JP4377629B2

JP4377629B2 - 広い色再現域を有する単一中心裸眼立体光学ディスプレイ

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Publication number: JP4377629B2
Application number: JP2003280645A
Authority: JP
Inventors: アルフォンスアゴスティネリジョン; ダブリュコワルツマレク; エスホーヴァスルイス
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2023-07-28
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Description

本発明は一般に、電子的に生成された画像を見るための裸眼立体（autostereoscopic）表示システムに関し、より詳しくは、単一中心的に光学コンポーネントを配置して視野を大幅に広げ、射出瞳を大きくすることにより、広い色再現域を有する左眼および右眼画像を生成するための装置と方法に関する。

裸眼立体表示システムの価値は、特にエンターテイメントやシミュレーションの分野において広く認められている。裸眼立体表示システムには、非常に広い視野を有する三次元画像で観察者を視覚的に取り囲むことにより、観察者に現実的な目視体験を提供するための「没入型」システムが含まれる。裸眼立体ディスプレイが、これを含む、より大きな分類の立体ディスプレイと区別される点として、裸眼立体ディスプレイの場合、たとえば、ゴーグル、ヘッドギア、あるいは特殊な眼鏡といった装用品目を一切必要としないことが特徴である。つまり、裸眼立体ディスプレイは観察者にとって「自然な」目視条件を提供しようとするものである。

ＳＩＤ（ＳＯＣＩＥＴＹＦＯＲＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＤＩＳＰＬＡＹ）９９Ｄｉｇｅｓｔのジー・ジェイ・キンツ(G.J. Kintz)による記事、”ＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｐｈｅｒｉｃａｌＰａｎｏｒａｍｉｃＶｉｒｔｕａｌＤｉｓｐｌａｙ”（球形パノラマ仮想ディスプレイの裸眼立体特性）において、ジー・ジェイ・キンツは広い視野を有する裸眼立体ディスプレイを提供するひとつの方法を開示している。キンツの方法を使用すると、眼鏡やヘッドギアは不要となる。しかしながら、視準された虚像を作るには、単一中心ミラーによって映像として形成される、ＬＥＤエミッタのアレイを有し、高速回転する球形のシェルの中に観察者の頭を入れなければならない。キンツの設計では、広い視野を有する本当の意味での裸眼立体システムのためのひとつのソリューションは得られるものの、この設計には大きな欠点がある。キンツの設計の欠点のひとつに、観察者の頭を高速回転表面の付近に置かなければならない点がある。このような方法には、回転表面とコンポーネントとの接触による事故や怪我の可能性を低減するための対策が必要となる。保護用シールドを使用しても、高速運動する表面は少なくとも観察者に不安を与える。さらに、このようなシステムの使用により、頭部の動きが著しく制約される。

一対のプロジェクタの射出瞳の映像を観察者の目に形成することによって、つまり、右眼および左眼瞳を形成することによって動作するタイプの裸眼立体システムが、エス・エー・ベントン（Ｓ．Ａ．Ｂｅｎｔｏｎ）、ティー・イー・スロウ（Ｔ．Ｅ．Ｓｌｏｗｅ）、エー・ビー・クロップ（Ａ．Ｂ．Ｋｒｏｐｐ）、エス・エル・スミス（Ｓ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈ）の記事、ＳｔｅｒｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＳｙｓｔｅｍｓＶＩ，ＳＰＩＥ、１９９９年1月号、”Ｍｉｃｒｏｐｏｌａｒｉｚｅｒ−ｂａｓｅｄＭｕｌｔｉｐｌｅ−ＶｉｅｗｅｒＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙ”（マイクロポラライザを用いた多眼裸眼立体ディスプレイ）の中で概説されている。上記記事の筆者ベントンのほか、ヘルムットワイス（ＨｅｌｍｕｔＷｅｉｓｓ）が開示しているように、瞳孔画像成形(ピューピル・イメージング: pupil imaging)は、大型のレンズまたはミラーを使って実現できる。観察者の目が画像成形された瞳孔と一致すると、眼鏡を一切使用することなく、クロストークのない立体シーンが見える。別の初期における瞳孔画像成形の開示は、動画の立体表示に関する米国特許第４，７８１，４３５号（リップマン（Ｌｉｐｐｍａｎｎ）他)に見られる。

瞳孔画像成形を使った裸眼立体表示システムが提供する視覚体験の価値とリアリティ品質は、広い視野と大きな射出瞳による三次元画像を提供することによって改善できることは容易に推測される。このようなシステムは、観察者が、頭部を狭い空間の中に入れてほとんど動かせない状態にならず、またゴーグルその他の用具の装用を求められずに心地よく座っていられるのであれば、没入型視覚機能にとって、非常に有効である。十分に満足できる三次元視覚を得るために、このようなシステムは右眼と左眼に別の高解像度の画像を提供する必要がある。また、こうしたシステムは、実際に占める床面積と大きさをできるだけ小さくしながら、深く、広い視野の幻影を作るために、コンパクトに設計することが非常に好ましいことも容易にわかる。できるだけリアルに見えるようにするために、観察者には、遠くに出現する虚像を提示すべきである。

輻輳（ｖｅｒｇｅｎｃｅ)に伴うデプスキュー（ｄｅｐｔｈｃｕｅｓ）と調節との不一致が視覚体験に影響与えることもまた知られている。輻輳とは、視野内の物体の別の画像を融合するために、観察者の視線が交差しなければならない度数を意味する。観察された物体が遠ざかると、輻輳が小さくなり、ゼロになる。調節とは、対象物体に網膜の焦点を当てた状態を保つために観察者の目の水晶体の形状を変える必要性を意味する。観察者がある程度の時間にわたり、輻輳のためのデプスキューと調節の不一致にさらされると、観察者の奥行き認識力が一時的に劣化することがわかっている。また、奥行き認識力に対するこのようなマイナスの影響は、調節キューが遠くの画像位置に対応すると緩和されることも知られている。

従来の裸眼立体表示ユニットの一例が特許文献１において開示されており、これによると、座った観察者は、片目につき1個の別々のプロジェクタから生成され、多数のミラーで構成される画像形成システムによって観察者に向けられる画像を使って実現される明瞭な三次元的視覚効果を体験できる。

立体画像形成のための従来のソリューションは、上記の課題のいくつかに対応しているが、依然として改善の余地がある。たとえば、初期の立体システムの一部は、特殊なヘッドウェア、ゴーグルまたは眼鏡を利用して三次元視覚体験を提供するものであった。こうしたシステムの一例として、米国特許第６，０３４，７１７号（デンティンガー（Ｄｅｎｔｉｎｇｅｒ）他)は、三次元効果を得るために、観察者が適当な画像をそれぞれの目に選択的に向けるための受動偏光眼鏡をかけなければならない投射表示システムを開示している。

明らかに、シミュレーションの場合等、立体的に見るためにはある種のヘッドギアが適当であると考えられる状況がある。このような用途として、米国特許第５，５７２，２２９号（フィッシャー（Ｆｉｓｈｅｒ））は、広い視野を有する立体視を提供するプロジェクション表示ヘッドギアを開示している。しかしながら、可能なかぎり、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に、観察者がいかなる種類の装置も使用することなく、裸眼立体視が可能になることが有利である。また、頭がある程度、自由に動かせることも有利である。これに対し、米国特許第５，９０８，３００号（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）他)は、観察者の頭部が固定位置に保持されるハンググラディングシミュレーションシステムを開示している。こうしたソリューションは米国特許第５，９０８，３００号において開示されている限定的なシミュレーション環境の場合には容認でき、装置全体の光学デザインを簡素化することが可能かもしれないが、没入型システムにおいて、頭部の動きが制約されることは不利であろう。明らかに、米国特許第５，９０８，３００号において開示されているシステムは、視野を効果的に限定するナロービューイングアパーチャ(narrow viewing aperture)を採用している。軸外し方向に設置される複雑な従来のプロジェクションレンズが米国特許第５，９０８，３００号の装置で採用されており、サイズを大きくすることによって所望の射出瞳サイズを得ている。

米国特許５，２５５，０２８号（バイルズ（Ｂｉｌｅｓ））において開示されているように、ビームスプリッタを使って観察者からの距離がそれぞれ異なる２つのスクリーンの複合画像を観察者に提示し、立体画像の幻影を作ることによって立体効果を提供するためのシステムが数多く開発されている。しかしながら、このタイプのシステムは小さな視野角に限定されているため、没入型の視覚体験を提供するのに適していない。さらに、このようなシステムを使って表示された画像は、観察者の近傍に提示された実像であり、上記のような輻輳と調節の問題を招きやすい。

一般に、輻輳と調節の影響を抑えるために、三次元ビューイングシステムは観察者から比較的離れた位置に、実像か虚像かを問わず、一対の立体画像を表示すべきであると認識されている。実像の場合、これは、大型の表示用スクリーンを、好ましくは観察者から適度な距離に設置して使用しなければならないことを意味する。しかし、虚像の場合、米国特許第５，９０８，３００号において開示されているように、比較的小型の曲面ミラーを使用することができる。曲面ミラーはコリメータとして機能し、観察者から離れた地点に虚像を作る。立体画像形成のための別のシステムが、ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＳｙｓｔｅｍｓＶＩＩ，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ第３９５７号の”ＭｅｍｂｒａｎｅＭｉｒｒｏｒＢａｓｅｄＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｆｏｒＴｅｌｅ−ＯｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄＴｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”（テレオペレーションおよびテレプレゼンスのための薄膜ミラーを用いた裸眼立体ディスプレイ）(マッケイ、メア、メイソン、レビー（Ｍｃｋａｙ，Ｍａｉｒ，Ｍａｓｏｎ，Ｒａｖｉｅ）)の中で開示されており、これは伸縮可能な薄膜ミラーを使用している。マッケイの記事において開示されている装置の射出瞳は小さいが、この瞳は投射光学装置のサイズを大きくすることによって単純に拡大することができる可能性が高い。しかしながら、マッケイの記事において開示されている装置は、従来の投射光学装置を使用していること、および薄膜ミラーの曲率を限定する寸法上の制約により、視野が限られている。

曲面ミラーはまた、立体システムの中で実像を提供するためにも使用され、この場合、曲面ミラーはコリメータとしては使用されていない。このようなシステムは、米国特許第４，６２３，２２３号(ケンプ（Ｋｅｍｐｆ）)および第４，７９９，７６３号(デイビス（Ｄａｖｉｓ）他)等において開示されている。しかしながら、このようなシステムは、小さな視野しか必要ない場合、おおむね適切である。

特に、立体投射のための既存のソリューションは、その後、その画像が曲面から反射されるとしても、平坦なスクリーンの上に画像を投射する。フラットスクリーンディスプレイの一例が、特許文献２において開示されている。しかしながら、このタイプのディスプレイは、不要なゆがみその他画像の収差が発生しやすく、視野が制約され、画像品質全体が限定される。

