JP5571662B2 - 自動立体視表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画像形成手段(例えばディスプレイピクセルのアレイを備えるディスプレイパネル)及びビュー形成手段を有する自動立体視ディスプレイ装置に関する。ビュー形成手段は、画像形成手段の上に配置されるビュー形成素子のアレイであるか、又はそのようなアレイとして機能するように構成され、それを通してディスプレイピクセルが観察される。本発明はさらに、自動立体視イメージング方法に関する。
既知の自動立体視ディスプレイ装置は、GB2196166A中に記載される。この既知の装置は、表示を生成するための画像形成手段の働きをするディスプレイピクセルのロウとカラムアレイを持つ二次元放射液晶表示パネルを含む。互いに平行に延在する細長いレンチキュラレンズのアレイは、表示ピクセルアレイの上に横たわり、ビュー形成手段の働きをする。表示ピクセルからの出力は、これらのレンチキュラレンズを通して投射され、そのレンズは、出力の方向を変更するように機能する。
レンチキュラレンズは、それぞれが細長い半円柱状レンズ素子からなる素子のシートとして提供される。レンチキュラレンズは、表示パネルのカラム方向に延在し、各々のレンチキュラレンズは、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の上に横たわる。各々のレンズの焦点は、表示ピクセルのアレイによって定められる面と一致する。
例えば各々のレンチキュラレンズが表示ピクセルの２つのカラムに関連付けられる配置において、各々のカラムのディスプレイピクセルは、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、これらの２つのスライス及び他のレンチキュラレンズに関連付けられた表示ピクセルカラムからの対応するスライスを、このシートの前に位置するユーザの左及び右目に投射し、ユーザは、１つの立体画像を観察する。
他の配置において、各々のレンチキュラレンズは、ロウ方向の３つ以上の隣り合う表示ピクセルのグループに関連付けられる。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の垂直スライスを提供するように適切に配置される。ユーザの頭が左から右に動くと、一連の連続した異なる立体視ビューが観察され、例えば、見回した印象(look-around impression)を生じさせる。
上記した自動立体視ディスプレイ装置は、良好な輝度レベルを持つ表示を生成する。しかしながら、この装置に関する問題は、レンチキュラシートによって投射されるビューが、表示ピクセルアレイを典型的に定める非放射の黒いマトリックスの「結像」によって引き起こされる暗帯によって分離されることである。これらの暗帯は、表示全体に間隔を置いて配置される暗い垂直バンド状の輝度不均一性として、ユーザによって容易に観察される。ユーザが左から右に移動すると、このバンドは表示を横切り、ユーザがディスプレイの方へ移動するか又はそれから離れるように移動すると、このバンドのピッチが変化する。
この不均一性の振幅を低減するための複数のアプローチが提案された。例えば、不均一性の振幅は、表示ピクセルアレイのカラム方向に対して鋭角にレンチキュラレンズを傾斜させる周知の技術によって低減されることができる。しかしながら、黒いマトリックスを結像することによって導入される輝度変調度を1%以下に低減することは難しいままであり、そのレベルにおいても、不均一性は知覚可能であり、ユーザの気を散らす。
上記した装置における黒いマトリックスを結像することによって導入される輝度変調度は、レンチキュラレンズの焦点調節力の関数として変化することが分かった。一般に、装置中のレンズの焦点を、それらの焦点距離を増加させることによってずらすことは、黒いマトリックスを結像することによって導入される輝度変調度の低減をもたらす。しかしながら、レンズの焦点をずらすことは、レンチキュラレンズによって投射されるビュー間に若干のクロストークをも生じさせ、それはユーザによって知覚される三次元効果にとって有害でありえる。
本発明の第１の態様によると、自動立体視ディスプレイ装置の画像形成手段に位置合わせされて配置されるビュー形成モジュールが提供され、画像形成手段は不透明なマトリックスによって空間的に定められる表示ピクセルの直交アレイを持ち、ビュー形成モジュールは、少なくとも２つの光学機能、ビュー形成機能及び輝度不均一性低減機能を提供し、ビュー形成機能は、表示ピクセルのグループの出力が複数のビューとしてそれぞれの異なる方向に投射されるように、表示ピクセルの出力の方向を変更し、ビュー形成機能は、ビュー形成モジュールにわたって配置される第１ピッチを持つ平行なビュー形成素子のアレイによって提供され、輝度不均一性低減機能は、不透明なマトリックスの結像によって引き起こされる輝度不均一性が低減されるように表示ピクセルの出力を拡散させ、輝度不均一性低減機能は、第１ピッチ未満であるビュー形成モジュールにわたる第２ピッチを定め、輝度不均一性低減機能は、ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度と実質的に等しいか又はその角度未満のビュー形成素子の軸に対して垂直な面における実効拡散角度をさらに定める。
表現「実効拡散角度」は、出力がビュー形成モジュールによって(すなわち空気中に)放射され次第測定されたときに、その角度によって表示ピクセルの出力が拡散(すなわち発散)される角度を指す。輝度不均一性低減機能によって定められる実際の拡散角度は、機能が提供される材料の屈折率によって決まる。実際の拡散角度は、さらに、輝度不均一性低減機能が、ビュー形成機能の前に提供されるか後に提供されるかによって決まる。例えば、輝度不均一性低減機能がビュー形成機能の前に提供される場合、実際の拡散角度は実効拡散角度より大きい。輝度不均一性低減機能がビュー形成機能の後に提供される場合、又はこの機能が同じ光学境界面で提供される場合、実際の拡散角度は実効拡散角度と同じである。
実効拡散角度は隣り合うビュー間の角度「と実質的に等しいか又はその角度未満である」との表現によって、拡散角度が、ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度の1.5倍以下、好ましくは1.3倍以下、最も好ましくは1.1倍以下であることが特に必要とされるだろう。
自動立体視ディスプレイ装置における不透明なマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性は、表示ピクセルの出力を拡散させて(すなわち発散させて)、それによって隣り合うビュー間の暗いバンドを「閉じる」ことによって低減されることができることが分かった。さらに、この拡散技術は、拡散機能を提供する手段がビュー形成素子のピッチ未満のピッチを持つ場合に、不均一性を低減するのにより効果的であることが分かった。
本発明は、特に、ビュー形成素子がレンチキュラレンズであるビュー形成モジュールに適している。観察角の範囲にわたって、レンチキュラレンズの焦点は、実際には、湾曲した面を定めることが見いだされた。輝度不均一性を低減するためにレンチキュラレンズが単に焦点をずらされる既知の自動立体視表示装置では、法線方向の(垂直な)光の焦点は、表示ピクセルによって定められる面の後に一般に配置されるが、(より大きい観察角に対応する)法線方向ではない光の焦点はこの面と一致する。その結果として、輝度不均一性は、法線方向又はその付近の観察角では有効に抑制されるが、より大きい観察角では抑制されない。
例えば単にレンチキュラレンズの焦点をずらすだけとは反対に、レンチキュラレンズのピッチ未満であるピッチを有する表示ピクセルの出力を拡散する(すなわち発散させる)ことによって(それによって、拡散機能のピッチは、レンチキュラレンズのピッチと同じである)、輝度不均一性低減機能はビュー形成機能から効果的に分離され、したがって、輝度不均一性は、広範囲の観察角にわたって抑制されることができる。若干の観察角に依存する影響が残る場合があるが、これらは大幅に低減される。
さらに、そのような配置は、輝度不均一性低減機能の実効拡散角度におけるわずかな誤差が、ビュー形成機能に依存するディスプレイ装置の自動立体視性能に大幅に影響を及ぼさないので、光学コンポーネントの寸法公差に関して、より強いだろう。
ビュー形成素子のアレイがレンチキュラレンズの第１アレイである実施の形態において、レンズは表示ピクセルのカラム方向に対して傾斜するように配置されることができ、それによって輝度不均一性をさらに低減する。
本発明はさらに、自動立体視ディスプレイ装置を提供し、当該装置は、表示を生成するための表示ピクセルの直交アレイを持つ画像形成手段を有し、表示ピクセルは不透明なマトリックスによって空間的に定められ、当該装置はさらに、画像形成手段に位置合わせされて配置された上述のビュー形成モジュールを有する。ビュー形成モジュールは、好ましくは、画像形成手段と平行に配置される。
