JP2009507248A - ３次元撮像に適した円偏光および偏光眼鏡を用いた２パネル液晶システム - Google Patents

Abstract

立体画像（左眼および右眼の画像）を生成する三次元ディスプレイのためのシステムおよび方法が、本明細書に開示されている。それぞれの画像は、それらが適切な偏光眼鏡を用いて分離して見られ、人間の感覚において三次元画像の知覚を形成するように、特定の既知の偏光を有している。１つ以上の実施態様によれば、２つの液晶パネルが利用され、２つのパネルのうちの１つは、光源に対して他のパネルの前部に積層され、光源に近い方のパネルを囲むように２つの偏光子が使用される。代替的な実施態様では、パネルおよび偏光子は、代表的な液晶ディスプレイ（ＬＣＤ；Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）モニタを含む。好適な実施態様では、システムによって生成された画像は、次いで、復号化のために、対応する円偏光レンズを有する眼鏡によって円偏光される。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、米国仮特許出願第６０／６９７，５４０号（２００５年７月１１日出願）および米国仮特許出願第６０／７４１，０７９号（２００５年１２月１日出願）の出願日の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は、概して三次元撮像に関する。より具体的には、本発明は、偏光眼鏡との組み合わせで二層液晶配列を使用する三次元撮像に関する。

（発明の背景）
物体は、光がそれらから反射して空間内に明視野を生成するので、三次元に見える。見る人の２つの眼は、物体に対する空間内におけるそれらの位置が異なることによってこの明視野を知覚し、見る人の脳は、２つの眼による明視野の異なる知覚を処理して三次元（「３Ｄ」）知覚を生成する。

立体撮像は、見る人に三次元画像をシミュレートするために用いられる手法である。立体表示は、同じ物体または場面の、異なっているが対応している遠近画像を見る人の左右の眼に提供することによって機能する。それによって、見る人の感覚は、これらの２つの画像を処理して三次元知覚を生成する。立体撮像の原理は、パイロットや医師のような専門家の訓練、ならびに三次元ムービーおよびコンピュータゲームのような娯楽を含む、様々な分野に長い間にわたって応用されている。

全ての立体視システムは、１つ以上の手法によって左右の眼に対する画像を分離する。一般的に、立体撮像システムは、特殊視差バリアスクリーン、ヘッドギア、または眼鏡を用いて、左眼が左眼の視野だけを見て、右眼が右眼の視野だけを見るようにする。これらのシステムは、例えば、スクリーン上の画像を右眼で見るか左眼で見るかに応じて開閉する眼鏡上のシャッタを含み得る。しかし、これらのタイプのシステムは、シャッタによって生じる「フリッカ」に関連する疲れ目をもたらす。

加えて、Ｐｕｔｉｌｉｎ他に対して発行された本発明の譲受人が共有する特許文献１では、視差バリアまたは特殊なヘッドギアを用いずに、リアルタイムで高解像度の三次元撮像機能を提供するオートステレオスコピック三次元ディスプレイを開示している。Ｐｕｔｉｌｉｎ他のディスプレイでは、画像処理アルゴリズムを用いて、ベースのステレオペア画像から２つ以上の計算画像を生成し、これらは、最終的に見る人の２つの眼に供給されることが望まれる画像である。これらの計算画像のうちの最初の１つは遠方のディスプレイに送信され、他の１つ以上の計算画像は、遠方のディスプレイの前部（見る人の位置に対して）に配置された１つ以上の透過型ディスプレイに送信される。各ディスプレイは、したがって、見る人の各眼に送られる画像情報のうちの少なくとも一部をそれぞれが含む、計算画像を表示する。見る人が同時に眺めたときに、各ディスプレイの計算画像は、他の表示された計算画像に対するマスクとして作用するか、またはこれと組み合わせて、見る人の左右の眼に提供される２つの異なる立体画像を生じさせる。この立体感は、見る人の眼の間隔のジオメトリおよび種々の層ディスプレイの間隔によってもたらされる。Ｐｕｔｉｌｉｎ他は、ベースのステレオペア画像のそれぞれを適切な眼に供給するに必要な、計算画像を生成するための電子的処理が、人工ニューラルネットワークによって促進され得ることを開示している。該特許の１つの特定の実施態様では、複数の透過型液晶ディスプレイパネルは、ディフューザのような空間マスクとともにその他のものの後方（見る人に対して）に積層され、これは、モアレパターンを抑制するように液晶ディスプレイ間に配置される。極めて効率の高い撮像システムを開示しているが、Ｐｕｔｉｌｉｎ他は、大きな電力を必要とする非常に複雑なシステムであると記述している。したがって、ローテクおよび／または柔軟なオプションが望まれる低コストのアプリケーション、またはユーザーが現在所有する特定の装置への更なる投資を望まない場合を含む、全ての目的に対しては適していないことがある。

このように、高解像度の画像を単純かつ効果的にユーザーに提供する改善された三次元撮像システムに対する必要性が従来技術に残存している。
米国特許第６，７１７，７２８号明細書

本発明の目的は、液晶技術および偏光技術を用いて高解像度画像を提供する、三次元撮像システムおよび方法を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、標準のコンピュータシステムおよび偏光眼鏡とともに使用するように容易に構成することができる、三次元撮像システムおよび方法を提供することにある。

加えて、本発明の目的は、見る人の可動範囲を抑制することなく機能する、三次元撮像システムおよび方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、従来のコンピュータディスプレイおよびパーソナルコンピュータへの「アドオン」として機能することができる、三次元撮像システムおよび方法を提供することにある。

（発明の概要）
これらの目的および他の目的を達成するために、本発明は、画像を好適な偏光眼鏡によって分離して見ることで、人間の感覚において三次元画像を知覚することができるように、特定の既知の偏光を有する立体画像を提供する液晶（ＬＣ；Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）パネルディスプレイシステムを提供する。ＬＣパネルシステムによって同時に生成された立体画像は、対応する異なる直交偏光特性を備えたレンズを有する眼鏡によって分離することを可能にするために、異なるように偏光され、好適には互いに直交する関係で偏光される。

