(57)【要約】  本発明は、３次元表現の再構成を生成するための、フレーム（２）を備えるヘッドマウント・ディスプレイデバイス（１）に関する。フレーム（２）には、少なくとも１つの光源（１３，１４）と、少なくとも１つの光学系（１２，１５）と、エンコードされうる少なくとも１つの光モジュレータ（１６，１７）とが存在する。光モジュレータが照明された時に、３次元表現の複素波面が観察者ウインドウに位置するように、そして観察者ウインドウと光モジュレータとによって広げられる視覚円錐内に３次元表現の再構成が見えるように、エンコーディング領域に３次元表現の波面のエンコーディングを伴う光モジュレータは、観察者平面（４）内に定められた観察者ウインドウ（１８，１９）の位置に配置されるか、又は、エンコーディング領域に３次元表現の波面のホログラムのエンコーディングを備える光モジュレータは、ホログラムを観察者ウインドウに変換するために観察者ウインドウの前面近くの領域に配置される。
2010512551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元表現の再構成を生成するためのヘッドマウント・ディスプレイデバイスであって、
前部と、離れて配置された２つの側部とを少なくとも備える、ヘルメット又はゴーグルに似たフレームを備え、
前記前部は、目の位置と関連し、
前記前部は、少なくとも１つの光源（１３，１４）と、少なくとも１つの光学系（１２，１５；４６，４７）と、エンコードされうる少なくとも１つの光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）とが存在する設計を有し、
エンコーディング表面に前記３次元表現の波面のコードを伴う前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４）は、観察者平面（４）内に定められた観察者ウインドウ（１８，１９）の位置に配置され、又は、エンコーディング表面に前記３次元表現の波面のホログラムのコードを伴う前記光モジュレータ（４１，４２；５２）は、それぞれの前記目（７，８）の瞳孔（２１，２２）の動きの範囲の少なくとも一部に観察者ウインドウ（１８，１９）の大きさが対応するように前記ホログラムを前記観察者ウインドウ（１８，１９）に変換するために、前記観察者ウインドウ（１８，１９）の前面近くの領域に配置され、
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）は、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）の波面又はホログラムを前記エンコーディング表面のための前記３次元表現から計算するエンコーディングデバイス（２６）に接続され、
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）は、もし前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）が照明されているならば、前記観察者ウインドウ（１８，１９）内の前記３次元表現の複素波面が存在するように、また前記３次元表現の前記再構成（６１）が再構成錐台（６０，６３）内で目に見えるようになるように、前記波面又はホログラムを用いて直接エンコードされることができ、
前記再構成錐台（６０，６３）は、前記観察者ウインドウ（１８，１９）と前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）との間に拡がり、
前記観察者ウインドウ（１８，１９）の大きさに依存して、偏向された光の前記２つの目（７，８）の間でのクロストークを抑制するための、少なくとも１つのエレメント（３７，３８，４５）が、前記観察者平面（４）の近くで用いられることができる
ことを特徴とする、ディスプレイデバイス。
【請求項２】
前記観察者平面（４）内の前記観察者ウインドウ（１８，１９）に配置された前記光モジュレータ（１６，１７）の前記エンコーディング表面は、前記エンコーディングデバイス（２６）によって与えられた、振幅と位相とを含む複素数値、又はこれらの量に由来する値でエンコードされることができることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項３】
前記観察者ウインドウ（１８，１９）内の前記波面の複素数値をエンコードするために、振幅変調光モジュレータと位相変調光モジュレータとの少なくとも一方の組み合わせが与えられ、前記組み合わせはビームスプリッタによって、又は一方の光モジュレータ（３１，３２）の、それぞれの他方の光モジュレータ（３３，３４）への投影によって、接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のディスプレイデバイス。
【請求項４】
前記振幅変調光モジュレータ（３１，３２）は、
一方では観察者ウインドウ（１８，１９）の近くだが前記観察者平面（４）の外側の領域に配置され、かつ前記位相変調光モジュレータ（３３，３４）は、前記観察者平面（４）に直接配置され、この場合、前記振幅変調光モジュレータ（３１，３２）の前記エンコーディング表面（３５，３６）は、光学投射システム（４６，４７）の助けにより、対応する前記位相変調光モジュレータ（３３，３４）上にモジュレータ画像（３５’，３６’）として投影されることができ、
又は、他方では、前記振幅変調光モジュレータ及び前記位相変調光モジュレータは、上記と反対の位置に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のディスプレイデバイス。
【請求項５】
前記光モジュレータ（１６，１７）の前記エンコーディング表面は、その大きさが前記目（７，８）内の前記瞳孔（２０，２１）の動きの全範囲にその大きさが対応するように定められることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項６】
前記光モジュレータ（１６，１７）の前記エンコーディング表面は、前記瞳孔（２０，２１）の表面領域と同じ大きさを持つことを特徴とする、請求項１乃至５の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項７】
１つのエンコード可能な光モジュレータ（５２）が光学部において用いられ、
前記光モジュレータ（５２）は、中心軸（２８）の方向と交わるように配置され、
前記光源（１３）及び光学系（５３）が前記光モジュレータ（５２）の前面に配置され、
続けて配置されたビームスプリッタ（５４）及び２つの反射鏡（５５，５６）が、前記観察者平面（４）の前面に配置され、
前記反射鏡（５５，５６）は、前記ビームスプリッタ（５４）の両側に、お互いに離れて配置され、
前記反射鏡（５５，５６）は、前記瞳孔の軸（２９，３０）に対して傾いており、
前記光モジュレータ（５２）の前記エンコーディング表面は照明されて、前記光学系（５３）及び前記ビームスプリッタ（５４）の助けによって、前記２つの観察者ウインドウ（１８，１９）へと変換され、
切り替えデバイス（５７）がスプリットされていない光路に配置され、
前記切り替えデバイス（５７）は、前記光モジュレータ（５２）の全エンコーディング表面上で交互する情報を、所定の頻度で、左右の前記観察者ウインドウ（１８，１９）に交互に切り替えることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項８】
前記切り替えデバイス（５７）は、光線束のための偏向デバイスの形で設計され、当該切り替えデバイス（５７）は、前記エンコーディングデバイス（２６）によって頻度制御されることを特徴とする、請求項７に記載のディスプレイデバイス。
【請求項９】
前記切り替えデバイス（５７）は、スプリットされていない又はスプリットされた光路中に与えられることを特徴とする、請求項８に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１０】
前記２つの目（７，８）の間で回折された邪魔をする光を遮断する開口ストップとして働く少なくとも１つのエレメント又は部品（４５）が、少なくとも１つの前記光源（１３，１４）と、少なくとも１つの前記光モジュレータ（４１，４２；５２）と、照明光学系（４３，４４；５３）と、前記観察者ウインドウ（１８，１９）内に生成されたそれぞれの前記波面と、を備える光路中に存在することを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１１】
パッシブな、又はアクティブな光学エレメントの形をとる少なくとも１つの角度感受性エレメント（３７，３８）が、前記光モジュレータ（１６，１７）と前記目（７，８）との間に配置され、
前記エレメントは、前記光モジュレータ（１６，１７）によって小さい角度で放出された光のみを通過させ、
前記光モジュレータ（１６，１７）は、前記観察者ウインドウ（１８，１９）に直接配置されることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１２】
２つの光モジュレータ（４１，４２）が用いられ、
