JP3335998B2 - 多層表示装置 - Google Patents

多層表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】−−技術分野−− 本発明は表示装置に係り、さらに詳しくは、多層の画像
を含む表示構造、および、二次元ビデオデータから奥行
きを抽出してその表示装置に表示させる方法に関する。
【０００２】−−背景技術−− 従来の表示装置は、二次元スクリーンに画像を提示す
る。通常の表示装置としては、ブラウン管（ＣＲＴ）、
液晶表示装置（ＬＣＤ）、電界効果型表示装置（field
effect display （ＦＥＤ））、投射表示装置がある。
これまで、二次元表示装置において奥行きがあるかのよ
うに見せるために様々な工夫がこらされてきた。それら
の方法では、見る者の両目に別々の像を提示することに
より、奥行きがあるように見せている。
【０００３】奥行きを感じさせる代表的な方法は、立体
的表示装置または自動立体的表示装置（オートステレオ
スコピック・ディスプレイ (auto-stereo scopic displ
ays ））である。立体的表示装置は、一般的に、複合的
な画像を用い、この複合的な画像は、見る者が装着した
眼鏡によって二つの画像に分離される。その眼鏡の各ア
イピースは、ある特性の光パターンの通過を許容し、両
方の目それぞれへ届くようにする。これを達成する一般
的な方法には、偏光板、シャッター付き眼鏡、回折格
子、多色レンズ、二つのスクリーンを持ち頭に装着され
る表示装置 (dual screen head mounted displays) の
使用がある。
【０００４】自動立体的表示装置は、眼鏡を使わない
が、その代わりに通常はスクリーン上の立体像がレンズ
または光学的格子で揃えられて、見る者の両目それぞれ
の全体に結像するようなレンズ構造を用いる。これらの
表示装置の大きな問題は、見る者の両目の間の距離に適
合するように立体像の収束を得ることができないことで
ある。不正確な収束の下で長時間見ることは、空間感覚
機能の失調や吐き気を催させる。また、たいていの自動
立体的表示装置の場合、使用されたレンズの焦点距離に
よって視野範囲が拘束される。このため、単一のスクリ
ーンを同時に見ることができる者の人数が制限され、従
来の自動立体的表示装置では、一人か二人しか同時に見
ることはできない。一方、従来の立体的表示装置では、
観客全員が眼鏡を装着することが必要になる。さらに、
これらの方法は、両方とも、見る者の動作があっても視
差を認識するために、頭の位置を追跡する装置 (head t
racking device) の使用を必要とする。
【０００５】また、複数のレベルの像を使う構想がすで
にされている（米国特許第４７３６２１４号）。これら
の構想では、単一または複数の光源からの複数の反射像
を用いる。これらの構想における複数の反射像は、幽霊
のような多層像を形成するが、そのような多層像は通常
の光条件では普通は見ることができない。
【０００６】これらの表示装置にアンテナ、ＶＣＲ、ケ
ーブルなどを介して送信される像は、通常、送信の間は
圧縮されている。これらの圧縮アルゴリズムにおいて
は、連続したフレーム相互の間のピクセル変化に基づい
て圧縮するのが普通である。
【０００７】本発明は、上記の課題を解決し、少なくと
も便利な選択肢を公衆に与えることを目的とする。本発
明のさらなる特徴や効果は以下の説明により明らかにさ
れるが、その説明は例示のためになされるに過ぎない。
【０００８】−−発明の開示−− 本発明は、上記の表示装置の制限を改善し、現実の奥行
きを持つ表示装置を提案することを目的とする。本発明
によれば、選択的に透明になる多層のスクリーンによっ
て奥行きが形成される。各スクリーンは、一つの画像を
見せることができる。各最前のスクリーンもまた透明に
なることが可能である。
【０００９】本発明の好適な実施形態は、像を抽出して
多層表示装置の各スクリーンに表示されるべき別々のチ
ャネルに振り分ける普通の圧縮アルゴリズムを用いなが
ら、本来の奥行きを設けるために選択的に透明になる多
層のスクリーンを組み合わせることにより、奥行きを持
つ改善された表示装置を提供する。多層の技術の実行
は、従来技術における多くの問題を解決するという目的
を達成するために使用されている。
【００１０】この明細書では全体にわたって、各スクリ
ーン層にＬＣＤを利用するものとして本発明を説明す
る。しかし、本発明に関して、選択的に像を見せ選択的
に透明になる他の種類のスクリーンを使うことができ、
必ずしもＬＣＤでなくてもよいことは、当業者には理解
できるだろう。
【００１１】本発明の好適な実施形態では、スクリーン
はあらかじめ調整された距離をもって互いに平行に配置
される。この距離は、スクリーンの大きさに応じた所望
の奥行きレベルに従う。典型的には、この距離は正面ス
クリーンの縦の長さの１／４であるが、実際の距離は所
