CN104797960A - 用于自动立体视频显示器的可切换透镜阵列 - Google Patents

Abstract

透镜阵列的透镜体能够电子受控成与具有两个截然不同物理特性的两个集合的实际透镜体中任一个光学地等效。透镜体的每个充分接近于一个或多个可切换棱镜以与其光学地组合。可切换光学元件例如能够是可切换柱形棱镜。在第一状态，可切换棱镜与透镜体光学地组合，使得组合体与第一集合实际透镜体光学地等效。在第二、不同的状态，可切换棱镜与透镜体光学地组合，使得组合体与第二、不同集合实际透镜体光学地等效。因而，透镜阵列能够通过开关的掷在两个截然不同配置间切换。

Description

用于自动立体视频显示器的可切换透镜阵列

对有关申请的交叉引用

本申请要求由Neal Weinstock及Richard A.Muller于2012年9月4日提交的、题为“Autostereoscopic Video Display”的美国临时专利序列号61/696,718的优先权。

技术领域

本发明一般涉及自动立体显示器，并且更具体地，涉及能够在两个不同配置之间切换的透镜阵列。

背景技术

传统自动立体显示器使用透镜的阵列或视差栅栏或其他观看选择器来使显示器的许多像素对观看者的一只眼睛可见，并使显示器的许多其他像素对观看者的另一只眼睛可见。通过隔离对每一眼睛可见的显示器的像素，立体图像的两个分量能够在显示器上呈现。

由于普通观看者的眼睛是并排并且水平对齐的，透镜的阵列按照水平定向使像素可见。作为结果，针对左眼和右眼的对应像素沿相同的扫描线来定位并且水平地彼此替换。

观看者的每个眼睛因此看到图像，其水平分辨率在仅具有两个视图的自动立体显示器中被平分。在多数自动立体显示器中，通过具有多于仅两个视图来改进视场。为尝试提供更大感知深度的投影，需要更多视图—例如24个视图。典型的LCD显示屏具有大约200个像素每英寸的像素密度，然而一些具有接近300个像素每英寸或更多的密度。那是近似6个像素每毫米，即，足够的分辨率来在4毫米的空间内提供24个视图。

对于一些立体视频内容，4毫米宽的所感知像素可能是足够的。然而，不是所有的视频内容是相同的。对于一些立体视频内容，具有更少视图但具有更好的水平显示分辨率可能是优选的。特别地，如果显示器有时也将显示并不立体的视频内容，透镜阵列没有将视图编组成24个像素和4毫米宽的多个组，而是代替地提供全水平分辨率或尽可能接近全水平分辨率将会是优选的 。

在传统自动立体显示器中，这样的配置仅通过透镜阵列的物理移除以及也许以不同的透镜阵列的替换，如果确实发生的话，是可实现的。

发明内容

依照本发明，透镜阵列的透镜体—即柱形透镜—能够电子地受控成与具有两个截然不同物理特性的两个集合的实际（virtual）透镜体中任一个光学地等效。透镜体的每个足够接近于一个或多个可切换光学元件以与该可切换光学元件光学地组合。可切换光学元件例如能够是可切换柱形棱镜。

在第一状态，可切换棱镜与透镜体光学地组合，使得组合体与第一集合实际透镜体光学地等效。例如，处于第一状态的可切换棱镜能够具有大体上与环境材料的折射指数大体等效的折射指数，使得可切换棱镜本质上不具有光学效应。在这样的情况中，第一集合实际透镜体会单单与透镜阵列的透镜体光学地等效。

