專利名稱：自動(dòng)立體顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括顯示陣列的自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其中顯示陣列包括若干可尋址像素和用于對(duì)顯示陣列中的像素進(jìn)行尋址的裝置。
背景技術(shù)：
從美國5,969,850可了解到開篇段落中所述類型的自動(dòng)立體顯示設(shè)備。
基本來說，可通過使用立體照片對(duì)(指向觀察者雙眼的兩幅不同圖像)、全息技術(shù)或顯示器中的多個(gè)平面來產(chǎn)生三維效果。利用多平面技術(shù)構(gòu)造立體圖像，其中用三維體積中所謂的三維像素取代二維像素。大部分多平面顯示器的缺點(diǎn)在于，三維像素產(chǎn)生光，但不阻擋光。這就導(dǎo)致透明物體，使所顯示圖像毫不夸張地產(chǎn)生模糊和令人不愉快的表現(xiàn)。
立體顯示器不存在這一問題。有多種方法來產(chǎn)生立體圖像。圖像可時(shí)分多路傳輸?shù)蕉S顯示器上，不過需要觀察者佩戴具有例如LCD快門的眼鏡。在顯示立體圖像的同時(shí)，可通過使用安裝在頭部的顯示器，或者通過使用偏光鏡(從而由正交偏振光產(chǎn)生圖像)將圖像引導(dǎo)到適當(dāng)?shù)难劬ΑＳ^察者佩戴的眼鏡有效地將視圖發(fā)送到每只眼睛。使眼鏡中的快門或偏振片與幀速同步，以控制發(fā)送過程。為了防止發(fā)生閃爍，幀速度必須是二維同等圖像的兩倍，或者分辨率是二維同等圖像的一半。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，兩個(gè)圖像僅產(chǎn)生有限的“環(huán)顧”能力。此外，要想產(chǎn)生任何效果，都必須佩戴眼鏡。這對(duì)于那些不習(xí)慣佩戴眼鏡的觀察者而言是不令人愉快的，且對(duì)于那些已佩戴眼鏡者也是一個(gè)潛在的問題，因?yàn)楦郊拥囊粚?duì)眼鏡通常并不適合。
并非在靠近觀察者眼睛處，也可以在顯示屏處利用分割屏來分裂兩個(gè)立體圖像，該分割屏如視差屏障(parallax barrier)(如US5,969,850中所示)。
盡管在不需要特殊眼鏡即可觀看三維圖像的意義上這些顯示器是自動(dòng)立體的，不過它們通常僅對(duì)空間中某一固定位置處的一個(gè)觀察者起作用。觀察區(qū)非常狹窄。在該觀察區(qū)外部，觀察者會(huì)看到多個(gè)圖像或立體倒影，導(dǎo)致令人極為不滿意的視圖。實(shí)際上這意味著，對(duì)于許多應(yīng)用而言，例如在起居室內(nèi)，觀察區(qū)太小以至于觀察者必須坐在一個(gè)特定點(diǎn)處才能看到三雛圖像。提供多視像的解決方案是以分辨率為代價(jià)的。
從美國專利US5,969,850了解到的設(shè)備，通過使用動(dòng)態(tài)視差屏障，即其中屏障的狹縫在屏幕上移動(dòng)的視差屏障，來解決窄觀察區(qū)的問題。
盡管可按照US5,969,850中所述的方法得到多視圖自動(dòng)立體顯示器，不過上述原理的缺點(diǎn)在于效率低。所發(fā)射的光中僅很少量穿過動(dòng)態(tài)視差屏障。例如，如果使用具有1000個(gè)狹縫的視差屏障顯示器(從而具有1000個(gè)子幀)，則水平分辨率為1000個(gè)像素。不過，光照射視差屏障的整個(gè)背側(cè)，后者阻擋了99.9％的光。因此，對(duì)于電視應(yīng)用而言，至少需要非常高的光強(qiáng)度才能產(chǎn)生足夠亮的圖像。盡管通過使動(dòng)態(tài)屏障的數(shù)個(gè)狹縫同時(shí)透光可提高效率，不過依然存在效率非常差的主要問題，并且為了能使用數(shù)個(gè)狹縫，必須要綜合考慮不同觀察方向的量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供能進(jìn)行自動(dòng)立體觀看的已知設(shè)備的一種替代方案，且效率提高。
為此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的特征在于，該顯示設(shè)備包括用于提供由顯示陣列的像素發(fā)射出的準(zhǔn)直光的裝置；柱面透鏡，用于沿垂直于柱面透鏡縱軸的方向使顯示陣列上顯示的圖像聚焦；該設(shè)備還包括包含若干開口的顯示屏，在工作中顯示陣列上所顯示的圖像聚焦在開口上；掃描裝置，在顯示屏上的所述開口上連續(xù)掃描；以及按照與顯示屏中開口的掃描頻率相應(yīng)的速率改變顯示陣列上的圖像信息的裝置。
