JP4448141B2 - 自動立体マルチユーザ・ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、自動立体（autostereoscopic、裸眼立体）マルチユーザ・ディスプレイに関する。自動立体マルチユーザ・ディスプレイは、光を集束して、１以上の観察者の目へ向かう光線束を形成するスイートスポット部（sweet-spot unit）と、平面視用又は立体視用の画像シーケンスを有する２次元画像に基づいて、スイートスポット部の光を交互に変調する画像表示マトリックスと、を有する。本明細書では、"マルチユーザ・ディスプレイ"という用語は、複数の観察者が、画像シーケンスをなす交互の画像を、同時かつ独立に、３次元映像で観察するために用いることが可能な装置を示す。本発明は、各観察者の目に、単一画像を一時的にインタリーブする利点を有する。この表示手法を用いた場合、解像度は維持され、視点の数を示す要因によっては減少しない。これは、空間インタリーブの手法を用いた場合と同様である。解像度は画像表示マトリックスの解像度と同じである。

自動立体マルチユーザ・ディスプレイは、次の条件を満たすべきである。即ち、複数の観察者をサポート可能であること、広い観察領域において個々の観察者が自由かつ別々に動くことが可能であること、及び、２次元及び３次元モードにおいて、複数の画像シーケンスに選択的にアクセスすることが可能であること、という条件を満たすべきである。更に次のような特徴を備えていることが望ましい。即ち、高画質であること、ロバストであること、信頼性のあること、奥行きが浅いこと、カメラ及び立体カメラを含む、画像及び動画の共通フォーマットの全てを実質的にサポートしていること、低コストであること等の特徴を備えていることが望ましい。

一般的に、立体ディスプレイによれば、目が所定の位置に配置された場合にのみ、観察者は、クロストーク無しに立体画像を知覚することができる。これらの位置は、スイートスポットとしても知られている。本発明は、均一で、広い領域の配光を、拡張されたスイートスポットに集束し、これにより、観察者の目の動きと、追跡及び画像コントローラを用いて現在表示されている左右の画像とに応じて、これらのスイートスポットを追跡することを可能にすることを目的とする。

特許文献１には、光源追跡を用いた単一ユーザのディスプレイが開示されている。このディスプレイは、シーケンシャルモードにおいて動作する。光源のペアにおける２つの隣接するセグメントが、観察者の左右の目のために提供される。右目用のセグメントが起動した場合、第１のレンチキュラが、拡散プレート上の多数の画像中にこのセグメントを投影する。この時、このプレートは第２の光源として機能するが、その拡散特性により、第２のレンチキュラの全てのレンズを通過して画像表示マトリックスに右の画像が供給されるため、観察者の右目に光の焦点が合うことになる。

次の画像のために、光源のペアは左目用のセグメントへ切り替えられ、画像マトリックスは左の画像へ切り替えられる。観察者が立体視領域から外へ移動した場合、現在の領域に対応する第２の光源のペアが起動される。

しかしながら、拡散プレートを用いることは、マルチユーザの操作を一般的に阻害してしまうため、不都合である。これは、多数の第２の光源を有する拡散プレートは、第２のレンチキュラを通過して周期的な継続において実現されるためである。

特許文献２には、複数の観察者のために、２次元及び３次元の表示を行う手法と、追跡システムが開示されている。画像表示マットリックスの、観察者から見える面上において、ディスプレイは、シャッタを備えた２つのレンズアレイを有する制御指示部を備えており、これにより１以上の観察者の目に別々に、画像の各ピクセルの焦点が合うことになる。各レンズアレイは、画像マトリックスのピクセル毎に別個のレンズ素子を備える。このレンズ素子は、ピクセルの変調された光をシャッタ上に集束する。シャッタは、ピクセル毎に多数の微小なセグメントからなる開口部を有しており、観察者のために、その目の位置に応じて、レンズ素子毎に１つのセグメントを開く。そのセグメントは、シャッタの後ろに設けられた第２のレンズアレイの対応する第２のレンズ素子を経由して、観察者の目に投影される。観察者が動いた場合、位置検出器はその観察者の新しい位置を伝達する。これにより、この位置に対応するシャッタのセグメントを開くだけで、目にピクセルの焦点を合わせ続けることが保証される。時分割の方法を用いた立体視の動作においては、左右の画像がそれぞれの目に次々と向けられる。複数の観察者がいる場合は、複数のセグメントが稼働する。平面視の動作に置いては、全てのシャッタセグメントを開けてもよい。

このようなマルチユーザ・ディスプレイを実際に実現することはかなり困難である。なぜなら、高解像度のシャッタが必要であるからである。例えば、ピクセルピッチを一般的な０．２５ｍｍとすると、観察者の取り得る角度位置を１００箇所有する上記文書の一実施形態は、２．５μｍのセグメントを必要とする。１，６００個の列が存在する場合、一行毎に１６０，０００個のセグメントを有するシャッタが必要となるだろう。さらに、マッチングレンズ素子、シャッタ開口部、及び、画像マトリックスのピクセルは、部品の製造時、及び、組み立て時にそれらを調整する際に、極めて精密である必要がある。ピクセル又はセグメントの大きさにおける小さな偏差や、わずかなずれは、機能的な故障につながりうる。更に、組み立てられたディスプレイが、温度の変動や揺らぎ等の、周囲の影響に非常に耐久性があることも必要だろう。

