多视图显示器的制作方法

专利名称：多视图显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及取决于观看角度而改变外观的多视图显示器，诸如自动立体显示器、 双视图显示器和定向显示器。如同可以用在手持式游戏装置中那样，本发明也可以用在使子像素以风景画取向定向的高分辨率自动立体显示器中。
背景技术：
立体显示器通过像在现实中发生的那样，向每只眼睛提供一场景的不同透视图， 来在图像中产生深度感。大脑随后把这些透视图融合在一起，从而在大脑中形成图像的3D 表现。例如，这可以通过用一种偏振光显示一个透视图、并且用另一种偏振光显示另一个透视图来实现。通过佩戴每个目镜只允许适当的偏振光通过的眼镜，观看者于是能够看到立体深度。
自动立体显示器是不需要用户佩戴眼镜就能够产生立体深度的显示器。这是通过向每只眼睛投射不同的图像来实现的。这些显示器可以通过利用视差光学技术(诸如视差屏障或双凸透镜)来实现。
这些类型的显示器在文献中是众所周知的。例如，来自日本德岛大学的论文 (Optimum parameters and viewing areas of stereoscopic full colour LED display using parallax barrier，Hirotsugu Yamamoto 等人，IEICE trans electron，vol E83_c no 10,2000年10月)充分描述了 3D用视差屏障的设计和操作。
总括地说，附图中的图Ia和Ib利用自动立体视差屏障设计方案的截面图，示出视差屏障操作和设计的基本要点。如同先前的设计那样，用于左眼和右眼的图像交错在交替的像素列上。视差屏障中的狭缝使观看者从其左眼的位置只可以看到左图像像素，并且使观看者从其右眼的位置只可以看到右图像像素，正如双视图视差屏障那样。
观看者可以沿轴线观看显示器从而看到立体视图，但是应注意的是，观看者也可以偏离轴线看到立体视图，如图中所示。沿轴线看到的视图被称为主观看窗，并且偏离轴线看到的视图被称为次观看窗。
通过使用双凸透镜(lenticular lens)，可以实现相同的3D效果。每个透镜实质上等效于视差屏障上的狭缝。图加和2b示出利用双凸透镜的常规3D系统。透镜把像素成像到(通常距面板的距离为300mm的)观看者。如图中所示，来自左像素的光被引导到观察者的左眼，并且来自右像素的光被引导到观察者的右眼。为此，焦距通常被设定成大约等于透镜与像素的间隔距离(使得透镜的焦距近似处于像素平面上)。
这种设计效果非常好，并且多年来一直被用于制造良好的立体显示器。
在一种不太普及的3D显示器设计中，像素间具有较大的间隔。这会导致3D显示器的设计方面的问题。例如，如果如图3中所示，LCD显示面板中的像素需要被旋转90度， 那么就可能会发生像素间的间隔较大这种情况。
黑膜(black mask)区具有覆盖存在于显示器中的电子器件的功能。在有源矩阵 LCD显示器中，每个像素具有由黑膜遮蔽的相关联的薄膜晶体管(TFT)。这些TFT通常被布置于每个像素上方，这可以解释为什么在图Ia中，与每个像素的左侧和右侧相比，在每个像素上方存在更大的黑膜区。就图3a的旋转像素设计来说，TFT在每个像素的右侧，使得在每个像素的右侧存在相当大的间隙。这样的设计可能存在于以风景画取向使用屏幕的游戏控制台中。图3a和: 示出了所述间隙在与标准的双凸透镜设计一起使用时的效果。就常规设计来说，双凸透镜被聚焦到像素上，并因而在观察者的平面中产生像素的图像。来自左像素的光被成像到左眼，并且来自右像素的光被成像到右眼，但是在观察者双眼之间存在着由黑膜的图像引起的暗区。如果观看者稍微移离轴线，那么显示器将会看起来是黑暗的，因为观看者移动到由黑膜和透镜引起的暗区中。当观看3D图像时，这会降低观看者左右移动的自由度。另外，通过使左右图像相同，3D显示器可以用作2D显示器。然而，由于在某些角度下存在的暗区，这种2D显示器的可用性也被降低。这种问题的一种已知解决方案是通过使双凸透镜的光焦度更大或更小，来使双凸透镜散焦。这具有使在观察者的眼睛中形成的(被称为“观看窗”的)图像模糊的效果，如图如和4b中所示。在这种情况下，当观察者移离轴线时，来自面板的亮度的变化得到改善。 当左眼移离轴线时，左眼图像将逐渐变黑，而不是突然变黑。另外，当左眼图像逐渐变黑时， 右眼图像的亮度会增大从而作出补偿。这样，来自面板的亮度水平能够保持更加恒定。这种解决方案的缺点在于，为了把亮度变化降低到足够低的水平，产生了对于左眼来说左右图像都可以看到的区域(“图像混合区”)。因此观察者在该区域中会看到使图像质量变差的双图像，并且显示器在3D模式下的可用观看自由度会被降低。优点在于，当以2D模式使用该显示器时，亮度变化会降低。就这种设计来说，无法产生从左眼图像到右眼图像的急剧转变(3D图像的理想情况)并消除来自面板的亮度变化。在专利US7070278(2006年7月4日)的说明书中，简略提到了这种问题的另一种潜在解决方案。该专利提出可以把双凸透镜分成多个部分。