JP2011524541A - 光学装置及びその光学装置を組み込んだ自動立体視ディスプレイ装置 - Google Patents

光学装置及びその光学装置を組み込んだ自動立体視ディスプレイ装置 Download PDF

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Abstract

自動立体視ディスプレイレンズ装置であって、平行なレンチキュラレンズ11のアレイ9を有し、レンズアレイは、平らな基板の間にはさみ込まれる第１及び第２材料60,62を有し、第１及び第２材料間の境界面がレンズ面を定める。第１および第２材料(60,62)は各々、可視光スペクトラムの中で0.05〜0.22の間の屈折率差を持つ等方性材料からなる。第１及び第２材料のうちの一方は屈折率n1を持ち、レンズアレイはレンズピッチpを持ち、レンチキュラレンズはRのそれらの中心における曲率半径を持ち、レンズは、n1(p/2R)>0.6を満たす。この装置は、自動立体視ディスプレイにおいて用いられるときに、急な角度において減少したバンディング及び強度の損失を与える。

Description

本発明は、自動立体視ディスプレイ装置のための光学装置及びその光学装置を組み込んだ自動立体視ディスプレイ装置に関する。
既知の自動立体視ディスプレイ装置が図1に示される。この既知の装置1は、静止画像又は動画像(例えばビデオ) の形の表示を生成する空間光変調器の働きをするディスプレイピクセル5のロウ及びカラムアレイを持つ二次元液晶ディスプレイパネル(LCD)3を含む。明確にするため、少数のディスプレイピクセル5のみが図1に示される。実際には、ディスプレイパネル3は、例えば約千のロウ及び数千のカラムのディスプレイピクセル5を有する。
液晶ディスプレイパネル3の構造は完全に従前通りである。特にそれは、間隔を置いて配置された一対の透明なガラス基板を含み、その間に、整列配置されたツイステッドネマチック又は他の液晶材料が設けられる。基板は、それらの対向面上に透明なインジウムスズ酸化物(ITO)電極のパターンを持つ。さらに偏光レイヤが基板の外側表面に設けられている。
各々のディスプレイピクセル5は、スイッチング素子(例えば薄膜トランジスタ(TFT)又は薄膜ダイオード(TFD))に結合されている。ディスプレイピクセルは、アドレス指定信号をスイッチング素子に提供することによって表示を生成するように動作し、そして適切なアドレシング方法は当業者に知られている。
ディスプレイパネル3は、この場合には、ディスプレイピクセルアレイの領域にわたって広がる平面バックライトからなる光源7によって照らされる。光源7からの光はディスプレイパネル3を通して導かれ、個々のディスプレイピクセル5は、光を変調して表示を生成するために駆動される。
ディスプレイ装置1はさらに、ディスプレイパネル3の表示側の上に配置されて、ビュー形成機能を実行するレンチキュラシート9の形のレンズ装置を含む。レンチキュラシート9は、半円柱状レンズ形素子11のアレイを含む。各々のレンチキュラレンズ11は縦軸10を持ち、そしてレンズは、それらの縦軸が互いに平行に配向されるように延在する。明確性のために、１つのレンズ11のみが誇張された寸法で図1に示される。したがって、互いに平行に延在する細長いレンチキュラ素子11のアレイはディスプレイピクセルアレイの上に横たわり、ディスプレイピクセル5は、これらのレンチキュラ素子11を通してユーザ又は観察者によって観察される。レンチキュラ素子11は、ディスプレイパネル3からディスプレイ装置1の前に位置するユーザの目へと異なる画像又はビューを提供する光出力指向手段の働きをする。
上記した装置は、生成された表示又は画像が複数のビューを含む場合、有効な自動立体視(すなわち三次元)ディスプレイ装置を提供する。そのような表示又は画像は、以下において、その画像によって表示される対象の異なるビューを各々が表す少なくとも２つの副画像を持つ自動立体視画像であるとして示される。この少なくとも１つのビューは、観察者が、対象についてのステレオ、三次元又は見回した印象を知覚するように、レンズ装置によって表示される。各々のレンチキュラ素子11がディスプレイピクセル5の２つのカラムと関連付けられる配置において、各々のカラム中のディスプレイピクセル5は、それぞれの二次元副画像の垂直スライスを提供する。レンチキュラシート9は、シートの前に位置するユーザの左及び右の目に、これらの２つのスライス及び他のレンチキュラ素子11と関連したディスプレイピクセルカラムからの対応するスライスを導き、ユーザは１つの立体画像を観察する。
そのような装置の変形例において、レンチキュラレンズは、ディスプレイパネル又は自動立体視画像のピクセルカラム方向に対してある傾斜角度でそれらの縦軸が傾斜するように向きを定められることができる。この変形例は、水平ディスプレイパネル方向及び垂直ディスプレイパネル方向との間のピクセル解像度損失の共有に関する利点を提供する。これは本発明の主題ではないので、この応用の効果及びモードに関する更なる詳細な説明については、US6064424を参照されたい。
改善された性能の光学装置及びそのような光学装置を組み込んだ自動立体視ディスプレイ装置を提供することが本発明の目的である。
この目的は、独立請求項において定義されるような光学装置、その光学装置を用いた自動立体視ディスプレイ装置及びその光学装置により自動立体視画像を表示する方法によって達成される。
従属請求項は、有利な実施の形態を定める。
