CN102577405B - 自动立体显示装置以及控制自动立体显示装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示装置具有在至少两个子帧上提供的显示输出，不同像素元件在不同子帧中操作。以此方式，以时间顺序方式建立更高分辨率或增加数目的视图。

Description

自动立体显示装置以及控制自动立体显示装置的方法

技术领域

本发明涉及这种类型的自动立体显示装置，其包含具有显示像素的阵列用于产生显示的显示面板以及用于将不同视图引导到不同空间位置的成像装置。

背景技术

使用柱镜(透镜)装置作为成像装置的根据前言的显示器从美国专利6064424已知。所公开的显示器具有相互平行地延伸并且位于显示像素阵列之上的细长柱镜元件的阵列，并且显示像素通过这些柱镜元件被观看者观察到。

柱镜元件被提供作为一片元件，每个元件包含细长半圆柱形透镜元件。柱镜元件主要在显示面板的列方向上延伸，每个柱镜元件位于显示像素的两个或更多个邻近列的相应组之上。

在其中例如每个柱镜单元与两列显示像素关联的装置中，每列中的显示像素提供相应二维子图像的竖直切片。柱镜片将这两个切片以及来自与其它柱镜单元关联的显示像素列的相应切片引导到定位在片前方的用户的左眼和右眼，使得用户观察到单个立体图像。这片柱镜元件因而提供光输出引导功能。

在其它装置中，每个柱镜单元与行方向上的一组四个或更多个邻近显示像素关联。每组中相应列的显示像素被适当地布置以提供来自相应二维子图像的竖直切片。当用户的头部从左到右跨过显示器移动时，一系列连续的不同立体视图被感知，从而形成例如环视印象。

上述装置提供有效三维显示。然而将理解，为了提供立体视图，需要牺牲分辨率，因为需要多个像素元件来形成三维像素。这种分辨率牺牲对于诸如显示小的文本字符用于从近距离观看的某些应用成为问题。由于这个原因，已经提出提供一种在二维模式和三维(立体)模式之间可切换的显示装置。

实施这的一种方式是提供如美国专利6069650中公开的电学可切换柱镜阵列。在二维模式中，可切换装置的柱镜元件在“通过”模式中工作，即它们以与光学透明材料平面片相同的方式起作用。得到的显示器具有等于显示面板原始分辨率的高分辨率，该显示器合适于从近的观看距离显示小的文本字符。二维显示模式无法提供立体图像。

对于3D模式，也存在分辨率的损失。一方面对于良好3D印象，需要大量的每个角度的视图，并且另一方面对于每个视图的足够高分辨率(即像素数目)，需要少量的视图。

在WO2007/072330中已经提出，通过提供在至少两个3D模式之间电学可切换的成像装置来增加每个视图的分辨率，其中在所述模式之间，该成像装置的有效位置相对于显示像素元件横向地偏移，偏移量为像素元件之间节距的非整数倍。

这两个模式使得通过在像素间位置添加视图而能够增加每个模式的分辨率，或者使得能够增加视图的数目。这使得能够减小由于生成3D图像导致的性能损失。偏移量可以例如包含像素元件之间节距的一半。

这种提出的解决方案形成一种要求在两个3D模式之间切换的复杂成像装置。

EP2085961公开了一种控制显示器以减小离轴伽玛失真的方式。背光在两个阶段中被驱动以避免对应于低灰色调到中灰色调的背光水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有改进分辨率的自动立体显示装置。

本发明由独立权利要求定义。从属权利要求定义有利实施例。

根据本发明，提供了一种自动立体显示装置和一种操作显示装置的方法。在该装置和方法中，多个子帧的时分复用与用于形成子帧的不同子像素组的使用相结合，其中所述多个子帧具有用于形成包含所述子帧的帧的立体视图所需的不同输出信息。换言之，在可以被立体地观看的显示输出的一个帧中，用于左眼和右眼的信息是在至少两个子帧中被提供，所述至少两个子帧在时间上被顺序地输出。时分复用也意味着用于驱动像素的控制线路可以被共享。这使得能够实现显示器布线的更简单实施。

