CN101331420B - 对自动立体显示设备的感知深度的控制及其方法 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示设备，包括：显示面板，具有用于产生显示内容的显示像素阵列，所述像素以行和列布置；以及至少两个光输出引导元件阵列，所述阵列以不同深度串联布置在所述显示面板上方，每个阵列可被控制来沿不同方向引导从像素的各个组输出的光，以使得立体图像能够被感知到。所述设备可进行操作来选择性地控制所述阵列中的任一个来提供光输出引导功能，由此提供具有不同感知深度量的相应的第一和第二三维显示模式。

Description

对自动立体显示设备的感知深度的控制及其方法

本发明涉及以下类型的自动立体显示设备，该类型的显示设备包括具有用于产生显示内容的显示像素阵列的显示面板、和在显示面板上排列并通过其可看到显示像素的多个成像装置(如凸透镜元件)。

在GB2196166A中描述了一种已知的自动立体显示设备。该已知设备包括二维液晶显示面板，其具有用来产生显示内容的、起空间光调制器作用的显示像素的行和列阵列。彼此平行地延伸的细长凸透镜(lenticular)元件的阵列重叠在显示像素阵列上，并且通过这些凸透镜元件可看到显示像素。

凸透镜元件作为元件薄片来提供，其中每个元件都包括细长的半圆柱透镜元件。凸透镜元件在显示面板的列方向上延伸，每个凸透镜元件与显示像素的两个或更多个相邻列的各个组重叠。

例如，在其中每个凸透镜元件与两列显示像素相关联的布局下，每列中的显示像素提供各个二维子图像的垂直片段(slice)。凸透镜片将这两个片段和来自与其他凸透镜元件相关联的显示像素列的相应片段引导到位于该薄片前面的用户的左眼和右眼，以便用户看到单个立体图像。

在另一布局中，每个凸透镜元件与行方向上的具有四个或更多个相邻显示像素的组相关联。每组中的显示像素的相应列被适当地布置为提供来自各个二维子图像的垂直片段。当用户的头部从左向右移动时，感知到一系列连续、不同的立体视图(view)，这例如创建了环顾四周的印象。

上述设备提供了有效的三维显示设备。然而，将意识到，为了提供立体视图，必须牺牲设备的水平分辨率。

此外，为了提供用户从中感知到显著的“深度”量的三维显示内容，需要进一步牺牲水平分辨率。水平分辨率的进一步的牺牲是由于显示器所创建的虚拟体积元(volume element)的三维栅格的固有特性。已知为虚拟体积元(voxel)的这些单元具有与它们在显示设备中的凸透镜元件的前面或后面的深度成正比的宽度。因此，呈现出较大深度量的显示器趋向于具有相应大的虚拟体积元，并且经受相对大的分辨率降低。

已经提出了通过增加显示面板像素和凸透镜元件之间的距离来提供具有大深度量而没有分辨率损失的显示器。但是，这样的显示器具有不期望的特性，即，感知三维图像的观看区域不期望地变小，并且对于许多应用，观看距离变得过大。这样的设备不适合用于文本显示应用(其中观看距离一般较小)。

根据本发明，提供了一种自动立体显示设备，包括：显示面板，具有用于产生显示内容的显示像素的阵列，像素以行和列布置；以及至少两个光输出引导元件阵列，该阵列以不同深度串联布置在所述显示面板上方，每个阵列可被控制来沿不同方向引导从像素的各个组输出的光，以使得立体图像能够被感知到，其中，该设备可进行操作来选择性地控制所述阵列中的任一个来提供光输出引导功能，由此提供具有不同感知深度量的相应的第一和第二三维显示模式。

本发明由此提供了一种具有多个不同三维显示模式的自动立体显示设备，其中每个模式由相应的光输出引导元件阵列来提供。在每个模式中，除了提供光输出功能的阵列之外，所有阵列就好像它们是普通的透明材料薄片那样起作用。

阵列与显示面板隔开不同的距离，由此使得每个显示模式能够具有不同的特性，这包括不同的感知深度量，即，以给定分辨率产生具有离显示平面的不同最大深度的虚拟体积元的能力。例如，每个显示模式可提供不同的水平分辨率，以使得第一模式可提供较小的感知深度量但提供较高的水平分辨率，而第二模式可提供较大的感知深度量但提供较小的分辨率。

在此情况下，第一模式可以是用于从近范围观看的监视器模式。这样的观看体验获益于相对高的显示分辨率，这对于文本显示应用尤其有用。第二模式可以是用于从较远距离观看的电视模式。这样的观看体验获益于相对大的感知深度量。