望の効果に合わせて変更してもよい。また、スクリーン
の間の距離は、効果を高めるためにリアルタイムで変更
できるようにしてもよい。
【００１２】見る者から最も離れたスクリーン（背景側
スクリーン）上の像は、見る者に最も近いスクリーン
（正面スクリーン）よりもいくらかの奥行きをもって後
方にあるように見える。正面側スクリーン３における透
明にされた部分によって、背景側スクリーンに示された
像を見ることが可能になる。複数スクリーンを重ねるこ
の構造によって、多層に提示された像は、眼鏡やレンズ
を使わなくても、見る者に本来の奥行きを与える。ま
た、この構造は、頭の位置を追跡する装置がなくても、
見る者の動作があったときの視差を許容する。この表示
装置には、より大きな奥行きを与えるためにさらに層を
加えてもよい。
【００１３】さらに、視野角を増すためにスクリーンの
間に屈折体を配置してもよい。この屈折層は、その前側
に配置されたスクリーンのフルサイズにまで視野角を増
すように光を曲げる。この屈折体は、平行面を持った光
学的に透明なシートでもよいし、例えばフレネルレンズ
のような他の形式のレンズでもよい。
【００１４】選択された正面スクリーン装置が像を表示
するのに偏光源を必要とするのであれば、偏光源は背景
側スクリーン側から発散されるようにしてもよい。これ
は、非偏光なスクリーンの前に偏光シートを配置する
か、ＬＣＤのような偏光出力装置を背景側スクリーンに
使用することで達成される。背景側スクリーンから発散
される偏光は、ＬＣＤ構造の正面スクリーンの後方の偏
光板を除去したとしても、正面スクリーンが像を表示で
きるということにつながる。背景側スクリーンが、正面
側スクリーンに視認可能な像を形成するのに必要な偏光
を与えることができるからである。ＬＣＤ構造において
偏光板の数を減らすことは、部品数の削減よおび表示の
明度の向上という利益につながる。
【００１５】かかる構造においては、偏光源が遮られた
としたら、正面側で表示すべき像はもはや正面側のスク
リーンに現れなくなるだろう。偏光源と正面側スクリー
ンの間に高い光拡散性の物体を配置すると、その偏光が
遮られた部分では、正面側で表示すべき像は見えなくな
る。これは、正面側の像が拡散源の後方に通過している
のように見せるという効果をもたらす。この効果を向上
させるため、拡散体が像を持つようにしてもよい。例え
ば、正面側のスクリーンが左から右へと移動する矢を表
示する。その正面側スクリーンと偏光板との間に、光拡
散性物体に印刷されたリンゴの像がある。拡散性物体に
よって偏光源が遮られた位置に矢がある時には、拡散性
物体に印刷されたリンゴに矢が命中したかのように見え
るだろう。
【００１６】拡散性物体に代えて選択的に光を拡散する
物を用いることにより、後方スクリーン上の像を拡散
し、無限の奥行きがあるかのように見せることができ
る。
【００１７】多層のＬＣＤが使用される場合には、背景
側のＬＣＤの偏光角が、正面側のＬＣＤの後ろ側の偏光
角に揃うように、ＬＣＤの偏光板は整列しなければなら
ない。高い輝度が望まれる場合や、正面側の像が反転可
能とされる場合には、そのような偏光板の整列は不要で
ある。この場合には、反転した正面側の像は、反転して
いないように見える（反転像の反転は無反転像だからで
ある）。
【００１８】ある種のスクリーンの組み合わせにおいて
は、モアレ干渉パターンを避けるために、わずかに光を
拡散する層を設けることが必要かもしれない。このこと
はさらに、偏光板を整列させる必要性をなくし、かつ視
野角を広げるという効果も有する。
【００１９】表示装置の各層は、個別のビデオ信号を受
け取ることになるだろう。これらの信号は別々の発信源
から送られてくるようにしてもよいし、単独の発信源か
らの従来の信号から抽出されるようにしてもよい。個別
の発信源を用いた二層の表示装置では、背景は一つの信
号として、正面側は第二の信号として個別のスクリーン
に送信される。例えば、背景像が山を有し、正面像がそ
の山の前を走り抜ける自動車を有することもできる。個
別の像の源は、複数の従来のカメラまたは三次元カメラ
で撮影して得ることもできるし、ブルー・スクリーン
(blue screen) 、クロマ・キー (chroma key) 、アルフ
ァ・チャネル (alpha channel) または産業的に普通に
用いられるカメラの組み合わせにより得てもよい。
【００２０】単独の像の源からの奥行きの抽出は、ビデ
オデータの送信に使われる従来の圧縮アルゴリズムによ
って行うことができる。従来技術のビデオ圧縮アルゴリ
ズムは、データ送信の帯域の節約のために、通常は、連
続するフレーム間のピクセル変化を利用する。ビデオ圧
縮アルゴリズムによるピクセル変化についてのデータ
は、各ピクセルの変化の量に基づく奥行きを抽出するの
に使用できる。圧縮された信号は、表示装置に送られ、
ここで、ピクセル変化に基づいて信号から各層へのビデ
オストリームが抽出される。例えば、山を通過する自動
