CN101473662A - 用于自动立体显示器的高速显示器快门 - Google Patents

Abstract

一种用于自动立体显示器的快门，所述快门包括：第一可转换缝隙阵列，从实质上的透光状态到实质上的不透光状态有较快的转换时间；以及第二可转换缝隙阵列，从实质上的不透光状态到实质上的透光状态有较快的转换时间，其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列至少部分地重叠。

Description

用于自动立体显示器的高速显示器快门

技术领域

本发明涉及一种快门。在实施例中这种快门适用于自动立体显示器。操作时，这种快门的实施例用于在光学透光状态与光学不透光状态之间转换。

在替代性实施例中，这种快门操作为在光学传输的不同级别之间转换。这种操作可以看作在灰度等级的不同级别之间的转换。

背景技术

特别适合本文所述快门的自动立体系统即PCT申请PCT/IB2005/001480中所述的时间复用系统。但是，这种快门也适合于要求高转换速度和高对比度的所有应用。

自动立体显示器或者3D显示器可以通过将用于显示二维图像的高帧率屏幕与快速转换快门同步来实现。如果屏幕上的每个帧都与相应的狭缝(slit)同步，并且图像和狭缝以很快的速度(通常在50Hz以上)运行来避免闪烁，就能产生3D图像。

图1示出自动立体显示器的原理。如图所示，当通过快门的一个打开的狭缝观看屏幕时，每只眼睛看见屏幕的不同部分，所以每只眼睛看见屏幕上显示图像的不同部分。当狭缝1打开时屏幕上显示图像1。类似地，当显示帧2时，狭缝2打开。如果很快地重复这个过程，使得每个狭缝可以看作是不闪烁的，那么整个快门就能为3D景物提供一个窗口。假定显示的各个图像表示通过每个狭缝的正确透视图。作为实例，如果闪烁率为60Hz，那么12个狭缝的快门要求显示器刷新率达到720Hz。

发明内容

根据本发明的一个方案，提供一种用于自动立体显示器的快门，所述快门包括：

第一可转换缝隙阵列(switchable aperture array)，从实质上的透光状态到实质上的不透光状态转换时间较快；以及

第二可转换缝隙阵列，从实质上的不透光状态到实质上的透光状态转换时间较快，

其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列至少部分地重叠。

所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列可以对准。所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列可以重叠。所述第一可转换缝隙阵列和所述第二可转换缝隙阵列可以配置为使得通过所述第一可转换缝隙阵列的缝隙中心和所述第二可转换缝隙阵列的缝隙中心的线与所述两个缝隙的表面垂直。所述第一可转换缝隙阵列和所述第二可转换缝隙阵列可以配置为相对偏移。

所述第一可转换缝隙阵列可以设置在所述第二可转换缝隙阵列与所述二维显示器之间。或者，所述第二可转换缝隙阵列可以设置在所述第一可转换缝隙阵列与所述二维显示器之间。所述二维显示器可以是投影仪的屏幕。所述投影仪可以使用DMD。

根据本发明的一个方案，提供一种操作所述快门的方法，所述方法包括：

将所述第一可转换缝隙阵列配置为实质上的透光状态；

将所述第二可转换缝隙阵列配置为实质上的不透光状态；

将所述第二可转换缝隙阵列从实质上的不透光状态转换为实质上的透光状态，使得所述快门的一部分实质上透光，以及

将所述第一可转换缝隙阵列从实质上的透光状态转换为实质上的不透光状态，使得所述快门的一部分实质上不透光。

根据本发明的一个方案，提供一种操作所述快门的方法，所述方法包括：

使得所述快门的一部分实质上透光，通过：

将所述第一可转换缝隙阵列的第一组相邻缝隙转换为透光；

将所述第二可转换缝隙阵列的第二组相邻缝隙转换为透光；

其中所述第一组相邻缝隙与所述第二组相邻缝隙相对，所述第二组相邻缝隙包括的缝隙数量比所述第一组相邻缝隙的更多。

所述第一组缝隙与所述第二组缝隙可具有共同的中心轴。所述第一组缝隙和所述第二组缝隙可以在一个方向上横向地偏移，该方向与缝隙长度垂直以及与包含缝隙的平面垂直。

所述第一可转换缝隙阵列具有第一下降时间，用于从实质上的不透光状态转换为实质上的透光状态。所述第二可转换缝隙阵列具有第二下降时间，用于从实质上的透光状态转换为实质上的不透光状态。所述第一下降时间与所述第二下降时间可以相同。所述第一下降时间与所述第二下降时间可以不同。所述第一下降时间与所述第二下降时间可以不同，并且其中一个可转换缝隙阵列比另一个可转换缝隙阵列的对比率更高。在这种情况下，修改转换方案以改善快门的对比率。这可以通过使得具有更高对比率的可转换缝隙阵列实质上不透光来实现，其中任一个可转换缝隙阵列都能用于使得所述快门的一部分实质上不透光。

所述方法可减少条纹图案(striping)的出现。对于给定的子帧，当通过快门的两个相邻透光部分的视野(field of view)太窄，因此有一部分屏幕看不到时，出现条纹图案。在屏幕可见部分的任一侧的空间，观察者看见关闭的快门。如果观察者离侧边太远，就只能看到关闭的快门，显示器就会显示黑色。如果观察者部分地看见屏幕的可见部分和部分地看见关闭的快门，则扫描了所有子帧后的总景象在图像上将是黑条纹(stripe)。观察者也可能部分地看见关闭的快门，这种情况下条纹是灰色的。显示器的这种赝象(artefact)称为条纹图案。

