CN101248475B - 多视角定向显示器 - Google Patents

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Abstract

一种多视角定向显示器，所述显示器包括：像素化图像显示层，所述像素化图像显示层具有分派为显示第一图像的多个第一像素(P1)、以及分派为显示第二图像的多个第二像素(P2)；以及视差栅格孔阵列(21)，所述视差栅格孔阵列用于将来自第一像素的光线大致引导到第一视窗(2)中，并且用于将来自第二像素的光线大致引导到与第一视窗不重叠的第二视窗(3)。显示器还包括用于重新引导从每个第一像素的第一横向边缘区(25)发射的光线远离第二视窗的第一光线引导装置(31)。

Description

多视角定向显示器
技术领域
本发明涉及一种多视角定向显示器(multiple view directional display)，所述多视角定向显示器显示两个或更多个图像，使得每个图像从不同的方向都可看到。因此，从不同方向观看显示器的两个观察者将看到彼此不同的图像。例如，这种显示器可以用作自动立体显示装置或双视角显示装置。
背景技术
多年以来，传统的显示装置已经设计为由多个用户同时观看。显示装置的显示性能制作为使得观看者可以相对于显示器从不同的角度看到同样良好的图像质量。这在许多用户需要从显示器-例如机场和火车站的出发信息的显示器上获得相同的信息的应用中是有效的。然而，还具有个别用户需要能够从相同的显示器看到不同的信息的许多应用。例如，如图1示意性地说明，在汽车中，驾驶员可能希望观看卫星导航数据，例如，GPS数据，而乘坐者则可能希望观看电影。这些相矛盾的需求可以通过提供两个单独的显示装置满足，但这将占据额外的空间并将增加费用。此外，如果两个单独的显示器，即，乘客显示器70和驾驶员显示器80用在此实例中，如果驾驶员移动他或她的头，则驾驶员可以看到乘客显示器70，这将造成驾驶员精神不集中。如进一步的实例，在计算机游戏中，对于两个或更多个玩家，每个玩家可能都希望从他或她自己的观点观看游戏。这目前通过每个玩家观看单独的显示屏幕上的游戏实现，使得每个玩家在单独的屏幕上观看其自己特定的透视图。然而，对于每个玩家都提供单独的显示屏幕要占据大量的空间且很贵，并且对于便携式游戏是不切实际的。
为了解决这些问题，已经研制了多视角定向显示器。多视角定向显示器的一个应用是作为‘双视角显示器(dual view diaplay)’，所述双视角显示器可以同时显示两个或多个不同的图像，每个图像只在特定的方向上可见-所以从一个方向观看显示装置的观察者将看到一个图像，而从另一个不同的方向观看显示装置的观察者将看到不同的图像。与使用两个或更多个单独的显示器相比，可以显示不同图像给两个或更多个用户的显示器提供了相当大的节约空间和较低的成本。
以上已经给出了多视角定向显示装置的可能应用的实例，但还有许多其它应用。例如，所述显示装置可以使用在每个乘客都提供有其自己单独的飞行中的娱乐节目的飞机中。目前，每个乘客都提供有单独的显示装置，典型地设置在前排座椅的后背中。由于一个显示器可以服务两个或更多个乘客，同时允许每个乘客选择其自己选择的电影，所以使用多视角定向显示装置在成本、空间和重量上可以提供相当大的节约。
多视角定向显示器的进一步优点是防止使用者看到每个其它节目的能力。这在需要保密的应用(例如，银行或销售，例如使用自动出纳机(ATM))中以及在以上计算机游戏的实例中都是理想的。
多视角定向显示器的进一步应用在于生产三维显示器。在正常的影象中，由于人的两只眼睛在头脑中的不同位置，人的两只眼睛从不同的透视点观看世界。这两个透视图通过大脑接着用于估计景象中到各种物体的距离。为了建立有效地显示三维图像的显示器，必须重新产生此状态并供给通常所说的图像的“立体像对”，一个图像对应观察者的一只眼睛。
根据用于供给眼睛不同视图的方法，三维显示器分为两种类型。立体显示器典型地在宽的观看区域上显示立体图像对的两个图像。每个视图都被编码，例如，通过显示器的颜色、偏振状态或时间编码。使用者需要戴上分开视图并让每只眼睛只看到预期的视图的过滤系统的眼镜。
自动立体显示器在不同方向显示右眼视图和左眼视图，使得每个视图只可从各自限定的空间区域看到。横过整个有效显示区可看见图像的空间区域称为“视窗”。如果观察者位于使得其左眼在立体对的左眼视图的视窗中，而其右眼在用于该对的右眼图像的视窗中，则正确的视图将通过观察者的每只眼睛看到，并将看到三维图像。自动立体显示器不需要观察者戴上观看辅助装置。
自动立体显示器的原理与双视角显示器的原理相似。然而，显示在自动立体显示器上的两个图像为立体图像对的左眼和右眼图像，因此彼此相依赖。此外，两个图像显示为只有一个观测者可看见，且一个图像可由观测者的一只眼睛看到。
对于平板自动立体显示器，典型地由于总体上称为视差光学镜的立体显示器和光学元件的图像显示单元的图像元素(或“像素”)结构的组合形成视窗。视差光学镜的实例为视差栅格，所述视差栅格为具有透射区的屏幕，通常为狭缝形式并被不透明的区域分开。此屏幕可以设定在具有图像元素的二维阵列的空间光线调制器(SLM)的前面或后面，以产生自动立体显示器。
