JP5179490B2 - 自動立体ディスプレイ用の制御可能照明装置 - Google Patents

Description

本発明は照明マトリクスとして機能する光変調器を有する制御可能照明装置を備えた透過型自動立体ディスプレイに関する。この光変調器から放射された光は、画像形成手段により平行光束として画像再生マトリクスを介して可視領域として観察者の一つの眼上に向けて結像され、この可視領域の各々では三次元画像表示が観察される。

本発明の適用分野は、二次元又は三次元モードで、あるいは混合モードで、複数の画像又は画像列のような画像情報を選択的に複数の観察者に表示することが可能な自動立体ディスプレイである。
本明細書では、ディスプレイは、１以上の観察者が付加的な補助を用いずに三次元画像表示を観察することが可能な場合の自動立体ディスプレイをさす。
基本的に、このディスプレイは、マトリクス状に配置された多数の画像形成エレメントからなる画像形成手段を有する。観察者の目の各々に向けられる照明に同期して、三次元画像を生成するための対応する立体画像が画像再生マトリクス上に表示される。観察者の各々の目の位置は位置発見器によって判定される。観察者がその位置を変化させた場合、可視領域は、制御部の対応する制御信号を修正することによって観察者の眼に対して追跡される。

単数又は複数の観察者はそれぞれ、ディスプレイ上の画像情報が三次元で観察可能な可視領域と呼ばれる領域における観察者空間内に目を位置づける。これらの可視領域から観察するために、ディスプレイ上の画像表示の均質性が常に保証され、三次元表示中の他の目へのクロストークが回避される。また、観察者がディスプレイ正面の観察者空間において新たな位置を占めた場合、モノスコピック又は立体（ステレオスコピック）の画像コンテンツの情報を常に高品質に観察者が利用可能とするために、上述の要件は継続して適用される。
このような時間系列表示を有する自動立体ディスプレイの構造及び機能について、ここで部分的に説明したが、例えば、本出願人の特許文献１には正確に記載されている。

図１は、ディスプレイの動作原理を上面図で模式的に示しているが、縮尺は示されていないし、すべての数の光学エレメントは含まれていない。
画像形成マトリクス１１０内の多数のレンズエレメント１１１〜１１４は、照明マトリクス１２０のスイッチ可能な点形状照明エレメント１１〜４６を観察者の目Ｅ_R、Ｅ_L上に結像する。広領域光源１３０によって照明されると、照明マトリクス１２０はレンズエレメント及び観察者ごとに１以上の光束Ｂ１〜Ｂ４を生成し、この光束は重ね合わさり、追跡・画像制御部１６０による照明エレメント１１〜４６の選択的な起動によって、観察者の目の位置に二次元のスイートスポット（可視領域）Ｓ_Rを形成する。画像形成マトリクス１１０、照明マトリクス１２０、および光源１３０はともに、有向バックライトの形態の制御可能スイートスポット部を作成して、追跡・画像制御部１６０が対象とする観察空間内の位置から観察可能な透過型ＬＣＤ画像マトリクス１４０の画像をレンダリングする。実際には、はるかに多数のレンズエレメント１１１〜１１４と照明エレメントが提供される。ＬＣＤマトリクスの画素又はサブ画素はそれぞれ照明エレメントとして好適に用いられる。
観察者への経路において、光束Ｂ１〜Ｂ４は画像再生マトリクス１４０の広い領域を通過し、画像再生マトリクスは画像信号ＰＳＳの立体画像列のうち一つの画像だけを交互に含む。位置発見器１５０は、ディスプレイ正面の観察者の数とその観察者の目Ｅ_R、Ｅ_Lの位置を判定する。このため、図に例示されているように、追跡・画像制御部１６０は、画像列の現在の画像を観察可能にレンダリングするために、照明エレメント１３、２４、３５、４６を起動する。図１に示されているように、照明エレメント１３、２４、３５、４６は、後続するレンズエレメントの光軸に対して相対的に異なる位置に存在する。観察者が移動した場合、目の位置が変化するにしたがって各スイートスポット束を追跡するために、追跡・画像制御部１６０は他の照明エレメントを起動することになる。表示する立体画像を入れ替えるために、追跡・画像制御部１６０は、各画像の変化に同期して照明エレメントを切り替えることによって、一人またはすべての観察者の目の各々に対して後続する画像を観察可能にレンダリングする。この期間中は他方の目に対して画像は照明されないため、観察不可となる。画像マトリクスと各目に対する同期した画像形成によって提供される画像列が左右の目に対して十分高速に結像されるならば、観察者の目は観察者に対して提供される画像の時間分解能にもはや追いつくことができない。両方の目は画像列を立体表示として知覚する。