每个光输出引导元件阵列可包括电光材料。在此情况下，阵列可受控制来通过将电势施加到电光材料以改变其折射率来提供光输出引导功能。有效地是，可开启或关闭阵列的光输出引导功能。电光材料可包括液晶材料。本领域技术人员将理解，如果采用(双折射)液晶材料如向列型液晶，则将有必要向光输出引导元件阵列输入特定极性的光，以便实现光引导功能的切换。

每个光输出引导元件阵列可包括形成为电光材料薄片的平行凸透镜元件的阵列。凸透镜元件每个在一侧上可具有平坦表面，而在它们的另一侧上具有凸形轮廓表面。这样的凸透镜元件已被发现特别适合于提供高效的自动立体显示设备。

各个不同阵列中的凸透镜元件可彼此平行。例如，不同阵列提供的不同显示模式可以都提供水平视差效果，如采用凸透镜元件的自动立体显示设备所常见的那样。

可替换地，各个不同阵列中的凸透镜元件可以彼此不平行。例如，凸透镜元件可以是垂直的，以便提供具有水平和垂直视差效果的显示模式。

距离显示面板最远的阵列的凸透镜元件节距可以比更接近的阵列的凸透镜元件节距更大。阵列的凸透镜元件节距的比率可以等于阵列离开显示面板的距离的比率。这样的布置可提供具有基本相同的观看区域的不同显示模式。

电光材料可被布置在透明电极之间，以将电势施加到电光材料。

设备还可进行操作来控制阵列，以使得这些阵列中没有一个提供光输出引导功能。以此方式，提供了普通二维显示模式，其对于文本显示应用是理想的。

在实践极限内，显示设备可包括任何数目的光输出引导元件阵列，这样，该设备提供具有各种特性的相应数目个三维显示模式。例如，不同的模式可提供感知深度、水平分辨率和观看区域位置和尺寸的不同组合。

显示面板可以是液晶显示面板。面板中的显示像素可具有矩形形状，显示像素的较长边沿列方向延伸。显示像素的行和列可以正交，并且可在显示像素行和列的每个交叉点处提供显示像素。

根据本发明的另一方面，提供了一种操作显示设备以提供自动立体显示器的方法，该显示设备包括具有显示像素阵列的显示面板和至少第一和第二光输出引导元件阵列，它们以不同深度串联布置在显示面板上方，该方法包括：选择第一和第二三维显示模式之一，每个显示模式都提供不同的感知深度量；以及控制光输出引导元件阵列中的相应一个，以在不同方向上引导从各个像素组输出的光，以使得立体图像能够被感知到，其他阵列被控制为不提供光输出引导功能。

每个光输出引导元件阵列可包括电光材料，该阵列可被控制来通过将电势施加到电光材料以改变其折射率来提供光输出引导功能。

电光材料可包括液晶材料。

现在将参照附图，仅仅通过示例来描述本发明的实施例。

图1是已知自动立体显示设备的示意性透视图；

图2到6用于解释图1所示类型的显示设备的操作特性；

图7示意性地示出了根据本发明的自动立体显示设备；

图8A和8B用于解释图7所示的显示设备中的特定元件的操作原理；以及

图9A到9C用于解释图7所示的显示设备的操作原理。

本发明提供了一种显示设备，其具有多个不同的三维显示模式，每个模式由位于显示面板前面的光输出引导元件的相应阵列来提供。在每个模式中，除了提供光输出引导功能的阵列之外的所有阵列都就好像它们是透明材料的普通薄片那样起作用。阵列与显示面板隔开不同的距离，由此使得每个显示模式能够具有不同的特性，这包括不同的感知深度量。

图1是已知直接视图自动立体显示设备1的示意性透视图。已知设备1包括充当空间光调制器来产生显示内容的有源矩阵型的液晶显示面板3。

显示面板3具有以行和列布置的显示像素5的正交阵列。为简洁起见，图中仅仅示出了少量的显示像素5。实践中，显示面板3可能包括大约一千行和数千列的显示像素5。

液晶显示面板3的结构整体上是传统的。具体地，面板3包括一对隔开的透明玻璃衬底，它们之间提供了准直的扭曲向列相或其他液晶材料。衬底在它们相对的表面上载有透明的铟锡氧化物(ITO)的图案。还在衬底的外表面上提供了极化层。

每个显示像素5包括衬底上的相对电极，并具有液晶材料介于它们之间。显示像素5的形状和布局由电极的形状和布局来决定。显示像素5相互有规则地隔开一定间隙。

每个显示像素5与诸如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD)之类的开关元件相关联。通过向开关元件提供寻址信号，显示像素被操作来产生显示内容，并且合适的寻址方案是本领域技术人员公知的。

