JP2022540125A - 変形可能な表面を有する電子ディスプレイ - Google Patents

Abstract

３次元（３Ｄ）ディスプレイシステムが、複数のペグから成るペグアレイを含むことができる。各ペグは、個別にアドレス指定可能であるとともに、１又は２以上の軸に沿って動くように設計することができる。３Ｄディスプレイシステムは、電磁場を生成する複数の電磁コイルを有する誘起アレイを含むこともできる。電磁場は、少なくとも１つのペグに対して磁力を誘起してペグを軸に沿って作動位置に動かすことができる。３Ｄディスプレイは、作動位置における少なくとも１つのペグとの接触を介して３Ｄトポグラフィに拡張するディスプレイ画面を含むことができる。【選択図】図２

Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１９年７月１２日に出願された「変形可能な表面を有する電子ディスプレイ（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＩＳＰＬＡＹ ＷＩＴＨ ＤＥＦＯＲＭＡＢＬＥ ＳＵＲＦＡＣＥ）」という名称の米国仮特許出願第６２／８７３，４６４号の利益を主張するものであり、この文献の開示は全ての目的で引用により本明細書に組み入れられる。

本開示は、一般に変形可能な表面を有する電子ディスプレイに関し、具体的には、電子的に制御可能な３次元（３Ｄ）表面上に画像を提供するシステム及び方法に関する。

本節は、以下で説明する本開示の様々な態様に関連し得る技術の様々な態様を読者に紹介するためのものである。本考察は、読者に背景事情を示して本開示の様々な態様のより良い理解を促す上で役立つと考えられる。従って、これらの記載は、先行技術を認めるものとしてではなく、上記の観点から読むべきものであると理解されたい。

ディスプレイ技術は、観察者に知覚深度の画像を提供して、平面又は２次元（２Ｄ）表面（例えば、投影画面）上に投影された画像を使用して錯覚を生み出すように実装することができる。３Ｄシステムの中には、このような効果を生み出すのに役立つように、メガネ又はゴーグルなどの装着型装置を使用して観察者の目の視界を互いに分離するものもある。一般に、３Ｄディスプレイは、観察者にリアルな、刺激的な、及び／又はより没入的な体験を提供することができる。しかしながら、３Ｄ錯覚の基になる投影画像は、深度を有するオブジェクトの特徴である視差及び動的な影付けを含まない平面的なものであるため、リアルな深度の錯覚が弱まってしまう。

以下、当初の特許請求の範囲の主題と同一範囲のいくつかの実施形態を要約する。これらの実施形態は、特許請求する主題の範囲を限定するものではなく、むしろ本主題の可能な形態の概要を示すものにすぎない。実際には、本主題は、以下に示す実施形態と類似し得る又は異なり得る様々な形態を含むことができる。

ある実施形態では、３次元（３Ｄ）ディスプレイシステムが、複数のペグから成るペグアレイを含むことができる。各ペグは、個別にアドレス指定可能であるとともに、１又は２以上の軸に沿って動くように設計することができる。３Ｄディスプレイシステムは、電磁場を生成する複数の電磁コイルを有する誘起アレイを含むこともできる。電磁場は、少なくとも１つのペグに対して磁力を誘起してペグを軸に沿って作動位置に動かすことができる。３Ｄディスプレイは、作動位置における少なくとも１つのペグとの接触を介して３Ｄトポグラフィに拡張するディスプレイ画面を含むことができる。

別の実施形態では、３Ｄディスプレイが、複数のペグを含むペグアレイと、ペグアレイが特定のトポグラフィを形成するようにペグのうちの少なくとも１つを第１の位置から第２の位置に作動させるペグ駆動システムとを含むことができる。３Ｄディスプレイは、ペグの表面から光を放出する光学生成器を含むこともできる。さらに、各ペグから放出された光は、全体として特定のトポグラフィに対応する画像を形成することができる。

さらに別の実施形態では、３Ｄ表示を提供する方法が、１又は２以上の電磁コイルに電流を供給して、ペグアレイの１又は２以上のペグ内に磁力を誘起するステップを含むことができる。すると、誘起された磁力が、トポグラフィに関連する位置にペグを動かすことができる。方法は、ペグの先端、側面、又はこれらの両方に配置された１又は２以上の光源を点灯させて画像の少なくとも一部を表示するステップを含むこともできる。方法は、ペグがトポグラフィに関連する位置に存在している間にトポグラフィに対応する画像が表示されるように、ペグの動きと光源の点灯とを協調させるステップを含むこともできる。

全体を通じて同じ部分を同じ符号によって示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点がより良く理解されるであろう。

本開示の態様による３Ｄディスプレイシステム例のブロック図である。 本開示の態様による、図１の３Ｄディスプレイシステムのディスプレイ画面を成形するペグアレイ例の概略的分解図である。 本開示の態様による、ペグアレイ例及びペグ駆動システム例の概略的分解図である。 本開示の態様による、ディスプレイ画面上の突出部の生成中の作用力の概略図である。 本開示の態様による、電磁コイルによって誘起される磁力の作用を受けるペグ例の切断図である。 本開示の態様による、ペグ例３６及び様々な画像表示技術の概略図である。 本開示の態様による、図１の３Ｄディスプレイシステム例の概略図である。 本開示の態様による、図１の３Ｄディスプレイシステムを実装するプロセス例のフローチャートである。

