(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像ピクセルアレイから成り、看者の左の瞳で目視される左側画像、および、看者の右の瞳で目視される右側画像から成る立体的な仮想画像から成る立体仮想画像を表示するための自動立体光学装置であって、
（ａ）  二次元画像として左側の中間画像を形成する左の画像生成システム、および、二次元画像として右側の中間画像を形成する右の画像生成システムであって、いずれも、
（ａ１）  １ラインのソース・ピクセルを形成するための線形画像源、および
（ａ２）  前記１ラインのソース・ピクセルを投影して、中間ライン画像を形成するためのスキャン・ボール・レンズ・アセンブリを含み、
前記スキャン・ボール・レンズ・アセンブリは、
（ａ２ａ）  前記１ラインのソース・ピクセルから前記中間ライン画像へ光を反射する、少なくとも１つの反射表層；および
（ａ２ｂ）  スキャン・ボール・レンズ瞳を有し、かつ、前記少なくとも１つの反射表層上に曲率中心を有するボール・レンズ部分を含み、
（ａ２ｃ）  前記スキャン・ボール・レンズ・アセンブリは、走査二次元画像として連続的に前記中間画像を形成するために、１つの軸の周りで回転して一連の前記中間ライン画像を形成する、
左の画像生成システムおよび右の画像生成システム、
（ｂ）  曲率中心を有し、前記左の画像生成システム用の前記スキャン・ボール・レンズ・アセンブリと、前記右の画像生成システム用の前記スキャン・ボール・レンズ・アセンブリの間の、実質上、光学的中間に配置される、湾曲鏡、および
（ｃ）  前記湾曲鏡の前側焦点表面の近くで前記左側の中間画像を形成するために前記左の画像生成システムからの光路を折り曲げるように、かつ、前記湾曲鏡の前側焦点表面の近くで前記右側の中間画像を形成するために前記右の画像生成システムからの光路を折り曲げるように配置した、ビームスプリッタ、を含み、
（ｄ）  前記湾曲鏡は、前記左側と右側の中間画像の前記立体仮想画像を生成し、前記ビームスプリッタを経て、前記左の視覚瞳で前記左のスキャン・ボール・レンズ瞳の実像を形成し、前記右の視覚瞳で前記右側のスキャン・ボール・レンズ瞳の実像を形成する、
自動立体光学装置。
【請求項２】
前記自動立体光学装置が、単心的である、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項３】
前記線形画像源が、複数のＬＥＤから成る、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項４】
前記線形画像源が、スキャンレーザーから成る、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項５】
前記線形画像源が、リレー・レンズから成る、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項６】
前記線形画像源が、蛍光性表層から成る、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項７】
前記線形画像源が、拡散性表層から成る、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの反射表層が、ビームスプリッタである、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項９】
前記線形画像源が、振動する光ファイバから成る、請求項１記載の自動立体光学装置。
【請求項１０】
前記線形画像源が、ポイント・ソースに共振振動を提供するための作動装置から成る、請求項１の自動立体光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、電子的に生成された画像を見るための自動立体表示システムに関し、特に、非常に広い視野、および大きな射出瞳を提供するために、光学部品の単心的配置を有する、走査線形画像源を用いて左右の目視画像を生成するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動立体表示システムの潜在的価値は、娯楽およびシミュレーション分野で特に広く認められている。自動立体表示システムは「浸入」システムを含み、非常に広い視野を有する三次元画像をもつ看者を視覚的に囲むことにより、現実的な視覚経験を看者に提供することを目的とする。これを含む、立体ディスプレイのより大きな集合と差別化するものとして、本自動立体ディスプレイは、ゴーグル、ヘッドギア、または特別な眼鏡など、いかなるタイプの着用可能装置にも、いかなる必要条件を付加しない点で特徴づけられる。すなわち、自動立体ディスプレイは、「自然な」視覚状況を看者に提供しようとするものである。
【０００３】
非特許文献１において、キンツ（Ｇ．Ｊ．Ｋｉｎｔｚ）は、自動立体ディスプレイに広い視野を提供する、１つの方法を開示している。キンツ（Ｋｉｎｔｚ）方式を用いると、いかなる眼鏡またはヘッドギアも使用する必要はない。非特許文献１では、看者の頭部はＬＥＤエミッタのアレイを有する、急速回転球状シェルの範囲内に配置されなければならず、視準された仮想画像を形成するために、単心的な鏡により、結像される。単心的な光学的システムは、全ての光学の表層が、共通対称軸を共有するという特徴を有する。それは、全ての光学表層が、単一位置で、共通の曲率中心を共有する、同心システムの一般化である。キンツ（Ｋｉｎｔｚ）の設計は、広い視野を有する、実際に自動立体的なシステムに、１つの解決法を提供すると共に、この設計は相当な欠点を有する。キンツ（Ｋｉｎｔｚ）の設計の不利な点の１つは、看者の頭部が、急速回転している表層の近傍になければならないという点である。こうした方法では、回転表層上の構成要素との接触からの、事故および損傷の可能性を最小化する処置が必要となる。保護遮蔽が備えられていてさえ、急速可動表層の近くは、少なくとも、看者にいくらかの不安を引き起こすようなものであった。加えて、この種のシステムの使用は、頭部運動に相当な制約を課す。
【０００４】
看者の目上へ、一対のプロジェクタの射出瞳を結像して作動する、自動立体システムの１クラスが、ベントン（Ｓ．Ａ．Ｂｅｎｔｏｎ）、スロウエ（Ｔ．Ｅ．Ｓｌｏｗｅ）、クロップ（Ａ．Ｂ．Ｋｒｏｐｐ）、およびスミス（Ｓ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈ）による非特許文献２に概説されている。非特許文献２で、ベントン（Ｂｅｎｔｏｎ）により概説されているように、瞳結像は、大きなレンズまたは鏡を用いて実行可能である。看者は、結像瞳と目が一致する限り、いかなる種類のアイ・ウエアも着用せずに、乱れのない立体的情景を見ることができる。
【０００５】
瞳結像を用いた自動立体ディスプレイ・システムにより提供される、視覚経験の値およびリアルな品質が、広い視野および大きな射出瞳を有する、三次元画像を表示することにより強化されていることは、直ちに認めることができる。この種のシステムは、看者が、我慢し難い状態で頭部運動を拘束されることもなく、さらに、看者がゴーグルまたは他の装置を着用する必要もなく、快適に座っていることが出来る場合、臨場感ある視覚機能には最も効果的なものである。
【０００６】
完全に満足出来る三次元視覚のためには、非特許文献２（この種のシステム）は、左右の目に別々の、高解像度画像を提供しなければならない。視野の深さおよび幅に対する錯覚を引き起こすためには、この種のシステムが、実際の床面積も体積もほとんど占めずに、最も有利な小型化設計であることは、また、直ちに認められることである。最もリアルな視覚経験のためには、看者は、遠く離れているように見える形で配置された仮想画像を提供されなければならない。
【０００７】
また、よせ運動および遠近調節に関連するデプスキュー間のコンフリクトが逆に視覚経験に効果をもたらすことはよく知られている。よせ運動は、看者の目が、視野の中で、対象物の別々の画像を融合させようと、交差する度合いに関連する。よせ運動が減少すると、知覚された対象物はより遠くにあることになる。遠近調節は、看者の目のレンズが、注目している対象物の網膜上の焦点を維持する形に変化する必要条件に関連している。看者が、暫時よせ運動および遠近調節のためのデプスキューが合わなくなる状態に置かれると、看者の奥行き感覚の一時的な低下が起こりうることが知られている。また、遠近調節キューが遠い画像位置と一致する場合、奥行き感覚に対するこの負の効果が緩和可能であることも知られている。
【０００８】
従来の自動立体ディスプレイ装置の実施例は、特許文献１（リチャーズ（Ｒｉｃｈａｒｄｓ））において、開示されており、そこでは、着座した看者は、各々の目のための別々のプロジェクタ１から発生し、多くの鏡から成る画像処理システムを用いて、看者の方へ向かう画像により生成される、明瞭な三次元視覚の効果を経験する。
【０００９】