１つ以上の実施態様によれば、２つのＬＣパネルが提供され、２つのパネルのうちの１つは、光源に対して他方のパネルの前部に積層される。これらの実施態様によれば、第一の、すなわち後部ＬＣパネルは、光源の最も近くに配列され、偏光子が、代表的な液晶ディスプレイ（ＬＣＤ；Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）の様態で配置される。後部ＬＣパネルは、コンピュータプロセッサおよび制御盤上で動作するソフトウェアのような適切な制御システムによって駆動され、三次元画像の知覚を作り出すために、見る人の左右の眼によって別々に見られるべきステレオペア画像の派生物である合成画像を生成する。ステレオペア画像は、例えば、立体画像のデータベースからのもの、２つのカメラ源からのフィードから受信するもの、コンピュータレンダリングまたはシミュレーションプログラムの結果、等であり得る。後部パネルおよび偏光子によって放射された光は、偏光されて特定の既知の角度でこのトリオから現われる。光はその後、画素単位で第二のＬＣパネルによって所望の偏光に回転される。見る人は、したがって、左右の眼に対して異なる角度で偏光された光を透過する偏光眼鏡を装着するが、各眼に対するレンズは、他方のレンズに直交する偏光角を有し、最適な画像分離を達成することが好ましい。眼鏡の既知の偏光特性に従って、前にあるＬＣパネルから発せられた光の偏光角を制御することによって、本発明は、各眼に導かれた光の強度を制御することができ、ひいては、各眼によって知覚される画像を制御することができる。本発明による適切なアルゴリズムを使用して偏光角を計算し、立体画像のうちの１つが各眼に供給され、三次元画像の知覚を作り出す。

その他の実施態様によれば、提供された２つのＬＣパネルは、１つのパネルが光源に対して他のパネルの前部に積層されるが、後部パネルによって放射された光は、特定の既知の角度で前部のＬＣパネルの方に導かれる前に、ディフューザ、次いで偏光子を通過する。後部パネルによって生成された光は、次いで、第二のＬＣパネルによって回転され、これは、異なる角度で偏光された光を左右の眼に透過させる偏光眼鏡を装着した見る人によって立体画像として知覚される。本発明のそのような実施態様にディフューザを含めることは、偏光スクリーンまたはフィルムの重ね合わせに関連し得るモアレ効果を制限することに効果がある。

本発明の種々の実施態様では、後部ＬＣパネルおよびこのＬＣパネルの前後にある偏光スクリーンは、標準的なＬＣＤコンピュータ用モニタまたはプラズマスクリーンモニタのような、従来のＬＣＤまたは他の固定画素ディスプレイであり得る。このような実施態様では、前部ＬＣパネルは、本願明細書に記述されているような適切な偏光眼鏡と共に用いられるときに、固定画素ディスプレイに取り付けられ、標準的なディスプレイを三次元ディスプレイに変換することができる、別個のアセンブリを備える。

本発明の最適な実施態様では、偏光眼鏡および前部ＬＣＤパネルは、直線偏光とは対照的に円偏光を用いるものとして扱われる。

本発明の特定の一側面によれば、立体画像をユーザーに提供するための三次元ディスプレイシステムが提供される。ディスプレイシステムは、ユーザーが装着可能な一対の偏光眼鏡を備える。偏光眼鏡はユーザーの２つの眼のそれぞれに対して１つのレンズを含み、各レンズは他方のレンズと異なる偏光方向を有する。システムは、光源と、光源とユーザーとの間に積層した構成で配置され、第一の液晶パネルが光源のより近くにある、第一および第二の液晶パネルとをさらに含む。第一の偏光子は、光源と第一の液晶パネルとの間に配置され、第一の液晶パネルの方へ導かれた光に対して第一の方向の直線偏光を与えるように構成され、第二の偏光子は、第一および第二の液晶パネルの間に配置される。第二の偏光子は、第一の偏光子と異なる偏光方向を有する。システムは、左入力画像および右入力画像を含むステレオペア画像から合成画像を加工するための電子的処理手段をさらに含む。この処理手段は、第二の液晶パネルの各画素に対する偏光角を計算するようにさらに構成される。システムは、処理手段から信号を受信し、この信号に従ってパネルの動作を制御するための、パネル制御手段をさらに含む。本側面によれば、合成画像は、左右の入力画像の各画素に対する平均色強度を表し、第二の液晶パネルに対する偏光角φは関係

から計算することができ、ここで、Ｌは左入力画像に対する対応する画素の強度であり、Ｒは右画像に対する対応する画素の強度である。パネル制御手段は、左入力画像に対応する左画像が偏光眼鏡の左レンズによって復号化され、右入力画像に対応する右画像が偏光眼鏡の右レンズによって復号化されるように、偏光子および液晶パネルに、光源からの光を偏光させ、偏光を回転させる。

本発明の別の特定の側面によれば、立体画像をユーザーに提供するための三次元ディスプレイシステムが提供される。ディスプレイシステムは、ユーザーが装着可能な一対の偏光眼鏡を備える。偏光眼鏡はユーザーの２つの眼のそれぞれに対して１つのレンズを含み、各レンズは他方のレンズに直交する偏光方向を有する。システムは、複数の個々に制御可能な画素を介してカラー画像を生成することができる固定画素ディスプレイモニタと、このモニタとユーザーとの間に積層した構成で配置されるように、固定画素モニタの上部に嵌合されるように構成された透過型液晶パネルとを含む。システムの電子的処理手段は、左入力画像および右入力画像を含むステレオペア画像から合成画像を加工する。処理手段は、液晶パネルの各画素に対する偏光角を計算するようにさらに構成される。システムはまた、処理手段から第一の信号を受信し、この第一の信号に従って固定画素ディスプレイモニタの動作を制御するための、ディスプレイモニタ制御手段と、処理手段から第二の信号を受信し、第二の信号に従って液晶パネルの動作を制御するための、液晶パネル制御手段とを備える。合成画像は、左右の入力画像の各画素に対する平均色強度を表し、液晶パネルの各画素に対する偏光角φは関係

