(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一組の３Ｄデータを実の空間で表示するための方法であって、
（１）一組の２Ｄイメージフレームを発生させるために前記３Ｄデータを処理するステップであって、前記２Ｄイメージフレームが、各フレームが実の空間の前もって決定された別の位置に配送され、表示されるとき、前記３Ｄデータの体積３Ｄイメージを形成する、前記３Ｄデータを処理するステップ、
（２）回転式往復運動式の動きに従って動く表示平面の提供のステップであって、前記表示平面が固定方向に常に直面し、１つの回転軸線の周りに旋回し、空間を通って掃引し、表示体積を定義すること前記回転式往復運動式の動きに特徴がある、前記表示平面の提供のステップ、
（３）前記表示平面に順に前記２Ｄイメージフレームの表示のステップであって、各々の前記２Ｄイメージフレームが前記表示体積の前もって決定された別の位置に配送され、表示される、前記２Ｄイメージフレームの表示が回転表示平面に前記２Ｄイメージフレームの投影を含んでいる、前記表示のステップ、
を含む前記方法。
【請求項２】
前記２Ｄイメージフレームの投影は前記表示平面に関して不変２Ｄイメージフレームのサイズ、向きおよび焦点を保つ光学インターフェイスのメカニズムを通って前記２Ｄイメージフレームの投影のステップをさらに含むこと前記投影に特徴がある請求項１の方法。
【請求項３】
（１）前記体積３Ｄイメージの表示の処理し、制御にコンピュータを提供することのステップ、
（２）操作装置の提供のステップであって、前記操作装置が物理的端および仮想端部を備え、ユーザーが前記物理的端を握り、前記表示体積の外側で使用し、前記仮想端部が座標データポイントの形でそして物理的端の延長と定義され、前記物理的端に関する前記仮想端部の相対的な位置そして向きが固定である、前記操作装置の提供のステップ、
（３）位置追跡装置の提供のステップであって、前記追跡装置が前記表示体積に関して前記物理的端の相対的な位置そして向きを追跡し、前記コンピュータにデータを送る、前記位置追跡装置の提供のステップ、
（４）前記物理的端の位置そして向きと前記仮想端部と前記物理的端間のあらかじめ定義された固定的な空間関係に従って、前記表示体積に関する前記仮想端部の各データ点の位置の計算のステップ、
（５）前記表示体積の内に置く仮想端部の部分を定め、前記表示体積の中の仮想端部の前記部分の位置そして向きを定め、それから前記表示体積の仮想端部の前記部分のイメージをそれに応じて表示するステップ、
（６）仮想端部のイメージと前記体積３Ｄイメージ間の相互作用のための計算機プログラムの提供のステップ、
を含み、
ユーザーと前記３Ｄデータの体積３Ｄイメージ間のインタラクトする方法をさらに含む請求項１の方法。
【請求項４】
仮想ツールのメカニズムの作動のステップであって、前記仮想ツールのメカニズムが座標データの形で前記仮想端部の付属品と定義され、前記物理的端が前記仮想ツールのメカニズムを制御するための作動装置をさらに含み、前記作動装置が前記コンピュータとそして前記計算機プログラムと伝達し合い、前記計算機プログラムが前記作動装置で前記仮想ツールのメカニズムの制御のルーチン、前記仮想ツールのメカニズムと前記体積３Ｄイメージ間の相互作用のルーチン、と前記表示体積の中に前記仮想ツールのイメージの表示のルーチンをさらに含める、前記ステップをさらに含む請求項３の方法。
【請求項５】
前記３Ｄデータの体積３Ｄイメージは色またはグレイ・スケールの３Ｄ表面を含み、前記３Ｄ表面は体積の点データを仕切る境界表面、体積の点データの横断面の表面、または固体の表面を包含する、
前記３Ｄデータを処理するステップは前記３Ｄ表面に対応する複数のサブ表面の作成のステップを含み、前記サブ表面に前もって決定された色があり、前記３Ｄ表面と同じような３Ｄ形があり、前記複数のサブ表面は空間で密接に一緒に積み重なり、積み重ねられたサブ表面が前記表示体積で表示されるとき、前記積み重ねられたサブ表面はすべての積み重ねられたサブ表面の色の混合によって前記３Ｄ表面の色またはグレイ・スケールを表示する統合された表面を形作る、
請求項１の方法。
【請求項６】
体積３Ｄイメージを表示するためのシステムであって、
（１）１つの表示平面、
（２）一組の回転式腕の機構であって、前記回転式腕は一致して回り、回転式動きの前記表示平面を運転し、前記表示平面を１つの回転軸線のまわりで回転させる、固定方向に常に直面する前記表示平面の表面を維持し、それにより前記表示平面は実３Ｄ空間を通って掃引し、表示体積を定義すること前記回転式動きに特徴がある前記回転式腕の機構、
（３）前記表示平面にイメージを投影するためのイメージの投影装置、
を包含する前記システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にカラー付きの体積３Ｄイメージの表示、及び３Ｄイメージとバリアフリーのインタラクションのための改良された方法及び装置に関する。
【０００２】
本発明は、１９９８年５月１９日付けで発行された米国特許Ｎｏ．５，７５４，１４７及び１９９６年８月２３日付けで出願された米国特許出願Ｎｏ．０８／７０２，０４７に関連する。
【０００３】
【従来の技術】
体積３Ｄディスプレイは、３Ｄイメージを実３Ｄ空間に表示する。体積イメージの中の各「ボクセル」は、想定されるあるべき空間的位置に実際にかつ物理的に位置し、そして光線は、その位置から全方向に向けて直接走行して、実イメージをビューアの眼に形成する。その結果・体積デスプレイは、生理学的及び心理学的な双方の深度キュー（ｄｅｐｔｈ  ｃｕｅｓ）において全ての主要な要素を持ち、かつ特別の眼鏡の必要性なしで多数のビューアによる３６０度の歩き回りビューイング（ｗａｌｋ−ａｒｏｕｎｄ  ｖｉｅｗｉｎｇ）を可能にする。この明細書では、便宜上実３Ｄ空間を占める３Ｄイメージを記述するのに、言葉「体積３Ｄイメージ」か「体積イメージ」が使用されている。体積イメージの中の各「ボクセル」は、想定されるあるべき空間的位置に実際にかつ物理的に位置し、そして光線は、その位置から全方向に向けて直接走行して、実イメージをビューアの眼に形成する。言葉「体積３Ｄディスプレイ」か「体積ディスプレイ」がそのような体積３Ｄイメージを表示することができる表示システムを表すのに使用されている。対照的に、慣習的なＣＲＴのモニターの透視図、または立体表示で画像表示３Ｄ実際に実質空間を占めない。そのような３Ｄイメージは仮想スペースで（ｖｉｒｔｕａｌ  ｓｐａｃｅ）表示される。
【０００４】
スキャニング（走査型）・レーザをイメージ・ソースとして用いる２つの主要なタイプの体積デスプレイがこれまであった。第１のタイプは、スキャニング・レーザ点を運動する表示スクリーン上に直接投影して、イメージを形成する（文献：Ｇａｒｃｉａ，Ｇａｒｃｉａ及びＷｉｌｌｉａｍｓ，Ｂａｔｃｈｋｏ，Ｌａｓｈｅｒ他，Ｂｅｌｆａｔｔｏ）。第２のタイプは、２段励起の原理に基づいており（文献：Ｋｏｒｅｖａａｒ，Ｄｏｗｎｉｎｇ他）、それはイメージを生成するため２つのレーザ・ビームの交差点を用いてフォトルミネセンス媒体を励起する。フォトルミネセンス媒体の２段励起に基づく別のアプローチでは、２つのマトリックスの平行ビームを用いて、多くの交差点をボリュームの中に与える（文献：Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）。カラー・イメージを表示するのに対して、スキャニング・レーザの直接投影の主要な欠点は、ボクセルの数が制限されることである。レーザ投影ボリューム・ディスプレイの現状技術は、ボリューム当たり２０，０００〜４０，０００ボクセルであることを報告しており（文献：Ｌａｓｈｅｒ他）、それはワイヤフレーム・イメージを表示するには良好であるが、複雑なカラー・イメージを示すには十分ではない。固体物質を用いる２段励起の場合（文献：Ｄｏｗｎｉｎｇ他）、その欠点は、３原色のための３つの異なる物質が必要となることである。気体物質を用いる２段励起の場合、主要な問題は、用いられる典型的な気体が毒性があるので安全性である。
