(57)【要約】【課題】  湾曲した面上に電子的に発生させられた及び投射された虚像を目視するための一つの中心を有する自動立体光学装置（１０）を提供する。【解決手段】  各々の左及び右の画像成分に対して、別個の光学系は、画像発生系（７０ｌ、７０ｒ）及び投射系（７２）を含み、投射系は、広い視野を提供するために、球面の拡散面（４０）及び球面の屈折率分布型ボールレンズ組み立て品（３１）を含む。光学構成部品の一つの中心を有する配置は、目視する瞳（１４）でボールレンズの瞳（４８）を結像させ、投射構成部品に単一の曲率中心（Ｃ）を本質的に提供する。このような一つの中心を有する配置の使用、拡散面（４０）、及びボールレンズ（３０）は、例外的に、広い視野に、より大きい目視する瞳（１４）を提供する。【選択図】  図１
2004326107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
左の目視する瞳で観察者によって目視される左の画像及び右の目視する瞳で観察者によって目視される右の画像を含む立体虚像を目視する一つの中心を有する自動立体光学装置であって、
当該装置は、
（ａ）前記左の目視する瞳で目視される前記左の画像を形成する左の光学系を含み、
該系は、
（１）左の画像の発生器及び左の中間画像を形成する左のリレーレンズを含む、場面の内容を提供する左の画像の発生系、並びに
（２）前記左の中間画像を受け入れる左の球面に湾曲した拡散面を含む左の投射系を含み、
前記左の球面に湾曲した面は、左の球面の屈折率分布型ボールレンズと実質的に同心の曲率中心を有し、
前記左の球面の屈折率分布型ボールレンズは、左の湾曲した画像が形成されるように前記左の球面に湾曲した拡散面から間隔を空けられ、
前記左の湾曲した画像は、実像であり、
前記左の湾曲した画像の曲率中心は、前記左の球面の屈折率分布型ボールレンズの曲率中心と一致し、
前記左の球面の屈折率分布型ボールレンズは、左の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳を有し、
当該装置は、
（ｂ）前記右の目視する瞳で目視される前記右の画像を形成する右の光学系を含み、
該系は、
（１）右の画像の発生器及び右の中間画像を形成する右のリレーレンズを含む、場面の内容を提供する右の画像の発生系、並びに
（２）前記右の中間画像を受け入れる右の球面に湾曲した拡散面を含む右の投射系を含み、
前記右の球面に湾曲した面は、右の球面の屈折率分布型ボールレンズと実質的に同心の曲率中心を有し、
前記右の球面の屈折率分布型ボールレンズは、右の湾曲した画像が形成されるように前記右の球面に湾曲した拡散面から間隔を空けられ、
前記右の湾曲した画像は、実像であり、
前記右の湾曲した画像の曲率中心は、前記右の球面の屈折率分布型ボールレンズの曲率中心と一致し、
前記右の球面の屈折率分布型ボールレンズは、右の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳を有し、
当該装置は、
（ｃ）湾曲した鏡を含み、
前記湾曲した鏡は、前記左の球面の屈折率分布型ボールレンズ及び前記右の球面の屈折率分布型ボールレンズの間において光学的に中ほどに置かれたそれの曲率中心を有し、
当該装置は、
（ｄ）前記湾曲した鏡に向かって前記左及び右の湾曲した画像を反射させるように配置されたビームスプリッターを含み、
前記湾曲した鏡は、前記左及び右の湾曲した画像の仮想の立体画像を形成するように配置され、
前記湾曲した鏡は、前記ビームスプリッターを通じて、前記左の目視する瞳で前記左の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳の実像及び前記右の目視する瞳で前記右の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳の実像を形成するように配置される、光学装置。
【請求項２】
前記左の画像の発生器は、液晶デバイスを含む請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記左の画像の発生器は、ディジタル・マイクロミラー・デバイスを含む請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記左の画像の発生器は、レーザーを含む請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記左の画像の発生器は、陰極線管を含む請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記左の画像の発生器は、回折格子の光弁を含む請求項１記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電子的に発生させられた画像を目視するための自動立体表示系に関し、より詳しくは、非常に広い視野及び大きい射出瞳を提供するための、光学構成部品の一つの中心を有する配置のための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動立体表示系の潜在的な価値は、娯楽及びシミュレーションの分野で広く認識される。自動立体表示系は、非常に広い視野を有する３次元（３Ｄ）画像で観察者を視覚的に囲むことによって、観察者に現実的な目視する経験を提供することが意図された“実体験のように感じる”系を含む。それを含む立体表示のより大きい群から区別されたとすると、自動立体表示は、ゴーグル、ヘッドギア、又は特殊めがねのような任意のタイプの着用できる品目に対する任意の要求の欠如によって特徴付けられる。すなわち、自動立体表示は、観察者に“自然な”目視する条件を提供することを試みる。
【０００３】
非特許文献１の論文において、Ｇ．Ｊ．Ｋｉｎｔｚは、広い視野を備えた自動立体表示を提供するための一つのアプローチを開示する。Ｋｉｎｔｚのアプローチを使用すると、めがねもヘッドギアも要求されない。しかしながら、観察者の頭を、コリメートされた虚像を形成するために、一つの中心を有する鏡によって結像される、ＬＥＤ発光体の配列を有する急速に回転する球殻内に位置決めしなければならない。Ｋｉｎｔｚの設計が、広い視野を有する真の立体系に一つの解決策を提供する一方で、この設計は、相当な欠点を有する。Ｋｉｎｔｚの設計の不都合の間には、観察者の頭が、急速に回る面に極めて接近してあるという要求がある。このようなアプローチは、回る面上の構成部品との接触からの事故及び怪我の見込みを最小にするための尺度を要求する。防護遮蔽体を伴ってさえ、急速に動く面に対する近接は、少なくとも、観察者に幾分不安を引き起こし得るであろう。加えて、このような系の使用は、頭の動きに相当な束縛を強要する。
【０００４】
別の部類の自動立体系は、Ｓ．Ａ．Ｂｅｎｔｏｎ，Ｔ．Ｅ．Ｓｌｏｗｅ，Ａ．Ｂ．Ｋｒｏｐｐ，ａｎｄ  Ｓ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈによって論文（非特許文献２）に概略が述べられた、観察者の目の上に一組みの投射器の射出瞳を結像させることによって動作する。上述の論文においてＢｅｎｔｏｎによって概略が述べられたような、瞳の結像を、大きいレンズ又は鏡を使用して、実施することができる。その目が結像された瞳の図形と一致する観察者は、任意の種類のアイウェアを着用することなく、クロストーク無しに立体の場面を目視する。
【０００５】
瞳の結像を使用して自動立体表示系によって提供された目視する経験の価値及び現実的な質が、３Ｄ画像に広い視野及び大きい射出瞳を与えることによって高められることを容易に認識することができる。このような系は、それが、厳重な許容量内に頭の動きを束縛することなく、観察者にゴーグル又は他のデバイスを着用することを要求することなく、観察者を安心して着席させることを可能にするとすれば、実体験のように感じる目視する機能に対して最も有効である。十分に満足な３Ｄの目視に対して、このような系は、左及び右の目に別個の高分解能の画像を提供するべきである。また、このような系が、小さい現実の床の空間及び容積を可能であるのと同じく占有する一方で、視野の深度及び幅の錯覚を生成させるために、小型さに最も有望に設計されることを容易に認識することができる。ほとんどの現実的な目視する経験に対して、観察者に、大きい距離はなれて現れるために配置された虚像を与えるべきである。
