观察者跟踪自动立体显示器的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开整体涉及用于导向来自空间光调制器的光的装置，并且更具体地讲，涉及自动立体显示设备。
【背景技术】
[0002]空间多路复用自动立体显示器通常使视差组件例如柱状透镜屏幕或视差屏障与图像阵列对准，所述图像阵列被布置成空间光调制器例如LCD上的至少第一组像素和第二组像素。视差组件将来自所述组像素中每组的光导向至相应不同的方向以在显示器前面提供第一观看窗和第二观看窗。眼睛置于第一观看窗中的观察者用来自第一组像素的光可看到第一图像；而眼睛置于第二观看窗的观察者用来自第二组像素的光可看到第二图像。
[0003]然而，与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器的空间分辨率有所降低，此外观看窗的结构由像素开口形状和视差组件成像功能决定。像素之间的间隙(例如，由于电极的原因)通常产生不均匀的观看窗。不合乎需要的是，当观察者相对于显示器横向移动时，此类显示器呈现图像闪烁，因此限制了显示器的观看自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦而减少；然而，此类散焦导致图像串扰程度加大并增加观察者的视觉疲劳。
【发明内容】
[0004]需要增大自动立体显示器的观看自由度，使得观察者的头部位置被约束在狭窄角度范围内。观察者跟踪可用于增大观看自由度，使得根据所测得的观察者位置来调整每个图像的方向性。电子观察者跟踪自动立体显示器可提供多个观看窗并且基于这些观看窗在显示器前方的位置将正确数据导向至观察者，如美国专利5，959，664中所描述，该专利全文以引用方式并入本文。可用快速光学开关和无源双折射透镜阵列形成可被布置成可高速切换的透镜阵列，如美国专利7，058，252中所描述，该专利全文以引用方式并入本文。美国专利7，215，415中描述了多种2D/3D切换双折射透镜，并且美国专利7，750,981中描述了时间多路复用双折射透镜，这两个专利均以引用方式并入本文。
[0005]根据本发明的第一方面，提供一种用于自动立体显示装置的显示设备，该显示设备包括:空间光调制器，其包括像素阵列；第一透镜阵列和第二透镜阵列，它们各自与空间光调制器对准并且可操作以将来自空间多路复用像素子阵列的光导向至窗平面内具有至少三个光学窗的阵列中，所述第一透镜阵列的光学窗与所述第二透镜阵列的光学窗在空间上偏置；以及透镜切换装置，其能够使所述透镜阵列在第一模式与第二模式的操作之间切换，其中在第一模式下，第一透镜阵列工作而第二透镜阵列基本上没有光学效果，而在第二模式下，第一透镜阵列基本上没有光学效果而第二透镜阵列工作。
[0006]与等效显示设备相比此类显示设备可用来改善空间分辨率，其中单个透镜阵列将来自空间多路复用像素子阵列的光导向至窗平面内具有至少三个光学窗的阵列中。这通过设置透镜切换装置而实现，该透镜切换装置能够使所述透镜阵列在第一模式与第二模式的操作之间切换，其中在第一模式下，第一透镜阵列工作而第二透镜阵列基本上没有光学效果，而在第二模式下，第一透镜阵列基本上没有光学效果而第二透镜阵列工作。由于第一透镜阵列的光学窗与第二透镜阵列的光学窗在空间上偏置，透镜切换装置的操作可用于改善空间分辨率。
[0007]在用于实现此操作的一种可能技术中，所述显示设备可被装入自动立体显示装置中，该自动立体显示装置还包括:传感器系统，其被布置用于检测观察者相对于所述显示设备的位置；以及控制系统，其被布置用于依赖于所检测到的观察者的位置来控制透镜切换装置切换透镜阵列，以使时间多路复用操作处于第一模式和第二模式并且同时使所述显示设备在像素子阵列上显示左眼图像和右眼图像，以将左眼图像和右眼图像导向至对应于观察者的左眼和右眼的光学窗。以此方式，这种自动立体显示装置通过结合左眼图像和右眼图像的时间和空间多路复用来改善空间分辨率。另外，可减少在观察者移动过程中的图像闪烁，因为已经增加了光学窗的数目，因此将具有较大准确度的光导向至相应的观察者眼睛。
