JP5594718B2 - ３次元像をレンダリングする光表面ディスプレイ及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、体積ディスプレイ内部に懸濁した複数の粒子を含む3次元像を供するための光表面ディスプレイに関する。

ここ10年間の技術の進歩によって、3次元画像化が意義あるものでかつ実現可能なものであるということが、科学者及び技術者に急速に知られるようになった。視界を遮られることなく観ることのできる3Dディスプレイシステムの開発には、商業的にも産業的にも広範に認められた動機付けが存在する。ミクロン材料やナノ構造材料を用いた最近の開発は、効率的で安定である新規の光学書き込み可能なディスプレイを作製する可能性を提供する。

静的体積ディスプレイ(static-volume displays)や掃引体積ディスプレイ(swept-volume displays)を含む、現在市場に出回っている3次元ディスプレイは、3D像空間内で均一で、かつ実質的に如何なる方向からも観ることのできる3次元像を構築することを意図している。実際には、これらの技術はその目的を十分には達成しておらず、低解像度や半透明の像が表れるといった複数の課題を有している。

従って、現在市場に出回っている技術よりも高品質の画像を供する画像化システムを用いた3次元画像化システム及びその画像化システムの使用方法は、商業的にも産業的にも市場で認められる製品を供するだろう。
米国特許出願第60/794901号明細書 米国特許出願第60/796249号明細書 米国特許出願第60/854557号明細書

本発明は3次元像を供する光表面ディスプレイに関する。一般的には、光表面ディスプレイは、体積ディスプレイ内部で懸濁した複数の粒子を有する。その複数の粒子は、2つ以上の波長の電磁エネルギーによってエネルギーが付与されるときに、発光して3次元像を生成する。

一の実施例では、光表面ディスプレイは、体積ディスプレイの長さ及び幅に沿った2次元像の連続スライスを生成する波長を投影する第1投影システム、及び、体積ディスプレイの深さにわたって並進スライスを生成する波長を投影する第2投影システムを有する。制御システムは、第1投影システムと第2投影システムの投影を同期させる。それにより、2次元像と並進スライスを形成する波長は、所定期間体積ディスプレイ内の粒子にエネルギーを付与する。エネルギーが付与された粒子は発光して3次元像を形成する。当該光表面ディスプレイは、利用される電磁エネルギーの特定波長及び/又は粒子の種類に依存して単色又は多色の像を生成して良い。

体積ディスプレイ内部の粒子は、たとえばレーザー、コヒーレントLED等の1つ以上の有向性光源の入射によって活性化される、選択的に活性化される光源を含むことが好ましい。たとえば粒子は、その粒子が有向性光源の入射によって選択的に活性化される限り、量子ドット、アップコンバージョン材料又は同様の粒子のようなミクロン及び/又はナノ粒子を含んで良い。

一の変化型では、第1投影システムは、各粒子の色及び/又は強度を変化させるため、第2投影システムより先に、ある所定の期間、波長を投影する。第1投影システムの出力はまた、各粒子の相対輝度を変化させるため、電磁エネルギーの強度を変化させるように変調されて良い。それに加えて投影システムはデジタル光処理投影装置を有して良い。そのデジタル光処理投影装置は、微小機械ミラーのアレイを含むデジタルマイクロミラーを有する。マイクロメカニカルミラーは、並進スライスをディザリングして、ボクセルを表す各粒子の相対輝度又は色深度を変化させる複数のアレイ群に用いられて良い。

制御システムは、光表面ディスプレイに像を供するため、任意で外部源と結合して良い。外部源はコンピュータ、プロセッサ、ゲームコンソール、インターネット等を有して良い。

他の実施例では、光表面ディスプレイは、体積ディスプレイ及び/又は投影システムを含む筐体をさらに有する。体積ディスプレイ及び/又は投影システムへの支持体を供することに加えて、その筐体は、必要な場合には使用者すなわち観ている人による外部からの接触に対する粒子を守る安全素子を供する。それに加えて光表面ディスプレイは、たとえば電磁波放射線フィルタのようなフィルタを有して良い。それにより、使用者すなわち観ている人への非可視放射線の曝露が防止される。

他の実施例では、光表面ディスプレイは、実質的に透明でかつ体積ディスプレイ内部に分散した媒質をさらに有する。粒子の懸濁は、媒質全体にわたってほぼ均一であることが好ましい。高温で透明なポリマー、透明エーロゲル材料、キセノゲル材料、又は実質的に透明でかつ体積ディスプレイ内部に粒子を懸濁させる他の如何なる材料で媒質が生成されても良い。その媒質は、無機物質、有機物質、又は無機物質と有機物質の混合物質で生成されても良い。

