(57)【要約】【課題】実質的にフラットなイメージソースから、投影及び表示装置の中間画像として、高輝度の湾曲画像を提供する。【解決手段】球面鏡（９２）と、ビームスプリッタ（１０２）と、ボールレンズアセンブリ（３０）と、任意にフィールドレンズを使用して湾曲画像（１１０）を形成する、モノセントリック画像生成システム（１００）。イメージソース（９４）は、球面鏡（９２）の曲率中心ＣSに位置する開口絞り位置（９６）を通過してソースイメージを供給する。ビームスプリッタ（１０２）は、湾曲画像（１１０）を形成するために、得られた中間画像（９０）を、ボールレンズアセンブリ（３０）と同心になるように供給する。【選択図】図４
2004287435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲画像を形成する装置であって、
（ａ）ミラー曲率中心を有する球面鏡と、
（ｂ）前記球面鏡の頂点と前記ミラー曲率中心との間に配置されたビームスプリッタと、
（ｃ）画像担持光を前記球面鏡に供給するイメージソースであって、前記球面鏡は前記ビームスプリッタと共に作用して該イメージソースの中間画像を形成し、該中間画像は画像曲率中心を有する、イメージソースと、
（ｄ）前記中間画像から湾曲画像を形成し、前記画像曲率中心に中心を有するボールレンズセグメントと、
を、含む装置。
【請求項２】
請求項１に記載の湾曲画像を形成する装置であって、前記中間画像の近くに配置され、前記ミラー曲率中心を前記画像曲率中心の方向にイメージングするフィールドレンズをさらに含む、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の湾曲画像を形成する装置において、前記ボールレンズセグメントは、反射表面を備える半球体レンズを含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に投影装置に関し、より特定的にはモノセントリック光学システムを使用して実質的にフラットなイメージソースから湾曲した画像を形成するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の投影装置では、画像は、本質的にフラットな像形成表面から供給され、本質的にフラットな表示面に投影される。フィルムベースの投影では、例えば、光がフラットなフィルムピースを透過し、フラットな動画スクリーンに投影される。ディジタル像形成装置、例えば透過型及び反射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）およびディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）も同様にフラットな表面に画像を生成する。この結果、これらのデバイスを使用する投影装置は、フィルムベースのプロジェクタで使用される投影光学系と同様の出力光学系を使用することができる。
【０００３】
ところが、多くの光学システム、特に広い視野角を提供すべく設計されている没入型（immersive type）の光学システムは、湾曲表面を用いて像を形成する。このタイプのシステムの一例が、その記載内容を本願明細書の一部として援用される、本願と同一出願人による米国特許第６，４１６，１８１号（ケスラー他）（以下、’１８１特許と呼ぶ）に開示されている。’１８１特許では、湾曲ミラーが、イメージングソース、拡散表面、ボールレンズ、及びビームスプリッタと組み合わせて使用され、仮想イメージを提供する。’１８１特許に開示されるモノセントリック光学装置は、視野瞳孔（viewing pupils）が大きく、視野が非常に広く、収差が最小である両眼立体視（autostereoscopic）イメージングを提供する。このようなイメージングを提供し、モノセントリック投影に特有の効果を活用するために、’１８１特許に開示される装置は、フラットな表面にそのソースイメージが形成される場合、適当な曲率を有する中間画像を形成しなければならない。
【０００４】
