CN101978306B - 具有菲涅耳透镜元件的自动立体显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种自动立体显示器。所述自动立体显示设备包括具有下列元件的背光源：相对的第一光输入表面和第二光输入表面；在所述相对的第一光输入表面和第二光输入表面之间延伸的光传输表面；设置为向所述第一光输入侧提供光线的右眼光源和设置为向所述第二光输入侧提供光线的左眼光源，其中所述左眼光源和所述右眼光源被构造为以至少90赫兹的速率在所述左眼光源和所述右眼光源之间进行调制。与所述光传输表面相邻的是双面棱镜膜。所述双面棱镜膜具有多个位于第一主表面上的线性棱镜结构和多个位于第二主表面上的透镜状结构。所述第一主表面与所述第二主表面相对。所述双面棱镜膜设置在所述光传输表面和菲涅耳透镜元件之间。液晶显示面板被定位成接收穿过所述双面棱镜膜透射的光。

Description

具有菲涅耳透镜元件的自动立体显示器
技术领域
本发明涉及包括菲涅耳透镜元件的自动立体显示器。
背景技术
立体显示器通常从单独的右眼和左眼视点为观察者呈现具有视差的图像。有两种方法来为观察者的双眼提供视差图像。在一种方法中，观察者使用一对光闸(shutter)或3D眼镜，所述光闸或3D眼镜与左/右图像显示的交替同步地透射光或阻挡光传播到观察者的眼睛。相似地，在另一种方法中，右眼和左眼视点被交替地显示并呈现给观察者的各只眼睛，而不需使用3D眼镜。第二种方法称为自动立体法并且是立体3D浏览所需的，因为该方法不需要单另的眼镜。
液晶显示器(LCD)是一种采样保持型显示设备，这种显示器的任一点或像素处的图像均是稳定的，直至该像素在下一图像刷新时间(通常为1/60秒或更快)被更新为止。在这样的采样保持型系统中，不同图像的显示，特别是用于自动立体显示的左右图像的交替显示需要光源的仔细定时排序，从而例如在用于右眼的数据的显示期间，左眼图像光源不打开，反之亦然。
确保左右光源的开或关与图像显示同步对于实现高质量的自动立体图像非常重要。随着这些显示器尺寸的增加，显示器的边缘部分呈现出质量降低的自动立体图像。由于显示器边缘和显示器中央之间的角度在观察者位置处过大，因此这些大幅面显示器不能在显示器的整个宽度内提供质量均一的自动立体图像。因此，需要改善在显示器的整个宽度范围内自动立体图像的质量均一性。
发明内容
本发明涉及包括菲涅耳透镜元件的自动立体显示器。菲涅尔透镜元件设置在双面棱镜膜和观察者之间，以向观察者会聚光线。
在第一实施例中，自动立体显示设备包括背光源，它具有相对的第一光输入表面和第二光输入表面；在相对的第一光输入表面和第二光输入表面之间延伸的光传输表面；设置为向第一光输入侧提供光线的右眼光源和设置为向第二光输入侧提供光线的左眼光源，其中左眼光源和右眼光源被构造为以至少90赫兹的速率在左眼光源和右眼光源之间进行调制。双面棱镜膜与光传输表面相邻。双面棱镜膜具有多个位于第一主表面上的线性棱镜结构和多个位于第二主表面上的透镜状结构。第一主表面与第二主表面相对。双面棱镜膜设置在光传输表面和菲涅耳透镜之间。液晶显示面板被定位成接收穿过双面棱镜膜透射的光。
在另一个实施例中，自动立体显示设备包括背光源、双面棱镜膜、菲涅尔透镜、液晶显示面板和同步驱动元件。背光源包括相对的第一光输入表面和第二光输入表面、在相对的第一光输入表面和第二光输入表面之间延伸的光传输表面、设置为向第一光输入侧提供光线的右眼光源和设置为向第二光输入侧提供光线的左眼光源。左眼光源和右眼光源被构造为以至少90赫兹的速率在左眼光源和右眼光源之间进行调制。与光传输表面相邻的是双面棱镜膜，双面棱镜膜具有多个位于第一主表面上的线性棱镜结构和多个位于第二主表面上的透镜状结构，第一主表面与第二主表面相对。双面棱镜膜设置在光传输表面和菲涅耳透镜之间。液晶显示面板被定位成接收穿过双面棱镜膜透射的光。同步驱动元件将右眼图像固态光源和左眼图像固态光源的启用和禁用与液晶显示面板上显示的图像帧同步。
