JP2012528346A - 裸眼立体視表示装置 - Google Patents

Abstract

裸眼立体視ディスプレイ装置が障壁機構とレンズ機構の両方を有する。異なる複数の横の視方向に複数のビューが与えられる。視野の少なくとも一部は裸眼立体視出力をもち、裸眼立体視出力をもつ部分は個々の2Dビューの繰り返しはなく、少なくとも三つの個々の2Dビューを有する。これは、視円錐境界における立体視の反転（「擬似ステレオビュー」）がないということである。それは、視円錐境界がないからである。

Description

本発明は、表示を生成するための表示ピクセルのアレイをもつディスプレイ・パネルと、異なる空間位置に異なるビューを差し向けるイメージング機構とを有する型の裸眼立体視表示装置に関する。

この種のディスプレイにおいて使うイメージング機構の第一の例は、障壁〔バリア〕であり、たとえばディスプレイの根底にあるピクセルとの関係で大きさおよび位置が決められているスリットをもつ。ビューが二つの設計では、見る者は、頭がある固定位置にあれば、3D画像を知覚できる。障壁は、ディスプレイ・パネルの正面に位置され、奇数番目および偶数番目のピクセル列からの光がそれぞれ見る者の左眼および右眼に向けられるよう設計される。

この型の２ビュー・ディスプレイ設計の欠点は、見る者が固定位置にいなければならず、左右に約3cmしか動けないということである。より好ましい実施形態では、各スリットの下に、二つではなくいくつかのサブピクセル列がある。このようにして、見る者は左右に動くことが許容され、常に立体画像を眼で知覚できる。

障壁機構は製造は簡単だが、光効率がよくない。したがって、好ましい代替は、イメージング機構としてレンズ機構を使うことである。たとえば、細長いレンティキュラー要素のアレイが互いに平行に延在して、かつ表示ピクセル・アレイに重なって、設けられることができる。表示ピクセルは、それらのレンティキュラー要素を通して観察される。

レンティキュラー要素は、各要素が細長い半円筒形のレンズ要素を有する、要素のシートとして提供される。レンティキュラー要素は、ディスプレイ・パネルの列方向に延在し、各レンティキュラー要素は、表示ピクセルの二つ以上の隣り合う列のそれぞれの群にかぶさる。

たとえば各レンティキュールが表示ピクセルの二つの列に関連付けられる構成では、各列の表示ピクセルが、それぞれの二次元サブ画像の垂直スライスを与える。レンティキュラー・シートは、これら二つのスライスおよび他のレンティキュールに関連付けられた表示ピクセル列からの対応するスライスを、シートの正面に位置されるユーザーの左右の眼に向け、ユーザーが単一の立体視画像を観察するようにする。レンティキュラー要素のシートは、このように、光出力を向き付ける機能を提供する。

他の構成では、各レンティキュールは、行方向の四つ以上の隣り合う表示ピクセルの群に関連付けられる。各群の表示ピクセルの対応する列は、それぞれの二次元サブ画像からの垂直スライスを与えるよう適切に配置される。ユーザーの頭が左から右へと動かされると、一連の異なる立体視ビューが知覚され、たとえば見回しているような印象を創り出す。

上記の装置は、事実上三次元ディスプレイを提供する。しかしながら、立体視ビューを提供するためには、装置の水平解像度における犠牲が必要であることは理解されるであろう。この解像度の犠牲は、生成されるビューの数とともに増大する。よって、多数のビューを使うことの主要な欠点は、ビュー当たりの画像解像度が低下するということである。利用可能なピクセルの総数が、複数のビューの間で分配されなければならない。垂直レンティキュラー・レンズをもつnビュー3Dディスプレイの場合、水平方向に沿った各ビューの知覚される解像度は、2Dの場合に比してn分の１に低下する。垂直方向では、解像度は同じままである。傾斜された障壁またはレンティキュラーの使用は、水平方向と垂直方向の解像度の間のこの不均衡を軽減することができる。その場合、解像度の損失は、水平方向と垂直方向の間で均等に分配できる。

ビューの数を増すことは、このように3D印象を改善するが、見る者によって知覚される画像解像度を低下させる。個々のビューは、それぞれのいわゆる視円錐（viewing cone）内にあり、これらの視円錐は典型的には視野にわたって繰り返される。

見る経験は、見る者が表示装置の視野内で自分たちの位置を、すなわち3Dモニターまたはテレビジョンを見る位置を完全に自由に選べない、すなわちディスプレイの視野内の視円錐の間の境界では3D効果がなく、わずらわしいゴースト像が現れるという事実によって妨げられる。本発明はこの問題に関係する。

本発明の一つの目的は、視円錐境界の数を減らし、好ましくは視円錐境界をなくすことである。

前記目的は、独立請求項において定義される本発明によって達成される。従属請求項は有利な実施形態を定義する。

本発明に基づく裸眼立体視装置は、レンズおよび障壁開口を組み合わせて広い視野を可能にし、しかも裸眼立体視出力領域におけるビューの反復がない。好ましくは、ディスプレイ・パネルは表示ピクセルのアレイを有し、障壁機構はあるピクセルからの光が一つの障壁開口だけに到達するよう構成される。これにより、個々のビューが複数の障壁開口から出力されることが防止され、それにより視円錐の反復が防止される。

法線方向は、好ましくは、ディスプレイ・パネルに関してである。

ピクセルは、当技術分野において通常であるように、それぞれ異なる色をもつサブピクセルであることができる。

横の視方向は、垂直の視方向と直角である。ここで、垂直はその通例の意味をもつ。

レンズ機構のレンズは、障壁機構の開口に位置されることができる。この場合、各レンズ機構の半径は、好ましくは、障壁機構とディスプレイ・パネルとの間の間隔の0.2ないし0.5倍である。

ある好ましい設計では、視野全体が裸眼立体視出力をもつ。しかしながら、ビューの総数を減らすため（そしてそれにより解像度の低下を軽減するため）、視野の中央部分が裸眼立体視出力をもつことができ、視野の横部分は2D出力をもつ。視野の中央部分の個々の2Dビューは、視野の横部分における2Dビューより密に位置されることができる。

これを達成するために、ある構成では、レンズ機構は、ディスプレイ・パネルと障壁機構との間に設けられ、中央部分では横部分とは異なる曲率半径をもつレンズを含む。曲率のこの変化により、横ビューよりも、法線方向ビューがより密に分布することが可能になる。追加的なレンズ要素が、障壁機構の開口のところに設けられることができる。

もう一つの構成では、障壁機構がディスプレイ・パネルとレンズ機構との間に設けられることができ、各レンズ要素はそれぞれの障壁開口からのすべての光を受け取る。

この場合、レンズ要素は一つの障壁開口からのみ光を受け取る中央部分と、二つの隣接する障壁開口から光を受け取る共有されるエッジ部分をもつことができる。これにより、レンズ要素が、規則的または周期的な形、たとえば正弦波プロファイルをもつことができる。レンズ要素は、それぞれ正弦波プロファイルをもつ二つのレンズ・サブ要素のスタックを有することができる。ここでもまた、追加的なレンズ要素が、障壁機構の開口のところに設けられることができる。

これらの構成において、中央部分の個々の2Dビューは好ましくは0.5ないし3度隔てられる。

障壁機構は、少なくとも一つの透明スラブを有することができる。このスラブは、カットアウトをもつ長方形の形の断面形状をもち、該カットアウトは、所定の領域の外部のエリアに位置され、該所定の領域とは、ディスプレイ・パネルと障壁機構との間の光の経路が該所定の領域に制限されるようなものである。これにより、表示装置の重量を減らすことができる。

ある実施形態では、ディスプレイ・パネル（たとえばLCDディスプレイ・パネルのような）は空間光変調器を有しており、裸眼立体視ディスプレイは、前記空間光変調器を通過するよう前記空間光変調器に光を提供するバックライトを有する。好ましくは、前記バックライトは、前記空間光変調器にコリメートされた光を提供するコリメートされたバックライトである。これは、裸眼立体視ディスプレイの改善された明るさを提供する。普通なら失われてしまう光の少なくとも一部がビューに向け直されるからである。

好ましくは、前記バックライトは、コリメートされた光が平行または集束性であり、前記ディスプレイ・パネルに垂直な方向からの各側における少なくとも第一の範囲に制限されるよう構成される。このようにして、前記バックライトの光は全く失われない。好ましくは、コリメートされたバックライトは、単一方向に放出される一つまたは複数の平行なまたは集束するビームからなるコリメートされた光を提供するよう構成される。好ましくは、この方向は、バックライトの照明方向に垂直である。

