(57)【要約】  同時に複数の観測者に利用される自動立体視ディスプレイの照明機器は、制御された指向性照明機器として知られている。これらは低い発光効率を呈している。広範囲において観測者の位置について、この問題を改良することを目的とする。発光効率の問題は、据付型の照明機器（８）により解決される。発明は、ＬＥＤ光源を有する光源ユニットを含むＬＥＤ光源マトリックスであって、活性化状態で、平行方式の白色光を用いて連続するマイクロレンズアレイ（８３）を照射するＬＥＤ光源マトリックスを備え、光源ユニットは、光束を合焦し、マイクロレンズアレイ（８３）の後方の焦点面の外側に配置された拡散手段（８４）を介して光束を偏向する、複数のマイクロレンズに関連付けられ、拡散手段は予め設定された放射特性を有することを特徴とする。拡散手段（８４）に入射した光束は、画像形成マトリックス（３）を照射するために、拡張され、空間的に変調された２次光源を実現する。ＬＥＤ光源マトリックスは、対物レンズ（４）と相まって、検出された観測者の眼球の位置における視認領域（１１）として光束を現す。発明の分野は、複数のユーザ用の自動立体視ディスプレイを含む。【選択図】図３
2012508393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源ユニットを有するＬＥＤ光源マトリックスと、マイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、拡散手段と、を備える自動立体視ディスプレイ用の照明機器であって、
画像形成素子を有する画像形成マトリックスは、当該照明機器により照射され、対物レンズと相まって、検出された観測者の眼球位置における視認領域に光束を結像し、
前記光源ユニットは、後段に配置された前記マイクロレンズアレイ（８３）を、平行な白色光を照射するように活性化されるＬＥＤ光源を備え、
１つの光源ユニットは、光束を合焦し、かつ前記マイクロレンズアレイ（８３）の実際の焦点面よりも外側に配置された、所定の放射特性を有する前記拡散手段（８４）を介して光束を透過する複数のマイクロレンズに割り当てられ、当該拡散手段（８４）に当てられた光束は前記画像形成マトリックス（３）を照射するための、空間的に変調された大きな２次光源を実現する
ことを特徴とする照明機器。
【請求項２】
前記拡散手段（８４）の放射特性は、光が画像形成素子の表面を正確に通過して透過されるように照射される、当該画像形成素子の表面サイズに応じて算出されることを特徴とする請求項１に記載の照明機器。
【請求項３】
前記拡散手段（８４）は、ホログラム構造の形状で算出された前記放射特性を備えることを特徴とする請求項２に記載の照明機器。
【請求項４】
振幅変調を実現するための前記拡散手段（８４）は、生成される前記２次光源の空間的な広がりを制御するためのグレースケールステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の照明機器。
【請求項５】
１つの光源ユニットは、画像形成素子を照射するための、複数の２次光源を実現することを特徴とする請求項１に記載の照明機器。
【請求項６】
前記画像形成マトリックス（３）は、前記拡散手段（８４）に直接取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の照明機器。
【請求項７】
前記画像形成マトリックス（３）はレンチキュラであることを特徴とする請求項６に記載の照明機器。
【請求項８】
前記光束を関連づけられた画像形成素子に制限するために、前記拡散手段（８４）と前記画像形成マトリックス（３）との間に配置された制限手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の照明機器。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明機器（８）を備えることを特徴とする自動立体視ディスプレイ。
【請求項１０】
前記対物レンズ（４）は、制御可能な領域（９）を有するフレネルレンズであることを特徴とする請求項９に記載の自動立体視ディスプレイ。
【請求項１１】
自動立体視ディスプレイ用の照明を生成する方法であって、
対物レンズと相まって、検出された観測者の眼球位置における視認領域に光束を結像する、画像形成素子を有する画像形成マトリックスを照射するための照明機器は、光源ユニットを有するＬＥＤ光源マトリックスと、マイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、拡散手段と、を備え、
