JP3885142B2 - 投映装置 - Google Patents

Description

本発明は、スクリーンがホログラフィック光学素子を使用する投映装置に関する。
米国特許第４７９９７３７号明細書には、自動立体視ディスプレイが開示され、そこでは、像は、拡散したホログラフィック光学素子で構成されるスクリーン上に映し出される。
しかしながら、この装置の欠点は、前記スクリーンの垂直軸（スクリーンを含む平面に９０°で延びている）に対して６０°から３０°の範囲内のある傾斜角度で像を投射することが必要である。そのようなオフアクシス（off-axis）投映は、現実のいかなる装置をもってしても修復困難な像歪みを生じる。
米国特許第４７９９７３９号では、複数の視点の視界に亘ってスクリーンから良好な色彩応答性を得るのに更なる問題がある。
もし、複数の視点の広い視界に亘って良好な色彩応答性を持つ、垂直又はほぼ垂直に像を投射できるスクリーンを製作し得るなら、上記ディスプレイは好都合なものとなるだろう。（この垂直とは、前記スクリーンの面に対する垂線である。）一つの可能性のある取り組みの一部が、ヨーロッパ特許公開第３４９９４７号公報及び国際公開第８４０６１５号公報に略述されている。これらの発明は、垂直な像の投映、及び色消し応答を伴うオンアクシス（on axis）観察を許容するスクリーンを製造することができる。
しかしながら特定の実用例においては、ヨーロッパ特許公開第０３４９９７号公報及び国際公開第８４０６１５号公報に記載のものは、オンアクシス観察での色消しを許容するが、入射光の波長毎の視域（viewing zone）（射出瞳としても知られる。）が、スクリーンから異なる距離で形成される（これは、ヨーロッパ特許公開第０３４９９４７号公報の図１によく示されている。）という本質的問題を抱えている。このことは、オンアクシス観察の場合には問題ではなく、他の場合、即ち、その視域が小さくなる必要がある自動立体視の分野や場所において、添付の図１に平面視で示した様な困難な問題がある。
図１（ヨーロッパ特許公開第０３４９９４７号公報の図１によく似ている）を参照すれば、波長の異なる全ての入射光に対する視域が、前記スクリーンから異なる距離で形成されていることが分かるだろう。図示されたケースでは、視域は極めて狭い。これは、位置ａにある目が、赤色域を介してスクリーンの一部だけを視るだろうことを意味する。即ち、他の色彩が無いので、光線ｒで示されているように、スクリーンの左側よりに赤色帯域が知覚されるであろう。位置ｂにある目は、様々な色彩を観察するだろう。光線ｑで示された線は、全ての視域を通過し、その結果、スクリーンの一部は白く写るだろうし、光線ｓは、青帯域だけを通過し、その結果、スクリーンの一側は、青く見えるだろう。視点ｃからは、スクリーンは、光線ｐを考察すれば分かるように、右側に赤帯域で表れるだろう。
特定の実用例（自動立体視観察のような）では、全ての関連した波長の視域は、平均して完全には記録されないという事実が、不適切な色縞（bad color fringing）を起こすという重大な問題が提起されるだろうということが明らかである。
本発明によれば、回折格子、ゼロ次光を減衰させるための手段、及び散乱ホログフィック光学素子を有するスクリーンを備える投映装置であって、正の光学的倍率を持つ焦点合わせ装置素子を備え、前記格子及び前記ホログラフィック光学素子の総合的光学的倍率は、実質的に前記焦点合わせ素子より小さく、それによって前記投影装置は、前記スクリーンの面に実質的に垂直な方向に色消し応答を示すことを特徴とする投影装置が提供される。
前記格子とホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）とを適切に配置することによって、前記スクリーンに垂直な（ｚ方向の）光の分散が、最小限に抑えられる。
本発明は、色消し応答、典型的には、全ての次元における分光を伴わずに、オンアクシス（又は、ほぼオンアクシス）の投映及びオンアクシス及びオフアクシス観察の両方を提供する。
