JP2000503424A - 自動立体表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 行列配置の画素からなる表示出力を発生する表示デバイス、例えばマトリクスＬＣ表示パネルを具えるとともに、表示デバイスの出力側に配置され、種々の画素群の出力を通すレンチキュラー素子のアレーを具え、１以上の立体視ビューを形成し観察者のそれぞれの眼に見えるようにするレンチキュラー手段を具える。このレンチキュラー手段は電気的に可変の屈折率を有する電気光学材料を含み、その屈折率をレンチキュラー素子の作用を除去するように選択的にスイッチして高解像度の２Ｄ画素を表示することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 自動立体表示装置 本発明は、行列配置の画素からなる表示出力を発生する画像表示デバイスと、 各別の画素群からの出力を互いに異なる方向に指向させて立体画像を知覚可能に するレンチキュラー素子のアレーを具えるレンチキュラー手段とを具えた自動立 体表示装置に関するものである。 このような自動立体表示装置の例は SPIE Proceedings Vol.2653,1996，pp32- 39に公表されたC．van Berkel 等の論文"Multiview 3D-LCD"及びGB-A-2196166に 記載されている。これらの例では表示デバイスは行列配置の画素（表示素子）を 有するマトリクスＬＣ（液晶）表示パネルを具え、これを空間光変調器として作 用させて光源からこれを通過する光を変調する。この表示パネルは他の表示用途 、例えば表示情報を２次元形態に表示するコンピュータ表示スクリーンに使用さ れる種類のものとすることができる。例えばモールド成形した又は機械加工した ポリマ材料シートの形態のレンチキュラーシートを表示パネルの出力面上に配置 し、そのレンチキュラー素子は列方向に延在する（半）円柱レンズ素子を具え、 各レンチキュラー素子は２以上の隣接表示素子列のそれぞれの群と関連するとと もに表示素子列と平行に延在する。各レンチキュルが２列の表示素子と関連する 構成では、表示パネルは垂直方向にインタリーブされた２つの２Ｄサブ画像から なる複合画像を表示するよう駆動され、交互の表示素子列が２つの画像を表示し 、各列の表示素子がそれぞれの２Ｄ（サブ）画像の垂直スライス（一部分）を与 える。レンチキュラーシートがこれらの２つのスライス及び他のレンチキュラー と関連する表示素子列からの対応するスライスをシート前方の観察者の左眼及び 右眼にそれぞれ指向させるため、サブ画像が適切な視差を有し、観察者は単一の 立体画像を知覚することができる。各レンチキュラーが行方向の３以上の隣接表 示素子の群と関連するとともに、各群の対応する列の表示素子が各別の２Ｄ（サ ブ）画像からの垂直スライスを与えるように適切に配置された他のマルチビュー 構成では、観察者の頭を動かすと、一連の連続的に異なる立体視が知覚され、例 えば回 りを見渡した印象が生ずる。レンチキュラー素子は表示画素と精密に整列させる 必要があるために、レンチキュラースクリーンを表示パネルの上に永久的に取り 付けてレンチキュラー素子の位置を画素のアレーに対して固定するのが通例であ る。 この種の自動立体表示装置は種々の用途、例えば医用イージング、バーチャル リアリティ、ゲーム及びＣＡＤの分野に使用することができる。 本発明の目的は、他の表示機能を実行しうる改良された自動立体表示装置を提 供することにある。 本発明は、頭書に記載した種類の自動立体表示装置において、レンチキュラー 手段が、電圧の選択的印加により屈折率を、レンチキュラー手段の光出力指向作 用を与える第１の値と光出力指向作用を除去する第２の値との間で切り換えるこ とができる電気光学材料を具えていることを特徴とする。従って、電気光学材料 をスイッチングすることにより、レンチキュラー手段のレンズ作用を除去するこ とができる。実際上、レンチキュラー手段はスイッチ“オン”及び“オフ”する ことができる。