JPH11513129A - 3D image forming system - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】 表面技術の最近の進歩が極小(サブミクロン)規模の形態の開発に繋がった。これらの技術が、可変焦点液体レンズ(52)は勿論、ポリマーマイクロレンズ(14)の形成を可能にする。本発明は、主として、3次元(3D)効果を示す新規なディスプレーの製作に小規模レンズを使うことに関する。静止画像とビデオ画像(またはその他の動画像)の両方を作ることができる。 (57) [Summary] Recent advances in surface technology have led to the development of tiny (submicron) scale features. These techniques allow for the formation of polymer microlenses (14) as well as variable focus liquid lenses (52). The present invention relates primarily to the use of small lenses in the fabrication of new displays that exhibit three-dimensional (3D) effects. Both still images and video images (or other moving images) can be created.
Description
【発明の詳細な説明】 3次元画像形成システム 発明の分野 本発明は、一般的には、光学システムに関し、更に詳しくは、回折、屈折、ま たは回折/屈折複合レンズを組込んだ3次元画像形成システムに関する。 背景 人間の視覚 正常な人間の視覚は、色付きの3次元(3D)の視界で空間を認知する。観察 者に許容できる3D立体画像またはステレオモデルを呈示する写真システムに対 する光学的要件は、立体視、または空間の視覚認知を理解することによってより よく認識することができる。 空間認知のための刺激条件は、キューと呼ばれ、二つのグループがある。単眼 グループは、片目で立体視ができ、対象の相対的大きさ、それらの介在、線形お よび空中の展望、明暗の分布、対象と背景の移動視差並びに視覚調整を含む。両 眼グループは、両目の二つの連係活動:即ち、第1に、光軸が遠方を見るための 平行から150mmの近点のための収束角23°まで筋肉で収斂する視覚収斂; と第2に、二つの異なる視点によって、結像系が左目と右目に二つの異種の網膜 画像を与える立体視を使用する。この相違は、視差、即ち、対象点の対応するま たは相同の像点が、双眼視野に於ける対象点の位置のために、光軸から離れて相 対的にずれていることによる。 網膜画像は、視神経に沿って周波数変調電圧インパルスとして伝達するために 、中間横膝状体および次に脳の視覚領皮質で行う信号処理でコード化する。結果 としてできる視覚認知は、観察者に特有である。人間の3D認知の更なる議論に 関しては、例えば、シドニー・エフ・レイ、“写真、フィルムおよびビデオ用応 用写真光学系結像システム”、フォーカルプレス、pp.469〜484、(1 988)を参照し、それをここに参考までに援用する。 3D技術 多くの従来技術の3D画像形成システムは、3D効果を生ずるために視差を使 用する。上に引用し、ここに参考までに援用するレイの65.5節は、3D映画 、二つの並列オフセット画像の立体鑑賞、3D絵はがき等のような、幾つかの視 差に基づく技術をよく説明している。これらの視差だけに基づくシステムは、あ る程度の3D効果をもたらすが、目に見えて非写実的である。 3D効果を発生するための、もう一つのよく知られているが、遙かに複雑な技 術は、ホログラフィーである。ホログラフィーは、極めて写実的な3D画像を作 れるが、ホログラムを作るためにコヒーレントな光源(レーザのような)および 暗室または近暗室状態を要するので、その用途は極めて限られる。 3D画像を作るための、一体写真として知られる、従来技術の一つは、3D画 像を作るためと再生するための両方に小型レンズのアレー(蝿の目レンズまたは マイクロレンズアレーと称する)を使用する。この一体写真の技術は、アイブス ・ハーバート・イー、“リップマン・レンチキュラー・シートの光学的性質”、米国光学界雑誌21(3) :171〜176(1931)に記載されている。 3D画像を作るためにマイクロレンズアレーを取入れるその他の技術は、ヤン グ外、1988、“新3−D画像形成システムの議論”、アプライド・オプチッ クス27(21) :4529−4534;デービス他、1988、“3次元画像 形成システム:新開発”、アプライド・オプチックス27(21):4520〜 4528;デービス他、1994、“マイクロレンズアレーを使う画像伝達シス テムの設計および解析”、オプチカル・エンジニヤリング33(11):362 4〜3633;ベントン・ステファン・エー、1972、“直接整像ステレオ・ パノラマグラム・カメラ”、米国特許第3,657,981号;ニムス他、19 74、“3次元画像とそれを構成する方法”、米国特許第3,852,787号 ;およびデービス外、1991、“画像形成システム”米国特許第5,040, 871号に記載されていて、その各々をここに参考までに援用する。上記のマイ クロレンズアレーに基づく3D光学システムの欠点は、アレーの全てのレンズが 固定焦点距離であることである。これは、そのようなアレーによって発生するこ とができる3D効果の種類を著しく制限する。 マイクロレンズアレーの製作 微小規模表面形態の生成が最近非常に進歩した。自己組立単分子層(SAM) を使うマイクロスタンピング技術は、サブミクロン(<10-6m)規模の形態の 低コスト生産を可能にしている。 あるコンパウンドは、適当な環境に置くと、自然に規則的2次元結晶アレーを 作ることができる。例えば、アルカンチオールの溶液は、金の上でこの性質を示 す。マイクロスタンピングまたはマイクロ・コンタクト・プリンティングは、‘ ゴム’(シリコンエラストマー)スタンプを使って金の表面上の小さな領域にア ルカンチオールを選択的に堆積する。所望の形態および大きさの‘マスター’モ ールドを、電子技術でよく知られる光学リソグラフィー技術を使って製作する。 シリコンエラストマーであるポリ(ジメチールシロキサン)(PDMS)をこの マスターの上に注いで硬化させ、次にそっと取外す。次にPDMSの表面に適当 なアルカンチオールの溶液を刷毛塗りすることによって、出来たスタンプにイン クを付ける。次に、このPDMSスタンプを金の表面に置き、アルカンチオール の所望のパターンをこの表面上に単分子層として選択的に堆積する。これらの単 分子層は、この表面の性質を目的に合わせて作るために、種々のヘッドグループ (金属表面から離れた環境に曝した)で誘導化してもよい。 この様にして、親水性と疎水性の交互の領域を微小規模で表面に容易に製作で きる。適当な条件下で、そのような表面を水蒸気のある所で冷却すると、水滴が 疎水性表面の領域に選択的に凝結する。そのような水滴は、収束マイクロレンズ または発散マイクロレンズとして作用することが出来る。どんな形のレンズ素子 も作ることができる。SAMを平面または湾曲面上に選択的に堆積してもよく、 それらの面は、光学的に透明であってもなくてもよい。SAM表面の心違い、隣 接、積重ね、およびその他の形態は、全て複合レンズ形状を作るために使うこと ができる。 上に議論したSAM技術に類似する技術を使って、透明ポリマーを使い、安定 なマイクロレンズを作る。例えば、重合させないモノマー(親水性である)の溶 液は、誘導化したSAM表面の親水性領域に選択的に吸着する。その点で、重合 が始るかも知れない(例えば、加熱によって)。誘導化した表面領域の形状、領 域上の溶液の量、および溶液の組成を変えることによって、光学的性質の異なる 、 多種類の異なるレンズを作ることができる。 液体光学素子およびSAMを使う光学技術の例として、クマール他、1994 、“光回折格子としてパターン化した凝結図形”、サイエンス263:60〜6 2;クマール他、1993、“ミクロンないしセンチの次元の金の形態を、エラ ストマースタンプとアルカンチオール‘インク’によるスタンピングの後に化学 エッチングを組合わせることによって作ることができる”、アプライド・フィジ ックス・レター63(14) :2002〜2004;クマール他、1994、“ 自己組立単分子層のパターニング:材料科学での応用”、ラングミュア10(5 ) :1498〜1511;シャウドハーリ他、1992、“水を上り坂に流す方 法”、サイエンス256:1539−1541;アボット他、1994、“金の 上に15−(フエロセニルカルボニル)ペンタデカネチオールから作った自己組 立単分子層上の水溶液のポテンシャル依存濡れ”、ラングミュア10(5):1 493〜1497;およびゴーマン他、印刷中、“自己組立単一分子層に掛けた 電気ポテンシャルを使う改質金の表面上の液体レンズの形状の制御”、ハーバー ド大学、化学部、を参照し、その各々を参考までにここに援用する。 マイクロレンズアレーは、幾つかの他のよく知られた技術を使っても製作でき る。マイクロレンズアレーまたはマイクロミラーアレーを作るための幾つかの例 示技術が、以下の論文に開示されていて、その各々を参考までにここに援用する :リユー他、1994、“1工程エッチングと質量移行スムージングによる大開 口数マイクロレンズの製作”、アプライド・フィジックス・レター64(12) :1484〜1486;ジェイ他、1994、“屈折マイクロレンズを製作する ための予備成形フォトレジスト”、オプチカル・エンジニヤリング33(11) :3552〜3555;マックファーレーン他、1994、“マイクロレンズア レーのマイクロジェット製作”、IEEEフォトニクス・テクノロジー・レター 6(9) :1112〜1114;スターン他、1994、“コヒーレントな屈折 マイクロレンズアレー用ドライエッチング”、オプチカル・エンジニヤリング3 3(11) :3547〜3551;およびケンダル他、1994、“レンズテン プレート、測地線レンズ、およびその他の用途のためにシリコンのKOH:H2 Oマイクロ加工を使うマイクロミラーアレー”、オプチカル・エンジニヤリング 3 3(11) :3578〜3588。 焦点距離の変動と制御 上に議論したマイクロスタンピング技術を使って、可変焦点距離の小型レンズ を製作することが出来る。可変焦点は、幾つかの一般的手段、例えば、(i)電 気ポテンシャルを使用することにより;(ii)機械的変形により;(iii)気相 からの液体水滴の堆積(上に引用したクマール外、(サイエンス、1994)に 記載されているように)のような、選択的堆積により;および(iv)加熱または 溶融(例えば、天然のままモールドし、次に溶融して細かい光学素子にする、あ るマイクロレンズアレーのように、構造物を溶融して光学的性質を変えてもよい )によって達成することが出来る。 溶液が表面を濡らしまたはその上に拡がる程度は、このシステムの電子的性質 を変えることによって制御できる。例えば、液体レンズの中に微小電極を置いて 、表面に対する電位を変えることによって、レンズの曲率を変えることができる 。上に引用したアボット他参照。他の構成では、表面上に親水性の液体マイクロ レンズを作り、水溶液で覆い、この水溶液に対する表面電位を変える。そのよう なシステムは、可逆的且つ迅速に焦点を変えることができる、極めて小さい体積 のレンズ(1nL)を実証している(上に引用したゴーマン他参照)。 さて、図3を参照すると、可変焦点レンズ50の概略図が示されている。可変 焦点レンズ50は、液体レンズ52および二つのSAM表面54を含む。SAM 表面54は、液体レンズ52に付着する。図3(a)から図3(c)の進展で分 るように、SAM表面54間の距離を変えることによって、液体レンズ52の形 状、従って光学的特性を変えることができる。液体レンズ52の形状および光学 的特性を変えるための幾つかの他の方法もある。例えば、レンズ52と表面54 の間の電気ポテンシャルを変えて、図4に関して以下に更に詳しく議論するよう に、レンズ52の形状を変えさせることができる。レンズ52の屈折率を、異な る液体材料を使うことによって変えることができる。液体レンズ52の凝集性お よび付着性を、この液体材料の化学的性質を変えることによって、および表面5 4の化学的性質を変えることによって調節することができる。表面54の3次元 特性を変えることができる。例えば、上または下から見たとき、表面54は、円 形、長方形、六角形、またはその他のどんな形状でもよく、上下に動かしてもよ い。これらの技術を個々にまたは組合わせて使って多種多様なレンズ形状および 光学的効果を作ってもよい。 さて、図4を参照すると、上に引用したアボット他の論文に開示されているよ うな、電気的可変焦点レンズの概略図が示されている。液滴52がSAM表面5 4上に置かれ、その表面は、金属面56、好ましくは金の上に作られている。微 小電極58とSAM表面54の間の電気ポテンシャルを変えることによって、液 体レンズ52の曲率(および従って光学特性)を変えることができる。図4(a )から図4(c)への進展は、液体レンズ52の形状がどのように変れるかを概 略的に示す。類似の効果を上記のゴーマン外の論文に記載されている技術を使っ て、微小電極58を使う必要なしに、達成することができる。 その代りに、機械的手段によって、そのようなマイクロレンズの焦点合せをし てもよい。例えば、柔軟なポリマーまたはエラストマーレンズの焦点を変えるよ うに、圧電手段によって圧縮または弛緩してもよい。その代りに、柔軟なケース に封入した液体レンズを機械的に圧縮または弛緩してもよい。 発明の概要 本発明は、従来技術と違って、可変焦点マイクロレンズ、および比較的高い被 写界深度を有する光学系で撮ったように見える画像;即ち、この画像内の可変距 離の物体に所定の範囲に亙ってほぼ焦点があっている画像を含む。代替実施例で は、可変焦点マイクロレンズを静止または動画像と組合わせて使って、画像の見 かけの距離を変えることができる。もう一つの実施例は、可変焦点距離の素子の 固定アレーを使って3Dまたはその他の光学効果を生ずる。 図面の説明 図1は、好適実施例によるマイクロレンズアレーを組込んだ3D画像形成シス テムを示す概略図である。 図2(a)ないし図2(c)は、種々の条件下で観察者に向う光の経路を示す 概略図である。 図3(a)ないし図3(c)は、SAMを使って液体マイクロレンズの焦点距 離を変えるための一つの技術を示す概略図である。 図4(a)ないし図4(c)は、SAMを使って液体マイクロレンズの焦点距 離を変えるためのもう一つの技術を示す概略図である。 図5は、好適実施例で使う種類の2次元画像を作るために使用するカメラのブ ロック線図である。 詳細な説明 好適実施例の構造および機能は、図面を参照することによって最も良く理解で きる。読者は、同じ参照番号が複数の図に現れることに気付くだろう。この場合 は、その番号が同じまたは相当する構造を指す。好適実施例では、比較的被写界 深度の大きい静止または動画像と共に、上に議論した技術を使って製作したもの のような、可変焦点マイクロレンズアレーを使って3D効果を生ずる。 図2(a)を参照して、人間の眼が見る像は、連続する詳細で知覚した、複数 の極めて微細な点を含む。光が各物点に当ると、光が散乱し、その点が光の円錐 30(即ち、ある立体角の境界を示す光)を外方に反射する。もし、観察者20 が物体をかなり遠くの距離で見ると、円錐30の非常に小さい部分を集め;従っ て集められた光線はほぼ平行である(図2(a);遠焦点参照)。しかし、観察 距離が短縮すると、観察者20の眼が集める光線は、平行より少なく、大きい発 散角で受けられる(図2(a);中焦点および近焦点参照)。距離が変動する物 体に焦点が合わせられるように、角膜とレンズの複合体が形状を変える。上に議 論した種類の拡散反射の更に完全な議論については、例えば、チップラー・パウ ル・エー、科学者と技術者のための物理、第3版、拡張版、ワースパブリッシャ ーズ、pp.982〜984参照し、それを参考までにここに援用する。 好適実施例によれば、画像の全ての点で焦点が合っている2次元写真または画 像にマイクロレンズのアレーを載せる。適切に照明すれば、そのようなシステム は、開度の変る光円錐を作り、3D空間をシミュレートすることができる。 写真レンズは、一つの焦点主点しかないので、写真には厳密に焦点の合う面が 一つしかなく;この面の前後で画像は次第にピンぼけになる。