車を示すような普通の動画像があるとする。カメラは固
定されており、これにより、フレームにおいては、山が
静止しているのに対して自動車が視界を通過する。かか
る動画像では、自動車を示すピクセルは変化するが、山
を示すピクセルは一定のままである。従って、大きく変
化するピクセル（自動車）は、正面側スクリーンに割り
当てられ、変化の少ないピクセル（山）は背景側スクリ
ーンに割り当てられるだろう。
【００２１】この発明の概要において偏光について説明
した部分はＬＣＤ構造に限定されないと理解すべきであ
る。当業者には、他の非偏光表示装置でも要求に応じて
ある種の偏光特性を持つように調節することはできるか
らである。さらにまた、この発明の概要は、ＬＣＤだけ
でなく全てのスクリーンタイプを含むものであることは
当業者には容易に理解できる。スクリーンタイプに唯一
求められるのは、透明になることができる能力だけであ
る。従って、本発明は、投射、ＣＲＴ、ＦＥＤ、ＬＣＤ
スクリーンを含み、かつそれらに限定されないと理解す
べきである。
【００２２】−−発明を実施するための最良の形態−− 本発明のさらなる特徴は、図面を参照した以下の説明に
より明らかになるだろう。ただし、説明は例示のために
なされるに過ぎない。以下、本発明の様々な好適な実施
の形態について明らかにする。ここでは完全な詳細が開
示されるが、好適な実施形態の各特徴は単独で使われる
だけでなく、多層表示装置の一般的仕様を満足しつつ本
発明の他の描写との組み合わせでも使われうる。
【００２３】本発明の好適な実施形態は、選択的に透明
なスクリーンの複数の層を組み合わせることにより、奥
行きを持つ改良された表示装置を提供する。簡単な多層
像表示装置が図１に示されている。背景スクリーン１が
いくらかの距離２をもって正面側スクリーン３の後方に
配置されている。ＬＣＤのようなある種の表示装置で
は、バックライト４が必要とされることもありうる。各
スクリーンは、像５，６を示すことができる。正面側ス
クリーン６で表示された像は、背景スクリーン５で表示
された像よりも近くにあるように見える。
【００２４】スクリーンの間に屈折体１２がさらに配置
された実施形態が図２に示されている。見る者８に送ら
れる光７は線９において素材の屈折角（数字１０で示
す）で曲げられて、後方スクリーンの端縁が視野角のど
こからも見えないようになる。もし光の屈折がないとす
るなら、後方スクリーンの端縁は数字１１で示すように
９０゜より小さいどの角度からでも見えてしまうだろ
う。収差を最小限にするため、平行面を持った、光学的
に透明な材料、例えばガラスまたはアクリルからなるシ
ートを屈折体１２として用いることもできる。かかる屈
折体は、背景スクリーン１よりも正面側スクリーン３が
小さいサイズを持つように制限するだろう。本発明の一
つの好適な実施形態では、背景スクリーンの端縁から１
３５゜もの位置に、正面側スクリーンの端縁があるよう
にすることができる。
【００２５】他の好適な実施形態では、屈折体はフレネ
ルレンズのようなレンズである。ただし、フレネルレン
ズに限定されない。その実施形態では、両方のスクリー
ンはレンズよりも小さいサイズを持つことになるだろ
う。
【００２６】スクリーンの間に、わずかに光を拡散する
層１３がさらに配置された実施形態が図４に示されてい
る。この層がないと、重なったスクリーン層におけるわ
ずかなピクセルパターンの相違が組み合わさることによ
って、干渉１４が発生してしまう。スクリーンの間にこ
の拡散層１３を配置することにより、各スクリーンにお
けるピクセルパターンをわずかに拡散し、数字１５で示
すように干渉をなくすことができる。あるいは、一方の
スクリーンにおいてストライプのピクセルパターンを用
い、他方のスクリーンに４５゜傾いたピクセルパターン
を用いることにより干渉をなくすことも可能である。
【００２７】さらに明確化するために、完全な構造を図
５に示す。この複合体は、スクリーン３，６の間の距離
によって決まる制約ある本来の奥行きを持った表示装置
をなす。また、これは、選択的な光拡散体が追加されて
いることにより、無制限の奥行きがあるかのように見せ
る。背景スクリーン１の前方には偏光体シート１７が配
置されている。この偏光体シート１７は偏光源を形成す
る。あるいは、背景スクリーン１は偏光出力を持つＬＣ
Ｄであってもよい。偏光体の前方には選択的な光拡散体
１８が配置されている。拡散体１８の前方には、屈折体
１２が配置されている。屈折体の前方には、後方偏光体
のようなものを持たないＬＣＤ１６が配置されている。
【００２８】選択的な拡散体１８が透明になるように設
定された場合には、後方スクリーンは偏光を出力して、
正面側スクリーン上の像が見えるようにする。一方、選
択的な拡散体１８が光を拡散するように設定された場合
には、後方スクリーンの偏光出力は拡散光に変換され、
これにより正面側の像が見えなくなる。
【００２９】ＬＣＤのようなある種のスクリーン技術で
