自动立体影像显示装置的制作方法

专利名称：自动立体影像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于自动立体影像显示装置的像素结构，且特别是有关于一种用 于电视、电脑屏幕、通信手机、数码相机、笔记型电脑、台式电脑、游戏主机、汽车及其它移动 电子装置的影像显示装置的像素结构。
背景技术：
一般而言，人类的视觉属于立体视觉，亦即两只眼睛会看到略为不同的影像，而人 类大脑会融合此两略为不同的影像(称为立体对影像)来产生深度的感觉。三维(3D)立 体影像显示器针对每只眼睛可看见的实体影像，显示该眼所能接收的独立影像(separate image)，而后大脑再融合立体对影像，以产生影像深度的全貌。图1绘示显示平面201中显示面的平面示意图。对于观赏者而言，当其右眼202 观看到显示平面201上的一右眼同源(homologous)影像点203，其左眼204观看到显示平 面201上的一左眼同源影像点205时，观赏者会感觉看到屏幕平面后的一外在影像点206。 然而，若从右眼同源影像点203传来的光线被左眼204看见，且从左眼同源影像点205传来 的光线被右眼202看见的话，则会产生一幻视(pseudoscopic)影像点210及其对应的幻视 影像，而由于幻视影像会造成观赏者的视觉疲劳，所以观赏者通常不希望有此情形发生。图2绘示显示平面201中显示面的另一平面示意图。当观赏者的右眼202观看到 显示平面201上的一右眼同源影像点207，其左眼204观看到显示平面201上的一左眼同源 影像点208时，观赏者会感觉看到屏幕平面前的一外在影像点209。然而，若右眼202可看 见从左眼同源影像点208传来的光线，而左眼204可看见从右眼同源影像点207传来的光 线的话，则观赏者会感觉看到幻视影像点212。图3绘示左眼影像10及右眼影像11的示意图。左眼影像10中的同源影像点205 位于参考线12上，而右眼影像11中的同源影像点203位于相对参考线12的不同相对位置， 其中同源影像点203与参考线12分隔的间距13可称为视差(disparity)，且在此针对屏 幕平面后所有影像点的正视差。同样地，在左眼影像10中，同源影像点208位于参考线14 上，而在右眼影像11中，同源影像点207与参考线14横向分隔一间距15，且其为负视差。 在图1至图3所示的由左眼影像10变换到右眼影像11的过程中，同源影像点203往右移 动，且其相应于屏幕平面后的无畸变(orthoscopic)影像点(即上述外在影像点206)，而同 源影像点207往左移动，且其相应于屏幕平面前的另一无畸变影像点(即上述外在影像点 209)。综上所述，如图3所示，在景色中立体对影像的每个影像中会有相对应的影像点 产生，而这些影像点可称为同源(homologous)影像点，且在左右影像之间同源影像点的相 对间距可称为视差(disparity)，其中零视差的影像点相对应于显示器的深度平面(cbpth plane)上的影像点。图1绘示于显示器后方具非交错视差的影像点，而图2绘示于显示器 前方具交错视差的影像点，其中同源影像点之间的间距大小、与观赏者间的距离以及观赏 者的眼间(interocular)间距，均会赋予观赏者在显示器上能感觉到的影像深度量。
—般立体式的显示器在使用时，需由使用者戴上能大致将送到左右眼的景象分开 的某种观赏辅助工具，以便观赏。举例而言，上述观赏辅助工具可为滤光眼镜，此时影像需 经彩色编码(如红色及绿色)；或者可为偏光眼镜，此时影像需编码成正交偏光的状态； 抑或可为快门眼镜(shutter glasses)，此时景色需编码成时间序列影像而与眼镜快门的 开合达成一致。另一方面，对于立体影像显示器而言，其在操作时并不需经使用者戴上观赏辅助 工具才能观赏；相反地，在此种立体影像显示器中，使用者可从空间中有限的范围内看见每 个视野，如下列图4所示。图4绘示具有视差单元17的显示元件16的示意图。显示元件16产生针对右 眼频道的右眼影像18，而视差单元17导引如箭头19所示的方向上的光线，以在显示元件 16前的区域产生右眼视窗20。以相对位置而言，观赏者的右眼22位于右眼视窗20的位 置，左眼视窗24的位置供参考之用，且右眼视窗20亦可称为垂直延伸式光瞳(vertically extended optical pupil)0图5绘示具有视差单元17的显示元件16的另一示意图。相较于图4而言，显示 元件16产生针对左眼频道的左眼影像26，而视差单元17导引如箭头28所示的方向上的光 线，以在显示元件16前的区域产生左眼视窗30。以相对位置而言，观赏者的左眼32位于左 眼视窗30的位置，右眼视窗20的位置供参考之用。视差单元17作为一光学操纵机构，其中左眼影像26的光线借此传送至显示元 件16前的有限区域，而此有限区域指左眼视窗30，且若左眼32位于左眼视窗30的话，则 观赏者可看见位于对面显示元件16上适当的左眼影像26 ；同样地，上述光学系统亦可借 此传送右眼影像18的光线至右眼视窗20，且若观赏者的右眼22位于右眼视窗20的话， 则观赏者可看见对面显示元件16上适当的右眼影像18。一般而言，从任一个影像传来的 光线均可被认为是已经过光学操纵(或导引)后送至各自方向性分布区域(respective directionaldistribution)。在此应用中，“3D” 一词指的是立体式或自动立体式影像，其中不同的影像呈现至 相对应的每只眼睛，致使人类大脑中产生深度感觉，且在此应了解的是，上述所指的“3D”与 “3D图像”不同，其中3D图像指的是3D物件表现于二维(2D)显示装置上，且每只眼睛均看 见确实相同的影像。此外，视差单元17可于两种不同状态下进行切换，其中一种是其本身提供3D影 像的状态，而另一种是其本身实质上不具光学效应而能选择显示3D及2D影像的状态。在 此应用中，“3D/2D”一词指的是显示装置及其中光学元件的功能，可经切换而致使高解析度 (full resolution) 2D影像或是降低解析度(reduced resolution)自动立体式3D影像而 因此产生。图6绘示一显示装置的平面示意图，其中此显示装置包含显示平面34上的显示元 件16和视差单元17，显示平面34产生位于视窗平面42中的左眼视窗36、37、38以及右眼视 窗39、40、41，且视窗平面42与显示元件16的间距可称为额定可视距离(nominal viewing distance)43.此外，相对于显示元件16中间位置的视窗37、40位于第零波瓣(zeroth lobe) 44中，第零波瓣44右侧的视窗36、39位于+1波瓣46中，而第零波瓣44左侧的视窗 38,41位于-1波瓣48中。
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在此，视窗平面42位于与显示元件16之间具有最大横向可视自由度的地方，且如 图6所示，对于远离视窗平面42的影像点而言，会有钻石形状的自动立体式影像可视范围 产生。此外，如图所示，由对面显示元件16上的每个影像点所传来的光线，会以有限宽度的 圆锥形状发射至视窗平面42，且圆锥的宽度可定义为角宽度。另外，视差单元17用以在与显示元件16间隔可视距离43的视窗平面42上，产生 方向性分布区域的照明影像，而视窗平面42上的强度变化则构成光线其方向性分布区域 的实际形式。再者，若是人眼位于如视窗37、40的一对可视范围时，则可横越显示元件16的整 个范围看见自动立体式影像，且显示元件16的纵向可视自由度可由上述可视范围的长度 来决定。图7绘示对于理想状态的视窗其中横跨显示元件16的视窗平面42的强度变化 (构成光线其方向性分布区域的实际形式)与水平位置51的关系示意图。同时参照图6和 图7，右眼视窗位置强度(或亮度)的分布52相对应于视窗41，强度分布53相对应于视窗 37，强度分布54相对应于视窗40，强度分布55相对应于视窗36，而综合强度分布60则是 单独视窗(individual windows) 52,53,54和55强度的总和。图8绘示对于实际状态的视窗其中强度变化与位置的关系示意图。同时参照图6 和图8，右眼视窗位置强度的分布56相对应于视窗41，强度分布57相对应于视窗37，强度 分布58相对应于视窗40，强度分布59相对应于视窗36。综合强度分布60的额定强度分布 变化与角度范围中的额定强度相比，两者的比例可称为角强度均勻性(angular intensity uniformity, AIU)，其中额定强度分布可例如是图7所示的平坦的亮度分布、朗伯型分布 (Lambertiandistribution)，或是其它具有大致上平顺变化的强度轮廓的分布，而上述角 强度均勻性可于在有限范围的视角内测量测而得，或是于在各自显示元件16中输出角度 的整个角范围内测量测而得。