CN102047169B - 光学装置和结合光学装置的自动立体显示设备 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示透镜装置包括平行柱状透镜（11）阵列（9），其中该透镜阵列包括夹在平面衬底之间的不同折射率的第一和第二材料（60，62），第一和第二材料之间的界面限定透镜表面。第一材料具有折射率n1，透镜阵列具有透镜间距p并且柱状透镜在其中心处具有曲率半径R，这些透镜满足n1(p/2R)>0.6。当用于自动立体显示器时，这种装置在陡峭角度下给出降低的条带和强度损失。

Description

光学装置和结合光学装置的自动立体显示设备

技术领域

本发明涉及用于自动立体显示设备的光学装置以及结合该光学装置的自动立体显示设备。

背景技术

图1中示出了已知的自动立体显示设备。该已知的设备1包括具有显示像素5的行和列阵列的二维液晶显示面板（LCD）3，其充当空间光调制器以产生静态图像或诸如例如视频之类的动态图像形式的显示。为了清楚起见，图1中仅示出了少量显示像素5。在实践中，显示面板3可以例如包括大约一千行和数千列显示像素5。

液晶显示面板3的结构完全是常规的。特别地，它包括一对隔开的透明玻璃衬底，其间提供了对齐的扭曲向列或其他液晶材料。这些衬底在其相面对的表面上承载透明氧化铟锡（ITO）电极图案。在这些衬底的外表面上还提供偏振层。

每个显示像素5与诸如薄膜晶体管（TFT）或薄膜二极管（TFD）之类的开关元件关联。这些显示像素用来通过向开关元件提供寻址信号而产生显示，并且适当的寻址方案是本领域技术人员已知的。

显示面板3由光源7照射，光源7在这种情况下包括在显示像素阵列的区域上方延伸的平面背光源。来自光源7的光被定向通过显示面板3，各显示像素5被驱动以调制该光并且产生显示。

显示设备1还包括设置在显示面板3的显示侧上方的柱状透镜（lenticular）片9形式的透镜装置，其执行视图形成功能。柱状透镜片9包括半圆柱形柱状透镜元件11阵列。每个柱状透镜11具有纵轴10，并且这些透镜延伸，使得其纵轴取向彼此平行。为了清楚起见，图1中以夸大的尺寸示出了仅仅一个透镜11。因此，彼此平行地延伸的伸长柱状透镜元件11阵列覆盖在显示像素阵列上，并且用户或观察者通过这些柱状透镜元件11观察到显示像素5。柱状透镜元件11充当光输出定向装置以便将来自显示面板3的不同图像或视图提供给位于显示设备1之前的用户眼睛。

上述设备在产生的显示或图像包含多个视图的情况下提供了一种有效的自动立体或三维的显示设备。这种显示或图像将在下文中表示为自动立体图像，其具有至少两幅子图像，它们中的每一幅代表要由图像显示的对象的不同视图。然后，所述至少两个视图由透镜装置显示，使得观察者感知到对象的立体、3D或环顾印象。在其中例如每个柱状透镜元件11与两列显示像素5关联的布置中，每列中的显示像素5提供对应二维子图像的竖直切片。柱状透镜片9将这两个切片以及来自与其他柱状透镜元件11关联的显示像素列的相应切片定向到位于该片之前的用户的左右眼，从而用户观察到单幅立体图像。

在这种设备的修改中，可以使柱状透镜取向，其纵轴以一定倾斜角相对于显示面板或自动立体图像的像素列方向倾斜。该修改在水平和竖直显示面板方向之间共有的像素分辨率损失方面提供了优势。由于这不是本发明的主题，关于效果和应用模式的更详细的解释，请参阅US6064424。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学装置以及结合了这种光学装置的具有改进的性能的自动立体显示设备。

该目的是利用独立权利要求中限定的光学装置、采用该光学装置的自动立体显示设备以及利用该光学装置显示自动立体图像的方法来实现的。

从属权利要求限定了有利的实施例。

本发明提供了一种光学装置，当其处于其透镜模式下时具有带有柱状透镜阵列的透镜装置，所述柱状透镜阵列中的每一个透镜具有特定的透镜表面形状，当光线进入柱状透镜一侧之后追踪通过柱状透镜的光线时，存在至少一根垂直地撞击柱状透镜表面的光线。这种光学装置在其透镜模式下给出最优化的光学效果，因为当在大的偏离法线观看角度下通过其观看图像时，图像失真降低。因此，当应用于显示自动立体图像时，获得了关于所谓的条带（banding）现象和/或关于日光串扰和/或自动立体效应对观察者在自动立体显示设备上观察自动立体图像的角度的依赖性的显著改进。

