(57)【要約】  該技術及びシステムは、観察者の入射瞳の分割多重化によって、観察者の各目に２つ以上の透視図をそれぞれ投影する。システムは、各選択的アパーチャが特定の光のみを通過させることを許可する選択的アパーチャアレイと、光学情報を表示するための少なくとも１つのディスプレイスクリーンと、他の選択可能なアセンブリとからなる。少なくとも１つのディスプレイスクリーン上の光学情報は、選択的アパーチャアレイに直接投射されるか、他の選択可能なアセンブリを介して選択的アパーチャアレイに案内される。時系列特性または排他的特性を有する選択的アパーチャの選択的フィルタリングによって、複数の透視図は、選択的アパーチャアレイを介して観察者の１つの目に投射される。異なる透視図からの光線は、該目が自然にフォーカスすることができる実空間光スポットを形成するように重ね合わされ、調節−輻輳の衝突を克服する。【選択図】図１
2019521370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各アパーチャが、ある所定の特性光のみを通過させることを許可する選択的アパーチャアレイと、光学情報を表示するための少なくとも１つのディスプレイスクリーンと、を備える観察者の入射瞳の分割多重化に基づく三次元表示システムであって、
該選択的アパーチャアレイは、時系列特性、排他的特性、または時系列特性と排他的特性との複合特性に基づいて設計され、
該時系列特性とは、選択的アパーチャが時系列で開かれ、少なくとも１つのディスプレイスクリーンからの光線が、ある時点で開かれた選択的アパーチャのみを通過することを意味し、
該排他的特性とは、選択的アパーチャが対応する特定の属性の光のみを通過させることを許可することを意味し、
時系列特性と排他的特性との複合特性とは、異なる組のアパーチャを順番に開き、１組のアパーチャが開かれた場合、該組の各アパーチャが対応する特定の属性の光のみを通過させることを許可することを意味することを特徴とする三次元表示システム。
【請求項２】
更に、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンの拡大された虚像を投射するための投影レンズ、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンの射出光束を偏向させる案内構造、異なるディスプレイスクリーンを前記投影レンズに案内する組み合わせ構造、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンの射出光束の排他的特性を調整する変調装置、及び入射光束を遮断するための少なくとも１つの遮光板というアセンブリのうちの１つまたは複数を備え、
ディスプレイスクリーンの射出光束は、選択的アパーチャアレイに直接入射するか、または投影レンズを介して選択的アパーチャアレイに入射するか、または案内構造により選択的アパーチャアレイに案内されるか、または投影レンズ及び案内構造により同時に選択的アパーチャアレイに案内され、２つ以上のディスプレイスクリーンを１つの投影レンズに対応させる場合、該複数のディスプレイスクリーンの射出光束は、組み合わせ構造により選択的アパーチャアレイに案内されるか、または組み合わせ構造及び案内構造により共同に選択的アパーチャアレイに案内されるか、または組み合わせ構造及び投影レンズにより共同に選択的アパーチャアレイに案内されるか、または組み合わせ構造、投影レンズ及び案内構造により共同に選択的アパーチャアレイに案内され、選択的アパーチャアレイを介して射出された光は、観察者の１つの目に直接入射するか、または案内構造を介して観察者のこの目に入射することを特徴とする請求項１に記載の観察者の入射瞳の分割多重化に基づく三次元表示システム。
【請求項３】
前記ディスプレイスクリーンは、能動発光式ディスプレイスクリーン、または受動発光式ディスプレイスクリーン、または入射イメージを反射する反射スクリーン、または入射イメージを透過する透過スクリーン、または入射イメージを回折する回折スクリーンであることを特徴とする請求項２に記載の観察者の入射瞳の分割多重化に基づく三次元表示システム。
【請求項４】
前記能動式ディスプレイスクリーンは、ＯＬＥＤディスプレイスクリーン、またはＬＥＤディスプレイスクリーンであり、前記受動式ディスプレイスクリーンは、液晶ディスプレイスクリーン、またはデジタル光処理スクリーンであることを特徴とする請求項３に記載の観察者の入射瞳の分割多重化に基づく三次元表示システム。
【請求項５】
前記投影レンズは、１つのレンズ、またはレンズ機能を有する光学素子、またはレンズ機能を有する光学素子群であり、前記投影レンズは、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンを複数の面に時系列で投射するための焦点距離調整可能なレンズであることを特徴とする請求項２に記載の観察者の入射瞳の分割多重化に基づく三次元表示システム。
【請求項６】
前記投影レンズ、案内構造、組み合わせ構造の２つまたは３つの機能を１つの光学構造に組み合わせ、回折機能、屈折機能、反射機能のうちの少なくとも１つの機能を有する多面光学デバイスを備えることを特徴とする請求項２に記載の観察者の入射瞳の分割多重化に基づく三次元表示システム。
【請求項７】
時系列特性を有する選択的アパーチャアレイによって２つまたは複数の透視図を投射する三次元表示方法であって、
（ｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンを少なくとも１つのサブスクリーンに分割することと、
（ｉｉ）１つの時点で、１つの選択的アパーチャを開き、他の選択的アパーチャを閉じることと、
（ｉｉｉ）各サブスクリーンはそれぞれの対応する視点に対して透視図をリフレッシュして表示し、ここで、サブスクリーンに対応する視点は、該サブスクリーンの境界点と開かれた選択的アパーチャの境界点との接続線で囲まれた領域上の点であることと、
（ｉｖ）異なる時点で、異なる選択的アパーチャを順番に開き、少なくとも１つのディスプレイスクリーンは対応する情報を同期リフレッシュして表示することと、を含むことを特徴とする三次元表示方法。
【請求項８】
