CN1070615C

CN1070615C - 图象显示装置

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Publication number: CN1070615C
Application number: CN95109454A
Authority: CN
Inventors: 城地义树
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2001-09-05
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: CN1121184A; EP0691790A2; EP0691790B1; DE69526149D1; DE69526149T2; EP0691790A3; JPH0821991A; US6310724B1

Abstract

为了通过象素漫射在象素之间有效地形成网格的外形，同时利于观察者聚焦图像，一个利用衍射或折射将显示器件的每一个象素漫射到成许多部分的光过滤器插在镶嵌模式图象显示器件和观察者之间。光过滤器表面进行象素漫射，使视角基本上是观察者可辩认的极限视角，也是当观察者观察由所说显示器件在其聚焦平面上显示的图象时所看到的象素漫射之后的相邻素之间没有通过光的间隙的视角。

Description

图象显示装置

本发明涉及使用显示器件(诸如LCD-液晶显示器)的图象显示装置，其中的象素以镶嵌模式排列。

在使用其中许多象素以镶嵌模式排列的显示器件的图象显示装置中(如LCD)，为增加分辨率，就需要增加象素的数目。由于生产量的关系不可能过分地增加象素数目或过分地减小象素之间的间隙。

因为上述理由，在这样的图象显示装置中，为了形成大的图象场，对于观察者来说，由象素点引起的网格或象素之间的间隙(例如，LCD黑条带部分)是很明显的，难以观看。同时，在这样的彩色显示装置中，将用于三基色的，或相应于三基色的三种颜色的彩色滤光器，按预定的重复循环方式安置在以上描述的象素的前面。然而，如果将图象场放大，那么安置同样颜色滤光器的象素点循环是显著的并难以观看。

在CCD摄象机中，具有低通滤波器的电子处理有可能使象素之间的间隙不显著。然而，在图象显示装置中(例如LCD显示装置)，由于在形成光后需要填满象素之间的间隙，所以通过电子处理使象素点或网隔不显著是很难实现的。作为常规方法，推荐了一种在观察者一侧使透镜聚焦点模糊的方法，但是信号也一起模糊了。上述方法是不可取的。

所以，推荐了某些技术(例如，日本专利申请，公开号昭59-214825和日本专利申请号平4-306003)，其中具有由衍射栅格或微棱镜组构成的滤光器面的漫射器(滤光器)安装在显示器件例如LCD的前面，来自单个象素的光漫射成许多光线，单个象素的图象作为许多象素图象(虚象)聚焦在观察者的视网膜上，由此实现了象素的漫射，而漫射图象的聚焦位置是位于象素之间的网格位置，从而使象素之间的网格不显著。

图13A到13F表示在象素漫射数目、分辨率和网格减少水平之间关系的例子。为了简化说明起见，参照上述例子将说明在显示图象横向(X轴方向)的象素漫射，但是应该注意，在上述情况中，在垂直于横向方向的方向，也就是在纵向方向，以同样方式进行象素漫射。顺便说说，在图13中，纵轴表示光亮度，而横轴表示空间距离。图13A到13F是各个象素的漫射图象具有相同光亮度的情况。

图13A表示沿X轴方向象素排列。在黑白显示器件情况中，用实线表示的是相邻象素而在X轴方向上的象素循环是用PCx表示的。同时，在彩色显示情况，例如，如果实线表示的象素是绿象素，那么蓝象素和红象素出现在绿象素之间如虚线所示。然后，在上述情况中，PCx是同一颜色象素循环，而绿、蓝和红象素的每一个循环是用PCx/3表示。

