CN104247414A - 自动立体显示设备和驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于自动立体显示器的定向背光装置，其中背光装置的不同部分指向不同的方向。这意味着背光装置的不同部分将适于在不同方向上引导图像，同时降低由大出射角造成的光学像差的影响。

Description

自动立体显示设备和驱动方法

技术领域

本发明涉及自动立体显示设备。

背景技术

各种类型的自动立体显示设备是已知的。基本上，这样的显示器包括光学装置，所述光学装置将不同的视图引导到用户的眼睛可能位于的不同的方向上，使得用户不需要佩戴用于该目的的特殊眼镜。

可以例如利用透镜装置实现视图到不同位置的不同方向，其中各个透镜覆盖像素的群组。透镜然后在不同方向上引导来自不同像素的光，并且这样不同的图像（例如左和右）可以被发送到不同的方向。

另一方法是使用阻挡装置。这同样具有限制其中可以发送来自各个像素的光的方向的功能。

关于该装置的问题在于，降低了各个视图的分辨率。通过以时间复用以及空间复用的方式操作，可以获取增加的分辨率。

以上概述的设计提供在固定的不同方向上的不同视图。然而，其它设计提供一个或多个观看者的眼睛的方位的追踪。这意味着对于每个观看者而言，仅需要生成两个视图，而不是充满视场的全套视图（典型地9或15个）。

本发明特别地涉及已知类型的自动立体显示器，其中光转向背光被用于将光引导到使用照相机被探测到的一个或多个观看者的眼睛中。在LCD上顺序地显示左和右图像。

对于每个观看者而言，背光的两方向光源配置与LCD同相地接通和关断，使得在给定时刻每只眼睛看到要么正确图像要么黑屏。

光转向背光可以例如包括像素化背光和透镜装置。通过控制背光元件，结果得到的光输出方向由透镜确定。还可以提供电润湿棱镜阵列以用于在不同方向上引导背光输出。

典型地，透镜阵列被用于实现所要求的光转向。然而，这些透镜阵列遭受像差离轴。结果，在较大的入射角处发生角分辨率的损失。这一般是关于背光转向方法的问题。

为了解决该问题，已经例如提出将光照源放置在弯曲表面上和限制每个光学元件的孔径。多个光学元件然后被堆叠并且水平地移动等于孔开口的宽度的距离。竖直漫射器可以被用于实现均匀点亮的显示器。然而，这导致较为复杂的光学结构。

发明内容

根据本发明，提供了如独立权利要求中所要求保护的设备和方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于自动立体显示设备的背光装置，包括：

- 分段的背光；以及

- 包括透镜单元的阵列的透镜装置，其中背光段的相应子阵列与透镜装置的每个透镜单元相关联，使得透镜单元在不同方向上引导来自不同背光段的光输出，

其中每个背光子阵列利用灯管的末端处的相应透镜单元向灯管提供光照，并且其中灯管包括至少两个集合，其中第一集合的灯管全部彼此平行并且面向第一方向，并且第二集合的灯管全部彼此平行并且面向第二方向。

该装置提供一种背光装置，其中背光装置的不同部分指向不同方向。这意味着背光装置的不同部分将适于在不同方向上引导图像，同时降低由大出射角造成的光学像差的影响。提供透镜的旋转以使它们的光轴直接朝向观看者在理论上将是有益的。然而，这实际上不可行。本发明作为替代为透镜的集合提供不同的静态取向。灯管阵列的每个管在它自身有限的角范围中高效地引导光。

