JP4668171B2 - 自動立体ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、複数のアドレス指定可能な画素を有する表示アレイ及び前記表示アレイの前記画素をアドレス指定する手段を有する自動立体（autostereoscopic）表示装置に関する。

冒頭の段落に記載された種類の自動立体表示装置は、米国特許公開公報５９６９８５０から既知である。

基本的に、３次元の印象は、ステレオ対（観察者の２つの目に向けられた２つの異なる画像）、ホログラフィック技術、又はディスプレイの複数の面を使用することにより作成されることができる。多断面技術を用いると、２次元の画素が３次元体積のいわゆるボクセルにより置き換えられる体積画像が構築される。ほとんどの多断面表示の不利点は、前記ボクセルが光を生成するが、遮らないことである。これは、透明なオブジェクトを引き起こし、表示される画像にまさしく文字通りにゴーストのような不愉快な外観を与える。

立体（stereoscopic）ディスプレイは、この問題を被らない。ステレオ画像を生成する複数の方法が存在する。画像は２次元表示に時分割されることができるが、これは、観察者が例えばＬＣＤシャッタを有する眼鏡をかけることを必要とする。前記ステレオ画像が同時に表示される場合に、前記画像は頭部装着型ディスプレイを使用することにより又は偏光眼鏡を使用することにより適切な目に向けられることができる（偏光眼鏡の場合、画像は直角に偏光された光で生成される）。観察者によりかけられた眼鏡は、効果的に視野をそれぞれの目に送る。前記眼鏡の偏光板又はシャッタは、フレームレートに対して同期され、ルーティングを制御する。フリッカを防ぐために、２次元の同等な画像に対してフレームレートが２倍にされるか、又は解像度が半分にされなければならない。このようなシステムの不利点は、２つの画像が、制限された"ルックアラウンド（look around）"性能のみを生成することである。更に、効果を生じるために眼鏡がかけられなければならない。これは眼鏡をかけることに慣れていない観察者にとって不快であり、追加の眼鏡は常にフィットしないので、既に眼鏡をかけている観察者にとって潜在的な問題である。

観察者の目の近くの代わりに、例えば米国特許公開公報５９６９８５０のように、２つのステレオ画像が視差バリアのような画面を分割する手段により表示画面において分割されることもできる。

これらのディスプレイは、３次元画像を見るのに特別な眼鏡が必要とされない点で自動立体式であるが、しばしば空間の固定位置における１人の観察者に対してのみ機能する。観察領域が非常に狭い。前記観察領域の外では、前記観察者は、非常に不愉快な視野を引き起こす複数の画像又はステレオ反転を見る。実際に、これは、多くの応用例に対して、例えばリビングルームにおいて、前記観察者が３次元画像を見ることができるために１つの特定のスポットに座らなければならないほど前記観察領域が小さいことを意味する。マルチビュー（multi-view）画像を提供する解決策は、解像度を犠牲にしてこのようにする。

米国特許公開公報ＵＳ５９６９８５０から既知の装置は、動的な視差バリア、即ちバリアスリットが画面内を移動する視差バリアを使用することにより狭い観察領域問題に対する解決策を提供する。

米国特許公開公報ＵＳ５９６９８５０に記載されたようにマルチビューの自動立体ディスプレイを得ることは可能であるが、上述の原理の欠点は、効率の欠如である。少量の放射された光のみが前記動的な視差バリアを通過する。例えば、１０００スロット（したがって１０００サブフレーム）を持つ視差バリアディスプレイを使用する場合、１０００画素の水平解像度を持つ。しかしながら、光は前記視差バリアの裏側全体で光り、これは前記光の９９.９％を遮る。したがって、テレビの応用例に対して、十分に明るい画像を得るためには少なくとも非常に高い光強度を必要とする。前記動的なバリアの複数のスロットを同時に透明にすることにより効率が向上されることができるが、非常に貧しい効率の原理的問題は残り、複数のスロットを使用することができるために、異なる観察方向の量が妥協されなければならない。

したがって本発明の目的は、向上された効率及び自動立体表示を可能にする既知の装置に対する代替物を提供することである。

このために本発明による装置は、前記表示装置が表示アレイの画素により放射されたコリメート光（collimated light）を供給する手段と、円柱レンズの長手軸に対して垂直な方向に前記表示アレイに表示される画像を焦点合わせする当該円柱レンズとを有し、前記装置が更に前記表示アレイに表示される画像が動作中に焦点を合わせられる複数の開口を有する表示画面と、前記表示画面情の前記開口を順番に走査する走査手段と、前記表示画面内の前記開口の走査の周波数に対応するレートで前記表示アレイ上の画像情報を変更する手段とを有することを特徴とする。