この影響は、被写 界深度を増すことによって軽減できるが、ある程度までしか補正できない。 一般的に、本発明の好適実施例は、被写界深度の大きい光学系を使って作った 画像で動作する。ある画像に対しては、焦点面を適正に配置し、被写界深度を使 用すれば、全画像を通じて十分鮮鋭度を知覚できる。他の場合には、画像内の全 ての点に対して厳密に焦点が合っていることを知覚するためには、より進んだ技 術が必要である。改良したカメラおよび(または)ディジタル結像技術を使うこ とができよう。例えば、画像内のある焦点外れの領域にディジタルソフトウェア の‘鮮鋭化’フィルタを使って焦点合せをすることができる。 さて、図5を参照すると、好適実施例で使う種類の2次元画像を作るために使 うカメラ60のブロック線図が示されている。カメラ60は、入力レンズ64と 出力レンズ66を有する、従来のモータ付き光学系62を含む。レンズ64と6 6は、凸レンズとして描かれているが、当業者は、レンズ64と66が所望のど んな構成でもよいことを理解するだろう。モータ付き光学系62は、画像記録装 置72上に画像の焦点を結ぶ。画像は、画像記録装置72と出力レンズ66の間 の距離を、独立にか、またはモータ付き光学系62の調節と組合わせて変えるこ とによって画像記録装置72上に焦点を結ぶこともできる。画像記録装置72は 、電荷結合素子(CCD)、光電子増倍管(PMT)、フォトダイオード、アバ ランシェフォトダイオード、写真フィルム、乾板、またはその他の感光材料でも よい。その上、画像記録装置72は、上記光記録装置または光収集装置の任意の 組合せでもよい。 モータ付き光学系62の焦点合せは、制御装置68によって制御し、それは、 制御線70を介してモータ付き光学系62に繋ぐ。制御装置68は、マイクロプ ロセッサ、マイクロコントローラ、またはモータ付き光学系70の焦点合せを制 御するために使うことのできるディジタルまたはアナログ信号を出す、その他の 装置でもよい。 もし、画像記録装置72がディジタル装置であるなら、画像記録装置72が捕 えた画像をメモリ74に記憶する。もし、画像記録装置72が写真または感光材 料であるなら、メモリ74は不要である。 メモリ74は、半導体メモリ、磁気メモリ、光メモリ、またはディジタル情報 を記憶するために使用するその他の種類のメモリでもよい。画像記録装置72は 、データ線76を介してメモリ74に繋ぐ。制御装置68は、制御線78および 80を介してメモリ74および画像記録装置72も制御することができる。 カメラ60を操作して、鮮明な領域のコラージュを作って、全ての点で鮮明な 画像を作ることができる。例えば、それぞれ異なる距離に焦点を合わせた、同じ 場面の一連の画像を画像記録装置72で捕えることができる。即ち、制御装置6 8がモータ付き光学系64にある範囲(例えば、5mから無限遠まで)に亙る焦 点合せを繰返させ、画像記録装置72が異なる焦点距離で撮った場面の画像を捕 え、およびメモリ74が捕えた画像を記憶する。モータ付き光学系64の焦点距 離は、条件および必要な画像に依って、連続的、または段階的に変えることがで きる。 その上更に、条件および必要な画像に依って、1から数百の画像を捕えること ができる。例えば、画像が悉く遠方の地平線のものであれば、遠焦点画像しか必 要ないだろう。従って、全体のシャッタ速度は、非常に短いだろう。 カメラ60は、スチルカメラでもビデオカメラでもよい。所望の焦点距離範囲 は、場面の種類および照明状態と共に変るかも知れないので、制御装置68を使 ってモータ付き光学系64を任意の焦点距離範囲に亙って一定の順序に配列する ことができる。もし、カメラ60をビデオカメラとして使うならば、毎秒数こま (各々異なる焦点距離で撮った数画像を含む)を取込まねばならないので、モー タ付き光学系64は、非常に迅速に動作するように作らねばならない。時間を節 約するため、制御装置68は、1こまを作るために必要な画像を捕えるために、 モータ付き光学系64が所望の最近焦点距離から所望の最遠焦点距離までを繰返 し、次に、その次のこまを作るために必要な画像を捕えるために、モータ付き光 学系64が所望の最遠焦点距離から所望の最近焦点距離までを繰返すようにプロ グラムすることができる。そこで、この過程を後の全てのこまに対して繰返す。 メモリ74(例えば、5×5画素のアレー)に記憶したディジタル画像の各々 の中の場面の同じ部分をコントラストでサンプリングしてもよい(最高のコント ラストは、最も鮮鋭に焦点が合ったことに対応する)。次に、各5×5の高コン トラスト部分を単一画像に集めると、その画像は、全場面に亙ってほぼ焦点が合 っているだろう。これは、この過程を単純化し、それを更に迅速に行うために、 連続形状または物体を認識する、より進んだソフトウェアアルゴリズムで行って もよい。この操作は、ディジタル形式(アナログのオリジナルをディジタル化し てまたはディジタルのオリジナルで)で行うのが最も容易であるが、アナログフ ォーマットで行ってもよい(切貼り)。 さて、図1を参照すると、本発明の好適実施例が図示されている。物体15A ないし15Cは、観察者20が知覚した空間内の幾つかの物体の位置を表す。物 体15Aないし15Cは、それぞれ、観察者20から離れた距離22Aないし2 2Cにある。物体15Aないし15Cは、観察者20の方へ光円錐16Aないし 16Cも反射する。上に議論したように、光円錐16が観察者20に達するとき に発散する程度は、物体15の観察者20からの距離と共に変る。物体15Aな いし15Cの3Dが像を再現するために、画像10(その全領域に亙って鮮明と 認識したものが好ましい)をマイクロレンズ14のアレー12と整列して置く。 しかし、好適実施例は、各点で鮮明ではない画像10で作用することもできる。 アレー12は、ほぼ平坦な2次元アレーでよく、または、画像10の曲率若し くは形状に依って、所望する程度の曲率若しくは形状を有するアレーでもよい。 画像12の各点または画素に対応する各マイクロレンズ14の特性は、画像のそ の点または画素を鮮明にするカメラの焦点距離に基づいて選ぶ。マイクロレンズ 14の焦点距離は、光円錐18Aないし18Cが光円錐16Aないし16Cを複 製する(このマイクロレンズからの所期の、若しくは既知の観察距離に基づいて 、または知覚した画像を変えるための相対尺度若しくは任意尺度に基づいて)よ うに選んでもよい。これに関して、観察者20Aは、観察者20が見たのと同じ 3D画像を見るだろう。 画像10は、単独に見たとき、コヒーレントな2D画像として見ることができ るので、画像10の外観は、2Dと3Dの間で変る、または交互するように作る ことができる。もし、2D観察を望むなら、アレー12のレンズ14を除くか、 または光学的に中性であるように調整するかできる。もし、3D観察を望むなら 、アレー12のレンズ14を上記のように調整することができる。 類似の手順を利用して、3D映画/ビデオを作ることができる。当業者に知ら れているように、動くビデオは、画像を連続して速く表示することによって実現 する。従って、全画像に亙って(または所望の程度に)焦点の合った連続画像を 作らねばならない。これを達成するために、近焦点と遠焦点の間を迅速且つ連続 して繰返すように作ったビデオカメラを使用する。各々全体に鮮明な画像を、上 に議論した技術によって作る(被写界深度、場面の知識、コラージュ技術、等を 利用して)。更に、スチルカメラまたはビデオカメラと組合わせて知的ソフトウ ェアを使い、周囲条件、予め入力した好み、および(または)過去(直前若しく は過去全体の歴史)の適当な設定に基づいて、被写界深度、焦点合せサイクルの 焦点合せステップ数、等を最適化できる。追加のソフトウェア/ハードウエア操 作を使って、場面全体にまたは所望する程度に鮮明な画像を作ることができる。 例えば、場面の周囲を選択的にピンぼけにしてもよい。 人間の眼の全体的被写界深度は大きいが、脳は、中心部に焦点を合わせ、周辺 は、しばしばほぼピンぼけである。理想的な場合、マイクロレンズアレーの後ろ の画像は、全場面に亙って鮮明で、観察者がその場面の異なる部分を調べるとき 、観察者が適正に焦点を合わせると、各々にピントが合うようになる。しかし、 観察者がある場面の特定の領域だけを追跡するときのビデオシーケンスの様に、 画像全体に亙る鮮明さが不必要な場合がある。 一旦所望のビデオ画像を捕えると、図1に関して上に議論したように、これら の画像を可変焦点レンズ14のアレー12の後ろに置くことによって3D表示を 実現する。ビデオシーケンスの各こまで、このこまの各点または画素に対して、 その画素と整列したレンズ14のための対応する焦点設定がある。各こまを逐次 表示すると、各画素がその焦点距離をそのこまの画素に対する適当な所定の設定 に変える。 各点または画素が関連するレンズまたは複合レンズを有するので、各画素から の光線を、その画素に望まれる3D深度に対応する所定の角度で眼に達するよう に制御することができる。与えられたどんな場合の所望の効果にも適する多数の レンズ設計があるだろう。 再び図2を参照して、本発明の作用で重要な考慮事項は、眼と画素の距離であ る。ゴーグルのような近いスクリーン(図2(b)参照)に対しては、より遠い スクリーン(図2(c)参照)に対するより異なるレンズ設計が必要である。図 2(b)(中焦点および遠焦点)に示すように、素子の組合せ(正のレンズと負 のレンズのような)を互いに対して動かして、所望の光学効果を生ずることがで きる場合がある。それで、一つの実施例では、複数のアレーを互いに対して動か して適正な光出力を作ることができるだろう。光学素子の組合せの性質の更なる 完全な説明は、例えば、レイ(上に引用した)、pp.43〜49を参照し、そ れも参考までにここに援用する。 レンズからの拡散反射と焦点のアナログ的挙動を考えるに;もし、焦点と反射 点の両方が眼から同距離にあるなら、眼に達したときの光線の角度は、同じだろ う。眼の瞳孔は、比較的小さく、約5mmであるので、拡散反射した光円錐のわ ずかな部分しか眼が観察しないので、眼が観察しない光線を“再現”する必要は ない。 上記の技術は、テレビ、ビデオ、ビデオカメラ、コンピュータディスプレーの ような表示スクリーン、カウンタトップおよびウインドウ陳列のような広告ディ スプレー、掲示板、衣類、室内装飾、ファッションウオッチ、アクセサリー、エ クステリア、擬装、戯れもの、遊園地の乗物、ゲーム、バーチャルリアリティ、 本、雑誌、絵はがきおよびその他の印刷物、美術、彫刻、写真または家庭用の用 途で光を望む通りにより強くまたは拡散させる照明効果、並びに3次元または可 変光学効果を要求するその他の用途に使うことができる。 コンピュータディスプレーは、典型的にはユーザの近くに配置し、ユーザの眼 は、常に単一距離に設定され、それが眼の筋肉を酷使する。眼の緊張と長期の有 害な影響を防ぐため、定期的に遠くの物体を見ることが推奨される。本発明を使 うことによって、レンズアレーを調節して、観察者が近くまたは遠くに焦点を合 わせてディスプレーを見られるようにできる。そのような明視の距離の変化(デ ィスプレーそれ自体は、同じ距離に保ってもよい)は、手動でユーザが制御して も、または所定のアルゴリズムに従ってもよい(例えば、ゆっくりとかすかに繰 返すが、緊張を防ぐ範囲に亙って動くように)。そのようなアルゴリズムは、治 療の目的に使ってもよい。観察距離を、ある筋肉グループを治療的に利するため に調節してもよい。この技術は、本並びにその他の近視野集中作業に使ってもよ い。 本発明による静止3D画像の一つの用途は、美術と収集品の分野にあるだろう 。更に、静止画像は、可変焦点アレーは勿論、固定焦点距離レンズアレーと対に し てもよい。静止画像に関連してレンズの焦点距離を調節することによって、特有 の効果を達成することができる。静止画像の焦点をうねらせることによって、人 目を引く表示または広告は勿論、風変わりな美術を実現することができよう。特 に、この技術は、関心のある明視の領域を選択的に調節し、残りの画像を静的な ままに、--若しくはその逆に、またはある領域の焦点とその見かけの大きさを変 えることによって、観察者の注意を画像の特定の領域へ導くために使うことがで きる。例えば、もし、物体の大きさ(観察者の視野でのその割合の点で)が同じ のままで、観察者の眼が近焦点から遠焦点へ切り替るとすると、その物体の大き さについての観察者の感覚は、意志変更である(即ち、観察者は、その物体がよ り大きいと認識するだろう)。同様に、もし、物体の大きさ(観察者の視野での その割合の点で)が同じのままで、観察者の眼が遠焦点から近焦点へ切り替ると すると、観察者は、その物体がより小さいと認識するだろう)。この効果は、基 準画像--既知の大きさの物体の画像を含むことによって更に助長される。従って 、そのようなスクリーンは、例えば、観察者の注意を惹くために、見かけの大き さを選択的に変えさせることができる。 ラップアラウンドまたは全包囲観察は、気を散らす関連のない周辺情報および 画像を排除するので、有利である。観察者に場面の全包囲観察をさせるためには 、一般的に二つの技術がある。第1は、グループ観察(例えば、ソニーのアイマ ックスシアターまたはプラネタリウム)のために最も有用な極大型および(また は)湾曲観察スクリーンを使うことである。第2の技術は、個人の観察ゴーグル または眼鏡を使うことである。この技術では、比較的小さなスクリーンを眼の近 くに置く。マイクロレンズを使うことの利点は、非常に近い距離でも、平均的な 人が100ミクロン以下の形態を識別することは困難であり、それでアレーのマ イクロレンズを十分小さく作れば(しかし、望まない回折効果が支配しないよう には十分大きい)、スクリーンが画素の影響なしに事実上連続的なままでいられ ることである。スクリーンが小さいので、ラップアラウンド全包囲観察を実施す るためのコストの低減が達成される。その上、もしスクリーンが全視角を埋めな いなら、気が散らないようにスクリーンの周りに黒くした領域を使うことができ る。その代りに、ある用途では、外部視覚像を有利に組込めるだろう。例えば、 半透 明のディスプレーを、画像を表示した周囲からの画像に重ね合せることができる (これは、ヘッドアップディスプレーのような他の実施例で使用できる)。その ようなディスプレーは、民生用には勿論、軍用に使える。特に、移動する車輌の 運転手に情報を表示できる。ゴーグルを使うとき、そのようなディスプレーは、 片目または両目に見えるようにできるだろう。 もし、コンピュータディスプレーをラップアラウンドゴーグルの中に作ると、 有効スクリーンサイズが最大になるだろう。コンピュータのモニタサイズは、コ ンピュータアプリケーションの全情報/数が増大しているので、同時に拡大する 傾向にある。ラップアラウンドゴーグルのコンピュータディスプレーは、ユーザ に全視野をデスクトップとして使用できるようにするだろう。これは、上記の緊 張軽減機能とは勿論、3D効果と組合わせることができるだろう。 その上、ゴーグルは、各眼に一つのスクリーンがあってもよい。そのようなゴ ーグルは、二つの像が一致し、観察者が単一像として認識するように、適当な視 差矯正が必要である。二つのスクリーンを使う利点は、個々のスクリーンをそれ ぞれの眼に非常に近く置けることである。視差の異なる二つの像を、多種の修正 したカメラシステムから得ることができる(レイ、図65.10、65.5節( 上に引用)参照)。その代りに、ソフトウェアアルゴリズムを使って単一視界か ら視差を変えた第2画像を作ってもよい。二つスクリーンのゴーグルは、視差矯 正画像なしに、−即ち、両眼に同じ透視図を表示して使うこともできる。これは 、自然の3D効果を幾らか失う結果になるだろう。しかし、3D効果には多くの 要因が貢献し、視差はその一つに過ぎない。 再び図1を参照して、レンズアレー12の後ろのディスプレー10は、アナロ グでもディジタルでもよく、印刷しても、描いても、タイプ等してもよい。それ は、写真またはスライド、カラーまたは白黒、ポジまたはネガ、逆さまたは適当 な角度のオフセットまたは元のままの適正方向のどれでもよく--それは、可視ま たは非可視の多くの異なる波長の光を出しても反射してもよい。それは、リトグ ラフ、一連の映画的画像でもよく、2次元または3次元のXY平面でもよい。そ れは、CRT、液晶ディスプレー、プラズマディスプレー、電気発色ディスプレ ー、電気化学ルミネセンスディスプレーまたはこの技術分野でよく知られるその 他のディスプレーでもよい。 アレー12のレンズ14は、以下の範囲で変ってもよい: サイズ;好ましくは、1cmから1ミクロンに亙る。 形状;好ましくは、円形、円筒形、凸形、凹形、球形、非球面、長円形、直線 形、複合(例えば、フレネル)、またはこの技術分野で知られるその他の光学的 形状。 