这在图如和恥中示出。双凸透镜的区域“1”稍微偏向显示器的左侧，而区域“2”偏向右侧。如果观看者碰巧从稍微向左偏离轴线的位置观看显示器，那么区域“1”将向观看者显示良好的明亮图像。如果观看者碰巧从稍微向右偏离轴线的位置观看显示器，那么区域“2”将向观看者显示良好的明亮图像。这样，对于适当的头部移动范围，显示器的至少一些部分将显示良好的3D图像。透镜不需要被散焦以提供这种额外的头部自由，使得左右图像之间的转变能够保持急剧化， 同时不存在可看到双图像的区域。这种系统的缺点在于，当稍微偏离轴线观看显示器时，只有一个透镜区域将显示图像。另一个透镜区域将看起来是黑的。这将导致只能看到显示器的一半亮度，更坏的是， 将只能看到显示器的一半分辨率。也可能的是，当正好沿轴线观看时，区域1和2显示图像， 使得显示器是全亮度和全分辨率的。在这种情况下，分辨率和亮度将随着用户左右移动而变化，这会产生明显且使人注意力分散的图像伪像。GB 2406730提出了一种定向显示器，其中透镜状屏幕与显示装置合作来提供多个视图。透镜状屏幕的每个微透镜(Ienticule)具有曲率中心相互错位的细长平行部分。所述微透镜被布置成使得其外部部分把来自相邻的非对准像素的光引导到零阶凸角(lobe)。US 2007/0183033提出了一种供透射空间光调制器使用的背光装置。该背光装置包括透镜状屏幕，该透镜状屏幕具有曲率中心相互错位的多个部分。
US 7002748提出了一种包装片材，其用于提供视觉效果以吸引观看者注意裹在包装片材中的包裹物。该包装片材包括透镜状屏幕，在该透镜状屏幕的背部平面上印刷有空间交错图像。在一个实施例中，每个微透镜的中间部分具有比相邻的侧部更大的曲率半径， 使得所述中间部分提供“透视”效果，因为所述中间部分不对屏幕背面上的印刷图像成像， 反而允许看到屏幕下面的物体。
US 6369949提出了一种采取透镜状屏幕形式的与US 7002748大体相似的配置， 在所述透镜状屏幕的背部平面上印刷有在空间上多路复用的图像。
US 6130777提出了一种背投屏幕，其采取层叠在散射体上的透镜状屏幕的形式。 所述散射体包含诸如微透镜之类的微小特征。发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种多视图显示器，其包括显示装置和多个会聚透镜，每个透镜与显示装置的相应区域合作，所述相应区域包括用于显示供在第一观看区中观看的第一图像的一部分的第一子区，以及在第一方向上与第一子区间隔开并且用于显示供在第二观看区中观看的第二图像的一部分的第二子区，每个透镜包括沿着与第一方向垂直的第二方向相互平行地延伸并且具有在第一方向上间隔开的透镜中心的第一部分和第二部分，并且每个透镜形成显示装置的相应区域的第一图像和第二图像，所述第一图像和第二图像在第一方向上相互错位。
会聚透镜可以布置在显示装置和观看窗之间。
根据本发明的第二方面，提供了一种多视图显示器，其包括显示装置；多个会聚透镜，每个透镜与显示装置的相应区域合作，所述相应区域包括用于显示供在第一观看区中观看的第一图像的一部分的第一子区，以及与第一子区间隔开并且用于显示供在第二观看区中观看的第二图像的一部分的第二子区；以及随角度而变的散射体，用于使沿光轴的光基本上完全通过，并且对与散射体的光轴成大于预定角度的角度传播的偏离光轴的光进行散射。
在考虑了结合附图给出的本发明的以下详细说明后，本发明的前述和其它目的、 特征和优点将更容易地得到理解。


图Ia和Ib是示出利用视差屏障的自动立体显示器的操作的俯视图和截面视图。
图加和2b是示出利用双凸透镜的自动立体显示器的操作的俯视图和截面视图。
图3a和北是示出当利用标准双凸透镜和具有较小有效面积的像素时出现的问题的俯视图和截面视图。
图如和4b是示出利用散焦透镜的已知解决方案的俯视图和截面视图。
图fe和恥是示出利用偏置透镜(offset lens)的已知解决方案的俯视图和截面视图。
图6a和6b是示出利用新颖透镜形状的本发明的第一实施例的俯视图和截面视图。
图6c是图6a和6b的实施例的局部放大截面视图。
图6d是图6a和6b的实施例的变形例的局部放大截面视图。图6e、6f和6g是示出适合于在图6a和6b的实施例中使用的可能透镜的俯视图和截面视图。图示出图6e、6f和6g的透镜设计的光学性能的预测。图7示出现有技术和新设计的光学性能的预测。图和8b以及图8c和8d示出可以以风景画取向或肖像画取向使用的本发明的实施例。图9a示出具有双凸透镜的双视图显示器。图9b示出具有双凸透镜和不对称像素的双视图显示器。图10示出利用新颖透镜设计的双视图显示器。图11示出用于双视图显示器的标准双凸透镜和新颖透镜之间的性能比较。图12a和12b示出把透镜分成多个不同区域的方式。图13是示出如何在系统中使用离轴散射的截面图。图14示出改进的像素孔径，以增大角亮度均勻性。图1 和1 是示出利用新颖透镜形状的本发明的第一实施例的俯视图和截面视图。
