CN105143963A - 自动立体显示设备及显示图像的方法 - Google Patents

Abstract

自动立体显示设备包括像素图像源、透镜元件和分光元件。像素图像源包括像素矩阵和暗区域。透镜元件包括多个柱透镜且与像素图像源相邻设置，从而每个柱透镜在基本相等面积的暗区域上延伸。分光元件被构造为使得第一只眼看到相对于观看者位于每个柱透镜后方的沿着第一平行线设置的第一子像素，而第二只眼看到位于每个柱透镜后方的沿着第二平行线设置的第二子像素。第一平行线和第二平行线平行于柱透镜。第一平行线在每行内三个相邻的子像素上延伸。第二平行线在每行内三个相邻的子像素上延伸。

Description

自动立体显示设备及显示图像的方法

本申请要求享受于2012年10月29日申请的美国专利申请No.13/662635的优先权，此处通过引用其全文的方式合并其内容。

技术领域

本发明涉及自动立体显示设备，以及，更具体地，涉及用于减少存在于自动立体显示设备中的视觉缺陷的装置和方法。

背景技术

自动立体显示设备能在观看者不使用特殊的头饰或眼镜时产生三维(3D)效果。虽然有许多用于实现自动立体显示设备的方法，但这些方法通常会引起能被观看者感受到的视觉缺陷，并且会使观看者难以清晰地在较长时间内从不同的观看角度或位置等看到具有令人满意的品质的3D图像。从而，需要改进现有的自动立体显示设备技术中存在的缺陷。

发明内容

在一个示例性的方面，自动立体显示设备包括像素图像源、透镜元件和分光元件。像素图像源沿着像素平面设置并包括像素矩阵和基本填充了像素图像源的剩余部分的暗区域。该矩阵由子像素的行和列形成，且每个像素都由一红色子像素、一绿色子像素和一蓝色子像素所限定。这些子像素沿着每一列具有相同的颜色，并且沿着每一行按照红、绿和蓝的顺序设置。透镜元件位于像素平面和观看者平面之间。观看者平面被定义为一个平面，观看者的第一只眼和第二只眼都位于这个平面上。透镜元件包括多个柱透镜，并与像素图像源相邻设置，从而每个柱透镜在基本相等面积的暗区域上延伸。分光元件位于像素平面和观看者平面之间。分光元件和透镜元件被构造为使第一只眼观看相对于观看者位于每个柱透镜后方的沿着第一平行线设置的第一子像素，而第二只眼则观看位于每个柱透镜后方的沿着第二平行线设置的第二子像素。第一平行线和第二平行线与柱透镜平行。第一平行线彼此间隔，使得第一平行线在每一行中的相邻的三个子像素上延伸。第二平行线彼此间隔，使得第二平行线在每一行中的相邻的三个子像素上延伸。第一子像素被构造为显示第一图像成分，第二子像素被构造为显示第二图像成分。

在另一个示例性的方面，提供了一种对观看者显示图像的方法。该方法包括沿着像素平面提供像素图像源的步骤。该像素图像源包括像素矩阵和基本填充了像素图像源的剩余部分的暗区域。该矩阵由子像素的行和列形成。每个像素都由一红色子像素、一绿色子像素和一蓝色子像素所限定。这些子像素沿着每一列具有相同的颜色，并且沿着每一行按照红、绿和蓝的顺序设置。该方法还包括在像素平面和观看者平面之间提供透镜元件的步骤。观看者平面被定义为一个平面，观看者的第一只眼和第二只眼都位于这个平面上。透镜元件包括多个柱透镜。透镜元件与像素图像源相邻设置，从而每个柱透镜在基本相等面积的暗区域上延伸。该方法还包括在像素平面和观看者平面之间提供分光元件的步骤，使得第一只眼观看相对于观看者位于每个柱透镜后方的沿着第一平行线设置的第一子像素，而第二只眼则观看相对于观看者位于每个柱透镜后方的沿着第二平行线设置的第二子像素。第一平行线和第二平行线与柱透镜平行。第一平行线彼此间隔，使得第一平行线在每一行中的三个相邻的子像素上延伸。第二平行线彼此间隔，使得第二平行线在每一行中的三个相邻的子像素上延伸。第一子像素被构造为显示第一图像成分，第二子像素被构造为显示第二图像成分。

