JP2007519958A - 3次元ディスプレイ - Google Patents
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Abstract
本発明は、家庭用のテレビアプリケーション向けであるが、それに制限されるわけではないような3次元オートステレオスコピックディスプレイに関するものである。このディスプレイでは、2Dディスプレイ上のイメージをレンチキュラレンズを通して3Dスクリーンの水平ラインに投影することによって、水平面内の種々の観察方向が形成される。これらの水平ラインが1つの回転ミラーによってディスプレイに沿って走査される。提案する実施例は、大きい観察角を有し、現実的な視差および奥行き感を持つ画像を表示する。他の既知の3次元ディスプレイと比較すると、本発明のディスプレイは既存の構成要素を使用し、単純な構造を有し、光効率が良い。
Description
本発明は、3次元(3D)オートステレオスコピックディスプレイに関するものであり、特に、家庭用のテレビアプリケーションに使用できる3Dオートステレオスコピックディスプレイに関するものである。
3次元テレビアプリケーションの第1世代は、各々の目に対して適切な光を選択する特別なめがねを用いて、観察者の目の各々により、独自に観察できる2つの画像を示す立体表示を利用していた。1つの方法は、特定の偏光のみを通す偏光めがねを用いるものであった。別の方法は、左目用イメージと右目用イメージを時系列的にディスプレイ上に表示し、適切なイメージがディスプレイ上に表示される際の光のみを取り込むシャッターを目に対して用いるものであった。しかし、めがねを用いることは、不便であり、奥行き感の欠如は、観察者に不快をもたらす。
オートステレオスコピックディスプレイでは、左目用および右目用イメージをめがねなしでそれぞれの目で見ることができる。なぜなら、右目用の情報を含むピクセルを通過する光ビームは、右目の方に方向付けられ、左目用の情報を含むピクセルを通過する光ビームは、左目の方に方向付けられるからである。しかし、通常、観察者が3Dイメージを見ることができるのは、制限された範囲内である。なぜなら、左右の目が異なる光領域にある必要があるからである。3D画像のイメージソースのビューの数を増すと、現実的な奥行き感がもたらされる。なぜなら、観察者は、頭を動かすたびにイメージソースの新しいビューを見るからである。さらに、十分にたくさんの観察方向をもつ場合、1人以上の観察者がディスプレイを同時に見て、対象物のわずかに異なるビューを見ることができる。しかし、ビューの間の滑らかな移行を生成するために、非常に多数のビューが必要であり、従って、非常に高解像度のスクリーンが、各々の個々のビューの解像度を犠牲にしないために必要とされる。
米国特許第5969850号(シャープ)は、透明にし得る垂直スロットを有するバリアの背後に、2Dディスプレイを使用するディスプレイを開示する。全てのサブフレームは、垂直線に対応する。新しいサブフレームが2Dディスプレイに示される時、新しい垂直スロットが同時にバリアの中に開かれる。サブフレームを作るピクセルからの光は垂直スロットを経て種々の方向に、すなわち各ビューにつき1つの方向に伝達され、2Dディスプレイの水平ピクセルの数は観察方向の数を制限する。しかし、このディスプレイは、とても光効率が悪く、なぜなら、ピクセルから放射された光のごく小部分しか観察者に届かないからである。従って、テレビに対して、十分に明るい画面を得るために、非常に明るい光源が必要となる。
他のオートステレオスコピックディスプレイが、国際公開第98/34411号(ホログラフィカ)開示され、このディスプレイでは、レーザダイオードにより照明される多数の2Dディスプレイを用いて、3Dイメージ用のピクセルを生成し、特別なスクリーンを用いて、観察角を増大させている。3Dディスプレイに必要な2Dディスプレイの数は、3Dイメージのビューの数に一致し、各2Dディスプレイごとに別個の投影光学系が使用され、その結果高価な3Dディスプレイになる。
本発明は、これらの問題点を克服し、既存の製品を改良しようとする。
本発明の目的は、可動素子と比較的低い品質(大きなエテンデュー)の光源を用いて家庭用のテレビ・ビデオアプリケーションに使用可能な3Dディスプレイを生成するための装置および方法を提供することにある。