フィルタユニット又は開口ストップ（４５）が、１つの前記光モジュレータ（４１）及び１つの前記観察者ウインドウ（１８）を一方とし、他の前記光モジュレータ（４２）及び他の前記観察者ウインドウ（１９）を他方として、これらの間の光学部に配置され、
短い焦点距離を示すレンズを備えた小型の設計が提供されることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１３】
前記エンコーディングデバイス（２６）は、それぞれの前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）の前記エンコーディング表面をエンコードするための情報の計算を実行するための、少なくとも１つのコンピュータとメモリとプログラム手段とを備えることを特徴とする、請求項１乃至１２の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１４】
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５３）は、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５３）に十分にコヒーレントな光を向ける、少なくとも１つの光源（１３，１４）に接続されていることを特徴とする、請求項１乃至１３の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１５】
前記光源（１３，１４）は、色再構成が望まれる場合に、それぞれ緑色、赤色、及び青色のスペクトルを放出する３つのサブ光源を備え、前記サブ光源は、時分割多重化によって組み合わせられることを特徴とする、請求項１乃至１４の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１６】
前記フレーム（２）は、少なくとも１つの支持エレメント（９，１０，１１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１７】
透過性の光学部品と反射性の光学部品との双方が前記前部（３）で用いられ、前記光学部品は、機械的手段及び前記支持エレメント（９，１０，１１）によって、前記フレーム（２，５１）にしっかりとマウントされることを特徴とする、請求項１乃至１６の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１８】
前記フレーム（２，５１）は、少なくとも光学部に最小限の数の部品で取り付けられた、ヘルメット、ゴーグル、又は支持装置であって、
任意のこととして、前記ディスプレイデバイス（１，４０，５０）がゴーグルの形を持つこと、前記ディスプレイデバイス（１，４０，５０）がしっかりと動かない形でヘルメットによって支持されること、又は前記ディスプレイデバイス（１，４０，５０）が観察者のヘルメットと頭との少なくとも一方に可動な形でしっかりと接続されることを特徴とする、請求項１乃至１７の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１９】
調節デバイス（２２，２３）が、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）と、前記フレーム（２，５１）の少なくとも１つの支持エレメント（９，１０，１１）との間に配置され、
固定デバイス（２４，２５）が、前記光モジュレータ（１６，１７）と対応する前記光源（１３，１４）との間に配置され、
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）と、前記光源（１３，１４）及び前記光学系（１２，１５）を備える対応する光学部とは、前記調整デバイス（２２，２３）と前記固定デバイス（２４，２５）との助けによって、前記観察者平面（４）と前記ディスプレイデバイスの前記中心軸（２８）との少なくとも一方と、前記瞳孔の前記軸（２９，３０）とに対して、調節可能でありかつ固定可能であり、
前記瞳孔の前記軸（２９，３０）は、前記ディスプレイデバイスの前記中心軸（２８）と平行であることを特徴とする、請求項１６乃至１８の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項２０】
前記調節デバイス（２２，２３）及び前記固定デバイス（２４，２５）を一方とし、前記光学部及び前記支持エレメント（９，１０，１１）を他方として、機械的接続がこれらの間に存在し、
前記光源（１３，１４）及び前記光モジュレータ（１６，１７）は、前記エンコーディングデバイス（２６）及び電源（２７）と、電気接続ケーブルを介して接続されることを特徴とする、請求項１９に記載のディスプレイデバイス。
【請求項２１】
前記フレーム（２）の領域に、少なくとも１つのセンサが配置され、
前記センサは、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）をエンコードするための情報が修正されるように、観察者が頭を動かした時に、前記観察者の視角の変化に従って前記エンコーディングデバイス（２６）に信号を送ることを特徴とする、請求項１乃至２０の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項２２】
前記フレーム（２）は、任意のこととして、少なくとも１つの音声信号デバイスと組み合わせられており、
音声信号の出力は、前記それぞれの光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）の波面のエンコーディングと同期して切り替えられることを特徴とする、請求項１乃至２１の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元表現、つまりオブジェクト及び背景、の再構成を生成するための、ヘルメット又はゴーグルに似たヘッドギアを備える、１つの前部と、離れて配置された２つの側部とを少なくとも備え、前部は目の位置に関連する、ヘッドマウント・ディスプレイデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
文献ＧＢ  １  ５０５  ８７３は、ヘルメットを着用している観察者に対してビジュアル表示を提示するための、ヘルメットマウント・光ディスプレイデバイスを説明する。ここでは、反射するひさしが、観察者の視界内にあるような距離でヘルメットの前部にマウントされ、従来の方法で生成されたホログラムが、ひさし上に形成されるか、ひさしによって保持される。再構成を行う光源は、ホログラムが照らされたならば、そこの画像が観察者の視界において小さな表現としてのみ再構成されうるような距離だけ反射ホログラムから離れて、ヘルメットのそれぞれの側部に配置されることができる。
この装置の１つの問題が、ビジュアル再構成が小さな表現に限られることである。ヘルメットマウント・光ディスプレイデバイスは、映画シーンは言うまでもなく、大きなオブジェクトのエンコード及び視覚化のためには用いられることはできない。
【０００３】
文献ＵＳ  ５  ２５７  ０９４は、例えば鏡及びビームスプリッタのような光学エレメントを備え、外部から与えられた量と、側部に配置された２つの小さいブラウン管からの重畳されたディスプレイ情報との双方に関して、透過性を高めることを目的とするホログラムエレメントを前部に備える、ヘルメットマウント・ディスプレイデバイスを説明する。このディスプレイデバイスは、さらに組み合わせられた焦点合わせレンズを備える。情報を与える小さなＣＲＴのスクリーンと、対応する観察者の瞳孔との間の光学的なリンクは、ディスプレイデバイスを含むヘッドギアの重さが減るように設計される。
【０００４】
１つの問題は、ヘッドギアにマウントされたディスプレイデバイス部品の重さを減らそうとした努力にも関わらず、ヘッドギアの全体の重さが重いために、観察者が頭に幾分重い荷を持たなければならないことである。このディスプレイデバイスは、予め作られた光学部品とホログラム部品との所与の構成に限られる。
【０００５】
文献ＵＳ  ４  ９３３  ７５５は、左右のステレオ画像が、液晶ディスプレイ上で、右目と左目のそれぞれに対して提示される、ヘッドマウント立体画面(stereoscopic)ディスプレイデバイスを説明する。このデバイスは、直視式ディスプレイにおいて典型的には起こるような、それぞれの目に対してこれらの画像が光学的に分離するという問題なしに、立体ビデオ画像を見ることを可能とする。
【０００６】
さらに、文献ＵＳ  ６  ６７４  ４９３は、通常の液晶ディスプレイが双方の目に対して与えられ、立体画像がアクティブ・ビーム・スプリッタを通して両方の目に順番に提示される、ヘッドマウント・ディスプレイデバイスを説明する。
【０００７】
立体ヘッドマウント・ディスプレイデバイスの１つの問題は、これらのデバイスが立体画像を生成することが可能であるにもかかわらず、この立体画像が立体画像生成における全ての欠点を示すことである。特に、３次元オブジェクトがコンピュータが生成したビデオホログラムに基づいて再構成される、ホログラフィック・ディスプレイデバイスにおいて提供されるような、真の深さで目をオブジェクトに適応させる可能性がないことである。
【０００８】