附图说明

参照附图对下面的具体描述进行阅读，可以更好地理解这些方面和其他方面，其中：

图1为传统的自动立体显示设备中的元件的顶视示意图；

图2示出了像素图像源的示例性的实施例的示意图，其中，由子像素显示的图像是基于本领域技术人员所熟知的观看者的位置进行调整；

图3为自动立体显示设备的第一示例性实施例的前视示意图，其中，透镜元件相对于像素图像源的列旋转一角度，且其中，第一视线和第二视线被分光元件分别分成第一平行线和第二平行线；

图4是自动立体显示设备的第二示例性实施例的前视示意图，其中，透镜元件平行于像素图像源的列，且其中，第一视线和第二视线被分光元件分别分成第一平行线和第二平行线；

图5是自动立体显示设备的横截面示意图，该自动立体显示设备包括透镜元件、第一实施例的分光元件和像素图像源；和

图6是自动立体显示设备的横截面示意图，该自动立体显示设备包括透镜元件、第二实施例的分光元件和像素图像源。

具体实施方式

下文将参照表示示例实施方式的附图对一些示例进行更全面地描述。只要有可能，相同的附图标记在全部附图中用于指代相同或相似的部件。然而，这些方面可以体现为许多不同的形式，并且不应被理解为是对本文所提出的实施方式所做的限制。

参见图1，示意性地示出了传统的自动立体显示设备100中的某些部件的顶视图。该传统的自动立体显示设备100可包括屏幕(图中未示出)，例如玻璃罩，沿着像素平面104设置的像素图像源102，包括一排由沿着光学平面108的箭头所表示的柱透镜122的透镜元件106，以及被构造来调节像素图像源102的内容的处理器109。观看者的第一只眼110和第二只眼112位于观看屏面114上，其可处于距离传统的自动立体显示设备100给定距离处。因此，像素图像源102相对于观看者的视角，或从观看者的视角出发，位于透镜元件106后方。透镜元件106的存在使得第一只眼110和第二只眼112能看到略有不同的图像，这些图像可产生图1所示的3D效果。光学平面108位于像素平面104和观看者平面114之间，但是，不像图1中所示的那样，光学平面和像素平面之间的距离可比光学平面和观看者平面之间的距离(即，图1中由箭头表示的观看距离D)小几个数量级。应当注意，可以使用视差屏障代替透镜元件106。

像素图像源102可由像素116的矩阵形成，其中每个像素116都由一红色子像素118a、一绿色子像素118b和一蓝色子像素118c构成。该矩阵可被设置成沿着像素平面104延伸的列和行，其中每列都包括相同颜色的子像素118，且其中子像素118沿着每行按照红、绿和蓝的顺序设置。每个子像素118都可被暗区域120包围，这样使得暗区域120填充相邻子像素118之间的区域，从而填充像素图像源102的剩余部分。

具有前述结构的像素图像源102可被描述成具有给定值的子像素占空比，该占空比是通过使子像素118的宽度除以像素116的间距而计算出的，其中该间距是沿着矩阵的行方向测得的。通常，像素116的间距包括由子像素118之间的暗区域120产生的间隔。在一个实施例中，子像素118可被暗区域120间隔开，从而像素图像源102的子像素占空比为0.25或25％。

自动立体显示设备被构造成使得通过每个柱透镜122，第一只眼110看到第一图像成分而第二只眼112看到第二图像成分。此外，眼睛110和112看到沿着平行于柱透镜122的线设置的子像素118。特别地，在图1所示的传统的显示设备100中，通过如图2所示的单个的柱透镜122，第一只眼110看到沿着第一条线124(即，第一图像成分的一部分)设置的子像素118，而第二只眼112看到沿着第二条线126(即，第二图像成分的一部分)设置的子像素，第二条线126相邻于第一条线124设置。从而，线124、126可被称为视线。

通过下列公式，视线124、126之间的间隔可被计算：dy＝F*E/D计算第一个近似值，其中，dy是像素平面中视线124、126之间的距离，F是透镜(例如，柱透镜122)的焦距，E是观看者的眼睛之间的距离，而D是观看距离(即，从观看者平面到光学平面(或像素平面)的距离)。

