JP3642736B2

JP3642736B2 - 指向性ディスプレイ

Info

Publication number: JP3642736B2
Application number: JP2000548766A
Authority: JP
Inventors: リチャードロバートモセリー，; グラハムジョンウッドゲイト，; デイビットエズラ，
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: US6611243B1; DE69903536D1; WO1999059021A1; GB9810034D0; EP1078294A1; KR20010043527A; EP1078294B1; DE69903536T2; GB2337388A; KR100395858B1; JP2002514788A

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、例えば３次元（３Ｄ）ディスプレイとして使用するための、指向性ディスプレイに関する。このようなディスプレイは、例えば、オフィス環境における専門家向けディスプレイ、３Ｄビデオゲーム等のエンターテイメントシステム、医療イメージング、バーチャルリアリティ、およびデザインの可視化において使用され得る。
【０００２】
（背景技術）
ＥＰ０６５６５５５は、オートステレオスコピック３Ｄ型のオブザーバトラッキングツインパネルディスプレイを開示している。このディスプレイは、ビーム結合器を利用して、２個の独立した光学システムの出力を合わせる。
【０００３】
ＥＰ０７２６４８２およびＧＢ２２９７８７６は、空間光変調器によって表示された視野像情報を電子的に変更することによってオブザーバートラッキングを行う、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイを開示している。観察者の動きに応答して視野像情報を変更することにより、観察者の個々の目によって正確な視野像が視認されることを確実にしつつ、観察者を横方向にトラックすることができる。
【０００４】
ＥＰ０７２１１３１およびＧＢ２２９６６１７は、同様のタイプであるが、観察者の縦方向の動きをトラックする能力を有する、オブザーバトラッキングオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを開示している。この場合、縦方向への観察者の動きは、異なる幅の垂直方向のスライスに視野像情報を変更することによってトラックされる。
【０００５】
そのような横方向および縦方向トラッキングディスプレイのために、観察ウィンドウは均一で、且つ隣接している必要がある。また、観察ウィンドウの幅が重要である。３視野像システムでは、ウィンドウの幅が平均的な両目間の間隔の３分の２であることが必要であるのに対して、４視野像システムでは、ウィンドウの幅は、両目間の間隔の２分の１であることが必要ある。このようなディスプレイについての適切な視覚条件は、ＥＰ０６２５８６１に開示されたタイプの空間光変調器を用いて達成され得る。しかし、このようなディスプレイは、さまざまな欠点を有する。例えば、画像解像度が比較的低く、詳細には、各イメージについて、空間光変調器の空間解像度の３分の１未満である。さらに、観察ウィンドウの境界における可視アーティファクトを除去するために、高い制作許容範囲が要求される。空間光変調器上で、イメージの複雑なインターレースが要求される。このタイプの空間光変調器を提供するために、特注の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を製造するか、従来の（例えばデルタタイプの）ＬＣＤパネルを改良する必要がある。
【０００６】
ＥＰ０９４７２０８およびＧＢ２３２０１５６は、２個のパララックスエレメントを使用して観察ウィンドウの均一性を向上させた、フラットパネルオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを開示している。一方のパララックスエレメントは、観察ウィンドウを規定するが、例えば回折のために、そのウィンドウ内に不均一性を形成する。他方のパララックスエレメントは、逆の照明の不均一性を導き、第１のパララックスエレメントの、望ましくない光学的影響を除去するか、または低減する。ＧＢ２３２０１５６の図３０に示す実施形態は、指向性照明システムを開示している。このシステムにおいて、バックライトおよびマスクが複数の光源を形成し、これらの光源は、レンチキュラースクリーンによってイメージングされて、観察ウィンドウを形成する。
【０００７】
オートステレオスコピック３Ｄディスプレイに不慣れな観察者にとって、観察ウィンドウまたは観察ゾーンに対して自分自身を正確に位置づけることは難しいかもしれない。ＥＰ０８６０７２８およびＧＢ２３２１８１５は、パララックスエレメントと一体化された視覚位置表示器を組み込んだ、フラットパネルオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを開示している。これは、比較的単純な視覚表示を、観察ゾーンまたは観察ウィンドウに対して正確な観察者位置および不正確な観察者位置にいる観察者に提供する。
【０００８】
ＥＰ０８２９７４４、ＧＢ２３１７２９５、ＥＰ０８８７６６６およびＧＢ２３２６７２８は、指向性ディスプレイにおいて使用するのに適切であり、異なるモードでの動作を可能にする、パララックスバリアを開示している。このようなパララックスバリアは、入射光の偏光には影響を及ぼさない領域によって分離されたパララックスバリアのスリットを規定する、偏光修正ストリップを含む。独立した脱着可能均一偏光子が提供される。さらなる均一偏光子が要求され、ＬＣＤのような空間光変調器の入力偏光子または出力偏光子によって提供され得る。脱着可能偏光子を適所に配置して、パララックスバリアが形成されて、３Ｄビューイングモードを提供する。脱着可能偏光子が光路から除去された場合、偏光修正ストリップおよび分離領域が、２次元（２Ｄ）ビューイングモードについて、均一透明光学素子として機能する。
【０００９】
