CN104378613A - 三维电视显示器 - Google Patents

Abstract

一种三维电视显示器，包括具有光源阵列的LED屏幕，其通过多个LED阵列视差的使用、LED阵列在多个LED阵列视差的布置的选择、对角线的视差屏障及双凸透镜，该无玻璃的三维电视显示器的分辨率可以提高。

Description

三维电视显示器

交叉参考的相关专利申请

本申请要求享有美国专利系列号US13/964,930的优先权，提交日为2013年8月12日，其在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及三维LCD显示器的改进。更进一步地，无玻璃的三维电视显示器的分辨率可以通过多个LED阵列视差的使用、LED阵列在多个LED阵列视差的布置的选择、对角线的视差屏障及双凸透镜而得到提高。

背景技术

三维（“3D”）电视对于消费者显示器市场而言是发展中的技术。一般而言，3D电视通过采用各种显示技术，如立体显示、多视图显示、2D加深度、或任何其它形式的3D显示向观众传达深度感觉。实现3D显示的基本技术要求是显示滤波分离的偏移图像到左眼和右眼。

通常地，对观众实现3D显示的主要技术是要求观众佩戴眼镜用来过滤单独偏移图像到每只眼睛。涉及眼镜过滤器或透镜的常用的3D显示技术包括：(1)立体3D—带有被动滤色器；(2)偏振的3D系统—带有被动偏振滤光片；(3)主动快门3D系统—带有主动快门；和(4)头戴式显示器—带有位于每只眼睛的前面的和主要用于放松眼睛对焦的透镜的单独的显示器。

从消费者的观点来看，对于3D显示技术，尽管3D眼镜硬件已经显著地发展并且还使得3D图像能够被多个观众同时观看，该技术仍然会遭遇这样的问题，即观众必须佩戴特殊眼镜来观3D图像。结果，多个制造商致力于不需要观众佩戴特殊的镜片的3D显示技术的发展。事实上，该3D显示技术目前发展到多视点显示技术，其使多个观众能够同时观看3D图像。然而，即使这种技术取得进步，该技术当前状态仍然存在许多缺点。例如，当通常的3D液晶电视机具有良好的分辨率(例如，0.5毫米点间距)且通过利用例如多个视差屏障来提供较好的3D视图，这样的设计局限于少量的观众。此外，通常的3D设计保持当前图像，观众在不同的观看距离观察到图像中有明显Moiré图案。

发明内容

考虑到上述问题，根据本发明的一个方面，这里公开了一种三维电视显示，包括具有发光的光源阵列的LED屏幕、双凸透镜，其位于邻近于LED屏幕且设计成对角分布阵列中的每个光源发出的光，和邻近于双凸透镜的视差屏障，其包含多个狭缝，这些狭缝将分布的光传送给三维显示设备的观众。

根据本发明的另一个方面，显示设备还包括位于LED屏幕和双凸透镜之间的聚碳酸酯基板。

根据本发明的另一个方面，显示设备的视差屏障位于距双凸透镜的距离A处，距离A大体上等于观众的观看距离除以15。

根据本发明的另一个方面，所述双凸透镜包括多个微透镜，该多个微透镜的每一个都具有中心轴线，该中心轴线从显示屏幕的水平面偏移0°至90°。

根据本发明的另一个方面，所述双凸透镜的多个对角延伸的微透镜的每一个光学圆柱会聚。

根据本发明的另一个方面，显示设备的双凸透镜具有一个厚度，所述厚度取决于光源的像素间距。

根据本发明的另一个方面，所述双凸透镜放置于距离显示屏幕约6.0毫米处。

根据本发明的另一个方面，所述双凸透镜具有厚度为0.26毫米。

根据本发明的另一个方面，所述光源是发光二极管。

根据本发明的另一个方面，三维电视显示器还包括具有水平宽度的发光元件的视差阵列，所述发光元件布置成两个水平和两个垂直成组排列；和屏障的狭缝，其水平宽度大约等于发光元件的水平宽度的一半。