以下、本開示の１又は２以上の具体的な実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では実施の特徴を全て説明しているわけではない。いずれかの工学又は設計プロジェクトに見られるいずれかのこのような実施の開発では、実装によって異なり得るシステム関連及びビジネス関連の制約の順守などの開発者の特定の目的を達成するために数多くの実装固有の決定を行わなければならないと理解されたい。さらに、このような開発努力は複雑で時間が掛かる場合もあるが、本開示の恩恵を受ける当業者にとっては設計、製作及び製造という日常的な取り組みであると理解されたい。

投影媒体又は表示媒体を使用してリアルな没入的環境を形成することは複雑である。これらの媒体は３次元（３Ｄ）錯覚としてレンダリングされ、３Ｄメガネ又は同様のものを通して見ることができる。しかしながら、この錯覚は、静止位置の観察者には有効であることができるが、縁部及びより極端な角度では崩れる傾向にある。３Ｄ投影は、錯覚を保つのに望ましい視野角を有する予測可能な位置に座席が存在する劇場などの状況で使用されることが多いが、多くの場合、没入的環境はさらに相互作用的である。観察者は、環境内をより比較的自由に移動して、より極端な角度を含む様々な角度から表示画像を見る。没入的環境内で３Ｄ錯覚を生成するためのさらなる課題は、観察者が見たいと思う動的影付けが平面投影では行われない点である。さらに、平面投影は視差効果を欠いており、すなわち異なる角度から見た時に見た目が変化しない。従って、このような環境においてより強固な３Ｄ錯覚を生み出すことが望ましい。

不規則な又は成形された表面上へのプロジェクションマッピングは、さらなる深度を生み出すことができる。しかしながら、プロジェクションマッピング技術は、静的な又は静止した投影面を必要とする。さらに、プロジェクションマッピングは、錯覚をレンダリングできる前に複雑な走査及び位置合わせプロセスを含み、表面特徴と投影画像とが位置ずれすると錯覚が崩れてしまう。いくつかの事例では、生身の俳優が柔軟な画面を押して等身大の圧痕（ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓ）を形成することができる。しかしながら、このような実装は労働集約的であることが分かっており、及び／又はトポグラフィの変化と同時に画面上に動的ビデオ又は画像を表示させる可能性が制限されてしまう。

本技術は、深度の知覚に寄与する改善された特性を有するとともに、複雑な画像位置合わせに依拠することなく観察者にリアルな、刺激的な、及び／又はより没入的な体験を提供する３Ｄ表示技術を容易にする。従って、いくつかの実施形態では、視聴体験を改善するために、３Ｄ表面と、構成可能な又は可変のトポグラフィとを有するディスプレイを実装することができる。さらに、この３Ｄディスプレイは、可変トポグラフィに対応する画像を描写することができる。例えば、３Ｄディスプレイの画面上に人物の顔が光学的に表示されると、同時に画面が人間の顔の一般的トポグラフィで観察者に向かって伸びることができる。画像（例えば、ビデオ）のストリームと同時に画面トポグラフィが変化することで、リアル性及び／又は３Ｄ精細度が向上した改善されたユーザ体験をもたらすことができる。すなわち、投影画像が変形表面に埋め込まれる。

このような３Ｄディスプレイの動きを引き起こすために、柔軟なディスプレイ画面の背後に可動ペグ（ｍｏｖｅａｂｌｅ ｐｅｇｓ）などの作動可能素子のアレイを配置することができる。個々の作動可能素子は、個別に又はグループで動いてディスプレイ画面の様々な地点を圧迫し、位置付けて、柔軟なディスプレイ画面全体に可変トポグラフィを形成するように個別にアドレス指定可能とすることができる。各要素は、ディスプレイ画面を２Ｄ（例えば、平面）静止位置（例えば、中立位置）から押して及び／又は引いて３Ｄトポグラフィを生成するように、駆動装置によって個別に又はグループで操作することができる。

また、３Ｄディスプレイは、柔軟なディスプレイ画面上に表示すべき画像を提供する光学生成器を含むことができる。いくつかの実施形態では、１又は２以上のプロジェクタを利用して、柔軟なディスプレイ画面の観察側に画像を投影することができる。いくつかのシナリオでは、複数のプロジェクタを使用して、画面のトポグラフィによって投じられる影を軽減することができる。これに加えて又はこれに代えて、３Ｄディスプレイはバックライト付きとすることもでき、及び／又は柔軟なディスプレイ画面の素子側から柔軟なディスプレイ画面を通じて画像を投影することもできる。例えば、これらの素子は、素子先端又はその周囲に発光ダイオードを含むことができ、及び／又は素子先端で終端する光ファイバケーブルを含むことができる。理解できるように、３Ｄディスプレイは、実装に応じていずれかの好適なサイズのものとすることができる。例えば、３Ｄディスプレイは、部屋又は建物の壁などに配置される「等身大」とすることも、或いは個人用ハンドヘルド装置などに内蔵される「旅行サイズ」とすることもできる。

