(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像ディスプレイ装置において、
透明な素材からなり、第１屈折率を有する第１プレートと、
前記第１プレートの表面に沿った複数の位置の各々から前記第１プレート内に光ビームを選択的に注ぐ光ジェネレータであって、前記光が前記第１プレート内の全内面反射を伴って前記第１プレートに沿って伝わる方法で前記光ビームを前記第１プレート内に注ぐ光ジェネレータと、
前記第１プレートに隣接して配置された屈折率モジュレータであって、前記屈折率モジュレータは第１方向にお互いに空間をおいて配置された領域の各々において複数の調整要素を有し、前記調整要素の各々は各制御信号に応答して第１屈折率状態または第２屈折率状態のいずれかに選択的に制御可能であり、前記第１屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域内の前記第１プレートにおいて前記光ビームが内面反射され続けるような前記第１プレートの屈折率よりも十分低い屈折率を有し、前記第２屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域において前記光ビームが前記第１プレートから出て行くような前記第１プレートの屈折率よりも十分高い屈折率を有する屈折率モジュレータと、
前記屈折率モジュレータに隣接して配置された光学要素であって、前記光学要素は前記調整要素の領域において出て行く光の偏向角を制御する光学要素とを備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記調整要素はお互いに隣接して配置された複数のストリップを備え、前記調整要素の各々は長さ方向の軸が前記第１方向にほぼ垂直であることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の画像ディスプレイ装置において、前記画像ディスプレイ装置はさらに、複数のビデオ・ラインの各々のビデオ画像の強さ調整に対応する大きさを有するビデオ信号を受け取るビデオ制御回路を備え、前記ビデオ制御回路は、各ラインに対する前記ビデオ信号の強さに応じて前記光ビームの各々の強さを制御し、前記ビデオ制御回路はさらに、制御信号を生成し、各調整要素を前記ビデオ信号の対応するラインに応答して高屈折率状態に順次切り替えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光ジェネレータは前記第１プレートの表面に沿って空間をおいて配置された複数の光源を備え、前記光源の各々は光発生信号に応答して各光ビームを生成することを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の画像ディスプレイ装置は、さらに、前記光源に結合された制御回路を備え、前記制御回路は前記光源の各々に前記光発生信号を適用することにより、前記光ビームが前記第１プレートの表面に沿ってスキャンするようにすることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光ジェネレータは光ビームを生成する光源、および前記光ビームを受け取るビーム操作装置を備え、前記ビーム操作装置は光制御信号に応答して前記ビームの伝達方向を制御して、前記光ビームが前記第１プレートの表面に沿ってスキャンするようにすることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項７】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光ジェネレータは光エミッタの直線配列を備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項８】
請求項７に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光エミッタは、第１カラーの光を発する光エミッタの第１組、第２カラーの光を発する光エミッタの第２組、および第３カラーの光を発する光エミッタの第３組を備え、前記各組の光エミッタは、お互いの中に配置されて、３つの異なるカラーの光を、前記配列に沿ってお互いに空間をおいて配置された複数の領域の各々から発することができるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項９】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光ジェネレータは少なくとも３つのカラーを含む光を生成する光源を備え、前記調整要素の各々は各色選択要素に隣接して配置された少なくとも３つのサブ調整要素からなって、各調整要素に対する前記サブ調整要素の各々の領域において前記屈折率モジュレータから発せられる光が異なる色選択要素を通り抜けるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光ジェネレータはレーザ・ダイオードの直線配列を備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の画像ディスプレイ装置において、前記レーザ・ダイオードは複数のタイプのレーザ・ダイオードを備え、各タイプは各カラーを発し、異なるタイプのレーザ・ダイオードはお互いの中に配置されて、複数の異なるカラーの光を、前記配列に沿ってお互いに空間をおいて配置された複数の領域の各々から発することができるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１２】
請求項４に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光学要素は、前記調整要素の各々の領域を出て行く光が前記第１プレートの後ろの位置にバーチャル画像の光源を形成するように構成された回折光学要素を備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光学要素はホログラフィー光学要素を備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光学要素は、前記調整要素の各々の領域を通り抜ける光を回折するホログラフィー光学要素を備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置は、さらに、前記屈折率モジュレータに隣接して配置された第２光学的透明プレートを備え、前記屈折率モジュレータは前記第１および第２プレートの間に配置されていることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光学要素は前記第２プレートに取り付けられていることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の画像ディスプレイ装置は、さらに、前記屈折率モジュレータと前記第２プレートとの間に配置されて、光を前記屈折率モジュレータを通して前記第２プレートに結合するのを容易にする中間屈折率素材の層を備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の画像ディスプレイ装置において、前記光学要素は、前記屈折率モジュレータを、前記第１方向において前記第２プレートの方に広がる成分を有する角度で通り抜ける光を回折して、前記第２プレートへの通常入射に関する角度を増大することにより、高屈折率を有する調整要素から前記第２プレートに光を結合するのを助けるために組み立てられることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記屈折率モジュレータは、電極の第１組および第２組の間に配置された液晶の層であって、両面上に前記電極の第１組および第２組を有する液晶の層を備え、前記第１組および第２組それぞれの電極のうちの少なくとも１つは、選択的に通電されて前記液晶の屈折率を変化させることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の画像ディスプレイ装置は、さらに、前記屈折率モジュレータに隣接して配置された第２光学的透明プレートを備え、前記液晶の層は前記第１および第２プレートの間に配置され、前記電極の第１組は前記第１プレート上に位置づけられ、前記電極の第２組は前記第２プレート上に位置づけられていることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載の画像ディスプレイ装置において、前記電極の第２組は、前記液晶の層に面した前記第２プレートの表面上に配置された導電性の実質的に透明な素材からなる複数のストリップを備え、前記導電性ストリップは前記第１方向に空間をおいて配置されており、それぞれ前記第１方向に垂直な長さ方向の軸を有することを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２２】
