(57)【要約】【課題】比較的安価で軽量の可変焦点システムを提供する。【解決手段】可変焦点システム（１００）は、電気可変光学系（ＥＶＯ）（１０８）と、ＥＶＯの合焦構成を変化させるために動作的に結合されているコントローラ（１１２）とを含む。ＥＶＯは、ＥＶＯの焦点距離（ｆ）、ＥＶＯの焦点軸（１３２）の方向、または双方を、個々の用途の必要性に応じて変化させるように、実質的に互いに連合して移動させることができる、複数の可動光学エレメント（１６４）を含む。可変焦点システムは、３Ｄ浮遊画像プロジェクタ（５００、５４０、５６０、６００）を構築するために、画像源（１１６）と共に用いることができ、３Ｄ浮遊画像プロジェクタは、３Ｄ画像の一連の２Ｄ画像スライス（ＩＳ１〜ＩＳ７）を対応するそれぞれの画像面（ＩＰ１〜ＩＰ７）上に、３Ｄ浮遊画像（１２０）が目視者（１０４）によって知覚されるのに十分な迅速さで連続して投射する。【選択図】図１
2007514190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）複数の可動光学エレメントを含む光学系と、
（ｂ）前記光学系に結合されたコントローラであって、少なくとも第１信号および第２信号を発生し、前記第１信号が前記複数の光学エレメントの少なくとも一部を、前記光学系に第１合焦構成を与えるように移動させ、前記第２信号が、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部を、前記第１合焦構成とは異なる第２合焦構成を前記光学系に与えるように移動させる、コントローラと、
を備えた、可変焦点システム。
【請求項２】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの各１つは本質的に反射器のみである、可変焦点システム。
【請求項３】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの各１つは本質的に屈折器のみである、可変焦点システム。
【請求項４】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの各１つはビームスプリッタである、可変焦点システム。
【請求項５】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの各１つはマイクロエレメントである、可変焦点システム。
【請求項６】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの少なくとも１つは、各々互いに異なる光学特性を有する少なくとも２つの光学コンポーネントを備えており、各前記光学特性を、反射、屈折、ビームスプリット、不透明、および透明から成る群から選択する、可変焦点システム。
【請求項７】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記光学系はＭＥＭＳ光学系である、可変焦点システム。
【請求項８】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動光学エレメントの各１つは、傾斜によって移動する、可変焦点システム。
【請求項９】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動光学エレメントの各１つは、屈曲によって移動する、可変焦点システム。
【請求項１０】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて光学系を備えた電気可変光学系において、前記第１信号および第２信号が電気信号である、電気可変光学系。
【請求項１１】
複数の２Ｄ画像を複数の対応するそれぞれの画像面上に投射するシステムであって、
（ａ）複数の２Ｄ画像を供給する少なくとも１つの画像源と、
（ｂ）前記複数の２Ｄ画像の各々を、複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦するように再構成可能な電気可変光学系と、
（ｃ）前記少なくとも１つの画像源と前記電気可変光学系とに結合されたコントローラであって、前記複数の２Ｄ画像の各１つを、前記複数の対応するそれぞれの画像面に合焦するように、前記少なくとも１つの画像源および前記電気可変光学系を制御する、コントローラと、
を備えた、システム。
【請求項１２】
請求項１１記載のシステムにおいて、前記複数の２Ｄ画像の各１つは、３Ｄ画像の画像スライスであり、前記コントローラは、前記複数の２Ｄ画像を前記複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦することによって、前記３Ｄ画像をその上に発生するように、前記電気可変光学系を制御する、システム。
【請求項１３】
請求項１１記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記複数の２Ｄ画像を前記複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦し、前記複数の２Ｄ画像が前記複数の対応するそれぞれの画像面間で移動しているように見えるように、前記電気可変光学系を制御する、システム。
【請求項１４】
請求項１１記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの画像源はビデオ・ディスプレイである、システム。
【請求項１５】
請求項１１記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの画像源は、ディジタル画像生成デバイスである、システム。
【請求項１６】
請求項１５記載のシステムにおいて、前記ディジタル画像生成デバイスは、ディジタル光プロセッサを備えた、システム。
【請求項１７】
請求項１５記載のシステムにおいて、前記ディジタル画像生成デバイスは、ゲート・ライト・バルブである、システム。
【請求項１８】
複数の合焦構成を有する電気可変光学系であって、
（ａ）基板と、
（ｂ）同心状円弧状に配列された複数の光学エレメントであって、該複数の光学エレメントの各々が、前記基板上に実装され、前記複数の光学エレメントの各々が前記複数の合焦構成に対応する複数の方位に移動可能となるように、前記基板に対して移動可能である、光学エレメントと、
を備えた、電気可変光学系。
【請求項１９】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記同心状円弧は、同心円環を形成する、電気可変光学系。
【請求項２０】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記基板は平坦面を有し、前記複数の光学エレメントの各々は、前記基板の平坦面上に実装された、電気可変光学系。
【請求項２１】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記基板は湾曲面を有し、前記複数の光学エレメントの各々は、前記基板の平坦面上に実装された、電気可変光学系。
【請求項２２】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記複数の光学系の各々は、前記基板に対して旋回可能である、電気可変光学系。
【請求項２３】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの各々は、前記複数の方位を得るために屈曲する可撓性電極を含む、電気可変光学系。
【請求項２４】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントはＭＥＭＳデバイスである、電気可変光学系。
【請求項２５】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部は、反射器である、電気可変光学系。
【請求項２６】
請求項２５記載の電気可変光学系において、前記反射器はマイクロミラーである、電気可変光学系。
【請求項２７】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部はビームスプリッタである、電気可変光学系。
【請求項２８】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部は、屈折器である、電気可変光学系。
【請求項２９】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも１つは、各々互いに異なる光学特性を有する少なくとも２つの光学コンポーネントを備えており、各前記光学特性を、反射、屈折、ビームスプリット、不透明、および透明から成る群から選択する、電気可変光学系。
【請求項３０】
請求項１８記載の電気可変光学系において、前記同心状円弧は円形である、電気可変光学系。
【請求項３１】
複数の合焦構成を有する電気可変光学系であって、
（ａ）湾曲面を有する基板と、
（ｂ）各々前記基板の前記湾曲面上に実装された複数の光学エレメントであって、当該複数の光学エレメントの各々が前記複数の合焦構成に対応する複数の方位に移動可能となるように、前記基板に対して移動可能である、複数の光学エレメントと、
を備えた、電気可変光学系。
【請求項３２】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの各々は、前記基板に対して旋回可能である、電気可変光学系。
【請求項３３】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの各々は、前記複数の方位を得るために屈曲する可撓性電極を含む、電気可変光学系。
【請求項３４】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントはＭＥＭＳデバイスである、電気可変光学系。
【請求項３５】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部は、反射器である、電気可変光学系。
【請求項３６】
請求項３５記載の電気可変光学系において、前記反射器はマイクロミラーである、電気可変光学系。
【請求項３７】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部はビームスプリッタである、電気可変光学系。
【請求項３８】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部は、屈折器である、電気可変光学系。
【請求項３９】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも１つは、各々互いに異なる光学特性を有する少なくとも２つの光学コンポーネントを備えており、各前記光学特性を、反射、屈折、ビームスプリット、不透明、および透明から成る群から選択する、電気可変光学系。
【請求項４０】
請求項３１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントは、同心状円弧に配置された、電気可変光学系。
【請求項４１】
請求項４０記載の電気可変光学系において、前記同心状円弧は円形である、電気可変光学系。
【請求項４２】
（ａ）複数の合焦構成を有する電気可変光学系であって、
（ｉ）基板と、
（ｉｉ）各々前記基板に移動可能に取り付けられた複数の光学エレメントと、
（ｉｉｉ）各々前記複数の光学エレメントの対応する１つに対応し、前記複数の光学エレメントの当該１つを移動させるための複数のアクチュエータと、
を備えた、電気可変光学系と、
（ｂ）前記電気可変光学系に複数の合焦構成を与えるために、前記複数の光学エレメントを移動させるように前記複数のアクチュエータに動作的に結合された、コントローラと、
を備えた、システム。
【請求項４３】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数の合焦構成は、複数の画像面に対応する、システム。
【請求項４４】
請求項４３記載のシステムにおいて、前記複数の画像面は、自由空間内に位置する、システム。
【請求項４５】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記複数の合焦構成のそれぞれの間で少なくとも１秒に３０回変化させる、システム。
【請求項４６】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数の合焦構成は、複数の画像面に対応し、前記システムは、更に、前記複数の画像面上に投射するために、前記電気可変光学系に複数の画像を供給する画像源を備えた、システム。
【請求項４７】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数の画像の各々は、前記電気可変光学系が前記複数の画像面の対応する１つに投射する３Ｄ画像の画像スライスである、システム。
【請求項４８】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記複数の合焦構成間で前記電気可変光学系を第１のレートで変化させ、前記画像源は前記複数の画像を第２のレートで供給し、前記コントローラは、前記第１および第２のレートを互いに同期させる、システム。
【請求項４９】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数の画像は３Ｄビデオ画像を形成する、システム。
【請求項５０】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記画像源はビデオ・モニタである、システム。
【請求項５１】
請求項５０記載のシステムにおいて、前記ビデオ・モニタはコンピュータ・モニタである、システム。
【請求項５２】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数の光学エレメントの各々は、可撓性電極を含む、システム。
【請求項５３】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数の光学エレメントの各々は、前記基板に対して、転心を中心に旋回可能である、システム。
【請求項５４】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数の光学エレメントの各々は、前記基板に対して、互いに対して相互の直交する２つの旋回軸を中心に旋回可能である、システム。
