CN107079148B

CN107079148B - 自动立体显示设备和驱动方法

Info

Publication number: CN107079148B
Application number: CN201580053219.0A
Authority: CN
Inventors: B.克鲁恩; M.T.约翰逊
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: BR112017006238A2; RU2017115023A; TW201629579A; CN107079148A; RU2718430C2; JP2017538954A; CA2963163A1; WO2016050619A1; KR20170063897A; EP3202141A1; RU2017115023A3; JP6684785B2; US20170272739A1

Abstract

自动立体显示器使用射束控制系统和像素化的空间光调制器。为作为整体的所显示的图像或为图像部分提供不同的显示模式。这些不同的模式提供角度视图分辨率、空间分辨率和时间分辨率之间的不同关系。不同模式利用由射束控制系统产生的不同量的射束分散。

Description

自动立体显示设备和驱动方法

技术领域

本发明涉及自动立体显示设备和用于这样的显示设备的驱动方法。

背景技术

已知的自动立体显示设备包括二维液晶显示面板，其具有充当产生显示的图像形成部件的显示像素的行和列阵列（其中“像素”典型地包括“子像素”集合，并且“子像素”是最小的可单独寻址的、单颜色图片元件）。平行于彼此而延伸的细长透镜的阵列叠覆显示像素阵列，并且充当视图形成部件。这些被称为“透镜状透镜”。来自显示像素的输出通过这些透镜状透镜被投射，这些透镜状透镜起作用以修改输出的方向。

将透镜状透镜被提供为透镜元件片，每一个透镜元件包括细长的部分圆柱形（例如半圆柱形）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叠覆显示子像素的两个或更多相邻列的相应群组。

每一个透镜状透镜可以与显示子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相邻显示子像素的群组相关联。每一个群组中的显示子像素的对应的列被适当地布置成提供来自相应的二维子图像的竖直切片。当用户的头部从左向右移动时，观察到一系列接连的、不同的、立体视图，从而创建例如环顾印象。

图1是已知的直视自动立体显示设备1的示意性透视图。已知的设备1包括充当产生显示的空间光调制器的有源矩阵类型的液晶显示面板3。

显示面板3具有显示子像素5的行和列的正交阵列。为了清楚起见，在图中仅示出小数目的显示子像素5。在实践中，显示面板3可能包括大约一千行和数千列的显示子像素5。在黑白显示面板中，子像素事实上构成完整像素。在彩色显示器中，子像素是完整颜色像素的一个颜色组件。根据一般的术语，完整颜色像素包括为了创建所显示的最小图像部分的所有颜色而必要的所有子像素。因此，例如，完整颜色像素可以具有红色（R）绿色（G）和蓝色（B）子像素，其可能被扩充有白色子像素或一个或多个其它基础颜色子像素。液晶显示面板3的结构完全是常规的。特别地，面板3包括一对间隔的透明玻璃衬底，在其之间提供了对准扭曲向列或其它液晶材料。衬底在其面对的表面上承载透明铟锡氧化物（ITO）电极的图案。还在衬底的外表面上提供偏振层。

每一个显示子像素5包括衬底上的相对电极，居间液晶材料在它们之间。显示子像素5的形状和布局由电极的形状和布局确定。显示子像素5由间隙有规律地彼此间隔。

每一个显示子像素5与开关元件相关联，所述开关元件诸如是薄膜晶体管（TFT）或薄膜二极管（TFD）。通过向开关元件提供寻址信号来操作显示像素以产生显示，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，光源7在该情况下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的光被引导通过显示面板3，其中驱动各个显示子像素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，其执行光引导功能以及因而视图形成功能。透镜状片9包括平行于彼此延伸的透镜状元件11的行，为了清楚起见，仅以夸大的尺寸示出其中的一个。

透镜状元件11是凸圆柱形透镜的形式，每一个具有垂直于元件的圆柱形弯曲部分延伸的细长轴12，并且每一个元件充当从显示面板3向位于显示设备1的前方的用户的眼睛提供不同图像或视图的光输出引导部件。

显示设备具有控制器13，其控制背光和显示面板。

图1中所示的自动立体显示设备1能够提供不同方向上的若干不同的透视图，即，其能够将像素输出引导到显示设备的视场内的不同空间位置。特别地，每一个透镜状元件11叠覆每一行中的显示子像素5的小群组，其中在当前示例中，行垂直于透镜状元件11的细长轴延伸。透镜状元件11在不同方向上投射群组中的每一个显示子像素5的输出，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所述若干视图中的不同视图。

技术人员将领会到，光偏振部件必须结合以上描述的阵列来使用，因为液晶材料是双折射的，其中折射率切换仅适用于特定偏振的光。光偏振部件可以作为显示面板或设备的成像布置的部分而被提供。

图2示出如以上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，每一个投射在不同方向上。利用针对一个具体视图的信息来驱动显示面板3的每一个子像素。

在以上设计中，背光生成静态输出，并且所有视图方向通过透镜状布置来实施，这提供了空间复用方案。使用视差屏障来实现类似的方案。

另一方案是利用诸如电润湿棱镜和定向背光之类的自适应光学器件。这些使得能够随时间而改变光的方向，因而也提供了时间复用方案。这两种技术可以组合以形成本文将描述为“时空”复用的方案。

电润湿单元已经是大量研究的主题，例如用作用于紧凑相机应用的液体透镜。

已经提出使用电润湿棱镜的阵列来提供自动立体显示器中的射束操纵，例如在Yunhee Kim等人的论文中：“Multi-View Three-Dimensional Display System by Using Arrayed Beam Steering Devices（通过使用阵列的射束操作设备的多视图三维显示系统）”，Society of Information Display (SID)(信息显示学会) 2014 Digest（文摘），第907—910页，2014年。US 2012/0194563也公开了电润湿单元在自动立体显示器中的使用。