構成;これらのレンズは、主として屈折性、主として回折性、または屈折と回 折のハイブリッド設計でもよく、ハイブリッド設計の例は、ミッシング外、19 95、“接眼鏡設計に応用した回折光学素子”、アプライドオプティックス34 (14) :2452〜2461に開示されていて、それを参考までにここに援用 する。 アレーの中のレンズ数;レンズアレー12は、非常に大きなシートの形をして いるだろうから、アレーは、22から事実上無制限のアレーにまで亙ってもよい 。 各‘画素’に使用するレンズ素子の数;この技術分野で知られるように、複合 レンズは、光学収差を補正するために有用かも知れず、および(または)異なる 光学的効果を得るために有用かも知れない。例えば、球面収差または色収差を補 正するだろうし、ズームレンズ光学系をアレーに組込んでもよい。その上、ディ スプレーの前に固定焦点アレーを使い、次に、この第1アレーの上にズームアレ ーを使ってもよい。または異なる用途で、異なる光学素子設計を同じアレーに組 込むことができる。 レンズの色;これらのレンズは、色付きでも無色でもよく、種々の可視および 非可視波長に透明でもよい。例えば、赤、緑、および青のレンズのアレーを積重 ねて使ってもよい。その代りに、色付きディスプレー画素を無色レンズと共に使 うこともできる。 レンズの組成;上に議論したように、これらのレンズは、種々の材料で種々の 状態に作ってもよい。これらのレンズは、液体溶液、コロイド、エラストマー、 ポリマー、固体、結晶、懸濁液等でもよい。 レンズの圧縮、弛緩および変形;これらのレンズは、電気的および(または) 機械的(例えば、圧電的)手段によって変形してもよい。変形は、有効焦点距離 を制御するためおよび(または)レンズまたはレンズ系のその他の光学的特性を 変えるために使ってもよい(例えば、収差または整列--整列は、レンズ間および (または)ディスプレーとの整列でもよい)。 最後に、アレーを組合わせまたは重ねて、光学的特性を変えまたは別の特性を 増してもよい。アレーは、湾曲していても平坦でもよい。 多くの他の種々の素子を好適実施例に含めることができる。例えば、フィルタ をアレーの中、アレーとディスプレーの間、アレーの前に使ってもよい。そのよ うなフィルタは、包括的で、全て若しくは殆どの画素を覆ってもよく、または一 つの画素だけ若しくは選択したグループの画素と整列してもよい。特別の注意は 、中性フィルター(例えば、液晶ディスプレーアレー)である。他のフィルタに は、カラーフィルタ、階調フィルタ、偏光子(円および直線)および当業者に知 られるその他のものがある。 更に、本発明の異なる部品の表面は、種々の塗料、例えば防眩塗料で塗装して もよい(しばしば多層)。他の被膜は、耐傷性または機械的安定性を与え、環境 要因から保護する。 望まない迷光または反射を防ぐために、光阻止構造または材料を使ってもよい 。例えば、各画素を近隣の画素から光学的に絶縁することが望ましいことがある 。一つの実施例で、SAMを使って微小光阻止板を使ってもよい。例えば、親水 性領域を占めるマイクロレンズを、表面が光吸収材料で占められる疎水性領域で 取囲んでもよい。その代りに、マイクロ加工した光阻止板構造を使ってもよい。 本発明の部品は、種々の光学的特性を持つのが都合がよい。ある用途では、実 質的に透明な部品および支持材料を--例えば、ヘッドアップディスプレーに使う ために、使用する。他の場合、鏡面加工した面が--例えば、反射光を最大限利用 するためにおよび鏡面光学素子を使うためにも、望ましいことがある。他の材料 には、半透明ミラー/ビームスプリッタ、光学格子、フレネルレンズ、および当 業者に知られているその他の材料がある。 シャッタおよび(または)絞りをこのシステムの種々の位置に置いてもよく、 包括的でも特定的でもよい(上記フィルタのように)。シャッタは、例えば、も しフィルムをベースにした映画的なビデオの場面をディスプレーとして使うなら 、 有用であろう。絞りは、光強度および被写界深度を変えるために使えよう。 このシステム全体は、大きさが2・3ミクロンと数百メートル以上の間で変動 するだろう。このシステムは、湾曲していても平坦でもよい。それは、キットで もよい。それは、永久設置でも可搬式でもよい。スクリーンは、運搬を容易にす るために折畳んでも巻いてもよい。スクリーンは、保護用カバーがあっても、複 合ユニットに組込んでもよい(例えば、ラップトップコンピュータ)。このシス テムは、シミュレータおよびバーチャルリアリティ・システムに使ってもよい。 このシステムは、アレーの有効焦点を周囲の焦点面と関連付けることによって距 離計として使うことができる。このシステムは、高度オートフォーカス・システ ムとして使ってもよい。例えば、マイクロレンズは、大きい機械的カメラレンズ より遙かに速く焦点を合わせることができ、次にこのレンズを正確な焦点位置に セットできるので、このシステムを迅速に最適焦点位置を見つけるために使うこ とができよう。このシステムは、例えば、--長い有効焦点距離を使うことによっ て、ディスプレーの指向性観察をするために使うことができる。このシステムは 、使い捨てでもよい。 本発明で重要な考慮事項は、照明の種類および方向である。照明は、前から( 反射)または後ろから(バックライト)および(または)種々の中間の角度から でもよい。光源は、一つでも複数でもよい。ある場合には、反射光と明るいバッ クライトの両方が、場面をより正確に表すために望ましい。例えば、室内で窓か ら外を見ているとき、室内に指向性のある影を伴う、窓からの強いバックライト と反射された柔らかい光を感ずるだろう。バックライト、反射光および強度/中 性フィルタの組合せがより現実的イメージを与えるだろう。指向性のある反射光 は、単一画素または特定の領域に集束してもよく、包括的でもよい(バックライ トのように)。光は、フィルタを通しても、偏光しても、コヒーレントでも、非 コヒーレントでもよい。例えば、日光の色温度は、日中を通じて変る。それで、 日光に補正した光源からの光にフィルタを掛けて赤みがかった色調の日没のイメ ージ等を表せるだろう。この光は、種々の位置に置いてもよく(上記フィルタ同 様)、白熱、ハロゲン、蛍光、水銀灯、ストロボ、レーザ、自然日光、冷光物質 、燐光物質、化学ルミネッセンス物質、電気化学ルミネセンス等を含む、当業者 に 知られる種々の光源からの光でよい。もう一つの実施例は、発光レンズの実施例 である。発光物質を適当にドープした液体レンズは、特に使い捨てシステムで有 用だろう。例えば、電極の上に載せた液相レンズを考えよう。そのようなレンズ は(もし、それがECLタグを含めば)、発光するようになろう。 本発明を好適実施例に関して説明した。しかし、本発明は、図示し説明した実 施例に限定されない。そうではなく、本発明の範囲は、添付の請求項が定義する 。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 3D image forming system Field of the invention The present invention relates generally to optical systems, and more particularly to diffraction, refraction, or Or a three-dimensional imaging system incorporating a diffractive / refractive compound lens. background Human vision Normal human vision perceives space in a colored three-dimensional (3D) view. Observation Photographic systems that present 3D stereoscopic images or stereo models that are acceptable to the The optical requirements that can be realized are better by understanding stereoscopic vision, or visual perception of space. Can be well recognized. The stimulus conditions for spatial recognition are called cues and there are two groups. Monocular Groups can view stereoscopically with one eye, the relative size of the objects, their intervening, linear and Includes visual and aerial perspectives, light and dark distribution, moving parallax of objects and backgrounds, and visual adjustment. Both The eye group consists of two coordination activities of the eyes: first, the optical axis for looking far away. Visual convergence with muscles from parallel to a convergence angle of 23 ° for a near point of 150 mm; And secondly, by two different viewpoints, the imaging system has two different retinas in the left and right eyes Use stereovision to give an image. This difference is a disparity, i.e., the corresponding Or a homologous image point is shifted away from the optical axis due to the location of the point of interest in the binocular field of view. This is due to the fact that it is offset. Retinal images are transmitted along the optic nerve as frequency-modulated voltage impulses. , Encoded by signal processing performed in the medial lateral geniculate body and then in the visual cortex of the brain. result The visual perception that is possible is specific to the observer. Further discussion of human 3D perception See, for example, Sydney Fray, “Photographic, Film and Video Applications. Photo Optical Imaging System ", Focal Press, pp. 469-484, (1 988), which is incorporated herein by reference. 3D technology Many prior art 3D imaging systems use parallax to produce a 3D effect. To use. Section 65.5 of Ray, cited above and incorporated herein by reference, is a 3D movie 3D viewing of two parallel offset images, 3D picture postcards, etc. A well-described technique based on differences. Systems based solely on these disparities are not Produces some 3D effect, but is visibly non-photorealistic. Another well-known but much more complex technique for generating 3D effects The art is holography. Holography creates extremely realistic 3D images. But a coherent light source (such as a laser) and Its use is very limited because it requires a darkroom or near-darkroom condition. One prior art technique known as one-piece photography for creating 3D images is 3D images. An array of lenslets (fly-eye lens or A microlens array is used. The technology of this one piece photograph is Ives ・ Herbert E, “Optical Properties of Lippman Lenticular Sheet”,US Optical Magazine 21 (3) : 171 to 176 (1931). Other techniques for incorporating microlens arrays to create 3D images include 1988, "Discussion on New 3-D Image Forming System",Applied Optical Box 27 (21) : 4529-4534; Davis et al., 1988, "Three-dimensional images. Forming system: New development ”,Applied Optics 27 (21): 4520- 4528; Davis et al., 1994, "Image transmission systems using microlens arrays. System design and analysis ”,Optical engineering 33 (11): 362 4-3633; Benton Stefan A, 1972, "Direct image stereo. Panoramic Camera ", U.S. Pat. No. 3,657,981; Nims et al., 19 74, "Three-dimensional images and methods for constructing them", U.S. Pat. No. 3,852,787. And Davis et al., 1991, "Imaging Systems", U.S. Pat. No. 5,040, 871, each of which is incorporated herein by reference. My above A disadvantage of 3D optical systems based on chlorens arrays is that all lenses in the array That is, it has a fixed focal length. This can be caused by such an array. Significantly limit the types of 3D effects that can be used. Fabrication of micro lens array The generation of microscale surface morphology has advanced significantly recently. Self-assembled monolayer (SAM) Micro stamping technology using submicron (<10-6m) in the form of scale This enables low-cost production. Some compounds naturally form a regular two-dimensional crystal array when placed in a suitable environment. Can be made. For example, solutions of alkanethiols exhibit this property on gold. You. Micro-stamping or micro-contact printing Use rubber (silicone elastomer) stamps to cover small areas on the gold surface. Selectively deposits lucanthiol. 