【０００６】
また、“輻輳”及び“遠近調節”に関係付けられた深度の手掛かりの間における対立は、目視する経験に不利な影響を与え得ることも知られている。輻輳は、視野内の物体の別個の画像に止まるために、観察者の目を交差させなければならい程度に関連している。輻輳が減少して、次に、目視された物体がより遠くなると消失する。遠近調節は、観察者の目のレンズが、関心のある物体に対して網膜の焦点を維持するために、形状を変化させるという要求に関連している。観察者が、一周期の時間の間に輻輳及び遠近調節に対して不適当に組み合わせられた深度の手掛かりにさらされる一方で、観察者の深度の認知の一時的な低落があり得ることが知られている。また、遠近調節の手掛かりが遠い画像の位置に対応するとき、深度の認知におけるこの負の効果を軽減することができることも知られている。
【０００７】
従来の自動立体表示ユニットの一例は、着席した観察者が、各々の目に対して一つ、別個の投射器から発生させられた画像を使用して作成されると共に多くの鏡を含む結像系を使用して観察者へ方向付けられる見かけの３Ｄの視覚の効果を経験する、特許文献１に開示されている。
【０００８】
立体の結像に対する従来の解決策は、上記の挑戦のいくつかを扱ってきたが、改善の余地がある。例えば、いくつかの早期の立体系は、３Ｄの目視する経験を提供するために、球面のヘッドギア、ゴーグル、又は眼鏡を用いた。このような系のまさに一つの例として、特許文献２は、３Ｄ効果を生成させるために各々の目に適切な画像を選択的に方向付けるために、観察者が一組みの不動の偏光めがねを着用することを要求する投射表示系を開示する。
【０００９】
確かに、シミュレーションの用途を伴ったような、立体の目視に適切なある種のヘッドギアを考慮することができるいくつかの状況がある。このような用途に対して、特許文献３は、立体の目視に広い視野を提供する投射表示ヘッドギアを開示する。しかしながら、可能である場合には、観察者が、特許文献１のデバイスに開示されたように、任意のタイプのデバイスを着用することを要求されない、立体の目視を提供することに対して利点がある。また、頭の動きに対していくらかの自由度を許容することも好都合であろう。対照的に、特許文献４は、観察者のヘッドが、固定された位置に維持されるハンググライダ−に乗るシミュレーション系を開示する。このような解決策は、特許文献４に開示される限定されたシミュレーションの環境で許容可能であってもよく、装置の全体的な光学設計を単純化してもよい一方で、頭の動きの束縛は、実体験のように感じる系において不都合であろう。特に、特許文献４に開示された系は、視野を有効に限定する、狭い目視する装置を用いる。軸外の位置付けで配置された、複雑な従来の投射レンズは、所望の出力の瞳の大きさを得るために使用された拡大縮小で特許文献４に開示されたデバイスに用いられる。
【００１０】
特許文献５に開示されるように、ビームスプリッターを通じて、観察者からの二つの異なる距離における二つのスクリーンの組み合わせられた画像を観察者に与えることによって、立体効果を提供するために多くの系が開発されてきており、それによって立体の結像の錯覚を生成させてきた。しかしながら、このタイプのシステムは、小さい視角に限定され、従って、実体験のように感じる目視する経験を提供するために適切ではない。加えて、このような系を使用して表示された画像は、観察者に極めて近接して与えられた実像であり、このように、上記の輻輳／遠近調節の問題をおそらく導入する。
【００１１】
輻輳／遠近調節の効果を最小にするために、３Ｄの目視する系は、観察者からの相対的に大きい距離で、実在であろうと仮想であろうと、立体画像のそれの組みを表示するべきであることは、一般に認識される。実像に対しては、これは、好ましくは観察者から良好な距離に置かれた、大きい表示画面を、用いなければならないことを意味する。しかしながら、虚像に対して、相対的に小さい湾曲した鏡を、特許文献４に開示されるように、使用することができる。湾曲した鏡は、観察者から大きい距離で虚像を提供する、コリメーターとして作用する。立体の結像に対する別の系は、伸縮可能な膜の鏡を使用する、非特許文献３に開示されている。非特許文献３の論文に開示される装置は、従来の投射光学部品の使用により、及び膜の鏡の曲率を限定する寸法の束縛により、限定された視野を有する。
【００１２】
また、立体系において実像を提供するために、湾曲した鏡も使用されてきており、ここで湾曲した鏡は、コリメーターとして使用されない。このような系は、例えば、特許文献６及び特許文献７に開示されている。しかしながら、これらのような系は、一般に、小さい視野のみが必要とされる場合に、適切である。
【００１３】
特に、立体投射に対する既存の解決策は、画像を次に湾曲した面から反射する場合でさえ、画像を平坦なスクリーン上へ投射する。これは、視野を束縛すると共に全体的に画像の質を限定する、望まれない歪曲及び他の画像の収差に帰着し得る。
【００１４】
光学的な遠近法から、瞳の結像を使用する立体設計に対して利点であるであろうことを理解することができる。瞳の結像に対して設計された系は、相応して左及び右の瞳へ別個の画像を提供すると共にゴーグル又は特殊なヘッドギアに対するどんな要望も除去する最も自然な目視する条件を提供しなければならない。加えて、このような系が、動きのいくらかの自由度を許容するために観察者へ最も大きい可能な瞳を提供すること、及び極端に広い視野を提供することは、好都合であろう。これらの要求の各々が、それ自体によって、達成することが困難であり得ることは、光学技術において認識されている。理想的な自動立体結像系は、より十分に満足な及び現実的な目視する経験を提供するための両方の要求に対する挑戦を満たさなければならない。加えて、このような系は、高い輝度及びコントラストを伴った現実的な結像に対する十分な解決策を提供しなければならない。さらに、小さい設置面積を有するために系に対する要望によって与えられた物理的な束縛及び眼の間の分離に対する寸法の束縛を、各々の目に方向付けられた別個の画像を都合よく間隔を空けると共に目視するために正確に分離することができるように、考慮しなければならない。眼間距離の束縛が、投射レンズを単純に拡大縮小することによって与えられた極めて広い視野でより大きい瞳距離を達成する能力を限定することに注意することが示唆される。
【００１５】
単位倍率に対して設計された結像系において一致した曲率中心で配置された球面の鏡の配置を示唆する特許文献８に開示されるもののような、平坦な物体の高分解能の結像に対する顕著な利点を提供するために、一つの中心を有する結像系が示されてきた。特許文献８に開示される一つの中心を有する配置は、多くのタイプの画像の収差を最小にし、概念的に真っ直ぐであり、高分解能の反射光学の結像系に対して単純化された光学設計を許容する。また、特許文献９に開示されるような、広い視野を有する望遠鏡系に対する利点を提供するために、鏡及びレンズの一つの中心を有する配置も知られている。しかしながら、全体的な単純さに対する並びに歪曲及び光学収差を最小にするための一つの中心を有する設計の利点を、認識することができる一方で、このような設計の概念は、適度に小さい全体的な設置面積を備えた広い視野及び大きい射出瞳を要求する実体験のように感じる系において実施することが困難であり得る。さらに、十分に一つの中心を有する設計は、左及び右の瞳に対して別個の画像を要求する、十分な立体の結像に対する要求を満たさないであろう。
【００１６】
