TW201441669A - 自動立體顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種雙凸自動立體顯示裝置，其具有雙凸透鏡陣列之一特定設計(傾斜角及節距角)以最佳化提供給使用者之視圖之品質。特定言之，本發明能夠最佳化節距角及傾斜角以達成正方形或接近正方形三維(3D)像素。

Description

自動立體顯示裝置
本發明係關於一種自動立體顯示裝置，其包括具有一陣列之顯示像素的一顯示面板及用於將不同視圖導引至不同實體位置之一配置。
一已知自動立體顯示裝置包括二維發光型液晶顯示面板，其具有用作一影像形成構件以生產一顯示之一列及行陣列之顯示像素。彼此平行延伸之一陣列之細長透鏡覆蓋於顯示像素陣列上且用作一視圖形成構件。將此等細長透鏡稱為「雙凸透鏡」。透過此等雙凸透鏡而投射來自顯示像素之輸出，該等雙凸透鏡用以修改該等輸出之方向。
將雙凸透鏡提供為透鏡元件之一薄片，該等透鏡元件之各者包括一細長半圓柱形透鏡元件。雙凸透鏡在顯示面板之行方向上延伸，其中各雙凸透鏡覆蓋於一各自群組之兩個或兩個以上相鄰行之顯示像素上。
各雙凸透鏡可與兩行顯示像素相關聯以使一使用者能夠觀察到一單一立體影像。替代地，各雙凸透鏡可與列方向上之一群組之三個或三個以上相鄰顯示像素相關聯。各群組中之對應行之顯示像素經適當配置以提供來自一各自二維子影像之一垂直切片。隨著一使用者之頭部自左側移動至右側，觀察到一系列連續不同立體視圖以產生(例如)一立體感。
上述自動立體顯示裝置產生具有良好亮度位準之一顯示。然而，與該裝置相關聯之一問題為：由雙凸薄片投射之視圖由暗區(其由使通常界定顯示像素陣列之非發光型黑色矩陣「成像」引起)分離。此等暗區易於被一使用者觀察為呈跨顯示器間隔之黑色垂直帶之形式的亮度非均勻區。該等帶隨著使用者自左側移動至右側而跨顯示器移動且該等帶之節距隨著使用者朝向或遠離顯示器移動而改變。另一問題為：垂直透鏡導致水平方向上之解析度降低顯著大於垂直方向上之解析度降低。
可藉由使雙凸透鏡依相對於顯示像素陣列之行方向之一銳角傾斜之熟知技術來至少部分地解決此等兩個問題。因此，傾斜角透鏡之使用被認為是用於產生具有接近恆定亮度之不同視圖及透鏡後方之一良好RGB分佈之一本質特徵。
傳統上，顯示面板係基於呈正方形形狀之一像素矩陣。將像素分成子像素以產生彩色影像。傳統上，將各像素分成3個子像素以分別傳輸或發射紅色(R)光、綠色(G)光及藍色(B)光。通常，將相同色彩之子像素配置成行。
WO2010/070564揭示一種配置，其中依使得一改良像素佈局被提供至由雙凸透鏡陣列產生之視圖中(就彩色子像素之間隔及色彩密度之一均勻性而言)之一方式選擇透鏡節距及透鏡傾斜度。此情況與形成3D影像之像素柵格而非個別像素相關。
本發明關注形成3D影像之個別像素之形狀。
WO2010/070564揭示一種具有傾斜雙凸透鏡之自動立體顯示器，其中一特定透鏡節距經選擇以達成3D像素之一均勻且規則分佈。
本發明由技術方案界定。
根據本發明之一第一態樣，提供一種自動立體顯示裝置，其包 括：一顯示器，其具有用於產生一顯示之一陣列之顯示像素，其中該等顯示像素配置成不同彩色子像素之列及行；一透鏡陣列，其經配置以與該顯示器配準以在不同方向上朝向一使用者投射複數個視圖，且包括可經組態以將該等顯示像素之群組之輸出聚焦至在不同方向上朝向一使用者投射之該複數個視圖中之細長透鏡，藉此實現自動立體成像，其中該等細長透鏡具有依相對於一般行像素方向之一角度θ傾斜之一長軸，其中：
