CN1768536B - 自动立体显示器 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示设备，包括具有可寻址像素的显示阵列。该显示设备包括用于提供由显示阵列(61)的像素发射出的准直光(60)的装置，和柱面透镜(63)。提供扫描装置(64)，在所述显示屏上连续扫描；并且还提供按照与显示屏中开口的扫描频率相应的速率改变显示阵列(61)上图像信息的装置(69)。

Description

自动立体显示器

技术领域

本发明涉及一种包括显示阵列的自动立体显示设备，其中显示阵列包括若干可寻址像素和用于对显示阵列中的像素进行寻址的装置。

背景技术

从美国5,969,850可了解到开篇段落中所述类型的自动立体显示设备。

基本来说，可通过使用立体照片对(指向观察者双眼的两幅不同图像)、全息技术或显示器中的多个平面来产生三维效果。利用多平面技术构造立体(体积)图像，其中用三维体积中所谓的三维像素(体元)取代二维像素。大部分多平面显示器的缺点在于，三维像素产生光，但不阻挡光。这就导致透明物体，使得所显示图像产生简直可怕的和令人不愉快的表现。

立体显示器不存在这一问题。有多种方法来产生立体图像。图像可时分多路传输到二维显示器上，不过需要观察者佩戴具有例如LCD快门的眼镜。在显示立体图像的同时，可通过使用安装在头部的显示器，或者通过使用偏光镜(从而由正交偏振光产生图像)将图像引导到适当的眼睛。观察者佩戴的眼镜有效地将视图发送到每只眼睛。使眼镜中的快门或偏振片与帧速同步，以控制发送过程。为了防止发生闪烁，帧速度必须是二维同等图像的两倍，或者分辨率是二维同等图像的一半。该系统的缺点是，两个图像仅产生有限的“环顾”能力。此外，要想产生任何效果，都必须佩戴眼镜。这对于那些不习惯佩戴眼镜的观察者而言是不令人愉快的，且对于那些已佩戴眼镜者也是一个潜在的问题，因为附加的一对眼镜通常并不适合。

并非在靠近观察者眼睛处，也可以在显示屏处利用分割屏来分裂两个立体图像，该分割屏如视差屏障(parallax barrier)，例如，如US 5,969,850中所示。

尽管在不需要特殊眼镜即可观看三维图像的意义上这些显示器是自动立体的，不过它们通常仅对空间中某一固定位置处的一个观察者起作用。观察区非常狭窄。在该观察区外部，观察者会看到多个图像或立体倒影，导致令人极为不满意的视图。实际上，这意味着，对于许多应用而言，例如在起居室内，观察区太小，以至于观察者必须坐在一个特定点处才能看到三维图像。提供多视图图像的解决方案是以分辨率为代价的。

从美国专利US 5,969,850了解到的设备，通过使用动态视差屏障，即其中屏障的狭缝在屏幕上移动的视差屏障，来解决窄观察区的问题。

尽管可按照US 5,969,850中所述的方法得到多视图自动立体显示器，不过上述原理的缺点在于效率低。所发射的光中仅很少量穿过动态视差屏障。例如，如果使用具有1000个狭缝的视差屏障显示器(从而具有1000个子帧)，则水平分辨率为1000个像素。不过，光照射视差屏障的整个背侧，后者阻挡了99.9％的光。因此，对于电视应用而言，至少需要非常高的光强度才能产生足够亮的图像。尽管通过使动态屏障的数个狭缝同时透光可提高效率，不过依然存在效率非常差的主要问题，并且为了能使用数个狭缝，必须要综合考虑不同观察方向的量。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供能进行自动立体观看的已知设备的一种替代方案，且效率提高。

为此，根据本发明，提供一种自动立体显示设备，包括具有若干可寻址像素的显示阵列，和用于寻址该显示阵列中的像素的装置，其特征在于，该显示设备包括：

用于提供由显示阵列的像素发射出的准直光的装置；

包含若干开口的显示屏；

柱面透镜，位于显示阵列与显示屏之间，所述柱面透镜具有纵轴，用于在与柱面透镜的纵轴垂直的方向中且在显示屏上聚焦由显示阵列的像素发射出的准直光；

扫描装置，用于在显示屏上的所述开口上连续扫描；和

用于按照与显示屏中开口的扫描频率相对应的速率改变显示阵列上的图像信息的装置。

在本发明概念中，准直光指的是被限制在相对较窄角度内，通常小于10度，优选小于5度且最好处于大约2度内的光。在本发明的框架内，“准直”意味着在至少一个方向、即扫描方向上准直，不必在两个方向上准直，即不必也在垂直于扫描方向的方向上准直。实际上，这常常表示在水平方向(左右方向)上准直，而在垂直方向(上下)上的准直将要少得多或者不明显，或者可能要少得多或者不明显。

