JP2005527852A - 自動立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

多視点自動立体ディスプレイシステムは、システムの有する視野の全域で射出瞳を移動する能力があり、見る人は各射出瞳において選択された眼のための映像を見ることができる。システムは、放射線の選択的減衰により映像を生成する映像形成装置と、映像形成装置へ向けて放射線を発する光学要素のアレイと、放射線を前記アレイに出力する放射線出力位置のアレイとを備える。複数組の放射線出力位置が設けられ、各組は光学要素の一つに関連付けられた対応の水平幅にわたり広がる。放射線出力位置は、放射線出力位置の各組からの選択により射出瞳が視野の選択された部分に形成されるように選択可能である。放射線出力位置の各組は、放射線出力位置から発射された光の水平広がりを制限するアパーチャが関連付けられる。アパーチャのそれぞれは、関連付けられた放射線出力位置の組の水平幅よりも小さい水平広がりを有する。

Description

発明の分野

本発明は、特殊な眼鏡を装着しなくてもよい見る人が３次元（３Ｄ）映像を見ることができる自動立体ディスプレイ装置の分野に関する。特に、本発明は、かなり高度の運動の自由度をもつ複数の見る人に立体映像を提示する技術に関するが、これに限定されない。

発明の背景

従来技術による３Ｄディスプレイは様々な刊行物に記載され、その中には、文献：“Ｎｅｗ Ａｕｔｏｓｔｅｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ”， Ｅｚｒａ， Ｗｏｏｄｇａｔｅ， Ｏｍａｒ， Ｈｏｌｌｉｍａｎ， Ｈａｒｒｏｌｄ ａｎｄ Ｓｈａｐｉｒｏ （１９９５）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍ II”， Ｖｏｌ． ２４０９， ｐｐ３１−４０、文献：“Ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｃｒｅｅｎｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ”， Ｈａｒｍａｎ， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ IV”， Ｖｏｌ． ３０１２， ｐｐ１４５−１５３、文献：Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｈｅａｄ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｕｓｉｎｇ Ｌａｒｇｅ Ｆｏｒｍａｔ Ｌｅｎｓｅｓ”， Ｈａｔｔｏｒｉ （１９９３）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ IV”， Ｖｏｌ． １９２５， ｐｐ２−５、文献：“Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ ｗｉｔｈ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ａｒｒａｙ”， Ｋａｊｉｋｉ， Ｙｏｓｈｉｋａｗａ， ａｎｄ Ｈｏｎｄａ （１９９６）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ Ｘ”， Ｖｏｌ． ２６５２， ｐｐ１０６−１１６、文献：“Ｐｅｒｆｅｃｔ ３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｏｖｉｅｓ ａｎｄ Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｍｏｖｉｅｓ ｏｎ ＴＶ− ａｎｄ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｃｒｅｅｎｓ； Ａｎ Ａｐｐｒａｉｓｅｍｅｎｔ”， Ｋｌｅｉｎ ａｎｄ Ｄｕｌｔｚ （１９９０）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”， Ｖｏｌ． １２５６， ｐｐ２８９−２９５、文献：“Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ II （Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）”， Ｎｉｓｈｉｄａ， Ｈａｔｔｏｒｉ， Ｓａｋｕｍａ， Ｋａｔａｙａｍａ， Ｏｍｏｒｉ ａｎｄ Ｆｕｋｙｏ （１９９４）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍ”， Ｖｏｌ． ２１７７， ｐｐ１５０−１５５、文献：“Ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｅｙｅ−Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｓｐｅｃｉａｌ−Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｎｅｅｄｓ”， Ｏｍｕｒａ， Ｔｅｔｓｕｔａｎｉ ａｎｄ Ｋｉｓｈｉｎｏ （１９９４）， ＳＩＤ ９４ Ｄｉｇｅｓｔ， ｐｐ１８７−１９０、文献：“Ｈｅａｄ−Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｔｅｒｅｏ Ｄｉｓｐｌａｙ： Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”， Ｐａｌｅｙ （１９９２）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ Ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ III”， Ｖｏ． １６６９， ｐ８８、文献：“Ｈｅａｄ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ”， Ｓｃｈｗａｒｔｚ （１９８５）， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ１４１−１４４、文献：“Ｐａｒａｌｌａｘ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ”． Ｓｅｘｔｏｎ （１９９２）， ＩＥＥ Ｃｏｌｌｏｑｕｉｕｍ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ”， Ｄｉｇｅｓｔ Ｎｏ： １９９２／１７３， ｐｐ ５／１−５／５、文献：米国特許第５７１２７３２号明細書、文献：“３Ｄ−ＴＶ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｅａｄ Ｔｒａｃｋｉｎｇ”， Ｔｅｔｓｕｔａｎｉ， Ｉｃｈｉｎｏｓｅ ａｎｄ Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ （１９８９）， Ｊａｐａｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ’８９， ｐｐ５６−６９、文献：“Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｅｙｅ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉ−ｖｉｅｗｅｒｓ”， Ｔｅｔｕｔａｎｉ， Ｏｍｕｒａ ａｎｄ Ｋｉｓｈｉｎｏ （１９９４）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ”， Ｖｏｌ． ２１７７， ｐｐ１３５−１４２、文献：“Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ”， Ｔｒａｙｎｅｒ ａｎｄ Ｏｒｒ （１９９６）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ VII”， Ｖｏｌ． ２６５３， ｐｐ６５−７４、文献：“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ”， Ｔｒａｙｎｅｒ ａｎｄ Ｏｒｒ （１９９７）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、及び、文献：“Ｏｂｓｅｒｖｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ａｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ ３Ｄ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ”， Ｗｏｏｄｇａｔｅ， Ｅｚｒａ， Ｈａｒｒｏｌｄ， Ｈｏｌｌｉｍａｎ， Ｊｏｎｅｓ ａｎｄ Ｍｏｓｅｌｅｙ （１９９７）， ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ “Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ IV”， Ｖｏｌ． ３０１２， ｐｐ１８７−１９８が含まれる。

