TW201400873A - 自動立體顯示裝置及驅動方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於一自動立體顯示器之一方向性背光配置，其中該背光配置之不同部分指向不同方向。此意指該背光配置之不同部分將適合於沿不同方向引導影像，同時減少由大的出射角產生之光學像差之效應。

Description

自動立體顯示裝置及驅動方法

本發明係關於自動立體顯示裝置。

已知各種類型之自動立體顯示裝置。本質上，此等顯示器包含一光學配置，其將不同視圖引導至一使用者之眼可位於之不同方向中，以使得該使用者不需要出於此目的而佩戴特殊眼鏡。

舉例而言，可藉助具有覆蓋像素群組之個別透鏡之一透鏡配置來達成視圖至不同位置之不同方向。該等透鏡則將沿不同方向引導來自不同像素之光，且以此方式可將不同影像(例如，左及右)發送至不同方向。

另一方法將係使用一障壁配置。此同樣具有限制其中來自個別像素之光可發送之方向之功能。

此配置之一問題係降低個別視圖之解析度。藉由以一時間多工以及一空間多工方式操作，可獲得增加的解析度。

上文所概括之設計沿固定之不同方向提供不同視圖。然而，其他設計提供一或多個觀看者之眼之位置之追蹤。此意指，針對每一觀看者，僅需要產生兩個視圖，而非填充視域之一整套(通常9個或15個)視圖。

本發明特定而言係關於一種已知類型之自動立體顯示器，其中 一光導向背光用以將光引導至使用攝影機偵測之一或多個觀看者之眼中。在一LCD上順序地顯示左影像及右影像。

針對每一觀看者，與該LCD同相地接通或關斷背光之兩個方向性光源組態，以使得在時間上之一給定時刻處每一眼看到正確影像或看到一黑色螢幕。

舉例而言，一光導向背光可包括一像素化背光及一透鏡配置。藉由控制背光元件，由該透鏡判定所得光輸出方向。亦可提供電潤濕稜鏡陣列用於沿不同方向引導一背光輸出。

通常，使用一透鏡陣列以達成所需光導向。然而，此等透鏡陣列遭受像差偏軸。結果，在較大入射角處發生角解析度之損失。此通常係背光導向方法之一問題。

為解決此問題，舉例而言，已提議將照明源放置於一彎曲表面上且限制每一光學元件之孔隙。然後堆疊多個光學元件且將其移位水平地等於孔隙開口之寬度之一距離。可使用一垂直漫射器以達成一均勻照明顯示器。然而，此導致一更複雜的光學結構。

根據本發明提供如附屬申請專利範圍中所主張之一裝置及方法。

根據本發明之一項態樣，提供一種用於一自動立體顯示裝置之一背光配置，該背光配置包括：- 一經分段背光；及- 一透鏡配置，其包括一透鏡單元陣列，其中背光分段之一各別子陣列與該透鏡配置之每一透鏡單元相關聯，以使得該透鏡單元沿不同方向引導來自不同背光分段之光輸出，其中每一背光子陣列將照明提供至一光管，該光管在其端部處具有各別透鏡單元，且其中該等光管包括至少兩組，其中一第一組中 之光管彼此平行且面向一第一方向，且一第二組中之光管彼此平行且面向一第二方向。

此配置提供一背光配置，其中背光配置之不同部分指向不同方向。此意指背光配置之不同部分將適合於沿不同方向引導影像，同時減少由大的出射角產生之光學像差之效應。理論上，提供透鏡之旋轉以使其光軸直接朝向觀看者將係有利的。然而，實際上此係不可行的。本發明替代地提供具有不同靜態定向之透鏡組。光管陣列中之每一管在其自身的有限角度範圍中有效地引導光。

本發明針對一扁平自動立體顯示器達成一增加的觀看角度。因此，本發明亦提供一自動立體顯示裝置，其包括：背光配置及由該背光配置照明之一光調變顯示面板。

為解決偏軸透鏡像差之問題，本發明提供一扁平矩陣結構中之光軸旋轉。特定而言，透鏡光軸沿水平(行)方向旋轉。

該等光管可包括三組，其中法向於顯示面板引導第一組中之光管，橫向於法線之一側引導第二組中之光管，且橫向於法線之另一側引導第三組中之光管。

可橫向於法線之側達介於10度與30度之間的一量引導第二組及第三組中之光管。舉例而言，每一光管可具有介於0.25平方公分(cm²)與4平方公分(cm²)之間的一出射面積。

