CN1751525B - 自动立体显示器 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示设备包括用于提供准直光(1，2)的装置和动态光束偏转器(3dyn)。借助于动态光束偏转器，光束进行扫描。由显示阵列的像素所发出的透过分裂屏幕传输的光的出射角由动态光束偏转器(3dyn)控制。

Description

自动立体显示器

技术领域

本发明涉及一种自动立体显示设备，它具有包括多个可寻址像素的显示阵列，用于寻址显示阵列中的像素的装置和在显示阵列前面的分裂屏幕。

背景技术

在开头段落中描述的那种类型的自动立体显示设备从美国专利US6,275,254获知。

基本上，一个三维效果能够通过使用多个立体对(引入到观众两眼的两个不同图像)，全息技术或显示器中的多个平面产生。使用多平面技术，一个容量的图像构成，其中2D像素由所谓的3d容量中的三维像素(voxel)代替。大多数多平面显示器的缺点是三维像素产生光，但不阻挡光。这导致一个透明的物体，为显示图像造成相当真实的虚像和令人不快的外观。

立体显示器不受这样问题的困扰。有几种方法产生立体图像。图像可以在一个2D显示器上被时间复用，但是这需要观众佩戴具有例如LCD光阀的眼镜。当立体图像同时显示时，图像能够通过使用一个安装在头上的显示器或使用偏振眼镜(图像接着用正交偏振光产生)射入到适当的眼睛。观察者佩戴的眼镜有效地发送视图到每个眼睛。眼镜中的光阀或偏振器与帧速率同步以控制发送。为了防止闪烁，帧速率必须双倍或者分辨率关于二维等效图像二等分。使用这样的系统的一个缺点是两个图像只产生一个有限的“环顾”能力。而且，必须佩戴眼镜以产生任意效果。对于那些不常戴眼镜的观察者这是令人不快的并且对于那些已经戴眼镜的那些人来说是一个潜在问题，因为额外的一副眼镜总是不适合的。

不接近观众的眼睛，两个立体图像也能够通过诸如柱镜状屏幕或一个视差栅栏的分裂屏幕在显示屏幕上分裂。例如在美国专利US6,275,254的图3和图4中示出了该原理。

尽管这些显示器是在不需要特殊的眼镜来观看3D图像的感觉下的自动立体显示器，它们通常只对空间上一个固定位置上的一个观众起作用。观看区域是很窄的。在观看区域之外，观众看到多个图像或一个立体逆转，造成非常令人不快的视图。实际上，这表示对于很多应用，例如在起居室中，观看区域太小，以至于观众必须坐在能够看见3D图像的一个特定点上。提供多个观看图像的解决方案以分辨率为代价而这样做。

从美国专利US6,275,254获知的设备提供一个对于窄观看区域的问题解决方案，它通过使用具有像素列的平面阴极射线管类型显示器，使用特殊磁体用于对对应像素的不同部分的扫描电子束，并具有每个都对应于不同的像素列的多个圆柱透镜的双凸透镜屏幕实现。以这种方式，有可能建立一个多视图自动立体显示器。

尽管有可能以US6,275,254中描述的方式的获得有相当高分辨率的多视图自动立体显示器，但是它需要一个很专用的平面阴极射线管。即使除了与美国专利US6,275,254中描述的显示设备所需的特定偏转机构的使用之外，平面阴极射线管并不成功，尽管这样的设备在文献中频繁进行描述。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种对已知设备的替换。

为此，按照本发明的设备特征在于显示设备包括一用于提供由显示阵列的像素向分裂屏幕(splitting screen)发出的准直光的装置，并且在于分裂屏幕是一个动态分裂屏幕，并且在于该设备包括控制动态分裂屏幕的装置，用于控制显示阵列的像素所发送的通过分裂屏幕发送的光的出射角。

本发明的概念内的准直光表示限制在一个相当窄的角度内的光，该角度一般小于10度，优选小于5度，并最好在约2度的范围内。在本发明的框架内，“准直”表示在至少一个方向，也就是扫描方向准直，不需要在两个方向上准直，即不需要在垂直于扫描方向的方向上也准直。实际上，这通常表示在水平方向(左-右)上准直，而垂直方向(上-下)上的准直将会或能够小很多或者不明显。

