JP5694764B2

JP5694764B2 - マルチユーザ裸眼立体視ディスプレイ

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Publication number: JP5694764B2
Application number: JP2010507000A
Authority: JP
Inventors: フィリップ，アンソニーサーマン，
Original assignee: サーマン，フィリップ，アンソニー
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2028-05-12
Also published as: US20100259604A1; WO2008139181A1; EP2160905A1; EP2160905B1; GB0709134D0; JP2010530076A; US8547422B2

Description

本発明は、視聴者が特殊眼鏡を着用する必要なく三次元（３Ｄ）画像を見ることができる裸眼立体視表示デバイスの分野に関する。特に、但し限定はしないが、本発明は、運動の自由度が比較的高い複数の視聴者に立体画像を供給することに関する。

従来技術の３Ｄディスプレイは、様々な刊行物で説明されており、例えば、「ＮｅｗＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍ」、Ｅｚｒａ、Ｗｏｏｄｇａｔｅ、Ｏｍａｒ、Ｈｏｌｌｉｍａｎ、Ｈａｒｒｏｌｄ及びＳｈａｐｉｒｏ（１９９５年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＳｙｓｔｅｍｓＩＩ」第２４０９巻、３１〜４０頁、「ＲｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅＳｃｒｅｅｎｓａｎｄｔｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓ」Ｈａｒｍａｎ、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＳｙｓｔｅｍｓＩＶ」、第３０１２巻、１４５〜１５３頁、「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙＥｍｐｌｏｙｉｎｇＨｅａｄ−ｐｏｓｉｔｉｏｎＴｒａｃｋｉｎｇｕｓｉｎｇＬａｒｇｅＦｏｒｍａｔＬｅｎｓｅｓ」、Ｈａｔｔｏｒｉ、（１９９３年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＩＶ」第１９１５巻、２〜５頁、「Ｔｈｒｅｅ−ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＤｉｓｐｌａｙｗｉｔｈＦｏｃｕｓｅｄＬｉｇｈｔＡｒｒａｙ」Ｋａｊｉｋｉ、Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、及びＨｏｎｄａ（１９９６年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＰｒａｃｔｉｃａｌＨｏｌｏｇｒａｐｈｙＸ」第２６５２巻、１０６〜１１６頁、「Ｐｅｒｆｅｃｔ３−ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭｏｖｉｅｓａｎｄＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＭｏｖｉｅｓｏｎＴＶ− ａｎｄＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＳｃｒｅｅｎｓ；ＡｎＡｐｐｒａｉｓｅｍｅｎｔ」、Ｋｌｅｉｎ及びＤｕｌｔｚ（１９９０年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」第１２５６巻、２８９〜２９５頁、「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙＩＩ（ＰｒａｃｔｉｃａｌＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）」、Ｎｉｓｈｉｄａ、Ｈａｔｔｏｒｉ、Ｓａｋｕｍａ、Ｋａｔａｙａｍａ、Ｏｍｏｒｉ及びＦｕｋｙｏ（１９９４年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＳｙｓｔｅｍｓ」第２１７７巻、１５０〜１５５頁、「ＬｅｎｔｉｃｕｌａｒＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＥｙｅ−ＰｏｓｉｔｉｏｎＴｒａｃｋｉｎｇａｎｄｗｉｔｈｏｕｔＳｐｅｃｉａｌ−ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＮｅｅｄｓ」、Ｏｍｕｒａ、Ｔｅｔｓｕｔａｎｉ及びＫｉｓｈｉｎｏ（１９９４年）、ＳＩＤ９４Ｄｉｇｅｓｔ、１８７〜１９０頁、「Ｈｅａｄ−ＴｒａｃｋｉｎｇＳｔｅｒｅｏＤｉｓｐｌａｙ：ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｐａｌｅｙ（１９９２年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓＡｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＩＩＩ」、第１６６９巻、８８頁、「ＨｅａｄＴｒａｃｋｉｎｇＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙ」、Ｓｃｈｗａｒｔｚ（１９８５年）、ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＥＥＥ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＤｉｓｐｌａｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１４１〜１４４頁、「ＰａｒａｌｌａｘＢａｒｒｉｅｒＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍｓ」、Ｓｅｘｔｏｎ（１９９２年）、ｌＥＥＣｏｌｌｏｑｕｉｕｍ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎ」ＤｉｇｅｓｔＮｏ：１９９２／１７３、５／１〜５／５頁、米国特許第５７１２７３２号明細書、「３Ｄ−ＴＶＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＨｅａｄＴｒａｃｋｉｎｇ」、Ｔｅｔｓｕｔａｎｉ、Ｉｃｈｉｎｏｓｅ及びＩｓｈｉｂａｓｈｉ（１９８９年）、ＪａｐａｎＤｉｓｐｌａｙ ’８９、５６〜５９頁、「ＡＳｔｕｄｙｏｎａＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍＥｍｐｌｏｙｉｎｇＥｙｅ−ｐｏｓｉｔｉｏｎＴｒａｃｋｉｎｇｆｏｒＭｕｌｔｉ−ｖｉｅｗｅｒｓ」、Ｔｅｔｓｕｔａｎｉ、Ｏｍｕｒａ及びＫｉｓｈｉｎｏ（１９９４年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＳｙｓｔｅｍｓ」、第２１７７巻、１３５〜１４２頁、「ＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｕｓｉｎｇＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ」、Ｔｒａｙｎｅｒ及びＯｒｒ（１９９６年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＶＩＩ」第２６５３巻、６５〜７４頁、「ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓｕｓｉｎｇＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ」、Ｔｒａｙｎｅｒ及びＯｒｒ（１９９７年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、並びに「ＯｂｓｅｒｖｅｒＴｒａｃｋｉｎｇＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ３ＤＤｉｓｐｌａｙＳｙｓｔｅｍｓ」、Ｗｏｏｄｇａｔｅ、Ｅｚｒａ、Ｈａｒｒｏｌｄ、Ｈｏｌｌｉｍａｎ、Ｊｏｎｅｓ及びＭｏｓｅｌｅｙ（１９９７年）、ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ「ＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＳｙｓｔｅｍｓＩＶ」、第３０１２巻、１８７〜１９８頁を参照されたい。

３Ｄディスプレイは、長年にわたって様々なニッチ市場のアプリケーションで使用されてきており、表示システムの品質が改善されるにつれ、アプリケーションの数も増えてきた。放送テレビジョンは、おそらく、最大の有望アプリケーションであるが、テレビジョンシステムの要件は、複雑であり、そのような要件を満たせる既存の表示システムは、あったとしても少数である。

放送テレビジョンシステムに適したディスプレイには、様々な望ましい要件がある。典型的な「リビングルーム」サイズの領域を占有する複数の視聴者に立体画像を見せることができるディスプレイを実現することが望ましい。このようなシステムは、例えば、コンピュータモニター又は業務用ゲーム機向けに提案されている、１人の視聴者を対象とするシステムに比べて複雑なものになる。

ディスプレイの全体的サイズは、好ましくは、いくつかのシステムの場合、例えば、視聴者毎に移動する一対のプロジェクタがあるシステムの場合のように、過剰なものであってはならない。家庭用テレビジョンディスプレイに対する基本的要件は、ドアをくぐり抜けられることである。提案されているディスプレイのサイズは、現行の背面投影型テレビジョンのサイズ以下であると予想される。

