用于减轻自动立体显示中的莫尔效应的棱镜阵列的制作方法

用于减轻自动立体显示中的莫尔效应的棱镜阵列的制作方法
【专利摘要】自动立体显示设备包括像素化图像源和光学元件。该像素化图像源沿像素平面定位且包括一组像素和基本上填充像素化图像源其余部分的暗区。像素排列在具有像素占空因数的像素阵列内，像素占空因数被定义为沿像素平面的像素尺寸比像素间距且值为1/N。光学元件位于像素平面和观察平面之间且配置为在观察平面上形成像素投影的投影阵列。投影阵列具有定义为沿观察平面的像素投影尺寸比像素投影间距的投影占空因数。该投影占空因数基本上等于1，使得两个相邻的像素投影在观察平面上彼此交界。
【专利说明】用于减轻自动立体显示中的莫尔效应的棱镜阵列
[0001]本申请根据35U.S.C § 119要求于2011年11月23日提交的美国临时申请N0.61/563222的优先权，其内容被依赖并通过引用而整体结合于此。
【技术领域】
[0002]本公开涉及自动立体显示设备以及，更具体地，涉及用于减少在自动立体显示设备中发生的视觉缺陷的装置和方法。
[0003]背景
[0004]自动立体显示设备创建三维(3-D)印象而不必由观众使用特殊的头套或眼镜。尽管存在各种方法用于实现自动立体显示设备，这些方法通常使观众经历一些视觉缺陷并可能很难让观众看到清晰的、长时间的、全视角的等等质量满意的3-D图像。因此，有必要改进现有的用于自动立体显示设备的技术所存在的不足之处。
[0005]概述
[0006]在一个示例方面，自动立体显示设备包括像素化图像源和光学元件。该像素化图像源沿像素平面定位，并包括一组像素和基本填充该像素化图像源的其余部分的暗区。像素被排列在具有定义为沿像素平面的像素尺寸比像素间距且值为1/N的像素占空因数的像素阵列内。光学元件位于像素平面和观察平面之间，且配置为在观察平面上形成像素投影的投影阵列。该投影阵列具有投影占空因数，其定义为沿观察平面的像素投影尺寸比像素投影间距。投影占 空因数基本上等于1，使得两个相邻的像素投影在观察平面上彼此交界。
[0007]在该方面的示例中，光学元件包括第一光学层和第二光学层。第一光学层包括柱形透镜的集成列。
[0008]在该方面的又一示例中，像素占空因数基本等于1/2。在没有第二光学层的情况下，第一光学层被配置为形成像素投影的第一投影阵列，且第一投影阵列的投影占空因数基本上等于1/2。
[0009]在该方面的又一示例中，第二光学层包括相同棱镜的集成列。
[0010]在该方面的又一示例中，棱镜的每一个包括两个对称的半截。
[0011]在该方面的又一示例中，第一光学层和第二光学层被配置为结合形成第二投影阵列，在第二投影阵列中每个像素投影包括具有中心的第一投影分量和具有中心的第二投影分量。第一和第二投影分量的每一个在长度上等于第一投影阵列中的像素投影尺寸，且其中心彼此偏移等于在第一投影阵列中的像素投影尺寸的距离。
[0012]在该方面的又一示例中，对称的半截的每一个形成棱镜角Θ，其由方程Θ =W/((n-l)*D)确定。W为在第一投影阵列中的像素投影尺寸，η为第二光学层的折射率，以及D为观看距离。
[0013]在该方面的又一示例中，像素尺寸基本上等于柱形透镜之一沿透镜平面的长度除以自然数。
[0014]在该方面的又一示例中，自动立体显示设备进一步包括位于像素化图像源和观察平面之间的第三光学层。第三光学层与第二光学层接触并具有与第二光学层相似的折射率。
[0015]在该方面的又一不例中,第一光学层和第二光学层被集成为单件。
[0016]在该方面的又一示例中，第二光学层比第一光学层更靠近观察平面。
[0017]在该方面的又一示例中，第一光学层比第二光学层更靠近观察平面。
[0018]在该方面的又一示例中，第一光学层成型于第二光学层上。
[0019]在该方面的又一示例中，暗区被配置成反射性。
[0020]在该方面的又一示例中,光学元件包括光学单元的集成列。每个光学单元具有对称的半截。该对称的半截的每一个被形成为柱形透镜的部分区段，使得柱形透镜的光轴隔开预定间距dy。