排他的特性を有する選択的アパーチャアレイによって２つまたは複数の透視図を投射する三次元表示方法であって、
（ｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンの画素を異なる画素群に分割し、各画素群の画素は、光束が対応する選択的アパーチャのみを通過するようにする所定の特性を有する光束を射出することと、
（ｉｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンを少なくとも１つのサブスクリーンに分割することと、
（ｉｉｉ）各サブスクリーン上の各画素群の画素はそれぞれ対応する視点に対する透視図をリフレッシュして表示し、ここで、該対応する視点は、該サブスクリーンの境界点と該画素群に対応する選択的アパーチャの境界点との接続線で囲まれた領域上の点であることと、を含むことを特徴とする三次元表示方法。
【請求項９】
複合特性を有する選択的アパーチャアレイによって２つまたは複数の透視図を投射する三次元表示方法であって、
（ｉ）異なる排他的特性を有する選択的アパーチャを異なる組に分割することと、
（ｉｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンの画素を異なる画素群に分割し、各画素群に含まれた画素は、光束が各選択的アパーチャ組内の対応する選択的アパーチャのみを通過するようにする所定の特性を有する光束を射出することと、
（ｉｉｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンを少なくとも１つのサブスクリーンに分割することと、
（ｉｖ）１つの時点で、１組だけの選択的アパーチャ組を開き、他の選択的アパーチャ組を閉じることと、
（ｖ）各サブスクリーン上の各画素群の画素はそれぞれ対応する視点に対する透視図をリフレッシュして表示し、ここで、該対応する視点は、該サブスクリーンの境界点と該画素群に対応する選択的アパーチャの境界点との接続線で囲まれた領域上の点であることと、
（ｖｉ）異なる時点で、異なる選択的アパーチャ組を順番に開き、各画素群は対応する情報を同期リフレッシュして表示することと、を含むことを特徴とする三次元表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年４月２５日に提出した中国特許出願２０１６１０２５７８４９．６、及び２０１６年５月１０日に提出した中国特許出願２０１６０３０４６６３．１の優先権を請求する。上記の各特許出願全体は引用により本明細書に組み込まれ、本明細書の一部とする。
【０００２】
本発明は三次元表示に関し、より具体的には調節（accommodation）−輻輳（convergence）の衝突を克服することができる三次元表示技術及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の三次元表示は主に立体視技術に基づく。立体視技術は、観察者の両目にそれぞれ１つだけの透視図を投射することにより、即ち両目視差の原理により、三次元表示を実現するが、単眼性奥行き手がかりを考慮しない。両目のそれぞれに対応する透視図をはっきりと見るために、観察者は彼／彼女の目を表示面にフォーカスする必要がある。これにより、両目の輻輳距離は単眼の調節距離と異なる。実際の物体を自然に観察する場合、実際の物体点からの円錐状光束は観察者の両目を覆う。このような円錐状光束は観察者の目を該物体点に自然にフォーカスさせる。つまり、自然な状況では実空間シーンを観察すると、フォーカス距離と輻輳距離とは一致する。従って、立体視技術の固有の調節−輻輳の衝突は、人体の進化の生理的習慣を違反する。実際には、このような調節−輻輳の衝突は、三次元表示技術の普及を妨げるボトルネック即ち視覚疲労の主な原因である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
観察者の入射瞳の分割多重化によって、本発明は、観察者の両目にそれぞれ２つ以上の透視図を投射することができる表示技術及びシステムを提案する。単眼にとっては、瞳孔の異なる領域を通る２つまたは複数の透視図からの光線は、該目が自然にフォーカスすることができる実空間光スポットを形成するように重ね合わされ、これにより調節−輻輳の衝突を克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一般に、一態様では、本発明は、新しい三次元表示システムを提案する。該表示システムは、選択的アパーチャアレイ、及び光学情報をロードする少なくとも１つのディスプレイスクリーンからなり、各選択的アパーチャが対応する特性を有する光のみを通過させることを許可する。
いくつかの実施例では、表示システムは、更に、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンの拡大された虚像を投影する投影レンズ、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンの射出光線を偏向させる案内構造、異なるディスプレイスクリーンの射出光を１つの前記投影レンズに案内する組み合わせ構造、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンの射出光の排他的特性を調整する変調装置、及び入射光束を遮断するための少なくとも１つの遮光板というアセンブリのうちの１つまたは複数を備える。
【０００６】
該選択的アパーチャアレイは、選択的アパーチャが時系列で開かれ、少なくとも１つのディスプレイスクリーンからの光線が、ある時点で開かれた選択的アパーチャのみを通過する時系列特性に基づいて設計することができる。
【０００７】
該選択的アパーチャアレイは、直交偏光、異なる波長に対して非常に異なる透過率を有する光フィルター、直交スピン状態などのような排他的特性に基づいて設計することができる。この場合には、選択的アパーチャが対応する特性を有する光のみを通過させることを許可する。
【０００８】
該選択的アパーチャアレイは、前記時系列特性と排他的特性との複合特性に基づいて設計することができる。この場合には、異なる組の選択的アパーチャが順番に開かれる。１組のアパーチャが開かれた場合、この組のアパーチャの１つが対応する排他的特性の光のみを通過させることを許可する。
