JP2008536155A - スイートスポットを追跡する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、透過型電子ディスプレイに対するスイートスポットユニットのスイートスポットを追跡する方法及び装置に関する。本発明の目的は、この種のディスプレイにおける照度の均一性及び再現品質を向上することである。ディスプレイは、画像マトリクス（４）に加え、照明マトリクス（１）及び再現エレメントから構成されるスイートスポットユニットを含む。少なくとも１つの観察者の目（６）の位置が逆方向レイトレーシングを使用して制御ユニットにより判定されると、前記観察者の目（６）に対して規定されたスイートスポット（５）を準備するために、照明マトリクス（１）の照明エレメント（ＬＥ）を活性化するためのアドレス情報は位置データから提供される。再現品質を向上するために、追加の光コンポーネントは、逆方向レイトレーシング処理に対して光路において使用される。制御ユニットは、観察者の観察角度（ａ）に加え、所定の角度範囲で散乱又は回折エレメントの規定の角度（θ）を検出及び考慮する。これにより、追加のアドレスデータが照明エレメント（ＬＥ）に対して活性化され、規定されたスイートスポット（５）は均一に照明される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、情報を表示する透過型電子ディスプレイにおいて使用されるスイートスポットユニットのスイートスポットを追跡する方法及び装置に関する。前記方法及び装置は、指示された方法でディスプレイによる情報を使用して変調した後の光をスイートスポットの少なくとも１人の観察者の目に投影する。

本発明は、１人以上の観察者のための、モノスコピック・ディスプレイと裸眼立体ディスプレイとの少なくともいずれかに適用可能である。本発明に係るディスプレイ装置により、オプションとして２次元、３次元モード又は組み合わされたモードで画像を表示できる。本明細書において、用語「裸眼立体ディスプレイ（autostereoscopic display）」は、追加の補助なしで、少なくとも１人の観察者が観察者により自由に選択される多くの位置から３次元画像を観察するのに使用するディスプレイ装置を示す。

光伝播の方向を見ると、ディスプレイのスイートスポットユニットは、光を放射又は伝送する複数の照明エレメントを含む照明マトリクスと結像エレメントを含む結像手段とを具備する。結像手段は、ほぼ理想的な平行光線束の１つ以上のスイートスポットの形式で照明マトリクスの活性化照明エレメントの光を少なくとも１人の観察者の目に投影する。このために、複数の照明エレメントが結像手段の各結像エレメントに割り当てられる。スイートスポットは、情報パネル上に提供される情報が高品質で観察される領域である。

情報パネル上に表示される情報の均一性は、スイートスポットにおいて常に保証される必要があり、観察者の両眼間の情報のクロストークは、３次元コンテンツを観察する時に防止される必要がある。観察者がディスプレイ装置の前方の空間において自身の位置を変更した場合でも、それら条件は達成し続けられる必要があるため、観察者には高品質なモノスコピック又は立体画像コンテンツが継続的に提供される。例えば、自動車で使用されるモノスコピックディスプレイにおいて、運転者はルートマップを見る一方で同乗者は映画を観れる。双方とも、自身の特定の情報を失うことなくある特定の範囲で動くことができる。

更に、外乱及び結像欠陥は、規定されたスイートスポットに対して活性化された光源の数が僅かに少なすぎるか又は僅かに多すぎる場合に発生する可能性が高いことが示される。例えば、観察者は個々のスイートスポット間のクロストークを経験し、均一性及びコントラスト等の画質は低下するだろう。人間の目は、そのような変化を非常に容易に感知する。

裸眼立体ディスプレイは、高品質の３次元シーンを提供するだけでなく、２次元モードと３次元モードとの少なくともいずれかの複数の表現に対するオプションのアクセス権及び観察者の自由で独立した移動性等の観察者の数に関係しない特性を提供することが期待される。

それら要求を十分に満たすために、追跡装置における次のような処理及び情報の立体表示のための情報を提供する適切な追跡システムが必要とされる。そのような追跡システムは、可能な限り大きな観察空間においてディスプレイ装置の前方における観察者の動きを継続的に検出できる必要があり、それにより各観察者には、観察者の実際の位置に関係なく特定の画像情報が常に提供される。これは、位置ファインダの正確さ、ディスプレイの個々のエレメントの品質及びディスプレイ全体の結像品質に対する要望を大きくする。

機械的手段、光学手段及び他の手段、あるいはそれらの組合せを使用する追跡するための追跡システムが存在する。しかし、それらシステムには、リアルタイムアプリケーションにおける正確さ又は安定性に悪影響を及ぼす欠点がある。それらシステムの設計は大型であることが多く、観察者が情報を提供される観察空間は非常に制限される。更に、必要とされる計算時間が増加すると、位置検出から情報提供までの処理において考慮される要因も増加する。

