CN103748874B - 自动立体显示设备 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示设备使用了电致发光显示器。在微透镜式透镜下方提供一组像素，多个像素跨越透镜宽度方向。布置跨越透镜宽度方向的像素，从而在基板上方具有至少两种不同高度。这样使得像素能够界定非平面阵列，并且它们能够遵循微透镜式透镜将光聚焦到的区域。

Description

自动立体显示设备

技术领域

本发明涉及一种自动立体显示设备，这种类型的显示设备包括具有用于产生显示的显示像素阵列的显示面板和用于将不同视图定向到不同空间位置的成像布置。

背景技术

这种类型的显示器中所使用成像布置的第一个范例是栅栏，例如具有狭缝的栅栏，相对于显示器底层像素设定狭缝的尺寸和位置。在双视图设计中，如果观察者的头在固定位置，那么他/她就能够感知到3D图像。栅栏位于显示面板前面并且被设计成使得来自奇数和偶数像素列的光分别指向观察者的左眼和右眼。

这种类型的双视图显示设计的缺点是观察者必须在固定的位置，并且向左或向右只能移动大致3cm。在更优选的实施例中，每个狭缝下面并不是具有两个子像素列，而是多个。通过这种方式，允许观察者向左和向右移动并且一直在他/她的眼睛中感知立体图像。

栅栏布置制作简单但光效率不高。因此，优选替代方案使用透镜布置作为成像布置。例如，可以提供细长的微透镜元件阵列，其彼此平行延伸并覆盖显示像素阵列，并且通过这些微透镜元件来观察显示像素。

作为元件板来提供微透镜元件，其每一个都包括细长半圆柱形透镜元件。微透镜元件在显示面板的列方向上延伸，每个微透镜元件覆盖相应组的两个或更多个相邻列的显示像素。

在（例如）每个微透镜与两列显示像素相关联的布置中，每一列中的显示像素都提供相应二维子图像的垂直切片。微透镜板将这两个切片以及来自与其他微透镜相关联的显示像素列的对应切片定向到位于板前面用户的左眼和右眼，以便用户观察到单一的立体图像。微透镜元件板就这样提供了一种光输出定向功能。

在其他布置中，每个微透镜在行方向上与一组四个或更多个相邻显示像素相关联。适当地布置每组中显示像素的对应列，以提供来自相应二维子图像的垂直切片。当用户的头从左到右移动时，会感知到一系列相继、不同、立体的视图，例如，产生环视印象。

已知的自动立体显示器使用液晶显示器来产生图像。

当开发基于LCD的自动立体显示器时，在设计微透镜式透镜(lenticular lens)时，在透镜下方哪些子像素对准焦点而哪些不对准焦点之间做出折衷。只有像素的子集可以对准焦点，其余的略有散焦。这个问题是LCD固有的，因为液晶层通常只有3-4微米厚并且被两个平面玻璃板物理地约束。LCD是光阀(light shutter)并且因此不改变聚焦，用于透镜的光源始终位于单个平面中。

一般而言，有机发光二极管（OLED）显示器的使用越来越受到关注，因为与使用连续照明背光的LCD面板相比，它们不需要偏振器，并且由于当其不用于显示图像时像素是关闭的，所以潜在地它们应该能够提供更高的效率。传统的OLED显示器也将所有的像素置于单个平面中，因此在这样的显示器中同样存在不良聚焦的问题。

本发明基于在自动立体显示系统中使用OLED或者诸如电致发光显示器的其他薄膜发射显示器，并利用了这些显示器提供的额外的设计灵活性，以便解决自动立体显示器透镜下方像素聚焦不良的问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种自动立体显示设备，包括：

-包括基板上方的间隔像素的阵列的电致发光显示布置；

-自动立体透镜布置，包括所述显示布置上方的多个微透镜式透镜，

其中在每个微透镜式透镜下方提供有一组像素，至少两个像素跨越透镜宽度方向，其中跨越所述透镜宽度方向的像素被布置成在所述基板上方具有至少两种不同高度。

这种布置在基板上方不同高度定位发光像素表面，因此可以更接近微透镜式透镜的焦点曲线/表面来定位它们。于是，优选将所述像素定位在与所述微透镜式透镜的焦面对应的高度。

所述微透镜式透镜优选沿像素列方向延伸或相对于所述像素列方向以锐角倾斜，其中每个透镜覆盖多个像素列。

基板上方的最高像素和基板上方的最低像素之间的高度差优选小于微透镜式透镜宽度方向上像素宽度的30%。这样足以能够跟踪透镜的焦点曲线，但制造简单。基板上方的最高像素和基板上方的最低像素之间的高度差优选大于微透镜式透镜宽度方向上像素宽度的1%。于是，高度差超过了制造公差可能导致的结果。

