(57)【要約】フラットパネルプロジェクションディスプレイは、透明スラブ１及び一体的なエリア格子と、スラブのエッジに沿って配置された長方形断面の透明ロッド２及び一体的なリニア格子と、小型ビデオプロジェクタ３とを備えている。このプロジェクタは、ロッドの端へ直接的に又はミラー４を経てバーチャル映像を向けるように配置され、光は、内部全反射によりロッドに沿って進行する。リニア格子は、スラブの平面へ光を転向し、そしてエリア格子は、それをスラブから視聴者に向けて投影し、視聴者は、映像を無限遠点に見る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明スラブ素子(1)及びそれに対応するエリア格子と、上記スラブのエッジに沿って配置された長方形断面の透明ロッド素子(2)及びそれに対応するリニア格子と、小型のプロジェクタ(3)とを備え、このプロジェクタは、上記ロッドの端へ映像を向けるように配置され、上記リニア格子は、それを上記スラブの平面へ転向し、そして上記エリア格子は、それを上記スラブから視聴者に向けて投影するように構成されたフラットパネルプロジェクションディスプレイ。
【請求項２】
上記格子の１つは、到来する光及び出て行く光に対して約４５°に配置された透明プレートの積層体である請求項１に記載のフラットパネルプロジェクションディスプレイ。
【請求項３】
上記格子の少なくとも１つは、上記ロッド又はスラブの表面にエンボス加工される請求項１又は２に記載のフラットパネルプロジェクションディスプレイ。
【請求項４】
上記格子の少なくとも１つ、好ましくは上記スラブ上にある格子は、ホログラフィックである請求項１ないし３のいずれかに記載のフラットパネルプロジェクションディスプレイ。
【請求項５】
上記ロッド及びスラブ素子は、ガラスで作られる請求項１ないし４のいずれかに記載のフラットパネルプロジェクションディスプレイ。
【請求項６】
上記ロッドの入力端にその軸と平行に配置されて、上記プロジェクタの実質的に全ての出力を上記ロッドへ向けるミラー(4a, 4b)を更に備えた請求項１ないし５のいずれかに記載のフラットパネルプロジェクションディスプレイ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のフラットパネルディスプレイを組み込んだヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載のフラットパネルディスプレイを組み込んだ着用可能なディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｄディスプレイ、ヘッド装着ディスプレイ及びプロジェクションディスプレイの分野に係り、それらをフラットなものにする方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクションディスプレイは、従来、光放射器の２次元アレーと、プロジェクションレンズとを備えている。このレンズは、空間内のある平面にアレーの映像を形成し、そしてこの像形成平面がプロジェクションレンズから遠く離れている場合、プロジェクションレンズの効果は、２次元アレー上のピクセルからの光をコリメートすることである。
【０００３】
プロジェクションディスプレイは、最も一般的には、アレーの映像が大型の半透明のスクリーンに入射し、そしてスクリーンを見ている視聴者が２次元アレーの画像の相当に拡大された映像を見るように構成される。しかし、小型のプロジェクションディスプレイが視聴者の頭部に装着され、そのプロジェクションディスプレイが視聴者の目に向けられ、光放射器の２次元アレー上の単一ピクセルからプロジェクションレンズによってコリメートされた光がその後角膜により網膜に収束され、視聴者が、バーチャル映像としてしばしば知られている見掛け上離れた映像を見るような用途が次第に一般的となってきている。
【０００４】
又、大直径のプロジェクションディスプレイを液晶ディスプレイ又は他の空間的光変調器の後方に配置して、３次元映像を合成することもできる。例えば、トラビス、ＡＲＬ、「Autostereoscopic 3-D Display」、アプライド・オプティックス、第２９巻、第２９号、ページ４３４１−４３４３、１９９０年１０月１０日を参照されたい。光放射器の２次元アレーの一度に１つのピクセルが照射され、そして３次元物体の適当な画が液晶ディスプレイに同時に表示され、この３次元物体の画は、ピクセルからプロジェクションレンズによってコリメートされた光線が進行する方向から見た場合しか見えない。目がちらつきを検出し得る以上の速度で一連の画が繰り返され、これにより、３次元映像が時間マルチプレクスされる。更に、原理的には、点光源の光放射器の二次元アレーをプロジェクションレンズの焦点面に配置し、各点光源を順次に照射し、そしてプロジェクションレンズの頂部に配置された液晶ディスプレイに適当なホログラムを表示して、各ホログラムが順次に異なる視点に見えるようにすることにより、ホログラム型の３次元映像を形成することができる。
