JP5004470B2 - 三次元的な凸状表示面を有する投影型ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、投影型ディスプレイ装置に係り、特に、半球形より大きい形状の三次元的な凸状表示面に像を投影することができる投影型ディスプレイ装置に係る。

多くの研究分野において、球面全体を覆う像を生成することができるディスプレイ装置、より一般的には、凸形状の表面全体を覆う像を生成することができるディスプレイ装置の提供が永年にわたり目標とされてきた。このようなディスプレイ装置は数多くの用途に用いられる。例えば、宇宙科学の分野においては、地球上の気候や温度等の情報を表示するためにディスプレイ装置が用いられる。薬学の分野においては、分子を視覚化するという用途ある。建築学の分野では、建物を視覚化するという用途がある。勿論、その他の用途もある。

このようなディスプレイ装置の製造が試みられてきたが、その試みはいくつかのカテゴリに分類することができる。あるカテゴリにおけるディスプレイ装置は、光を個々に導き放射する複数の要素を有するものであり、例えば米国特許第５，０３０，１００号に示されるような「環境ディスプレイ装置」が挙げられる。しかしながら、通常、このような装置は高コストであり、製造が困難である。また、ＬＥＤや光ファイバの導体等、何千もの微細な要素を必要とすることが多く、高解像度ディスプレイを実現するためには、上記要素の表示端を極めて正確に配置しなければならない。光ファイバ導体の場合、通常、該導体の両端を正確に配置しなければならない。例えば、最新のコンピュータ・ディスプレイ装置の一般的な解像度は１０２４×７６８画素である。これと同様な解像度を有するディスプレイ装置を実現するためには、７５０，０００個以上の要素が必要となる。更に、ディスプレイを外部から見る場合、通常、上記要素の非表示部分（例えば、ＬＥＤの配線やファイバ）は、ディスプレイの内部を通る。このように多数の要素がディスプレイの内部を通るため、ディスプレイは、通常、後で接着される複数の構成要素から成る。しかしながら、観察者により容易に検出され得る継ぎ目が生じてしまう。

別のカテゴリにおける方法では、ディスプレイ装置は、継ぎ合わされた多数のディスプレイから構成され、セグメント化されたディスプレイを形成する。この方法の例としては、米国特許第５，０２３，７２５号の「１２面体撮像方法及び装置」、及び米国特許第５，７０３，６０４号の「没入式１２面体映像ディスプレイ装置」が挙げられる。しかしながら、この方法では、各ディスプレイの一部に投影される複数のソース画像（各ディスプレイに対して１つ）が必要とされる。上記装置は、得られた複合画像における継ぎ目、重複部分、又は位置合わせ誤差の補正を図るものである。上記装置は、単一のプロジェクタを用いる装置と比較して、製造、組み立て、位置合わせのコストが大幅に高くなることがある。加えて、上記装置は、プラネタリウム表示や飛行シミュレーション用のドームのように、観察者が表示面の内側に位置する場合に使用されることが多い。何故なら、その後上記複数の画像ソース及び投影光学部品が、より大きな空間がある表示面の外側に位置されることがあるからである。このカテゴリのディスプレイ装置は、画像ソースや投影光学部品のサイズや配置の複雑さのため、透過型ディスプレイ（即ち、外部から観察されるディスプレイ）には適さず、また、より小さいサイズの表示面にも適さない。

別のカテゴリとしては、米国特許第６，３２７，０２０号の「フルサラウンド球形画面投影装置及びその記録装置」に例示されるような凸状反射板がある。しかしながら、このような装置もまた数多くの制約を受ける。このような装置の重大な欠点の一つは、通常、光が全く見えない死角が存在することである。例えば、ある一般的な設計では、プロジェクタが表示面の内部に突出している。画像は、該プロジェクタから凸面鏡、反射鏡、表示面に反射される。凸面鏡は、表示面の内部の奥に位置する。この形状では、プロジェクタの位置、凸面鏡の前方若しくは後方、反射鏡の後方、及び／又は該鏡の支持台の後方に死角が生じる。多くの状況において、例えば、観察者がディスプレイに近づいてあらゆる角度からディスプレイを見ることが出来る外部観察ディスプレイや、観察者が宇宙に囲まれるプラネタリウムのように観察者が自由に見たい方向を見ることができる内部観察ディスプレイにおいて、上記のような死角が顕著となる。加えて、凸面鏡はプロジェクタよりも大幅にサイズが大きいため、プロジェクタ単体により生じる死角よりもはるかに大きな死角が生じてしまう。

別のカテゴリにおける方法としては、例えば米国特許第６，１８３，０８８号の「三次元的なディスプレイ装置」に示されるような三次元ディスプレイがある。この方法では、（非平坦な表面へのピクセルの投射と対照的に）ボクセルの一群として描写される表示を生成するために何らかの複合機構が用いられる。しかしながら、上記ディスプレイは、通常、外部からの観察に限定される。また、上記ディスプレイは相当な量のカスタム電子機器及び複合機械的機構を必要とするため、一般的に高コストである。また、こうしたことは信頼性の面での問題にもつながる。このように、上記ディスプレイは、通常、解像度が低く、色の範囲も狭い。

したがって、三次元的な（即ち、非平面的な）表示面上に画像を生成することができ、上述の欠点のうち一部又は全てを克服するディスプレイ装置が求められている。

本発明は、三次元的な凸形状を有する表示面を備えたディスプレイ装置を提供することにより、上述した従来技術の限界を克服する。投影装置は、表示面と同じ形状を有する連続像領域上に対象物領域を投影する。最大像距離と最小像距離との比は少なくとも１．７５である。加えて、像領域は少なくとも２４０度の角度に及び半球形より大きい範囲にわたるか、または、少なくとも３００度の角度に及び略完全な球形の範囲にわたる。別の実施例では、表示面を、球形、回転楕円形、直方体等、違う形状にすることもできる。