利用显示阵列与显示屏之间的正柱面透镜，通过将二维显示阵列投影到由该柱面透镜形成的一条垂直线上，而在显示屏上构成每条垂直线的观察方向。在一帧时间内，利用扫描装置，例如且优选旋转反射镜或多面镜，从左到右(或相反方向)扫描显示屏上的开口。对于每条垂直线，在二维显示屏上显示一个新图像。因此，显示阵列必须足够快，即当显示屏上使用例如50Hz的帧速且使用1000个柱面透镜时，显示阵列的改变速率必须为50*1000＝50kHz。存在这种设备，如基于铁电液晶和微镜阵列的LCD。

根据本发明的设备的优点在于，由于利用了显示阵列发射出的所有光，实现了高效率，此外通过简单地改变发送给显示阵列的信息，可以在三维模式以及在二维模式下使用该设备，因而该设备是二维-三维兼容的。该设备具有大量观察区域，无需使用护目镜，或者不会具有非常低的效率。

为了增加总视角，优选在显示屏上或显示屏附近使用柱面透镜。如果没有这些元件，则对于家用电视应用而言视角将太小。

此外，优选在显示阵列与显示屏之间使用透镜，以减小光程长度，从而减小显示设备的深度。

为了获得良好的显示屏性能，优选使二维显示器的(子)帧速度与扫描装置的扫描良好同步，例如与旋转反射镜或多面镜的转速良好同步。在优选实施例中利用反馈机制来实现上述目的，该机制利用指示光(index light)传感器(例如光电二极管)的指示信号来检测显示屏背侧上光束的位置。

在优选实施例中，该设备在扫描装置与显示屏之间设有狭缝荫罩板。为了获得良好的性能，必须保证打算落到柱面透镜上的图像实际上落到柱面透镜上。在扫描装置与显示屏之间通过使用狭缝荫罩板，抵消了光程的轻微失准，代价是降低了显示器的亮度。

在另一优选实施例中，显示屏设有指示光传感器以及面对扫描装置的侧面，并且来自指示光传感器的信号反馈回扫描装置。

由下面所述的实施例显然可以明白本发明的这些和其他方面，并将参照实施例进行说明。

附图说明

在附图中：

图1说明显示设备的基本原理。

图2说明分裂两个立体图像的视差屏障的基本原理。

图3A和3B说明屏障和双凸透镜屏的原理。

图4说明基本视差屏障显示器所遇到的问题。

图5表示一种已知的多视图设备。

图6表示根据本发明的显示设备。

图7、8和9说明根据本发明实施例的显示设备的另一些示例。

附图并未依照比例绘出。通常，在附图中用相同附图标记表示相同元件。

具体实施方式

图1表示一种显示设备。对于三维电视机而言，需要独立发光的多个观察方向。在家用装置中，观察距离约为3米，人坐在大约3米宽的长沙发椅上，参见图1。因此，需要至少为60度的视角。我们的眼睛彼此相距6到5厘米。为了使每只眼睛获得不同的图像，显示器必须在至少3m/6cm＝300/6＝50个方向上发光。在人移动头部时为了获得没有不连续过渡的三维图像，三维电视机应当在远多于50个，比如至少100个方向上发光。

图2说明分裂两个立体图像的视差屏障的基本原理。两个立体图像的垂直线交替地显示在例如具有背光1的空间光调制器2(例如LCD)上。视差屏障7的光栅结构保证观察者4的每只眼睛能看到适当立体图像5和6。

图3A说明视差屏障的使用。

在常规屏障自动立体显示系统中，屏障31设置在显示阵列32前面。将立体图像对的左和右图像分成垂直条。左图像条32L和右图像条32R交替地置于阵列32上。在屏障31中形成狭缝(slot)31A。定位狭缝31A，使观察者的左眼4L仅能看到该对图像中的左图像条32L，右眼4R仅能看到右图像条32R。观察者重建三维完整图像。

现在参照图3B，说明类似的原理，其中用具有垂直柱面透镜33A阵列的双凸透镜屏33取代屏障31，每个垂直柱面透镜对应不同的一对左图像条32L和右图像条32R。在工作中，每个透镜将观察者的左眼4L引导到左图像条32L上，将观察者的右眼4R引导到右图像条32R上。