一方の設定、即ち“オン”モードでは、レンチキュラー手段は通 常の如くレンズ作用して画素群からの光出力を適切に指向させ、適切な立体サブ 画像が画像表示デバイス上に表示されたとき、立体画像を知覚可能にする。他方 の設定、即ち“オフ”モードでは、このレンズ作用が除去され、レンチキュラー 手段は単なる透明材料シートとして作用し、慣例の２次元表示の場合と同様に同 一の表示情報が観察者の両眼に与えられる。この場合には、画素列により決まる 表示デバイスのフル水平解像度が表示に使用され、高解像度の２次元表示情報が 観察可能になる。従って、本発明の表示装置は、レンチキュラー手段をこれらの ２つのモードの間でスイッチングするとにより３Ｄ立体表示用に使用することが できるとともに、３Ｄ表示の解像度より高い、例えば２倍の解像度を有する慣例 の２Ｄ表示用に使用することができる。既知の自動立体表示装置ではレンチキュ ラーシートのレンズ作用のためにフル解像度の２Ｄ表示を表示することはできな い。また、精密アライメント要件のために、レンチキュラーシートを２Ｄ画像表 示のために除去することは簡単ではない。このように、本発明は同一の表示装置 を３Ｄ表示及び高解像度の２Ｄ表示の２つの目的に使用可能にするという顕著な 利点をもたらす。例えばコンピュータ表示スクリーンとして使用する場合には、 ユーザは必要なときに立体画像用の３Ｄ表示モードと、テキスト処理等用の高解 像度の２Ｄ表示モードとの間で簡単にスイッチすることができる。 本発明の好適実施例では、レンチキュラー手段は、既知の装置に使用されてい るものに類似の、片面がレンチキュラー素子により決まるプロファイルド表面を 有するレンチキュラーシートを具え、この表面上に電気光学材料を配置し、電気 光学材料の前記表面面とは反対側の表面をほぼ平坦にし、この電気光学材料の屈 折率をレンチキュラーシートの材料の屈折率にほぼ等しい値と、異なる値との間 で切り換え可能にする。透明電極をレンチキュラーシートの平坦表面とプロファ イルド表面にそれぞれ設け、これらの電極間に電圧を印加して電気光学材料の屈 折率を制御しうるようにする。これらの電極間の電圧が電気光学材料の屈折率を レンチキュラーシートの材料と相違する値にセットする場合には、レンチキュラ ー素子から所要のレンズ作用が得られる。印加電圧が電気光学材料の屈折率をレ ンチキュラーシートの屈折率にほぼ一致する値にセットする場合には、レンチキ ュラーシートと、隣接する電気光学材料との組合せが光学的に単一の透明体とし て作用し、レンチキュラー素子のレンズ作用が除去される。 他の形態のレンチキュラー手段を使用することもできる。例えば、レンチキュ ラー手段は、その厚み内にレンチキュラー素子を形成する凹部が設けられ且つ電 気光学材料が充填された透明ポリマ材料のシートを具え、該シートの対向面上に 制御電極が延在するものとすることができる。 電気光学材料は液晶、代表的にはネマチック液晶が好ましいが、所要の異なる 屈折率に切り換えることができる任意の適当な電気光学材料を使用することがで きる。上述の好適実施例では、液晶をレンチキュラーシートのプロファイルド表 面から離間した透明材料の基板、例えばガラス基板又はプラスチック基板により 封入し、液晶でプロファイルド表面と基板との間の隙間を満たす。 レンチキュラー手段は全体を２つのモード間でスイッチ可能に構成することが できる。或いは又、一部分のみをスイッチ可能にして、高解像度の２Ｄ表示が全 表示区域の例えば半分に得られるようにすることができ、また表示区域の複数の 個別の部分をスイッチ可能にしてこれらの部分を３Ｄ及び２Ｄ表示を同時に与え ることができる個別にスイッチ可能なウインドウを構成することができる。これ は、個別の電極を設け、それらの区域でウィンドウを決定し、これらの電極にス イッチング電圧を個別に選択的に供給しうるようにすることにより達成すること ができる。 次に、図面を参照して本発明自動立体表示装置の実施例を説明する。