Ｍａｓｈｉｔａｎｉの”ＡｕｔｏｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＬＣＤｉｍａｇｅｓｐｌｉｔｔｅｒｄｉｓｐｌａｙｓ”，ＯｐｔｉｃｓＤｅｓｉｇｎｎｕｍｂｅｒ１２，ｐｐ３６−４１（ｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ，１９９７）は、フロントパララックスバリアおよびリアパララックスバリアを有するＬＣＤを含むシングルパネル３Ｄディスプレイを開示している。２つのパララックスバリアが協働して、シングルパララックスバリヤ構成によって生成される観察ゾーンよりも、エッジ領域の重複が小さな観察ゾーンを生成する。この構成は、無指向性照明を必要とする。
【００１０】
この構成は、観察面におけるウィンドウのプロフィールを狭く制限し、表示されたイメージの輝度が低減され、観察者がディスプレイに対して比較的短い横方向の距離を移動すると、増大した強度変化が視認される。また、パララックスバリアのピッチは、ＬＣＤの画素ピッチと実質的に同じであることが要求される。このことは、高い位置決め許容範囲および制作許容範囲を要求し、その結果、コストが増大する。
【００１１】
Ｎｏｓｅらの”Ｒｅａｒ−ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ３Ｄ−ＬＣＤｗｉｔｈｏｕｔｅｙｅｇｌａｓｓｅｓ”，３ＤＩｍａｇｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ１９９７，ｐｐ２１９−２２４は、水平パララックスシステムおよび垂直パララックスシステムが協働して、ＬＣＤ上の画素（ピクセル）の隣接する行内にインターレースされたイメージで垂直方向に制限された観察ゾーンにおいて、シングルＬＣＤパネルからのオートステレオスコピック３Ｄ観察を可能にした、３Ｄディスプレイを開示している。この構成は、２つのイメージを、標準インターレースビデオフォーマットのインターレースされたフィールドとして表示することを可能にすることにより、ＬＣＤへのインターフェースを単純化する。水平パララックスシステムは、観察領域の情報内容と、（垂直パララックスシステムと組み合わせて）観察領域の形成との両方を規定する。指向型照明が要求され、２つのサブシステムへと効果的に分割される。このとき、各サブシステムからの光は、ディスプレイの各部分を通過して、観察ゾーンの情報内容を規定する。したがって、指向型照明は、２つの空間的に多重化されたシステムへと効果的に分割される。これらシステムの各々は、ＬＣＤの画素のうちのいくつかの画素とのみ関係する。
【００１２】
この構成はまた、実質的にＬＣＤの画素ピッチにおいて、光学素子の位置決めを要求するという欠点を有する。さらに、レンチキュールのピッチがＬＣＤの画素ピッチと実質的に等しいレンチキュラースクリーンが要求される。レンチキュラースクリーンは、特に、標準的な写真技術またはリソグラフィー技術を用いて高い許容範囲に形成され得るパララックスバリアと比較した場合、ＬＣＤ構造体との正確な位置決めを達成するために要求される許容範囲で製造するのが困難であり、且つ高価である。
【００１３】
ＧＢ２２５２１７５は、ダブルパララックスバリア構成を使用するシングルパネルオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを開示している。この構成は、協働して、それらを分離する非照明領域でブロード照明領域を規定する２個の分離したバリアシートを含む。このようにして、偽視観察ゾーンが除去され得る。しかし、そのような構成はまた、ウィンドウプロフィール照明のエッジが拡大するという欠点を有し、観察者が横方向に動くと、イメージ輝度のばらつきが視認される。また、このような構成は、２Ｄビューイングモードを提供することができない。
【００１４】
ＧＢ２３１７７１０は、レンチキュラースクリーンが、リアパララックスバリアを形成するアクティブマスク構成と関連する、指向性ディスプレイを開示している。この組み合わせは、関連する空間光変調器を照射する指向性光源として機能することが考慮され得る。しかし、パララックスオプティックは、空間光変調器とは関連しない。
【００１５】
ＧＢ２２７２５５５は、「ハイブリッドサンドイッチ」型の立体ディスプレイとして公知のディスプレイを開示している。ハイブリッドサンドイッチは、入力パララックスオプティックおよび出力パララックスオプティックを有する空間光変調器を含む。入力パララックスオプティックは、サンドイッチ内のディフューザにおいて光源を効果的にイメージングし、したがって、指向性照明システムとしては機能しない。
【００１６】
ＥＰ０５７０１７９は、ハイブリッドサンドイッチが指向性光源と関連する、同様の構成を開示している。しかし、指向性光源は、単に、入力照明の方向をハイブリッドサンドイッチへと変えるために使用される。
【００１７】
（発明の開示）
本発明によると、空間光変調器と、上記変調器を介して光を指向する指向性照明システムと、上記変調器に関連するパララックスオプティックとを含む指向性ディスプレイであって、上記照明システムは、光を、複数の第１の概念上の観察ウィンドウに向かう方向に指向し、上記複数の第１の概念上の観察ウィンドウの各々は、第１の横方向の範囲を有し、上記パララックスオプティックは上記変調器と協働して、上記変調器の無指向性照明は、第２の概念上の観察ウィンドウを形成し、上記第２の概念上の観察ウィンドウの各々は、第２の横方向の範囲を有し、上記変調器、上記照明システム、および上記パララックスオプティックが協働して、現実の観察ウィンドウを形成し、上記現実の観察ウィンドウの各々は、上記第１および第２の横方向の範囲の積に等しく、且つ、上記第１および第２の横方向の範囲の各々よりも小さい横方向の範囲を有する、指向性ディスプレイが提供される。
【００１８】
「観察ウィンドウの横方向の範囲」という文言は、（最も白いイメージについての）光強度が、ウィンドウのピーク強度のｘ％（ｘは１００未満）よりも大きい、横方向の幅を意味する。理論上は、ｘは、１００未満の任意の数を有し得るが、実際には、迷光、クロストーク等による影響を受けるような低いｘの値は避ける必要がある。
【００１９】
