CN101361375B - 高分辨率场序式自动立体显示器 - Google Patents

Abstract

提供了一种高分辨率场序式自动立体显示器。显示器包括：显示器面板，包括显示图像的显示器组件；双凸透镜阵列，从显示器面板接收信号，并向观看者的双眼输出将被观看的定向信号；各向异性组件，被布置为平行于双凸透镜阵列并从双凸透镜阵列输出相位交替信号；偏振开关，根据显示器面板的图像刷新速率切换各向异性组件的输出相位；和偏振器，输出具有在偏振开关的输出信号的相位中的预定相位的信号。自动立体显示器提供可无需眼镜地观看的全分辨率立体图像。在不严重地增加闪烁或者左图像和右图像之间的串扰的情况下，可将传统的低成本TN LCD面板应用于自动立体显示器。

Description

高分辨率场序式自动立体显示器

技术领域

本发明涉及用于电视机的通常以平板的形式制造的自动立体显示器。

背景技术

在电子成像中图像分辨率是最重要的特性之一。然而，当将传统的自动立体成像方法应用于平板显示器时，会损失水平分辨率。

传统方法采用视差栅栏(parallax barrier)或者双凸透镜(1enticular lens)或者光带阵列作为液晶显示器(LCD)面板的背光，以分离立体像对的左图像和右图像的观看区，并因此通过观看者的右眼和左眼提供左图像和右图像的选择性观看。

传统地，立体像对的两个图像被显示在同一图像面板的不同组的列，例如，左图像在奇数列上，右图像在偶数列上。因为左右图像被显示在同一面板上，所以每个图像的分辨率比整体面板分辨率的一半。

存在两种不同的方法来获得与面板的原始分辨率相同的立体图像的分辨率。一种方法包括：顺序地显示全分辨率的左图像和右图像。该方法的实施例在第5,465,175号美国专利、第6,014,164号美国专利、第6,069,650号美国专利的图33以及第2001-66547号日本专利中被公开。因为观看者的每只眼睛周期性地看到黑屏，所以该方法需要很快的面板速度。即，成像面板的低帧速率引起图像闪烁。为了避免闪烁，面板刷新速率应当为大约100-120Hz或者更高。在一帧中显示器面板的相同组的像素显示左图像，并且在下一帧显示右图像的事实也需要很快的面板响应时间。快速响应时间导致高串扰，即，右眼看到左图像或者相反的情况。为了减少左右图像之间的串扰，图像余辉应当大大小于帧周期。残留串扰可相当严重地劣化立体图像的效果。因为当前基于扭曲向列(TN)液晶的LCD技术不提供短时间余辉，所以第6,069,650号美国专利建议使用基于铁电液晶(FLC)的面板。然而，因为大尺寸的FLC面板的造价很高，所以现在没有生产大尺寸的FLC面板。

在第5,606,455号美国专利的图8、第4,457,574号美国专利和第2004-325494号日本专利中公开的另一种显示高分辨率立体图像的方法需要顺序地显示较低分辨率的交织图像的互补对。由于人类视觉的余辉，顺序显示的具有全分辨率的一半的两幅交织的图像可被感觉为一幅高分辨率图像。例如，左图像或者右图像的奇数列可被顺序地显示在相应偶数列，因此可感觉为一幅高分辨率图像。因为左右眼在任意点都能及时看到屏幕上的图像，所以该显示立体图像的方法对面板的帧速率比较不敏感。交织的图像即使分别在像美国电视系统委员会(NTSC)中和逐行倒相(PAL)电视系统中的60Hz和50Hz场频率下也可以满意地观看。

为了在传统自动立体显示器中顺序显示奇数列和偶数列，左右图像应当被用于LCD面板的相同组。例如，为了显示左图像的奇数列，左图像被用于显示器面板的奇数列，但是在下一周期，为了在面板上显示左图像的偶数列，则对列进行切换，从而使面板的相同奇数列显示右图像。然而，因为面板的有限响应时间，奇数列中的左右图像不能被及时交换，导致左眼看到右图像以及相反的情况。这种通常被称作“串扰”的不期望的现象严重地劣化立体图像的质量。