在传统的自动立体显示设备100中，当柱透镜122被置于像素图像源102前方时，像素图像源102中的暗区域120可引起需要被处理的视觉缺陷。如果相对于观看者在每个柱透镜122后方的暗区域120的面积不相等，观看者会体验到被称作莫尔效应的缺陷，其可被描述为横跨像素图像源显示的图像的周期性的强度变化。为了减少莫尔效应，柱透镜106应围绕着像素图像源102配置，从而，位于每个柱透镜122后方的暗区域120的面积相等或实质上相等。实现这个目标的一个方式是旋转透镜元件106，从而柱透镜122相对于像素图像源102的列成一角度。例如，柱透镜106可相对于像素图像源102旋转，从而视线124、126穿过子像素118的连成斜线的对角。

传统的自动立体显示设备100的另一个问题是，眼睛110、112只有在观看者站在沿着观看者平面114的特定的观看位置时才能看到正确的第一和第二图像成分。如果眼睛110、112的位置沿着观看者平面横向移动，眼睛110、112看到的图像可能会是颠倒的、低质量的，等等。

为了处理观看位置的这个问题，在一实施例中，其中，透镜元件106相对于像素图像源102成一角度，沿着一行设置的预定数量的相邻的子像素118被构造成相同图像成分的一部分(图2)，第一只眼110和第二只眼112的视线124、126之间的间隔需要随着子像素118的预订数量的增加而成比例的增加。如图2中的1和2所表示的，每两个相邻的子像素118显示相同的图像成分，且视线124、126之间的距离通过子像素118的一个间距增加，从而，视线124、126之间的间隔等于子像素118的两个间距。当然，子像素118的预订数量可以是大于两个，且视线124、126之间的距离可以更宽。

此外，自动立体显示设备100的处理器109可包括头部/眼睛追踪传感器128和控制器130，头部/眼睛追踪传感器128被构造成确定观看者的位置，控制器130被构造成基于观看者沿着观看者平面114的横向运动调节图像成分，从而形成图像成分的是沿着由观看者的新位置确定的视线124、126(右边的矩阵)的子像素118，而不是沿着由之前的位置确定的视线124、126(左边的矩阵)的子像素118。特别地，在图2中，由1和2表示的图像成分向右移动以调节至通过观看者的向右运动而被移动到右边的视线124、126。换句话说，通过使用眼睛追踪系统，右眼和左眼的视线124和126的位置可被确定，且图像可被计算，从而左眼视线下的所有像素包含了左眼图像的信息，而右眼视线下的所有像素包含了右眼图像的信息。

然而，在自动立体显示设备100中存在的另一个视觉缺陷是图像颗粒度，其可被描述为覆盖整个图像的彩色几何线。图像颗粒度的产生是因为视线124、126跨过不同颜色像素延伸。特别地，当显示白色时，不同的彩色线的组合可被看到，而当显示特定的颜色时，看到的是亮暗斑点的组合。即，当显示白色图像时，所有的红(R)、绿(G)和蓝(B)像素被打开。然而，由于视线仅跨过特定的子像素，即红、绿或蓝，图像看上去像三个颜色的方格图案。

本发明描述了自动立体显示设备1，其可减少所有的前述的视觉缺陷，包括莫尔效应、图像颗粒度以及由观看位置的变化引起的那些视觉缺陷。

关于传统的自动立体显示设备100所讨论的前述的某些特征也可能存在于下面要讨论的包括附加特征的自动立体显示设备1中。相同的附图标记将被用于具有较少的合成的视觉缺陷的自动立体显示设备中的特征。不同于传统的自动立体显示设备100，自动立体显示设备1包括位于像素平面104和观看者平面114之间的分光元件132。