特許文献１は、３次元位置情報を収集する追跡システム及び立体画像の連続した表現を含むマルチユーザディスプレイを開示している。ディスプレイは、３次元でアドレス指定されるバックライト、光を観察者に集束する面積の広い結像レンズ及び画像マトリクスである光変調器を順に含む。バックライトは、複数の平面に順に配置される複数の２次元光源アレイから構成される。実際の観察者の位置に従って、バックライトの１つの光源アレイの照明エレメントが活性化のために判定される。この方法により、１人以上の観察者とディスプレイとの距離に関して光源追跡が可能になる。全ての観察者の目の３次元位置情報は動的に検出され、バックライトの割り当て可能な照明エレメントは開放され、光束は変調画像と同期して観察者の左右の目に集束される。

このディスプレイ装置の欠点は暗いことである。これは、ローカルで選択可能な１つの点光源の光のみが観察者の各目に対して画像全体を照明するのに利用可能であり、光路の非能動光源アレイがその光の一部を吸収するためである。大型の設計に加え、３次元バックライトは製造するのが困難である。

特許文献２は、光源追跡システムを含む複数ユーザのための裸眼立体ディスプレイを開示している。観察者毎に対で配置される光源は、制御システムを使用することにより観察者の変更位置を追跡するためにｘ方向、ｙ方向及びｚ方向に移動できる。この方法により、情報パネル上の３次元シーンを観察者に連続して継続的に提供することが可能になる。このシステムが光源追跡の方法を採用するため、上述の欠点はこのシステムにも当てはまる。特に、観察者別の光源の対が各観察者に対して個別に追跡される必要があるため、高価な追跡手段が必要とされる。それら手段により、ディスプレイ装置のフラット設計は達成されない。
国際公開第０３／０５３０７２Ａ１号パンフレット 米国特許第６，０１４，１６４号明細書

従来の追跡方法は、非常に大きな制約のある立体観察空間の種々の位置にいる観察者に特定の情報のみを配信できる。追跡範囲及び画像マトリクスの明るさは制限される。更に、ディスプレイは大型であり、追跡を行なうために計算手段を含む高価な手段を必要とする。ディスプレイの前方の様々な位置に観察者が多数いると、計算されるデータ量は多くなり、その結果、位置検出とスイートスポットの実際の提供との間の遅延が大きくなる。データのある特定の部分をリアルタイムで計算せずに、事前計算済みデータをルックアップテーブルに格納し、必要に応じてそのようなデータを呼び出して処理することが一般的になっている。別の欠点は、観察者数が増加すると、システムの記憶容量がすぐに枯渇することである。

本発明の目的は、逆方向レイトレーシング（光線追跡）法を使用して上述の従来の解決策の欠点を防止又は最小限にすることである。ここで使用される逆方向レイトレーシング法は、光コンポーネントの形状（geomtry）に基づいて光の伝播を判定する。光路が可逆的であるという光の特性を利用することにより、全ての光線は目から光線が発生した点までトレース（追跡）される。

特に、本発明の目的は、比較的大きな観察空間における観察者の位置の変化に従って拡張スイートスポットの迅速な機械的でない追跡が可能なスイートスポットユニットをディスプレイに提供し、高画質及び情報パネルの均一な照度を継続的に維持しつつ、画像マトリクスに表示される観察者別の画像情報を個々のスイートスポット位置に配信することである。

同時に、追跡範囲は広くなり、各観察者に対する特定の画像にはクロストークがない。更に、追跡方法に対するリアルタイムで計算されるデータ量は最小限にされ、ルックアップテーブルに格納される事前計算済みデータ量は可能な限り少なく維持されて、受け入れ可能な計算時間が保証される。

光路の光コンポーネントの拡散及び回折が、結像品質及びスイートスポットの均一な照度に大きな影響を及ぼすことは周知である。拡散及び回折は、ある特定の光コンポーネントを選択することにより、水平又は垂直平面、あるいは全ての平面に向けられてもよい。拡散及び回折手段を目的を持って使用すると、特に照明エレメントの構造が非常に精巧である場合、照度の均一性及びスイートスポットの品質が更に向上する。

この目的は、スイートスポットユニット及び画像マトリクスを含むディスプレイに対する追跡方法に基づいて本発明の方法で解決される。それにより、位置ファインダによる観察者の目の空間位置のリアルタイム検出で開始するいくつかの処理ステップにおいて、照明マトリクスに規則的なパターンで配置される照明エレメントは、観察者の目に対する規定されたスイートスポットを提供するために光路において活性化される。

本発明によると、目的は、逆方向レイトレーシングを含む追跡方法により解決される。逆方向レイトレーシングにおいて、光線は、観察者の目から開始して画像マトリクス及び結像手段を通って照明マトリックスまでトレースされる。これにより、画像マトリクスを介して見る場合に観察者が見ることができる照明マトリクスの照明エレメントを正確に活性化する。観察者の目は、使用される結像手段の種類に関係なく結像手段と組み合わせて、スイートスポットのそれら観察者の目に割り当てられた有向照明を受ける。