光学的に見て、瞳孔画像形成を使った裸眼立体デザインには利点があることがわかる。瞳孔画像形成のために設計されるシステムは、左右の瞳孔に別の画像を対応的に提供し、最大限に自然な視覚条件を提供し、ゴーグルや特殊なヘッドギアの必要性を排除する必要がある。さらに、このようなシステムが観察者に最大限の射出瞳を提供し、ある程度の運動の自由度を実現し、きわめて広い視野を提供できれば有利であろう。光学分野において、これらの要件そのものは達成困難であると認識されている。理想的な裸眼立体画像形成システムは、より満足でき、リアルな視覚体験を提供するために、両方の要件を満たす必要がある。さらに、このようなシステムは、リアルな画像を形成するために、高い明度とコントラストで、十分な解像度を提供できなければならない。その上に、システムが小型である必要性から生じる物理的な制約と瞳孔分離のための寸法上の制約を考慮し、それぞれの目に向けられる別の画像が見る上で有利に間隔を空けられ、正しく分離されるようにする必要がある。視距離に関する制約により、単に投射レンズを大きくすることで非常に広い領域で大きな瞳孔直径を達成できる可能性が制限されるという点に注目すべきである。

単一中心映像形成システムは、平坦な物体の高解像度画像形成に大きな利点を提供するものとして示されており、たとえば、米国特許第３，７４８，０１５号(オフナ（Ｏｆｆｎｅｒ）)は、ユニット拡大(unit magnification)のために設計された画像形成システムにおける、曲率中心を一致させた球面鏡の配置を教示している。米国特許第３，７４８，０１５号において開示されている単一中心型配置はさまざまな像収差を軽減し、概念的に単純であるため、高解像度の反射結像システムの光学デザインを簡素化することが可能となる。ミラーとレンズの単一中心型配置は、米国特許第４，３３１，３９０号(シェーファ（Ｓｈａｆｅｒ）)において開示されているように、広い視野を有する望遠鏡システムにとっても有利であることが知られている。しかしながら、全体的な簡素化とゆがみと光学的収差の減少という単一中心設計の利点は評価できるものの、このような設計コンセプトは、合理的に小さな設置面積で広い視野と大きな射出瞳を必要とする没入型システムにおいては実現が困難である。さらに、完全に単一中心の設計では、左右の瞳孔について異なる画像を必要とする、完全立体画像形成の要件を満たすことができない。

米国特許第５，９０８，３００号において開示されているように、従来の広視野投射レンズは瞳孔画像形成裸眼立体ディスプレイの投射レンズとして使用できる。しかしながら、従来の方法には多くの欠点がある。広角レンズ系は、効果的な没入型ビューイングに必要な画角を実現できるが、非常に複雑でコスト高である。たとえばドイツ、イエナのＣａｒｌ−Ｚｅｉｓｓ−Ｓｔｉｆｔｕｎｇ社製のＢｉｏｇｏｎ（登録商標）に代表される、典型的な大型フォーマットカメラ用広角レンズは、75度の画角を実現できる。Ｂｉｏｇｏｎ（登録商標）のレンズは７枚のコンポーネントレンズで構成され、直系は８０ｍｍ以上であるが、提供できる射出瞳のサイズは１０ｍｍにすぎない。大きな射出瞳を得るために、レンズを大きくしなければならないが、このようなレンズ本体の直径を大きくすることは、視点での視距離に関し、裸眼立体没入システムの設計上、非常に困難である。左右眼のアセンブリを隣り合わせに設置し、人間の瞳孔間隔と一致した空間をとって設置された一対のレンズを実現するようにレンズをカットするにはコストがかかり、困難な製造上の問題となる。視距離の制約により、それぞれの目の投射装置の空間的配置が限定され、単にレンズを大きくしただけで射出瞳のサイズを大きくすることができなくなる。さらに、有効な没入型システムの場合、最も有利な点として、非常に広い視野が得られ、好ましくは９０度を十分に超え、大きな直径、好ましくは２０ｍｍの射出瞳を提供する。

広い視野の用途に適した別の手段として、専門的な光学機能のためにボールレンズが使用されており、特に小型ボールレンズが光ファイバのカップリング、送信用に使用され、たとえば米国特許第５，９４０，５６４号(ジュエル（Ｊｅｗｅｌｌ）)は、カップリング装置における小型ボールレンズの使用を開示している。より大型のものとして、ボールレンズは天文追跡装置として使用することができ、米国特許第５，２０６，４９９号(マントラバディ（Ｍａｎｔｒａｖａｄｉ）他)においては、６０度を超える広い視野を提供し、軸外れ収差やゆがみを最低限にすることのできるボールレンズが使用されている。特に、固有の光学軸がないことが有利に利用され、ボールレンズを通過するすべての主光線がそれぞれの光学軸を画定すると考えることができる。このように、入射光の角度の変化に関する照度の低下が小さいため、この例では、空間からの光を複数のセンサに向けるために、ひとつのボールレンズが有利に使用されている。明らかに、ボールレンズの出力部分の光センサはカーブした焦点面に沿って配置される。

広角画像形成にとっての球面レンズまたはボールレンズの利点は、米国特許第５，３１９，９６８号(ビリングーロス（Ｂｉｌｌｉｎｇ−Ｒｏｓｓ）他)において開示されているように、スペースクラフトの姿勢を決定する装置においても使用されている。ここで、ミラーのアレイが光線にボールレンズを通過させる。このレンズの形状は、レンズを通過する光線が画像表面に対して直角に入射するため、有利である。このように光線はレンズの中央に向かって屈折し、その結果、視野の広い画像形成システムが得られる。ボールレンズの特徴のまた別の特別な用途が米国特許第４，８５４，６８８号(ヘイフォード（Ｈａｙｆｏｒｄ）他)で開示されている。Hayford他の特許による光学装置は、パイロットのヘッドギアに装備されているもののように、ＣＲＴで生成される二次元画像を非線形の経路に沿って伝達するためのものであり、ボールレンズは光学的無限遠において、視準された入力画像をパイロットが見えるように方向付ける。

ボールレンズの広角ビューイング能力を利用した別の例が米国特許第４，１２４，７９８号(トンプソン（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）)において開示されており、同特許は、夜間用の両眼光学装置の対物レンズの一部にボールレンズを使用することについて教示している。

ボールレンズを画像投影に使用することを開示した上記米国特許第４，１２４，７９８号および第４，８５４，６８８号は、ボールレンズが、サポート用光学装置との併用により、広い視野の画像形成を提供する一般的能力が提案されている。しかしながら、このような装置を没入型画像形成において有効に使用するためには、特に、投射のために画像を電子的に加工しなければならない場合に、克服しなければならない大きな問題がある。たとえば、空間光変調器等の装置を使用した従来の電子画像提示技術は、平坦な表面に画像を提供するが、平坦な視野への画像形成におけるボールレンズの性能はきわめて低い。

広い視野を提供するどのようなタイプの光学プロジェクションでも克服しなければならない没入型システムの問題として、また別の基本的な光学的制限がある。重要なものは、ラグランジェの不変量によって発生する。どのような画像形成システムであっても、ラグランジェの不変量に適合し、瞳孔の大きさとセミフィールドアングル(semi-field angle)との積は画像サイズと開口数との積に等しく、その光学システムの不変量である。これは、画像生成器として、比較的小さな開口数で動作できる比較的小さな空間光変調器または同様のピクセルアレイを使用した場合、その装置に関するラグランジェ値が小さいため、制約となりうる。しかしながら、大きな射出瞳で大きな視野を提供する単一中心画像形成システムのラグランジェ値は本来的に大きい。したがって、このような単一中心画像形成システムをラグランジェ値の小さな空間光変調器と併用した場合、ラグランジェ値の不一致により、視野または画像形成システムのアパーチャのいずれかまたは両方が要件を満たせなくなる。ラグランジェ不定量の詳しい説明については、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．出版のウォレン・ジェイ・スミス（ＷａｒｒｅｎＪ．Ｓｍｉｔｈ）によるＭｏｄｅｒｎＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓの４２−４５ページを参照のこと。

同時係属中の日本特許出願第２００１−３８３２００号と第２００２−１３６７７１号は、裸眼立体画像形成システムにボールレンズを使用した広視野投射の可能性を利用している。これらの同時係属中の出願において、片眼ずつに対応する投射用ボールレンズに供給される原画像は、完全な二次元画像として提示される。各出願で開示されている画像発生源は、液晶表示（ＬＣＤ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）またはこれに類する装置をはじめとする二次元アレイである。画像発生源はこのほか、陰極管（ＣＲＴ）とすることもでき、ＣＲＴは、走査された電子ビームによって発生されるものの、完全な二次元画像をボールレンズ式の投射光学装置に供給する。

完全な二次元画像の供給には、本来的な制約がいくつかある。理想的には、曲面のイメージフィールド(image field)が好ましく、その曲率中心がボールレンズの中心と一致する配置であると、フィールド収差(field aberration)が最小限となる。しかしながら、曲面のイメージフィールドを提供するには、画像発生源そのものを湾曲させるか、画像形成経路の中に別の面板または特別なリレイ光学装置を設置する必要がある。二次元画像アレイを湾曲させ、画像発生源の球面曲率を得るか、これに近づけるのは困難でコスト高である。面板または特別なリレイ光学装置の平坦なイメージアレイとの併用は、コストがかさみ、全体的な明るさが損なわれる等の短所がある。投射に十分な明るさを維持するのは、小型の二次元アレイを使用した時に問題となる。なぜなら、これは特殊な設計技術とより高価なコンポーネントがなくては達成しにくいからである。したがって、立体視のために画像を発生し、投射するためシステム光学装置の全体的コストを改善できれば、これを評価することができる。

ボールレンズとボールレンズセグメントは、広視野光学走査のためのセンサにおける走査コンポーネントとして使用されてきた。米国特許第６，２３３，１００号(チェン（Ｃｈｅｎ）他)は、ひとつまたは複数の反射面を有する回転可能な走査ボールレンズセグメントを使用した同心円センサ走査システムを開示している。米国特許第６，２３３，１００号で開示されるシステムの場合、ボールレンズまたはボールレンズセグメントの回転が入射光を同心円状のセンサ群に向ける。しかしながら、既存の投射システムの設計は、より従来的なプロジェクタ用光学コンポーネントを利用しており、その中で、画像を生成するために光を走査された状態で投射する走査コンポーネントとしてボールレンズまたはボールレンズセグメントを使用する可能性を見落としてきた。

従来のＣＲＴ電子ビーム等の点光源あるいは線形光源での走査による二次元画像の形成に、多くの技術が使用されている。同時係属中の米国特許出願第１０／０１０，５００号は、走査システムを有するさまざまなタイプの線形光源の使用を開示している。米国特許出願第１０／０１０，５００号で提案されているソリューションには、ＬＥＤアレイや共振光ファイバスキャナ等がある。

マイクロマシンが、光加工、印刷、光データ記録、分光学、ディスプレイ等の各種用途における空間光変調器として開発されてきた。マイクロマシン変調器には、カリフォルニア州サニーヴェイルのＳｉｌｉｃｏｎＬｉｇｈｔＭａｃｈｉｎｅｓが開発し、米国特許第５，３１１，３６０号(ブルーム（Ｂｌｏｏｍ）他)において開示されているグレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ）や米国特許第６，３０７，６６３号(コワルツ（Ｋｏｗａｒｚ）)において開示されている電気機械等角回折格子デバイスが含まれる。これらの変調器は、電気機械位相回折格子を形成する反射素子の周期的シーケンスとして配置された、個々にアドレス可能なデバイスのアレイを使って、入射光線の位相と振幅を空間的に変化させる。このようなマイクロマシン回折格子デバイスは、二次元ディスプレイに十分なスピードを与え、コントラストと光学的効率に優れているため、線形変調器として特に注目されている。同時に、これらのデバイスは機械的に小型かつ堅牢であり、比較的低コストで製造できる。しかしながら、マイクロマシン変調器は、広い視野を提供する没入型光学装置に適したコンポーネントとしてはほとんど見過ごされてきた。しかしながら、安価なレーザー光源の出現により、マイクロマシン変調器等の光効率の良い代替物を中型から大型の没入型表示システムに利用する機会が生まれた。しかし、このタイプの光変調手段を、有効な没入型光学装置に必要な広い視野を提供できる画像投射システムと結合する必要がある。

