(57)【要約】  一連の二次元個別画像が個別に制御可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）の二次元アレイにより生成され、結像素子上に入射した光を散乱スクリーン上に集束させる結像素子上にアレイのＬＥＤから出る光を集束し、結像素子および散乱スクリーンが、互いに連結されたままスクリーン平面に略直交する方向に周期的に反転するように移動され、一連の二次元個別画像が散乱スクリーンの空間位置に同期する、画像の三次元表示方法。
2007534005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像の三次元表示方法であって、
一連の二次元個別画像が個別に制御可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）の二次元アレイにより生成され、
結像素子上に入射した光を散乱スクリーン上に集束させる結像素子上にアレイのＬＥＤから出る光を集束し、
結像素子および散乱スクリーンが、互いに連結されたままスクリーン平面に略直交する方向に周期的に反転するように移動され、
一連の二次元個別画像が散乱スクリーンの空間位置に同期する、方法。
【請求項２】
散乱スクリーンおよび結像素子間の距離がほぼ一定に保たれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
散乱スクリーンおよび結像素子間の距離が、投影の変化する画像幅に対して移動の半期毎に適合されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
散乱スクリーン上に投影された画像の強度が動作電流強度および／またはＬＥＤの調整可能な時間的アクティブ／非アクティブ比によって制御されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
一連の二次元個別画像が、表示される三次元物体の表示される三次元可視表面データの可視表面データから算出されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
画像の三次元表示装置であって、
一連の二次元出力画像（２４）を少なくとも１個のＬＥＤアレイ（１２）上に生成する画像生成手段と、
連結された可動ユニット（１９）を形成する結像素子（１５）および散乱スクリーン（１６）と、
ユニット（１９）を散乱スクリーン（１６）の表面に略直交する方向に周期的に往復移動させる作動手段（２０、２１）と、
一連の二次元出力画像（２４）を散乱スクリーン（１６）の空間位置と同期させる制御手段（１１）と、
入射した光を散乱スクリーン（１６）上に集束させる側の結像素子（１５）上にアレイ（１２）のＬＥＤから出る光を集束する手段と、
を有する、装置。
【請求項７】
結像素子（１５）および散乱スクリーン（１６）間の距離を散乱スクリーンのそれぞれの空間位置に応じて変更する手段が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ＬＥＤアレイ（１２）が出力画像（２４）を少なくとも３つの異なる波長で生成することを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
いろいろな波長で動作する３個のＬＥＤアレイ（１４）が設けられていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
３個のＬＥＤアレイにより生成された出力画像（２４）がダイクロイックミラーを介して散乱スクリーン上に投影されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
結像素子（１５）がフレネルレンズを備えることを特徴とする、請求項６〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
アレイ（１２）のＬＥＤ（１４）から出る光を集束する手段が、各ＬＥＤを囲んで略平行なビームを生成する透明なカプセルを備えることを特徴とする、請求項６〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
カプセル化されたＬＥＤ（１４）が結像素子（１５）に向けられていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
固定された集光光学系、特にフレネルレンズ（２６）がＬＥＤアレイ（１２）および可動ユニット（１９）間に配置されていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
アレイ（１２）のＬＥＤ（１４）から出る光を集束する手段が、ＬＥＤアレイ（１２）のすぐ上流に配置されるマイクロレンズアレイを備えることを特徴とする、請求項６〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
ユニット（１９）が略垂直方向に移動されることを特徴とする、請求項６〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
ユニット（１９）が正反対に移動する補償体に連結されていることを特徴とする、請求項６〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