图3示出形成透镜的电润湿单元的原理。电润湿单元中的电极包括侧电极和底电极，并且电润湿单元中的流体包括不可融合的油20和水22。通过向侧电极和底电极施加不同电压，电润湿透镜是可操作的，使得这两种不相容的流体的干涉曲率被调谐以调制行进通过设备的光束的发射方向。这在左边图像中示出。施加到左和右侧电极和底电极的不同电压还可以用于调谐不相容的流体的界面的倾斜角度，从而调制行进通过设备的光束的发射方向。这在右边图像中示出。因此，电润湿单元可以用于控制射束输出方向和射束输出分散角。

由于单元是小的，因此快速切换或操纵单元的形状是可能的。以此方式，可以创建多个视图。单元可以例如形成方形网格，并且可能的是创建阵列，该阵列使得能够在一个或两个方向上操纵光，类似于透镜状透镜阵列（单个方向操纵）和球形透镜的透镜阵列（两个方向操纵）。

通过提供与电润湿棱镜阵列对准的空间光调制器（例如透射显示面板），每一个单元可以对应于像素或子像素（例如红色、绿色或蓝色）。

当再现3D图像时，存在用于生成期望的图像质量的不同方案。一般地，存在空间分辨率与角度视图分辨率之间的折衷。高角度视图分辨率意味着有不同的视图被提供在关于显示法向的相对大数目的角度位置处，例如使得能够实现环顾效果。这以空间分辨率为代价。高空间分辨率意味着当看向特定视图时，存在构成这一个视图的大数目的不同寻址的像素。一些显示系统还利用子帧。然后还出现时间分辨率的概念，其中高时间分辨率牵涉比较低时间分辨率（例如提供每一个子帧中的相同图像）更快的更新速率（例如提供每一个子帧中的不同图像）。

术语“空间分辨率”、“角度视图分辨率”和“时间分辨率”在本文档中以这些含义来使用。

在自动立体显示器中，所显示的内容的表观位置可以大部分在再现中被控制。例如可能的是，让对象朝向观看者从屏幕出来，如图4（a）中所示，或者选择让对象看起来在面板后面并且让零深度内容在面板深度处被再现，如图4（b）中所示。

本发明基于以下洞悉：在一些情境中，利用不同角度分辨率显示不同图像内容可以是合期望的。例如，零深度处的内容可能要求较低的角度视图分辨率，而非零深度处的内容可能要求更多的角度视图分辨率以合适地再现深度方面（这以降低的空间分辨率为代价）。本发明还基于以下认识：对于作为整体的图像中或图像的一部分中的不同类型的图像内容而言，角度视图分辨率和空间或时间分辨率之间的不同妥协可能是所期望的。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据示例，提供了一种自动立体显示器，包括：

图像生成系统，包括背光、射束控制系统和像素化空间光调制器；以及

用于取决于要显示的图像而控制图像生成系统的控制器，

其中射束控制系统是可控的，以至少调节输出射束分散，

其中图像生成系统用于产生定义了要显示的图像的射束受控的调制光输出，所述要显示的图像包括针对多个不同观看位置的视图，

其中控制器适配成提供至少两个显示输出模式，每一个显示输出模式生成至少两个视图：

第一显示输出模式，其中所显示的图像的部分或全部具有第一角度视图分辨率；

第二显示输出模式，其中所显示的图像的部分或全部具有大于第一角度视图分辨率的第二角度视图分辨率，并且相关联的射束控制系统产生比在第一显示输出模式中更小的输出射束分散（52）。

该显示器能够提供（至少）两个自动立体观看模式。每一个模式包括至少两个视图向不同位置的显示（即，没有模式是单个视图2D操作模式）。通过提供不同显示模式，可以不同地显示不同的图像或图像部分，以便优化显示图像的方式。较高的角度视图分辨率暗示生成较多视图，这将以每个独个的视图的分辨率（空间分辨率）为代价或以帧速率（时间分辨率）为代价。该较高的角度视图分辨率可以适合于具有大的深度范围的图像，其中自动立体效果比空间分辨率更重要。类似地，图像的模糊部分可以利用较低的空间分辨率来再现。具有窄的深度范围的图像或图像部分可以利用较少的视图（即，较低的角度视图分辨率）来再现，以给出较高空间分辨率。

每一个模式所应用于的图像部分可以是整个图像，或者不同的图像部分可以具有同时应用于它们的不同模式。通过“相关联的”射束控制系统意指处理用于图像的该部分的光的射束控制系统的部分。其可以是总体射束控制系统的部分，或者其可以是整个射束控制系统，如果射束控制系统操作在作为整体的图像上而不是在图像的较小部分上的话。

深度内容可以主要在显示面板后面被再现。以此方式，要求最高角度视图分辨率的深度内容看起来更远离观看者，并且因而要求较少空间分辨率。

射束控制系统可以包括布置在空间群组中的射束控制区的阵列，其中：

当群组处于第一输出模式中时，群组中的射束控制区每一个被同时定向到多个观看位置；并且

当群组处于第二输出模式中时，群组中的射束控制区每一个定向到独个的观看位置。

空间群组例如包括两个或更多射束控制区，它们彼此靠近。射束控制区要么向不同观看位置引导它们的输出（为了高角度视图分辨率），要么它们同时向多个观看位置产生较宽输出。在该方案中，第二模式中的空间分辨率小于第一模式中的空间分辨率。

在该情况下，第二输出模式可以包括使得群组的第一部分定向到第一观看位置，使得群组的第二部分定向到第二、不同观看位置。在第二输出模式中，针对多个观看位置而生成视图，但是以较低分辨率。

