(57)【要約】指向性スクリーンとして機能する凹面鏡(12)と、投影システム(18)と、ビームスプリッタ(14)とを備えた立体視ディスプレーであって、前記の投影システム(18)は、第１及び第２画像(19)を集束手段に向けて案内する複数個の反射面を備え、前記のビームスプリッタ(14)は、凹面鏡(12)と集束手段との間に位置し、集束手段からの光を凹面鏡(12)に向けて案内する傍ら、凹面鏡(12)から反射された光の通過させる。好ましい態様では、集束手段は第１及び第２画像の両方を凹面鏡に集束させる単一のレンズからなる。理想的には、追跡装置(16)が、装置使用者の頭及び／又は目の動きを検知し、検知した動きにあわせて凹面鏡を動かす。
2006525534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹面鏡と、第１画像及び第２画像の両方を前記凹面鏡に集束させるための単一の集束素子と、前記凹面鏡と集束素子との間に位置し、集束素子からの光を凹面鏡の光軸に沿って送る傍ら、凹面鏡で反射した光の通過を許容するビームスプリッタとを備えた実質的に軸上の立体視システム。
【請求項２】
第１及び第２画像が凹面鏡の前方又は後方、もしくは凹面鏡上にある表示面に集束するように、前記の集束素子が構成されている請求項１記載のシステム。
【請求項３】
複数個の集束素子が共通の光軸上に設けられ、それぞれの集束素子が第１及び第２投影画像両方の光学経路上にある請求項１又は請求項２記載のシステム。
【請求項４】
一つ又はそれ以上の集束素子がそれぞれレンズである先行請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
集束素子が凹面鏡の曲率半径に位置している先行請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
集束素子を等分する位置に一対の平面鏡をさらに備え、その平面鏡の一つは第１画像を集束素子に向かわせるような位置にあり、他の一つは第２画像を集束素子に向かわせるような位置にある先行請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
一つ又はそれ以上の反射体が、第１及び第２画像を集束素子に指向させるために設けられた先行請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
観察者の動きを追うための追跡装置と、追跡装置で感知された動きに応えて凹面鏡を動かすための駆動装置をさらに備えた先行請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
凹面鏡と、スクリーンに向けて第１及び第２画像を集束するための第１及び第２集束手段とを備え、第１画像はその中心が第１集束手段の光軸から外れた位置にあり、第２画像はその中心が第２集束手段の光軸から外れた位置にあり、さらに、第１及び第２集束手段からの光を凹面鏡に指向させると共に、凹面鏡で反射した光の透過させるためのビームスプリッタを、凹面鏡と第１及び第２集束手段との間に備えた立体視システム。
【請求項１０】
第１及び第２集束手段が、第１及び第２画像を凹面鏡上の表示表面に、もしくは凹面鏡の前方又は後方の表示平面に集束し得るように構成させた請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
第１及び第２画像を集束手段に指向させる一つ又はそれ以上の反射体が設けられた請求項９又は請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
ビームスプリッタが、第１及び第２集束手段と凹面鏡との間の光路に位置する請求項９〜請求項１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
観察者の動きを追うための追跡装置と、追跡装置で感知された動きに応えて凹面鏡だけを動かすための駆動装置をさらに備えた請求項９〜請求項１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
指向性スクリーンとして機能する好ましくは凹面鏡である可動の光学素子と、第１及び第２画像源から提供される第１及び第２画像を前記の光学素子上に投影するための投影装置と、観察者の動きを追うための追跡装置と、追跡装置で感知された動きに応えて前記光学素子を動かすための駆動手段とを備えた立体視システム。
【請求項１５】
前記の投影手段が、単一の集束手段と、ビームスプリッタとを備え、単一の集束手段は、第１画像と第２画像の両方を凹面鏡に集束させ、ビームスプリッタは、凹面鏡と集束手段との間に位置し、集束手段からの光を凹面鏡の光軸に実質的に沿うように方向付けすると共に、凹面鏡で反射した光を透過させる請求項１４記載の立体視システム。
【請求項１６】
前記の投影手段が、スクリーンに向けて第１及び第２画像を集束させる第１及び第２集束手段と、ビームスプリッタとを備え、第１画像はその中心が第１集束手段の光軸から外れた位置にあり、第２画像はその中心が第２集束手段の光軸から外れた位置にあり、ビームスプリッタは、凹面鏡と第１及び第２集束手段との間に位置し、第１及び第２集束手段からの光を凹面鏡に指向させると共に、凹面鏡で反射した光の透過させる請求項１４記載の立体視システム。