根据本发明的另一个方面，具有水平宽度的发光元件的视差阵列，所述发光元件布置成两个水平和两个垂直成组排列；其中屏障的狭缝，其水平宽度大约等于发光元件的水平宽度的一半。

根据本发明的另一个方面，所述视差屏障的多个狭缝在对角线方向延伸。

根据本发明的另一个方面，一种从观众的视野产生三维图像的方法，包括从具有平板光源阵列的显示屏幕发出光；通过多个长椭圆形图案的双凸透镜分布光，所述双凸透镜布置在邻近显示屏幕处，且具有一中心轴线，该中心轴线从显示屏幕的水平面偏移0°至90°；和通过视差屏障的多个狭缝将分布光的所选部分传送给三维显示设备的观众。

根据本发明的另一个方面，视差屏障位于一距双凸透镜的距离A处，距离A大体上等于观众的观看距离除以15。

根据本发明的另一个方面，所述视差屏障的多个狭缝在对角线方向延伸。

根据本发明的另一个方面，其中所述多个狭缝的尺寸大约等于(L1*P)/L2，其中L1是从观众到视差屏障的距离，P是所述光源的间距，L2是从观众到显示屏幕的距离。

根据本发明的另一个方面，一种显示屏幕，具有发光二极管阵列，其配置为4个视差阵列，发光元件两个水平和两个垂直地成组排列；从显示屏幕偏移的视差屏障，偏移的距离通过缩小率决定，并且该视差屏障具有多个狭缝以将分布的光传送到三维显示设备的观众。

根据本发明的另一个方面，所述两个水平和两个垂直的发光元件以Z字形排列偏移，并且多个狭缝相对于水平和垂直的发光元件成对角线。

根据本发明的另一个方面，所述三维显示设备还包括双凸透镜，其相邻于显示屏幕，用于分布每个长椭圆形图案的发光二极管发出的光，该发光二极管的每一个各自具有一中心轴线，该中心轴线从显示屏幕的水平面偏移0°至90°。

附图说明

附图仅是为了说明的目的，不一定是按比例绘制。但通过参考下面的详细描述并结合所附的附图，本发明本身可以最好地理解，其中：

图1示出了根据本发明的示例性实施例的3D显示设备的侧视图；

图2示出了根据本发明的示例性实施例的光分布方案；

图3示出了根据本发明的示例性实施例的光分布的示例性图像；

图4示出了根据本发明的实施例的3D显示设备的视差屏障的特写视图；

图5A-C示出了通常的4个视差阵列和每块使用4个水平LED阵列的屏障；

图6A-C显示了4个视差阵列和本发明中每块使用水平和垂直LED阵列的屏障；

图7示出了本发明的用于4个视差阵列的视差分布；

图8A-C显示了4个视差阵列和本发明中使用对角屏障的屏障；

图9A-C显示了4个视差阵列和本发明中每块使用移位的水平和垂直LED阵列的屏障；和

图10显示了本发明中4个视差阵列的视差分布。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的示例性实施例的3D显示设备100的侧视图。从图1可以看出，3D显示设备100包括LED显示器110、双凸透镜片120、聚碳酸酯面板130和视差屏障140。在此示例性实施例中，LED显示器110本身是一种常用的LED屏幕，该屏幕具有多个LED阵列，其中LED芯片在电视屏幕后方。在一个实施例中，LED芯片表面安装RGB发光二极管。LED阵列的一个或多个LED被驱动到一起以形成像素(例如，一组红色、绿色、和蓝色二极管被驱动到一起以形成一个全色像素)。如将在下面更详细地讨论的那样，双凸透镜片120和视差屏障140提供给滤波器和分离每个像素从而为观众产生3D图像的效果。

