TW201330594A - 用以減輕自動立體顯示中之波紋效應的稜鏡陣列 - Google Patents

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Abstract

自動立體顯示裝置包括像素化像源及光學元件。像素化像源沿像素平面定位且該像素化像源包括像素之集合及暗區域，該等暗區域實質上填充像素化像源之剩餘部分。像素佈置在像素陣列中，該像素陣列具有像素工作因數，該像素工作因數界定為超過沿像素平面之像素間距的像素大小且具有1/N之值。光學元件定位於像素平面與觀測者平面之間且該光學元件經配置以在觀測者平面上形成像素投影之投影陣列。投影陣列具有投影工作因數，該投影工作因數界定為超過沿觀測者平面之像素投影間距的像素投影大小。投影工作因數實質上等於1，以使得像素投影中之兩個相鄰像素投影在觀測者平面上彼此束縛。

Description

用以減輕自動立體顯示中之波紋效應的稜鏡陣列 【相關申請案之交叉引用】
本申請案根據專利法主張2011年11月23日申請之美國臨時申請案第61/563222號之優先權利，本申請案依賴於該案之內容且該案之內容全文以引用之方式併入本文中。
本揭示案係關於自動立體顯示裝置，且更詳言之，係關於用於減少發生在自動立體顯示裝置中的視覺缺陷的設備及方法。
在觀看者未使用特別帽子或眼鏡之情況下，自動立體顯示裝置創建三維(3-D)印象。儘管存在用於致能自動立體顯示裝置的各種方法，但該等方法通常遺留下由觀看者經歷的一些視覺缺陷且可使觀看者難以在延長時段自所有觀看角度等看見具有清晰度之令人滿意品質之3-D圖像。因此，存在改良存在於用於自動立體顯示裝置的現有技術中的缺點的需要。
在一個示例性態樣中，自動立體顯示裝置包括像素化像源及光學元件。像素化像源沿像素平面定位且該像素化像源包括像素之集合及暗區域，該等暗區域實質上填 充像素化像源的剩餘部分。像素佈置在像素陣列中，該像素陣列具有像素工作因數，該像素工作因數界定為超過沿像素平面之像素間距的像素大小且具有1/N之值。光學元件定位於像素平面與觀測者平面之間且該光學元件經配置以在觀測者平面上形成像素投影之投影陣列。投影陣列具有投影工作因數，該投影工作因數界定為超過沿觀測者平面之像素投影間距的像素投影大小。投影工作因數實質上等於1，以使得兩個相鄰像素投影在觀測者平面上彼此束縛。
在態樣之實例中，光學元件包括第一光學層及第二光學層。第一光學層包括圓柱形透鏡之整合列。
在態樣之又另一實例中，像素工作因數實質上等於1/2。在無第二光學層之情況下，第一光學層經配置以形成像素投影之第一投影陣列，且第一投影陣列之投影工作因數實質上等於1/2。
在態樣之又另一實例中，第二光學層包括相同稜鏡之整合列。
在態樣之又另一實例中，稜鏡中之每一者包括兩個對稱半部。
在態樣之又另一實例中，第一光學層與第二光學層經配置以聯合形成第二投影陣列，在該第二投影陣列中，像素投影中之每一者包括具有中心之第一投影組件及具有中心之第二投影組件。第一投影組件與第二投影組件中之每一者在長度上等於第一投影陣列中之像素投影大 小且該第一投影組件之中心與該第二投影組件之中心彼此偏離一距離，該距離等於第一投影陣列中之像素投影大小。
在態樣之又另一實例中，對稱半部中之每一者形成稜鏡角θ，該稜鏡角θ由等式θ=W/((n-1)* D)決定。W為第一投影陣列中之像素投影大小；n為第二光學層之折射率，且D為視距。
在態樣之又另一實例中，像素大小實質上等於沿透鏡平面之圓柱形透鏡中之一個圓柱形透鏡的長度除以一自然數。
在態樣之又另一實例中，自動立體顯示裝置進一步包括第三光學層，該第三光學層定位於像素化像源與觀測者平面之間。第三光學層與第二光學層接觸且該第三光學層具有與第二光學層之折射率類似之折射率。
在態樣之又另一實例中，第一光學層及第二光學層經整合為單一件。
在態樣之又另一實例中，第二光學層定位為比第一光學層更接近觀測者平面。
在態樣之又另一實例中，第一光學層定位為比第二光學層更接近觀測者平面。