前記ディスプレイ・パネルに垂直な方向からの各側における第一の範囲が、集束ビームがディスプレイ・パネルを出るようなものであるよう、裸眼立体視ディスプレイが構成されるとき、空間光変調器の平面において、少なくとも一つのビームによって照明されない、隣り合う集束ビームの中間の領域がないよう、ディスプレイ・パネルに光の集束するコリメートされたビームを提供するために、裸眼立体視ディスプレイは、ディスプレイ・パネルとコリメートするバックライトとの間に、織りなされた（weaved）レンズ・アレイを有していてもよい。

この場合、好ましくは、バックライトは、その照明エリア全体に平行なコリメートされた光を与える。あるいはまた、織りなされたレンズ・アレイはバックライトに統合されて、ディスプレイ・パネルに、ディスプレイ・パネル・エリア全体を照明する光の集束するビームを与えてもよい。

もう一つの構成はさらに、開口のアレイを有する第二の障壁機構を有し、前記障壁機構（以下「第一の」障壁機構と称する）および前記第二の障壁機構はディスプレイ・パネルとレンズ機構の間にある。第二の障壁機構は第一の障壁機構より広い開口を有している。この二重の障壁機構により、第一の障壁機構の障壁開口の間のピッチが、単一の障壁機構で可能なよりもさらに縮小できる。これは、本システムにより、第一の障壁機構をディスプレイ・パネルにいささかも近づける必要なしに、すなわち、第一の障壁機構とディスプレイ・パネルの間の間隔を縮小する必要なしに、高解像度の表示の恩恵が得られることを意味する。

たとえば、ディスプレイの、前記第一の角度範囲内の少なくともいくつかのピクセルについて、ピクセル出力は、障壁機構の少なくとも二つの障壁開口に投影される。これは、単一障壁機構についてのマルチ円錐出力を与える。しかしながら、第二の障壁機構は光を遮断し、それによりピクセルからの光は、第二の障壁機構の開口の一つのみを通過する。これは、単一円錐出力を回復する。

本発明の実施形態について、これから、純粋に例として、付属の図面を参照しつつ説明する。

既知の裸眼立体視表示装置の概略的な斜視図である。 レンティキュラー・アレイがどのようにして異なる空間位置に異なるビューを与えるかを示す図である。 障壁機構がどのようにして異なる空間位置に異なるビューを与えるかを示す図である。 マルチビュー裸眼立体視ディスプレイのレイアウトの断面を示す図である。 図４のクローズアップを示す図である。 円錐の集合のそれぞれにおいて生成されるビューが等しい９ビュー・システムを示す図である。 反復される円錐および円錐遷移の発生の問題の理想的な解決を概略的に示す図である。 図７に示される「単一円錐」ディスプレイのための基本的な実施形態を示す図である。 ａは一つの可能なディスプレイ・デザインを示し、ｂ、ｃは本発明の二つの実施形態を示す。 本発明のディスプレイのもう一つの実施形態を示す図である。 従来技術を本発明と比較しつつレンズ関数を示す図である。 ａおよびｂは、レンズおよび障壁がピクセル平面から異なる距離のところに配置されるさらなる実施形態を示す図である。 ａおよびｂは、主レンズについての簡略化された設計をもつさらなる実施形態を示す図である。 ａおよびｂは、障壁機構およびレンズ機構の間の距離を増したさらなる実施形態を示す図である。 ４２インチ（１０７ｃｍ）ディスプレイのための実際の設計を示す図である。 バックライト設計への可能な修正を示す図である。 増大したピクセル解像度から恩恵が得られるようにするさらなる実施形態を示す図である。 本発明のさらなる例に基づいて除去できる、図７の設計の基板の諸部分を説明するために使われる図である。 基板の諸部分が除去された図７の設計を示す図である。 図１９の設計の修正を示す図である。 本発明のさらなる例に基づいてやはり除去できる、図１７の設計の第二の基板の諸部分を説明するために使われる図である。 第二の基板の諸部分が除去された図１７の設計を示す図である。 コリメート型バックライトの概略図である。 コリメート型バックライトをもつ本発明に基づく裸眼立体視表示装置を示す図である。

本発明は、視野をもち、障壁機構およびレンズ機構の両方が使われる裸眼立体視表示装置を提供する。複数のビューが、視野内で異なる横視方向に与えられる。視野の少なくとも一部分は裸眼立体視出力（3D）をもち、裸眼立体視出力をもつ部分は個々の（2D）ビューの反復をもたない。これは、視円錐境界における立体ビューの反転（「擬似ステレオ・ビュー」）がないということを意味する。これは、視円錐境界がないためである。

本発明を説明するために、まず、本発明が取り組む問題について、より詳細に述べておく。

図１は、既知の直視〔ダイレクト・ビュー〕裸眼立体視表示装置１の概略的な斜視図である。既知の装置１は、表示を生成するための空間光変調器のはたらきをするアクティブ・マトリクス型の液晶ディスプレイ・パネル３を有する。

ディスプレイ・パネル３は、行および列に配列された表示ピクセル５の直交アレイを有する。明確のため、図には少数の表示ピクセル５が示されている。実際には、ディスプレイ・パネル３は、約1000行および数千列の表示ピクセル５を有していてもよい。

液晶ディスプレイ・パネル３の構造は完全に通常のものである。特に、パネル３は、一対の離間した透明ガラス基板を有し、その間に整列されたねじれネマチックまたは他の液晶材料が与えられる。それらの基板は、向かい合う表面上にインジウム‐スズ酸化物（ITO: indium-tin oxide）電極のパターンを担持する。これらの基板の外側の表面には、偏光層も設けられる。

各表示ピクセル５は、前記基板上の対向する電極を有し、その間に介在する液晶材料がある。表示ピクセル５の形およびレイアウトは、電極の形およびレイアウトによって決定される。表示ピクセル５は、空隙により互いに規則的に離間される。

各表示ピクセル５には、薄膜トランジスタ（TFT: thin film transistor）または薄膜ダイオード（TFD: thin film diode）のようなスイッチング素子が付随する。表示ピクセルは、スイッチング素子にアドレッシング信号を与えることによって、表示を生成するよう動作させられる。好適なアドレッシング方式は当業者には既知である。

ディスプレイ・パネル３は光源７によって照明される。光源７はこの場合、表示ピクセル・アレイのエリアにわたって延在する平面状バックライトを有する。光源７からの光はディスプレイ・パネル３を通じて方向付けられ、個々の表示ピクセル５は光を変調し、表示を生成するよう駆動される。

表示装置１は、ディスプレイ・パネル３の表示側にわたって配置されたレンティキュラー・シート９をも有する。これはビュー形成機能を実行する。レンティキュラー・シート９は、互いに平行に延在するレンティキュラー要素１１の並びを含む。明確のため、そのうち一つのレンティキュラー要素のみが誇張された寸法で示されている。

レンティキュラー要素１１は、凸円柱レンズの形であり、ディスプレイ・パネル３からの異なる像またはビューを、表示装置１の前面に位置するユーザーの目に与えるために、光出力方向付け手段として作用する。

図１に示される裸眼立体視表示装置１は、いくつかの異なる視点のビューを異なる方向に与えることができる。特に、各レンティキュラー要素１１は、各行内の表示ピクセル５の小さな群に重なる。レンティキュラー要素１１は、ある群の各表示ピクセル５を異なる方向に投影し、それによりいくつかの異なるビューを形成する。ユーザーの頭が左から右へと動くにつれて、ユーザーの目は、該いくつかのビューのうちの異なるものを順に受け取る。

当業者は、上記のアレイと一緒に光偏光手段を使う必要があることを理解するであろう。液晶材料は複屈折性であり、屈折率切り換えが特定の偏光方向の光にのみあてはまるからである。光偏光手段は、当該装置のディスプレイ・パネルまたはイメージング機構の一部として設けられてもよい。

図２は、上記のレンティキュラー型のイメージング機構の動作原理を示しており、バックライト２０、LCDのような表示デバイス２４およびレンティキュラー・アレイ２８を示している。図２は、レンティキュラー機構２８がどのようにして異なるピクセル出力を三つの異なる空間位置２６、２６′および２６″に向けるかを示している。ピクセルは、モノクロ・ディスプレイのピクセルであってもよいし、あるいは今の例のように（参照符号で示していないが、図面の斜線から明白）、カラー・ディスプレイのサブピクセルであってもよい。ディスプレイのレンダリング、すなわちディスプレイによって生成されるビューへのサブピクセルの割り当ては、すべてのビューがすべてのカラー画像情報をもつというようなものである。レンダリングのための好適な方式は、従来技術において詳細に記載されており、当業者には既知である。

