JP2010512551A - 3次元オブジェクトの再構成を生成するヘッドマウント・ディスプレイデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
この装置の1つの問題が、ビジュアル再構成が小さな表現に限られることである。ヘルメットマウント・光ディスプレイデバイスは、映画シーンは言うまでもなく、大きなオブジェクトのエンコード及び視覚化のためには用いられることはできない。
第1の方法では、観察者平面の外側に位置し、それぞれの観察者ウインドウへと投影される、3次元表現の複素波面を、光モジュレータ上で直接エンコードすることにより行う。
又は第2の方法では、再び観察者平面の外側に位置する、3次元表現の複素波面の変換を、ホログラムとして光モジュレータ上で間接的にエンコードし、複素波面をそれぞれの観察者ウインドウに逆変換することにより行う。
請求項1に従って、3次元表現の再構成を生成するためのヘッドマウント・ディスプレイデバイスは、
前部と、離れて配置された2つの側部とを少なくとも備える、ヘルメット又はゴーグルに似たフレームを備え、
前記前部は、目の位置と関連し、
前記前部は、少なくとも1つの光源と、少なくとも1つの光学系と、エンコードされうる少なくとも1つの光モジュレータとが存在する設計を有し、
エンコーディング表面に前記3次元表現の波面のコードを伴う前記光モジュレータは、観察者平面内に定められた前記観察者ウインドウの位置に配置され、又は、エンコーディング表面に前記3次元表現の波面のホログラムのコードを伴う前記光モジュレータは、それぞれの前記目の瞳孔の動きの範囲の少なくとも一部に観察者ウインドウの大きさが対応するように、前記ホログラムを前記観察者ウインドウに変換するために前記観察者ウインドウの前面近くの領域に配置され、
前記光モジュレータは、前記光モジュレータの波面又はホログラムを前記エンコーディング表面のための前記3次元表現から計算するエンコーディングデバイスに接続され、
前記光モジュレータは、もし前記光モジュレータが照明されているならば、前記観察者ウインドウ内の前記3次元表現の複素波面が存在するように、また前記3次元表現の前記再構成が再構成錐台内で目に見えるようになるように、前記波面又はホログラムを用いて直接エンコードされることができ、
前記再構成錐台は、前記観察者ウインドウと前記光モジュレータとの間に拡がり、
前記観察者ウインドウの大きさに依存して、偏向された光の前記2つの目の間でのクロストークを抑制するための、少なくとも1つのエレメントが、前記観察者平面の近くで用いられることができる
ことを特徴とする。
例えば観察者ウインドウの近くの領域であって前記観察者平面の外側に配置されることができ、かつ前記振幅変調光モジュレータのモジュレータ画像によってオーパラップされる前記位相変調光モジュレータは、前記観察者平面に直接配置されることができ、この場合、前記振幅変調光モジュレータの前記エンコーディング表面は、光学投射システムの助けにより、対応する前記位相変調光モジュレータ上にモジュレータ画像として投影されることができる。
前記光モジュレータは、中心軸の方向と交わるように配置され、
前記光源及び光学系が前記光モジュレータの前部に配置され、
続けて配置されたビームスプリッタ及び2つの反射鏡が、前記観察者平面の前面に配置され、
前記反射鏡は、前記ビームスプリッタの両側に、お互いに離れて配置され、
前記反射鏡は、前記瞳孔の軸に対して傾いており、
前記光モジュレータの前記エンコーディング表面は、前記光学系及び前記ビームスプリッタの助けによって、前記2つの観察者ウインドウへと変換され、
切り替えデバイスが光路に配置され、
前記切り替えデバイスは、前記光モジュレータのエンコーディング表面上で交互する複素情報を、所定の頻度で、左右の前記観察者ウインドウに交互に切り替える。
前記エレメントは、前記光モジュレータによって小さい角度に放出された光のみを通過させる。
フィルタユニット又は開口ストップが、1つの前記光モジュレータ及び1つの前記観察者ウインドウを一方とし、他の前記光モジュレータ及び他の前記観察者ウインドウを他方として、これらの間に配置されることができ、
短い焦点距離を示すレンズを備えた小型の設計が提供される。
任意のこととして、前記ディスプレイデバイスがゴーグルの形を持つこと(フェイスマウント・ディスプレイ)、前記ディスプレイデバイスがしっかりと動かない形でヘルメットによって支持され(ヘルメットマウント・ディプレイ)、又は前記ディスプレイデバイスが観察者のヘルメットと頭との少なくとも一方に可動な形でしっかりと接続される(ヘッドマウント・ディスプレイ)。
固定デバイスが、前記光モジュレータと対応する前記光源との間に配置されることができ、
前記光モジュレータと、前記光源及び前記光学系を備える対応する光学部とは、前記調節デバイスと前記固定デバイスとの助けによって、前記観察者平面と前記ディスプレイデバイスの前記中心軸との少なくとも一方と、前記瞳孔の前記軸とに対して、調節可能でありかつ固定可能であり、