本発明は光学装置を提供し、当該光学装置は、そのレンズモードにおいて、各々が特定のレンズ表面形状を持つレンチキュラレンズのアレイによるレンズ配置を持ち、光線がレンチキュラレンズの片側に入った後でそれらをレンチキュラレンズを通して追跡すると、レンチキュラレンズ面に垂直に当たる少なくとも１つの光線が存続する。そのような光学装置は、そのレンズモードにおいて、大きく法線から外れた(off normal)観察角度の下で、それを通して画像を観察するときに、画像歪みが低減されるという点で、最適化された光学効果を与える。したがって、自動立体視画像を表示するために適用されるときに、いわゆるバンディング現象に関する並びに/又は日光クロストーク及び/若しくは観察者が自動立体視ディスプレイ装置上の自動立体視画像を観察する角度に対する自動立体視効果の依存性に関して、顕著な改善が得られる。
例えば、前文に記載された従来技術装置におけるような円柱状レンチキュラレンズの使用に関連する特性は、フィールド湾曲のために、強度フットプリントが視角によって変化することであることが、観察者によって見出された。強度フットプリントは１つのレンズの幅で所与の角度でレンズを通過した平行なビームに由来する照光の領域のサイズであると考えることができる。フットプリントサイズは、ディスプレイピクセル面で測定される。狭いフットプリントは、ディスプレイピクセル面にレンズの焦点が合っていることを意味し、より大きいフットプリントは、ディスプレイピクセル面の上又は下のどこかの異なる位置にレンズの焦点があっていることを意味する。大きいフットプリントは、ビューの角度拡散に対応する。
図2は、0°と50°との間の観察角度(VA)(図2の左の注釈)での画像に関する、y軸の強度(I)(任意単位a.u.)とx軸のピクセル面における位置(P)(ミリメートル)との間の関係を示すグラフである。このグラフは、光学的に等方であるレンチキュラレンズを持つディスプレイに対応し、レンズ及び空気の屈折率間の0.5のレンズ表面における屈折率の差が存在する。図2において、特定のビューに寄与するピクセルのx軸上の位置が示される。30°を超える観察角度でフットプリントサイズが非常に大きく、ピクセルの大きい物理的幅がビューに寄与することが分かる。なお、点線は、ピクセルサイズの効果及びレンチキュラがピクセルのカラム方向に対して傾斜する傾斜角度を考慮して、最上層の分布によって畳み込まれた後の結果である。大きいフットプリントサイズは、ビュー間の過剰なオーバラップを引き起こし、ビュー間の過剰なクロストークを生じさせ、したがって三次元印象を低下させるので、好ましくない。
大きい観察角度に対して上で示されるビューの幅の広がりに加えて、より小さい視角では、Moir型のアーチファクトとしばしば呼ばれるバンディング効果も生じる場合がある。これは、垂直を外れた観察角度が増加するとレンチキュラレンズの焦点が観察者の方へシフトすることによって引き起こされる。
本発明の光学装置のレンズ配置は、これら及び他の影響を低減及び/又は緩和する。
請求の範囲において、用語「第１及び第２レイヤ」は、必ずしも連続的なレイヤを指すことを意味するとして解釈されてはならない。したがって、例えば、第１レイヤは、第２の屈折率を持つ第２レイヤに埋め込まれた第１の屈折率を有する複数のボリュームで構成されることができる。これは、本発明による切り替え可能な光学装置に関する説明を参照してさらに説明される。
本発明の望ましい有利な効果は、請求項1において定義される積の大きさの増加と共に増加する。したがって、例えば、その装置によって表示される自動立体視画像が改善された品質で観察されることができる視角は、請求項中に定義される積の増加と共に増加する。したがって、好ましくは、レンズ配置は、この積が0.6、0.7、0.8、0.9、1.0又は1.1より大きいように設計される。好ましくは、この積は0.8より大きく、これは、得られる効果と必要な材料に関する光学装置の製造容易性との間のバランスを与える。
望ましい効果は、レンチキュラレンズのアレイにおけるレンズピッチに依存する。レンズピッチは、湾曲の方向に測定されるレンチキュラレンズの幅として解釈される。したがって、レンズピッチは、例えばレンチキュラレンズ11の縦軸に対して垂直に測定される。レンズの中心の曲率半径は、レンチキュラレンズの中央で、すなわち縦軸10に対して垂直にとられるレンチキュラレンズのセクション内のレンズピッチの中間で測定される曲率半径である。
レンズピッチは、表示される自動立体視画像によって決定される最小値によって制限される場合がある。例えば、レンズピッチの下限は、自動立体視画像のビューの分解能又は数、ひいては、ディスプレイ装置中の１つのレンチキュラレンズに関連付けられたディスプレイパネルピクセルの数及び大きさによって決定される場合がある。最小の適用可能なレンズピッチを用いるとき、請求項1において定義された積は、適切な曲率半径又は第１屈折率によってレンズを設計することによって調整されることができる。
望ましい有利な効果は、それによって投射される又はそれを通して観察されるレンズの自動立体視画像に対する方向に依存する場合がある。第１屈折率と第２屈折率との間の屈折率差がより大きいときに、この依存性はより大きい。光学装置及びそれとともにレンズ配置を、観察者側及びディスプレイ側を持つと定義することができる。光学装置は、好ましくは、得られる有利な効果が最大であるように、その観察者側として第１レイヤを持つ。
レンズ配置の実施の形態において、第１屈折率は、第１及び第２屈折率の中で最も低い屈折率である。これは、特定の設計に対して請求項1に定義される設計基準に基づく所望の効果が、表示されるべき自動立体視画像に対するレンズ配置の方向から独立して達成されるという利点を持つ。
それぞれの材料の屈折率間の差分△nは、好ましくは従来のレンズにおけるよりも小さく、特に0.05-0.22の範囲である。これは、上述で説明された方向に関する依存性を低減してそれによって使用の自由度を生み出すだけでなく、反射がより少ないレンズ配置を提供し、これらの反射によって引き起こされる妨害をほとんど伴わずに画像を観察することを可能する。他の可能な屈折率差の範囲は、0.05-0.15及び0.09-0.12である。この差は0.1であってもよい。
