CN101167371B - 立体显示设备 - Google Patents

Abstract

在一种立体显示设备中，具有光学指引导向元件，例如透镜元件(4)，其彼此平行延伸，并以一个角度倾斜于像素的行和列之一，借助于倾斜角与透镜间距的特定组合，避免了所谓的暗带的出现。

Description

立体显示设备

技术领域

本发明涉及立体显示设备，包括装置，用于产生具有在第一平面内横向分离的多个像素的显示器；以及光学指引导向(optical directory)装置，包括一组光学指引导向元件(directory element)，其每一个都与一组像素相关联，像素按列排列并且具有在第一方向上的中心线，光学指引导向装置覆盖在第一平面中的像素上，用于以相互不同且相对于第一方向倾斜的角度方向指引像素的输出。

背景技术

这种立体显示设备正日益广泛的用于手持应用，如电话和(TV)监视器中，在这种情况中使用了多个影像。

像素可以与单一像素相对应，例如在单色设备中，但通常(彩色设备)与彩色像素的子像素相对应。

在US6.064.424中描述了上述类型的立体显示设备，其显示了具有按像素组排列的像素的有源矩阵液晶显示面板，以及具有(圆柱的)透镜元件的双凸透镜状屏幕，或透镜，作为覆盖显示面板的光学指引导向元件。依据像素相对于透镜的位置，每个像素的光被发送到精确定义的不同方向上。以这种方式，通常产生了与六个不同观看角度相对应的六个独立影像。观看者每一只眼睛都接收不同的影像，且当使用适当的图像内容时，观察到三维图像。

在US6.064.424中的每个透镜都与一组像素相关联。透镜相对于垂直列方向倾斜，这对于所感觉的三维像素结构是有利的。

然而，对于观看者而言，由于显示器的不同部分以不同角度到达观看者的眼睛，在显示器上会出现强度调制，称为“暗带(dark band)”。所述带随着观看者平行于显示器的移动而在显示器上“移位”，且所述带的间距随着观看者朝向显示器或远离显示器的移动而变化。即使存在很小的调制深度(例如仅1％)，其影响也是非常令人烦恼的。

发明内容

本发明的一个目的就是至少部分克服所述的强度调制。

为此，在根据本发明的设备中，至少对于显示器的一部分，光学指引导向装置的中心轴和中心线在其交叉点定义横截面，在特定中心线的横截面的位置由位置数来确定，位置数表示相对于在所述中心线的第一横截面以第一方向上的像素间距为单位的位置，每一个所述位置数都是正或负整数与分数位置数之和，具有大于或等于0并小于1的值，在所述特定中心线的所有横截面都被分布在多个k组中，每一组都具有在0、1/k、2/k、…、(k-1)/k范围内的分数位置数，在此k＞1，分数部分的不同组对所述中心线分数部分的总数的影响基本上是相等的。

本发明基于这样的理解：通过选择一个设计来克服作为观看角度的函数的上述调制，其是由在(LCD)像素周围的不发光区域(黑底(black matrix))的存在所导致的，其被“成像”到特定-因此更黑的-方向上，在该设计中同时包含“全部”(虚拟)子像素和“部分”(虚拟)子像素被成像，导致了强度调制，其相互相移(例如对于k＝2，是180°)。结果，消除了总强度的第一谐波，仅保留了强度小的多的第二谐波(及第三等)。暗带影响因此被减小。