から計算することができ、ここで、Ｌは左入力画像に対する対応する画素の強度であり、Ｒは右画像に対する対応する画素の強度である。パネル制御手段は、左入力画像に対応する左画像が偏光眼鏡の左レンズによって復号化され、右入力画像に対応する右画像が偏光眼鏡の右レンズによって復号化されるように、液晶パネルに、ディスプレイモニタからの画像光を偏光させ、偏光を回転させる。

本発明のさらに別の特定の側面によれば、知覚された三次元画像を生成するための方法が提供される。この方法は、ユーザーが装着する一対の偏光眼鏡を提供することを含み、偏光眼鏡はユーザーの２つの眼のそれぞれに対して１つのレンズを含み、各レンズは他方のレンズと異なる偏光方向を有する。第一および第二の液晶パネルは、光源とユーザーとの間に積層した構成で配列され、第一の液晶パネルが光源のより近くにある。加えて、第一の偏光子は、光源と第一の液晶パネルとの間に配置され、第一の偏光子は、第一の液晶パネルの方へ導かれた光に対して第一の方向の直線偏光を与えるように構成される。第二の偏光子は、第一および第二の液晶パネルの間に配置され、第二の偏光子は、第一の偏光子と異なる偏光方向を有する。この方法は、左入力画像および右入力画像を備えるステレオペア画像から合成画像を決定することをさらに含む。この合成画像は、左および右入力画像の各画素に対する平均色強度を表す。第一の液晶パネルは、合成画像を表示するように制御される。さらに、この方法は、第二の液晶パネルの各画素に対する偏光角を計算することを含み、第二の液晶パネルの各画素に対する偏光角φは関係

から計算することができ、ここで、Ｌは左入力画像に対する対応する画素の強度であり、Ｒは右画像に対する対応する画素の強度である。このようにして、第二の液晶ディスプレイパネルは、第二の液晶パネルの各画素に対して計算した偏光角を達成して、眼鏡を装着したユーザーによって見ることができる三次元画像を生成するように制御される。

本発明の種々の実施態様が概説されてきたが、以下、本発明の種々の好適な実施態様が図面を参照して説明される。本発明のいくつかの例示的な実施態様を説明する前に、本発明は、以下の説明で述べる構成の詳細に制限されるものではないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施態様が可能であり、様々な方法で実施または実行される。

図１を参照する。本発明の１つ以上の実施態様は、第一の偏光子１０２（または「後部偏光子」）と、後部ＬＣパネル１０３と、第二の偏光子１０４（または「前部偏光子」）と、前部ＬＣパネル１０５と、偏光眼鏡１０６との組み合わせに関する。示されるように、これらの要素は積層した構成で配列される。第一の偏光子１０２は、光が第一の偏光子１０２を通り、次に後部ＬＣパネル１０３（偏光は、下述のように変更され得る）を通り、次いで第二の偏光子１０４を通るように、好適な光源１０１のすぐ前に置かれる。当業者によって容易に理解されるように、後部ＬＣパネル１０３の個々の画素によって与えられる偏光回転は、第二の偏光子１０４と協働して、後部ＬＣパネル１０３の個々の画素がどのように制御されたかに依存する画像を表す強度プロファイルを有する変更された光１０１ａを生成する。偏光された光１０１ａは、第二の偏光子１０４に従った偏光方向に対応する直線偏光方向を有するものとして示されているように、第二の偏光子１０４から現れる。偏光された光１０１ａは、次いで前部ＬＣパネル１０５に導かれる。このパネルでは、各画素の偏光は個々に変化され、見る人によって見られ得るステレオペア画像を作り出すように、偏光眼鏡１０６によって分離され得る光１０１ｂを生成し、そして、見る人が三次元を知覚するに十分な、左右の眼に対する適切な画像を生成する。後部ＬＣパネル１０３および前部ＬＣパネル１０５を制御するための本発明の種々の実施態様に用いられるアルゴリズムは、以下に詳述される。

図２ａおよび図２ｂは、一般的なＬＣＤモニタ（図１のＬＣパネル１０３ならびに偏光子１０２および１０４のような、積層した第一の偏光子、ＬＣパネル、および第二の偏光子を含むものなど）の基本的な働きを集合的に示している。図２ａは、電場が印加される前のＬＣＤモニタ２００の動作を示しており、ＬＣパネル２０３の種々の画素に含まれた液晶材料内の種々の分子は緩和状態にある。従来の構成では、一連の平行リッジ（ｒｉｄｇｅ）は、ＬＣ材料を覆う表面を形成する２つの透明シートに形成される。これらのリッジは、ＬＣ材料の伸長分子を励起して、シートの表面に近いリッジにほぼ平行になるように整列させる。しかしながら、所与のＬＣパネルの対向する表面のそれぞれのリッジは、互いに異なる方向に（例えば、示されるように互いに垂直に）形成される。しかしながら、２つのシート間において、ＬＣ材料の特性は、分子が各表面付近のリッジと整合するが、パネルの内部を通じて２つの直角な端部（ｅｘｔｒｅｍｅ）の間で自然にねじれるようなものでもある。ＬＣ材料は、光が材料を通過するときに、光の偏光角を自然にねじる傾向があるという特性も有する。したがって、図２ａに示されるように、ＬＣＤ２００の従来の動作では、光源２０１からの光は、第一の偏光シート２０２によって偏光されて、偏光された光２０１ａを形成する。この光２０１ａは、偏光された光２０１ａが、ＬＣパネル２０３の後面に形成されたリッジと整合して偏光されるような方向でＬＣパネル２０３に入る。ＬＣ材料の特性によって、光は、直交偏光した光２０１ｂとして９０°変化された偏光となって現れるように、ＬＣ材料を通過するときに、ＬＣ分子の滑らかなねじれによって回転される。この変化された偏光２０１は、次いで、図示されるように第二の偏光シート２０４をスムーズに通過することができる。前記直交偏光した光２０１ｂは、次いで、図示されるように（偏光シート２０２と直交する偏光方向を有する）第二の偏光シート２０４をスムーズに通過することができる。図２ａに示されるような状況では、最大強度の光がＬＣＤモニタ２００から放射される。