在第二、不同的状态，可切换棱镜与透镜体光学地组合，使得组合体与实际透镜体的第二、不同的集合光学地等效。例如，处于第二状态的可切换棱镜能够具有与透镜体的折射指数大体等效的折射指数，使得可切换棱镜和透镜体的光学组合体，在光学上讲，显著地不同于单单透镜体。可切换棱镜的每个与透镜体的仅一部分组合，使得透镜体的剩余部分不与可切换棱镜光学地组合。该剩余部分能够与在第二状态以显著不同的角度偏转光线的另一可切换棱镜光学地组合或者根本没有与可切换棱镜光学地组合。结果是与可切换棱镜光学地组合的透镜体的那部分以显著的方式光学地不同于没有与可切换棱镜光学地组合的透镜体的剩余部分。实际上，棱镜被分裂为两个实际棱镜。附加的可切换棱镜能够与透镜体一起使用来有效地将该透镜体分裂为三个或更多的实际透镜体。

将双折射材料用于可切换光学元件，可切换光学元件的折射指数—以及因此其状态—能够被电力地控制。因此，透镜阵列能够以开关的掷（flip）在两个截然不同的配置间切换。

附图说明

图1是依照本发明的、观看者和自动立体显示器的平面图。

图2是更详细的、图1的自动立体显示器的透镜阵列的平面图。

图3-5是依照本发明的、例示透镜阵列如何在两个备选配置之间可切换的透镜阵列的平面图。

图6和图7是依照本发明的、例如备选透镜阵列如何在两个备选配置之间可切换的备选透镜阵列的平面图。

图8是更详细的、图2-7的透镜阵列的可切换棱镜的平面图。

图9是更详细的、图2-7的透镜阵列的备选的可切换棱镜的平面图。

图10是依照本发明来例示两个截然不同的操作模式的、图2-5的透镜阵列的平面图以及定位于透镜阵列背后的像素阵列的正视图。

图11是处于图3例示的状态中的、图10的透镜阵列的平面图以及图10的像素阵列的正视图。

图12是处于图5例示的状态中的、图10的透镜阵列的平面图以及图10的像素阵列的正视图。

图13及14各自是备选透镜阵列的平面图。

具体实施方式

依照本发明，透镜阵列100的透镜体202A-D（图3）能够电子地受控成如图3所示光学地进行动作或如透镜体502A-H（图5）所示光学地进行动作。透镜阵列100（图1）向人类观看者10呈现自动立体视图，并且该视图具有感知宽度120和感知深度130。

透镜阵列100（图1-3）包括可切换棱镜204A-H（图2），其能够在其中透镜体202A-D按第一方式光学地运转的状态和其中透镜体202A-D以第二、不同的方式光学地运转的第二状态之间切换。如结合图8在下面更完整地表述，可切换棱镜204A-H由诸如液晶的双折射材料制成，并且能够在两个不同的折射指数之间电子地切换。在这个例示性实施例中，折射指数其中之一是透镜体202A-D的那个，而另一个是在其中形成可切换棱镜204A-H的透明层206的那个。另外，可切换棱镜204A-H具有直角三角形横截面，其中在这个例示性实施例中角208是16度。可切换棱镜204A-H也能够设计为菲涅耳（Fresnel）型棱镜。

在其中可切换棱镜204A-H不具有光学效应的“关”状态，可切换棱镜204A-H的折射指数被设置成与透明层206的那个实际上相同。在这个“关”状态，透镜阵列100的光学表现如图3所示。具有与透明层206相同的折射指数的可切换棱镜204A-H难以与透明层206光学地区分。

在其中可切换棱镜204A-H具有光学效应的“开”状态，可切换棱镜204A-H的折射指数被设置成与透明层206的那个显著地不同。在一个实施例中，可切换棱镜204A-H的折射指数在这个“开”状态中被设置成与透镜体202A-D的那个相同。在这个“开”状态中，可以与透明层206光学地区分的可切换棱镜204A-H与透镜体202A-D光学地组合来影响它们的光学表现。