いくつかの従来技術の裸眼立体視ディスプレイは、左画像のみが画面の全幅にわたって見える画面の前の領域と右画像のみが見える隣接する領域を設けることにより動作する。これらの領域は、射出瞳と称される。これらの射出瞳の位置は、視聴者の眼が画面の前のどこに配置されているかを判別する頭部位置追跡装置の出力によって制御されることにより視聴者の眼の位置に追随する。頭部追跡の利点は、表示しなければならない情報の量に課される要件を最低限に抑える方法で立体画像を表示できることである。

欧州特許出願公開第１１０２１０６号明細書は、ディスプレイに表示される視差画像を観察者の左眼と右眼に誘導し、観察者がディスプレイ上に表示される画像情報を立体視できるように構成された立体画像表示装置に関するものである。この装置を使用すると、複数の観察者が立体画像を同時に観察することもできる。

縦射出瞳を形成するための円筒形レンズの配列を使用する従来技術のシステムには、３Ｄディスプレイで使用した場合の欠点がある。まず最初に、軸外収差があるため、軸外性能が制限され、ディスプレイはマルチユーザアプリケーションにとって十分に広い領域上に射出瞳を形成しない。第２に、レンズ間の境界を見えなくすることが困難である。

本発明の目的は改善されたディスプレイを実現することである。

本発明によれば、少なくとも１人の視聴者の眼に向かって、前記眼が視野内で水平方向に相隔てて並ぶときに画像を選択的に投影するための表示装置が実現され、前記装置は、
光を透過するための透過手段と、
異なる画像を生成し、複数の異なる垂直画像領域内に複数の画像部分を生成することができる画像生成手段と、
垂直光配置構成の複数の集合を形成するように前記透過光を構成するための光配置構成手段であって、それぞれの集合に含まれる異なる構成は１つの集合内のそれぞれの構成には共通であり、それぞれの集合については異なる垂直画像領域に対する異なる出射光特性を持つように選択可能であり、これらの集合は、
第１の実質的に平面状の領域から第２の実質的に平面状の領域に向かって投影される垂直光配置構成の第１の集合であって、異なる第１の集合の水平投影位置並びに前記第１の実質的に平面状の領域から投影されたときの異なる第１の集合の水平角度投影特性及び前記第２の実質的に平面状の領域から出射されたときの異なる第１の集合の水平角度出射特性をそれぞれが有する垂直光配置構成の前記第１の集合と、
前記第１の実質的に平面状の領域から前記第２の実質的に平面状の領域に向かって投影される垂直光配置構成の第２の集合であって、異なる第２の集合の水平投影位置並びに前記第１の実質的に平面状の領域から投影されたときの異なる第２の集合の水平角度投影特性をそれぞれが有し、また前記第２の実質的に平面状の領域から出射されたときの異なる第２の集合の水平角度出射特性をそれぞれが有する垂直光配置構成の前記第２の集合とを含む、光配置構成手段とを備え、
これにより前記異なる画像は、１人又は複数の視聴者のうちのそれぞれの視聴者の眼から選択された１つ又は複数の眼と一致し、それらの視聴者の１つ又は複数の他方の眼とは一致しないように前記装置によって投影される。

本発明は、それぞれが特定の垂直画像領域に対応するが、それぞれの集合について画像領域に対応する画像を異なる眼で受け取ることを可能にする、垂直光配置構成の異なる集合を形成する異なる光配置構成手段を備える投影型ディスプレイである、改善されたディスプレイを提供する。

これらの集合を連続して変更することにより、例えば、水平方向走査を用いて、画像全体を生成することができ、また動画ではそれぞれの個別の眼に対し画像を変更することにより、マルチビューア３Ｄビデオ画像を生成することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、付属の図面を参照しつつ形成される、例としてのみ与えられている、本発明の好ましい実施形態の以下の説明から明らかになる。

視野内のディスプレイ及び視聴者の簡素化された略図である。１つ又は複数の射出瞳が形成される方法を例示している、ディスプレイの同等の簡素化された光学系を示す図である。ディスプレイの簡素化された実施形態の斜視図であり、画像列の水平方向走査中の異なる時点における要求された眼に向けられたビームを示す図である。光学系を簡素化して示す光路図の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）であり、垂直光配置構成の水平方向が選択される仕方を例示する図である。一次元ガボールスーパーレンズを示す平面図である。垂直光配置構成方向を制御するために空間光変調器（ＳＬＭ）とともに水平ディフューザ上の水平方向走査の移動光源を使用する方法を例示する平面図である。空間光変調器（ＳＬＭ）の共役面内の集束を例示する平面図である。空間光変調器（ＳＬＭ）と仮想光源との間の関係を示す平面図である。水平ディフューザから視聴者の眼までの光路全体、及び一定期間にわたって射出瞳がどのように形成されるかを示す図である。ｘ−ｙ走査によって画像が形成されるディスプレイの一実施形態を例示する斜視図である。線形光弁及び水平方向走査によって画像が形成されるディスプレイの一実施形態を例示する斜視図である。小さな二次元（２Ｄ）光弁によって、また水平スキャナを使用することにより画像が形成されるディスプレイの一実施形態を例示する斜視図である。小さな二次元（２Ｄ）光弁の列方向逐次照射を実行する手段を示す平面図である。小さな二次元（２Ｄ）光弁によって画像が形成されるディスプレイの一実施形態における１つの画素から放射される光の光路の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。小さな二次元（２Ｄ）光弁によって画像が形成される光を遮断する方法を採用するディスプレイの一実施形態における光路を示す平面図である。ディスプレイで使用される画面のコンポーネントを示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。画面の一実施形態の一セクションを示す平面図である。ディスプレイの「近接場」実施形態を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ディスプレイは、射出瞳と称される視野内に複数の領域を形成するという形で動作し、視聴者の眼には、その眼を対象とする画面上の画像が見える。図１は、画像生成手段１、光配置構成手段２、及び瞳位置追跡装置３からなるディスプレイの略図である。画像生成手段１は、本発明の異なる実施形態を説明する際に、この後説明される複数の異なるコンポーネントで構成することができる。画像生成手段１は、射出瞳に位置決めされたときに１つ又は複数の選択された視聴者の眼４によって観察可能な画像を生成する。光配置構成手段２は、伝搬光ビームを操作して視野内の１人又は複数の視聴者の眼４と実質的に一致する位置に射出瞳を誘導するために使用される。好ましい実施形態では、光配置構成手段２は、１人又は複数の視聴者の眼４の位置と実質的に一致する視野内の位置へ誘導される垂直光配置構成の複数の集合を形成するために使用される。光配置構成手段２は、射出瞳が、１人又は複数の視聴者の眼４と実質的に一致する視野内の位置の垂直光配置構成で形成されるように配置される。光配置構成手段２は、本発明の異なる実施形態における多数の異なるコンポーネントで構成されうる。瞳位置追跡装置３は、射出瞳が選択された眼の位置に追随するように光学系を制御するために使用される。本発明の好ましい実施形態では、瞳位置追跡装置３は、１人又は複数の視聴者の眼４の三次元空間位置を測定し、記録するための手段とともに使用可能である。代替の一実施形態では、瞳位置追跡装置３は、１人又は複数の視聴者の眼４の経度及び緯度位置を測定することのみを行う。１人又は複数の視聴者の眼４の測定された位置データは、光配置構成手段２を構成するために使用され、これにより、１つ又は複数の射出瞳を１人又は複数の視聴者の眼４の位置と実質的に一致する位置に誘導する。