【請求項５５】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数のアクチュエータは、前記基板に対して固定された少なくとも１つの電極を備えた、システム。
【請求項５６】
請求項４２記載のシステムにおいて、前記複数のアクチュエータの各々は、圧電アクチュエータから成る、システム。
【請求項５７】
（ａ）複数の合焦構成を有し、各々可撓性光学エレメントを含む複数の可撓性電極を備えた電気可変光学系と、
（ｂ）各可撓性光学エレメントを移動させて前記電気可変光学系に前記複数の合焦構成を与えるために、前記複数の可撓性電極を屈曲または延長させるように、前記複数の可撓性電極に動作的に結合されたコントローラと、
を備えた、システム。
【請求項５８】
請求項５７記載のシステムにおいて、各可撓性光学エレメントはミラーである、システム。
【請求項５９】
請求項５７記載のシステムにおいて、各可撓性光学エレメントは屈折器である、システム。
【請求項６０】
請求項５７記載のシステムにおいて、各可撓性光学エレメントはビームスプリッタである、システム。
【請求項６１】
請求項５７記載のシステムにおいて、前記複数の可動エレメントの少なくとも１つは、各々互いに異なる光学特性を有する少なくとも２つの光学コンポーネントを備えており、各前記光学特性を、反射、屈折、ビームスプリット、不透明、および透明から成る群から選択する、システム。
【請求項６２】
複数の合焦構成を有する電気可変光学系であって、
（ａ）基板と、
（ｂ）同心状円弧に配置された複数の可撓性電極光学エレメントであって、各々、前記基板上に実装され、前記複数の可撓性電極光学エレメントの各々が前記複数の合焦構成に対応する複数の方位に移動可能となるように、前記基板に対して移動可能である、複数の可撓性電極光学エレメントと、
を備えた、電気可動光学系。
【請求項６３】
（ａ）複数の可動光学エレメントを含み、複数の合焦構成を有する電気可変光学系と、
（ｂ）前記電気可動光学系を前記複数の合焦構成の各々に合焦するように、前記複数の可動光学エレメントの各々の移動を制御するように動作的に結合された、コントローラと、
を備えた、デバイス。
【請求項６４】
請求項６３記載のデバイスであって、更に、従来の光学系を含む、デバイス。
【請求項６５】
請求項６３記載のデバイスであって、更に、複数の画像を前記電気可変光学系に供給する少なくとも１つの画像源を備えた、デバイス。
【請求項６６】
請求項６５記載のデバイスにおいて、前記画像源はビデオ・モニタである、デバイス。
【請求項６７】
可動光学エレメントのアレイを含み、複数の合焦構成を有する光学系を用いて第１画像を形成する方法であって、
（ａ）複数の画像スライスから成る第２画像を前記光学系に供給するステップと、
（ｂ）前記複数の合焦構成のそれぞれに対応する画像位置に、前記第２画像を合焦するように、前記アレイにおける可動光学エレメントの少なくとも一部を、実質的に同時に互いに対して移動させるステップを、
を備えた、方法。
【請求項６８】
可動光学エレメントのアレイを含む光学系を制御する方法であって、
（ａ）前記可動光学系のアレイが第１焦点を有するように、前記アレイにおける可動光学エレメントの少なくとも一部を実質的に同時に互いに対して移動させるステップと、
（ｂ）前記可動光学エレメントのアレイが、前記第１焦点から離間された第２焦点を有するように、前記アレイにおける可動光学エレメントの少なくとも一部を実質的に同時に互いに対して移動させるステップと、
を備えた、方法。
【請求項６９】
請求項６８記載の方法において、ステップ（ｂ）および（ａ）間の時間は、１秒の１／１０以下である、方法。
【請求項７０】
請求項６９記載の方法において、ステップ（ｂ）および（ａ）間の時間は、１秒の１／１００以下である、方法。
【請求項７１】
請求項６８記載の方法であって、更に、前記可動光学エレメントのアレイが、前記第１および第２焦点から離間された第３焦点を有するように、前記アレイにおける可動光学エレメントの少なくとも一部を実質的に同時に互いに対して移動させるステップを備えた、方法。
【請求項７２】
請求項７１記載の方法において、前記第１、第２、および第３焦点は直線に沿って並んでいる、方法。
【請求項７３】
一連の画像を互いに離間された複数の対応するそれぞれの画像面に表示するように、電気可変光学系を制御する方法であって、
（ａ）前記電気可変光学系に、前記一連の画像の内第１画像を、前記複数の対応するそれぞれの画像面の内第１の対応する各画像面上に合焦させる第１信号を発生するステップと、
（ｂ）前記電気可変光学系に、前記一連の画像の内第２画像を、前記複数の対応するそれぞれの画像面の内第２の対応する各画像面上に合焦させる第２信号を発生するステップと、
を備えた、方法。
【請求項７４】
請求項７３記載の方法において、前記一連の画像の各画像を、少なくとも１つの画像源によって、前記電気可変光学系に伝達し、前記第１信号は、前記電気可変光学系に、前記第１画像の前記第１の対応する各画像面上への合焦と実質的に同時に、前記少なくとも１つの画像源に前記第１画像を伝達させる、方法。
【請求項７５】
請求項７４記載の方法において、前記第２信号は、前記電気可変光学系に、前記第２画像の前記第２の対応する各画像面上への合焦と実質的に同時に、前記少なくとも１つの画像源に前記第２画像を伝達させる、方法。
【請求項７６】
一連の画像を互いに離間された複数の対応するそれぞれの画像面に表示するように、電気可変光学系を制御するプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記プログラムが、コンピュータによって実行すると、
（ａ）前記電気可変光学系に、前記一連の画像の内第１画像を、前記複数の対応するそれぞれの画像面の内第１の対応する各画像面上に合焦させる第１信号を発生するステップと、
（ｂ）前記電気可変光学系に、前記一連の画像の内第２画像を、前記複数の対応するそれぞれの画像面の内第２の対応する各画像面上に合焦させる第２信号を発生するステップと、
を実行する命令を備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項７７】
請求項７６記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記一連の画像の各画像を、少なくとも１つの画像源によって、前記電気可変光学系に伝達し、前記第１信号は、前記電気可変光学系に、前記第１画像の前記第１の対応する各画像面上への合焦と実質的に同時に、前記少なくとも１つの画像源に前記第１画像を伝達させる、コンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項７８】
請求項７７記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記第２信号は、前記電気可変光学系に、前記第２画像の前記第２の対応する各画像面上への合焦と実質的に同時に、前記少なくとも１つの画像源に前記第２画像を伝達させる、コンピュータ読み取り可能媒体。
【請求項７９】
一連の画像を互いに離間された複数の対応するそれぞれの画像面に表示するように、電気可変光学系を制御するプログラムを収容したコンピュータ読み取り可能信号であって、前記プログラムが、コンピュータによって実行すると、
（ａ）前記電気可変光学系に、前記一連の画像の内第１画像を、前記複数の対応するそれぞれの画像面の内第１の対応する各画像面上に合焦させる第１信号を発生するステップと、
（ｂ）前記電気可変光学系に、前記一連の画像の内第２画像を、前記複数の対応するそれぞれの画像面の内第２の対応する各画像面上に合焦させる第２信号を発生するステップと、
を実行する命令を備えた、コンピュータ読み取り可能信号。
【請求項８０】
請求項７９記載のコンピュータ読み取り可能信号において、前記一連の画像の各画像を、少なくとも１つの画像源によって、前記電気可変光学系に伝達し、前記第１信号は、前記電気可変光学系に、前記第１画像の前記第１の対応する各画像面上への合焦と実質的に同時に、前記少なくとも１つの画像源に前記第１画像を伝達させる、コンピュータ読み取り可能信号。
【請求項８１】
請求項８０記載のコンピュータ読み取り可能信号において、前記第２信号は、前記電気可変光学系に、前記第２画像の前記第２の対応する各画像面上への合焦と実質的に同時に、前記少なくとも１つの画像源に前記第２画像を伝達させる、コンピュータ読み取り可能信号。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２００３年１月１３日に出願され、"Electrovariable Optic and Its Application to 3D and Floating Image Displays"（電気可変光学系およびその２Ｄおよび浮遊画像ディスプレイへの応用）と題する米国仮特許出願第６０／４３９，７７６号、および２００３年２月４日に出願され、"Electrovariable Optic Comprising an Array of Moving Flexible Electrodes and its Application to 3D floating Image Displays"（移動可撓性電極のアレイを備えた電気可変光学系、およびその３Ｄ浮遊画像ディスプレイへの応用）と題する米国仮特許出願第６０／４４４，８５４号の優先権を主張する。これらの内容は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。
【０００２】
本発明は、一般的には、光学の分野に関する。更に特定すれば、本発明は、可変焦点システムを対象とする。
【背景技術】
【０００３】
可変屈折力光学系は、多種多様な用途のために長い間求められていた。このような用途の顕著な例の１つが、３Ｄ画像生成の分野である。同様に、目視者の関心を捕らえること、目視体験を強化すること、コンピュータ・システムの機能性を高めること、および／または３Ｄ画像形成のための新たな使用を創造することのために、比較的低コストで、高品質で、使い易い３Ｄビデオ、シネマ、および画像ディスプレイも長い間求められている。しかしながら、今日まで、従来の３Ｄ光画像生成システムは、低コスト、高品質、便利であり、および／またはビデオまたはシネマに適しているとは言えなかった。従来のシステムの例には、ステレオグラフィック・システムが含まれるが、これは目視者の一方の目にある画像を供給し、他方の目には遠近感が多少異なる画像を供給するために、特殊なめがねまたはヘッドギアを装着する必要があった。これらのシステムの欠点には、かさばり、不快で、および／または不便な目視デバイスを装着しなければならないことが含まれる。
【０００４】
他の種類の従来の３Ｄ光画像生成システムには、３Ｄ画像を生成するように個々に制御される多くの自己蛍光立体エレメントを有するボクセル・ディスプレイ(voxel display)、および３Ｄ画像を作成するために各画像の対応するスライスを順次素早く連続して投射する複数の可変不透明画面を互いに離間させた多平面ディスプレイが含まれる。これらの種類のシステムの欠点には、ボクセルまたは多数の平面画面を備えた、大きく、重く、しかも高価な表示エレメントを必要とすることである。
【０００５】
更に、ボクセルおよび多平面ディスプレイは、それ自体では３Ｄ画像を自由空間に投射して、画像が空間に「浮遊」しているように見せることができない。むしろ、これらのデバイスの３Ｄ画像は、それらの表示エレメントの厚さ以内に現れる。しかしながら、実像画像プロジェクタを用いると、多平面画面デバイスまたはボクセル・デバイスの３Ｄ画像を自由空間内に投射し、３Ｄ画像がプロジェクタを超えた空間内に浮遊しているように見せることができる。この構成は、Sullivanの米国特許第６，１００，８６２号、およびSullivan et al.の米国特許第６，４６６，１８５号において、多平面画面デバイスに関連付けて示されている。これらの内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。
【特許文献１】米国特許第６，１００，８６２号
【特許文献２】米国特許第６，４６６，１８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この種のシステムは、多平面画面エレメントのために大きく重く、その上実像プロジェクタの追加のために多平面デバイスよりも高価となる。比較的安価で軽量の実像生成システムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様において、本発明は、複数の可動光学エレメントを含む光学系を備えている可変焦点システムを対象とする。コントローラが、光学系に結合されている。コントローラは、少なくとも第１信号および第２信号を発生する。第１信号は、光学系に第１合焦構成を与えるように、複数の光学エレメントの少なくとも一部を移動させる。第２信号は、光学系に、第１合焦構成とは異なる第２合焦構成を与えるように、複数の光学エレメントの少なくとも一部を移動させる。
【０００８】
別の態様では、本発明は、複数の２Ｄ画像を複数の対応するそれぞれの画像面上に投射するシステムを対象とする。このシステムは、複数の２Ｄ画像を供給する少なくとも１つの画像源と、複数の２Ｄ画像の各１つを複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦するように再構成可能な電気可変光学系とを備えている。コントローラが、少なくとも１つの画像源および電気可変光学系に結合されている。コントローラは、複数の２Ｄ画像の各１つを複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦するように、少なくとも１つの画像源および電気可変光学系を制御する。
【０００９】
更に別の態様では、本発明は、可動光学エレメントのアレイを含む光学系を制御する方法を対象とする。この方法は、可動光学エレメントのアレイが第１の焦点を有するように、アレイにおける可動光学エレメントの少なくとも一部を互いに実質的に同時に移動させるステップを備えている。次いで、可動光学エレメントのアレイが第２の焦点を有するように、アレイにおける可動光学エレメントの少なくとも一部を互いに実質的に同時に移動させる。
【００１０】
本発明を例示する目的のために、図面は、現時点において好適な発明の一形式を示す。しかしながら、本発明は、図面に示す配置および手段そのものに限定されるのではないことは言うまでもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