ある方法において、投影装置は、レンズ装置に光結合されたプロジェクタを有する。該プロジェクタによって生成された像領域は、レンズ装置の仮想対象物領域として用いられ、レンズ装置は、仮想対象物領域を表示面の内側に投影する。プロジェクタの例としては、デジタル・ビデオ・プロジェクタ、幻灯機、映写機、及び投影型テレビが挙げられる。別の方法では、投影装置は一体型の投影レンズ装置を有する。

ある用途においては、表示面が外部から観察される。この場合、表示面は半透明又は透過型であることが好ましい。別の用途では、表示面が内部から観察されるが、この場合、表示面は反射型であることが好ましい。

ある設計では、表示面が開口部を有し、像領域が、表示面の内面の開口部を除く略全体にわたっている。例えば、表示面の物理的支持部を用いて該開口部を見えないように隠すことにより、表示面全体に像が投影されているような錯覚を与えることができる。

本発明の他の側面には、上記投影装置に適しているレンズ設計、上記投影装置の用途、及び対応する方法が含まれる。

本発明の他の利点や特徴は、次に示す添付図面と合わせて、以下の本発明の詳細な説明及び添付請求項から明らかになるであろう。

図１は、本発明の実施例に係るディスプレイ装置を示す断面図である。本ディスプレイ装置は、三次元的な凸形状を有する表示面５と、投影装置７とから成る。該投影装置は、表示面５と同じ形状を有する連続的な像領域に対象物領域を投影することにより、表示画像を形成する。

また、図１に示すディスプレイ装置は、コンピュータ・ビデオ・ケーブル２によって投影装置７に接続されたコンピュータ・システム１を有する。投影装置７は、プロジェクタ３（この場合は、デジタル・ビデオ・プロジェクタ）及びレンズ装置４を有する。コンピュータ・システム１のビデオ出力ポートは、ケーブル２によってデジタル・ビデオ・プロジェクタ３に接続される。デジタル・ビデオ・プロジェクタ３は、コンピュータ・システム１からの映像信号を入力として取り込み、該映像信号を、液晶画面等の電子制御ディスプレイ上に表示する。ディスプレイ装置の他の構成要素がない場合、プロジェクタ３の光学部品が平面的な対象物（即ち、電子制御ディスプレイ）を平面像領域、例えば画面に投影する。通常、プロジェクタ３は、画面までの距離を変更できる焦点調節手段を有する。

しかしながら、投影装置７において、プロジェクタ３はレンズ装置４に光結合６される。したがって、プロジェクタ３からの平面像領域は、投影装置７全体の最終像領域とはならず、代わりに、レンズ装置４の対象物領域となる。レンズ装置４の配設位置のため、この中間対象物領域は仮想的なものである。レンズ装置４は、中間対象物領域を球形の表示面５上に投影する。換言すれば、レンズ装置４（及び投影装置７全体）の像領域は、表示面の凸形状に合致するように設計された凸形状を有する。本例では、表示面５は半透明である。表示面５の外部から見ると、図２Ｂに示すように、投影された画像は表示面５全体におけるかなりの部分を継続的に覆うように見える。プロジェクタ３の画像がリアルタイムで変化する場合には、表示面５に表示された画像は動的なものとなる。

本実施例ではデジタル・ビデオ・プロジェクタ３を用いるが、他の実施例では、別の用途に合わせて、他のプロジェクタ、例えば、幻灯機、映写機、及び投影型テレビを用いることもできる。更に、本実施例では球形の表示面５を用いたが、他の実施例では、別の形状及び大きさの表示面、例えば、回転楕円形の表示画面や、対象物に合致するような形状の表示面を用いることもできる。

また、上述のディスプレイ装置は、多様な用途に合わせて設計することができる。ある用途では、本ディスプレイ装置を、宇宙科学の分野において用いるよう設計し、地球等の惑星の画像を表示することを目的とする。該画像は、地理学、地質学、生物、地質構造学、及び気候等、数多くの事項に関するもの示す。この用途では、表示面５は、惑星の縮尺モデルであるかのような印象を観察者に与えるため、通常球形とされる。表示面５は様々なサイズにすることもでき、例えば、卓上に設置する場合や教室や実験室に設置する場合には、小さくすることができ、美術館の展示に用いる場合には大きくすることができる。

また、用途に応じて、上記画像の解像度及び上記画像の供給源を変えることもできる。例えば、ディスプレイ装置を地球の高解像度衛星画像を表示するために用いる場合、高解像度画像を表示することが可能な幻灯機又は映写機を投影装置７として用いることができる。地球の（又は他の惑星の）天候を比較的低い解像度の動画で表示したい場合には、例えば、比較的低い解像度のデジタル・ビデオ・プロジェクタ３を投影装置７として用いることができる。投影装置７は、照明を消した教室で用いる少量の光、又はプラネタリウムで用いる大量の光を投影することができる。

別の用途では、表示面が対象物に合致する形状になるように、ディスプレイ装置を設計する。例えば、航空用に略コックピットの形状にしたり、建築用に略矩形（即ち、建物の形状）としたり、又は、自動車用に略車体の形状とすることができる。表示面は、対象物の形状に正確に合致させる必要はない。更に、表示面は別の大きさにすることもでき、具象的は表示を行うためにより小さくしたり、よりリアルに又は詳細な表示を行うために実物大以上の大きさにすることもできる。