これらを踏まえて、図１は、コントローラ１２及び３Ｄディスプレイ１４を含む３Ｄディスプレイシステム例１０のブロック図である。コントローラ１２は、３Ｄディスプレイ１４の動作制御、及び／又は動的トポグラフィと表示すべき画像とを協調させるための画像及び／又は深度データの処理を支援することができる。従って、コントローラ１２は、プロセッサ１６、メモリ１８、動きコントローラ２０、及び／又は光学コントローラ２２を含むことができる。プロセッサ１６は、１又は２以上の汎用マイクロプロセッサ、１又は２以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）及びプログラマブルゲートアレイ（ＰＡＬ）デバイスなどの１又は２以上のプログラマブルロジックデバイス、又はこれらのいずれかの組み合わせを含むことができる。メモリ１８は、プロセッサ１６によって処理すべきデータを記憶するいずれかの好適なメモリとすることができ、１又は２以上の有形の非一時的コンピュータ可読媒体を含むことができる。例えば、メモリ１８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリなどの書き換え可能な不揮発性メモリ、ハードドライブ、及び／又は光ディスクなどを含むことができる。コントローラ１２の機能は、単一の装置を介して達成することも、又は複数の装置間で分散することもできると理解されたい。例えば、動きコントローラ２０は、光学コントローラ２２から分離することができる。

３Ｄディスプレイ１４は、ディスプレイ画面２４と、ここではペグアレイ２６として示す作動可能素子のアレイと、ペグ駆動システム２８と、光学生成器３０とを含むことができる。本明細書で説明するように、ディスプレイ画面は、ディスプレイ画面２４のトポグラフィを変化させるようにペグアレイ２６のペグによって平衡位置から押すこと及び／又は引くことができる。さらに、ペグアレイ２６は、ペグ駆動システム２８を介して動作的に移動する複数のペグを含むことができる。ペグ駆動システム２８は、単独で又は互いに連動してペグを所望の位置に動かす複数のペグドライバを含むことができる。ペグ駆動システム２８及びペグアレイ２６は、ペグアレイ２６の各個々のペグが個別にアドレス指定可能であるように構成することができる。光学生成器３０は、ディスプレイ画面２４に隣接する（例えば、ペグの先端及び／又は側面に取り付けられた）ＬＥＤ及び／又は光ファイバなどの１又は２以上の視覚出力部を含むことができる。

説明に役立つように、図２は、ディスプレイ画面２４を成形するペグアレイ例２６の概略的分解図である。一般に、ディスプレイ画面２４は、スパンデックス又はその他の伸縮性材料などの弾性材料を含むことができる。さらに、ディスプレイ画面２４は、背面側の（例えば、ディスプレイ画面２４の背面側３２から発する）光学生成器３０と共に利用した場合に、ディスプレイ画面２４の観察側３４に（例えば、観察エリアからのように）画像がクリアに表示されることを可能にするほどの十分な透過率を有することができる。例えば、１つの実施形態では、ディスプレイ画面２４が、ディスプレイ画面２４の背面側３２から観察側３４に５０％を上回る、７０％を上回る、又は９０％を上回る入射光を透過させることができる。また、ディスプレイ画面２４は、弾性と、いくつかの実施形態では低拡散性とを維持しながら、変形中のペグ３６の圧力に耐える好適な厚みのものとすることができる。例えば、ディスプレイ画面２４は、使用される材料に応じて、観察者が見る表示画像の所望のレベルの明瞭性を維持できるほど十分に低い拡散率を有することができる。

ペグアレイ２６のペグ３６は、中立位置４０のペグ３６に対して矢印３８で示すようにディスプレイ画面２４内に押し込まれて、ディスプレイ画面２４の観察側３４から飛び出る突出部４２を形成することができる。なお、ディスプレイ画面２４は、ディスプレイ画面２４をピンと張った状態に保つようにディスプレイ画面２４の縁部４４を固定することができると理解されたい。いくつかの実施形態では、特定のペグ３６（例えば、ペグ４６）を、中立位置４０から大きく変位した他の近隣のペグ３６（例えば、ペグ４８）よりも中立位置４０からそれほど変位しない状態に維持することによって、ディスプレイ画面２４が、突出部４２の精細度を向上させる凹面５０を示すことができる。例えば、いくつかの実施形態では、ペグ３６の変位によって引き起こされる真空が、より変位の大きなペグ３６の周囲でディスプレイ画面２４がテント状になるのを防ぐことができる。これに加えて又はこれに代えて、この真空をポンプ（例えば、機械的真空ポンプ）によって維持することもできる。さらに、これに加えて又はこれに代えて、ペグ３６をディスプレイ画面２４に接着することによってディスプレイ画面２４内の凹面５０を改善することもできる。このような１つの実施形態では、接着ボンドが過剰な応力を伴わずに維持されるようにペグ３６の動きを調整することができる。

図示の実施形態では、ペグアレイ２６のペグ３６が概ね同じ形状及びサイズを有し（同じ直径及び同じ長さ寸法を有して同じ断面形状及び／又は端部形状を有し）、同じ材料で形成される。しかしながら、ペグアレイ２６は、所望の末端効果に応じて異なるサイズ、材料及び／又は形状のペグ３６を含むこともできると理解されたい。

ペグ３６により形成されディスプレイ画面２４上に刻み込まれて表示側３４で見えるようになる突出部４２は、追加ハードウェア（例えば、３Ｄゴーグル、視差画面など）を伴うことなく観察者にリアルな３Ｄ体験を提供するのに役立つことができる。これに加えて又はこれに代えて、突出部４２は、観察者が動的に変化できる３Ｄモデルを感じ及び／又は同時に画像を見ることができるような触覚フィードバックとして利用することもできる。例えば、突出部４２は、同じ表面上に画像を表示する能力を維持しながら相互作用的３Ｄマップをシミュレートし、又は点字出力を提供することができる。ディスプレイ画面２４及びペグアレイ２６は、所望の３Ｄ実演を達成するために、垂直方向、水平方向、又はいずれかの好適な角度に向けることができると理解されたい。さらに、本明細書ではディスプレイ画面２４を背面側３２から照明すると説明しているが、いくつかの実施形態ではディスプレイ画面２４を省略し、ペグ３６を介して直接３Ｄ画像及びトポグラフィを見ることもできる。さらに、いくつかの実施形態では、ディスプレイ画面２４を、それぞれがペグ３６の異なるグループをカバーする複数のサブ画面に分割することもできる。複数のサブ画面を維持することによって、より誇張された角度及び／又は凹面を示すことができる。