为保持上述所感觉的三维像素结构，在光学指引导向装置的中心轴与中心线之间的角度优选的具有在-45度到+45度之间的值。

优选的k具有2、3、和4的值。

参考下文所述的实施例，将阐明本发明的这些及其它方面，并由此变得显而易见。

附图说明

在附图中：

图1示意性的示出了根据本发明的设备的一部分；

图2示出了图1的设备的部分的平面图；

图3示出了对于立体显示器的彩色(液晶)显示器的标准布局；

图4示出了相对于图3的布局的在特定角度下的投影；

图5示出了根据本发明的设备的4

影像布局；

图6示出了本发明的实施例，具有42/3影像布局；

图7示出了图6的42/3影像布局的所谓影像映射；

图8示出了暗带结构的RMS调制深度，其是本发明不同实施例的透镜半径的函数；

图9再次示出了图1的标准9个影像布局；

图10示出了图9的9个影像布局的影像映射；

图11示出了本发明进一步的实施例，其具有9

影像布局；

图12示出了图9的9

影像布局的影像映射，

图13示出了本发明的一个实施例，其具有9

影像布局；

图14示出了本发明的一个实施例，其具有等于atan(1/5)的倾斜角度的5个影像布局；

图15示出了子像素的基本布局；而

图16示出了根据本发明的设备的i^*，j^*，k组合；以及

图17示出了根据本发明的另一个设备。

具体实施方式

附图是示意性的，并未按照比例；相应的部件通常以相同的参考数字来表示。

图1示出了根据本发明的设备1的一部分的示意性横截面视图，具有显示设备5，显示设备5具有在第一平面3中横向分离的像素2。设备1具有光学指引导向装置，在该实例中，是一组透镜(透镜状的)4，其每一个都与一组像素2相关联。透镜4覆盖第一平面3中的多个像素2，用于将像素的输出指引到相互不同的角度方向。在该实例中，在显示器前面的分离平板5上设置透镜，曲面朝向显示器。角度方向用箭头6来指示。透镜的轴(由投影线8指示)与垂直轴9构成的角度α的正切是1/6(见图2，其示出了垂直于显示器方向上的示意图)。因此，在α＝atan(1/6)的特定情况下，其可以是正或负的。透镜是倾斜的，以改善所感觉的像素结构。透镜的间距p基本上使得在水平方向上测量的透镜之间的距离等于4.5乘以子像素间距A，即p＝4.5*A/cos(α)。这产生了2*4.5＝9个影像显示的结果。区域10表示9个子像素的重复区，每一个重复区都是9个独立影像的结果。

显示器前面板7的折射率和透镜的折射率选为n＝1.5。此外，在该实例中透镜体是(部分)圆柱形。

当在显示器前移动时，调制(暗带)是清晰可见的，尽管调制深度仅在1％(rms)量级。调制是由这样的事实引起的：显示器上的不同位置与不同观看角度相对应。这又与略有不同的强度相对应，这是由于由例如特定(液晶)显示器中的黑底所导致的在光输出中的不同黑底(black matrix)成分。随着观看者在显示器前移动，这些带移动并改变其间距。

图3和4显示了这样的彩色(液晶)显示器的布局，在图中，示意性的示出了强度的角度依赖性。在此情况下，在由中心线(虚线)15指示的垂直方向与斜线11之间的倾斜角α是atan(1/3)，影像数是5。斜线11表示在垂直于显示器方向上的轴的投影。

“加粗的”子像素2成像到观看者。区域10表示5个子像素的重复区，现在每一个重复区都是5个独立影像的结果。应注意，由观看者觉察到的实际像素形状通常占据了全部透镜宽度。还应注意，光学指引导向装置的中心轴(由投影线11定义)与中心线15使其交叉点14总是在子像素2的中心。插图12示出了作为观看角度的函数的强度分布。

图4示出了在相对于法线的特定角度下，透镜轴的投影。现在透镜轴与子像素“部分(halfway)”相交。加粗的矩形17能够被认为是一种“部分”(虚拟)子像素，但实际上由两个分离的原始子像素2，2’的下半部分和上半部分组成。由矩形17中的线16表示的黑底现在位于所述(虚拟)子像素的中间，导致了作为观看角度的函数的一种不同的光强度分布，见图4的插图12。应注意，投影线11与中心线15再次使其交叉点14总是在相同位置，但现在其在子像素2底部的中心。

