CN105051591B - 自动立体显示设备 - Google Patents

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Abstract

自动立体显示设备（1）包括彩色子像素的行和列，以及与显示器配准的透镜状阵列（9），其透镜关于大体列像素方向倾斜以便使得能够实现方形或近乎方形的3D像素。

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，其包括具有显示像素的阵列的显示面板，以及用于将不同视图定向到不同物理位置的布置。
背景技术
已知自动立体显示设备包括具有充当图像形成构件的显示像素的行和列阵列的二维发射液晶显示面板以产生显示。彼此平行延伸的伸长透镜的阵列覆盖显示像素阵列并且充当视图形成构件。这些已知为“透镜状透镜”。来自显示像素的输出通过这些透镜状透镜投射，所述透镜状透镜起作用以修改输出的方向。
透镜状透镜被提供为透镜元件的片，每一个透镜元件包括伸长半柱形透镜元件。透镜状透镜在显示面板的列方向上延伸，其中每一个透镜状透镜覆盖显示像素的两个或更多邻近列的相应分组。
每一个透镜状透镜可以与显示像素的两列相关联以使得用户能够观察单个立体图像。替代性地，每一个透镜状透镜可以与行方向上的三个或更多邻近显示像素的分组相关联。每一个分组中的显示像素的对应列被适当地布置以提供来自相应二维子图像的竖直切片。当用户的头部从左向右移动时，观察到一系列连续的不同立体视图，其创建例如环顾印象。
上述自动立体显示设备产生具有良好亮度水平的显示。然而，与该设备相关联的一个问题在于，由透镜状片投射的视图被通过非发射黑矩阵的“成像”所导致的暗区所分离，所述非发射黑矩阵典型地限定显示像素阵列。这些暗区容易被用户观察为以跨显示器间隔的暗竖直带的形式的亮度非均匀性。带随着用户从左向右移动而跨显示器移动，并且带的间距随着用户朝向或远离显示器移动而改变。另一问题在于，竖直透镜在水平方向上导致比在竖直方向上大得多的分辨率中的下降。
这两个问题可以至少部分地通过使透镜状透镜以相对于显示像素阵列的列方向的锐角倾斜的公知技术来解决。倾斜角度透镜的使用因而作为产生具有近乎恒定的亮度的不同视图以及透镜后方的良好RGB分布的基本特征而被认可。
传统上，显示面板是基于方形形状的像素矩阵。为了生成彩色图像，像素被划分成子像素。传统上，每一个像素被划分成三个子像素，分别透射或发射红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）光。相同颜色的子像素典型地布置成列。
WO2010/070564公开了一种布置，其中透镜间距和透镜倾斜以便于在彩色子像素的间隔和彩色密度的均匀性方面提供透镜状阵列所创建的视图中的改进像素布局的这种方式进行选择。该情形涉及形成3D图像的像素网格的布置，而不是单独的像素。
本发明关注形成3D图像的各个像素的形状。
WO 2010/070564公开了一种具有倾斜透镜状透镜的自动立体显示器，其中特定透镜间距被选择成实现3D像素的均匀且规则的分布。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据本发明的第一方面，提供一种自动立体显示设备，包括：
具有显示像素的阵列以用于产生显示的显示器，其中显示像素布置在不同颜色子像素的行和列中；
透镜阵列，其与显示器配准地布置以用于在不同方向上朝向用户投射多个视图，并且包括可配置成将显示像素的分组的输出聚焦到在不同方向上朝向用户投射的多个视图中的伸长透镜，从而使得能够实现自动立体成像，其中伸长透镜具有以与大体列像素方向成角度θ倾斜的长轴，其中：
其中s=tanθ，α是形成多个视图中的每一个的像素的纵横比，p是跨像素行方向的透镜的间距，其被表述为数个显示子像素宽度，并且c是形成显示器的每一个像素的不同颜色子像素的数目，
并且其中
本发明因而涉及一种使得能够实现方形或近乎方形3D像素（其本身包括3D子像素的集合）的设计。这通过接近于1的值α来实现。对于这样的显示器，使倾斜角度为间距的特定函数。
本发明提供一种设计空间，其中3D像素可以被设计成具有与底层显示面板相等的纵横比分辨率。该设计空间提供用于诸如超高画质（SHV）显示器之类的高分辨率面板的良好设计。3D视图将总是具有比底层面板更低的空间分辨率。分辨率中的期望的减缩因子A可以用于计算所要求的间距：