图13B到13F表示使用衍射栅格或微棱镜的情况，且在各个象素的漫射图象有相同亮度的条件下，各个象素在相邻象素之间均匀地漫射。

图13B表示相对初始象素位置，两个象素漫射移动±PCx/4的情况。该移动量(这是在漫射之后的象素之间的间隔，在下列描述中将使用)是PCx/2。

图13C表示相对初始象素位置三个象素漫射移动±PCx/3和零的情况。移动量为PCx/3。

图13D表示相对于初始象素位置四个象素漫射移动±PCx/8和±3PCx/8的情况。移动量是PCx/4。

图13E表示相对于初始象素位置六个象素漫射移动±PCx/12,±3PCx/12和±5PCx/12的情况。移动量是PCx/6。

图13F表示相对于初始象素位置九个象素漫射移动了零，±PCx/9,±2PCx/9和±3PCx/9的情况。移动量是PCx/9。

从以上描述的情况来看，很清楚在相邻象素之间各个象素均匀扩散的情况下，在图象漫射数n和移动量S之间的关系给出如下：

S=PCx/n

同时，假设在上述过程中M是间隙(此后称为象素掩膜间隔)，相邻象素的光不能通过该间隙(在彩色的情况中，相应于象素彩色的光)，给出以下公式：

M=S-A

此处A是在象素移动方向上的孔径宽度。

在图13E所示的六个象素漫射的情况中，很清楚几乎填满了象素之间的外形，而且建立了M=0，从而使网格不显著。同时，在图13F所示九个象素漫射的情况中，很清楚如图所示，由于存在漫射图象的重叠部分而出现了光亮度的变化(光亮度不均匀)。

如果由单个象素中心到所说象素中的漫射象素的边缘(也就是所说象素显示图象的边缘)的距离被定义为“边缘展宽”量(E1到E9)，那么很清楚如图所示，象素漫射数目越少，边缘展宽量将越小，由此，有可能显示更清楚的图象。然而，如果在由于大尺寸的图象显示不能指望人眼的低通滤光器效果的情况下，象素漫射数目很少，则可将相邻象素之间不发光部分认为是两维显示中的网格，这就降低了图象观察质量。

因此，在图13G中，通过由例如微棱镜制成的滤光器表面30a，实现了三个象素漫射移动±PCx/2和零。当具有零移动量的图象发光度用1表示时，移动量±PCx/2的光亮度用1/2表示。移动量±PCx/2的漫射图象具有光亮度1，这是相邻象素重叠所致。在上述例子中，尽管与光亮度1∶1比较象素漫射数目较少，可是展宽量是大的。

从图13A到13G的评论中，很清楚最佳象素漫射条件最好是：

将象素漫射到平分同一颜色象素间距的位置上；和

更多地增加漫射数目。

为了抑制边缘展宽，最好是

减少漫射数目和

使漫射发光比率相等。

在以上所述图13A到13G所示的例子中，如果图像放大倍数大且少量的网格将使观察困难，那么最可取的是使用图13E所示六个象素漫射。

顺便说说，在以上描述的条件下，象素漫射数目的最佳值依据图象放大倍数改变。换句话说，在小的放大倍数情况中，由于网格不显著，所以在某些情况下，一般最好不把漫射数目增加到最大水平而且边缘展宽是小的。

如上所述，在显示器件中，可以使安置成镶嵌模式的象素之间的间隙所引起的网格不显著，而且同时也可以使同一颜色象素点循环不显著。

另外，在观察者观察显示器件上的图象的情况中，一般来说观察时要调节透镜，使得显示图象聚焦在成象面上。

然而，在产生象素漫射以完全使网格不显著并使其图象显示在成象面上的情况下，已经发现：进行聚焦很难。换句话说，对于观察者来说，由观察的图象很难可靠地辨认聚焦的条件。

从以上描述的缺点来看，本发明的目的是提供一种很容易聚焦的并显示图象网格不显著的图象显示装置。

本发明人寻找聚焦困难的原因。然后，发现参照相邻象素之间通过光(对彩色情况，是对应于所说象素的彩色光)的象素掩膜间隔部分，观察者可以判定是否实现聚焦。因此，当为了完全消除网格要实现象素漫射时，就没有聚焦的基础。即使实现了聚焦，也很难辨认聚焦的条件。

按照本发明，象素漫射没有完全抵消网格，但是，象素漫射之后通过适度象素移动在相邻象素之间产生了观察者可作为间隙识别的象素掩膜间隔。在所谓视力检查时，观察者可辨认的间隙的极限视角是已知的。例如，具有视力为1.0的观察者的可辨认极限视角被确定为一分。所以，预先测定了观察者的视力，在象素漫射之后在相邻象素之间产生了相应于具有预定视力的观察者的可辨认极限视角的象素掩膜间隔。