図1には、’１８１特許に開示されるより詳細な説明から抽出した、画像生成システム７０の一部が示されている。画像生成システム７０は、立体投影システム８２において投影される中間湾曲画像８０を提供する。ここで、画像生成器７４は、フラット表面から、例えば反射型ＬＣＤからソースイメージを提供する。リレーレンズ５４が画像生成器７４からの光を拡散素子３２に向け、湾曲中間画像７６が拡散表面４０に形成される。ボールレンズアセンブリ３０が、ビームスプリッタ１６と共に作用し、湾曲中間画像７６を湾曲ミラー２４の前部焦点表面２２に向かって投影し、中間湾曲画像８０を形成する。湾曲ミラー２４は、観察者１４に対し、中間湾曲画像８０の仮想イメージを提供する。
【０００５】
’１８１特許の開示が指摘するように、拡散表面に中間画像を形成することにより、ラグランジェ不変式による制限を解消することができる。ラグランジェ不変式（LaGrange invariant）は、発光素子のサイズと開口数との積を出力輝度として決定するもので、１つの光学システムの出力を別のシステムの入力に整合させるための重要な事項（consideration）である。’１８１特許の装置では拡散器の使用が必要である。これは、像形成装置、特に反射型ＬＣＤまたは他の空間光変調器が比較的小型の発光装置であり、通常約１平方センチ以下しか測定しないためである。図１及び’１８１特許の開示を再び参照すると、画像生成器７４からの光出力を最大にするためには、拡散素子３２に使用によって角度の大きい発光を供給し、（’１８１特許の装置において画像生成器７４の下流に設けられた）投影光学システムの瞳孔を十分に満たすことが必要である。拡散表面４０は、投影光学システムに対して望ましい曲率を有する湾曲中間画像７６を提供する形状を有している。
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
拡散素子の使用により湾曲画像が形成されるための有効な解決法が提供されるが、拡散部品の使用にはいくつかの問題もある。すなわち、散乱光において、拡散光学素子は必ずある程度の輝度損失を生じる。また、拡散表面は画像中の粒状性を増加させ、コントラストを低減させる傾向がある。このように、拡散表面の使用はラグランジェ不変式による制限の解消を助けはするが、中間湾曲画像を提供し、高い輝度レベル及び高いコントラストを実現できるような解決法が求められている。ニトまたは１平方メートル当たりのカンデラ（カンデラ／ｍ2）で表される輝度は、日光状態で読むことができる表示を提供するには特に重要である。経験則にもとづけば、約２５０ニト以上の輝度で明るい表示が提供される。例えば、ノートブック型のＬＣＤは、通常約７０ニトの範囲の輝度を提供し、屋外で見るにはたいてい不適切である。現金自動預入支払機（ＡＴＭ）は通常約６００ニトの範囲の輝度を提供する。アビオニクスディスプレイは９００から１２００ニトを供給する。没入型イメージング及びシミュレーションアプリケーションの場合、高輝度の湾曲画像を提供できることが望ましい。
【０００８】
このように、実質的にフラットなイメージソースから、投影及び表示装置の中間画像として、高輝度の湾曲画像を提供する低コストのイメージングサブシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、実質的にフラットなイメージソースから湾曲画像を形成する装置及び方法を提供することである。上記目的を解決するために、本発明は、湾曲画像を形成する装置であって、（ａ）ミラー曲率中心を有する球面鏡と、（ｂ）球面鏡の頂点とミラー曲率中心との間に配置されたビームスプリッタと、（ｃ）画像担持光を球面鏡に供給するイメージソースであって、球面鏡はビームスプリッタと共に作用して該イメージソースの中間画像を形成し、該中間画像は画像曲率中心を有する、イメージソースと、（ｄ）中間画像から湾曲画像を形成し、画像曲率中心に中心を有するボールレンズセグメントと、を含む装置を提供する。
【００１０】
また、本発明の湾曲画像を形成する装置は、中間画像の近くに配置され、ミラー曲率中心を画像曲率中心の方向にイメージングするフィールドレンズをさらに含む。
【００１１】
また、本発明の湾曲画像を形成する装置において、ボールレンズセグメントは、反射表面を備える半球体レンズを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の特徴は、比較的安価な反射、ビームスプリッティング及び投影光学系を使用し、単純な（straightforward）光学システムから湾曲画像を提供することである。
【００１３】