图2是在该自动立体显示器的情况下的传统的多视角定向装置的平面视图。定向显示器11由构成图像显示装置的空间光线调制器(SLM)4、以及视差栅格5组成。图2的SLM为具有有源矩阵薄膜晶体管(TFT)基板6、反向基板(counter-substrate)7、以及设置在基板6和反向基板7之间的液晶层8的液晶显示(LCD)装置的形式。SLM设置有限定多个可独立寻址的图像元素或“像素”的寻址电极(未示出)，而且还设置有用于排列液晶层的配向层(未示出)。视角增强膜9和线性起偏振器10设置在每个基板6、7的外表面上。照明11由背光(未示出)提供。
视差栅格5包括具有形成于所述视差栅格与SLM 4相邻的表面上的视差栅格孔阵列13的基板12。孔阵列包括通过不透明的部分14分开的透明孔15。孔15垂直延伸(也就是说，延伸进图2中的纸的平面中)，并具有狭缝形式。抗反射(AR)涂层16形成于视差栅格基板12的相对表面上(其形成显示器1的输出表面)。
SLM 4的像素排列成行和列，其中列延伸进图2中的纸的平面中。行中或水平方向上的像素间距(从一个像素的中心到相邻像素的中心的距离)为p。孔阵列13的垂直延伸透射狭缝15的宽度为2w，透射狭缝15的水平间距为b。栅格孔阵列13的平面以距离s与液晶层8的平面分隔开。
在使用中，显示装置1形成左眼图像和右眼图像，而观察者的头部定位成使得其左眼和右眼分别与左眼视窗2和右眼视窗3一致的观察者将看到三维图像。左和右眼视窗2、3以距离显示器所需的观看距离形成于窗口平面17中。窗口平面与孔阵列13的平面间隔距离r0。窗口2、3在窗口平面中相邻，并具有与人的两个眼睛之间的平均间隔相对应的间距e。从法向轴到显示器法线的每个窗口2、3的中心的半角为αs。
视差栅格5中的狭缝15的间距选择为接近SLM 4的像素间距的整数倍，使得像素列的群组与视差栅格的特定狭缝相关。图2显示了其中SLM 4的两个像素列与视差栅格的每个透射狭缝15相关的显示装置。
在操作中，驱动像素以显示为立体图像对的左图像和右图像的两个图像。在图2的显示器中，图像在具有分派到每个图像的交替列像素的像素上交错。
双视角显示器在原理上与图2的自动立体3-D显示器的原理相似。然而，像素驱动以向不同的观察者显示显示器所预期的两个独立的图像。此外，由于图像要显示给不同的观察者，所以两个视窗的间距e在双视角显示器中比在自动立体3-D显示器中大-在双视角器显示中，间距e典型为米数量级，在自动立体3-D显示器中为十厘米数量级。
高质量的双视角显示器需要每个用户都能看到所需数据内容的高质量的亮图像，而对其他使用者的数据内容没有任何干扰。此外，每个用户都将需要一些自由度以再次移动其观看位置，而不会导致图像质量下降，而且也不会对其他用户数据内容有任何干扰。如果用户可以看到与其他用户的数据内容的干扰，则这典型地称为串扰或图像混合。
为了利用视差栅格构建双视角显示器，可以从每个奇数像素列P1、P3等的中心到右侧观看位置3画出一组线，以及可以从每个偶数像素列P2、P4等的中心到左侧观看位置2画出另一组线。(这用于双视角显示器，其中在使用中，左视图将显示在偶数像素列P2、P4等上，而右视图将显示在奇数像素列P1、P3等上)。在距离像素的平面18的一定距离处，具有使这些组线首先彼此相交的位置19，而在像素位于共用平面中的显示器中，相交位置19限定了称为“相交线”的线20，线20与像素平面18间隔开但平行于像素平面18。实际上，相交位置19限定了延伸进纸的平面中并平行于像素平面的平面。这显示在图3(a)中。
通过将视差栅格放入平面20，使得栅格21的不透明区22阻挡了除了相交点19处外的各处的光线，如图3(b)所示，可以产生双视角显示器，使得用户在左视窗中不能看到奇数像素列，而用户在右视窗中不能看到偶数像素列。实际上，如果现在从每个像素的边缘画一组线，且每个线都通过视差栅格21的孔23中的一个孔，可以显示出这种系统自然具有宽的位置范围，其中每个用户都只能看到预期的像素-如图3(b)所示，左视窗和右视窗2、3具有大角度范围。此运动的自由度为用于高质量双视角显示器的要求之一。然而，在实际中，具有可以通过光线的为狭缝形式的孔只有极小的宽度，这将不能为显示器提供可用的亮度。此外，通过窄孔的光线将衍射，且此光线将可能恰好在几何上人们不应看到任何串扰的位置处造成不希望有的串扰。
可以通过增加视差栅格21的孔的宽度增加显示器的亮度，然而，亮度的增加减少观看自由度的成本。如图4所示，增加视差栅格的孔的宽度在左视窗2和右视窗3之间导致大的视窗24，其中可以看到显示器的所有像素。定位在中心区24中的观察者将看到左图像和右图像，因此将遇到图像混合。
在视差栅格21中具有较宽孔的显示器可能再次经受衍射效应，从而可能在几何上不应有任何串扰的位置处产生串扰。另外，如果视差栅格的不透明区由不完全吸收的材料制作，则来自像素的光线可能泄漏到错误的视窗中，并增加不希望有的串扰。
解决这些问题的一个公知的方法是使用透镜阵列(半圆柱形透镜阵列)作为视差光学镜而非采用视差栅格来提供图像分离。透镜阵列在原理上可以发出良好的亮度以及观察者头部大的自由度，而没有中心图像混合区。然而，在实际中，有几个原因造成可能很难实现此性能。在制造中透镜可能不能完美地形成，具有薄透镜的显示器的机械稳定性可能受到损害，而透镜的热膨胀可能导致像素排列中的错配。
英国专利申请第0320358.5号说明了一种多视角显示器，其中棱镜阵列设置在视差栅格孔阵列的后面，使得该阵列的棱镜设置在视差栅格的每个孔后面。棱镜阵列改变了左视窗和右视窗之间的角度分离。然而，中心图像混合区的角度范围以与视窗的角度范围相同的系数按比例增加或降低。