在本發(fā)明概念中，準(zhǔn)直光指的是被限制在相對(duì)較窄角度內(nèi)，通常小于10度，優(yōu)選小于5度且最好處于大約2度內(nèi)的光。在本發(fā)明的框架內(nèi)，“準(zhǔn)直”意味著在至少一個(gè)方向、即掃描方向上準(zhǔn)直，不必在兩個(gè)方向上準(zhǔn)直，即不必也在垂直于掃描方向的方向上準(zhǔn)直。實(shí)際上，常常表示在水平方向(左右方向)上準(zhǔn)直，而在垂直方向(上下)上的準(zhǔn)直將要少得多或者不明顯，或者可能要少得多或者不明顯。
利用顯示陣列與顯示屏之間的正柱面透鏡，通過將二維顯示陣列投影到由該柱面透鏡形成的一條垂直線上，而在顯示屏上構(gòu)成每條垂直線的觀察方向。在一幀時(shí)間內(nèi)，利用掃描裝置，例如且優(yōu)選旋轉(zhuǎn)反射鏡或多面鏡，從左到右(或相反方向)掃描顯示屏上的開口。對(duì)于每條垂直線，在二維顯示屏上顯示一個(gè)新圖像。因此，顯示陣列必須足夠快，即當(dāng)顯示屏上使用例如50Hz的幀速且使用1000個(gè)柱面透鏡時(shí)，顯示陣列的改變速率必須為50*1000＝50kHz。存在這種設(shè)備，如基于鐵電液晶和微鏡陣列的LCD。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于，由于利用了顯示陣列發(fā)射出的所有光，實(shí)現(xiàn)了高效率，此外通過簡(jiǎn)單地改變發(fā)送給顯示陣列的信息，可以在三維模式以及在二維模式下使用該設(shè)備，因而該設(shè)備是二維-三維兼容的。該設(shè)備具有大量觀察區(qū)域，無需使用護(hù)目鏡，或者不會(huì)具有非常低的效率。
為了增加總視角，優(yōu)選在顯示屏上或顯示屏附近使用柱面透鏡。如果沒有這些元件，則對(duì)于家用電視應(yīng)用而言視角將太小。
此外，優(yōu)選在顯示陣列與顯示屏之間使用透鏡，以減小光程長度，從而減小顯示設(shè)備的深度。
為了獲得良好的顯示屏性能，優(yōu)選使二維顯示器的(子)幀速度與掃描裝置的掃描良好同步，例如與旋轉(zhuǎn)反射鏡或多面鏡的轉(zhuǎn)速良好同步。在優(yōu)選實(shí)施例中利用反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)上述目的，該機(jī)制利用指示光傳感器(例如光電二極管)的指示信號(hào)來檢測(cè)顯示屏背側(cè)上光束的位置。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該設(shè)備在掃描裝置與顯示屏之間設(shè)有狹縫蔭罩板。為了獲得良好的性能，必須保證打算落到柱面透鏡上的圖像實(shí)際上落到柱面透鏡上。在掃描裝置與顯示屏之間通過使用狹縫蔭罩板，抵消了光程的輕微失準(zhǔn)，代價(jià)是降低了顯示器的亮度。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，顯示屏設(shè)有指示光傳感器以及面對(duì)掃描裝置的側(cè)面，并且來自指示光傳感器的信號(hào)反饋回掃描裝置。
由下面所述的實(shí)施例顯然可以得出本發(fā)明的這些和其他方面，并將參照實(shí)施例進(jìn)行說明。


在附圖中圖1說明顯示設(shè)備的基本原理。
圖2說明分裂兩個(gè)立體圖像的視差屏障的基本原理。
圖3A和3B說明屏障和雙凸透鏡屏的原理。
圖4說明基本視差屏障顯示器所遇到的問題。
圖5表示一種已知的多視圖設(shè)備。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備。
圖7、8和9說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例顯示設(shè)備的另一示例。
附圖并未依照比例繪出。通常，在附圖中用相同附圖標(biāo)記表示相同元件。
具體實(shí)施例方式
圖1表示一種顯示設(shè)備。對(duì)于三維電視機(jī)而言，需要獨(dú)立發(fā)光的多個(gè)觀察方向。在家用裝置中，觀察距離約為3米，人坐在大約3米寬的長沙發(fā)椅上，參見圖1。因此，需要至少為60度的視角。我們的眼睛彼此相距6∶5厘米。為了使每只眼睛獲得不同的圖像，顯示器必須在至少3m/6∶5cm＝300/6∶5＝50個(gè)方向上發(fā)光。在人移動(dòng)頭部時(shí)為了獲得沒有不連續(xù)過渡的三維圖像，三維電視機(jī)應(yīng)當(dāng)在遠(yuǎn)多于50個(gè)，比如至少100個(gè)方向上發(fā)光。