【０００５】
別のアプローチは、イメージを生成するため電子ビーム及び蛍光体を用いる。これもまた２つのタイプのシステムがあり、１つは静止源から放出された電子ビームを受け取るため蛍光体でコートされた運動するスクリーンを用いるものであり、（文献：Ｂｌｕｎｄｅｌｌ）、もう１つは燐光性気体の２段励起に基づくものである（文献：Ｒｏｗｅ）。回転型スクリーンのアプローチでは、一定に回転しているスクリーン上の異なるカラーの蛍光体に対して電子ビームを正確に位置合わせすることが必要となろう。電子ビームによる２段励起のアプローチについては、カラー・イメージを表示することが難しいであろう。
【０００６】
体積デスプレイの別のアプローチは、回転するＬＥＤ（発光ダイオード）パネルを用いる（文献：Ｂｅｒｌｉｎ）。光ファイバがまたＬＥＤを交換するため用いられてきた（文献：ＭａｃＦａｒｌａｎｅ）。このアプローチの主要な問題は、マトリックスの光源の組み立ての複雑さにある。
【０００７】
体積デスプレイの更に別の範疇のものは、レーザ又は電子ビームの「点スキャニング」の代わりに「全体フレーム表示」を用いている。１つのアプローチは、電気的に切り換え可能な液晶表示層の積み重ねを用いている（文献：Ｈａｔｔｏｒｉ，Ｓａｄｏｖｉｎｉｋ）。別のアプローチは、ピエゾベースの高速焦点レンズを用いて、イメージ・フレームをＰＤＬＣスクリーンの積み重ねに投影している（文献：Ｐａｅｋ）。双方のアプローチは、積み重ね内のＬＣＤパネル又はスクリーンの数が物理的に制限されるので分解能が制限されていた。更に別のアプローチは、平行光ビームから成るイメージを運動するスクリーンに直接投影する（文献：Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）。光学的インタフェース機構を用いる異なるアプローチは静止投影装置上に生成された全体フレーム・イメージを運動するスクリーン（回転又は往復運動）上へスムーズに送るが、このアプローチは、通常の２Ｄ投影光学機器を用いて体積３Ｄイメージを生成するのを可能にし、従って平行イメージ・ビームの要件を取り除く（文献：Ｔｓａｏ他，Ｔｓａｏ）。
【０００８】
カラー３Ｄ体積イメージを表示するため、「全体フレーム表示」に基づくアプローチ、特に光学的インタフェース機構を用いるアプローチは、高ボクセル数の利点を持ち、２Ｄディスプレイ用に用いられる多くの技術を適用することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、このアプローチに基づいて、本発明は、カラー体積（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ）３Ｄイメージを表示するための新規で改良された方法及びシステムを提供する。本発明はまた、ユーザと体積表示システムとの間のインタラクションを改善する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一般的に、カラー又はグレイ・スケールを有する体積３Ｄイメージを表示するための新規で改良された方法及び装置に関する。基本概念は、次の４つのステップを含む。即ち、
１．  １組の生の３Ｄデータを可視データに処理する。この可視データは、分散した点、曲線及び表面の集合（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）の形式である幾何学的記述、及び対応するカラー記述を含む。
【００１１】
２．  可視データを１組の表示可能なデータに処理する。４つのカラー組合わせ方法の１つを用いて、可視データを、各々が点の集合及び異なるカラー周波数である３つのデータ・サブセットに処理し、それらは後に空間において組み合わされ、カラー付きの体積イメージを形成することができる。４つのカラー組合わせ方法は次の４つである。即ち、（１）正確な組合わせ：１つのボクセルの中の全ての原色は、同じ位置に同じ体積掃引（ｖｏｌｕｍｅ  ｓｗｅｅｐ）において現れる。（２）空間的組合わせ：１つのボクセルのための原色は、僅かに異なる位置にであるが同じ体積掃引において現れる。（３）時間的組合わせ：１つのボクセルのための原色は同じ位置にではあるが異なる体積掃引において現れる。（４）空間的−時間的組合わせ：（１）及び（２）の組合わせである。
【００１２】
３．  １組の別個のイメージ・パターンを発生しかつカラー表示システム上に表示する。異なるカラー周波数の各パターンから成る１組の別個のイメージ・パターンが、カラー表示システム上に表示可能なデータの内容に従って発生される。
【００１３】
４．  １組の別個のイメージ・パターンを再び組み合わせかつ体積表示システム上に表示する。最後のステップで、複数の組の別個のイメージ・パターンは、再び組み合わされかつ体積表示装置上に表示されて、カラー・体積３Ｄイメージを形成する。
【００１４】
本発明はまた、体積デスプレイの中のイメージをユーザの空間に投影するため凹型ミラーを用いることにより、そして仮想操作装置がユーザの動きを体積表示空間の中に延長する方法を用いることにより、ユーザと体積デスプレイの中のイメージとの間のインタラクションを改善する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付の図面の援助により詳細に記述され得る。
【００１６】
本発明の基本概念は、次の４つのステップを含む。即ち、
１．  １組の生の３Ｄデータを可視データに処理する。
【００１７】
２．  可視データを表示可能なデータに処理する。
３．  １組の別個のイメージ・パターンを発生しかつカラー表示システム上に表示する。
【００１８】
４．  １組の別個のイメージ・パターンを再び組合わせかつ体積表示システム上に表示する。
【００１９】
我々の実験的観察に基づくと、ビューアが３Ｄの実空間においてかれらの空間的分布、即ち、分散した点、曲線（直線を含む）及び表面（平面を含む）を明瞭に知覚することができる３つの基本的な幾何学的形式が存在する。
【００２０】
例えば、Ｘ線ＣＴ（コンピュータ化された断層撮影）３Ｄデータは密集した状態で離間している点の集合である場合があり、各データ点は、組織の密度を表しかつ輝度又はグレイ・スケールの尺度に変換され得る異なる値の減衰係数を表す。データ・セットの中の全ての点が３Ｄ実空間に表示される場合、ビューアは密度（又は輝度）分布を知覚することは難しいであろう。それは、丁度、たとえ水の中の泥の濃度が場所場所により変わっても人が泥水のタンクを通して見ることができないように、組織表面に近接した点が内部の点を阻止するからである。
【００２１】
従って、第１のステップで、生の３Ｄデータは、３つの基本的な幾何学的形式の組合わせのデータ形式、ここでは可視データと呼ばれるデータ形式に変換されねばならない。なお、これらの基本的な幾何学的形式は情景（ｓｃｅｎｅ）を阻止しかつ混乱させる問題を持たないものである。一般的に、可視データは、その形状を定義することができる幾何学的記述、及びその種々の部分のカラー（色）を定義することができるカラー記述を有する。幾何学的記述は、分散した点、曲線及び表面の集合の形式である。