[0008]根据本发明的第二方面，提供一种观察者跟踪自动立体显示器，其包括:第一透镜阵列和第二透镜阵列；透镜切换装置，其被布置用于将第一透镜阵列切换成在第一相位工作并且将第二透镜阵列切换成在第二相位工作；空间光调制器，其被布置用于在第一相位和第二相位显示图像数据并且包括与第一透镜阵列和第二透镜阵列对准的像素阵列；其中第一透镜阵列与像素阵列相配合而产生具有至少三个观看窗的阵列，并且第二透镜阵列与像素阵列相配合而产生具有至少三个观看窗的阵列；并且其中第一观看窗阵列和第二观看窗阵列在空间上交错。
[0009]本文公开的原理为实现一种自动立体显示器而准备，其中利用空间和时间多路复用提供多个光学窗。一对快速响应的透镜阵列与快速响应空间光调制器对准，并且被同步以向第一组图像和第二组图像提供相应的第一方向性和第二方向性，从而提供相应的第一组光学窗和第二组光学窗。所述第一组光学窗和第二组光学窗可各自在每个观看辧中包括两个或更多个光学窗。所述光学窗可被布置成相对于垂直方向倾斜25度至65度、优选地35度至55度，并且在有利的实施例中基本上倾斜45度。观察者跟踪系统可被布置成针对显示器的横式取向和竖式取向将左眼图像数据导向至观察者的左眼并将右眼图像数据导向至观察者的右眼。优选地，观察者跟踪系统可被布置成针对给定观察者位置将单个左眼图像导向至左眼并将单个右眼图像导向至右眼。
[0010]根据本发明的第三方面，提供一种自动立体显示装置，其包括:显示设备，其包括被布置在形状为具有两个镜面对称的正交轴线的开口中的像素阵列以及被布置用于将来自空间多路复用像素子阵列的光导向至窗平面内的相应光学窗中的视差元件，所述光学窗具有不同位置并且以相对于所述开口的矩形形状的一条轴线为25至65度的范围内的角度延伸；传感器系统，其被用于跨所述显示设备检测观察者在两个维度上的位置以及观察者的观看取向；以及控制系统，其被布置用于依赖于所检测到的观察者的位置和所检测到的观看取向来控制显示设备在像素子阵列上显示左眼图像和右眼图像，以将左眼图像和右眼图像导向至对应于观察者的左眼和右眼的光学窗。
[0011]本发明的第三方面受益于对这样的角度的选择，所述光学窗在该角度上相对于其中阵列像素的开口的形状的轴线延伸。显示设备最通常地被接近于对称轴线中的一条轴线的视角观察，也即在矩形开口的情况下以横式或竖式取向来观察。在观看窗沿着或接近于对称轴线延伸的情况下，仅当显示设备在该对称轴线为竖直时观察才提供图像的自动立体显示，而当显示设备被旋转90度以使得另一对称轴线为竖直时不提供图像的自动立体显示，因为此时单个观看窗延伸跨观察者的双眼。
[0012]相比之下，在本发明的第三方面，所述窗以45度左右的范围内的角度延伸，例如从25至65度、更优选地35至55度、或40至50度。当依赖于所检测到的观察者的位置和所检测到的观看取向来控制时，此类倾斜的观看窗可用于在显示设备的各种取向下提供图像的自动立体显示。具体地讲，由于倾斜的窗沿两条轴线分开，所以当以任一轴线在竖直方向上或其附近的取向观察显示装置时，可将左眼图像和右眼图像导向为在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观看窗中的显示图像。
[0013]本文的实施例可实现具有大面积和薄结构、宽视角、高分辨率2D和3D模式、低串扰、横式和竖式观看几何条件、无移动部件、低成本以及高效率和高亮度的自动立体显示器。此类显示器可尤其非常适合于单观察者显示器。可呈现具有高图像保真性的文字和图形信息。
[0014]本发明的实施例可用于多种光学系统中。实施例可包括或利用各种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本发明的方面可以跟与光学和电气装置、光学系统、演示系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本发明的实施例可用于光学系统、视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备等，并且可用于多种计算环境。
[0015]可在单个实施例中同时使用本发明的不同方面，并且可将这些方面的各种可选特征一起组合成任何组合。