通过使用进入分裂屏幕的准直光，进入到分裂屏幕的光的光路基本上固定，特别是与分裂屏幕相对的方向和/或位置固定。分裂屏幕是动态的，即它具有光学元件，该光学元件的光学特性能够以这样的方式控制，即通过可控地改变由显示阵列的像素所发出的通过分裂屏幕发送的光的射出角，使得光路的出射角在出射角的一个范围上可控制和可扫描。以这种方式，可以获得对于多于一个人的多视图即宽观看范围的立体显示设备。通过改变出射角，特定像素的光在操作中射到不同的观看区域。这是一个与已知的多视图自动立体设备基本的不同，因为在这些设备中对于多视图观看的每个观看区域都分配不同像素或部分像素。

准直光是本领域技术人员熟知的一个相当简单的操作，它能够应用到很多显示设备，不然的话能够应用到所有已知的矩阵显示设备，即不需要专用，比如还没有成功的显示设备。人们能够使用在显示阵列本身中已经发出了准直光的显示阵列(例如，基于一个或多个激光器的显示阵列)，或者人们能够使用一矩阵，比如一LCD或OLED显示阵列，它一般提供一个发出非准直或散射的光的像素阵列和在分裂屏幕之前的光路中放置一个准直器以准直光(例如一个菲涅耳透镜或一个有洞的盘)。这样的一个准直器能够位于一个连续光源(例如，LCD矩阵显示器的背光)和一个可转换空间光调制器(例如一个LCD显示设备的LCD阵列)之间或者在可转换空间光调制器后面。使用一PLED或OLED显示阵列(该设备的显示阵列具有在宽角度范围中的发射光的像素)，准直器可以位于分裂屏幕和PLED或OLED阵列之间。准直器能够例如是透镜阵列例如菲涅耳透镜，或者一个只透过在一个特定窄角度范围内的光的滤波器。一种替换是例如位于光源和只在窄前向角度范围中透过光的分裂屏幕之间的多层干涉滤波器。在这些实施例中的任何一个准直光进入分裂屏幕。

可扫描分裂屏幕扫描图像，并接着在出射角范围内显示图像。通过使用对显示屏幕的像素进行寻址的装置通过扫描对显示阵列上所显示的图像计时，可实现图像的多视图自动立体显示。

在第一类实施例中，分裂屏幕是具有关于显示阵列的像素布置的多个圆柱透镜的一个双凸透镜屏幕，从而一个像素的准直光偏离轴进入一个透镜，并且透镜的焦点可控制。因为准直光偏离轴进入透镜，射出光在一个偏转角下射出透镜。该偏转角取决于透镜的焦点。通过改变透镜的焦点，偏转角(从而出射角)能够控制。这将在出射角范围上扫过由像素产生的光。

在本发明的实施例中，分裂屏幕包括具有一个液体透镜阵列和电极的可湿的液体透镜和用于在电极之间提供电压差的装置，从而可湿液体透镜的形状是电极上的电压差的函数。可湿透镜的形状改变影响出射角。

透镜的形状可以通过改变电极上的电压差而改变。(±30°到±50°)的实质上的扫描是有可能的。注意到US5,717,453描述了用于自动立体设备的可变可湿透镜(或者如US5,717,453中称呼的可变焦液体透镜)的使用。但是，在这种已知的设备中一个可变透镜与每个点或像素相关联，并且来自每个像素的射线受到控制以对应于那个像素所想要的3D深度以预定的角度到达眼睛。观众仍然位于相同点(即，出射角没有改变)，但是焦距被改变以给出一个深度感觉。在本发明中，光的偏离轴的进入造成出射角的变化，即光在观看区域上的扫过范围。