他の態様では、本発明は、3次元像を生成する光表面ディスプレイの使用方法に関する。当該光表面ディスプレイは、体積ディスプレイ内部に懸濁した複数の粒子を有する。その粒子には、体積ディスプレイの長さ及び幅に沿ってエネルギーが付与される。それにより、2次元像が生成される。その粒子にはさらに、体積ディスプレイの深さに沿って電磁エネルギーが交差することによってエネルギーが付与される。粒子のエネルギー付与は、発光3次元像が生成されるように同期する。

本発明の上述した特徴及び利点をより詳細に理解できるように、上で概説した本発明を、添付の図に示された実施例を参照しながらより詳細に説明する。しかし、添付の図は、本発明の典型的な実施例しか示していないので、本発明の技術的範囲を限定するものと解されてはならない。なぜなら本発明は、他の同様に有用な実施例も許容するからである。

本発明の好適実施例が図示され、かつ以降で詳述される。実施例について記載する際、同様又は同一の参照番号は、共通又は同様の素子を特定するのに用いられている。図は必ずしも正しい縮尺で描かれておらず、図中の特定の特徴部位は縮尺上強調されて、又は関心対象をわかりやすくするために概略的にして図示されている。

ここで図1を参照すると、体積ディスプレイ14内部に3次元像12を供する本発明に従って構築された光表面ディスプレイが図示され、参照番号10で指定されている。一般的には、光表面ディスプレイ10は複数の粒子を有する。その複数の粒子は、電磁エネルギーによってエネルギーが付与されたときに、発光して3次元像12を生成する。

光表面ディスプレイ10には、体積ディスプレイ14の長さ及び幅に沿って2次元像の連続スライスを生成する1つ以上の波長の電磁エネルギーを投影する第1投影システム16、並びに、体積ディスプレイ14の深さにわたって並進スライスを生成する1つ以上の波長の電磁エネルギーを投影する第2投影システム18が供される。たとえ図1が2つの投影システム16と18の使用を図示しているとしても、体積ディスプレイ14の長さ、幅、及び/又は深さに沿って1つ以上の波長の電磁エネルギーの投影を補助するため、さらに他の投影システムが用いられることが可能であることは予想され得る。さらに他の投影システムは、良好な解像度、色感度、及び/又は輝度を供することができる。

制御システム20は、第1投影システム16と第2投影システム18の投影を同期させる。それにより、2次元像及び並進スライスを生成する波長の電磁エネルギーは、個々の粒子と交差することで、所定の期間粒子にエネルギーを付与する。エネルギーが付与された粒子は発光して3次元像12を生成する。光表面ディスプレイ10は、投影システムの投影量及び/又は利用される粒子の種類に依存して単色又は多色の像を生成することができる。

体積ディスプレイ10内部の粒子は、たとえばレーザー、コヒーレントLED等の1つ以上の有向性光源の入射によって活性化される、選択的に活性化される光源を含むことが好ましい。粒子が活性化されることで、粒子によって表される物理特性及び/又は特徴が修正される。好適実施例では、活性化によって、様々な波長で可視光が発生する。

粒子には、たとえば量子ドット、アップコンバージョン材料等の、ミクロン及び/若しくはナノの選択的に活性化される光源、又はこれらの結合物が含まれて良い。たとえば量子ドットの大きさ及び形状、並びにポテンシャルの深さを変化させることによって、量子ドットのエネルギー準位を制御することができる。量子ドットのバンドの離散的性質は、価電子帯と伝導帯との間のエネルギー間隔が、少なくとも1個の原子の追加又は除去によって変化できることを意味する。量子ドットの大きさを予め決めることで、放出される光子の波長は、量子ドットが光表面ディスプレイ10に用いられるのに適した選択的活性化特性となるような特定色で固定される。

アップコンバージョン材料は、適切な選択的に活性化可能な粒子の他の例を与える。アップコンバージョン材料は基本的に低エネルギービームをより高い可視ビームに変換し、かつ発光体としても機能することができる。アップコンバージョン材料を用いて得られた輝度は、そのアップコンバージョン材料に衝突する電磁エネルギーの強度を変更することによって変化させることができる。

アップコンバージョン材料は、増感剤がドーピングされ、さらに希土類イオンがドーピングされた母体材料を有して良い。たとえば粒子は、増感剤としてイッテルビウム(Yb³⁺)がドーピングされ、さらに希土類イオンがドーピングされた母体材料としてフッ化物結晶を有して良い。希土類イオンは、エルビウム(Er³⁺)、ホルミウム(Ho³⁺)、並びにツリウム(Tm³⁺)、又は、様々な波長で励起されかつ蛍光を放出する他の同様な粒子及び/若しくはランタノイドを有して良い。フッ化物結晶にEr³⁺、Ho³⁺及び、Tm³⁺をドーピングすることで、そのフッ化物結晶は、それぞれ赤、緑、及び青のアップコンバージョン発光が可能となる。たとえばオキシサルファイドのような母体材料及び他の希土類ドーピングイオンもまた粒子の構築に用いられて良い。粒子が1つ以上の有向性光源の入射によって活性化できる限り、他の選択的に活性化可能な粒子が光表面ディスプレイ10と共に用いられて良いものと予想される。