术语像素和子像素具有它们在本领域中的通常含义，其中彩色像素能够提供显示器的所有颜色。子像素可以是诸如红、绿或蓝的任何基色。像素可具有是白色的附加子像素。像素可以例如是相邻子像素的传统三联体，或者可以是具有超过三个子像素的多基色，所述子像素中的一个或更多个为相同的基色。所有子像素优选地具有相同形状和尺寸，但是情况不需要是如此。

该成像装置可以是显示输出光屏障的阵列，其形式为定位在显示面板前方的透明狭缝的阵列。可替换地并且优选地，该成像装置为也称为柱镜元件的柱镜的阵列。狭缝和柱镜例如被设计用于将来自奇数和偶数子像素列的光引导朝向不同空间位置。例如狭缝或柱镜可以相对于显示器的下方像素被调整尺寸和定位，使得子像素的输出被引导到在自动立体显示器的观看侧的某一空间位置的观看者的左眼和右眼。

该成像装置可以在成像模式和非成像模式之间切换，该成像模式用于提供显示器的自动立体能力，该非成像模式用于为自动立体显示器提供一种模式，在该模式中该显示器能够显示二维图像。这种可切换成像装置的实例的形式为如美国专利6069650中公开的可切换柱镜阵列、如国际专利公布WO03/015424中公开的可切换偏振器与双折射柱镜组合、或者如SPIE会议录第7329卷第732903-732903-8页(2009)中公开的基于例如液晶光调制器的可切换屏障。

帧意思是代表单个图像或者运动图像中许多单个图像中的一个图像。单独帧是由至少部分按顺序显示的子帧建立的。帧速率或者帧频率是显示器产生帧的频率(速率)的度量。帧速率以每秒帧数(FPS)来表达并且在逐行扫描监视器中表达为赫兹(Hz)。在静态图像中，显示器可以输出同一帧，而在视频输出中，可以输出一起形成该视频输出的不同帧。

优选地，第一子帧和第二子帧分别同时包含用于观看者的两只眼睛的信息。在这种装置中，每个子帧提供帧的图像的完全立体对，使得两个立体视图同时被看到。这可以避免图像伪像，否则如果用于一只眼睛的视图是在与用于另一只眼睛的视图被呈现的时间不同的时间被呈现，并且该差异对于人眼睛和大脑而言是太长的而无法合成完全立体图像，则将导致该图像伪像。

通过将帧分为子帧并且将相应帧时间分为子帧时间，分辨率可以按顺序建立。相同数据线路可以用于寻址第一和第二集合的子像素，使得显示器布线不需要变得更复杂。例如，每个列(数据线路)可以连接到来自两个集合的子像素。

优选地，第一子帧和第二子帧一起定义将作为自动立体图像的一个集合被观看的用于显示输出的完整帧。以此方式，帧被分为两个较低分辨率子帧。

第一和第二子像素集合可以一起包含所有子像素，并且没有子像素既在第一集合中又在第二集合中。这意味着存在不重叠的子像素图案，例如定义两个子帧的相反的棋盘格图案。

子像素可以分组为多个彩色像素，每个彩色像素包含至少两个红色子像素，或者至少两个绿色子像素或者至少两个蓝色子像素。因而，一彩色像素的子像素的一半在一个子帧中被驱动，并且一彩色像素的子像素的另一半在另一个子帧中被驱动。

子帧可以在100Hz的速率或者在更高频率被驱动。

该成像装置优选地包含柱镜的阵列。柱镜之间的节距可以对应于在行方向上测量的5个相邻子像素的总体的节距。

柱镜优选地具有细长轴垂直于柱镜的弯曲的半圆柱形形状，其中细长轴相对于显示面板的列方向倾斜，该列方向通常与竖直方向相同。注意，在具有人像和风景模式的显示器中，风景模式中的列方向在人像模式中是水平的。例如倾斜可以是在角度α，其中例如tanα=1/3或1/6。然而，可以使用美国专利6064424或EP1566683中公开的其它倾斜角。期望倾斜角将取决于透镜之间的节距。