【００２２】
従って、Ｘ線ＣＴデータの例に戻って、元のデータは１組の境界表面により表すことができ、各境界表面は密度のような異なる特性の領域を分離する。異なる組織は通常医療の像形成データにおいて異なる値の減衰係数を与えるので、従って異なる組織の境界は元のデータから見い出すことができる。減衰係数が突然の境界なしに変化する場合、輪郭境界、即ち同じ範囲の減衰係数を有する領域の境界は定義されることができる。図１の（Ａ）は、人間の頭部データが３層の境界表面、即ち、頭骨１１０、脳１２０及び内部の有害組織１３０により表される例による概念を図示する。更に、図１の（Ｄ）において参照番号１６０及び１７０で示されるように、分散した点が、内部の特性を示すため、境界表面により囲まれる空間の中に加えられることができる。
【００２３】
３Ｄ医療データ及び多くの他のタイプの３Ｄデータを視る際に、セクション（断面イメージ）が非常に有効である。セクションは、平面のデータであり、従って可視データである。更に、境界表面又はセクションが十分に示されることができ又は選択的に示されることができることに注目すべきである。それらが十分に示されるとき、セクションは、ビットマップ・イメージが３Ｄ実空間の中に位置することを除いて丁度ビットマップ・イメージのように密度の高い点により示される。セクションが選択的に示されるとき、セクションは分散した点又は曲線により示される。例えば、図１の（Ｂ）は、人間の頭部のセクション１４０が頭部１００の境界表面表示に重ね合わされている概念を図示する。セクションが十分に示され、それにより、曲線１４５により囲まれているビットマップ範囲１４２は脳の組織を表し、同様に、曲線１４６により囲まれているビットマップ範囲１４３は有害組織を表す。曲線１４４、１４５及び１４６は、境界表面１１０、１２０及び１３０それぞれの断面である。代わりに、セクションは、図１の（Ｃ）の参照番号１４０において示されるように、それらの曲線によってのみ示されることもできる。
【００２４】
機械組立体の場合のように、３Ｄデータが固体の対象物でありかつその固体の内部に関心がない場合には、境界表面は、その固体を表すのに十分である。図１の（Ｅ）は、３つの側面が３つの平面１０１−１０３により表され（他の３つの側面は図示されいない）、各平面がビット・マップとして十分に示されている立方体を図示する。追加のデータはその内部において必要とされない。代わりに、立方体は、平面、例えば１０１が４つのライン１０４−１０７により表されている図１の（Ｆ）に示されるように、ワイヤフレーム（ライン）により表すこともできる。
【００２５】
第２のステップにおいて、可視データは別個のデータ・サブセットに処理され、その別個のデータ・サブセットは後に空間において組み合わされ、カラー付きの体積イメージを形成する。各データ・サブセットは、点の集合から成り、異なるカラー周波数を有する。これらの別個のサブセットが実空間において組み合わされるとき、それらは可視データにより定義されるように幾何学的形状及びカラーを有するイメージを形成する。この新しい組のデータは、カラー表示装置が表示するのに適するが、可視データ自身は適していない。この新しいデータ・セットは、これにより表示可能データと呼ばれる。
【００２６】
表示可能データの形態、即ち、点が適切な位置で異なるカラー周波数に割り当てられる仕方は、カラー・イメージを生成するため用いられるカラーの組合わせ方法に依存する。説明の便宜のため、固体の対象物の例示的表示可能データが図２に図示されている。十分に示された境界表面２１０は、ディスプレイ・ボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）の中の対象物を表す。その表面２２０の部分は、表面の点の位置と共に図示され、それはまた、例えば２２１でカラー情報を担持する。平面２０１は、体積掃引中のある瞬間に１つの投影されたフレームの位置を表し、そしてあの平面２０２での断面の小部分は、可視データ２０３の一部の点を示すため拡大され、そこにおいて４つの白い正方形２２２−２２５は対象物２１０の境界表面上の４つの選択された点を表す。
【００２７】
４つの基本的なカラー組合わせ方法が存在する。第１は、「正確な組合わせ」であり、それは１つのボクセルの中の全ての原色を同じ体積掃引の中の同じ位置に現れさせる。図３に図示されているように、可視データ２１０は表示可能データに処理される。その表示可能データは３つのサブセットのデータ３２０Ｒ、３２０Ｇ及び３２０Ｂを含み、その各々は異なる原色、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）又はＢ（青）である。各データ点、例えばサブセットの中の３２５Ｒ、３２５Ｇ及び３２５Ｂは、可視データ、例えば２２５におけるように同じ対応位置に位置する。その結果、３つのサブセットは、組み合わされて、可視データ２１０において定義されるように同じ幾何学的形状及びカラーへ３１０になることができる。
【００２８】
「正確なカラー組合わせ」は経済的に望ましくない場合がある。カラー組合わせの第２の方法は「時間的組合わせ」であり、それは１つのボクセルのための原色を同じ位置であるが異なる体積掃引において現れさせる。我々の実験的観察に基づいて、１０−１５Ｈｚのボリューム・リフレッシュ速度は、一般的に良好な体積３Ｄイメージを与えることができる。従って、ボリューム・リフレッシュ速度が例えば３０−４５Ｈｚに増大される場合、各々が異なる原色を担持する３つのデータ・サブセットは、組み合わされたカラー・イメージを提示するよう連続的に表示されることができる。図４に図示されるように、可視データ２１０は表示可能データに処理される。その表示可能データは、３つのサブセットのデータ４２０Ｒ、４２０Ｇ及び４２０Ｇを含み、その各々は、異なる原色であり、そして異なるしかし連続したボリュームに示される。サブセットの中の各データ点、例えば４２５Ｒ、４２５Ｇ及び４２５Ｂは、可視データ、例えば２２５におけるように同じ対応位置に位置する。その結果、３つのサブセットは、再び組み合わされて、可視データ２１０において定義されるように同じ幾何学的形状及びカラーへ４１０になることができる。
【００２９】
第３のカラー組合わせ方法は「空間的組合わせ」であり、それは１つのボクセルのための各原色を僅かに異なる位置にあるがしかし同じ体積掃引において現れさせる。図５に図示されるように、可視データ２１０の中の各データ点、例えば２２５は、異なる原色の３つの僅かにオフセットされたサブ点、例えば５２５Ｒ、５２５Ｇ及び５２５Ｂに処理される。３つの近接して離間したサブ点は、元のデータ点に対応するカラーを有する１つの点として見える。組合わせにおいて、可視データの幾何学的形状及びカラーは５１０で再び生成されることができる。
【００３０】