在自动立体显示设备1的第一实施例中，自动立体显示设备1还包括构造成将第一条线124和第二条线126分成第一平行线125和第二平行线127的分光元件132，在该自动立体显示设备1中柱透镜122相对于像素116的矩阵的列成一角度以减少莫尔效应(图3)。第一平行线125和第二平行线127被取向成分别平行于第一条线124和第二条线126，并在一行中的至少三个相邻的子像素118(即，红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，但不必是这种顺序)上延伸。可以这样对此进行说明，想象从观看者的眼睛向着显示器发出平行光线。光线将会首先到达分光元件，分光元件将光分成三个不同的方向。作为一个例子，分光元件可以是衍射光栅，将光衍射成多个衍射级。柱透镜接着将光聚焦到像素平面中。然而，由于光已经被分到多个方向，光会被聚焦到不同的平面上。这为每只眼睛形成了多个视线。如果这些子视线之间的距离与子像素的间距近似相等，每只眼睛将会同时看到三种颜色，图像颗粒度就会消失。在图3中示出的例子中，视线124、126可被分成三个第一平行线125，其中第一平行线125彼此偏移或间隔开一距离，当沿着其中一行进行测量时，该距离大约相应于子像素118的一个间距。“大约”一词被用于将由子像素118之间的暗区域120所引起的间隔考虑进来。而且，如图3所示，当沿着其中一行进行测量时，最右边的第一平行线125与最左边的第二平行线127可能偏移或间隔开一距离，该距离大约相应于子像素118的两个间距。此外，柱透镜122的间距的尺寸被设计成在约二又三分之二(22/3或8/3)个像素116的间距上延伸。这个实施例，与下文中描述的实施例一样，可包括处理器109，处理器109具有头部/眼睛追踪传感器128和控制器130，以确定观看者的位置并基于观看者的位置调整图像成分。如上所述，算法可包括确定视线124和126位于显示器中的哪里，并且可以调节显示子像素的亮度从而使得视线124上的所有的子像素显示左图像信息而视线126上的所有的子像素显示右图像信息(反之亦然)。

每个柱透镜122的间距都具有对应于二又三分之二个像素116的长度，其结果是，水平方向的图像分辨率被降低。通过减少第一平行线125和第二平行线127之间的间隔(即，最右边的第一平行线125和最左边的第二平行线127之间的间隔)至小于约两个子像素118并且减少第一平行线125和相邻的第一平行线125之间的中间间隔(或者是第二平行线127和相邻的第二平行线127之间的中间间隔)至小于约一个子像素118(例如，像素116的间距的五分之一)，可降低由柱透镜122的尺寸引起的分辨率的恶化效应。利用这种结构，虽然图像颗粒度还存在，但是分辨率的恶化效应被减轻。

在自动立体显示设备1的第二实施例中，柱透镜122平行于像素116的矩阵的列，但是柱透镜122的间距的尺寸被设计为使得在每个柱透镜122后方的暗区域120的面积基本相等。这种结构能明显减少上述的莫尔效应。此外，为了降低图像颗粒度，视线124、126被分光元件132分开以平行于柱透镜122和矩阵的列而延伸。在图4所示的示例性的实施例中，视线124、126可分别被分成四条线129、131，从而线129、131中的三条在一行中的三个相邻的子像素118(即，红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，但不必是这个顺序)上延伸，而线129、131中的一条在暗区域120上延伸。线129、131中的一条和线129、131中相邻的一条之间的间隔可为像素116的间距的约四分之一。子像素的占空比可被设为约25％，该占空比被定义为子像素的宽度除以像素的间距。该实施例也可包括处理器109，该处理器109具有头部/眼睛追踪传感器128和控制器130以便确定观看者的位置并基于观看者的位置调整图像成分。如上所述，该算法包括确定视线129和131处于显示器中的哪里，且可以调节显示器子像素的亮度，从而使得视线129上的所有的子像素显示左图像信息而视线131上的所有的子像素显示右图像信息(反之亦然)。

如图5-6所示，可以用不同的方式实现包括分光元件132的自动立体显示设备1，自动立体显示设备1可包括除了透镜元件106和分光元件132以外的层。例如，透镜元件106和像素图像源102之间的层可包括偏振片、彩色滤色基底、或构造成用来调节透镜元件106和像素图像源102之间的距离的其他层。

如图5所示，分光元件132的第一示例性的实施例可为衍射分光元件134，其可具体为位于透镜元件106和像素图像源102之间的方形的光栅。图5所示的实施例将第一和第二视线124、126中的每一个分成三个平行线125、127，从而使得平行线125、127在三个相邻的子像素118上延伸。在视线124或126被分成三个平行线125或127的情况下，平行线中间的间隔可等于像素间距的三分之一，例如，如图3所示。