上記照明システムは、少なくとも１つの照明源およびイメージングシステムを含んでもよい。
【００２０】
上記照明システムは複数の個別の光源を含んでもよい。
【００２１】
上記イメージングシステムはフィールドレンズを含んでもよい。
【００２２】
上記照明システムは、上記照明源を規定する、バックライトと複数のスリットを有するマスクとを含んでもよい。上記スリット間の上記マスクの領域が、上記バックライトに向かって反射を行ってもよい。上記イメージングシステムは、レンチキュラースクリーンを含んでもよい。上記レンチキュラースクリーンの各レンチキュールは、１群のスリットと協働して、それぞれの観察ウィンドウにおける、複数のローブ内で、上記スリットをイメージングしてもよい。
【００２３】
上記イメージングシステムは、少なくとも１つのホログラフィー光学素子を含んでもよい。上記照明源は、平行光を生成する光源を含んでもよい。
【００２４】
上記観察ウィンドウは横方向に隣接してもよい。
【００２５】
上記観察ウィンドウは、横方向に隣接する観察ウィンドウの、横方向に間隔を空けた対を含んでもよい。
【００２６】
上記パララックスオプティックは、パララックスバリアを含んでもよい。
【００２７】
上記空間光変調器が、第１および第２の空間光変調器を含んでもよく、上記パララックスオプティックが、上記第１および第２の空間光変調器と協働する第１および第２のパララックスオプティックをそれぞれ含んでもよく、上記ディスプレイが、上記第１および第２の空間光変調器からの出力光を合わせるビーム結合器を含んでもよい。上記照明システムは、複数の個別の光源と、上記光源からの光を上記第１および第２の空間光変調器に向かって指向するビームスプリッタとを含んでもよい。
【００２８】
上記ディスプレイは、上記空間光変調器と協働し、且つ、指向性表示モードを提供する非拡散状態と、無指向性表示モードを提供する拡散状態との間で切り換え可能な、切り換え可能ディフューザをさらに含んでもよい。
【００２９】
したがって、指向性照明が、指向性ディスプレイパネルの領域全体を通過するような光で照明ゾーンを形成する、指向性ディスプレイを提供することが可能である。指向性ディスプレイパネルは、照明ゾーンの全体または一部において可視であるイメージ情報内容を規定する。イメージング光学素子を用いて指向性照明を提供することにより、照明ゾーンの中央部分において均一な照明が提供され、ゾーンがシャープなエッジを有する、改良された照明ゾーンプロフィールが達成され得る。パララックスバリア等のパララックスオプティックを使用して、ゾーンの情報内容を規定することにより、低レベルのクロストークが提供される。
【００３０】
ビーム結合器型で、電子トラッキング型のオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを提供することがさらに可能である。このような構成は、可動部品を要求せず、オブザーバトラッキングの間に、視覚的ちらつきアーティファクトがほとんどまたは全く形成されない。例えばＥＰ０７２６４８２、ＥＰ０７２１１３１、ＧＢ２２９７８７６、およびＧＢ２２９６６１７に開示された３視野像システムと比較して、向上した、トラッキングの間の許容範囲のために、４ウィンドウシステムが提供され得る。視野像スライシングによる縦方向のトラッキングが提供され得、ビデオ入力速度での高速オブザーバトラッキングが達成され得る。空間光変調器の空間解像度の２分の１に等しいイメージ解像度が提供され得る。空間光変調器は、標準的な液晶ディスプレイによって、いかなる修正も要求することなく実現し得る。このような構成は、他のフラットパネル２視野像インターレース型ディスプレイと同じディスプレイインターフェーシングを利用し得る。パララックスオプティックとしてのパララックスバリアの場合、幅広のスリットを採用して、光効率を向上し、回折の影響を低減し得る。製造中、全てのエレメントを適所に固定して、頑丈なディスプレイを提供し得る。いくつかの実施形態において、立体モードおよび２Ｄモードの動作を、容易に提供し得る。
【００３１】
例えば、２視野像オートステレオスコピックディスプレイに固定された観察者位置について、偽視観察領域を除去することができる。このような構成は、低減されたクロストークを有し得、且つ、２Ｄモードに電子的に切り換え可能である。さらに、不慣れな観察者であっても、観察領域に対して自分を正確に位置づける際に実質的な困難を有さないので、さらなる観察者位置表示を提供する必要がない。
【００３２】
（発明を実施するための最良の形態）
添付の図面を参照しつつ、例示によって、本発明をさらに説明する。図中、同じ参照符号は同じ部分を示す。
【００３３】
図１に示すオートステレオスコピック３Ｄディスプレイは、小型の照明システムを用いるビーム結合器型である。このディスプレイは、マスクセット２の背後に配置されたバックライト１を含む。マスクセット２は、個々の光源として機能する垂直方向に延びる平行スリットが内部に形成された不透明層の形態をしている。レンチキュラーシート３は、マスクセット２の前面に配置され、複数の垂直方向に延びる平行円筒形集光レンズエレメントまたはレンチキュールを含む。レンチキュールの各々は、マスクセット２のスリットのうちの２つのスリットからなる群の上に配置される（これは図１およびそれ以降の図面には明示せず、この点については概略的である）。デバイス１、２、および３は、小型照明器を構成する。
【００３４】
空間光変調器（ＳＬＭ）４は、小型照明器（１、２、３）の前面に配置され、例えば、画素が列状に配置された液晶デバイス（ＬＣＤ）を含む。画像情報が、２つの立体視野像が、ＳＬＭ４上に空間的に多重化されるように、ＳＬＭ４に供給される。詳細には、画素列が交互に、立体視野像の交互の視野の垂直方向のストリップを表示する。パララックスバリアの形態のパララックスエレメント５が、ＳＬＭ４の前面に配置される。パララックスバリア５は、平行であり且つ横方向に均一な間隔を空けた、垂直方向に延びるスリットを含む。パララックスバリア５の各スリットは、ＳＬＭ４の２つの画素列に対応する。
【００３５】
