CN100568052C - 多视图定向显示器 - Google Patents

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Abstract

一种多视图定向显示器包括，具有一组图像元件构成的图像显示装置，以及具有一排彩色滤光片的视差光学部件。部分或者所有的滤光片可传递多于一种基色的光线。

Description

多视图定向显示器
本发明涉及一种多视图定向显示器，可显示两幅或两幅以上的图像，其中每幅图像从不同的方向可见。因而从不同方向观看显示器的两个观察者能够看到彼此不同的图像。该显示器可用作，例如自动立体显示装置或者双视图显示装置。
长久以来，传统的显示装置都设计成被多个用户同时观看。显示装置的显示特性造成观看者从显示器的不同角度都能看到同样好的画面质量。这在某些多个用户需要从显示器获得同样信息的应用当中比较有效，例如在机场或火车站显示出发信息。然而，在一些应用中，可能需要多个用户能够在同一显示器上看到不同的信息。例如，在机动车中，司机希望观看卫星导航数据，而乘客希望观看电影。这种矛盾的需求可以通过提供两个单独的显示装置来满足，但是会占用更多的空间并增加成本。更进一步，上述实例中如果使用两个单独的显示器，那么如果司机移动头部，就有可能司机也去看乘客的显示器，从而会分散司机的注意力。又例如，在两个或多个游戏者参与的电脑游戏中，每个游戏者都希望从其自己的角度来观看游戏。现有技术是通过每个游戏者在一个单独的显示器屏幕上观看游戏，使得每个游戏者能够在单独的屏幕上看到属于他们自己的游戏画面。但是，为每个游戏者提供一个单独的显示器屏幕要占用大量的空间，并且对于便携式游戏来说也是不实用的。
为了解决上述问题，发明了多视图定向显示器。多视图定向显示器的一种应用是“双视图显示器”，可同时显示两幅或更多不同的图像，其中每幅画面仅能从特定的方向可见，所以从一个方向观看显示装置的观察者将看到一幅图像，而从另一个不同的方向观看显示装置的观察者将看到一幅不同的图像。一个能显示不同图像给两个或者更多用户的显示器，相对于使用两个或更多的单独的显示器来说，节省了可观的空间和成本。
上面给出了多视图定向显示装置的可能的应用实例，但还有很多其它的应用。例如，其可用于飞机上，在飞行中提供给每个乘客他们自己单独的娱乐节目。现有技术中给每个乘客提供一个单独的显示装置，通常是位于前排座位的后背上。使用一个多视图定向显示器可以节省可观的成本、空间和重量，因为可以使一个显示器用于两个或多个乘客，同时能允许每个乘客选择他们自己的电影。
多视图定向显示器的另一优点是具有阻止用户看到其它用户的视图的功能。这在一些要求安全性的应用中是有必要的，比如银行或销售交易的自动取款机(ATM)中，前面所述的电脑游戏的例子也是。
多视图定向显示器的另一种应用是用于产生三维显示。通常来说，人的两只眼睛从不同的角度认知世界上的图像，因为它们位于头部的不同位置。然后大脑使用这两个角度来估计场景中的不同对象的距离。为了建立可有效地显示三维图像的显示器，需要重建这些场景并且提供一种所谓的图像的“立体像对”，其中一个图像对应观察者的一只眼睛。
三维显示器根据其所用于给眼睛提供不同视图的方法分成两种类型。一个立体显示器通常在一个宽广的可视范围内显示立体图像对的两个图像。每个图像都被编码，例如通过显示的颜色，偏振状态，或者时间。用户需要佩戴一个带滤色系统的眼镜，从而分离视图并使每只眼睛只看到为其所准备的图像。
一个自动立体显示器从不同方向显示右眼视图和左眼视图，因此每个视图仅在所定义的相应的空间区域可见。整个显示器的有效范围中能看到图像的空间区域被称为“视窗”。如果使观察者位于一个适当的位置——使他们的左眼位于立体对的左眼视图的视窗中，他们的右眼位于立体对的右眼视图的视窗中，那么视图将被观察者的每只眼睛看到，并且获得了三维图像。自动立体显示器不需要观察者佩戴观看工具。
自动立体显示器在原理上类似于双视图显示器。但是，在自动立体显示器上显示的两个图像是立体图像对的左眼视图和右眼视图，因此它们彼此是独立的。并且，两幅图像被显示使得它们对于一个单独的观察者来说是可见的，其中每幅图像对于观察者的每只眼睛是可见的。
对于纯平的自动立体显示器，视窗的形成典型的是由立体显示器的图像显示单元中图像元件(或“像素”)结构，和一个通常被称为视差光学部件的光学元件结合而成。视差光学部件的一个例子是视差栅栏，它是一个具有可透射区域的屏幕，通常是由不透明区域所分离的狭缝的形式。这个屏幕可以置于一个具有二维图像元件阵列的空间光调制器(SLM)之前或之后，用于生成自动立体显示。
图1所示是一个传统多视图定向装置即一个自动立体显示器的平面图。定向显示器1包括一个形成图像显示装置的空间光调制器(SLM)4，以及一个视差栅栏5。图1所示的SLM是液晶显示(LCD)装置形式的，具有一个活性矩阵薄膜晶体管(TFT)基片6，一个反基片7，以及一个位于基片和反基片之间的液晶层8。SLM具有寻址电极(未示出)用于定义一系列独立寻址的图像元件，并且具有对准层(未示出)用于对准液晶层。观看角度增加薄膜9和线性起偏振器10位于每个基片6，7的外表面。光线11由背景光提供(未示出)。