另一种与当前场序式自动立体技术相关的缺点在于LCD面板使用的图形数据不能在整个面板上被立即刷新的事实。这是一种逐行的刷新，如果与传统的做法一样背光在连续波(CW)模式下运行，则这是发生串扰的另一原因。

面板的速度不够高不会像第一种情况那样地劣化图像质量。即，面板的速度不够高降低了微小细节的对比度，但不会引起左右图像之间的串扰。

近来，对快速响应LCD面板的开发已经提供了通过时间复用两个低分辨率的图像场(field)来显示具有全面板分别率的立体图像的新机会。为了提供帧序显示，产生可选择观看的装置应当可在至少两种状态下切换。例如，第5,457,574号美国专利公开了一种具有可切换背光的场序式自动立体显示器。在公开的技术中，3D显示器包括：定向背光、后侧双凸板和能够以无闪烁观看所需的刷新速率的至少两倍高的刷新速率(例如，60-120Hz)来刷新图形信息的液晶面板。背光包括至少两个单独的光源或者布置有可切换遮光板的单个光源，从而可通过图形数据刷新来同步切换光源的有效水平位置。因为观看区的位置通过光源位置被确定，所以观看者的每只眼睛可顺序感觉到用不同组的像素显示的图像，因此看到全分辨率图像。以上技术提供了一种对基于定向背光(比传统漫射背光更大尺寸和制造工艺更复杂的背光)的显示器的问题的解决方案。使用漫射背光的解决方案的示例在第2004-325494号日本专利中被公开。公开的解决方案采用了平板、前侧视差栅栏(PB)和位于观看者和PB之间的光偏转器。该偏转器周期性地使用PB改变显示器面板的可视位置，因此使3D模式下的显示器的可用分辨率加倍。该解决方案的缺点在于宽开口的偏转器造价高昂和PB中损失大量光。

采用散射背光的解决方案的另一示例在第6,069,650号美国专利的图33中被公开。该公开的解决方案采用了被用作快速LCD面板的背光的可切换的定向光源。该定向光源包括漫射背光，电可寻址空间光调制器(SLM)和双凸透镜阵列。

因为公开的显示器中的左右图像以帧序方式被显示，所以每只眼睛接收黑屏和相应的左图像或者右图像之间交替的序列。为了避免闪烁，显示屏面板的帧速率应当至少在100-120Hz。前述解决方案的另一问题是传统薄膜晶体管(TFT)LCD面板不能直接被应用于具有公开的结构的显示器，原因如下。控制TFT LCD面板，从而顺序地输入到显示器的左右图像不能被实际地顺序显示。LCD屏幕上的图像在几乎整个帧周期内被逐行刷新，从而连续图像的两个不同的部分几乎同时被显示在屏幕上共享屏幕，如第6,069,656号美国专利的图33所示。例如，在屏幕的下部显示右图像的同时屏幕的上部显示左图像。图33显示了在刷新周期T的不同时刻取样的LCD面板的状态。如果SLM切换即刻切换整个定向背光的偏振，则上述数据刷新方法可导致严重的串扰。另一个问题是也导致串扰的SLM切换的有限速度。串扰的另一起源是LCD面板成像单元的有限切换速度。因为由于切换处理的速度不够快导致出现后两种串扰。为了解决上述问题，前述显示器基于作为快速LCD装置的FLC类型成像面板和FLC类型SLM。然而，由于FLC平板造价高昂，所以现在不生产FLC平板。此外，基于FLC技术的大型偏振开关的造价也很高。另一方面，近来对基于TN型液晶的快速LCD面板的改进已经提供了时序自动立体显示器的新机会。期望能找到一种在高分辨率自动立体显示器中使用廉价的成像和切换液晶面板的方法。这些面板基于对具有可与LCD面板的帧周期相比的切换时间的传统液晶材料的使用。