上記ディスプレイは、それぞれ同じタイプであり且つデバイス１〜５と同じ構成の、第２のバックライト１１、第２のマスクセット１２、第２のレンチキュラーシート１３、第２のＳＬＭ１４、および第２のパララックスエレメント１５をさらに含む。ビーム結合器６は、デバイス１〜５からの光が透過され、デバイス１１〜１５からの光が観察ウィンドウ７に向かって反射されるように構成される。ビーム結合器６は、例えば、透過された光の色が反射された光の色と適合するような色特性を有する、部分的に銀コーティングされたミラーを含む。このことは、適切な光学的コーティングをビーム結合器６に施すこと、および／または、色バランスまたはＳＬＭ４および１４を形成するＬＣＤの「ガンマ」を調節することにより達成され得る。さらに、小型照明器の強度は、観察ウィンドウの照明が適合するように適合される。
【００３６】
図２は、小型照明器（１、２、３）を、この照明器が生成する光路と共に示す。照明領域または「第１の概念上の観察ウィンドウ」８によって示されるように、レンチキュラーシート３のレンチキュールの各々が、マスクセット２の２つの関連するスリットのイメージを形成する。レンチキュラーシート３のレンチキュールのピッチは、マスクセット２のスリットのピッチの２倍よりもわずかに小さく、２つのスリットからなる群のイメージが第１の概念上の観察ウィンドウ８において一致するような視点の補償が提供される。ウィンドウ８の横方向の幅または範囲は、平均的な両目間の間隔の２分の１に実質的に等しく、したがって、約３２ｍｍである。ウィンドウ８は、同じ量だけ横方向に間隔が空けられている。
【００３７】
観察ウィンドウの横方向の幅または範囲は、横方向の幅ｗ（ｘ）として規定され、この規定された幅について、ウィンドウ内の光強度は、ウィンドウ内の光強度のピークまたは最大値のｘ％よりも大きい（なお、ここで、ｘは１００未満である）。ｘは任意に選択され得るが、ウィンドウとウィンドウとの間のクロストーク、光の散乱等の効果によって、強度が変形され得るので、非常に低い値は避ける必要がある。
【００３８】
小型照明器（１１、１２、１３）も同じ様態で動作するが、ビーム結合器６における反射によって光路は曲げられる。小型照明器およびビーム結合器の相対的位置および配向は、小型照明器からの照明領域が、共通の面内で横方向に互いに交互に生じ、実際の観察ウィンドウ７を形成するように構成される。小型照明器（１、２、３）からの第１のウィンドウ８ａおよび８ｂを図１に示し、小型照明器（１１、１２、１３）によって形成される第１のウィンドウを８ｃおよび８ｄに示す。
【００３９】
図３は、第１の概念上の観察ウィンドウ８上に、光集束型のフィールドレンズ１０によってイメージングされる、規定された空間範囲の拡散光源９を含む照明システムの異なる形態を示す。フィールドレンズ１０は、例えば、フレネルレンズであり得、円筒形集光型または球形集光型である。
【００４０】
図４ａは、別のタイプの指向性照明システムを示す。このシステムは、平行光を生成する光源等の適切な光源から入力照明１７を提供されるホログラフィー光学素子１６を含む。ホログラフィー光学素子１６は、均一型であり、第１の概念上の観察ウィンドウ８を生成する。
【００４１】
図４ｂは、同様ではあるが、デュアル空間多重ホログラフィー光学素子１６を有する指向性照明システムを示す。素子１６の各サブセクションは２つのウィンドウ８のうち、一方のウィンドウを生成する。
【００４２】
図５ａは、１、２、３のような照明システムによって観察ウィンドウ７の面に生成された第１の概念上の観察ウィンドウの輝度プロフィールを示す。これは、例えば、ＳＬＭ４およびパララックスバリア５が省略された場合に、図１の照明システム（１、２、３）によって生成される輝度プロフィールである。観察ウィンドウ７上に光源をイメージングする指向性照明システムは、シャープなエッジを有する中央の均一性の良好な各ウィンドウの輝度プロフィールを生成する。しかし、例えば、光の散乱または不完全な表面品質のために、ウィンドウ間の望ましくない高さのクロストークレベルが生成され得る。このようなクロストークは５％よりも小さくなり得るが、しかし依然観察者に対してかなり可視であり、観察時の不快感および目の疲れの大きな原因である。
【００４３】
図５ｂは、ＬＣＤ４およびパララックスバリア５の光学的性能を示す。詳細には、図５ｂは、例えば、指向性照明システム（１、２、３）が無指向性照明源と交換され、ＳＬＭ４の全ての画素が最大に透過を行う光学的状態にある場合に、ＳＬＭ４およびパララックスバリア５によって生成される強度プロフィールの形態の、第２の概念上の観察ウィンドウ８’を示す。このプロフィールは、２組のイメージデータを表示するＳＬＭ４の画素のセットのウィンドウ面における視認度に直接対応する。各画素セットは、ＳＬＭ４の別の列に配置される。
【００４４】
図示のように、ＬＣＤ４の前面（またはＬＣＤ４の背後）に配置され得るパララックスバリア５は、隣接する画素列からの光が隣接する第２の概念上の観察ウィンドウ８’に制限されるように、観察ウィンドウ７の面からの視認性を制限する。観察者の目が、１つの、３２ｍｍの幅のウィンドウ８’内にある場合、この目は、全ての第２の画素列からの光を受光するのに対し、隣接するウィンドウ８’内の目は、他の画素列からの光を受光する。指向性照明器（１、２、３）および（１１、１２、１３）は照明を分散させるのに対して、パララックスエレメント５および１５は、ＳＬＭ４および１４と協働して、画像情報へのアクセスを制限する。パララックスエレメント５および１５は、第１の概念上の観察ウィンドウ８を形成せず、単に、各概念上のウィンドウ８内で可視となるＳＬＭ４および１４の画素を制限する。
【００４５】
図５ｃは、例えば、ＳＬＭの全ての画素が最大に透過を行う光学的状態にある、図１の指向性照明システム（１、２、３）、ＳＬＭ４、およびパララックスバリア５によって生成される強度プロフィールの形態で、実際の観察ウィンドウ７を示す。パララックスバリアは、（適切に幅広なスリット幅を選択することにより強い回折が回避される場合）非常に高いコントラスト比および優れた表面品質のために、良好なクロストーク性能を提供する。図５ｂに示すように、このようなパララックスエレメントは、シャープなエッジの観察領域を生成することができない。したがって、指向性照明システムとパララックスオプティックとの組み合わせは、均一に照明された観察ウィンドウ７に、シャープなエッジおよび低いクロストークを提供しない。