。
因而，透镜间距和倾斜角度的组合顾及到分辨率中的下降、2D显示器的彩色子像素的数目以及由透镜布置形成的3D像素的期望纵横比。减缩因子表示每一个3D像素所存在的原生2D像素的数目。因而，减缩因子大于1。
显示器的每一个像素可以包括具有红色、绿色和蓝色子像素的条状RGB像素，每一个红色、绿色和蓝色子像素在列方向上延伸并且并排布置。可替换地，显示器的每一个像素包括具有红色、绿色、蓝色和黄色子像素的条状RGBY像素，每一个红色、绿色、蓝色和黄色子像素在列方向上延伸并且并排布置。也可以使用其它像素配置。
在一个示例中，c=3并且A=9。这对于具有2560 x 1440 3D RGB像素的四倍HD 3D分辨率的7680 x 4320 RGB像素的超高画质RGB面板而言是特别感兴趣的。
在另一示例中，c=4并且A=16。这对于具有1920 x 1080 3D RGBY像素的四倍HD 3D分辨率的7680 x 4320 RGBY像素的超高画质RGBY面板而言是特别感兴趣的。
在其它布置中，c=3并且A=16或者c=4并且A=9。
本发明还提供一种确定用于自动立体显示设备的伸长透镜阵列的倾斜角度的方法，其中该设备包括具有显示像素的阵列以用于产生显示的显示器，其中显示像素布置在不同颜色子像素的行和列中，以及透镜阵列，其与显示器配准地布置以用于在不同方向上朝向用户投射多个视图，并且包括可配置成将显示像素的分组的输出聚焦到在不同方向上朝向用户投射的多个视图中的伸长透镜，从而使得能够实现自动立体成像，其中伸长透镜具有以与大体列像素方向成角度θ倾斜的长轴，
其中所述方法包括设定：
其中s=tanθ，α是形成多个视图中的每一个的像素的纵横比，p为跨像素行方向的透镜状透镜的间距，其被表述为数个显示子像素宽度，并且c是形成显示器的每一个像素的不同颜色子像素的数目，并且设定：
。
该方法还包括设定：
其中A是3D视图相比于底层面板的空间分辨率的减缩因子。
附图说明
现在将纯粹通过示例的方式参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1是已知自动立体显示设备的示意性透视图；
图2是图1中所示的显示设备的示意性横截面视图；
图3示出已知显示器中的透镜状布置如何投射已知RGB像素；
图4示出用于本发明可以应用于的显示器的已知RGB像素布局和已知RGBW像素；
图5示出用于本发明可以应用于的显示器的RGBY像素布局；
图6示出每一个透镜状透镜间距具有4.66个子像素的部分布置；
图7示出每一个透镜状透镜间距具有4.5个子像素的部分布置；
图8示出透镜间距和倾斜参数；
图9示出透镜间距和倾斜参数如何转化成3D像素输出的子像素的尺寸；
图10示出整个3D像素的形状；
图11示出由本发明的设计实现的3D显示像素布置。
具体实施方式
本发明提供一种利用透镜状阵列的特定设计（倾斜角度以及优选地还有透镜间距）以优化提供给用户的视图质量的透镜状自动立体显示设备。具体地，本发明使得能够优化间距和倾斜角度以实现具有与底层像素类似的纵横比的3D像素。在实践中，这通常意味着本发明引致方形或近乎方形的3D像素。
在详细描述本发明之前，将首先描述已知自动立体显示器的配置。
图1是已知多视图自动立体显示设备1的示意性透视图。已知设备1包括充当图像形成构件的有源阵列类型的液晶显示面板3以产生显示。
显示面板3具有布置成行和列的显示像素5的正交阵列。为了清楚起见，仅在图1中示出少量显示像素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。
液晶显示面板3的结构整体上是常规的。具体地，面板3包括一对间隔的透明玻璃衬底，在其之间提供对准扭曲向列或其它液晶材料。衬底在其相对表面上承载透明氧化铟锡（ITO）电极的图案。还在衬底的外表面上提供偏振层。
每一个显示像素5包括衬底上的相反电极，在其之间具有居间液晶材料。显示像素5的形状和布局由提供在面板3前方的黑矩阵布置和电极的形状和布局来确定。显示像素5通过间隙彼此规则地间隔。
每一个显示像素5与诸如薄膜晶体管（TFT）或薄膜二极管（TFD）之类的开关元件相关联。显示像素被操作成通过向开关元件提供寻址信号来产生显示，并且合适的寻址方案对本领域技术人员而言将是已知的。