【０００９】
操作中、ディスプレイスクリーンの射出光束は、選択的アパーチャアレイに直接入射するか、または投影レンズを介して選択的アパーチャアレイに入射か、または案内構造により選択的アパーチャアレイに案内されるか、または投影レンズ及び案内構造により共同に選択的アパーチャアレイに案内され、２つまたは複数のディスプレイスクリーンが１つの投影レンズに対応することに用いられる場合、該複数のディスプレイスクリーンの射出光束は、組み合わせ構造により選択的アパーチャアレイに案内されるか、または組み合わせ構造及び案内構造により共同に選択的アパーチャアレイに案内されるか、または組み合わせ構造及び投影レンズにより共同に選択的アパーチャアレイに案内されるか、または組み合わせ構造、投影レンズ及び案内構造により共同に選択的アパーチャアレイに案内され、選択的アパーチャアレイを介して射出した光は、観察者の１つの目に直接入射することができ、または案内構造によって観察者のこの目に入射することができる。
【００１０】
表示システムの実施例は以下の特性を含むことができる。
【００１１】
ディスプレイスクリーンは、ＯＬＥＤディスプレイスクリーン、またはＬＥＤディスプレイスクリーン、または液晶ディスプレイスクリーン、またはデジタル光処理スクリーン、または入射光を反射する１つの反射スクリーン、または入射光を透過する１つの透過スクリーン、または入射光を回折する１つの回折スクリーンであってもよい。
【００１２】
前記投影レンズは、レンズ、またはレンズ機能を有する光学素子、またはレンズ機能を有する光学素子群であってもよく、前記投影レンズは、前記少なくとも１つのディスプレイスクリーンを複数の面に時系列で投射するための焦点距離調整可能なレンズであってもよい。
【００１３】
投影投レンズ、案内構造、及び組み合わせ構造の２つまたは３つは、回折、屈折、及び反射のいくつかまたはすべての機能を有する多面光学構造のような１つの光学デバイスに組み合わせることができる。
【００１４】
一般に、別の態様では、本発明は、時系列特性を有する選択的アパーチャアレイによって２つまたは複数の透視図を投射する三次元表示方法を説明し、
（ｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンを整数のサブスクリーンに分割し、ディスプレイスクリーン全体が１つのサブスクリーンとされる場合を含むことと、
（ｉｉ）１つの時点で、１つだけの選択的アパーチャを開き、他の選択的アパーチャを閉じることと、
（ｉｉｉ）各サブスクリーンはそれぞれの対応する視点に対して透視図を同期リフレッシュして表示し、ここで、サブスクリーンに対応する視点は、該サブスクリーンの境界点と開かれた選択的アパーチャの境界点との接続線で囲まれた領域（境界線を含む）上の点であることと、
（ｉｖ）異なる時点で、異なる選択的アパーチャを順番に開き、少なくとも１つのディスプレイスクリーンは対応する光学情報を同期リフレッシュして表示することと、を含む。
【００１５】
本発明は、更に、排他的特性を有する選択的アパーチャアレイによって２つ又は複数の透視図を投射する三次元表示方法を説明し、
（ｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンの画素を異なる画素群に分割し、各画素群のすべての画素は、光束が対応する排他的特性を有する選択的アパーチャのみを通過するようにする所定の特性を有する光束を射出することと、
（ｉｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンを整数のサブスクリーンに分割し、ディスプレイスクリーン全体が１つのサブスクリーンとされる場合を含むことと、
（ｉｉｉ）各サブスクリーン上の各画素群の画素はそれぞれ対応する視点に対する透視図をリフレッシュして表示し、ここで、該対応する視点は、該サブスクリーンの境界点と該画素群に対応する選択的アパーチャの境界点との接続線で囲まれた領域（境界線を含む）上の点であることと、を含む。
【００１６】
本発明は、更に、複合特性を有する選択的アパーチャアレイによって２つまたは複数の透視図を投射する三次元表示方法を説明し、
（ｉ）異なる排他的特性を有する選択的アパーチャを異なる組に分割することと、
（ｉｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンの画素を異なる画素群に分割し、各画素群に含まれた画素は、光束が各選択的アパーチャ組内の対応する１つの選択的アパーチャのみを通過するようにする所定の特性を有する光束を射出することと、
（ｉｉｉ）少なくとも１つのディスプレイスクリーンを整数のサブスクリーンに分割し、ディスプレイスクリーン全体が１つのサブスクリーンとされる場合を含むことと、
（ｉｖ）１つの時点で、１組の選択的アパーチャ組を開き、他の選択的アパーチャ組を閉じることと、
（ｖ）同期に、各サブスクリーン上の各画素群の画素はそれぞれ対応する視点に対する透視図をリフレッシュして表示し、ここで、該対応する視点は、該サブスクリーンの境界点と該画素群に対応する選択的アパーチャの境界点との接続線で囲まれた領域上の点であることと、
（ｖｉ）異なる時点で、異なる選択的アパーチャ組を順番に開き、各画素群は対応する光学情報を同期リフレッシュして表示することと、を含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、図面または以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、以下の説明、図面、請求項からより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
図面は、本発明のより良い理解を助けるためのものであり、本明細書の一部である。実施例を図解する図面及び説明は、本発明の原理を説明することに用いられる。
【図１】ディスプレイスクリーンが光学情報をロードする基本的なルールを示す。
【図２】選択的アパーチャアレイとディスプレイスクリーンとが平行ではないことを示す。
【図３】ディスプレイスクリーンと時系列特性を有する選択的アパーチャとを有する三次元表示システムの実施例である。