图9绘示大致呈三角状的视窗61重叠而产生平坦分布的另一强度分布示意图。 此种呈三角状的视窗61可利于提供一种强而有力的方法，以减少强度分布60中显现的波 动。再者，此种三角状的视窗61亦可减少因影像画面快速改变而造成影像有明显转动情形 的影像交换问题。然而，不适合的视窗特性(特别是重叠的视窗特性)可能会衍生多种3D技术问 题。举例而言，当右眼影像的光线由左眼看见，或左眼影像的光线由右眼看见时，幻视影像 (pseudoscopic image)会因此产生，且这种现象是一种明显的3D影像退化机制，可导致使 用者的视觉疲劳。另一方面，重叠视窗会让使用者感觉看见模糊影像，因而局限由显示器所 显示的影像深度总量，此外粗劣的视窗品质会造成观赏者的可视自由度减低。所以，光学系 统一般是经设计而用以让视窗的特性最佳化，使得3D技术问题能因此减少。在多视域的显示器中，相邻视窗中含有一连串的可视数据，当观赏者相对于显示 器作横向移动时，每只眼睛所看见的影像会随之改变，使得3D影像的表现得以维持。另外， 当观赏者相对于显示器作移动时，人眼亦会对亮度变化敏感。举例而言，若是强度分布60 以多于总量的0. 5% 5%改变的话，则显示器会有闪烁的情况发生，因此需要将强度分布 60的变化减至最低。另外，当强度分布60随着视角改变时，强度分布60的均勻性可称为角 强度均勻性(angular intensity uniformity，AIU)，且其为重要的特性参数。
再者，各自影像显示于显示平面34，其可由观赏者位于或接近视窗平面42处看 见。在此，横跨视窗平面42的强度变化并非由横跨影像的强度变化来加以定义，但为了方 便说明起见，由观赏者于视窗平面42处看见的影像可被称为位于视窗的影像。以下将叙述一些用以改善显示器其角强度均勻性的已知技术。以一种公知技术中 用于自动立体式显示装置的像素配置结构而言，其采用如图1 la所示的用于标准2D显示器 的已知条状式结构，其中像素具有像素开口 62，且以多行红色像素65、绿色像素67和蓝色 像素69的配置方式排列而成。此外，为了产生自动立体式显示画面，视差单元63(如透镜 阵列)与彩色像素(包含像素65、67和69)群组作配向，而介于如透镜阵列之间的尖端71 则可作为视差单元63阵列中的几何轴线。另一方面，视差单元63可被倾斜配置，致使视差单元63中光学元件(如透镜阵 列中的透镜)的几何轴线倾向像素开口 62的垂直行方向，如美国专利号US 3，409，351和 US 6，064，424两篇专利文献中的例子所述。此种配置会致使如图9所示的视窗重叠情形产 生，且与视差单元63中光学元件的几何轴线平行于像素开口 62的垂直行方向的情形相比， 此种配置可让强度分布60具有较佳的均勻性。在此，与一个视差单元63中光学元件的几何轴线平行的直线可称为“射线(ray line) 64”或称想象线，此射线64为一条沿着射线方向而非光线方向的直线，其中射线方向 指光线额定地(忽略透镜像差)由显示装置导引至视窗平面中任一垂直位置上同一相对水 平位置的方向。此外，图11a更绘示射线64的倾斜方向以及视差单元63中光学元件的几 何轴线相对于像素开口 62的关系，其中此种配置结构会产生相对于垂直方向倾斜的视窗， 使得可视数据在观赏者作垂直移动时改变。此外，图11a更绘示一种针对具有理想对焦点的理想透镜，其中视窗平面内强度 50与水平位置51的相对关系图。在此，为易于了解起见，射线64与强度分布60相交的位 置为相对应于由射线64传来的光线所进入的水平位置51。此外，强度50 —般而言为平坦 状态，但亦具有峰值74，且峰值74产生的原因如下所述。每个给定位置51的强度分布60，可通过测量对应于水平位置51的射线64与相邻 像素开口 62相交的相交部分总长度66、68、70、72来决定，而这是因为在操作上，视差单元 63收集射线64传来的光线，并将所有光线导引向观赏者能看见的空间位置(实际上，人眼 会依照瞳孔大小、透镜像差及透镜对焦的情况接收一束射线64传来的光线，所以可看见的 实际强度为强度分布60的卷积(convolution)，但如此仍会出现类似上述的峰值)。因此， 当强度50改变时，相交部分总长度会因射线64涵盖不同数量的像素开口 62及其间之间隙 而有所改变，特别是强度分布60会因射线64与较多位于角落的像素开口 62相交，而在相 交部分总长度变长时有上升的电位。由此可见，相交部分总长度66、68、70、72可包含来自两相邻像素开口 62的作用， 其中此两相邻像素具有不同颜色，且在3D影像显示器的晶胞(imitcell)结构中均会有一 个对应的相同颜色像素。在已知强度分布60不均勻且视差单元63为透镜阵列的情况下，有效地提供不同 射线64其不同相交部分长度66的平均值，可使透镜散焦(defocus)，以平坦化强度分布 60。然而，如此方式会致使3D视窗间的重叠部分增加，并造成影像模糊的程度增加，有用的 影像深度减少，且幻视影像增加。因此，需要一种不增加透镜散焦的情形下仍能维持较高的
7角强度均勻性的方法。国际公开专利号W0 2007/031921文件中公开一种如图lib所示的技术，其中此技 术通过形成像素切割部76而减少于强度分布60中不平坦的问题(另外类似的技术亦教示 于国际公开专利号W0 2005/006777文件中，其中像素的配置方式为将像素形状调整，借以 改善显示器显示画面均勻性，且将光学单元作配向而与行像素平行)。像素切割部76补偿 另外于像素开口 62的角落增加的相交部分，以减少与射线64相交的相交部分总长度，因而 使强度分布60平坦。然而，如此的配置并无法用以补偿如下所述的广视角显示器的输出。以一般液晶显示面板而言，例如具有水平配向(homogeneous alignment)的扭转 向列型(twisted nematic)液晶的液晶显示面板，其采用大致呈矩形的像素开口，其中整 个像素作为单一个区域来进行操作，使得光学输出的角对比特性对于像素中的每个部分均 可大致呈现一定。此种像素适用于矩形的切割方式，以改善强度分布60的均勻性。然而， 此种面板通常会因晶胞内单一液晶配向区域的光学特性限制，使得具视角自由度的影像 对比发生严重的变化，而为了补偿此种视角效应的影响，其中一种方式便是利用垂直配向 (VerticalAligned, VA)的液晶材料结合多重区域结构，并进一步采用复合配向变型技术， 其中每个像素均包含多个区域，每个区域中均具有不同的液晶分子配向，而显示器的影像 对比视角特性由单独区域(individual domains)产生的额外影像对比特性所决定。图12a至图12c绘示与此种像素相关的运作方式。图12a绘示可单独定址 (individually addressable)的红色像素82、绿色像素84及蓝色像素86，其包括顶层次 像素88和底层次像素90，且具有穿透开口 92和94。在次像素88和90内，穿透开口 92分 为第一组区域1、2、3和4，而穿透开口 94分为第二组区域5、6、7和8，且次像素88和90由 包含电极、电容及其他定址电路的区块98和100所分隔，其中顶层次像素88和底层次像素 90可以整体定址或各自定址。图12b较具体地绘示次像素88和90的区域结构，其中顶层次像素88和底层次像 素90内区域1-8的每一个的相对位置均绘示于图中。区域1 8中每一个均对显示器输 出影像的某特定象限中的影像对比特性有所作用，例如区域3和4占用一个部分以上的次 像素88，而区域7和8占用一个部分以上的次像素90。另外，区域1、2、5和6可称为“主 区域”，区域3、4、7和8可称为“次区域”。区域1 8中每一个对于整体输出影像的作用， 基本上可通过区域中的主动区来定义，且每个区域的相对作用可经调整而改善角对比均勻 性(例如改善高角度位置的影像淡化(image washout)现象)。举例而言，主区域1、2、5、 6可具有相同面积，而次区域3、4、7、8可具有相同面积，且大于主区域1、2、5、6的面积。此 外，主区域面积相对次区域面积的比例可称为区域面积比，且可例如介于3 7和1 1之 间，其一般为9 11。然而，针对上述应用于可单独定址显示单元的像素切割方法，当一或多个像素切 割部自矩形像素移除时，开口的形状即变成移除后所剩的形状，而如此则无法产生视角的 均勻性，如图13a和图13b所示。图13a绘示射线64与图12a所示的垂直配向像素结构的 配向示意图。如前所述，此种配置会造成非均勻的输出强度，其主要是因为射线与横跨像素 宽度上所有位置相交的相交部分总长度的变化。图13b绘示可单独定址的像素开口及其具 有像素切割部102、103的示意图。在此值得注意的是，虽然此种配置可预期会改善均勻性，但并不会于垂直配向液晶显示装置中产生高均勻性的特性，其中上述区域需要一致地操作，以维持横跨显示装置 的不同视角的对比特性。由于区域1 8中每一个的均勻性并不受控制，因此角度的对 比将有所变化，而此种视角对比的均勻性的特性可称为角对比均勻性(angular contrast uniformity, A⑶)。图14绘示单独区域1的强度分布60遭受角强度均勻性(AIU)衰减， 并导致对于整体显示装置其角对比均勻性(ACU)衰减而产生的非均勻性的示意图。具体而 言，射线64与区域1相交的相交部分长度104，会横跨许多区域而产生AIU强度分布60中 的平坦区106，但开口内区域1中的区块108会产生AIU强度分布60中的凹陷区110，而这 表示当像素的综合强度整体上仅考虑开口大小而可呈均勻分布时，区域1相关的均勻性不 会固定，且显示装置的显示强度会出现变化，特别是在区域1对最终输出影像的对比度影 响很大的所在象限。因此，上述像素开口中利用切割部的方式，由于并未考虑单独区域的AIU，所以并 未能在具有多区域的显示装置中保持所需的ACU。