立体結像の従来の解決の、いくつかの方法について上述したが、改良の余地が残っている。例えば、若干の初期の立体視システムは、三次元視覚経験を提供するために、特別な被り物、ゴーグルまたは眼鏡を使用した。この種のシステムの実施例として１つだけあげると、デンティンガー（Ｄｅｎｔｉｎｇｅｒ）他による、特許文献２では、三次元効果を出すために、各々の目に、選択的に適切な画像を送るよう、看者が一組の受動的な極性を持つ眼鏡を着用することを必要とする、投影表示システムを開示している。
【００１０】
確かに、若干の状況では、例えば、シミュレーション・アプリケーションのように、立体視のためにある種のヘッドギアが適当と考え得ることもある。この種のアプリケーションのために、特許文献３（フィッシャー（Ｆｉｓｈｅｒ））では、立体視覚に広い視野を提供する、投影表示ヘッドギアを開示している。しかし、可能ならば、看者が、いかなる種類の装置も着用する必要がない自動立体視を提供することが有利であり、これは、特許文献１の装置で開示されている。頭部運動にある程度の自由を実現することも有利な点である。対照的に、特許文献４（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）他）では、看者の頭部が、一定の位置において維持される、ハング‐グライディング・シミュレーション・システムを開示している。この種の解決が、特許文献４（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）他の特許）で開示される、限られた環境でのシミュレーションで許容され、さらに装置の全体的な光学設計を単純化することが出来ても、頭部運動の制約は、浸入システムの不利な点だと言える。特に、特許文献４（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）他の特許）は、狭い視覚開口を導入し、効果的に視野を制限した。複合した、軸外し方向に配置された従来の投影レンズは、所望の瞳サイズ出力を得るために用いるスケーリングで、特許文献４において開示された装置で使用される。
【００１１】
多くのシステムが、２つの異なる距離にある、２台のスクリーンのビームスプリッタを通って、看者に提供されることにより、看者に立体効果を提供するために開発され、特許文献５（ビルズ（Ｂｉｌｅｓ））において開示されているように、それによって立体画像結像錯覚を引き起こした。しかし、この種のシステムは、小さな視覚角度に限られ、したがって、臨場感ある視覚経験を提供することに適していない。加えて、この種のシステムを用いて表示される画像は、看者のごく近傍に示される実像であるため、恐らく、それに見合った上述のよせ運動／遠近調節課題を導くことになる。
【００１２】
一般に、よせ運動／遠近調節効果を最小化するために、三次元視覚システムは、実写であれ、仮想であれ、看者から比較的遠い距離に、一対の立体画像を表示しなければならない。実像のために、大きな表示スクリーンを使用しなければならないこの方法は、看者から適度な距離をおいて配置されるのが好ましくい。しかし、特許文献４（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ））において開示されているように、仮想画像のために、比較的小さくカーブした鏡が使用可能である。カーブした鏡は、コリメーターとして作用し、看者から遠い距離に仮想画像を提供する。立体的な結像の他のシステムは、非特許文献３で開示されており、そこでは、伸張可能な膜鏡を使用している。非特許文献３（マッケイ（ＭｃＫａｙ）論文）において開示される装置が、小さな射出瞳を提供するにもかかわらず、この瞳が、投影光学を単純に拡大・縮小することにより、いくぶん拡大可能であったと考えられる。しかし、従来の投影光学の使用、さらに、膜鏡湾曲を制限する次元上の制約のために、非特許文献３（マッケイ（ＭｃＫａｙ）論文）で開示される装置は、視野を制限するものであった。
【００１３】
また、湾曲鏡は、立体システムの実像を提供するために用いられ、そこでは、湾曲鏡はコリメーターとして使われていない。この種のシステムは、特許文献６（ケンプ（Ｋｅｍｐｆ））；および、特許文献７（デービス（Ｄａｖｉｓ）他）などで開示されている。しかし、小さな視野のみが必要とされる場合、このようなシステムは一般に適切である。
【００１４】
特に、既存の立体表示の解決は、画像が曲面から投射されている場合でさえ、その画像を平面スクリーンに映している。これは、結果として、望ましくない歪曲、および他の画像収差を導くことになりかねず、さらに視野を拘束し、全体的に画質を制限する。
【００１５】
光学的遠近法から、瞳結像を用いる自動立体的な設計が有利であることが分かる。瞳結像のために設計されたシステムは、左右の瞳へ対応する別々の画像を提供し最も自然な視覚状況を提供し、さらには、ゴーグルもしくは特別なヘッドギアのいかなる必要性も除去しなければならない。加えて、この種のシステムが、若干の運動の自由を可能にし、超広角視野を実現するために、看者に対して、可能な限り大きな瞳を提供することが有利である。光学技術において、これらの各必要条件が、単独で達成されるのは困難であろうということは、認識されるものである。理想的な自動立体的な結像システムは、より完全で満足し得る、リアルな視覚経験を提供するために、双方の必要条件のための要求に応じなければならない。加えて、この種のシステムは、リアルな結像に、高輝度および高コントラストと共に、充分な解像度を提供しなければならない。さらに、小さなフットプリントを有するシステムの必要性により生じた物理的制約、さらに、眼間分離のための次元上の制約は考慮されなければならず、その結果、各々の目に向けられる別々の画像は、都合よく間隔を置かれ、目視のために正しく分けられることになる。眼間距離制約が、単に投影レンズを拡大・縮小することによって与えられた超広角視野では、より大きな瞳直径を達成する能力が制限される点に注意することは、有益である。
【００１６】
単心的な画像処理システムは、例えば、特許文献８（オフナー（Ｏｆｆｎｅｒ））において開示されるように、重要な効果を平坦な目的物の高解像度結像に提供することを示し、さらにそれは、球面鏡の配置が、装置拡大のために設計される画像処理システムの、曲率中心と一致するようにすることを教示する。特許文献８（オフナー（Ｏｆｆｎｅｒ）の特許）において開示される、単心的な装置は、多くの画像収差タイプを最小化し、概念的に直接的であり、さらに、高解像度光反射式画像処理システムに於ける、簡略光学設計を可能にしている。鏡およびレンズの単心的配置は、また、特許文献９（シェーファー（Ｓｈａｆｅｒ））において開示されているように、広い視野を有する望遠システムに効果を提供することが知られている。しかし、全体的な単純性のための、さらに、歪曲および光学収差を最小化するための単心計画の効果は認知可能ではあるが、同時にこの種の設計概念は、合理的に小規模な総体的フットプリントを持つ、広い視野と大きな射出瞳を必要とする浸入システムの実現には困難であると言える。さらに、完全な単心設計は、左右の瞳のための別々の画像を必要とする、フル立体結像に必要な条件を満たさない。
【００１７】
特許文献４において開示されているように、従来の広視野の投影レンズは、瞳結像自動立体ディスプレイの投影レンズとして使用可能である。しかし、従来の方法に伴う多くの不利な点がある。効果的浸入視覚のために必要とされるような、視野角が可能な広角レンズ・システムは、非常に複雑で、高価なものである。例えば、ドイツ、イェナ（Ｊｅｎａ）のカールツァイス社（Ｃａｒｌ−Ｚｅｉｓｓ−Ｓｔｉｆｔｕｎｇ）により製造される登録商標ビオゴン（ＢｉｏｇｏｎＴＭ）レンズのような、大きなフォーマット・カメラ用の典型的広角度レンズは、７５度の視野角が可能である。ビオゴン（Ｂｉｏｇｏｎ）レンズは、７つの構成要素レンズから成り、直径８０ｍｍを超えるにもかかわらず、１０ｍｍの瞳サイズを提供するだけである。より大きな瞳サイズのために、レンズは大きさを拡大・縮小される必要がある；しかし、視覚位置の眼間距離と関連して、この種のレンズ・ボディの大きな直径は、自動立体浸入システムのための重要な設計問題を導く。左右の目のアセンブリが並んで配置可能となるための、高価なレンズ切断は、それによって、人間の眼間分離を有した、一貫して間隔を置かれる一対のレンズ瞳を達成し、困難な製造課題を引き起こしている。眼間距離限界は、各々の目のための投影装置の空間の位置決めを拘束し、レンズの単純なスケーリングによる瞳サイズのスケーリングを排除している。さらに、効果的浸入システムは、最も都合よく、好ましくは９０度を十分超える、非常に広い視野を可能にし、好ましくは２０ｍｍ以上の、大きな直径の射出瞳を提供する。
【００１８】