具体实施例方式现在将通过例证来说明本发明的优选实施例。实施例1图6a和6b示出改进显示器像素具有减小的有效面积的立体3D显示器的质量的方法。图6a是根据本发明的一个实施例的多视图显示器的示意性俯视图，并且图6b是图 6a的显示器的截面视图。该显示器具有布置在显示装置(在本实施例中为像素化显示装置)之上的多个会聚透镜(这里实施为双凸透镜)。(显示装置被示意性地显示为包含布置在TFT(薄膜晶体管)基板和CF(滤色片)基板之间的图像显示层(可以是像素化图像显示层)。显示装置的详细构造与本发明无关，因此将不再详细描述显示装置)。会聚透镜被布置在显示装置和观看窗之间。鉴于这种情况下的常规设计会产生相互之间具有黑色区域的狭窄观看窗(图3a和3b)，新方法通过利用产生像素的双图像的新颖透镜形状，来扩展观看窗。会聚透镜也可以布置在显示装置和观看窗之间。透镜形状被形成为使得其具有两个透镜中心。透镜的一半(区域1)以透镜中心 1为中心，并且透镜的另一半(区域2)以透镜中心2为中心，如图6c中所示。透镜中心1 和透镜中心2相互错位，使得像素的双图像得以产生。区域1对像素成像以产生“区域1窗口”，并且区域2对像素成像以产生“区域2窗口”。使这两组不同的窗口相互错位以扩展像素的图像，这会增大可能的头部移动量。另外，透镜的光焦度可以是最佳的，以便成像出具有清晰边缘的窗口，使得左眼窗口和右眼窗口之间的转变可以是急剧的。基本上不存在左右窗口重叠的区域，即基本上不存在图像混合区。另外，直到发生左右窗口之间的转变的点为止，左视图和右视图的亮度都能够保持得很高。由于这些因素，观看者可以从偏离轴线的位置观看显示器，而3D图像的质量仍然良好。该显示器具有良好的“观看自由度”。
更详细地，显示器的每个透镜与显示装置的相应区域合作，所述相应区域包括显示供在第一观看区中观看的第一图像的一部分的第一子区，以及在第一方向上与第一子区间隔开的第二子区。例如，在图6a和6b的实施例中，第一“子区”包括一列左眼像素的一部分(其中“列”指的是如图6a中所示那样取向的显示器)，其用于显示供在左眼观看区中观看的左眼图像的一部分；并且第二“子区”包括一列右眼像素的一部分，其用于显示右眼图像的一部分。(在显示器按照图6a中所示的那样取向时)第一“子区”(即左眼像素) 在水平方向上与第二子区(即右眼像素)间隔开。每个透镜包含沿着与第一子区和第二子区间隔开的(第一)方向垂直的(第二)方向相互平行地延伸的第一部分和第二部分。 即，在显示器如图6a中所示那样取向的情况下，第一部分和第二部分沿着垂直方向相互平行地延伸。可替换地，在显示器如图乩中所示那样取向的情况下，第一“子区”(即左眼像素)在水平方向上与第二子区(即右眼像素)间隔开，并且透镜的第一部分和第二部分延伸到纸面中。
透镜的第一部分和第二部分具有在第一子区和第二子区间隔开的(第一)方向上间隔开的透镜中心。每个透镜形成显示装置的相应区域的第一图像和第二图像，所述第一图像和第二图像在第一方向上相互错位(使得显示装置的相应区域的“双”图像得以形成)。
在图6a和6b的实施例中，每个透镜的第一部分和第二部分相互成一体。然而，原则上，每个透镜的第一部分和第二部分可以相互分离。
优选地，(当垂直于第一部分和第二部分的延伸方向观察时)每个透镜沿着其长度方向具有恒定的截面形状和大小(即，沿着第二方向，每个透镜具有垂直于上面限定的第二方向的恒定截面形状和大小)。
因此可以提供一种用于制造这样的显示器的透镜设计，该显示器具有宽阔的立体观看窗以产生具有良好观看自由度的良好3D图像。当偏离轴线观看显示器时，看不到黑色区域(不同于图3a和北的设计)，不存在出现图像混合的区域(不同于图如和4b的设计)，并且能够看到全部显示器分辨率(不同于图如和恥的设计)。另外，这种透镜设计只会很少地增加显示器的制造成本，因为透镜是按照与常规设计相同的方式制造的，并且仅需要把用于压制透镜的原模(master stamp)制成不同的设计。
另外，这种技术适用于其它装置。例如，双视图显示器产生间隔较宽的观看窗，使得不同的人能够观看不同的图像(GBM05M2，2005年3月2日)。一些显示器利用视差光学器件来引导光离开某些方向，使得光不会在例如汽车挡风玻璃中形成反射(GB0813088. 2， 2010年1月20日)。一些显示器利用这些类型的功能的组合(GB0803170. 0,2009年8月 26日)，或者产生多视图3D。所有这些显示器都可以通过应用本技术操纵观看窗，而得到改进。
另外，上述基本原理可以应用于任何显示器类型，诸如液晶显示器(IXD)、有机发光二极管(OLED)显示器等等。