在按照本发明的图象显示装置中，考虑了上述观点。参照下面将予以说明的表示在图1的实施例，一种图象显示装置包括：

一个显示器件1，具有镶嵌模式的图象；和

一个安置在所说显示器件前面的滤光器表面3A，用于通过利用衍射或折射将所说显示器件的每一个象素漫射到许多部分，

其特征在于：所说滤光器表面3A进行象素漫射，使视角基本上是观察者预定可辨认极限视角，也是当观察者观察由所说显示器件在其聚焦平面上显示图象时，观察者所看到的象素漫射之后相邻象素之间没有通过光的间隙的视角。

在具有以上描述的结构的本发明中，通过象素漫射减小网格的情况下，由于在象素漫射之后相邻象素之间产生相应于预定观察者极限视角的间隙，所以对观察者来说有可能利用这个间隙很容易进行聚焦操作。

如上所述，按照本发明，由于实现了象素漫射，使在象素漫射之后相邻象素之间产生了相应于观察者预定可辨认极限视角的象素掩膜间隔，所以，有可能有效地使象素之间网格外形不显著，并且对观察者来说有可能很容易进行图象显示的聚焦操作。

图1表示按照本发明图象显示装置的一个实施例的视图；

图2表示将本发明应用于彩色图象显示装置中彩色象素排列的一个实例的视图；

图3表示使用本发明部分滤光器表面的放大视图；

图4表示通过棱镜移动象素的图象状态的视图；

图5表示由用于本发明的微棱镜组所形成的滤光器表面移动象素图象状态的视图；

图6是部分图5的放大视图；

图7表示一个常规象素漫射实例的视图；

图8表示按照本发明的图象漫射的一个实例的视图；

图9表示按照本发明另外一种结构的图象显示装置实例的视图；

图10A和10B表示在镶嵌排列中一种常规两维象素漫射模式实例的视图；

图11A和11B表示按照本发明的一个实施例在镶嵌排列中一个两维象素漫射模式实例的视图；

图12表示按照本发明另一种结构的图象显示装置实例的视图；

图13A到13G表示在图象漫射数目，分辨率和网格缩小之间的关系的视图。

参照附图现在将说明按照本发明图象显示装置的一个实施例。图1表示按照本发明图象显示装置实施例的整个结构。

通过如图2所示在纵列的方向和横行的方向上排列许多象素11构造了本实例所使用的LCD1。数字12表示每一个象素11的孔径。该孔径口基本上是明亮的。用Lx表示该孔径口横向亮度，而用Ly表示其纵向宽度。然后，在本实例中，用Px和Py分别表示横向象素间距和纵向象素间距。同时，使每两排象素11在横向上偏离1/2象素的横向排列间距Px。

在本实例中，还表示了彩色图象显示装置。相对于每个象素11配置了相应光的三基色的彩色滤光器。在本实例中，以红R、绿G和蓝B任何一种颜色的光线照亮了每一个象素11。在上述情形中，象素11的每一排中，三种颜色按重复的R,G,B,R,G,B···组合排列，用PCx(=3Px)表示横向上同一种颜色象素的间距。

然后，在每两排中的每一排中，将同种颜色象表11安排在纵向上的一排中。用PCy(=2Px)表示每两排中同种颜色象素的纵向间距。然后还有，在相邻排中，将同种颜色象素的位置排列成在横向上偏离同种颜色排列间距PCx的间距的1/2。即，以交错方式排列同一颜色照亮的象素。

然后，在上述情况中，在LCD1的表面和目镜透镜4之间布置了一个漫射器3，在漫射器3中在透明板一个表面上形成一个滤光器表面3A，如图1中影线部分所示。

有可能形成衍射栅格的滤光器表面3A。在本实例中，它是由微型棱镜组组成，其中形成了许多微型棱镜。将首先说明使用微型棱镜组的滤光器表面3A。

图4表示通过棱镜移动象素的视图。图4中，数字13表示棱镜，它具有一个倾斜表面15(此后称为角表面)，它相对垂直光轴14方向的方向倾斜角θ(此后称为棱镜角)。

将来自象素11的发射光以入射角θi(=θ)入射进棱镜13的角表面15上，在那被折射，并以出射角θ。被发射。因为上述理由，观察者看到的恰像由象素11的位置移动了X距离的位置后发射的光，并在移动后位置上得到虚象。