特許文献４に開示されるように、従来の広い視野の投射レンズを、瞳を結像する自動立体表示における投射レンズとして用いることができる。しかしながら、従来のアプローチとでは多くの欠点がある。有効な実体験のように感じる目視に対して必要とされるであろうような視野角が可能な広角レンズ系は、非常に複雑及び高価であろう。独国のＪｅｎａにおけるＣａｒｌ−Ｚｅｉｓｓ−Ｓｔｉｆｕｎｇによって製造されたＢｉｏｇｏｎ（Ｒ）レンズのような大判カメラ用の典型的な広角レンズは、例えば、７５度の視野角が可能である。Ｂｉｏｇｏｎ（Ｒ）レンズは、七つの構成部品のレンズからなり、１０ｍｍの瞳の大きさを提供するのみである一方で、直径が８０ｍｍを超える。より大きい瞳の大きさに対しては、レンズは、大きさにおいて拡大縮小されることを必要とする。しかしながら、このようなレンズ本体の大きい直径は、目視する位置における眼間距離に相対して、自動立体の実体験のように感じる系に対して顕著な設計の困難を与える。左及び右の目の集合を並んで配置させて、それによってヒトの眼の間の間隔と矛盾しない間隔を空けた一組みのレンズの瞳を達成することができるであろうように、レンズを高価に切断することは、困難な製造の問題を与える。眼間距離の限定は、各々の目に対する投射装置の空間的な位置決めを束縛し、レンズの単純な拡大縮小によって瞳の大きさの拡大縮小を除外する。さらに、有効な実体験のように感じる系は、最も都合よくは、非常に広い視野、好ましくは９０度を超過して広範囲に、許容し、大きい、好ましくは２０ｍｍより大きい、射出瞳の直径を提供する。
【００１７】
大きい視野の用途に対する代替物として、ボールレンズが、特に結合デバイス内における小規模のボールレンズの好都合な使用を開示する特許文献１０に開示されるもののようなファイバー光学部品の結合及び伝達の用途における使用のための縮小されたボールレンズが、特殊化された光学的な機能に対して用いられてきた。より大きい規模では、ボールレンズを、特許文献１１に開示されるような天文学的な追跡デバイス内で利用することができる。特許文献１１においては、ボールレンズが、それが、最小限の軸外の収差又は歪曲で６０度よりも大きい広い視野を許容するので、用いられる。特に、唯一の光軸の欠如が、ボールレンズを通過するあらゆる主光線を、それ自体の光軸を定義するために、考慮することができるように、都合よく使用される。入射光の角度変化に相対するそれの低い照明の落ち込みのために、単一のボールレンズは、この用途において空間から複数の検知器へ光を方向付けるために、好都合に使用される。特に、ボールレンズの出力で光検知器は、湾曲した焦点面に沿って配置される。
【００１８】
また、特許文献１２に開示されるような、宇宙船の態勢を決定するための装置において、広角の結像に対する球面又はボールレンズの利益も利用される。ここに、鏡の配列は、ボールレンズを通じて光線を方向付ける。このレンズの形状は、レンズを通過するビームが像面に対して垂直入射にあるので、好都合である。このように、光線は、広い視野を有する結像系に帰着する、レンズの中心に向かって屈折される。
【００１９】
ボールレンズの特質の別の特殊化された使用は、特許文献１３に開示されている。操縦士用のヘッドギアに取り付けられたもののような、非線形の経路に沿った２次元（２Ｄ）画像の伝達に向けられた特許文献１３の光学配置において、ボールレンズは、操縦士の視界用に光学的に無限へコリメートされた入力画像を方向付ける。ボールレンズの広角の目視する可能性に対する別の使用は、夜間の目視用の双眼鏡の光学部品において対物レンズの一部としてボールレンズの使用を示唆する、特許文献１４に開示されている。
【００２０】
ボールレンズの使用を開示する上述の特許の各々で、支持光学部品と連結して広い視野の結像を提供するために、ボールレンズの全体的な可能性の提案がある。しかしながら、特に画像を投射するために電子的に処理する場合に、実体験のように感じる結像の用途に対してこのようなデバイスの使用を有効にするために克服しなければならない実質的な問題がある。空間光変調器のようなデバイスを使用する、従来の電子画像の発表技術は、平坦な表面上に画像を提供する。平坦な視野の結像とのボールレンズの性能は、極度に乏しいであろう。
【００２１】
また、広い視野を提供する任意のタイプの光学的な投射と共に扱わなければならない実体験のように感じる系に対する他の基本的な光学的な限定もある。ラグランジュ（ＬａＧｒａｎｎｇｅ）の不変量によって重要な限定が強要される。任意の結像系は、ラグランジュの不変量に一致し、それによって、瞳の大きさ及び半視野角の生成は、画像の大きさ及び開口数の生成に等しく、光学系に対する不変量である。これは、デバイスと関連付けられたラグランジュの値が小さいので、相対的に小さい開口数を超えて動作することができる相対的に小さい空間光変変調器又は類似のピクセルの配列を画像の発生器として使用するとき、限定であり得る。しかしながら、大きい視野に大きい瞳の大きさ（すなわち、大きい開口数）を提供する、一つの中心を有する結像系は、大きいラグランジュの値を固有に有する。このように、この一つの中心を有する結像系を、小さいラグランジュの値を有する空間光変調器と使用するとき、結像系の視野若しくは開口のいずれか又は両方は、ラグランジュの値のこのような不適当な組み合わせにより、余盛不足にされることになる。ラグランジュの不変量の詳細な記載については、非特許文献４が参照される。
【００２２】
自動立体結像に対する一つのアプローチは、特許文献１５に開示されている。特許文献１５のデバイスは、画像の歪曲における収差を最小にするが、しかしながら、改善の余地がある、ボールレンズを使用する解決策を提供する。例えば、従来のボールレンズは、射出瞳の大きさに限定を有し、補正されてない球面収差を含有してもよい。
【００２３】
このように、立体の結像に対する要求のいくつかを満たすいくつかの従来のアプローチがある一方で、電子的に発生させられた画像を目視するために、改善された自動立体結像の解決策に対する要望があることを理解することができ、ここで、その解決策が、構造的に単純な装置を提供し、収差及び画像の歪曲を最小にし、広い視野、大きい瞳の大きさ、及びヒトの眼間距離の限定に対して必要とする要求を満たす。
【特許文献１】米国特許第５，６７１，９９２号
【特許文献２】米国特許第６，０３４，７１７号
【特許文献３】米国特許第５，５７２，２２９号
【特許文献４】米国特許第５，９０８，３００号
【特許文献５】米国特許第５，２５５，０２８号
【特許文献６】米国特許第４，６２３，２２３号
【特許文献７】米国特許第４，７９９，７６３号
【特許文献８】米国特許第３，７４８，０１５号
【特許文献９】米国特許第４，３３１，３９０号
【特許文献１０】米国特許第５，９４０，５６４号
【特許文献１１】米国特許第５，２０６，４９９号
【特許文献１２】米国特許第５，３１９，９６８号
【特許文献１３】米国特許第４，８５４，６８８号
【特許文献１４】米国特許第４，１２４，７９８号
【特許文献１５】米国特許第６，４１６，１８１号
【非特許文献１】Ｇ．Ｊ．Ｋｉｎｔｚ；“Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ｐａｎｏｒａｍａｉｃ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ，”ＳＩＤ  ９９  Ｄｉｇｅｓｔ，ｐａｇｅｓ  １０００−１００３
【非特許文献２】Ｓ．Ａ．Ｂｅｎｔｏｎ，Ｔ．Ｅ．Ｓｌｏｗｅ，Ａ．Ｂ．Ｋｒｏｐｐ，ａｎｄ  Ｓ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈ；“Ｍｉｃｒｏｐｏｌａｒｉｚｅｒ−Ｂａｓｅｄ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｖｉｅｗｅｒ  Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ，”ｉｎ  Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  ａｎｄ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＶＩ，ＳＰＩＥ，Ｊａｎｕａｒｙ，１９９９，ｐａｇｅｓ  １−８