図面にお いて、 図１は自動立体表示装置の模式的斜視図であり、 図２は例えば４つのビューを提供するよう動作する自動立体表示装置の一部分 の模式的平面図であり、 図３は自動立体表示装置に使用するレンチキュラー手段の一実施例の一部分の 模式的断面図であり、 図４Ａ及び図４Ｂは２つの異なるモードにおけるレンチキュラー手段の動作説 明図であり、 図５はレンチキュラー手段の変形例を示し、 図６は自動立体表示装置に使用するレンチキュラー手段の他の実施例の一部分 の模式的断面図である。 これらの図は単なる線図であり、一定のスケールで描いてない点に注意された い。特に、所定の寸法を拡大し、他の寸法を縮小してある。同一又は類似の部分 は全図を通して同一の符号で示してある。 図１につき説明すると、この装置は空間光変調器として作用するマトリクス表 示デバイスを具え、この表示デバイスは互いに直行する行及び列に配列された個 々にアドルスしうる等間隔の同一サイズの画素（表示素子）１２の平面アレーを 有するアクティブマトリクスＬＣ表示パネル１０を具える。図を簡単にするため に画素は各行及び各列に比較的少数だけ模式的に示した。表示パネル１０は光源 １４により照明され、この光源は任意の適当な種類のものとすることができ、本 例では画素アレーと同一の広がりを持つ平面バックライトとする。パネルに入射 した光は個々の画素に適切の駆動電圧を供給することにより個々の画素により変 調されて所望の画素表示出力を発生する。 表示パネル１０の出力面上に、細長い平行レンチキュラー素子１６のアレーを 有するレンチキュラー手段１５を配置する。レンチキュラー素子１６は、画素列 に平行に延在し、既知のようにパネル１０の画素アレーに垂直方向にインタリー ブして発生される別々の画像をシート１５のパネル１０とは反対側の表面に面す る観察者の両眼に与えて立体表示を発生するよう作用する、例えば凸シリンドリ カルレンズとして形成される光学円柱収束レンチキュルを具える。マトリクス表 示パネルと組合せてレンチキュラーシートを使用する自動立体表示装置は公知で あり、それらの動作をここに詳細に記載する必要はないもの思料する。このよう な装置の例及びそれらの動作は上述したC．van Berkel等の論文及びGB-A-212961 66に記載されており、これらを参照されたい。各レンチキュラー素子１６は各々 ２つ、３つ又はそれ以上の隣接画素列からなる各別の画素列群の上に重ねて対応 する数のビューを与えることができる。各レンチキュラー素子は関連する画素列 の各々からの空間離散出力ビームを互いに異なる角度方向に与える。表示パネル は、２Ｄ（サブ）画像の細長い垂直スライスが各画素列により発生され、発生さ れる表示が観察者の左眼及び右眼でそれぞれ見るべき複数のインタリーブ２Ｄ（ サブ）画像を含むように駆動する。従って、各レンチキュラー素子１６は、関連 する画素列の各々からの複数の出力ビームを互いに異なる方向にであってレンチ キュラー素子の縦軸を中心に角度的に拡開した光軸に沿って与える。適切な２Ｄ 画像情報をそれぞれの表示素子列に供給し、観察者の左右の眼がそれぞれ異なる ビームを受けると、３Ｄ画素が知覚される。各レンチキュラー素子が数個の画素 列と関連する場合には、観察者の頭を行方向に動かすと、異なる立体画素を見る ことができる。 図２は、本例では４つのビュー表示出力を発生する装置の動作を示す平面図で あり、本例では各レンチキュラー素子１６が各々４つの隣接画素列からなる画素 列群の上に位置し、各別の２Ｄビューの垂直スライスを表す４つの垂直ストライ プを観察者に提示する。適切な２Ｄ画像情報が画素に供給され、観察者の両眼が 適切の距離に位置し、それぞれ異なる出力ビームを受ければ、３Ｄ画像が知覚さ れる。観察者の頭を行方向に動かすと、順に３つの立体画像を見ることができる 。番号１−４は対応するビューの垂直スライスを示す。他のレンチキュラー素子 も同様のスライスを与える。従って、観察者の眼が図示の位置にある場合には、 ビュー２及び３からなる立体画像が見られる。