'Master' model of desired shape and size The semiconductor device is fabricated using optical lithography techniques, which are well known in electronic technology. The silicone elastomer poly (dimethylsiloxane) (PDMS) Pour over the master to cure, then gently remove. Next suitable for PDMS surface Brush the alkanethiol solution into the resulting stamp. Attach. Next, place this PDMS stamp on a gold surface and use alkanethiol Is selectively deposited as a monolayer on this surface. These simple The molecular layer is made up of various head groups to tailor this surface property. (Exposed to an environment away from the metal surface). In this way, it is possible to easily fabricate alternating hydrophilic and hydrophobic areas on the surface on a microscopic scale. Wear. Under appropriate conditions, such a surface can be cooled in the presence of water vapor, Selectively precipitates in areas of the hydrophobic surface. Such water droplets are convergent micro lens Alternatively, it can act as a divergent microlens. What shape lens element Can also be made. The SAM may be selectively deposited on a flat or curved surface, These surfaces may or may not be optically transparent. SAM surface misunderstanding, next to Contact, stacking, and other forms are all used to create complex lens shapes Can be. Using a polymer similar to the SAM technology discussed above, using a transparent polymer and stable Make a micro lens. For example, the dissolution of non-polymerizable monomers (which are hydrophilic) The liquid selectively adsorbs to the hydrophilic area on the surface of the derivatized SAM. In that respect, polymerization May begin (eg, by heating). Shape and area of the derivatized surface area By changing the amount of solution on the area, and the composition of the solution, the optical properties differ , Many different lenses can be made. Examples of optical techniques using liquid optics and SAMs include Kumar et al., 1994. , “Aggregated figures patterned as optical diffraction gratings”,Science 263: 60-6 2; Kumar et al., 1993, "Evaluating gold forms on the order of microns to centimeters. Chemistry after stamping with Stomastamp and alkanethiol 'ink' It can be made by combining etching. "Applied Fiji Books Letter 63 (14) : 2002-2004; Kumar et al., 1994, " Patterning of self-assembled monolayers: applications in materials science ”,Langmuir 10 (5 ) : 1498-1511; Schaudhary et al., 1992, "Water flowing uphill. Law ",Science 256: 1395-1541; Abbott et al., 1994, "Gold Self-assembled made from 15- (Ferocenylcarbonyl) pentadecanethiol on top Potential-dependent wetting of aqueous solution on a standing monolayer ",Langmuir 10 (5): 1 493-1497; and Gorman et al., "During self-assembled monolayers during printing. Controlling the Shape of a Liquid Lens on a Modified Gold Surface Using an Electrical Potential ", Harbor University of California, Department of Chemistry, each of which is incorporated herein by reference. Microlens arrays can also be fabricated using several other well-known techniques. You. Some examples for making microlens or micromirror arrays Techniques are disclosed in the following articles, each of which is incorporated herein by reference: : Liu et al., 1994, "Large opening by one-step etching and mass transfer smoothing." Manufacture of Speech Micro Lens ”,Applied Physics Letter 64 (12) J. et al., 1994, "Making refractive microlenses. Pre-formed photoresist forOptical engineering 33 (11) : 3552-3555; McFarlane et al., 1994, "Microlens Leh's microjet production ",IEEE Photonics Technology Letter 6 (9) Stern et al., 1994, "Coherent refraction. Dry etching for micro lens array ”,Optical Engineering 3 3 (11) : 3547-3551; and Kendall et al., 1994, "Lenten. Silicon KOH: H for plates, geodesic lenses, and other applicationsTwo Micro mirror array using O micro machining ”Optical engineering 3 3 (11) : 3578-3588. Focal length variation and control Small lens with variable focal length using the micro-stamping technology discussed above Can be manufactured. Variable focus can be achieved by several common means, such as (i) (Ii) by mechanical deformation; (iii) gas phase Deposition of liquid droplets from water (Kumar et al., Cited above, (Science, 1994)) By selective deposition, as described)); and (iv) heating or Melting (e.g., molding as is, then melting to fine optics, The structure may be melted to change its optical properties, such as a microlens array ). The extent to which the solution wets or spreads over the surface depends on the electronic properties of the system. Can be controlled by changing For example, placing a microelectrode in a liquid lens By changing the potential to the surface, the curvature of the lens can be changed . See Abbott et al., Cited above. In other configurations, a hydrophilic liquid micro A lens is made, covered with an aqueous solution, and the surface potential for the aqueous solution is changed. Like that System has an extremely small volume that can be reversibly and quickly refocused (1 nL) (see Gorman et al., Cited above). Referring now to FIG. 3, a schematic diagram of the varifocal lens 50 is shown. variable Focus lens 50 includes a liquid lens 52 and two SAM surfaces 54. SAM Surface 54 adheres to liquid lens 52. 3 (a) to 3 (c) By changing the distance between the SAM surfaces 54 as described above, The shape and thus the optical properties can be changed. Shape and optics of liquid lens 52 There are also some other ways to change the target properties. For example, a lens 52 and a surface 54 As will be discussed in more detail below with respect to FIG. In addition, the shape of the lens 52 can be changed. If the refractive index of the lens 52 is different Can be changed by using a liquid material. The cohesiveness of the liquid lens 52 And adhesion by altering the chemistry of the liquid material, and the surface 5 4 can be adjusted by changing the chemistry. 