【非特許文献３】Ｓ．ＭｃＫａｙ，Ｇ．Ｍａｉｒ，Ｓ．Ｍａｓｏｎ，ａｎｄ  Ｋ．Ｒｅｖｉｅ；“Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｂａｓｅｄ  Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  ｆｏｒ  Ｔｅｌｅ−Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”  ｉｎ  Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  ａｎｄ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＶＩＩ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，Ｖｏｌｕｍｅ  ３９５７，ｐａｇｅｓ  １９８−２０７
【非特許文献４】Ｗａｒｒｅｎ  Ｊ．Ｓｍｉｔｈ；Ｍｏｄｅｒｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．，ｐａｇｅｓ４２−４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、立体の虚像を目視するための自動立体光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の一つの態様によれば、一つの中心を有する自動立体光学装置は、左の目視する瞳で観察者によって目視される左の画像及び右の目視する瞳で観察者によって目視される右の画像を含み、
その装置は、
（ａ）左の目視する瞳で目視される左の画像を形成するための左の光学系
を含み、
その系は、
（１）左の画像の発生器及び左の中間画像を形成するための左のリレーレンズを含む、場面の内容を提供するための左の画像の発生系、並びに
（２）左の中間画像を受け入れるための左の球面に湾曲した拡散面を含む左の投射系、を含み、
左の球面に湾曲した面は、左の球面の屈折率分布型ボールレンズと実質的に同心のそれの曲率中心を有し、左の球面の屈折率分布型ボールレンズは、左の湾曲した画像が形成されるように左の球面に湾曲した拡散面から間隔を空けられ、左の湾曲した画像は、実像であり、左の湾曲した画像の曲率中心は、左の球面の屈折率分布型ボールレンズの曲率中心と一致し、左の球面の屈折率分布型ボールレンズは、左の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳を有し、
その装置は、
（ｂ）右の目視する瞳で目視される右の画像を形成するための右の光学系
を含み、
その系は、
（１）右の画像の発生器及び右の中間画像を形成するための右のリレーレンズを含む、場面の内容を提供するための右の画像の発生系、並びに
（２）右の中間画像を受け入れるための右の球面に湾曲した拡散面を含む右の投射系、
を含み、
右の球面に湾曲した面は、右の球面の屈折率分布型ボールレンズと実質的に同心のそれの曲率中心を有し、右の球面の屈折率分布型ボールレンズは、右の湾曲した画像が形成されるように右の球面に湾曲した拡散面から間隔を空けられ、右の湾曲した画像は、実像であり、右の湾曲した画像の曲率中心は、右の球面の屈折率分布型ボールレンズの曲率中心と一致し、右の球面の屈折率分布型ボールレンズは、右の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳を有し、
その装置は、
（ｃ）湾曲した鏡
を含み、
湾曲した鏡は、左の球面の屈折率分布型ボールレンズ及び右の球面の屈折率分布型ボールレンズの間において実質的に光学的に中ほどに置かれたそれの曲率中心を有し、
並びに
その装置は、
（ｄ）湾曲した鏡に向かって左及び右の湾曲した画像を反射させるために配置されたビームスプリッター
を含み、
湾曲した鏡は、左及び右の湾曲した画像の仮想の立体画像を形成するために配置され、
湾曲した鏡は、ビームスプリッターを通じて、左の目視する瞳で左の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳の実像及び右の目視する瞳で右の球面の屈折率分布型ボールレンズの瞳の実像を形成するために配置される。
【００２６】
本発明の特徴は、設計を単純化し、収差を最小にし、大きい射出瞳と共に広い視野を提供する光学構成部品の一つの中心を有する配置の使用である。
【００２７】
本発明の特徴は、小さい画像の発生器の低いラグランジュの不変量を投射系の大きいラグランジュの不変量に調和させるために、光学系内の中間拡散面の使用である。
【００２８】
本発明の代替の特徴は、放出する湾曲した面からの光の投射である。この配置は、自動立体光学装置の複雑さ及び必要な支持光学構成部品の数を最小にすることを援助する。
【００２９】
それが、小さい設置面積を有する表示系に詰められることが可能な光学構成部品の小型の配置を提供することは、本発明の利点である。
【００３０】
それが、非常に広い視野と共に、高い輝度及び高いコントラストで高分解能の立体電子結像を許容することは、本発明のさらなる利点である。
【００３１】
本発明は、光に有効であると共に投射のために相対的に低い水準の光を要求する系を提供する。
【００３２】
それが、従来の投射レンズ系の費用と比較したとき安価である広い視野の立体投射に対する解決策を提供することは、本発明の利点である。
【００３３】
それが、観察者がゴーグル又は他のデバイスを着用することを要求することなく立体の目視を提供することは、本発明のさらなる利点である。
【００３４】
それが、表示に関して観察者の重大でない整列のために十分な大きさの射出瞳を提供することは、本発明のいっそうさらなる利点である。
【００３５】
本発明のこれら及び他の目的、特徴、及び利点は、図面と併せて解釈したとき、以下の詳細な記載を読むことで、当業者に明らかになると思われ、ここで、本発明の実例となる実施形態を示すと共に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
明細書が、本発明の主題を特に指摘すると共に明確に請求する請求項で結ぶ一方で、本発明が、添付する図面と併せて解釈したとき、以下の記載と共に良好に理解されることは、信じられる。
【００３７】
本記載は、特に、本発明による装置の一部を形成する、又はその装置とより直接に協同する、素子に向けられる。具体的に示しても記載してもいない素子が、当業者に周知の様々な形態をとってもよいことを理解することができる。
【００３８】
図１を参照して、自動立体結像系１０の透視図を示す。観察者１２は、典型的には、左及び右の目視する瞳１４ｌ及び１４ｒから仮想の立体画像を目視するための位置に着席させられる。最適な目視する条件は、観察者１２の左及び右の目の瞳（図１に符号を付けていない）６８ｌ及び６８ｒが、左及び右の目視する瞳１４ｌ及び１４ｒの位置と一致するとき、得られる。
【００３９】
右の光学系２０ｒは、右のボールレンズ組み立て品３０ｒを通じてビームスプリッター１６へ画像を方向付ける。右の湾曲した画像８０ｒは、右のボールレンズ３０ｒ及び湾曲した鏡の間に設置されるために、湾曲した鏡２４の前側の焦点面２２に形成される。
【００４０】
図１に示すように、観察者１２によって見られる立体画像に対して二つの構成部品があることに注意しなければならない。立体画像は、左の湾曲した画像８０ｌ及び右の湾曲した画像８０ｒを含む、湾曲した画像８０である。左の湾曲した画像８０ｌ及び右の湾曲した画像８０ｒは、立体の３Ｄ効果を生成するために、場面の内容において十分に異なる。観察者１２によって見られる立体画像は、左の目視する瞳１４ｌで見られる左の画像及び右の目視する瞳１４ｒで目視される右の画像を含む。図１に表すように、左及び右の光路は、湾曲した鏡２４による結像により、自動立体結像系１０で交差する。
【００４１】
以下に続く記載は、主として、目視する瞳１４ｌ及び１４ｒのいずれか一つへ光を方向付ける光学構成部品に焦点を合わせる。左及び右のボールレンズ組み立て品３０ｌ及び３０ｒと相並んで及び左及び右のボールレンズ組み立て品３０ｌ及び３０ｒを含んで、類似の光学構成部品を、左の光学系２０ｌ及び右の光学系２０ｒに、すなわち、左及び右の光路の両方に用いることに注意するべきである。明確にするために、以下に続く記載は、右及び左の光学系２０の構成部品の両方に当てはまる。右及び左の光路の間におけるどんな区別も、正確であることが必要なときのみ、なされる。（添付された左“ｌ”又は右“ｒ”の指定は、必要とされない限り、この記載から省略される。）