图4示出与处于开状态的透镜阵列100的那个光学地等效的透镜阵列。例如，与可切换棱镜204A-B相组合的透镜体202A（图2）光学地等效于与元件404A相组合的透镜体402A（图4）以及与元件404B相组合的透镜体402B。对于薄透镜，与元件404A-H相组合的透镜体402A-H光学地等效于与元件504A-H相组合的透镜体502A-H（图5）。尽管透镜阵列100仍然如图2所示物理地配置，处于这个“开”状态的透镜阵列100与图5所示的状态光学地等效。

由于与元件504A-H相组合的透镜体502A-H表示处于这个“开”状态的透镜阵列100的有效光学表现，透镜体502A-H在本文被称为透镜阵列100的实际透镜体。换言之，透镜阵列100的实际透镜体是与处于给定状态的透镜阵列100光学地等效的透镜体。因此，透镜阵列100在具有不同光学表现的实际透镜体的至少两个状态之间可切换。

透镜体502A-H具有透镜体202A-D的宽度的一半。因此，通过电子地控制可切换棱镜204A-H的折射指数，透镜阵列100能够在其中透镜阵列100光学地运转好像透镜体202A-D具有它们物理尺寸的状态和其中透镜阵列100光学地运转好像透镜体202A-D是数量两倍一样多并具有它们的物理宽度一半的状态之间切换。

透镜体的电性分隔并不局限于透镜体的平分。透镜阵列100B（图6）包括透镜体602A-B，其中每个分别定位于四个（4）可切换棱镜（即可切换棱镜604A-D和604E-H）之前。当可切换棱镜604A-H处于上述“关”状态，透镜阵列100B如图7所示光学地运转。

当可切换棱镜604A-H处于上述“开”状态，透镜阵列100B如图5所示光学地运转。特别地，透镜体602A（图6）与可切换棱镜604A-D进行组合以如由与元件404A-D相组合的透镜体402A-D（图4）所例示的那样光学地运转。如上所述，对于薄透镜，与元件404A-D相组合的透镜体402A-D（图4）光学地等效于与元件504A-D相组合的透镜体502A-D（图5）。

应领会，透镜体能够被分成的实际透镜体的数量能够不同于本文描述的实施例（在其中透镜体被分成两个（2）和四个（4）实际透镜体）。例如，透镜体能够被分成三个、五个或更多实际像素。另外，尽管透镜体在本文中被描述为被分成等宽的实际透镜体，透镜体的划分能够形成变化宽度的实际透镜体。重要的是，在“开”状态，每个可切换棱镜以与穿过透镜体的相邻部分的光线的偏转角度大体上不同的角度来偏转穿过透镜体的光线。

尽管可切换棱镜在附图中示出为按翻转的但其他方面相同的配置的对来布置，应领会，只要相邻的可切换棱镜偏转按不同角度穿过透镜体的光线，诸如透镜体202A-D的透镜体能够被划分。例如，可切换棱镜204A、204C、204E及204G能够如透镜阵列100C（图13）所示的那样被完全省略，并且，除了透镜阵列100C的小的净偏转（small net deflection）以外，它们如以上关于图2-5所述的那样起作用。 类似地，透镜阵列100D（图14）以可切换棱镜1404A、1404C、1404E及1404G来替换可切换棱镜204A、204C、204E和204G，其中可切换棱镜1404A、1404C、1404E及1404G，在“开”状态下，以与可切换棱镜204B、204D、204F及204H所采用的显著不同的角度来偏转光线。可切换棱镜1404A、1404C、1404E及1404G能够在物理尺寸和/或处于“开”状态的折射指数上与可切换棱镜204B、204D、204F及204H不同以获得光线偏转角度的显著不同。

可切换棱镜204A-C按从上方的截面图在图8中更详细地示出。除非本文另外说明，结合图8的可切换棱镜204A-C的以下描述同样适用于可切换棱镜204D-H、602A-H、1404A、1404C、1404E及1404G。可切换棱镜204A-C的每个是诸如液晶的双折射材料的三角柱。可切换棱镜204A-C定位于透明塑胶或玻璃的层802和透明塑料或玻璃的沟槽层806（在其中制成三角形沟槽来为可切换棱镜204A-C的三角柱提供空间）之间。