本発明によると、ピクセルの行のフレームを具える3Dイメージ表示と、少なくとも1行の表示ピクセルを含み、その各ピクセルが異なる観察方向におけるイメージの要素領域を表示する複数のサブピクセルを含む少なくとも1つの表示装置と、異なる要素領域からの光学的放射を観察方向に対応するそれぞれの発散ビームに方向付けるように構成される光学レンズ配列と、表示装置のピクセルを、イメージの要素領域の行を連続的に表示するように駆動するドライバと、レンズ配列からの発散ビームを行ごとに連続的に受光し、これらのビームをイメージフレームの行として表示する光学走査システムと、を提供するための装置を提供する。
表示装置は、比較的低い品質(大きなエテンデュー)の光源で動作させることができ、スクリーンの光効率が高くなる。
さらに、本発明による表示装置は、ディスプレイスクリーンを含むことができ、前記走査装置におよってイメージフレームの連続する行に対応するビームをこのスクリーンに向けさせることができる。しかし、本発明は、ディスプレイスクリーンを、発散ビームの観察角を水平方向に増大させるように構成することを必要としない。異なる観察方向の情報を含む光ビームの適切な方向と強度は、光がディスプレイスクリーンに到達する前に、すでに決定される。しかし、スクリーンは、ビームを行方向に直角の方向に広げるための垂直拡散体を含むことができる。
本発明は、家庭用のビデオアプリケーションに使用することができ、本発明を使用すると、観察者は目を水平方向および垂直方向に動かしてもなお3D画像を見ることができる。
本発明の実施形態は、添付図面を参照しながら、例を用いて以下に説明される。
図1は、本発明に係る装置1のセットアップを示す。この装置は、光変調器と光源とを有する表示装置2を具え、ディスプレイ上に1つの2Dフレーム4に相当するピクセルアレイに対応する情報を含むビーム3を生成する。この装置は、さらに2つの収束レンズ5、6を具え、このレンズは、2Dフレーム4の中間像7を柱状レンチキュラレンズ8に合焦し生成する。レンチキュラレンズの目的は、特定の目に対する情報を含む光をその目の方向に偏向させ、3次元効果を達成することである。さらに、この装置は、収束レンズ9と、軸11を中心に回転する回転ミラー素子10と、凹面バックミラー12とを有する走査システムを具える。レンチキュラレンズから放射されたビームは、収束レンズ9を通り、回転素子10で凹面バックミラー12へと反射され、この凹面バックミラー12が、ビームをディスプレイスクリーン14の水平ライン又は行13に集束する。ディスプレイスクリーン14上の3Dイメージは、表示装置2に表示される2Dデータの連続するフレームから生成される連続した行13のフレームから形成され、これらの行13は、走査システムにより、スクリーン14上の3Dフレーム内に互いに離間した平行位置に表示される。N個の行13が特定の時間に3Dイメージを形成するのに必要である場合、表示装置2は3DフレームリフレッシュレートのN倍の2Dフレームリフレッシュレートを有する。あるいは、2つ以上の表示装置2を使用して、表示装置2に必要な2Dフレームリフレッシュレートを減少させることもでき、この点については以下でさらに議論する。
表示装置2のピクセルを駆動するディスプレイドライバ15が、表示装置2に表示される2Dフレーム4をリフレッシュするために表示装置22に接続されるとともに回転ミラー素子10の傾きを変えるためにモータ16に接続される。ディスプレイドライバ15とモータ16とは制御装置17にさらに接続され、その結果、ディスプレイドライバ15とモータ16とが同期する。かくして、表示装置2は連続する2Dフレームを表示し、ミラー要素10は各2Dフレーム表示の間で増分角度だけ連続的に傾けて、スクリーン14に3Dディスプレイのフレームの連続する行13を提供する。使用される代表的な表示装置2の例は、テキサス州ダラスのテキサスインスツルメンツ社から入手可能なダイナミックマイクロミラーデバイス(DMD)であり、このデバイスは、同社のDigital Light Processing(登録商標)(DLP)ソリューションの一部である。DMD装置は、その出力を装置のミラーによって画素化して変調する光源(図示せず)を含む。