図３は、複数のペグ３６を含むペグアレイ例２６及びペグ駆動システム例２８の概略的分解図である。いくつかの実施形態では、ペグ駆動システム２８が、整列支持体（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｕｐｐｏｒｔ）５２及び／又は誘起アレイ５４を含むことができる。整列支持体５２は、動作中にペグ３６を一直線に保つのに役立つ１又は２以上の穴５６を含むことができる。例えば、整列支持体５２は、ペグ３６が異なる位置に配置され又は移動する際に均一方向に移動できて互いに交差又は妨害しないように、整列支持体５２を貫いて形成されるそれぞれの穴５６の中に各ペグ３６又は一群のペグを整列させて維持することができる。各穴５６は、各ペグ３６の（例えば、他の軸に沿った）望ましくない方向への移動を防ぎながら、各ペグ３６が所望の移動方向（例えば、単一の軸に沿って）に移動することを可能にするようなサイズ及び形状を有することができる。さらに、いくつかの実施形態では、整列支持体５２がペグ３６の中立位置４０と同一平面上に存在することができ、及び／又はペグの中立位置４０に対応する平面と共平面上に存在することができる。さらに、整列支持体５２は、（例えば、ディスプレイ画面２４の縁部４４の固定を介して）例えばディスプレイ画面２４の支持を行うこともできる。図示のように、整列支持体５２は、整列支持体５２に対して移動するように構成されたペグ３６が内部を貫いて作動するフレームを提供する。ペグ３６は整列支持体５２の平面に概ね直交して移動するように示しているが、他の構成も考えられる。例えば、穴５６及び誘起アレイは、作動時に１又は２以上のペグ３６の動きを整列支持体５２の平面との間に鋭角を形成するように導くよう成形又は配向することができる。

中立位置４０は単一平面内に存在するように示しているが、いくつかの実施形態では、ペグ３６の中立位置４０が、予め設定されたトポグラフィを形成することもできる。例えば、中立位置４０は、一般的な顔、身体部分、地形又はその他の所望のトポロジーを形成することができ、ペグ３６は、予め設定されたトポロジーの中立位置４０からトポロジーの動的変化を促すように作動することができる。さらに、いくつかの実施形態では、整列支持体５２及び／又は誘起アレイ５４が中立位置４０のペグ３６を予め設定されたトポロジーに保持するように、整列支持体５２及び／又は誘起アレイ５４を非平面的に成形することもできる。

誘起アレイ５４は、ディスプレイ画面２４を圧迫する（例えば、電磁的、機械的などの）力をペグ３６に与え、及び／又はこのような力をペグ３６内で引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、誘起アレイ５４及び整列支持体５２を単一部品に組み込むことができる。

誘起アレイ５４は、電磁場の形成を支援するようにベース６０に取り付けられた複数の電磁コイル５８を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、誘起アレイ５４のベースがプリント基板（ＰＣＢ）を含むことができる。従って、電磁コイル５８は、支持のためにベース６０内に配置及び／又は統合し、及び／又はベース６０に取り付けることができる。さらに、実装によっては、ベース６０をさらなる支持のために補強することができる（例えば、ｒＰＣＢ）。また、誘起アレイ５４は、単一平面内で均一に分布することも、又は互い違いに配置することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、特定のペグ３６に関連する電磁コイル５８が整列支持体５２及び／又は中立位置４０から異なる距離に存在することができる。誘起アレイ５４を互い違いに配置すると、ＰＣＢ上に追加スペースを提供することができ、これによってより緊密なペグアレイ２６、及び／又は隣接する電磁コイル５８間の干渉の低減を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ペグ３６の移動を容易にするために、電磁コイル５８をステッパモータ（例えば、ハイブリッドリニアステッパモータ、可変リラクタンスリニアステッパモータなど）などのリニアモータの一部とすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、個々のドライバモータを利用することなくペグ３６の直接的な誘導移動（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を容易にするために、ペグ３６が磁気コアを有することができ、及び／又はペグ３６上に配置された１又は２以上のコイルを含むことができる。

説明に役立つように、図４は、突出部４２の生成中に１又は２以上の個々のペグ３６に作用する作用力の概略図である。一例として単一のペグ３６のみを示しているが、開示する実施形態はペグアレイ２６のさらなるペグ３６にも当てはまることができる。電磁力は、各ペグ３６を整列支持体５２（図３）に対して所望の位置に作動させるように調整される。例えば、１つの実施形態では、各ペグ３６が、静止位置又は中立位置４０と、ペグ３６の総可動域を表す少なくとも１つの作動位置又は突出部位置とに関連することができる。さらに、ある実施形態では、各ペグ３６が、静止位置と最大作動位置との間の１又は２以上の中間位置を取ることができる。ペグアレイ２６（図２）の文脈内では、ペグが、突出部４２に対応する異なるパターン又は形状を集合的に形成することができる。さらに、突出部４２は動的なものであり、個々のペグ３６が作動位置と静止位置との間で互いに独立して動いて動的に新たなパターンを取るような異なる制御命令に応答することができる。本明細書に開示するように、突出部４２は、ユーザ入力に応答して、例えばユーザタッチに基づいて触覚フィードバックを提供することもできる。