横に動くことにより観察者はビュ ー１及び２からなる立体画像とビュー３及び４からなる立体画像の他の２つの立 体画像を見ることができる。提供するビューの数は単一の立体画像を与える２つ ビューから、４つのビューより多い、例えば６つの立体画像を与える７つのビュ ーまで変化させることができる。 例えば、８００（行）×６００（列）画素（カラー表示の場合には各画素は３ つの異なるカラーサブ画素を具える）のアレーを有する標準ＳＶＧＡ形ＬＣ表示 パネルを一定の観察距離に３つの立体画像を与える４ビューシステムに使用する 場合には、得られる表示は水平（行）方向に２００及び垂直（列）方向に６００ の解像度を有する。 装置のレンチキュラー手段１５は、レンチキュラー素子１６のレンズ作用を実 質的にスイッチオン及びオフしうるように制御することができる。”オン”設定 時にはレンチキュラー手段は上述したように動作する。”オフ”設定時にはレン チキュラー手段１５は単なる透明材料シートであるかのように動作する。従って 、レンチキュラー手段がオフ設定であり且つ表示パネルの画素が２Ｄ画像を表示 するよう駆動される場合には、この２Ｄ画像が観察者の両眼で観察され、パネル 内の使用可能な全画素列を使用することにより観察者は立体視の場合に得られる 水平解像度と比較して著しく増大した水平解像度（８００）を有する２Ｄ画像を 見る。レンチキュラー手段をこのようにスイッチ可能にすることにより、表示装 置を立体画像のみならず、テキスト表示に必要とされるような高解像度の２Ｄ画 像も必要なときに表示可能にすることができる。 図３は本例に使用するレンチキュラー手段１５の模式的断面図である。このレ ンチキュラー手段は慣例の種類のレンチキュラーシート３０を具え、このシート は凸シリンドリカルレンズの形態の並置平行レンチキュラー素子のアレーを有し 、透明ポリマ材料から成形（又は加工）される。或いは又、レンチキュラー素子 は既知のようにフォトリソグラフィ処置を用いて形成することもできる。このシ ートの片面３１は平面であるが、他方の面３２はレンチキュラー素子の輪郭によ り決まるプロファイルド（凸面リブ状）表面を具える。プロファイルド表面を電 極として作用するＩＴＯのような透明導電材料の薄層３４で被覆する。ガラス又 は プラスチック材料の透明平面板３６をレンチキュラーシート３０の上方にこれか ら離して配置するとともに、この平面板のシート３０に面する表面上に、対向電 極として作用する、例えば同様にＩＴＯの薄い透明導電層３７を支持する。屈折 率を電圧の選択的印加により変化させることができる電気光学材料３８をシート ３０と板３６との間に配置する。シート３０と板３６との間の空間をこの材料で 完全に満たし、材料３８をシート３０のプロファイルド表面と隣接させる。本例 では、電気光学材料３８は適切な液晶材料であり、一般にネマチック液晶であり 、これをシート３０と板３６との間、もっと精密にいうと被覆電極３４及び３７ 間に、液晶表示デバイスの製造に通常使用される方法と同様の方法で挟み、レン チキュラー手段の周囲に封止部を設けてこの材料を保持する。液晶ディスプレイ の分野の当業者であれば理解されるように、適当な配向層をディスプレイ３４及 び３７の一方又は双方に設ける。 このように、レンチキュラー手段１５はレンチキュラーシート３０と、部分３ ４、３８、３７、３６で構成され、それらの接合表面が互いに一致する隣接ＬＣ セルとからなる。 電極３４及び３７への電圧の選択的印加は図３では電圧源４０とスイッチ４１ により簡単化して示されている。 例えば、電極３４及び３７間に何の電圧も印加されない場合には、液晶材料３ ８が、観察方向のその屈折率がシート３０の材料の屈折率と相違する向きになり 、もっと詳しくいうとこれより低くなる向きになり、両電極間に所定の電圧が印 加される場合には、液晶材料３８が、観察方向のその屈折率が変化してシート３ ０の材料の屈折率とほぼ一致する向きになるものとすると、レンチキュラー素子 １６のレンズ作用を有効にターンオン及びオフすることができる。