发明内容
依据本发明一实施例，提出一种自动立体影像显示装置(或称裸眼式3D立体显 像)，其包含一空间光调变器以及一视差单元。空间光调变器包含一像素阵列，像素阵列包 含不同颜色且能单独定址的多个像素，且像素阵列通过一多像素复制单元在一行方向和一 列方向上重复而排列形成，其中每个像素包含多个区域。视差单元包含一光学单元阵列，而 光学单元阵列包含多个光学单元，其中光学单元设置于空间光调变器上以将自像素传来的 光线导入至不同视窗。光学单元包含多条几何轴线，且几何轴线在相对行方向倾斜一角度 的一方向上平行延伸横跨空间光调变器。上述区域的形状使得对于单独区域，与几何轴线平行的一想象线具有与单独区域 相交的一相交部分总长度，由沿着想象线上与相邻同颜色像素相交的部分加总而成，并对 位于所有位置的想象线而言均相同，且不同区域的相交部分总长度对应地与单独区域的面 积成比例。采用上述方式可因此改善显示装置的角对比均勻性(angular C0ntrastimif0rmity，A⑶)，如下所述。首先，由于与圆柱透镜的几何轴线平行的想象线，其 与每一个单独区域相交，并由沿着想象线上与相邻同颜色像素相交的部分加总而成的相交 部分总长度，其对位于所有位置的想象线而言均相同，因此可改善单独区域的角强度均勻 性(angular intensity uniformity，AIU)。接着，再加上对于不同区域的相交部分总长度 会与单独区域的面积成比例，因此也可改善对于不同视角的角对比均勻性。此外，上述特性 均可在不需对光学单元进行散焦(defocus)的情况下达成，所以使视差元件的聚焦得以确 定，以于像素平面处显示小型影像，借以减少视窗间产生的模糊现象。因此，通过减少幻视 影像的强度，并减少模糊影像的作法，如此便可改善3D影像的品质。另外，通过改善角对比均勻性可因此改善显示装置的特性，且其可根据显示装置 的设定而有不同的益处，包括例如减少影像模糊及/或使影像深度增加的程度显示出来。 依据本发明的实施例，自动立体影像多视域(multiview)显示装置中会存有特别的设定 值，致使显示装置对动态观赏者不会出现可见的闪烁情形。因此，相对显示装置移动的观赏 者不会看见显示装置显现闪烁的情形，或看见横跨显示区域的强度变化。
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在可切换的2D/3D显示装置中，除了上述于3D模式下可获得的好处之外，亦可改 善2D模式下的角强度均勻性和角对比均勻性，且可切换的视差单元的制作和设计可因此 弹性地具有较低成本、较高产率及/或弹性的公差(tolerance)。在可切换的2D/3D显示装 置中，在使用双折射透镜阵列作为视差单元的情况下，透镜阵列的折射率匹配要求可较有 弹性，及/或大角度位置的极化开关的特性亦可较有弹性。


为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说 明如下图1为绘示3D显示器中屏幕平面后方物件影像深度产生的示意图；图2为绘示3D显示器中屏幕平面前方物件影像深度产生的示意图；图3为绘示立体对影像中每一个所对应的同源影像点的位置示意图；图4为绘示自动立体3D影像显示装置前方右眼视窗信息的示意图；图5为绘示自动立体3D影像显示装置前方左眼视窗资讯的示意图；图6为绘示3D显示器的输出所产生的可视区域范围的平面示意图；图7为绘示自动立体3D显示器中对于理想状态的视窗其中横跨显示元件的视窗 平面的强度变化与水平位置的关系示意图；图8为绘示自动立体3D显示器中对于实际状态的视窗其中强度变化与位置的关 系示意图；图9为绘示自动立体3D显示器中大致呈三角状的视窗重叠而产生平坦分布的另 一强度分布示意图；图10a为依照本发明实施例绘示一种自动立体影像显示装置的侧视图；图10b为依照本发明实施例绘示如图10a所示的自动立体影像显示装置的平面 图；图10c为依照本发明实施例绘示与图10a中的显示器等效的视差屏障(Parallax Barrier)的示意图；图10d为依照本发明实施例绘示具有像素阵列的屏障其等效配向结构的示意图；图10e为依照本发明另一实施例绘示如图10a所示的自动立体影像显示装置的平 面图；图10f为依照本发明另一实施例绘示具有像素阵列的屏障其等效配向结构的示 意图；图11a为绘示公知的像素配置及角强度均勻性的示意图；图lib为绘示另一公知的像素配置及角强度均勻性的示意图；图11c为依照本发明实施例绘示一种晶胞(unit cell)结构的具体示意图；图12a为绘示公知多区域像素配置的示意图；图12b为绘示图12a的区域结构的示意图；图12c为依照本发明实施例绘示一种具有区域结构的液晶像素的示意图；图13a为绘示射线与图12a所示的垂直配向像素结构的配向示意图；图13b为绘示可单独定址的像素开口及其具有像素切割部的示意10
图14为绘示单独区域的强度分布遭受角强度均勻性衰减，并导致对于整体显示 装置其角对比均勻性衰减而产生的非均勻性的示意图；图15为依照本发明实施例绘示一种包含像素的复制单元的平面示意图；图16a为依照本发明另一实施例绘示一种包含能单独定址的像素的复制单元的 平面示意图；图16b为依照本发明实施例绘示一种用于图16a中像素配置的定址结构示意图；图16c为依照本发明另一实施例绘示一种用于图16a中像素配置的定址结构示意 图；图17为依照本发明实施例绘示一种顶层次像素的示意图；图18为依照本发明实施例绘示一种底层次像素的示意图；图19为依照本发明实施例绘示一种像素开口的配置示意图；图20为依照本发明实施例绘示一种对于底层次像素而言区域重叠部分的示意 图；图21a为依照本发明实施例绘示一种对图20所示的结构其角对比均勻性作补偿 的配置的示意图；图21b为依照本发明实施例绘示另一种视窗结构的示意图；图22a和图22b为依照本发明实施例绘示沿着射线的相邻底层次像素配置的示意 图；图23为依照本发明实施例绘示一种将图21a所示的配置作垂直偏移的配置示意 图；图24和图25为依照本发明实施例绘示一种底层次像素于列方向上偏移配置的示 意图；图26为依照本发明另一实施例绘示一种像素开口的配置示意图；图27为依照本发明实施例绘示又一种像素开口的配置示意图；图28为依照本发明实施例绘示一种次区域的结构示意图；图29为依照本发明实施例绘示一种单一区域的结构示意图；图30为依照本发明实施例绘示一种在区域面积不相同的情形下顶层次像素区域 的示意图；图31为依照本发明实施例绘示另一种顶层次像素的示意图。其中，附图标记10,26 左眼影像11、18:右眼影像12、14:参考线13、15:间距16 显示元件17,63 视差单元19、28 箭号20、39、40、41 右眼视窗22,202 右眼
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24、30、36、37、38 左眼视窗32,204 左眼34、201 显示平面42 视窗平面43:额定可视距离44 第零波瓣 46 +1 波瓣48 -1 波瓣50 强度51 水平位置52、53、54、55、56、57、58、59 强度分布视窗60、138、140 强度分布61 三角状视窗62:像素开口64、142、514、516、616、702、710、726 射线65、82、518、522、524 红色像素67、84、52O 绿色像素69、86 蓝色像素66、68、70、72、104、122 126 相交部分长度71 尖端74:峰值76、102、103 像素切割部88、700、708 顶层次像素90、150、152 底层次像素92、94:穿透开口98、100、108、158、800、802、804、806、1305、1306 区块106 平坦区110:凹陷区112、114:端面151、153、155、157、159 亮度曲线154、160:行电极156:列电极203、207 右眼同源影像点205、208 左眼同源影像点206、209 外在影像点210、212 幻视影像点400 背光源402、410、438 偏光板404、408、412、416、422、432、436、530、532 基板
