JP4245965B2 - 走査型線形電気機械変調器を用いた一中心自動立体光学装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的に、電子的に作成された画像を見るための自動立体（ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ）表示システムに関し、より詳細には、非常に広い視野および大きな射出瞳を提供するために、光学部品の一中心配列と共にその源画像（ｉｍａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ）として走査型線形ミクロ電気機械変調器を用いて左目および右目像を作成するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動立体表示システムの潜在的な価値は、特に、エンターテイメントおよびシミュレーション分野において広く認識されている。自動立体表示システムは非常に広い視野を有する３次元（３−Ｄ）画像で観察者の周囲を視覚的に囲むことにより観察者に現実的な視認経験を提供するように企図された「没入（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）」システムを含む。没入システムを含む立体表示の大きなグループとは異なり、自動立体表示は、例えばゴーグル、ヘッドギア若しくは特殊メガネなどの着用アイテムを必要としないことを特徴とする。すなわち、自動立体表示は観察者に「自然な」視認状態を提供しようとするものである。
【０００３】
ＳＩＤ ９９ Ｄｉｇｅｓｔの中の論文「球面パノラマバーチャルディスプレイの自動立体特性（“Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｐａｎｏｒａｍｉｃ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｄｉｓｐｌａｙｓ”」において、Ｇ．Ｉ．Ｋｉｎｔｚは広い視野を有する自動立体表示を提供するための１つのアプローチを開示している。Ｋｉｎｔｚのアプローチを使用すると、眼鏡もヘッドギアも必要ない。しかしながら、観察者の頭は、視準を正された仮想画像を形成するために一中心（ｍｏｎｏｃｅｎｔｒｉｃ）鏡により投影される、ＬＥＤエミッタの配列を有する高速回転球状シェル内に位置しなければならない。Ｋｉｎｔｚの設計は広い視野を有する正確な自動立体システムに対する１つの解決策を提供する一方で、この設計にはかなりの欠点がある。Ｋｉｎｔｚの設計の欠点の１つは、観察者の頭を高速回転面に非常に近接して配置する必要があることである。そのようなアプローチでは回転面上の部品との接触による事故やケガの可能性を最小に抑えるような対策が必要である。保護シールドがあっても、高速移動面に近接すると、観察者はいくらか不安を感じる。さらに、そのようなシステムを使用すると頭の動きがかなり拘束される。
【０００４】
観察者の目に一対のプロジェクタの射出瞳を投影することにより動作する自動立体システムの１つのクラスが、Ｓ．Ａ．Ｂｅｎｔｏｎ、Ｔ．Ｅ．Ｓｌｏｗｅ、Ａ．Ｂ．ＫｒｏｐｐおよびＳ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈによる論文（Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＶＩ、ＳＰＩＥ、１９９９年１月の「ミクロポーラライザを用いた多ビューワ自動立体表示（Ｍｉｃｒｏｐｏｌａｒｉｚｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｖｉｅｗｅｒ Ａｕｔｏｓｔｅｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ」）において概要が示されている。上記論文においてＢｅｎｔｏｎが概要を説明しているように瞳孔投影（ｐｕｐｉｌ ｉｍａｇｉｎｇ）は大きなレンズまたは鏡を用いて実行することができる。観察者の目が投影瞳孔と一致すると、観察は、クロストーク無しで、いずれの種類の眼鏡も着用せず、立体シーンを視認することができる。
【０００５】
瞳孔投影を用いる自動立体表示システムにより提供される視認経験の値および現実的な品質は広い視野および大きな射出瞳を備える３−Ｄ画像を提供することにより増強されることは容易に認識できるであろう。観察者が頭の動きを厳格に抑制されず、ゴーグルや他の装置の着用を要求されずに、快適に着席することが許容される場合、そのようなシステムは没入視認機能において最も効果的である。完全に３−Ｄ画像化を満足するために、そのようなシステムは別個の高解像度の像を右目と左目に提供すべきである。そのようなシステムは、奥行および視野の幅の錯覚を形成させるが実際に占める床空間および体積をできるだけ小さくするように、コンパクト化において最も有利に設計されることも容易に認識されるであろう。最も現実的な視認経験では、観察には距離が遠く離れて現れるように配置された虚像が提供されるべきである。
【０００６】
輻輳と調節に関連する深度合図（ｄｅｐｔｈ ｃｕｅｓ）間の対立は視認経験に逆の影響を与えることがあることも周知である。輻輳は物体の別個の像を視野内で融合するために観察者の目が交差すべき程度を示す。輻輳が減少し、消失すると見ていた物体はより遠くなる。調節は対象の物体に対して網膜焦点を維持するために観察者の目のレンズの形を変える必要性を示す。観察者が所定の時間、輻輳と調節に対し不適当な深度合図に暴露されると、観察者の深度知覚の一時的な低下が起きることがあることは周知である。深度知覚に対するこの負の影響は、調節合図が離れた画像位置に対応する場合軽減できることが知られている。
【０００７】
従来の自動立体表示ユニットの例が米国特許第５，６７１，９９２号（リチャーズ（Ｒｉｃｈａｒｄｓ））において開示されている。この中で、着席した観察者は各々の目に対応する別個のプロジェクタにより作成され、多くの鏡を備える投影システムを使用して観察者まで誘導される画像を使用して得られる明確な３−Ｄ効果を経験する。
【０００８】
立体画像化に対する従来の解決策は上記課題の幾つかに取り組んだが、改良の余地がある。例えば、幾つかの初期の立体視システムは３−Ｄ視認経験を提供するために特別なヘッドギア、ゴーグルまたは眼鏡を使用していた。そのようなシステムのほんの１つの例として、米国特許第６，０３４，７１７号（デンティンガー（Ｄｅｎｔｉｎｇｅｒ）ら）では、３−Ｄ効果を得るためにそれぞれの目に適当な画像を選択的に誘導するために観察者に１組の受動偏光メガネを着用することを要求する投射（プロジェクション：ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）ディスプレイシステムが開示されている。
【０００９】
確かに、シミュレーション適用分野などのように、何らかの種類のヘッドギアが立体映像のために適当であると考えられるいくつかの状況が存在する。そのような適用に対し、米国特許第５，５７２，２２９号（フィッシャー（Ｆｉｓｈｅｒ））では広い視野を有する立体映像を提供するプロジェクションディスプレイヘッドギアが開示されている。しかしながら、可能であれば、米国特許第５，６７１，９９２号の装置において開示されているようないずれの型の装置も観察者が着用する必要のない自動立体映像を提供することが好都合である。頭の動きに対しある程度の自由度が得られることも好都合である。対照的に、米国特許第５，９０８，３００号（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）ら）においては観察者の頭が固定位置に維持されるハンググライディングシミュレーションシステムが開示されている。そのような解決策は米国特許第５，９０８，３００号において開示されている限られたシミュレーション環境においては許容可能であり、装置の全体的な光学設計が単純化されるかもしれないが、没入システムにおいては頭の動きを拘束するのは不都合であろう。特に、ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）らの特許において開示されているシステムは狭いビューイング開口を使用し、効果的に視野を制限している。米国特許第５，９０８，３００号において開示されている装置では、望ましい出力瞳孔サイズを得るために使用される倍率を有する、軸外配向で配置された複雑な従来のプロジェクションレンズが使用されている。
【００１０】
米国特許第５，２５５，０２８号（バイルズ（Ｂｉｌｅｓ））において開示されているように、観察者にビームスプリッタを介して、観察者から異なる距離のところに存在する２つのスクリーンの結合画像を提供し、これにより立体画像化の錯覚を形成させることにより立体視効果を提供するために多くのシステムが開発されている。しかしながら、この型のシステムは小さな視野角に限定され、そのため没入型視認経験を提供するのには適していない。さらに、そのようなシステムを用いて表示された画像は実像であり、観察者に近接して提供され、上記輻輳／調節問題が生じやすい。
【００１１】