视差栅栏5由一个在其接近SLM4的表面具有视差栅栏开口阵列13的基片12构成。开口阵列包括透明开口15，该透明开口是由不透明部分14所分离的并且是垂直延伸的(即延伸进入图1的纸张平面)。一个抗反射(AR)涂层16在视差栅栏基片12的相反面(即形成显示器1的输出表面)上形成。
SLM4的像素按行和列来排列，其中的列延伸到图1的纸张的平面。像素间距(一个像素的中间与相邻像素的中间之间的距离)在行或水平方向是p。开口阵列13的垂直延伸的透射狭缝15的宽度是2w，以及透射狭缝15的水平间距是b。栅栏开口阵列13的平面距液晶显示层8平面的距离是s。
实际操作中，显示装置1形成一幅左眼图像和一幅右眼图像，观察者将他们头部置于合适的位置，使得其左眼和右眼视图与左眼视窗2和右眼视窗3相应的重合，即可看到一幅三维图像。左眼和右眼视窗2，3形成于位于窗口平面17，该窗口平面位于距显示器的距离是所需的观看距离。窗口平面与开口阵列13平面的距离为r0。窗口2，3在窗口平面上相邻，并且具有间距e，e对应于人两只眼睛的平均距离。到每个窗口10，11中心的半角，从垂直轴到显示器法线是αs。
视差栅栏5中狭缝15的间距选择为SLM4的像素间距的整数倍，因此像素列组与视差栅栏的一个特定的狭缝相关。图1所示是一个显示装置，其中SLM4的两个像素列与视差栅栏的每个透射狭缝15相关。
图2所示是由SLM4和视差栅栏5产生的光线的角度区域，其中视差栅栏的间距精确为像素列间距的整数倍。这种情况下，来自显示板表面的不同方位的角度区域是混杂的，可纯粹的观看图像1或者图像2(其中“图像1”和“图像2”表示由SLM4所显示的两幅图像)的区域不存在。为了达到上述目的，视差栅栏的间距最好是稍微减小，使得它稍微小于像素列间距的整数倍。因此，角度区域集中在显示器前面的一个预先定义的平面(“窗口平面”)。上述效果如附图3所示，其中还示出了SLM4和修正后视差栅栏5’建立的图像区域。按照上述方法创建的观看区域，在平面图上基本是风筝形状的。
图4所示是另一种传统多视图定向显示装置1’的平面图。其基本对应于图1所示的显示装置1，只是其中的视差栅栏5置于SLM4之后，所以它在背景光和SLM4之间。该装置的优点是视差栅栏对于观察者来说比较不可见，并且显示器的像素与装置的前面更加接近。更进一步，尽管图1和4都示出了一个由背景光照明的透射显示装置，但是使用周围光线(在明亮条件下)的反射装置也是公知的。在透射和反射装置的情况下，图4所示的后面的视差栅栏将不会吸收周围光线，因为它被关上来提供一个2-D显示模式。如果显示器有使用反射光线的2-D模式，这是一个优点。
在图1和4所示的显示装置中，视差栅栏被用作视差光学部件。其它种类的视差光学部件也是公知的。例如双凸透镜阵列可用于将交织的图像导向不同的方向，使得形成一个立体图像对或者形成两个或两个以上的图像，每个位于不同的方向。
分离图像的全息方法是公知的，但是实际上上述方法受制于观看角度问题，幻视区域问题，以及缺乏对图像的简单控制。
另一种视差光学部件是一种微起偏振器显示器，使用一种偏振方向光源以及模式化的高精度微起偏振器元件与SLM的像素对准，上述显示器具有高的窗口图像质量以及一个集成装置的潜力，以及在2D显示模式和3D显示模式之间切换的能力。在使用微起偏振器显示器作为视差光学部件时的首要问题是，需要避免当把微起偏振器元件装入SLM的视差问题。
当需要彩色显示时，通常给SLM4的每个像素一个与三基色之一相关联的滤光片。通过控制三个一组的像素组，其中每个像素都有一个不同颜色的滤光片，即可产生所有可见的颜色。在自动立体显示器中，每个立体图像的通道必须包含足够的彩色滤光片而便于平衡的彩色输出。为了便于制造，很多SLM的彩色滤光片都是按垂直的列安装，所以在给定列中的像素具有同样的彩色滤光片与其相关联。如果视差光学部件安装在SLM上，其中的三列像素与视差光学部件的每个狭缝或者透镜相关联，那么每个观看区域将仅能看到一种颜色的像素。必须对彩色滤光片的布局特别谨慎来避免出现这种情况。适当的彩色滤光片布局在EP0752610A中有详细的描述。
视差光学部件在附图1和4中所示的定向显示装置中的功能，是限制光线通过SLM4的像素达到某些输出角度。上述限制定义了在视差光学部件的给定元件(例如透射狭缝)之后每个象素列的观看角度。每个像素的视图的角度范围由像素间距p，像素平面和视差光学部件平面的间隔s，以及像素平面和视差光学部件平面之间的材料(在图中是基片7)的折射率n决定。H Yamamoto et al.，在IEICE Trans Electron.，卷.E83-C，No.10，第1632页(2000)，“使用视差栅栏的立体彩色LED显示器的最佳参数和观看区域”中，说明了自动立体显示器的图像之间的分离角度要根据显示器像素和视差栅栏之间的距离来确定。