請求項１９に記載の画像ディスプレイ装置において、前記電極の第１組は、前記液晶の層に面した前記第１プレートの表面上に配置された導電性の実質的に透明な素材からなる１つの層を備えることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２３】
請求項１９に記載の画像ディスプレイ装置は、さらに、前記電極の組の少なくとも１つの上にオリエンテーション層を備え、前記オリエンテーション層の分子はあらかじめ決められた方向に方向づけされており、前記液晶が前記オリエンテーション層に接触し、前記オリエンテーション層の前記分子に関連して並ぶようにすることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の画像ディスプレイ装置において、前記電極の第１組は、前記液晶の層に面した前記第１プレートの表面上に配置された導電性の実質的に透明な素材からなる１つの層を備え、前記オリエンテーション層は、前記導電性の実質的に透明な素材からなる層の上に横たわることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２５】
請求項２３に記載の画像ディスプレイ装置において、前記オリエンテーション層は高分子材料の層を備え、前記高分子材料の層の分子は前記あらかじめ決められた方向に並んでいることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２６】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記第１プレートは平坦であることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２７】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、前記第１プレートは曲がっていることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２８】
請求項１に記載の画像ディスプレイ装置において、１組の前記画像ディスプレイ装置は、フレームをかけた人のそれぞれの目の前に前記画像ディスプレイ装置の各々を配置するように適合された前記フレーム内に取り付けられていることを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項２９】
画像ディスプレイ・システムにおいて、
透明な素材からなり、第１屈折率を有する第１プレートと、
前記第１プレートの表面に沿った複数の位置の各々から前記第１プレート内に光ビームを選択的に注ぐ光ジェネレータであって、前記光が前記第１プレート内の全内面反射を伴って前記第１プレートに沿って伝わる方法で前記光ビームを前記第１プレート内に注ぐ光ジェネレータと、
前記第１プレートに隣接して配置された屈折率モジュレータであって、前記屈折率モジュレータは第１方向にお互いに空間をおいて配置された領域の各々において複数の調整要素を有し、前記調整要素の各々は各制御信号に応答して第１屈折率状態または第２屈折率状態のいずれかに選択的に制御可能であり、前記第１屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域内の前記第１プレートにおいて前記光ビームが内面反射され続けるような前記第１プレートの屈折率よりも十分低い屈折率を有し、前記第２屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域において前記光ビームが前記第１プレートから出て行くことを可能にするくらい十分高い屈折率を有する屈折率モジュレータと、
前記屈折率モジュレータに隣接して配置された光学要素であって、前記光学要素は前記調整要素の領域において出て行く光の前記第１方向における発散角を制御する光学要素とを備える画像ディスプレイ装置と、
前記光ジェネレータに結合された光制御回路であって、各位置において前記光ジェネレータにより生成される光の強さを、各ビデオ・ライン中の対応する点におけるビデオ信号の大きさに対応させる光制御回路と、
前記屈折率モジュレータに結合された屈折率モジュレータ制御回路であって、制御信号を前記屈折率モジュレータに適用し、選択的に、前記調整要素の各々を、前記ビデオ信号の各ビデオ画像フレームの対応するビデオ・ラインに応答して前記第２屈折率状態にする屈折率モジュレータ制御回路とを備え、各ビデオ画像フレームの複数のビデオ・ラインを有するビデオ信号に対応する信号を前記光ジェネレータおよび前記屈折率モジュレータに供給する電子システムとを備えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３０】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記調整要素はお互いに隣接して配置された複数のストリップを備え、前記調整要素の各々は長さ方向の軸が前記第１方向にほぼ垂直であることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３１】
請求項３０に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記画像ディスプレイ装置はさらに、複数のビデオ・ラインの各々のビデオ画像の強さに対応するビデオ信号を受け取るビデオ制御回路を備え、前記ビデオ制御回路は、各ラインの対応する位置における前記ビデオ信号の強さに応じて前記光ビームの各々の強さを制御し、前記ビデオ制御回路はさらに、制御信号を生成し、各調整要素を前記ビデオ信号の対応するラインに応答して高屈折率状態に順次切り替えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３２】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光ジェネレータは前記第１プレートの表面に沿って空間をおいて配置された複数の光源を備え、前記光源の各々は光発生信号に応答して各光ビームを生成することを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３３】
請求項３２に記載の画像ディスプレイ・システムは、さらに、前記光源に結合された制御回路を備え、前記制御回路は前記光源の各々に光発生信号を適用することにより、前記光ビームが前記第１プレートの表面に沿ってスキャンするようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３４】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光ジェネレータは光ビームを生成する光源、および前記光ビームを受け取るビーム操作装置を備え、前記ビーム操作装置は光制御信号に応答して前記ビームの伝達方向を制御して、前記光ビームが前記第１プレートの表面に沿ってスキャンするようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３５】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光ジェネレータは光エミッタの直線配列を備えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３６】
請求項３５に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光エミッタは、第１カラーの光を発する光エミッタの第１組、第２カラーの光を発する光エミッタの第２組、および第３カラーの光を発する光エミッタの第３組を備え、前記各組のレーザ・ダイオードは、お互いの中に配置されて、３つの異なるカラーの光を、前記配列に沿ってお互いに空間をおいて配置された複数の領域の各々から発することができるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３７】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光ジェネレータは複数のカラーを含む光を生成する光源を備え、前記調整要素の各々は各色選択層に隣接して配置された複数のサブ調整要素の各々からなって、各調整要素に対する前記サブ調整要素の各々の領域において前記屈折率モジュレータから発せられる光が異なる色選択層を通り抜けるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３８】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光ジェネレータはレーザ・ダイオードの直線配列を備えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項３９】
