JP4768716B2 - 自動立体表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に係る。当該表示装置は、複数の画像素子を有する結像層、及び、自動立体効果を与えるよう結像層における異なる画像素子からユーザの左及び右の目まで光を投影する複数のレンズ素子を有するレンズ層を有する。各レンズ素子は、ユーザに面する前方壁、結像層に面する後方壁、及び、後方壁と前方壁とを接続する側壁を有する閉じられた空間を定義付ける少なくとも１つのレンズセルを有する。該閉じられた空間は、異なる屈折率を有する第１及び第２の実質的に非混和性の流体で充填される。各セルは、第１の流体と第２の流体との間の界面の形状を変化させる手段を有する。

かかる装置は、所謂エレクトロウェッティング効果に基づき、国際公開第０３／０７１３３５Ａ２号パンフレット（特許文献１）中に開示される。かかる装置において正しい自動立体画像を与えるよう、表示装置に対するユーザの目の所定の位置が推測される。ユーザが自身の頭部を、従ってユーザの目を所定の位置から外れて動かす場合、画像は歪められる。正しい画像が１つより多い許容される頭部の位置において表示されるディスプレイを与えることは可能であるが、これには、より高い解像度を有するより複雑な結像層が求められる。更には、許容される頭部の位置の間では、画像は依然としてユーザに対して正しく表示されない。
国際公開第０３／０７１３３５Ａ２号パンフレット

本発明は、上述された問題点を全体的に又は部分的に解決する、ことを目的とする。

この目的は、請求項１記載の表示装置及び請求項９記載の方法によって達成される。

より具体的には、第１の態様によれば、本発明は、表示装置に係る。当該表示装置は、複数の画像素子を有する結像層、及び、自動立体効果を与えるよう結像層における異なる画像素子からユーザの左及び右の目まで光を投影する複数のレンズ素子を有するレンズ層を有する。各レンズ素子は、ユーザに面する前方壁、結像層に面する後方壁、及び、後方壁と前方壁とを接続する側壁を有する閉じられた空間を定義付ける少なくとも１つのレンズセルを有する。該閉じられた空間は、異なる屈折率を有する第１及び第２の実質的に非混和性の流体で充填される。各セルは、第１の流体と第２の流体との間の界面の形状を変化させる手段を有する。本発明によれば、各セルの側壁は、少なくとも第１及び第２の個別に制御可能な電極を有し、表示装置は、ユーザの頭部の位置を確定するトラッキング装置、及び、前出の位置に基づいて第１及び第２の電極の電位を制御する制御手段を有する。

これにより、表示装置は、自動立体の三次元画像を正確に表示するよう、ユーザの頭部の動きに従って調整され得る。望ましくは、各レンズ素子は、伸張され、結像層の線状のセグメントを上部から下部まで覆い、また、各レンズ素子は単一のレンズセルを有し得る。これは、低い複雑性を有する配置を与える。

他の一実施例では、各レンズ素子は、複数のレンズセルを有し得る。これにより、更に異なる濃度を有する流体を使用することが可能である。

他の一実施例では、レンズセルは、個別に制御可能であり得る。これは、例えばレンズの上部及び下部に対して、任意で異なる表示モードを可能にする。

望ましい一実施例では、表示装置は、表示装置を２Ｄモードへと切り替える選択手段を有し、制御手段は、第１の流体と第２の流体との間の界面が実質的に平らであるようにする。

望ましくは、第１の流体は、食塩水溶液等の電気伝導性流体であり、第２の流体は、オイル等の電気不伝導性流体であり、内側の前方壁及び側壁は、疎水性層を有して覆われる。これは、エレクトロウェッティングを使用して第１の流体と第２の流体との間の界面の形状を変化させ得る。