406:像素化液晶层414 可切换式偏光旋转层418:双折射微透镜阵列420:等向性层424,446 空间光调变器426、450:透镜单元428、448、606 像素430、452、728、729、1237、1145、1147 角度434:图案化可切换式液晶层440、454 屏障442、456:开 口区块444、458 屏障区块501 多像素复制单元500、502、504、506 列像素534:液晶分子536、538:表面特征540:黑色掩膜542、544、546、548 指向矢方向601 604、712 区域608、610、612、614、719、724、1233、1225、1227、1229、1231、1233、1235、1237、1239
宽度704、706 次区域714、716:开口边缘720、722、730、732 侧边721、723 顶层次像素区域725、727、1221 1224、1301 1304 相交部分线段762、764、766、768 边界805、807、824、826、828 栅极线808、810:数据线814、816、830、832 定址单元822:电极830、832 晶体管1141 1144 区域端面
具体实施例方式图IOa为依照本发明实施例绘示一种自动立体影像显示装置的侧视图，其中此 自动立体影像显示装置包含可切换式透镜单元。背光源400对一空间光调变器(Spatial LightModulator, SLM)照射光线，其中空间光调变器包含穿透式液晶显示器，且穿透式液 晶显示器更包含偏光板402、基板404、像素化(pixellated)液晶层406、基板408、偏光板410、基板412、可切换式偏光旋转层414、基板416、双折射微透镜阵列418 (包含透镜屏 幕)、等向性层420以及基板422。此种2D/3D显示器能在自动立体式3D显示器和高解析 度2D显示器的两种操作模式下切换，而于2D和3D模式下均具有高亮度。图IOb为依照本发明实施例绘示如图IOa所示的自动立体影像显示装置的平面 图。此种显示器包含倾斜延伸的透镜单元426，其配置于空间光调变器424上，并与空间光 调变器424作配向，其中空间光调变器424包含与透镜单元426成一角度430配置的像素 428阵列。能单独定址的像素428具有不同颜色，并通过一多像素复制单元在一行方向和一 列方向上重复而排列形成。另外，透镜单元426包含多条几何轴线，其在相对行方向倾斜一 角度的方向上平行延伸横跨空间光调变器424，其中上述行方向可例如是显示装置的垂直方向。
透镜式屏幕可包含垂直延伸的圆柱状微透镜，在此“圆柱状”一词具有已知技术 中字面上的一般意思，且包括非球面镜的形状，而不仅限于球面镜的形状。透镜的间距 (pitch)亦对应于视角校正条件，借以提供位于正确可视距离的视窗。透镜的曲率大致上为 经设定，以于视窗平面上产生LCD像素影像。当透镜收集由像素以圆锥状出射的光线并将 光线分布于视窗时，上述透镜式屏幕中的背板可具有高亮度。上述圆柱状透镜中的透镜边缘(具有曲率半径)可以一第一线性方向延伸，且圆 柱状透镜的几何轴线定义为在第一线性方向上沿着透镜中心点的直线(亦即平行于边缘 延伸方向)。图IOc为依照本发明实施例绘示与图IOa中的显示器等效的视差屏障(Parallax Barrier)的示意图。偏光板410的输出端配置有基板432、图案化可切换式液晶层434、基 板436以及输出偏光板438。此种显示器可作为一种可切换式2D/3D视差屏障显示器，其中 视差屏障单元形成于图案化可切换式液晶层434中，且液晶层434经偏光板410、438解析 时包含相位区块以及屏障区块，其中相位区块位于具缺口的屏障图案中。此外，可切换式视 差屏障可另外配置于背光源400和偏光板402之间。图IOd为依照本发明实施例绘示具有像素428阵列的屏障其等效配向结构的示意 图。屏障440包含屏障区块444以及开口区块442，其中屏障区块444呈延伸状，并以相对 的角度430与像素428阵列作配向。图IOb和图IOd中的配置有利于使图9中的视窗根据 标准面板像素配置而产生，但会遭受视窗倾斜的问题，使得理想可视位置于观赏者作垂直 移动时作横向位移。图IOe为依照本发明另一实施例绘示如图IOa所示的自动立体影像显示装置的平 面图。当空间光调变器446的像素448阵列以一个角度452作配向时(亦即行方向相对垂 直方向倾斜)，透镜单元450可作垂直配向。图IOf为依照本发明另一实施例绘示具有像素阵列的屏障其等效配向结构的示 意图，其中屏障454包含开口区块456以及屏障区块458，且当像素阵列448以一个角度452 倾斜时，屏障454可作垂直配向。图IOe和图IOf中的配置有利于产生垂直视窗，使得理想 可视位置不会于观赏者相对显示器作垂直移动时作改变另外，上述配置方式可一并结合，例如像素阵列和视差单元(如视差屏障)阵列 均相对垂直方向倾斜。此外，视差单元(如透镜屏幕或视差屏障)的几何轴线可与光学单元平行，而当视差屏障的几何轴线平行于每个开口边缘时，透镜屏幕的几何轴线可因此与每个圆柱状透 镜的尖端和边缘平行。视差单元阵列包含多条几何轴线，其平行延伸而横跨空间光调变器。 再者，如图10b、10d、10e和IOf所示，视差单元相对多像素复制单元的行方向以一个角度倾 斜，其中多像素复制单元包含不同颜色而能单独定址的像素。本发明实施例中的空间光调变器可为穿透式、反射式、半穿透反射式或放射式空 间光调变器，其中能单独定址的单元包含用以增强显示影像特性的区域(domain)。在此，空 间光调变器包括调变外部光源的传送或反射强度的元件，例如可包括液晶显示器。此外，空 间光调变器亦包括本身可产生光的元件，例如可包括电激发光(electroluminescent)显 不器。图Ilc为依照本发明实施例绘示一种晶胞(unit cell)结构的具体示意图。不同 颜色而能单独定址的像素阵列包含多行的3D像素(即红色像素82、绿色像素84及蓝色像 素86)，其以多像素复制单元501在一行方向和一列方向上重复而排列形成，且配置成列像 素500、502、504、506的方式。在本实施例中，显示器可为一种具有5个视域的显示器，而射 线514、516 (或称想象线)对于上述3D像素可以1个水平像素间距与1个垂直像素间距所 形成的角度来配置，其中射线方向指光线额定地(忽略透镜像差)由显示装置导引至视窗 平面中任一垂直位置上同一相对水平位置的方向。射线514与红色像素518、522、524相交， 且3D像素中可见的红色光数量，由沿着射线514与相邻的相同颜色像素相交的相交部分长 度的总和来决定。因此，显示器中此区块内的强度即为射线514与红色像素518、522、524 相交部分长度的总和。虽然一般而言，相交部分的总和可能要考虑不同像素配置中不同数 量的像素以及不同角度的射线，但以本实施例而言，相交部分的总和基于相邻的红色像素 518、522、524。在此值得注意的是，上述所称配向的意思，包括射线514和红色像素524相 交部分的长度与射线514和红色像素518相交部分的长度相同，且射线514和红色像素522 相交部分的长度与射线514和绿色像素520相交部分的长度相同。因此，虽然在操作上对 单一颜色像素而言，相交部分长度由晶胞中的红色像素518、522所决定，其亦可利用不同 颜色像素(如像素518和520)来决定。在此，为了方便说明起见，以下是假设空间光调变 器上能单独定址的像素开口的形状均大致相同。在本发明实施例中，多像素复制单元501在相互垂直的行方向和列方向上重复而 排列形成，但不以此为限，亦即行方向和列方向所形成的角度也可少于90度角。本发明实施例中的像素包含一区域结构，以达成显示器所要求的光输出结果。图 12c依照本发明实施例绘示一种具有区域结构的液晶像素的示意图，其中此液晶像素可为 垂直配向(VA)的液晶像素。液晶层包含液晶分子534，且配置于基板530和532之间。