3D of surface 54 Characteristics can be changed. For example, when viewed from above or below, the surface 54 is a circle Shape, rectangle, hexagon, or any other shape, can be moved up and down No. Using these techniques individually or in combination, a wide variety of lens shapes and An optical effect may be created. Referring now to FIG. 4, it is disclosed in the Abbott et al. Article cited above. A schematic diagram of such an electrically variable focus lens is shown. The droplet 52 is on the SAM surface 5 4 and its surface is made on a metal surface 56, preferably gold. Fine By changing the electrical potential between the small electrode 58 and the SAM surface 54, the liquid The curvature (and thus the optical properties) of the body lens 52 can be changed. FIG. 4) to FIG. 4 (c) outline how the shape of the liquid lens 52 changes. Shown schematically. A similar effect was achieved using the technique described in the above-mentioned article by Gorman et al. This can be achieved without having to use microelectrodes 58. Instead, focus such microlenses by mechanical means. You may. For example, changing the focus of a flexible polymer or elastomer lens As such, it may be compressed or relaxed by piezoelectric means. Instead, a flexible case The liquid lens enclosed in the container may be mechanically compressed or relaxed. Summary of the Invention The present invention differs from the prior art in that it has a variable focus microlens and relatively high coverage. An image that appears to have been taken with an optical system having a depth of field; that is, a variable distance within this image Includes an image in which the remote object is substantially in focus over a predetermined range. In an alternative embodiment Uses a variable focus microlens in combination with a still or moving image to view the image. You can change the distance. Another embodiment is a variable focal length element. A 3D or other optical effect is created using a fixed array. Description of the drawings FIG. 1 shows a 3D imaging system incorporating a microlens array according to a preferred embodiment. It is the schematic which shows a system. FIGS. 2 (a) to 2 (c) show light paths toward an observer under various conditions. It is a schematic diagram. FIGS. 3A to 3C show the focal length of a liquid microlens using a SAM. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating one technique for changing the separation. FIGS. 4A to 4C show the focal length of the liquid microlens using the SAM. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating another technique for changing the separation. FIG. 5 shows a camera block used to create a two-dimensional image of the type used in the preferred embodiment. It is a lock diagram. Detailed description The structure and function of the preferred embodiment can be best understood by referring to the drawings. Wear. The reader will notice that the same reference number appears in more than one figure. in this case Refers to structures with the same or corresponding numbers. In the preferred embodiment, the relative Manufactured using the techniques discussed above, with deep or static images A 3D effect is produced using a variable focus microlens array, such as Referring to FIG. 2A, the image seen by the human eye is a plurality of images perceived in continuous detail. Contains extremely fine points. When light hits each object point, the light is scattered and the point is the light cone 30 (that is, light indicating the boundary of a certain solid angle) is reflected outward. If observer 20 When looking at an object at a considerable distance, it collects a very small portion of the cone 30; The collected rays are almost parallel (see FIG. 2 (a); far focus). But observe When the distance is reduced, the light rays collected by the eyes of the observer 20 are less than parallel and larger. It is received at a divergent angle (see FIG. 2 (a); middle focus and near focus). Thing whose distance fluctuates The corneal and lens complex changes shape so that the body is in focus. Discuss on For a more complete discussion of the types of diffuse reflection discussed, see, for example, Le A, Physics for Scientists and Engineers, Third Edition, Extended Edition, Word Publisher Pp. 982-984, which is incorporated herein by reference. According to a preferred embodiment, a two-dimensional photograph or image that is in focus at all points of the image Place an array of microlenses on the image. With proper lighting, such a system Can create light cones with varying degrees of opening and simulate 3D space. A photographic lens has only one focal point, so a photograph must have a strictly focused surface. There is only one; the image gradually gets out of focus before and after this plane. This effect is This can be reduced by increasing the depth of field, but can only be corrected to some extent. In general, preferred embodiments of the present invention have been made using optics with a large depth of field. Works with images. For some images, properly position the focal plane and use depth of field. If used, sharpness can be sufficiently perceived throughout the entire image. In other cases, all To perceive strict focus on all points, more advanced techniques Surgery is required. Using improved cameras and / or digital imaging techniques I can do it. For example, digital software can be used to defocus certain areas of the image. Can be focused using the 'sharpening' filter. Referring now to FIG. 5, it is used to create a two-dimensional image of the type used in the preferred embodiment. A block diagram of the camera 60 is shown. The camera 60 has an input lens 64 It includes a conventional motorized optical system 62 having an output lens 66. Lenses 64 and 6 Although 6 is depicted as a convex lens, those skilled in the art will appreciate that lenses 64 and 66 can be any desired lens. You will understand that any configuration is acceptable. The optical system with motor 62 is an image recording device. The image is focused on the device 72. The image is between the image recording device 72 and the output lens 66. Can be varied independently or in combination with the adjustment of motorized optics 62. Thus, the image can be focused on the image recording device 72. The image recording device 72 , Charge-coupled device (CCD), photomultiplier tube (PMT), photodiode, Lanche photodiode, photographic film, dry plate, or other photosensitive material Good. In addition, the image recording device 72 can be any of the above optical recording devices or light collecting devices. It may be a combination. The focusing of the motorized optics 62 is controlled by a controller 68, which It is connected to an optical system with motor 62 via a control line 70. The control device 68 Control the focusing of the processor, microcontroller or motorized optics 70 Other digital or analog signals that can be used to control It may be a device. If the image recording device 72 is a digital device, the image recording device 72 The obtained image is stored in the memory 74. If the image recording device 72 is a photograph or photosensitive material If it is a fee, the memory 74 is unnecessary. The memory 74 is a semiconductor memory, a magnetic memory, an optical memory, or a digital information. Other types of memory used to store the data. The image recording device 72 , And a memory 74 via a data line 76. Control device 68 includes control line 78 and The memory 74 and the image recording device 72 can also be controlled via 80. Operate the camera 60 to create a collage of sharp areas, You can make an image. For example, the same focusing on different distances A series of images of the scene can be captured by the image recording device 72. That is, the control device 6 Reference numeral 8 denotes a focus over a range (for example, from 5 m to infinity) in the motorized optical system 64. The image recording device 72 captures images of scenes taken at different focal lengths by repeating the point matching. And the memory 74 stores the captured image. Focal length of optical system 64 with motor The separation can be changed continuously or stepwise, depending on the conditions and the required image. Wear. Furthermore, capturing one to several hundred images, depending on