JP4971505B2 - 自動立体視画像出力装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画像パネル及びその画像パネル上に配置されてそれを通して画像が観察される複数のレンズ形素子を有する自動立体視画像出力装置に関連する。
既知の自動立体視表示装置は、論文"Multiview 3D-LCD" by C. van Berkel et al. in SPIE Proceedings, Vol. 2653, 1996, pages 32-39に記載されている。この既知の装置は、表示を生成するための空間光変調器として作用する表示ピクセルのロウ及びカラムアレイを持つ二次元液晶ディスプレイパネルを有する。互いに平行に延在する細長いレンズ形素子のアレイが表示ピクセルアレイ上に横たわり、そして表示ピクセルはこれらのレンズ形素子を通して観察される。
レンズ形素子は素子のシートとして提供されて、それぞれは細長い半円柱状のレンズ素子からなる。レンズ形素子は表示パネルのカラム方向に延在し、各々のレンズ形素子は、表示ピクセルの２つ以上の隣り合うカラムのそれぞれのグループ上に横たわる。
例えば、各々のレンチキュラが表示ピクセルの２つのカラムと関連している配置において、各々のカラム中の表示ピクセルは、それぞれの二次元副画像の垂直スライスを提供する。レンチキュラシートは、ユーザが一つの立体画像を観察するように、シートの前に配置されるユーザの左及び右の目に、これらの２つのスライス及び他のレンチキュラと関連した表示ピクセルカラムからの対応するスライスを導く。
他の配置において、各々のレンチキュラは、ロウ方向の４つ以上の隣り合う表示ピクセルのグループと関連している。各々のグループ中の表示ピクセルの対応するカラムは、それぞれの二次元副画像から垂直スライスを提供するために適切に配置される。ユーザの頭が左から右へと動くと、一連の連続した異なる立体視が知覚され、例えば見回したような印象を与える。
上記の装置は、有効な三次元表示装置を提供する。しかしながら、周知のことだが、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。例えば、表示ピクセルの600のロウ及び800のカラムのアレイを有する表示パネルは、各々のビューが600のロウ及び200のピクセルのアレイを有する４ビュー自動立体視ディスプレイを提供することができる。垂直解像度と水平解像度との間のこの相当な差は、好ましくない。
US6,064,424は、細長いレンズ形素子が表示パネルのカラム方向に対してある角度で傾斜することを除いて、上述の装置と同様の自動立体視表示装置を開示する。レンズ形素子を傾斜させることによって、さもなければ必要とされる水平解像度における若干の低下は、垂直解像度に移される。したがって、装置によって表示されるビューの数を増加させるために垂直解像度と水平解像度の両方を"消費する"ことが可能となる。
ディスプレイは、直立に立つ又は座る人々によって視聴されることが意図されるので、ビューが主に水平方向に延在するように設計される。この理由のために、レンズと垂直方向との間の角度が比較的小さいように、円柱状レンズの傾斜方向が選択される。サブピクセルの好ましい水平対垂直アスペクト比(ほとんどのパネルで1：3)と組み合わされたほぼ垂直なレンズは、良好なビュー分離及び良好なピクセル構造を与える。その結果として、これらの製品は、「横長」モードでの使用に特に適する。
三次元看板のようないくつかのアプリケーションでは、横長モードではなく縦長モードが好ましい場合がある。その場合、下にある液晶ディスプレイが回転しなければならない。サブピクセルが、ここでは、垂直方向の代わりに水平方向に延在するので、だいたい垂直なレンズ配置は、ビュー分離及びピクセル構造に関して好適でない結果を与える。
本発明の目的は、横長モード又は縦長モードで使用されることができるディスプレイを提供することである。
本発明は独立請求項によって定められる。従属請求項は、有益な実施の形態を定める。
本発明によれば、自動立体視画像出力装置が提供され、当該装置は、
- 画像を定める画像ピクセルのアレイを持つ画像パネルであって、前記画像ピクセルはロウ及びカラムで配置され、前記ロウが前記カラムより長い画像パネル、並びに
