(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
看者の左瞳で目視する左画像、および看者の右瞳で目視する右画像からなる立体仮想画像を表示するための、単心的な自動立体光学装置であって、前記自動立体光学装置は、
（ａ）  左画像生成システム、および右画像生成システムであって、前記左右の画像生成システムの各々は、画像ピクセルのアレイから成る第１中間曲面画像を形成し、前記左右の各画像生成システムは、それぞれ、
（ａ１）  スキャン・パターンに従って配列された一連の画像ピクセルとして、変調された光を発するための光源と、
（ａ２）  前記光源に結合した入力端、および変調された光を発する可撓性出力端を有する光導波路と、
（ａ３）  前記スキャン・パターンに従って前記光導波路の、前記可撓性出力端を偏向させるアクチュエータと、
（ａ４）  前記スキャン・パターンに従って前記アクチュエータで偏向されるように、前記光導波路の前記出力端から発される前記変調光を受信することにより、前記第１中間曲面画像をその上に形成するための曲面と、
（ａ５）  前記スキャン・パターンに従って、前記光導波路の前記可撓性出力端から発される変調光を、前記曲面上へリレーし、それによって前記第１中間曲面画像を形成するための光学リレー要素と、
を含む、左画像生成システム及び右画像生成システムと、
（ｂ）  前記左画像生成システムから第２中間曲面画像を形成するために、前記左画像生成システムから前記第１中間曲面画像を投射するための、左ボール・レンズ瞳孔を有する左ボールレンズアセンブリと、
（ｃ）  右画像生成システムから前記第２中間曲面画像を形成するために、前記右画像生成システムから前記第１中間曲面画像を投射するための、右ボール・レンズ瞳孔を有する右ボールレンズアセンブリと、
（ｄ）  前記看者の前記左瞳に前記左ボール・レンズ瞳孔の実像を形成し、前記看者の前記右瞳に前記右ボール・レンズ瞳孔の実像を形成するために配置した湾曲鏡と、
を備え、
前記湾曲鏡は、前記左画像生成システムからの前記第２中間曲面画像、および、前記右画像生成システムからの前記第２中間曲面画像から、前記仮想立体画像を形成し、
前記湾曲鏡は、前記左右のボールレンズアセンブリの各曲率中心の中間に前記湾曲鏡の曲率中心が光学的に位置するように配置された、自動立体光学装置。
【請求項２】
前記光源がレーザーである、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項３】
前記光源が白色光を出力する、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項４】
前記スキャン・パターンが直線である、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項５】
前記スキャン・パターンが螺旋形である、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項６】
前記スキャン・パターンが放射状である、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項７】
前記スキャン・パターンが同心円から成る、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項８】
前記光導波路が光ファイバから成る、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項９】
前記アクチュエータが圧電性である、請求項１に記載の自動立体光学装置。
【請求項１０】
前記アクチュエータは、電磁アクチュエータである、請求項１に記載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出口瞳孔を提供するために、光学部品の単心配置を有する、画像形成用共振光ファイバ部材を用いた、左右の目の画像を生成する装置および方法に関連する。
【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（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）」システムを含み、非常に広い視野を有する三次元画像で看者を視覚的に囲むことにより、看者に現実的な視覚経験を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、例えば、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。しかし、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。キンツ（Ｋｉｎｔｚ）の設計は、広い視野を有する実際的な自動立体的システムに、１つの解決法を提供するものの、この設計は相当な欠点を有している。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ことである。こうした方法では、回転表層上の構成要素との接触による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、看者に若干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】
看者の眼球上へ１対のプロジェクタの出口瞳孔を結像させて作動する、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、瞳孔結像は、大きなレンズまたは鏡を用いて実行可能である。看者は、結像瞳孔と眼球が一致する限り、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出来る。
【０００５】
瞳孔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出口瞳孔を有する、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出来る。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。完全に満足し得る三次元視覚のためには、こうしたシステムは、左右の眼球に、別々の高解像度画像を提供しなければならない。こうしたシステムが、実際の床面積も容積もほとんど占めないにもかかわらず、視野の深さ並びに幅に対して錯覚を引き起こすという小型化設計であれば、最も有利となることもまた、直ちに認識されることである。最も臨場感ある視覚経験を与えるには、看者に、遠く離れているように見えるように配置された、仮想画像を提供しなければならない。
【０００６】