所述电致发光显示布置可以包括所述基板上方的反射阳极的阵列、所述阳极上方的电致发光层部分的阵列以及所述电致发光层部分上方的透明阴极的阵列。这样界定了顶部发射结构。在这种情况下，所述电致发光部分介于所述基板和所述透镜布置之间。

取而代之的是，所述电致发光显示布置可以包括所述基板上方的透明阳极的阵列、所述阳极上方的电致发光层部分的阵列以及所述电致发光层部分上方的反射阴极的阵列。这样界定了底部发射结构。在这种情况下，所述基板介于所述电致发光部分和所述透镜布置之间。

所述基板可以是平面的，所述设备因此可以包括至少一些像素和所述基板之间的间隔体，以界定不同的高度。可替换地，所述基板可以具有非平面形状，由此界定不同高度。

本发明还提供了一种显示自动立体图像的方法，包括：

-利用电致发光显示布置产生像素化图像，所述电致发光显示布置包括基板上方的间隔像素的阵列；以及

-利用自动立体透镜布置将不同的子图像定向到不同的方向，所述自动立体透镜布置包括所述显示布置上方的多个微透镜式透镜，其中在每个微透镜式透镜下方提供一组像素，至少两个像素跨越透镜宽度方向，

其中所述方法还包括跨越透镜宽度方向定位像素，使得所述像素在所述基板上方具有至少两种不同的高度。

本发明还提供了一种制造自动立体显示设备的方法，包括：

-形成电致发光显示布置，所述电致发光显示布置包括基板上方的间隔像素的阵列；

-提供自动立体透镜布置，所述自动立体透镜布置包括所述显示布置上方的多个微透镜式透镜，其中在每个微透镜式透镜下方提供一组像素，至少两个像素跨越透镜宽度方向，

其中所述方法包括跨越透镜宽度方向布置像素，使得所述像素在所述基板上方具有至少两种不同的高度。

可以通过若干种方法提供不同的高度，包括：

-在至少一些像素和平面基板之间提供间隔体；或

-在具有轮廓的基板上方形成电致发光显示布置；或

-在平面基板上方形成电致发光显示布置，接下来形成轮廓。

附图说明

现在将参考附图纯粹以举例的方式描述本发明的实施例，附图中：

图1是已知自动立体显示设备的示意透视图；

图2示出了微透镜阵列如何将不同视图提供到不同空间位置；

图3示意性地示出了OLED显示器单个像素的结构，并且形式为反向发射结构；

图4示出了微透镜式透镜布置如何具有焦点曲线，其表示一些像素对准焦点，其它的则未对准焦点；

图5用于解释如何能够导出焦点曲线的形状；

图6示出了根据本发明的像素结构的第一范例；以及

图7示出了根据本发明的像素结构的第二范例。

具体实施方式

本发明提供了一种使用电致发光显示器的自动立体显示设备，其中在微透镜式透镜下面提供一组像素，多个像素跨越透镜宽度方向。布置跨越透镜宽度方向的像素，使得在基板上方具有至少两个不同高度。这使像素能够界定非平面阵列，并且它们可以遵循微透镜式透镜将光聚焦到的地方。

在描述本发明之前，将首先对已知3D自动立体显示器的基本操作进行描述。

图1是使用LCD面板产生图像的已知直接视图型自动立体显示设备1的示意透视图。已知设备1包括有源矩阵型液晶显示面板3，其充当空间光调制器来产生显示。

显示面板3具有以行和列布置的显示像素5的正交阵列。为了清晰起见，图中仅示出少量数量的显示像素5。在实践中，显示面板3可能包括大约一千行和几千列的显示像素5。

自动立体显示器中常用的液晶显示面板3的结构完全是常规的。具体而言，面板3包括一对间隔开的透明玻璃基板，在其中间提供配向的扭曲向列型或者其他液晶材料。基板在其相对表面上承载着透明氧化铟锡（ITO）电极图案。在基板的外表面上还提供有偏光层。

每个显示像素5在基板上包括相对电极，在其间有居间液晶材料。电极的形状和布局决定显示像素5的形状和布局。显示像素5被间隙彼此规则地隔开。

每个显示像素5都与开关元件相关联，例如薄膜晶体管（TFT）或者薄膜二极管（TFD）。通过为开关元件提供寻址信号来操作显示像素产生显示，本领域技术人员将知道适当的寻址方案。