位 于基板530上的表面特征536、538可例如是棱镜，使得当棱镜与合适的配向层共同使用时， 可因此达成液晶分子的垂直配向(如图12c所示)。另外，区域中不同的极性(或称顶角 (zenithal))配向可通过不同预倾角度处理或使用不同突出物(protrusion)等方法单独 或共同产生，致使不同的有效电场施加于各自的区域，其中不同的电场可通过独立定址、独 立晶体管(separate transistors)或浮接电极结构的使用等方式施加于区域。液晶分子的指向矢方向542、544、546、548会作不同变化，如此使得指向矢方向 542、544、546、548可代表一半能单独定址的像素中不同区域内的配向，其中每一个能单独定址的像素均包含不同的配向。黑色掩膜540经定位，借以遮蔽可能减少显示对比度的液晶向错(disclination)现象。此外，区域形状可由黑色掩膜540的结构来设定，且亦可由 其它层(例如电极、电容及晶体管，但不以此为限)所决定，而区域的光学特性则可由液晶 分子的指向矢配向来决定。此外，亦可通过适当地控制施加于不同区域的电压来设定不同的指向矢方向542、 546，以达到类似的配向方向特性，而区域的配置和面积可相同于如图12a所示的例子，以 实现如上所述的所需视角特性。另一方面，液晶分子可作其它配置，例如用于双层平面切换式 (in-planeswitching)或边际场切换式(fringe field switching)液晶显示器，以实现期 望的对比均勻性。在本实施例中，表面特征536、538亦可例如由电极来取代，以实现所需的 视角特性。因此，液晶材料可为垂直配向的液晶材料或是双层平面切换式液晶材料，而区域 中则包括不同的配向，用以共同减少像素对比度随着视角变化的程度。放射式显示器一般具有朗伯型(Lambertian)输出，因此其并不需要用以实现对 比特性的多区域配置。然而，此种显示器可能包括多个单独区域，以通过空间多工处理而产 生所需的输出，其中灰阶输出可由不同面积的区域来决定。在本实施例中，区域具有不同大 小，且像素的总输出强度由定址的区域来决定。因此，下列本发明的实施例可用以于此种空 间多工处理的显示器中实现与视角一致的灰阶均勻性。再者，对于给定的彩色像素配置而言，考虑3D影像的多种特性可决定想象射线相 对行像素及列像素的角度。举例而言，红色、绿色及蓝色像素具有同样大小，且共同形成一 方形彩色像素单元，其具有水平3单位及垂直3单位的大小，而射线则是以水平1单位及垂 直3单位所形成的角度配置，并与垂直方向成18. 43度角，且在某一程度上致使重叠视窗产 生。将射线以水平1单位及垂直6单位所形成的角度作配置而将角度减至9. 46度角，可因 此增加相邻视窗间的重叠(如加宽图9中的三角形视窗结构)，而较宽的视窗会增加视域 重叠，使得不合期待的幻视影像较可能发生，并增加影像模糊的现象。然而，当观赏者相对 显示器作横向移动时，影像会较平顺地变化，且此情形相较于上述18. 43度角的情形，具有 更大的垂直可视自由度。两种不同角度亦使像素具有不同的空间频率，可调整3D影像的逼 真度(fidelity)，而另外也可使用其它角度来调整所需的显示特性。一般而言，射线(即光学单元的几何轴线)倾斜一角度，使得列方向上几何轴线相 对列方向上像素间距的位移，在行方向上像素间距乘以一非零整数所得的值的范围内。举 例而言，在行方向垂直列方向的情形，其代表光学单元的几何轴线以tarTYprApXn))的 角度相对行方向作倾斜，其中Pr是列方向上像素的间距，pc是行方向上像素的间距，η是一 非零整数，而上述18. 43度角和9. 46度角则分别是η为1和2的情形。在本发明实施例中，调整射线角度可改变射线与每个区域重叠的情况，下列将以较具体的实施例来说明。图15为依照本发明实施例绘示一种包含像素82、84、86的复制单元的平面示意 图，其中此实施例考虑对区域1作补偿。对所有像素而言，每个像素82、84、86内区域1的 位置大致上均相同。自动立体式光学单元(未绘示)(如透镜屏幕)相对像素开口倾斜一 个角度作配向，借以用于多视域的自动立体式显示器。在本实施例中，像素82、84、86均具 有水平1单位及垂直3单位大小的间距，使得2D模式下的彩色像素具有水平3单位及垂直3单位大小的间距。因此，平行于视差单元的几何轴线的射线，其倾斜角度即为水平1单位 及垂直3单位所形成的角度，与垂直像素轴线成约18. 43度角。为了于区域中提供良好的 角强度均勻性，想象射线64与区域1的相交部分对于横跨像素宽度的射线上所有位置而言 均需要固定，且为了实现此种作法，区域1具有平行侧边以非零角度θ 1延伸至射线64，而 区域1也具有端面112、114与射线64平行，并因此相对行方向作倾斜。上述此种配置有赖 于对用以定义区域结构的掩膜作准确的界定。图16a为依照本发明另一实施例绘示一种包含能单独定址的像素82、84、86的复 制单元的平面示意图，其中端面调整为以非零度角配置而不与射线64平行，例如可如图所 示配置成垂直方向。在操作上，位于像素中央的射线64与相交部分长度122重叠，而对于 端面的任一侧来说，射线64与端面交错，相交部分长度123、126均与相交部分长度122相 同，且相交部分长度124和125加总后会与相交部分长度122相同。上述此种端面配置有 利于改善制造公差(manufacturing tolerance)或制作时可容许的误差范围，例如当射线 与边界交错时，黑色掩膜层会对射线长度中的变化有较少的影响在此为了简要说明起见，射线仅绘示于两相邻的像素之间，但一般而言，射线会出 现于沿着射线方向任意数量的相同颜色的相邻像素上，而除非采用另外的彩色像素配置 (如标准RGB条纹式像素配置)，否则此种相同颜色的像素于阵列中并不会相邻。因此，总 强度由显示面上不同位置的像素来决定，且3D模式下像素的尺寸大小应接近或小于在额 定可视距离处人眼的解析度限制，使得观赏者看见的整体强度在视窗中平均分布，且在各 自像素范围内相依存在。
图16a更绘示所有区域1 8的配置，其中第一组区域1 4位于顶层次像素88 中，第二组区域5 8位于底层次像素90中，端面114以上述垂直的方式配置。在此种配置 方式中，顶层次像素88中区域1 4的形状均相同，而底层次像素90中区域5 8具有不 同的形状。举例而言，区域7、8在尺寸上作垂直延伸，借以维持其与射线重叠的长度一定。图16b为依照本发明实施例绘示一种用于图16a中像素配置的定址结构示意图， 其中此定址结构一般可称为2D1G结构(二数据线搭配一栅极线)。如图所示，能单独定址 的像素82、84、86中每一个均包括具定址方式的多个区域，其中区块800代表像素86中顶 层次像素的主区域，区块802代表像素86中顶层次像素的次区域，区块804代表像素86中 底层次像素的主区域，区块806代表像素86中底层次像素的次区域。数据线808、810 (或称 数据电极)与栅极线805 (或称栅极电极)搭配操作，而用以传送数据信号至对应的区块， 而栅极线807则是用以对下一列的像素作定址。区块800和804通过定址单元814进行切 换，而区块802和806则是通过定址单元816进行切换，其中定址单元814通过电极822连 接至对应的像素区块，且定址单元814、816可例如包括薄膜晶体管。不同的两数据信号由数据线808、810所传送，使得主区域中的区块800、804以及 次区域中的区块802、806可看见不同的信号。虽然上述数据信号与像素所需的信号相关， 但可提供不同电压予像素，以对主区域和次区域进行定址而使其具有不同的伽玛曲线(即 输出灰阶转换函数)。像素86经定址而具有一目标灰阶与原始数据信号相关，因此像素86 可作为包含多个区域且能单独定址的像素，纵使单独区域范围在考虑液晶模式下光电效应 所致的角度变化后，可经定址而具有不同灰阶以于广视角范围内实现灰阶均勻的特性。图16c依照本发明另一实施例绘示一种用于图16a中像素配置的定址结构示意图，其中此定址结构一般可称为2G1D结构(二栅极线搭配一数据线)。如图所示，数据线 834(或称数据电极)与栅极线824、826(或称栅极电极)搭配操作，而用以传送数据信号至 像素86中对应的区块800、802、804、806，栅极线828则是用以对下一列的像素作定址。此 夕卜，区块800和804通过定址单元830进行切换，而区块802和806则是通过定址单元832 进行切换。在单一时段中，用于像素86的数据信号可具有两不同值，且两栅极线824、826可 依据不同脉冲宽度开启操作。主区域和次区域于开始时充电至一第一数据值，接着栅极线 824设定为0V，且当主区域晶体管830关闭时，电压会施加于栅极线826，晶体管832维持开 启，使得区块802和806进一步充电至一第二数据值。