CN102257828A - 自动立体显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种自动立体显示设备包括具有显示像素（105）阵列的显示器（103）以及细长元件的视图形成装置（109），所述细长元件具有与列像素方向成角度α倾斜的长轴，并且这些元件具有不同列中相同颜色的像素之间的宽度的P倍的间距。该间距P被选择为：P=0.5.k.(1+S2)，其中S=tanα，并且k为正整数。该装置允许关于每个视图投射的所得图像具有跨图像的均匀且规则的像素分布。这改进了视图的视觉外观。

Description

自动立体显示设备
技术领域
本发明涉及一种具有含有显示像素阵列的显示面板的自动立体显示设备以及一种用于将不同的视图定向到不同的物理位置的装置。
背景技术
GB2196166A中描述了前面段落中的类型的已知自动立体显示设备。该已知设备包括具有行和列显示像素阵列的二维发射液晶显示面板，所述阵列充当产生显示的图像形成构件。彼此平行延伸的细长柱状透镜(lenticular lens)的阵列覆盖显示像素阵列并且充当视图形成构件。来自显示像素的输出通过这些柱状透镜投射，这些柱状透镜用来修改输出的方向。
这些柱状透镜作为元件片而提供，其每一个包括细长半圆柱透镜元件。这些柱状透镜在显示面板的列方向上延伸，每个柱状透镜覆盖两个或更多邻近列显示像素的对应组。
在其中例如每个柱状透镜与两列显示像素关联的装置中，每列中的显示像素提供了对应二维子图像的竖直切片。该柱状透镜片将这两个切片以及来自与其他柱状透镜关联的显示像素列的相应切片投射到位于该片之前的用户的左眼和右眼，使得用户观察到单一立体图像。
在其他装置中，每个柱状透镜与行方向上三个或更多邻近显示像素的组关联。每组中相应列的显示像素被适当地设置成提供来自对应二维子图像的竖直切片。当用户头部从左边运动到右边时，观察到一系列连续不同的立体视图，从而创建例如环顾的印象。
上面描述的自动立体显示设备产生具有良好亮度水平的显示。然而，与该设备关联的一个问题在于，柱状透镜片投射的视图被典型地限定显示像素阵列的非发射黑色矩阵的“成像”造成的暗区分开。这些暗区容易被用户看成跨显示器隔开的暗竖直带形式的亮度非均匀性。这些带随着用户从左边运动到右边而跨显示器移动，并且这些带的间距随着用户朝向或远离显示器运动而改变。另一个问题在于，竖直透镜导致分辨率在水平方向上比在竖直方向上大大降低。这两个问题可以通过以相对于显示像素阵列的列方向的锐角倾斜柱状透镜的公知技术而至少部分地解决。倾角透镜的使用因而被认为是产生具有近乎恒定亮度的不同视图且在透镜之后产生良好的RGB分布的必要特征。
发明内容
本发明基于以下认识：可以进一步改进使用柱状透镜的倾斜的显示器。该改进涉及以下事实：倾斜可能导致构成各视图的像素（或彩色子像素）的不规则像素分布。出现这种情况是因为来自2D图像的像素或子像素的图案由透镜装置成像到单独的观看位置。透镜与像素之间的相对倾斜意味着像素（或子像素）未规则地设置在均匀网格中。这导致可能被观看者感知为恼人的效应的感知非均匀性。
本发明的一个目的是降低前述效应。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。
依照本发明，提供了一种自动立体显示设备，该自动立体显示设备包括：
显示器，其具有用于产生显示的显示像素阵列，其中这些显示像素设置在行和列中；
视图形成装置，其用于在不同的方向上向用户投射多个视图，该视图形成装置包括具有与列像素方向成角度α倾斜的长轴的细长视图形成元件，所述细长元件具有不同列中相同颜色的像素之间的宽度的P倍的间距，
并且其中该间距P被选择为：
P= 0.5 . k . (1+ S2)
其中S=tan α，并且k为正整数。
该装置允许关于每个视图投射的所得图像具有跨图像的均匀且规则的像素分布。这改进了视图的视觉外观。
本发明提供了倾角与视图形成元件间距（关于显示列）之间的关系，使得视图形成元件阵列之后的像素形成用于每个视图的规则的网格，例如正方形或六角形网格。
k的值根据像素阵列的性质以及各视图的希望的像素网格设置而变化，例如根据显示器是单色的（包括色序；多种颜色的时序显示）还是具有不同颜色子像素的多色而变化。