前記瞳孔の前記軸は、前記ディスプレイデバイスの前記中心軸と平行である。
前記光源及び前記光モジュレータは、前記エンコーディングデバイス及び電源と、電気接続ケーブルを介して接続される。
このように、前記フレームの領域に、少なくとも1つのセンサが存在することが可能であり、
前記センサは、前記光モジュレータをエンコードするための情報が修正されるように、観察者が頭を動かした時に、前記観察者の視角の変化に従って前記エンコーディングデバイスに信号を送る。
音声信号の出力は、前記それぞれの光モジュレータの波面のエンコーディングと同期して切り替えられる。
ヘッドマウント・ディスプレイデバイスの第1の形式においては、光モジュレータは観察者平面に直接配置され、又は光モジュレータは短距離、典型的にはたった数センチメートルだけ、を通して観察者平面へと投影される。観察者平面の波面の複素数値は、エンコーディングデバイスによって光モジュレータのエンコーディング表面へと直接書き込まれる。観察者平面への追加の変換は、この場合には必要ない。
対照的に、ヘッドマウント・ディスプレイデバイスの第2の形式では、ホログラムとしてエンコードされた波面の複素数値が、光モジュレータ平面から観察者平面へと変換される。この時光モジュレータは、観察者平面に対して短い距離、好適にはたった数センチメートルの距離で配置される。
さらに、他の既知の方法との組み合わせが、ホログラムの計算に対して用いられうる。例えばサブホログラムが共通平面の表現のそれぞれの点について、例えばルックアップテーブルをまた用いることで直接計算され、そして集合したホログラムが生成されるように全てのサブホログラムが合わせられるような方法との組み合わせが用いられうる。
サブホログラムの計算は、光モジュレータのエンコーディング表面について実行されうる。しかしながら、異なる平面において実行されることもでき、そうして全てのサブホログラムの総体が、それぞれの光モジュレータのエンコーディング平面へと変換されることができる。もし、光モジュレータのエンコーディング表面の大きい領域を各サブホログラムが典型的には占め、このことが計算を複雑とするであろうが、各サブホログラムが異なった平面においてより小さく、このことが計算をより容易にするのならば、このことは好適でありうる。
例えば図2に示されるように、振幅変調光モジュレータ31,32は、光学系46,47の助けによって、位相変調光モジュレータ33,34に投影されることができる。この時、位相変調光モジュレータ33,34は観察者平面4に直接配置され、振幅変調光モジュレータ31,32のモジュレータ画像35’,36’もまた、観察者平面4に配置される。振幅変調光モジュレータ31,32のエンコーディング表面35,36は、観察者ウインドウ18,19の近くだが、観察者平面4の外の領域に配置される。振幅変調光モジュレータ31,32のエンコーディング表面35,36は、対応する光学照明システム58,59を介して、光源13,14によって照らされる。
・図4に示されるディスプレイデバイスの部分として、例えばホイルの形をとる角度感受性エレメント37,38が、観察者ウインドウ18,19内に直接配置された光モジュレータ16,17と、目7,8との間に配置される。角度感受性エレメントは小さい角度で光モジュレータ16,17によって放出された光のみを通し、一方で大きい角度で放出された光は目7,8には届くことができない。図4に従うこの装置は、非常に小型であるという利点を持つ。
・図5に示される光学部として、光モジュレータ41,42自身は観察者ウインドウ18,19の外側に配置される。光モジュレータ41,42は、光学系43,44によって観察者ウインドウ18,19へと変換される。例えば4−fシステム(不図示)のようなフィルタユニット、又は図5に示される開口ストップ45が、観察者の2つの目7,8の間でのクロストーキングを防止するために、光モジュレータ16,17と観察者ウインドウ18,19との間に配置される。この装置は、ディスプレイデバイス40がフレーム、すなわちヘルメットにマウントされることが可能であり、又はゴーグルのように観察者の頭に固定されることが可能であるように、小型の設計を有し、短い焦点距離のレンズを用いる。
図7、8及び9を参照すると、もし錐台が観察者ウインドウからスクリーン表面へと延び、例えば文献DE 10 2004 063 838 A1において説明されるようにディスプレイを越えて続き、かつ観察者ウインドウがディスプレイの前面の中心に配置されるのならば、光モジュレータが同一の解像度を有するという条件の下、すなわち観察者との距離に比例して画素サイズが異なっているという条件の下、
・スクリーン領域が20インチで、観察者の距離が2メートル
・スクリーン領域が10インチで、観察者の距離が1メートル
・スクリーン領域が5インチで、観察者の距離が0.5メートル
の場合に同一の錐台60が生成される。
もしスクリーン表面と観察者ウインドウ18,19との間が小さい距離であるならば、別々の光モジュレータがまた左目と右目とについて用いられることができ、その場合それぞれの目7,8に関連して中心に2つの錐台60,63が存在する。
