TW200419522A - Autostereoscopic display - Google Patents

Description

200419522 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於自動立體鏡顯示裝置，包括一顯示陣列，其 包括數個可定址之像素，用以令像素定址於顯示陣列之構 件，及一分割螢幕，其位於顯示陣列前方。 【先前技術】 專利案號 首段描繪的自動立體鏡顯示裝置類型可由美國 US6,275,254知悉。 基本上，三維顯示可藉由在顯示器中使用立體對（觀看者 雙眼前有二不同影像)，全像圖，或多平面而產生。使用多 平面技術，則可架構容積效果的影像，其中2d像素會以所 謂之3d容積的體素取代。大部份多平面顯示器的缺點在 於’體素製造光線，但無法阻擋光線。因此會產生透明的 物件’因而顯示的影像會產生極似幽靈且不好看的影像。 立體鏡顯示器不會有這樣的問題。有數個方式可製造立 體影像。可以在2D顯示器上以時間多工方式處理影像，但 ^要觀看者載上（例）具有LCD遮光器的眼鏡。當立體影像同 員7F % ’可使用頭載顯示器或使用極化眼鏡（因此可以垂 直極化光製造影像）令影像傳送至適當的眼睛1察者所載 的眼鏡可有效地令㈣傳達至各眼睛。眼鏡之戟器或極 化器可與訊框速率同步以控制圖片的傳達。為了防止閃 爍’關於二維等效影像，訊框速率必須加倍或解晰度必須 減半。此樣的缺點，㈣統之二影像只能製造有限的視野。 再者’必須配載眼鏡以製造任何效果。對不熟悉配載眼鏡

O:\91\91284.DOC -6- 200419522 的觀察者是彳艮不舒服的， 潛在問題，因為另外一副 及對已配載眼鏡的觀察者亦有 的眼鏡不見得剛好。 像取代靠近觀看者的眼睛 雖然此樣的混旨+哭、3 & 疋自動立體鏡的，但不須 來觀看3D影像，通當口料少^貝特別的眼鏡 通吊，、對在固定之適當位置的單一觀看者 能產生效果。視野报狹窄。在視野以外，觀看者會看到多 個影像，或立體倒像，因而產生不好看的影像。實際上， f即代表在許多的應用中，例如在客廳，視野太小以致於 觀看者必财在特定點才可相扣的影像。會影響多重影 像的解晰度會因此而影響成本。 由吴國專利案（案號US6,275,254)習知的裝置可提供解決 狹乍視野問題的解決方式’其藉由使用平面陰極射線管類 里的,、、1不為’其具有含像素的行，及以特別的磁鐵用以掃 去甩子束至對應像素的不同部份，及具有雙凸透鏡螢幕， 其具有複數個圓柱狀透鏡，各個對應至不同行的像素。以 此方式，可產生多重顯示的自動立體鏡顯示器。 雖然可以US6,275,254所述方式獲得具有相對高解晰度 之多重顯示的自動立體鏡器，仍需要高度特化的平面陰極 射線管。平面陰極射線管，即使不使用特別的偏折韌化機 構’其為美國專利案（案號US6,275,254)中所述的必要顯示 裝置，雖此樣裝置常在前案中描述，仍無法成功。