コリメート光とは、本発明の概念内では、比較的狭い角度、典型的には１０度以下、好ましくは５度以下、最も好ましくは約２度に制限された光である。本発明の枠組み内で、"コリメーション（collimation）"とは、必ずしも２方向ではなく、少なくとも１方向、走査の方向におけるコリメーションを意味し、即ち必ずしも前記走査方向に垂直な方向におけるコリメーションでなくてもよい。実際に、これは、しばしば水平方向（左右）のコリメーションを意味するのに対し、縦方向（上下）のコリメーションは、大幅に少ないか、若しくは見られないことがあり、又はあってもよい。

前記表示画面上の縦ライン（vertical line）毎の観察方向は、前記表示アレイと前記表示画面との間における正の円柱レンズを用いて円柱レンズにより形成された１本の縦ライン上に２次元表示アレイを投影することにより構築される。１フレーム時間の間に、前記表示画面上の開口は、例えば及び好ましくは回転鏡又はポリゴンのような走査手段を用いて左から右（又はその逆）に走査される。縦ライン毎に、新しい画像が２次元表示画面に表示される。したがって、前記表示アレイは十分に速くなければならず、例えば５０Ｈｚのフレームレートが使用され、１０００の円柱レンズが前記表示画面上で使用される場合に、前記表示アレイの変更のレートは５０×１０００＝５０ｋＨｚでなければならない。このような装置は、例えば強誘電性液晶及びマイクロミラーアレイに基づくＬＣＤとして存在する。

本発明による装置は、前記表示アレイにより放射される全ての光が使用されるので高い効率が得られ、更に、前記装置が、前記表示アレイに送信される情報を単に変更することにより２次元モードと同様に３次元モードで使用されることができ、したがってこれが２次元−３次元互換性を持つという利点を持つ。前記装置は、ゴーグルを使用する必要なく、又は非常に低い効率を持つことなく多数の観察領域を使用可能にする。

合計視野角を増大するために、前記表示画面における又は近い円柱レンズの使用が好ましい。これらの要素無しでは、視野角は家庭のテレビ使用に対して小さすぎる。

加えて、光路長を減少するための前記表示アレイと前記表示画面との間におけるレンズの使用は、前記表示装置の奥行きを減少するのに好ましい。

良い表示画面性能を得るために、２次元表示の（サブ）フレームレートと前記走査手段による走査、例えば回転鏡又はポリゴンの回転の速度との良い同期が好ましい。好適なクラスの実施例において、これは、前記表示画面の裏側において光ビームの位置を検出するインデックス光センサ（例えばフォトダイオード）のインデックス信号を使用するフィードバック機構を用いて達成される。

好適なクラスの実施例において、前記装置は、前記走査手段と前記表示画面との間にスリットシャドウマスクを備える。良い性能を得るために、円柱レンズに落ちる（fall on）ことを意図された画像が実際に前記円柱レンズに落ちることが保証されなければならない。前記走査手段と前記表示画面との間でスリットシャドウマスクを使用することにより、表示の輝度を減少しても、光路のわずかなずれの影響が弱められる。

他の好適なクラスの実施例において、前記表示画面は、インデックス光センサ及び前記走査手段に面する側面を備え、前記インデックス光センサからの信号は、前記走査手段にフィードバックされる。

本発明のこれら及び他の態様は、ここに記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。

図は正しい縮尺比で描かれていない。一般に、同一の構成要素は、前記図の中の同じ参照符号により示される。

図１は表示装置を図示する。３次元テレビのためには、光が独立に放射される多数の観察方向を必要とする。家庭での使用において、観察距離は約３ｍであり、人々は約３ｍの幅のソファに座る、図１参照。したがって、少なくとも６０度の視野角が必要とされる。人間の目は互いに６.５ｃｍ離れて位置する。それぞれの目に対して異なる画像を届けるために、ディスプレイは、少なくとも３ｍ／６.５ｃｍ＝３００／６.５＝５０の方向に光を放射する必要がある。頭を動かしても不連続な遷移無しで３次元画像に達するためには、３次元テレビは、５０より大幅に多い、例えば少なくとも１００の方向に光を放射すべきである。

図２は、２つのステレオ画像を分割する視差バリアの基本原理を図示する。２つのステレオ画像の縦ラインは、例えばバックライトを有する空間光変調器（例えばＬＣＤ）上に交互に表示される。視差バリア７の格子構造は、観察者４のそれぞれの目が適切なステレオ画像（５、６）を見ることを保証する。