【０００５】
ヘッド装着ディスプレイは、かさばるものであり、ユーザは、それをフラットにすることを希望する。ヘッド装着ディスプレイは、アミタイＹ、レインホルムＳ、及びフリーセムＡ．Ａ著、「Visor-display design based on planar holographic optics」、アプライド・オプティックス、第３４巻、第８号、ページ１３５２−１３５６、１９９５年３月１０日に開示されたように弱いホログラムを組み込んだスラブ導波器を使用してフラットにすることができる。陰極線管及びホログラムからの光は、導波器に結合され、この光は、光が放射された陰極線管内のピクセルにより決定される方向にホログラムにより導波器から回折される。
【０００６】
液晶ディスプレイの照射を時間マルチプレクスすることにより合成される３次元映像は、液晶ディスプレイに薄膜トランジスタの高速スイッチングアレーをもたせることを必要とし、これらは高価である。トラニア及びオラ氏は、ホログラムを従来の液晶ディスプレイの後方に配置して交互の行の照射を左目又は右目の視野に向けることによりこれを回避する装置を実証している。これは、彼等の米国特許第５６００４５４号に開示されている。しかしながら、これも、スイッチング式照射概念も、かさばるものであり、ユーザは、３次元ディスプレイをフラットにすることを好む。
【０００７】
フラットパネルの３次元ディスプレイは、本発明者の以前のＷＯ９８／１５１２８号に開示されたように、プロジェクションディスプレイにスクリーンを結合し、このスクリーンの表面に平行に照射された光をそのスクリーンに沿って１組の選択可能な線の１つに放出させることにより形成できる。スクリーンの一度に１つの線が選択されると同時に、プロジェクションディスプレイがスクリーンに平行にピクセルの線を投射し、選択された線においてそれらが放射される。スクリーン上の一連の線の各々が順次に選択されるにつれて、プロジェクションディスプレイ上のピクセルの同じ線が繰り返し変更され、スクリーン上に完全な像を時間マルチプレクスする。プロジェクションディスプレイの１本の線だけが使用され、従って、光放射器のアレーは、一本の線だけを高くすればよく、放射光がスクリーンの平面内でコリメートされる場合には、プロジェクションレンズは、１又は２ｍｍ高いだけでよく、プロジェクタ及びスクリーンの結合体がフラットなものとなる。
【０００８】
３次元ディスプレイからの光は、光放射器のアレーが１ピクセルだけ高いものであっても、選択可能な線のスクリーンの表面に平行に向けられる場合には、スクリーンに形成される像が３次元となる。３次元ディスプレイは、上述したように、プロジェクションレンズの後方に光放射器のアレーを備え、そしてプロジェクションレンズの前方に液晶ディスプレイを備えているが、ディスプレイの１つの線周期内に多数の画を入れるためには、液晶のスイッチング速度が、画の数にディスプレイの線速度を乗じたものに等しくなければならず、幾つかの液晶混合体でこのように高速にスイッチングしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
多数の他の種類のオートステレオスコピック及びホログラム型３次元ディスプレイの概念が存在し、フラットパネルシステムに使用することができる。特に関心のあるのは、小型ビデオプロジェクタのグループをフィールドレンズの焦点面に含むという古い概念である。各プロジェクタは、レンズが半透明のスクリーンであるかのようにフィールドレンズの平面に画を形成するように配置されるが、半透明のスクリーンとは異なり、フィールドレンズは、光をコリメートし、画が単一方からしか見えないようにする。他のプロジェクタは、フィールドレンズにより他の方向から見える画を形成し、視聴者は、オートステレオスコピックの３次元映像を見ることができる。しかしながら、視聴者は、３次元映像が方位方向及び仰角方向の両方にオートステレオスコピックであることを好むが、このような概念で画を仰角と共に変更するための考慮がほとんどなされていない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、透明スラブ及び一体的なエリア格子と、上記スラブのエッジに沿って配置された長方形断面の透明ロッド及び一体的なリニア格子と、小型のビデオプロジェクタとを備え、このプロジェクタは、ロッドの端へ映像を向けるように配置され、上記リニア格子は、エッジを経て上記スラブの平面へそれを転向し、そして上記エリア格子は、スラブから視聴者に向けてそれを投影するように構成されたフラットパネルプロジェクションディスプレイが提供される。