是故，能单独定址的像素86包含定址电路，可通过不同信号切换主区域和次区 域，而此种配置用以独立控制每个区域的灰阶响应，以最佳化最终像素的角灰阶响应。另 夕卜，像素86可作为具多区域的能单独定址的像素，此时单独区域的定址电压与所需的像素 灰阶直接相关，并使输出含有角均勻性的特性。另外，可结合单一定址元件对顶层次像素和底层次像素作定址，并将定址元件连 接于单一数据线和单一栅极线，使得能单独定址的像素包含顶层次像素和底层次像素。由上可知，空间光调变器包含一像素阵列，此像素阵列包含不同颜色且能单独定 址的数个像素，且通过一多像素复制单元在一行方向和一列方向上重复而排列形成，其中 每一个像素均包含数个区域。依此，上述实施例可提供随着显示器的视角作用的均勻强度变化，且上述实施例 可移除显示器中位于区域之间的黑色掩膜其多余的能见度，观看显示器的观赏者可于广范 围的视角看见均勻的强度分布。因此，当观赏者相对显示器移动时，显示器不会出现闪烁的 情况(其为一种扰人的视觉产物)。因此，显示器的角强度均勻性(AIU)(如强度分布60 所表示)基本上对显示器的所有视角而言均呈现固定的，无论其中视差单元的对焦情形为 何，而此种配置亦有利于提供良好的角对比均勻性(ACU)。为此，当观赏者移动头部时，显示 器的对比度不会出现变化，而若是显示器的对比度于观赏者移动头部时出现变化的话，则 影像亦会出现闪烁，致使显示特性衰减。在切换式2D/3D显示器中，当显示器切换为2D模式时，也可能有一些多余的3D功 能存在。在本发明实施例中，由于角强度均勻性和角对比均勻性皆与视差光学元件的对焦 情形无关，因此若是有某些多余的3D功能存在于2D模式下的话，亦不至于影响角强度均勻 性和角对比均勻性，而这使得光学单元的制造公差(manufacturing tolerance)较有弹性。 举例而言，在切换式双折射透镜中(如美国专利号US 7，058，252所述的例子)，可能存在多 余的指数步长(index step)介于液晶和等向性透镜材料之间，而于一般像素中，可能因多 余的透镜作用而造成角强度均勻性错误。在本发明实施例中，指数步长的公差可因此变得 较有弹性，有利于减少透镜的成本并增加产率。在本发明实施例中，当提供足够空间予电极和定址电路时，单独区域的实际配置 方式可经调整而使开口率(aperture ratio)最佳化，但图中所示仅为方便绘示而已，不以 此为限。此外，在每个例子中，相交部分长度维持在区域宽度的范围内，且对于每个区域而 言均是固定的。再者，在3D模式下，上述方式可使透镜的对焦最佳化，而不会出现如公知技术中散焦(defocus)的情形，且有利于使横跨相邻视窗的可视数据进一步分开(如图9所示的 例子)，而减少视窗重叠则有利于减少3D影像中的模糊现象，使得影像深度的总量增加。此 夕卜，更可减少幻视影像强度，以增加观赏显示影像的舒适度。上述配置可应用于采用视差光 学元件(如透镜屏幕及视差屏障)的3D显示器。其次，在具有随视角变化的光学功能(例如由偏轴像差(off-axis aberration) 或是由随入射光角度改变的有效透镜指数步长所致)的透镜中，由像素平面上采集的光范 围会随视角变化。在本发明实施例中，对所有射线以及沿着射线的相邻同颜色像素而言， 射线与像素相交而具有固定的相交部分长度，其表示由采集射线而得的光范围会随视角变 化，而会产生相同强度和对比特性。上述像素配置可因此提供高视角，以产生良好的角强度 均勻性和角对比均勻性，而不会导致非均勻的强度分布。此外，在与极化开关的视角相关的被动式双折射透镜中，强度变化与开关的极化 输出无关，而此种配置可减少开关中光学补偿膜的使用，并使开关更便宜、更薄且更容易制 作。再者，在具有3D偏轴现象(当透镜在2D模式下时发生)的主动式双折射透镜中， 黑色掩膜不会作为角强度均勻性和角对比均勻性随着视角变化的因素。因此，应用本发明实施例可改善影像品质，并降低成本，而不需牺牲显示器的2D 影像特性，且此种配置可通过调整像素开口的布局来实现。图17为依照本发明实施例绘示一种顶层次像素88的示意图。顶层次像素88的 第一组区域1 4具有平行侧边，沿着区域1 4的整体长度与射线64成非零度角θ 1延 伸，且区域1 4各自于其平行侧边之间具有正交的宽度1225、1227、1229、1231。一般而 言，位于顶层次像素88的第一组区域1 4与垂直方向成+45度角作配向，以有利于产生最 佳化输出对比的均勻性，并致能垂直或水平向的偏光板。此外，相对行像素倾斜一角度1237 的射线64，与区域1、2、3、4分别相交在相交部分线段1222、1223、1221、1224。在显示器中，区域1和2具有相同面积的主区域，其中线段1222和1223的长度相 同，而区域3和4是具有相同面积的次区域。主区域面积对次区域面积的比可称为区域面积 的面积比，且可例如介于7 3和1 1之间，而一般为11 9。另外，线段1221和1224 的长度相同。又，线段1222和1223的长度对线段1221和1224的长度的比可称为区域相 交部分长度比，且其与显示器中的上方像素区域面积比相同。上述配置有利于产生与一般 显示器大致上相同的高角度淡化(wash-out)特性。在射线与端面112或114重叠的例子中，射线与区域1 4中每一个相交后具有相交部分总长度，且各相交部分长度相对于位于所有位置的射线而言均相同，而相交部分 总长度为射线与同列相邻像素的两区域相交部分的总和。图18为依照本发明实施例绘示一种底层次像素90的示意图。底层次像素90的 第二组区域5 8具有平行侧边，沿着区域5、6及大部分区域7、8的整体长度与射线64成 非零度角θ 2延伸，且区域5 8各自于其平行侧边之间具有正交的宽度1233、1235、1237、 1239。一般而言，第二组区域5 8与垂直方向成-45度角作配向，以有利于产生最佳化输 出对比的均勻性，并启动垂直或水平向的偏光板。此外，射线64与区域5 8各自相交在 相交部分线段1301、1302、1303、1304。在本实施例中，角度θ 2与角度θ 1不同。另外，底层次像素90的第二组区域5 8亦可具有一总长度，且此总长度在其与射线64正交的部分相等于圆柱状透镜间距的一半时形成，如下列图20及实施例所述。顶层次像素88的第一组区域1 4彼此相邻配置，且底层次像素90的第二组区 域5 8亦彼此相邻配置，虽此种配置方式并非必要，但可使像素作紧密地配置。在显示器中，区域5和6为相同面积的主区域，而区域1和2为相同面积的主区域， 且于本实施例中，线段1301和1302相同。另外，区域7和8为相同面积的次区域，而区域 3和4为相同面积的次区域，且在本实施例中，线段1303和1304相同。线段1301和1302 对线段1303和1304比例可称为区域相交部分比，且可等同于显示器中的下方像素区域面 积比。上述配置有利于产生与一般显示器大致上相同的高角度淡化(wash-out)特性。值 得注意的是，作为次区域的区域7和8可包括额外的区块1305、1306，使得对于区域内射线 上所有位置而言，可维持其中线段1303和1304具有同样的相交部分长度。此外，线段1301和1302的总长度大致上等同于线段1221、1222、1223和1224的 总长度，而在每个实施例中，总像素区域相交部分长度比等同于区域面积比，使得每个区域 内的相交部分对相交部分总长度的比例等同于每个区域面积对总区域面积的比例。
为方便图示说明起见，若区域面积比设为1的话，则上方像素的区域宽度会设为 彼此相等，且下方像素的区域宽度会设为彼此相等。若顶层次像素区域宽度1225、1227、 1229和1231为Wt的话，假设区域倾斜角度为45度角，则射线与顶层次像素区域1、2、3、4 的相交部分线段1222、1223、1221、1224的总长度it可由下式求得it = 4Xwt/sin( θ j)如图18所示，底层次像素90的第二组区域5 8以较接近平行于射线的方式作 配向，且为了补偿的目的，射线在任一点与两区域相交，但相交部分长度较大。若是底层次 像素90的额定区域宽度1233、1235、1237、1239为Wb的话，假设区域倾斜角度为_45度角， 则射线与底层次像素区域5、6、7、8的相交部分线段1301、1302、1303、1304的总长度ib可 由下式求得ib = 4Xwb/sin( θ 2)为了维持顶层及底层次像素区域中每一个的等效强度分布，相交部分总长度it和 ib应相等。实际上，在区域1 4的侧边相对行方向作+45度角倾斜的例子中，区域5 8 的侧边相对行方向作-45度角倾斜，且射线相对行方向作18. 43度角倾斜，区域宽度Wt与 Wb大致相同，而这有利于让显示器中的开口率最佳化，且每个区域可延伸而涵盖次像素的 最大面积。图19为依照本发明实施例绘示一种像素开口的配置示意图，其中射线142相对垂 直方向的角度θ以水平1单位及垂直2单位大小的方式设定，使θ为9. 46度角，并形成 下列关系式Wt = 0. 7 X Wb因此，对于此特别的角度而言，当区域的总范围垂直性地变大以补偿整体区域输 出效率时，顶层次像素的开口率会降低，而此种配置亦会增加相邻视窗间的重叠。其次，θ设定为18. 43度角的射线会加大开口率，并减少视窗重叠，而若是需要 在此系统中增加视窗重叠(例如减少模糊闪烁效应，其中影像模糊数量随观赏者位置变 化)的话，则较能依此对透镜作散焦；相反地，在较为垂直的系统(即具有较小的透镜倾斜 角度)中，则较无法减少视窗重叠。