【請求項１７】
指向性スクリーンとして機能する凹面鏡と、投影手段と、ビームスプリッタとを備え、投影手段は、第１及び第２画像を集束手段に向かわせる複数個の反射面を有し、ビームスプリッタは、凹面鏡と集束手段との間に位置して集束手段からの光を凹面鏡に向かわせると共に、凹面鏡で反射した光を透過する立体視ディスプレー。
【請求項１８】
集束手段が、凹面鏡の光軸と事実上一致する光軸を有し、実質的に軸上(on-axis)である
請求項１７記載のディスプレー。
【請求項１９】
集束手段が、第１画像と第２画像の両方を凹面鏡に向けて集束するための単一の集束っ素子である請求項１８記載の立体視システム。
【請求項２０】
集束手段が、第１画像及び第２画像をスクリーンに集束するための第１集束手段と第２集束手段からなり、第１画像は、その中心が第１集束手段の光軸から外れた位置にあり、第２画像は、その中心が第２集束手段の光軸から外れた位置にある請求項１７記載の立体視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体視ディスプレーに関し、特に、凹面鏡を内蔵したデスクトップ型の自動立体視ディスプレーに係る。
【０００２】
立体視システムでは、できるだけ生き写しの画像が得られるように、自然の立体映像をシュミレートする努力が払われている。立体視覚では、個々の目が僅かに視点を変えて捉えた物体又は場面の二次元画像が、目から脳に伝えられ、そこで三次元画像に組み立てられる。立体映像をシュミレートするには、画像源の二次元画像が、それぞれの目に個別に入るように、自動立体視システムを準備しなければならない。各画像は、対応する目の視点からの画像でなければならず、２つの画像は、観察者の右目用の画像と、左目用の画像の２つである。
【背景技術】
【０００３】
現存の多くの自動立体視システムでは、ある種の特殊メガネを見る人が装着しなければならず、例えば、シャッターメガネを使用する。この場合、左の画像と右の画像は、交互に、且つ速やかに表示スクリーンに表示され、これに同調して装着メガネの左右のレンズも交互に不透明になる。こうして、観察者の左の目には左の画像が、右の目には右の画像が提示される。別の立体視システムでは、表示スクリーンの前に偏光スクリーンが設けられ、表示スクリーン上で左右の画像が速い速度で入れ代わる。この場合、偏光スクリーンの配向ないしは方向が交互に代わり、例えば、左の画像が表示されている間は、偏光スクリーンがある方向を向き、右の画像が表示されている時は別の方向を向くように、直角に変化する。このシステムを利用する人は、２つのレンズが偏向フィルターである受動メガネを装着し、このメガネでは、一方のレンズは他方レンズに対して直角に回転する。このシステムも適切に構成されていれば、観察者の左の目には左の画像が、右の目には右の画像が提示される。
【０００４】
上記したシステムの欠点の一つは、観察者がメガネを掛けなければならないことである。もう一つの欠点は、左右の画像を交互に表示しなければならないことである。画像の交互表示は、感知されるフレームレート、すなわち、画像のリフレッシュ速度を半減させるので、画像にちらつき生じ、システム利用者に不快感を与えることになる。この問題は、表示モニターを通常の倍のフレームレートで、例えば、１２０Hzで稼動させることによって解消することができるが、理想的ではない。さらなる欠点は、メガネがフィルターとして機能するので、ディスプレーから目に届く光の量が減少することである。このことは退色や光損失が起こることを意味する。さらに、フィルターに固有の効率の悪さから、クロストークが起こり、左目用の画像が右目に入り、右目用の画像が左目に入る不都合があった。長期間表示装置を使用すると、前記クロストークは視覚に不快感をもたらす。
【０００５】
メガネを使用することに起因する上記システムの問題を解消するために、色々な立体的配置が提案されている。例えば、レンズ状のスクリーンを使用した表示装置が知られている。この装置では、スクリーンが元の画像を多数の左成分と右成分に分割するので、メガネを必要としない。このタイプの表示装置は、GB 2,185,825 Aに記載されている。しかし、この装置は、実際の水平画像分解能が、提供される画面の数に比例して減少する欠点がある。モニター観察者の位置にヘッド追尾装置が使用されていなければ、従って、レンズ状のスクリーンが動けば、反影的画像（pseudoscopic image、右目に左目の景色が入り、左目に右目の景色が入ること)が見えることになる。
【０００６】
メガネの装着を必要としない別の立体視システムは、US 3,447,854に記載されている。この米国特許は、三次元ビューアーを開示しおり、そこでは一対の投影機が、右と左の画像ビームを同一平面上の軸に沿ってビームスプリッタに向けて集中させ、さらに、ビームスプリッタから光ビームを凹面鏡に向かわせている。この凹面鏡は、指向性スクリーンとして機能し、観察位置における射出ひとみを規定するので、左右の画像を同時に眺めることができる。しかし、このシステムではメガネなしで画像を見ることができるものの、ひずみを伴い、とりわけキーストン効果が出る不都合がある。類似のシステムは、US 6,511,182やUS 6,522,474にも記載されており、前者では広い視野と超高感度表示を可能にするために、スキャニング・ボール・レンズ装置にて凹面鏡の焦点に画像を形成させ、後者では一対の凹面鏡を、頭装着型ディスプレーに使用している。また、US 4,623,223やUS 4,799,763には、凹面鏡を投影光学的に使用する代わりに、それ自体をステレオペアの形成に用いることが説明されている。