每一組光管可包括複數個(水平)列之光管，其中一組光管與另一組光管交替。然後可使用在背光配置之輸出處之一垂直漫射器，以使得提供照明之光管列沿行(垂直)方向擴展其光輸出。

一相機配置較佳地提供用於追蹤一或多個觀看者之位置，且顯示器進一步包括一控制器，該控制器經調適以依賴於觀看者位置而選擇哪一組光管將用於待呈現之每一影像，且控制背光配置以針對每一影像控制照明至顯示面板之方向。

以此方式，選擇待使用之最好光管，且然後控制背光分段之子陣列以提供所需要的照明方向。

本發明亦提供一種控制一自動立體顯示裝置之方法，該自動立體顯示裝置包括一背光配置，該背光配置包括：一經分段背光；及一透鏡配置，其包括一透鏡單元陣列，其中背光分段之一各別子陣列與透鏡配置中之每一透鏡單元相關聯，以使得該透鏡單元沿不同方向引導來自不同背光分段之光輸出，其中該方法包括：- 對準每一背光子陣列與一光管，在該光管之端部處具有各別透鏡單元，且其中該等光管包括至少兩組，其中一第一組中之光管彼此平行且面向一第一方向，且一第二組中之光管彼此平行且面向一第二方向；- 偵測一觀看者之位置；- 基於該觀看者位置，判定將使用哪一組光管來將一影像顯示給觀看者之每一眼；及- 針對該等選定光管，控制背光分段之相關聯子陣列以沿穿過一光調變顯示面板之一方向將照明提供至觀看者之每一眼。

10‧‧‧背光配置

12‧‧‧光調變顯示面板/LCD顯示面板/顯示面板

14‧‧‧經分段背光子陣列/子陣列/背光子陣列

16‧‧‧輸出透鏡/透鏡

18‧‧‧包絡線

20‧‧‧光管

22‧‧‧不透明邊界

24‧‧‧區域

50‧‧‧垂直漫射器板

52‧‧‧機械分離件

60‧‧‧控制器

62‧‧‧頭部追蹤配置

α‧‧‧角度

θ‧‧‧張角/透鏡張角

現在將參照隨附圖式詳細闡述本發明之實例，在附圖中：圖1用以闡釋一已知背光導向自動立體顯示裝置之基本操作；圖2展示本發明之一自動立體顯示裝置之一背光配置；圖3更詳細展示圖2之光管之不同定向；圖4展示光管之間的角度關係；圖5展示本發明之一自動立體顯示裝置之光學部件；圖6展示除圖5之光學組件以外的電子組件；且圖7用於闡釋如何選擇該等光管及如何控制相關聯背光子陣列。

本發明提供用於一自動立體顯示器之一方向性背光配置，其中該背光配置之不同部分指向不同方向。此意指該背光配置之不同部分將適合於沿不同方向引導影像，同時減少由大的出射角產生之光學像差之效應。

圖1用以大體闡釋本發明涉及之顯示裝置之類型。

該顯示器包括一背光配置10及一光調變顯示面板12(諸如一LC面板)。該背光配置包括一組經分段背光子陣列14，經分段背光子陣列14中之每一者與一輸出透鏡16相關聯。

存在的背光子陣列越多，可經接通以提供顯示面板之照明之背光分段之數目越大，以使得個別背光分段之強度可減小。當然，較大數目之背光分段暗示著由於光源之較大數目而造成之一較複雜結構以及較高成本。該背光子陣列之大小足以使得能夠提供所期望數目之個別可定址背光分段(例如個別LED)以給出照明方向之所期望可控制性。因此，在透鏡結構之複雜度、個別照明分段之大小、每一子陣列之照明分段之數目與每一分段之所需背光強度之間找到一折中。

限制因素通常係背光子陣列中之一單個可控制光分段之大小。針對一給定觀看距離，將需要視圖方向之一給定角解析度，且此繼而規定涉及光源及透鏡之大小及空間解析度之光源陣列之空間解析度。