【００４６】
実際の観察ウィンドウ７の横方向の範囲Ｗ_1-5（ｘ）（以下に規定する）は、次式によって与えられる。
【００４７】
Ｗ_1-5（ｘ）＝Ｗ_1-3（ｘ）．Ｗ_4,5（ｘ）
ここで、Ｗ_1-3（ｘ）は、第１の概念上の観察ウィンドウ８の横方向の範囲であり、Ｗ_4,5（ｘ）は、第２の概念上の観察ウィンドウ８’の横方向の範囲である。この式は、１００未満であり、且つ、例えばクロストークの影響によって悪影響を受けたウィンドウプロフィールの「ベース領域」についてよりも大きなｘの全ての値について有効である。例えば、ｘは、５より大きいかもしれない。また、そのようなｘの値全てについて、Ｗ_1-5（ｘ）は、Ｗ_1-3（ｘ）よりも小さく、且つ、Ｗ_4,5（ｘ）よりも小さい。
【００４８】
図６は、図１のディスプレイがどのようにより多くの観察ウィンドウを生成し得るかを示す。ＳＬＭ４は、画素セットＡおよびＣを提供するように示されるのに対して、ＳＬＭ１４は、画素セットＢおよびＤを提供するように示される。これらの画素セットが可視である観察ウィンドウを、同様にＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤで示す。
【００４９】
レンチキュラーシート３および１３の各レンチキュールとマスクセット２および１２のセットの対応する群とによって形成されたイメージに加えて、各レンチキュールは、図６の１９および２０に示すように、オーダー＋１および−１の隣接するローブにおける、スリットの隣接する群のイメージを形成する。したがって、ウィンドウおよびそれらウィンドウに含まれる視野像情報は、観察ウィンドウＡ〜Ｄの両サイドで、横方向に繰り返される。ディスプレイによって生成される観察ウィンドウの幅およびピッチは、観察ウィンドウが各ローブ内で実質的に横方向に隣接し、且つ、ローブ自体が実質的に横方向に隣接するように構成される。したがって、均一な照明により、観察者は、望ましくない視覚的アーティファクトを視認することなく、観察領域間およびローブ間を移動することができる。例えば、ＳＬＭ４およびＳＬＭ１４が、観察ウィンドウ７の全てに同じイメージ情報を表示する場合、実質的にちらつきを視認することなく、観察ウィンドウ７間を移動することができる。
【００５０】
図１および図６に示すマスクセットおよびレンチキュラーシートを用いる指向性照明システムの場合、複数のローブの生成は自然に起こる。同様に、図４ａおよび図４ｂに示すホログラフィー光学素子１６は、繰り返しパターンを生成するように構成され得る。図３に示した照明システムの場合、複数のローブの生成は、均一な横方向のピッチを有する光源９のパターンを繰り返すことによって達成され得る。
【００５１】
ＥＰ０７２６４８２、ＧＢ２２９７８７６、ＥＰ０７２１１３１、およびＧＢ２２９６６１７に開示されているように、観察者が拡大された観察領域にわたって３Ｄイメージを視認し得るように観察自由度を増大させるために、電子オブザーバトラッキングが提供され得る。図７は、観察者の位置の横方向のトラッキングをどのように行い得るかを示す。２つのローブにおける観察ウィンドウをＡ〜Ｄに示す。ここでは、観察者の目の相対的な横方向の位置を、４つの観察者の位置について示す。「画素セットＡは観察ウィンドウＡ内で可視である」等のように、各観察ウィンドウにおいて可視である画素セットも同じ文字で示す。
【００５２】
第１の観察者位置において、観察者の左目は一方のローブの観察窓Ｄ内にあり、観察者の右目は同じローブの観察窓Ｂ内にある。左イメージ情報は、画素セットＣおよびＤによって表示され、右イメージ情報は、画素セットＡおよびＢによって表示される。次の位置では、左目は観察ウィンドウＣへと移動し、右目は観察ウィンドウＡへと移動したところである。したがって、画素セットによって表示されたイメージ情報を変更する必要はない。
【００５３】
次の観察者位置において、左目は観察ウィンドウＣの真ん中にあり、右目は観察ウィンドウＡの真ん中にある。左イメージ情報が画素セットＢおよびＣによって表示され、右イメージ情報が画素セットＡおよびＤによって表示されるようにイメージデータが変更される。最後に示した観察者位置では、左目が第１のローブの観察ウィンドウＢと観察ウィンドウＣとの間の境界上にあり、右目が第１のローブの観察ウィンドウＡと第２のローブの観察ウィンドウＤとの間の境界上にある。したがって、観察者がさらに右側へ移動する場合、観察者の左右の目は、画素セットによって表示されるイメージデータを変更する必要なく、それぞれ左右の視野像を見続る。
【００５４】
観察者の各目によって観察されるイメージの解像度は、ＳＬＭ４および１４の各々の空間解像度の半分である。したがって視認される解像度は、１つのＳＬＭを用いるディスプレイ上に表示される解像度の２倍である。さらに、３ウィンドウトラッキングシステムに関して、観察自由度トラッキング許容範囲が向上する。このようなシステムにおいて、通常の動作時に、目がウィンドウの境界に理論上最も近いものは１１ｍｍであり、図８に示した４ウィンドウシステムについて、これは、１６ｍｍに増大する。したがって、トラッキングシステムの精度および速度が緩和され、かつ／または、既存の構成要素および制御で性能の向上が達成され得る。
【００５５】
図８は、図１に示したディスプレイと同様のタイプであるが、１セットの光源９を用いてＳＬＭ４および１４を照明するタイプの、ビーム結合器ディスプレイを示す。光源９からの光は、ビームスプリッタ２１に向かって指向される。ビームスプリッタ２１は、約半分の光を反射し、残りの光を透過する。反射された光はミラー２２によって、大型フレネルレンズ１０ａの形態のフィールドレンズへと反射される。フレネルレンズ１０ａは、ＳＬＭ４、パララックスバリア５、およびビーム結合器６を介して、観察ウィンドウ７上に光をイメージングする。ビーム結合器２１を透過した光は、ミラー２３によって、同様のフレネルレンズ１０ｂへと反射される。フレネルレンズ１０ｂは、ＳＬＭ１４およびパララックスバリア５を介し、ビーム結合器６からの反射によって、観察ウィンドウ７上にイメージを映す。
【００５６】