O:\91\91284.DOC 200419522 【發明内容】 =此’本發明的目❹卩在提供對習 為此目的，根據本發明的裝置置的另-4擇。 用以提供平行光的 」政為，顯示裝置包括 幕而發射，及因A、猎由顯不陣列之像素經分割螢 本…括Γ 分割勞幕是動態分割的營幕，及因為 線：出：角：控制動態分割螢幕的構件，其用以控制光 輸。 陣狀料所發“时割勞幕傳 在本發明之概念中， ^ ^ 十先思扣，以相對窄之角度所界 疋的光線，典型上小於10度 ?择+丄 孕乂仫小於5度，及更佳小於約 2度。在、本發明之架構中， 卞仃w扣千仃至少一方向，掃描 方向’不一定是二方向，即， ,^ +疋在垂直知描方向的方 向。貝際上，ϋ常意指在水平方向(左_右)的平行，反之， 垂直方向（上-下）的平行較少甚至無此方式。 藉由使用進入分割螢幕的平行光，進入分割螢幕之光線 的光線路徑實質上是固定的，特別是固定為面對 的方向及/或位置。分割螢幕是動態的，即，具有光學元件， 其光學性質可以一方式控制，即可藉由可控制改變由顯示 陣列之像素經分割螢幕傳輸所發射之光線的出射角度，光 線路徑的出射角度可控制及以出射角度之範圍掃描。以此 方式，多重顯示，即，可用於多於一人的寬視野，可獲得 立體鏡顯示裝置。這是與習知多重顯示自動立體鏡裝置基 本不同之處，因為在此裝置中，對多重顯示的各視野，可 分配不同像素或部份像素。 O:\91\91284.DOC -8 - 200419522 令光線平行是個相對簡單的操作，為熟習此技藝者所習 知，可應用於不完全熟習的未成功之矩陣顯示裝置，即， 不須詳細說明顯示裝置。吾人可使用顯示陣列，其本身發 射平行光（例，基於至少一透鏡的顯示陣列），或吾人可使用 矩陣（如，LCD或OLED顯示陣列），其一般提供發射非平行 或擴政光的像素矩陣’在分割螢幕前之光線路徑的位置 中私準儀（例，非〉圼耳透鏡或具有孔洞的平板）會令光線平 行。此樣的瞄準儀可置於持續光源（例，LCd矩陣顯示器的 背光）與可切換空間光調節器（例，LCD顯示裝置的lcd陣列） 之間，或置於可切換光調節器後。使用PLED或〇led顯示 陣列（此裝置之像素以寬範圍之角度發射光線），瞄準儀可置 於分割螢幕與PLED或OLED陣列之間。瞄準儀可以是（例） 含透鏡的陣列，菲涅耳透鏡，或濾波器，其只以某個狹窄 角度範圍傳輸光線。另一選擇是（例）多層界面濾波器，其置 於光源與分割螢幕之間，只以狹窄向前度範圍傳輸光線， 而反射此範圍之外的光線。 可掃描分割螢幕可掃描影像，及接著以一範圍的出射角 度顯示顯像。具有掃描之顯示陣列上的顯示影像以時序使 用令顯示螢幕之像素定址的構件，可達成多重顯示的自動 立體鏡顯示。 在實施例的第一類型中，分割螢幕是雙凸透鏡螢幕，其 具有複數個雙凸鏡，關於顯示陣列之像素（像素之平行光進 入偏置的透鏡）而設置，及透鏡的焦點可控制。因為平行光 進入偏置的透鏡，出射光會以偏角通過透鏡。偏角取決於

O:\91\91284.DOC -9 - 200419522 透鏡的焦點。藉由改變透鏡的焦點，偏角（及從而出射角） 可控制。因此會令像素製造的光線以出射角範圍外掠過。 在本發明之實施例中，分割螢幕包括可濕性液態透鏡， 具有液態透鏡陣列及電極及用以提供電極間之電壓差的構 件，藉以可濕性液態透鏡的形狀是電極間之電壓差的函 數。可濕性透鏡形狀的改變會影響出射角度。 透鏡形狀會藉由改變電極間之電壓差而改變。會產生大 幅度的掠過（約t30。至土50。）。值得注意的，前案US5,7n，453 描述在自動立體鏡裝置中之變動可濕性透鏡的使用（或在 中稱為變動焦聚液態透鏡）。然而，在此習知裝 置中，變動透鏡與各點或像素相關，及控制來自各像素= 光束以在對應至像素所欲之3D深度的預設角度到達眼睛。 觀看者會位於相同點（即，出射角不改變），然焦聚會改變而 產生深度感。在本發明中’光線的偏置進入會導致出射角 的改變，即，光線會掠過視野。 4 k擇地，變動透鏡可以是第一材料製造 ::里或包圍的固態透鏡，，藉以第-及/或第二材料的折射 身 =取決於施加至第一或第二材料的電壓。藉由改變折 0不=㈣透鏡的焦點。關於先前描述之實施例，這 疋季乂不佳的貫施例，因為隹 、 低掠角。 ’’、、一έ曰產生相對小的改變，而降 莖七 <衣直的弟二類型較佳實施例中，分 ΐ厂包括複數個可變稜鏡，及與變動稜鏡相關的，用以 ㈣的電極與用以改變平行光(入射至可變之棱鏡):