2 フレーム
3 前部
4 観察者平面
5 左側部
6 右側部
7 右目
8 左目
9 第1の支持エレメント
10 第2の支持エレメント
11 第3の支持エレメント
12 第1の光学系
13 第1の光源
14 第2の光源
15 第2の光学系
16 第1の光モジュレータ
17 第2の光モジュレータ
18 第1の観察者ウインドウ
19 第2の観察者ウインドウ
20 右瞳孔
21 左瞳孔
22 第1の調節デバイス
23 第2の調節デバイス
24 第1の固定デバイス
25 第2の固定デバイス
26 エンコーディングデバイス
27 電源
28 ディスプレイデバイスの中心軸
29 瞳孔の第1の軸
30 瞳孔の第2の軸
31 振幅変調光モジュレータ
32 振幅変調光モジュレータ
33 位相変調光モジュレータ
34 位相変調光モジュレータ
35 エンコーディング表面
35’ モジュレータ画像
36 エンコーディング表面
36’モジュレータ画像
37 角度選択エレメント
38 角度選択エレメント
40 第2のディスプレイデバイス(第1の実施形態)
41 光モジュレータ
42 光モジュレータ
43 第3の光学系
44 第4の光学系
45 開口ストップ
46 第5の光学系
47 第6の光学系
50 第2のディスプレイデバイス(第2の実施形態)
51 第2のフレーム
52’ 光モジュレータ
52’’ 光モジュレータ
52’’’ 光モジュレータ
53 第7の光学系
54 ビームスプリッタ
55 第1の反射鏡
56 第2の反射鏡
57 切り替えデバイス
58 第1の光学照明システム
59 第2の光学照明システム
60 第1の錐台
61 3次元表現の再構成
62 第2の錐台
63 第3の錐台
Claims (22)
- 3次元表現の再構成を生成するためのヘッドマウント・ディスプレイデバイスであって、
前部と、離れて配置された2つの側部とを少なくとも備える、ヘルメット又はゴーグルに似たフレームを備え、
前記前部は、目の位置と関連し、
前記前部は、少なくとも1つの光源(13,14)と、少なくとも1つの光学系(12,15;46,47)と、エンコードされうる少なくとも1つの光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)とが存在する設計を有し、
エンコーディング表面に前記3次元表現の波面のコードを伴う前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34)は、観察者平面(4)内に定められた観察者ウインドウ(18,19)の位置に配置され、又は、エンコーディング表面に前記3次元表現の波面のホログラムのコードを伴う前記光モジュレータ(41,42;52)は、それぞれの前記目(7,8)の瞳孔(21,22)の動きの範囲の少なくとも一部に観察者ウインドウ(18,19)の大きさが対応するように前記ホログラムを前記観察者ウインドウ(18,19)に変換するために、前記観察者ウインドウ(18,19)の前面近くの領域に配置され、
前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)は、前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)の波面又はホログラムを前記エンコーディング表面のための前記3次元表現から計算するエンコーディングデバイス(26)に接続され、
前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)は、もし前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)が照明されているならば、前記観察者ウインドウ(18,19)内の前記3次元表現の複素波面が存在するように、また前記3次元表現の前記再構成(61)が再構成錐台(60,63)内で目に見えるようになるように、前記波面又はホログラムを用いて直接エンコードされることができ、
前記再構成錐台(60,63)は、前記観察者ウインドウ(18,19)と前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)との間に拡がり、
前記観察者ウインドウ(18,19)の大きさに依存して、偏向された光の前記2つの目(7,8)の間でのクロストークを抑制するための、少なくとも1つのエレメント(37,38,45)が、前記観察者平面(4)の近くで用いられることができる
ことを特徴とする、ディスプレイデバイス。 - 前記観察者平面(4)内の前記観察者ウインドウ(18,19)に配置された前記光モジュレータ(16,17)の前記エンコーディング表面は、前記エンコーディングデバイス(26)によって与えられた、振幅と位相とを含む複素数値、又はこれらの量に由来する値でエンコードされることができることを特徴とする、請求項1に記載のディスプレイデバイス。