图1是在第5,606,455号美国专利的图8中公开的技术的简易示图。假设没有在附图中示出的背光单元交替地产生两组辅助光源，该光源被形成为位于平面12中的明亮的垂直奇数行和偶数行，并且可与LCD面板的刷新同步地从奇数行切换到偶数行，反之亦然。每一行作为兰伯特(lambertian)光源。LCD面板11距所述光源特定距离，以从观看平面13提供立体观看区。

在特定周期内，LCD面板11显示图1A中的字母R和L指示的交替注册的左右图像的奇数列。LCD单元调制来自奇数光源的光(偶数行被“关闭”)，从而观看者的右眼只接收通过右图像列的光，左眼只接收通过左图像列的光，因此产生立体视觉。在下一周期中(见图1B)，先前显示右图像的列被激活以显示左图像，反之亦然。这种新的图形数据代表左右半分辨率图像的偶数列。还对光源进行切换，从而“开启”偶数行并“关闭”奇数行。观看者看到通过左右列调制的来自偶数行的光，并且行的位置与在前一帧中的位置相交织。由于人类视觉的余辉，顺序地显示的奇数和偶数的半分辨率场感觉像一幅全分辨率立体图像。

发明公开

技术问题

由于TN LCD面板的有限响应时间，列中的左右图像不能被立即交换，从而导致左眼看到右图像以及相反的情况。这种被称为串扰的不期望的现象严重地劣化立体图像的质量。

与前述技术相关的另一缺点在于LCD面板上的图形数据不能在整个面板上被立即刷新的事实。这是一种逐行的刷新，如果与传统的做法一样背光在CW模式下运行，则这是发生串扰的另一原因。

技术解决方案

本发明的示例性实施例克服了以上缺点和以上未描述的其他缺点。此外，本发明不需要克服上述缺点，本发明的示例性实施例可不克服上述任何问题。

本发明提供一种用于高分辨率立体显示器的廉价解决方案，该解决方案可减少闪烁、由面板的响应时间不够快引起的左右图像之间的串扰以及由对LCD面板上的图形数据逐行刷新导致的串扰。

根据本发明的一方面，提供了一种高分辨率场序式自动立体显示器，包括：显示器面板，包括显示图像的显示器组件；双凸透镜阵列，从显示器面板接收信号并为观看者的双眼提供定向信号；各向异性组件，被布置为平行于双凸透镜阵列，并从双凸透镜阵列输出相位交替信号；偏振开关，根据显示器面板的图像刷新速率切换相位改变的信号的输出相位；和第二偏振器，输出具有在偏振开关的输出信号的相位中的预定相位的信号。

快速相应显示器面板可包括：LCD显示器面板，设置有背光单元；和第一偏振器，使从LCD显示器面板输出的光束中具有预定相位的光束通过。

所述第一偏振器和第二偏振器彼此平行或者垂直相交。

所述各向异性组件可包括微延迟器板。

所述微延迟器板可包括等宽的带状区域，并且所述微延迟器板具有交替的半波延迟器和零延迟器，所述偏振开关可将微延迟器板的输出相位反转。

所述双凸透镜阵列可被布置为与显示器面板的显示组件的行平行，并且每个双凸透镜阵列包括覆盖一行中的两个显示组件的双凸透镜。

微延迟器板的带状区域的宽度可对应于双凸透镜宽度的一半。

所述显示器还可包括：显示器控制器，将图像信号提供给显示器面板。

所述显示器还可包括：偏振开关控制器，控制偏振开关的切换。

所述偏振开关控制器可以以显示器控制器提供的刷新速率的一半来切换偏振开关。

有益效果

附图说明

通过以下结合附图对本发明特定示例性实施例的详细描述，本发明的以上和/或其他方面和特征将变得更加清楚，其中：

图1A和图1B是传统显示方法的简单示意图；图1A示出了显示器的初始周期，图1B示出了图1A描述的初始周期后的一个周期；

图2是根据本发明示例性实施例的自动立体显示器的展开图；

图3是图2的自动立体显示器的平面图；

图4A和图4B示出了根据偏振开关的每个切换状态的图2的自动立体显示器的显示操作；

图5A示出了用于显示3D图像的图形数据的排列；

图5B示出了屏幕上3D图像的图形布局；

图6A示出了2D图像的图形数据的排列；

图6B示出了屏幕上2D图像的图形数据的布局。

具体实施方式

将参照附图更全面地描述本发明，本发明示例性实施例在附图中被示出。然而，本发明可以以许多不同的形式被实施并且不应被解释为局限于这里所述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例从而本公开将会彻底和完整，并将完全地将本发明的构思传达给本领域的技术人员。图中的相同的标号指示相同的部件，因此将不对其进行重复描述。