位置ファインダを使用して少なくとも１人の観察者の目の空間位置を継続的に検出した後、検出した位置情報は、逆方向レイトレーシングを実行する制御ユニットに送信される。位置ファインダの正確さと他のパラメータとの少なくともいずれか、特に観察者の目とディスプレイとの距離に依存して、必要とされるスイートスポットの形状は、基準点を判定することにより制御ユニットにおいて個別のステップで規定される。観察者の各目に対する基準点の数及び位置は自由に選択される。本発明においては、基準点を矩形に配置することが好ましい。すなわち、逆方向レイトレーシングは、好ましくは矩形を描く少なくとも４つの点に対して実行される。

基準点の数は、スイートスポットが常に均一に照明されるのに十分な程多く、また必要とする計算力及び記憶容量を可能な限り小さく維持するのに十分な程少ない必要がある。例えば、観察者の位置がディスプレイから比較的遠く離れているため、位置検出の正確さが著しく減少する場合、更に広いスイートスポットの範囲が必要となる。

制御ユニットは、各基準点から開始し、画像マトリクス上のグリッドに配置され且つ少なくとも１つのパラメータにより規定される画素まで逆方向レイトレーシングを実行する。計算は、全ての画素に対して実行されるのではなく、画素が画像マトリクスの所定のグリッドに従って１つのパラメータによってのみ規定されるように１列に配置された画素に対してのみ実行されるのが好ましい。

逆方向レイトレーシングは、画素から結像手段を通り照明エレメントまで継続される。対応する結像手段により各基準点に対して投影される照明エレメントのアドレス情報を含むデータレコードは、計算によって生成される。後続の処理ステップにおいて、活性化される照明エレメントのパターンはアドレス情報に基づいて生成され、前記パターンは観察者の各目に対して規定される上記スイートスポットの形態で結像手段により結像される。

本発明による方法は、少なくとも１人の観察者に対するモノスコピック及び裸眼立体ディスプレイに適用される。

各画素に対する逆方向レイトレーシングが画像マトリクスの中央列に対してリアルタイムで実行されるのが好ましいが、制御ユニットは、更なる光路に対するルックアップテーブルに格納された照明エレメントのアドレス情報を発見するために事前計算済みデータレコードを検索する。現在の観察者の位置に対応する照明エレメントのパターンに対するアドレス情報は、データレコードのパラメータを比較することにより制御ユニットにより発見され、対応するスイートスポットを生成するために使用される。従って、観察角度ａは、基準点から画像マトリクスの観察画素までの光路を特徴付ける。画像マトリクスのグリッドにおける各画素から照明マトリクスの各照明エレメントまでの光線の事前計算済み光路は、ルックアップテーブルのデータレコードに格納される。

像面湾曲（field curvature）等の結像手段による収差は、データレコードにおいて既に考慮されているのが好ましい。同様のことが、使用される光エレメントの周知の材料及び製造許容差、並びに温度別の挙動に当てはまる。

逆方向レイトレーシングのパラメータとして観察角度を使用することにより、ある特定の観察角度が、ディスプレイまである特定の距離に位置する１人の観察者だけでなく種々の距離に位置する複数の観察者に対しても適用されるため、実行される計算回数は減少されるという利点が得られる。全ての観察者に対して同一の立体画像（ステレオイメージ）を提供される場合、アドレス情報は、観察者の全ての左目及び右目の検出位置に対する照明エレメントの２つの別個のリストのみを含むのが好ましい。ルックアップテーブルは、複数の光線及び観察角度に対して、画像マトリクスの関連した画素及び照明マトリクスの全ての照明エレメントに対してスイートスポットを生成するために使用される事前計算済みデータレコードを含む。それらデータレコード全体は、ルックアップテーブルの転送データを表す。

本発明の一実施形態は、有向バックライトと組み合わされる個別に制御可能なサブ画素を含むシャッターで構成される照明マトリクスを含む。あるいは、照明マトリクスは、ＬＥＤ又はＯＬＥＤ等の個別に制御可能な発光照明エレメントを含んでもよく、それによりバックライトが余剰化し、またディスプレイのフラット設計が維持される。

更に本発明は、本発明による方法を実現するために適切な制御及び格納手段を含むディスプレイのスイートスポットユニットのスイートスポットを追跡するための制御信号を提供する装置に関する。

本発明の別の実施形態によると、拡散又は回折エレメントの形態の少なくとも１つの追加の光コンポーネントが光路において使用されるため、追加のパラメータはアドレス情報を発見するために存在し、画質及び照度の均一性が向上する。更に制御ユニットは、拡散又は回折手段の光学特性を規定する角度θ（角度範囲の）を検出し、考慮する。

