CN1853420B - 改善图像显示设备的图像质量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于显示三维图像的显示设备(50)，从而根据视角(D)显示不同视图，该显示设备包括：显示板(52)，其具有用于显示所述图像的多个可独立寻址的像素(54)，对这些像素分组，使得一组中的不同像素对应于不同视图；延迟片(56)，与显示板光学相关，该延迟片包括延迟像素(58)，至少一个延迟像素与显示板中每个相应像素相关，其中该延迟像素(58)的光学参数按照与显示板中相应像素(54)相关的视角的函数来改变。

Description

改善图像显示设备的图像质量的设备和方法

技术领域

本发明涉及显示设备，尤其涉及适于显示三维或立体图像的显示设备。

背景技术

生成三维图像通常要求显示设备能够向该显示设备使用者的左眼和右眼提供不同的视图。这能够通过利用特殊构造的眼镜直接向使用者的每只眼睛提供独立图像来实现。在一个实例中，一种显示器按照时序编排的方式提供交替的左、右视图，利用同步观察眼镜使这些视图进入观察者相应的眼睛。与此相反，本发明所涉及的显示设备种类，能够根据相对于单显示板的视角来观察图像的不同视图。在下文，这些显示设备通常称作3D显示设备。然而，应当理解，本发明还可以涉及所谓的多视图显示设备，这种显示设备向一个或多个使用者提供多个视图，而不一定提供立体图像。

在另一个实例中，如US6172807中所述，通过LCD板形式的空间调制元件来提供左、右眼视图的时序编排同步，该空间调制元件利用视差交替地阻挡显示器的左、右眼视图。为了正确关闭左、右眼视图，US’807的系统必须不断地跟踪观察者相对于该显示设备的位置。

相反，本发明所涉及的显示设备种类，能够根据相对于单显示板的视角来观察图像的不同视图，而无须跟踪使用者位置。在下文，这些显示设备通常称作3D显示设备。

一类已知的3D显示设备是液晶显示器，其中实现了视差屏蔽方法。图1中表示了这种系统。

参照图1，视差屏蔽型显示设备100包括背板11，其提供了多个分立光源。如图所示，利用覆盖有不透明掩模或者屏蔽层13的面光源12(例如光致发光板)来构成该背板11，该不透明掩模或屏蔽层具有分布在其表面上的多个狭缝14a到14d。因此，每个狭缝14用作线光源。

液晶显示板(LCD)15包括多个像素(例如图1中的标记1到10)，根据已知技术，利用电信号可以对这些像素进行独立寻址，以便改变其各自的透光特性。背板11靠近LCD板15放置，使得表示为组16₁ 的线像素1到5对应于狭缝14a，表示为组16₂的像素6到10对应于狭缝14b，等等。

像素组16的每个像素对应于图像的多个可能视图(V_-2、V_-1、V₀、V₁、V₂)中的一个视图V，因此能够通过对应于该视图的像素1到5中的一个来观察各自的线光源14a。每个组16中的像素数量确定了所显示的图像的视图数量，在所示配置中为五个。视图数量越多，3D效果越逼真，并且提供更倾斜的视角。

在本说明书中，正在显示的“图像”是指利用显示板中的所有像素生成的整个图像，该图像由利用特定视角确定的多个“视图”构成。

这种现有技术的配置存在问题。LCD板中每个像素的透光系数主要取决于视角。因此，对于不同视图而言，观察到的光源14a的强度不同。例如，V₀不同于V₂。因此，对于不同视角而言，观察到的光源强度不同。

常规上，对于图像中的任意特定成分，感觉到的被观察光源强度是适当反映图像中的灰度级的重要函数。常规显示系统向显示板的每个像素提供驱动信号，从而改变其透光系数，使得对于该图像成分获得希望的灰度级。对于上述3D显示设备而言，如果以对应于该图像成分所需灰度级的相同电压驱动每个像素1-5，则所得到的灰度级图像为视角的函数。当观察图像的不同视图时，就产生了次优的图像和不希望的灰度级赝像。