他の大きな欠点は、ディスプレイ部品を個別に取り替えることができないということである。画像表示マトリックス、レンズアレイ、及び、シャッタは、その配置、解像度、及び、装置の誤差に関して、常に正確に調和する必要がある。

特許文献３には、３次元追跡システムと、シーケンシャルな立体視画像の表示を有する、マルチユーザ・ディスプレイが開示されている。この装置は、３次元的にアドレス可能なバックライト、単一の広領域、焦点を合わせるための多数の画像レンズと、画像表示マトリックスとしての空間光変調器とを、一方が他方の後ろになるように備えている。バックライトは、観察者とディスプレイとの間の距離に関して追跡することも可能にする。集束された光は画像表示マトリックスを通過するが、画像表示マトリックスは、観察者のそれぞれの目について左右の画像を交互に変調する。

この装置の欠点は、画像全体を照明するのに利用可能な光は局所的に選択可能な点光源の光のみであるため、輝度が低いこと、３次元的なバックライトに起因して、画像を形成するレンズが大きく、ディスプレイの奥行きが非常に長いことである。そのような大きなレンズの光軸から外れた光行差を制限するために、焦点距離を十分大きくする必要があり、従って、装置の奥行きを非常に深くとる必要がある。さらに、３次元的なバックライトは製造が困難である。

多数の特許が、投影システムに割り当てられた付加的なフィールドレンズ（field lens、視野レンズ）を有することを特徴としている。このレンズは、光路上の多数の位置に設けられ、これにより多数の機能が実現される。

本出願の出願人により出願され、この出願の日には公報が発行されていない、先行特許出願（特許文献４）においても、マルチユーザ・ディスプレイが開示されている。このディスプレイはスイートスポット部を備えている。このスイートスポット部は、追跡と画像制御を行い、目の位置に応じてスイートスポットを追跡する手法を提供する。

図１は、動作原理を示す上面図である。この図は、スケールは行っておらず、全ての光学素子を示しているわけではない。画像形成手段１１０の多数のレンズ素子１１１−１１４は、観察者の目Ｅ_R、Ｅ_Lに対して、照明マトリックス１２０の切り替え可能な点照明素子１１−４６の画像を形成する。広領域光源１３０に照明されると、照明マトリックス１２０は、レンズ素子と観察者毎に、１以上の光線束Ｂ１−Ｂ４を生成する。これらの光線束は重ね合わされて、観察者の目の位置に２次元のスイートスポットＳ_Rを形成する。この処理は、制御可能なスイートスポット部が、照明素子１１−４６を選択的に起動することによって実行される。ただし、制御可能なスイートスポット部は、追跡・画像制御部１６０、画像形成手段１１０、照明マトリックス１２０、及び、バックライト光源１３０から形成され、観察空間における所定のスポット位置から観察可能な、透過型ＬＣＤ画像表示マトリックス１４０の画像を表示するための、方向付けられたバックライトを生成する。なお、この観察可能な位置は、追跡・画像制御部１６０により決定される。実際には、はるかに多くのレンズ素子１１１−１１４と照明素子が提供される。ＬＣＤマトリックスのサブピクセルは、好適には、照明素子として用いられる。

観察者への経路において、光線束Ｂ１−Ｂ４は、画像表示マトリックス１４０の広い領域を通り抜ける。画像表示マトリックス１４０は、画像信号ＰＳＳの立体画像列の一つのみを交互に有する。位置検出器１５０は、ディスプレイの前の、観察者の数と、その目の位置Ｅ_R、Ｅ_Lを決定する。それに応じて、追跡・画像制御部１６０は、（この例では）照明素子１３、２４、３５、及び、４６を起動し、目の位置Ｅ_Rから観察可能な立体画像列の、現時点における画像を描画する。図１に示すように、照明素子１３、２４、３５、及び、４６は、レンズ素子の光軸に対してそれぞれ異なる位置に存在する。観察者が移動した場合、追跡・画像制御部１６０は、他の照明素子を起動し、これにより、目の移動に応じてスイートスポットの束を追跡する。立体画像を交互に表示するために、追跡・画像制御部１６０は、（画像マトリックスにおける）画像の変化のそれぞれと同期して照明素子を切り替えることで、１又は全ての観察者のそれぞれの目が観察可能な、後続する画像を表示する。この期間においては、他の目はその画像を見ることができない。なぜなら、その他の目は、いわゆるダークスポットに位置するからである。画像表示マトリックスにより提供される左右の目のための画像列と、個々の目への同期された投影が、十分高い周波数で入れ替わる場合、目は、それらに提供された個々の画像を区別することができない。両方の目は、クロストーク効果なく、画像列を立体表示として知覚する。

