专利名称：多视图显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在显示设备的视场内提供多个视图的多视图显示设备，其中所述显示设备属于包括显示面板和成像设置的类型，所述显示面板具有用于产生显示器的像素并且所述成像设置用于将多个视图引导到显示设备的视场内的不同空间位置。
背景技术：
多视图显示设备的第一个例子包括具有视差屏障的形式的成像设置，所述视差屏障具有其尺寸和位置关于由显示面板的各列和各行像素构成的下方阵列确定的狭缝。在二视图设计中，如果观看者的头部处于固定位置则他/她能够感知到3D图像。视差屏障被放置在显示面板前方，并且被设计成使得来自奇数和偶数像素列的光分别被导向观看者的左眼和右眼。这种类型的二视图显示器设计的一个缺陷在于，观看者必须处于固定位置，并且只能向左或向右移动近似3cm。在一个更加优选的实施例中，在每一条狭缝下方不是存在两个子像素列而是存在几个子像素列。这样就允许观看者向左和向右移动，并且总是在他/她的眼中感知到立体图像。视差屏障设置易于生产但是光效率不高，特别在视图的数目增加时尤其如此。因此，一种优选的替换方案是使用透镜设置作为成像设置。举例来说，可以提供彼此平行地延伸并且位于显示面板像素阵列上方的细长双凸透镜元件阵列，并且透过这些双凸透镜元件来观察显示器像素。双凸透镜元件被提供为由各个元件构成的薄板，其中的每一个元件包括细长的半圆柱透镜元件，其细长轴垂直于该透镜元件的曲率。双凸透镜元件沿着其细长轴在显示面板的列方向上延伸，其中每一个双凸透镜元件位于对应的一组两个或更多个邻近的显示器像素列上方。在例如其中每一个小双凸透镜(Ienticule)与两列显示器像素相关联的设置中，每一列中的显示器像素提供对应的二维子图像的垂直切片。双凸透镜薄板将这两个切片以及来自与其他小双凸透镜相关联的显示器像素列的相应切片导向位于薄板前方的用户的左眼和右眼，从而使得用户观察到单一立体图像。因此，所述双凸透镜元件薄板就提供了光输出引导功能。在其他设置中，每一个小双凸透镜与行方向上的一组四个或更多个邻近的显示器像素相关联。每一组中的相应的显示器像素列被适当地设置，以便提供来自对应的二维子图像的垂直切片。随着用户的头部从左向右移动，就感知到一系列相继的不同立体视图，从而产生例如环视印象。前面描述的设备提供了有效的三维显示器。但是应当认识到，为了提供立体视图，在设备的水平分辨率方面做出了必要的牺牲。这一分辨率牺牲会随着所生成的视图数目的增加而加大。因此，使用大量视图的一个重要缺陷在于，每个视图的图像分辨率被降低。必须在各个视图之间分配可用像素的总数。在利用垂直(即关于观看者指向垂直)双凸透镜的N视图3D显示器的情况中，沿着水平方向的每一个视图的所感知到的分辨率将是相对于2D像素分辨率的N分之一。在垂直方向上的分辨率将保持与2D像素分辨率相同。在自动立体模式下，通过使用倾斜的屏障或双凸透镜可以减小水平与垂直方向上的分辨率之间的这一差异。在这种情况下，分辨率损失可以均匀地分配在水平和垂直方向之间。通过增加视图的数目会因此改进3D印象，但是会降低观看者所感知到的3D图像分辨率。各个单独的视图处于每一个所谓的观·看锥体中，并且这些观看锥体通常在视场上重复。观看体验受到以下事实的束缚观看者在选择其从该处观看3D显示设备的位置方面不是完全自由的，因为在观看锥体之间的边界处没有3D效果并且会出现重影(ghostimage)ο本发明就涉及这一问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的多视图显示设备。具体来说，所述设备允许减少锥体边界。