図２ｂは、これとは逆に、電場がＬＣＤパネル２０３’に印加されたときのＬＣＤモニタ２００’の動作を示している。これによって、ＬＣパネル２０３’の種々の画素に含まれる液晶材料内の種々の分子が励起状態となり、それによって、液晶内の分子自体が電場に整合する。したがって、偏光された光２０１ａの回転は、電場の方向に応じて可変的に回転され得る。したがって、図２ｂに示された場合では、光２０１ｂ’（示されるように、光２０１ａに対して全く回転されていない）が偏光シート２０４に当たると、ほぼ全ての光２０１ｂ’が吸収されてセルが暗く見える（すべてのアセンブリが、眼にはほぼ透明に見えてセルを明るく見せている、図２ａの緩和状態とは逆である）。図２ａおよび図２ｂで表される２つの端部の間では、セルの透過率が徐々に変化され得、グレイスケール効果を生成し得る。

当業者は、標準的なＬＣＤセルに使用される液晶材料は、全ての可視波長をほぼ等しく回転させるので、カラーディスプレイを生成するために、追加的な要素が従来のＬＣＤ（標準的なＬＣＤコンピュータ用モニタ）内に用いられることを理解し得る。カラーＬＣＤを提供する１つの一般的な方法では、各画素が３つの副画素に分割され、１つは赤色フィルタ、もう１つは緑色フィルタ、別の１つは青色フィルタである。画素は、３つの有色セルの相対的な輝度を変化させることによって、任意の色を見せることができる。これらの色成分セルは、異なる方法で配列され得、モニタ用途に最適化された一種の画素ジオメトリを形成し得る。

本発明の実施態様では、偏光子１０２、後部ＬＣパネル１０３、および偏光子１０４の組み合わせが使用され、計算画像を生成するが、この画像は、既知のステレオペア画像の派生物または複合物であり、最終的に見る人の２つの眼に伝達され、所望の三次元画像効果を生じさせ得る。ソース画像情報は、例えば、メモリユニット内に格納されたステレオペアのデータベースから、またはベース画像の好適なソースから導出され得る。メモリユニットは、所望のステレオペアをプロセッサに提供し、そして以下のように現れた計算画像を処理する。

後部液晶セル層に対して計算画像を生成するために、プロセッサは、Ｌ（左眼の画像強度）およびＲ（右眼の画像強度）で表される、見る人のそれぞれの眼に導かれるべき画像強度および色を、各画素に対して評価する。後部ＬＣパネルＤの各画素の強度および色の計算は、次式

で表される。ここで、Ｄは、各画素の各構成要素の色（例、赤、緑、青）に対して計算される。

本発明の実施態様に用いられるアルゴリズムは、後部ＬＣパネル（またはＬＣＤモニタ）および前部ＬＣパネル上でのスクリーン画像調整を記述し、そのようなアルゴリズムは、ステレオペア画像が生成されるように各ＬＣパネルの画素ごとに各色の強度を計算するために、例えばコンピュータデバイス（パーソナルコンピュータまたはその他の好適なデジタル処理デバイスのような電子的処理手段）に用いられ得る。コンピュータデバイスまたは電子的処理手段は、オプションとして、パネルおよび／またはモニタのための制御手段として機能する、１つ以上のビデオカード、グラフィックス処理ユニット、ビデオおよびグラフィックスアクセラレータ、ディスプレイコントローラなどを含む、ＬＣパネルまたは固定パネルディスプレイモニタと相互作用し得る。

再び図１を参照する。光１０１ａは、前部偏光子１０４から現れた後に、前部ＬＣパネル１０５を通過する。前部ＬＣパネルは、偏光眼鏡１０６を装着した見る人が、自らの眼の適切な方の眼でステレオペアのうちの適切な１つの画像を見て、三次元画像の知覚を作り出すように、適切な角度（φ）の偏光方向を有するように光を回転させる。上述したように、見る人の左右の眼鏡は、左眼用レンズが偏光された最大量の光を透過させたときに、右眼用レンズが偏光された最小量の光を透過させるように、そして逆の場合においてもまた同様に、異なるように（好ましくは、ほぼ直角に、または互いにほぼ直交して）偏光される。これによって、左右のそれぞれの眼で見る画像を最大限分離することができる。図３を参照する。図３のグラフ３１０に示されている回転角φの計算は、次式

にしたがって、ステレオペア画像を生成するために左眼（Ｌ）および右眼（Ｒ）によって見られる必要のある各画素の色および強度を考慮したときに達成され得る。ここでＩは、所与の画素の強度の全体である。ＲおよびＬは、表示されるべきステレオペア画像から容易に求めることができる既知の量であるので、φは、次式

を用いて決定され得る。

特定の実施態様によれば、上述のφの計算は、例えばパーソナルコンピュータの形態にあるＣＰＵおよびビデオコントローラ、またはその他の好適な電子装置のような、処理手段および制御手段を使用して、各画素内の各色に対して実行される。したがって、このプロセッサは、後部ＬＣパネル１０３によって生成される合成画像が、偏光眼鏡１０６を介することによって見る人の左右の眼で見られるステレオペア画像に分割されるように、画像データのスクリーンに対するφの値を連続的に生成する。このようにして、三次元効果が生成される。

本発明の特定の実施態様によって作り出される三次元画像は、無限深度（ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ ｄｅｐｔｈ）および１８０°の視角を有する。したがって、本発明は、マルチユーザディスプレイ機能を提供する。見る人の各々に対して三次元画像および二次元撮像の両方が提供され得る。さらに、最終的な三次元画像は、各画素内の色が両方の眼に対する信号を生成するように回転されるので、解像度の低下が最小限に抑えられる。