显示面板可包含单独可寻址的发射、透射、折射和/或衍射显示像素的阵列。例如，显示面板可以是具有透射像素与背光结合的液晶显示面板。可替换地，显示面板可以是诸如有机发光二极管(OLED)显示面板的基于发光二极管(LED)的显示器，或者是等离子体显示面板。当与根据本发明的使能实现每个所显示图像帧的更快和/或更多子帧的液晶显示面板相比时，LED、OLED或等离子体显示面板可以具有快速的子像素响应。

附图说明

现在将参考附图纯粹通过实例方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1为已知自动立体显示装置的示意透视图；

图2示出柱镜阵列如何提供不同视图到不同空间位置；

图3用于解释倾斜聚焦装置的益处；

图4示出合适在本发明的装置中使用的子像素配置；

图5示出图4的子像素配置如何用于实施本发明；

图6示出用于驱动子像素的行和列的一个可能装置；以及

图7示出可替换的倾斜聚焦装置。

具体实施方式

本发明提供一种自动立体显示器，其中显示输出在一个帧的至少两个子帧中被提供，一个帧的第一子帧用一像素集合来显示，所述像素集合不同于显示第二子帧所使用的集合。以此方式，包含用于观看者的左眼和右眼的图像（其一起形成立体图像）的图像对在显示输出的一个帧中被提供，而通过在时间上按顺序输出的至少两个子帧上按时间顺序建立所述帧，获得立体图像的更高分辨率。

图1为已知自动立体显示装置1的示意透视图。该已知装置1包含有源矩阵类型的液晶显示面板3，该液晶显示面板充当空间光调制器以产生显示。

显示面板3具有按行和列布置的显示像素的正交阵列。每个显示像素由三个基色子像素5构成；一个为红色，另一个为绿色以及另一个为蓝色。为了清楚起见，仅仅示出少量的显示像素。实践中，显示面板3可包含大约一千行和几千列的显示像素。在此具体情形中，显示像素因而为由相邻子像素5的三联体组成的彩色像素，并且每个彩色像素具有红色、绿色和蓝色矩形子像素。这样，子像素也按行和列布置。

液晶显示面板3的结构完全是常规的。具体而言，面板3包含一对隔开的透明玻璃衬底，在这对透明玻璃衬底之间提供配向的扭转向列或其它液晶材料。所述衬底在它们的面对的表面上承载透明铟锡氧化物(ITO)电极的图案。偏振层还提供在衬底的外表面上。

每个显示像素5包含在衬底上的电极，居间的液晶材料位于它们之间。显示像素5的形状和布局由电极的形状和布局决定。显示像素5通过间隙彼此均匀地隔开，所述间隙带来显示面板的黑掩模。

每个显示子像素5与诸如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD)的切换元件关联。显示像素被操作从而通过提供寻址信号到切换元件而产生显示，并且合适的寻址方案为本领域技术人员所知晓。

显示面板3被光源7照明，这种情况下该光源包含在显示像素阵列的区域上延伸的平面背光。来自光源7的光被引导通过显示面板3，单独显示子像素5被驱动以调制光并且产生显示。

显示装置1还包含布置在显示面板3的显示侧上的柱镜片9，该柱镜片执行视图形成功能。柱镜片9包含相互平行地延伸的一行柱镜元件11，为了清楚起见以夸大尺度示出所述柱镜元件的其中仅仅一个。

柱镜元件11为凸半圆柱形透镜的形式，并且它们充当光输出导向装置以将来自显示面板3的不同图像或者视图提供到定位在显示装置1前方的用户的眼睛。

图1还示意性示出用于驱动显示装置的控制器13。

图1中示出的自动立体显示装置1能够在不同方向上提供若干不同透视视图。具体而言，每个柱镜元件11位于每行中一小组的显示子像素5之上。柱镜元件11在不同方向上投影一组的每个显示子像素5，从而形成若干不同视图。当用户的头部从左到右移动时，他/她的眼睛将依次接收若干视图中的不同视图。在美国专利6064424中提供了视图分配的更详细操作。

图2示出如上所述的柱镜类型成像装置的操作原理并且示出背光20、诸如LCD的显示面板24以及柱镜阵列28。图2示出柱镜装置28如何将子像素子组中的不同子像素的输出引导到不同空间位置。

