(57)【要約】観察者（１２）によって左観察瞳（１４ｌ）において観察される左イメージおよびその観察者によって右観察瞳（１４ｒ）において観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察するための自動立体光学装置（１０）。この装置は、左イメージを形成するための左瞳イメージング・システムを包含する。右瞳イメージング・システムは、右イメージを形成する。
2007505357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察する自動立体光学装置であって、
（ａ）左曲面中間イメージを形成する左イメージ生成システムであって、
（ｉ）左ミラー曲率中心を有する左曲面ミラーと、
（ｉｉ）前記左曲面ミラーの頂点と前記左ミラー曲率中心の間に配置される左ビームスプリッタと、
（ｉｉｉ）前記左曲面ミラーに対して光を提供する左イメージ・ソースであって、前記左曲面ミラーが前記左ビームスプリッタと協働した際には、当該左イメージ・ソースの左中間イメージが形成され、この左中間イメージが左イメージ曲率中心を有するような左イメージ・ソースと、
（ｉｖ）前記左イメージ曲率中心周囲に中心決めされ、前記左イメージ・ソースの前記左中間イメージから前記左曲面中間イメージを形成する左ボール・レンズ・セグメントと、
を有する左イメージ生成システムと、
（ｂ）右曲面中間イメージを形成する右イメージ生成システムであって、
（ｉ）右ミラー曲率中心を有する右曲面ミラーと、
（ｉｉ）前記右曲面ミラーの頂点と前記右ミラー曲率中心の間に配置される右ビームスプリッタと、
（ｉｉｉ）前記右曲面ミラーに対して光を提供する右イメージ・ソースであって、前記右曲面ミラーが前記右ビームスプリッタと協働した際には当該右イメージ・ソースの右中間イメージが形成され、この右中間イメージが右イメージ曲率中心を有するような右イメージ・ソースと、
（ｉｖ）前記右イメージ曲率中心周囲に中心決めされ、前記右イメージ・ソースの前記右中間イメージから前記右曲面中間イメージを形成する右ボール・レンズ・セグメントと、
を有する右イメージ生成システムと、
（ｃ）焦点表面を有し、かつ曲率中心を有するボール・レンズ・イメージング曲面ミラーであって、前記曲率中心が前記左ボール・レンズ・セグメントと前記右ボール・レンズ・セグメントの間の実質的に光学的な中間になるべく配置され、前記左イメージ生成システムからの前記左曲面中間イメージおよび前記右イメージ生成システムからの前記右曲面中間イメージが実質的に前記焦点表面上にあるボール・レンズ・イメージング曲面ミラーと、
（ｄ）前記ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーの前記焦点表面と前記曲率中心の間に配置される第３のビームスプリッタと、
を包含する自動立体光学装置であって、
前記ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーおよび前記第３のビームスプリッタが協働して前記左観察瞳に、
（ｉ）前記左ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記左曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成し、
前記ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーおよび前記第３のビームスプリッタがさらに協働して前記右観察瞳に、
（ｉ）前記右ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記右曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成する自動立体光学装置。
【請求項２】
さらに、前記左曲面ミラーの曲率中心の近傍に配置される左補正エレメントを包含する、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項３】
前記左補正エレメントは、非球面表面を包含する請求項２に記載の自動立体光学装置。
【請求項４】
前記左補正エレメントは、複合レンズを包含する請求項２に記載の自動立体光学装置。
【請求項５】
前記左ビームスプリッタは、断面がくさび形状である、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項６】
前記左ビームスプリッタは、ペリクルである、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項７】
前記左イメージ・ソースは、ＣＲＴ、放射アレイ、ＬＣＤディスプレイ、およびＯＬＥＤからなるグループから採用される、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項８】
さらに、前記左ミラー曲率中心と前記左曲面ミラーの焦点の間に、前記左ミラー曲率中心を前記左イメージ曲率中心に向けてイメージングするための視野レンズを包含する、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項９】
前記視野レンズの表面は、前記左ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項８に記載の自動立体光学装置。
【請求項１０】
前記視野レンズの表面は、前記左イメージ曲率中心と実質的に同心である、請求項８に記載の自動立体光学装置。
【請求項１１】
さらに、光を前記左ミラー曲率中心に向けて指向するための前記左イメージ・ソースに隣接する焦点光学エレメントを包含する、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項１２】
前記焦点光学エレメントは、フレネル・レンズ、ホログラフ光学エレメント、回折光学エレメント、およびレンズからなるグループから採用される、請求項１１に記載の自動立体光学装置。
【請求項１３】
前記左ボール・レンズ・セグメントは、反射表面を伴う半球レンズを包含する、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項１４】
前記左ボール・レンズ・セグメントは、少なくとも１つのメニスカス・レンズ・セグメントを包含する、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項１５】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察する自動立体光学装置であって、
（ａ）左イメージ生成システムおよび右イメージ生成システムであって、各イメージ生成システムが、
（ｉ）ミラー曲率中心を有するイメージ生成曲面ミラーと、
（ｉｉ）前記イメージ生成曲面ミラーの頂点と前記ミラー曲率中心の間に配置されるイメージ生成ビームスプリッタと、
（ｉｉｉ）前記イメージ生成曲面ミラーに向けてイメージ担持光を指向するためのイメージ・ソースと、
（ｉｖ）前記イメージ生成曲面ミラーが前記イメージ生成ビームスプリッタと協働することで形成されるイメージ・シースの中間イメージの近くに配置され、前記ミラー曲率中心を前記イメージ曲率中心に向けてイメージングするための視野レンズと、
（ｖ）中間イメージのイメージ曲率中心周囲に中心決めされ、前記中間イメージから曲面イメージを形成するボール・レンズ・セグメントと、
を包含するイメージ生成システムであって、前記左イメージ生成が左曲面イメージを生成し、前記右イメージ生成システムが右イメージを生成するイメージ生成システムと、
（ｂ）焦点表面を有し、瞳イメージング曲率中心を有する瞳イメージング曲面ミラーであって、瞳イメージング曲率中心が前記左イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントと前記右イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントとの間の実質的に光学的な中間に配置される瞳イメージング曲面ミラーと、
（ｃ）前記焦点表面と前記瞳イメージ曲率中心の間に配置される第３のビームスプリッタであって、前記瞳イメージング球面ミラーと協働して前記左観察瞳に前記左イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントの実イメージを形成し、かつ前記右観察瞳に前記右イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントの実イメージを形成する第３のビームスプリッタと、
を包含する自動立体光学装置。
【請求項１６】
前記左または前記右イメージ生成システムの少なくとも一方は、さらに前記イメージ生成曲面ミラーの曲率中心の近傍に配置される補正エレメントを包含する、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項１７】
前記補正エレメントは、非球面表面を包含する、請求項１６に記載の自動立体光学装置。
【請求項１８】
前記補正エレメントは、複合レンズを包含する、請求項１６に記載の自動立体光学装置。
【請求項１９】
前記イメージ生成ビームスプリッタは、断面がくさび形状である、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２０】
前記イメージ生成ビームスプリッタは、ペリクルである、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２１】
前記イメージ・ソースは、ＣＲＴ、放射アレイ、ＬＣＤディスプレイ、およびＯＬＥＤからなるグループから採用される、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２２】
前記視野レンズの表面は、前記ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２３】
前記視野レンズの表面は、前記ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２４】
さらに、光を前記ミラー曲率中心に向けて指向するための前記イメージ・ソースに隣接する焦点光学エレメントを包含する、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２５】
前記焦点光学エレメントは、フレネル・レンズ、ホログラフ光学エレメント、回折光学エレメント、およびレンズからなるグループから採用される、請求項２４に記載の自動立体光学装置。
【請求項２６】
前記ボール・レンズ・セグメントは、反射表面を伴う半球レンズを包含する、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２７】
前記ボール・レンズ・セグメントは、少なくとも１つのメニスカス・レンズ・セグメントを包含する、請求項１５に記載の自動立体光学装置。
【請求項２８】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察するための自動立体光学装置であって、
（ａ）左イメージ生成システムおよび右イメージ生成システムであって、各イメージ生成システムが、
（ｉ）ミラー曲率中心を有するイメージ生成曲面ミラーと、
（ｉｉ）前記イメージ生成曲面ミラーの頂点と前記ミラー曲率中心の間に配置されるイメージ生成ビームスプリッタと、
（ｉｉｉ）前記イメージ生成曲面ミラーに向けてイメージ担持光を指向するためのイメージ・ソースと、
（ｉｖ）前記イメージ生成曲面ミラーと前記イメージ生成ビームスプリッタとが協働して形成される前記イメージ・ソースの中間イメージのイメージ曲率中心の周囲に中心決めされ、前記中間イメージから曲面イメージを形成するためのボール・レンズ・セグメントと、