在態樣之又另一實例中，第一光學層模塑於第二光學層之上。
在態樣之又另一實例中，暗區域經配置以係反射的。
在態樣之又另一實例中，光學元件包括光學單元之整 合列。每一光學單元具有對稱半部。對稱半部中之每一者以圓柱形透鏡之局部截面成形，以使得圓柱形透鏡之光軸間隔預定間距dy。
在態樣之又另一實例中，預定間距dy由等式dy=F * W/D決定。F為處於非分段狀態下之圓柱形透鏡之焦距；W為藉由處於非分段狀態中之圓柱形透鏡形成於觀測者平面上之像素投影之大小，且D為視距。
在另一示例性態樣中，一種操作自動立體顯示裝置之方法，該自動立體顯示裝置包括像素化像源，該像素化像源沿像素平面定位且該像素化像源包括像素之集合及暗區域，該等暗區域實質上填充像素化像源之剩餘部分。像素佈置在具有像素工作因數之陣列中，該像素工作因數界定為超過沿像素平面之像素間距的像素大小且具有1/N之值。方法包括以下步驟：提供包括一列圓柱形透鏡之第一光學層，該第一光學層經配置以獨自在觀測者平面上形成像素投影之投影陣列，投影陣列具有投影工作因數，該投影工作因數界定為超過沿觀測者平面之像素投影間距的像素投影大小且具有1/N之值；及提供在像素平面與觀測者平面之間的第二光學層，第二光學層經配置以結合第一光學層調整投影工作因數以使得該該投影工作因數實質上等於1。
在態樣之一個實例中，第二光學層經配置以折射光。
現將在下文參閱附隨圖式來更全面地描述實例，示例性實施例圖示於該等附隨圖式中。在任何可能之處，相同元件符號將在全部圖式中使用以指代相同或類似部分。然而，可以許多不同形式體現態樣且該等態樣不應解釋為受限於本文所闡述之實施例。
現參閱第1A圖，示意性地圖示習知自動立體顯示裝置10內之某些組件之頂視圖。習知自動立體顯示裝置10可包括：螢幕，諸如玻璃罩(未圖示)；像素化像源12，該像素化像源12沿像素平面12a定位；一列圓柱形透鏡14，該列圓柱形透鏡14由沿光學平面14a之箭頭指示；及沿觀測者平面16a形成之像素投影16之集合，在該觀測者平面16a處定位觀測者之眼睛且該觀測者平面16a位於自光學平面14a之預定視距D處。儘管自動立體顯示裝置10經配置以使得觀測者可能在視距D處經歷最佳3-D印象，但在其它視距處仍可經歷3-D印象。
第5A圖及第5B圖圖示第1A圖之像素化像源12之兩個示例性實施例之示意性前視圖。像素化像源12可具有背景，該背景形狀可為矩形且可為液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(OLED)等之部分。像素化像源12可包括具有紅色R、綠色G及藍色B之像素18之陣列，其中背景之剩餘部分形成暗區域20，諸如係歸因於黑色外表面。雖然在背景內可能存在不由像素18或暗區域20填充之其它區域，但不同於像素18之陣列，背景之部分實質上係由暗區域20填充。暗區域20可包括反射 外表面。由像素佔有之面積與由暗區域佔有之面積之比率可能根據實施例變化且可為(例如)1：1(第5A圖)或1：2(第5B圖)。在此實施例中，像素18為矩形，儘管此形狀可能在像素化像源12之其它實施例中變化。
像素18佈置在類似於矩陣之行與列之像素陣列22中。像素18之佈置可以像素工作因數表達，該像素工作因素界定為超過沿像素平面之像素間距之像素大小。當如第1A圖及第1B圖中所示自上觀看時，像素大小為像素18沿像素平面12a延伸之長度，而像素間距為沿像素平面12a之兩個相鄰像素18之中心之間的距離。因此，第5A圖中之像素工作因數為1/2係因為像素大小為Wo且像素間距為2Wo，而第5B圖中之工作因數為1/3係因為像素大小為Wo且像素間距為3Wo。因此，表達像素工作因數之一種方式為1/N，其中N可為正數或自然數。