本发明使得能够实现用于扁平自动立体显示器的增加的视角。因此，本发明还提供一种自动立体显示设备，包括：背光装置和由背光装置光照的光调制显示面板。

为了解决离轴透镜像差的问题，本发明提供扁平矩阵结构中的光轴的旋转。透镜光轴特别地在水平（列）方向上旋转。

灯管可以包括三个集合，其中第一集合的灯管被法向地引导到显示面板，第二集合的灯管被横向地引导到法线的一侧，并且第三集合的灯管被横向地引导到法线的另一侧。

第二和第三集合的灯管可以以10和30度之间的量被横向地引导到法线的侧面。每个灯管可以例如具有0.25平方厘米（cm²）和4平方厘米（cm²）之间的出口面积。

灯管的每个集合可以包括灯管的多个（水平）行，其中一个集合的灯管与其它集合的灯管交替。然后，可以使用背光装置的输出处的竖直漫射器使得提供光照的灯管的行使其光输出在列（竖直）方向上展开。

优选地，提供照相机装置以用于追踪一个或多个观看者的位置，并且显示器还包括控制器，所述控制器被适配成依赖于观看者位置为要呈现的每个图像选择使用灯管的哪个集合，并且控制背光装置以控制用于每个图像的对显示面板的光照的方向。

这样，选择要使用的最佳灯管，并且然后控制背光段的子阵列以提供所要求的光照方向。

本发明还提供一种控制包括背光装置和透镜装置的自动立体显示设备的方法，所述背光装置包括分段的背光，所述透镜装置包括透镜单元的阵列，其中背光段的相应子阵列与透镜装置的每个透镜单元相关联，使得透镜单元在不同方向上引导来自不同背光段的光输出，其中所述方法包括：

- 将每个背光子阵列与具有灯管的末端处的相应透镜单元的灯管对齐，并且其中灯管包括至少两个集合，其中第一集合的灯管全部彼此平行并且面向第一方向，并且第二集合的灯管全部彼此平行并且面向第二方向；

- 探测观看者的方位；

- 基于观看者方位，确定使用灯管的哪个集合以向观看者的每只眼睛显示图像；以及

- 对于所选灯管，控制相关联的背光段的子阵列以向观看者的每只眼睛提供通过光调制显示面板的方向上的光照。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1被用于解释已知背光转向自动立体显示设备的基本操作；

图2示出本发明的自动立体显示设备的背光装置；

图3更详细地示出图2的灯管的不同取向；

图4示出灯管之间的角关系；

图5示出本发明的自动立体显示设备的光学部分；

图6示出除图5的光学部件之外的电子部件；以及

图7被用于解释如何选择灯管以及如何控制相关联的背光子阵列。

具体实施方式

本发明提供一种用于自动立体显示器的定向背光装置，其中背光装置的不同部分指向不同方向。这意味着背光装置的不同部分将适于在不同方向上引导图像，同时降低由大出射角造成的光学像差的影响。

图1被用于一般地解释本发明涉及的显示设备的类型。

显示器包括背光装置10和光调制显示面板12，诸如LC面板。背光装置包括分段的背光子阵列14的集合，其中的每一个与输出透镜16相关联。

存在的背光子阵列越多，可以开启以提供显示面板的光照的背光段的数目越大，使得可以降低各个背光段的强度。当然，背光段的较大数目暗示了较复杂的结构以及作为较大数目的光源的结果的较高的成本。背光子阵列的大小足以使得能够提供期望数目的单独可寻址背光段（例如各个LED）以便给出光照方向的期望的可控制性。因此，在透镜结构的复杂性、各个照明段的大小、每子阵列照明段的数目和所要求的每段背光强度之间找到折衷。

限制因素典型地是背光子阵列中的单个可控灯段的大小。对于给定的观看距离，将要求视图方向的给定的角分辨率，并且这进而指定光源阵列的空间分辨率，这涉及光源和透镜的大小和空间分辨率。

每个子阵列具有诸如LED之类的光源的网格。通过选择点亮哪些LED，可以控制来自透镜的光输出方向。如图1中所示，通过使用每个子阵列内的所选LED，来自每个透镜的光输出方向相同，如由包络18所示。通过用于每个透镜16的每个子阵列14中的一个或多个光源的适合的选择，包络18可以会聚使得它们在用于设计的观看距离的单个眼睛方位处交会。因此，通过控制子阵列，光输出可以被引导到给定观看距离处的空间中的特定横向（即左-右）方位。关于该类型的装置的问题在于，光学像差影响用于大非法线出射角的光输出。