【０００７】
US 4,799,763は、別の立体視ディスプレーについても説明している。その立体視ディスプレーは、両眼それぞれについて２つの表示源を投影するために一つの凹面鏡を使用しており、最終画像は鏡面の曲率半径に位置するようになっている。これらの画像は、凹面鏡の曲率半径と同じ距離だけスクリーンから離れた場所に位置する観察者が眺めることができる。このことは凹面鏡の曲率半径の約２倍も凹面鏡から離れた位置で、画像が眺められることを意味する。これは観察者が利用できる表示画面が比較的小さい点で不利がある。また、凹面鏡が画像形成素子であるので、凹面鏡表面の品質が全体的な画像品質に影響を及ぼすという問題もある。事実、表示画像を最大化し、穏当な頭の動きを許容するためには、凹面鏡を相当大型化しなければならない。
【０００８】
さらに別の自動立体視ディスプレーは、US 2003/0025996 A1に記載されている。この装置は、メガネなしの自動立体視環境を提供し、そこでは伸張フレーム上の減圧変形膜で形成された凹面鏡に、左右両眼のイメージを投影させるために、画像集積装置(image agglomeration device, IAD)が使用されている。当該米国特許出願の装置を稼動させるには、IADとレンズを観察者の視線から外れた位置に設置しなければならない。このように設置しなければ、観察者はスクリーン上の画像を見ることができない。明確には記載していないが、IDAを凹面鏡の光学軸上に設置しないことで、軸外しの投影システムを形成させている。上記の米国特許出願は、メガネが不要な立体視システムを提案しているが、これが軸外系(off-axis)であることと、膜式鏡の光学的性能に起因して、当該立体視システムは、画像変形を伴う欠点がある。
【０００９】
上記した問題点に加えて、既存の多くの立体視ディスプレーの欠点は、視野が狭いことである。この欠点を克服するために、WO 98/43126は、観察者の動きに合わせて画像投影系が可動する立体視システムを提案している。すなわち、この国際出願には、共同して一つの立体画像を描く２つの画像を生む画像発生器と、観察者の頭部の動きを追跡する追跡メカニズム（装置）が記載されている。この追跡メカニズムは、画像発生器の動きを制御できるコントローラーに接続される。観察者の頭が動くと、それを追跡メカニズムが検知し、コントローラーに信号を送る。信号を受けたコントローラーは、凹面スクリーン上に映る画像が観察者と一緒に動くように画像発生器を動かす。この装置は、道理に適う動きを観察者に許し、メガネの使用も必要としないものの、幾つかの不都合がある。最たるものの一つは、観察者が常に良質な画像を見られるようにするためには、画像発生器を動かさなければならず、そのために比較的大きいスペースの覆いを必要とする。追跡メカニズムを含む別のディスプレーは、Schwartz著の"Head Tracking Stereoscopic Display"（CH2239‐2/2/85/145 1985 IEEE）に記載されている。しかし、そこに記載されたものは、投影システムとスクリーンを含むディスプレー全外が、観察者の動きを追跡する方式である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的の一つは、改良された立体視ディスプレーを、特に、メガネを装着する必要がなく、使用者である観察者に改良された視聴を可能にする立体視ディスプレーを提供することにある。
【００１１】
すなわち、本発明が提供する実質的に軸上(on-axis)の立体視システムは、凹面鏡と、第１及び第２画像の両方を前記凹面鏡に向けて集光する集束素子と、前記の凹面鏡と集束素子との間に位置し、集光素子からの光を実質上凹面鏡の光学軸方向に方向付けすると共に、凹面鏡からの反射光を透過させるビームスプリッタとを備える。
【００１２】
第１及び第２画像の両方をスクリーン上に集束させるために、単一の集束素子を、好ましくは単一のレンズを使用することにより、画質を格段に改善することができる。単一のレンズを軸上の投影システムに使用すると、電子的又は光学的補正の必要性を打ち消してキーストーニングが排除される。左目及右目の映像面がお互いに傾いていないので、画像の完全な立体的見当合わせが可能になる結果、画質を改善することができる。システムの射出ひとみ内で観察者が動いても画像は動かないように、第１及び第２画像を投影するために、適当なレンズ系が入念に選択又は設計できることは、当業者には理解できよう。
【００１３】
複数個の集束素子が使用でき、それぞれは、第１及び第２画像の両方を凹面鏡に向けて方向付けるために設けられる。複数個の集束素子は、一つの光学軸に沿って重ねることができる。
【００１４】
第１及び第２画像は、別々の平面に供与することができる。第１及び第２画像は、軸に関して対称に置かれたそれぞれ面に提供することもできる。また、第１及び第２画像は、実質的に平行な２面に提供することもできる。さらに、第１及び第２画像は、実質的に垂直な２面に提供することもできる。
