(57)【要約】【課題】時系列３Ｄディスプレイ装置で使用されうる新しい光学イメージングシステムを提供する。【解決手段】２次元模様を示し、視野内に変形された光ビームを投射する、ディスプレイピクセル表面上に位置するピクセルから放射する光ビームを変形することによって、３Ｄ画像の異なる透視図を作り出す光学イメージングシステム及び関連した３Ｄディスプレイ装置がここに記載される。光学イメージングシステムは、各ピクセルの放射する開口部を小さくする選択導光素子アレイと、凸マイクロレンズのレンズアレイと、レンズアレイを導光素子アレイに対してそれぞれの面内で動かす転位機構と、及び導光素子アレイに対してレンズアレイの位置を感知するセンサーシステムと、を備える。導光素子アレイと共にレンズアレイは、視野内に少なくとも１つの視域を提供し、変形された光ビームをそこに投射することにより各視域にそれぞれの透視図を作り出すように構成される。【選択図】図１ａ
2015509210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元模様を示し、かつ変形された光ビームを視野内に投射するディスプレイピクセル表面上に位置するピクセルから放射する前記光ビームを変形することによって、物体又はシーンの３次元画像の異なる透視図を作り出す光学イメージングシステムは、
各ピクセルの放射する開口部を小さくする選択導光素子のアレイであって、各導光素子の入力開口部は前記ディスプレイピクセル表面のそれぞれのピクセルと光学的に結合される、導光素子のアレイと、
凸マイクロレンズのレンズアレイであって、前記レンズアレイの各マイクロレンズはそれぞれの各導光素子の出力開口部と光学的に結合され、各出力開口部は前記レンズアレイの前方焦点領域内に配置される、レンズアレイと、
前記導光素子のアレイに対して前記レンズアレイをそれぞれの面内で動かす転位機構と、及び
少なくとも１つのデータ出力部を含み、前記導光素子のアレイに対して前記レンズアレイの位置を感知するセンサーシステムと、を備え、
前記導光素子のアレイと共に前記レンズアレイは、視野内に少なくとも１つの視域を提供し、及び変形された前記光ビームを投射することによって各視域にそれぞれの透視図を作り出すように構成される、光学イメージングシステム。
【請求項２】
２次元画像を示し、かつ変形された光ビームを視野内に投射するピクセルで構成されたディスプレイ表面上に位置するピクセルから放射する前記光ビームを変形するように構成される光学イメージングシステムを備える時系列３Ｄディスプレイ装置であって、
前記光学イメージングシステムは、
各ピクセルの放射する開口部を小さくする選択導光素子のアレイであって、各導光素子の入力開口部はピクセルで構成された前記ディスプレイ表面のそれぞれのピクセルと光学的に結合される、導光素子のアレイと、
凸マイクロレンズのレンズアレイであって、前記レンズアレイの各マイクロレンズは対応する導光素子の出力開口部と光学的に結合され、各出力開口部は前記レンズアレイの前方焦点領域内に配置される、レンズアレイと、
前記導光素子のアレイに対して前記レンズアレイをそれぞれの面内で動かす転位機構と、及び
前記導光素子のアレイに対して前記レンズアレイの位置を感知するセンサーシステムと、を備え、
前記導光素子のアレイと共に前記レンズアレイは、視野内に少なくとも１つの視域を提供し、及び変形された前記光ビームを投射することによって各視域にそれぞれの透視図を作り出すように構成される、時系列３Ｄディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に時系列自動立体(time-sequential auto-stereoscopic)システム、より詳細には、物体やシーンの３次元（３Ｄ）画像の透視図を作り出す光学イメージングシステム及び同システムを使用する３Ｄディスプレイ装置に関する。本発明は、分散光源として放射し、かつ大きい方向ダイヤグラム（例えばＬＣＤ）を有するピクセルを持つディスプレイに有用でありうる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１２年１月１５日に出願された米国仮出願番号61/586,809の優先権の利益を主張し、この出願のすべてはあらゆる目的において、ここで参照することによりその全体が含まれる。
【０００３】