一般而言，区域面积比值以及区域线段相交部分长度比值均不会是1，以至于对第 一组区域的主区域1、2和次区域3、4以及第二组区域的主区域5、6和次区域7、8而言，宽 度Wt和Wb不会相同。然而，对单独区域而言，相交部分长度比值会与面积比值相同，特别是 当使用下述的下方像素区域补偿方式时。图30为依照本发明实施例绘示一种在区域面积不相同的情形下顶层次像素区域 723和721的示意图。区域723具有面积al，其侧边720、722由宽度724(wl)所隔开，且与 射线726以小于90度角的一角度728 ( θ 1)相交，而射线726与上区域723的相交部分727 的长度il可由数学式wl/il = sine 1求得。同样地，区域721具有面积a2，其侧边730、 732由宽度719(w2)所隔开，且与射线726以小于90度角的一角度729 ( θ 2)相交，使得射 线726与下区域721的相交部分725的长度i2可由数学式w2/i2 = sin θ 2求得。区域723 和721内相交部分长度的比例il/i2，在相交部分长度沿着射线横跨相邻像素作加总时，由 区域723的面积al对区域721的面积a2的比例给定。因此，及在相邻区域的情形下，wl/ w2 = al.sin0 1/a2.sin0 2o值得注意的是，在单一像素内(包括第一和第二组区域)， 当射线不与至少一区域相交时，上述比例可能不会维持一定。
如上所述，底层次像素90中的第二组区域5 8的每一个具有一总长度，且此总 长度在其与射线64正交的部分相等于圆柱状透镜间距的一半时形成。如此一来，对单一列 像素而言，射线64与区域对5和7 (区域对6和8亦同)相交的相交部分长度对射线上所 有位置而言均相同。图20依照本发明实施例绘示一种对于底层次像素90而言区域重叠部 分的示意图。如图所示，强度分布138显示射线的每个位置上由区域6和8所提供的相对 强度，而强度分布140则是显示由区域5和7所提供的相对强度。不过，由于像素间距内的 相交部分长度固定，所以当此种配置提供均勻的角强度均勻性时，可能会因区域不随视角 平均分布而导致不均勻的角对比均勻性。图21a为依照本发明实施例绘示一种对图20所示的结构其角对比均勻性作补偿 的配置的示意图。如图所示，顶层次像素88及底层次像素90阵列以多行的红色像素82、绿 色像素84及蓝色像素86配制而成。此外，图22a和图22b为依照本发明实施例绘示沿着 射线的相邻底层次像素150、152配置的示意图，其为对图20所示的结构其角对比均勻性作 补偿。具体而言，区域对5和7(区域对6和8亦同)的形状为在沿着射线64方向相邻同 颜色的像素中交替变动，因此在底层次像素150中，由左下方往右上方配置的区域依序为 8、7、6、5、8、7，而在另一个同颜色的底层次像素152中，配置的区域依序互补为6、5、8、7、6、 5。如此的话，同颜色的两相邻像素150和152中与区域5 8相交部分的长度，对于位于 所有位置的射线而言均会相同，且沿着各自射线方向上同颜色像素的单一视域内最终输出 的角对比均勻性会呈现一致。换言之，区域中的每一个均包含一对区域，且这些对区域的形 状使得想象线与同颜色像素的该对区域相交部分的总长度为一定值。此外，图21a亦显示 如何在同一射线上同颜色像素中相邻区域间实现强度匹配，其中在一列底层次像素90内， 区域顺序可于上述两种态样之间循环，或可于列中固定其顺序。在图21a中，上方的底层次像素150以及下方的底层次像素152为沿着射线64方 向同颜色的相邻次像素，且每个像素除红色、绿色、蓝色之外亦包含其它颜色(例如白色 像素)。图21b为依照本发明实施例绘示另一种视窗结构的示意图，其中此视窗结构可由本发明实施例中除图22a和图22b的补偿结构外的区域结构所产生。举例而言，图18中的 底层次像素区域结构由视差光学单元成像时，单独区域可导向至视窗平面内不同的各自位 置，因此底层次像素可由亮度曲线151来代表，且其更由包含亮度曲线153、155、157的次结 构所组成，接着视窗结构则以邻近像素的亮度曲线159作重复。为此，当观赏者头部横跨视 窗平面作移动时，看见的区域组合可能跟着变动。若是能单独定址的像素86包含多个定址 单元的话，单独区域可于视窗平面中不同位置提供光线，且更可被定址，借以在特定方向上 (如视窗平面中水平位置51)提供更适切的灰阶予像素强度。因此，可进一步增加显示器的 可视数据解析度，且可自邻近视域中内插数据，而区域强度可于像素宽度上各点作变化，与 送至邻近像素的定址电压相关。当观赏者移动头部时，此种配置有利于增加影像数据的平 滑度，并减少3D影像中的模糊程度。图31为依照本发明实施例绘示另一种顶层次像素的示意图。顶层次像素750包 含分别具边界754、756、758、760的区域1、2、3、4，而相邻顶层次像素752则包含分别具边界 762、764、766、768的区域1、2、3、4。另外，图31的下方绘示对应于各区域的视窗，其显示了 区域1与2以及区域3与4之间平顺的转移过程。相较于先前顶层次像素的实施例，本实施例中对于想象射线上所有位置而言任一 区域的强度均非固定不变。如图21a所述的方式，沿着想象射线64的相邻颜色像素包含相 反的区域，使得一个区域的总强度遍及相邻像素各处均为固定。上述配置具有均勻的次像素88和90的定位。然而，次像素88和90及其中区域 可作移位，借以使电极和定址电路的配置最佳化。图23为依照本发明实施例绘示一种将图 21a所示的配置作垂直偏移的配置示意图，其中行电极154和列电极156适切地安插于像 素开口之间的间隔，且多个区块(如区块158)存在像素之间，而其它定址电路可位于区块中。图24和图25依照本发明实施例绘示一种底层次像素90在列方向上偏移配置的 示意图，其中此种配置使得第二组区域5 8范围的中心，沿着列方向相对第一组区域1 4范围的中心作偏移，而这造成行电极160有弯曲现象。此种配置可利于用以增加供定址电 路使用的可用面积。在本发明实施例中，单独区域可相对彼此作移位，而这利于用以减少可视数据之 间的重叠，如图25所示，其中底层次像素90中第二组区域5 8范围的中心以及第一组区 域1 4范围中心沿射线64作配向。因此，区域端面1141、1142、1143、1144具有与射线64 相交的相同相交部分点。此种配置亦可用以确保可视数据在单独视窗36 41各处仍有固 定的角对比均勻性，且更可于观赏者移动时减少画面闪烁情形，并使影像深度最大化，减少 视域间的影像模糊。另外，区域可于列方向上移位，借以提供较大的视窗重叠及缓和的模糊闪烁情形，其中模糊程度会随观赏者位置作变化，使得影像的某部分中3D影像的强度会随 观赏者位置作变动。图26为依照本发明另一实施例绘示一种像素开口的配置示意图，其中顶层次像 素88中第一组区域1 4以及底层次像素90中第二组区域5 8经调整而有各自相对射 线64的倾斜角度1145、1147(对应角度Θ1和θ 2)，且两角度大小相同而正负号相反。此 种配置有利于改善图17和图18中的底层次像素的布局，提供底层次像素较大的开口率。因 此，最佳对比锥以及输入极化的少量转动可用以改善2D和3D模式下的元件特性，并降低元件成本。图27为依照本发明实施例绘示又一种像素开口的配置示意图，其中单独区域包 含部分经空间多工处理的像素，而非上述的对比多工处理的像素。此种配置可用于控制例 如穿透式、反射式或放射式像素比例而显现灰阶的显示器中，且可确保当此种配置与视差 单元(例如透镜屏幕)共同使用时，此类显示器中输出强度随着视角呈现一定。像素606包含不同面积的区域601、602、603、604，且与产生射线616的视差单元作 配向，而区域601、602、603、604分别具有宽度608、610、612、614，使得射线616与每个区域 相交的相交部分长度与区域面积成比例，并使得沿着射线616方向上相邻同颜色像素的相 交部分总长度，对于位于所有位置的射线616而言均相同。图28为依照本发明实施例绘示一种次区域的结构示意图，其中次区域的侧边并 非平行，而次区域例如是呈三角开口状。具体而言，顶层次像素700的单一区域包含次区域 704和706，且其配置使得沿着射线702与次区域的相交部分长度对于位于所有位置的射线 而言大致均相同。此外，在次区域704和706的侧边均非平行的情况下，次区域704和706 可连接在一起而形成具平行侧边的形状。此种配置有利于促成电极穿越区域范围的布线， 并保持显示器中的角强度均勻性及角对比均勻性。图29为依照本发明实施例绘示一种单一区域的结构示意图，其中区域的侧边相 互平行但不呈直线状。顶层次像素708可包含区域712，而区域712具有不呈直线状的开口 边缘714、716，且开口边缘714、716相对彼此作配向，使得射线710与其相交部分的长度对 于位于所有位置的射线710而言均为一定。此种非呈直线状的特征可出现于像素布局的具 体结构中，借以例如促成电性结构的布局。此外，此种配置亦可改善后视差屏障显示器的绕 射情形当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