光線束Ｂ１−Ｂ４は、起動中の各照明素子１３、２４、３５、４６が、少なくとも数ミリメートルの直径に拡大されて、目の位置Ｅ_R、Ｅ_Lの平面上に投影されるように、伝播する。動作原理の説明を簡略化するために、この文書の全ての図面において、スイートスポットは、平行な光線束により形成される。しかしながら、実際には、伝播は、この視準からわずかにずれている。あらゆる場合において、光線束Ｂ１−Ｂ４のそれぞれがスイートスポット領域の少なくとも外縁に及ぶように、スイートスポット部は構成される。スイートスポット領域は、好適には、少なくとも観察者の目の大きさを有する。これにより、たとえ観察者が数センチメートル移動した場合においても、追跡の開始を必要とせずに、観察者は、外乱のない均一な照明によって、画像表示マトリックスの表示領域の全体を観察することを可能である。このことによれば、さらに、追跡・画像制御部１６０に対する、精密さ、機能、及び、応答時間に関する要件を大幅に緩和することができる。

上述の特許出願（特許文献４）に係るスイートスポット部の主な利点は、製造する際に、レンズ素子１１１−１１４の幅を、画像表示マトリックス１４０におけるピクセルのサイズとは独立に選択することができることである。ただし、Ｎ個の異なる観察者の観察位置のそれぞれについて、１つのスイートスポットを生成するために、各レンズ素子は、少なくとも水平方向にＮ個の照明素子１１−１６を備える。説明をわかりやすくするために、ここに示される実施形態では、個数Ｎは６である。実際には、各レンズ素子は、水平方向に照明素子をより大量に備える。ここに与えられた照明素子１１−４６の断面においては、取り得る目の位置の数は、レンズ素子１１１−１１４の特定の断面を選択することによって決定される。従って、目が取り得る位置を多数設けるために、照明マトリックス１３０の構造をコストをかけて細分化する必要はない。これは、レンズ素子１１１−１１４の幅を増大することは十分容易であるからである。

画像形成手段１１０は、好適には、一つのレンチキュラ、又は、複数のレンチキュラの組合せからなり、レンズ素子１１１−１１４は円柱レンズである。円柱レンズの垂直方向の広がりは、一般的に、画像表示マトリックス１４０の高さ全体に及ぶため、各レンズ素子は、照明マトリックス１２０において、数百の照明素子を有する。説明を簡単にするために、スイートスポットは左右の目の間で交互に切り替わるのみであるため、以下の説明においては、そのような素子は、光線束Ｂ１−Ｂ４の水平方向の方位に影響すると考える。照明マトリックスは、列と列を切り替える。円柱レンズが、垂直方向に、いくつの照明素子に及ぶかは、この発明の説明とは関係ない。この発明においては、追跡・画像制御部１６０は、垂直方向にもスイートスポットを追跡してもよい。水平方向の追跡と同様に、２次元的に拡張された投影システムの垂直方向に、個別の照明素子を選択することによって、スイートスポットは追跡される。

好適には、画像の輝度とスイートスポットの幅を増大させるために、複数の隣接する照明素子を、各光線束Ｂ１−Ｂ４について同時に起動することができる。

この手法の他の利点は、画像マトリックスが置き換えられた場合に、スイートスポット部を変更する必要がないことである。
欧州特許出願公開第０８８１８４４号明細書 国際公開第０３／０１９９５２号パンフレット 国際公開第０３／０５３０７２号パンフレット 国際公開第２００５／０２７５３４号パンフレット 独国特許出願公開第１０３３９０７６号明細書

画像表示マトリックス１４０の全体を見るために、各レンズ素子１１１−１１４及び目の位置について、ライン毎に１以上の照明素子を起動する必要がある。更に、対応する光線束Ｂ１−Ｂ４が、方向Ｄ１−Ｄ４にある個々の目の位置Ｅ_R、Ｅ_Lへ向けられた照明素子を起動しなければならない。図１に示すように、これは、特許出願（特許文献５）に係るスイートスポット部において、レンズ素子に対応する照明素子を、追跡・画像制御部１６０が、方向Ｄ１−Ｄ４に応じて起動することにより実現される。

この例では、起動中の３番目の照明素子１３が方向Ｄ１への照明を実現し、起動中の６番目の照明素子４６が方向Ｄ４への照明を実現する。このことは、特に、制御可能な位置の集合が削減された照明マトリックス１２０の周縁部において、実用的な解像度を実現する上での逆効果となる。この効果のために、観察者が画像全体を観察することのできる視角、従って、追跡・画像制御部が利用することのできる幾何的な追跡範囲がかなり限られてしまう。このことは、特に、自動立体マルチユーザ・ディスプレイの機能において、重大な欠点となる。これは、２以上の観察者がディスプレイの正面にいる場合、広い視野空間、従って、追跡・画像制御部のための広い範囲が求められるためである。さらに、観察者が中央にいる場合においても、図１における照明素子４６とレンズ素子１１４の例のように、照明素子とレンズ素子は広角に構成される。このようなレンズは光行差を引き起こし、画像表示マトリックス１４０を経由する均質な投影を実質的に阻害してしまう。