さらに、文献ＤＥ  １０  ２００４  ０６３  ８３８  Ａ１は、光モジュレータでエンコードされたホログラムの再構成が観察者ウインドウから見られることができ、これらの観察者ウインドウには、実際の３次元シーンによって同じ位置に投影されるであろう光と同じ、特定の複素振幅及び位相分布が存在するような、コンピュータが生成したビデオホログラムを計算するための方法及びデバイスを説明する。観察者は、観察者ウインドウを通して３次元シーンの再構成を見る。この時、概して２つの別々の観察者ウインドウがあり、片方は左目用であり、片方は右目用である。
【０００９】
観察者ウインドウにおける波面の計算は、仮想的に錐台内、すなわち錐台型空間内の３次元シーンを断平面へとスライスし、これらの平面から観察者平面への光の伝搬を変換によって計算し、それらを観察者ウインドウ内で合計することによって行われる。観察者ウインドウの大きさは、目又は目の瞳孔の大きさ程度に制限されうる。
【００１０】
再構成の間、観察者ウインドウにおいて見ることができる特定の３次元表現、すなわちオブジェクトと背景との少なくとも一方を構成するために必要な波面は、２つの異なる方法によって生成されうる。
第１の方法では、観察者平面の外側に位置し、それぞれの観察者ウインドウへと投影される、３次元表現の複素波面を、光モジュレータ上で直接エンコードすることにより行う。
又は第２の方法では、再び観察者平面の外側に位置する、３次元表現の複素波面の変換を、ホログラムとして光モジュレータ上で間接的にエンコードし、複素波面をそれぞれの観察者ウインドウに逆変換することにより行う。
【００１１】
どちらの場合でも、光モジュレータ上でエンコードされた情報が、スクリーンと呼ばれる光学系を介して、観察者ウインドウに投影されるか、逆変換される。通常は、できる限り大きい、例えば２０インチ以上のスクリーン領域を実現し、観察者がデスクトップディスプレイ又はＴＶセットに対するものと同じ程度に離れていることが望ましい。前者の場合における光モジュレータ上でエンコードされた複素波形の変換も、後者の場合における光モジュレータ上でエンコードされたホログラムの拡大画像も、この領域上で生成される。
【００１２】
どちらの場合でも錐台は、スクリーン表面を見る観察者の視野角によって定められる。観察者は、デスクトップディスプレイ又はＴＶセットを使っているかのような、スクリーン表面への距離のところにいるだろう。どちらの型式のホログラフィック直視ディスプレイにおいても、観察者はスクリーン表面に対して移動することができ、様々な位置から３次元表現の再構成を見ることができる。
【００１３】
既知のホログラフィック直視ディスプレイは、例えば以下の問題を示す。観察者が動くのに従って、観察者ウインドウの位置が空間内で変えられることを、それらは要求する。すなわち、観察者ウインドウをトラッキングすることと、目の位置を検知するための部品や観察者ウインドウをトラッキングするための光学部品のような、このために必要な全てのデバイスを備えることとが必要となった。さらに、大きなスクリーン領域が必要とされる。このことは、ホログラフィック・ディスプレイデバイスの製造を、比較的複雑で費用のかかるものにする。
【００１４】
それゆえ本発明の目的は、製造がより容易で費用がかからないように設計された、３次元表現の再構成を生成するためのヘッドマウント・ディスプレイデバイスを提供することにある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的は、請求項１の特徴の助けで解決される。
請求項１に従って、３次元表現の再構成を生成するためのヘッドマウント・ディスプレイデバイスは、
前部と、離れて配置された２つの側部とを少なくとも備える、ヘルメット又はゴーグルに似たフレームを備え、
前記前部は、目の位置と関連し、
前記前部は、少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの光学系と、エンコードされうる少なくとも１つの光モジュレータとが存在する設計を有し、
エンコーディング表面に前記３次元表現の波面のコードを伴う前記光モジュレータは、観察者平面内に定められた前記観察者ウインドウの位置に配置され、又は、エンコーディング表面に前記３次元表現の波面のホログラムのコードを伴う前記光モジュレータは、それぞれの前記目の瞳孔の動きの範囲の少なくとも一部に観察者ウインドウの大きさが対応するように、前記ホログラムを前記観察者ウインドウに変換するために前記観察者ウインドウの前面近くの領域に配置され、
前記光モジュレータは、前記光モジュレータの波面又はホログラムを前記エンコーディング表面のための前記３次元表現から計算するエンコーディングデバイスに接続され、
前記光モジュレータは、もし前記光モジュレータが照明されているならば、前記観察者ウインドウ内の前記３次元表現の複素波面が存在するように、また前記３次元表現の前記再構成が再構成錐台内で目に見えるようになるように、前記波面又はホログラムを用いて直接エンコードされることができ、
前記再構成錐台は、前記観察者ウインドウと前記光モジュレータとの間に拡がり、
前記観察者ウインドウの大きさに依存して、偏向された光の前記２つの目の間でのクロストークを抑制するための、少なくとも１つのエレメントが、前記観察者平面の近くで用いられることができる
ことを特徴とする。
【００１６】
ここで、「表現」とは総体的な用語であって、静止した位置と移動状態との双方の、実際の状況、映画、又はビデオ録画の形をとる、空間オブジェクト及び空間シーンを含むだろう。
【００１７】
前記観察者平面内の前記観察者ウインドウに配置された前記光モジュレータの前記エンコーディング表面は、前記エンコーディングデバイスによって与えられた、振幅と位相とを含む波面の複素数値、又はこれらの量に由来する値でエンコードされることができる。
【００１８】
前記観察者ウインドウ内の前記波面の複素数値をエンコードするために、振幅変調光モジュレータと位相変調光モジュレータとの少なくとも一方の組み合わせが与えられることができ、前記組み合わせはビームスプリッタによって、又は一方の光モジュレータの、それぞれの他方の光モジュレータへの投影によって、接続されている。
【００１９】
前記振幅変調光モジュレータは、
例えば観察者ウインドウの近くの領域であって前記観察者平面の外側に配置されることができ、かつ前記振幅変調光モジュレータのモジュレータ画像によってオーパラップされる前記位相変調光モジュレータは、前記観察者平面に直接配置されることができ、この場合、前記振幅変調光モジュレータの前記エンコーディング表面は、光学投射システムの助けにより、対応する前記位相変調光モジュレータ上にモジュレータ画像として投影されることができる。
【００２０】
他方では、前記振幅変調光モジュレータ及び前記位相変調光モジュレータは、上記と反対の位置に配置されることができる。
【００２１】
前記光モジュレータの前記エンコーディング表面は、前記瞳孔が動いた時に前記３次元表現の再構成が全く切れ目なく見えるように、その大きさが前記目内の前記瞳孔の動きの全範囲にその大きさが対応するように定められることができる。
【００２２】
前記光モジュレータの前記エンコーディング表面は、前記瞳孔の表面領域と同じ大きさを持つことができることが好ましい。光モジュレータは、画素が振幅と位相との少なくとも一方がエンコードされうる面積エレメントであるならば、連続した又はピクセル化されたエンコーディング表面を有することが任意であることができる。
【００２３】
もし１つの光モジュレータのみが光学部において用いられるならば、
前記光モジュレータは、中心軸の方向と交わるように配置され、
前記光源及び光学系が前記光モジュレータの前部に配置され、
続けて配置されたビームスプリッタ及び２つの反射鏡が、前記観察者平面の前面に配置され、
前記反射鏡は、前記ビームスプリッタの両側に、お互いに離れて配置され、
前記反射鏡は、前記瞳孔の軸に対して傾いており、
前記光モジュレータの前記エンコーディング表面は、前記光学系及び前記ビームスプリッタの助けによって、前記２つの観察者ウインドウへと変換され、
切り替えデバイスが光路に配置され、
前記切り替えデバイスは、前記光モジュレータのエンコーディング表面上で交互する複素情報を、所定の頻度で、左右の前記観察者ウインドウに交互に切り替える。
【００２４】
前記切り替えデバイスは、光線束のための偏向デバイスの形で設計されることができ、当該切り替えデバイスは、前記エンコーディングデバイスによって頻度制御される。
【００２５】
前記切り替えデバイスは、スプリットされていない又はスプリットされた光路中に配置されることができる。
【００２６】
クロストークを防止するように、前記２つの目の間で回折された邪魔をする光の生成を遮断する開口ストップとして働く、少なくとも１つのエレメント又は部品が、少なくとも１つの前記光源と、少なくとも１つの前記光モジュレータと、照明光学系の形を取る光学系と、前記観察者ウインドウ内に生成されたそれぞれの前記波面と、を備える光路中に存在することができる。
【００２７】
パッシブな、又はアクティブな光学エレメントの形をとる少なくとも１つの角度感受性エレメントが、前記光モジュレータと前記目との間に配置されることができ、
前記エレメントは、前記光モジュレータによって小さい角度に放出された光のみを通過させる。
【００２８】