散乱スクリーンが透明な壁を有するハウジング（３２）により囲まれていることを特徴とする、請求項６〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
ハウジングの壁には、実質的にＬＥＤにより生成された光だけの可視スペクトル領域で透明なフィルタフォイルが設けられていることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
ハウジング（３２）が可動ユニット（１９）全体を囲んでいることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の装置。
【請求項２１】
ハウジング（３２）内が低い圧力状態になっていることを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
大型の三次元画像（４５）をともに生成する、グリッド状に配列された、請求項６〜２０のいずれか一項に記載の多数の装置を備える結像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像の三次元表示、特にコンピュータ生成画像の表示方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
科学、技術およびエンターテインメントの多くの分野において、画像、画像シーケンスまたは映画は、現状では例えばコンピュータモニタまたはテレビの表示スクリーン等の２次元表面に表示されている。このような二次元表示の場合には、遠近法表示によってしか立体的な奥行きを擬似的に作り出すことができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
よって、多くの分野において、立体的な物体を、例えば異なる方向から見ることもでき、したがって純粋な二次元表示よりもかなり多くの情報量を持った本物の三次元画像として表示する必要がある。したがって、本物の三次元画像は映画やビデオゲームにおいてより現実的な視覚的印象を提供するだけでなく、特に科学技術においても有利に利用することができる。複雑なタンパク質構造の三次元表示またはＮＭＲトモグラフィまたはコンピュータトモグラフィにより得られるデータから算出された臓器または身体の部位全体の三次元表示を例として挙げることができる。従来の二次元表示と比べ、高さの情報を直接視覚化して見ることができ、二次元表示における数値コードによるコード化が必要なくなるので、安全性において決定的な改善をもたらすレーダー画像の三次元表示を別の例として挙げることができる。
【０００４】
一方、視聴者に三次元画像の印象を伝達するよう意図された数々の方法および装置が知られている。広く知られている方法によれば、人間の両眼視により生じる周囲の三次元的印象を擬似的に作り出すために補助器具を用いる試みがなされている。この場合には、互いに若干オフセットした視線に対応する、例えば立体フォトグラフィで撮った、またはコンピュータで生成した２つの画像をスクリーン上に投影する。偏光またはカラーフィルタ眼鏡等の適切な補助器具により、視聴者が片方の目で確実に２つの画像のうちの１つだけを見ることになる。このように擬似的に作り出された三次元効果は、視聴者に立体的な奥行きを超える付加的な情報を何ら与えるわけではない。したがって、例えば、視聴者は自分の位置を変えることにより新たな視角から表示されている場面を見ることはできない。
【０００５】
さらに、多くのユーザは特殊な眼鏡を装着する必要があることを面倒に感じている。
【０００６】
ラスタ画像の壁は、特定の距離で、視聴者がそれぞれ片方の目で左側または右側にある画像片だけを見る場合には、このような補助器具がなくても何とか見ることができる。ここでも同様に、視聴者は位置を変えられない。
【０００７】
米国特許出願第６，００５，６０８号には、偏光またはカラーフィルタ眼鏡等の特殊な補助器具無しに視聴者が知覚できる本物の三次元画像を表示可能な三次元表示装置について記載されている。この場合には、受像管の二次元画像が受像管の画像平面と垂直に移動するスクリーン上に投影される。二次元画像ソースの寸法は、ここでは表示される体積の長さおよび幅に対応し、この平面に垂直なスクリーンの移動振幅は表示される体積の奥行きに対応する。受像管がそれぞれの瞬間に生成する表示される三次元画像の輪郭は、スクリーンの瞬間的な空間位置に同期される。しかしながら、受像管のスクリーン上への投影がシャドーマスクを介して行われるため、このような結像システムは非常に低い開口を有し、低レベルの周辺光の場合にしか機能しない。
【０００８】
同様の原理が、米国企業Ａｃｔｕａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓにより市販されている３−Ｄ表示スクリーンシステムの基本を成しており、例えば、国際出願第ＷＯ０２／２１８５１号では、光ビームがスキャナ光学系を介して回転スクリーン上に投影されることが記載されている。Ａｃｔｕａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社の３−Ｄ表示スクリーンは、複雑な機構のために非常に重量があり高価である。加えて、画像を生成するための一本の光ビームの偏向により得られる画像は、非常に光のレベルが低く、暗くした部屋でしか見ることができない。
【０００９】