これより図面を参照すると、図１は、本発明による可変焦点システムを示し、全体的に符号１００で識別されている。以下で詳しく論ずるが、システム１００は、単体でも、あるいは他の光学系との組み合わせでも用いることができ、画像が空間内を浮遊しているかのように目視者１０４には見えるように、自由空間内に３Ｄ画像を表示することができる。当業者には容易に認められようが、システム１００は、主に、自由空間における実３Ｄ画像の表示に関して説明するが、本システムはそれに限定されるのではない。逆に、可変焦点システム１００は、電磁エネルギの焦点（あるいは集束または発散）を選択的に変化させることが望ましい種々の用途のいずれにも用いることができる。可変焦点システム１００は、種類および技術分野双方に関して相互に非常に変化に富んだ用途に用いることができる。これらの用途の一部について以下に説明し、その他については、本開示を読むことにより、当業者には明白となろう。
【００１２】
システム１００の２つの主要コンポーネントは、電気可変光学系（ＥＶＯ：electrovariable optic）１０８と、電磁エネルギ、例えば、とりわけＥＶＯに入射する可視光、赤外線光、紫外線光またはマイクロ波の焦点を変化させるように、ＥＶＯを制御するコントローラ１１２である。前述の可変焦点システム１００の多種多様の用途の基礎となる共通の原理は、発生源、例えば、画像源１１６またはいずれかの電磁エネルギの「発生源」からの入射電磁エネルギの焦点を変化させるための、コントローラ１１２によるＥＶＯ１０８の選択的調節である。本発明に関しては、「発生源」という用語は、電磁エネルギを放出するデバイスや本体だけでなく、１つ以上の放出源や、このような発生源の実像および／または虚像からの電磁エネルギを反射、透過および／または吸収する本体も含む。更に、「焦点を変化させる」という句、および同様の句は、ＥＶＯ１０８の焦点距離を変化させる作用、またはＥＶＯの焦点軸（１３２）の方向を変化させる作用、あるいはこれら２つの組み合わせも含む。
【００１３】
例えば、ＥＶＯ１０８の焦点距離を変化させることにより、とりわけ、ＥＶＯは、当該ＥＶＯに対して固定した場所に位置する発生源、例えば、発生源１１６からの電磁エネルギを、直線に沿って互いに離間された複数の画像点に順次合焦することができ、または、逆に、直線に沿って離間された複数の発生源を、順次、共通の画像点上に合焦することができる。ＥＶＯ１０８の焦点軸の方向を変化させることにより、ＥＶＯは、とりわけ、当該ＥＶＯに対して固定した場所に位置する発生源からの電磁エネルギを、順次、円弧線に沿って互いに離間されている複数の画像点上に合焦し、または、逆に、円弧線に沿って互いに離間されている複数の発生源を、順次、共通の画像点上に合焦することができる。勿論、ＥＶＯ１０８の焦点距離および合焦方向双方を同時に変更すると、ＥＶＯは、とりわけ、ＥＶＯに対して固定した単一の発生源からの電磁エネルギを、順次、ＥＶＯの反射または屈折限度内で空間の事実上どこに位置する複数の画像点上にも合焦し、または、逆に、ＥＶＯの反射または屈折限度内で空間のいずれの場所に位置する複数の発生源からの電磁エネルギでも、順次、共通画像点に合焦することができる。このような柔軟性を有するＥＶＯ１０８およびコントローラ１１２により、これらのコンポーネントの用途に対する適用可能性は、以下に説明するシステム１００の実像投射用途とは大きく異なることが、当業者には容易に認められよう。
【００１４】
とは言え、しかしながら、実像を自由空間内に投射するために可変焦点システム１００を用いるとき、システムは、一連の２Ｄ画像を表示する少なくとも１つの画像現１１６、例えば、２Ｄビデオ・ディスプレイと共に用いることができる。この用途では、画像源１１６は、２Ｄ画像を複数の画像面、例えば、画像面ＩＰ１〜ＩＰ７上に互いに連続して合焦するように、コントローラ１１２によって制御することができる。各２Ｄ画像の内容が所望の３Ｄ画像１２０のそれぞれの「スライス」に対応し、これらの画像を十分に素早く連続して画像面ＩＰ１〜ＩＰ７上に投射すると、知覚可能な３Ｄ画像を画像面間に形成することができる。尚、「画像面」、「焦点面」等に対する言及は、本開示全体を通じて、拡張された二次元画像領域に適用することを意図しており、その一部は実際には平面ではなく湾曲していてもよい（例えば、光場湾曲のため）ことを注記しておく。「平面」という用語および同様の用語の使用、ならびにこのような面を図面では平面のように図示しているにも拘わらず、このような言及は、一般性を失わずに、このような曲面も含むことを意図している。
【００１５】
概して言えば、そして前述のように、図１のＥＶＯ１０８のような本発明のＥＶＯは、その焦点距離またはその焦点軸の方向、あるいは双方を変化させるように制御することができる。結果的に、これらの概念の双方はＥＶＯの合焦特性に関するので、「合焦構成」(focal configuration)という用語、および同様の用語は、ここでは、そしてＥＶＯに関して添付した特許請求の範囲では、本発明によって包含されるＥＶＯの再構成可能性を取り込むために用いることとする。つまり、コントローラ１１２のような、本発明のコントローラが本発明のＥＶＯの「合焦構成」を変化させるように動作的に構成されていると言うとき、これが意味するのは、コントローラは、（１）ＥＶＯの焦点距離、または（２）ＥＶＯの焦点軸の方向、または（３）ＥＶＯの焦点距離および焦点軸方向の双方を変更するように動作的に構成されているということである。本発明のＥＶＯは、個々の用途に合わせるためには、いかにして「焦点が合うように構成変更」(focally configured)しなければならないか、当業者には認められよう。以下の開示では、焦点距離および焦点軸方向の一方、他方、または双方を制御することが適している状況の一部について論ずる。
【００１６】
一実施形態では、可変焦点システム１００は、３Ｄ画像１２０を自由空間に投射するために用いることができる。この場合、画像面ＩＰ１〜ＩＰ７は、自由空間内に位置する。別の実施形態では、可変焦点システム１００は、前述の背景の章で論じ、本願にも含まれるものとしたSullivanおよびSullivan et al.の特許に開示されている多重パネル可変不透明画面構造のような、画面構造（図示せず）内に３Ｄ画像１２０を表示するために改造してもよい。加えて、可変焦点システム１００は、仮想３Ｄ画像を形成するためにも用いることができる。一般に、実像の形成と虚像の形成との間の差は、３Ｄ画像１２０に対する最終光学系の一に関係する。３Ｄ画像１２０を形成する光線が横断する最終光学系を、目視者１０４に対してその画像の後ろに配置すると、画像は実像となる。これを光学系１２４によって例示する。他方では、光学系１２８によって例示するように、その最終光学系を３Ｄ画像１２０と目視者１０４との間に配置した場合、画像は虚像となる。
【００１７】
可変焦点システム１００は、３Ｄ目視が望ましいおよび／または必要な、実用的な応用分野を数多く有し、とりわけ、シネマ、ビデオ、仮想現実システム、訓練シミュレータ、ビデオ・ゲーム、レクチャーおよび情報紹介を含む。本発明の可変焦点システム１００は、多くの異なる分野に跨る多種多様の使用に広い応用可能性を有することは、当業者には認められよう。したがって、ここでは、当業者が本発明の広義な範囲を理解するためには、システム１００の使用についての長ったらしいリストは不要である。しかしながら、可変焦点システム１００の一部の代替使用を以下に記載する。これに関して、本発明は殆どにおいて可視光を用いた画像の形成に関連付けて説明するが、本発明はそれに限定されるのではないことを注記しておく。逆に、本発明は、可視光スペクトルの外側にある電磁エネルギ、例えば、とりわけ、電磁スペクトルの無線、赤外線、または紫外線部分において、合焦するための用途を有することもできる。可視光スペクトルの外側における使用の例についていくつか、以下に本発明の可変焦点システム１００の代替使用に関連付けて述べる。当業者は、可変焦点システム１００に対する他の用途を疑いなく認めるであろう。
【００１８】
概略的に、可変焦点システム１００および画像源１１６は、以下のように動作して３Ｄ画像１２０を作成する。簡略化のために、システム１００の説明は、主に静止画像、即ち、その中にある要素の全てが互いに対して、または当該システムのいずれの固定基準点に対しても動かない画像に関連付けて行うことにする。このような静止画像は、単体の静止画像でもよいし、またはビデオおよびシネマの１場面のような、動画場面の単一フレームを構成してもよい。単体静止画像と動画画像のフレームとの間の主要な相違は、ある時間期間に３Ｄ画像１２０が表示される回数である。単体画像では、同じ３Ｄ画像が、それを提示していたい時間期間の全体にわたって繰り返し提示される。一方、３Ｄ画像１２０が動画画像のフレームである場合、このフレームは、一般に、動く場面の長さの間、限られた回数だけ、場合によっては１回表示され、別の僅かに異なるフレームと共に、移動の幻想を作り出す。
【００１９】
いずれの３Ｄ画像とも同様に、３Ｄ画像１２０は、互いに平行な複数の平面（２Ｄ）画像スライスで作られると考えればよい。分解能に応じて、これらの画像スライスは、２から無限までの数を取り得る。本例では、７枚の画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７を示し、これらは前述の３つの画像面ＩＰ１〜ＩＰ７に対応する。更に、これらの画像スライスは、３Ｄ画像１２０に対してどのように配位されていてもよい。しかしながら、本例の場合、画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７は、３Ｄ画像１２０の奥行きに対して直交方向に配位されている。奥行きとは、ＥＶＯ１０８の焦点軸１３２に沿った、３Ｄ画像の寸法のことである。したがって、浮遊画像１２０を空間に形成するには、画像源１１６によって供給される画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７を、それぞれ、画像面Ｉ１〜ＩＰ７上に、画像において目視者がフリッカを知覚するのを避けられる程度の十分なレートで互いに連続して合焦する。この画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７の画像面ＩＰ１〜ＩＰ７上への連続的な合焦は、一般に、３Ｄ画像１２０を目視者に見せたい時間長にわたって繰り返す。
【００２０】
可変合焦システム１００の利点は、概して言えば、画像源１１６が、とりわけ、陰極線管、液晶ディスプレイ、プラズマ・ディスプレイ、ディジタル光プロセッサ、またはプロジェクタ／画面システムのような、従来の画像源でよいことである。当業者はこのようなデバイスには既に精通しているので、ここでは画像源１１６について詳細に説明する必要はないが、画像源についての一般的な性能の要点の一部について以下に論ずることにする。
【００２１】
ＥＶＯ１０８の焦点距離の迅速な変化は、目視者１０４が画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７の表示に関する動きを、離散的ではなく連続的に知覚する程度の十分に高いレートで行うことができる。この現象は「残像」として知られており、シネマやビデオの基本にもなっている。残像は、変化する一連の静止画像を素早く目視者に提示することによって、シネマやビデオにおいて、そして本発明でも得られる。画像源１１６をビデオ型ディスプレイにすることにより、ＥＶＯ１０８の光学的屈折力の変化を、例えば、コントローラ１１２によって、ビデオ画像の対応する画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７を収容する多数の画像面ＩＰ１〜ＩＰ７を目視者に提示することができる十分に高いフレーム・レートで、２Ｄビデオ画像と同期させることができ、こうすると、目視者は画像スライスが互いに同時に現れるように知覚する。各フレームの内容、即ち、画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７は、完全に制御可能であるので、ＥＶＯ１０８が与える画像奥行き位置に適した情報を含むように、一連のフレームを形成することができる。
【００２２】
現在、一般的な低コストの消費者用ビデオ源のフレーム・レートは、通例、２００Ｈｚ未満である。比較的フリッカのない３Ｄ画像を生成するためには、画像面ＩＰ１〜ＩＰ７が規定する画像領域１３６の全奥行きは、目標として（即ち、標準的なムービーまたはテレビジョン・フレーム・レート）２４〜３０Ｈｚのレートまたはそれよりも速く再生しなければならない。２００Ｈｚ以下の能力のビデオ型画像源では、これは、６〜８面の画像の奥行きを暗示する。画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７を２０Ｈｚというような低いレートで再生すると、ある照明条件の下では、容認できる画質が得られる場合もある。一般に、画像レートが高い程、知覚される画質は向上する。画像レートを高めるには、通例、必要となる画像源１１６が増々高価になるので、意図する用途に対して画像生成レートを選択する際には、コスト効率分析(cost-benefit analysis)を行う必要がある。
【００２３】
しかしながら、画像源１１６としての使用に適した将来の民生用ビデオ・ディスプレイは、特に３Ｄビデオ画像生成を含むゲームやその他の用途に対する需要に駆り立てられる等により、遥かに高いフレーム・レート能力得るところまで進歩ことが予期される。今日においても、高い光度で１０００Ｈｚを超えるフレーム・レートを得ることができるディジタル光処理（ＤＬＰ）プロジェクタのコストは、急速に低下しつつある。更に、グレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ）技術には、同様のまたはそれ以上の将来性があり、しかもコントラスト比は一層高い。従来の２００Ｈｚアナログ・ビデオ源の能力に伴う６〜８面画像奥行きの限界は、このようなディジタル画像デバイスによって解消され、ＤＬＰ、ＧＬＶ、およびその他のディジタルに基づく技術を利用したディスプレイのコストは劇的に低下すると予想される。ＥＶＯ１０８は、同様のディジタル技術を利用することができ、したがってディジタル画像デバイスおよびそれらの高フレーム・レートとの互換は容易である。このため、ＥＶＯ１０８は、これらのビデオ型画像源と共に用いて、画像の奥行きが数十画像面の３Ｄ浮遊画像を生成することができる。画像の奥行きの限界は、一般に画像源１１６の限界であり、ＥＶＯ１０８自体に内在するのではない。