O:\91\91284.DOC -10 200419522 角的電極不同。 本發明概念中’可變的稜鏡意指，在面對像素陣列側上 進入棱鏡之光束的偏角是動態變化的。本實施例是較佳 的’因為具有略大的掠角（與可濕性透鏡比較”及因為偏置 進入的限制除去了’而允許設計上及精確度上的更大自由 度。再者’平行光的限制對可變稜鏡會少於可變透鏡（即， 可允許入射角有略大的變動）。 在本發明實施例中，會藉由不同的濕稜鏡形成可變的稜 鏡。 在不同濕稜鏡中，電壓差的應用會導致稜鏡角度的改 變，而改變出射角。 在本發明實施例中，可變的稜鏡會藉由第一材料製成的 固體稜鏡且藉由第二材料嵌埋或包圍而形成，藉以第一及/ 或第二材料的折射係數會取決於施加至第一或第二材料的 電壓。藉由改變折射係數，可改變出射角。 本發明種種觀點可由參照下文所述之實施例而更加明 白。 【實施方式】 圖1繪示雙凸透鏡螢幕3的基本原理，其分割二立體影像5 及6。二立體影像的垂直線會分別交替以背光1顯示在（例） 空間光調節裔2 (例，LCD)上。背光與空間光調節器一起形 成一像素陣列。雙凸透鏡螢幕3的透鏡結構可令立體影像傳 達至觀看者適宜的眼睛。 圖2繪示視差格栅的基本原理，其分割二立體影像。二 O:\91\91284.DOC -11 - 200419522 體影像的垂直線會交替以背光顯示在（例）空間光調節器 (例’ LCD)上。視差格栅7的光柵結構可確保觀看者4的各眼 皆可見到適宜的立體影像，6)。 圖3A及3B繪示前案US6,275,254中所示的相同原理。 在習知格栅自動立體鏡顯示系統中，格柵3 1會置於顯示 陣列3 2別方。立體影像對的左及右影像會切為垂直條狀。 條狀的左影像32L及條狀的右影像32R會交替置於陣列32 上。溝槽31A會形成在格柵31中。溝槽31人的放置可使觀看 者的左眼4L只看到條狀的左影像32L及右眼4r只看到條狀 的右影像32R。觀看者會再構成三維的全像。 參照圖3B，格柵31會以雙凸透鏡螢幕33取代，透鏡33具 有含垂直圓柱狀透鏡33A之陣列，各個對應至不同對的左及 右影像條32L及32R。操作時，各透鏡可引導觀看者的左眼 4L看到左影像條32L及觀看者的右眼4&看到右影像條。 圖4繪示基本立體鏡裝置的問題。位於右視野的觀看者會 困惑。視野很窄。在視野外，觀看者可見到多個影像或立 體倒像，而產生極不舒服的晝面。實際上，亦代表在許多 應用中，例如在客廳中，視野太小以致於觀看者必須位在 特定點才可看到什麼。對客廳的制而言，因為只有一個 觀看者可看到3D影像且只能坐在同—點上，故離理想還很 遠。 如前案US6,275,254的圖6所示，較一垂直行的顯示元件 而言，使用雙凸透鏡螢幕的各透鏡的可能性較大。以此方 式’多重影像顯示器是可行的。在圖5中示意性表示之。對 O:\91\91284.DOC -12- 200419522 各透鏡33A而言 的0 ，數個像素（32C，32D，33E，32F)是相關 ”對視差格栅而言，可藉由經相同格栅裂觀看空間光調節 口0的夕（行）像素而達成多影像顯示，如圖6所！會示。雖然可 订’然應注意，關於像素數目的狹縫數在圖4中會大幅減 少，或反之亦然，每狹縫的像素數目會大幅增加。區域61 中的像素會與狹縫62相關，因而每狹缝的像素數目很多。 然而’在兩個結果中，指向性圖像數會隨著解晰度成本 而曰力口為大里的像素行與各透鏡或各格柵狹缝相關。 為了達到比传上圖4所示之裝置中對觀看者足夠之解晰度 的解晰度’透鏡及狹缝應該相對較小，及因此意指(例)對顯 示器的次毫米解晰度而言’像素必須小於1〇微米(假設1〇〇 個定向圖像）。除了雙凸透鏡及視差格柵同樣出現的解晰度 劣化之外，通過視差格柵的光線傳輸亦會大幅降低，因為 秸栅垂直線/、有約百之一是透明的。(大於螢幕的光線 阻擋會造成極端低效能的顯示器。 為了增加解晰度，在前案仍6,275,254揭露的裝置使用一 種特化的平面CRT裝置’其中，特別磁電子束的使用會掠 過像素。因為CRT的點大小會相對較小，而仍會產生相對 大的光線輸出，故解晰度可維持合理值及合理的光線輪 出。因此’基本問題（即’極小像素大小的需求及光線輸出 的問題）未在前案US6,275,254中解決，只選擇了產生極小極 亮之點的構件。然而，如上述，需要極其特化但仍纟成功（即 使無特別的磁鐵，其為US6,275,254中所揭露的裝置所必 O:\91\91284.DOC -13 - 200419522 須）。的平面CRT類型。 4伤解決方式為使用動恕視差格拇，即，狹縫的開口移 動的格柵。此樣的自動立體鏡裝置揭露在歐洲專利公開案 (案號EP 〇 833 183 A1)，例，在該專利中請案的圖36中。在 動悲障蔽層（其可以LCD遮光器陣列所架構）中，至少一傳輪 線不會如圖6般固定，但會沿著視差格柵掃描（例，由左至 右或反之亦然）。對動態視差格栅之傳輸線的各位置而言， 不同圖像會顯示在動態視差格柵後方的空間光調節器上。 允許了解晰度的增加，因為與圖6所示之裝置相反的，像素 不會與單-狹縫相關。然而，缺點是空間光調節器的訊框 速率會隨著解晰度增加而以相同係數增加（例如，係數為 100)。高的訊框速率會限制用以製造影像的可能志願材 料，及產生問題。除了使用高的訊框速率的必要性之外， 亦需要大量的光線輸出，因為前案ΕΡ0 833 183的動態視差 格柵如同靜態視差格柵般無效。 口此此問題仍然為，良好的3D顯示器是自動立體鏡的， 不需要任何玻替仍具有良好的光線輸出。 再者車乂 U有％顧能力以防止聚焦在眼睛及頭痛的問 題此樣能力較佳為顯示器原來固有的，而不須額外用以 追椒觀看者之頭部的構件。 σ Τ私祝而吕，顯不斋亦必須且 有多觀看者能力。最後，3 的 ^ 曼3D顯不裔亦應可與2〇顯示器相 =原則上，上述具有多觀看者能力的自動立體鏡顯示哭 錯由雙凸透螢幕或視差袼柵的方式势成，㈣大卜隊 解晰度。 力式1成，但須大幅降低