本发明也使用背光子阵列，但是利用灯管末端处的相应透镜单元向灯管提供光。灯管包括至少两个集合，其中第一集合的灯管全部彼此平行并且面向第一方向，并且第二集合的灯管全部彼此平行并且面向不同的第二方向。

图2示出其中存在灯管的三个集合的灯管装置的示例。第一集合的灯管被法向地引导到显示面板，第二集合的灯管被横向地引导到法线的一侧，并且第三集合的灯管被横向地引导到法线的另一侧。

在图2的示例中，灯管的集合成行。图2示出灯管的三个行。图2（a）示出三个灯管的三个行的前视图。

顶行具有法向引导的管。下一行具有向右引导的灯管（如在面向背光装置时所看到的那样）并且底行具有向左引导的灯管。对于三个行中的每一个，在图2（b）中示出从背光装置顶部边缘上方的视图。

如所示，在具有光吸收壁的灯管20的进口端处提供每个背光子阵列14。这样，仅来自背光子阵列的直射光到达光透镜，并且实现高对比度。反射竖直壁可以被用于增加光输出效率，但是这将降低对比度。每个灯管20的出口端提供有透镜或者透镜的集合（该透镜或者透镜的集合一般被称为“透镜单元”）。图2（b）示出如何在不同行中的不同方向上设置灯管。一个集合的所有灯管彼此平行。所有灯管是水平的（即面向外）并且角差在横向（即左-右）方向上。通过将灯管的集合限定为行，组合灯管以限定如图2（a）中所示的连续输出表面是可能的。

图2（c）示出叠加在彼此上的所有三个行的平面视图。

背光子阵列光照整个透镜，使得没有孔被使用。

背光子阵列14放置在透镜单元的焦平面处。为了改善性能，可以更靠近或者更远离透镜来放置背光子阵列。对背光子阵列进行取向使得透镜16的光轴处于包含背光子阵列的平面的法线。这在图3中更清楚地示出，其中图3（a）示出单个灯管的前视图并且图3（b）示出侧视图。非透明边界被示出为22。图3（c）并排示出三个不同的取向，并且示出平行于透镜即垂直于透镜光轴的背光子阵列的平面。

可替换的设置是将用于所有管的所有背光子阵列14放置在一个共同的平面表面上。在这种情况中，附加的校正透镜可以放置在每个管的出口端处，作为透镜单元的一部分，以提供射线的所要求的聚焦。

每个背光子阵列可以包括紧密封装的LED或者OLED条。可替换地，光源矩阵可以包括微型LED或者OLED显示器。

以示例的方式，透镜管阵列中的每个管可以是1cm宽、1cm高和2cm深。对于1m宽和0.5m高的3D背光而言，这意味着管阵列具有5000个管，其中每个管具有透镜和背后的分离的微型LED或者OLED显示器。

每个灯管可以具有背光子阵列，所述背光子阵列具有行方向上的近似30个照明段。更一般地，可以存在10个和50个之间。段越多，定向控制越大，但是强度越低。由于在列方向上不需要分辨率，因此在列方向上可以仅存在一个段。然而，可以使用背光子阵列中的背光段的2D阵列。背光子阵列的大小因此足够大以具有所要求数目的背光段，但是足够小以可以使背光的总大小（尤其是厚度）是小的。较小的管进口和出口面导致较小的管长度，以及由此的降低的总背光厚度。在大约2:1的管的近似长宽比的情况下，灯管优选具有至多几厘米的宽度尺寸。