３Ｄディスプレイは長年にわたって種々のニッチアプリケーションで使用され、ディスプレイシステムの品質の改良と共にアプリケーションの範囲も広がっている。放送テレビは、おそらく最も可能性のあるアプリケーションであるが、テレビシステムの必要条件は複雑であり、これらの必要条件を満たす既存のディスプレイシステムは、たとえあるとしても、僅かである。

放送テレビシステムに適したディスプレイには様々な望ましい必要条件がある。典型的な「リビングルーム」の大きさの領域を占める複数の見る人へ、立体映像を提示することができるディスプレイを提供することが望ましいであろう。このようなシステムは、例えば、コンピュータモニター若しくはビデオゲーム用に提案された単視点を対象とするシステムよりも複雑である。

ディスプレイの全体的な大きさは、好ましくは、例えば、見る人毎に可動性プロジェクタのペアが存在する一部のシステムの場合のように過大にするべきではない。家庭用テレビジョンディスプレイに対する基本的な必要条件は、ドアを通して設置することである。提案されたディスプレイの大きさは、現在の背面投射型テレビの大きさの程度である。

一部の従来技術による自動立体ディスプレイは、左映像だけがスクリーンの完全な幅にわたって見える領域と右映像だけが見える領域をスクリーンの前方に設けることにより動作する。これらの領域は射出瞳と称される。これらの射出瞳の位置は、見る人の眼がスクリーンの前方に位置するかどうかを判定する頭部位置追跡装置の出力によって制御されることにより、見る人の眼の位置に追従する。頭部追跡の利点は、見る人が実際に見ていないものは表示されないことを保証し、したがって、表示されるべき情報量に関する要求が最も少なくなることである。

図１を参照すると、原理的に、射出瞳は、照明源８が後方に設置されたＬＣＤディスプレイの近くに位置する大型レンズ９を用いて形成される。図１（ａ）において、眼が射出瞳１０の位置にある場合を考えると、この位置において、眼はレンズの全域で照明を観測する。射出瞳から遠ざかると、眼は、照明とレンズの一部だけを通る照明のいずれも見えない。

しかし、これは、ディスプレイに対しては実際的でない大型構造である。図１（ｂ）では、単一の大型レンズが、専用の小型光源１１を個別に備えたレンズのアレイ１２によって置き換えられることがわかる。光源１１のすべては一平面上に位置する。この例では、射出瞳１３は、レンズ０からの連続的に集中する光線とは異なり、アレイ１２からのほぼ平行な光線の束から形成される。

垂直射出瞳を生成するシリンドリカルレンズのアレイを使用する従来技術によるシステムは、３Ｄディスプレイで使用されるときに問題点がある。第一に、軸外収差は軸外性能を制限し、その結果、ディスプレイは、多視点アプリケーションのため十分に広い領域で射出瞳が得られない。第二に、レンズの間の境界を見えないようにすることが困難である。

発明の概要

本発明によれば、システムの有する視野の全域で射出瞳を移動（ｓｔｅｅｒ）する能力があり、見る人は各射出瞳において選択された眼のための映像を見ることができ、
システムが、放射線の選択的減衰により映像を生成する映像形成装置と、上記映像形成装置へ向けて放射線を発射する光学要素のアレイと、放射線を上記光学要素のアレイに出力する放射線出力位置のアレイと、を備え、
放射線出力位置の複数の組が設けられ、各組は上記光学要素の一つに関連付けられた対応した水平幅全体にわたり広がり、放射線出力位置は、放射線出力位置の複数の組のうちの各組からの少なくとも一つの放射線出力位置の選択により射出瞳が視野の選択された部分に形成されるように選択可能であり、
上記放射線出力位置の各組は、放射線出力位置から発射された光出力の水平広がりを制限するアパーチャが関連付けられ、上記アパーチャのそれぞれは、関連付けられた放射線出力位置の組の水平幅よりも小さい水平広がりを有する、
自動立体ディスプレイシステムが提供される。

本発明を用いることにより、視野内でかなり高度の運動の自由度をもつ複数の見る人に、例えば、ディスプレイスクリーンである映像形成装置の全体で立体映像が提示される、自動立体ディスプレイが製造される。