本发明人发现，与例如前言中描述的现有技术设备中的圆柱形柱状透镜的使用关联的特性在于，由于场曲的原因，强度印迹（footprint）随着观看角度而变化。强度印迹可以被认为是从在给定角度下穿过透镜的具有一个透镜宽度的平行束导出的照明区域的尺寸。印迹尺寸在显示像素平面内测量。窄的印迹意味着透镜聚焦在显示像素平面处，而较大的印迹意味着透镜聚焦在显示像素平面之上或之下某处的不同位置。大的印迹与视图的角发散相应。

图2为示出对于0°与50°之间的观看角度（VA）（图2左边的注释）的对图像产生贡献的y轴上的强度（I）（任意单位a.u.）与x轴上的像素平面处的位置（P）（毫米）之间的关系的曲线图。这些曲线图与一定的显示器相应，该显示器具有光学上各向同性且对于其在透镜表面处在透镜与空气的折射率之间存在0.5的折射率差值的柱状透镜。在图2中，显示了对于特定视图产生贡献的像素的x轴上的位置。可以看出，印迹尺寸对于大于30°的观看角度是非常大的，其中大物理宽度的像素对视图产生贡献。应当指出的是，虚线是考虑到像素尺寸以及柱状透镜相对于像素列方向倾斜的倾斜角的影响，与顶帽分布卷积之后的结果。大的印迹尺寸是不希望的，因为它造成视图之间的过多的重叠，产生视图之间的过多的串扰，并且从而降低3D印象。

除了上面所示的对于大的观看角度的视图加宽之外，对于较小的观看角度也可能出现经常称为莫尔类型伪像的条带效应。这由以下事实造成：柱状透镜的焦点随着偏离法线的观看角度的增大而移向观察者。

本发明的光学装置的透镜装置降低和/或减轻了这些和其他效应。

在权利要求中，措词“第一和第二层”不应当被解释为一定意在指连续层。因此，例如，第一层可以由具有第一折射率的嵌入到具有第二折射率的第二层中的多个体积组成。这进一步参照关于依照本发明的可切换光学装置的说明进行解释。

本发明的希望的有利效果随着权利要求1中限定的乘积的幅值的增大而增大。因此，例如，可以观察到具有改进的质量的由该设备显示的自动立体图像的观看角度随着权利要求1中限定的乘积的增大而增大。因此，优选地所述透镜装置被设计成使得所述乘积大于0.6、0.7、0.8、0.9、1.0或者甚至1.1。优选地，该乘积大于0.8，这提供了在获得的效果与光学装置在所需材料方面的可制造性之间的平衡。

所希望的效果依赖于柱状透镜阵列内的透镜间距。该透镜间距应当被解释为在曲率方向上测量的柱状透镜的宽度。因此，透镜间距垂直于例如柱状透镜11的纵轴而测得。透镜中心处的曲率半径是在柱状透镜中间测量的曲率半径，或者垂直于纵轴10截取的柱状透镜截面内的半透镜间距。

透镜间距可以由要显示的自动立体图像确定的最小值限界。例如，透镜间距的下边界可以由自动立体图像的分辨率或视图数量以及因而与显示设备中的一个柱状透镜关联的显示面板像素的数量和尺寸确定。当使用最小可用的透镜间距时，权利要求1中限定的乘积可以通过设计具有适当的曲率半径或者第一折射率的透镜来调节。

所希望的有利效果可以依赖于透镜相对于要由其投影或者通过其观察的自动立体图像的取向。当第一折射率与第二折射率之间的折射率差值更大时，这种依赖性将更大。可以将所述光学装置以及与其一起的透镜装置限定为具有观察者一侧和显示器一侧。该光学装置优选地以第一层作为其观察者一侧，因为这样所获得的有利效果最大。

在所述透镜装置的一个实施例中，第一折射率是第一和第二折射率中的最低折射率。这具有以下优点：与透镜装置相对于要显示的自动立体图像的取向无关地实现了对于特定设计的基于权利要求1中限定的设计准则的希望的效果。

各材料的折射率之间的差值△n优选地比常规透镜小，特别地处于范围0.05-0.22内。这不仅降低了上文解释的对于取向的依赖性并且于是产生了使用的自由度，而且提供了具有更小反射比的透镜装置，从而允许观察到具有更少的由这些反射造成的干扰的图像。其他可能的折射率差值范围是0.05-0.15和0.09-0.12。该差值可以是0.1。