图2是根据本发明示例性实施例的自动立体显示器的展开图。高分辨率自动立体显示器包括：显示器面板21，例如，可以是LCD面板；第一偏振器23，形状像凸透镜并且可以是LCD面板的输出偏振器；双凸透镜阵列24；各向异性组件的线性阵列，诸如微延迟器板(microretarder)25；偏振开关26；和第二偏振器27。

图3是图2的自动立体显示器的平面图。

显示器面板21显示图像并且包括图像组件的行和列。当显示器面板21是LCD面板时，背光(未示出)通常被附着在显示器面板21的后侧，并且为显示器面板21的图像组件进行照明。在显示器面板21上显示的图像可与背光光束一起作为信号被发送。图像由显示器控制器28产生并被显示在显示器面板21上。

第一偏振器23被安装在显示器面板21上，并且其中通过(偏振)从显示器面板21输出的光束中具有特定相位的光束。当显示器面板21是LCD面板时，第一偏振器23通常被附着在LCD面板的输出面，或者作为LCD面板的输出面的一部分。

双凸透镜阵列24被布置在第一偏振器23的后侧，并且确定从第一偏振器23输出的光束的方向，即观看者的左眼或者右眼观看的方向。每个双凸透镜板包括多个双凸透镜。在这种情况下，双凸透镜的数量必须是显示器面板21的一行中包括的像素数量的一半，从而一个双凸透镜可以覆盖显示器面板21上彼此平行的两个像素。本领域普通技术人员可以确定每个透镜的节圆半径(pitch radius)和每个透镜与显示器像素之间的距离，即，焦距。

诸如微延迟器25的各向异性组件的线性阵列被布置为与双凸透镜阵列24平行，并且微延迟器25对从双凸透镜阵列24输出的光束进行相位交替(phase-alternate)，并输出相位交替的光束。

第二偏振开关26对从微延迟器25输出的光束的偏振状态进行反转。第二偏振开关26由偏振开关控制器29进行切换。偏振开关控制器29根据图像数据的刷新速率来从显示器控制器28接收同步脉冲，并且以所述刷新频率的一半改变连接到其的偏振极性，从而完成偏振切换。

第二偏振器27输出与从第一偏振器23输出的光束平行或者垂直相交的光束。

将图形信号(图像信号)发送到显示器面板21的显示器控制器28能够以至少比避免图像闪烁所需的刷新速率高2倍的高刷新速率(例如，120Hz)来刷新图形数据，并且向偏振开关控制器29发送同步脉冲，所述偏振开关控制器29能够以一半的刷新频率速率同步地将偏振开关26在ON和OFF间切换。所有平面组件以图3中平面图所示的平板的形式被附着在一起，并且显示组件的列、双凸透镜阵列和各向异性组件的线性阵列以彼此平行的方式对齐。

可以假设第一偏振器23和第二偏振器27被彼此平行地布置，并且选择的偏振方向是垂直。微延迟器25被形成为双折射带，并且每个双折射带的宽度等于透镜阵列24的节距(pitch)的一半。

应用于高分辨率图像的带的数量N可根据需要而改变。在最简单的情况下，带的延迟是正或负的半中心波长(在图中以阴影线示出)，其他带的延迟(在图中以实线示出)为0，即，相应区域是各向异性的。