图7示出与其它设计相比的显示器性能的预测。图7中的曲线图是三种不同的3D 显示器设计即(图Ia和Ib的)视差屏障、(图如和4b的)标准散焦双凸透镜和(图6a 和6b的)新颖透镜设计的光学性能的仿真。所述仿真以各种设计的光学射线追踪为基础， 针对的是水平方向的像素孔径为大约65 %的显示器(即，与对于已知3D显示器设计会引起问题的、图3a和北的旋转像素设计相似)。成人的平均眼间距为大约62mm，因此如果观看者沿轴线观看显示器，那么观看者的左眼会处于-31mm的眼睛位置，并且观看者的右眼会处于约31mm的眼睛位置。就视差屏障设计来说，观看者观察到的强度低于双凸透镜设计情况下观看者观察到的强度。这是因为视差屏障吸收来自面板的大量光。当观看者移离轴线时，强度降低，因为观看者通过视差屏障只能看到较少部分的像素孔径。当右眼到达IOmm位置时，右眼开始看到来自左眼观看窗的量值不断增多的光，这导致观看者看到令人不快的图像混合。就标准散焦双凸透镜来说，存在相同的亮度降低和图像混合区。在这种情况下， 这是因为散焦双凸透镜使像素孔径的图像变模糊，使得亮度逐渐减小并且左右像素图像重叠。因此这种设计具有亮度降低和图像混合区的相同缺点。就新颖双凸透镜设计来说，像素的图像清晰，因此左右图像之间的转变可以是急剧的。因此，在看到左眼图像之前，用户能够把其右眼横移到Omm的眼睛位置。这种设计因此可提供+/-30mm的头部自由度，而不是已知设计的+/-20mm的头部自由度。应注意的是， 就已知设计来说，左右图像之间的转变会相互分离，但是这会导致来自显示器的强度在Omm 的眼睛位置变为零，这是不期望有的。可以看出，就该新颖设计来说，亮度在大约20mm的眼睛位置处存在着台阶。这是由于透镜所产生的双图像。第一个图像来自0-45mm的眼睛位置，并且第二个图像来自20mm-62mm的眼睛位置。这些图像在从20mm至45mm的范围内重叠，并且这解释了该区域中的强度峰值。该峰值可以被认为是有益的，但是如在实施例3中说明的那样，该峰值也可以被消除。在图6e、6f和6g中更详细地示出了适合于在图6a和6b的实施例中使用的一种可能透镜设计。图6e是局部正视图，如可以看出的那样，在该实例中，像素列的间距(图6a 中图示为“P”)为103. 5 μ m，并且像素孔径(图6a中图示为“a”)为59 μ m。图6f是显示器的局部放大截面视图，示出了透镜形状。如可以看出的那样，透镜表面的截面包括中心位于 X = "23. 0 μ m、y = -127. 5 μ m 禾口 χ = 23. 0 μ m、y = -127. 5 μ m 的两个圆的弧，每个圆的半径=129. 8 μ m0透镜的宽度为206. 86μπι，其是像素列的间距的两倍使得透镜覆盖产生左眼视图的一列像素和产生右眼视图的一列像素。在具有该宽度的情况下，透镜的最大高度为大约25. 5 μ m。图6g是显示器的截面视图，示出如何通过透明胶层把图6b的上面形成有透镜的透镜基板粘着到显示装置上。(为了清楚起见，只示出了显示装置的液晶层、上基板和上起偏器，并且从图6g中省略了显示装置的诸如下基板之类的其它组件。)图他示出具有图6e和6f的透镜设计的显示器的光学性能的仿真。如在图7的情况中那样，透镜产生左像素列的两个分离图像和右像素列的两个分离图像。像素的图像清晰，因此左右图像之间的转变可以是急剧的。现在将描述其它实施例。其它实施例的与实施例1相同或相似的特征将不再详细描述。实施例2在实施例1中，透镜的区域1具有向左移位的透镜中心(透镜中心1)，并且区域2 具有向右移位的透镜中心(透镜中心幻。这会产生具有如图6c中概略示出的截面的透镜。存在着这样一种备选设计区域1具有向右移位的透镜中心(透镜中心2)，并且区域2具有向左移位的透镜中心(透镜中心1)。这会产生具有如图6d中概略示出的截面的透镜。这种备选设计更易于实现。
实施例3
如在实施例1中提到的那样，在双图像重叠的情况下，存在着亮度峰值。对此的一种解决方案是把显示装置的第一子区和第二子区布置成在第一方向(即，第一子区和第二子区相互间隔开的方向)上均勻地间隔开，同时第一子区和第二子区各自在第一方向上的孔径基本上等于第一子区和第二子区在第一方向上的间距的一半。对如图6a中所示那样取向的显示器来说，这意味着使水平像素孔径基本上是水平像素间距的50%。随后可以调整双图像使其形成在从Omm至31mm的眼睛位置和从31mm至62mm的眼睛位置。这样，双图像并排布置并且不会重叠。因此在所有眼睛位置，亮度都是均勻的。
可替换地，垂直方向上的像素孔径在一些区域中可以逐渐减小，使得亮度峰值是渐变的而不是尖锐的。
实施例4
众所周知，球面透镜表面并不是成像用透镜的最佳形状，并且通常利用非球面设计来使像差最小化。柱面透镜也同样如此。可以使这种设计的每个区域具有“圆柱”形状以使像差最小化，同时透镜仍然利用错位的透镜中心来产生双图像。
这种透镜形状可能需要在整个显示器内精细地调整，以便获得最佳的性能。
实施例5
在前面的实施例中，已经提到由于具有不同透镜中心1、2的两个透镜部分，透镜产生了双图像。然而，本发明并不局限于正好具有两个透镜部分并且产生显示装置的相应部分的双图像的透镜。在根据本发明的又一实施例的显示器中，每个透镜可以具有沿着上面限定的第二方向与第一部分和第二部分平行地延伸、并且具有与第一部分和第二部分的透镜中心间隔开的透镜中心的至少一个另外的部分。透镜的所述另外的部分或每个另外的部分形成显示装置的相应区域的另外的图像，其中第一图像和第二图像以及所述另外的图像或每个另外的图像在第一方向上相互错位。
