(57)【要約】  左側ビューイング瞳（１４ｌ）で視聴者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳（１４ｒ）で視聴者によって見られるべき右側画像とを含む、立体画像を見るための自動立体光学装置（１０）。左側画像生成システム（７０ｌ）は、湾曲鏡（２４）の焦点面（２２）の付近に左側湾曲中間画像を形成し、右側画像生成システム（７０ｒ）は、湾曲鏡の焦点面の付近に右側中間画像を形成する。湾曲鏡の曲率中心は、左側光学系（１１０ｌ）の出射瞳と右側光学系（１１０ｒ）の出射瞳との間の実質的に光学的に中途に配置される。ビームスプリッタが、湾曲鏡の焦点面と曲率中心との間に配置される。
2008501998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側画像とを含む、立体画像を見るための自動立体光学装置であって、
（ａ）湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するための左側画像生成システムであり、
（ｉ）左側源画像を形成するための左側画像源と、
（ｉｉ）該左側画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、前記左側湾曲中間画像を形成するよう、前記収集された光を配向するための左側画像折畳み面とを含む左側光学系であり、前記左側湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する左側光学系と、
を含む左側画像生成システムと、
（ｂ）前記湾曲鏡の前記焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するための右側画像生成装置であり、
（ｉ）右側源画像を形成するための右側画像源と、
（ｉｉ）該右側画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、前記右側湾曲中間画像を形成するよう、前記収集された光を配向するための右側画像折畳み面とを含む右側光学系であり、前記右側湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する右側光学系と、
を含む右側画像生成装置と、
（ｃ）前記左側光学系の前記出射瞳と前記右側光学系の前記出射瞳との間の実質的に光学的に中途に配置された前記湾曲鏡の前記曲率中心と、
（ｄ）前記湾曲鏡の前記鏡面と前記曲率中心との間に配置されたビームスプリッタとを含み、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記左側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記左側光学系の前記出射瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記湾曲鏡の背後に現れるべき前記左側湾曲中間画像の画像と、
を含むビームスプリッタと、
を形成するよう協働し、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記右側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記右側光学系の前記出口瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記湾曲鏡の背後に現れるべき前記右側湾曲中間画像の画像と、
を形成するようさらに協働する、
自動立体光学装置。
【請求項２】
前記左側画像源は、プロジェクタ、ＣＲＴ、発光配列、ＬＣＤディスプレイ、及び、ＯＬＥＤから構成される群から取られる、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項３】
前記左側画像折畳み表面と光学的に結合されるプリズムをさらに含む、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項４】
前記左側画像折畳み面は、前記左側光学系の開口絞りに実質的に配置される、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項５】
前記左側光学系の前記開口絞り及び前記出射瞳は、４ｍｍよりもさらに離れる、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項６】
前記左側光学系の前記出力レンズの直径は、６５〜２００ｍｍの範囲内にある、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項７】
前記左側画像折畳み面は鏡である、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項８】
前記左側源画像及び前記右側源画像の少なくとも一方は、光学ひずみを補正するために事前にひずまされる、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項９】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側仮想画像とを含む、立体画像を見るための自動立体光学装置であって、
（ａ）湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するための左側画像生成システムであり、
（ｉ）左側源画像を形成するための左側画像源と、
（ｉｉ）該左側画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、前記左側湾曲中間画像を形成するよう、前記収集された光を配向するための左側画像折畳み面とを含む左側光学系であり、前記左側湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する左側光学系と、
を含む左側画像生成システムと、
（ｂ）前記湾曲鏡の前記焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するための右側画像生成装置であり、
（ｉ）右側源画像を形成するための右側画像源と、
（ｉｉ）該右側画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、前記右側湾曲中間画像を形成するよう、前記収集された光を配向するための右側画像折畳み面とを含む右側光学系であり、前記右側湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する右側光学系と、
を含む右側画像生成装置と、
（ｃ）前記左側光学系の前記出射瞳と前記右側光学系の前記出射瞳との間の実質的に光学的に中途に配置された前記湾曲鏡の前記曲率中心と、
（ｄ）前記湾曲鏡の前記鏡面と前記曲率中心との間に配置されたビームスプリッタとを含み、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記左側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記左側光学系の前記出射瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記左側湾曲中間画像の仮想画像と、
を形成するよう協働し、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記右側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記右側光学系の前記出口瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記右側湾曲中間画像の仮想画像と、
を形成するようさらに協働する、
自動立体光学装置。
【請求項１０】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側画像とを含む、立体仮想画像を見るための自動立体光学装置であって、
（ａ）左側画像生成システム及び右側画像生成システムであり、
各画像生成システムは、
（ｉ）源画像を形成するための画像源と、