第１及び第２屈折率の中で最も大きな屈折率は、1.4〜1.65の範囲である場合がある。これは、アクリル材料又はポリカーボネートを含むように、関連した第１又は第２レイヤを設けることによって例えば達成されることができる。大きな屈折率が第１屈折率である場合、より大きな曲率半径が用いられることができ、より湾曲したレンズより製造が容易である湾曲が少ないレンズにつながるので、大きな屈折率は望ましい効果のために特に有利である。
最も低い屈折率を有するレイヤは、例えば、この屈折率を持つレイヤがシリコーン材料から成る場合には、1.3〜1.5の範囲の屈折率を持つことができる。第１及び第２材料は、実質的に同じアッベ数を持つことができる。
第１及び第２レイヤは全て固体の材料で作成されることができ、支持レイヤ又は基板レイヤは必要ない。別の形態として、これらのレイヤのうちの一方、例えば第１レイヤは固体のレイヤであり、他方のレイヤ、例えば第２レイヤは液体又は気体である。この１つの固体レイヤは、請求項1の定義に従って要求されるレンチキュラレンズ面の形状を持つことができる。これらの場合には、レンズ配置が支持レイヤの間にはさみ込まれるように、支持レイヤが光学装置に追加されることができる。
第１及び第２基板は、好ましくは、平面ガラス、例えばポリカーボネートのような高分子材料又は他の透明な材料から成る。
第１レイヤは凸形のレンチキュラレンズ形状を定義するレンズレイヤを構成することができ、第２材料より大きな屈折率を持ち、第２材料はレプリカレイヤを構成して、凸形のレンチキュラレンズ間の間隔を満たす。
光学装置は、レンズモードと更なる動作モードとの間で切り替えることができる切り替え可能な装置であることができる。更なるモードは、例えば、実質的なレンズ効果を持たない。レンズ効果のない更なるモードを有するそのような光学装置は、レンズモードの利点を有する自動立体視表示と、例えばテキスト表示に理想的な高解像度の利点を有する更なるモードにおける二次元表示とを可能にする。切り替え可能な装置は、１つ以上の偏光板と組み合わせて、１つ以上の電極及び電気光学材料又はレイヤ(例えば液晶材料)を有することができる。
本発明によれば、画像提供手段及び前記画像提供手段の前に配置される光学装置を有する自動立体視ディスプレイ装置が提供される。画像提供手段は、好ましくは、自動立体視画像を定義するために、カラム及びロウで配置されている画像ピクセル又は表示ピクセルのアレイを有する。光学装置は、当該光学装置のレンズモードにおいて、画像又は表示ピクセルのグループの出力の方向が複数のビューとしてそれぞれ異なる方向に投射されるように配置される。画像提供手段は、任意の種類の形式(例えば自動立体視葉書又は写真)における静止画像を提供するための手段であることができる。別の形態として、画像提供手段は、静止及び/又は動的自動立体視画像を提供する電子表示手段であることができる。そのような電子表示手段は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、CRTディスプレイ又は発光ダイオードに基づくディスプレイを含む(但しこれらに限定されない)。この自動立体視ディスプレイは、上で説明されたような利点から利益を得る。特に、レンズモードのときに第１レイヤが光学装置の観察者側であるように光学装置が配置されるディスプレイは、上述のような利点が得られるために有利である。
光学装置は、画像ディスプレイ手段から機械的に取り付け及び/又は取り外し可能であってもよい。
本発明によれば、自動立体視画像を表示する方法が提供され、当該方法は、自動立体視画像を提供し、本発明によるレンズ装置を通して自動立体視画像を投射する。
本発明の実施の形態は、純粋に一例として、添付の図面を参照して以下に説明される。
既知の自動立体視ディスプレイ装置の概略斜視図。 0°と50°との間の観察角度に対して図1の装置によって生成される画像に関するピクセル面における強度と位置との間の例示的な関係を示すグラフ。 既知の自動立体視ディスプレイ装置の概略断面図。 図4の既知のレンズ構造によって生じる可能性があるビューオーバラップ、ビュー広幅化及び大きい観察角度における強度の損失をさらに詳細に説明するためのグラフ。 本発明の実施の形態による自動立体視ディスプレイ装置の例の概略断面図。 本発明のレンズ装置によって達成されるビュー広幅化の低減及び大きい観察角度での強度の改善を示す図。 本発明のレンズ配置によって達成されるビューオーバラップの低減を示す図。 本発明によるレンズの性能がどれくらい従来のレンズと異なるかについて示す図。 図8の拡大図。 レンズ関数がピクセル構造を調べる関数としてどのように考慮されることができるかについて示す図。 ビーム強度分布関数を示す図。 異なる断面におけるビームプロファイルスペクトラムのパワーの減衰を示す図。 入力角度範囲全体のシャープネスに関する本発明のレンズと従来のレンズとの間の差を説明するために用いられる図。 本発明のレンズの最大シャープネスのプロットを示す図。 本発明のレンズがどのように改善されたシャープネスを提供するかについて概略的に示す図。 さまざまなレンズ幾何学パラメータを示すために用いられる図。 垂直な光入射が保証される領域を示すために用いられる図。 本発明の実施の形態による自動立体視ディスプレイ装置の例の概略断面図。
図の寸法は尺度通りではなく、同様の符号はテキストの全体にわたって同様の要素を参照する。
図3は、典型的な既知の自動立体視又は三次元ディスプレイ装置30の模式図を示す。それは、液晶ディスプレイ(LCD)31の形のディスプレイパネルから成り、ガラススペーサ板32を伴う。三次元ディスプレイ装置は、その光学装置として、例えばガラス基板34の上のアクリルレンズ35を有するレンズ配置33を持つ。図3は、レンチキュラレンズの縦軸に対して垂直な図1のディスプレイの断面図を示す。レンズピッチアレイpに等しい幅を持つ３つのレンズ35が示される。この設計において、ガラス基板34と反対側のレンズ境界(すなわちレンズ35の表面)における屈折率差は、この境界面は例えば1.5の屈折率を持つレンズレイヤと空気との間であるので、大体0.5である。