図４に示されるように、本発明の特定の好適な実施態様によれば、ディフューザ４０７および偏光子４０８は、前部偏光子１０３と前部ＬＣパネル１０５との間に提供される。これらの実施態様は、その他の実施態様においては偏光子の重ね合わせが原因で一般的に生じるモアレ効果に対処している。理解されるように、このような実施態様は、偏光子１０２および１０４ならびに光源１０１および後部ＬＣパネル１０３が、ＬＣＤコンピュータモニタまたは他のタイプの固定パネルディスプレイのような通常のＬＣＤモニタ構成を形成する状況にも類似している。

特定の実施態様によれば、図１または図４の後部ＬＣパネル１０３および２つの偏光子１０２および１０４は、従来の形態では（偏光角を直接制御するのではなく）現れる光の強度を制御するように構成された、標準的なＬＣＤモニタまたはその他の固定パネルディスプレイモニタに置き換えられる。理解されるように、このような実施態様はそれでも、適切な制御アルゴリズム、前部ＬＣパネル、および偏光眼鏡との組み合わせで使用されたときに、見る人が、自らの眼の各々でステレオペア画像のうちの適切な１つを見て、三次元画像の知覚を作り出すことを可能にする。これらの実施態様では、各画素（Ｃ）の色強度は、次式

によって表され得る。

したがって、上述の式１を使用してφを計算すると、Ｃ２およびＣ１、すなわち後部および前部のパネルによって放射される色および強度は、それぞれ以下

のように、計算され得る。ここで、ＬおよびＲは、三次元効果を作り出すためにステレオペア画像のうちの適切な１つを生成するために、左右それぞれの眼に導かれるべき光の色および強度を表す。ＬおよびＲは、上述の式を使用して計算され得る。

当業者には明らかなように、ＬＣパネルおよび他の固定画素型パネルおよびディスプレイは、一般的に３つの「副画素」を各画素に組み込み、各副画素は、各画素に対する色成分を独立して制御する。色成分は、見る人に集合的な印象を形成し、画素は、白色光または様々な異なる色を透過させている。一般的に、そのようなディスプレイの副画素は、赤／緑／青の副画素または黄／シアン／マゼンタの副画素のうちのいずれか１つの形態のトリオである。しかしながら、各有色光成分の異なる波長が原因で、液晶材料は、わずかに異なって各色成分を透過および／または回転させ得る。多くのアプリケーションでは、この変化は無視され得る。しかしながら、本願明細書に記述されているような高解像度撮像および三次元撮像の場合、このような変化は望ましくないものであり得る。したがって、本発明の特定の好適な実施態様では、後部および前部ＬＣパネル（または、後部ＬＣパネルの代わりに用いたときの固定パネルモニタ）に対する各画素の色成分副画素は、これらの様々な光伝達特性を説明するパラメータを考慮することによって、知覚された画像におけるエラーを低下させる。

これらの特定の実施態様では、各副画素は、例えば次式

にしたがって、適切な副画素パラメータγを使用して計算することが可能である。上述の式では、γは、各色成分／副画素に対する異なるパラメータである。オプションとして、上述の式に示される各γパラメータは、各色成分に対して最大７つの異なる可能なサブ画素パラメータが、これらの実施態様によるシステムによって使用され得るように、わずかに異なる値を有し得る。

本発明の特に好適な別の実施態様では、左右の画像は９０°、すなわち直交する平面偏光ではなく、「時計回り」および「反時計回り」の円偏光に基づいて分離される。左配向および右配向（時計回りおよび反時計回り）の円偏光は、したがって、標準的なフラットなｘ面およびｙ面の偏光の代わりに、独立したベクトルの基底として使用される。

図５に示されているように、空間内に単一の平面波配向性を有している光は、直線偏光されていると称され、ｙ偏光波５２０が左に示されている。しかしながら、光はＴＥＭ波（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ）であり、これは「非干渉性」の形態で自然に生じ、全ての平面の方向に同等に生じると考えられる。光が互いに９０°位相の異なる等振幅の２つの平面波で構成されている場合、その光は、円偏光していると称される。円偏光した光５３０を図５に実例として示す。

円偏光した光は、図６に示されるように、１／４波長位相差板６４０（または１／４波長位相差フィルム）を使用することによって作り出され得る。直線偏光した光６２０を、光軸に対して４５°で１／４波長位相差板６４０に入射させるとき、その光は、２つの等しい電場の成分に分割され、そのうちの１つが、板による１／４波長によって遅延または位相シフトされる。これは、円偏光した光６３０を生成する。これとは逆に、円偏光した入射は、同様に１／４波長位相差板を使用して直線偏光した光に変化され得る。

１／４波長位相差板は、より大きな屈折率を有する光が、より小さな屈折率を有する光に対して、同位相で９０°（１／４波長）遅延されるように、厚さを慎重に調整した複屈折材料からなる。複屈折材料は、光軸が前部および後部の板に平行となるように切断される。板に当たるあらゆる直線偏光された光は、異なる屈折率を有する２つの成分に分割される。光軸と４５°の角度をなすように入射光の面を調整してこの分割を行うと、等振幅のｏ波およびｅ波が生成される。方解石の場合のようにｏ波がより遅いときには、ｏ波は、同位相で９０°遅延し、円偏光した光を生成する。

そのような好適な実施態様では、主なシステム要素のデザインおよび配置は、図１または図４に関して記述したものと基本的に同じである。そのような実施態様の後部ＬＣパネル（または固定画素ディスプレイモニタ）１０３は、所与の強度の平面偏光された光を放射し、次いで、光の偏光角度が、必要に応じて前部ＬＣパネル１０５によって回転される。最後に、両面の偏光角に対して４５°に構成されて、前部ＬＣパネルの後ろに配置された１／４波長位相差板（図１または図４には図示せず）は、直線偏光した光を、時計回りおよび反時計回りの２つの円偏光されたビームの和に変換する。これらの円偏光したビームは、入射する直線偏光したビームの強度にしたがって、異なる強度を有し得る。オプションとして、１／４波長位相差フィルムが、同様の効果のために、第二のＬＣパネルの放射面上に代替的に配置され得る。