第一和第二折射率的最高折射率可以处于范围1.4-1.65内。这可以例如通过提供相关的第一或第二层，使得它包含丙烯酸材料或者聚碳酸酯来实现。如果高折射率是第一折射率，那么该高折射率对于所希望的效果是特别有利的，因为这样可以使用较高的曲率半径，这转变为比更弯曲的透镜易于制造的较不弯曲的透镜。

具有最低折射率的层例如通过规定具有该折射率的层包含硅树脂材料可以具有范围1.3-1.5内的折射率。第一和第二材料可以具有基本上相同的阿贝数。

第一和第二层可以由所有固体材料制成，从而不需要支撑层或衬底层。可替换地，这些层之一（例如第一层）可以是固体层，而另一层（例如第二层）是液体或气体。该一个固体层于是可以具有依照权利要求1的限定所需的柱状透镜表面的形状。在这些情况下，可以向光学装置添加支撑层，使得透镜装置夹在支撑层之间。

第一和第二衬底优选地包括平面玻璃或聚合物材料，例如聚碳酸酯或者其他透明材料。

第一层可以包括透镜层，该透镜层限定凸形柱状透镜形状，并且具有比第二材料更高的折射率，所述第二材料包含复制层并且填充凸形柱状透镜之间的间隔。

所述光学装置可以是可切换装置，其可以在透镜模式与另一操作模式之间切换。该另一模式可以例如没有显著的透镜效应。具有没有透镜效应的另一模式的这种光学装置将允许实现具有透镜模式的优点的自动立体观看以及在具有对于例如文本显示而言理想的高分辨率优点的所述另一模式下的二维观看。该可切换装置可以包括一个或多个电极以及与一个或多个偏振器组合的诸如液晶材料之类的电光材料或层。

依照本发明，提供了一种包括图像提供装置和位于图像提供装置之前的光学装置的自动立体显示设备。图像提供装置优选地包括设置成行和列的用于限定自动立体图像的图像像素阵列或显示像素阵列。光学装置被设置成使得在该光学装置的透镜模式下，图像或显示像素组的输出方向作为多个视图投射到各个不同的方向。图像提供装置可以是用于以任何种类的形式（例如自动立体明信片或照片）提供静态图像的装置。可替换地，图像提供装置可以是提供静态和/或动态自动立体图像的电子显示装置。这种电子显示装置包括但不限于液晶显示器、等离子体显示器、阴极射线管显示器或者基于发光二极管的显示器。自动立体显示器受益于之前解释的优点。尤其是其中光学装置被定位成使得当处于透镜模式下时第一层处于光学装置的观察者一侧的显示器有利于上面描述的获得的优点。

所述光学装置可以在机械上可附接和/或可从图像显示装置拆卸。

依照本发明，提供了一种显示自动立体图像的方法，包括提供自动立体图像以及通过依照本发明的透镜装置投影该自动立体图像。

附图说明

现在将仅仅通过实例参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1为已知自动立体显示设备的示意性透视图；

图2为示出对于0°与50°之间的观看角度的对图1的设备产生的图像产生贡献的强度与像素平面处的位置之间的示例性关系的曲线图；

图3为已知自动立体显示设备的示意性截面图；

图4示出了更详细地说明在大的观看角度下图4的已知透镜结构可能出现的视图重叠、视图加宽以及强度损失；

图5为依照本发明实施例的自动立体显示设备的实例的示意性截面图；

图6示出了由本发明的透镜装置实现的大观看角度下视图加宽的降低以及强度的提高；

图7示出了由本发明的透镜装置实现的视图重叠的降低；

图8示出了依照本发明的透镜的性能如何与常规透镜不同；

图9示出了图8的扩展图；

图10示出了透镜功能如何可以看作探测像素结构的功能；

图11示出了光束强度分布函数；

图12示出了不同截面处光束剖面频谱的功率的衰减；

图13用来解释本发明的透镜与常规透镜之间在跨输入角度范围的锐度方面的差异；

图14示出了本发明透镜的最大锐度的标绘图；

图15示意性地示出了本发明透镜如何提供改进的锐度；

图16用来示出各种不同的透镜几何参数；

图17用来示出确保垂直光入射的区域；以及

图18为依照本发明实施例的自动立体显示设备的实例的示意性截面图。

这些示图的尺寸未按照比例绘制，并且在全文中，相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图3示出了典型的已知自动立体或3D显示设备30的示意图。它包括具有玻璃隔离板32的液晶显示器（LCD）显示器31形式的显示面板。该3D显示设备以例如包括玻璃衬底34上的丙烯酸透镜35的透镜装置33作为其光学装置。图3示出了图1显示器的垂直于柱状透镜纵轴的截面图。示出了三个透镜35，其具有等于透镜间距阵列p的宽度。在该设计中，透镜边界，即透镜35在其与玻璃衬底34相对的侧面的表面处的折射率差值近似为0.5，因为界面介于具有例如折射率1.5的透镜层与空气之间。