在另一实现方式中，其中同样地，射束控制系统包括射束控制区的阵列，控制器适配成提供顺序帧，每一帧包括顺序子帧，其中：

第一模式包括控制射束控制区或射束控制区的群组以针对第一和下一子帧而处于第一输出模式中，

第二模式包括控制射束控制区或射束控制区的群组以针对第一子帧在第二输出模式中定向到第一观看位置，然后针对下一子帧在第二输出模式中定向到第二、不同观看位置。

两个模式的这种使用提供了时间复用。第一模式向接连的子帧中的（相同）多个观看位置提供宽输出，而第二模式向一个子帧中的单个观看位置提供窄的输出并且向下一子帧中的不同的单个观看位置提供窄的输出。该时间复用方案可以应用于各个射束控制区，或者其可以应用于射束控制区的群组。该方案提供了具有角度视图分辨率与时间分辨率之间的不同关系的不同模式。

以上概述的空间和时间复用方案可以组合，并且然后可以生成各种效果组合。特别地，可以实现空间分辨率、角度视图分辨率和时间分辨率的不同组合。高的时间分辨率可以适合于快速移动的图像或图像部分，并且这可以通过牺牲角度视图分辨率和空间分辨率中的一个或二者来达到。

显示器可以被控制成使得同时并且取决于图像内容，所显示的图像的第一区具有第一输出模式中的相关联的射束控制区或射束控制区的群组，并且所显示的图像的第二区具有第二输出模式中的相关联的射束控制区或射束控制区的群组。以此方式，可以将图像划分成不同的空间部分，并且可以选择不同分辨率（空间、角度、时间）之间的最合适的折衷。这些空间部分可以例如涉及不同深度处的图像的部分，例如背景和前景。

在利用射束控制区的群组的示例的最基本的概念实现方式中，每一个群组包括两个区，使得群组的每一个“部分”包括一个区。

然而，为了降低处理复杂度，作为整体的显示可以在模式之间进行控制。因此，作为整体的显示具有第一和第二输出模式，其中第二输出模式用于显示比第一输出模式更小数目的视图。在该情况下射束控制系统可以是单个单元而不需要分离的或可独立控制的区。

控制器可以适配成基于以下中的一个或多个而在所述至少两个自动立体显示输出模式之间进行选择：

要显示的图像的部分或全部的深度范围；

要显示的图像的部分或全部中的运动的量；

关于要显示的图像的部分的视觉显著度信息；或者

涉及要显示的图像的部分或全部的对比度信息。

这些度量可以应用于作为整体的显示的图像或应用于图像部分。

在一个示例中，向图像的不同部分分配不同的角度视图分辨率，使得视图边界（即，向一个视图分配的一个子像素与向另一视图分配的一个子像素之间的接合处）与不同深度处的图像部分之间的边界更加紧密地重合。

在另一示例中，向图像的不同部分分配不同的角度视图分辨率，使得向较亮的图像部分分配比向邻近的较暗的图像部分分配更窄的角度视图分辨率。

可以组合对角度视图分辨率的分配（和牺牲）的不同方案。它们全部基于图像内容分析。

在一个实现方式中，射束控制系统包括电润湿光学单元的阵列。然而，其它射束控制方案是可能的，其可以在窄射束和宽射束之间进行选择，并且可选地还提供射束操纵。因此，射束控制系统可以用于射束操纵，例如以将视图引导至不同位置，或者视图形成功能可以是分离的。在后一种情况下，射束控制系统可能局限于控制射束分散，以各个图像区的水平进行或者针对整个图像全局地进行。

依照本发明的另一方面的示例提供了一种控制自动立体显示器的方法，所述自动立体显示器包括图像生成系统，图像生成系统包括背光、射束控制系统和像素化空间光调制器，其中方法包括：

控制射束控制系统以至少调节输出射束分散，

其中方法包括提供两个自动立体显示输出模式，每一个自动立体显示输出模式生成至少两个视图：

第二显示输出模式，其中所显示的图像的部分或全部具有大于第一角度视图分辨率的第二角度视图分辨率，并且控制相关联的射束控制系统以提供比在第一显示输出模式中更小的输出射束分散。

射束控制区可以布置在空间群组中，其中方法包括：

在第一输出模式中，同时将群组中的射束控制区引导至多个观看位置；以及

在第二输出模式中，将群组中的射束控制区引导至独个的观看位置。

该布置使得能够控制空间分辨率与角度视图分辨率之间的关系。

在第二输出模式中，可以将群组的第一部分引导至第一观看位置，可以将群组的第二部分引导至第二、不同的观看位置。

这提供角度和空间分辨率之间的不同折衷。

方法可以包括提供顺序帧，每一帧包括顺序子帧，并且其中方法包括：

在第一模式中，控制射束控制区或射束控制区的群组针对第一和下一个子帧而处于第一输出模式中；

在第二模式中，控制射束控制区或射束控制区的群组以针对第一子帧在第二输出模式中定向到第一观看位置，然后针对下一子帧在第二输出模式中定向到第二、不同观看位置。

这提供角度和时间分辨率之间的不同折衷。方法可以应用在要显示的完整图像的层级处（其中不需要将射束控制系统分段成不同的区）或图像部分的层级处。

附图说明

现在，将纯粹通过示例的方式参照附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是已知的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截面视图；

图3示出电润湿单元的操作原理；

图4示出图像再现如何可以被用于改变如何呈现自动立体效果；

图5示出依照本发明的示例的显示设备；

图6示出利用射束宽度的控制以提供空间分辨率和角度视图分辨率之间的可选择的折衷的第一方案；

图7示出利用单个射束控制区的时间复用的射束宽度的控制；

图8用于示出时间、空间和角度视图分辨率可以如何全部被控制；

图9示出视差图和射线空间；

图10示出应用于图9的射线空间的可调射束轮廓的使用；

图11示出所要求的射束控制功能的第一可替换的可能实现方式；

图12示出所要求的射束控制功能的第二可替换的可能实现方式；以及

图13示出所要求的射束控制功能的第三可替换的可能实现方式。

具体实施方式

本发明提供了一种自动立体显示器，其使用射束控制系统和像素化空间光调制器。为作为整体的显示的图像或为图像部分提供不同的显示模式。这些不同模式提供角度视图分辨率、空间分辨率和时间分辨率之间的不同关系。不同模式利用由射束控制系统产生的不同量的射束分散。

