JP2016531310A - 自動立体視表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ビュー形成を提供するだけでなくバックライト・ストライプのコリメーションを提供する２層のレンチキュラ配置と組み合わせて、ストライプのバックライトが用いられる自動立体視表示装置を提供する。

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有する表示パネル及び異なる空間位置に異なるビューを導くための画像形成配置を含むタイプの自動立体視表示装置に関する。

このタイプのディスプレイに用いられる画像形成配置の第１の例は、例えば、表示の基礎をなすピクセルに関してサイズ設定をされて配置されるスリットをもつバリアである。
2つのビューによるデザインでは、観察者は、自身の頭部が一定の位置にある場合、3D画像を知覚することをできる。バリアは、表示パネルの前に配置されて、奇数及び偶数番目のサブピクセル・カラムからの光がそれぞれ観察者の左及び右の目の方へ導かれるように設計される。

このタイプの2ビュー表示設計の欠点は、観察者が一定の位置がなければならず、左または右に大体3cmしか動くことができないことである。より好ましい実施の形態では、各々のスリットの下に、2つのサブピクセル・カラムではなく、いくつかのサブピクセルが存在する。このようにして、観察者が、左右に動いても、常に自身の目で立体画像を知覚することが可能になる。

バリア配置は、製作が簡単であるが、光効率的が良くない。したがって、好ましい変形例は、画像形成配置としてレンズ配置を用いることである。例えば、細長いレンチキュラ素子のアレイが、互いと平行に延在し、表示ピクセル・アレイの上に横たわって提供されることができ、表示ピクセルはこれらのレンチキュラ素子を通して観察される。

レンチキュラ素子は、それぞれが細長い半円柱状のレンズ素子から成る素子のシートとして提供される。レンチキュラ素子は表示パネルのカラム方向に延在し、各々のレンチキュラ要素は、表示サブピクセルの２つ以上の隣接するカラムのそれぞれのグループの上に横たわる。

各々のレンチキュラが表示サブピクセルの２つのカラムと関連付けられる場合、各々のカラムにおける表示サブピクセルは、それぞれの二次元サブ画像の垂直スライスを提供する。レンチキュラ・シートは、これらの２つのスライス及び他のレンチキュラと関連付けられた表示サブピクセル・カラムからの対応するスライスを、シートの前に位置するユーザの左及び右目に導き、ユーザは１つの立体画像を観察する。したがって、レンチキュラ素子のシートは、光出力指向機能を提供する。

他の配置において、各々のレンチキュラは、ロウ方向において４つ以上の隣接する表示サブピクセルのグループに関連付けられる。各々のグループ中の表示サブピクセルの対応するカラムは、それぞれの二次元サブ画像からの垂直スライスを提供するように適切に配置される。ユーザの頭部が左から右に動くと、一連の連続した異なる立体視が知覚されて、例えば、見回したような印象を与える。

上記した装置は、効果的な三次元表示装置を提供する。しかしながら、いうまでもなく、立体視を提供するために、装置の水平解像度の犠牲が必要である。解像度におけるこの犠牲は、生成されるビューの数と共に増加する。したがって、多数のビューを用いる主要な欠点は、ビューあたりの画像解像度が低減することである。利用可能なサブピクセルの総数がビューの間で分配されなければならない。垂直レンチキュラレンズを有するn個のビューの3Dディスプレイの場合、水平方向に沿った各々のビューの知覚される解像度は、2Dの場合に対してnの係数によって低下する。垂直方向において解像度は同じままである。傾斜するバリアまたはレンチキュラの使用は、水平及び垂直方向における解像度間のこの不一致を低減することができる。その場合、解像度低下は、水平及び垂直方向間で均等に分配されることができる。

したがって、ビューの数を増加させると、3D印象を改善するが、観察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いわゆる観察コーン中にあり、これらの観察コーンは視野にわたって繰り返す。

観察経験は、観察者が3Dモニタまたはテレビを見る位置の選択において完全に自由ではないという事実によって妨げられる。観察コーンの境界において3D効果が存在せず、不快なゴーストが現れる。したがって、例えば、観察者が１つの中央の観察コーンの内に留まったままで位置を動くことができるように、可能な限り広い観察コーンを得たいという要望が存在する。しかしながら、広い観察コーンを提供するための光学系の設計は、それぞれのビューの画像間の増加したクロストーク、又は、更なるビューの生成による空間分解能の相当な損失を犠牲として成り立つ。さらに、そのような光学系は、厚い光学スタックを必要とする場合がある。

EP 0 786 912は、観察者追跡を可能にするために横方向に重なり合う観察ウインドウが提供される自動立体視ディスプレイを開示する。

本発明は請求の範囲によって定められる。

一つの態様によれば、自動立体視表示装置が提供され、当該装置は、バックライト、ピクセルの行および列を有する表示パネル、レンチキュラ配置を有し、バックライトは、カラム方向またはカラム方向に対して鋭角にオフセットされた方向のストライプを含むストライプの出力を提供し、レンチキュラ配置は、異なる表示パネル・ピクセル出力を異なる方向に導くための、表示パネルの表示出力に面する側の第１レンチキュラ・レンズアレイ、及び、ストライプのバックライト出力のコリメーションを提供するための、表示パネルのバックライトに面する反対側の第２レンチキュラ・レンズアレイを有する。