を包含するイメージ生成システムであって、前記左イメージ生成が左曲面イメージを生成し、前記右イメージ生成システムが右イメージを生成するイメージ生成システムと、
（ｂ）焦点表面を有し、瞳イメージング曲率中心を有する瞳イメージング曲面ミラーであって、瞳イメージング曲率中心が前記左イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントと前記右イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントとの間の実質的に光学的な中間に配置される瞳イメージング曲面ミラーと、
（ｃ）前記焦点表面と前記瞳イメージ曲率中心の間に配置される第３のビームスプリッタであって、前記瞳イメージング球面ミラーと協働して前記左観察瞳に前記左イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントの実イメージを形成し、かつ前記右観察瞳に前記右イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントの実イメージを形成する第３のビームスプリッタと、
を包含する自動立体光学装置。
【請求項２９】
前記左イメージ生成システムおよび前記右イメージ生成システムの少なくとも一方は、さらに前記イメージ生成ビームスプリッタおよび前記イメージ生成曲面ミラーによって形成される前記中間イメージの近くに配置され、前記ミラー曲率中心を前記イメージ曲率中心に向けてイメージングする視野レンズを包含する、請求項２８に記載の自動立体光学装置。
【請求項３０】
前記左または前記右イメージ生成システムの少なくとも一方は、さらに前記イメージ生成曲面ミラーの曲率中心の近傍に配置される補正エレメントを包含する、請求項２８に記載の自動立体光学装置。
【請求項３１】
前記補正エレメントは、非球面表面を包含する、請求項３０に記載の自動立体光学装置。
【請求項３２】
前記補正エレメントは、複合レンズを包含する、請求項３０に記載の自動立体光学装置。
【請求項３３】
前記イメージ生成ビームスプリッタは、断面がくさび形状である、請求項２８に記載の自動立体光学装置。
【請求項３４】
前記イメージ生成ビームスプリッタは、ペリクルである、請求項２８に記載の自動立体光学装置。
【請求項３５】
前記イメージ・ソースは、ＣＲＴ、放射アレイ、ＬＣＤディスプレイ、およびＯＬＥＤからなるグループから採用される、請求項２８に記載の自動立体光学装置。
【請求項３６】
前記視野レンズの表面は、前記ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項２９に記載の自動立体光学装置。
【請求項３７】
前記視野レンズの表面は、前記ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項２９に記載の自動立体光学装置。
【請求項３８】
さらに、光を前記ミラー曲率中心に向けて指向するための前記イメージ・ソースに隣接する焦点光学エレメントを包含する、請求項２８に記載の自動立体光学装置。
【請求項３９】
前記焦点光学エレメントは、フレネル・レンズ、ホログラフ光学エレメント、回折光学エレメント、およびレンズからなるグループから採用される、請求項３８に記載の自動立体光学装置。
【請求項４０】
前記ボール・レンズ・セグメントは、反射表面を伴う半球レンズを包含する、請求項２８項に記載の自動立体光学装置。
【請求項４１】
前記ボール・レンズ・セグメントは、少なくとも１つのメニスカス・レンズ・セグメントを包含する、請求項２８に記載の自動立体光学装置。
【請求項４２】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察する自動立体光学装置であって、
（ａ）左曲面中間イメージを形成する左イメージ生成システムであって、
（ｉ）左ミラー曲率中心を有する左曲面ミラーと、
（ｉｉ）前記左曲面ミラーの頂点と前記左ミラー曲率中心の間に配置される左ビームスプリッタと、
（ｉｉｉ）前記左曲面ミラーに対して前記左イメージからの光を提供するための左イメージ・ソースであって、前記左曲面ミラーが前記左ビームスプリッタと協働することにより当該左イメージ・ソースの左中間イメージが形成されるような左イメージ・ソースと、
（ｉｖ）左中間イメージの左イメージ曲率中心周囲に中心決めされ、前記左イメージ・ソースの前記左中間イメージから前記左曲面中間イメージを形成する左ボール・レンズ・セグメントと、
を包含する左イメージ生成システムと、
（ｂ）右曲面中間イメージを形成する右イメージ生成システムであって、
（ｉ）右ミラー曲率中心を有する右曲面ミラーと
（ｉｉ）前記右曲面ミラーの頂点と前記右ミラー曲率中心の間に配置される右ビームスプリッタと、
（ｉｉｉ）前記右曲面ミラーに対して前記右イメージからの光を提供するための右イメージ・ソースであって、前記右曲面ミラーが前記右ビームスプリッタと協働することにより当該右イメージ・ソースの右中間イメージを形成する右イメージ・ソースと、
（ｉｖ）右中間イメージの右イメージ曲率中心周囲に中心決めされる、前記右イメージ・ソースの前記右中間イメージから前記右曲面中間イメージを形成する右ボール・レンズ・セグメントと、
を包含する右イメージ生成システムと、
（ｃ）左焦点表面を有し、左ボール・レンズ・イメージング曲率中心を有する左ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーであって、前記左イメージ生成システムからの前記左曲面中間イメージが実質的に前記左焦点表面上になるべく位置決めされる左ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーと、
（ｄ）右焦点表面を有し、かつ右ボール・レンズ・イメージング曲率中心を有する右ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーであって、前記右イメージ生成システムからの前記右曲面中間イメージが実質的に前記右焦点表面上になるべく位置決めされる右ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーと、
（ｅ）前記左焦点表面と前記左ボール・レンズ曲率中心の間、かつ、前記右焦点表面と前記右ボール・レンズ曲率中心の間の光路に沿った位置に配置される第３のビームスプリッタと、
を包含し、
前記第３のビームスプリッタが、前記左ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーと協働して前記左観察瞳に、
（ｉ）前記左ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記左曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成し、
前記第３のビームスプリッタがさらに前記右ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーと協働して、前記右観察瞳に、
（ｉ）前記右ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記右曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成する自動立体光学装置。
【請求項４３】
さらに、前記左曲面ミラーの曲率中心の近傍に配置される左補正エレメントを包含する、請求項４２に記載の自動立体光学装置。
【請求項４４】
前記左補正エレメントは、非球面表面を包含する、請求項４３に記載の自動立体光学装置。
【請求項４５】
前記左補正エレメントは、複合レンズを包含する、請求項４３に記載の自動立体光学装置。
【請求項４６】
前記左ビームスプリッタは、断面がくさび形状である、請求項４２に記載の自動立体光学装置。
【請求項４７】
前記左ビームスプリッタは、ペリクルである、請求項４２に記載の自動立体光学装置。
【請求項４８】
前記左イメージ・ソースは、ＣＲＴ、放射アレイ、ＬＣＤディスプレイ、およびＯＬＥＤからなるグループから採用される、請求項４２に記載の自動立体光学装置。
【請求項４９】
さらに、前記左ミラー曲率中心と前記左曲面ミラーの焦点の間に、前記左ミラー曲率中心を前記左イメージ曲率中心に向けてイメージングするための視野レンズを包含する、請求項４２に記載の自動立体光学装置。
【請求項５０】
前記視野レンズの表面は、前記左ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項４９に記載の自動立体光学装置。
【請求項５１】
前記視野レンズの表面は、前記左イメージ曲率中心と実質的に同心である、請求項４９に記載の自動立体光学装置。
【請求項５２】
さらに、光を前記左ミラー曲率中心に向けて指向するための前記左イメージ・ソースに隣接する焦点光学エレメントを包含する、請求項４２に記載の自動立体光学装置。
【請求項５３】
前記焦点光学エレメントは、フレネル・レンズ、ホログラフ光学エレメント、回折光学エレメント、およびレンズからなるグループから採用される、請求項５２に記載の自動立体光学装置。
【請求項５４】
前記左ボール・レンズ・セグメントは、反射表面を伴う半球レンズを包含する、請求項４２に記載の自動立体光学装置。
【請求項５５】
前記左ボール・レンズ・セグメントは、少なくとも１つのメニスカス・レンズ・セグメントを包含する、請求項４５に記載の自動立体光学装置。
【請求項５６】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察する自動立体光学装置であって、
（ａ）左イメージ生成システムおよび右イメージ生成システムであって、各イメージ生成システムが、
（ｉ）ミラー曲率中心を有するイメージ生成曲面ミラーと、
（ｉｉ）前記イメージ生成曲面ミラーの頂点と前記ミラー曲率中心の間に配置されるイメージ生成ビームスプリッタと、
（ｉｉｉ）前記イメージ生成曲面ミラーに向けてイメージ担持光を指向するイメージ・ソースと、
（ｉｖ）前記イメージ生成曲面ミラーが前記イメージ生成ビームスプリッタと協働することで形成される前記イメージ・ソースの中間イメージの近くに配置され、前記ミラー曲率中心を中間イメージのイメージ曲率中心に向けてイメージングする視野レンズと、
（ｖ）前記イメージ曲率中心周囲に中心決めされ、前記中間イメージから曲面イメージを形成するためのボール・レンズ・セグメントと、
を包含し、前記左イメージ生成が左曲面イメージを生成し、前記右イメージ生成が右イメージを生成するイメージ生成システムと、
（ｂ）左焦点表面を有し、かつ左瞳イメージング曲率中心を有する左瞳イメージング曲面ミラーであって、前記左イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントが、前記左瞳イメージング曲率中心周囲になるべく位置決めされる左瞳イメージング曲面ミラーと、
（ｃ）右焦点表面を有し、かつ右瞳イメージング曲率中心を有する右瞳イメージング曲面ミラーであって、前記右イメージ生成システム用の前記ボール・レンズ・セグメントが、前記右瞳イメージング曲率中心周囲になるべく位置決めされる右瞳イメージング曲面ミラーと、
（ｄ）前記左焦点表面と前記左瞳イメージング曲率中心の間かつ前記右焦点表面と前記右瞳イメージング曲率中心の間の光路に沿った位置に配置される第３のビームスプリッタと、
を包含し、
前記第３のビームスプリッタが前記左瞳イメージング曲面ミラーと協働して、前記左観察瞳に、
（ｉ）前記左イメージ生成システム用のボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記左曲面イメージの仮想イメージと、