スイッチ可能ランプを含むものとして光源９を示す。以下に説明するように、複数のローブを提供するために、光源９が繰り返される必要があり、図８に示すランプはスイッチ可能であり、それにより、オブザーバトラッキング動作の間は必要でないランプはスイッチオフされ得る。
【００５７】
図９ａは、図１に示すタイプであるが、パララックスバリア５および１５を、ＥＰ０８２９７４４、ＧＢ２３１７２９５、ＥＰ０８８７６６６、およびＧＢ２３２６７２８に開示されたタイプのパララックスバリアと置き換えたディスプレイを示す。ＳＬＭ４のためのパララックスバリアは、偏光バリア２５および脱着可能偏光子２６を含む。偏光バリア２５は、偏光を変化させないバリア領域によって分離された、ＳＬＭ４からの光の偏光を９０°回転させるスリット領域を含む。例えば、ＳＬＭ４は、偏光バリア２５上に入射した光が規定された直線偏光を有するように、線形の出力偏光子を有するＬＣＤを含み得る。脱着可能偏光子２６は、バリア２５のスリット領域からの光が透過され、バリア領域からの光が消去されるような偏光方向を有する。あるいは、偏光子２６および２８は、ディスプレイの出力に配置され、ビーム結合器６の後方に配置された、１つの偏光子へと組み合わされ得る。
【００５８】
同様に、ＳＬＭ１４に関連するパララックスバリアは、バリア２５および偏光子２６とそれぞれ同じタイプの偏光バリア２７および脱着可能偏光子２６を含む。
【００５９】
このディスプレイは、レンチキュラーシート３とＳＬＭ４との間に配置された切り換え可能ディフューザ２９およびレンチキュラーシート１３とＳＬＭ１４との間に配置された切り換え可能ディフューザ３０をさらに含む。ディフューザ２９および３０は、例えば、ディスプレイを通る光路に物理的に挿入し得、且つこの光路から物理的に除去し得る拡散シートを含み得る。あるいは、ディフューザは、低拡散状態と高拡散状態との間で切り換え可能なように電子的に制御され得る。このようなデバイスの例として、ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）が挙げられる。
【００６０】
図９ａは、オートステレオスコピック３Ｄモードでのディスプレイの動作を示す。ディフューザ２９および３０は、低拡散状態またはクリア状態にあり、偏光子２６および２７は適所に配置される。したがって、ディフューザ２９および３０が、ディスプレイの動作に実質的な影響を及ぼさないのに対して、偏光バリア２５および２７ならびに脱着可能偏光子２６および２８は、ＳＬＭ４および１４の前面において、パララックスバリアとして機能する。したがって、ディスプレイは、以下に説明するように動作する。
【００６１】
図９ｂは、立体３Ｄモードまたは高解像度２Ｄモードでのディスプレイの動作を示す。脱着可能偏光子２６および２８が除去され、ディフューザ２９および３０が拡散状態に切り換えられている。
【００６２】
偏光子２６および２８の除去により、パララックスバリアが無機能化され、拡散状態でのディフューザ２９および３０の動作が、照明システムを無指向性にする。したがって、３０に示す観察領域全体にわたって、ＳＬＭ４および１４の両方の画素の全てが可視である。観察補助機具なしで観察した場合、観察者の両眼は、ＳＬＭ４および１４の全体を観察し、ＳＬＭ４および１４の各々の空間解像度の２倍の２Ｄイメージが表示され得る。あるいは、ＳＬＭ４および１４の出力偏光子が、直交偏光を提供するように構成される場合、広範囲の観察領域にわたって、適切な偏光ガラスを介して立体視的に使用され得る。
【００６３】
図９ａおよび図９ｂに示すディスプレイがフロントパララックスバリア型であるのに対して、図１０ａおよび図１０ｂに示すディスプレイはリアパララックスバリア型である。したがって、偏光バリア２５は、ＳＬＭ４と切り換え可能ディフューザ２９との間に配置されるのに対して、偏光バリア２７は、ＳＬＭ１４と切り換え可能ディフューザ３０との間に配置される。偏光子２６は固定され、バックライト１とマスクセット２との間に配置される。それに対して、偏光子２８は、固定されるか、または永続的に光路内に存在し、且つ、バックライト１１とマスクセット１２との間に配置される。
【００６４】
図１０ａは、ディフューザ２９および３０がクリア状態にある、オートステレオスコピック３Ｄモードの動作を示す。以下に、動作を十分に説明する。
【００６５】
図１０ｂは、立体３Ｄモードまたは２Ｄモードでの動作を示す。切り換え可能ディフューザ２９および３０は、拡散状態にある。これは２つの影響を有する。第１に、小型照明器の指向性が損なわれる。第２に、偏光子２６および２７からの偏光された光の偏光が解消され、偏光バリア２５および２７がパララックスバリアとして機能しなくなる。したがって、このモードでの動作は、図９ｂを参照して上で説明した動作と実質的に同じである。
【００６６】
図１１に示すディスプレイは、平行光を生成する光源１ａおよび１ｂと共に、小型照明器をホログラフィー光学素子１６ａおよび１６ｂと置き換えて、図４ａおよび図４ｂに示したタイプの指向性照明器を提供する点で、図１に示したディスプレイとは異なる。従来の光学よりもホログラフィー光学素子が優れている点は、従来の光学システムからの軸のずれたイメージングに関連する収差を増大させることなく、軸のずれた観察ゾーンを生成し得る点にある。光源１ａおよび１ｂは、平行光を提供するものとして示したが、素子１６ａおよび１６ｂのリア照明が、ホログラムの記録波面に対応するような、他のタイプの光源も使用し得る。
【００６７】
図１２は、公知のタイプの、フロントパララックスバリア型の、シングルパネルオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを示す。このディスプレイによって生成される観察ウィンドウを７に示す。ここで、Ｌは、左目の視野像が可視であるウィンドウを示し、Ｒは、右目の視野像が可視であるウィンドウを示す。観察者Ａについて示すように、観察者の左目および右目が、それぞれ左および右の観察ウィンドウに配置される場合、観察者は、３Ｄイメージが表示されているのを正確に視認する（整像観察）。しかし、観察者は、観察者Ｂについて示すように、左目が右ウィンドウ内に、且つ右目が左ウィンドウ内にあるように配置され得る。これは偽視観察と呼ばれ、不快な混乱した印象を与え、誤った奥行き情報へと導き得る。不慣れな観察者にとって、整像観察と偽視観察とを区別するのは困難であり得る。