conditions and required images Can be. For example, if the images are all distant horizon, only the No need. Thus, the overall shutter speed will be very short. The camera 60 may be a still camera or a video camera. Desired focal length range May vary with scene type and lighting conditions, so use controller 68. The motored optical system 64 is arranged in a fixed order over an arbitrary focal length range. be able to. If the camera 60 is used as a video camera, a few frames per second (Including several images taken at different focal lengths) The optical system 64 must be made to operate very quickly. Save time To reduce the cost, the controller 68 has to capture the images needed to make one frame, The motorized optical system 64 repeats from the desired recent focal length to the desired furthest focal length. And then motorized light to capture the image needed to make the next frame The system 64 is designed to repeat from the desired longest focal length to the desired recent focal length. G can be. Therefore, this process is repeated for all subsequent frames. Each of the digital images stored in memory 74 (eg, an array of 5 × 5 pixels) You may sample the same part of the scene in contrast with contrast (best control The last corresponds to the sharpest focus). Next, each 5 × 5 high When the trust portion is collected into a single image, the image is almost in focus over the entire scene. I guess. This simplifies this process and to make it even faster, Go with advanced software algorithms that recognize continuous shapes or objects Is also good. This operation is performed in digital form (digital conversion of the analog original). Or with digital originals), but analog It may be done in a format (cut and paste). Referring now to FIG. 1, a preferred embodiment of the present invention is illustrated. Object 15A 15 to 15C represent the positions of some objects in the space perceived by the observer 20. Stuff The bodies 15A to 15C are located at a distance 22A to 2 away from the observer 20, respectively. 2C. Objects 15A through 15C are directed toward observer 20 by light cones 16A through 16C. 16C also reflects. As discussed above, when light cone 16 reaches observer 20 Varies with the distance of the object 15 from the observer 20. Object 15A In order for the 3D of the chair 15C to reproduce the image, the image 10 (clear over the entire area thereof) (Preferably recognized) is placed in alignment with the array 12 of microlenses 14. However, the preferred embodiment can also work with images 10 that are not sharp at each point. The array 12 may be a substantially flat two-dimensional array, or the curvature of the image 10 Alternatively, the array may have a desired degree of curvature or shape depending on the shape. The characteristics of each microlens 14 corresponding to each point or pixel in the image 12 Choose based on the focal length of the camera to sharpen the points or pixels. Micro lens The focal length of 14 is such that light cones 18A-18C duplicate light cones 16A-16C. (Based on the intended or known viewing distance from this microlens Or on a relative or arbitrary scale to alter the perceived image) You may choose. In this regard, observer 20A is the same as observer 20 has seen. You will see 3D images. Image 10 can be viewed as a coherent 2D image when viewed alone. So, the appearance of the image 10 changes between 2D and 3D or is made to alternate be able to. If you want 2D observation, remove the lens 14 of the array 12 or Or it can be adjusted to be optically neutral. If you want 3D viewing , The lens 14 of the array 12 can be adjusted as described above. A similar procedure can be used to create a 3D movie / video. Known to those skilled in the art As shown, moving video is achieved by displaying images in rapid succession. I do. Thus, a continuous image in focus (or to the extent desired) over the entire image I have to make it. To achieve this, a quick and continuous transition between near and far focus Use a video camera made to repeat. A clear image over each, (Depth of field, scene knowledge, collage technology, etc.) Use). Furthermore, intelligent software can be used in combination with a still camera or video camera. Hardware, ambient conditions, pre-entered preferences, and / or past Is based on the appropriate settings of the entire past history), the depth of field, The number of focusing steps can be optimized. Additional software / hardware operations The crop can be used to create an image that is as sharp as the entire scene or as desired. For example, the periphery of the scene may be selectively out of focus. Although the human eye has a large overall depth of field, the brain focuses on the central Is often almost out of focus. Ideally, behind a microlens array Image is sharp over the entire scene, and when the observer examines different parts of the scene When the observer properly focuses, each comes into focus. But, Like a video sequence where the observer tracks only a certain area of a scene, Sharpness over the entire image may not be needed. Once the desired video image has been captured, as discussed above with respect to FIG. Image is placed behind the array 12 of the varifocal lens 14 to provide a 3D display. Realize. For each point or pixel in the video sequence up to this point, There is a corresponding focus setting for lens 14 aligned with that pixel. Each frame sequentially When displayed, each pixel sets its focal length to the appropriate predetermined setting for that pixel. Change to Since each point or pixel has an associated lens or compound lens, To reach the eye at a predetermined angle corresponding to the 3D depth desired for that pixel. Can be controlled. Numerous suitable for the desired effect in any given case There will be lens design. Referring again to FIG. 2, an important consideration in the operation of the present invention is the distance between the eye and the pixel. You. For a near screen like goggles (see FIG. 2 (b)), it is farther A different lens design for the screen (see FIG. 2 (c)) is needed. Figure 2 (b) (medium focus and far focus), the combination of elements (positive lens and negative Can be moved relative to each other to produce the desired optical effect. It may be possible. Thus, in one embodiment, multiple arrays are moved relative to each other. To produce the proper light output. Further properties of the combination of optical elements A complete description can be found, for example, in Ray (cited above), pp. 139-143. 