在双重可转换缝隙设备中，通过将缝隙打开次序最优化，使得一个可转换缝隙阵列比另一个可转换缝隙阵列中打开的可转换缝隙数量更多时，对于给定的屏幕带宽可以将条纹图案最小化。

通过将与直接伪影以及以一个角度伪影相关的成本函数(cost function)最小化来确定打开缝隙的次序。相邻快门连续打开可导致直接伪影(straighton ghosting)，使得限定第一打开快门边缘的缝隙必须在第二快门打开之前，通过在实质上的透光与实质上的不透光之间进行慢转变，从而改变状态。最接近的快门连续打开可导致以一个角度伪影，使得靠近第一打开快门边缘的缝隙必须在第二快门打开之前，通过在实质上的透光与实质上的不透光之间进行慢转变，从而改变状态。最接近的快门可以分开一个或更多个缝隙。

成本函数还可以考虑条纹图案。通过将成本指定为第一可转换缝隙阵列中打开的缝隙数量与第二可转换缝隙阵列中打开的缝隙数量的比，成本函数可以解决条纹图案。这个比越接近1，条纹图案效应越强。

实施例中这个比为3，因此对于快门中的打开狭缝，第一可转换缝隙阵列中打开一个缝隙，第二可转换缝隙阵列中就打开三个缝隙。本实施例中第一可转换缝隙阵列中的一个打开缝隙配置为与第二可转换缝隙阵列中三个打开缝隙的中间缝隙对准。

为了改变自动立体显示器的特性，可以改变这个比。这个比越接近1，条纹图案效应越强。这个比越远离1，产生伪影效应的可能性越大。可以改变打开缝隙的次序来改变条纹图案效应和伪影效应。可以将打开缝隙的次序最优化来减少条纹图案效应和伪影效应。

为了改变自动立体显示器的光学特性，可以改变打开快门的打开缝隙的数量。更宽的狭缝减少了深度场，但是增加了亮度和分辨率。更窄的狭缝增加了深度场，但是降低了亮度和分辨率。

为了将显示器用于不同目的，可以改变自动立体显示器的光学特性。这些目的例如有：由单人观看、由多人从宽视角观看、提供详细的静态图像、以及提供快速移动图像。

第一可转换缝隙阵列从实质上的不透光状态到实质上的透光状态可具有较慢的转换时间。

第二可转换缝隙阵列从实质上的透光状态到实质上的不透光状态可具有较慢的转换时间。

第一可转换缝隙阵列和第二可转换缝隙阵列可包括LCD缝隙阵列。

每个缝隙阵列可包括多个平行的可转换缝隙。

每个缝隙阵列的每个缝隙可以在实质上的透光状态与实质上的不透光状态之间转换。

第一可转换缝隙阵列的缝隙可以与第二可转换缝隙阵列的缝隙平行。第一可转换缝隙阵列的缝隙可以与第二可转换缝隙阵列的缝隙对准，从而重叠。

第一可转换缝隙阵列和第二可转换缝隙阵列可以配置为使得第一可转换缝隙阵列的表面与第二可转换缝隙阵列的表面相对，其中所述快门还包括：第一起偏振器，配置在第一可转换缝隙阵列的与其朝向第二可转换缝隙阵列的表面相反的表面上；以及第二起偏振器，配置在第二可转换缝隙阵列的与其朝向第一可转换缝隙阵列的表面相反的表面上。

第三起偏振器可配置在第一可转换缝隙阵列与第二可转换缝隙阵列之间。

第一可转换缝隙阵列与第二可转换缝隙阵列可包括液晶显示器(LCD)单元。每个LCD单元可包括平面对准液晶材料。每个LCD单元可具有定向器。

快门可包括：

顶部起偏振器，成135度；

带定向器的第一LCD单元，成90度；

中间起偏振器，成45度；

带定向器的第二LCD单元，成0度；以及

底部起偏振器，成45度。

中间起偏振器通过保证进入第二LCD单元的光线正确的偏振，改善快门性能。中间起偏振器充当净化滤光片。

第二可转换缝隙阵列为常黑(即不透光)。第二可转换缝隙阵列可包含液晶和染料。染料增加处于实质上不透光状态的第二可转换缝隙的不透光性。染料通过吸收光线来做到这一点。

快门可包括补偿单元。补偿单元包括液晶层，该液晶层与第二可转换缝隙阵列的液晶层厚度相同。

快门可包括补偿滤光片。补偿滤光片包括延迟膜，延迟膜的光学特性与第二可转换缝隙阵列的光学特性匹配。

第一可转换缝隙阵列和/或第二可转换缝隙阵列可包括下列项的其中之一：平面对准液晶、垂直对准液晶、以及扭曲排列的向列相液晶。

第一可转换缝隙阵列和/或第二可转换缝隙阵列可采用双频液晶。第一可转换缝隙阵列和/或第二可转换缝隙阵列可采用电控制表面。

第一可转换缝隙阵列可包括平面对准液晶，第二可转换缝隙阵列可包括垂直对准液晶或者扭曲排列的向列相液晶。

当第一可转换缝隙阵列中的一个或多个缝隙透光，并且第二可转换缝隙阵列中与此相邻的一个或多个缝隙透光时，快门打开。通过改变第一可转换缝隙阵列和第二可转换缝隙阵列中透光缝隙的数量，可以修改视角，从而获得打开的快门。打开快门的透光缝隙越少，获得的视角越小。打开快门的透光缝隙越多，获得的视角越大。