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、看者の眼球のレンズが、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得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。
【０００７】
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、各眼球用の別々のプロジェクタから発生し、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って生成される、明瞭な三次元視覚の効果を経験する。
【０００８】
立体結像の従来の解決の、若干の方法について上述したが、改良の余地は残っている。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。こうしたシステムの実施例として１つだけ挙げると、デンティンガー（Ｄｅｎｔｉｎｇｅｒ）他によると特許文献２では、三次元効果を出すために、各眼球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。
【０００９】
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。こうした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のない、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。この種の解決法が、特許文献４（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）他）で開示される限られたシミュレーション環境で許容され、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））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、所望の瞳孔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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、１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い。しかし、特許文献４（ウォーカー（Ｗａｌｋｅｒ）他）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、小さな出口瞳孔を提供するにもかかわらず、この瞳孔が、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。
【００１２】
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（デンビス（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。
【００１３】
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、および他の画像異常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。
【００１４】
光学的遠近法から、瞳孔結像を用いる自動立体的な設計が有利であることが分る。瞳孔結像のために設計されたシステムは、左右の瞳孔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孔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、高輝度および高コントラストを伴った、リアルな結像のための、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から生じる物理的制約、および、各眼球に向けられる別画像が有効に間隔を置かれ、目視のために正しく分離されるよう、眼間分離を踏まえた大きさの制約も考慮されねばならない。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、より大きな瞳孔直径を達成する能力を制限する点に注意することは、有益である。
【００１５】
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結像システムの、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、多くの画像異常タイプを最小化し、概念的に直接的であり、さらに、高解像度光反射式結像システムに於ける、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））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、歪曲および光学異常を最小化するための単心設計の効果は認知可能であるが、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ち、広い視野と大きな出口瞳孔を必要とする浸入システムを実現することは困難であると言える。さらに、完全な単心設計は、左右の瞳孔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。
【００１６】
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、瞳孔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、角視野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度の角視野が可能である。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の瞳孔を提供するだけである。より大きな瞳孔サイズのために、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１対のレンズ瞳孔を達成し、困難な製造課題を引き起こしている。眼間距離の限界は、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孔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度を十分に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出口瞳孔を提供する。
【００１７】
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（ジェウエル（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、最小の軸外し異常、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・レンズの出力での光検出器は、湾曲した焦点面に沿って配置される。