所述目的是通过如在独立权利要求中限定的本发明而实现的。从属权利要求提供了有利实施例。如在权利要求I中限定的多视图显示设备提供这样一种显示设备，其允许具有受控像素照明方向的输出，从而可以避免视图重复。因此，显示设备的输出在其视场内可以是具有多个视图的单一锥体。这样就形成了部分显示输出，这或者是因为其仅仅被导向较窄视场，或者是因为按照时间顺序提供多个部分输出以便增大分辨率。在其中所述部分显示输出是部分输出区段的情况下，可以从该处观看各个视图的锥体的位置取决于背光的所激活的光源与显示面板之间的关系。将透镜阵列设置在显示面板的前方，并且每一个像素的光基本上对一个透镜进行照明。这样就避免了视图重复，并从而避免了锥体边界。所述透镜阵列可以把显示面板的像素平面成像到基本上无限远。所述透镜阵列可以是可切换的，从而可以在2D与3D操作模式之间和/或多种3D操作模式之间切换显示，其中所述多种模式通过其视图数目进行区分。在一个例子中，在所述设备的操作期间，利用围绕一个共同方向的预定光散布来照明所有像素，从而在一次照明操作期间，在显示设备的部分视场中生成一个或更多视图。因此，在所期望的方向上提供了具有多个视图的单一锥体。所选输出区段的位置可以通过调节各个光源相对于显示面板的位置来选择。按照时间顺序的方式可以建立更大的观看范围。当所述设备还包括头部跟踪系统时这一设置特别有意义，并且基于接收自头部跟踪系统的输入来选择输出方向。各个光源可以是独立可控的，并且显示设备输出包括通过致动光源的子集而得到的显示输出，其中来自每一个所致动的光源的输出照明显示面板的一个对应区段，其中没有显示面板的受操作区段由多于一个光源照明。对于光源设置的控制随后可以确定在哪些方向上提供视图。按照时间顺序的方式同样可以建立更大的观看范围。
可以在光源与显示面板之间提供一个间隔器，其被设置成限制对应于背光的每一个光源的所述对应区段。背光还可以包括与每一个光源相关联的透镜以便提供经过准直的定向输出。该定向输出于是决定可以从该处观看显示器的输出区段。可以提供可切换的漫射器，以便将背光的输出从定向输出转换成漫射输出。这样，所述设备可以被用来在所期望的方向上提供单一锥体输出，或者漫射输出导致更加传统的多锥体设置。这对于在整个视场上有许多观看者的情况可能更加适合。背光可以包括透明平板，其中所述平板的剖面被定形为具有切出部分的矩形形状，其中所述切出部分被定位在光源之间的来自光源的光散布不到的区域中。这一设计通过去除对于背光的光学性能没有贡献的材料而减轻了背光的重量。如果像素平面与透镜阵列之间的距离(其被转换成穿过透镜材料的有效光学距离)被定义为dl*，光源与像素平面之间的距离(其被转换成穿过透镜材料的有效光学距离)·被定义为d2*，则d2*=kdl*，其中k是整数。这在使用一个光源将显示器的区段投影到多个透镜时特别有意义，并且确保将可重复的像素图案映射到每一个透镜。在一种设置中，各个光源从显示器的顶部到底部对准各个透镜的长轴延伸，并且每一个光源被分段成各个独立可驱动的节段。这样就允许将背光所提供的照明与显示器的逐行寻址更好地匹配，从而确保在像素的驱动电平稳定时对其进行照明，并且可以在串扰出现之前停止照明。在所有的例子中，显示面板可以包括液晶(LC)显示器像素阵列，并且所述光源可以包括发光二级管(LED)点或线。本发明还提供一种操作本发明的多视图显示设备的方法，其中对显示面板进行控制并且对光源设置进行控制从而提供部分显示输出，所述部分显示输出同时包括由至少三个2D视图构成的集合并且没有各个单独2D视图的重复，并且其中每一个被照明的像素的光确切地到达一个透镜。
下面将纯粹通过举例的方式参照附图来描述本发明的实施例，其中