【図４】ディスプレイスクリーン、案内構造、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図５】３つのディスプレイスクリーン、組み合わせ構造、時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図６】２つのディスプレイスクリーン、時系列特性を有する選択的アパーチャ、及びプリズム素子を用いた組み合わせ構造を有する三次元表示システムの実施例である。
【図７】２つのディスプレイスクリーン、案内構造と組み合わせ構造との機能を組み合わせるデバイス、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図８】ディスプレイスクリーンまたはディスプレイスクリーンのイメージの空間分離の三次元表示システムの実施例である。
【図９】ディスプレイスクリーン、投影レンズ、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムである。
【図１０】３つのディスプレイスクリーン、投影レンズ、案内構造、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する、頭部装着型仮想現実システムの１つの接眼レンズとして使用できる三次元表示システムの実施例である。
【図１１】ディスプレイスクリーン、複数の自由表面を有し且つ組み合わせ構造と投影レンズとの機能を組み合わせる多面光学デバイス、案内構造、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する、頭部装着型拡張現実システムの１つの接眼レンズとして使用できる三次元表示システムの実施例である。
【図１２】ディスプレイスクリーン、投影レンズ、案内構造、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図１３】３つのディスプレイスクリーン、投影レンズ、組み合わせ構造、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図１４】２つのディスプレイスクリーン、投影レンズ、プリズム素子を用いた組み合わせ構造、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図１５】２つのディスプレイスクリーン、案内構造と組み合わせ構造との機能を組み合わせるデバイス、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図１６】ディスプレイスクリーン、投影レンズと案内構造との機能を組み合わせるデバイス、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図１７】３つのディスプレイスクリーン、投影レンズと組み合わせ構造との機能を組み合わせるデバイス、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図１８】２つのディスプレイスクリーン、投影レンズと案内構造と組み合わせ構造の機能を組み合わせるデバイス、及び時系列特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図１９】焦点距離調整可能な投影レンズを用いた三次元表示システムの実施例である。
【図２０】ディスプレイスクリーン、及び排他的特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図２１】ディスプレイスクリーン、及び複合特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図２２】ディスプレイスクリーン、変調素子、及び複合特性を有する選択的アパーチャを有する三次元表示システムの実施例である。
【図２３】選択的アパーチャＡ１およびＡ２を同時に開く時点での変調装置を用いたシステムの動作状態を示す。
【図２４】選択的アパーチャＡ２およびＡ３を同時に開く時点での変調装置を用いたシステムの動作状態を示す。
【図２５】２つの上記実施例の構造が２つのユニットとして直線に沿って配列され且つ遮光板が導入された光学構造を示す。
【図２６】２つの上記実施例の構造が２つユニットとして曲線に沿って配列され且つ遮光板が導入された光学構造を示す。
【図２７】２つの上記実施例の構造が２つユニットとして別の曲線に沿って配列された光学構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るシステムは、観察者の入射瞳の分割多重化によって三次元表示を実現する。選択特性を有するアパーチャアレイ（aperture array）によって、アパーチャアレイの付近の異なる視点に対応する透視図（perspective views）が投射される。隣接する視点間隔を合理的に設計し、該アパーチャアレイに近い目は、その瞳孔の異なる領域を介して、２つ以上の透視図からの光線を受け取る。これらの光線は、該目が自然にフォーカスすることができる空間光スポットを形成するように重ね合わされ、これにより調節（accommodation）−輻輳（convergence）の衝突を克服する。
【００２０】
図１は、１つのディスプレイスクリーンで光学情報をロードするために従う必要があるルールを示す。ここで、Ｎ＝３個の選択的アパーチャがアパーチャアレイ１２０を構成することを例として説明する。この３つの選択的アパーチャはそれぞれＡ１、Ａ２、及びＡ３に命名される。ディスプレイスクリーン１１０は選択的アパーチャの配列方向に沿ってＭ個のサブスクリーンに分割される。簡単のために、ここでＭ＝２を例として説明し、Ｅ１、Ｄ１、及びＦ１は３つのサブスクリーンの境界点である。任意のサブスクリーンｍの２つの境界点と任意の選択的アパーチャＡｎの２つの境界点とを接続し、これらの接続線で囲んで視点選択領域ＺＶｍｎ（例えば、図１におけるｘ−ｚ面内のＺＶ１１）を形成する。該視点選択領域はその境界を含む。視点選択領域ＺＶｍｎ内の任意の点ＶＰｍｎ（例えば、図１におけるＶＰ１１）を視点として選択することができる。その第１の添え字は対応するサブスクリーンの順番の番号に対応し、第２の添え字は対応する選択的アパーチャの順番の番号に対応する。