望ましい一実施例では、トラッキング装置はビデオカメラを有する。これにより、画像分析方法を使用して、ユーザの頭部の位置は確定され得る。

第２の態様によれば、本発明は、立体効果を有する画像を表示する方法に係る。当該方法は、複数の画像素子を有する結像層、及び、結像層における異なる画像素子からユーザの左及び右の目まで光を投影する複数のレンズ素子を有するレンズ層を有し、各レンズ素子は、ユーザに面する前方壁、結像層に面する後方壁、及び、後方壁と前方壁とを接続する側壁を有する閉じられた空間を定義付ける少なくとも１つのレンズセルを有し、閉じられた空間は、異なる屈折率を有する第１及び第２の実質的に非混和性の流体で充填され、各セルは、第１の流体と第２の流体との間の界面の形状を変化させる手段を有し、各セルの側壁は、少なくとも第１及び第２の個別に制御可能な電極を有する、表示装置を使用する段階、トラッキング装置を使用してユーザの頭部の位置を確定する段階、及び、確定された頭部の位置に基づいて前出の第１及び第２の電極の電位を制御する段階、を有する。

この方法は、表示装置の利点に類似する利点を与える。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照して明らかに且つ説明される。

図１及び図２は、自動立体画像を取得する概略的なコンセプトを図示する。自動立体画像とは、特別な眼鏡を使用することなく、ユーザには３次元に見える画像を意味する。

図１を参照すると、第１の画像１は、ユーザの左目に対して表示されるよう意図され、第２の画像２は、ユーザの右目に対して表示されるよう意図される。かかる画像は、例えば人間の目に非常に似ている２つのオフセットカメラを使用して対象物を撮影することによって、取得され得る。当然のことながら、他の多くの手法においてかかる画像を取得することは可能である。

合成画像３は、順序付けられた手法（左から右へ：第２の画像からの一番左の切片、第１の画像から一番左の切片、第２の画像から左から二番目の切片、等）において、第１及び第２の画像１，２から薄い水平方向の切片Ｌ１，Ｌ２等；Ｒ１，Ｒ２を挟むことによって取得され得る。合成画像は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を使用して表示され得る。

図２は、ユーザの目６，７に対して液晶ディスプレイ４によって表示される、かかる合成画像を投影する配置を図示する。該配置は、複数の並列の円筒形平凸レンズを有するレンズ層５を有する。各レンズは、２つの切片Ｒ，Ｌを表示された合成画像において覆い、切片Ｒからユーザの右目６に向かって、また切片Ｌからユーザの左目７に向かって光を投影する役割をはたす。これは、所謂「３Ｄポストカード」において使用されるコンセプトと非常に類似しており、合成画像は、紙上に印刷され、レンズ層は、成形プラスチックシートを有する。

図３は、本発明の一実施例に従った、結像層９及びレンズ層１０を有する表示装置を図示する。結像層９は、望ましくは、バックライトをあてられたＬＣＤ層（ＬＣＤ＝液晶ディスプレイ）を有する。該ＬＣＤ層は、当業者には周知であり、より詳細には説明されない。レンズ層１０は、ユーザによって見られる通り垂直方向において延在する複数の並列の細長いレンズ素子１１を有する。図３中の各レンズ素子は、図２中の１つのレンズ５に対応する。図３は概略的に描かれているが、表示装置は、多くの場合において非常により多くのレンズ素子を有する。

図４は、図３中の表示装置におけるレンズ素子を図示する。この実施例では、各素子は、のちに説明される通り、１つのレンズセル１２を有する。しかしながら、各レンズ素子１１は他の一実施例において、図４中に点線で示される通り、１つより多いレンズセル１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有し得る。これらのセル１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、共に又は個別に制御され得る。