43 to 49, These are hereby incorporated by reference. Consider the analog behavior of diffuse reflection and focus from the lens; if focus and reflection If both points are the same distance from the eye, the angles of the rays when they reach the eye will be the same U. The pupil of the eye is relatively small, about 5 mm, so the diffusely reflected light cone Since the eye only sees a small part, it is necessary to "reproduce" the light that the eye does not see Absent. The above technologies are used in TVs, videos, camcorders and computer displays. Advertising screens such as display screens, countertops and window displays Spray, bulletin board, clothing, interior decoration, fashion watch, accessories, d Custeria, camouflage, fun, amusement park rides, games, virtual reality, For books, magazines, postcards and other printed matter, art, sculpture, photography or home use Lighting effects that make light more intense or diffused in the way, as well as three-dimensional or It can be used for other applications requiring a varioptic effect. The computer display is typically located close to the user and is Is always set to a single distance, which overworkes the eye muscles. Eye strain and long-term It is recommended that you regularly look at distant objects to prevent harmful effects. Using the present invention Adjusts the lens array to focus the viewer closer or farther away. You can also see the display. Such a change in visual distance (de The display itself may be kept at the same distance), but manually controlled by the user. Or may follow a predetermined algorithm (e.g., Return, but move as far as possible to prevent tension). Such algorithms are It may be used for medical purposes. Observation distance to therapeutically benefit a muscle group May be adjusted. This technique may be used for books and other near-field focused tasks. No. One use of the static 3D image according to the present invention would be in the field of art and collections . Still images can be paired with a fixed focal length lens array, as well as a variable focus array. I You may. By adjusting the focal length of the lens relative to the still image, The effect of can be achieved. By swelling the focus of a still image, Unusual art could be realized, as well as eye-catching displays or advertisements. Special In addition, this technique selectively adjusts the area of bright vision of interest, and Change the focus of a certain area and its apparent size-or vice versa Can be used to direct the observer's attention to specific areas of the image. Wear. For example, if the objects are the same size (in terms of their proportion in the observer's field of view) And the observer's eye switches from near focus to far focus, the size of the object The observer's perception of this is a change of will (ie, the observer is Will be larger). Similarly, if the size of the object (in the observer's field of view) If the observer's eye switches from far focus to near focus while the The observer will then perceive that the object is smaller). This effect is Quasi-images-further aided by including images of objects of known size. Therefore Such screens, for example, have a large apparent size to draw the viewer's attention. Can be selectively changed. Wrap-around or full siege observations can be distracting, Advantageously, the images are eliminated. In order for the observer to observe the entire scene In general, there are two technologies. The first is group observation (for example, Sony's Aima The most useful extra large (for a theater or planetarium) and (also A) using a curved viewing screen. The second technique is personal observation goggles Or use glasses. With this technology, a relatively small screen is placed near the eye. Place The advantage of using microlenses is that even at very close distances, the average It is difficult for humans to identify features smaller than 100 microns, so the array If you make the icro lens small enough (but the unwanted diffraction effects do not Large enough to keep the screen virtually continuous without pixel effects Is Rukoto. Because the screen is small, perform a full wraparound observation A reduction in the cost for achieving this is achieved. Besides, if the screen does not fill the entire viewing angle If not, you can use a blackened area around the screen to avoid distractions You. Instead, some applications may advantageously incorporate an external visual image. For example, Semi-transparent Bright display can be superimposed on the surrounding image that displays the image (This can be used in other embodiments, such as head-up displays). That Such displays can be used for military purposes as well as for consumer use. In particular, for moving vehicles Information can be displayed to the driver. When using goggles, such displays are It could be made visible to one or both eyes. If you make a computer display in wraparound goggles, The effective screen size will be the largest. Computer monitor size As all information / number of computer applications is increasing, they are expanding at the same time There is a tendency. Wrap-around goggles computer display Will make the entire field of view available as a desktop. This is the above It could be combined with a 3D effect as well as a tension reduction function. Additionally, goggles may have one screen for each eye. Such a go The Google optics should be properly viewed so that the two images coincide and the viewer perceives it as a single image. Correction is needed. The advantage of using two screens is that each screen It should be very close to each eye. Various corrections for two images with different parallax (Ray, see FIGS. 65.10, 65.5 ( See above)). Instead, use software algorithms to create a single field of view. A second image with a different parallax may be created. Two screen goggles, parallax correction It is also possible to display and use the same perspective view in both eyes without a normal image. this is This will result in some loss of the natural 3D effect. However, there are many 3D effects Factors contribute, parallax is just one of them. Referring again to FIG. 1, the display 10 behind the lens array 12 is an analog Or digital, and may be printed, drawn, or typed. It Is a photo or slide, color or black and white, positive or negative, upside down or appropriate Angle offset or the proper orientation in its original form--it is It may emit or reflect light of many different wavelengths, or invisible. It's ritog It may be a rough, a series of cinematic images, or a two-dimensional or three-dimensional XY plane. So These are CRT, liquid crystal display, plasma display, electrochromic display Electrochemiluminescence display or its well-known in the art. Other displays may be used. The lenses 14 of the array 12 may vary in the following ranges: Size; preferably ranges from 1 cm to 1 micron. Shape; preferably circular, cylindrical, convex, concave, spherical, aspheric, oval, straight Shape, composite (eg, Fresnel), or other optical as known in the art shape. Configuration; these lenses are predominantly refractive, predominantly diffractive, An alternate hybrid design may be used. 95, "Diffractive optical element applied to eyepiece design"Applied Optics 34 (14) : 2452-2461, incorporated herein by reference. I do. Number of lenses in the array; lens array 12 is in the form of a very large sheet The array may range from 22 to a virtually unlimited array . Number of lens elements used for each 'pixel'; complex as known in the art Lenses may be useful for correcting optical aberrations and / or different May be useful for obtaining optical effects. For example, spherical aberration or chromatic aberration This may be corrected, or a zoom lens optical system may be incorporated into the array. Besides, di Use a fixed focus array before spraying, then zoom on top of this first array. May be used. Or combine different optics designs in the same array for different applications Can be included. Lens colors; these lenses may be colored or colorless and have various visible and