前記光源ユニットは、平行方式の白色光で、後段に配置された前記マイクロレンズアレイ（８３）を照射するために活性化されたＬＥＤ光源を備え、
１つの光源ユニットは、光束を合焦し、かつ前記マイクロレンズアレイ（８３）の後方の焦点面よりも外側に配置された、所定の放射特性を有する前記拡散手段（８４）を介して光束を透過する複数のマイクロレンズに割り当てられ、前記画像形成マトリックス（３）を照射するための、空間的に変調された大きな２次光源が実現される
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型の自動立体視ディスプレイに据付型照明機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
対物レンズと相まって、検出された観測者の眼球位置における視認領域に光束を結像する、画像形成素子を有する画像形成マトリックスを照射するための照明機器は、光源ユニットを有するＬＥＤ光源マトリックスと、マイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、拡散手段と、を備える。画像表示パネルにおいて、画像情報及び他の情報を有する光が変調された後、視認領域において観測者の眼球は、立体視（stereoscopic）及び単一視（monoscopic）の少なくともいずれかの選択的な表示を捉えることができる。
【０００３】
本発明の応用分野は、異なる観測者の眼球に割り当てられる視認領域を生成する、及び位置検出器により観測者の眼球位置を検出する自動立体視ディスプレイを含む。観測者が表示機器の前の、比較的大きい視聴空間において異なる位置に移動した場合、視認領域は観測者に自動的に追従させることができる。ステレオ画像及び他の情報のすくなくともいずれかは、視認領域の生成と同調して、表示機器における２次元モードあるいは３次元モードのいずれか、または２次元及び３次元コンテンツの同時表示として、観測者に呈示される。
【０００４】
従来、自動立体視ディスプレイを照射するための多数のソリューションが提案されている。観測者の位置変化を追従し、新たな位置における視認領域を生成する自動立体視ディスプレイにおいて、指向性の照明が用いられることが知られている。このため、多数の光放射あるいは光透過照明素子を有する照明手段は、画像形成素子を有する画像形成手段と組み合わせられている。活性化される照明素子の数及び位置は、実際の観測者の位置に応じて決定される。画像形成素子は、視聴空間に存在する、検出された観測者の左眼あるいは右眼が存在する視認領域に、表示パネルを介して活性化された照明素子の光を結像する。画像制御器は、当該動作に同調して、左眼用あるいは右眼用に対応するステレオ画像を表示パネルに供給する。
【０００５】
複数の観測者に３次元シーンを呈示する自動立体視ディスプレイの照明機器については、様々な要求がある。多くの照明機器における不都合として、不正確な３次元表示が知覚されてしまう、右眼への左眼用のステレオ画像のクロストーク、及び同様に逆方向のクロストークがある。軸上ではない視認領域の追跡により引き起こされる収差であって、照明機器により効率的にアドレスされうる視聴空間を制限してしまう収差によって、さらなる問題が生じる。複数の観測者を対象とする自動立体視ディスプレイは、一般的に１人の観測者に最適化されている。複数の観測者が、同時に表示された３次元シーンの閲覧を望む場合、大抵このような不都合に直面することになる。
【０００６】
好ましくは商用のＬＣＤパネルである表示パネルと視認領域とは、可能な限り明るく、そして均一に照射されるべきである。シャッタパネルとしても言及される、表示パネルを照射するＬＣパネルの使用には、常にバックライトを必要とする。このために用いられる光源は、使用時に、表示機器の構成要素の機能について、多かれ少なかれ重大な悪影響を及ぼしうる熱を放射する。マトリックス状に配置されるシャッタ素子は、電気信号線を調整するために、隣り合う素子との間に分割格子を有する。照射される素子がレンチキュラにより結像される場合、レンチキュラ間の境界部分はより少ない光を受光し、結果として分割格子が照射される素子よりも少量の光を放射するため、画像形成マトリックスにおいて細く薄暗い長手方向の縞が現れる。これは、３次元表示の全体的な知覚を損なう。通常の光拡散手段は、このような不具合を完全に除外することはできない。他の問題として、用いられている照明手段の低効率性がある。照明手段から表示パネルあるいは観測者の眼球への経路において、例えば吸収や反射により、多くの光が失われる。大抵、透過率は大幅に削減される。