第一可转换缝隙阵列和第二可转换缝隙阵列形成快门阵列。快门阵列与显示器屏幕一起形成显示器设备。为了不同的目的，可提供配置以改变显示器屏幕与快门阵列之间的间隔，以改变显示器设备的特性。该配置可以是简单的电机械配置，包括马达、蜗轮以及显示器设备每个角部的架子。

根据实施例，提供一种用于自动立体显示器的快门，所述快门包括：第一可转换缝隙阵列；以及第二可转换缝隙阵列。

根据实施例，第一可转换缝隙阵列从实质上的透光状态到实质上的不透光状态有较快的转换时间，从实质上的不透光状态到实质上的透光状态有较慢的转换时间。此外，第二可转换缝隙阵列从实质上的透光状态到实质上的不透光状态有较慢的转换时间，从实质上的不透光状态到实质上的透光状态有较快的转换时间。

因此，各实施例提供两个缝隙阵列的组合体，一个重叠在另一个上。缝隙阵列经过配置和转换，使得快门通过其中一个缝隙阵列的快速转变，从第一状态转变为第二状态；以及使得快门通过其中另一个缝隙阵列的快速转变，从第二状态转变为第一状态。通过这种方式，快门被设置为在第一状态与第二状态之间的两种转变方式中都具有快的转换时间。在第一状态中快门的一部分可实质上透光。在第二状态中快门的一部分可实质上不透光。

根据实施例，提供一种用于自动立体显示器的快门，所述快门包括：第一可转换缝隙阵列；以及第二可转换缝隙阵列，其中第一可转换缝隙阵列与第二可转换缝隙阵列至少部分地重叠。当观看自动立体显示器的用户观察时，第一可转换缝隙阵列与第二可转换缝隙阵列可以至少部分地重叠。

根据上述实施例的快门提供一种自动立体显示器设备，允许再现对比度高、无闪烁、没有伪影的清晰3D图像。

在下述实施例中，在快门中使用液晶显示器(LCD)技术。但是，对于读者而言显而易见的是，其他显示器技术也适用于实现下述原理，不脱离本发明的范围。

各实施例提供一种快门，能足够快地在不透光与透光之间以及在透光与不透光之间进行转换，因此这种快门可用于自动立体显示器设备。快门使用LCD技术。液晶通常有一个快转变和一个慢转变。快门的快速转换通过使用双重缝隙阵列配置来实现，在双重缝隙阵列配置中，快转变用于快门的一部分在不透光与透光之间的转变，以及在透光与不透光之间的转变。

各实施例还提供一种操作双重缝隙阵列快门的方法，其中将缝隙的快转变用于所有或者基本上所有或者至少是大部分的快门状态在不透光与透光之间的转变。

各实施例提供一种快门，可控制快门的缝隙元件以提供狭缝特性范围。因此，提供的快门可用于不同的光学配置，因此可用于不同的观察配置。当改变快门特性时，必须修改所提供的用于在屏幕上产生图像的方法，以响应狭缝特性的变化。

在实施例中，确定打开狭缝的次序，从而减少多余光学效应(例如条纹图案和伪影)的出现。通过将与每种效应相关的成本函数最小化来确定这种次序，如下文中所详细讨论的，每种效应的成本函数由对图像的负面影响的明显严重程度确定。

附图说明

下面参照附图通过实例描述本发明的非限制性实施例，附图中：

图1示出观察者通过快门观看屏幕；

图2示出理想单个狭缝的典型传输函数；

图3示出包括双重单元的快门的传输函数以及每个组成单元的传输函数；

图4示出双重单元快门的原理；

图5示出考虑保持时间时双重单元快门的传输函数；

图6示出使用延迟膜的六层双重单元；

图7示出包括常黑单元和常白单元的双重单元快门配置；

图8示出常黑单元、常白单元、以及包括常黑单元和常白单元的双重单元的传输函数；

图9示出用于驱动LCD的AC波形；

图10示出底板连接器的配置；

图11示出提供给具有接地底板的一个狭缝的信号；

图12示出双重单元快门对视角的影响；

图13示出改善了视角的双重单元快门配置；

图14示出用于连续子帧的打开的快门配置；

图15示出直接形成伪影(ghosting)的实例；

图16示出以一个角度形成伪影的实例；以及

图17示出比率r的不规则配置。

具体实施方式

单一单元快门

一种直接的方式是采用标准的单一单元(single cell)LCD快门。这种快门包括标准单元，即限制在两个约束板之间的液晶层，其能够快速地从黑暗转换为光亮和同样快地从光亮转换为黑暗。

图2示出理想的单个狭缝的典型传输函数。狭缝在t₁打开，在t₂关闭。两种状态之间转换的时间最好是无限快，但实际上是有限的时间。这个时间称为上升时间和下降时间，它设定了运行快门的最大速度。因为狭缝在转变过程中不能将光线完全阻挡，所以有一些光线泄漏，这导致产生暗淡的多余图像，称为鬼影。此外，由于这种转变泄漏，可以预料到总的图像对比度会有损失。降低对比度的另一个因素是，即使在稳定的黑暗状态下，LCD单元也不能有效地将光线百分之百地阻挡。