画像形成手段１１０の周縁部に設けられた、レンズ素子１１１と１１４の例に挙げて、この問題を更に詳細に説明する。レンズ素子１１１に対する照明素子１１−１３の起動は知覚可能だが、照明素子１４が起動された場合に、光線束Ｂ１^*は、知覚しづらいスポット位置Ｓ₀へ向かう。レンズ素子１１４に対応する最も外側の照明素子４６は既に起動されているため、レンズ素子１１４は、スポット位置Ｓ₀に到達することができない。従って、実際には、画像表示マトリックス１４０は、位置Ｓ₀においては、光線束Ｂ４の寄与を含まないもののみを観察することができる。

上述の例では、照明素子１５、１６、２６、４１、４２、４３を起動した場合も同様の結果が示される。付加的な照明素子を追加して、画像形成手段１１０を拡大することで、位置Ｓ₀におけるこの欠陥を改善することができるが、これは、一般的に問題を解決しない。なぜなら、画像形成手段１１０の中央に近いレンズ素子１１２、１１３については、付加的な照明素子を追加することができないためである。

照明素子の距離はレンズ素子の距離よりも常に大きいため、画像形成手段１１０の周縁部において特に広角が発生し、これにより大きな光行差が引き起こされ、従って、画像表示マトリックス１４０の均一な照明が阻害されてしまう。

本発明は、追跡・画像制御部により制御され、複数の観察者に同時に用いられ得る自動立体ディスプレイ、即ち、いわゆるマルチユーザ・ディスプレイに関する。このディスプレイは、個々の部品とその調整におけるコストと労働量が少なく、デザインがフラットであり、様々な形状を有する光学部品を取り替えることができ、さらに、輝度が高いことを特徴とする。このディスプレイは、上述の手法による欠点、特に、スイートスポット部の追跡能力に対する制限を防止することができる。また、このディスプレイは、光行差を最小限にすることができ、これにより、品質を改善することができ、特に、観察される画像の均一性を高めることができる。

この手法は、スイートスポット部を有する自動立体マルチユーザ・ディスプレイに基づくものである。ただし、スイートスポット部は、追跡・画像制御部により制御され、所定の広い領域を有する光線束を、観察者の複数の目の位置に導き、焦点を合わせる。スイートスポット部は、透過型画像表示マトリックスのための、制御可能で、方向が導かれるバックライトとして動作する。光線束は、広い画像表示マトリックスを浸透する。画像表示マトリックスでは、光線束は、立体画像列によって順次変調される。この処理においては、立体画像列における現在の画像に対応する束は、各観察者のそれぞれの目の正面に集束されて、観察可能な現在の画像の全体を表示するスイートスポットを形成する。スイートスポット部は、個別的に起動可能な多数の照明素子を有する、制御された照明マトリックスと、スイートスポット上に光線束の画像を形成する画像形成装置を備える。ただし、各光線束の方向は、追跡・画像制御部が対応する照明素子を起動することによって、決定される。

本発明によれば、目的は、マトリックス状に配置された多数のレンズ素子を有する画像形成手段と、画像形成手段の背面に設けられ、光の伝播方向に存在し、画像形成手段の全体の範囲に及ぶフィールドレンズとを備える画像形成装置により達せられる。フィールドレンズは、集光レンズ（condensing lens）の標準的な機能を有していない。なぜなら、この機能は、照明素子を特別に選択することによって実現することができるためである。レンズ素子は、起動中の照明素子の画像を、ほぼ平行な方向に、スイートスポット上に拡大して、形成する。レンズ素子の焦点距離は、これに応じて短いものとなる。

これに対して、フィールドレンズの焦点距離は、レンズ素子の焦点距離よりもずっと長い。フィールドレンズは、対応するレンズ素子に対してほぼ同じ角度に位置する、照明素子を起動する機能を有する。可能ならば、同じように対応する照明素子が、レンズピッチ毎に起動される。全てのレンズ素子に対する同等の角度によって、追跡範囲の最大化と光行差の最小化が保証されるが、これは画像表示マトリックスを均一に照明するために特に重要である。

観察者が横方向に移動した場合、球面収差とともに、画像領域の湾曲や、非対称収差（coma:コマ）等の、他に知られた画像の歪みが発生するが、そのような歪みは、レンチキュラのレンズ素子の下の同一の照明素子を起動して画像形成を行うことにより最小化される。言い換えれば、フィールドレンズによって、スイートスポットを、画像の歪みを最小限にするそのような照明素子によって形成するという効果がもたらされる。与えられた画像の品質において、フィールドレンズは追跡範囲を拡大する。図１の位置４６のように、起動中の照明素子が極端な位置にあるのは、観察者が横方向に極端な位置にいる場合のみである。