【０００７】
複数の観測者が割り当てられた視認領域で３次元表示を観測可能な、自動立体視ディスプレイにおける照明機器を改良することを、本発明の目的とする。照明機器は高い発光効率を有するだろう。これは、光源手段に関して少しの対策により、表示パネル、及びそれぞれの観測者について生成される個々の視認領域の両方において、高い光度が実現されるだろう。表示機器の前の広角の範囲において、可能な限り遠くの観測者の位置において、３次元表示の収差による影響をなくすだろう。さらに同時に、上述した従来技術の不都合を可能な限り広範囲において排除するだろう。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、バックライト機器、マイクロレンズアレイ、及び拡散手段の組み合わせを含む照明機器に基づく。バックライト機器は、光源ユニットを有するＬＥＤ光源マトリックスを備える。本発明の特性によれば、光源ユニットは、活性化された場合に、後段に配置されたマイクロレンズアレイを平行な白色光で照射するＬＥＤ光源を備える。１つの光源ユニットは、光束を合焦し、かつマイクロレンズアレイの焦点面の外側に配置された、所定の放射特性を有する拡散手段を介して光束を透過する、複数のマイクロレンズに割り当てられる。拡散手段に当てられた光束は、画像形成マトリックスを照射するための、空間的に変調された大きな２次光源を実現する。
【０００９】
本発明の一実施形態では、拡散手段の放射特性は、照射された画像形成素子の表面サイズに依存して算出され、結果として、当該画像形成素子の表面を介して、光が正確に透過される。計算に用いられる他のパラメータは、拡散手段から視認領域、あるいは観測者の眼球までの距離であり、これにより照射される画像形成素子を正確に決定する。
【００１０】
拡散手段は、好ましくはホログラム構造の形状で算出された放射特性を伝える。これに伴い、生成される２次光源の広がりは規定されうる。
【００１１】
照明機器の更なる実施形態において、拡散手段は、振幅変調を実現するためのグレースケールステップを有する。これに伴い、生成される２次光源の空間的な広がりは、制御されうる。
【００１２】
さらに本発明により、１つの光源ユニットが、画像形成素子を照射する複数の２次光源を実現することが提供される。
【００１３】
拡散手段により生成された２次光源により放射された光束は、拡散手段と画像形成マトリックスとの間に配置された制限手段により、さらに１つの画像形成素子にそれぞれ制限されうる。このことは、隣り合う画像形成素子間で光束のクロストークが発生しないようにする。制限手段は、例えば列状に配置される。これらの手段は、画像形成マトリックスが拡散手段に直接取り付けられている場合に、省略されてもよい。画像形成マトリックスの画像形成素子は、レンチキュラレンズのレンズ核（lenticule）であることが好ましい。
【００１４】
目的はさらに、上述した発明の特徴の少なくとも１つを含む照明機器を備える自動立体視ディスプレイによって解決される。好ましい実施形態では、対物レンズとして、制御可能な領域を有するフレネルレンズを備える。
【００１５】
発明はさらに、自動立体視ディスプレイ用の照明を生成する方法を含む。対物レンズと相まって、検出された観測者の眼球位置における視認領域に光束を結像する、画像形成素子を有する画像形成マトリックスを照射するための照明機器は、光源ユニットを有するＬＥＤ光源マトリックスと、マイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ、及び拡散手段を備える。本発明によれば、方法は以下を実現する。光源ユニットは平行な白色光束を生成するＬＥＤ光源を備える。１つの光源ユニットは、後段に配置されたマイクロレンズアレイの複数のマイクロレンズに割り当てられる。マイクロレンズは、光軸において後段であり、マイクロレンズアレイの後方の焦点面よりも外側に配置された、所定の放射特性を有する拡散手段を介して平行な光束を合焦する。これにより、拡散手段に当てられた光束は、画像形成マトリックスを照射するための、空間的に変調された大きな２次光源を実現する。
【００１６】
発明は、自動立体視表示ディスプレイ用の効率的な照明を生成する、据付型の照明機器を提供する。本発明の個々の実施形態は更なる利点を提供する。光源の数はＬＣＤシャッタパネルを有する装置よりも少ないが、ＬＥＤ光源の使用は、自動立体視ディスプレイにおいて光度のより高い効率性を先験的に可能にする。水平方向及び垂直方向の両方において途切れることなく接合された面光源ユニットは、均一な光放射面を形成する。光放射面は、与えられる更なる条件により照明効率をより向上させうる、２次光源の生成に基づいて与えられる。