在多色情况下，显示像素设置在红色、绿色和蓝色子像素列中，并且在这种情况下列宽度包括邻近同色子像素列之间的距离。优选地：
k = 3(2N+1)
其中N为0或者正整数。
倾角优选地由下式给出：
S= 1/V.2.N+1
其中V等于用于向用户投射的各视图的像素网格的宽高比。
这给出跨视图均匀分布的子像素。
在一个可替换的设置中：
S=V/N
其中V等于用于向用户投射的各视图的像素网格的宽高比。
这给出一起分组为彩色像素三元组的子像素。
在单色（或者色序）情况下，显示像素设置在单色像素列中，并且其中
k=2N+1
其中n为0或者正整数。
同样地，倾角可以由下式给出：
S= 1/(V.2.N+1)，或者
S= V/N。
在这些实例中，值V=1与正方形像素或子像素网格相应，并且V=√3或1/√3与六角形像素或子像素网格相应。
像素行可以偏移而不与像素列正交。这可以在存在透镜的非整数水平间距（就被透镜覆盖的像素列的数量而言）时加以使用。例如，一个像素与沿着行的下一个像素之间的竖直移位由下式给出：
y = (P/m –1)/S
其中m为正整数。
这适合跨透镜宽度的整数数量的列。
像素的宽高比可以由下式给出：
w/h = S – y，或者
w/h = 2S – y。
当行和列不（完全地）正交时，像素行可以平行于显示器的顶部边缘或者像素列可以平行于显示器的侧面边缘。
在一个优选的设置中，视图形成装置包括设置成与显示器配准的柱状透镜阵列，并且所述细长元件包括可被配置成将显示像素组的输出聚焦到在不同的方向上向用户投射的所述多个视图中的柱状透镜，从而允许实现自动立体成像。这些柱状透镜可以具有理想的透镜形状或者透镜设计领域中已知的任何其他适当的形状，例如包括（半）圆柱形平-凸、凸-凸等等。
在另一个实施例中，视图形成装置包括设置成与显示器配准的柱状透镜阵列，并且所述细长元件包括可被配置成将显示像素组的输出聚焦到在不同的方向上向用户投射的所述多个视图中的柱状透镜，从而允许实现自动立体成像。这些柱状透镜可以具有理想的透镜形状或者透镜设计领域中已知的任何其他适当的形状，例如包括（半）圆柱形平-凸、凸-凸等等。
在这种自动立体显示器中，视图形成元件阵列，例如为柱状透镜阵列和/或屏障和狭缝的阵列，优选地位于像素平面的某个非零距离处（例如在其之前）。这允许在水平角度下观看显示器时可以通过相邻元件观察到形成所述不同视图的像素组。因此，形成多个观看锥体。所述距离可以选择为微米级或毫米级，例如，它可以介于0.5与1或2毫米之间。
附图说明
现在将仅仅通过实例的方式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为图1中所示显示设备的示意性截面图；
图3示出了用于所述多个视图之一的第一可能像素网格；
图4示出了用于所述多个视图之一的第二可能像素网格；
图5示出了第三可能像素网格设置；
图6示出了用于单色显示器的第四可能像素网格；
图7示出了改变行排列的第一方式；以及
图8示出了改变行排列的第二方式。
具体实施方式
将依照示例性实施例参照附图描述本发明。
图1为多视图自动立体显示设备1的示意性透视图。设备1包括充当产生显示的图像形成构件的有源矩阵类型的液晶显示面板3。
显示面板3具有在这种情况下为平面的表面中以行和列设置的显示像素5的正交阵列。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，面板3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了偏振层。
每个显示像素5包括衬底上的相对电极，液晶材料介于其间。显示像素5的形状和布局由电极的形状和布局以及面板3前面提供的黑色矩阵装置确定。显示像素5通过间隙彼此规则地隔开。
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片9，其执行视图形成功能。柱状透镜片9包括彼此平行延伸的柱状透镜11行，为了清楚起见，以夸大的尺寸示出了其中仅仅一个柱状透镜。柱状透镜11充当执行视图形成功能的视图形成元件。
在该实例中，柱状透镜11处于凸圆柱形元件的形式，并且它们充当光输出定向构件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。因此，图1中所示的自动立体显示设备1能够提供不同方向上的若干不同透视视图。特别地，每个柱状透镜11覆盖每行中的小组显示像素5。柱状透镜11将一组的每个显示像素5投射到不同的方向上，以便形成所述若干不同视图。当用户头部从左边运动到右边时，他的/她的眼睛将依次接收所述若干视图中的不同视图。