デジタルテクノロジーの開発と全デジタル投射システムの実用化により、フィルムダイや蛍光物質の限られた色再現域で可能なものよりリアルで鮮明な画像を提供するために、表示可能な色の範囲または再現域を拡張することに対する関心が高まっている。ＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅｄｅｌ’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ（国際照明学会）により開発された馴染み深い三刺激ＣＩＥカラーモデルは、標準的な人間の観察者によって近くされる色空間を示す。図２０は、ＣＩＥカラーモデルを示し、可視色再現域２００を一般的な「Ｕ字型」曲線として表している。可視色再現域２００の中で、表示装置の色再現域は、たとえば標準的なＳＭＰＬＴＥ（ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｏｔｉｏｎＰｉｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｓ）蛍光物質等についての装置色再現域２０２で示すことができる。カラー投射技術分野で周知のごとく、画像の実際の色を忠実に表現するために、表示装置はできるだけ大きな可視色再現域２００を提供することが望ましい。

図２０において、純粋な飽和スペクトル色が可視色再現域２００の「Ｕ字型」の周辺にマッピングされる。ディスプレイのコンポーネントカラーである、一般的には赤、緑、青（ＲＧＢ）は、装置色再現域２０２の限界を画定するが、可視域再現域２００の周辺にできるだけ近いことが理想である。「Ｕ字型」の内側には、たとえばスペクトル色の赤に白が加わりピンクとなるもの等、純色と白の混合を含めたすべての混色のマッピングが含まれる。

装置色再現域２０２を大きくするためのひとつの方法は、スペクトル的に純粋な光源からのコンポーネントカラーを使用することである。レーザーは、本来的にスペクトル純度が高いため、装置色再現域２０２を最大限にするのに特に有利である。色再現域を拡大する２つ目の方法は、装置色再現域２０２の従来の三角形から、図２１で拡張された装置色再現域２０４として示されているように、多角形の領域に変形させることである。これを行うために、ひとつまたは複数のコンポーネントカラーを追加しなければならない。

３色以上の光源を使用する投射装置が提案されている。しかしながら、多くの場合、提案されているソリューションは、色再現域の拡張を目的にしたものではない。３色以上の光源を使ったプロジェクタの開示には以下のものがある。

米国特許第６，２５６，０７３号(ペティ（Ｐｅｔｔｉｔ）)は、明るさとホワイトポイントの純度を保持するために、４色を提供するフィルタホイール配置を使った投射装置を開示している。しかしながら、この構成において追加された４番目の色はスペクトル的に純粋ではないが、ディスプレイをより明るくし、不快な色合いを最小限にするために白である。白は「色再現域内」での色の追加であり、色理論から、白を加えると色再現域は実際に縮小する。同様に、米国特許第６，２２０，７１０号(ラジ（Ｒａｊ）他)は、投射装置において、標準的なＲ，Ｇ，Ｂの光チャンネルに白い光チャンネルを追加することを開示している。前述のように、白い光を追加することにより明るさは増すが、色再現域は制約される。

米国特許第６，１９１，８２６号(ムラカミ（Ｍｕｒａｋａｍｉ）他)は、白の光源から発生される４色を使った投射装置を開示しており、この中では、４番目の色としてオレンジを加えることで、原色の緑色の経路に影響を与えるスペクトル分布の好ましくない効果を補償している。米国特許第６，１９１，８２６号の装置において、使用される特定の白い光源は偶然、識別可能なオレンジのスペクトル成分を含んでいる。これを補償するために、フィルタを用いて、緑の光成分から好ましくないオレンジのスペクトル成分を減衰させ、スペクトル純度の高い緑色の光を得ている。次に、その結果生じる明るさの損失を補償するために、オレンジの光が４番目の色として追加される。この開示は、副作用としてある程度の色領域の拡張があることを示している。しかしながら、色再現域については、米国特許第６，１９１，８２６号で開示されているソリューションでは投射装置の色再現域を十分に拡張しているとはいえない。図２０、図２１について上述した多角形の色再現域について、オレンジの光を追加することによって４番目の頂点が加わる場合があるが、新たに加わったオレンジの頂点はいずれも、赤と緑の頂点の間にすでに形成されているラインに非常に近い。したがって、新たに形成される多角形の色再現域は、最大でも、３つのコンポーネントカラーを使って形成された三角形より若干面積が大きくなるにすぎない。さらに、実質的に純粋な波長のオレンジが提供されないかぎり、米国特許第６，１９１，８２６号による方法では、色再現域はわずかながら減少することさえある。

上記のいずれのソリューションをとっても、色再現域の拡張を目的としたものでなければ、色再現域の拡張を実現するための方法を開示するものでもない。事実、上記の各ソリューションについて、４番目の色を追加したことで、色再現域の損失さえ起こりうる。

上記特許の開示と反対に、特許出願ＷＯ０１／９５５４４Ａ２号(ベン・デイビッド（Ｂｅｎ−Ｄａｖｉｄ）他)は、４つ以上の実質的飽和色を有する空間光変調器を使い、図２１に示すような色再現域を拡張させた表示装置とその方法を開示している。ひとつの実施形態において、出願ＷＯ０１／９５５４４号は、単独の空間光変調器に４つまたはそれ以上のコンポーネントカラーの各々を供給するカラーホイールを使用することを教示している。別の実施形態において、この出願は単独の光源からの光を４つまたはそれ以上のコンポーネントカラーに分割し、各コンポーネントカラーの専用空間光変調器を使用することを教示している。しかしながら、出願ＷＯ９１／９５５４４の教示が色再現域を改善する装置を示しているものの、ここに開示される従来のデザインソリューションにはいくつかの欠点がある。単独の空間光変調器を多重化し、３つより多い色を扱う場合、表示データタイミングに大きな問題がある。使用された空間光変調器は、データ処理経路において高速のサポートコンポーネントを使用して、非常に高速のリフレッシュ性能を示さなければならない。フリッカーが生じない動画表示を維持するために必要な速度で空間光変調器に画素データをローディングするためには、画像データの平行処理が必要となる可能性が高い。各色について１０−２０マイクロ秒の範囲が一般的な従来のＬＣＤ変調器のセトリングタイムにより、利用可能な投射時間がさらに短縮され、明るさが限定される。さらに、十分な高速で連続するコンポーネントカラーを供給するためのフィルタホイールを使用することがさらに不利である。このようなフィルタホイールは非常に速いスピードで回転させなければならないため、データのローティングとデバイス変調のタイミングの正確なタイミングを保持するために、精密な制御フィードバックループが必要となる。フィルタの色遷移中にさらに「デッド・タイム(dead time)」が生じるが、これは３色のカラーフィルタを使った装置においてすでに大きく、その結果、明るさを低減させ、タイミング同期を複雑にする。フィルタホイールと、これも光路内で回転する中性濃度フィルタとを連結させることにより、コストと複雑さが増す。

回転するフィルタホイールがカラー投射装置に採用されているが、このような機械的ソリューションの本来的な不利点はよく知られている。各色専用の空間光変調器を使った他のソリューションにも、コンポーネントカラーに関する適正なアラインメントを含めた別の問題がある。出願ＷＯ０１／９５５４４号の開示は、各色について別の投射システムを使用することを教示しているが、これはコストがかさみ、表示スクリーンサイズと距離に応じて異なるアラインメント手順が必要となる。単独の光源から照明を行うことにより、明るさとコントラストが低減する。したがって、出願ＷＯ０１／９５５４４号の開示は理論上の色再現域拡張を教示しているが、実際には、同出願で提案されている設計ソリューションには大きな欠点が多数ある。出願ＷＯ０１／９５５４４号について検討した結果、タイミング同期、カラーアラインメント、明るさとコントラストの維持、空間光変調器のコストと全体的な複雑さといった、３色投射について解決が困難な問題が、４つまたはそれ以上のコンポーネントカラーの使用を試みた場合、さらに大きな問題となる。

投射用の変調された有色光を結合する従来のコンポーネントには、Ｘプリズムとも呼ばれるＸキューブとフィリップスプリズムがある。これらの従来のコンポーネントは、３つの入力色を共通のマルチカラー出力光学軸に結合するために設計されている。しかしながら、変調経路に４つ目の色を加えると、より複雑となる。そこで、３色および４色、５色または６色の投射装置について同じコンポーネントを使用するソリューションは有利であることがわかる。

先行技術によるソリューションにおける欠点にかかわらず、色再現域が拡張された没入型画像形成を提供できれば非常に有利だと認識されている。自然の色をよりリアルに再現することができるであろう。同時に、自然界に見られる色とトーンとは一致しないコンピュータ生成画像を、よりドラマチックに表現することができるであろう。そこで、色再現域が拡張された画像を見るための改善された裸眼立体画像形成ソリューションであり、構造的に単純な装置を提供し、収差と画像のゆがみを最小限にし、広い視野、大きな射出瞳、高い明るさレベル、低コスト化に関する厳しい要件を満たすソリューションが必要である。

米国特許第５，６７１，９９２号公報米国特許第５，９３６，７７４号公報

本発明の目的は、色再現域が拡張された裸眼立体表示装置を提供することである。この目的を念頭に、本発明は左画像と右画像からなるカラー立体画像を表示するための裸眼立体光学装置を提供し、この装置は少なくとも４つの光源を有する画像生成システムを備え、各光源の色が異なる。

好ましい実施形態において、本発明は、画像画素のアレイを備えるマルチカラー立体虚像を表示するための裸眼立体光学装置を提供し、前記立体虚像は観察者が左側の瞳孔で見る左側画像と観察者が右側の瞳孔で見る右側画像からなり、この装置は次のもので成る。
（ａ）左側二次元中間画像を形成するための左側画像生成システムと、右側二次元中間画像を形成するための右側画像生成システム、左右両側の画像生成システムは別個のコンポーネントで同様に構成されており、各画像生成システムは、
（ａ１）第一の入射光線を提供する第一の色の第一の光源、第二の入射光線を提供する第二の色の第二の光源、第三の入射光線を提供する第三の色の第三の光源、第四の入射光線を提供する第四の色の第四の光源、
（ａ２）前記第一、第二、第三、第四の入射光線を変調して対応する第一、第二、第三、第四の変調光線を提供し、第一、第二、第三、第四の変調光線を共通軸上に結合し、マルチカラー変調光線を形成し、マルチカラー変調光線を拡散表面に向けることにより、拡散表面上にマルチカラーの原画素(ソースピクセル: source pixel)のラインを形成するためのマルチカラー線形アレイ変調器、
（ａ３）マルチカラーの原画素のラインを投射し、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、走査ボールレンズアセンブリは以下を備え、
（ａ３ａ）マルチカラーの原画像画素のラインから中間線画像に光を反射させる、少なくともひとつの反射表面、
（ａ３ｂ）走査ボールレンズ瞳を有するボールレンズセグメント、ボールレンズセグメントは前記少なくともひとつの反射表面の曲率中心を有し、
を備え、
走査ボールレンズアセンブリは軸を中心に回転し、二次元中間画像を連続的に形成するために一連の中間線画像を形成し、
（ｂ）曲率中心が、左側画像生成システムの走査ボールレンズアセンブリと右側画像生成システムの走査ボールレンズアセンブリとの間のほぼ光学中心にある曲面ミラー、
（ｃ）左側画像生成システムからの光学経路を折り重ね、曲面ミラーの前方焦点面付近に左側二次元中間画像を形成し、右側画像生成システムからの光学経路を折り重ね、曲面ミラーの前方焦点面付近に右側二次元中間画像を形成するように設置されたビームスプリッタ、
曲面ミラーは左右の二次元中間画像の仮想立体画像を形成し、ビームスプリッタを通じて左側瞳孔で左側走査ボールレンズの瞳の実像と右側瞳孔で右側走査ボールレンズの瞳の実像を形成する。