図３は、障壁型イメージング機構の動作原理を示しており、バックライト２０、障壁デバイス２２およびLCDのような表示デバイス２４を示している。図３は、障壁デバイス２２がいかにしてパターン化された光出力を与えるかを示している。これは、異なるピクセルが不連続な光源領域によって照明され、それにより光方向付け機能が実装されるという効果が得られる。図のように、あるビューのためのピクセル２９ａがある方向から照明され、別のビューのためのピクセル２９ｂが別の方向から照明される。見る者５６の二つの目は、ディスプレイによって異なるピクセルによって変調された光を受け取る。

本発明は、ビュー反復の問題に関わる。それについて以下で説明する。

図４は、たとえば図２に示すようなマルチビュー裸眼立体視ディスプレイのレイアウトの断面を示している。ここでもまた、LCDパネル２４は、上にレンティキュラー・アレイ２８を担持している。レンティキュラー・アレイは個々のレンティキュラー２８′、２８″などを有する。あるレンティキュラー２８′、２８″などの下にある各ピクセルは、ビュー４１ないし４７の特定のビューに寄与する。この場合、各ピクセルは、赤、緑、青ディスプレイ・パネルのカラー・ピクセルのサブピクセルである。異なる色のサブピクセルは異なる網掛けで表現されている。このレンズの下にあるすべてのピクセルは一緒になって、角度Φ内に含まれるビューの円錐に寄与する。角度Φによって決定されるこの円錐の幅は、いくつかのパラメータの組み合わせによって決定される：ピクセル平面からレンティキュラー・レンズの平面までの距離Dに依存する。レンズ・ピッチP_Lにも依存する。

図５は図４のクローズアップであり、ディスプレイ２４のピクセルによって放出される光が、そのピクセルに最も近いレンティキュラー・レンズによって集められるが、レンティキュラー機構の近隣のレンズによっても集光されることを示している。こうして、各ピクセルからの情報が異なる複数の視円錐に向けられ、そのため、同一の情報をもつ複数の全体的な視円錐が描画平面において反復される。これが、反復されたビューの円錐が発生する起源である。そのような反復は一般に、横方向に起こる。

円錐の幅（Φ）のこれらのパラメータへの依存性は、ほぼ次の関係式によって支配される。

Φ＝2arctan[nP_L/2D]
この表式において、nはピクセル平面とレンティキュラー・レンズの平面の中間にある材料の平均屈折率である（典型的には、nは1.0（空気）から1.6の範囲にある）。

二つのビューの間の角度離間が小さいほど、3D効果がよくなることを注意しておく。

視円錐のそれぞれにおいて生成される対応するビューは等しい。この効果は、９ビュー裸眼立体視システム６０について図６において概略的に示される。ここでは、システムは、11個の反復する視円錐６１をもつ視野６２をもち、各視円錐６１に9個のビューがある。9個のビューはそれぞれ、表示されるべき画像全体の2D画像情報をもち、そのため、異なるビューは、画像全体の立体知覚を与えるために、視差においてわずかな差をもつ。本願の導入部で説明したように、一つの円錐内において、今や、表示されるべき画像内容に対する異なる複数の視点をもつ立体視が可能であり、それにより見回す機能が達成される。

3D効果と解像度ペナルティの間の受け容れ可能な妥協のため、ビューの総数は典型的には9または15に制限されるが、他の構成がなされてもよい。これらのビューは典型的には1°〜2°の角度幅をもつ。ビューおよび円錐は、周期的であるという性質を持つ。ユーザーがディスプレイのまわりを（たとえば横方向に）歩くと、何らかの時点で、隣り合う視円錐の間の視円錐境界６３をまたぐ。こうして、これらの境界のまわりのある種の領域では、両目における画像が、視差および／または視点に関して正しくマッチしなくなる。これは、図６では見る者６４について示されている。たとえば９ビュー・システムの場合、表示される全画像のうち、左眼はたとえば９番目の2D画像を受け取り、右眼はたとえば１番目の2D画像を受け取る。まず第一に、左眼画像と右眼画像が反転される。これは、画像が偽立体視（pseudoscopic）であることを意味する。第二に、より深刻なことに、画像間に非常に大きな視差がある。これは、「超偽立体（super pseudoscopic）」視という。見る者が円錐境界を横切って動くとき、非常にわずらわしい不連続なジャンプが観察される。

完全にある円錐内に位置される見る者（たとえば図６の左の観察者６５）のみが3D効果を体験できる。その場合には、左右の目に向けられるビューがわずかに異なるからである（たとえば、左右の目のためのビュー４および５は視差を与える）。

まとめると、良好な3D効果を維持しつつ、円錐遷移の発生に対する解決策を提供することが本発明の開示の目的である。

次に、本発明に基づく第一の実施形態について、図７を参照して記述する。図７は、反復される円錐および円錐遷移の発生の問題の理想的な解決策を示している。図７は、多数のビューから成る単一のコーン７１のみを有するシステム７０を示している（すなわち、角度Φは180°に近い）。それにより、円錐遷移はない。よって、視円錐の幅は、システム７０の視野と同じである。

図８は、そのような「単一円錐」ディスプレイのための基本的な実施形態を示している。これは、比較的狭い透明開口（スリット）８２をもつ障壁８０がピクセル平面８６に備えられたディスプレイ・パネルを有するディスプレイからなる。障壁は、ディスプレイ・パネルから距離Dだけ離間される。バックライト照明機構（図示せず）から発する光８４は、バックライト側からディスプレイのガラス８１にはいる。ガラス内部では、入射光のディスプレイ法線との角度は0°から42°まで変わる（バックライトからの光が――空気中で――0°から90°まで変化し、ディスプレイ・ガラスの屈折率が1.5であるとして）。ガラス内部の光の角度拡散が制限されるので、障壁のピッチPを十分大きくすることによって、反復されるビューが回避できる。おおまかな法則として、障壁のピッチPは典型的には、障壁からピクセル平面８６までの距離Dの二倍であるべきである。ピッチと距離の厳密な比は、スリット幅（開口の開き）およびピクセル８６と障壁８０の間のガラス／媒質８３の屈折率に依存する。

この構成は、良好な3D効果を達成するために多くのビュー８７（図８ではそれらのビューの一つだけが参照符号をもつ）を必要とする。これは、各ビューの空間解像度が非常に低いことを含意する。ピクセル・パネル（今の場合LCパネル）の利用可能なピクセル数がそれらのビューの間で分割されるので、ビューが多いほど各ビューのために利用可能なピクセル数が少なくなる。

この欠点は、非常に多数のピクセルをもつピクセル・パネル（今の場合LCパネル）を使うことによって（たとえば四倍フル高精細度（quad-full-high-definition）パネル（3840×2160ピクセル）を使うことによって）のみ解決できる。また、減少した開口サイズのため、光スループットも制限される。

180度の視野を与えるため、および光効率を改善するために、レンズも使用できる。特に、これは、幅広レンズ（大きなレンズ・ピッチP_L）および非常に強力なレンズを、ピクセル平面からレンティキュラー・レンズの平面までの小さな距離（D）との組み合わせで、必要とする。そのような強力なレンズは実際上は作成できない（その曲率半径RはP_L/2より小さくなろう。つまり、半球レンズでさえ強さが十分でないということである）。

この欠点は、図９を参照して説明される仕方で解決できる。これは、障壁８０内の開口８２を広くし、レンズ９０を各開口のところに（本質的にはその平面内に）配置して光スループットを改善することを含む。

こうして、本発明は、障壁機構とレンズ機構と組み合わせるさまざまな構成に関する。

LCパネル内に存在する光線の角度広がりはθ_max＝sin^-1(1/n)に制限される。ここで、nはLCパネルの基板およびカバー・ガラスの屈折率である。典型的にはn＝1.52であり、結果としてθmax＝±41°となる。

これは単にスネルの法則の結果である。バックライトから発する光線は、LCパネルのガラス基板に入射するとき、法線方向に向かって屈折させられる。

これは、図９ａに示される、LCパネルの前面に透明スリットの周期的アレイをもつ簡単な光遮蔽障壁を示すレイアウトでは、
P_L−S≧2D・tanθ_max
が成り立つ限り、単一の視円錐が生成されることを含意する。

この関係式において、Sは障壁中のスリットの幅、Dは障壁機構とLCパネルとの間の間隔である。実際上は、Sは、個々のビューを広げないために小さくするべきである。その場合、tanθ_max≒1と組み合わせて、P_Lについての最小値はP_L≒2Dとなる。したがって、好ましくは、P_L＞2Dである。

スリットSの幅についての小さな値は、低い透過率を含意する。つまり、光のほとんどが失われる。解決策は、図９のｂおよびｃに示されるように、スリットの幅を大きくするとともに、スリットをレンティキュラー・レンズと組み合わせることである。レンティキュラー・レンズは、レンズからピクセル平面までの距離と実質的に同様の焦点距離fをもつべきである。これは、隣り合うビューの間の重なりが小さいままとなることを保証する。