画像形成手段は、放射表示を生成するためのバックライトを有する液晶ディスプレイパネルであることができる。他の種類の放射表示パネルが代わりに用いられることができる。
ビュー形成素子の軸に垂直な面における輝度不均一性低減機能の実効拡散角度は、ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度と実質的に同じであることができる。実効拡散角度が隣り合うビュー間の角度と「実質的に同じである」との表現によって、実効拡散角度が、ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度の0.5〜1.5倍、好ましくは0.7〜1.3倍、そして最も好ましくは0.9〜1.1倍の範囲にあることが特に要求されるだろう。このようにして、ビュー形成機能によって投射されるビュー間のクロストークは（このクロストークはユーザによって知覚される三次元効果にとって有害である場合がある）、許容できるレベルまで低減されることができる。
実施の形態において、ビュー形成機能を提供するレンチキュラレンズの第１アレイによって定められる湾曲した焦点面は、法線方向ではない光の焦点に対応する位置において表示ピクセルのアレイによって定められる面を各々横切ることができる。このようにして、湾曲した焦点面によって引き起こされる焦点の不可避な変動及び結果として生じるクロストークは、広範囲の観察角にわたって拡散されることができる。他の実施の形態において、湾曲した焦点面は、法線方向の光の焦点に対応する位置において表示ピクセルのアレイによって定められる面を各々横切ることができる。このようにして、より大きい観察角でのより大きなクロストークを代償にして、法線方向の観察角及びそのまわりのクロストークは、最小化されることができる。
実施の形態の第１グループにおいて、輝度不均一性低減機能は、ビュー形成モジュールにわたって配置され第２ピッチを持つ、マイクロレンチキュラレンズのような、平行なレンズの第２アレイによって提供されることができる。
第２アレイのレンズは、第１アレイのレンズの第１ピッチの半分以下、好ましくは1/3以下の第２ピッチを持つことができる。一般に、より小さいピッチを有するレンズは製造がより容易であるが、より大きいピッチを持つレンズは改善された機能性を提供する。
レンズの第２アレイは、第１アレイの光学境界面とは異なる光学境界面で(例えば異なる基板表面中に)提供されることができる。
別の形態として、ビュー形成及び輝度不均一性低減機能を提供するレンズの第１及び第２アレイは、ビュー形成及び輝度不均一性低減機能が同じ光学境界面における屈折によって提供されるように、同じ光学境界面に組み込まれる。
この場合には、第１アレイの各々のレンズに対応する光学境界面は、多角形レンズ面を定める複数の平らな面を有することができ、そしてこれらの平らな面が第２アレイのレンズに各々対応する。平らな面の数は、自動立体視ディスプレイ装置によって提供されるビューの数と同じであることができる。平らな表面の数Nmicro-lensは、幾分Nviews未満に選択されることができる。理論に拘束されることを望まずに、最小の輝度不均一性を与える平らな表面の数は、以下によって与えられる。
Figure 0005571662
Δnはレンズ面の両側の材質の屈折率の違い、pLは多角形レンズのピッチ、RLは第１レンズアレイの曲率半径、そしてλは使用される光の波長である。
実際の状況では、波長の全範囲がディスプレイによって放射されるが、λのための良好な平均値は550nmである。実際の設計のために、式の結果Nmicro-lensは、上記の式の結果に最も近い整数(結果よりも大きい整数及び結果よりも小さい整数)のいずれかに丸められることができる。好ましくは、結果は、最近隣の整数に丸められる。これは、配置及び表示の機能をおそらく妨害する可能性がある回析効果が説明されるという利点を有する。
実施の形態において、第２マイクロレンズアレイのレンズの曲率半径は、第２レンズアレイが第１アレイとの重ね合わせによって一体化される場合に、第１アレイの各々のレンズに対応する光学境界面が、平らな及び/若しくは平らでない並びに/又は等しい若しくは等しくないピッチ又は幅を持つ複数の面を有することができるような半径である。
実施の形態において、マイクロレンズアレイの平行するレンズの１つ以上の光学軸は、第１レンズアレイのレンズの１つ以上の光学軸に対して傾斜する。したがって、ファセットは、レンチキュラレンズの光学軸に対して傾斜することができる。
実施の形態において、レンチキュラアレイ及びマイクロレンズアレイは、長さ方向の光軸を有する半円柱状レンズからなることができる。
実施の形態において、異なるピッチを有するレンズを持つ複数のマイクロレンズアレイが存在することができる。別の形態として、複数のマイクロレンズアレイの結合である１つの第２レンズアレイのみが存在することができる。
実施の形態の第２グループにおいて、輝度不均一性低減機能は、光拡散器によって提供されることができる。光拡散器は、一般に、ゼロピッチを持つと考えられることができる。
光拡散器は、その表面又は境界面における屈折によって拡散を提供するように構成された表面光拡散器であるか、あるいは、光の散乱によって拡散を提供するように構成される散乱光拡散器であることができる。適切な表面拡散器はホログラフィック拡散器、微小拡散器及び屈折型拡散器を含み、その設計及び製造は当業者に知られている。
光拡散器は、実質的にビュー形成素子の軸に垂直な面のみに表示ピクセルの出力を拡散するように配置されることができる。このようにして、ビュー形成素子の軸と平行な方向における不必要なぼやけ(blurr)は回避されることができる。
別の形態として、光拡散器は、第１及び第２の垂直な面において異なる拡散角度で表示ピクセルの出力を拡散するように配置されることができる。そして光拡散器は、この第１及び第２の垂直な面がビュー形成素子の軸との鋭角の角度を定めるように、ビュー形成素子のアレイに対して回転されることができる。このようにして、ビュー形成素子の軸に垂直な面における拡散の量は、調整されることができる。
本発明の第２の態様によれば、自動立体視イメージング方法が提供され、当該方法は、不透明なマトリックスによって空間的に定められている表示ピクセルの直交アレイを用いて画像を形成し、表示ピクセルのアレイにわたって配置される平行なビュー形成素子のアレイを用いてそれぞれの異なる方向に投射される複数のビューに画像を形成し、ビュー形成素子は表示ピクセルからの出力の方向を変更し、ビュー形成素子は第１ピッチを持ち、表示ピクセルの出力はさらに、不透明なマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性が低減されるように拡散され、拡散機能は第１ピッチ未満の第２ピッチを定め、拡散機能は、ビュー形成素子の軸に対して垂直な面における、実質的にビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度と実質的に等しいか又はその角度未満の実効拡散角度をさらに定める。
ビュー形成素子の軸に垂直な面における輝度不均一性低減機能の実効拡散角度は、ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度と実質的に同じでありえる。
平行なビュー形成素子のアレイは、平行なレンチキュラレンズの第１アレイであることができる。
輝度不均一性低減機能は、レンズ(例えばレンチキュラマイクロレンズ)の第２アレイによって提供されることができ、第１及び第２アレイは、同じ光学境界面に一体化されるか、又は、それぞれの異なる光学境界面に提供されることができる。
別の形態として、輝度不均一性低減機能は、光拡散器によって提供されることができる。光拡散器は、一般に、ゼロピッチを持つと考えられることができる。
光拡散器は、実質的にビュー形成素子の軸に垂直な面のみに表示ピクセルの出力を拡散するように配置されることができる。このようにして、ビュー形成素子の軸と平行な方向における不必要なぼやけ(blurr)は回避されることができる。
別の形態として、光拡散器は、第１及び第２の垂直な面において異なる拡散角度で表示ピクセルの出力を拡散するように配置されることができる。このようにして、ビュー形成素子の軸に垂直な面における拡散の量は調整されることができる。
本発明の実施の形態は、添付の図面を参照して、純粋に一例として、以下で説明される。