（ｉｉ）該画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、湾曲中間画像を形成するよう、前記収集された光を配向するための画像折畳み面とを含み、
前記光学系は、前記湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する、
左側画像生成システム及び右側画像生成システムと、
（ｂ）左側湾曲鏡の焦点面の付近に前記左側画像生成システムの前記湾曲中間画像を形成するために並びに右側湾曲鏡の焦点面の付近に前記右側画像生成システムの前記湾曲中間画像を形成するために配置されたビームスプリッタとを含み、
前記左側湾曲鏡は、前記左側画像生成システムのための前記左側光学系の前記出射瞳と実質的に一致する曲率中心を有し、
前記右側湾曲鏡は、前記右側画像生成システムのための前記右側光学系の前記出射瞳と実質的に一致する曲率中心を有し、
前記ビームスプリッタは、前記左側ビューイング瞳に、前記左側画像生成システムのための前記左側光学系の前記出射瞳の実画像と、前記左側湾曲鏡の背後にあるように見える前記左側画像生成システムによって形成される前記湾曲中間画像の画像とを形成するよう、前記左側湾曲鏡と協働し、
前記ビームスプリッタは、前記右側ビューイング瞳に、前記右側画像生成システムのための前記光学系の前記瞳の画像と、前記右側湾曲鏡の背後にあるように見える前記右側画像生成システムによって形成される前記湾曲中間画像の画像とを形成するよう、前記右側湾曲鏡と協働する、
自動立体光学装置。
【請求項１１】
前記画像源は、プロジェクタ、ＣＲＴ、発光配列、ＬＣＤディスプレイ、及び、ＯＬＥＤから構成される群から取られる、請求項１０に記載の自動立体光学装置。
【請求項１２】
前記画像生成システムの前記画像折畳み表面と光学的に結合されるプリズムをさらに含む、請求項１０に記載の自動立体光学装置。
【請求項１３】
前記画像折畳み表面は、前記光学系の前記開口絞りに実質的に配置される、請求項１０に記載の自動立体光学装置。
【請求項１４】
前記光学系の前記開口絞り及び前記出射瞳は、４ｍｍより遠くに離れている、請求項１０に記載の自動立体光学装置。
【請求項１５】
前記光学系の前記出力レンズの直径は、６５〜２００ｍｍの範囲内にある、請求項１０に記載の自動立体光学装置。
【請求項１６】
前記画像折畳み面は鏡である、請求項１０に記載の自動立体光学装置。
【請求項１７】
前記源画像は、光学的ひずみを補正するために、事前にひずまされている、請求項１０に記載の自動立体光学装置。
【請求項１８】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側仮想画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側仮想画像とを含む、立体仮想画像を見るための自動立体光学装置であって、
（ａ）左側画像生成システム及び右側画像生成システムであり、
各画像生成システムは、
（ｉ）源画像を形成するための画像源と、
（ｉｉ）該画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、湾曲中間画像を形成するよう、前記収集された光を配向するための画像折畳み表面とを含み、
前記光学系は、前記湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する、
左側画像生成システム及び右側画像生成システムと、
（ｂ）左側湾曲鏡の焦点面の付近に前記左側画像生成システムの前記湾曲中間画像を形成するために並びに右側湾曲鏡の焦点面の付近に前記右側画像生成システムの前記湾曲中間画像を形成するために配置されたビームスプリッタとを含み、
前記左側湾曲鏡は、前記左側画像生成システムのための前記左側光学系の前記出射瞳と実質的に一致する曲率中心を有し、
前記右側湾曲鏡は、前記右側画像生成システムのための前記右側光学系の前記出射瞳と実質的に一致する曲率中心を有し、
前記ビームスプリッタは、前記左側ビューイング瞳に、前記左側画像生成システムのための前記左側光学系の前記出射瞳の実画像と、前記左側画像生成システムによって形成される前記湾曲中間画像の仮想画像とを形成するよう、前記左側湾曲鏡と協働し、
前記ビームスプリッタは、前記右側ビューイング瞳に、前記右側画像生成システムのための前記光学系の前記瞳の画像と、前記右側画像生成システムによって形成される前記湾曲中間画像の仮想画像とを形成するよう、前記右側湾曲鏡と協働する、
自動立体光学装置。
【請求項１９】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側画像とを含む自動立体画像を形成する方法であって、
（ａ）湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）左側画像源から左側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記左側湾曲中間画像を形成するために、前記左側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳むことによって、前記出射瞳を、前記左側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化するステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップと、
（ｂ）湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）右側画像源から右側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記右側湾曲中間画像を形成するために、前記右側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳むことによって、前記出射瞳を、前記右側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化するステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップとを含み、
前記湾曲鏡の前記曲率中心は、前記左側光路の前記出射瞳と前記右側光路の前記出射瞳との間の実質的に光学的に中途にあり、
（ｃ）前記湾曲鏡の前記湾曲面と前記曲率中心との間にビームスプリッタを配置するステップを含み、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記左側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記左側プリズムの前記瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記湾曲鏡の背後にあるように見える前記左側湾曲中間画像の画像と
を形成するよう協働し、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記右側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記右側プリズムの前記瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記湾曲鏡の背後にあるように見える前記右側湾曲中間画像の画像と
を形成するようさらに協働する、
自動立体画像を形成する方法。
【請求項２０】
前記左側源画像を形成するステップは、ＬＣＤを変調するステップを含む、請求項１９に記載の自動立体画像を形成する方法。
【請求項２１】
前記左側源画像を形成するステップは、発光ディスプレイを励起するステップを含む、請求項１９に記載の自動立体画像を形成する方法。
【請求項２２】
前記左側源画像を形成するステップは、ＣＲＴを励起するステップを含む、請求項１９に記載の自動立体画像を形成する方法。
【請求項２３】
前記左側源画像を形成するステップは、ＯＬＥＤを励起するステップを含む、請求項１９に記載の自動立体画像を形成する方法。
【請求項２４】
前記左側源画像を形成するステップは、画像を投影するステップを含む、請求項１９に記載の自動立体画像を形成する方法。