これは、多くの２Ｄ表示において用いられている「カラー・トライアッド」技術に似ていて、それは３つのサブピクセルの異なる原色を用いて１つのピクセルを形成する。しかしながら、２Ｄ表示においては、１つのピクセルのためのサブピクセルの数はそれらのサイズにより制限される。体積３Ｄ表示においては、より多くのサブボクセルを置いてより多くのカラー・レベルを生成するための追加のスペースが存在する。３Ｄ対象物の体積イメージは大部分境界表面から成ることが指摘されてきた。従って、各々が異なる原色であるが類似の形状である多数のサブ表面を密接に積み上げることにより、全ての個々のサブ表面の色の混合を有する統合化された表面を生成することができる。図６に図示されるように、可視データの中の表面２２０は、各々が異なる原色である３つのサブ表面６２０Ｒ、６２０Ｇ及び６２０Ｂに処理される。それら３つのサブ表面は密接に積み上げられる。統合化された表面６２０の部分の拡大図６０３に図示されるように、例えば、カラーの青６２０Ｂ−１、６２０Ｂ−２及び６２０Ｂ−３を有する点はサブ表面６２０Ｂの部分を形成する。表面６２０Ｒ及び６２０Ｇの場合も同様である。３つのサブ表面の色の混合は、元のデータのカラーを再び生成する。例えば、点６２０Ｒ−１（赤）、６２０Ｇ−１（緑）及び６２０Ｂ−１（青）の組合わせは、元のデータにおける対応する点２２５のカラーとして、白のように見える。ビューアの視線は表面６２０を視たときほとんどｘｙ平面に平行であり、従ってほとんど矢印６０１により示されるように、サブ表面に対してほとんど垂直であることに注目すべきである。その結果、表面に対して垂直の方向にある表面の「厚さ」の増大は、表面に対して平行の方向において測定される空間的解像度の損失に変換されない。従って、各サブ表面は、空間的解像度に影響を及ぼすことなく幾つかの点の「厚さ」を持つことができる。より多くの点は、カラーのより多くのレベルを結果として生じる。こうして、「カラー・サブ表面」の方法は、「カラー・トライアッド」方法より体積３Ｄイメージのためより多くのカラーを生成することができる。
【００３１】
第４のカラー組合わせ方法は「空間的−時間的組合わせ」であり、それは空間的と時間的との両方の色混合を適用する方法である。
【００３２】
本発明の第３のステップにおいて、各々が異なる原色である１組の別個のイメージ・パターンが、表示可能なデータに従って発生されかつカラー表示システム、好適には投影システム上に表示される。
【００３３】
カラー投影システムにとって理想的なイメージ・ソースは表示パネルであり、そのピクセルの各々は異なるカラーを表示することが可能である。そのような「カラー−ピクセル・パネル」を用いることにより「正確な組合わせ」のカラーを有する体積イメージを容易に発生することができる。原理的には、放出され、反射され、又は送られる光の周波数を変える又は選択するため、好適には電気により、同調することができるいずれの光の発光、反射又は送出デバイスが、「カラー−ピクセル・パネル」を作るため微細製作されかつ統合化されることができる。１つの典型的な例は、ＦＬＣ（強誘電性液晶）から作られた高速切換え可能なカラー・フィルタであり、それは印加される電圧の組合わせを変えることにより光の選択された周波数スペクトルをフィルタリングすることができる（文献：Ｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈ）。従って、「カラー−ピクセル・パネル」は、各ピクセルが切換え可能なカラー・フィルタとして独立に作用するように作ることができる。図７は、カラー・イメージ投影システムの第１の好適な実施形態を図示する。独立に制御されるＦＬＣ切換え可能カラー・フィルタ７１１のマトリックスから成る「カラー−ピクセル・パネル」７１０が、イメージ・ソースとして用いられている。集光レンズ７２０は、白色光をランプ７３０から集め、カラー表示パネルを照射する。投影レンズ７４０は、カラー表示パネル上に表示されるイメージを投影する。更に多くのカラー・レベルを生成するため、２以上の「カラー−ピクセル・パネル」を用いることができる。投影されたイメージは、より多くのカラー・レベルに重ね合わせることができる。
【００３４】
より共通には、表示パネルはモノクロームであり、それはカラー・イメージを生成するためカラー照射を必要とする。図８は、カラー・イメージ投影システムの第２の好適な実施形態を図示し、それは、３つのモノクローム表示パネル８１０Ｒ、８１０Ｇ及び８１０Ｂをイメージ・ソースとして用いる。３原色の光ビーム８３１Ｒ−Ｂが、３つのパネルのそれぞれを集光レンズ７２０を通して照射する。ここに示す表示パネルは反射型パネルであるので、ＴＩＲ（合計内部反射）プリズム８５０を用いて、パネル上のイメージを投影レンズ７４０へ送る。液晶パネルを用いる場合、偏光子が通常必要とされ、それは図８に示されていない。表示パネルが透過型である場合、光学的セットアップ部は図７に類似の形式を取ることになる。１つの白色光源を１組の二色性カラー・フィルタと共に用いることにより、カラー照射８３１Ｒ−Ｂを発生させることができる。なお、１組の二色性カラー・フィルタは光学エンジニアリングにおいては通常の実行である。イメージを３つのパネル上に再び組み合わせるため、類似の二色性フィルタ装置を用いることができ、それは赤の反射器８６０Ａ、青の反射器８６０Ｂ及びミラー８６０Ｍを含む。各表示パネルから出力の青反射器８６０ＢまでのＯＰＬ（光学的経路長）は等しく保たれるべきで、それにより３つの別個のイメージ・パターンを適正に再び組み合わせることができる。
【００３５】
カラー投影システムの第３の好適な実施形態は、切換え可能なカラー照射システムを有する１つのモノクローム表示パネルを用いる。図９の（Ａ）に示されるように、モノクローム表示パネル８１０は、切換え可能なカラー・フィルタ９１０が光ビーム８３１の色を切り換えるため用いられることを除いて、図８におけるそれと類似の投影光学機器の中にある。カラー・フィルタの切換えは、表示パネルと同期化され、それにより各原色は、同じ原色に対応するイメージ・パターンが表示されるとき、パネルを照射する。カラーの各切換えはまた、全てのボリューム・リフレッシングに同期化されている。こうして、カラー・体積イメージは、「時間的組合わせ」方法により表示されることができる。代替のカラー切換え機構は、図９の（Ｂ）に示されるように、回転型カラー・ホイール９２０である。
【００３６】
カラー投影システムの第４の好適な実施形態は、カラー・トライアッドを有する表示パネルをイメージ・ソースとして用いる。図１０に示されるように、表示パネル１０１０は、そのパネルの拡大図１０１１に図示されるように、３原色のピクセルのモザイクを有する。勿論種々の形式のカラー・トライアッド構成があり得る。この場合の投影光学装置は、再び図８におけるそれと似ている。より多くのレベルを得るため、３つのカラー・トライアッド・パネルを用いることができ、そしてそれらのイメージ・パターンを重ね合わせることができる。
【００３７】
第５の好適な実施形態、即ち代替のカラー・トライアッドのアプローチは、モノクローム表示パネル、及びカラー・トライアッド・コーティングを有する投影スクリーンを用いることである。図１１に示されるように、体積表示装置の投影スクリーン１０５０は、半透明で拡散性の中央材料１０５２をサンドウィッチしたカラー・トライアッド形態（図示のようにストライプ状）の２つのカラー・フィルタ・フィルム又はコーティングから成る。モノクローム表示パネルからスクリーン上へ投影されるイメージ・パターン１０６０は、白色光の点である。赤のストライプ上へ投影された点１０６０Ｒは赤の点として現れ、そして青又は緑のストライプ上へ投影された点１０６０Ｂ及び１０６０Ｇは青又は緑の点として現れる。代替として、スクリーン上のカラー・トライアッドはまた、透明なベース層上にコーティングされた又は印刷された、３つの異なるカラーを有する拡散性材料から作ることができる。
【００３８】