或者，可变透镜是第一材料的固体透镜，它嵌入第二种材料或由第二材料包围，从而第一和/或第二材料的折射指数取决于施加在或覆盖在第一或第二材料上的电压。通过改变折射指数，透镜的焦点能够改变。这对于先前描述的实施例是一个不那么优选的实施例，因为在焦点上可能有一个相对小的变化，减少了扫过范围。

在按照本发明的第二种优选类型的设备实施例，分裂屏幕包括多个可变棱镜，和与可变棱镜相关的用于施加电压差的电极，该电压差用于改变入射到可变棱镜的准直光的出射角。

在本发明的概念内的“可变棱镜”表示这样的棱镜，其中在面对像素阵列的一侧上进入棱镜的光线的偏转角度动态可变。因为有可能角度某种程度上有更大的扫过范围(相对于可湿透镜)，并且因为离轴进入的限制被消除，这允许设计和精度上更大的自由度，所以该实施例是优选的。而且，光的准直上的限制对可变棱镜比对可变透镜更小(即，可以允许在进入角方面某种程度上更大的变化)。

在本发明的实施例中可变棱镜通过可变的润湿棱镜形成。

在可变润湿棱镜中，电压差的施加造成棱镜角度的改变，改变出射角。

在本发明的实施例中，可变棱镜由第一材料的固体棱镜形成，它嵌入第二材料或由第二材料包围，从而第一和/或第二材料的折射系数取决于施加在或覆盖在第一或第二材料上的电压。通过改变折射系数，出射角能够被改变。

参照一下描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并将被阐明。

附图说明

在图中：

图1说明了分裂两个立体图像的双凸透镜屏幕的基本原理。

图2说明了分裂两个立体图像的视差栅栏的基本原理。

图3A和3B说明了与US6,275,254中示出的相同的原理。

图4说明了基本视差栅栏显示器遇到的问题。

图5和6说明了已知的多视图设备。

图7A和7B说明了动态透镜和棱镜。

图8说明了一个按照本发明的具有动态透镜的设备。

图9说明了一个按照本发明的具有动态棱镜的设备。

图10说明了一个按照本发明的具有动态棱镜和动态栅栏层的另一个设备。

这些图没有按照比例画。通常，相同的部分在图中用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1说明了分裂两个立体图像5和6的双凸透镜屏幕3的基本原理。两个立体图像的垂线(空间)交替显示在例如一个带有背光1的空间光调制器2(例如LCD)上。背光和空间光调制器一起形成像素阵列。双凸透镜屏幕3的透镜结构将立体图像引入到观众适当的眼睛中。

图2说明了分裂两个立体图像上视差栅栏的基本原理。两个立体图像的垂线交替显示在例如带有背光的空间光调制器(例如LCD)上。视差栅栏7的光栅结构确保观众4的每只眼镜看到适当的立体图像(5，6)。

图3A和3B说明了与US6,275,254所示的相同的原理。

在传统的栅栏自动立体显示系统中，一栅栏31放置在显示阵列32前面。一对立体图像的左和右图像分裂为垂直条。左图像的条32L和右图像的条32R交替放置在阵列32上。缝隙31A形成在栅栏31中。缝隙31A进行定位从而观察者的左眼4L能够只看到左图像的条32L，并且右眼4R只看到图像对的右图像的条32R。观看者在三维上重建整个图像。

关于图3B，栅栏31被具有垂直圆柱透镜33A阵列的双凸透镜屏幕33所代替，其中每个垂直圆柱透镜对应于左右图象条32L和32R的不同对。操作中，每个透镜将观察者的左眼4L引入到左图像条32L并且观察者的右眼4R引入到右图像条32R。

图4说明了基础立体设备的问题。不坐在正确的观看区域的观众会看不清楚。观看区域很窄。在观看区域之外，观察者看到多个图像或一个立体逆转，造成很令人不快的视图。实际上，这表示对于很多应用来说，例如在起居室中，观看区域太小以至于观众必须只能坐在一个能够看到任何事物的一个特定点。对于起居室使用来说，这离最佳的情况很远，因为只有一个观众能够看到3D图像并且只有在坐在一个点上能够看到该图像。