在第1A圖中，圓柱形透鏡14定位在自像素化像源12之距離處且像素投影16形成在觀測者平面16a上，該觀測者平面16a位於自圓柱形透鏡14之預定距離D處。來源於相鄰像素18之光線24穿過給定圓柱形透鏡14且在觀測者平面16a上形成相鄰像素投影16。類似於像素化像源12之像素18，像素投影16佈置在觀測者平面16a上亦可以投影工作因數表達，該投影工作因數界定為超過像素投影間距之像素投影大小。就第1A圖中之像素化像源12而言，由習知圓柱形透鏡14創建之像素投影16形成具有1/2之投影工作因數之像素投影16的 第一投影陣列26，以使得各自具有沿觀測者平面16a之長度W之兩個相鄰像素投影16之中心分隔2W。
在第1A圖之第一投影陣列26中，取決於觀看者之位置與像素投影之大小W，觀看者之眼睛可定位於間隙28中，該等間隙28中形成於像素投影16之間，且在該等間隙28處，觀看者將經歷螢幕之暗化。本揭示案描述可降低由觀看者經歷之暗化效應之若干方式。
第1B圖圖示用於避免上述暗化效應之自動立體顯示裝置100之示例性實施例。除了使用光學元件110代替習知圓柱形透鏡14外，配置類似於第1A圖，其中像素化像源112、像素118在像素平面112a上且像素投影116在觀測者平面116a上。光學元件110可沿像素平面112a與觀測者平面116a之間的光學平面114a延伸且該光學元件110可包括將在下文更詳細描述之第一光學層110a及第二光學層110b。雖然亦可意欲其它配置(例如，平行障壁顯示、立體顯示、電子全息顯示、光域顯示)，但第一光學層110a主要負責用於創建3-D印象且該第一光學層110a可為圓柱形透鏡114之整合列。穿過第一光學層110a及第二光學層110b之光線124經彎曲以使得像素投影116之第二投影陣列126形成於觀測者平面116a之上。與本將單獨地藉由圓柱形透鏡14形成之原始像素投影16相反，每一像素投影116包括具有沿觀測者平面116a之長度W之兩個投影組件117(亦即，第一投影組件117a及第二投影組件117b)。此外，第一投影組件117a 及第二投影組件117b在沿觀測者平面116a之相反方向上變為與原始像素投影16之中心偏離W/2之距離。由於此情況亦針對光線124發生，該等光線124來源於相鄰像素118且經受第一光學層110a與第二光學層110b之相同組合，故存在於第1A圖之配置中之像素投影16之間的間隙28實質上由投影組件117填充且相鄰像素投影116沿觀測者平面116a周邊地彼此束縛。
在第1B圖之第二投影陣列126中，投影工作因數為1或實質上等於1，係因為像素投影大小為2W(亦即，第一投影組件117a與第二投影組件117b沿觀測者平面116a之長度的和)且像素投影間距亦為2W(係因為每一像素投影16之中心定位在第一投影組件117a與第二投影組件117b之邊界處)。
須注意，雖然獲得了針對具有第1B圖中之像素工作因數1/2之像素陣列22之投影工作因數1，但亦可能(例如)藉由光學元件110或第二光學層110b之適當配置，獲得針對具有像素工作因數1/N(例如，第5B圖中之1/3)之像素陣列22之投影工作因數1。
第1B圖之第二光學層110b可為稜鏡111之整合列。第2A圖圖示由第二光學層110b之光學單元113之示例性實施例對來自像素之光線之影響。此光學單元113之頂視圖圖示於第2B圖中，該光學單元113可為具有所圖示之五邊形橫截面之圓柱形結構，以使得稜鏡111包括兩個對稱半部111a。橫截面經成形以使得稜鏡角(第 2B圖)等於θ=W/((n-1)* D)，其中W為第一投影陣列26中之像素投影大小；n為第二光學層之折射率，且D為自光學平面114a至觀測者平面116a量測之視距。應注意，D可自與第一光學層110a、第二光學層110b接近之任何平面量測，係因為與D之值相比，光學平面114a及與光學平面114a極為接近之平面之間的距離大體上係可略的。