因此，有两个标准能够改善时间复用3D显示器的特性：

1.由黑暗到光亮和由光亮到黑暗之间短的转变时间，也就是短的上升时间和下降时间。

2.黑暗状态下的高对比度，以避免鬼影和总对比度低的情况。

实际上，因为下降时间受弛豫过程控制，所以大多数LCD的转换速度较慢。因此，大多数商用LCD面板不适用于时间复用3D。因为转换速度快、对比度高而证实为适用的技术是铁电液晶显示器(FLCD)。它的特性出色，但是制造困难，所以制造商基本上不用这种材料。

还有其他一些不成熟的技术有望适用于时间复用3D。有一种技术基于液晶中的铁电效应。这种技术有可能实现快速转换和高对比度。另一种技术采用双频液晶(DFLC)，通过在不同的频率下驱动它而不是让它缓慢驰豫，也能够实现快速转换。

目前快门技术的问题在于，LCD不能以无闪烁自动立体显示器设备所要求的高速度可靠地转换。

通常，LCD设备配置为在两种偏振状态下转换。一般，通过LCD设备还可以选择两种偏振状态之间的偏振度。在两种状态之间转换的时间有限。从第一状态转变为第二状态的时间称为上升时间，相反的转变时间称为下降时间。通常，下降时间是驰豫时间，它是确定快门转换最快速度的最重要因素。因为狭缝在转变过程中不能将光线完全阻挡，所以有一些光线泄漏。光线泄漏导致产生暗淡的多余图像，称为鬼影。此外，由于这种转变泄漏，可以预料到总的图像对比度会有损失。降低对比度的另一个因素是，即使在稳定的黑暗状态下，LCD单元也不能实现(exhibit)零传输。

显示器技术中的这些限制是生产自动立体显示器设备(允许再现清晰的3D图像，图像对比度高、无闪烁、没有鬼影)的可转换缝隙阵列的障碍。

双重单元快门

利用双重单元方案可以获得对比度高、上升时间和下降时间快、但是采用标准液晶材料(仅在一个方向上转换迅速)的快门。可以通过两个单独的液晶单元来构造这种快门，一个能快速从黑暗转变为光亮，另一个能快速从光亮转变为黑暗，如图3所示。

通过两个这样的单元协同工作，可以实现上升时间和下降时间都很快的合成传输函数。双重单元快门的原理如图4所示。如果没有电场，上部的常白单元用本领域术语来说是光亮的(通常称为“白”)。类似地，如果没有电场，常黑单元是不透光的(用本领域术语来说通常称为“黑”)。可能希望只有一对起偏振器：一个在入射平面、另一个在出射平面。实际上可以在两个单元之间放置第三起偏振器，充当净化滤光片，以保证光线进入下一个液晶单元时正确地偏振。有很多种起偏振器构造和液晶材料可以实现同样的上升时间和下降时间都很快的双重单元效果，但是只给出一个实例。假定光线进入所示双重单元的上部，并且每个单元由平面排列(PA)液晶材料构成，那么有一种可能的构造是：

1.成135度的起偏振器；

2.带定向器的LCD单元，成90度；

3.成45度的起偏振器；

4.带定向器的LCD单元，成0度；

5.成45度的起偏振器。

中间的起偏振器保证进入第二单元的光线的正确偏振状态。当偏振状态未知时，这在第一单元的转变过程中特别有用。

保持时间

有些液晶在转换时具有相关保持时间，能够将最下限设定为脉冲长度。

给出以下定义：

t_p＝被复制的理想矩形脉冲的长度

t_r＝上升时间，即液晶的最快转变

t_f＝下降时间，即液晶的最慢转变

t_h＝保持时间，即液晶驻留在同样状态的期间，或者是在完全改变状态之前，液晶状态改变小于10％的期间。

因为直到液晶从不透光转换为透光之前，它不能从透光转换为不透光，所以最小矩形脉冲的持续时间t_pmin＝t_r+t_h+t_f。增加一个第二快门可解决这个问题，如图5所示。这样，通过如下方式可以改善脉冲：

(i)使两个快门都处于不透光状态

(ii)设定其中一个快门(例如快门2)转换为透光的电压，

(iii)在设定快门1转换为透光的电压之前的时间t，设定快门2转换回透光的电压，时间t即组合透光脉冲将启动时。

可以设定时间t以选择矩形脉冲的长度t_pmin＝t_r+(t_h-t)+t_f。

常黑单元

与上述构造相关的一个挑战在于常黑(或不透光)单元。如果常黑单元要获得高对比度，它就要成为很好的半波片，这对于平面排列液晶来说难以实现。因此常黑单元与常白单元相比通常对比度低得多。有一些办法可以提升常黑单元的对比度性能。

1.向液晶中添加染料，通过吸收光线来改善黑暗状态。

2.在出射平面放置补偿滤光片或补偿单元。补偿单元可包括单元厚度和液晶特性与要转换的单元相同的单元。补偿滤光片可以是特性与要转换的单元的特性匹配的延迟膜。

3.对常黑单元采用垂直排列(VA)液晶构造，垂直排列液晶在这种配置中表现良好。

4.采用扭曲排列的向列相(TN)液晶单元。

延迟膜

对延迟膜的第一个要求是，延迟膜对光谱最敏感部分中的一个波长(约554nm)具有正确的延迟。对于最佳传输，延迟膜应当具有约277nm的延迟值。但是，延迟值也应当与液晶单元匹配，稍小的值意味着响应更快的更薄单元，损失了一些传输性能。