画像の三次元表示装置は、日本国特許出願公開第５６−１１３１１６号に記載されている。この文献によれば、二次元の個別画像がスクリーンとともに周期的に往復する結像素子を介してスクリーン上に投影される。しかしながら、この既知の装置では、それぞれが結像レンズの瞬間位置に応じて起動されるスイッチを介して制御されるアクティブなプロジェクタである４つの別個のプロジェクタにより、スクリーン上に投影される４つの個別の画像でしか三次元画像を作り上げることができない。奥行き情報が４つの異なる二次元個別画像のみに限定されているので、立体表示の質は満足のいくものではない。二次元画像情報の変化、すなわち、動いている場面の三次元表示まではこの装置では不可能である。さらに、プロジェクタを用いて二次元個別画像をスクリーン上に結像するために、スクリーン上の画像が適切な輝度で知覚できる視角に関してかなりの制限が生じる。いずれにしても、従来のプロジェクタの性能を考慮に入れると、画像を観察するには部屋を広範囲にわたって暗くする必要があると思われる。
【００１０】
また、三次元画像を生成するための装置が日本国特許出願公開第５７−０６２０２０号に記載されている。この文献によれば、発光ダイオードから構成されるアレイ（ＬＥＤアレイ）を前後に移動させることにより画像が生成される。記載されている装置の場合には、大きな力がアレイ自体に作用するように、アレイ全体をアレイを制御する回路エレクトロニクスと一緒にドライブ上および機械的ガイド上で動かさなくてはならない。
【００１１】
日本国特許出願公開第０７−３３５４６号には、三次元画像を生成するための別の装置が記載されている。そこに記載されている装置の場合には、互いにオフセット配列された３個のリニアＬＥＤアレイにより画像が生成され、３個のリニアＬＥＤアレイのオフセットが最大限可能な画像の奥行きを規定している。ミラーを移動させることで、それぞれの場合に３つの奥行きがずれた画像ラインから３つの平坦な画像が生成される。この装置の場合にも、視聴者は非常に限られた数の奥行き情報項目だけしか利用できないので、正確な三次元画像の生成について論じることは不可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本発明は前述の技術的な問題に基づいて、特に様々な視聴方向から本物の物体のように見ることができる種々の画像の三次元表示ための、画像の三次元表示方法および装置を提供するものであり、従来より既知の３−Ｄ表示よりも実質的に高いレベルの強度を有する画像を目標としている。本発明に係る装置は、ここでは大量生産に適しており、これに対応する費用効率が高い方法で生産することが可能であるよう意図されている。
【００１３】
技術的な問題は本発明の請求項１に記載の方法および請求項６に記載の装置を用いて解決される。本発明による方法の有利な進展は従属項の対象である。
【００１４】
したがって、本発明は、画像の三次元表示方法であって、一連の二次元個別画像が個別に制御可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）の二次元アレイにより生成され、結像素子上に入射した光を散乱スクリーン上に集束させる結像素子上にアレイのＬＥＤから出る光を集束し、結像素子および散乱スクリーンが、互いに連結されたままスクリーン平面に略直交する方向に周期的に反転するように移動され、一連の二次元個別画像が散乱スクリーンの空間位置に同期する、方法に関する。
【００１５】
スクリーンとともに結像素子を移動させることにより、特に高いレベルの強度の三次元画像を生成することができる。結像素子の直径、例えば結像素子として用いられるレンズの直径は、ここでは実質的に投影される二次元画像の寸法に有利に対応するものである。米国特許第６，００５，６０８号に記載の装置と比較すると、本発明の結像システムは投影の強度を大幅に制限するピンホールを必要としない。
【００１６】
結像素子および散乱スクリーンはユニットとして周期的に反転するように移動される。
【００１７】
本発明に係る方法の第１の変形例によれば、ここで、実用上は光学投影システムの画像幅に対応する、散乱スクリーンおよび結像素子間の距離がほぼ一定に保たれる。しかしながら、散乱スクリーンおよび結像素子から構成されるユニットの周期的な反転移動により物体幅が連続的に変化するので、本変形例の場合には、変化する物体幅により生じる結像のぼけを最小限におさえるために、二次元画像が縮小されて散乱スクリーン上に投影されるのが好ましい。ここでは、光学結像素子の焦点距離の５〜１０倍の、好ましくは６〜８倍の範囲で物体幅を選択するのが有利である。結果として、ほぼ結像素子の焦点距離の大きさ程度の、もしくは若干小さい移動の場合に、画像幅が少しだけ変化するに過ぎず、一周期の間に発生するごくわずかなぼけは実用上問題が無い。
【００１８】
本発明に係る方法の第２の変形例によれば、散乱スクリーンおよび結像素子間の距離が、投影の変化する画像幅に対して移動の半期毎に適合される。ここで、連結された結像素子および散乱スクリーンの移動が結像素子の別体の補償動作により補償されるが、これは光学系の共役距離方程式を用いて決定することができる。小さい物体幅を前提としても、特に小型の３−Ｄモニタを実施できるように、散乱スクリーンの瞬間位置に関係なく本変形例により二次元出力画像の最適にシャープな画像が可能となる。また、比較的高解像度の二次元出力画像を用いることを考えると、画像を縮小する必要が無いか、少なくとも強度に縮小する必要は無い。
【００１９】