光束Ｂ１〜Ｂ４は実際には、起動中の照明エレメント１３、２４、３５、４６の各々が目Ｅ_R又はＥ_Lの位置の平面上に結像されて少なくとも直径数ミリメートルまで拡大されるように伝播する。動作原理の説明を簡単にするために、本明細書のすべての図面では、平行光束はスイートスポット（可視領域）を形成する。しかし、実際には、光路は視準からわずかに外れる。あらゆる場合に、スイートスポット部は、少なくとも観察者の目の大きさはあるスイートスポット領域の外縁を光束Ｂ１〜Ｂ４の各々が少なくともカバーするように構成される。これにより、観察者は、均質な照明の下で画像マトリクスのすべての表示領域を観察することが可能となる。

上述のディスプレイの要件を満たすために、ディスプレイ正面の空間のできるだけ大きな空間領域内で観察者の移動を絶えず検出し、制御部の制御信号を用いて観察者の現在の位置とは無関係に適切な画像情報を各観察者に対して絶えず提供する追跡システムが必要である。このことは位置発見器の精度、ディスプレイの個々の構成要素の品質、並びにディスプレイ全体の画像形成の品質について、非常に大きな要件を課すことになる。

本発明においては、照明装置を構成する複数の照明エレメントが自己発光するか光伝達によるかは無関係である。多数の照明エレメントが画像形成エレメントの各々に対して割り当てられる。逆光追跡計算の方法を用いるために、現在の観察者の位置に対して平行光束を生成するのに必要な照明エレメントが判定される。起動する照明エレメントの個数にすでにわずかな相違が存在していた場合、すなわち、やや多すぎる照明エレメントが起動された場合、画像形成に対する雑音が発生する。

実際には、レンチキュラアレイが画像形成手段として用いられると、起動中の照明エレメントの光が選択されたレンチキュールによる平行光束として結像されたときは、雑音となる迷光（偽光）が余分に発生して不都合であることが知られている。起動中の照明エレメントの光は、特定のレンチキュールだけでなく、その特定のレンチキュールの左右の隣接する両方のレンチキュールも照明してしまう。この光は、強度は弱いが観察者の目には到達しうる余分な二次平行光束を生成する。この二次平行光束は、ディスプレイ正面の複数の観察者が三次元表示の観察を望んだ場合、立体画像の表示にとって特に不都合である。この場合、右目用の平行光束の二次平行光束が隣の観察者の左目に飛び込むことによって、この左目に右の立体画像が提供されるということが起こってしまう。

国際公開第２００５／０６０２７０Ａ１号

本発明の目的は、自動立体ディスプレイにおいて観察者の目に対して光が画像形成をする場合に光の散乱をできるだけ小さく保つことによって、余分な可視領域が生成されるのを防ぐとともに、隣接する観察者の目に対する立体画像が相互に干渉すること、すなわちクロストークを防止することである。