显示面板3由光源7光照，在该情形中，光源7包括在显示像素阵列的区域之上延伸的平面背光。来自光源7的光通过显示面板3定向，其中驱动各个显示像素5以调制光并且产生显示。
显示设备1还包括布置在显示面板3的显示侧之上的透镜状片9，其执行视图形成功能。透镜状片9包括彼此平行延伸的透镜状透镜11的行，其中为了清楚起见仅以夸大的尺寸示出一个透镜状透镜11。透镜状透镜11充当视图形成元件以执行视图形成功能。
透镜状透镜11是以凸柱形元件的形式，并且它们充当光输出定向构件以从显示面板3向定位在显示设备1前方的用户的眼睛提供不同图像或视图。
图1中示出的自动立体显示设备1能够在不同方向上提供若干不同透视图。具体地，每一个透镜状透镜11覆盖每一行中的显示像素5的小分组。透镜状元件11在不同方向上投射分组中的每一个显示像素5，以便形成若干不同视图。当用户的头部从左向右移动时，他/她的眼睛将依次接收到若干视图中的不同视图。
图2示出如以上所描述的透镜状类型成像布置的操作原理，并且示出光源7、显示面板3和透镜状片9。该布置提供三个视图，每一个视图在不同方向上投射。利用用于一个具体视图的信息来驱动显示面板3的每一个像素。
以上所描述的自动立体显示设备产生具有良好的亮度水平的显示。使透镜状透镜以相对于显示像素阵列的列方向的锐角倾斜是公知的。这使得能够实现改进的亮度均匀性，并且还使水平和竖直分辨率更加接近在一起。
不管使用什么机制来获得自动立体显示系统，都以分辨率来交换深度：视图越多，每一个视图的分辨率中的损失就越高。这在图3中图示，图3示出2D显示面板的原生像素布局，以及以相同比例示出通过将透镜放置在面板前方所获得的3D视图中的像素布局。
针对3D图像所示出的像素布局表示如从一个观看方向看到的像素图案。从所有观看方向看到相同几何像素图案，但是底层2D显示器的子像素的不同集合是可见的。对于如所示出的给定观看方向，蓝色3D子像素是原生2D显示器的一个或多个子像素的图像（并且这同样适用于绿色和红色）。
透镜具有倾斜s = tan(θ)=1/6以及透镜间距PL=2.5 px（其中px是行方向上的像素间距），这导致15个视图。在该情形中，px=py。当被表述为行方向上的数个子像素尺寸时，透镜间距因而是7.5。3D图像具有子像素的重复图案，并且示出几个子像素的颜色（R，G和B）使得可以理解图案中的所有颜色。每一个颜色被输出为彼此交错的子像素的菱形形状网格。
透镜的倾斜角度以及其间距应当选择成使得尽可能多地满足数个要求：
（i）应当针对每一个3D视图获得像素的有利分布。
在每一个3D视图中，每一个颜色的子像素应当分布在规则的图案中并且具有对于水平和竖直方向而言类似的分辨率。如图3中所示，相邻绿色像素之间的水平距离（在图3中标记为A）应当与相邻绿色像素之间的竖直距离（标记为B）相当。这应当也适用于其它颜色。
（ii）被相同颜色的像素占据的表面积应当对于每一个3D视图都是相等的。
（iii）没有摩尔纹。
显示面板前方的透镜的组合非常易受摩尔纹（“条带效应”）的发生所影响。该效应由显示面板的像素布局的周期性与透镜的周期性的组合引起。其通过以下事实而恶化：显示面板的子像素被黑矩阵围绕。借助于使透镜倾斜并且通过将透镜选择成具有不等于子像素宽度的整数倍的宽度，该摩尔纹效应可以最小化。
最近，显示器制造商开始研究使用多于3原色的可替换像素布局。
图4和5示出两个像素布局。利用字母标记（“R”、“G”、“B”等）标识子像素以标注颜色。像素处于重复图案中。在像素的列具有相同颜色的情况下，这些从列上方进行标识。仅已经示出用于标识重复图案的足够像素的颜色。
图4示出常规RGB条状像素布局。每一个像素具有三个子像素，因而在RGB_3中下标为“3”（相同标记法用于所有像素布局）。
使用多于3原色的像素布局被称为“多原色”像素布局。若干这样的多原色布局已经到达市场并且预计成为主流。
图5示出RGBY（Y=黄色）像素布局，其已经被Sharp所使用。在图5中，px R=px B=2px G=2px Y（红色和蓝色子像素在行方向上是绿色和黄色子像素的两倍宽）。相比于RGB布局，该布局导致更大的色域。
如以上所解释的，对于自动立体显示器，空间分辨率通常被牺牲以创建视图形式中的角度分辨率。当前最佳的透镜设计提供水平和竖直空间分辨率之间的不等权衡，导致利用具有与底层面板的原始像素的纵横比不同的纵横比的像素的3D视图。这通常意味着水平3D像素密度不方便地与竖直3D像素密度不同。
