专利名称：利用时间分割的自由立体三维图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自由立体三维(3D)图像显示装置，更具体地说，涉及这样一种自由立体3D图像显示装置，所述自由立体3D图像显示装置通过使用多个线源而不使用光学板(例如，微结构透镜或者视差屏障)来形成观察区域并通过时分机制在图像残留时间内交替地驱动两个或多个线源组，从而与现有机制相比具有增强的分辨率。
背景技术：
通常的自由立体3D图像显示装置通过使用光学板(例如，微结构透镜或者视差屏障)形成观察区域。在这种情况下，观看者从观看位置分开地观看左眼视点图像和右眼视点图像，从而观看到3D图像。然而，自由立体3D图像显示装置的商业化目前存在一些限制。首先，在双眼的视点图像之间出现串扰，双眼的视点图像中的每个的亮度在水平方向不均匀。由于这个原因，观看者在连续地观看3D图像时感到非常疲倦，并且即使稍微地水平移动，图像的质量也会劣化。作为示例，图1通过在使用视差屏障或者微结构透镜的传统的自由立体3D图像显示装置中根据从最佳观看位置起的水平运动的视点来示出观察区域的亮度分布。在图1中，假定视点之间的间距(约为65mm)与观看者的左眼瞳孔和右眼瞳孔之间的间距相同，当在最佳观看位置的观看者位于3D图像显示装置的前方时，观看者的左眼位于第一观察区域的中心(位置A)，观看者的右眼位于第二观察区域的中心(位置C)，观看者的双眼分别从位置A和位置C偏离，然后针对每个视点的对应的观察区域的图像亮度迅速变暗，图像的质量降低。另外，设置在第一观察区域中的第一视点图像与设置在第二观察区域中的第二视点图像被观看者的左眼同时观看以及设置在第二观察区域中的第二视点图像和设置在第三观察区域中的第三视点图像被观看者的右眼同时观看的串扰出现。特别是当观看者的左眼位于第一观察区域和第二观察区域之间的中间位置(位置B)且观看者的右眼位于第二观察区域与第三观察区域之间时，出现最大的串扰。第二，随着视点的数量的增加，图像显示面板的分辨率成比例地增加。具体地说，对于多个观看者，图像显示面板的分辨率与视点的数量成比例地减小是一个很大的缺点。第三，在传统的自由立体3D图像显示装置中，仅仅位于远离图像显示装置的特定位置(最佳观看位置)的观看者可观看清晰的3D图像。结果，当观看者沿深度方向移动时，观看者不能正常地观看3D图像。现在将参照图2A到图2D来描述这一点。图2A到图2D是用于描述使用四视点视差屏障的传统的自由立体3D图像显示装置的示例的示图。在最佳观看位置中，用于各个视点的观察区域在图1中被很好地分离，但是如果观看者沿深度方向偏离最佳观看距离(OVD)位置并移动到位置Pl (处于OVD的0.5倍的距离的位置)，则左眼视点的观察区域和右眼视点的观察区域不会被正常地分开或者与相邻的观察区域交迭，从而观看者不能正常地观看3D图像(参见图2C的位置Pl的视场分布)。另外尽管在图2A中没有示出，即使当观看者移动到OVD的1.5倍距离的位置时，如图2D中所示，观察区域的形状被改变，从而串扰增加。为了参照图2就此提供更加详细的描述，考虑到观察区域之间的边界线在图2A的位置Pl处示出的虚线中的交叉，当在位置Pl处瞳孔位于一个像素的观察区域的中心时，尽管从不同的开口的观察区域中选择最靠近瞳孔的中心的观察区域，但是根据情况，当瞳孔处于观察区域之间的边界线上时，由所有开口造成很多串扰。在这种情况下，如上所述，每个开口的串扰不可避免地最大化或者接近最大化。因此，平均来说串扰增加。当观看者偏离OVD时该情况出现。因此，当观看者偏离OVD相当多时，在所有的点出现很多的串扰。最终，传统的自由立体3D图像显示装置被设计成使得一个观看者能够观看到3D图像，但是不是被设计成针对多个观看者从不同的位置观看到3D图像。因此，需要开发一种解决上面描述的限制且此外能够使多个观看者在自由移动的同时观看到自然的3D图像的自由立体3D图像显示装置。