は、正面側スクリーンが不透明になるような能力を持つ
ことが望ましい。この好適な実施形態は図６に示されて
いる。この複合体は正面側スクリーンが不透明になる表
示装置を提供する。この形態では、後方スクリーン１の
隣には屈折体１２が設けられ、その隣には選択的な光拡
散体１８が設けられ、さらにその隣には正面側スクリー
ン３が設けられている。正面側スクリーン上の像を不透
明にするために、選択可能な拡散体が選択されて、不透
明となるように選択された領域の背後の領域を拡散す
る。
【００３０】さらに別の実施形態として、図７は三層表
示装置を示す。この三層表示装置は上記技術の大部分の
ものを持っている。この表示装置は、三つの有限の奥行
きの平面を有している。そのうちの最前スクリーン３
は、その後方にある選択的な光拡散体１８により選択的
に不透明になる。中間ＬＣＤスクリーン１６はその後方
に偏光体を持たないので無限の奥行きを有する。また、
中間ＬＣＤスクリーン１６は、その動作に必要な偏光を
拡散させるための、後方偏光体１７の前方にある選択的
な光拡散体１８の能力を有する。
【００３１】スクリーンへ像を送信する概略的な方法が
図８に示されている。ある像は背景スクリーン１に送信
される。他の像は正面側スクリーン３に送信される。あ
るいは、ありふれたビデオ圧縮アルゴリズムで作成され
たデータを用いて、単一の像から別々のビデオ信号が抽
出されるようにしてもよい。例えば、山の前方を自動車
が通り過ぎて行く動画の信号が一連のフレームとして作
成されて送信される。このシーケンスは、ビデオ圧縮ア
ルゴリズム２３に供給される。ビデオ圧縮アルゴリズム
２３では、ピクセルの色、ピクセルの位置および連続す
るフレームの間のピクセルの動きの量といったピクセル
の性質を示す数値のシーケンスに、像を変換する。
【００３２】この例では、閾値Ｘより多い変化値を持つ
ピクセルが経路２４を経て正面側スクリーン３に供給さ
れ、閾値Ｘより小さい変化値を持つピクセルが経路２７
を経て背景スクリーン１に送られる。本形態（図８）で
は、自動車を表すピクセルは高いピクセル変化量を持つ
ので、正面側スクリーン３に送られ、山はＸより小さい
ピクセル変化量を持つので背景スクリーン１に送られ
る。当業者には容易に理解できることとして、出力を多
様にするために、閾値および閾値の許容差を調節するこ
とも可能である。さらに、二層を越える多層表示装置で
は、複数の閾値を決めておいてもよい。
【００３３】以上の詳細な説明および添付図面から明ら
かなように、本発明は、表示装置において奥行きを表示
する方法を有しており、この表示装置は、見る者の動作
があっても視差を許容し、本来あるべき収束を許容し、
従来技術の表示装置を見る場合の制限なしの広い視野角
を許容する。また、各部品は表示装置の奥行きを向上さ
せ、単独または組み合わせにおいて、従来技術の表示装
置を改善することができる。当業者にとっては、請求の
範囲に記載の各請求項が様々な形式で組み合わせられる
ことは自明である。以上、本発明の様々な特徴を単なる
例示のために説明したが、本発明の範囲において修正お
よび追加が可能であることはいうまでもなかろう。 ［図面の簡単な説明］
【図１】 本発明の一実施形態に係る基本的な多層表示
装置を示す概略図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係る、屈折体を有する
多層表示装置を示す図である。
【図３】 本発明の一実施形態に係る多層表示装置にお
けるモアレ干渉パターンを示す図である。
【図４】 本発明の一実施形態に係る拡散体と、その拡
散体の上記モアレ干渉パターンに対する効果を示す図で
ある。
【図５】 本発明の一実施形態に係る、奥行きを増した
多層表示装置を示す図である。
【図６】 本発明の一実施形態に係る、明度を増した多
層表示装置を示す図である。
【図７】 本発明の一実施形態に係る、三層表示装置を
示す図である。
【図８】 本発明の一実施形態に係る、各スクリーン層
で像を表示させる方法を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ０９Ｇ 3/36 Ｇ０９Ｇ 3/36 5/36 ５１０ 5/36 ５１０Ｖ (72)発明者 ウィテヒラ，ピータ ニュージーランド，ハミルトン，アール ディー ３，デヴァイン ロード（番地 なし) (72)発明者 エンゲル，ゲイブリエル デイモン ニュージーランド，ケンブリッジ，ピ ー・オー ボックス 784，クレア ス トリート ８ (56)参考文献 特開 