如进一步示出的那样，该3D显示设备100还包括双凸透镜片120，邻近于LED显示器110。在此示例性实施例中，所述的双凸透镜片120优选为0.26毫米厚度且具有放大透镜阵列来过滤从LED显示器110的像素发出的图像。双凸透镜片120的放大透镜是多个对角延伸的微透镜，优选地，每一个微透镜是光学圆柱地会聚的。在此示例性实施例中，该微透镜相对于LED显示器110的X和Y轴对角延伸，并且可以，例如，形成为平凸圆柱透镜，如渐变折射率(GRIN)圆柱透镜或类似。每英寸有较大的行数，用于所述微透镜产生更好的效果。在一个实施例中，所述双凸透镜片中的微透镜具有150行数/英寸或17毫米的间距。放大透镜可以是其它类型的广角透镜，这些透镜与所述微透镜产生类似的效果。下面将参照附图2来详细描述，每个微透镜定位于接近一个或多个像素来分布从LED显示器110的发光元件(即LED)发出的光。

此外，如图1所示，双凸透镜片120被设置成与LED显示器110稍微相隔以产生理想的光分布效果。优选地，该距离是通过聚碳酸酯面板130定位在LED显示器110和双凸透镜片120之间产生的。聚碳酸酯面板130可以使用任何适当的材料制造，该材料透明、耐热、和优选地为重量轻。聚碳酸酯是优选的，因为相对于来自LED的热，其具有低的膨胀系数并且具有高的光传导性。但是可以使用其它合适的材料。通过在LED显示器110和双凸透镜片120之间使用聚碳酸酯面板130，可以保证所述LED显示器110和双凸透镜片120之间的距离基本上是平坦的和均匀的。优选地，聚碳酸酯面板130通过合适的粘合剂或类似物固定到LED显示器110和双凸透镜片120之间。然而可以预想的是，所述聚碳酸酯面板130可以设置于距LED显示器110一定距离处。在示例性实施例中，LED显示器110和双凸透镜片120之间的距离为大致等于所述聚碳酸酯面板130的厚度，图1称为B。在一个实施例中，该聚碳酸酯面板的厚度B是大约6mm。然而，通过双凸透镜片120扩散的量取决于多个因素，例如尺寸、形状和LED的强度、聚碳酸酯的类型和其它要求。因此，该厚度B可以随着应用的不同而不同。

另外，视差屏障140设在距双凸透镜片120的分离距离为A的像素屏障处。视差屏障140被配置成分离像素产生的左眼图像和右眼图像以产生3D效果给观众。更具体地，视差屏障包括连串的精密狭缝以允许观众从他们的左眼的位置仅能看到左图图像和从他们的右眼的位置仅能看到右图图像。虽然图1中未示出，但是应当理解，该LED显示器110中，双凸透镜片120、聚碳酸酯面板130和视差屏障140都集中安装在电视框架或类似物上，以形成3D显示设备100。此外，3D电视功能所需的剩余部件是本领域技术人员所熟知的在此就不再赘述，以免不必要地模糊了本发明的各方面。

本领域技术人员应当理解，通常的3D电视的观众感知的Moiré图案将在很大程度上依赖于观众到电视的观看距离。从远的观看距离观看，屏障孔看起来大于显示器的像素。因此，如果像素间距和屏障间距是相同的，由于感知到尺寸的差异而产生的偏差导致偏差或者准立体视觉，并且观看是令人不满意的。当屏障间距设定稍窄，使得屏障孔的感知尺寸与显示器中的像素的外观相同，改进了视野。如果显示器和该屏障之间的距离太小或太窄，则没有足够的3维效果。为了达到满意的效果，根据图1所示的示例性实施例，该3D显示设备100的视差屏障140位于距双凸透镜片120距离A处，其中距离A由下列公式计算：