O:\91\91284.DOC -14- 200419522 :匕目的，根據本發明的裝置之特徵為顯示裝置包括用 以提供平行光線的構件，平行光由顯示陣列通過分割螢幕 而么射，及因為分割螢幕是動態分割榮幕，及因為本裝置 包括用以控制動態分割螢幕之構件，其用以控制由顯示陣 列之料經分割螢幕傳輸所發射的光線之出射角。 & 提（、種供述擇的路徑以解決問題。分割螢幕是 動態的，及作用如同變動的反射鏡以反射光線，及藉以變 動先線由像素發射的出射角。因&，像素的光線會掠過數 個視野，及維持其解晰度。 /7A及彻會示可變的光學元件，如透鏡及稜鏡。基本概 可變的透鏡’鏡子，或稜鏡可藉由二物質（如，不相 融合^具不同反射係數的液體）的界面而形成。此界面的形 狀可藉由電潤濕而改變，即，藉由靜電電位而變動單元邊 界之界面接觸角。電潤濕透鏡及電潤濕反射鏡的配置如圖 7A及7B，其中圖7A顯示可變的電潤濕透鏡^。聚焦強度取 決於油與水（73 ’ 74)間之凹凸面的曲率，其可經該側之水與 (絕緣）電極間之電壓差而改變。偏置進入的平行光束（即， 角度具有相對較小的變動）會偏向，取決於曲率，顯示二情 況，一（實線）為其中光束會反射至右邊（視野A)及一為其中 光束會反射至左邊（視野B)。因此，來自一像素的平行光束 可以一角度範圍反射（以箭頭A與B間之曲線表示）。圖78 中，示意性顯示可變的電潤濕稜鏡。反射角可藉由在單一 二側處經電壓V1&V2改變凹凸面的傾向而改變，顯示二产 況’一（實線）為其中光束會反射至右邊（視野A)及—為其$ OA9W91284.DOC -15- 200419522 光束反射至左邊（視野B)。因此，來自—