本発明によれば、線形（一次元）または空間（二次元）光変調装置のいずれでも使用できる。

本発明の特徴は、スペクトル純度と高い飽和度を有する４つまたはそれ以上の色を使用し、立体画像形成のための色再現域を拡張する点である。

本発明の別の特徴は、光学コンポーネントを単一中心に配置し、設計を簡素化し、収差を最小限にし、大きな射出瞳で広い視野を提供する点である。

本発明のさらに別の特徴は、多くの構成にすることができる点であり、必要な光学コンポーネントの数を減らす構成のほか、ビームスプリッタが不要な構成まで可能である。

本発明の別の利点は、投射用の中間画像を生成するために、安価で明るい高原を使用することができる点である。レーザー光源の高いスペクトル純度は、表示装置の実現可能な色再現域を最大限にするのに役立つ。

本発明のさらに別の利点は、立体左眼および右眼画像を投射するのに使用される色の数の選択を管理することができる点である。

本発明のまた別の利点は、光学コンポーネントをコンパクトに配置し、設置面積の小さな表示システムを構成することができる点である。

本発明の別の利点は、従来の投射レンズシステムの費用と比較した場合、安価な広視野立体投射のためのソリューションを提供することである。

本発明のさらに別の利点は、観察者がゴーグルその他の器具を装用せずに立体視を提供することである。

本発明のまた別の利点は、ディスプレイに関する観察者の位置関係があまり重要とならない、十分な大きさの射出瞳を提供することである。

本発明の上記およびその他の目的、特徴、利点は、本発明の実施形態が示された図面と以下の詳細な説明を読むことで、当業者にとって明らかとなる。

以上のように、非常に視野が広く、視覚瞳孔が大きく、色再現域が広い裸眼立体ディスプレイのための単一中心光学装置が提供される。

この説明は、本発明による装置の一部を構成する、あるいはその装置とより直接的に協働する要素に関するものである。特に図示または説明されていない要素は、当業者にとってよく知られているさまざまな形態をとることができると理解すべきである。

図１は、裸眼立体画像形成システム１０の透視図である。観察者１２は通常、左右の視覚瞳孔(viewing pupil)１４ｌ，１４ｒから仮想立体画像を見る位置に座っている。最適な視覚条件は、観察者１２の左右の目の瞳孔６８ｌ，６８ｒが、それぞれに対応する左右の視覚瞳孔１４ｌ，１４ｒと一致するときに得られる。

左側走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと、線形画像源としての左側原画素ライン３６ｌを有する左側画像生成システム７０ｌは、左側の視覚瞳孔１４ｌのための画像を投射する。これに対応し、右側走査ボールレンズアセンブリ１００ｒと、線形画像源としての右側原画素ライン３６ｒを有する右側画像生成システム７０ｒは、右側の視覚瞳孔１４ｒのための画像を投射する。左側画像生成システム７０ｌは、画像を観察者１２と曲面ミラー２４との間に設置されたビームスプリッタ１６に向ける。曲面ミラー２４の焦点面２２の付近に左側中間画像７６ｌが形成される。左側中間画像７６ｌは、左側瞳孔１４ｌにおいて虚像１０６として提示され、これは観察者１２にとって、画像が曲面ミラー２４の背後にあるように見える。同様に、右側画像生成システム７０ｒは、画像を観察者１２と曲面ミラー２４の間に設置されたビームスプリッタ１６に向ける。これによって、曲面ミラー２４の焦点面２２の付近に右側中間画像７６ｒが形成される。右側中間画像７６ｒは、右側瞳孔１４ｒにおいて虚像１０６として提示され、これは観察者１２にとって、画像が曲面ミラー２４の背後にあるように見える。その結果、観察者１２には、別々の左右画像からなる仮想立体画像が提示される。仮想立体画像は曲面ミラー２４の背後の、曲面ミラー２４の背面と無限大の間のどこかにあるように見える。

以下の説明は、光を視覚瞳孔１４ｌと１４ｒのいずれか一方に向ける光学コンポーネントに関するものである。左側画像生成システムと右側画像生成システムについて、つまり、左右の光学経路両方について、同様の光学コンポーネントを使用できる点に注意すべきである。明確を期すために、以下の説明は、左右両方の画像生成システム７０のコンポーネントに当てはまる。左右の光学経路の区別は、厳密にする上で必要な場合にかぎり行われる。（このため、以下の説明において、部品番号に付与された左を示す“ｌ”と右を示す“ｒ”は、必要のないかぎり、省く。）
図１に示すように、観察者１２が見る立体画像には２つのコンポーネントがある。図１に表されているように、左右の光学経路は、曲面ミラー２４による画像形成のために、システム１０の中で交差する。

図１は、光学設計の観点から、解決すべき主要な問題のいくつかを示しており、本発明が提供するソリューションの概要を示す。最もリアルな立体視を実現するための主要な設計上の考慮事項について検討することが有益である。観察者１２に効果的な没入体験を提供するために、先行技術を使用して得られる６０度を超える広い視野が重要である。観察者１２が心地よく使用できるようにするには、視覚瞳孔１４ｌ，１４ｒが十分に大きくなければならない。設計の目標として、本発明による裸眼立体画像形成システム１０は、直径２０ｍｍを超える視覚瞳孔１４で少なくとも９０度の視野を提供しようとするものである。人間の視距離の範囲で見ることのできる立体虚像を提供するために、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒは、適当な、経験的に決定された軸間(interaxial)距離だけ分離することが有利である。

あるいは、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌ，１００ｒの間の軸間距離は、観察者１２の視距離に適した状態となるよう手作業で調整するか、または裸眼立体画像形成システム１０が自動的に感知、調整するようにも構成できる。左右の画像生成システム７０ｌ，７０ｒのコンポーネントは、たとえばブームの上に設置し、各画像生成システム７０ｌ，７０ｒが相互に関して移動できるようにすることにより、視距離の差を補償してもよい。共通の譲受人に譲渡された日本特許出願第２００２−１３６７７１号には、ボールレンズを使って、左眼と右眼の投射アセンブリを自動的に感知、調整することが記載されている。この先出願において開示されているものと同じフィードバックループ装置と方法は、本発明の装置にも適用できる。

画像経路の単一中心設計
本発明の装置における光学コンポーネントが単一中心で配置されていることにより、像収差の削減と視野拡大にとっての明確な利点が多数提供される。図２ａにおいて、展開した状態で、光学経路における主要コンポーネントの光学的に同心円状の関係が示されており、これは左右の画像形成システム７０ｌ，７０ｒの両方に当てはまる。やはり展開した状態の図２ｂの上面図において、ミラー２４の曲率中心はＣＳであり、これは左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌ，２００ｒの間に位置する。図２ａに示す一般例において、原画素ライン３６は、Ｃの符号が付与された中心におけるその曲率半径の中心で湾曲するのが好ましく、これは、図２ｂに示される左側または右側の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。原画素ライン３６は、狭い画像ラインを１本ずつ発生し、これが後に投射される。走査ボールレンズアセンブリ１００は、原画素ライン３６を投射し、中間画像７６を形成する。図２ａに示されているように、中間画像７６もまた湾曲しており、中心Ｃにおいて、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と図２ａにおいて、中間画像７６は曲面ミラー２４の焦点面２２の付近に位置する。曲面ミラー２４の焦点面Ｆ_mirrorは、光学軸Ｏを有する焦点面２２の交点にある。曲面ミラー２４は好ましくは球面で、やはり中心Ｃにおいて、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２ａは、光学経路を展開した状態のコンポーネントの関係を一般的に示した第一次近似であることに注意すると有益である。図２ｂの上面図をよく見ると、図２ｂにおいてＣ_Sの符号が付与された曲面ミラー２４の曲率中心の実際の位置が、それぞれＣ_lとＣ_rの符号を付与された左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの曲率中心の間の途中に示されている。観察者１２にとって理想的な左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの位置は、曲面ミラー２４によって形成されるその実像がそれぞれ左右の視覚瞳孔１４ｌと１４ｒの位置と視距離に対応する位置である点に注意することもまた有益である。

参考までに図１に戻ると、中間画像７６の最適な位置は、焦点面２２の「付近」と考えられる範囲内にある。好ましい範囲は、外側限界となる焦点面２２そのものから、内側限界となる、焦点面２２から曲面ミラー２４の表面までの距離の約２０％以内までである。中間画像７６が焦点面２２と観察者１２の間に形成されると、虚像１０６は焦点が合わないように見える。

走査レンズアセンブリ１００が、図２の展開した配置によって示されるように、中心Ｃに曲率中心を有する球面であるため、像収差をできるだけ少なくして、広い視野が提供される。本発明の設計は、同一の瞳倍率（ユニティ・ピューピル・マグニフィケーション: unity pupil magnification）のために最適化されているが、同一の瞳倍率とは異なるものも、本発明の範囲内で実現可能である点に注意しなければならない。

図３は、図２ａに示す光学装置の光学経路を折り曲げたものの側面図であり、視覚瞳孔１４がビースプリッタ１６の追加によって形成される様子を示す。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、中間画像７６を形成するように方向付ける。これにより、曲面ミラー２４によって形成された虚像１０６がビームスプリッタ１６を通じて視覚瞳孔１４において可視化される。

図２ａと図３において示される光学経路と次のものは、それぞれ独立した左右の画像生成システム７０ｌと７０ｒについて同一である。一般に、各画像生成システム７０ｌと７０ｒの中では別個の画像形成コンポーネントが使用される。本願の以下の説明では、左眼および右眼画像両方を生成するために、一式の画像形成コンポーネントを多重化するという別の方法も開示している。

原画素ライン３６の使用
走査ボールレンズアセンブリ１００は、反射スキャナと投射レンズの両方として機能する。図４−７に、走査機能と投射機能の両方が示されている。走査ボールレンズアセンブリ内の反射面１０２は、図５にあるように、光学走査技術において周知の走査ミラーのように、走査機能を果たす。この走査機能において、走査ボールレンズアセンブリ１００は軸Ａを中心として回転し、原画素ライン３６のうちの対応するラインから、中間画像７６の各ラインを逐次的に投射する。