图1和4所示的半角α是如下计算的：
sin α＝nsin(arctan(p/2s))                                (1)
许多已有多视图定向显示器所存在的一个问题就是两幅画面的角度分离太小。原理上，视窗之间的角度2α将随像素间距p的增加，随视差光学部件和像素的距离s的减小，或者随基片的折射率n的增加而增加。
待决的UK专利申请号为0315170.1的申请描述了通过增加像素的有效间距来增加多视图定向显示器的视窗之间的角度分离。这可通过将像素分组，使得两个或更多相邻像素表示同样的图像。如果彩色子像素交替显示图像1和图像2，这被称为NP1，如果彩色子像素对交替显示图像1和图像2，这被称为NP2。如果三个彩色子象素组交替显示图像1和图像2，这被称为NP3。上述方法有一个缺点就是，因为有效像素间距变大，使得视差栅栏的间距增加，因而增加了视差栅栏对于观察者的可见性。
图5所示是安装在机动车中的双视图显示器。这个双视图显示器18是被安装在机动车的仪表板19上的。显示在双视图显示器上的一幅图像是地图，如果机动车配备了GPS定位系统的话，还可显示机动车的位置。这幅视图对于机动车的司机来说是可见的。双视图显示器19显示的另一副画面是娱乐节目，例如电影，并且对于例如机动车前面座位上的乘客来说是可见的。这种用于机动车中，特别是用于机动轿车中，是双视窗显示器的日益重要的应用。
图6所示是具有传统的由不透明部分14和透明部分15组成的视差栅栏13的双视图显示器所存在的问题。如图6a所示，当观看者位于观看画面1的正确的位置20来，他仅能通过狭缝15看见像素21。但是如果观看者移动至另一不同位置22，他能看见显示不同画面的相邻两个像素21，23。因此他能马上从上述位置看到两幅画面。图6b所示是观看者能看到图像1和图像2的相应的角度区域24，25。在中间区域26他就能看到两幅画面。这被称为“串扰”。
解决上述问题的一种方法就是减小透明部分15的宽度，如图6c所示。现在观看者在一些位置20，22，能看到显示图像1的像素21，而不能看到与其相邻的像素23。如图6d所示，观看者在其中能看到两幅画面的区域26减少了，而仅能看到图像1或者图像2的区域24，25增加了。不幸的是，减小了透明狭缝15的宽度导致了观看着看到的图像的亮度的减小。为了提供给观看者头部足够的自由移动的空间，透明狭缝15的宽度必须是像素宽度的一半，那么面板的亮度将是非多视图面板亮度的四分之一。
G Hamagishi et al在1998年的的SID 98 Digest，第915页的“特邀论文：具有2-D/3-D兼容性的显示系统”，其中描述了在自动立体显示器中使用两个视差栅栏。根据栅栏的狭缝宽度，两个栅栏既可阻止观看者看到两个视图中的串扰区域(一只眼睛看到一幅视图)，也可消除当观看着在面板前移动时产生的亮度变化。
JP-A-8146346公开了像素被分成三个一组的LCD。像素组交替显示左边和右边的图像片断(NP3交织)。使用一个彩色滤光片视差栅栏来允许来自像素组的光线发射向不同的方向。彩色滤光片栅栏以及LCD彩色滤光片使用同样的三基色。
JP-A-8146347描述了一种类似于JP-A-8146346的设计。彩色滤光片栅栏的每个狭缝只允许光线通过一个LCD彩色滤光片。
JP-A-8163605公开了另一种用于把像素分成三个一组的LCD的彩色滤光片栅栏设计。每个彩色滤光片狭缝与其相应的像素的颜色相同。
美国专利号为5751479公开了一种左边和右边的图像是逐个像素交织(NP1交织)的LCD的彩色滤光片栅栏设计。彩色滤光片栅栏用于将左边和右边的图像发送到合适的方向。位于彩色滤光片栅栏上的每部分颜色是像素宽度的两倍。
US-A-2003/0067539涉及一种关于两个以上视图(多视图)的彩色滤光片栅栏。
美国专利号6392690公开了一种具有彩色狭缝的NP1视差栅栏。这意味着彩色滤光片和栅栏可以位于同一个平面上。只要求一层彩色滤光片(即在两个滤色层之间没有视差效果)。
根据本发明的一方面，提供一种多视图定向显示器，包括：一个由一系列图像元件构成的图像显示装置，以及由一排彩色滤光片构成的视差光学部件。
根据本发明的显示器能够在比以前更宽的范围的角度内观看。因此可增加用户的头部自由度并且不会造成显示器亮度的降低。另外，可降低与显示器90°的区域，即串扰产生的范围。这也可防止双显示装置的观看者同时看到两幅图画。
每个彩色滤光片最好和各自的一组图像元件对准，彩色滤光片可位于视差光学元件的开口处。
在一种优选实施方式中，每个图像元件用于发射出一种基色的光线，并且至少一个彩色滤光片用于传递多于一种基色的光线。使用可传递合成色的彩色滤光片允许在视差光学部件的设计上有更大的自由度。因此也可使光学部件安装在离图像显示装置更近的地方。这亦可便于提供一种“黑色”中心视窗来减小串扰的发生。