发明内容
本发明被指向为提供一种利用线源和瞳孔跟踪系统的自由立体3D图像显示装置。本发明最小化传统的自由立体3D图像显示装置中的由于观看者的运动而导致的3D图像的亮度的改变，将观看者的双眼视点图像的串扰减小到眼镜类型的3D图像显示装置的串扰的程度，并最小化3D图像的分辨率的减小。本发明还被指向为提供一种克服了观看者可以观看最佳的3D图像的位置的限制的自由立体3D图像显示装置。具体地说，本发明使得观看者即使在观看者沿着到3D图像显示装置的距离方向(深度方向)移动时，也能够观看到与从最佳观看位置观看到的图像相等的质量的3D图像。本发明还被指向为提供一种克服了传统的自由立体3D图像显示装置的下述限制的自由立体3D图像显示装置，传统的自由立体3D图像显示装置的所述限制是其仅仅能对一个观看者提供最佳的3D图像或者仅仅能在运动非常受限的范围内将3D图像提供给多个观看者，从而本发明的自由立体3D图像显示装置使得多个观看者能够在动态地移动的同时连续地观看自然的3D图像。根据本发明的一个方面，提供一种自由立体3D图像显示装置，包括:背光，被配置为包括以特定间距布置的多个线源；图像显示面板，被配置为显示3D图像；控制器，被配置为控制背光和图像显示面板的视点图像；观看者位置跟踪系统，被配置为确定观看者的瞳孔位置并将位置信息发送到控制器，其中，图像显示面板提供两个或更多个视点，所述多个线源构造被同时独立驱动的两个或更多个线源组，所述两个或更多个线源组被顺序驱动。所述多个线源中的每个线源可以是从LED、0LED和FED中选择的自发射元件，或者以包括光源和铁电液晶显示器件(FLCD)、或者数字微镜器件(DMD)的电学高速快门元件来构造所述多个线源中的每个线源。控制器可以与根据来自观看者位置跟踪系统的信号而被顺序驱动的所述两个或更多个线源组同步地将视点图像提供给图像显示面板。来自观看者位置跟踪系统的所述信号可包括与观看者的双眼有关的实时3D位置信息，控制器可与所述两个或更多个线源组同步地提供与观看者的各只眼睛对应的位置最靠近视点的观察区域的中心的视点图像、并去除其他的视点图像。通过利用与观看者的双眼有关的所述3D位置信息，控制器可与各条3D像素线的所述两个或更多个线源组同步地提供与观看者的各只眼睛对应的位置最靠近所述视点的观察区域的所述中心的视点图像、并去除其他的视点图像。可存在多个观看者，观看者位置信息可包括与所述多个观看者的双眼有关的位置信息。当提供N个(其中，N是从2到16的整数)线源组且处于观看位置的单元视点之间的间距基本上等于观看者的双眼之间的距离时，由所述多个线源组中的一组和图像显示面板形成的视点从由另一线源组和图像显示面板形成的视点移动所述单元视点之间的间距的1/N，其中，所述另一线源组与所述多个线源组中的所述一组相邻。当线源组被顺序地驱动时，在图像显示面板上的对应的视点图像可以与线源组同步地被显示。所述多个线源中的每个线源的线宽可以在图像显示面板中的像素的宽度的25%以内。所述两个或者更多个线源组可以在图像的一帧期间被顺序地驱动，控制器可以在图像的一帧的一部分期间提供视点图像。