この配置は、クロストークと光学積層厚との間のより良好な妥協が成し遂げられることを可能にするために、ストライプのバックライトを使用する。

この定義において「ピクセル」という用語は最も小さいアドレス指定可能な画像素子を示すために用いられることに注意されたい。カラー・ディスプレイでは、これはサブピクセルである。特にサブピクセルのグループとしてピクセルを議論しない限り、「ピクセル」という用語は最も小さい表示要素としてしかるべく理解されるべきである。

第１レンチキュラ配置は、好ましくは負レンズであり、異なる角度位置に異なるビューを導くビュー拡散機能を提供する。（好ましくは正レンズである）第２レンチキュラ配置は、バックライト・ストライプ出力をコリメートする機能を提供する。

あるストライプからの光は、最も近いレンズのみと相互作用するのではなく、レンチキュラ・レンズアレイ中の他のレンズとも相互作用し、各々のストライプは光の複数のビームを形成する。観察コーンは、２つの連続するそのようなビーム間の角度である。

（角度接線として表現される）第２（コリメーティング）レンチキュラ・レンズアレイの観察コーンは、好ましくは、（ここでも角度接線として表現される）第１レンチキュラ・レンズアレイのビュー拡散の整数倍Ｎである。

これは、２つのレンチキュラ・レンズアレイが以下を満足させるように設計されていることができることを意味する。

ここで、α₁は第１レンチキュラ・アレイのレンズからの光の角拡散、α₂はコリメートされた出力を与える第２レンチキュラ・アレイのレンズに対する光の観察コーンである。

N=1とき、各々のコリメーティング・レンチキュラレンズにつき１つのバックライト・ストライプが存在する。バックライト・ストライプ配置の効果は、コリメート光出力を提供することである。そして第２（コリメーティング）レンチキュラ・レンズアレイの観察コーンは、プライマリ（ビュー拡散）レンチキュラ・アレイのビュー拡散に対応する。

N>1とき、各々のレンチキュラレンズにつきＮ個のバックライト・ストライプが存在する。それぞれのバックライト・ストライプは、時間をかけて大きい観察コーンを構築するために、時系列的に動作されることができる。N=2では、各々が観察コーンの半分を提供する２つのサブフレームが存在することができる。その場合、プライマリ（ビュー拡散）レンチキュラレンズのビュー拡散は、上記の関係を満たすために、セカンダリ・レンズの観察コーンの半分であるべきである。

したがって、装置は、好ましくは、各々のサブフレームがバックライト・ストライプのそれぞれのセットによる照射と同期するＮ個のサブフレームのシーケンスで表示パネルを駆動するように適応されたコントローラを更に備える。

装置は、以下によって設計されることができる。

ここで、w₁は、表示パネルのサブピクセルの幅であり、p₁は、第１(ビュー拡散)レンチキュラ・レンズアレイの(幅方向の)レンチキュラ・ピッチであり、w₂は、バックライト・ストライプの幅であり、p₂は、第２(コリメーティング)レンチキュラ・レンズアレイのレンチキュラ・ピッチであり、Cは、好ましくは1.0以下、例えば0.5〜1.0の範囲である。

Cの値のこの範囲は、(w₂/p₂が小さくなるほど、バックライト出力を生成している領域が小さいので)光出力とクロストークとの間の妥協を提供する。

バックライト・ストライプは、表示カラム方向に対して好ましくは傾斜する。好ましくは、両方のレンチキュラレンズの光学軸とバックライト・ストライプは平行である。

本発明の実施の形態は、添付の図面を参照して単に一例として説明される。

既知の自動立体視表示装置の概略的な斜視図。 レンチキュラ・アレイがどのように異なる空間位置に異なるビューを提供するかについて示す図。 バリア配置がどのように異なる空間位置に異なるビューを提供するかについて示す図。 複数のビューがどのように観察コーン中に提供されるかについて示す図。 バックライト・ストライプ、ピクセル及び全体的なシステムの光学応答の分析を示す図。 本発明の表示装置の第１の実施の形態を示す図。 システム帯域がバックライト・ストライプ幅の変化に応答してどのように変化するかについて示す図。 システム帯域がバックライト・ストライプ幅及びピクセル開口の変化に応答してどのように変化するかについて示す図。 異なる傾斜によるピクセルのクロストーク効果を示すために用いられる図。 本発明の表示装置の第２の実施の形態を示し、時系列的な動作がどのように機能することができるかについて示す図。 レンズ全体の距離がどのようにビュー角度と同一視されることができるかについて示す図。 2つのプロファイルの巡回畳み込みとしてシステムの強度プロファイルを示す図。 レンチキュラ毎に１つのバックライト・ストライプが存在するときの強度プロファイルを示す図。 レンチキュラ毎に2つのバックライト・ストライプが存在するときの強度プロファイルを示す図。 図14の時系列的な動作を説明するために用いられる図。 デュアル・フェーズ・バックライトのための１つの考えられる電極構造を示す図。 より多くのセグメント化ストライプを有するより進化したバックライトを示す図。 角度α₁及びα₂の意味を視覚的に示すために用いられる図。

本発明は、ストライプのバックライトが二層レンチキュラ配置と組み合わせて用いられる自動立体視表示装置を提供する。この配置は、ビュー形成機能を提供するだけでなく、バックライト出力のコリメーションを提供する。

本発明の説明が提供される前に、本発明によって対処される問題がさらに詳細に最初に説明される。

図1は、既知の直視型自動立体視表示装置1の概略斜視図である。既知の装置1は、表示を生成する空間光変調器として作用するアクティブなマトリックス型の液晶表示パネル3を含む。