在另一个实施例中，自动立体显示设备包括背光源、双面棱镜膜、菲涅尔透镜、液晶显示面板和同步驱动元件。背光源包括相对的第一光输入表面和第二光输入表面、在相对的第一光输入表面和第二光输入表面之间延伸的光传输表面、设置为向第一光输入侧提供光线的右眼光源和设置为向第二光输入侧提供光线的左眼光源。左眼光源和右眼光源被构造为以至少90赫兹的速率在左眼光源和右眼光源之间进行调制。与光传输表面相邻的是双面棱镜膜，双面棱镜膜具有多个位于第一主表面上的线性棱镜结构和多个位于第二主表面上的透镜状结构，第一主表面与第二主表面相对。液晶显示面板被定位成接收穿过双面棱镜膜透射的光。在双面棱镜膜和液晶显示面板之间设置有线性聚光菲涅尔透镜元件。菲涅尔透镜元件具有面向双面棱镜膜的小平面侧。小平面侧包括多个平行于透镜状结构延伸的线性小平面。线性聚光菲涅尔透镜将穿过双面棱镜膜透射的光向自动立体显示设备的观察者方向会聚。同步驱动元件将右眼图像固态光源和左眼图像固态光源的启用和禁用与液晶显示面板上显示的图像帧同步。
附图说明
结合附图对本发明的各个实施例所做的以下详细描述可有助于更全面地理解本发明，其中：
图1是示例性显示设备的示意性侧视图；
图2A和图2B是图1的示例性显示设备在操作时的示意性侧视图；
图3是包括菲涅尔透镜元件的图1的示例性显示设备的示意性侧视图；
图4是双面棱镜膜和菲涅耳透镜的一部分的剖视图；和
图5是示出了菲涅尔透镜元件对自动立体显示器观察距离的影响的诺谟图。
上述附图未必按比例绘制。图中所用的相同标记表示相同的元件。然而应当理解，用来表示给定图中某个元件的编号并非意图限定另一幅图中标以相同编号的元件。
具体实施方式
在下面的说明中，参考了附图，附图形成说明的一部分并且在附图中通过举例说明的方式示出了若干特定的实施例。应该理解的是，其他实施例也在预料之中，并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下获得这些实施例。因此，下面的详细说明将不被视为具有限制意义。
除非另外指明，否则本文所使用的所有科技术语具有本领域所公用的含义。本文所提供的定义是为了有助于理解本文频繁使用的某些术语，并不是要限制本发明的范围。
除非另外指明，否则应当将说明书和权利要求中用来表述尺寸、数量和物理特性的所有数字理解为在所有实例中由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则上述说明书和附加权利要求中提出的数值参数均为近似值，并且根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容获得的所需特性而有所不同。
用端点来表述的数值范围包括该范围内包含的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)及该范围内的任意范围。
本说明书和所附权利要求中使用的单数形式涵盖了具有多个指代物的实施例，除非内容明显指示并非如此。本说明书和所附权利要求中使用的术语“或”的含义通常包括“和/或”，除非内容明显指示并非如此。
术语“自动立体”指显示三维图像，在用户或观察者这一方，能够不使用特殊的头饰或眼镜而看到所述三维图像。即使图像由平板装置产生，这些方法也能让观察者产生深度感。术语立体3D显示包含自动立体显示装置领域，但也包括需要特殊头饰(例如快门眼镜或偏振眼镜)来从平板显示器观看立体3D显示的立体3D显示器的情况。