最优透镜设计必须顾及到底层显示像素布局。最常见的当前显示器分辨率在以下表格中限定：
名称 缩写 水平 竖直 颜色 元素
高清晰度 HD 1280 720 RGB 2.7 MP
全高清晰度 FHD 1920 1080 RGB 6.2 MP
四倍高清晰度 QHD 2560 1440 RGB 11 MP
四倍全高清晰度 QFHD 3840 2160 RGB 25 MP
超高画质 SHV 7680 4320 RGB 100 MP
对于全HD和四倍全HD显示器，已经提出具有间距大约4½个子像素和倾斜1/6的用于自动立体透镜设计的合适设计参数。
参数可以略微更改以提供所谓的部分设计以减少条带效应，具体地利用间距a/b，其中a和b为整数并且b＞2。部分视图的使用在O.H. Willemsen, S.T. de Zwart和W.L.Ijzerman的"Fractional viewing systems to reduce banding in lenticular based 3D displays". Proc. Int. Disp. Workshops，卷12，第1789—1792页，2005年中讨论。
图6示出具有用于4 2/3个子像素和倾斜1/6的透镜位置和RGB条带的原生2D面板。部分视图的数目为28，因为存在子像素关于透镜的28个可能位置，但是仅对具有极少或没有其间的串扰的视图进行计数，则4个视图是现实的数目。
图7示出具有用于4 1/2个子像素的透镜位置和RGB条带的原生2D面板。
难以估计透镜状显示器的空间和角度分辨率，因为每一个像素分量添加到角度和空间分辨率二者。作为经验法则，子像素单元中的间距数目p指示可分离视图的数目（即4个或更多），并且视图的空间分辨率为原生分辨率的1/p倍。
通过将透镜状透镜放置在显示面板的顶部，可以生成多个角度视图。这些视图中的子像素像素的精确形状取决于透镜状透镜的参数以及透镜关于底层显示面板所放置在其之下的倾斜。
图8示出通过以倾斜s之下的间距p将透镜状透镜放置到显示面板上所创建的3D子像素。如图9中所示，3D子像素具有宽度w和高度h。
限定这些3D子像素形状中的重要参数是透镜状透镜的间距p和倾斜s。3D子像素的高度h可以从图9得到并且通过以下给出
其中c是显示器的原始2D像素中的子像素的数目（例如在RGB条状显示器中c=3）。3D子像素的宽度w由以下限定
。
在3D视图中，子像素一般与在底层显示面板中不同地定位。存在如何从相邻3D子像素限定3D像素的自由度。
本发明提供一种用于透镜状透镜的设计空间，使得3D像素是方形或近乎方形的，并且使得面板分辨率中的牺牲均匀地分布在水平方向和竖直方向上，这导致所生成的视图的像素中的纵横比的保持。
为了实现该目标：
1. 3D像素包括沿着透镜方向定位在彼此下方的c个子像素。图10示出基本像素布局。参数c是构成显示器的原始像素的子像素的数目。
2. 倾斜和间距以使得整个3D像素充分为方形的这种方式进行调节。找到正确倾斜和间距的方法在下文给出。
这样，3D像素包括c个3D子像素，其沿着透镜状透镜的方向进行取向。因此，如图11中所示，完整的3D像素的高度H和宽度W通过以下给出：
这简单地是如上文限定的子像素高度的c倍。
。
这与上文限定的单独的子像素宽度相同。
如果强加有像素应当具有纵横比α，则高度应当是其宽度的α倍。使用等式3和等式4并且针对s进行求解，在间距p和像素纵横比α方面针对倾斜s的表述是：
使得
因而：
以上等式（6）仅是针对二次方程的两个解中的一个，具体地为得出针对倾斜s的合理结果的一个。±指示倾斜可以以任一含义（关于列方向顺时针或逆时针）。α=1的情形是3D像素精确地保留原始面板像素的单位纵横比的时候。具有单位纵横比的结果得到的3D像素在图11中示出。
这样，对于给定倾斜和3D像素纵横比，间距被设定。然而，仍旧存在选择倾斜的自由度。
本发明提供一种基于3D视图中的空间分辨率中的所要求的下降来选择倾斜的方式。
在本发明的布局中，3D像素具有纵横比α并且3D像素以倾斜s进行旋转。如果3D像素的面积为A（以整个2D像素的面积为单位），则分辨率中的下降也为A。利用该知识，因子A的分辨率中的下降可以通过选择适当的倾斜来创建：
应当理解到，在实践中，3D像素不必精确地为方形（α=1），但是充分地接近于方形。
因而优选地，α满足。