大きな視野の視覚アプリケーションの代わりとして、ボール・レンズが専門光学的機能に使用され、特に、小型化されたボール・レンズは、ファイバー・オプティックス継手および伝送アプリケーションに使用されたが、例えば、特許文献１０（ジェウェル（Ｊｅｗｅｌｌ））においては、結合装置内でのミニチュア・ボール・レンズの有利な使用が開示されている。より大きなスケール上では、ボール・レンズが天文追跡装置の範囲内で利用可能なことが、特許文献１１（マントラバディ（Ｍａｎｔｒａｖａｄｉ）他）において開示されている。特許文献１１（マントラバディ（Ｍａｎｔｒａｖａｄｉ）他の特許）では、ボール・レンズは、最小の軸外収差もしくは最小の歪曲で、６０度を超える広い視野を実現するため導入されている。特に、固有の光軸の欠如が都合よく使われ、その結果、ボール・レンズを通過するあらゆる主要な光線は、それ自身の光軸を定めるよう考慮可能である。入射光の角度変化に関連する照明減少が小さいため、単一のボール・レンズは、このアプリケーションにおいて、宇宙から複数のセンサまで有利に光を導くために用いられている。特に、ボール・レンズの出力光検出器は、湾曲した焦点面に沿って配置される。
【００１９】
広角結像のための球状ボール・レンズの利点は、また、特許文献１２（ビリングロス（Ｂｉｌｌｉｎｇ−Ｒｏｓｓ）他）において開示される、宇宙船の姿勢決定装置において利用されている。ここでは、鏡アレイにより、光線をボール・レンズに通過させる。このレンズの形状は、レンズを通過する光線が、画像表層に対して通常の入射であるため、有利である。光線は、このようにレンズの中心方向へ屈折し、結果として広い視野を有する画像処理システムとなる。
【００２０】
ボール・レンズ特徴を利用した、他の専門的な使用は、特許文献１３（ヘイフォード（Ｈａｙｆｏｒｄ）他）において開示されている。特許文献１３（ヘイフォード（Ｈａｙｆｏｒｄ）他の特許）の光学配列では、例えば非線形経路に沿った、ＣＲＴ生成２次元画像の伝送方向を指示し、結果として、パイロットのためのヘッドギアに付属したボール・レンズが、コリメートされた入力画像を、パイロットから見て光学上無限遠にあるように結像させるものである。
【００２１】
ボール・レンズの、広角視覚能力の他の用途は、特許文献１４（トンプソン（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ））において開示されており、それは夜間視用の両眼光学対物レンズの一部として、ボール・レンズを使用することを教示している。
【００２２】
上に述べた、画像映写においてボール・レンズの使用を開示する、特許文献１４および特許文献１３では、サポート光学、広い視野結像とともに提供される、ボール・レンズの全体的な能力が示唆されている。しかし、特に画像が投射されるよう電子的処理をする、この種の、臨場感ある結像アプリケーション装置での有効利用のためには、克服されなければならない相当な課題がある。例えば、従来の電子画像プレゼンテーション技術は、空間の光モジュレータなどの装置を用いて、平坦な表層上へ画像を提供する。平坦な視野結像でのボール・レンズの性能は、極めて貧しい。
【００２３】
広い視野を提供する、いかなる種類の光学投影についても、浸入システムが対処しなければならない、別の基本光学の限界がある。重要な限界は、ラグランジュ不変量により賦課される。いかなる画像処理システムも、ラグランジュ不変量に適合し、それによって、瞳サイズおよびセミフイールド・アングルの製品は、画像サイズおよび口径数の製品に等しく、光学的システムのための不変量となる。画像生成器として、比較的小さな空間光モジュレータまたは類似したピクセルアレイを使用する場合は、比較的小さな口径数を通して操作することが出来る。なぜなら、装置に関連するラグランジュ値が小さいからである。しかし、大きな視野に大きな瞳サイズ（すなわち大きな口径数）を提供する、単心結像システムでは、本質的に大きなラグランジュ値を有する。このように、この単心画像処理システムが、小さなラグランジュ値を有する、空間光モジュレータで使われる場合、画像処理システムの視野もしくは口径のいずれかまたは両方ともが、ラグランジュ値のこうした不適当な組合せによって不足となってしまう。ラグランジュ不変量の詳細な説明のために、非特許文献４が、参照される。
【００２４】
出願中の米国特許出願第０９／７３８７４７号および米国特許出願第０９／８５４６９９号は、ボール・レンズを用いた広い視野投影の自動立体画像処理システムの能力を利用している。これらの同時係属出願の両方において、各々の目のためのボール・レンズに投射される画像源は、完全な二次元画像として発表されている。これらの各アプリケーションで開示される画像源は、ＬＣＤ、ＤＭＤまたは類似した装置などの二次元アレイである。画像源は、代わりに、走査された電子ビームにより発生する場合でも、完全な二次元画像をボール・レンズ投影光学に提供するＣＲＴで可能であった。
【００２５】
完全な二次元画像を提供する際の、固有の若干の限界がある。理想的には、ボール・レンズの中心と一致するこの視野の曲率中心を伴う、湾曲画像視野が好まれる。これは、この構成が視野収差を最小化するためである。しかし、湾曲画像視野を提供することは、結像経路の画像源を湾曲させるか、または追加的な表面カバーを提供するなど、特別なリレー光学部品を必要とする。画像源の球状湾曲を得るか、もしくは近づけるために、二次元画像配列を湾曲させることは、困難であり高価である。平面画像アレイを伴う表面カバー、もしくは特別なリレー光学部品を使用することは、コストおよび、全体的な輝度低下を含んだ不利な点が伴う。投影のための充分な輝度を維持することは、小さな二次元アレイを使用する場合、懸念の対象となる。なぜなら、これは特別な設計技術、およびより高いコストの構成要素なしでは達成が困難だからである。このように、立体視覚のための画像を生成および投影するシステムの光学部品の総費用は、改良可能であると認めることが出来る。
【００２６】
ボール・レンズおよびボール・レンズ部分は、広視野光学走査用のセンサ・アプリケーションにおける、走査構成要素として使われて来ている。特許文献１５（チェン（Ｃｈｅｎ）他）は、一つ以上の反射する小面を有する回転可能なスキャン・ボール・レンズ部分を使用する同心のセンサ・スキャニング・システムを開示する。特許文献１５において開示されるシステムにおいて、ボール・レンズまたはボール・レンズ部分の回転は、同心センサ列上への入力放射を導く。しかし、既存の投影システム設計は、より従来のプロジェクタ光学構成要素を利用しており、これをする中で、画像生成用走査形式での光投影の構成要素として、ボール・レンズまたはボール・レンズ部分の配備可能性を見過ごしてしまっている。
【００２７】
【特許文献１】
米国特許第５，６７１，９９２号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，０３４，７１７号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，５７２，２２９号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，９０８，３００号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，２５５，０２８号明細書
【特許文献６】
米国特許第４，６２３，２２３号明細書
【特許文献７】
米国特許第４，７９９，７６３号明細書
【特許文献８】
米国特許第３，７４８，０１５号明細書
【特許文献９】
米国特許第４，３３１，３９０号明細書
【特許文献１０】
米国特許第５，９４０，５６４号明細書
【特許文献１１】
米国特許第５，２０６，４９９号明細書
【特許文献１２】
米国特許第５，３１９，９６８号明細書
【特許文献１３】
米国特許第４，８５４，６８８号明細書
【特許文献１４】
米国特許第４，１２４，９７８号明細書
【特許文献１５】
米国特許第６，２３３，１００号明細書
【非特許文献１】
ＳＩＤ９９ダイジェストの中の論文、「球面パノラマ仮想ディスプレイにおける自動立体的な特性（Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ｐａｎｏｒａｍｉｃ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ）」
【非特許文献２】
（立体ディスプレイおよびヴァーチャル・リアリティ・システム（Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  ａｎｄ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍ）  ＶＩ（ＳＰＩＥ）、１９９９年１月、「マイクロポラライザに基づく多数ビューア自動立体ディスプレイ（Ｍｉｃｒｏｐｏｌａｒｉｚｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｖｉｅｗｅｒ  ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  ｄｉｓｐｌａｙ）
【非特許文献３】
立体ディスプレイおよび仮想現実システム（Ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  ａｎｄ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍ）  ＶＩＩ、ＳＰＩＥ会報、３９５７巻における、「膜鏡に基礎をおいた、テレ・オペレーションおよびテレ・プレゼンス・アプリケーションのための自動立体ディスプレイ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｍｉｒｒｏｒ  ｂａｓｅｄ  ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｆｏｒ  ｔｅｌｅ−ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」  （マッケイ、メア、メイソン、レビー（ＭｃＫａｙ、  Ｍａｉｒ、  Ｍａｓｏｎ、Ｒｅｖｉｅ））