本発明によれば、一連の二次元個別画像が、表示される三次元物体の可視表面データから算出される。本発明に係る方法の一変形例によれば、ここで、異なる視角から見える全ての表面を投影することができる。しかしながら、一例として、本変形例では、人間の知覚システムの惰性の結果として実質上同時に物体の表および裏側が見える。この効果は、特定の用途において、例えば、空域監視中のレーダーデータの立体表示において、完全に望ましい場合がある。この効果は、三次元物体の現実的な投影を前提としても、もし被験者による実験が見ている物体を正確に検出したことを示していれば、現実的な三次元場面の表示を実用上阻害するものではない。被験者が通常は見えない裏側も見えることを明確に通知されている場合に限り、被験者は物体の裏側に自分の視点を合わせることに、また後者を意識して知覚することに成功した。必要に応じて、本発明に係る方法の一変形例によって、あらゆる光学的なアーチファクトが排除できるように、可視表面を計算するときに視聴者の位置および視角を考慮に入れることが可能である。この場合には、視聴者が異なる視角から物体を見ようとすると、視聴者が所定の視角を基本的に維持しなければならず、かつ物体が適当な制御デバイスを介して計算により回転されなければならないか、または３−Ｄモニタが、例えば観察者の瞬間位置ひいては視聴方向の検出、さらに算出された表示への組み込みをも可能にする超音波センサ等の適当な手段を有するかのいずれかである。しかしながら、このような追加の手段は極端な特殊な場合にのみ必要となるに過ぎない。
【００２０】
本発明に係る方法の特に好ましい変形例によれば、一連の二次元個別画像が発光ダイオード（ＬＥＤ）から構成されるディスプレイによって生成されるが、これを直線アレイまたは二次元アレイとして設計することができる。ＬＥＤの使用の特に有利な点は、レンズとして作用する透明なカプセルによって、ＬＥＤ上で実質的にＬＥＤから出る光全体が狭い立体角で発せられ、本発明により設けられた結像素子により散乱スクリーン上の点に集束されるところに見られる。それにより、はるかに少ないコストと共に、レーザーでなければ達成できない強度範囲に進展する。
【００２１】
簡単な概算から、本発明に係る装置を費用効率が高いＬＥＤから構成された二次元ディスプレイとともに用いることにより、従来のコンピュータディスプレイスクリーンにより生成された二次元画像よりも実質的に高輝度の三次元画像を生成することが可能である。０．１ｍｍ２サイズの画素において、従来のコンピュータディスプレイスクリーンはおよそ０．１μＷ／ｍｍ２のパワー、すなわちおよそ１０００＊１０００＊０．１μＷ＝１０ｍＷの合計パワーを有するが、これは白紙上へのおよそ１００Ｌｕｘの照射に相当する。移動する散乱スクリーンを備える３−Ｄモニタについては、ｚ軸（奥行き）に沿って例えば５００画素の解像度と仮定すると、画素はおよそ５００分の１の時間だけアクティブであるに過ぎない。結果として、ｚ軸に沿って５００画素の解像度と仮定すると、光源の強度がもともと５００＊０．１μＷｍｍ２＝５０ｍＷｍｍ２でなければならない。しかしながら、これは簡単な費用効率が高いＬＥＤを用いて、それらの合計パワーを１ピクセル上に集中させる場合にすでに可能である。コストの観点でセントの範囲を占める簡単な明るいＬＥＤであっても、数十分の一ｍＷのパワーを供給するし、さらに、簡単に制御可能であると考えられる。
【００２２】
ＬＥＤディスプレイの縮小を実施しない、あるいはほんの少しだけ実施することが目的であれば、特に小型のＬＥＤが好ましい。そして、ＬＥＤアレイをＳＭＤ（表面実装）アレイとして設計することが特に好ましい。
【００２３】
さらに、本発明の目的は画像の三次元表示装置であって、特にコンピュータに接続可能な３−Ｄモニタである。
【００２４】
本発明に係る装置は、一連の二次元出力画像を少なくとも１個のＬＥＤアレイ上に生成する画像生成手段と、連結された可動ユニットを形成する結像素子および散乱スクリーンと、ユニットを散乱スクリーンの表面に略直交する方向に周期的に往復移動させる作動手段と、一連の二次元出力画像を散乱スクリーンの空間位置と同期させる制御手段と、入射した光を散乱スクリーン上に集束させる側の結像素子上にアレイのＬＥＤから出る光を集束する手段とを有する。この場合の散乱スクリーンのその平らな画像表面に直交する移動振幅は、表示される三次元画像の空間的奥行きを決定する。ここでは制御手段が、画像生成手段によって再生される一連の二次元出力画像を、それらの連続表示において所望の三次元物体が瞬間の空間位置に応じて投影されるように個々の画像を制御する。
【００２５】
結像の画像幅は、連結ユニットとしての結像素子および散乱スクリーンの移動によりほぼ一定である。このように、二次元出力画像が散乱スクリーン上に縮小されて投影される場合、すなわち物体幅が実質的に焦点距離の２倍を越えるとき、この構成は大きな空間被写界深度についてシャープで明るい画像を生じる。物体幅と結像システムの焦点距離が、出力画像が少しだけ縮小されるかまたは拡大でもされるように選択される場合、結像システムの共役距離方程式にしたがって、表示される三次元画像の空間被写界深度について二次元出力画像を散乱スクリーン上にシャープに投影することができるように、少なくとも部分的に画像幅の変動を補償する結像素子の補正移動が、結像素子および散乱スクリーンから構成されるユニットの連結移動に追加で重ね合わされるのが好ましい。この目的のために、散乱スクリーンのそれぞれの空間位置に応じて結像素子および散乱スクリーン間の距離を変更する手段を設けるのが好ましい。
【００２６】