理解されるように、標準的な直線偏光レンズ（直交配向を有する）を有する偏光眼鏡の代わりに、装着者は、一方の眼に対しては時計回りの円偏光を復号化し、他方の眼に対しては反時計回りの円偏光を復号化する、特殊な円偏光眼眼鏡を要求し得る。眼鏡の各レンズは、直線偏光フィルムおよび１／４波長位相差フィルムの組み合わせを含み得る。

本発明のこの実施態様における光の動作は、ジョーンズベクトルを使用することによって表され得る。ｘ成分が振幅Ａおよび位相φであり、ｙ成分が振幅Ｂおよび位相ψである光ビームは、次のベクトルによって記述され得る。

光の偏光に関する種々の光学デバイスの効果は、このジョーンズベクトルの様々な行列変換によって記述され得る。例えば、偏光面の回転角αは、次式によって表され得る。

１／４波長位相差フィルムは、ｘ成分の位相を９０°シフトするが、言い換えると次式にしたがって表され得る。

ｘ成分の光しか透過させない偏光フィルムは、以下の行列にしたがって記述され得る。

これらの行列を使用することで、本発明のこの実施例にしたがうモニタにおける偏光の変化が記述され得る。後部ＬＣパネルは、上述のように、振幅Ａの平面偏光された光を放射し、次のジョーンズベクトルによって表され得る。

Ｊ_Ｂで表され、後部ＬＣパネルによって放射された光線の偏光面は、その後、前部ＬＣパネルによって角度φだけ回転される。この光は、次いで、１／４波長位相差板によって変換され、これは、角度αで配向され、次のジョーンズベクトルＪ_Ｆを与える。

この実施態様では、左眼は、ｘ軸に対して角度βで配置された１／４波長位相差フィルムを通じて、次いで、１／４波長フィルムに対して＋４５°に配置された偏光子を通じて光を見る。

右眼に関しては、ｘ軸に対して角度βで配置された１／４波長位相差フィルムを通じて、次いで、１／４波長フィルムに対して−４５°に配置された偏光子を通じて光を見る。

したがって、各眼に対して分離された最終的な行列の積は、次のように計算され得る。

αを０．２５πに設定した場合、光の振幅Ａ_ＬおよびＡ_Ｒ（それぞれ左眼および右眼に対して得られる）に対して、次の結果が得られる。

光の強度はその振幅の二乗に比例するので、これらの式は、強度ＬおよびＲに関して次のように書き換えられ得る。

上述の関係から、１／４波長フィルムが、後部板によって放射された光の偏光面に対して４５°に配置された場合は、上述のように、前部ＬＣパネルおよび後部ＬＣパネルの式はそのままであると結論することができる。しかし、単に標準的な直交平面偏光および標準的な偏光眼鏡を用いた実施態様と比較すると、円偏光の使用によって、ユーザー（すなわち、偏光眼鏡の装着者）は、頭を左右に傾けたときに三次元効果の変化を知覚しない、という顕著な利点がシステムに提供される。

上述の説明は、好ましくはソフトウェアの制御面を用いて実行されるものとして理解することができるが、当業者は、プロセスのステップおよび判断を、デジタル信号処理器回路または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のような機能的に同等な回路によって代替的に実行することが可能であると容易に理解し得る。任意のプロセスの流れは、特定のプログラミング言語の正確な構文を記述することを意図したものではなく、フローチャートは、本発明に従って回路を製造するかコンピュータソフトウェアを生成するために当業者が必要とする機能的な情報を例証したものである。ループおよび変数の初期化および一時的変数の使用などの多数のルーチンプログラミング要素は、当業者のスキルの範囲内にあることから、明示的に記述していない点に留意されたい。当業者は、本願明細書において特に明記しない限り、記述されたステップの特定の系列は一例に過ぎず、本発明の趣旨から逸脱することなく変更できるものと理解し得る。したがって、特に明記しない限り、下述するステップは順序が定められておらず、可能であれば、前記ステップは、あらゆる好都合な、または所望の順序で実行することができる。

本発明の特定の実施態様は、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、または光媒体のような、コンピュータ可読の媒体内で、またはファームウェア、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）のようなメモリ型のシステム内で、あるいは、本実施例にあるように、メモリシステム内の実行可能なコードとして（例えば、ランダムアクセスメモリまたはＲＡＭ内で）符号化された、特定のアプリケーション（すなわち、非実行または不実行のロジック命令および／またはデータ）を含み得ることが理解されるべきである。また、本発明の他の実施態様は、プロセッサ内でプロセスとして機能するアプリケーションを提供することができると理解されたい。本実施例には示されていないが、当業者は、コンピュータシステムが、本発明の説明の容易さのために図面から省略しているオペレーティングシステムのような、他のプロセスおよび／またはソフトウェア、およびハードウェアサブシステムを含むことが可能であることを理解し得る。

本発明の好適な実施態様を記述してきたが、当業者は、これらの概念を組み込んだその他の実施態様が使用され得ることを理解し得る。例えば、偏光眼鏡の一方のレンズが直線偏光した画像を復号化し、他方のレンズが円偏光した画像を復号化するように構成され得る。したがって、本発明は、記述された実施態様に制限すべきではなく、むしろ添付の請求項の趣旨および範囲によってのみ制限されるべきであると考えられたい。本発明は、ある種の特殊性をもって記述および例示されているが、本開示は一例として作成されたものに過ぎず、当業者は、以下の請求の範囲において述べられる本発明の精神と範囲から逸脱することなく、要素の組み合わせおよび配列の多数の変更が使用され得ることを理解すべきである。