角度θは、少なくとも１つの拡散エレメントを含む拡散手段の拡散角度であるか、あるいは少なくとも１つの回折エレメントを含む回折手段の回折角度である。

複数の光線がスイートスポットを生成するために必要とされるため、角度ａに関連する複数の角度範囲が計算に使用される。制御ユニットは、好ましくは実際に使用される照明マトリクスのグリッドサイズに依存してそれら角度範囲を検出する。単純な計算を維持するために、角度範囲情報は、光路の拡散又は回折手段の位置に関係なく、逆方向レイトレーシング処理に関連する位置で常に検出され、考慮される。逆方向レイトレーシング処理中に発見される照明マトリクスの全ての照明エレメントは、規定されたスイートスポットを生成するために活性化される。

拡散又は回折手段が本発明による逆方向レイトレーシング処理において考慮されるため、追加の照明エレメントは単純な方法で活性化される。更にそれにより、暗いストライプ、クロストーク及び低コントラスト等の結像欠陥は減少するか又は除去される。

スイートスポットユニットのスイートスポットを追跡するために使用されるような本発明に係る方法により、ルックアップテーブルに格納される転送データ量及び必要とされる計算時間を最小限にできる。特に、個々の観察者に、２次元モードと３次元モードとの少なくともいずれかで種々の情報が同時に提供される場合、観察者が観察空間において自身の位置を変更すると、観察者別の画像情報は高品質でリアルタイムに追跡されるのが好ましい。

次に、本発明による方法及び対応する装置を詳細に説明する。

説明は、裸眼立体ディスプレイを参照するのが好ましい。

次に図１〜図５を参照して、１人以上の観察者が観察空間において自身の位置を変更した場合にスイートスポットユニットのスイートスポット５を追跡する本発明による方法及び対応する装置を裸眼立体ディスプレイと関連して更に詳細に説明する。方法は、理想的な明るさ及び均一性で表示される立体画像を提供し、また高画質を維持するスイートスポットを生成するために、観察者の位置毎に照明エレメントＬＥのみが活性化されるという概念に基づく。本発明の目的は、逆方向レイトレーシング法及び対応する装置を使用して達成される。

図１を参照すると、裸眼立体ディスプレイは、以下の主な構成要素、すなわち照明エレメントＬＥ_0n〜ＬＥ_qkを有する照明マトリクス１を含むスイートスポットユニットとレンチキュラ２及びフレネルレンズ３を含む結像手段とを含む。スイートスポットユニットの非変調光が透過する画素Ｄ₀〜Ｄ_qを含む透過画像マトリクス４は、立体画像を描画するために使用される。簡単にするために、図は、基準点Ｐ₀〜Ｐ_nにより規定される１つのスイートスポット５及び１つの観察者の目６のみを示す。

逆方向レイトレーシング処理を実証すると、図２は、スイートスポットの基準点Ｐ₁〜Ｐ₄から画像マトリクス４のランダムに選択された２つの画素Ｄ_r及びＤ_pに及ぶ想定された光路と対応する４つの観察角度ａ_r1〜ａ_r4及びａ_p1〜ａ_p4とを示す。

図３ａは、制御ユニットにより発見された照明マトリクス１の全ての照明エレメントＬＥの全てのアドレス情報を含む照明エレメントのリスト７を示す。照明エレメントの上記リストは、パターンＭを規定する。規定されたスイートスポット５を生成する照明エレメントＬＥ（図３ｂを参照）は、前記パターンＭに従って活性化される。

図４は、ランダムに選択された基準点から追跡される計算済み光線ＲＴ_iの光路及び規定された拡散角度θを有する拡散フォイル（ディフューザフォイル）ＳＦを介する光線ＲＴ_iの拡散を示す。拡散又は回折手段ＳＦの位置における拡散角度θに基づいて、追加の光コンポーネントが±θ及び±θ／２の角度範囲を有する場合に追加の照明エレメントＬＥが活性化される方法を示す。ここで、角度範囲±θは水平方向でのみ検出される。一般に、この処理は垂直方向に実行されてもよい。

図５は、逆方向レイトレーシングルーチンの主な処理ステップを示すフローチャートである。

照明マトリクス１は、マルチユーザディスプレイのスイートスポットユニットの主要なエレメントである。観察者が移動した場合でも、照明マトリクス１は、スイートスポット５を介して理想的且つ均一に照明された立体画像を観察者に継続的に提供する。本発明の主なアプリケーションにおいて説明されるように、生成されるスイートスポット５の位置、数及び範囲は、制御ユニットにより制御され、照明マトリクス１を使用して実現される。図１に示すように、照明マトリクス１は、個別に活性化される複数の照明エレメントＬＥ_0n〜ＬＥ_qkから構成される。説明される本実施形態において、照明エレメントＬＥは、バックライト（不図示）により照明されるＬＣＤの単色の照明エレメントである。