この特定の場合において、９つの表示ピクセルが各レンチキュラレンズ35に関連付けられ、これは、各々のレンズは９つのピクセルのグループ36を覆い、それによって原則として、各々のピクセル画像が上を覆うレンズで異なる方向に送られるので、９つのビューを生成することができることを意味する。
図4Aは、図3のジオメトリによる42インチ(107cm)の製品について、観察角(VA)の関数としての光強度(I)を示す。下の曲線の集合は個々のビュー41を示し、明確にするために、それらの全てが参照符号と共に示されているわけではない。全てのビューにわたって積分された全強度が、上の曲線42に示される。
0.4ラジアンを超えて角度が増加すると、例えば半値全幅として測定されたビュー41の幅は大幅に増加し、これにはさらに強度Iの低下が付随する。強度の低下は、特に0.5ラジアンを超えた観察角度におけるビュー41から明らかである。強度の低下は、さらに、図4Aのグラフにおいて下向きに曲がる上の曲線42から見いだされる。曲線のサイドの勾配が緩やかになっているので、ビュー幅が増加していることが確かめられる。例証として、図4Bは、観察角(VA)の関数として、隣接するビュー41間のオーバラップ(O)を示す。オーバラップ(O)は図4Cにおいて定義される。定義によって、２つの完全に分離されたビューはオーバラップがゼロであり、そして全く同じビューはオーバラップが１に等しい。図4Bにおいて、オーバラップの比較的急な増加が、0.4ラジアンを超える角度に対して発生する。オーバラップが大きいほど、ビュー間のクロストークが大きい。
強度変動が、範囲43の観察角に対して、すなわち、およそ-0.1〜-0.6又は0.1〜0.6ラジアンの観察角の間で特に発生することが、上の曲線42からさらに観察される。これらの変動は、上述されたバンディングとして、観察者によって知覚される。
本発明は、そのレンズモードにおいて２つの異なる材料の波形境界面から成るレンズアレイを持つ光学装置を提供する。レンズジオメトリー及び材料組成は、以下でさらに説明されるように、本発明の有利な効果を得るためにそれらがレンズ性能を最適化するように設計される。
図5は、本発明による自動立体視ディスプレイ装置50の実施の形態を示す。この装置は、ガラス板52を伴うディスプレイパネル51の形の画像形成手段を持つ。この自動立体視ディスプレイ装置は、画像形成手段上に本発明による光学装置53を持つ。この特定の場合において、この装置は切替可能ではなく、不変にそのレンズモードにある。実施の形態は、それらの縦軸と平行に配向される半円柱状レンチキュラレンズ55のアレイを有する。レンズアレイは、平面ガラス基板54, 57の間にはさみ込まれる第１レイヤ55A及び第２レイヤ55Bを有する。第１レイヤ55Aと第２レイヤ55Bとの間の境界面は、波形レンズ面58を定める。この特定の場合において、第１及び第２レイヤは光学的に等方であり、可視光スペクトラム内の放射に対して0.05と0.22との間の屈折率差を持つ。
第１レイヤ55Aは、凸形のレンチキュラレンズ形状を定めるレンズレイヤを有する。本実施例において、このレイヤは、約1.5の屈折率をもつ材料からなり、例えば、80%エトキシル化ビスフェノールAジアクリレート("Sartomer Company, Inc"のSR-349)及び20%トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA)を含む、約1.53の屈折率をもつアクリル材料からなる。第２レイヤ56は、シリコーンゴム材料("Wacker chemicals Inc"のElastosil RT604)で作成され、約1.41の屈折率を持つ。
実施例は第１及び第２レイヤの前述の組み合わせによって説明されるが、他のレイヤの組み合わせも同様に、本発明の一般的なコンセプト内で適用されることができる。したがって、例えば、第１レイヤの屈折率は、1.4と1.6の間であることができ、約1.59の屈折率を有するポリカーボネートが、シリコーンゴム材料と共に用いられることができる。適切な屈折率を有する更に他の材料が、本発明の効果を失うことなく用いられることができる。
さらに、本発明は、屈折率のこれらの範囲又は上で定められる材料に対する屈折率差の範囲に制限されない。述べられた材料は、本発明によるレンズ面のために望ましい曲率半径及びレンズピッチに関して必要とされる屈折率の差分が達成されるように選択された適切な屈折率を有する任意の他の材料によって置き換えられることができる。さまざまな変更が当業者にとって明らかである。
本実施例のアクリル材料レンズ構造は、複製プロセスによって作成されることができる。そのようなプロセスにおいて、レンズ(すなわち例えばレイヤ55A)の形状に相補的であるレリーフ面を持つ鋳型が用意される。複製ステップにおいて、レイヤ材料は、鋳型のレリーフ形状をとって、その形状に固定されるように、鋳型に接触させられる。結果として生じるレンズは、例えば成形する間又はその後の強度を提供するために、基板レイヤ57に取り付けられることができる。基板は、それが単に複製プロセスの間にレンズ構造を支持するためのものである場合、除去されることができる。基板レイヤを伴うあるいは伴わない複製されたレンズは、それから、支持レイヤ(例えばガラス板又はプラスチック板) によって支持されるシリコーンレイヤに埋め込まれる。上述のアクリル材料は、そのようなプロセスにおいて便利に用いられることができる。しかしながら、最終的な結果が他のレイヤのそれと比較されたときに適切な屈折率を有するレイヤである限り、そのような態様で成形されることができる任意の他の材料が用いられることができる。別の形態として、シリコーンレイヤが複製されたレンズに適用され、その後、支持レイヤの適用が続く。基板レイヤ又は支持レイヤのいずれか一方が、例えばガラスでできていてもよい。ガラスは、とりわけ、平らな面を持つという利点を持ち、ディスプレイ産業において一般的に用いられる。結果として生じる構造の望ましくない歪み等が防止されるように、基板レイヤ及び/又は支持レイヤが、製造ステップの間に考えられる状況に耐えることができなければならないことは明らかである。