灯管的三个集合的固定方向可以例如是0度、负20度和正20度。该20度偏移可以更一般地为任何角，例如在10至30度的范围中。

图4示出对应于透镜上的最左和最右方位使得每个透镜被水平地完全点亮的光线路径。

接通背光子阵列的一个单个LED或者LED的小群组导致取决于透镜管的取向和一个或多个LED相对于透镜的光轴的方位二者的方向上的较多或者较少的准直光束。

图4示出经取向的透镜管配置如何使开口角从                                               成倍到2，其中是用于一个灯管的输出角范围。图4示出图4（a）中的左引导的管、图4（b）中的法向引导的管和图4（c）中的右引导的管。该系数2（而不是3）由光输出方向之间的重叠造成。对于左取向的透镜（图（4a）），不能使用开口角的右半部，因为那样管矩阵就变得可见。这同样适用于右取向的透镜（图4（c））的开口角的左半部。

管矩阵可见的该问题由以下要求导致：所有旋转的透镜应当一般设置在相同表面上，这暗示了管阵列中的每个管相对于它的邻居移动，如图4中所示。影响在于，对于一些视角，吸收边界变得可见，例如图4（a）中所示的区域24。这些角因此被排除并且作为替代由法向引导的管提供。

图5示出在自动立体显示器内可以如何使用透镜管阵列。图5示出设备的侧视图。透镜管阵列中的行对应于不同的取向。

为了竖直地传播光，在透镜管阵列与LCD显示面板12之间放置两个竖直漫射器片50。可替换地，可以使水平取向的管矩阵材料是反射性的并且然后可以移除一个竖直漫射器。

光转向仅经由灯管配置和光源的选择在水平方向上完成。光在竖直方向上不是准直的。

反射水平矩阵材料增加使管处于大竖直角之下从而使竖直漫射更有效的光的量。

通过提供机械力的机械分离器52分离灯管。

显示面板可以是完全标准的，例如标准HD面板。每个灯管因此光照面板的像素的子阵列。

为观看者的左和右眼选择哪个背光子阵列的集合和相关联的灯管的决策取决于眼睛相对于显示器的2D位置。

在图6中示出完整的系统。

灯管和透镜的背光装置被示出为10以用于光照显示面板12。控制器60从头部追踪装置62接收输入，所述头部追踪装置62追踪一个或多个观看者的瞳孔。

控制器60控制显示面板12以提供用于向一个观看者的一个瞳孔呈现的输出图像。每个显示图像因此是以显示面板的原始分辨率的全分辨率显示。控制器还选择使用背光子阵列的哪个集合，以及控制背光子阵列生成来自灯管的期望的光输出方向。

以时间顺序的方式提供所要求的不同图像（每观看者两个）。出于该目的，显示面板具有高刷新速率，例如240Hz或更多。将存在可以为其提供分离的图像的用户的最大数目，例如2、3或4。

头部追踪装置可以包括安装在显示器上的一个或多个照相机。

可以使用以下步骤实施关于使用背光子阵列的哪个集合的决策：

1.对于所探测到的眼睛位置，计算如图7中所示的角，其为将眼睛和矩阵中的管的每一列的中心连接的线与显示表面的法线之间的角。该角跨显示器略微变化，其中变化对于较近的观看距离而言较大。可以为每一列确定角，使得可以独立地选择用于显示器的每一列的光照方向。

2.将的幅度与透镜开口角的幅度相比较。然后做出关于使用哪个管取向的决策。在图7中示出决策规则。基本上，如果所要求的取向在法向引导的灯管的范围之外，使用横向引导的灯管的集合之一。

3.然后使用将眼睛和管透镜的中心连接的线与所选管透镜的光轴之间的角来计算使用背光子阵列的哪个光源（或者哪些光源）来朝向眼睛转向光。由于在透镜空气/界面处发生折射，并且多个透镜可以存在于每个透镜单元中，因此该计算考虑所有空气/透镜材料射线方向改变。

可以为每个图像独立地确定背光装置的每一列所要求的观看方向，即左和右图像可以导致灯管选择的不同集合。还如上所提及的，在图像内，可以通过不同的灯管方向提供图像的不同部分，要不然可以为每个图像的整体选择单个灯管方向。