通过参照附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他目标、特点和优点对于本领域普通技术人员来说将变得更加明显，附图中:图1是用于描述在传统的自由立体3D图像显示装置中的在观看者的位置的通常的视场分布的示意图；图2A是用于描述当观看者沿深度方向移动时在使用视差屏障的传统的自由立体3D图像显示装置中出现的缺点的示意图；图2B示出了在使用视差屏障的传统的自由立体3D图像显示装置中的最佳观看位置处的视场分布；图2C示出了在观看者沿深度方向移动到位置Pl (其是等于OVD深度的一半的距离)时由于观察区域之间的区别(disparity，视差)造成的串扰增加；图2D示出了在OVD的1.5倍距离处产生的串扰的增加；图2E在以3D像素线为单位考虑观察区域时通过3D像素线示出了在OVD处的视场分布；图2F示出了当观看者沿深度方向移动到位置Pl (0VD的一半)时借助3D像素线的视场分布；图2G示出了在当通过对观看者沿远离OVD位置的方向移动到OVD的1.5倍的距离时的视场分布进行仿真来考虑以3D像素线为单位的视场分布的情况下，视场分布几乎没有因为深度运动而改变的结果；图3是用于描述根据本发明的示例性实施例的使用线源的多视点3D图像显示装置的不意图；图4示出了根据本发明的实施例的基于线源的线宽的视场均匀性仿真的结果；
图5和图6A、图6B是根据本发明的实施例的用于描述根据观看者的位置顺序驱动两个线源组并提供两个视点图像的方法的示意图；图7A-7C是通过顺序地驱动图6A和图6B的线源并在图5的两个观看者的各自位置处提供图6的视点图像而形成的观察区域的示意图；图8A、图8B、图9A和图9B是用于描述根据本发明的实施例的通过使用四视点图像、六视点图像以及两个线源组的顺序驱动来将3D图像提供给两个观看者的方法的示图；图10是用于描述根据本发明的实施例的通过使用两个线源组以及提供N个视点的图像显示面板来在观看者的位置形成观察区域的设计方法的示意图；图1lA和图1lB是用于描述根据本发明的实施例的将各个视点图像提供给最佳观看位置的两个观看者的双眼的方法的示意图；图12和图13是用于描述根据本发明的实施例的3D像素线的概念和在观看者沿深度方向移动时控制以3D像素线为单位的视点图像的方法的示意图。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述。虽然结合本发明的示例性实施例来示出并描述本发明，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种变型。图3是用于描述根据本发明的示例性实施例的使用线源的多视点3D图像显示装置的示意图。参照图3, 3D图像显示装置包括:图像显示面板，提供至少两个视点以显示3D图像；背光，被设置为与图像显示面板的后表面隔开一定距离。背光包括多个线源(以下称为第一线源组)和具有与第一线源组不同的多个线源的第二线源组。构造背光的第一线源组的多个线源以一定间距设置，并允许在形成在图像显示面板上的图像信息中，各个视点的观察区域在图3的观看位置分开。在这种情况下，构造第二线源组的多个线源之间的分开距离可以与第一线源组的多个线源之间的分开距离Ls相同。另外，第一线源组的一个线源和第二线源组的与第一线源组的所述一个线源相邻的线源彼此分开特定距离WU2。在图3的两个视点的设计中，两个线源组之间的分开距离Wu2可以是每个线源组的多个线源之间的间距Ls的四分之一。在该条件下，通过相对于由第一线源在观看位置形成的观察区域移动视点之间的间距的一半来形成由第二线源在观看位置形成的观察区域。在这样的构造中，在每个线源组工作时在观看位置形成的、在双眼的视点中的每个处的观察区域的亮度分布的均匀区域的尺寸与构造各个线源组的各个线源的线宽Wu有关。即，图4示出了随着线源的线宽与图像显示面板的像素节距的比值减小，(由第一线源组和第二线源组以及显示视点图像的图像显示面板的像素形成的)观察区域的均匀区域增加。线源的线宽与像素节距的比值可以变成0.25或更小，从而观察区域的均匀区域的大小可以变成全部观察区域的大小的30%或者更多。以下，如上面参照图3描述的，将参照图5和图6来描述通过使用提供两个视点图像信息的图像显示面板和两个线源组来提供在观看者移动时没有串扰的清晰的3D图像原理。