圖2說明分裂兩個(gè)立體圖像的視差屏障的基本原理。兩個(gè)立體圖像的垂直線交替地顯示在例如具有背光的空間光調(diào)制器(例如LCD)上。視差屏障7的光柵結(jié)構(gòu)保證觀察者4的每只眼睛能看到適當(dāng)立體圖像(5，6)。
圖3A說明視差屏障的使用。
在常規(guī)屏障自動(dòng)立體顯示系統(tǒng)中，屏障31設(shè)置在顯示陣列32前面。將立體圖像對(duì)的左和右圖像分成垂直條。左圖像條32L和右圖像條32R交替地置于陣列32上。在屏障31中形成狹縫31A。定位狹縫31A，使觀察者的左眼4L僅能看到該對(duì)圖像中的左圖像條32L，右眼4R僅能看到右圖像條32R。觀察者重建三維完整圖像。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3B，說明類似的原理，其中用具有垂直柱面透鏡33A陣列的雙凸透鏡屏33取代屏障31，每個(gè)垂直柱面透鏡對(duì)應(yīng)不同的一對(duì)左圖像條32L和右圖像條32R。在工作中，每個(gè)透鏡將觀察者的左眼4L引導(dǎo)到左圖像條32L上，將觀察者的右眼4R引導(dǎo)到右圖像條32R上。
圖4說明基本立體設(shè)備的問題。未坐在適當(dāng)觀察區(qū)內(nèi)的觀察者會(huì)發(fā)生困擾。觀察區(qū)非常狹窄。在觀察區(qū)外部，觀察者看到多個(gè)圖像或立體反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致令人非常不愉快的視圖。實(shí)際上這表明，對(duì)于許多應(yīng)用而言，例如在起居室內(nèi)，觀察區(qū)很小，以至于觀察者只有坐在某一特定點(diǎn)處才能看到東西。對(duì)于起居室應(yīng)用而言，由于僅有一個(gè)觀察者且僅在坐在一點(diǎn)處時(shí)才能看到3D圖像，因此這遠(yuǎn)非是最佳的。
圖5示意地說明如美國專利US5,969,850所述的一種設(shè)備。在該設(shè)備中，通過使用動(dòng)態(tài)視差屏障51，即其中屏障狹縫在屏幕上移動(dòng)的視差屏障，來解決窄觀察區(qū)的問題。
盡管通過US5,969,850所述的方法能得到多視圖自動(dòng)立體顯示器，不過上述原理的缺點(diǎn)在于效率低。所發(fā)射出的光中僅有少量光穿過動(dòng)態(tài)視差屏障。例如，如果使用具有1000個(gè)狹縫(即1000個(gè)子幀)的視差屏障顯示器，則水平分辨率為1000個(gè)像素。不過，光照在視差屏障的整個(gè)背側(cè)上，而后者阻擋99.9％的光。因此，對(duì)于電視應(yīng)用而言，至少需要非常高的光強(qiáng)度才能獲得足夠亮的圖像。盡管能通過使動(dòng)態(tài)屏障的多個(gè)狹縫同時(shí)透光來提高效率，不過依然存在效率非常差的原則性問題，并且為了能使用多個(gè)狹縫，必須犧牲不同觀察方向的量。
除了雙凸透鏡和視差屏障等所存在的分辨率下降以外，視差屏障的透光率也顯著下降，這是因?yàn)槠琳系拇蠹s100條垂直線中僅有一條是透光的。這樣會(huì)阻擋(超過)99％的光，從而導(dǎo)致顯示器的效率極低。
因此，存在的問題是，良好的三維圖像應(yīng)當(dāng)是自動(dòng)立體的，也就是說在不需要佩帶眼鏡時(shí)依然具有良好的光輸出。
此外，優(yōu)選具有“環(huán)顧”能力，以避免發(fā)生眼睛聚焦和頭痛的問題。最好這種能力應(yīng)當(dāng)是顯示器固有的，不需要附加裝置來跟蹤觀察者的頭部。對(duì)于TV應(yīng)用來說，顯示器還必須具有多觀察者能力。最后，三維顯示器還應(yīng)當(dāng)是二維兼容的。原理上可利用雙凸透鏡屏或視差屏障來制造上述具有多觀察者能力的自動(dòng)立體顯示器，不過是以大大降低分辨率為代價(jià)的。
為此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的特征在于，該顯示設(shè)備包括用于提供由顯示陣列的像素發(fā)射出的準(zhǔn)直光的裝置；柱面透鏡，用于沿著垂直于柱面透鏡縱軸的方向使顯示陣列上顯示的圖像聚焦，該設(shè)備還包括包含多個(gè)開口的顯示屏，最好在顯示屏上設(shè)有柱面透鏡，在工作中顯示陣列上顯示的圖像聚焦到該柱面透鏡上；掃描裝置，其在顯示屏的開口上(最好在所述柱面透鏡上)連續(xù)地掃描；以及按照與顯示屏中開口的掃描頻率相應(yīng)的速率改變顯示陣列上的圖像信息的裝置。
圖6中示意出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的原理，其表示了本發(fā)明的一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)施例。