【００１５】
本発明に係る第２の立体視システムは、凹面鏡と、第１及び第２画像をスクリーンに向けて集束させるための第１及び第２集束手段とを備え、第１画像はその中心が第１集束手段の光学軸から外れて位置し、第２画像はその中心が第２集束手段の光学軸から外れて位置し、さらに、第１及び第２集束手段からの光を凹面鏡に向けて方向付けすると共に、凹面鏡で反射した光を透過させるビームスプリッタを、前記の凹面鏡と第１及び第２集束手段との間に備えている。
【００１６】
第１及び第２画像の各ビームが、第１及び第２集束素子又は集束手段の幾何学的軸に向かって集中するように、第１及び第２画像それぞれは外れていることが好ましい。第１及び第２集束手段の幾何学的軸と凹面鏡の光軸とは、好ましくは一直線であって、これにより第１及び第２画像は凹面鏡の光軸上に集中する。光学素子の光軸上に第１及び第２画像ビームのそれぞれが集中するように、第１及び第２集束手段に関して第１及び第２画像を外すことにより、キーストーニングや画像傾斜のような不具合を減少させることができる。好ましい具体例においては、ゆがみの無い複数個の映写平面レンズが、それぞれ凹面鏡の光軸に平行な光軸で使用される。別の具体例では、各投影システムが凹面鏡の幾何学的中心に傾けられる。この場合、視野のピントを維持するためには、シャインプルーク条件が満たされなければならない。
【００１７】
第１及び第２集束手段は、光学素子の前又は後、もしくは光学素子上にある表示面に、第１及び第２画像が集束するように構成されている。
【００１８】
第１画像源は、第１集束手段の光軸に平行な面に設けることができる。この場合、投影システムは、第１画像源からの光が第１集束手段に反射するような位置に、平面反射鏡のような反射体をさらに備えている。第２画像源も集束手段の光軸に実質的に平行は面に設けることができる。この場合、投影システムは、第２画像源からの光が第２集束手段に反射するような位置に、平面反射鏡のような第２の反射体をさらに備えている。
【００１９】
本発明に係る更に別の立体視システムは、指向性スクリーンとして機能すると共にシステムの射出ひとみを作り出す好ましくは凹面鏡からなる可動の光学素子と、第１及び第２画像源から提供される第１及び第２画像を光沢素子に投影するための投影システムと、監査者の動きを追跡するための追跡システムと、追跡システムによって検知された動きに応じて光学素子を動かす駆動部を備えている。
【００２０】
追跡メカニズムからの信号に応答して光学素子が動くことで、当該素子の位置は、観測者の動きに従うことができ、その結果、画像の最適視聴が維持される。つまり、上記の立体視システムは、特別なメガネを必要としないばかりか、画像を提供する投影システムにも少しも妥協を強いることがなく、観察者により大型の視聴画面を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
添付図面を参照しながら本発明をさらに具体的に説明する。図１は自動立体表示システム10を示し、そのシステムは、方向スクリーンとして機能する凹面鏡12と、ビームスプリッタ14と、頭部追跡装置16と、凹面鏡上に画像を投影するための画像投影システム18の４つのサブシステムを備える。凹面鏡12と、ビームスプリッタ14と、画像投影システム18は、ハウジング20に収納される。凹面鏡12は、投影レンズ集合体18の実像として形成される射出ひとみの形成に利用される。観察者は、メガネを使用せずにこの射出ひとみを介して、画像を立体的に見ることができる。
【００２２】
凹面鏡12は、ハウジング20の後方に位置し、ビームスプリッタ14は、その前に位置している。ビームスプリッタ14は、その表面で画像投影システム18から送られてくる光の一部を凹面鏡の表面に向けて反射するようになっている。ビームスプリッタ14の伝送／反射特性によって、凹面鏡で反射された光の一部は、ビームスプリッタを通過するので、当該スプリッタを挟んで凹面鏡の反対側に位置する観測者は、画像を眺めることができる。当然のことながら、ビームスプリッタの伝送／反射特性を変化させれば、観測者の目に届く画像の明度は変わる。理想的には、ビームスプリッタは５０：５０の伝送／反射特性を備えるべきである。これには薄膜ビームスプリッタが使用可能である。
【００２３】
光は画像投影システム18によりビームスプリッタに向かう。画像投影システム18は、単一のレンズを備えたものでもよく、複数のレンズを備えたものでもよい。複数のレンズを備えたものの一例を図２(a)に示す。このものは、２つの同一のレンズ22及び24を有し、一方のレンズ22は右方画像源26の上方に位置し、他方のレンズ24は左方画像源28の上方に位置している。図示の例では、レンズ22及び24が、同一平面上に位置しているが、所望により、例えば、その面を傾かせることも可能である。レンズ22とレンズ24との間隔は、両眼の平均的な間隔である約６３ｍｍに保たれており、そのため、凹面鏡12で投影される投影レンズの実像は、光学的に正しい位置で、換言すれば、６３ｍｍの間隔で、観測者の左眼及び右目に入る。
【００２４】