仮想現実の用途では、観察者が外部からではなく内部から表示面を見ることができるようにディスプレイ装置を設計することができる。表示面の構造は、観察者の位置によって変えてもよい。例えば、外部から見る場合には半透明の表示面が好ましく、内部から見る場合は反射型のものが好ましい。加えて、表示面から観察者の位置までの光を集める（又は分散させる）ために様々なタイプの拡散機を用いることができる。表示面に対する観察者の位置に応じて、投影装置の光軸を観察者の上部又は下部や、観察者に対してある角度をなす位置に設定することができる。

また、ディスプレイ装置を娯楽産業において、例えば特殊効果に用いるために設計することもできる。これには、思い付く限りあらゆる形状に表示面を合わせることが必要となり得る。例えば、顔及び頭の特徴をモーフィング表示するために、ディスプレイ装置を頭全体（又は略頭全体）の形状することができる。

読み取った画像を三次元的に表示することが望ましい生命科学の分野において、ディスプレイ装置は立体投影装置を用いることができる。更に、ＤＮＡを立体的に表示するようディスプレイ装置を設計する場合には、視覚化する分子が細長いため、球形ではなく回転楕円形の表示面を用いることが出来る。

また、ディスプレイ装置を消費者市場用に設計することもできる。この場合は、製造量が大きくなり、製造コストを低くする必要があり得る。その結果、より少ない数の部品を用い、プラスチック、アクリル、又はその他の低コスト材料によって製造するようにディスプレイ装置を設計する。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、実施例に係るディスプレイ装置の斜視図及び破断図である。本実施例では、プロジェクタ３をハウジング２１内に取り付ける。レンズ装置４はプロジェクタ３の真上に取り付ける。ある実施例では、プロジェクタ３に機械的に取り付けられるように設計される。レンズ装置４は、ハウジング内の整合孔を介して光を投影する。レンズ装置４の最終光学面２３はハウジング２１の上面と略面一である。表示面５は、ハウジング２１の上部に直接取り付けられる。表示面５は、レンズ装置４の最終光学面２３の大きさに合致した開口部を有する。他の実施例では、表示面５はレンズ装置４に機械的に取り付けられる。

プロジェクタ３は、垂直に設置されたレンズ装置４内に垂直に突出する。プロジェクタの光軸はレンズ装置４の光軸と一直線であり、レンズ装置４は、表示面５の軸と一直線である。投影装置７によって生成された画像は、表示面５の開口部を除く略全面を覆う。像領域は、レンズ装置４の最終クリア面近傍で略閉じている。ハウジング２１は表示面５を物理的に支持する。また、ハウジング２１は、表示面５の開口部及びレンズ装置４を覆う。

このような構造は、設計及び製造がより簡単である。レンズが見えない上、表示面のごく一部のみが取付けのために用いられるため、観察者から見て見栄えがよい。投影された画像が表示面の３６０度全体に広がっているような印象を観察者に与える。

他の実施例では、各種用途に合わせて、プロジェクタを水平に設置したり、その他の向きに設置したりすることができる。プロジェクタは、レンズ装置と同一の光軸を共有しないこともあり、その場合には間に光学部材を追加する必要がある。同様に、レンズ装置の光軸は垂直である必要はない。例えば、ある変形例では、ハウジングを長細くせず平坦かつ幅広にできるように、プロジェクタ３を水平に設置することにより、卓上での使用により適したものとする。更に、レンズ装置４の光軸を垂直線に対して２３．５度傾斜されることにより、地球の画像を表示する際に、太陽に対して適切な角度に見えるようにする。水平に設置したプロジェクタ３からの光を傾斜させたレンズ装置４に結合するため、ミラーやその他の光学部品を用いる。

図３Ａ及び３Ｂは、図１及び図２に示すディスプレイ装置に適したレンズ装置４の断面図である。図３Ｃは、レンズ装置４の設計パラメータ情報を示す表である。第1の表３３１に示す「レンズデータ」は、要素の曲率、厚さ、空隙、開口半径、及びガラスの種類を示す。第２の表３３２に示す「非球面データ」は、非球面の球面係数及び二次係数を示す。第３の表３３３に示す「屈折率」は、レンズ材料の屈折率を示す。第５の表３３４に示す「レンズの近軸設定」は付加的な関連データを示す。

図３Ａは、レンズ装置４から表示面５上への光線の軌跡を示す断面図である。様々な光束が示されているが、光束３１０Ａは先端の像点３１２Ａに向かい、光束３１０Ｊは最大視野像点に向かう。本例のディスプレイ装置において、レンズ装置４の上流に位置するデジタル・プロジェクタ３としては標準的なものを用いる。標準的な市販のプロジェクタは、一般に平面的な表示面が位置する数フィート先の像平面に光を投影する。その結果、プロジェクタ３からの像は、レンズ装置４の仮想対象物として用いられる。レンズ装置４は、表示面５の形状に合致するように該仮想対象物領域を三次元の連続的な像領域に投影する。

図３Ｂにおいて、レンズ装置４は以下のように動作する。２枚の第１レンズ３２２、３２３が、アクロマティックダブレットを形成する。このレンズ群は、レンズ装置の絞りに近接し、縦色収差を補正する。

第２のレンズ要素３２４は非球面を有し、２つの目的を果す。第１に、正の倍率を提供し、第１のレンズ群３２２、３２３と最終レンズ群３２５、３２６、３２７との間で部分視野レンズとして機能する。第２に、視野が高くなるにつれ、上記非球面により像距離を大幅に減少することにより、頂上の像点における像距離が、最大視野像点における像距離よりも大幅に長くなる。これは、ひとつには、様々な光束が非球面で物理的に分離されるからである。例えば、先端の像点に向かう光束３１０Ａは、非球面の開口全体の一部が軌跡３１４Ａとなっている。最大視野像点に向かう光束３１０Ｊもまた、小さい軌跡３１４Ｊを有する。２つの軌跡３１４Ａ、３１４Ｊは、重複しない。したがって、軌跡３１４Ｊの周囲の非球面は、光束３１０Ａに影響を与えずに、光束３１０Ｊの像距離を短縮するように設計できる。