[0021]在该方面的又一示例中，预定间距dy由方程dy = F*W/D确定。F是非分段状态的柱形透镜的焦距，W是由非分段状态的柱形透镜在观察平面上形成的像素投影的尺寸，以及D为观看距离。
[0022]在另一个示例方面，操作自动立体显示设备的方法包括像素化图像源，其沿像素平面定位且包括一组像素和基本上填充该像素化图像源的其余部分的暗区。像素被排列在具有定义为沿像素平面的像素尺寸比像素间距且值为1/N的像素占空因数的阵列内。该方法包括以下步骤:提供包括柱形透镜列的第一光学层，该第一光学层被配置为自身在观察平面上形成像素投影的投影阵列，该投影阵列具有投影占空因数，其被定义为沿观察平面的像素投影尺寸比像素投影间距且值为1/N ;以及提供在像素平面和观察平面之间的第二光学层，该第二光学层被配置成与第一光学层相结合地调整投影占空因数以便基本上等于
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[0023]在该方面的一个示例中，第二光学层被配置为折射光。
[0024]附图的简要描述
[0025]当参照附图阅读如下详细描述时，这些和其它方面可被更好地理解，其中:
[0026]图1A是常规的柱形透镜和由该常规柱形透镜形成的像素投影的示意俯视图；
[0027]图1B是光学元件的示意俯视图，包括第一光学层和第二光学层，以及由光学元件形成的像素投影；
[0028]图2A是一组不意俯视图，展不从第一光学层和第二光学层的光学单兀的第一不例实施例产生的光线和来自传统柱形透镜的光线作比较；
[0029]图2B是在光学元件的第一示例实施例中的第二光学层的光学单元的示意俯视图；
[0030]图3是光学元件的第二示例实施例的示意俯视图；
[0031]图4是光学元件的第三示例实施例的光学单元的示意俯视图；
[0032]图5A是像素化图像源的第一实施例的示意图；以及
[0033]图5B是像素化图像源的第二实施例的示意图。
[0034]详细描述
[0035]下文中参照示出示例实施例的附图，更详细地描述示例。只要有可能，相同附图标记在整个附图中用来指代相同或相似的部分。不过，各个方面可以具体化为许多不同的形式，不应被解释为限于这里所阐述的实施例。[0036]现参见图1A,常规的自动立体显示设备10内的某些部件的俯视图被示意性地示出。常规自动立体显示设备10可包括诸如玻璃盖(未示出)之类的屏幕、沿像素平面12a定位的像素化图像源12、沿光学平面14a用箭头指示的柱形透镜列14、沿观察平面16a(观察者的眼睛位于此处且其距离光学平面14a预定的观看距离D)形成的一组像素投影16。当自动立体显示设备10被配置成使得观察者有可能在观看距离D处经历最佳的3-D印象，此3-D印象也可在其他观看距离处经历到。
[0037]图5A和5B示出如图1A的像素化图像源12的两个示例实施例的示意前视图。像素化图像源12可具有背景，该背景可为矩形且可以是液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)等的一部分。像素化图像源12可包括具有红R、绿G和蓝B颜色的像素18的阵列，该背景的剩余部分形成暗区20(诸如由于黑色的外表面)。虽然在背景内可能有其它没有被像素18或暗区20填充的区域，但是像素18的阵列以外的背景部分基本上由暗区20填充。暗区20可包括反射外表面。由像素所占的面积和暗区所占的面积之比可随实施例而有所不同，且可为例如1:1(图5A)或1:2(图5B)。在此实施例中，像素18为矩形，但是其在像素化图像源12的其它实施例中可以有所不同。
[0038]像素18被排列在列和行近似于矩阵的行列像素阵列22中。像素18的排列可以以像素占空因数来表示，其被定义为沿像素平面的像素尺寸比像素间距。当从上方观察，如图1A和图1B中所示，像素尺寸为像素18沿像素平面12a延伸的长度，而像素间距为沿像素平面12a在两个相邻像素18的中心之间的距离。因此，图5A中的像素占空因数为1/2因为像素尺寸为Wo且像素间距为2Wo，而图5B中的占空因数为1/3因为像素尺寸为Wo且像素间距为3Wo。相应地，表示像素占空因数的一种方式为1/N，其中N可为正数或自然数。