英国专利申请第0501469.1号公开了一种双视角显示器，其中显示在图像显示层的像素上的数据的内容被调节为补偿左图像和右图像之间的串扰。在一个实施例中，模糊的预定屏蔽图像加入到数据内容中。
发明内容
本发明的一个方面提供一种多视角定向显示器，所述多视角定向显示器包括：像素化图像(pixellated image)显示层，所述像素化图像显示层具有分派为显示第一图像的多个第一像素、以及分派为显示第二图像的多个第二像素；以及视差栅格孔阵列，所述视差栅格孔阵列用于将来自第一像素的光线大致引导到第一视窗中，并且用于将来自第二像素的光线大致引导到与第一视窗不重叠的第二视窗中；其中显示器还包括用于重新引导从每个第一像素的第一横向边缘区发射的光线远离第二视窗的第一光线引导装置，并且第一光线引导装置布置为不重新引导从每个第一像素的第一横向中心区发射的光线。光线引导装置的设置使由观察者看到的图像混合区的角度范围减少或甚至完全消失，从而提高显示器的质量。
第一光线引导装置可以布置为以显示器的预期观看距离将从每个第一像素的第一横向边缘区发射的光线引导到第一视窗中。所述第一光线引导装置可以布置为不重新引导从每个第一像素的第二横向边缘区发射的光线。
显示器还可以包括用于以显示器的预期观看距离将从每个第二像素的第一横向边缘区发射的光线重新引导到第二视窗中的第二光线引导装置。
第二光线引导装置可以布置为不重新引导从每个第二像素的横向中心区发射的光线。所述第二光线引导装置可以布置为不重新引导从每个第二像素的第二横向边缘区发射的光线。
第二光线引导装置可以为第一光线引导装置。
第一光线引导装置可以包括透镜阵列，透镜阵列与视差栅格不共面。该阵列的每个透镜可以与视差栅格的相应的孔对准。该阵列的每个透镜可以与视差栅格的相应的孔大体共同延伸。
上述方面的显示器可以包括设置在图像显示层前面的起偏振器；其中显示器还包括设置在起偏振器上的对偏振敏感的散射膜。
对偏振敏感的散射膜可以不完全散射具有通过起偏振器的偏振状态的光线。
起偏振器可以为线性起偏振器。
图像显示层可以为液晶显示层。
本发明还提供一种自动立体显示器或双视角显示器，所述显示器包括上述方面的多视角定向显示器。
附图说明
现在将通过参照附图说明的实例说明本发明的优选实施例，其中：
图1是在机动车辆中使用的双视角显示器的示意图；
图2是多视角定向显示器的示意平面剖视图；
图3(a)是说明确定用于多视角显示器的视差栅格狭缝的位置的视图；
图3(b)是说明具有带有极小的窄狭缝的视差栅格的多视角显示器的观看自由度的视图；
图4是说明具有带有有限宽度的狭缝的视差栅格的多视角显示器的观看自由度的视图；
图5是说明中心图像混合区的形成的视图；
图6是根据本发明的第一实施例的显示器的示意性平面视图；
图7(a)是进一步说明多视角定向显示器中混合的图像的视图；
图7(b)到图7(d)是根据本发明的进一步实施例的显示器的示意性平面视图；
图7(e)是根据本发明的进一步实施例的显示器的示意性前视图；
图8是根据本发明的进一步实施例的显示器的示意性平面视图；
图9是根据本发明的进一步实施例的显示器的示意性平面视图；
图10是具有弯曲的图像显示层的多视角定向显示器的示意图；
图11是根据本发明的进一步实施例的多视角定向显示器的示意图；
图12(a)是多视角定向显示器的示意平面视图；以及
图12(b)是根据本发明的进一步实施例的多视角定向显示器的示意平面视图。
具体实施方式
将参照目的为将第一图像显示给第一观测者而将第二图像显示给第二观测者的双视角显示器来说明本发明。然而，本发明还可以应用到自动立体3-D显示器。
图5显示了具有像素化图像显示层8(例如，液晶显示层)以及视差栅格孔阵列21的双视角显示器。像素被交替分派到对于显示器要进入左视窗2的“左图像”以及对于显示器要进入右视窗3的“右图像”。因此，在奇数像素列P1、P3等中的像素被分派到左图像，所以称为“左像素”，而在偶数像素列P2、P4等中的像素被分派到右图像，所以称为“右像素”。视差栅格孔阵列的孔23具有有限的宽度w，使得如以上参照图4所说明存在中心图像混合区24。
从图5可以看出，大多数导至图像混合区的光线来自沿一个横向边缘的像素区域。例如，如由图5中的虚线所限定且由虚线遮挡的区域49所示，来自沿一个横向边缘26且靠近横向边缘26延伸的像素列P4中的像素的区域25的光线被传送到图像混合区24，而视差栅格的不透明区22阻挡来自像素的横向中心区27的光线和来自靠近另一横向边缘29的像素的区域28的光线进入图像混合区。同样地，如由图5中的实线所限定且由实线遮挡的区域48所示，来自左像素的边缘(例如，像素列P3中的像素)的光线被传送到图像混合区24。
图6是根据本发明的第一实施例的双视角显示器30的示意平面视图。显示器30具有像素化图像显示层8(例如，液晶层)以及视差栅格孔阵列21。像素被分派到对于显示器要进入左视窗2的“左图像”、以及对于显示器要进入右视窗3的“右图像”。图6显示了其中像素以延伸进纸的平面中的列排列的显示器；图6显示了像素被交替分派到左图像和右图像，使得奇数像素列P1、P3等中的像素被分派到左图像，而偶数像素列P2、P4等中的像素被分派到右图像，但本发明不局限于此特定的像素分派。视差栅格孔阵列的孔23具有有限的宽度w并具有狭缝形式，所述狭缝的长轴延伸进纸的平面中。为方便起见在视差栅格中只显示了两个像素列和一个孔。