由光源7对显示面板3进行照明，在这种情况下，光源7包括在显示像素阵列区域上方延伸的平面背光。通过显示面板3定向来自光源7的光，驱动各个显示像素5来调制光并且产生显示。

显示设备1还包括布置于显示面板3的显示侧上的微透镜板9，其执行视图形成功能。微透镜板9包括彼此平行延伸的一行微透镜元件11，为了清晰起见，仅以夸张的尺寸示出其中一个。

微透镜元件11是圆柱形凸透镜的形式，并且它们充当光输出定向装置，为位于显示设备1前面用户的双眼提供来自显示面板3的不同图像，或者视图。

该设备具有控制背光和显示面板的控制器13。

图1所示自动立体显示设备1能够在不同的方向提供若干不同的透视图。具体而言，每个微透镜元件11覆盖每一行中的一小组显示像素5。微透镜元件11在不同方向对一组的每个显示像素5进行投影，以形成若干不同视图。当用户的头从左向右移动时，他/她的眼睛将会依次接收若干视图中不同的视图。

对于LCD面板而言，还必须结合上述阵列使用光偏振装置，因为液晶材料是双折射的，折射率切换仅适用于特定偏振的光。可以提供光偏振装置作为显示面板的一部分或者本设备成像布置的一部分。

图2示出了上述微透镜型成像布置的操作原理并且示出了背光20、诸如LCD的显示设备24和微透镜阵列28。图2示出了微透镜布置28如何将不同像素输出定向到三个不同空间位置22'、22"、22"'。这些位置都在所谓的视锥中，其中所有的视图都是不同的。在其他视锥中重复视图，其由穿过相邻透镜的像素光产生。空间位置23'、23"、23"'在下一个视锥中。

本发明基于使用比如OLED显示器的电致发光显示技术，而非图1和图2所示的LCD显示器。使用OLED显示器不需要独立的背光和偏振器。OLED有望成为未来的显示技术。

图3示意性地示出了OLED显示器单个像素的结构，并且形式为反向发射结构（即通过基板）。

该显示器包括玻璃基板30、透明阳极32、光发射层34和镜面阴极36。

尽管OLED设备通常是底部发射的，并且通过玻璃基板发光，但另一种方法是使OLED叠层进行顶部发射，从而通过透明阴极（和薄的封装层）发光，而不是通过玻璃基板发光。

当开发自动立体显示器时，不管使用LCD面板还是电致发光显示器，在设计微透镜式透镜时，都在透镜下方哪些子像素对准焦点哪些不对准焦点之间做出折衷。

图4示出了这种情况，其中在微透镜的边缘，透镜11的焦线40运行于像素42之上，但在微透镜式透镜11的中心处，则运行于像素44和46之下。为此，只有像素的子集对准焦点，剩余像素略有散焦。在所示范例中，中心处左右的像素44是最接近对准焦点的。

解决这个问题的一种方法是设计微透镜式透镜，使得它们在其表面不同部分具有不同焦点深度。

这给设计和制造微透镜式透镜阵列带来显著的复杂性，因此不再能够使用标准对称圆柱形透镜布置。

本发明提供了一种利用OLED发射器的自动立体显示器，该OLED发射器界定轮廓表面(contoured surface)或位于轮廓表面上，由此，OLED发射器相对于显示表面的高度取决于位置。优选地，在遵循凹的轮廓表面的高度处定位OLED发射器并将其定位于（凸的）微透镜式透镜正下方，使得所有发射器可以同时对准焦点。

可以通过标准的光学技术确定图4中所示的焦点曲线40的路径，可以将此用于导出像素阵列的理想表面轮廓。弯曲表面40是围绕光轴对称的。通常将这一表面的半径称为“场曲率”，对于微透镜式透镜而言，该表面可以大致作为圆柱的一部分。