[0016]以下将进行对所公开实施例的详细说明，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示的具体布置方式的细节，因为本发明能够采用其他实施例。此外，可以不同的组合和布置方式来阐述本发明的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术语是为了说明的目的，而非限制。本领域的普通技术人员在阅读本公开内容全文后，本发明的这些和其他优点及特征将变得显而易见。
【附图说明】
[0017]实施例通过举例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号表示类似的组件，并且其中:
[0018]图1A是根据本发明的示意图，其示出了自动立体显示器的光传播的俯视图；
[0019]图1B是根据本发明的示意图，其示出了观看窗阵列的前视图；
[0020]图1C是根据本发明的示意图，其示出了观看窗阵列的前视图；
[0021]图1D是根据本发明的示意图，其示出了观察者跟踪自动立体显示系统的侧视图；
[0022]图2是根据本发明的示意图，其示出了包括倾斜无源表面起伏双折射透镜的窗切换3D自动立体显示器的侧视图；
[0023]图3是根据本发明的示意图，其示出了窗切换3D自动立体显示器的前视图；
[0024]图4是根据本发明的示意图，其示出了包括倾斜双折射透镜和透射式空间光调制器的窗切换3D自动立体显示器中的光学层的前视图；
[0025]图5是根据本发明的示意图，其示出了包括垂直双折射透镜的窗切换3D自动立体显示器中的光学层的前视图；
[0026]图6A是根据本发明的示意图，其示出了包括扫描背光源的窗切换3D自动立体显示器中的光学层的前视图；
[0027]图6B是根据本发明的示意图，其示出了包括发射式扫描空间光调制器的窗切换3D自动立体显示器中的光学层的前视图；
[0028]图7是根据本发明的示意图，其示出了包括发射式扫描空间光调制器和无源表面起伏双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器的前视图；
[0029]图8是根据本发明的示意图，其示出了包括处于第一工作模式的无源双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器中的光学层的前视图；
[0030]图9是根据本发明的示意图，其示出了包括处于第二工作模式的无源双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器中的光学层的前视图；
[0031]图1OA是根据本发明的示意图，其示出了包括有源表面起伏双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器的侧视图；
[0032]图1OB是根据本发明的示意图，其示出了包括有源和无源表面起伏双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器的侧视图；
[0033]图1OC是根据本发明的示意图，其示出了包括渐变折射率有源双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器的侧视图；
[0034]图1OD是根据本发明的示意图，其示出了包括渐变折射率有源双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器的侧视图；
[0035]图1OE是根据本发明的示意图，其示出了包括渐变折射率有源和无源双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器的侧视图；
[0036]图1OF是根据本发明的示意图，其示出了包括渐变折射率有源和表面起伏无源双折射透镜的窗切换2D/3D自动立体显示器的侧视图；
[0037]图1OG是根据本发明的示意图，其示出了包括以第一模式工作的自适应表面起伏透镜的窗切换3D自动立体显示器的侧视图；
[0038]图1OH是根据本发明的示意图，其示出了包括以第二模式工作的自适应表面起伏透镜的窗切换3D自动立体显示器的侧视图；
[0039]图11是根据本发明的示意图，其示出了五