本发明提供用于增加每个视图的分辨率或增加在给定分辨率的视图数目的机制。

通过实例的方式，图3示出9视图显示器30的子像素布局，并且该显示器使用倾斜柱镜32的阵列。列布置成按顺序的红色(34)、绿色(34’)和蓝色(34’’)子像素的列，并且三个上覆的柱镜32被示出。示出的编号是指子像素起贡献的视图编号，视图从-4编号到+4，视图0沿着柱镜细长轴。当子像素的宽高比(宽度:高度)如此实例中为1:3使得每个像素包含具有所谓RGB配置的一行三个子像素时，柱镜的长轴相对于列方向的一个可能并且优选的倾斜角为tan(θ)=1/6。结果，感知的每个视图的分辨率损失(与2D情形相比)在水平和竖直方向二者上均为3倍，而不是当倾斜角西塔为零时在水平方向上的9倍。这种装置具有4.5个子像素的柱镜宽度，或者柱镜的节距等于在行方向上4.5个相邻子像素的间距。

对于使用已知面板设计的实施方式，本发明是特别感兴趣的，其中RGB彩色像素的子像素是由诸如图4中表示的空间上分离的较低和较高半部建立。

每个半部具有红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)三个子像素，如图4所示。子像素被控制以提供四个不同强度水平。对于较低强度水平I(I=0.25和I=0.5)，每种颜色的仅仅一个子像素被使用。这意味着那些子像素可以在比仅仅存在三个子像素时高的亮度操作。

对于更高强度(I=0.75和I=1)，所有六个子像素被使用。

不同水平被组合的方式考虑到观看角度性能和伽玛(gamma)稳定性。具体而言，这种六个子像素装置被设计以提高2D显示器的角度性能。该装置不要求每列中的子像素对可以被驱动到不同非零电压；因此它们共享列数据线路。

使用图4所示像素装置的本发明实施方式使能在全分辨率(即相同像素节距，其中每个像素为如所示的六个子像素的组)下使视图数目翻倍，而不增加面板分辨率以及面板的所要求的电子器件。

本发明提供对子帧中的子像素的驱动。对于每个像素的两个子像素三联体的实例，即一半的子像素在一个子帧中被驱动并且另一半的子像素在下一子帧中被驱动。以此方式，显示器的高帧速率和高强度被用于使能实现在像素列方向上的更高(竖直)分辨率。

在基于柱镜或屏障的系统中，视图的数目现在被翻倍。选择低串扰透镜将导致可接受的每个新视图的串扰。本发明组合了与诸如柱镜透镜阵列的自动立体成像装置组合的图像交错。

图5示出图4的子像素配置如何可以用于呈现两个不同图像。

子像素被驱动成为棋盘格图案。第一组的子像素R1、G1和B1在第一子帧时间期间被驱动以提供第一子帧，并且随后第二组的子像素R1、G1和B1在第二子帧时间期间被驱动用以提供第二子帧。优选地帧以100Hz或更大的频率被驱动。以此方式，子像素的每个子帧或组以50帧每秒或更快地被更新，但是在时间上偏移了1/100秒或更小从而得到更快的显示，即刷新率高于100Hz。

尽管所有子像素现在可以被驱动到独立电压水平，借助时间交错，每个彩色像素仅仅需要三个列线路。因而，显示面板布线的复杂度不需要增加以使能实现本发明的实施方式。本发明因而可以利用例如对于液晶显示是已知的已有技术来实施。

子像素被顺序地刷新的方式可以以不同方式实现。

第一种方法由图6中给出的像素示出。每个像素(具有六个子像素)60至65由两个行线路66和67以及三个列线路68、69和70寻址。行线路不连接到行中的所有子像素，而是反而连接到来自一个行的交替子像素和来自另一行的交替子像素。这示于图6并且这意味着每个行线路控制来自所述两行其中之一的两个子像素以及来自另一行的一个子像素，即图5所示的图案。

替代使用如所示的交错棋盘格图案，交替的像素行可以在不同时间被寻址。同样，相同列导体可以用于在不同时间寻址不同子像素。即使在像素水平，存在许多其它可能性(即不同像素被不同地分为两组子像素)。