表示パネル3は、行と列で配置される表示ピクセル5(またはより正確にはカラー・ディスプレイのためのサブピクセル)の直交するアレイを有する。明確にするため、少数の表示ピクセル5のみが図に示される。実際には、表示パネル3は、表示ピクセル5の約千のロウ及び数千のカラムを有する。

液晶表示パネル3の構造は全面的に従来通りである。特に、パネル3は、一対の間隔を置いて配置された透明なガラス基板を含み、それらの間に、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提供される。基板は、それらの対向面上に透明インジウムスズ酸化物(ITO)電極のパターンを担持する。偏光層が基板の外側表面に提供される。

各々の表示ピクセル5は、基板上に対向する電極を含み、それらの間に液晶材料が介在する。表示ピクセル5の形状及びレイアウトは、電極の形状及びレイアウトによって決定される。表示ピクセル5は、ギャップによって互いから規則正しく間隔を置いて配置される。

各々の表示ピクセル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) )に結合される。表示ピクセルは、スイッチング素子にアドレス指定信号を提供することによって表示を生成するように動作し、適切なアドレス指定方法は当業者に知られている。

表示パネル3は、この場合には表示ピクセル・アレイの領域の上に広がる平面バックライトからなる光源7によって照射される。光源7からの光は、表示パネル3を通して導かれ、個々の表示ピクセル5は光を変調して表示を生成するように駆動される。

表示装置1は、ビュー形成機能を実行する表示パネル3の表示側に配置されるレンチキュラ・シート9を含む。レンチキュラ・シート9は互いに平行に延在するレンチキュラ素子11のアレイを含み、明確性のために、そのうちの１つのみが誇張された大きさで示される。

レンチキュラ素子11は、この場合には凸形の円柱状の素子の形であり、それらは、表示パネル3から表示装置1の前に位置するユーザの目まで異なる画像又はビューを提供する光出力指向手段として作用する。

図1に示される自動立体視表示装置1は、異なる方向にいくつかの異なる視野ビューを提供することが可能である。特に、各々のレンチキュラ素子11は、各々のロウにおいて少数の表示ピクセル5のグループの上に横たわる。レンチキュラ素子11は、いくつかの異なるビューを形成するように、異なる方向にグループの各々の表示ピクセル5を投射する。ユーザの頭部が左から右に動くと、ユーザの目はいくつかのビューのうちの異なるものを順々に受けとる。

当業者は、液晶材料が特定の偏光の光にのみ屈折率スイッチングが適用される複屈折性であるので、上記したアレイと連動して光偏光手段が用いられる必要があることを理解するだろう。光偏光手段は、表示パネルの一部または装置の画像形成配置として提供されることができる。

図2は、上述のようなレンチキュラ型の画像形成配置の動作原理を示し、バックライト20、LCDのような表示装置24及びレンチキュラ・アレイ28を示す。図2は、レンチキュラ配置28がどのように3つの異なる空間場所に異なるピクセル出力を導くかについて示す。

図3は、バックライト20、バリア装置22及び表示装置24 (例えばLCD ) を示しているバリア・タイプ画像形成配置の動作原理を示す。図3は、バリア装置22がパターン化された光出力をどのように提供するかについて示す。これは、それぞれのピクセルが不連続な光源領域によって照射されることを意味し、光指向機能が実施されるという効果がある。示されるように、一つのビューのためのピクセル29aは一つの方向から照らされ、他のビューのためのピクセル29bは他の方向から照らされる。観察者の2つの目は、ディスプレイの異なるピクセルによって変調される光を受信する。

これらのシステムにおいて、各々のビューは、特定の空間位置に投射される。図4は、9ビュー・システムが、各々がそれぞれの観察コーンの中にある(図4で+4~-4と番号をつけられた)9つのビューの反復するパターンをどのように生成するかについて示す。ピクセルの各々から直前のレンズを通過する光によって生成されるパターンは、プライマリ観察コーンと呼ばれる。ピクセルから発する光が他のレンズを通過するので、パターンは図4に見られるいわゆるコーン反復を提供するように繰り返す。ディスプレイの観察角を最大180度近くまで拡大するので、この効果は重要である。プライマリ観察コーン(α)の全角度（full angle）は、大体以下のようにレンチキュラ・ピッチ(p)及びレンズ焦点距離(F)に関連する。

レンチキュラレンズの下の各々の横方向の位置は、異なる横方向の観察位置に導かれる。(幅方向において)各々のレンズの下に整数個のサブピクセルがある場合、ビューの数はこの整数に対応する。(幅方向において)各々のレンズ幅の下に非整数個のサブピクセルがあるフラクショナル・ビュー・ディスプレイの場合、個別のビュー位置の数は、大きくなることができる。

クロストークを伴わずに生成されることができるビューの数は、レンズ・ピッチとサブピクセル・ピッチとの比(この比は非整数であることができる)に等しい。レンズを傾斜させることによって、一つおきのロウのビューは、角度オフセットを有する。1/6の傾斜では、このオフセットは、１つのビューの角度幅の半分に等しい。

例えば、第１のロウが4.5個のビューを生成する場合、ビューは、例えば、角度0〜1度、 1〜2度、2〜3度及び3〜4度の下に投射される。そして第２のロウは、角度0.5〜1.5度、1.5〜2.5度、2.5〜3.5度及び3.5〜4.5度の下にビューを生成する。

ディスプレイは、したがって、0~4.5度の間で9つの異なる角度に光を投射する。しかしながら、各々のビューの幅は、この例では、1度に等しく、したがって、これらの9つの"フラクショナル"ビューは相当なクロストークを伴う。事実上、4.5個の「分離可能な」、すなわちクロストークのない、ビューのみが存在する。