請求項３８に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記レーザ・ダイオードは、第１カラーの光を発するレーザ・ダイオードの第１組、第２カラーの光を発するレーザ・ダイオードの第２組、および第３カラーの光を発するレーザ・ダイオードの第３組を備え、前記各組のレーザ・ダイオードは、お互いの中に配置されて、３つの異なるカラーの光を、前記配列に沿ってお互いに空間をおいて配置された複数の領域の各々から発することができるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４０】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光学要素は、前記調整要素の各々の領域を出て行く光が前記第１プレートの後ろの位置にバーチャル画像の光点を形成するように構成された回折光学要素を備えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４１】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光学要素はホログラフィー光学要素を備えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４２】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムは、さらに、前記屈折率モジュレータに隣接して配置された第２光学的透明プレートを備え、前記屈折率モジュレータは前記第１および第２プレートの間に配置されていることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４３】
請求項４２に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光学要素は前記第２プレートに付着されていることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４４】
請求項４２に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光学要素は前記第２プレートの表面上に取り付けられており、前記表面は前記屈折率モジュレータに面することを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４５】
請求項４４に記載の画像ディスプレイ・システムは、さらに、前記屈折率モジュレータに面していない前記第２プレートの表面に付着された第２光学要素を備えて、前記第１および第２光学要素が前記第２プレートの両面上に取り付けられるようにし、前記第２光学要素は、光が前記第２プレート上の各点を通り抜け、前記光の源のバーチャル画像から遠ざかる方向に回折されるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４６】
請求項４４に記載の画像ディスプレイ・システムは、さらに、前記屈折率モジュレータと前記第２プレートとの間に配置されて、光を前記屈折率モジュレータから前記第２プレートに結合するのを容易にする中間屈折率素材の層を備えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４７】
請求項４４に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記光学要素は、前記屈折率モジュレータを、前記第１方向において前記第２プレートの方に広がる成分を有する角度で通り抜ける光を回折して、前記光が前記第２プレートへ入射する角度を増大することにより、高屈折率を有する調整要素から前記第２プレートに光を結合するのを助けるために組み立てられることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４８】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記屈折率モジュレータは、電極の第１組および第２組の間に配置された液晶の層であって、両面上に前記電極の第１組および第２組を有する液晶の層を備え、前記第１組および第２組それぞれの電極のうちの少なくとも１つは、選択的に通電されて前記液晶の屈折率を変化させることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項４９】
請求項４８に記載の画像ディスプレイ・システムは、さらに、前記屈折率モジュレータに隣接して配置された第２光学的透明プレートを備え、前記液晶の層は前記第１および第２プレートの間に配置され、前記電極の第１組は前記第１プレート上に位置づけられ、前記電極の第２組は前記第２プレート上に位置づけられていることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５０】
請求項４８に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記電極の第２組は、前記液晶の層に面した前記第２プレートの表面上に配置された導電性の実質的に透明な素材からなる複数のストリップを備え、前記導電性ストリップは前記第１方向に空間をおいて配置されており、それぞれ前記第１方向に垂直な長さ方向の軸を有することを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５１】
請求項４８に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記電極の第１組は、前記液晶の層に面した前記第１プレートの表面上に配置された導電性の実質的に透明な素材からなる１つの層を備えることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５２】
請求項４８に記載の画像ディスプレイ・システムは、さらに、前記電極の組の少なくとも１つをコートするオリエンテーション層を備え、前記オリエンテーション層の分子はあらかじめ決められた方向に方向づけされており、前記液晶が前記オリエンテーション層に接触し、前記オリエンテーション層の前記分子に従って並ぶようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５３】
請求項５２に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記電極の第１組は、前記液晶の層に面した前記第１プレートの表面上に配置された導電性の実質的に透明な素材からなる１つの層を備え、前記オリエンテーション層は、前記導電性の実質的に透明な素材からなる１つの層の上に横たわることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５４】
請求項５２に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記オリエンテーション層は高分子材料の層を備え、前記高分子材料の層の分子は前記あらかじめ決められた方向に並んでいることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５５】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記第１プレートは平坦であることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５６】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記第１プレートは曲がっていることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５７】
請求項２９に記載の画像ディスプレイ・システムにおいて、前記画像ディスプレイ装置は、第２画像ディスプレイ装置とともにフレーム内に取り付けられ、前記フレームは、前記フレームをかけた人のそれぞれの目の前に前記画像ディスプレイ装置の各々を配置するように適合されており、前記電子システムはさらに、前記第２画像ディスプレイ装置のための光制御回路および屈折率モジュレータ制御回路を備え、前記画像ディスプレイ装置の各々のための光制御回路および屈折率モジュレータ制御回路はそれぞれ第１および第２ビデオ信号を受け取り、前記電子システムはさらに、前記第１および第２ビデオ信号を生成するプロセッサを備えて、前記画像ディスプレイ装置を通して立体画像を見ることができるようにすることを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【請求項５８】
各ビデオ画像フレームの複数のビデオ・ラインを有するビデオ信号に対応する画像を表示する方法において、
第１パスに沿ってスキャンする点光源から光を生成するステップであって、各スキャン中の前記光の強さは各ビデオ・ライン中の前記ビデオ信号の大きさに対応するステップと、
前記第１パスにほぼ垂直な方向に広がる第２パス内に前記光を結合するステップと、
前記第２パスからの光を、前記ビデオ信号の各ビデオ画像の前記ビデオ・ラインの位置に対応する前記第１パスからの距離において結合するステップであって、前記光を前記第２パスから、光を表示するのに適した最終パスに結合するステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項５９】