本発明の更なる特徴及び効果は、添付図面を参照してほんの一例として記載された、以下の本発明の好ましい実施形態の説明から明らかになるであろう。

詳細な説明

図２を参照すると、本発明の一実施形態による３Ｄ自動立体ディスプレイ１は、見る人５、６及び７がそれぞれ左映像だけをスクリーンの幅全体で見ることができる領域２、３及び４を生成する。射出瞳と称されるこれらの領域の位置は、スクリーンの後方に置かれた光学系を移動することによって決定される。頭部位置追跡システム（図示せず）は、三つの射出瞳が常に見る人の左眼に位置するようにステアリング光学系を制御する。例えば、眼の位置認識処理装置と組み合わされたカメラを含む頭部追跡装置の構造は技術的に知られているので、ここでその詳細は説明しない。見る人の眼の位置はそれぞれ別々に追跡される。射出瞳は、同図に示されるように菱形区域を有する縦型の３次元領域であり、視野Ｖの範囲内で横方向及び前後に移動される。ステアリング光学系は、見る人毎に二つの射出瞳を生成する。左射出瞳毎に、図示されていない右射出瞳が各左射出瞳の右側に生成される。好ましくは、このシステムは、スクリーンの観測を遮ることなく収容可能である人数までのあらゆる人数に応じるように構成される。システムは、好ましくは、少なくとも２人、より好ましくは、３人以上の見る人の右眼と左眼に射出瞳を投影することができる。

ディスプレイ１は、ステアリング光学系組立体が後方に設置されたスクリーン組立体を備える。ステアリング光学系は、図２に示されるように、スクリーン組立体の前方に多数の射出瞳を生成する。説明を簡潔にするため、同図は、見る人の左眼を対象とする左射出瞳だけを表している。実際のディスプレイでは、右射出瞳がこれらの射出瞳に加わる。

一実施形態において、ステアリング光学系によって射出瞳に投影された左と右の両方の映像は、スクリーン組立体内の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の交互の画素行に表示され、この配置は空間多重化と称され、各映像の空間解像度を半分にする。空間多重化は、顕著なフリッカーを伴わずに左と右の映像を表示するため使用される。或いは、十分に高速なディスプレイであれば、このステアリング光学系構造は、垂直空間解像度を増加させるため、左右の視野の順次モードにおける動作に使用される。ＬＣＤの制御はディスプレイシステム内のＬＣＤ制御ユニット（図示せず）を用いて実行される。ＬＣＤ制御ユニットは、放送受信機のようなビデオ入力装置（図示せず）、ＤＶＤプレーヤのようなビデオメディアプレーヤなどから立体映像信号を受信する。

以下で詳述される光学要素のアレイにより構成されるステアリング光学系は、見る人が最適視聴距離の付近に限定される多くの他のシステムとは異なり、スクリーン組立体からのかなりの距離範囲にわたって射出瞳を生成する能力がある。この光学系は、また、視野内のある水平角度の範囲にわたって射出瞳を生成可能である。

移動は切替型光源及び／又は空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて実現される。光源又は空間光変調器は、ステアリングアレイの光学要素毎に放射線出力位置の組を生成し、放射線出力位置から光が対応した光学要素へ出力される。これらの出力位置は、所定の水平幅で広がる放射線出力位置の各組からの少なくとも一つの放射線出力位置の選択によって射出瞳が視野の選択された部分に形成されるように選択可能である。光出力位置の制御は、ディスプレイシステムの頭部追跡装置に接続された、ディスプレイシステム内のステアリング制御ユニット（図示せず）を用いて実行される。

一実施態様において、ディスプレイは視野の全部の視点に同じ像のペアを提示する。二つの像を使用すると、帯域幅必要条件が比較的低く維持され、ＬＣＤの複雑さが軽減される。しかし、このような配置は、運動視差の表現、すなわち、対象物を「見回す」ことを考慮しない。像のペアは、後述の空間多重化によって生成され、又は、左射出瞳と右射出瞳にそれぞれ異なる像を投影すると共にフレームレートを２倍に増加することによって生成される。他の実施形態では、運動視差は別々の像のペアを異なる視点に提示することによって得られる。視野にＮ個の視点があるならば、２Ｎ個の視界が提示される。これらの異なる視界は、空間多重化を用いることによって、すなわち、ＬＣＤの異なるラインに別個の像を生成し、異なる像を異なる射出瞳に投影することにより提示可能である。これは、倍率Ｎの空間多重化を使用して同じ像のペアをすべての視点に供給する配置よりも、ディスプレイの垂直解像度を低下させるであろう。或いは、フレームレートは、垂直解像度を失うことなくＮ個の視点に運動視差を与えるため異なるフレームの間に異なる像を異なる射出瞳にフレーム多重化を使用して同じ像のペアをすべての視点に供給する配置よりも、Ｎ倍に増加させられる。本発明のステアリング光学系はこれらの何れの条件下でも動作する能力がある。

図３は、放射線をＬＣＤへ向けて投影するため使用されるステアリングアレイの光学要素を平面図で示す。光学要素は、領域を画成するアパーチャを形成する部分的に不透明な表面Ａによって隔離された前方部Ｆ及び後方部Ｒを含み、光はこの領域を通過して後方部Ｒから前方部Ｆへ投影される。光学要素は薄い平面的な要素であり、この光学要素の後方部及び前方部は鋳造ガラスのような透明材料から作られる。前方部及び後方部は、図３に示されるように水平方向の外形を有する垂直方向に薄い材料で作られる。後方部Ｒは、アパーチャ２４の実質的に中心に位置する縦軸を有する円筒型の後面を有する。前方部Ｆは、同様に実質的にアパーチャ２４に中心が位置する縦軸を有する円筒型の前面を具備する。前面２５の曲率は後面２２の曲率よりも小さい。後面２２は、光を光学要素へ出力するため、後面２２に隣接して曲面構造に均等なピッチで配置された、光源の形をした光出力位置の組を有する。光出力位置は、以下ではソース幅と称される幅Ｗ_Sにわたって広がり、このソース幅はアパーチャ幅Ｗ_Aとアパーチャ像幅Ｗ_Iの両方よりも長い。