を形成し、
前記第３のビームスプリッタがさらに前記右瞳イメージング曲面ミラーと協働して、前記右観察瞳に、
（ｉ）前記右イメージ生成システム用のボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記右曲面イメージの仮想イメージと、
を形成する自動立体光学装置。
【請求項５７】
前記左または前記右イメージ生成システムの少なくとも一方は、さらに前記イメージ生成曲面ミラーの曲率中心の近傍に配置される補正エレメントを包含する、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項５８】
前記補正エレメントは、非球面表面を包含する、請求項５７に記載の自動立体光学装置。
【請求項５９】
前記補正エレメントは、複合レンズを包含する、請求項５７に記載の自動立体光学装置。
【請求項６０】
前記イメージ生成ビームスプリッタは、断面がくさび形状である、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６１】
前記イメージ生成ビームスプリッタは、ペリクルである、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６２】
前記イメージ・ソースは、ＣＲＴ、放射アレイ、ＬＣＤディスプレイ、およびＯＬＥＤからなるグループから採用される、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６３】
前記視野レンズの表面は、前記ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６４】
前記視野レンズの表面は、前記ミラー曲率中心と実質的に同心である、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６５】
さらに、光を前記ミラー曲率中心に向けて指向するための前記イメージ・ソースに隣接する焦点光学エレメントを包含する、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６６】
前記焦点光学エレメントは、フレネル・レンズ、ホログラフ光学エレメント、回折光学エレメント、およびレンズからなるグループから採用される、請求項６５に記載の自動立体光学装置。
【請求項６７】
前記ボール・レンズ・セグメントは、反射表面を伴う半球レンズを包含する、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６８】
前記ボール・レンズ・セグメントは、少なくとも１つのメニスカス・レンズ・セグメントを包含する、請求項５６に記載の自動立体光学装置。
【請求項６９】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する自動立体仮想イメージを形成する方法であって、
（ａ）左曲面中間イメージを形成するステップであって
（ｉ）左ミラー曲率中心を有する左曲面ミラーを提供するステップと、
（ｉｉ）前記左曲面ミラーの頂点と前記左ミラー曲率中心の間に左ビームスプリッタを配置するステップと、
（ｉｉｉ）左イメージ曲率中心を有する左中間イメージを、左イメージ・ソースからのイメージ担持光を前記左ビームスプリッタを介して前記左曲面ミラーに指向することによって形成するステップと、
（ｉｖ）前記左曲面中間イメージを、前記左イメージ・ソースの前記左中間イメージから、前記左イメージ曲率中心周囲に中心決めされる左ボール・レンズ・セグメントを介して形成するステップと、
を含むステップと、
（ｂ）右曲面中間イメージを形成するステップであって、
（ｉ）右ミラー曲率中心を有する右曲面ミラーを提供するステップと、
（ｉｉ）前記右曲面ミラーの頂点と前記右ミラー曲率中心の間に右ビームスプリッタを配置するステップと、
（ｉｉｉ）右イメージ曲率中心を有する右中間イメージを、右イメージ・ソースからのイメージ担持光を前記右ビームスプリッタを介して前記右曲面ミラーに指向することによって形成するステップと、
（ｉｖ）前記右曲面中間イメージを、前記右イメージ・ソースの前記右中間イメージから、前記右イメージ曲率中心周囲に中心決めされる右ボール・レンズ・セグメントを介して形成するステップと、
を含むステップと、
（ｃ）焦点表面を有し、かつ曲率中心を有するボール・レンズ・イメージング曲面ミラーを提供するとともに、前記曲率中心が前記左ボール・レンズ・セグメントと前記右ボール・レンズ・セグメントの間の実質的に光学的な中間に配置し、前記左イメージ生成システムからの前記左曲面中間イメージおよび前記右イメージ生成システムからの前記右曲面中間イメージを実質的に前記焦点表面上に位置させるステップと、
（ｄ）前記ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーの前記焦点表面と前記曲率中心の間に第３のビームスプリッタ配置するステップと、
を含み、
前記ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーおよび前記第３のビームスプリッタが協働して前記左観察瞳に、
（ｉ）前記左ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記左曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成し、
前記ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーおよび前記第３のビームスプリッタがさらに協働して前記右観察瞳に、
（ｉ）前記右ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記右曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成する自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７０】
さらに、前記左曲面ミラーの曲率中心の近傍の光学補正エレメントを介して光を指向するステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７１】
前記左中間イメージを形成するステップは、ＣＲＴを付勢するステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７２】
前記左中間イメージを形成するステップは、放射アレイを付勢するステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７３】
前記左中間イメージを形成するステップは、ＬＣＤを付勢するステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７４】
前記左中間イメージを形成するステップは、ＯＬＥＤを付勢するステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７５】
さらに、前記左ミラー曲率中心を、視野レンズを介して前記左イメージ曲率中心に向けてイメージングするステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７６】
前記左中間イメージを形成するステップは、前記左イメージ・ソースからの前記イメージ担持光を、前記左ミラー曲率中心に向けて指向するステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７７】
前記左曲面中間イメージ形成するステップは、反射表面を伴う半球レンズを使用するステップを包含する、請求項６９に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７８】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する自動立体仮想イメージを形成するための方法であって、
（ａ）左曲面中間イメージを形成するステップであって、
（ｉ）左ミラー曲率中心を有する左曲面ミラーを提供するステップと、
（ｉｉ）前記左曲面ミラーの頂点と前記左ミラー曲率中心の間に左ビームスプリッタを配置するステップと、
（ｉｉｉ）左イメージ曲率中心を有する左中間イメージを、左イメージ・ソースからのイメージ担持光を前記左ビームスプリッタを介して前記左曲面ミラーに指向することによって形成するステップと、
（ｉｖ）前記左曲面中間イメージを、前記左イメージ・ソースの前記左中間イメージから、前記左イメージ曲率中心周囲に中心決めされる左ボール・レンズ・セグメントを介して形成するステップと、
を含み、左曲面中間イメージを形成するステップと、
（ｂ）右曲面中間イメージを形成するステップであって、
（ｉ）右ミラー曲率中心を有する右曲面ミラーを提供するステップと、
（ｉｉ）前記右曲面ミラーの頂点と前記右ミラー曲率中心の間に右ビームスプリッタを配置するステップと、
（ｉｉｉ）右イメージ曲率中心を有する右中間イメージを、右イメージ・ソースからのイメージ担持光を前記右ビームスプリッタを介して前記右曲面ミラーに指向することによって形成するステップと、
（ｉｖ）前記右曲面中間イメージを、前記右イメージ・ソースの前記右中間イメージから、前記右イメージ曲率中心周囲に中心決めされる右ボール・レンズ・セグメントを介して形成するステップと、
を含み、右曲面中間イメージを形成するステップと、
（ｃ）左焦点表面を有し、かつ左ボール・レンズ・イメージング曲率中心を有する左ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーを提供するとともに、前記左イメージ生成システムからの前記左曲面中間イメージを実質的に前記左焦点表面上に位置させるステップと、
（ｄ）右焦点表面を有し、かつ右ボール・レンズ・イメージング曲率中心を有する右ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーを提供するとともに、前記右イメージ生成システムからの前記右曲面中間イメージを実質的に前記右焦点表面上に位置させるステップと、
（ｅ）前記左焦点表面と前記左ボール・レンズ曲率中心の間および前記右焦点表面と前記右ボール・レンズ曲率中心の間の光路に沿った位置に第３のビームスプリッタを配置するステップと、
を含み、
前記第３のビームスプリッタが前記左ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーと協働して、前記左観察瞳に、
（ｉ）前記左ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記左曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成し、
前記第３のビームスプリッタがさらに前記右ボール・レンズ・イメージング曲面ミラーと協働して、前記右観察瞳に、
（ｉ）前記右ボール・レンズ・セグメントの実イメージと、
（ｉｉ）前記右曲面中間イメージの仮想イメージと、
を形成する自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項７９】
さらに、前記左曲面ミラーの曲率中心の近傍の光学補正エレメントを介して光を指向するステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８０】
前記左中間イメージを形成するステップは、ＣＲＴを付勢するステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８１】
前記左中間イメージを形成するステップは、放射アレイを付勢するステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８２】