図５は、図４中のレンズセル１２及び結像層９の対応する部分を介する断面図をより詳細に示す。第１の基板１５及び第２の基板１６は、レンズセル１２を達成する。レンズセル１２は、閉じられた空間を定義付け、ユーザに面する前方壁１７、結像層９に面する後方壁１８、及び、後方及び前方壁１８，１７を接続する側壁１９，２０を有する。第１及び第２の基板１５，１６は、ガラスを有して作られ得る。レンズセルは、第１の流体１４及び第２の流体１４で充填される。第１の流体１３は、食塩水を有する水を有し得、第２の流体は、シリコーン油又はアルカン等のオイルを有し得る。第１及び第２の流体１３，１４は、表示向きを独立させるよう、実質的には同等の濃度を望ましくは有するべきであるが、濃度特徴の要求は、図４中に示される通り、各レンズ素子１１を複数のレンズセルへと分割することによって多少軽減され得る。この分割に対して使用される壁は、各壁において流体間の界面の接触角度が９０°であるように扱われる。これは、接触角度を電気的に変えるよう使用され得る電極又はコーティングを使用することによって達成され得る（エレクトロウェッティング）。第１の流体１３の濃度は、塩濃度を変更することによって調整され得る。第２の流体１４の濃度は、分子成分を加えることによって増大され得る。

第１及び第２の流体１３，１４は、水及び上述されたオイルの場合のように、実質的に非混和性であるべきである。更には、それらの夫々の屈折率は、実質的に異なるべきである。第１の流体１３（食塩水）は、塩濃度に依存して１．３２乃至１．５０の範囲内の屈折率を有し得る。第２の流体１４として使用されるオイルに依存して、屈折率は１．２５乃至１．７０で変化し得る。図示された実施例において、第１の流体１３は、第２の流体１４より高い屈折率を有するが、その逆の関係がある一実施例もまた同様に考えられ得る。第１の流体１３は、極性且つ導電性であり、第２の流体１４は電気的に絶縁である。

レンズセル１２の側壁１９，２０は各々、個別に制御可能な電極２１，２２を有する。後方壁１８は、光透過性である後方壁電極２３、又は、後方壁１８の表面の小部分のみを覆う小さな金属電極を有する。電極は、導電性であり、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）を有し得る。セルの前方壁１７及び側壁１９，２０は、例えばＴＥＦＬＯＮ（登録商標）ＡＦ１６００である非晶質フルオロカーボン等を有し得る疎水性層２４を有する。この層の疎水性効果は、弛緩状態（ｒｅｌａｘｅｄ ｓｔａｔｅ）では、第１の流体１３が後方壁１８から離れたレンズセルの壁範囲を可能な限り濡らさないようにする。故に、第１及び第２の流体１３，１４間の界面は、メニスカスを構成し、特定の接触角θを側壁１９，２０に与える。図５中に示される通り、第１及び第２の流体１３，１４間のメニスカスは、レンズセル１２が正レンズとして機能するよう入射光を屈折させる役割をはたす。第１の流体１３の屈折率が第２の流体１４の屈折率より低い他の一実施例では、メニスカスは、正レンズを与えるよう対向する方向において湾曲するべきである。

疎水性層（例えばＡＦ１６００）はまた、電極２１及び２２に対する電気的絶縁コーティングとしての役割をはたす。更に絶縁を強化するよう、例えばパリレンコーティングである更なるコーティングは、疎水性層の下方に置かれ得る。メニスカスの形状及び側壁の交点に対する各メニスカスの接触角は、第１の壁１９の電極２１、第２の壁２０の電極２２、及び後方電極２３に対して異なる電位を印加することによって変えられ得る。電圧Ｖ_Ｌ−Ｖ_Ｂが第１の壁１９の電極２１と後方電極２３との間に印加される場合、導電性の第１の流体１３は、静電気力によって、疎水性層２４の大部分を覆うようにされ、異なる接触角θ及び異なって形成されたメニスカスを伴う。

側壁の電極２１，２２の電位Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｒが個別に制御可能であるため、可変の凸面を有するメニスカスを得ることが可能であるばかりではなく、以下に説明される通り、チルトされたメニスカスを得ることも可能である。