本発明の好ましい実施形態では、視野内の複数の位置に複数の射出瞳が形成される。好ましい実施形態では、垂直光配置構成に含まれる射出瞳に沿った垂直位置で画像が観察可能である。これにより、射出瞳の方向を変えることなく実質的に垂直な方向の視聴者の眼の移動に対応できる。視聴者の眼が画面に対して水平又は縦方向に移動する場合、光配置構成手段２は、射出瞳を視聴者の現在の眼の位置に誘導するように自己再構成しなければならない。好ましい実施形態では、本発明は、１人又は複数の移動する視聴者の眼の位置を追跡し、１人又は複数の視聴者４の現在の眼の位置に画像を連続的に投影することができる。このような実施形態では、光配置構成手段２は自己再構成できる必要があり、これにより、１つ又は複数の射出瞳は、瞳位置追跡装置３によって生成される、連続生成瞳位置データに基づき１人又は複数の視聴者の眼の位置と実質的に一致する位置に誘導される。光配置構成手段２は、連続投影画像シーケンスの観察可能な中断が１人又は複数の移動する視聴者の眼で観察できないくらいの速さで自己再構成しなければならない。

本発明の好ましい実施形態では、画像生成手段１は、カラー画像を生成するための手段を備える。好ましい実施形態では、これらの手段は、光を発生するための光源手段、及びカラー画像を投影するように生成された光の強度及び波長を変調するための手段を備えることができる。このような手段は、１つ又は複数の異なる装置によって実現されうる。本発明は、カラー画像を生成する複数の異なる手段と併せて機能するように適合されうると考えられるが、いくつかの実施形態は明細書で説明され、他の実施形態は明細書で説明されていない。いくつかの実施形態は、画像生成手段１の再構成を必要とすることがあり、また当業者の知識の範囲内にある。このような異なる実施形態は、特に説明されていないにもかかわらず、本明細書の範囲内にあるものとする。

好ましい実施形態では、ＲＯＢ（赤緑青）色モデルが採用され、所望の色と強度を生成するために異なる量の赤色、緑色、及び青色が混合される。

好ましい一実施形態では、３つの異なる光源が使用され、それぞれ赤色、緑色、及び青色である。これらの光源は、従来の色付きランプ又はＬＥＤ（発光ダイオード）とすることができるか、又はその代わりに、好ましい実施形態では、レーザが使用される。好ましくは、３つのレーザが使用され、レーザはそれぞれ、赤色、緑色、及び青色の異なる波長の可視光を発生する。レーザを光源として使用することには、ランプ又はＬＥＤの習慣的な使用に明らかに勝る利点があるが、それは、低エテンデューであることで、このアプリケーションで必要な光の制御がしやすくなり、また帯域幅が狭いため色域が広がるからである。

好ましい実施形態では、回折格子ライトバルブ（ＧＬＶ）デバイス画像生成手段が使用される。一般に、このようなシステムは、原色（赤色、緑色、青色）のそれぞれを可変格子構造から反射し、回折順序を重ね合わせてカラー画像を生成することを伴う。本発明の一実施形態では、格子電気機械システム（ＧＥＭＳ）を使用することができる。代替の一実施形態では、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）スキャナとともにＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｎＳｉｌｉｃｏｎ）を使用することができる。さらに他の代替実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは変調レーザとともに使用される。可変格子を使用する他の画像生成手段が、本発明において使用されることも考えられる。格子画像生成手段を使用するには、図１に例示されている画像生成手段１に対しわずかな設計修正を加える必要がある。このような修正は、当業者に広く知られており、光配置構成手段２に影響を及ぼさない。

図２（ａ）は、ディスプレイの同等の簡素化された光学系であり、１つ又は複数の射出瞳２８及び２９が形成される方法を例示している。視聴者２１０及び２１１の付近で照射を受ける領域は、陰影付けで示されていることに留意されたい。画像２７は、射出瞳領域２８及び２９内に位置する視聴者２１０及び２１１の左眼で見るようになっている。画像２７は、開口２４及び２５を含む凸投影レンズ２３によって表される第１の実質的に平面状の領域を介して、二次元光弁２２を備えることができる、画像生成手段からの投影により、本実施形態における凸レンズ２６によって表される、第２の実質的に平面状の領域上に形成される。本明細書の図は、例示することを目的として、第２の実質的に平面状の領域（凸レンズ２６）上に投影される画像２７全体を示し、画像は光弁２２によって生成される。本発明の特定の実施形態では、光弁２２の垂直画像領域は、どの時点においても照射され、これにより、画像２７の垂直画像部分を任意の時点において第２の実質的に平面状の領域（凸レンズ２６）上に投影する。垂直光配置構成の集合が、第１の実質的に平面状の領域（凸投影レンズ２３）から第２の実質的に平面状の領域（凸レンズ２６）に投影され、これにより、画像２７が第２の実質的に平面状の領域（凸レンズ２６）上に投影される。第１の実質的に平面状の領域から投影される垂直光配置構成の集合のそれぞれは、異なる水平投影位置、異なる水平角度投影特性、及び第２の実質的に平面状の領域（凸レンズ２６）から出射する場合の異なる水平角度出射特性を有する。しかし、垂直光配置構成の集合の中の配置構成のそれぞれは、共通垂直画像領域を共有し、そのようなものとして、集合の中のそれぞれの配置構成は、視野内に同じ垂直画像部分を投影する。出射垂直光配置構成は、１人又は複数の視聴者の眼位置に、それらの眼が視野内に位置決めされたときに誘導される。第２の実質的に平面状の領域（凸レンズ２６）は、ディスプレイの画面を実際に形成する。画像生成手段は、光弁２２と光照射源２１の両方を備えることができ、これを使用して光弁２２を光照射し、それによって透過光の波長及び強度を変調することができる。第１の実質的に平面状の領域（投影レンズ２３）は、これに隣接する垂直開口２４及び２５を有し、これにより、光を垂直光配置構成の形で凸レンズ２６に通すことができる。これらの開口は、凸レンズ２６を介して実像２８及び２９を視野内に形成する。これらの像は射出瞳２８及び２９である。開口２４及び２５の横方向の移動により、射出瞳２８及び２９の横方向の移動が生じ、横移動が可能になり、瞳位置追跡装置３（図１）の出力によって移動が制御される。開口２４及び２５は、レンズのフーリエ変換平面内にあるため、視聴者２１０及び２１１には見えない。

時間多重化を使用して画像を順次表示することにより眼に対し異なる画像が送られる。例えば、図２は、左の画像は２つの左眼に対し同時に送られることを示している。視聴者が立体画像を見る場合、右の画像が次のフレームで送られ、射出瞳は右眼にシフトされる。左の画像が次のフレームで送られ、射出瞳は左眼にシフトされて戻り、というように続く。２人の視聴者が運動視差を見る場合、４つの画像が順次送られ、４つの眼のそれぞれに必要な画像に対応する、４つの透視画像が形成され、射出瞳をそこに向けることにより該当する眼に対し表示される。表示される画像の数は、コンポーネントの速度、特に、画像生成手段１が画像を生成できる速度、及び投影レンズ２３がその垂直開口２４及び２５を再配置し、それにより１人又は複数の視聴者の眼と実質的に一致する視野内の位置に射出瞳を誘導することができる速度に依存する。例えば、この方法は、十分に高速なコンポーネントが使用されている場合には、８つの完全に異なる画像を必要ならば視野内の８つの異なる領域に送ることが可能である。