前記左中間イメージを形成するステップは、ＬＣＤを付勢するステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８３】
前記左中間イメージを形成するステップは、ＯＬＥＤを付勢するステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８４】
さらに、前記左ミラー曲率中心を、視野レンズを介して前記左イメージ曲率中心に向けてイメージングするステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８５】
前記左中間イメージを形成するステップは、前記左イメージ・ソースからの前記イメージ担持光を、前記左ミラー曲率中心に向けて指向するステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８６】
前記左曲面中間イメージ形成するステップは、反射表面を伴う半球レンズを使用するステップを包含する、請求項７８に記載の自動立体仮想イメージを形成するための方法。
【請求項８７】
左観察瞳において観察者によって観察される左イメージおよび右観察瞳において前記観察者によって観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察する自動立体光学装置であって、
（ａ）左曲面中間イメージを形成する左瞳イメージング・システムであって、
（ｉ）左ミラー曲率中心および左焦点表面を有する左曲面ミラーと、
（ｉｉ）左曲面イメージを前記左焦点表面に向けて投影するための左イメージ生成システムであって、当該左イメージ生成システムの射出瞳が前記左曲面イメージの曲率中心に実質的に一致し、実質的に左ミラー曲率中心にある左イメージ生成システムと、
を包含する左瞳イメージング・システムと、
（ｂ）右曲面中間イメージを形成する右瞳イメージング・システムと、
（ｉ）右ミラー曲率中心および右焦点表面を有する右曲面ミラーと、
（ｉｉ）右曲面イメージを前記右焦点表面に向けて投影するための右イメージ生成システムであって、当該右イメージ生成システムの射出瞳が前記右曲面イメージの曲率中心に実質的に一致し、実質的に右ミラー曲率中心にある右イメージ生成システムと、
を包含する右瞳イメージング・システムと、
（ｃ）左および右のイメージ・パスを折り返すビームスプリッタであって、
（ｉ）左観察瞳において、前記左イメージ生成システムの瞳の実イメージおよび前記左曲面イメージの仮想イメージを形成し、
（ｉｉ）右観察瞳において、前記右イメージ生成システムの瞳の実イメージおよび前記右曲面イメージの仮想イメージを形成する
ために配置されたビームスプリッタと、
を包含する自動立体光学装置。
【請求項８８】
前記左イメージ生成システムは、ＣＲＴ、放射アレイ、ＬＣＤディスプレイ、およびＯＬＥＤからなるグループから選択されたイメージ・ソースを包含する、請求項８７に記載の自動立体光学装置。
【請求項８９】
さらに、光を前記左イメージ生成システムの入射瞳に向けて指向するための前記イメージ・ソースに隣接する焦点光学エレメントを包含する、請求項８８に記載の自動立体光学装置。
【請求項９０】
前記焦点光学エレメントは、フレネル・レンズ、ホログラフ光学エレメント、回折光学エレメント、およびレンズからなるグループから採用される、請求項８９に記載の自動立体光学装置。
【請求項９１】
前記観察瞳は、サイズにおいて５ｍｍと６０ｍｍの間の範囲にある、請求項８７に記載の自動立体光学装置。
【請求項９２】
前記観察瞳は、５５ｍｍと７５ｍｍの間の範囲の眼間距離によって離隔される、請求項８７に記載の自動立体光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイ装置に関し、より詳細に述べれば、広い視野、大きな観察瞳、および高い輝度を提供する自動立体ディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動立体ディスプレイ・システムの潜在的価値は、広範なデータの可視化の用途および広範な応用からよく認識されており、それには、エンターテインメント、エンジニアリング、医療、政治、セキュリティ、およびシミュレーションの分野が含まれる。自動立体ディスプレイ・システムは、非常に広い視野を有する３次元（３−Ｄ）イメージを用いて観察者を視覚的に取り囲むことによって観察者のためのリアルな視覚的体験を提供することが意図された『没入』システムを含む。これを含む立体ディスプレイのより大きなグループとの区別として、自動立体ディスプレイは、あらゆるタイプの装着型アイテム、たとえばゴグル、ヘッドギア、または特殊偏光またはフィルタ眼鏡等を必要としないことによって特徴記述される。すなわち、自動立体ディスプレイは、観察者のための『自然な』観察状態の提供を試みている。
【０００３】
シグマンド・パスター（Ｓｉｅｇｍｕｎｄ  Ｐａｓｔｏｏｒ）およびマシアス・ウォプキン（Ｍａｔｈｉａｓ  Ｗｏｐｋｉｎｇ）による『３−Ｄディスプレイズ：ア・レビュー・オブ・カレント・テクノロジーズ（３−Ｄ  ｄｉｓｐｌａｙｓ：  Ａ  ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）』と題されたディスプレイ（Ｄｉｓｐｌａｙ）１７（１９９７年）の論文は、１ないしは複数の観察者のための自動立体ディスプレイ・イメージを獲得するために適用されている種々のアプローチを調査している。パスター（Ｐａｓｔｏｏｒ）ほかの論文に記述された多くのテクノロジの中には、電子ホログラフィ、ボルメトリック・ディスプレイ、方向多重化、回折ベース、屈折ベース、および反射ベースの自動立体表示のための方法がある。これらのアプローチのそれぞれは、１ないしは複数の特殊な応用においてメリットを有し得るが、これらのアプローチは、有用性および全体的なパフォーマンスを含む多くの独特の欠点を有する。全体としてこれらの従来的アプローチは、自動立体ディスプレイに適合されているが、狭い視野だけが許され、また提供される輝度が制限され、コントラストも弱い。時間ベースまたは空間的多重化を採用しているイメージング・システムは、左目および右目のイメージを適切なシーケンスに従って、あるいは必要な空間分離を伴って提供するために複雑なイメージ処理アルゴリズムを必要とする。時間ベース多重化は、本質的なイメージ・フリッカの問題を招く。空間的多重化は、解像度の低いイメージを一般に生成する。エズラ（Ｅｚｒａ）ほかによる欧州特許出願第ＥＰ  ０  ７６４  ８６９  Ａ２号に開示されているようなこれらの多重化テクニックの結合は、ビューの数の増加を提供し得るが、それらの本質的な欠点を補償しない。多数の多重化テクノロジもまた、観察する目の位置の追跡ならびに頭位置の変化の補償を必要とする。追加の欠点として、パスター（Ｐａｓｔｏｏｒ）ほかの論文の中で開示されているイメージング・テクノロジのそれぞれは、観察者に仮想イメージではなく、実イメージを提供する。
【０００４】
クラウス・ホプフ（Ｋｌａｕｓ  Ｈｏｐｆ）による『アン・オートステレオスコーピック・ディスプレイ・プロバイディング・コンフォタブル・ビューイング・コンディションズ・アンド・ア・ハイ・デグリー・オブ・テレプレゼンス（Ａｎ  Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  Ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ  Ｖｉｅｗｉｎｇ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ａ  Ｈｉｇｈ  Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｓｅ』と題されたＩＥＥＥトランザクションズ・オン・サーキッツ・アンド・システムズ・フォア・ビデオ・テクノロジ（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｖｉｄｅｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第１０巻、第３号（２０００年４月）の論文には、球面ミラーを採用するテレビ会議システムが開示されており、色収差の低減におけるその価値が特に推奨されている。しかしながら、この論文に開示された光学システムは、視野の曲率に制約があり、視野が制限される。注目すべきはホプフ（Ｈｏｐｆ）論文に開示されたシステムは仮想イメージを提供する。しかしながら、実質的な視野の曲率に起因してその種のシステムの総合視野は約１５度以下に制限される。テレビ会議応用の場合にはその種の狭い視野も許容可能であるが、このレベルのパフォーマンスは、デスクトップ・ディスプレイ・システムにとっては有用とは言えない。
【０００５】
仮想イメージングは、パスター（Ｐａｓｔｏｏｒ）論文および第ＥＰ  ０  ７６４  ８６９  Ａ２号の中で述べられている装置内に使用されているとおり実イメージ投影の有利な代替を提供する。実イメージを形成するための従来的な投影方法とは対照的に、仮想イメージはディスプレイ表面上において形成されない。すなわち、ディスプレイ表面が仮想イメージの知覚位置に位置決めされていた場合には、その表面上にはイメージが形成されない。仮想イメージ・ディスプレイは、米国特許第５，６２５，３７２号（ヒルデブランド（Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄ）ほか）に概説されているとおり、多くの本質的な利点を有する。立体観察についての１つの有意な利点は、仮想イメージのサイズがディスプレイ表面のサイズもしくは場所によって限定されないことである。それに加えて、仮想イメージのソース・イメージは小さくてもよい。単純な例であるが、拡大鏡がその対象の仮想イメージを提供する。このように、実イメージを投影する従来技術システムとの比較から、いくらか遠くに現れるように配置される仮想イメージを形成することによって、よりリアルな観察体験が提供可能であると理解することができる。また仮想イメージの提供は、実イメージの投影時には必要となることのあるスクリーン・アーティファクトの補償の必要性もなくす。
【０００６】
概して言えば、輻輳／調節効果を最小化するため、実または仮想によらず、３−Ｄ観察システムは、観察者から比較的大きな距離で立体イメージのペアを表示する必要がある。実イメージの場合は、これが、観察者から良好な距離に好ましくは配置される大きなディスプレイ・スクリーンを使用しなければならないことを意味する。しかしながら仮想イメージの場合には、米国特許第５，９０８，３００号（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）ほか）に開示されているとおり、比較的小さい曲面ミラーを使用することができる。曲面ミラーは、コリメータとして作用し、観察者から比較的大きな距離において仮想イメージを形成する。
【０００７】
光学的観点から、瞳イメージングを使用する自動立体設計に有利であることがわかる。瞳イメージングのために設計されたシステムは、以下を含む極めて厳しい要求のセットに適合しなければならない。
（ａ）左右の瞳に別々のイメージを相応じて形成すること；
（ｂ）もっとも自然な観察状態を提供し、ゴグルまたは特殊ヘッドギアの必要性を排除すること；
（ｃ）観察者に可能最大の瞳を提供する一方、左右のビューのクロストークを抑えること；
（ｄ）妥当な動きの自由度を許容すること；
（ｅ）非常に広い視野を提供すること；および、
（ｆ）高い輝度ならびにコントラストを伴うリアルなイメージングのための充分な解像度を提供すること。
【０００８】