図１を再度参照して、観察者１２によって見られる立体画像は、虚像として鏡２４によって湾曲した画像８０から形成される。すなわち、画像は、まるで湾曲した鏡２４の面上へ投射されるかのように、観察者１２には見えてこない。代わりに、画像は、湾曲した鏡２４の後側に、湾曲した鏡２４の後部及び無限距離の間に、あるように見える。
【００４２】
図１は、光学設計の見通しから、解決される鍵となる問題を図説し、本発明によって提供される解決策の概観を示す。最も生活の様な立体の目視を達成するための鍵となる設計の考慮を再検討することは、有益である。有効な実体験のように感じる経験を提供するために、先行技術を使用して利用可能な６０度を超過する、広い視野は、重要である。観察者１２によって快適に使用されるために、目視する瞳１４ｌ、１４ｒは、十分に大きくなければならない。設計目標として、本発明の自動立体結像系１０は、直径で２０ｍｍを超過する目視する瞳１４の直径を備えた少なくとも９０度の視野を提供することが意図される。
【００４３】
図２Ａを参照して、自動立体結像系１０における鍵となる光学構成部品の概略図を示す。図２Ａにおいて単純にするために、左／右の光路のただ一つを表す。現実の実践においては、自動立体結像系１０は、左及び右の光学系２０ｌ及び２０ｒを含み、ここで例えば、左の光学系２０ｌは、対応する従部品と共に左の画像発生系７０ｌ及び左の投射系７２ｌを含む。
【００４４】
この二重の配置を留意して、光学系２０は、画像発生系７０を含む。画像発生系７０は、次には、表示用の場面の内容を提供する、画像の発生器７４を含む。好適な実施形態において、画像の発生器７４は、ピクセルの配列として画像を提供する（示してない）結像回路によって制御される空間光変調器３６を含む。結像技術における周知の様式で、空間光変調器３６は、リレーレンズ組み立て品５４への入力である画像を形成するために、光源３４及び偏光ビームスプリッター３８と協同する。
【００４５】
図２に示すように多くの構成部品のレンズからなり得るリレーレンズ組み立て品５４は、画像の発生器７４から受けた光を拡散素子３２上へ方向付ける。左又は右の中間画像７６ｌ／７６ｒは、拡散素子３２の湾曲した拡散面４０上に形成される。投射系７２は、湾曲した拡散面４０及びボールレンズ組み立て品３０を含む。立体投射系８２は、左の投射系７２ｌ及び右の投射系７２ｒの両方を含む。左及び右の投射系７２ｌ／７２ｒの両方に対して、ボールレンズ組み立て品３０は、ビームスプリッター１６を通じて湾曲した鏡２４の前側の焦点面２２へ左又は右の中間画像７６ｌ／７６ｒを投射する。湾曲した鏡２４は、観察者１２に対して湾曲した鏡２４の“後側に”あるように見える立体の虚像を形成する。
【００４６】
図１、２Ａ、及び２Ｂに示す構成部品の配置が、投射レンズで広い視野を達成する挑戦に対して新規なアプローチを与えることを認識することができる。実例によって、図４は、立体投射レンズ設計に対する従来のアプローチが、どのように実施されるのかを示す。図４が示すように、従来のレンズ設計技術は、かなり複雑な左目及び右目のレンズ組み立て品１８ｌ、１８ｒの製造を要求する。レンズ組み立て品１８ｌ及び１８ｒが各々の目に対して適切に投射するためには、レンズ組み立て品１８ｌ及び１８ｒは、適切な眼間距離２８（すなわち、公称では６０−７０ｍｍの範囲における、観察者１２の右及び左の目の間の距離）内に、それらのそれぞれの光軸２６ｌ、２６ｒを有さなければならない。これは、図４における破線Ａ及びＢによって示されるような、レンズ組み立て品１８ｌ及び１８ｒの構成部品のいくらかの打ち切りを要求する。図４に示すようなもののような従来の解決策が、高価で設計する及び製造することが困難であり得ることは、光学技術の当業者によって認識され得る。本発明においては、図２Ａ、２Ｂ、及び図５に最も良く示すように、レンズ組み立て品１８ｌ／１８ｒは、比較すると少数の構成部品を含む、投射系７２によって置き換えられる。
【００４７】
図４に部分的に図説されるような従来のアプローチと対照的に、図５は、本発明の左及び右の光学系２０ｌ、２０ｒの別の概略図を示す。左及び右の光学系２０ｌ、２０ｒは、必ずしも平行ではないがむしろ遠方の収束する点に向かって方向付けられる軸を備えた協同する投射系を提供する。図２Ａ及び２Ｂに対して記載したように、リレーレンズ組み立て品５４ｌ及び５４ｒは、それぞれ、湾曲した拡散面４０ｌ及び４０ｒ上に左及び右の中間画像７６ｌ及び７６ｒを形成する。ヒトの眼間の分離の大きい範囲にわたって目視可能な立体画像を提供するために、ボールレンズ組み立て品３０ｌ、３０ｒは、都合よくは、平均化された、経験的に決定された眼間距離２８によって分離される。典型的な眼間距離は、５５ｍｍから７５ｍｍまでである。好適な実施形態は、６０ｍｍから７０ｍｍまでであり、６５ｍｍが最適である。
【００４８】
［ボールレンズ組み立て品３０の動作］
ボールレンズ組み立て品３０ｌ／３０ｒは、それの関連付けられた左又は右の光学系２０ｌ／２０ｒに対して投射レンズとして機能する。図３を参照して、各々のボールレンズ組み立て品３０に対して提供される同心の配置を示す。中央の球面レンズ４６は、メニスカスレンズ４２及び４４の間に配置され、ここでメニスカスレンズ４２及び４４は、光学設計技術において周知であるような軸上の球面及び色収差を最小にすることを意図した屈折率及び他の特徴を有する。射出瞳４８は、ボールレンズ組み立て品３０内の入射瞳を限定する。射出瞳４８は、物理的である必要はないが、内部全反射のような光学的な効果を使用して代わりに実施してもよい。光学部品の経路に関して、射出瞳４８は、ボールレンズ組み立て品３０に対する射出瞳を定義することに役立つ。
【００４９】
一つの実施形態において、メニスカスレンズ４２及び４４は、画像の収差を減少させるために、及び、湾曲した鏡２４に向かって投射された画像に対して画像の質を最適化するために、選択される。ボールレンズ組み立て品３０が、中央の球面レンズ４６を囲む支持レンズの任意の数の配置を含むことかできるであろうことに注意しなければならない。これらの支持レンズの面は、多くを用いるけれども、中央の球面レンズ４６と共通の曲率中心Ｃを共有するであろう。さらに、ボールレンズ組み立て品３０のレンズの構成部品に使用される屈折材料を、本発明の範囲内で変動させることができるであろう。例えば、標準的なガラスレンズに加えて、中央の球面レンズ４６は、プラスチック、油若しくは他の液体の物質、又は用途の要求に対して選ばれる任意の他の屈折材料を含むことができるであろう。メニスカスレンズ４２及び４４並びにボールレンズ組み立て品３０における任意の他の追加の支持レンズを、ガラス、プラスチック、密閉された液体、又は他の適切な屈折材料で、全て本発明の範囲内で、作ることができるであろう。それの最も単純な実施形態においては、ボールレンズ組み立て品３０は、追加の支持する屈折の構成部品無しに、単一の中央の球面レンズ４６を含むことができるであろう。
【００５０】
再度図３を参照して、湾曲した拡散面４０は、Ｃを中心としたボールレンズ組み立て品３０と同心である。この同心の配置は、湾曲した拡散面４０上に形成された左／右の中央の画像７６ｌ／７６ｒの投射に対して視野の収差を最小にする。湾曲した拡散面４０を、その光線をボールレンズ組み立て品３０によって受ける、分散性の点源５０の無数の組みとして考慮することができる。湾曲した拡散面４０上に中間の画像を提供することによって、射出瞳の大きさ及び視野角についてのラグランジュの不変量の束縛は、有効に克服される。図１に示す構成部品に関して、湾曲した拡散面４０は、画像発生系７０の特徴である低いラグランジュの不変量を立体投射系８２の高いラグランジュの不変量と調和させるために、界面として作用する。ラグランジュの不変量の束縛を克服することによって、湾曲した拡散面４０の使用は、このように、ボールレンズ組み立て品３０によって画像の広角の投射を許容する。
【００５１】