即，在本发明中，透镜可以被分成任意数目的区域，例如分成产生像素的三个错位图像的三个区域，分成产生像素的四个错位图像的四个区域，等等。应注意的是，如果需要使图像的强度发生变化的话，这些区域不必具有相同的尺寸。这种类型透镜的一个实施例在图10中示出，并且在下文中参考实施例9更详细地描述。
实施例6
透镜区域可以以任意图案分布在显示器上。例如，在实施例1中，每个透镜布置在左像素和右像素之上，并且透镜被分割成使得一半是区域1且另一半是区域2。也可以更细微地分割透镜。例如，透镜可以被四等分，其中第一个四分之一部分是区域1，第二个四分之一部分是区域2，第三个四分之一部分是区域1，第四个四分之一部分是区域2。图1 示出了这样的一个实例。
在实施例1中，每行透镜在区域1和2之间交替，并且每个区域延伸的长度是双凸透镜的整列长度。合乎需要的是，沿着各列以及各行都在区域1和2之间交替，因为这会使各区域不太看得见。这样的一个实例在图12b中示出。
实施例7
制造当与显示器的法线成大角度(例如，大于30度)地观看显示器时仍工作良好的透镜可能会较困难。在这种情况下有用的是，向显示器添加随角度而变的散射体，其让沿轴线的光完全通过，而使离轴光(例如与散射体的轴线成大于预定角度的角度传播的大角度光或离轴光)被散射。适合于这种目的的散射体被认为是可从Sumitomo Chemical有限公司获得的“lumisty” 定向散射膜。关于这种薄膜的信息可在以下文献中获得=Masahiro Nishiguchi、Kunio Sakamoto、Shusaku Nomura、Tetsuya Hirotomi、Kuninori Shiwaku 禾口 Masahito Hirakawa 的"Tabletop Life Review Therapy System Using Olfactory Display for Presenting Flavor"(Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2010 Vol. I,IMECS 2010，2010年3月 17-19 日， 香港)。因此，当以大角度观看显示器时，透镜所产生的光的方向性被完全散射，使得有用的 2D图像得以产生。图13是根据本发明的该实施例的多视图显示器的截面视图。如图3中所示，离轴散射膜被布置在像素和双凸透镜之间。实施例8一些3D显示器被设计成能够以风景画取向或肖像画取向使用。新颖透镜形状也可以用于在这种情况下有所帮助。有许多设计可以用于制造以风景画取向或肖像画取向工作的3D显示器 (GB2415850(2006年1月4日)给出了一个实例)，下面描述几种示例性设计。图8a示出以风景画取向被观看的面板，并且在这种取向下，面板具有“旋转的像素”。像素列在左右图像像素之间交替。双凸透镜设计可以与实施例1相同以提供良好的3D观看窗。然而，为了使这种设计以肖像画取向工作，只在某些区域中添加了孔径 (aperture)。特别地，当在风景画取向情况下考虑时，透镜并不在像素列的整个长度范围内延伸。而是，透镜被分割成通过例如用空白掩蔽物(blank masking)形成的不透明“水平” 条带而在“垂直”方向上相互分离的多个间隔开的透镜。在肖像画取向情况下，透镜阵列充当视差屏障，而透镜形成狭缝。为了图示的清楚起见，在图8a-8d中把透镜之间的不透明区域图示为是透明的。在肖像画取向情况(图8b)下，左像素和右像素被重新配置，使得各列(先前在风景画取向情况下的各行)现在在左图像像素和右图像像素之间交替。在这种取向下，双凸透镜不提供任何3D效果；按照与图1中视差屏障产生3D观看窗的方式相同的方式，由孔径产生3D效果。因此显示器可以用于以风景画取向和肖像画取向显示立体图像。类似地，作为在肖像画取向情况下利用孔径这一方案的替代，也可以使用双凸透镜系统。然而，肖像画模式和风景画模式下双凸透镜系统的形状在理想情况下是不同的，并且可能会需要服务于这两种用途的折衷形状。在这种情况下，球形孔径可能是较好的。通常，水平方向和垂直方向的像素具有不同的间距。典型地，在图8b的肖像画取向情况下，像素间距是风景画取向情况下的像素间距的1/3，并且像素的颜色在红、绿和蓝之间循环。因此，在图8b的肖像画取向配置中，观看窗的最佳观看位置为与屏幕的距离是风景画取向情况下的1/3的位置。这个问题的一种解决方案是把左图像像素和右图像像素配置成每3个一组，使得各列按照左、左、左、右、右、右图像像素的顺序循环，如图8c和8d 中所示。肖像画取向屏障的孔径在理想情况下具有3个像素的宽度，使得总是可以看到相等数量的红、绿和蓝图像。
每两个像素分为一组(左、左、右、右…)、或者每三个像素和一个间隙分为一组 (左、左、左、右、右、右、黑色…)、或者每四个像素分为一组(左、左、左、左、右、右、右、右)等这样的类似分组方式可以与相应的孔径间距一起使用。再一次，三个像素的孔径宽度会是有益的。