図２（ｂ）は、画像を見る眼を選択する他の手段を例示している。この場合、レンズ２３は、光を遮断するそのレンズに隣接する２つの垂直領域２１２及び２１３を有する。これにより、視聴者２１０及び２１１の右眼への光が遮断される「陰影」領域２１４及び２１５が形成される。射出瞳が生成されるか、又は「陰影」領域が生成されるかに関係なく、これはディスプレイの動作原理に影響を及ぼさないことに留意されたい。陰影領域を誘導するための手段は、一実施形態では垂直光配置構成が誘導され、他の実施形態では垂直陰影領域が１人又は複数の視聴者の眼と実質的に一致する視野内の位置に誘導されるにもかかわらず、射出瞳を誘導するための手段と同一である。この説明の残り部分では、「射出瞳」という用語が使用されており、また陰影領域又は射出瞳の誘導によって眼特有の画像が観察可能である領域を指す場合がある。さらに、当業者であれば、本明細書で説明されている実施形態はそれぞれ、射出瞳の誘導又は陰影領域の誘導を使用して等しくよく機能することが可能であることを理解し、またそのような実施形態はすべて本明細書の範囲内に収まることが理解される。また、２人の視聴者がそれぞれ同じ左画像を左眼で見ているように示されているけれども、これは様々な動作方式の一例にすぎない。

代替実施形態では、１人又は複数の視聴者の眼のそれぞれは、同じ物体像の異なる透視画像を観察しており、視差を表示することができ、そのため、異なる視聴者は、同じ物体像の異なる透視立体画像を観察する。代替の一実施形態では、それぞれの視聴者は、異なる物体像の異なる画像を観察することができる。例えば、そのような一実施形態では、１人又は複数の視聴者がそれぞれ、異なる「テレビチャンネル」を見るか、又は１台のディスプレイで同時に異なるビデオ信号を見るようにすることができる。このような実施形態は、選択された視聴者のみが、特定の画像を観察することができるので、プライベート視聴実施形態と称することができる。さらに他の実施形態では、それぞれの視聴者は、同じ画像を観察することができる。それぞれの実施形態は、１人の視聴者のみが視野内の射出瞳内の投影画像を観察するシングルユーザモードで動作するか、又は複数の射出瞳が視野内に形成され、複数の異なる視聴者から見られるようになっているマルチユーザ動作モードで動作しうる。さらに、本発明のそれぞれの実施形態は、平面又は立体画像のいずれかを投影することができる。本発明の他の実施形態では、それぞれの視聴者は、同じ立体画像又は異なる立体画像を観察することができる。

本発明の好ましい実施形態では、画像生成手段１は、複数の垂直画像領域、好ましくは互いに水平方向に相隔てて並ぶ領域を備える。いくつかの実施形態では、垂直画像領域は、光弁の垂直ピクセル列とすることができる。好ましい実施形態では、光配置構成手段２は、垂直光配置構成の複数の集合を形成するように構成され、それぞれの集合に含まれる異なる構成は選択可能であり、集合に含まれるそれぞれの構成に共通である垂直画像領域に対する異なる出射光特性をもたらす。これらの集合は、第１の実質的に平面状の領域から第２の実質的に平面状の領域に向かって投影される垂直光配置構成の第１の集合を含むことができ、第１の集合に含まれる配置構成のそれぞれは、異なる第１の集合の水平投影位置及び第１の実質的に平面状の領域から投影されたときの異なる第１の集合の水平角度投影特性を有し、また第２の実質的に平面状の領域から出射されたときの異なる第１の集合の水平角度出射特性を有する。これらの集合は、さらに、第１の実質的に平面状の領域から第２の実質的に平面状の領域に向かって投影される垂直光配置構成の第２の集合を含むことができ、垂直光配置構成の第２の集合のそれぞれは、異なる第２の集合の水平投影位置、及び第１の実質的に平面状の領域から投影されたときの異なる第２の集合の水平角度投影特性を有し、また第２の実質的に平面状の領域から出射されたときの異なる第２の集合の水平角度出射特性を有する。垂直光配置構成のそれぞれの異なる集合は、異なる垂直画像領域に関連付けられる。１人又は複数の視聴者の眼に投影される完全な画像は、垂直光配置構成の複数の集合を介してそれぞれの視聴者の眼に順次投影される、複数の垂直画像領域からの複数の異なる出射光特性からなる。

本発明の好ましい実施形態では、光配置構成手段２（図１）は、垂直光配置構成の第１及び第２の集合を順次アクティブ化するように構成され、これにより、第２の実質的に平面状の領域上を水平方向に走査することが可能になり、垂直光配置構成の異なる集合のそれぞれは、異なる垂直画像領域に関連付けられる。完全な画像は、ラスター走査と考えることができ、垂直光配置構成の異なる集合は、順次、完全な画像の異なる垂直画像部分に対応するラスター画像を第２の実質的に平面状の領域上に投影する。好ましい実施形態では、１つの画像の周波数は、少なくとも６０Ｈｚであり、したがって、臨界フリッカ周波数要件を満たす。ディスプレイが投影する異なる画像が多ければ多いほど、したがって、第２の実質的に平面状の領域上で走査される異なる画像が多ければ多いほど、必要な走査周波数は高くなる。運動視差（「ルックアラウンド」効果）を表示する立体画像を投影するいくつかの実施形態では、それぞれの視聴者の眼に投影される画像は異なり、それぞれの異なる画像は、第２の実質的に平面状の領域において６０Ｈｚの繰り返し率を有していなければならない。シングルユーザモードで動作している場合、これは、視聴者の眼１つ当たり６０Ｈｚで、１２０Ｈｚの走査周波数を必要とする。その場にいる視聴者が多ければ多いほど、走査周波数は高くなる。４人の視聴者がディスプレイを観察している実施形態では、走査周波数は、少なくとも４８０Ｈｚである、つまり、１６．７ミリ秒毎に８画像（６０Ｈｚ）の速度である。代わりに、視差が表示されず、同じ立体画像が複数の異なる視聴者に対し投影される場合、垂直光配置構成の複数の集合によって同じ眼特有の画像を同時にそれぞれの視聴者の選択された眼に対し投影してから、同じ物体像の異なる眼特有の透視画像を同時にそれぞれの視聴者の他方の眼に対し投影することができる。このような実施形態では、眼特有の画像は複数の視聴者のすべての右眼に投影され、次いで複数の視聴者のすべての左眼に投影されるか、又はその逆に投影される−眼特有の画像が投影される順序は重要でない。このような実施形態では、異なる視聴者の数は、生成される異なる眼特有の画像の数は一定であり、常に立体画像１つにつき２つであるので走査周波数レートに影響を及ぼさない。異なる視聴者の数は、第１の実質的に平面状の領域によって同時に生成されなければならない異なる垂直光配置構成の数にのみ影響を及ぼす。本発明の異なる実施形態にも対応できるように、画像生成手段１は、短時間に多数の異なる画像を生成できなければならない。さらに、光配置構成手段２は、短いレスポンスタイムで、臨界フリッカ周波数要件などの第２の実質的に平面状の領域の走査周波数要件を満たす必要のある異なる垂直光配置構成を順次アクティブ化することができなければならない。光配置構成手段２が異なる垂直光配置構成を生成しなければならない正確な周波数、及びしたがって、レスポンスタイムも、完全な画像を含む異なる垂直画像領域の数に依存するが、それは、それぞれの垂直光配置構成で１つの垂直画像領域がディスプレイ上に投影されるからである。

図３には、ディスプレイの簡素化された実施形態が示されている。その基本的動作は、２Ｄ光弁３２０上に生成された画像をレンズ３２３を介して画面３２６上に投影することである。光弁は、画像を形成することを可能にするピクセルの二次元配列を用いて光を減衰させる。このデバイスはこの図のように透過的であるか、又は反射的であるものとすることができる。光配置構成手段は、光を空間変調し、それにより垂直光配置構成の複数の集合を形成するための手段である。いくつかの実施形態では、空間変調手段は、線形空間光変調器（ＳＬＭ）３２４とすることができる。線形空間光変調器（ＳＬＭ）３２４は、光を透過又は遮断する要素の水平配列を備え、デバイスは、図３に示されているように透過的であるか、反射的であるものとすることができる。この要素は、瞳位置追跡装置３（図１）の出力によって制御される。