図2は、2Dフレームの2次元ピクセル構造の一例を示す。各2Dフレーム4は、実際は、全体イメージ18の水平スライスで、これが本装置により3Dに表示される。オリジナルイメージ18の2Dフレーム4は全て、1行以上のピクセル19を具え、各ピクセルは、多数のサブピクセル20を含み、各サブピクセルは、イメージソースの異なるパースペクティブビューに関連する。2つの連続するビューは、両目間の視差の原因となるのに必要な量と同等かそれ以下の量だけ異なる。別個のビューを表すサブピクセル20は、イメージ18の行および列に散在する。以下の例において、3D画像は、5つの異なるビューを含む。しかし、いくつの数のビューでも使用でき、家庭用のテレビアプリケーションにとって、5つのビューは十分に大きい視界を形成するのに十分ではないかもしれないことは当業者にとって明らかである。従って、5つのビューを使用するシステムは、説明の目的のためにのみ使用され、実際には、もっと多くのビューが使用されうる。
図3は、レンチキュラレンズの目的を示す。各ピクセル19のための1つのマイクロレンズ8があり、個々のサブピクセル20からの光は異なる方向に透過される。各マイクロレンズは、異なる角度に放射される複数の角度分離されたビーム21a〜21eを構成する光錐を生成する。2つの隣接するビームは、2つの隣接する要素領域に対応する情報を含む。観察者22の左右の目が視差で分離される2つのビューをそれぞれ見るとき、その観察者は3Dイメージを見る。さらに、観察者が頭を動かす時、目は異なるビューから光のビームに動き、観察者は奥行き感を得る。それはまるで、観察者が窓を通して3D物体を見ているかのように現れる。ビュー間の不連続な移行を避けるために、ビュー間のわずかな差をもつ非常に多数のビューを使うことができる。このシナリオでは、2つの連続するビューは視差の原因となるのに必要な量より少ない量で分割され、従って、ビュー間の滑らかな移行が達成される。さらに、角度分離されたビームは異なる光の強度で放射され、観察者が窓を通し3D物体を見ているという感覚をさらに増加させる。
図2のように、各ピクセル19のサブピクセル20が行内に並んで配列されるとき、N個のビューを含むイメージに対して、水平方向の解像度は、垂直方向のN分の1に低下する。図4は、垂直と水平方向に同等の解像度を生成する、サブピクセルとレンチキュラレンズとの配列を具える本発明の特徴を示す。この配列の基本概念は、米国特許第6064424号(フィリプス)に開示されている。図2のように全てのサブピクセルを1行に配置する代わりに、図4では、サブピクセルは2行にまたがって配置される。ビューの数は、ビューの位置を表す。ビュー0は、イメージソースをまっすぐに見ている観察者が見るビューである。ビュー1と−1とは、観察者が視差に相当する角距離に等価な距離dだけ右か左へ移動するときに見るビューである。ビュー2と−2とは、観察者が右か左にそれぞれ距離2dだけ移動したときに見るビューである。このピクセル構造の前にレンチキュラレンズを垂直に配置すると、サブピクセル2とサブピクセル1とを透過した光は同じ角度で偏向されることになる。しかし、サブピクセル2を透過した光は、サブピクセル1を透過した光より大きい角度で偏向されるべきである。レンチキュラレンズ8は、適切な偏向角を生成するように傾ける。従って、本発明の光学的特徴は、レンチキュラレンズを傾けたことにある。
垂直方向と水平方向における光学素子の効果を、図5〜図8を参照して詳細に説明する。図5aと5bは、光線がどのように垂直方向に進むのかを示す。表示装置2により生成される光線3a、3b、3cおよび3dは凸レンズ5と6とによって、レンチキュラレンズ8に集束される。レンズ5とレンズ6の焦点距離は、ディスプレイ2により生成されるイメージフレーム4のサイズが、垂直方向に、3Dイメージの投影行の高さに縮小されるようにする。さらに、中間像7は、上下が逆である。レンチキュラレンズ8は、垂直方向を変えることなく光を透過し、レンズ9は、その焦点距離がレンチキュラレンズの位置になるように位置させる。従って、光線は、互いに平行にレンズ9から回転素子10まで放射され、この回転素子が光を凹面バックミラーへと反射し、このミラーがビームを水平ラインに集束する。スクリーン14には行の平面に垂直拡散体を設けて垂直方向に観察角を広げ、その結果、観察者19の目が異なる高さにあっても、なお同じイメージを見ることができる。