しかし、照明エレメントは、規則的なパターンで配置され且つ個別に活性化されるＬＥＤ、ＯＬＥＤ、あるいは同様の点状又は直線状の照明エレメントであってもよい。

結像手段は、光学結像システムを表すレンチキュラ２とスイートスポット５を観察者の目６に投影する視野レンズとしての役割を果たすフレネルレンズ３との複数のエレメントから構成される。あるいは、結像手段はレンチキュラ２のみであってもよい。投影状況を向上するために、追加の光学手段が必要に応じて結像手段に組み込まれてもよい。水平に配置されたレンチクルから構成される少なくとも１つの更なるレンチキュラにより垂直に配置されたレンチクルから構成されるレンチキュラ２を補完できる。レンチキュラの更なる組み合わせが可能である。マトリクスに配置されたレンズエレメントから構成されるレンズアレイ又はプリズム状のエレメントから構成される光結像システムが、レンチキュラ２の代わりに使用されてもよい。

更なる実施形態において、結像手段は、像面湾曲修正のための修正アレイを更に含んでもよい。光の分極を変更するために、追加のリターダフォイル（遅延フォイル）は、使用される画像マトリクス４の種類に依存して光学投影路に配置されてもよい。ある特定の数の照明エレメントＬＥは、各結像エレメントに常に割り当てられる。

図１の平面図を参照すると、観察者の目６は、ディスプレイの前方、更に正確には所定の平面の拡張スイートスポット５に位置している。最初、スイートスポット５は実際には存在しないが、システムパラメータ及び観察条件を考慮して事前に定義される。スイートスポットの範囲は、基準点Ｐ₁〜Ｐ_nにより示される。基準点Ｐ₁〜Ｐ_nは、３次元パターンを含む任意のパターンで配置されてもよい。パラメータｎは、別個のスイートスポット５を実現できるように、逆方向レイトレーシングに対して矩形を規定するために少なくとも４である必要がある。本実施形態において、ｎは１２である。スイートスポット５の深さは、使用される位置ファインダの正確さとディスプレイに対する観察者の目６の位置との少なくともいずれかに依存して、ここで示される深さより小さくても大きくてもよい。スイートスポットの範囲をより小さくできると、位置ファインダはより正確に動作する。点Ｐ₀は、位置ファインダにより検出される目の位置を示す。２人以上の観察者が存在する場合、観察空間の全ての目６の位置は動的に検出され、対応する位置情報は逆方向レイトレーシングのために制御ユニットに提供される。

点Ｐ₀における観察者の目６の空間位置をリアルタイムで継続的に検出した後、想像上のスイートスポット５は、別個の基準点Ｐ₁〜Ｐ_nを使用して目の周りに規定される。基準点Ｐ₁〜Ｐ_nから画像マトリクス４の選択された列の画素Ｄ₀〜Ｄ_qへの光路ＲＴ₁〜ＲＴ_nは、制御ユニットにおいて計算される（図１を参照）。画像マトリクス４は、画素計算の基礎を形成する一定のピッチを有するグリッドに分割される。グリッドのピッチは、画像マトリクス４のピッチと同一でも同一でなくてもよい。しかし、異なるピッチを有するいくつかの領域から構成されるグリッドの使用も可能である。しかし、逆方向レイトレーシングにおいて、画像マトリクスのピッチより大きいピッチを使用することが有利である。これは、必要とされる計算力を大きく減少するためである。

画素Ｄ₀〜Ｄ_qは、それらが位置する列内のｘ座標により識別される。実際には、観察者が画像ディスプレイの中央に向かって観察することを好むため、画像マトリクスの中央列が使用される。計算で必要とされる別のパラメータは、基準点Ｐ₁〜Ｐ_nからの光線がグリッドの画素Ｄ₀〜Ｄ_qに入射する際の観察角度ａである。現実的な計算結果を達成できるように、約４，０００個の観察角度ａが使用されるべきであることが経験的に分かる。観察角度の数が４，０００より非常に少ない場合、追跡精度は悪影響を受けるだろう。

２次元結像手段の場合、画素Ｄは、ｘ座標のみで規定されずにｘ座標及びｙ座標により規定される。

図１において説明された実施形態において、照明エレメントＬＥ_0n〜ＬＥ_qkは、バックライト（不図示）により照明されるシャッターの単色の照明エレメントである。観察者の目６は基準点Ｐ₀に位置する。逆方向レイトレーシング法により計算されるような外側の基準点Ｐ_k及びＰ_nから外側の画素Ｄ₀及びＤ_qに及ぶ光線を図示する。基準点Ｐ₁から画素Ｄ_pに及ぶ光線は、光線が画像マトリクス４の画素に入射する際の観察角度ａ_p1と共に示される。

画素Ｄ_pから結像エレメントを通る光路は、照明マトリクス１の照明エレメントＬＥ_p1で終了する。上記のエレメントは、画像マトリクス４の中央列に位置付けられるのが好ましい。この計算は、全ての画素Ｄ₀〜Ｄ_q及び多くの観察角度ａに対して実行される。これは、基準点Ｐ₁〜Ｐ_nにより規定されるスイートスポット５の均一な照度を達成するために活性化される必要がある全ての照明エレメントＬＥ_0n〜ＬＥ_qkに入射することを保証する。光線が入射する照明エレメントＬＥ_0n〜ＬＥ_qkは、対応するカラムと共に活性化される。