其中s=tan θ，α係形成該複數個視圖之各者的像素之縱橫比，p係該等透鏡跨像素列方向之節距(其表達為顯示子像素寬度之數目)，且c係形成該顯示之各像素的不同彩色子像素之數目，且其中
因此，本發明係關於一種用於實現正方形或接近正方形3D像素(其自身包括一組3D子像素)之設計。此藉由使值α接近為1來達成。對於此等顯示，使傾斜角係節距之一特定函數。
本發明提供一種設計空間，其中3D像素可經設計以具有與下伏顯示面板相等之一縱橫比解析度。該設計空間為高解析度面板(諸如超高清(SHV)顯示器)提供良好設計。3D視圖將總是具有比下伏面板低之一空間解析度。解析度之所要降低因數A可用於計算所需節距：
因此，透鏡節距與傾斜角之組合考量解析度之降低、2D顯示之彩色子像素之數目、及由透鏡配置形成之3D像素之所要縱橫比。該降低因數表示每3D像素所具有之原生2D像素之數目。因此，該降低 因數大於1。
該顯示之各像素可包括一條狀RGB像素，其中紅色子像素、綠色子像素及藍色子像素各在行方向上延伸且並排配置。替代地，該顯示之各像素包括一條狀RGBY像素，其中紅色子像素、綠色子像素、藍色子像素及黃色子像素各在行方向上延伸且並排配置。亦可使用其他像素組態。
在一實例中，c=3且A=9。此尤其關注7680×4320個RGB像素之一超高清RGB面板及2560×1440個3D RGB像素之Quad HD 3D解析度。
在另一實例中，c=4且A=16。此尤其關注7680×4320個RGBY像素之一超高清RGBY面板及1920×1080個3D RGBY像素之Quad HD 3D解析度。
在其他配置中，c=3且A=16或c=4且A=9。
本發明亦提供一種判定一自動立體顯示裝置之一細長透鏡陣列之傾斜角的方法，其中該裝置包括具有用於產生一顯示之一陣列之顯示像素的一顯示器，其中該等顯示像素配置成不同彩色子像素之列及行，且一透鏡陣列經配置以與該顯示器配準以在不同方向上朝向一使用者投射複數個視圖且包括可經組態以將該等顯示像素之群組之輸出聚焦至在不同方向上朝向一使用者投射之該複數個視圖中之細長透鏡，藉此實現自動立體成像，其中該等細長透鏡具有依相對於一般行像素方向之一角度θ傾斜之一長軸，其中該方法包括設定：
其中s=tan θ，α係形成該複數個視圖之各者的該等像素之縱橫比，p係該等雙凸透鏡跨像素列方向之節距(其表達為顯示子像素寬度之數目)，且c係形成該顯示之各像素的不同彩色子像素之數目，且該 方法設定：
該方法亦包括設定：
其中A係相較於下伏面板之3D視圖之空間解析度之降低因數。
1‧‧‧多視圖自動立體顯示裝置
3‧‧‧液晶顯示面板/顯示器
5‧‧‧顯示像素
7‧‧‧光源
9‧‧‧雙凸薄片/透鏡陣列
11‧‧‧雙凸透鏡
H‧‧‧高度
P‧‧‧節距
pL‧‧‧透鏡節距
px‧‧‧像素節距
py‧‧‧像素節距
s‧‧‧傾斜度
W‧‧‧寬度
θ‧‧‧角度
參考附圖，現將僅依舉例方式描述本發明之實施例，其中：圖1係一已知自動立體顯示裝置之一示意透視圖；圖2係圖1中所展示之顯示裝置之一示意橫截面圖；圖3展示如何由一已知顯示器中之雙凸透鏡配置投射已知RGB像素；圖4展示可將本發明應用於其之一顯示器之已知RGB像素佈局及一已知RGBW像素；圖5展示可將本發明應用於其之一顯示器之一RGBY像素佈局；圖6展示每雙凸透鏡節距具有4.66個子像素之一分數配置；圖7展示每雙凸透鏡節距具有4.5個子像素之一分數配置；圖8展示透鏡節距及傾斜度參數；圖9展示透鏡節距及傾斜度參數如何轉化為3D顯示輸出之一子像素之尺寸；圖10展示一全3D像素之形狀；及圖11展示由本發明之設計達成之3D顯示像素配置。