任意のサブスクリーンｍで、射出光束は、アパーチャＡｎの画素群によってＶＰｍｎを視点とする透視図のサブスクリーンｍ領域内の部分を表示することができる。選択的アパーチャＡｎはＭ個のサブスクリーン上の異なる部分の透視図に対応し、選択的アパーチャＡｎに対応する１つの合成透視図に接続される。他の選択的アパーチャは同様である。時系列特性を有する選択的アパーチャの場合、１つの選択的アパーチャが開かれると、対応する合成透視図が表示される。排他的特性を有する選択的アパーチャの場合、１つの選択的アパーチャが対応する合成透視図の光学情報を通過させることを常に許可する。１つの表示光スポットを通過し、且つ異なる透視図に由来する２つ以上の光線が、選択的アパーチャアレイの付近の目により受け取られることを保証するために、隣接する選択的アパーチャの間隔は、十分に小さく設計される。このようにして、これらの光線は、表示光スポットの箇所で該目がフォーカスすることができる空間光スポットに輻輳され、ことにより調節−輻輳の衝突を克服する。該過程において、Ｍの値を１に設定することができる。この場合には、ディスプレイスクリーン全体は１つのサブスクリーンに相当し、上記光学情報のロードルールは同様に有効である。図１において、ディスプレイスクリーンは選択的アパーチャアレイに平行に配置される。実際には、図２に示すように、それらは非平行に配置されてもよい。さらには、図１及び図２において、選択的アパーチャは一次元直線に沿って配列される。実際には、それらは一次元曲線に沿って配列され、さらには二次元平面または二次元曲面内に２つの方向に沿って配列されてもよい。上記ディスプレイスクリーンは平面スクリーンであってもよく、曲面スクリーンであってもよい。且つ異なるディスプレイスクリーン、または異なるディスプレイスクリーンのイメージは、平行に配置されてもよく、または非平行に配置されてもよい。また、１つの拡張性は選択的アパーチャのアパーチャサイズである。図１において、各選択的アパーチャのアパーチャサイズはアパーチャの間隔として設定される。実際には、アパーチャサイズはアパーチャの間隔と異なってもよい。以下の実施例において、隣接して配列された一次元選択的アパーチャ、及び選択的アパーチャアレイに平行に配置されたディスプレイスクリーン／ディスプレイスクリーンのイメージのみが、本発明の実施例を説明するために一般的に用いられる。
【００２１】
図３は、ディスプレイスクリーン３１０、及び時系列特性の選択的アパーチャアレイ３２０を有する表示システム３００の実施例を示す。本実施例では、Ｎ＝４の選択的アパーチャを例として説明する。システムの動作中、これらの選択的アパーチャは順番に循環開閉される。各時点で、ディスプレイスクリーン３１０は図１に記載のルールに従って光学情報をロードする。この場合には、任意の時点で、ディスプレイスクリーン上のすべての画素から射出した光は、いずれも開かれた選択的アパーチャを介して伝達することができる。図３において、このＮ＝４の選択的アパーチャは２つずつ２組に分割することができ、各組は観察者の目の１つに対応し、２組の間隔は観察者の両目の間隔と一致するように設計される。
【００２２】
図４に示すように、表示システムは案内構造４４０を導入してもよい。ディスプレイスクリーン４１０から射出した光線は、案内構造４４０として作用する反射鏡によって選択的アパーチャアレイ４２０に案内される。この場合には、ディスプレイスクリーン４１０の鏡像は、図１のディスプレイスクリーン１１０に相当する。案内構造４４０がハーフミラー（half-transmitting and half-reflecting mirror）である場合、表示された三次元シーンは該ハーフミラーを介して見られる実際のシーンと融合することができる。
【００２３】
図５に示すように、表示システムは組み合わせ構造５５０を導入することができる。ここでの組み合わせ構造は、垂直に配置された２つのハーフミラーを含む。図５に示す場合に、ディスプレイスクリーン５１０及びディスプレイスクリーン５１０”のイメージは、同等のディスプレイスクリーンとしてディスプレイスクリーン５１０’と共に動作する。
【００２４】
図６は、２つのディスプレイスクリーン６１０および６１０’、時系列特性の選択的アパーチャアレイ３２０、及び案内構造を有する表示システム６００の別の実施例を示す。図５における反射鏡に対して、該案内構造は、４つの選択的アパーチャのうちの２つに付着されるより軽い２つのプリズムからなる。プリズムによって、ディスプレイスクリーン６１０のイメージはディスプレイスクリーン６１０’を囲む表示領域に屈折される。目が表示領域のみに注意する場合、ディスプレイスクリーン６１０’はプリズムのない選択的アパーチャＡ２およびＡ４によって光学情報を示し、ディスプレイスクリーン６１０はプリズムが付着された選択的アパーチャＡ１およびＡ３によって光学情報を示す。これはまた、２つのディスプレイスクリーンが選択的アパーチャアレイを有するシステムに組み合わせられることを意味する。
【００２５】
図５におけるディスプレイスクリーン５１０’を取り除き、表示されたシーンはハーフミラーを透過する実際のシーンと混合する。図７に示すように、この時のハーフミラーは、案内構造と組み合わせ構造との機能を同時に有する。
【００２６】
図５、図６、及び図７に示す実施例において、ディスプレイスクリーンおよび／またはディスプレイスクリーンのイメージは３種のイメージロード方式を有する。第一、ディスプレイスクリーンまたはディスプレイスクリーンのイメージが重なり合ったり、一定の傾角で交差したりすると、異なるディスプレイスクリーンは時系列でアクティブにされ、次に各ディスプレイスクリーンがアクティブにされた場合、図１に記載のルールに従って光学情報をロードする。第二、各ディスプレイスクリーンまたは各ディスプレイスクリーンのイメージが選択的アパーチャアレイに垂直な深さ方向に沿って重なり合うが、画素配列方向に沿って一定の変位が発生した場合、または各ディスプレイスクリーンまたは各ディスプレイスクリーンのイメージが一定の傾角で交差し、且つ各画素と対応する視点との接続線が同じ直線にない場合、各ディスプレイスクリーンは、１つの時点で、それぞれの対応して開かれた選択的アパーチャに対応すると同時に、図１に記載のルールに従って光学情報をロードする。第三、異なるディスプレイスクリーンまたは異なるディスプレイスクリーンのイメージが空間的に分離された場合、２つだけのディスプレイスクリーンを例として説明する図８に示すように、各ディスプレイスクリーンは、開かれた１つの選択的アパーチャに対して、同時に図１に記載のルールに従って光学情報をロードする。第三の場合には、各ディスプレイスクリーンは、ターゲットシーン全体からの情報を表示してもよく、該ディスプレイスクリーンまたは該ディスプレイスクリーンのイメージの付近のターゲットシーン全体のシーンの一部のみを表示してもよい。実際には、図８はまた、選択的アパーチャアレイと異なる距離にある透明ディスプレイスクリーンで実現することができる。