一般的には、様々な波長の電磁エネルギーによる粒子の励起により、用いられる励起波長と粒子のドーピングに依存して、その粒子から特定の色の可視光が生成される。たとえば図2に図示されているように、第1投影システム16が全粒子に対する共通の赤外波長30を用いる場合、第2投影システム18によって与えられる、30から32a、32b又は32cの第2波長に従った色選択がなされる。あるいはその代わりに各可視色は、共通波長を必要とすることなく、少なくとも2つの異なる波長を用いることによって粒子から放出されても良い。たとえば6つの別個な投影システムが6種類の独立した波長(W₁、W₂、W₃、W₄、W₅、W₆)を供し、RGB色選択のためのこれらの波長を混合したもの(W₁×W₂、W₃×W₄、W₅×W₆)が供されて良い。あるいはその代わりに各投影システムは、後述するように多重波長を供しても良い。

粒子は体積ディスプレイ14内部で懸濁している。体積ディスプレイ14を介した粒子の懸濁はほぼ均一であることが好ましい。粒子は、磁気サスペンション、強制対流を介して懸濁されて良いし、及び/又は媒質内部で分散しても良い。

媒質内部での粒子の分散はほぼ均一であることが好ましい。適切な媒質は、たとえば高透明度、耐久性、及び/又は低フォノンエネルギーといった特徴を有していなければならない。フォノンは媒質が吸収できる離散的な大きさのエネルギーである。媒質が入射エネルギーを吸収する場合、このエネルギーは光の放出に利用されないので、光表面ディスプレイ10の輝度は減少する。

媒質は、高温で透明なポリマー、透明エーロゲル材料、キセノゲル材料、又は実質的に粒子を均一に懸濁させる他の如何なる材料で生成されても良い。その媒質は、無機物質、有機物質、又は無機物質と有機物質の混合物質で生成されても良い。たとえば媒質は、エーロゲル母体であって良い。そのエーロゲル母体と粒子が合成されることで、透明で光学活性なモノリスが生成される。エーロゲル母体は特有の特性を供する。なぜならエーロゲル母体は最大で99%が空気であるため、材料による放出光の干渉が99%除去されるからである。この要因はエーロゲル材料内部での光の吸収を減らし、かつ明るい光の放出を可能にする。エーロゲル母体表面はまた、完全に粒子と接触しないため、表面接触を減少させ、かつ粒子の放出された可視光への影響を減少させる。

粒子は高発光を可能にするエーロゲル母体内部で雲のように分散している。係るエーロゲル母体の例にはシリコン酸化物エーロゲルが含まれるが、これに限定されるわけではない。シリコン酸化物エーロゲル母体は、表面積が最大約2000m²/gでかつ密度が約0.002g/cm³で形成されて良い。それにより、光のアクセスが可能な大きな表面積が与えられる。しかし体積ディスプレイ14を形成するのに用いられる媒質の少なくとも一部で粒子の分散が可能であるならば、他のエーロゲル母体又はポリマーを含む他の種類の媒質が用いられても良いことに留意して欲しい。

ここで図1及び3を参照すると、たとえばデジタル光処理(DLP)や光回折バルブ(GLV)等の画像投影技術を用いることによって、投影システム16と18は、様々な波長の電磁エネルギーを供することで、体積ディスプレイ14内の粒子にエネルギーを付与する。

一の実施例では、光表面ディスプレイ10の投影システム16と18のうちの少なくとも1つはDLP技術を用いる。DLPの例には、Discovery（商標）1100モデル及びDiscovery（商標）3000モデルが含まれるが、これらに限定されるわけではない。Discovery（商標）1100モデルは、60MHz DDRクロックで動作し、かつ7.7Gbsのデータ転送速度を供する0.7XGA DDR DMDを用いる。Discovery（商標）3000モデルは、200MHz DDRクロックで動作し、かつ12.8Gbsのデータ転送速度を供する0.7XGA LVDS DDR DMDを用いる。

一般的にDLPは、スーパービデオグラフィックスアレイ(SVGA)の解像度である800×600画素、拡張グラフィックスアレイ(XGA)の解像度である1024×768画素、720pの解像度である1280×720画素、及び1080pの解像度である1920×1080画素を生成するデジタルマイクロミラー素子(DMD)、ピコサイズDMD及び/又は他の同様なマトリックスを有する。