图5示出依照本发明的示例的显示设备。图5（a）示出设备并且图5（b）和5（c）示意性地图示了两个可能的概念实现方式。

显示器包括30用于产生准直光输出的背光。背光应当优选地是薄的且低成本的。准直背光已知用于各种应用，例如用于控制可以在凝视追踪应用、隐私面板和增强亮度面板中从其看到视图的方向。

用于这样的准直背光的一种已知设计是提取其全部光的光生成组件，其形式为大致以同样为背光的一部分的透镜状透镜的间距而间隔的薄发光条的阵列。透镜状透镜阵列使来自薄发光条的阵列的光准直。这样的背光可以由一系列发射元件形成，诸如LED或OLED条的线。

用于显示器的背光照明和前置照明的边缘点亮波导也是已知的，并且这些不太昂贵且更加鲁棒。边缘点亮波导包括具有顶面和底面的材料板。光在一个或两个边缘处从光源耦入，并且在波导的顶部或底部处放置若干耦出结构，以允许光从波导材料板逸出。在板中，边界处的全内反射在光传播的同时保持光被限域（confined）。板的边缘典型地用于耦入光，并且小的耦出结构将光从波导局部耦出。耦出结构可以设计成产生准直输出。

图像生成系统32包括背光，并且还包括射束控制系统34和像素化空间光调制器36。图5示出在射束控制系统之后的空间光调制器，但是它们可以反过来。

空间照明调制器包括用于调制经过的光的透射显示面板，诸如LCD面板。

控制器40取决于要显示的图像而控制图像生成系统32（即，射束控制系统、背光和空间光调制器），所述图像在输入42处从图像源（未示出）接收。在一些实现方式中，背光还可以作为射束控制功能的部分而被控制，诸如背光输出的偏振，或者被制作以进行发射的分段背光的部分。因此，射束控制功能可以在背光和另外的射束控制系统之间被不同地分配。实际上，背光自身可以完全合并射束控制功能，使得单元30和34的功能在一个组件中。

在基于电润湿单元的使用的一个示例中，射束控制系统包括分段系统，其具有射束控制区的阵列，其中每一个射束操纵区可是可独立地控制的，以调节输出射束分散和可选地还有方向。电润湿单元可以采取如图3中所示的形式。在该情况下，背光输出可以是恒定的，使得背光仅被接通和关断。在以下讨论的其它示例中，射束控制系统可以不被分段，并且其可以以整个显示器的层级进行操作。

自动立体显示器具有射束操纵功能以创建视图，并且此外依照本发明，还存在用于控制射束分散的射束控制。射束操纵功能需要将光输出从不同子像素引导至不同视图位置。这可以是静态功能或动态功能。例如，在部分地静态的版本中，用于创建视图的射束操纵功能可以由其它射束引导组件的透镜的固定阵列来提供。在该情况下，视图形成功能是不可控的，并且射束控制系统的电气可控功能限于射束分散/宽度。

该部分地静态的版本在图5（b）中示出，其中在透镜表面之上提供射束控制区37，使得射束控制区仅需要改变射束分散以实现不同模式。可以全局地控制射束分散，使得不需要分段系统。

在动态版本中，可以电气地控制射束方向以及射束分散/宽度二者。图5（c）示出平面衬底之上的分段射束控制区37的示例，其中每一个射束控制区能够调节射束方向（用于视图形成）和射束分散角。

在分段射束控制系统中，可以存在与每一个独个的射束控制区37相关联的空间光调制器的一个子像素（例如电润湿单元），或者每一个射束控制区可以覆盖多个子像素，例如一个完整颜色像素，或者甚至完整像素的小子阵列。另外，射束控制区37可以操作在像素列或子像素列上，而不是操作在各个子像素或像素上。这将例如允许仅水平方向上的输出射束的操纵，其在概念上类似于透镜状透镜的操作。

所使用的射束控制方案的类型将确定是否使用像素化结构或者是否使用条形结构。像素化结构将例如用于电润湿射束操纵实现方式。

要显示的图像由所有的射束控制区的输出的组合形成。要显示的图像可以包括多个视图，使得可以向至少两个不同的观看位置提供自动立体图像。

控制器40适配成提供至少两个自动立体显示输出模式。这些模式可以应用于要显示的整个图像，或者它们可以应用于不同的图像部分。

第一显示输出模式具有第一角度视图分辨率。第二显示输出模式具有较大的角度视图分辨率，并且相关联的射束控制区产生要更加聚焦到较小数目的视图的较小的输出射束分散。该方案使得能够对照其它参数而偏移角度视图分辨率的量。

复用来自显示面板的光中的角度信息固有地降低沿光场维度（诸如空间、时间、颜色或偏振）中的一些的分辨率以获得角度视图分辨率。例如，角度视图分辨率可以同空间分辨率或时间分辨率进行交易。

关于时间分辨率，闪烁在视觉上是烦扰的，因此时间顺序操作应当限于将所有的子帧保持在最大1/50s=20ms或优选地小于1/200s=5ms内。蓝相液晶被报告具有1ms切换速度，因此这给出针对5-20子帧的可能性。这对于高质量单个锥体自动立体显示器而言是不足的，至少在没有眼睛追踪的情况下是不足的，使得单独的时间复用是不适合于产生多个自动立体观看方向的自动立体显示器。