カラー投影システムの第６の好適な実施形態は、カラー・トライアッドを有する３つの表示パネルで切換え可能なカラー照射システムと一緒のものをイメージ・ソースとして用いる。図１２の（Ａ）に示されように、このシステムは、切換え可能なカラー・フィルタ９１０Ａ−９１０Ｃを用いて表示パネルに対する照射の色を制御する点を除いて、各々が本質的に図１０の実施形態である３つのサブシステム１１００Ａ−１１００Ｃの組立体である。３つのサブシステムの投影されたイメージは、ある距離１１９０において一致して、重ね合わされたフレーム・イメージを生成する。
【００３９】
全体フレーム投影に基づくボリューム・ディスプレイのため・イメージ・パネルのフレーム速度は、ボリュームをスイープする方向におけるイメージ解像度を決定する。図１２の（Ａ）の実施形態は、この限界より高い解像度（ボリュームをスイープする方向において）を有してカラー・イメージを生成することができる。動作概念を以下に説明する。カラー・トライアッド表示パネル１０１０上に表示されたイメージ・パターンの任意の１つのフレームは、３つのサブフレーム、即ち赤パターン、緑パターン及び青パターンを含む。切換え可能なカラー照射システムを用いて、これらの３つのサブフレームを別々にかつ独立して投影することができる。例えば、典型的な切換え可能カラーＦＬＣカラー・フィルタは、およそ１００マイクロ秒の切換え遷移時間（１０ｋＨｚ）を有する。典型的なＦＬＣ表示パネルは、およそ３ｋＨｚのフレーム速度（３０００フレーム／秒）を有する（文献：Ｄｉｐｌａｙｔｅｃｈ）。従って、切換え可能なカラー・フィルタは、ＦＬＣ表示パネルの１フレームの時間内に１Ｒ−Ｇ−Ｂサイクルをランすることができる。３つのこのようなサブシステム１１００Ａ−１１００Ｃを用い、かつこれら３つのサブシステムから投影された各サブフレームを、いずれの瞬間においても、重ね合わされたイメージ・フレームが３つのサブフレームを含むように重ね合わせることにより、各々が異なる表示パネルからでかつ異なる原色であるカラー・体積イメージであって表示パネルのフレーム速度により制限された解像度より３倍高い解像度（即ち、１ボリューム当たりの合計サブフレーム数）を有する前記カラー・体積イメージを生成することができる。典型的な投影シークエンスは次の通りである。
【００４０】
【表１】
0004706944.tif 000002
【００４１】
従って、各表示パネル上に表示された各フレームの内容は、上記の投影シークエンスに従って設計（又はプログラム）されるべきあり、それによりパネル１−３からのＲ、Ｇ及びＢのサブフレームの重ね合わせは所望のカラー・サブフレームｆ１，ｆ２…を生成することができる。
【００４２】
カラー照射を切り換える代替方法は、カラー・ホイールを用いるものである。図１２の（Ｂ）に示されるように、光ビームはレンズ１１２０により収束され、そのため光ビームはカラー・ホイール１１１０の最小の直径１１３０を通る。カラー・ホイールは、図１２の（Ｃ）に示されるように多数の小さいカラー・フィルタのストライプを規則的に含む。３つの光源からの焦点合わせされた光ビーム１１３０Ａ−１１３０Ｃは、各ビームが任意の瞬間に異なるカラーのストライプによりフィルタリングされるように位置決めされている。
【００４３】
一般に、この「サブフレーム方法」を用いて、１ボリューム当たりより高いフレーム数を有してカラー・イメージを生成する。しかしながら、この方法は、カラー・イメージの生成に制限されない。必要ならば、スクリーンの運動の方向において更に一層高い解像度を生じるため４以上のカラー・フィルタ・システムを用いることにより、フレームの４以上の細分割を行うことができる。この方法はまた、カラー・トライアッドの表示パネルに制限されない。多重カラー・パターンの可能ないずれの表示パネルも適用することができ、それは、カラー投影システムの第１の実施形態において説明したカラー−ピクセル・ディスプレイ・並びにフィルム・ベースのディスプレイを含む。
【００４４】
再び、図１２の（Ａ）のシステムに対する代替システムは、カラー・トライアッドの３つの表示パネル１０１０をモノクローム表示パネルと置換しかつカラー・トライアッドを投影スクリーン上に配置するものである。
【００４５】
表示パネルを駆動する好適な方法は「ベクトル駆動」方法である。イメージ投影装置は満足な体積３Ｄイメージを生成するため高いフレーム速度を有する必要があることが従来技術において指摘されていた（文献：Ｔｓａｏ他、Ｔｓａｏ）。これはまた、イメージ・データが表示パネルに高速度でアップロードされねばならないことを意味する。カラー表示にとって、この速度要件は、ここでカラーの追加のデータが存在するので、一層高くなり得る。現在の２Ｄ表示のためにほとんど採用されている駆動方法は「ラスタリング」であり、それは内容が何であれ表示パネルの全てのピクセルを更新する。本発明においては、３Ｄ表示可能データは基本的に境界表面、曲線及び散在した点の形式であるので、表示パネルにアップロードされるべきイメージ・データ・フレームは、図１３の１２０５に図示されるように、大部分散在した点及び曲線の形式であることを分かることができる。即ち、表示パネルの有意の部分は黒であり、境界曲線上のそれらのデータ点のみが実効的なデータである。従って、イメージ・データ記憶装置（フレーム・バッファ）のフォーマット及びピクセルのアドレス方法が「ラスタ」形式に代わりに「ベクトル」形式に変えられた場合、メモリ・バッファ・サイズ、及びイメージ・ドライバのためのイメージ・データ転送速度についての要件は、著しく低減されることができる。図１３はこの概念を図示する。ベクトル駆動方法の下では、フレーム・バッファ１２１０は、ディスプレイのピクセル数に等しい全マトリックスのデータ・エントリをもはや記憶しない。代わりに、有効なピクセルのみ（非黒ピクセル）のアドレス及びデータ値（例えばグレイ・スケール数）を含むより小さいデータ・アレイが記憶される（１２１１）。フレームを表示するとき、イメージ・ドライバ回路のＣＰＵ１２２０は、アレイの中の各データ値をその対応するアドレス、即ち対応するピクセルに割り当てる。これは、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）をアドレスする方法に似ている。多くの現在の２Ｄ表示デバイスは、実際にはＤＲＡＭ又はＳＲＡＭ  ＶＬＳＩ構造に基づいており、従ってこのベクトル方法により駆動されることができる。
【００４６】
本発明の第４のステップにおいては、複数の組の別個のイメージ・パターンは、再び組合わせされ、そして体積表示装置上に投影されて、最終の体積３Ｄカラー・イメージを表示する。文献：Ｔｓａｏ他、及びＴｓａｏに開示された体積表示システムを本発明のため用いることができ、それは、静止投影装置上に表示された全体フレーム・イメージを運動しているスクリーン（回転しているか往復運動しているかのいずれか）上へ配送するため光学的インタフェース機構を用いる。
【００４７】