典型的には、前記格子及びホログラフィック光学素子は、それらが互いに組み合わされても、それらが有効な光学的倍率を持たないように作られる。即ち、それらだけでは、実像として視域を形成することはできない。その代わりに、前記射出瞳は、格子／ＨＯＥの組合せ体の光源又はプロジェクター（これらは前記格子／ＨＯＥを照射している。）側に、虚像として結像するだろう。総合的光学的倍率がゼロであるような理想的なケースでは、像即ち視域は、前記格子／ＨＯＥの組合せ体から前記光源自身との距離と同じ距離の位置に、結像するだろう。このような格子／ＨＯＥの組合せ体は、ｚ方向への散乱を生じないだろう。なぜなら、視域たる像は、光源と同じ距離で結像するからである。しかしながら、そのような構成は、何らかの付加的要素が無いと観察スクリーンとして利用できない。即ち、視域は、実像として結像しなければならないからであり、その像は、プロジェクターに対してスクリーンと反対側に結像しなければならないからである。これは、正の光学的倍率を持った反射又は屈折の光学素子を導入することによって達成される。該光学素子は、簡便には、格子及びＨＯＥの組合せ体と近接配置されたフレネルレンズとすることができるが、従来のレンズ又はミラーを使用して、同様の効果を達成することもできる。該レンズは、レンズ方程式が、以下の条件を満足するようなレンズを選択する。：
１／ｆ＝１／Ｏ＋１／ｄ
ここで、ｆは、前記レンズの焦点距離；Ｏは、光源又はプロジェクターとレンズとの間の距離、ｄは、レンズと視域の要求される位置との距離である。
レンズ自身によって、該レンズは、視域の要求される位置と等しく、スクリーンからの距離をおいて光源の実像を集束させる。レンズが前記組合せ体に付加されると、該格子／ＨＯＥ組合せ体が、光源位置の回りに視域の像を理想的に結像するにつれて、そこで、視域の像の実像が、正しい観察距離で結像することが理解されるだろう。該レンズは、従来同様、プロジェクターと前記格子／ＨＯＥ組合せ体との間、又は、格子／ＨＯＥ組合せ体と前記視域との間の何れかに配置され得る。前記格子とＨＯＥとの間にも介在させることもできるが、これは、有利性の点で好ましくない。
(a)適切な形状とされ且つ散乱補正された視域を、実像として作り出さずに結像するために、前記ＨＯＥ／格子組合せ体に依存し、(b)所望の実像を結像させるために必要とされる光学的倍率を与えるために、反射又は屈折レンズを用いることによって、あらゆる方向への散乱を最小限にした実像として結像されたはっきりと見える視域を達成することができる。
典型的には、前記スクリーンは、複合部材として形成される。即ち、該スクリーンの構成要素は、互いに密接に組み立てられ、好ましくは、互いに結合され、或いは、単体の構成部品として製造される。焦点素子（これはレンズ又はミラーで構成される。）は、前記スクリーンから一定の距離に配置され得るが、好ましくは、複合スクリーンの一部として製造される。
ゼロ次光を減衰するための手段は、光ファイバーフェースプレート、又は、好ましくは、低下スクリーン（lowered screen）とすることができる。様々な適した焦点素子を使用し得るが、好ましくは、該焦点素子は、フレネルレンズである。
好ましくは、回折格子及びホログラフィック光学素子の総合的光学的倍率が、ほぼゼロである。この場合における“ほぼ”とは、総合的光学的倍率が、本投影装置の設計仕様において予測される観察状態下における、スクリーン上に投映された像の受け入れ難い色縞を引き起こすような、ｚ軸に沿う色彩分光を引き起こすには不十分であることを意味する。典型的には、前記スクリーンは、１又はそれ以上の光源（その光は、典型的には、コリメータ及び／又はコンデンサーレンズを通過し、又はそこから反射される。）によって照射され、前記ホログラフィック光学素子は、１又はそれ以上の視域を付与する。典型的には、前記焦点素子は、もし、他の光学素子が無くとも、前記視域が映し出される面内に、前記光源の実像を集束させる。
以下は、添付図面を参照した本発明の幾つかの実施形態についての説明である。
図１は、従来の投映装置を示す図である。
図２は、本発明に係る投映装置の第１実施形態を示す。
図３は、視覚装置（viewing system）を示す、図２の装置の斜視図である。
図４は、２つの色調の自動立体視ディスプレイのための本発明の第２実施形態を示す。
図５は、複数の視域（viewing zone）の対を映し出す本発明の第３実施形態を示す。
図６は、２つのはっきりと非立体視野が現された本発明の第４実施形態である。
図２は、説明の便宜のために誇張して描かれた図であり、示された光線は、例示にすぎない。スクリーン２は、複合体であり、示されたバージョンは、好ましい一形態であり、各構成要素部材の順序を変更することができる。