液晶显示器是一种采样保持显示装置，使得任何特定点处的图像保持稳定直到那一点或像素在下一图像刷新时间(典型地在1/60秒或更快的时间之内)更新。在这种的采样保持系统中，在显示器的顺序刷新周期期间显示不同的图像(特别是对3D显示而言，左图像和右图像的交替显示)需要对背光源谨慎排序，以使得例如在显示用于右眼的数据期间左眼光源不打开，反之亦然。
本发明涉及包括菲涅耳透镜元件的自动立体显示器。菲涅尔透镜元件设置在双面棱镜膜和观察者之间，用来向观察者会聚光线。在LCD面板和定向背光源(例如光导和双面棱镜/透镜状膜)照明系统之间设置有聚光线性菲涅尔透镜，用于从整个显示器表面向观察者位置处会聚光线。不带菲涅尔透镜的定向照明系统非常适合显示器边缘和中央之间的角度在观察者位置处较小的小型显示器。然而，在较大的显示器中，由于来自显示器边缘的左眼图像和右眼图像没有会聚到观察者处，因此只有显示器中央部分会产生良好的时序自动立体图像。通过加入菲涅尔透镜元件，就可能出现更大的会聚角度，并且可以让3D显示器更大。虽然本发明没有如此受限制，但是通过对以下提供的实例的讨论，将实现对本发明的各种方面的理解。
图1是示例性立体显示设备10的示意性侧视图。该显示设备包括液晶显示面板20和布置成为液晶显示面板20提供光线的背光源30，液晶显示面板具有小于10毫秒、或小于5毫秒、或小于3毫秒的帧响应时间。
背光源30包括光传输表面35和相对的光输入表面31与33。右眼图像固态光源32将光线注入第一光输入表面31，左眼图像固态光源34将光线注入第二光输入表面31。右眼图像固态光源32和左眼图像固态光源34能够以至少90赫兹的速率在右眼图像固态光源32和左眼图像固态光源34之间调制。双面棱镜膜40设置在液晶显示面板20和背光源30之间。
液晶显示面板20和/或背光源30可具有任何可用的形状或构造。在多个实施例中，液晶显示面板20和背光源30具有正方形或矩形。然而，在一些实施例中，液晶显示面板20和/或背光源30具有四面以上的形状，或者是弯曲形状。尽管图1涉及任何立体3D显示背光源，包括需要快门眼镜或不止一个光导以及相关液晶显示面板的那些，然而本发明对于自动立体显示器尤为有用。在其他实施例中，显示器是OLED显示器、等离子显示器等。
同步驱动元件50电连接至背光源30的光源32、34以及液晶显示面板20。随着图像帧以每秒90帧或更大的速率提供给液晶显示面板20，同步驱动元件50对右眼图像固态光源32和左眼图像固态光源34的启用和禁用(即调制)进行同步，以产生无闪烁的静止图像序列、视频流或计算机渲染图形。图像(例如视频或计算机渲染图形)源60连接到同步驱动元件50并将图像帧(例如右眼图像和左眼图像)提供给液晶显示面板20。
液晶显示面板20可以是帧响应时间小于10毫秒或小于5毫秒的任何透射型液晶显示面板。市售的帧响应时间小于10毫秒、或小于5毫秒、或小于3毫秒的透射型液晶显示面板是例如Toshiba Matsushita Display(TMD)的光学补偿弯曲(OCB)型面板LTA090A220F(Toshiba MatsushitaDisplay Technology Co.，Ltd.，Japan)。
背光源30可以是能够以至少90赫兹、或100赫兹、或110赫兹、或120赫兹、或大于120赫兹的速率在右眼图像固态光源32与左眼图像固态光源34之间调制的任何可用的背光源。图示的背光源30包括与右眼图像固态光源32相邻的第一光输入表面31和相对的与左眼图像固态光源34相邻的第二光输入表面33、以及光输出表面35。固态光源可以是能够以至少90赫兹的速率调制的任何可用的固态光源。在多个实施例中，固态光源是多个发光二极管，例如Nichia NSSW020B(Nichia Chemical Industries，Ltd.，Japan)。在其他实施例中，固态光源是多个激光二极管或有机发光二极管(即，OLED)。固态光源可以发出任意数量的可见光波长，例如白光、红光、蓝光和/或绿光。背光源可以是两端有光源的单层光学透明材料，或者每层有光源的两层(或更多层)光学透明材料，每层优先地在所需方向上提取光。