【００１７】
クロストークは、異なる方法の組み合わせにより最小化される。平行光でのマイクロレンズアレイの照射は、既にそれだけでクロストークの発生を抑制する。拡散手段の２次光源が、光軸上で後に続く画像形成素子のために、正確に定義された照明円錐を生成することで、クロストークはさらに抑制される。画像形成マトリックスとして機能するレンチキュラの拡散手段への直接的な装着も、クロストークの回避に貢献する。
【００１８】
焦点より外側に配置された拡散手段における、空間的に変調された、点光源ではない２次光源の生成は、表示パネル及び視聴空間において生成される視認領域の、広範囲の照明を実現する。拡散手段の光透過率の変調は、視認領域の形状を制御可能にする。同時に、観測者の眼球に対し、視認領域のサイズを変更可能である。２次光源の伸長は、好ましくはレンチキュラである画像形成マトリックスを介した透過の後、わずかに光が発散するように選択される。これにより、視認領域は水平方向において多少拡張される。結局、本発明の自動立体視ディスプレイにおいて、発光効率は略８０％まで高められるだろう。
【００１９】
照明機器の使用は、レンチキュラの後に、液滴駆動セルの原理に基づく制御可能な対物レンズが配置される場合に特に好ましい。これは、例えばフレネルレンズであってもよい。フレネルレンズは、検出された観測者の眼球に向けて所定の偏向を有する光束を与えるプリズムが生成される、制御可能な領域を有する。当該プリズムは、光路における収差が避けられるように制御されうる。アセンブリ時における自動立体視ディスプレイの、マテリアルにおける欠陥、あるいは構成要素の不適合により引き起こされる光路の修正は、このような制御可能な領域により実現されてもよい。
【００２０】
本発明は、実施形態、及び添付の概略的な上面図を用いて以下に詳細に説明される。
【００２１】
なお、個々の図面において、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術に係る指向性照明ユニットを有する自動立体視ディスプレイを示す。
【図２】本発明に係る照明機器を有する自動立体視ディスプレイを示す。
【図３】本発明に係る照明機器の個々の構成要素、及び表示機器全体を通る光路が示された、図２に係る自動立体視ディスプレイを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、従来技術に係る指向性照明ユニットを有する自動立体視ディスプレイを示している。光伝搬方向において、位置検出器６の後には、光源手段１を備えるバックライト、及び制御可能な開口を有するシャッタ２として機能するＬＣパネルが続く。透過モードを切り替える開口は、対物レンズ４及び画像表示パネル５を介して、画像形成マトリックス３により観測者の左及び右の眼球７に連続的に結像される。画像形成マトリックス３としてレンチキュラが提供される。制御手段ＣＵは、位置検出器６より観測者の眼球７の位置情報を受信する。さらに、制御手段ＣＵは、照明及び観測者の眼球への画像表示を制御するために、バックライト及び画像表示パネルと接続される。制御手段ＣＵにより画像表示パネル５の前の空間において検出された観測者の位置（方向）に応じて、シャッタパネル２の開口を変化させることにより、シャッタパネル２は列ごとに透過モードが切り替えられる。
【００２４】
図２は、光伝搬方向において、位置検出器６の後に本発明に係る据付型の照明機器８を有する自動立体視ディスプレイを示している。図１と同様に、据付型の照明機器９の光は、対物レンズ４及び画像表示パネル５を介して、画像形成マトリックス３により観測者の左及び右の眼球に連続的に結像される。複数の観測者に提供される場合、それぞれのコンテンツは、個々の眼球に連続的あるいは同時に結像されうる。画像形成マトリックス３としてレンチキュラが提供される。位置検出器６、対物レンズ４、及び画像表示パネル５は、照明及び観測者の眼球への画像表示を制御するために、制御手段ＣＵに接続される。
【００２５】
図１及び２は、照明機器８の光学部品及び対物レンズ４の設計に関して、実質的に異なっている。対物レンズ４は、光束を偏向するプリズムを生成する、制御可能あるいは切り替え可能な領域９を有するフレネルレンズである。プリズムにおけるプリズム角は、検出された観測者の眼球７の位置に応じて可変的に設定されうる。
【００２６】