在层806之后是电极层808和812之间的液晶的开关层810。通过选择性地施加电荷到电极层808和812，穿过开关层810的光线的偏振（polarization）能够，例如在相对于双折射材料的可切换棱镜204A-C的平行和垂直定向之间，被切换。

双折射材料（其定向在制造时设定）以及可切换棱镜204A-C的大小和形状选择成给光线偏转的一个量提供开关层810的一个偏振定向以及给偏转的不同量提供开关层810的另一个偏振定向。实际上，在可切换棱镜204A-C的三角柱中的双折射材料形成为其中光线偏转的角度根据开关层810的状态而变化的棱镜。

在这个例示性实施例中，双折射材料选择成具有与透明材料的层802和806的折射指数大体相等的一个折射指数，并且因此，对开关层810的一个偏振定向，如箭头814A所示不提供光线偏转。实际上，可切换棱镜204A-C在层802和806中消失，并且可切换棱镜204A-C以及层802和806呈现为透明材料的单个平坦层。对于开关层810的另一个偏振定向，可切换棱镜204A-C的双折射材料，其定向在制造时设定，选择成具有与图2实施例中透镜体202A-D的那个或图6实施例中透镜体602A-B的那个大体等效的折射指数。在可切换棱镜204A-C（图8）的这个备选状态，可切换棱镜204A-C如箭头814B所示偏转穿过透明层802及806的光线。

图9示出可切换棱镜904A-C，其为可切换棱镜204A-C（图8）的备选实施例。除非本文另外说明，可切换棱镜904A-C的以下描述同样适用于可切换棱镜204A-H、602A-H、1404A、1404C、1404E及1404G的备选实施例。可切换棱镜904A-C是折射指数例如由电场可控制的材料的三角柱。这种材料的示例为液晶。可切换棱镜904A-C定位于透明塑胶或玻璃的层906和透明塑料或玻璃的沟槽层910（在其中制成三角形沟槽来为可切换棱镜904A-C的三角柱提供空间）之间。

在层906之前是电极层902。在层910之后是电极层912。通过选择性地施加电荷到电极层902和912，可切换棱镜904A-C中材料的折射指数能够被改变。

在可切换棱镜904A-C内的材料，其定向在制造时设定，以及可切换棱镜904A-C的大小和形状选择成，为可切换棱镜904A-C的两个状态提供期望的折射指数，来响应能够跨电极层902和912而产生的电场。实际上，可切换棱镜904A-C中的材料形成为其中光线的偏转角度根据电极层902和912之间的电场而变化的棱镜。

图10示出定位在像素阵列1002（在其中子像素如所示按马赛克式排列来排列）前面的图2的透镜阵列100。为了解释的清楚起见，透镜阵列100按从上方的截面图示出，并且像素阵列1002按面向人类观看者10（图1）的正视图示出。透镜阵列100和像素阵列1002在自动立体三维显示和具有全分辨率的二维显示之间切换。

在这个例示性的实施例中，像素阵列1002是具有1920×1080先天分辨率的1080p视频显示器的一部分。透镜体202A-D的每个定位在六个（6）子像素列前面，在透镜阵列100中具有960个透镜体。

在操作的3D模式，透镜阵列100处于图3和11所示的“关”状态。此外，透镜阵列100（图11）和像素阵列1002在损失垂直分辨率的情况下最大化水平分辨率。像素阵列1002子像素的马赛克排列的益处之一是，像素阵列1002的子像素能够逻辑地编组以水平或垂直地形成像素。考虑3乘3子像素矩阵1004。矩阵1004的子像素的每一行共同表示一个像素的一个颜色。然而，通过调换矩阵1004，矩阵1004的子像素的每一列共同表示一个像素的一个颜色。每一3乘3子像素阵列的这样的调换能够通过交换表示将要显示的视频内容的像素数据中的子像素值来实现。