湾曲した拡散面４０の機能は、ボールレンズ組み立て品３０による広い画像の角度での投射のために、リレーレンズ組み立て品５４から、しかしできるだけ多くの輝度を伴って、中継される光を拡散させることである。観察者１２による投射された画像の結果として来るべき目視を許容するために、各々の分散性の点源５０が、ボールレンズ組み立て品３０の射出瞳４８を有効に満たすことは、重要である。これが達成されるとすれば、観察者１２は、目視する瞳１４ｌ／１４ｒに位置決めされた目で、目視する瞳１４ｌ／１４ｒ内における任意の点からの全体の投射された画像を目視することができる。
【００５２】
拡散素子３２は、湾曲した拡散面４０を提供するために被覆されたレンズである。湾曲した拡散面４０に対して適切な拡散被覆剤及び処理剤は、光学技術における当業者に周知である。代わりに、湾曲した拡散面４０を、必要とされた拡散の特徴を提供するために、いくつかの他の方法で、研削する、食刻する、又は処理することができるであろう。湾曲した拡散面４０の曲率は、視野の収差を有さないと共に最小の軸上の収差を有する投射のための画像を提供するために、ボールレンズ組み立て品３０の曲率と同心である。
【００５３】
代わりの実施形態において、拡散面４０を、Ｉｎｃｏｍ，Ｉｎｃ．，Ｃｈａｒｌｔｏｎ，Ｍａｓｓ．によって製造されたもののような、図７に示すようにファイバー光学部品の面板５６を使用して、実施することができるであろう。典型的には、フラットパネルディスプレイの用途に使用されるが、ファイバー光学部品の面板５６は、一つの面から別のものまで画像を移送する。光学系２０の一部として、ファイバー光学部品の面板５６は、二重の凹形状を有するであろう。左又は右の中間画像７６ｌ／７６ｒを、入力の凹面５８上に集束させると共に湾曲した拡散面４０を含む出力の凹面６０へ移送されるであろう。出力の凹面６０を、湾曲した拡散面４０の性能を高めるための光学技術における当業者に熟知されている多くの技術を使用して、処理することができる。例えば、様々な研削、バフ研磨、食刻、若しくは拡散面に帰着する他の技術を使用して、又は例えば、ホログラフィック回折格子を使用して、表面処理を達成することができるであろう。代わりに、拡散性の被覆剤を、出力の凹面６０へ塗布することができるであろう。
【００５４】
図１５Ａに示す球面の屈折率分布型ボールレンズは、図３に示す標準的なボールレンズを超える追加の利点を提供する。球面の屈折率分布型ボールレンズ組み立て品３１は、球面の屈折率分布型ボールレンズ４７及び従来のメニスカスレンズ４２及び４４で構成される。図１５Ａに示す球面の屈折率分布型ボールレンズ４７は、屈折率分布
ｎ（ｒ）＝ｆ（ｒ）
を有し、ｒは、ボールレンズの中心点からの距離である。それは、原点のまわりに球対称性を有する。例えば、
ｎ（ｒ）＝ｎ０＋ｎ１ｒ＋ｎ２ｒ２＋ｎ３ｒ３＋ｎ４ｒ４
である。
【００５５】
図１５Ａに示す球面の屈折率分布型レンズは、一般化されたルネバーグ（Ｌｕｎｅｂｕｒｇ）レンズである。ルネバーグレンズは、１９４４年にＲ．Ｋ．Ｌｕｎｅｂｕｒｇによって導入され、１９５８年にＳ．Ｐ．Ｍｏｒｇａｎによって拡張された（Ｒ．Ｋ．Ｌｕｎｅｂｕｒｇ，“Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ”，Ｂｒｏｗｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｒｏｖｉｄｅｎｃｅ，Ｒｈｏｄｅ  Ｉｓｌａｎｄ（１９４４）、Ｓ．Ｐ．Ｍｏｒｇａｎ，“Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｌｕｎｅｂｕｒｇ  Ｌｅｎｓ  Ｐｒｏｂｌｅｍ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２９，１３５８−１３６８（１９５８）、及びＥ．Ｗ．Ｍａｒｃｈａｎｄ，“Ｇａｒｄｉｅｎｔ  Ｉｎｄｅｘ  Ｏｐｔｉｃｓ”，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９７８））。
【００５６】
球面の屈折率分布型ボールレンズは、結像及び非結像光学部品における潜在的な用途を有し、前者は、収差の無い画像を生成するためであり、後者は、同心について基本的な上限を実現するためである。球面の屈折率分布型ボールレンズを使用して、本発明は、収差の無い画像及び大きい射出瞳４９、例えば、図１５Ａに示す、Φ４５ｍｍを得る。比較として、図３における従来のガラスのボールレンズの射出瞳は、たったの約Φ２３ｍｍである。図１４及び図１５Ｂは、それぞれ、従来のガラス及び球面の屈折率分布型ボールレンズに対する同じ単位での光線の扇のプロットである。光線の扇のプロットは、球面の屈折率分布型ボールレンズが、従来のガラスのボールレンズよりも大いに小さい球面収差を有することを明らかに示す。対応するＲＭＳのスポットの大きさは、球面の屈折率分布型の設計に対して２．３μｍ、及び従来の設計に対して２４μｍである。
【００５７】
図１５Ａに示す１８ｍｍの半径をもつ球面の屈折率分布型ボールレンズ４７の屈折率係数の一つの例は、図１６の表Ｉに挙げられる。屈折率のプロファイルを、図１７にプロットする。このように、この例で使用した球面の屈折率分布型ボールレンズ４７に対して、異なる波長に対する材料の屈折率が、ボールレンズの中心からボールレンズの縁まで減少することが理解される。
【００５８】
［画像の経路の一つの中心を有する設計］
本発明は、図１に示すような一つの中心を有する軸Ｍ及びそれの光学的な等価物ＭＩまわりの画像の経路の一つの中心を有する配置によって提供される固有の利点を利用する。図６を参照して、自動立体結像系１０における光学部品の経路の垂直な断面を示す。空間光変調器３６からの画像は、上述したような左又は右の中間画像７６ｌ／７６ｒとして、湾曲した拡散面４０ｌ／４０ｒ上へ中継される。湾曲した拡散面４０上の左／右の中間画像７６ｌ／７６ｒは、ボールレンズ組み立て品３０によって投射され、湾曲した鏡２４の前側の焦点面２２付近で左及び右の湾曲した画像８０ｌ及び８０ｒを含む立体の中間の湾曲した画像８０を形成するために、ビームスプリッター１６によって反射される。立体の中間の湾曲した画像８０は、それ自体実像で、観察者１２に虚像を与えるために、湾曲した鏡２４によって実質的にコリメートされる。ビームスプリッター１６及び湾曲した鏡２４によって、ボールレンズ組み立て品３０の射出瞳は、目視する瞳１４へ単位倍率で結像される。本発明の設計が、単位倍率に対して最適化されるが、しかしながら、単位倍率からのいくらかの変動は、本発明の範囲内で可能であることに注意しなければならない。
【００５９】
共通の曲率中心は、ボールレンズ組み立て品３０の中心Ｃに提供される。この点は、それの構成部品のメニスカスレンズ４２及び４４を備えたボールレンズ組み立て品３０に対する並びに湾曲した拡散面４０に対する曲率中心として役立つ。それを目視する瞳１４で結像させるので、中心Ｃは、後述するような湾曲した鏡２４に対するおおよその曲率中心を提供する。
【００６０】
図５を参照して、左及び右のボールレンズ組み立て品３０ｌ／３０ｒが、各々、それぞれＣＬ及びＣＲのように注釈が付けられた中心を有し、これらの中心が、眼間距離２８によって分離されることを理解することができる。Ｃｍと注釈が付けられた鏡２４の現実の曲率中心は、Ｃｌ及びＣｒの間の中程にある。このように、画像の経路の配置は、中心点を設置するためのいくつかの座標の必要な調節、すなわち平均と共に、軸Ｍまわりに実質的に一つの中心を有する。主として眼間の分離のために、幾何学的に完全な一つの中心を有することを達成することはできない。しかしながら、眼間距離２８は、系の全体的な規模を考慮すると、相対的に小さく、真の中心点の各々の側に対する目視する瞳１４ｌ、１４ｒの間隔を有効に許容する。
【００６１】
［湾曲した鏡２４の配置］
再度、眼間距離２８により、湾曲した鏡２４の精確な形状を、精確な球面の形状から、ある程度変動させるために、調節することができる。非球面の形状を、例えば軸外の瞳の収差を最小にするために、湾曲した鏡２４に使用することができるであろう。
【００６２】