輻輳／調節効果を最小に抑えるためには、３−Ｄ視認システムは観察者からかなり離れた位置で実像または仮想画像のいずれかの立体画像の対を表示すべきであることは一般に認識される。実像では、大きなディスプレイスクリーンを、好ましくは観察者からかなり離れた位置に配置して、使用しなければならないことを意味する。しかしながら、仮想画像では米国特許第５，９０８，３００号（Ｗａｌｋｅｒ）で開示されているようにかなり小さな曲面鏡（ｃｕｒｖｅｄ ｍｉｒｒｏｒ）を使用することができる。曲面鏡はコリメータとして作用し、観察者から大きく離れた位置で仮想画像を提供する。立体画像化のための他のシステムは、伸縮可能なメンブレン鏡を用いる、Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＶＩＩ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌｕｍｅ３９５７における「遠隔操作および遠隔存在アプリケーションのためのメンブレン鏡を用いた自動立体表示（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ｂａｓｅｄ Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ ｆｏｒ Ｔｅｌｅ−Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」（Ｍｃｋａｙ、Ｍａｉｒ、Ｍａｓｏｎ、Ｒｅｖｉｅ）において開示されている。Ｍｃｋａｙの論文において開示された装置は小さな射出瞳を提供するが、この瞳はプロジェクション光学機器を調整することにより幾分簡単に拡大することができるであろう。しかしながら、ＭｃＫａｙの論文で開示された装置では従来のプロジェクション光学機器が使用されるため、およびメンブレン鏡の曲率を制限する寸法的な制約のため、視野が制限される。
【００１２】
曲面鏡はまた、立体視システムでは実像を提供するために使用されており、この場合曲面鏡はコリメータとして使用されていない。そのようなシステムは例えば米国特許第４，６２３，２２３号（Ｋｅｍｐｆ）および第４，７９９，７６３号（Ｄａｖｉｓら）で開示されている。しかしながら、このようなシステムは一般に必要な視野が狭い場合のみに適している。
【００１３】
特に、立体プロジェクションに対する現在の解決策ではフラットスクリーン上へ画像が投射される。その後にその画像が曲面から反射される場合でさえもである。これにより望ましくない歪みや他の画像収差、視野の制約、全体の画像品質の限定が起きることがある。
【００１４】
光学的な見地からすると、瞳孔投影を用いた自動立体視設計が好都合であることはわかるであろう。瞳孔投影用に設計されたシステムは左右の瞳に相応じて別個の画像を提供し、ゴーグルや特別なヘッドギア無しで、最も自然な視認状態を提供しなくてはならない。さらに、そのようなシステムは観察者に可能な最も大きな瞳を提供するのに好都合であり、そのため動きにかなりの自由度が得られ、非常に広い視野が得られる。光学技術では、これらの要求はそれぞれ、それ自体では達成することが困難であることが認識されている。理想的な自動立体画像化システムはより十分に満足のいく現実的な視認経験を提供するために両方の要求に対する課題を満たさなくてはならない。さらに、そのようなシステムは、高い明度とコントラストにより、現実的な画像化に対し十分な解像度を提供しなければならない。さらに、システムの設置面積を小さくする必要があることによる物理的な制約、および眼間距離に対する寸法的な制約を考慮しなければならず、そのためそれぞれの目に誘導される別個の画像は都合良く離して配置され、視認のために正しく分離することができる。眼間距離の制約により、プロジェクションレンズを単に調整することにより一定の過度に広い視野でより大きな瞳孔径を達成する可能性が制限されることに注意することは有益である。
【００１５】
米国特許第３，７４８，０１５号（Ｏｆｆｎｅｒ）において開示されているように、一中心画像化システムは平面物体の高解像度画像化に対しかなりの利点を提供することがわかっている。この米国特許では、ユニットの拡大用に設計された画像化システムにおいて曲率中心を一致させて配列した球面鏡の配列が教示されている。米国特許第３，７４８，０１５号で開示されている一中心配列では、多くの型の画像収差が最小に抑えられ、概念的に単純であり、高解像度反射光学画像化システムに対し簡略化された光学設計が得られる。米国特許第４，３３１，３９０号（Ｓｈａｆｅｒ）において開示されているように、鏡とレンズの一中心配列は広い視野を有する望遠鏡システムにおいて好都合であることが知られている。しかしながら、全体的に簡略化し、歪みおよび光学収差を最小に抑えるための一中心設計の利点は認識することができるが、そのような設計概念は広い視野と大きな射出瞳、およびかなり小さな総設置面積を必要とする没入型システムでは実装することが困難なことがある。さらに、完全な一中心設計では、左右の瞳孔に対し別個の画像が必要とされる完全な立体画像化に対する要求が満たされない。
【００１６】
米国特許第５，９０８，３００号に開示されているように、従来の広視野プロジェクションレンズを瞳孔画像化自動立体表示においてプロジェクションレンズとして使用することができる。しかしながら、従来のアプローチでは多くの欠点が存在する。効果的な没入型視認に必要な角視野（ａｎｇｕｌａｒ ｆｉｅｌｄ）対応広角レンズシステムは非常に複雑でコストがかかるであろう。例えばドイツ、イェーナのカールツァイススティフツング（Ｃａｒｌ−Ｚｅｉｓｓ−Ｓｔｉｆｔｕｎｇ）製のビオゴン（Ｂｉｏｇｏｎ、登録商標）レンズなどの大判カメラ用の典型的な広角レンズは７５°の角視野が可能である。ビオゴンレンズは７つの部品レンズから構成され、直径は８０ｍｍを超えるが、瞳孔サイズは１０ｍｍにすぎない。瞳孔サイズがより大きい場合、レンズはサイズを調整する必要があるが、そのようなレンズ本体の直径が大きいと、視認位置での眼間距離に対し自動立体没入システムではかなり設計が困難である。右目および左目アセンブリを並べて配置することができるようにレンズのコストのかかるカッティングを行い、これによりヒトの眼間間隔と一致するように離して配置された一対のレンズ瞳孔を達成することができるが、製造上、困難な問題が生じる。眼間距離が制限されると、それぞれの目に対するプロジェクション装置の空間位置が拘束され、レンズを単に調整することによる瞳孔サイズの調整が妨げられる。さらに、効果的な没入システムでは非常に広い視野が得られ、好ましくは９０°をかなり超え、射出瞳が大きく、好ましくは２０ｍｍを超えることが最も好都合である。
【００１７】
大きな視野用の他の適用例として、特別な光学機能用にボールレンズが使用されており、特に米国特許第５，９４０，５６４号（Ｊｅｗｅｌｌ）において開示されているような光ファイバ結合および伝送適用分野において使用するための小型化ボールレンズが使用されている。この米国特許では結合装置内における小型ボールレンズの使用の利点が開示されている。より大規模に、米国特許第５，２０６，４０９号（Ｍａｎｔｒａｖａｄｉら）において開示されているように、ボールレンズは天体追跡装置内において使用することができる。米国特許第５，２０６，４９９号では、６０°を超える広い視野が得られ、軸外収差または歪みが最小に抑えられるため、ボールレンズが使用されている。。特に、特別な光軸が存在しないことが好都合に利用され、そのためボールレンズを通過する全ての主要な光線はそれ自体の光軸を規定すると考えることができる。入射光の角変化に比べて照射減衰は低いので、この出願では空間から複数のセンサまで光を誘導するのに単一のボールレンズを使用するのが好ましい。特に、ボールレンズの出口にある光センサは湾曲した焦点面に沿って配置される。
【００１８】
広角画像化に対する球状またはボールレンズの利点はまた、米国特許第５，３１９，９６８号（Ｂｉｌｌｉｎｇ−Ｒｏｓｓら）において開示されているように、宇宙船の姿勢を決定するための装置においても使用されている。ここでは、鏡アレイがボールレンズを介して光線を誘導する。このレンズの形状は、レンズを通過するビームが画像面に対し垂直に入射するので好都合である。このように光線はレンズ中心に向かって屈折され、視野の広い画像化システムが得られる。
【００１９】
ボールレンズ特性の他の特別な使用が米国特許第４，８５４，６８８号（Ｈａｙｆｏｒｄら）において開示されている。Ｈａｙｆｏｒｄらの特許の光学配列では、パイロット用ヘッドギアに取り付けられるなどして、非線形経路に沿ってＣＲＴにより作成された２次元画像が伝送され、ボールレンズは視準された入力画像を、光学的に無制限にパイロットの視界に誘導する。
【００２０】
ボールレンズの広角ビューイング能力に対する他の使用例は米国特許第４，１２４，９７８号（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）において開示されている。この特許は夜視用の両眼光学機器における対物レンズの一部としてボールレンズを使用することを教示している。
【００２１】