自動立体視ディスプレイ装置の概略斜視図。 動作モードを説明するための図1に示されるディスプレイ装置の概略断面図。 図1に示されるディスプレイ装置の出力における輝度不均一性を低減するための技術を説明するための図。 図1に示されるディスプレイ装置の出力における輝度不均一性を低減するための技術を説明するための図。 図1に示されるディスプレイ装置の出力における輝度不均一性を低減するための技術を説明するための図。 図1に示されるディスプレイ装置の出力における輝度不均一性がどのように低減されることができるかを説明するための更なる図。 図1に示されるディスプレイ装置の出力における輝度不均一性がどのように低減されることができるかを説明するための更なる図。 ある範囲の観察角に対して、他の自動立体視ディスプレイ装置のレンチキュラレンズの焦点を示す概略断面図。 自動立体視ディスプレイ装置の動作上の焦点の効果を説明するための図。 自動立体視ディスプレイ装置の動作上の焦点の効果を説明するための図。 自動立体視ディスプレイ装置の動作上の焦点の効果を説明するための図。 図5A〜5Dが関連する自動立体視ディスプレイ装置の観察角の関数として輝度不均一性を示すグラフ。 本発明による第１の自動立体視ディスプレイ装置を示す概略断面図。 本発明による第２の自動立体視ディスプレイ装置を示す概略断面図。 本発明による第３の自動立体視ディスプレイ装置を示す概略断面図。 本発明による第４の自動立体視ディスプレイ装置を示す概略断面図。 図7〜10に示される本発明による自動立体視表示装置の観察角の関数としての輝度不均一性を示すグラフ。 本発明による第５の自動立体視ディスプレイ装置を示す概略断面図。 図12に示される本発明による第５の自動立体視ディスプレイ装置の観察角の関数としての輝度不均一性を示すグラフ。 図12に示される本発明による第５の自動立体視ディスプレイ装置に対する変更例を説明するための図。 図12に示される本発明による第５の自動立体視ディスプレイ装置に対する変更例を説明するための図。 モアレに対処するための２つのマイクロレンズアレイの断面を示す図。２つの別々のマイクロレンズアレイを表す。 モアレに対処するための２つのマイクロレンズアレイの断面を示す図。図15Aと同じ２つのマイクロレンズアレイを表すが、１つのマイクロレンズアレイに一体化されている。 モアレに対処するための２つのマイクロレンズアレイの断面を示す図。レンチキュラレンズに一体化される図15A又は図15Bのマイクロレンズアレイを有するレンチキュラを表す。 副ピクセル化された表示パネルの前の傾斜するレンチキュラに基づく15ビュー三次元ディスプレイの正面図。 マイクロレンズ有り無しで、そしてマイクロレンズ又はファセットの数を決定する際に回折を考慮すること有り無しで、図16に基づくさまざまなディスプレイのための観察角の関数としてのディスプレイ光の強度を示す図。 回折を考慮して決定された複数のマイクロレンズ及び平らなファセットを備え、マイクロレンズ又は平らなファセットの等しくない幅を持つか又は持たない、図16に基づくさまざまなディスプレイの観察角の関数としてのディスプレイ光の強度を示す図。 １つのビューにおける強度の角度分布をそれぞれ示す。マイクロレンズアレイとのレンチキュラの組み合わせに対するマイクロレンズアレイを有する、そして、それのない2つのマイクロレンズアレイのセクションを組み合わせて、横切る場合、それは結果として非平らなファセットになる。 １つのビューにおける強度の角度分布をそれぞれ示す。マイクロレンズアレイとのレンチキュラの組み合わせに対するマイクロレンズアレイを有する、そして、それのない2つのマイクロレンズアレイのセクションを組み合わせて、横切る場合、それは結果として非平らなファセットになる。 マイクロレンズアレイの複数の代わりのレイアウトを示す図。 本発明による第６の自動立体視ディスプレイ装置を説明するための図。 本発明による第６の自動立体視ディスプレイ装置を説明するための図。 本発明による第６の自動立体視ディスプレイ装置を説明するための図。
本発明は、画像形成手段及びビュー形成モジュールを持つ型式のマルチビュー自動立体視ディスプレイ装置を提供する。この装置は、さらに、複数のビューのためのビデオデータによって画像形成手段を駆動するように配置される駆動手段を持つことができる。
画像形成手段は、表示を生成するための表示ピクセルのアレイを持ち、表示ピクセルは、不透明なマトリックスによって空間的に定められる。
ビュー形成モジュールは、画像形成手段に位置を合わせて配置され、少なくとも２つの光学機能、すなわち、ビュー形成機能及び輝度不均一性低減機能を提供する。
ビュー形成機能は、表示ピクセルのグループの出力が複数のビューとしてそれぞれの異なる方向に投射されるように、表示ピクセルの出力の方向を変更する。ビュー形成機能は、ビュー形成モジュールにわたって配置される第１ピッチを持つ平行なビュー形成素子のアレイによって提供される。
輝度不均一性低減機能は、不透明なマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性が低減されるように、表示ピクセルの出力を拡散する。輝度不均一性低減機能は、第１ピッチ未満であるビュー形成モジュールにわたる第２ピッチを定め、実質的にビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度に実質的に等しいか又はその角度未満のビュー形成素子の軸に対して垂直な面における実効拡散角度をさらに定める。
図1は、既知のマルチビュー自動立体視ディスプレイ装置1の概略斜視図である。既知の装置1は、表示を生成する画像形成手段の働きを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。
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、表示ピクセル5の約千のロウ及び数千のカラムを有する。
液晶表示パネル3の構造は、完全に従前通りである。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供給される。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)電極のパターンを持つ。偏光レイヤも基板の外側表面に設けられる。
各々の表示ピクセル5は、基板上の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、電極及びパネル3の前面に設けられる黒いマトリックス配置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整然と間隔を置いて配置される。
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))に結合される。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。
表示パネル3は、この場合には、表示ピクセルアレイの領域にわたって広がる平面バックライトからなる光源7によって照らされる。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、光を変調して表示を生成するように駆動される。
ディスプレイ装置1はさらに、表示パネル3の表示側に配置され、ビュー形成機能を実行す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、表示パネル3のカラム方向に互いに平行に延在するレンチキュラレンズ11のロウを有し、明確性のために、そのうちの１つのみが誇張された寸法で示される。レンチキュラレンズ11は、表示パネル3の面とほぼ一致する焦点を持ち、ビュー形成機能を実行するビュー形成素子の働きをする。
レンチキュラレンズ11は、凸状の円柱状素子の形であり、それらは、表示パネル3からディスプレイ装置1の前に位置するユーザの目へと異なる画像すなわちビューを提供するための光出力指向手段の働きをする。
図1に示される自動立体視ディスプレイ装置1は、異なる方向にいくつかの異なる投射ビューを提供することが可能である。特に、各々のレンチキュラレンズ11は、各々のロウにおける表示ピクセル5の小さいグループの上に横たわる。レンチキュラレンズ11は、いくつかの異なるビューを形成するように、異なる方向にグループの各々の表示ピクセル5を投射する。ユーザの頭が左から右に移動すると、ユーザの目は、順に、幾つかのビューのうちの異なるものを受け取る。
図2は、上述のようなレンチキュラ型式のイメージング装置の動作原理を示し、光源7、表示パネル3及びレンチキュラシート9を示す。この装置は、各々が異なる方向に投射される３つのビュー201, 202及び203を提供する。表示パネル3の各々のピクセルは、１つの特定のビューのための情報によって駆動される。
上記した自動立体視ディスプレイ装置は、良好なレベルの輝度を持つ表示を生成する。しかしながら、この装置に関連する問題は、レンチキュラシート9によって投射されるビューが、表示ピクセルアレイを定める非放射の黒いマトリックスの結像によって引き起こされる暗帯によって分離されることである。これらの暗帯は、表示全体に間隔を置いて配置される暗い垂直バンド状の輝度不均一性として、ユーザによって容易に観察される。ユーザが左から右に移動すると、このバンドは表示を横切り、ユーザがディスプレイの方へ移動するか又はそれから離れるように移動すると、このバンドのピッチが変化する。このバンドは、表示領域のより高い比率が黒いマトリックスである装置(例えば、モバイルアプリケーションのために設計される高解像度ディスプレイ)において特に問題である。
黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性は、図3Aに示され、それは、図1及び2に示されるディスプレイ装置の観察角に対する輝度強度の一般化されたプロットを示す。上のプロットは、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる暗いバンド(これらのバンドは各々ゼロの輝度強度を持つ)間に配置される個々のビュー301の寄与(これらの寄与は各々一定の輝度強度を持つ)を示す。ビューと暗いバンド間の遷移は、ステップ遷移である。下のプロット302は、個々のビューの寄与の蓄積効果、すなわち、ディスプレイの前を横切って動くユーザによって観察される輝度レベルを示す。輝度強度の有意な変調が存在することが、下のプロットから分かる。
不均一性の振幅を低減するために複数のアプローチが提案された。例えば、不均一性の振幅は、表示ピクセルアレイのカラム方向に対して鋭角にレンチキュラレンズ11を傾斜させる既知の技術によって低減されることができる。結果として生じる輝度不均一性が図3Bに示される。この図において、上のプロット303は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる暗いバンドの間に配置される個々のビューの寄与を再び示す。ビューと暗いバンドとの間の遷移は漸進的であり、輝度強度が一定速度で変化していることが分かる。下のプロット304は個々のビューの寄与の蓄積効果を示し、黒いマトリックスを結像することによって導入される輝度変調度が大幅に低減されることが分かる。しかしながら、この輝度変調度を1%以下に低減することは難しいままであり、そのレベルにおいても、不均一性は知覚可能であり、ユーザの気を散らす。
レンチキュラレンズ11を傾斜させる技術は黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる知覚される輝度不均一性を低減するのに役立つことができるが、レンチキュラレンズ11の焦点をずらすことによって、さらに有意な低減が好都合にも達成されることができる。この技術によれば、レンチキュラレンズ11の焦点距離は、それらの焦点が表示パネル3の面の背後にあるように延長される。結果として生じる輝度不均一性が図3Cに示される。上のプロット305において、ビューと暗いバンドとの間の遷移は漸進的であり、強度が様々な速度で変化することが分かる。下のプロット306は個々のビューの寄与の蓄積効果を示し、黒いマトリックスを結像することによって導入される輝度変調度は、ほぼ完全に排除されることが分かる。
レンチキュラレンズ11の焦点をずらすことによって得られる輝度不均一性の更なる低減は、ビュー間に若干のクロストークを導入することを代償にして生じ、これは、装置の知覚される三次元性能にとって有害である。このクロストークは一般に、レンチキュラレンズ11が焦点をずらされるにつれて増加する。
図4Aは、上で説明された種類の自動立体視ディスプレイ装置を示し、レンチキュラレンズ11は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる知覚される輝度不均一性を最小化するために、傾斜されて焦点をずらされている。理想的なレンチキュラレンズ11に対して、輝度不均一性は、ブロック関数による(ファーフィールド)角度分布の折り曲げを提供するようにレンチキュラレンズの焦点距離を延長することによって最小化されることができ、この関数は、レンズによって投射される隣り合うビュー間の角度の倍数と同じ幅を持つ。容認できる低いレベルにクロストークを維持するために、図4Bに示されるように、レンズによって投射される隣り合うビュー間の角度φと同じ幅を有するブロック関数が選択される。
図4Aで分かるように、レンチキュラレンズ11のデフォーカスは、各々のビューに対応する表示ピクセル5の出力を拡散又は拡張し、それによって、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性を均等にするのに役立つ。
実際には、上述の図4A及び4Bを参照して説明される配置は、法線方向の(垂直方向の)又はその周辺の観察角に対してのみ、輝度不均一性を低減するのに有効であることが分かっている。より大きい観察角では、輝度不均一性は、それらがユーザの気を散らすレベルへと再び増加する傾向にある。この観察角依存効果の原因は、以下で図5A〜5Dを参照して説明される。
図5Aは、ある範囲の観察角に対して、図4A及び4Bを参照して上述された自動立体視ディスプレイ装置のレンチキュラレンズ11の焦点を示す概略断面図である。コリメートされた光では、実際のレンズ設計の焦点距離は、光の入射角度によって変化する。したがって、実際には、図に示されるように、レンズ11の焦点は湾曲した「焦点面」13を定める。
法線方向の観察角において、焦点15が表示パネル3の面の背後にあるように、レンズ11は焦点をずらされる。特に、焦点15は、レンズ11によって投射される隣り合うビュー間の角度φと同じ幅を持つブロック関数による角度分布の折り曲げを提供するように配置される。この関数は図5Bに図示され、図4A及び4Bを参照して上で説明されたものと同じである。したがって、法線方向の観察角又はその周辺において、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性はほぼ完全に排除され、変調度は図3Cに示されるようになる。
若干大きい観察角において、レンズ11の焦点17は、表示パネル3の面と実質的に一致する。この観察角において、図5Cに示される狭いブロック関数で説明されるように、焦点17は実質的に角度分布の折り曲げを提供しない。したがって、この観察角及びその周辺において、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性は、ほとんど低減されず、変調度は、図3Bに示されるものと同様である。
さらに大きな観察角において、レンズ11の焦点19は表示パネル3の面の前にある。この観察角において、図5Dに示されるブロック関数で説明されるように、焦点19は角度分布の有意な折り曲げを提供する。したがって、この観察角及びその周辺において、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性はほぼ完全に排除され、そして図3Cに示されるように、変調度は実質的にゼロである。
図6は、図5A〜5Dが関連する自動立体視ディスプレイ装置に対する観察角の関数として輝度不均一性を示すグラフである。下のプロット601は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる暗いバンド間に配置される個々のビューの個々の輝度強度寄与を示す。上のプロット602は、個々のビューの寄与の蓄積効果、すなわち、ディスプレイの前を横切って動くユーザによって観察される輝度レベルを示す。輝度変調度は、法線方向の観察角及びその周辺では低いが、10°〜35°の範囲の観察角において有意な気が散るレベルへと増加することが、上のプロットから分かる。35°より大きい観察角では、輝度変調度は低いレベルに戻る。
したがって、自動立体視ディスプレイ装置のレンチキュラレンズ11が、基本的にはレンズ11の焦点距離を延長することによって、輝度不均一性を最小化するために焦点をずらされたとしても、実際的なアプリケーションでは、レンチキュラレンズ11の焦点が実質的に合っており、結果的に、輝度不均一性がユーザにとって有意であり気を散らす観察角の範囲が依然として存在する。
本発明は、この問題を認識して、輝度不均一性低減機能を提供することによってそれを解決し、その機能によれば、表示ピクセルの出力は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる暗いバンドを「閉じる」ために、拡散(すなわち発散)される。輝度不均一性低減機能は、ビュー形成手段を提供するレンチキュラレンズのピッチ未満であるピッチを定める。このようにして、ビュー形成及び輝度不均一性低減機能は分離されることができ、異なるビューに対応する表示ピクセルの出力は、広範囲の観察角に対して、十分に拡散されることができ、それによって、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性を最小化する。
図7は、本発明による第１の自動立体視ディスプレイ装置101を示す概略断面図である。この図を参照すると、本発明の第１装置101は、一般的な構造において図1及び2を参照して上で説明された装置1と同様である。したがって、装置101は、画像形成機能を実行する表示パネル103、表示パネル103のための光源(図示せず)及びビュー形成機能を実行するレンチキュラシートを有する。表示パネル103及び光源は特に、上で説明されたものと全く同じである。
図7に示される装置101は、さらに、図4A〜5Dを参照して上で説明された装置と同様である。したがって、装置101のレンチキュラレンズ111は、表示パネル103のカラム方向に対して鋭角に傾斜する。レンチキュラレンズ111は、(垂直に入射するコリメートされた光に対する)それらの焦点が表示パネル103の面と一致する点において、すなわち、レンズ111は焦点が合っているように設計されている点において、図4A〜5Dを参照して説明された装置1のそれらと異なる。したがって、(垂直に入射したコリメートされた光に対する)レンズの焦点距離flensは、表示パネル103及びレンチキュラシート109の面の間の間隔dlensと同じである。