従って、家族全員が、両親の目は子供達の目より高い位置にあるが、イメージを同時に見ることができる。個々の行13の高さより小さい水平のシリンダーレンズ23を、垂直拡散体のために使用することができる。回転ミラー素子10のために、3D投影スクリーンに平行な軸11を中心に回転する回転平面ミラーを使用することができる。あるいは、反射面を持つ多角形を使用することができる。図5bにおいて、回転ミラーの角度は図5aと比較して異なる。図5bで生成されるイメージフレーム4は、図5aのイメージフレーム4とは異なるスクリーン14の水平ライン13へと投影される。従って、回転ミラーの傾きは、ディスプレイ2に表示されるイメージフレーム4をリフレッシュするレートに応じて変化するので、全イメージ18の全てのスライスがスクリーン14に投影され、完全な3D画像を形成する。全てのフレーム4が走査され、3D画像として投影されたとき、このサイクルが新しいイメージで再び始まり、フレームリフレッシュレートは観察者のために3D動画像を生成するのに十分速い。
図6は、中間像の像点からの光がどのようにスクリーンに集束されるか、および、ビームの集束が回転ミラー素子10によって影響されないように光学素子をどのように配置するかを示す。中間像とレンチキュラレンズ8とが、レンズ9の焦点にあるように、レンズ9を設置する。一方、回転ミラー10を、凹面バックミラー12の焦点に対応する平面に位置させる。このセットアップにより、レンズ9と凹面バックミラー12との間のビームは、平行になる。凹面バックミラー12からスクリーンまでの距離も、スクリーン上にイメージが得られるように凹面バックミラー12の焦点距離に等しくする。従って、ミラー10の回転は、スクリーン14上の垂直方向のビームの集束を乱さない。
図7は、水平方向の光路を示す。レンズ5と6は、水平方向に焦点距離を有し、中間像が形成され、その中間像は、投影スクリーンの水平な幅に相当する水平な幅を有する。中間像7は、レンチキュラレンズに集束され、各ピクセルに対して1つのレンチキュラレンズが存在する。レンチキュラレンズは、光線を発散させ、サブピクセルごとに1つのビームを構成する光錐を生成する。光はレンズ9を水平方向に乱されることなく通過し、回転ミラー10によって凹面バックミラー12へと反射され、凹面バックミラーが光を3Dスクリーン14に集束する。さらにサイドミラー24と25とを追加し、発散光をスクリーンに向けて反射する。
図8は、5つの異なるビューに対応するビーム21a〜21eが、どのようにレンチキュラレンズから出るのかを詳細に示す。中央ビュー0を表す光21cは、レンチキュラレンズの影響を受けず、スクリーンに向かって直進する。ビュー1と−1とにそれぞれ対応するビーム21bと21dは、角度26で偏向され、回転ミラー10で反射され、スクリーン14に集束される前に、凹型背面ミラーで再度反射される。ピクセル2と−2とにそれぞれ対応する光ビーム21aと21eは角度27で偏向され、最終的に凹面バックミラー12で反射され、スクリーン14に集束される前に、サイドミラー24、25と回転ミラー10とで反射される。スクリーン14で、異なるビューに対応する光線は同一点28に集束されるが、これらの光線は異なる方向を有し、従って、異なるビューは異なる位置で見られることになる。点28は、3Dピクセル(当該分野ではボクセルともいう)を形成し、これはイメージソースの同一点の異なるビューに対応する光を異なる方向に放射するものである。
市販のDMDは、一般的に、1秒当たり9700フレームのフレームリフレッシュレートと、1024×768ピクセルの解像度とを有する。768ラインが50Hzのリフレッシュレート50Hzをもつスクリーンに必要とされるものとすると、768×50=38400HzのフレームリフレッシュレートをもつDMDが必要となり、それは、一般的なDMDのフレームリフレッシュレートの4倍である。さらに、フルカラーおよびグレースケールのイメージを形成するために、DMDから放射される光の色を時間系列的に変化させる必要があり、DMDの必要なフレームリフレッシュレートをさらに増加させる必要がある。本発明により提供されるフルカラーイメージを生成する代替の方法では、カラーフィルタとグレースケールフィルタとを中間像7の位置に設置し、種々の色を適切なピクセルを付勢することで生成可能とする。