【００１８】
広角結像用の球状またはボール・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結像システムとなる。
【００１９】
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、パイロット用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。
【００２０】
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。
【００２１】
上述の、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には、解決しなければならない多くの課題がある。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。
【００２２】
広い視野を提供するいかなる種類の光学投影でも、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。いかなる結像システムも、ラグランジュ不変量に適合し、それによって、瞳孔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、比較的小さな口径数を通して操作可能な、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配列を使用する場合、これは限界となり得る。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孔サイズ（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、ラグランジュ値は本質的に大きな値となる。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が、ラグランジュ値のこうした不適当な組合せにより、余盛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。
【００２３】
出願中の米国特許出願第０９／７３８，７４７号および米国特許出願第０９／８５４，６９９号は、ボール・レンズを用いた広い視野投影の自動立体結像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双方で、各眼球用の投射ボール・レンズに設けられる。ソース画像は、完全な二次元画像として発表され、表層に提示される。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。
【００２４】
高輝度画像源が広視野の自動立体結像のために最も有利であることは、光学技術の当業者により認知され得るものである。しかし、ＬＣＤまたはＤＭＤベースのシステムは、従来の自動立体システムに適切な輝度レベルを達成するために、複合的で高価な、強力な照明装置を必要とする。他方、ＣＲＴおよびＯＬＥＤ技術は、広視野の自動立体結像に高輝度を提供するような解決法を提示していない。このように、自動立体結像装置に十分に適合した、単純で低コストの高輝度画像源の必要性が認識されている。
【００２５】
例えば、共振ファイバ光学スキャンは、内視鏡器材などの診断器具数として提案されている。非特許文献５は、２次元のスキャン・アプリケーションの振動する、可撓性光ファイバの使用を記載しており、そこでは、入力検知機能にスキャンが使われている。共振周波数で動かされる場合、光ファイバ要素は、周期的な形で所与の規則的パターンをたどるよう、領域全体を可制御的にスキャン可能である。この能力を用いて、特許文献１５（シーベル（Ｓｅｉｂｅｌ）他）は、画像獲得システムのスキャン構成要素としての、可撓性光ファイバの被制御屈折の方法を開示している。
【００２６】
その一方で、上記の論文において言及されたように、また、特許文献１５に述べられているように、共振ファイバスキャンは、この技術を画像投影装置などの画像形成に用いる場合、利点がある。
【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６，２９４，７７５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  ＶｉｒｔｕａｌＤｉｓｐｌａｙｓ）」。
【非特許文献２】
論文、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ヴァーチャル・リアリティ・システム（Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  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  ｂａｓｅｄａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ  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（ｗａｒｒｅｎ  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。
【非特許文献５】
エリック  Ｊ．シーベル（Ｅｒｉｃ  Ｊ．Ｓｅｉｂｅｌ）、クインＹ．Ｊ．スミスウィック（Ｑｕｉｎｎ  Ｙ．Ｊ．Ｓｍｉｔｈｗｉｃｋ）、クリス  Ｍ．ブラウン（Ｃｈｒｉｓ  Ｍ．Ｂｒｏｗｎ）、およびパー  Ｇ．レインホール（Ｐｅｒ  Ｇ．Ｒｅｉｎｈａｌｌ）による論文、「単一ファイバ内視鏡：小型、高解像度および広視野のための一般設計（Ｓｉｎｇｌｅ  ｆｉｂｅｒ  ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ：ｇｅｎｅｒａｌ  ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  ｓｍａｌｌ  ｓｉｚｅ，ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄ  ｗｉｄｅ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ）」、ＳＰＩＥ会報、（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ）、第４１５８巻（２００１年）２９−３９頁。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、立体結像のための必要条件のいくつかを満たす、若干の従来からのアプローチがある一方で、電子的に生成された画像の知覚のための、改良された自動立体結像の解決の必要性がある。ここでの解決とは、構造的に単純な装置を提供し、異常および画像歪曲を最小化して、広い視野、大きな瞳孔サイズ、高輝度、および低下されたコストのための、所望の必要条件を満たすことである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、看者の左瞳で目視する左視覚画像、および看者の右瞳で目視する右視覚画像からなる立体仮想画像を表示するための、実質的に単心的な自動立体光学装置を提供することであり、この装置は、以下を含む：
