專利名稱：自動立體圖像輸出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含圖像面板和多個柱鏡元件的自動立體圖像輸出裝置，該多個 柱鏡元件布置在圖像面板之上且圖像通過該多個柱鏡元件被觀看到。
背景技術(shù)：
已知的自動立體顯示裝置描述于C. van Berkel等人在SPIE會議錄1996年第 2653卷第32-39頁的題為“Multiview 3D-LCD”的論文。這種已知的裝置包含二維液晶顯 示面板，其具有顯示像素的行和列陣列充當(dāng)空間光調(diào)制器以產(chǎn)生顯示。相互平行地延伸的 細長柱鏡元件的陣列位于顯示像素陣列之上，且顯示像素通過這些柱鏡元件被觀察到。柱鏡元件是作為元件片提供的，其每一個包含細長的半圓柱形透鏡元件。柱鏡元 件沿顯示面板的列方向延伸，每個柱鏡元件位于對應(yīng)一組的兩個或更多個相鄰的顯示像素 列之上。在例如每個柱鏡與兩列顯示像素關(guān)聯(lián)的布置中，每一列中的顯示像素提供對應(yīng)的 二維子圖像的垂直片段。柱鏡片將這兩個片段以及來自與其它柱鏡關(guān)聯(lián)的顯示像素列的相 應(yīng)片段引導(dǎo)到定位在該片前方的用戶的左眼和右眼，使得用戶觀察到單個立體圖像。在其它布置中，每個柱鏡與沿行方向的一組四個或更多個相鄰顯示像素相關(guān)聯(lián)。 每一組中相應(yīng)的顯示像素列被恰當(dāng)?shù)夭贾靡蕴峁﹣碜詫?yīng)二維子圖像的垂直片段。當(dāng)用戶 的頭從左到右移動時，感知到一系列連續(xù)的、不同的立體視圖，建立了例如環(huán)視印象。上面描述的裝置提供了一種有效的三維顯示器。然而將理解，為了提供立體視圖， 需要犧牲裝置的水平分辨率。例如，具有600行和800列的顯示像素陣列的顯示面板可提 供四視圖自動立體顯示器，其中每個視圖包含600行和200像素的陣列。垂直和水平分辨 率之間的這種顯著差異是不期望的。US6, 064，424公開了與上述相似的自動立體顯示裝置，除了細長柱鏡元件與顯示 面板的列方向傾斜成一角度。通過傾斜柱鏡元件，原本需要的水平分辨率減小的一部分被 轉(zhuǎn)移到垂直分辨率。因而有可能“消耗”垂直和水平分辨率二者以增加由裝置顯示的視圖 數(shù)目。由于顯示器打算供以直立姿勢站立或者就坐的人觀看，它們設(shè)計成使得視圖主要 在水平方向上延伸。由于這個原因，圓柱形透鏡的傾斜方向選擇為使得透鏡和垂直方向之 間的角度比較小。幾乎垂直的透鏡與有利的子像素水平與垂直縱橫比(對于大多數(shù)面板為 1 3)組合提供良好的視圖分離和良好的像素結(jié)構(gòu)。結(jié)果，這些產(chǎn)品特別適合用于“風(fēng)景” 模式。

發(fā)明內(nèi)容
對于例如3D標(biāo)志中的某些應(yīng)用，人像模式有時是優(yōu)選的，而不是風(fēng)景模式。在那 種情況下，位于下面的LCD顯示器必須旋轉(zhuǎn)。由于子像素現(xiàn)在延伸到水平方向而不是垂直 方向，就視圖分離和像素結(jié)構(gòu)而言，或多或少的垂直透鏡布置提供不利的結(jié)果。
本發(fā)明的目的是提供一種可以在風(fēng)景模式或者人像模式中使用的顯示器。本發(fā)明由獨立權(quán)利要求定義。從屬權(quán)利要求定義有利實施例。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種自動立體圖像輸出裝置，其包含圖像面板，該圖像面板具有定義圖像的圖像像素的陣列，所述圖像像素按行和列 布置，所述行長于所述列；以及定位在該圖像面板之上的平行柱鏡元件的陣列，所述柱鏡元件具有與該圖像像素 列傾斜成角度Φ的光學(xué)焦軸，其中該圖像輸出裝置可在第一模式和第二模式中操作，該圖像面板和柱鏡元件陣 列在所述模式之間旋轉(zhuǎn)90度，由此提供風(fēng)景操作模式和人像操作模式。以及其中在該風(fēng)景模式中，該傾斜角度Φ滿足1 ^ tan Φ ^ 1/2.本發(fā)明提供特定的傾斜角度范圍，該范圍使得3D圖像裝置可以在風(fēng)景模式和人 像模式二者中使用，同時維持良好的視圖分布和圖像像素結(jié)構(gòu)。