本発明によれば、上記課題は互いに隔たりを有する二つのストライプ偏光シートを光路に配置することにより解決される。使用される偏光シートは、異なる偏光方向が交互に存在するストライプを有するように構成される。好適には、第１及び第２のストライプ偏光シートの偏光が等しいストライプが光の方向に互いに対向して重なり合っている。これは、光を意図した方向、即ち、選択された観察者の各目の現在位置に向けるためである。本発明の一例によれば、第１のストライプ偏光シートが照明マトリクスとして動作する光変調器の光出力側に配置され、第２のストライプ偏光シートが好適にはレンチキュラアレイである画像形成手段の正面に配置される。このようにして、余分に生じる弱発光の二次平行光束が抑制される。さらに、両方の偏光シートのストライプの幅はレンチキュラアレイのレンチキュールの幅と等しいことが必要である。

本発明の例において、画像形成手段は、平行に配置された多数の球状レンチキュールを有するレンチキュラアレイから構成され、各々の場合について、平行光束としてレンチキュラアレイの一つのレンチキュールを介して、各照明エレメントの光を結像する。画像形成手段を、ストライプとなるように微小レンズをマトリクス状に配置したものとすることも可能であることも、本発明の技術的範囲に含まれる。ストライプ偏光シートを同様に配置すべきである。

起動すべき照明エレメントの位置は各観察者の目からの逆光追跡計算によって有利に判定され、これにより同時に、通過して放射すべき画像形成手段の画像形成エレメントの位置も判定される。二次光束を抑制するための本発明による解決法は単純かつ効率的であり、複数観察者用の自動立体ディスプレイにおいて有用であることが分かっている。したがって、個々の観察者の各々に対する三次元表示の品質だけでなく、複数の観察者を追跡する際の精度も改善される。

従来の自動立体ディスプレイの動作原理を模式的に示す上面図である。 観察者の目に向けられた一つの平行光束と余分に生じた二つの二次平行光束を有するディスプレイ部を模式的に示す上面図である。 図２において、本発明により、二次平行光束を抑制するための光路に配置された手段を有する構成を模式的に示す上面図である。

以下、時系列表示をする自動立体ディスプレイの制御可能照明装置について、より詳細に説明する。

本発明は自動立体ディスプレイに基づいているが、その動作原理は、本発明の理解を可能にする程度にまで既に［背景技術］で図１に従い説明している。

図２では、ディスプレイ内の照明光路を分けて模式的に示している。
照明マトリクス１は、マトリクス状に配置された多数のセルを有する光変調器により実現されるが、このセルは照明エレメントを示す。照明マトリクス１の黒色領域は非起動照明エレメントである。次に、平行の隣接する球状レンチキュール３を有するレンチキュラアレイ２として構成された画像形成手段が光の方向に後続する。列ごとに起動された照明エレメントから到来する光は、レンチキュラアレイ２に入射する。起動する照明エレメントは、現在の観察者の位置にしたがって逆光追跡計算によって判定されていた。図中の３つの球状レンチキュール３の中央のレンチキュールは、観察者の左又は右の各目に対して光を平行光束４として向け（ここでは不図示）、各目において三次元表示を行うための可視領域を生成する。しかし、起動中の照明エレメントの光は強度が弱い二次平行光束５の原因にもなる。二次平行光束５の光は平行光束４と同一の出発点を有する。しかし、二次平行光束５は、図２のように、平行光束４の左右の角度に発散する。これは、複数の観察者が三次元表示の観察を望んだ場合に、上述した結像の品質の劣化に結びつきうる。すなわち、例えば、平行光束４が時系列的に制御された右の立体画像を同期して表示する場合、第１の観察者の右の立体画像を第２の観察者の左目が受け取る可能性がある。立体表示のクロストークが発生する。

