CN105264425B - 多视图显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多视图显示器，其中视图形成布置包括以第一距离与显示面板间隔以用于提供跨第一方向的多个视图的第一视图形成结构，以及以第二距离与显示面板间隔以用于提供跨第二垂直方向的多个视图的第二视图形成布置。两个方向上的多个视图的角宽度因而可以独立限定。

Description

多视图显示设备

技术领域

本发明涉及多视图显示器。

背景技术

多视图显示器通常通过将特殊的层应用到2D显示器来创建。针对该层的已知选项是用于屏障显示器的屏障、用于透镜状（lenticular）显示器的透镜状透镜片或透镜的微阵列。

无论选择哪个选项，效果是取决于眼睛（或相机）的视点而投影不同的图像，因而提供立体视觉（立体影像）而不需要特殊的眼镜。这就是何谓“自动”立体。

图1示出针对使用透镜状透镜阵列的显示器的基本原理。

显示器包括具有在其之上提供视图形成布置6的像素4的阵列的常规（2D）显示面板2。这包括透镜状透镜8。如果每一个透镜在显示器宽度方向上覆盖4个像素，则来自那四个像素的光将被投影在不同的方向上，从而限定不同的观看区域，在图2中标号为V1至V4。在这些观看区域中的每一个中，投影被形成为具有关于透镜的相同相对定位的所有像素的组合的图像。

相同效果可以利用屏障实现，该屏障限制光从每一个像素发射的输出方向。因此，在每一个输出方向上，可以观看到不同的像素集合。

角度分辨率（即多个视图）中的增加导致空间分辨率（即每一个单独视图的分辨率）的减小。在竖直透镜状片和屏障的情况中，该分辨率降低完全在水平方向上。通过倾斜透镜状片，分辨率降低可以散布在水平和竖直方向二者之上，从而提供较好的图片质量。

图2和3示出3D透镜状显示构造的示例。

图2示出最不复杂的设计，包括显示面板之上的透镜状透镜片6，在显示面板与透镜状透镜片6之间具有间隔物10。透镜状透镜的弯曲面面向外，使得限定凸透镜。

图3示出在宽观看角度下具有较好性能的优选设计。弯曲透镜表面面向显示面板，并且复制品层12用于限定平面内部表面。该复制品可以是具有与透镜状透镜的折射率不同的折射率的胶合剂（通常为聚合物），使得透镜功能由透镜材料与复制品材料之间的折射率差异限定。将玻璃或聚碳酸酯板用作间隔物10，并且将厚度设计成提供用于使透镜状透镜聚焦在显示面板上的合适距离。优选地，板的折射率类似于胶合剂的折射率。

众所周知的是，2D/多视图可切换显示器可以是合期望的。

通过使多视图显示器的透镜可电切换，例如让高2D分辨率模式（没有透镜功能）与3D模式组合成为可能。可切换透镜的其它用途是以时间顺序增加视图的数目，如WO 2007/072330中所公开的那样，或者允许多个3D模式，WO 2007/072289。

产生2D/3D可切换显示器的已知方法是通过填充有液晶材料的透镜形状腔体来取代透镜状透镜。透镜功能可以通过控制LC分子取向的电极或者通过改变光的偏振（例如使用可切换的缓凝剂）来接通/关断。

还提出了使用分级折射率透镜，其中箱体形状的腔体填充有液晶并且电极阵列控制LC分子的取向以创建梯度折射率透镜（这例如在WO 2007/072330中被公开）。还针对2D/3D切换提出了由其形状受电场控制的液滴形成的电润湿透镜。最后，还提出了使用电泳透镜，例如在WO 2008/032248中。

如以上提到的，总是存在空间与角度分辨率之间的折衷。具有透镜状透镜和竖直屏障的显示器仅提供水平视差，这允许立体视觉以及水平运动视差和遮挡，但是没有竖直运动视差和遮挡。结果，自动立体功能匹配于显示器的取向。只有具有全（水平和竖直）视差才可以独立于屏幕取向而得到3D效果。