所述角度范圍保證了在兩種取向下具有足夠的傾斜以提供所需的視圖重復(fù)。在風(fēng)景模式中，傾斜角度Φ優(yōu)選地滿足1 ^ tan Φ 彡 0· 6.在一個優(yōu)選實例中，在風(fēng)景模式中，傾斜tan Φ滿足tan Φ ^ 2/3.在另一優(yōu)選實例中，在風(fēng)景模式中，傾斜tan ( Φ )滿足tan Φ 2R，其中R為圖像 像素的有效的寬度與高度比例。圖像面板可包含顯示裝置，且圖像像素于是包含顯示像素。像素優(yōu)選地是矩形的， 在風(fēng)景模式中像素顯示區(qū)域的寬度(沿行方向)與高度(沿列方向)的比例是在1 1. 5 至1 5的范圍內(nèi)，例如為1 3.當(dāng)處于任一模式中時，每個柱鏡元件優(yōu)選地位于沿行方 向的多個顯示像素之上。


本發(fā)明的實施例現(xiàn)在將參考附圖僅僅通過實例的方式予以描述，在附圖中圖1為已知自動立體顯示裝置的示意性透視圖；圖2用于解釋來自典型的已知3D顯示器的光路徑；圖3示出由圖2的裝置產(chǎn)生的視圖；圖4示出對應(yīng)于圖3的視圖區(qū)域分布；圖5示出對應(yīng)于不同傾斜角度的像素結(jié)構(gòu)；圖6示出對應(yīng)于圖5的結(jié)構(gòu)的視圖分布；圖7示出本發(fā)明的2/3傾斜配置的視圖區(qū)域；圖8示出圖7的顯示器的不同取向的視圖映射；圖9Α (風(fēng)景)和圖9Β (人像)示出圖7的風(fēng)景/人像3D顯示器的射線追蹤計算； 以及圖10示出傾斜2/3配置(圖10Α)和傾斜1/6顯示器(圖10Β)的風(fēng)景視圖的比較。
具體實施例方式本發(fā)明提供了具有特定的傾斜角度范圍的透鏡陣列，該范圍包含tanct = 2/3的 傾斜(定義為tanct)優(yōu)選值。這使得3D顯示器能夠在風(fēng)景模式和人像模式二者中使用。圖1為已知的直接視圖自動立體顯示裝置1的示意性透視圖。已知的裝置1包含 有源矩陣類型的液晶顯示面板3，其充當(dāng)空間光調(diào)制器以產(chǎn)生顯示?？梢允褂弥T如陰極射線 管或者發(fā)光二極管面板的其它類型的顯示產(chǎn)生面板。顯示面板3具有按行和列布置的顯示像素5的正交陣列。為了清楚起見，只有少 數(shù)顯示像素5示于圖中。在實踐中，顯示面板3可包含大約一千行和幾千列的顯示像素5。液晶顯示面板3的結(jié)構(gòu)完全是常規(guī)的。特別地，面板3包含一對隔開的透明玻璃 襯底，對準(zhǔn)扭曲向列或其它液晶材料被提供在這對隔開的透明玻璃襯底之間。襯底在它們 相面對的表面上承載透明銦錫氧化物(ITO)電極的圖案。極化層也被提供在該襯底的外表 面上。每個顯示像素5包含位于襯底上的相對電極，介于中間的液晶材料位于所述相對 電極之間。顯示像素5的形狀和布局由電極的形狀和布局確定。顯示像素5通過間隙而相 互等間距地隔開。每個顯示像素5與諸如薄膜晶體管(TFT)或薄膜二極管(TFD)的切換元件關(guān)聯(lián)。 通過提供尋址信號到切換元件來操作顯示像素以產(chǎn)生顯示，且本領(lǐng)域技術(shù)人員將知曉合適 的尋址方案。顯示像素5之間的間隙由不透明黑色掩模覆蓋。該掩模以光吸收材料的格柵的形 式而被提供。該掩模覆蓋切換元件并定義單獨的顯示像素區(qū)域。顯示面板3由光源7照射，這種情況下光源7包含在顯示像素陣列的區(qū)域上延伸 的平面背光。來自光源7的光被引導(dǎo)穿過顯示面板3，單獨的顯示像素5被驅(qū)動以調(diào)制光并
產(chǎn)生顯示。顯示裝置1還包含布置在顯示面板3的顯示側(cè)之上的柱鏡片9。柱鏡片9包含相 互平行地延伸的一行柱鏡元件11。僅一個柱鏡元件11被示出，所述柱鏡元件與顯示像素5的列方向傾斜成一角度， 即它們的縱軸(與柱鏡的焦軸相同)與顯示像素5的列方向定義形成一銳角。柱鏡元件11在此實例中為凸柱狀透鏡的形式。然而也可以使用非柱狀透鏡。透 鏡充當(dāng)光學(xué)導(dǎo)向器裝置以提供從顯示面板3到定位于顯示裝置1前方的用戶的眼睛的不同 圖像或者視圖。當(dāng)用戶的頭在顯示裝置1前方從左到右移動時，柱鏡元件11還提供許多不 同圖像或者視圖到用戶的眼睛。圖2用于解釋來自典型的已知3D顯示器的光路徑。