空间分辨率非常重要，并且应当为至少1080p或甚至更高以被视为足够的。然而通常素材由于场的有限深度、运动模糊和相机透镜质量而是模糊的。

时空复用的电润湿显示器能够良好地利用可用技术，并且能够受益于空间分辨率和切换速度中的改进，例如作为由于氧化物TFT发展所致的增加的帧速率的结果。

本发明利用复用方案，例如包括时空复用，其基于内容和/或观看条件的特性而被控制。使复用方案的控制的潜在优点变得清楚的示例为：

不移动或仅缓慢移动的对象可以使用较少的子帧来再现。

具有窄深度范围的对象可以使用较少且较宽的视图来再现。

模糊的对象可以利用较少像素来再现。

不同的复用方案通过使得能够基于图像内容而局部地或全局地控制射束宽度来实现。

图6示出利用射束宽度的控制以提供空间分辨率和角度视图分辨率之间的可选折衷的第一方案。为此目的，射束控制区布置在空间群组中。图6示出最简单的成组，其中每一个群组是一对相邻的射束控制区，以及相邻子像素x1和x2的对应对。上弧50指示角度视图范围v1和v2。包络52是强度轮廓。

图6（a）示出第一输出模式。群组中的射束控制区每一个定向到多个观看位置，特别地定向到视图v1和v2。因此，向子像素x1提供图像数据A，并且向子像素x2提供图像数据B。两个子像素在两个视图中呈现其信息。这给出大的空间分辨率，因为两个子像素在每一个视图中可见。在该模式中，输出具有相同的射束形状和方向。

图6（b）示出第二输出模式。群组中的射束控制区定向到独个且不同的观看位置，特别地，子像素x1定向到v2并且子像素x2定向到视图v1。因此，仅向视图v2提供图像数据A，并且仅向视图v1提供图像数据B。这给出大的角度视图分辨率，因为视图v1和v2显示总体显示的图像内的不同视图。在该模式中，射束形成相邻视图。

因此，图6（a）给出更多空间分辨率，并且图6（b）给出更多角度视图分辨率。在图6（a）中，强度轮廓包括视图范围v1和v2，因此具有较少的角度视图分辨率，然而两个子像素从两个视图范围是可见的，因而提供更多空间分辨率。在图6（b）中，根据相同的理由，存在较多角度视图分辨率和较少空间分辨率。

图6（c）是图6（a）的空间模式的抽象表示，并且图6（d）是图6（b）的角度视图模式的抽象表示。其示出要向其提供图像数据A和B的像素位置和视图。例如，图6（c）示出由子像素x1向两个视图提供图像数据A。图6（d）示出仅向视图v1提供图像数据B。要指出的是，图6（d）中的方形被填充（而不是留下左上部和右下部空白）以便于3D中的表示（在图8中）。其示出了视图分配，即每一个视图仅具有在两个位置之上分散的一个像素数据。

两个射束的组合轮廓在两个模式中是类似的。

决定使用哪个模式的一个方法牵涉获取四个亮度或颜色值并且将它们放置在2×2矩阵中。在图6（a）的高空间分辨率模式中，可以仅在每一个子像素中表示每一列的平均值，而在图6（b）的高角度视图分辨率模式中，可以仅表示如在图6（d）中表示的每一行的平均值。

这一般给出两个不同误差。由于组合的射束轮廓是类似的，因此关于使用哪个模式的决定可以基于简单的误差度量来局部地做出——对于每一个模式——测量在两个所牵涉的空间位置处的两个所牵涉的视图的颜色或亮度差异。这给出了针对每一个模式的误差（ε1和ε2）。针对空间和角度视图分辨率的平衡然后可以通过阈值（λ）来设置，所述阈值选取成当λε1＞ε2时选择第二模式。为了总是选择该模式，给出最低误差λ=1。

考虑图6的示例，输入数据具有用于每一个位置（x）和视图（v）组合的值，使得每一个组合导致特定输入值：

如果我们将输入I(xi,vj)定义为所选颜色空间中的“Iij”，则在对应于图6（a）和（c）的第一模式中：

用于A(IA)的颜色是I11和I12的平均值。

用于B(IB)的颜色是I21和I22的平均值。

针对第一模式做出的误差为：

ε1 = d(I11, IA) + d(I12, IA) + d(I21, IB) + d(I22, IB)。

对于对应于图6（b）和图6（d）的第二模式：

用于A (I’A)的颜色为I11和I21的平均值。

用于B (I’B)的颜色是I12和I22的平均值。

针对第二模式做出的误差为：

ε2 = d(I11, I’A) + d(I21, I’A) + d(I12, I’B) + d(I22, I’B)。

颜色的平均值和颜色之间的距离的计算取决于颜色空间。在RGB和YCbCr的情况下，其可能是用以计算误差的规律（regular）每分量平均运算和绝对差之和运算（SAD）或平方差之和运算（SSD）。还可以使用利用规律平均和L₂误差的线性光（没有gamma的RGB）中的计算（L₂误差是两个矢量的几何距离，有时还称为“2范数距离”）。

该方案可以扩展到形成多个相邻视图的多个单元的群组。组合（模式）的数目将快速增加。以上方案可以一般化到任何情形，其中：

两个或更多附近单元的射束是相邻的，使得它们可以合并成单个宽射束（通过在两个单元上施加相同电压）。这增加空间分辨率，因为所有单元现在从所有视点是可见的，但是降低了角度视图分辨率；

两个或更多附近单元的射束重叠，使得它们可以在两个或更多窄的射束中被拆分（通过向两个单元施加不同电压），所述两个或更多窄的射束一起形成原始射束形状。这降低了空间分辨率，因为仅一个单元现在针对每一个视点可见，但是其增加了角度视图分辨率。

取代于具有单元对的固定的集合，其中每对两个模式，该问题因而还可按以下形式被表达：其可以通过诸如半全局方法（例如动态编程）或全局方法（例如置信传播）之类的合适方法而被优化。