表示面が別の形状を有する場合、該形状に対応して非球面を設計することができる。場合によっては、視野が高くなると、像距離が（短くなる代わりに）長くなる。一般的に言えば、像距離は視野の高さに応じて大幅に変化する。大まかに言うと、最大像距離と最小像距離の比は少なくとも１．７５である。

表示面の範囲の別の尺度としては角度の範囲がある。大雑把に言えば、半球面が１８０度の範囲に及び、完全な球面が３６０度の範囲に及ぶ場合、表示面は少なくとも２４０度の角度の範囲に及ぶ。３００度以上の範囲が望ましい。

第３のレンズ群は、３枚の球面レンズ３２５、３２６、３２７から成る。このレンズ群は負の倍率を有し、視野が高くなるにつれて光束の出射角を大きくする。例えば、頂上の像点に向かう光束３１０Ａは、光軸に対して０度の角度で第３のレンズ群に入射し、同じ角度で第３のレンズ群から出射する。一方、最大視野像点に向かう光束１３０Ｊはある角度で第３のレンズ群に入射するが、光軸に略直交する出射角で第３のレンズ群から出射する。このように、レンズ装置４は、凸状の表示面５の略全体に及ぶ像領域を形成する。第３のレンズ群がこのような効果を生じるのは、ひとつには、様々な光束の軌跡が物理的に分離するからである。したがって、光束３１０Ａに影響を与えることなく、様々な光学的効果が光束３１０Ｊに与えられる。

本実施例では、第３のレンズ群３２５、３２６、３２７の各要素は、縁部に平面（例えば３１６及び３１７）を有し、直接的に積み重ねられる。これにより、製造にかなりの精度が要求されるスペーサを設ける必要が無くなるため、本設計における鏡筒３２８のコストを削減できる。また、レンズ装置４に焦点機構が設けられていないため、コストを削減できる。プロジェクタ３は、上下方向台形歪補正機能を有する焦点機構として機能する。他の実施例では、レンズ装置４の内部に焦点機構を設けることもできる。

レンズ装置４は、表示画面までの距離に合うように像距離を変えることができる。従来の魚眼レンズは、通常、カメラと併用されるが、無限共役距離を取るため、本件の用途には適さない。レンズ装置４は、視野位置に応じて焦点サイズを均一にできるため、図４Ａ〜４Ｃに示すように、全ての視野高さにおいて焦点を合わせることができる。

図４Ａ〜図４Ｃは、ＲＭＳ焦点半径４１及びＲＭＳ・ＯＰＤ４２と部分対象物高さとの関係を示す図である。図４Ａは直径１２インチの表示面に対する図であり、図４Ｂは直径１４インチの表示面に対する図であり、図４Ｃは直径１８インチの表示面に対する図である。部分対象物高さは、像の頂点では０．０、赤道では約０．４、南緯約７５度では１．０である。本例では、像領域の範囲は、約３３０度の角度に及ぶ。図４Ａ〜図４Ｃは、プロジェクタの焦点を変えずに、様々な直径の表示面に対する全ての視野高さにおいて好ましいＲＭＳ半径４１を得ることができることを示している。ある特定の表示面の直径に対応させるため、プロジェクタの焦点を変え、上下方向台形歪補正機能を潜在的に実行することにより、ＲＭＳ焦点半径曲線を更に向上することができる。

図３〜図４に示す本例のレンズ装置４は、１２〜２２インチの直径を有する球形の表示面５の範囲内で機能するように設計されている。デジタル・プロジェクタ３の焦点を調節するだけで、様々な用途に好適に、レンズ装置の焦点を直径２０フィートの表示面に合わせられる事が確認されている。

ある好適な実施例では、ＲＭＳ焦点半径４１はデジタル・ビデオ・プロジェクタの表示解像度に対して最適化されている。レンズの設計は、解像度がより高いスライド・プロジェクタ等投影装置に合わせて更に最適化することが可能である。更に、より少ない数のレンズであって、その全てが非球面であるレンズを用いるレンズ設計により、同様のレンズ性能を発揮することが可能である。例えば、４枚（若しくは、４枚より少ない枚数の）非球面レンズによって、図３〜図４に示す６枚組のレンズと同様な性能を発揮することができる。

図５は、表示面５の一例を示す断面図である。本例において、表示面５は、半透明になるようにガラス製マイクロビーズの懸濁液を含有する複数層の透明なアクリル塗料５２によって内側が覆われている透明アクリル材料５１単体から成る。防眩性塗料５３が表示面５の外側に塗布されている。他の実施例では、別の材料、例えば、ガラス、ポリエチレン、ゴム、又は各種プラスチック等を透明アクリル材料５１に代えて用いることができる。また、内面及び／又は外面上にニス及び染料を含む塗料を塗布してもよいし、塗布しなくてもよい。また、様々な表面処理を施すことができる。

本例の表示面５の利点の一つは、位置合わせして接着しなければならない継ぎ目の無い一体的なものとして製造できることである。例えば、ブロー成形したアクリルやバルーンを表示面５とすることができる。このように、比較的簡単に製造できるため、製造コストを削減し、画質を向上することができる。