図3は、3つの異なる光源50、52、及び54を有する3チップDLP技術を用いた投影システム18を図示している。光源50、52、及び54は、レーザー、コヒーレントLED等を有して良い。他の光源が用いられても良い。ただしその光源のスペクトル線幅が狭く、かつ出力ビームが有向性でなければならない。光源50、52、及び54の各々は、特殊四面プリズム56を通過する独立した波長を供する。プリズム56は、光源50、52、及び54の各々から、それぞれに対応するDMD58、60、及び62へ波長を導波する。光源50、52、及び54の各々からの波長はDMD表面58、60、及び62から反射されて結合する。その結合した波長は、DMDが備えられていないプリズム56の第4面64を通過して投影レンズ66へ向かう。投影レンズ66は、結合した波長を体積ディスプレイ14内の粒子へ導波する。

あるいはその代わりに投影システム16と18は回折光バルブ技術(GLV)を有して良い。GLVは回折微小光電気機械システム(MOEMS)の空間光変調器を有して良い。MOEMSの空間光変調器は、精緻にグレイスケールでの減衰と共に非常に高速で光の変調を行うことができる。GLVは、2次元を介して1次元アレイの投影を行うことで、完全な高解像度画像を生成することができる。

本発明による他の実施例では、光表面ディスプレイ10は、3次元像をレンダリングする際にDLPとGLVの両技術を用いる。たとえば図1では、第1投影システム16はDLPを用いて一連の2D画像のスライスを生成する一方で、第2投影システム18はGLVを用いて一連の並進スライスを生成して良い。

図4に図示されているように、少なくとも2つの投影システム16と18が、体積ディスプレイ14内部での3次元像12の構築に用いられる。第1投影システム16が投影した電磁エネルギーと第2投影システム18が投影した電磁エネルギーとが交差することで、粒子が活性化されることでボクセル40が生成される。その結果3次元像12が生成される。

第1投影システム16は、1つのDLP又は1つのGLVを有して良い。投影システム16は、1つ以上の波長の電磁エネルギーを投影して、体積ディスプレイ14の長さ及び幅にわたって投影する連続した2次元スライス42を生成するのに用いられる。投影された電磁エネルギーは不可視波長を有して良い。不可視波長とはたとえば、赤外波長、又は紫外波長、又は用いられる投影システム及び/若しくは粒子に依存した、2つ以上の赤外及び/若しくは紫外波長の結合である。

第2投影システム18は、1つのDLP又は1つのGLVを有する。第2投影システム18は、1つ以上の波長の電磁エネルギーを投影して、体積ディスプレイ14の深さにわたって並進する面状並進スライス44を生成する。投影された電磁エネルギーは、不可視波長を有して良い。不可視波長とはたとえば、赤外波長、又は紫外波長、又は用いられる投影システム及び/若しくは粒子に依存した、2つ以上の赤外及び/若しくは紫外波長の結合である。

一の実施例では、第1投影システム16から投影された電磁エネルギーは連続する2次元スライスを生成する共通の赤外波長IRL0であり、第2投影システム18から投影された電磁エネルギーは、各面状並進スライス44に順次投影される3種類の異なる赤外波長IRL1、IRL2、及びIRL3で構成される。面状並進スライス44を生成するため、第2投影システム18の全マイクロミラーは、投影システム18及び/又は体積ディスプレイ14の物理的位置設定に依存して、第1行及び/又は第1列を除きオフ状態に設定される。面状並進スライス44の投影は、第1投影システム16からの2次元スライス42の投影に対して同期がとられる。特定の期間に面状並進スライス44と2次元スライス42が約90°で交差することにより、その交差地点で粒子にエネルギーが付与され、かつ体積ディスプレイ14内部の特定位置で2次元断面が発光する。第2投影システム18によって投影される面状並進スライス44の波長を変化させることで、赤、緑、及び/又は青、さらにこれらの色の組合せに基づく多数の色を生成する手段が供される。

さらに3次元像を生成するため、第2投影システム18内の全マイクロミラーは再度、投影システム18及び/又は体積ディスプレイ14の配向に依存して、第2行及び/又は第2列を除きオフ状態に設定される。第2の2次元スライス42と第2の面状並進スライス44との間に第2の交差が生じる。それにより、体積ディスプレイ14内部の特定位置で2次元断面が発光する。各面状並進スライス44について、第2投影システム18が2行以上の行及び/又は2列以上の列を同時に投影することは可能である。

投影システム16と18の両方の動作を同期させることで、一連の2次元スライス42の発光する断面と面状並進スライス44を、体積ディスプレイ14内部のある深さで出現させることが可能となる。体積ディスプレイ14全体にわたって第1投影システム16と第2投影システム18からの投影を繰り返すことで、3次元像12が生成される。