双面棱镜膜40可以是在第一侧上具有透镜状结构且在相对侧上具有棱镜结构的任何可用的棱镜膜。双面棱镜膜40将来自背光源的光以适当角度透射到液晶显示面板20，以使得观察者在所显示图像中感知到深度。在美国专利公布No.2005/0052750和No.2005/0276071中描述了可用的双面棱镜膜，以不与本发明冲突的程度将所述专利公布并入本文中。这些双面棱镜膜具有约60度的开角，并且提供大约等于观察者双眼之间的距离(即，约6度)的图像分离。
图像源60可以是能够提供图像帧(例如第一图像视景和左图像视景)的任何可用的图像源，例如视频源或计算机渲染图形源。在多个实施例中，视频源可提供50Hz至60Hz或更高频率的图像帧。在多个实施例中，计算机渲染图形源可提供100Hz至120Hz或更高频率的图像帧。
计算机渲染图形源可提供游戏内容、医学成像内容、计算机辅助设计内容等等。计算机渲染图形源可包括图形处理单元，例如Nvidia FX5200图形卡、Nvidia GeForce 9750 GTX图形卡或者用于移动方案(例如，膝上型计算机)的Nvidia GeForce GO 7900 GS图形卡。计算机渲染图形源还可包含适当的立体驱动软件，例如OpenGL、DirectX、Nvidia专有的3D立体驱动程序。
视频源可提供视频内容。视频源可包括图形处理单元，例如NvidiaQuadro FX1400图形卡。视频源还可包含适当的立体驱动软件，例如OpenGL、DirectX或Nvidia专有的3D立体驱动程序。
同步驱动元件50可以包括任何可用的驱动元件，其随着图像帧以每秒90帧或更高的速率被提供给液晶显示面板20，对右眼图像固态光源32和左眼图像固态光源34的启用和禁用(即调制)进行同步，以产生无闪烁的视频或渲染计算机图形。同步驱动元件50可包括连接到定制的固态光源驱动电子器件的视频接口，例如Westar VP-7视频适配器(Westar DisplayTechnologies，Inc.，St.Charles，Missouri)。
图2A和图2B是示例性立体显示设备10在操作时的示意性侧视图。在图2A中，左眼图像固态光源34点亮，而右眼图像固态光源32未点亮。在这种状态下，从左眼图像固态光源34发出的光透射穿过背光源30，穿过双面棱镜片40以及液晶面板20，从而向观察者或观众的左眼1a提供第一图像视景(即左眼图像)。
在图2B中，右眼图像固态光源32被点亮，左眼图像固态光源34不被点亮。在这种状态下，从右眼固态光源32发出的光透射穿过背光源30，穿过双面棱镜片40以及液晶面板20，从而向观察者或观众的右眼1b提供第二图像视景(即右眼图像)。
每秒为观察者提供至少45个左眼图像和至少45个右眼图像(在右眼图像和左眼图像之间交替，并且图像可能是先前图像对的重复)，从而为观察者提供无闪烁的3D图像。因此，当与光源32和34的切换同步地显示时，来自计算机渲染图像或者从静止图像相机或视频图像相机获取的图像的不同右和左视点图像对的显示使得观察者能够在视觉上融合这两个不同的图像，从而从平板显示器产生深度感。该视觉上无闪烁操作的局限性在于：如上所述，在显示于液晶显示面板上的新图像稳定之前，不应该开启背光源，否则将会感知到串扰和差的立体图像。
图3是包括菲涅尔透镜元件50的图1的示例性显示设备10的示意性侧视图。该显示设备包括液晶显示面板20和背光源30，如上所述，背光源设置用于向液晶显示面板20提供光线。背光源30包括光传输表面35、相对的光输入表面31和33、将光注入第一光输入表面31的右眼图像固态光源32和将光注入第二光输入表面31的左眼图像固态光源34。右眼图像固态光源32和左眼图像固态光源34能够以至少90赫兹的速率在右眼图像固态光源32和左眼图像固态光源34之间调制。如上所述，双面棱镜膜40设置在液晶显示面板20和背光源30之间。