A=观看距离/15

因此，在制造过程中预先设定期望的观看距离，所述像素屏障分离距离A是根据前述方程定义。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的光分布方案。如图所示，图2示出了多个LED芯片210，其被提供作为上述的LED显示设备100的屏幕的一部分。如上所述，双凸透镜片120被定位于邻近所述LED显示器110以提供用于每个相应LED芯片210的每个像素的对角光分布220。换句话说，双凸透镜片120分布图像在每个像素基上并且提供了一种光分布图案，该光分布图案相对于LED显示器110的X轴和Y轴对角分布。图2示出了光分布图案为椭圆形，然而可以预想的是，光分布图案可以是任何长椭圆形状图案(即，其宽度大于其高度，反之亦然)。进一步地，中心轴线，其定义为光分布图案的更宽尺寸的轴线，是相对于显示屏幕的水平面0°到90°之间的偏移，即，其对角地分布。例如，如图2所示，光分布图案的中心轴线，优选地，是从如图2所示LED芯片210的水平面偏移63°。当光分布图案是垂直的时，Moiré图案可能产生并且视角范围减小。当光分布图案是水平的时，视角增大但在像素之间的边界线更加清楚地显露。因此，对角的光分布图案解决了在水平或垂直的光分布图案都出现的一些问题。此外，对角的光分布图案也减小了从侧面角度观看时，在产生3维显示中LED显示器产生的两图像之间的干扰所引起的闪烁。从水平偏移63°是基于三角函数计算出的值。像素水平线和对角光分布图案之间的角度计算为对边的长度（两倍像素宽度）的反正切除以邻边的长度(一个像素的宽度)。虽然在一个实施例中偏移63°是优选的，从水平面的角度偏移可不同于上述。

对角光分布220是通过双凸透镜片120的多个对角延伸的微透镜来提供。通过加宽的光分布图案和有效地降低像素间的不发光区域，每像素的光分布的设计极大地改善了图像质量以获得平滑的图像。如上所述，双凸透镜片120的设计放大了在长椭圆形光分布图案上的光，这样来自一个LED芯片120的光被有效地分配到直接在其上方和其下方的两个LED芯片的中间。如进一步所示，示例性实施例的像素间距为4.4mm。大约4mm间距适合于三维LED显示器，其具有合理的分辨率以便无辅助观看。然而，应该理解的是，示例性实施例为用于LED显示器110的任何像素间距保持相同的光分布的角度。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的光分布的示例图像。如图所示，图3示出了参考照片，在其中从使用双凸透镜片/透镜(如图像的下半部分所示)分布的像素发出的光，并且没有双凸透镜片/透镜(如图像的上半部分所示)。应当理解的是，图3示例性图像示出了使用双凸透镜片/透镜的垂直的光分布。然而，如上所述的示例性实施例提出了一种对角的光分布，优选地在距水平面63°。因此，提供图3的示例性图像主要来示出如何将光传送器从一个LED芯片120延伸到如上所述直接在其上和其下的两个LED芯片的中间。

图4示出了根据本发明的实施例LED显示设备100中的视差屏障140的特写视图。如上所述，该视差屏障140具有一连串精密狭槽，这些狭槽允许观众从他们的左眼位置只看到左图像像素和从右眼的位置只看到右图像像素。如图4所示，视差屏障140包括屏障材料410(例如，不透明板)和多个狭缝420。在示例性实施例中，该多个狭缝420是垂直孔(即，从所述LED显示器110的透视图的垂直狭缝)。可选择地，可以在水平方向、对角方向等提供多个狭缝。此外，狭缝宽度C被确定为产生屏障狭缝宽度和LED像素间距被观众从观看距离感知是相同的效果。因为视差屏障140被物理地定位在LED显示器110的前面，如上所述，狭缝宽度C比像素间距窄。优选地，在此示例性实施例中，如果观看距离为5米，孔的百分比是50%。即，屏障狭缝宽度C是像素间距的50%。

为了计算屏障尺寸，首先计算缩小率(S)，其是从观众到屏障的距离(L1)除以从观众到显示器的距离(L2)。屏障尺寸(C)可以被计算为缩小率(S)乘该LED的间距尺寸(P)。作为示例，如果观看距离是5米，则显示器和屏障之间的距离(A)为：

A=观看距离/15

A=5m/15

A=0.33m

缩小率(S)是

S=L1/L2

=5m/5.33m

=0.94m

屏障尺寸(C)是：

C=S*P

C=4.44mm*0.94

C=4.2mm

在另一个实施例中，多个LED阵列可以用于表示单个像素。因此，两个视差阵列具有两个LED阵列，其表示通过视差屏障看到的图像的单个“像素”。同样，4个视差阵列具有4个LED阵列，其表示通过视差屏障看到的图像的单个“像素”。作为这种情况的一个例子，图5A示出了4个视差阵列500。4个视差阵列500包括多个LED阵列502，其通常设置在四个水平块中，其中的一个例子是块504。这4个LED阵列在块504中由标号1到4所描述，且在整个阵列中重复显示。一个LED阵列(图像的单个像素)具有水平宽度A。