本發明提供一種雙凸自動立體顯示裝置，其具有雙凸透鏡陣列之一特定設計(傾斜角及較佳透鏡節距)以最佳化提供給使用者之視圖之品質。特定言之，本發明能夠最佳化節距及傾斜角以達成具有與下伏像素類似之一縱橫比之3D像素。實際上，此通常意謂：本發明導 致正方形或接近正方形3D像素。
在詳細描述本發明之前，將首先描述一已知自動立體顯示器之組態。
圖1係一已知多視圖自動立體顯示裝置1之一示意透視圖。已知裝置1包括用作一影像形成構件以產生顯示之主動矩陣類型之一液晶顯示面板3。
顯示面板3具有配置成行及列之一正交陣列之顯示像素5。為清楚起見，圖1中僅展示少數顯示像素5。實際上，顯示面板3可包括約一千列及約數千行之顯示像素5。
液晶顯示面板3之結構係完全習知的。特定言之，面板3包括一對間隔透明玻璃基板，其等之間提供一對準之扭曲向列或其他液晶材料。該等基板在其相對表面上承載透明氧化銦錫(ITO)電極之圖案。亦在該等基板之外表面上提供極化層。
各顯示像素5在基板上包括相對電極，其中介入液晶材料介於該等相對電極之間。顯示像素5之形狀及佈局取決於電極之形狀及佈局及提供於面板3之前面上之一黑色矩陣配置。藉由間隙使顯示像素5彼此規則地間隔。
各顯示像素5與一切換元件(諸如一薄膜電晶體(TFT)或薄膜二極體(TFD))相關聯。顯示像素經操作以藉由對切換元件提供定址信號來產生顯示，且熟悉此項技術者已知曉適合定址方案。
顯示面板3由一光源7照亮，在此情況中，光源7包括在顯示像素陣列之區域上延伸之一平面背光。導引來自光源7之光穿過顯示面板3，其中個別顯示像素5經驅動以調變該光且產生顯示。
顯示裝置1亦包括配置於顯示面板3之顯示側上方之一雙凸薄片9，其執行一視圖形成功能。雙凸薄片9包括彼此平行延伸之一列雙凸透鏡11，為清楚起見，圖中僅展示一個尺寸放大之雙凸透鏡11。雙凸 透鏡11用作視圖形成元件以執行一視圖形成功能。
雙凸透鏡11呈凸圓柱形元件之形式，且其等用作一光輸出導引構件以將不同影像或視圖自顯示面板3提供至定位於顯示裝置1前方之一使用者之眼睛。
圖1中所展示之自動立體顯示裝置1能夠在不同方向上提供若干不同透視圖。特定言之，各雙凸透鏡11覆蓋於各列中之顯示像素5之一小群組上。雙凸透鏡元件11在一不同方向上投射一群組之各顯示像素5以形成若干不同視圖。隨著使用者之頭部自左側至右側移動，其眼睛將繼而接收若干視圖之不同者。
圖2展示上文所描述之一雙凸透鏡型成像配置之操作原理且展示光源7、顯示面板3及雙凸薄片9。該配置提供各在不同方向上投射之三個視圖。用一個特定視圖之資訊來驅動顯示面板3之各像素。
上文所描述之自動立體顯示裝置產生具有良好亮度位準之一顯示。吾人已熟知使雙凸透鏡依相對於顯示像素陣列之行方向之一銳角傾斜。此實現一改良亮度均勻性且亦使水平解析度及垂直解析度更一致。
無論使用何種機構來獲得一自動立體顯示系統，均用解析度交換深度：視圖愈多，每視圖之解析度損失愈高。此繪示於圖3中，圖3展示2D顯示面板之原生像素佈局以及藉由將一雙凸透鏡放置於面板前方而獲得之一3D視圖之相同尺度像素佈局。
針對3D影像所展示之像素佈局表示自一觀看方向所看到之像素圖案。自所有觀看方向看到相同幾何像素圖案，但可看見下伏2D顯示之不同組之子像素。對於所展示之一給定觀看方向，一藍色3D子像素係原生2D顯示之一或多個子像素之一影像(且相同原理適用於綠色3D子像素及紅色3D子像素)。
雙凸透鏡具有一傾斜度s=tan(θ)=1/6及一透鏡節距PL=2.5 px(其中 px係列方向上之像素節距)以導致15個視圖。在此情況中，px=py。因此，當將該透鏡節距表達為列方向上之子像素尺寸之數目時，該透鏡節距係7.5。3D影像具有子像素之一重複圖案，且若干子像素(R、G及B)之色彩經展示使得該圖案中之所有色彩可被理解。將各色彩輸出為彼此交錯之子像素之一菱形柵格。