【請求項２５】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側画像とを含む自動立体仮想画像を形成する方法であって、
（ａ）湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）左側画像源から左側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記左側湾曲中間画像を形成するために、前記左側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳むことによって、前記出射瞳を、前記左側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化するステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップと、
（ｂ）湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）右側画像源から右側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記右側湾曲中間画像を形成するために、前記右側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳むことによって、前記出射瞳を、前記右側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化するステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップとを含み、
前記湾曲鏡の前記曲率中心は、前記左側光路の前記出射瞳と前記右側光路の前記出射瞳との間の実質的に光学的に中途にあり、
（ｃ）前記湾曲鏡の前記湾曲面と前記曲率中心との間にビームスプリッタを配置するステップを含み、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記左側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記左側プリズムの前記瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記左側湾曲中間画像の仮想画像と
を形成するよう協働し、
前記湾曲鏡及び前記ビームスプリッタは、前記右側ビューイング瞳に、
（ｉ）前記右側プリズムの前記瞳の実画像と、
（ｉｉ）前記右側湾曲中間画像の仮想画像と
を形成するようさらに協働する、
自動立体画像を形成する方法。
【請求項２６】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側画像とを含む自動立体画像を形成する方法であって、
（ａ）湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）左側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記左側湾曲中間画像を形成するために、前記左側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳み、前記出射瞳を、前記左側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化し、前記左側湾曲鏡の前記曲率中心を、前記出射瞳と実質的に一致させるステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップと、
（ｂ）湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）右側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記右側湾曲中間画像を形成するために、前記右側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳み、前記出射瞳を、前記右側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化し、前記右側湾曲鏡の前記曲率中心を、前記出射瞳と実質的に一致させるステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップと、
（ｃ）前記左側ビューイング瞳に、前記左側画像生成システムのための前記光学系の前記瞳の実画像を形成し、且つ、前記右側ビューイング瞳に、前記右側画像生成システムのための前記光学系の前記瞳の実画像を形成するために、ビームスプリッタを配置するステップとを含む、
自動立体画像を形成する方法。
【請求項２７】
左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で前記観察者によって見られるべき右側画像とを含む自動立体仮想画像を形成する方法であって、
（ａ）湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）左側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記左側湾曲中間画像を形成するために、前記左側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳み、前記出射瞳を、前記左側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化し、前記左側湾曲鏡の前記曲率中心を、前記出射瞳と実質的に一致させるステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するステップと、
（ｂ）湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップであり、
（ｉ）右側源画像を形成するステップと、
（ｉｉ）前記右側湾曲中間画像を形成するために、前記右側画像源から光を収集し、反射面で光路を折り畳み、前記出射瞳を、前記右側中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化し、前記右側湾曲鏡の前記曲率中心を、前記出射瞳と実質的に一致させるステップとを含む、
湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するステップと、
（ｃ）前記左側ビューイング瞳に、前記左側画像生成システムのための前記光学系の前記瞳の実画像を形成し、且つ、前記右側ビューイング瞳に、前記右側画像生成システムのための前記光学系の前記瞳の実画像を形成するために、ビームスプリッタを配置するステップとを含む、
自動立体画像を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、ディスプレイ装置に関し、より詳細には、コスト改良及びサイズ減少を伴う、広い視野、大きな左右ビューイング瞳、及び、高輝度をもたらす自動立体ディスプレイのための画像発生装置に関する。
【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、広範囲のデータ視覚化使用のため、並びに、娯楽、光学、医療、政府、安全、及び、シミュレーション分野を含む広範囲の用途のために高く評価されている。自動立体ディスプレイシステムは、極めて広い視野を有する三次元（３Ｄ）画像で観察者を仮想的に取り囲むことによって、観察者のために現実的なビューイング経験をもたらすことが意図される「浸入」システムを含む。それを含む大きな群の自動立体ディスプレイから区別されるとき、自動立体ディスプレイは、例えば、ゴーグル、ヘッドギヤ、又は、特殊な偏光若しくはフィルタメガネのような、如何なる種類の装着可能アイテムのために如何なる要求も存在しないことを特徴とする。換言すれば、自動立体ディスプレイは、観察者のために「自然な」ビューイング条件を提供することを試みる。
【０００３】