もし、本発明に従う第２のディスプレイデバイスの光学部において、２つの光モジュレータが用いられるならば、
フィルタユニット又は開口ストップが、１つの前記光モジュレータ及び１つの前記観察者ウインドウを一方とし、他の前記光モジュレータ及び他の前記観察者ウインドウを他方として、これらの間に配置されることができ、
短い焦点距離を示すレンズを備えた小型の設計が提供される。
【００２９】
前記エンコーディングデバイスは、それぞれの前記光モジュレータの前記エンコーディング表面の各画素をエンコードするための情報の計算を実行するための、少なくとも１つのコンピュータとメモリとプログラム手段とを備えることができる。
【００３０】
１つの目又は両方の目についての前記光モジュレータは、前記光モジュレータに十分にコヒーレントな光を向ける、少なくとも１つの光源に接続されている。
【００３１】
もし色再構成が望まれるならば、前記光源は、それぞれ緑色、赤色、及び青色のスペクトルを放出する３つのサブ光源を備えることができ、前記サブ光源は、時分割多重化によって組み合わせられることが任意である。
【００３２】
前記フレームは、少なくとも１つの支持エレメントを備えることができる。
【００３３】
透過性の光学部品と反射性の光学部品との双方が前記前部に配置されることができ、前記光学部品は、少ない数の部品のみによって、特に機械的手段及び前記支持エレメントによって、前記フレームにしっかりとマウントされる。
【００３４】
前記フレームは、少なくとも光学部に最小限の数の部品で取り付けられた、ヘルメット、ゴーグル、又は支持装置であることが任意に可能であり、
任意のこととして、前記ディスプレイデバイスがゴーグルの形を持つこと（フェイスマウント・ディスプレイ）、前記ディスプレイデバイスがしっかりと動かない形でヘルメットによって支持され（ヘルメットマウント・ディプレイ）、又は前記ディスプレイデバイスが観察者のヘルメットと頭との少なくとも一方に可動な形でしっかりと接続される（ヘッドマウント・ディスプレイ）。
【００３５】
調節デバイスが、前記光モジュレータと、前記フレームの少なくとも１つの支持エレメントとの間に配置されることができ、
固定デバイスが、前記光モジュレータと対応する前記光源との間に配置されることができ、
前記光モジュレータと、前記光源及び前記光学系を備える対応する光学部とは、前記調節デバイスと前記固定デバイスとの助けによって、前記観察者平面と前記ディスプレイデバイスの前記中心軸との少なくとも一方と、前記瞳孔の前記軸とに対して、調節可能でありかつ固定可能であり、
前記瞳孔の前記軸は、前記ディスプレイデバイスの前記中心軸と平行である。
【００３６】
前記調節デバイス及び前記固定デバイスと、前記光学部及び前記支持エレメントとの間に、主にそれらの位置を調節するめたの機械的な接続が存在し、
前記光源及び前記光モジュレータは、前記エンコーディングデバイス及び電源と、電気接続ケーブルを介して接続される。
【００３７】
もし観察者が、ヘッドマウント・ディスプレイの形をとる、本発明に従うディスプレイデバイスを、頭にしっかりと装着するならば、実際の頭及び目の位置を検出するためのデバイス、及び観察者プレーンの観察者ウインドウをトラッキングするためのデバイスのような、複雑なデバイスは不要となる。なぜなら、観察者が動くと自動的にヘッドマウント・ディスプレイデバイスも動き、目に対するヘッドマウント・ディスプレイデバイスの位置は同じに保たれるからである。
【００３８】
しかしながら、例えばフレームにマウントされた少なくとも１つのセンサが、頭の動きを検知し、その信号がエンコーディングデバイスに送られ、それによって修正された内容が光モジュレータ上でエンコードされるというように、観察者の動きに反応することもまだ可能である。
このように、前記フレームの領域に、少なくとも１つのセンサが存在することが可能であり、
前記センサは、前記光モジュレータをエンコードするための情報が修正されるように、観察者が頭を動かした時に、前記観察者の視角の変化に従って前記エンコーディングデバイスに信号を送る。
【００３９】
前記フレームは、任意のこととして、少なくとも１つの音声信号デバイスと組み合わせられることが可能であり、
音声信号の出力は、前記それぞれの光モジュレータの波面のエンコーディングと同期して切り替えられる。
【００４０】
本発明に従う第２のディスプレイデバイスにおいては、光モジュレータ上でエンコードされたホログラムの計算が、先行技術文献又は先行特許出願における記述と同様に、すなわち錐台と、断平面と、観察者ウインドウへの変換と、モジュレータ平面への変換によって、行われる。しかしながら、本発明に従う第２のディスプレイデバイスは、これらの記述とは対照的に、目の近くに位置する、すなわち光モジュレータと観察者の目との間の距離が非常に小さいヘッドマウント・ディスプレイ又はディスプレイデバイスに適するように設計されている。
【００４１】
ディスプレイデバイスにおいては、以上で述べたホログラム計算の利点、すなわち観察者ウインドウを１つの目に制限することが、既知のホログラフィック・ディスプレイデバイスと比較して、光モジュレータの解像度に関しての要求がほとんどなくなることにつながるという利点が、少しの小さい部品しか伴わない比較的単純な光学装置であるという利点と組み合わせられる。
【００４２】
波面及びホログラムについての計算及びエンコード方法を用いる時には、本発明に従うヘッドマウント・ディスプレイデバイスの２つの主な形式が存在する。
ヘッドマウント・ディスプレイデバイスの第１の形式においては、光モジュレータは観察者平面に直接配置され、又は光モジュレータは短距離、典型的にはたった数センチメートルだけ、を通して観察者平面へと投影される。観察者平面の波面の複素数値は、エンコーディングデバイスによって光モジュレータのエンコーディング表面へと直接書き込まれる。観察者平面への追加の変換は、この場合には必要ない。
対照的に、ヘッドマウント・ディスプレイデバイスの第２の形式では、ホログラムとしてエンコードされた波面の複素数値が、光モジュレータ平面から観察者平面へと変換される。この時光モジュレータは、観察者平面に対して短い距離、好適にはたった数センチメートルの距離で配置される。
さらに、他の既知の方法との組み合わせが、ホログラムの計算に対して用いられうる。例えばサブホログラムが共通平面の表現のそれぞれの点について、例えばルックアップテーブルをまた用いることで直接計算され、そして集合したホログラムが生成されるように全てのサブホログラムが合わせられるような方法との組み合わせが用いられうる。
サブホログラムの計算は、光モジュレータのエンコーディング表面について実行されうる。しかしながら、異なる平面において実行されることもでき、そうして全てのサブホログラムの総体が、それぞれの光モジュレータのエンコーディング平面へと変換されることができる。もし、光モジュレータのエンコーディング表面の大きい領域を各サブホログラムが典型的には占め、このことが計算を複雑とするであろうが、各サブホログラムが異なった平面においてより小さく、このことが計算をより容易にするのならば、このことは好適でありうる。
【００４３】
本発明が、いくらかの実施形態及び図面に助けによって、以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】観察者平面の観察者ウインドウに、かつ瞳孔のすぐ前面に配置され、２つの光モジュレータを備える、本発明に従う第１のヘッドマウント・ディスプレイデバイスを概略的に示す、上面図である。
【図２】観察者平面の観察者ウインドウのそれぞれに、瞳孔の前に配置された位相変調光モジュレータを備え、観察者ウインドウの前面の領域に配置された振幅変調光モジュレータが対応する位相変調光モジュレータに投影される、図１に従うディスプレイデバイスの光学部を概略的に示す。
【図３】観察者平面の観察者ウインドウに、かつ瞳孔のすぐ前に配置され、瞳孔と同じ大きさを有する２つの光モジュレータを備える、図１に従う光モジュレータ配置を概略的に示す。
【図４】観察者平面の観察者ウインドウに、かつ瞳孔のすぐ前に配置された２つの光モジュレータを備え、角度選択エレメントがそれぞれの光モジュレータと瞳孔との間に配置されている、図１に従う光学部の光モジュレータ配置を概略的に示す。
【図５】光モジュレータと瞳孔との間の領域の２つの平行な光路の間に、偏向された光が混ざること（クロストーク）を防止するための開口ストップが平行な向きで配置され、観察者ウインドウのすぐ前の領域だが観察者平面の外部に配置された２つの光モジュレータを備える光学部に変形された、本発明に従う第２のヘッドマウント・ディスプレイデバイスを概略的に示す。
【図６】観察者ウインドウの近くの領域でかつ観察者平面の外部の光モジュレータと、図５で図示された原理に従う光源と、光モジュレータを交互に観察者ウインドウへと投影するためのビームスプリッタと、を備える前部を概略的に示す。
【図７】３次元オブジェクト画像の視角化の間の、大きさが様々で、かつ観察者ウインドウに対する距離が様々な光モジュレータを備える、観察者ウインドウから拡がる錐体を示す。
【図８】観察者に対する距離が様々な共通の光モジュレータについて、瞳孔の軸から、２つの観察者ウインドウから、外れている２つの目についての少し異なった２つの錐体を示す。