菲涅尔透镜元件50设置在靠近双面棱镜膜40处。双面棱镜膜40设置在背光源30的光传输表面35和菲涅耳透镜元件50之间。在许多实施例中，菲涅尔透镜元件50设置在液晶显示面板20和双面棱镜膜40之间，如图3所示。在其他实施例中，菲涅尔透镜元件50被设置为接收液晶显示面板20透射的光。在这些实施例中，液晶显示面板20设置在双面棱镜膜40和菲涅尔透镜元件50之间，如图3中的虚线所示。菲涅尔透镜元件50将双面棱镜膜40的透射光会聚至显示器10的观察者处。
菲涅尔透镜元件50包括平面侧52和小平面侧(即带有凹槽侧)54。在许多实施例中，菲涅尔透镜元件50的小平面侧54被导向双面棱镜膜40，平面侧52被导向液晶显示面板20或显示器10的观察者。由于菲涅尔透镜元件50向显示器10的观察者聚光，因此将菲涅耳透镜元件50描述为聚光菲涅尔透镜元件50。
在许多实施例中，菲涅尔透镜元件50为线性菲涅耳透镜元件50，其包括多个沿显示器10的宽度线性延伸的平行的线性小平面。在许多实施例中，菲涅尔透镜元件50为线性聚光菲涅尔透镜元件50。在许多实施例中，菲涅尔透镜元件50为包括多个平行的线性小平面的线性菲涅尔透镜元件50，这些平行的线性小平面沿显示器10的宽度线性延伸，并且平行于双面棱镜膜40的线性透镜状结构和线性棱镜结构。在一些实施例中，菲涅尔透镜元件50为包括多个平行的线性小平面的线性菲涅尔透镜元件50，这些平行的线性小平面沿显示器10的宽度线性延伸，并且平行于双面棱镜膜40的线性透镜状结构以及对准双面棱镜膜40的多个线性透镜状结构。
在许多实施例中，菲涅尔透镜元件50具有作为沿菲涅尔透镜元件50上的位置的函数的可变焦距。因此，在一些实施例中，沿菲涅尔透镜元件50边缘的位置可以比更靠近菲涅尔透镜元件50中心的位置具有更短的焦距。
图4是双面棱镜膜40和菲涅耳透镜元件50的一部分的剖视图。如上所述，菲涅尔透镜元件50包括平面侧52和带有凹槽的小平面侧54。双面棱镜膜40包括位于第一主表面上的多个平行的线性棱镜结构44和位于与第二主表面相对的第二主表面上的多个平行的线性透镜状结构42。
多个平行的线性棱镜结构44具有间距PP值，多个平行的线性透镜结构42具有间距PL值。间距PL值被定义为透镜谷43之间的线性距离。间距PP值被定义为棱镜谷46之间的线性距离。在许多实施例中，间距PP值大于间距PL值。在许多实施例中，该间距差非常小，例如在从0.001至0.2％或从0.01至0.1％的范围内。本文将这种存在间距差的双面棱镜膜40称为“变间距”双面棱镜膜40。在许多实施例中，透镜状结构42在双面棱镜膜40的中心区域与棱镜结构44名义上对齐，当与膜中心之间的距离增加时，相对的结构42和44的不重合度变得更大。这种变间距双面棱镜膜40允许膜根据与双面棱镜膜40中心之间的距离变化而逐渐增加光的“内夹角”。在许多这样的实施例中，在变间距双面棱镜膜40的边缘处的最大光“内夹角”为10度。
图5是示出了菲涅尔透镜元件对自动立体显示器观察距离的影响的诺谟图。诺谟图显示，为本文所述的自动立体显示装置中增加菲涅尔透镜元件，使得可在比没有菲涅尔透镜元件的情况下在更大的显示器上进行3D浏览。显示器的纵横比设为16∶10。
标以“变间距”的实线表示具有图4所示变间距双面棱镜膜的图1所示的自动立体显示器。该变间距双面棱镜膜的最大光内夹角为10度。如图所示，1000mm的观察距离允许的显示器对角线为约450mm。