空間系列自動立体システムと比較される時系列自動立体システムの利点は、時系列自動立体システムは、３次元画像を作るのに使用される透視図の数に関係なく、高解像度の３次元画像を提供することである。現在まで、３Ｄディスプレイ装置での高品質及び高解像度の３次元画像は、そこから放射する光ビームを平行にさせるディスプレイを使用することによって実現されてきた。しかしながら、分散光源として放射し、かつ大きい方向ダイヤグラム（例えばＬＣＤ）を有するピクセルを持つディスプレイは、一般的に光ビームの視準を提供することができない。結果的に、既知の光学イメージングシステムを使用する時系列３Ｄディスプレイ装置で、そのようなピクセル放射ディスプレイを使用する（利用する）ことは問題をはらむ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、高品質及び高解像度のマルチビュー３次元画像を作るために、時系列３Ｄディスプレイ装置で使用されうる、新しい光学イメージングシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、ディスプレイピクセル表面上での各ピクセルの放射する開口部(aperture)を小さくすることにより、各視域(viewing zone)で異なる透視図の抑制された又は除去された重ね合わせを実質的に有する光学イメージングシステム及び３Ｄディスプレイ装置を提供することである（それによって先行技術の光学イメージングシステムと関連した欠点を解決する）。
【０００６】
要するに、本発明は、視野の各視域内にそれぞれの透視図を作り出し、それにより物体やシーンの３次元（３Ｄ）画像をその中に作り出すために、指向性の光ビームを発生させ、これらの光ビームを変形させ、及び視野内に変形された光ビームを投射する、ことに基づいている。
【０００７】
本発明は、光学イメージングシステム及び同システムを使用する３Ｄディスプレイで具体化されうる。
【０００８】
他の態様では、本発明は、ディスプレイピクセル表面上に位置するピクセルから放射する平行光ビームを使用することに基づいた光学イメージングシステム及び関連した３Ｄディスプレイ、に関する。
【０００９】
背景技術としては、いくつかのディスプレイ（例えばＬＣＤ）から放射する光ビームは、透視図の数に厳しい制限を課す、又は３次元画像の形成を妨げさえする、大きい方向ダイヤグラム（およそ１８０度）を持つピクセルを有する。本発明はこの問題を解決する。本発明は、ここで開示されるような光学イメージングシステム及び関連した３Ｄディスプレイ装置で、凸マイクロレンズのレンズアレイと共に、選択導光素子(light guide elements)のアレイを使用することによって実施されうる。
【００１０】
本発明は、我々の先行技術である米国出願番号11/364,692及び11/769,672に開示される３Ｄディスプレイ及び光学イメージングシステムを基礎とし、この両方の出願のすべてはあらゆる目的において、参考としてここに援用される。
【００１１】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、下記の詳細な説明及び添付図面を参照してはっきりと認められるようになる。しかし当然のことながら、本発明の本質的な精神及び範囲を逸脱しないで、様々な変更、修正及び代用が、ここに記載された具体的な実施形態になされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】図１ａは、本発明の実施形態に従った光学イメージングシステム及び関連した３Ｄディスプレイ装置の一般化された略図である。
【図１ｂ】図１ｂは、本発明の実施形態に従った光学イメージングシステムの一部の平面略図である。
【図２】図２は、複数の異なる視域を説明する本発明の実施形態に従った光学イメージングシステムの一部の平面略図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従った光学イメージングシステムの一部の他の平面略図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従った光学イメージングシステムの導光素子アレイの一部の平面略図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従った光学イメージングシステムの一部の他の平面略図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に従った光学イメージングシステムの一部の他の平面略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面では、同じ参照番号が図面のいくつかのビューにわたって同じ特徴を示すのに使用される。図面は、典型的な光学イメージングシステム及び関連した３Ｄディスプレイ装置の図式的及び記号的な表現であることを目的とし、種々の構造的な変形例及び光学配置を説明する。