【図９】それぞれの目の前面近くの領域にある別々の小さい光モジュレータを備える錐体を示す。図７又は図８に示されるような長い距離にある単一の大きな光モジュレータを用いるのと同じ錐体が、同じ３次元オブジェクト画像について、それぞれの目について達成される。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は、３次元表現の再構成を生成するための、本発明に従う第１のヘッドマウント・ディスプレイデバイス１を概略的に図示する。このデバイスは、前部３と、離れて配置された２つの側部５，６とを少なくとも備える、ヘルメット又はゴーグルに似たフレーム２を備える。前部３は目７，８の位置に関連し、フレーム２は複数の支持エレメント９，１０，１１を備える。
【００４６】
本発明に従うと、少なくとも前部３は、２つの光源１３，１４、２つの対応する光学系１２，１５、及び複素数値情報でエンコードされることができる２つの光モジュレータ１６，１７がある設計を持つ。光モジュレータ１６，１７は図１に示されるように明示された観察者ウインドウ１８，１９の場所に位置し、又は観察者ウインドウ１８，１９へ投影するために、図２に示されるように観察者ウインドウ１８，１９の前面の近い領域にある。観察者ウインドウ１８，１９は、その大きさが少なくともそれぞれの目７，８の瞳孔２０，２１が動く範囲の少なくとも一部に対応するように定められる。光モジュレータ１６，１７は、３次元表現から波面を計算するエンコーディングデバイス２６に接続され、光モジュレータ１６，１７は、観察者ウインドウ１８，１９内での視覚化のための複素波面が存在するように、これらの波面でエンコードされうる。
【００４７】
調節デバイス２２，２３は、それぞれが光モジュレータ１６，１７と、フレーム２の支持エレメント９，１０，１１の間に配置されることができ、固定デバイス２４，２５は、それぞれが光モジュレータ１６，１７と光源１３，１４との間に配置されることができる。
【００４８】
光モジュレータ１６，１７、光源１３，１４、及び光学系１２，１５は、観察者平面４と、ディスプレイデバイスの中心軸２８との少なくとも一方と、ディスプレイデバイスの中心軸２８に平行な瞳孔の軸２９，３０とに対して、調節デバイス２２，２３と固定デバイス２４，２５との助けにより、調節され固定されることができる。
【００４９】
一方では調節デバイス２２，２３と固定デバイス２４，２５との間に、他方では光学系１２，１５と支持エレメント９，１０，１１との間には、主に機械的接続（実線）が存在する一方、光源１３，１４と光モジュレータ１６，１７とは、電気接続ケーブル（破線）を介して、エンコーディングデバイス２６と電源２７とに接続される。
【００５０】
エンコーディングデバイス２６は、対応する光モジュレータ１６，１７のエンコーディング表面のそれぞれの画素をエンコードするための情報の計算を実行するための、少なくとも１つのコンピュータ、メモリ、及びプログラム手段を備える。
【００５１】
図１に図示される本発明に従う第１のディスプレイデバイスにおいては、光モジュレータ１６，１７は、観察者平面４内の観察者ウインドウ１８，１９内に配置される。エンコーディングデバイス２６からの波面の複素数値は、こうして２つの光モジュレータ１６，１７のエンコーディング表面に書き込まれる。第１の光モジュレータ１６は左目７のための第１の観察者ウインドウ１８に直接配置され、第２の光モジュレータ１７は右目８のための第２の観察者ウインドウ１９に直接配置される。
【００５２】
波面の複素数値のエンコードのために、例えばビームスプリッタによって、又は他の光モジュレータへの１つの光モジュレータの投影によって接続された、振幅変調光モジュレータと位相変調光モジュレータとの少なくとも一方の組み合わせが提供される。しかしながら、このことはエンコーディングデバイス２６に存在するプログラム手段の望ましい使用と、ディスプレイデバイス１の光学部の設計とに依存する。
例えば図２に示されるように、振幅変調光モジュレータ３１，３２は、光学系４６，４７の助けによって、位相変調光モジュレータ３３，３４に投影されることができる。この時、位相変調光モジュレータ３３，３４は観察者平面４に直接配置され、振幅変調光モジュレータ３１，３２のモジュレータ画像３５’，３６’もまた、観察者平面４に配置される。振幅変調光モジュレータ３１，３２のエンコーディング表面３５，３６は、観察者ウインドウ１８，１９の近くだが、観察者平面４の外の領域に配置される。振幅変調光モジュレータ３１，３２のエンコーディング表面３５，３６は、対応する光学照明システム５８，５９を介して、光源１３，１４によって照らされる。
【００５３】
もし複素数値が完全に書き込まれることを可能とする光モジュレータ又は光モジュレータの組み合わせを使うことが不可能なら、波面の複素数値は近似する方法によって、例えば位相モジュレータに書き込まれることができる単なる位相分布によって、表現されてもよい。このことは、特にホログラフィック・エンコーディングと関連させた場合に、観察者ウインドウ１８，１９における波面の実際の値と所望の値との間のずれにつながり、再構成が誤差を示すようにする。このようなエンコード処理を最適化するための方法、すなわち反復法のような、位相ホログラムとともに一般に用いられる方法との組み合わせが、修正を実現することが可能である。
【００５４】
それぞれの目７，８についての光モジュレータ１６，１７；３１，３２；３３，３４は、十分にコヒーレントな光で照らされる。光学照明システム５８，５９によって、光モジュレータ１６，１７；３１，３２；３３，３４の大きさに広げられたレーザビームは、このための例として役に立つ。このために普通に用いられる方法、例えば赤、緑、青の光源の時分割多重化、の助けにより、色再構成を実現することもさらに可能である。それぞれの目７，８についての光学部品は、主に光源１３，１４、光学投影システム１２，１５、及び光モジュレータ１６，１７のみを含む。それぞれの光源１３，１４は、色再構成を実現することが可能となるように、例えばＬＥＤ等の３つのサブ光源を含むことができる。
【００５５】
さらに、本発明に従う、透明なディスプレイデバイスと、反射するディスプレイデバイスとの双方が作られてもよい。このような少ししか構成部品がない装置は、機械的手段、つまり支持手段９，１０，１１の助けによって、しっかりとフレーム（ヘルメット又はゴーグル）に、観察者の頭に、又はしっかりとマウントされたフレームに、マウントされることができる。光モジュレータ１６，１７の大きさは、従って観察者ウインドウ１８，１９の大きさは、もし瞳孔２０，２１が動いたとしても全く切れ目なく再構成が見られうるように、目７，８の中での瞳孔２０，２１が動く全ての範囲をカバーするように、選択されることがその点で好ましい。
【００５６】
図３に図示される、本発明に従う第１のディスプレイデバイスのもう１つの実施形態に従うと、光モジュレータ１６，１７は瞳孔２０，２１の領域と同じ大きさのエンコーディング表面を有することができる。この場合、観察者がそれぞれの光モジュレータ１６，１７から視線を逸らして３次元表現の再構成を全く見ないような、瞳孔２０，２１の特定の動きも存在する。
【００５７】
図５は、３次元オブジェクト及び背景の再構成を生成するための、本発明に従う第２のディスプレイデバイス４０を示す。示されるディスプレイデバイスは光学部に変形されており、前部と、離れて配置された２つの側部とを少なくとも備える、ヘルメット又はゴーグルに似たフレームを備える。本発明に従う第１のディスプレイデバイス１と同様に、前部は目の位置と関連する。
【００５８】
対応する前部３は、２つの光源１３，１４、２つの対応する光学系４３，４４、及び複素数値情報でエンコードされることができる２つの光モジュレータ４１，４２がある設計を持つ。光モジュレータ４１，４２は観察者平面４の外部、観察者ウインドウ１８，１９の前面近くに位置し、それらはその大きさが少なくともそれぞれの目７，８の瞳孔２０，２１が動く範囲の少なくとも一部に対応するように定められる。光モジュレータ４１，４２は、波面が３次元表現から計算されるエンコーディングデバイス２６に接続され、光モジュレータ４１，４２は、これらの波面のホログラムでエンコードされうる。観察者ウインドウ１８，１９内での視覚化のための複素波面が存在するように、ホログラムは光学系４３，４４によって対応する観察者ウインドウ１８，１９に変換される。
【００５９】
光学的支持エレメント９，１０，１１を備える機械フレーム２、並びに調節デバイス、固定デバイス、及び電源５７は、本発明に従う第１のディスプレイデバイス１に類似して設計されうる。
【００６０】
ホログラムは、エンコーディングデバイス２６において、例えば文献ＤＥ  １０  ２００４  ０６３  ８３８  Ａ１で説明されるように、３次元表現から断平面、変換、及び観察者平面４における部分波面の加算、へと計算される。集合した波面の、観察者平面４から光モジュレータ１６，１７の平面への変換は、光モジュレータが観察者平面４の外部に存在し、波面がホログラムとしてエンコードされる時にのみ必要である。
【００６１】
観察者ウインドウ１８，１９を通して見る観察者は、図７に示されるように、頂角が光モジュレータの画素ピッチに依存する錐台６０によって定められる領域内に、３次元表現、つまりシーン、の再構成を見る。