[0039]在图1A中，柱形透镜14位于距像素化图像源12 —段距离，以及像素投影16形成于观察平面16a上，观察平面位于距离柱形透镜14预定的距离D。源自相邻像素18的光线24穿过给定的柱形透镜14且在观察平面16a上形成相邻像素投影16。与像素化图像源12的像素18相似，像素投影16在观察平面16a上的排列也可以以投影占空因数表示，其被定义为像素投影尺寸比像素投影间距。在如图1A中的像素化图像源12的情况下，由常规柱形透镜14创建的像素投影16形成具有1/2的投影占空因数的像素投影16的第一投影阵列26，使得沿观察平面16a各自具有长度W的两个相邻像素投影16的中心隔开2W。
[0040]在图1A的第一投影阵列26中，依赖于观众的位置和像素投影的尺寸W，有可能观众的眼睛位于在像素投影16之间形成的间隙28中，在间隙处观众将经历屏幕的变暗。本发明描述可减小观众所经历的变暗效应的若干方法。
[0041]图1B示出用于避免上述变暗效应的自动立体显示设备100的示例实施例。其配置类似于图1A，具有像素化图像源112、像素平面112a上的像素118和观察平面116a上的像素投影116，不同之处在于使用了光学元件110来取代常规柱形透镜14。光学元件110可沿着位于像素平面112a和观察平面116a之间的光学平面114a延伸且可包括第一光学层IlOa和第二光学层IlOb,这将于下文中详细描述。第一光学层IlOa主要负责创建3-D印象且可为柱形透镜114的集成列，但是其它配置(如，平行屏障、体积(volumetric)、电子全息、光场显不)也可被考虑。穿过第一光学层IlOa和第二光学层IlOb的光线124弯曲，使得像素投影116的第二投影阵列126形成于观察平面116a上。取代可能仅由柱形透镜14形成的原像素投影16，每个像素投影116包括两个沿观察平面116a长度为W的投影分量117(即，第一投影分量117a和第二投影分量117b)。此外，第一投影分量117a和第二投影分量117b沿观察平面116a在相反方向上从原像素投影16的中心偏移距离W/2。由于这也发生于源自相邻像素118且穿过第一光学层I IOa和第二光学层IlOb的相同组合的光线124，存在于如图1A的配置中的像素投影16之间的间隙28基本上被沿着观察平面116a彼此外围交界的投影分量117和相邻像素投影116所填充。
[0042]在图1B的第二投影阵列126中，投影占空因数为I或基本上等于1，因为像素投影尺寸为2W(即，沿观察平面116a的第一投影分量117a和第二投影分量117b的长度之和)且像素投影间距也为2W(因为每个像素投影116的中心位于第一投影分量117a和第二投影分量117b的边界处)。
[0043]必须要注意的是，尽管从图1B中具有像素占空因数1/2的像素阵列22获得投影占空因数1，但是对于具有像素占空因数1/N(如，图5B中的1/3)的像素阵列22，例如通过光学元件110或第二光学层IlOb的合理配置，也可能获得投影占空因数I。
[0044]图1B的第二光学层IIOb可为棱镜111的集成列。图2A不出用于第二光学层IlOb的光学单元113的示例实施例对来自像素的光线的效果。此光学单元113 (其俯视图如图2B所示)可以是具有图示的五边形横截面的柱形结构，使得棱镜111包括两个对称的半截111a。横截面被形成为使得棱镜角(图2B)等于Θ =W/((n-l)*D)，其中W是第一投影阵列26中的像素投影尺寸，η是第二光学层的折射率，以及D为从光学平面114a到观察平面116a所测得的观看距离。应当注意，D可从第一光学层110a、第二光学层IlOb附近的任意平面处测量，因为在光学平面114a和紧靠光学平面114a的平面之间的距离相比D的值通常是可以忽略不计的。