請求項５８に記載の方法において、第１パスに沿ってスキャンする点光源から光を生成する前記ステップは、前記第１パスに沿って広がった複数の光発生装置を供給するステップと、前記光発生装置を選択的に点灯させるステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項６０】
請求項５８に記載の方法において、第１パスに沿ってスキャンする点光源から光を生成する前記ステップは、光のビームを生成するステップと、前記光のビームを操作して、前記第１パスに沿って走査させるステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項６１】
請求項５８に記載の方法において、第１パスに沿ってスキャンする点光源から光を生成する前記ステップは、前記第１パスに沿って走査する複数のカラーを有する光を生成するステップであって、各スキャン中の各カラーの前記光の前記強さは各ビデオ・ライン中の前記ビデオ信号の前記大きさに対応し、生成される前記光の前記カラーは各ビデオ・ライン中の前記ビデオ信号のカラー情報に対応するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項６２】
請求項５８に記載の方法において、前記第２パスからの光を結合する前記ステップは、光を前記第２パスから少なくとも３つのカラー選択メディアのうちの１つを通して結合するステップであって、結合において前記光を通す前記カラー選択メディアは各ビデオ・フレーム中の前記ビデオ信号のカラー情報に対応するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項６３】
請求項５８に記載の方法において、前記第２パスからの光を結合する前記ステップは、さらに、前記光を回折して、前記光が前記第２パスの方向のまわりにあらかじめ決められた発散角を有するようにするステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項６４】
請求項５８に記載の方法において、前記第２パスからの光を結合する前記ステップは、光透過媒体を通して前記光を第２方向に結合するステップであって、前記光透過媒体は、通常は前記光を前記光透過媒体内で全内面反射させる周囲の屈折率に関連のある屈折率を有するステップと、前記第２パスに沿った位置における前記周囲の屈折率を選択的に変化させて、前記光が前記光透過媒体内でもはや全内面反射しないようにするステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項６５】
請求項５８に記載の方法において、前記第２パスからの光を結合する前記ステップは備えることを特徴とする方法。
【請求項６６】
請求項５８に記載の方法において、前記第１および第２バスはそれぞれ直線であることを特徴とする方法。
【請求項６７】
請求項５８に記載の方法において、前記第１パスは曲線であることを特徴とする方法。
【請求項６８】
画像ディスプレイ装置において、
透明な素材からなり、第１屈折率を有する第１プレートと、
前記第１プレートの表面に沿った複数の位置の各々から前記第１プレート内に光ビームを選択的に注ぐ光ジェネレータであって、前記光が前記第１プレート内の全内面反射を伴って前記第１プレートに沿って伝わる方法で前記光ビームを前記第１プレート内に注ぐ光ジェネレータと、
前記第１プレートに隣接して配置された、前記第１プレートを伝搬する光ビームを、内面反射状態から透過状態に切換可能な屈折率モジュレータであって、前記屈折率モジュレータは第１方向にお互いに空間をおいて配置された領域の各々において複数の調整要素を有し、前記調整要素の各々は各制御信号に応答して第１屈折率状態または第２屈折率状態のいずれかに選択的に制御可能であり、前記第１屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域内の前記第１プレートにおいて前記光ビームが内面反射され続けるような前記第１プレートの屈折率よりも十分低い屈折率を有し、前記第２屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域において前記光ビームが前記第１プレートから出て行くような前記第１プレートの屈折率よりも十分高い屈折率を有する屈折率モジュレータと、
前記屈折率モジュレータに隣接して配置された光学要素であって、前記光学要素は前記調整要素の領域において出て行く光の偏向角を制御する光学要素とを備え、
前記調整要素が前記第１の屈折率状態のときに前記光ビームは前記第１プレート中を全内面反射して進行し、前記調整要素が前記第２の屈折率状態のときに前記光ビームは前記第１プレートから前記屈折率モジュレータに入射することを特徴とする画像ディスプレイ装置。
【請求項６９】
画像ディスプレイ・システムにおいて、透明な素材からなり、第１屈折率を有する第１プレートと、
前記第１プレートの表面に沿った複数の位置の各々から前記第１プレート内に光ビームを選択的に注ぐ光ジェネレータであって、前記光が前記第１プレート内の全内面反射を伴って前記第１プレートに沿って伝わる方法で前記光ビームを前記第１プレート内に注ぐ光ジェネレータと、
前記第１プレートに隣接して配置された、前記第１プレートを伝搬する光ビームを、内面反射状態から透過状態に切換可能な屈折率モジュレータであって、前記屈折率モジュレータは第１方向にお互いに空間をおいて配置された領域の各々において複数の調整要素を有し、前記調整要素の各々は各制御信号に応答して第１屈折率状態または第２屈折率状態のいずれかに選択的に制御可能であり、前記第１屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域内の前記第１プレートにおいて前記光ビームが内面反射され続けるような前記第１プレートの屈折率よりも十分低い屈折率を有し、前記第２屈折率状態では、前記調整要素は、前記調整要素の領域において前記光ビームが前記第１プレートから出て行くことを可能にするくらい十分高い屈折率を有する屈折率モジュレータと、
前記屈折率モジュレータに隣接して配置された光学要素であって、前記光学要素は前記調整要素の領域において出て行く光の前記第１方向における発散角を制御する光学要素とを備える画像ディスプレイ装置と、
前記光ジェネレータに結合された光制御回路であって、各位置において前記光ジェネレータにより生成される光の強さを、各ビデオ・ライン中の対応する点におけるビデオ信号の大きさに対応させる光制御回路と、
前記屈折率モジュレータに結合された屈折率モジュレータ制御回路であって、制御信号を前記屈折率モジュレータに適用し、選択的に、前記調整要素の各々を、前記ビデオ信号の各ビデオ画像フレームの対応するビデオ・ラインに応答して前記第２屈折率状態にする屈折率モジュレータ制御回路とを備え、各ビデオ画像フレームの複数のビデオ・ラインを有するビデオ信号に対応する信号を前記光ジェネレータおよび前記屈折率モジュレータに供給する電子システムとを備え、
前記調整要素が前記第１の屈折率状態のときに前記光ビームは前記第１プレート中を全内面反射して進行し、前記調整要素が前記第２の屈折率状態のときに前記光ビームは前記第１プレートから前記屈折率モジュレータに入射することを特徴とする画像ディスプレイ・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はビデオ画像の表示装置に関し、より具体的には、コンパクトで軽量な、かつ、バーチャル・リアリティ表示眼鏡およびビデオ・モニタを含む種々のアプリケーションに適合可能なビデオ表示装置に関する。
【０００２】
【本発明の背景】
ビデオ表示装置は種々のアプリケーションに広く一般に使用されている。カソード・レイ・チューブ（“ＣＲＴ”）ディスプレイは、テレビジョン表示に、より最近ではコンピュータのモニタとして、長く使用されてきた。よりコンパクトなビデオ画像表示、例えば液晶ディスプレイ（“ＬＣＤ”）がＣＲＴディスプレイの代用品として発達してきた。
【０００３】
より最近では、コンパクトで軽量なヘッド・マウント・ディスプレイ（頭に取り付けるディスプレイ）が「バーチャル・リアリティ」システムのための表示装置として紹介されている。それぞれの目に別々の表示装置を供給し、各装置を通して見ることのできる画像を適切に変化させることにより、高解像度の立体ビデオ画像を表示することができる。
【０００４】
別のタイプのビデオ画像表示装置は「ヘッド・アップ・ディスプレイ」（“ＨＵＤ”）である。ＨＵＤは、ジェット・ファイタのパイロットが航空機を取り巻く空間、ならびに航空機の状態および動作の双方に関する大量の情報を精神的に処理することを可能にする。このことが、「ヘッド・マウント・ディスプレイ」および「バイザ・ディスプレイ」と同様に、ＨＵＤの、航空機のキャノピへの組み込みの発達につながった。
【０００５】