對于具有9個視圖的42”英 寸(107cm)產(chǎn)品，使用下述參數(shù)顯示面板之上的總玻璃厚度d = 6mm透鏡半徑R = 2. 2mm傾斜tan(a)=l/6像素尺寸為高度⑶=3X寬度(A)，寬度=161.5ym水平透鏡節(jié)距P1 = 4. 5 X寬度。圖2示出像素的列21、22和23的重復(fù)序列，每個列具有寬度(A)。列21可表示紅顏色的像素，列22可表示綠顏色的像素以及列23可表示藍顏色的像素。圖2中的左圖像示出來自一透鏡下面的不同像素的輸出如何被引導(dǎo)到不同空間 位置，使得不同視圖可以形成于不同位置。在圖1的實例中，每兩個透鏡，對應(yīng)于每九個像 素，所述透鏡和像素排成一行(line up)，使得可以生成九個不同視圖位置。圖3將“主”視圖平面示為30。此偏斜平面為由柱鏡軸和表面法線跨越的平面。 觀察者可以看到的(多個)視圖是由表面法線32與觀察方向(矢量34)在此視圖平面30 上的投影之間的角度Φ確定。此投影矢量示為35。因而，觀看者36不必直接位于顯示器 前方。水平平面示為38。圖4示出從1編號到9的視圖區(qū)域。視圖區(qū)域被定義在與顯示器平面平行的平面 內(nèi)并位于某一觀看距離處，取決于所謂的視點校正。這是柱鏡中的節(jié)距校正以保證位于該 距離處的觀看者看到顯示器的整個區(qū)域上相同(多個)視圖。在實踐中將存在視圖間串?dāng)_，引起逐漸過渡。視圖區(qū)域的取向與柱鏡的取向相同。圖4左邊底部的曲線圖示出與距法線方向的距離的函數(shù)的視圖強度(I)。對于傾 斜切！！小=1/6 (假定理想的透鏡)，示出了 9個視圖的強度分布。對于3D效應(yīng)，僅僅通過所述區(qū)域的水平截面是密切相關(guān)的。量(K表示在水平平 面內(nèi)測量的相對于表面法線的角度。圖5示出對應(yīng)于不同傾斜(1/12，1/6，1，3，2/3，4/3)的像素結(jié)構(gòu)。透鏡軸用傾斜 線50表示。同樣存在在傾斜角度的每個表示中分別具有紅、綠和藍顏色的像素的列21、22 和23的重復(fù)序列。粗體像素表示與透鏡軸對準(zhǔn)的且對于與表面法線一致的觀看者是可見 的像素。所有結(jié)構(gòu)適用于9視圖系統(tǒng)且具有基礎(chǔ)單色像素結(jié)構(gòu)52，如左下圖所示，其中粗體 像素是一種且相同的顏色。這種選擇的原因在于，對于所感知的分辨率而言，基礎(chǔ)像素結(jié)構(gòu) 是有利的。特定的傾斜(通式為273)被選擇，因為它們產(chǎn)生具有某種對稱屬性的視圖分 布。圖6示出如對應(yīng)于圖5的結(jié)構(gòu)的視圖分布，即與距法線方向的距離的函數(shù)的視圖 強度(I)。注意，?。表示在水平平面內(nèi)測量的相對于表面法線的角度。具有傾斜1/3的結(jié) 構(gòu)具有最小的視圖間串?dāng)_。對于等于和超過1/3的傾斜，視圖節(jié)距不變且等于像素平面內(nèi) 的一個水平子像素節(jié)距。對于小于1/3的傾斜，視圖節(jié)距與傾斜成比例地縮放。除了節(jié)距 變動之外，傾斜1/3分布的兩側(cè)上的視圖分布非常相似。傾斜2/3分布為傾斜1/6分布的“姐妹分布”。1/12分布和4/3分布同樣是這樣。對于實際使用，1/12和4/3分布不是非常引起關(guān)注，因為它們受到太多的串?dāng)_。傾 斜1/6配置被廣泛使用。其具有比1/3配置略大的串?dāng)_，但是其就莫爾類型假象(“成條帶 狀”)而言具有更有利的屬性。除了下述事實之外，傾斜2/3配置具有與1/6配置相同的屬性傾斜2/3配置提供 了產(chǎn)生沿垂直方向的視圖分布的機會，該視圖分布與沿水平方向的分布非常相當(dāng)。圖7示出2/3傾斜配置(α = 33. 7度)的視圖區(qū)域。水平切割通過所述區(qū)域生 成“風(fēng)景”視圖分布70并且垂直切割生成“人像”視圖分布72。人像分布的節(jié)距為風(fēng)景分 布的節(jié)距的1.5倍。通過使用傾斜2/3配置，該顯示器既可以在風(fēng)景模式中使用也可以在人像模式中 使用。當(dāng)然，3D圖像的再現(xiàn)必須取決于模式來調(diào)適。