上記米国特許第４，１２４，９７８号および第４，８５４，６８８号では、画像投射におけるボールレンズの使用が開示されており、支持光学機器と共に、広視野画像を提供するボールレンズの全体能力が示唆されている。しかしながら、没入型画像化のためにそのような装置を効果的に利用するためには、特に、画像が電子的に処理され投射される場合、克服しなければならない本質的な問題がある。例えば、従来の電子画像描写技術は、空間光変調器などの装置を使用し、平面上に画像を提供する。平面視野（ｆｌａｔ ｆｉｅｌｄ）画像化を用いたベルレンズの性能は非常に悪いだろう。
【００２２】
没入型システムでは、広い視野を提供する任意の型の光学投射を用いて対処しなければならない他の基本的な光学限界も存在する。重要な限界はラグランジェ不変式により課せられる。いずれの画像化システムもラグランジェ不変式に適合する。この場合、瞳孔サイズと半視野角との積は画像サイズと開口数との積と等しく、光学システムでは不変である。これが画像作成器として、比較的小さな開口数で動作することができる比較的小さな空間光変調器または同様の画素アレイを使用する場合の制約となりうる。装置に関連するラグランジェ値は小さいからである。しかしながら、大きな瞳孔サイズ（すなわち、大きな開口数）により広い視野を提供する一中心画像化システムは本質的に大きなラグランジェ値を有する。このように、この一中心画像化システムを、ラグランジェ値の小さな空間光変調器と共に使用すると、画像化システムの視野または開口のいずれか、あるいは両方ともがラグランジェ値のミスマッチにより満たされないであろう。ラグランジェ不変式に関する詳細な説明については、マックグローヒル社（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．）により出版されたＷａｒｒｅｎ Ｊ．ＳｍｉｔｈによるＭｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ｐ４２−４５を参照する。
【００２３】
共に出願中の米国特許出願第０９／７３８，７４７号および米国特許出願第０９／８５４，６９９号では、自動立体画像化システムにおいてボールレンズを使用して広視野投射の能力が利用される。これらの共に係属中の出願では、それぞれの目に対する投射ボールレンズに提供される源画像は完全な２に次元画像である。これらの出願のそれぞれにおいて開示されている源画像は二次元アレイ、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、デジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）、または同様の装置である。源画像は代わりに陰極線管（ＣＲＴ）とすることができるであろう。陰極線管は、走査電子ビームにより作成されるとしても、完全な二次元画像をボールレンズ投射光学機器に提供する。
【００２４】
完全な二次元画像を提供するにはいくつかの特別な制限がある。理想的には、視野の曲率中心がボールレンズの中心と一致する曲面画像視野（ｉｍａｇｅ ｆｉｅｌｄ）が好ましい。この配列では視野収差が最小に抑えられるからである。しかしながら、曲面画像視野を提供するには、源画像自体を湾曲させるか、あるいは画像化経路に追加の面板または特別な中継光学機器を設けるかのどちらかが必要となる。二次元画像アレイを湾曲させて源画像の球面曲率を得るまたは近似することは困難でコストがかかる。平面画像アレイと共に面板または特別な中継光学機器を使用すると、更なるコストがかかる、輝度が全体的に失われるといった不都合が生じる。投射のために十分な輝度を維持することは、小さな二次元アレイを使用する場合重要である。特別な設計技術およびコストの高い部品無しで達成することは困難であるからである。このように、立体映像のために画像を作成し投射するためのシステム光学機器の全体のコストは改善できることは理解される。
【００２５】
ボールレンズおよびボールレンズセグメントは広視野光学走査ではセンサ内の走査部品として使用されてきた。米国特許第６，２３３，１００号（Ｃｈｅｎら）では、１以上の反射ファセットを備えた回転可能な走査ボールレンズセグメントを使用する同軸センサ走査システムが開示されている。米国特許第６，２３３，１００号で開示されているシステムでは、ボールレンズまたはボールレンズセグメントの回転により入射放射線がセンサの同軸列上に誘導される。しかしながら、現存の投射システム設計では普通のプロジェクタ光学機器部品が使用されており、このような場合、画像を作成するために走査様式で光を投射するための走査部品としてボールレンズまたはボールレンズセグメントを配置することができることが見落とされていた。
【００２６】
従来のＣＲＴ電子ビームなどの点源、または線形源のいずれかを用いて走査することにより二次元画像を形成するために使用される技術は多くある。共に出願中の米国特許出願第１０／０１０，５００号では、走査システムを備えた多くの型の線形源の使用が開示されている。米国特許出願第１０／０１０，５００号において提案された解決策の中にはＬＥＤアレイおよび共鳴光ファイバスキャナがある。
【００２７】
光学的処理、印刷、光データ記憶、分光法および表示を含む様々な適用分野において空間光変調器として微小電気機械装置が開発されている。微小電気機械変調器としては、カルフォルニア州サニーヴェール所在のシリコンライトマシーンズ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ）により開発され、米国特許第５，３１１，３６０号（Ｂｌｏｏｍら）において説明されている格子光弁（ＧＬＶ）、および米国特許第６，３０７，６６３号（Ｋｏｗａｒｚ）において開示されているような電気機械コンフォーマル格子装置などの装置が挙げられる。これらの変調器は、電気機械位相回折格子を形成する周期的な順序の反射要素として配列された個々にアドレス指定可能な装置のアレイを使用して、入射光ビームの位相および振幅を空間的に変化させる。そのような微小電気機械回折格子は線形変調器として特に興味深い。というのは、二次元ディスプレイにおいて十分な速度が提供され、非常に良好なコントラストおよび光効率が得られるからである。同時に、これらの装置は機械的にコンパクトで頑丈であり、比較的低いコストで製作することができる。しかしながら、微小電気機械変調器は広い視野を提供する没入型工学機器のための適した部品としてたいてい見過ごされていた。しかしながら、低コストレーザ光源の出現により、中間サイズまたは大きなサイズの没入型ディスプレイシステムにおける微小電気機械変調器などの光効率のよい代替物が開発される機会が訪れた。しかしながら、この型の光変調器解決策を、効率的な没入型光学機器で必要とされる広い視野を提供することができる画像投射システムと結合させる必要がある。
【００２８】
【特許文献１】
米国特許第５，６７１，９９２号
【特許文献２】
米国特許第６，０３４，７１７号
【特許文献３】
米国特許第５，５７２，２２９号
【特許文献４】
米国特許第５，９０８，３００号
【特許文献５】
米国特許第５，２５５，０２８号
【特許文献６】
米国特許第４，６２３，２２３号
【特許文献７】
米国特許第４，７９９，７６３号
【特許文献８】
米国特許第３，７４８，０１５号
【特許文献９】
米国特許第４，３３１，３９０号
【特許文献１０】
米国特許第５，９４０，５６４号
【特許文献１１】
米国特許第５，２０６，４０９号
【特許文献１２】
米国特許第５，３１９，９６８号
【特許文献１３】
米国特許第４，８５４，６８８号
【特許文献１４】
米国特許第４，１２４，９７８号
【特許文献１５】
米国特許第６，２３３，１００号
【特許文献１６】
米国特許第５，３１１，３６０号
【特許文献１７】
米国特許第６，３０７，６６３号
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、立体画像化に対する要求のいくつかを満たすアプローチが従来幾つか存在するが、電子的に作成された画像を観るための改良された自動立体画像化解決策が必要である。この場合、この解決策により、構造的に簡単な装置が提供され、収差および画像の歪みが最小に抑えられ、広い視野、大きな瞳孔サイズ、高い輝度、および最低コストに対する要求を満たすことができる。
【００３０】
本発明は、収差および画像の歪みが最小に抑えられると共に、非常に視野が広く、瞳孔サイズが大きく、輝度が高く、コストが低い、構造的に簡単な自動立体光学装置を提供する。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点によれば、立体仮想画像を見るための自動立体光学装置は、画像画素のアレイを含み、前記立体仮想画像は観察者が左のビューイング瞳で見るべき左画像と、前記観察者が右のビューイング瞳で見るべき右画像と、を含み、前記装置は、
（ａ） 別個の部品から同様に構成された、左の二次元中間画像を形成するための左画像作成システムと右の二次元中間画像を形成するための右画像作成システムであって、各画像作成システムは、
（ａ１） 光源からの入射光ビームを変調し、拡散面上でソース画素の線を形成するための電気機械回折装置と、
（ａ２） 前記ソース画素の線を投射し中間線画像を形成するための走査ボールレンズアセンブリであって、該走査ボールアセンブリは