画像源26及び28は、単一の表示部に隣り合わせで提供することができ、また、２つの表示部に提供することもできる。いずれの場合でも、第１画像26は、その中心が第１レンズ22の光軸から外れる位置にあり、同様に、第２画像も、その中心が第２レンズの光軸から外れる位置にある。画像投影システム18は、第１レンズ及び第２レンズの幾何学軸29、すなわち、中間点が、凹面鏡12の光軸に一致するに配置される。このため、第１及び第２画像ビームは、凹面鏡12の光軸31上に集束する。画像投影システム18を既述したように変更することで、ひずみ効果を減少させることが可能である。
【００２５】
別の実施例として、単一レンズ投影システムを図２(b)に示す。このシステムでは、単一レンズ25が右方画像源26及び左方画像源28の上に広がって設置されている。単一レンズ25は、各画像源からの光を集束し、両眼の平均的な間隔である約６３ｍｍの距離で隔たる２つの画像を生成できる構成にある。図２(a)に示す例では、画像源26及び28を単一の表示部に隣り合わせで、あるいは２つの別の表示部に提供することができる。図２(b)に示す例では、投影レンズ25の光軸27が凹面鏡12の光軸31に一致するところに、投影システムが位置し、レンズ25は凹面鏡12の曲率半径上に位置している。
【００２６】
図２(b)に示す投影システム18が、先に説明した図１の表示装置に組み込まれている場合、表示装置の投影部は、軸上にある。何故なら、投影システムの光軸27は、凹面鏡12の光軸31と一致し、投影システムからビームスプリッタ上に送られる光は、投影画像の品質を最適に保持して、前記鏡の光軸に沿って案内されるからである。観察位置は、理想的には、鏡12の軸31上にあるので、図１に示す配置例での観察位置も、軸上にある。しかし、図１の鏡12が図示の位置から動いた場合には、観察位置が軸上にあるとは限らない。これについては後に詳述する。
【００２７】
画像投影システム18のレンズの位置によって、形成される画像の位置が決まる。好ましく、凹面鏡12は、各レンズの映像面に位置する。この場合、画像は凹面鏡12の面に形成される。別法として、反射鏡の前又は後に画像が形成されるように、レンズの位置や焦点距離を変えることもできる。レンズの位置が凹面鏡の曲率半径において好ましい位置から変化すれば、観察位置もまた変化する。これは大型の視聴画面が欲しい場合に有効であるが、直径の小さい投影用光学素子が利用できるだけである。同様に、ひとみを縮小し、観察者がミラー近くに位置すれば、視野を拡張し、没頭感を高めることができる。しかし、光学的にいえば、投影システムにおけるひとみにとって最適な位置は、ミラーの曲率半径に位置する。図１は凹面鏡12が観察者の前に置かれている場合を図示しているが、ビームスプリッタの位置と投影装置の位置を変化させることで、ミラー12の位置を現在の位置の上方、下方又は左右何れかの側方に変えることができる。
【００２８】
凹面鏡12は支持材に取り付けられ、その支持材は回転可能な第１支持枠30と、傾斜させ得る第２支持枠32を備え、その支持材は駆動系に接続される。この駆動系は、サーボモーターを備える、これに限定されるものではない。駆動系のモーターの一つ34は、伝動装置を経て第１支持枠の軸に接続され、他の一つ36は、第２支持枠の軸に接続される。モーター34と36は、ミラー12を２つの軸で動かし、好ましくは幾何学上の軸又は中心でミラーをパンさせ、傾斜させる。モーター34と36は、制御システム40に接続され、この制御システムは制御信号を発信してモーターを動かしてミラー12を動かす。
【００２９】
制御システム40には追跡装置16も接続され、追跡装置16は観察者（使用者）の頭の位置を監視し、その動きを示す信号を制御システム40にフィードバックする。頭部の追跡は様々な方法で実施することができる。例えば、反射標的を観察者に装着させ、この標的を赤外線送受信装置で追跡させる。あるいは、画像分析ソフトを搭載したカメラ装置にて、観察者の目の位置を追跡させることもできる。実際上は、人工的な標的観察者が装着する必要がないので、後者の方法が好ましい。図1ではハウジング20の前部に追跡装置を取り付けた例が示されている。しかし、追跡装置は観察者の視野方向の何処に位置させても差し支えない。
【００３０】
追跡は制御システム40を使用して実施される。例えば、使用者（観察者）の目の位置は、追跡装置16によって検知される。この位置データは、追跡装置から制御システム40にフィードバックされ、当該システム内の単純なコンピュータ・アルゴリズムへの入力信号として使用される。そして、制御システム40はモーター34及び36を駆動させる出力信号を発信して、使用者がスペース内を動いても、その使用者に最適な画像を視聴させる。従って、観察者（使用者）が頭を左に動かせば、その動きは追跡装置16で検知され、制御信号がモーター34及び36に送られて凹面鏡12を同じ方向に回転させる。同様に、もし観察者が頭を上に動かせば、制御信号がモーター34及び36に送られ、凹面鏡12を上向きに傾斜させる。このようにして、観察者の頭の動きに対応して画像が動くので、系内で頭を動かせる許容範囲が拡大する。図１の装置はまた、運動視差が導入できるように、使用者の頭部位置に画像を追従させる。凹面鏡12、頭部追跡装置、フィードバック制御システム及び支持材構造の組み合わせにより、本発明の立体視システムは容易に且つ快適に使用できる。殊に、追跡装置を設けているので、使用者は立体視画像を視聴し続けながら、穏当な範囲で自己の頭を動かすことができ、従って、拡大した視野を確保することができる。