図３は、据付型の照明機器８及び自動立体視ディスプレイを通過する光束の光路を、より詳細に示している。照明機器８は、複数の光源ユニットを有するＬＥＤ光源マトリックス８１、マイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ８３、及び拡散手段８４を備える。光源ユニットは、赤、緑、及び青色の３つのＬＥＤ光源、及びレンズ８２を前面に備える。光源ユニットは、行及び列において互いに隣接して配置され、活性化された際に、連続する白色の平行光の２次元発光面を生成する。レンズ８２は、平行方式の２次元面の白色光をマイクロレンズアレイ８３に導く光学幾何配置を有する。レンズ８２から伸びる矢印は、平行な光束を示している。一般的に知られているように、白色光を放射する光源ユニットは、リン光発光システムを有する青色ＬＥＤ構造を備えてもよい。
【００２７】
マイクロレンズアレイ８３のマイクロレンズは、後方の焦点面に光束を合焦する。拡散手段は、当該焦点面付近に配置される。これにより、光束は、拡散手段８４における点光源ではない、空間的に変調された２次光源の生成を実現する。これらの２次光源は、表示機器、及び視聴空間に生成される視認領域のために広範囲の照明を与える。本実施形態では、２つのマイクロレンズは、列ごとに１つのレンズ８２に割り当てられる。ＬＥＤ光源ユニットは、２以上のマイクロレンズを照射するように配置されてもよい。ＬＥＤ光源ユニットのレンズ８２及びマイクロレンズアレイ８３のマイクロレンズは、図３において両方向矢印によって示されているだけである。両方向矢印は、略レンズ径に対応している。光束が合焦されると、両方向矢印の頂点からマイクロレンズの後方の焦点面のそれぞれに向かって、照明円錐が形成される。固有の放射特性を提示する拡散手段８４は、焦点面の前段に配置され、照明円錐により透過する。この結果、拡散手段において、複数の２次光源が１つの光源ユニットの光束から生成される。拡散手段は、それぞれレンチキュラの１つのレンズ核について、特に列単位で照射する照明円錐を再び形成する。
【００２８】
対象の照明円錐のみが割り当てられたレンズ核を確実に照射するように、拡散手段８４とレンチキュラとの間に、さらに制限手段１０が平行配列で設けられてもよい。制限手段は、円柱形状を有し、クロストークの抑制として機能する。制限手段は、好ましくは光吸収性を有する。しかしながら、レンチキュラが直接拡散手段８４に取り付けられる場合、制限手段１０は省略されてもよい。
【００２９】
微小発散方式でレンチキュラにより放射される光束は、制御可能なフレネルレンズの形でさらに後段に配置された対物レンズ４により、観測者の眼球の視認領域に重ね合わされる。観測者の眼球（不図示）は、制御手段ＣＵにより同期して与えられる画像情報を、視認領域においてみることができる。画像情報は、それぞれの視認領域においてそれぞれの観測者の眼球に、左及び右のステレオ画像が高速かつ連続的に提供される場合、３次元形状として知覚される。画像表示パネル５は、図３では示されていない。
【００３０】
所定の放射特性を有する拡散手段８４に基づいて、所望の２次光源を生成する。放射特性あるいは放射角は、例えばレンチキュラのレンズ核の幅、及び拡散手段８４とレンズ核との距離等について、画像形成素子と対応している。放射角は、１つの放射された光束が後段の１つのレンズ核のみを通過するために必要なだけの２次元の大きさで実現される。これは、光損失の抑制、及びクロストークの抑止を目的としている。ホログラフ的（holographically）に作られた拡散手段８４を用いることで、放射特性は先験的に定義されうる。放射特性がホログラム構造を呈する場合は、放射特性は確実に拡散手段８４に格納することができる。
【００３１】
振幅変調を実現するために、拡散手段８４は、生成された２次光源における所望の広がりを規定するために、グレースケールステップをさらに有してもよい。広がりは、全ての２次光源について同様である。このようにすることで、視認領域の形状及びサイズは制御可能である。
【００３２】
光源ユニットが有するレンズ８２の表面の光学幾何形状は、球状あるいは非球状であってよい。
【図１】
2012508393.tif 000003
【図２】
2012508393.tif 000004
【図３】
2012508393.tif 000005
【国際調査報告】
2012508393.tif 000006
2012508393.tif 000007
2012508393.tif 000008
2012508393.tif 000009
2012508393.tif 000010
2012508393.tif 000011