尽管子帧的更新相隔半个子帧，每个帧的保持时间可以是全帧周期从而避免闪烁和光损失。

在上面的实例中，像素结构允许像素区域被驱动成为两个像素—即在每个像素区域中存在六个子像素，使得两组三个子像素可以在不同时间被驱动。可替换方案是添加可切换阻挡元件，该可切换阻挡元件将交替地阻挡一半的子像素。这种情况下，显示器可以具有例如每个像素三个子像素并且每个子像素在其被驱动时有一半被涵盖。

所使用的透镜装置优选地具有低串扰配置并且下方的像素具有友好成带(banding)形状。成带是透镜对显示面板的黑矩阵成像的现象。低串扰透镜典型地为具有倾斜tan(角度)=1/3或0以及整数水平宽度的那些透镜。当子像素在棋盘格中在空间上交替时(如所示)，透镜的宽度/节距应是奇整数个子像素。

优选配置的实例为5视图系统，其倾斜为(tan(倾斜角)=1/3，并且透镜节距为5个子像素。这示于图7。该透镜和子像素装置给出10视图系统，同时保留理想正方形3D像素格栅。3D像素为被观看者观察到的所显示的立体图像的图片元素。它不同于2D像素以及它们的格栅。因而，每个像素区域(图7中示为虚线正方形30)可以被认为包含6子像素(每个矩形像素区域32具有上子像素和下子像素，如仅仅针对上子像素32a和下子像素32b所示)。存在10种不同的子像素相对于透镜的相对位置，从而形成10个视图，并且每个像素具有在六个不同相对位置的6个子像素。因而，每个像素区域30可以按顺序被寻址两次。按照与如上所述相同的方式，这提供了在全分辨率(即在每个区域30中定义全彩色像素)的两种显示操作。

上面解释的系统使用两个子帧时间。通过具有每个像素3n子像素，还可能具有不同数目(n)的子帧时间。

使用LC材料的面内切换的一些LCD设计允许100Hz的帧速率。存在朝向使用LC效应的趋势，该LC效应使能实现甚至更快的LC响应(例如所谓光学补偿双折射(OCB)效应)，从而使能实现例如180Hz的帧速率。 

上述实例采用液晶显示面板，其具有例如在50μm至1000μm范围中的显示子像素节距。然而，本领域技术人员将显见，可以采用可替换类型的显示面板，诸如有机发光二极管(OLED)或阴极射线管(CRT)显示装置。

本发明的驱动方法可以在显示控制器，例如如图1所示的控制器13中实施。

用于制作显示装置的制造和材料未被详细描述，因为这些是常规的并且为本领域技术人员所公知。

可控制透镜阵列的优选实例具有分段的行和列电极，但是仅仅需要分段列电极以使能实现与多个不同视图兼容。

上面的说明书涉及彩色显示器，其中每个像素包含三个子像素。然而，像素可包含单个像素元件以用于单色显示器。这种情况下，具有两个子像素的像素可以按照本发明的方式被驱动。

存在倾斜角和透镜节距的许多不同的可能组合，从而形成不同数目的视图。

用于在这种类型的显示器中使用的成像装置的第一实例为例如具有狭缝的屏障，所述狭缝相对于显示器的下方像素被调整尺寸和定位。如果观看者的头部位于固定位置，他/她能够感知3D图像。屏障被定位在显示面板前方并且被设计使得来自奇数和偶数像素列的光被引导朝向观看者的左眼和右眼。

这种类型的双视图显示器设计的缺点为观看者必须位于固定位置，并且只能向左或右移动大约3cm。在更优选实施例中，每个狭缝下面不是存在两个子像素列，而是若干个子像素列。以此方式，观看者被允许向左和右移动并且总是在他的眼睛中感知到立体图像。

屏障装置生产简单，但是不是光有效的。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。在权利要求中，措词"包含"不排除其它元件或步骤，并且不定冠词"一"或"一个"不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以在与其它硬件一起或者作为其它硬件的一部分被供应的合适介质(诸如光学存储介质或固态介质)上存储/分布，但是也可以以其它形式被分布，诸如经由因特网或其它有线或无线远程通信系统。权利要求中的任何附图标记不应解读为限制范围。