一种自动立体影像显示装置，其特征在于，包含一空间光调变器，包含一像素阵列，该像素阵列包含不同颜色且能单独定址的多个像素，该像素阵列通过一多像素复制单元在一行方向和一列方向上重复而排列形成，这些像素中的每一个具有多个区域；以及一视差单元，包含一光学单元阵列，该光学单元阵列包含多个光学单元，这些光学单元设置于该空间光调变器上以将自这些像素传来的光线导入至多个不同视窗，这些光学单元的多条彼此平行的几何轴线相对于该行方向以倾斜一角度的一方向与该空间光调变器相交；其中这些区域的形状使得对于单独区域而言，与这些几何轴线平行的一想象线具有与单独区域相交的一相交部分总长度，该相交部分总长度为由沿着该想象线上与同颜色的像素所相交的长度部分加总而成，并对位于所有位置的该想象线而言均相同，且不同区域的该相交部分总长度对应地与单独区域的面积成比例。
2.根据权利要求1所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，这些区域中的至少一 区域具有两平行侧边，这些平行侧边相对于这些几何轴线以一非零度角作延伸。
3.根据权利要求2所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该至少一区域具有多 个端面，这些端面在这些平行侧边之间相对于这些几何轴线以一非零度角作延伸。
4.根据权利要求1所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，这些区域的一部分被 定义为第一区域组，这些区域的另一部份被定义为第二区域组，该第一区域组中的区域的 两相互平行的侧边与这些几何轴线形成一第一角度，该第二区域组中的区域的两相互平行 的侧边与这些几何轴线形成一第二角度。
5.根据权利要求4所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该第一区域组中至少 一区域的面积与该第二区域组中至少一区域的面积相同。
6.根据权利要求4所述的自动立体影像显示装置，其特征在于(a)该第一区域组包括多个具有不同面积的区域，该第一区域组中的任两个区域的这 些两平行侧边之间的间距比与该任两个区域的面积比成一比例；以及(b)该第二区域组包含多个具有不同面积的区域，该第二区域组中的任两个区域的这 些两平行侧边之间的间距比与该任两个区域的面积比成一比例。
7.根据权利要求4所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，(a)该第一区域组包含多个面积相同的主区域以及多个面积相同的次区域，这些次区 域的面积小于这些主区域的面积；以及(b)该第二区域组包含多个与该第一区域组中这些主区域面积相同的主区域以及多个 与该第一区域组中这些次区域面积相同的次区域。
8.根据权利要求7所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，这些主区域与这些次 区域的面积比例约为1 1至7 3。
9.根据权利要求4所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该第二角度与该第一 角度相异。
10.根据权利要求4所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该第一角度与该第二 角度的大小相等而正负号相反。
11.根据权利要求4所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该第一区域组中的区域彼此相邻排列，该第二区域组中的区域彼此相邻排列。
12.根据权利要求11所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，对于这些像素中以 该行方向排列的任两相邻的一第一像素以及一第二像素而言，该第一像素中的该第一区域 组中的第一个区域的中心点与该第一像素中的该第二区域组中的第一个区域的中心点的 相对偏移量大致上为一定值。
13.根据权利要求12所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该第一像素中的该 第一区域组中的第一个区域的中心点与该第一像素中的该第二区域组中的第一个区域的 中心点沿着与这些几何轴线平行的该想象线对齐排列。
14.根据权利要求1所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，这些区域中的每一个 包含一对区域，这些对区域的形状使得该想象线与同颜色像素的该对区域相交部分的总长 度为一定值。
15.根据权利要求1所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该空间光调变器为一 种液晶空间光调变器，这些区域为液晶材料的区域。
16.根据权利要求15所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，这些区域具有不同 配向方向。
17.根据权利要求15至16中任一项所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该液 晶材料为垂直配向的液晶材料或平面切换式液晶材料。
18.根据权利要求1所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，这些光学单元为圆柱 状透镜。
19.根据权利要求1所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，这些光学单元的这些 几何轴线相对于该行方向倾斜一角度，该角度等于arCtan(pr/(pCXn))，其中pr为沿该列 方向的相邻两像素的间距，pc为沿该行方向的相邻两像素的间距，η为一非零整数。
20.根据权利要求19所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该行方向垂直于该 列方向。
21.根据权利要求20所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该多像素复制单元 的该行方向为该显示装置的一垂直方向，这些光学单元的这些几何轴线相对于该显示装置 的该垂直方向倾斜。
22.根据权利要求20所述的自动立体影像显示装置，其特征在于，该多像素复制单元 的该行方向相对于该显示装置的一垂直方向倾斜，这些光学单元的这些几何轴线于该显示 装置的该垂直方向上延伸。
全文摘要
本发明公开一种自动立体影像显示装置，其包含空间光调变器及视差单元。空间光调变器包含不同颜色的多个像素，每个像素包含不同配向方向的数个区域。视差单元包含光学单元阵列，光学单元阵列包含数个光学单元，其中光学单元包含几何轴线在倾斜方向上平行延伸横跨空间光调变器。与几何轴线平行的想象线具有相交部分总长度，由沿着想象线上与相邻同颜色像素相交的部分加总而成，并对位于所有位置的想象线而言均具有相同的上述相交部分总长度，不同区域的相交部分总长度对应地与单独区域的面积成比例。
文档编号H04N13/04GK101840072SQ20101019315
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月31日 优先权日2009年6月3日
发明者强纳森·哈洛德, 葛瑞汉·约翰·伍德凯吉 申请人:友达光电股份有限公司