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圖8示出對于顯示器的不同取向的視圖映射。視圖序數(shù)1對應(yīng)于在水平平面內(nèi)的 最右邊視圖(在觀察者看來)。視圖序數(shù)5對應(yīng)于沿表面法線的方向發(fā)射的中心視圖。同 樣，所有表示示出了分別具有紅、綠和藍顏色的像素的列21、22和23的重復(fù)序列。透鏡軸 由傾斜線50表示。左邊頂部圖像示出正常風(fēng)景視圖配置。與每個像素關(guān)聯(lián)的數(shù)字示出視圖序數(shù)，并 涉及像素的中心與透鏡軸50之間的水平距離。此距離確定各自視圖的出射角(outgoing angle)。在此實例中存在9個不同距離。對于風(fēng)景情形，所有距離出現(xiàn)在一個單一行 內(nèi)。這些距離為列節(jié)距的-4，-3，-2，_1，0，1，2，3，4倍。相應(yīng)的視圖序數(shù)為1到9。在人 像情形中，所有距離出現(xiàn)在兩個列內(nèi)(在此模式中這兩列水平地伸展)。它們?yōu)樾泄?jié)距 的-2,-1. 5,-1,-0. 5,0,0. 5,1,1. 5，2倍。相應(yīng)的視圖序數(shù)同樣是1到9. “整數(shù)”距離出現(xiàn) 在一個列內(nèi)以及半數(shù)距離出現(xiàn)相鄰列內(nèi)。圖8示出顯示器的四種可能取向，所述取向通過沿由互換箭頭80指示的某一方向 旋轉(zhuǎn)是可互換的，每個互換方向指示視圖映射的旋轉(zhuǎn)方向。圖9A和9B以視圖分布的形式，即與距法線方向的距離的函數(shù)的視圖強度(I)，示 出具有傾斜2/3的風(fēng)景(圖9A)和人像(圖9B) 3D顯示器的射線追蹤計算。該角度表示在 水平平面內(nèi)測量的相對于表面法線的角度。單獨的曲線90示出單獨的視圖?？倧姸?2示 于右邊圖中(起伏的)上方曲線。IXD像素和透鏡之間的總玻璃厚度(d)選擇為15mm，而 透鏡半徑Rlms = 5. 54mm。對于這種幾何，風(fēng)景視圖節(jié)距略微小于標(biāo)準(zhǔn)傾斜1/6 “哇(wow) ” 顯示器的(風(fēng)景)視圖節(jié)距，而人像視圖節(jié)距略微更大。圖IOA和IOB分別示出圖9的傾斜2/3配置與傾斜1/6哇顯示器的風(fēng)景視圖的比 較。圖IOB的顯示器具有玻璃厚度d = 6mm以及透鏡半徑Rlens = 2. 24mm。除了節(jié)距差異 之外，視圖的形狀非常相似。這有點取決于像素周圍以及像素內(nèi)黑色矩陣的形狀。對于具 有位于中間的水平黑色矩陣帶的像素，與傾斜1/6形狀相比，傾斜2/3配置的視圖形狀趨于 較為不利。上面的描述給出了 tan Φ = 2/3的優(yōu)選角度。如上所解釋，這給出了風(fēng)景和人像 模式二者中3D模式之間的良好折衷。更一般而言，當(dāng)在風(fēng)景模式中1 > tanct > 1/2時，在兩種模式中均可獲得3D效 應(yīng)。tanct = 1對應(yīng)于45度，使得在人像和風(fēng)景模式中傾斜角度相同。當(dāng)tan Φ的值增大 時，當(dāng)在該風(fēng)景模式中時柱鏡變得更為直立，并且人像模式3D效應(yīng)退化。在tanct = 1/2 的極限處，柱鏡為26. 6度對63. 4度。這表示比常規(guī)tan Φ = 1/6 (9. 5度)大得多的傾斜， 使得可以實現(xiàn)在兩種模式下的3D視圖。本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用是例如使用液晶顯示面板的自動立體顯示裝置。然而，本發(fā)明 可以應(yīng)用于包含諸如數(shù)碼相框的靜態(tài)圖像以及電子標(biāo)志的其它應(yīng)用。在上面的實例中，像素是矩形的，但是這不是非常重要的。實際上，已經(jīng)有提議調(diào) 整像素的形狀以匹配透鏡傾斜從而減小串?dāng)_。在本申請中也可以采用這樣的措施。將看出，優(yōu)選的傾斜2/3在與像素比例1/3組合時，在風(fēng)景模式中產(chǎn)生的透鏡間像 素是在人像模式中產(chǎn)生的透鏡間像素的兩倍那么多。在圖5所示實例中，在水平方向上，在 風(fēng)景模式中具有9列的透鏡間節(jié)距以及在人像模式中具有4. 5行的透鏡間節(jié)距。該優(yōu)選的 角度因而可以被認(rèn)為是像素的有效寬度與高度比例的兩倍(即包含像素周圍的邊界的比例)。 各種調(diào)整對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是清楚明白的。