对延迟膜的第二个要求是，延迟应当对使用的液晶有类似的波长相关性。

对延迟膜的第三个要求是，延迟膜与液晶面板一起给出良好的角度相关性。这可以利用具有负双折射的材料来实现。如果延迟膜不是明确地设计为提供良好的角度特性，那么通过液晶和延迟膜的适当定向可以改善角度特性。例如，具有配向(rubbing)的面板、起偏振器和旋转45度的延迟膜能够降低水平方向上的角度相关性。图6示出利用延迟膜怎样制造双重单元。

根据上述实施例的延迟膜可以满足上述要求的任意组合。

图6示出采用延迟膜的6层双重单元。第一层是与对准轴成90度配置的起偏振器。第二层是平面对准(PA)单元，包括配置在上表面与下表面之间的液晶。上表面与对准轴配向成45度，下表面与对准轴抛光成225度。第三层是起偏振器，与对准轴平行。第四层是平面对准(PA)单元，包括上表面和下表面，上表面与对准轴抛光成135度，下表面与对准轴抛光成315度。第五层是延迟片，延迟片的慢轴与对准轴成45度配置。第六层是起偏振器，与对准轴成90度配置。

不同的响应时间和驱动方案

在一些实例中，常白单元和常黑单元的对比率不同，通常，常黑单元对比度较低。通过将对比度较高的单元处于黑暗状态下的时间最大化，可以改善总对比度。图7中，可以看到常黑单元只需要在(c)期间阻挡光线。如果能减少常白单元的下降时间(a)，就能提高总对比度。目的就是让常白单元尽可能久地阻挡光线，让常黑单元只在常白单元转变时阻挡光线，也就是说，让(b)期间尽可能长，让(c)期间(也就是(a)期间)尽可能短。因此通过使两个单元具有不同的响应曲线，可以将单元最优化。例如，常黑单元可以较厚，以给出具有较长下降时间的良好对比度，而常白单元可以较薄，以给出较短的下降时间。在两个单元中也可以用不同的液晶来获得相同的效果。

根据图7，显然能驱动单个像素的重复率受下降时间的总和控制，在上述最优化过程中必须记住下降时间的总和。如图8所示，当使用高得多的频率的短脉冲迅速切断单元时，在一个或两个单元中采用双频液晶可以显著减少下降时间。

图8示出对常白单元、常黑单元以及双重单元(包括常黑单元和常白单元)而言，传输与时间的关系。图8还示出常黑单元和常白单元的驱动信号(电压与时间的关系)。

电控制表面

改善对比度和转换时间的一种方法是使用电控制表面(ECS)。ECS技术包括利用“主动”对准层对LCD中液晶分子的转换产生有利影响。对准层动态地受用来驱动LCD的电场的影响，并且对准层的动态行为以及与液晶的相互作用有助于液晶分子的转换，从而改善响应时间特性。

可变的响应时间

响应时间可以随着狭缝或者被转换的其他几何结构而变化。变化将依赖于条带(strip)每单位长度的电阻率和每单位长度的电容。减少变化的一种方式是使用低电阻导电层。另一种方式是将狭缝的两端都连接到驱动器电子设备。再一种方式是沿着狭缝增加金属导线以减少电阻。另一种方案是通过修正与快门同步的输入图像，补偿响应时间的变化。

驱动器电子设备

确保控制电压中没有DC分量显著提高了装置寿命。一种选择是使用AC驱动信号，并且通过将前电极和后电极转换为180度异相，单元将经历方向交替的场，从而保证dc平衡。另一种选择是仅对一个电极使用短dc脉冲，并且在下一个周期施加相似的短dc脉冲，但是是通过反转的场。这也能保证零偏置。脉冲开始时的较高电压在一些实例中能缩短上升时间。

一种选择是用图9所示的AC波形来驱动面板。当两种波形异相时，电场将转换单元。注意，极性在一个周期内转换，从而在“关闭”周期内提供零dc偏置。因为在一个瞬间一半显示器打开，所以电容变得很大。假定总的单元面积为400mm×300mm，单元间隙为d＝2.5μm，介电常数ε_r为5。因此单元的总电容C为：

C＝ε₀ε_rA/d＝8.85·10^-12·5·0.12/2.5·10^-6F＝2.1·10^-6F

这个电容是相当大的驱动负载，要求大的峰值电流以获得良好的转换特性。

如上所述，在任一时刻都驱动一半单元，这给出大约1μF的容性负载，仍然是大驱动负载。此外，缩小单元间隙则加重上述问题，因此从电子设备的角度来看这样不好。

改善性能的一种方式是沿着ITO底板的所有边都提供与底板的接触，如图10所示。

减少容性负载的另一种方式是用交变dc驱动信号驱动每个狭缝。这意味着底板总是接地，而每个狭缝接收交变场，例如+25V和-25V。这样保证了零dc偏置条件，并要求只驱动一个条纹。因此可以取消整个底板驱动。给一个狭缝的信号可以如图11所示。

狭缝或像素的转换

这一部分的讨论主要是分析线性对准的快门或狭缝。因此可以在两个维度上进行分析。同样的讨论也适用于像素化的快门或其他缝隙形状。

最大视角

对于单一狭缝，最大视角高达180度，只受单元厚度和液晶最大视角的限制。两个以上的快门将改变最大视角，如图12所示。此外，当增加与(从狭缝中心引出的)法线所成的角度时，有效的狭缝宽度将逐渐变小。这将使亮度依赖于视角，并产生黑条纹。