【００１４】
同一の又は対応するコンポーネント又は素子、より詳細には図１ａ‐図６、を示すのに同じ参照番号が使用される図面を参照すると、実施形態での本発明は、光学イメージングシステム１及び同システムを使用する関連した３Ｄディスプレイ装置２に関する。本発明のある実施形態に従った３Ｄディスプレイ装置２は、視野内に、物体又はシーンの３次元画像の複数の透視図を作り出すためのものである。図１ａで最もよく見られるように、３Ｄディスプレイ装置２のブロックダイアグラムは、それぞれの透視図の方向に投射される２次元模様(patterns)をそれぞれに表示するディスプレイ３（例えばＬＣＤ）、光学イメージングシステム１（光学イメージングシステム１は、選択導光素子のアレイ４、凸マイクロレンズのレンズアレイ５、転位機構６、位置センサーシステム７を含む）、コントローラ８、及びバッファメモリ９を含む。
【００１５】
ディスプレイ３は、２次元画像（模様）を生成するように構成され、２次元画像（模様）を表示するディスプレイピクセル表面１０及びデジタルデータ入力部１１を含む。ディスプレイ３はまた、選択導光素子のアレイ４及びレンズアレイ５を含み、これらはディスプレイピクセル表面１０に（図１ａ‐１ｂ上に示される典型的な実施形態で）平行であり、（図３で最もよく見られるように）光学イメージングシステム１の軸１３に垂直である。ディスプレイピクセル表面１０は、ディスプレイ３の基板（図１ｂの中で示されていない）間に配置され、バックライト１４によって照らされる。
【００１６】
３Ｄディスプレイ装置２で使用される光学イメージングシステム１は、以下の機能を実行するためのものである。それは、ディスプレイ３のディスプレイピクセル表面１０から放射する光ビーム１５を変形すること、視野内の各視域へそれぞれの透視図中に変形された光ビーム１６を投射すること、及び３次元画像を作るために当該視域内で当該光ビーム１６をスキャンすること、である。
【００１７】
当該スキャンの機能は、転位機構６を用いて、一方のアレイ（図１ｂで示される典型的な実施形態の中でのレンズアレイ５）をその面内で他方のアレイ（導光素子のアレイ４）に対して動かすことにより実行される。
【００１８】
導光素子のアレイ４は、透明な光学材料で作られたくし形構造を示し、ディスプレイ３の外側基板上に置かれる。アレイ４の各導光素子４ｉは、入力開口部１７ｉ、出力開口部１８ｉ、及び入力開口部１７ｉから出力開口部１８ｉまで広げられた側壁１９ｉを含む。隣接する素子の入力開口部間の間隙２０は、非透過（吸収する又は反射する）コーティングで（図１ｂで示される変形例のように）覆われうる。他の変形例では、各導光素子の側壁は反射コーティングで覆われる。導光素子の側壁間のスペースは、くし形構造の堅さを増加する材料で満たされうる（図４）。側壁は平らな形状か、曲線状の形状か、又は部分から構成された形状(composed shape)にされうる。導光素子の入力及び出力の壁は、平らにされるか又は曲線状にされうる。
【００１９】
考慮すべき重要なことは、それぞれの導光素子のピクセル、入力開口部、出力開口部の大きさとレンズアレイ５のマイクロレンズの大きさの間の関係である。したがって、入力開口部の大きさは一般的にピクセルピッチにすぎない。出力開口部の大きさは一般的に、マイクロレンズピッチの、３次元画像を作るのに使用される透視図の数に対する比率にすぎない。マイクロレンズピッチは一般的にピクセルピッチにすぎない。
【００２０】
図１ｂで最もよく示されるように、導光素子４ｉの入力開口部１７ｉは、ディスプレイピクセル表面１０のそれぞれのピクセル１０ｉと光学的に結合されるのに対して、導光素子４ｉの出力開口部１８ｉは、レンズアレイ５のそれぞれのマイクロレンズ５ｉと光学的に結合され、マイクロレンズ５ｉの前方焦点領域内に配置される。
【００２１】