【００２４】
前述のように、ＥＶＯ１０８は、システム１００のコンポーネントであり、ＥＶＯが画像源１１６から受け取った画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７を画像面ＩＰ１〜ＩＰ７上に合焦する。図２および図３は、システム１００において用いるのに適したＥＶＯ１６０の一実施形態である。ＥＶＯ１６０は、複数の光学エレメント１６４を備えることができ、少なくともその一部は、ＥＶＯの複数の焦点距離に対応する複数の方位に移動可能であり、これによって、ＥＶＯは画像スライス、例えば、図１の画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７を、対応する画像面、例えば、図１の画像面ＩＰ１〜ＩＰ７上に合焦することができる。光学エレメント１６４は、図示の矩形アレイのように、適した様式であればいかようにでも配列することができる。矩形アレイ状にした光学エレメント１６４は、矩形領域１６８、円形領域１７２、または望ましい形状であればその他のいずれの領域にでも提示することができる。円形領域１７２は、例えば、当該円形領域の外側に位置する光学エレメント１７６の一部を不要とするために、特定の設計に合わせたり、製造コストを削減するため、一部の用途では望ましい場合がある。尚、光学エレメント１６４は適したサイズであればいずれでもよいが、本願では、そのサイズは、必然的ではないが、通例従来のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）エレメント程度である。加えて、光学エレメント１６４は、矩形である必要はなく、逆に、個々の設計に合わせて選択するのであれば、他の形状、とりわけ、円形、または円弧状でもよい。
【００２５】
図３は、ＥＶＯ１６０がその可変焦点能力を発揮して、ＥＶＯが光またはその他の電磁エネルギ（光線１８０で表す）を連続的に、図示の焦点面ＦＰ１〜ＦＰ３のような、多数の焦点面上に合焦することを可能にする様子を示す（ここでは、ＥＶＯ１６０を、放物線光学系を模擬し、無限共役(infinite conjugate)からの平行化光線を多数の焦点面上に合焦するように図示されている。しかしながら、当業者には認められるように、図示の方法は、他の有効な光学形状や、有限共役光線の対応する多数の画像面への合焦にも適用可能である。）光学エレメント１６４は、基板１８４上に実装することができる。基板１８４は、光学エレメントに、通常の使用中ＥＶＯ１６０にかかる内部および外部の力に対して安定した堅固な支持体を提供する。とりわけ、内部力は、例えば、光学エレメント１６４の重量および移動によるものであり、外力は、例えば、ＥＶＯ１６０を内蔵したデバイス（図示せず）をある場所から別の場所に輸送する際に伴う力によるものである。基板１８４は、光学エレメント１６４の個々の用途および／または種類に適した種類の構造であればいずれでもよい。例えば、光学エレメント１６４は、シリコン・ウェハ上に製作されるＭＥＭＳ型エレメントとすることができる。この場合、基板１８４はシリコン・ウェハである。その他の場合、その一部については以下で説明するが、基板１８４は、フロート・ガラス(float glass)を含む従来の光学系またはその他の比較的硬質な物体を含むことができる。基板１８４は、用途によっては透明であることが望ましい場合もある。基板１８４は表面１８８を有し、ここに光学エレメントを実装することができる。表面１８８は、平面、曲面、または適した外形であればその他のいずれでも有することができる。あるいは、基板１８４は、開放型基板とすることもでき、したがって連続した実装面を有する必要はない。例えば、基板１８４は、所望の外形を規定する複数の離散した実装地点を有し、ここに光学エレメント１６４を実装するようにしてもよい。
【００２６】
図３は、光線１８０を概略的に光源１９２に向かう方向にある近隣の焦点に向けて反射する平面反射エレメントとして、光学エレメント１７４を示す。（ここでは、光源１９２は、模式的に、例えば、ほぼ無限遠の距離において、ＥＶＯ軸に実質的に平行な光線１８０、およびこの軸に対して他の角度をなす他の平行光線群（図示せず）を生成する大型光源または発生画像を表すものとして理解することを意図している。この図示の例では、ＥＶＯ１６０は、好ましくは、放物線ミラーを近似するように設計されている。しかしながら、記載する効果は、他の構成にも、一般性を失うことなく、同様に適用可能である。）ＥＶＯ１６０の可変焦点は、角度α’を基準のフレーム、例えば、面１９６に対して傾けることにより、各光学エレメントから反射した光線１８０が同じ焦点面、例えば、ＦＰ１、ＦＰ２、またはＦＰ３に実質的に同時に反射するように、必要な光学エレメント１６４を移動させる、例えば、傾斜させることによって得ることができる。例えば、図３に示すように、最上位の光学エレメント１６４は、ＥＶＯ１６０の中心焦点軸２００に垂直な面１９６に対して３つの異なる傾斜角度α’１、α’２、α’３をなして示されている。傾斜角度α’１は、対応する入射光線１８０を装填面ＦＰ１に導き、ＥＶＯ１６０に第１焦点距離ｆ１を与えるのに寄与する。傾斜角度α’２は、光線を焦点面ＦＰ２上に導き、ＥＶＯに第２焦点距離ｆ２を与えるのに寄与し、傾斜角度α’３は光線を焦点面ＦＰ３に導き、ＥＶＯに第３焦点距離ｆ３を与えるのに寄与する。光学エレメント１６４のその他のものは、中心光軸２００に対するそれらの位置に応じてしかるべき角度で傾斜し、対応する光線を対応する焦点面ＦＰ１〜ＦＰ３に連続して導き、光学エレメントの内必要なものを移動させる全体的な効果によって、ＥＶＯ１６０に事実上離散焦点距離ｆ１〜ｆ３を与えるようにしている。この場合も、同じ原理が、画像面を焦点面に置き換えた有限共役光学構成にも適用可能であり、一般性を失うことはない。
【００２７】
このように、本発明のＥＶＯ１６０は、焦点距離ｆ１〜ｆ３を有する３つの従来の光学エレメント、または離散焦点距離ｆ１〜ｆ３または対応する多数の画像面に合焦することができる複数の従来の光学エレメントを内蔵した単一の従来の複合光学システムを模擬するように再構成することができる。当業者には容易に認められようが、各焦点距離ｆ１〜ｆ３におけるＥＶＯ１６０の焦点は、同じ焦点距離の従来の固定焦点フレネル光学系と同様に得られる。したがって、ＥＶＯ１６０は、可変焦点フレネル型光学系と特徴付けることができる。ＥＶＯ１６０は、３つの離散焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３を有するように例示したが、光学エレメント１６４は、ＥＶＯに所望であればいずれの数の離散焦点距離でも与え、いずれの所望の空間でもその間に有する、対応する数の焦点（または画像）面を規定するようにすることもできる。
【００２８】
図３に示す特定的な光学エレメント１６４は、図２の軸Ｘに平行な局所軸を中心にして傾斜しているように示されている。このようにしたのは、これらの光学エレメント１６４がＹＺ平面内にあり、焦点面ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３の中心焦点ＣＦＰ１〜ＣＦＰ３がそれぞれ軸Ｚに沿って位置するからである。このように、この状況に関連付けて図３に示した光学エレメント１６４は、単一の傾斜軸、即ち、局所軸ｘのみがあればよい。同様に、ＸＺ面内に位置する光学エレメント１６４のそれは、単一の傾斜軸、この状況では局所軸ｙのみがあればよい。しかしながら、この特定的な矩形アレイの光学エレメント１６４およびこの合焦状況では、ＹＺおよびＸＺ面に沿って位置しない光学エレメントの他のものは、これらの光学エレメントが対応する光線１８０を対応する中心焦点ＣＦＰ１〜ＣＦＰ３に導くためには、２本の傾斜軸、例えば、局所軸ｘおよびｙを必要とする場合もあることは、当業者には容易に認められよう。しかしながら、図５Ａに関して論ずるが、この矩形アレイを極アレイ(polar array)と置き換えることにより、光学エレメント１６４の各々が、エレメント当たり１本の傾斜軸だけで、同一の合焦状況を得ることができる。これは、傾斜機構、およびエレメント指定方式の複雑さおよびコストを大幅に低減することにより、低コストのＥＶＯシステムを実現可能とする。
【００２９】
また、光学エレメント１６４は、反射エレメントであるとして示し説明してきたが、これらは、電磁放射線源１９２の焦点面ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３に対する位置に応じて、代わりに、屈折エレメント（屈折器または単純なウィンドウ）または屈折／反射エレメント（ビームスプリッタ）としてもよいことも当業者には容易に認められよう。本発明のビームスプリット・エレメントを利用する実施形態については、以下で図１５〜図１８に関連付けて説明する。当業者には容易に認められようが、このようなビームスプリット・エレメントは、ＥＶＯ１０８の用途に応じて、とりわけ、例えば、スペクトル型またはダイクロイック型とするとよい。
【００３０】
図４は、図３と同様であるが、ＥＶＯ２２０が好ましくは放物線ではなく球面ミラーを近似するように設計されている。したがって、これは、無限共役ではなく、単位共役(unity conjugate)に近い光源および画像に一層適している。球面近似のために、傾斜角度αの定義、およびエレメント傾斜の制御方程式は、図３の放物線近似のそれとは多少異なる。しかしながら、双方の方程式は確定的であり、単一軸エレメントを備えている回転対称ＥＶＯに直接適用可能であり、個々の用途に望ましいのであれば、更に拡張して、その他の回転対称表面の形式またはその一部についての別の同様の方程式にも適用可能である。
【００３１】
図４、図５Ａ、および図５Ｂは、図１のコントローラ１１２がＥＶＯ１０８を制御するために用いる制御方式の１つを示しており、ここでは、図４および図５Ａに示され得ている極／平面ＥＶＯ２２０であり、３つの異なる焦点距離を有する従来の球面反射器を模擬するようにＥＶＯ１０８を制御される。例えば、図５Ａに特定的に示すように、ＥＶＯ２２０は、中央光学エレメント２２８を構成することができる「同心円」アレイ、例えば、図示の極アレイに配置した光学エレメント２２４と、各々複数の光学エレメント２２４を備えている複数の同心状リング２３２とを内蔵することができる。図５Ａに示す実施形態は、ＥＶＯの用途には非常に望ましい。何故なら、一般に、極アレイは、通例、矩形アレイよりも従来の球面光学系を近似することができ、極アレイ駆動方式は、著しく価格効率的でありしかも実用的とすることができるからである。極アレイの構成、および光源（図示せず）に対するＥＶＯ２２０の焦点面の位置に応じて、光学エレメント２２４は、同じ同心状リング２３２、または半径方向ゾーン（ＲＺ１、ＲＺ２、ＲＺ３）における光学エレメントの全ての傾斜軸に接触する円に接する傾斜軸２３６を中心とする一方向に移動する、例えば、傾斜または屈曲すればよい。以下の図１２および図１３の可撓性光学エレメント４６０、４８０、ならびに図２および図３に関しいて前述し、更に図１０および図１１に関して以下で述べる、蝶番型単一軸傾斜光学エレメント１６４、１７６は、ＥＶＯ２２０の極配列に非常に適している。
【００３２】
光学エレメント２２４は、図５Ｂに示す同心状円環方式２４０のような、電極指定方式によって指定することができる。同心状円環格子器２４０を用いると、コントローラ１１２（図１）は、異なる電圧を異なるゾーンに印加することにより半径方向ゾーンＲＺ１〜ＲＺ３におけるそれぞれのエレメントに、ある傾斜角度α’（図４）を導入し、球面反射器２４４のような、球面反射器を近似するように、反射エレメント２２４を制御するために動作的に構成することができる。図４を参照すると、球面反射器では、傾斜角度α’（この場合水平軸に対する）は、以下の式によって決定する。
【００３３】
［数１］
α' = tan-1(d/r)                            ｛１｝
ここで、「ｄ」は、中心焦点軸からの対応するそれぞれの半径方向ゾーンＲＺ１〜ＲＺ３の半径方向距離であり、「ｒ」はＥＶＯ２２０の所望の等価曲率半径である。尚、望ましければ、図２におけるように、放物線反射器を近似するようにＥＶＯ２２０を駆動するために同様の方式を使用することもできることを注記しておく。差があるとすれば、傾斜角度α’、および傾斜角度を決定するために用いる方程式であろう（放物線反射器では、曲率半径よりも焦点距離に適切に関係付けることができる）。実際、拡張により、実際上、格子やモノリシックでは容易に製作することができない異常な表面であっても、これらを含むいずれの形状の反射光学面でも、同様に近似することができる。勿論、回転対称アレイを例示し論じたが、同じ概念は、このような回転対称配列の一部となるアレイにも該当することは、当業者には認められよう。このため、例えば、図３および／または図５ＡにおけるＺ軸を中心とする光学エレメントのみを内蔵するＥＶＯであっても、周知の軸外れ放物線ミラーを近似することができる。
【００３４】
各エレメントの傾斜角度α’（またはｔａｎα’のようなその関数）の相対的な大きさが、それに印加される電圧に比例する場合、ＥＶＯ２２０の電圧制御の一例は次のようになる。電圧Ｖｉを中心焦点軸２４８から距離ｄｉに位置する半径方向ゾーンＲＺｉ内にある全ての光学エレメント２２４に印加し、この電圧がこれらのエレメントの各々に傾斜角度α’ｉを生成しゾーンＲＺｉ内の各エレメントが図４の中心焦点軸上の点Ｃに直接面するように構成されていると、ゾーンＲＺｉのエレメントは、等しい球面半径ｒを有するフレネル型反射器を形成する。
【００３５】
［数２］
r = di/(tanα'i)                        ｛２｝
対応する半径方向ゾーンＲＺ１、ＲＺ２、ＲＺ３に印加する電圧Ｖｉを調節し、各ゾーン内にある光学エレメント１２４をしかるべき傾斜角度α’ｉに駆動し、等価な球面半径ｒを生成する。  
【００３６】
ｔａｎα’ｉが式ｔａｎα’ｉ＝ｋ（Ｖｉ）にしたがって電圧Ｖｉに直接比例するようにＥＶＯ２２０が構成されている場合、半径方向ゾーンＲＺｉに必要な電圧もｄｉに直接比例する。ここで、ｋは比例定数である。実際、ｔａｎα’ｉ＝ｋ（Ｖｉ）＝ｄｉ／ｒとなる。あるいは、角度α’ｉ自体が直接電圧Ｖｉに比例し、α’ｉ＝ｋ（Ｖｉ）となるような場合、ｄｉの関数としてのゾーン電圧パターンＶｉ（ｄｉ）は、ｋ（Ｖｉ）＝ｔａｎ−１（ｄｉ／ｒ）にしたがって、ｔａｎ−１（ｄｉ／ｒ）と共に変化するように定義しなければならない。これらのパターンの１つは、特定の駆動方式では他のものよりも実施が容易である場合もあるが、これらのいずれか、または他のいずれの単一値関数で置き換えても、本発明の本質を損なうことなく、特定のアレイおよび／または電子特性に対処することができる。