別の形態として、レンズ構造は、機械的に加工されることができる。一般に、これは、加工条件(温度及び圧力)において固体であるレンズ材料を必要とする。例えば、ポリカーボネートレンズは、このようにして有利に作成されることができる。
図5の実施の形態において、レンズ配置53は、本発明による自動立体視ディスプレイ装置50に組み込まれる。それに対して、レンズ配置は、ガラススペーサプレート32を持つLCD31の形のディスプレイパネルに取り付けられる。
図6は、図5のジオメトリによる42インチ(107cm)の製品での観察角(VA)の関数としての光強度(I)を示す。図4におけるように、(全てが参照符号によって注釈をつけられているわけではない)曲線61の下のセットは個々のビューを示す。全強度は上の曲線62に示される。
図3の構造のための典型的なレンズ半径は2.212ミリメートルであるが、図6では、レンズ半径(R)はわずか0.519ミリメートルである。これは、焦点距離がレンズ半径(R)とレンズ面を定めるレイヤの屈折率差との商にほぼ等しく、したがって焦点距離パラメータが図3の既知のレンズ構造と同じアプリケーションに用いられる本発明のレンズ構造に対して大体一定に維持されるからである。正確な所要の半径はバンディング強度を最小化するように決定されることができ、そしてこれは以下で説明される。減少したレンズ半径は、レンズが同じ領域を覆う場合、すなわち表示手段のピクセルのうち同じ数のカラムを覆う場合、より奥行きのあるレンズを生じさせる。この場合には、それは、それぞれ図3及び5のグループ36又は56中の９ピクセルである。
図6は、低強度のテールは別として、ビューの広幅化は、本発明の設計では非常に少ないことを示す。さらに、バンディングは大幅に減少した。これは、部分的には、幾分小さいレンズのフィールド湾曲に起因する。同様のジオメトリに対して、観察者の方へ向きを定められるレンズのアクリル部分によって、同様の挙動が観察されるが、ビューの低強度のテールは原点から離れて配向される。
図7は、図4Bとの比較のための、観察角の関数としてのオーバラップを示す。本発明のレンズ設計では、オーバラップ曲線は非常に平らである。この設計は、より大きいオフノーマルの観察角(VA)の下で、観察経験における顕著な改善を与える。
クロストーク及びバンディングの低減に加えて、図5の設計は、低反射率という追加の利点を持つ。上のガラス板の上の平らな面は、反射防止膜で容易に被覆されることができる。低い屈折率差のため、レンズ構造自体が低い反射を持つ。他の利点は、装置の外側の面が平らであり頑丈であることである。レンズ装置基板のうちの１つがこの機能を提供することができるので、ディスプレイの前の追加の保護板の必要性がない。
したがって、本発明のレンズ設計は、角度に依存するクロストークの低減、バンディングの低減、低反射率、及び、上述されたいくつかの理由の利点を持つ頑丈な平らな側を備えるように配置されることができる設計を提供する。
上で与えられた例において、第１及び第２レイヤは基板レイヤ間にはさみ込まれるが、これは必須ではない。ある実施の形態では、第１レイヤ55A及び基板レイヤ57は、同じ１つのレイヤである。したがって、第２レイヤ55B及び基板レイヤ54が同じ１つのレイヤであることができる。これは、第１及び第２レイヤが、基板レイヤが必要でないように十分に強い場合に特にそうである。
本発明による自動立体視ディスプレイ装置の他の実施の形態において、上で与えられた実施の形態ではディスプレイパネルの一部であるレイヤ52は、レンズ装置の基板レイヤを形成することができ、したがって、これらのレイヤの機能とコスト重み(cost weight)又は製造時間を低減する可能性とを組み合わせる。
上で述べたように、レンズアレイは、屈折率差に基づくだけでなく、レンズのジオメトリ、特にレンズ半径R及びレンズピッチpにも基づいて設計される。
図8は、大きな屈折率差、したがって小さい湾曲を有するレンズ80(図8の上部)の性能が、低い屈折率差、したがって大きい湾曲を有するレンズ(図8の下部)と如何に異なるかを概略的に示す。図8の上部は、境界面の一方が空気である屈折率差0.5及び焦点距離の0.333倍のレンズ半径を有するレンズを示す。図8の下部は、屈折率差0.1及び焦点距離の0.067倍のレンズ半径を有するレンズを示す。
光は左から来てレンズ80に入る。大きな屈折率の空気レンズは、適切に定められた焦点81を有する適切に成形されたビームを提供する。低い屈折率差のレンズは、より大きい湾曲を持ち、したがって、より多くの球面収差を持つ。レンズ後方のビームは、領域82にいわゆる「火線(caustic)」を示す。この領域において、光線は互いに追いつき、局所的な大きな強度を示す。焦点距離fは、レンズ後方で軸の近くの光線が交差する所の距離である。
図9は、図8の下の例の拡大したビューを示す。ビームに沿ったいくつかの位置における強度分布が示される。火線が発生する領域80において、ビームは、強度が極大となる２つの位置を示す(プロット90参照)。火線の端(プロット92)において、２つの位置が一致し、大きな強度の一点を形成する。この位置の右側で、強度分布は再び滑らかになる。プロット90はレンズの「火線の境界(caustic edge)」であると考えられることができ、そしてプロット92は「火線の端(caustic tip)」である。