代替実施形態では、空間光変調器（ＳＬＭ）３２４は、透過的であるか、又は反射的である、ＭＥＭＳデバイスとすることができる。ＭＥＭＳデバイスのレスポンスタイムは、非常に短く、短時間のうちに複数の垂直光配置構成を生成することができ、そのようなものとして、空間光変調器３２４として使用するのに適している。ＭＥＭＳが反射型格子構造である実施形態では、反射垂直光配置構成の角度は、格子構造を変化させ、そうして垂直光配置構成を誘導することにより変えることができる。

他の好ましい実施形態では、ＳＬＭ３２４は、反応時間が短くなるように選択された、強誘電体光弁で構成することができる。

さらに他の実施形態では、ＳＬＭ３２４は、透過型又は反射型のＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｎＳｉｌｉｃｏｎ）とすることができる。

代替実施形態では、ＳＬＭ３２４は、本発明の異なる実施形態に対応できる十分に高速な反応時間を持つ透過型又は反射型光弁とすることができると考えられる。図３は、画像を視野内の１人又は複数の視聴者に投影する方法の一実施形態を例示している。図に示されている実施形態では、光配置構成手段は、角度変動を有する光を透過するための透過手段、透過光を第２の実質的に平面状の領域上の共通位置に集束させるための集光手段、及び第１の実質的に平面状の領域と第２の実質的に平面状の領域との間の透過光を変調するための空間変調手段からなる。好ましい実施形態では、透過手段は、凸レンズ３１９及び水平ディフューザ３２１からなるものとすることができる。凸レンズ３１９は、透過光を第１の実質的に平面状の領域に実質的に集束するが（本発明の実施形態のＳＬＭ３２４）、水平ディフューザは、透過光を実質的に水平の方向に拡散する。画像生成手段は、光源３１６、ビーム整形光学系３１７、水平方向走査デバイス３１８、及びこの実施形態では、凸レンズ３１９と水平ディフューザ３２１との間に配置される二次元（２Ｄ）光弁３２０である入射光の波長及び強度を変調するための手段からなる。好ましい実施形態では、光源３１６は、１つ又は複数のレーザとすることができる。しかし、すでに開示されているように、説明されているどの実施形態も、他の光源を併用することができる。好ましい実施形態では、水平方向走査デバイス３１８は、ＭＥＭＳである。代替実施形態で、回転鏡スキャナが使用されうる。図３は、ディスプレイが二次元光弁３２０の垂直列の水平方向走査によって画像を形成する方法を例示している。この垂直列は、前の実施形態で説明されている垂直画像領域に相当するものである。レーザ３１６から出る光は、ビーム整形光学系３１７を通過し、垂直の扇状に広がる光線を発生する。レーザ３１６は、直径が光源からの距離の増大とともに着実に増大するガウス型ビームプロファイルを有するレーザビームを発生する。さらに、強度は、不均一で、ガウス分布し、透過軸の周りに集中する傾向がある。ビーム整形光学系３１７は、少なくとも部分的には、この強度を垂直方向に均一に分布させて、発生光における強度の食い違いを最小限に抑え、垂直の扇状に広がる光線を発生する発生光の表面断面積を増やす。垂直の扇状に広がる光線は、２Ｄ光弁３２０の垂直列を均一に照射し、光弁３２０の異なる照射垂直列に対し異なる出射光特性を生み出す。垂直の扇状に広がる光線は、走査デバイス３１８によって水平方向に走査される。走査された扇状に広がる光線は、凸レンズ３１９を介して２Ｄ光弁３２０を照射する。図３（ａ）では、照射の列が、所定の時間Ｔ_ｘにおいて３２２で示されているように位置決めされる。この光照射は、光がレンズ３２３の全幅にわたって入るようにディフューザ３２１によって水平方向に散乱される。レンズ３２３は、スキャナ３１８の出力を画面３２６上に集光する。３２３からの光は、空間光変調器（ＳＬＭ）を通過するが（この実施形態では第１の実質的に平面状の領域）、好ましい実施形態では、これは、選択された光線を通過させることができる２Ｄ光弁３２４とすることができる。これらの光線は、レンズ３２３によって集束されることで画像３２５の列を画面３２６上に形成する。好ましい実施形態では、レンズ３２３は、透過光線を実質的に水平の方向に集束し、これにより、集束した垂直画像列を画面３２５上に形成する。

画面は、後で説明される特性を有しており、そこでは、出力光線の水平方向は与えられた入力水平方向に対応する。ディスプレイは、目的とする眼、この場合は視聴者２１０及び２１１の左眼に常に向けられるように走査中に出射ビームの水平方向を変える形で動作する。図３（ｂ）は、光弁への光照射が位置３２７で行われ、画面上の画像は位置３２８にあるその後の時刻Ｔ_ｙにおけるビーム方向を示している。図３（ａ）と３（ｂ）の両方に共通の装置には同じラベルが付けられている。２Ｄ光弁が水平方向に走査されると、画面３２６上に投影される垂直画像列３２８は、画面３２６上でも走査される。垂直画像列３２８は、完全な画像の垂直画像部分である。視野内に投影され、射出瞳において観察可能な完全な画像は、ラスター走査によって形成され、その場合、垂直光配置構成は、この実施形態では画面３２６である第２の実質的に平面状の領域上で走査される。

図４（ａ）は、光学系の簡素化された平面図であり、ビームの水平方向が選択される方法を例示している。水平ディフューザ３２１上の点から出るすべての光線は、線形ＳＬＭ３２４の要素すべてが光を通すことができる場合にレンズ３２３によって画面３２６上の１つの点に集束される。ＳＬＭ３２４の小さな領域のみが光を透過する場合、垂直光配置構成又は言い換えると、細いビームが、画面３２６から出て視聴者の眼４３０に届く。図４（ｂ）は、眼４３０への光路を示す簡素化された側面図であり、垂直画像列がレンズ３２３によって画面３２６上で実質的に平行な方向に集束されることを明確に示している。他の図中の他の装置特徴と共通ラベルを共有する装置は、同じ装置であることを意味する。

ディスプレイが広い領域にわたって配置されている複数の視聴者に対し機能するように、画面３２６はＳＬＭ３２４で画像を効果的に拡大できる必要がある。好ましい一実施形態では、出現する垂直光配置構成の水平角度出射特性は、入射角に関して拡大され、これにより、射出瞳が形成されうる視野の角度の範囲が広がる。レンズ収差により、このアプリケーションにおける従来型レンズを使用できなくなるが、拡大するガボールスーパーレンズはこの機能を実行することができる。ガボールスーパーレンズは、互いに密接して配置されている２対の小型レンズを配列したものである。ディスプレイでは、この機能は、一実施形態でスーパーレンズが２枚の垂直に揃えられたレンチキュラーシートを備えるように水平方向においてのみ必要である。図５は、一次元ガボールスーパーレンズ５３３の平面図である。結像特性は、物体距離の増大とともにレンズからの距離が増大する反転及び共役画像はないという点で従来のレンズの特性と異なる。これは、図５に例示されており、そこでは、画像５３４は位置Ｏ_１に配置されている物体５３１の共役であり、画像５３５は位置Ｏ_２に配置されている物体５３２の共役である。ガボールスーパーレンズの結像特性は、当技術分野で広く知られており、関心のある読者は、Ｈｅｍｂｄ−Ｓｏｌｎｅｒら著「ＩｍａｇｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＧａｂｏｒｓｕｐｅｒｌｅｎｓ」Ｊ．Ｏｐｔ．Ａ：ＰｕｒｅＡｐｐｌ．Ｏｐｔ．１（１９９９年）９４〜１０２頁を参照されたい。