然而，至少在中期，显示面板将不具有充足的分辨率以使得能够实现HD分辨率处的全视差，至少不具有大量视图。因此对于被设计成操作在竖向和横向模式中的设备（诸如手持设备）而言存在问题。

该问题已经被认识到，并且提供2D/3D切换能力的上述解决方案中的一些已经扩展到包括多个3D模式，诸如竖向和横向模式。以此方式，使得能够实现三个模式：2D、3D竖向和3D横向。

对于包括仅两个视图的系统而言，全视差可能已经是可能的，因而导致仅适度的分辨率损失并且因此可以避免3D模式之间的切换。如果使用非切换方案，双视图且双取向的最小微透镜阵列设计具有2×2个视图并且保留最大量的空间分辨率。

常见RGB条带像素布局包括红色、绿色和蓝色子像素列。每一个子像素具有1:3的纵横比，使得每一个像素三元素具有1:1的纵横比。透镜系统通常将这样的矩形2D子像素转化成矩形3D像素。

当微透镜与这样的显示面板相关联时，例如其中每一个微透镜在2x2像素子阵列之上，透镜设计具有以下问题：两个正交方向中的一个方向上的观看锥体是另一个的三倍那么宽。

图4示出该效果，并且示出其中三个像素接通并且一个关断且具有10%散焦的4个子像素的每一个组。这意味着相比于透镜显示距离，透镜的焦距相差10%。这是要防止像素之间的黑色掩模图案的尖锐聚焦。

光强度图线中的峰值示出给定像素的重复视图（即在不同观看锥体内）的定位。它们示出跨显示屏的不同定位处的每单位面积的光功率（以瓦特每mm²为单位）。一个图线是针对横向模式并且另一个针对竖向模式。因此，重复图案的间距对应于观看锥体宽度。显然，在跨子像素长轴（x轴）的方向上，观看锥体宽度比在跨子像素短轴（y轴）方向上大得多。

明亮区域表示在位于距显示器最优观察距离处的平面上，来自接通的3个像素的每一个组的照度分布。x和y轴表示线性位移。

小观看锥体角度具有可以通过透镜状间距除以叠层厚度来近似的切角。对于RGB条带布局，一个方向上的透镜状间距是另一个方向上的三倍大，如可以从图4看到的，因此观看锥体也将是三倍宽。作为结果，在某个（固定）观看距离处，在一个方向（例如竖向）上，用户必须小心保持设备以避免离开锥体，而对于另一方向，可能难以找到3D区带，因为视图如此之宽。因而存在对于全视差自动立体显示器的需要，其使得能够独立地限定两个正交显示取向上的观看锥体大小。

US 2013/0069938公开了一种显示单元，其在一个示例中具有两个正交的透镜状阵列。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明，提供了一种多视图显示器，包括：显示面板；以及形成在显示面板之上以用于提供多视图功能的视图形成布置，其中视图形成布置包括以第一距离与显示面板间隔以用于提供跨第一方向的多个视图的第一视图形成结构，以及以第二距离与第一视图形成结构间隔以用于提供跨第二垂直方向的多个视图的第二视图形成结构，使得两个方向上的多个视图的角宽度独立限定，其中两个方向上的多个视图的角宽度处于1:n的较小角宽度与较大角宽度之比中，其中n<2。该布置将跨显示器的多个视图的提供分离在两个视图形成结构之间，每一个用于不同的正交方向。它们一起提供全视差，使得可以在竖向或横向模式中观看显示器而不要求任何切换功能。优选地，n<1.5，甚至更优选地，n<1.2。

这些角宽度因而相差小于100%（即，较大者不超过较小者的两倍），并且更优选地，甚至小于例如50%（较大者不超过较小者的1.5倍）或甚至小于20%（较大者不超过较小者的1.2倍）。这使得观看锥体具有类似的大小。“多个视图的角宽度”意指在其之上沿一个观看方向显示一个全视图集合的角度。其对应于在其之上可以通过单个视图形成元件（即透镜或屏障开口）观看对应于一个观看方向上的独特视图集合的像素集合的角度。在更远的观看角度处，这些像素通过邻近的视图形成元件而成为可见的。