图5和图6A、6B是根据本发明的实施例的用于描述根据观看者位置顺序驱动两个线源组并提供两个视点图像的方法的示意图。图5的图像显示面板和背光满足上面已经参照图3描述的背光和图像显示面板的条件，视点之间的间距是观看者的平均移动空间的间距的65臟。如图5中所示，在最佳观看位置，通过相对于由第一线源组和显示两个视点图像信息的图像显示面板形成的观察区域位置(观察区域I和2)移动视点之间的间距的一半来形成由第二线源组和图像显示面板形成的观察区域位置(观察区域P和2')。除了图5的背光和图像显示面板以外，根据本发明的实施例的3D图像显示装置还包括跟踪观看者的瞳孔位置信息的瞳孔位置跟踪系统(未示出)。另外，3D图像显示装置包括:第一线源组和第二线源组，通过使用所跟踪的观看者的双眼的瞳孔位置来随着时间交替地导通第一线源组和第二线源组；控制器(未示出)，实时控制被提供到图像显示面板的图像信息。在图5中，为了便于区分，示出了观看者的第一位置和第二位置具有沿深度方向的差异。然而，假定两个观看位置在深度方向没有大幅偏离最佳观看位置。在这种情况下，当观看者位于第一位置或者观看者位于第二位置时，将参照图6来描述对两个线源组的驱动与图像显示面板对图像信息的提供同步的示例。如图6中所示，第一线源组和第二线源组在一帧内以相等的间隔顺序地导通，而不管观看者的位置如何。然而，当观看者位于第一位置时，观看者的每只眼睛的中心被定位于靠近由第一线源组形成的观察区域的中心区域，从而控制器将图像信息提供给图像显示面板的方法仅仅在第一线源组已经导通时分别将双眼视点图像提供给图像显示面板的第一视点像素和第二视点像素、并在第二线源组正导通时从图像显示面板上去除视点图像(参见图6A)。当观看者处于第二位置时，观看者的每只眼睛的中心被定位成靠近由第二线源组形成的观察区域的中心区域，从而所述方法在第一线源组正导通时从图像显示面板去除视点图像、并仅仅在第二线源组正导通时分别将双眼视点图像提供给图像显示面板的第一视点像素和第二视点像素(参见图6B)。如在图6A和图6B中所示，将图像实际提供给任意位置的观看者的时间是半帧，但是由于之前的图像的图像残留效应，观看者感觉到如同观看者连续地观看到3D图像一样。例如，考虑到图像残留效应持续的时间，一帧可以比最少的1/30秒(即，30Hz或者更大)短。结果，参照图7A-C，处于第一观看位置的观看者的双眼的瞳孔处于由与第一线源组的导通同步的图像显示面板上的视点图像形成的观察区域的中央部分中，处于第二观看位置的观看者的双眼的瞳孔处于由与第二线源组的导通同步的图像显示面板上的视点图像形成的观察区域的中央部分中。因此，即使在观看者移动时，图像亮度分布也不会大幅改变，观看者可以以最小的串扰来连续地观看3D图像。通过利用两个线源组和两种视点图像信息，本发明的上述实施例被应用于一个观看者移动靠近最佳观看位置的情况。对这些实施例进行扩展，下面将描述通过利用两个或更多个线源组以及两种或更多种多视点图像信息，本发明的其他实施例应用于一个或多个观看者能够在移动时观看清晰的3D图像的情况。图8A和图SB用于描述根据本发明的另一实施例的方法，在所述方法中，通过使用两个线源组和四视点图像信息，两个观看者即使在移动时也能够从其各自的位置观看3D图像。参照图8A，图像显示面板的像素的四个视点沿水平方向布置，两个线源组之间的距离Wu2被设置为一个线源组的线源之间的分开距离Ls的八分之一。观看者I的双眼的瞳孔被定位为靠近由第一线源组以及图像显示面板的第一视点像素和第二视点像素形成的观察区域的中心、观看者2的双眼的瞳孔被定位为靠近由第一线源组以及图像显示面板的第三视点像素和第四视点像素形成的观察区域的中心。在这种情况下，类似于图6，两个线源组以半帧为单位被顺序地驱动。