近似によって、レンティキュラー・レンズの焦点距離は関係式f≒Rn/(n−1)に従う。ここで、Rはレンズの曲率半径である。n＝1.52およびf＝Dであると想定すると、R≒D/3となる。好ましくは、0.2D＜R＜0.5Dである。

レンティキュラー・レンズの光学品質は、障壁中のスリットを、レンズの幅より狭くなるよう選ぶ（図９ｂに示されるように）ことによって改善できる。

LCパネルの代わりにOLEDディスプレイ・パネル（またはバックライトおよび空間光変調を必要としない他の任意の発光ピクセル・パネル）が使われる場合、OLEDピクセルによって放出される光線は、限られた角度範囲に閉じ込められない。その代わり、OLEDのガラス・カバー内で−90°から＋90°までの全範囲にまたがる。結果として、大きな角度で放出された光線が簡単に隣のまたは隣の隣のスリットに届くことができる。しかしながら、全反射の仕組みを使ってこれらの光線がOLEDパネルのカバー・ガラス９１から出られないことを保証する限り、これらの迷入光線は問題を呈しはしない。そのような全反射解決法の例が図９ｃに概略的に示されている。ここでは、レンズの曲がった面が発光ピクセル・パネル（OLEDパネル）のカバー・ガラスに面することを保証することによって、レンズ中への光の出射結合が今や、光の入射角によって束縛されている。こうして、両方の型のディスプレイについて、ディスプレイ・パネルと障壁機構との間の光経路の角度が、法線方向の各側で第一の範囲までに制限される。これにより、障壁が、一つのピクセルからの光が一つの障壁開口だけに到達することを保証するよう機能できる。

レンズと障壁の組み合わせは、表示装置の視野への光経路の角度が、法線方向から各側において第二の範囲内であり、この第二の角度が前記第一の角度より大きいことを意味する。その限界では、第二の範囲は90度であり、よって表示出力視野、よって視円錐は、完全な180度となる。

本発明に基づく第二の実施形態に基づく裸眼立体視装置１００について、図１０を参照して記述する。ここでもまた、視野１０２にまたがる単一の視円錐しかない。この場合、ビューの密度は、小さな視角において大きく、大きな視角において小さくなっている。これは、たとえば見る者１０５にとっての（横方向に）比較的小さな視角では良好な3D画像品質を与え、たとえば見る者１０４にとってのより大きな視角では良好な2D画像品質を与える。

こうして、たとえばビュー１０１′、１０１″、１０１′′′を含むビュー１０１が、非線形な仕方で分配される。すなわち、ビューは、ほとんど垂直にディスプレイを出る（すなわち、たとえばビュー１０１′′′のように小さな視角の）ビューについてはビュー間隔が小さいよう配置される。視角が増すと（たとえばビュー１０１″および１０１′についてのように）、ビュー間隔が増す。このように、すべてのビューが同じビュー幅をもつわけではない。

上述したように、隣り合うビューの間の角度間隔が小さいほど3D効果は目立ち、逆に、隣り合うビューの間の角度間隔が大きいほど3D効果は目立たない。これは、小さな視角でディスプレイを見る観察者は、高品質の3D画像を見ることになり（たとえば見る者１０５）、一方、視角が増大すると、3D効果は徐々に減退し、最終的には2D画像に帰着する（たとえば見る者１０４）ということである。

利点は、このようにして、限られた数のビューしか必要とされないということである。これは、各ビュー内で良好な空間解像度が得られることを含意する。同時に、ビュー反復は起こらない。

小さな視角については隣り合うビューの間の小さな重なりが設けられることができ（これは良好な3D効果を達成するのを助ける）、視角が増大すると徐々に重なりも増大する。特に、3D効果が低下する大きな視角では、ビュー間に大きな重なりを設けることによって、良好な品質の2D効果が得られる。外側のビューを同じ画像内容でレンダリングし、ビュー間の大きな重なりを許容することによって、観察者が見る画像の見かけ上の空間解像度が増大する。換言すれば、小さな視角については、ビューが3Dビューとしてレンダリングされ、大きな視角については、ビューが2Dビューとしてレンダリングされる。

ビュー・レンダリングは、必要とされるピクセルに適正な画像情報を割り当てて、情報が必要とされるビューとなるようにするプロセスである。当業者は、そのようなレンダリングを達成するよう、通常の電子回路および表示装置を使ってピクセル平面をアドレッシングすることができる。

ビューが非線形な仕方で再分配されることのできる方法について、これから説明する。

図５を参照するに、θ_inを、あるピクセルによって光線が発される角度、θ_outを、この光線が3Dディスプレイを出る角度とする。θ_inとθ_outの間の関係はスネルの法則
n・sin(θ_in)＝sin(θ_out)
に従う。

この関係式において、nは、LCパネルのカバー・ガラスの屈折率であることを注意しておく。この関係式から、θ_inをわずかに変えたときのθ_outの変化を決定できる。

関数f(θ_in)を

と定義すると、結果が

となることが示せる。

この関数はdθ_out/dθ_inに比例し（よって隣り合うビューの間の角度距離に比例し）、θ_in＝0（視角ゼロに対応）について1に規格化される。n＝1.52について、この関係式は図１１にグラフで描かれている。実線１１０が従来技術（prior art）が従う振る舞いを表している。点線１１２は本発明に基づく例を表している。

このように、θ_inのすべての値について関係式f(θ_in)＞1.05f_{prior art}(θ_in)に従う関数f(θ_in)によって特徴付けられるビュー配分が好ましい。これは、図１１の影付き領域を占めるビュー分布に対応する。図中の影付き領域はf(θ_in)＞f_{prior art}(θ_in)に対応する。

開口中にレンズをもつ上記の例の欠点は、ビュー間隔が簡単に調整できないということである。間隔は、主として、開口またはレンズのガラス‐空気界面における屈折率によって指定される。結果として得られるビュー間隔は、ビューのディスプレイ法線との（中心）角度が増すにつれて増すが、より急な増大が望ましいことがありうる。

そこで、上記の例に対する洗練が、再び、光遮断要素（障壁）をもつ少なくとも一つの層およびレンティキュラー（レンズ）をもつ少なくとも一つの層の組み合わせに基づく。しかしながら、これらの層は、根底にあるディスプレイから異なる特定の距離にある。この施策により、ビュー間隔が、必要に応じて調整できる。

上記の例から、障壁の機能は、システムを通過するすべての光線のうちからある種の選択をなすことにある。レンズと障壁をピクセル平面から異なる距離に置くことにより、異なる出射角に対応する光軌跡は異なる位置でレンズ表面に交わる。これらの位置におけるレンズの傾きおよび曲率は、出射角に依存して（またはその関数として）調整できる。このようにして、ビューの間の間隔（ビューの幅）が変えられる。

第一の実施形態が図１２ａに示されている。ピクセル平面８６内の表示ピクセルからの光を見る者まで追うと、光線はまずレンズ１２０に遭遇し、次いで障壁に遭遇する。障壁における開口は最初は狭い「ピンホール」スリットと想定されることができる。設計上の要請は、障壁開口を通じて、光線を外側から逆向きにたどることによって最も簡単に理解できる。その場合、障壁とレンズの間の媒質中の光線は、ディスプレイ法線に対して0°から42°までの角度を占める（n＝1.5として）。開口から「出てくる」すべての光線は、レンズによって「捕捉」されるべきである。d＝d_b−d_lとする。dは、障壁に最も近いレンズ部分と障壁との間の距離である。ここで、図５に示した幾何構造と同様に、dはほぼd/p≒0.5を満たすべきである。

レンズの詳細な形状は、ビュー間隔に対する要求に依存する。実際上の目的のためには、円形または楕円形の断面が受け容れ可能なビュー配分を与えることができる。一般に、レンズは、――そうしなければならないわけではないが――非常に大きな非球面性を有していてもよい。レンズ（レンズ１２０）の中心での曲率半径は、ディスプレイ法線のまわりのビューの必要とされるビュー間隔によって決定される。

障壁中の非常に狭い開口を使うことの欠点は、障壁の平均透過率、よってディスプレイの明るさが低くなるということである。さらなる施策なしに開口の大きさを増すと、明るさが増すが、ビュー間の角度重なり（クロストーク）が増す。これを避けるために、追加的なレンズ（レンズ１２２）が開口内にまたは開口に非常に近接して配置されることができる。これは図１２ｂに示されている。図示した場合では、レンズ１２２は負レンズである。