如上所述，透镜体202A-D的每个定位在像素阵列1002的六（6）列子像素前面。在子像素的平常编组中，那是两列像素。然而，在子像素矩阵调换后，那是六（6）列像素，但像素的行减少到三分之一。实际上，1920×1080显示器现在是5760×360显示器，并且透镜阵列100的960个透镜体将该5760列编组形成每一透镜体下的六个（6）视图。

为了进一步增加自动立体显示器的视图数量，像素阵列1002按照美国临时专利申请61/696,718（其描述通过引用并入本文）的附录A中描述的方式时间复用到四（4）路。因此，透镜体202A-D之后的像素列的每个能够呈现并排处于单个子像素列的区域中的四个（4）实际像素。作为结果，在透镜体202A-D的每个之后是24个视图，这向人类观看者10（图1）提供良好品质的自动立体效果。实际上，1920×1080显示器现在是23040×360显示器，并且透镜阵列100的960个透镜体将该23040列编组形成每一透镜体下的24个视图。由于该24个视图中的仅一个在被人类观看者10的任一眼睛观看时将表现成完全填满透镜体202A-D的每个，人类观看者10的感知为具有960×360分辨率的立体图像。

在操作的2D模式，透镜阵列100处于图5和12所示的“开”状态。因而，透镜体502A-H（图12）各自在三个（3）子像素列前面。子像素阵列1004不调换，使得子像素阵列1004表示单列的三个像素。通过使全部四个（4）时间复用的像素相同，每一子像素列的时间复用被禁能或无效。在没有子像素矩阵1004的调换并且没有时间复用的情况下，显示器的结果仍然是最初的1920×1080。

结果是透镜体502A-H的每个定位在单列像素前面。在没有子像素矩阵1004的调换并且没有时间复用的情况下，显示器的结果仍然是最初的1920×1080。另外，透镜体502A-H共计1920个，这将感知分辨率保持在1920×1080。

因此，透镜阵列100以及像素阵列1002在全1080p分辨率的二维显示器和具有960×360分辨率的24个视图的三维显示器之间可切换。

上述描述仅仅是例示性的而非限制性的。本发明只由附随的权利要求及其等同方案的全部范围来定义。应预期，以下所附权利要求解释为包括落入本发明的真实精神和范围内的所有这样的变更、修正、置换以及代替的等同方案。

Claims (7)

1. 透镜阵列，包括：

　　一个或多个透镜体；以及

　　对于所述透镜体的每个：

　　　　一个或多个可切换光学元件，其在至少两个状态之间可切换并且其充分接近所述透镜体来定位，以给组合光学效果提供所述透镜体；

　　其中所述可切换光学元件的所述状态的第一个与所述透镜体光学地组合以与具有第一物理配置的第一集合实际透镜体光学地等效；以及

　　另外其中所述可切换光学元件的所述状态的第二个与所述透镜体光学地组合以与具有第二、不同第二物理配置的第二集合实际透镜体光学地等效。

2. 如权利要求1所述的透镜阵列，其中所述可切换光学元件为可切换柱形棱镜。

3. 如权利要求1所述的透镜阵列，其中所述第一物理配置是所述透镜体的物理配置。

4. 如权利要求3所述的透镜阵列，其中所述第二集合实际透镜体是跨所述透镜体的宽度划分的两个或更多较小透镜体。

5. 如权利要求3所述的透镜阵列，其中所述第二集合实际透镜体是跨所述透镜体的宽度划分的三个或更多较小透镜体。

6. 如权利要求1所述的透镜阵列，其中所述可切换光学元件的每个与小于所述透镜体全部的对应透镜体的一部分光学地组合，使得所述可切换光学元件的切换状态仅光学地对所述透镜体的所述部分有效。

7. 如权利要求1所述的透镜阵列，其中所述可切换光学元件的每个包括双折射材料，使得所述可切换光学元件的折射指数是电可控的。