有可能，如US6,275,254的图6所示，对于双凸透镜屏幕的每个透镜使用显示单元的多于一个的垂直列。以这种方式，一种多视图显示器是有可能的。这在图5中示意性表示。几个像素(32C，32D，33E，32F)和每个透镜33A相关联。

对于视差栅栏，一个多视图显示器能够通过使得通过如图6所描绘的栅栏的相同缝隙观看空间光调制器的多个(列)像素制成。尽管这将起作用，但注意到关于很多像素的缝隙数量对于图4大大降低，或者反之亦然，每个缝隙的像素数量大大增加。区域61内的像素与缝隙62相关联，所以每个缝隙的像素数很大。

但是，在两种解决方案中，定向视图的数量以分辨率为代价增加，因为很多列像素与每个透镜或每个栅栏缝隙相关。这些透镜和缝隙是为了得到与图4所示的设备中的对观众相对小的分辨率可比的分辨率，因此这表示例如对于显示器的亚-毫米分辨率，像素必须小于10微米(假定100个定向视图)。除了呈现给双凸透镜透镜和视差栅栏等的分辨率下降，通过一个视差栅栏的光透射也大大降低，因为大约100个栅栏垂线中只有一个是透明的。光的(超过)99％的这种阻挡造成一个非常没有效率的显示器。

为了提高分辨率，US6,275,254中公开的设备使用一个特定平面CRT设备，其中，使用特定磁场，电子束通过像素扫掠。因为CRT中的点的尺寸能够相对小，同时还给出了一个相对大的光输出，分辨率能够保持在具有一个合理光输出的合理数值。从而基础问题(即非常小的像素大小的需求和带有光输出的问题)在US6,275,254中没有解决，只是一个做得非常小的装置，选择一个非常亮的点。但是，如上所述，这需要一个非常专用，还没有成功的类型的平面CRT(即使没有US6,275,254中所公开的那种类型的特定的磁场)。

一个部分解决方案能够使用一个动态视差栅栏，即一个在缝隙中的开口移动的栅栏。这样的自动立体设备例如在欧洲专利申请号EP0833183A1的图36中公开。在一个动态栅栏层中(它能够由一个LCD光阀阵列构成)，传输线路象在图6中不固定，但沿着视差栅栏扫描(例如从左到右或者反之亦然)。对于动态视差栅栏的传输线的每个位置，一个不同的图像显示在动态视差栅栏后面的空间光调制器上。这允许分辨率的增加，因为与图6所示的设备相反，像素不与单个缝隙相关联。但是，缺点是空间光调制器的帧速率随着与分辨率增益相同的因子(例如一个因子100)的增加而增加。该高帧速率限制了产生图像的可能候选对象，并造成了对其他方面的问题。除了必须使用高帧速率的必要性之外，也需要极大的光输出，因为EP0833183的动态视差栅栏象静态视差栅栏一样没有效率。

从而问题保留了下来，那就是良好的3D显示应当是在不需要眼镜的情况下还具有良好的光输出的自动立体显示。

而且，它最好具有一个“环顾”能力以避免眼镜的调焦和头疼的问题。优选的该能力应当是显示器固有的，不需要用于跟踪观众的头的装置。对于电视应用来说，显示器必须具有一个多视图能力。最后，3D显示器也应当是2D兼容的。具有多视图能力的自动立体显示器能够原则上借助于一个双凸透镜屏幕和一个视差栅栏制成，但以大大降低分辨率为代价。

为此，按照本发明的设备特征在于显示设备包括一个用于提供由显示阵列的像素向分裂屏幕发出准直光的装置，并在于分裂屏幕是一个动态分裂屏幕，以及在于设备包括用于控制动态分裂屏幕的装置，用于控制由显示阵列的像素所发出的光透过分裂屏幕发送的射出角。

本发明的提供了解决该问题的替换途径。分裂屏幕是动态的并用作一个偏转光的可变偏转器，并从而改变由像素发出的光的出射角。从而，像素的光通过几个观看区域扫掠，并且分辨率能够保持。