图2示出了如上所述的柱状透镜类型成像装置的操作原理并且示出了光源7、显示面板3和柱状透镜片9。该装置提供了三个视图，每个视图投射到不同的方向上。显示面板3的每个像素利用用于一个特定视图的信息，例如用于观看者的左眼或右眼的信息驱动。
在仅仅投射具有左眼和右眼图像的两个视图的情况下，人们可以看见立体图像。当多个视图包含用于每只眼睛的图像的多个透视时，可以显示环顾立体图像，而无需护目镜或其他辅助观看工具。
上面描述的自动立体显示设备产生具有良好的亮度等级的显示。公知的是，以相对于显示像素阵列的列方向的锐角使柱状透镜倾斜。这允许改进亮度均匀性并且也使水平和竖直分辨率更加接近。US6064424中进一步详细地描述了倾斜的操作机理以及它提供的优点。
本发明基于以下认识：倾斜柱状透镜的使用引起用于每个视图的像素不跨图像规则地设置的效应，这可能被观看者感知为恼人的。
就所述实例而言，本发明提供了透镜倾角与透镜间距（关于显示列）之间的关系，使得柱状透镜阵列之后的像素形成用于每个视图的规则的网格，例如正方形或六角形网格。
图3示出了子像素列32，其具有在水平方向上从左到右重复的红色（R）32’、绿色（G）32’’和蓝色（B）32’’’子像素，并且示出了依照本发明的用于特定视图的子像素位置30的希望的网格。在这种情况下为矩形的区域30表示由观看者通过柱状透镜观察到的显示器的子像素。矩形30代表该特定视图的具有特定颜色（例如绿色）的区域。提供该区域的子像素位于矩形30的中心，但是处于显示器3的像素表面内。具有以透镜的细长轴34与像素列方向36之间的角度α倾斜的透镜的透镜装置将由该子像素提供的视图区域放大到所示的矩形。该矩形因而代表所述特定视图的由一个特定子像素提供的区域（即在该区域内不存在用于该视图的其他子像素）。
比值V给出网格的高度和宽度之比：
V=H/W
H由与相同颜色的子像素相应的区域之间的沿着柱状透镜元件的细长轴34的距离给出：
Figure 200980151111X100002DEST_PATH_IMAGE002
。
在该方程中，α为柱状透镜元件的细长轴与像素列方向36之间的柱状透镜倾角，并且Ppx为像素平面内的水平像素间距38，其为相同颜色的邻近列32之间的距离。
为了保持针对区域30所示的矩形像素网格，宽度W必须被选择成给出希望的与网格形状垂直的侧面。这在下式成立时实现：
Figure 200980151111X100002DEST_PATH_IMAGE004
其中N为非负整数（0，1，2，…）。
这给出：
Figure 200980151111X100002DEST_PATH_IMAGE006
。
因此，对于给定的同色像素间距Ppx、希望的比值V和任意N，透镜倾角应当选择为：
Figure 200980151111X100002DEST_PATH_IMAGE008
。
透镜间距应当由下式给出：
P=0.5W。
因此：
Figure 200980151111X100002DEST_PATH_IMAGE010
。
于是，透镜间距Ph（根据像素间距Ppx数）由下式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
V=1的值与图3的正方形网格相应。V=√3或1/√3 的值与如图4中所示的六角形网格相应，该六角形网格具有圆频率响应。
上面的分析针对具有三列彩色子像素32’、32’’和32’’’的显示像素布局，并且像素间距Ppx为显示表面内相同颜色子像素之间的距离。因此，图1的显示面板3内的（图像）像素5于是包括用于表示三种颜色的三个子像素。在可替换的实施例中，例如单色显示器，或者色序显示器，后者只有一种类型的像素5，但是像在例如序列彩色背光照明中一样使用颜色的时序显示，子像素32’、32’’和32’’’中的每一个与图像像素5相应并且于是下式成立：
。
上面的分析给出一种解空间。第二解空间产生如图5所示的具有高宽比V的对齐RGB像素。
在这种情况下：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