画像の解像度、色、及び/又は輝度は、投影システム16と18からの電磁エネルギーの投影を変化させることによって操作できる。たとえば第1投影システム16による投影と第2投影システム18による投影との間に所定の期間を与えることで、各粒子の色及び/又は強度を変化させることができる。第1投影システム16による活性化によって粒子にエネルギーを付与することが可能となる。第1投影システム16による投影後の時間遅延によって、第2投影システム18による活性化前にエネルギーを消散させることが可能となる。エネルギーが消散することで、粒子の色及び/又は強度を変化させることが可能となる。それに加えて、第1投影システム16及び/又は第2投影システム18によって投影された電磁エネルギーの波長振幅を変化させることで、各粒子の強度及び/又は相対輝度を変化させることができる。

前述したように、投影システム16と18は、マイクロメカニカルミラーのアレイを有するデジタルマイクロミラー素子を有するDLPを含んで良い。マイクロメカニカルミラーは、並進スライスをディザリングして、ボクセルを表す各粒子の相対輝度又は色深度を変化させる複数のアレイ群に用いられて良い。この技術では、各粒子は複数のマイクロメカニカルミラーから反射された電磁エネルギーを受け、続いてこの複数の中からマイクロメカニカルミラーの数を選ぶことによって輝度は制御される。たとえば2×2アレイのDLPマイクロミラーは、どのようにしてアレイ群内の多くのミラーが所与の時間に活性化されるのかに依存して、ボクセルあたり0〜4の相対色深度を供する。マイクロミラーアレイの群が大きくなることで、より大きな対応する色深度を供することができる。このディザリング法によってディスプレイ全体の解像度が減少すること、並びに適切な時期にマイクロミラーを多重化する、又は色深度を供するのにレーザー出力及び/若しくはレーザー活性化タイミングを制御することが好ましい実施例であることに留意して欲しい。

図5A、図5B、及び図5Cに図示されているように、投影システム16と18の物理的位置設定、及び/又は投影システム16と18によって供される電磁エネルギーの導光によって、3次元像12について多数の視野角を供して良い。たとえば図5A及び図5Bに図示されているように、2次元の断面を投影する第1投影システム16が体積ディスプレイ14の一面を占め、かつ投影された面状並進スライスが、第2投影システム18によって体積ディスプレイ14の垂直面上に投影されるとき、3次元像12について270°の視野が生成される。他の変化型では、図5Cに図示されているように、第1投影システム16はビームエキスパンダーを利用して、コリメートされたビーム中の電磁エネルギーのアレイを体積画像空間14へ与える。

面状並進スライスは、操縦システム80を用いることで体積ディスプレイ14へ投影される。操縦システム80は、投影システム18から体積ディスプレイ14への電磁エネルギーの導光を機械的又は電気的に変更することができる1枚以上のミラーを有して良い。そのミラーには可変ミラーが含まれる。

あるいはその代わりに図6に図示されているように、操縦システム80は、第1投影システム16と第2投影システム18からの投影に角度をつけることによって360°の視野を供することができる。それにより投影は底部82から傾斜する。第1投影システム16と第2投影システム18からの電磁エネルギーは理想的には約90°の相対角で交差することが好ましい。ただし他の交差角も考えられる。約90°の角度で交差することにより、ボクセルが細長くなる結果生じる歪んだ死界を除去することができる。ここで死界とは、個々のボクセルの大きさ及び/又は形状が理想的なものとかなり異なっている領域のことである。操縦システム80は、投影システム16と18、制御システム20、及び/又はユーザーによる機械的操作によって供されて良い。

制御システム20は、ユーザー及び/又は観る人が視覚的データを連続して存在するものとして認識することを保証するのに十分な周波数で画像をリフレッシュする。一例では、体積ディスプレイ14は、n×m個の画素を有する長さl×長さkの面を有する長方形の形態である。これらn×m個の画素の如何なる組合せが、各リフレッシュ期間中に活性化されても良い。たとえばn=1024行でm=768画素である場合、第1投影システム16を用いた結果として生成される画素数は786432画素である。フリッカを考慮すると、画像リフレッシュ周波数は最小となる。従って第2投影システム18が体積ディスプレイ14の深さにわたって333枚のスライスを供する場合、第1投影システム16と第2投影システム18、つまり第1投影システム16と第2投影システム18を同時にリフレッシュする制御システム20は、第1投影システム16からは8000画像/秒、及び第2投影システム18からは8000画像/秒を供する。この例では、生成された体積ディスプレイ14は、1枚のカラー画像について225万ボクセル、3色のカラー画像について85万ボクセル、及び深さについて111枚のスライスを供する。得られた3次元像12は、毎秒24の3次元像（リフレッシュレート）を有する。