It may be transparent to non-visible wavelengths. For example, stacking arrays of red, green, and blue lenses You may use it. Instead, use colored display pixels with colorless lenses. You can also. Lens composition; as discussed above, these lenses are made of a variety of materials and a variety of You may make it in a state. These lenses include liquid solutions, colloids, elastomers, It may be a polymer, solid, crystal, suspension or the like. Compression, relaxation and deformation of the lenses; these lenses are electrically and / or It may be deformed by mechanical (eg, piezoelectric) means. Deformation is effective focal length And / or other optical properties of the lens or lens system May be used to change (eg, aberration or alignment--alignment is (Or may be aligned with the display). Finally, combine or overlay arrays to change the optical properties or add different properties. May be increased. The array may be curved or flat. Many other various elements can be included in the preferred embodiment. For example, the filter May be used in the array, between the arrays, and before the array. That's it Such filters may be comprehensive, cover all or most of the pixels, or It may be aligned with only one pixel or a selected group of pixels. Special attention And a neutral filter (for example, a liquid crystal display array). To other filters Are known to color filters, gradation filters, polarizers (circles and straight lines) and those skilled in the art. There are other things that can be done. Furthermore, the surfaces of the different parts of the invention can be painted with various paints, for example with anti-glare paint. (Often multi-layer). Other coatings provide scratch or mechanical stability and Protect from factors. Light blocking structures or materials may be used to prevent unwanted stray light or reflection . For example, it may be desirable to optically isolate each pixel from neighboring pixels . In one embodiment, a small light blocking plate using SAM may be used. For example, hydrophilic The microlens occupying the hydrophobic area is replaced by the hydrophobic area whose surface is occupied by the light absorbing material You may surround it. Alternatively, a micro-machined light blocking plate structure may be used. The components of the present invention advantageously have various optical properties. In some applications, Use qualitatively transparent components and support materials--for example, for head-up displays To use. In other cases, mirror-finished surfaces--for example, make the best use of reflected light It may also be desirable to perform and to use specular optics. Other materials Include translucent mirrors / beamsplitters, optical gratings, Fresnel lenses, and There are other materials known to the trader. Shutters and / or apertures may be located at various positions in the system, It can be comprehensive or specific (as in the filter above). The shutter, for example, If you use film-based cinematic video scenes as displays , Will be useful. Apertures could be used to change light intensity and depth of field. The entire system varies in size between 2.3 microns and more than a few hundred meters will do. The system may be curved or flat. It's a kit Is also good. It can be permanent or portable. Screen facilitates transportation It may be folded or rolled up for use. The screen should not be It may be incorporated in a combined unit (eg a laptop computer). This cis The system may be used for simulators and virtual reality systems. This system measures the distance by associating the effective focal point of the array with the surrounding focal plane. Can be used as a distance meter. This system is an advanced autofocus system. You may use it as a system. For example, a micro lens is a large mechanical camera lens Can focus much faster, and then put this lens in the correct focus position Can be used to quickly find the optimal focus position. I can do it. This system can, for example,-use a long effective focal length. It can be used to observe the directivity of the display. This system , May be disposable. An important consideration in the present invention is the type and direction of illumination. Lighting from before ( From reflection) or from behind (backlight) and / or from various intermediate angles May be. The number of light sources may be one or more. In some cases, reflected light and bright batteries Both lights are desirable to more accurately represent the scene. For example, a window in the room Strong backlight from windows with directional shadows in the room when looking outside You will feel the soft light reflected. Backlight, reflected light and intensity / medium A combination of gender filters will give a more realistic image. Directional reflected light May be focused on a single pixel or a specific area or may be comprehensive (backlight Like). Light can be filtered, polarized, coherent, It may be coherent. For example, the color temperature of sunlight changes throughout the day. So, Filters the light from the light source corrected for sunlight to a reddish color sunset image Page, etc. This light may be placed in various locations (as in the above filter). Like), incandescent, halogen, fluorescent, mercury lamp, strobe, laser, natural sunlight, luminous substance Skilled in the art, including, but not limited to, phosphorescent, chemiluminescent, electrochemiluminescent, etc. To Light from various known light sources may be used. Another embodiment is an embodiment of a light emitting lens It is. Liquid lenses appropriately doped with luminescent materials are especially useful in disposable systems. Would be. For example, consider a liquid phase lens placed on an electrode. Such a lens (If it contains an ECL tag) will emit light. The invention has been described with reference to a preferred embodiment. However, the present invention does not It is not limited to the embodiment. Rather, the scope of the present invention is defined by the appended claims. .
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 08/476,854 (32)優先日 1995年6月7日 (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I L,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK ,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK, MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR ,TT,UA,UG,UZ,VN────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (31) Priority claim number 08 / 476,854 (32) Priority date June 7, 1995 (33) Priority country United States (US) (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (KE, LS, MW, SD, S Z, UG), UA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD , RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ , BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, HU, I L, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LK , LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, R U, SD, SE, SG, SI, SK, TJ, TM, TR , TT, UA, UG, UZ, VN
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Iizuka | 3D Imaging |
Legal Events
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A313 | Final decision of rejection without a dissenting response from the applicant |
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A02 | Decision of refusal |
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