（ａ２ａ） 前記ソース画素の線からの光を前記中間線画像に反射させるための少なくとも１つの反射面と、
（ａ２ｂ） 走査ボールレンズ瞳を有すると共に、前記少なくとも１つの反射面上に曲率中心を有するボールレンズセグメントと、
を備える走査ボールレンズアセンブリと、
を備え、前記走査ボールレンズアセンブリは軸周りに回転し、一連の隣接する中間線画像を形成し、連続して前記二次元中間画像を形成する左右の画像作成システムと、
（ｂ） 前記左画像作成システム用の前記走査ボールレンズアセンブリと前記右画像作成システム用の前記走査ボールレンズアセンブリの実質的かつ光学的な中間に配置された曲率中心を有する曲面鏡と、
（ｃ） 前記左画像作成システムからの光路を折り曲げ前記曲面鏡の前焦点面付近に前記左二次元中間画像を形成するように、かつ前記右画像作成システムからの光路を折り曲げ前記曲面鏡の前記前焦点面付近に前記右二次元中間画像を形成するように配置されたビームスプリッタと、
を備え、
前記曲面鏡は前記左右の二次元中間画像の前記仮想立体画像を形成し、前記ビームスプリッタを介して、前記左ビューイング瞳で前記左走査ボールレンズ瞳の実像が形成され、前記右ビューイング瞳で前記右走査ボールレンズ瞳の実像が形成される。
【００３２】
本発明の特徴は光学部品の一中心配列を使用することであり、このように設計が簡略され、収差が最小に抑えられ、大きな射出瞳を有する広い視野が提供される。
【００３３】
本発明の他の特徴は、走査二次元中間画像を提供するために、反射面を有するボールレンズセグメントにより走査される、線形画像を形成するための電気機械回折装置を使用することである。
【００３４】
本発明の他の特徴は、必要とされる光学機器部品の数が最小に抑えられた構造を含む多くの構造が可能であることである。そのような構造には、ビームスプリッタが必要ない構造さえも含まれる。
【００３５】
この発明の利点は、源画像としてよりコストの高い二次元面が必要なく、これをよりコストの低い電気機械回折装置に置き換えることである。
【００３６】
本発明の他の利点は、投射用の中間像を作成するために安価な明るい光源を使用することができることである。レーザ光源はスペクトル純度が高く、ディスプレイ装置が達成可能な色域を最大にするのを支援する。
【００３７】
本発明の他の利点は、光学部品の配列をコンパクトにすることができ、設置面積の小さなディスプレイシステム内に実装することができることである。
【００３８】
本発明の他の利点は、高輝度、高いコントラスト、非常に広い視野を有する高解像度立体電子画像化が可能であることである。本発明は、非常に光効率が高く、投射のために高い輝度レベルを提供することができるシステムを提供する。
【００３９】
本発明の他の利点は、従来の投射レンズシステムのコストに比べ費用のかからない広視野立体投射に対する解決策を提供することである。
【００４０】
本発明の他の利点は、観察者がゴーグルや他の装置を着用せずに立体映像が提供されることである。
【００４１】
本発明のさらに別の利点は、十分なサイズの射出瞳が提供されディスプレイに対する観察者の整合が重要でないことである。
【００４２】
本発明のこれらのおよび他の目的、特徴および利点は、当業者であれば、図面と共に以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。この場合、本発明の例示的な実施の形態が図示され、説明されている。
【００４３】
【発明の実施の形態】
この明細書はこの発明の主題を特に指摘し、明確に主張する特許請求の範囲で締めくくられているが、この発明は添付の図面を用いて記述された以下の説明により、よりよく理解されるであろうと考えられる。
【００４４】
この説明は特に、本発明にかかる装置の一部を形成する要素、あるいはその装置と共により直接的に協働する要素に関するものである。特定して図示、説明していない要素は当業者に周知の様々な形態をとることができることを理解すべきである。
【００４５】
図１は、自動立体画像化システム１０の斜視図である。観察者１２は典型的には定位置に座り左右のビューイング瞳（ｖｉｅｗｉｎｇ ｐｕｐｉｌ）１４ｌおよび１４ｒから仮想立体画像を見る。最適視認状態は、観察者１２の左右の目の瞳孔６８ｌおよび６８ｒが対応する左右のビューイング瞳１４ｌおよび１４ｒと一致する場合に得られる。
【００４６】
左画像作成システム７０１は左走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと線形源画像としてのソース画素３６１の左線とを備え、左ビューイング瞳１４ｌ用の画像を投射する。相応じて、右画像作成システム７０ｒは右走査ボールレンズアセンブリ１００ｒと線形源画像としての画素３６１の右線とを備え、右ビューイング瞳１４ｌ用の画像を投射する。左画像作成システム７０ｌは画像を、観察者１２と曲面鏡２４との間に配置されたビームスプリッタ１６に誘導する。左中間画像７６ｌは曲面鏡２４の焦点面２２付近に形成される。左中間画像７６ｌは仮想画像１０６として左ビューイング瞳１４ｌで提供され、まるで曲面鏡２４の後に画像が存在するかのように観察者１２には見える。同様に、右画像作成システム７０ｒは画像を、観察者１２と曲面鏡２４との間に配置されたビームスプリッタ１６に誘導する。右中間画像７６ｒは曲面鏡２４の焦点面２２付近に形成される。右中間画像７６ｒは仮想画像１０６として右ビューイング瞳１４ｒで提供され、まるで曲面鏡２４の後に画像が存在するかのように観察者１２には見える。その結果、観察者１２には別個の左右の画像を含む仮想立体画像が提供される。仮想立体画像は曲面鏡２４の後、曲面鏡２４の裏面と無限との間のいずれかの場所に存在するように見える。
【００４７】
以下の説明は主に、ビューイング瞳１４ｌおよび１４ｒのいずれか１つに光を誘導する光学部品に焦点を当てる。左画像作成システムおよび右画像作成システムでは、すなわち左右の光路の両方では、同様の光学部品が使用されることに注意すべきである。明確にするために、以下の説明は左右の画像作成システム７０の部品の両方に当てはまる。正確さが要求されるときのみ、右光路と左光路とを区別をする。（このため、特に必要なければ、この説明では部品番号用の左「ｌ」または右「ｒ」符号は省略する）。
【００４８】
図１に示されるように、観察者１２が見る立体画像には２つの成分がある。図１に示されるように、左光路と右光路は曲面鏡２４による画像化のためシステム１０において交差する。
【００４９】
図１は光学設計の観点から解決すべき主問題のいくつかを示すと共に、この発明により提供される解決策の概観を示している。最も真に迫った立体映像を達成するためには主な設計問題について再考することが有益である。観察者１２に効果的な没入経験を提供するためには、従来の技術を用いて得られる６０°を超える広い視野が重要である。観察者１２が快適に使用できるように、ビューイング瞳１４ｌ、１４ｒは十分大きくなくてはならない。設計の目的として、本発明の自動立体画像化システム１０はビューイング瞳１４の直径が２０ｍｍを超える少なくとも９０°の視野を提供するようなものとされる。ヒトの眼間間隔の範囲にわたって視認可能な立体仮想画像を提供するためには、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒが経験的に決定された適当な眼間距離だけ離されると好都合である。
【００５０】
その代わりに、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒとの間の軸間距離は観察者１２の眼間寸法に適合するように手作業で調整することができるであろう、あるいは自動立体画像化システム１０が自動的に感知し調節することができるであろう。左右の画像作成システム７０ｌおよび７０ｒの部品は例えば、１つのブーム上に載置することができ、それぞれの画像作成システム７０ｌ、７０ｒは互いに移動することができ眼間距離の差が補償されるであろう。参照により明細書に組み込んだ、共に譲渡された米国特許出願第０９／８５４，６９９号について説明する。この出願では、ボールレンズを使用した左目および右目投射アセンブリの自動感知および調節について説明されている。この以前の出願で開示されている同じフィードバックループ装置および方法は、この出願の装置でも適用することができるであろう。
【００５１】
画像経路の一中心設計
本発明の装置における光学部品の一中心配列により、画像収差を最小に抑える、視野を最大とするために多くの明確な利点が得られる。図２は側面図であり、左右の画像作成システム７０ｌおよび７０ｒの両方に適用可能な、折り曲げられていない（ｕｎｆｏｌｄｅｄ）形態での、光路の主部品の光学的な同一中心関係を示したものである。図３の上面図もまた折り曲げられていない形態のものであり、鏡２４の曲率中心はＣ_sで、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒとの中間に位置する。図２に示される一般スキームでは、ソース画素３６の線は好ましくは、Ｃで標識された中心に曲率半径の中心が存在するように湾曲されており、このＣは図３で示される左または右走査ボールレンズアセンブリ１００ｌまたは１００ｒの中心Ｃ_lまたはＣ_rに対応する。ソース画素３６の線は投射される画像の狭い線、一度に１つの線を作成する。走査ボールレンズアセンブリ１００はソース画素３６の線を投射し中間画像７６を形成する。図２に示されるように、中間画像７６もまた湾曲し、中心Ｃで走査ボールレンズアセンブリ１００と同じ曲率中心を共有する。図１および２に示されるように、中間像７６は曲面鏡２４の焦点面２２付近に位置する。曲面鏡２４の焦点Ｆ_mirrorは焦点面２２と光軸Ｏとの交差点に存在する。曲面鏡２４は好ましくは球状であり、中心Ｃで走査ボールレンズアセンブリ１００と同じ曲率中心を共有する。