在该特定情况下，9个显示像素与每个柱状透镜35关联，这意味着每个透镜覆盖9个像素的组36并且于是原则上可以创建9个视图，因为每幅像素图像发送到不同方向的一个覆盖透镜。

图4A示出了对于依照图3的几何结构的42英寸（107cm）产品的光强度（I）与观看角度（VA）的函数关系。下面的曲线集示出了各视图41，其为了清楚起见没有全部用附图标记表示。所有视图上积分的总强度示于上面的曲线42。

为了将角度增大到超过0.4弧度，例如作为全宽半高而测量的视图41的宽度显著地增大，并且这也伴随着强度I的下降。强度的下降根据超过0.5弧度的观看角度下的视图41是特别明显的。强度的下降也从图4A的曲线图中向下弯曲的上面的曲线42看到。可以看到视图宽度增大，因为曲线的侧面变得不那么陡峭。举例而言，图4B示出了相邻视图41之间的重叠（O）与观看角度（VA）的函数关系。重叠（O）在图4C中定义。根据定义，两个完全分开的视图具有零重叠，并且相同的视图具有等于1的重叠。在图4B中，对于超过0.4弧度的角度，出现重叠的相对陡峭的增加。重叠越大，视图之间的串扰越多。

由上面的曲线42进一步观察到，尤其对于范围43内，即近似-0.1到-0.6弧度或者0.1到0.6弧度的观看角度之间的观看角度而言，出现强度变化。这些变化被观察者感知为前面提到的条带。

本发明提供了一种光学装置，其在其透镜模式下具有包括两种不同材料的波状界面的透镜阵列。透镜几何结构和材料组成以如下面进一步解释的最优化透镜性能的方式设计，以便获得本发明的有利效果。

图5示出了依照本发明的自动立体显示设备50的实施例。该设备具有带有玻璃板52的显示面板51形式的图像形成装置。该自动立体显示设备在图像形成装置之上具有依照本发明的光学装置53。在该特定情况下，该装置是不可切换的并且永久处于其透镜模式。该实施例包括取向与其纵轴平行的半圆柱形柱状透镜55的阵列。该透镜阵列包括夹在平面玻璃衬底54、57之间的第一层55A和第二层55B。第一层55A和第二层55B之间的界面限定了波状透镜表面58。在该特定情况下，第一和第二层在光学上各向同性，并且对于可见光谱内的辐射具有0.05与0.22之间的折射率差值。

第一层55A包括限定凸形柱状透镜形状的透镜层。在当前实施例中，该层包括具有大约1.5的折射率的材料，例如丙烯酸材料，其包括：80%的乙氧基双酚A二丙烯酸酯（Ethoxylated bisphenol A diacrylate）（来自“沙多玛有限公司”的SR-349）以及具有大约1.53的折射率的20%的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（trimethylolpropane triacrylate）（TMPTA）。第二层56由硅树脂橡胶材料（来自“瓦克化学有限公司”的Elastosil RT604）制成并且具有大约1.41的折射率。

尽管描述的实例具有前述第一和第二层的组合，但是在本发明的一般构思内，同样可以很好地应用其他层的组合。因此，例如，第一层的折射率可以介于1.4与1.6之间，使得具有大约1.59的折射率的聚碳酸酯可以与硅树脂橡胶材料一起使用。还有其他具有适当折射率的材料可以使用，而不损失本发明的效果。

再者，本发明并不限于这些折射率范围或者上面限定的材料的折射率差值范围。所提及的材料可以用具有适当折射率的任何其他材料代替，这些其他材料被选择成使得与依照本发明的透镜表面所需的曲率半径和透镜间距有关地获得所要求的折射率差值。各种不同的修改对于本领域技术人员应当是清楚明白的。