优选地，两个视图形成结构在相同时间处可操作，使得不需要模式之间的切换。显示器光穿过两个视图形成结构。一个提供一个方向上的视差并且另一个提供另一方向上的视差。因而，显示器可以在取向之间旋转而不需要显示器配置的任何切换。然而，一个或两个视图形成结构可以以已知的方式制作成可电切换的。

通过提供两个正交方向上的相同的角宽度（其常称为锥体宽度），可以在不同取向上匹配光学性能。为了提供该匹配，可以选择间隔距离以及在叠层中所使用的材料（诸如间隔物材料）。如果使用相同折射率的材料，设计利用仅需要考虑几何距离而得以简化。视图形成元件（透镜或屏障——其一起构成视图形成结构）的大小通常由底层像素配置规定，因为每一个单个视图形成元件意图覆盖显示器的某个数目的子像素，其然后确定要形成的视图数目。

显示面板可以包括矩形子像素。在使用微透镜时，矩形像素引起不同取向中的观看锥体变化。子像素的纵横比可以是1:3，对于RGB条带像素配置通常是这种情况。

第一视图形成结构优选地具有周期性结构，其具有基于跨子像素的第一方向上的数个子像素尺寸的周期（但是周期被修正以提供对期望的观看距离的聚焦），并且第二视图形成结构具有周期性结构，其具有基于跨子像素的第二正交方向上的数个子像素尺寸的周期（但是同样周期被修正以提供对期望的观看距离的聚焦）。

如果针对每一个视图形成结构的周期都是基于如以上提到的子像素数目的数目，这意味着通过提供每一视图形成元件的相同数目的子像素，在横向和竖向模式中生成相同数目的视图。当底层子像素为矩形时，这导致针对两个视图形成布置的要求的不同的间距。

针对两个视图形成结构的周期可以是基于竖向和横向模式的子像素的不同数目。这将导致两个取向上的不同的分辨率损失，但是仍旧可以修正不同观看锥体大小。

最靠近显示面板的第一视图形成结构可以由具有第一折射率n的材料制成，并且第二视图形成结构可以由具有较小折射率的材料制成。该布置使得能够将光学叠层的厚度保持到最小值。

在优选示例中，

其中p₁为第一视图形成结构的周期，t₁为第一视图形成结构在显示面板之上的高度，并且n₁为显示面板与第一视图形成结构之间的材料的折射率，p₂为第二视图形成结构的周期，t₂为第二视图形成结构在第一视图形成结构之上的高度，并且n₂为第一与第二视图形成结构之间的材料的折射率，其中k在0.5与2之间，更优选地在0.75与1.5之间，更优选地在0.9与1.1之间。

这意味着使一个视图形成结构的周期与所述一个视图形成结构距显示面板的有效光学距离（距离除以折射率）之比和另一视图形成结构的周期与所述另一视图形成结构距显示面板的有效光学距离（距离除以折射率）之比类似。这导致观看锥体大体相同。比值当然可以相等（k=1）。

仅在折射率值相同的情况下，该等式简化成几何距离。

在一个示例集合中，视图形成布置包括显示面板之上的第一间隔物层、第一间隔物层之上的第一透镜层（例如透镜状透镜阵列）、第一透镜层之上的第二间隔物层以及第二间隔物层之上的第二透镜层（例如透镜状透镜阵列）。

间隔物大小和材料使得能够控制观看锥体角度。第一和第二透镜层可以限定关于光从显示面板通过视图形成布置的方向的凸透镜界面形状。在该情况中，第一间隔物层、第一透镜层和第二透镜层可以是玻璃或塑料，并且第二间隔物层是空气。

在另一示例中，相对于光从显示面板通过视图形成布置的方向，第一透镜层限定凸透镜界面形状，并且第二透镜层限定凹透镜界面形状。在该情况中，第一间隔物层、第一透镜层和第二透镜层可以是具有第一折射率的玻璃或塑料，并且第二间隔物层是具有第二较低折射率的玻璃或塑料。

在可替换的示例集合中，视图形成布置可以包括显示面板之上的第一间隔物层、第一间隔物层之上的第一屏障层、第一屏障层之上的第二间隔物层以及第二间隔物层之上的第二屏障层。本发明因而可以应用于屏障类型显示器以及透镜状透镜类型显示器。