- 前記画像パネル上に配置される平行なレンズ形素子のアレイであって、前記レンズ形素子が画像ピクセルカラムに対して角度φで傾斜する光学焦軸を持つアレイ、
を有し、
当該画像出力装置は第１モード及び第２モードで動作可能であり、前記画像パネル及びレンズ形素子アレイが前記モード間で90°回転され、それによって、横長モードの動作及び縦長モードの動作を提供し、横長モードにおける傾斜角φは、1≧tanφ≧1/2を満たす。
本発明は、良好なビュー分布及び画像ピクセル構造を維持しつつ、三次元画像装置が横長モード及び縦長モードの両方に用いられることを可能にする傾斜角の特定の範囲を提供する。
この角度範囲は、必要とされるビュー反復を提供するために両方の方向において十分な傾斜が存在することを保証する。
横長モードにおける傾斜角度φは、好ましくは1≧tanφ≧0.6を満たす。
一つの好ましい例では、横長モードにおける傾斜tanφは、tanφ≒ 2/3を満たす。
他の好ましい例において、横長モードにおける傾斜tan(φ)は、tanφ≒2Rを満たす（Rは画像ピクセルの有効幅と高さとの比である）。
画像パネルは表示装置から成ることができ、そして画像ピクセルは表示ピクセルからなることができる。ピクセルは好ましくは矩形であり、ピクセル表示領域の(ロウ方向の)幅と(カラム方向の)高さとの比は、横長モードにおいて、1:1.5〜1:5の範囲であり、例えば1:3である。各々のレンズ形素子は、好ましくは、いずれのモードにおいても、ロウ方向に複数の表示ピクセル上に横たわる。
本発明の実施の形態は、純粋に例として、添付の図面を参照して以下に説明される。
既知の自動立体視表示装置の模式的な斜視図。 典型的な既知の三次元ディスプレイからの光路を説明するために用いられる図。 図2の装置によって生成されるビューを示す図。 図3に対応するビューゾーン分布を示す図。 異なる傾斜角に対応するピクセル構造を示す図。 図5の構造に対応するビュー分布を示す図。 本発明の2/3傾斜配置のビューゾーンを示す図。 図7の表示の異なる方向に対するビューマッピングを示す図。 図7の横長三次元表示のレイトレーシング計算を示す図。 図7の縦長三次元表示のレイトレーシング計算を示す図。 傾斜2/3配置に対する横長ビューの比較を示す図。 傾斜1/6表示に対する横長ビューの比較を示す図。
本発明は、特定の範囲の傾斜角を有するレンズアレイを提供し、(tanφとして定められる)傾斜の好ましい値tanφ=2/3を含む。これは、三次元ディスプレイが横長モード及び縦長モードの両方で用いられることを可能にする。
図1は、既知の直視型自動立体視表示装置1の模式的な斜視図である。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マトリックス形式の液晶表示パネル3を有する。他のタイプの表示生成パネル(例えば陰極線管又は発光ダイオードパネル)が用いられることができる。
表示パネル3は、ロウ及びカラムで配置される表示ピクセル5の直交するアレイを持つ。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、約千個のロウ及び数千個のカラムの表示ピクセル5で構成される場合がある。
液晶表示パネル3の構造は完全に従来通りである。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有し、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設けられる。基板は、それらの対向面上に透明なインジウムスズ酸化物(ITO)電極のパターンを担持する。さらに偏光層が基板の外側表面に設けられている。
各々の表示ピクセル5は基板上に対向する電極を有し、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間隔を置いて規則正しく配置される。
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))と結合される。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供給することによって、表示を生成するように動作し、そして適切なアドレス指定方法は当業者に知られている。
表示ピクセル5の間の間隙は、不透明な黒いマスクによって覆われる。このマスクは、光吸収材料のグリッドの形で設けられている。このマスクは、スイッチング素子を覆い、個々の表示ピクセル領域を定める。