【００３７】
所望の等価曲率半径ｒ（または等価的に、所望の焦点距離ｆ）を有するＥＶＯを生成する概念が一旦理解されたなら、同じＥＶＯにおいてｒの他の値（したがって、異なる有効焦点距離）を得るために電圧パターンを修正するのは簡単なことである。この光学的屈折力は非常に素早く変化することができるという事実は、他の用途の中でもとりわけ、素早く変化する２Ｄディスプレイから３Ｄ画像を作成するためには重要な特徴である。
【００３８】
勿論、同様の概念は、一般性を失うことなく、非球面の同等形状にも該当する。更に、非極ＥＶＯも可能であるが、一層複雑となり、高価となる潜在的可能性がある。
図６は、図１の可変焦点システム１００と同様の、可変焦点システム２６８を内蔵した筐体２６４を含む、本発明の３Ｄ浮遊画像プロジェクタ２６０を示す。画像プロジェクタ２６０は、その製作が相対的に容易であることから、ある用途では、ここに開示した他の浮遊画像プロジェクタ、例えば、図１４および図１７のプロジェクタ５００、６００よりも望ましい場合がある。この製作の容易性は、部分的に、筐体２６４内における光路の屈曲によるものであり、これによって、プロジェクタ２６０のＥＶＯ２７２は、大型で湾曲ではなく、比較的小型で平面とすることができる。ＥＶＯ２７２のこれら２つの特徴により、特にＥＶＯがプロジェクタの中で最もコストが高いコンポーネントである場合には、３Ｄ浮遊画像プロジェクタ２６０全体のコストを大幅に削減することができる。オプションとして、ＥＶＯ２７２を、反射型だけでなく、ビームスプリッタ型として具体化した場合、プロジェクタ２６０は補助画像源２７６を含むことができる。補助画像源２７６を利用する実施形態では、補助画像源が供給する画像（複数の画像）は、例えば、自由空間内に浮遊する単一の補助画像面ＩＰＳ上に投射することができ、一方主画像源２８０から形成される３Ｄ画像の主画像面ＩＰ１’、ＩＰ２’、ＩＰ３’は、補助画像面の前方および／または後方に投射することができる。
【００３９】
前述のように、図６の３Ｄ浮遊画像プロジェクタ２６０では、ＥＶＯ２７２を、平面を有する比較的小さな基板上に形成することができ、これによって生産を一層容易にすることができる。平面ＥＶＯ２７２を、従来の固定焦点光学系とすればよい、従来の湾曲光学系２８４と共に用いると、非常に大きな３Ｄ画像の奥行き（ＩＤ）を生成することができる。一例について以下に論ずるが、画像の奥行きＩＤは、この具体的な用途にしたがって、約２インチ程度であり、ＥＶＯ２７２の光学エレメント（図示せず）の傾斜角度の範囲を比較的狭い範囲、例えば、±３゜に抑えている。勿論、当業者には容易に認められるように、３Ｄ浮遊画像プロジェクタ２６０の構成は、ＥＶＯアレイの大型化または小型化に合わせて、または画像の奥行きを深くまたは浅くするのに合わせて、他の光学エレメントの傾斜角度範囲と共に最適化することができる。この種の構成では、所望の結合光学的屈折力について、光学エレメントに対して必要な傾斜角度の範囲は、通例、アレイのサイズが増大するに連れて減少し（これによって、ＥＶＯ２７２が一層製作し易くなる）、その逆も成り立つ。光学設計者は、この特性と３Ｄ浮遊画像プロジェクタ２６０の要求画質、サイズ、視野角、コスト、およびその他の要因との最適なバランスを達成しなければならない。
【００４０】
各光学要素が傾斜する角度は、一般に、重要なパラメータである。利用可能な角度が大きい程、ＭＥＭＳおよび同様の技術に関しては、非常に広範囲の光学的屈折力が得られるが、アレイを形成するために用いられる微小層に必要な空の空間が大き過ぎると、ＥＶＯアレイの完全性(integrity)が影響を受ける可能性がある。更に、角度が余りに大き過ぎると、望ましくない程高価な制御非線形性が必要となる可能性があり、および／または精度低下または角度制御のコスト上昇を招く可能性がある。このため、マイクロエレメントのサイズによっては、比較的小さな角度、例えば、数度以下が望ましい場合がある。例えば、規準の大きさが±５゜までであれば、数十ミリメートルを超えない直径を有する光学エレメントには相応しいと言えよう。更に小さい角度も、エレメントが非常に大きくなれば、一層適している場合もある。設計者は、本発明のＥＶＯを設計するときに、これらの制限を当然考慮してしかるべきである。
【００４１】
図７に示すＥＶＯ３００のような、湾曲ＥＶＯの利点は、焦点距離の所望の変化を達成するために必要な光学エレメントの角度変化が、これによって著しく減少することである。何故なら、基板３０４の曲率が大量の光学的屈折力を与えるからである。これによって、巨視的に有用な屈折力変化を、単一基板上において実現可能となる。同様に、図６の実施形態において、湾曲光学系２８４は、ペッツヴァル・レンズまたは望遠レンズ構成において採用されているのと同様に、ＥＶＯ２７２から分離されており、大量の総光学的屈折力を与える。これによって、ＥＶＯ２７２上では弱い屈折力（したがって、小さな傾斜角度）があればよく、なおも組み合わせの光学的屈折力を大きく変化させる利点を保持する。
【００４２】
以下は、本発明の種々の態様を更に詳細に例示するために提示した図６の３Ｄ浮遊画像プロジェクタ２６０の具体例についての説明である。この例では、ＥＶＯ２７２は画像源２８０から７インチ（１７．７８ｃｍ）のところに位置付けられ、３１インチ（７８．７４ｃｍ）の曲率半径を有する湾曲光学系２８４からは、２４インチ（６０．９６ｃｍ）のところに位置付けられている。したがって、規準浮遊画像位置（ＩＰ２’）（即ち、ＥＶＯを平面ミラーとして設定する）は、湾曲光学系の頂点から３１インチ（７８．７４ｃｍ）となる。他の浮遊画像位置は、単にＥＶＯ２７２を変化させることによって得ることができる。例えば、その有効等価球面半径ｒを平面（即ちｒ＝∞）からｒ＝１００インチ（２５４ｃｍ）（凸、発散ミラーのような）まで変化させることによって、画像位置（ＩＰ３’）は、規準の３１インチ（７８．７４ｃｍ）よりも更に０．９１インチ（２．３１ｃｍ）湾曲光学系２８４から離れて位置することになる。同様に、ＥＶＯ２７２の有効等価球面半径ｒを−１００インチ（−２５４ｃｍ）（発散ミラーのような、凸）に変化させることによって、画像位置（ＩＰ１’）は、規準の３１インチ（７８．７４ｃｍ）よりも１．０６インチ（２．６９ｃｍ）湾曲光学系２８４寄りに位置することになる。ＥＶＯ２７２のアクティブ・エリアは７インチ×８インチ（１７．７８ｃｍ×２０．３２ｃｍ）であるので、ＥＶＯアレイのエレメントの最大傾斜角度（角における）は、α’＝±３．０４２゜であり、他のエレメントは、式α’＝±ｔａｎ−１（ｄｉ／１００）にしたがって、傾斜角は対応して小さくなる。ここで、ｄｉは、インチ単位で表した、ＥＶＯ軸からのエレメントの距離である。
【００４３】
この例では、前述の３つの画像面ＩＰ１’、ＩＰ２’、ＩＰ３’を収容する単純な画像領域２８８を想像することができ、中央面ＩＰ２’が規準画像面（平面形状のＥＶＯ２７２）に位置すると、１．９７インチ（５．００ｃｍ）の全画像奥行きＩＤに対して、前面ＩＰ３’は０．９１インチ（２．３１ｃｍ）目視者に近い側に位置し（有効等価球半径ｒ＝１００インチ（２５４ｃｍ））、後面ＩＰ１’は規準画像面よりも１．０６インチ（２．６９ｃｍ）後方に位置する（有効等価球面半径ｒ＝−１００インチ（−２５４ｃｍ））。（この例は、図６に示した任意の追加画像源２７６を無視している。）ＥＶＯ２７２の光学エレメントにおける各エレメントが、その規準平面方位から、電圧差の印加によって±３．０４２゜までの傾斜角度α’に傾斜することができ、そしていずれのゾーン領域ｉにおいても傾斜α’ｉを生ずる制御関数が以下の式で示される場合、
［数３］
Vi = 10 tan α'i                      ｛３｝
矩形ＥＶＯアレイの角において最大の±３．０４２゜の偏向を生ずるために必要な最大電圧差は、±５３１．５ミリボルトとなる。ここで、Ｖｉは、ゾーン領域ｉに対する電圧をボルト単位で示す。更に、他のエレメントは、前述の式｛３｝および｛２｝に応じて、対応して低い電圧を必要とする。勿論、ＥＶＯ２７２の特定の構造が、各ゾーンにおいて所望の角度傾斜を得るために更に高い電圧および／または非線形電圧を必要とする場合、他の式が当てはまる場合もある。尚、有効等価球面半径ｒは、３つの値−１００インチ、∞、および＋１００インチのみに限定されるのではなく、この例では、±１００インチよりも大きな所望の値であればいずれでも取ることができ、これによって画像領域２８８の１．９７インチ（５．００ｃｍ）の画像の奥行きＩＤ内のいずれの所望の平面にでも画像を生成することができる。
【００４４】
ＥＶＯ２７２の補助により２Ｄ画像を投射する手段によって一連の２Ｄ画像から３Ｄ画像を作成するための制御方法論は、ＥＶＯを画像源２８０に同期させ、画像源が画像面ＩＰ１’、ＩＰ２’、ＩＰ３’の対応する１つに適した内容を収容する２Ｄ画像を表示するときに、ＥＶＯをしかるべき有効等価球面半径ｒに設定し、２Ｄ画像をその平面上に投射するようにする。次いで、画像源２８０が表示する次の２Ｄ画像は、それぞれ、平面ＩＰ２’、ＩＰ３’、ＩＰ１’の内次の画像面に適した内容を収容する。画像源が次の画像を表示するとき、平面ＩＰ２’、ＩＰＩ３’、ＩＰ１’等の内次の画像面において画像領域２８８全体に画像を生成する有効等価球面半径ｒにＥＶＯ２７２を設定する。画像領域２８８の最後の画像面ＩＰ３’に達した場合、次の画像は最初の画像面ＩＰ１’に一巡して戻る。前述の説明は、サイクルがＩＰ１’＝＞ＩＰ２’＝＞ＩＰ３’＝＞ＩＰ１’＝＞ＩＰ２’等であることを想定している。しかしながら、２Ｄ画像を画像面ＩＰ１’、ＩＰ２’、ＩＰ３’上に合焦する順序は、各２Ｄ画像をしかるべきそれぞれの画像面上に投射する限りにおいて、いずれの所望の順序で進めてもよいことは当業者には認められよう。例えば、代わりの合焦順序は、ＩＰ３’＝＞ＩＰ２’＝＞ＩＰ１’＝＞ＩＰ２’＝＞ＩＰ３’等、およびＩＰ１’＝＞ＩＰ２’＝＞ＩＰ３’＝＞ＩＰ２’＝＞ＩＰ１’＝＞ＩＰ２’等を含む。しかしながら、これらのような順序の中には、望ましくないものもあり得る。これについては以下で論ずる。
【００４５】
１つの可能な制御方式は、画像源２８０が対応する２Ｄ画像を表示している期間全体においてＥＶＯ２７２が単一の有効等価球面半径ｒに合焦したままにして、次いで画像間では次の要求有効等価球面半径ｒに素早く移行して、次の画像全体の間その値を保持し続けるようにさせることであろう。この「方形波」制御方式を、図８の方法３５０に示す。図６および図８を参照すると、方法３５０は、適したタイミング信号を画像源２８０およびＥＶＯ２７２に送るように、システム・コントローラ３５４によって実行することができる。尚、この例では、画像源２８０およびＥＶＯ２７２はタイミング信号に効果的に応答することができるそれら自体のドライバ（図示せず）を内蔵していると想定していることを注記しておく。勿論、他の実施形態では、システム・コントローラ３５４は、コントローラ３５４が発生し画像源２８０およびＥＶＯ２７２に送った信号がタイミング信号ではなく制御信号となるように、画像源２８０およびＥＶＯ２７２を駆動するための適したドライバを含むことができる。尚、本発明をこのような代替制御構成にどのようにして実施するかについては、当業者には理解できよう。画像源２８０およびＥＶＯ２７２のドライバがどこに位置するかには関係なく、方法３５０の総合的な原理を用いることができる。
【００４６】
図８のステップ３５８において、システム・コントローラ３５４は、第２同期パルスを画像源２８０およびＥＶＯ２７２のそれぞれのドライバ双方に送る。第１同期パルスに応答して、ステップ３６２において、画像源ドライバは、画像源２８０に、画像面ＩＰ１’に対応する２Ｄ画像を表示させる。対応して、ステップ３６６において、ＥＶＯドライバは、第１同期パルスに応答して、ＥＶＯ２７２を、ＩＰ１’に対応する有効等価球面半径ｒ１に設定し、２Ｄ画像を画像面ＩＰ１’に投射する。次に、ステップ３７０において、システム・コントローラ３５４は、第２同期パルスを、画像源ドライバおよびＥＶＯドライバに送る。ステップ３７４において、画像源ドライバは第２同期パルスに応答して、画像源２８０に画像面ＩＰ２’に対応する２Ｄ画像を表示させる。対応して、ＥＶＯドライバは、ステップ３７８において、第２同期パルスに応答して、ＥＶＯ２７２をＩＰ２’に対応する有効等価球面半径ｒ２に設定し、画像面ＩＰ２’上に２Ｄ画像を投射する。次いで、ステップ３８２において、システム・コントローラ３５４は第３同期パルスを画像源ドライバおよびＥＶＯドライバに送る。ステップ３８６において、画像源ドライバは、第３同期パルスに応答して、画像源２８０に画像面ＩＰ３’に対応する２Ｄ画像を表示させる。対応して、ＥＶＯドライバは、ステップ３９０において、第３同期パルスに応答して、ＥＶＯ２７２をＩＰ３’に対応する有効等価球面半径ｒ３に設定し、画像面ＩＰ３’上に２Ｄ画像を投射する。（ここで、下付文字ｒは、ゾーンではなく、異なる曲率状態を示す。）
この時点で、方法３５０は単にステップ３５８に戻ることができ、これによって、３Ｄ画像が静止画像である場合、同じ２Ｄ画像に対してステップ３５８〜３９０のサイクルを繰り返すか、または３Ｄ画像がビデオ画像またはムービーのような動画である場合には、通例、次のフレームに対してサイクルを繰り返す。尚、２Ｄ画像源、例えば、ディジタル画像ファイルは、各３Ｄフレームの２Ｄ画像を互いに、利用可能な画像面、例えば、画像面ＩＰ１’、ＩＰ２’、ＩＰ３’上に確実に表示するために同期情報を含むとよいことを注記しておく。ＥＶＯ２７２の設計および制御方式のロバスト性によっては、システム・コントローラ３５４が帰線フレーム・パルスを発生し（ステップ３９４）、画像源２８０にブランク帰線フレームをステップ３９６において表示させることが望ましい場合がある。これは、ＥＶＯ２７２を画像面ＩＰ３からＩＰ１’に合焦し直す際に比較的長い遅延が生ずる可能性があることを考慮している。例えば、図６に関して先に論じた例では、ＥＶＯ２７２は、画像面ＩＰ３’からＩＰ１’に戻って合焦し直す際、凸形状から凹形状に移行しなければならない。この移行のために必要な傾斜角度α’の変化が比較的大きく、追加の静定時間がかかる可能性があるため、帰線フレームの供給は有用であると言える。一般に、帰線フレームを供給することは、通例、ロバストな制御システムには不要であるが、システムのコストを抑えるに当たり、厳密性に劣る許容度に対処する１つの方法として例示している。同時に、ステップ３９８において、ＥＶＯ２７２を駆動し、その構成を画像面ＩＰ１’に合焦するように再構成することができる。