根据本发明，显示器30包括第一光线引导装置，所述第一光线引导装置用于重新引导从每个右像素的第一横向边缘区25发射的光线远离左视窗2。在图6的实施例中，第一光线引导装置包括透镜31。透镜31与视差栅格的孔23对准，其中形成左视窗2和右视窗3之间的预期边界并通过孔23的中心的线也通过透镜31，并将优选通过透镜31的中心。透镜具有延伸进图6中纸的平面中并具有图6中显示的横截面的棱镜形式。通常，透镜31的阵列将被提供有一个与视差栅格的每个孔相关联的透镜。
如图6所示，透镜31重新引导从每个右像素的第一横向边缘区25发射的光线远离左视窗2，使得如图6中由虚线限定且由虚线遮挡的区域49所示，在距离显示器预期观看距离处，来自每个右像素的第一横向边缘区25的光线被引导到右视窗3中。
透镜31优选被定位且尺寸制作成使得所述透镜不重新引导从每个右像素的横向中心区27或从第二横向边缘区28发射的光线。因此，来自每个右像素的横向中心区27或来自第二横向边缘区28的光线根据需要通过进入右视窗。也就是说，透镜优选只重新引导通过视差栅格21引导到左视窗2中的来自右像素的光线，并且透镜优选不具有重新引导通过视差栅格21引导到右视窗3中的来自右像素的光线的作用。
透镜31优选布置为使得所述透镜还用作第二光线引导装置，所述第二光线引导装置用于重新引导从每个左像素的第一横向边缘区25’发射的光线远离右视窗3。在图6中，透镜31被布置为使得重新引导从每个左像素的第一横向边缘区25’发射的光线远离右视窗3，使得如由图6中实线所限定且由实线遮挡的区域48所示，在距离显示器预期的观看距离处，来自每个左像素的第一横向边缘区25’的光线被引导到左视窗2中。透镜31再次优选被定位且尺寸制作成使得所述透镜不重新引导从每个左像素的横向中心区27’或从第二横向边缘区28’发射的光线。因此，来自每个左像素的横向中心区27’或来自第二横向边缘区28’的光线根据需要通过进入左视窗中。也就是说，透镜优选只重新引导通过视差栅格21引导到右视窗3中的来自左像素的光线，并且透镜优选不具有重新引导通过视差栅格21引导到左视窗2中的来自左像素的光线的作用。
原则上可以设置单独的装置用于重新引导来自右像素的边缘区25的光线和用于重新引导来自左像素的边缘区25’的光线。
在图6中，透镜31定位在视差栅格21的前面，并具有稍微大于视差栅格的孔23的宽度w的宽度wL。透镜的宽度wL使得透镜恰好宽到足以将来自像素边缘的光线分开，因此使得透镜将不会与来自像素中心的光线发生干涉。该效果为重新将引导到图5的中心图像混合区24中的光线引导到左视窗和右视窗2和3中。因此，消除了图5的中心图像混合区，并增加了左视窗和右视窗的角度范围。
视差栅格和透镜31之间的间隔s、透镜31的宽度wL以及透镜的放大率对于特定的显示器可以根据显示器部件的尺寸和显示器的预期观看距离进行选择，以便最大可能地减少图5的中心图像混合区24，而不会与由视差栅格分开的图像发生干涉。
例如，对于狭缝宽度w、包含栅格狭缝的平面和包含像素的平面之间的间隔x、以及黑色掩模宽度(在相邻的像素之间)b、包含像素的平面和包含透镜的平面之间的间隔d由以下公式得出：
d＝3x
透镜的焦距由以下公式得出：
f＝3x+a
其中a＝xb/(w-b)，并且每个透镜的宽度wL由以下公式得出：
wL＝(2w(3x+a))/(2(x+a))。
图7(a)显示了可以导致双视角显示器中的图像混合的进一步的机构。
图7(a)是显示器的平面视图，其中像素通过编码所需像素亮度的偏振方向的偏振的光线。偏振方向通过输出起偏振器32“编码”或分析，使得所需的像素亮度通过显示器输出。在以下说明中，左像素PL控制在全亮，而右像素PR控制为最大限度的暗色或“黑色”。因此，通过右像素PR发射的光线具有与通过左像素PL发射的光线成正交偏振的状态。来自像素的光线通过视差栅格孔阵列21引导到左视窗和右视窗2、3中。输出起偏振器32设置在视差栅格21的前面。
图7(a)显示了光线可能通过视差栅格21从像素获得并进入视窗的几个路径。在如上所述的该实例中，左像素PL具有线性偏振到页面中以显示“白色”的输出偏振状态，而右像素PR具有平行于页面线性偏振以显示“黑色”的输出偏振状态。由于输出起偏振器32包括透射轴垂直于页面的线性起偏振器，显示器显示左像素为白色，而右像素为黑色。
来自像素PR、PL的光线的所需路径为穿过视差栅格21中的孔，大多数光线都采用此路径。然而，在右视窗3的情况中，如图7(a)中的射线路径50所示，一些到达的光线可能已经通过左像素PL发射，并已经在视差栅格中的孔23处衍射。此外，如果视差栅格的不透明区22完全不透明，如射线路径51所示，一些来自左像素PL的光线可能漏过栅格21进入右视窗3。此来自左像素PL不受欢迎的光线被平面偏振到页面中，所以也将能够通过输出起偏振器32，并且将不希望有的光线增加到右视窗中。在显示器的另一部分中，如果另一左像素发射平行于页面线性偏振的光线以便呈现黑色，则任何从此其它左像素漏出的不受欢迎的光线无法通过输出起偏振器32，由于起偏振器具有平行于页面的透射轴，所以不会将不希望有的光线加入到显示器中。这将导致的问题是左像素在显示器的一些区域中“泄漏”光线，但在造成光线的可见图形的其它区域以及形成具有明显对比率的寄生图像(spurious image)的案区中不会泄漏。
同样地，到达左视窗2中的光线可以包括来自右像素的光线，例如，沿衍射光线路径50’行进的光线和/或沿泄漏光线路径51’行进的光线。