レンズ１２０および１２２の役割／設計フローは、レンズ１２０が、ピンホール型障壁と協働して適正なビュー配分を与えるよう設計されるようなものである。そして、レンズ１２２は、中央のビューを生成する表示ピクセルの中心からある狭い角度範囲内で出てくる光線のペンシルが、レンズ１２０の中心を通ったのちかつレンズ１２２を通ったのち、平行ビームとして見る者のほうに放出されるよう、設計される。開口の幅は、できるだけ大きくなるよう、ただしビュー間のクロストークがあまり妥協されないように、選ばれる。この設計フローに従うと、（１）ビュー間隔、（２）ビュー間のクロストークおよび（３）明るさの間の良好な妥協が得られる。

図１２の設計において、ディスプレイ・パネル８６からのレンズ１２０の距離（d_l）の、ディスプレイ・パネル８６からの障壁機構８０の距離d_bに対する比は、0.3から0.6の範囲である。

図１２に示される両方の実施形態についての一つの考えられる問題は、レンズの形が、製造容易性の点であまり実際的でないということである。レンズは、非常に「深い」ものとなる傾向があり、二つの隣り合うレンズが交わる点では、レンズ曲線はほとんどディスプレイ法線に接する方向である。

より好ましい実施形態が図１３ａに示されている。表示ピクセルから見る者へと光をたどると、光線はまず障壁に遭遇し、次いでレンズに遭遇する。障壁は、反復するビューが現れ得ない（図５参照）よう選ばれる。よって、d_b/p≒0.5である。受け容れ可能なビュー配分のためには、波状のレンズが好ましいことが判明する。この幾何学構造の利点は、それほど深くなく、「難しい」傾斜を含まないということである。一つのレンズ・ピッチ内において、レンズ曲線は障壁とレンズの間のガラスに二回接触する。このレンズはきわめて非球面性が高い。障壁開口から出てくるすべての光線は、レンズによって「捕捉」されるべきである。これは、d＝d_l−d_bと設定すれば、dはほぼd/p≒0.5を満たすべきであるということを意味する。

この場合、ディスプレイ・パネル８６からのレンズ１２０の距離d_lの、ディスプレイ・パネル８６からの障壁機構８０の距離d_bに対する比は、好ましくは、1.2から2.5の範囲である。

先の実施形態と同様、障壁中の開口は増大させ、レンズ１２２を備えることができる。これは図１３ｂに示されている。

実際的な設計のためには、障壁を表示ピクセルにできるだけ近く配置することが有利である。典型的には、この最小距離は約1mmである。これは、障壁‐レンズ距離も約1mmであり、障壁／レンズ・ピッチが約2mmであることを意味する。ビューの総数は、考えているディスプレイに依存して、20〜40であることができる。表面法線に近いビューの間隔は、中心におけるレンズ表面の曲率によって決定される。典型的には、表面法線に近い所望されるビュー間隔は1°〜2°である。多くの実際的な状況において、これは、中心における曲率が、対応する焦点面が障壁の非常に近く（障壁のやや「下」）になるよう選ばれる必要があるということを意味する。これを達成するために、曲率は強くなければならない。ここで、ビューを多少なりともコリメートされたままにするため、開口を広くしてその中にレンズ（レンズ１２２）を入れたい場合、問題が生じる。主レンズ（レンズ１２０）が強く曲がっているので、レンズ１２２は強く曲がった負レンズでなければならない。実際上、これは開口の大きさおよび／またはシステムの性能を制限することがわかる。したがって、レンズ１２０は好ましくは、障壁からさらに遠くに置かれる。それに応じて、中心での曲率も下げることができる。

増大した障壁レンズ距離をもつ第三の実施形態が図１４ａに示されている。主レンズは余弦形である。先の実施形態と比較すると、障壁‐レンズ距離は二倍になっている。レンズ・ピッチは同じままであるが、レンズは根底にあるガラスにピッチ当たり一回しか接触しない。障壁開口を通ってくる光線は、実際には二つ（または代替的に、半分＋一つ＋半分）のレンズによって「捕捉」される。ある障壁開口について「中央部分」として作用するレンズの部分が、隣の開口について「エッジ部分」として作用する。レンズの各部分は二回使われる。すなわち、二つの開口から照射される。利点は、レンズは中心においてそれほど曲がっていなくてもよいということである。結果として、障壁開口を増大させることができ、中央のビューをコリメートされるためにより弱い負レンズが必要とされる。この場合、ディスプレイ・パネル８６からのレンズ１２０の距離d_lの、ディスプレイ・パネル８６からの障壁機構８０の距離d_bに対する比は、好ましくは2.5から3.5の範囲である。

図１３および図１４においては、ディスプレイ・パネル８６からの障壁機構８０の距離d_bの、障壁機構８０の開口８２のピッチpに対する比は、0.3から0.6の範囲である。

図１５は、４２インチ（１０７ｃｍ）ディスプレイ（1920×1080ピクセル）のための実際の設計を示している。主レンズ１２０は、二つの積み重ねられた余弦レンズの組み合わせからなる。理由は、これは「二重の深さ」をもつ一つのレンズより製造が簡単だということである。簡単のため、合理的な程度に広い開口（10%透過率）が選ばれ、レンズ１２２は使用されない。これは、レンズ（またはレンズ・スタック）の中心の曲率が、焦点面がピクセル平面と一致するよう選ばれればできる。これは、諸ビューがコリメートされることを保証する。レンズが余弦形であるとし、曲率を知れば、設計は決まる。

レンズはもちろん正確な正弦波形は必要としない。一般に、レンズは、交互に現れる極大および極小の間の周期的な形状をもち、隣り合う極小と極大の間の距離はレンズ・ピッチの半分に対応する。

図１５のグラフは、結果として得られるビュー配分を示している。ビューの総数は22である。ディスプレイ法線のまわりのビューは比較的密な間隔である。法線からの角度がより大きくなると、ビューの間隔はより広くなる。この設計に基づくディスプレイは、ディスプレイ法線のまわりに位置される観察者に対しては3Dコンテンツを、より斜めの角度でディスプレイを見る観察者には2Dコンテンツを表示することができる。予期されるように、障壁は光を取り去る。平均透過率は10%である。光の量はディスプレイ法線のまわりでピークになる。最大透過率は25%である。3Dゾーンでは、明るさはもと（すなわちレンズ／障壁なし）の25%まで低下する。一方、より大きな角度については、明るさは10%未満にまで低下する。これらの数値は、もちろん、いくつかの設計上の選択に依存し、改善されうる。

この全強度分布は、上記の諸実施形態について典型的である。結果として、大きな視角で見ると、3D表示はどちらかというとぼんやり（dim）見える。上記計算では、バックライトからの光の角度分布はランベルト的であると想定した。強度分布の角度依存性を改善するために、バックライトは、小さな角度での輝度を犠牲にして大きな角度での輝度を高めるよう適応されることができる。これは、図１６に概略的に示されている。これを達成する実際的な方法は、明るさ向上箔（brightness-enhancement-foils）（Vikuity（3Mの会社）によって生産されるBEF）を上下さかさまにすることである（すなわち、パターン付けされた面をパネルからそむけるよう、バックライトのほうに向かせる）。

上記の例は、単一のレンズ機構を単一の障壁機構と組み合わせている。以下では、二つの障壁機構を使う修正を述べる。近い将来において、ピクセル・サイズは小さくなり続け、ディスプレイ解像度は増大する可能性が高い。上記の単一障壁アプローチを単一円錐ディスプレイについて実装する際、これは、LCパネルのカバー・ガラスの厚さが設計においてしかるべくスケールダウンされ、それによりピクセルからの光が単一の障壁開口のみに達するようにする必要があることを意味する。単一円錐ディスプレイ設計において第二の障壁を使えば、ピクセル解像度が増すときにガラス・パネルの厚さをスケールダウンする必要性を回避できる。

解像度の上昇は、増加したビュー数と増加した解像度の間のトレードオフを可能にする。この選択は、障壁におけるスリットのピッチの適切な選択をもって実装できる。上記の諸例では、最小ピッチはLCパネル・カバー・ガラス厚さによって定義される。以下で、第二の障壁を使うことによってこの制約が回避できることを示す。

図１７は、LCパネル８６、第一の障壁機構８０および（主）レンズ機構１２０を有する二重障壁設計の例を示している。第一の障壁機構８０の出力とレンズ機構１２０の間に第二の障壁機構１３０が設けられる。LCパネル８６と第一の障壁機構８０の間の間隔はd_B1であり、これはLCパネル・カバー・ガラスの厚さによって指定される最小値である。LCパネル８６と第二の障壁機構１３０との間の間隔はd_B2である。

ピクセル・サイズは、小さくなると予期されるが、最小LCパネル・カバー・ガラス厚さは、同じペースでは小さくならないだろう。これは、Dの値（上記の解析においてこれが最小障壁ピッチP_L≒2Dを与える）を著しく小さくすることは可能ではないということを意味する。これは、さらなるピクセルが利用可能になるものの、3Dビューの見かけの解像度は著しく増加させることはできないということを意味する。知覚される解像度が、厚さDがさらに小さくできないので著しく小さくすることはできない障壁ピッチP_Lによって決定されるからである。図１７に示される第二の障壁１３０はこの問題を解決する。