这给出S=1/VN的倾斜以及下面的水平像素间距：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
同样地，上面的分析针对具有三列彩色子像素32’、32’’和32’’’的显示像素布局，并且像素间距Ppx为显示表面内相同颜色子像素之间的距离。因此，图1的显示面板3内的（图像）像素5于是包括用于表示三种颜色的三个子像素。在图5的实例中，适当列32的子像素32’、32’’和32’’’通过柱状透镜被看成对应的区域30’、30’’和30’’’。
在可替换的实施例中，例如单色显示器，或者色序显示器，后者只有一种类型的像素5，但是像在例如序列彩色背光照明中一样使用颜色的时序显示，子像素32’、32’’和32’’’中的每一个与（图像）像素5相应并且于是下式成立：
。
图6中示出了单色版本。图5和图6针对V=1的情况。
可以看出，上面的不同实例共享将间距P选择为下式的结果：
P= 0.5 . k . (1+ S2)，其中k为正整数。
k可以采用的整数取决于特定的实例。因此，对于图3的实例，解在k=3，9，15，21等等（k=6z-3，z为正整数）时。对于图3的单色版本，解在k=1，3，5，7等等（k=2z-1，z为正整数）时。对于图5的实例，解在k=6，12，18，24等等（k=6z，z为正整数）时。对于图6的实例，解在k=2，4，6，8等等（k=2z，z为正整数）时。
如上所述的特定像素间距和透镜倾斜组合与潜在的像素网格相结合，将创建非整数视图（分数视图），其限制自动立体系统的3D质量。例如，这可能导致颜色失真、高的深度模糊性以及复杂的再现算法。另外的约束使得与由于透镜的这种非整数水平间距（以透镜之下的像素表示）而引起的非整数视图关联的问题能够被解决。特别地，像素行偏移而不与像素列正交，以规避由于倾斜引起的非整数视图。
不同的像素应当沿着行位置具有竖直地增加的偏移，使得在整数数量的水平像素之后，到下一个透镜的竖直距离等于到第一透镜的距离。对此表示的另一方式是，透镜边缘以与像素行错开（stagger）相同的角度（或者整数倍）倾斜。这可以首先通过按照下式定义沿着行的一个像素与下一个像素之间的竖直移位来实现：
y = (P/m –1)/S
其中m为正整数，其优选地不与水平间距值Ppx截然不同。
此外，（图7中所示的）像素的宽高比于是由下式给出：
w/h = S – y，或者
w/h = 2S – y。
更一般地，w/h = aS-y，其中a为正整数。因此，像素的宽高比基于倾斜的整数倍。
图7示出了非水平子像素70行的一个实例，这些行在这种情况下在箭头72的方向上延伸，并且示出了这些行的角度如何使得它们垂直于柱状透镜的长轴34。因此，像素网格与透镜配置对齐。图8示出了一种可替换方案。
在图6和图7中，透镜倾斜轴以及由此引起的坡度使得长透镜轴34以重复的方式同样地穿过子像素。例如，图7和图8的每一个中的中心透镜轴（平行于细长透镜轴）按照其穿过下两个子像素（76，78）的方式穿过头两个子像素（74，75），依次类推。对于更陡的透镜角度（更小的倾角），所述重复将是每三个子像素地进行。在图7中，行向上错开，并且在图8中，它们向下错开。
可替换地，可以旋转RGB列，同时保持这些列与柱状透镜轴之间的倾斜（在这种情况下，间距Ppx为垂直于RGB列的间距）。像素形状可以被设计成具有受控数量的串扰和条带。
本发明给出了用于未来版本的柱状透镜自动立体显示器的选项，其具有与2D面板可比的3D像素网格。所提出的透镜相关面板像素网格解决方案得到极好的3D图像质量。宽的解空间允许按比例缩放视图的数量和串扰，同时保持均匀的网格。
上面的实例都涉及柱状透镜装置。然而，依照独立权利要求的最广阔形式的本发明也可以应用到使用倾斜屏障装置的自动立体显示器，即应用到自动立体视差屏障显示设备。这些屏障装置也执行2D图像的角度相关子采样，使得2D图像的不同部分被定向到不同的观看位置。在这种情况下，存在作为视图形成装置的、覆盖像素平面的、称为屏障的不透明区域以及称为狭缝的透明区域的阵列，使得两个屏障被狭缝分开。屏障阻挡在其下可以观察到一组视图形成像素的特定方向，而狭缝对于像素光是透明的。屏障与下面的像素之间的关系确定从中可以看见不同像素的观看位置。例如WO2006/068426或US7154653中很好地描述了视差屏障显示系统的为观看者的双眼提供不同视图的详细工作原理，这里为了简洁起见不对其重复。