可動散乱スクリーンは、投影画像をできる限り均一に、できる限り大きい立体角で散乱するように構成され、生成される三次元表示が視聴者により異なる視角から観察できるようになっている。例えば、スクリーンは半透明散乱スクリーンでもよい。よって、例えばＰＬＥＸＩＧＬＡＳ（登録商標）等の例えばアクリルガラス（ＰＭＭＡ）からできた、例えば、透明プラスチック材料でできた粗面スクリーン、あるいは薄型の粗面ガラス板が散乱スクリーンとしての機能を果たすことができる。
【００２７】
画像生成手段は、一連の二次元出力画像を結像素子を介して可動散乱スクリーン上に投影可能なように構成されている。ここで、画像生成手段は二次元出力画像を表示する手段を含むことが好ましく、特に二次元ＬＥＤアレイを備えることが好ましい。アレイの個々のＬＥＤは、制御デバイスにより可動散乱スクリーンの瞬間位置に応じて個々に起動することができる。例えば部屋を暗くしなくても三次元画像をはっきりと知覚することが可能なように、特に明るくコントラストのある三次元画像表示をこのような画像生成手段を用いて生成することができるので、ＬＥＤアレイを用いることが特に好ましい。この場合は、ほぼ全ての発光が結像素子により可動スクリーン上に投影可能なようにＬＥＤができる限り狭い発光特性を有する。ＬＥＤアレイのサイズによっては、光軸の方向に結像素子に向かって傾斜されたアレイの中心からさらにＬＥＤをなくすほうが有利なこともある。
【００２８】
本発明に係る装置の変形例によれば、画像生成手段が、例えば画像生成平面において高い周波数で振動状態で移動可能な可動直線ＬＥＤアレイを備えることもできる。あるいは、直線アレイが静止することもでき、この場合、例えば、見かけ上二次元の出力画像が傾斜を変えることができるミラーの配置によって生成される。
【００２９】
ＬＥＤアレイは、画像が少なくとも３つの異なる波長で、好ましくは赤、緑、青（ＲＧＢ）の原色で生成されるように設計されるのが好ましく、三次元画像のカラー表示が可能となる。このために、ＬＥＤアレイの各画素を３つの異なる色のＬＥＤで構成することができる。しかしながら、個々のＬＥＤは三原色を生成する３つの個別な切替可能接点を有することも既に知られている。あるいは、３つの異なる波長で動作する３つの別個のＬＥＤアレイを設けて、適当なミラーを介して、好ましくはダイクロイックミラーを介して重ね合わせ、散乱スクリーン上に投影することも可能である。
【００３０】
散乱スクリーン上に投影された画像の強度は、それぞれ個々の画素の強度であるのが好ましく、動作電流強度および／またはＬＥＤの調整可能な時間的アクティブ／非アクティブ比によって制御される。
【００３１】
ＬＥＤアレイが散乱スクリーン上に投影されるのを可能とする最も多様な光学系を、すなわち、特に全てのタイプのレンズ光学系を結像素子として用いることができる。一方では動かす質量は低いのに対して、他方ではレンズ光学系を介してＬＥＤアレイから散乱スクリーン上にできる限り多くの光を確実に通すように、大径にもかかわらず非常に軽いレンズを選択するのが好ましい。結像素子は特定の長所を持つフレネルレンズを含む。このようなレンズも、寸法が大きいとともに軽く、具体的な要件にしたがって費用効率良く生産することができる。
【００３２】
本発明の装置は、生成される三次元画像の高い明度により区別される。本発明は、このために、ＬＥＤにより生成されるほぼ全ての光を可動結像素子上に集束させる。アレイのＬＥＤから出る光を結像素子上に集束する手段は以下のように異なって構成されている。
【００３３】
第１の変形例によれば、ＬＥＤは、ＬＥＤにより生成された光が少しの発散だけで、あるいは理想的な場合には、ほぼ平行な光ビームとして出射するように設計された透明なプラスチックまたはガラスのカプセル内に封入される。移動する結像素子、すなわち例えば移動するフレネルレンズが、少なくともＬＥＤアレイと同じサイズである場合、アレイの個々のＬＥＤを互いにほぼ平行に配列することができ、したがって、平行な光ビームをまさに可動フレネルレンズの方向に発する。
【００３４】
対照的に、ＬＥＤアレイが結像レンズより大きい場合、別の変形例によれば、例えば、アレイの外側エッジに位置するＬＥＤであってもそれらの光ビームを可動結像素子の方向に発するように、アレイのＬＥＤを傾斜させてアレイ中のそれらの位置に配列することができる。しかしながら、この変形例は生産技術の観点ではより複雑なものである。
【００３５】
結果として、さらに別の変形例によれば、ＬＥＤにより発せられた平行な光ビームを可動結像素子上に集束させる固定された集光光学系、例えばここでもフレネルレンズをＬＥＤアレイのすぐ上流に配置することが可能である。
【００３６】
特に好ましい変形例によれば、アレイのＬＥＤはＳＭＤアレイとして設計される。この場合、マクロレンズアレイをアレイのＬＥＤのすぐ上流に設けることができ、ＬＥＤにより発せられる光を確実に可動結像素子上に集束させるものである。
【００３７】
可動結像素子におけるフレネルレンズの使用および薄型半透明散乱スクリーンの使用により、可動質量を大幅に減らすことができる。それにもかかわらず、発生する力をできる限り効果的に誘導するためには、結像素子および散乱スクリーンから構成されるユニットが垂直方向に往復移動できるように本発明に係る装置を構成するのが有利なこともある。簡単な変形例では、ＬＥＤアレイは例えば装置の底部に配列され、装置の光軸が底部にほぼ直交して走っている。
【００３８】
さらに、結像素子および散乱スクリーンから構成される可動ユニットが正反対に移動する１つまたは複数の補償体と連結されてもよい。このような構成は、ボクサーモータの原理に運動学的に匹敵するが、外側に向かう力からはほぼ自由なように設計することができ、よって、本発明に係る装置による振動およびノイズの発生を大幅に最小限に抑えることができる。