図１は、本発明の一実施態様による三次元ディスプレイシステムを示す概略図である。 図２ａおよび図２ｂは、本発明の種々の実施態様に用いた場合の、液晶ディスプレイの動作を示す概略図である。 図２ａおよび図２ｂは、本発明の種々の実施態様に用いた場合の、液晶ディスプレイの動作を示す概略図である。 図３は、本発明の種々の実施態様による、左眼および右眼の画像強度に対して偏光角がどのように計算されるのかを示すグラフである。 図４は、本発明の別の実施態様による三次元ディスプレイシステムを示す概略図である。 図５および図６は、本発明の種々の実施態様に用いられる異なるタイプの偏光を示す概略図である。 図５および図６は、本発明の種々の実施態様に用いられる異なるタイプの偏光を示す概略図である。

Claims (27)

1. 立体画像をユーザーに提供するための三次元ディスプレイシステムであって、該ディスプレイシステムは、
   ユーザーが装着可能な一対の偏光眼鏡であって、該偏光眼鏡は、該ユーザーの２つの眼のそれぞれに対して１つのレンズを含んでおり、各レンズは他方のレンズと異なる偏光方向を有している、偏光眼鏡と、
   光源と、
   第一および第二の液晶パネルであって、該光源と該ユーザーとの間に積層した構成で配置されており、該第一の液晶パネルが該光源のより近くにある、第一および第二の液晶パネルと、
   第一の偏光子であって、該光源と該第一の液晶パネルとの間に配置されており、該第一の液晶パネルの方へ導かれた光に対して第一の方向の直線偏光を与えるように構成されている、第一の偏光子と、
   第二の偏光子であって、該第一および第二の液晶パネルの間に配置されており、該第一の偏光子と異なる偏光方向を有している、第二の偏光子と、
   ステレオペア画像から合成画像を加工するための電子的処理手段であって、該ステレオペア画像は左入力画像および右入力画像を含んでおり、該処理手段は該第二の液晶パネルの各画素に対する偏光角を計算するようにさらに構成されている、電子的処理手段と、
   パネル制御手段であって、該処理手段から信号を受信し、該信号に従って、該パネルの動作を制御する、パネル制御手段と
   を備えており、
   該合成画像は、左右の入力画像の各画素に対する平均色強度を表しており、該第二の液晶パネルの各画素に対する該偏光角φは、関係
   

   

   から計算することができ、ここで、Ｌは該左入力画像に対する対応する画素の強度であり、Ｒは該右入力画像に対する対応する画素の強度であり、該パネル制御手段は、該左入力画像に対応する左画像が該偏光眼鏡の左レンズによって復号化され、該右入力画像に対応する右画像が該偏光眼鏡の右レンズによって復号化されるように、該偏光子および該液晶パネルに、該光源からの光を偏光させ、該偏光を回転させる、三次元ディスプレイシステム。
2. 前記第一および第二の偏光子ならびに前記第一の液晶パネルは、固定画素ディスプレイモニタを含んでおり、前記第二の液晶パネルは、前記フラットパネル液晶ディスプレイモニタを嵌合するように構成された別個のユニットを含んでいる、請求項１に記載の三次元ディスプレイシステム。
3. 前記システムは、前記第二の液晶パネルと前記ユーザーとの間に配置された、直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段をさらに含んでいる、請求項１に記載の三次元ディスプレイシステム。
4. 前記直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段は、１／４波長位相差板を含んでいる、請求項３に記載の三次元ディスプレイシステム。
5. 前記直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段は、１／４波長位相差フィルムを含んでいる、請求項３に記載の三次元ディスプレイシステム。
6. 前記偏光眼鏡の前記レンズは、円偏光した光を復号化するように構成されている、請求項３に記載の三次元ディスプレイシステム。
7. 前記各液晶パネルは、複数の画素を含んでおり、該複数の画素の各々は、色成分に対応する３つの副画素を有しており、前記処理手段は、適切な副画素パラメータγを用いて、次式
   

   

   に従って各色成分に関する計算を補正し、ここで、Ｂは前記第一の液晶パネルの画素に対する色成分強度であり、Ｆは前記第二の液晶パネルの画素に対する色成分強度である、請求項１に記載の三次元ディスプレイシステム。
8. 前記処理手段は、ジョーンズベクトルを用いて、前記液晶パネルの各々による偏光の回転を計算する、請求項１に記載の三次元ディスプレイシステム。
9. 前記第二の偏光子と前記第二の液晶パネルとの間に積層した構成で配置されたディフューザおよび第三の偏光子をさらに含んでおり、該ディフューザは該第二の偏光子の最も近くに配置されており、該第三の偏光子は、該第二の液晶パネルによって必要とされる入力方向に対応する方向を有する偏光を生成するように構成された偏光方向を有している、請求項１に記載の三次元ディスプレイシステム。
10. 立体画像をユーザーに提供するための三次元ディスプレイシステムであって、該ディスプレイシステムは、
    ユーザーが装着可能な一対の偏光眼鏡であって、該偏光眼鏡は、該ユーザーの２つの眼のそれぞれに対して１つのレンズを含んでおり、各レンズは他方のレンズと異なる偏光方向を有している、偏光眼鏡と、
    固定画素ディスプレイモニタであって、該液晶ディスプレイモニタは、複数の個別的に制御可能な画素を介してカラー画像を生成することができる、固定画素ディスプレイモニタと、
    透過型液晶パネルであって、該モニタと該ユーザーとの間に積層した構成で配置されるように、該固定画素モニタの上部に嵌合されるように構成されている、透過型液晶パネルと、
    ステレオペア画像から合成画像を加工するための電子的処理手段であって、該ステレオペア画像は左入力画像および右入力画像を含んでおり、該処理手段は該第二の液晶パネルの各画素に対する偏光角を計算するようにさらに構成されている、処理手段と、
    ディスプレイモニタ制御手段であって、該処理手段から第一の信号を受信し、該第一の信号に従って、該固定画素モニタの動作を制御する、ディスプレイモニタ制御手段と、
    液晶パネル制御手段であって、該処理手段から第二の信号を受信し、該第二の信号に従って、該液晶パネルの動作を制御する、液晶パネル制御手段と
    を備えており、
    該合成画像は、左右の入力画像の各画素に対する平均色強度を表しており、該液晶パネルの各画素に対する該偏光角φは、関係
    