図１４に図示されているように、回転型スクリーン・システムのうちの一つは、３つの主要部分、即ち、回転するスクリーン・ユニット１３３０（スクリーン１３３１、中央反射器１３３２、およびサイドリフレクター１３３３を含み、）、高フレーム速度イメージ投影システム１３１０及び光学的インタフェース機構１３２０を特徴とする。光学的インタフェース機構１３２０は、イメージ・プロジェクタから投影された光学的イメージを表示用スクリーン上へ中継するが、一方スクリーンが回転するとき、投影されたイメージのサイズ、向き（オリエンテーション）及び焦点（フォーカス）（ｆｏｃｕｓ）を不変に維持する。好適な光学的インタフェース機構は、スクリーンの半分の速度で回転する光学的イメージ回転装置である。文献：Ｔｓａｏ他及び文献：Ｔｓａｏ及びＣｈｅｎに開示された好適なインタフェース機構の外に、用いることができる他の幾つかのイメージ回転装置が存在し、それらはドーブ・プリズム（又はＫミラー）及びピーチャン（Ｐｅｃｈａｎ）・プリズムのようなイメージを回転させるプリズムを含む。しかしながら、これらのプリズムは内部の長い光学的経路長を有し、それは投影光学機器にとって有利ではない。１つの好適な光学的インタフェース機構は９０°反射器に基づくものであり、それはイメージをフリップ（ｆｌｉｐ）することができ、従ってイメージ回転装置として用いることができる。図１５に図示されているように。反射器１４１０は、回転軸に沿って到来する光ビームを受け取り、そしてそれを９０°反射器１４２０に送り、その９０°反射器１４２０は、イメージをフリップし、反射器１４３０及び１４４０は、そのビームを回転軸１３０１へ戻す。図１５で示されているように、９０°反射器は９０度の互いにの斜めに整理される２つの平らな反射器を構成する。反射器組立体全体が回転するにつれ、出力イメージは反射器組立体の速度の２倍の速度で回転することになる。好適なシステムにおいては、対称に構成された２組の４反射器セットアップ部から成る形態が用いられている。この構成は、反射器のサイズを低減し、オフ軸の光学的経路長を短くする。プリズムの代わりに前表面ミラーが、重さを低減するため用いられる。
【００４８】
別の好適な光学的インタフェース機構は、図１６に示されるように、異なるセットアップ部内の５つのミラーから成る。５ミラー・システムはイメージを反転し、それによりその機構全体が回転するにつれ、投影されたイメージ・フレームは２倍の速度で回転する。このシステムはまた、対称的に配置された２つの５ミラー・システムから成る１０反射器組立体の中に作られ、反射器のサイズを低減しかつオフ軸の光学的経路長を短くすることができる。
【００４９】
更に別の好適な光学的インタフェース機構は、図１７に示されるように、２対の円筒形の投影レンズであってそれらのパワー子午線セット（ｐｏｗｅｒ  ｍｅｒｉｄｉａｎｓ  ｓｅｔ）を直交方向に有する前記２対の円筒形投影レンズから成る。レンズの度が選択され、それにより、投影されたイメージがレンズ１６１０及び１６２０によりｘ方向において反転され、そしてレンズ１６３０及び１６４０によりｙ方向において正立され、しかしイメージ位置及び倍率は同じである。これは、円筒形レンズがパワー子午線の方向のみに働くので、可能性がある。こうして、光学機器はイメージを反転し、それにより機構全体が回転するにつれ、投影されたイメージ・フレームは２倍の速度で回転する。この機構において、イメージ回転とイメージ投影とが組み合わされる。
【００５０】
図１８は、体積表示システムの別の好適な実施形態を図示する。このシステムは、表示パネル１７１０及び投影光学機器全部を回転ユニット１７３０に配置し、そこにはスクリーン１７３１及び側部反射器１７３３が着座している。投影システムがスクリーンと共に回転するので、光学的インタフェース・システムの必要性がない。光源１７５０は回転する必要がない。光ビーム１７５１は、回転軸に沿って走行して、表示パネルに到達する。スリップ・リング装置１７６０又は類似のものが、データを回転ユニットの中に送るため必要とされる。用いられる色組合わせ方法に応じて、切換え可能な光シャッタ又はカラー・フィルタが、回転ユニット上に又はそれの外側に静止光源と共に配置されてもよい。このシステムは、表示パネル及び投影光学機器が小さい寸法であり及び重さが軽いとき、最良に働く。
【００５１】
文献：Ｔｓａｏ他は、単一の反射器をインタフェース機構として用いる体積表示システムを開示している。そのシステムは、１対の直交反射器をインタフェース機構として用いることにより修正されることができる。図１９に示されるように、２つの反射器１８２０は、９０°の角度で取り付けられ、そして２つの反射器が接触する屋根端部１８２５を通る共通軸１８０１の周りを回転する。反射表面は凸側１８２０Ａ及び１８２０Ｂ上である。半透明スクリーン１８３１及び反対位置にある２つの側部反射器１８３３Ａ及び１８３３Ｂはまた、共通軸の周りを直交反射器の速度の２倍の速度で回転する。直交反射器の反対側にある２つのイメージ投影システム１８１０Ａ及び１８１０Ｂが用いられる。１つのスクリーン回転から次のスクリーン回転まで、２つの投影システムは、イメージ・フレームをスクリーンに直交反射器を介して交番して投影する。２つの体積掃引を有する各スクリーン回転内に、１つの反射器及び１つの側部反射器（例えば１８２０Ａ及び１８３３Ａ）は、投影されたイメージ・フレームを第１のボリュームの間にスクリーンの一方の側上に中継し、また他方の反射器及び他方の側部反射器（例えば１８２０Ｂ及び１８３３Ｂ）は、投影されたイメージ・フレームを第２の体積掃引の間にスクリーンの他方の側上に中継する。２つの光シャッタ１８１１Ａ及び１８１１Ｂを用いて、イメージ投影システムからの投影ビームを調整して、投影ビームが確実に正しい反射器に到達するようにする。光シャッタは、文献：Ｔｓａｏに開示されているように、２つの独立のシャッタ範囲を有する。
【００５２】
図２０は、２つ以上の側部反射器、例えば１９３３及び１９３４を用いて回転ユニット１９３０の直径を増大することなくスクリーン・サイズ（即ち、表示ボリューム）の増大に適応させる回転型スクリーンの好適な実施形態を示す。
【００５３】
文献：Ｔｓａｏはまた、往復運動型スクリーンに基づく幾つかの体積表示システムを開示している。図２１は、往復運動するスクリーンの動きを生じるため滑らかな回転機構を用いる改良された往復運動型スクリーン・システムを図示する。核心となる機構は、一致して回転する（ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｉｎ  ｕｎｉｓｏｎ）２対の回転アーム２０３５Ａ−２０３５Ｄを有する。回転アームは、統合化されたマシン基台（図示せず）に取り付けられ、タイミング・ベルト装置を有するモータ（図示せず）作動されることができる。半透明スクリーン２０３１はその両端部で２つのロッド２０３６に装着され、それら２つロッド２０３６は回転ベアリングを有する２対の回転アームに取り付けられている。アームが回転するにつれ、スクリーンはそれに従って移動し、表示体積２０４０はスクリーンをスイープすることにより生成されることができる。４つの回転アームが一致して回転するので、基本的に回転中にスクリーン及びロッド組立体にストレスが課されない。従って、スクリーン及びロッドは、重さの軽い材料で作ることができる。各回転アームは、適正な重量分布により均衡をとることができる。その結果、回転は、滑らかになり、かつ十分に均衡するようにすることができる。イメージ投影システム２０１０は、イメージ・フレームを光学的インタフェース機構２０２０を介してスクリーン上に投影する。光学的インタフェース機構は、文献：Ｔｓａｏに開示されている機構の１つであり、それはアクチュエータ−センサ・システムを介してスクリーンの動きと同期化されることができる。図２１で示されているように、スクリーンの動きの性質は回転である。スクリーンは１つの回転軸線について回り、固定方向に直面するスクリーンの表面を常に保つ。前の回転スクリーンの方法と比較されたとき、この動きの主な違いが回転の軸線の位置であることが注意されるべきである。図１４、１８、１９および２０の例では、回転の軸線はスクリーンの表面にある直線である。例えば、軸線１８０１は、図１９で描写されるようにスクリーン１８３１の表面にある。しかし、図２１が描写する動きに、回転軸線は（図示せず）２組の回転腕の２の回転軸線の間に実際にある。従って、固定方向に直面するスクリーンの表面を常に保つことは可能である。その結果、スクリーン２０３１の回転式動きは表示体積２０４０の中のスクリーンの往復運動の動きを作成する。便宜上、このタイプのスクリーンの動きは、このタイプを慣習的な往復運動か回転式動きと区別するために、「回転式往復運動式の動き」と呼ぶことができる。機械的に、この回転メカニズムはスライダーおよびクランク軸の使用のような他の往復運動式のメカニズムと比較されたとき簡単、信頼できる。