在上述情况中，如果棱镜的折射率是n，那给出如下公式：

n·Sinθi=Sinθ。···(1)

同时，如果象素11和角表面15之间的距离以b来表示，那么移动量X由下式给出：

x=b·tan(θo-θi)···(2)

由于θi=θ

所以x=b·tan(Sin^-1(n·Sinθ)-θ}···(3)

确定移动量x，和棱镜形成的间距无关。因此，通过调节许多微棱镜的间距，可以很容易地抑制由网格引起的莫尔条纹。

图3表示形成在一个表面上形成的许多棱镜的一部分的放大视图。在本实例中，构成每一个微棱镜31。使其在LCD1显示表面的横向有三种角表面32a、32b和32c，而在其纵向上，也有三种角表面32d、32b和32e。所以，在横向和纵向形成了三种角表面，它们的棱镜体形的顶部是平直的。

在上述情况中，来自LCD1的单个象素的光通过微棱镜31，在纵向和横向由i种棱镜角表面分别向横向和纵向每一个三种方向漫射。因此，相对于单个象素得到的象素图象的漫射数目是3×3=9。

图5表示不同于单个象素的图像的相应于棱镜角的数目的移动图象数目的构成的状态。图6是表示在图5中的微棱镜部分的放大视图。在本实例中，例如，通过使用横向上不同的三个棱镜角的角表面32a,32b,和32c实现三个图象的合成(三个象素漫射)。同时，并表明微棱镜组的相同的棱镜角的角表面聚焦在视网膜相同位置上。

通过延长来自在象素侧(参见图5和6的Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ)上的微棱镜角表面的发射光线而得到的一个线(虚线)上可形成移动图象。在该实例的情况中，表示了0,x1和x2三种移动量。因此，单一移动图象可以被认为是相对于单一角表面。然后，调节来自每一个角表面象素的观察角(立体角)，并控制其角表面的面积，使得可以控制相应于每一个角表面的移动图象(漫射图象)的光强度(光亮度)。

在使用棱镜的滤光器表面的情况中，由于通过不同棱镜角的角表面的数目可以得到移动图象，且通过每个角表面立体角决定由每个角表面漫射的光的强度，所以，有可能通过控制立体角使许多漫射光线的强度均匀。然后，通过使用许多滤光器表面，可以简化微棱镜的结构。

同时，如下所述，使许多使用衍射栅格的滤光器表面和许多使用微棱镜组的滤光器表面相重叠，由此可得到所希望的漫射数目和漫射方向。

对照常规实例，现在将描述按照本实施例的象素漫射的情况。图7表示常规实例，其中在如图2所示的象素排列模式中，在x轴方向(横向)实现了三个象素的漫射。上述情况相应于图13A和13C的情况。

在上述实例中，如果如上所述，用A表示移动方向上象素孔径宽度，那么，在上述情况中由下式给出移动量S和象素掩模间隔M：

S=PCx/3

M=S-A

当扩散数是n时，给出公式如下：

PCx-S(n-1)=A+M···(4)

然后，按常规，决定扩散数n和移动量，S使得实现M=0。

与在相反在本实施例中，决定漫射数n和移动量SS，使得象素掩模间隔的是相应于预先测定视力的观察者可辨认的极限视野(预定可辨认极限视野)的间隔MM。例如，在本实施例中，预先测定了视力是1.0的观测者。图8表示在如图7所示常规实例的同样条件下，在x轴方向(横向)三个象素产生漫射的情况中一个实例的视图。

在本实施例中，按照由于透镜的象差产生象素模糊并且对观察者是灵敏的观点，考虑了象素模糊现象。在上述情况中，假设在移动方向的两侧通过B/2产生象素模糊现象，且对于单个象素产生整个的B的象素模糊现象。因此，如图8所示，边缘的展宽量是E′₁和E′₃，它比图7所示常规情况的边缘展宽量E₁和E₃大1/2象素模糊程度B。

