自由立体显示系统的制作方法
【专利摘要】一种三维显示装置，包括：背光，从可切换的孔缝发出光，该光经过偏振；至少一个带有多个像素的光调制面板，能够被设为改变所述光的偏振；偏振器，使有限偏振范围内的光透过；其中每个光调制面板能够改变所述偏振，使得经所述偏振器通过的光既能够增加也能够减小，而无关于经过该面板之前的光的偏振；并且其中所述孔缝的切换与所述至少一个光调制面板上的所述像素的切换同步。
【专利说明】自由立体显示系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维显示系统，还被称为一种自由立体显示装置或一种光场显示
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【背景技术】
[0002]使观察者用每只眼睛看见一个场景的不同透视图是一种用于创建3D图像的十分完善的方法。一种行之有效的手段是在屏幕上显示两个经过不同偏振的图像，并且对于观察者要在每只眼睛上佩戴对应的偏振滤镜。
[0003]可使用孔缝(aperture)或狭缝(slit)阵列与二维(2D)显示器结合显示3D图像来实施自由立体显示器或三维(3D)显示器。该设备的原理在于，当通过狭缝阵列(该狭缝阵列与屏幕间隔开一距离)看2D图像时，则观察者每只眼睛看到该2D图像的不同部分。如果在2D显示器上渲染并显示适当的图像，则能够向观察者的每只眼睛显示不同的透视图像而无需他们在每只眼睛上佩戴滤镜。
[0004]自由立体显示在图像获取和呈现方面提供了额外的挑战和机遇。本发明致力于其中的一部分。
【具体实施方式】
[0005]如上所述，可使用扫描孔缝阵列2连同2D显示器4 一起来实现自由立体显示器，例如如图1所示。在基本实施中，孔缝阵列2的孔缝6可为狭缝，但它们可以是任意形状。孔缝阵列2可位于2D显示器4和观察者(数字8表示观察线、观察面或观察空间)之间。孔缝阵列2还可如图1中所示位于2D显示器4后方。这种情况下，要么在孔缝阵列2后面有一均匀光源10，要么孔缝6自身可为光源10，以穿过孔缝表面的所有方向发出光。在后一种情形中，只有在某一时间点处打开的孔缝或多个孔缝6会发出光。孔缝阵列2可被实施为使用LED或OLED或其他一些光源的扫描背光。在这一系统的一种实施中，所述扫描背光孔缝阵列2可为在所有角度发出均匀光的白光源。所发出的光还可在孔缝的表面上是均匀的。在另一种实施中，所述背光孔缝阵列2可具有方向特性，使得其仅为一个或数个观察角度范围提供光。这还可与头部跟踪结合，从而使光的方向朝着定位到观察者的观察方向。孔缝光源可具有打开状态和关闭状态或者可具有除简单的打开和关闭之外的其他值。
[0006]2D显示器4可为液晶显示器(IXD)或其他透射显示器。这种自由立体显示器配置的一个问题在于其需要2D显示器非常高的切换速度，以便提供良好的深度特性和大角度的连续视差。并且，在传统的2D IXD显示器中，为了提供红、绿和蓝色的子像素(这是典型配置，但也可使用其他的基 色)，会有颜色滤镜。在图1所述的自由立体显示器配置中，这会造成高观察角度处看到的像素对齐问题，其中所述子像素及其关联的颜色滤镜并未与视线对齐。进一步，红、绿和蓝色子像素对于不同的观察方向会具有不同的相对强度，这会使色彩再现劣化，如果孔缝6是使用单独的红、绿和蓝基色光源的扫描背光则尤其如此。在这种情况下，可实施不带颜色滤镜的2D显示器并且时序性地显示每种基色。然而，这需要2D显示器更高的切换速度。衍射和散射效应也会影响性能。
[0007]图2显示一替代配置，其中所述2D显示器包括一个以上的2D显示器。在该示例中具有三个2D显示器4a、4b、4c，每个用于一种特定基色。例如，显示器I (4a)可为这样的LCD，其每个像素的取值范围能够位于对所有颜色完全透明和仅完全阻隔红色光(且保持在所有状态中对所有其他颜色完全透明)之间，而显示器2 (4b)具有同样的特性只是其能够仅阻隔蓝色光，且显示器3 (4c)仅阻隔绿色光。所述扫描孔缝光源6也可由结合有三个光频带的白色光源组成，所述三个光频带(在该示例中为红、绿和蓝)能够由每个显示器I至3来阻隔。所述扫描孔缝光源还可具有对应每个所述频带实体隔开的多个光源。所述光源(多个)和显示器可匹配为使得该光源不发出组合的显示器4a、4b、4c无法阻隔的任何可见光频率。