以上实现方式是基于利用角度视图分辨率来交换空间分辨率。利用时间复用的方案使用多个子帧（例如2或3个子帧）。这给出更多误差项和更多可能性。

图7示出利用单个射束控制区（例如电润湿单元）的时间复用的射束宽度的控制。使用与图6中相同的参考符号。

图7（a）示出第一输出模式，射束控制区定向到多个观看位置，特别地定向到视图v1和v2。因此，向第一子帧中的子像素提供图像数据A，并且向第二子帧中的子像素提供图像数据B。子像素在两个子帧中的两个视图中呈现其信息。这给出大的空间分辨率，因为子像素在每一个视图中可见。在该模式中，输出具有相同的射束形状和方向。

图7（b）示出第二输出模式。射束控制区定向到一个观看位置v2，其中图像数据A第一子帧中，并且射束控制区定向到观看位置v1，其中图像数据B在第二子帧中。这给出大的角度视图分辨率，因为视图v1和v2在总体显示的图像内显示不同视图。在该模式中，射束形成相邻的视图。

因此，图7（a）给出较多空间时间分辨率但是较少角度视图分辨率，并且图7（b）给出较多角度视图分辨率但是较少时间分辨率（因为每一帧仅更新每一个视图）。图7（c）和7（d）同样是图7（a）和（b）的抽象表示。

在第一模式中，射束控制区单元在两个子帧中具有相同的射束轮廓，而在第二模式中，射束控制区在组合以形成第一模式的射束轮廓的子帧中具有相邻的射束轮廓。

图8用于示出时间、空间和角度视图分辨率可以如何全部被控制。其示出利用两个顺序的（或至少在时间上接近的）子帧之上的两个附近射束控制区单元的集合的各种复用选项。

图8本质上是图6和7中的抽象表示的组合，但是作为3D块。

图8（a）示出为了角度和时间分辨率而牺牲的空间分辨率。在任何时间，向不同视图提供不同数据，类似于图6（b）。

图8（b）示出为了空间和时间分辨率而牺牲的角度视图分辨率。在任何时间，由每一个子像素向两个视图提供相同数据，类似于图6（a）。

图8（c）示出为了视图和空间分辨率而牺牲的时间分辨率。每一个子像素提供用于两个子帧的相同图像数据，类似于图7（d）。

图8（d）示出一个可能的混合解决方案，其中对于第一空间位置，为了时间分辨率而牺牲角度视图分辨率，而对于另一空间位置，选择相对的子模式。

以上示例要求针对每一对射束控制区做出决定，或者甚至针对所有单元独立地但是将其它单元考虑在内做出决定。尽管该局部适配是优选的，但是如果在全局（每帧）层级上做出适配则存在益处。

使用全局适配的一个原因在于，可能存在可用的有限处理能力，或者再现链的一部分实现在ASIC中并且不能被适配。在一个模式中，相比于另一模式，可以以较低的空间分辨率再现较多的视图。针对两个模式的复杂度将是类似的。

全局模式之间的选择可以是基于深度范围、运动量、视觉显著度图和/或对比度图。

输入数据具有空间位置和视图。取代于多个视图，这可以被想象成（x,y,z）空间中的样本体积，其中v用于视图位置。为了避免使用3D表示，常见的解析方案是取对应于单个扫描线（y=c）的切片。在图9中，以上图像示出针对单个扫描线的深度图和（x,y）空间。

图9（顶部部分）示出针对单个扫描线的深度（另外地被称为视差）图。

A,B,C和D是以恒定视差的平面。

图9（底部部分）示出射线空间图，其对照沿所选扫描线的水平位置绘制视图位置。

对于屏幕上的对象（零视差，例如对象A），空间位置对于每一个视图是相同的，因为这样的对象的纹理形成射线空间中的视图方向上的竖直线，如所示出的。

对于远离屏幕的对象（非零视差），线在另一方向上形成。那些线的斜率直接涉及视差。遮挡在射线空间中也是可见的（对象B在对象A的前面）。

3D显示图像的分析，包括射线空间图的使用，在Matthias Zwicker等人的论文“Resampling, Antialiasing, and Compression in Multiview 3D displays”，IEEESignal Processing Magazine 2007年11月第88-96页中呈现。

图像再现可以被优化以创建锐利深度边缘和高动态范围。这可以通过取决于深度跳跃而选择局部射束轮廓来实现。当诸如图9中所示的之类的光场被规律地量化时，一些子像素部分地贡献于深度跳跃的两侧，从而创建强串扰。

利用可调射束轮廓，通过将子像素对其到深度跳跃来创建半规则的采样成为可能。

图10示出应用于图9的图像的自适应采样方案。在图10中，四个像素的群组形成四个视图。因此，在每一个列中存在四个区56。每一个区56的高度表示由射束控制系统关于该像素提供的视图角度。

视图的位置可以基于图像数据来确定。利用在诸如图10的最左部分中之类的规律视图采样，每一个射束具有相同的宽度但不同的位置。

通过优化每一个射束的位置和宽度，具有更好的图像质量（较低的总误差ε）成为可能。

在图10中存在两个示例：

（i）在跳跃的任一侧上具有不同纹理的深度跳跃（A和B）。

这创建较锐利的深度边缘，从而从遮挡线索（cue）供应更多深度效果，并且可以减少被要求以给定质量再现场景的射束控制区的数目。其避免了横跨深度跳跃的子像素，所述子像素将造成模糊。

可以看出，不同区56同样给出不同的角度视图分辨率，如通过其高度所表示的。将角度视图分辨率选择成使得视图边缘与不同深度处的图像部分之间的边界更加紧密地重合。

（ii）高动态范围（C和D）。

这是基于改变射束轮廓的另一效果，所述效果为其还改变强度。通过具有亮区中的较窄射束轮廓，产生高动态范围图像（图10中的对象C和D）成为可能。当对边缘建模时，还必须将该效果考虑在内。考虑对象C为亮但小的对象（例如太阳或灯），并且对象D是大且暗的对象（例如天空或墙壁）。通过选择用于C的较窄射束和用于D的较宽射束，朝向较亮对象分发可用光输出（和分辨率）。