【００５２】
図２は折り曲げられていない光路における部品の関係の一般化した第１近似を与えるものであると見ると有益である。より詳細に図３の上面図について説明すると、図３では、それぞれＣ_lおよびＣ_rと標識された左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの曲率中心の中間にある、Ｃ_sと標識された曲面鏡２４の曲率中心の実際の位置が示されている。観察者１２に対する左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの理想的な位置は、曲面鏡２４により形成される実像がそれぞれ、左および右ビューイング瞳１４ｌおよび１４ｒの位置および眼間間隔に一致するようなものとされることを確認すると有益である。
【００５３】
参照のために図１に戻る。中間画像７６の最適位置は焦点面２２「付近」と考えられる範囲内にある。好ましい範囲は外側の限界としての焦点面２２自体から、焦点面２２と内側限界としての曲面鏡２４の表面との間の距離の約２０％以内の位置まで延在する。中間画像７６が焦点面２２と観察者１２との間で形成されると、仮想画像１０６は焦点がずれて見えるであろう。
【００５４】
図２の折り曲げられていない配列が示すように、走査レンズアセンブリ１００は曲率中心が中心Ｃにある球面であるために、広い視野が得られ、画像収差が最小に抑えられる。この発明の設計は１瞳拡大（ｕｎｉｔｙ ｐｕｐｉｌ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）に対し最適化されているが、本発明の範囲内であれば１瞳拡大からいくつかの変更が可能であることに注意すべきである。
【００５５】
図４は図２に示された折り曲げられた（ｆｏｌｄｅｄ）光学配列の側面図であり、ビームスプリッタ１６を追加することによりどのようにビューイング瞳１４が形成されるかを示したものである。ビームスプリッタ１６は走査ボールレンズアセンブリ１００から投射された光を誘導し中間画像７６を形成させる。曲面鏡２４により形成された仮想画像１０６はビームスプリッタ１６を介して、ビューイング瞳１４で視認できる。
【００５６】
図２および５で示された光路、およびその次の光路は、独立した左右の画像作成システム７０ｌおよび７０ｒにより二倍にされることを心に留めておくことが重要である。
【００５７】
画像作成システム７０の動作
走査ボールレンズアセンブリ１００は反射スキャナおよび投射レンズの両方として機能する。図５−１０では、走査機能および投射機能の両方が図示されている。図６に示されているように、走査ボールレンズアセンブリ内の反射面１０２は光学走査技術において周知の走査鏡と同様に走査機能を実行する。この走査機能では、走査ボールレンズアセンブリ１００は、中間画像７６のそれぞれの線を対応するソース画素３６の線から連続して投射するために軸Ａ周りに回転する。
【００５８】
図６では、ソース画素３６の線は、投射のために、線形配列で一連の個々のソース画素１０４を提供する。特別に図６で示されているように、ソース画素３６の線の全体形状は好ましくは、各ソース画素１０４が走査ボールレンズアセンブリ１００の中心Ｃから等しい半径距離ｒにあるように湾曲している。画像作成システム７０はそれ自体、画像技術では周知の走査同期技術を用いて画像化論理回路（図示せず）により制御される。このため、光出力を変調するための周知の任意の技術を用いて、それぞれの各ソース画素１０４の変調が可能である。従来の方法は、例えばパルス幅変調および振幅変調を含む。例えば、ビットオリエンテッドパルス幅変調を使用することができ、これによりソース画素３６の線へ送達される総エネルギーは例えば８ビットのビット深さを有するパルス幅の合計となる。振幅変調は、ソース画素３６の線の個々のソース画素１０４における光レベルを単に変動させることにより動作する。その代わりにパルス幅変調と振幅変調とを組み合わせて使用すると、拡張ダイナミックレンジを提供することができるであろう。
【００５９】
走査作用
図６と図７とを共に説明すると、それらの図には、走査ボールアセンブリ１００がソース画素３６の線をその反射面１０２から投射し、画像画素１０８の線を含む中間線画像５２を形成させる走査作用が示されている。説明のために、少数のソース画素１０４のみを図６に示す。好ましい実施の形態では、ソース画素３６の線は少なくとも数百の個々のソース画素１０４を含む１つの線を提供し、個々のソース画素１０４は中間線画像５２内の対応する画像画素１０８に投影される。走査ボールレンズアセンブリ１００がＲ_axis方向に軸Ａについて回転すると、連続する中間線像５２が形成される。このように、中間線画像５２′は一瞬で形成され、走査ボールレンズアセンブリ１００が所定の距離だけ回転した後、次の中間線画像５２が形成される、等々。走査ボールレンズアセンブリ１００投射の特性のため、ソース画素１０４はソース画素３６の線から反転され中間線画像５２が形成される。図６に示されるように、この連続作用によりＳ走査方向で中間画像７６が形成される。
【００６０】
図５に戻ると、この図は曲面鏡２４の焦点面２２付近に中間画像７６を形成するための画像作成システム７０の走査作用を示す斜視図である。本発明の装置および方法では、中間画像７６のアスペクト比を所定の範囲内で変動させることができることに注目することは有益である。図６では、ソース画素３６の線の長さは最大有効線長より小さな値とすることができる。直交方向では、形成される中間線画像５２の数もまた有効な線の最大数より小さなものとすることができる。アクティブにした画素１０４の数および作成した中間線画像５２の数を変動させることにより、画像作成システム７０は自動立体画像化システム１０の性能特性および観察者１２の選択の両方を適合させるように、中間画像７６のアスペクト比を最適化することができる。
【００６１】
再び図７に戻ると、この図は、中間画像７６、すなわち、一度に１つの中間線画像５２を形成するための走査ボールレンズアセンブリ１００の回転を示す上面図である。記述したように、中間画像７６は左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒ両方の走査作用により形成される。図８および図９では、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒが互いに回転する他の様式が示されている。図８の例では、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒ両方が同じ方向に回転し、それぞれ最小の位置Ｉ_lおよびＩ_rからその後の位置Ｊ_lおよびＪ_rまで中間線画像を描く。対照的に、図９では、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒが反対方向に回転している。画像作成システム７０ではどちらの型の相対移動パターンも使用することができる。
【００６２】
図５に示すように、走査ボールレンズアセンブリ１００の回転を駆動するためにモータ３２を使用する。好ましい実施の形態では、走査ボールレンズアセンブリ１００の回転速度は１８００ＲＰＭである。当然、機械技術において周知の技術と共に、駆動力変換のために一連のギア、ベルトまたは他の部品を使用することにより、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒ両方を単一のモータ３２を用いて駆動することができるであろう。
【００６３】
走査ボールレンズアセンブリ１００の作製
図１０は、好ましい実施の形態における走査ボールレンズアセンブリ１００の構造を示す断面図である。中心球面レンズ４６は２つのメニスカスレンズ４２と４４との間に配置される。メニスカスレンズ４２および４４は光学設計技術において周知であるように、軸上球面収差および色収差を最小に抑えるような屈折率および他の特性を有する。ストップ４８は走査ボールレンズアセンブリ１００内の入射瞳を制限する。ストップ４８は物理的である必要はないが、その代わりに外側メニスカスレンズ４２と球面レンズ４６との間の界面での全反射を用いて実装してもよい。
【００６４】