在傍轴（小角度）近似中，像散为零，光学表面形成弯曲的像面，其半径由下式给出：

n和n'分别为入射和折射率，R为光学表面的曲率半径。曲率半径Rp被称为Petzval曲率半径，或Petzval表面。

在多表面光学系统中，由每个表面诱发的曲率组合成最终的系统Petzval表面半径Rps，该表面可以是弯曲的或平坦的。针对每个表面的曲率简单地累计为：

对于单个透镜，可以将此简化成：

R_p = -nf

其中n是玻璃的折射率，f是透镜的焦距（在无穷远焦点处；对于更近的物体，f由图像到物镜的分离度代替）。

以上公式给出了OLED发射器距表面的期望位置。

图5示出了针对凸物镜50的Petzval表面P_S。

透镜通常会有一些像散，导致最佳像面变化，但也可以对此进行建模。

图6示出了根据本发明的顶部发射OLED显示器范例，其具有相对于显示表面处在不同高度的发射器，图7示出了根据本发明的底部发射OLED显示器范例，其具有相对于显示表面处在不同高度的发射器。图6和7未按比例绘制：典型地，需要的偏移通常是几个或几十微米的量级，而各个像素的横向尺寸为几十或几百微米的量级。偏移（即最大高度差）可以小于1微米，但其典型地超过横向像素间距的1%。

图6再次示出了覆盖五个像素的微透镜式透镜11的宽度；五个像素为两个外部像素42、两个中间像素44和中央像素46。布置像素以相对于基板30具有三种不同高度，并使其围绕微透镜式透镜的（与基板正交的）中央细长轴平面对称。对于顶部发射结构而言，偏移高度向着每个微透镜式透镜的边缘增大。显示像素介于基板30和微透镜式透镜11之间。

像素被定位于与微透镜式透镜的Petzval表面对应的曲线上。在理想的设计中，所有像素因此都对准焦点，所以微透镜式透镜在不同方向上将聚焦不同的像素成像到无穷远处，所述方向由像素相对于透镜中央细长轴的横向位置决定。

对于顶部发射结构，基板30上方的层包括基板上方的反射阳极的阵列、阳极上方的电致发光层部分的阵列以及电致发光层部分上方的透明阴极的阵列，自动立体透镜布置被提供于阴极上方。

图7示出了用于底部发射OLED显示器的实施方式，再次相对于表面在不同高度定位OLED发射器。

使用与图6中相同的附图标记。在这种情况下，显示器基板介于OLED像素和微透镜式透镜之间。于是，基板和像素之间的间距朝向每个微透镜式透镜的边缘减小。相对于微透镜式透镜，像素处在与图6范例中相同的位置，即它们遵循Petzval表面。

对于底部发射结构而言，基板30上方的层包括透明阳极、发光层和镜面阴极。薄膜覆盖层和吸气材料可以覆盖阴极。在这种设计中，光在穿过微透镜式透镜11之前通过基板30发射。

为了进行制造，可以通过几种方式实现两个范例的高度偏移：

(i) 例如，可以通过在期望形状的刚性更大的预形成基板上层压柔性或共形OLED板（例如使用塑料（聚酰亚胺）或金属箔基板实现），将平面OLED板变形成期望的轮廓。

(ii) 可以在预形成的基板上沉积OLED层。如上所述限制所需表面拓扑的尺寸，从而能够使用蒸镀技术（如用于OLED沉积的那样）和常规表面处理技术（例如旋涂）。

(iii) 可以使用标准的玻璃基板，并可以采用光致抗蚀剂（例如SU8）或电介质层（SiO2）或其组合以形成偏移间隔体。图6示意性示出了这种方法，两个尺寸不同的间隔体被示为48和49。在显示器处理之内形成适当材料的层是公知的，例如，用于场屏蔽的像素，用于液晶盒具有两种不同LC盒间隙的透反射型LCD，以及用于为聚合物OLED显示器产生印刷坝。

与图4的已知OLED显示器相比，根据本发明的显示器使得微透镜式透镜下方的所有像素都对准焦点。跨过微透镜式透镜，以重复的方式改变基板和发射器之间的间距。

该显示器可以包括任何电致发光显示技术，例如PLED（聚合物LED）或OLED（有机LED）。

实施本发明不会改变用于形成显示像素的技术。类似地，未改变微透镜式透镜设计。相反，使用偏移来修改像素的布局以适合于微透镜设计。

如上所述，高度偏移是像素宽度的一部分，因此处理并不复杂。例如，偏移的最大高度可以小于像素宽度的30%。最大偏移可以在像素宽度的2%到20%范围内。

该显示器典型地将包括有源矩阵显示器，具有与每个显示像素相关联的驱动电子线路，用于将驱动电流转到选定的像素。可以通过例行方式执行这一操作而不受本发明的影响。因此，未详细示出或描述驱动电子线路。通往像素阳极和阴极的连接需要提高高度差，否则可以使用通孔连接到不同高度的像素端子。