然后，由图8可见，在本实例情况中，给出象素移动量SS如下：

SS=(PCx-A-B-MM)/2···(5)

=S-(MM+B-M)/2···(6)

上述情况意味着，略微受到抑制的移动量大于和由于可辨认极线视角和展宽宽度B对象素的贡献所产生的宽度MM对应的常规移动量S。

使用漫射数n，通过一般公式给出公式(2)：

PCx-SS(n-1)=A+B+MM···(7)

所以，由公式(1)和(4)则有：

SS=S-(MM+B-M)/(n-1)···(8)

即，在本实例中，也按照象素模糊程度B的观点，确定象素漫射数n和通过滤光器表面3A的象素漫射移动量SS，使得象素掩模间隔是相应于可辨认极限视角的宽度MM。

因此，在如图1实例所示的装置中，例如，观察者观察通过透镜4在LCD1的后面聚焦的，显示在LCD1的图象的放大图象(虚象)。由于在放大图象的聚焦图象面上设计漫射器3的滤光器表面3A满足前述方程(5)到(8)的条件，所以在聚焦表面上通过相应于可辨认极限视角的宽度MMa(MM×放大倍数)产生了象素模糊间隔，并很容易进行聚焦操作。

在图象显示装置的一种形式，该装置不仅仅可以是如表示在图1中的例子一样将透镜放大的图象聚焦在LCD1之后成为一个虚像的类型，而且还可以是直接观察LCD1的那种类型。在上述情况中，LCD1的聚焦表面和显示表面彼此是相同的。

此外，如图9所示，本发明可以适用于投影型图象显示装置。换句话说，一个LCD1，一个背光元件2、和一个滤光器3构成了一个投影原始图象显示部件6，通过透镜7将LCD1的显示图象放大并投影在屏幕8上，在远离屏幕8的距离是D(米)的位置上的观察者可以观看投影在屏幕上的图象。如图所示，在上述情况中，构成光滤光器3的滤光器表面3A的微棱镜，使得在屏幕8上象素掩模间隔是MMa。

由图9可知，如果用NO表示可辨认极限视角，那么相应于以上描述的可辨认极限视角在聚焦平面上的间隔MMa，给出如下：

MMa=NO×D···(9)

如果图象放大倍数是K，那么给出在滤光器表面3A上象素掩模间隔MM如下：

MM=NO×D/K···(10)

在网格完全消除操作和使象素掩模间隔宽度MM相应于观察者可辨认极限视角时，作为此移动量S减小更多的移动量SS的方法，参照图4，有以下方法：

一种方法是用于改变角表面15的棱镜角θ，而不改变象素11和微棱镜角表面15之间的距离；

一种方法是减少大于常规数目的象素漫射数目n；以及

一种方法是用于改变(缩短)象素11和微棱镜角表面15之间的距离b。

将说明针对两维象素漫射实例的一个线帧图象的模拟情况。

图10A和10B表示一种常规情况，实现了象素漫射移动使得网格完全消除。图11A和11B表示按照本发明一个实施例进行象素漫射移动的情况。

图10A和11A表示两维模式(在彩色显示器件情况中只是相同颜色的象素)，它是一种镶嵌象素排列的显示器件的初始象素模式。在图10A和11A中，表示红象素R、绿象素G和蓝象素B在横向上排列成三角形△、且只有相同颜色象素照亮的情况。同时，从上述情况看很清楚，非发亮部分是V字形，并且边缘是如何倾斜的。