好ましい実施の形態では、メニスカスレンズ４２および４４は画像収差を減少させるように、中間画像７６での画像品質を最適化するように選択される。走査ボールレンズアセンブリ１００は中心球面レンズ４６の周囲に任意の数のサポートレンズ配列を備えることができることに注意しなければならない。これらのサポートレンズの表面は、使用されているものがどんなに多くても、中心球面レンズ４６と共通の曲率中心Ｃを共有するだろう。さらに、走査ボールレンズアセンブリ１００のレンズ部品用に使用される屈折材料は、本発明の範囲内であれば変更することができる。例えば、標準光学ガラスレンズに加えて、中心球面レンズ４６はプラスチックとすることができ、メニスカスレンズ４２および４４はガラス、プラスチック、封入液体、または他の適した屈折材料から作製され、これらは全てこの発明の範囲内である。最も簡単な実施の形態では、走査ボールレンズアセンブリ１００は、反射面１０２を備えた単なる１つの中心球面レンズ４６とすることができるであろう。
【００６５】
反射平面１０２は多くの異なる様式で作製することができる。好ましい実施の形態では、反射表面１０２は、アルミニウムコーティングを用いて、球面レンズ４６用に使用される半球の半分上の両面に形成される。その後、走査ボールレンズアセンブリ１００は典型的には光学セメントを用いて組み立てられ、２つの対向する反射側面により、走査ボールレンズアセンブリ１００の経線面上に反射表面１０２が提供される。他の選択としては、より高いコストで、反射率を改善するために球面レンズ４６のいずれか、または両方の半球に広帯域干渉コーティングを適用することができる。反射面１０２は、図６に示されるように経線面の全表面上に形成してもよい。その代わりに、ディスプレイ光学機器の形状により、反射面１０２は、図１０に示されるように、走査ボールレンズ１００の経線面の中央の一部のみを占めるようにしてもよい。
【００６６】
再び図１０に戻ると、機械的回転のための光学配列は両面鏡として反射面１０２を提供するものであり、そのため半球レンズセグメント１１２は各反射面１０２の上面に配置される。その代わりに、走査ボールレンズアセンブリ１００のレンズ構造を片面のみが反射面１０２である単なる半球レンズセグメント１１２とすることができる。しかしながら、その場合、走査ボールレンズアセンブリ１００を部分的に回転させるために他の機械的技術が必要であろう。例えば、１つの半球レンズセグメント１１２のみを有する走査ボールレンズアセンブリ１００を使用することが可能であり、反射面１０２は片面である。しかしながら、そのような配列を用いてフルに回転させるとスキャナの動作周期は２分の１に減少するであろう。そのような場合、投射自動立体画像化システム１０の速度を最大にするために使用できるオプションには、走査ボールレンズアセンブリ１００による走査のために往復運動させる機械装置が含まれるであろう。しかしながら、そのようなアプローチでは、コストがかかり機械的に複雑になると共に、均一でない走査速度に対する補償も必要となるであろう。
【００６７】
走査ボールレンズアセンブリ１００はフル回転中ずっと動作することはできず、使用可能な範囲または動作周期にはいくらかの制約があることに注意することは有益である。これが制約因子である場合、走査ボールレンズアセンブリ１００の往復運動により動作周期が改善される。そのためには、余分なコストや機械的な複雑さが必要となることがある。
【００６８】
図１−１０に示した部品の配列は投射システムにおいて広い視野を達成する挑戦への新規アプローチを提供することは理解できる。
【００６９】
画像作成システム７０の構成および動作
図１１は、単色チャネル用の画像作成システム７０の概略図である。光源２０は照明を提供し、その照明は球面レンズ７２およびシリンドリカルレンズ７４を介して回転鏡（ｔｕｒｎｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）８２まで誘導される。回転鏡８２から反射された光は電気機械格子光変調器（ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｇｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）８５で変調される。電気機械格子光変調器８５からの変調された回折光は回転鏡８２を通り越して回折され、鏡８３で折り曲げられ（ｆｏｌｄｅｄ）、レンズ７５により拡散表面３０上に誘導され、ソース画素３６の線が形成される。一般原理として、光効率は電気機械格子光変調器８５から取り込まれる回折次数の関数である。好ましい実施の形態で高い光効率および高いコントラストを得るためには、ソース画素３６の線は好ましくは電気機械格子光変調器８５からの２以上の回折次数の変調光から形成される。図５、図６、図７、図８および図９に示されるように、走査ボールレンズアセンブリ１００内の反射面１０２がその後ソース画素３６の線を投射し、中間画像７６が形成される。
【００７０】
広い色域の高品質な没入画像化を提供するために必要な輝度およびスペクトル内容を提供するために、好ましい実施の形態では光源２０はレーザである。例えば、赤色光源２０ｒはシャープ株式会社（Ｓｈａｒｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製の単一モードレーザダイオードである。
【００７１】
好ましい実施の形態では、電気機械格子光変調器８５は米国特許第６，３０７，６６３号に開示されているような電気機械コンフォーマル格子装置である。そのような装置は他の型の格子光変調器に比べ、回折面の最適位置決めおよび改善された空間分離を含む優れた性能利点を有する。その代わりに、ＧＬＶ装置などの他の型の格子光変調器も使用することができる。
【００７２】
拡散面３０によりソース画素３６の線が形成される曲面が提供される。再び図１１にもどって、走査ボールレンズアセンブリ１００がボールレンズ瞳１０１を有することを確認すること。均一なビューイング瞳１４を提供するためには実質的に均一にボールレンズ瞳１０１を満たす必要があるため拡散面３０が必要である。好ましい実施の形態では、拡散面３０は例えばマサチューセッツ州チャールトン所在のインコム社（Ｉｎｃｏｍ，Ｉｎｃ．）製のものなどの光ファイバ面板である。その代わりに拡散面３０は、ガラスまたは適したポリマー材料などのエッチングされたまたは研磨された透明基板から作製することができる。その表面はソース画素３６の線を形成するために適当な曲率を有する。その代わりに拡散面３０は適当に湾曲した適当な透明基板または光ファイバ面板上に拡散コーティングを塗布することにより形成することができる。レンズ７５は湾曲拡散面３０上でソース画素３６の線を形成するのに適した負の像面湾曲を提供するように設計される。
【００７３】
図１２には、原色を組み合わせてフルカラー画像としてソース画素３６の線を形成するための方法が示されている。赤色光源２０ｒ、緑色光源２０ｇ、青色光源２０ｂは、それぞれ個々の電気機械格子光変調器８５で別個に変調される。その後、色結合管７３を使用して変調させた赤色、緑色および青色（ＲＧＢ）光を結合させ、拡散表面３０上でソース画素３６の線を形成させる。好ましい実施の形態では、ＲＧＢ色が使用されるが、他の色を使用することも可能である。さらに、４以上の色を結合させて例えば拡張した色域を提供することができる。
【００７４】
好ましい実施の形態では色結合管７３はＸ−キューブまたはＸ−プリズムである。その代わりに、例えばフィリップスプリズムなどの他の色結合部品を使用することができる。あるいは、デジタル画像投射技術において周知であるように、色合成、すなわち各色経路から変調光を結合するために二色性表面の配列を提供することができる。
【００７５】
曲面鏡２４配列のためのオプション
観察者１２の眼間距離を適合させるために、曲面鏡２４の実際の形状を調節し、正確な球形からある程度変化させることができる。例えば、軸外瞳収差を最小に抑えるために曲面鏡２４において、非球面形状を使用することができる。
【００７６】
曲面鏡２４は従来の成形、研削および研磨技術を用いて作製するにはかなり高価な部品である。２以上のより小さな鏡セグメントを、共に連結させて１つの大きな鏡２４を組み立てることにより鏡２４を作製するのがより実用的であるだろう。
【００７７】
さらに他の実施の形態として、曲面鏡２４は伸縮可能なメンブラン鏡（ＳＭＭ）などのメンブラン鏡を含んでもよい。そのような鏡の曲率は、引き延ばされた反射面の後の気密な空洞内で発生させた制御真空により決定される。伸縮可能なメンブラン鏡を使用することは以上で引用したマッケイ（ＭｃＫａｙ）の論文において開示されている。
【００７８】
曲面鏡２４は、例えばアリゾナ州ツスコン所在のコンポジットミラーアプリケーションズ社（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．）により製造されたレプリケイティッドミラー（ｒｅｐｌｉｃａｔｅｄ ｍｉｒｒｏｒ）などのレプリケイティッドミラーとして実現することができる。複合レプリケイティッドミラー技術を使用して作製した曲面レプリケイティッドミラーはコスト、質量および耐久性の面から特に好都合である。曲面鏡２４用の他の可能な代替品としてはフレネルの鏡または逆反射鏡または表面が挙げられる。
【００７９】