在光學元件包括至少兩個不同光學層之情況下，光學層之各種佈置係可能的，如第3圖中所示。雖然第二光學層110b在第1B圖之實施例中定位為更接近觀測者平面116a，但可能體現光學元件210，在該光學元件210中，第一光學層210a(例如，圓柱形透鏡214)比第二光學層210b(例如，稜鏡211)更接近觀測者平面116a。此外，雖然第二光學層210b可僅由環境空氣圍繞，但亦可能將第二光學層210b或稜鏡211佈置為與第三光學層210c接觸，如第3圖中所示。第三光學層210c可由環氧樹脂及/或具有與稜鏡211之折射率接近之折射率的材料構成。使用具有該折射率之材料亦有助於控制由稜鏡211之表面粗糙度導致之現象，諸如，環境光之反射或光之散射。在第3圖之光學元件中，三個光學層210a、210b、210c佈置在彼此頂部，且可藉由(例如)包覆成型之方式實現此種配置。當然，在使用額外光學層之情況下重新配置稜鏡角θ以便獲得投影組件117在觀測者平面116a上之所要佈置可能係必要的。
在圓柱形透鏡114作為第一光學層110a及稜鏡111作為第二光學層110b之實施例中，圓柱形透鏡114可經調整尺寸，以使得圓柱形透鏡114之長度與稜鏡111沿光學平面114a之長度之比率近似一自然數。在第3圖中，例如，該比率約為4。若該比率等於一自然數，則可能在第一投影組件117a與第二投影組件117b之間獲得完全均勻之功率分佈。若比率不等於自然數，則功率之最大偏差等於1超過完整光學單元113之數目之兩倍。舉例而言，由於存在稜鏡之1個非成對端面及10個稜鏡之20個成對端面，故若每一圓柱形透鏡存在10.5個稜鏡，則最大功率偏差為1至20。此外，可示出，當小傾斜將不極大改變分離角且相位差將不改變最大功率偏差時，稜鏡111不需要精確地相對於柱狀透鏡對齊。術語「柱狀透鏡」意欲意謂一列具有凸出橫截面之圓柱形透鏡。
光學元件310之另一示例性實施例可經由第4圖中所示之光學單元313之整合列形成，該等光學單元313與其它相鄰光學單元313隔離。第4圖之光學單元313包括兩個對稱半部313a，該兩個對稱半部313a中之每一者為整個圓柱形透鏡之局部截面，該局部截面以如同橫跨平面切割圓柱形透鏡成形，該平面與透鏡之光軸307平行且沿圓柱延伸。該等半部313a之光軸307間隔一間距dy，該間距dy由等式dy=F * W/D決定，其中F為整個圓柱形透鏡之焦距；W為藉由整個圓柱形透鏡形成在觀測者平面上之像素投影之長度(亦即，第一投影 陣列26中之投影像素16之大小)，且D為自光學平面114a至觀測者平面116a之視距。
第4圖之光學元件將第2A圖中之光學單元113之圓柱形透鏡114及稜鏡111之功能組合至光學單元313中，該光學單元313具有由一種類型之材料構成之單一光學層。
將對熟習此項技術之人士顯而易見，在不偏離所主張發明之精神及範疇之情況下，可進行各種修改及變更。
10‧‧‧自動立體顯示裝置
12‧‧‧像素化像源
12a‧‧‧像素平面
14‧‧‧圓柱形透鏡
14a‧‧‧光學平面
16‧‧‧像素投影
16a‧‧‧觀測者平面
18‧‧‧像素
20‧‧‧暗區域
22‧‧‧像素陣列
24‧‧‧光線
26‧‧‧第一投影陣列
28‧‧‧間隙
100‧‧‧自動立體顯示裝置
110‧‧‧光學元件
110a‧‧‧第一光學層
110b‧‧‧第二光學層
111‧‧‧稜鏡
111a‧‧‧對稱半部
112‧‧‧像素化像源
112a‧‧‧像素平面
113‧‧‧光學單元
114‧‧‧圓柱形透鏡
114a‧‧‧光學平面
116‧‧‧像素投影
116a‧‧‧觀測者平面
117‧‧‧投影組件
117a‧‧‧第一投影組件
117b‧‧‧第二投影組件
118‧‧‧像素
124‧‧‧光線
126‧‧‧第二投影陣列
210‧‧‧光學元件
210a‧‧‧第一光學層
210b‧‧‧第二光學層
210c‧‧‧第三光學層
211‧‧‧稜鏡
214‧‧‧圓柱形透鏡
307‧‧‧光軸
310‧‧‧光學元件
313‧‧‧光學單元
313a‧‧‧對稱半部
當參閱附隨圖式閱讀以下詳細描述時，更佳地理解該等態樣及其它態樣，其中：第1A圖為習知圓柱形透鏡及藉由習知圓柱形透鏡形成之像素投影之示意性頂視圖；第1B圖為光學元件及藉由光學元件形成之像素投影之示意性頂視圖，該光學元件包括第一光學層及第二光學層；第2A圖為圖示光線之示意性頂視圖集合，與來自習知圓柱形透鏡之光線相比，該等光線自第一光學層與第二光學層之光學單元之第一示例性實施例產生。