由不透明的黑掩膜覆盖显示像素5之间的间隙。以吸光材料的网格的形式来提供该掩膜。该掩膜覆盖开关元件并限定各个显示像素区域。

显示面板3被光源7照射，在此情况下，光源7包括在显示像素阵列的区域上方延伸的平面背光。来自光源7的光被引导通过显示面板3，并驱动各个显示像素5以调制光并产生显示内容。

显示设备1还包括布置在显示面板3的显示侧上、执行视图形成功能的凸透镜片9。凸透镜片9包括相互平行延伸的凸透镜元件行，其中为了简洁起见，用夸大的尺寸示出了仅仅一个凸透镜元件。

凸透镜元件11具有凸圆柱透镜的形式，并且它们充当光输出引导装置的作用来将不同的图像或视图从显示面板3提供到位于显示设备1前面的用户眼睛。

图1所示的自动立体显示设备1能够在不同方向上提供数个不同的透视图。具体地，每个凸透镜元件11重叠每行中的一小组显示像素5。凸透镜元件11沿不同的方向投射一组中的每个像素5，以便形成数个不同的视图。当用户的头从左向右移动时，他/她的眼睛将依次接收到数个视图中的不同视图。

与上述已知自动立体显示设备1相关联的问题在于，为了避免过度的分辨率损失，能够提供的三维深度感知量是受限的。实践中，该深度经常受限于±10mm。

现在将参照图2到6描述深度和分辨率损失之间的关系，其中图2到6示出了参照图1所述的显示设备中的元件。

参照图2，自动立体显示设备1位于用户的左眼和右眼13、15的前面。在显示设备1中，来自“被开启”的显示面板中的特定像素的光线17由凸透镜元件阵列引导来创建位于显示设备1前面的虚拟像素19。此虚拟像素19称为体积元。用户将显示设备1和体积元19之间的距离感知为“深度”。当然，仅仅由眼睛观察到的光线才对体积元19的感知有贡献。

在实践中，显示设备1的凸透镜元件不是如图2所示、简单地从各个显示像素投射出单条光线17。相反，每个凸透镜元件投射出射线“锥”21，其被引导向用户的左眼或右眼13、15。射线锥21随着观看距离的增加而变宽。因此，当将射线锥21从凸透镜元件向用户的眼睛13投射时，如图3所示，眼睛13仅仅直接观察到小的射线带23。眼睛13看不到锥21中的其他射线25。

图4中示出了射线锥21对在显示设备1前面创建体积元19的作用。如可以看出，由不同的凸透镜元件引导两个锥21以便汇聚到显示设备的前面来由此创建体积元19。体积元19的宽度依赖于由眼睛13、15所接收的射线带的宽度以及它们相互交叉的角度。

当然，来自大量凸透镜元件的射线锥21是从显示设备1投射出的。尽管用户仅仅观察到每个射线锥21的一部分，但是所有这些射线锥21的组合效果是用户感知到位于显示设备1前面的大体积元。这在图5中进行了说明。

可示出，图5所示的体积元19的宽度由以下等式定义：

$Q=\mathrm{np}\frac{Z}{d}---\left(1\right)$

其中Q是体积元19的宽度，d是显示面板1的像素和凸透镜元件阵列之间的距离，p是显示面板像素的宽度，Z是体积元19和凸透镜元件阵列之间的距离。这些参数在图6中进行了说明。

等式(1)显示出，对于像素和凸透镜元件阵列之间的距离d为1mm的显示设备，分辨率降低了15倍，从而提供10mm的感知“深度”。这种分辨率损失对于将在近范围内观察显示内容的应用(如显示文本)是不能接受的。然而，不可能提供同时具有高分辨率和大感知“深度”量的显示设备。

图7中示意性示出了根据本发明的自动立体显示设备解决了上述问题。图7所示的设备31在许多方面类似于图1所示的设备1。具体地，设备31包括具有光源的显示面板33，它们与上面参照图1所示的那些相同。

图7所示的显示设备31不用于图1中的那个之处在于，它包括第一和第二凸透镜元件阵列35、37，其中每个阵列都具有与图1所示的凸透镜元件阵列不同的结构。

现在将参照图8A和8B描述每个阵列35、37的结构和操作。

图8A和8B示意性地示出图7所示的设备31中采用的凸透镜元件阵列35、37。该阵列包括一对透明玻璃衬底39、41，在它们相对的表面上提供了由铟锡氧化物(ITO)形成的透明电极43、45。在衬底39、41之间、靠近较高的一个衬底39处提供了使用复制技术形成的倒置透镜结构47。还在衬底39、41之间、靠近较低的一个衬底41处提供了向列相液晶材料。