図６Ａ〜図６Ｃは、好適な一実施例における投影装置７の対象領域と像領域との関係を示す。図６Ａにおいて、対象点により生成された光線６１４は、投影装置７（図６Ａでは、説明を簡単にするためにレンズ装置４のみを示した）によって表示面５上の各対応位置６１５に投影される。上記対象点の位置は、半径Ｒ及び経度λによって示すことができる。表示面上の対応位置６１５は、緯度θ６１６及び経度λによって示すことができる。好適な一実施例において、投影装置７及び表示面５は、光軸について軸対称である。その結果、ある半径Ｒにおける全ての対象点が、表示面５上における同じ緯度θの位置に投影される。経度λは同じままである。半径Ｒと緯度θ間をマッピングする投影装置を特徴付ける連続関数がある。例えば、図６Ａでは、Ｒ₁がθ₂にマッピングされ、Ｒ₂がθ₂にマッピングされている。図６Ｂに示すように、この連続関数は、（Ｒ，θ）座標系における連続的な曲線である。また、この連続関数は、コンピュータ・シミュレーション（例えば、レイ・トレーシング）又は経験的な測定法により決定することができる。

別の実施例では、例えば、表示面が光軸に直交する方向に細長い形状である場合、投影装置７及び表示面５は光軸について軸対称ではない。したがって、対象点を像点にマッピングする関数は、経度λも含む。これは、λ_Oがλ_Iに必ずしも等しくない場合には（Ｒ，λ_O）と（θ，λ_I）間をマッピングする連続関数である。

図６Ｃを参照すると、プロジェクタに入力された二次元的なソース像６３２と、表示面５に現れる像６３１との間に１対１の関係がある。結果として、投影装置７が上述のように一旦連続関数によって特徴付けられると、ある像６３１を表示面に投影することが望まれる場合、該像６３１に逆関数を適用することにより対応するソース像６３２が決定され得る。

軸対称を示す例では、座標空間（θ，λ_I）中の像情報から、上述した図６Ｂに示す連続関数を用いて、ソース画像の座標空間（Ｒ，λ）中の対応する像情報が生成される。図６Ｃにおいて、像６３１は格子状の経線及び緯線から成る。ソース像６３２では経線が同心円となり、緯線は放射状スポークとなる。像の頂点にある北極は、ソース像６３２の中央に位置する。

像の形式、座標系、及び元の像情報、及び表示座標系、ソース像の形式並びに要求される解像度等の要素に応じて、像情報変換、像抽出、像補間、テクスチャ・マッピング等の動作、又はその他のコンピュータ・グラフィクス動作によって、プロジェクタ３に表示する像６３２を作成することができる。

図７Ｃは、投影装置の対象物領域が矩形ではない場合におけるＰＣプロジェクタ・ディスプレイ７１上での画素の使用を示す図である。一般的に、デジタル・ビデオ・プロジェクタは、１０２４×７６８画素等、水平方向及び垂直方向に様々な解像度を通常有する矩形状のディスプレイを用いている。一方、表示画面５が軸対称である場合、理想的な対象物領域は、Ｘ方向及びＹ方向の解像度が等しくなる円形である。したがって、入力ディスプレイ７１と理想的な対象物領域とが一致しない。ある方法では、対象物領域７２がディスプレイ７１の短い辺に等しくなるように投影装置を設計するが、この方法では、ディスプレイ７１のかなりの部分が使用されないままとなる。代わりに、対象物領域７３をディスプレイの大きさより大きくすることもできる。ディスプレイ７１のうち、より多くの部分が使われることにより、解像度がより大きくなる。しかしながら、対象物領域７３の一部がディスプレイ領域７１の外側に位置することになり、表示面の該当部分には像が表示されない。この方法は、ある用途では効果的である。例えば、表示面の下面が観察者に見えない場合、可視像の解像度は、対象物領域７２の場合よりも有効解像度が大きくなる。

図８は、光学座標変換を示す図である。この図は、プロジェクタの入力ディスプレイ８３のより大きな部分を有効に活用するために光学技術をどのように利用するかについて簡単な一例を示す。例えば、デジタル・ビデオ・プロジェクタ８３内の楕円８２は、図７に示す領域７２の円形よりも多くの情報を含む。したがって、楕円８２を、レンズ装置４に入力するたに円形８４にマッピングすることばできれば、結果として表示解像度が大きくなる。これは、光路に対して４５度の角度ではないミラー８６を用いることにより、レンズ装置の搾り８５で達成される。電子制御式矩形ディスプレイにおいて得られる画素をより効果的に使用するためには、その他の光学設計も可能である。

また、この技術は、緯度にわたる線形画素密度に対して異なる線形画素密度を経度にわたって有する表示面上に像を作成することに用いられるが、ある用途では効果的な場合もある。例えば、回転楕円形の表示面の場合、長辺の軸に沿って画素解像度をより大きくすることが効果的な場合がある。

図９Ａ〜図９Ｃは、他の実施例に係る投影装置を示す図である。この実施例では、投影装置の光学部品に、既存のプロジェクタ３に追加されるレンズ装置４が含まれない。この投影装置における投影レンズ装置９１は、単一の一体型ユニットとして設計される。投影レンズ装置９１は、三次元的な表示面上に平面的な対象物領域の像を作成する。

図９Ａは、レンズ装置９１の断面図である。左側の垂直線９２は、例えばＬＣＤディスプレイやスライド等の対象物を示す。要素９１１、９１２は接着されて接合レンズを形成する。同様に、要素９１３、９１４が接着されて第２の接合レンズを形成し、要素９１５、９１６が接着されて第３の接合レンズを形成し、要素９１７、９１８が接着されて第４の接合レンズを形成する。レンズ装置９１の開口絞りは、要素９１６の若干右に位置する。

レンズ要素は、機能単位で、３つのレンズ群、すなわち要素９１１〜９１２、要素９１３〜９１８、要素９１９〜９２１に大きく分けられる。中央のレンズ群、すなわち要素９１３〜９１８は、略左右対称である従来の撮像レンズを形成する。つまり、左側のレンズ群９１１〜９１２及び右側のレンズ群９１９〜９２１がなくても、レンズ群９１３〜９１８は、曲率、厚さ、及び間隔に若干の変更を加えるだけで、対物面を左側にして、十分に補正された像を右側に示すことができる。これは、開口絞りの両側に左右対称に配置された一般的に正である要素を用いた略左右対称の配置によるものである。