図６は、ビーム方向を制御するためにＳＬＭ３２４とともに水平ディフューザ３２１上の水平方向走査の移動光源を使用する方法を例示している。時刻ｔ_１（図６（ａ））で、光は、６３７に位置する照射の列について、領域６４４でＳＬＭ３２４から出ることができ、時刻ｔ_２（図６（ｂ））で、光は、６３８に位置する照射の列について、領域６４５でＳＬＭ３２４から出ることができ、時刻ｔ_３（図６（ｃ））で、光は、６３９に位置する照射の列について、領域６４６でＳＬＭ３２４から出ることができる。出口領域が水平ディフューザ３２１における走査と反対の方向に移動すると、仮想光源が図８に例示されているようにＳＬＭ３２４の背後に形成される。実際のディスプレイと同等のこの簡素化されたディスプレイ内の有効光源の走査は、画面における走査と光弁１２６６における走査の両方に対し反対の方向にあることに留意されたい。他の図中の他の装置特徴と共通ラベルを共有する装置は、同じ装置であることを意味する。

図７では、ＳＬＭ３２４は、視野内に、破線で示されている実像７４１を形成する。この実像７４１は、ＳＬＭ３２４の共役面である。物体は、この場合、ＳＬＭ３２４内の透過領域７２９であり、射出瞳である実像７４２を形成する。したがって、横方向に移動する光源７４０が、水平ディフューザ３２１を横断するときに（図３を参照）、透過領域７２９は、位置を変更しなくてもよい。

図８は、領域８４７内の視野内に集光する仮想光源８４３の形成を示している。仮想光源８４３は、図６のような状態でＳＬＭ３２４の背後にある。視聴者の眼は、射出瞳８４７のところに配置され、したがって、共役面７４１からさらに離れる。逆に、透過領域が水平ディフューザ３２１における走査と同じ方向に移動するときには、虚像がＳＬＭ３２４の前にあり、射出瞳は、共役面７４１より画面５３３に近い。透過領域が走査と同じ方向に移動すると、時間順に透過された垂直光配置構成が集束し、これにより、位置が画面５３３に近い仮想光源が形成される。代わりに、透過領域が走査と反対の方向に移動したときには、図６及び図８の両方に示されているように、時間順に透過された垂直光配置構成は発散し、仮想光源位置８４３は、画面５３３から離れているように見え、その結果、ＳＬＭの共役面７４１より画面から遠くに射出瞳が形成される。透過領域が走査時に移動しない場合、射出瞳は、ＳＬＭ３２４の共役像平面７４１内に形成される。

要約すると、好ましい実施形態では、視野内の射出瞳の位置は、仮想光源８４３の位置に依存し、仮想光源８４３は水平ディフューザ３２１の走査時にＳＬＭ３２４内の透過領域の挙動に依存する。静的透過領域は、ＳＬＭ３２４の透過領域内に形成される仮想光源位置を生成し、その結果、射出瞳がＳＬＭ３２４の共役面７４１内に形成される。動的な透過領域では、結果として、仮想光源位置がＳＬＭ３２４の透過領域の外に置かれた長手方向位置を有し、これはＳＬＭ３２４に比べて画面５３３に近いか、又は画面５３３から遠い。両方の状況において、形成される射出瞳の横方向位置は、少なくとも部分的には、ＳＬＭ３２４の透過領域の１つ又は複数の横方向位置に依存する。

図９は、水平ディフューザ３２１から視聴者の眼８４７までの光路全体、及び時間内に射出瞳がどのように形成されるかを示す。射出瞳は、視聴者の眼の位置８４７のところに形成される。現在の図では、８４７は、視聴者の眼の位置及び射出瞳の位置の両方を指すために使用されている。

時刻ｔ_１（図９（ａ））で、照射源位置９４８（光源位置は水平ディフューザ３２１内の照射列の位置に等しい）からの光は、レンズ３２３によって集束され、領域９４９でＳＬＭ３２４を通過し、領域９５０で画面５３３を通過し、続いて射出瞳８４７に配置されている視聴者の眼に至る。

時刻ｔ_２（図９（ｂ））で、照射源位置９５１からの光は、レンズ３２３によって集束され、領域９５２でＳＬＭ３２４を通過し、領域９５３で画面５３３を通過し、続いて射出瞳８４７に配置されている視聴者の眼に至る。

時刻ｔ_３（図９（ｃ））で、照射源位置９５４からの光は、レンズ３２３によって集束され、領域９５５でＳＬＭ３２４を通過し、領域９５６で画面５３３を通過し、続いて射出瞳８４７に配置されている視聴者の眼に至る。

この動作は、動的射出瞳形成と考えることができる。

図１０はｘ−ｙ走査によって画像が形成されるディスプレイの一実施形態を例示している。レーザ３１６から出る光が、波長と強度を変調される場合、その出力は、ｘ−ｙ走査デバイス１０５７によって走査され、水平ディフューザ３２１上に画像１０５８の列が形成され、次いで、これは位置１０６０で画面３２６上に投影される。このような実施形態では、ｘ−ｙ走査デバイス１０５７は、ＭＥＭＳとすることができ、そこでは、反射されたビームは、水平方向と垂直方向の両方に向きを変えることができる。その代わりに、ｘ方向とｙ方向の両方で回転自由度が２である移動する鏡が使用されうる。本発明の実施形態では、２Ｄ光弁３２０は存在していない。走査は、最初に、水平ディフューザ３２１上で縦方向に実行され、これにより、第２の実質的に平面状の領域にわたって垂直方向走査が行われ、次いで、水平ディフューザ３２１にわたって水平方向に行われる。水平ディフューザ３２１から視聴者へのディスプレイの動作は、レンズ１０５９が軸が垂直である円筒形レンズであることを除き簡素化されたディスプレイについて説明されているのと同一である。

図１１は線形光弁１１６１によって画像が形成されるディスプレイの一実施形態を例示している。レーザ３１６から出る光は、ビーム整形光学系３１７を通過し、ビームは垂直の扇状に広がる光線に変換される。これは、線形光弁１１６１に光を照射し、その出力は、水平ディフューザ３２１上に集束され、画像１１６３の列を形成する。光弁１１６１の出力は、走査デバイス３１８によって水平方向に走査されて、水平ディフューザ３２１上に画像が形成され、次いでこれは、位置１１６４で画面３２６上に投影される。この場合、２Ｄ光弁３２０は存在していない。水平ディフューザ３２１から視聴者へのディスプレイの動作は、簡素化されたディスプレイについて説明されているのと同一である。光弁１１６１は、反射型又は透過型とすることができる。光弁１１６１は、従来の放射線減衰モードで動作しうるか、又は水平ディフューザ３２１上の画像が、光の干渉によって形成される回折素子とすることができる。

