変化する前記半球形の表面上へと前記画素のアレイを投影するステップを含む請求項２１に記載の方法。
23. 前記レンズアセンブリが広角レンズアセンブリを含み、画像ソースと前記広角レンズアセンブリとの間に前記画素のアレイを光学的に中継するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
24. 前記レンズアセンブリを前記表面の選択可能な部分に向けるステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
25. 前記表面がドームの内面である請求項１９に記載の方法。
26. 前記画素のアレイを投影するステップが、直列に配置された第１の複数のレンズからなる第１のレンズアセンブリから第１の方向に１８０度よりも大きい投影角度で前記表面上へと第１の画素のアレイを投影するものであり、
    直列に配置された第２の複数のレンズからなる第２のレンズアセンブリから前記第１の方向とは反対の第２の方向に１８０度よりも大きい投影角度で前記表面上へと第２の画素のアレイを投影するステップをさらに含むものである請求項１９に記載の方法。
27. 前記第１の画素のアレイと前記第２の画素のアレイとの組合せが、前記表面の連続した３６０度の部分をカバーするものである請求項２６に記載の方法。
28. 画素のアレイを提供する手段と、
    広角レンズアセンブリと、画像ソースと該広角レンズアセンブリとの間に存在する画像リレーレンズアセンブリとを含むレンズアセンブリから、１８０度よりも大きい投影角度で表面上へと前記画素のアレイを投影する手段と
    を含んでなる光学的投影システム。
29. 前記投影する手段が、隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように前記画素のアレイを前記表面上へと投影する手段を含む請求項２８に記載の光学的投影システム。
30. 前記表面が半球形の表面である請求項２８に記載の光学的投影システム。
31. 前記投影する手段が、半径が変化する半球形の表面上へと１８０度よりも大きい投影角度で前記画素のアレイを投影する手段を含む請求項３０に記載の光学的投影システム。
32. 前記画像ソースがブラウン管を含む請求項２８に記載の光学的投影システム。
33. 前記画像ソースがフィールドエミッタアレイを含む請求項２８に記載の光学的投影システム。
34. 前記画像ソースが、ディジタル光処理ユニットと液晶ディスプレイユニットと液晶オンシリコンユニットからなるユニットのグループから選択されたユニットを含む請求項２８に記載の光学的投影システム。
35. 前記広角レンズアセンブリが、カラー補正と高次の波面成形とを行うように構成された回折光学素子を含む請求項２８に記載の光学的投影システム。
36. 内面を有するドームをさらに含み、
    前記投影する手段が１８０度よりも大きい投影角度で前記ドームの内面上へと前記画素のアレイを投影する手段を含む請求項２８に記載の光学的投影システム。
37. 前記表面の選択可能な部分に前記画素のアレイを向ける手段をさらに含む請求項２８に記載の光学的投影システム。
38. 第１の画素のアレイを提供する手段と、
    直列に配置された第１の複数のレンズを含む第１のレンズアセンブリから、第１の方向に１８０度よりも大きい投影角度で前記第１の画素のアレイを表面上へと投影する手段と、
    第２の画素のアレイを提供する手段と、
    直列に配置された第２の複数のレンズを含む第２のレンズアセンブリから、前記第１の方向とは反対の第２の方向に１８０度よりも大きい投影角度で前記第２の画素のアレイを前記表面上へと投影する手段と
    を含んでなる光学的投影システム。
39. 前記第１の画素のアレイと前記第２の画素のアレイとの組合せが、前記表面の連続した３６０度の部分をカバーするものである請求項３８に記載の光学的投影システム。
40. 前記第１の画素のアレイを投影する手段が、隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように前記表面上へと前記第１の画素のアレイを投影する手段を含み、前記第２の画素のアレイを投影する手段が、隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように前記表面上へと前記第２の画素のアレイを投影する手段を含む請求項３８に記載の光学的投影システム。
41. 画素のアレイを提供する手段と、
    カラー補正と高次の波面成形とを行うように構成された広角レンズアセンブリを含むレンズアセンブリから１８０度よりも大きい投影角度で前記画素のアレイを表面上へと投影する手段と
    を含んでなる光学的投影システム。
42. 前記画素のアレイを提供する手段と前記広角レンズアセンブリとの間にある画像リレーレンズアセンブリをさらに含む請求項４１に記載の光学的投影システム。
43. 前記投影する手段が、隣接する投影された画素間の角度分離が一定になるように前記画素のアレイを投影する手段を含む請求項４１に記載の光学的投影システム。
44. 前記表面が半球形の表面である請求項４１に記載の光学的投影システム。
45. 内面を有するドームをさらに含み、前記投影する手段が１８０度よりも大きい投影角度で前記ドームの内面上へと前記画素のアレイを投影する手段をさらに含む請求項４１に記載の光学的投影システム。

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