Ｓｉｅｇｍｕｎｄ  Ｐａｓｔｏｏｒ及びＭａｔｈｉａｓ  ＷｏｐｋｉｎｇによるＤｉｓｐｌａｙｓ  １７  （１９９７）中の「３Ｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ：  Ａ  ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」と題する論文は、１人又はそれよりも多くの視聴者のための自動立体ディスプレイ画像を得るために適用される様々なアプローチを概観している。Ｐａｓｔｏｏｒ  ｅｔ  ａｌ．中に記載された多くの技法の中でも、関心事は、自動立体プレゼンテーションのための電子ホログラフィー、容積ディスプレイ、方向多重化、回折ベース、屈折ベース、及び、反射ベースの方法である。これらの技法のそれぞれは、１つ又はそれよりも多くの具体的な用途において長所を有し得るが、これらのアプローチは、有用性及び全体的性能を制約する多くの特徴的な欠点を有する。集団的に、これらの従来的なアプローチは、自動立体ディスプレイのために適合されたが、狭い視野のみを許容し、限定的な輝度及び不十分なコントラストをもたらす。左右眼画像を正しい順序で或いは必要な空間的分離を伴ってもたらすために、時間ベース或いは空間的な多重化を利用する結像システムは、複合的な画像処理アルゴリズムを必要とする。時間ベース多重化は、画像ちらつきの固有の問題を導入する。空間的多重化は、一般的に、低減された解像度を有する画像を生成する。これらの多重化技法を組み合わせることは、欧州特許出願第７６４８６９Ａ２号（Ｅｚｒａ  ｅｔ  ａｌ．）に開示されるように、増大された数のビューをもたらし得るが、これらの固有の問題を補償しない。多数の多重化技法は、ビュー眼位置のトラッキング及び首位置の変化の補償も必要とする。さらなる不利点として、Ｐａｓｔｏｏｒ  ｅｔ  ａｌ．論文中に記載されるそれぞれの結像技法は、仮想画像というよりもむしろ実画像を視聴者に提示し、区別は引き続きより詳細に記載される。
【０００４】
Ｋａｌｕｓ  ＨｏｐｆによるＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｖｉｄｅｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｖｏｌ．  １０，  Ｎｏ．  ３，  Ａｐｒｉｌ，  ２０００中の「Ａｎ  Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  Ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ  Ｖｉｅｗｉｎｇ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ａ  Ｈｉｇｈ  Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ」と題する論文において、球面鏡を利用するテレビ会議システムが開示され、色収差を削減することにおけるその価値に関して、特に推奨されている。しかしながら、この論文中に開示される光学系は、像面湾曲制約に晒され、その視野を制限する。顕著に、Ｈｏｐｆ論文中に記載される光学系は、仮想画像を提供する。しかしながら、大幅な側面湾曲の故に、そのような光学系の全視野は、約１５度未満に限定される。そのような狭い視野はテレビ会議の用途には受容可能であり得るが、このレベルの性能はデスクトップディスプレイシステムには有用ではない。
【０００５】
実画像を形成するために湾曲反射面を使用する三次元（３Ｄ）結像システムは既知である。例えば、米国特許第３，４４７，８５４号（Ｍｉｎｔｅｒ）は、別個の左眼及び右眼画像のためのビューイング瞳の位置をシフトするための視野レンズとして作用する湾曲鏡を利用する３Ｄビューアを開示している。同様に、ＭｃＫａｙ  ｅｔ  ａｌ．による「Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  １．２−Ｍ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ  Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｍｉｒｒｏｒ」と題する論文では、実画像をもたらすために、大きな湾曲鏡が左右ビームスプリッタと共に用いられ、左右画像不一致のための集束点を主光軸に沿って湾曲鏡面に対してある位置にシフトする。顕著に、米国特許第３，４４７，８５４号装置及びＭｃＫａｙ  ｅｔ  ａｌ．装置の双方を用いると、投影画像は、湾曲鏡自体の表面上に集束される。この配置を用いると、投影画像は湾曲鏡上に集束されるので、鏡自体は画像を形成せず、単に光を視聴者の瞳に向ける。鏡はこの種類の実画像投影システムのためのディスプレイ面として働くので、視聴者から十分に離れて配置された大きな湾曲鏡を使用するとき、最適なビューイング条件及び大きな視野が得られる。
【０００６】
これらの従来技術の結像システムは、仮想画像と対比されるような実画像を表示する。実画像と仮想画像との間の区別を明瞭にすることが重要である。実画像は、アクセス可能な場所内の表面上に集束されるか或いはアクセス可能な場所内に集束される画像として定められる。換言すれば、画像を表示するために、スクリーンを実画像の位置に配置し得る。
【０００７】
実画像投影と異なり、仮想結像システムは、アクセス可能な場所に集束されない。換言すれば、仮想画像はディスプレイ面上への投影によって形成されない。もしディスプレイ面が仮想画像の知覚される場所に配置されるならば、画像はその表面上に形成されない。その代わり、仮想画像は光学系によって形成される。仮想画像は、眼自体によって形成され、網膜上に入射する光に従って画像を形成すると考えられ得る。仮想画像は、例えば、物体が焦点と凸面鏡表面の頂点との間にあるときに生じる。
【０００８】
仮想結像は、一部の種類の用途において、実画像投影に対する有利な代替手段である。米国特許第５，６２５，３７２号（Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．）は、画像投影のために一般的に用いられる代替的な実結像に対する仮想結像の多くの固有の利点を概説している。立体ビューイングのための１つの顕著な利点として、仮想画像のサイズは、ディスプレイ表面のサイズ又は場所によって制限されない。追加的に、実画像のための源物体は小さくあり得る。簡単な例として、拡大鏡は、小さな物体の拡大された実画像をもたらす。拡大鏡を通じて見られるプリントは、より大きく見えるのみならず、それはプリントが実際に存在するページの表面の背後に位置するようにも見える。その場合には、定義上、実画像は、ディスプレイ表面が存在しない場所に存在し得る。よって、ある距離離れてみえるよう形成される実画像を形成することによって、実画像を投影する従来技術システムと比較して、より現実的なビューイング経験をもたらし得る。実画像を提供することは、実画像を投影するときに必要であり得るような、スクリーンアーチファクトを補償する必要も除去する。
【０００９】
「実画像」という用語が、それ自体、浸入結像システム及び「仮想現実」システムとしばしば記載される他の装置についての特許及び関連文献において何気なく誤使用されていることを指摘するのは有益である。一例として、米国特許第５，９７６，０１７号（Ｏｍｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．）は、オプティクス実務者によって理解されている定義を使用するよりもむしろ、単にある種の電子的に生成された画像というこの用語の何気ない解釈を使用して、「仮想画像」への多数の言及を行っている。（この不幸の他の例は、「仮想画像」という用語の何気ない使用が特許文献においても容易に見られ得ることである。少数の追加的な実施例として、米国特許第６，６３６，２３４号（Ｅｎｄｏ  ｅｔ  ａｌ．）及び第６，６７４，８８１号（Ｂａｃｕｓ  ｅｔ  ａｌ．）を参照のこと。双方とも、「仮想画像」という用語を、オプティクスにおいて使用される定義に固執するよりもむしろ、その何気ない意味合いで用いている。）本出願の開示において、「仮想画像」という用語は、その正しい光学的意味合いで用いられている。
【００１０】