一般に、分離可能なビューの数は、レンズとピクセル・コンポーネント・ピッチ間の比にほぼ等しい。傾斜及びレンズ・ピッチの適切な選択は、増加したクロストークを犠牲にしてより多くのビューの生成につながることができる。

例えば、9ビューのフィリップスWOWvx42"(107cm)ディスプレイは、4.5のピッチ及び1/6の傾斜を有する(すなわち上記の実施例)。ビュー番号3及び5は、それらの間に小さなクロストークしかないが、ビュー3及び4の投射は著しくオーバーラップする。

光学積層(図1のレンチキュラ構造9)は、おそらく１つの単位に一体化されるスペーサ及びレンチキュラレンズから成る。レンチキュラ・ピッチ(p)及び観察コーン角度(α)が選択されると仮定するならば、光学積層の厚さ(e)はe=np/αにほぼ等しい（ｎはスペーサの屈折率（IOR））。この近似は、静的及び切り替え可能なレンズスタックに対して有効である。

実際的な例として、
- 42"（107cm）フルHD（Full High Definition）ディスプレイ（すなわち、480μmのRGBユニット・セル及び160μmのピクセル）
- 4.5ピクセルのレンズ・ピッチ= 720μm
- 10°(0.17ラジアン)のコーン角度
- 小さい傾斜角度
を考える。

レンチキュラ積層の厚さは、e=np/α=1.5 ×720 μm/0.17= 6.4 mmにほぼ等しい。

傾斜するレンズを有するレンチキュラ・ディスプレイは、完全レンズ焦点の仮定の下でさえ、クロストークを有する。このクロストークは、各々のピクセルの角度強度プロファイルによって引き起こされる。

システムでクロストークの問題に対処するために、クロストーク・プロファイルの実際の形状から独立しているクロストークの評価が必要である。

パルスのパワー・スペクトラムのfull width half modulation(FWHM)は、ローパスフィルタの帯域幅を決定するよく知られた測定基準である。それは、最大値の半分におけるパワー・スペクトラムのピークの全幅である。それは、元の信号のどれくらいがフィルタを通過するかを示す(より高い帯域、したがってFWHMは、より多くの信号の詳細を示す)。

クロストークの分析のために、角度強度プロファイルが考慮される。

上で概説されたように、本発明は二層レンチキュラと組み合わせられるストライプのバックライトを提供する。したがって、レンチキュラレンズ配置によって拡大される、放射または透過光のストライプが存在する。バックライト及びコリメーティング・レンチキュラのこのサブシステムは、矩形関数に近似されることができる。

図5の一番上の行は、ストライプのバックライト出力を表す矩形関数に対する強度プロファイル、スペクトラム及びパワー・スペクトラムのモデリングをそれぞれ提供する。

さらに、サブピクセルに対して傾斜する他のレンチキュラレンズを有するサブピクセルが存在する。傾斜角度に応じて、このサブシステムは、矩形、三角形または混成の関数に近似されることができる。図５の中央の行は、それぞれ、傾斜がサブピクセルのアスペクト比の半分（例えばRGBストライプに対して傾斜1/6）である場合の強度プロファイル、スペクトラム及びパワー・スペクトラムのモデリングを提供する。

浅い角度に対する表示システムのクロストークは、下の行によって示されるように、2つのクロストーク・プロファイルの巡回たたみ込みである。

２つの完全なビューのみが存在する場合、クロストークの理に適った定義は、合計強度上の他のビューからの光の間の強度比である。２つより多いが依然として少ない数のビュー（例えば９）に関して、クロストークの上記の定義は、強度比と同様に、あるビューの合計強度に対する隣接するビューの寄与として拡張されることができる。これは、2つのビューがある場合に、同じ定義に単純化する。

多くのフラクショナル・ビューについては、隣接するビューの明確な定義は存在しない。その代わりに、ビュー空間は、近似で連続的であると考えられることができる。結果的に、クロストークは、角度強度プロファイルの形状として、より抽象的に定められる：このプロファイルが広いほど、周波数応答は狭く、クロストークはより多い。

システム・スペクトラムは、2つのスペクトルの積である。図5の下の行は、システム角度応答、システム・スペクトラム及びシステム・パワー・スペクトラムを示す。

プロットの第１の列のためのx軸は、観察コーン中の位置を示し、ここで、x軸は正規化されており、すなわち、観察コーン幅は1であり、観察コーンの中央は位置0で定められる。したがって、範囲[-0.5、0.5]は、プライマリ観察コーンに対応する。これは、x軸を無次元量とする。

スペクトラム・プロットは、x軸として周波数を正規化した。例えば、白い観察コーンの左の半分及び黒い右の半分を有するパターンは、観察コーンごとに一度繰り返す。これは、1の周波数に対応する。１つの観察コーン中に10個のそのようなパターン(10の左と10の右を伴う左-右-左-右-・・・)を生成するために、光のパターンは、観察コーンごとに10回繰り返す。これは、10の周波数に対応する。したがって、x軸は、コーン位置に適用された周波数解析を表すと考えられることができる。クロストークに起因して、全てのパターンが同様に見えるというわけではなく、特に、より高い周波数は低減される。パワー・スペクトラム・プロットは、周波数がどれくらい保存されるかを示す。

図5の例から、システム・クロストーク( FWHM測定基準)が構成要素コンポーネントのそれを超えることは明らかである。システム・パワー・スペクトラム(右のカラム)の半分のパワーの幅は、点線によって示されるように、中央の行から下の行にかけて減少した。
点線は、FWHMの定義に対応する。