両方の障壁のピッチは実質的に等しい。この構成により、障壁ピッチが以前の限界の2D（すなわち2d_B1）より下まで小さくできる。よって、P_B1＝P_B2＜2d_B1となる。

これは、あるピクセルによって放出された光線が、第一の障壁中の二つ以上のスリットを通り、結果として反復円錐を生じてもよいことを意味する。反復円錐が見る者に到達するのを防ぐため、余計な光線は第二の障壁によって遮断される。これが図１７に示されている。

第二の障壁１３０におけるスリットは、第一の障壁におけるスリットより幅広い。すなわち、S_B1＜S_B2である。

典型的には、d_B1はLCパネル・カバー・ガラスの厚さに等しく設定される。また、典型的には、1.2＜d_B2/d_B1＜2.0である。同様に、典型的には、1.2＜S_B2/S_B1＜5.0である。

上記の諸例についてと同様に、第一の障壁におけるスリットの幅は、実際のピクセル・サイズ、LCパネルの前面カバー・ガラスの厚さおよびカバー・ガラスの屈折率によって決定される。スリットの周期は、レンティキュラー傾斜角と組み合わせた、選ばれた3Dビュー数によって定義される。

二つの障壁の組み合わせは、ここでもまた、ピクセルからの光が二つ以上のビューに結合されず、それにより視円錐反復が避けられることを意味する。よって、第二の障壁は、より高いディスプレイ解像度が利用可能になるときに、ビュー当たりの解像度に対してビュー数をトレードオフする、より大きな設計上の自由度を与える。

両方の障壁機構は別個の薄膜箔上であってもよいし、あるいは基板層１３２の各側に統合されていてもよい。第二の障壁におけるスリットの必要な幅は、第一の障壁におけるスリットの幅の選択ならびに第一の障壁層から第二の障壁層までの距離に依存する。設計上の観点からは、（比較的小さな光線角については）両方の障壁層の間に、屈折率nをもつ中間媒質を有することが有益である。両方の障壁層は、この基板と光学的な接触状態にあってもよい。

第二の基板１３４が障壁スタックの上に設けられる。この基板の前表面は、上で概説したのと同じ設計、たとえば余弦型断面をもつことができる、レンティキュラー様レンズ・アレイを設けられる。上記の諸例と同様、このレンズ・アレイは、ディスプレイのピクセル平面を無限遠のほうに結像する。レンズ・アレイの断面形状が種々のビューの角度広がりを決定する。レンズ・アレイの基板は、第二の障壁層と光学的に接触していてもよいし、いなくてもよい。

一方または両方の障壁におけるスリットは、上記の諸例について説明したのと同じようにして、追加的なレンズを設けられることができる。受け容れ可能な3D品質をもちつつ、スリット・サイズを大きくすることを可能にするためである。増大したスリット・サイズは、より少ない光が障壁によって遮断される結果となり、それにより、よりコスト効率のよいシステムにつながる。

上記の設計における（光学的な特徴を含む）種々の基板層は、実質的な厚みのあるものであることができ、結果として、当該3Dディスプレイの増加した重みにつながる。したがって、上記の設計に対する追加的な修正は、異なる基板層の、光学的に活性でないゾーンにおける材料をなくすことに関わる。

このアプローチを、図８および図１７に示される型の設計について説明する。

図８の単一遮蔽障壁・単一円錐3Dディスプレイの動作は、全反射の臨界角を超える光線について導波路として作用する基板を使うことによって、LCDのピクセルの特定の群を選択する原理に依拠する。

図１８は、関連するさまざまな角を概略的に示している。空気ギャップ８１が、遮断障壁８０と基板１４０の間に存在し、結果として、空気の屈折率と基板の屈折率の比の逆正弦によって定義される臨界角がある。

この空気ギャップ８１は、バックライト機構がすでに角度広がりの制限を提供するのでない場合に必要とされる。たとえば、図８において、バックライトとLCDパネルの間の空気‐ガラス界面は角度制限を与える。バックライトがLCDパネル、たとえばOLEDバックライトと直接接触する場合、空気ギャップ８１が、所望される角度制限を提供するために使用されることができる。

基板厚さHはこの場合、任意に選ぶことはできない。その最大厚さ（H）は、LCD中のピクセルのサイズ（P）、ビューの数（N）（すなわち、特定のレンティキュラーの下にあるピクセルの数）および基板材料の屈折率およびスリット・サイズ（S）に依存する。基板厚さは
H＝(NP−S)/(2tanθ_c)
によって表される。

図１８における斜線を付した領域（および他の対応する領域――図示した斜線領域は障壁スリットの周期の半分についてのもの）は、光学的な機能に影響することなく除去できる基板材料を表す。理論的には、スリット開口Sがレンティキュラー・ピッチの10%より大きくない場合、45%の重量削減が得られる。除去された材料のある基板スラブ１４０が図１９に示されている。障壁８０はレンティキュラー・アレイの底面に適用されることができる。

実際上は、図２０に示されるように、十分な機械的剛性をもって単一の基板プレートを維持するには、最小高さhが必要である。その場合、最大体積（重量）削減は次のようになる。

平面状障壁８０を使う代わりに、図２０は光学吸収性にされた側壁１４４をも示している。形成され直した基板を光学的吸収体でコーティングすることによって、所望される障壁開口機能を提供することに加えて、基板スラブ中への望まれないフレネル後方反射が遮断できる。

上記で
H＝(NP−S)/(2tanθ_c)
として定義した最大基板厚さは、ディスプレイ解像度が増すときには（すなわち、ピクセル・サイズPがスケールダウンするときには）、達成することが現実的でないことがありうる。その際は、（第一のスリットを通じた）視野を正しいピクセルの集合に制限するために、光学系に第二の遮断障壁を組み込むことが必要である。それにより、図１７の双障壁単一円錐3Dディスプレイの例が提供される。

図２１は、図１７に対応する構成で、下側の障壁がすでに図２０に示したような削減した重量の、コーティングされた基板で置き換えられている構成を示している。第一および第二の基板は光学的に接触している。

幾何学的な計算により、第二の基板プレート１５０の厚さが最小で
[N/(N+1)]H
となるべきであることが示せる。ここで、Hは第一の遮断障壁基板１４０の厚さであり、Nは単一円錐内のビューの数である（すなわち、単一レンティキュラーの下にあるピクセルの数でもある）。第二の障壁１３０は、2bの幅をもつ遮断吸収ゾーンをもつ。ここで、bは

パラメータPはLCD中の単一ピクセルのサイズである。パラメータβは、第一の透過性スリットの開口についてのスケール因子である。実際上、βは、ビューの広がりを小さく保つために、最大でレンティキュラー・ピッチの10%（＝0.10NP）である。

図２１において、第二の基板層において安全に除去できる材料の領域は、再び領域１５２として斜線を付されている。他の対応する領域も除去できる。光線は、均質材料中では直線軌跡で進むので、第一および第二の透過スリットのエッジを結ぶ線を越えては存在できない。結果として得られる形成し直された基板が図２２に示されている。パラメータbおよびHを使うことによって、

の体積削減が可能であることが示せる。たとえば、第一の障壁のスリットが10%の開口をもち（β＝0.1）、画面が9個のビューをもつ（N＝9）場合、第二の基板プレートにおいて80%の体積削減が可能である。

図２２も、障壁層１３０が吸収コーティング１５４で置き換えられることを示している。

こうして、両方の設計について、障壁機構が、カットアウト〔切り抜き〕をもつ長方形の形の断面をもつ形をした少なくとも一つの透明スラブを有し、カットアウトがディスプレイ・パネルと障壁機構との間の光の経路がそこに制限されるような領域の外部のエリアに位置していることが見て取れる。このアプローチは、単一障壁が使われるときの単一スラブについて、あるいは二つの障壁機構が使われるときの両方のスラブについて、可能である。

本発明のディスプレイは、ピクセルからくる光線の一部分を、生成されるビューに透過されるものとして選択するために、比較的狭いスリットをもつ障壁を使うので、障壁の平均透過率は比較的低く、よってディスプレイの明るさが低くなることがありうる。これは、たとえば、ディスプレイ・パネルが広い角度分布にわたって光を照射する通常の一様照明バックライトをもつLCDであるときに当てはまりうる。バックライトの光の一部のみが見る者のための表示を提供するために開口を通過することは、たとえば図１２および図１３のような先述した例に見ることができる。