輻輳／遠近効果を最小限化するために、３Ｄビューイングシステムは、現実であろうが仮想であろうが、観察者から比較的大きな距離でその対の立体画像を表示しなければならない、ことが一般的に認識されている。実画像投影のために、これは、好ましくは、観察者から十分な距離で離れて配置されて、大きなディスプレイ表面が利用されなければならないことを意味する。しかしながら、仮想画像のためには、米国特許第５，９０８，３００号（Ｗａｌｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）に開示されているように、比較的小さな湾曲鏡を用い得る。仮想画像システムにおける湾曲鏡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あるよう見える仮想画像を形成する。焦点に関して、そのような仮想画像システムにおいて形成される画像は、無限大にあるように見える。
【００１１】
光学的観点から、瞳結像を使用する立体設計に利点があることが分かり得る。瞳結像のために設計されるシステムは、以下を含むかなり要求の厳しい要件に適合しなければならない。
（ａ）左側瞳及び右側瞳に相応して別個の画像を形成すること、
（ｂ）可能な最も自然なビューイング条件を提供し、ゴーグル又は特殊なヘッドギヤの如何なる必要も排除すること、
（ｃ）観察者に可能な最大の瞳を提示すると同時に、左側ビューと右側ビューとの間の漏話を制限すること、
（ｄ）使用者に適当な移動の自由を許容すること、
（ｅ）超広域視野をもたらすこと、並びに、
（ｆ）高い輝度及びコントラスを伴った、現実的な結像のたのに十分な解像度をもたらすこと。
【００１２】
光学技術において、これらの要件の夫々はそれ自体が達成困難であり得ることが認識されている。より十分に満足でき且つ現実的なビューイング経験を提供するために、理想的な自動立体結像システムは、これらの要件のそれぞれの挑戦を満足しなければならない。その上、システムが小さなフットプリントを有すべき必要によって提示される追加的な物理的な制約、並びに、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ので、各眼に向けられる別個の画像は、有利に離間され、ビューイングのために正しく分離され得る。眼間距離が、投射レンズを単に比例することによる所与の超広域視野で、より大きな瞳直径を達成する能力を制限する、ことを付記するのは有益である。
【００１３】
明らかに、瞳結像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ビューイング経験の価値及び現実的品質は、広い視野及び大きな射出瞳を備える立体３Ｄ画像を提示することによって増大される。完全に満足できる３Ｄビューイングのために、そのようなシステムは、別個の高解像度画像を右眼及び左眼に提供しなければならない。視野の深度及び幅の現実的な錯覚を生み出すために、観察者は、視聴者がある距離で焦点を合わせることを要求する仮想画像を提示されなければならない。
【００１４】
輻輳に関連する奥行き手掛かり(depth  cue)と遠近調節との間の対立は、ビューイング経験に有害な影響を及ぼし得る。輻輳は、視野内の物体の別個の画像を融合するために、観察者の両眼が交差されなければならない程度を指す。輻輳は増大し、次に、視聴される物体がより離れるときに消える。遠近調節は、関心物体のための網膜焦点を維持するために、観察者の対眼レンズが形状を変化する要件を指す。視聴者が輻輳及び遠近調節のために不整合な奥行き手掛かりにある時間周期に亘って晒されるときに、視聴者の深度知覚の一時的な機能低下があり得ることが既知である。遠近調節手掛かりが遠い画像位置に対応するときに、深度知覚に関するこの負の影響を緩和し得ることも既知である。
【００１５】
広い視野を提供する如何なる種類の光学投影と共に取り組まれなければならない浸水システムに関する他の基本的な光学的限界もある。重要な限界は、ラグランジュ不変数によって課される。発光装置のサイズ及び開口数の積、ラグランジュ不変数は、出力輝度を決定し、１つの光学系の出力を他の入力と整合するための重要な考慮すべき事柄である。如何なる結像システムもラグランジュ不変数と一致し、それによって、瞳サイズ及び半視野角度の積は、画像サイズ及び開口数の積と比例する。光学系を通じて適用する不変数、ラグランジュ不変数は、画像生成器、比較的小さな光変調器、又は、比較的小さな開口数に亘って動作する類似の画素配列として使用されるときに限定であり得る。何故ならば、装置に関連するラグランジュ値は小さいからである。実際的な用語において、画像源のサイズが大きければ大きいほど、広い視野及び大きな瞳を有する画像を形成することはより容易になる。
【００１６】
広い視野を提供するより現実的な自動立体ディスプレイ解決策のための必要に応答して、ここに参照として引用され且つ第１８１号特許と呼ばれる、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，４１６，１８１号（Ｋｅｓｓｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）は、平行化された左右の仮想画像を視聴者に表示するために瞳結像を使用する自動立体結像システムを開示している。第１８１号特許開示において、左右ビューイング瞳のために仮想画像を提供するために、湾曲鏡が、結像源、湾曲拡散表面、ボールレンズ組立体、及び、ビームスプリッタとの組み合わせて利用されている。全体的に、第１８１号特許開示の１つの中心を有する光学装置は、大きなビューイング瞳、極めて広い視野、及び、最小限の収差を備える自動立体結像を提供している。
【００１７】
第１８１号特許開示の自動立体システムは高性能浸水ディスプレイを提供するが、依然として実施態様の改良の余地がある。例えば、第１８１号特許システムは、大きなビューイング瞳を提供するが、瞳サイズの一層さらなる増大を得ることに利点がある。
【００１８】
その源画像を小さな空間光変調装置上に生成して、第１８１号特許システムは、湾曲拡散表面上への投影のために中間湾曲画像を形成することによって、固有のラグランジュ不変数条件を克服している。第１８１号特許装置と共に拡散器を使用することは必要である。何故ならば、画像形成装置、典型的には、反射型のシリコーン上の液晶（ＬＣＯＳ）又は他の空間光変調器は、典型的には僅か約１平方インチを測定する比較的小さな画像源装置であるからである。しかしながら、同時に、拡散表面の使用は、全体的な輝度を効果的に減少し、あるレベルの粒状性を画像に導入し、達成可能なコントラストを制限する。
【００１９】
本発明の譲受人に譲渡された後続の出願は、仮想画像を備える瞳結像を提供するための並びに改良された輝度レベルを鉄製するための、よりコンパクトな自動立体装置の必要に取り組んでいる。例えば、上記に引用された米国特許出願第１０／６６２，２０８号は、拡散表面を使用する必要を排除し且つ追加的な輝度をもたらし得るより大きな画像源の使用を許容するアプローチを使用して、湾曲した左右の中間画像を形成するための装置及び方法の改良を開示している。
【００２０】
真正の自動立体仮想結像をもたらすディスプレイ品質の増大に相当な関心があるが、デスクトップ用途に適したコンパクトな自動立体ディスプレイの広域的な商業化には多くのハードルが残っている。費用及びサイズを減少し且つ輝度を増大し、より自然なビューイング条件を提供し、且つ、全体的な画像品質を増大する改良に特に価値がある。
【００２１】
よって、減少されたサイズ及び費用で、改良された輝度、増大されたビューイング瞳寸法、減少された画像収差、及び、より高い解像度を提供する改良された自動立体結像装置の必要があることが分かり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
低減されたサイズ及び費用で低減された光学収差を備える、改良されたビューイング瞳サイズ、輝度、及び、輝度を有する自動立体ディスプレイ装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
この目的を念頭において、本発明は、左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき右側画像とを含む、立体画像を見るための自動立体光学装置であって、