図５において、原画素ライン３６は、投射のために、個々の原画素１０４の連続を線形配置で提供する。図５に特に示されているように、原画素ライン３６の全体的な形状は、曲面で、各原画素１０４が走査ボールレンズアセンブリ１００の中心Ｃから同じ半径距離ｒであることが好ましい。画像生成システム７０そのものは、画像形成分野において周知の走査同期技術を使い、画像形成論理回路（図示せず）によって制御される。単純な構成において、図５における原画素ライン３６は曲面ＬＥＤで生成し、各原画素１０４がひとつのＬＥＤに対応するようにすることができる。このような配置の場合、曲面ＬＥＤアレイそのものが拡散光源を形成し、光はＬＥＤで直接変調される。これにより、光出力変調のための周知の技術のいずれを使用しても個々の原画素１０４を変調することが可能となる。従来の方法には、パルス幅偏重や振幅変調等がある。たとえば、ビット指向パルス幅変調を使用し、原画素ライン３６に伝えられるエネルギーの総和が、たとえば８ビットのビット深さを有するパルス幅の合計となるようにすることができる。振幅変調は、原画素ライン３６の個々の原画素１０４における光レベルを単純に変更することによって行われる。そのほか、パルス幅変調と振幅変調を組み合わせたものを使用し、ダイナミックレンジを拡張してもよい。以下に、好ましい幾何学形状と拡散特性を有する画像形成表面において、原画素ライン３６を形成するための多数の方法について説明する。

走査動作
図５と図６ａを合わせて見た場合、走査ボールレンズアセンブリ１００がその反射面１０２から原画素ライン３６を投射し、画像画素ライン１０８からなる中間線画像５２を形成する走査動作が示される。例として、図５においては原画素１０４がわずかしか描かれていない。好ましい実施形態において、原画素ライン３６は、少なくとも数百の個々の原画素１０４からなる１本のラインを提供し、個々の原画素１０４は、中間線画像５２内の対応する画像画素１０８に結像される。走査ボールレンズアセンブリ１００が軸Ａを中心としてＲ_axis方向に回転すると、連続する中間線画像５２が形成される。このように、中間線画像５２’がある瞬間で形成され、その後、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、これが繰り返される。走査ボールレンズアセンブリ１００による投射の特性により、原画素１０４は原画素ライン３６から反転され、中間線画像５２を形成する。図５に示されるように、この連続的動作が、Ｓ方向への走査によって中間画像７６を形成する。

図４にもどり、曲面ミラー２４の焦点面２２付近に中間画像７６を形成するための画像生成システム７０の走査動作の透視図が示されている。本発明の装置と方法により、中間画像７６のアスペクト比がある範囲内で変化する点を特筆する。図５を見ると、原画素ライン３６の長さは、利用可能な最大のライン長さより小さい数値とすることができる。直角方向に、形成される中間線画像５２の数もまた、利用できる最大のライン数より小さい数値とすることができる。アクティベートされる画素１０４の数と作られる中間線画像５２の数を変えることにより、画像生成システム７０は中間画像７６のアスペクト比を、裸眼立体画像形成システム１０の性能特性と観察者１２の選好の両方に適したものとするよう最適化できる。

再び図６ａを見ると、一度に１個の中間線画像５２ずつ、中間画像７６を形成するための走査ボールレンズアセンブリ１００の回転の上面図が示されている。前述のとおり、中間画像７６は、左右両方の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの走査動作によって形成される。図６ｂ，図６ｃを見ると、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒが相互に関して回転する別の方法が示されている。図６ｂの例において、左右両方の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒは、それぞれ当初位置Ｉ_lとＩ_rから次の位置Ｊ_lとＪ_rまで中間線画像５２を掃引しながら同じ方向に回転する。これに対し、図６ｃでは、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒが反対方向に回転している。どちらタイプの相対的運動パターンでも、画像生成システム７０に利用できる。

図４に示すように、走査ボールレンズアセンブリ１００の回転を駆動するのはモータ３２である。好ましい実施形態において、走査ボールレンズアセンブリ１００の回転速度は１８００ＲＰＭである。もちろん、機械分野で周知の技術により、一連の歯車、ベルトその他並進運動駆動用コンポーネントを使うことにより、左右両方の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒをひとつのモータ３２で駆動することができる。

走査ボールレンズアセンブル１００の製造
図７において、好ましい実施形態における走査ボールレンズアセンブリ１０００の構造の断面図が示される。中央球面レンズ４６は、２つのメニスカスレンズ４２，４４の間に設置される。メニスカスレンズ４２，４４の屈折率とその他の特性は、光学設計分野においてよく知られているように、軸上の球面収差と色収差を低減するよう意図されている。ストッパ４８は、入射瞳を走査ボールレンズアセンブリ１００から出ないようにする。ストッパ４８は物理的である必要はなく、外側のメニスカスレンズ４２と球面レンズ４６の間の界面での全内反射を利用して実現してもよい。

好ましい実施形態において、中間画像７６における像収差を低減し、画像品質を最適化するためにメニスカスレンズ４２，４４が選択される。走査ボールレンズアセンブリ１００は、中央球面レンズ４６を囲むサポートレンズの配置をいくつ使用して構成してもよい点に注意する必要がある。これらのサポートレンズの表面は、いくつ使用されているかを問わず、中央球面レンズ４６と同じ曲率中心Ｃを共有する。さらに、走査ボールレンズアセンブリ１００のレンズコンポーネントに使用される屈折材料も、本発明の範囲内で変えることができる。たとえば、標準的な光学ガラスレンズのほか、中央球面レンズ４６をプラスチックにし、メニスカスレンズ４２，４４をガラス、プラスチック、囲みこんだ液体またはその他適当な屈折材料としても、すべて本発明の範囲内である。最も単純な実施形態において、走査ボールレンズアセンブリ１００は、反射面１０２を有する１枚の中央球面レンズ４６でもよい。

平面反射面１０２を製造するには、多数の方法がある。好ましい実施形態において、反射面１０２は両面式で、アルミニウムコーティングを使い、球面レンズ４６用の半球の半分の上に形成される。次に、一般的には光学セメントを使って走査ボールレンズアセンブリ１００が構成され、２つの反対の反射面を有する反射表面１０２が走査ボールレンズアセンブリ１００のメリジオナル表面に設けられる。別のオプションとして、コスト高になるが、広帯域干渉コーティングを球面レンズ４６の半球の一方または両方に施し、反射率を高めることもできる。反射面１０２は、図５に示されているように、メリジオナル表面の全面に形成してもよい。あるいは、表示光学装置の幾何学形状に応じて、図７に示されるように、反射面１０２は、走査ボールレンズ１００のメリジオナル表面の中央部分だけとすることもできる。

図７において、機械的回転に最適な配置は、反射面１０２を二面鏡として構成し、半球レンズセグメント１１２を各反射面１０２の上に設置するものである。別の配置として、走査ボールレンズアセンブリ１００のレンズ構造は単純に、単独の半球レンズセグメント１１２とし、片側だけの反射表面１０２とすることができる。しかし、この場合、走査ボールレンズアセンブリ１００の部分的回転のための別の機械的技術を採用する必要がある。たとえば、ひとつだけの半球レンズセグメント１１２を有する走査ボールレンズアセンブリ１００を使い、反射面１０２を片面とすることも可能である。しかし、このような配置での完全回転を使用すると、スキャナのデューティサイクルが２分の１になる。この場合、裸眼立体画像形成システム１０の最大速度について利用可能なオプションには、走査ボールレンズアセンブリ１００によって操作するための往復運動を提供する機械的装置がある。しかし、このような方法ではコストと機械的複雑さが増大し、不均一な走査速度を補償することが必要となる。

走査ボールレンズアセンブリ１００は、それが完全回転する間ずっと動作することはできないが、使用可能範囲またはデューティサイクルにある程度の制約がある点を特筆する。これが制約要因となると、走査ボールレンズアセンブリ１００の往復運動により、デューティサイクルが改善され、その分、コストと機械的複雑さが増す。

図１から図７に示されるコンポーネントの配置は、投射システムにおける広い視野を実現するという課題に対する新規なアプローチであることがわかる。

画像生成システム７０の線形アレイ変調器の実施形態
図８ａにおいて、好ましい実施形態における、ひとつの色チャンネルについての画像生成システム７０の略図が示されている。光源２０が発する照明は、球面レンズ７２と円柱レンズ７４を通じて、反射鏡８２に向けられる。反射鏡８２から反射された光は、電気機械的回折格子光変調器８５で変調される。電気機械的回折格子光変調器８５からの変調された回折光は、反射鏡８２から回折され、ミラー８３で折り曲げられ、レンズ７５によって拡散表面３０に向けられ、原画素ライン３６が形成される。一般的原理として、光学効率は電気機械的回折格子光変調器８５から捕獲された回折オーダー数の関数である。好ましい実施形態において高い光学効率、高いコントラストを実現するために、原画素ライン３６は、好ましくは、電気機械的回折格子光変調器８５からの変調光の２またはそれ以上の回折オーダーから形成される。走査ボールレンズアセンブリ１００内の反射面１０２は次に、原画素ライン３６を投射し、図４、図５、図６ａ、図６ｂ、図６ｃのように、中間画像７６を形成する。

広い色再現域で高品質の没入型画像形成を行うために必要な明るさとスペクトルコンテンツを提供するために、好ましい実施形態において、光源２０はレーザーである。たとえば、赤の光源２０ｒは、シャープ株式会社製のシングルモードのレーザーダイオードとすることができる。

好ましい実施形態において、電気機械的回折格子光変調器８５は、米国特許第６，３０７，６６３号に開示されているように、電気機械的等角回折格子装置である。このような装置は、他のタイプの回折格子光変調器と比較し、性能上有利であり、たとえば、回折表面の位置が最適であり、空間分離も改善される。ＧＬＶデバイスのような、他のタイプの回折格子光変調器も使用できる。

拡散表面３０は曲面画像形成面となり、その上に原画素ライン３６が形成される。再び図８ａを見ると、走査ボールレンズアセンブリ１００にボールレンズ瞳１０１があることがわかる。均一な視覚瞳孔１４を提供するために、ボールレンズ瞳１０１を均等に実質的に満たす必要があることから、拡散表面３０が必要となる。好ましい実施形態において、拡散表面３０は、たとえばマサチューセッツ州チャールトンのＩｎｃｏｍ，Ｉｎｃ．製のもの等、光ファイバフェースプレートである。拡散表面３０はまた、原画素ライン３６を形成するのに適した曲率の表面を有する、ガラスまたは適当なポリマー材料の透明基板をエッチングまたは研削したものから製造することもできる。拡散表面３０は、適当に湾曲している適当な透明基板または光ファイバのフェースプレート上に拡散コーティングを施すことによって形成してもよい。レンズ７５は、湾曲した拡散表面３０上に原画素ライン３６を形成するために適した負の像面曲率を提供するよう設計されている。

図８ｂにおいて、３原色を結合し、原画素ライン３６をフルカラー画像として形成するためのマルチカラー線形変調器としての画像生成システム７０の配置が示されている。赤の光源２０ｒ、緑の光源２０ｇ、青の光源２０ｂが、各々の電気機械的回折格子光変調器８５において別々に変調される。次に色結合キューブ７３を使い、変調された赤、緑、青（ＲＧＢ）の光を結合し、拡散表面３０の上に原画素ライン３６を形成する。好ましい実施形態では、ＲＧＢの色を使用するが、別の色を使用することもできる。さらに、４つまたはそれ以上の色を結合して色再現域を拡張することも可能であり、これについて以下に説明する。

色結合キューブ７３は、好ましい実施形態において、ＸキューブまたはＸプリズムである。あるいは、たとえばフィリップスプリズム等、他の色結合コンポーネントも使用できる。さらには、デジタル画像投射技術において周知のごとく、各色の経路からの変調された光を結合する、ダイクロニック表面を使って色の合成を行ってもよい。
鏡面ミラー２４の配置例
図１，２ａ，２ｂ，３について示したように、鏡面ミラー２４は、裸眼立体画像形成システム１０内の反射画像形成表面として機能する。観察者１２の視距離にマッチするように、曲面ミラー２４の実際の形状は、正確な球面形状からある程度異なるように調整できる。たとえば、軸はずれ瞳孔収差を低減するために、鏡面ミラーに非球面形状を使用することができる。