【非特許文献４】
ウォーレンＪ．スミス（Ｗａｒｅｎ  Ｊ．  Ｓｍｉｔｈ）による「モデム光学の工学、光学的システムの設計（ｍｏｄｅｍ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  ｔｈｅ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）」  マックグローヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）社出版の４２−４５頁
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、立体結像のための、いくつかの必要条件を満たす、従来のいくらかのアプローチがある一方で、電子的に生成された画像を見るための、改良された自動立体結像の解決の必要性があることが分かる。ここでの、解決とは、構造的に単純な装置を提供し、収差および画像歪曲を最小化して、広い視野、大きな瞳サイズ、高輝度、さらにコストを下げるという、所望の必要な条件を満たすものである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、画像ピクセルアレイから成る立体仮想画像を見るための単心的な自動立体光学装置を提供することであり、この立体仮想画像は、左側の画像から形成された左視覚画像を、看者の左の瞳で目視し、さらに右側の画像から形成された右視覚画像を、看者の右の瞳で目視するものである。この自動立体光学装置は、以下を含む。
（ａ）  二次元画像として左側の中間画像を形成する左の画像生成システム、および、二次元画像として右側の中間画像を形成する右の画像生成システム。ここで、左右双方の画像生成システムは、いずれも、同様な別々の構成要素で構成される。この画像生成システムは、
（ａ１）  １ラインのソース・ピクセルを形成するための線形画像源、および
（ａ２）  前記１ラインのソース・ピクセルを投影して、中間ライン画像を形成するためのスキャン・ボール・レンズ・アセンブリを含む。このスキャン・ボール・レンズ・アセンブリは、（ａ２ａ）前記１ラインのソース・ピクセルから前記中間ライン画像へ光を反射する、少なくとも１つの反射表層、および、（ａ２ｂ）スキャン・ボール・レンズ瞳を有するボール・レンズ部分であって、前記少なくとも１つの反射表層上の曲率中心を有するボール・レンズ部分を含む。（ａ２ｃ）このスキャン・ボール・レンズ・アセンブリは、走査二次元画像として連続的に前記中間画像を形成するために、１つの軸の周りで回転して、一連の前記中間ライン画像を形成する。
【００３０】
（ｂ）  曲率中心を有し、前記左の画像生成システム用の前記スキャン・ボール・レンズ・アセンブリと、前記右の画像生成システム用の前記スキャン・ボール・レンズ・アセンブリの間の、実質上、光学的中間に配置される、湾曲鏡。
【００３１】
（ｃ）  前記湾曲鏡の前側焦点表面の近くで左側の中間画像を形成するため前記左の画像生成システムからの光路を折り曲げるように、かつ、前記湾曲鏡の前側焦点表面の近くで右側の中間画像を形成するため前記右の画像生成システムからの光路を折り曲げるように配置されるビームスプリッタ。
【００３２】
（ｄ）  前記湾曲鏡は、前記左側と右側の中間画像の前記立体仮想画像を生成し、前記ビームスプリッタを経て、前記左の視覚瞳で前記左のスキャン・ボール・レンズ瞳の実像を形成し、前記右の視覚瞳で前記右側のスキャン・ボール・レンズ瞳の実像を形成する。
【００３３】
本発明の特徴は、光学部品の単心配置を用い、これにより設計を単純化し、収差を最小化して、大きな射出瞳を持つ広い視野を提供することである。
【００３４】
本発明の更なる特徴は、走査された中間画像を提供するための、反射表層を有するボール・レンズ部分により走査された、走査ポイント・ソースと拡散性表層から成る組合せ、または光源の線形配列などの、線形画像源を用いることである。
【００３５】
本発明の更なる特徴は、多様な構成を可能にするという点であり、必要な光学的構成要素の数を最小化する構成、もしくは、ビームスプリッタの必要を除去する構成を含みさえする。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の効果は、画像源としての高価な二次元表層の必要性を除去し、それに代わって、より安価な走査されたポイント・ソース、または線形配列を用いることである。
【００３７】
本発明の更なる効果は、投影用中間画像を生成するための、安価な、明るい光源の使用を可能にすることである。
【００３８】
本発明の更なる効果は、小規模フットプリントを有する表示システムに包含可能な、光学部品のコンパクト配置を提供する点である。
【００３９】
本発明の更なる効果は、非常な広角視野を伴った、高輝度および高コントラストを有する高解像度立体電子画像システムを可能にする点である。本発明は、非常に光効率がよく、投影に高輝度レベルを提供可能なシステムを提供する。
【００４０】
本発明の更なる効果は、従来の投影レンズ・システムのコストと比較して、安価な広い視野の立体表示を提供することである。
【００４１】
本発明の更なる効果は、看者が、ゴーグルまたは他の装置を着用する必要のない、立体視覚を提供することである。
【００４２】
本発明の更なる効果は、ディスプレイに対する、看者の非臨界配置による、充分なサイズの射出瞳を提供することである。
【００４３】
これらの、そしてまた他の、本発明の目的、特徴および効果は、本発明の実施例が示される図面を考慮して以下の詳細な説明を読むことにより、当業者にとって明らかなものとなる。
【００４４】
本願明細書が、特に本発明の主題を請求する請求項で完結する一方で、本発明は、添付の図面を参照することにより、以下の説明からよりよく理解されるものと考えられる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本説明は、特に本発明の一部を成す要素、もしくは、装置にさらに直接関与する要素についてなされている。ここに特に示されていない、もしくは記載されていない要素が、当業者にとって周知の、さまざまな形に変化可能であることは、理解されるであろう。
【００４６】
図１を参照すると、ここでは自動立体画像処理システム１０の斜視図が示されている。看者１２は、左右の視覚瞳１４ｌおよび１４ｒから仮想立体画像を見るために、所定の位置において概して着席する。看者１２の左右の目の瞳６８ｌ、および６８ｒが、対応する左右の視覚瞳１４ｌおよび１４ｒの位置と一致するときに、最適の視覚状況が得られる。左の画像生成システム７０ｌは、左のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌおよび左の線形画像源３６ｌから成り、左視覚瞳１４ｌのための画像を投射する。対応して、右の画像生成システム７０ｒは、右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｒおよび右の線形画像源３６ｒから成り、右の視覚瞳１４ｒのための画像を投射する。左の画像生成システム７０ｌは、看者１２と湾曲鏡２４の間に配置される、ビームスプリッタ１６に画像を送る。左の中間画像７６ｌは、湾曲鏡２４の焦点表層２２近傍に生成される。左の中間画像７６ｌは、仮想画像１０６として、左の瞳１４ｌに提示され、それにより画像は、看者１２にとり、湾曲鏡２４の後にあるように見える。同等に、右の画像生成システム７０ｒは、看者１２と湾曲鏡２４の間に配置される、ビームスプリッタ１６に画像を送る。右の中間画像７６ｒは、湾曲鏡２４の焦点表層２２近傍に生成される。右の中間画像７６ｒは、仮想画像１０６として、右の瞳１４ｒに提示され、それにより画像は、看者１２にとり、湾曲鏡２４の後にあるように見える。その結果、看者１２は、別々の左右の画像から成る、立体的な仮想画像を提示される。立体的な仮想画像は、湾曲鏡２４の後方、湾曲鏡２４と後部無限遠との間のどこかにあるように見える。
【００４７】
以下の説明は、主に瞳１４ｌ、１４ｒのいずれにも光を向ける、光学構成要素に注目している。瞳１４ｌ、１４ｒのそれぞれに、つまり、左右いずれの光学経路に対しても、同等の光学的コンポーネントが導入されることに留意する必要がある。明瞭さのために、以後の説明は、左右いずれの画像生成システム７０の構成要素にも適用されるものである。正確さのために必要な場合にだけ、左右の光路の識別がなされている。（この理由のために、必要でない限り、部品番号に添付の、左の「ｌ」または右の「ｒ」の指摘は、この説明から省略されている。）