本発明は、より悪い光学収差を被るこの光学性能が、如何にして上で説明されたように改善された角度性能を生じさせることができるかについての理解に基づく。レンズ設計がどのように光学システムの性能に影響を与えるかについて理解するために、レンズ関数は、ピクセル構造を調べる関数とみなされることができる。これは図10に概略的に説明される。左部分は、示されてないレンズによって生成され、ピクセルアレイ110のピクセルと関連した光を変調するビームプロファイル100を示す。これは、図10の右に示されるように、ローパスフィルタ畳込関数である。
畳込関数は結果として情報エントロピーの損失をもたらす(用語「情報エントロピー」の更に詳細な説明については、例えば、A Mathematical Theory of communicationのC.E. Shannon, The Bell System Technical Journal, Vol. 27pp. 379-423, 623-656 July, October, 1948を参照)。
図11Aは、値I(y)としてビーム強度分布関数100を示す(yは中心軸からの変位)。
エントロピー損失は、関数100のフーリエ変換
Figure 2011524541
に基づく。
エントロピー損失は、以下のように定められる。
Figure 2011524541
図11Bは、エントロピー損失を導き出すために使用される対数値を示す。
最も緩慢に減衰する対数関数(すなわち、最も緩慢に減衰するパワースペクトラム)を有するビームプロファイルは、最少の情報損失(図11の曲線とx軸との間の最も小さい面積)を持ち、したがって、最も高い周波数を含む。これは、「シャープネス」関数を表すとみなされることができる。
図12は右に異なる断面におけるビームプロファイルスペクトラムのパワースペクトラムの減衰を示す。明らかに、火線端のプロファイルは、最も緩慢に減衰するパワースペクトラムを持つ。火線端が存在しない場合(レンズ上のビームの十分に大きい入射角の場合)、火線の境界のプロファイルが、次善のビームプロファイルスペクトラムを持つ。
上記の分析は、プロファイルのパワースペクトラムが最もゆっくりと減衰する位置として、最大のシャープネス位置が定められることを可能にする。図13に示されるように、低屈折率差レンズと従来のレンズとの間の明確な違いが存在する。
プロット130は、レンズの中心(すなわちレンズ面と光軸との交差)の近くのレンズ面に当たる隣り合う光線の交点として定められる焦点の位置である。プロット132は、ビームの二乗平均(RMS)幅が最も小さいポイントの位置である。つまり、ビームの断面が最も小さい位置である。有意な違いは、プロット134によって示される最大シャープネス位置である。低Δnレンズでは、通常のレンズと比較されると、この曲線は非常に大きい曲率半径を持つ。これは、より大きい入射角に対して、最大シャープネス位置が元の焦点面の比較的非常に近くにとどまることを意味する。実際に、低Δnレンズの曲線は、レンズの中心のまわりを回転する火線端ポイントによって構成される(この場合、中心は、レンズを形成する球面の中心を意味する)。通常のレンズでは、より大きい角度に対する曲線は、火線境界領域上のポイントによって構成される(端は存在していない)。
したがって、レンズが全ての入射角をカバーする火線端領域を提供するように設計されることができる場合、シャープネスは改善されることができることが分かる。図14は、最大シャープネスのプロットを示し、火線端領域140及び火線境界領域142を示す。入力光線のうちの１つがレンズ面に垂直に当たる場合、火線端が存在する。この光線は、レンズ面を定める球の中心を通過する。光線の入射角が(レンズの所与の開口に対して)あまりに大きい場合、もはやこの端は存在しない。
これは、１セットのレンズの設計パラメータが決定されることを可能にする。図15に示されるように、入力光線は法線の方へ曲げられて、光学装置の第１レイヤ内に角度範囲を限る。レンズは十分に小さいΔnによって設計されることができ、すなわち、レンズは十分に湾曲しており、(空気中の全角度範囲に対応する)入力角度ごとに、少なくとも１つの光線がレンズ面に垂直に当たる。この設計ルールは、ピクセル面の近くに最大シャープネスの領域を提供して、それによって、上で概説された利点を提供する。
ディスプレイのピクセル面は垂直線150の近傍にあり、そして観察者は左にいる。簡潔さのために、図15は観察者からディスプレイの方へ導かれる光線を示すが、ディスプレイピクセルを通して観察者に導かれる光を考慮するときにも、この分析は変化しない。
この連続的な火線端を提供し、そして上で説明された改善されたシャープネスを生じさせるようにレンズ設計を特徴づける複数の態様が存在する。
図16は、さまざまなレンズ幾何学パラメータを示すために用いられる。
ビューの数は、レンズピッチpによって決定される。一次コーン角度によって定められる観察角の範囲は、レンズピッチp、ピクセル面40からレンズへの距離d及び屈折率n2によって決定される。
p、d、n1及びn2を所与として、レンズ半径Rは、最小のバンディングのために最適化される。このレンズ半径Rが焦点距離fを決定し、それは、示された例において、距離dより僅かに大きい。液晶ディスプレイパネルの黒いマスクレイヤの結像効果を低減するために、焦点距離からピクセルアレイをオフセットすることが知られている。
上で議論された低い屈折率差に加えて、レンズの光学性能は、パラメータn1(p/2R)によって特徴づけられることができる(n1、p及びRの値は図16を参照してすべて示されて説明されている)。この無次元パラメータは、焦点距離だけでなくレンズ湾曲、及びレンズ本体に入るときの光の屈曲を考慮する。特に、観察者側のレンズ装置の部分として定められるn1によって、これは、観察者側の空気界面における屈曲を考慮する。このパラメータは、光がレンズ面に垂直に入射すべきであるという要件が満たされることを可能にする。
図17は、垂直な入射が保証される領域を影付きの領域として示す。
影付きの領域の傾斜した左の境界は、以下によって決定される。