在图8A中，两个观看者的双眼的瞳孔被定位为靠近由第一线源组形成的观察区域的中心，因而仅仅在第一线源组已经导通时提供第一视点到第四视点，但是在第二线源组已经导通时，所有的视点图像被消除。图8B示出了图像信息根据第一线源组和第二线源组的驱动状态被提供给图像显示面板的状态的曲线。尽管在图8A中没有示出，当两个观看者沿着右边的方向水平地运动且两个观看者的双眼的瞳孔被定位为靠近由第二线源组形成的观察区域的中心时，仅仅当第二线源组已经导通时提供第一视点到第四视点，但是在第一线源组已经导通时，所有的视点图像被去除，从而使得所述两个观看者能够观看3D图像而没有串扰。然而，当如图8A中所示地使用四个视点图像时，仅仅在所述两个观看者分开等于一个视点的间距^5mm)时，所述两个观看者能够观看3D图像而没有串扰，但是在其他的情况下，所述两个观看者会经受一部分双眼图像中的串扰。因此，对于两个观看者，除了作为必要的视点的最小数量的四个视点以外，还有必要确保一个或者更多的空间视点。与图8A中不同，图9A示出了使用六个视点图像的情况。在图9A中，观看者I的双眼的瞳孔被定位成靠近由第二线源组以及图像显示面板的第一视点像素和第二视点像素形成的观察区域的中心，观看者2的双眼的瞳孔被定位为靠近由第一线源组以及图像显示面板的第四视点和第五视点形成的观察区域的中心。在这种情况下，如图9B中所示，当第二线源组正被驱动时，提供第一和第二视点图像并去除其他的视点图像，从而将视点图像提供给观看者I的双眼。当第一线源组正被驱动时，提供第四和第五视点图像并去除其他的视点图像，从而将视点图像提供给观看者2的双眼。结果，观看者I和2中的每个的双眼的瞳孔被定位成靠近由所述线源组和所述视点像素形成的观察区域的中心，因而观看者I和2可观看清晰的3D图像。尽管没有示出，当使用六个视点图像和两个线源组时，如图9A中所示，可以看出，与图8A中所示的使用四个视点图像和两个线源组的情况相比，两个观看者能够在移动的同时观看到清晰的3D图像而在它们之间没有干扰的空闲位置增加。在这种方式下，定 位观看者，以使观看者的瞳孔的位置不重叠，从而当正驱动两个线源组时，在观看者移动的同时提供与观看者的双眼的瞳孔对应的视点图像，并去除其他视点图像。因此，本发明可提供3D图像，其中，视点图像的亮度即使在观看者移动时也不改变，且双眼视点之间的串扰被最小化。以下，将描述根据本发明的另一实施例的当借助利用N个视点和两个线源组、在一个或更多的(位于靠近最佳观看位置的)观看者移动时提供清晰的3D图像而没有串扰的原理。参照图10，根据本发明的另一实施例的自由立体3D图像显示装置包括显示N个图像信息(其中，N是大于或者等于2的整数)的图像显示面板和背光。这里，背光包括:第一线源组，包括彼此分开一定间距的多个线源；第二线源组，沿水平方向(X轴方向)与第一线源组分开特定距离。图10示出了从最佳观看距离通过沿水平方向(X轴方向)的各个线源组形成的观察区域的位置。为方便起见，图10示出了在X-Z平面上提供N个视点图像的像素。然而，3D图像显示装置可被设计成使得提供N个视点图像的像素被分配在竖直方向(y轴方向)。另外，构造线源组的多个线源彼此沿水平方向隔开特定间距，两个线源组的最近的线源之间的距离Wu2能从1/(2NXLS)推导出来。在图10中，像素宽度WP、最佳观看距离Ltj、包括线源的背光与图像显示面板的像素之间的距离d、以及视点之间的间距E具有下面的关系。
权利要求
1.一种自由立体3D图像显示装置，包括: 背光，被配置为包括以特定间距布置的多个线源； 图像显示面板，被配置为显示3D图像； 控制器，被配置为控制背光和图像显示面板的视点图像； 观看者位置跟踪系统，被配置为确定观看者的瞳孔位置并将位置信息发送到控制器，其中，图像显示面板提供两个或更多个视点，所述多个线源构造被同时独立驱动的两个或更多个线源组，所述两个或更多个线源组被顺序驱动。