図１に示すように、看者１２によって見られる、立体画像のための２つの構成要素がある点に留意する必要がある。図１に示されるように、湾曲鏡２４による結像のために、左右の光路は、システム１０で交差する。
【００４８】
図１は、解決されるべきいくつかの主要課題を、光学設計遠近法から示し、本発明によって提供される解決の概要を表すものである。最も生き生きした立体視覚を達成するために、主要設計の考慮をチェックすることは、有益である。看者１２に効果的浸入経験を提供するためには、広い視野が重要であり、以前の技術で利用可能であるのは、６０度以上である。看者１２により快適に使われるためには、視覚瞳１４ｌ，１４ｒは、十分に大きくなければならない。設計目的として、本発明のシステム１０は、直径２０ｍｍを上回る直径の視覚瞳１４を備えた、少なくとも９０度の視野を提供することを目的とする。人間の眼間分離の範囲以上の見える立体的な仮想画像を提供するために、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒは、適当な、経験的に決定された軸間距離により、利便的に切り離される。
【００４９】
あるいは、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒ間の軸間距離は、看者１２の眼間寸法に合うように、手動で調整可能、またはシステム１０によって自動的に検出調整可能である。例えば、左右の画像生成システム７０ｌ、７０ｒの構成要素は、ブームに載置可能であり、その他と適切に関連して、各画像生成システム７０ｌ／７０ｒの移動が、眼間距離差を補償することができた。ボール・レンズを用いた、左右の目の投影アセンブリを自動的に検出および調整することを記載した、共通に譲渡された特許出願第０９／８５４６９９号が参照される。この、既存のアプリケーション内で開示されるものと同じフィードバック・ループ装置およびその方法は、また、本発明の装置のために適用可能であった。
【００５０】
画像経路の単心設計
本発明の装置の光学部品の単心配置は、多くの明確な効果を、画像収差を最小化するために、そして、視野を最大にするために提供している。図２ａを参照すると、ここでは、左右の画像生成システム７０ｌ、７０ｒの双方に適用可能な、光路の主要構成要素の光学同心の関係が、光路が折り曲げられない形で、側面図で示されている。図２ｂの上面図を参照すると、ここで、鏡２４の曲率中心はＣｓであり、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒ間の中間に位置する。図２ａに示される一般の計画では、ＣまたはＣＳとラベルをつけられたセンターで、その曲率半径の中央で好ましく湾曲する線形画像源３６は、ソース・ピクセルとして、投影される画像の幅の狭いラインを、一度に一本のラインで生成する。スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、中間の画像７６を形成するために線形画像源３６からソース・ピクセルのラインを投射する。図２ａにおいて表されているように、中間画像７６は、また、センターＣにおいて、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００と同じ曲率中心を共有している。図１および図２ａを参照すると、中間画像７６は、湾曲鏡２４の焦点表層２２の近くに位置する。湾曲鏡２４の焦点Ｆｍｉｒｒｏｒは、光軸Ｏを有する焦点表層２２が交差する所に位置する。湾曲鏡２４は球状であることが好ましく、再び中心Ｃで、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００と、同じ曲率中心を共有する。
【００５１】
図２ａが、折り曲げられていない光路内の構成要素に関係した、一般的な第１近似を与えることに気づくことは有益である。図２ｂの上面図により密接に関連して、湾曲鏡２４の曲率中心の実際の位置、図２ｂのＣｓは、それぞれＣｌおよびＣｒとラベルをつけられた、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒの曲率中心の間に示される。また、看者１２のための、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒの理想的な配置が、それぞれ、湾曲鏡２４により形成され、それらの実像が、左右の視覚瞳１４ｌ、１４ｒの位置、および眼間分離と一致するようなものとなることに気づくことは有益である。
【００５２】
再び図１を参照して、中間画像７６の最適位置は、「近い」焦点表層２２と考え得る範囲内にある。好適範囲は、外部制限としての焦点表層２２自体から、内部制限としての焦点表層２２と湾曲鏡２４表層間の距離のほぼ２０％以内との間に広がっている。中間画像７６が焦点表層２２と看者１２との間に生成される場合、仮想画像１０６は焦点がずれているように見えるだろう。
【００５３】
スキャン・レンズ・アセンブリ１００は、中心Ｃにおいて、曲率中心を伴う球状となるため、光路が折り曲げられていない構成として図２ａに示されるように、最小の画像収差で、広い視野が提供可能である。本発明の設計が、１の瞳倍率に最適化されている点に留意する必要がある。しかし、本発明の範囲内で、１の瞳倍率からの若干のバリエーションが可能である。
【００５４】
図３は、図２ａにおいて表される、光路が折り曲げられた光学装置の側面図を示し、さらに、ビームスプリッタ１６の追加により、どの程度の視覚瞳１４が形成されるかを示している。ビームスプリッタ１６は、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００から投射される光を、中間画像７６を形成するように送り出す。湾曲鏡２４により生成される仮想画像１０６は、ビームスプリッタ１６により、視覚瞳１４において目視可能となる。
【００５５】
図２ａおよび図３以下において示される光路は、独立左右画像生成システム７０ｌ、７０ｒにおいて複製されることを忘れないようしなければならない。
【００５６】
画像生成システム７０の動作
スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、反射スキャナ、および投影レンズの双方として機能する。図４から図７ａを参照すると、ここにはスキャン機能および投影機能の双方が示されている。図５に示されているように、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ内の反射表層１０２は、スキャン鏡またはポリゴンなど、光学走査技術で馴染みの深いものによく似た、スキャン機能を実行する。このスキャン機能において、ラインが線形画像源３６により形成されるように、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、中間画像７６の個々の各ラインを連続投影するために、軸Ａの周りを回転する。
【００５７】
線形画像源３６は、画像生成システム７０に、画像データから発生する、１ラインのソース・ピクセルを提供する。電子結像技術で周知のように、１ラインのソース・ピクセルを生成するために、共通に使用される多くの一般的方法がある。例えば、１ラインのソース・ピクセルは、ＣＲＴの従来モデルによって、線形パターンの関連表層上の放射単一光を走査することにより、発生させることが出来る。あるいは、１ラインのソース・ピクセルは、適当なパターンにおいて照らされる、個々の光源のアレイにより発生させることが出来る。いかなる特定の装置においても、他者からのある方法を選択するのは、コスト、輝度必要条件、速度および構成要素サイジングなどの要因に基づいている。
【００５８】
本発明の好ましい実施例では、図５および図６に示されているように、個々の光源のアレイが、１ラインのソース・ピクセルを生成するために使われる。１ラインのソース・ピクセル生成の代替方式およびバリエーション、および使用に対する検討は続く断面図に記載されている。
【００５９】
図５を参照すると、線形画像源３６は、線形配列で、ソース・ピクセル１０４を提供する複数光源１１０を含む。特に図５に示されているように、線形画像源３６は、各ソース・ピクセル１０４が、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の中心Ｃから、等放射距離ｒとなるよう、湾曲しているのが好ましい。好ましい実施例において、各光源１１０は、日本の徳島に本部を置く日亜化学工業株式会社（Ｎｉｃｈｉａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製のＮＳＰ直列（ガリウム・インジウム窒化物）ＬＥＤランプなどの、高輝度ＬＥＤである。線形画像源３６は、アジレントテクノロジー（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）社製のＨＬＣＰおよびＨＬＭＰシリーズ装置などのＬＥＤ光棒から、代替製造可能であった。他の種類の線形画像源は、カナダ、オンタリオのオプトテク（Ｏｐｔｏｔｅｋ）社製装置を用いたＧａＡｓＰ（ガリウム・ヒ化物・リン化物（Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ  Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ））により、製造可能であった。線形画像源３６は、それ自体、画像をソース・ピクセル１０４のラインとして、一度に１本のラインを提供する、結像回路（図示せず）により制御され、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の回転速度に同期したシーケンスで調整される。