【００４７】
方法３５０は、究極的に画像源２８０およびＥＶＯ２７２を制御する同期パルスを発生するソフトウェア４００によって、システム・コントローラ３５４内において実行することができる。これに関して、ソフトウェア４００は、画像信号からの各２Ｄ画像を確実に一致する画像面上に投射するために、画像源２８０を駆動する画像信号内にある、またはこれに付随する個々の画像および／またはフレーム情報を利用することができる。このような情報は、例えば、画像信号、または付随するオーディオ信号があれば、この中にエンコードすることができ、あるいは画像信号、および、オーディオ信号があるのであれば、それと「共に」存在する別個の非エンコード信号として供給することもできる。このような画像および／またはフレーム情報をどのように実現し利用するかについては、当業者は理解しているであろうから、詳細な説明はここでは不要である。
【００４８】
先に説明した方法３５０は、方形波電圧信号を用いてＥＶＯ２７２を制御し、有効等価球面半径ｒ（またはより一般的には、焦点距離ｆの湾曲面）間の素早い移行を行わせるようにするのに適している。これによって、投射方向に対して直交する別個の画像面が明確に形成され、必要なＥＶＯ制御を実施する優れた手法となる。しかしながら、過度に短いフレーム間隔において安定状態同士の間で移行しなければならないため、制御電子回路に難しい負担を強いる可能性があり、このために法外に高価になる可能性がある。
【００４９】
低価格３Ｄプロジェクタまたはディスプレイのための価格効率を高めた制御方式は、方形波よりも徐々に変化する波形を有する電圧信号を用いて、有効等価球面半径ｒ（または、より一般的には、焦点距離ｆの湾曲面）を調節して、ＥＶＯ電圧パターンが連続して変化し、画像領域全体にわたって有効等価表面曲率を円滑に調節することである。鋸波は、正弦波のような、一層単純にした発振機能に好ましい。何故なら、鋸波は画像面間においてほぼ一定の空間画像分離を維持することができ、画像面位置の各々の連続フレーム時点間においてほぼ同一の時間間隔を維持することができるからである。（つまり、鋸波を用いると、画像面ＩＰ１’における第１および第２フレーム表示間の時間期間が、平面ＩＰ２’等における第１および第２フレーム表示間の時間期間と本質的に同一とすることができる。）電圧信号の単純な正弦波発振では、これらの利点は得られず、したがって画像面間で気が付くフリッカのばらつきが遥かに多い、望ましくない３Ｄ画像を生成する。これは、周波数をかなり高めることによってのみ克服することができる。
【００５０】
先に論じた方法３５０におけるように、表面曲率の一方の極値から他方の極値までの単一フレーム移行に対応する帰線期間を、必要に応じて、鋸波形と共に用いることができる。鋸のような連続可変波形を利用すると、個々の画像面の投射方向に対する直交性に些細な影響がある場合もあるが、制御電子回路の信頼性を著しく高め、コストを下げることができる。しかしながら、本発明はいずれの特定の形式の制御方式にも限定されるのではない。
【００５１】
図６のプロジェクタ２６０、または本発明のＥＶＯを内蔵した他のシステムと適合性があり、鋸波電圧波形を利用する、代替再合焦方法４１０を図９に示す。方法４１０では、画像領域４１４は５つの画像面ＩＰ１”からＩＰ５”を示し、ＥＶＯ２７２は形状を、画像面ＩＰ１”に対応する凸形状から、画像面ＩＰ５”に対応する凹形状まで変化させる。再合焦方法４１０および図６に関連付けて先に提示したプロジェクタ２６０の詳細な例は、ＶＥＯ２７２を、凸形状および凹形状間で移行するように示したが、ＥＶＯはこの曲率の逆転を完全に行う必要はないことは、当業者には認められよう。むしろ、プロジェクタ２６０の個々の実施形態に対するＥＶＯ２７２の全ての構成は、個々の設計パラメータに応じて、全凹、全凸、平面および凹のみ、または平面および凸のみとなる場合もある。明確化のために、ＥＶＯ２７２の形状および画像面ＩＰ１”〜ＩＰ５”のみを、選択したＥＶＯゾーン（例えば、最外側）においてエレメントに印加する電圧を表す典型的な鋸波形４１８と共に示す。更に、前述のように、画像面は実際には鋸波形の連続性のために多少傾斜すること、そして時間が経つに連れて（図面において）いずれの選択した画像面でも、例えば、ＩＰ１”の低い方、即ち、後の方の空間部分が、続く画像面の「上の方」即ち初期空間部分に近づくことが、当業者には認められよう。図９における「ＥＶＯ形状」および「画像位置」の列は、連続「電圧」波形が図９における各破線に示した値に到達する時点における状態の瞬時的スナップショットとして解釈するものとする。
【００５２】
電圧が波形４１８の負の極値から０を通ってその正の極値まで増加するに連れて、ＥＶＯ２７２の形状は、凹から平面へ、そして凸に変化し、合焦した画像を前方画像面ＩＰ１”から３つの中間画像面ＩＰ２”、ＩＰ３”、ＩＰ４”を通って、画像領域４１４の後方画像面ＩＰ５”まで移動させる。帰線期間中、電圧は素早く負の極値に戻り、２Ｄディスプレイのような画像源２８０からの２Ｄ画像がＥＶＯ２７２に提示されると、前述のプロセスを繰り返し、対応するそれぞれの画像面ＩＰ１”〜ＩＰ５”上に合焦する。波形４１８の期間は、時間が十分に短い場合（例えば、３０ミリ秒以下）、目は、画像領域４１４における全ての画像を、同時に現れるように知覚する。期間が長くなる程望ましくなくなる。何故なら、これらは知覚されるフリッカの増大に対応するからである。
【００５３】
ＥＶＯ２７２を、十分に高速な画像源（例えば、図６におけるような画像源２８０）に同期させると、波形４１８の期間内に、画像領域４１４（図６における画像領域２８８と同等）全体において十分に多数の、適切に個別形成された個々の２Ｄ画像を形成することができ、全体を近似的に連続３Ｄ画像のように目に知覚させることができる。（期間当たり５つのフレームを図９では示すが、更に多い場合も想定することができる。）期間毎の画像源の内容における小さな変化（画像領域４１４の内容の小さな変化として投射される）を導入し、３Ｄ場面に見かけ上の動きを生ずることができる。これは、丁度連続する２Ｄシネマ・フィルムまたはビデオ画像における小さな変化により、２Ｄの動きを知覚するのと同様である。
【００５４】
図１０から図１３は、本発明のＥＶＯの種々の実施形態について現在考えられる、様々な異なる種類の光学エレメントを示す。図１０は、静電アクチュエータ４３４を用いて傾斜させる傾斜光学エレメント４３０を示す。光学エレメントの傾斜軸４３６は、この図に対して垂直である。光学エレメント４３０が先に論じた理由のために２本の傾斜軸を有する場合、他方の傾斜軸（図示せず）は、傾斜軸４３６を貫通して延びる水平線に沿って位置するとよい。光学エレメント４３０は、電荷を備えるように多量にドープした材料（例えば、エレメントが反射エレメントの場合はシリコン）で構成することができる。したがって、アクチュエータ４３４は、基板（図示せず）、または基板に取り付けられた他の支持部（複数の支持部）に取り付けられた１つ以上の電極４４０、４４４を含み、光学エレメント４３０を傾斜させるために適した静電荷を受けるようにするとよい。例えば、光学エレメントの直下において電極４４０、４４４に等しく逆方向の電圧を供給することにより、光学エレメントの一方の側は一方の電極に引き付けられ、他方側は他方の電極から反発する。
【００５５】
他の方式も実現可能である。例えば、第２電極、例えば、電極４４４を光学エレメント４３０の上方に、当該エレメントと同じ側または対向する側に配置してもよく、とりわけ、電圧の符号は、逆ではなく、同一でもよく、エレメントの材料が十分に堅固である場合、単一の電極だけあればよい。勿論、同じ概念は２本の傾斜軸を有する光学エレメントにもおよぶ。加えて、中心部の周りに旋回可能とする代わりに、各光学エレメント４３０を一端において蝶番で取り付けてもよい。
【００５６】
本発明のＥＶＯに用いるのに適した、電磁的に作動させる光学エレメントを傾斜させる例は、Texas Instruments Inc.（ＴＩ社）に譲渡され、ＴＩ社のディジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）技術を対象とした米国特許第４，６６２，７４６号、第５，０６１，０４９号、第５，０８３，８５７号、および第５，６００，３８３号に開示されているマイクロミラー・エレメントを含む。これらのＴＩ特許は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。静電アクチュエータを用いて光学エレメントを動かすことの代案の１つは、１つ以上の圧電アクチュエータ（図示せず）を用い、これを基板と各光学エレメントとの間に設けることである。当業者には容易に認められようが、各圧電アクチュエータに印加する電圧が変化すると、アクチュエータの「長さ」、即ち、基板と光学エレメントとの間にあるアクチュエータの寸法がそれに応じて変化する。したがって、長さの変化によって光学エレメントの傾斜変化が生じるように、圧電アクチュエータ（複数の圧電アクチュエータ）をそれ応じて配置することができる。本発明の精神、範囲、および意図から逸脱することなく、他のアクチュエータの形式も用いることができる。
【００５７】
図１１は、本発明のＥＶＯに用いるのに適した、代わりの二軸傾斜型光学エレメント４５０を示す。光学エレメント４５０が図１０の光学エレメント４３０と異なるのは、図１０の光学エレメント４３０がモノリシック光学エレメントであるのに対して、図１１の光学エレメント４５０が３つの離散部分、即ち、中央部４５４、中間部４５６、ならびに中央および中間部を支持する周辺部４５８を含むことである。一方、周辺部４５８は、図３に関連付けて先に説明した基板１８４のような、基板によって支持することができる。中央部４５４は、軸ｘを中心に傾斜することができ、一方中間部４５６は軸ｙを中心に傾斜することができる。中間部４５６が軸ｘを支持し、周辺部４５８が軸ｙを支持する場合、全体的な効果は、中央部４５４が軸ｘおよびｙのいずれかまたは双方を中心に傾斜可能となることができることである。中間部４５６が完全にまたは部分的に反射性または透過性である場合、中間部の単一軸傾斜を、中央部４５４の二重軸傾斜と同時に達成し、同時に多数の光学効果を得ることができる。あるいは、中間部４５６を空乏としてもよく（部分４５４を部分４５８に接続する軸ｘを除く）、または不透明としてもよい。
【００５８】
中央部４５４、中間部４５６、および周辺部４５８は、例えば、非反射性、拡散、不透明、反射性、屈折性、または透過性とすることができる。例えば、周辺部４５８および／または中間部４５６を透過性とし、中央光学部３４３を反射性とすると、光学エレメント４５０はビームスプリッタとして作用することができ、その反射／屈折（Ｒ／Ｔ）効率は、中央光学部分および透過部分（複数の透過部分）の面積比によって異なり、いずれの不透明、拡散、または非反射部分も損失を表す。逆に、周辺光学部４５８が不透明であり、中間部４５６が不透明、透過性、またはそれ以外で非反射性であり、中央部４５４が反射性である場合、光学エレメント４５０はミラーとなり、充填率（即ち、中央部の３つの部分全ての総面積に対する相対的な面積）を実現可能な限り高くするという利点がある。例えば、周辺部４５８または中間部４５６の一方が反射性であり、他方が透過性であり、更に中央部４５４も反射性である場合、光学エレメント４５０は反射部分が異なる方向に反射するという、新しい形式のビームスプリッタとなる。アレイ（例えば、図２参照）において複数の反射性光学エレメント４５０の傾斜角度を適切に制御することにより、ＥＶＯを、互いに同時に２つまたは３つもの焦点距離（例えば、図３参照）を有する反射ミラーにすることができる。例えば、アレイを湾曲基板上に実装したとき、例えば、アレイ内の複数の中央部４５４によって規定される１つの焦点距離は電気的に可変とすることができ、一方複数の周辺部４５８によって規定される別の焦点距離は、固定とすることができる。複数の中間部４５６によって、追加の可変円筒状（または、湾曲基板上では、円環状）焦点距離も規定することができる。このような多重屈折力光学系は、例えば、同じ画像が多数の画像面に一度に位置するように見せる際に用いることができる。この機能は、更に、後続の光学再画像生成によって増幅するか、またはそれ以外では精細化することができる。
【００５９】
図１２および図１３は、それぞれ、図１０および図１１に関連付けて先に説明した傾斜型光学エレメント４３０、４５０の代替物である、２つの光学エレメント４６０、４８０を示す。平面傾斜、即ち、旋回、蝶番、ジンバル支持といった、先に論じた形式ではなく、図１２および図１３の光学エレメント４６０、４８０は、可撓性光学エレメントであることを特徴とすることができる。何故なら、各光学エレメントの一端４６２、４８２は基板（図示せず）に対して固定されており、光学エレメント４６０、４８０の一端４６４、４８２は、ある制限内において、基板に向かう方向および離れる方向に自由に移動するからである。光学エレメント４６０９、４８０は、全体的に、米国特許第６，３１７，１０８号、第６，０５７，８１４号、第３，９８９，３５７号、および第３，８９７，９９７号に開示されている可撓性エレメントに類似している。したがって、これらの特許の内容は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。
【００６０】
具体的に図１２を参照すると、光学エレメント４６０は、例えば、充電回路（図示せず）によって電界をかけることができる可撓性電極４６６を含む。可撓性電極４６６を形成する際の詳細については、前述の特許の１つ以上において論じられており、したがって詳細に説明する必要はない。しかしながら、ここに記載しているように、可撓性電極４６６は、実質的に連続のアナログ様式で制御することができ、前述の特許において考えられているディジタルの２状態「オン／オフ」様式ではなく、多数の状態を可能にする。固定アクチュエータ電極４６８は、基板に対して固定されており、例えば、充電回路による電界で荷電され、可撓性電極４６６の自由端４６４を引き付ける、または反発することにより、自由端の位置を変化させる。可撓性光学電極４６６は、可撓性光学電極と固定電極４６８との間で電界強度を制御することによって、複数の離散屈曲角度に移動することができる。この電界強度を変化させることの結果、可撓性電極４６６を安定な屈曲角度に屈曲させる。ここで、正確な屈曲角度は、電極４６６、４６８間の正確な電圧差によって異なる。
【００６１】