可以再次看出，不同区56再次给出不同的角度视图分辨率。在该情况下向图像的不同部分分配不同的角度视图分辨率，使得向较亮的图像部分分配比邻近的较暗图像部分更窄的角度视图分辨率。

以上示例利用电润湿单元来提供射束定向和成形。这使得每一个子像素（或像素）能够具有其自身的可控视图输出方向。然而，该方案要求相等分辨率的两个有源矩阵，从而导致与这些组件相关联的双倍的典型成本和功率消耗。

另外，电润湿单元当前具有侧壁，其具有相比于单元的间距而言大的厚度和高度。这减少了孔并且从而减小了光输出和观看角度。存在用于自适应视图形成布置的可替换的解决方案：

1. LC屏障

液晶屏障具有可变的孔宽度。窄孔导致较多视图分离、较少光输出和较低空间分辨率。较宽孔导致较少视图分离、较多光输出和较多空间分辨率。LC屏障例如包括条带的2D阵列以实现局部适配。单个屏障可以与由LC材料的条或像素形成的屏障一起使用。射束宽度由在任何时间是透明的条的数目（狭缝宽度）来确定。射束位置由哪些条是透明的（狭缝位置）而被确定。二者可以被控制。光输出和空间分辨率在使更多的条是透明的时增加。视图分辨率在使更少的条是透明的时增加。

2. 子像素区域驱动

可以提供具有子像素区域的显示器（例如AMLCD或AMOLED），即每一个颜色的子像素包括可独立寻址的区的集合，但是向其应用相同的图像数据。与子像素相关联的有源矩阵单元可以具有寻址线、数据线和至少一个“视图宽度”线。“视图宽度”线确定激活多少子像素区域。例如，可以针对相继的子帧而激活这些子像素区域中的不同子集。区域被定位成使得它们占据相邻的视图位置（例如优选地，并排而不是自顶向下）。这意味着它们可以用于选择性地控制视图宽度，即输出处的射束角度。

3. 发射器条

当前申请人的WO 2005/011293 A1公开了具有发光条（例如OLED）的背光的使用。

图11示出来自WO 2005/011293的图像。背光60是OLED背光，其具有交替的厚条和薄条形式的电极62。常规显示面板64提供在背光之上。背光实现2D和3D模式之间的切换。

背光条以略微大于再现间距而被分离。取代于单个条，可以存在紧密包装的条的集合，其中每一个包具有略微大于透镜间距的间距。通过使条的数目变化或者更一般地使每一个包内的条之上的强度轮廓变化，改变每一个视图的射束轮廓成为可能。

一个潜在问题可能是中心条被更经常地使用并且更早到达寿命终止。这可以通过定期或偶尔改变哪个条是中心（可能地，基于老化模型）而被回避。

如果背光完全被发射器行覆盖，光操纵是可能的。这使得能够向一个或多个观看者的眼睛投射左和右立体视图，或者允许头部追踪的多视图系统。视图的时间顺序生成以及观看距离调节也是可能的。这种类型的背光可以用于实现本发明。

4. 部分双折射波导

当前申请人的WO 2005/031412公开了一种自动立体显示器，其具有波导形式的背光，所述波导具有以略微大于再现间距的间距而被分离的结构。

图12示出该显示器。背光包括波导板70，其具有提供在顶面上的光耦出结构72。其被光源73边缘点亮。耦出结构包括到波导中的投射。波导材料板的顶面具有涂层74，其填充投射并且可选地还提供顶部之上的层。涂层具有比波导材料板的折射率更高的折射率，使得光耦出结构允许光的逸出。

光耦出结构72每一个包括从顶部边缘扩展到底部边缘的列，以便形成光照条。LCD面板的形式的显示面板76提供在背光之上。

耦出结构的宽度可以例如被控制以通过使用偏振光和双折射而实现射束宽度的所要求的控制。耦出结构的每一行可以由一对具有从双折射材料构造的结构的相邻行形成。光源73然后可以被控制以输出在两行中的任一行上折射的偏振光或者在两行上折射的非偏振光。

这样的光源的一个实现方式是具有带有正交偏振器的两组光源。在一个模式中，存在带有交替的偏振的两个子帧的集合。在另一模式中，使用两个偏振。

5. 透镜的顶部上的LC棱镜

当前申请人的WO 2009/044334公开了在3D透镜状显示器的顶部上使用可切换的双折射棱镜阵列以便以时间顺序方式增加视图的数目。

图13示出在WO 2009/044334中使用的结构。存在与透镜状透镜阵列82组合的可切换视图偏转层80。视图偏转层具有用于不同的入射偏振的不同射束操纵功能。该结构可以与弱发散的双折射透镜一起使用，以实现所要求的射束控制。在一个模式中，棱镜不起作用，并且显示器有效地具有良好的视图分离。在另一模式中，棱镜使光部分地发散以创建较少的视图分离。利用电极阵列的局部适配是可能的。

6. 衍射光学元件（DOE）

衍射光学元件可以合并到波导结构中以生成自动立体显示。双折射DOE可以用于利用偏振化光源来控制射束形状。可替换方案可能是具有不同波长的光源（例如窄带和宽带红色、绿色和蓝色发射器）或不同位置处的发射器。

存在另外的可能射束控制实现方式。可以使用多个可切换透镜或LC分级折射率透镜，例如如在当前申请人的WO 2007/072289中所公开的类型。射束控制系统可以可替换地基于MEMS设备或电泳棱镜。