接合レンズ９１１〜９１２は、入力光のテレセントリックを確保する機能を主に有する。

最終レンズ群９１９〜９２１は、強負メニスカス（strong negative miniscus）レンズ要素である。これらの要素の役割は、球形表示面の内側全体を占めるように光束を大きく偏向させることである。これらのレンズは、図３Ｂに示すレンズ３２５〜３２７と同様な役割を果たす。このような強負メニスカスレンズ要素は、枚数を多くすると各要素で必要な屈折力が弱まるため、例えば２枚や1枚ではなく３枚設けられているが、このように弱まった屈折力は、該要素によって引き起こされる収差、特に球面収差を減少させる。同様に、該要素は強負であるが、これは、各種面における光の屈折角度を小さくすることができるからであり、これにより、対応する収差を減少させる。

このような３枚の強負メニスカスレンズ要素から生じる深刻な光学収差の一つに、負球面収差がある。この負球面収差は、他の要素９１１〜９１８の正の屈折力により大部分は相殺されてきた。その他にも、何れかのレンズから生じる深刻な光学収差として、色収差がある。レンズ全体の色収差を克服するために、第１の８つの要素を４組のアクロマティックダブレットとして配置し、負の高分散要素を正の低分散要素と組み合わせてレンズ全体の色収差の純減を実現する。その結果、レンズ全体の色収差は大幅に減少する。

このレンズ設計では球面レンズしか用いないため、レンズの枚数が比較的多くなる。１枚以上の非球面レンズを用いることにより、より少ない枚数のレンズから成るにもかかわらず同程度の光学性能を示す投影レンズ装置を設計することができる。これは、製造量が多い場合に特に有効である。

図９Ｂは、投影レンズ装置９１のレンズデータを示す表である。図９Ｃは、投影レンズ９１及び直径１８インチの表示面に対する部分対象物高さに応じたＲＭＳ焦点半径４１及びＲＭＳ・ＯＰＤ４２を示す図である。

一体的な設計が有益な理由の１つに、製造面での経済性が挙げられる。ディスプレイ装置の製造量が少ない場合は、在庫品のプロジェクタを販売するメーカの製造量を増加させるとともに、プロジェクタ市場の価格競争力を高めるため、別体として設計したほうが有利である。一方、製造量が多い場合は、製造して組み立てる部品数を少なくできるため、より少ない数のレンズを用いた一体設計を採用したほうが有利である。

図１０は、観察者に示す立体像を作成するためディスプレイ・プロジェクタ１０３を立体プロジェクタとした他の実施例を示す。この構成においては、投影装置１０３に１又は２のビデオ入力１０１、１０２があり、投影装置には１又は２のプロジェクタを備えることができる。観察者が表示面５に対して定位置にいる場合は、各眼に対して１つずつ、計２つの固定像があることが望ましい。上述の技術を用いることにより、２つの所定像から２つ別々の平面的なソース像が作成される。得られた平面的なソース像は、立体プロジェクタで表示するために出力される。観察者は、プロジェクタに適したアイギア、例えば偏光立体プロジェクタ用の偏光眼鏡を装着する。

観察者が定位置にいない場合には、観察者１０４が視線追跡装置１０５を装着することにより三次元的な効果が得られる。視線追跡装置１０５によって観察者の位置及び視線の方向が得られる。各眼に対する所定像を作成するためには、公知の三次元グラフィックス技術が用いられる。前述のように、各眼に対して１つの平面的なソース像が作成され、その後、立体プロジェクタ１０３で表示するためコンピュータ・システム１によって出力される。

図１１Ａ〜図１１Ｆは、表示面５の他の実施例を示す図である。図１１Ａにおいて、表示面１１１は回転楕円形である。この形状の表示面の好ましい適用例では、縦長とすることができる分子１１２を表示する。この場合、表示面を縦長にすることが望ましい。図１１Ａにおいて、符号１１３はレンズ装置を示す。

図１１Ｂ〜図１１Ｃにおいて、表示面は、観察者１２４が内面上の様々な位置にいるドーム型の表示面１２３である。この実施例では、表示面１２３が半透明ではなく反射型のものである。この表示面の形状及び構成の好ましい適用例としては、宇宙科学分野での使用や仮想現実浸水装置としての使用が挙げられる。

図１１Ｄにおいて、表示面は略直方体１４５の形状を有する。この表示面の形状及び構成の好ましい適用例としては、建築前に建物の外観案を視覚化することが望ましい建築分野での使用が挙げられる。この形状と構成は、表示面を物理的な対象物に合わせた形状とする一例に過ぎない。

図１１Ｅにおいて、表示面は人物の頭１５１の形に形成されている。この表示面の形状及び構成が好適に適用される一例としては、エンタテインメント産業における特殊効果が挙げられる。なお、上記頭の形とした形状は、表示面が凸状のままになるように若干変更を加えることもできる。

図１１Ｆにおいて、表示面は半透明部分１６１と透明部分１６３とから成る。更に、第２の透明な表示面１６２が設けられている。光は、表示面の透明部分１６３を通過し、半透明な表示面１６２に到達する。このような構成が用いられる一例としては、惑星である土星に関する情報の表示を挙げることができるが、この場合、表示面１６２が土星の輪に相当する。