因此，根据本发明的另一方面，本发明的多视角定向显示器设置有用于改变从像素发射并引导到错误的视窗的光线的特性的装置(所以，在例如双视角显示器的情况中，用于改变从左(右)像素发射并引导到右(左)视窗的光线的特性)。例如，光线的特性可以为偏振、波长或亮度中的一个。
图7(b)是根据本发明此方面的双视角显示器33的示意性平面剖视图。显示器33具有例如为液晶显示层的像素化图像显示层8、以及视差栅格孔阵列21。像素被分派到对于显示器要进入到左视窗2中的“左图像”、以及对于显示器要进入到右视窗3中的“右图像”。图7(b)显示了其中像素以延伸进纸平面中的列排列的显示器；在该图中，像素被交替分派到左图像和右图像，但本发明不局限于此特定的像素分派。视差栅格孔阵列的孔23具有有限的宽度并具有狭缝形式，所述狭缝的长轴延伸进纸平面中。为方便起见，在视差栅格中只显示了两个像素列和一个孔。左像素PL显示为发射线性偏振进页面中以显示白色的光线，而右像素PR发射平行于页面线性偏振以显示黑色的光线。具有定向为垂直于页面的透射轴的线性起偏振器作为输出起偏振器32设置在视差栅格的前面。
显示器33设置有用于改变通过左像素PL发射但引导到右视窗3的光线的偏振的装置。在图7(b)中，延迟器34放置在视差栅格21的每个不透明区22上。在此实施例中，每个延迟器大致与视差栅格21的各不透明区22共同延伸，但比所述不透明区略宽，使得在视差栅格的不透明区22的边缘周围衍射的光线通过延迟器；漏过视差栅格的不透明区的光线也将通过延迟器34。在此情况下，无论是通过栅格的不透明区22周围的衍射、还是通过经由栅格的不透明区22的泄漏，由于通过延迟器34均可改变引导到右视窗3的来自左像素PL的光线的偏振状态。
每个延迟器34都优选为四分之一波片(quarter-wave plate)。因此，当来自左像素PL的光线通过延迟器34时，所述光线的偏振状态从进入页面的线性偏振改变成右旋圆偏振。输出起偏振器32将部分传送并部分阻挡右旋圆偏振状态，使得来自左像素但引导到右视窗3中的光线的50％将通过输出起偏振器32通过，使得在右视图中仍然具有不希望有的光线。然而，如果在显示器的另一部分中，来自另一左像素的光线平行于页面线性偏振以呈现黑色，则来自此引导到右视窗中的其它左像素的任何光线在通过四分之一波片时将具有改变到左旋圆偏振的偏振状态，并且输出起偏振器32将再次部分传送并部分阻挡左旋圆偏振状态。因此，来自其它左像素的光线的50％再次通过输出起偏振器32通过进入右视窗。(事实上，如果通过左像素发射的任意线性偏振状态的光线的50％通过四分之一波片，则所述光线将由输出起偏振器通过)这就意味着，虽然不希望有的光线从左像素到达右视窗，但每个左像素将接近相同的亮度分配到右视窗。进入右视窗的来自左像素的光线在显示器的区域上具有不明显的亮度改变，因此，不会导致光线的可见图案和暗区。
延迟器34稍微比视差栅格的各不透明区22宽，使得视差栅格的孔23的宽度大多数不被延迟器覆盖。因此，几乎所有通过左像素PL发射并通过视差栅格正确引导到左视窗2的光线不通过延迟器34，且因此不具有变化的偏振状态。
延迟器34还用作用于改变通过右像素PR发射但引导到左视窗2中的光线的偏振状态的装置。如图7(b)所示，由右像素PR发射并且漏过视差栅格的不透明区22、或在栅格孔的边缘周围发生衍射并因此引导到左视窗2的光线通过延迟器34。然而，几乎所有通过右像素PR发射并通过视差栅格正确引导到右视窗3的光线不会通过延迟器34，所以不具有变化的偏振状态。
图7(b)的显示器33可以修改为使得如图7(c)的显示器35中所示，延迟器34具有与视差栅格的不透明区22相同的宽度并对准所述不透明区。除此之外，图7(c)的显示器35与图7(b)的显示器33大体一致，对两个显示器共同的特征的说明不再重复。该实施例可以用在串扰的主要来源为光线通过视差栅格的不透明区22泄漏的情况，且与此相比，由栅格的不透明区周围的光线的衍射泄漏的光线可以忽略。
图7(d)显示了本发明的进一步的显示器36。显示器36与图7(b)的显示器33大体一致，且只说明不同之处。
在图7(d)的显示器36中，延迟器34布置成使得只有在视差栅格的不透明区22的边缘周围发生衍射的光线通过延迟器；通过视差栅格的不透明区22泄漏的光线不会通过延迟器。如图7(d)所示，这可以通过将延迟器34沿孔23的边缘放置在视差栅格的孔23中实现。此实施例可以使用在串扰的主要来源为栅格的不透明区周围的光线发生衍射的情况下，且与此相比，光线通过视差栅格的不透明区22的泄漏可以忽略。
在图7(d)的显示器36中，延迟器34优选为四分之一波板片，且此实施例因此将参照以上图7(b)所述进行操作。
还可以平衡在栅格周围发生衍射的光线的亮度和通过栅格泄漏的光线的亮度，使得相同比例的不希望有的光线平均通过与通过像素发射时光线的偏振状态无关的输出起偏振器。例如，在图7(c)的显示器35中，通过视差栅格的不透明区泄漏的光线具有通过延迟器34旋转90°的偏振平面，在此实施例中延迟器34具有半波片，但在栅格21的不透明区22的边缘周围衍射的光线具有不改变的偏振状态。如果漏过栅格的不透明区22的光线量调整为(例如，通过减少不透明区22的厚度)使得所述光线量等于衍射光线的亮度，接着来自左(右)像素的相同量的光线将通过输出起偏振器进入右(左)视窗，而与通过像素发射的光线的偏振状态无关。