【００３９】
可動部分により、三次元画像の観察者がスクリーンの移動範囲に不注意に侵入するのを防ぐことが可能なように、少なくとも散乱スクリーンがハウジングまたは少なくとも透明な壁を持つ円筒形の保護リングにより囲まれている場合は有利である。アレイのＬＥＤにより生成された波長の光のみを可視スペクトル領域で透過するフィルタフォイルを、ハウジングの壁に設けることができる。それによって、散乱光または周囲光の反射がハウジングの外側へ透過して観察される三次元画像を改ざんするのを防ぐことができる。
【００４０】
ハウジングが可動ユニット全体を囲んでいることは特に有利である。
【００４１】
ハウジング内が環境に対して低い圧力になっている、すなわち、ハウジングが少なくとも部分的に真空とされていることが有利である。結果的に、一方では結像素子および散乱スクリーンから構成される振動ユニットの動作中に克服されるべき空気抵抗を減らすことができ、他方ではこの移動中に機械的に生じるノイズと音波によるこれらノイズの外部への伝播を大幅に抑えることができる。
【００４２】
上述したように、ＬＥＤアレイは縮小されて散乱スクリーン上に結像されることが多かった。しかしながら、１：１の線形倍率が実施される場合、すなわち散乱スクリーン上に投影される画像が基本的にＬＥＤアレイと同じ大きさである場合には、本発明の別の変形例により、大型の三次元画像のための結像システムを実施するために、本発明の装置をモジュール状にラスタ配列で多数相互接続することができる。結像システムの個々の装置は、例えば、プレイ中の場面をリアルタイムで三次元再生するフットボール競技場またはテニスコートの三次元画像等の大型の場面の組み合わせ画像を生成することができるようにコンピュータにより制御される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明は、添付の図面に図示された例示的な実施形態を参照して、以下でより詳細に説明されている。
【００４４】
図１は、本発明による画像の三次元表示装置の好適な実施形態をコンピュータ１１を介して制御される３−Ｄモニタ１０として示す。３−Ｄモニタ１０は、図示の例では関連する制御電子回路１３を備える静止二次元ＬＥＤアレイ１２からなる画像生成手段を有する。次に制御電子回路１３は、例えばＵＳＢインターフェース等のインターフェースを介して例えばコンピュータ（図示せず）に接続されたコントローラ１１を介して駆動される。しかしながら、図面に概略で図示されたコンポーネント１１も内蔵コントローラを備えるコンピュータとすることができる。アレイ１２の各ＬＥＤセル１４は、三原色に対して個別のＬＥＤを有することができ、個別のセルとして全三原色を生成することができる集積ＬＥＤとして構成されるのが好ましい。この場合ＬＥＤセル１４は小型であるため、高解像度でシャープな三次元表示を得るために、二次元出力画像の結像は縮小の必要がないか、または若干の縮小のみで済む。例えば、３：１結像を考えると、６００×６００の従来の費用効率が高いＬＥＤセル１４を６００×６００ｍｍの領域に配列することが可能であるが、その画像では０．３ｍｍ×０．３ｍｍの許容ピクセルサイズに相当する。
【００４５】
直径２００ｍｍのフレネルレンズ１５および半透明の散乱スクリーン１６として実施される結像素子が、ガイドロッド１７および接続手段１８を介して連結されるユニット１９を形成し、図１に大きい矢印２２で表わされるように、モータおよびトランスミッションユニット２０を介して接続ロッド２０により半透明の散乱スクリーン１６の表面に垂直に周期運動するよう設定されている。適切な場合には、図１に小さい矢印２３で表わされるように、変化する物体幅を散乱スクリーン１６に対する位置に応じて補償するために、フレネルレンズ１５あるいは散乱スクリーンが半期毎に補正動作を行うことができる。また、レンズ１５の補正動作は適当な構成のモータおよびトランスミッション２０、適切な場合には、レンズ１５に連結された別の接続ロッド（図１には図示せず）または適当なギアホイールによって実施することができる。異なる線形倍率による小さな歪みを画像を構築する際の画素の選択により補償することができる。
【００４６】
このように、約１／（２２＊６００）ｓｅｃ、すなわち約７６μｓｅｃが２−Ｄ画像を構築するために利用可能である。アクティブなピクセルが形成され位置および強度データとして伝送される。データ量は３−Ｄ物体の表面データとして、全ての画素を有する二次元表示スクリーンのものとほぼ能動的に対応する。これに対応して、高速デジタルインターフェースが標準として利用可能である。ラッチおよび電流設定を有する特別なデジタル／アナログモジュールがＬＥＤによる電流制御用に開発されるのが好ましい。このレンズ１５および散乱スクリーン１６は、軽度の真空中で移動されるのが好ましく、レンズおよび下地のガラススクリーンはここでは反射防止コーティングされているのが好ましく、また画像生成領域にはＬＥＤのところ以外は暗い裏地が設けられて、強度に角度が付けられた光でも散乱スクリーンにより弱くしか再生できないように三原色以外の波長をフィルタによって遮断する。
【００４７】