图4说明基本立体设备的问题。未坐在适当观察区内的观察者会发生困扰。观察区非常狭窄。在观察区外部，观察者看到多个图像或立体反转，从而导致令人非常不愉快的视图。实际上这表明，对于许多应用而言，例如在起居室内，观察区很小，以至于观察者只有坐在某一特定点处才能看到东西。对于起居室应用而言，由于仅有一个观察者且仅在坐在一点处时才能看到3D图像，因此这远非是最佳的。

图5示意地说明如美国专利US 5,969,850所述的一种设备。在该设备中，通过使用动态视差屏障51，即其中屏障狭缝在屏幕上移动的视差屏障，来解决窄观察区(视区)的问题。

尽管通过US 5,969,850所述的方法能得到多视图自动立体显示器，不过上述原理的缺点在于效率低。所发射出的光中仅有少量光穿过动态视差屏障。例如，如果使用具有1000个狭缝(即1000个子帧)的视差屏障显示器，则水平分辨率为1000个像素。不过，光照在视差屏障的整个背侧上，而后者阻挡99.9％的光。因此，对于电视应用而言，至少需要非常高的光强度才能获得足够亮的图像。尽管能通过使动态屏障的多个狭缝同时透光来提高效率，不过依然存在效率非常差的原则性问题，并且为了能使用多个狭缝，必须牺牲不同观察方向的量。

除了双凸透镜和视差屏障等所存在的分辨率下降以外，视差屏障的透光率也显著下降，这是因为屏障的大约100条垂直线中仅有一条是透光的。这样会阻挡(超过)99％的光，从而导致显示器的效率极低。

因此，存在的问题是，良好的三维图像应当是自动立体的，也就是说在不需要佩带眼镜时依然具有良好的光输出。

此外，优选具有“环顾”能力，以避免发生眼睛聚焦和头痛的问题。最好这种能力应当是显示器固有的，不需要附加装置来跟踪观察者的头部。对于TV应用来说，显示器还必须具有多观察者能力。最后，三维显示器还应当是二维兼容的。原理上可利用双凸透镜屏或视差屏障来制造上述具有多观察者能力的自动立体显示器，不过是以大大降低分辨率为代价的。

为此，根据本发明的设备的特征在于，该显示设备包括用于提供由显示阵列的像素发射出的准直光的装置；柱面透镜，用于沿着垂直于柱面透镜纵轴的方向使显示阵列上显示的图像聚焦，该设备还包括包含多个开口的显示屏，最好在显示屏上设有柱面透镜，在工作中显示阵列上显示的图像聚焦到该柱面透镜上；扫描装置，其在显示屏的开口上(最好在所述柱面透镜上)连续地扫描；以及用于按照与显示屏中开口的扫描频率相对应的速率改变显示阵列上的图像信息的装置。

图6中示意出根据本发明的设备的原理，其表示了本发明的一个简单的实施例。

利用正柱面透镜63，通过将来自光源60并且通过一个二维显示阵列61的准直光投射到一条垂直线62上，从而构成显示器中每条垂直线的观察方向。在一帧时间内，利用旋转反射镜或多面镜64从左向右(或者相反)扫描各列。对于每条垂直线62而言，在显示屏66上设置柱面透镜65。对于屏幕66上的每条垂直线62而言，在二维显示器61上显示新图像。在优选实施例中，垂直线(实际包括完整图像)入射在其上的柱面透镜65扩展成光线67。显示阵列必须足够快地改变显示阵列上的图像，与开口(或者在优选实施例中为柱面透镜)上扫描的频率相符。例如，基于铁电液晶的LCD足够快。

为了增加总的视角，优选在屏幕位置处使用诸如柱面透镜65之类的光学元件。没有这些元件，即当屏幕仅设有开口时，对于家用电视装置而言视角太小。此外，优选诸如透镜68的附加光学元件，以减小显示器的深度。

根据本发明的显示设备不具有图5显示器所述的效率问题。在根据本发明的显示设备中，使用来自显示阵列61的所有(或至少几乎所有)光构建图像。不过，该光必须是准直的。适当的准直光源可以为LCD投影仪(“光束器”)或者可使用激光。在后一种情形中，可使用扫描激光束产生二维图像。根据本发明的显示设备向后兼容。通过使每个定向视图中具有相同的亮度信息，可显示标称视频。即，二维显示阵列的一行中的每个像素显示相同信息。在本发明的概念中，还可以利用显示阵列向所有方向发射光，然后将所述光准直，即将光准直元件设置在发光阵列与旋转反射镜或多面(棱)镜之间。不过，这通常意味着仅有效地使用了一部分发射光，通常仅使用所发射光中的百分之几到几十。然而，即使在这些实施例中，根据本发明的显示设备的效率也远远超过已知设备的效率。阵列与控制装置69相耦合，以便在显示阵列上产生图像。