ストライプ及びサブピクセル幅が変化し、そのコンポーネントのクロストークを事実上変更する場合、クロストークの大部分に関するコンポーネントは、全体的なクロストークに対する最大の影響を有する。

図6は、本発明の表示装置の2つの第１の実施例を示す。

これらの実施例は、第１(プライマリ)負レンチキュラレンズ(レンズ60)、透過型表示パネル62、限られた開口を有する適切な間隔のストライプのバックライト66を伴う第２(セカンダリ)正レンチキュラレンズ(レンズ64)から成るレイヤのスタックを有する。各々のレンチキュラレンズは、平行なレンズのアレイを含む。各々のレンズは、細長い半円柱状の小型レンズである。

バックライト・ストライプからの光は、セカンダリ・レンズ64によってコリメートされて、プライマリ・レンズ60によって広げられる。したがって、プライマリ・レンズ60はビュー形成機能を提供し、セカンダリ・レンズ64はコリメーションを提供する。十分に薄いバックライト・ストライプに対して、適切に選択されたレンズ・パラメータによって、これは、通常の3Dレンチキュラ・ディスプレイと同様のビューの投射を生成する。

2つのレンチキュラレンズ60,64は、異なる材料、形状及びピッチであることが許容される。しかしながら、それらは、好ましくは同じ傾斜方向を有するべきであり、観察コーン(α₁及びα₂)は関連しているべきである。特に、Nが、(コリメートレンズ64の)セカンダリ・レンズあたりの独立に制御可能なバックライト・ストライプの数である場合、以下の関係が成り立つべきである:

セカンダリ・レンチキュラ・アレイ64は、バックライト・ストライプから受け取られた光のための角度α₂にわたるコリメーションを提供し、プライマリ・レンチキュラ・アレイは、幅α₁の観察コーンを提供する。

これらのパラメータα₁及びα₂は、明確にするため図18に示される。角度α₁は、レンチキュラ・アレイ60によって決定される観察コーン角度である。角度α₂は、バックライト及びセカンダリ・レンチキュラ・アレイ64の組み合わせによって生成される2つの異なるコリメーション方向間の角度である。

設計に影響を与えるパラメータは、以下の通りである:

Nは、セカンダリ・レンズあたりの独立に制御可能なバックライト・ストライプの数である。図6(a)はN=1による設計を示し、図6(b)はN=2による設計を示す；

p₁は、プライマリ(ビュー拡散)レンチキュラ・レンズアレイ60のレンチキュラ・ピッチである;

w₁は、ピクセル(またはサブピクセル)幅である；

p₂は、セカンダリ(コリメーティング)レンチキュラ・アレイ64のピッチである；

w₂は、バックライト・ストライプの幅である。

これらは、図6に示される。

図7は、他の全てが等しくストライプの開口(a₂=w₂/p₂)が変化するとき、帯域がどのように影響を及ぼされるかについて示し、図8は、例えば、レンチキュラ・ピッチ(p₁)を変更することによって、同様にサブピクセルの開口(a₁=w₁/(Np₁))が変化するときに、帯域がどのように影響を及ぼされるかについて示す。

図7及び8は、システムFWHM帯域Bを(y軸として)プロットする。

このパラメータは無次元である。図5の左の列において、x軸はレンズに対する位置であり、[-0.5、0.5]はプライマリ・コーンに対応する。図5の中央及び右の列において、x軸は同じ空間における周波数に対応し、したがってそれは無次元である。

Bの値は、強度プロファイルが１つのコーンに「収まる」回数に近いと直観的に考えられることができる。20%開口を有する矩形パルスに対して、帯域は4.4である。40%開口に対して、帯域は2.2である。

図7において、プロット30はバックライト・ストライプに対する応答であり、プロット32はレンチキュラに対するものであり、プロット34は全体的なシステムに対するものである。

図6に示されるパラメータは、式

のように関連していることができる。

クロストークを小さく保つために、両方の開口は小さくなければならない。一方が他方より非常に大きい場合、大きい方がクロストークを引き起こしている。上記の式の値Cが、このトレードオフを表す。0に近いCでは、バックライト・システム(ストライプ)は、(小さい角度に対して)システムに事実上いかなるクロストークも追加しない。C = 1では、ストライプ及びピクセルは、同じようにシステム・クロストークに寄与する。実際上、ストライプの幅は、光出力とクロストークとの間のトレードオフである。

C > 1では、ビュー解像度を犠牲にし過ぎることなく3Dモードにおいて更なる空間分解能を提供するように、前方レンチキュラのピッチは低減されるべきである(Cを低くする)。不十分な光出力及び小さいCについては、ここでもビュー解像度を犠牲にし過ぎることなく、ストライプは広げられることができる。C≦1に設定することが好ましい。それは、0.5〜1.0の範囲であることができる。

図5において、x方向に動くことは、Cの値を変更することに対応する。

図9は、クロストーク効果を示すために用いられ、傾斜のないサブピクセル、傾斜1/6を有するサブピクセル及び傾斜1/3を有するサブピクセルを示す。傾斜は、垂直に対する角度の正接として定められる。強度プロットは、レンズ幅方向にわたる強度を示し、強度プロファイルの幅は、レンズ軸に対するサブピクセル形状の傾きの結果として、サブピクセル幅より大きいことが分かる。