ユニット１９の瞬間位置が、例えば制御デバイス１１によってモータおよびトランスミッションユニット２０を介して能動的にセットすることができる。例えば、この場合に制御可能なステッピングモータまたは他のデジタル的にアドレス可能なアクチュエータを用いることができる。しかしながら、モータおよびトランスミッションユニット２０を一定の回転速度で動作し、直線位置ピックアップまたは角度リゾルバを介してユニット１９の瞬間位置をタップし、その後制御デバイス１１で評価することができる。この最後の変形例は特に費用効率が高い解決法を構成する。
【００４８】
示した例では、フレネルレンズ１５および半透明の散乱スクリーン１６から構成されるユニット１９が、約７００／ｍｉｎ−１の周期で２００ｍｍの空間振幅でガイドレール１７の方向に、この方向（生成された三次元画像のｚ軸）の解像度が同じく６００ポイントとなるように移動する。フレネルレンズ１５および半透明の散乱スクリーン１６を接続するケージが、好ましくは軽量で安定したカーボンファイバ材料から構成される接続素子１８から形成される。このような配列は、問題なく３６ｇ程度の機械的負荷に耐える。発生する約７ｍ／ｓの速度用の直線キャリッジウェイは、同様に市販されている。
【００４９】
両端面が開いている三次元直方体の投影を図１に概略的に示した。ここで、ＬＥＤアレイは二次元出力画像２４として、画像２５としてレンズ１５を介して散乱スクリーン１６上に投影される光る矩形を生成する。フレネルレンズ１５および半透明の散乱スクリーン１６から構成されるユニット１９が、モータおよびトランスミッションユニット２０によって周期的に往復移動する。機械的なスクリーンの動きのこの振幅内では、実線で表した第１の端位置と、レンズ１５ａおよび散乱スクリーン１６ａが点線で表された第２の端位置との間に三次元画像が投影される。第２の端位置で、画像２５ａが散乱スクリーン上に投影される。当然ながら、図１に例として４つだけを示した対応する出力画像２４の投影２５ｂも端位置同士の間に生成される。この簡単な仕組みから、複雑な三次元場面や動く三次元画像をどのようにして生成可能であるのかがすぐに明らかとなる。制御デバイス１１によって、それぞれの瞬間の散乱スクリーン１６の空間位置がわかるので、輪郭だけの直方体２４の代わりに中実な直方体をＬＥＤアレイ１２により散乱スクリーン上の図の端位置で、すなわち図１で参照番号１６および１６ａで示した位置で、散乱スクリーン上に投影することによって、例えば、簡単な方法で両端面が閉じた直方体を生成することが可能である。
【００５０】
移動可能なフレネルレンズ１５により、ＬＥＤアレイ１２を直接散乱スクリーン１６上に結像することができる。特に個々のＬＥＤ１４がほぼ平行な光線を生成する際に、それらをカプセル化することにより実質的に光の損失なく可能である。しかしながら、市販のＬＥＤから得られる光線は多かれ少なかれ発散する。その結果、図１に示したのと同様に、アレイのＬＥＤから出るほぼ全ての光を移動可能フレネルレンズ１５上に集束させる静止フレネルレンズ２６を、ＬＥＤアレイ１２のすぐ上流に配置することができる。
【００５１】
図２は、本発明による装置の可能な実用的実施を３Ｄモニタ３０として斜視図で示す。光学設計は、基本的には図１の図に対応している。図１では光軸が水平に走っているが、図２の実施形態では光軸がフロアに対して垂直に向けられており、すなわち詳細には、移動可能なフレネルレンズと散乱スクリーンから構成されるユニット（別個には示していない）が矢印３１で示した垂直方向に振動する。散乱スクリーンの振動範囲は透明なハウジング３２により囲まれている。ノイズ放射を最小限に抑えるだけでなく、フレネルレンズおよび散乱スクリーンに対する空気抵抗を最小限に抑えるために、ハウジング３２の内部３３は数ｍｂａｒの圧力まで真空とされている。装置の残りの部分は不透明なハウジングパネル３４により覆われている。ＬＥＤアレイ（外側からは認識できない）が３Ｄモニタ３０の底部領域３５に配置されている。図示された変形例には、例えば事前に記録されたフィルムを備えたメモリーカードが挿入されて内部のコンピュータにより再生可能な接続口３６も設けられている。あるいは、この接続口３６が外部のコンピュータに接続するためのインターフェースを有していてもよい。
【００５２】
本発明による装置によりアニメーションで再生可能な模式的な３次元の日常の場面３７（車と信号）が、図２の図の透明なハウジング３１内に見える。
【００５３】
図３は、図１でより詳細に説明した本発明による装置が三次元大型表示スクリーン４０にモジュール方式で多数接続されている概略図である。明確化のために、外側ガイドロッド４１ａ〜ｄがここに示されている。この変形例では、ＬＥＤアレイ４２ａ〜ｆがフレネルレンズ４３ａ〜ｆによる１：１の線形倍率で散乱スクリーン４４ａ〜ｆ上に投影される。散乱スクリーンは大型の画像４５全体を生成する。このような表示スクリーンは、多数のモジュールを用いて実施することができ、メートルの範囲の寸法に達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明による装置の実施形態の概略図である。
【図２】本発明による装置の垂直に向けられた実施形態を示す図である。
【図３】モジュール方式で配列された多数の本発明の装置から組み立てられた、大型三次元画像を生成するための結像システムを示す図である。
【図１】
2007534005.tif 000003
【図２】
2007534005.tif 000004
【図３】
2007534005.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月22日(2005.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像の三次元表示方法であって、