通过透镜曲率的适当设计，能够部分减小暗带的影响，但其不能被完全消除。如果黑底的相对量增大，就会变得更加令人烦恼，例如在小显示器中。由于色散，会产生额外的问题。如果调制深度依赖于色彩，这就同时增大了所有色彩的消散问题。

在图5中示出了根据本发明的一种设备，其中，选择不常见的倾斜角与透镜间距的组合，以使得当从一个特定方向观看时，几种类型的虚拟子像素被同时朝向观看者成像。

图5示出了4

影像布局，其中，像素影像的像素映射同时包含“完全”(虚拟)子像素2、18和“部分”(虚拟)子像素18’。“完全”(虚拟)子像素2和“部分”(虚拟)子像素18’提供强度调制，它们相互之间相位偏移180°，由插图19和20表明，示出了作为两种(虚拟)像素的观看角度的函数的不同光强度分布。结果，总强度的第一谐波被消除，仅保留了插图12所示的强度小的多的第二谐波(和第三谐波、等等)。从而减小了暗带的影响。区域10表示9个子像素的重复区，现在每一个重复区都是9个独立影像的结果。应注意，投影线11与中心线15使得它们的交叉点总是在不同的位置，即，交叉点14总是在子像素2、18的中心，交叉点14’总是在子像素2、18底部的中心。交叉点14和交叉点14’的数量对于特定显示区域基本上相等。

图6示出了本发明的实施例，其具有42/3影像布局，其中，像素影像的像素映射同时包含三种不同类型的虚拟子像素，即，“完全”(虚拟)子像素2、18，“1/3部分”(虚拟)子像素18’和“2/3部分”(虚拟)子像素18”。区域10现在表示14个子像素的重复区，现在每一个重复区都是14个独立影像的结果。在此情况下，不仅第一谐波，而且第二谐波也在总强度中被消除。通常，较大的分母(denominator)导致相应的更大谐波的消除，但也导致列到列调制的更大“波长”。过长的波长会导致可见的结构，这种情况最好是应避免的，所以优选的，分母保持在低于5或6。应指出，投影线11与中心线15使得它们的交叉点总是在不同的位置，即，交叉点14总是在子像素2、18的中心，交叉点14’总是在子像素高度1/3的子像素2、18的中心，交叉点14”总是在子像素高度2/3的子像素2、18的中心。交叉点14和交叉点14’的数量对于特定显示区域基本上是相等的。

图7示出了图6的42/3影像布局的所谓的影像映射。在子像素中的数字与从子像素的中心到最近的透镜轴(投影线11)的水平距离相对应，是以水平子像素间距为单位测量的。这些数字是对相应影像的发射角的测量数据。对于靠近显示器法线的影像而言，这些数字大致上与发射角成比例。在该布局中的42/3影像实际上与3×42/3＝14个不同影像或观看角度相对应。

图8示出了暗带结构的RMS调制深度，其为移动显示应用的透镜半径的函数。曲线21充当参考，并对应于如图1、2所示的具有atan(1/6)的倾斜角的标准的9个影像布局。曲线22和23分别与5和4个影像相对应，并具有atan(1/3)的倾斜角。在实际中，透镜半径常常被选择为与RMS曲线中的最小值相对应，其由箭头来表示。在此情况下，半径会被选定在250与260μm之间或周围的某处。

第四和第五曲线分别与4

和42/3影像相对应，并具有atan(1/3)的倾斜角。当从5个影像最小值变成4

个影像最小值时，RMS调制深度降低一个数量级。当与5个影像最小值相比较时，42/3个影像最小值甚至要低2到3个数量级。在42/3个影像的情况下，暗带调制非常低，与透镜半径无关。