一例としての光線７は、光源１から出射し、４つの要素部材でなる複合スクリーン２上に入射する。図示された第１要素部材は、焦点素子（focusing element）３であり、実際には、これは、フレネルレンズと同等のものである。レンズ３を出ていく光線８は、レンズ３の正の光学的倍率（positive optical power）によって屈折させられている。この光線８は、回折格子４に衝突し、一部の光線９が回折格子４を通過する。これは、ルーバースクリーン５（louvred screen）（このスクリーンは、スリーエムによって“ライト コントロール フィルム（Light Control Film）”の名の下に市販されており、歪曲したルーバーの配列でなり、スクリーン５上の入射角がある一定の角度の範囲内である時にのみ光の通過を許容し、他の全ての光は遮蔽によって遮られる。）によって遮られるゼロ次ビーム（zero order beam）である。１次回折光は、回折格子４を出て、遮蔽スクリーン５に遮られずに通過する。入射光７に内在する３つの異なる波長に対応し、回折格子４によって色彩的に分光された３本の光線が符号１０で図示されているのが分かるだろう。これらの回折された光線１０は、そこで、散乱ホロラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optical Element）６に衝突し、そこで、それらの光線は散乱領域の実像を再生するように再び屈折させられ、この領域が“視域”１２となり得る（“射出瞳”とも呼ばれる）。この像を形成する光線１１は、もちろん、多くの異なる角度で射出するだろうし、図示されたものは、単なる例示である。
次に図３について言及する。光源１は、複合スクリーン２を照射し、色消しの視域１２を再生することが分かるだろう。図１と比較して、スクリーン２から離れた色消しの分光が存在するような視域が一つしかないことに気づくだろう。これは、ゼロの又はゼロに近い総合的光学的倍率を持った回折格子４と散乱ＨＯＥ６との組合わせによって達成される。フレネルレンズ３は、正の光学的倍率を持ち、理想的には、もし他の光学的要素４，５，６，が無くても、視域が形成された面内に光源１の実像を集束する。実際には、この設計基準は、一般的に満足のいくところまでは近づいていない。
従って視域１２の位置は、幾つかのファクターに依存していることが認識されるだろう、即ち、：
−スクリーン２に対する光源１の位置
−レンズ３の倍率
−ＨＯＥ６の仕様
−回折格子４の仕様
これらのファクターが幾つかの方法で活用され得る。最初の例として、２チャネルの自動立体視装置が図４に示されている。
光源１は、ここでは、１対のプロジェクター１３ａ，１３ｂによって置き換えられている。これらは、基本的に従来のタイプ、即ち、スライドプロジェクター又はビデオプロジェクターとすることができる。これらは、複合スクリーン２上に２体一組の立体像の２つの像を集束するように配置される。（プロジェクター１３ａは、右側の像を投射し、プロジェクター１３ｂは、左側の像を投射する。）特に、プロジェクター１３がスクリーン２に極めて近接してると、僅かに“キーストーン（key stone）”歪みが生じることがあり、これは、プロジェクター１３内の像表示装置（スライド、液晶表示（LCD）等）の角度を調整することによって容易に修正され得るようなものである。
この２つのプロジェクターが、異なる位置から前記スクリーンを照射すると、これに対応する視域１２ａ，１２ｂも異なる位置に結像する。
この自動立体視装置では、観者は、彼又は彼女の左目が、実際上、視域１２ｂを通じてスクリーン２を見て、その右目が同様にして視域１２ａを通じてスクリーン２を見るように、位置する。この場合、左目は、プロジェクター１３ｂによってスクリーン２上に写し出された左目像を見、右目は、プロジェクター１３ａによって映し出された右目像をみることになる。垂直な立体浮き上がり度は、観者に３次元像を見ているような印象を与えるだろう。全方向における色彩分光が無いことは、立体視像が色縞無しに見ることが出来る位置の最大領域の存在を保証する。