每一个象素的孔径部分在X轴方向上的宽度Lx和在Y轴方向上的宽度Ly是：

Lx=17.5微米和Ly=60.0微米

象素在X轴方向的宽度Gx和在Y轴方向上的宽度Gy是：

Gx=35.0微米和Gy=85.0微米。

在X轴方向象素(相同颜色象素)循环PCx和在Y轴方向象素(相同颜色象素)循环PCy是：

PCx=105微米和PCy=170微米。

相对x轴方向象素排列的倾斜方向是θc=58.3°方向。

图10B表示对于图10A中所示的象素模式的每一个象素实现了象素漫射使得完全抵消了网格部分的情况。在上述例子中，在相对于X轴方向(横向)倾斜θ₁=45°方向上对于每一个象素实现了三个象素漫射，并且，此外，在垂直于前者倾斜方向的倾斜方向上，实现了三个象素漫射，结果实现了全部9个象素的漫射。在图10B的例子中，倾斜移动量，也就是常规的移动量，是24.8微米。

图11B表示在同一方向上实现了9个象素漫射的情况，并且由相应于漫射之后相邻象素之间的可辨认极限视角的宽度MM产生了象素掩膜间隔。例如，在观察距离D是1.8米和预先测定视力是1.0的情况下，由于可辨认极限视角是一分，所以，假设象素模糊宽度B=9.5微米和M=0，从公式(5)可得象素移动量SS是15.0微米。

由图11B可看出，在上述实施例中，在象素漫射之后在显示图象的相邻象素i之间产生象素掩膜间隔(黑的部分)，并且十分清楚，参照上述情况可以很容易达到聚焦。

顺便说说，图10和11在象素排列倾斜方向和移动方向是不同的。当然，可以使用同样的倾斜方向和相同的移动量。同时，象素移动方向不限于互相垂直的方向。

同时，尽管在图1所示例子中使用了单个滤光器表面，可是通过在整个LCD1的表面上装有许多滤光器表面会很容易地增加象素数目。

图12表示在上述情况中的一个实施例。在本实施例中，两个滤光器表面30a和30b安排在LCD1显示表面和目镜透镜4之间，使它们彼此重叠。换句话说，如图中影线所示，以彼此平行的两个表面构成滤光器表面30a和30b，表面30a和30b面对透明板以构成漫射器30。

每一个光表面30a和30b可以由上述微棱镜组构成，或者可以由衍射栅格构成。同时，一个滤光器表面可以由衍射栅格构成而另一个滤光器表面可以由微棱镜组合构成。

作为与本发明有关的公开，本受让人提出了下列申请，列于此作为参考。

日本专利申请No S.平04-306003(申请日1993年10月19日)，平05-016955(申请日1993年1月7日)和平05-196973(申请日1993年7月14日)，其每一个美国申请现在正在待批中以便对其审查。

Claims

1．一种图象显示装置，包括：

一个显示器件，具有镶嵌模式的图象，和

一个安置在所说显示器件前表面的滤光器表面，用于利用衍射或折射将所说显示器件的每一个象素漫射到许多部分，

所说滤光器表面进行象素漫射使视角基本上是观察者的预定可辨认极限视角，在聚焦平面上从观察者处观察，该视角有一个在象素漫射后在两个相邻象素之间不透过光的间隙，在该聚焦平面上可由观察者观察到由所说显示器件显示的图象，

其特征在于，在聚焦平面上寻找的象素漫射移动量SS给出如下：

SS=S-(MM+B-M)/(n-1)

其中S是当间隙的视角为零时的象素漫射移动量，n是象素漫射数目，A是在象素移动方向上象素孔径宽度，P是在象素移动方向上象素间距(在彩色情况是同一颜色象素间距)，以及B是图象模糊的展宽宽度，并且此处S=P/n,M=S-A，和MM=(观察者的辨认极限视角)×(视察者和聚焦面之间的距离)。

2．按照权利要求1所述的图象显示装置，其中所说显示器件是一种彩色图象显示器件，并且该间隙是在有同一颜色象素漫射之后与相邻象素之间的所说象素对应的设有通过彩色光线的间隙。

3．按照权利要求1所述的图象显示装置，其中将所说显示器件的显示图象通过所说滤光器表面聚焦在屏幕上，并且观察者观察它在屏幕上的投影图象，以及

所说滤光器表面进行象素漫射使视角基本上是观察者可辨认的极限视角，当观察者在聚焦平面上观察时该视角有一个间隙，由所说显示器件显示的图象可在该聚焦平面上由预定的观察者看到。