图7A和7B描述了可变光学元件，比如透镜和棱镜。基本思想是可变透镜、镜面和棱镜能够由两种物质的界面形成，比如具有不同折射系数的不能混合的液体的物质。该界面的形状通过电加湿处理，即通过借助于静电电势，改变界面与单元的边界的接触角。一个电加湿透镜和电加湿偏转器的布局在图7A和7B中示出，其中在图7A中示出了一个可变电加湿透镜71。聚焦强度取决于油和水(73，74)之间的弯月面的曲率，这通过水和一侧的(绝缘)电子之间的电势差改变。偏离轴进入的准直光束(即，具有相当小的角度变化)被偏转，这取决于曲率，示出了两种情况，一种(全部线路)光束偏转向右边(观看区域A)，一种光束偏转向左边(观看区域B)。从而来自一个像素的一个准直光束能够在一个角度范围上偏转(由箭头A和B之间的曲线表示)。在图7B中，示意性示出了一个可变电加湿棱镜。偏转角能够通过改变在单元的两侧通过电势V1和V2的弯月面的取向而改变。示出了两种情况，一种(全部线路)光束偏转到右边(观看区域A)，并且一种光束偏转到左边(观看区域B)。从而，来自一个像素的准直光能够在一个角度范围上偏转(用箭头A和B之间的曲线表示)。

从而一个高分辨率多视图自动立体显示器能够用一个动态双凸透镜屏幕获得，其中双凸透镜屏幕的(静态)圆柱透镜由具有可变强度的可变、优选的电加湿圆柱透镜代替。偏转角可以通过改变透镜的强度而改变。这是示意性的，并且借助于图8所示的例子。示例设备包括一个准直背光1，一个空间光调制器2，一个动态双凸透镜屏幕3dyn，它包括动态透镜71。改变电压变化，如图7A示意性示出的，光束的出射角α，从而光在一个宽角度范围扫描。这种方法的一个缺点是增加了光调制器的帧速率：对于每个动态寻址的观看角，一个不同的2D图像必须显示在调制器上。一个最佳条件可以通过将空间分辨率替换为时间分辨率而找出：例如每个可变透镜10个调制器像素，每个帧时间每个寻址10个分离观看角，从而每个显示像素获得100个观看角。

另一个选择是，如已经示意性在图7B中表示的，使用可变、优选的电加湿偏振器(平面界面)，代替可变透镜(弯曲的弯月面)。最大到100°的偏转角通过折射是有可能的，并且最大到125°的偏转角通过反射是有可能的。具有动态偏转器的一个设备在图9中画出。在这种情况下，(通过准直背光1和空间光调制器2形成的)光束通过改变在动态棱镜阵列91中形成的棱镜72的方向扫描过出射角α，这通过改变液体界面的取向实现。关于调制器帧速率和分辨率保持相同的考虑：几个像素可以分组为一组，其中每组扫描观看方向的一个段。以这种方式，分辨率能够被帧速率和偏转角的降低替换。

动态棱镜解决方案优于动态透镜解决方案，因为光束的精确位置在动态透镜中更受限制，其中光束必须限制到比动态透镜中偏离轴的部分，而在动态棱镜中光束能够使用全部棱镜和至少大部分棱镜。

视差栅栏的使用使得良好的空间分辨率与良好的角度分辨率组合，但是，如以上解释的是以高的调制器帧速率和低效率为代价的。低效率能够通过使用准直背光和动态光束偏转器91和动态视差栅栏101的组合而大大改善，这如在图10中概略描绘的。在该显示器中，来自调制器的所有光瞄准在透射状态的一个线路上。因此，在栅栏上丢失了很少的光。例如，当背光和偏转器系统的质量是这样的，从而它产生具有一个5°的发散度的光束，并且视差栅栏选择一个在1°内的观看方向，大约20％而不是小于1％的光透射，增加光输出20倍。栅栏是动态的，即，只有栅栏有用的那部分打开(这能够例如用LCD完成)。当然，在该实施例中有可能在空间分辨率(栅栏线的宽度)、角度分辨率(每个栅栏线的调制器数)，调制器帧速率和光效率之间的几种折衷。图10所示的设备使用一个动态视差栅栏，栅栏本身是已知的。但是，使用动态光束偏转器91和动态视差栅栏的组合提供大大增加光输出的可能(几倍于幅度状态的状态，甚至更多)并且提供了前面不能实现的新的可能。动态光束偏转器91和动态视差栅栏101可以由玻璃板分离，并最好在玻璃板的相反一侧附属于所述的玻璃板。使用一个玻璃板具有提供一个坚强的结构的优点，并且它允许动态光束偏转器和动态视差栅栏之间距离的降低，减小了设备的深度。