曲面ミラー２４は、従来の成形、研削、研磨技術では製造コストの高いコンポーネントとなる可能性がある。２個またはそれ以上のより小さなミラーセグメントを連結してひとつの大型ミラー２４を構成することにより、ミラー２４を製造するほうが実用的である。

さらに別の実施形態として、曲面ミラー２４は、ストレッチされた反射表面の背後にある気密キャビティで発生する真空状態の制御によって曲率が決定する、ストレッチャブル・メンブレイン・ミラー（ＳＭＭ）に代表される薄膜ミラーでもよい。ストレッチャブル・メンブレイン・ミラーの使用は、前述のマッケイによる記事において開示されている。

曲面ミラー２４は、たとえばアリゾナ州タスコンのＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭｉｒｒｏｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．が製造する複製ミラー（レプリケイテッド・ミラー: replicated mirror）に代表される複製ミラーとすることができる。複合複製ミラー技術を使って製造される単独の曲面複製ミラーは、コスト、重量、耐久性の点で特に有利である。曲面ミラー２４にはその他、フレネルミラーまたは再帰反射ミラーまたは表面も使用できる。

図９において、別の、実質的に単一中心の配置が示されており、この中で、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒが光学軸２５の付近に設置され、図１から図４に示されるようなビームスプリッタ１６を使用することなく、曲面ミラー２４に直接投射する。このような配置の場合、曲面ミラー２４は、視覚瞳孔１４ｌと１４ｒの各々に関する画像経路が曲面ミラー２４の曲率中心Ｃ_Sに関して中心からかなりずれていなければならないため、その軸外れ性能が容認できるものである必要がある。このような配置には非球面ミラーを使用できる。図９の配置を実現可能にするために、球面曲面ミラー２４の焦点長さに対する軸外れ距離に対する比率（図９においてはＣ_S対Ｃ_m）が小さくなければならない。目分量で、球面を有する曲面ミラー２４は、左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒに対する軸外れ角が約６度以内であれば、満足に動作できる。

軸外れ角が６度を超える場合、曲面ミラー２４の非球面がより適当である。このような非球面について、第一の曲率中心点Ｃ_m’は視覚瞳孔１４ｌと１４ｒの中間にある。第二の曲率中心点Ｃ_mは、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの各中心点Ｃ_lとＣ_rの中間にある。このような非球面設計は環状で、中心点Ｃ_mとＣ_m’を通過する軸Ｅに関して単一中心的である。断面を見ると、このように製造された曲面ミラー２４は楕円で、中心点Ｃ_mとＣ_m’は楕円の焦点となる。

図１０において、図９のものと似た、やはりビームスプリッタ１６を使用しないさらに別の配置が示されている。図１０では、曲面ミラー２４は円筒状に湾曲した反射フレネルミラー６６である。図１０に示すコンポーネントの配置は、図９と同様に、軸Ｅに関して単一中心である。反射フレネルミラー６６は、一方のみに強度を有する。反射フレネルミラー６６は、たとえば、ニューヨーク州ロチェスターのＦｒｅｓｎｅｌＯｐｔｉｃｓが製造するフレネル光学コンポーネントのように、柔軟基板上に製造された平面素子とすることができる。フレネルミラー６６は、図９に示すように、軸Ｅを中心としてほぼ円柱状に湾曲させることができる。あるいは、フレネルミラー６６は、実質的に平坦としてもよい。フレネルミラー６６は、曲面ミラー２４について上述したものと同様の方法で、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒの射出瞳の像を視覚瞳孔１４ｌ，１４ｒに作る。

さらに別のオプションとして、曲面ミラー２４は、曲率中心が走査ボールレンズアセンブリ１００の中心と一致する、実質的に球形の表面等、再帰反射表面とすることができる。再帰反射表面は、曲面ミラーでの反射が原因となるイメージ・クロシング(image-crossing)効果を発生させない。しかしながら、この配置では、好ましい実施形態における裸眼立体画像形成システム１０により、虚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。

走査ボールレンズアセンブリ１００の実施形態例
図１１において、本発明の実施形態例が示されており、この中で、走査ボールレンズアセンブリ１００内の反射面１０２に代わり、部分的に反射するビームスプリッタ表面２０３が設けられている。この構成により、走査ボールレンズアセンブリ１００は屈折性の回転ビームスプリッタとして有効に動作する。原画素ライン３６からの光は、ビームスプリッタ表面２０３から反射して球面ミラー１５０に入り、ビームスプリッタ表面２０３を通って送られ、中間画像７６を形成する。図１１は、ひとつの考えられる走査経路を示しており、走査ボールレンズアセンブリ１００は時計回りに回転し、中間画像７６のラインを当初位置Ｉから次の位置Ｊまで追跡する。このような配置により、湾曲した原画素ライン３６が球面ミラー１６０の表面に複合されて戻される（conjugateされる）。球面ミラー１５０は、実質的に球面であり、その曲率中心は走査ボールレンズアセンブリ１００の中心Ｃと一致する。

図１１に示される光学コンポーネントの別の配置には、新たな実践的設計上の利点がある。原画素ライン３６と球面ミラー１５０の複合表面（コンジュゲートサーフィス: conjugate surface）の間の倍率により、原画素ライン３６は他の実施形態で実現可能なものより大きくなり、サイズ上の制約を軽減し、原画素ライン３６の発生コストを削減することができる。

両眼画像連続形成の実施形態
裸眼立体画像形成システム１０の別の実施形態は、電気機械的回折格子光変調器８５の速度を利用し、ひとつの改造型画像生成システム７０’を使って左眼と右眼両方の画像を提供する。図１２に示すコンポーネント配置を使い、改造型画像生成システム７０’は高速で周期動作を行い、連続画像投射が可能となるのに十分な速度で高速に左側中間画像７６ｌと右側中間画像７６ｒを形成する。図１２において、改造型画像生成システム７０’は、左右両側の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｒおよびビームスプリッタ１４０、ミラー１４２で構成される。画像をレンズ７５に提供する上流の画像形成コンポーネントは、図８ｂに示すものと同じである。左右の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌと１００ｂの回転と同期された適正な画像データのローディングを調整するために必要な、各種のタイミング、同期および画像データ経路論理コンポーネントは図示されていない。

前述のとおり、走査ボールレンズアセンブリ１００の回転中にある程度の「デッド・タイム」があり、この間、反射面１０２は中間画像７６を形成するのに適した角度ではなくなる。図１３を見ると、図１２の配置は両側の走査ボールレンズアセンブリ１００のデッド・タイムを同期させ、右側走査ボールレンズアセンブリ１００ｒのデッド・タイムの間に、左側走査ボールレンズアセンブリ１００ｌを使って左側中間画像７６ｌが形成されるようにする。これに対応し、右側中間画像７６ｒは、左側走査ボールレンズアセンブリ１００ｌのデッド・タイム中に右側走査ボールレンズアセンブリ１００ｒを使って形成される。この配置により、左右の中間画像７６ｌと７６ｒの投射の間にシャッタが不要となる。

図１２において、変調光の画像経路は次のとおりである。レンズ７５は変調光をビームスプリッタ１５０に向け、ビームスプリッタ１５０はその光を左右の画像形成経路に均等に分割する。各経路において、ミラー１４２が変調光を拡散表面３０に向け、それぞれ左右の原画素ライン３６ｌ，３６ｒを形成する。左側中間画像７６ｌは、左側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きに、図のように弧に形成される。そのすぐ後に、図１３に示されているように、右側中間画像７６ｒが、右側走査ボールレンズアセンブリ１００ｒによって形成される。この構成を使い、同じ画像が両側の走査ボールレンズアセンブリ１００ｌ，１００ｒに向けられる。走査ボールレンズアセンブリ１００の各々は、それぞれの中間画像７６を交互に形成するか、あるいはそれぞれのデッド・タイム中に不要な変調光を効果的に屈折させる。好ましい実施形態において、走査ボールレンズアセンブリ１００ｌ，１００ｒの回転角を一致させ、回転中、各々の反射面１０２ｌ，１０２ｒを実質的に平行な平面に保持する。別の配置も可能である。

ビームスプリッタ１４０は、レンズ７５からの光を左右別の経路に分割するための単純かつ安価なアプローチを実現するが、図１２と図１３の配置は利用可能な光の半分を無駄にする。それぞれ左眼、右眼について左右の原画素ライン３６ｌ，３６ｒを使って画像を形成するのに、レンズ７５からの光の全光線を利用できるように、光を切り替えることが有利である。光学分野において広く使用されている光の切り替え方法には、たとえば、反射された表面を機械的に操作する方法がある。図１４には、改造型画像生成システム７０’の別の配置が示され、この中で、レンズ７５からの光の全部が、左眼と右眼経路の間で連続的に切り替えられる。液晶シャッタ１８２が、レンズ７５からの入射光の偏光状態を回転することによって作動する。偏光ビームスプリッタ１８０は、ひとつの偏光状態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からの入射光を各偏光状態に切り替えることにより、液晶シャッタ１８２は、左側および右側走査ボールレンズアセンブリ１００ｌ，１００ｒと同期して、光を左側または右側の原画素ライン３６ｌまたは３６ｒのいずれかに有効に向ける。同様に、液晶シャッタ１８２の代わりに、偏光状態を連続的に切り替える回転波長板を使用してもよい。図１４に関して説明したように、偏光状態を切り替える方法には、レンズ７５から出る各色の光が同じ偏光状態を持っていることが必要となる。これは、従来のタイプの色結合コンポーネントでは達成しにくいかもしれない。しかしながら、光学設計分野で周知の方法により、マルチオーダーの波長板を使っ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１４について、選択的に偏光状態を変更するためのひとつの方法では、レンズ７５と液晶シャッタ１８２の間に設置された、適当な設計のマルチオーダー波長板を使用する。

図１５ｂ、図１５ｃにおいて、光を切り替えるためのさらに別の方法により、パターン化されたミラー１５６を使用する。この方法は、電気機械的回折格子光変調器８５から変調された光の空間パターンを利用する。図１５ａに示し、また米国特許第６，４１１，４２５号において詳しく説明されているように、このパターンは本質的に、第一の回折オーダー１７１と第二の回折オーダー１７３で構成される。図１５ｂに示すように、パターン化されたミラー１５６は、反射部１５２と透過部１５４を有し、その寸法は、第一の回折オーダー１７１と第二の回折オーダー１７３の空間位置に対応する。図１５ｂに示されるように、パターン化されたミラー１５６のある位置において、透過部１５４は、第一と第二の回折オーダー１７１，１７３が透過されるよう整列される。次に、図１５ｃに示されるように、パターン化されたミラー１５６を横方向に移行させることで、図１５ｃにおいて概略が示されている第一と第二の回折オーダー１７１，１７３が反射されるように、反射部１５２が整列される。図１５ｂと図１５ｃに描かれている位置の間での往復運動により、パターン化されたミラー１５６は光学スイッチを形成し、これを図１２のビームスプリッタ１４０の位置に設置し、レンズ７５からの光の全部を左右の原画素ライン３６ｌ，３６ｒに交互に向けることができる。