第2B圖為光學元件之第一示例性實施例中之第二光學層之光學單元的示意性頂視圖；第3圖為光學元件之第二示例性實施例之示意性頂視圖； 第4圖為光學元件之第三示例性實施例之光學單元之示意性頂視圖；第5A圖為像素化像源之第一實施例之示意圖；及第5B圖為像素化像源之第二實施例之示意圖。
100‧‧‧自動立體顯示裝置
110‧‧‧光學元件
110a‧‧‧第一光學層
110b‧‧‧第二光學層
112‧‧‧像素化像源
112a‧‧‧像素平面
114a‧‧‧光學平面
116‧‧‧像素投影
116a‧‧‧觀測者平面
117a‧‧‧第一投影組件
117b‧‧‧第二投影組件
118(G)‧‧‧像素(G)
118(B)‧‧‧像素(B)
118(R)‧‧‧像素(R)
124‧‧‧光線
126‧‧‧第二投影陣列

Claims (10)

  1. 一種自動立體顯示裝置，該自動立體顯示裝置包括：一像素化像源，該像素化像源沿一像素平面定位且該像素化像源包括像素之一集合及暗區域，該等暗區域實質上填充該像素化像源之一剩餘部分，該等像素佈置在一像素陣列中，該像素陣列具有一像素工作因數，該像素工作因數界定為超過沿該像素平面之像素間距之像素大小且具有1/N之一值；及一光學元件，該光學元件定位於該像素平面與一觀測者平面之間，該光學元件經配置以在該觀測者平面上形成像素投影之一投影陣列，該投影陣列具有一投影工作因數，該投影工作因數界定為超過沿該觀測者平面之像素投影間距之像素投影大小，其中該投影工作因數實質上等於1，以使得兩個相鄰像素投影在該觀測者平面上彼此束縛。
  2. 如請求項1所述之自動立體顯示裝置，其中該光學元件包括一第一光學層及一第二光學層，該第一光學層包括圓柱體透鏡之一整合列。
  3. 如請求項2所述之自動立體顯示裝置，其中該像素工作因數實質上等於1/2，在無該第二光學層之情況下，該第一光學層經配置以形成該等像素投影之一第一投影陣列，且該第一投影陣列之該投影工作因數實質上等於1/2。
  4. 如請求項2所述之自動立體顯示裝置，其中該像素大小實質上等於沿一透鏡平面之該等圓柱體透鏡中之一個圓柱體透鏡的一長度除以一自然數。
  5. 如請求項2所述之自動立體顯示裝置，該自動立體顯示裝置進一步包括一第三光學層，該第三光學層定位於該像素化像源與該觀測者平面之間，該第三光學層與該第二光學層接觸且該第三光學層具有與該第二光學層之折射率類似之一折射率。
  6. 如請求項2所述之自動立體顯示裝置，其中該第一光學層及該第二光學層經整合為一單一件。
  7. 如請求項2所述之自動立體顯示裝置，其中該第二光學層定位為比該第一光學層更接近該觀測者平面。
  8. 如請求項1所述之自動立體顯示裝置，其中該等暗區域經配置以係反射的。
  9. 如請求項1所述之自動立體顯示裝置，其中該光學元件包括光學單元之一整合列，每一光學單元具有對稱半部，該等對稱半部中之每一者以一圓柱形透鏡之一局部截面成形，以使得該等圓柱形透鏡之光軸間隔一預定間距dy。
  10. 一種操作一自動立體顯示裝置之方法，該自動立體顯示裝置包括一像素化像源，該像素化像源沿一像素平面定位且該像素化像源包括像素之一集合及暗區域，該等暗區域實質上填充該像素化像源之一剩餘部分，該等像素佈置在具有一像素工作因數之一陣列中，該像素工作因 數界定為超過沿該像素平面之像素間距之像素大小且具有1/N之一值，該方法包括以下步驟：提供包括一列圓柱形透鏡之一第一光學層，該第一光學層經配置以獨自在一觀測者平面上形成像素投影之一投影陣列，該投影陣列具有一投影工作因數，該投影工作因數界定為超過沿該觀測者平面之像素投影間距之像素投影大小且具有1/N之一值；及提供在該像素平面與該觀測者平面之間的一第二光學層，該第二光學層經配置以結合該第一光學層調整該投影工作因數以使得該該投影工作因數實質上等於1。
TW101142406A 2011-11-23 2012-11-14 用以減輕自動立體顯示中之波紋效應的稜鏡陣列 TW201330594A (zh)

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