雙凸透鏡之傾斜角以及其節距應經選擇使得以下之諸多要求儘可能得到滿足：
(i)應針對各3D視圖獲得像素之一有利分佈。
在3D視圖之各者中，應將各色彩之子像素分佈於一圖案中，該圖案係規則的且具有水平方向及垂直方向上類似之一解析度。如圖3中所展示，相鄰綠色像素之間之水平距離(圖3中標記為A)應可與相鄰綠色像素之間之垂直距離(標記為B)相當。此應亦適用於其他色彩。
(ii)對於各3D視圖，由相同色彩之像素佔據之表面面積應相同。
(iii)不存在莫耳波紋(moiré)。
一顯示面板前方之一雙凸透鏡之組合極易受到莫耳波紋(「條帶效應(banding)」)之發生之影響。此效應由該顯示面板之像素佈局之週期性及該雙凸透鏡之週期性之組合引起。其因該顯示面板之子像素由一黑色矩陣包圍之事實而惡化。可藉由使該雙凸透鏡傾斜且藉由選擇具有不等於一子像素之寬度之整數倍之一寬度的該雙凸透鏡來最小化此莫耳波紋效應。
近年來，顯示器製造商開始研究使用三種以上原色之替代像素佈局。
圖4及圖5展示兩個像素佈局。使用字母標記(「R」、「G」、「B」等等)來識別子像素以標示色彩。像素呈重複圖案。當像素行具有相同色彩時，自該等行上方之色彩識別此等像素。已針對待識別之重複 圖案展示僅足夠像素之色彩。
圖4展示一習知RGB條狀像素佈局。各像素具有三個子像素，因此RGB_3中之附標為「3」(相同註釋用於所有像素佈局)。
將使用三種以上原色之像素佈局稱為「多原色」像素佈局。若干此等多原色佈局已推向市場且預期成為主流。
圖5展示一RGBY(Y=黃色)像素佈局，其已被Sharp使用。在圖5中，px R=px B=2 px G=2 px Y(在列方向上，紅色子像素及藍色子像素係綠色子像素及黃色子像素之兩倍寬)。此佈局導致比RGB佈局大之一色域。
如上文所解釋，對於自動立體顯示器，通常犧牲空間解析度來產生呈視圖形式之角解析度。當前最佳透鏡設計提供水平空間解析度與垂直空間解析度之間之一不相等權衡，藉此導致具有其縱橫比不同於下伏面板之原始像素之縱橫比之像素的3D視圖。此通常意謂：水平3D像素密度不便地不同於垂直3D像素密度。
一最佳透鏡設計必須考量下伏顯示像素佈局。下表中界定當前最常見之顯示解析度：
對於全HD顯示器及Quad全HD顯示器，已提出一自動立體透鏡設計之適合設計參數，其具有約4½個子像素之節距及1/6之傾斜度。
該等參數可經略微改動以提供一所謂的分數設計(特定言之，其 具有a/b之一節距，其中a及b係整數且b>2)以減少條帶效應。O.H.Willemsen、S.T.de Zwart及W.L.IJzerman於「Fractional viewing systems to reduce banding in lenticular based 3D displays」(Proc.Int.Disp.Workshops，第12卷，第1789頁至第1792頁，2005年)中討論分數視圖之使用。
圖6展示具有RGB條紋之原生2D面板及具有個子像素及1/6之傾斜度的透鏡位置。分數視圖之數目係28(此係因為存在一子像素相對於透鏡之28個可能位置)，但僅計數彼此之間幾乎無串擾之視圖，因此4個視圖係現實數目。
圖7展示具有RGB條紋之原生2D面板及具有個子像素之透鏡位置。
估計一雙凸顯示器之空間解析度及角解析度係較困難的，此係因為各像素組件已添加角解析度及空間解析度兩者。作為一經驗法則，子像素單元中之節距數p指示可分離視圖之數目(即，4個或4個以上)且一視圖之空間解析度係原生解析度之1/p倍。