如果不能足够精确或以所有的视角平衡栅格周围发生衍射的光线的亮度和漏过栅格的不透明区22的光线的亮度，则可以通过沿栅格黑色区的长度形成延迟器34的图案来空间上平衡串扰。具有这种图案化延迟器的视差栅格21的前视图显示在图7(e)中。延迟器34部分覆盖栅格21的每个不透明区22，但部分不透明区22未被延迟器覆盖。在此情况下，如果漏过栅格的不透明区的任何光线通过延迟器，则所述光线都将具有改变的偏振状态，或者如果所述光线在延迟器不存在的点处通过栅格的不透明区，则所述光线将具有不改变的偏振。此泄漏进不正确的视窗中的光线的空间平均亮度将导致不可见图像形成对比，且应该与视角无关。
如图7(e)中实际所示，如果波片恰好延伸超过栅格黑色区，则将在衍射光线上获得相似的效果。
延迟器34在图7(b)到7(e)中显示为不同的延迟器。然而，延迟器也可以具体表现为在对应于图7(b)到7(e)所示的延迟器34的区域中具有非零延迟而在其它地方具有零效应延迟(zero effective retardation)的单一图案化延迟器。
在本发明的进一步的实施例中，多视角显示器具有用于阻挡已经引导到不正确的视窗的选定波长的光线的装置。图8是根据本发明的该实施例的显示器37的示意性平面剖视图。
显示器37具有像素化图像显示层8(例如，液晶显示层)以及视差栅格孔阵列21。像素被分派到对于显示器要进入左视窗2的“左图像”以及对于显示器要进入右视窗3的“右图像”。图8显示了其中像素以延伸进纸的平面中的列排列的显示器；图8显示了被交替分配到左图像和右图像的像素，使得在奇数像素列P1、P3等中的像素分派到左图像，而在偶数像素列P2、P4等中的像素分派到右图像。在此实施例中，像素为彩色像素并发射红色、绿色或蓝色光线。因此，像素列P2中的像素为发射绿色光线的右像素，像素列P3中的像素为发射红色光线的左像素，像素列P4中的像素为发射蓝色光线的右像素，像素列P5中的像素为发射绿色光线的左像素，像素列P6中的像素为发射红色光线的右像素，以及像素列P7中的像素为发射蓝色光线的左像素，但本发明不局限于该特定的像素分派。视差栅格孔阵列的孔23具有有限的宽度并具有狭缝形式，所述狭缝的长轴延伸到纸平面中。
在图8中，彩色滤光片38B、38G、38R放置在视差栅格21的每个不透明区22上。在此实施例中，每个彩色滤光片通常都与视差栅格21的各不透明区22共同延伸，但都略宽于所述不透明区，使得在视差栅格的不透明区22的边缘周围发生衍射的光线将通过彩色滤光片；漏过视差栅格的不透明区的光线也将通过各彩色滤光片。彩色滤光片透射选定的波长范围的光线，使得彩色滤光片38G透射绿色光线并阻挡红色和蓝色光线，彩色滤光片38R透射红色光线并阻挡绿色和蓝色光线，而彩色滤光片38B透射蓝色光线并阻挡绿色和红色光线。如图8所示，彩色滤光片被布置为使得漏过视差栅格的不透明区22A、22B、22C或在栅格的不透明区的边缘周围发生衍射的一种颜色的光线入射到阻挡该颜色的光线的彩色滤光片上。因此，防止了光线进入到不正确的视窗。
如一个实例，视差栅格的不透明区22C位于左侧蓝色像素列P7和右侧红色像素列P6的上方。透射绿色光线并阻挡红色和蓝色光线的彩色滤光片38G设置在视差栅格的不透明区22C上。结果，漏过栅格的不透明区22C或在不透明区22C的边缘周围发生衍射的来自左侧蓝色像素列P7的任何蓝色光线都被绿色彩色滤光片38G阻挡，所以不会到达右视窗。漏过栅格的不透明区22C或在不透明区22C的边缘周围发生衍射的来自右侧红色像素列P6的任何红色光线都被绿色彩色滤光片38G阻挡，所以不会到达左视窗。
同样地，只透射红色光线的彩色滤光片38R设置在位于左侧绿色像素列P5和右侧蓝色像素列P4上方的视差栅格的不透明区22B上，只透射蓝色光线的彩色滤光片38B设置在位于左侧红色像素列P3和右侧绿色像素列P2上方的视差栅格的不透明区22A上。
彩色滤光片38B、38G、38R比视差栅格的各不透明区22A、22B、22C稍宽，使得视差栅格的孔23的宽度大多数没有被彩色滤光片覆盖。此外，彩色滤光片优选被布置为使得如果彩色滤光片横过从像素到用于来自该像素的光线的预期视窗的光线路径，则彩色滤光片将透射该光线。因此，如一个实例，如果彩色滤光片38B横过从列P4中的右像素到右视窗的光线路径，则由于列P4中的像素发射通过彩色滤光片38B的蓝色光线，这将不成为问题。因此，使用彩色滤光片代替增加吸收黑色的掩模的量(例如，减小栅格的狭缝宽度和/或像素的横向范围)的优点在于，彩色滤光片可以延伸进视差栅格区的孔23中，而不会对显示器的亮度有很大影响，但在衍射光线上仍具有显著的影响。
在本发明的进一步的实施例中，多视角显示器具有用于阻挡已经引导到不正确的视窗的选定的偏振的光线的装置。图9是根据本发明的此实施例的显示器39的示意性平面剖视图。图9的显示器39与图7(b)的显示器33大体一致，并只说明不同之处。
在图9中，起偏振器41放置在视差栅格21的每个不透明区22上。在此实施例中，每个起偏振器与视差栅格21的各不透明区22大致共同延伸，但稍微宽于所述不透明区，使得在视差栅格的不透明区22的边缘周围发生衍射的光线将通过起偏振器；漏过视差栅格的不透明区22的光线也将通过起偏振器34。起偏振器41为线性起偏振器，且每个起偏振器设置有基本与输出起偏振器32的透射轴垂直的透射轴。在图9的实例中，左像素PL具有线性偏振进页面的输出偏振状态，而右像素具有平行于页面线性偏振的输出偏振状态。输出起偏振器32为其透射轴垂直于页面的线性起偏振器，而起偏振器41具有平行于纸的平面的透射轴。因此，引导到右视窗3的来自左像素PL的光线的亮度通过在栅格的不透明区22的周围发生衍射、或通过漏过栅格的不透明区22通过起偏振器41改变一起偏振器41阻挡已经在栅格的不透明区22的周围发生衍射、或已经通过栅格的不透明区22的来自左像素的光线，并防止这种光线到达右视窗。