附图说明

现在将参照附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示出解释操作的基本原理的已知多视图显示器；

图2示出已知透镜设计的第一示例；

图3示出已知透镜设计的第二示例；

图4用于解释针对不同显示器取向的不同观看锥体大小的问题；

图5示出本发明的视图形成布置的第一示例；

图6示出如何通过图5的设计来解决针对不同显示器取向的不同观看锥体大小的问题；

图7示出本发明的视图形成布置的第二示例；以及

图8示出基于屏障而不是透镜的本发明的视图形成布置的第三示例。

具体实施方式

本发明提供一种多视图显示器，其中视图形成布置包括以第一距离与显示面板间隔以用于提供跨第一方向的多个视图的第一视图形成结构，以及以第二距离与显示面板间隔以用于提供跨第二垂直方向的多个视图的第二视图形成结构。两个方向上的多个视图的角宽度因而可以独立限定。

常见的微透镜显示器不允许第一和第二方向上的观看锥体的独立设计。事实上，观看锥体比等于子像素纵横比乘以沿两个方向的视图数目之比：

其中a _p 和a _l 是沿两个方向（例如竖向和横向）的子像素尺寸。

常见的微透镜在

接近于合期望的观看锥体比时是合适的。

本发明提供了一种如同微透镜显示器那样执行的显示器，但是允许观看椎体的独立设计。

图5示出透镜叠层形式的本发明的视图形成布置的第一示例。

透镜布置包括通过底部间隔物22与显示面板2的表面间隔的第一透镜布置20。第一透镜布置和间隔物具有t1的组合厚度，使得透镜表面距显示面板2距离t1。第二透镜布置24通过第二间隔物26与第一透镜布置20间隔。第二透镜布置和第二间隔物具有t2的组合厚度，使得透镜表面距第一透镜布置距离t2并且在距显示面板2 t1+t2的距离处。两个透镜布置被设计有显示面板模块中的像素上的充足聚焦。

对于薄透镜，透镜阵列的厚度可以忽略。在如由第一透镜阵列22实现的第一方向上的间隔物的材料中的观看锥体半角θ1由tanθ1 = p1/2t1给出，如可以从图5看到的。

作为近似，如果观看锥体角度很小，材料中的全观看锥体角度α1=2θ1可以通过tanα1 = p1/t1来近似。

对于具有相同折射率的两个间隔物的示例，在如由第二透镜布置实现的第二方向上的间隔物材料中的观看锥体半角由tanθ2 = p2/2(t1 + t2)给出，或者作为对于全观看锥体的近似，tan α2 = p2/(t1+t2)。

例如，如果观看锥体应当设计成是类似的，则：

。

在两个间隔物由具有不同折射率的材料制成并且处于薄透镜的近似中的情况下，在空气中在两个观察方向上具有类似的观看锥体的以上条件可以写为

其中n₁和n₂分别为第一和第二间隔物材料的折射率。

该等式考虑叠层中的折射率值。如果折射率n₁=n₂，则第二等式简化成第一个，并且仅需要考虑几何距离。对于完整的光学分析而言，还需要考虑透镜的折射率，尽管通常间隔物比透镜更厚使得间隔物占主导。

在考虑折射率值时之所以要求值t/n的原因在于在介质中计算锥体角度，但是用户感知到的有效3D锥体角度是在空气中。

根据斯内尔定律，n x sin(α_n) = sin(α_空气)

使用针对小角度的近似：

n x p/t = p/t_有效，使得t_有效 = t/n。

例如，在RGB条带显示器的情况下，其中像素组件具有3:1的高与宽之比，对于在两个观察方向上具有相同数目的视图的设计（例如2x2视图设计）而言，透镜叠层的间距作为3p ₁=p ₂，因此2t ₁≈t ₂。