図３（ａ）に示されるように、照明面２２と屈折面２５の両方を円筒型に作り、縦軸を共通にすることにより、軸外収差の問題を解決することが可能である。球面収差は依然として存在するが、アパーチャ２４によって制限される。アパーチャ幅Ｗ_Aは、好ましくは、ソース幅Ｗ_Sの四分の一よりも短い。補正面がまたアパーチャで使用され、シュミット望遠鏡補正器と同様に動作する。このアパーチャの中心は共通軸と一致する。光出力位置２３は、典型的に１．４〜１．６に収まる屈折率を乗算したアパーチャ２４の幅に近い幅を有する近似的な平行出射ビーム２６を生じる。また、アパーチャ２７の虚像の幅Ｗ_Iは、屈折率を乗じたアパーチャ幅Ｗ_Aに近い。アパーチャ像幅Ｗ_Iはソース幅Ｗ_Sの四分の一の範囲に入る。

図３（ｂ）において、極端な軸外照明源２８は、より幅の狭い出射ビーム３０を生成するが、このビームは、それでもなお、屈折率を乗じたアパーチャ幅に近い虚像２７から生じるように見える。また、このビームは著しい軸外収差の影響を受けない。

これらの効果の重要性は、アレイ要素間の可視境界の削減と共に、後述の説明から明白であろう。

図３（ａ）において、アパーチャ２４の虚像２７はアレイ要素の全体的な幅よりもかなり小さいことがわかる。したがって、要素は、図１（ｂ）におけるレンズ１２のように突き合わされ得ず、各要素はディスプレイの高さ全体に広がらないか、又は、ディスプレイの直ぐ後に位置し得ない。一実施形態において、図４に示されるように、アレイは、水平方向に連続照明を与え、また、屈折材の体積を最小限に抑えるように構成された要素から構築される。図４には、要素の組全体Ｓ₁．．．Ｓ_Nから選択された唯一のアクティブ照明源Ｓ_nと一つの出射ビーム３２が示されているが、実際には、各要素で選択された少なくとも一つのアクティブ照明源と一つの出射ビームが視点毎に存在する。また、前方光学要素Ｆ及び後方光学要素Ｒの側面は、好ましくは、幅と使用される材料を減少させるため、図５に示されるように切り取られる。

光源からの光は、光が前方屈折面２５から出るまで全内部反射を用いて、特に、要素の上側平面と下側平面によって要素内に封じ込められる。全内部反射の使用によって、要素は縦寸法をかなり薄く、例えば、１〜２ミリメートルの厚さの程度にすることが可能であるので、アレイはかなり小型に保たれる。

アレイの幅全体にわたる連続照明は、図５に示されるようにアレイ要素を移動することによって実現される。図５には、５層、１５要素のアレイが示されている。上層３４は陰影無しで示され、陰影は、最も濃い陰影が付けられた最下層３５に達するまで徐々に濃くなる。特定のディスプレイにおける実際の層数は、視野とディスプレイのサイズによって決まる。

アレイのすべてのアパーチャ、及び、それらの虚像は、一つの平面Ｘ−Ｘに存在する。アレイの前方の見え方は図６に示されている。図８に示された１５要素のアレイの例では、アパーチャ像は３個の斜めサブセット３８を形成し、各サブセットは水平幅３９の別個の部分をカバーするので、幅３９にわたる連続照明が存在する。サブセット内の要素は、相互に上に積み重ねられるのでサブセットのすべての要素の間に縦方向の重なり合いがあり、横方向へ少しずつずれるのでサブセット内の隣接した各アパーチャの虚像は実質的に連続的である。図示されるように、要素は、アレイの幅全体にわたって連続照明が得られるように像幅Ｗ₁に一致するピッチで少しずつずれる。

白色発光ダイオード（ＬＥＤ）の曲面アレイは、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの水平ピッチで配置され、光を後方光学要素Ｒへ出力するため配置されたアレイ要素毎に光源の組を得るため使用される。

他の実施形態では、図７に示されるように、プレーナ型ＳＬＭ（空間光変調器）が、以下で準同軸光学系と称される光出力位置を配置するため使用される。この配置において、出力位置は平面に配置され、アパーチャ４１は前方部Ｆ’の屈折面４２の軸上に中心が置かれる。これらの面４２は、図３〜５に示された実施形態のように円筒型のままであるか、又は、放物線のような断面を有する湾曲した非円筒面である。この構造は、高解像度モノクロＬＣＤの形でもよいプレーナ型ＳＬＭの使用を可能にする。７０μｍ〜２００μｍ、好ましくは、１００μｍ未満の均一水平ピッチを有するＳＬＭ画素は、各要素の後方部Ｒ’の後側でソース幅Ｗ_Sにわたって直線アレイの形に配置される。図７に示された例は、６層のアレイで作られる。２次元マトリックスである単一のＳＬＭは、実質的にそれぞれが各光学要素に対応した光出力位置の３０個の別個の直線アレイの組である。典型的に、ＳＬＭよりも低解像度であり、例えば、１．５ｍｍピッチを有する対応したＬＥＤのアレイ（図示せず）は、選択された出力位置で光を発生するため、ＳＬＭと対応して切り替えられる。