權(quán)利要求
一種自動立體圖像輸出裝置，包含圖像面板，所述圖像面板具有定義圖像的圖像像素(5)的陣列，所述圖像像素按行和列布置，所述行長于所述列；以及定位在所述圖像面板之上的平行柱鏡元件(11)的陣列，所述柱鏡元件具有與圖像像素列傾斜成角度φ的光學(xué)焦軸，其中所述圖像輸出裝置可在第一模式和第二模式中操作，所述圖像面板和柱鏡元件陣列在所述模式之間旋轉(zhuǎn)90度，由此提供風(fēng)景操作模式和人像操作模式。以及其中在所述風(fēng)景模式中，所述傾斜角度φ滿足1≥tanφ≥1/2.
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自動立體圖像輸出裝置，其中在所述風(fēng)景模式中所述傾斜角度Φ 兩足1 ^ tan Φ 彡 0· 6.
3.根據(jù)權(quán)利要求1的自動立體圖像輸出裝置，其中在所述風(fēng)景模式中所述傾斜角度Φ 滿足 tan Φ ^ 2/3
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自動立體圖像輸出裝置，其中在所述風(fēng)景模式中所述傾斜角度Φ 滿足tanct 2R，其中R為所述圖像像素的有效的沿行方向的寬度(A)與沿列方向的高度 ⑶的比例。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任意一項的自動立體圖像輸出裝置，所述圖像面板包含顯示裝 置，以及所述圖像像素(5)包含顯示像素。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的自動立體圖像輸出裝置，其中所述像素顯示區(qū)域具有矩形形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的自動立體圖像輸出裝置，其中在風(fēng)景模式中，所述像素顯示區(qū)域 的沿行方向的寬度與沿列方向的高度的比例是在1 1.5至1 5的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的自動立體圖像輸出裝置，其中在風(fēng)景模式中，所述像素顯示區(qū)域 的沿行方向的寬度(A)與沿列方向的高度(B)的比例為1 3。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任意一項的自動立體圖像輸出裝置，其中當(dāng)位于任一模式中時， 每個柱鏡元件(11)位于沿行方向的多個顯示像素之上。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任意一項的自動立體圖像輸出裝置，其中圖像像素的行和列是 正交的。
全文摘要
自動立體圖像輸出裝置包含具有定義圖像的圖像像素(5)的陣列的圖像面板，所述圖像像素按行和列布置。平行柱鏡元件(11)的陣列定位于該圖像面板之上，柱鏡元件具有與圖像像素列傾斜成角度(Φ)的光學(xué)焦軸。圖像輸出裝置可在第一模式和第二模式中操作，圖像面板和柱鏡元件陣列在所述模式之間旋轉(zhuǎn)90度，由此提供風(fēng)景操作模式和人像操作模式，在風(fēng)景模式中傾斜角度Φ滿足1≥tanΦ≥1/2.這使得3D圖像裝置可以在風(fēng)景模式和人像模式二者中使用，同時維持良好的視圖分布和圖像像素結(jié)構(gòu)。
文檔編號H04N13/00GK101946521SQ200980104793
公開日2011年1月12日 申請日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月11日
發(fā)明者M·G·H·希丁克, S·T·德茲沃特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司