为了获得良好的正向屏幕性能，优选使二维显示器的(子)帧速与反射镜或多面镜的旋转角度同步。例如，可利用反馈机制来实现这一点，其中反馈机制使用光电二极管来检测光束在屏幕上的位置。

图7表示了这样的实施例。在该附图中，放大了一部分屏幕66以显示出屏幕上的光敏元件，如光电二极管71。来自光敏元件71的信号发送给控制装置72，而控制装置72通过反馈机制调节旋转反射镜或多面镜64。注意，在本发明概念中的“旋转”包括在显示屏上扫描显示阵列图像的任何运动。在最简单的实施例中，这为旋转运动，不过也可以为倾斜或摇摆(前后)运动。

在另一个优选实施例中，该设备在扫描装置64与显示屏66之间设有狭缝荫罩板。为了得到良好的性能，必须保证打算落到开口(例如柱面透镜65)上的图像实际落到柱面透镜上。在扫描装置与显示屏之间通过使用狭缝荫罩板，会抵消光路的轻微失准，代价是显示器的亮度降低。图8示意地表示了根据该实施例的设备的细节。在透镜65的前面(即在扫描装置(诸如旋转反射镜)与透镜之间的光路上)，设置狭缝荫罩板81。该荫罩板保证光仅落到透镜上。这提高了设备的性能，不过以光输出作为代价。

显然，在本发明范围内可进行多种变型。

本领域技术人员可知，本发明不限于上面特别示出和描述的。本发明存在于每一个新颖特征和特征的每种组合。权利要求中的附图标记不限制其保护范围。使用动词“包括”及其动词的各种变化形式不排除除了权利要求中提到之外的元件。元件前面使用冠词“一个”不排除存在多个这类元件。

例如，尽管至此为止所示的实施例仅使用一个显示阵列，不过在根据本发明的显示设备的实施例中，可在屏幕上或在一部分屏幕上扫描多于一个的显示阵列。图9中示意出这样一个实施例，其中存在两个显示阵列91，92。这样做有利于增大光输出或者减小显示器的刷新速率。

通过例如使用弯曲镜面作为透镜(透镜63或68)的实施例，构成所示实施例的另一种变型。正如众所周知的，凹面镜面，如果适当成形的话，可作为透镜，从而在本发明概念中，“透镜”可以为起透镜作用的镜面。在使用透镜时，例如通过根据屏幕上引导光的线来改变透镜的位置(对于透镜68而言，朝屏幕前后，或者对于透镜63而言，朝旋镜前后)，可使透镜具有某种程度的动态性。从而，可实现更好的聚焦。当使用镜面时，位置及曲率可以是动态的。

简言之，本发明如下所述：

一种自动立体显示设备，包括具有可寻址像素的显示阵列。该显示设备包括用于提供由显示阵列61的像素发射出的准直光60的装置，和用于使显示阵列上显示的图像聚焦在显示屏66上的柱面透镜63。提供扫描装置64，以便在所述显示屏上连续扫描；并且还提供用于按照与显示屏中开口的扫描频率相对应的速率改变显示阵列61上的图像信息的装置69。

Claims (5)

1.一种自动立体显示设备，包括具有若干可寻址像素的显示阵列和用于寻址显示阵列中的像素的装置，

其特征在于，该显示设备包括：

用于提供由显示阵列(61)的像素发射出的准直光(60)的装置；

显示屏(66)，具有多个开口；

第一柱面透镜(63)，位于显示阵列(61)与显示屏(66)之间，所述第一柱面透镜具有纵轴，用于在与第一柱面透镜(63)的纵轴垂直的方向中且在显示屏(66)上聚焦由显示阵列(61)的像素发射出的准直光；

扫描装置(64)，用于对显示屏(66)上的所述开口连续扫描；和

用于按照与显示屏中的开口的扫描频率相对应的速率来改变显示阵列(61)上的图像信息的装置(69)。

2.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，该显示设备在显示屏(66)中、在显示屏(66)的附近或在显示屏(66)上包括第二柱面透镜。

3.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，该显示设备在扫描装置与显示屏之间包括透镜(68)。

4.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，该显示设备在显示屏上或在显示屏的附近包括指示光传感器(71)。

5.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，该显示设备在扫描装置与显示屏之间包括荫罩板(81)。

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