本実施形態において、各光学要素は、平坦な矩形状後方部Ｒ’と平面カーブ前方部Ｆ’とから形成される。後方部Ｒ’は一体的なユニットを形成するため統合してもよい。この配置の欠点は、アパーチャ４３からの照明距離の変化の影響を打ち消すため、アパーチャの幅がかなり狭いことである。アパーチャ幅Ｗ_Aは、好ましくは、ソース幅Ｗ_Sの八分の一よりも小さい。使用されるアレイ要素の個数は、アパーチャ幅Ｗ_Aに反比例するので、かなり多数である。この欠点は、しかし、簡単な構成と単一の共通ＳＬＭの使用によって改善される。また、屈折面４２の半径に対して小さいアパーチャ幅は、照明距離の変化を補償するため、非円筒型面、例えば、放物面の使用を可能にする。

図８には、図７に示されたアレイに類似したステアリングアレイのペアが斜視図で示されている。本実施形態において、各ステアリングアレイは、各見る人の両方の眼に射出瞳を形成するため、照明制御が備えられる。したがって、例えば、図８に示された一番上のアレイ４３は、各見る人の左眼に像を供給するため使用され、下側アレイ４４は各見る人の右眼に像を供給するため使用される。図８に示された実施形態の各アレイは、斜めに少しずつすれた光学要素からなる４個のサブセットを含む。ステアリングアレイの周辺部を形成するこれらのサブセットのうちの一つは、アレイの反対側エッジに位置する二つの部分に分割される。

各ステアリングアレイの全高は数センチメートルの程度であるため、各ステアリングアレイは、スクリーン組立体の高さ全体がアレイからの光を受容するように、何らかの方法でスクリーン組立体の裏側にセットされる。図９には、単一の完全同軸アレイ４５が示されるが、類似した配置が準同軸光学系に使用される。この狭い水平領域からの光がスクリーン組立体の高さ全体にわたって見えるようにするため、光はＬＣＤ４６を通過し、次に、垂直拡散要素４７によって垂直方向４８だけに散乱される。水平方向に延びるレンズを具備したレンチキュラーシートは類似した効果を屈折的に生成するため使用可能であるが、レンチキュラーシートは望ましくないクロストークを生ずるあるレベルの水平偏差を生成し、左映像と右映像が不適当な眼によってぼんやりと見える可能性がある。したがって、この機能は、ホログラフィック垂直拡散要素を用いて実行されるのが好ましい。

ディスプレイが、図９に示されるように、ステアリングアレイ４５とスクリーン組立体４６、４８とだけにより構成されるならば、例えば、２０インチ型ディスプレイに関して、アレイは、スクリーン組立体の幅の約３倍で、スクリーン組立体から約０．８メートル後方にすべきであろう。このためには、非実際的な大型ハウジング内に収容された非常に幅の広いアレイを使用することが必要である。しかし、この寸法は、図１０に示されるように光を折り畳むためミラーを使用することによって縮小可能である。これは２段階で実行できると考えられる。

第一に、アレイの幅は、スクリーン組立体の後方で両側に設置された二つの垂直ミラーを利用することにより、スクリーン組立体の幅と同程度の大きさまで縮小可能である。垂直ミラーは、アレイの幅を効率的に増大するアレイの虚像を生成する。アレイはかなり広い視野角にわたって射出瞳を配置する汎用性があるので、選択された更なる放射線出力位置を作動し、適切な射出瞳位置に虚像を生成することによって、より大型のアレイをシミュレートする「鏡像」を生成することが可能である。

ディスプレイの全体的な奥行きの縮小は、図１０に示され、従来の背面投射型テレビディスプレイにおける折り畳みと類似した態様で機能する３個の垂直折り畳みミラー５３を使用することによって実現される。左側折り畳みミラー５０及び右側折り畳みミラー５１は、背面投射型テレビと同程度の筐体サイズを実現するため組み合わせて使用される。図を明瞭にするため、サイドミラー５０及び５１は、それらの実際の位置から外へ出した状態で示されている。図１０に示されるように、ステアリングアレイ４９はスクリーン組立体５２よりも僅かに幅が広い。

図１１は、ディスプレイシステムのスクリーン組立体５２に対する典型的な視野Ｖの幾何学的性質を平面図で表す。視野Ｖの水平サイズは、スクリーン組立体５２の最も近くの水平広がりＨ１から、スクリーン組立体５２から最も遠くにある視野Ｖの部分におけるより広い水平広がりＨ２まで変化する。視野Ｖは、スクリーン組立体５２のエッジから第１の距離Ｄ１、典型的に１メートル程度の場所で始まる。視野組立体は、スクリーン組立体から更に遠い距離Ｄ２、典型的に２メートル程度遠くまで広がる。視野Ｖは、両方向で視野の中心の外側にある視野のそれぞれのエッジでスクリーン組立体５２の軸に対して測定された角度θの範囲に広がる。典型的に、角度θは、少なくとも３０°であり、より好ましくは、少なくとも４０°である。