另外，视差光学部件可包括至少一个充分透明区域用于传递所有的三基色的光线。可选择的，所有的彩色滤光片可以是合成色，只用于传递两种基色。
图像元件可以交替显示两幅图像的部分(称为NP1交织)。可选择的，像素被分成两个或三个一组用于显示每幅图像(NP2和NP3交织)。很明显的是更多数目的像素可被分组来显示每幅图像，尽管彩色滤光片的设计将变得更加复杂。
彩色滤光片优选是安排成一种周期重复的模式。图像元件也可安排成一种周期重复发射彩色光线的模式，并且彩色滤光片的模式和图像元件的模式可以不同。在模式的单个周期中彩色滤光片的的数目优选是大于三个。
在一种优选实施方式中，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；以及一个第四滤光片用于只传递第三基色的光线。
可替换的，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第三滤光片用于传递第一基色和第三基色的光线；一个第四滤光片用于传递第二基色的光线；以及一个第五滤光片用于只传递第三基色的光线。
还有一种可替换的，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第三滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第四滤光片用于传递第二基色的光线；以及一个第五滤光片用于传递第一基色的光线。
在上述实施方式中，第三基色最好是绿色。这可允许绿色(第三)彩色滤光片位于模式的中间。它的优点是如果绿色彩色滤光片漏掉了一些红色和蓝色，效果也不明显。这可解决由于彩色滤光片的渗漏所造成的串扰。
在一个图像元件模式的周期中的图像元件数目将大于三。例如，图像元件模式将包括元件用于按照第一，第二，第三，第三，第二，第一的顺序发射基色光线。
在另一种实施方式中，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第二滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第三滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线。这种情况下，一个图像元件模式的周期可包括如下元件，用于按照第一，第三，第二，第二，第三，第一的顺序发射基色光线。
在另一种实施方式中，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第四滤光片用于传递第三和第一基色的光线；以及一个第五滤光片用于只传递第一基色的光线。
每个彩色滤光片的宽度优选和图像元件的间距基本相同。彩色滤光片模式的一个周期还包括一个不透明膜。但是，不透明膜也不总是必要的。
在一些实施方式中，彩色滤光片的宽度是变化的，允许对来自图像元件所发出的光线的走向有更好的控制。
更进一步的实施方式包括一安装方式，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第一不透明膜；一个第四滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第五滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第六滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第二不透明膜；一个第七滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第八滤光片用于传递第三和第一基色的光线；一个第九滤光片用于只传递第一基色的光线；以及一个第三不透明膜。
在这种方式下，第二，第五和第八滤光片可能会比第一，第三，第四，第六，第七和第九个滤光片宽。
在另一种实施方式中，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第四滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第五滤光片用于只传递第三基色的光线；以及一个第六滤光片用于传递第三和第一基色的光线。第一，第三和第五滤光片最好比第二，第四和第六个滤光片宽。
在一种可替代的实施方式中，彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个透明部分用于传递所有三种基色的光线；一个第三滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第四滤光片用于只传递第三基色的光线。透明部分优选比彩色滤光片要窄。