再一次，在根据需要把折衷的形状、球形孔径、新颖的透镜中心设计结合到风景画模式和肖像画模式中的情况下，可以以风景画取向和肖像画取向使用双凸透镜。透镜和孔径的组合可以用于风景画取向或肖像画取向视差光学器件的设计。
例如，如图8c和8d中所示，透镜被排列为二维阵列，同时围绕透镜的间隙是不透明的。该透镜阵列在风景画取向和肖像画取向下都提供视差。(就图8c和8d中所示的取向来说)透镜可以在垂直和水平方向上具有不同的曲率半径，以便至少部分地确定不同取向下的最佳观看距离。在这种情况下，作为具有球状弯曲表面的透镜区的替代方案，透镜区的弯曲表面的形状可以是圆环体的一部分，例如从圆环体的外缘处的区域或与圆环体的外缘相邻的区域取得的一部分。
实施例9
这种新透镜对于左右图像之间的分离角较大(例如，60度)的双视图显示器是特别有用的。下面通过举例来说明这种情况。
假设我们想要制造显示从-55至-10度的左视图和从10至55度的右视图的双视图显示器。在这些角度范围内，应该只有适当的视图能以这样的状态被看到没有来自另一视图的串扰，并且有适当的强度。
以前的文献建议可以使用柱面透镜，类似于图加和2b。然而，如图9a中所示的已知配置的透镜与像素的间隔需要被减小，以便把左视图和右视图扩展到更大的角度。图9a 中的射线“a”产生来自右视图的角度最大的射线，并且该射线需要转到55度。如果透镜与像素的间隔过远，那么射线“a”将会转到小于55度的角度。如果透镜与像素的间隔过近， 那么透镜的焦距需要非常短，以便聚焦到像素上。
可以减小透镜的曲率半径以便减小焦距。如在例如GBM05M2(2006年8月2日) 中公开的那样，如果透镜半径小于透镜间距的一半使得在透镜之间不存在间隙，那么将产生最小的焦距。在这种设计中，需要使透镜之间的区域不透明，这会提高制造的复杂性。
如果在透镜之间不使用间隙，那么通过利用大小为透镜间距的一半从而导致半柱面透镜形状的半径，将会产生次最小的焦距，然而当利用在空气中的折射率为1.5的常规透镜材料时，即使半柱面透镜的焦距也并不足够短，并且会使像素模糊。其结果是左视图扩展到大于10度的角度从而进入右视图中，并且显示器的规范得不到满足。
通过减小像素孔径，使得左视图和右视图更加分开并且在它们扩展到彼此之中之前会变得更模糊，可能会帮助解决该问题。在最好的情况下(像素孔径被减小，并且透镜与像素的间隔刚好足够大使得左视图刚好不扩展超过10度)，仅在大约10至43度之间才看得见视图，并且由于像素孔径被减小，因此亮度将会较差。因此，这种设计不能满足规范。
图9b示出了该问题的部分解决方案，其示出在GBM22737中公开的那种配置。使用了具有不对称像素的显示面板。在这种面板的设计过程中，可以调整中央的黑膜区“a” 和边缘的黑膜区“b”。有利的是，减小区域“b”的宽度使得左视图和右视图被扩展到更宽的角度。有利的是，增大区域“a”的宽度使得左视图和右视图更加分开并且在它们扩展到彼此之中之前会变得更模糊。利用不对称像素设计和柱面透镜设计可以实现一种设计，借助这种设计可以实现10至55度的观看自由度规范。这种设计的优点是透镜可以是柱面透镜，这改善了制造的简易性，不过缺点是像素孔径需要被相当大地减小，使得显示器亮度被降低，并且当观看者接近沿轴线的观看位置时亮度会逐渐减小。这里描述的新颖透镜设计可以用于提供对该问题的更好解决方案。下文描述如何设计所述新颖透镜。假定我们可以利用不对称像素和新颖透镜形状。于是问题是透镜形状、透镜位置和像素的最佳设计是什么。这里，我们考虑所述设计必须关于图10中的虚线对称，因此对左右视图来说，显示器也以同样的方式工作。为了满足所述规范，来自点“b”的光必须被折射到大于-10度的角度，并且来自点 “a”的光必须被折射到至少为55度的角度。如果这是真实的，那么来自像素的所有光应该在-10和55度之间的某处被折射。依据对称性，来自另一像素的光将被折射到从-55至10 度的范围，并且所述规范得以满足。另外，如果透镜被布置成尽可能远离像素，那么将更容易聚焦到像素上。首先，我们考虑对来自点“a”和“d”的光来说，在透镜中心附近，最佳的透镜设计是什么。来自这些点的光应该被折射到55度和-55度。折射角将取决于该透镜区域的透镜中心的位置、透镜表面的位置、以及边缘的黑膜区的宽度。如果透镜中心离开点“b”向图的右侧移动，那么透镜会把来自点“b”的光折射到更大的角度。这会是有利的，因为这允许使用更大的透镜与像素的间隔。然而，如果把透镜中心向右移动，那么也会把来自点“d”的光折射到较小的角度。因此，移动透镜中心不会对满足所述规范有所帮助。透镜中心区的透镜中心应该处于左像素和右像素的中心，因此透镜的中央部分应该是平坦的。区域3甚至可以具有平面平行的相反两面，使得它既不会聚也不发散(具有无穷大的曲率半径或者屈光力为零)。点“a”和“d”应该位于尽可能远离图中虚线的位置，因为这将增大射线“a”和“d” 被折射的角度。因此，边缘的黑膜区的宽度应该尽可能小。透镜与像素的间隔应该尽可能地大，然而仍然允许射线“a”被折射到55度。应注意的是，当考虑来自点“b”和“C”的光时，透镜与像素的间隔可以是任意距离，然而来自这些点的光仍会被折射到不违反所述规范的角度。