上述のすべてのＨＵＤでは、ソース・ディスプレイ（例えば液晶テレビジョン・スクリーン）から放射された光を必要とし、光は空中をある程度の距離だけ進行して反射面、屈折面または回折面に到達し、そこで向きを変えられ、ソース・ディスプレイのバーチャル画像を形成する。ホログラフィー光学要素は、一般にそのようなディスプレイにおいて回折面として役立ち、一般に色の選択性が高い。しかしながら、ビデオ画像、特に３次元画像は、空中を通じてソース・ディスプレイからの光を伝達させる必要なく、３次元画像を直接生成して表示することが好ましい。空中を通じて光をかなりの距離だけ伝達する必要性をなくす手法を見つけることができれば、表示装置を極めてコンパクトにし、普通のめがねに似たものとすることができる。コンパクトで軽量な、突出していないという性質を有する表示装置は、多数の新たなアプリケーションを切り開くであろう。例えば、ポケット・サイズのコンピュータのモニタとしての使用、優れたバーチャル・リアリティの表示装置としての使用、音から得られる視覚的手がかりを表示する、耳の聞こえない人のための補欠物としての使用を可能にする。
【０００６】
【本発明の概要】
本発明に係る表示装置は、各ビデオ・フレームに複数のビデオ・ラインを有するビデオ信号に対応するバーチャル画像を表示するのに適合する。光ジェネレータは、第１プレートの表面に沿った複数の位置の各々において第１透明プレート内に光ビームを選択的に注ぐ。光ビームは、光ビームが全内面反射(total internal reflection) を伴って第１プレートを通じて伝わる方法で、第１プレート内に注がれる。屈折率モジュレータは第１プレートに隣接して配置される。屈折率モジュレータは、光が第１プレートを通じて伝わる方向にお互いに空間をおいて配置された領域の各々に複数の調整要素を有する。各調整要素は、各制御信号に応答して第１屈折率状態または第２屈折率状態に選択的に制御可能である。第１屈折率状態では、調整要素は、調整要素の領域内の第１プレートにおいて光が内面反射され続けるような、第１プレートの屈折率とは十分異なる屈折率を有する。第２屈折率状態では、調整要素は、光ビームの大部分が調整要素の領域において第１プレートから出て行くような、第１プレートの屈折率に十分類似する屈折率を有する。屈折率モジュレータに隣接して配置された光学要素は、調整要素の領域において第１プレートを出て行く光の第１方向における発散角を制御する。光ジェネレータを、第１プレートの表面に沿って空間をおいて配置した順次点灯する複数の光源、または第１プレートの表面に沿って走査される光ビームとすることができる。多色光ジェネレータを用いることにより、または光が屈折率モジュレータを出て行くときに通過する色選択調整要素を配置することにより、カラー画像を生成することができる。屈折率モジュレータは液晶の層であることが好ましく、液晶層の屈折率を制御する調整要素は、液晶層の両側上の電極である。表示装置は、複数のビデオ・ラインの各々の中のビデオ画像の強さに対応するビデオ信号を受け取るビデオ制御回路により駆動される。ビデオ制御回路は、各ラインに対するビデオ信号の大きさに従って各光ビームの強さを制御する。ビデオ制御回路は制御信号も生成し、ビデオ信号の対応するラインに応答して各調整要素を高屈折率状態に順次切り替える。フレームをかけた人のそれぞれの目の前に各画像ディスプレイ装置を配置するように適合されたフレーム内に１組の表示装置を取り付け、立体画像を表示することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の好ましい実施形態が１つの表示スクリーン１０として示されている。以下で説明するように、立体表示のため、スクリーンをそれぞれの目の前に配置できることを理解されたい。表示スクリーン１０は、その一部が図１に示されており、フリント・ガラスまたは鉛含有量の高いガラスのような高屈折率の透明な素材からなるベース・プレート１２を含む。本発明の好ましい実施形態においては、ベース・プレート１２は１．６８の屈折率および２ｍｍの厚さを有するが、異なる屈折率または寸法のベース・プレートを用いることもできる。図１に示すベース・プレート１２は平坦であるが、以下で説明するように、ベース・プレートは平坦である必要はない。
【０００８】
ベース・プレート１２は前面１６と後面１８を有し、前面１６は、画像を適合させ、表示する位置の方を向いた面である。ベース・プレート１２の１つの縁に沿って、細長い光ジェネレータ２０が取り付けられている。光は、光ジェネレータ２０の長さ方向に間隔をおいて配置された複数の領域の各々から選択的に発せられる。ここで、各領域は点光源に近い。光ジェネレータ２０は、適切な間隔、例えば５０ミクロンの間隔で配置された直線配列のレーザ・ダイオード２２により構成することが好ましい。しかしながら、レーザ・ダイオード２２を別の間隔で配置してもよく、また、光ジェネレータ２０を別の方法、例えば発光ダイオード（“ＬＥＤ”）の配列により実現してもよい。ＬＥＤはレーザ・ダイオード２２よりも幅の広い発光ピークを有し、レーザ・ダイオード２２ほど空間的コヒーレンスが高くない。その結果、ＬＥＤを光ジェネレータ２０として用いた表示スクリーン１０を用いて表示される画像は、レーザ・ダイオード２２を光ジェネレータ２０として用いた場合に比べて、シャープさに欠けることがある。
【０００９】
空間的関係の定義を明確にするため、図１にデカルト座標システム２４を示す。図１において、ベース・プレート１２の前面１６はｘ軸とｙ軸により定義される平面に平行であり、その厚さはｚ軸に沿って広がっている。光ジェネレータはｘ軸に沿って広がっている。
【００１０】
光ジェネレータ２０とベース・プレート１２の下部の縁との間には、回折要素２６が配置されている。回折要素２６は、一般的な手段によりホログラフィカルに形成できる。回折要素２６を組み立てるのは、光ジェネレータ２０から発せられる光が、十分な角度で回折され、前面１６および後面１８において形成される空気／ガラス境界面による全内面反射を伴ってベース・プレート１２を通じて伝わるようにするためである。本発明の好ましい実施形態において、光はｚ軸に対して７２度の角度で回折される。該角度は、ガラスと空気との間の境界面についての全内面反射の臨界角よりも大きい。しかしながら、全内面反射を生ずるのに十分である限り、別の回折角を用いてもよい。また、プリズム（図示せず）またはレンズ（図示せず）を含む別のデバイスを回折要素の代わりに用いることもできる。さらに、光ジェネレータ２０および回折要素２６をベース・プレート１２の縁とは別の位置に配置することもできる。回折要素２６が光をベース・プレート１２内に所望の角度で注ぐことができ、かつ、屈折率モジュレータが得られる内面反射ビーム角(internally reflected beam angles)に適合する限り、例えば光ジェネレータ２０および回折要素２６を、カバー・プレート１２の前面１６または後面１８上の１つの縁に隣接して配置することができる。
【００１１】
屈折率モジュレータ３０、例えば一般的な全内面反射（“ＴＩＲ”）モジュレータはプレートの前面１６をカバーする。本発明の好ましい実施形態において、インデックス・モジュレータ３０は、ベース・プレート１２と後面４２および前面４４を有するカバー・プレート４０との間に配置された液晶３４の層である。単一の導電性電極５０をベース・プレート１２の前面１６上に形成する一方、透明で水平方向に細長い複数のストリップ電極５２をカバー・プレート４０の後面４２上に形成する。ストリップ電極５２はそれぞれｘ軸に沿って広がり、ｙ軸に沿ってお互いに間隔をおいて配置されている。電極５０、５２の配置を逆にして、ストリップ電極５２をベース・プレート１２の前面１６上に形成し、単一の導電性電極５０をカバー・プレート４０の後面４２上に形成することもできる。電極５０、５２は、薄い、すなわち１ミクロン以下のオーダーの、インジウム酸化スズ(indium tin oxide)（“ＩＴＯ”）の層により形成することができる。ＩＴＯは導電性を有し、透明である。本発明の好ましい実施形態において、ストリップ電極５０は、それぞれ幅が約４５ミクロンで厚さが約１００ナノメータであり、お互いに約５ミクロンの間隔で分離されている。液晶３４は強誘電性液晶であることが好ましい。なぜなら、以下で説明するタイプの調整に速やかに反応するからである。しかしながら、少数の例を挙げれば、ネマチック液晶、電子光学メディア(electro-optic media) 、マルチプル量子井戸メディア(multiple quantum well media) 、電子トラッピング素材(electron trapping materials) 、光屈折率材料を含む別の素材を用いることもできる。一般に、高い状態と低い状態との間でスイッチできる屈折率を有するいかなる媒体も、液晶３４の代わりに屈折率モジュレータ３０として用いることができる。
【００１２】