本発明のディスプレイの明るさを改善するために、ディスプレイは光源、たとえばコリメートされた光を与えるコリメートするバックライトを有していてもよい。ここで、コリメート（collimation）は、コリメートされた光が少なくとも部分的に、ビュー生成光学系（障壁およびレンズ機構）の光学的な構造によって選択されるものと一致するようなものである。好ましくは、コリメートは、ビームが完全に一致し、それにより光が全く失われないようなものである。光のコリメートは、バックライトの光のより多くが観察されるビューに含まれることを保証し、それにより通常の一様照明バックライトをもつディスプレイの明るさを向上させる。

次に、コリメートするバックライトをもつディスプレイの例を述べる。好ましくは、コリメートされたバックライトは、単一の方向に放出される一つまたは複数の平行ビームから成るコリメートされた光を提供するよう構成される。好ましくは、この方向は、バックライトの照明方向に垂直である。

図２３は、本発明のディスプレイにおいて使用できるコリメートするバックライト２２０の例である。コリメートするバックライトは、発光ダイオード（LED）２２１のような光源のアレイと、光源光を通過させるバックライト開口２２３をもつバックライト障壁２２２と、開口を通過した光をコリメートするバックライト・レンズ２２４とを有する。好ましくは、すべての光源が一つの開口および一つのレンズに光学的に関連付けられ、一つの光源の光が一つの開口のみを通過し、該開口を通過する光は一つのレンズによってのみ収集されるようにする。光源は、光学的な関連付けを助けるために間に暗い領域をもつように離間されてもよい。

図２３の実施形態では、光源は、それが関連付けられるレンズの焦点または焦点面に位置する。このようにして、開口を通過する光は、該レンズによってコリメートされて、平行なビーム幅２２６をもつ光の平行ビーム２２５を形成する。平行ビームの方向２２７は、一般的な幾何学的な光学原理に従って、すなわちたとえば光源等に対してバックライト・レンズ位置を変えることによって、設定または操縦されてもよい。この実施形態において、平行ビームの方向は、コリメートするバックライト照明エリアに垂直である。バックライト障壁における開口は、少なくとも、ある源からの余計な光線が近隣のバックライト・レンズ、たとえばその光を発するもとになった源に光学的に関連付けられていないもの、にはいることを防止するよう、比較的幅広くてもよい。好ましくは、図２３のように、レンズ・アレイにおけるバックライト・レンズは、それらのエッジが一致するような幅および位置をもち、バックライト開口の幅および位置は、光源の光が、該光源が光学的に関連付けられているレンズの全体を満たすようなものである。すなわち、各光源によって放出される光は、レンズ幅全体に当たるよう、その角度広がりにおいて制限される。開口および／またはレンズの断面形状が、バックライトを出る光ビームの断面形状がコリメートするバックライトの照明エリアの平面を満たすようなものであってもよいことを注意しておく。このようにして、バックライトは、その照明エリア全体にわたって平行な光ビームをもって実質的に一様な照明を提供する。前述したように、この場合、これらのビームは垂直である。

このように、コリメートするバックライトは、それぞれ限られた角度広がりをもつ一つまたは複数のビーム内に閉じ込められる光を提供しうる。これがコリメートするバックライトを、通常の一様バックライトから区別する。コリメートの程度（ビームの角度閉じ込めの程度）の点でのコリメートされた光ビームの好ましい形および断面形状は、本発明に基づくディスプレイの詳細な構造によって決定される。下記に例を挙げる。

最終的にそのビュー内にはいる平行ビームを選択する裸眼立体視ディスプレイは、有利には、そのような平行ビームを提供するコリメートするバックライトを備えられてもよい。ある実施形態では、そのようなディスプレイは、図１２を参照して述べたようなものであってもよい。好ましくは、コリメートするバックライトは、その平行ビームがレンズ機構のレンズ１２０の断面エリアに一致する断面エリアをもつよう構成される。その場合、失われる光はない。こうして、図１２のディスプレイは、実質的に長方形の断面形状をもつ光ビームを選択する、該機構における半円柱状レンズ１２０をもつので、バックライトは好ましくは、その光ビームがこの長方形の形に一致するよう構成される。一層好ましくは、コリメートされるバックライトのビームの長方形の形のエリアは、少なくとも、選択されるビームのエリアと同じくらい小さい。そうすれば、バックライトによって提供されるすべての光が、ディスプレイにおいて、最終的にビューに含まれるよう選択されるからである。コリメートするバックライトの光ビームの形は、バックライト・レンズの形と組み合わせてバックライト開口の形を使って選ばれてもよい。こうして、図１２において、バックライト開口は好ましくは、長方形スリットであり、バックライト・レンズは半円柱状のレンズである。

裸眼立体視ディスプレイのビュー生成光学系の要求に応じて、形に関する他の構成が使用されてもよいことは明らかであろう。たとえば、コリメートされるバックライトの光ビームは、対応する断面形状の開口および／またはレンズによって得られる、正方形または六角形の断面エリアを有していてもよい。

平行ビーム選択をもつディスプレイへの代替として、たとえば図８、図１３または図１４に関して先に述べたように、最終的にそのビュー内に含まれる集束するビームを選択する裸眼立体視ディスプレイが有利に構築されることができる。そのような裸眼立体視ディスプレイは、そのような集束ビームを提供するコリメートするバックライトを備えられてもよい。

こうして、この目的のために好適なコリメートするバックライトは、該コリメートするバックライト２２０のバックライト・レンズ２２４が光源から、焦点距離よりも大きな距離のところに位置されるコリメート型バックライトである。それにより集束するビームが得られる。

しかしながら、結果として、ビームがまだ集束しつつある、バックライト（レンズ）から何らかの距離のところでは、隣り合うビームの間に光がない領域がある。よって、これらの領域における通常のピクセル平面のピクセルは照らされない。照らされないピクセルを省略するようディスプレイ・パネルのピクセル構造が調整されるか、そのようなピクセルが単に使われないかである。

しかしながら、ある好ましい実施形態では、コリメートされるバックライトは、最大数のピクセルが使用されうるよう、そのような「暗い」照らされない領域が、集束ビームにおける何らかの点において存在しないよう構築される。これは、織りなされたレンズをもつ光学機構を使ってできる。ここでは、隣り合うレンズのレンズ・セグメントの間の区分ごとの交替を通じて隣り合うレンズが重なり合う。

図２４では、平行な、垂直配向の光ビーム２４１を提供する図２３のコリメートするバックライトが使われる（バックライトは図示していない）。図１３または図１４を参照して述べたような裸眼立体視ディスプレイの実施形態に加えて、平行な光ビーム２４１を、集束の程度の意味でスリット２４４をもつ障壁によって選択されるビーム２４４にマッチする集束するビーム２４３に変換するために、織りなされたレンズ２４２のアレイが設けられる。完全な照明をもつ一つの選択されたビーム２４４を提供するために、織りなされたレンズのアレイ２４２のレンズは、このアレイ内の線２４６で示される隣り合うレンズが重なり合わなければならないような幅２４５をもたねばならない。これは、アレイが、レンズ表面に帰結するような、重なり合う隣り合うレンズのレンズ・セグメントの区分ごとの交替をもつよう、織りなされたレンズのアレイを構築することによって達成される。重なり合うレンズは、実際には、上に示したように選択されたビームの完全な照明を提供する仮想のレンズであることを注意しておく。織りなされたレンズの実際のアレイのレンズ表面のいくつかの部分は、重なり合う「仮想の」レンズのレンズ表面と一致する一方、他の部分は一致しない。完全な照明が達成されるのでなければ、レンズ表面は、この効果を達成するよう、上記の原理に従って調整されることができることは明らかであろう。

集束するビームにわたる、可能性としては非一様な光強度は、そのような非一様性を打ち消すよう平行な諸ビームの光強度を調整することによって調整されてもよい。フィルタまたは調整されたバックライト・レンズ形状がこの目的のために使用されてもよい。

便利には、織りなされたレンズのアレイは、コリメートするバックライトに、集束ビーム機能全体を与えるためのバックライト・レンズと統合されてもよい。

〈分割出願のための基礎〉
コリメートされるバックライトが、完全な諸光ビームが裸眼立体視ディスプレイの光学機構によってビュー内に移されるビーム内にはいることを保証するのに少なくとも十分であるようなコリメートの程度をもつ平行または集束性の光ビームを与えるよう構成される場合、選択障壁は原理的には、障壁機構から省略されてもよい。よって、たとえばコリメートするバックライトの平行光ビームが図４のレンズ１２０にはいる平行ビームに厳密に一致する場合、障壁８０は省略されてもよい。同様に、図１３および図１４のピクセル・アレイを通過するビームに一致するなど、ビームが集束性であれば、障壁８０は何の影響もなく、省略できる。