【００６８】
図１３は、別個の間隔を空けた３組の観察ウィンドウ７ａ、７ｂ、および７ｃを形成する、図１に示したタイプの小型照明器（１、２、３）を有するシングルパネルオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを示す。このディスプレイは、図１に示したタイプの、１つのＳＬＭ４および１つのパララックスバリア５をさらに含み、２視野像ディスプレイを提供する。マスク２のリア表面は、光を再使用できるように反射性を有するように形成され、ディスプレイの照明効率を向上させる。
【００６９】
図１３に、隣接する観察ウィンドウ間の平均的な両目間の間隔に実質的に等しい照明されないギャップが存在するように、観察ウィンドウ７ａ、７ｂ、および７ｃを生成するものとして、ディスプレイを示す。したがって、観察者が、観察ウィンドウの面内の偽視観察位置に存在することができなくなり、偽視観察が不可能になる。
【００７０】
図１４に、ＳＬＭ４およびパララックスバリア５の組み合わせによって生成されるウィンドウのパターン３２を示す。小型照明器によって生成された照明プロフィールを３３に示し、得られた情報分布を３４に示す。観察ウィンドウの逆の対が抑制されるので、偽視観察が防がれ、不慣れな観察者によるディスプレイの使用が簡単になる。さらに、ディスプレイは、図１２に示したタイプの従来のディスプレイについてよりも低いクロストークを示す。詳細には、有効な観察ウィンドウはそれぞれ、隣接する照明されたウィンドウを１つだけ有し、反対側のウィンドウは照明不足により抑制されるので、所望のウィンドウの両側に隣接するウィンドウから広がり、それによりクロストークを引き起こす光が減少される。光は、一方の側部からのみ拡がり得、クロストークの量は実質的に半減される。したがって、クロストークの結果の結果として生成される望ましくない視覚的アーティファクトが、実質的に低減される。
【００７１】
上で説明した指向性照明システムのいずれかが使用されてもよく、図１５は、小型照明器を、図１１に示したタイプのホログラフィー照明システムと置き換えた、平行光を生成する光源１およびホログラフィー光学素子１６を有する、図１３に示したタイプのディスプレイを示す。
【００７２】
図１６は、図１３に示したタイプであるが、パララックスバリアが図９ａ〜図１０ｂを参照して説明したのと同じタイプの偏光バリア２５によって形成される、リアパララックスバリアタイプのディスプレイを示す。偏光バリア２５は、小型照明器（１、２、３）からの偏光された光を受光する場合、ＳＬＭ４の入力偏光子と協働して、パララックスバリアとして機能する。この小型照明器は、マスクが不透明ストリップによって分離された偏光子シートのストリップを含むように、偏光子がマスク２と組み合わされている点で、図１０ａに示した照明器とは異なる。上記ディスプレイは、非拡散モードの切り換え可能ディフューザエレメント２９を用いて、図１３を参照してこれまでに説明した３Ｄオートステレオスコピックモードで動作する。
【００７３】
図１７は、２Ｄモードで動作する図１６のディスプレイを示す。ディフューザ２９は拡散モードに切り換えられ、偏光されたマスク２によって生成された偏光を消去し、照明器（１、２、３）の指向性を消去する。したがって、パララックスバリアが無効にされ、照明器（１、２、３）が、近ランバート光源として機能して、全解像度２Ｄイメージが、広い角度範囲にわたって観察可能となる。
【００７４】
（産業上の利用可能性）
上記の本発明によると、指向性照明は、指向性ディスプレイパネルの全領域を通過する光で照明ゾーンを形成する、指向性ディスプレイを提供することができる。指向性ディスプレイパネルは、照明ゾーンの全体または一部において可視であるイメージ情報内容を規定する。イメージング光学素子を使用して、指向性照明を提供することにより、照明ゾーンの中央部分に均一な照明が提供され、このゾーンがシャープなエッジを有するような、向上した照明ゾーンプロフィールが達成される。パララックスバリア等のパララックスオプティックを使用して、上記ゾーンの情報内容を規定することにより、低レベルのクロストークが提供される。
【００７５】
ビーム結合器型で、電子トラッキング型のオートステレオスコピック３Ｄディスプレイを提供することがさらに可能である。このような構成は、可動部品を要求せず、オブザーバトラッキングの間に、視覚的ちらつきアーティファクトがほとんどまたは全く形成されない。トラッキングの間の許容範囲の向上のために、４ウィンドウシステムが提供され得る。視野像スライシングによる縦方向のトラッキングが提供され得、ビデオ入力速度での高速オブザーバトラッキングが達成され得る。空間光変調器の空間解像度の２分の１に等しいイメージ解像度が提供され得る。空間光変調器は、標準的な液晶ディスプレイによって、いかなる修正も要求することなく実現し得る。このような構成は、他のフラットパネル２視野像インターレース型ディスプレイと同じディスプレイインターフェーシングを利用し得る。パララックスオプティックとしてのパララックスバリアの場合、幅広のスリットを採用して、光効率を向上し、回折の影響を低減し得る。製造中、全てのエレメントを適所に固定して、頑丈なディスプレイを提供し得る。いくつかの実施形態において、立体モードおよび２Ｄモードの動作を、容易に提供し得る。
【００７６】
例えば、２視野像オートステレオスコピックディスプレイに固定された観察者位置について、偽視観察領域を除去することができる。このような構成は、低減されたクロストークを有し得、且つ、２Ｄモードに電子的に切り換え可能である。
【００７７】
さらに、不慣れな観察者であっても、観察領域に対して自分を正確に位置づける際に実質的な困難を有さないので、さらなる観察者位置表示を提供する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図２】図１のディスプレイの指向性照明システムの概略平面図である。
【図３】図１のディスプレイにおいて使用し得る、別のタイプの指向性照明システムの概略平面図である。