本発明は、レンズ素子の位置とは独立に、全ての起動中の照明素子は、対応するレンズ素子に対してほぼ同じ位置にあるという大きな利点を有する。これにより、照明マトリックスと画像形成手段が行わなければならないのは、対応するスイートスポットに向けられた、ほぼ視準軸に沿って平行な光線束を生成することのみとなる。接続のパターンが同等であるため、レンズ素子毎の照明素子の集合をより効率的に用いることが可能となり、従って、制御可能な位置の数が増加し、スイートスポット部の追跡可能範囲が拡張される。スイートスポットの追跡に用い得る角度の集合は、実用的に、全ての光線束についてのものと同様であり、即ち、画像表示マトリックスにおける光線束の位置とは独立である。

観察者が観察平面から移動した場合、位置検出器を有する追跡・画像制御部は、光線束の方向を、ディスプレイの正面の空間における、検出された目の位置の新たな距離に適合させることができる。対応するレンズに対する、照明素子の配置が同一であることは、ほとんど阻害されない。本発明によれば、十分な数の照明素子が各レンズ素子に対して残存する。これにより、光線束の方向は、起動中の照明素子を追跡・画像制御部の制御に基づき変化させることによって修正することができる。

観察空間における有限の広さを有するスイートスポット上に、起動中の照明素子の画像を形成するために、レンズ素子の焦点距離は短い必要がある。観察者が、ディスプレイ中央の正面の、フィールドレンズのほぼ焦点距離の位置にいると仮定すると、並行の光がスイートスポットとして用いられる場合、照明素子は、レンズ素子の正面方向の焦点距離における平面に設けられる。観察者が横方向に動いた場合、レンズ素子に基づく視野の湾曲は次第に知覚できるようになり、平行な光線束は、照明素子の焦点のあった画像形成に変換される。観察者が中央の位置にいる場合、レンズ素子は、照明素子に対して、その焦点距離により定められる位置よりも、近い位置に設けられることが望ましい。観察者が横方向に移動した場合、この距離は、焦点距離に到達、又は、超えるまで増大する。

レンズ素子の焦点距離に対応するフィールドレンズの焦点距離を適切に選択することによって、スイートスポット部が、高品質な３次元表示のためのスイートスポットを生成することのできる、最適な空間を決定することができる。

画像形成手段は、１以上のレンチキュラ、又は、レンズアレイを形成するように構成された画像形成素子を備えている。画像形成素子は、少なくとも水平方向に、照明マトリックスの制御可能な多数の照明素子を有するように構成される。このため、これらは、水平方向に画像表示マトリックスの多数のピクセルも有している。

照明マトリックスは、開口部によって、照明素子を提供する電子シャッタとしてもよい。この開口部の位置及び動力の伝達は、独立に制御可能である。また、シャッタは、バックライトにより照明され、或いは、ライン状、又は、マトリックス構造に配置された、起動して光を放射する照明素子により構成される。ただし、この照明素子は別個に制御可能である。例えば、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ：organic LED）パネル、及び、ＤＬＰｓ、ＴＦＴｓ、又は、他の種類に基づく投影部が挙げられる。

本発明においては、フィールドレンズという用語は、一般的な普通名称として用いられる。本発明に係る説明においては、その機能は、光行差を削減し、観察空間を広げることである。このレンズのサイズの観点から、そのような光学システムにおいては、フレネルレンズを用いることが望ましい。

さらに、フィールドレンズは、追跡・画像制御部により制御可能なホログラフィック光学素子とすることができる。このホログラフィック光学素子は追跡の範囲を改善するために焦点距離が変動可能である。

個々のディスプレイ部品を機能的及び構造的に分離可能にしたため、照明マトリックスの解像度に対する要件を削減することができる。それは、制御可能な位置又は角度の数によってのみ定義される。特に、この手法は、画像表示マトリックスの独立性を非常に高めている。このため、例えば、外形のサイズが同じならば、画像表示マトリックスを、より高い解像度の他の画像表示マトリックスに置き換えることが可能となる。

画像形成手段は、その全体又は一部を、ポリマー等の、光学特性を制御可能な材料で作成することができる。モアレ効果を防ぐために、画像表示マトリックスの正面の、光の伝播方向に、拡散ホイル等の、無極性の拡散媒体が設けられる。

本発明に係る自動立体マルチユーザ・ディスプレイを、実施形態により説明し、添付図面（図２−７）に示す。本発明に係る自動立体マルチユーザ・ディスプレイにおける同一の機能素子は、全ての図面において同一の符号により示される。

図２は、観察者の右目Ｅ_Rの場合の例における、本発明に係る素子の構成を示している。符号１１０は、レンズ素子１１１−１１５を有する画像形成手段を示しており、符号１２０は、各レンズ素子１１１−１１５に光線束Ｂ１−Ｂ５を生成する照明マトリックスを示している。本実施形態では、照明マトリックス１２０は、広領域光源１３０の光を用いるシャッタである。シャッタは、透過型照明素子１１−５６を有する。これは、ＬＣＤ又はＦＬＣＤパネルである。本実施形態では、画像形成手段１１０はレンチキュラである。照明マトリックス１２０はこのレンチキュラの焦点平面の近傍に設けられ、これにより、光線束Ｂ１−Ｂ５は、ほぼ並行の束として、画像形成手段１１０から放射される。