図３Ａは、視差バリアの使用を図示する。

従来のバリア自動立体表示システムにおいて、バリア３１は表示アレイ３２の前に配置される。画像のステレオ対の左画像及び右画像は縦のストリップにスライスされる。前記左画像のストリップ３２Ｌ及び前記右画像のストリップ３２Ｒは、アレイ３２上に交互に配置される。スロット３１Ａがバリア３１に形成される。スロット３１Ａは、観察者の左眼４Ｌが前記左画像のストリップ３２Ｌのみを見ることができ、右目４Ｒが前記対の前記右画像のストリップ３２Ｒのみを見ることができるように配置される。前記観察者は、完全な画像を３次元で再構成する。

ここで図３Ｂを参照すると、バリア３１が、それぞれ左画像ストリップ３２Ｌ及び右画像ストリップ３２Ｒの異なる対に対応する垂直円柱レンズ３３Ａのアレイを有するレンチキュラレンズスクリーン３３により置き換えられた同様な原理が説明される。動作中に、各レンズは、観察者の左目４Ｌを左画像ストリップ３２Ｌに向け、前記観察者の右目４Ｒを右画像ストリップ３２Ｒに向ける。

図４は、基本的な立体視装置の問題を図示する。正しい観察領域内に座っていない観察者は混乱する。前記観察領域は非常に狭い。前記観察領域の外で、前記観察者は複数の画像又はステレオ反転を見て、結果として非常に不快な観察になる。実際に、これは、多くの応用に対して、例えばリビングルームにおいて、前記観察者が何かを見ることができるために唯１つの特定のスポットに座らなければならないほど前記観察領域が小さいことを意味する。リビングルームでの使用に対して、これは、１つのスポットに座った場合のみに１人の観察者しか３次元画像を見ることができないので、最適からは程遠い。

図５は、米国特許公開公報ＵＳ５９６９８５０から既知の装置を概略的に図示する。この装置において、狭い観察領域の問題に対する解決策は、動的な視差バリア５１、即ちバリアのスリットが画面を移動する視差バリアを使用することにより提供される。

ＵＳ５９６９８５０に記載されたようにマルチビューの自動立体ディスプレイを得ることは可能であるが、上述の原理の欠点は、効率の欠如である。少量の放射された光のみが前記動的な視差バリアを通過する。例えば、１０００スロット（したがって１０００サブフレーム）を持つ視差バリアディスプレイを使用する場合には、１０００画素の水平解像度を持つ。しかしながら、前記光は前記視差バリアの裏側全体で光り、後者は前記光の９９.９％を遮る。したがって、テレビ使用に対して、十分に明るい画像を得るためには少なくとも非常に高い光強度を必要とする。前記動的バリアの複数のスロットを同時に透明にすることにより効率が向上されることができるが、非常に貧しい効率の原理的な問題は残り、複数のスロットを使用することができるためには、異なる観察方向の量が妥協されなければならない。

レンチキュラレンズ及び視差バリアに対して同様に存在する解像度の劣化の他に、前記バリアの約１００の縦ラインの１つのみが透明であるので、視差バリアを通る光透過率も大幅に減少される。この前記光の９９％（以上）の遮断は、結果として極端に不十分な表示を生じる。

したがって、良い３次元表示が、眼鏡が必要とされないが良い光出力を持つという点で自動立体的であるべきであるという問題は残っている。

更にこれは好ましくは、頭痛及び目の焦点合わせの問題を避けるために"ルックアラウンド"性能を持つ。好ましくは、この性能は、前記観察者の頭部を追跡する追加手段無しでディスプレイに内在すべきである。テレビ使用に対して、前記ディスプレイはマルチビューワ性能をも持たなければならない。最後に、３次元ディスプレイは２次元互換性をも持つべきである。マルチビューワ性能を持つ上記自動立体ディスプレイは、原理的にレンチキュラスクリーン又は視差バリアを用いて作られることができるが、大幅に減少された解像度を犠牲にする。

このために、本発明による装置は、前記表示装置が、前記表示アレイの画素により放射されたコリメート光を供給する手段と、円柱レンズであって、前記円柱レンズの長手軸に垂直な方向に前記表示アレイに表示される画像を焦点合わせする当該円柱レンズとを有し、前記装置が更に、前記表示アレイに表示された画像が動作中に焦点を合わせられる（好ましくは複数の他の円柱レンズをそれぞれ備えた）複数の開口を有する表示画面と、前記表示画面上の（好ましくは前記複数の他の円柱レンズを備えた）開口を順番に走査する走査手段と前記表示画面の前記開口の走査の周波数に対応するレートで前記表示アレイ上の画像情報を変更する手段とを有することを特徴とする。