例如，当微延迟器25包括5个区域并且使用第二偏振开关26时，串扰可被减少到11％。带区域与面板的行平行对齐，从而偏振开关的每个区域控制显示器的相应区域。区域的数量可以相应于与面板的行数(例如，1024)相同的区域的数量在5到10之间变化。建议行可被定向为水平方向和垂直方向。为了提供更宽的视角中的更好的对比度，通常包括电可控制微延迟器25的第二偏振器27应当从第一状态下的零延迟切换到与双折射带的延迟相反的延迟。

图4A和图4B示出了根据偏振开关的每个切换状态的自动立体显示器的显示操作。

参照图4A，在特定时刻，偏振开关(PS)的区域被关闭，并且以交替属于如图5A中标号53所指示的立体对的右图像和左图像的像素的列的形式在显示器面板中显示图像。LCD显示器面板21的每个像素以垂直偏振来发出偏振的光线。因为双凸透镜阵列24的所有右侧部分(图4A中的上部)用半波微延迟器25来覆盖，因此，通过透镜的右侧部分的垂直偏振的光束的偏振被改变为水平，并被第二偏振器27延迟。意思是每个透镜的右侧部分对于观看者是可见的，就如在图5B中的55中显示的深色垂直线。同时，通过该双凸透镜的左侧部分的微延迟器板的各向异性带的光线(该光线通过双凸透镜的左侧部分(图4A中的下部))保持了该光线的垂直偏振并且不被第二偏振器27阻挡。因为来自显示左图像的奇数列和显示右图像的偶数列的光束被指引向观看区的不同点，所以观看者用其左眼看到左图像，用其右眼看到右图像，因此感觉到立体感。在显示周期的前一半，用每个透镜的左半部分以一半的面板分辨率显示右图像和左图像。事实上，在周期的前一半中，只显示左图像和右图像的奇数列。

上述情况持续成像面板的一个刷新周期，即，根据帧速率在1/50到1/120秒期间。在图4B中示意性地显示下一周期内的显示器的操作。

显示器控制器28相应于高分辨率图像的偶数列，将立体图像的下一帧发送到显示器面板21。同时，偏振开关控制器29将控制电压应用于第二偏振开关26，并且第二偏振开关26将输入光的偏振改变为垂直。因为第一偏振器23和第二偏振器27彼此平行，所以第二偏振器27现在阻挡通过微延迟器板的各向异性区的光线。这导致在通过左侧的光被阻挡时，观看者的左右眼看到通过每个双凸透镜的右侧的光。如前所述，观看者的左右眼仅从相应地显示左右图像的显示器面板21的列接收光，然而现在光仅通过每个透镜的右半侧。因此，在周期的后一半，观看者还看到半分辨率立体图像，但这些图像由双凸透镜的右半侧显示，所述图像关于在周期前一半中使用的左半侧被移动到透镜间距的一半。因为刷新周期短于人类眼睛的余辉，所以顺序以一半的全分辨率显示的2个交织的场可被感觉为一幅全分辨率图像。如在显示运动画面中所讨论的，TN TFT面板的慢响应导致自动立体显示器中的相同问题，即，分辨率损失。在大量生产的LCD面板实现的4ms甚至3ms的响应时间可允许很小的分辨率损失。近来，在使用黑图像插入、闪烁背光控制的以及LCD面板中的可选补偿弯曲(OCB)模式的运动画面方面，LCD面板的发展也提高根据本发明的显示器的性能。

在图5A中显示了显示3D图像的图形数据的布置。例如，由其中以2N列布置分辨率组件的两幅全分辨率图像51和52表示的一幅立体图像可从不同视点(左和右)用两个照相机或者摄像机拍摄。这两幅图像还可使用具有适当图形软件包的计算机来设计。全分辨率显示的图像应当被表示为奇数场和偶数场。奇数场是立体对53的与相应右图像的奇数列交替的左图像的奇数列的组合，偶数场是立体对54的与相应右图像的偶数列交替的左图像的偶数列的组合。