彩色滤光片是可转换的，使得图像窗口的位置能够响应于观看者的移动而调节，或者可以使显示器在双视窗显示和单视窗显示之间切换。
显示器优选是双视窗显示器。
彩色滤光片优选配置为使得位于显示器90°的区域对于观看者来说是黑暗的。
根据本发明第二方面提供一种视差光学部件，包括彩色滤光片阵列，至少一个传递多于一种的基色。彩色滤光片阵列优选配置为使得位于显示器90°的区域对于观看者来说是黑暗的。
在另一种实施方式中，背景光可发射具有不同颜色的光线，不需要多余的彩色滤光片。因此根据本发明第三方面提供一种多视窗定向显示器，包括一个具有由光源阵列照亮的一系列图像元件的图像显示装置，至少一个发射合成色的光线。光源阵列优选配置为使得位于显示器90°的区域对于观看者来说是黑暗的。
已有的多视图显示器受制于在观看显示器上多个画面之一时观看者有限的头部活动空间。另一个问题就是在显示器的两幅视图之间区域的串扰。本发明的实施方式使得在没有造成显示器的亮度降低的同时，增加了可利用的头部活动空间。一些实施方式也在减小或消除串扰时提供了中心黑色视窗。
一些本发明的优选实施方式将由下列实例参考下列附图来说明，其中：
图1所示是一个传统自动立体显示装置的示意平面图；
图2所示是一个由传统多视图显示装置提供的视窗的示意图；
图3所示是一个由另一种传统多视图定向显示装置提供的视窗的示意平面图；
图4所示是另一种传统自动立体显示装置的示意平面图；
图5所示是一个安装在机动车中的传统双视面装置；
图6a到图6d所示是一种已知的减小双视面显示器的图像之间的串扰的方法；
图7a到图7c所示是一种根据本发明增加每幅图像的角度并且减小串扰的方法；
图8所示是彩色滤光片视差栅栏的设计参数；
图9所示是一种具有大的栅栏和像素间距的自动立体显示器以及一个不具有彩色滤光片的NP3交织的图解；
图10所示是一种具有小的栅栏和像素间距的自动立体显示装置以及NP1交织的图解；
图11所示是一种具有大的栅栏和像素间距的自动立体显示装置以及NP1交织的图解；
图12所示是一种具有大的栅栏和像素间距的自动立体显示装置以及NP3交织的图解；
图13所示是一种具有大的栅栏和像素间距的自动立体显示装置以及NP1交织的图解，其中在栅栏上没有不透明部分；
图14所示是一种具有大的栅栏和像素间距的双视图显示器以及NP1交织的图解；
图15所示是一种具有大的栅栏和像素间距的双视图显示器以及NP3交织的图解；
图16所示是一种具有大的栅栏和像素间距的双视图显示装置以及NP1交织的图解，其中在栅栏上没有不透明部分；
图17a和图17b所示是本发明一种实施方式的操作原理。
图18所示是一种具有传递合成色的彩色滤光片的双视图显示器；
图19a和19b所示是具有多于三个彩色滤光片的重复模式的两个显示器；
图20a和20b所示是具有变化宽度的彩色滤光片的两个显示器；
图21a和21b所示是具有彩色滤光片和在视差栅栏上具有透明部分的显示器；
图22a和22b所示是变化了像素顺序的显示器；
图23a和23b所示是本发明的一种实施方式是如何降低栅栏和显示器的间距。
附图中所使用的相同的附图标记表示的都是相同的部件。
图7a所示是根据本发明一种实施方式的具有LCD像素阵列8和一个视差栅栏13的双视图显示器1的前视图。像素是利用NP3交织系统来安排，因此前三个像素27，28，29发射对应于图像2的红，绿，蓝光；接着的三个像素30，31，32发射对应于图像1的红，绿，蓝光；接着的三个像素33，34，35发射对应于图像2的红，绿，蓝光。
视差栅栏13包括不透明区域14和狭缝15，与图6中的栅栏的方式类似。在每个狭缝15处都安装了一系列彩色滤光片36，37，38，39。彩色滤光片与像素的间隔是几乎相同的，在如图所示的实施方式中在每个狭缝中都有四个彩色滤光片，分别是红，黄，青和蓝色。红色滤光片只传递红光。黄色滤光片传递红光和绿光，青色滤光片传递绿光和蓝光，蓝色滤光片只传递蓝光。在这个以及接下来的图中，彩色滤光片按照颜色标注：“R”是红色，“B”是蓝色，“G”是绿色，“Y”是黄色，“C”是青色，以及“M”是紫色。
狭缝中的滤光片36，37，38，39的间距与像素的间距几乎相同。红色滤光片36与传递图像1的三个像素中心的绿色像素31对准。黄色滤光片37与图像1的组的边缘的蓝色滤光片32对准。青色滤光片38与相邻的图像2的组的起始位置的红色像素33对准，以及蓝色滤光片39与图像2的组的中心的绿色像素对准。
从图7a中可看出观看者仅能看到图像1的角度范围20，22相对于图6a中的排列明显增加了。另外，狭缝宽度相对于图6c中的狭缝宽度也明显增加，结果是使得亮度明显增加。因此观看者获得了更大的头部活动自由度而使图像的亮度损失更小。
图7a所示排列的另一个优点相对于图7b更加明显。当显示器在90°被观看，滤光片36，37，38，39与像素31，32，33，34对准，这样的话来自像素的光线都不会通过滤光片，因此，当观看者从90°观看显示器，它将不会看到显示器发射出光线。这将充分减小或者甚至消除由于使用传统不透明/透明视差栅栏产生的图像混合(串扰)。