（ａ）湾曲鏡の焦点面の付近に左側湾曲中間画像を形成するための左側画像生成システムであり、
（ｉ）左側源画像を形成するための左側画像源と、
（ｉｉ）左側画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、左側湾曲中間画像を形成するよう、収集された光を配向するための左側画像折畳み面とを含む左側光学系であり、左側湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する左側光学系と、
を含む左側画像生成システムと、
（ｂ）湾曲鏡の焦点面の付近に右側湾曲中間画像を形成するための右側画像生成装置であり、
（ｉ）右側源画像を形成するための右側画像源と、
（ｉｉ）右側画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、右側湾曲中間画像を形成するよう、収集された光を配向するための右側画像折畳み面とを含む右側光学系であり、右側湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する右側光学系と、
を含む右側画像生成装置と、
（ｃ）左側光学系の出射瞳と右側光学系の出射瞳との間の実質的に光学的に中途に配置された湾曲鏡の曲率中心と、
（ｄ）湾曲鏡の鏡面と曲率中心との間に配置されたビームスプリッタとを含み、
湾曲鏡及びビームスプリッタは、左側ビューイング瞳に、
（ｉ）左側光学系の前記出射瞳の実画像と、
（ｉｉ）湾曲鏡の背後に現れるべき左側湾曲中間画像の画像と、
を含むビームスプリッタと、
を形成するよう協働し、
湾曲鏡及びビームスプリッタは、右側ビューイング瞳に、
（ｉ）右側光学系の出口瞳の実画像と、
（ｉｉ）湾曲鏡の背後に現れるべき右側湾曲中間画像の画像と、
を形成するようさらに協働する、
自動立体光学装置を提供する。
【００２４】
他の特徴から、本発明は、左側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき左側画像と、右側ビューイング瞳で観察者によって見られるべき右側画像とを含む、立体仮想画像を見るための自動立体光学装置であって、
（ａ）左側画像生成システム及び右側画像生成システムであり、
各画像生成システムは、
（ｉ）源画像を形成するための画像源と、
（ｉｉ）画像源からの光を収集するための少なくとも１つのレンズと、湾曲中間画像を形成するよう、収集された光を配向するための画像折畳み面とを含み、
光学系は、湾曲中間画像の曲率中心の付近に光学的に中心化された出射瞳を形成する、
左側画像生成システム及び右側画像生成システムと、
（ｂ）左側湾曲鏡の焦点面の付近に左側画像生成システムの湾曲中間画像を形成するために並びに右側湾曲鏡の焦点面の付近に右側画像生成システムの湾曲中間画像を形成するために配置されたビームスプリッタとを含み、
左側湾曲鏡は、左側画像生成システムのための左側光学系の出射瞳と実質的に一致する曲率中心を有し、
右側湾曲鏡は、右側画像生成システムのための右側光学系の出射瞳と実質的に一致する曲率中心を有し、
ビームスプリッタは、左側ビューイング瞳に、左側画像生成システムのための左側光学系の出射瞳の実画像と、左側湾曲鏡の背後にあるように見える左側画像生成システムによって形成される湾曲中間画像の画像とを形成するよう、左側湾曲鏡と協働し、
ビームスプリッタは、右側ビューイング瞳に、右側画像生成システムのための光学系の瞳の画像と、右側湾曲鏡の背後にあるように見える右側画像生成システムによって形成される湾曲中間画像の画像とを形成するよう、右側湾曲鏡と協働する、
自動立体光学装置を提供する。
【００２５】
湾曲拡散面の必要なしに、中間画像を形成する自動立体結像ディスプレイ装置を提供することが本発明の特徴である。これは画像輝度が最適化されることを可能にし、且つ、他の設計解決策に対して改良されたコントラストを可能にする。
【００２６】
湾曲中間画像を形成するためにビームスプリッタが必要とされないのが本発明の利点である。これはディスプレイ輝度を向上し、そのようなビームスプリッタによって誘発され得る収差を排除する。
【００２７】
以前の解決策よりも大きな結像ディスプレイの使用を可能にし、利用可能な輝度に対するラグランジュ不変数の制約を緩和することが本発明の利点である。
【００２８】
大きなビューイング瞳を提供することが本発明のさらなる利点である。
【００２９】
仮想画像をもたらすコンパクトな自動立体ディスプレイを提供することが本発明のさらなる利点である。本発明の装置は、最適場所で画像経路を折り畳むことによって、左眼画像及び右眼画像のための投影装置の配置及びサイズに対する制約を克服する。よって、立体画像を形成するために、比較的大きなレンズを有する従来的な投影システムを使用し得る。
【００３０】
湾曲画像を生成する画像形成オプティクスに対する代替的なアプローチを使用して、ボールレンズ又はボールレンズセグメントのような、極めて球形のレンズに対する選択肢を提供することが本発明のさらなる利点である。
【００３１】
本発明のこれらの及び他の目的、特徴、及び、利点は、本発明の例証的な実施態様を図示し且つ記載する図面を参照して以下の詳細な記載を読んだ後、当業者に明らかになるであろう。
【００３２】
明細書は、本発明の主題事項を具体的に指摘し且つ明確に請求する請求項で終わるが、添付の図面と共に考慮されるとき、本発明は以下の記載からより良好に理解されると信じられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本記載は、具体的には、本発明に従った装置の一部を形成する或いは本発明に従った装置の一部とより直接的に協働する素子に向けられている。特に示されていない或いは記載されていない素子は、当業者に既知の様々な形態を取り得ることが理解されるべきである。
【００３４】
本発明の目的のために、湾曲画像は、そのための最良の焦点が実質的に球である形状に位置する画像である。湾曲画像それ自体が球状に湾曲されるときに、光路は最も単純である。平坦な平面画像よりもむしろ、例えば、湾曲した中間画像を形成し且つ使用することによって、本発明のオプティクスは、この部分中に記載されるように、仮想画像を使用する瞳結像に好適である様々な対称的な配置及び関係を上手く利用する。
【００３５】
同様に、この詳細な記載を読んだ後に明らかになる理由のために、この明細書に記載されるような鏡面鏡は、好ましくは、単一の曲率中心を有する球である。
【００３６】
米国特許第６，４１６，１８１号に記載され且つ図１に示される従来技術の自動立体投影装置１０において、湾曲鏡２４は、左右のビューイング瞳１４ｌ，１４ｒで視聴者１２に自動立体仮想画像をもたらすために、ビームスプリッタ１６と組み合わせて利用される。各ビューイング瞳１４ｌ，１４ｒのために、形成される仮想画像は、あたかも湾曲鏡２４の背後に位置するかのように見える。左右ビューイング瞳１４ｌ，１４ｒのために、対応する画像生成器７０ｌ，７０ｒが、初期中間湾曲画像をもたらし、次に、初期中間湾曲画像は、湾曲鏡２４の焦点面付近に中間湾曲画像８０を形成するために、対応する左右のボールレンズ３０ｌ，３０ｒを通じて投影される。図１が示すように、左右の光路は、湾曲鏡２４を使用する結像の性質の故に、ビームスプリッタ１６と湾曲鏡２４との間で交差する。ビームスプリッタ１６は、湾曲表面と湾曲鏡２４の曲率中心との間に配置される。左右の中間湾曲画像８０は、余り一致しない曲率中心を有するので、実際の中間湾曲画像８０は、互いの上に完全に位置し得ず、湾曲鏡２４の焦点面の上に完全に位置し得ない。
【００３７】
図２を参照すると、上記の背景部分に付記された第１８１号特許開示のより詳細な従来技術の記載から引用されて、１つのビューイング瞳１４のための自動立体投影システム８２内への投影のための中間湾曲画像８０を提供するためのボールレンズ組立体３０と協働する画像発生システムの一部が示されている。ここで、画像生成器７４は、反射型ＬＣＯＳ空間光変調器からのように、平面から源画像を提供する。リレーレンズ５４が、画像生成器７４からの光を拡散素子３２上に向けるので、湾曲中間画像７６が拡散面４０上に形成される。次に、中間湾曲画像８０を形成するために、ボールレンズ組立体３０は、ビームスプリッタ１６と協働して、中間画像７６を湾曲鏡２４の正面焦点面２２に向けて投影する。次に、湾曲鏡２４は、ビューイング瞳１４のために、中間湾曲画像８０のための仮想画像をもたらす。