高分子材料からなるオリエンテーション層５８は、適切な手段、例えばスピン・コーティング、ディッピング、メニスカス・コーティングまたは蒸発により、電極５０上に適用される。好ましい実施形態において、オリエンテーション層５８は５００ナノメータの厚さを有するものとすることができるが、より薄いまたはより厚い層を用いることもできる。そして、オリエンテーション層５８の分子は、適切な手段、例えばフェルトでカバーされたローラ(felt-covered roller) 図示せず）でみがくことにより、あらかじめ決められた方向に方向づけられる。分子はｙ軸からの適切な方向、例えばｘ−ｙ平面においてｙ軸から２２度の方向に方向づけられる。液晶３４をオリエンテーション層５８に接触させると、液晶３４はオリエンテーション層５８の分子の方向に並ぶ。液晶３４は、オリエンテーション層５８の分子により並べられると、異方性の屈折率を有する。
【００１３】
表示スクリーン１０の好ましい実施形態では、オリエンテーション層５８として２２度で方向づけられた分子を有する高分子材料の層を用いるが、別の方向づけの角度を用いることもできることを理解されたい。いかなる場合にも、みがく角度は、ベース・プレート１２内を伝わる光の偏光について測定される屈折率の差異を最大化するために用いられる特定の液晶について最適化されるべきである。別の手法を用いて液晶３４を方向づけしてもよい。例えば、ストリップ電極５２または高屈折率コーティング６８の表面を適切な角度でみがくことができる。ポリマー・コーティング（図示せず）の分子を、所望の方向づけの角度で偏光させられた紫外光に露光することにより方向づけすることもできる。代わりに、ストリップ電極５２の表面を有機分子の単一層でコートし、その後有機分子を偏光させられた紫外光を用いて有機分子とクロスリンクさせることもできる。
【００１４】
ある極性の電圧をストリップ電極５２の１つと単一電極５０との間にかけると、通電されたストリップ電極５２に隣接する液晶３４の分子は、電界の極性に依存して、２つの異なる並びのうちの１つをとる。分子がある極性の電界に応答して第１の並びをとると、液晶３４は、一定の方向に進行する特定の偏光状態の光に対して比較的高い屈折率を有する。分子が逆の極性の電界に応答して第２の並びをとると、液晶３４は、同じ一定の方向に進行する光に対して比較的低い屈折率を有する。液晶３４の屈折率が比較的低い場合には、ベース・プレート１２を通じて伝わる光は、ベース・プレート１２の前面１６と液晶３４との間の境界面により反射される。しかしながら、液晶３４の屈折率が十分高い場合には、ベース・プレート１２内を伝わる光は、もはやプレート／液晶境界面により反射されない。その代わり、光はベース・プレート１２から出て行き、通電されたストリップ電極５２を通じて液晶３４に入り込む。本発明の好ましい実施形態において、液晶３４の屈折率は１．５５と１．６４との間で切り替えられるが、該屈折率は屈折率モジュレータ３０を反射状態から透過状態に切り替えるのに十分である。電極５０と各ストリップ電極５２との間の電界は、電極５０を接地し、各ストリップ電極５２に正または負の電圧をかけて生成することが好ましい。しかしながら、ストリップ電極５２の１つを選択的に接地し、単一電極５０を駆動してもよいし、また、単一電極５０とストリップ電極５２の１つとの双方を適切な電圧で同時に駆動してもよい。
【００１５】
カバー・プレート４０は高屈折率を有することが好ましく、高屈折率のガラスにより製造することが好ましい。カバー・プレート４０の屈折率は液晶３４の屈折率に比べて十分高くして、液晶３４からの光が液晶／カバー・プレート境界面により反射されるより、むしろカバー・プレート４０を通じて伝わるようにすべきである。光がカバー・プレート４０の後面４２により反射されることを防ぐのをさらに助けるために、またはカバー・プレート４０を比較的低い屈折率を有する普通のソーダ・ライム・ガラスから製造することができるように、ホログラフィー光学要素６０をカバー・プレート４０の後面４２上のストリップ電極５２の下に形成することができる。ホログラフィー光学要素６０は、一般的な手段によりカバー・プレート４０の後面４２をエッチングすることにより形成することが好ましい。上述したように、光はベース・プレート１２から液晶３４にある角度、例えば７２度で入る。ホログラフィー光学要素６０は、光をｚ軸に近い方向に、すなわちｚ軸に対して小さい角度で回折して、光がカバー・プレート４０の前面４４により反射されないようにする。ホログラフィー光学要素６０の回折角は、以下で詳細に説明する表示スクリーン１０上に見ることのできるバーチャル画像の位置も制御する。別のホログラフィー光学要素６４を、以下で説明する理由のため、カバー・プレート４０の前面４４上に形成することができる。ホログラフィー光学要素６０、６４は、当該分野に熟練した者によく知られている適切な方法により形成することができる。
【００１６】
高屈折率コーティング６８を、ホログラフィー光学要素６０とストリップ電極５２との間のカバー・プレート４０の後面４２上に形成することも好ましい。コーティング６４は光を液晶３４からカバー・プレート４０に結合するのを助ける。
【００１７】
表示スクリーン１０の好ましい実施形態における屈折率モジュレータ３０は長方形のストリップ電極５２を用いて、配置された領域の液晶３４の屈折率を制御するが、ドット、曲がったデザイン、英数字キャラクタを含む長方形以外のパターンを用いることができ、また、別の構成を用いることもできる。
【００１８】
動作中において、各レーザ・ダイオード２２は光ジェネレータ２０に沿って順次通電され、本質的にはベース・プレート１２の縁に沿って走査する点光源により、ベース・プレート１２を照らす。しかしながら、レーザ・ダイオード２２を別の順序、例えばインターリービング・パターン(interleaving pattern)で点灯させてもよいことを理解されたい。また、一度に２つ以上のレーザ・ダイオード２２を点灯させることもできる。実際のところ、各レーザ・ダイオードは、画像の水平方向の各ピクセル列の１つのピクセルに対応するので、すべてのレーザ・ダイオードを同時に点灯させてもよい。以下で詳しく説明するように、レーザ・ダイオード２２による光の強さは、表示スクリーン１０を用いて表示される画像のピクセルの強さに対応するように調整される。
【００１９】
図２に示すように、１以上のレーザ・ダイオード２２から光が発せられている場合には、光はベース・プレート１２を通じてあらかじめ決められた角度、例えば７２度で伝わる。光は全内面反射を受けるので、光がベース・プレート１２を通じてｙ軸方向に伝わる際に、光はベース・プレートの面１６、１８により前後に反射される。
【００２０】
図３に示すように、光がベース・プレート１２を通じてｙ軸方向に伝わる際に、光はベース・プレート１２の幅に沿ってｘ軸方向に広がる。光が光ジェネレータ２０から十分な距離だけ伝わった後、ベース・プレートの幅全体が、どのレーザ・ダイオード２２が光を生成したかにかかわらず照らされる。しかしながら、表示スクリーンに表示される光源の水平方向の位置、すなわち通電されているレーザ・ダイオード２２は、どのレーザ・ダイオード２２が点灯しているかに依存して変化する。基本的には、以下でさらに詳しく説明するように、画像中の点灯しているピクセルの水平方向の位置は、点灯しているレーザ・ダイオード２２の水平方向の位置に対応する。好ましい実施形態において、光ビームは発散するので、画像ピクセルの水平方向の位置は、レーザ・ダイオードの位置および通電されている電極の垂直方向の位置の双方に依存する。
【００２１】
図２に戻ると、光は、通電されているストリップ電極５２に到達するまで、ベース・プレート１２を通じて伝わる。通電されているストリップ電極５２は、液晶３４の屈折率を増大する極性を有する電界を液晶３４内に生成する。（明確化のため、図２には通電されているストリップ電極のみを示す）。その結果、およびホログラフィー光学要素６０の存在のため、光は液晶３４および通電されているストリップ電極５２を通じてカバー・プレート４０内に伝わる。カバー・プレート４０内に伝わる光は、カバー・プレート４０の前面４４を通り抜けるが、以下でさらに詳しく説明するように、前面４４のところでホログラフィー光学要素６４により回折される。
【００２２】
すべてのレーザ・ダイオード２２が同時に点灯したとすると、光の水平方向のストリップは、通電されているストリップ電極５２に対応する位置においてカバー・プレート４０を通して見ることができるであろう。しかしながら、１つのレーザ・ダイオード２２のみを点灯したとすると、通電されているストリップ電極５２を通して表示される点灯しているレーザ・ダイオード２２によるバーチャル画像は、レーザ・ダイオード２２の水平方向の位置に対応する水平方向の位置を有する光の一点である。各レーザ・ダイオード２２を順次点灯させることにより、通電されているストリップ電極５２を通して表示される光のスポットは、ｘ軸に沿ってカバー・プレート４０の前面４４を横切って水平方向に走査される。カソード・レイ・チューブのラスター走査と類似した方法で、レーザ・ダイオード２２により発せられる光の強さを調整し、水平方向に走査される光のスポットの強さを制御して、画像のピクセルのラインを形成することができる。各ストリップ電極５２を順次通電することにより連続したラインを走査することができるが、ストリップ電極５２を別の方法、例えばインターリービング・パターンにより通電することもできる。しかしながら、１つ以上のレーザ・ダイオードが点灯しているときはいつでも、通常一度に通電されるストリップ電極５２は１つのみである。
【００２３】