区域3中的透镜的特性由这样的要求规定点“a”和“d”被折射到55度。区域3的曲率应该使得从点“a”射到区域3的左手侧的任意射线将被折射到至少 55度。如果这些射线正好被折射到55度，那么该区域中的透镜曲率可以被最小化。这对设计是有帮助的，因为要使透镜表面尽可能远离像素。基本上，直到不足以把来自点“b”的光折射从而引导到大于-10度的角度的位置为止，区域3都是满足要求的。在该点处，透镜的曲率必须被增大，使得光被弯曲到大于-10 度的角度。在最好的情况下，透镜的曲率使得光正好被弯曲到-10度。这使透镜的曲率尽可能地浅，并且因此使透镜尽可能地远离像素。情况有可能是在透镜的边缘处，不管透镜曲率的角度如何，来自点“b”的光都无法被折射到-10度，因为所需的折射量过大。在这种情况下，可以增大中央黑膜区的宽度以降低所需的折射量。
基本上，区域1具有从点“b”偏移-10度的透镜中心，以及聚焦于点“b”的焦距。
依据对称性，区域2具有从点“C”偏移+10度的透镜中心，以及聚焦于点“C”的焦距。
在区域3具有有限的曲率半径的情况下，区域1、2和3的焦平面优选地与包含像素的平面重合(区域3的焦距可以不同于区域1、2各自的焦距)。
在透镜中心和焦距的描述中使用了措词“基本上”，这是因为在理想情况下，每个区域的曲率是非球面的，以便为所提及的特定点提供最佳聚焦，另外在所述设计中，焦距和透镜中心的精确定位方面的微小变化也是可能的。例如，可以使区域3成为平坦区域以便使制造变得容易(使其焦距成为无穷大)。
在双凸透镜多视图显示器中，可能由于制造缺陷而在透镜之间的接合处不恰当地折射的光会引起一些串扰。通过利用不透明材料来阻挡所述光，可能会有助于减小来自这些接合处的串扰。这对于双视图显示器来说特别重要。
图11示出这种设计与利用不对称像素的最佳球面透镜设计之间的比较的仿真。 图中示出了两种情况，一种情况是观看窗从10到55度，另一种情况是观看窗从0到55度。 在两种情况下，利用新颖透镜设计产生的亮度比球面设计产生的亮度的两倍还高。这将导致显示器更明亮，或者导致具有相同亮度的显示器需要更小的功率。0至55度设计中存在的另一优点在于，左右图像之间的转变更急剧。与在柱面设计中当左视图变成右视图时，强度随着角度逐渐减小为零然后逐渐增大的情况不同，在新颖透镜设计中左右视图之间的改变是迅速的。这对于双视图显示器来说是合乎需要的，另外这可以允许双视图显示器被用作立体3D显示器，因为左右视图之间的转变足够急剧以致于可以在每个视图中布置一只眼睛。
可以遵循类似的设计原理来设计在透镜正面向下的情况下工作的透镜(与在透镜正面向上朝着观看者的情况下工作的透镜的上述描述相比较)。在这种情况下，很可能透镜的中央区域将具有偏离轴线的透镜中心来引导来自点“b”和“C”的光，并且处于透镜边缘的区域将需要具有更陡的曲率以便把来自点“a”的光引导到更大的角度。
实施例10
实施例9的透镜被优化以便提供仍然满足头部自由度要求(例如，10至55度)的最大亮度。图11示出系统的仿真性能的曲线图。可以看出随着角度的变化，亮度并不均勻。 例如，约沈至40度之间的亮度显著高于其它角度下的亮度。可能优选的是，亮度随着角度的变化保持更加恒定。
这可以通过改变透镜设计以调整亮度均勻性(例如，改变不同透镜区域的大小和形状)从而优化透镜来实现。
这也可以通过调整像素孔径的形状，使得像素具有适于控制来自第一子区和第二子区各自的光的亮度的边缘来实现。图14示出了示例性设计。像素边缘附近的垂直孔径被减小。由于来自像素边缘附近的光大部分被导出到更大的角度(例如沈至40度)，因此这里减小垂直孔径将主要降低沈至40度范围内的亮度，而不会显著影响其它角度下显示器的亮度。这样，亮度能够得到优化以便随着角度更加均勻。
实施例11上面已经参考产生两个观看窗的显示器(例如，一种显示器，其显示装置显示两种像素列，一种像素列显示打算供观看者的左眼使用的视图，另一种像素列显示打算供观看者的右眼使用的视图，同时这两个图像被引导到相应的左眼观看窗和右眼观看窗)描述了本发明。然而，一些显示器产生多于两个观看窗，也就是说，产生多于两个视图，而不是产生一个左视图和一个右视图。例如，显示器可以产生16个视图，每个视图示出图像的不同透视图。本发明可以应用于产生多于两个观看窗的显示器。例如，可以修改上述实施例，以使其适用于产生各自示出图像的不同透视图的16个视图的显示器的实例，在这种情况下， 每个透镜具有基本上等于16个像素的间距。图1 和1 示出根据本发明的另一实施例的显示器，其中显示装置产生4个视图。在该实例中，如图1 中所示，显示装置显示显示第一视图的第一像素列(标记为1)， 显示第二视图的第二像素列(标记为2)，显示第三视图的第三像素列(标记为3)，以及显示第四视图的第四像素列(标记为4)。如图1 中所示，透镜覆盖一个第一像素列、一个第二像素列、一个第三像素列和一个第四像素列。如图15b中所示(图1 是显示器的截面视图，并且大体上对应于图6b)，本发明的透镜设计可以用于产生4个视图各自的双图像，每个视图的双图像相互错位，使得如在前面的实施例中那样，能够改善亮度均勻性并且能够使视图之间的转变更急剧。透镜可以具有在上面的任意实施例中描述的形状，例如与图6c或6f的形状类似的形状，或者与图6d的形状类似的形状。应注意的是，每个透镜产生三个或更多分离图像的实施例5也可以应用于产生多于两个视图的显示器。尽管这样描述了本发明，但明显的是，同一方法可以以许多方式变化。这样的变化不应视为是脱离了本发明的精神和范围，并且对本领域技术人员而言显而易见的所有这样的变更应被包括在以下权利要求的范围内。