发明内容

本发明的目的是为了克服或减轻用于显示三维图像的显示设备中不希望的灰度级和对比度赝像，在该显示设备中，根据视角显示图像的不同视图。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于显示三维图像的显示设备，从而根据视角显示不同视图，该显示设备包括：

显示板，具有用于显示所述图像的多个可独立寻址的像素，对这些像素分组，使得一组中的不同像素对应于不同视图；

延迟片，与显示板光学相关，该延迟片包括延迟像素，至少一个延迟像素与显示板中每个相应像素相关，其中

该延迟像素的光学参数按照与显示板中相应像素相关的视角的函 数来改变。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于在显示设备上显示三维图像的方法，包括以下步骤：

由显示板中的多个可独立寻址像素形成图像，对这些像素分组，使得一组中的不同像素对应于该图像的不同视图；

按照与每个像素相关的视角的函数改变由至少一些像素中的每个像素生成的图像。

利用本发明，可以获得对全部视角的可忽略灰度级反转以及良好对比度。

众所周知的是，LCD板的图像质量主要取决于视角。特别是对于倾斜视角而言，产生赝像，例如对比度和灰度级反转的损失。

在常规LCD板中，利用最小值(为了生成黑状态)与最大值(为了生成白状态)之间的电压驱动全部像素，或者反之亦然，从而在图像中产生不同的灰度级。这样，对于接近φ＝0的视角而言，产生了良好的结果，而对于倾斜视角而言，获得错误的灰度级，这将在下文中进行更详细的描述。

试图改善视角性能的已知方法试图同时改善对于所有视角的图像质量。这被认为是必须的，因为根据经验，不知道常规LCD显示器的使用者位置，因而也不知道观察每个像素时的视角。

然而，本发明人已经认识到3D显示器的情况不同，不同之处在于对于任意特定视图而言，使用者的角度位置是已知的，这是因为将该视图设计成在某个视角时生成的，而不是在与其它视图相关的其它视角时生成的。

因此，为了改善3D显示器中的视角性能，不必获知或者根据经验获知使用者的位置。重要的是必须独立地优化每个视图，即应当仅对于那些观察/设计特定视图时的视角来优化对比度和/或亮度，而不像常规情况那样，对于所有视角同时进行优化。

因此，利用本发明，通过例如一个像素接一个像素地改变延迟片中像素的光学参数，可以改善由该显示板中的每个相应像素生成的图像质量。

因此，利用本发明，可以分别并独立地改善每个视角的图像质量。

权利要求2到18和20中提出了本发明的优选和有利特征。

附图说明

现在参照附图，仅以举例的方式进一步描述本发明，在附图中：

图1表示了使用视差屏蔽方法显示三维图像的LCD设备的现有设计的示意横截面图；

图2表示了用于说明视差屏蔽LCD设备几何结构的示意横截面图；

图3表示了90°扭转向列LCD在视角为φ＝0°(即垂直于显示器表面)和φ＝50°时的透射率-电压曲线；

图4a和4b示意表示了在根据本发明第一方面的显示设备的延迟片内的指向分子(director molecule)的倾斜；

图5示意表示了根据本发明第一方面的显示设备的实施例，其中已经按照构成根据本发明第一方面的显示设备一部分的显示板中相应像素的视角的函数改变了延迟片中指向分子的倾斜角度；

图6表示了在两个视角时对比度和延迟片像素的倾斜角度之间的关系；

图7表示了包括均质延迟片的常规LCD显示器的视角特性的曲线。

具体实施方式

参照图1，已经描述了视差屏蔽型三维图像显示设备的基本功能。在本发明的优选实施例中可以使用类似结构的显示板15和背板11照明光源。然而，可以考虑使用其它结构，这将在下文中进行描述。