点灯しているレーザ・ダイオード２２による外見上の光源、すなわちレーザ・ダイオード２２によるバーチャル画像７０は、図４に示す位置である。表示スクリーン１０の後ろのバーチャル画像７０の距離は、光がレーザ・ダイオード２２から進行した距離の合計、すなわち光のベース・プレート１２の前面１６および後面１８による前後へのはね返り、およびカバー・プレート４０から発せられる光の発散角に対応する。点灯しているレーザ・ダイオード２２によるバーチャル画像７０の水平方向の位置は、点灯しているレーザ・ダイオード２２の水平方向の位置に対応する。しかしながら、ベース・プレート１２を通じて伝わる際に、点灯しているレーザ・ダイオード２２からの光は発散する、すなわち幅がより広くなるので、カバー・プレート４０から発せられる光は水平方向に発散し、バーチャル画像７０は水平方向のある範囲の位置から見ることができる。見る者の目７６が左右に動いた、例えば位置７６から位置７６′に動いたとしても、ディスプレイに対するバーチャル画像７０の水平方向の位置は変わらない。通常使用している間がそうであるように、表示装置に対する目７６または７６′の位置が不動である限り、目に対するバーチャル画像７０の水平方向の位置は不動である。したがって、目７６または７６′が不動である場合、特定の水平線におけるバーチャル画像点７０の水平方向の位置は、点灯しているレーザ・ダイオード２２の水平方向の位置によってのみ変化する。
【００２４】
点灯しているレーザ・ダイオード２２によるバーチャル画像７０の垂直方向の位置は、光がカバー・プレート４０から発せられる角度に対応する。しかしながら、ホログラフィー光学要素６０、６４がないときには、カバー・プレート４０から発せられる光は十分に発散せず、バーチャル画像７０は基本的には垂直方向の１つの位置からしか見ることができない。目７６が図４に示すような位置にある場合、バーチャル画像７０は見ることが可能であり、７０の位置に現れる。しかしながら、目が７６′の位置にある場合、バーチャル画像７０は見えない。さらに、別のストリップ電極５２′が通電された場合、目が７６の位置にあっても、バーチャル画像７０は見えない。目７６が、バーチャル画像７０および通電されているストリップ電極５２′を貫いて広がる平面中にある場合にのみ、バーチャル画像７０を見ることができる。
【００２５】
表示スクリーン１０を用いて画像を見るためには、選択的に通電されるレーザ・ダイオード２２によるバーチャル画像は見ることができるものでなければならない。なぜなら、すべてのストリップ電極は選択的に通電されるからである。目を正しい垂直方向の位置に配置してバーチャル画像７０を見るために、各ストリップ電極５２を通電するので、見る者は頭を動かすことができない。この理由のため、ホログラフィー光学要素６４、および任意のホログラフィー光学要素６０は、図５に示すように、カバー・プレート４０から発せられる光を垂直発散角８０の全範囲に回折するように設計される。目の位置が発散角８０内にある限り、バーチャル画像７０を見ることができる。見る者の目が上下に動くと、バーチャル画像７０の垂直方向の位置は変化する。したがって、目７６が７６′と７６′′との間で動いた場合、バーチャル画像７０はそれぞれ７０′と７０′′との間で動く。しかしながら、通常使用している間がそうであるように、表示装置に対する目７６の位置が不動である限り、バーチャル画像７０の垂直方向の位置は不動である。したがって、目７６が不動である場合、バーチャル画像７０の垂直方向の位置は、通電されるストリップ電極５２の垂直方向の位置によってのみ変化する。
【００２６】
好ましい実施形態において、ホログラフィー光学要素６４は、ストリップ電極５２の領域内のカバー・プレート４０を通して発せられる光が、表示スクリーン１０の１０フィート後ろの地点から発散するように見えるように構成される。しかしながら、別の発散角およびバーチャル画像距離を用いてもよい。したがって、レーザ・ダイオード２２は異なる強さで順次点灯する一方、１つのストリップ電極５２は図６に示すように通電される。バーチャル画像ライン９０は、表示スクリーン１０の１０フィート後ろに生成される。図６にさらに示すように、各ストリップ電極５２を順次通電して、レーザ・ダイオード２２を順次点灯させると、バーチャル画像スクリーン９４は表示スクリーン１０の１０フィート後ろに生成される。レーザ・ダイオード２２から発せられる光の強さが適切に調整される限り、ビデオ信号に対応する画像はバーチャル画像スクリーン９４上に生成される。
【００２７】
実際には、しかしながら、装置の場の深さがとても大きいため、片目を通して見えるバーチャル画像は、数フィートから無限大までの不確定な距離に現れる。実際に現れる深さは、両目に提供される異なる画像から得られる立体的手がかりにほとんどすべて依存する。
【００２８】
光ジェネレータ２０で用いるレーザ・ダイオード２２を単一色としてモノクローム画像を生成してもよい。しかしながら、異なる色、例えば赤色、緑色および青色を有するレーザ・ダイオード２２を用いてカラー画像を生成してもよい。カラー画像は別の手段、例えば白色光、または少なくとも赤色、青色および緑色光を含む光を発する光ジェネレータ２０を用いて生成こともできる。図７を参照すると、各ストリップ電極５２は３つのサブ電極９８ａ、ｂ、ｃに分けることができる。サブ電極９８ａ、ｂ、ｃはそれぞれカバー・プレートが赤色、青色または緑色光を発するようにする。（明確化のため、図７には１つのストリップ電極のみを示す）。各サブ電極９８ａ、ｂ、ｃの領域内のカバー・プレート４０により発せられる色を、ホログラフィー光学要素６４の特性により制御してもよいし、また、各サブ電極９８ａ、ｂ、ｃ上に異なるカラー・フィルターを配置することにより制御してもよい。光ジェネレータ２０を各サブ電極について別々に調整して、バーチャル画像９４の各ピクセルの赤色、青色および緑色の相対的なコンセントレーション(concentrations)を変化させる。
【００２９】
図８を参照すると、表示システム１００には、表示スクリーン１０、および表示スクリーン１０に適切な手段により、例えばケーブル１０６を通して結合された電子システム１０４が含まれる。電子システム１０４にはビデオ信号ジェネレータ１１０が含まれる。ビデオ信号ジェネレータ１１０は、例えばテレビ受信機、ビデオ・レコーダ、コンピュータまたはそれに類するものとすることができる。ビデオ・ジェネレータ１１０はライン１１２上にビデオ信号、例えば一般的なＮＴＳＣビデオ信号を供給する。ライン１１２上のビデオ信号は、レーザ・ダイオード２２およびストリップ電極５２に結合された処理ユニット１１６に適用される。処理ユニット１１６の設計は当該分野に熟練した者の能力の範囲内で十分可能であり、したがって簡潔のため詳細な説明は省略する。例えば、ＮＴＳＣビデオ信号を、クロック１２２により駆動される一般的なサンプル・アンド・ホールド（“Ｓ／Ｈ”）回路１２０により順次サンプリングし、各サンプルを用いて各レーザ・ダイオード２２ａ−ｍの強さを調整することができる。ライン・カウンタ１２４もビデオ信号を受け取る。ライン・カウンタ１２４は各ビデオ・フレームの始まりにおいてリセットされ、ＮＴＳＣビデオ信号中の水平帰線パルスにより増加させられる。ライン・カウンタ１２４のカウントに対応するデジタル信号が、複数の出力を有し、各出力がストリップ電極５２ａ−ｎに結合されたデコーダ１２６に適用される。デコーダ１２６は、デジタル信号のカウント値に対応するデコーダ１２６の出力の１つにストリップ電極信号を生成する。ライン・カウンタ１２４からのデジタル信号値が各水平帰線パルスにより順次増加させられると、ストリップ電極５２は順次通電される。各ストリップ電極５２が通電されている期間中、各レーザ・ダイオード２２は、Ｓ／Ｈ回路１２０からの該レーザ・ダイオード２２の各サンプル値に対応する強さで通電され、対応するラスター・ラインを生成する。カラー画像を表示する場合、別々の赤色、青色および緑色調整信号をビデオ信号から一般的な手段により取得して、それぞれ赤色、青色および緑色レーザ・ダイオード２２を駆動するのに用いることができる。
【００３０】
レーザ・ダイオード２２およびストリップ電極５２をアドレスするレートは、表示スクリーン１０内に存在するレーザ・ダイオード２２およびストリップ電極５２の数、ならびにスクリーンのちらつきを許容し得るレベルに維持するのに必要な画像リフレッシュ・レートに当然依存する。レーザ・ダイオード２２およびストリップ電極５２をアドレスするレートは、バーチャル画像が１秒当たり２４回以上リフレッシュされるように、十分速くすべきである。３色のレーザ・ダイオード２２により形成される８００×６００解像度のフル・カラー画像については、８００のストリップ電極５２を１／３０秒ごとに、つまり１／（２４，０００）、すなわち１／（３０＊８００）のレートで通電することが必要である。これは各ストリップ電極５２について約４２マイクロ秒のレートである。このスピードは、十分に強誘電性液晶のスイッチング・スピードの範囲内である。これらの４２マイクロ秒の各々の間、１８００のレーザ・ダイオード、すなわち６００＊３色を調整する必要がある。これはレーザ・ダイオード２２当たり約２３ナノ秒のレートを必要とするが、各ピクセルを形成するのに用いられる３つのレーザ・ダイオードのすべてを同時に通電する場合には、レーザ・ダイオード２２当たり約７０ナノ秒を必要とするにすぎない。レーザ・ダイオード２２により発せられる光の強さを適切な手段、例えばレーザ・ダイオード２２にかける駆動電圧の大きさまたはデューティ・サイクルを制御することにより制御することができる。