【００１１】
上記格子の一方又は両方は、回折的なもので、好ましくは、各ロッド又はスラブ素子の適当な表面、即ちスラブ又は視聴者を各々向いた表面に線をエッチングすることにより形成することができる。或いは又、半反射システムを使用することもでき、この場合には、個々の透明プレートを積層し、到来する光の方向と、希望の退出方向との間にある角度を設け、ビームの経路においてロッド又はスラブに一連の界面を形成し、その各々が到来する光の一部分を反射するようにする。このようにして、システムに入る各光線は、それに対応する独特の角度で出るが、スラブのエリアにわたって拡大されている。
【００１２】
プロジェクタは、コリメートされた映像を光学システムへ注入し、この映像は、スラブの壁により単に反射されて、コリメート状態を保持し、そして格子により部分的に反射されて、映像を拡大し、これは、次いで、依然コリメートされた状態で、スラブ素子の全エリアにわたって現われる。従って、各方向は、映像の１つのピクセルに対応する。従って、自分の視野内においてこの素子で無限遠点を見ている視聴者は、ヘッドアップディスプレイやバーチャルリアリティビューアに使用できる離れた映像を見ることができる。
【００１３】
２段の光学拡張システムが知られている。例えば、タイ氏等の米国特許第５６６８９１３号を参照されたい。しかしながら、これらシステムは、単に点光源を面光源に拡張するのに使用されるだけで、遠視野像形成システムには適用されていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を良く理解するために、以下、添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
図１に示す透明スラブ１は、透明度の高いフロートガラスの約０．５ｍｍ厚みのシートを長方形ストリップに切断し、次いで、それらを互いに上下に平行に配置して、それらの長辺が全て水平となるが、それらの短辺は全て水平に対して４５°となるようにすることにより作られる。この積層体は、のりとガラスとの間の誘電体界面が弱く反射するように屈折率が選択されたのりで覆われ、次いで、この積層体は、ガラスストリップのエッジに平行な面をもつ立方体スラブへと研磨される。
【００１５】
透明ロッド２は、透明スラブ１と同様に作られるが、ロッド２は、スラブの厚みに対応するほぼ方形の断面を有する。図２に示すように、ビデオプロジェクタ３をロッド２の一端に収束させ、次いで、ビデオプロジェクタ３からの光がロッド２から透明スラブ１へ垂直に放出される向きで、ロッド２を透明スラブ１のベースに平行に隣接して配置することにより、フラットパネルプロジェクションディスプレイが組み立てられる。
【００１６】
ビデオプロジェクタ３の軸は、ビデオプロジェクタ３からの光線がロッド軸に平行に進行しないように、水平及び垂直の両方に対してある角度でなければならない。更に、前面が銀処理された一対のミラー４ａ、４ｂを、ビデオプロジェクタ３に対向する各側に対してロッド入力即ちプロジェクタ付近の端に配置しなければならず、そしてビデオプロジェクタ３は、ロッド入力と、前面が銀処理されたミラー４ａ、４ｂを経てビデオプロジェクタ３へ与えられるロッド入力の３つの像とを均一に照射しなければならない。注入された光は、ロッドに沿って進行し、両側から反射されて光が失われることがなく、そして各ミラーの界面で部分的に反射され、ロッドを去ってスラブに入り、スラブ自体の中でも同様である。
【００１７】
簡単な実験で、水平に対して４５°に回転されたミラーに垂直に光を当てた。図３は、いかにミラーが光を水平面へ反射するかを示している。入射光の方向を反射光の最初の方向に対して回転した場合には、反射光の方向が水平面内で回転される。或いは又、入射光の方向を入射光及び反射光により共有される平面内で回転した場合には、反射光の方向が、同じ垂直平面内で同じ角度にわたって回転される。
【００１８】