该4个视差阵列500的相应屏障506被示于图5B。屏障506被构造成阻挡包括每个块504的4个LED阵列中的3个LED阵列。物理屏障部分508具有约等于3A的水平宽度，以及每个物理屏障部分508之间的空间具有近似等于A的水平宽度。为了本讨论的目的，屏障尺寸被表示为位于在像素表面上。然而，当使用了实际3-D显示时，该尺寸将基于缩小率计算。图5C示出了4个视差阵列500的顶部上的屏障506的覆盖图。在这种情况下，因为只有一个LED阵列发出的光通过了屏障506，光传输率将是25%，而其它3个LED阵列发出的光被物理屏障部分508阻挡。在该设计中，水平分辨率被降低，这导致了图像质量的降低。

将4个视差阵列的水平分辨率可通过设置如图6A至6C所示的两个水平和两个垂直块的四个视差来改善。在一个实施例中，优选地，垂直的比水平的具有较少的视差。如图6A所示，4个视差阵列600由首先水平堆叠然后垂直堆叠的LED阵列602组成。因此，作为一个示例，块604具有阵列1在左上象限中，阵列2在左下象限中，阵列3在右上象限中和阵列4在右下象限中。此外，每个LED阵列602具有水平宽度A。对应于4个视差阵列600的物理屏障606被显示在图6B。物理屏障608具有等于3A/2的水平宽度，而物理屏障608之间的空间具有等于A/2的水平宽度。显然，该屏障可以是LED阵列602间距的一半，产生两倍的水平分辨率。图6C显示了四个视差阵列600顶部上的屏障606的覆盖图。

在使用该方法时，如图7所示4个视差和两个视差将被混合。沿垂直方向移动，视差从4个视差转到2个视差，反向地，有来自上部视差的两个与来自下部视差的两个的组合，然后回到2个视差和4个视差。这种配置改进了水平分辨率，但是垂直分辨率被减少一半，因为LED阵列602中的每一个的布置都是垂直和水平地。然而，这是可接受的，因为垂直分辨率的降低对图像质量的影响小于水平分辨率的降低。

图像质量可以通过使用对角屏障得到提高。如图8A所示，4个视差阵列800包含LED阵列802，其布置在如块804所示的4个水平组中，且包含标号1到4。此外，每个LED阵列802具有水平宽度A。图8B示出了对角屏障806。物理屏障808具有约等于3A的宽度，以及每个物理屏障808之间的间距的宽度近似等于A。图8C示出了在4个视差阵列800上的对角屏障806的叠加。对角屏障806被构造成阻挡形成块804的4个LED阵列中的3个LED阵列。这样，从4个视差阵列800传送的光大约是25%。对4个视差阵列800亮度具有明显影响且导致水平分辨率的减小。

作为使用对角屏障的改进，4个视差屏障被设置为两个水平和两个垂直LED阵列，其设置成Z字形排列，如图9A到9C所示。4个视差阵列900包括LED阵列902，其以4个为一组的方式设置，如块904所示。第一LED阵列开始块，第二LED阵列位于其上方并移动了一个位置。第三LED在第二LED下面，和第四LED越过一个位置且在上面一个位置，如图9A所示。图9B示出了对角屏障906。物理屏障908的宽度大约等于3A/2，以及每个物理屏障908之间的间距的宽度大约等于A/2。通过以对角线Z字形排列该视差结合用微透镜扩散，在水平方向上面和下面的行内插在视差之间并且分辨率人为地加倍，因此屏障可以被制成像素阵列尺寸的间距的一半。而且，这种方法中，不会发生伴随垂直屏障发生的反向视差，这样提高了图像质量。图10示出了一个示例。