【００３１】
各ストリップ電極５２を通電する間であって、次のストリップ電極５２を通電する前に、電子システム１０４は光ジェネレータ２０内の各レーザ・ダイオード２２を駆動することが望ましいが、電子システム１０４に対する別の動作モードも可能である。例えば、上述したように、レーザ・ダイオード２２の点灯およびストリップ電極５２の通電をインターリーブする、すなわちすべての偶数ダイオード２２および／または電極５２を順次選択し、その後すべての奇数ダイオード２２および／または電極５２を順次選択することができる。光ジェネレータ２０内の１つのレーザ・ダイオード２２を駆動する間であって、次のレーザ・ダイオード２２を駆動する前に、電子システム１０４は各ストリップ電極５２を通電することができるが、この手法ではＮＴＳＣビデオ信号から、レーザ・ダイオード２２に適用される信号を取り出すことが困難になる。
【００３２】
図８に示すように、電子システム１０４を表示スクリーン１０にケーブル１０６を通して結合することもできるが、図９に示すように、電子システム１０４を、カバー・プレート４０に直接接合された集積回路チップ１２０として実現することが望ましい。この構成により、大きくて重いコネクタおよびマルチコンダクタ・ケーブル(multiconductor cables) ならびにそれらに付随する信頼性の問題が排除される。ビデオ信号は、集積回路チップ１３０に適切な手段、例えば同軸ケーブル１３２、光ファイバ、ラジオ(radio) またはインフラ・レッド(infra-red) 結合デバイスにより結合される。
【００３３】
図１０に示すように、１組の表示スクリーン１０は、バーチャル・リアリティ表示システム１４０で使用するのによく適合する。表示スクリーン１４０には、１組の表示スクリーン１０ａ、ｂを有するバーチャル・リアリティ表示システム１４２が含まれる。１組の表示スクリーン１０ａ、ｂは適切なフレーム１４４内に取り付けられ、上述の結合デバイスを含む適切な手段１４６により電子システム１０４に結合されている。当該分野でよく知られているように、異なるビデオ信号を表示スクリーン１０ａおよび１０ｂに適用して、見る者が、一体となって３次元または立体画像を生成する異なる画像を見るようにする。バーチャル・リアリティ表示装置１４２は一般的なセンサ１４８をも含むことが好ましい。センサ１４８は表示装置１４０の位置および方向を示す信号を生成する。この信号を、電子システム１０４に適切な手段１５０により、好ましくはビデオ信号を表示スクリーン１０に結合する方法と類似した方法で結合する。電子システム１０４に結合されたコンピュータ１５６（または電子システム１０４の一部）は、ビデオ信号を調整して、立体画像がバーチャル・リアリティ表示システム１４２の位置および方向に対応するようにする。立体ビデオ信号を生成できるコンピュータおよびソフトウェアは一般的であり、それらを表示システム１４０に用いることができる。
【００３４】
図１〜図１０に示す表示スクリーン１０では、平坦なベース・プレート１２およびカバー・プレート４０を用いている。しかしながら、図１１に示すように、表示スクリーン１６０は、平坦ではなく曲がったベース・プレート１６２およびカバー・プレート１６４を用いることができる。重要なことは、光ジェネレータ１６６からの光を参照波(reference beam)として用いて、カバー・プレート１６４上にホログラフィー光学要素１６８を形成する場合、ベース・プレート１６２内のディストーション(distortions) またはノンユニフォーミティ(nonuniformities) は自動的に補正されることである。したがって、曲がった表示スクリーン１６０は、ベース・プレート１６２が歪曲していたとしても、実質的なディストーションなしに画像を表示することができる。
【００３５】
ホログラフィー光学要素１６８を形成する方法は、図１１にも示されている。光ジェネレータ１６２からの光は参照波１７０としてふるまい、光ジェネレータ１６２からの光とコヒーレントな光を発する光源からの物体波(object beam) １７２と干渉する。カバー・プレート１６４上のフォトグラフィック・レコーディング・メディア１７４は、参照波１７０と物体波１７２との干渉を記録し、記録された干渉をホログラフィー光学要素１６８として用いる。ホログラフィー光学要素１６８として用いられる記録された干渉パターンには、カバー・プレート１６４の湾曲により引き起こされるディストーションを含む、カバー・プレート１６４内のディストーションが含まれる。光ジェネレータ１６２からの光により、ホログラフィー光学要素１６８を順次点灯させると、光ジェネレータ１６２のバーチャル画像は最小限のディストーションで復元される。
【００３６】
屈折率モジュレータは、液晶分子の電界による並びの効果以外の現象を用いることができる。実際のところ、屈折率に影響を与えるいかなる現象、例えば電気泳動、フォトリフラクティブ効果、温度制御屈折率(temperature-controlled refractive index) 、ケミカル・チェンジ、圧縮も用いることができる。好ましい実施形態においては液晶を用いているが、これは液晶モジュレータが商業的開発において高いレベルに達しているからである。しかしながら、偏光とは無関係の効果を用いれば、表示角度の幅がより広いディスプレイを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく表示スクリーンの一部の好ましい実施形態の等角図である。
【図２】図１の線２−２に沿って切断した図１の表示スクリーンの断面図である。
【図３】図１の表示スクリーンの正面図である。
【図４】光ジェネレータにより生成された点光源のバーチャル画像の位置、および見る者の目が水平方向に動いたときのバーチャル画像の動く様子の双方を示す、図１の表示スクリーンの等角図である。
【図５】表示スクリーンから発せられる光の垂直方向の発散、および見る者の目が垂直方向に動いたときのバーチャル画像の動く様子を示す、図４の線５−５に沿って切断した図４の表示スクリーンの断面図である。
【図６】表示スクリーンにより生成されるバーチャル画像のラインおよび全バーチャル画像の位置を示す、図１の表示スクリーンの等角図である。
【図７】表示スクリーンがカラー画像を生成することを可能にする別の手法を示す、図１の表示スクリーンの等角図である。
【図８】図１の表示スクリーン、および信号を表示スクリーンに供給する電子システムを含む表示システムのブロック図である。
【図９】表示スクリーンに取り付けられた集積回路として実現された図８の電子システムを示す、図１の表示スクリーンの等角図である。
【図１０】１組の図１の表示スクリーンを用いたバーチャル・リアリティ表示システムを示す等角図およびブロック図である。
【図１１】表示スクリーンが曲がっている、本発明に基づく表示スクリーンの別の実施形態の等角図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ  表示スクリーン
１２  ベース・プレート
１６  前面
１８  後面
２０  光ジェネレータ
２２、２２ａ、２２ｍ  レーザ・ダイオード
２４  デカルト座標
２６  回折要素
３０  屈折率モジュレータ
３４  液晶
４０  カバー・プレート
４２  後面
４４  前面
５０  導電性電極
５２、５２′、５２ａ、５２ｎ  ストリップ電極
５８  オリエンテーション層
６０  ホログラフィー光学要素
６４  ホログラフィー光学要素
６８  高屈折率コーティング
７０、７０′、７０″  バーチャル画像
７６、７６′、７６″  目
８０  発散角
９０  バーチャル画像ライン
９４  バーチャル画像スクリーン
９８ａ、ｂ、ｃ  サブ電極
１００  表示システム
１０４  電子システム
１０６  ケーブル
１１０  ビデオ信号ジェネレータ
１１２  ライン
１１６  処理ユニット
１２０  サンプル・アンド・ホールド回路
１２２  クロック
１２４  ライン・カウンタ
１２６  デコーダ
１３０  集積回路チップ
１３２  同軸ケーブル
１４０  バーチャル・リアリティ表示システム
１４２  バーチャル・リアリティ表示装置
１４４  フレーム
１４８  センサ
１５６  コンピュータ
１６０  表示スクリーン
１６２  ベース・プレート
１６４  カバー・プレート
１６６  光ジェネレータ
１６８  ホログラフィー光学要素
１７０  参照波
１７２  物体波
１７４  フォトグラフィック・レコーディング・メディア
【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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