（ａ）  左画像生成システム、および、同様に構成された右画像生成システム、ここでは、左右の画像生成システムの各々は、画像ピクセルのアレイから成る第１中間曲面画像を形成し、各画像生成システムは以下を含む：
（ａ１）  スキャン・パターンに従って配列された一連の画像ピクセルとして、変調された光を発するための光源；
（ａ２）  光源に結合した入力端、および屈折用可撓性出力端、変調された光を発する出力端を有する光導波路；
（ａ３）  スキャン・パターンに従って光導波路の、前記可撓性出力端を偏向させるアクチュエータ；
（ａ４）  スキャン・パターンに従ってアクチュエータで偏向されるにつれて、光導波路の出力端から発される変調光を受信することにより、第１中間曲面画像をその上に形成するための曲面；
（ａ５）  それにより第１中間湾曲画像を形成するスキャン・パターンに従って、光導波路の可撓性出力端から発される変調光を、曲面上へリレーするための光リレー要素；
（ｂ）  左画像生成システムから第２中間湾曲画像を形成するために、左画像生成システムから第１中間湾曲画像を投射するための、左ボールレンズ瞳孔を有する左ボールレンズアセンブリ；
（ｃ）  右画像生成システムから第２中間湾曲画像を形成するために、右画像生成システムから第１中間湾曲画像を投射するための、右ボールレンズ瞳孔を有する右ボールレンズアセンブリ；
（ｄ）  左視覚瞳孔に左ボールレンズ瞳孔の実像を形成し、右視覚瞳孔に右ボール・レンズ瞳孔の実像を形成するために配置した湾曲鏡；および、
左画像生成システムからの第２中間湾曲画像、および、右画像生成システムからの第２中間湾曲画像から、仮想立体画像を形成する湾曲鏡。
【００３０】
【作用】
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、歪曲を最小化して、大きな出口瞳孔を持つ広い視野を提供することである。
【００３１】
本発明のさらなる特徴は、スキャンされた中間画像を提供するための共振ファイバー光学画像源の使用である。
【００３２】
本発明のさらなる特徴は、必要とされる光学コンポーネントの数を最小化する構成、ビームスプリッターの必要を除去する構成さえ含んだ、多数の構成を可能にするという点である。
【００３３】
【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、より安価なスキャンされた共振ファイバー光学源を用いることである。
【００３４】
本発明のさらなる効果は、投影用中間画像の生成に、安価な、明るい光源が使用出来ることである。
【００３５】
本発明のさらなる効果は、小規模フットプリントを有する表示システムに搭載可能なように、光学部品をコンパクトに配置させることである。
【００３６】
本発明のさらなる効果は、非常に広い視野を伴った、高輝度および高コントラストの、高解像度立体電子結像を実現させることである。本発明は、非常に光効率的で、投影のための高輝度レベルを提供可能なシステムを提供する。
【００３７】
本発明のさらなる効果は、従来の投影レンズ・システムのコストと比較して、安価な広視野立体投影の解決法を提供することである。
【００３８】
本発明のさらなる効果は、看者に、ゴーグルその他の装置を着用させることなく、立体視覚を提供することである。
【００３９】
本発明のさらなる効果は、ディスプレイに対する、看者の非臨界配置に、充分な大きさの出口瞳孔を提供することである。
【００４０】
本発明のこれらの、および他の目的、特徴および効果は、本発明の実施例の記載および図示を、図面を参照しながら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。
【００４１】
本願明細書は、特に本発明の主題を指摘し、明確に請求する請求項で完結するものであるが、さらに本発明は、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：
【００４２】
【発明の実施の形態】
本説明は、特に本発明の装置の一部を成す要素、もしくは、装置とより直接に協働する要素に向けられている。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、さまざまな形を取り得ることは、理解されるべきである。
【００４３】
図１を参照すると、自動立体結像システム１０の斜視図が示されている。看者１２は、概して、左右の視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒから仮想立体画像を知覚する位置に着席している。看者１２の左右の眼球瞳孔６８ｌ（図１の図では見えない）、６８ｒが、対応する左右の視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒの位置と一致する場合に、最適の視覚状況が得られる。
【００４４】
左の画像生成システム７０ｌおよび右側の画像生成システム７０ｒは、立体的目視のために仮想画像１０６を提供するために共同で作動する。左右の画像生成システム７０ｌ、７０ｒの両者は、同様に作動し、自動立体結像システム１０の他の要素と相互に作用する；単純性のために、図１では、左光路が表示および指示されている。左の画像生成システム７０ｌは、左曲面表層４０ｌに、左ボールレンズアセンブリ３０ｌ用の第１左中間湾曲画像７５ｌを生成する。左ボールレンズアセンブリ３０ｌは、第１左中間湾曲画像７５ｌを投射し、それは、湾曲鏡２４の正面焦点表層２２付近で、第２左中間湾曲画像７６ｌを形成するためにビームスプリッター１６から反射される。同様の方法で、第２右中間湾曲画像７６ｒは、右ボール・レンズ３０ｒにより投射される第１右中間湾曲画像７５ｒを、右曲面表層４０ｒ上に形成することにより生成される。湾曲鏡２４は、第２左中間湾曲画像７６ｌ、および、同様に第２右中間湾曲画像７６ｒから、左右の視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒで看者１２に提示される仮想画像１０６を形成するために、ビームスプリッター１６と協働する。看者１２にとって仮想画像１０６は、湾曲鏡２４の後方、湾曲鏡２４の近くと無限後方との間のどこかにあるように見える。
【００４５】