图9还显示了LCD的输入起偏振器40，所述输入起偏振器也可以存在于其它图中所示的其它LCD中。
由于起偏振器41布置有平行于来自右像素的光线的偏振方向的透射轴，所以已经在栅格的不透明区22的周围发生衍射或已经通过栅格的不透明区22的来自右像素PR的光线通过起偏振器41。然而，此光线被输出起偏振器32吸收，所以不会到达观测者。因此，通过保证附加的起偏振器41具有垂直于输出起偏振器的透射轴的透射轴，可以保证朝向不正确视窗引导的所有光线在其可以离开显示器之前被吸收。
在图9中，附加的起偏振器41稍微宽于视差栅格的各不透明区22。因此，几乎所有通过左像素PL发射并通过视差栅格正确引导到左视窗2的光线都不会通过附加的起偏振器41，所以不会被附加的起偏振器41阻挡。
附加的起偏振器41在图9中显示为分离的起偏振器。然而，起偏振器可以具体表现为单一图案化起偏振器，所述单一图案化起偏振器为对应于图9所示的起偏振器41的区域中的线性起偏振器而在其它地方为非偏振。
在图8和图9中，彩色滤光片38B、38G、38R和附加的起偏振器41显示为比视差栅格的各不透明区22略宽，使得已经在栅格的不透明区22的周围发生衍射或已经通过栅格的不透明区22的光线通过彩色滤光片或起偏振器。如果串扰的主要原因是光线漏过栅格，则可以以与图7(c)的延迟器相同的方式，可供选择地使彩色滤光片38B、38G、38R或附加的起偏振器41在宽度上等于视差栅格的不透明区22的宽度。相反，如果串扰的主要原因是栅格周围的光线的衍射，则可以以与图7(d)的延迟器相同的方式，可供选择地只沿视差栅格的孔的边缘区域设置彩色滤光片38B、38G、38R或附加的起偏振器41。
在未来预计显示器将为柔性，例如，在机动车辆中使用的显示器可以在几乎总是弯曲的车辆的仪表盘中模制而成。当构成弯曲的多视角定向显示器时，重要的是改变栅格和/或像素设计以保证良好的图像质量、降低串扰和宽的观看自由度。图10显示了具有弯曲的像素化图像显示层8和两个任意的观看位置(例如，左侧观看位置2和右侧观看位置3)的显示器。图10再次显示了从左(或右)像素的中心到左侧(或右侧)位置画出的线-如以上参照图3(a)所说明，相交点19限定了视差栅格的理想位置。然而，在图10的显示器中，相交点19位于曲线47上(或者精确地在延伸进纸中的弯曲表面上)，而不是在直线上。此外，重要的是应该注意，此曲线47距离显示器的像素不是恒定的距离。曲线47和图像显示层之间的间隔随着向图10中的右侧移动而下降，其中所述间隔是垂直于图像显示层的瞬时平面测量而得。因此，如前所述简单构成双视角显示器，例如，如图3(b)或图4所示具有距离图像显示层恒定的间隔的视差栅格的显示器，允许所述显示器弯曲以适应具体的安装，这将不会在宽的观看范围上造成无串扰的观看。为了获得高质量的显示器，必须改变图像显示层和栅格之间的间隙的厚度，以获得最佳的无串扰和宽的观看自由度。
如果像素和视差栅格之间在显示器的区域上改变的间隙不理想，例如，由于制造这种显示器的困难造成，则可供选择的方法是使像素和视差栅格之间的间距在显示器的区域上恒定。如图11所示，这可以通过改变像素的间距实现。
图11是根据本发明的进一步的方面的显示器42的示意图。显示器42具有不是平面的像素化图像显示层8。图像显示层8延伸进纸的平面中；为了简化，假设图像显示层8在其深度上具有恒定的弯曲轮廓，但本发明可以应用于图像显示层具有在其深度上变化的弯曲轮廓(即，进行二维弯曲)的显示器。
在显示器42中，图像显示层42的像素不具有恒定的间距。在该双视角显示器的情况下，图像显示层的“间距”p’被限定为从一个左(或右)像素的中心到下一个左(或右)像素的中心的横向距离。在图11中，图像显示层的间距p’从左到右增加。间距p’的变化使得相交点19现在位于距离图像显示层43为恒定距离的曲线47上。结果，与制造如图10所示的视差栅格和图像显示层之间的间距在显示器上变化的显示器相比，更容易制造显示器42。图11的显示器42可以通过用于柔性显示器的任何适合的制造技术制成。例如，显示器可以制造为平面显示器，然后弯曲成安装时的形状。
像素的间距由像素的宽度和相邻像素(在图11中未显示的黑色掩模)之间的非透射/非发射区域(或“黑色掩模”)的宽度确定。原则上可以改变黑色掩模的宽度以获得像素间距的改变，同时在显示器上保持像素的宽度恒定。然而，这样可能导致显示器上的亮度变化。因此，如图11所示，为了实现像素间距的变化，可以优选改变像素宽度。
通过改变像素的宽度，可以获得另一个优点。当到像素的法向轴和观看方向之间的角度增加时，像素的有效宽度减小，这可能降低图像的质量。然而，增加从左到右横过显示器42的像素宽度的效果在于，像素的宽度随着到像素的法向轴和观看方向之间的角度的增加而增加，从而保持像素的有效宽度，使观看者更一致地观看到。