【図４ａ】図４ａは、図１のディスプレイにおいて使用し得る、ホログラフィー型指向性照明システムの概略平面図である。
【図４ｂ】図４ｂは、図１のディスプレイにおいて使用し得る、ホログラフィー型指向性照明システムの概略平面図である。
【図５ａ】図５ａは、図２に示したタイプの指向性照明システムによって生成される、観察ウィンドウ照明プロフィールを示す。
【図５ｂ】図５ｂは、空間光変調器およびパララックスバリアによって生成される、隣接する画素セットの観察ウィンドウにおける、視認度プロフィールを示す。
【図５ｃ】図５ｃは、図５ａおよび図５ｂのプロフィールを組み合わせることにより達成される観察ウィンドウ性能を示す。
【図６】図６は、隣接するローブにおける、隣接する観察ウィンドウの形成を示す、図１のディスプレイの概略平面図である。
【図７】図７は、図６に示した観察者ウィンドウについての、横方向のオブザーバトラッキングを示す図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図９ａ】図９ａは、本発明の第３の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図９ｂ】図９ｂは、２Ｄまたは立体モードでの、図９ａのディスプレイの動作を示す。
【図１０ａ】図１０ａは、本発明の第４の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、２Ｄまたは立体モードでの、図１０ａのディスプレイの動作を示す。
【図１１】図１１は、本発明の第５の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１２】偽視観察ゾーンの存在を示す、公知のタイプのオートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第６の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１４】図１４は、図１３のディスプレイの光学的性能を示す。
【図１５】図１５は、本発明の第７の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第８の実施形態を構成する、オートステレオスコピック３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１７】図１７は、２Ｄモードでの、図１６のディスプレイの動作を示す。
【符号の説明】
１、１１バックライト
２、１２マスクセット
３、１３レンチキュラーシート
５、１５パララックスエレメント
６ビーム結合器
７観察ウィンドウ

Claims

空間光変調器と、
該空間光変調器を介して所定の方向に光を指向する指向性照明システムと、
該空間光変調器に関連するパララックスオプティックと、
を含む指向性ディスプレイであって、
該空間光変調器、該指向性照明システム、および該パララックスオプティックが協働して、複数の現実の観察ウィンドウを形成し、
該指向性照明システムは、該所定の方向に指向された光によって、該複数の現実の観察ウィンドウの面に複数の第１の概念上の観察ウィンドウを形成し、該複数の第１の概念上の観察ウィンドウの各々は、第１の横方向の範囲を有し、該所定の方向に指向された光は、該パララックスオプティックに入射され、
該パララックスオプティックは該空間光変調器と協働して、該複数の現実の観察ウィンドウの面に複数の第２の概念上の観察ウィンドウを形成し、該複数の第２の概念上の観察ウィンドウの各々は、第２の横方向の範囲を有し、
該複数の現実の観察ウィンドウの各々は、該第１の横方向の範囲および該第２の横方向の範囲の積に等しく、且つ、該第１の横方向の範囲および該第２の横方向の範囲よりも小さい横方向の範囲を有する、指向性ディスプレイ。
前記指向性照明システムが、少なくとも１つの照明源およびイメージングシステムを含む、請求項１に記載の指向性ディスプレイ。
前記指向性照明システムが複数の個別の光源を含む、請求項２に記載の指向性ディスプレイ。
前記イメージングシステムがフィールドレンズを含む、請求項３に記載の指向性ディスプレイ。
前記指向性照明システムが、前記照明源を規定する、バックライトと複数のスリットを有するマスクとを含む、請求項２に記載の指向性ディスプレイ。
前記スリット間の前記マスクの領域が、前記バックライトに向かって反射を行う、請求項５に記載の指向性ディスプレイ。
前記イメージングシステムがレンチキュラースクリーンを含む、請求項５に記載の指向性ディスプレイ。
前記レンチキュラースクリーンの各レンチキュールが１群のスリットと協働して、それぞれの観察ウィンドウにおける、複数のローブ内で、該スリットをイメージングする、請求項７に記載の指向性ディスプレイ。
前記イメージングシステムは少なくとも１つのホログラフィー光学素子を含む、請求項２に記載の指向性ディスプレイ。
前記照明源は平行光を生成する光源を含む、請求項９に記載の指向性ディスプレイ。
前記観察ウィンドウは横方向に隣接している、請求項２に記載の指向性ディスプレイ。
前記観察ウィンドウは、横方向に隣接する観察ウィンドウの、横方向に間隔を空けた対を含む、請求項２に記載の指向性ディスプレイ。
前記パララックスオプティックは、パララックスバリアを含む、請求項１に記載の指向性ディスプレイ。
前記空間光変調器が、第１の空間光変調器および第２の空間光変調器を含み、
前記パララックスオプティックが、該第１の空間光変調器と協働する第１のパララックスオプティックおよび該第２の空間光変調器と協働する第２のパララックスオプティックを含み、
前記指向性ディスプレイが、該第１の空間光変調器からの出力光と該第２の空間光変調器からの出力光とを合わせるビーム結合器を含む、請求項１に記載の指向性ディスプレイ。
前記照明システムは、複数の個別の光源と、該光源からの光を前記第１の空間光変調器および前記第２の空間光変調器に向かって指向するビームスプリッタとを含む、請求項１４に記載の指向性ディスプレイ。
切り換え可能ディフューザをさらに含み、
該切り換え可能ディフューザは、前記空間光変調器と協働し、且つ、指向性表示モードを提供する非拡散状態と、無指向性表示モードを提供する拡散状態との間で切り換え可能である、請求項１に記載の指向性ディスプレイ。