在一个示例性的实施例中，其中视线124或126中的一个被分成三个平行线125或127，衍射分光元件134被构造为产生三个均分的衍射级(-1，0，1)。该分光元件134可包括具有不同的折射率的第一层136和第二层138(即，分别为n1和n2)，且其中第一层136和第二层138之间的边界形成了光栅135。为了获得-1，0和1级中的能量，在方形光栅的情况下，光栅振幅(例如，方形的高度或正弦波的振幅的两倍)应当等于0.68*(n2-n1)(或者在正弦形状光栅的情况下等于0.96*(n2-n1))。同时，矩形函数的周期应当等于0.53*(从第一层136或144和第二层138或146之间的边界到像素平面104的厚度)*(用于测量厚度的所有层的平均折射率)*(层的平均折射率)/(像素间距)。厚度由图5-6中的箭头指示。

应当理解，可以考虑多种光栅形状，只要它们满足下列条件，即，能量需要被等量分布在三个衍射级-1，0和1之间。此外，图5示出了位于柱透镜后侧的光栅。然而，光栅可被放置在光路中的任何位置，只要视线按照前面的实施例的合适的幅度被分开。

其中柱透镜122与像素118的矩阵的列平行的衍射分光元件134的替换的实施例(图4)，可被构造成将视线124或126分成四个平行线129或131，如图4所示，其中一个跨过暗区域120延伸，而其中三个跨过三个相邻的子像素118延伸。在视线124或126被分成四个平行线129或131的情况下，两个相邻的平行线129或131中间的间隔可等于例如像素118的间距的四分之一。

分光元件132的第二实施例可使用折射分光元件140，其具体可为具有多个小面的棱镜(多面棱镜)。图6所示的折射分光元件140的这个实施例，可包括第一层144和第二层146，它们的边界形成三面棱镜142的阵列。该实施例将每个第一和第二视线124或126分成三个平行线125或127，从而平行线125或127在三个相邻的子像素118上延伸。棱镜142的间距可被构造成明显小于柱透镜122的间距，且可等于一个柱透镜122的间距除以一整数。与分光元件132的第一实施例类似，折射分光元件140与其中柱透镜122与像素116的矩阵的列平行或成一角度的自动立体显示设备1兼容。在光需要被分成多于三路(例如，四路)的情况下，多面棱镜可具有多于三个的小面。分光元件可被插入光路中的任何位置。

在自动立体显示设备1的替换的实施例中，通过在特定的局部部分改变柱透镜122的弯曲形状以在这些部分引起棱镜效应，从而将分光元件132结合进透镜元件106中是可能的。

对于本领域技术人员来说，显然可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改和变形。

Claims (19)

1.一种自动立体显示设备，包括：

沿着像素平面设置的像素图像源，所述像素图像源包括像素矩阵和基本填充了所述像素图像源的剩余部分的暗区域，所述矩阵由子像素的行和列组成，每个像素都由红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素限定，所述子像素沿着每一列具有相同颜色，所述子像素沿着每一行按照红、绿和蓝的顺序排布；

位于像素平面和观看者平面之间的透镜元件，所述观看者平面被定义为观看者的第一只眼和第二只眼都位于其上的平面，所述透镜元件包括多个柱透镜，所述透镜元件与像素图像源相邻设置，从而使得每个柱透镜在基本相等面积的暗区域上延伸；以及

位于所述像素平面和所述观看者平面之间的分光元件，其中，所述分光元件和所述透镜元件被构造为使第一只眼观看相对于观看者位于每个柱透镜后方的沿着第一平行线设置的第一子像素，而第二只眼则观看位于每个柱透镜后方的沿着第二平行线设置的第二子像素，所述第一平行线和所述第二平行线与所述柱透镜平行，所述第一平行线彼此间隔从而使得所述第一平行线在每一行中的三个相邻的子像素上延伸，所述第二平行线彼此间隔从而使得所述第二平行线在每一行中的三个相邻的子像素上延伸，所述第一子像素被构造为显示第一图像成分，所述第二子像素被构造为显示第二图像成分。