他の例では、第1投影システム16は2次元像を同時に投影する3つの異なる光源を有するDLPプロジェクタを利用し、かつ第2投影システム18はたとえば共通赤外レーザーのような単一光源で2次元像をスライスする。この例では、第1投影システムが1024×768の画像を発光し、かつ第2投影システムが666の列をスライスするとき、制御システム20によって同期がとられることによって、多重カラー画像について500万ボクセルを有する体積ディスプレイが生成される。

他の例では、本明細書に記載された投影システム16と18は、16000フレーム/秒のフレームレートで動作する。体積画像空間内部で発光する断面は、n×m個の画素を有する長方形の形状をとる。これらのn×m個の画素の如何なる組合せがリフレッシュ期間中に活性化されても良い。n=1920行でかつm=1080列の場合、各2D断面について生成される画素数は207.36万画素である。等価な体積画像空間14が、生成される666枚のスライスに等しい追加の空間次元（深さ）dを供する場合、フリッカを考慮することで、24（3次元像/秒）に等しい最小画像周波数となる。第1投影システム16は、3つの混合波長を連続的に結合させた波長を投影して、16000画像/秒で3色の画像を供する。

動く画像を供するため、3次元像12は少なくとも24回/秒で投影される。それにより666画像/秒に等しい3次元像速度となる。第2投影システム18は666の行又は列を切り換えることで、体積画像空間14の深さにわたって666枚/秒でスライスを生成する。その結果投影システムの速度は15894フレーム/秒で、3つの異なる波長について7992回/秒の切り換え速度である。よって深さ方向に666枚よりも多くのスライスを有し、かつ多重カラー画像について1381万ボクセルを有する体積画像空間14は、24（3次元像/秒）（リフレッシュレート）を有する3次元像12を生成する。

図6に図示されているように、制御システム20は任意で外部源62と通信して、外部制御、外部プログラミング、光表面ディスプレイ10に関する情報の測定及び報告、並びに/又は制御システム20への画像のダウンロードを供する。外部源62は、光表面ディスプレイ10の近傍に位置しても良いし、又は制御システム20と外部源62との間に通信が存在するのであれば、距離を置いて設けられても良い。制御システム20と外部源62との間での通信は有線でも良いし無線でも良い。図7に図示されているように、光表面ディスプレイ10は任意で3次元像12を含む筐体70を有して良い。粒子への支持体を供することに加えて、筐体70は、使用者すなわち観ている人による外部からの接触に対する粒子を守る安全素子を供する。筐体70は、透明領域を形成する透明材料で構築される。それにより、筐体70の外側にいる使用者すなわち観ている人は筐体70内部の画像を観ることができる。筐体70はさらに、投影システム16と18及び/又は制御システム20を封止して良い。筐体70には、その筐体70の外部にいる使用者すなわち観ている人の視界から光表面ディスプレイ10の様々な部分を隠すように、不透明領域72が供される。たとえば投影システム16と18及び/又は制御システム20は、使用者すなわち観ている人から投影システム16と18及び/又は制御システム20を隠すように、不透明領域72に隣接して設けられて良い。

それに加えて光表面ディスプレイ10は、たとえば電磁波放射線フィルタのようなフィルタを有して良い。それにより、使用者すなわち観ている人への非可視放射線の曝露が防止される。そのフィルタは筐体70と一体化しても良いし、又は筐体70とは独立していても良い。

上述したように、光表面ディスプレイ10は、3次元像12を生成するのに用いられる。光表面ディスプレイ10を使用する際、体積空間14が供される。その体積空間14内部には、媒質、磁気サスペンション等を介して複数の粒子が懸濁する。その体積空間14内部では粒子はほぼ均一に分散していることが好ましい。その粒子は、1つ以上の波長の電磁エネルギーの投影を介して、体積ディスプレイ14の長さと幅に沿って順次エネルギーが付与される。電磁エネルギーは1つ以上の投影システム16及び/又は18によって供されて良い。エネルギーが付与された粒子は、体積空間14の長さと幅に沿って2次元像を生成する。粒子は、体積ディスプレイ14の深さに沿って、1つ以上の波長の電磁エネルギーの投影と交差する。体積ディスプレイ14の長さと幅に沿った電磁エネルギーの投影及び体積ディスプレイ14の深さに沿った電磁エネルギーの投影は所定の期間同期がとられる。投影の同期がとられることで、発光する3次元像12が生成される。