以上已经联系灯管的三个集合描述了本发明。然而，可以使用两个，这二者从法线方向横向偏移。然而，具有法向引导的灯管的集合是优选的，因为法线方向可能表示理想的观看方位，并且最可能是用于单个观看者的方位。这暗示了优选存在奇数数目的灯管的集合，例如3或5。

尚未详细地描述控制器。基本上，它将标准显示驱动器的功能与选择要使用的灯管的逻辑组合，并且得出需要取向的背光段。一旦已经确定观看者方位，这涉及基本三角函数。头部追踪系统可以完全是常规的，并且这样的系统已经使用在头部追踪自动立体显示器中。

显示面板可以是LCD面板或者任何其它光调制显示技术。

本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”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。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能被用于获益。权利要求中的任何参考标记不应解释为限制范围。

Claims (11)

1.一种用于自动立体显示设备的背光装置，包括：

- 分段的背光；以及

- 包括透镜单元的阵列的透镜装置，

其中背光段的相应子阵列（14）与透镜装置的每个透镜单元（16）相关联，使得透镜单元（16）在不同方向上引导来自不同背光段的光输出，

其中每个背光子阵列（14）利用灯管（20）的末端处的相应透镜单元向灯管提供光照，并且

其中灯管包括至少两个集合，其中第一集合的灯管全部彼此平行并且面向第一方向，并且第二集合的灯管全部彼此平行并且面向第二方向。

2.如权利要求1中所要求保护的装置，其中灯管（20）包括三个集合，其中第一集合的灯管被法向地引导到显示面板，第二集合的灯管被横向地引导到法线的一侧，并且第三集合的灯管被横向地引导到法线的另一侧。

3.如权利要求2中所要求保护的装置，其中第二和第三集合的灯管（20）以10和30度之间的量被横向地引导到法线的侧面。

4.如权利要求1中所要求保护的装置，其中每个灯管（20）具有0.25平方厘米和4平方厘米之间的出口面积。

5.如权利要求1中所要求保护的装置，其中每个子阵列（14）包括单独可寻址灯段的阵列，其中在每个子阵列中存在灯段的至少10列。

6.如权利要求1中所要求保护的装置，其中灯管（20）的每个集合包括灯管的多个行，其中一个集合的灯管与其它集合的灯管交替。

7.如权利要求1中所要求保护的装置，还包括背光装置的输出处的竖直漫射器（50）。

8.一种自动立体显示设备，包括如权利要求1中所要求保护的背光装置；以及由背光装置光照的光调制显示面板（12）。

9.如权利要求8中所要求保护的显示设备，还包括用于追踪一个或多个观看者的位置的照相机装置（62），并且其中显示器还包括控制器（60），所述控制器（60）被适配成依赖于观看者位置为要呈现的每个图像选择使用灯管的哪个集合，并且控制背光装置以控制用于每个图像的对显示面板的光照的方向。

10.一种控制自动立体显示设备的方法，所述自动立体显示设备包括背光装置和透镜装置，所述背光装置包括分段的背光，所述透镜装置包括透镜单元（16）的阵列，其中背光段的相应子阵列（14）与透镜装置的每个透镜单元（16）相关联，使得透镜单元在不同方向上引导来自不同背光段的光输出，其中所述方法包括以下步骤：

- 将每个背光子阵列（14）与具有灯管（20）的末端处的相应透镜单元（16）的灯管对齐，并且其中灯管包括至少两个集合，其中第一集合的灯管全部彼此平行并且面向第一方向，并且第二集合的灯管全部彼此平行并且面向第二方向；

- 探测观看者的方位；

- 基于观看者方位，确定使用灯管的哪个集合以向观看者的每只眼睛显示图像；以及

- 对于所选灯管，控制相关联的背光段的子阵列（14）以向观看者的每只眼睛提供通过光调制显示面板的方向上的光照。

11.如权利要求10中所要求保护的方法，其中灯管（20）包括三个集合，其中第一集合的灯管被法向地引导到显示面板，第二集合的灯管被横向地引导到法线的一侧，并且第三集合的灯管被横向地引导到法线的另一侧。