表示パネル3は光源7によって照らされ、光源7は、この場合、表示ピクセルアレイ領域上に広がる平面バックライトからなる。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、この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、さらに、表示パネル3の表示面上に配置されるレンチキュラシート9を有する。レンチキュラシート9は、互いに平行に延在するレンズ形素子11のロウを有する。
一つのみが示されているレンズ形素子11は、表示ピクセル5のカラム方向に対してある角度で傾斜し、すなわち、レンチキュラの焦軸と同一であるそれらの縦軸は、表示ピクセル5のカラム方向と鋭角の角度を定める。
レンズ形素子11は、この例では、凸形の円柱状レンズの形である。しかしながら、非円柱状レンズが用いられることもできる。レンズは、表示パネル3から表示装置1の前に配置されるユーザの目まで、異なる画像又はビューを提供する光導波手段として作用する。レンズ形素子11はさらに、ユーザの頭が表示装置1の前で左から右に動くときに、複数の異なる画像又はビューをユーザの目に提供する。
図2は、典型的な既知の三次元ディスプレイからの光路を説明するために用いられる。９つのビューを有する42''インチ(107cm)の製品に対して、以下のパラメータが用いられる。
- 表示パネル上の全ガラス厚さd = 6 mm
- レンズ径R = 2.2 mm
- 傾斜tan(φ)=1/6
-ピクセル寸法、高さ(B) = 3x 幅(A)，幅 = 161.5 μm
- 水平レンズピッチpl = 4.5 x 幅
図2は、各々が幅(A)を有するピクセルのカラム21, 22及び23の反復シーケンスを示す。カラム21は赤色のピクセル、カラム22は緑色のピクセル、そしてカラム23は青色のピクセルを表すことができる。
図2の左側の図は、レンズの下のそれぞれのピクセルからの出力が、どのように異なる空間位置に導かれて、それぞれのビューが異なる位置で構成されることができるかを示す。図1の例では、レンズ及びピクセルは２つのレンズごとに整列し、９つのピクセルごとに対応し、９つの異なるビュー位置が生成されることができる。
図3は、30として「第一の」ビュー面を示す。この傾けられた面は、レンチキュラ軸及び表面法線にまたがる面である。観察者が見ることができるビューは、表面法線32とこのビュー面30上への観察方向の投射(ベクトル34)との間の角度φによって決定される。この投射されたベクトルは35として示される。したがって、観察者36はまっすぐにディスプレイの前にいる必要はない。水平面は38として示される。
図4は、1から9まで番号をつけられたビューゾーンを示す。ビューゾーンは、いわゆる視点補正に応じて、ディスプレイの面に平行な面中に、そして特定の視聴距離において定められる。これは、その距離に位置する観察者が表示の領域全体にわたって同じビューを見ることを保証するための、レンチキュラにおけるピッチ補正である。
実際には、クロストークがビューの間にあり、結果として漸進的な遷移をもたらす。ビューゾーンの方向は、レンチキュラの方向と同一である。
図4の左下のグラフは、法線方向からの距離に関するビュー強度(I)を示す。tanφ=1/6の傾斜による(理想的なレンズを仮定する)、９つのビューに対する強度分布が示される。
三次元効果のためには、ゾーン中の水平断面のみが重要である。量φhは表面法線に対する角度を示し、水平面で測定される。
図5は、異なる傾斜(1/12、1/6、1,3、2/3、4/3)に対応するピクセル構造を示す。レンズ軸は、斜線50によって示される。今回も、傾斜角の表示の各々において、それぞれ赤色、緑色及び青色を持つピクセル21、22及び23のカラムの反復シーケンスがある。ボールドのピクセルは、レンズ軸に並び、表面法線に沿った観察者に対して可視であるピクセルを示す。全ての構造は、９ビューシステムに適用されて、左下の図に示されるように基本的な単色ピクセル構造52を持ち、ボールドのピクセルは、同一のカラーである。この選択の理由は、基本的なピクセル構造が、知覚される解像度に関して有利であることである。特定の対称特性を持つビュー分布を生成する特定の傾斜(一般形2n/3)が選択される。