上記の開示は本発明を実施する上での最良の形態を含んでいる。しかし当業者は、本発明の変化型が本明細書に記載されていないことをすぐに理解することは明らかである。本発明は「特許請求の範囲」の請求項によって定義されるが、本発明は請求項の文言上の意味に限定されず、これらの変化型を含む。
（項目１）
３次元像を供する光表面ディスプレイであって、
体積ディスプレイ内部に懸濁する複数の粒子、
上記体積ディスプレイの長さと幅に沿って生成された１つ以上の波長の電磁エネルギーからなる一連のスライスを投影し、該投影によって粒子にエネルギーを付与することで２次元像を生成する、第１投影システム、
上記体積ディスプレイの深さにわたって上記のエネルギーが付与された粒子と交差する１つ以上の波長の電磁エネルギーからなる並進スライスを投影する第２投影システム、及び、
上記第１投影システムと上記第２投影システムの投影を同期させることにより、上記２次元像と上記並進スライスは所定の期間に上記粒子へエネルギーを付与し、該付与によって３次元像が発光する、制御システム、
を有するディスプレイ。
（項目２）
３次元像を生成する方法であって、
体積ディスプレイ内部に懸濁した複数の粒子へ、１つ以上の波長の電磁エネルギーの投影によって体積ディスプレイの長さと幅に沿ってエネルギーを付与することで、上記のエネルギーが付与された粒子が２次元像を生成する手順、
上記体積ディスプレイの深さに沿って１つ以上の波長の電磁エネルギーの投影によって上記のエネルギーが付与された粒子を交差させる手順、及び、
所定の期間に、上記体積ディスプレイの長さと幅に沿った電磁エネルギーの投影と上記体積ディスプレイの深さに沿った電磁エネルギーの投影との同期をとり、該同期をとることで発光する３次元像を生成する手順、
を有する方法。

本発明による体積ディスプレイ内部に3次元像を供する光表面ディスプレイの概略的ブロック図である。 2つの波長によって粒子にエネルギーを付与することで生成される可視光の典型的な波長を図示している。 図1の実施例による投影システムの一例の概略図である。 本発明による体積ディスプレイ内部に3次元像を供する光表面ディスプレイに係る実施例の斜視図である。 図4Aの光表面ディスプレイの概略図である。 本発明による体積ディスプレイ内部に3次元像を供する光表面ディスプレイに係る他の実施例の概略図である。 図5Aの光表面ディスプレイの典型的変化型である。 図5Aの光表面ディスプレイの典型的変化型である。 本発明による体積ディスプレイ内部に3次元像を供する光表面ディスプレイに係る他の実施例の概略図である。 本発明による光表面ディスプレイ筐体に係る一の変化型の斜視図である。

Claims (32)