図６は、第１のモードにおける図４中のレンズ素子を概略的に図示する。第１のモードでは、第１の電極２１の電圧Ｖ_Ｌ−Ｖ_Ｂは、第２の電極２２の電圧Ｖ_Ｒ−Ｖ_Ｂと同等である（例えば、電圧Ｖ_Ｒ＝−５０Ｖ；Ｖ_Ｌ＝−５０Ｖ；Ｖ_Ｂ＝０Ｖ）。このモードにおいて、レンズ素子１１は、ユーザがレンズ素子１１のまっすぐ前に置かれる際に、内容を左Ｌ及び右Ｒのサブ画像切片から夫々ユーザの左及び右目まで表示するよう最適化される。

図７は、第２のモードにおける図４中のレンズ素子を概略的に図示する。第２のモードでは、第１の電極２１の電圧Ｖ_Ｌ−Ｖ_Ｂは、第２の電極２２の電圧Ｖ_Ｒ−Ｖ_Ｂより大きい（例えば、電圧Ｖ_Ｒ＝−７５Ｖ；Ｖ_Ｌ＝−２５０；Ｖ_Ｂ＝０Ｖ）。これは、第１の側壁１９及び第２の側壁２９において異なる接触角θを伴い、メニスカスはチルトされる。このモードにおいて、レンズ素子１１は、ユーザが図６中の位置と比較してレンズ素子１１に対して右に横方向に移動される際、内容を左Ｌ及び右Ｒのサブ画像切片から夫々ユーザの左及び右目まで表示するよう最適化される。

図８は、第３のモードにおける図４中のレンズ素子を概略的に図示する。第３のモードでは、第１の電極２１の電圧Ｖ_Ｌ−Ｖ_Ｂは、第２の電極２２の電圧Ｖ_Ｒ−Ｖ_Ｂと同等である（例えば、電圧Ｖ_Ｒ＝−１００Ｖ；Ｖ_Ｌ＝−１００Ｖ；Ｖ_Ｂ＝０Ｖ）。電圧は、両側壁１９，２０における接触角θが９０°と同等であるよう選択される。このモードにおいて、レンズ素子１１は、レンズとして機能しないが、二次元に且つ二重解像度（ｄｏｕｂｌｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）において内容を表示するよう最適化される。即ち、第３のモードにおいて、結像層は、合成画像の代わりに標準画像を表示するよう意図される。ボタン等の選択手段は、２Ｄと３Ｄとの間を切り替えるよう表示装置上に与えられ得る。全てのモードにおけるＶ_Ｂは後方電極２３が接地され得るよう０Ｖである、ことが留意される。しかしながら、他の電圧の組合せは、当然のことながら可能である。

レンズの強度に一定のオフセットを与えるよう、可変レンズの前方に更なるレンズ状のシートを加えることは可能である。正レンズを有するレンズ状シートの場合、エレクトロウェッティングレンズは、二次元の内容を表示する際に負の強度を有するべきである。

図９は、ユーザの頭部及び目のトラッキング手段２６を有する本発明の一実施例に従った表示装置を図示する。望ましい一実施例では、ユーザ頭部トラッキング手段は、ビデオカメラ等の画像センサを有し得る。画像センサは、ユーザの頭部及び目の位置を推測するよう、表示装置の前方の周囲の画像を捉える。

画像分析を使用して頭部及び目の位置をトラッキングする複数の方法は、先行技術において既知である。１つの可能な方法は、画像においてユーザの顔を見つけるよう肌色セグメンテーションを使用すること、即ち、予測された顔のカラー合成からの所定の閾値より画像のカラー合成が低く逸れる画像を識別すること、である。

顔の範囲が検出された場合、この範囲における目の位置が推測され得るか、あるいは特定の目検出方法が使用され得る。かかる方法は、多くのユーザが両目を同時に瞬きさせるという事実に基づき得る。これは、連続的な画像フレームにおいて顔における２つの範囲が、画像分析アルゴリズムによって検出され得る素早く且つ同時の変化を与える、ことを意味する。