这意味着由透镜夹在中间的间隔物在光学上比显示面板与第一透镜20之间的间隔物更厚。

本发明的透镜设计可以使用不可切换透镜，使得永久地提供全视差。针对任一显示器取向获得相同的观看锥体性能。

在实现本发明中存在某种自由度。

透镜曲率可以为正或为负，例如如参照图2和3所解释的那样。

在一些配置中，可以通过将透镜的平面侧制作得更厚来将间隔物与透镜集成。

可以将任一个或两个透镜制作为可切换透镜，例如使用以上所描述的技术之一。这可以用于使得能够针对2D模式完全切断透镜功能，或者其可以用于使得能够实现仅一个方向上的视差但是具有另一方向上的较高分辨率。

在具有厚透镜和各种折射率的系统中，以上关系仅仅是粗略的近似。在实践中，将通过数值模拟和通过结合地选择材料、透镜形状和间隔物厚度来找到平衡。通常优化这些参数使得观看锥体在两个方向（例如竖向和横向）上类似。

可能期望减小结构的总体厚度以减少便携式设备的重量和大小。为此原因，在优选实施例中，实现具有较高折射率的下部间隔物将是有利的，而同时顶部间隔物应当具有较低折射率，例如空气。以此方式，总体叠层厚度减少而同时维持光学比（例如3:1）以维持锥体大小。这样的方案的另外的结果是透镜界面将优选地具有相反曲率。

现在将呈现两个示例解决方案。

1. 气隙解决方案

该解决方案可以具有如图5中所示的结构。间隔物22是玻璃/塑料，例如具有折射率1.5。

透镜20是玻璃/塑料且平凸的，如图5中所示。

间隔物26是具有机械支撑以提供期望的固定距离的气隙。

透镜24是玻璃/塑料且也是平凸的（如图5中所示）。

图6示出图5的结构的性能的模拟，其示出在位于距显示器最优观看距离处的检测器平面上的照度，其中四个视图中的三个接通。图6示出针对常见微透镜（图4）的非相等观看锥体分布改变成相等的观看锥体。图6类似于图4并且再次示出跨显示屏的不同定位处的每单位面积的光功率（以瓦特每mm²为单位）。一个图线是针对横向模式并且另一个是针对竖向模式。

2. 低折射率差异解决方案

该解决方案可以具有图7中所示的结构。在该上下文中，低折射率在范围1.3-1.5中（通常为1.4），高折射率在范围1.45-1.75中（通常为1.6），并且低折射率差异在范围0.1-0.3中（通常为0.2）。

间隔物22是具有高折射率的玻璃/塑料。透镜20与间隔物22集成并且是具有相同高折射率的相同玻璃/塑料并且是平凸的。

间隔物26具有低折射率。利用低折射率匹配胶合剂将透镜/间隔物单元20,22层压到第二间隔物26。

第二透镜24也具有高折射率并且是平凸的，并且利用低折射率匹配胶合剂层压到间隔物26。然而，第二透镜相比于第一透镜颠倒，使得其限定关于通过透镜叠层的显示器光的方向的凹透镜形状。第一透镜20因而布置成如图2中所示并且第二透镜24布置成如图3中所示。

在系统中可以存在多于两个折射率值，但是每个界面给出添加到3D串扰的反射。因此应当避免不必要的界面。

以上两个示例是基于透镜状透镜的使用。图8以示意性形式示出可替换的方案，其中将相同的设计方法学应用于屏障类型显示器。第一屏障层70在第一间隔物层（未示出）之上，第一间隔物层在显示面板2之上，并且第二屏障层72在第二间隔物层（未示出）之上。

使用以上的方法学来选择间隔大小，其中屏障开口宽度和间距以与针对透镜状设计相同的方式取决于底层像素结构。

显示面板通常具有带有细长子像素的子像素网格，例如如在RGB条带显示器中那样。细长子像素还使用在其它像素配置中并且本发明可以更一般地被应用。

本发明可以应用于具有自动立体显示器的电话、平板电脑和相机。

两个视图形成层可以具有正交的透镜或屏障，但是即使对于竖向/横向功能，它们也可以不是正交的。例如，它们可以在一种模式中是竖直的但是在另一模式中倾斜于竖直。典型的倾斜是arctan(1/6) = 9.46度。因而，透镜可以是正交的或者对于该倾斜示例处于80.54度。其它倾斜角度当然是可能的。