図１３は他の実質的には一中心の配列を示す図であり、光軸２５の付近に配置された左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒは、図１−５に示したように、ビームスプリッタ１６を使用せずに直接曲面鏡２４内に投射する。そのような配列では、曲面鏡２４は許容可能な軸外性能を有しなければならない。各ビューイング瞳１４ｌおよび１４ｒに対する画像経路が曲面鏡２４の曲率中心Ｃ_sに対し十二分に中心から外れていなければならないからである。そのような配列では非球面鏡を使用することができるであろう。図１３の配列を実行可能にするためには、球状曲面鏡２４の焦点長に対する軸外距離の比（図１３ではＣ_mに対するＣ_s）を小さくしなければならない。経験則では、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒの軸外角が約６°未満であれば、球面を有する曲面鏡２４は十分に機能できることが決定されている。
【００８０】
軸外角が６°を超えると、曲面鏡２４では非球面がより適している。そのような非球面では、第１の曲率中心点Ｃ_m′がビューイング瞳１４ｌと１４ｒとの中間に位置する。第２の曲率中心点Ｃ_mは走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの個々の中心点Ｃ_lとＣ_rとの中間に位置する。そのような球面設計はトロイダルとすることができ、点Ｃ_mおよびＣ_m′を通る軸Ｅに対し一中心となる。断面では、このように作製された曲面鏡２４は楕円であり、点Ｃ_mおよびＣ_m′は楕円の焦点として機能する。
【００８１】
図１４は、図１３に示した配列と同様の、ビームスプリッタ１６を備えていないさらに別の配列を示したものである。図１４では、曲面鏡２４は円筒状に湾曲したフレネルの反射鏡６６である。図１４で示した部品の配列は、図１３に示したように軸Ｅに対し一中心である。フレネルの反射鏡６６は１方向にのみ能力を有する。フレネルの反射鏡６６は、例えば、ニューヨーク州ロチェスター所在のフレネルオプティクス（Ｆｒｅｓｎｅｌ Ｏｐｔｉｃｓ）製のフレネルの光学部品に類似する、可撓性基板上で作製された平面要素とすることができる。フレネルの鏡６６は図１３に示すように軸Ｅの周りに略円筒形状に湾曲させることができる。必要に応じて、フレネルの鏡６６は本質的に平面とすることができる。フレネルの鏡６６は、曲面鏡２４について上述したように、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌ、１００ｒの射出瞳をビューイング瞳１４ｌ、１４ｒ上に投影するであろう。
【００８２】
さらに別のオプションとして、曲面鏡２４は逆反射面を用いて置き換えることができるであろう。そのような表面は走査ボールレンズアセンブリ１００の曲率中心と一致する曲率中心を有する本質的に球面形状を有する。逆反射表面では、曲面鏡の反射により生じる画像交差効果は導入されない。しかしながら、この別の配列により、好ましい実施の形態で自動立体画像化システム１０により形成される仮想画像ではなく、実像が提供されることに注意しなければならない。
【００８３】
走査ボールレンズアセンブリ１００に対する必要に応じて用いられる実施の形態図１５は、本発明の必要に応じて用いられる実施の形態を示した図であり、一部反射性のビームスプリッタ面２０２が走査ボールアセンブリ１００内の反射面１０２の代わりに備えられる。この構成では、走査ボールレンズアセンブリ１００は屈折回転ビームスプリッタとして効果的に作用する。ソース画素３６の線からの光がビームスプリッタ面２０２から球面鏡１５０上に反射され、ビームスプリッタ面２０２を通って伝送され、中間画像７６が形成される。図１５は１つの可能な走査経路を示した図であり、走査ボールレンズアセンブリ１００が時計方向に回転し、中間画像７６の線は最初の位置Ｉから次の位置Ｊまでたどる。この配列では、ソース画素３６の曲線は球面鏡１５０の表面に共役する（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）。球面鏡１５０は曲率中心が走査ボールレンズアセンブリの中心Ｃと一致する実質上球面を提供することができる。
【００８４】
図１５に示した光学部品の他の配列により、追加の実用的な設計利点が付与される。ソース画素３６の線と球面鏡１５０の共役面間での拡大により、ソース画素３６の線は他の実施の形態で得られるものよりも大きくすることができ、サイズ制約が解消され、ソース画素３６の線を作成するコストが低くなる。
【００８５】
アイ−シーケンシャルな実施の形態
自動立体画像化システム１０の他の実施の形態は、電気機械格子光変調器８５の速度を利用し、単一の改良画像作成システム７０′を使用して左右の目の画像を提供する。図１６に示した部品配列を用いて、改良画像作成システム７０′は迅速にサイクルし、連続画像投射を出現させるのに十分な速度で、連続して左中間画像７６１および右中間画像７６ｒが形成される。図１６では、改良画像作成システム７０′は、ビームスプリッタ１４０および鏡１４２と共に、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒを備える。画像をレンズ７５に提供する上流の画像形成部品は図１２に示したものと同じである。左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒの回転と同期する正しい画像データのローディングの調整に必要とされる様々なタイミング、同期および画像データ経路論理部品は図示しない。
【００８６】
上述したように、走査ボールレンズアセンブリ１００の回転中にはいくらかの「むだ時間」があり、その間は、反射面１０２は中間画像７６を形成するのに適した角度にない。図１７を見ると、図１６の配列は両方の走査ボールレンズアセンブリ１００に対するむだ時間と同期し、右走査ボールレンズアセンブリ１００ｒのむだ時間中に左走査ボールレンズアセンブリ１００ｌを使用して左中間画像７６ｌが形成される。相応じて、左走査ボールレンズアセンブリ１００ｌのむだ時間中に右走査ボールレンズアセンブリ１００ｒを使用して右中間画像７６ｒが形成される。この配列を用いると、左右の中間画像７６ｌと７６ｒとの間でシャッターを切る必要はないだろう。
【００８７】
図１６では、画像経路は以下の通りである。レンズ７５は変調光をビームスプリッタ１４０まで誘導し、ビームスプリッタは均一に左右の画像経路に光を分割する。それぞれの経路で、その後鏡１４２が変調光を拡散表面３０上に誘導し、それぞれソース画素３６ｌおよび３６ｒの左線および右線が形成される。左走査ボールレンズアセンブリ１００ｌが適当な角度で走査すると、図示されるように円弧の左中間画像７６ｌが形成される。その直後、図１７に示されるように、右走査ボールレンズアセンブリ１００ｒにより右中間画像７６ｒが形成される。この構成を用いると、同じ画像が両方のボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒの両方に誘導される。各個々の走査ボールレンズアセンブリ１００は交互に個々の中間画像７６を形成し、あるいは交互のむだ時間間隔中に不必要な変調光を効果的に偏向させる。好ましい実施の形態では、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒの回転角が整合され、回転中に個々の反射面１０２ｌおよび１０２ｒが実質的に平行な面内にあるように維持される。他の配列も可能である。
【００８８】
ビームスプリッタ１４０はレンズ７５からの光を別個の左目および右目経路に分割するための単純で安価なアプローチを提供するが、図１６および図１７の配列では使用可能な光の半分が無駄になる。レンズ７５からの光の全ビームを使用して、それぞれ左目および右目画像のためにソース画素３６ｌまたは３６ｒの左線または右線を用いて画像を形成するように、光を切り換えることは好都合であろう。光学技術において広く使用される光を切り換えるための方法には、例えば鏡面の機械的操作が含まれる。図１８には、改良画像作成システム７０′の他の配列が示されており、レンズ７５からの光は全て左目と右目経路間で連続して切り換えられる。液晶シャッター１８２は、レンズ７５からの入射光の偏光を回転させることにより動作する。偏光ビームスプリッタ１８０は１つの偏光を有する光を透過させ、反対の偏光状態を有する光を反射する。レンズ７５からの入射光を偏光状態間で切り換えることにより、液晶シャッター１８２は、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌおよび１００ｒの回転に同期して、光をソース画素３６ｌまた３６ｒの左線または右線のいずれかに効果的に誘導する。同様に、液晶シャッター１８２は、連続して偏光状態を切り換えるための回転波長板で置き換えることができる。図１８を参照して説明したように偏光状態を切り換える方法では、レンズ７５から出て来る各色に対する光が同じ偏光状態を有する必要があることに注意しなければならない。これは、従来型の色結合部品では容易に達成することができない。しかしながら、光学設計技術において周知の方法を用いると、多次数（マルチオーダー）波長板を使用して異なる色の偏光状態を選択的に回転させることができる。図１８を参照すると、選択的に偏光状態を変えるための１つの方法は、レンズ７５と液晶シャッター１８２との間に配置される、適当に設計された多次数波長板を使用するであろう。