通常，本发明使用具有多个可独立寻址像素1...10的显示板15，其中对像素分组，使得组16₁和16₂中的不同像素1...5或者6...10分别对应于该图像的不同视图。该显示板15可以是任何适当的电光器件，其中可以根据电控信号改变每个像素的光学特性，从而生成图像。优选的是，该显示板是液晶显示器。

优选提供具有多个分立光源14a...14d的照明光源，使得定位每个像素组16，以从各个光源接收光。可以利用图1的面光源12和掩模13的配置提供这种照明光源，但是也可以利用提供作为像素线、单个像素或像素块的光源的像素化光源来提供这种照明光源。

图2中表示了显示板15中的一组像素的一部分。宽度为w的光源14在相对于显示板平面法线的各个视角φ₀、φ₁、...φ₇下对应于一组像素 0...7，并且能够通过该组像素观察该光源。可以理解，仅表示了像素组16的一半，另外七个像素位于像素0的左侧，从而构成了整个像素组16。

每个像素的宽度为p₀、p₁、...p₇。优选的是，宽度p₀、p₁、...p₇相等，但是它们可以改变，以便在一定程度上补偿通过这些像素的光的入射角。背板照明光源14和显示板15之间的距离表示为h。在优选的显示设备中，h＝2.3mm，p₀＝200μm，w＝50μm，然而这些值可以显著改变。

图3表示了90度扭转向列LCD形式的显示板15的透射率(T)-电压(V)的特性30。第一曲线31(实线)是视角φ＝0度的T-V特性(例如像素0)。第二曲线32(虚线)是视角φ＝50度的T-V特性(例如像素5)。注意，对于以φ＝0的视角观察的像素而言，透射率随着电压增大而单调降低(每个V值对应于某个灰度级)。然而，对于以φ＝50度的视角观察的像素而言，T-V曲线具有不同的形状。φ＝50度时，V与灰度级之间的映射完全不同，从而导致严重的图像畸变。

如上所述，为了改善3D显示器的视角性能，不是总需要获知使用者的位置。原因在于对于3D显示器而言，人们具有先验知识，即仅在视角φ＝φ_n的情况下观察生成视图n的像素，而不是在其它角度的情况下观察(在完全等于φ_n从而与其它视图不相关的意义上)。因此，重要的是每个视图分别应当尽可能的好。例如，如图2所示，应当仅对φ＝φ_n的情况优化视图n，而不是对于所有φ。

还可以使用已知的方法来改善3D显示器中的视角。然而，所有已知的设备和方法都是折中的方案，这是因为使用这些装置和方法，必须找到改善的程度与必须得到改善的尽可能大的视角范围之间的平衡。对于3D LCD而言，可以因为能够放宽这种要求而受益，从而使改善的可能性更大。

因此，利用本发明可以改善给定视图(视角为φ时)的对比度和亮度。这是通过按照与显示板中相应像素相关的视角的函数来改变延迟像素的光学参数而实现的。

优选的是，每个延迟像素与显示板中的单个像素相关。可选的是，每个延迟像素可以与显示板中的多个像素相关。在其它实施例中，多个延迟像素可以与显示板中的单个像素相关。

可以将延迟片放置在显示板之前或之后，并且可以使其与显示板间隔开，或者可以与显示板邻近。

可以改变多个不同的参数，以便改善给定视图的对比度和亮度。例如，可以按照与显示板中相应像素相关的视角的函数来改变延迟片的厚度。

可选的是，可以改变构成延迟像素的指向分子的取向。在这个方面，可以改变倾斜角、方位角或者张开和弯曲轮廓。

在其它实施例中，可以按照与显示板中相应像素相关的视角的函数来改变延迟像素的折射率。在这个方面，可以改变延迟像素的双折射率。

在一些实施例中，可以改变一个或多个延迟像素的不只一个光学参数。有利的是，改变所有延迟像素的同一个光学参数，但是在一些实施例中，可以改变每个延迟像素的不同光学参数。