なお、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、投影装置は、焦点を定め直さなくても広範囲の像距離に対応することができる。図４Ａ〜図４Ｃにおいて、表示面の直径は１２〜１８インチであり、どの直径でも投影装置の焦点を定め直さずに焦点を合わせることができる。更にもう一歩踏み込むと、直径１２インチの球と直径１８インチの球との間に位置する領域を思い浮かべることができる。この領域内に位置する全ての点は焦点が合っている。したがって、図３の投影装置は、焦点を定め直すことなく、上記領域内に収まる如何なる凸形状としても使用することができる。更に、プロジェクタの焦点を変えることにより、「焦点」領域を更に拡大することができ、これにより採用できる凸形状を増やすことができる。その結果、多様な凸形状にすることが可能な表示面を有するディスプレイ装置を設計することができる。

図１２Ａ〜図１２Ｃは、ディスプレイ装置の他の実施例を示す図である。図１２Ａにおいて、プロジェクタ３は、垂直ではなく水平に突出しており、表示面５の軸２１１は垂直ではない。この構造の簡単な適用例として、高さの低いディスプレイ装置が望ましい卓上での使用や、表示面の軸の角度が太陽に対する地球の角度と一致することが望ましい地球科学分野での使用が挙げられる。

図１２Ｂでは、プロジェクタ３が、表示面２２１に対して別の角度に位置しており、その構造は没入型であり（即ち、表示面を内側から見ている）、観察者の取り得るいくつかの位置が示されている。観察者２２２は表示面２２１の内側を向いており、表示面２２１は半透明ではなく反射型のものである。このような構成の応用例として、仮想現実シミュレーションでの使用が挙げられる。

図１２Ｃにおいて、ディスプレイ装置は垂直ではなく水平に設置されており、博物館での使用が考えられる。

プロジェクタとレンズ装置を組み合わせたものが表示面に対して水平、垂直、上方若しくは下方、又は様々な角度に設置されているか、プロジェクタを幻灯機、映写機、又はビデオ・プロジェクタとするか、該プロジェクタを立体プロジェクタとするか否か、投影レンズ装置は、プロジェクタとレンズ装置を別個に設けるか一体的に設けるか、球形の表示面の半径を小さくするか大きくするか、表示面を半透明にするか反射型にするか、及び該表示面をどのような材料により形成又は塗布するか、観察者を表示面に対して内側に位置させるか否か、表示面を球形にするか否か等、取り得る構成の様々な要素を組み合わせ、適合させることが可能であることは、当業者であればよく理解できるであろう。

更に、以上の教示に照らし、その他の設計上の改良や変更が可能である。したがって、添付した請求項の範囲内において、上述の説明で特に示した方法以外で具現化することが可能である。

本発明の実施例に係るディスプレイ装置を示す断面図である。 実施例に係るディスプレイ装置を示す斜視図である。 実施例に係るディスプレイ装置を示す斜視図及び破断図である。 図１及び図２のディスプレイ装置に適したレンズ装置を示す断面図である。 図１及び図２のディスプレイ装置に適したレンズ装置を示す断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂのレンズ装置のレンズデータを示す表である。 図３Ｃの表の続きである。 様々な直径を有する表示面に対する部分的対象物高さに応じたＲＭＳ焦点半径を示すグラフである。 様々な直径を有する表示面に対する部分的対象物高さに応じたＲＭＳ焦点半径を示すグラフである。 様々な直径を有する表示面に対する部分的対象物高さに応じたＲＭＳ焦点半径を示すグラフである。 表示面を示す断面図である。 投影装置の対象物領域と像領域との関係を示す図である。 投影装置の対象物領域と像領域との関係を示す図である。 投影装置の対象物領域と像領域との関係を示す図である。 対象物領域が矩形ではない場合における矩形ディスプレイ上の画素の使用を示す図である。 光学座標変換を示す図である。 投影装置の他の実施例を示す図である。 図９Ａに関連する表である。 図９Ａに関連するグラフである。 本発明に係る投影装置を立体視して示す図である。 表示面の他の形状を示す図である。 表示面の他の形状を示す図である。 表示面の他の形状を示す図である。 表示面の他の形状を示す図である。 表示面の他の形状を示す図である。 表示面の他の形状を示す図である。 他の実施例に係るディスプレイ装置を示す図である。 他の実施例に係るディスプレイ装置を示す図である。 他の実施例に係るディスプレイ装置を示す図である。

Claims (43)