当前实施例的丙烯酸材料透镜结构可以通过复制工艺来制成。在这种工艺中，提供具有与透镜（即例如层55A）形状互补的起伏（relief）表面的模具。在复制步骤中，使层材料与模具接触，使得它呈模具的起伏形状并且固定于该形状。得到的透镜可以附接到衬底层57例如以便在模制期间或者之后提供强度。如果衬底仅仅用来维持复制工艺期间的透镜结构，那么可以移除衬底。然后，将具有或者可能没有衬底层的复制的透镜嵌入到由诸如玻璃板或塑料板之类的支撑层支撑的硅树脂层中。在这种过程中可以方便地使用前面提到的丙烯酸材料。然而，可以使用可以以这种方式模制的任何其他材料，只要与其他层的折射率相比时，最终结果是具有适当折射率的层。可替换地，将硅树脂层施加到复制的透镜，之后施加支撑层。衬底层或支撑层中的任何一个可以例如由玻璃制成。除了其他优点之外，玻璃还具有以下优点：具有平坦的表面，并且通常用在显示器行业。显然，衬底层和/或支撑层必须能够经受住制造步骤期间的可能的状况，使得得到的结构免于不希望的变形等等。

可替换地，可以在机械上加工透镜结构。通常，这需要在加工条件（温度和压力）下为固体的透镜材料。例如，可以以这种方式有利地制成聚碳酸酯透镜。

在图5的实施例中，将透镜装置53结合到依照本发明的自动立体显示设备50中。此外，将透镜装置附接到具有玻璃隔离板32的（LCD）31形式的显示面板。

图6示出了对于依照图5的几何结构的42英寸（107cm）产品的光强度（I）与观看角度（VA）的函数关系。像图4中一样，下面的曲线61（没有全部用附图标记标注）集示出了各视图。总强度示于上面的曲线62。

图3结构的典型透镜半径是2.212毫米，但是在图6中，透镜半径（R）为仅仅0.519毫米 。这是因为焦距近似等于透镜半径（R）与限定透镜表面的层的折射率差值的商，并且焦距参数因而对于与图3的已知透镜结构用于相同应用中的本发明的透镜结构保持近似恒定。可以确定精确的希望的半径以便最小化条带强度，这在下面进行解释。如果透镜要覆盖相应的区域，即覆盖显示装置的相同列数的像素，那么减小的透镜半径引起更深的透镜。在这种情况下，其将分别是图3和图5的组36或56中的9个像素。

除了低强度尾部之外，图6示出了对于本发明的设计而言，视图的加宽小得多。而且，条带显著地降低。这部分归因于透镜的一定程度上更小的场曲。对于类似的几何结构，透镜的丙烯酸部分朝观察者取向，观察到类似的行为，但是视图的低强度尾部远离原点取向。

图7示出了用于与图4B比较的重叠与观看角度的函数关系。对于本发明的透镜设计，重叠曲线非常平坦。该设计在较大的偏离法线的观看角度（VA）下给出观看体验的显著改善。

除了降低串扰和条带之外，图5的设计具有低反射率的附加优点。上面的玻璃板的上面的平坦表面可以容易地涂敷抗反射涂层。由于低折射率差值的原因，透镜结构本身具有低反射。另一优点是，设备的外表面是平坦和鲁棒的。在显示器之前无需附加的保护板，因为透镜装置衬底之一可以提供这种功能。

因此，本发明的透镜设计提供了角度相关串扰的降低、条带的降低、低反射率以及可以被设置成具有出于上面提到的若干原因而具有优势的鲁棒平坦侧面的设计。

尽管在上面给出的实例中，第一和第二层夹在衬底层之间，但这不是强制性的。在一个实施例中，第一层55A和衬底层57是同一层。因此，第二层55B和衬底层54可以是同一层。当第一和第二层足够坚固，使得衬底层不必要时，这可能尤其如此。

在依照本发明的自动立体显示设备的可替换实施例中，为上面给出的实施例中的显示面板的一部分的层52可以形成透镜装置的衬底层，从而将这些层的功能与减少成本重量或制造时间的机会组合。

如上所述，透镜阵列不仅基于折射率差值，而且基于透镜的几何结构，特别是透镜半径R和透镜间距p而设计。

图8示意性地示出了具有高折射率差值以及因而小的曲率的透镜80（图8顶部）的性能如何与具有低折射率差值以及因而大的曲率的透镜（图8底部）不同。图8顶部示出了在所述界面之一处具有与空气的折射率差值0.5以及焦距的0.333倍的透镜半径的透镜。图8底部示出了具有折射率差值0.1以及焦距的0.067倍的透镜半径的透镜。