大量的视图意味着每个视图的图像分辨率减小，这是因为可用像素的总数目必须在各视图之间分布。对于具有竖直柱镜透镜的n视图3D显示器的情形，沿着水平方向的每个视图的感知分辨率相对于2D情形将减小n倍。在竖直方向上，分辨率将保持相同。倾斜的屏障或柱镜的使用可以减小水平和竖直方向上的分辨率之间的这种差别。这种情况下，分辨率损失可以在水平和竖直方向之间均匀地分布。

Claims (13)

1.一种自动立体显示器，包含：

具有按行和列布置的像素的阵列以用于产生显示输出的显示面板(3)，每个像素包含至少两个子像素，

用于将来自不同子像素的输出引导到不同空间位置从而使能实现该显示输出的自动立体视图的成像装置(9)；以及

用于控制来自子像素的输出的控制器，使得：

在包含第一子帧时间和第二子帧时间的帧时间中，该显示面板(3)产生该显示输出的帧，

其特征在于：

在第一子帧时间中，第一子像素集合提供第一较低分辨率子帧，以及

在第二子帧时间中，不同于第一像素集合的第二像素集合提供第二较低分辨率子帧，

其中第一子帧和第二子帧一起为完整的较高分辨率帧提供用于使能实现其自动立体视图的信息，使得按顺序建立完整帧分辨率。

2.如权利要求1所述的自动立体显示器，其中第一子帧和第二子帧分别同时包含用于观看者的左眼和右眼的信息。

3.如前述权利要求中任意一项所述的自动立体显示器，其中第一子像素集合和第二子像素集合一起包含所有子像素(5)，并且没有子像素位于第一子像素集合和第二子像素集合二者中。

4.如权利要求1和2中任意一项所述的自动立体显示器，其中子像素被分组为彩色像素，每个彩色像素包含两个红色子像素、两个绿色子像素和两个蓝色子像素。

5.如权利要求1所述的自动立体显示器，其中帧以100Hz或更大的帧速率被提供。

6.如权利要求1所述的自动立体显示器，其中该成像装置包含柱镜阵列以用于将来自不同子像素的输出引导到不同空间位置。

7.如权利要求6所述的自动立体显示器，其中柱镜之间的节距对应于沿着一行子像素的一行五个相邻子像素的间距。

8.如权利要求6所述的自动立体显示器，其中柱镜具有细长半圆柱形形状并且取向为使得它们的细长轴相对于像素的列方向倾斜。

9.如权利要求1所述的自动立体显示器，其中子像素是单独可寻址的并且是发射、透射、折射和/或衍射子像素。

10.如权利要求9所述的自动立体显示器，其中该显示面板为液晶显示面板、等离子体显示面板和发光二极管显示面板中的任意一种。

11.一种用于控制自动立体显示装置的方法，包含：

具有像素(5)的阵列以用于产生显示输出的显示面板(3)，所述像素按行和列布置并且每个像素包含至少两个子像素，

用于将来自不同子像素的输出引导到不同空间位置从而使能实现该显示输出的立体视图的成像装置(9)；以及

该方法包含下述步骤：

在包含第一子帧时间和第二子帧时间的帧时间中，显示该显示输出的帧，

其特征在于该方法还包含下述步骤：

在第一子帧时间中，控制第一子像素集合以提供第一较低分辨率子帧，

在第二子帧时间中，控制不同于第一子像素集合的第二子像素集合以提供第二较低分辨率子帧，

其中第一子帧和第二子帧一起为完整的较高分辨率帧提供用于使能实现其立体视图的信息，使得按顺序建立完整帧分辨率。

12.如权利要求11所述的方法，其中该显示输出的第一子帧和第二子帧的每一个同时包含用于观看者的两只眼睛的信息。

13.如权利要求11所述的方法，其中该显示输出的完整帧提供一个自动立体图像集合，并且其中第一子像素集合和第二子像素集合一起包含所有子像素，同时没有子像素位于第一集合和第二集合二者中。