【００３１】
図３は、図１の自動立体視システムで使用する別の画像投影用サブシステム42を示している。前述したと同様に、投影レンズ系46は、観察者の右目及び左眼にそれぞれ光を方向付ける第１レンズ44及び第２レンズ46を備えている。２つの画像は、直交する２つのディスプレーであるディスプレーＡ及びディスプレーＢに提供される。ディスプレーＡは、第１レンズの光軸に実質的に平行な面に位置している。ディスプレーＡからの画像が、第１レンズ44に確実に投影されるように、平面反射鏡48が第１レンズ44の光軸に沿って、ディスプレーを直視するように設けられている。図３に示すように、反射鏡は光軸に関して４５°の角度に置かれているが、この角度は必要に応じて変えることができる。ディスプレーＡの画像は、その中心43が第１レンズ44の光軸45から外れた位置にある。ディスプレーＢは、第２レンズ46の光軸47と実質的に直交する面に、第２レンズを直視するように置かれている。ディスプレーＢの画像は、その中心51が第２レンズ44の光軸47から外れた位置にある。
【００３２】
図３の投影システムが図１のディスプレーに使用される場合、第１レンズ44及び第２レンズ46のそれぞれの幾何学的軸49が、凹面鏡12の光軸31と一致するように、投影システム42が設けられる。ディスプレーＡからの光は、平面反射鏡48で反射して投影レンズ系の第１レンズ44に向い、ビームスプリッタに向けて投影される。ディスプレーＢからの光は、直接、第２レンズ46に送られ、ビームスプリッタに向けて投影される。ディスプレーＡ及びディスプレーＢの位置のズレと、投影システムの幾何学的軸と凹面鏡の光軸との相対的な配置に由来して、画像の光束は凹面鏡に光軸に集束する。
【００３３】
図４は、図１のシステムに使用可能な別の画像投影用サブシステム50を示す。前記したと同様に、この光学装置は、右目及び左目にそれぞれ光を導くための第１レンズ54及び第２レンズ56を含む投影レンズシステム52を備えている。画像源であるディスプレーＣとＤは、レンズ54及び56の後方に位置し、ディスプレーＣは大型の平面反射鏡58と直面している。図示のように、この平面鏡はディスプレーＣに直交する面に関して４５°の角度で傾いているが、この角度は所望により変えることができる。平面鏡58はディスプレーＣの方を向き、その大きさと位置は、ディスプレーＣ上の画像全体が平面鏡に投影される大きさと位置である。これと同じように、同様な平面反射鏡60が、対向するディスプレーＤの方向をむいて、当該ディスプレーにも設けられる。大型の反射鏡58及び60は、投影レンズシステム52の両側に対称的に位置する反射面を備えている。図示のように、反射鏡58及び60は実質的に直交するが、これは全ての場合に必須である訳ではない。図３に示すシステムの場合、ディスプレーＣの幾何学的軸は、第１レンズ54の光心57からずれており、ディスプレーＤの幾何学的軸も、第２レンズ56の光心59から外れているので、画像は画像面に集束する。
【００３４】
図４のシステムには２つの小型の平面鏡62及び64が設けられるが、これらのミラーは、第１レンズ54及び第２レンズ56の間を通過する軸の上に、互いに４５°の角度で設置される。しかし、この設置角度は必須ではなく、設計条件を満たせば別の角度で設置しても差し支えない。幾何学的軸61に直角にディスプレーを配置した図示の例では、小型ミラー62及び64は、これらに対応する大型ミラー58及び60のそれぞれに平行であり、しかも小型ミラーの反射面が、大型ミラーの反射面と向き合うように設けられている。小型ミラー62及び64は、大型ミラーから送られてくる光を、投影レンズ54及び56に反射する位置にある。
【００３５】
図４のシステム50を図１のディスプレーに使用する場合、第１レンズ及び第２レンズの幾何学的軸が、凹面鏡12の光軸31と一致するように、システム50が配置される。ディスプレーＣ及びＤからの光は、それぞれに対応する大型ミラー58及び60に向かい、次いで対応する小型ミラー62及び64で反射して投影レンズシステム52のレンズ54及び56それぞれに送られる。これらの光（ビーム）は、次いでビームスプリッタ経由で、凹面鏡に向かい、その光軸31上で集束される。図４のシステムにおける画像の倍率は、レンズ群からディスプレーＣ及びＤ間での距離と、装置自体の光強度に依存する。レンズ群の焦点距離は、システム全体の大きさによって選択される。
【００３６】
図４の投影レンズシステムは、図１に示す装置内に組み込まれている。口径５６０ｍｍ、焦点距離４００ｍｍの凹面鏡と、それぞれ焦点距離８００ｍｍ及び６００ｍｍの２対のレンズからなるレンズ群とを使用することにより、非常に優れた立体視システムを実現することができる。
【００３７】