可藉由將雙凸透鏡放置於一顯示面板之頂部上來產生多個角視圖。在此等視圖中，子像素之準確形狀取決於雙凸透鏡之參數及透鏡相對於下伏顯示面板所依之傾斜度。
圖8展示藉由依傾斜度s將具有節距p之一雙凸透鏡放置於一顯示面板上而產生之3D子像素。如圖9中所展示，3D子像素具有寬度w及高度h。
界定此等3D子像素形狀之重要參數係雙凸透鏡之節距p及傾斜度s。一3D子像素之高度h可自圖9導出且由以下方程式給出：
其中c係顯示器之一原始2D像素中之子像素之數目(例如，在一 RGB條狀顯示器中，c=3)。3D子像素之寬度w由以下方程式界定：
在一3D視圖中，子像素一般依不同方式定位而非定位於下伏顯示面板中。存在如何自相鄰3D子像素界定3D像素之自由度。
本發明提供雙凸透鏡之一設計空間，使得3D像素呈正方形或接近正方形且使得面板解析度之犧牲被均勻地分佈於水平方向及垂直方向上以導致所產生視圖之像素之縱橫比之一保持。
為達成此目標：
1. 3D子像素由沿雙凸透鏡之方向定位於彼此下方之c個子像素組成。圖10展示基本像素佈局。參數c係構成顯示之原始像素的子像素之數目。
2. 依使得全3D像素完全呈正方形之一方式調整傾斜度及節距。下文給出找到正確傾斜度及節距之一方法。
依此方式，3D像素由沿雙凸透鏡之方向定向之c個3D子像素組成。因此，如圖11中所展示，完整3D像素之高度H及寬度W由以下方程式給出：
此僅係上文所界定之子像素高度之c倍。
此與上文所界定之個別子像素寬度相同。
若強制像素應具有一縱橫比α，則高度應為其寬度之α倍。使用方程式(3)及方程式(4)且對s求解，與節距p及像素縱橫比α相關之傾斜度s之一表達式為：
使得： ½ s2-(αp/2c)s+½=0
因此：
以上方程式(6)僅係二次方程式之兩個解之一者，特定言之，其係產生傾斜度s之合理結果的解。「±」指示：傾斜度可具有任一指向(相對於行方向之順時針或逆時針)。當3D像素確切地保持原始面板像素之一致縱橫比時，α=1。具有一致縱橫比之所得3D像素展示於圖11中。
依此方式，針對一給定傾斜度及3D像素縱橫比來設定節距。然而，仍存在選擇傾斜度之自由度。
本發明提供基於3D視圖中之空間解析度之所需降低來選擇傾斜度之一方式。
在本發明之佈局中，3D像素具有α之一縱橫比且使3D像素旋轉傾斜度s。若一3D像素之面積為A(以全2D像素面積為單位)，解析度之降低亦為A。使用此知識，可藉由選擇適當傾斜度來產生一因數之解析度之一降低A：
應瞭解，實際上，3D像素未必準確地呈正方形(α=1)，但需足夠接近正方形。
因此，較佳地，α滿足
例如，對於一給定傾斜度，若使用α=1，則方程式(5)可給出導致一不適3D像素佈局之一節距。接著，在不過多干擾原始佈局之情況下適當地略微調整方程式(5)中之α以最佳化3D像素佈局。
可自圖11觀察到：3D像素組件由一個以上2D像素組件形成。在所展示之實例中，涉及各原色之兩個組分。
此發生於|s|<1/c之所有傾斜度中，其中c係每像素之組件之數目。此不發生於|s|1/c之傾斜度中(使得一個2D子像素映射至一個3D子像素)，但傾斜度愈大，角串擾分佈愈寬。
使用此激勵，在一較佳實施例中，傾斜度係在內，其 中或更較佳地。此使傾斜角接近於1/c，使得2D子像素被有 效率地使用。
上文已概述著重強調之原理。下文係一些特定實例。為簡單起見，已對所有此等實例使用縱橫比α=1。
Quad全HD RGB面板，HD 3D解析度
超高清RGB面板，全HD 3D解析度
超高清RGB面板，110%全HD 3D解析度