図１２及び図１３は、小さな二次元（２Ｄ）光弁１２６６によって画像が形成されるディスプレイの一実施形態を例示している。これは、反射型又は透過型とすることができる。レーザ３１６から出る光は、ビーム整形光学系３１７及び１２６５を通過し、これによりビームは光弁１２６６上の非常に細い垂直の扇状に広がる光線に集束される。二次元光弁１２６６から出る選択的に減衰された光線は、スキャナ３１８によって水平方向に走査され、投影レンズ１２６７及びレンズ３１９を介して水平ディフューザ３２１上に集束する。減衰したこれらの光線は、位置１２６８で水平ディフューザ３２１上に、位置１２６９で画面３２６上に投影される画像を形成する。この場合、２Ｄ光弁３２０は存在していない。水平ディフューザ３２１から視聴者へのディスプレイの動作は、簡素化されたディスプレイについて説明されているのと同一である。この実施形態では、二次元光弁１２６６は、水平方向走査が入力ビームに対し実行されることを除き一次元光弁１１６１と同じ動作をする。小さな２Ｄ光弁１２６６と投影レンズ１２６７とを併用することには、レンズ３１９と水平ディフューザ３２１との間に配置される２Ｄ光弁を使用する前の実施形態に勝る利点がある。光弁のサイズは、生成された画像が水平ディフューザ３２１上に投影されることを考慮するとかなり小さい場合があり、スキャナ３１８の回転角度は小さく、その結果、速度が上昇し、コンポーネントサイズは減少する。

図１３は、光弁１２６６が透過型ではなく反射型であることを除き図１２に例示されている実施形態と同じ動的射出瞳形成を例示している。時刻ｔ_１（図１３（ａ））で、有効照射源位置１３６８は、レンズ３２３の焦点となり、領域１３７１でＳＬＭ３２４を通過する。時刻ｔ_２（図１３（ｂ））で、有効照射源位置１３６９は、レンズ３２３の焦点となり、領域１３７２でＳＬＭ３２４を通過する。時刻ｔ_３（図１３（ｃ））で、有効照射源位置１３７０は、レンズ３２３の焦点となり、領域１３７３でＳＬＭ３２４を通過する。動的射出瞳形成は、前の実施形態で説明され図９（ａ〜ｃ）に例示されているのと同じである。

図１４（ａ）及び（ｂ）は、射出瞳の形成が示されるディスプレイの小さな２Ｄ光弁実施形態の光路図の側面及び平面図である。例示することを目的として、１つの画像ピクセルについて放射される光の光線のみが示されている。ビーム１４７０は、投影レンズ１２６７によって水平ディフューザ３２１上に集束される。光束１４７１は、ディフューザ３２１によって散乱されるレンズ３１９の集束光によって形成される。出射光束１４７１は、ＳＬＭ３２４によって選択的に遮断されてビーム１４７２及び１４７３になり、これらは平面図（図１４（ｂ））内で明確に観察可能である。画面３２６を通過した後、これらは、それぞれ視聴者１４７６及び１４７７へのビーム１４７４及び１４７５によって方向を変えられ眼に向かう。光路は、図１４（ｂ）内の陰影付き領域によって示されていることに留意されたい。

図１５は、陰影領域１５８０及び１５８１とも称される２つの遮断された領域がどのように形成されるかを示すディスプレイの同じ実施形態の光路図である。ＳＬＭ３２４は、領域１５７８及び１５７９を選択的に遮断する。画面３２６を通過した後、これらは、陰影領域１５８０及び１５８１によって方向を変えられ該当する眼に向かう。この方法で、選択された眼は、図に示されている実施形態では、２人の視聴者の左眼１５８２及び１５８３に一致するが、これらは、画像を観察することから遮断され、その一方で、右眼は、投影画像を見る。

図１６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の好ましい一実施形態で使用される画面３２６のコンポーネントを例示する平面図及び側面図である。凸レンズ１６８２は、ガボールスーパーレンズ１６８３の表面に対しほぼ法線方向となるように入射光をコリメートする。スーパーレンズ１６８３は、水平方向の入射光線に対し角度拡大を行う。垂直ディフューザ１６８４は光を垂直方向に拡散させて、視聴者が様々な垂直位置で画面３２６の高さの上から均一な明るさを見ることができるようにする。凸視野レンズ１６８５は、光を垂直平面内の視聴者に集束し、さらに、水平面内により有用なフットプリントを持つ視野を形成する。本発明の代替実施形態では、凸レンズ１６８２は存在していない。さらに他の代替実施形態では、凸視野レンズ１６８５及び／又は凸レンズ１６８２は存在しない。

図１７は、スーパーレンズ画面１６８３の一実施形態の一セクションを示す平面図である。それぞれのセクションは、基材１７８６上の小型レンズは対物レンズであり、基材１７８７上の小型レンズは視野レンズであり、基材１７８９上の小型レンズは接眼レンズと同等のものである小型望遠鏡として働く。他の実施形態は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）又は屈折コンポーネントとＨＯＥコンポーネントの両方を含むハイブリッドスクリーンとすることができる。

［代替実施形態］
代替実施形態では、本発明は、さらに、近視野動作モードでも機能しうる。図１８は、そのような実施形態を例示している。図１８（ａ）は、画面３２６から短い距離のところに位置する視聴者１８１を例示している。三次元（３Ｄ）立体画像１８２は、視聴者１８１の位置から短い距離のところで観察可能である。好ましい実施形態では、立体画像１８２は、視聴者１８１から腕の届く範囲内に形成される。図１８（ｂ）は、立体画像１８２がどのように形成されるかを例示している。左及び右の画像１８３は、前の実施形態で説明されているように画面３２６上に投影される。視野内の３Ｄ立体画像１８２の見かけの位置は、少なくとも部分的には、左と右の画像１８３の間の視差の大きさに依存する。一般に、左と右の画像１８３の間の視差が大きければ大きいほど、３Ｄ立体画像は視聴者に近づいて見える。同様に、左と右の画像１８３の間の視差が小さければ小さいほど、３Ｄ立体画像１８２は視聴者から遠く離れて見える。本発明の好ましい実施形態では、瞳位置追跡装置３（図１８には表示されていない）は、定義済みの視聴者の手振りを認識するための手段を備え、これに基づき、立体画像１８２を操作することが可能である。このような実施形態では、画像１８２の遠近感を変えることができ、例えば、画像１８２を回転軸に沿って回転させることができると考えられる。また、３Ｄ立体画像のサイズも変えられると考えられる。好ましい実施形態では、瞳位置追跡装置３は、定義済みの視聴者の手振りを定義済み命令を示しているものとして認識し、その命令を画像生成手段１に送信するが、これは、右及び左の画像１８３を有限な量だけ回転させることにより投影画像を操作するか、又は右及び左の画像１８３のサイズを変更する命令とすることができ、これはそれに応じて画像生成手段１を再構成することによって実現できる。光弁を使用して右及び左の画像１８３を生成する実施形態では、これは、透過光が所望の透視画像、及び／又は正しいサイズの画像を投影するように光弁を再構成することを含むことができる。

代替の一実施形態では、別の視聴者の手振り認識手段を使用することができる。或いは、その代わりに、代替の定義済み視聴者コマンドを使用して、立体画像１８２を操作することができる。

すでに開示されている実施形態と同様に、近視野動作はシングルユーザモード又はマルチユーザモードのいずれかで実行可能である。マルチユーザモードで動作する場合、それぞれの視聴者は、同じ立体画像、同じ物体像の異なる３Ｄ透視画像、又はその代わりに、近視野プライベート視聴動作モードで異なる物体像に対応する異なる立体画像を観察することができる。

本発明の代替の一実施形態では、第１の実質的に平面状の領域は、誘導可能な選択的に変調される光源の配列によって置き換えることが可能であり、それぞれの光源は、垂直光配置構成の複数の集合を生成することができる。このような実施形態では、配列内に存在するそれぞれの誘導可能な光源は、複数の異なる波長及び強度の変調光ビームを選択的に生成し、投影することができると考えられる。それぞれの誘導可能な光源は、光のビームを直接画面３２６上に投影することが考えられる。いくつかの実施形態では、誘導可能な光源は、画面３２６上でｘ−ｙ走査を行える。異なる誘導可能な光源が、それぞれの異なる視聴者に割り当てられることが考えられる。