图13示出增加额外快门对视角的影响。在快门A与显示器之间画出的快门B具有更宽的狭缝。但是如果快门B离显示器再远一个距离s，那么类似的分析也适用。在一些实例中，与只有一个快门相比，不应当减少视角。为了实现这个目的，可以确保将系统设计为视角不大于β。根据下式，可以通过调节s和r来设定β：

方程式0.1：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{l_a(r-1)}{2s}\right)$

β是与只有一个快门相比，增加第二快门不影响亮度的最大角度

α是通过狭缝能看到显示器的最大角度

s是两个快门之间的距离

l_a是快门A的狭缝宽度

l_b是快门B的狭缝宽度

r是狭缝宽度之间的比l_b/l_a

d是显示器与快门A之间的距离

p是与只有一个快门相比，第二快门在显示器上减少亮度的宽度

l_b将由宽度l′的若干成分组成。由于对称，在很多实例中l′将是l_a的倍数(因为快门B的狭缝要沿着快门A的狭缝移动)，这限制了r能取值的范围。快门B的分辨率有效地确定了在哪个步骤可以动态地改变β。因此可以将上述方程式写成以下方程式，其中m是整数l_a/l′，即两个快门之间的分辨率的比：

方程式0.2：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{ml}\′(r-1)}{2s}\right)$

动态地改变视角的另一种方式是改变两个快门之间的距离。改变距离的机构可以结合准确测量距离s和d的装置。这样允许动态地调节受这些距离影响的其他系统参数。

典型维度

在目前的可行实施例中，两个快门之间的最小距离受玻璃衬底厚度的限制。典型的玻璃衬底厚1.1mm，虽然还有更薄的衬底。液晶层仅有几个微米，可以忽略不计。对于双重片，厚度s为2.2mm，对于单一片，厚度为1.1mm。

考虑两种情况，一种是80个狭缝的快门，一种是256个狭缝的快门。这两种情况都假定快门宽400mm，狭缝宽度l_a分别为5mm和1.56mm。

在基本设置中r通常取1、2或3，给出以下视角：

 

	s＝1.1mm	s＝2.2mm
			r＝1，80列	β＝0°，α＝78°	β＝0°，α＝66°
r＝2，80列	β＝66°，α＝82°	β＝49°，α＝74°
			r＝3，80列	β＝78°，α＝84°	β＝66°，α＝78°
r＝1，256列	β＝0°，α＝55°	β＝0°，α＝35°
			r＝2，256列	β＝35°，α＝65°	β＝20°，α＝47°
r＝3，256列	β＝55°，α＝71°	β＝35°，α＝55°

显然对于大多数实际实施例而言，r为1时给出小视角。但是，即使在要求最高的实例中，对于快门1的每个狭缝而言，在快门2有三个打开的狭缝(r＝3)会给出70度的不受干扰的总视区。

由于转换速度的几何限制

如上所述，对于双重快门方案而言，下降时间限制了用于给定狭缝的脉冲之间的期间。现在，这个讨论假定对于快门A的每个狭缝，观察者只通过快门B的一个狭缝观看显示器。如果快门无限靠近，这个假定可以成立。但是如上所述，对于典型维度而言，在很多实际实施例中这不可能。因此，分析必须考虑观察者通过狭缝的各种组合来观看的效果。对于r的所有值而言这都是正确的(r即名为最大视角的部分中所定义的狭缝宽度比)。

采取图14的最简单方案，其中快门A中的狭缝依次转换。从t＝0进行到t＝1，快门A的狭缝5应当对于所有允许的视角转换为黑，狭缝6应当对于所有允许的视角转换为透光。通过利用快的上升时间将狭缝5转换为黑，可以简单地实现第一种情况。因为上升时间和下降时间不对称，所以同样是利用快的上升时间将狭缝6转换为透光时，不能实现这种情况。因此，需要提前一个时间w×t_r来将狭缝6转换为透光，其中t_r是上升时间，w是下降时间与上升时间的比。这样会有不利的效应，当快门B的狭缝5和6也打开时，快门A的狭缝6在t＝0会部分地打开。这个效应会产生伪影，其中能看到前面帧的信息。

为了避免这种情况，对于t＝1，快门A上要打开的下一个狭缝可以设定为至少相差r个狭缝。如果可能，对于比通过r和s设定的视角更大的视角，一个更大的距离有利于避免伪影。

对于这种次序什么是可能的而言有很多限制，一个重要的限制因素就是液晶单元的下降时间。将定义两种伪影。最严重的情况如图15中所示，其中白色表示打开的狭缝，黑色表示关闭的狭缝，灰色表示由于有限的下降时间而部分打开的狭缝。实例示出常白单元为快门A，常黑单元为快门B，r＝3。在这种情况下在t＝0直接观看狭缝3时会产生伪影，因为由于有限的下降时间，需要在t＝1之前打开。对于每个快门状态，如果将它们放置在下一个时间槽，将有r-1个状态会给出这种伪影。

较轻的情况如图16所示。在这个次序中在t＝0以一个角度通过快门A的狭缝4和快门B的狭缝3观看时将产生伪影。对于每个快门状态，如果将它们放置在下一个时间槽，将有r-1个状态会给出这种伪影。

问题可以陈述为重复的时间次序中快门状态的数量。通常，快门状态的数量等于同时打开的狭缝之间的间隔(N)。时间次序中状态的数量常常相同，即N。改善次序的视觉表现的一种方式是减少下降时间t_f的负效果。通过基于约束编程技术寻找次序能做到这一点。下面一组约束是能给出有效次序的实例：