如图中的横截面所示，倒置透镜结构47导致液晶材料49在倒置透镜结构47和较低衬底41之间确保为平行细长的凸透镜形状。还向与液晶材料接触的倒置透镜结构47和较低衬底41的表面提供定向层(未示出)，以对成形的液晶材料进行定向。

图8A示出了当未向电极43、45施加电势时的阵列。在此状态下，液晶材料49的折射率比倒置透镜阵列47高得多，因而如所示的，凸透镜形状提供光输出引导功能。

图8B示出了当向电极43、45施加近似50伏特的交流电势时的阵列。在此情况下，液晶材料49的折射率基本与倒置透镜阵列47相同，从而如所示的，凸透镜形状的光输出引导功能被取消了。因此，在此状态下，阵列有效地以“穿透”模式起作用。

本领域技术人员将意识到，液晶材料49的折射率改变仅仅用于具有特定极性的光。由此应当理解，必须在显示设备31的结构内并入光极化装置以确保从显示面板33输出的光被适当极化地进入阵列的液晶材料49中。

适合于在图7所示的显示设备31中使用的光输出引导元件的阵列的结构和操作的其他细节可在通过引用在此合并全文的US 6069650和WO 98/21620中找到。

返回参照图7，可看到，第一和第二凸透镜元件阵列35、37顺序地位于显示面板33的上方，并且与显示面板33隔开不同的距离，该距离被分别标记为d1和d2。参照附图，d2比d1大。d1通常是2mm，而d2通常是4mm。然而，可替换地，d1可以是在范围1mm到5mm中的任意值，d2可以是在范围2mm到10mm中的任意值。

在附图中，将阵列中的相邻凸透镜元件之间的节距(pitch)分别标记为P1和P2，但如图所示的节距之间没有差异是示意性的。凸透镜元件节距达到由显示面板33的显示像素节距和显示设备31要提供的分离视图的数目所规定的某种程度。然而，也这样选择凸透镜元件节距，以使得显示设备31对于其所有的显示模式都具有共同的观看区域。通过将凸透镜元件的比率设置为等于显示面板33和阵列35、37之间的距离的比率来实现这样的布置，其如以下等式所示：

$\frac{P1}{P2}=\frac{d1}{d2}---\left(2\right)$

图中未示出这个节距差异，这仅仅是示意性的。

图7所示的显示设备31还包括控制器51。控制器51可进行操作来根据用户选择的显示模式、选择性地在阵列35、37的任一个或两个的电极两端施加电势。如下所述，控制器51还可进行操作来根据用户选择的显示模式来修改用于显示面板33的驱动信号。

图9A示出了显示设备31的二维显示模式。在该二维显示模式中，在阵列35、37两者的电极的两端都施加电势。因此，阵列35、37都以“穿透”模式起作用而不提供任何光输出引导功能。二维显示模式提供具有与显示面板33相同的分辨率的单个视图，因此理想地适合于作为文本显示模式使用。作为二维显示模式，不向显示器提供“深度”。

图9B示出了显示设备31的第一种三维显示模式。在第一种三维显示模式中，仅仅在第二阵列37的电极两端施加电势。因此，第二阵列37以“穿透”模式起作用而不提供任何光输出引导功能。第一阵列35不以“穿透”模式起作用，并相反提供光输出引导功能。

图9C示出了显示设备31的第二种三维显示模式。在第二种三维显示模式中，相反，仅仅在第一阵列35的电极两端施加电势。因此，第一阵列35以“穿透”模式起作用而不提供任何光输出引导功能。然后由不以“穿透”模式起作用的第二阵列37提供光输出引导功能。

因此，这两种三维显示模式的不同之处在于，由与显示面板33隔开不同距离的阵列来提供光输出引导功能。图9C所示的第二模式中的间距比图9B所示的第一模式中的间距更大。因此，在第二模式中，视图的开角较小，并且在该模式下可提供的感知深度较大，即，等式(1)中的d在第二模式下比在第一模式下更大。

因此，提供了可在两种三维模式之间进行切换的显示器31。在第一模式下，由更接近显示面板33的阵列35提供光输出引导功能。此模式提供了有限的感知深度量，但提供高分辨率，并因此适合于在其中高分辨率更重要的“监视器”应用中使用。在第二模式下，由离显示面板33更远的阵列37提供光输出引导功能。该模式提供了大得多的感知深度量，但具有较低的分辨率，因此适合于在感知深度更重要的“电视”应用中使用。