例如对于给定倾斜，等式5可以给出以下间距：如果使用α=1则其导致令人不适的3D像素布局。然后将恰当的是略微调节等式5中的α以优化3D像素布局而没有过多地干扰原始布局。
从图11可以观察到，3D像素分量由多于一个2D像素分量形成。在所示的示例中，涉及每一个原色的两个分量。
对于所有倾斜|s| < 1/c发生这种情况，其中c为每一个像素的分量数目。对于倾斜|s| ≥ 1/c，这不会发生（使得一个2D子像素映射到一个3D子像素），但是倾斜越大，角度串扰轮廓（profile）就越宽。
利用该激励，在优选实施例中，倾斜在 内，其中或者更优选地其中。这将倾斜角度置于接近1/c，使得存在2D子像素的高效使用。
强调的原理已经在上文概述。以下是一些具体示例。为了简化，已经针对所有这些示例使用纵横比α=1。
四倍全HD RGB面板，HD 3D分辨率
超高画质RGB面板，全HD 3d分辨率
超高画质RGB面板，110%全HD 3D分辨率
超高画质RGB面板，四倍HD 3D分辨率
超高画质RGBY面板，全HD 3D分辨率
应当指出的是，以上提到的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可替换实施例，而不脱离如随附权利要求所限定的本发明的范围。
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、公开文本和随附权利要求，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记载某些措施的简单事实不指示不能使用这些措施的组合来获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种自动立体显示设备，包括：
具有显示像素（5）的阵列以用于产生显示的显示器（3），其中显示像素布置在不同颜色子像素的行和列中；
透镜阵列（9），其与显示器配准地布置以用于在不同方向上朝向用户投射多个视图，并且包括可配置成将显示像素的分组的输出聚焦到在不同方向上朝向用户投射的多个视图中的伸长透镜，从而使得能够实现自动立体成像，其中伸长透镜具有以与大体列像素方向成角度θ倾斜的长轴，
其中：
其中s=tanθ，α是形成多个视图中的每一个的像素的纵横比，p是被表述为数个显示子像素宽度的跨像素行方向的透镜的间距，并且c是形成显示器的每一个像素的不同颜色子像素的数目，
其特征在于：
并且在于：
其中A是3D视图的分辨率关于底层面板的分辨率中的减缩因子。
2.如权利要求1中所要求保护的设备，其中显示器的每一个像素（5）包括具有每一个在列方向上延伸并且并排布置的红色、绿色和蓝色子像素的RGB像素。
3.如权利要求1或2中所要求保护的设备，其中显示器的每一个像素（5）包括具有每一个在列方向上延伸并且并排布置的红色、绿色、蓝色和黄色子像素的RGBY像素。
4.如权利要求1中所要求保护的设备，其中c=3并且A=9。
5.如权利要求4中所要求保护的设备，其中显示器具有7680 x 4320 RGB像素的分辨率。
6.如权利要求1中所要求保护的设备，其中c=4并且A=16。
7.如权利要求6中所要求保护的设备，其中显示器具有7680 x 4320 RGBY像素的分辨率。
8.如权利要求1中所要求保护的设备，其中：
c=3并且A=16；或者
c=4并且A=9。
9.如权利要求1、2、4-8中任一项所要求保护的显示设备，其中像素的列与显示器的侧边缘平行。
10.一种确定用于自动立体显示设备的伸长透镜阵列（9）的倾斜角度的方法，其中所述设备包括具有显示像素（5）的阵列以用于产生显示的显示器（3），其中显示像素（5）布置在不同颜色子像素的行和列中，以及透镜阵列，其与显示器配准地布置以用于在不同方向上朝向用户投射多个视图，并且包括可配置成将显示像素的分组的输出聚焦到在不同方向上朝向用户投射的多个视图中的伸长透镜，从而使得能够实现自动立体成像，其中伸长透镜具有以与大体列像素方向成角度θ倾斜的长轴，
其中所述方法包括设定：
其中s=tanθ，α是形成多个视图中的每一个的像素的纵横比，p是被表述为数个显示子像素宽度的跨像素行方向的透镜的间距，并且c是形成显示器的每一个像素的不同颜色子像素的数目，
其特征在于所述方法包括设定：
以及设定：
其中A是3D视图的分辨率关于底层面板的分辨率中的减缩因子。
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