図３及び図４で説明した投影システムは、２つの画像のそれぞれに関与する２つの集束素子を使用している。しかし、図５(a)に示すように、単一の集束素子を使用して左右の両画像を集束することも可能である。さらにまた、図５(b)に示すように、２つの画像を集束できる集束素子を複数個使用することも可能であって、複数の集束素子は単一の光軸に沿って重ねられる。いずれの場合でも、単一の大型の射出ひとみが形成され、観察者はこの射出ひとみを通してレンズの左半分を左目で、また、右半分を右目で眺める。図５(a)に示す例では、単一の集束素子はレンズである。左右の画像それぞれからの光は、レンズの右の部分及び左の部分を通って集束される。先に概説したように、単一のレンズを使用して左右の両画像をスクリーンに集束させると、画質を改善させることができる。さらなる改善は、レンズの光軸を凹面鏡のそれに一致させることによって獲得することができ、これにより軸上(on-axis)システムが提供される。さらに付け加えれば、直径Ｄの単一レンズを使用すれば、直径Ｄ/２の２つのレンズを使用する場合に比較して、ひとみ内で頭の縦方向の動きをより大きくでき、このことは図６に示されている。一定の眼軸長において、２つのレンズ系は表面上、横方向の頭の動きは同じである。
【００３８】
図７(a)は、単一レンズの投射システムを備えた立体視ディスプレーの別の具体例を等角図法で示している。既述したように、この光学装置は、凹面鏡80と、ビームスプリッタ82と、画像源84a及び84bと、投影レンズ86と、投影レンズを等分する頂点を持つ折り畳み式平面鏡88a及び88bと、さらに大型の折り畳み平面鏡90a及び90bを備えている。凹面鏡80は指向性スクリーンとして使用され、投影レンズ86の現実の映像として形成される射出ひとみを作り出す。観察者はこのひとみを介して画像を、好ましくは三次元で眺める。折り畳みミラー88a、88b、90a及び90bは、画像源84a及び84bからの光を投影レンズ86に向けて方向変換し、投影レンズはビームスプリッタ82に向けて光を送り、ビームスプリッタは光の一部を、凹面鏡80に向かわせる。この光は凹面鏡で再び方向転換されて観察者に向かう。
【００３９】
人間工学的に実現可能なシステムを作り出すために、折り畳みミラー88a、88b、90a及び90bと、投影レンズ86と、画像源84a及び84bとは、互いにさまざまな角度で傾いている。図７(b)は、これらの角度Ａ，Ｂ，Ｃの側面図を示し、これらの角度は、画像源84の最小回転で光学装置全体の大きさが最小になるように、画像源84に関して変化させることができる。図７(c)は、画像源84a及び84bの回転面を角度Ｇで示しており、この角度は相殺されている。投影レンズ86を観察者の方に、図７(b)の角度Ａだけ僅かに傾けると、ビームスプリッタ82と凹面鏡80が前方に押され、射出ひとみが光学装置の下半分からさらに遠くに離れる。このことは、デスクトップの下に光学素子を備えたデスクトップ型光学装置を組み立てる場合に、観察者の足回りスペースが最大にできることを意味する。さらに付け加えれば、観察者が画像を僅かに下向きで凝視した際に、人間工学的に理想的な条件で画像表示装置が眺められように、凹面鏡80とビームスプリッタ82は、所望の角度で曲げられている。
【００４０】
平面鏡88a及び88bの主たる役割は、無限と言っても良いほど大きの画像源を使用できるようにすることにある。平面鏡は、画像源84a及び84bの虚像を生み、この虚像は互いに重ね合わせることができる。US 3,447,854号特許に記載されているような他のシステムは、使用できる画像源の大きさに制限がある。その理由は、プロジェクターが並べられてている関係で、ヒトの眼間距離に合致するようにプロジェクターの大きさを充分小さくする必要あるからである。そうでないと、画像源相互を物理的に重ねなければならないが、これは実際には不可能である。プロジェクターが重ならないと、画像の眼間距離は広すぎて一度に一方の目でしか画像を眺めることができない。これでは３Ｄ画像を見ることができない。
【００４１】
好ましい実施例の正面図である図７(d)は、角度Ａ，Ｅ及びＦを示し、これらの角度はいずれも、光学装置全体のコンパクト化を確保しながら、画像源の視野を最大にする手段として変化させることができる。射出ひとみ内で頭の動き量を最大にしても、画像源84a及び84bの視野全体を観察者が眺められるようにするには、角度Ｄは重大である。好ましくは、この角度は、小さい画像源を除いて、９０°より小さくすべきであり、そうすることで、頭の動きを最大限許容して完全なる視野を得ることができる。
【００４２】
図６に示す例では、単一のレンズが使用されているので、全ての構成成分について共通の光軸を維持でき、その結果、全て軸上の光学機器を取得することができる。たとえ頭部追跡装置を使用する場合でも、反射鏡に必要な回転は僅かであるので、凹面鏡80を巧みに操作することで、依然としてシステム全体を実質的に軸上に維持することができる。この場合、見える距離を例えば典型的は９００ｍｍとして、回転角度５°以内で反射鏡を回転させても、画質に著しい悪影響を及ぶことがない。このため、光軸を中心に左右約１０〜１５ｃｍ程度、頭を横方向に動かすことができる。頭の動きが同程度であっても、その動きの順応して動く鏡の角度の大きさは、観察者がどの程度スクリーンに近いかに依存する。ちなみに、観察者がスクリーンに近くなれば、頭の動き量に順応して動く鏡の回転角度は大きくなり、スクリーンに遠くなれば、回転角度は小さくなる。
【００４３】