【００６０】
線形画像源３６が、アレイ要素として個々の光源１１０から成る場合、各々の個々の光源１１０の変調は、光出力を調整する周知の技術のいずれかを用いて実行可能である。従来の方法は、パルス幅変調および振幅変調を含んでいる。例えば、ビット指向パルス幅変調が使用可能であり、それにより、１本のラインを形成する光源１１０に送られる全体のエネルギーは、例えば、８ビットのビット深度を有するパルス幅の合計となる。振幅変調は、単純に、１本のラインを形成する光源１１０に印加される、ドライブ電流のレベルを変化させることにより作動する。振幅変調とパルス−幅変調との組合せは、代替的に、拡張させたダイナミックレンジを提供するために使用可能であった。
【００６１】
図５に示すように、線形画像源３６は、カラー画像を投射するための別々の色構成要素を有する。好ましい実施例では、線形画像源３６は、赤色線形配列１３６ｒ、緑色線形配列１３６ｇ、および青色線形配列１３６ｂとを備えている。ある意味で、カラー投影技術においてかなり公知であるが、赤・緑・青の線形アレイ１３６ｒ、１３６ｇ、１３６ｂからの光線の相対的な強度、およびそれらの重ね合せもしくは並置は、それから各ソース・ピクセル１０４として提供される光の合成色出力を決定する。
【００６２】
あとに続く説明のために、線形画像源３６の全ての色構成要素が、カラー映像のために、適切なタイミング・シーケンスで、照明可能と仮定される。単純性のために、以下の説明は、線形画像源３６をソース・ピクセル１０４の１つのラインとみなしている。
【００６３】
走査動作
図６を参照すると、スキャン動作が示され、このスキャン動作により、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００が、１ラインの画像ピクセル１０８から成る中間ライン画像５２を形成するために、その反射表層１０２からソース・ピクセル１０４のラインを投射する。図示のために、図６では、少数のソース・ピクセル１０４だけが表されている。好ましい実施例において、線形画像源３６は、少なくとも何百もの個々のソース・ピクセル１０４を含んだラインを提供し、そして、個々の各ソース・ピクセル１０４は、中間ライン画像５２の範囲内で対応する、画像ピクセル１０８に結像される。スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００が、ＲＡＸＩＳ方向に軸Ａの周りで回転するにつれ、連続した中間ライン画像５２が形成される。このような方法で、中間ライン画像５２’は、一瞬に形成され、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の予め定められた回転距離の後、次の中間のライン画像５２が形成され、以下同様となる。ボール・レンズ・アセンブリ１００の投射を走査する特徴のために、線形画像源３６のソース・ピクセル１０４は、中間ライン画像５２を形成するために逆にされる。図６で示したように、この継続動作は、Ｓ方向スキャンにより中間画像７６を形成する。
【００６４】
再び図４を参照するなら、ここでは、湾曲鏡２４の焦点表層２２の近くで中間画像７６を形成するための画像生成システム７０のスキャン動作斜視図が示されている。本発明の装置および方法により、中間画像７６の縦横比が、範囲内で可変となることに注意を向けることは有益である。図６を参照すると、線形画像源３６により生成される、ソース・ピクセル１０４のライン長は、最大利用できるライン長未満の値となることが出来る。直角方向での、ソース・ピクセル１０４のライン数は、また、利用できるラインの最大数未満であることが出来る。ソース・ピクセル１０４の数、および生成される中間ライン画像５２の数を変化させることにより、画像生成システム７０は、自動立体結像システム１０の性能特性、および看者１２の好みに合うよう、中間画像７６の縦横比を最適化させることが出来る。
【００６５】
図７ａを参照するなら、ここで示される上面図は、１つの中間ライン画像５２で、中間画像７６を一度に形成するための、ボール・レンズ・アセンブリ１００の回転を示す。言及されたように、中間画像７６は、左右双方のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒのスキャン動作により形成される。図７ｂおよび図７ｃを参照するなら、ここでは、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒが回転可能な代替方法は、各々に関して示されている。図７ｂの例では、それぞれが、最初の位置Ｉｌ、Ｉｒから、次の位置Ｊｌ、Ｊｒまで中間ライン画像５２をスイープするように、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒは、双方とも同じ方向に回転する。対照的に、図７ｃは反対方向に回転する、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒを示している。いずれの種類のパターンも、画像生成システム７０で使用可能であった。
【００６６】
図４に示されているように、モータ３２は、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００を回転させるために用いられる。好ましい実施例において、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の回転速度は、１８００回転／分である。もちろん、一連のギア、ベルトまたは機械技術において公知である、技術を伴うドライブ伝達のための他の構成要素を用いて、左右双方のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒは、単一のモーター３２を用いて駆動することが出来た。
【００６７】
スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の構成
図８を参照するなら、ここには、好ましい実施例のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の構造が、断面図で示されている。中心球面レンズ４６は、２つのメニスカス・レンズ４２、４４の間に配置されている。メニスカス・レンズ４２、４４は、屈折率を有し、他の特徴は、軸上の球面収差および色収差を最小化するものであり、いずれも光学的設計技術上公知である。絞り４８は、入射瞳を、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の範囲内に制限する。絞り４８は、物理的である必要はなく、外側のメニスカス・レンズ４２および球面レンズ４６間のインタフェースで、全反射を使用して、代替実行させることが出来る。
【００６８】
好ましい実施例において、メニスカス・レンズ４２、４４は、画像収差を減少させ、中間画像７６での画質を最適化するために選ばれる。スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、中心球面レンズ４６を囲む支持レンズのいかなる数の配置からも成ることができた点に留意されねばならない。これらの支持レンズの表面は、いかに多く使用されようとも、共通曲率中心Ｃを中心球面レンズ４６と共有する。さらに、本発明の範囲内で、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の、レンズ構成要素のために使用される屈折材料は、変更可能であった。例えば、標準光学ガラス・レンズに加え、中心球面レンズ４６は、プラスチックでもよく、本発明の範囲内の全ての、メニスカス・レンズ４２および４４については、ガラス、プラスチック、囲まれた液体、または他の適切な屈折材料で出来ている物でも可能であった。最も単純な実施例では、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、反射表層１０２を有する単純な、単一の中心球面レンズ４６でも可能であった。
【００６９】
平面反射表層１０２は、多くの異なる方法で製造可能である。好ましい実施例では、反射表層１０２は、二つの面を持ち、アルミニウム・コーティングを使用して、球面レンズ４６に使用される半球の一方の半分の上に形成される。スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、その後、概して光学セメントを用いて、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の、２つの対向する反射面を有する子午線平面上の反射表層１０２を提供するために、アセンブルされる。他のオプションとして、より高いコストで、反射改良のために、球面レンズ４６の双方の半球も、ブロードバンド・インターフェイス・コーティングが適用可能であった。