図１２は図１１に示された視野を例示し、３人の別々の見る人Ａ、Ｂ、Ｃが視野内に存在する。各視点でスクリーン組立体５２の完全な視界が得られるように、視点の前方の空間の大きさＡ_F、Ｂ_F及びＣ_Fは妨害物を含むべきでない。更に、見る人はそれぞれ、自分の後方に妨害空間Ａ_B、Ｂ_B及びＣ_Bを作り出し、その妨害空間に射出瞳を形成することは不可能であるが、その他の見る人は如何なる場合もその妨害空間でスクリーン組立体の完全な視界を得ることはないであろう。

次に、図１３（ａ）を参照すると、視野の左右と視野の前後の両方で射出瞳を移動する様態が示されている。簡潔にするため、この移動は、選択された水平角度でスクリーン組立体からの選択された距離に射出瞳を生成するため、レンズと等価的な光学系、すなわち、シリンドリカルレンズのアレイ１５を使用して説明される。しかし、先行する図面に示されるようにステアリングアレイの至る所で放射線出力位置の選択が同じ態様で実行されることに注意する必要がある。このように、シリンドリカルレンズ１５は、ステアリングアレイの層の前方光学要素を代表するため利用される。射出瞳の角度位置は、対応した前方光学要素に対する光源の横方向位置によって決められ、射出瞳の距離は光源の間隔によって決められる。レンズ１５は直線的な広がりをもつので、図１３（ａ）に示されるように、光源は直線的であり、すべてが一つの平面１４に位置する。Ｘｎは、各光学要素Ｏｎと関連した光源Ｙｎの組の左側エッジからの距離である。光源の位置は図１３（ｂ）に示されるようにグラフとしてプロットされる。図１３（ｂ）に示されるようにプロットされた点を通る線１６は直線である。射出瞳の角度位置は平均距離Ｘｎによって決まり、射出瞳の距離は直線の傾きによって決まる。射出瞳が遠くへ離れると、この直線の傾きが大きくなる。したがって、射出瞳の移動は、ステアリングアレイの全体にわたる光出力位置の制御された選択によって実現される。

左映像と右映像の両方がスクリーンに同時に提示されるので、左射出瞳が左映像画素によって形成され、右射出瞳が右映像によって形成されることを保証するための手段を講じる必要がある。左映像と右映像は交互の画素行に形成される。ＬＣＤの直ぐ後方に位置するバリアは、以下では空間映像多重化と称されるこの機能を実行するため使用可能である。バリアは静的モードと動的モードのどちらでも動作する。

最初に静的バリアについて考察する。図１４（ａ）に示された静的バリアの最も簡単な形式では、ＬＣＤ５７の垂直画素ピッチの２倍よりも僅かに小さいピッチをもつ水平スリットにより構成された簡単な視差バリア５６が使用される。同図からわかるように、左アレイ５４からの光は左画素だけに到達し、右アレイ５５からの光は右画素に到達する。このバリアは比較的低価格で製造できるが、二つの別個のステアリングアレイを必要とし、光スループットは２０％〜３５％の範囲に限られるという欠点がある。

光スループットは、図１４（ｂ）に示されるように、バリアをレンチキュラースクリーン５８で置き換えることによって実現される。このスクリーンのレンズは水平方向に広がり、視差バリアと同じピッチをもつ。仮想的に左アレイ５４からのすべての光がレンズによって集められ、左画素の中央領域へ向けられる。同様に、右アレイ５５からの光の大半は右画素へ向けられる。レンチキュラースクリーンが拡散器として使用されたときの上記の水平偏差の問題は、レンズが垂直散乱のため必要とされるＦ値よりも非常に大きいＦ値をもつので、この配置においては重大な問題ではない。垂直偏差は更に小さく、十分に小さいので光を適切な画素行だけに集めることができる。

両方の静的バリア方法は二つの別個のステアリングアレイを使用するが、単一のモノクロＬＣＤを、選択された位置の光を両方のアレイへ出力するＳＬＭ４０として使用してもよい。このＬＣＤは、画像形成用ＬＣＤとは別であり、画像形成用ＬＣＤと混同してはならない。ＳＬＭ４０は、見る人の頭部運動の追跡に応じて射出瞳を移動するため、選択された光出力位置の変動を考慮に入れることができるように十分に高速であるべきである。比較的安価である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）装置をＳＬＭ４０として利用してもよい。静的バリアは、また、望ましくないサンプリングアーティファクトがバリアスイッチングとＬＣＤフレームレートの相互作用によって生成されるエイリアシング効果がない。

二つの別個のアレイを使用することは、動的バリアを使用すると回避できる。この場合も、最も簡単な形式は視差バリアであろう。しかし、本例では、図１５に示されるように、視差バリアは実質的に動かされる。図１５（ａ）において、光をバリア６０に伝達するアパーチャは、単一のステアリングアレイ５９からの光をＬＣＤ６１上の右映像画素行に到達させることが可能である。アレイの照明面からの光は、頭部追跡装置によって見つけられた右眼が置かれたすべての位置に射出瞳が形成されるように配置される。

バリアは、次に、図１５（ｂ）に示されるように、光を左映像画素に到達させるため状態を変化させる。照明領域は左射出瞳が得られるように右へ移される。バリアが状態を変化させる遷移期間中に、すべての光源はオフである。バリアがＬＣＤフレームレート、若しくは、その近傍で切り替えられるならば、エイリアシングが生じる。強誘電性（ＦＥ）液晶又はパイセルアレイが動的バリアのため使用できる。