活性化される照明エレメントＬＥ_0n〜ＬＥ_qkが少なすぎる場合、スイートスポット５及びオンにされた画像は十分に照明されない。これに対して、活性化される照明エレメントＬＥ_0n〜ＬＥ_qkが多すぎる場合、スイートスポット５は更に他方の目を照明し、その結果、クロストーク及び立体画像のコントラストの低下を招く。

規定されたスイートスポットの別の例を図２に示す。逆方向レイトレーシング処理中、どのように光線が４つの基準点Ｐ₁〜Ｐ₄から２つの画素Ｄ_r及びＤ_pに伝わり、それぞれ異なる観察角度ａ_r1〜ａ_r4及びａ_p1〜ａ_p4を有するかが示される。このスイートスポットの構成は、観察者が位置ファインダに非常に近接して位置する場合に使用されるのが好ましく、観察者の位置は、高い正確さで非常に少ない基準点により規定される。

規定されたスイートスポット５の基準点Ｐから画像マトリクス４のグリッドの対応する画素Ｄまでのリアルタイムの逆方向レイトレーシングの結果、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）に格納された事前計算済みデータレコードを検索するために入力データが生成される。

ルックアップテーブルは、同一のアルゴリズムに従って実行される多くの光路の計算の結果を表す事前計算済みデータレコードを含む。そのデータレコードのリアルタイム計算は時間がかかりすぎる。従って、画像マトリクス４のグリッドの各画素Ｄから結像手段を通り照明マトリクス１の照明エレメントＬＥの２次元座標までの全ての光路は、事前に計算され、ルックアップテーブルＬＵＴのデータレコードに格納された。

しかし、レンチキュラ２までの光路をリアルタイムで計算することも可能である。これにより、データレコードの数は減少し、記憶容量は節約される。

リアルタイムで計算されたデータレコードと制御ユニットにおいて事前に計算され、格納されたデータレコードとのパラメータを比較することにより、レンチキュラ２及びフレネルレンズ３により対応する基準点Ｐに投影される照明エレメントＬＥのアドレス情報を生成する。図３ａに示される照明エレメントのリスト７で分かるように、想像上の光線は照明エレメントＬＥに複数回入射する可能性がある。リスト中の数字は、基準点Ｐで開始する逆方向レイトレーシング中に照明エレメントＬＥに入射した回数を示す。しかし、照明エレメントＬＥを活性化することになった場合、入射する回数は関係ない。一般に、光線ＲＴが少なくとも１度入射した全ての照明エレメントＬＥは活性化される。制御ユニットは、アドレス情報に基づいて照明マトリクス１の対応するカラムを活性化する全ての照明エレメントＬＥのパターンＭを生成する（図３ｂを示す）。ここで、このパターンは、規定された位置の観察者の目６に対するスイートスポット５を実現するために使用される。

ディスプレイの前方に複数の観察者が存在する場合、活性化される照明エレメントＬＥの一連のパターンＭが判定され、それは観察者の目の実際の数と一致する。例えば、全ての観察者が同一のコンテンツを見たい場合、最初に観察者の全ての左目に対して逆方向レイトレーシング法を使用して要求された立体情報を提供され、次に全ての右目に対して立体情報を提供される。

説明した逆方向レイトレーシング法に従って、いくつかの照明エレメントＬＥが活性化されない場合、立体画像は、上記欠点を伴ってスイートスポット５の位置から感知される。例えば、個々のレンチクルの周囲が画像の暗いストライプとして識別され、画像マトリクス４の照度は不均一な可能性がある。逆方向レイトレーシング処理において、光の拡散又は回折を更に考慮するのが有利であることが実証された。

本発明の別の実施形態によると、拡散角度又は回折角度であってもよい角度θが導入される。これは、規定された角度範囲で逆方向レイトレーシング処理中に検出及び考慮される。簡単にするために、拡散手段を使用して以下に本発明を説明する。しかし、回折手段が他のアプリケーションにおいて同様に使用されてもよい。結像手段は、光路の少なくとも１つの拡散エレメントを含む１つの拡散手段に割り当てられるのが好ましい。拡散エレメントは、規定された拡散角度を有する拡散フォイルＳＦであってもよい。これは、フレネルレンズ３の前方又は後方、あるいは光路の別の位置に配置されてもよい。いくつかの拡散フォイルＳＦが使用される場合、図４に示すように、それらフォイルの各々は異なる拡散角度を有してもよいため、角度範囲における追加のパラメータがアドレス情報を発見するために検出及び考慮されてもよい。同様のことが回折手段及び回折角度にも当てはまる。