印加電圧がな い場合には、レンチキュラー手段１５はレンチキュラーシート３０自体とほぼ同 一に動作するため、表示パネル１０の出力面をレンチキュラーシート３０の平坦 （外部）表面３１に近接配置すると、レンチキュラー手段１５は慣例のレンチキ ュラーシートのように動作してパネル上のサブ画像表示を観察者の左右の眼に指 向させ、立体画像を見えるようにする。電圧を材料３８間に印加して、観察方向 のその屈折率をシート３０とほぼ同一にすると、レンチキュラー素子１６のレン ズ 作用が除去され、レンチキュラー手段１５は表示パネルを覆う透光性板のように 作用し、表示パネル１０からの光出力の通過は殆ど影響を受けない。この場合に は観察者は表示パネルに表示された２Ｄ画像を、まるでレンチキュラー手段１５ が存在しないかのように、表示パネル（例えば８００×６００）により決まる解 像度を有する２Ｄ画像として見ることがてきる。 上述の２つの動作モードをそれぞれ図４Ａ及び図４Ｂに模式的に示し、これら の図は表示パネル１０とレンチキュラー手段１５の組合せの一部分を、１つの代 表レンチキュラー素子１６及びその関連する４つの画素列１２Ａ−Ｄに対する光 路とともに示す平面図である。図４Ａは”オン”モードを示し、このモードでは レンチキュラー素子と関連する４つの画素列Ａ−Ｄの各々からの光（それらの光 路をそれぞれ実線、点線、破線及び一点鎖線で示す）がレンチキュラー素子のレ ンズ作用により互いに異なる方向に観察者の眼に向かって指向されるため、観察 者は各眼で異なる画素列を見ることになる。レンチキュラー素子１６のレンズ作 用により画素列Ａ−Ｄの画像が眼の位置に近接して形成される。図４Ｂは“オフ ”モードを示し、このモードでは分離レンズ作用が除去され、観察者は４つの画 素列Ａ−Ｄのすべてを各眼で見ることになる。 電極３４及び３７はそれぞれシート３０及び板３６の全域の上に延在させて、 レンチキュラー手段１５は全体として２つの動作モード間でスイッチするものと することができる。必要に応じ、電極３４及び３７はレンチキュラーアレーの全 面積の一部分の上にのみに延在させ、電極と重畳する部分に対応するレンチキュ ラー手段の部分のみをスイッチ可能にして、例えば２Ｄテキスト画像を３Ｄ画像 の傍の表示パネルの専用部分に同時に表示可能にすることができる。或いは又、 各電極を複数の個別の部分電極を具えるものとし、シート３０及び板３６上の個 別電極のそれぞれの対を互いに整列させ、それぞれの電極対を個々にアドレス可 能にし、それぞれの電極対に電圧を選択的に印加し、この電極対により規定され る区域のＬＣ材料の屈折率を他の電極対により規定される区域と無関係に変化さ せることができるようにすることができる。このようにすると、レンチキュラー 手段の個別の区域を単独に、又は組み合わせてスイッチして３Ｄ表示内に１以上 のウィンドウを与え、これらのウィンドウ内に例えば２Ｄテキスト画像を表示す ることができ、またその逆に２Ｄ画像内に１以上のウインドウを与え、これらの ウインドウ内に３Ｄ表示を発生させることができる。 一例について、レンチキュラー手段１５の前面を模式的に示す図５を参照して 説明すると、電極３４及び３７をレンチキュラーアレーの全域を覆う４つの四分 領域に分割し、各領域を独立にスイッチ可能にする。個々の領域は単独で又は組 み合わせてスイッチすることができる。４つの四分領域のすべてをスイッチする ことにより、シート３０及び板３６を完全に覆う電極を用いる場合と同様の効果 が達成される。 図３の実施例に関しては、レンチキュラー手段１５を反転配置し、シート３０ ではなくＬＣ層３８をＬＣ表示パネルに隣接させ、板３６ではなくシート３０の 外部平面をレンチキュラー手段の出力面にすることができる点に注意されたい。 この場合には、板３６はＬＣ表示パネルの透明基板とすることができる。 また、シート３０とＬＣ層３８の相接表面のプロファイルを図示とは反対にす ることもできる。