以下の説明は、主に瞳孔１４ｌ、１４ｒの何れか一方に光を送る、光学構成要素に注目している。すぐ上に述べたように、左画像生成システム７０ｌおよび右画像生成システム７０ｒ、および、左右の光路の両者に対しても、同等の光学要素が導入されていることを強調する必要がある。明瞭さのために、以後の説明は、左右の光路における構成要素双方に、等しく適用される。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。）
【００４６】
図１に示すように、看者１２によって知覚される立体画像用の、２つの構成要素がある点に留意する必要がある。単純さのために、図１には、左視覚瞳孔１４ｌを生成するための光路のみを点線で示している。湾曲鏡２４による画像化のために、左右の視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒの投影経路は、自動立体画像処理システム内１０で交差する。正面焦点表層２２は、湾曲鏡２４の曲率中心Ｃｓ付近の光学的中心に置かれる。焦点Ｆは、投影経路が交差する所での焦点表層２２上の位置である。
【００４７】
図１は、解決されるべき若干の主要課題を、光学設計透視図から描いて、本発明により提供される解決法の概要を示している。最も生き生きした立体視覚を実現するために、主要設計の考え方を確認することは、有益である。看者１２に対し、効果的浸入体験を提供するには、広い視野が重要であり、従来技術では６０度を越すものが利用可能である。看者１２により快適に使用されるためには、瞳孔視覚１４ｌ、１４ｒは、十分に大きくなければならない。設計目的として、本発明の自動立体結像システム１０は、直径２０ｍｍを上回る視覚瞳孔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。人体の眼間分離範囲にわたって視覚可能な立体仮想画像を提供するために、ボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒは、経験的に決定された適切な軸間距離で、効果的に分離される。
【００４８】
あるいは、スキャン・ボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒ間の軸間距離は、看者１２の眼間寸法に適合するように、手動で調整可能、または自動立体結像システム１０により自動的に検出、および調整可能である。例えば、左右の画像生成システム７０ｌ、７０ｒ、および対応する左右のボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒの構成要素は、ブームに載置可能であり、眼間距離差を補償するために、各画像生成システム７０ｌ／７０ｒの互いに対応する移動が可能であった。ボールレンズを用いた、左右の眼球の投影アセンブリの自動検出および調整を記載した、共通に譲渡された出願中の米国特許出願番号第０９／８５４，６９９号が参照される。この、先の出願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、本発明の対応する装置のために適用可能であった。
【００４９】
画像経路の単心設計
本発明の装置の光学部品の実質的単心配置は、画像歪曲を最小化するために、そして、視野を最大にするために、多くの明確な効果を提供している。図２を参照すると、ここでは折り込み形式で、左右画像経路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、側面図に示されている。鏡２４の曲率中心はＣｓであり、左右のボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒ間の中間に光学的に位置している。図２に示される一般設計では、曲面４０は、その曲率半径の中心が、ボールレンズアセンブリ３０の中心ＣｌまたはＣｒと同一となるよう、湾曲していることが好ましい。この同心装置は、ビームスプリッター１６と協働して、ボールレンズアセンブリ３０が第２中間湾曲画像７６を形成するのを可能にするが、光学上それはボールレンズアセンブリ３０と同一の曲率中心ＣｌまたはＣｒを共有することになる。湾曲鏡２４の焦点Ｆｍｉｒｒｏｒは、焦点表層２２と光軸Ｏとの交点に位置する。湾曲鏡２４は、再び中心ＣｌまたはＣｒで、スキャン・ボールレンズアセンブリと同一の曲率中心を共有する、球状であることが好ましい。
【００５０】
図２が、折り込み光路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２でＣｓと附番された、湾曲鏡２４の曲率中心の実際の位置は、図２の側面図では分離しているように見えないが、それぞれＣｌおよびＣｒと附番された、左右のスキャン・ボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒの曲率中心の間にある。分離した左右スキャン・ボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒが存在し、対応して、看者１２の人体の左右の眼球瞳孔６８ｌ、６８ｒに眼間距離が存在するため、幾何学上完全な、光学構成要素の単心性は実現できない。近似的なものとして、実質的な単心性が、図２の中心Ｃｓに関連して実現される。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３０ｌ、３０ｒの理想的な配置が、それぞれ、湾曲鏡２４により形成されるそれらの実像が、左右視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒの位置および眼間分離と、一致することに留意するのは有益である。
【００５１】
再び図１を参照して、第２中間画像７６の最適位置は、焦点表層２２「付近」と考え得る範囲内にある。好適範囲は、外部限界としての焦点表層２２自体から、焦点表層２２と湾曲鏡２４の表層との間の距離のほぼ２０％以内である内部限界までである。第２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。
【００５２】
ボールレンズアセンブリ３０は、中心Ｃに曲率中心を持つ球状であるため、図２に示される折り込み構成として、最小画像歪曲での、広い視野が提供可能である。本発明の設計が、単一瞳孔拡大に最適化されている点に留意する必要がある；しかし、単一瞳孔拡大からの若干の変更も可能であり、本発明の範囲内である。
【００５３】
ボールレンズアセンブリ３０の動作
ボールレンズアセンブリ３０ｌ／３０ｒは、関連する左または右の光学システムの投影レンズとして機能する。図３を参照すると、各ボールレンズアセンブリ３０に提供された、同心構成が示されている。中心球面レンズ４６は、メニスカス・レンズ４２、４４の間に配置され、メニスカス・レンズ４２、４４は、屈折インデックスを有し、さらに他の特徴として、光学的設計技術上周知のように、軸上球状および色彩歪曲を最小化するものである。絞り４８は、入口瞳孔を、ボールレンズアセンブリ３０の範囲内に制限する。絞り４８は、物理的である必要はなく、全反射のような光学効果を用いて、代わりにインプリメントさせることが出来る。光路に関連して、絞り４８は、ボールレンズアセンブリ３０に対する出口瞳孔を定めるのに役立つ。