光学分野においては、これらの要件のそれぞれが、単独でも達成が困難となり得ることが認識されている。理想的な自動立体イメージング・システムは、より完全に満足の得られるリアルな観察体験を提供するために、これらの要件のそれぞれの課題に適合しなければならない。しかもシステムが小さいフットプリントを有するという必要性によって呈示される追加の物理的制約、およびそれぞれの目に向けられた別々のイメージが好適に離隔され、観察のために適正に分離されるように眼間分離のための寸法的制約が考慮されなければならない。ここで注意を要するが、眼間距離の制約から、単に投影レンズのスケーリングによって所定の超広角視野においてより大きな瞳直径を達成できることには限界がある。
【０００９】
瞳イメージングを使用する自動立体ディスプレイ・システムによって提供される観察体験の価値ならびにリアルな質は、広角の視野および大きな射出瞳を伴う立体３−Ｄを提供することによって強化される。完全に満足の得られる３−Ｄ観察のために、その種のシステムは、左右の目に別々の高解像度イメージを提供する必要がある。視野の深度ならびに幅のリアルな錯視を作り出すためには、観察者がいくらかの距離を置いて焦点を合わせる必要のある仮想イメージを観察者に提供する必要がある。
【００１０】
輻輳および調節に関連付けされる深度キューの間におけるコンフリクトが観察体験に悪影響を及ぼし得ることはよく知られている。輻輳は、視野内において対象の別々のイメージを融合させるために、観察者の目が交差しなければならない程度を言う。観察される対象との距離が離れるほど輻輳が減少し、最終的にはなくなる。調節は、関心対象のための網膜の焦点を維持する上で観察者の目のレンズが形状を変化させる必要条件を言う。よく知られていることであるが、観察者が、ある時間期間にわたって輻輳および調節のための調和していない深度キューにさらされると、観察者の深度知覚の一時的な低下が起こり得る。また、調節キューが遠方のイメージ位置に対応するとき、深度知覚に対する負の効果が軽減されることもよく知られている。
【００１１】
このほかにも、広い視野を提供する任意タイプの光学投影を用いるときに扱われなければならない没入システムに関する基本的な光学的制限がある。重要な制限は、ラグランジェ不変量によって課せられる。放射デバイスのサイズと開口率の積、すなわちラグランジェ不変量は、出力輝度を決定し、一方の光学システムの出力と他方の入力を調和させるための重要な考慮事項である。任意のイメージング・システムは、ラグランジェ不変量に従い、したがって瞳サイズとセミ−フィールド角の積がイメージ・サイズと開口率の積に等しい。光学システム全体に適用される不変量、すなわちラグランジェ不変量は、イメージ・ジェネレータとして比較的小さい空間光変調器もしくは、比較的小さい開口率の上に作用するより小さいピクセル配列を使用する場合には、デバイスに関連付けされるラグランジェの値が小さいことから制限となり得る。実際的な意味においては、イメージ・ソースのサイズが大きいほど、広い視野および大きな瞳を有するイメージを形成しやすい。
【００１２】
広い視野を提供する、よりリアルな自動立体ディスプレイ・ソリューションへのニーズに応答して、参照によりこれに援用される、以下’１８１特許と呼ぶ、譲受人を共通とする米国特許第６，４１６，１８１号（ケスラー（Ｋｅｓｓｌｅｒ）ほか）は、瞳イメージングを使用して、観察者に対して視準された左右の仮想イメージを表示する自動立体イメージング・システムを開示している。’１８１の開示においては、曲面ミラーがイメージング・ソース、曲面拡散表面、ボール・レンズ・アッセンブリ、およびビームスプリッタとともに採用されて、左右の観察瞳のための仮想イメージを提供する。概して言えば、’１８１開示のモノセントリックな光学装置は、大きな観察瞳、非常に広い視野を伴い、および収差が最小の自動立体イメージングを提供する。
【００１３】
’１８１開示の自動立体システムは、高いパフォーマンスの没入ディスプレイを提供するが、未だ改良実施態様の余地が残されている。たとえば、’１８１システムは大きな観察瞳を提供するが、瞳のサイズをさらに増加すると有利である。しかしながら同時に、大きな観察瞳内の目の動きが、観察瞳内における目の動きに従ってピクセルが位置シフトするように現れるいくらかの『泳ぎ』効果をもたらし得ることから、ある程度の補正が必要となり得る。それに加えて、イメージング分野において周知のとおり、イメージ視準のために曲面ミラーを採用するあらゆる光学システムには、ある程度の球面収差が概して内在する。
【００１４】
’１８１システムは、小型の空間光変調器デバイス上にそのソース・イメージを生成し、曲面拡散表面上に投影するための中間曲面イメージを形成することによって、内在的なラグランジェ不定量の条件を克服している。この拡散器を’１８１装置とともに使用することは、イメージ形成デバイス、通常、反射型ＬＣＤまたはそのほかの空間光変調器が比較的小さい、通常は１インチ平方を超えない放射デバイスであることから必須となる。しかしながら同時に、拡散表面の使用は、実質的に全体の輝度を下げ、イメージにある程度の粒状性を導入し、達成可能なコントラストを制限する。
【００１５】
そのほかにも軽微な欠点が、’１８１開示の設計アプローチを使用する自動立体ディスプレイに存在する。たとえば、’１８１の設計アプローチを使用するシステムにおいては、単一曲面ミラーの使用に起因してわずかな『キーストーン』収差が検出可能であり、さらにこの効果は、最終イメージに関して反対の向きにキーストーンを呈示する右および左のイメージによって悪化される。’１８１特許開示のボール・レンズのような球面レンズは、視野を最大化し、かつある種のイメージング収差を最小化するための全体的な利点を有するが、高度に球状の光学の使用にはいくつかの本質的な欠点が存在し、たとえば色効果の補償が必要になる。曲面イメージは、より多くの従来的な光学を使用する多くの方法で生成することが可能であり、それらは、ボール・レンズのいくつかの利点を提供しないが、自動立体システム内において中間イメージを形成するためのより安価な光学を提供できる。
【００１６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０７６４８６９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９０８，３００号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４１６，１８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、改善された輝度、向上した観察瞳寸法、抑えられたイメージ収差、および高い解像度を提供する改良された自動立体イメージング装置が必要とされていることがわかる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、改善された観察瞳サイズ、輝度、および解像度を有し、光学収差が低減された自動立体ディスプレイ・デバイスを提供することを目的とする。この目的を念頭に置いて、本発明は、左の観察瞳において観察者によって観察される左イメージ、および右の観察瞳において観察者によって観察される右イメージを包含する立体仮想イメージを観察するための自動立体光学装置を提供し、当該装置は以下を包含する。
【００１９】
本発明は、曲面拡散表面を必要とすることなく、完全鏡面反射自動立体イメージング・ディスプレイ装置を提供することを特徴とする。このことは、イメージの輝度の最適化、および以前の設計ソリューションに対して改善されたコントラストを可能にする。
【００２０】
本発明は、従来のソリューションより大きなイメージング・ディスプレイを使用して利用可能なルミナンスに係るラグランジェ不変量の制約を緩和することをその利点とする。
【００２１】
さらに本発明は、以前のソリューションに比較して向上した観察瞳サイズを提供することもその利点とする。
【００２２】
さらにまた本発明は、仮想イメージを提供するコンパクトな自動立体ディスプレイ・システムを提供することもその利点とする。
【００２３】
既述した、および、記述した以外の本発明の目的、特徴、および利点については、以下において本発明の例示的な実施態様が示されており、以下の詳細な説明を図面とともに参照することによって当業者には明らかなものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下の説明は、特に、本発明に従った装置の一部を構成するエレメント、あるいは、より直接的に協働するエレメントに向けられている。ここで、以下において特に示されていない、あるいは、説明されていないエレメントは、当業者に周知の種々の形式を取ることができることを理解する必要がある。
【００２５】
この出願の目的のため、曲面イメージとは、最良焦点が実質的な球面の形状の中にあるイメージを言う。光路は、曲面イメージがそれ自体で球状曲面となるときに最も簡単になる。たとえば扁平の平面イメージではなく、曲面中間イメージを形成し、使用することによって、本発明の光学は、ここで述べているとおり、仮想イメージを使用する瞳イメージングに好都合な種々の対称構成ならびに関係を利用する。曲面中間イメージは、完全な球面レンズもしくは球面度の高いレンズ・セグメントをはじめ、より従来的なイメージ投影光学を使用して形成することができる。
【００２６】
同様に、この詳細な説明を読むことによって明らかになる理由により、この出願において「曲面ミラー」と述べるときは、好ましくは球面であり、単一の曲率中心を有する。
【００２７】
米国特許第６，４１６，１８１号の中に述べられている従来技術の自動立体投影装置１０は、図１に示されているように、曲面ミラー２４がビームスプリッタ１６とともに採用されており、左右の観察瞳１４ｌおよび１４ｒにおいて観察者１２に自動立体仮想イメージを提供する。左右の観察瞳１４ｌおよび１４ｒに対応するイメージ生成システム７０ｌおよび７０ｒが、初期曲面中間イメージを提供する。提供された初期曲面中間イメージは、曲面ミラー２４の焦点表面に中間曲面イメージ８０を形成するべく、対応する左または右のボール・レンズ・アッセンブリ３０ｌ、３０ｒを介して投影される。図１に示されているとおり、左右の光路は、曲面ミラー２４を使用するイメージングの特性からビームスプリッタ１６と曲面ミラー２４の間において交差する。
【００２８】
図２を参照すると、前述の背景のセクションの中で記した’１８１開示のより詳細な従来技術の記述から抽出した、一方の観察瞳１４のための立体投影システム８２内における投影のための中間曲面イメージ８０を提供するためのイメージ生成システム７０の部分が示されている。これにおいてイメージ・ジェネレータ７４は、平坦な表面から、たとえば反射ＬＣＤ等からソース・イメージを提供する。中継レンズ５４は、イメージ・ジェネレータ７４からの光を拡散エレメント３２上に導く。そして、その結果、曲面中間イメージ７６が拡散表面４０上に形成される。ボール・レンズ・アッセンブリ３０は、ビームスプリッタ１６と協働して曲面中間イメージ７６を曲面ミラー２４の正面焦点表面２２に向けて投影し、中間曲面イメージ８０を形成する。曲面ミラー２４は、続いて観察瞳１４のために中間曲面イメージ８０の仮想イメージを提供する。
【００２９】
（曲面中間イメージの形成）