さらに図7に示される装置101は、輝度不均一性低減機能を提供するためにガラス基板123上に形成されるホログラフィック拡散器121をさらに有する点において、図4A〜5Dを参照して説明された装置1と異なる。ホログラフィック拡散器121は、ガラス基板123がレンチキュラシート109から見て外方に向くように、レンチキュラシート109上に、それに位置合わせされて配置される。
ホログラフィック拡散器121及びガラス基板123は、それらが理想的なブロック関数でレンチキュラシート109によって投射される表示ピクセルの出力を拡散する(すなわち発散する)ように、全体として構成される。特に、レンチキュラレンズの軸に対して垂直な面におけるホログラフィック拡散器121及びガラス基板123の有効拡散角度φdは、レンチキュラシート109によって投射される隣り合うビュー間の角度φに等しいように構成される。ホログラフィック拡散器121の実際の拡散角度φd'は、ガラス基板123の屈折率nで割られたφである。
表示ピクセルの出力のこの拡散は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性を最小化し、同時に、クロストークを許容できるレベルに制限する。ホログラフィック拡散器121によって提供される輝度不均一性低減機能は、観察角に依存しないか、又は、わずかに観察角に依存するだけなので、輝度不均一性は、広範囲の観察角に対して最小化される。
ホログラフィック拡散器121及びガラス基板123は、さらに、それらがレンチキュラレンズの軸に平行な面における拡散を実質的に伴わずに、レンチキュラシート109によって投射される表示ピクセルの出力を透過させるように構成される。このようにして、ビューの不必要なぼやけが回避されることができる。
適切なホログラフィック拡散器の設計及び製造は当業者に周知である。
図8は、本発明による第２の自動立体視ディスプレイ装置201を示す概略断面図である。この図を参照して、本発明の第２の装置201は、輝度不均一性低減機能が、一対のガラス基板223a, 223bの間にはさみ込まれるホログラフィック拡散器221によって提供されることを除いて、図7を参照して説明された第１の装置101と同じ構造を持ち、ホログラフィック拡散器221及びガラス基板223a, 223bは、表示パネル203とレンチキュラシート209との間に設けられる。
さらに、図8に示される第２装置201は、図7を参照して説明された装置101と同様に動作する。しかしながら、ホログラフィック拡散器221による表示ピクセルの出力の拡散は、輝度不均一性を最小化するために、レンチキュラシート209による異なる方向への出力の投射の前に発生する。
したがって、レンチキュラレンズの軸に対して垂直な面におけるホログラフィック拡散器221及びガラス基板223a, 223bの有効拡散角度φdは、レンチキュラシート109によって投射される隣り合うビュー間の角度φに等しいように再び構成される。表示ピクセルとホログラフィック拡散器221との間、及び、ホログラフィック拡散器221とレンチキュラシート209との間の均質な材料を仮定すると、ホログラフィック拡散器121の実際の拡散角度φd'は、以下の式によって与えられる。
Figure 0005571662
ここで、nは均質なガラス媒体の屈折率、dlensは表示パネル203及びレンチキュラシート209の面の間の間隔、そして、ddiffは、表示パネル203及びホログラフィック拡散器221の面の間の間隔である。
図9は、本発明による第３の自動立体視ディスプレイ装置301を示す概略断面図である。この図を参照して、本発明の第３の装置301は、輝度不均一性低減機能が、ガラス基板323に形成される密集したレンチキュラマイクロレンズのアレイ321によって提供されることを除いて、図7を参照して説明された第１装置101と同じ構造を持つ。マイクロレンズのアレイ321は、ガラス基板323がレンチキュラシート309から見て外方に向くように、レンチキュラシート309上に、それに位置合わせされて配置される。
マイクロレンズのアレイ321は、レンチキュラシート309のレンチキュラ素子のピッチの非常に小さい割合であるピッチpmicro-lensを持つレンチキュラマイクロ素子のシートとして形成される。特に、36個のマイクロレンズが、レンチキュラシート309の各々のレンズの上に横たわる。
マイクロレンズのアレイ321及びガラス基板323は、理想的なブロック関数によって、レンチキュラシート309によって投射される表示ピクセルの出力を拡散するように構成される。特に、レンチキュラレンズの軸に対して垂直な面におけるマイクロレンズのアレイ321及びガラス基板323の有効拡散角度φdは、レンチキュラシート309によって投射される隣り合うビュー間の角度φに等しいように構成される。マイクロレンズのアレイ321の実際の拡散角度φd'は、ガラス基板323の屈折率nで割られたφdである。
マイクロレンズは、正又は負の焦点距離fmicro-lensを持つことができ、以下の要件を満たすことができる。
Figure 0005571662
表示ピクセルの出力の拡散は、黒いマトリックスの結像によって引き起こされる輝度不均一性を最小化し、同時に、クロストークを許容できるレベルに制限する。マイクロレンズのアレイ321によって提供される輝度不均一性低減機能は、観察角に依存しないか、又は、わずかに観察角に依存するだけなので、輝度不均一性は、広範囲の観察角に対して最小化される。
マイクロレンズのアレイ321及びガラス基板323は、さらに、それらがレンチキュラレンズの軸に平行な面における拡散を実質的に伴わずに、レンチキュラシート309によって投射される表示ピクセルの出力を透過させるように構成される。このようにして、ビューの不必要なぼやけが回避されることができる。
図10は、本発明による第４の自動立体視ディスプレイ装置401を示す概略断面図である。この図を参照して、本発明の第４の装置401は、輝度不均一性低減機能を提供するマイクロレンズのアレイ421が表示パネル403とレンチキュラシート409との間に配置されることを除いて、図9を参照して説明された第３の装置301と同じ構造を持つ。
さらに、図10に示される第４の装置401は、図9を参照して説明された装置301と同様に動作する。しかしながら、マイクロレンズのアレイ421による表示ピクセルの出力の拡散は、輝度不均一性を最小化するために、レンチキュラシート409による異なる方向への出力の投射の前に発生する。
したがって、レンチキュラレンズの軸に対して垂直な面におけるマイクロレンズのアレイ421の有効拡散角度φdは、レンチキュラシート109によって投射される隣り合うビュー間の角度φに等しいように再び構成される。マイクロレンズのアレイ421の実際の拡散角度φd'は、ガラス基板423の屈折率nと輝度不均一性低減機能がビュー形成機能の前に提供されることとの両方に対して補正される。
図11は、図7〜10を参照して説明される自動立体視表示装置における観察角の関数としての輝度不均一性を示すグラフである。下のプロット1101は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる暗いバンドの間に配置される個々のビューの個々の輝度強度寄与を示す。上のプロット1102は、個々のビューの寄与の蓄積効果、すなわちディスプレイの前を横切って動くユーザによって観察される輝度レベルを示す。上のプロットから、輝度変調度は、好都合にも、10°から35°の範囲を含む広範囲の観察角にわたって最小化されることが分かる。
図12は、本発明による第５の自動立体視ディスプレイ装置501を示す概略断面図である。この図を参照して、本発明の第３の装置501は、輝度不均一性低減及びビュー形成機能が同じ光学境界面で提供されることを除いて、図7を参照して説明された第１装置101と同じ構造を持つ。
特に、輝度不均一性低減機能を提供して第２のピッチを持つレンズの第２アレイは、ビュー形成機能を提供して第２ピッチより大きい第１ピッチを持つレンズの第１アレイに統合される。そのような配置に対して、単純な幾何光学を用いて、以下の近似が導出されることができる。
Figure 0005571662
ここで、Rmicro-lensは第２アレイのレンズの半径、Nmicro-lensは第１アレイの１レンズあたりの第２アレイのレンズの数、Rは第１アレイのレンズの半径、Nviewsは装置によって提供されるビューの数である。
Nmicro-lensがNviewsに等しいように選択される場合、第１及び第２アレイのレンズの半径R, Rmicro-lensは同じである。結果として生じる幾何構造は図12に示されて、この図は、ビュー形成及び輝度不均一性低減機能の両方を提供する実質的に多角形レンズ521の１つのアレイを示す。各々の多角形レンズ521の各々の平らな表面522は第２アレイのレンズに対応し、このアレイは輝度不均一性低減機能を提供する。装置501は５つのビューを提供する。