1. 三次元的な凸形状を有する表示面と、
   レンズ装置用の対象物領域での中間的な像を、該レンズ装置を通して、前記表示面の内面上の連続的な像領域に投影する投影装置であって、前記連続的な像領域に対する前記中間的な像の前記投影は前記表示面の内面上で焦点が合っており、最長像距離と最短像距離との比が少なくとも１．７５であり、前記像距離とは前記レンズ装置から前記像領域における各像点までの距離であり、前記像領域における頂上の像点での像距離が前記像領域における最大視野の像点での像距離よりも長く、かつ、前記像距離が前記像領域に沿って変化し、前記頂上とは前記像領域において前記レンズ装置から最も離れた箇所である前記投影装置と、
   を備えたことを特徴とするディスプレイ装置。
2. 前記像領域は、前記表示面の少なくとも２４０度の三次元的な範囲に及ぶことを特徴とする請求項１に記載したディスプレイ装置。
3. 前記像領域は、前記表示面の少なくとも３００度の三次元的な範囲に及ぶことを特徴とする請求項２に記載したディスプレイ装置。
4. 前記表示面は略球形であることを特徴とする請求項２又は３に記載したディスプレイ装置。
5. 前記表示面は半透明であることを特徴とする請求項４に記載したディスプレイ装置。
6. 前記表示面は開口部を有し、前記像領域は前記表示面の内部の前記開口部を除く略全体を覆うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載したディスプレイ装置。
7. 前記表示面の物理的支持部であって、開口部を見えないように隠す物理的支持部を更に備えたことを特徴とする特徴とする請求項６に記載したディスプレイ装置。
8. 前記投影装置は、前記開口部を介して前記表示面の内面に入る光軸を有することを特徴とする請求項６に記載したディスプレイ装置。
9. 前記光軸は前記表示面の軸に対して傾斜されていることを特徴とする請求項８に記載したディスプレイ装置。
10. 前記投影装置は、前記表示面の内面上の前記連続的な像領域上に前記対象物領域を投影する前記レンズ装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載したディスプレイ装置。
11. 前記投影装置は、前記レンズ装置に光結合され、平面的な結像領域上にプロジェクタ用の対象物領域を投影するプロジェクタを更に備え、前記プロジェクタの前記平面的な結像領域は前記レンズ装置用の前記対象物領域として用いられることを特徴とする請求項１０に記載したディスプレイ装置。
12. 前記プロジェクタはデジタル・ビデオ・プロジェクタであることを特徴とする請求項１１に記載したディスプレイ装置。
13. 前記プロジェクタは幻灯機であることを特徴とする請求項１１に記載したディスプレイ装置。
14. 前記プロジェクタは映写機であることを特徴とする請求項１１に記載したディスプレイ装置。
15. 前記プロジェクタは投影型テレビであることを特徴とする請求項１１に記載したディスプレイ装置。
16. 前記対象物領域はプロジェクタによって生成され、前記レンズ装置は該プロジェクタに機械的に取り付けられるように構成されたことを特徴とする請求項１０に記載したディスプレイ装置。
17. 前記投影装置は、前記プロジェクタの焦点を変えることにより、様々な大きさの表示画面に対応することができることを特徴とする請求項１０に記載したディスプレイ装置。
18. 前記表示面は複数の材料から成ることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載したディスプレイ装置。
19. 前記表示面は継ぎ目が無いことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載したディスプレイ装置。
20. 前記像領域は光軸に対して軸対称ではないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載したディスプレイ装置。
21. 前記像領域は非円形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載したディスプレイ装置。
22. 前記投影装置は、前記表示面の内面上の前記連続的な像領域上に前記対象物領域を投影する前記レンズ装置と、該レンズ装置を一体的に有するプロジェクタとを備え、前記対象物領域が平面状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載したディスプレイ装置。
23. 前記対象物領域内の対象物は電子制御ディスプレイを含むことを特徴とする請求項２２に記載したディスプレイ装置。
24. 前記対象物領域内の対象物はフィルムを使用する映写機又は幻灯機を含むことを特徴とする請求項２２に記載したディスプレイ装置。
25. 前記表示面は回転楕円形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載したディスプレイ装置。
26. 前記表示面の内面は反射面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載したディスプレイ装置。
27. 前記表示面は、略直方体の形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載したディスプレイ装置。
28. 前記投影装置は、立体表示に適した画像を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載したディスプレイ装置。
29. 前記投影装置は、前記対象物領域を前記連続的な像領域に投影する前記レンズ装置を具備し、前記対象物領域は、仮想的で平面的な対象物領域であり、前記像領域は、最長像距離と最短像距離との比が少なくとも１．７５である三次元的な凸形状を有する連続的な像領域であり、前記像領域における頂上の像点での像距離が前記像領域における最大視野の像点での像距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載したディスプレイ装置。
30. 前記像領域は、前記三次元的な凸形状の少なくとも２４０度の三次元的な範囲に及ぶことを特徴とする請求項２９に記載したディスプレイ装置。
31. 前記像領域は、前記三次元的な凸形状の少なくとも３００度の三次元的な範囲に及ぶことを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
32. 前記像領域は、前記レンズ装置の先頭面の周辺で略閉じていることを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
33. 前記像領域は略球形であることを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
34. 最大視野の像点へ向かう光束は、前記レンズ装置の光軸に略直交する角度で、前記レンズ装置の先頭面から出射することを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
35. 前記レンズ装置が、色収差を補正するレンズ群を備えることを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
36. 前記レンズ装置が、少なくとも１の非球面を備えることを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
37. 前記少なくとも１の非球面が、該像点までの像距離を、該像点の高さに応じて著しく変化させることを特徴とする請求項３６に記載したディスプレイ装置。
38. 前記非球面上で、前記頂上の像点に向かう光束の軌跡は、最大視野の像点に向かう光束の軌跡と重ならないことを特徴とする請求項３７に記載したディスプレイ装置。
39. 前記レンズ装置が、像点の高さが大きくなるにつれ、該レンズ装置の光軸と像点に向かう光線との間の出射角を増加させるための負の倍率を有するレンズ群を備えることを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
40. 前記レンズ群において、前記頂上の像点に向かう光束の軌跡は、最大視野の像点に向かう光束の軌跡と重ならないことを特徴とする請求項３９に記載したディスプレイ装置。
41. 前記レンズ群のレンズは縁部に平面を有しているため、該平面が互いに接触する際、該レンズが正しく位置決めされることを特徴とする請求項３９に記載したディスプレイ装置。
42. 前記レンズ装置において、
    該レンズ装置の入射側開口近傍に位置する第１のレンズ群であって、色収差を補正する第１のレンズ群と、
    非球面を有するとともに、像点の高さに応じて該像点までの像距離を著しく変化させる第２のレンズ群と、
    像点の高さが大きくなるにつれ、光軸と像点に向かう光線との間の出射角を増加させるための負の倍率を有する第３のレンズ群と、
    が前記光軸に沿って上記順で設けられているともに、
    前記第２のレンズ群は、前記第１のレンズ群と前記第３のレンズ群との間における視野レンズとして機能することを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。
43. 前記対象物領域は、前記レンズ装置の光軸について非対称であることを特徴とする請求項３０に記載したディスプレイ装置。

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