图9示出了图1的标准9个影像布局，并具有atan(1/6)的倾斜角。在两个投影线11之间的水平距离与4

个水平子像素间距相对应。仅呈现了一类(虚拟)子像素，其由加粗的子像素来表示。该系统导致标准的9个影像系统的相对良好的波段调制特性，如图8中所示。

图10示出了9个影像布局的影像映射。投影线11与中心线15再次使得它们的交叉点14总是在相同的位置，现在其位于子像素2的中心。

图11示出了本发明进一步的实施例，具有9

个影像布局，其中，像素影像的像素映射同时包含“完全”(虚拟)子像素2和“部分”(虚拟)子像素18。在图12中示出了相应的影像映射。独立影像的总数现在是2×9

＝19。

图13示出了本发明的一个实施例，其具有9

个影像布局，其中，像素影像的像素映射同时包含三类虚拟子像素，与图6所示的42/3个影像布局相似。独立影像的数量是3×9

＝28。

在所示实例中，通过改变相对于水平子像素间距的透镜间距，来获得分数影像(fractional view)。还通过改变倾斜角，并使用(对于三色显示器)与通常值atan(1/3)、atan(1/6)不同的倾斜角来减小强度调制。例如，图14显示了的本发明的一个实施例，其具有5个影像布局，并且倾斜角等于atan(1/5)。该布局包含“完全”、“1/3部分”和“2/3部分”虚拟子像素。它具有与图6所示42/3个影像布局相似的性能。

所以更为普遍的是，能够通过结合特定透镜间距与特定倾斜角来获得分数影像。为了推出哪一个组合提供了想要的结果，在图15中给出了子像素的基本布局。斜线11表示投影到像素结构上的透镜轴。垂直虚线15表示列的中心。p_x、p_y和p₁分别是在x-方向上的子像素间距，在v-方向上的子像素间距，在x-方向上的透镜间距。索引n和m分别与列和透镜相关联。透镜轴与虚线的交点以点来表示。坐标标架的原点位于一个任意的选定的交点，相应的列轴与透镜轴分别由m＝0和n＝0来表示。

认识到(且已经在上面示出)，强度谐波的消除是由暗点相对于子像素的中心的垂直位置分布来确定的。该位置以“分数部分”y/p_y来表征。

对于强度谐波的消除而言，要求相对的y位置能够分布到多个k(k＝1，2，3，4，…)级别中，每一级别都由根据范围0、1/k、2/k、…、(k-1)/k(的唯一分数部分y/p_y来表征，所有级别都被相等地占用。

如果归一化的斜率a和归一化的透镜间距b由：

$a=\frac{p_x}{p_y\tan \left(\mathrm{\α}\right)},$ $b=\frac{p_l}{p_x}---(1a,b)$

来定义。

atan(1/3)的倾斜角与a＝1相对应，atan(1/6)的角与a＝2相对应。列n与透镜轴的交点位置y由：

$\frac{y}{p_y}=a(n-\mathrm{mb})---\left(2\right)$

给出。

右侧项应是具有分数部分0、1/k、2/k、…、(k-1)/k的数。

因此，

ka(n-mb)modk＝0，1，2，…，k-1。    (3)

由于这必须为任何n，m保持，因此其遵循ka和kab都必须是整数：

ka＝i及kab＝j，i，j＝…-2，-1，0，1，2…(4a，b，c)

因此，

$a=\frac{i}{k}$ 及 $b=\frac{j}{i}---(5a,b)$

由于所有分数部分必须被增加(以等量的)，就不能任意选择整数i和j。为了方便，将i和j写为：

i＝i^*+M_ik，    j＝j^*+M_jk，                                (6a,b)

i^*，j^*＝0，1，2，…，k-1，M_i,M_j＝…，-2，-1，0，-1，2，… (6c，d)

现在，满足等式(3)的充要条件是存在组合n，m＝…-2，-1，0，1，2，…，以使得：

(i^*n+j^*m)modk＝1。                                        (7)

图16示出了对于k＝1…8，满足该标准的i^*，j^*，k的组合。

用于归一化的斜率a与透镜间距b的表达式成为：

$a=\frac{i^{*}}{k}+M_i,$ $b=\frac{\frac{j^{*}}{k}+M_j}{\frac{i^{*}}{k}+M_i}---(8a,b)$