平らな表面による表示ピクセルの出力の拡散は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性を最小化し、同時に、クロストークを許容できるレベルに制限する。多角形レンズのアレイ521によって提供される輝度不均一性低減機能は、観察角に依存しないか、又は、わずかに観察角に依存するだけなので、輝度不均一性は、広範囲の観察角に対して最小化される。
いくつかの場合において、必要とされる平らな表面の数Nmicro-lensを正しく決定するには単純な幾何光学では不十分であり、回折効果が考慮されなければならない。この際、平らな表面の数Nmicro-lensは、幾分Nviewsより少なく選択される場合がある。理論に拘束されることを望まずに、最小の輝度不均一性を与える平らな表面の数は、以下によって与えられる。
Figure 0005571662
Δn=n1-n2はレンズ面の両側の物質の屈折率n1及びn2の差、pLは多角形レンズのピッチ、λは使用される光の波長、RLは第１レンズの曲率半径である。
実際の状況において、波長の全範囲がディスプレイによって放射されるが、上記の計算のためのλの良好な平均値は550nmである。或はまた、計算のために使用される波長は、表示のために使用される光のスペクトルの境界の波長である。実際の設計のために、式の結果Nmicro-lensは、結果の値より大きい又は小さい最近隣整数のいずれかに丸められることができる。好ましくは、結果は、最近隣の整数に丸められる。実際的なガイドラインは、分母のモジュラスの値が約0.1を超える場合に上記の計算を用いてディスプレイを設計することである。
多角形レンズのアレイ521は、さらに、レンズの第１アレイの軸に平行な面における拡散を実質的に伴わずにレンチキュラシート509によって投射される表示ピクセルの出力を透過させるように構成される。このようにして、ビューの不必要なぼやけが回避されることができる。
図13は、図12に示される本発明による第５の自動立体視ディスプレイ装置501における観察角の関数としての輝度不均一性を示すグラフである。
下のプロット1301は、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる暗いバンド間に配置される個々のビューの個々の輝度強度寄与を示す。上のプロット1302は、個々のビューの寄与の蓄積効果、すなわちディスプレイの前を横切って動くユーザによって観察される輝度レベルを示す。上のプロットから、輝度変調度は、好都合にも、10°から35°の範囲を含む広範囲の観察角にわたって最小化されることが分かる。
図14A及び14Bは、図12に示される本発明による第５の自動立体視ディスプレイ装置に対する変更例を説明するための図である。これらの図は、多角形レンズの幾何構造を定める包絡曲線を示す。この包絡曲線は円のセグメントであるが、非円形の包絡曲線も提供されることができる。多角形レンズの幾何構造は、一定のインターバルpsampleで包絡曲線をサンプリングすることによって定められる。好ましい実施の形態において、以下の関係が適用される。
Figure 0005571662
plensは多角形レンズのピッチ、nは正の整数、そしてNviewsは装置によって提供されるビューの数である。
いくつかの実施の形態において、図14Aに示されるように、隣り合う包絡曲線間の交点が多角形レンズのためのサンプリングポイントを定める。他の実施の形態では、図14Bに示されるように、サンプリング点は隣り合う包絡曲線間の交点と一致しない。
本発明の第６の実施の形態において、装置は、輝度不均一性機能を提供するための１つではなく複数の追加のマイクロレンズアレイの組み合わせを持つ。例えば、２つのマイクロレンズアレイが存在することができる。
図15Aの特定の例において、本発明の装置は、２つのマイクロレンズアレイ1501及び1502を持つ。それらの微小レンズは、レンチキュラレンズ(ビュー形成レンズアレイとしても示される第１レンズアレイ)の曲率半径の２倍の曲率半径を持ち、それらの屈折表面曲率は、レンチキュラレンズのそれと反対である(Rmicrolens=-2RL)。アレイ1501のマイクロレンズML1は、レンチキュラレンズのピッチPLより５倍小さいピッチPML1を持ち、レンズアレイ1502のレンズML2は、PLより３．５倍小さいピッチPML2を持つ。これらのレンズアレイの横断面の輪郭が図15Aに示され、垂直軸はレンズの横断面のz寸法(レンズの厚さが測定される方向)を表し、水平軸はレンズの幅寸法xを表す。よって、この例において、PL= 0.8 mm, PML1=0.8/5 mm及びPML2=0.8/3.5 mmである。
この実施の形態の更なるバリエーションにおいて、レンズのこれらの２つのアレイ1501及び1502は、２つのマイクロレンズアレイの重ね合わせによって、１つのマイクロレンズアレイに一体化されることができる。その場合、結果として生じる１つのレンズアレイの輪郭は、図15Bに1503によって表される。また更なるバリエーションにおいて、２つのレンズアレイは、さらにレンチキュラレンズアレイ(ビュー形成第１レンズアレイ)と共に一緒に一体化されることができる。その場合、結果として生じるレンチキュラレンズアレイの輪郭は、図15Cのレンズ断面から観察されることができるように、(x方向に測定された)等しくない幅を有する平らなファセットを示すような輪郭である。
以前の段落において説明された複数のマイクロレンズアレイの使用の効果は、図16及び17を参照して示される。図16は、サブピクセルのカラム方向に対してatan(1/6)の角度で傾斜するレンチキュラ(第１レンズアレイ)を有する15ビュー三次元42インチディスプレイ(full HD: 1920x1080ピクセル)の正面図レイアウトを示す。ライン1601は、レンチキュラアレイ(第１レンズアレイ)の境界を示した。図12を参照して、レンチキュラアレイの詳細は以下の通りである。n1=1.52, n2=1(すなわち空気), レンチキュラピッチPL=0.798mm, レンチキュラレンズの曲率半径RL=3.0373mm。図16を参照して、ディスプレイは、１５個のビューを持つように設計されており(すなわち、Nviews=15)、図において、複数のサブピクセル1〜15について、それらのビュー寄与は、数1〜15によって示される。黒いマトリックス1602は、垂直方向及び水平方向の両方で測定される副ピクセルピッチの25%に達する。以降の計算において、特に明記しない限り、設計波長としてλ=550 nmである。
図17は、ディスプレイ上の特定の位置を観察する場合の、この位置が観察される角度の関数としての、観察者によって観察される強度の計算されたグラフを示す。図17のグラフは、いわゆるフレネル-キルヒホッフ近似における回折を考慮した光線追跡の結果である。グラフ1701(点線)の強度は一定ではなく、これは、本発明を利用しないディスプレイにおけるモアレ干渉(バンディング)として典型的である。シグマ値によって表される標準的な偏差によって表されるモアレ外乱は、この場合には1.2%である。単純な幾何光学を用いる本発明を利用する場合、第２アレイ中のレンズの数又はレンチキュラ中の平らな面の数は、ビューの数と同じ(すなわち15個)であることが必要とされる。図17で分かるように、このソリューションを表すグラフ1602(実線)は、点線1701にほぼ重なり、すなわち、シグマが1.16%までしか低減されず、改善は少ない。これは、この場合には、単純な幾何光学では十分ではなく、マイクロレンズ又は平らな面の数の決定において回折が考慮されなければならないことに起因する。これは、マイクロレンズの数を低減する又はそれらのピッチを増加することによって、上で与えられた式に従って実行されることができる。グラフ1603〜1605は、N=6〜8のさまざまな状況を表す。回折を考慮する上で与えられた式は、N=7のレンチキュラあたりの複数のマイクロレンズ又はレンチキュラあたりの複数の平らなファセットを持つ装置をもたらし、それは、N=6によって得られる最適条件に非常に近い。以上のように、シグマ値が、N=8に対して0.8%を下回り、N=7に対して0.41%を下回り、N=6の最適な場合では、0.34%へと低下するので、回折を考慮しない場合より改善は良好である。
N=6のグラフは図18中に再現されて1801によって示される。さらに、図15を参照して説明される２つのマイクロアレイを持つ装置を表すグラフ1802が描画される。ここで、２つのマイクロアレイのうちの一方はN1=5であり、他方はN2=3.5である。この場合には、よりいっそう低いシグマ値0.05%から観察されるように、モアレの量はさらに低減される。
図15の最適化されたレイアウトは、λ=550nm(=緑色)の設計波長に対して適切に機能するが、λ=630nm(=赤色)及びλ=470nm(=青色)のような可視スペクトラムにおける他の波長においても適切に機能する。これらの３つの波長に関するシグマ値はほぼ同じである。