如上所述，阵列35、37中的凸透镜元件节距是不同的。因此，当用户在包括二维模式在内的模式之间进行切换时，有必要利用具有不同格式的显示数据来驱动显示面板33。显示数据的格式可在源处改变。但是，在图7所示的示例性设备中，控制器51包括用于将原始显示数据处理为每种显示模式所需的格式的处理装置。

上面已经描述了本发明的具体示例。但是，本领域技术人员应当明白的是，可对这些实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围。例如，已经描述了具有两种三维显示模式的显示设备。但是，本领域技术人员显然可知，可仅仅通过提供任何数目的凸透镜元件阵列来提供相应数目的三维显示模式。类似地，显然可省略二维模式。

上述示例采用了包括具有可切换折射率的液晶的凸透镜元件。然而，如本领域技术人员将理解的那样，作为替换可采用渐变折射率(GRIN)的透镜作为光输出引导元件。

例如，上述示例采用了显示像素节距在范围50μm到1000μm中的液晶显示面板。但是，本领域技术人员都将明白，可采用其他类型的显示面板，如有机发光二极管(OLED)或阴极射线管(CRT)显示设备。

在上面没有描述的一个示例中，可以使用具有非常快的响应时间的显示面板，其具有按时间被顺序寻址不同阵列的凸透镜元件。以此方式，可组合不同阵列的“深度”，以提供具有非常大的“深度”的显示器。

上述示例包括本身与显示面板分开的凸透镜元件的分离且不同的阵列。但是在其他示例中，可组合部件的衬底以减少零件数(partcount)。

如传统自动立体显示设备中已知的那样，上述显示设备可采用与显示像素的列方向以锐角倾斜的凸透镜元件。

每个凸透镜元件阵列可以是局部而不是作为整体可切换的。例如，阵列可以具有仅仅使得阵列的特定区域被切换的图案化电极，或者电极可仅仅在阵列的有限区域上延伸。以此方式，可在显示区域的不同窗口中提供不同的显示模式。

Claims (10)

1.一种自动立体显示设备，用于提供具有不同感知深度量的第一和第二三维显示模式，该自动立体显示设备包括：

显示面板，具有用于产生显示内容的显示像素的阵列，所述像素以行和列布置；以及

平行凸透镜元件的第一和第二阵列，所述第一和第二阵列形成为串联布置在所述显示面板上方的电光材料薄片，其中所述第一阵列距离所述显示面板达第一距离，且所述第二阵列距离所述显示面板达第二距离，所述第一距离小于所述第二距离以使得所述第一阵列和第二阵列处于不同深度，所述平行凸透镜元件的每个阵列可被控制来沿不同方向引导从像素的各个组输出的光以使得立体图像能够被感知到或者被控制来作为透明材料的薄片而起作用，

其中，所述第一阵列中的平行凸透镜元件具有第一节距，其小于所述第二阵列中的平行凸透镜元件的第二节距，以及其中所述设备可进行操作来选择性地控制所述平行凸透镜元件的第一阵列和第二阵列中的任一个阵列以提供光输出引导功能，以便在所述第一和第二三维显示模式的每个中，除了提供相应三维显示模式的光输出引导功能的平行凸透镜元件的阵列之外，对其他平行凸透镜元件的每个阵列进行控制以便作为透明材料的普通薄片而起作用。

2.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述第一节距除以第二节距的比率等于所述第一距离除以第二距离的比率。

3.如权利要求1或者2所述的自动立体显示设备，其中所述平行凸透镜元件的第一和第二阵列可被控制来通过将电势施加到所述电光材料来改变其折射率、来提供所述光输出引导功能。

4.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述平行凸透镜元件的每个阵列具有在一侧的平坦表面以及在另一侧的凸形轮廓表面。

5.如权利要求1或者2所述的自动立体显示设备，其中所述平行凸透镜元件的第一和第二阵列中的平行凸透镜元件彼此平行。

6.如权利要求1或者2所述的自动立体显示设备，其中所述平行凸透镜元件的第一和第二阵列中的平行凸透镜元件彼此不平行。

7.如权利要求1或者2所述的自动立体显示设备，其中所述电光材料包括液晶材料。

8.如权利要求1或者2所述的自动立体显示设备，其中所述电光材料布置在透明电极之间，所述电极用于将所述电势施加到所述电光材料。

9.如权利要求1或者2所述的自动立体显示设备，其中所述设备还可进行操作来控制所述平行凸透镜元件的所述阵列，以便这些阵列都不提供所述光输出引导功能，由此向所述自动立体显示设备提供二维显示模式。

10.如权利要求1或者2所述的自动立体显示设备，其中所述显示面板是液晶显示面板，或者有机发光二极管显示面板。

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