クロストークの指標を得るために、分離可能なビューの数が考慮されることができる。分離可能なビューの数は、強度プロファイルの幅に対するレンチキュラ・ピッチの比によって与えられる。デュアル・ビュー設計(2つのサブピクセルのレンズ・ピッチ、傾斜なし)に対して、強度プロファイルは1の幅を有し、2:1の比となり、2つの分離可能なビューに対応する。典型的なマルチ・ビュー設計(上記の実施例にあるように、ピッチ4.5、傾斜1/6)に対して、強度プロファイルは1の半値全幅(FWHM)を有し、9:2の比となる。

ディスプレイが生成することができるフラクショナル・ビューの数は、傾斜及びレンズ・ピッチの両方によって決定される。分離可能なビューの数は、その代わりに、((サブ)ピクセル幅の単位で表現される)レンズ・ピッチに等しい。

ディスプレイは、複数のフラクショナル・ビューによって駆動され、クロストークは、分離可能なビューの数に対するフラクショナル・ビューの数の比に比例する。

更なるフラクショナル・ビューを生成することが特定の利点(例えばより滑らかな角度遷移及びバンディングの低減)を有する一方で、分離可能なビューの数は、表示の深さ知覚にとってより重要である。

もたらされる可能性があるさまざまなトレードオフが存在することが上記説明から明らかである。

より小さいコーン角度は、投射されるビューがより小さく、互いにより近いことを意味する。3Dコンテンツのレンダリングが適切に調整されると仮定するならば、連続するビューの差異はより小さく、したがって、クロストークの視認性は低減される。その結果として、深さの知覚は増加する。ユーザがより小さい観察コーンの中で動くとき、動き視差はより滑らかである。小さいコーンの不利な点は、それらが一般により厚いレンズを必要とし、ユーザが観察コーン境界を横切ることなく移動する自由度が小さいことである。

互いにより近いビューを投射する他の態様は、観察コーン全体を同じに維持しつつ、より多くの分離可能なビューを有することである。これは、表示サブピクセル・ピッチと比べたレンズ・ピッチの増加を必要とする。短所は、ビューの空間分解能がピッチに反比例することである。3Dレンチキュラ・ディスプレイの品質を改善するコストがかかる方法は、より高い解像度の表示パネルを用いることである。一般的なFHD表示パネルは2百万個のRGBピクセルを有するが、8百万個以上のRGBを有するパネル(QFHD)も販売されている。

したがって、深さ知覚、移動の自由度、空間分解能、ディスプレイ厚さとパネル・コストの間のトレードオフが存在する。

LCDパネルがより高速になっているので、それらは時系列的に2つのビューを生成することによって立体視3D表示を可能にする。空間及び時間的多重化によってビューが生成される自動立体視ディスプレイを生成するためにそのようなパネルを用いることは魅力的である。そのような1つのアプローチは、WO 2010/150174に開示されており、複屈折レンズに基づく。

本発明は、通常の3Dレンチキュラ・ディスプレイに比べて、妥当なパラメータに対して、より薄い光学積層を有し、いくつかの実施の形態では、空間分解能と3D効果との間のより適切なトレードオフを確立するために時系列的な動作を可能にする設計を提供することを意図する。

上記で概説されたように、セカンダリ・レンチキュラ・アレイ64の完全な観察コーンはα₂に等しい。小さい領域のみがレンチキュラレンズの下で(ストライプによって)照射される場合、光はα₂より小さい角度にわたってコリメートされる。

コリメーションの角度α_stripeは、おおよそ、
α_stripe = α₂(w₂/p₂)
である。ここで、w₂はストライプの幅であり、p₂は、セカンダリ・レンチキュラ・アレイ64のレンズ・ピッチである。

第１及び第２レンズのピッチは独立している。セカンダリ・レンズは、バックライト・ストライプからの光のコリメータとして作用する。したがって、セカンダリ・レンズは、非常に小さいピッチを有することができ、結果的に非常に薄くなることができる。これは、バックライトにおける非常に薄いストライプを必要とする。

N=1に対して、表示は単に空間的に多重化されているが、バックライトのストライプ幅が表示パネルのサブピクセル・ピッチより小さく作成されることができるので、より薄いディスプレイを作成し、それによって重さを低減することが可能である。2つのレンズ・ピッチの間には直接的な関係は存在しない。その代わりに、ビュー拡散(a1)と観察コーン(a2)との間の関係が存在する。ピッチを低減して、観察コーンを等しく保つことで、バックライトは薄くなる。

セカンダリ・レンズの厚さL2は、(ある特定の設計において)
L2 = n₂/(n₂ - n₁)R2
によって与えられる。ここで、R2はレンズの半径であり、n₁及びn₂は2つのレンズ・レイヤの屈折率である。

半径Rは、生成されるべき観察コーン(α₂)によって決定される。p₂/R2 << 1に対して、Rはおおよそ
R2 = p₂(n₂ - n₁)/α₂
に等しい。ここで、p₂は、セカンダリ・レンズアレイのレンチキュラ・ピッチである。

最終的に、ピッチp₂は、生成するビューの合計量N_total = N_front*N及びバックライト・ストライプの幅w₂によって決まる。

より大きなNに対して、表示パネル及びバックライトがビューを生成するときに、表示は空間的・時間的に多重化されている。

値N>1の効果は、図10に表される。

図10は、デュアル・フェーズ時系列表示のためのビュー方向を示す。コリメートレンズはバックライトの表面にあり、第2レンズことに２つのバックライト・ストライプがある（N=2)。第２レンチキュラ・アレイ64の各々のレンズの下でバックライトを複数のストライプに分割することによって、時系列的な動作が可能である。N=2では、2つのサブフレームが存在する。左画像は奇数のサブフレームを示し、右の画像は偶数のサブフレームを示す。