本発明の利点は、小さくパッケージすることができ、デスクトップや他の小型イメージングアプリケーションで使用できる、湾曲画像を形成する光学システムを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる利点は、大面積のイメージソース部材が使用でき、その結果、日光表示に提案される最小輝度レベルを超えさえする高い画像輝度を実現することである。
【００１５】
本発明のさらなる利点は、拡散表面を必要とせずに湾曲画像を形成することで、該湾曲画像がより高いコントラストを有し、粒状性が最小化できることである。
【００１６】
本発明の上記及びその他の目的、特徴、及び利点については、本発明の例示的な実施形態を示した図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、当業者には明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の説明は、本発明による装置の一部を形成する、または該装置とより直接的に協働する部材に特に関する。なお、特定的に示したり説明したりしていない部材は、当業者に周知のさまざまな形状にすることができる。
【００１８】
図２には、中間画像９０が本発明にしたがってどのように球面鏡９２により形成されるかが示されている。イメージソース９４からの画像担持光は、開口絞り位置９６を通過して球面鏡９２の方向に向けられる。ここで、開口絞り位置９６は、中間画像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める。開口絞り位置９６は、球面鏡９２の曲率中心ＣSに位置する。図２に示されるように、開口絞り位置９６がミラー曲率中心ＣSを中心に位置する場合、ＣSを通過する光線はこの同一点に向かって反射する。図２に描いた光線が示すように、湾曲中間画像９０は通常、ミラー曲率中心ＣSとミラー焦点ｆとの間に形成される。湾曲中間画像９０は、ミラー曲率中心ＣSとは位置が異なる画像曲率中心Ｃｉを有する。イメージソース９４と球面鏡９２との距離Ｄが増大するにつれ、それぞれの曲率中心ＣS及びＣiは互いの方向に近づき、距離Ｄが無限大に近づくと一致する。イメージソース９４と球面鏡９２とのあいだのこの理想的な無限大距離Ｄにおいて、湾曲中間画像９０は焦点ｆ上に位置する。
【００１９】
図２の全体構造を使用する場合、イメージソース９４は、光を発する任意の数のイメージソース、例えば、ディスプレイＬＣＤ、ＣＲＴ、またはＯＬＥＤまたはＰＬＥＤ装置にすることができる。この構造にはイメージソース９４の２つの特性が特に重要である。
（ｉ）イメージソース９４上に形成される画像は実質的にフラットである。この画像に、例えばＣＲＴによって供給されるようなわずかな曲率がある場合もあるが、図２の構造は、イメージソース９４がフラットである場合に十分に機能し、曲率を有する中間画像９０が本発明の方法によってどのように形成されるかを示している。たいていの画像表示装置はフラットな画像を形成するので、この構造を有する既製のディスプレイ部品に対して修正の必要は無い。
（ｉｉ）イメージソース９４は、直径を数インチにすることができる。これは、例えば図１に関連して示したような、ＬＣＤまたはＤＭＤ部品などのマイクロディスプレイが使用される、他の湾曲中間画像生成装置とは異なる。イメージソース９４に対してより大きな表示装置を使用することで、画像の解像度と輝度とがいずれも高まるという特別な効果がある。
【００２０】
上記の背景技術の部分でラグランジェ不変式に関して説明したように、光学システムにおける輝度は、発光面積と立体角との積である。イメージソース９４に大きな発光面積を持たせることにより、本発明の方法は、光角度を比較的小さくしつつ、かなりの輝度レベルを提供する。このように小さい角度は、画像のコントラストを最大化し、カラーシフト及び他の関連する画像収差を最小化するのに効果的である。
【００２１】
理想的なボールレンズ動作
図３ａには、湾曲画像５０からの光を方向付けるボールレンズアセンブリ３０の同心構造及び光学的特性が示されている。中央球面レンズ４６はメニスカスレンズ４２及び４４の間に配置されている。球面レンズ４６及びメニスカスレンズ４２及び４４は、光学デザイン技術において周知のように、軸上球面収差（on-axis spherical aberration）及び色収差を最小化するための反射率及び拡散特性を有する。開口絞り４８は、ボールレンズアセンブリ３０内部に瞳孔１０６を定める。開口絞り４８は物理的な絞りである必要はなく、代わりに全反射などの光学的効果を用いて実施してもよい。光学パスに関しては、開口絞り４８がボールレンズアセンブリ３０に対する入射瞳及び射出瞳を定める。