以上范例在透镜宽度下方具有五个像素。每个透镜下方的像素数量规定着显示器的视锥数量，可以有更多或更少个视锥，例如3、9或11个。

每透镜宽度有至少两个像素。即使在每透镜宽度仅有两个像素时（对应于二视图单立体图像显示器），如果在透镜下方未对称地放置两个像素，也希望有不同的像素高度。在应用观察距离校正时，除了在显示器中心之外，一般是这种情况。这涉及到调节跨越显示器宽度的像素和透镜之间的相对定位，使得投射的视图会聚到期望的焦距和位置。像素间距稍大于透镜间距，因此像素有效地环绕微透镜屏幕，以在理想的观察方向上生成视图对。

对于多视图系统而言，每透镜宽度可以有至少三个像素。在这种情况下，即使所有像素都对称地置于微透镜式透镜下方，也需要不同的高度。对于每透镜间距三个像素而言，仅需要两种高度。通常，对于每透镜宽度整数N个像素（因此透镜间距是像素间距的N倍）而言，则需要N/2（对于偶数N）或（N+1）/2（对于奇数N）数量的不同像素高度而没有观察距离校正。

透镜间距可以是像素间距的非整数倍，在这种情况下，视锥分布于相邻透镜上方。

这些可能性将全都是本领域的技术人员公知的。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些手段的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些手段的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种自动立体显示设备，包括：

-电致发光显示布置，包括基板（30）上方的间隔像素（42，44，46）的阵列；

-自动立体透镜布置，包括在所述显示布置上方的多个微透镜式透镜（11），

其中在每个微透镜式透镜（11）下方提供有一组像素，至少两个像素跨越透镜宽度方向，其中跨越所述透镜宽度方向的像素被布置成在所述基板上方具有至少两种不同的固定高度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中每个微透镜式透镜（11）下方的所述一组像素包括跨越所述透镜宽度方向的至少三个像素。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述像素（42，44，46）被定位在与所述微透镜式透镜（11）的焦面对应的高度。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述微透镜式透镜（11）沿像素列方向延伸或相对于所述像素列方向以锐角倾斜，其中每个透镜（11）覆盖多个像素列。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述基板上方的最高像素和所述基板上方的最低像素之间的高度差：

-在所述微透镜式透镜宽度方向上小于所述像素宽度的30%，和/或

-在所述微透镜式透镜宽度方向上大于所述像素宽度的1%。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电致发光显示布置包括所述基板上方的反射阳极（32）的阵列、所述阳极上方的电致发光层部分（34）的阵列以及所述电致发光层部分上方的透明阴极（36）的阵列。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述电致发光部分（34）介于所述基板（30）和所述透镜布置之间。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述电致发光显示布置包括所述基板（30）上方的透明阳极的阵列、所述阳极上方的电致发光层部分的阵列以及所述电致发光层部分上方的反射阴极的阵列。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述基板（30）介于所述电致发光部分和所述透镜布置之间。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述基板（30）是平面的，所述设备包括至少一些像素和所述基板之间的间隔体（48，49），以界定不同的高度。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述基板（30）具有非平面形状，由此界定不同高度。

12.一种显示自动立体图像的方法，包括：

-利用电致发光显示布置产生像素化图像，所述电致发光显示布置包括基板（30）上方的间隔像素（42，44，46）的阵列；以及

-利用自动立体透镜布置将不同的子图像定向到不同的方向，所述自动立体透镜布置包括所述显示布置上方的多个微透镜式透镜（11），其中在每个微透镜式透镜下方提供一组像素，至少两个像素跨越透镜宽度方向，

其中所述方法还包括跨越透镜宽度方向定位像素，使得所述像素在所述基板（30）上方具有至少两种不同的固定高度。

13.根据权利要求12所述的方法，包括在与所述微透镜式透镜（11）的焦面对应的高度定位所述像素（42，44，46）。

14.一种制造自动立体显示设备的方法，包括：

-形成电致发光显示布置，所述电致发光显示布置包括基板（30）上方的间隔像素（42，44，46）的阵列；

-提供自动立体透镜布置，所述自动立体透镜布置包括所述显示布置上方的多个微透镜式透镜（11），其中在每个微透镜式透镜下方提供有一组像素，至少两个像素跨越透镜宽度方向，

其中所述方法包括跨越透镜宽度方向布置像素，使得所述像素在所述基板上方具有至少两种不同的固定高度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中通过如下方式提供不同的高度：

-在至少一些像素和平面基板之间提供间隔体；或

-在具有轮廓的基板上方形成电致发光显示布置；或

-在平面基板上方形成电致发光显示布置，接下来形成轮廓。