【００５４】
好ましい実施例では、メニスカス・レンズ４２、４４は、画像歪曲を減少させ、湾曲鏡２４へ投射される画像の画質を最適化するために選ばれる。ボールレンズアセンブリ３０は、中心球面レンズ４６を囲んで配置した、いかなる数の支持レンズからも構成可能であっ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、共通の曲率中心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、ボールレンズアセンブリ３０の、レンズ構成要素に使用される屈折材料は、変更可能であった。例えば、中心球面レンズ４６は、標準ガラス・レンズに加え、プラスチック、油、その他液体物質、アプリケーションの必要条件の元に選択された、他のいかなる屈折材料からなってもよい。ボールレンズアセンブリ３０内のメニスカス・レンズ４２、４４、および他のいかなる追加的な支持レンズも、全て本発明の範囲内である、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てもよい。最も単純な実施例では、ボールレンズアセンブリ３０は、追加的な支持屈折の構成要素を持たない、単一の中心球面レンズ４６からなってもよい。
【００５５】
画像生成システム７０
図４を参照すると、画像生成システム７０の構成要素の配置が、更に詳細に示されている。デジタル画像源からの画像データは、光源１４３変調用論理制御および駆動電子機器を含む、光源ドライバ１４ｌへ入力される。光源１４３は、第１中間湾曲画像７５の形成に用いる、変調光信号を出力する。光源１４３は、光導波路として使われる、光ファイバ１３８に結合される。光学技術では周知の、光ファイバへの光源の結合の技術は、例えば、端‐結合およびレンズ結合を含む。好ましい実施例では、光源１４３は、直接変調可能なレーザーである。
【００５６】
光源１４３および光ファイバ１３８は、第１中間湾曲画像７５を形成するために共振ファイバ・スキャナ１３７およびリレーレンズアセンブリ１２２と協働する。個々のピクセル１０４から成る第１中間湾曲画像７５は、ボールレンズアセンブリ３０により、投影用曲面４０上に形成される。
【００５７】
共振ファイバ・スキャナ１３７は、共振カンチレバー部１３９として作用する、光ファイバ１３８の端‐部分と、共振カンチレバー部１３９の運動を駆動するアクチュエータ１４０とを含んでいる。アクチュエータ１４０自体は、光源１４３に制御信号を提供する光源ドライバ１４ｌと同期する、ドライブ信号により制御される。
【００５８】
リレーレンズアセンブリ１２２は、光源１４３および共振ファイバ・スキャナ１３７の相互作用により生成された、対応するスキャナ・ピクセル１０４’から、第１中間湾曲画像７５の各画像ピクセル１０４を形成する、光学リレー要素として作用する。この機能の一部として、リレーレンズアセンブリ１２２は、曲面４０上の第１中間湾曲画像７５に、必要とされる視野曲率を提供しなければならない。図４の概略図に示されているように、リレーレンズアセンブリ１２２は、画像を、共振カンチレバー部１３９の動作により形成される第一曲率から、曲面４０により形成される第２曲率へリレーするために必要とされてもよい。このように、リレーレンズアセンブリ１２２は、この目的のために最適に構成される、いかなる数のレンズからも構成可能である。他の選択肢として、リレーレンズアセンブリ１２２は、例えばマサチューセッツ州、チャールトンのインコム（Ｉｎｃｏｍ）社製造のもののようにファイバ光学面板、もしくは共振カンチレバー部１３９の出力端とクローズカップルド（ｃｌｏｓｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ）した、ファイバ光学ビレットなどを含んでいてもよい。
【００５９】
図４に示されているように、共振カンチレバー部１３９の出力端は、画像ピクセル１０４の二次元画像アレイ内の各画像ピクセル１０４を提供するために、時間配列の形で変調された点光源として作用する、単一スキャナ・ピクセル１０４’を、一度に送り出す。共振ファイバ・スキャナ１３７は、上で参照した、エリックＪ．シーベル（Ｅｒｉｃ  Ｊ．Ｓｅｉｂｅｌ）、クイン  Ｙ．Ｊ．スミスウィック（Ｑｕｉｎｎ  Ｙ．Ｊ．Ｓｍｉｔｈｗｉｃｋ）、クリス  Ｍ．ブラウン（Ｃｈｒｉｓ  Ｍ．Ｂｒｏｗｎ）、およびＧ．ラインホール（Ｇ．Ｒｅｉｎｈａｌｌ）による、「単一ファイバ内視鏡：小型、高解像度および広い視野のための一般設計（Ｓｉｎｇｌｅ  ｆｉｂｅｒ  ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ：ｇｅｎｅｒａｌ  ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  ｓｍａｌｌ  ｓｉｚｅ，ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄ  ｗｉｄｅ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ）」と題された論文、ＳＰＩＥ会報、第４１５８巻（２００１）、２９−３９頁、で開示されているように作動する。
【００６０】
アクチュエータ１４０は、共振カンチレバー部１３９に対し、必要な共振振動を提供するのに適した、多くのアクチュエータのいずれでもよい。適切な種類のアクチュエータ１４０の例は、圧電バイモルフもしくは圧電チューブアクチュエータを含んでいる；例えば、マサチューセッツ州、ホプキントンのバルペイフィッシャー（ＶａｌｐｅｙＦｉｓｈｅｒ）社から入手可能な圧電セラミック・チューブなど。他の適切なアクチュエータは、例えば、以下のものでもよい。ボイスコイル、共振スキャナ、マイクロ−エレクトロ−メカニカル−ストラクチャー（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、検流計、静電アクチュエータなどの電気力学的な装置を含む、電磁アクチュエータ；および、例えば、偏心カムと組み合わせた１つ以上のモーターなどの機械式アクチュエータ。
【００６１】
アクチュエータ１４０が、共振カンチレバー部１３９の出力端に与えるスキャン・パターンは、多くの方法で、画像ピクセル１０４の完全な二次元アレイをたどることが出来る。最も簡単なスキャン・パターンは、例えば、従来のＣＲＴ電子ビーム・スキャンに用いられる、直線スキャン・パターンである。しかし、他のパターンも可能である。例えば、画像生成システム７０の目的が、湾曲画像の提供であるから、螺旋形状、または同心円から成るスキャン・パターンが効果的かも知れない。上に引用した論文に書かれているプロペラ・スキャンなど、他のスキャンは、なんらかの結像条件に対して有利かもしれない。用いられたスキャン・パターンが、スキャナ・ピクセル１０４’のシーケンスを決定するものとなることが重要である。