図８は、図１及び図７と同様な軸上のシステムを示すが、先の図面の場合と相違して、投影レンズの位置が可変である。つまり、画像面の位置が可変であるので、画像を凹面鏡の面上に、もしくはその前方又はその後方に形成させることができる。そのために、観察所の目がごく自然に調節されて興味の対象に集中し、この点は現存のシステムにはない有意義な改良点である。従来の多くの３Ｄディスプレーは、スクリーンの位置によって請願を受けている。従来のディスプレーのスクリーンから画像が出てくるように見させるには、画像がスクリーンの両側に動くので、それを眺めるためには観察者の目を僅かに斜めにしなければならない。このように目を斜めにすることは、収束点をスクリーンの前に位置させので、画像はその面にあるように見える。これが３−Ｄ効果である。しかし、焦点は相変わらずスクリーン上にあるので、実際の焦点面と画像の位置とが一致しない。このため、観察者の目に負担が掛かり、画像を見る人に頭痛やその他の関連症状を罹患させることがある。画像面スクリーンの前方又は後方に動かせるようにすることで、焦点面と目が集中する位置とをより近づけることができので、より快適に画像を鑑賞することができる。レンズを動かさす代わりに、屈折力が異なる置き換え可能な一連のレンズを必要に応じて投影系に備えたディスプレーやズーム式投影装置を使用できることはもちろんである。
【００４４】
以上述べて来たすべてのシステムは、レイブビデオ、撮影保存ビデオ、映画フィルム、静止画像、アニメのコンピュータ・グラフィックなどを、単一の人に完全な立体視画像として鑑賞させることが可能である。これらの画像はいろいろな手段で提供することができ、例えば、従来のＣＲＴやＬＣＤ以外に、有機発光ディスプレー(organic light-emitting display)、反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）、高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ）液晶パネル、ＤＬＰディスプレーなどが使用できる。
【００４５】
ここに記述した各光学素子の配置は、本発明の骨子となる技術から逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、図３では、レンズ44及び46が、有限量ｄだけ反射鏡48の頂点から離れているが、理想的には、観察者の頭の動きを横方向に最大にする上で、この距離間隔ｄは、できるだけ小さく、好ましくはゼロとすべきである。これは本明細書に紹介した投影システムすべてにあてはまる。また、本発明のディスプレーは、ディスクトップで使用する場合について専ら説明したが、本発明のディスプレーは、鑑賞専用ブースや移動台に設けることもできる。あるいはまた、本発明のディスプレーを小型化して東部搭載型にすることもできる。先に説明した角度も適宜変えることができる。さらに、本発明のシステムには、湾曲した鏡面に画像を投影することによって起こるキーストーニングやゆがみに対処するために、画像を電子的に補正する装置を付設することができる。図３及び図４に示すレンズ配置では、それぞれの投影システムが、すなわち、右画像と左画像の両方の投影システムが、反射鏡12の幾何学的軸に関して実質的に平行に配置されているが、各投影システムは、反射鏡の幾何学的中心に対して、物理的に傾かせることも可能である。この場合、視野の焦点を維持するためには、シャインプルークの条件が満たされねばならない。従って、上に示した具体例は、単なる例示に過ぎず、限定的な意味を持たない。上記した本発明の運用に重大な変更をもたらすことなく、本発明には若干の改良を加えることができることを、当業者は理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の自動立体視システムの概念図である。
【図２ａ】図１に示すシステムで使用される画像及びレンズ系の概念図の一つである。
【図２ａ】図１に示すシステムで使用される画像及びレンズ系の概念図の他の一つである。
【図３】図１に示す自動立体視システムで使用できる他の画像源及びレンズ系を図示したものである。
【図４】図１に示す自動立体視システムで使用できる別の画像源及びレンズ系を図示したものである。
【図５ａ】図１に示す自動立体視システムで使用できるさらに別の画像源及びレンズ系を図示したものである。
【図５ｂ】図５aのシステムで使用できる別のレンズ配置を示す図面である。
【図６】図３及び図４で示す二重レンズ方式及び図で示す単一レンズ方式それぞれで許容される垂直方向の頭の動きを比較した概念図である。
【図７ａ】図５に示す画像源及びレンズ系の変形例を図示したものである。
【図７ｂ】図５に示す画像源及びレンズ系の変形例を図示したものである。
【図７ｃ】図５に示す画像源及びレンズ系の変形例を図示したものである。
【図７ｄ】図５に示す画像源及びレンズ系の変形例を図示したものである。
【図８】図１に示すディスプレーの改良例を図示したものである。
【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５ａ】
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【図５ｃ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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