同様に、透明スラブ１を垂直に照らす光は、各ガラス／のり界面で部分的に反射される。ガラス／のり界面の各々は、到来する光の方向をスラブ１に直角な軸の周りで回転した場合に、反射光の方向が水平面内で回転されるという点で、単一ミラーと同様に振舞う。ガラス／のり界面は、充分に至近離間されていて、光を単一の選択可能な水平方向に進行させることのできる表面をもつ全ての部分でフラットパネル装置が形成される。又、光がスラブ１を出る垂直の方向も、到来する光の方向をスラブ１の平面内の水平軸の周りで回転することにより制御できる。
【００１９】
透明スラブ１の２つの壁間で反発する光線は、２つの方向のいずれかに交互に進行し、従って、ミラーの積層体は、光線を２つの方向のいずれかに交互に放出させる。その結果、少なくとも１つの望ましからぬゴースト像が生じ、不都合なことになる。更に、ガラスシートを積層することは、格子をスラブへと一体化するための労力を要する方法である。
【００２０】
図４は、適当な空間周波数の格子５がスラブの表面にエンボス加工された場合に、内部全反射により透明スラブに伝播する光線をその表面に直角にいかに放出できるかを示している。図１及び３のミラーと同様に、誘導される光線の方向を、スラブの表面に直角な軸の周りで回転すると、放出される光線の方向が、その直角及び格子の線により共有される平面内で同じ角度にわたって回転される。しかし、図４に示すように、伝播する光線の角度を格子の線に平行な軸の周りで変更することにより、放出される光線の方向を、直交する方向において、即ち直角から離れて、変更することもできる。光線は、反射中に格子と相互作用するだけであり、従って、格子がブレーズされた場合には、光線が放出されて、格子の平面のいずれかの側ではあるが、一方向にのみ進行する。
【００２１】
この概念は、本発明において次のように利用することができる。スラブ１又はロッド２或いはその両方における格子は、フロートガラスのストリップから形成するのではなく、純粋なガラスの立方体としてその各々を構成し、そしてそれらに回折格子をエンボス加工するか、又は感光粒子をガラスに混合し、そして一対のレーザビームを照射してガラス内に体積ホログラムを形成することにより、形成される。
【００２２】
好ましい実施形態では、ロッド２は、純粋なガラスで作られて回折格子がエンボス加工され、そしてスラブ１は、ホログラフィックに形成される。スラブ１から離れてロッド２内で回折した光は、ミラー４ｂの延長部によりロッドの全長に沿ってスラブに向って反射して戻され、全ての回折光がスラブに入るようにされる。
【００２３】
光学素子は、ガラスで形成する必要がなく、欠陥を生じ難い適当な材料で形成することができる。構成部品は、例えば、ヘッドアップディスプレイ又は着用可能なヘルメット型ディスプレイについてはセンチメータの規模で製造できるが、それより大きくてもよい。ビデオプロジェクタは、ロッド及びスラブの厚みと同程度の寸法を有するが、おそらく、それら厚みの５倍程度であり、部品は、全て共通のハウジングに組み込まれて、自蔵ユニットを形成することができる。
【００２４】
本発明の１つの用途は、コックピットに非常に僅かなスペースしかない民間航空機用に改造されたヘッドアップディスプレイである。このシステムは、航空機の傾斜スクリーンと平らになるように傾斜され、従って、ガラス／のりミラーから反射された逆伝播光線により発生するゴースト像がパイロットの目に入らないようにされる。ガラス／のりミラーのエッジは、太陽及び着陸用照明の回折像を形成することがあるが、エッジの屈折率に勾配を付けることによりこの影響を排除することが目的である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】垂直に入射する光を９０°反射するように傾斜された一連のガラスストリップを備えた透明スラブを示す図である。
【図２】フラットパネルプロジェクションディスプレイを示す図である。
【図３】垂直に入射する光を９０°反射するように傾斜されたミラーを示すと共に、最初の反射方向に対して入射の方向をいかに回転すると、反射光が水平面内を回転するようになるかを示す図である。
【図４】スラブの片面にエンボス加工された格子により透明スラブから結合される光の方向を、スラブに入射する光の方向と格子の周期によりいかに決定するか示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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