每一子陣列具有一光源(諸如LED)網格。藉由選擇照明哪些LED，可控制來自透鏡之光輸出方向。如圖1中所展示，藉由使用每一子陣列內之一選定LED，來自每一透鏡之光輸出方向係相同的，如包絡線18所展示。藉由每一透鏡16之每一子陣列14中之一或多個光源之適合選擇，包絡線18可會聚以使得其在針對一經設計觀看距離之一單個眼位置處相交。因此，藉由控制該等子陣列，可將光輸出引導至空間中一給定觀看距離處之特定橫向(亦即，左-右)位置。此類型之配置之一問題係對於大的非法向出射角而言光學像差影響光輸出。

本發明亦使用背光子陣列，但將光提供至一光管，該光管在其端部處具有各別透鏡單元。該等光管包括至少兩組，其中一第一組中之光管彼此平行且面向一第一方向，且一第二組中之光管彼此平行且面向一第二方向。

圖2展示其中存在三組光管之光管配置之一實例。法向於顯示面板引導第一組中之光管，橫向於法線之一側引導第二組中之光管，且橫向於法線之另一側引導第三組中之光管。

在圖2之實例中，成組之光管係成列的。圖2展示三列光管。圖2(a)展示三個光管之三列之一前視圖。

頂部列具有法向引導之管。下一列具有引導至右側之光管(如在面向背光配置時所見)且底部列具有引導至左側之光管。在圖2(b)中展示針對該三個列中之每一者自背光配置頂部邊緣上方之一視圖。

如所展示，在具有光吸收壁之一光管20之入射端處提供每一背光子陣列14。以此方式，僅來自背光子陣列之直接光到達光管，且達成高對比度。可使用反射垂直壁以增加光輸出效率，但此將降低對比度。每一光管20之出射端提供有一透鏡或一組透鏡(此透鏡或此組透鏡一般稱作一「透鏡單元」)。圖2(b)展示如何在不同列中沿不同方向配置光管。一組中之所有光管彼此平行。所有光管係水平的(亦即，面向外)，且角度差係沿橫向(亦即，左-右)方向。藉由將成組之光管定義為列，可能組合該等光管以定義如圖2(a)中所展示之一連貫輸出表面。

圖2(c)展示彼此疊加之所有三列之平面圖。

背光子陣列照明一整個透鏡，因此不使用任何孔隙。

背光子陣列14放置於透鏡單元之焦平面處。為改良效能，可較接近或遠離透鏡來放置背光子陣列。背光子陣列經定向以使得透鏡16之光軸位於法向於含有背光子陣列之平面處。此係在圖3中更清晰地 展示，其中圖3(a)展示一單個光管之前視圖，且圖3(b)展示一側視圖。不透明邊界展示為22。圖3(c)展示並排之三個不同定向，且展示平行於透鏡(亦即垂直於透鏡光軸)之背光子陣列之平面。

一替代配置將係將針對所有管之所有背光子陣列14放置於一個共同平面表面上。在此情形中，可在每一管之出射端處放置一額外校正透鏡作為透鏡單元之部分，以提供光線之所需聚焦。

每一背光子陣列可包括緊密堆積之LED或OLED條。另一選擇係，光源矩陣可由一小型LED或OLED顯示器組成。

舉例而言，透鏡管陣列中之每一管可係1cm寬、1cm高及2cm深。針對1m寬及0.5m高之一3D背光，此意指管陣列具有5000個管，其中每一管在後部具有一透鏡及一單獨小型LED或OLED顯示器。

每一光管可具有一背光子陣列，其中沿列方向具有大致30個照明分段。更一般而言，可介於10與50個之間。分段越多，方向性控制越好，但強度越低。沿行方向可存在僅一個分段，此乃因沿行方向無需解析度。然而，可使用該背光子陣列中之背光分段之一2D陣列。因此，背光子陣列之大小足夠大以具有所需數目之背光分段，但亦足夠小以便可使得背光之總大小(特定而言，厚度)係小的。一較小管入射及出射面導致一較小管長度，且藉此導致一減小的總背光厚度。在該等管之一大致長寬比為約2：1之情況下，光管較佳地具有至多數公分之一寬度尺寸。

舉例而言，三組光管之固定方向可係0度、負20度及正20度。更一般而言，此20度偏移可係介於(舉例而言)10度至30度之間的範圍內之任何角度。

圖4展示對應於一透鏡上之最左及最右位置以使得完全地水平照明每一透鏡之光線路徑。

在背光子陣列中之一個單個LED或一小群組之LED上進行切換導 致沿一方向或多或少準直之光束，該方向取決於透鏡管之定向及LED之位置或LED相對於透鏡之光軸之位置兩者。