動的バリア多重化を実行するため、照明は、高速ＦＥ線形ＳＬＭによって制御され、又は、白色ＬＥＤアレイを用いて制御される。

この場合も、光スループットは比較的低いが、バリアの幾何学的性質は、単一アレイの全体的な高さが、間にギャップを必要とする二つのアレイよりもかなり低いので、光の約３５％〜４０％を通過させることが可能である。

他の形式の動的多重化を採用してもよい。視差バリア又はレンチキュラーシートはボイスコイルによって動かすことができるが、これは的確な解決手法ではない。別の可能性として、基板間のギャップ内で水平方向に延びるマイクロプリズムアレイと接触した液晶材料の複屈折を使用することが考えられる。レンチキュラーシートと組み合わせて使用すると、これは光を左行と右行へ順次に当てるため使用可能である。

ステアリングアレイは、効果的にディスプレイのバックライトと同じように作用するので、観測強度がＬＣＤの幅の全域で一定に見えることが重要である。アレイを用いる場合、要素が垂直バンドの系列を生成しないことを保証するように注意しなければならない。図６を参照すると、明るいアパーチャ像領域のそれぞれからの光が垂直方向に散乱される場合、各アパーチャ像の側面が隣接する像と正確に並べられるならば、すなわち、アパーチャ像が厳密に連続的であるならば、照明さえ観測されることがわかる。実際上、これは、製造公差、及び、アパーチャ幅変動を生じるレンズ収差のために不可能である。

アパーチャ像幅変動の効果は図１６に示されている。図１６（ａ）において、アパーチャ像エッジは正確に一列に並ぶ。同図の下方部には、アパーチャからの光が垂直方向に散乱されたときの明るさに変化がない様子が示されている。アパーチャ像幅がアパーチャ像のピッチよりも長い図１６（ｂ）のように、重なり合いが無い場合、周辺の明るさの約２倍の明るさである垂直バンドがスクリーンに現れる。像がピッチよりも狭い図１６（ｃ）のように、ギャップが存在する場合、暗いバンドが観測される。

アパーチャがシミュレーションされた実験は、図１７に示されるようにアパーチャの側面を徐々に消すことによって、位置合わせ無しの影響が主観的に見えなくなることを示す。アレイ全体で距離に関する理想的な強度変化は図１８（ａ）に示され、垂直方向の合成後に対応した結果として観測された完全に一定の強度が図の下側に示されている。アパーチャの各エッジにおける透過率の変化は、透過率が全アパーチャ幅の少なくとも十分の一の距離にわたって、より好ましくは、全アパーチャ幅の三分の一の範囲にわたって、最大値から最小値までほぼ直線的に徐々に変化するような変化である。透過率のプロファイルがこのように漸進的である場合、アパーチャの幅は透過率が最大値の半分である点間の距離になるように選ばれる。

アパーチャ像が図１８（ｂ）に示されるようにそれらのピッチよりも狭いとき、同図の下側に示されるような観測強度の変化が現れるが、観測強度はゼロまで降下しない。図示された合成強度変化は誇張され、見る人が許容することが予想される最大量を越えないが、同図はフェージングの有利な効果を明瞭に示していることに注意する必要がある。図１８（ｃ）には、アパーチャ像のピッチよりも広いアパーチャ像に対するフェージングの効果が示されている。この例では、強度はフェージング無しの場合のように２倍にならない。

ステアリング光学系に関して明細書で使用された用語「水平」は、光学的な意味でスクリーン組立体に対するステアリング光学系内の要素の姿勢を指定することを意図しているので、例えば、ステアリングアレイが垂直姿勢のディスプレイ内に配置され、折り畳みミラーがアレイの出力を水平まで９０°にわたって変換するため使用される場合、アレイの垂直姿勢は、本発明を理解する目的のため（光学的に）水平姿勢であると考えられるべきである。

上記の実施形態は本発明を説明するための例示であることが理解されるべきである。本発明の更なる実施形態を考えられる。ある実施形態に関連して説明されたあらゆる特徴は他の実施形態でも使用されることが理解されるべきである。更に、ここまでに記載されていない均等物及び置換物は、また、特許請求の範囲に記載された本発明の保護範囲を逸脱することなく利用される。

単一大型レンズ、又は、小型レンズのアレイが射出瞳を生成するため使用される様態の説明図である。 本発明による３Ｄディスプレイシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による光学要素の平面図である。 図３に示された光学要素に類似した光学要素の斜視図である。 本発明の一実施形態によるステアリングアレイ構造の平面図である。 図５に示されたアレイの正面図である。 本発明の更なる実施形態によるステアリングアレイ構造の平面図である。 図７に示されたアレイに類似した二つのステアリングアレイの組の斜視図である。 ステアリングアレイとスクリーン組立体との間の関係を表す図である。 折り畳みミラーがステアリングアレイ長を短縮し、ハウジングサイズを縮小するため使用されるディスプレイシステムの斜視図である。 例示的な視野とその寸法の平面図である。 例示的な視野と視野内の視点の平面図である。 シリンドリカルレンズと共面光源の斜視図である。 ２次元マトリックス状の光出力位置を示す図である。 二つの代替的な静的空間多重化方法の動作を説明する側面図である。 動的視差バリア多重化方法の動作を説明する側面図である。 像の垂直方向拡張によって生じた知覚強度に対するアパーチャ像幅変化の効果を説明する図である。 漸進的なアパーチャエッジを有するアレイによって生成されたアパーチャ像の正面図である。 像の垂直方向拡張に続くアパーチャエッジの漸進の効果を説明する図である。