这种方式如图7c所示。在图的右手边的区域24中，观看者只能看到图像1，在图的左手区域25中，观看着仅能看到图像2。在这两个区域之间的窄区域26中，没有光线发射并且该装置在观看者看起来是黑色的。
图8所示是对包含彩色滤光片的视差栅栏最重要的设计参数。如图8所示，像素被安排成可以交替发射“左边”和“右边”图像的光线，使用交织系统NP1。应当理解的是包括彩色滤光片的视差栅栏可以利用任何交织系统，NP1，NP2，NP3等来设计。
在图8以及以后的附图中，像素将用它们是哪一部分图像以及它们将发射的光线的颜色来标注。例如，一个标注为LB的像素是一个为左边图像发射蓝光的像素。一个标注为RG的像素表示为右边图像发射绿光的像素。
在图8中，像素8和视差栅栏13之间的间距被标注成“d”。在视差栅栏中使用适当的彩色滤光片的排列，使得在一个宽范围的不同的分开间距都能达到图像之间的同样的角度分离。例如，在图14中所示的栅栏13距像素8是图18中所示栅栏的三倍，但是两种情况下图像的角度分离是相同的。
图8中的栅栏13中的狭缝宽度标注为“s”。图8所示是仅包含一个红色滤光片作为实例的狭缝。狭缝宽度几乎控制着能够看到左边或者右边像素的角度范围β。为了获得好的头部自由度，这个角度范围需要是很大的。这个实例可以参照图15和16。在图15中，狭缝宽度很窄，并且像素只能从一个很小的角度范围内看到。在图16中狭缝宽度变大，并且像素能够从一个大的角度范围内看到。
图9所示是已知的自动立体显示器，其中的视差栅栏13具有不透明部分14和透明狭缝15，但是没有彩色滤光片。交织系统是NP3。栅栏像素的间距很大并且狭缝的宽度与一组三个像素宽度相当(即形成例如左边图像的部分的三个相邻像素)。用于观看者右眼的光线40从右边像素30，31，32通过狭缝15。同样的，用于左眼的光线41从左边像素27，28，29通过狭缝15。
右边图像的每个像素29，30，31对着狭缝的角度范围由虚线示出。很明显的是观看者的左眼41也可看到一些来自右边图像的至少一些红色像素30的光线。因此图像之间的串扰很大，并且尽管每幅画面的亮度很高，观看者能看到彩色赝象并且只有很小的头部活动自由度。
图10所示是类似的自动立体显示器，尽管这种情况下的像素8是使用NP1交织系统来排列，并且栅栏像素之间的间距很小。每个狭缝15的宽度相当于每个单独像素的宽度。每个右边像素48，50，52对着狭缝的角度范围也是用虚线标出的。这次将会没有串扰或者彩色赝象，但是亮度和头部自由度都很小。
图11所示是在自动立体显示器中使用彩色滤光片。栅栏和像素的间距很大并且狭缝和像素的宽度也相当，按照NP1交织排列。相对于类似的用空的狭缝代替彩色滤光片的显示器，显示器有良好的头部自由度和亮度，并且没有彩色赝象。
图12所示是与图9类似的排列，但是红色，绿色和蓝色滤光片55，56，57被插入狭缝15。这个减小了颜色赝象发生的机会。
图13所示是自动立体显示器，其中的彩色滤光片排列使得从视差栅栏13中完全去除了不透明区域。这个形成了很好的头部自由度和亮度，而不造成颜色赝象。
图14，15和16是和图11，12和13示出的显示器类似的设计，除了每种情况下栅栏被移动到与像素更接近。这个增加了两幅画面之间的角度分离并且使得这种显示器在用作自动立体显示器之外被用作双视图显示器。这些显示器都允许很好的头部自由度并且在显示器90°处观看时具有一个黑色中心“窗口”。图14-16中的“左边”和“右边”所指的是左和右观看位置，而不是观看者的左眼或右眼。
黑色中心窗口对双视图显示器尤其重要。自动立体显示器的中心区域将落在用户的两只眼睛之间，因此不会被看见，因而这个区域中的串扰没有关系。但是，回到图5中所示的汽车里的双视图显示器，位于中间的观看者(例如在后面的位置)，将从90°看到显示器18。因此上述显示器应该具有一个黑色中心区域而不是串扰的区域是很重要的。
图11-13和14-16所示的所有显示器使用允许一个单独的基色通过的彩色滤光片。通过使用允许多于一种的基色通过的滤光片，在视差栅栏的设计上获得了更大的灵活性。
图17a所示是一个具有大的狭缝并且具有在每个像素处对着每个彩色滤光片有大的角度的栅栏13。显示器使用NP3交织系统并且显示了必须使各自的红色，绿色和蓝色光通过的区域58，59，60。为了获得更好的角度变化，上述区域是互相重叠的。应该注意的是传递红光的区域58比通过相应光的红色像素27，30要大得多。这些从每个像素传递光线的大的区域增加了亮度和观看者的头部自由度。
图17b所示是实际操作中上述栅栏如何制造。在要同时传递绿色和红色光时使用黄色滤光片61。要同时传递绿色和蓝色光时使用青色滤光片62。换句话说，一些彩色滤光片可以是合成色而不是基色。应该注意的是每个滤光片的宽度与像素的宽度几乎相同，但是如17a所示，传递每个基色的区域58，59，60比相应像素的宽度要大得多。该显示器具有良好的亮度、每幅画面的好的角度范围，并且没有串扰。