湾曲した鏡２４は、伝統的な形成、研削、及び研磨技術を使用して製作するために、かなり高価な構成部品であり得る。一つの大きい鏡２４を組み立てるために互いに接合された二つ以上のより小さい鏡の部分から鏡２４を製作することが、より実際的である場合もある。図９を参照して、ビームスプリッター１６、光学系２０ｌ、２０ｒを示し、ここで湾曲した鏡２４は、二つ以上の部分６４を使用して構築され、各々の部分６４は、球面であり、各々の部分６４は、継ぎ目６２に沿って別の部分６４を接合するために、切り取られる。この配置で、各々の部分６４の曲率中心は、互いに重なり合うであろう。
【００６３】
さらに別の代替の実施形態として、湾曲した鏡２４は、伸縮可能な膜の鏡（ＳＭＭ）のような膜の鏡を含んでもよく。その曲率は、引き伸ばされた反射面の後部の気密室で発生させられた制御された真空によって決定される。伸縮可能な膜の鏡の使用は、上で参照したＭｃＫａｙの論文に開示される。代わりに、湾曲した鏡２４を、複製された鏡、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）の鏡を使用して、又は一つ以上の若しくは後方反射面を使用して、具現することができる。
【００６４】
図８Ａを参照して、左及び右の光学系２０ｌ及び２０ｒが、図１、２、６、及び９に示したようにビームスプリッター１６の使用無しに、湾曲した鏡２４の中へ直接投射する、代替の実質的に一つの中心を有する配置を示す。
【００６５】
図８Ａの配置は、各々の目視する瞳１４ｌ及び１４ｒに対する画像の経路が、わずかに偏心してなければならないので、湾曲した鏡２４が、許容可能な軸外の性能を有することを要求する。広角の結像用にボールレンズ組み立て品３０を含む光学系２０と併せて、
大きい又は非球面の鏡を用いることができるであろう。図８Ａに示す配置が、球面の湾曲した鏡２４を使用するとき、十分に機能するために、鏡２４の焦点距離に対する軸外の距離の比は、小さくなければならない。経験則として、軸外の角度が、おおよそ六度を超えないという条件で、球面を有する湾曲した鏡２４が、十分に機能するであろうことが決定されてきた。
【００６６】
六度を超過する軸外の角度に対して、非球面を有する湾曲した鏡２４の使用は、図８Ｂに示すように、より適切であろう。曲率中心点ＣＭ’は、目視する瞳１４ｌ及び１４ｒの間の中程にあるために、選ばれる。図５における曲率中心点ＣＭは、ボールレンズ組み立て品３０ｌ／３０ｒの中心点ＣＬ及びＣＲの間の中程にある。このような非球面の設計は、環状であり得るであろうし、点ＣＭ及びＣＭ’を通過する軸Ｅに関して一つの中心を有するであろう。断面において、この様式で製作された湾曲した鏡２４は、楕円形であり、点ＣＭ及びＣＭ’は、楕円の焦点として役立つであろう。
【００６７】
図１０を参照して、図８Ｂに示すものに類似するさらに別の代わりの配置を示す。図１０において、湾曲した鏡２４は、円筒形に湾曲した反射のフレネルの鏡６６を使用して、実施される。図１０に示す構成部品の配置は、図８Ｂに示したように、一つの中心を有する軸Ｍに関して一つの中心を有する。反射のフレネルの鏡６６は、例えば、Ｆｒｅｓｎｅｌ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，Ｎ．Ｙ．によって製造されたフレネルの光学構成部品に類似する、可撓性の基板上に製作された平面の素子であり得る。図１０に示すように、フレネルの鏡６６は、概して、軸Ｅまわりに円筒形の形状に湾曲させられるであろう。フレネルの鏡６６は、湾曲した鏡２４に対する上述のものに類似の様式で、目視する瞳１４ｌ／１４ｒ上へボールレンズ組み立て品３０ｌ／３０ｒの射出瞳を結像させるであろう。光学系２０ｌ／２０ｒは、フレネルの鏡の性能の特徴を収容するために、最適化されるであろう。
【００６８】
さらに別の選択肢として、本質的に、ボールレンズ組み立て品３０のものと一致した曲率中心を備えた球面の形状を有する面のような、後方反射面を使用して、湾曲した鏡２４を置き換えることができるであろう。後方反射面は、湾曲した鏡の反射によって引き起こされた画像を交差させる効果を導入しないであろう。しかしながら、この代わりの配置が、好適な実施形態においては、自動立体結像系１０によって形成された虚像ではなく、実像を提供するであろうことに注意しなければならない。
【００６９】
［画像の源の代替物］
好適な実施形態の空間光変調器３６は、多くのタイプのデバイスの一つであり得る。模範的な空間光変調器３６は、以下のタイプ
（ａ）電子的に発生させられた画像に対する投射装置において広く使用される、液晶デバイス（ＬＣＤは、表示される個々のピクセルを生成する個々の配列の素子を通じて、空間に関する様式で光源３４（図１）からの入射する光学ビームの強度を選択的に変調する。ＬＣＤは、透過性又は反射性のいずれかであり得る。好適な実施形態は、反射性のＬＣＤを使用する。）、
（ｂ）Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｄａｌｌａｓ，Ｔｅｘａｓからのディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）（このタイプの反射性デバイスを、代わりに、光源３４からの光学ビームを変調するために、用いることができるであろう。）、
（ｃ）点源からの又は線形の配列からの連続的な走査を使用して２Ｄ画像を作成する走査デバイス（このような走査デバイスは、点源から画像を発生させる、走査レーザー又はＣＲＴを含むことができるであろう。このような点源を、例えば、拡散面４０上へ左又は右の中間画像７６ｌ／７６ｒを書き込むために、使用することができるであろう。代わりに、走査デバイスは、Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，Ｃａｌｉｆ．によって製造されたもののような、回折格子の光弁（ＧＬＶ）のような線形のデバイスを含むことができるであろう。）
を含むが、それらに限定されない。
【００７０】
上の列挙は、代表のみである。代わりに、他のタイプの空間光変調器３６又は他の画像の源を、本発明の範囲内で源の画像を提供するために、用いることができるであろう。
【００７１】
リレーレンズ組み立て品５４のテレセントリックな挙動が、歪曲の無い結像に重要であることに注意することは重要である。
【００７２】
明確にするために、図１、２、５、６、及び７において、各々の左及び右の光学系２０ｌ／２０ｒに対して単一の空間光変調器３６のみを表す。現実の自動立体結像系１０において、各々の色の成分（典型的には、赤、緑、及び青、ＲＧＢ）は、一つの空間光変調器３６を要求し得るであろう。対応する光源３４は、電子結像の技術において周知であるように、成分の光の色で提供されるであろう。異なる画像平面は、左及び右の湾曲した拡散面４０ｌ／４０ｒにおける色で左及び右の中間画像７６ｌ／７６ｒを提供するために、組み合わせられるであろう。好適な実施形態において、当業者に熟知されているように、一体の色フィルターの配列を有する一つの空間光変調器３６を使用する。別の代替の実施形態において、Ｒ、Ｇ、及びＢ成分の色の連続的な配置を、一つの空間光変調器３６から提供することができるであろう。幸いにも、ここで開示したように、瞳の結像を使用する自動立体結像系１０に要求される光のレベルは、相対的に低く、長い間に光崩壊を受けやすい結像フィルターに典型的な周知の束縛を緩和する。
【００７３】
代替の実施形態において、湾曲した拡散面４０において中間画像を提供する機能を、空間光変調器３６及び関連付けられた支持光学部品を使用することなく、機能させることができるであろう。しかしながら、最適な立体の表現に対する限定は、湾曲した拡散面４０の位置で形成された中間画像を湾曲させなければならず、この代わりの湾曲した拡散面４０に対する曲率中心が、図６を参照して上述するように、ボールレンズ組み立て品３０の中心Ｃと一致することである。
【００７４】