【００２７】
図９は、ディスプレイスクリーン９１０、投影レンズ９３０、１つの時系列特性の選択的アパーチャアレイ９２０を有する表示システム９００の実施例を示す。ここで４つの選択的アパーチャを例として説明する。動作中、選択的アパーチャは、時系列で循環して時系列で開かれる。投影レンズ９３０を介して、ディスプレイスクリーン９１０のイメージはディスプレイスクリーンに相当する。各時点で、図１に記載の光学情報ロードルールに従って、ディスプレイスクリーン９１０は開かれた選択的アパーチャに対して光学情報をロードする。実際には、図９に示す構造は頭部装着型仮想現実システムの１つの接眼レンズ（eyepiece）として使用することができる。２つのこのような構造は、調節−輻輳の衝突を克服した頭部装着型仮想表示システムを構築することができる。図９に示す構造において、選択的アパーチャアレイの後に１つのハーフミラーが導入され、実際のシーンは該ハーフミラーを介して人間の目に入ることができる。図１０に示すように、該ハーフミラーは案内構造１０４０として機能する。このようにして、表示された三次元シーンは現実世界と融合する。図１１は、頭部装着型拡張現実の１つの接眼レンズとして使用できる別の光学構造を示す。図１０とは異なり、図１１に示すシステムにおいて、４つの自由曲面を組み合わせてなる１つの多面光学デバイスは、ディスプレイスクリーン１１１０と選択的アパーチャアレイ１１２０との間に配置される。自由曲面２は反射機能を有する１つのハーフミラーである。また、自由曲面１および３と組み合わせ、ディスプレイスクリーン１１１０にイメージングする機能も有する。自由曲面４は、実際のシーンに対する自由曲面２および３の影響を解消するための１つの補償面である。同様に、以下の実施例における構造において、いくつかは頭部装着型仮想現実の１つの接眼レンズとすることができ、いくつかは選択的アパーチャアレイとディスプレイスクリーンとの間に案内構造または図１１に示す多面鏡を追加することにより、頭部装着型拡張現実の１つの接眼レンズとすることができる。
【００２８】
同様に、選択的アパーチャアレイが選択的アパーチャアレイと投影レンズとの組み合わせにより置換された場合、図４、図５、図６、及び図７に示す実施例も、それぞれ図１２、図１３、図１４及び図１５に示すように動作することができる。特に、案内構造、投影レンズ、及び組み合わせ構造の２つまたは３つの機能は、図１６、図１７、及び図１８における多面光学デバイスのような１つのハイブリッドデバイスにより実現することができる。
【００２９】
図１３、図１４、図１５、図１７、及び図１８に示す実施例において、ディスプレイスクリーンのイメージは、選択的アパーチャアレイと異なる距離にあるように設計することができ、図５、図６、及び図７と同様の状況を引き起こす。図８と類似な状況も投影レンズと異なる位置に透明のディスプレイスクリーンを配置することによって実現することができる。図１９に示すように、別の可能な方法は、急速にズーム（焦点距離を調整）することができる投影レンズ１９３０を用いることである。図１９は、投影レンズ１９３０の２つのズーム位置のみを示す。このような投影レンズは、図１０〜図１５に示す実施例に適用することができる。図１９は、異なる特性の光に対して異なる焦点距離を有する別の投影レンズで実現することもできる。例えば、投影レンズは、左旋偏光に対して１つの焦点距離を有し、右旋偏光に対して別の焦点距離を有する。
【００３０】
時系列選択的アパーチャを用いた上記実施例において、アパーチャのサイズはアパーチャの間隔より大きくてもよい。これはまた、隣接するアパーチャが部分的に重なり合うことを意味する。例えば、電気制御液晶画素アレイを用いて選択的アパーチャアレイとすることで、時系列で開かれた隣接するアパーチャを部分的に重なり合わせることができる。
【００３１】
図２０は、ディスプレイスクリーン２０１０、及び排他的特性を有する選択的アパーチャ２０２０を有する三次元表示システム２０００の実施例を示す。ここで、Ｎ＝４個の選択的アパーチャを例として説明する。アパーチャＡ１は、水平偏光方向を有する赤色光のみを通過させることを許可し、アパーチャＡ２は、水平偏光方向を有する青色光のみを通過させることを許可し、アパーチャＡ３は、垂直偏光方向を有する赤色光のみを通過させることを許可し、アパーチャＡ４は、垂直偏光方向を有する青色光のみを通過させることを許可する。アパーチャ配列のｘ方向に沿って、Ｎ−１＝３個の画素の間隔を有する画素を１つの画素群とし、その画素射出光が有する特性により、それが１つの対応する選択的アパーチャのみを通過することを許可する。全てのＮ＝４組の画素群は、Ｎ＝４個の選択的アパーチャにそれぞれ対応する。図２０において、ｘ方向に沿う一行の画素を例として示している。画素ｐｉ、ｐｉ＋４、ｐｉ＋８…は選択的アパーチャＡ１に対応する画素群１を構成し、その画素が水平偏光の赤色光を射出する。画素ｐｉ＋１、ｐｉ＋５、ｐｉ＋９…は選択的アパーチャＡ２に対応する画素群２を構成し、その画素が水平偏光の青色光を射出する。それにより、Ｎ＝４個の画素群のそれぞれの特性を設定する。図１に示す光学情報ロードルールに従って、各サブスクリーン上で、異なる画素群の画素は対応する部分透視図をそれぞれ表示する。このようにして、複数の透視図は選択的アパーチャアレイを介して制御されながら表示される。図２０における選択的アパーチャは、２つずつ間隔が両目の間隔に等しい２組に分割することができ、それぞれ観察者の１つの目に対応する。
【００３２】