画像センサデータは、必要に応じて、標準的なカメラの自動フォーカス機能に置いて使用されるものと同様な距離測定センサからのデータを組み合わせ得る。

頭部トラッキング機能に基づく他の画像分析は、米国特許第６５８０８１０，Ｂ１号明細書先行技術において説明される。しかしながら、ユーザの頭部及び目の位置を確定する他の方法は考えられ得、例えば、ユーザに自身の位置が電磁場を使用して確定され得る物を着用させることである。

図１０は、本発明の一実施例に従った表示装置における機能的モジュールを概略的に図示する。画像センサ２６は、プロセッサユニット２７に対して画像情報を送る。受け取った情報に基づき、プロセッサユニット２７は、表示装置に相対するユーザの頭部の相対的位置を確定する。プロセッサユニット２７は画像センサと共に、頭部トラッキング手段、あるいは、プロセッサユニット２７がユーザの目の位置を確定する場合、目トラッキング手段を構成する。

故に得られたユーザの頭部及び／又は目の位置情報は、プロセッサユニット２７から制御ユニット２８まで与えられる。受けた情報に基づき、制御ユニットは、駆動信号ＶＲ，ＶＬ，ＶＢを表示装置のレンズ層１０における夫々のレンズセル１２の電極に対して与える。駆動信号の値は、位置情報に基づいて算出され得るか、あるいは、参照テーブルから各レンズセルに対して取り出され得る。異なるレンズセル１２は、それらのユーザの頭部に対する個別の相対位置が異なるため、異なる駆動信号を受けるべきである。

機能モジュール２６，２７，２８の多種の部分が、プロセッサによって実行されるソフトウェアのルーティンとして、又はＡＳＩＣハードウェア実行として等の異なる手法で実現され得る、ことは理解されるべきである。該モジュールはまた、異なる手法において互いに対して一体的にされ得る。

要約すると、本発明は、結像層及びレンズ層を有する自動立体表示装置に係る。レンズ層は、結像層からの異なる内容を夫々ユーザの左及び右目に投影する役割をはたす。レンズ層は、異なる屈折率を有する２つの流体を封入するレンズセルを有する。流体間の界面の形状は、各レンズセルの側部において個別に制御可能な２つの電極を用いて、エレクトロウェッティングを使用して変えられ得る。表示装置は更に、ユーザ頭部トラッキング装置、及び検出されたユーザの頭部位置に依存してレンズセル電極を制御する手段を有する。これにより、表示装置は、たとえユーザが自身の頭部を動かした場合でも正確な３Ｄ画像を表示し得る。

本発明は、説明された実施例に制限されない。本発明は、添付の請求項の範囲内における異なる手法において変更され得る。

自動立体画像を取得する概略的なコンセプトを図示する。 自動立体画像を取得する概略的なコンセプトを図示する。 結像層及びレンズ層を有する、本発明の一実施例に従った表示装置を図示する。 図３中の表示装置におけるレンズ素子を図示する。 図３中のレンズ素子及び結像層に対応する部分を介するより詳細な断面を図示する。 第１のモードにおける図４中のレンズ素子を概略的に図示する。 第２のモードにおける図４中のレンズ素子を概略的に図示する。 第３のモードにおける図４中のレンズ素子を概略的に図示する。 ユーザ頭部及び目のトラッキング手段を有する本発明の一実施例に従った表示装置を図示する。 本発明の一実施例に従った表示装置における機能モジュールを概略的に図示する。

Claims (9)