照明マトリックス１２０の全ての起動中の照明素子１５、２５、３５、４５、及び、５５は、対応するレンズ素子に対して同一の位置に存在する。従って、光線束は、レンズ素子１１１−１１５から同じ角度で放射され、同様の光学特性及び形状を有する。一方では、これは、断面形状と上述の光行差と指向性の歪みに関する。従って、全てのスイートスポットの均一性が改善され、これによりディスプレイによる画像表示の品質が、大幅に改善される。他方では、起動中の照明素子が、対応するレンズ素子に対して同じ位置にあるため、追跡・画像制御部１６０は、各光線束Ｂ１−Ｂ５について、制御可能な位置における同じ集合においてフォールバックすることができる。従って、追跡・画像制御部１６０の追跡可能な領域の範囲は、大幅に広くなる。このような構成により、追跡・画像制御部１６０を用いて照明マトリックス１２０が追跡することによって、ディスプレイから様々な距離にいる複数の観察者の目の位置に応じて、スイートスポットを追跡することが可能である。

図２に示すように、光線束Ｂ１−Ｂ５は、フィールドレンズ１７０から、異なる方向Ｄ１−Ｄ５に放射し、観察者の右目Ｅ_Rの正面で重なって、スイートスポットＳ_Rを形成する。光線束Ｂ１−Ｂ５は、図１に示すように、画像毎に変調される。

次に、図３に示すように、観察者の左目に左の立体画像が同様に提供される。ここでは、照明素子１４、２４、３４、４４、及び、５４が起動される。光線束Ｂ１−Ｂ５は、フィールドレンズ１７０から異なる方向Ｄ６−Ｄ１０に放射され、観察者の左目Ｅ_Lの正面で重ね合わされて、スイートスポットＳ_Lを形成する。

図４に示すように、ずっと狭い空間しか必要とせず、かなり安価なフレネルレンズ１７１を、コンパクトなフィールドレンズ１７０の代わりに好適に用いることもできる。フレネルレンズ１７１の構造化された面は、画像形成手段１１０に面することが望ましい。フレネルレンズ１７１の構造化された面が、画像表示マトリックス１４０に向かうように設置された場合、特に、ディスプレイの左右の縁において、ほぼ全反射又は全反射を引き起こす屈折角が発生する。焦点距離、及び、光線束の入射角に関して、フィールドレンズのカットは、各光線束自身が一点に集まることがほとんどなく、光線束が最適な観察者の距離において明瞭に重ね合わされるようにデザインされることが望ましい。追跡・画像制御部が光線束を追跡する作業範囲の開始位置は、フィールドレンズの焦点距離を変化させて決定することができる。これは、最適な焦点距離が、好適には、観察者とディスプレイとの間の最適距離の、半分から全体の間の範囲に存在する理由である。

スイートスポット部の画像形成手段１１０は、レンチキュラである、又は、ライン状若しくはマトリックス状に配置された複数の画像形成素子を有する。観察空間において一般に別々に制御可能な位置の数は、画像形成素子の断面領域の割合と、照明マトリックスの閉じられた開口部の数に基づいて決定される。

光行差のため、レンチキュラの角度の範囲は、例えば０．１ｒａｄと比較的小さい。光行差を抑制するという目的と、観察可能な角度を広げるという目的の少なくともいずれの目的のために、一つのレンチキュラではなく２つのレンチキュラを用いることもできる。光の進行方向に頂点が整列されたレンチキュラを用いることで、光行差を最小限に抑え、観察可能な角度を大きくすることができる。

一つのレンズを有する単純なレンチキュラを用いると、空間的な光行差や非対称収差等の、上述の画像の歪みが現れてしまう。そのような歪みを防ぐことを目的とする好適な実施形態においては、互いに並行で共直線状の、２つのシングルレンチキュラからなる、タンデム型レンチキュラを備える。シングルレンチキュラの両方の画像形成素子の頂点が、合同に配置された光の進行方向に沿って整列され、わずかにピッチが異なる。画像形成手段の他の変形は、シングルレンチキュラのピッチがほぼ合同であり、レンズが互いに面している、ダブルレンチキュラを利用するものである。