奇数サブフレームの間、ストライプのバックライトは、セカンダリ・レンズ64と共に、レンズ配置に達する光を、矢印70によって表される一つの方向にコリメートする。そしてプライマリ・レンズ60は、一セットのビュー1a〜1cを生成する。

偶数のサブフレームの間、ストライプのバックライトは、セカンダリ・レンズ64と共に、レンズ配置に達する光を、矢印72によって表される異なる方向にコリメートする。そしてプライマリ・レンズ60は、一セットのビュー2a〜2cを生成する。

ビューの各々のセットは、観察コーンの半分であると考えられることができ、観察コーンは、時系列的に構築される。

プライマリ・レンチキュラレンズ60は、好ましくは、負であり(すなわち平行なビームを拡散する)、一方、セカンダリ・レンチキュラレンズ64は正である(すなわち平行なビームを焦束する)。プライマリ・レンチキュラレンズ60が正な場合には、最終的に負レンズを用いたようにビームが同様の態様で拡散されるように、焦点位置は観察者の前方にあるべきである(すなわち、焦点位置がディスプレイと観察者との間である)。レンズ境界における屈折率差が空気-ガラスまたは空気プラスチック界面より小さいように制御されることができるようにレンチキュラレンズがレプリカを有するときに、最良の光学性能が得られる。

バックライトを実施する適切な方法は、以下の通りである:
OLEDストライプ；
特別にパターニングされた導波路；
OLEDディスプレイまたはLEDバックライトを有するLCDであることができる表示パネル；

本発明は、クロストークと光出力との間のトレードオフを可能にする。クロストークを小さく保つために、バックライト・ストライプの開口は、小さく保たれなければならない。製造方法に起因する実際的なより低い開口限界が存在し、それは、OLEDに対して10μmのオーダーであり、導波路に対しても同様である。

以下にクロストークが分析される。

コリメートされた光は、負の正面レンズ６０を通って輝くとき、角度α_１によって扇形に広げられる。コリメート光源に対して、図８に示される強度プロファイルが、サブピクセル及びプライマリ・レンズの組み合わせによって生成される。図8のx軸は単位ピクセルを有するが、小さい角度に対して、１つのコーンが１レンズ・ピッチ距離p₁及び開口角度α₁の両方に対応するので、サブピクセル寸法が角度に関連している場合がある。レンズにわたるサブピクセル距離と角度との間のこの同等性が図11に示される。

後部レンズ64を通る光は、部分的にのみコリメートされている。それは図11に示されるような強度プロファイルを有する。その結果として、システム(１つのサブピクセル及び１つのストライプ)の強度プロファイルは、図12に表されるように、2つのプロファイルの巡回たたみ込みであり、それは、光学部品によって引き起こされるクロストークを除き、前部及び後部強度プロファイルの巡回たたみ込みを示す。2つの正の形状の巡回たたみ込みは常に2つの入力より広く、これは図11において見られる。

バックライト・ストライプと後部レンズ64との組み合わせの強度プロファイルは、十分な光を生成するために必要とされる特定の厚みを有するストライプから生じる。ピクセルのように、１つのコーンが１つのピッチ距離p=p₂及び開口角度α=α₂の両方に対応するので、ストライプの厚さは、角度に関連していることができる。

図13及び14は、N = 1(図10)及びN = 2(図11)に対して生じることを示す。

図13は、N=1に対する強度プロファイルの巡回たたみ込みを示す。図10(a)は、正面表示上の5つのビュー(a... e)の角度クロストーク・プロファイルを示す。図10(b)は、ストライプのバックライトと組み合わせられるセカンダリ・レンズからの１つのビューの角度クロストーク・プロファイルを示す。これらのプロファイルの巡回たたみ込みは、システム・ビュー(1a...1e)の角度クロストーク・プロファイルを示す図13(c)に示される。プロファイル形状は単純化されている。

図14は、N=2に対する強度プロファイルの巡回たたみ込みを示す。図14(a)は、正面表示上の5つのビュー(a...e)の角度クロストーク・プロファイルを示す。図14(b)は、セカンダリ・レンズ及びストライプのバックライトによって生成される2つのビュー(1,2)(すなわちストライプのバックライトからの2つの異なる出力)の角度クロストーク・プロファイルを示す。これらのプロファイルの巡回たたみ込みは、システム・ビュー(1a...1e、2a ...2e)の角度クロストーク・プロファイルを示す図14(c)に示される。プロファイル形状は単純化されている。

同じ全体的な強度プロファイルを得るために、Nが倍にされるとき、レンズ・ピッチ(p₂)に対するストライプの厚さは半分にされなければならない。

図15は、N = 2に対する時系列的な動作を説明するために用いられる。

図15(a)は、サブフレームt = t₁に対する、セカンダリ・レンズと一緒のストライプのバックライトからの出力を示す。図15(b)は、サブフレームt = t₁に対する表示のための表示される強度プロファイルを示す。図15(c)は、サブフレームt = t₂に対する、セカンダリ・レンズと一緒のストライプのバックライトからの出力を示し、図15(d)は、サブフレームt = t₂に対する表示される強度プロファイルを示す。

N=2、等しいストライプ・ピッチ及びセカンダリ・レンズ・ピッチに対して、ストライプは、同じレベルのクロストークとなるように、サブピクセルの幅の半分でなければならない。