本発明には、追加のアドレス情報を発見するために、角度範囲が水平方向及び垂直方向に検出及び考慮されてもよいという可能性が含まれる。図４に示す実施形態を参照すると、角度範囲±θが拡散フォイルＳＦの周知の拡散角度θに基づいて規定される方法を追跡された１つの光線ＲＴ_iに対して概略的に示す。選択された光線ＲＴ_iは、任意の基準点Ｐから発生し、画素Ｄにおいて画像マトリクス４を通過した。多くの光線ＲＴ_i0〜ＲＴ_i3（矢印により示す）が照明マトリクス１の照明エレメントＬＥ_i-2〜ＬＥ_i+2まで伝わるように、光線ＲＴ_iは拡散フォイルＳＦにより拡散される。角度範囲±θが逆方向レイトレーシングに対して使用される場合、２つおきに照明エレメントが活性化される。角度範囲が２で分割される（図４に示すようにθ／２である）場合、逆方向レイトレーシング処理中に光線が照明エレメントＬＥ_i-1及びＬＥ_i+1に更に入射する。規定されたスイートスポット５の均一な照度を提供するために活性化される照明エレメントＬＥの数はより正確に発見され、照明エレメントＬＥの非活性化の危険性は最小限になる。実際には、更に活性化される光線の数は非常に大きくなる。

特定の場合に使用される角度範囲は、使用される照明マトリクス１のグリッドサイズに依存する。

照明マトリクス１のサイズがより精細に決定されると、逆方向レイトレーシングに対して使用される角度範囲は、実際の拡散又は回折角度に基づいてより精細に規定される。尚、角度範囲がより精細であると、より多くのアドレス情報が発見され、より多くの計算時間が必要とされる。従って、逆方向レイトレーシング法を採用する場合、手段及び計算力に適度な労力のみを費やし、一方では適切な画質及び規定されたスイートスポット５の均一な照度を依然として達成することが重要である。

多くの角度範囲の発見された全ての値は、アドレス情報を検出及び考慮するために制御ユニットにより使用される。アドレス情報は、ｘ座標に加えて、観察角度ａ及び拡散角度又は回折角度に対応する角度θ又はθ／２を含む。追加して発見されたアドレス情報により、スイートスポット５を生成するために活性化される照明エレメントＬＥの最小数の正確さが向上する。

図５を参照すると、フローチャートは、規定されたスイートスポット５を生成するために、位置ファインダによる観察者の目６の位置の検出から活性化される照明エレメントＬＥのパターンＭの規定までの逆方向レイトレーシング処理を示す。

本発明は、装置に関し、特に上述の逆方向レイトレーシング法を実現するために装置の独立請求項で定義されるようないくつかの機能単位を含むプロセッサに関する。

スイートスポットユニットのスイートスポットを追跡する本発明の方法は、最小のデータ量で照明エレメントの最適なパターンを規定して、常に均一に照明される画像マトリクスにより提供される特定の情報を観察者が観察するスイートスポットを観察者平面に生成することが可能なディスプレイを提供するのが好ましい。収差が逆方向レイトレーシング法において既に考慮されているため、ディスプレイは光学的誤差を殆ど示さないのが好ましい。

ルックアップテーブルを使用することにより、スイートスポットを生成するのに必要とされる個々の照明エレメントが繰り返し再計算される必要がないという利点が達成される。

その結果、スイートスポット及び対応する立体画像は観察者の目の動きに従ってリアルタイムに迅速に且つ正確に追跡され、同時に観察者の追跡範囲は増大する。

スイートスポットユニット、画像マトリクス４及びスイートスポット５の観察者の目６と共にマルチユーザディスプレイを概略的に示す平面図である。 スイートスポットの基準点Ｐ₁〜Ｐ₄から画像マトリクス４の画素Ｄ_p及びＤ_rに及ぶ光線を対応する観察角度ａと共に示す平面図である。 照明エレメントＬＥのパターンＭを規定する照明エレメントのリスト７を示す図である。 活性化及び非活性化照明エレメントＬＥを含む照明マトリクス１の詳細を示す図である。 逆方向レイトレーシング処理において追跡される光線ＲＴ_iを示す平面図であり、前記光線は±θの角度範囲で拡散手段ＳＦを介して拡散され、拡散された光線部分ＲＴ_i0〜ＲＴ_i3は照明エレメントＬＥに向かう。 ディスプレイ装置における逆方向レイトレーシングルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１−照明マトリクス
２−レンチキュラ
３−フレネルレンズ
４−画像マトリクス
５−スイートスポット
６−観察者の目
７−照明エレメントのリスト
ＬＥ−照明エレメント
Ｄ−画素
Ｍ−パターン
Ｐ−基準点
ＲＴ−光線
ＳＦ−拡散フォイル
ａ−観察角度
θ−角度（拡散又は回折角度）

Claims (17)