【００３８】
湾曲中間画像の形成
図１及び２に示されるような画像生成システム７０、ボールレンズ組立体３０、及び、ビームスプリッタ１６は、適切な曲率を有する中間湾曲画像８０を、湾曲面２４の背後にあるように見える仮想画像を形成するための最適な出射瞳場所にもたらすが、中間湾曲画像８０を形成するための他の方法がある。本発明の核心は、小さな結像収差を導入し輝度を低減し得る如何なる追加的なビームスプリッタの必要なしに、並びに、図１及び２の従来技術配置と共に使用されるようなボールレンズの要求なしに、湾曲中間画像８０を形成するための代替的な装置及び方法である。その上、本発明の装置は、立体画像仮想結像システムを備えるより従来的な投影オプティクスの配備を可能にする。
【００３９】
図３を参照すると、本発明の１つの実施態様における画像生成システム１７０が側断面図で示されている。図１に示される自動立体投影装置１０を参照すると、図３の１つの画像生成システム１７０は、対応する左右バールレンズ組立体３０ｌ，３０ｒを備える左右の画像生成システム７０ｌ，７０ｒのそれぞれと置換され得る。この代替的な配置は図８に示されている。換言すれば、中間湾曲画像８０を形成するために、画像生成システム１７０は、ビームスプリッタ１６と協働する。
【００４０】
図３の画像生成システム１７０において、画像源１００は、光学組立体１１０に変調された光をもたらす。光学組立体１１０は、入射オプティクス１０２、中間画像８０を形成するために入射オプティクス１０２からの光を方向変更する反射面１０８を有する回転プリズム１０４と光学的に結合される、典型的には図３に示されるような複合レンズを有する。回転プリズム１０４は、出力レンズ１０６、典型的には図示されるような平凸レンズを有する。ここで、反射面１０８は、入射オプティクス１０２から入射する光を反射するための回転プリズムの被覆面である。プリズムの鏡面が画像生成システム１７０の開口絞りＡにあることを観察することが重要である。この実施態様において、画像形システム１７０の出射瞳Ｐの場所は、出力レンズ１０６の焦点距離並びにプリズム１０４の厚さ及び材料に依存する。出口瞳Ｐは、反射面１０８で開口絞りＡと一致し得る。（出射瞳Ｐと開口絞りＡとの一致は、例えば、図１の従来技術の実施態様中のボールレンズ組立体３０と共にも当て嵌まる。）例えば、図４乃至８の配置を用いることで、瞳Ｐは開口絞りＡの約１２ｍｍ内に位置し得る。
【００４１】
理想的には、中間湾曲画像８０の曲率中心Ｃｉは、図３に示されるように、瞳Ｐ上に位置する。この配置を用いることで、画像形成システム１７０のオプティクスを極めてコンパクトになし得る。何故ならば、開口絞りＡは比較的小さな領域を有するからである。引き続き記載されるように、結像経路を開口絞りＡで折り畳むことは、瞳結像に特に有利なコンパクトな構造をもたらす。
【００４２】
回転プリズム１０４の使用も、特に高指数ガラス又は他の高指数材料が用いられる場合には、光学組立体１１０に開口絞り場所の周りの短縮された光路距離の利点をもたらす。回転プリズム１０４、入射オプティクス１０２、及び、出力レンズ１０６のために使用される材料は、同一である必要はなく、互いに物理的に接触する必要はない。
【００４３】
システム実施態様
本発明の動作及び利点をより良好に理解するために、光学組立体１１０が自動立体システム内でどのように使用されるかを考えることは有益である。図８の単一鏡の実施態様を参照すると、湾曲鏡２４は、左側出射瞳Ｐｌ及び右側出射瞳Ｐｒの双方から僅かに偏心している。この偏心条件は、左側仮想画像中の台形ひずみ及び右側仮想画像中の対向する台形ひずみを引き起こす。このひずみは、デジタル結像技術において周知の画像データ操作技法を使用して、左側画像源及び右側画像源１００ｒにもたらされる画像データを電子的に事前にひずませることによって補正され得る。今や図４を参照すると、各出射仁井はその独自の湾曲鏡に対する軸上にあるので、形成される仮想画像内の台形ひずみを最小限化する代替的な実施態様が示されている。図４の自動立体ディスプレイ装置１０において、左右の光学組立体１１０ｌ，１１０ｒが、本発明に従った左右の画像生成システム１７０ｌ，１７０ｒの一部としてそれぞれ構成されている左右の画像源１００ｌ、１００ｒは、表示のために別体の左右の源画像を形成する。図４の実施態様において、左右の回転鏡１１２ｌ，１１２ｒは、画像源１００ｌ，１００ｒからの光を、対応する左右の光学組立体１１０ｌ，１１０ｒにそれぞれ向ける。次に、左右の光学組立体１１０ｌ，１１０ｒは、ビームスプリッタ１６と協働して、（図１を参照して記載されるが、図４中には示されない）中間湾曲画像８０を形成する。次に、左右の湾曲鏡２４は、再び、ビームスプリッタを通じて、左右のビューイング瞳１４ｌ，１４ｒで見られ得る仮想画像をもたらす。左右のビューイング瞳１４ｌ，１４ｒにある視聴者には、左右のビューイング画像は、この配置を用いることで、それぞれ左右の湾曲鏡２４ｌ，２４ｒの背後にあるように見える。
【００４４】
左右のビューイング瞳は、２０ｍｍから５５ｍｍの範囲のサイズに及び得る。図４の構成素子配置が使用されるとき、重複した左右のビューイング瞳１４ｌ’，１４ｒ’もある。実際上、実際に使用されるビューイング瞳１４ｌ，１４ｒは、図４に表わされるように、重複した左右ビューイング瞳１４ｌ’，１４ｒ’の間に位置する。
【００４５】
図４の配置に関して、左右の回転鏡１１２ｌ，１１２ｒは、左右の画像源１００ｌ，１００ｒの相対的な場所に依存して、選択的であることが観察されなければならない。この配置において、視聴者に提示される画像の向きは、画像源１００ｌ，１００ｒ上に現れる画像の向きと同一である。回転鏡１１２ｌ，１１２ｒなしでは、シーンの鏡像は、画像源１００ｌ，１００ｒ上に生成されなければならない。図８の単一鏡配置又は図４の二重鏡配置のいずれも、本発明の左右の画像生成システム１７０ｌ，１７０ｒと共に使用され得る。
【００４６】
空間関係の重要性
本発明に従った左右の画像生成システム１７０ｌ，１７０ｒを使用するときに最適な結像条件を得るために特に重要性を有する多くの空間関係がある。図３を参照して上記されたように、中間湾曲画像８０及び瞳Ｐの曲率中心Ｃｉの一致は有利である。他の鍵となる空間関係は、左右の光学組立体１１０ｌ，１１０ｒの互いの位置付けに依存する。この位置付けは、図５、６、７にそれぞれ示される左右光学組立体１１０ｌ，１１０ｒの側面図、上面図、及び、斜視図を参照して最良に記載される。
【００４７】
図５の側面図において、中間湾曲画像８０の曲率中心Ｃｉは、左右反射面１０８ｌ，１０８ｒ上の開口絞りＡとレンズ１０６ｌ，１０６ｒとの間にある瞳Ｐと一致している。図６は、左右の曲率中心Ｃｉｌ，Ｃｉｒ及びそれらの一致する瞳Ｐｌ，Ｐｒを上面から示している。図８の単一の湾曲鏡２４の実施態様のために、湾曲鏡２４の曲率中心Ｃｉは、理想的には、左右の瞳Ｐｌ，Ｐｒの間の中途に位置する。図４の二重の湾曲鏡２４ｌ，２４ｒのために、各曲率中心Ｃｉｌ，Ｃｉｒは、理想的には、湾曲鏡２４ｌ，２４ｒの対応する曲率中心と一致する。
【００４８】
他の鍵となる空間関係は、視聴者１２眼間距離に関係する（図１）。図６及び７に示されるように、左右の光学組立体１１０ｌ，１１０ｒの配置は、それらが、距離Ｄだけ離間されて、自動立体ディスプレイ装置１０内で互いに密接に配置されることを可能にする。１：１結像のために、視聴者１２の眼間距離と密接に近似するよう距離Ｄを設定することができ、それは典型的には５〜８ｃｍの範囲内にある。適応性のある配置は、個々の視聴者１２に適するよう、分離距離Ｄの動的な調節さえも可能にする。（左側入射オプティクスは１０２ｌであり、右側入射オプティクスは１０２ｒである。左右の回転プリズムは、それぞれ１０４ｌ及び１０４ｒである。）
【００４９】
図４及び８に示される配置は、開口絞りＡで結像経路を折り畳むことによってコンパクト性を達成することが強調されなければならない。この地点で、結像ビームは最小幅にある。この地点で折り畳まれる光路を用いることで、左右の源画像を形成するために使用される装置は、如何なる適切な投影装置でもあり得るし、６５〜２００ｍｍ範囲にある直径を備えた出力レンズを有し得る。