像素在宽度上改变以获得所需的间距变化的方式可以根据显示器的曲率和预期的观看位置来选择。例如，如图11所示的弯曲的显示器，在左视窗2中的观察者将比右视窗3中的观察者看到横过显示器的有效像素宽度上的更大变化。因此，在图11中，优选通过改变像素列P1、P3、P5和P7中的左像素的宽度并保持像素列P2、P4、P6和P8中的右像素的宽度不变来改变像素间距。改变左像素的宽度保持了左视窗2中的观看者更一致地看到像素的有效宽度。
图12(a)说明了多视角定向显示器中的串扰的进一步原因。如图12(a)所示，防眩光膜44通常设置在显示器的前表面上，例如，在诸如图7(a)的显示器的显示器的情况下，在输出起偏振器32的前表面上。例如，防眩光膜44可以为提供入射光线的漫反射的反射式散射膜(reflectivescattering film)。防眩光膜防止或最小化入射到显示器的前面上的光线的镜面反射，并因此可防止观测者看到明亮物体(例如，太阳45、窗户或其它光源)的图像。
然而，将防眩光膜44应用到多视角定向显示器中具有缺点。散射膜44也散射投射通过散射膜的光线，且不只散射反射的光线。结果，正确引导到左(或右)视窗的来自左(或右)像素的光线将通过膜44散射，且一些光线将散射进不正确的视窗中。图12(a)显示了行进到右视窗的一些光线将散射进左视窗(反之亦然)，因此增加了显示器的串扰。
根据本发明的进一步的方面，如图12(b)所示，使用对偏振敏感的散射膜46作为防眩光膜。对偏振敏感的散射膜在一个偏振状态的光线上不具有散射作用，并对正交的偏振状态的光线提供最大的散射。因此，通过使用在通过输出起偏振器32的线性偏振的光线上没有散射作用的对偏振敏感的散射膜，当来自右像素的光线通过散射膜46时，所述光线不会明显散射，因此防止了串扰。因此，例如，双视角显示器的图像质量不会受到对偏振敏感的散射膜的影响。
对偏振敏感的散射膜46将散射从显示器的外部入射到显示器的前面上的接近50％的非偏振光线，使得用户将看不到太阳45、窗户、灯等的亮光线。具体地，入射的太阳光为非偏振，所以50％入射的太阳光将通过对偏振敏感的散射膜散射，从而显著地减少将通过太阳的强镜面反射造成的眩光。
图12(b)的对偏振敏感的散射膜46可以应用到传统的多视角定向显示器中，或者可以应用到根据本发明任何先前的实施例的多视角定向显示器中。
在上述显示器中，图像显示层为透射式液晶显示层。然而，本发明不局限于此，也可以应用到具有发射式显示层的显示器上，或应用到具有其它透射式显示层的显示器上。
工业适用性
本发明的显示器可以在需要对个别用户能够从相同的显示器看到不同的信息的任何应用中使用。例如，本发明的显示器可以用作机动车辆中的显示器，或在用于两个或更多个玩家的计算机游戏中使用。

Claims (16)

1.一种多视角定向显示器，包括：
像素化图像显示层，所述像素化图像显示层具有分派为显示第一图像的多个第一像素、以及分派为显示第二图像的多个第二像素；以及
视差栅格孔阵列，所述视差栅格孔阵列用于将来自所述第一像素的光线大致引导到第一视窗中，并且用于将来自所述第二像素的光线大致引导到与所述第一视窗不重叠的第二视窗中，
其中所述显示器还包括第一光线引导装置，所述第一光线引导装置用于重新引导从每个第一像素的第一横向边缘区发射的光线远离所述第二视窗，并且
其中所述第一光线引导装置布置为不重新引导从每个第一像素的横向中心区发射的光线。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中：
所述第一光线引导装置布置为以所述显示器的预期观看距离将从每个第一像素的第一横向边缘区发射的光线引导到所述第一视窗中。
3.根据权利要求1或2所述的显示器，其中：
所述第一光线引导装置布置为不重新引导从每个第一像素的第二横向边缘区发射的光线。
4.根据权利要求1或2所述的显示器，其中：
所述显示器还包括第二光线引导装置，所述第二光线引导装置用于以所述显示器的预期观看距离将从每个第二像素的第一横向边缘区发射的光线重新引导到所述第二视窗中。
5.根据权利要求4所述的显示器，其中：
所述第二光线引导装置布置为不重新引导从每个第二像素的横向中心区发射的光线。
6.根据权利要求4所述的显示器，其中：
所述第二光线引导装置布置为不重新引导从每个第二像素的第二横向边缘区发射的光线。
7.根据权利要求4所述的显示器，其中：
所述第二光线引导装置为所述第一光线引导装置。
8.根据权利要求7所述的显示器，其中：
所述第一光线引导装置包括透镜阵列，所述透镜阵列与所述视差栅格不共面。
9.根据权利要求8所述的显示器，其中：
所述阵列的每个透镜与所述视差栅格的相应的孔对准。
10.根据权利要求8所述的显示器，其中：
所述阵列的每个透镜与所述视差栅格的相应的孔大体共同延伸。
11.根据权利要求1所述的显示器，包括：
设置在所述图像显示层前面的起偏振器；其中所述显示器还包括设置在所述起偏振器上的对偏振敏感的散射膜。
12.根据权利要求11所述的显示器，其中：
所述对偏振敏感的散射膜不完全散射具有通过所述起偏振器的偏振状态的光线。
13.根据权利要求11所述的显示器，其中：
所述起偏振器为线性起偏振器。
14.根据权利要求1所述的显示器，其中：
所述图像显示层为液晶显示层。
15.一种自动立体显示设备，包括：
权利要求1所限定的多视角定向显示器。
16.一种双视角显示设备，包括：
权利要求1所限定的多视角定向显示器。
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