图18所示是与图10类似的显示器，其中合成色滤光片被插入狭缝15。彩色滤光片在这样一个栅栏中的使用去除了栅栏被从斜角即在通常左边和右边的观看区域之外观看的串扰。
图19a所示是NP3显示器，其中的狭缝被进一步扩大。这个显示器可被用作自动立体显示器或者双视图显示器。彩色滤光片被“重新排列”从而使它们不再按照简单的红，绿，蓝的模式，在每个狭缝15中都有五个滤光片63-67。图19b所示是只使用基色滤光片63-67的类似的排列，但是在每个狭缝中仍有五个。在图19b中像素的顺序也改变了：左边像素的顺序是右边像素顺序的镜像。
重新排列彩色滤光片允许栅栏更加接近面板。也允许绿色滤光片(如图19b所示)在狭缝的中间。如果绿色滤光片漏掉了一些红光和蓝光影响也不明显。这可帮助减小由于彩色滤光片漏色而产生的串扰问题。
图20a所示是本发明的另一种实施方式。在这种实施方式中滤光片不是统一宽度的。每个狭缝15包括一个合成色滤光片68，其侧面之一是一个更窄的基色滤光片69。这可使得对传送光线的方向有更进一步的控制。
图20b是一个与图20a类似的设计，但是去除了不透明区域14。在不透明区域两侧的基色滤光片都扩张来填充这个区域，因此每个像素的角度范围，以及头部活动的自由度很大，但是仍然有很小的串扰以及高的亮度。
图21所示是本发明的另一种实施方式。图21a所示的区域58’，59’，60’，类似于图17a所示的区域58-60，其中分别传递红色，绿色和蓝色光。在所有三个区域重叠的狭缝中心，所有三基色的所有光线都将通过。将其用于实际的栅栏13如图21b。中心区域70几乎是透明的使得能够传递所有三基色的光线，并且两侧是合成色滤光片71，72。
图22提供了根据本发明的另一种可能的排列的实例。都是用NP3交织，在两种情况下对于左边和右边图像的像素顺序而不同。
图23所示是如何使用合成色滤光片能使得栅栏13与像素8更加接近来达到在图像之间同样的角度分离。在图23a中滤光片都是基色滤光片并且栅栏像素的间距很大。在图23b中，使用合成色滤光片和一个透明部分70使得栅栏更接近像素。在效果上，图23a中通过每个基色的区域比图23b的要大。
应当理解的是图23b的排列提供了一个比图23a更大的头部自由度。这是因为在图23a每个通过单独一种基色的彩色滤光片相当于像素的宽度。在图23b中，通过单独一种基色的区域更大一大于像素的宽度的两倍。
本发明提供了一种多视图定向显示器，上述显示器包括一个显示装置和具有彩色滤光片阵列的视差光学部件。本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施方式进行不同的修改。
例如，上述的实施方式都是参考图1所示的在空间光调制器4前具有视差栅栏5的多视图显示器来说明的。应当理解的是本发明也可等同的应用于图4所示的显示器，其中的视差栅栏5位于背景光11和SLM之间。另一种可替换的方式中，视差栅栏开口阵列13可以完全移开，背景光本身被排列用于发射不同颜色的光线。例如，背景光可包括LED阵列，一些或者全部都发射合成色的光线。
在另一种改进中，彩色滤光片或者背景光彩色阵列是可转换的。这可使得左边和右边视窗的位置改变。上述是很有用的，例如在一个自动立体显示器中。如果观看者的头部活动了，显示器可以动态重新装配使得左边和右边的图像仍然位于它们的眼睛里。可替换的，转换视差栅栏中的所有的彩色滤光片和不透明区域使得它们都是透明的，双视窗显示器可以重新装配成为一个单视窗显示器。

Claims (34)

1.一个多视图定向显示器，包括：
包含一组图像元件的图像显示装置，以及
包含一排彩色滤光片的视差光学部件；
其中所述彩色滤光片被排列使得位于显示器90°的区域在观看者看来是黑暗的。
2.如权利要求1所述的显示器，其中每个彩色滤光片和各自的一组图像元件对准。
3.如权利要求1或2所述的显示器，其中视差光学部件在其表面上具有开口，所述彩色滤光片安装在视差光学部件的开口处。
4.如权利要求1所述的显示器，其中的每个图像元件用于发出一种基色的光线，并且其中至少一个彩色滤光片被用于传递多于一种基色的光线。
5.如权利要求1所述的显示器，其中视差光学部件包括至少一个充分透明区域用于传递所有三基色的光线。
6.如权利要求4所述的显示器，其中所有的彩色滤光片都是合成色，用于传递两种基色。
7.如权利要求6所述的显示器，其中图像元件交替的显示两幅图像的部分。
8.如权利要求1所述的显示器，其中彩色滤光片是按照周期重复的模式排列的。
9.如权利要求8所述的显示器，其中图像元件被排列按照周期重复的模式发射彩色光线，并且彩色滤光片和图像元件的模式不同。
10.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；以及一个第四滤光片用于只传递第三基色的光线。