总之，本发明能够(参照图8)如下描述：

一个自动立体显示设备包括一个用于提供准直光(1，2)的装置和一个动态光束偏转器(3dyn)。借助于动态光束偏转器，光束进行扫描。由通过分裂屏幕透射的由显示阵列的像素发出的光的出射角由动态光束偏转器(3dyn)控制。

将很明显，在本发明的概念内，有可能有很多改变。例如，透镜或棱镜可以变化地聚焦或通过机械装置定向。例如，弹性的聚合物或弹性透镜可以压缩或释放，从而改变它们的形状并从而改变偏移轴输入光的出射角。或者柔性壳中的液体透镜或棱镜可以类似于人眼而机械压缩或释放。

Claims (7)

1.自动立体显示设备，包括：

显示阵列，所述显示阵列包括多个可寻址像素，

用于寻址显示阵列中的像素的装置，和

在显示阵列前面的分裂屏幕，

其特征在于，该显示设备包括用于向着分裂屏幕提供由显示阵列的像素发出的准直光(1，2)的装置，并且分裂屏幕是动态分裂屏幕(3dyn)，并且

其特征还在于，该设备包括控制动态分裂屏幕的装置，用于控制由显示阵列的像素发出的透过分裂屏幕(3dyn)的光的出射角(α)，使得每个像素的光于左和右之间在每帧时间内扫掠通过数个观看角，对于每个观看角显示不同的图像，

其中，分裂屏幕是具有多个可变圆柱透镜的双凸透镜屏幕，可变圆柱透镜相对于显示阵列的像素安排成像素的准直光偏离轴进入透镜，并且透镜的焦点可控。

2.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，可变圆柱透镜是可变电加湿透镜(71)，具有液体透镜阵列和电极，和提供电极之间的电压差的装置，从而可变电加湿透镜的形状是电极上的电压差的函数。

3.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，可变圆柱透镜是第一材料的固体透镜，它嵌入第二材料或由第二材料包围，由此第一和/或第二材料的折射系数取决于施加在第一或第二材料上的电压。

4.自动立体显示设备，包括：

显示阵列，所述显示阵列包括多个可寻址像素，

用于寻址显示阵列中的像素的装置，和

在显示阵列前面的分裂屏幕，

其特征在于，该显示设备包括用于向着分裂屏幕提供由显示阵列的像素发出的准直光(1，2)的装置，并且分裂屏幕是动态分裂屏幕(3dyn)，并且

其特征还在于，该设备包括控制动态分裂屏幕的装置，用于控制由显示阵列的像素发出的透过分裂屏幕(3dyn)的光的出射角(α)，使得每个像素的光于左和右之间在每帧时间内扫掠通过数个观看角，对于每个观看角显示不同的图像，

其中，分裂屏幕包括多个可变棱镜(72)，并且与可变棱镜相关联，用于施加电压差的电极，用来改变入射到可变棱镜上的准直光的出射角。

5.如权利要求4所述的自动立体显示设备，其特征在于，可变棱镜由可变电加湿棱镜(72)形成。

6.如权利要求4所述的自动立体显示设备，其特征在于，可变棱镜由第一材料的固体棱镜形成，它嵌入第二材料或由第二材料包围，从而第一和/或第二材料的折射系数取决于施加在第一或第二材料上的电压。

7.如权利要求4所述的自动立体显示设备，其特征在于，显示设备包括在动态分裂屏幕(91)前面的动态视差栅栏(101)。

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