図１２、図１３、図１４の配置はコスト面で有利であることがわかる。なぜなら、同じ画像変調およびコンディショニングコンポーネントを左右の画像経路に使用できるからである。図１２、図１３、図１４に示す光学コンポーネントの配置は、電気機械的回折格子装置のほか、別のタイプの線形画像変調器と一緒に使用することが可能である点を強調することが重要である。たとえば、図１２、図１３、図１４に示されるアプローチは、共振ファイバ、走査レーザーまたはその他ポイントソース、あるいは同時係属中の米国特許出願第１０／０１０，５００号および第１０／０９５，３４１号に記載されているような線形ＬＥＤと一緒に使用することが可能である。そのため、単独の線形画像変調コンポーネントは、この配置によって左右両方の中間画像７６を提供することができる。

４色以上を使用する配置
図１６において、好ましい実施形態による、マルチカラー線形変調器としての４色画像生成システム７０の色生成コンポーネントの配置が示されている。図８ｂに関して述べたように、各色の経路に固有のコンポーネントには付属文字の符号が付与される場合があり、ｒ，ｇ，ｂは従来の赤、緑、青、ｙは４番目の色を表し、これは黄色、黄緑、青緑その他、色再現域の拡張に適した色とすることができる。赤と青の別々の変調経路において、光源２０ｒと２０ｂは、ゼロオーダー反射のためのストッパの役割も果たすミラー８２を回転することにより、それぞれの電気機械的回折格子光変調器８５ｒ，８５ｂに向けられる。変調された赤と青の光は次に、色結合キューブ７３により投射のため、共通軸Ｏにまとめられ、原画素ライン３６を形成する。緑と黄色の色変調回路は、偏光ビームスプリッタ９３を使い、異なる方法で扱われ、結合される。緑の光源２０ｇと黄色の光源２０ｙは、ダイクロイックコンバイナ９２により、偏光ビームスプリッタ９３に向けられる。偏光ビームスプリッタ９３は、ｐ偏向光を透過し、ｓ偏向光を反射する。両方向矢印で示されるｐ偏光状態の緑の光は、偏光ビームスプリッタ９３とリターダ９１ｇを通じて電気機械的回折格子光変調器８５ｇへと透過される。電気機械的回折格子光変調器８５ｇからの変調された緑の光は、再びリターダ９１ｇを通過した後にｓ偏光状態となり、変調された光を色結合キューブ７３へと向ける偏向ビームスプリッタ９３により反射される。黄色の光はまず、ダイクロイックコンバイナ９２で反射され、偏光ビームスプリッタ９３に向けられる。ｓ偏光状態を有する黄色の光は偏光ビームスプリッタ９３によって反射され、リターダ９１ｙから透過され、黄色の電気機械的回折格子光変調器８５ｙによって変調される。変調された黄色の光は再びリターダ９１ｙを通過し、偏光ビームスプリッタ９３から透過され、色結合キューブ７３に到達する。

好ましくは四分の一波長リターダであるリターダ９１ｇ，９１ｙは、それぞれ、入射する（入る）、および変調された（出て行く）緑と黄色の光の偏光状態を回転させる。その結果、変調された黄色の光は、偏光ビームスプリッタ９３から透過され、色結合キューブ７３によって共通軸Ｏに向けられる。マルチオーダーの波長板９７は、偏光ビームスプリッタ９３から出る変調光の偏光状態を修正し、変調された緑と黄色の両方の光が色結合キューブ７３による効率的な取扱を受けるのに必要な偏光状態を有するようにする。次に、色結合キューブ７３は、変調された光の全部を共通軸Ｏに沿って方向付け、拡散表面３０に原画素ライン３６を形成する。

図１６に示す配置は、４個の電気機械的回折格子光変調器８５を使っており、各色専用に利用される各々が同時に動作できる。ストッパ９５は、２つまたはそれ以上の色を結合する色経路についてゼロオーダーの反射をブロックする。最も単純な形態においては、ストッパ９５は反射性のものではない。

画像品質を落とすことなく、画像生成システム７０の複雑さを軽減し、コストを削減することが有利であると判断できる。図１７において、電気機械的回折格子光変調器８５を３個だけ使用することによってコストを削減した別の４色画像生成システム７０を示す。色結合キューブ７３の表面について直角に配置された３個の電気機械的回折格子光変調器８５は、反射鏡８２を必要とせず、ゼロオーダーの反射をブロックするためのストッパ９５だけが必要である。電子機械的回折格子光変調器８５ｒと８５ｂは、それぞれ光源２０ｒと２０ｂからの赤と青の光を変調し、変調された光を、回折オーダーとして、色結合キューブ７３に向ける。次に、色結合キューブ７３は、変調された赤と青の光を共通軸Ｏに向け、投射によって拡散面３０上に原画素ライン３６を形成する。しかしながら、黄色と緑の色変調の扱いは異なる。電気機械的回折格子光変調器８５ｇｙは、ダイクロイックコンバイナ９２から透過された光源２０ｇからの緑の入射光を受ける。光源２０ｙからの黄色の光は、ダイクロイックコンバイナ９２から反射され、電気機械的回折格子光変調器８５ｇｙに入る。電気機械的回折格子光変調器８５ｇｙは、一度に１色しか変調できないため、コントロールプロセッサ１１１を設け、たとえば６０Ｈｚ等、人間の観察者には知覚できない速度で、両方の色の変調を連続的に行うよう、交互に光源２０ｙと２０ｇを照明する。光源２０ｇと２０ｙがレーザーの場合、コントロールプロセッサ１１１は、レーザーの出力を直接周期的に変化させることにより、この多重化動作に十分な速度で照明を制御することができる。あるいは、この目的で、照明経路にシャッタ（図示せず）を使用することも可能である。

さらに図１７において、黄と緑の経路について示されたパターンを反復することにより、４色について電気機械的回折格子光変調器８５が２個しか必要でないように、コストを一層削減することが可能であることに注意すべきである。つまり、赤と青の光源２０ｒと２０ｂは、別のダイクロイックコンバイナ９２に向けることができ、赤と青の光についてひとつの電気機械的回折格子光変調器８５は、コントロールプロセッサ１１１によって制御され、多重化されたカラー画像を形成し、これが色結合手段７３に向けられる。

図１７の全体的配置で、図１６について説明したものと同様の、偏光状態を使って光を分離する技術を使い、ダイクロイックコンバイナ９２の代わりに偏光ビームスプリッタ９３を使用することができる。しかしながら、これにはマルチオーダーのリターダの使用が必要で、同じ電気機械的回折格子光変調器８５によって２つの異なる色が変調される場合、変調後の各色が適当な偏光状態を持つようにする必要がある。

カラー多重化線形変調器を使用する場合、二次元画像が形成される際、個々の色のラインが若干ずれることによって生じる、意図しなかった画像形成異常が発生することがあると認められる。若干のずれを補償する技術には、同じ線形変調器を共有する色の連続を周期的に変える方法がある。

図１８において、４色画像生成システム７０のための別の配置が示されている。ここで、色結合キューブ７３のために、緑と黄の色変調経路を結合するのにダイクロイックコンバイナ１１３が使用される。各コンポーネントカラーについて、別の電気機械的回折格子光変調器８５が使用される。

図１９において、共振ファイバスキャナ１３７を使用したマルチカラー線形変調器としての４色画像生成システム７０の別の配置が示されている。共振ファイバ光学走査において、ＥｒｉｃＪＳｅｉｂｅｌ，ＱｕｉｎｎＹ．Ｊ．Ｓｍｉｔｈｗｉｃｋ，ＣｈｒｉｓＭ．Ｂｒｏｗｎ，ＰｅｒＧ．ＲｅｉｎｈａｌｌによるＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４１５８（２００１）の２９−３９ページに掲載された記事、”ＳｉｎｇｌｅＦｉｂｅｒＥｎｄｏｓｃｏｐｅ：ＧｅｎｅｒａｌＤｅｓｉｇｎｆｏｒＳｍａｌｌＳｉｚｅ，ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄＷｉｄｅＦｉｅｌｄｏｆＶｉｅｗ”（シングル・ファイバ・エンドスコープ：小型、高解像度、広視野のための一般設計）の中で説明されているように、光ファイバ素子が共振周波数で作動され、これにより、たとえば線形ラスタパターン等、規則的パターンの小さな領域について制御可能な走査を行う。同じ譲受人に譲渡される同時係属中の米国特許出願第１０／０９５，３４１号は、裸眼立体ディスプレイにおける３色画像を形成するための共振ファイバ走査の使用を開示している。図１９において、赤の光源１４３ｒ、緑の光源１４３ｇ、青の光源１４３ｂ、黄の光源１４３ｙが設けられ、それぞれ、その光を対応する赤、緑、青または黄の光ファイバ１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂ，１３８ｙに向ける。光導体として機能する光ファイバ１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂ，１３８ｙは、光をマルチカラー光ファイバ１３８ｔに方向付けて結合し、これにより、多分岐ファイバアセンブリ１５１を形成する。アクチュエータ１４１は、マルチカラー共振カンチレバー部１３９ｔを作動させ、有効な原画素１０４’を形成する。次に、レンズアセンブリ１２２は、これによって形成された走査画像を拡散面３０に投射し、原画素１０４を形成する。

共振ファイバスキャナ１３７により拡散面３０に追跡された走査パターンは、走査ボールレンズアセンブリ１００が操作する原画素ライン３６を形成することができる。あるいは、同じ譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第１０／０９５，３４１号において開示されているように、共振ファイバスキャナ１３７は、ラスタ走査パターンを追跡し、これにより、拡散面３０に二次元画像を生成する。米国特許出願第１０／０９５，３４１号において開示されているように、拡散面３０上に二次元画像を形成する場合、走査ボールレンズアセンブリ１００の代わりに固定ボールレンズアセンブリを使用することができる。

光源結合のためのその他の技術
レーザーの出力は、ひとつまたは複数のレーザー光線をひとつの光路にまとめることによって高められることが知られている。図２２について、画像生成システム７０は、赤、緑、青の電気機械的回折格子光変調器８５ｒ，８５ｇ，８５ｂを備える。特に赤の光路について、複数の赤の光源２０ｒ１，２０ｒ２，２０ｒ３が設けられている。ダイクロイックフィルタ４０ｒ１，４０ｒ２，４０ｒ３を使い、複数の赤の光源２０ｒ１，２０ｒ２，２０ｒ３からの光をひとつの経路にまとめ、これが電気機械的回折格子光変調器８５ｒによって変調される。この機能を持たせるために、個々の光源２０ｒ１，２０ｒ２，２０ｒ３の出力波長を、対応するダイクロイックフィルタ４０ｒ１，４０ｒ２，４０ｒ３のフィルタ特性と一致させる必要がある。図２４において、ダイクロイックフィルタ４０ｒ１，４０ｒ２，４０ｒ３についての一連の代表的応答曲線２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃが示されている。曲線２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃは、波長に対するパーセンテージとしてのフィルタ透過率をプロットしている。この原理を使い、図２２において示されているように、ダイクロイックフィルタ４０ｒ１は光源２０ｒ１からの光を反射し、光源２０ｒ２と２０ｒ３からの光は透過させる。同様に、ダイクロイックフィルタ４０ｒ２は、光源２０ｒ２からの光を反射し、光源２０ｒ３からの光を透過させる。ダイクロイックフィルタ４０ｒ３は、光源２０ｒ３からの光を反射し、ひとつまたは複数の追加光源２０からの光を透過させるよう設計することができる。光源２０ｒ３が一連の光源の最後である場合、ダイクロイックフィルタ４０ｒ３の代わりにミラーを使用するか、あるいは光源２０ｒ３を、ダイクロイックフィルタ４０ｒ２から直接透過されるように配置することができる。このパターンには、光源２０ｒ１，２０ｒ２，２０ｒ３を、ダイクロイックフィルタ４０ｒ１，４０ｒ２，４０ｒ３による選択的な反射と透過を可能にするのに十分な程度に相互に異なる、それぞれの波長に応じて分類することが必要である。図２４のグラフに戻り、光源２０ｒ１の出力波長と一致されたダイクロイックフィルタ４０ｒ１は、曲線２４０ａの透過応答特性を有する。これにより、ダイクロイックフィルタ４０ｒ１は、約６３８ｎｍ以上の赤の波長を少なくとも８０％の効率で透過させる。光源２０ｒ２の出力波長と一致されたダイクロイックフィルタ４０ｒ２は、曲線２４０ｂの透過応答特性を有する。これにより、ダイクロイックフィルタ４０ｒ２は、約６４８ｎｍ以上の赤の波長を少なくとも８０％の効率で透過させる。同様に、光源２０ｒ２の出力波長と一致され、曲線２４０ｂの透過応答特性を有するダイクロイックフィルタ４０ｒ２は、約６５８ｎｍ以上の赤の波長を少なくとも８０％の効率が透過させる。このパターンを使い、最も低い波長応答を有するダイクロイックフィルタ４０ｒ１は、これ以上のすべての波長を通過させる。その後のダイクロイックフィルタ４０はすべて、より限定的となる。