[0045]在光学元件包括至少两个不同的光学层的情况下，光学层的各种布置是可能的，如图3所示。尽管在图1B的实施例中第二光学层IlOb更靠近观察平面116a时，但是有可能实现其中第一光学层210a(如，柱形透镜214)比第二光学层210b (如，棱镜211)更靠近观察平面116a的光学元件210。此外，尽管第二光学层210b可以简单地被环境空气所包围，也可能安排第二光学层210b或棱镜211与第三光学层201c接触，如图3所示。第三光学层210c可由环氧树脂和/或折射率与棱镜211相近的材料制成。使用具有这样的折射率的材料也有助于控制诸如环境光的反射或由于棱镜211的表面粗糙所引起的光散射之类的现象。在图3的光学元件中，三个光学层210a、210b、210c安排在彼此的顶部，且这样的配置可通过例如重叠注塑的方式实现。当然，在使用附加的光学层的情况下可能有必要重新配置棱镜角Θ，以便在观察平面116a上获得所需的投影分量117的排列。
[0046]在柱形透镜114作为第一光学层IlOa且棱镜111作为第二光学层IlOb的实施例中，柱形透镜114可调整尺寸使得沿光学平面114a的柱形透镜114的长度和棱镜111的长度的比值约为自然数。在图3中，例如，比值约为4。如果此比值等于自然数，有可能在第一投影分量117a和第二投影分量117b之间得到整体上均匀的功率分布。如果该比值不等于自然数，功率的最大偏离等于I比整个光学单元113的数量的两倍。例如，如果每个柱形透镜有10.5个棱镜，其最大功率偏离为I比20，因为有I个未配对棱镜面和20个配对的10个棱镜的面。此外，这可以表明棱镜111不需要被精确地相对于双凸透镜对准，因为小的倾斜不会显著改变分离的角度，且相位差不会改变最大功率偏离。术语“双凸透镜”意指一排具有凸形横截面的柱形透镜。[0047]光学元件310的另一个示例实施例可通过与其它相邻的光学单元313隔离开的图4所示的光学单元313的集成列来形成。图4的光学单元313包括两个对称的半截313a，其每一个是整个柱形透镜的部分区段，其形状如同柱形透镜被跨平行于透镜光轴307且沿柱形延伸的平面切开。这些半截313a的光轴307被间距dy间隔开，dy通过方程dy = F*W/D确定，其中F是整个柱形透镜的焦距，W是由整个柱形透镜在观察平面上形成的像素投影的长度(即，在第一投影阵列26中的像素投影16的尺寸)，以及D为从光学平面114a到观察平面116a的观看距离。
[0048]图4的光学元件将图2A中光学单元113的柱形透镜114和棱镜111的功能整合到具有由一种材料制成的单个光学层的光学单元313。
[0049]对于本领域的技术人员显而易见的是各种修改和变化可以在不脱离本要求保护的发明的精神和范围的情况下实现。
【权利要求】
1.一种自动立体显示设备，包括: 像素化图像源，沿像素平面定位且包括一组像素和基本上填充所述像素化图像源的其余部分的暗区，所述像素排列在具有像素占空因数的像素阵列内，所述像素占空因数被定义为沿所述像素平面的像素尺寸比像素间距且值为1/N ;以及 光学元件，位于所述像素平面和观察平面之间，所述光学元件被配置成在所述观察平面上形成像素投影的投影阵列，所述投影阵列具有被定义为沿所述观察平面的像素投影尺寸比像素投影间距的投影占空因数， 其中所述投影占空因数基本上等于1，使得两个相邻的像素投影在所述观察平面上彼此交界。
2.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述光学元件包括第一光学层和第二光学层，所述第一光学层包括柱形透镜的集成列。
3.如权利要求2所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述像素占空因数基本上等于1/2，在没有第二光学层的情况下，所述第一光学层被配置为形成所述像素投影的第一投影阵列，且所述第一投影阵列的投影占空因数基本上等于1/2。
4.如权利要求 3所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述第二光学层包括相同棱镜的集成列。