【００５４】
ボリューム表示システムの更に別の好適な実施形態は、２段励起アプローチを光学的インタフェース機構と組み合わせる。基本的概念は、物理的スクリーンを、フォトルミネセンス材料の中の平面の光ビームと置換し（第１段の励起）、そしてイメージの全体フレームを平面の光ビームに投影する（第２段の励起）。図２２は、回転させる方法を図示する。平面ビーム２１３１は、第１の周波数のレーザ２１３５及び平面ビーム変換器２１３６により生成され、その平面ビーム変調器２１３６は、１組の円筒形レンズか回折光学機器かのいずれかである。平面ビーム変換器を回転させることにより、平面ビームは、ドーム形状の容器２１３８の中に包囲されたフォトルミネセンス材料をスイープする。イメージ投影システム２１１０は、第２の周波数のイメージ・フレームを投影して、平面ビーム、即ち全体フレームを同時に横切る。平面ビーム変換器及び中央反射器２１３２は同期して回転し、光学的インタフェース機構２１２０はそれらの速度の半分の速度で回転する。回転部品の数を更に低減するため、図１４における回転型側部反射器は、ドームの内部の周りの反射用コーティングの帯２１３３により置換されることができる。この反射用帯は球形であり平坦でないので、補正レンズ又はミラーが投影光経路に追加されねばならない（図示せず）。図２３は、往復運動型のアプローチを図示する。平面ビーム２２３１が再びレーザ及び平面ビーム変換器により生成される。平行なスキャン平面２２３９をフォトルミネセンス材料の容器の中に生成する多くの方法があり得る。１つの例は、図２３に示されるように、パラボラ型反射器２２４１及びスキャン用ミラー２２４３をその焦点ラインに用いるものである。イメージ投影システム２２１０は、第２の周波数の光のイメージ・フレームを投影する。光学的インタフェース機構２２２０は文献：Ｔｓａｏに開示されているものであり、それはアクチュエータ−センサ・システムを介してスキャン用ミラーの動きに同期化されることができる。
【００５５】
体積３Ｄ表示システムは更に、より良いヒューマン・システム・インタフェースを提供するよう修正されることができる。１つの望ましい特徴は、ユーザが所望のデータ取り扱い又は操作を実行するため３Ｄデータ・イメージの「中に手を伸ばす」ことを可能にすることである。図２４は、そのような「バリアフリー」表示システムの１つの好適な実施形態を図示し、それは体積デスプレイ２３１０を凹型ミラー２３２０と組み合わせている。体積表示システムの表示ボリュームは、凹型反射器の光軸２３２１近くの位置に配置される。光学の原理により、表示ボリュームに表示された体積イメージは、図２４に示されるように、凹型反射器の光軸近くの中間の空中２３５０に浮かんでいる実イメージとして投影されることができる。イメージは、３Ｄであり、そして反射器の外側に出ているように見える。このシステムは、この結果「体積イメージ・プロジェクタ」と呼ばれる。位置追跡システム、３Ｄ座標測定アーム、又は触覚型インタフェースのような３Ｄ入力装置２３６０は、システムと統合化されることができ、ユーザ２３７０が３Ｄイメージと直接インタラクトすることを可能にする。
【００５６】
「バリアフリー」（ＢＡＲＲＩＥＲ−ＦＲＥＥ）体積表示システムの別の実施形態は、「仮想マニピュレータ」を用いて、ユーザがイメージと直接インタラクトすることを可能にする。腕又は指を表示空間に直接伸ばす代わりに、ユーザは、図２５に示されるように、操作装置２４７０を表示ボリューム（表示体積）２４１１の外側で用いる。しかしながら、操作装置は、イメージ・データの形式のみで、物理的形式ではなく定義される「仮想端部」２４７１を有する。位置追跡システム２４６０は、操作装置の３Ｄ位置及び向きを追跡し、従って「仮想端部」の位置及び向きは、システムを制御するコンピュータ２４８０に対して常に知られている。コンピュータが仮想端部のいずれの部分を表示体積２４１１内で検出するとき、仮想端部のその部分の体積３Ｄインタラクト２４７１Ａは、対応する位置及び向きで表示体積の中に表示されるであろう。その結果、ユーザは、あたかもユーザが３Ｄイメージの中に直接伸ばすことができるツールを有するかのように、操作装置を用いることができる。この「仮想マニピュレータ」の概念は３Ｄマウスのような既存の３Ｄ入力システムとは異なることに注目すべきである。３Ｄマウスの動作は、３Ｄマウスとイメージとの間の位置マッピングが相対的であるので、相対的な手と眼との協調に依存している。「仮想マニピュレータ」の動作は、操作装置２４７０と仮想端部間の位置及び向きの絶対的マッピングを用い、従って直接の手と眼との協調を可能にする。それに応じて、仮想マニピュレーターは表示体積の中の世界と外の世界間のユーザ・インタフェースである。仮想マニピュレーターの２部分は２つの世界を機能する。仮想端部は表示体積で動き、イメージを処理できる。物理的端りは手によって握られ、外側について動かすことができる。重大に、仮想端部と物理的端間の空間的な関係が固定の、絶対空間的な関係であるので、ユーザーは仮想端部が実際の物理的端からの物理的な延長であるように物理的端を握り、次に表示体積の中の仮想端部を動かすことができる。ユーザーはこれらのイメージが物理的な物体であるように体積３Ｄイメージを指し、処理できる。対照的に、仮想マニピュレーターの概念は透視図の３Ｄイメージが実質スペースを占めないので、慣習的な２Ｄ表示に適用しない。力フィードバック・システムのような触覚型インタフェースは、「仮想ツール」を作るためこのシステムと統合化されることができる。例えば、図２５に図示されるように、操作装置は、２つの力フィードバック作用点２４７２及び２４７３を有する仮想ピンセットである。ユーザは、２つの指を用いて、２つの作用点を保持しかつ力を加えることができる。「仮想端部」２４７１は、ピンセットの２つの先端部として定義することができ、その２つの先端部は、ユーザが２つの作用点を操作するにつれ動く。次いで、適切なコンピュータ・プログラミング及び制御により、ユーザは、仮想ピンセットを用いて、表示ボリュームの中の体積３Ｄイメージの形式のピックアップの先端部と組織により組織表面２４９０を「持ち上げる」ことができる。「仮想マニピュレータ」の概念はまた、勿論、「体積イメージ・プロジェクタ」に用いることができる。
【００５７】
本発明はまた、フィルム・ベースのディスプレイを用いて体積・カラー・イメージを生成することを含む。イメージ投影システムの多くの好適な実施形態における表示パネルは、フィルム・プロジェクタにより置換することができる。「カラー・サブ表面方法」及び「サブフレーム方法」はまた、フィルム・ベースのイメージ・ソースに拡張することができる。フィルム・ベースのシステムは、可視及び非可視双方の光の光パターンを生成するためのフィルムを含むことになる。
【００５８】