図４、図５、図６、及び図７と類似に、案内構造及び組み合わせ構造を図２０に示す表示システムに導入することもできる。複数のディスプレイスクリーンが排他的特性の選択的アパーチャアレイを用いたシステムに使用される場合、ディスプレイスクリーンまたはディスプレイスクリーンのイメージは３種の情報ロードモードを有することができる。第一、ディスプレイスクリーンまたはディスプレイスクリーンのイメージが重なり合ったり、一定の傾角で交差したりすると、異なるディスプレイスクリーンまたはそのイメージ上の画素は異なる排他的特性を有するように設計されることができ、次に各ディスプレイスクリーンがアクティブにされた場合、図１に記載のルールに従って光学情報をロードする。第二、各ディスプレイスクリーンまたは各ディスプレイスクリーンのイメージが選択的アパーチャアレイに垂直な深さ方向に沿って重なり合うが、画素配列方向に沿って一定の変位が発生した場合、または各ディスプレイスクリーンまたは各ディスプレイスクリーンのイメージが一定の傾角で交差し、且つ各画素と対応する視点との接続線が同じ直線にない場合、各ディスプレイスクリーンは、１つの時点で、それぞれの対応する選択的アパーチャに対応すると同時に、図１に記載のルールに従って光学情報をロードする。第三、異なるディスプレイスクリーンまたは異なるディスプレイスクリーンのイメージが空間的に分離された場合、２つのディスプレイスクリーンを例として説明する図８に示すように、各ディスプレイスクリーンは、図１に記載のルールに従って光学情報をロードする。第三の場合には、各ディスプレイスクリーンは、ターゲットシーン全体からの透視図を表示してもよく、該ディスプレイスクリーンまたは該ディスプレイスクリーンのイメージの付近のターゲットシーン全体のシーンの一部の透視図を表示してもよい。実際には、図８はまた、選択的アパーチャアレイと異なる距離にある透明ディスプレイスクリーンで実現することができる。
【００３３】
類似に、図９−１９に示す光学構造は排他的特性の選択的アパーチャアレイを用いた表示システムに適用することもできる。
【００３４】
図２１は、ディスプレイスクリーン２１１０、及び複合特性の選択的アパーチャアレイ２１２０を有する三次元表示システム２１００の実施例を示す。複合特性の選択的アパーチャとは、該アパーチャが排他的特性及び時系列特性を同時に有することを意味する。且つ各アパーチャの排他的特性及び時系列特性は完全に同じではない。図２１は、Ｎ＝４の各選択的アパーチャを例として説明する。アパーチャＡ１およびＡ３は、ある排他的特性を有する光のみを通過させることを許可し、例えば水平偏光のみを通過させることを許可する。アパーチャＡ２およびＡ４は、別の排他的特性を有する光のみを通過させることを許可し、例えば垂直偏光のみを通過させることを許可する。一方、Ａ１およびＡ２は１組として同時に開かれ／閉じられ、Ａ３およびＡ４は１組として同時に開かれ／閉じられ、且つこの２組が時系列で順番に開かれる。即ち、Ｎ１＝２種の排他的特性及びＮ２＝２種の時系列特性はＮ＝４種の複合特性を構成する。異なる排他的特性を有する２つの選択的アパーチャが同時に開かれた場合、Ｎ１−１＝１個の画素の間隔を有する画素は１つの画素群に組み合わせられ、２つの異なる画素群がある。異なる画素群の画素からの光は、それぞれ２つの開かれた選択的アパーチャを通過する。図２１において、ｘ方向に沿う一行の画素を例として説明する。画素ｐｉ、ｐｉ＋２、ｐｉ＋４…はアパーチャＡ１およびＡ３に対応する画素群１を構成し、水平偏光を射出する。画素ｐｉ＋１、ｐｉ＋３、ｐｉ＋５…はアパーチャＡ２およびＡ４に対応する画素群２を構成し、垂直偏光を射出する。図１に記載のルールに従って、各サブスクリーン上で、異なる画素群に属する画素は、それぞれ対応する部分透視図を表示し、複数の透視図が選択的アパーチャアレイを介して制御されるように射出されることを実現する。
【００３５】
図４、図５、図６、及び図７と類似に、案内構造及び組み合わせ構造を図２１に示す表示システムに導入することもできる。複合特性の選択的アパーチャを用いたシステムにおいて、複数のディスプレイスクリーンを用いた場合、ディスプレイスクリーンまたはディスプレイスクリーンのイメージは３種の情報ロードモードを有することができる。第一、ディスプレイスクリーンまたはディスプレイスクリーンのイメージが重なり合ったり、一定の傾角で交差したりすると、異なるディスプレイスクリーンまたはディスプレイスクリーンのイメージは異なる時系列特性または／および異なる排他的特性を有し、前者は、それらが異なる時点でアクティブにされることを意味し、後者は、それらの射出光が、異なる排他的特性を有するアパーチャのみをそれぞれ通過することができることを意味し、第二、各ディスプレイスクリーンまたは各ディスプレイスクリーンのイメージが選択的アパーチャアレイに垂直な深さ方向に沿って重なり合うが、画素配列方向に沿って一定の変位が発生した場合、または各ディスプレイスクリーンまたは各ディスプレイスクリーンのイメージが一定の傾角で交差し、且つ各画素と対応する視点との接続線が同じ直線にない場合、異なるディスプレイスクリーンは開かれた選択的アパーチャに対して、図１に記載のルールに従って、光学情報をロードする。第三、異なるディスプレイスクリーンまたは異なるディスプレイスクリーンのイメージが空間的に分離された場合、２つのディスプレイスクリーンを例として説明する図８に示すように、各ディスプレイスクリーンは、開かれた選択的アパーチャに対して、図１に記載のルールに従って同期に光学情報をロードする。第三の場合には、各ディスプレイスクリーンは、ターゲットシーン全体からの透視図を表示してもよく、該ディスプレイスクリーンまたは該ディスプレイスクリーンのイメージの付近のターゲットシーン全体のシーンの一部の透視図を表示してもよい。実際には、図８はまた、選択的アパーチャアレイと異なる距離にある透明ディスプレイスクリーンで実現することができる。
【００３６】
同様に、図４−７及び図９−１９に示す光学構造は複合特性の選択的アパーチャアレイを用いることもできる。
【００３７】