以下的表格示出了与所示实例相关的数字。

布局	图号#	k	i*	Mi	j*	Mj	a	b
									“5个影像”	图3	1	0	1	0	5	1	5
“4 个影像”	图5	2	0	1	1	4	1	4
									“42/3个影像”	图6	3	0	1	2	4	1	42/3
“9个影像”	图9	1	0	2	0	9	2	4
									“9 个影像”	图11	2	0	2	1	9	2	43/4
“9 个影像”	图13	3	0	2	1	9	2	42/3
									“5个影像，1/5”	图14	3	2	1	1	8	12/3	5
“47/10个影像，1/5”	图17	6	4	1	5	7	12/3	47/10

增加图17，作为更详细阐述的实施例的实例。

术语“分数影像”是k＞1的情况的结果。在此意义上，“5个影像”与“9个影像”布局不是分数的。实际上，与分数影像布局和“影像数/观看角度”的非整数比值的出现仅有细微差别。在具有“9个影像”布局的实例中，出现了整数与部分整数的影像数/观看角度，它现在与到透镜轴的水平距离相对应。如以前所述的，在根据本发明的布局中，对于不同的k值，列中心线15与投影的透镜轴11的交点在垂直位置基本上等距分布，导致了强度谐波的消除。

尽管在实例中示出了液晶显示器，但本发明也能够用于其它种类的显示器，例如箔片显示器、LED显示器等等。

作为透镜元件的替换，其它指引导向元件，例如网格，可以替换的选择。

本发明存在于每个发明特性特征与每个特征的组合。在权利要求中的参考数字不是对这些权利要求保护范围的限制。动词“包括”及其变形的使用不排除除了在权利要求中所述的之外的元件的存在。在元件之前的冠词“一”的使用不排除多个此类元件的存在。

Claims (6)

1.一种包含用于产生显示的装置(5)的立体显示设备(1)，所述显示设备(1)具有在第一平面(3)内横向分离的多个像素(2)，以及光学指引导向装置，所述光学指引导向装置包括一组光学指引导向元件(4)，其每一个光学指引导向元件都与一组像素(2)相关联，所述像素(2)按具有第一方向上的中心线(15)的列排列，其中，所述光学指引导向装置覆盖在所述第一平面(3)中的所述多个像素(2)上以将所述像素(2)的输出(6)导向到相互不同的角度方向上，并且相对于所述第一方向倾斜，至少对于所述显示设备(2)的一部分，所述光学指引导向装置中的所述光学指引导向元件(4)的各个中心轴(11)和所述像素(2)的所述列的各个中心线(15)定义了其交叉点(14，14’，14”)，其中，在一个特定中心线(15)上的交叉点(14，14’，14”)的位置由位置数来确定，所述位置数以所述第一方向上的像素间距为单位来表示相对于所述特定中心线上第一交叉点的位置，每一个所述位置数都是一个正或负整数与一个具有大于或等于0并小于1的值的分数位置数字之和，在所述特定中心线(15)上的所有交叉点(14，14’，14”)都被分布在数目k个组中，每一组都具有唯一的在0、1/k、2/k、…、(k-1)/k范围内的分数位置数，在此k＞1，不同组中的交叉点的数量对所述特定中心线上的交叉点的总数的影响基本上是相等的。

2.如权利要求1所要求的立体显示设备，所述列与显示器列相对应，并且在所述光学指引导向装置的中心轴与所述中心线之间的角具有在-45度到+45度之间的值。

3.如权利要求1或2所要求的立体显示设备，其中，所述像素对应于全色像素的子像素。

4.如权利要求1或2所要求的立体显示设备，其中k＝2。

5.如权利要求1或2所要求的立体显示设备，其中k＝3。

6.如权利要求1或2所要求的立体显示设备，其中k＝5。

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