図３によれば、上記課題を解決するために、自動立体ディスプレイの光路内に二つのストライプ偏光シート６が配置される。第１の偏光シート６は照明マトリクス１の光出力領域の正面の光路内に配置され、第２の偏光シート６はレンチキュラアレイ２の正面に配置される。二次平行光束５を抑制するために、第１及び第２の偏光シート６の偏光方向が等しいストライプが、互いに対向して重なり合うように配置される。両方の偏光シート６のストライプの幅は、レンチキュラアレイ２のレンチキュール３の幅と等しい。起動中の照明エレメントから始まっている矢印は、光伝播のとりうる方向を示している。第１の偏光シート６は偏光子として機能し、第２の偏光シートは検光子として機能する。第１の偏光シート６を通過するとき光は偏光させられ、平行光束４として第２の偏光シート６を通過する。第２の偏光シート６の網掛けを付した領域に迷光が入射した場合、その偏光させられた光は偏光が異なるため、この箇所を通過することができない。偏光方向が等しい隣の領域は、迷光がその領域に入射することが現実にはないほど遠く離れているため、したがって、他の二次平行光束５は発現することは全くあり得ない。

Claims (14)

1. 自動立体ディスプレイ用の制御可能照明装置であって、
   光変調手段の起動中の照明エレメントから放射された光が、画像形成手段による平行光束の中で画像再生マトリクスを介して観察者の個々の目に対して結像され、
   − 位置発見手段が個々の前記観察者の目の位置を判定し、
   − 前記画像形成手段はマトリクス状に配置された複数の画像形成エレメントを有し、前記平行光束は１以上の画像形成エレメントにより生成されると共に結像され、
   − 個々の照明エレメントの起動に同期して、対応する立体画像が三次元画像を作成するために前記ディスプレイ上に表示され、
   光路において２つのストライプ偏光シート（６）が互いに距離を隔てて配置され、
   両方の前記偏光シート（６）のストライプは、異なる方向の偏光を交互に有し、
   偏光方向が等しい前記ストライプは互いに対向して重なり合うように配置され、これにより、余分に生じる弱発光の二次平行光束（５）が抑制される
   ことを特徴とする制御可能照明装置。
2. 第１の前記ストライプ偏光シート（６）は、前記光変調手段の光出力側に配置され、
   第２の前記ストライプ偏光シート（６）は、前記画像形成手段の正面に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
3. 前記画像形成手段は、平行に配置された複数のレンチキュール（３）を有するレンチキュラアレイ（２）であり、
   平行光束（４）の各々は、前記レンチキュラアレイ（２）の一つのレンチキュール（３）を透過し、
   前記レンチキュール（３）は逆光追跡計算により判定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
4. 前記両方の偏光シート（６）のストライプの幅は、前記レンチキュラアレイ（２）のレンチキュール（３）の幅と等しいことを特徴とする請求項３に記載の制御可能照明装置。
5. 前記観察者の目から始まる前記逆光追跡計算を用いて、起動すべき前記照明エレメントの位置と、前記画像形成手段の透過すべき前記画像形成エレメントの位置とが判定される
   ことを特徴とする請求項３に記載の制御可能照明装置。
6. 複数の画像又は画像列のような画像情報が、二次元若しくは三次元モードで、又は混合モードで、選択的に複数の観察者に表示される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
7. 前記平行光束が重ね合わさり、追跡・画像制御部による照明エレメントの選択的な起動により、観察者の目の位置に二次元の可視領域を形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
8. 画像形成マトリクス、照明マトリクス、および光源はともに、有向バックライトの形態の制御可能スイートスポット部を生成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
9. 前記画像再生マトリクスは、画像信号の立体画像列のうち一つの画像だけを交互に含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
10. 前記位置発見手段は、ディスプレイ正面の観察者の数とその観察者の目の位置とを判定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
11. 自己発光する複数の照明エレメントを備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
12. 前記画像形成手段は、ストライプ形状で微小レンズをマトリクス状に配置したものである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
13. 前記光変調手段は、照明エレメントを示す、マトリクス状に配置された多数のセルを備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。
14. 第１の前記偏光シートは偏光子として機能し、第２の前記偏光シートは検光子として機能する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御可能照明装置。

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