超高清RGB面板，Quad HD 3D解析度
超高清RGBY面板，全HD 3D解析度
應注意，上述實施例繪示而非限制本發明，且熟習此項技術者將能夠在不背離由隨附申請專利範圍界定之本發明之範疇之情況下設計諸多替代實施例。
熟習此項技術者可在實踐本發明時通過研習圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍來瞭解及實現所揭示實施例之其他變動。在申請專利範圍中，用語「包括」不排除其他元件或步驟，不定冠詞「一」不排除複數個。某些措施敘述於相互不同的從屬請求項中之純事實不指示無法有利地利用此等措施之一組合。申請專利範圍中之任何參考符號不應被解釋為限制範疇。
H‧‧‧高度
P‧‧‧節距
s‧‧‧傾斜度
W‧‧‧寬度

Claims (10)

  1. 一種自動立體顯示裝置，其包括：一顯示器(3)，其具有用於產生一顯示之一陣列之顯示像素(5)，其中該等顯示像素配置成不同彩色子像素之列及行；一透鏡陣列(9)，其經配置以與該顯示器配準以在不同方向上朝向一使用者投射複數個視圖，且包括可經組態以將該等顯示像素之群組之輸出聚焦至在不同方向上朝向一使用者投射之該複數個視圖中之細長透鏡，藉此實現自動立體成像，其中該等細長透鏡具有依相對於一般行像素方向之一角度θ傾斜之一長軸，其中： 其中s=tan θ，α係形成該複數個視圖之各者的該等像素之縱橫比，p係該等透鏡跨像素列方向之節距，該節距表達為顯示子像素寬度之數目，且c係形成該顯示之各像素的不同彩色子像素之數目，其中： 且其中： 其中A係3D視圖之解析度相對於下伏面板之解析度之降低因數。
  2. 如請求項1之裝置，其中該顯示之各像素(5)包括一RGB像素，其中紅色子像素、綠色子像素及藍色子像素各在行方向上延伸且 並排配置。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中該顯示之各像素(5)包括一RGBY像素，其中紅色子像素、綠色子像素、藍色子像素及黃色子像素各在行方向上延伸且並排配置。
  4. 如請求項1之裝置，其中c=3且A=9。
  5. 如請求項4之裝置，其中該顯示器具有7680×4320個RGB像素之一解析度。
  6. 如請求項1之裝置，其中c=4且A=16。
  7. 如請求項6之裝置，其中該顯示器具有7680×4320個RGBY像素之一解析度。
  8. 如請求項1之裝置，其中c=3且A=16；或c=4且A=9。
  9. 如請求項1或2之裝置，其中該等像素行平行於該顯示器之一側邊緣。
  10. 一種判定一自動立體顯示裝置之一細長透鏡陣列(9)之傾斜角的方法，其中該裝置包括：一顯示器(3)，其具有用於產生一顯示之一陣列之顯示像素(5)，其中該等顯示像素(5)配置成不同彩色子像素之列及行；及一透鏡陣列，其經配置以與該顯示器配準以在不同方向上朝向一使用者投射複數個視圖，且包括可經組態以將該等顯示像素之群組之輸出聚焦至在不同方向上朝向一使用者投射之該複數個視圖中之細長透鏡，藉此實現自動立體成像，其中該等細長透鏡具有依相對於一般行像素方向之一角度θ傾斜之一長軸，其中該方法包括設定： 其中s=tan θ，α係形成該複數個視圖之各者的該等像素之縱橫比，p係該等透鏡跨像素列方向之節距，該節距表達為顯示子像素寬度之數目，且c係形成該顯示之各像素的不同彩色子像素之數目，其中該方法包括設定： 且該方法設定： 其中A係3D視圖之解析度相對於下伏面板之解析度之降低因數。
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