虽然在此示出并描述了特定实施例，本领域普通技术人员应当理解，多种替换和/或等价实施方式可以代替所示出和描述的具体实施例，而不偏离本发明的范围。在此公开的内容旨在覆盖这里讨论的特定实施例的任何修改或变化。因此，意图是本发明只受限于权利要求及其等价物限定。

Claims (19)

1.一种三维显示设备，包括:

显示屏幕，其具有配置为发光的光源阵列；

双凸透镜，其相邻于显示屏幕并且配置为分布从长椭圆形图案的光源的每一个发出的光，该光源的每一个各自具有一中心轴线，该中心轴线是从显示屏幕的水平面偏移0°至90°；和

视差屏障，其相邻于双凸透镜并具有多个狭缝，每个狭缝配置成将分布的光传送到三维显示设备的观众。

2.如权利要求1所述的显示设备，还包含聚碳酸酯面板，其位于显示屏幕和双凸透镜之间。

3.如权利要求1所述的显示设备，其中所述视差屏障位于距双凸透镜的距离A处，该距离A大体上等于观众的观看距离除以15。

4.如权利要求1所述的显示设备，其中所述双凸透镜包括多个微透镜，每一个微透镜具有一中心轴线，该中心轴线是从显示屏幕的水平面偏移0°至90°。

5.如权利要求4所述的显示设备，其中所述多个微透镜的每一个是光学圆柱会聚。

6.如权利要求1所述的显示设备，其中所述双凸透镜的厚度取决于在光源的像素间距。

7.如权利要求1所述的显示设备，其中所述双凸透镜放置于距离显示屏幕约6.0毫米处。

8.如权利要求1所述的显示设备，其中所述双凸透镜具有0.26毫米的厚度。

9.如权利要求1所述的显示设备，其中所述光源是发光二极管。

10.如权利要求1所述的显示设备，还包括：

具有水平宽度的发光元件的视差阵列，所述发光元件布置成两个水平和两个垂直成组排列；和

屏障的狭缝，其水平宽度大约等于发光元件的水平宽度的一半。

11.如权利要求1所述的显示设备，还包括:

具有水平宽度的发光元件的视差阵列，所述发光元件布置成4个一组的垂直和水平地排列的偏移；和

屏障的狭缝，其水平宽度大约等于发光元件的水平宽度的一半。

12.如权利要求10或11所述的显示设备，其中所述视差屏障的多个狭缝在对角线方向延伸。

13.一种从观众的视野产生三维图像的方法，包括：

从具有平板光源阵列的显示屏幕发出光；

通过多个长椭圆形图案的双凸透镜分布光，所述双凸透镜布置在邻近显示屏幕处且具有一中心轴线，该中心轴线从显示屏幕的水平面偏移0°至90°；和

通过视差屏障的多个狭缝将分布光的所选部分传送给三维显示设备的观众。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述视差屏障位于距双凸透镜的距离为A处，距离A大体上等于观众的观看距离除以15。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述视差屏障的多个狭缝在对角线方向延伸。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述多个狭缝的尺寸大约等于(L1*P)/L2，其中L1是从观众到视差屏障的距离，P是所述光源的间距，L2是从观众到显示屏幕的距离。

17.一种三维显示设备，包括：

显示屏幕，具有发光二极管阵列，其配置为4个视差阵列，发光元件两个水平和两个垂直成组排列；和

从显示屏幕偏移的视差屏障，该偏移的距离通过缩小率决定，并且该视差屏障具有多个狭缝以将分布的光传送到三维显示设备的观众。

18.如权利要求17所述的三维显示设备，其中所述两个水平的和两个垂直的发光元件以Z字形排列偏移，并且多个狭缝相对于水平和垂直的发光元件成对角线。

19.如权利要求18所述的三维显示设备，还包括：双凸透镜，其相邻于显示屏幕，用于分布每个长椭圆形图案的发光二极管发出的光，该发光二极管的每一个各自具有一中心轴线，该中心轴线从显示屏幕的水平面偏移0°至90°。