●同时会打开多个狭缝，具有间隔N

●通过一组同时打开的狭缝中的多个第一打开狭缝来定义N个状态

●每个状态可放置在长度为t_p(帧的长度)的N个时间槽的任一个中

●定义成本函数(cost function)来量化给定次序的伪影数量。通过搜索将成本函数最小化的次序从而将伪影最小化。不需要伪影现象的准确物理模型；一组近似显示相同行为的试探足矣。

○通常，对于相邻的打开狭缝状态成本最高。离狭缝越远，成本越低。这个函数会受可允许视区β并进而受r的影响。

○根据这个状态出现的时间有多晚，成本也会减少一个因数。例如，相比于状态2在t＝2时到来，如果如图15所示，状态2随着t＝0时的状态1在t＝1时到来，成本将更高。通常，这个因数取决于各个快门的下降时间。在多数情况下，对于各个大于快门A、快门B的下降时间总和的t，成本将为零。

通常，如果N大，r小，并且下降时间短，就更容易找到最佳次序。考虑及此，使用下降时间短的材料并将快门放置为相互靠近，能简化设计。

下面是成本函数的实例，其中f₁是取决于快门状态之间距离间隔的成本，f₂给出取决于时间间隔的相对成本。因此f₁(j)是第j个相邻狭缝在第1个相同时间打开的成本，f₂(k)是相同的狭缝随后打开k个子帧的成本。由于时间和空间的重复性质，应当注意函数将基于模距离(modulus distance)。该实例基于这样的设置，其中N＝12，r＝3，下降时间是帧持续时间或者时间槽的两倍。

f₁(1)＝1；f₁(2)＝0，5；f₁(3以上)＝0；f₁(0)＝100,000(不会到达)

f₂(1)＝1；f₂(2)＝0，9；f₂(3)＝0，8；f₂(4)＝0，5；f₂(5以上)＝0；f₂(0)＝0

D(p(t)，p(t’))＝Min((p(t’)-p(t))mod(N))；N-(p(t’)-p(t))mod(N)；N-abs(p(t’)-p(t)))，其中p(t)在时间t返回快门状态，D表示时间t和t’的状态之间的距离。

T(t，t’)＝(t’-t)mod(N)，表示时间t和t’之间的距离。

对于给定次序，通过将所有时间槽与所有快门状态对的两个函数的乘积求和，就能计算出总成本。

$\underset{t=0}{\overset{t=11}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t\′=0}{\overset{t\′=11}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1(D(p\left(t\right),p(t\′))\×f_2\left(T(t\′,t)\right))$

根据显示器的期望特性，可以选择对快门A和快门B使用哪种快门模式。例如，快门A可以是常白单元，具有更高的对比度，因为它将在周期的更大部分处于黑暗状态。在另一实例中可以选择让常白单元具有更快的下降时间，并用它作为快门B。

此外，如果要避免视区之间的串扰，在时间上的相同点打开的快门A的狭缝之间间隔的数量N必须至少是2r+1。应当注意，尽管在有些情况下期望这种重复视区。

这一部分的分析对于两个缝隙阵列之间的距离(上述的s)的最优化也有用。在实用意义上可以选择较小的s，因为由于慢的转换时间，会出现附加串扰。

应当注意，r不一定是常数，快门B的狭缝不必以快门A的狭缝为中心。例如，平截体(frustum)可以向外移动，如图17所示。虚线表示对称的平截体，其中，如果将快门A的狭缝定义为快门与平截体的交叉点，则快门B的狭缝以快门A的狭缝为中心。实线表示向外移动的平截体，如果将快门A的狭缝定义为快门与平截体的交叉点，则在快门B的狭缝不以快门A的狭缝为中心的意义上，平截体不对称。

双重快门实施例的实例

用于只有水平视差的3D显示器(即观察者只有从不同的水平观察位置才能看到不同的图像)的双重快门LCD的实例通常包括柱而不是通常用于现有2D LCD屏幕的像素。因此快门LCD屏幕包括很多通常为1-5mm宽的柱，可以在光学透光与光学不透光之间转换。如上所述，采用两种面板可以实现这种LCD屏幕：一种是快速从不透光向透光转换(常黑)，一种是快速从透光向不透光转换(常白)。为了实现高速转换，即大约40微秒的上升时间，采用大约2.5微米的单元间隙。这两种单元中可使用的一种适合液晶材料是MLC14300-100。参照双重快门的概述，构造常黑单元和常白单元，常白单元使用交叉起偏振器和与输入起偏振器成45度的材料定向器，材料定向器通过以相对于起偏振器方向配向成45度的对准材料(例如PI 7992)来实现。参照双重快门的概述，常黑单元具有平行的起偏振器和同样与输入起偏振器成45度配置的材料定向器。由于常黑单元的狭窄单元间隙，补偿膜能改善对比度。在这种情况下补偿膜如图6所示组成。或者，将第三单元，即常黑单元的准确复制物用作补偿膜。为了实现单元的快速转换，需要高电压。通常大约25伏特的电压足以以大约40微秒的速度转换面板。但是，如果要求更大的单元间隙，则需要更高的电压。

修改视区

快门也可用于动态地改变视区，从窄锥体改为宽锥体。实现这一点的一种方式是通过改变同时转换的相邻狭缝数量，来改变被转换的狭缝的宽度。与快门同步的显示器上的图像应当提供为与狭缝宽度匹配，从而保持正确的图像。改变视区的另一种方式是用一个机构改变快门与显示器之间的距离。同样，显示器上的图像应当提供为和快门与显示器之间的距离匹配。