水平視差(horizontal parallax)３次元画像を作るために、凸マイクロレンズのレンズアレイ５は、図１ａに示されるような垂直に向けられた平凸マイクロレンズを有するレンズ状のアレイのように作られうる。アレイ４の導光素子もまた垂直に広げられうる。この場合、ピクセル柱状部の各ピクセルは、対応する導光素子のそれぞれのある範囲と光学的に結合される。転位機構６は、それぞれの透視図に対応するその相対位置に対して水平にレンズアレイ５を動かすように構成される。
【００２２】
他方のアレイ（アレイ４）に対して水平方向の一方のアレイ（レンズアレイ５）の相対位置を感知する位置センサーシステム７は、少なくとも１つの位置データ出力部２１を有する。
【００２３】
完全視差(full parallax)３次元画像を作るために、導光素子のアレイ及びレンズアレイは、それぞれ導光素子及びマイクロレンズの２次元アレイのように作られるのに対して、転位機構はレンズアレイを水平及び垂直の両方向に動かすように構成され、センサーシステムは水平及び垂直方向のレンズアレイの相対位置を感知するように構成され、少なくとも２つのデータ出力部を有する。
【００２４】
コントローラ８は一般的に、レンズアレイ５の動きを伴うディスプレイ３によって作り出される２次元模様の再生を同期させるのを目的とする。コントローラ８は一般的に少なくとも１つの位置データ入力部２２及び同期出力部２３を有する。コントローラ８の位置データ入力部２２は、位置センサーシステム７の位置データ出力部２１に接続される。
【００２５】
バッファメモリ９は、同期入力部２４、２次元模様をアップデートするデジタルデータ入力部２５、及びデジタルデータ出力部２６を有する。バッファメモリ９の同期入力部２４は、コントローラ８の同期出力部２３に接続される。デジタルデータ出力部２６は、ディスプレイ３のデジタルデータ入力部１１に接続される。
【００２６】
本発明の実施形態に従った光学イメージングシステム１は、一般的には次のように動作する。転位機構６は、選択導光素子のアレイ４に対して横方向に凸マイクロレンズのレンズアレイ５を動かす。図１ｂで示されるように、ディスプレイピクセル表面１０から放射する光ビーム１５（２次元模様を示す）は、アレイ４及びレンズアレイ５によって光ビーム１６へ変形される。変形された光ビーム１６は、視野の視域に投射される各透視図を作り出す（いくつかの視域は図２で説明される）。
【００２７】
転位機構６は、往復運動する方法で水平な動きをするように構成される（図３参照）。それによって透視図は、その中に３次元画像を作るための視域内で確実にスキャンされる。図３で示されるように、レンズアレイ５の転位Δは、投射される光ビーム１６の角度をφ変える。
【００２８】
φは、
2015509210.tif 000003
で表される。
【００２９】
ここで、Ｆはレンズ５ｉの焦点距離である（図１ｂ参照）。
【００３０】
本発明の他の実施形態に従った３Ｄディスプレイ装置２は次のように動作する。図１ｂで示されるように、ディスプレイピクセル表面１０から放射する光ビーム１５（バックライト１４によって照らされ、２次元模様を示す）は、アレイ４及びレンズアレイ５によって、光ビーム１６へ変形される。変形された光ビーム１６は、視野の視域に投射される各透視図を作り出す（いくつかの視域は図２で説明される）。転位機構６は、往復運動する方法で選択導光素子のアレイ４に対して横方向に凸マイクロレンズのレンズアレイ５を動かす。それによって透視図は、その中に３次元画像を作るための視域内で確実にスキャンされる。位置センサーシステム７からの信号は、レンズアレイ５の動きを伴うディスプレイ３によって作り出される一連の２次元模様を同期させるためのコントローラ８によって使用される。
【００３１】
導光素子のアレイ４は、次の機能を実行するのを目的とする。アレイ４の各素子４ｉは、それぞれのピクセル１０ｉから放射し、入力開口部１７ｉを通して伝搬し、及び側壁１９ｉから反射する光ビーム１５を選択し、当該ピクセル１０ｉの放射する開口部を小さくするために選択された光ビームを出力開口部１８ｉへ収束させ、並びにピクセル１０ｉに隣接するピクセルから放射する光ビームを抑える。
【００３２】
図１ｂで示される導光素子４ｉの側壁１９ｉからの光ビーム反射は、全内部反射によって実現される。素子間の間隙は、吸収又は反射コーティング２０‐１で覆われる。
【００３３】