図５は、複数の観察者のために立体表示を行う構成を示している。図に示す状況では、画像表示マトリックス１４０は、ここでは２人の観察者のための、右の立体画像を有している。２人の観察者の、それぞれの、右目Ｅ_R1、Ｅ_R2用のスイートスポットＳ_R1、Ｓ_R2のための、光線束Ｂ１_R−Ｂ５_R及びＢ１_L−Ｂ５_Lは、照明マトリックス１２０における対応する照明素子１５、２５、３５、４５、及び、５５を起動することにより生成される。画像列の次の画像として、画像表示マトリックス１４０は左の立体画像を有し、スイートスポットは、観察者の左目Ｅ_L1、Ｅ_L2に向けられる。２以上の観察者は、異なる平面視画像も見ることができる。これは、観察者の両方の目のためのスイートスポットを同時に起動することによって実現される。ただし、画像マトリックスは、その観察者に提供される画像を有している。さらに、ディスプレイは、照明マトリックスの全体を起動することで、任意の数の観察者のために平面視のモードへ切り替えることができる。これにより、観察空間の広い領域において一様に明るい照明がもたらされる。

画像情報を一方の観察者には与えないようにする必要がある場合は、図６のように、平面視モードの場合と同様に、対応するスイートスポットについて起動を停止すれば十分である。観察者１（例えば、銀行員）は、スイートスポットＳ１を介して両方の目で利用可能な情報を見ることができるが、観察者２（例えば、顧客）にはディスプレイは暗く見える。

図７は、照明マトリックスとして、例えば、ＤＬＰに基づく、投影システム１８０を示している。ここに示されるように、画像形成手段１１０とフレネルレンズ１７１は、画像表示マトリックス１４０により提供される画像列の画像のそれぞれについて、スイートスポットを生成する。上述のように、画像コンテンツは観察空間に投影される。本発明においては、画像形成手段１１０の正面に、更に、拡散プレート１９０又は他のフィールドレンズを設けることもできる。ただし、このプレート又はレンズは、光を画像形成手段に導くものである。

更に、好適には、複数の観察者のための異なる画像列の画像を、１つのディスプレイ上に順次表示するために本発明を応用することもできる。このディスプレイは、例えば、乗り物において、乗り物の運転者には、オンボードコンピュータにより提供される情報を提示し、一方、同乗者は、テレビ番組やビデオ等の情報を楽しめるように、利用することができる。ただし、運転者に提示する情報には、例えば、ナビゲーション情報、又は、スピード、気温、燃料消費、動作不具合等の動作情報が含まれる。これを実現するために、追跡・画像制御部１６０は、画像列の周波数に同期して、運転者と同乗者との間でスイートスポットを交互に切り替える。

画像表示マトリックスと協同で、上述のスイートスポット部は、すばらしい画質を提供して幅広い層を魅了する、自動立体マルチユーザ・ディスプレイを実現する。ディスプレイは、２次元と３次元の両方のモードで、複数のユーザのために同時に用いることができ、リアルタイム処理を実行可能で、照明マトリックスの素子が比較的多数あるにも関わらず、高解像度、大きな輝度、及び、短い奥行きを実現している。特に広いスイートスポットは、観察者の動きやすさを非常に高めている。ディスプレイはロバストであり、先行技術の装置に存在した、製造の正確さに対する極端な要求を格段に緩和している。本実施形態に係るディスプレイは、画像表示に関する品質が非常に高いため、医療、技術、研究開発等の分野におけるハイエンド・アプリケーションや、ビデオ会議システムや広告、及び、ホームディスプレイ、パームトップ・コンピュータ、テレビ電話等のローエンド・アプリケーション、その他多くのアプリケーションに適している。

先行特許出願（特許文献４）に開示された自動立体マルチユーザ・ディスプレイを示す図である。 観察者の目に、一様な形状を有するスイートスポットを生成するスイートスポット部と、画像形成手段を備える、本発明に係る自動立体マルチユーザ・ディスプレイを示す図である。 観察者の他方の目に、スイートスポットを生成するスイートスポット部を備える、本発明に係る自動立体マルチユーザ・ディスプレイを示す図である。 フレネルレンズを備える、本発明に係るスイートスポット部を示す図である。 複数の観察者にスイートスポットの束を生成する起動中の照明素子を備えた、本発明に係るスイートスポット部を示す図である。 スイートスポットが１人の観察者にのみ生成される、２次元モードの、ディスプレイの動作の模式図である。 投影部を照明マトリックスとして用いる、スイートスポット部の実施形態の模式図である。

Claims (15)