一連の二次元個別画像が個別に制御可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）の二次元アレイにより生成され、
結像素子上に入射した光を散乱スクリーン上に集束させる結像素子上にアレイのＬＥＤから出る光を集束し、
結像素子および散乱スクリーンが、互いに連結されたままユニットとしてスクリーン平面に略直交する方向に周期的に反転するように移動され、
散乱スクリーンおよび結像素子間の距離がほぼ一定に保たれ、
一連の二次元個別画像が散乱スクリーンの空間位置に同期する、方法。
【請求項２】
散乱スクリーン上に投影された画像の強度が動作電流強度および／またはＬＥＤの調整可能な時間的アクティブ／非アクティブ比によって制御されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
一連の二次元個別画像が、表示される三次元物体の可視表面データから算出されることを特徴とする、請求項１，２いずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
画像の三次元表示装置であって、
一連の二次元出力画像（２４）を少なくとも１個のＬＥＤアレイ（１２）上に生成する画像生成手段と、
連結された可動ユニット（１９）を形成する結像素子（１５）および散乱スクリーン（１６）であって、散乱スクリーン（１６）および結像素子（１５）間の距離がほぼ一定に保たれた結像素子（１５）および散乱スクリーン（１６）と、
ユニット（１９）を散乱スクリーン（１６）の表面に略直交する方向に周期的に往復移動させる作動手段（２０、２１）と、
一連の二次元出力画像（２４）を散乱スクリーン（１６）の空間位置と同期させる制御手段（１１）と、
入射した光を散乱スクリーン（１６）上に集束させる側の結像素子（１５）上にアレイ（１２）のＬＥＤから出る光を集束する手段と、
を有する、装置。
【請求項５】
ＬＥＤアレイ（１２）が出力画像（２４）を少なくとも３つの異なる波長で生成することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
いろいろな波長で動作する３個のＬＥＤアレイ（１４）が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
３個のＬＥＤアレイにより生成された出力画像（２４）がダイクロイックミラーを介して散乱スクリーン上に投影されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
結像素子（１５）がフレネルレンズを備えることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
アレイ（１２）のＬＥＤ（１４）から出る光を集束する手段が、各ＬＥＤを囲んで略平行なビームを生成する透明なカプセルを備えることを特徴とする、請求項４〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
カプセル化されたＬＥＤ（１４）が結像素子（１５）に向けられていることを特徴とする、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
固定された集光光学系、特にフレネルレンズ（２６）がＬＥＤアレイ（１２）および可動ユニット（１９）間に配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
アレイ（１２）のＬＥＤ（１４）から出る光を集束する手段が、ＬＥＤアレイ（１２）のすぐ上流に配置されるマイクロレンズアレイを備えることを特徴とする、請求項４〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
ユニット（１９）が略垂直方向に移動されることを特徴とする、請求項４〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
ユニット（１９）が正反対に移動する補償体に連結されていることを特徴とする、請求項４〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
散乱スクリーンが透明な壁を有するハウジング（３２）により囲まれていることを特徴とする、請求項４〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
ハウジングの壁には、実質的にＬＥＤにより生成された光だけの可視スペクトル領域で透明なフィルタフォイルが設けられていることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
ハウジング（３２）が可動ユニット（１９）全体を囲んでいることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の装置。
【請求項１８】
ハウジング（３２）内が低い圧力状態になっていることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
大型の三次元画像（４５）を共に生成する、グリッド状に配列された、請求項４〜１８のいずれか一項に記載の多数の装置を備える結像システム。
【国際調査報告】
2007534005.tif 000006
2007534005.tif 000007
2007534005.tif 000008
2007534005.tif 000009