図４に示された基本的配置は、更にプロジェクター１３ｎを付加し、それによって対応する複数の視域１２ｎを持つ複数の像を写し出し、観者が一つのステレオペアーから他のステレオペアーへ移動することを許容することによって、作り上げることができる。実際に、もし多数のプロジェクターが使用され、視域１２の幅がそれに対応して削減されると、移動可能な観者がスクリーンの回りを移動することができ、該スクリーンに映し出された合成立体像を見て回ることができるといった、ルックアラウンド効果（look around effect）を得ることができる。
前記ルックアラウンド効果を得ることができる他の手段は、プロジェクター１３ａ，１３ｂに対してスクリーン２を移動することによって、具現化され得る。これは、スクリーン２上の同じ場所に像が残るように、プロジェクター１３を移動すると同時にプロジェクター１３によって映し出された像を修正することによって得られるし、或いは、より簡便には、スクリーン自体の面内でスクリーン２を移動させることによって得られ、これは、像を調整する必要を回避し、視域１２の配置を移動するだけである。その結果、視域１２ａ，１２ｂが移動する観者を追跡するように、視域１２ａ，１２ｂが移動する。この場合、観者の位置を追跡すること、及び、プロジェクター１３ａ，１３ｂの移動を制御するために観者の位置情報を用いることが明らかに必要となる。この方法では、移動する観者は、多くの位置から立体像を見ることができる。この原理を使うと、多くの可能性が存在することが分かるだろう。即ち、：
−左右への観者の移動を追跡し、上述した視域の移動によって、立体視条件を維持する。
−観者の位置に対応する左右の視界を映し出すために、映し出された像を更新している間、左右への観者の移動を追跡し、上述したような立体視条件を維持する。
このことは、前記ルックアラウンド効果を付与するだろう。プロジェクター１３とスクリーン１２との距離は、視る距離の違いを許容するために変更され得る。これは、手動で又は自動的に為され得る。実際には、そのような調整は、プロジェクターレンズの焦点距離がプロジェクターとスクリーンとの距離の変更による拡大率の変化を補償するために調整されるべきであるということを意味する。プロジェクター１３ｎ，１３ｍの幾つかのペアは、多くの異なる観者のための立体視を作り出すように設けられ、実際には、各観者によって見られる像は、同じ像である必要はなく、プロジェクターの各ペアは、上述したように独立して制御され得る。一対のプロジェクター１３ａ，１３ｂだけを使用して多数の観者のために同じ立体視域を作り出すために、散乱ＨＯＥが一つより多い散乱域で記録される。これは、図５に示されている。図５では、スクリーン１４は、ＨＯＥ６が３つの別個の散乱域で記録されているということを除き、全ての点においてスクリーン２と同じである。（この数は、変更されることがあり、単なる例示に過ぎない。）プロジェクター１３ａ，１３ｂは、図４にあるように操作され、スクリーン１４上に立体像を映し出す。該スクリーンは、１５ａと１５ｂ，１２ａと１２ｂ及び１６ａと１６ｂでなる３つの別の立体視域を提供し、そこでは、‘ａ’セクションは、プロジェクター１３ａによって映し出された右側の像に対応し、‘ｂ’セクションは、プロジェクター１３ｂによって映し出された左側の像に対応する。従って、この場合には、３人の離れた観者が立体像を同時に楽しむことができる。この投映装置及び投映スクリーンの第２の実施形態は、観者の位置に応じて２つの別の視界（立体である必要はない。）を提供することにある。これは、図６に示されている。この場合には、各々のプロジェクターが異なる像を投射し、プロジェクター１３ａによって映し出される像は、視域１２ａを介して観者１７ａが実際に見ることができる。同様にして、観者１７ｂは、プロジェクター１３ｂによって投射された像を見ることになるだろう。
一般に、回折格子４及びＨＯＥ６は、例えば、ハロゲン化銀，感光性樹脂，表面起伏，重クロム酸ゼラチンの回折光学の製造物に用いられる利用可能な媒体の何れでも形成され得る。ルーバースクリーン５は、光ファイバーの配列のような異なる装置とすることができ、これは、垂直な入射光及びほぼ垂直な入射光を減衰させ、回折光１０をかなり低い減衰で通過させ得ることも分かるだろう。

Claims (14)

1. 回折格子（4）、ゼロ次光を減衰させるための手段（5）、及び散乱ホログラフィック光学素子（6）を有するスクリーン（2，14）を備える投映装置であって、