因此，本发明的视图形成装置可以是细长屏障和细长狭缝的重复配对的阵列，每个配对具有垂直于其细长轴测量的特定宽度。
出于如上面所解释的相同原因，这些屏障可以倾斜（或者具有阶梯轮廓），并且于是同样可以应用本发明。在将本发明应用到这样的屏障类型视图形成元件中，屏障和狭缝配对的宽度应当被选择成使得它在使用了柱状透镜观看装置的情况下等于柱状透镜的间距。
此外，其他的细长倾斜视图形成装置可以是可能的，并且本发明通常可以应用到用于提供2D图像的角度相关子采样的细长元件，其中这些元件相对于显示列方向倾斜。权利要求应当相应地进行理解。
更一般地，应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下将能够设计出许多可替换的实施例。
本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，能够理解并实施所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中列出特定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。权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。

Claims (15)

1. 一种自动立体显示设备，包括：
显示器（103），其具有用于产生显示的显示像素（105）阵列，其中这些显示像素设置在行和列中；
视图形成装置，其用于将多个视图每个在不同的方向上进行投射，该视图形成装置包括具有与列像素方向成角度α倾斜的长轴的细长元件，所述细长元件具有不同列中相同颜色的像素之间的宽度的P倍的间距，
并且其中该间距P被选择为：
P= 0.5 . k . (1+ S2)
其中S=tan α，并且k为正整数。
2. 如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中显示像素设置在红色、绿色和蓝色子像素列中，并且其中列宽度包括邻近的同色子像素列之间的距离，并且其中：
k = 3(2N+1)
其中n为0或者正整数。
3. 如权利要求2所述的自动立体显示设备，其中：
S= 1/v.2.N+1
其中v等于用于向用户投射的各视图的像素网格的宽高比。
4. 如权利要求2所述的自动立体显示设备，其中：
S=V/N
其中V等于用于向用户投射的各视图的像素网格的宽高比。
5. 如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中显示像素设置在单色像素列中，并且其中
k=2N+1
其中n为0或者正整数。
6. 如权利要求5所述的自动立体显示设备，其中：
S= 1/(V.2.N+1)，或者
S= v/N
其中V等于用于向用户投射的各视图的像素网格的宽高比。
7. 如权利要求3、4或6所述的自动立体显示设备，其中V=1。
8. 如权利要求3、4或6所述的自动立体显示设备，其中V=√3或1/√3。
9. 如权利要求1所述的自动立体显示设备，其中像素行偏移而不与像素列正交。
10. 如权利要求9所述的自动立体显示设备，其中一个像素与沿着行的下一个像素之间的竖直移位由下式给出：
y = (P/m –1)/S
其中m为正整数。
11. 如权利要求10所述的自动立体显示设备，其中像素的宽高比由下式给出：
w/h = S – y，或者
w/h = 2S – y。
12. 如权利要求10或11所述的自动立体显示设备，其中P为非整数。
13. 如权利要求9所述的自动立体显示设备，其中像素行平行于显示器的顶部边缘。
14. 如权利要求9所述的自动立体显示设备，其中像素列平行于显示器的侧面边缘。
15. 如权利要求1-5之一所述的自动立体显示设备，其中视图形成装置包括设置成与显示器（103）配准的柱状透镜阵列（109），并且其中所述细长元件包括可被配置成将显示像素（105）组的输出聚焦到在不同的方向上向用户投射的所述多个视图中的柱状透镜（111），从而允许实现自动立体成像。
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