2.根据权利要求1的显示设备，还包括被构造成确定观看者的位置的传感器和被构造成基于由所述传感器确定的观看者的位置调节所述第一图像成分和所述第二图像成分的控制器。

3.根据权利要求1的显示设备，其中，所述透镜元件相对于所述像素图像源旋转一角度，从而柱透镜相对于所述列成一角度。

4.根据权利要求1的显示设备，其中，所述透镜元件被放置成使得所述柱透镜平行于所述矩阵的列。

5.根据权利要求1的显示设备，其中，当沿着其中一行测量时，每个柱透镜的间距在至少二又三分之二个像素上延伸，当沿着其中一行测量时，所述第一平行线彼此偏离至少一个子像素，且当沿着其中一行测量时，所述第二平行线彼此偏离至少一个子像素。

6.根据权利要求1的显示设备，其中，当沿着其中一行测量时，每个柱透镜的间距在小于二又三分之二个像素上延伸，当沿着其中一行测量时，所述第一平行线彼此偏离小于一个子像素，且当沿着其中一行测量时，所述第二平行线彼此偏离小于一个子像素。

7.根据权利要求1的显示设备，其中，所述分光元件包括衍射分光元件。

8.根据权利要求7的显示设备，其中，所述衍射分光元件是周期性衍射光栅，且光被均分到多个衍射级。

9.根据权利要求1的显示设备，其中，所述分光元件包括折射分光元件。

10.根据权利要求9的显示设备，其中，所述折射分光元件包括多面棱镜的周期性结构。

11.根据权利要求9的显示设备，其中，所述折射分光元件包括多面棱镜的周期性结构，且所述多面棱镜的周期性结构的一个周期等于所述柱透镜的周期除以一整数。

12.一种向观看者显示图像的方法，所述图像由一设备显示，所述设备包括像素图像源和透镜元件，所述像素图像源沿着像素平面设置，所述像素图像源包括像素矩阵和基本填充了所述像素图像源的剩余部分的暗区域，所述矩阵由子像素的行和列组成，每个像素都由红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素限定，所述子像素沿着每一列具有相同颜色，所述子像素沿着每一行按照红、绿和蓝的顺序排布，所述透镜元件设置于所述像素平面和所述观看者平面之间，所述观看者平面被定义为观看者的第一只眼和第二只眼都位于其上的平面，所述透镜元件包括多个柱透镜，所述透镜元件与所述像素图像源相邻设置，从而使得每个柱透镜在基本相等面积的暗区域上延伸，所述透镜元件被构造为使得第一只眼观看相对于观看者位于每个柱透镜后方的沿着第一视线设置的第一子像素，而第二只眼则观看相对于观看者位于每个柱透镜后方的沿着第二视线设置的第二子像素，所述第一子像素被构造为显示第一图像成分，而所述第二子像素被构造为显示第二图像成分，所述方法包括下列步骤：

将所述第一视线和第二视线分别分成第一平行线和第二平行线，其中，所述第一平行线被间隔开从而使得所述第一平行线在每行中的三个相邻的子像素上延伸，所述第二平行线被间隔开从而使得所述第二平行线在每行中的三个相邻的子像素上延伸。

13.根据权利要求12的方法，还包括下列步骤：用传感器确定观看者的位置以及基于由所述传感器确定的观看者的位置调整所述第一图像成分和所述第二图像成分。

14.根据权利要求12的方法，其中，所述透镜元件相对于所述像素图像源旋转一角度，从而所述柱透镜相对于所述列成一角度。

15.根据权利要求12的方法，其中，所述透镜元件被设置为使得所述柱透镜平行于矩阵的列。

16.根据权利要求12的方法，其中，当沿着其中一行测量时，每个柱透镜的间距在至少二又三分之二个像素上延伸，当沿着其中一行测量时，所述第一平行线彼此偏离至少一个子像素，且当沿着其中一行测量时，所述第二平行线彼此偏离至少一个子像素。

17.根据权利要求12的方法，其中，当沿着其中一行测量时，每个柱透镜的间距在小于二又三分之二个像素上延伸，当沿着其中一行测量时，所述第一平行线彼此偏离小于一个子像素，且当沿着其中一行测量时，所述第二平行线彼此偏离小于一个子像素。

18.根据权利要求12的方法，其中，分光的步骤通过使用衍射分光元件实现。

19.根据权利要求12的方法，其中，分光的步骤通过使用折射分光元件实现。