Figure 2011524541
右の垂直な境界は以下によって与えられる。
p/2R =1
円形レンズでは、ピッチは半径の２倍を超えることができず、そしてこれは右の境界を決定する。
図17中の領域の境界はn1(p/2R)=1に基づいており、そして境界の中のポイントはn1(p/2R)>1を満たす。
本発明は、より一般には、n1(p/2R)>0.6の値に適用される。より好ましくは、n1(p/2R)>0.8である。さらにより好ましくは、n1(p/2R)>1である。
図17において、領域180は可能なレンズジオメトリーを表し、そして領域182は、レンズ本体のために現在最も容易に利用可能な材料を表す(n1=1を除外する)。これは、現在利用可能な材料に基づく本発明の最も好ましいレンズ設計パラメータ範囲を満たす領域184を与える。
図8〜17の例は、レンズ面が観察者に向いて外側に湾曲し、n1<n2である。同じ関係は、例えば図5に示されるようにレンズが逆方向に向いているジオメトリに対しても有効である。この場合には、外側に湾曲したレンズ面はディスプレイパネルの方へ向き、正のレンズを構築するためにn1>n2である。
本発明は、全てのタイプの正のレンズに適用可能であり、全てのタイプのレンチキュラレンズに基づく自動立体視ディスプレイにおいてその有利な効果を持つ。したがって、本発明による屈折率、レンズピッチ及びレンズ面湾曲の関係が満たされる限り、有利な効果が得られるので、レンズ境界面を構成するレイヤ間の屈折率差は小さい必要はない。
実際に、レンズシステムは、２つ又は３つ以上の媒質(例えば中間ガラス板/レイヤ又は空気ギャップ)から成ることができる。
上の議論及び分析は球面レンズに基づく。しかしながら、(例えば２つの有効半径を持つ)非球面レンズが用いられることができる。その場合、上の分析は、(中心光学軸に沿った)レンズの中心における有効レンズ半径に基づくと考えられることができる。
材料の屈折率は、光の波長に依存する。これは通常、いわゆる「アッベ数」に関して表現される。波長依存性に起因して、レンズの焦点は光の色によって決まる。屈折率の僅かな違いのみを伴う２つの材料からレンズを作成する場合、レンズの色依存性は、全体として大体、係数(nacrylic-nair)/(nacrylic-nsilicone)≒5で拡大し、結果として色依存バンディングをもたらす。これを回避するために、それぞれの材料のアッベ数が一致されなければならない。
アッベ数は以下として定められる。
Figure 2011524541
ここで、nD, nF, nCは、D, F及びCスペクトル線(それぞれ589.2nm, 486.1nm, 656.3nm)における材料の屈折率である。
「可視スペクトラム中の」上述された屈折率差は、可視スペクトラム内の単一ポイント(例えば587.5618nmにおけるD3ヘリウム線)で測定されたと仮定されることができる。
レンチキュラレンズは、好ましくは、ディスプレイのピクセルのカラムに対して傾けられ、これは、ディスプレイのロウ方向とカラム方向との間でレンズアレイに起因する分解能の損失を共有するための既知の手段である。
液晶ディスプレイの設計、又は必要とされる複数のビューを生成するために要求される画像処理は詳細に説明されなかった。これらは全て標準的なものであり、そして本発明はレンズ設計に対する変更のみを提供する。
上の例では、レンズレイヤ60はアクリル材料であるが、それは代わりにポリカーボネート材料(屈折率n=1.59-1.60)であることができ、これは、第２材料レイヤ62としてのシリコーン材料と組み合わせられることができる。
図18A及び18Bによって示される実施の形態において、光学装置は、図18Bによって表されるような、レンズ面を定めるレイヤ間の境界面が実質的に平らである領域200を持つことができる。この非レンズ領域は、例えば任意の種類の二次元データを表示するために用いられることができる。そして非レンズ領域(200)は、レンズ領域図18Aと同じ屈折率差を持ち、２つの領域の境界が、マスクされ、すなわち低い屈折率差を持つレンズ領域の層状構造を非レンズ領域が備えていない状況に比べて観察者に対して目立ちにくいという利点を伴う。それゆえに、表示の見え方が改善される。必要に応じて、複数のレンズ領域が設けられ得ることと同様に、複数のそのような領域が設けられることができることは明らかである。これは、三次元データ及び二次元データを同時に出力しなければならないディスプレイシステムにとって重要だろう。低い屈折率を有する２つのレイヤによる非レンズ領域を持つこの装置及び対応するディスプレイは、説明された利点を失うことなく、本発明における「曲率半径の２倍で割られるレンズピッチと第１屈折率との積が0.6を超える」との特徴によって定められるようなレンズ半径の要件から独立に用いられることもできる。
本発明は一般にディスプレイにおいて用いられることができ、そしてこれは、電子フォトフレーム及び他のディスプレイ出力装置を含む。
さまざまな変更が、当業者にとって明らかである。
好ましくは、レンズ面を構成している面と反対の第１及び第２レイヤの面は、両方とも平面である。これらの表面のうちの一方が、ディスプレイ装置(例えば通常の液晶ディスプレイ(LCD))の平らな面へのレンズ装置の容易な取り付けを可能にしつつ、他方は、例えば反射防止コーティング及び/若しくは他の光学レイヤ、並びに/又は、抗スクラッチ及び/若しくは他の保護コーティングのような、追加のレイヤを備えることができる。したがって、追加のレイヤは好都合にも、レンズ装置とディスプレイパネルの面との間に位置せず、それによって、レンズ装置により達成される自動立体視ディスプレイ装置の光学効果又は光出力を妨害しない。