圖4展示經定向透鏡管組態如何使張角自θ加倍至2θ，其中θ係一個光管之輸出角範圍。圖4展示圖4(a)中之左引導管、圖4(b)中之法向引導管及圖4(c)中之右引導管。此因子2(而非3)源於光輸出方向之間的重疊。針對左引導透鏡(圖4(a))，由於管矩陣變得可見而使張角θ之右半部分不能使用。此同樣適用於右引導透鏡(圖4(c))之張角之左半部分。

管矩陣變得可見之此問題係由所有經旋轉透鏡應大體配置於同一表面上之要求導致，此暗示管陣列中之每一管相對於其鄰近者移位，如圖4中所展示。效果係針對某些觀看角度而言，吸收邊界變得可見，舉例而言圖4(a)中所展示之區域24。因此排除此等角度且其替代地由法向引導管提供。

圖5展示可如何在一自動立體顯示器內使用該透鏡管陣列。圖5展示該裝置之一側視圖。該透鏡管陣列中之列對應於不同定向。

為垂直地伸展光，將兩個垂直漫射器板50放置於透鏡管陣列與LCD顯示面板12之間。另一選擇係，可使得水平定向之管矩陣材料係反射的，且隨後可移除一個垂直漫射器。

僅經由光管組態及光源之選擇而沿水平方向達成光導向。光並不沿垂直方向準直。

一反射性水平矩陣材料增加在一大垂直角下離開該等管之光的量，藉此使得垂直散射更有效。

該等光管由機械分離件52分離以提供機械強度。

顯示面板可係完全標準的，舉例而言一標準HD面板。因此每一光管照明該面板之像素之一子陣列。

選擇哪一組背光子陣列及相關聯光管用於觀看者之左眼及右眼 之決策取決於眼相對於顯示器之2D位置。

圖6中展示完整系統。

光管及透鏡之背光配置展示為10，其用於照明顯示面板12。一控制器60自追蹤一或多個觀看者之瞳孔之一頭部追蹤配置62接收一輸入。

控制器60控制顯示面板12以提供用於呈現至一個觀看者之一個瞳孔之一輸出影像。因此，每一所顯示影像係顯示面板之原生解析度處之一全解析度顯示。控制器亦選擇使用哪一組背光子陣列，以及控制背光子陣列以自光管產生所期望之光輸出方向。

以一時間順序方式提供所需之不同影像(每一觀看者兩個)。出於此目的，該顯示面板具有一高再新率，舉例而言，240Hz或更多。將存在可為其提供單獨影像之使用者之一最大數目，舉例而言2、3或4。

該頭部追蹤配置可包括安裝於顯示器上之一或多個攝影機。

將使用哪一組背光子陣列之決策可使用下列步驟來實施：

1.針對一所偵測眼位置，如圖7中所展示來計算角度α，該角度係介於連接眼及矩陣中之每一行管之中心之線與對該顯示器表面之法線之間的角度。此角度跨越顯示器稍微變化，其中針對較接近之觀看距離該變化較大。可針對每一行來判定該角度，以使得可獨立地選擇顯示器之每一行之照明方向。

2.比較α之量值與透鏡張角θ之量值。然後做出關於使用哪一管定向之一決策。在圖7中展示決策規則。基本上，若所需定向在法向引導之光管範圍以外，則使用成組之橫向引導光管中之一者。

3.然後使用介於連接眼睛及管透鏡之中心的線與選定管透鏡之光軸之間的角度來計算將使用背光子陣列之哪一(或多個)光源以朝向眼導向光。由於折射發生在透鏡空氣/界面處，且在每一透鏡單元中 可存在多個透鏡，因此此計算慮及所有空氣/透鏡材料光線方向改變。

可針對每一影像獨立地判定背光配置之每一行所需之觀看方向，亦即左影像及右影像可導致一不同組光管選擇。亦如上文所提及，在一影像內，可藉由不同光管方向提供影像之不同部分，或者可針對每一影像整體選擇單個光管方向。

上文已結合三組光管來闡述本發明。然而，亦可使用皆自法向方向橫向偏移之兩組。然而，較佳地具有一組法向引導之光管，此乃因法向方向可能表示理想的觀看位置，以及一單個觀看者最可能的位置。此暗示較佳地存在奇數組光管，舉例而言3或5。