    

    から計算することができ、ここで、Ｌは該左入力画像に対する対応する画素の強度であり、Ｒは該右入力画像に対する対応する画素の強度であり、該液晶パネル制御手段は、該左入力画像に対応する左画像が該偏光眼鏡の左レンズによって復号化され、該右入力画像に対応する右画像が該偏光眼鏡の右レンズによって復号化されるように、該液晶パネルに、該固定画素ディスプレイモニタからの画像光を偏光させ、該偏光を回転させる、三次元ディスプレイシステム。
11. 偏光シートをさらに含んでおり、該偏光シートは、前記モニタからの光が前記液晶パネルに入る前に既知の方向に直線偏光されるように、該液晶パネルに取り付けられている、請求項１０に記載の三次元ディスプレイシステム。
12. 前記システムは、前記液晶パネルと前記ユーザーとの間に配置された、直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段をさらに含んでいる、請求項１０に記載の三次元ディスプレイシステム。
13. 前記直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段および前記液晶パネルは、前記モニタを嵌合するように構成されたユニットを含んでいる、請求項１２に記載の三次元ディスプレイシステム。
14. 前記直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段は、１／４波長位相差板を含んでいる、請求項１２に記載の三次元ディスプレイシステム。
15. 前記直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段は、１／４波長位相差フィルムを含んでいる、請求項１２に記載の三次元ディスプレイシステム。
16. 前記偏光眼鏡の前記レンズは、円偏光した光を復号化するように構成されている、請求項１２に記載の三次元ディスプレイシステム。
17. 前記液晶パネルは、複数の画素を含んでおり、前記パネルおよび前記モニタの前記画素の各々は、色成分に対応する３つの副画素を有しており、前記処理手段は、適切な副画素パラメータγを用いて、次式
    

    

    に従って各色成分に関する計算を補正し、ここで、Ｂは該モニタの画素に対する色成分強度であり、Ｆは該液晶パネルの画素に対する色成分強度である、請求項１０に記載の三次元ディスプレイシステム。
18. 前記処理手段は、ジョーンズベクトルを用いて、前記モニタおよび前記液晶パネルによる偏光の回転を計算する、請求項１０に記載の三次元ディスプレイシステム。
19. 知覚される三次元画像を生成するための方法であって、該方法は、
    ユーザーが装着する一対の偏光眼鏡を提供することであって、該偏光眼鏡は、該ユーザーの２つの眼のそれぞれに対して１つのレンズを含んでおり、各レンズは他方のレンズと異なる偏光方向を有している、ことと、
    第一および第二の液晶パネルを光源と該ユーザーとの間に積層した構成で配列することであって、該第一の液晶パネルが該光源のより近くにある、ことと、
    第一の偏光子を該光源と該第一の液晶パネルとの間に配置することであって、該第一の偏光子は、該第一の液晶パネルの方へ導かれた光に対して第一の方向の直線偏光を与えるように構成されている、ことと、
    第二の偏光子を該第一および第二の液晶パネルの間に配置することであって、該第二の偏光子は、該第一の偏光子と異なる偏光方向を与える、ことと、
    左入力画像および右入力画像を含むステレオペア画像から合成画像を決定することであって、該合成画像は、該左および右入力画像の各画素に対する平均色強度を表している、ことと、
    該合成画像を表示するように該第一の液晶パネルを制御することと、
    該第二の液晶パネルの各画素に対する偏光角を計算することであって、該第二の液晶パネルの各画素に対する偏光角φは、次式
    

    

    から計算することができ、ここで、Ｌは該左入力画像に対する対応する画素の強度であり、Ｒは該右入力画像に対する対応する画素の強度である、ことと、
    該第二の液晶パネルの各画素に対して該計算した偏光角を達成して、該偏光眼鏡を装着した該ユーザーによって見ることができる三次元画像を生成するように、該第二の液晶ディスプレイパネルを制御することと
    を包含する、方法。
20. 前記第一および第二の偏光子ならびに前記第一の液晶パネルは、固定画素ディスプレイモニタを含んでおり、前記第二の液晶パネルは、前記フラットパネル液晶ディスプレイモニタを嵌合するように構成された別個のユニットを含んでいる、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第二の液晶パネルと前記ユーザーとの間に、直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段を配置することをさらに含んでいる、請求項１９に記載の方法。
22. 前記直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段は、１／４波長位相差板を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
23. 前記直線偏光した光を円偏光した光に変換するための手段は、１／４波長位相差フィルムを含んでいる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記偏光眼鏡の前記レンズは、円偏光した光を復号化するように構成されている、請求項２２に記載の方法。
25. 前記液晶パネルは、複数の画素を含んでおり、該複数の画素の各々は、色成分に対応する３つの副画素を有しており、前記決定することおよび計算することは、次式
    

    

    にしたがって、各色成分に関する計算を補正するために、適切な副画素パラメータγを用いることによって、電子的処理手段によって実行され、ここで、Ｂは前記第一の液晶パネルの画素に対する色成分強度であり、Ｆは前記第二の液晶パネルの画素に対する色成分強度である、請求項１９に記載の方法。
26. ジョーンズベクトルが、前記液晶パネルの各々による偏光の回転を計算するために利用される、請求項１９に記載の方法。
27. ディフューザおよび第三の偏光子を、前記第二の偏光子と前記第二の液晶パネルとの間に積層した構成で配置することをさらに含んでおり、該ディフューザは前記第二の偏光子の最も近くに配置されており、該第三の偏光子は、該第二の液晶パネルによって必要とされる入力方向に対応する方向を有する偏光を生成するように構成された偏光方向を有している、請求項１９に記載の方法。

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