- 前記観察者ウインドウ(18,19)内の前記波面の複素数値をエンコードするために、振幅変調光モジュレータと位相変調光モジュレータとの少なくとも一方の組み合わせが与えられ、前記組み合わせはビームスプリッタによって、又は一方の光モジュレータ(31,32)の、それぞれの他方の光モジュレータ(33,34)への投影によって、接続されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のディスプレイデバイス。
- 前記振幅変調光モジュレータ(31,32)は、
一方では観察者ウインドウ(18,19)の近くだが前記観察者平面(4)の外側の領域に配置され、かつ前記位相変調光モジュレータ(33,34)は、前記観察者平面(4)に直接配置され、この場合、前記振幅変調光モジュレータ(31,32)の前記エンコーディング表面(35,36)は、光学投射システム(46,47)の助けにより、対応する前記位相変調光モジュレータ(33,34)上にモジュレータ画像(35’,36’)として投影されることができ、
又は、他方では、前記振幅変調光モジュレータ及び前記位相変調光モジュレータは、上記と反対の位置に配置されることを特徴とする、請求項3に記載のディスプレイデバイス。 - 前記光モジュレータ(16,17)の前記エンコーディング表面は、その大きさが前記目(7,8)内の前記瞳孔(20,21)の動きの全範囲にその大きさが対応するように定められることを特徴とする、請求項1乃至4の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。
- 前記光モジュレータ(16,17)の前記エンコーディング表面は、前記瞳孔(20,21)の表面領域と同じ大きさを持つことを特徴とする、請求項1乃至5の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。
- 1つのエンコード可能な光モジュレータ(52)が光学部において用いられ、
前記光モジュレータ(52)は、中心軸(28)の方向と交わるように配置され、
前記光源(13)及び光学系(53)が前記光モジュレータ(52)の前面に配置され、
続けて配置されたビームスプリッタ(54)及び2つの反射鏡(55,56)が、前記観察者平面(4)の前面に配置され、
前記反射鏡(55,56)は、前記ビームスプリッタ(54)の両側に、お互いに離れて配置され、
前記反射鏡(55,56)は、前記瞳孔の軸(29,30)に対して傾いており、
前記光モジュレータ(52)の前記エンコーディング表面は照明されて、前記光学系(53)及び前記ビームスプリッタ(54)の助けによって、前記2つの観察者ウインドウ(18,19)へと変換され、
切り替えデバイス(57)がスプリットされていない光路に配置され、
前記切り替えデバイス(57)は、前記光モジュレータ(52)の全エンコーディング表面上で交互する情報を、所定の頻度で、左右の前記観察者ウインドウ(18,19)に交互に切り替えることを特徴とする、請求項1に記載のディスプレイデバイス。 - 前記切り替えデバイス(57)は、光線束のための偏向デバイスの形で設計され、当該切り替えデバイス(57)は、前記エンコーディングデバイス(26)によって頻度制御されることを特徴とする、請求項7に記載のディスプレイデバイス。
- 前記切り替えデバイス(57)は、スプリットされていない又はスプリットされた光路中に与えられることを特徴とする、請求項8に記載のディスプレイデバイス。
- 前記2つの目(7,8)の間で回折された邪魔をする光を遮断する開口ストップとして働く少なくとも1つのエレメント又は部品(45)が、少なくとも1つの前記光源(13,14)と、少なくとも1つの前記光モジュレータ(41,42;52)と、照明光学系(43,44;53)と、前記観察者ウインドウ(18,19)内に生成されたそれぞれの前記波面と、を備える光路中に存在することを特徴とする、請求項1に記載のディスプレイデバイス。
- パッシブな、又はアクティブな光学エレメントの形をとる少なくとも1つの角度感受性エレメント(37,38)が、前記光モジュレータ(16,17)と前記目(7,8)との間に配置され、
前記エレメントは、前記光モジュレータ(16,17)によって小さい角度で放出された光のみを通過させ、
前記光モジュレータ(16,17)は、前記観察者ウインドウ(18,19)に直接配置されることを特徴とする、請求項1に記載のディスプレイデバイス。 - 2つの光モジュレータ(41,42)が用いられ、
フィルタユニット又は開口ストップ(45)が、1つの前記光モジュレータ(41)及び1つの前記観察者ウインドウ(18)を一方とし、他の前記光モジュレータ(42)及び他の前記観察者ウインドウ(19)を他方として、これらの間の光学部に配置され、
短い焦点距離を示すレンズを備えた小型の設計が提供されることを特徴とする、請求項1に記載のディスプレイデバイス。 - 前記エンコーディングデバイス(26)は、それぞれの前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)の前記エンコーディング表面をエンコードするための情報の計算を実行するための、少なくとも1つのコンピュータとメモリとプログラム手段とを備えることを特徴とする、請求項1乃至12の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。