1. 表示装置であって、
   複数の画素を有する結像層と、自動立体効果を与えるため、前記結像層における異なる画素からユーザの左及び右の目まで光を投影することで、複数の画素の第1結合は前記レンズ素子によって前記左の目に供され、かつ複数の画素の第2結合は前記レンズ素子によって前記右の目に供される、複数のレンズ素子を有するレンズ層と、を有し、
   各レンズ素子は、前記ユーザに面する前方壁と、前記結像層に面する後方壁と、前記後方壁と前記前方壁とを接続する第１側壁及び第２側壁とを有する閉じられた空間を画定する少なくとも１つのレンズセルを有し、
   前記閉じられた空間は、実質的に非混和性であって異なる屈折率を有する第１及び第２の流体で充填され、
   各レンズセルの前記側壁は、個別に制御可能な電位が印加される少なくとも第１及び第２の電極を有し、
   前記第１及び第２の電極は、エレクトロウエッティングを用いて前記第1流体と前記第2流体との間の界面の形状を変化させることによって前記第1流体と前記第2流体との間の界面を傾斜させる手段を有し、
   各レンズセルの前記後方壁は後方電極を有し、前記傾斜は、前記第１の電極と前記後方電極との間の電圧及び前記第２の電極と前記後方壁との間の電圧が異なるように電圧を印加して、前記第１側壁における前記界面の接触角と前記第２側壁における前記界面の接触角とを異ならせることによって達成され、
   前記表示装置は、ユーザの頭部の位置を確定するトラッキング装置と、前記位置に基づいて前記第１及び第２の電極の電位を制御する制御手段と、を有する、
   表示装置。
2. 各レンズ素子は、伸張され、前記結像層の線状のセグメントを上部から下部まで覆う、
   請求項１記載の表示装置。
3. 各レンズ素子は、単一のレンズセルを有する、
   請求項２記載の表示装置。
4. 各レンズ素子は、複数のレンズセルを有する、
   請求項２記載の表示装置。
5. 前記レンズセルは、個別に制御可能である、
   請求項４記載の表示装置。
6. 前記表示装置を２Ｄモードへと切り替える選択手段を有して、前記制御手段が前記第１の流体と第２の流体との間の界面が実質的に平らであるよう影響を与えるようにする、
   請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の表示装置。
7. 前記第１の流体は、水溶性食塩水等の電気伝導流体であり、前記第２の流体は、オイル等の電気不伝導流体であり、
   内側の前方壁及び側壁は、疎水性層を有して覆われる、
   請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の表示装置。
8. 前記トラッキング装置は、ビデオカメラを有する、
   請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の表示装置。
9. 自動立体効果を有する画像を表示する方法であって、
   表示装置を使用する段階であって、
   前記表示装置は、複数の画素を有する結像層と、自動立体効果を与えるよう前記結像層における異なる画素からユーザの左及び右の目まで光を投影する複数のレンズ素子を有するレンズ層とを有し、
   複数の画素の第1結合は前記レンズ素子によって前記左の目に供され、かつ複数の画素の第2結合は前記レンズ素子によって前記右の目に供され、
   各レンズ素子は、前記ユーザに面する前方壁と、前記結像層に面する後方壁と、前記後方壁と前記前方壁とを接続する第１側壁及び第２側壁とを有する閉じられた空間を画定する少なくとも１つのレンズセルを有し、
   前記閉じられた空間は、実質的に非混和性であって異なる屈折率を有する第１及び第２の流体で充填され、
   各レンズセルの前記側壁は、個別に制御可能な電位が印加される少なくとも第１及び第２の電極を有し、
   前記第１及び第２の電極は、エレクトロウエッティングによって前記第１の流体と第２の流体との間の界面の形状を変化させる手段を有し、
   各レンズセルの前記後方壁は後方電極を有する、
   段階と、
   トラッキング装置を使用してユーザの頭部の位置を確定する段階と、
   前記確定された頭部の位置に基づいて前記第１及び第２の電極の電位を制御することで前記第1流体と前記第2流体との間の界面を傾斜させる段階と、
   を有し、
   前記傾斜は、前記第１の電極と前記後方電極との間の電圧及び前記第２の電極と前記後方壁との間の電圧が異なるように電圧を印加して、前記第１側壁における前記界面の接触角と前記第２側壁における前記界面の接触角とを異ならせることによって達成される、
   方法。

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