利用正柱面透鏡63，通過將來自光源60并且通過一個(gè)二維顯示陣列61的準(zhǔn)直光投射到一條垂直線62上，從而構(gòu)成顯示器中每條垂直線的觀察方向。在一幀時(shí)間內(nèi)，利用旋轉(zhuǎn)反射鏡或多面鏡64從左向右(或者相反)掃描各列。對(duì)于每條垂直線62而言，在顯示屏66上設(shè)置柱面透鏡65。對(duì)于屏幕66上的每條垂直線62而言，在二維顯示器61上顯示新圖像。在優(yōu)選實(shí)施例中，垂直線(實(shí)際包括完整圖像)入射在其上的柱面透鏡65擴(kuò)展成光線67。顯示陣列必須足夠快地改變顯示陣列上的圖像，與開口(或者在優(yōu)選實(shí)施例中為柱面透鏡)上掃描的頻率相符。例如，基于鐵電液晶的LCD足夠快。
為了增加總的視角，優(yōu)選在屏幕位置處使用諸如柱面透鏡65之類的光學(xué)元件。沒有這些元件，即當(dāng)屏幕僅設(shè)有開口時(shí)，對(duì)于家用電視裝置而言視角太小。此外，優(yōu)選諸如透鏡68的附加光學(xué)元件，以減小顯示器的深度。
根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備不具有圖5顯示器所述的效率問題。在根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備中，使用來自顯示陣列61的所有(或至少幾乎所有)光構(gòu)建圖像。不過，該光必須是準(zhǔn)直的。適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直光源可以為LCD投影儀(“光束器”)或者可使用激光。在后一種情形中，可使用掃描激光束產(chǎn)生二維圖像。根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備向后兼容。通過使每個(gè)定向視圖中具有相同的亮度信息，可顯示標(biāo)稱視頻。即，二維顯示陣列的一行中的每個(gè)像素顯示相同信息。在本發(fā)明的概念中，還可以利用顯示陣列向所有方向發(fā)射光，然后將所述光準(zhǔn)直，即將光準(zhǔn)直元件設(shè)置在發(fā)光陣列與旋轉(zhuǎn)反射鏡或多面鏡之間。不過，這通常意味著僅有效地使用了一部分發(fā)射光，通常僅使用所發(fā)射光中的百分之幾到幾十。然而，即使在這些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備的效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過已知設(shè)備的效率。陣列與控制裝置69相連，以便在顯示陣列上產(chǎn)生圖像。
為了獲得良好的正向屏幕性能，優(yōu)選使二維顯示器的(子)幀速與反射鏡或多面鏡的旋轉(zhuǎn)角度同步。例如，可利用反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中反饋機(jī)制使用光電二極管檢測(cè)光束在屏幕上的位置。
圖7表示了這樣的實(shí)施例。在該附圖中，放大了一部分屏幕66以顯示出屏幕上的光敏元件，如光電二極管71。來自光敏元件71的信號(hào)發(fā)送給控制裝置72，而控制裝置72通過反饋機(jī)制調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)反射鏡或多面鏡64。注意，在本發(fā)明概念中的“旋轉(zhuǎn)”包括在顯示屏上掃描顯示陣列圖像的任何運(yùn)動(dòng)。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不過也可以為傾斜或搖擺(前后)運(yùn)動(dòng)。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該設(shè)備在掃描裝置64與顯示屏66之間設(shè)有狹縫蔭罩板。為了得到良好的性能，必須保證打算落到開口(例如柱面透鏡65)上的圖像實(shí)際落到柱面透鏡上。在掃描裝置與顯示屏之間通過使用狹縫蔭罩板，會(huì)抵消光路的輕微失準(zhǔn)，代價(jià)是顯示器的亮度降低。圖8示意地表示了根據(jù)該實(shí)施例的設(shè)備的細(xì)節(jié)。在透鏡65的前面(即在掃描裝置(諸如旋轉(zhuǎn)反射鏡)與透鏡之間的光路上)設(shè)置狹縫蔭罩板81。該蔭罩板保證光僅落到透鏡上。這樣就提高了設(shè)備的性能，不過以光輸出作為代價(jià)。