延迟像素可以包括延迟片中的所有像素，可选的是，它们可以仅包括延迟片中的一部分像素。

现在参照4a、4b、5和6，详细描述本发明的实施例，其中按照与显示板中相应像素相关的视角的函数来改变延迟像素的指向分子的倾斜角。

参照图4 a和4b，表示了指向分子的不同倾斜角。在图4a中，表示了负？n材料构成的倾斜碟状(discotic)层41中的倾斜角40。

在图4b中，表示了两种可能的？n材料层42、44的组合。该层42、44具有交叉光轴46、48。层42是O板，即光轴46与图4a所示的光轴沿着相同方向倾斜，层44是具有平面光轴48的A板。图4a中表示了单独层41的延迟特性，并且组合层42、44是相似的(参见P.vande Witte等人的JPN.J.APPL.Phys.Vol.39，第101-108页(2000))。

现在参照图5，表示了本发明的实施例，其中按照显示板中相关像素的视角的函数来改变像素分子的倾斜角。该显示设备50包括液晶层52，该层可以是带图案的或者不带图案的。该液晶层包括多个像素54。该设备还包括延迟片56，其包括延迟像素58。该延迟片与液晶显示板52光学相关。在图5所示的实施例中，每个延迟像素58与显示板52中的相应像素54相关。按照与显示板52中的相应像素54相关的视角φ的函数来改变每个延迟像素58中的指向分子的倾斜角。图5示意表 示了像素，像素0、像素1、像素2等的每一个的视角φ。

如图5所示，因此可以一个像素接一个像素地改变延迟像素58中的指向分子的倾斜角，以便改进3D显示器50的图像质量。

选择延迟像素中分子的倾斜，使得在较小视角时，偏振态的改变更大。这意味着LC层和延迟片对于通过这些层的光的偏振态的组合作用更加相当于均质延迟片的常规情况。因此，图3所示的透射率-电压曲线目前对于不同视图/视角而言相似。这样的效果在于，减少了不同视角时的强度变化，由此改善了倾斜视角时的图像质量。

显示设备50还包括偏振片70、72。

应当理解，虚线矩形不表示显示设备50中的任何物理结构；绘制这些矩形仅仅为了直观。

图6表示了显示设备50的性能。

图6表示了具有带图案延迟片56的显示板52对于两个视图的对比度关系。实线60表示φ＝30度时的视图，虚线62表示φ＝60度时的视图。按照延迟片56的倾斜角的函数绘制了这两个视角时的对比度。

可以看出，例如如果对于所有像素将所有延迟像素58的指向分子的倾斜角设为40度，那么视角为30度和60度时的对比度分别为192和24。

利用本发明，可以一个像素接一个像素地改变延迟片的倾斜角。这表示例如可以将生成φ＝30度视图的像素的倾斜角设为30度。这就将φ＝30度时的对比度从192改善为273。此外，这不会影响构成显示板52一部分的任何其它像素54的对比度。

因此，利用本发明，可以改善显示板52中每个像素54中的每个像素的对比度，而不会影响其它像素中任意一个像素的对比度。

用于提供图6所示的结果的显示设备包括具有以下各层的光学叠层(从上至下)：

·偏振片，透射轴定向在90度(将水平轴定为0度)。

·270度放置的O板，其倾斜角变化了0到60度。O板的延迟为d？n＝+110nm。

·0度放置的A板。A板的延迟为d？n＝+110nm。

·液晶层：90度放置的底部衬底中的指向分子；0度(90度扭转)放置的顶部衬底中的指向分子。使两个衬底处的液晶层预倾斜2.5度。 液晶材料：ZLI-4792。液晶层的延迟是d？n＝475nm