動作中には、誘起アレイ５４の電磁コイル５８に電流６２を通して電磁場６４を誘起することができる。いくつかの実施形態では、ペグ３６が、磁場６４が軸６７に沿った順方向磁力（ｆｏｒｗａｒｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ）６６を促してペグ３６を中立位置からディスプレイ画面２４に向かって作動位置に動かして突出部４２の少なくとも一部を形成するような磁気特性（例えば、磁気コア、磁気リング、磁気コイルなど）を有することができる。ある実施形態では、ペグ３６が、ペグ３６の最長寸法と概ね一致する軸６７に沿って順方向又は逆方向に作動するように構成される。ペグ３６は、その移動中に概ね静止したままの電磁コイル５８に対して作動することができる。また、ディスプレイ画面２４は、伸長してペグ３６を押し戻す逆向きの張力６８を生じることができる。張力６８と順方向磁力６６とが釣り合うと、ペグ３６及びディスプレイ画面２４からの突出部４２の静止位置をもたらすことができる。ディスプレイ画面２４がさらに伸長すれば、ペグ３６に発揮される張力６８も大きくなる。従って、より大きな突出部４２（例えば、中立位置４０からのより大きな変位）を達成するには、張力６８に対抗するためにより大きな順方向磁力６６を発生させればよい。より大きな順方向磁力６６を発生させるには、プロセッサ制御下で電流６２を増加させればよい。さらに、誘起アレイ５４は、様々な変位の突出部４２を形成する（例えば、異なるペグ３６を中立位置４０から異なる距離だけ移動させる）ために、異なる電磁コイル５８に異なる電流６２を供給することができる。いくつかの実施形態では、ペグ３６が閾値を超えて変位するのを阻止するために、ペグ３６がフランジ７０を含むことができる。例えば、フランジ７０は、ペグ３６が最大変位にある時に誘起アレイ５４のベース６０及び／又は整列支持体５２に当接して、ペグ３６がそれ以上移動するのを防ぐことができる。いくつかの実施形態では、移動を抑制することが、張力６８を引裂閾値未満に維持してディスプレイ画面２４の摩耗を抑えるのに役立つことができる。

ペグ３６を中立位置４０又は中立位置４０からそれほど変位していない位置に戻すには、関連する電磁コイル５８に供給される電流６２を低減又は除去すればよい。例えば、ペグ３６を駆動する電磁コイル５８から電流６２を除去すると、ディスプレイ画面２４の張力６８がペグ３６を動かして中立位置に戻すことができる。これに加えて又はこれに代えて、電磁コイル５８を通る電流６２の流れを逆にして反対の磁力７２を生じさせることもできる。反対の磁力７２は、ペグ３６をそれほど変位していない位置又は中立位置４０に素早く戻すのに役立つことができる。さらに、ペグ３６をディスプレイ画面２４の内外に素早く動かす能力は、突出部４２の、従ってディスプレイ画面２４の動的トポグラフィの高速変化を可能にすることもできる。

これに加えて又はこれに代えて、ペグ３６と誘起アレイ５４との間の電磁相互作用は、中立位置４０に対するペグ３６の離散的中間位置を容易にすることもできる。例えば、図５の誘起アレイ５４の切断部分７６によって示すように、張力６８と順方向磁力６６との間の力平衡のみに依拠するのではなく、張力６８と共に順方向磁力６６及び逆方向磁力７４の両方を同時に考慮することができる。各ペグ３６の独立した制動位置（ｂｒｅａｋｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）（例えば、中立位置４０からの変位量が異なる予め設定された停止位置）を達成するために、電流６２の方向を交互にした複数の電磁コイル５８をペグ３６毎に直列に設けることができる。例えば、第１の電磁コイル５８Ａは、第１の方向に電流６２を伝えて（図５の基準系に示すような）反時計回りの電磁場６４Ａを発生させ、第２の電磁コイル５８Ｂは、第２の方向に電流６２を伝えて（図５の基準系に示すような）時計回りの電磁場６４Ｂを発生させることができる。すると、電磁場６４Ａ、６４Ｂがペグ３６の１又は２以上の磁気部品（例えば、ペグ３６に取り付けられた磁気コア、磁石又は磁気コイルなど）に作用して磁力６６、７４を与えることができる。各電磁コイル５８内の電流６２は、電磁コイル５８間の間隔によって、（例えば、中立位置４０からの変位時に）磁力６６、７４がペグ３６を特定の位置に保持するように調整することができる。例えば、反時計回りの磁場６４Ａは、１又は２以上のペグコイル８０及び／又はペグ３６のその他の磁気部品と相互作用して逆方向磁力７４を与えることができる。同様に、時計回りの磁場６４Ｂは、ペグコイル８０及び／又はペグ３６のその他の磁気部品と相互作用して順方向磁力６６を与えることができる。個々のペグコイル８０及び／又はその他の磁気部品が電磁コイル５８に近づくにつれ、それぞれの順方向又は逆方向磁力６６、７４の大きさも増加する。これとは逆に、個々のペグコイル８０及び／又はその他の磁気部品が電磁コイル５８から離れて位置するにつれ、それぞれの順方向又は逆方向磁力６６、７４の大きさも減少する。従って、各電磁コイル５８を通る電流６２を変化させることによってペグ３６を特定の位置に維持することができる。さらに、電磁コイル５８の電流６２を逆にして反対の磁力７２を生じることもできる。なお、図５には２つの電磁コイル５８を示しているが、一連の電磁コイル５８は、ペグ３６毎にいずれかの好適な数の電磁コイル５８を含むことができると理解されたい。さらに、いくつかの実施形態では、１又は２以上の電磁コイル５８が一群のペグ３６を取り囲んで複数のペグ３６に同時に磁力６６、７４を引き起こすこともできる。