図6は、図5の構造に対応するビュー分布、すなわち法線方向からの距離に関するビュー強度(I)を示す。φhは水平面で測定される表面法線に対する角度を示すことに留意すべきである。傾斜1/3を有する構造は、ビュー間のクロストークが最小である。1/3に等しいかそれを上回る傾斜に対して、ビューピッチは一定であって、ピクセル面中の一つの水平副ピクセルピッチに等しい。1/3未満の傾斜では、ビューピッチは傾斜に比例する。ピッチ変化は別として、傾斜1/3分布の両側のビュー分布は非常に似ている。
傾斜2/3分布は、傾斜1/6分布の「姉妹分布」である。1/12分布及び4/3分布についても同じである。
実用的には、1/12及び4/3分布は、あまりに多くのクロストークを被るので、あまり興味をひかれない。傾斜1/6配置は広く用いられる。それは1/3の配置よりクロストークが幾分多いが、Moire型アーチファクト(「バンディング」)に関してより好ましい特性を持つ。
傾斜2/3配置は、水平方向における分布に大いに匹敵する垂直方向におけるビュー分布を生成する機会を提供することを除いて、1/6の配置と同じ特性を持つ。
図7は、2/3の傾斜配置(α= 33.7度)に対するビューゾーンを示す。これらのゾーン通した水平カットは"横長"ビュー分布70を生成し、垂直カットは"縦長"ビュー分布72を生成する。縦長分布のピッチは、横長分布のピッチの1.5倍である。
傾斜2/3配置を用いることにより、ディスプレイは、横長モード及び縦長モードの両方で用いられることができる。もちろん、三次元画像のレンダリングは、モードに応じて適応されなければならない。
図8は、それぞれの方向の表示のためのビューマッピングを示す。ビュー番号1は、水平面における(観察者によって観察されたときの)右端のビューに対応する。ビュー番号5は、表面法線の方向に放射される中央のビューに対応する。今回も、全ての表示は、それぞれ赤色、緑色及び青色のピクセルのカラム21、22及び23の反復シーケンスを示す。レンズ軸は、斜線50によって示される。
左上の図は、通常の横長ビュー配置を示す。各々のピクセルに関連する番号は、ビュー番号を示し、ピクセルの中心とレンズ軸50との間の水平距離に関連する。この距離は、それぞれのビューの出力角度を決定する。この例では、９つの異なる距離がある。横長の場合には、全ての距離が一つのロウ中に出現する。これらの距離は、カラムピッチの-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4倍である。対応するビュー番号は1〜9である。縦長の場合には、全ての距離は、(このモードでは水平方向に走る)２つのカラム中に出現する。それらは、ロウピッチの-2, -1.5, -1, -0.5, 0, 0.5, 1, 1.5, 2倍である。ここでも対応するビュー番号は1〜9である。「整数」距離は一つのカラム中に出現し、そして0.5の距離は隣のカラム中に出現する。
図8は、ビューマッピングの回転方向を各々が示す交換矢印80によって示されるような特定の方向の回転によって交換可能な４つの可能なディスプレイの方向を示す。
図9A及びBは、ビュー分布(すなわち、法線方向からの距離に関するビュー強度(I))の形で、傾斜2/3による横長(図9A)及び縦長(図9B)三次元表示のレイトレーシング計算を示す。角度は、水平面で測定される表面法線に対する角度を示す。個々の曲線90は個々のビューを示す。全強度92は、図の右に(波打つ)上部曲線で示される。LCDピクセルとレンズとの間の全ガラス厚 (d)は15 mmに選択され、レンズ径はRlens = 5.54mmである。このジオメトリでは、横長ビューピッチは、標準の傾斜1/6"ワウ(wow)"ディスプレイの(横長)ビューピッチより幾分小さく、一方、縦長ビューピッチは幾分大きい。
図10A及びBは、図9の傾斜2/3配置及び傾斜1/6ワウディスプレイそれぞれの横長ビューの比較を示す。図10Bのディスプレイは、ガラス厚d = 6 mm及びレンズ径 Rlens = 2.24 mmを持つ。ピッチの違いは別として、ビューの形状は非常に似ている。これは、ピクセルの周り及びその中の黒いマトリックスの形状によって幾分決まる。中央に水平の黒いマトリックス帯域を有するピクセルでは、傾斜2/3配置のビュー形状は、傾斜1/6形状より好ましくない傾向がある。