図２１に示す実施例において、異なる画素群の画素は一定の間隔をおいて配列される。実際には、このような間隔配列方式はユニークではない。２つの画素群及び３つの選択的アパーチャを用いた図２２に示す状況を例として説明する。サブスクリーン１上のすべての画素は画素群１に組み合わせられ、水平偏光のみを射出する。サブスクリーン２上のすべての画素は画素群２に組み合わせられ、垂直偏光のみを射出する。アパーチャＡ１およびＡ３は、水平偏光のみを通過させることを許可し、アパーチャＡ２は、垂直偏光のみを通過させることを許可する。変調装置２２６０はディスプレイスクリーン２２１０と選択的アパーチャアレイ２２２０との間に配置される。時点ｔで、Ａ１およびＡ２のみが開かれ、且つ変調装置２２６０は、入射光が元の偏光状態で通過するようにする。次に、図２３に示すように、観察点１の付近でディスプレイスクリーン２２１０全体が表示した光学情報を受け取ることができる。次の時点ｔ＋Δｔで、Ａ２およびＡ３が開かれ、且つ変調装置２２６０は、入射光の偏光方向を９０°回転させるように入射光を通過させる。図２４に示すように、観測点２の付近でディスプレイスクリーン２２１０全体がこの時に表示した光学情報を受け取ることができる。図２３及び２４に示すように、視点１及び視点２は、アパーチャの境界点とサブスクリーンの境界点との接続線の交点である。ここで、変調装置は、ディスプレイスクリーンからの光線の排他的特性を選択的に変更する。図１に記載のルールに従って、各時点で、ディスプレイスクリーンの２つの画素群は開かれた２つの対応するアパーチャに対して同期に光学情報をロードする。３つの選択的アパーチャを通過した光学情報がいずれも１つの目により受け取られ、且つ時間間隔Δｔが十分に小さい場合、１つの表示光スポットを通過する２つの光は実際の空間光スポットを形成するように重ね合わされる。上記実施例と類似に、図２２に示すシステムは投影レンズ、案内構造、及び組み合わせ構造を導入することもできる。
【００３８】
出願人の先行特許出願ＵＳ  １４／８２５、８５４では、平面または曲面に配列された複数の限定された投影ユニットは連続運動視差を有する三次元表示を実現することに用いられる。その限定された投影ユニットは１つのディスプレイスクリーン及び１つの指向性イメージング構造（投影レンズ）からなる。本明細書に記載された投影レンズを有する光学システムは、特許ＵＳ  １４／８２５、８５４の限定された投影ユニットと類似であってもよく、複数の該光学システムは、特許ＵＳ  １４／８２５、８５４に記載の方式で配列される。遮光板でディスプレイスクリーンの射出光の非対応投影レンズに入射する光束を遮断する必要がある。上記実施例に記載の光学システムを１つのユニットとし、図２５は、２つのこのようなユニットを並んで配列する状況を説明し、１つの遮光板２５７０を用いる。この２つユニットはそれぞれ、上記原理及び過程に従ってイメージをロードして表示する。ここで、１つのユニットは単純に、１つのディスプレイスクリーン２５１０（２５１０’）、１つの投影レンズ２５３０（２５３０’）、及び１つの選択的アパーチャアレイ２５２０（２５２０’）からなる。実際には、このユニットは上記各実施例に記載された光学構造で代替することができる。さらには、３つ以上のこのようなユニットは同様に配列され、より多くの遮光板を必要とするに過ぎない。異なるユニットディスプレイスクリーンからのイメージを空間的に重なり合わせる場合、各ユニットにおいて、投影レンズと対応するディスプレイスクリーンとの間が異なる変位を必要とする。これらの変位は、ディスプレイスクリーンのイメージを部分的に重なり合わせたり、隣接して配列させたり、空間的に完全に分離させたりすることもできる。図２６及び図２７に示すように、これらのユニットは、曲線方向に沿って配列されてもよい。
【００３９】
以上は、本発明の好適実施例に過ぎず、本発明の設計構想はこれに限定されるものではなく、この構想を利用して本発明に対してなされた全ての非実質的な修正も、本発明の保護範囲内に含まれる。例えば、特定の特性の光のみを通過させることを許可するための排他的特性は、上記の特性に限定されるものではない。直交状態を有する任意の特性を排他的特性として使用することができる。また、ディスプレイスクリーンイメージングを実現可能な光学アセンブリ、入射光束の伝達方向を変更可能な光学デバイス、複数のディスプレイスクリーンからの光束を組み合わせることが可能なデバイスはいずれも、上記実施例に導入することができる。任意のレンズ、回折素子またはホログラフィック光学素子の組み合わせ、または他の光制御デバイスを使用することができる。それに対応して、すべての関連する実施例は、以下の特許請求の範囲の限定範囲内にある。
【図１】
2019521370.tif 000003
【図２】
2019521370.tif 000004
【図３】
2019521370.tif 000005
【図４】
2019521370.tif 000006
【図５】
2019521370.tif 000007
【図６】
2019521370.tif 000008
【図７】
2019521370.tif 000009
【図８】
2019521370.tif 000010
【図９】
2019521370.tif 000011
【図１０】
2019521370.tif 000012
【図１１】
2019521370.tif 000013
【図１２】
2019521370.tif 000014
【図１３】
2019521370.tif 000015
【図１４】
2019521370.tif 000016
【図１５】
2019521370.tif 000017
【図１６】
2019521370.tif 000018
【図１７】
2019521370.tif 000019
【図１８】
2019521370.tif 000020
【図１９】
2019521370.tif 000021
【図２０】
2019521370.tif 000022
【図２１】
2019521370.tif 000023
【図２２】
2019521370.tif 000024
【図２３】
2019521370.tif 000025
【図２４】
2019521370.tif 000026
【図２５】
2019521370.tif 000027
【図２６】
2019521370.tif 000028
【図２７】
2019521370.tif 000029
【国際調査報告】
2019521370.tif 000030
2019521370.tif 000031
2019521370.tif 000032