さらに、電流６２を決定する際には、ディスプレイ画面２４の張力６８を考慮することもできる。例えば、順方向磁力６６の平衡を保つ際に、逆方向磁力７４に張力６８を加えてペグ３６の特定の位置を達成することができる。さらに、周囲のペグ３６の位置を使用してより正確に張力６８を決定することもできる。さらに、いくつかの実施形態では、電流６２の大きさに応じて磁力６６、７４を張力６８よりも大幅に（例えば、１桁、２桁、３桁又は４桁以上）大きくすることもできる。従って、実装によっては張力６８を無視することもできる。

上述したように、ペグコイル８０は、電磁場６４Ａ、６４Ｂと相互作用して、ペグ３６に対するそれぞれの磁力６６、７４を促すことができる。ペグコイル８０は、ペグ３６上に互いに等距離で配置することも、及び／又はペグ３６の特定の領域に集中させて互いに対して不均一な間隔で設けることもできる。さらに、ペグコイル８０は、ペグ３６の長さに沿って様々な厚みを含むことができる。ペグコイル８０の厚み及び／又はペグコイル８０の密度を増加させると、ペグ３６に加わる磁力６６、７４の大きさを直接高めることができる。従って、ペグ３６上のペグコイル８０の位置、密度及び／又は厚みを変化させることで、より特異的なペグの動きの制御を可能にすることができる。

ペグ３６は、光学生成器３０の一部としての光源を含むこともできる。図６は、様々な画像表示技術を有するペグ例３６の概略図である。ペグ３６は、円筒形プロファイル及び円形端面８２を有するように示しているが、円筒形、長方形、円錐形などのいずれかの好適な形状であることができると理解されたい。いくつかの実施形態では、各ペグ３６が、ディスプレイの画素と同等の光を生成することができる。例えば、各ペグ３６の端面８２は、ディスプレイ画面２４に当接して、ペグアレイ２６のペグ３６が全体として所望の画像を形成するような発光を生じることができる。この発光は、１又は２以上のＬＥＤ８４から及び／又は光ファイバの使用を通じて生じることができる。例えば、光ファイバケーブル８６は、ペグ３６の端面８２に終端部８８を有することができる。従って、光ファイバケーブル８６内を伝わる光をペグ３６の端面８２からディスプレイ画面２４上に照射することができる。ＬＥＤ８４及び／又は光ファイバケーブル８６の配線は、光学ドライバ及び／又は光学コントローラ２２に接続できるようにペグ３６内に及び／又はペグ３６の外面に沿って配置することができる。これに加えて又はこれに代えて、ＬＥＤ８４及び／又は光ファイバケーブル８６の終端部８８は、ペグ３６の端面８２に対して横方向に光を放出するようにペグ３６の側面９０に沿って配置することもできる。ペグ３６の側面９０からの発光は、例えばいくつかのペグ３６が隣接するペグ３６を越えて大幅に延びている場合に、ディスプレイ画面２４の改善された照明を可能にすることができる。従って、画像の影及び／又は照明部分をより正確に表示することができる。これに加えて又はこれに代えて、ディスプレイ画面２４は、実装に応じてペイント、テクスチャリング、又はその他の好適な美観などの永久的又は半永久的画像特徴を観察側３４に含むこともできる。さらに、本明細書では、ペグアレイ２６及びペグ駆動システム２８を照明効果及び／又は光学生成器３０と共に使用されるように説明しているが、これらは照明効果を伴わずに実装し、代わりに表示画像とは別の動的３Ｄトポグラフィを提供することもできると理解されたい。

図７に示すように、コントローラ１２は、３Ｄコンテンツ９２を受け取って、光学生成器３０及び誘起アレイ５４のための画像データ９４及び動きデータ９６を生成することができる。例えば、３Ｄコンテンツ９２は、２Ｄ画像と、ペグアレイ２６の特定のトポグラフィに対応する高さマップとに分解することができる。例えば、１つの実施形態では、３Ｄコンテンツ９２を処理及び／又は実装のために複数の成分に分解することができる。例えば、３Ｄコンテンツは、画素毎に赤色成分、緑色成分、青色成分及びグレースケール成分などの４つのデータ成分を含むことができる。１つの実施形態では、赤色、緑色及び青色成分が、光学コントローラ２２によって利用されるＲＧＢ色空間を表すことができ、グレースケール成分が、中立位置４０からの変位量を表すことができる。有彩色空間、ガンマ色空間などのいずれかの好適な成分を使用することもできると理解されたい。

いくつかの実施形態では、コントローラ１２及び／又は光学コントローラ２２が、２Ｄ画像（例えば、ＲＧＢ）に対応する画像データ９４をペグ３６の光源（例えば、ＬＥＤ及び／又は光ファイバ）による投影に適したフォーマットに処理することができる。例えば、光学コントローラ２２は、画像データ９４をペグアレイ２６に適合する解像度に変換することができる。さらに、光学コントローラ２２は、光学生成器３０を駆動して光源に電力を供給することもできる。同様に、動きコントローラ２０は、高さマップを含む動きデータ９６をペグアレイ２６がシミュレートできるフォーマットに変換することができる。また、動きコントローラ２０は、個々のペグ３６を配置するために、動きデータ９６に基づいて電磁コイル５８に電流６２を流すこともできる。