光学エレメント４６０が反射電極であり、例えば、可撓性電極の表面４７０、４７２の一方がミラーとして作用し、可撓性電極４６６を反射性にする１層以上のコーティングが施されている場合、可撓性電極の自由端４６４の位置変化は、概略的に、図２〜図４、図１０、および図１１の光学エレメント１６４、２２４、４３０、４５０の傾斜とそれぞれ同等である。即ち、複数の光学エレメント４６０をＥＶＯ、例えば、図２のＥＶＯ１６０を形成するように配置する場合、ＥＶＯの焦点距離を変化させるには、対応する固定電極４６８および／または対応する可撓性電極４６６における電界をしかるべく変化させて、各光学エレメントに、例えば、当該光学エレメントに入射する光線を共通焦点面に向けて反射させるようにすればよい。
【００６２】
固定電極４６８は、図示した円筒形のような、適した形状であればいずれでもよい。反射型可撓性光学電極の簡単な例は、表面４７０、４７２の少なくとも一方に金属コーティングした弾性ポリマ電極から成る。これに関して、個々の用途および構造の材料に応じて、可撓性電極４６６のいずれかの表面４７０、４７２が全体的に、３Ｄ画像を発生する複数の焦点面に面するようにするとよい。即ち、固定電極４６８は、ＥＶＯの焦点面に対して可撓性電極４６６のいずれの側にあってもよい。可撓性光学エレメント４８０は、可撓性電極４８６が、図１２に示すように、固定電極に取り付けられていないのではなく、一旦が固定電極４８８に（恐らくは、接続領域における絶縁誘電体層によって）固定されていることを除いて、図１２の光学エレメント４６０と同様である。図２〜図４、図１０、および図１１の傾斜光学エレメント１６４、２２４、４３０、４５０とそれぞれ同様に、図１２および図１３の可撓性光学エレメント４６０、４８０は、好ましくは静電アクチュエータによって作動させるとよいが、代わりに圧電アクチュエータ（図示せず）のような、非静電型アクチュエータによって作動させてもよい。このような代替アクチュエータは、各可撓性「エレメント」４８６（もはや電極でなくてもよい）と基板または基板に対して固定されているその他の何らかの構造との間に延在することができる。
【００６３】
光学エレメント４６０、４８０が緩和状態とアクティブ状態との間で屈曲する屈曲角度は、その結果ＥＶＯに可変焦点構造が設けるので、重要なパラメータである。大きな範囲の屈曲角度は、可撓性電極４６６、４８６によって、反復可能な正確度で多数の個々の屈曲角度を規定するために範囲全体において十分な制御を行うことによって得ることができる。本発明に関しては、これは、非常に広い範囲の指定可能な焦点距離を有するＥＶＯに置き換えることができる。しかしながら、多数の中間状態が最大緩和状態と最大アクティブ状態との間にあることが望ましい３Ｄ画像表示用途では、固定角度の範囲を著しく狭くすることが望ましい場合もある。このような狭い範囲は、３Ｄ画像に対する所望の有用な奥行きとも両立する。その場合、連続面間において近くされる奥行き方向の距離は、画像の直径の端数、例えば、１％〜１０％に過ぎず、全奥行き範囲は、画像の直径に相当するかそれ未満とすることができる。しかしながら、他のＭＥＭＳエレメントと比較して、この種のマイクロエレメントで利用可能な屈曲角度の範囲を広くしても、図５に関して論じた単一軸傾斜の実施態様と組み合わせて、システム要件と性能特性との均衡を取る際には、設計者によって便利に用いることができる。加えて、他のものが全て等しいとすれば、各々単一の傾斜軸を有する可撓性電極型光学エレメントから成るＥＶＯのコストは、他の形式の光学エレメント、特に、図２〜図４、図１０、および図１１と関連付けてそれぞれ先に説明した光学エレメント１６４、２２４、４３０、４５０のような二軸エレメントを備えているＥＶＯのコストよりは少なくすることができる。
【００６４】
再度図７を参照すると、この図は、湾曲基板３０４のその凹面３１２上に実装されている反射光学エレメント３０８を示す。この構成は、特に、比較的高い光学的屈折力、即ち、比較的短い焦点距離をＥＶＯ３００に与えるのに適している。何故なら、凹面３１２の曲率は、必要な大量の光学的屈折力の負担を支えるように作ることができ、一方光学エレメント３０８はＥＶＯ３００に複数の有効曲率中心Ｃ、Ｃ’、Ｃ”を設けるための屈折力に近い、必要とされるだけの可変度を与えればよいからである。この強力な構成は、光学エレメントを移動させなければならない角度の範囲を最少に抑え、これによって静電および圧電活性化のような、安価で非常に信頼性の高い手法を現実可能にする。
【００６５】
湾曲面３１２が、球面として、その曲率中心をＣに置いて、一般性を失うことなく、示されている。光学エレメント３０８を、図示したそれらの最大負傾斜角度まで移動させると、ＥＶＯ３００の有効曲率中心は、ＣからＣ’に移動する。光学エレメント３０８をそれらの最大正傾斜角度まで移動させることによって、ＥＶＯ３００の有効曲率中心はＣ”に移動する。曲率中心Ｃ’およびＣとＣおよびＣ”との間の変化の大きさは、曲率半径Ｃ自体の大きな端数となることができ、光学エレメント３０８の最大負および最大正角度の実際の限度によって制限されるだけである。したがって、複数の画像面（例えば、図１の画像面ＩＰ１〜ＩＰ７）は、Ｃ’からＣ”までのどこにでも位置することができ、離散画像面の最大数は、光学エレメント３０８の傾斜角度分解能によって制限される。勿論、当業者には認められるように、凹面３１２の曲率中心Ｃは、最長および最大有効曲率中心Ｃ’、Ｃ”の中間である必要はない。むしろ、曲率中心Ｃは、場合によって、傾斜角度が負または正のいずれかのみとなるように、範囲の下端または上端にあってもよい。
【００６６】
更に、図７に示す原理は、凸面、および球面以外の表面形状にも適用されることは、当業者には認められよう。非球面形状では、表面の焦点距離を曲率中心と言い換えればよく、そうすれば、図７に関する前述の説明は、一般性を失うことなく、適用される。
【００６７】
図１４は、ＥＶＯ５０４の種々の能力を利用した、本発明の３Ｄ浮遊画像プロジェクタ５００の一例を示す。この実施形態では、ＥＶＯ５０４および画像源５０８は、各々、筐体５１２内部に取り付けることができる。画像源５０８の形式に応じて、ＥＶＯ５０４および画像源５０８、またはＥＶＯのみを制御するコントローラ５１６も、筐体５１２内に取り付けて、一体型システムを形成することもできる。あるいは、コントローラ５１６は、筐体５１２の外部にあってもよい。後者の場合、コントローラ５１６は、しかるべき制御信号をＥＶＯ５０４および／または画像源５０８に送り、とりわけ、図１および図６と関連付けて先に説明したようにこれらのコンポーネントを制御することができるのであれば、いずれの種類のデバイスでもよい。例えば、コントローラ５１６は、パーソナル・コンピュータ、あるいは一体型回路、例えば、マイクロプロセッサ（複数のマイクロプロセッサ）、メモリ、および付属する回路というような該当するハードウェア、および／またはＥＶＯ５０４および／または画像源５０８を制御するソフトウェアを内蔵した専用デバイスとすることもできる。当業者には、コントローラ５１６には種々の構成を使用することができ、各々の長大な羅列や説明は、ここでは、本発明の範囲を当業者が認めるためには、不要であることを容易に認めよう。
【００６８】
この実施形態では、ＥＶＯ５０４は、例えば、図７に関連付けて先に論じたような、湾曲反射型とすることができ、筐体５１２内に配置し、プロジェクタ５００が、筐体外側の自由空間内に位置する画像領域５２０に実像を形成するように制御する。画像源５０８が２Ｄ画像であり、図１に関連付けて先に論じたように複数の画像スライス（例えば、図１の画像スライスＩＳ１〜ＩＳ７）を連続して次々に表示する場合、コントローラ５１６はこれらの画像スライスを組み立てて、筐体５１２に対して自由空間内に固定した３Ｄ浮遊画像を形成するように、ＥＶＯ５０４を制御することができる。あるいは、画像源５０８は、画像スライスの表示ではなく、照明源（図示せず）によって照明される３Ｄ物体であってもよい。この場合、図示した３つの画像面は、３Ｄ物体が投射される、ＥＶＯ５０４の３つの画像生成距離（３つの異なる焦点距離に対応する）を表す。投射の順序が、例えば、ＩＰ”’からＩＰ２”’そしてＩＰ３”’である場合、３Ｄ物体の実像は、目視者５２４には、彼／彼女に向かって移動するように見える。一方、投射の順序がＩＰ３”’からＩＰ２”’そしてＩＰ１”’である場合、３Ｄ物体の実像は、目視者５２４には、彼／彼女から遠ざかるように移動するように見える。コントローラ５１６によるＥＶＯ５０４の異なる制御を用いて、図示の焦点軸に対して垂直な平面というような、目視者５２４に向かう方向および遠ざかる方向以外の方向に３Ｄ物体の実像を移動させることもできる。これを行うには、概略的に、ＥＶＯ５０４の屈折力を変化させるのではなく、ＥＶＯ５０４の焦点軸５２８を変化させればよい。勿論、コントローラ５１６は、ＥＶＯ５０４の屈折力および焦点軸５２８の双方を制御し、実像が、目視者５２４には、自由空間におけるいずれの所望の方向にでも移動するように見えるようにすることができる。
【００６９】
自由空間内において画像をあちこちに移動させ、画像が動いていることを目視者５２４に伝えるというこの概念は、例えば、図１に関連付けて先に説明した画像源のような、ビデオ・ディスプレイ型画像源５０８からの複数の２Ｄ画像スライスから３Ｄ浮遊画像を作成する状況に拡大する。このような移動する３Ｄ浮遊画像は、ＥＶＯ５０４の制御を一層洗練させることによって達成することができ、そのために、画像面、例えば、画像スライスに対応する画像面ＩＰ１”’、ＩＰ２”’、ＩＰ３”’を収容する画像領域５２０を作成するだけでなく、筐体５１２に対して画像領域５２０を移動させるようにＥＶＯの焦点を変化させる。先に論じた３Ｄ物体の実像と同様、画像スライスから作成する３Ｄ浮遊画像も、ＥＶＯ５０４の屈折力および／または焦点軸５２８を変化させることによって画像領域５２０を移動させることにより、目視者５２４に対していずれの方向にでも移動しているように、目視者には見えるようにすることができる。
【００７０】
当業者には認められようが、図１４の構成に関連付けて先に論じた画像特性および制御能力は、図６のそれ、およびＥＶＯコンポーネントを含むその他の画像形成システムにも同様に適用される。
【００７１】
図１５および図１６は、それぞれ、２つの代替画像プロジェクタ５４０および５６０を示し、ここでは、湾曲または平面ＥＶＯのいずれかを用いて、浮遊画像を形成することができる。図１５のプロジェクタ５４０は、平面ビームスプリッタ５４４および湾曲光学系５４８を組み込んでいる。この実施形態では、画像源５５６からの各画像（図示せず）は、ビームスプリッタ５４４から湾曲光学系５４８に反射され、次いで湾曲光学系から反射されビームスプリッタを透過して、画像５５２を形成する。これは、前述のような３Ｄ画像とすることができる。プロジェクタ５４０のＥＶＯは、湾曲光学系５４８の凹面またはビームスプリッタ５４４のいずれにも組み込むことができるが、ビームスプリッタが、湾曲光学系の焦点軸に対して比較的大きな角度を形成する実施形態では、湾曲光学系が好ましい場合がある。
【００７２】
図１６の実施形態も、同様に、平面ビームスプリッタ５６４および湾曲光学系５６８を含む。しかしながら、この場合、湾曲光学系５６８はビームスプリッタでもあり、画像源を湾曲光学系５６８の焦点軸に沿って配置することを可能にしている。この実施形態では、ビームスプリッタ、１／４波長リターダ、偏光板、二重光度増強膜（ＤＢＥＦ）、および／またはその他の偏光構成部品というようなその他の光学エレメント（図示せず）を用いると、無関係の画像を抑制することができる。この形態では、ＥＶＯを容易にビームスプリッタ５６４に組み込むことができるが、望ましければ、湾曲光学系５６８に組み込んでもよい。Dikeの米国特許第６，２６２，８４１号は、不要な画像を抑制するためにＤＢＥＦを含む光学エレメントの配置について記載しており、La Russaの米国特許第Ｒｅ．２７，３５６号は、不要な画像を抑制するためにＤＢＥＦを含まない光学エレメントの配置について記載している。当業者であれば、DikeやLa Russa特許に示されている光学システム、ならびにその改良を、本発明のＥＶＯを利用する光学システムに適合させ、不要な画像を抑制することが容易にできるであろう。したがって、DikeおよびLa Russa特許は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。
【００７３】
図１７は、ビームスプリッタ型ＥＶＯ６０４が、可変光学的屈折力のフレネル型光学系ではなく、走査ミラーを備えている、３Ｄ浮遊画像プロジェクタ６００を示す。この実施形態では、図２に示すアレイのような、ＥＶＯ６０４の光学エレメント（図示せず）のアレイは、ＥＶＯに可変焦点距離を設けるようには制御されず、複数の画像源、例えば、画像源６０８、６１２、６１６の各々からの画像（複数の画像）が連続して素早く湾曲光学系６２０に向けて反射されるように制御される。湾曲光学系６２０は、従来の湾曲ミラー等とすることができる。次いで、湾曲光学系６２０は、これらの画像を反射し、ビームスプリットＥＶＯ６０４を介して、対応する画像面ＩＰ１”’、ＩＰ２”’、ＩＰ３”’上に導く。画像面ＩＰ１”’、ＩＰ２”’、ＩＰ３”’は、ＥＶＯ６０４上の中心点Ｐから異なる距離に位置する画像源６０８、６１２、６１６によって互いに離間されている。このため、この実施形態では、ＥＶＯ６０４は、湾曲光学系６２０の焦点軸６２４に沿った各画像源６０８、６１２、６１６からの画像（複数の画像）を導くためには必要となるはずの、従来の３つの平面ビームスプリッタ（図示せず）を近似する可変ミラー（およびビームスプリッタ）として作用する。ＥＶＯ６０４に焦点軸６２４に沿った種々の画像源６０８、６１２、６１６からの画像を反射させるために、ＥＶＯ６０４の光学エレメントの全てを、互いに同時に、各々正確に同じ量だけ、そして互いに同じ方向に（例えば）作動させ、要求される方向に反射ビームを供給するようにすることができる。このように、ＥＶＯ６０４は、比較的大きなサイズであっても、非常に迅速な走査ミラーとして作用する。勿論、この種のＥＶＯスキャナは、ここに示す３Ｄ画像生成用途以外にも、多くの用途がある。簡単な一例をあげると、例えば、従来のミラーでは実現できない、ソラー・コレクタ(solar collector)（低速追跡のため）または大型迅速スキャナにおいて、走査または追跡ミラーとしてである。
【００７４】