[0008]另一示例可以是具有六个显示器，其中红、绿和蓝色频带每个都分成两个。这样会有一个显示器仅阻隔高频蓝色而一个显示器仅阻隔低频蓝色。类似地，红色和绿色会具有用于低频带和高频带的不同显示器。
[0009]另一示例可以是具有两个显示器，其中每个显示器能够阻隔不同偏振的光。
[0010]另一示例在图3中说明。仍存在孔缝光源310。其可被设计为送出例如O度的偏振光，或者可在孔缝光源和包括一个或多个显示器320的显示器4之间存在其能够改变光特性的偏振器。在该示例中，使用的是液晶面板，但可使用具有适当特性的任意光调制设备。在图3的示例中，有两个液晶面板LCl (320a)和LC2 (320b)，例如为扭转向列盒(twistednematic cell)。应当说明的是，同样可使用具有使用不同于扭转向列盒的其他技术的期望偏振操控特性的液晶盒。注意到以下的示例使用了术语扭转和扭转角度，这里另一种表达方式可以是使用术语偏振旋转和X度的偏振旋转。偏振器330被设置用以使经最后的液晶面板320b通过的光偏振。偏振器330起到类似滤镜的作用，根据经最后的液晶面板通过的光的偏振来限制到达观察者的光。
[0011]第一面板LCl (320a)在关断状态下具有O扭转以及在全开状态(电压Von)下具有90度负扭转(逆时针)。第二面板LC2 (320b)在关断状态下具有O扭转以及在全开状态(电压Von)下具有180度正扭转(顺时针)。两个面板都能够在施加Voff与Von之间的电压V时提供中间的扭转值。注意到在该示例中使用了 O的关断电压，但其也可以是另一电压Voff。全开状态下的扭转可使用上述示例以外的不同值。它们可以被设置为使得:
[0012]a)第一面板LCl能够提供这样的输出，其根据所施加的电压能够提供与偏振器330 (其在LCl之前提供固定偏振)的偏振平行或垂直的偏振；
[0013]b)第二面板LC2能够提供这样的输出，其根据所施加的电压能够不考虑进入面板LC2之前的光的偏振而提供与偏振器330的偏振平行或垂直的偏振。光在LC2之前可能的偏振状态取决于LCl的特性。
[0014]c)该方法不限于两个面板。可使用任意数目的面板。从而每个面板能够不考虑进入该面板之前的光的偏振而提供与偏振器330的偏振平行或垂直的偏振。例如，在以上示例中第三面板如果放置在LC2之后则可提供O到180度之间的负扭转。每个面板可由两个或更多的子面板组成，这些子面板一起工作以提供必要的特性。
[0015]现在将参照示例光线LI来说明所述操作。该光线LI以O度偏振离开孔缝光源310的孔缝A3。[0016]情况1:LC1上的像素P3被设为0，所以光在LC2之前仍为O度。^:2上的像素卩’3现在可被设为提供O度扭转，在该情况下所有的光将被偏振器330阻隔并且输出将为黑色。如果代之以将P’3设为低于Von的值以提供正90度扭转，则所有光都将经偏振器330通过且输出将为全部强度。P’ 3还可被设为Von且提供180度扭转，这又可意味着所有光都被偏振器330阻隔。
[0017]情况2 =LCl上的像素P3被设为Von，且所述光线在LC2之前将具有_90度扭转，如果P’ 3被设为O则光在LC2上的P’ 3之后仍将具有-90度扭转，且所有光都将经偏振器330通过，以及输出将为全部强度。如果代之以将P’3设为低于Von的值以提供正90度扭转，则输出光将处于O度，在该情况下所有光都将被偏振器330阻隔。
[0018]情况3:LC上的像素P3被设为Vn，从而使得所述光线在LC2之前将具有-N度扭转(0〈N〈90)。LC2上的像素P’3现在可被设为Vn’以提供+N度扭转，从而使得来自LC2的输出为O度扭转，且光将被偏振器330阻隔。像素P’ 3还可被设为Vm’以提供+M度扭转(0〈M〈180)。如果M=N+90，则光在LC2上的P’ 3之后将具有90度扭转，且所有光都将经偏振器330通过，以及输出将为全部强度。
[0019]从以上三种情况示出，与P3的状态无关，P’3能够改变偏振以提供所有输出状态。换言之，有许多种P3和P’3的状态组合能够提供相同的输出状态。这里应当提到，LCl还可被设计为能够提供更高的负扭转，例如180度，在这种情况下甚至还可有更多种状态组合。