前述した好適な実施形態に加えて、発明の背景の章で説明した体積表示システムのような他の多くの体積表示システムがまた、本発明と用いることができる。また、本発明の多くの方法が投影システムに基づく体積デスプレイに限定されないことに注目すべきである。例えば、「カラー・サブ表面」の方法及び「サブフレーム方法」は双方、回転型ＬＥＤに基づく、又は多層のＬＣＤに基づく体積デスプレイに適用可能である。
【００５９】
更に、本発明において用いられている用語「カラー」（又は「色」）は一般的にカラー（又は色）及びグレイ・スケールの双方の表示を含むことに注目すべきである。また、用語「カラー・トライアッド」は一般的にカラー・ストライプ又はマトリックス又は他の構成を含む異なるカラー周波数のピクセルの種々のレイアウト構成を含むことに注目すべきである。それらのカラー・トライアッドを生成するため用いられる技術は、カラー・フィルタをトライアッド又はストライプの形式で又は他の形式で用いる技術、及び回折光学機器又はホログラフィー構成要素を用いた空間的彩色のカラー化された照射技術のようなカラー・フィルタのないのを要求する技術を含む。更に、用語「表示パネル」は、一般的にＳＬＭ（空間的光変調器）、レーザのマトリックス、ＬＥＤ、ＣＲＴ及び他のものを含む２Ｄ表示を生成することができる種々のイメージ・ソースを含む。また、「３原色」及び「３つのパネル」を用いてカラー組合わせの一般的概念を記載したが、著しく異なる周波数のいずれの２つのカラーは、全部のカラー（フルカラー）でない場合、種々のカラーを生成するためカラー組合わせを実行するのに十分であることに注目すべきである。
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Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ｅ．Ｅ．及びＤｅＭｏｎｄ，Ｔ．Ｗ．「イメージ投影用装置及び方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）」、米国特許Ｎｏ．５，５０６，５９７
Ｔｓａｏ，Ｃ．Ｃ．，Ｚｈｏｕ，Ｚ．及びＨｕ，Ａ．Ｋ．Ｊ．「三次元体積イメージを表示するための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ  Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｉｍａｇｅｓ）」、米国特許Ｎｏ．５，７５４，１４７，１９９８年
Ｔｓａｏ，Ｃ．Ｃ．「体積三次元ディスプレイのための可動スクリーン投影技術（Ｍｏｖｉｎｇ  Ｓｃｒｅｅｎ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｆｏｒ  Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）」、米国特許Ｎｏ．５，９５４，４１４、１９９９年
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）から（Ｆ）は、本発明に従った可視データ構造の例を図示する。
【図２】固体の対象物の例示的表示可能データを図示する。
【図３】本発明に従った正確なカラー組合わせの方法を図示する。
【図４】本発明に従った時間的カラー組合わせの方法を図示する。
【図５】本発明に従ったカラー・トライアッドによる空間的カラー組合わせの方法を図示する。
【図６】本発明に従ったカラー・サブ表面による空間的カラー組合わせの方法を図示する。
【図７】本発明に従ったカラー・イメージ投影システムの第１の好適な実施形態を図示する。
【図８】本発明に従ったカラー・イメージ投影システムの第２の好適な実施形態を図示する。
【図９】（Ａ）は、本発明に従ったカラー・イメージ投影システムの第３の好適な実施形態を図示し、（Ｂ）は、（Ａ）に示されるカラー切換え機構の代替である回転型カラー・ホイール９２０を図示する。
【図１０】本発明に従ったカラー・イメージ投影システムの第４の好適な実施形態を図示する。
【図１１】本発明に従った装置のためのスクリーンの例示的実施形態を図示する。
【図１２】本発明に従ったカラー・イメージ投影システムの第６の好適な実施形態を図示する。
【図１３】本発明に従った表示パネルを駆動する好適な方法を図示する。
【図１４】本発明に従った第１の好適な体積表示装置を図示する。
【図１５】図１４の装置のための光学的インタフェース機構の第１の例示的実施形態を図示する。
【図１６】図１４の装置のための光学的インタフェース機構の第２の例示的実施形態を図示する。
【図１７】図１４の装置のための光学的インタフェース機構の第３の例示的実施形態を図示する。
【図１８】本発明に従った第２の好適な体積表示装置を図示する。
【図１９】本発明に従った第３の好適な体積表示装置を図示する。
【図２０】本発明に従った体積表示装置のための回転型スクリーン・セットアップ部の例示的実施形態を図示する。
【図２１】本発明に従った第４の好適な体積表示装置を図示する。
【図２２】本発明に従った第５の好適な体積表示装置を図示する。
【図２３】本発明に従った第６の好適な体積表示装置を図示する。
【図２４】本発明に従った第７の好適な体積表示装置を図示する。
【図２５】本発明に従った第８の好適な体積表示装置を図示する。
【符号の説明】
１００  頭部
１１０  頭骨
１２０  脳
１３０  有害組織
１４０  人間の頭部のセクション
２０３  可視データ
２１０  境界表面
６２０  サブ表面
７１０  カラー−ピクセル・パネル
７２０  集光レンズ
７３０  ランプ
７４０  投影レンズ
８１０Ｒ、８１０Ｇ、８１０Ｂ  モノクローム表示パネル
８５０ＴＩＲ  プリズム
８６０Ａ  赤の反射器
８６０Ｂ  青の反射器
８６０Ｍ  ミラー
９１０  切換え可能なカラー・フィルタ
９２０  回転型カラー・ホイール
１０１０  表示パネル
１０５０  投影スクリーン
１１１０  カラー・ホイール
１１２０  レンズ
１２１０  フレーム・バッファ
１３１０  高フレーム速度イメージ投影システム
１３２０  光学的インタフェース機構
１３３０  スクリーン・ユニット
１４１０、１４３０  反射器
１４２０  ９０°反射器
１６１０、１６２０、１６３０、１６４０  レンズ
１７１０  表示パネル
１７３０  回転ユニット
１７３１  スクリーン
１７３３  側部反射器
１７５０  光源
１７６０  スリップ・リング装置
１８１０Ａ、１８１０Ｂ  イメージ投影システム
１８１１Ａ、１８１１Ｂ  光シャッタ
１８２０  反射器
１８３１  半透明スクリーン
１８３３Ａ、１８３３Ｂ  側部反射器
１９３０  回転ユニット
１９３３、１８３４  反射器
２０１０  イメージ投影システム
２０２０  光学的インタフェース機構
２０３５Ａ−２０３５Ｄ  回転アーム
２０３１  半透明スクリーン
２１３５  レーザ
２１３６  平面ビーム変調器
２１３８  容器
２１１０  イメージ投影システム
２１２０  光学的イメージ機構
２１３３  コーティングの帯
２２１０  イメージ投影システム
２２２０  光学的インタフェース機構
２２４１  パラボラ型反射器
２２４３  スキャン用ミラー
２３１０  体積デスプレイ
２３２０  凹型ミラー
２３６０  ３Ｄ入力装置
２３７０  ユーザ
２４６０  位置追跡システム
２４７０  操作装置
２４８０  コンピュータ
２４９０  組織表面
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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