2.根据权利要求1所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 所述多个线源中的每个线源是从LED、OLED和FED中选择的自发射元件，或者以包括光源和铁电液晶显示器件FLCD、或者数字微镜器件DMD的电学高速快门元件来构造所述多个线源中的每个线源。
3.根据权利要求1所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 控制器与根据来自观看者位置跟踪系统的信号而被顺序驱动的所述两个或更多个线源组同步地将对应的视点图像提供给图像显示面板。
4.根据权利要求3所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 来自观看者位置跟踪系统的所述信号包括与观看者的双眼有关的实时3D位置信息，控制器与所述两个或更多个线源组同步地提供与观看者的各只眼睛对应的位置最靠近视点的观察区域的中心的视点图像、并去除其他的视点图像。
5.根据权利要求4所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 通过利用与观看者的双眼有关的实时3D位置信息，控制器与针对各条3D像素线的所述两个或更多个线源组同步地提供与观看者的各只眼睛对应的位置最靠近所述视点的观察区域的所述中心的视点图像、并去除其他的视点图像。
6.根据权利要求4或5所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 存在多个观看者， 与观看者的双眼有关的实时3D位置信息包括与所述多个观看者的双眼有关的位置信肩、O
7.根据权利要求1所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 当提供N个线源组且处于观看位置的视点之间的间距基本上等于观看者的双眼之间的距离时，由所述多个线源组中的一组和图像显示面板形成的视点从由另一线源组和图像显示面板形成的视点移动所述视点之间的间距的1/N，其中，所述另一线源组与所述多个线源组中的所述一组相邻，N是从2到16的整数。
8.根据权利要求7所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 当线源组被顺序地驱动时，在图像显示面板上的对应的视点图像与线源组同步地被显/Jn ο
9.根据权利要求1所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 所述多个线源中的每个线源的线宽在图像显示面板中的像素的宽度的25%以内。
10.根据权利要求3所述的自由立体3D图像显示装置，其中， 所述两个或者更多个线源组在图像的一帧期间被顺序地驱动， 控制器在图像的一帧的一部分期间提供视点图像。
全文摘要
本发明提供一种利用时间分割的自由立体三维图像显示装置。所述图像显示装置包括背光、图像显示面板、控制器和观看者位置跟踪系统。背光包括以特定间距布置的多个线源。图像显示面板显示3D图像。控制器控制背光和图像显示面板的视点图像。观看者位置跟踪系统确定观看者的瞳孔位置并将位置信息发送到控制器。图像显示面板提供两个或更多个视点。线源构造被同时独立驱动的两个或更多个线源组。所述两个或更多个线源组被顺序驱动。
文档编号G02B27/22GK103209333SQ201310018358
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者金成奎, 尹基赫 申请人:韩国科学技术研究院