【００６２】
ここで、本発明のデバイスを以前の出願発明のデバイスと比較するために、数値例が与えられる。
【００６３】
直視ディスプレイデバイスは、例えば４３０×３２０ｍｍ２の画面領域、２０７μｍの画素ピッチ（ここでは、完全なピクセルが１つの複素数のそれぞれをエンコードするためにある）、及びライン毎に２０４８画素、によって特徴付けられる。この装置は、２メートルの距離に、約６ｍｍの観察者ウインドウを生成する。
【００６４】
もし、対照的に、幅６ｍｍで２０４８画素の同じ数、すなわち画素ピッチ３μｍ、の小さい光モジュレータが本発明のディスプレイデバイスの観察者ウインドウに存在するならば、コヒーレントに照らされているのなら、２メートルの距離に４３０ｍｍ幅の回折オーダが生成される。従って、同じ錐台６０は、回折画像と観察者ウインドウとの間に広がる。このことは、同じ目に見える再構成空間が、大きなスクリーン領域で、直視装置と同じように生成されることを意味する。回折オーダの端への角度は、そこでは数度である。
【００６５】
もしピクセル化された光モジュレータがエンコードのために用いられるなら、より高次の回折オーダにつながるだろう。もしこれら高次の回折オーダを抑えるための追加手段をとらないのならば、錐台全体の繰り返しが、高次の回折オーダの形として、錐台の隣の大きな角度に現れるだろう。このことは、再構成の周期的な連続が起こることを意味するが、しかしながらこれは望まれる再構成とは空間的に離れている。すると、大きく、拡大された、再構成されたシーンが、並んで何回か認識されるが、もし表されるオブジェクトの周波数範囲が適宜制限されるのなら、それぞれの再構成の繰り返しは空間的に重ならない。
【００６６】
本発明に従うと、様々な手段が高次の回折オーダを抑制するために役立つ。
・図４に示されるディスプレイデバイスの部分として、例えばホイルの形をとる角度感受性エレメント３７，３８が、観察者ウインドウ１８，１９内に直接配置された光モジュレータ１６，１７と、目７，８との間に配置される。角度感受性エレメントは小さい角度で光モジュレータ１６，１７によって放出された光のみを通し、一方で大きい角度で放出された光は目７，８には届くことができない。図４に従うこの装置は、非常に小型であるという利点を持つ。
・図５に示される光学部として、光モジュレータ４１，４２自身は観察者ウインドウ１８，１９の外側に配置される。光モジュレータ４１，４２は、光学系４３，４４によって観察者ウインドウ１８，１９へと変換される。例えば４−ｆシステム（不図示）のようなフィルタユニット、又は図５に示される開口ストップ４５が、観察者の２つの目７，８の間でのクロストーキングを防止するために、光モジュレータ１６，１７と観察者ウインドウ１８，１９との間に配置される。この装置は、ディスプレイデバイス４０がフレーム、すなわちヘルメットにマウントされることが可能であり、又はゴーグルのように観察者の頭に固定されることが可能であるように、小型の設計を有し、短い焦点距離のレンズを用いる。
【００６７】
光モジュレータ４１，４２が観察者の目７，８の近くだが観察者平面４の外に配置される、図５に示される本発明に従う第２のヘッドマウンド・ディスプレイデバイス４０の第１の実施形態において、光モジュレータ４１，４２は、コードが適切に構成されているならば、観察者ウインドウ１８，１９に投影されることもできる。
【００６８】
図６は、１つだけのエンコード可能な光モジュレータ５２が用いられてディスプレイデバイスの中心軸２８の方向と交わるように配置される、本発明に従う第２のヘッドマウント・ディスプレイデバイス５０の第２の実施形態を示す。光源１３及び光学系５３は、光モジュレータ５２の前面に配置される。続いて配置されたビームスプリッタ５４、及びその両側にそれぞれ離れて配置され、瞳孔の軸２９，３０に関して傾いている２つの反射鏡が、観察者平面４の前面に配置される。光モジュレータ５２のエンコーディング表面は、ビームスプリッタ５４によって観察者ウインドウ１８，１９へと変換される。続く光学系（不図示）の助けによって、光モジュレータ５２を観察者ウインドウ１８，１９へと投影することもまた可能である。しかしながらディスプレイデバイスは、切り替えデバイス５７が、左目及び右目７，８に従って光モジュレータ５２上で交互するコードに対応する波面を提供する場合にのみ、動作するだろう。
【００６９】
この切り替えデバイス５７は、エンコーディングデバイス２６によって周波数制御された光線の束に対する偏向デバイスの形で設計されることができ、スプリットされていない光路にもスプリットされた光路にも配置されることができる。
【００７０】
ここで、光モジュレータの位置のために、スケーラビリティが議論される。
図７、８及び９を参照すると、もし錐台が観察者ウインドウからスクリーン表面へと延び、例えば文献ＤＥ  １０  ２００４  ０６３  ８３８  Ａ１において説明されるようにディスプレイを越えて続き、かつ観察者ウインドウがディスプレイの前面の中心に配置されるのならば、光モジュレータが同一の解像度を有するという条件の下、すなわち観察者との距離に比例して画素サイズが異なっているという条件の下、
・スクリーン領域が２０インチで、観察者の距離が２メートル
・スクリーン領域が１０インチで、観察者の距離が１メートル
・スクリーン領域が５インチで、観察者の距離が０．５メートル
の場合に同一の錐台６０が生成される。
【００７１】
上述の場合、同じ３次元表現が、光モジュレータ上でエンコードされうる。３次元表現から断平面への波面の複素数値の計算と、観察者ウインドウへの波面の複素数値の計算とは同一である。すると、観察者ウインドウに波面の同じ複素数値が与えられる。違いは、観察者ウインドウから光モジュレータへの変換の計算のみである。異なる位相ファクタが距離に依存して用いられ、従って異なる複素数値が光モジュレータ上でエンコードされる。
【００７２】
代わりに、片方の場合についての直接の計算と、１つのスクリーン領域から他のスクリーン領域へ、例えば、２０インチのスクリーン及び２メートルの観察者への距離について計算されたホログラムから、１０インチのスクリーン及び１メートルの観察者への距離への、続けてのホログラムの変換とが可能である。
【００７３】
この説明は、もし単一の光モジュレータを用いて右目と左目とについての２つの異なる観察者ウインドウが生成され、双方がスクリーン表面の前面の中央の位置に対して目の間隔の半分だけ左及び右へそれぞれずれているのならば、高い精度では適用されない（図８を参照）。図９で図示されるように、もし別々の光モジュレータがそれぞれの目の前面で用いられるのならば、単一の光モジュレータが用いられているかのように、同じ錐台がそれぞれの目について得られる。
【００７４】
各個の錐台の形が、図７，８，９に示される。
【００７５】
図７は、異なる大きさで、観察者ウインドウ１８に対して異なる距離の、光モジュレータ５２’，５２’’，５２’’’での３次元表現の再構成６１の視覚化の間の、観察者ウインドウ１８からの錐台６０を示す。
【００７６】
図８は、２つの目７，８についての２つの観察者ウインドウ１８，１９から、瞳孔の軸２９，３０の方向に延びる、中心軸上に観察者に対して異なる距離で配置された、共通の光モジュレータ５２’，５２’’，５２’’’についての、３次元表現の再構成６１の視覚化のための錐台６２，６３を示す。
【００７７】
図９は、それぞれの目７，８の前面近くに配置された、２つの分離された小さい光モジュレータ４１，４２を示す。このとき、同一の錐台６０，６３が、それぞれの目７，８について、図７又は図８に示されるような長い距離での単一の大きい光モジュレータ５２’’’でのものと同じ３次元表現の３次元再構成６１とともに得られる。この装置は、小さな光モジュレータ、例えばＬＣｏＳを用いて実現されることができ、このとき小さな光モジュレータ３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２は、観察者平面４に対して小さい距離で配置される。
【００７８】
このことは、光モジュレータ１６，１７が観察者平面４に配置されるか、又は観察者平面４に画像化される、図１から４で図示される以上で説明されたオブションとは異なる。図９を参照すると、光モジュレータのエンコーディング表面は観察者の近くにあるが、観察者平面４の外側にある。この装置では、複数の回折オーダが観察者平面４において並んで生じる。もし観察者ウインドウ１８，１９が瞳孔２０，２１よりも大きいならば、観察者は周期的な連続を全く見ないだろう。
【００７９】
観察者ウインドウ１８，１９の大きさは、自分の瞳孔が動いたとしても観察者が観察者ウインドウ１８，１９の中にいるように、目７，８内の瞳孔２０，２１の動きの範囲の大きさに合わせられることが好ましい。
もしスクリーン表面と観察者ウインドウ１８，１９との間が小さい距離であるならば、別々の光モジュレータがまた左目と右目とについて用いられることができ、その場合それぞれの目７，８に関連して中心に２つの錐台６０，６３が存在する。
【００８０】
高次の回折オーダは、もし左目７の観察者ウインドウ１８の高次の回折オーダが右目８に届くか、又は逆である場合にのみ、抑制されなければならない。
【００８１】