図１２を参照して、放出する画像を形成する面８８を、代わりに用いることができるであろう。例えば、ｅＭａｇｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈｏｐｅｗｅｌｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ，Ｎ．Ｙ．から入手可能な有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を、放出する画像を形成する面８８として使用することができるであろう。同様に、重合体発光ダイオード（ＰＬＥＤ）の技術を用いることができるであろう。この用途のために、ＯＬＥＤ又はＰＬＥＤの配列の技術は、図１２の断面図に示すように、ボールレンズ組み立て品３０の中心Ｃと一致する球面の曲率を有するために成形することができるであろう可撓性の平坦なパネル上で利用可能な像面を許容する。ここで、放出する画像を形成する面８８、湾曲した鏡２４、及びボールレンズ組み立て品３０を含むＯＬＥＤ又はＰＬＥＤの配列は、同じ対称軸に関して一つの中心を有するであろう。
【００７５】
図１３を参照して、放出する画像を形成する面８８を提供するために、陰極線管（ＣＲＴ）９０を用いることができるであろう。これは、陰極線管９０に対して適切な形状を提供するために、標準的な在庫がありすぐに入手できるＣＲＴの製造からの曲率の変化を要求するであろう。
【００７６】
さらに別の代替物として、平坦な画像を形成する放出する面８４を、図１１に示すようなファイバー光学部品の面板５６と併せて、用いることができるであろう。ファイバー光学部品の面板５６は、図７の代わりの実施形態でもまた使用したような、ボールレンズ３０に面すると共に中心Ｃで同心の出力の凹面６０と、このような放出する面に面する平坦な面８６を要求するであろう。
【００７７】
本発明の好適な実施形態は、２０ｍｍ付近の目視する瞳１４の大きさと共に、９０度の範囲を超過する立体鏡の結像に例外的に広い視野を提供する。さらに、ボールレンズ組み立て品３０は、優れた軸外の性能を提供し、おそらく１８０度まで、広い視野を許容する。これは、ヘッドセット、ゴーグル、又は他のデバイスを着用することを要求することなく、観察者１２に高められた目視する経験を提供する。
【００７８】
このように、提供されるものは、非常に広い視野及び大きい目視する瞳を提供する、自動立体表示用の一つの中心を有する光学装置である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】自動立体結像系における本発明の装置の使用を示す透視図である。
【図２Ａ】本発明の自動立体結像系の鍵となる構成部品を識別する概略図である。
【図２Ｂ】本発明の自動立体結像系の鍵となる構成部品を識別する概略図である。
【図３】ボールレンズ及び従来のガラスレンズを備えた中間の像平面における拡散面の同一中心の配置を図説する破断図である。
【図４】右目及び左目の画像の投射に関する広角の投射レンズのための従来の用具を示す破断図である。
【図５】好適な実施形態における左目及び右目の投射系を示す概略のレイアウトである。
【図６】観察者の位置に相対した、湾曲した鏡及びビームスプリッターを備えた二つの投射系の一つの垂直な断面における概略のレイアウトを示す。
【図７】拡散面として二重の凹面のファイバーの面板を使用する、投射光学部品の組み立て品に関する代替の実施形態を示す。
【図８Ａ】投射系が、間に挟まれるビームスプリッター無しに、湾曲した鏡上へ光を方向付ける代替の実施形態を示す。
【図８Ｂ】湾曲した鏡が非球面である代替の実施形態を示す。
【図９】分裂した、湾曲した鏡を示し、そのセグメントは、実質的に同じ曲率中心を共有する。
【図１０】円筒形に湾曲した、湾曲した鏡の代用として反射のフレネルレンズを使用する代替の実施形態を示す。
【図１１】ファイバーの面板を備えた平坦な放出する画像を形成する面を使用する、断面における別の代替の実施形態を示す。
【図１２】球面に湾曲した放出する画像を形成する面を使用する、断面における代替の実施形態を示す。
【図１３】湾曲した画像を形成する面を有する陰極線管（ＣＲＴ）を使用する、代替の実施形態を示す。
【図１４】図３に示すボールレンズの光線の扇である。
【図１５Ａ】本発明による球面の屈折率分布型材料を備えたボールレンズの破断図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａに示すボールレンズの光線の扇である。
【図１６】図１５Ａに示す球面の屈折率分布型ボールレンズの係数の表である。並びに
【図１７】図１５Ａに示す球面の屈折率分布型ボールレンズの屈折率のプロファイルである。
【符号の説明】
【００８０】
１０    自動立体結像系
１２    観察者
１４    目視する瞳
１４Ｌ    左の目視する瞳
１４Ｒ    右の目視する瞳
１６    ビームスプリッター
１８Ｌ    左目のレンズ組み立て品
１８Ｒ    右目のレンズ組み立て品
２０    光学系
２０Ｌ    左の光学系
２０Ｒ    右の光学系
２２    焦点面
２４    湾曲した鏡
２６Ｌ    左の光軸
２６Ｒ    右の光軸
２８    眼間距離
３０    ボールレンズ組み立て品
３０Ｌ    左のボールレンズ組み立て品
３０Ｒ    右のボールレンズ組み立て品
３１    球面の屈折率分布型ボールレンズ組み立て品
３２    拡散素子
３２Ｌ    左の拡散素子
３２Ｒ    右の拡散素子
３４    光源
３６    空間光変調器
３６Ｌ    左の空間光変調器
３６Ｒ    右の空間光変調器
３８    偏光ビームスプリッター
３８Ｌ    左の偏光ビームスプリッター
３８Ｒ    右の偏光ビームスプリッター
４０    湾曲した拡散面
４０Ｌ    左の湾曲した拡散面
４０Ｒ    右の湾曲した拡散面
４２、４４    メニスカスレンズ
４６    中央の球面レンズ
４７    球面の屈折率分布型ボールレンズ
４８、４９    射出瞳
５０    点源
５４    リレーレンズ組み立て品
５４Ｌ    左のリレーレンズ組み立て品
５４Ｒ    右のリレーレンズ組み立て品
５６    ファイバー光学部品の面板
５８    入力の凹面
６０    出力の凹面
６２    継ぎ目
６４    部分
６６    フレネルの鏡
６８Ｌ    左の目の瞳
６８Ｒ    右の目の瞳
７０    画像発生系
７２    投射系
７２Ｌ    左の投射系
７２Ｒ    右の投射系
７４    画像の発生器
７４Ｌ    左の画像の発生器
７４Ｒ    右の画像の発生器
７６    中間画像
７６Ｌ    左の中間画像
７６Ｒ    右の中間画像
８０    湾曲した画像
８０Ｌ    左の湾曲した画像
８０Ｒ    右の湾曲した画像
８２    立体投射系
８４    平坦な画像を形成する放出する面８４
８６    平坦な面
８８    放出する画像を形成する面
９０    陰極線管
Ａ、Ｂ    破線
Ｃ    共通の曲率中心
ＣＬ    左の曲率中心
ＣＭ、ＣＭ’    曲率中心点
ＣＲ    右の曲率中心
Ｅ    軸
Ｍ    一つの中心を有する軸Ｍ
Ｍ’    一つの中心を有する軸の光学的な等価物
【図１】
2004326107.tif 000003
【図２Ａ】
2004326107.tif 000004
【図２Ｂ】
2004326107.tif 000005
【図３】
2004326107.tif 000006
【図４】
2004326107.tif 000007
【図５】
2004326107.tif 000008
【図６】
2004326107.tif 000009
【図７】
2004326107.tif 000010
【図８Ａ】
2004326107.tif 000011
【図８Ｂ】
2004326107.tif 000012
【図９】
2004326107.tif 000013
【図１０】
2004326107.tif 000014
【図１１】
2004326107.tif 000015
【図１２】
2004326107.tif 000016
【図１３】
2004326107.tif 000017
【図１４】
2004326107.tif 000018
【図１５Ａ】
2004326107.tif 000019
【図１５Ｂ】
2004326107.tif 000020
【図１６】
2004326107.tif 000021
【図１７】
2004326107.tif 000022