权利要求
1.一种多视图显示器，包括显示装置和多个会聚透镜，每个透镜与所述显示装置的相应区域合作，所述相应区域包括用于显示供在第一观看区中观看的第一图像的一部分的第一子区，以及在第一方向上与所述第一子区间隔开并且用于显示供在第二观看区中观看的第二图像的一部分的第二子区，每个透镜包括沿着与所述第一方向垂直的第二方向相互平行地延伸并且具有在所述第一方向上间隔开的透镜中心的第一部分和第二部分，并且每个透镜形成所述显示装置的所述相应区域的第一图像和第二图像，所述第一图像和第二图像在所述第一方向上相互错位。
2.如权利要求1所述的显示器，其中每个透镜的所述第一部分和第二部分相互成一体。
3.如权利要求1或2所述的显示器，其中沿着所述第二方向，每个透镜具有垂直于所述第二方向的恒定截面形状和大小。
4.如权利要求3所述的显示器，其中所述第一部分和第二部分各自是部分圆柱形的。
5.如权利要求1或2所述的显示器，其中所述透镜被排列为二维阵列。
6.如权利要求5所述的显示器，其中所述第一部分和第二部分各自是球形或环形的。
7.如前述权利要求中任一项所述的显示器，其中所述透镜通过不透明区域相互间隔开。
8.如前述权利要求中任一项所述的显示器，其中每个透镜包括沿着所述第二方向与所述第一部分和第二部分平行地延伸并且具有与所述第一部分和第二部分的透镜中心间隔开的透镜中心的至少一个另外的部分，所述透镜的所述另外的部分或每个另外的部分形成所述显示装置的所述相应区域的另外的图像，所述第一图像和第二图像以及所述另外的图像或每个另外的图像在所述第一方向上相互错位。
9.如权利要求1至7中任一项所述的显示器，其中每个透镜包括布置在所述第一部分和第二部分之间并且具有零屈光力的至少一个另外的部分。
10.如前述权利要求中任一项所述的显示器，其中所述第一部分和第二部分被布置成分别把来自所述第一子区和第二子区的光聚焦到包含所述第一观看区和第二观看区的平面上。
11.如权利要求10所述的显示器，其中所述第一观看区和第二观看区基本上没有重叠地彼此邻接。
12.如前述权利要求中任一项所述的显示器，其中所述显示装置是像素化的，并且所述第一子区和第二子区各自包括至少一个像素。
13.如权利要求12所述的显示器，其中所述至少一个像素具有适于控制来自所述第一子区和第二子区各自的光的亮度的边缘。
14.如权利要求12或13所述的显示器，其中所述第一子区和第二子区各自包括像素列的至少一部分。
15.如前述权利要求中任一项所述的显示器，其中所述透镜被配置成优化来自所述第一子区和第二子区的光的亮度的均勻性。
16.如前述权利要求中任一项所述的显示器，其中所述第一子区和第二子区在所述第一方向上均勻地间隔开，并且所述第一子区和第二子区各自在所述第一方向上的孔径基本上等于所述第一子区和第二子区在所述第一方向上的间距的一半。
17.如前述权利要求中任一项所述的显示器，包括随角度而变的散射体，用于使沿光轴的光基本上完全通过，并且对与所述散射体的光轴成大于预定角度的角度传播的偏离光轴的光进行散射。
18.一种多视图显示器，包括显示装置；多个会聚透镜，每个透镜与所述显示装置的相应区域合作，所述相应区域包括用于显示供在第一观看区中观看的第一图像的一部分的第一子区，以及与所述第一子区间隔开并且用于显示供在第二观看区中观看的第二图像的一部分的第二子区；以及随角度而变的散射体，用于使沿光轴的光基本上完全通过，并且对与所述散射体的光轴成大于预定角度的角度传播的偏离光轴的光进行散射。
全文摘要
一种多视图显示器包括显示装置和多个会聚透镜(诸如透镜状屏幕)。每个透镜与显示装置的相应区域合作，所述相应区域包括用于显示供在第一观看区(区域2窗口)中观看的第一图像的一部分的一个或多个像素(L)，以及用于显示供在第二区域(区域1窗口)中观看的第二图像的一部分的第二像素(R)。第二像素(R)在水平方向上与第一像素(L)间隔开。每个透镜包括垂直地且相互平行地延伸并且具有在水平方向上间隔开的透镜中心(透镜中心1、透镜中心2)的第一部分和第二部分(区域1、区域2)。每个透镜形成显示装置的相应区域的第一图像和第二图像，所述第一图像和第二图像在水平方向上相互错位。
文档编号G02B27/22GK102498429SQ20108004114
公开日2012年6月13日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月18日
发明者J.马瑟, N.J.史密斯 申请人:夏普株式会社