顯然，在本發(fā)明范圍內(nèi)可進(jìn)行多種變型。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，本發(fā)明不限于上面特別示出和描述的。本發(fā)明存在于每一個(gè)新穎特征和特征的每種新組合。權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不限制其保護(hù)范圍。使用動(dòng)詞“包括”及其動(dòng)詞的各種變化形式不排除除權(quán)利要求中提到之外的元件。元件前面使用冠詞“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這類元件。
例如，盡管至此為止所示的實(shí)施例僅使用一個(gè)顯示陣列，不過在根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備的實(shí)施例中，可在屏幕上或在一部分屏幕上掃描多于一個(gè)顯示陣列。圖9中示意出這樣一個(gè)實(shí)施例，其中存在兩個(gè)顯示陣列91，92。這樣做有利于增大光輸出或者減小顯示器的刷新速率。
通過例如使用彎曲鏡面作為透鏡(透鏡63或68)的實(shí)施例，構(gòu)成所示實(shí)施例的另一種變型。正如眾所周知的，凹面鏡面，如果適當(dāng)成形的話，可作為透鏡，從而在本發(fā)明概念中，“透鏡”可以為起透鏡作用的鏡面。在使用透鏡時(shí)，例如通過根據(jù)屏幕上引導(dǎo)光的線來改變透鏡的位置(對(duì)于透鏡68而言朝透鏡前后或者對(duì)于透鏡63而言朝轉(zhuǎn)鏡前后)，可使透鏡具有某種程度的動(dòng)態(tài)性。從而可實(shí)現(xiàn)更好的聚焦。當(dāng)使用鏡面時(shí)，位置及曲率可以是動(dòng)態(tài)的。
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明如下所述一種自動(dòng)立體顯示設(shè)備，包括具有可尋址像素的顯示陣列。該顯示設(shè)備包括用于提供由顯示陣列(61)的像素發(fā)射出的準(zhǔn)直光(60)的裝置，和用于使顯示陣列上顯示的圖像聚焦在顯示屏(66)上的柱面透鏡(63)。提供掃描裝置(64)，在所述顯示屏上連續(xù)掃描；并且還提供按照與顯示屏中開口的掃描頻率相應(yīng)的速率改變顯示陣列(61)上的圖像信息的裝置(69)。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)立體顯示設(shè)備，包括具有若干可尋址像素的顯示陣列，和用于尋址該顯示陣列中的像素的裝置，其特征在于該顯示設(shè)備包括用于提供由顯示陣列(61)的像素發(fā)射出的準(zhǔn)直光(60)的裝置，用于沿著垂直于柱面透鏡縱軸的方向使顯示陣列上所顯示的圖像聚焦的柱面透鏡(63)，該設(shè)備還包括具有多個(gè)開口的顯示屏(66)，在工作中顯示陣列上顯示的圖像聚焦在開口上，還包括掃描裝置(64)，用于在所述顯示屏的開口上連續(xù)掃描，以及按照與顯示屏中開口的掃描頻率相應(yīng)的速率改變顯示陣列(61)上圖像信息的裝置(69)。
2.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其特征在于該設(shè)備在顯示屏(66)中、附近或上面包括柱面透鏡(65)。
3.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其特征在于該顯示設(shè)備在所述掃描裝置與顯示屏之間包括透鏡(68)。
4.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其特征在于該顯示設(shè)備在所述顯示屏上或附近包括指示光傳感器(71)。
5.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其特征在于該顯示設(shè)備在所述掃描裝置與顯示屏之間包括蔭罩板(81)。
全文摘要
一種自動(dòng)立體顯示設(shè)備，包括具有可尋址像素的顯示陣列。該顯示設(shè)備包括用于提供由顯示陣列(61)的像素發(fā)射出的準(zhǔn)直光(60)的裝置，和柱面透鏡(63)。提供掃描裝置(64)，在所述顯示屏上連續(xù)掃描；并且還提供按照與顯示屏中開口的掃描頻率相應(yīng)的速率改變顯示陣列(61)上圖像信息的裝置(69)。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1768536SQ200480008730
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者W·L·伊澤曼, M·P·C·M·克里恩 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司