光从左边进入透镜80。高折射率空气透镜提供了具有良好定义的焦点81的良好形状的光束。低折射率差值透镜具有较大的曲率以及因而更多的球面像差。透镜之后的光束在区域82中表现出所谓的“焦散线（caustics）”。在该区域内，光线相互赶上，给出局部高强度。焦距f为透镜之后的距离，靠近轴的光线在该距离处相交。

图9示出了来自图8的下面的实例的扩展图。沿着光束的若干位置处的强度分布被示出。在其中出现焦散线的区域80中，光束表现出两个具有强度最大值的位点（参见标绘图90）。在焦散线的尖端处（标绘图92），两个位点重合以形成一个高强度点。在该点的右边，强度分布再次变得平滑。标绘图90可以被认为是透镜的“焦散边缘”，并且标绘图92是“焦散尖端”。

本发明基于如上面所解释的经受更坏的光学像差的这种光学性能如何可以引起角度性能的改善的理解。为了理解透镜设计如何影响光学系统的性能，可以将透镜功能看作探测像素结构的功能。这在图10中示意性地进行解释。左边部分示出由未示出的透镜创建的光束剖面100，其调制与像素阵列110的像素关联的光。这是如图10的右边所示的低通滤波器卷积函数。

该卷积函数导致信息熵的损失（欲知术语信息熵的更详细的解释，参见例如C.E. Shannon的A Mathematical Theory of communication, The Bell System Technical Journal, Vol. 27pp. 379-423, 623-656 July, October, 1948）。

图11A示出了作为值I(y)的光束强度分布函数100，其中y为离中心轴的移位。

熵损失基于函数100的傅立叶变换：

熵损失定义为：

图11B示出了用来导出熵损失的对数值。

具有最缓慢衰减对数函数（即最缓慢衰减功率谱）的光束剖面将具有最少的信息损失（图11的曲线与x轴之间的最小面积），并且因而包含最多的高频。这可以被认为表示“锐度”函数。

图12在右边示出了不同截面处光束剖面频谱的功率谱的衰减。显然，焦散尖端处的剖面具有最缓慢的衰减功率谱。如果焦散尖端不存在，这是光束在透镜上的充分大的入射角的情况，那么焦散边缘处的剖面具有次优光束剖面频谱。

上面的分析允许最大锐度点定义为其中剖面的功率谱最缓慢地衰减的点。在低折射率差值透镜与常规透镜之间存在明显的差异，如图13中所示。

标绘线130是定义为撞击到靠近透镜中心（即透镜表面与光轴的交叉）的透镜表面上的邻近光线的交点的焦点位置。标绘线132是其中光束的均方根（RMS）宽度最小的点的位置。换而言之，其中光束的截面最小的点。显著的差异是标绘线134所示的最大锐度点。对于低△n透镜，当与通常的透镜相比时，该曲线具有大得多的曲率半径。这意味着对于较大的入射角，最大锐度点仍然相对地在很大程度上更靠近原始焦平面。事实上，低△n透镜的曲线由焦散尖端点围绕透镜中心（在这种情况下，中心表示形成透镜的球面中心）旋转而形成。对于通常的透镜而言，较大角度的曲线由焦散边缘区域上的点（尖端不存在）形成。

因此，可以看出，如果透镜可以被设计成提供覆盖所有入射角的焦散尖端区域，那么可以改善锐度。图14示出了最大锐度的标绘图并且示出了焦散尖端区域140和焦散边缘区域142。如果进入的光线之一垂直地撞击透镜表面，那么焦散尖端存在。该光线经过限定透镜表面的球面的中心。如果光线的入射角太大（对于给定的透镜孔径而言），那么尖端不再存在。

这允许确定用于透镜的设计参数集。如图15中所示，进入的光线弯向法向，将角度范围限制在光学装置的第一层内。透镜可以被设计成△n充分小，即透镜充分弯曲，使得对于每个进入角度（与空气中的全角度范围相应）而言，至少一条光线垂直地撞击透镜表面。该设计规则于是提供了靠近像素平面的最大锐度区域，并且从而提供了上述优点。

显示器的像素平面在竖直线150的附近，并且观察者在左边。为了简单起见，图15示出了从观察者指向显示器的光线，但是当考虑通过显示像素定向到观察者的光时，该分析并不变化。