本発明の他の実施形態では、表示装置は表示装置によって占有される容積を最小にするように配置されることが考えられる。これは、垂直光配置構成の光路内に置かれた、反射鏡又は他のそのようなデバイスを導入するか、或いはディスプレイを備える装置のどれか１つの向きを変えることにより実現されうる。このような実施形態では、水平配向は、垂直配向と入れ替えることが可能であり、またその逆も可能であると考えられる。例えば、このような実施形態では、水平ディフューザを備えるのではなく、垂直ディフューザを備え、垂直光配置構成を水平光配置構成で置き換えることができる。本明細書で「水平」又は「垂直」という用語が使用されている場合、これは、「水平と同等」又は「垂直と同等」を示すと理解されるべきであり、出射光が眼に届いたときに出射光の水平又は垂直の特性をもたらす効果を有する何かであることを示している。

上記の実施形態は、本発明の例示的な実施例として理解されるべきである。本発明の他の実施形態も考えられる。一実施形態に関連して説明されている特徴は、単独で使用されるか、或いは説明されている他の特徴と組み合わせて使用され、またこれらの実施形態のうちの他方の実施形態の１つ又は複数の特徴と組み合わせて使用されるか、或いはこれらの実施形態のうちの他方の実施形態の組合せで使用されうることは理解されるであろう。さらに、上で説明されていない同等の形態又は修正形態も、本発明の範囲から逸脱することなく使用することが可能であり、これは付属の請求項において定義されている。

Claims

少なくとも１人の視聴者（４）の眼（２１０，２１１）に向かって、前記眼が視野内で水平方向に相隔てて並ぶときに画像を選択的に投影するための表示装置であって、
異なる画像を生成し、それぞれの画像が垂直画像領域（６３７，６３８，６３９）の水平走査により形成される画像生成手段（１）と、
それぞれの垂直画像領域に対して垂直光配置構成を形成するために少なくとも１個の出口領域（６４４，６４５，６４６）を有する空間光変調器（３２４）を含み、前記出口領域が前記眼の選択された一つの位置に依存して水平移動可能である光配置構成手段（２）と、
画面（３２６）と、
前記画像生成手段から前記空間光変調器へ光を透過するための透過手段（３１９，３２１）と、
を備え、
前記垂直光配置構成が仮想光源（８４３）を形成する前記異なる画像の一つを走査している間に、前記仮想光源が、他の前記眼の位置ではなく、選択された一の前記眼の位置に対して実質的に一致する射出瞳に対して前記画面によって形成され、
前記光配置構成手段が、前記空間光変調器（３２４）と関連する前記仮想光源（８４３）の長手方向位置が制御可能であるように、前記それぞれの垂直画像領域（６３７，６３８，６３９）の位置に依存して前記出口領域（６４４，６４５，６４６）の位置を制御するために配置された、画像表示装置。
前記光配置構成手段は、前記画面にわたって水平方向に走査を行うように構成されている、請求項１に記載の表示装置。
前記光配置構成手段は、前記垂直光配置構成にわたって垂直に光を同時に投影し、前記画面にわたって垂直方向に同時照射を行うように構成されている、請求項１又は２に記載の表示装置。
前記画像生成手段は、
光を発生するための手段と、
前記発生した光を変調するための強度及び波長、変調手段とを備える、請求項１〜３の何れか一項に記載の表示装置。
前記光配置構成手段は、前記垂直光配置構成にわたって垂直に光を走査し、前記画面にわたって垂直方向に走査を行うように構成されている、請求項１又は２に記載の表示装置。
前記画像生成手段は、
波長及び強度変調光を発生するための光源手段と、
前記光配置構成手段の垂直及び水平方向走査を前記変調光で行い、これにより、前記画面にわたって水平と垂直の両方の方向の走査を行うための手段とを備える、請求項５に記載の表示装置。
前記ディスプレイは、画像を複数の視聴者の眼に投影するように構成され、
空間光変調器（３２４）は、複数の視聴者の選択された眼に対する一の垂直光領域からの複数の垂直光配置構成を形成する、複数の出口領域（２４，２５）を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の表示装置。
当該表示装置は、立体画像を前記１人又は複数の視聴者の前記眼に向けて投影するように配置構成され、前記立体画像は一対の眼特有の画像からなり、
当該表示装置は、垂直光配置構成の複数の集合を形成するように構成されている光配置構成手段を備え、
前記複数の集合は、
前記１人又は複数の視聴者の眼のそれぞれから選択された第１の眼と実質的に一致する位置に投影され、これにより第１の眼特有の画像が前記１人又は複数の視聴者の第１の眼に投影されることになる、垂直光配置構成の第１の複数の集合と、
前記１人又は複数の視聴者の眼のそれぞれから選択された第２の眼と実質的に一致する位置に投影され、これにより第２の眼特有の画像が前記１人又は複数の視聴者の第２の眼に投影されることになる、垂直光配置構成の第２の複数の集合とを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の表示装置。
前記光配置構成手段は、
前記透過光を前記画面に集束させるための集光手段を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の表示装置。
前記水平投影位置は、前記画面（２６）の上に前記異なる画像を投影するためのレンズ（２３）を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の表示装置。
前記視野内の前記射出瞳の前記位置は、前記１人又は複数の視聴者の生成された眼位置データに基づき選択された１つ又は複数の仮想光源の位置に依存し、
当該表示装置は、前記眼位置データに基づき前記１つ又は複数の仮想光源の位置を選択するように構成された手段を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の表示装置。
前記１つ又は複数の仮想光源の前記位置は、前記垂直画像領域の前記水平走査と、一又は複数の前記出口領域の前記水平移動の両方に依存し、
前記光配置構成手段は、前記水平走査と前記水平運動の両方を選択及び変化するように構成され、前記１つ又は複数の仮想光源の前記位置を前記１人又は複数の視聴者の生成された眼位置データと実質的に一致するように維持するための手段を備える、請求項１１に記載の表示装置。
前記光配置構成手段は、
前記画面と前記空間光変調器の間に前記仮想光源を位置させるために、前記垂直画像領域の水平走査と同じ方向に前記出口領域を移動し、
前記空間光変調器と前記透過手段との間に前記仮想光源を位置させるために、前記垂直画像領域の水平走査と反対方向に前記出口領域を移動するように構成されている、請求項１〜１２の何れか一項に記載の表示装置。
１つ又は複数のレンチキュラーシートの集合を含み、前記シートは小型レンズの配列からなり、前記１つ又は複数のシートは実質的に隣接する平面状の領域内に配置構成されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の表示装置。
当該表示装置は、異なる立体画像を１人又は複数の異なる視聴者の前記眼に向けて投影するように配置構成され、前記異なる立体画像のそれぞれは異なる一対の眼特有の画像からなり、
複数の集合は、
第１の視聴者の前記眼位置と実質的に一致する位置に順次投影され、これにより第１の一対の眼特有の画像が前記第１の視聴者の前記眼位置に順次投影されることになる、垂直光配置構成の第１の複数の順次アクティブ化される集合と、
第２の視聴者の前記眼位置と実質的に一致する位置に順次投影され、これにより第２の一対の眼特有の画像が前記第２の視聴者の前記眼位置に順次投影されることになる、垂直光配置構成の第２の複数の順次アクティブ化される集合とを含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の表示装置。