冢素的平行井击I 以一角度範圍反射（以箭頭A與箭頭B間之曲線表示 曰 ^此彳獲付具有動怨雙凸透鏡螢幕的高解晰度多觀看 動立體鏡顯示器，其中雙凸透鏡螢幕的（靜態）圓柱狀透 鏡可以可變透鏡取代，較佳的，《具有可變㈣㈣2 圓：狀透鏡取代。反射角可藉由改變透鏡強度而改變。圖： 不意性繪示範例方式。示範裝置包括一平行背光卜 光調節器2，一動離譬凸诱倍1H 廿 助心又凸透鏡3dyn，其包括動態透鏡71。 壓改變的改變，如圖7A示意性纷示般，光束的出射角p :嶋線會以寬範圍的角度掃描。本方法的缺點是光調 即裔之訊框速率的增加：對各動態定址的視角而言，不同 的2D影像必須顯示在調節器上。可藉由交換時間解晰度與 …2解晰度而|現最佳效果：例，每—可變透鏡具有個 凋即态像素，各個滿足每一訊框時間1〇個分離視角，以獲 得每顯示像素具有具有100個視角。 又 圖7B示意性表示的另一選擇為，取代可變透鏡（曲線凹凸） 而使用可變的，較佳是電潤濕的反射鏡（平坦界面）。大至 1〇〇的反射角會折射，及大至125。的反射亦會折射。具有動 射鏡的衣置繪示在圖9。在此狀況中，光束（藉由平行 月光1及空間光調節器2所形成）會藉由改變稜鏡72之傾向 而知^田出射角α ’稜鏡72藉由改變液體界面的傾向而以動 悲'棱鏡陣列91形成。相同的考量為慮及調節器訊框速率及 解晰度·數個像素會聚集為一，各個掃描視線方向的區段。 以此方-V ，-Τ 、 工 】以訊框速率與反射角的降低改變解晰度。

O:\91\91284.DOC -16- 200419522 」矛夂鏡解决方法較佳為動態透鏡解決方法，因為光束 的’、P“立置在動態透鏡中較動態稜鏡中會更加限制，其中 光束义須限制透鏡偏置，其中光束可使用全部或至少部份 的棱鏡。 視差格柵的使用可造成良好空間解晰度與良好的角度解 晰度然而如上述，代價為高調節器訊框速率及低 可藉由使用平行背光與動態光束反射器91與動=拇 101而令低效能大幅增加，如圖10所繪示。在此顯示器中， 所有來自调節器的光線會瞒準一線’其處於傳輪狀態。因 :’在格柵處耗費較少的光線。例如，當此樣的背光的品 負:及反射鏡系統製造具有5。發散的光束，及視差格柵選擇 1。以内的觀看方向，則約20%螢幕的光線會傳輸，取代少於 1%®幕，而以約20的係數增加光線輸出。袼柵是動態的， 即，只有部份有用的格柵是打開的（例，可以LCDs成”當 然，亦在實施例中，數個折衷辦法可用在空間解晰度（格柵 線的寬度），角度解晰度（每格栅線的調節器線數目），調節 器訊框速率，與光線效能之間。圖10所示的裝置使用動態 視差格柵，其在其本身中是習知的。然而，動態光束反射 鏡91與動態視差格柵的結合使用令光線輸出的可能性大幅 增加（至少數倍以上），及打開之前無法達到的新可能性。動 態光束反射器91及動態視差格柵101可藉由玻璃板分離，及 較佳貼附至該玻璃板的相反側上。玻璃板的使用具有提供 堅固架構的優點，及允許動態光束反射鏡與動態視差格拇 間之距離的降低，而降低了裝置的深度。 O:\91\91284.DOC -17- 200419522 簡而言之，本發明所描述曲下（參照圖8). 2自動立體鏡螢幕裝置，包㈣以提供平行光（Η) =二-動態光束反射鏡(3dyn)。藉由動態光束反射鏡 由顯示陣列之像素經分割榮幕傳輸而發射的 先線出射角可藉㈣態光束反射鏡（3dyn)而控制。 在本發明的概念内，吾人可了解許多變異是可行的。例 口，透鏡或稜鏡是變動焦點的，或經機械方式定向。例如， 可撓式聚合或合成橡膠的透鏡可I縮或放鬆，以便改變立 形狀，及藉以改變偏置入射光的出射角。可選擇地，如同 人類的眼睛般，彈性外超Φ的 . 縮或放鬆。 卜-中的液-透鏡或棱鏡可機罐 【圖式簡單說明】 圖1繪示雙凸透鏡螢幕分割二立體影像的基本原理。 圖2繪示視差格柵分割二立體影像的基本原理。 圖3A及則會示前案職275,254中所示的相同原理。 圖4繪示基本視差格栅顯示器所遭遇的問題。 圖5及6繪示習知的多重顯示裝置。 圖7A及7B繪示動態透鏡及稜鏡。 圖8繪不根據本發明具有動態透鏡的裝置。 圖9繪示根據本發明具有動態稜鏡的裝置。 圖1〇繪示根據本發明具有動態棱鏡及動態障蔽厣 裝置。 圖式未以比例繪示。一般，圖式中的個別零件會標示以 相同參考號碼。