例えば、レンチキュラレンズ8の各列に対して1つのカラーフィルタが存在するようなフィルタを設ける。ピクセルとレンチキュラレンズとの間のカラーフィルタの適切な配置は、米国特許第606444号(フィリプス)にさらに記載されている。この方法の利点は、DMDの必要なフレームリフレッシュレートが減らせることである。しかし、欠点は、スクリーンの空間分解能がさらに低下することである。色とグレースケールを生成するために24行のピクセルを使用する場合、垂直方向に768/24=19ピクセルがある。同様に、64の異なるビューを使用するとき、水平方向に1024/64=16ピクセルがある。このことは、ビューごとに19×16=304(RGB)ピクセルを有し、あまり良くない解像度を提供するイメージフレーム4をもたらす。スクリーン上の行の数を大きく増加する、即ちリフレッシュレートを標準的なDMDのリフレッシュレートよりはるかに大きくするか、あるいは、2つ以上のDMDを使用する必要がする。従って、複数のDMDを使用して高品質の3D動画像を生成する。図9aは、2つの隣接するDMDをどのように使用して、水平解像度を2倍にするのかを示す。同様に、図9bは、上下配置の2つのDMDをどのように使用して、DMDのリフレッシュレートを増やすことなく3Dスクリーン上で走査される行の数を増加させるのかを示す。各DMDは、スクリーンの高さの半分を走査する。
図10は、3次元イメージを表示するための装置1が、3D家庭用テレビ・ビデオキットの一部として使用される部屋の一般的な配置を図式的に示す。スクリーンは、一般的に観察者から3m離れており、見える距離は約3mにわたっている。みなが3次元イメージを見るために、少なくとも、2×tan−1(1.5m/3m)≒60度の観察角29が必要である。左右の目は、約6.5cm離れて位置し、少なくとも3m/6.5cm≒50の観察方向が必要である。人が頭を動かしたときの不連続な移行を避けるために、少なくとも100の観察方向が必要である。
この出願において特定の特徴の組み合わせについて請求項を記載しているが、ここに明示的に又は暗示的に開示したいかなる新規な特徴又は特徴の如何なる組み合わせも、それが何れかの請求項に記載された発明と同一であるか否かにかかわらず、本発明が解決する技術的課題と同じ課題の一部又は前部を解決するか否かにかかわらず、この出願の開示の範囲に含まれるものと解されるべきである。本出願人は、ここに、この出願又はこの出願から継続された出願が手続に継続中に、前記の特徴及び/又は前記の特徴の組み合わせについて新しい請求項を提出することがあり得ることを明記する。
Claims (23)
- ピクセルの行のフレームを具える3Dイメージ表示を提供するための装置において、
少なくとも1行の表示ピクセルを含み、その各ピクセルが異なる観察方向における前記イメージの要素領域を表示する複数のサブピクセルを含む少なくとも1つの表示装置と、
前記異なる要素領域からの光学的放射を前記観察方向に対応するそれぞれの発散ビームに方向付けるように構成される光学レンズ配列と、
前記表示装置の前記ピクセルを、前記イメージの要素領域の行を連続的に表示するように駆動するドライバと、
前記レンズ配列からの前記発散ビームを行ごとに連続的に受光し、これらのビームを前記イメージフレームの行として表示する光学走査システムと、
を具えることを特徴とする装置。 - ディスプレイスクリーンを含み、前記走査システムが、前記イメージフレームの連続する行に対応する前記ビームを前記スクリーンに向けるように動作することを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記スクリーンが、前記行方向に対し直角方向の前記ビームを拡散させる拡散体を具えることを特徴とする請求項2記載の装置。
- 前記拡散体が、前記行方向にほぼ平行なレンチキュラレンズを具えることを特徴とする請求項3記載の装置。
- 前記イメージの行の要素領域を前記光学レンズ配列に集束させる手段を具えることを特徴とする請求項1-4のいずれかに記載の装置。