本発明は、特に自動立体視ディスプレイに用いられるときに、レンズ機能を有する全ての光学装置に適用可能である。したがって、光学装置は、１つのモードにおける本発明のレンズ機能及び更なるモードにおける他の光学機能を有する切替可能な装置であることができる。切替可能な光学装置は、例えば、WO1998/021620A1に説明されるように構成されることができる。そして光学装置は、電極構造と、当該光学装置の第１又は第２レイヤのうちの一方として機能する液晶(LC)材料とを有する。液晶レイヤの屈折率は異方性であり、液晶分子の配向に依存している。電極構造は、光学装置のモードのうちの１つにおいて液晶分子の向きを調整するために、レイヤにわたって電場を提供する役目をする。したがって、レンズモードにおいて、液晶分子は、第１及び第２レイヤ間に屈折率差が存在するように向きを定められ、一方、更なるモードにおいて、液晶分子の適切な再配向によって、この屈折率差は実質的に存在せず、それによって、LCレイヤの異なる屈折率から恩恵をうける。切替可能なレンズ装置を提供する他の原理が、本発明による光学装置を作成するために用いられることができる。したがって、例えば、流体焦点レンズが用いられることができる。
請求の範囲において、括弧間に配置される任意の参照符号は、請求の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。「有する」「含む」「持つ」などの用語は、請求の範囲に挙げられた要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を除外しない。単数で表現される要素は、そのような要素が複数存在することを除外しない。いくつかの手段を列挙している装置請求項において、これらの手段のいくつかは、ハードウェアの同じ一つのアイテムによって実施されることができる。単に特定の手段が相互に異なる従属請求項中に記載されていることは、利益を得るためにこれらの手段の組み合わせが用いられることができないことを意味しない。

Claims (17)

  1. 正のレンチキュラレンズのアレイを有するレンズ配置となるレンズモードを少なくとも持つ光学装置であって、前記正のレンズの各々は、レンチキュラレンズ面を定める互いの間の境界面を持つ第１レイヤ及び第２レイヤを有し、第１レイヤは第１屈折率を有し、第２レイヤは前記第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、前記レンズアレイはレンズピッチを有し、前記レンチキュラレンズ面はそれらの中心における曲率半径を有し、前記曲率半径の２倍で割られる前記レンズピッチと前記第１屈折率との積が０．６を超える、光学装置。
  2. 前記積が０．８を超える、請求項１に記載の光学装置。
  3. 前記積が１を超える、請求項１に記載の光学装置。
  4. 前記レンズ配置がディスプレイ側と反対の観察者側を持ち、前記第１レイヤが前記レンズ配置の前記観察者側にある、請求項１に記載の光学装置。
  5. 前記第１屈折率が、前記第１及び第２屈折率のうちの最小の屈折率である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレンズ配置。
  6. 前記第１及び第２屈折率の間の屈折率差の絶対値が、０．０５から０．２２の間である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレンズ配置。
  7. 前記絶対値が０．０５から０．１５の間である、請求項６に記載のレンズ配置。
  8. 前記第１及び第２屈折率のうちの最大の屈折率が１．４から１．６５の範囲である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレンズ配置。
  9. 前記第１及び第２屈折率のうちの最小の屈折率が１．３から１．５の範囲である、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のレンズ配置。
  10. 前記第１レイヤ及び前記第２レイヤが光学的に等方である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のレンズ配置。
  11. 前記第１及び第２レイヤが実質的に同じアッベ数を有する、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のレンズ配置。
  12. 前記第１レイヤと前記第２レイヤとの間の前記境界面が実質的に平らである領域を持つ、請求項１に記載のレンズ配置。
  13. 画像供給手段及び当該画像供給手段の前に配置された請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の光学装置を有する自動立体視ディスプレイ装置。
  14. 前記画像供給手段が、電子ディスプレイパネルである、請求項１３に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
  15. 前記光学装置が、前記レンズモードにおいて、前記第１レイヤが前記光学装置の観察者側にあるように配置される、請求項１３又は請求項１４に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
  16. 前記レンズ配置が、前記第２レイヤが前記第１レイヤよりも前記画像供給手段に近いように位置づけられ、前記第２屈折率が、前記第１及び第２屈折率のうちの最小の屈折率である、請求項１３又は請求項１４に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
  17. 自動立体視画像を表示する方法であって、複数のビューからなる画像を供給し、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のレンズ配置を通して前記画像を投影する方法。
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