図８は、３Ｄディスプレイシステム１０を実装するプロセス例９８のフローチャートである。３Ｄディスプレイシステム１０は、表示することが望ましい３Ｄコンテンツを受け取り（プロセスブロック１００）、この３Ｄコンテンツからペグアレイ２６に適合する動きデータ９６及び画像データ９４を生成することができる（プロセスブロック１０２）。また、動きデータ９６を使用して、誘起アレイ５４の１又は２以上の電磁コイルに電流６２を供給することもできる（プロセスブロック１０４）。電磁コイル５８内の電流６２は、ペグ３６に作用する磁力６６、７４を引き起こすことができる電磁場６４を誘起することができる。従って、電流６２を変化させて、ペグアレイ２６の個々のペグ３６の動き及び位置決定を制御することができる（プロセスブロック１０６）。さらに、ペグ３６の動き及び位置決定は、よりリアルな３Ｄ効果のためにディスプレイ画面２４上に突出部４２を形成することができる。また、画像データ９４に基づいて１又は２以上の光源（例えば、ＬＥＤ、光ファイバなど）を作動させることもできる（処理ブロック１０８）。ペグ３６内の及び／又はペグ３６に取り付けられた光源は、例えばディスプレイ画面２４上に全体として画像を生成するように制御することができる（プロセスブロック１１０）。さらに、動きの制御と生成される画像とを、ペグアレイ２６又はディスプレイ画面２４のトポグラフィが表示画像に対応するように協調させることもできる（プロセスブロック１１２）。さらに、複数の画像及びトポグラフィを順に生成して動的３Ｄ表示を提供することもできる。

本明細書では、本発明のいくつかの特徴のみを図示し説明したが、当業者には多くの修正及び変更が思い浮かぶであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の実際の趣旨に含まれる全てのこのような修正及び変更も対象とすることが意図されていると理解されたい。さらに、上記のプロセス９８の参照フローチャートは所定の順序で示しているが、いくつかの実施形態では、図示のステップを並び替え、変更し、削除し、及び／又は同時に行うこともできる。また、プロセス９８の参照フローチャートは例示的なツールとして示すものであり、実施に応じてさらなる判定及び／又はプロセスブロックを追加することもできる。

本開示の様々な実施形態の要素を紹介する場合、「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」といった冠詞は、これらの要素が１つ又は２又は３以上存在することを意味するように意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的なものとして意図されており、列記する要素以外のさらなる要素が存在し得ることを意味する。また、本開示の「１つの実施形態」又は「ある実施形態」についての言及は、記載する特徴も含むさらなる実施形態の存在を排除するものとして解釈されるように意図するものではないと理解されたい。

本明細書に示して特許請求する技術は、本技術分野を確実に改善する、従って抽象的なもの、無形のもの又は純粋に理論的なものではない実際的性質の有形物及び具体例を参照し、これらに適用される。さらに、本明細書の最後に添付するいずれかの請求項が、「．．．［機能］を［実行］する手段」又は「．．．［機能］を［実行］するステップ」として指定されている１又は２以上の要素を含む場合、このような要素は米国特許法１１２条（ｆ）に従って解釈すべきである。一方で、他のいずれかの形で指定された要素を含むあらゆる請求項については、このような要素を米国特許法１１２条（ｆ）に従って解釈すべきではない。

２４ ディスプレイ画面
２６ ペグアレイ
３２ ディスプレイ画面の背面側
３４ ディスプレイ画面の観察側
３６ ペグ
３８ 矢印
４０ 中立位置
４２ 突出部
４４ ディスプレイ画面の縁部
４６ ペグ
４８ ペグ
５０ 凹面

Claims (21)