本発明はマルチビュー・ディスプレイを提供する。特に、単一円錐立体視領域は（二つの3Dビュー位置に対応する）少なくとも３つの異なる2Dビューをもつ。好ましくは、該立体視領域は少なくとも５つの2Dビューを、より好ましくは９個以上の、さらに可能性としては１５個以上のビューをもつ。2Dビューの数は、解像度と、より多くのビューを用いて達成できる見回す印象との間の所望される妥協ならびに立体視領域の所望される幅（2Dビューどうしはたとえば0.5ないし3度隔てられるので）に基づいて選択される。

上記の記述はLCDのような「光バルブ」型のディスプレイに集中してきたが、本発明は、たとえば有機LED（OLED）ディスプレイのような発光型のディスプレイにも当てはまる。後者の場合、ディスプレイのガラス内に存在する光は2×42°の頂角の円錐に閉じ込められるのではなく、全角度空間が占有される。上記のすべての実施形態が使用されることができるが、一つ修正がある。すなわち、障壁開口は図９ｃに示されるような空気ギャップをもつ必要がある。空気ギャップは、一つのピクセルからの光が一つの障壁開口だけを通ることができることを保証する。理解されるであろうが、空気ギャップは、同じ効果をもつ他のいかなる空隙で置き換えてもよい。他のすべての障壁開口は、全反射によって遮蔽される。障壁ピッチpと障壁‐ピクセル距離dの間の関係は図５に示したのと同じでなければならない。空気ギャップ開口は――そうでなければならないものではないが――LCDのような光バルブ型ディスプレイについて使用されうる。

上記のいくつかの例は、一つの主レンズ（レンズ１２０）のみを有するものとして示されている。実際上、図１５に示される実際の設計のように、主レンズを二つの屈折性の表面に分割することが有益であることがある。これは、技術的な理由または光学的な品質の理由を有しうる。さらに、一つの主レンズの場合、レンズは、障壁とレンズの間のガラス上に直接形成されてもよい。ピクセル‐レンズ距離d_lの定義に関する限り、これは、図１３および図１４についてのピクセル平面からレンズ（またはレンズ・スタック）の一部までの可能な最小距離と考えることができる。図１２については、d_lはピクセル平面からレンズの一部までの可能な最大距離と考えることができる。

図面において、見るエリア（すなわち、単一円錐）は、実質的に出力角度の全180度の範囲をカバーするものとして示されている。しかしながら、これは必須ではない。たとえば、急な角度のところに暗い帯が存在していてもよく、それにより視円錐はより制限される。たとえば、中心の120度が当該ディスプレイについての見るゾーン（視野）を定義してもよく、各側の30度が暗いゾーンであってもよい。

図面、本開示および付属の請求項を吟味することから、開示される実施形態への他の変形が、特許請求される発明を実施する際に当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、「有する」「含む」の語は他の要素またはステップを排除するものではなく、単数形の表現は複数を排除するものではない。ある種の施策が互いに異なる従属請求項において記載されているというだけの事実が、それらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項に参照符号があったとしても、範囲を限定するものと解釈すべきではない。

Claims (21)

1. 横および縦方向における視野をもつ裸眼立体視ディスプレイ装置であって：
   ・ディスプレイ・パネルと；
   ・前記ディスプレイ・パネルから離間した開口のアレイを有する障壁機構であって、前記ディスプレイ・パネルと該障壁機構の間の光の経路の角度が、前記ディスプレイ・パネルの法線方向から各側において第一の範囲に限定される、障壁機構と；
   ・障壁機構の各開口に関連付けられた少なくとも一つのレンズをもつレンズ機構とを有しており、
   当該ディスプレイ装置の視野に対する光の経路の角度が、前記ディスプレイ・パネルの法線方向から各側において、前記第一の範囲より大きい第二の範囲に限定され、
   前記ディスプレイ・パネルは、異なる横の視方向に複数のビューを与えるよう適応されており、前記視野の少なくとも一部分は裸眼立体視出力をもち、裸眼立体視出力をもつ前記一部分は個々の2Dビューの反復をもたず、少なくとも三つの個々の2Dビューを有する、
   裸眼立体視ディスプレイ装置。
2. 前記ディスプレイ・パネルが表示ピクセルのアレイを有し、前記障壁機構が、あるピクセルからの光が一つの障壁開口だけに到達するよう構成される、請求項１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
3. 前記レンズ機構のレンズが、前記障壁機構の開口のところに位置される、請求項１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
4. 前記レンズ機構の各レンズ機構の半径が、前記障壁機構と前記ディスプレイ・パネルとの間の間隔の0.2ないし0.5倍である、請求項３記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
5. 前記視野の全部が裸眼立体視出力をもつ、請求項１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
6. 前記視野の中央部分が裸眼立体視出力をもち、前記視野の横部分は2D出力をもつ、請求項１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
7. 前記視野の中央部分の個々の2Dビューは、前記視野の横部分における2Dビューより密に位置され、前記中央部分の個々の2Dビューは好ましくは0.5ないし3度隔てられる、請求項６記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
8. 前記レンズ機構が、前記ディスプレイ・パネルと前記障壁機構との間に設けられ、前記レンズの前記ディスプレイ・パネルからの距離の、前記障壁機構の前記ディスプレイ・パネルからの距離に対する比が0.3ないし0.6の範囲にある、請求項７記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
9. 前記障壁機構が前記ディスプレイ・パネルと前記レンズ機構との間に設けられ、各レンズ要素はそれぞれの障壁開口からのすべての光を受け取る、請求項７記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
10. 前記レンズの前記ディスプレイ・パネルからの距離の、前記障壁機構の前記ディスプレイ・パネルからの距離に対する比が1.5ないし2.5の範囲にある、および／または
    前記障壁機構の前記ディスプレイ・パネルからの距離の、前記障壁機構の開口のピッチに対する比が0.3ないし0.6の範囲にある、
    請求項９記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
11. 前記レンズ要素が一つの障壁開口からのみ光を受け取る中央部分と、二つの隣り合う障壁開口から光を受け取る共有されるエッジ部分とをもつ、請求項９記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
12. 前記レンズの前記ディスプレイ・パネルからの距離の、前記障壁機構の前記ディスプレイ・パネルからの距離に対する比が2.5ないし3.5の範囲にある、請求項１１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
13. 前記レンズ要素が二つのレンズ・サブ要素のスタックを有する、請求項１１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
14. 前記障壁機構の開口のところに追加的なレンズ要素をさらに有する、請求項１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
15. 請求項１ないし１４のうちいずれか一項記載の裸眼立体視ディスプレイ装置であって、前記ディスプレイ・パネルは空間光変調器と、前記空間光変調器に光を提供するバックライトとを有しており、前記バックライトは、前記空間光変調器にコリメートされた光を提供するコリメートされたバックライトである、裸眼立体視ディスプレイ装置。
16. 前記コリメートされた光が平行または集束性であり、前記ディスプレイ・パネルの法線方向からの各側における少なくとも前記第一の範囲に制限される、請求項１５記載の裸眼立体視ディスプレイ装置。
17. 請求項１６記載の裸眼立体視ディスプレイ装置であって、前記空間光変調器の平面において、少なくとも一つのビームによって照明されない、隣り合う集束ビームの中間の領域がないよう、前記ディスプレイ・パネルに集束するコリメートされた光のビームを提供するために、前記ディスプレイ・パネルと前記コリメートするバックライトの光源との間に、織りなされたレンズのアレイを有する、裸眼立体視ディスプレイ装置。
18. 開口のアレイを有する第二の障壁機構をさらに有する、請求項１記載の裸眼立体視ディスプレイ装置であって、前記障壁機構および前記第二の障壁機構は前記ディスプレイ・パネルと前記レンズ機構の間にあり、前記第二の障壁機構は前記第一の障壁機構より広い開口を有している、裸眼立体視ディスプレイ装置。
19. 請求項１８記載の裸眼立体視ディスプレイ装置であって、前記ディスプレイ・パネルがピクセル分割されたディスプレイであり、前記第一の範囲内の角度の少なくともいくつかのピクセルについて、ピクセル出力が前記障壁機構の少なくとも二つの障壁開口に投影され、前記第二の障壁機構が、ピクセルからの光が前記第二の障壁機構の一つの開口のみを通過するよう光を遮断する、裸眼立体視ディスプレイ装置。
20. 請求項１ないし１９のうちいずれか一項記載の装置であって、前記障壁機構が少なくとも一つの透明スラブを有し、前記スラブはカットアウトをもつ長方形の形の断面をもつ形をしており、前記カットアウトは前記ディスプレイ・パネルと前記障壁機構との間の限られた光の経路の領域の外部のエリアに位置している、装置。
21. 同一方向に向けられた光の複数の集束するビームを与えるための、一つまたは複数の光源および織りなされたレンズのアレイを有するコリメート型バックライト。

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