本発明による前記装置の原理は、図６に概略的に示され、本発明の単純な実施例を示す。

前記ディスプレイの縦ライン毎の観察方向は、正の円柱レンズ６３を用いて１つの縦ライン６２上に２次元表示アレイ６１を通過する光源６０からのコリメート光を投影することにより構築される。１フレーム時間の間に、回転鏡又はポリゴン６４を用いて列が左から右（又はその逆）に走査される。各縦ライン６２に対して、他の円柱レンズ６５は、表示画面６６に設けられる。画面６６上の各縦ライン６２に対して、新しい画像は２次元ディスプレイ６１に表示される。（実際には完全な画像を有する）このラインが通る他の円柱レンズ６５は、好適な実施例において光線６７に拡張される。前記表示アレイは、前記開口（又は好適な実施例において前記円柱レンズ）上の走査と合わせて前記表示アレイ上の画像を変更するのが十分に速くなくてはならない。強誘電性液晶に基づくＬＣＤは、例えば十分に速い。

合計視野角を増大するために、画面位置における他の円柱レンズ６５のような光学素子の使用が好ましい。これらの素子無しで、即ち前記画面が単純に前記開口を備える場合に、前記視野角は、家庭用テレビの使用に対して小さすぎる。加えて、レンズ６８のような追加の光学素子は、前記ディスプレイの奥行きを減少するのに好ましい。

本発明による前記表示装置は、図５のディスプレイに対して論じられた効率問題を持たない。本発明による前記表示装置において、表示アレイ６１からの全て（又は少なくともほとんど全て）の光が、画像を構築するために使用される。しかしながら、この光はコリメートされ（collimated）なければならない。適切なコリメート光源は、ＬＣＤプロジェクタ（"ビーマ"）であってもよく、又はレーザ光が使用されてもよい。後者の場合、２次元画像を生成するために走査レーザビームを使用してもよい。本発明による前記表示装置は、下位互換性がある。通常のビデオは、指向性の視野毎に同じ輝度情報を持つことにより示されることができる。即ち２次元表示アレイの１行の画素は、同じ情報を示す。光を全ての方向に放射する表示アレイを使用し、前記光をコリメートし、即ち放射光アレイと前記回転鏡又はポリゴンとの間に光コリメート素子（light collimating element）を配置することも可能であることは本発明の概念の内である。しかしながら、これは、通常は、放射された光の一部のみが効率的に使用されることを意味し、しばしば数本ないし数十本の放射された光のみを使用する。しかしながら、このような実施例でさえも、本発明による前記表示装置の効率は、前記既知の装置の効率を大きく上回る。前記アレイは、前記表示アレイ上に画像を作成する制御装置６９に結合される。

画面性能の良い面（good front）を得るために、前記２次元表示の（サブ）フレームレートと前記鏡又はポリゴンの回転角とを同期することは好適である。例えば、これは、前記画面上の前記ビームの位置を検出するためにフォトダイオードを使用するフィードバック機構を用いて達成されることができる。

図７は、このような実施例を図示する。この図において、画面６６の一部は、前記画面上のフォトダイオード７１のような感光素子を示すために拡大される。感光素子７１からの信号は、フィードバック機構を介して前記回転鏡又はポリゴン６４を調整する制御装置７２に送信される。本発明の概念内の"回転"が、前記表示画面上の前記表示アレイの画像を走査する運動を含むと理解される。最も単純な実施例において、これは回転運動であり、しかしながらロッキング（前後）運動又は傾斜運動であってもよい。

他の好適なクラスの実施例において、前記装置は、走査手段６４と表示画面６６との間にスリットシャドウマスクが備えられる。良い性能を得るために、（例えば他の円柱レンズ６５のような）開口に落ちることを意図された画像が、実際に前記他の円柱レンズに落ちることが保証されなければならない。前記走査手段と前記表示画面との間でスリットシャドウマスクを使用することにより、前記ディスプレイの輝度を減少することを犠牲にして、前記光路のわずかなずれの影響は弱められる。図８は、このような実施例による装置の細部を概略的に図示する。レンズ６５の前に、即ち（例えば回転鏡のような）前記走査手段と前記レンズとの間の光路内に、スリットシャドウマスク８１が配置される。前記シャドウマスクは、前記光が前記レンズ上のみに落ちることを保証する。これは、前記装置の性能を増大するが、光出力を犠牲にする。