’１８１開示のアプローチを使用するときに必要となる拡散エレメント３２を排除するために、本発明は、鏡面反射光学システムを使用して曲面中間イメージを形成する代替方法を提供する。図３に図示するとおり、本発明の実施形態では、ほぼ球面の曲面ミラー９２によって中間イメージ９０が形成される。イメージ・ソース９４からのイメージ担持光は、中間イメージ９０の形成に利用できるイメージ・ソース９４からの光の角度を定義する開口絞り位置９６を通って曲面ミラー９２に向けて照射される。開口絞り位置９６は、曲面ミラー９２の曲率中心Ｃｓに位置する。ミラー曲率中心Ｃｓに開口絞り位置９６があることによって、Ｃｓを通る光の中心光線が反射して同一の点に向かって戻される。図３のトレース光線が示すとおり、曲面中間イメージ９０は、通常、ミラー曲率中心Ｃｓとミラーの焦点ｆの間に形成される。曲面中間イメージ９０は、ミラー曲率中心Ｃｓと異なる位置にイメージ曲率中心Ｃｉを有する。イメージ・ソース９４と曲面ミラー９２の間の距離Ｄが増加するに従って、それぞれの曲率中心ＣｉおよびＣｓも互いに向かって移動し、距離Ｄが無限大になるとそれらが一致する。イメージ・ソース９４と曲面ミラー９２の間がこの理論上の無限距離Ｄである場合には、曲面中間イメージ９０が焦点ｆ上に広がり、イメージ曲率中心Ｃｉが、曲面ミラー２４（図１）の曲率中心Ｃｓと一致することになる。
【００３０】
図３の全体的な構成を使用する場合、イメージ・ソース９４は、たとえばディスプレイＬＣＤ、ＣＲＴ、またはＯＬＥＤもしくはＰＬＥＤデバイスといった光を放射する多数のイメージ・ソースのうちのいずれとすることも可能である。イメージ・ソース９４の次の２つの特性が、特にこの構成には重要である。
（ｉ）イメージ・ソース９４上に形成されるイメージは、実質的に平坦である。ただし、ＣＲＴの場合のように、このイメージにわずかな曲率があることも許される。しかしながら図３の構成は、イメージ・ソース９４が平坦であるときに良好に働き、本発明の方法を使用して曲率を有する中間イメージ９０がどのように形成されるかを示している。ほとんどのイメージ・ディスプレイ・デバイスが平坦なイメージを形成することから、この構成のために既成ディスプレイ・コンポーネントを修正する必要はない。
（ｉｉ）イメージ・ソース９４は、直径において数インチとすることが可能であり、直径が優に１フィートを超えることもある。好ましい実施態様においては、たとえば１７インチのディスプレイ等のイメージ・ソース９４が大型ＬＣＤディスプレイである。このことは、リキッド・クリスタル・オン・シリコン（ＬＣＯＳ）またはＤＭＤコンポーネント等のマイクロディスプレイが使用される図２を参照して示したような、曲面中間イメージを形成するためのほかの装置と異なる。イメージ・ソース９４用に大型ディスプレイを使用することは、イメージ解像度ならびに輝度両方の増加のために特に有利である。
【００３１】
前述した背景のセクション内においてラグランジェ不変量に関係して述べたとおり、光学システムの輝度は、放射面積と立体角の積である。イメージ・ソース９４が大きな放射面積を有することを可能にすることによって、本発明の方法は、実質的な輝度レベルを可能にするとともに、同時に光線角度を比較的小さくすることを可能にする。光線角度が小さいことは、イメージのコントラストを最大化し、かつ色シフトおよびそのほかの関連イメージ収差を最小化する上で有利である。
【００３２】
左右の目のために別々のイメージ・ソース９４がそれぞれ使用される。理想的には、左イメージ生成システム７０ｌ用のイメージ・ソース９４および右イメージ生成システム７０ｒ用のイメージ・ソース９４が、イメージ・サイズならびに色について良好に整合する。しかしながらＣＲＴディスプレイは、イメージ・ソース９４として使用される場合に不利となることがある。ＣＲＴ間の色差は、立体イメージングのパフォーマンスを低下させることがあり得る。それに加えて、ディスプレイの経年の結果として、ＣＲＴのイメージ面積は、寸法変化することがあり、最終的に左／右のピクセルの整列ずれを招く。ＣＲＴディスプレイとは対照的に、ＬＣＤディスプレイは、寸法的安定性とともに安定したピクセル位置、容易な整列、および簡単な取り付けを提供する。
【００３３】
（理想的なボール・レンズの動作）
図４ａには、曲面イメージ５０からの光を指向するためのボール・レンズ・アッセンブリ３０の同心構成および光学的特性が示されている。中心球体レンズ４６は、メニスカス・レンズ４２および４４の間に配置されている。中心球体レンズ４６およびメニスカス・レンズ４２および４４は、光学設計分野において周知のとおり、軸上の球面および色収差の最小化が意図された屈折率および分散特性を有する。開口絞り４８は、ボール・レンズ・アッセンブリ３０内において瞳１０６を画定する。開口絞り４８は、物理的な絞りである必要はなく、それに代えて内部全反射等の光学的効果を使用して具体化することもできる。光路について言えば、開口絞り４８は、ボール・レンズ・アッセンブリ３０のための入射瞳および射出瞳を画定する。
【００３４】
好ましい実施態様においては、メニスカス・レンズ４２および４４が、イメージ収差を低減し、投影される投影イメージのためのイメージ品質を最適化するべく選択される。ここで注意しなければならないが、ボール・レンズ・アッセンブリ３０は、中心球体レンズ４６を囲む任意数のサポート・レンズを含むことが可能である。しかしながら、それらのサポート・レンズの表面は、いかに多くのサポート・レンズが使用される場合においても、中心球体レンズ４６の曲率中心Ｃｂａｌｌと共通の曲率中心を共有する。さらに、ボール・レンズ・アッセンブリ３０のレンズ・コンポーネントのために使用される屈折材料は、本発明の範囲内において種々の材料を用いることができる。たとえば、標準のガラス・レンズに加えて、中心球体レンズ４６は、プラスティック、オイルまたはそのほかの液状物質、あるいは応用の要件に合わせて選択されたこのほかの任意の屈折材料を用いることができる。メニスカス・レンズ４２および４４、および、ボール・レンズ・アッセンブリ３０内のそのほかの任意の追加のサポート・レンズは、ガラス、プラスティック、封入液体、またはそのほかの適切な屈折材料から作ることが可能であり、すべては本発明の範囲内に含まれる。そのもっとも単純な実施態様において、ボール・レンズ・アッセンブリ３０は、追加のサポート屈折コンポーネントを伴うことのない単一の球体レンズ４６だけでも構成できる。
【００３５】
理想的な動作において曲面イメージ５０は、ボール・レンズ・アッセンブリ３０と同一の曲率中心Ｃｂａｌｌを共有する。この態様で構成されるとき、曲面イメージ５０からの光が、図４ａの光線に表されているとおり、低レベルの収差を伴ってイメージされる。
【００３６】
ボール・レンズの本質的な利点を、図４ｂの断面光線図に示す。ボール・レンズは、折り返しミラーと組み合わされた半球の使用等のような修正された設計を使用して利用することができる。図４ｂにおいては、半球レンズ・アッセンブリ６０が、少なくとも、半球中心レンズ６６および半球の経線平面に沿った反射表面６２を包含する。オプションとして、１ないしは複数のメニスカス・レンズ４２を半球レンズ・アッセンブリ６０の部品とすることもできる。反射表面６２は、経線平面の全平面にわたって形成してもよく、あるいはその表面の一部に沿ってだけ形成してもよい。図４ｂに示されているとおり、半球レンズ・アッセンブリ６０は、その対象としての曲面イメージ５０から、曲面イメージ６４を形成し、同時に光路を折り返す。この構成は、たとえば光学コンポーネントのための空間が重要視されるときに利点を有する。
【００３７】
この開示の目的のため『ボール・レンズ・セグメント』という表現は、図４ａに示されているような完全に球体のボール・レンズ・アッセンブリ３０および図４ｂに示されているような半球レンズ・アッセンブリ６０の両方を包含する。
【００３８】
（イメージ生成システムの第１の実施態様）
図５を参照すると、譲受人が共通の同時係属の米国特許出願第１０／３９３，２３６号に開示されているとおりの、本発明に従った投影について曲面イメージ１１０を形成するためのイメージ生成システム１００の第１の実施態様が示されている。曲面イメージ１１０は、図１および２に示されている中間曲面イメージ８０の機能を提供する。図３を参照して説明したとおり、イメージ・ソース９４は、開口絞り位置９６を通るイメージ担持光を曲面ミラー９２に提供する。ここで図５に図示するとおり、本実施形態ではビームスプリッタ１０２が使用される。このビームスプリッタ１０２は、代替実施態様においては図４ｂに図示された半球レンズ・アッセンブリ６０にすることのできるボール・レンズ・アッセンブリ３０と、中間イメージ９０’と、が同心となるように中間イメージを方向づける。曲面ミラー９２によって、その曲率中心Ｃｓに向けて、すなわちボール・レンズ・アッセンブリ３０の曲率中心Ｃｂａｌｌに向けてではなく、光が反射されることから、光の一部がボール・レンズ・アッセンブリ３０の瞳１０６に入射せず、そのためビネッティングがもたらされる。ボール・レンズ・アッセンブリ３０の瞳１０６のオーバーフィルは、ビネッティングを補償する。ボール・レンズ・アッセンブリ３０は、中間曲面イメージ９０’を再イメージし、曲面イメージ１１０を形成する。ビームスプリッタ１０２は、図５に示されているとおり、曲面ミラー９２の頂点Ｖと、その曲率中心Ｃｓの間に配置される。
【００３９】
ここで強調しておく必要があるが、曲面ミラー９２は、図３および５に示されているとおり、中間曲面イメージ１１０を形成するためのイメージ生成システム１００の要求を満たすイメージ生成コンポーネントとして作用する。これは、ビームスプリッタ１６とともに瞳イメージングを提供し、観察者１２によって観察される最終的な仮想イメージを形成するボール・レンズ・イメージング曲面ミラー２４（図１およびそれに続く図面に示されているとおり、その後、光路内において使用される）と区別する必要がある。同様にビームスプリッタ１０２は、曲面イメージ１１０を形成するためのイメージ生成システム１００の要求を満たすイメージ生成コンポーネントとして作用し、曲面ミラー２４と協働して瞳イメージングを提供し、かつ仮想イメージを形成するビームスプリッタ１６（図１およびそれに続く図面に示されている）と区別する必要がある。
【００４０】
（イメージ生成システムの第２の実施態様）
図６には、イメージ生成システム１００の改良された実施態様が示されている。この実施形態においては、視野レンズ１１２が出力軸に沿って中間イメージ９０が形成されるところに位置決めされている。この位置に視野レンズ１１２を位置決めすることによって、中間イメージ９０が実質的に変更されない。しかしながら中間イメージ９０からの光は、ボール・レンズ・アッセンブリ３０の曲率中心Ｃｂａｌｌに向けて指向される。この場合においても、ボール・レンズ・アッセンブリ３０が中間イメージ９０と同じ曲率中心Ｃｂａｌｌを共有するが、曲面ミラー９２の曲率中心Ｃｓとは同一でなく、あるいは曲面ミラー９２からの光が指向されるイメージされた曲率中心Ｃｓ’と同一でないことを観察する必要がある。したがって視野レンズ１１２の機能は、中間イメージ９０のイメージ品質に実質的な影響を及ぼすことなくＣｓをＣｂａｌｌ上にイメージすることである。これを行うことによって、視野レンズ１１２は、ビネッティングを伴わずにボール・レンズ・アッセンブリ３０の瞳１０６を満たすために、基本的に光をリダイレクトする。
【００４１】
望遠鏡、顕微鏡、および類似の『管状』光学システムに共通するように、視野レンズは、光学分野において広く採用されており、第１のレンズのイメージ位置に配置され、そのイメージ位置に形成されるイメージが、第２のレンズの対象になる。このように視野レンズ１１２は、光学システムの全体的な輝度ならびに視野を改善する。視野レンズの使用および理論に関する背景情報は、たとえばウォーレン・Ｊ・スミス（Ｗａｒｒｅｎ  Ｊ．  Ｓｍｉｔｈ）著の『モダン・オプティカル・エンジニアリング，ザ・デザイン・オブ・オプティカル・システムズ（Ｍｏｄｅｒｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）』（マクグローヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）；ニューヨーク）の２１２〜２１３ページ、およびそのほかの光学分野において知られた教範の中に見つけることができる。
【００４２】