具体参照所示实例描述了本发明的实施例。但是应当理解，在本发明范围内对所述实例可以做出各种变化和修改。

1、一种用于自动立体显示器的快门，所述快门包括：

第一可转换缝隙阵列，从实质上的透光状态到实质上的不透光状态有较快的转换时间；以及

第二可转换缝隙阵列，从实质上的不透光状态到实质上的透光状态有较快的转换时间，

其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列至少部分地重叠。

2、如权利要求1所述的快门，其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列对准。

3、如前述权利要求任一项所述的快门，其中，所述第一可转换缝隙阵列和所述第二可转换缝隙阵列配置为，使得通过所述第一可转换缝隙阵列的缝隙中心和所述第二可转换缝隙阵列的缝隙中心的线与所述两个缝隙的表面垂直。

4、如权利要求1所述的快门，其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列配置为相对偏移。

5、一种自动立体显示器，包括二维显示器和如前述权利要求任一项所述的快门。

6、如权利要求5所述的自动立体显示器，其中，所述第一可转换缝隙阵列设置在所述第二可转换缝隙阵列与所述二维显示器之间。

7、如权利要求5所述的自动立体显示器，其中，所述第二可转换缝隙阵列设置在所述第一可转换缝隙阵列与所述二维显示器之间。

8、如权利要求5、6、7任一项所述的自动立体显示器，其中，所述二维显示器是投影仪的屏幕。

9、如权利要求8所述的自动立体显示器，其中，所述投影仪包括DMD。

10、一种操作如前述权利要求任一项所述快门的方法，所述方法包括：

将所述第一可转换缝隙阵列配置为实质上的透光状态；

将所述第二可转换缝隙阵列配置为实质上的不透光状态；

将所述第二可转换缝隙阵列从实质上的不透光状态转换为实质上的透光状态，使得所述快门的一部分实质上透光，以及

Claims (20)

1、一种用于自动立体显示器的快门，所述快门包括：

第一可转换缝隙阵列，从实质上的透光状态到实质上的不透光状态有较快的转换时间；以及

第二可转换缝隙阵列，从实质上的不透光状态到实质上的透光状态有较快的转换时间，

其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙至少部分地重叠。

2、如权利要求1所述的快门，其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列对准。

3、如前述权利要求任一项所述的快门，其中，所述第一可转换缝隙阵列和所述第二可转换缝隙阵列配置为，使得通过所述第一可转换缝隙阵列的缝隙中心和所述第二可转换缝隙阵列的缝隙中心的线与所述两个缝隙的表面垂直。

4、如权利要求1所述的快门，其中，所述第一可转换缝隙阵列与所述第二可转换缝隙阵列配置为相对偏移。

5、一种自动立体显示器，包括二维显示器和如前述权利要求任一项所述的快门。

6、如权利要求5所述的自动立体显示器，其中，所述第一可转换缝隙阵列设置在所述第二可转换缝隙与所述二维显示器之间。

7、如权利要求5所述的自动立体显示器，其中，所述第二可转换缝隙阵列设置在所述第一可转换缝隙与所述二维显示器之间。

8、如权利要求5、6、7任一项所述的自动立体显示器，其中，所述二维显示器是投影仪的屏幕。

9、如权利要求8所述的自动立体显示器，其中，所述投影仪包括DMD。

10、一种操作如前述权利要求任一项所述快门的方法，所述方法包括：

将所述第一可转换缝隙阵列配置为实质上的透光状态；

将所述第二可转换缝隙阵列配置为实质上的不透光状态；

将所述第二可转换缝隙阵列从实质上的不透光状态转换为实质上的透光状态，使得所述快门的一部分实质上透光，以及

将所述第一缝隙阵列从实质上的透光状态转换为实质上的不透光状态，使得所述快门的一部分实质上不透光。

11、如权利要求10所述的方法，其中，所述第一可转换缝隙阵列具有第一下降时间，用于从实质上的不透光状态转换为实质上的透光状态，所述第二可转换缝隙阵列具有第二下降，用于从实质上的透光状态转换为实质上的不透光状态。

12、如权利要求11所述的方法，其中，所述第一下降时间与所述第二下降时间相同。

13、如权利要求11所述的方法，其中，所述第一下降时间与所述第二下降时间不同。

14、如前述权利要求任一项所述的方法，其中一个可转换缝隙阵列比另一个可转换缝隙阵列对比率更高。

15、如权利要求14所述的方法，其中，应用于所述快门的转换方案配置为使得具有更高对比率的可转换缝隙阵列实质上不透光，其中任一个可转换缝隙阵列都能用于使得所述快门的一部分实质上不透光。

16、如权利要求10至15任一项所述的方法，其中，一个可转换缝隙阵列比另一个可转换缝隙阵列中打开的可转换缝隙数量更多。

17、如权利要求10至16任一项所述的方法，其中，通过将与直接伪影以及以一个角度伪影相关的成本函数最小化，来确定应用于所述可转换缝隙阵列的转换方案。

18、如权利要求10至16任一项所述的方法，其中，通过将与条纹图案相关的成本函数最小化，来确定应用于所述可转换缝隙阵列的转换方案。

19、如权利要求10至16任一项所述的方法，其中，通过将与直接伪影、以一个角度伪影、以及条纹图案相关的成本函数最小化，来确定应用于所述可转换缝隙阵列的转换方案。

20、如权利要求17至19任一项所述的方法，其中，所述转换方案限定每个缝隙什么时候打开和什么时候关闭。

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