【００７０】
再び図８を参照して、機械回転のための最適な構成は、両面鏡として反射表層１０２を提供することになっている。その結果、半球状のレンズ部分１１２は各反射表層１０２の先端に配置される。
【００７１】
選択肢として、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００のレンズ構造は、単に、一方的な反射表層１０２だけについては、単一の半球状のレンズ部分１１２でも可能であった。しかし、この場合、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の部分的な回転については、他の機械技術を使用する必要がある。例えば、１つの半球状レンズ部分１１２のみを有する、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００が使用可能である。その結果、反射表層１０２は片面となる。しかし、こうした構成で３６０度回転を用いると、２のファクタでスキャナのデューティサイクルを減らすことになる。こうした場合、投影システム１０の速度を最大にするために利用可能なオプションは、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００によるスキャンに往復動作を提供する機械装置を含む。しかしながら、こうした方法はコスト、および機械的複雑さを増し、さらに、非均一スキャン速度に対する補償も必要となる。
【００７２】
スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、その３６０度回転全体にわたっては作動せず、その有用な範囲、または動作周期に対する、若干の規制を有する点に留意することは、有益である。これが制限因子となる場合、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の往復動作は、改善された動作周期を与えることが出来、加算コストおよび機械的複雑さを正当化することが可能だろう。
【００７３】
図１から図８に示される部品の配置が、投影システムに広い視野を達成する、新規な方法を提供していることが理解されるだろう。
【００７４】
湾曲鏡２４の構成のためのオプション
看者１２の眼間距離に合致させるために、湾曲鏡２４の実際の形状は、正確な球面形状からある程度まで変化するよう調整可能である。例えば、軸外での瞳収差を最小化するために、非球面形状が、湾曲鏡２４のために使用可能であった。
【００７５】
湾曲鏡２４は、伝統的な成形、研出し、そして研磨を用いて加工すると、かなり高価な構成要素となるだろう。２つ以上のより小さな鏡部分を作り、１つの大きな鏡２４をアッセンブルすることは、より実際的なものとなろう。
【００７６】
さらに、もう１つ別の実施例では、湾曲鏡２４は、その湾曲が、反射表層の後にある気密空腔において発生する、制御真空によって決定されるといった、伸展可能膜鏡（ＳＭＭ）のような、膜鏡から成ることが出来る。伸ばすことのできる膜鏡の使用は、上で参照されるマッケイ（ＭｃＫａｙ）論文において開示される。
【００７７】
湾曲鏡２４は、反復鏡、フレネル鏡、または１つ以上、または逆反射表層を用いて、代替的に具体化することが出来る。
【００７８】
図９を参照するなら、ここでは、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒが光軸２５の近くに配置され、図１から図４に示されているビームスプリッタ１６を用いずに、直接湾曲鏡２４へ投影する、代替的な実質的単心装置を示している。こうした構成のために、湾曲鏡２４は、許容可能な軸外性能を有していなければならない。なぜなら、各視覚瞳１４ｌ、１４ｒのための画像経路は、湾曲鏡２４の曲率中心Ｃｓに対して、僅かに中心を外した以上のものでなければならないからである。非球面鏡は、こうした装置のために使用可能であった。図９の配列が可能なものであるためには、球面湾曲鏡２４の焦点距離までの軸外し距離（図９のＣｓからＣｍ）の比率は、少なくなければならない。経験則として、左右のスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒの軸外し角度が、ほぼ６度以内であると仮定するならば、球面を有する湾曲鏡２４は、満足に実行可能であると判明した。
【００７９】
６度を超える軸外し角では、湾曲鏡２４には、非球形表層がより適切である。このような非球形表層のために、第１曲率中心位置Ｃｍ´は、瞳１４ｌ、１４ｒの視野間の中間に位置する。第２曲率中心位置Ｃｍは、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒそれぞれの中心の位置Ｃｉ、Ｃｒの間の中間に位置する。非球形的なこうした設計は、トロイダル型が可能であり、位置Ｃｍ、Ｃｍ´を通過する軸Ｅに対して関して単心的である。横断面において、このように製作される湾曲鏡２４は、楕円であり、位置Ｃｍ、Ｃｍ´は、楕円の焦点である。
【００８０】
図１０を参照するなら、ここでは、代替的なさらにもう一つの構成が示されており、また、図９に示されるそれと同様、ビームスプリッタ１６は存在しない。図１０において、湾曲鏡２４は、円筒状に湾曲した、反射フレネル鏡６６である。図１０に示される部品の配置は、図９に示されているように、軸Ｅに関して単心的である。反射フレネル鏡６６は、１方向だけの力を有する。反射フレネル鏡６６は、例えば、ＮＹ、ロチェスターのフレネル光学（Ｆｒｅｓｎｅｌ  Ｏｐｔｉｃｓ）によって製造されたフレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）光学的コンポーネントと同様の、可撓性基板上に作られる平面要素であってもよい。図９に示されているように、フレネル鏡６６は、軸Ｅについて一般に円筒形の形状に湾曲されることが可能であった。任意に、フレネル鏡６６は、本質的に平坦であってもよかった。フレネル鏡６６は、湾曲鏡２４のための、上述のような、類似方法の視覚瞳１４ｌ／１４上へ、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００ｌ、１００ｒの射出瞳を結像する。
【００８１】
さらにもう１つのオプションとして、湾曲鏡２４は、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の中心と一致する曲率中心を有する、本質的に球面形状の、逆反射表層を用いて交換可能であった。逆反射表層は、湾曲鏡反射により生じる、画像横断効果を導かない。しかし、この代替装置が、実像を提供し、好ましい実施例の自動立体結像システム１０によって形成される仮想画像ではないことは、強調されなければならない。
【００８２】
線形画像源３６のための任意の実施例
線形画像源３６は、上記の通り、単純モデルの好ましい実施例から、多くのバリエーションが可能である。図５および図６を参照すると分かるように、線形画像源３６は、光源１１０の線形アレイを提供し、各光源１１０は、ソース・ピクセル１０４として作用する。理想的には、光源１１０のアレイは、線形画像源３６を提供するために必要な、間隔および湾曲を有するよう構成可能である。しかし、実際問題として、理想とされたモデルに、いくらかの修正を必要とする装置限界が、あってもよい。１つの例として、光源１１０のための間隔に必要な条件は、光源１１０を単一のライン内で提供するために利用可能なスペースを上回ることが出来る。図１１は、光源１１０が、多数のライン１３０ａおよび１３０ｂ内に提供されねばならない、線形画像源３６の例を示している。ソース・ピクセル１０４は、その後１つのライン画像５２（図６）を形成するために挟まれる。スキャン・シーケンスは、連続して、１つのライン画像５２を提供する１つの調整されたタイミング・シーケンスにおいて列１３０ａ、１３０ｂを、走査技術においてよく知られている技術を用いて走査する。多くのこうしたスキャン・シーケンスは、光源１１０が１、２の、またはより多くの列１３０ａ、１３０ｂに配置された形で、使用可能であった点に留意する必要がある。
【００８３】
図１２を参照するなら、線形画像源３６はまた、例えば、小型レンズアレイ１２６において配列されるような、１つ以上のレンズ１２８から成ることが可能である。レンズ１２８は、各ソース・ピクセル１０４の輝度を最大にするのを補助することが出来る。図１２の実施例では、各光源１１０は、小型レンズアレイ１２６に対応する、レンズ１２８を有している。スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００に関して、光源１１０およびレンズ１２８の組合せは、レンズ１２８の前側表層、又はその近傍で、効果的にソース・ピクセル１０４´を形成する。１つの実施例では、レンズ１２８は本質的に球状である。
【００８４】