【００２２】
好ましい実施形態では、メニスカスレンズ４２及び４４は、画像収差を低減し、かつ投影された画像に対して画像品質を最適化するべく選択される。なお、ボールレンズアセンブリ３０は、中央球面レンズ４６を取り囲む任意数の支持レンズ構造体を含んでもよい。ここで、いかに多数の支持レンズが用いられようと、これらの支持レンズの表面は、共通曲率中心Ｃball、すなわち中央球面レンズ４６の曲率中心を共有する。さらに、ボールレンズアセンブリ３０のレンズ部品に用いられる屈折材料は、本発明の範囲内で変更可能である。例えば、標準ガラスレンズに加え、中央球面レンズ４６はプラスチック、オイルまたは他の液体物質、またはその用途の要件に対して選択された他の任意の屈折材料を含むことができる。メニスカスレンズ４２及び４４、及びボールレンズアセンブリ３０における他の任意のさらなる支持レンズは、ガラス、プラスチック、封入液（enclosed liquids）、または本発明の範囲にある他の適当な屈折材料で生成できる。最も単純な実施形態では、ボールレンズアセンブリ３０は単純に、単一の中央球面レンズ４６を含み、さらなる支持屈折部品を含まない。
【００２３】
理想的な動作においては、湾曲画像５０は、ボールレンズアセンブリ３０と同一の曲率中心Ｃballを共有する。このように構成した場合、図３ａに示されるように、湾曲画像５０の任意の点からの光は、最小収差で像を形成する。
【００２４】
ボールレンズ固有の利点は、図３ｂの断面光線図に示されるように、修正されたデザイン、例えば折りたたみミラー（folding mirror）と組み合わせた半球体を使用することによって活用できる。図３ｂにおいて、半球体レンズアセンブリ６０は、半球体中央レンズ６６と、１つ以上の任意のメニスカスレンズ４２と、半球体の子午平面に沿った反射表面６２とを含む。反射表面６２は、子午平面の全表面にわたって形成されてもよいし、この表面の一部に沿ってのみ形成してもよい。図３ｂに示されるように、半球体レンズアセンブリ６０は、その対象としての湾曲画像５０から湾曲画像６４を形成し、これと同時に光学パスを折りたたむ。この構成は、例えば、光学部品のためのスペースが制約されている場合に効果を有することができる。
【００２５】
第１実施形態
図４には、本発明による投影または他の表示目的のための湾曲画像１１０を形成する画像生成システム１００の第１形態が示されている。図２に関連して説明したように、イメージソース９４は、開口絞り位置９６を通過して球面鏡９２に画像担持光を供給する。図４を参照すると、ビームスプリッタ１０２が用いられ、中間画像９０’をボールレンズアセンブリ３０と同心になるように方向付ける。光は球面鏡９２によって、ボールレンズアセンブリ３０の曲率中心Ｃballの方向ではなく、球面鏡９２の曲率中心にＣSの方向に向けられているので、光の一部がボールレンズアセンブリ３０の瞳孔１０６に入射せず、口径食が起こる。ここで、レンズアセンブリ３０の瞳孔１０６のオバーフィリングによって口径食は補償される。ボールレンズアセンブリ３０は中間湾曲画像９０’を再結像し、湾曲画像１１０を形成する。図４に示されるように、ビームスプリッタ１０２は、球面鏡９２の頂点Ｖとその曲率中心ＣSとの間に配置されている。
【００２６】
第２実施形態
図５には、画像生成システム１００の改良された実施形態が示されている。この画像生成システム１００においては、フィールドレンズ１１２が、中間画像９０が形成される出力軸に沿って位置している。フィールドレンズ１１２をこの位置に配置することにより中間画像９０は実質的に変化しない。しかしながら、中間画像９０からの光はボールレンズアセンブリ３０の曲率中心Ｃballの方向に向けられる。ここでも再び重要なことは、ボールレンズアセンブリ３０が中間画像９０と同一の曲率中心Ｃballを共有するが、これは球面鏡９２の曲率中心ＣSとも、球面鏡９２からの光が向けられる結像された曲率中心ＣS’とも同一ではない。フィールドレンズ１１２の機能は、中間画像９０の画質に実質的な影響を及ぼすことなくＣSをＣballにイメージングすることである。