Claims (21)

1. 視野全体で射出瞳を移動することができ、見る人が各射出瞳において選択された眼のための映像を見ることができる自動立体ディスプレイシステムであって、
   放射線の選択的減衰により映像を生成する映像形成装置と、前記映像形成装置へ向けて放射線を発射する光学要素のアレイと、放射線を前記光学要素のアレイに出力する放射線出力位置のアレイと、を備え、
   放射線出力位置の複数の組が設けられ、各組が前記光学要素の一つに関連付けられた対応した水平幅全体にわたり広がり、放射線出力位置が、射出瞳が放射線出力位置の複数の組のうちの各組からの少なくとも一つの放射線出力位置の選択により視野の選択された部分に形成されるように選択可能であり、
   前記放射線出力位置の各組が、放射線出力位置から発射された光出力の水平広がりを制限するアパーチャが関連付けられ、前記アパーチャのそれぞれが、関連付けられた放射線出力位置の組の水平幅よりも狭い水平広がりを有する、
   自動立体ディスプレイシステム。
2. 前記アパーチャが、映像形成装置の方へ発射された放射線において異なるアパーチャを通過する放射線の間で重なり合いが生ずるように、前記アパーチャのエッジで徐々に変化する水平透過率プロファイルを有する、請求項１記載の自動立体ディスプレイシステム。
3. 前記水平広がりが最大透過率の半分のアパーチャの幅によって画成される、請求項２記載の自動立体ディスプレイシステム。
4. 前記光学要素が屈折レンズ要素を備える、請求項１、２又は３記載の自動立体ディスプレイシステム。
5. 前記レンズ要素が少なくとも二つの要素が垂直方向で重なり合う構造に配置される、請求項４記載の自動立体ディスプレイシステム。
6. アパーチャが映像形成装置へ向けて発射された放射線が水平方向で実質的に均一強度を有するように配置される、請求項１〜５のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
7. 映像形成装置が放射線を伝達するため選択的に作動可能である領域を有する平面的な要素を備える、請求項１〜６のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
8. 映像形成装置が左眼用の映像と右眼用の映像をそれぞれ別々の行に形成するように配置される、請求項１〜７のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
9. 映像形成装置と視野との間に設置された垂直拡散及び／又は垂直屈折要素を備える、請求項１〜８のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
10. 左眼映像用の放射線を伝達するため配置された第１のアパーチャの組と、右眼映像用の放射線を伝達するため配置された第２のアパーチャの組と、を含む、請求項１〜９のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
11. フィールド順次動作で映像を伝達するように構成され、
    左眼映像用及び右眼映像用の映像フレームがそれぞれ、左眼射出瞳及び右眼射出瞳のそれぞれの放射線出力位置の選択と同期して、前記映像形成装置に交互に形成される、
    請求項１〜１０のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
12. 複数の異なる視点位置に複数の射出瞳を形成するため、前記放射線出力位置の組のそれぞれから複数の放射線出力位置を同時に選択するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
13. 前記放射線出力位置が、選択された出力位置の変動によって映像形成装置に対する射出瞳の水平角度を変えるため射出瞳が視野内で移動可能であるように選択可能である、請求項１〜１２のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
14. 前記放射線出力位置が、選択された出力位置の変動によって映像形成装置からの射出瞳の距離を変えるため射出瞳が視野内で移動可能であるように選択可能である、請求項１〜１３のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
15. 前記放射線出力位置が平面構造に配置される、請求項１〜１４のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
16. 前記放射線出力位置がそれぞれのアパーチャに中心が位置する曲面構造に配置される、請求項１〜１５のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
17. 前記光学要素が全内部反射を使用して前記アパーチャを介して光を投影するように配置される、請求項１〜１６のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
18. 前記アパーチャの広がりが対応した放射線出力位置の組の幅の四分の一よりも狭い、請求項１〜１７のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
19. 前記アパーチャの広がりが対応した放射線出力位置の組の幅の八分の一よりも狭い、請求項１〜１８のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
20. 前記光学要素が少しずつずれた構造に配置される、請求項１〜１９のいずれか一項記載の自動立体ディスプレイシステム。
21. 視野全体で射出瞳を移動することができ、見る人が各射出瞳において選択された眼のための映像を見ることができる自動立体ディスプレイシステムであって、
    放射線の選択的減衰により映像を生成する映像形成装置と、前記映像形成装置へ向けて放射線を発射する光学要素のアレイと、放射線を前記光学要素のアレイに出力する放射線出力位置のアレイと、を備え、
    放射線出力位置の組が、前記光学要素のそれぞれに対応させるため設けられ、射出瞳が前記放射線出力位置の組のそれぞれからの少なくとも一つの放射線出力位置の選択により視野の選択された部分に形成されるように選択可能であり、各組が所定の水平幅にわたって広がり、
    複数の見る人の左眼位置及び右眼位置に対応した二つの射出瞳を含む複数の組を視野内の選択された位置に生成するため制御可能である、
    自動立体ディスプレイシステム。

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