标以“菲涅尔”的点划线表示没有图4所示变间距双面棱镜膜的图1所示的自动立体显示器。菲涅尔透镜元件的最大光角为25度。将小平面侧凹槽间距设为0.088mm，平面侧共轭值设为1×109mm，小平面侧共轭值设为500mm，半宽设为200mm，出模角设为4度。如图所示，1000mm的观察距离允许的显示器对角线为约1000mm。
标以“变间距+菲涅尔”的点划线表示具有图4所示变间距双面棱镜膜的图1所示的自动立体显示器。该变间距双面棱镜膜的最大光内夹角为10度。菲涅尔透镜元件的最大光角为25度。将小平面侧凹槽间距设为0.088mm，平面侧共轭值设为1×109mm，小平面侧共轭值设为500mm，半宽设为200mm，出模角设为4度。如图所示，1000mm的观察距离允许的显示器对角线为约1600mm。
诺谟图显示，为本文所述的自动立体显示装置增加菲涅尔透镜元件和变间距双面棱镜膜，使得可以在比有或没有菲涅尔透镜元件或变间距双面棱镜膜的情况下在更大的显示器上进行3D浏览。
因此，本文公开了“具有菲涅耳透镜元件的自动立体显示器”实施例。本领域的技术人员应该理解的是，本发明可以用除了所公开的实施例之外的实施例来实践。所公开的实施例是出于举例说明的目的而并非限制，并且本发明只受权利要求的限制。

Claims (9)

1.一种自动立体显示设备，包括：
背光源，所述背光源具有相对的第一光输入表面和第二光输入表面、在所述相对的第一光输入表面和第二光输入表面之间延伸的光传输表面、设置为向所述第一光输入表面提供光线的右眼光源和设置为向所述第二光输入表面提供光线的左眼光源，其中所述左眼光源和所述右眼光源被构造为以至少90赫兹的速率在所述左眼光源和所述右眼光源之间进行调制；
双面棱镜膜，所述双面棱镜膜与所述光传输表面相邻，并且具有多个位于第一主表面上的线性棱镜结构和多个位于第二主表面上的透镜状结构，所述第一主表面与所述第二主表面相对，其中，多个线性棱镜结构之间的间距大于多个透镜状结构之间的间距；
菲涅尔透镜元件，其中所述双面棱镜膜设置在所述光传输表面和所述菲涅尔透镜元件之间；和
液晶显示面板，所述液晶显示面板被定位成接收穿过所述双面棱镜膜透射的光。
2.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述菲涅尔透镜元件为线性聚光菲涅耳透镜。
3.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述菲涅尔透镜元件具有面向所述双面棱镜膜的小平面侧。
4.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述菲涅尔透镜元件为具有平行于所述透镜状结构延伸的线性小平面的线性菲涅耳透镜。
5.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述菲涅尔透镜元件具有作为沿所述菲涅尔透镜上的位置的函数的可变焦距。
6.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述多个线性棱镜结构具有比所述多个透镜状结构更大的周期值。
7.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中至少所选的线性棱镜结构不对准相对的透镜状结构。
8.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述菲涅尔透镜元件设置在所述液晶显示面板和所述双面棱镜膜之间。
9.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述液晶显示面板设置在所述菲涅尔透镜元件和所述双面棱镜膜之间。
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