本発明の更に他の実施の形態において、湾曲した屈折表面を有し、ファセットを伴わない標準的なレンチキュラアレイは、マイクロレンズの曲率半径がレンチキュラレンズのそれと(大きさにおいて)異なるように、１つ以上のレンズアレイと組み合わせられる。そのようなマイクロレンズがレンチキュラアレイに物理的に組み合わせられる場合、レンチキュラアレイは、平らなファセットを持たず、湾曲したファセットを持つことになる。
理論に拘束されることを望まずに、幾何光学は、２つの隣接したビュー間の角度間隔Δθが、マイクロレンズアレイfの焦点距離で割られるマイクロレンズアレイのマイクロレンズのピッチに等しい(すなわち、Δθ=PML/fML)ことを要求する。近似として、焦点距離は、マイクロレンズの屈折表面を形成する物質の屈折率n1及びn2の差で割られるマイクロレンズの曲率半径RMLと同じである(すなわち、fML= |RML/(n1-n2)|)。なお、ファセットを作られたレンチキュラが生じるようにマイクロレンズが組み込まれる場合、屈折率は、ファセットを作られたレンズの材料にも関連する。レンチキュラレンズあたりN個のマイクロレンズ(又はファセット)が存在すると仮定し、レンチキュラレンズのピッチはファセットの数×マイクロレンズのピッチと同じである(PL=N PML)ことに留意すると、
Figure 0005571662
が導出されることができる。したがって、２つの隣接したビュー間の特定の角度間隔を達成するために、幾何光学よれば、各々のマイクロレンズの小さい曲率半径RMLと組み合わせて多数のマイクロレンズNが存在するか、又は、大きい曲率半径RMLと組み合わせて少数のマイクロレンズが存在するかは、問題ではない。実際には、先に説明されるように、(使用される光の波長に対して)マイクロレンズが小さく、すなわち小さい幅を持つ場合、回折現象は重要になる。したがって、１つの好ましいアプローチは、知覚の観点から許容できるマイクロレンズ(又はファセット)の最も少ない数を選択することである場合があり、知覚は、とりわけ、ビュー間の所要の角度間隔に関連している。その後、ファセットの数Nはある値に設定され、これは、回折が重要な場合、好ましくは、回折を考慮するために上で与えられた式を用いて行われる。そしてNを設定した後、マイクロレンズの曲率半径RML、又はマイクロレンズがレンチキュラに組み込まれる場合にはファセットが、決定されて設定される。この手順は、知覚によって要求される最良の観察経験を達成するために行われる選択に依存して、レンチキュラのファセットが平らではなく湾曲しているように、レンチキュラに組み込まれたマイクロレンズアレイを持つ装置をもたらす場合がある。
図19A及び19Bは、１つのビューの強度プロファイル、及び、比較のために組み込まれたマイクロレンズを持つ及び持たないレンチキュラの形状を示す。図19Aにおいて、グラフ1901は、N=0、すなわち図19Bのグラフ1904による断面形状を有する通常のレンチキュラに関連する。グラフ1902は、RML=-RL=-3.0373 mmであるマイクロレンズアレイN=6に関連し、全てのマイクロレンズは等しい幅を持つ。そのようなマイクロレンズがレンチキュラアレイに組み込まれる場合、レンチキュラアレイのレンズは平らなファセットを持つ。このグラフは、そのようなマイクロレンズ又はファセットで達成された0.34%のモアレの最も低い量を示す。グラフ1903は、RML=-10 mmでマイクロレンズの幅が等しい、N=3に関連する。レンチキュラレンズに組み込まれる場合、これは結果として平らではないファセットをもたらし、一体化されたマイクロレンズを有するレンチキュラの断面形状は、図19Bのグラフ1905に一致している。0.17%のモアレの量は、平らなファセットを持つ例のそれよりさらに低い。さらに、図19Aに示される結果によって示されるように、好都合にも、平らでないファセットを有するレンチキュラに対応する装置によって得られる個々のビューの広幅化は(グラフ1903)、平らなファセットを有するレンチキュラに対応する装置によって得られるビューのそれ(グラフ1902)よりかなり少ない。一般的に、マイクロレンズの数又はファセットの数が、モアレを最小化するためにそのようなマイクロレンズの曲率半径を適応させつつ、可能な限り少なく維持されることは好ましい(但し、幾つかの場合においては必須ではない)。このようにして、回折は最大限制限される。好ましくは、N > 1 及び N < 10である。より好ましくは、N > 2 及び N < 5である装置である。
上記で説明された実施の形態の組み合わせが用いられることができることは明らかである。したがって、図20を参照して、マイクロレンズアレイ2001にて図示するように、装置中の隣接したマイクロレンズが、同じ強度だが反対の符号(凹形及び凸形レンズ)を持つことができる。これは、マイクロレンズの周期が拡大されるので、回折を低減し、マイクロレンズが同じピッチを持つ場合、周期は２倍になる。別の態様では、マイクロレンズは、同じピッチだが異なる強度を持つか、同じ強度で異なるピッチを持つか、あるいは、異なる強度及びピッチを持つことができる。
本発明の他の実施の形態によれば、パターンマイクロレンズはレンチキュラに対して傾斜され、又は、一体化される場合、レンチキュラに組み込まれるファセットは、レンチキュラの配向に対して配向が傾斜する。各レンズあたり少数のファセットしか存在しない場合、観察者によって観察される各々のビューの中のピクセルの空間パターンは、好ましくない分布を持つ可能性があり、例えば色のビートパターンの発生に起因してパターンの見栄えが良くないという意味において好ましくない。この影響は、レンチキュラレンズに対してマイクロレンズ又はファセットのパターンを傾斜することによって平均化されることができる。
レンズは球面である必要はなく、すなわち、従来技術において周知であるように、非球面レンズが収差を低減するために用いられることができる。
１つ以上のマイクロレンズアレイは、レンチキュラレンズアレイから分離されることができ、又は、レンチキュラレンズアレイに一体化されることができ、ファセット化されたレンチキュラをもたらす。後者には、１つのレンズアレイのみが製造される必要があり、そして結果として生じる装置は薄くて及び/又は重量が軽いという利点がある。
多くの例が傾斜するレンチキュラから始めて説明されたが、同様の効果を有する本発明は、傾斜しないレンチキュラ又は本発明の分野の範囲内の任意の他の種類のレンチキュラに対して用いられることができる。
従来技術において周知であるように、本発明のレンズは、アブレーション技術及び/又はモールディング技術を用いて作成されることができる。
図21A〜21Cは、本発明による更なる自動立体視ディスプレイ装置601を説明するための図である。この図を参照して、本発明の第６の装置601は、ホログラフィック拡散器621が第１及び第２の垂直な面x'-z, y'-zにおいて異なる有効拡散角度625, 627を提供することを除いて、図7を参照して説明された第１の装置101と同じ構造を持つ。特に、図21Bに示されるように、第１の面x'-zにおける有効拡散角度625は0.5°であり、第２の面y'-zにおける有効拡散角度627は5°である。ホログラフィック拡散器621は、他の有効拡散角度を提供するように構成されることができ、唯一の要件は、一方の面における有効拡散角度がレンチキュラシート609によって投射される隣り合うビュー間の角度φより小さく、他方の面における有効拡散角度が角度φより大きいことである。
さらに、ホログラフィック拡散器621は、レンチキュラレンズの軸y及びホログラフィック拡散器621の軸y'が互いに角度χを定めるように、(ページの中へと延在する)z軸のまわりで回転されている。このようにして、拡散器特性は調整されることができる。例えば、ホログラフィック拡散器621が回転すると、図21Cに示されるように、折り曲げ関数は台形形状になる。半値における幅629がビュー間の角度φに等しいときに、黒いマトリックスを結像することによって引き起こされる輝度不均一性が最小化される。
拡散特性の調整を提供するだけでなく、図21A〜21Cを参照して説明される配置は、１つのホログラフィック拡散器レイヤが複数の異なる自動立体視ディスプレイ装置のために製造されることを可能にし、このレイヤは、各々のディスプレイの特定のパラメータに適した異なる角度で回転される。例えば、0.5°から5°の範囲の拡散角度が、図21A及び21Bを参照して説明されるホログラフィック拡散器621を用いて達成されることができる。
本発明の好ましい実施形態が上で説明された。しかしながら、さまざまな変更及び改造が、本発明の範囲内において行われることができることが当業者によって理解される。
レンチキュラシートはさらに、他の手段によって、例えばグレーデッドインデックス(GRIN)レンズ又は電気光学物質(例えば液晶)を含むセルを用いることによって実施されることができることが想定される。レンチキュラシートのレンズは、傾斜される必要はない。