この観点から図５は、それぞれの光モジュレータ４１，４２についての光源１３，１４と、光学照明システム４３，４４の形をとる光学系と、それぞれの目７，８についての光モジュレータ４１，４２と、２つの目７，８間での高次の回折オーダの光を遮断する障壁として働くエレメント又は部品４５とを備える、本発明に従う第２のディスプレイデバイス４０の、単純な光学配置を示す。障壁４５は、目７，８が、それぞれの他の光モジュレータ４２，４１の高次の回折オーダを知覚することを防止する。そのような障壁４５の１つの可能な実現が、開口ストップである。
【００８２】
もし、設計が十分に小さいなら、このようなディスプレイデバイス４０はヘルメットフレーム２又は観察者の頭に固定されたゴーグルフレームにしっかりとマウントされることがまた可能だろう。
【００８３】
本発明はまた、比較的単純なヘッドマウント・ディスプレイデバイスの光学装置を実現することを可能とする。さらに、大きな直視装置と比べて、光源の配列、並びに大きなレンズ若しくはレンズの配列は照明のためには必要とされず、それぞれの目について単一又は色あたり１つの光源と、光モジュレータの大きさのレンズ、すなわち典型的には０．５インチと２インチの間の直径のレンズのみが必要とされる。これらは、容易に製造されることができる。
【００８４】
直視デバイスについて必要とされるようにステレオ分離を与える必要なく、また左と右のホログラムの時分割多重化を与える必要なしに、フル分解能の１つの光モジュレータがそれぞれの目に対して与えられうるような、２次元のエンコーディング方法も困難なく採用されることができる。
【００８５】
さらに、変化する観察者の位置に観察者ウインドウをトラッキングするための、複雑で費用のかかる部品は必要とされない。
【００８６】
光モジュレータに対して光源の位置を変える必要はない。なぜなら、双方がヘルメット又はゴーグルフレームに固定されており、頭とともに動くからである。結果として、トラッキングのために直視装置で提供されるような、シャッタディスプレイ又は類似の手段は不必要となる。このことは、より明るくなり、例えば光学投影システム及び大きなスクリーン領域が必要とされないという効果を持つ。
【００８７】
もしディスプレイデバイス１，４０，５０が、人間の頭について意図されているフレーム２又は５１にマウントされるなら、ディスプレイデバイス１，４０，５０は視覚化の最初で、目７，８に対して少なくとも一度調節されうることが好ましい。このことは、たとえ後で頭が動かされたとしても、観察者ウインドウ１８，１９が同じように動かされるために、目７，８が常に観察者ウインドウ１８，１９の中にあることを保証する。このように、観察者の位置を検出するための追加のデバイスは不要となる。こうして、不正確なトラッキングによって起こされる障害は存在しない。
【符号の説明】
【００８８】
１  第１のディスプレイデバイス
２  フレーム
３  前部
４  観察者平面
５  左側部
６  右側部
７  右目
８  左目
９  第１の支持エレメント
１０  第２の支持エレメント
１１  第３の支持エレメント
１２  第１の光学系
１３  第１の光源
１４  第２の光源
１５  第２の光学系
１６  第１の光モジュレータ
１７  第２の光モジュレータ
１８  第１の観察者ウインドウ
１９  第２の観察者ウインドウ
２０  右瞳孔
２１  左瞳孔
２２  第１の調節デバイス
２３  第２の調節デバイス
２４  第１の固定デバイス
２５  第２の固定デバイス
２６  エンコーディングデバイス
２７  電源
２８  ディスプレイデバイスの中心軸
２９  瞳孔の第１の軸
３０  瞳孔の第２の軸
３１  振幅変調光モジュレータ
３２  振幅変調光モジュレータ
３３  位相変調光モジュレータ
３４  位相変調光モジュレータ
３５  エンコーディング表面
３５’  モジュレータ画像
３６  エンコーディング表面
３６’モジュレータ画像
３７  角度選択エレメント
３８  角度選択エレメント
４０  第２のディスプレイデバイス（第１の実施形態）
４１  光モジュレータ
４２  光モジュレータ
４３  第３の光学系
４４  第４の光学系
４５  開口ストップ
４６  第５の光学系
４７  第６の光学系
５０  第２のディスプレイデバイス（第２の実施形態）
５１  第２のフレーム
５２’  光モジュレータ
５２’’  光モジュレータ
５２’’’  光モジュレータ
５３  第７の光学系
５４  ビームスプリッタ
５５  第１の反射鏡
５６  第２の反射鏡
５７  切り替えデバイス
５８  第１の光学照明システム
５９  第２の光学照明システム
６０  第１の錐台
６１  ３次元表現の再構成
６２  第２の錐台
６３  第３の錐台
【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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【手続補正書】
【提出日】平成21年7月22日(2009.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元表現の再構成を生成するためのヘッドマウント・ディスプレイデバイスであって、
前部と、離れて配置された２つの側部とを少なくとも備える、ヘルメット又はゴーグルに似たフレームを備え、
前記前部は、目の位置と関連し、
前記前部は、少なくとも１つの光源（１３，１４）と、少なくとも１つの光学系（１２，１５；４６，４７）と、エンコードされうる少なくとも１つの光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）とが存在する設計を有し、
エンコーディング表面に前記３次元表現の波面のコードを伴う前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４）は、観察者平面（４）内に定められた観察者ウインドウ（１８，１９）の位置に配置され、又は、エンコーディング表面に前記３次元表現の波面のホログラムのコードを伴う前記光モジュレータ（４１，４２；５２）は、それぞれの前記目（７，８）の瞳孔（２０，２１）の動きの範囲の少なくとも一部に観察者ウインドウ（１８，１９）の大きさが対応するように前記ホログラムを前記観察者ウインドウ（１８，１９）に変換するために、前記観察者ウインドウ（１８，１９）の前面近くの領域に配置され、
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）は、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）の波面又はホログラムを前記エンコーディング表面のための前記３次元表現から計算するエンコーディングデバイス（２６）に接続され、
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）は、もし前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）が照明されているならば、前記観察者ウインドウ（１８，１９）内の前記３次元表現の複素波面が存在するように、また前記３次元表現の前記再構成（６１）が再構成錐台（６０，６３）内で目に見えるようになるように、前記波面又は前記ホログラムを用いて直接エンコードされることができ、
前記再構成錐台（６０，６３）は、前記観察者ウインドウ（１８，１９）と前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）との間に拡がり、
前記観察者ウインドウ（１８，１９）の大きさに依存して、偏向された光の前記２つの目（７，８）の間でのクロストークを抑制するための、少なくとも１つのエレメント（３７，３８，４５）が、前記観察者平面（４）の近くで用いられることができる
ことを特徴とする、ディスプレイデバイス。
【請求項２】
前記観察者平面（４）内の前記観察者ウインドウ（１８，１９）に配置された前記光モジュレータ（１６，１７）の前記エンコーディング表面は、前記エンコーディングデバイス（２６）によって与えられた、振幅と位相とを含む複素数値、又はこれらの量に由来する値でエンコードされることができることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項３】
前記観察者ウインドウ（１８，１９）内の前記波面の複素数値をエンコードするために、振幅変調光モジュレータと位相変調光モジュレータとの少なくとも一方の組み合わせが与えられ、前記組み合わせはビームスプリッタによって、又は一方の光モジュレータ（３１，３２）の、それぞれの他方の光モジュレータ（３３，３４）への投影によって、接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のディスプレイデバイス。
【請求項４】
前記振幅変調光モジュレータ（３１，３２）は、
一方では観察者ウインドウ（１８，１９）の近くだが前記観察者平面（４）の外側の領域に配置され、かつ前記位相変調光モジュレータ（３３，３４）は、前記観察者平面（４）に直接配置され、この場合、前記振幅変調光モジュレータ（３１，３２）の前記エンコーディング表面（３５，３６）は、光学投射システム（４６，４７）の助けにより、対応する前記位相変調光モジュレータ（３３，３４）上にモジュレータ画像（３５’，３６’）として投影されることができ、