ＣＲＴおよびレーザー・スキャナは、反応性表層上の、単一のポイント・ソースのラスタ・スキャンにより、二次元画像を形成する。図１３に示されているように、ポイント・ソース１２０は、線形画像源３６の１つの構成要素として使用可能である。ここで、ポイント・ソース１２０は、リレー・レンズ１２２を通して走査され、１ラインのソース・ピクセル１０４を形成するために、表層１２４へと送られ、その後、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００により方向づけられることが出来る。電子ビーム走査のために、反応性表層１２４は、蛍光体スクリーンから成る。レーザー光線走査のために、反応性表層１２４は、拡散性表層、もしくは蛍光スクリーンから成ることが可能であった。図１３においてあらわされるように、反応性表層１２４は、所望の湾曲をソース・ピクセル１０４のアレイに提供するよう形づくられる。
【００８５】
反応性表層１２４全体に走査される場合、ポイント・ソース１２０は、電子ビーム、走査されたレーザー、または他の種類の見えるラインを提供することが出来る、単一位置放射でも可能であった。図１４を参照するなら、ここでは、線形画像源３６のための共振ファイバー・オプティック・スキャンを用いた、１つの代替実施例が示されている。ポイント・ソース１２０は、作動装置１４０と、振動ファイバ１３８とを備えている。作動装置１４０による、ファイバ１３８のカンチレバーで支持された振動は、１ラインのソース・ピクセル１０４を反応性表層１２４上に形成するために、リレー・レンズ１２２を通して送られた光の、スキャン位置を提供する。レーザーから入って来る光は、光ファイバーケーブル１３４により、適切な光源から発送可能であることが好ましい。
【００８６】
作動装置１４０は、ファイバ１３８に必要な共振振動を提供するのに適した、多くのタイプの作動装置のいずれでも可能であった。適切な種類の作動装置１４０の例は、圧電バイモルフまたは圧電チューブの作動装置を含んでいる；音声コイル、共振スキャナ、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械構造）作動装置、検流計、静電作動装置などの電気力学的装置を含む電磁作動装置；および、偏心カムと組み合わせられる１つ以上のモーターなどの機械式作動装置。
【００８７】
共振ファイバー・オプティック・スキャンは、会報ＳＰＩＥ第４１５８巻（２００１）ｐｐ．２９−３９で、エリック  シーベル（Ｅｒｉｃ  Ｊ．  Ｓｅｉｂｅｌ）、クイン  スミスウィック（Ｑｕｉｎｎ  Ｙ．  Ｊ．  Ｓｍｉｔｈｗｉｃｋ）、クリス  ブラウン（Ｃｈｒｉｓ  Ｍ．  Ｂｒｏｗｎ）、およびレインホール（Ｇ．  Ｒｅｉｎｈａｌｌ）による、題名「単一のファイバ内視鏡：小型、高解像度および広い視野のための一般的設計（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ：  Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  Ｓｍａｌｌ  Ｓｉｚｅ，  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，  ａｎｄ  Ｗｉｄｅ  Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  Ｖｉｅｗ）」という論文の中で説明されている。
【００８８】
スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００のための任意の実施例
図１５を参照するなら、ここでは、本発明の任意の実施例が示されており、そこにおいて、部分的に反射するビームスプリッタ表層２０２は、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の範囲内で反射表層１０２の代わりに提供される。この構造において、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリは、効果的に屈折回転ビームスプリッタとして作用する。線形画像源３６からの光は、ビームスプリッタ表層２０２から球面鏡１５０上へと反射し、中間画像７６を形成するために、ビームスプリッタ表層２０２を通って送られる。図１５は、時計回り方向に回転するスキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００を伴う、１本の可能な走査経路を示し、中間画像７６のラインの跡を、初期位置Ｉから次の位置Ｊへと辿っている。この構成では、湾曲した線形画像源３６は、球面鏡１５０の表層と結合している。球面鏡１５０は、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００の中心Ｃと一致する曲率中心に対して、実質的に球状表層を提供可能である。
【００８９】
図１５に示される、光学部品の代わりの配置は、更なる、実際的な設計上の有利な条件を提供する。線形画像源３６および球面鏡１５０の接合表層間の拡大により、線形画像源３６は、他の実施例において可能状態より大きくなることが可能となり、サイズ制約を軽減し、線形画像源３６のコストを下げることになる。
【００９０】
本発明の好ましい実施例では、９０度の範囲を上回り、２０ｍｍ近くの大きさの視覚瞳１４を備えた、例外的に広い視野と、必要とされる輝度による立体結像を提供する。さらに、スキャン・ボール・レンズ・アセンブリ１００は、優れた軸外性能を提供し、おそらく最高１８０度の、より広い視野を可能にする。これは、ヘッドセット、ゴーグルまたは他の装置の着用を必要とせずに、強化された視覚経験を看者１２に提供する。
【００９１】
このように、提供される内容は、走査された線形画像源を用いた、自動立体ディスプレイのための単心光学装置であり、非常に広い視野および大きな視覚瞳を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の自動立体画像処理システム装置の、キー構成要素を示す斜視図である。
【図２ａ】  光路が光学的に折り曲げられていない図において投影光学部品の、実質的同心関係を示す、側面概略図および上面概略図である。
【図２ｂ】  光路が光学的に折り曲げられていない図において投影光学部品の、実質的同心関係を示す、側面概略図および上面概略図である。
【図３】  システムによって使われる、投影光学部品の同心関係を示す概略図であり、光学的に折られた図となっている。
【図４】  １つの左または右の画像、すなわち線形画像源とスキャン・ボール・レンズ・アセンブリの共同作業から得られるスキャン動作の斜視図である。
【図５】  湾曲した線形画像源、およびスキャン・ボール・レンズ・アセンブリの関係を示す側面図である。
【図６】中間画像を生成するための、ピクセル連続ラインが走査される方法を示す、詳細が誇張された斜視図である。
【図７ａ】  湾曲した線形画像源とスキャン・ボール・レンズ・アセンブリの関係を示し、さらに中間画像を生成するためのこれらの構成要素の相互作用を示す上面図である。
【図７ｂ】  湾曲した線形画像源とスキャン・ボール・レンズ・アセンブリの関係を示し、さらに中間画像を生成するためのこれらの構成要素の相互作用を示す上面図である。
【図７ｃ】  湾曲した線形画像源とスキャン・ボール・レンズ・アセンブリの関係を示し、さらに中間画像を生成するためのこれらの構成要素の相互作用を示す上面図である。
【図８】  スキャン・ボール・レンズ・アセンブリの構成を示す横断面図である。
【図９】  湾曲鏡および本質的に軸傍光学部品を用いた、自動立体画像処理システムのための代替実施例での、本発明装置の主要構成要素を示す斜視図である。
【図１０】  フレネル鏡および本質的に軸傍光学部品を用いた、自動立体画像処理システムのための他の代替実施例での、本発明装置の主要構成要素を示す斜視図である。
【図１１】  本発明の一実施例に従う光源の斜視概略図である。
【図１２】  本発明の他の実施例での、光源およびレンズの線形アレイである。
【図１３】  本発明のスキャン電子ビーム光源の概略図である。
【図１４】  光源のための共振ファイバー・オプティック・スキャンを用いた、本発明の他の実施例の概略図である。
【図１５】  ビームスプリッタ表層を用いた、スキャン・ボール・アセンブリの代替実施例の概略図である。
【符号の説明】
１０  自動立体画像処理システム、  １２  看者、  １４ｌ  左の視覚瞳、  １４ｒ  右の視覚瞳、  １６  ビームスプリッタ、  ２２  焦点表層、  ２４  湾面鏡、  ７０  画像生成システム。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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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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