【００６２】
好ましい実施例では、曲面４０は、ボールレンズアセンブリ３０の曲率中心Ｃと一致する曲率中心を有する、拡散湾曲表層である。再び図４に示されるように、ボールレンズアセンブリ３０は、第２中間湾曲画像７６を形成するために、第１中間湾曲画像７５を投射する。
【００６３】
曲面４０およびボールレンズアセンブリ３０の単心配置は、曲面４０上に形成される、第１左／右中間湾曲画像７５ｌ／７５ｒの投射のための視野歪曲、および軸上歪曲を最小化する。図３に戻って参照すると、曲面４０は、ボールレンズアセンブリ３０によって受け取られる、無数の分散点光源５０の光の集合と考えることが出来る。湾曲拡散表層４０上に第１中間湾曲画像７５を提供することにより、出口瞳孔サイズ、および視野角に対するラグランジュ不変量の制約は、事実上克服される。図１に示される構成要素に関して、曲面４０は、画像生成システム７０の特性である低ラグランジュ不変量を、ボールレンズアセンブリ３０、ビームスプリッター１６および湾曲鏡２４を含む、立体的な投影構成要素の、より高いラグランジュ不変量に適合させるインタフェースとして作用する。ラグランジュ不変量の制約を克服することにより、曲面４０の使用は、こうしてボールレンズアセンブリ３０による、画像の広角度投影を可能にする。
【００６４】
曲面４０の機能は、ボールレンズアセンブリ３０による広画像角投影のために、出来るだけ高輝度で、リレーレンズアセンブリ１２２からリレーされた光を拡散することである。看者１２が投射画像を最終的に知覚し得るには、各点光源５０が効果的にボールレンズアセンブリ３０の絞り４８を満たすことが重要である。これが達成された場合、眼球を視覚瞳孔１４ｌ／１４ｒに位置させた看者１２は、視覚瞳孔１４ｌ／１４ｒの範囲内のいかなる位置からも、全投射された画像を見ることが出来る。
【００６５】
好ましい実施例では、曲面４０は、レンズに施されるようなコーティングを施された、表層から成る。曲面４０用の、適切な拡散性コーティング並びに処置は、光学技術の当業者にとり既知である。あるいは、曲面４０は、研削され、エッチングされ、もしくは、必要な拡散特性を提供するための、光学技術において既知の、なんらかの他の方法で処置されることが可能であった。
【００６６】
代わりの実施例では、拡散曲面４０は、マサチューセッツ州チャールトンのインコム（Ｉｎｃｏｍ）社製などの、光ファイバ面板を用いてインプリメント可能であった。概してフラットパネル表示アプリケーションで使われる、光ファイバ面版は、画像をある表層から他の表層に移動させる。曲面４０の一部として、光ファイバ面板は、例えば、リレーレンズアセンブリ１２２によりリレーされる画像を、任意の視野曲率からボールレンズアセンブリ３０と同心の視野曲率まで移すための、二重凹形形状を有することが出来た。こうした光ファイバ面板の出力凹面は、曲面４０として作用し、拡散表層の性能を強化するための、光学技術の当業者によく親しまれている多くの技術を用いて処理可能であった。例えば、表層処置は、様々な研削バフィング、エッチング、または、拡散性の表層をもたらす他の技術、もしくは、例えば、ホログラフィック格子を用いて達成可能であった。拡散コーティングは、曲面４０の出力凹部分に、代替的に適用可能であった。
【００６７】
本発明の装置および方法により、縦横比または第１中間湾曲画像７５の対応する大きさの規模が、共振ファイバ・スキャナ１３７のスキャン・パターンを操作することにより、または結像ビームに対するデータ・タイミングを制御することにより、もしくはスキャン・パターンおよびタイミング調整の何らかのコンビネーションを用いることにより、ある範囲内で変更し得る点に留意することは有益である。
【００６８】
湾曲鏡２４構成のためのオプション
最も一般的な用語では、湾曲鏡２４は、自動立体画像形成のための反射手段として作用する、ある種の反射表層である。図１および図２を参照して上述した好ましい実施例では、左右のボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒの実質的光学的中間に曲率中心を有する湾曲鏡２４として、本質的に球面鏡を用いている。この球面構成を用いて、湾曲鏡２４は、対応する左右の視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒに、もしくはその非常に近い位置に、左右のボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒの実像を形成する。しかし、他の湾曲鏡２４構成であっても、それが対応する左右の視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒに、もしくはその非常に近い位置に、左右のボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒの実像を形成するならば、代替的に使用可能である。図５および図６の形状は、湾曲鏡２４のための、この結像必要条件を満たした代替的な構成を示している。
【００６９】
湾曲鏡２４に対し、より短い焦点距離が提供される場合、システム・サイズは、より小さな規模に縮小可能であることが分かる。このサイズ縮小の便益により、正確な球面形状からある程度離れて、湾曲鏡２４の実際の形状を調整することが有益となる。例えば、軸外し瞳孔歪曲を最小化するために、湾曲鏡２４に対して、非球面形状が使用可能であった。
【００７０】
湾曲鏡２４は、従来の成形、研削、研磨技術を用いて製造すると、かなり高価な構成要素となる。２つ以上のより小さな鏡セグメントを、１つの大きな鏡２４を組み立てるために結合させ、鏡２４を製作することが、より実際的なものとなるだろう。
【００７１】
さらに、もう１つの別の実施例のように、湾曲鏡２４は、曲率が、伸展された反射表層の背後の気密空腔で発生する制御された真空により決定される、伸展可能膜鏡（ＳＭＭ）のような膜鏡からなってもよい。伸展可能膜鏡の使用は、上の従来の技術欄に引用されたマッケイ（ＭｃＫａｙ）論文に開示されている。
【００７２】
湾曲鏡２４は、例えば、アリゾナ州ツーソンのコンポジットミラーアプリケーションズ（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）社製の反復鏡などの反復鏡を用いて、代替的に具体化可能である。混成反復鏡技術を用いて製作された、単一の湾曲反復鏡は、コスト、重量および耐久性において、特定の効果を提供する。湾曲鏡２４に代替可能な他のものには、フレネル鏡、もしくは再帰反射鏡または表層が含まれる。
【００７３】