【００５０】
要約すれば、本発明の左右の画像生成システム１７０ｌ，１７０ｒと共に単一の湾曲鏡２４が使用される場合、左右の瞳Ｐｌ，Ｐｒ又は左右の画像曲率中心Ｃｉｌ，Ｃｉｒの間の中心地点中途は、湾曲鏡２４の曲率中心と一致する。対とされた左右の湾曲鏡２４ｌ，２４ｒが使用される場合、左右の曲率中心Ｐｌ，Ｐｒは、対応する左右の湾曲鏡２４ｌ又は２４ｒの適切な曲率中心にそれぞれ対応する。形成される湾曲中間画像は、左右の瞳Ｐｌ，Ｐｒと一致する曲率中心を有する。
【００５１】
上記された空間関係が得られるとき、最適な結像性能が得られる。しかしながら、実際上、幾らかの許容差が許容可能である。例えば、図１、３、及び、４を参照すると、中間湾曲画像８０は、妥当な画像品質をもたらすために、曲率において精密に球形である必要はない。同様に、湾曲鏡２４並びに２４ｌ及び２４ｒは、球面曲率から幾分変化しながらも、十分な画像性能をもたらし得る。しかしながら、球面曲率からの過剰な変化は、満足できない画像を招き、ビューイング瞳１４ｌ，１４ｒで可視的な仮想画像の形成を阻止さえし得る。
【００５２】
画像源の種類
図３及び４の全体的な配置を使用することで、画像源１００は、例えば、プロジェクタ、ディスプレイＬＣＤ、ＣＲＴ、ＬＥＤマトリックス、又は、ＯＬＥＤ若しくはＯＬＥＤ装置のような、変調光を放射する如何なる数の画像源でもあり得る。画像源１００の２つの特性が、この配置と共に特に顕著である。
（ｉ）画像源１００上に形成される画像は、実質的に平面的である。ＣＲＴによって提供されるような、この画像への幾分かの僅かな曲率があり得る。しかしながら、図３及び４の配置は、像源１００が平面的であるときに良好に働き、本発明の方法を使用する曲率を有する中間湾曲画像８０がどのように形成されるかを示す。殆どの画像ディスプレイ装置は平面的な画像を形成するので、その場合には、この配置を備える既製のディスプレイ構成素子への変更の必要はない。
（ii）画像源１００は、直径数インチであり得るし、直径１フィートをはるかに超え得る。好適実施態様において、画像源１００は、例えば、１７インチディスプレイのような、大きなＬＣＤディスプレイである。これは、そのためにシリコーン上の液晶（ＬＣＯＳ）又はＤＭＤ素子のようなマイクロディスプレイが用いられる、図２を参照して示されたような、湾曲中間画像を形成するための他の装置と異なる。画像源１００のためのより大きなディスプレイ装置の使用は、画像解像度及び輝度の双方を増大する具体的な利点がある。
【００５３】
上記の背景部においてラグランジュ不変数を参照して記載されたように、光学系における輝度は、発光地域と光が放射される立体角との積である。画像源１００が大きな発光地域を有することを許容することによって、本発明の方法は、大幅な輝度レベルを可能にすると同時に、光角度が比較的小さいことを可能にする。画像コントラストを最大限化し且つ色ずれ及び他の関連する画像収差を最小限化するために、小さな光角度は有利である。
【００５４】
図４に示されるように、別個の画像源１００ｌ，１００ｒが、左右両眼のためにそれぞれ使用される。理想的には、左側画像生成システム１７０ｌ用の画像源１００ｌ及び右側画像生成システム１７０ｒ用の画像源１００ｒは、画像サイズ及び色のために良好に整合される。しかしながら、ＣＲＴディスプレイは、もし画像源１００として使用されるならば、不利であり得る。ＣＲＴ間の色差は、立体結像性能を劣化し得る。追加的に、ディスプレイの老化の結果として、ＣＲＴ画像地域は寸法的に変化することができ、効果的に左／右画素不整列を引き起こし得る。ＣＲＴディスプレイと対比すると、ＬＣＤディスプレイは寸法安定性の改良をもたらし、安定的な画素場所、整列の容易性、及び、より簡単な取付けを備える。
【００５５】
本発明に従った画像生成システム１７０の使用は、上記に引用された米国特許第６，４１６，１８１号に開示されたボールレンズセグメントに対する代替を提供し、球形ボールレンズを支持するための補正的オプティクスの必要を排除する。画像生成システム１７０は、補助的なビームスプリッタ又は左右湾曲中間画像を形成するための他の極めて特殊化されたオプティクスを必要としない。広範囲の画像源１００を用いることができ、上記に与えられる背景部において付記されたように、ラグランジュ不変数によって課される制約を和らげる。画像経路は、眼間分離を最適化するために、便利な地点で折り畳まれ得る。よって、画像生成システム１７０は、自動立体システム内の結像オプティクスのためのコンパクトな解決をもたらし、サイズ及び色の双方の削減を可能にする。
【００５６】
画像源１００、１つの実施態様における透過型ＬＣＤ装置は、フィルムプロジェクタ、ＣＲＴ、ＬＣＤ、デジタル結像装置を含む、如何なる数の種類の画像源でもあり得る。画像源１００は、例えば、有機光発光ダイオード（ＯＬＥＤ）配列のような放射配列であり得る。１つの中心を有する結像の利益を上手く利用して、湾曲鏡２４又は対の湾曲鏡２４ｌ／２４ｒは、殆どの実施態様において実質的に球形である。しかしながら、支持オプティクスへの対応する変化を伴って、一部の僅かな形状変更が使用され得る。湾曲鏡２４又は２４ｌ若しくは２４ｒは、多数の異なる材料を使用して、極めて反射的な表面として製造され得る。
【００５７】
よって、提供されているものは、コンパクトな設計内に改良された輝度、瞳サイズ、及び、解像度を有する自動立体画像ディスプレイのための装置及び方法である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】仮想画像を提供するために瞳結像を使用する従来的な自動立体ディスプレイシステムを示す概略図である。
【図２】図１の従来技術のシステムを補償する画像生成システムを示す詳細図である。
【図３】本発明に従った画像生成システムの基本的構成素子及び光学的挙動を示す側面図である。
【図４】本発明の画像発生システムを使用した自動立体結像システムの基本的構成素子を示す斜視図である。
【図５】左右の画像生成システムを示す側面図である。
【図６】左右の画像生成システムを示す上面図である。
【図７】左右の画像生成システムを示す斜視図である。
【図８】本発明に従った単一鏡の実施態様における画像生成システムの基本的構成素子及び光学的挙動を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０      自動立体ディスプレイ装置
１２      視聴者(viewer)
１４      ビューイング瞳(viewing  pupil)
１４ｌ    左側ビューイング瞳
１４ｒ    右側ビューイング瞳
１４ｌ’  左側ビューイング瞳
１４ｒ’  右側ビューイング瞳
１６      ビームスプリッタ
２２      正面焦点面
２４      湾曲鏡
２４ｌ    湾曲鏡、左側
２４ｒ    湾曲鏡、右側
３０      ボールレンズ組立体
３０ｌ    ボールレンズ組立体、左側
３０ｒ    ボールレンズ組立体、右側
３２      拡散素子
４０      拡散面
５４      リレーレンズ
７０      画像生成システム
７０ｌ    左側画像生成システム
７０ｒ    右側画像生成システム
７４      画像生成器
７６      湾曲中間画像
８０      中間湾曲画像
８２      立体投影システム
１００    画像源
１００ｌ  左側画像源
１００ｒ  右側画像源
１０２    入射オプティクス
１０２ｌ  左側入射オプティクス
１０２ｒ  右側入射オプティクス
１０４    回転プリズム
１０４ｌ  左側回転プリズム
１０４ｒ  右側回転プリズム
１０６    出力レンズ
１０６ｌ  左側出力レンズ
１０６ｒ  右側出力レンズ
１０８    反射面
１０８ｌ  左側反射面
１０８ｒ  右側反射面
１１０    光学組立体
１１０ｌ  左側光学組立体
１１０ｒ  右側光学組立体
１１２ｌ  左側回転鏡
１１２ｒ  右側回転鏡
１７０    画像生成システム
１７０ｌ  左側画像生成システム
１７０ｒ  右側画像生成システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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