こうすることにより、フィールドレンズ１１２は、口径食を起こさずにボールレンズアセンブリ３０の瞳孔１０６を満たすべく本質的に光を再び方向付ける。望遠鏡、顕微鏡、及び同様の「管状」光学システムに共通し、フィールドレンズは光学技術において広く用いられ、第１レンズの画像位置に配置され、この画像位置に形成された画像が第２レンズの対象になる。このように、フィールドレンズは、光学システムの全体的な輝度及び視野を改良する。フィールドレンズ及び理論に関する背景情報は、例えば、ウォレン・ジェイ・スミス著"Modern Optical Engineering, the Design of Optical Systems"（２１２ページ〜２１３ページ、マグローヒル社、ニューヨーク）及び光学分野で知られた他の文献に見ることができる。
【００２７】
一実施形態においては、フィールドレンズ１１２の表面Ｓ１はミラーの曲率中心ＣSと同心であり、したがって主光線をＣballの方向に偏向しない。このような実施形態では、表面Ｓ２はミラーの曲率中心ＣSとは同心でなく、主光線をＣballの方向に曲げるべく動作する。あるいは、表面Ｓ２がミラーの曲率中心ＣSと同心であり、表面Ｓ１が主光線をＣballの方向に曲げるべく動作することも可能である。表面Ｓ１とＳ２のいずれかがＣSまたはＣballと同心である実施形態は、フィールドレンズ１１２のデザインに対して最も単純なアプローチを示す。表面Ｓ１とＳ２のいずれもＣSまたはＣballと同心ではない他のデザインもあるが、これらのデザインはより複雑である。
【００２８】
図３ｂに関連して既に説明したように、半球体ボールレンズアセンブリ６０の使用は、光学パスを簡素化するという効果を有する可能性がある。図６は、図５の構成の代替構成を示すもので、フィールドレンズ１１２とともに半球体ボールレンズアセンブリ６０を使用している。図６の構成においても、フィールドレンズ１１２は、ＣSをＣballにイメージングするべく動作する。ここで、Ｃballは、光学的に半球体ボールレンズアセンブリ６０の曲率中心である。
【００２９】
テレセントリック光の効果
ひきつづき図６を参照すると、任意の集束光学素子９８が用いられ、視野全体に改良された均一の輝度を供給する。イメージソース９４の表面に抗して、あるいはこの表面にごく近接して配置されるため、集束光学素子９８は一種のフィールドレンズとして機能し、イメージソース９４からの発した光を方向づける。図７には、イメージソース９４から発した光を、ミラー曲率中心ＣSに一致するその焦点ｆoeに集束させる、集束光学素子９８の機能が概略的に示されている。このようにして、集束光学素子９８はイメージソース９４から発した光にテレセントリシティを持たせ、開口絞り位置９６を通過して光学システムに供給される画像の輝度及びコントラストを最適化する。この結果、湾曲画像１１０は視野全体に最適な輝度を有する。一実施形態においては、集束光学素子９８はフレネルレンズである。集束光学素子９８として使用できる他の装置には、例えば、ホログラフィー光学素子、回折光学素子、２円筒型（two-cylinder）フレネルレンズ、またはより慣用的な湾曲表面レンズなども含むことができる。
【００３０】
ビームスプリッタ１０２に対する考察
図４及び図５に示されるように、ビームスプリッタ１０２はある範囲の角度にわたって入射光を受け入れなければならないので、ビームスプリッタ１０２がガラスでできている場合、視野の最両端にある光線は実質的に異なるガラスの厚さに遭遇する。このため、最低限の厚さを有するガラスまたはプラスチックのビームスプリッタ１０２を設けることが効果的であることがわかる。よって、ビームスプリッタ１０２は、薄いガラスまたは薄いプラスチックのタイプ、またはペリクルタイプのビームスプリッタが好ましい。
【００３１】
立体画像のための実施形態