図５を参照すると、左右のスキャン・ボールレンズアセンブリ３０ｌ、３０ｒが光軸Ｏの近くに配置され、図１および図２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、代わりの実質的単心構成が示されている。このような構成のために、湾曲鏡２４は、受容可能な軸外れ処理能力を有していなければならない。なぜなら、各視覚瞳孔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となるからである。非球形鏡は、このような構成のために使用可能であった。図５の構成が可能なものとなるには、球面湾曲鏡２４の焦点距離に対する軸外れ距離（図５のＣｓからＣｍ）の比率は、小さ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３０ｌ、３０ｒの軸外れ角度が、ほぼ６度以内であるならば、球面を有する湾曲鏡２４は、満足に実行可能であることが判明している。
【００７４】
軸外れ角度が６度を超えると、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では、第１曲率中心位置Ｃｍ’は、視覚瞳孔１４ｌ、１４ｒの中間に位置している。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３０ｌ、３０ｒのそれぞれの中心位置Ｃｌ、Ｃｒの中間に位置する。このような非球形的設計は、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。このように製作される湾曲鏡２４は、横断面では楕円形であり、位置Ｃｍ、Ｃｍ’は、楕円の焦点として機能する。
【００７５】
図６を参照すると、さらにもう１つの代わりの構成が示されており、図５に示される構成と同様に、ビームスプリッター１６は存在しない。図６では、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６に示された構成要素の配置は、図５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方向にのみパワーを有する。反射フレネル鏡６６は、例えば、ニューヨーク州ロチェスターのフレネルオプティクス（Ｆｒｅｓｎｅｌ  Ｏｐｔｉｃｓ）社製フレネル光学構成要素と類似の、可撓性基板上に作られた平面要素であることができる。フレネル鏡６６は、図６に示されているように、一般に、軸Ｅのまわりに対し円筒形状に湾曲させることが出来た。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について上述したのと類似の方法で、スキャン・ボールレンズアセンブリ３０ｌ／３０ｒの出口瞳孔を、視覚瞳孔１４ｌ／１４ｒｒ上へ結像させる。
【００７６】
図５の全体的な構成要素配列を用いた、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３０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、再帰反射表層を用いて代替可能であった。再帰反射表層は、湾曲鏡反射により生じた、図１の左画像経路としてたどられる、画像横断効果を導入しない。再帰反射表層を用いた画像化は、視覚瞳孔１４のサイズの拡大、さらにより均一な輝度という利点を提供する。再帰反射表層の使用は、また、画像生成システム７０での拡散曲面４０の必要性を排除することが出来た。しかし、この代わりの構成が提供するのは実像であり、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に留意しなければならない。
【００７７】
図１から図６に開示された実施例は、構成を可能な異なった配置にした、画像形成の方法を示すものである。多くの別の実施例が、本発明の範囲内で可能であることは、強調される必要がある。例えば、本発明の装置および方法を用いて、カラー画像のシーケンスを決定する多くの方法がある。開示されたスキャン・ファイバ技術により、例えば、挟み込まれた色光線を用いた、もしくは時間シーケンスのカラー・フレームを用いて提供される、カラー・フレームが可能となる。
【００７８】
図７を参照すると、カラー画像投射用画像生成システム７０の、好ましい実施例が示されている。赤、緑、および青の光源１４３ｒ、１４３ｇ、１４３ｂは、多色光ファイバ１３８ｔを提供するために、光ファイバ、赤１３８ｒ、光ファイバ、緑１３８ｇ、および光ファイバ、青１３８ｂからの対応する個々の色を結合する、三叉になったファイバ・アセンブリ１５０に結合している。共振ファイバ・スキャナ１３７は、カラー画像としての第１中間湾曲画像７５を形成するために、適切に多色共振カンチレバー部１３９ｔを動かすよう作動する。赤、緑、および青の色は、従来は、フルカラーの表現に用いられる；しかし、多色画像を形成するために、２色以上の代替組が使用可能であった。
【００７９】
本発明の好ましい実施例では、９０度の範囲を上回り、２０ｍｍ近い大きさの視覚瞳孔１４を備えた立体結像のための、例外的に広い視野と、必要とされる輝度を提供する。さらに、ボールレンズアセンブリ３０は、優れた軸外れ処理能力を提供し、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  自動立体画像処理システム装置の、本発明の装置の主要構成要素を示す斜視図である。
【図２】  光学的展開図における、投影光学機器の、実質的な同心関係を示す側面概略図である。
【図３】  ボールレンズアセンブリの構成を示す断面図である。
【図４】  本発明の画像生成システム構成要素を示す概略図である。
【図５】  湾曲鏡および本質的に軸傍の光学機器を用いた、自動立体結像システム用の代替実施例での、本発明の装置の主要構成要素を示す斜視図である。
【図６】  フレネル鏡および本質的に軸傍の光学機器を用いた、自動立体結像システム用の他の代替実施例での、本発明の装置の主要構成要素を示す斜視図である。
【図７】  カラー結像のための、本発明の画像生成システムの実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０  自動立体結像システム、  １２  看者、  １４ｌ  左の視覚瞳孔、  １４ｒ  右の視覚瞳孔、  １６  ビームスプリッター、  ２２  正面焦点表層、  ２４  湾曲鏡、  ４０ｌ  左曲面表層、  ４０ｒ  右曲面表層、  ６８ｌ  左の眼球瞳孔、  ６８ｒ  右の眼球瞳孔、  ７０ｌ  左の画像生成システム、  ７０ｒ  右の画像生成システム、  １０６  仮想画像。
【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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