[0020]图4和图5解释了这样如何能够改善自由立体显示系统。首先考虑如图4中所示的单面板系统。这里观察线被限制为使得观察者通过显示器4上的每个像素400仅看到一个亮着的孔缝6 (在该讨论中忽略观察线边缘处的边界效应)。该示例使用了观察线8，但其还可以是面或空间。
[0021]如果观察线8如图5所示增长，则不再是这样的情况。这里，对于显示器4上的每个像素400，始终有这样一个位置:在该处通过像素400看到一个亮着的孔缝6 ;且有另一个位置:在该处通过同一像素看到第二个亮着的孔缝。对于包括单面板的显示器4而言这是一个问题，因为一个像素仅能取一个值，且该值对于每个亮着的孔缝应当是独立的。这就是为什么包括一个显示面板的显示器将观察线限制为图4中那样的原因。然而，如果使用两个面板带有图3中说明的特性，则能够在亮着的孔缝之间距离固定的情况下加宽观察线(还可以选择保持相同的观察线而使亮着的孔缝之间的距离更小)。
[0022]图6说明了这样是如何工作的。该图显示了由观察者在观察线8看到的且取决于LC2上像素P’N状态的所有光矢量。这些矢量可通过考虑系统的几何形状来确定。例如:
[0023]1.首先绘示经亮着的孔缝、像素P’ N和观察线通过的矢量。如此得到矢量V2和V4。然后这些矢量经LCl上的两个像素(PN+1和PN-1)通过。
[0024]2.然后绘示经过亮着的孔缝、所述两个像素其中之一和观察线的矢量。匹配这一标准的唯一矢量为经LC2上的像素P’ N-2通过的VI。
[0025]3.然后绘示经过亮着的孔缝、像素P’ N-2和观察线的矢量。除Vl之外，仅有V3匹配这一标准且其经过LCl上的像素PN-3。
[0026]4.然后绘示经过亮着的孔缝、像素PN-3和观察线的矢量。没有额外的矢量匹配这一标准(V3是在前一步骤中得到)。
[0027]基于显 示的场景，每个矢量应当具有将被称为V1、V2、V3和V4的值。现在可建立等式以限定每个像素应取的状态:
[0028](PN-1) + (P，N-2) =Vl
[0029](PN+1) + (P，N)=V2
[0030](PN_3) + (P，N_2)=V3
[0031](PN-1) + (P，N)=V4
[0032]由于未知量比等式多，所以将能够为每个像素设置多个状态以提供正确的输出值。下面的表格显示对于矢量的输出值示例，并显示如何通过表达为扭转的像素值来实现:
[0033]
【权利要求】
1.一种三维显示装置，包括: 背光，从可切换的孔缝发出光，该光经过偏振； 至少一个带有多个像素的光调制面板，能够被设为改变所述光的偏振； 偏振器，使有限偏振范围内的光透过； 其中每个光调制面板能够改变所述偏振，使得经所述偏振器通过的光既能够增加也能够减小，而无关于经过该面板之前的光的偏振；并且其中所述孔缝的切换与所述至少一个光调制面板上的所述像素的切换同步。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光调制面板为液晶显示器。
3.根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述带有孔缝的背光为LED或OLED显示器。
4.根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述光调制面板上像素的状态根据一角度而改变，通过该角度观察者将经该像素看到亮着的孔缝。
5.一种自由立体显示装置或光场显示装置，包括: 背光，包括多个孔缝，其中每个孔缝能够在发出不同特性的光之间切换； 至少一个包括多个像素的光调制面板，能够改变进入该面板的光的特性，使得所得到的用于观察者的光强度能够基于该光调制面板的状态而与没有光调制面板时感知到的强度相比既能增大和也能减小； 对所述背光孔缝和所述至少一个光调制面板的切换是同步的。
【文档编号】H04N13/04GK103918256SQ201280035504
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年5月17日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】拉斯·汤玛斯·克里斯蒂安·埃里克森, 克里斯蒂安·尼古拉·莫勒 申请人:塞特雷德股份公司