   該装置は、正の光学的倍率を持つ焦点装置素子（3）を備え、光源（１）から、焦点装置素子（３）、回折格子（４）、ゼロ次光を減衰させるための手段（５）、散乱ホログラフィック光学素子（６）の順で配置され、
   前記格子（4）及び前記ホログラフィック光学素子（6）の総合的光学的倍率は、実質的に前記焦点素子（3）の光学的倍率より小さく、それによって前記投影装置は、前記スクリーンの面に実質的に垂直な方向に色消し応答を示すことを特徴とする投影装置。
2. 前記格子（4）及びホログラフィック光学素子（6）が、ほぼゼロの総合的光学的倍率を有することを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記ホログラフィック光学素子（6）は、前記スクリーンが一つの光源（1）又は一つのプロジェクター（13）によって照射された時に一つの視域を形成し、そこでは、該視域は、前記焦点合わせ素子（3）から距離ｄ又は約ｄの位置に形成され、ここでｄは、次のレンズ方程式を満たす。
   １／ｆ＝１／Ｏ＋１／ｄ
   ここでｆは、焦点素子（3）の焦点距離であり、Ｏは、光源（1）又はプロジェクター（13）から焦点素子（3）までの距離である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
4. 前記ホログラフィック光学素子（6）は、前記スクリーンが一つの光源（1）又は一つのプロジェクター（13）によって照射されたときに、複数の視域を与えることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
5. 複数のプロジェクター（13a，13b）を備え、各プロジェクターがスクリーン（2，14）上に像を映し出すことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の投影装置。
6. プロジェクター（13a，13b）がスクリーン（2，14）上に像を映し出し、そこに映し出された像が立体写真の合成像であることを特徴とする請求項５に記載の投影装置。
7. 前記プロジェクター（13）は、スクリーン（2，14）に対して映し出された像の実質的な移動を伴わずに、各プロジェクターの各々の像をスクリーン（2，14）上に映し出すために、移動可能であり、且つ、配列されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の投影装置。
8. 前記１つの又は各々のプロジェクター（13）は、移動する観者が、複数の位置の範囲に亘って、一又はそれ以上の視域を介して一又はそれ以上の像の視界を保っているように、移動する観者の位置に、移動し且つ応答することを特徴とする請求項３から７の何れかに記載の投影装置。
9. 前記スクリーン（2，14）は、移動する観者が、複数の位置の範囲に亘って、一又はそれ以上の視域を介して一又はそれ以上の像の視界を保っているように、移動する観者の位置に、移動し且つ応答することを特徴とする請求項３から７の何れかに記載の投影装置。
10. 前記焦点素子が、フレネルレンズ（3）から成ることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の投影装置。
11. 前記ゼロ次光を減衰させるための手段が、ルーバースクリーン（5）から成ることを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の投影装置。
12. 前記スクリーン（2，14）が、焦点素子（3）、ゼロ次光を減衰させるための手段（5）、回折格子（4）及び散乱ホログラフィック光学素子（6）を有する複合体であることを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の投映装置。
13. 前記スクリーンは、前記投影装置が、実質的に全ての方向に色消し（収色性）応答を呈するように配置されていることを特徴とする請求項１から１２の何れかに記載の投影装置。
14. 前記装置は、光源及びコリメータ及び／又はコンデンサーレンズを備えるスクリーンを照射する手段を有することを特徴とする請求項１から１３の何れかに記載の投影装置。

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