·0度放置的偏振片。

将视角φ定义为水平视角(方位角总为0)。将对比度定义为白状态(用4.5V寻址的液晶)下的透射率除以黑状态下的透射率(驱动电压为1.5V)。

图7表示了按照O板倾斜角为30度时视角的函数的该液晶器件的对比度。

从图7中可以看出，具有均质延迟片的常规LCD显示器的图像质量主要取决于视角。曲线70表示了沿着水平轴的水平视角和沿着垂直轴的垂直视角。水平和垂直视角的范围为-60度到+60度。虚线圆72表示45度的偏振角。不同区域(以假彩色标度示出)表示了对比度值，虚线74表示了发生灰度级反转(gsi)的区域。在图7所示的主曲线之下，示意表示了常规液晶显示器中不同光学层的光轴的取向。

Claims (15)

1.一种用于显示由多个视图组成的图像以便在不同视角显示不同视图的显示设备(50)，该显示设备包括：

显示板(52)，具有用于显示所述图像的多个可独立寻址的像素(54)，对这些像素分组，使得每一组中的不同像素对应于该图像的不同视图，所述视角是相对于所述显示板的平面法线而被定义的；

延迟片(56)，与显示板光学相关，该延迟片包括延迟像素(58)，至少一个延迟像素与显示板中每个相应像素相关，其中

该延迟像素(58)的一个或者多个光学参数按照与显示板中相应像素(54)相关的视角的函数来改变，以优化观察特定视图时所处的视角的对比度和/或亮度。

2.根据权利要求1所述的显示设备(50)，其中每个延迟像素(58)与显示板中的一个或者多个相应像素(54)相关。

3.根据权利要求1所述的显示设备(50)，其中多个延迟像素(58)与显示板中的单个相应像素(54)相关。

4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的显示设备(50)，其中该延迟片(56)放置在显示板前。

5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的显示设备(50)，其中该延迟片(56)放置在显示板后。

6.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的显示设备(50)，其中该延迟片(56)的厚度按照与显示板中相应像素(54)相关的视角(φ)的函数来改变。

7.根据权利要求1所述的显示设备(50)，其中构成该延迟像素(58)的指向分子的取向按照与显示板中相应像素(54)相关的视角(φ)的函数来改变。

8.根据权利要求7所述的显示设备(50)，其中该延迟像素(58)的倾斜角(40)按照与显示板中相应像素(54)相关的视角(φ)的函数来改变。

9.根据权利要求7所述的显示设备(50)，其中该延迟像素(58)的方位角按照与显示板中相应像素(54)相关的视角(φ)的函数来改变。

10.根据权利要求7所述的显示设备(50)，其中该延迟像素(58)的张开和弯曲轮廓按照与显示板中相应像素(54)相关的视角(φ)的函数来改变。

11.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的显示设备(50)，其中该延迟像素(58)的折射率按照与显示板中相应像素(54)相关的视角(φ)的函数来改变。

12.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的显示设备(50)，其中一个或多个延迟像素(58)的不只一个光学参数改变。

13.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的显示设备(50)，其中每个延迟像素(58)的不同光学参数改变。

14.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的显示设备(50)，其中显示板是液晶显示板，所述液晶显示板的多个像素可以由电信号独立寻址，以便改变它们各自的光传输特性，并且所述显示设备还包括背板(11)，所述背板提供多个离散光源。

15.一种用于在权利要求1所述的显示设备(50)上显示由多个视图构成的图像的方法，所述方法包括以下步骤：

由显示板(52)中的多个可独立寻址像素(54)形成图像，对这些像素分组，使得一组中的不同像素对应于该图像的不同视图；

按照与每个像素相关的视角(φ)的函数来改变由至少一些像素中的每个像素生成的图像，其中，改变由至少一些像素中的每个像素生成的图像的步骤包括按照与显示板中相应像素(54)相关的视角的函数来改变延迟像素的光学参数，以优化观察特定视图时所处的视角的对比度和/或亮度。

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