上記の説明は、tanφ= 2/3の好ましい角度を与える。上で説明されたように、これは、横長モードにおける三次元効果と縦長モードにおける三次元効果の両方の間の良好な妥協を与える。
より一般的には、三次元効果は、横長モードにおいて1≧tanφ≧1/2のとき、両方のモードにおいて達成可能である。tanφ= 1は45°に対応し、傾斜角は縦長モード及び横長モードにおいて同じである。tanφの値が増加すると、横長モードのときにレンチキュラがより直立したようになり、そして縦長モードの三次元効果は低下する。tanφ=1/2の限界において、レンチキュラは26.6°対63.4°である。これは、従来のtanφ= 1/6(9.5°)より非常に大きな傾斜を表し、両方のモードにおける三次元ビューが達成されることができる。
本発明の好ましいアプリケーションは、例えば液晶表示パネルを用いた自動立体視表示装置である。しかしながら、本発明は、デジタル画像フレームのような静止画像及び電子看板を含む他のアプリケーションに適用されることができる。
上記の例では、ピクセルは矩形であるが、これは本質ではない。実際、クロストークを低減するためにレンズ傾斜に適合させるようにピクセルの形状を変更するという提案がある。そのような手段がこのアプリケーションにおいて用いられることもできる。
好ましい2/3の傾斜は、ピクセル比1/3と組み合わされた場合、縦長モードと比べて、横長モードにおいてレンズ間に２倍のピクセルを生じさせる。図5に示される例では、水平方向において、横長モードではレンズ間に9カラムピッチがあり、縦長モードではレンズ間に4.5ロウピッチがある。したがって、好ましい角度は、ピクセルの有効幅対高さ比(すなわちピクセルのまわりの境界を含む比)の倍であると考えられる。
さまざまな変更が当業者にとって明らかである。

Claims (10)

  1. 画像を定める画像ピクセルのアレイを持つ画像パネルであって、前記画像ピクセルはロウ及びカラムで配置され、前記ロウが前記カラムより長い画像パネル、並びに
    前記画像パネル上に配置される平行なレンズ形素子のアレイであって、前記レンズ形素子が前記画像ピクセルのカラムに対して角度φで傾斜する光学焦軸を持つアレイ、
    を有し、
    第１モード及び第２モードで動作可能であり、前記画像パネル及びレンズ形素子のアレイが、前記モード間で９０°回転され、それによって、横長モードの動作及び縦長モードの動作を提供し、
    前記横長モードにおける前記傾斜角φが、1≧tanφ≧1/2を満たす、
    自動立体視画像出力装置。
  2. 前記横長モードにおける前記傾斜角φが、1≧tanφ≧0.6を満たす、請求項１に記載の自動立体視画像出力装置。
  3. 前記横長モードにおける前記傾斜角φがtanφ≒2/3を満たす、請求項１に記載の自動立体視画像出力装置。
  4. 前記横長モードにおける前記傾斜角φがtanφ≒ 2Rを満たし、Rは、前記画像ピクセルのロウ方向有効幅対カラム方向高さ比である、請求項１に記載の自動立体視画像出力装置。
  5. 前記画像パネルが表示装置を有し、前記画像ピクセルが表示ピクセルを有する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の自動立体視画像出力装置。
  6. ピクセル表示領域が矩形の形状を持つ、請求項５に記載の自動立体視画像出力装置。
  7. 前記ピクセル表示領域のロウ方向幅対カラム方向高さの比が、横長モードにおいて、1：1.5から1：5の範囲である、請求項６に記載の自動立体視画像出力装置。
  8. 前記ピクセル表示領域のロウ方向幅対カラム方向高さの比が、横長モードにおいて、1：3である、請求項７に記載の自動立体視画像出力装置。
  9. 各々のレンズ形素子が、いずれのモードにおいても、ロウ方向に複数の表示ピクセル上に横たわる、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の自動立体視画像出力装置。
  10. 画像ピクセルの前記ロウ及びカラムが直交する、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の自動立体視画像出力装置。
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