- 前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;53)は、前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;53)に十分にコヒーレントな光を向ける、少なくとも1つの光源(13,14)に接続されていることを特徴とする、請求項1乃至13の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。
- 前記光源(13,14)は、色再構成が望まれる場合に、それぞれ緑色、赤色、及び青色のスペクトルを放出する3つのサブ光源を備え、前記サブ光源は、時分割多重化によって組み合わせられることを特徴とする、請求項1乃至14の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。
- 前記フレーム(2)は、少なくとも1つの支持エレメント(9,10,11)を備えることを特徴とする、請求項1に記載のディスプレイデバイス。
- 透過性の光学部品と反射性の光学部品との双方が前記前部(3)で用いられ、前記光学部品は、機械的手段及び前記支持エレメント(9,10,11)によって、前記フレーム(2,51)にしっかりとマウントされることを特徴とする、請求項1乃至16の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。
- 前記フレーム(2,51)は、少なくとも光学部に最小限の数の部品で取り付けられた、ヘルメット、ゴーグル、又は支持装置であって、
任意のこととして、前記ディスプレイデバイス(1,40,50)がゴーグルの形を持つこと、前記ディスプレイデバイス(1,40,50)がしっかりと動かない形でヘルメットによって支持されること、又は前記ディスプレイデバイス(1,40,50)が観察者のヘルメットと頭との少なくとも一方に可動な形でしっかりと接続されることを特徴とする、請求項1乃至17の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。 - 調節デバイス(22,23)が、前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)と、前記フレーム(2,51)の少なくとも1つの支持エレメント(9,10,11)との間に配置され、
固定デバイス(24,25)が、前記光モジュレータ(16,17)と対応する前記光源(13,14)との間に配置され、
前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)と、前記光源(13,14)及び前記光学系(12,15)を備える対応する光学部とは、前記調整デバイス(22,23)と前記固定デバイス(24,25)との助けによって、前記観察者平面(4)と前記ディスプレイデバイスの前記中心軸(28)との少なくとも一方と、前記瞳孔の前記軸(29,30)とに対して、調節可能でありかつ固定可能であり、
前記瞳孔の前記軸(29,30)は、前記ディスプレイデバイスの前記中心軸(28)と平行であることを特徴とする、請求項16乃至18の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。 - 前記調節デバイス(22,23)及び前記固定デバイス(24,25)を一方とし、前記光学部及び前記支持エレメント(9,10,11)を他方として、機械的接続がこれらの間に存在し、
前記光源(13,14)及び前記光モジュレータ(16,17)は、前記エンコーディングデバイス(26)及び電源(27)と、電気接続ケーブルを介して接続されることを特徴とする、請求項19に記載のディスプレイデバイス。 - 前記フレーム(2)の領域に、少なくとも1つのセンサが配置され、
前記センサは、前記光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)をエンコードするための情報が修正されるように、観察者が頭を動かした時に、前記観察者の視角の変化に従って前記エンコーディングデバイス(26)に信号を送ることを特徴とする、請求項1乃至20の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。 - 前記フレーム(2)は、任意のこととして、少なくとも1つの音声信号デバイスと組み合わせられており、
音声信号の出力は、前記それぞれの光モジュレータ(16,17;31,32;33,34;41,42;52)の波面のエンコーディングと同期して切り替えられることを特徴とする、請求項1乃至21の何れか1項に記載のディスプレイデバイス。
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