レンチキュラーシートの表面は、レンチキュラー手段１５の他 の実施例の断面を模式的に示す図６に示すように、凹面リブ状プロファイルに従 って形成することができる。このようにすると、シート３０は凹面シリンドリカ ルレンズとして形成された細長い平行な円柱発散レンチキュラー素子のアレーを もたらす。この場合には、ＬＣ材料は、その屈折率を立体表示に必要なレンズ作 用を達成するためにシート３０の材料の屈折率より高い値にスイッチしうるとと もに、レンズ作用を除去して表示パネルに表示された２Ｄ画像をフル解像度で観 察しうるようにするためにシート３０の屈折率にほぼ一致する値にスイッチしう るようにする。 各レンチキュラー素子と関連する画素列の数はもっと多数の又は少数の立体視 ビュー対を発生するように変化させることができること勿論である。 上述の実施例では細長い円柱レンチキュラー素子のアレーを有するレンチキュ ラーシートを使用したが、レンチキュラーシートはその代わりに球面マイクロレ ンズ素子のアレーを具えるものとすることができ、このような球面レンズ素子レ ンチキュラーシートは自動立体表示装置の分野では既知である点に注意されたい 。 また、レンチキュラー素子は画素列に平行に延在させる必要はなく、その代わ りに、EP-A-0791847に記載されているように、画素列に対し僅かに傾けることも できる。 従って、要するに、ここに記載する本発明の自動立体表示装置は、行列配置の 画素からなる表示出力を発生する表示デバイス、例えばマトリクスＬＣ表示パネ ルを具えるとともに、表示デバイスの出力側に配置され、種々の画素群の出力を 通すレンチキュラー素子のアレーを具え、１対以上の立体視ビューを形成し観察 者のそれぞれの眼に見えるようにするレンチキュラー手段を具え、該レンチキュ ラー手段は電気的に可変の屈折率を有する電気光学材料を含み、その屈折率をレ ンチキュラー素子の作用を除去するように選択的にスイッチして高解像度の２Ｄ 画素を表示することができることを特徴とする。 以上の記載を読めば、他の変更が当業者に明らかである。これらの変更は、自 動立体表示装置及びその構成要素の分野において既知であって、上述した構成要 件の代わりに又は加えて使用しうる構成要件も含むことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．行列配置の画素からなる表示出力を発生する画像表示デバイスと、各別の画 素群からの出力を互いに異なる方向に指向させて立体画像を知覚可能にするレン チキュラー素子のアレーを具えるレンチキュラー手段とを具えた自動立体表示装 置において、レンチキュラー手段が、電圧の選択的印加により屈折率を、レンチ キュラー手段の光出力指向作用を与える第１の値と光出力指向作用を除去する第 ２の値との間で切り換えることができる電気光学材料を具えていることを特徴と する自動立体表示装置。 ２．レンチキュラー手段がレンチキュラー素子のアレーにより決まるプロファイ ルド表面を有するレンチキュラーシートを具え、電気光学材料が前記表面上に位 置し、電気光学材料の前記表面と反対側の表面がほぼ平坦であり、電気光学材料 の屈折率がレンチキュラーシートの材料の屈折率にほぼ等しい値と、異なる値と の間で切り換え可能であることを特徴とする請求項１記載の自動立体表示装置。 ３．電気光学材料は液晶材料であることを特徴とする請求項２記載の自動立体表 示装置。 ４．透明板がレンチキュラーシートのプロファイルド表面から離して配置され、 プロファイルド表面と透明板との間に液晶が配置されていることを特徴とする請 求項３記載の自動立体表示装置。 ５．透明板が画像表示デバイスの基板を構成することを特徴とする請求項４記載 の自動立体表示装置。 ６．レンチキュラー手段が複数の個別の領域に分割され、各領域が個別にスイッ チング可能であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の自動立体表示 装置。 ７．画像表示デバイスが液晶表示デバイスであることを特徴とする請求項１〜６ の何れかに記載の自動立体表示装置。