1. 追跡・画像制御部（１６０）により方向が制御されるスイートスポット部を有する自動立体マルチユーザ・ディスプレイであって、
   前記スイートスポット部は、
   個別に起動可能な多数の照明素子を備える照明マトリックス（１２０，１３０）と、
   異なる目の位置（Ｅ_L1／Ｅ_R1，Ｅ_L2／Ｅ_R2）に対応する拡張されたスイートスポット（Ｓ_R／Ｓ_L）上に光線束を導いて、起動中の照明素子の画像を交互に形成するための、レンズ素子（１１１−１１５）を有する画像形成装置と、
   を有し、
   これにより、透過型画像表示マトリックス（１４０）上に提供される立体画像列の左右の画像を、観察者の左右の目の位置（Ｅ_L1／Ｅ_R1，Ｅ_L2／Ｅ_R2）に観察可能に表示することができ、
   前記追跡・画像制御部（１６０）は、
   目の位置（Ｅ_L1／Ｅ_R1，Ｅ_L2／Ｅ_R2）、レンズ素子（１１１−１１５）、及び、ラインについて、前記照明マトリックス（１２０，１３０）における１以上の照明素子を起動することによって、各光線束（Ｂ１−Ｂ５）の方向（Ｄ１，Ｄ２，...，又は、Ｄ５）を決定し、
   これにより、全ての光線束（Ｂ１−Ｂ５）は、前記スイートスポット（Ｓ_R／Ｓ_L）の前記位置に集光され、
   前記画像形成装置は、
   焦点距離が短い多数のレンズ素子（１１１−１１５）を有する画像形成手段（１１０）であって、これにより、起動中の照明素子の画像が前記スイートスポット（Ｓ_R／Ｓ_L）上に拡大して形成される、画像形成手段（１１０）と、
   隣接する光線束（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４，Ｂ５）の間の前記距離を、最小かつ一定に保つために、光が伝播する前記方向において前記画像形成手段（１１０）の後ろに設けられ、前記レンズ素子（１１１−１１５）よりもさらに長い焦点距離を有するフィールドレンズ（１７０）であって、これにより、前記光線束の方向（Ｄ１−Ｄ５）の前記決定は、前記照明マトリックス（１２０）と共にサポートされる、フィールドレンズ（１７０）と、
   を備える自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
2. 前記スイートスポット部の横方向の追跡範囲を広くするために、前記レンズ素子（１１１−１１５）の焦点距離は短く、画像形成手段（１１０）及び照明マトリックス（１２０，１３０）は、互いにほぼ焦点距離を保って設けられることを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
3. 前記追跡・画像制御部（１６０）は、
   各目の位置について、前記画像形成手段（１１０）の中央の光線束（Ｂ３）は、前記目の位置（Ｅ_L／Ｅ_R）へ向けて前記画像形成手段（１１０）から発せられ、他の全ての光線束（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４，Ｂ５）は、前記中央の光線束（Ｂ３）と略平行に前記画像形成手段（１１０）から発せられ、
   前記フィールドレンズ（１７０）により全ての光線束が集光されて、目の位置（Ｅ_L1／Ｅ_R1，Ｅ_L2，Ｅ_R2）に対応するスイートスポットが形成される
   ように照明マトリックス（１２０，１３０）を制御することを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
4. 前記フィールドレンズ（１７０）はフレネルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
5. 焦点距離及び前記光線束の入射角に関して、前記フィールドレンズのカットは、前記光線束自身が一点に集中することなく、前記光線束が観察者の最適距離で明瞭に重ね合わされるようにデザインされることを特徴とする請求項４に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
6. 観察者の横方向の目の位置（Ｅ_L1／Ｅ_R1，Ｅ_L2／Ｅ_R2）と、前記画像表示マトリックス（１４０）に対するこれらの目の位置の距離とを決定する位置検出器（１５０）を備え、
   前記追跡・画像制御部（１６０）は、それに応じて起動中の前記照明素子を切り替えることによって、前記光線束（Ｂ１−Ｂ５）の前記方向（Ｄ１−Ｄ５）を、前記ディスプレイの正面の観察空間における、検出された前記目の位置（Ｅ_L1／Ｅ_R1，Ｅ_L2／Ｅ_R2）に適合させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
7. 前記フィールドレンズ（１７０又は１７１）の前記焦点距離は、観察者と前記ディスプレイとの間の最適距離の、半分から全体の間の範囲に存在する
   ことを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
8. 前記フィールドレンズ（１７０）は、焦点距離を制御可能な、制御可能ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であり、
   前記追跡・画像制御部（１６０）は、その焦点距離を前記検出された距離に基づいて設定する
   ことを特徴とする請求項７に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
9. 前記画像形成手段（１１０）は、レンチキュラ、タンデム型レンチキュラ、又は、ダブルレンチキュラであることを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
10. 前記照明マトリックスは、バックライト（１３０）と、開口部を有する電子シャッタ（１２０）とを備え、
    前記開口部の位置及び動力の伝達は、独立に制御可能である
    ことを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
11. 前記画像表示マトリックス（１４０）とシャッタ（１２０）とは、同じピクセル形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
12. 前記照明マトリックスは、起動中に光を放出する素子の規則的な配列であり、
    前記素子の位置及び強度は独立に制御可能である
    ことを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
13. 前記画像形成手段（１１０）は、その全体又は部分が、光学特性が制御可能な材料により作成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
14. 前記照明マトリックスは、
    光が伝播する前記方向から見て、前記画像形成手段（１１０）の正面に設けられることが望ましい、拡散層とフレネルレンズとの少なくともいずれかを有する投影ユニット（１８０）である
    ことを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。
15. 投影素子及び画像ライン毎の隣接する複数の照明素子は同時に起動され、
    これにより、前記画像表示マトリックス（１４０）の照明が均一となり、前記スイートスポットが拡大される
    ことを特徴とする請求項１に記載の自動立体マルチユーザ・ディスプレイ。

Images