存在表征提供该连续焦散尖端的透镜设计的许多方式，其反过来引起上面解释的锐度改善。

图16用来示出各个不同的透镜几何参数。

视图的数量由透镜间距p确定。由主锥角γ限定的观看角度的范围由透镜间距p、从像素平面40到透镜的距离d以及折射率n2确定。

给定p、d、n1和n2，最优化透镜半径R以实现最小条带。该透镜半径R确定焦距f，其稍大于所示实例中的距离d。已知从焦距偏移像素阵列，以便降低LCD面板的黑色掩蔽层的成像效应。

除了上面讨论的低折射率差值之外，透镜的光学性能可以由参数n1(p/2R)表征，其中n1、p和R的值都被示出并且参照图16进行解释。该无量纲参数考虑了透镜曲率和焦距，以及当光进入透镜体时光的弯曲。特别地，在n1被限定为在观察者一侧的透镜装置的部分的情况下，这考虑了观察者一侧空气界面处的弯曲。该参数使得光垂直于透镜表面入射的要求能够被满足。

图17将对于其确保垂直入射的区域显示为阴影区域。该阴影区域的倾斜左边界由下式确定：

对于 n1 > √2

n1(p/2R) = 1

对于 n1 <= √2

n1(p/2R) = n1²/ 2√(n1²-1)

右垂直边界由下式给出：

p/2R =1。

对于圆形透镜而言，所述间距不可能超过半径的2倍，并且这决定了右边界。

图17中的区域的边界基于n1(p/2R)=1并且边界内的点满足n1(p/2R)>1。

本发明更一般地适用于n1(p/2R)>0.6的值。更优选地，n1(p/2R)>0.8。甚至更优选地，n1(p/2R)>1。

在图17中，区域180代表可行的透镜几何结构，并且区域182代表透镜体的当前最容易获得的材料（不包括n1=1）。这给出了基于当前可获得的材料并且满足本发明的最优选的透镜设计参数范围的区域184。

图8-17的实例具有n1<n2，向外弯曲的透镜面指向观察者。对于其中透镜指向相反方向（例如如图5中所示）的几何结构而言，相同的关系成立。在这种情况下，向外弯曲的透镜面指向显示面板，并且n1>n2以形成正透镜。

本发明适用于所有类型的正透镜并且在所有类型的基于柱状透镜的自动立体显示器中具有其有利效果。因此，形成透镜界面的层之间的折射率差值不必是小的，只要依照本发明的折射率、透镜间距以及透镜表面曲率的关系被满足，因为这样获得了所述有利效果。

在实践中，所述透镜系统可以包括超过两个或三个介质，例如中间玻璃板/层或者空气间隙。

上面的讨论和分析基于球面透镜。然而，可以使用非球面透镜（例如具有两个有效半径）。上面的分析于是可以被认为基于（沿着中心光轴的）透镜中心处的有效透镜半径。

材料的折射率依赖于光的波长。这通常以所谓的“阿贝数”来表示。由于该波长依赖性，透镜的焦点依赖于光的颜色。当由仅具有小的折射率差值的两种材料制成透镜时，作为整体的透镜的颜色依赖性将以大致为 (n_acrylic-n_air)/(n_acrylic-n_silicone) ≈ 5的倍数提高，导致颜色相关条带。为了避免这点，不同材料的阿贝数应当匹配。

阿贝数定义为：

其中n_D、n_F、n_C是D、F和C谱线（分别为589.2nm、486.1nm、656.3nm）处的材料折射率。

可以假设“可见光谱内的”上面提到的折射率差值在可见光谱内的单个点处测量，例如587.5618nm处的D₃氢线。

柱状透镜优选地相对于显示器的像素列倾斜，并且这是分担由显示器的行方向和列方向之间的透镜阵列引起的分辨率损失的已知措施。

液晶显示器的设计没有详细地加以解释，或者产生需要的多个视图所需的图像处理没有加以解释。这些都是标准的，并且本发明提供仅仅对于透镜设计的改变。

在上面的实例中，透镜层60是丙烯酸材料，但是它可以改为聚碳酸酯材料（折射率n=1.59-1.60），并且这可以与作为第二材料层62的硅树脂材料组合。

在图18A和图18B表示的实施例中，所述光学装置可以具有由图18B表示的区域200，其中限定透镜表面的层之间的界面基本上是平坦的。该非透镜区域于是可以用来显示例如任何种类的2D数据。该非透镜区域（200）于是具有与图18A的透镜区域相同的折射率差值，其优点在于，两个区域之间的边界将被掩蔽，即与其中非透镜区域未设有具有低折射率差值的透镜区域的分层结构的情形相比，对于观察者不那么明显。因此，改善了显示外观。应当清楚的是，可以提供多个这样的区域，以及可以根据需要提供多个透镜区域。这可能对于必须同时提供3D数据和2D数据的显示系统而言是重要的。这种布置和相应的具有带有两个低折射率层的非透镜区域的显示器可以与透镜半径的要求无关地使用而不损失所描述的优点，所述要求由本发明中的特征“其中第一折射率与被曲率半径的2倍除的透镜间距的乘积大于0.6”限定。