一実施態様においては視野レンズ１１２の表面Ｓ１がミラー曲率中心Ｃｓと同心であり、したがって主光線をＣｂａｌｌに向けて偏向しない。その種の実施態様においては、ミラー曲率中心Ｃｓと同心でない表面Ｓ２が主光線をＣｂａｌｌに向けて曲げるべく作用する。それに代えて、表面Ｓ２をミラー曲率中心Ｃｓと同心とし、表面Ｓ１に主光線をＣｂａｌｌに向けて曲げるべく作用させることもできる。表面Ｓ１もしくはＳ２のいずれかがＣｓまたはＣｂａｌｌと同心となる実施態様は、視野レンズ１１２の設計に対するもっとも単純なアプローチを表す。このほかの設計は、Ｓ１およびＳ２のいずれもミラー曲率中心ＣｓまたはＣｂａｌｌと同心としないことができるが、それらの設計はより複雑なものとなり得る。
【００４３】
図４ｂを参照して前述したとおり、半球レンズ・アッセンブリ６０の使用は、光路を単純化する上で利点を有する。図７ａを参照すると、図６の代替構成が示されており、視野レンズ１１２を伴う半球レンズ・アッセンブリ６０が使用されている。図７ａの構成においても、視野レンズ１１２がＣｓをＣｂａｌｌ上にイメージするべく作用し、それにおいてＣｂａｌｌは、光学的に半球レンズ・アッセンブリ６０の曲率中心となる。
【００４４】
（テレセントリック光の利点の提供）
引き続き図７ａを参照するが、オプションの焦点光学エレメント９８が、視野全体にわたって改良された一様な輝度を提供するために使用されている。イメージ・ソース９４の表面に対して、あるいはその表面の直近に配置された焦点光学エレメント９８は、イメージ・ソース９４から放射される光を指向するための一種の視野レンズとして作用する。図８を参照すると、焦点光学エレメント９８の機能が略図形式で示されているが、これは、イメージ・ソース９４から放射された光を、ミラー曲率中心Ｃｓに一致するその焦点ｆｏｅに、すなわちイメージ生成システムの入射瞳に指向する。これを行うことによって焦点光学エレメント９８は、イメージ・ソース９４から放出された光についてテレセントリック性を強制し、それによって開口絞り位置９６を通り光学システムに提供されるイメージの輝度ならびにコントラストが最適化される。その結果として、曲面イメージ１１０は、視野全体にわたって最適化された輝度を有する。一実施態様においては、焦点光学エレメント９８がフレネル・レンズになる。焦点光学エレメント９８として採用することのできるデバイスには、たとえばホログラフ光学エレメント、回折光学エレメント、２筒フレネル・レンズ、あるいはより従来的な曲面レンズさえも含まれる。
【００４５】
（ビームスプリッタ１０２についての考察）
図５および６に示されているとおり、ビームスプリッタ１０２は、広い角度にわたって入射光を受け入れなければならず、その結果、ビームスプリッタ１０２がガラスから作られる場合に視野の際における光線が実質的に異なる厚さのガラスと遭遇する。この理由から最小の厚さのガラスもしくはプラスティックを有するビームスプリッタ１０２を提供すると有利であることがわかる。したがってビームスプリッタ１０２は、薄いガラスもしくは薄いプラスティック・タイプまたはペリクル・タイプのビームスプリッタ・デバイスとすることができる。
【００４６】
図７ｂを参照すると、ウェッジ・ビームスプリッタ１０４を代替として使用できる。ウェッジ・ビームスプリッタ１０４は、ウェッジ・ビームスプリッタ１０４の断面プロファイルがくさび形状になるように基板の厚さが変化する。ウェッジ・ビームスプリッタ１０４の基板の厚さにおける差は、その表面にわたる光路長ならびに角度の差の補償を補助する代替解決策を提供する。イメージ生成システム１００内におけるウェッジ・ビームスプリッタ１０４の使用は、より厚い基板によって機械的にペリクルまたはより薄いビームスプリッタ１０２より脆弱でなくなることから利点を有する。
【００４７】
（立体観察のための実施態様）
図９を参照すると、自動立体ディスプレイ装置１０内の左右のイメージ生成システム１００ｌおよび１００ｒの斜視図が示されている。それぞれの目に対して表示されることになる曲面イメージを生成するタスクは、図６、７ａ、および７ｂの基本コンポーネントを使用する。左右のイメージ・ソース９４ｌおよび９４ｒは、それぞれの左右の開口絞り位置９６ｌおよび９６ｒを通り、左右のビームスプリッタ１０２ｌおよび１０２ｒによって反射されたイメージからの光を、それぞれの左右の曲面ミラー９２ｌおよび９２ｒに提供する。それぞれの左右の曲面中間イメージは、それぞれの左右のビームスプリッタ１０２ｌおよび１０２ｒを介してそれぞれの左右の視野レンズ１１２ｌおよび１１２ｒの近傍に形成され、それが光をそれぞれの左右のボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒにリダイレクトする。左右のボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒは、図９の構成においては基本的に半球であり、図４ｂに示されている半球レンズ・アッセンブリ６０に類似である。左右のボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒには、左右の反射表面１３２ｌおよび１３２ｒが備わり、曲面ミラー２４に向けた光路の折り返しならびに中間イメージの投影という二重の機能を実行する。図９の構成を用いると、各イメージ生成システム１００ｌおよび１００ｒが、左右の観察瞳１４ｌおよび１４ｒに意図された適切なイメージを生成することが可能であり、観察瞳は、通常、５ｍｍから６０ｍｍの間のサイズにわたる。左右の観察瞳１４ｌおよび１４ｒは、眼間距離によって離隔され、通常それは５５ｍｍから７５ｍｍまでの間の範囲となる。左右の目のイメージ生成システム１００ｌおよび１００ｒによって生成される曲面イメージは、大型の曲面ミラー２４を使用する視準のために左右の曲面イメージ１１０ｌおよび１１０ｒを形成し、米国特許第６，４１６，１８１号に開示されているとおりの態様で、ビームスプリッタ１６との協働によって左右の観察瞳１４ｌおよび１４ｒの位置に仮想イメージを提供する。図１に戻って参照すると、たとえば図７ａおよび７ｂの曲面イメージ１１０は、図１の中間曲面イメージ８０に対応する。
【００４８】
（左右のミラーを使用する立体観察のための代替実施態様）
図９に示されている実施態様は、左右両方の仮想イメージを形成するために単一の曲面ミラー２４をビームスプリッタ１６とともに使用する。図１６の代替実施態様においては、どのようにすれば図９に関して説明したものと同じ左右の目のイメージ生成システム１００ｌおよび１００ｒを使用する自動立体ディスプレイ装置１０が、それぞれの対応する観察瞳１４ｌおよび１４ｒに１つずつ、左右別々の曲面ミラー２４ｌおよび２４ｒを採用できるかについて示している。図１６の代替構成は、左右それぞれのボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒがそれぞれの対応する曲面ミラー２４ｌおよび２４ｒの軸上に配置できることから、単一の曲面ミラー２４を使用する図９の構成より有利である。これに対して図９の構成においては、左右のボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒが、単一の曲面ミラー２４の光軸のいずれかの側にわずかにオフセットされる。これは、それぞれの光路内にわずかなキーストーン収差をもたらす。不都合なことに左右のイメージに関するキーストーン効果は方向が逆であり、視野の際に表示されるイメージの質を低下させる。ある程度は、イメージ・データをあらかじめひずませることによって電子的にこの効果の補正あるいは緩和も可能である。
【００４９】
左右の曲面ミラー２４ｌおよび２４ｒを使用する、図１６に示したような設計は、軸上イメージングを可能にし、キーストーン効果の最小化もしくは除去を行う。しかしながら、複数のミラーを使用する設計は、機械的配置の制約に起因して欠点となり得る。何らかの障害物を伴うことなく、かつその結果としての視野幅の縮小を伴うことなく左右両方の曲面ミラー２４ｌならびに２４ｒおよびビームスプリッタ１６を配置することは困難である。別の設計考慮事項は、左右のボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒの相対的な位置決めに関する。デュアル曲面ミラー２４ｌおよび２４ｒを使用する、左右両方のボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒに関する位置決めの制約は、イメージング支持コンポーネントのための空間要件を緩和し、ボール・レンズ・セグメント１３０のコンポーネント・サイズを比較的大きくすることを可能にし、より大きな観察瞳１４を提供することによっていくぶん緩和することが可能である。それとは対照的に図９の実施態様は、ボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒが互いに近接して配置されることを必要とするが、同時によりコンパクトな設計を可能にする。
【００５０】
図１の従来技術構成および図９の構成を用いて仮想イメージを形成するために使用される一般的な原理と同一の原理は、イメージング分野の当業者によって認識されるとおり、左右別々のイメージ・パスのために必要な修正を伴って、図１６のデュアル・ミラー構成にも適用できる。たとえば、左右の曲面イメージ１１０ｌおよび１１０ｒが、仮想イメージングを提供するために、左右の曲面ミラーの焦点表面上にそれぞれ形成される。
【００５１】
（イメージ生成システム１００の広いレンジを使用する代替実施態様）
図９および１６に示したボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒは、対応する光学的な曲率を有する左右の曲面中間イメージ１１０ｌおよび１１０ｒを提供するが、イメージ形成光学システムのより広いレンジを、この目的のために使用することができる。たとえば、より低コストの従来の投影光学を展開し、イメージング・パフォーマンスをいくらか犠牲にして妥当に良好な曲率を有する中間の左右の曲面イメージ１１０ｌおよび１１０ｒを形成することができる。たとえば図１７を参照すると、より従来的な投影光学を左右のイメージ生成システム１００ｌおよび１００ｒ用に使用するコンポーネントの構成が示されている。
【００５２】
図１７に示す左右のイメージ生成システム１００ｌおよび１１０ｒ、左右の曲面ミラー２４ｌおよび２４ｒ、およびビームスプリッタ１６によって提供される瞳の配置についての理想的な空間関係は、以下を含む。
（ｉ）左曲面ミラー２４ｌの曲率中心Ｃ２４ｌが、左イメージ生成システム１００ｌの射出瞳と光学的に一致すること；
（ｉｉ）右曲面ミラー２４ｒの曲率中心Ｃ２４ｒが、右イメージ生成システム１００ｒの射出瞳と光学的に一致すること；
（ｉｉｉ）左曲面ミラー２４ｌの曲率中心Ｃ２４ｌおよび右曲面ミラー２４ｒの曲率中心Ｃ２４ｒが、左右の観察瞳１４ｌおよび１４ｒの間における眼間距離によって離隔されること；
（ｉｖ）左観察瞳１４ｌが、光学的に左曲面ミラー２４ｌの曲率中心Ｃ２４ｌに存在すること；
（ｖ）右観察瞳１４ｒが、光学的に右曲面ミラー２４ｒの曲率中心Ｃ２４ｒに存在すること；
（ｖｉ）左曲面イメージ１１０ｌが、光学的に左観察瞳１４ｌに中心決めされており、かつ左曲面ミラー２４ｌの焦点平面に存在すること；および
（ｖｉｉ）右曲面イメージ１１０ｒが、光学的に右観察瞳１４ｒに中心決めされており、かつ右曲面ミラー２４ｒの焦点平面に存在すること。
【００５３】
この光学コンポーネントの空間的構成を用いると、左イメージ生成システム１００ｌの射出瞳の実イメージおよび左曲面イメージ１１０ｌの仮想イメージが左観察瞳１４ｌに形成される。相応じて右イメージ生成システム１００ｒの射出瞳の実イメージおよび右曲面イメージ１１０ｒの仮想イメージが右観察瞳１４ｒに形成される。