ホログラフィック拡散器を備えた本発明の実施の形態が上で説明された。他の実施の形態において、ホログラフィック拡散器は、他の種類の表面拡散器(例えば屈折型拡散器又は散乱拡散器)で代用されることができる。
表面拡散器の空気界面におけるフレネル反射(損失)(その反射は自動立体視ディスプレイ装置の昼光コントラストの低減を引き起こす場合がある)は、表面拡散器を適切に適合された屈折率を有する媒体とつなぎ合わせることによって低減されることができる。
ディスプレイパネルが液晶表示パネルである実施の形態において、線形に偏光した出力は、装置の昼光コントラストを改良するために利用されることができる。これは、散乱層を偏光方向に対して敏感にすることによって達成されることができる。
例えば、ndifの屈折率を有する表面拡散器は、通常屈折率及び異常屈折率no, neによって特徴づけられる複屈折媒質(例えば液晶材料)とインタフェイスすることができる。noは拡散器の屈折率に適合することができ、neは拡散器の屈折率よりも大きい。そして複屈折媒質は、異常屈折率がディスプレイからの光に適用され、この光が２つの方向に拡散を受けるように向きを定められる。ディスプレイに当たる周囲光は偏光しておらず、通常及び異常屈折率は同様に適用される。したがって、周囲光の半分のみが界面に遭遇し、部分的に反射され、このようにして昼光コントラストを低減する。周囲光の他の半分は、界面に遭遇せず、したがって反射されない。そのような実施の形態は、昼光コントラストを２倍改善する。
複屈折媒質を備えた他の実施の形態も想定される。
いくつかの実施の形態において、ビュー形成及び輝度不均一性低減機能を提供するレンズの第１及び第２アレイは、多角形レンズのアレイを備えた上述の実施の形態のように、１つの光インタフェイスに統合される。他のそのような実施の形態において、等しくない半径を有するレンズの第１及び第２アレイは、例えば「チェーンホイール」のような幾何構造を持つ非多角形レンズのアレイを提供するために統合されることができる。レンズの第１及び第２アレイは、互いに対して回転されることもできる。

Claims (8)

  1. 表示を形成するための表示ピクセルの直交アレイを有する画像形成手段であって、前記表示ピクセルが不透明なマトリックスによって空間的に定められる画像形成手段、並びに
    前記画像形成手段と位置合わせされて配置されるビュー形成モジュールであって、少なくとも２つの光学機能、ビュー形成機能及び輝度不均一性低減機能を提供するビュー形成モジュールを有し、
    前記ビュー形成機能は、前記表示ピクセルのグループの出力が複数のビューとしてそれぞれの異なる方向に投射されるように、前記表示ピクセルの出力の方向を変更し、前記ビュー形成機能は、前記ビュー形成モジュールにわたって配置される第１ピッチを持つ平行なビュー形成素子のアレイによって提供され、
    前記輝度不均一性低減機能は、前記不透明なマトリックスの結像によって引き起こされる輝度不均一性が低減されるように、前記表示ピクセルの出力を拡散し、前記輝度不均一性低減機能は、前記第１ピッチ未満の前記ビュー形成モジュールにわたる第２ピッチを定め、前記輝度不均一性低減機能はさらに、前記表示ピクセルの出力が前記ビュー形成モジュールによって放射され次第測定された、前記出力が前記輝度不均一性低減機能によって拡散される角度である有効拡散角度であって、前記ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度に実質的に等しいか又はそれ未満である前記ビュー形成素子の軸に垂直な面における前記有効拡散角度を定め、
    前記ビュー形成素子の前記アレイが、前記第１ピッチを持ち各々が湾曲した焦点面を定める平行なレンチキュラレンズの第１アレイであり、
    前記輝度不均一性低減機能が、前記ビュー形成モジュールにわたって配置されて前記第２ピッチを持つレンズの少なくとも１つの第２アレイによって提供され、
    レンズの前記第１アレイ及び前記第２アレイが同一の光学境界面に一体化される、自動立体視ディスプレイ装置。
  2. 前記第１アレイの各々のレンズに対応する前記光学境界面が、多角形レンズ面を定める複数の平らな又は平らでない面を有し、前記平らな又は平らでない面が、前記第２アレイのレンズに各々対応する、請求項１に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
  3. 前記第１アレイの各々のレンズに含まれる平らな面の数Nmicro-lensが、
    Figure 0005571662
    によって与えられる値に最も近い整数のうちのいずれか１つに等しい（RLは第１レンズアレイの曲率半径、Nviewsは前記ビュー形成モジュールによって提供されるビューの数、Δnは前記光学境界面の両側の材料の屈折率の差、pLは第１レンズアレイの前記第１ピッチ、λは用いられる光の典型的な波長）、請求項２に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
  4. 表示を形成するための表示ピクセルの直交アレイを有する画像形成手段であって、前記表示ピクセルが不透明なマトリックスによって空間的に定められる画像形成手段、並びに
    前記画像形成手段と位置合わせされて配置されるビュー形成モジュールであって、少なくとも２つの光学機能、ビュー形成機能及び輝度不均一性低減機能を提供するビュー形成モジュールを有し、
    前記ビュー形成機能は、前記表示ピクセルのグループの出力が複数のビューとしてそれぞれの異なる方向に投射されるように、前記表示ピクセルの出力の方向を変更し、前記ビュー形成機能は、前記ビュー形成モジュールにわたって配置される第１ピッチを持つ平行なビュー形成素子のアレイによって提供され、
    前記輝度不均一性低減機能は、前記不透明なマトリックスの結像によって引き起こされる輝度不均一性が低減されるように、前記表示ピクセルの出力を拡散し、前記輝度不均一性低減機能はさらに、前記表示ピクセルの出力が前記ビュー形成モジュールによって放射され次第測定された、前記出力が前記輝度不均一性低減機能によって拡散される角度である有効拡散角度であって、前記ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度に実質的に等しいか又はそれ未満である前記ビュー形成素子の軸に垂直な面における前記有効拡散角度を定め、
    前記輝度不均一性低減機能が、前記ビュー形成モジュールにわたって配置される光拡散器によって提供され、
    前記光拡散器が、第１及び第２の垂直な面において異なる拡散角度で前記表示ピクセルの出力を拡散するように配置される、自動立体視ディスプレイ装置。
  5. 前記光拡散器が、前記第１及び第２の垂直な面が前記ビュー形成素子の軸に対して鋭角を定めるように、ビュー形成素子の前記アレイに対して回転されている、請求項４に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
  6. 前記光拡散器が、ホログラフィック光拡散器である、請求項４又は請求項５に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
  7. 表示を形成するための表示ピクセルの直交アレイを有する画像形成手段であって、前記表示ピクセルが不透明なマトリックスによって空間的に定められる画像形成手段、並びに
    前記画像形成手段と位置合わせされて配置されるビュー形成モジュールであって、少なくとも２つの光学機能、ビュー形成機能及び輝度不均一性低減機能を提供するビュー形成モジュールを有し、
    前記ビュー形成機能は、前記表示ピクセルのグループの出力が複数のビューとしてそれぞれの異なる方向に投射されるように、前記表示ピクセルの出力の方向を変更し、前記ビュー形成機能は、前記ビュー形成モジュールにわたって配置される第１ピッチを持つ平行なビュー形成素子のアレイによって提供され、
    前記輝度不均一性低減機能は、前記不透明なマトリックスの結像によって引き起こされる輝度不均一性が低減されるように、前記表示ピクセルの出力を拡散し、前記輝度不均一性低減機能はさらに、前記表示ピクセルの出力が前記ビュー形成モジュールによって放射され次第測定された、前記出力が前記輝度不均一性低減機能によって拡散される角度である有効拡散角度であって、前記ビュー形成機能によって投射される隣り合うビュー間の角度に実質的に等しいか又はそれ未満である前記ビュー形成素子の軸に垂直な面における前記有効拡散角度を定め、
    ビュー形成素子の前記アレイが、前記第１ピッチを持ち各々が湾曲した焦点面を定める平行なレンチキュラレンズの第１アレイであり、
    レンズの前記第１アレイによって定められる焦点面が、法線方向ではない光の焦点に対応する位置において、前記表示ピクセルのアレイによって定められる面と各々交差する、自動立体視ディスプレイ装置。
  8. 前記第２ピッチが、前記装置によって提供されるビューの数で割られる第１ピッチに等しい、請求項２に記載の自動立体視ディスプレイ装置。
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