【００８９】
図２０および２１に示されるように、光を切り換えるためのさらに別の方法ではパターニングされた鏡１５６が使用される。この方法は、電気機械格子光変調器８５で変調された光の空間パターンを利用する。図１９に示されるように、また、米国特許出願第０９／６７１，０４０号においてより詳細に説明されているように、このパターンは本質的には、第１の屈折オーダー１７１と第２の屈折オーダー１７３とを含む。図２０に示されるように、パターニングされた鏡１５６は第１の屈折オーダー１７１と第２の屈折オーダー１７３の空間位置に対応するような寸法とされた反射部分１５２と透過部分１５４とを備える。パターニングされた鏡１５６の１つの位置では、図２０に示されるように、透過部分１５４が、第１および第２の回折オーダー１７１および１７３の透過が可能となるように整合される。その後、パターニングされた鏡１５６を横方向に平行移動すると、図２１に示されるように、反射部分１５２が、図２１で概略が示されているように第１および第２の回折オーダー１７１および１７３が反射されるように整合される。図２０および２１に示されている位置の間で往復させることにより、パターニングされた鏡１５６は光学スイッチを形成し、図１６のビームスプリッタ１４０の位置で置き換えることができ、レンズ７５からの光を全て、ソース画素３６ｌおよび３６ｒの左右の線に交互に誘導できるであろう。
【００９０】
図１６、図１７および図１８の配列はコスト的に有利であることは理解できる。というのは、同じ画像変調、調整部品が左右両方の画像経路を果たすからである。図１６、図１７および図１８に示した光学部品の配列は、電気機械格子装置に加えて他のタイプの線形画像変調器と共に使用することができることを強調することが重要である。例えば、図１６、図１７および図１８に示したアプローチを共鳴ファイバ、走査レーザまたは他の点光源、あるいは、米国特許出願第１０／０１０，５００号および米国特許出願第１０／０９５，３４１号において説明されているように線形ＬＥＤアレイと共に使用することができるであろう。単一の線形画像変調部品は、この配列を用いると左右両方の中間画像７６を提供するように機能することができる。
【００９１】
本発明の好ましい実施の形態では、９０°範囲を超える立体画像化のために非常に広い視野および必要な輝度が提供され、ビューイング瞳１４サイズは約２０ｍｍである。さらに、走査ボールレンズアセンブリ１００は優れた軸外性能を提供し、おそらく１８０°までのより広い視野が可能となる。これにより、観察者１２に対し、ヘッドセット、ゴーグルまたは他の装置を着用せずに、増強された視認経験が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 自動立体画像化システムにおける本発明の装置の主部品を示す斜視図である。
【図２】 光学的に折り曲げられていない視野（ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｖｉｅｗ）における投射光学機器の実質的に同一中心の関係を示す側面概略図である。
【図３】 光学的に折り曲げられていない視野における投射光学機器の実質的に同一中心の関係を示す上面概略図である。
【図４】 光学的に折り曲げられた視野における、システムにおいて使用される投射光学機器の同一中心の関係を示す概略図である。
【図５】 １つの左または右画像に対し、線形画像作成システムと走査ボールレンズアセンブリとの協働作用により得られる走査作用を示す斜視図である。
【図６】 どのようにしてソース画素の連続線が走査ボールレンズアセンブリにより投射された湾曲線形源画像を形成し、二次元中間画像が形成されるかを過度に詳細に示した斜視図である。
【図７】 湾曲線形源画像と走査ボールレンズアセンブリとの関係、および走査中間画像を作成するためのこれらの部品の相互作用を示す図である。
【図８】 湾曲線形源画像と走査ボールレンズアセンブリとの関係、および走査中間画像を作成するためのこれらの部品の相互作用を示す図である。
【図９】 湾曲線形源画像と走査ボールレンズアセンブリとの関係、および走査中間画像を作成するためのこれらの部品の相互作用を示す図である。
【図１０】 走査ボールレンズアセンブリの構成を示す断面図である。
【図１１】 本発明の画像作成システムにおける単色に対する線走査機構を示す概略図である。
【図１２】 画像作成システムに対する複雑な３色配列の部品を示す概略図である。
【図１３】 曲面鏡および本質的に近軸の光学機器を用いた他の実施の形態の自動立体画像化システムに対する本発明の装置の主部品を示す斜視図である。
【図１４】 フレネルの鏡と本質的に近軸の光学機器を用いたさらに他の実施の形態の自動立体画像化システムに対する本発明の装置の主部品を示す斜視図である。
【図１５】 走査ボールレンズアセンブリにビームスプリッタ面が設けられた他の実施の形態を示す概略図である。
【図１６】 別個の左目、右目の視野に対し作成された画像を連続して走査する部品配列を示す概略図である。
【図１７】 図１６の配列を用いた右目画像の連続作成を示す概略図である。
【図１８】 左目および右目画像の連続作成に対する他の実施の形態を示す概略図である。
【図１９】 必要に応じて用いられる実施の形態において使用されるパターニングされた鏡の作用を示す平面図である。
【図２０】 必要に応じて用いられる実施の形態において使用されるパターニングされた鏡の作用を示す平面図である。
【図２１】 必要に応じて用いられる実施の形態において使用されるパターニングされた鏡の作用を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 自動立体画像化システム、１４ ビューイング瞳、１６ ビームスプリッター、２２ 焦点面、２４ 曲面鏡、３６ ソース画素、６８ 観察者の目の瞳孔、７０ 画像作成システム、７６ 中間画像、１００ 走査ボールレンズアセンブリ、１０６ 仮想画像。

Claims (10)

1. 画像画素のアレイを含む立体仮想画像を見るための自動立体光学装置であって、前記立体仮想画像は観察者が左のビューイング瞳で見るべき左画像と、前記観察者が右のビューイング瞳で見るべき右画像と、を含み、前記装置は、
   （ａ） 別個の部品から同様に構成された、左の二次元中間画像を形成するための左画像作成システムと右の二次元中間画像を形成するための右画像作成システムであって、各画像作成システムは、
   （ａ１） 光源からの入射光ビームを変調し、拡散面上でソース画素の線を形成するための電気機械回折装置と、
   （ａ２） 前記ソース画素の線を投射し中間線画像を形成するための走査ボールレンズアセンブリであって、該走査ボールアセンブリは
   （ａ２ａ） 前記ソース画素の線からの光を前記中間線画像に反射させるための少なくとも１つの反射面と、
   （ａ２ｂ） 走査ボールレンズ瞳を有すると共に、前記少なくとも１つの反射面上に曲率中心を有するボールレンズセグメントと、
   を備える走査ボールレンズアセンブリと、
   を備え、前記走査ボールレンズアセンブリは軸周りに回転し、一連の隣接する中間線画像を形成し、連続して前記二次元中間画像を形成する左右の画像作成システムと、
   （ｂ） 前記左画像作成システム用の前記走査ボールレンズアセンブリと前記右画像作成システム用の前記走査ボールレンズアセンブリの実質的かつ光学的な中間に配置された曲率中心を有する曲面鏡と、
   （ｃ） 前記左画像作成システムからの光路を折り曲げ前記曲面鏡の前焦点面付近に前記左二次元中間画像を形成するように、かつ前記右画像作成システムからの光路を折り曲げ前記曲面鏡の前記前焦点面付近に前記右二次元中間画像を形成するように配置されたビームスプリッタと、
   を備え、
   前記曲面鏡は前記左右の二次元中間画像の前記仮想立体画像を形成し、前記ビームスプリッタを介して、前記左ビューイング瞳で前記左走査ボールレンズ瞳の実像が形成され、前記右ビューイング瞳で前記右走査ボールレンズ瞳の実像が形成される自動立体光学装置。
2. 前記電気機械回折装置はコンフォーマル回折装置である請求項１に記載の自動立体光学装置。
3. 前記電気機械回折装置は回折光バルブである請求項１に記載の自動立体光学装置。
4. 前記拡散面は光ファイバ面板である請求項１に記載の自動立体光学装置。
5. 前記拡散面はエッチングされた透明基板を含む請求項１に記載の自動立体光学装置。
6. 前記拡散面は研削された透明基板を含む請求項１に記載の自動立体光学装置。
7. 前記拡散面は透明基板に塗布されたコーティングを含む請求項１に記載の自動立体光学装置。
8. 前記ソース画素の線は曲線である請求項１に記載の自動立体光学装置。
9. 前記曲線は前記曲率中心を前記ボールレンズセグメントと共有する請求項７に記載の自動立体光学装置。
10. さらに、前記入射光ビームを提供するための赤色光源を備える請求項１に記載の自動立体光学装置。

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