1. ３次元像を供する光表面ディスプレイであって、
   体積ディスプレイ内部に懸濁する複数の粒子と、
   前記体積ディスプレイの長さと幅に沿って生成され、ｎ×ｍ個（ｎ及びｍは整数である。）の画素を有し、１以上の波長の電磁エネルギーからなる一連の２次元像を同時に投影し、前記投影によって前記複数の粒子にエネルギーを付与する第１投影システムと、
   １以上の波長の電磁エネルギーからなり、前記体積ディスプレイの深さにわたって並進する並進スライスを投影し、前記投影によって前記体積ディスプレイ内部の特定位置に２次元断面を順次出現させる第２投影システムと、
   前記第１投影システムと前記第２投影システムの投影を同期させることにより、前記２次元像及び前記並進スライスが、予め定められた期間に前記複数の粒子へエネルギーを付与し、前記付与によって３次元像が発光する制御システムと、
   を有する、光表面ディスプレイ。
2. 実質的に透明でかつ前記体積ディスプレイ内部に分散する媒質をさらに有し、
   前記複数の粒子は前記媒質内部で懸濁する、
   請求項１に記載の光表面ディスプレイ。
3. 前記媒質がエーロゲル母体である、
   請求項２に記載の光表面ディスプレイ。
4. 前記エーロゲル母体の少なくとも一部が無機物質で構成される、
   請求項３に記載の光表面ディスプレイ。
5. 前記エーロゲル母体の少なくとも一部が有機物質で構成される、
   請求項３に記載の光表面ディスプレイ。
6. 前記媒質がキセノゲル母体である、
   請求項２に記載の光表面ディスプレイ。
7. 前記キセノゲル母体の少なくとも一部が無機物質で構成される、
   請求項６に記載の光表面ディスプレイ。
8. 前記キセノゲル母体の少なくとも一部が有機物質で構成される、
   請求項６に記載の光表面ディスプレイ。
9. 前記媒質が透明なガラスセラミックス母体であり、
   前記ガラスセラミックス母体の一部は無機物質で構成される、
   請求項２に記載の光表面ディスプレイ。
10. 前記複数の粒子がアップコンバージョン材料である、
    請求項１から請求項９までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
11. 前記アップコンバージョン材料が、増感剤と希土類イオンとがドーピングされた母体材料を有する、
    請求項１０に記載の光表面ディスプレイ。
12. 前記増感剤がイッテルビウムである、
    請求項１１に記載の光表面ディスプレイ。
13. 前記希土類イオンがランタノイドである、
    請求項１１に記載の光表面ディスプレイ。
14. 前記複数の粒子が、エーロゲル母体内部で懸濁したアップコンバージョン材料である、
    請求項１から請求項１３までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
15. 多色の３次元像を生成する、
    請求項１４に記載の光表面ディスプレイ。
16. 前記第１投影システムが少なくとも１つのデジタル光処理プロジェクタを有する、
    請求項１から請求項１５までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
17. 前記第２投影システムが、マイクロメカニカルミラーのアレイを有するデジタルマイクロミラー素子を有する少なくとも１つのデジタル光処理プロジェクタを含む、
    請求項１から請求項１６までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
18. 前記デジタルマイクロミラー素子は、電磁エネルギーの前記並進スライスのディザリングに用いられる、
    請求項１７に記載の光表面ディスプレイ。
19. 前記第１投影システムは、前記第２投影システムが前記エネルギーを付与された前記複数の粒子と交差する電磁エネルギーを投影する前に、予め定められた期間、電磁エネルギーを投影する、
    請求項１から請求項１８までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
20. 前記第１投影システムの出力が、前記体積ディスプレイの長さと幅に沿って前記波長の電磁エネルギー強度を変化させるように変調される、
    請求項１から請求項１９までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
21. 前記第１投影システムは、前記第１投影システムの電磁エネルギーを導波するビーム操縦システムを有する、
    請求項１から請求項２０までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
22. 前記制御システムが外部源と通信して画像をダウンロードする、
    請求項１から請求項２１までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
23. 前記体積ディスプレイを支持する筐体をさらに有する、
    請求項１から請求項２２までの何れか一項に記載の光表面ディスプレイ。
24. 前記筐体が電磁放射線フィルタを含む、
    請求項２３に記載の光表面ディスプレイ。
25. ３次元像を生成する方法であって、
    体積ディスプレイ内部に懸濁した複数の粒子へ、１以上の波長の電磁エネルギーを投影して、体積ディスプレイの長さと幅に沿ったエネルギーを付与することで、前記エネルギーが付与された前記複数の粒子が、ｎ×ｍ個（ｎ及びｍは整数である。）の画素を有する一連の２次元像を同時に生成する段階と、
    １以上の波長の電磁エネルギーを投影して、前記体積ディスプレイの深さに沿った一連の並進スライス中で、前記エネルギーが付与された前記複数の粒子と交差させ、前記体積ディスプレイ内部の特定位置に２次元断面を順次出現させる段階と、
    予め定められた期間に、前記体積ディスプレイの長さと幅に沿った電磁エネルギーの投影と前記体積ディスプレイの深さに沿った電磁エネルギーの投影との同期をとり、前記同期をとることで発光する３次元像を生成する段階と、
    を有する方法。
26. 前記１以上の波長の電磁エネルギーを投影して、前記体積ディスプレイの長さと幅に沿ったエネルギーを付与することで、前記エネルギーが付与された前記複数の粒子が一連の２次元像を生成する段階が、単一のデジタル光プロセッサを有する第１投影システムによって実行される、
    請求項２５に記載の方法。
27. 前記第１投影システムの出力が前記像の輝度を可変にするように変調される、
    請求項２６に記載の方法。
28. １以上の波長の電磁エネルギーを投影して、前記体積ディスプレイの深さに沿った一連の並進スライス中で、前記エネルギーが付与された前記複数の粒子と交差させ、前記体積ディスプレイ内部の特定位置に２次元断面を順次出現させる段階が、マイクロメカニカルミラーのアレイを有するデジタルマイクロミラー素子を有する単一のデジタル光プロセッサを含む第２投影システムによって実行される、
    請求項２５から請求項２７までの何れか一項に記載の方法。
29. 前記像の輝度が可変となるように前記マイクロメカニカルミラーをディザリングする段階をさらに有する、
    請求項２８に記載の方法。
30. １以上の波長の電磁エネルギーを投影して、前記体積ディスプレイの深さに沿った一連の並進スライス中で、前記エネルギーが付与された前記複数の粒子と交差させ、前記体積ディスプレイ内部の特定位置に２次元断面を順次出現させる段階の前に、予め定められた時間遅延を供する段階をさらに有する、
    請求項２５から請求項２９までの何れか一項に記載の方法。
31. 前記複数の粒子がエーロゲル母体によって支持される、
    請求項２５から請求項３０までの何れか一項に記載の方法。
32. 前記複数の粒子がほぼ均一に懸濁する、
    請求項２５から請求項３１までの何れか一項に記載の方法。

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