1. ３次元（３Ｄ）ディスプレイシステムであって、
   各ペグが個別にアドレス指定可能であるとともに少なくとも１つの軸に沿って移動するように構成された複数のペグを含むペグアレイと、
   前記複数のペグのうちの少なくとも１つのペグに対して磁力を誘起し、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグを前記少なくとも１つの軸に沿って作動位置に動かすように構成された電磁場を発生させるように構成された複数の電磁コイルを含む誘起アレイと、
   前記作動位置における前記複数のペグのうちの少なくとも前記１つのペグとの接触を介して３Ｄトポグラフィに拡張するように構成されたディスプレイ画面と、
   を備えることを特徴とする３Ｄディスプレイシステム。
2. 前記誘起アレイは、前記複数の電磁コイルのうちの第１の電磁コイルと、前記複数の電磁コイルのうちの第２の電磁コイルとを含み、前記複数の電磁コイルのうちの前記第１の電磁コイルは第１の電磁場を生成するように構成され、前記複数の電磁コイルのうちの前記第２の電磁コイルは、前記第１の電磁場とは逆の第２の電磁場を生成するように構成される、
   請求項１に記載の３Ｄディスプレイシステム。
3. 前記第１の電磁場は、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグを前記少なくとも１つの軸に沿って第１の方向に動かすために、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグに対して第１の磁力を誘起するように構成され、前記第２の電磁場は、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグを前記少なくとも１つの軸に沿って前記第１の方向とは逆の第２の方向に動かすために、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグに対して第２の磁力を誘起するように構成され、前記第１の磁力及び前記第２の磁力は、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグを前記作動位置において平衡状態に保持するように構成される、
   請求項２に記載の３Ｄディスプレイシステム。
4. 前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグに対応する前記複数の電磁コイルのうちの少なくとも１つの電磁コイルに電流を流して前記電磁場を発生させるように構成されたコントローラを備え、該コントローラは、前記電流を変化させて前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグの位置を変化させるように構成される、
   請求項１に記載の３Ｄディスプレイシステム。
5. 前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグは、前記電磁場と相互作用して前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグに対して磁力を誘起するように構成された１又は２以上のペグコイルを含む、
   請求項１に記載の３Ｄディスプレイシステム。
6. 前記ディスプレイ画面上の画像の表示を容易にするように構成された光学生成器を備える、
   請求項１に記載の３Ｄディスプレイシステム。
7. 前記光学生成器はプロジェクタを含む、
   請求項６に記載の３Ｄディスプレイシステム。
8. 前記光学生成器は、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグの端面内の又は該端面に取り付けられた光源を含み、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグの前記端面は、前記ディスプレイ画面に接触するように構成される、
   請求項６に記載の３Ｄディスプレイシステム。
9. 前記複数のペグが内部を貫通して作動するように構成された複数のアパーチャを含む整列支持体を備え、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグは、前記少なくとも１つの軸に沿って前記複数のアパーチャの対応する少なくとも１つのアパーチャを通じて作動するように構成される、
   請求項１に記載の３Ｄディスプレイシステム。
10. 前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグに対する前記誘起された磁力は、前記ディスプレイ画面によって前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグに作用する張力によって相殺される、
    請求項１に記載の３Ｄディスプレイシステム。
11. 前記ディスプレイ画面は、５０パーセントを上回る透過率を有する弾性材料を含む、
    請求項１に記載の３Ｄディスプレイシステム。
12. ３次元（３Ｄ）ディスプレイであって、
    複数のペグを含むペグアレイと、
    前記ペグアレイが特定のトポグラフィを形成するように前記複数のペグのうちの少なくとも１つのペグを第１の位置から第２の位置に作動させるように構成されたペグ駆動システムと、
    前記複数のペグのうちの１又は２以上のペグの表面から光を放出するように構成された光学生成器と、
    を備え、前記複数のペグのうちの前記１又は２以上のペグから放出される前記光は、前記特定のトポグラフィに対応する画像を形成する、
    ことを特徴とする３Ｄディスプレイ。
13. 前記ペグ駆動システムは、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグに対して磁力を誘起するように構成された複数の電磁コイルを含む誘起アレイを含み、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグは、前記第１の位置から前記第２の位置に作動する際に前記複数の電磁コイルに対して動くように構成される、
    請求項１２に記載の３Ｄディスプレイ。
14. 前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグは、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグ上又はペグ内に配置されて前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグと共に作動する複数のペグコイルを含み、前記複数のペグのうちの前記少なくとも１つのペグの長さに沿って、前記ペグコイルの密度、前記ペグコイルの厚み、又はこれらの両方が変化する、
    請求項１２に記載の３Ｄディスプレイ。
15. 前記ペグ駆動システムは、強化プリント基板（ｒＰＣＢ）を含む、
    請求項１２に記載の３Ｄディスプレイ。
16. 観察エリアと前記ペグアレイとの間に配置されて前記ペグアレイと接触するディスプレイ画面を備え、前記特定のトポグラフィは、前記ディスプレイ画面からの１又は２以上の突出部を介して知覚され、前記画像は前記ディスプレイ画面を通じて伝達される、
    請求項１２に記載の３Ｄディスプレイ。
17. 前記光学生成器は、前記複数のペグのうちの前記１又は２以上のペグの前記表面に配置されて前記画像の一部に対応する光を放出するように構成された１又は２以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、
    請求項１２に記載の３Ｄディスプレイ。
18. 前記光学生成器は、前記画像の一部に対応する光を放出するように構成された複数の光ファイバケーブルを含み、該複数の光ファイバケーブルの各光ファイバケーブルは、前記複数のペグのうちの前記１又は２以上のペグの対応する表面で終端する、
    請求項１２に記載の３Ｄディスプレイ。
19. 前記複数のペグのうちの前記１又は２以上のペグの前記表面は、前記複数のペグのうちの前記１又は２以上の各ペグの端面、側面、又はこれらの両方を含む、
    請求項１２に記載の３Ｄディスプレイ。
20. ３次元（３Ｄ）表示を提供する方法であって、
    ペグアレイの１又は２以上のペグをトポグラフィに関連する位置に動かす磁力を前記ペグアレイの前記１又は２以上のペグ内に誘起するように構成された１又は２以上の電磁コイルに電流を供給するステップと、
    前記ペグアレイの前記１又は２以上のペグの各々の先端、側面、又はこれらの両方に配置されて画像の少なくとも一部を表示するように構成された１又は２以上の光源を点灯させるステップと、
    前記ペグアレイの前記１又は２以上のペグが前記トポグラフィに関連する前記位置に存在している間に前記トポグラフィに対応する前記画像が表示されるように、前記ペグアレイの前記１又は２以上のペグの動きと前記１又は２以上の光源の点灯とを協調させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
21. ３Ｄコンテンツを受け取るステップと、該３Ｄコンテンツを動きデータ及び画像データに処理するステップを含み、前記ペグアレイの前記１又は２以上のペグの前記動きは前記動きデータに基づき、前記１又は２以上の光源の前記点灯は前記画像データに基づく、
    請求項２０に記載の方法。

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