1. ディスプレイのスイートスポットユニットのスイートスポットを追跡する方法であって、
   前記スイートスポットユニットは、
   複数の制御可能な照明エレメントを有する照明マトリクスと、
   スイートスポットの形式で有向光を少なくとも１人の観察者の目に投影するための結像手段と、
   を備え、
   前記光は画像マトリクスの画素による画像情報を使用して変調され、
   位置ファインダは、制御ユニットへ送信される観察者の目の位置情報を検出し、該制御ユニットは、前記スイートスポットに対して照明エレメントを活性化するために前記位置情報を使用し、
   前記制御ユニットは、
   観察者の各目（６）の周囲に拡張スイートスポット（５）を描く基準点（Ｐ₀．．．Ｐ_n）を前記位置情報を使用して規定し、
   前記規定されたスイートスポット（５）を生成する前記照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）を前記結像手段と共に活性化するために、各基準点（Ｐ₀〜Ｐ_n）から開始し、画像マトリクス（４）の選択された画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）及び前記結像手段を通って、前記照明マトリクス（１）まで、前記画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）について逆方向レイトレーシングを実行する
   ことを特徴とする方法。
2. 前記観察者の目（６）に向けられた前記スイートスポット（５）の前記光が前記画像マトリクス（４）の広い領域を照明するように、前記選択された画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）が前記画像マトリクス（４）にわたって配信される、請求項１記載の方法。
3. 前記スイートスポット（５）の形状は、前記位置、好適には、前記観察者の目（６）と前記ディスプレイとの距離に基づいて、前記制御ユニットにより規定される、請求項１記載の方法。
4. 基準点（Ｐ₀〜Ｐ_n）から画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）までの光路は、観察角度αにより特徴付けられ、
   前記αは各画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）について多くの値をとる、請求項１記載の方法。
5. 前記アドレス情報を発見するための前記制御ユニットは、角度範囲において角度（θ）を更に検出するとともに考慮し、
   前記角度（θ）は、拡散又は回折手段の光学特性を規定する、請求項１記載の方法。
6. 前記角度（θ）は、少なくとも１つの拡散エレメントを備える前記拡散手段（ＳＦ）の拡散角度であるか、又は、少なくとも１つの回折エレメントを備える前記回折手段の回折角度である、請求項５記載の方法。
7. 前記角度θに関連する前記角度範囲は、前記拡散手段又は前記回折手段が前記光路に配置される位置とは無関係に、アドレス情報を発見する処理に統合される、請求項５記載の方法。
8. 前記制御ユニットは、使用される前記照明マトリクス（１）の前記グリッドサイズに基づいて前記角度範囲を発見する、請求項５記載の方法。
9. 前記画像マトリクス（４）の各画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）から前記照明マトリクス（１）の各照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）までの光路は、事前に計算され、転送データレコードの形式でルックアップテーブルに格納される、請求項１記載の方法。
10. 前記スイートスポットの前記基準点（Ｐ₀〜Ｐ_n）に対して結像される前記照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）の各々のアドレス情報を生成するために、電子パラメータの比較がルックアップテーブルにおいて実行される、請求項９記載の方法。
11. 前記規定された角度θに関連する角度範囲は、前記ルックアップテーブルに格納される前記事前計算済みのデータレコードに含まれる、請求項７又は９記載の方法。
12. 前記アドレス情報は、観察者の全ての左目及び全ての右目に対する照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）の別個のリストを含み、
    同一の情報が全ての目に対して表示される、請求項１０記載の方法。
13. 少なくとも前記逆方向レイトレーシング処理中に発見される前記照明マトリクス（１）の全ての照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）は、前記規定されたスイートスポット（５）を生成するために活性化される、請求項１記載の方法。
14. 画像マトリクス及び画素、照明エレメントを有する照明マトリクスを使用してディスプレイのスイートスポットユニットを制御する装置であり、スイートスポット中の観察者の目に光を投影するために使用される結像手段と、観察者の目の位置を検出するために使用される位置ファインダと、ある照明エレメントを活性化するためにアドレス情報を提供する制御ユニットと、を有する装置であって、
    スイートスポット（５）を規定する基準点（Ｐ₀〜Ｐ_n）を規定し、該基準点（Ｐ₀〜Ｐ_n）から、前記画像マトリクス（４）上の所定のグリッド内の前記画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）と前記結像手段とを通過して、前記照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）まで逆方向レイトレーシングを実行し、これにより前記対応する基準点（Ｐ₀〜Ｐ_n）に対する前記照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）の結像のためのアドレス情報を発見し、規定されたスイートスポット（５）を投影するために能動照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）のパターン（Ｍ）を作成する、制御手段と、
    規定された画素（Ｄ₀〜Ｄ_q）から、結像手段を通過し、前記照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）までの前記光路についての事前計算済みデータレコードをルックアップテーブルに格納し、照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）のアドレス情報を生成するためにパラメータの比較を実行する格納手段と、
    を具備することを特徴とする装置。
15. 光学特性が追加で活性化される照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）の追加のアドレス情報を規定する、拡散又は回折手段を有する、請求項１４記載の装置。
16. 前記照明マトリクス（１）は、有向バックライトと組み合わされたシャッターである、請求項１４記載の装置。
17. 前記照明マトリクス（１）は、別個に活性化される発光照明エレメント（ＬＥ_0n〜ＬＥ_qk）から構成される、請求項１４記載の装置。

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