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、公开内容和随附权利要求，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叙述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (16)

1.一种多视图显示器，包括：

显示面板（2）；以及

形成在显示面板之上以用于提供多视图功能的视图形成布置（20,24），

其中视图形成布置包括以第一距离（t1）与显示面板（2）间隔以用于提供跨第一方向的多个视图的第一视图形成结构（20），以及以第二距离（t2）与第一视图形成结构（20）间隔以用于提供跨第二方向的多个视图的第二视图形成结构（24），第一方向垂直于第二方向，

其特征在于，第一方向和第二方向上的多个视图的角宽度独立限定，其中第一方向上的角宽度小于第二方向上的角宽度，第一方向上的角宽度与第二方向上的角宽度之比为1:n，其中n<2，

其中视图形成结构具有周期性结构，并且其中最靠近显示面板的第一视图形成结构（20）具有比第二视图形成结构（24）更小的周期，

其中所述第一视图形成结构包括第一透镜状透镜阵列，所述第二视图形成结构包括第二透镜状透镜阵列，其中所述视图形成布置还包括处于所述显示面板（2）和所述第一透镜状透镜阵列之间的第一间隔物层（22）、以及处于所述第一透镜状透镜阵列和所述第二透镜状透镜阵列之间的第二间隔物层（26），其中所述第二间隔物层（26）比所述第一间隔物层（22）厚。

2.如权利要求1中所要求保护的多视图显示器，其中n<1.5。

3.如权利要求1或2中所要求保护的多视图显示器，其中两个视图形成结构（20,24）在相同时间处可操作。

4.如权利要求1或2中所要求保护的多视图显示器，其中显示面板（2）包括矩形子像素。

5.如权利要求1所要求保护的多视图显示器，其中

其中p₁为第一视图形成结构的周期，t₁为第一视图形成结构在显示面板之上的高度，并且n₁为所述第一间隔物层（22）的材料的折射率，p₂为第二视图形成结构的周期，t₂为第二视图形成结构在第一视图形成结构之上的高度，并且n₂为所述第二间隔物层（26）的材料的折射率，其中k在0.5与2之间。

6.如权利要求5中所要求保护的多视图显示器，其中k=1。

7.如权利要求1、2、5和6中任一项所要求保护的多视图显示器，其中最靠近显示面板的第一视图形成结构（20）由具有第一折射率的材料制成，并且第二视图形成结构（24）由具有第二折射率的材料制成，所述第二折射率小于所述第一折射率。

8.如权利要求1中所要求保护的多视图显示器，其中第一和第二透镜状透镜阵列（20,24）限定相对于光从显示面板（2）通过视图形成布置的方向的凸透镜界面。

9.如权利要求8中所要求保护的多视图显示器，其中第一间隔物层（22）、第一透镜状透镜阵列（20）和第二透镜状透镜阵列（24）是玻璃或塑料，并且第二间隔物层（26）是空气。

10.如权利要求1中所要求保护的多视图显示器，其中相对于光从显示面板（2）通过视图形成布置的方向，第一透镜状透镜阵列（20）限定凸透镜界面，并且第二透镜状透镜阵列（24）限定凹透镜界面。

11.如权利要求10中所要求保护的多视图显示器，其中第一间隔物层（22）、第一透镜状透镜阵列（20）和第二透镜状透镜阵列（24）是具有第一折射率的玻璃或塑料，并且第二间隔物层（26）是具有第二折射率的玻璃或塑料，所述第二折射率小于所述第一折射率。

12.如权利要求1、2、5和6中任一项中所要求保护的多视图显示器，其中，视图形成布置还包括所述第一间隔物层之上的第一屏障层（70）、以及所述第二间隔物层之上的第二屏障层（72），其中所述第二间隔物层位于所述第一屏障层（70）之上。

13.如权利要求2中所要求保护的多视图显示器，其中n<1.2。

14.如权利要求5中所要求保护的多视图显示器，其中k在0.75与1.5之间。

15.如权利要求14中所要求保护的多视图显示器，其中k在0.9与1.1之间。

16.一种包括如权利要求1-15中任一项所要求保护的多视图显示器的手持设备。

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