図２３において、図２２に示した連動光源の設計を延長したものが示されている。この中で、４つの異なる複合色経路が設けられ、ダイクロイックミラー４０は各色の光を電気機械的回折格子光変調器８５へと導く。

図２２、図２３に示すコンポーネント配置により、各色の経路内に、選択的に明るさを追加することができる。しかしながら、このソリューションが明るさを増す一方で、複合色のスペクトル純度が低下することから、必然的に色再現域の損失が起こる。

図１７、図１８に示すコントロールプロセッサ１１１は、光源２０ｒ，２０ｇ，２０ｂ，２０ｙの動作をさまざまな方法で指示するよう拡張することができる。明らかに、コントロールプロセッサ１１１は、図１７、図１８に関して説明したように、同じ電気機械的回折格子光変調器８５に向けられる２つの別個の光源２０の連続動作を制御できる。さらに、コントロールプロセッサ１１１は、視覚体験を最適化するために、いずれかの色の表示を所望のとおりに選択または禁止するようプログラムすることが可能である。たとえば、一部のタイプのシーンコンテンツは、たとえば３色のみを使用して生成すると有利な場合がある。

図１６、図１７、図１８、図１９、図２２、図２３は、画像生成システム７０の中でも色変調に使用されるコンポーネントだけを示していることを指摘しなければならない。原画素ライン３６を投射するための走査光学装置のメカニクスは、図８ｂについて前述したものと同様である。

図１６、図１７、図１８、図１９、図２３は、広い色再現域を実現するための好ましい色の選択、つまり、赤、緑、青、黄を示している。しかしながら、特定のタイプの画像または視覚条件には別の色も適しており、これもまた本発明の範囲内であることを強調する必要がある。

図１２、図１３、図１４の改造型画像生成システム７０’に示される光学スイッチ配置は、色光源２０の数がいくつのシステムにも使用できる。先の説明のように、これにより、単独の画像生成システム７０’は左眼と右眼両方の画像を提供することができる。

本発明の好ましい実施形態では、広い色再現域、例外的に広い視野、２０ｍｍに近い大きさの視覚瞳孔１４で、９０度の範囲を越えた立体画像形成に必要な明るさが得られる。さらに、走査ボールレンズアセンブリ１００は、優れた軸外れ性能を提供し、おそらくは最高１８０度までと、広い視野を実現する。これにより、観察者１２は、ヘッドセット、ゴーグルその他の器具を装用せずに、改善された視覚体験を得ることができる。

本発明は、特定の好ましい実施形態に関連して詳細に説明したが、前述のように、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者は、前述のように、また付属の特許請求範囲に記載されているように、各種の変更、改造を本発明の範囲内で実現することができることを理解すべきである。たとえば、サポートする投射光学装置、色の多重化および配列、鏡面について、本発明について開示されているコンポーネントの単一中心配置で使用できる多くの配置がある。

本明細書において説明された多数の色結合方法は、各種の空間光変調器を使って採用できる。たとえば、反射および透過液晶装置（ＬＣＤ）を光変調器として使用することができる。デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等のその他のタイプの画像変調器を、本発明の範囲内で、画像形成に使用することが可能である。４色バージョンではまだ市販されていないが、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤはさらに別の画像形成装置となる見込みであり、これらの装置は発生された光を直接変調し、中間画像を形成するための拡散面を提供するという利点がある。二次元空間光変調器を使用して別の色を結合する方法は、本願で説明した線形変調器について説明された方法に匹敵する。二次元空間光変調器を使用した裸眼立体表示装置について、同じ譲受人に譲渡された同時係属中の日本特許出願第２００１−３８３２００号を参照する。

裸眼立体画像形成システムにおける本発明による装置の主要コンポーネントを示す透視図である。光学的に展開した状態で、投射光学装置の実質的に同心円状の関係を示す、側面図である。光学的に展開した状態で、投射光学装置の実質的に同心円状の関係を示す、上面略図である。光学的に折り曲げた状態で、システムで使用される投射光学装置の同心円状の関係を示す略図である。ひとつの左側または右側画像について、線形画像生成システムと走査ボールレンズアセンブリとの協働から得られる走査動作を示す透視図である。原画素の連続ラインが、走査ボールレンズアセンブリによって投射された湾曲線形画像源（イメージソース:image source）を形成し、二次元中間画像を形成する様子を、詳細部を誇張して示す透視図である。湾曲線形画像源と走査ボールレンズアセンブリとの関係と、捜査された中間画像を形成するためのこれらのコンポーネントの相互作用を示す上面図である。湾曲線形画像源と走査ボールレンズアセンブリとの関係と、捜査された中間画像を形成するためのこれらのコンポーネントの相互作用を示す上面図である。湾曲線形画像源と走査ボールレンズアセンブリとの関係と、捜査された中間画像を形成するためのこれらのコンポーネントの相互作用を示す上面図である。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。本発明の画像生成システムにおける、１色の線形走査メカニズムを示す略図である。画像生成システムのコンポーネントの複合的な３色配置を示す略図である。曲面ミラーと実質的な近軸光学装置を使った、別の実施形態による裸眼立体画像形成システムのための、本発明による装置の主要コンポーネントを示す透視図である。フレネルミラーと実質的な近軸光学装置を使った、さらに別の実施形態による裸眼立体画像形成システムのための、本発明による装置の主要コンポーネントを示す透視図である。走査ボールレンズアセンブリにビームスプリッタ表面が備えられた別の実施形態を示す略図である。左眼と右眼の別の視界のために生成された画像を逐次的に走査するコンポーネントの配置を示す略図である。図１２の配置を使用した、右眼画像の逐次的生成を示す略図である。左眼および右眼画像の逐次的生成のための別の実施形態を示す略図である。選択された実施形態において使用されるパターン化されたミラーの動作を示す平面図である。選択された実施形態において使用されるパターン化されたミラーの動作を示す平面図である。選択された実施形態において使用されるパターン化されたミラーの動作を示す平面図である。４色画像生成システムのための配置の一例を示す略図である。３つの光変調機を使用した４色画像生成システムの別の配置を示す略図である。各色変調経路に反射鏡を使用した、４色画像生成システムの別の配置を示す略図である。共振光ファイバを使用した、４色画像生成システムのブロック図である。３つのコンポーネントカラーで画定される一般的な色空間を示すグラフである。４つのコンポーネントカラーで画定される色空間を示すグラフである。３つのコンポーネントカラーの経路内で結合される複数の有色光源を使った配置を示す略図である。３つのコンポーネントカラーの経路内で結合される４つの有色光源を使った配置を示す略図である。狭い波長範囲についてのカラーフィルタの代表的特性曲線を示すグラフである。

符号の説明

１０裸眼立体画像形成システム、１２観察者、１４視覚瞳孔、１６，１４０ビームスプリッタ、２０光源、２２焦点面、２４，１５０曲面ミラー、２５光学軸、３０拡散面、３２モータ、３６原画素ライン、４０ダイクロイックフィルタ、４２，４４メニスカスレンズ、４６球面レンズ、４８，９５ストッパ、５２中間線画像、６６フレネルミラー、６８人間の目の瞳孔、７０画像生成システム、７２球面レンズ、７３色結合キューブ、７４円柱レンズ、７５レンズ、７６中間画像、８２反射鏡、８３ミラー、８５電気機械的回折格子光変調器、９１リターダ、９２，１１３ダイクロイックコンバイナ、９３偏光ビームスプリッタ、９７マルチオーダー波長板、１００走査ボールレンズアセンブリ、１０１ボールレンズ瞳孔、１０２反射面、１０４原画素、１０６虚像、１０８画像画素、１１１コントロールプロセッサ、１１２半球レンズセグメント、１２２レンズアセンブリ、１３７共振ファイバスキャナ、１３８光ファイバ、１４１アクチュエータ、１４２ミラー、１４３光源、１５１多分器ファイバアセンブリ、１５２反射部、１５４透過部、１５６パターン化されたミラー、１７１第一の回折オーダー、１７３第二の回折オーダー、１８０偏光ビームスプリッタ、１８２液晶シャッタ、２００目に見える色再現域、２０２デバイス色再現域、２０３ビームスプリッタ表面、２０４拡張されたデバイス色再現域。

Claims

左側画像と右側画像からなるカラー立体画像を表示するための裸眼立体光学装置であって、
少なくとも４つの光源であって、各光源の色はそれぞれ異なり、変調されていない入射光線を供給する光源と、
前記入射光線を変調して変調光線を生成する少なくとも１つの画像変調器と、
前記変調光線を１つの光軸上に結合するカラー結合器と、
曲面反射面と、
前記変調光線を前記曲面反射面に向けることで二次元仮想画像を形成する光学システムであって、結合された変調光線を反射する少なくとも一つの反射面を有するボールレンズセグメントを有し、前記ボールレンズセグメントは軸を中心に回転し、前記二次元仮想画像を形成するために一連の中間線画像を形成する光学システムと、
を有する画像生成システムを備えることを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項１に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記左側画像は左側視覚瞳孔に提供され、前記右側画像は右側視覚瞳孔に提供されることを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項１に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記画像生成システムは、左側画像と右側画像を交互に繰り返し形成することを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項１に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記画像生成システムは、２つの前記画像変調器を用いて左側画像と右側画像を同時に形成することを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項１に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記画像変調器の少なくとも１つは、線形画像変調器であることを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項１に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記画像変調器の少なくとも１つは、二次元空間光変調器であることを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項１に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記色は、赤、緑、青、青緑、黄緑、黄色からなるグループから選択されることを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項５に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記線形画像変調器は、共振光ファイバ、電気機械的回折格子装置、等角回折格子装置、回折格子ライトバルブからなるグループから選択されることを特徴とする裸眼立体光学装置。
請求項６に記載の裸眼立体光学装置であって、
前記二次元空間光変調器は、反射ＬＣＤ、透過ＬＣＤ、デジタルマイクロミラーデバイスからなるグループから選択されることを特徴とする裸眼立体光学装置。