本発明の範囲内で多くの変更例が可能であることは明らかである。

本発明が、特に示され、上に記載されたものに限定されないことは、当業者により理解されるであろう。本発明は、ありとあらゆる新しい特徴的フィーチャ及びありとあらゆる特徴的フィーチャの組合せに存在する。請求項内の参照符号は、保護範囲を制限しない。動詞"有する"及びその活用形の使用は、請求項に記載された要素以外の要素の存在を除外しない。要素に先行する冠詞"１つの"の使用は、複数のこのような要素の存在を除外しない。

例えば、これまでに示された模範的実施例において１つの表示アレイのみが使用されるのに対し、本発明による表示装置の実施例において、１より多い表示アレイが前記画面又は前記画面の一部を走査されることができる。このような実施例は、図９に概略的に示され、２つの表示アレイ９１及び９２が存在する。これは、光出力を増大するために、又は前記ディスプレイのリフレッシュレートを減少するために有利に使用されることができる。

示された模範的な実施例の変更の他の例は、例えば、レンズ（レンズ６３又は６８のいずれか）として湾曲した鏡面が使用される実施例により形成される。周知のように、凹型鏡面は、適切に成形された場合に、レンズとして機能し、したがって本発明の概念において、"レンズ"はレンズとして機能する鏡面であってもよい。レンズを使用する場合、前記レンズは、例えば前記光が向けられている前記画面上のラインに応じて前記レンズの位置を（レンズ６８の場合に前記画面に対して前後に又はレンズ６３の場合に前記回転鏡に対して前後に）変更することにより、ある程度動的であってもよい。これにより、より良い焦点合わせが得られる。鏡面を使用する場合、位置及び曲率が動的であり得る。

要約すると、本発明は以下のように記載されることができる。

自動立体表示装置は、アドレス指定可能な画素を持つ表示アレイを有する。前記表示装置は、前記表示アレイ（６１）の前記画素により放射されたコリメート光（６０）を供給する手段と、表示画面（６６）上に前記表示アレイに表示された画像の焦点を合わせる円柱レンズ（６３）とを有する。前記表示画面上を順番に走査する走査手段が設けられ、前記表示画面における開口の走査の周波数に対応するレートで前記表示アレイ（６１）上の画像情報を変更する手段も設けられる。

表示装置の基本原理を図示する。 ２つのステレオ画像を分割する視差バリアの基本原理を図示する。 バリア及びレンチキュラスクリーンの原理を図示する。 バリア及びレンチキュラスクリーンの原理を図示する。 基本的な視差バリアディスプレイを用いて直面する問題を図示する。 既知のマルチビュー装置を図示する。 本発明による表示装置を図示する。 本発明の実施例による表示装置の他の例を図示する。 本発明の実施例による表示装置の他の例を図示する。 本発明の実施例による表示装置の他の例を図示する。

Claims (5)

1. 複数のアドレス指定可能な画素を有する２次元表示アレイと、前記表示アレイにおける前記画素をアドレス指定する手段とを有する自動立体表示装置において、前記表示装置が、前記表示アレイの前記画素により放射されたコリメート光を供給する手段と、動作中に前記表示アレイに表示された画像が集束される複数の開口を有する表示画面であって、前記開口が前記表示画面の縦方向のスリットである当該表示画面と、長手軸が前記縦方向になるように配置された円柱レンズであって、前記円柱レンズの長手軸に垂直な方向に前記表示アレイに表示された画像を集束させる当該円柱レンズと、前記表示画面における前記開口上を順番に走査する走査手段と、前記表示画面における前記開口の走査の周波数に対応するレートで前記表示アレイ上の画像情報を変更する手段とを有することを特徴とする自動立体表示装置。
2. 前記装置が、前記表示画面の開口の中、近く又は上に他の円柱レンズを有することを特徴とする、請求項１に記載の自動立体表示装置。
3. 前記表示装置が、前記走査手段と前記表示画面との間にレンズを有することを特徴とする、請求項１に記載の自動立体表示装置。
4. 前記表示装置が、前記表示画面の上又は近くにインデックス光センサを有することを特徴とする、請求項１に記載の自動立体表示装置。
5. 前記表示装置が、前記走査手段と前記表示画面との間にシャドウマスクを有することを特徴とする、請求項１に記載の自動立体表示装置。

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