5.如权利要求4所述的自动立体显示设备，其特征在于，每一个棱镜包括两个对称的半截。
6.如权利要求5所述的自动立体显不设备,其特征在于,所述第一光学层和第二光学层被配置为结合形成其中所述像素投影的每一个包括具有中心的第一投影分量和具有中心的第二投影分量的第二投影阵列，其中所述第一和第二投影分量的每一个在长度上等于所述第一投影阵列中的像素投影尺寸，且其中心彼此偏移等于在第一投影阵列中的像素投影尺寸的距离。
7.如权利要求6所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述对称的半截的每一个形成棱镜角Θ，所述棱镜角由方程Θ = W/((n-l)*D)确定，其中W为在所述第一投影阵列中的像素投影尺寸，η为所述第二光学层的折射率，以及D为观看距离。
8.如权利要求2所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述像素尺寸基本上等于沿透镜平面的柱形透镜之一的长度除以自然数。
9.如权利要求2所述的自动立体显示设备，进一步包括位于所述像素化图像源和所述观察平面之间的第三光学层，所述第三光学层与所述第二光学层接触并具有与所述第二光学层相似的折射率。
10.如权利要求2所述的自动立体显不设备,其特征在于,所述第一光学层和第二光学层被集成为单件。
11.如权利要求2所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述第二光学层比所述第一光学层更靠近所述观察平面。
12.如权利要求2所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述第一光学层比所述第二光学层更靠近所述观察平面。
13.如权利要求2所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述第一光学层成型于所述第二光学层上。
14.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述暗区被配置成反射性。
15.如权利要求1所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述光学元件包括光学单元的集成列，每个光学单元具有对称的半截。所述对称的半截的每一个形成为柱形透镜的部分区段，使得柱形透镜的光轴隔开预定间距dy。
16.如权利要求15所述的自动立体显示设备，其特征在于，所述预定间距dy由方程dy=F*W/D确定，其中F是非分段状态的柱形透镜的焦距，W是由非分段状态的柱形透镜在所述观察平面上形成的像素投影的尺寸，以及D为观看距离。
17.一种操作自动立体显示设备的方法，所述自动立体显示设备包括像素化图像源，所述像素化图像源沿像素平面定位且包括一组像素和基本上填充所述像素化图像源的其余部分的暗区，所述像素排列在具有被定义为沿所述像素平面的像素尺寸比像素间距且值为1/N的像素占空因数的阵列内，所述方法包括以下步骤: 提供包括柱形透镜列的第一光学层，所述第一光学层被配置为自身在观察平面上形成像素投影的投影阵列，所述投影阵列具有被定义为沿所述观察平面的像素投影尺寸比像素投影间距且值为1/N的投影占空因数；以及 提供在所述像素平面和观察平面之间的第二光学层，所述第二光学层被配置成与所述第一光学层相结合地调整所述投影占空因数以便基本上等于I。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二光学层被配置为折射光。
【文档编号】G02B5/04GK103946735SQ201280057428
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2011年11月23日
【发明者】J·高里尔, V·D·库克森考弗 申请人:康宁股份有限公司