又は、他方では、前記振幅変調光モジュレータ及び前記位相変調光モジュレータは、上記と反対の位置に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のディスプレイデバイス。
【請求項５】
前記光モジュレータ（１６，１７）の前記エンコーディング表面は、その大きさが前記目（７，８）内の前記瞳孔（２０，２１）の動きの全範囲にその大きさが対応するように定められること、又は、前記光モジュレータ（１６，１７）の前記エンコーディング表面は、前記瞳孔（２０，２１）の表面領域と同じ大きさを持つことを特徴とする、請求項１乃至４の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項６】
１つのエンコード可能な光モジュレータ（５２）が光学部において用いられ、
前記光モジュレータ（５２）は、前記ディスプレイデバイスの中心軸（２８）の方向と交わるように配置され、
前記光源（１３）及び光学系（５３）が前記光モジュレータ（５２）の前面に配置され、
続けて配置されたビームスプリッタ（５４）及び２つの反射鏡（５５，５６）が、前記観察者平面（４）の前面に配置され、
前記反射鏡（５５，５６）は、前記ビームスプリッタ（５４）の両側に、お互いに離れて配置され、
前記反射鏡（５５，５６）は、前記瞳孔の軸（２９，３０）に対して傾いており、
前記光モジュレータ（５２）の前記エンコーディング表面は照明されて、前記光学系（５３）及び前記ビームスプリッタ（５４）の助けによって、前記２つの観察者ウインドウ（１８，１９）へと変換され、
切り替えデバイス（５７）がスプリットされていない光路に配置され、
前記切り替えデバイス（５７）は、前記光モジュレータ（５２）の全エンコーディング表面上で交互する情報を、所定の頻度で、左右の前記観察者ウインドウ（１８，１９）に交互に切り替えることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項７】
前記切り替えデバイス（５７）は、光線束のための偏向デバイスの形で設計され、当該切り替えデバイス（５７）は、前記エンコーディングデバイス（２６）によって頻度制御されることを特徴とする、請求項６に記載のディスプレイデバイス。
【請求項８】
前記２つの目（７，８）の間で回折された邪魔をする光を遮断する開口ストップとして働く少なくとも１つのエレメント又は部品（４５）が、少なくとも１つの前記光源（１３，１４）と、少なくとも１つの前記光モジュレータ（４１，４２；５２）と、照明光学系（４３，４４；５３）と、前記観察者ウインドウ（１８，１９）内に生成されたそれぞれの前記波面と、を備える光路中に存在することを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項９】
パッシブな、又はアクティブな光学エレメントの形をとる少なくとも１つの角度感受性エレメント（３７，３８）が、前記光モジュレータ（１６，１７）と前記目（７，８）との間に配置され、
前記エレメントは、前記光モジュレータ（１６，１７）によって小さい角度で放出された光のみを通過させ、
前記光モジュレータ（１６，１７）は、前記観察者ウインドウ（１８，１９）に直接配置されることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１０】
２つの光モジュレータ（４１，４２）が用いられ、
フィルタユニット又は開口ストップ（４５）が、１つの前記光モジュレータ（４１）及び１つの前記観察者ウインドウ（１８）を一方とし、他の前記光モジュレータ（４２）及び他の前記観察者ウインドウ（１９）を他方として、これらの間の光学部に配置され、
短い焦点距離を示すレンズを備えた小型の設計が提供されることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１１】
前記エンコーディングデバイス（２６）は、それぞれの前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）の前記エンコーディング表面をエンコードするための情報の計算を実行するための、少なくとも１つのコンピュータとメモリとプログラム手段とを備えることを特徴とする、請求項１乃至１０の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１２】
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）は、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）に十分にコヒーレントな光を向ける、少なくとも１つの光源（１３，１４）に接続されていることを特徴とする、請求項１乃至１１の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１３】
前記光源（１３，１４）は、色再構成が望まれる場合に、それぞれ緑色、赤色、及び青色のスペクトルを放出する３つのサブ光源を備え、前記サブ光源は、時分割多重化によって組み合わせられることを特徴とする、請求項１乃至１２の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１４】
前記フレーム（２）は、少なくとも１つの支持エレメント（９，１０，１１）を備え、透過性の光学部品と反射性の光学部品との双方が前記前部（３）で用いられ、前記光学部品は、機械的手段及び前記支持エレメント（９，１０，１１）によって、前記フレーム（２，５１）にしっかりとマウントされることを特徴とする、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１５】
前記フレーム（２，５１）は、少なくとも光学部に最小限の数の部品で取り付けられた、ヘルメット、ゴーグル、又は支持装置であって、
任意のこととして、前記ディスプレイデバイス（１，４０，５０）がゴーグルの形を持つこと、前記ディスプレイデバイス（１，４０，５０）がしっかりと動かない形でヘルメットによって支持されること、又は前記ディスプレイデバイス（１，４０，５０）が観察者のヘルメットと頭との少なくとも一方に可動な形でしっかりと接続されることを特徴とする、請求項１乃至１４の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１６】
調節デバイス（２２，２３）が、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）と、前記フレーム（２，５１）の少なくとも１つの支持エレメント（９，１０，１１）との間に配置され、
固定デバイス（２４，２５）が、前記光モジュレータ（１６，１７）と対応する前記光源（１３，１４）との間に配置され、
前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）と、前記光源（１３，１４）及び前記光学系（１２，１５）を備える対応する光学部とは、前記調整デバイス（２２，２３）と前記固定デバイス（２４，２５）との助けによって、前記観察者平面（４）と前記ディスプレイデバイスの前記中心軸（２８）との少なくとも一方と、前記瞳孔の前記軸（２９，３０）とに対して、調節可能でありかつ固定可能であり、
前記瞳孔の前記軸（２９，３０）は、前記ディスプレイデバイスの前記中心軸（２８）と平行であることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１７】
前記調節デバイス（２２，２３）及び前記固定デバイス（２４，２５）を一方とし、前記光学部及び前記支持エレメント（９，１０，１１）を他方として、機械的接続がこれらの間に存在し、
前記光源（１３，１４）及び前記光モジュレータ（１６，１７）は、前記エンコーディングデバイス（２６）及び電源（２７）と、電気接続ケーブルを介して接続されることを特徴とする、請求項１６に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１８】
前記フレーム（２）の領域に、少なくとも１つのセンサが配置され、
前記センサは、前記光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）をエンコードするための情報が修正されるように、観察者が頭を動かした時に、前記観察者の視角の変化に従って前記エンコーディングデバイス（２６）に信号を送ることを特徴とする、請求項１乃至１７の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【請求項１９】
前記フレーム（２）は、任意のこととして、少なくとも１つの音声信号デバイスと組み合わせられており、
音声信号の出力は、前記それぞれの光モジュレータ（１６，１７；３１，３２；３３，３４；４１，４２；５２）の波面のエンコーディングと同期して切り替えられることを特徴とする、請求項１乃至１８の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
【国際調査報告】
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