- 前記イメージの行の要素領域を前記光学レンズ配列に集束させる前記手段が、前記要素領域の行の寸法を前記光学レンズ配列の寸法に一致させるために、前記水平および垂直方向に異なる焦点距離を持つ複数の収束レンズを具えることを特徴とする請求項5記載の装置。
- 前記光学レンズ配列がレンチキュラレンズを具えることを特徴とする請求項1-6のいずれかに記載の装置。
- 前記走査システムが前記発散ビームを反射する回転ミラー素子を具えることを特徴とする請求項1-7のいずれかに記載の装置。
- 前記回転ミラー素子が回転ミラー、あるいは、反射面をもつ回転多角形であることを特徴とする請求項8記載の装置。
- 前記走査システムが、前記回転ミラー素子からの前記発散ビームを受光し前記イメージフレームの行として表示させる凹面ミラーをさらに具えることを特徴とする請求項8又は9記載の装置。
- 前記走査システムが、前記回転ミラー素子と前記凹面ミラーとに関連して位置決めされたレンズを具え、前記回転ミラー素子が前記行方向に直角の方向における前記イメージの集束を乱さないようにしたことを特徴とする請求項10記載の装置。
- 前記走査システムがサイドミラーをさらに具え、前記サイドミラーと前記凹面ミラーとが、1つのピクセルからの情報を含む前記発散ビームを前記イメージフレームの前記行の小領域に集束するように構成されていることを特徴とする請求項10又は11記載の装置。
- 前記ピクセルが、2人以上の各観察者が前記3Dイメージを同時に観察できるとともに前記2人以上の各観察者がわずかに異なるビューを見るように十分な数の要素要素領域を提供するのに十分な数のサブピクセルを含むことを特徴とする請求項1-12のいずれかに記載の装置。
- 各3Dイメージに対して少なくとも50以上の要素領域があることを特徴とする請求項1-13のいずれかに記載の装置。
- 各要素範囲ごとにもう1つの要素領域があり、前記2つの要素領域に関連するイメージが、両目間の視差に等しいかそれより小さいずれを示すようにしたことことを特徴とする装置。
- 複数の表示装置が、前記行方向に平行な前記方向に互いに隣接して配置され、前記ドライバが異なる情報を各表示装置に表示するように構成され、前記3Dイメージの1行に対応する全ての情報が前記複数の表示装置にわたって同時に表示されるようにしたことを特徴とする請求項1-15のいずれかに記載の装置。
- 複数の表示装置が、前記行方向に直角の方向に互いに隣接して配置され、前記ドライバが前記3Dイメージフレームの複数の異なる行に関連する前記複数の表示装置に前記情報を表示するように構成され、前記走査システムが前記複数の行の情報を走査する複数の回転ミラー素子を具えることを特徴とする請求項1-15のいずれかに記載の装置。
- 請求項1−17のいずれかに記載の装置を具える家庭用のビデオ・テレビディスプレイ。
- ピクセルの行のフレームを有する3Dイメージを提供するための方法において、
少なくとも1行の表示ピクセルを含み、その各ピクセルが、異なる観察方向における前記イメージの要素領域に対応する複数のサブピクセルを含むディスプレイを連続的に提供するステップと、
前記異なる要素領域からの光学的放射を前記観察方向に対応するそれぞれの発散ビームに方向付けるステップと、
前記発散ビーム即ち前記行を連続的に受光し、前記3Dイメージフレームの行として表示するステップと
を具えることを特徴とする方法。 - 観察方向を前記行方向に直角の方向に拡大するために、前記発散ビームを含む光を前記行方向に直角の方向に広げるステップをさらに具えることを特徴とする請求項19記載の方法。
- 前記3Dイメージをディスプレイスクリーンに表示するステップと、
異なる要素領域からの前記ビームを、前記ディスプレイスクリーンに表示させる前に分離するステップと、
をさらに具えることを特徴とする請求項19又は20記載の方法。 - 同一ピクセルの異なるサブピクセルにそれぞれ対応する全ビームを前記ディスプレイスクリーンの同一の小領域に指向させることのよって、イメージソースの同一点の異なるビューに対応する光を異なる方向に放射する3Dピクセルを前記ディスプレイスクリーン上に生成するステップを具えることを特徴とする請求項19記載の方法。
- 家庭用のテレビ・ビデオ投影時に使用することを特徴とする請求項19-22のいずれかに記載の方法。
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