尚未詳細闡述控制器。本質上，其組合一標準顯示驅動器之功能與用以選擇將使用之光管及導出需要被定向之背光分段之邏輯。一旦已判定一觀看者位置，則此涉及基本三角函數。頭部追蹤系統可係極為方便的，且此等系統已用於頭部追蹤自動立體顯示器中。

該顯示面板可係一LCD面板或任何其他光調變顯示技術。

根據對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之研究，熟習此項技術者在實踐所主張之發明時可理解及達成對所揭示實施例之其他變化。在申請專利範圍中，措辭「包括」並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一(a或an)」並不排除複數個。在互不相同的附屬請求項中陳述某些措施之僅有事實本身並不指示不能有利地使用此等措施之一組合。申請專利範圍中之任何參考符號皆不應闡釋為限制該範疇。

14‧‧‧經分段背光子陣列/子陣列/背光子陣列

16‧‧‧輸出透鏡/透鏡

20‧‧‧光管

Claims (11)

1. 一種用於一自動立體顯示裝置之背光配置，該背光配置包括：一經分段背光；及一透鏡配置，其包括一透鏡單元陣列，其中背光分段之一各別子陣列(14)與該透鏡配置中之每一透鏡單元(16)相關聯，以使得該透鏡單元(16)沿不同方向引導來自不同背光分段之光輸出，其中每一背光子陣列(14)將照明提供至一光管(20)，在該光管之端部處具有該各別透鏡單元，且其中該等光管包括至少兩組，其中一第一組中之該等光管彼此平行且面向一第一方向，且一第二組中之該等光管彼此平行且面向一第二方向。
2. 如請求項1之配置，其中該等光管(20)包括三組，其中法向於該顯示面板引導第一組中之該等光管，橫向於法線之一側引導第二組中之該等光管，且橫向於該法線之另一側引導第三組中之該等光管。
3. 如請求項2之配置，其中橫向於該法線之該側達介於10度與30度之間的一量引導該第二組及該第三組中之該等光管(20)。
4. 如請求項1之配置，其中每一光管(20)具有介於0.25平方公分與4平方公分之間的一出射面積。
5. 如請求項1之配置，其中每一子陣列(14)包括個別可定址光分段之一陣列，其中每一子陣列中存在至少10行光分段。
6. 如請求項1之配置，其中每一組光管(20)包括複數列光管，其中一組中之光管與其他組中之該等光管交替。
7. 如請求項1之配置，其進一步包括在該背光配置之輸出處之一垂 直漫射器(50)。
8. 一種自動立體顯示裝置，其包括：如請求項1之一背光配置；及由該背光配置照明之一光調變顯示面板(12)。
9. 如請求項8之顯示裝置，其進一步包括用於追蹤一或多個觀看者之位置之一相機配置(62)，且其中該顯示器進一步包括一控制器(60)，該控制器經調適以依賴於該觀看者位置而選擇哪一組光管將用於待呈現之每一影像，且控制該背光配置以針對每一影像控制照明至該顯示面板之方向。
10. 一種控制一自動立體顯示裝置之方法，該自動立體顯示裝置包括一背光配置，該背光配置包括：一經分段背光；及一透鏡配置，其包括一透鏡單元(16)陣列，其中背光分段之一各別子陣列(14)與該透鏡配置中之每一透鏡單元(16)相關聯，以使得該透鏡單元沿不同方向引導來自不同背光分段之光輸出，其中該方法包括以下步驟：對準每一背光子陣列(14)與一光管(20)，在該光管之端部處具有該各別透鏡單元(16)，且其中該等光管包括至少兩組，其中一第一組中之該等光管彼此平行且面向一第一方向，且一第二組中之該等光管彼此平行且面向一第二方向；偵測一觀看者之位置；基於該觀看者位置，判定將使用哪一組光管來將一影像顯示給該觀看者之每一眼；及針對該等選定光管，控制背光分段之該相關聯子陣列(14)以沿穿過一光調變顯示面板之一方向將照明提供至觀看者之每一眼。
11. 如請求項10之方法，其中該等光管(20)包括三組，其中法向於該顯示面板引導第一組中之該等光管，橫向於法線之一側引導第 二組中之該等光管，且橫向於該法線之另一側引導第三組中之該等光管。