図３に示されるアレイ４の他の変形例では、その素子の側壁からの選択された光ビームの反射は、側壁及び素子間の間隙を覆う反射コーティング２０‐２によって実現される。
【００３４】
図４で示されるアレイ４のさらなる変形例では、側壁及び素子間の間隙は反射コーティング２０‐２で覆われ、導光素子の側壁間のスペースは、アレイ４のくし形構造の弾性及び堅さを増やす化合物(compound)２０‐３で満たされる。
【００３５】
アレイ４の構造の特性は、ディスプレイピクセル表面１０と導光素子の入力開口部の間の距離を減らすに伴って、当該光ビームの選択及び抑制の有効性は増えるという点にある。これによって、作られる３次元画像の輝度及び品質を向上させることが可能になる。アレイ４の構造の他の特性は、導光素子の入力及び出力壁と同様に側壁は、光学イメージングシステム及び３Ｄディスプレイ装置の技術的要件及び特定用途次第で、平らな形状か、曲線状の形状か、又は部分から構成された形状にされうる、という点にある。これらのすべてによって、光学イメージングシステム及び３Ｄディスプレイ装置の機能の弾力性及び適応性を与えることが可能になる。
【００３６】
レンズアレイ５のレンズピッチは、ディスプレイピクセル表面１０のピクセルピッチと同じでありうる。同時に、３Ｄ装置のレンズアレイから所要長さＬでの視域幅を最大化するために、追加的な収束光学素子（例えばフレネルレンズ）を使用することを必要とする（図２参照）。
【００３７】
他の変形例では、前述した視域幅を最大化することは、図５で示されるようなピクセルピッチよりも小さいレンズピッチを有するレンズアレイ５‐１を使用することによって、実現されうる。この変形例では、最大視域幅は３Ｄ装置のレンズアレイからの距離Ｌで得られる。
【００３８】
Ｌは、
2015509210.tif 000004
で表される。
【００３９】
ここで、Ｆはレンズアレイの中のレンズの焦点距離であって、ＰＬはレンズピッチであって、ＰＰはピクセルピッチである。
【００４０】
光学イメージングシステム及び３Ｄディスプレイ装置はレンズアレイ５と組み合わされる追加的な平凸レンズアレイ５‐２を備えうる、その結果、レンズアレイ５‐２は前方の焦点領域内に配置される（図６参照）。このことによって、各透視図の輝度を大きくさせ、視域での異なる透視図の重ね合わせを減らすか又は除去することが可能になる。図６では、レンズアレイ５及び５‐２はありふれた基板上（明示せず）に取り付けられる。
【００４１】
本発明は本文書内で説明及び記載された実施形態に関連して記載されたが、本発明は、その精神又は本質的な特性を逸脱しないで、他の具体的な方法で、又は他の具体的な形態で具体化されうる。それゆえに、説明された実施形態はすべての態様で説明的なものであると考えられ、限定的なものであると考えられない。したがって、本発明の範囲は、前述の説明ではなく添付された特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び均等範囲に属するすべての変形や変更は本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４２】
１  光学イメージングシステム
２  ３Ｄディスプレイ装置
３  ディスプレイ
４  導光素子のアレイ
５  レンズアレイ
６  転位機構
７  位置センサーシステム
８  コントローラ
９  バッファメモリ
１０  ディスプレイピクセル表面
１１  デジタルデータ入力部
１３  軸
１４  バックライト
１５、１６  光ビーム
１７  入力開口部
１８  出力開口部
１９  側壁
２０  間隙
２０‐１  吸収／反射コーティング
２０‐２  反射コーティング
２０‐３  化合物
２１  位置データ出力部
２２  位置データ入力部
２３  同期出力部
２４  同期入力部
２５  デジタルデータ入力部
２６  デジタルデータ出力部
【図１ａ】
2015509210.tif 000005
【図１ｂ】
2015509210.tif 000006
【図２】
2015509210.tif 000007
【図３】
2015509210.tif 000008
【図４】
2015509210.tif 000009
【図５】
2015509210.tif 000010
【図６】
2015509210.tif 000011
【国際調査報告】
2015509210.tif 000012
2015509210.tif 000013