图5B示出了屏幕上3D图像的图形布局。

在显示周期的所述一半中，显示奇数场53，并且由于双凸透镜动作，所以左眼仅从表示左图像的列接收光，右眼仅从表示立体对右图像的列接收光。因为如上所述每个透镜的一半被阻挡，所以观看者看到具有奇数黑色列(即，他们不携带任何图形信息)的显示器的屏幕55。在显示周期的后一半中，观看者看到左图像和右图像的偶数列。因为场接收速率比人类眼睛的余辉快很多，所以顺序地以全分辨率的一半显示的交织的场可被感觉为全分辨率图像。

显示器可仅通过改变内容的布置来切换到2D模式。图6A示出了2D图像的图形数据的布置。

为了将显示器切换到2D模式，图形数据应当被以图6A中所示的方式来布置，即，应当使用2D图像61的两倍的奇数列来布置具有一半分辨率的奇数帧62，应当使用2D图像的两倍的偶数列来布置偶数帧63。

图6B示出了屏幕上2D图像的图形数据的布局。

在2D模式中，观看者的左眼和右眼都从两倍的列接收相同图形数据。因为如上所述每个透镜被阻挡了一半，所以观看者看到具有奇数黑色列(即，它们不携带任何图形信息)的图6B的显示器的屏幕64。

还可以使用具有与垂直延长区域相同形状和位置的具有图案化的偏振旋转器来代替微延迟器板，所述具有图案的偏振旋转器能够随各向异性区域变化以90度旋转入射光的偏振。设置有具有图案化的偏振旋转器的显示器的操作原则上与采用上述微延迟器板的操作相似。

因为2D或者3D显示器操作只取决于图形数据内容，所以显示的图像可以由2D和3D部分构成，因此在保留正常文本的同时提供医学或者科学3D图形数据的CAD 3D图像的更自然的示图。此外，2D和3D图形图像的组合可被用于医学成像、计算机游戏、广告和其他类型的计算机应用程序。运动3D图形对象还可由2D静止或者运动显示的图像构成。

产业上的可利用性

根据本发明示例性实施例的自动立体显示器提供可无需眼镜地观看的全分辨率立体图像。在不严重地增加闪烁或者左图像和右图像之间的串扰的情况下，可将传统的低成本TN LCD面板应用于自动立体显示器。

Claims (11)

1.一种高分辨率场序式自动立体显示器，包括：

显示器面板，包括显示图像的显示组件；

双凸透镜阵列，从显示器面板接收信号并向观看者的双眼输出定向信号；

各向异性组件，接收定向信号并输出相位交替的信号；

偏振开关，根据显示器面板的图像刷新速率切换相位交替的信号的相位；

第二偏振器，接收偏振开关的输出信号，并输出具有设置的相位的信号；

偏振开关控制器，控制偏振开关的切换，其中，偏振开关控制器以显示器面板的图像刷新速率的一半来切换偏振开关。

2.如权利要求1所述的显示器，其中，各向异性组件被布置为与双凸透镜阵列平行。

3.如权利要求1所述的显示器，其中，显示器面板是具有快速响应时间的液晶显示器面板，并且所述显示器面板还包括：

背光单元；和

第一偏振器，使从液晶显示器面板的显示组件输出的光束中具有特定相位的光束通过。

4.如权利要求3所述的显示器，其中，所述第一偏振器和第二偏振器彼此平行或者垂直相交。

5.如权利要求1所述的显示器，其中，各向异性组件包括微延迟器板。

6.如权利要求5所述的显示器，其中，微延迟器板包括等宽的带状区域，并且所述微延迟器板具有交替的半波长延迟器和零延迟器。

7.如权利要求6所述的显示器，其中，偏振开关将微延迟器板的输出相位反转。

8.如权利要求1所述的显示器，其中，双凸透镜阵列被布置为与显示器面板的显示组件的行平行，并且双凸透镜阵列包括覆盖一行中的两个显示组件的双凸透镜。

9.如权利要求6所述的显示器，其中，微延迟器板的带状区域的宽度对应于双凸透镜宽度的一半。

10.如权利要求1所述的显示器，还包括：显示器控制器，将图像信号提供给显示器面板。

11.如权利要求10所述的显示器，其中，显示器控制器的刷新速率是避免显示器面板中的图像闪烁所需的刷新速率的至少两倍。

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