【００５４】
ここで強調しておかなければならないが、上記の（ｉ）〜（ｖｉｉ）にリストした関係は、理想的な空間的関係である。最適瞳イメージングは、（ｉ）〜（ｖｉｉ）の要件が満たされるときに得られる。実際上は、観察瞳１４ｌおよび１４ｒが観察者にとって適切な位置に形成される限り、ある程度の許容誤差の受け入れが可能である。
【００５５】
（球面収差の補正）
図４ａを参照して前述したとおり、ボール・レンズ・アッセンブリ３０がある程度の収差を呈することは避けられず、そのほとんどは、中心レンズ４６をメニスカス・レンズ４２および４４とともに使用することによって補正される。図１０は、好ましい実施態様のボール・レンズ・アッセンブリ３０について、２０ｍｍの瞳に関する接線およびサジタル収差曲線１５０を示したものであり、有意の量の補正が示されている。
【００５６】
しかしながら、より高次の収差に起因する残留球面収差の結果として、未だ観察瞳１４ｌおよび１４ｒのサイズがいくぶん制限される。この残留収差に起因して観察瞳１４ｌおよび１４ｒ内の観察者１２の目の動きが、ある程度のイメージの『泳ぎ』をもたらし得る。
【００５７】
球面収差は、凹面鏡を採用する、たとえば天体望遠鏡等の光学システムにおける認識済みの問題である。このタイプの収差を補償するために、シュミット光学システムは、ウォーレン・Ｊ・スミス（Ｗａｒｒｅｎ  Ｊ．  Ｓｍｉｔｈ）著の『モダン・オプティカル・エンジニアリング，ザ・デザイン・オブ・オプティカル・システムズ（Ｍｏｄｅｒｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）』（前出）の３９３〜３９４に述べられているように、非球面補正プレートを採用している。シュミット・システムにおいては、薄い非球面の補正プレートが曲面ミラーの曲率中心に位置決めされる。
【００５８】
図１１および１２の収差曲線１５０を比較すると、類似のイメージング状態および３２ｍｍの瞳について、シュミット・ソリューションの使用による改善が容易に理解できる。図１１は、高次の残留収差に起因する球面収差の補正を伴わない図６の光学的構成に対応する。図１２は図１３の光学構成に対応する。
【００５９】
図１３は、曲面ミラー９２の曲率中心の近傍に配置される非球面補正エレメント１４０を使用するイメージ生成システム１００について、簡略化した光路を表した側面図を示している。イメージ・ソース９４からの光は、曲面ミラー９２の曲率中心に対して光学的共役をなす非球面補正エレメント１４０を通って指向される。曲面ミラー９２によって形成される曲面中間イメージは、視野レンズ１１２の近傍にあり、それがその光をボール・レンズ・セグメント１３０に指向する。ボール・レンズ・セグメント１３０は、曲面ミラー２４（図１３には図示せず）のための曲面イメージ１１０を生成する。
【００６０】
非球面補正エレメント１４０を曲面ミラー９２の曲率中心の近傍に配置することは、実質的に非球面補正エレメント１４０をボール・レンズ・セグメント１３０の瞳内にイメージする。言い換えれば、補正エレメント１０４とボール・レンズ・セグメント１３０の瞳は、光学的共役をなす。このことは、非球面補正エレメント１４０が、全視野にわたって実質的な補正を提供することを可能にする。その結果、図１４の収差曲線１５０に示されるとおり、最小の収差を伴って瞳サイズを５０ｍｍまで増加することが可能になる。例として示すが、図１５は、好ましい実施態様における非球面補正エレメント１４０として補正プレート用の非球面表面に求められるサグを示す。
【００６１】
代替実施態様においては、非球面補正エレメント１４０を、色収差をはじめ球面収差を補正する複合レンズとすることができる。その種の構成は、単一コンポーネントの非球面補正エレメント１４０の設計より多くの複雑性を必要とすることになるが、ボール・レンズ・セグメント１３０の設計要件を簡素化する。たとえば、複合レンズが非球面補正エレメント１４０のために使用される場合には、ボール・レンズ・セグメント１３０として単一エレメントだけの使用が可能になることがある。
【００６２】
視野レンズ１１２は、異なる曲率、組成、またはコーティングを有してこれに示されているより複雑にすることができる。イメージ・ソース９４は、一実施態様においては透過型ＬＣＤとなるが、フィルム、ＣＲＴ、ＬＣＤ、およびディジタル・イメージング・デバイスを含む多くのタイプのイメージ・ソースのいずれとすることも可能である。イメージ・ソース９４は、たとえば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アレイ等の放射アレイとすることができる。モノセントリックなイメージングの利点を利用するために、ほとんどの実施態様においては曲面ミラー９２が実質的な球面となる。しかしながら、支持光学およびオプションの非球面補正エレメント１４０に対する対応する変更を伴って、いくつかのわずかな形状修正が使用されることがある。ボール・レンズ・アッセンブリ３０もしくは半球レンズ・アッセンブリ６０のいずれも、左右両方もしくはいずれかのイメージ生成システムのためのボール・レンズ・セグメントとして機能提供することができる。左右別々の曲面ミラー２４を使用して、左右のボール・レンズ・セグメント１３０ｌおよび１３０ｒの軸外位置決めの結果として生じ得る望ましくない『キーストーン』効果を低減し、各観察瞳１４ｌおよび１４ｒのイメージ品質を改善することができる。曲面ミラー２４は、多くの異なる材料を使用し、高反射表面として製造することが可能である。
【００６３】
以上のとおり、改良された輝度、瞳サイズ、および解像度を有する自動立体イメージ・ディスプレイのための装置および方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
この明細書は、本発明の内容を個々に指摘し、かつ明確に主張している特許請求の範囲によって結論付けられるが、添付図面とともに参照される以下の説明からより良好な理解が得られると確信する。
【図１】瞳イメージングを使用して仮想イメージを提供する従来技術の自動立体ディスプレイ・システムを示した説明図である。
【図２】図１の従来技術システムのためのイメージ生成システムのコンポーネントの詳細図である。
【図３】本発明の装置内に中間イメージが形成される方法を示した概略図である。
【図４ａ】ボール・レンズの光学的な振る舞いを示した概略図である。
【図４ｂ】反射表面を伴う半球レンズの光学的な振る舞いを示した概略図である。
【図５】曲面中間イメージを形成するための本発明に従った装置を示した概略図である。
【図６】視野レンズを使用して曲面イメージを形成するための本発明に従った代替実施態様を示した概略図である。
【図７ａ】焦点光学エレメント使用し、かつ従来の薄いビームスプリッタを使用して曲面中間イメージを形成するための本発明に従った代替実施態様を示した概略図である。
【図７ｂ】焦点光学エレメント使用し、かつウェッジ・ビームスプリッタを使用して曲面中間イメージを形成するための本発明に従った代替実施態様を示した概略図である。
【図８】イメージング・パス内における図７ａおよび７ｂの焦点光学エレメントの全体的な機能を示した概略図である。
【図９】本発明の自動立体ディスプレイ・システムにおける瞳イメージングのためのコンポーネント構成を示した斜視図である。
【図１０】本発明の装置のボール・レンズ・アッセンブリに関する補正後の収差曲線を示したグラフである。
【図１１】本発明の装置の曲面イメージ生成光学システムに関する補正未済の収差曲線を示したグラフである。
【図１２】本発明の装置の曲面イメージ生成光学システムに関する補正後の収差曲線を示したグラフである。
【図１３】非球面補正エレメントを使用する簡略化されたイメージ・パスを示した概略図である。
【図１４】より大きい観察瞳を獲得するために非球面補正エレメントを使用する補正後の収差曲線を示したグラフである。
【図１５】図１４に示されている改善を提供する非球面表面に関するサグ・プロファイルを示したグラフである。
【図１６】左右の瞳について別々のミラーを使用する本発明の代替実施態様における瞳イメージングのためのコンポーネントの構成を示した斜視図である。
【図１７】中間イメージを提供する代替イメージング・コンポーネントを使用し、かつ左右の瞳について別々のミラーを使用する本発明の別の代替実施態様を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  自動立体ディスプレイ装置、１２  観察者、１４  観察瞳、１４ｌ  左観察瞳、１４ｒ  右観察瞳、１６  ビームスプリッタ、２２  正面焦点表面、２４  曲面ミラー、２４ｌ  曲面ミラー、左、２４ｒ  曲面ミラー、右、３０  ボール・レンズ・アッセン
ブリ、３０ｌ  ボール・レンズ・アッセンブリ、左、３０ｒ  ボール・レンズ・アッセンブリ、右、３２  拡散エレメント、４０  拡散表面、４２  メニスカス・レンズ、４４  メニスカス・レンズ、４６  中心球体レンズ、４８  開口絞り、５０  曲面イメージ、
５４  中継レンズ、６０  半球レンズ・アッセンブリ、６２  反射表面、６４  曲面イメージ、６６  半球中心レンズ、７０  イメージ生成システム、７０ｌ  左イメージ生成システム、７０ｒ  右イメージ生成システム、７４  イメージ・ジェネレータ、７６  曲面
中間イメージ、８０  中間曲面イメージ、８２  立体投影システム、９０  中間イメージ、９０'  中間イメージ、９２  曲面ミラー、９２ｌ  左曲面ミラー、９２ｒ  右曲面ミラー、９４  イメージ・ソース、９４ｌ  左イメージ・ソース、９４ｒ  右イメージ・ソース、９６  開口絞り位置、９６ｌ  左開口絞り位置、９６ｒ  右開口絞り位置、９８  焦点光学エレメント、１００  イメージ生成システム、１００ｌ  左イメージ生成システム、１００ｒ  右イメージ生成システム、１０２  ビームスプリッタ、１０２ｌ  左ビームスプリッタ、１０２ｒ  右ビームスプリッタ、１０４  ウェッジ・ビームスプリッタ、１０６  ボール・レンズ瞳、１１０  曲面イメージ、１１０ｌ  左曲面イメージ、１１０ｒ  右曲面イメージ、１１２  視野レンズ、１１２ｌ  左視野レンズ、１１２ｒ  右視野
レンズ、１３０  ボール・レンズ・セグメント、１３０ｌ  左ボール・レンズ・セグメント、１３０ｒ  右ボール・レンズ・セグメント、１３２ｌ  左反射表面、１３２ｒ  右反射表面、１４０  非球面補正エレメント、１５０  収差曲線。
【図１】
2007505357.tif 000003
【図２】
2007505357.tif 000004
【図３】
2007505357.tif 000005
【図４ａ】
2007505357.tif 000006
【図４ｂ】
2007505357.tif 000007
【図５】
2007505357.tif 000008
【図６】
2007505357.tif 000009
【図７ａ】
2007505357.tif 000010
【図７ｂ】
2007505357.tif 000011
【図８】
2007505357.tif 000012
【図９】
2007505357.tif 000013
【図１０】
2007505357.tif 000014
【図１１】
2007505357.tif 000015
【図１２】
2007505357.tif 000016
【図１３】
2007505357.tif 000017
【図１４】
2007505357.tif 000018
【図１５】
2007505357.tif 000019
【図１６】
2007505357.tif 000020
【図１７】
2007505357.tif 000021
【国際調査報告】
2007505357.tif 000022
2007505357.tif 000023
2007505357.tif 000024