本发明通常可以用于显示器中，并且这包括电子相框和其他显示输出设备。

各种不同的修改对于本领域技术人员应当是清楚明白的。

优选地，与形成透镜表面的表面相对的第一和第二层的表面都是平面的。尽管这些表面之一允许容易地将透镜装置安装到诸如规则液晶显示器（LCD）之类的显示设备的平面表面上，但是其他表面可以设有附加的层，例如抗反射涂层和/或其他光学层和/或抗刮擦和/或其他保护涂层。因此，这些附加的层有利地不位于透镜装置与显示面板的表面之间，从而不干扰利用所述透镜装置实现的自动立体显示设备的光学效果或光输出。

本发明适用于具有透镜功能的所有光学装置，当用于自动立体显示器时，尤其如此。因此，所述光学装置可以是在一种模式下具有依照本发明的透镜功能并且在另一模式下具有另一光学功能的可切换装置。可切换的光学装置可以例如如WO1998/021620A1中所描述的构造。该光学装置于是包括电极结构以及用作所述光学装置的第一或第二层之一的液晶（LC）材料。液晶层的折射率是各向异性的并且依赖于液晶分子的取向。电极结构用来提供跨该层的电场，以便在光学装置的一种模式下排列LC分子。因此，在透镜模式下，LC分子被取向成使得第一和第二层之间存在折射率差值，而在所述另一模式下该折射率差值可以由于LC分子的适当重新取向而基本上不存在，从而受益于LC层的不同折射率。

提供可切换透镜装置的其他原理可以用来准备依照本发明的光学装置。因此，例如，可以使用流体聚焦透镜。

在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。动词“包括/包含”并没有排除存在权利要求中未列出的元件或步骤。元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件项实施。在相互不同的从属权利要求中陈述了特定的技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。

Claims (12)

1.一种自动立体显示设备，包括：

显示面板（3），用于生成具有至少两幅子图像的自动立体图像，所述至少两幅子图像的每一幅代表要由图像显示的对象的不同视图；以及

定位在该显示面板之前的光学装置，其中该光学装置至少具有其中它是透镜装置的透镜模式，该透镜装置包括正柱状透镜（11）阵列（9），这些正透镜中的每个对应透镜包括第一层和第二层，第一层和第二层具有彼此之间的限定柱状透镜表面的界面，第一层具有第一折射率并且第二层具有与第一折射率不同的第二折射率，透镜阵列具有透镜间距并且柱状透镜表面在其中心处具有曲率半径，其中第一折射率与被曲率半径的2倍除的透镜间距的乘积大于0.6，其中第一折射率与第二折射率之间的折射率差值的绝对值介于0.05与0.15之间。

2.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述乘积大于0.8。

3.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述乘积大于1。

4.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述透镜装置具有与显示器一侧相对的观察者一侧，并且第一层在该透镜装置的观察者一侧。

5.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中第一折射率是第一折射率和第二折射率中的最低折射率。

6.如权利要求1-5中任何一项所述的自动立体显示设备，其中第一折射率和第二折射率中的最高折射率处于1.4-1.65的范围内。

7.如权利要求1-5中任何一项所述的自动立体显示设备，其中第一折射率和第二折射率中的最低折射率处于1.3-1.5的范围内。

8.如权利要求1-5中任何一项所述的自动立体显示设备，其中第一层和第二层在光学上各向同性。

9.如权利要求1-5中任何一项所述的自动立体显示设备，其中第一层和第二层具有基本上相同的阿贝数。

10.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述光学装置被定位成使得当处于透镜模式下时，第一层在光学装置的观察者一侧。

11.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述透镜装置被定位成使得第二层比第一层更靠近显示面板，并且其中第二折射率是第一折射率和第二折射率中的最低折射率。

12.一种显示自动立体图像的方法，包括提供包含多个视图的图像以及使用如权利要求1-11中任何一项所述的自动立体显示设备投影该图像。

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