オプションとして、図１７のＥＶＯ６０４は、単に選択した光学エレメント（図示せず）（例えば、交互の行または列、あるいは二次元反射器では市松模様）を同時に異なる角度に傾斜させることによって、湾曲光学系６２０の焦点軸６２４のような、共通軸に沿って互いに離間された２つの別個の画像を反射する多方向反射器を備えるように制御することができる。例示の目的のために３つの画像源６０８、６１２、６１６を図１７には示したが、本発明は異なる数の画像源も想定していえることは認められよう。また、多数の画像源６０８、６１２、６１６を用いることができるが、代わりに単一の画像源を用いてもよい。ビームスプリットＥＶＯ６０４の有効反射角度を同様に変化させると、単一の画像源でも、満足のいく３Ｄ画像を作成することができる。例えば、単一の画像源の領域を、ＥＶＯ６０４の対応する状態と同期して照明しつつ、対応しない領域を、例えば、「ゼロ・ブラック」モードで照明しないように、単一の画像源を制御すればよい。
【００７５】
前述のように、本発明の可変焦点ＥＶＯには、先に論じた３Ｄ画像生成システムだけでなく、多くの実用的な用途がある。実際、本発明のＥＶＯは、電磁エネルギを２つ以上の焦点距離において、および／または２本以上の焦点軸に沿って、互いに連続して集束および／または発散することが望ましいまたは必要な、実際状あらゆる用途において用いることができる。例えば、図１８は、本発明のＥＶＯ６４８と共に、従来の固定光学系６４４を内蔵した複合レンズ６４０の一例を示す。図１８において、固定光学系６４４（図６の従来の反射光学系と同様）の規準焦点ＮＦＰを、ＥＶＯ６４８（反射ＥＶＯと同様）における非常に弱い屈折力変化によって、近くに（ＮＦＰ’）または遠くに（ＮＦＰ”）移動させる。後者が集束屈折力を有する場合、構成は弱いペッツヴァル・レンズと同様であり、発散の場合、組み合わせは弱い望遠レンズと同様である。図１８は、ＥＶＯの従来の固定光学系との使用を示す屈折類似構成(refractive-analogue schematic)として理解するとよい。これは、本質的に、図７に先に示したのと同じ概念を図示するが、図１８では、光学的屈折力の変化を、単純化し把握し易くした形態で示しており、便宜上、ＥＶＯ屈折力を屈折性として示すが、実際には、反射性とし、後続の光線方向の逆転を暗示することもできる。勿論、有限共役では、「画像面」を「焦点面」と読み代えればよい。
【００７６】
３Ｄ画像形成以外のＥＶＯのほぼ無限の用途範囲の一例として、本発明のＥＶＯの別の使用は、自動車またはその他の車両のヘッドライトも対象とする。この用途では、本発明のＥＶＯは、ヘッドライトから出射する光ビームの発散を変化させるため、および／または車両を操舵している方向にビームを向けるために用いることができる。光ビームの発散は、例えば、車両速度の関数として変化させることができる。例えば、比較的低速では、ビームの発散を比較的大きくして、車両近くの広い道路を照明するとよく、一方高速では、発散を小さくして、遠方の物体をより良く照明するとよい。同様に、フラッシュライトおよびその他の種類の照明デバイスも、ＥＶＯをその内部に組み込むことによって、効果を得ることができる。本発明のＥＶＯのその他の使用には、電気的可変ズーム・レンズ、自動合焦システム、ならびに無線、マイクロ波、またはその他の周波数信号を受信および／または送信するための可変焦点アンテナへの組み込み、更には、フォロプタ(phoropter)のような、視力検査機器のための交換部品としての使用を含むことができる。尚、当業者は、これまでに説明した本発明のＥＶＯの基本動作を理解すれば、ＥＶＯを用いることができる種々の用途を認められよう。
【００７７】
以上本発明のいくつかの実施形態例に関して説明し図示したが、当業者には当然理解されるように、添付した特許請求の範囲が定める本発明の精神および範囲から逸脱することなく、以上のおよび種々のその他の変更、省略、および追加も本発明には可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、３Ｄ画像を作成する画像源と共に、本発明の可変焦点システムを示す簡略模式図である。
【図２】図２は、図１の可変焦点システムにおいて用いるのに適した複数の光学エレメントを有する電子可変光学系（ＥＶＯ）の正面図である。
【図３】図３は、ＥＶＯの可変焦点動作を示し、更に、一例として、異なる焦点距離を有する３つの従来の凹形反射器をどのように近似することができるかを示す（明確化のために、その外側ゾーンのみについて）、図２のＥＶＯの拡大断面図である。
【図４】図４は、所望の曲率半径の球面反射器を近似するための、本発明のＥＶＯを制御する方法を示す図である。
【図５】図５Ａは、同心半径ゾーンに配された光学エレメントを内蔵する、本発明のＥＶＯを示す模式図であり、図５Ｂは、図５ＡのＥＶＯを制御するための電極指定方式を示す模式図である。
【図６】図６は、図１の可変焦点システムと同様の、本発明の可変焦点システムを含む３Ｄ浮遊画像プロジェクタの模式図である。
【図７】図７は、本発明の湾曲ＥＶＯの断面図である。
【図８】図８は、図１から図５および／または図７のＥＶＯを、図６のそれのような構成において制御し、例えば、一連の２Ｄ画像を３枚の対応するそれぞれの画像面上に合焦し、次いで第１面に戻り、プロセスを継続するようにした方法を示す。
【図９】図９は、図６のような構成において図１から図５および／または図７のＥＶＯを制御し、例えば、一連の２Ｄ画像を対応する５枚のそれぞれの画像面上に合焦するようにした代替方法を示す。
【図１０】図１０は、本発明の可変焦点システムにおいて用いることができる単一傾斜軸光学エレメントの断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の可変焦点システムにおいて用いることができる二重傾斜軸光学エレメントの正面図である。
【図１２】図１２は、本発明の可変焦点システムにおいて用いることができる可撓性光学エレメントの側面図である。
【図１３】図１３は、本発明の可変焦点システムにおいて用いることができる、代わりの可撓性光学エレメントの側面図である。
【図１４】図１４は、本発明の代替３Ｄ浮遊画像プロジェクタを示す模式図である。
【図１５】図１５は、３Ｄ画像プロジェクタを製作するために用いることができる、本発明のビームスプリッタＥＶＯ／固定光学系の組み合わせの模式図である。
【図１６】図１６は、３Ｄ画像プロジェクタを製作するために用いることができる、本発明の代替ビームスプリッタＥＶＯ／固定光学系の組み合わせの模式図である。
【図１７】図１７は、ＶＯが、多数の画像源からの画像を対応するそれぞれの焦点面に合焦する走査ミラーとして機能する、本発明の代替浮遊画像プロジェクタである。
【図１８】図１８は、図１の可変焦点システムと同様の可変焦点システムを組み込んだ、本発明の復号光学システム（例えば、レンズおよび／またはミラーの組み合わせ）を示す模式図である。
【図１】
2007514190.tif 000003
【図２】
2007514190.tif 000004
【図３】
2007514190.tif 000005
【図４】
2007514190.tif 000006
【図５Ａ】
2007514190.tif 000007
【図５Ｂ】
2007514190.tif 000008
【図６】
2007514190.tif 000009
【図７】
2007514190.tif 000010
【図８】
2007514190.tif 000011
【図９】
2007514190.tif 000012
【図１０】
2007514190.tif 000013
【図１１】
2007514190.tif 000014
【図１２】
2007514190.tif 000015
【図１３】
2007514190.tif 000016
【図１４】
2007514190.tif 000017
【図１５】
2007514190.tif 000018
【図１６】
2007514190.tif 000019
【図１７】
2007514190.tif 000020
【図１８】
2007514190.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成18年8月10日(2006.8.10)
【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】
ａ．複数の可動光学エレメントを含む光学系と、
ｂ．前記光学系に結合されたコントローラであって、少なくとも第１信号および第２信号を発生し、前記第１信号が、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部を、前記光学系に第１合焦構成を与えるように移動させ、前記第２信号が、前記複数の光学エレメントの少なくとも一部を、前記第１合焦構成とは異なる第２合焦構成を前記光学系に与えるように移動させる、コントローラと、
を備えた、可変焦点システム。
【請求項２】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの各１つは本質的に反射器のみである、可変焦点システム。
【請求項３】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの各１つは本質的に屈折器のみである、可変焦点システム。
【請求項４】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの各１つはビームスプリッタである、可変焦点システム。
【請求項５】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動エレメントの少なくとも１つは、各々互いに異なる光学特性を有する少なくとも２つの光学コンポーネントを備えており、各前記光学特性を、反射、屈折、ビームスプリット、不透明、および透明から成る群から選択する、可変焦点システム。
【請求項６】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動光学エレメントの各１つは、傾斜によって移動する、可変焦点システム。
【請求項７】
請求項１記載の可変焦点システムにおいて、前記複数の可動光学エレメントの各１つは、屈曲によって移動する、可変焦点システム。
【請求項８】
複数の２Ｄ画像を複数の対応するそれぞれの画像面上に投射するシステムであって、
ａ．複数の２Ｄ画像を供給する少なくとも１つの画像源と、
ｂ．前記複数の２Ｄ画像の各々を、複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦するように再構成可能な電気可変光学系と、
ｃ．前記少なくとも１つの画像源と前記電気可変光学系とに結合されたコントローラであって、前記複数の２Ｄ画像の各１つを、前記複数の対応するそれぞれの画像面に合焦するように、前記少なくとも１つの画像源および前記電気可変光学系を制御する、コントローラと、
を備えた、システム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、前記複数の２Ｄ画像の各１つは、３Ｄ画像の画像スライスであり、前記コントローラは、前記複数の２Ｄ画像を前記複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦することによって、前記３Ｄ画像をその上に発生するように、前記電気可変光学系を制御する、システム。
【請求項１０】
請求項８記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記複数の２Ｄ画像を前記複数の対応するそれぞれの画像面上に合焦し、前記複数の２Ｄ画像が前記複数の対応するそれぞれの画像面間で移動しているように見えるように、前記電気可変光学系を制御する、システム。
【請求項１１】
複数の合焦構成を有する電気可変光学系であって、
ａ．基板と、
ｂ．同心状円弧状に配列された複数の光学エレメントであって、該複数の光学エレメントの各々が、前記基板上に実装され、前記複数の光学エレメントの各々が前記複数の合焦構成に対応する複数の方位に移動可能となるように、前記基板に対して移動可能である、光学エレメントと、
を備えた、電気可変光学系。
【請求項１２】
請求項１１記載の電気可変光学系において、前記同心状円弧は、同心円環を形成する、電気可変光学系。
【請求項１３】
請求項１１記載の電気可変光学系において、前記基板は平坦面を有し、前記複数の光学エレメントの各々は、前記基板の平坦面上に実装された、電気可変光学系。
【請求項１４】
請求項１１記載の電気可変光学系において、前記基板は湾曲面を有し、前記複数の光学エレメントの各々は、前記基板の湾曲面上に実装された、電気可変光学系。
【請求項１５】
請求項１１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学系の各々は、前記基板に対して旋回可能である、電気可変光学系。
【請求項１６】
請求項１１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの各々は、前記複数の方位を得るために屈曲する可撓性電極を含む、電気可変光学系。
【請求項１７】
請求項１１記載の電気可変光学系において、前記複数の光学エレメントの少なくとも１つは、各々互いに異なる光学特性を有する少なくとも２つの光学コンポーネントを備えており、各前記光学特性を、反射、屈折、ビームスプリット、不透明、および透明から成る群から選択する、電気可変光学系。
【請求項１８】
ａ．複数の合焦構成を有する電気可変光学系であって、
ｂ．基板と、
ｃ．各々前記基板に移動可能に取り付けられた複数の光学エレメントと、
ｄ．各々前記複数の光学エレメントの対応する１つに対応し、前記複数の光学エレメントの当該１つを移動させるための複数のアクチュエータと、
を備えた、電気可変光学系と、
ｅ．前記電気可変光学系に複数の合焦構成を与えるために、前記複数の光学エレメントを移動させるように前記複数のアクチュエータに動作的に結合された、コントローラと、
を備えた、システム。
【請求項１９】
請求項１８記載のシステムにおいて、前記複数の合焦構成は、複数の画像面に対応し、前記システムは、更に、前記複数の画像面上に投射するために、前記電気可変光学系に複数の画像を供給する画像源を備えた、システム。
【請求項２０】
請求項１８記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記複数の合焦構成間で前記電気可変光学系を第１のレートで変化させ、前記画像源は前記複数の画像を第２のレートで供給し、前記コントローラは、前記第１および第２のレートを互いに同期させる、システム。
【国際調査報告】
2007514190.tif 000022
2007514190.tif 000023
2007514190.tif 000024