この結果は、一般化されることができる。w₁がサブピクセルの幅であり、w₂がバックライト・ストライプの幅である場合、ストライプの基準"等価"サイズは、

によって決定される。p₁及びp₂は、それぞれ、プライマリ及びセカンダリ・レンチキュラ・レンズアレイのレンチキュラ・ピッチであり、w₁/p₁は、プライマリ・レンチキュラレンズに対するサブピクセルの幅であり、Nw₂/p₂は、バックライト出力ストライプによって占有されるバックライト幅の割合である。

より一般的には、クロストークの量は、パラメータCを考慮することによって予測されることができる。

これは、上で示された式である。

C = 1に対して、システムは、同様のパラメータを有する通常のディスプレイと比較してやや多くのクロストークを有する。1より著しく大きなCを有することは、無駄に見える。原則として、Cは、クロストークを回避するためには可能な限り小さいものであるべきであるが、十分な光出力を保証するためには十分に大きくあるべきである。C=1/2では、すでに光学クロストークが支配的だろう。

したがって、パラメータCは、好ましくは、0.5≦C≦1の範囲にある。

より小さいストライプ幅はより鮮明なクロストーク・プロファイルを与え、それは次にピッチを低減することを可能にする。バックライト・ストライプの幅が表示パネルのサブピクセル・ピッチより小さく作成されることができるので、より薄いディスプレイが製造されることができる。一般的にストライプのバックライトの製造が表示パネルの製造より容易であるので、これは一般に当てはまる。OLEDバックライトは、例えば、LCDパネルより少ない層を有する。

ストライプの開口が、(許容できるクロストークで)サブピクセル・ピッチの半分より、より好ましくは(軽微なクロストークで)サブピクセル・ピッチの４分の１より小さい場合、より薄いディスプレイが可能である。これは、大きなピクセル・ピッチを持ち、レンチキュラの厚さがディスプレイを重くするTVのようなより大きなディスプレイに対して達成可能であり有益でもある。

バックライトのための可能性がある設計は、ここでは、N≧2を有するOLEDまたはLEDバックライトに基づいて示される。OLEDバックライトは、一般的に、フルOLEDディスプレイより単純である。同じことが、LEDバックライトのような変形例にも当てはまる。

図16は、デュアル・フェーズ(N=2)OLEDバックライトのための１つの考えられる電極構造を示す。

バックライト・ストライプは、2つの交互のセットとして配置される。バックライト中のストライプは傾斜する。ストライプはレンズ光軸に対して平行である、バックライトの傾斜角度はレンチキュラレンズのそれに適合される。

図17は、より多くのセグメント化されたストライプを有するより進化したOLEDまたはLEDバックライトを示す。より多くのストライプを有することは、観察距離補正を可能にすることと同様に、時系列的な動作に起因するフリッカーを低減するために有益である。その場合、限られた数のストライプのみが、動作の間に用いられる。そのようなバックライトは、図17に示される。この場合には、ストライプは、独立にアドレス指定可能である。示されるように、各々のストライプはセクションに分割されることができる。

N = 1の(すなわち時系列動作のない)システムのためには、いかなる電極構造も必要ではなく、１つの共通電極のみが必要である。N = 1の場合、バックライトは、ストライプ(またはストライプを形成するドット)を有する導波路を用いて形成されることができる。

図面、開示及び添付の請求の範囲の検討から、開示された実施の形態に対する他のバリエーションは、請求された発明を実施する際に、当業者によって理解され、遂行されることができる。請求の範囲において、「有する」「含む」等の用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数表現は複数を除外しない。単に特定の手段が相互に異なる従属請求項中に列挙されているからといって、これらの手段の組み合わせが有効に用いられることができないことを意味しない。請求の範囲におけるいかなる参照符号も、その範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (12)

1. バックライト、
   ピクセルのロウ及びカラムを有する表示パネル、
   レンチキュラ配置、
   を有し、
   前記バックライトは、カラム方向の又はカラム方向に対して鋭角にオフセットされたストライプを有するストライプ出力を提供し、
   前記レンチキュラ配置は、異なる表示パネル・ピクセル出力を異なる方向に向けるための、前記表示パネルの表示出力に面する側の第１レンチキュラ・レンズアレイ、及び、ストライプ・バックライト出力のコリメーションを提供するための、前記表示パネルの前記バックライトに面する側の第２レンチキュラ・レンズアレイを有する、
   自動立体視表示装置。
2. 前記第１レンチキュラ・レンズアレイが負である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２レンチキュラ・レンズアレイが正である、請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 

   であり、α₁は前記第１レンチキュラ・レンズアレイのレンズからの光の角拡散、α₂はコリメートされた出力を与えるための前記第２レンチキュラ・レンズアレイのレンズに対する光の観察コーンの角度、Nは正の整数である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 

   であり、w₁は前記表示パネルのサブピクセルの幅、p₁は前記表示パネルのピクセル・ピッチ、w₂はバックライト・ストライプの幅、p₂はバックライト・ストライプのピッチであり、Cは1.0以下である、請求項４に記載の装置。
6. Cが0.5から1.0の範囲である、請求項５に記載の装置。
7. N = 1である、請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
8. N > 1である、請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
9. N = 2である、請求項８に記載の装置。
10. バックライト・ストライプのそれぞれのセットによる照射とそれぞれが同期するN個のサブフレームのシーケンスで前記表示パネルを駆動するコントローラを有する、請求項８又は請求項９に記載の装置。
11. 前記バックライトのストライプは、表示カラム方向に対して傾斜している、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第１及び第２レンチキュラ・レンズアレイが、表示カラム方向に対して傾斜したレンズ軸を有し、前記レンズ軸と前記バックライトのストライプが平行である、請求項１１に記載の装置。

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