昭63−100898（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−122494（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−233684（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−119389（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−76139（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−222202（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−209573（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−233328（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−91545（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−7373（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−34521（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−101581（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−7916（ＪＰ，Ｕ) 特表 平８−505014（ＪＰ，Ａ) 米国特許4333715（ＵＳ，Ａ) 米国特許4294516（ＵＳ，Ａ) 国際公開98／4087（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 13/00 - 15/00

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多層像を用いる表示装置であり、前記各
    層は単独の表示装置または表示装置の組み合わせからで
    きており、正面側にあるスクリーンは選択的に透明にで
    き、わずかに光を拡散する層が背景の像の前に配置され
    ている、表示装置。
  2. 【請求項２】 上記層の間に屈折体を有する、請求項１
    に記載の表示装置。
  3. 【請求項３】 上記屈折体は、光学的に透明な材料から
    形成されており、像の間に配置されていることにより、
    正面側の像がその後方にあるスクリーンの端縁から４５
    ゜もの位置にある、請求項２に記載の表示装置。
  4. 【請求項４】 上記屈折体がフレネルレンズである、請
    求項２に記載の表示装置。
  5. 【請求項５】 上記屈折体における、後方スクリーンに
    対面した面が光拡散されている、請求項２または３に記
    載の表示装置。
  6. 【請求項６】 多像の間のスペースはリアルタイムで調
    節可能である、請求項１に記載の表示装置。
  7. 【請求項７】 多層像を用いる、請求項１〜６のいずれ
    かに記載の表示装置であり、前記各層は光透過性偏光表
    示装置の組み合わせからできており、内部的に対面する
    一つまたは複数の偏光板が除去されている、表示装置。
  8. 【請求項８】 前記光を拡散する層は、正面側の像への
    偏光を拡散するようになっている、請求項１〜７のいず
    れかに記載の表示装置。
  9. 【請求項９】 光を拡散して正面側の像を不透明にする
    ための選択的な光拡散体を有する、請求項１ないし８の
    いずれかに記載の表示装置。
  10. 【請求項１０】 選択的な光拡散体を有しており、この
    選択的な光拡散体は、偏光を拡散することにより、正面
    側の像を見えなくする、請求項１ないし９のいずれかに
    記載の表示装置。
  11. 【請求項１１】 ２次元像に基づいて、多層像を作るた
    めの奥行きを抽出する構成となっている、請求項１ない
    し１０のいずれかに記載の表示装置。
  12. 【請求項１２】 以前のフレームと次のフレームとのピ
    クセルの変化量が、各スクリーンに割り当てるための前
    記奥行きの量を示す、請求項１１に記載の表示装置。
  13. 【請求項１３】 ピクセルの小群における焦点距離を表
    す量が各スクリーンに割り当てるための奥行きの量を示
    す、請求項１２に記載の表示装置。
  14. 【請求項１４】 ピクセルの小群におけるシャープネス
    を表す量が各スクリーンに割り当てるための奥行きの量
    を示す、請求項１２ないし１３のいずれかに記載の表示
    装置。
  15. 【請求項１５】 多層像を用いる表示装置であり、前記
    各層は単独の表示装置または表示装置の組み合わせから
    できており、正面側にあるスクリーンは選択的に透明に
    でき、重ねられた前記層の間において像のピクセルの配
    列構造は、互いに４５゜の角度で交差している、表示装
    置。
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