図８には、左眼又は右眼イメージ生成システム１００L及び１００ｒの斜視図が示されている。ここで、各眼に表示される湾曲画像の生成には図５及び図６の基本部品を用いる。左及び右イメージソース９４L及び９４ｒは画像を、それぞれの左及び右開口絞り位置９６L及び９６ｒを通過して左及び右ビームスプリッタ１０２L及び１０２ｒから反射させて、それぞれの左及び右球面鏡９２L及び９２ｒに供給する。左及び右湾曲中間画像はそれぞれ、左及び右ビームスプリッタ１０２L及び１０２ｒを通過して、左及び右フィールドレンズ１１２L及び１１２ｒの付近に形成される。この左及び右フィールドレンズ１１２L及び１１２ｒが、それぞれの左及び右ボールレンズセグメント１３０L及び１３０ｒに光を向け直す。左及び右ボールレンズセグメント１３０L及び１３０ｒは、図３ｂに示される球面体レンズアセンブリ６０と同様に、基本的に球面である。左及び右ボールレンズセグメント１３０L及び１３０ｒには、左及び右反射平面１３２L及び１３２ｒが設けられ、光パスの折り畳みと画像の投影の２つの機能を行う。図８の構成により、各画像生成システム１００L及び１００ｒは、観察者の左眼及び右眼に対して適当な画像を生成できる。
【００３２】
図８の左及び右眼画像生成システム１００L及び１００ｒによって生成された湾曲画像を、例えば、大型の球面鏡を利用するイメージングシステムにおけるコリメーションのために中間画像として使用し、仮想画像を提供することができる。これらの湾曲画像は、例えば米国特許第６，４１６，１８１号に開示されるように、ビームスプリッタ装置を用いて再イメージングできる。図１及び図６を再び参照すると、例えば、図６の湾曲画像１１０を図１の中間湾曲画像８０の代わりに用いることができる。
【００３３】
フィールドレンズ１１２は、図示されるよりも複雑で、異なる曲率、構成、またはコーティングであり得る。イメージソース９４は、１実施形態では透過型ＬＣＤ装置であるが、フィルム、ＣＲＴ、ＬＣＤ及びディジタルイメージング装置を含む多くのタイプのイメージソースのうち任意のものでよい。例えば、イメージソース９４は、発光アレイ、例えば有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アレイでもよい。モノセントリックイメージングの利点を活用するために、球面鏡９２はほとんどの実施形態において実質的に半球体である。ただし、形状のわずかな修正は可能であり、これに対応して支持光学系も変更する。
【００３４】
このように、モノセントリック光学システムを使用して、実質的にフラットなイメージソースから湾曲画像を形成する装置及び方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】拡散素子上に形成され、ボールレンズを用いて投影された湾曲画像を提供する光学部材の従来技術の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の装置において中間画像がどのように形成されるかを示す概略図である。
【図３ａ】ボールレンズの光学的挙動を示す概略図である。
【図３ｂ】反射表面を備える半球体レンズの光学的挙動を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態を示す概略図である。
【図５】フィールドレンズを使用して湾曲画像を形成する、本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図６】フィールドレンズと組み合わせて半球体レンズを使用して湾曲画像を形成する、本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図７】集束光学素子を空間光変調器の表面上または表面付近にフィールドレンズとして使用した場合の中央光線のパスを示す概略図である。
【図８】本発明の立体的実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
３０  ボールレンズアセンブリ、６０  半球体レンズアセンブリ、６２  反射平面、６６  半球体中央レンズ、９２  球面鏡、９４  イメージソース、９６  開口絞り位置、１００  画像生成システム、１０２  ビームスプリッタ、１１０  湾曲画像、１１２  フィールドレンズ、ＣS  ミラー曲率中心、Ｃi  画像曲率中心。
【図１】
2004287435.tif 000003
【図２】
2004287435.tif 000004
【図３ａ】
2004287435.tif 000005
【図３ｂ】
2004287435.tif 000006
【図４】
2004287435.tif 000007
【図５】
2004287435.tif 000008
【図６】
2004287435.tif 000009
【図７】
2004287435.tif 000010
【図８】
2004287435.tif 000011