11.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第三滤光片用于传递第一基色和第三基色的光线；一个第四滤光片用于传递第二基色的光线；以及一个第五滤光片用于只传递第三基色的光线。
12.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第三滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第四滤光片用于传递第二基色的光线；以及一个第五滤光片用于传递第一基色的光线。
13.如权利要求12所述的显示器，其中图像元件模式包括用于按照第一，第二，第三，第三，第二，第一的顺序发射基色光线的元件。
14、如权利要求12所述的显示器，其中的第三基色是绿色。
15.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第二滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第三滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线。
16.如权利要求15所述的显示器，其中图像元件模式包括用于按照第一，第三，第二，第二，第三，第一的顺序发射基色光线的元件。
17.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第四滤光片用于传递第三和第一基色的光线；以及一个第五滤光片用于只传递第一基色的光线。
18.如权利要求10所述的显示器，其中图像元件被排列成三个一组，因而三个相邻的图像元件显示是同一副图像。
19.如权利要求10所述的显示器，其中每个彩色滤光片的宽度等于图像元件之间的间距。
20.如权利要求10所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期还包括一个不透明膜。
21.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片具有不同宽度。
22.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第一不透明膜；一个第四滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第五滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第六滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第二不透明膜；一个第七滤光片用于只传递第三基色的光线；一个第八滤光片用于传递第三和第一基色的光线；一个第九滤光片用于只传递第一基色的光线；以及一个第三不透明膜。
23.如权利要求22所述的显示器，其中第二，第五和第八滤光片比第一，第三，第四，第六，第七和第九滤光片宽。
24.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个第三滤光片用于只传递第二基色的光线；一个第四滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第五滤光片用于只传递第三基色的光线；以及一个第六滤光片用于传递第三和第一基色的光线。
25.如权利要求24所述的显示器，其中第一，第三和第五滤光片比第一，第二，第四和第六滤光片要宽。
26.如权利要求24所述的显示器，其中的视差元件不包括不透明部分。
27.如权利要求8所述的显示器，其中彩色滤光片模式的一个周期包括：一个第一滤光片用于只传递第一基色的光线；一个第二滤光片用于传递第一基色和第二基色的光线；一个透明部分用于传递所有三种基色的光线；一个第三滤光片用于传递第二基色和第三基色的光线；一个第四滤光片用于只传递第三基色的光线。
28.如权利要求27所述的显示器，其中的透明部分比彩色滤光片窄。
29.如权利要求1所述的显示器，其中的彩色滤光片是按照周期重复的模式安装的，并且模式的单独一个周期内的彩色滤光片的数目大于三个。
30.如权利要求1所述的显示器，其中的图像元件是按照周期重复的模式安装的，并且模式的单独一个周期内的图像元件的数目大于三个。
31.如权利要求1所述的显示器，其中彩色滤光片具有不同宽度。
32.如权利要求1所述的显示器，其中部分或者所有的彩色滤光片是可转换的。
33.如权利要求1所述的显示器，其中的显示器是一个双视图显示器。
34.一个用于多视图定向显示器的视差光学部件，包括一排彩色滤光片，其中至少一个彩色滤光片传递多于一种基色的光线；
其中所述彩色滤光片被排列使得位于显示器90°的区域在观看者看来是黑暗的。
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