O:\91\91284.DOC -18- 200419522 【圖式代表符號說明】 1 背光 2 空間光調節器 3 雙凸透鏡螢幕 4 觀看者 5，6 立體影像 7 視差格栅 31 格栅 32 顯示陣列 33 雙凸透鏡螢幕 61 區域 62 狹缝 71 電潤濕透鏡 72 稜鏡 91 動態稜鏡陣列 101 動態視差栅 O:\91\91284.DOC -19-

Claims (1)

1. 200419522 拾、申請專利範圚·· 一種自動立體鏡顯示裝置，包括：-顯示陣列，其包括 數個可^址像素，用以定址顯示陣列中之像素及分割顯 口車列別方之螢幕之構件，其特徵為顯示裝置包括用以 提供平行光（1，取構件，其藉_轉狀像素通過 分割榮幕而發射，及因為分割螢幕為動態分割螢幕 (·) ’及因為裝置包括用以控制動態分割螢幕之構 件’其用以控制藉由顯示陣列之像素經分割螢幕（3㈣ 傳輸而發射之光線出射角（α)。 2. 士申：專利靶圍第!項之自動立體鏡顯示裝置，其特徵 為分割螢幕為_雙凸透鏡螢幕，其具有複數個圓柱狀透 鏡’其關㈣示陣列之像素而設置，像素之平行光線入 射偏置之透鏡，及透鏡之焦點可控制。 3.如申晴專利範圍第2項之自動立體鏡顯示裝置，其特徵 為分割螢幕包括可濕性液態透鏡㈤，具有液態透鏡陣 ，及電極及提供電極間之電壓差之構件，藉以可濕性液 心透鏡之开;^狀為電極間之電壓差之函數。 (如申請專利範圍第2項之自動立體鏡顯示裝置，其特徵 為可變透鏡為一第一材料所製成之固體透鏡，其以一第 二材料所嵌埋或包圍，藉以第一及/或第二材料之折射係 數會取決於施加至第一或第二材料之電壓。 ” 5·如申請專利範圍第i項之自動立體鏡顯示裝置，其特徵 為分割螢幕包括複數個可變稜鏡（72)及，與可變棱鏡相 關之電極’用以施加電壓差以令人射至可變稜鏡上之平 O:\91\91284.DOC 200419522 行光之出射角改變。 6·如申請專利範圍第5項之自動立體鏡顯示裝置，其特徵 為可變稜鏡可藉由可變濕稜鏡（72)形成。 7·如申請專利範圍第5項之自動立體鏡顯示裝置，其特徵 為可、交稜鏡可藉由一第一材料所製成之固體稜鏡所形 成，且藉由一第二材料嵌埋或包圍，藉以第一及/或第二 材料之折射係數取決於施加至第一或第二材料之電壓。 8·如申請專利範圍第丨項之自動立體鏡顯示裝置，^特徵 為顯示裝置包括一動態視差格柵_)，其位於動態分判 螢幕（91)前方。 u 口 O:\91\91284.DOC -2 -