控制器40可以以众多方式，利用软件和/或硬件和/或固件实现，以执行所要求的各种功能。处理器是控制器的一个示例，其采用可以使用软件（例如微代码）编码以执行所要求的功能的一个或多个微处理器。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实现，并且还可以实现为执行一些功能的专用硬件和执行其它功能的处理器（例如一个或多个经编程的微处理器和相关联的电路）的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于，常规微处理器、专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）。

在各种实现方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，所述存储介质诸如是易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，当所述程序在一个或多个处理器和/或控制器上运行时，执行所要求的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可移植的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。

控制方法在实践中可以由软件实现。因此，可以提供计算机程序，其包括被适配成当方法在计算机上运行时执行本发明的方法的代码部件。计算机本质上是显示驱动器。其处理输入图像以确定如何最佳地控制图像生成系统。

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

1.一种自动立体显示器，包括：

图像生成系统（32），包括背光（30）、射束控制系统（34）和像素化空间光调制器（36）；以及

用于取决于要显示的图像而控制图像生成系统的控制器（40），

其中射束控制系统（34）是可控的，以至少调节输出射束宽度，

其中图像生成系统（32）用于产生定义了要显示的图像的射束受控的调制光输出，所述要显示的图像包括针对多个不同观看位置的视图，

其中控制器被适配成提供至少两个显示输出模式，每个显示输出模式生成至少两个视图：

第二显示输出模式，其中所显示的图像的部分或全部具有大于第一角度视图分辨率的第二角度视图分辨率，并且相关联的射束控制系统产生比在第一显示输出模式中更小的输出射束宽度（52）。

2.如权利要求1中所要求保护的显示器，其中射束控制系统包括布置在空间群组中的射束控制区的阵列，其中：

当群组处于第二输出模式中时，群组中的射束控制区每一个被定向到独个的观看位置。

3.如权利要求2中所要求保护的显示器，其中：

当群组处于第二输出模式中时，群组的第一部分被定向到第一观看位置，并且群组的第二部分被定向到第二、不同的观看位置。

4.如权利要求2中所要求保护的显示器，其中控制器适配成提供顺序帧，每一帧包括顺序子帧，其中：

第一模式包括控制射束控制区或射束控制区的群组以针对第一和下一子帧而处于第一输出模式中，并且在所述第一和下一子帧中被定向到相同多个观看位置；

第二模式包括控制射束控制区或射束控制区的群组以针对第一子帧在第二输出模式中定向到第一观看位置，并且然后针对下一子帧在第二输出模式中定向到第二、不同的观看位置。

5.如权利要求1-4中任一项所要求保护的显示器，其中射束控制系统包括射束控制区的阵列，其中同时并且取决于图像内容，所显示的图像的第一区具有处于第一输出模式的射束控制区或射束控制区的群组，并且所显示的图像的第二区具有处于第二输出模式中的射束控制区或射束控制区的群组。

6.如权利要求2至4中任一项中所要求保护的显示器，其中每一个群组包括两个区。

7.如权利要求1中所要求保护的显示器，其中第一输出模式应用于整个所显示的图像，或者第二输出模式应用于整个所显示的图像，其中第二输出模式用于显示比第一输出模式更小数目的视图。

8.如权利要求1-4和7中任一项所要求保护的显示器，其中控制器适配成基于以下中的一个或多个而在所述至少两个自动立体显示输出模式之间进行选择：

要显示的图像的部分或全部的深度范围；

要显示的图像的部分或全部中的运动的量；

关于要显示的图像的部分的视觉显著度信息；或者

涉及要显示的图像的部分或全部的对比度信息。

9.如权利要求1-4和7中任一项所要求保护的显示器，其中射束控制系统包括电润湿光学单元的阵列。

10.一种控制自动立体显示器的方法，所述自动立体显示器包括图像生成系统，图像生成系统包括背光、射束控制系统和像素化空间光调制器，其中方法包括：

控制射束控制系统以至少调节输出射束宽度，

其中所述方法包括提供两个自动立体显示输出模式，每一个自动立体显示输出模式生成至少两个视图：

第二显示输出模式，其中所显示的图像的部分或全部具有大于第一角度视图分辨率的第二角度视图分辨率，并且相关联的射束控制系统被控制以提供比在第一显示输出模式中更小的输出射束宽度。

11.如权利要求10中所要求保护的方法，其中射束控制系统包括布置在空间群组中的射束控制区的阵列，其中方法包括：

在第二输出模式中，将群组中的每个射束控制区引导至独个的观看位置。

12.如权利要求11中所要求保护的方法，包括：

在第二输出模式中，控制群组中的所有射束控制区处于第二输出模式中，其中将群组的第一部分引导至第一观看位置，将群组的第二部分引导至第二、不同的观看位置。

13.如权利要求11中所要求保护的方法，包括提供顺序帧，每一帧包括顺序子帧，并且其中方法包括：

在第一模式中，控制射束控制区或射束控制区的群组以针对第一和下一子帧图像而处于第一输出模式中，并且在所述第一和下一子帧中被定向至相同多个观看位置；

14.如权利要求10至13中任一项中所要求保护的方法，其中射束控制系统包括射束控制区的阵列，其中方法包括：

同时并且取决于图像内容，提供具有第一输出模式中的射束控制区或射束控制区的群组的所显示的图像的第一区，并且提供具有第二输出模式中的射束控制区或射束控制区的群组的所显示的图像的第二区；或者

向整个所显示的图像应用第一输出模式或第二输出模式，其中第二输出模式包括显示比第一输出模式更小数目的视图。

15.如权利要求10至13中任一项中所要求保护的方法，其中控制器适配成基于以下中的一个或多个而在所述至少两个自动立体显示输出模式之间进行选择：

要显示的图像的部分或全部的深度范围；

要显示的图像的部分或全部中的运动的量；

关于要显示的图像的部分的视觉显著度信息；或者

涉及要显示的图像的部分或全部的对比度信息。