图I是已知的自动立体显示设备的示意性透视 图2示出了双凸透镜阵列如何向不同的空间位置提供不同的视 图3示出了多视图自动立体显示器的布局的剖面 图4是图3的特写；
图5示出了一个9视图系统，其中在每一个锥体集合中产生的视图是相等的；
图6示出了本发明的显示设备的第一实例；
图7示出了对于图6的设计的修改；
图8示出了本发明的显示设备的第二实例；
图9示出了对于图8的设计的修改；
图10示出了对于图8的设计的另一项可能的修改；
图11示出了本发明的显示设备的第三实例；
图12示出了本发明的显示设备的第四实例；图13示出了利用参照图12解释的原理所可能实现的最大减重；
图14示出了本发明的显示设备的第五实例；
图15示出了在已知的多锥体显示器中如何把视图映射到像素；
图16示出了本发明的显示设备，其中一个光源被用来照明多个透镜，并且该图被用来解释所需的视图映射；
图17示出了对应于图16的设置的本发明的视图映射；
图18示出了可以被用在本发明的设备中的分段背光的第一实例；
图19示出了具有一个被照明节段的图18的背光； 图20示出了对应于图18的背光的操作的时序图；以及 图21示出了可以被用在本发明的设备中的分段背光的第二实例。
具体实施例方式本发明提供了一种多视图显示设备，其中背光包括光源设置，其中每一个光源在被接通时将光导向显示面板的相关联的区段。光源被设置在线条中。这些线条可以是连续的，但是也可以是分段的(从而形成点线或虚线)。光源线条可以是交错的，以便匹配交错的透镜。来自光源的光散布在预定角度内，从而形成显示面板的视场内的相关联的输出区段，从该处可以观看到显示面板的被光源照明的该区段。显示控制器自适应地控制光源设置，从而提供包括由至少三个2D视图构成的集合并且没有各个单独2D视图的重复的部分显示输出。可以通过顺序地提供不同的部分显示输出而生成单个锥体输出。可替换地，如果观看者的位置是已知的，则可以只在所选方向上提供部分显示输出。在提供对于本发明的解释之前，首先将更加详细地描述本发明所解决的问题。图I是已知的直视自动立体显示设备I的示意性透视图。已知设备I包括有源矩阵类型的液晶显示面板3，其充当空间光调制器以产生显示。显示面板3具有由显示器像素5的各行和各列构成的正交阵列。为了清楚起见，在图中仅仅示出了少量显示器像素5。在实践中，显示面板3可能包括大约一千行和几千列的显示器像素5。在黑和白显示面板中，术语“像素”应当被理解成意味着用于表示图像的一部分的最小单元。在彩色显示器中，像素表示全彩色像素的子像素。根据一般的术语，全彩色像素包括用于产生所显示的最小图像部分的所有颜色所必要的所有子像素。因此，例如全彩色像素可以具有红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)子像素，其可能利用白色子像素或者利用一个或更多其他原色子像素来增强。液晶显示面板3的结构是完全传统式的。具体来说，面板3包括一对间隔开的透明玻璃基板，其间提供对准的扭曲向列或其他液晶材料。所述基板在其面向的表面上携带透明氧化铟锡(ITO)电极图案。还可以在基板的外表面上提供偏振层。每一个显示器像素5包括基板上的相对电极以及其间插入的液晶材料。显示器像素5的形状和布局由电极的形状和布局决定。各个显示器像素5通过间隙彼此规则地间隔开。每一个显示器像素5与开关元件相关联，比如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD)0显示器像素被操作来产生显示，这是通过向开关元件提供寻址信号实现的，并且适当的寻址方案将是本领域技术人员所熟知的。显示面板3由光源7照明，光源7在本例中包括在显示器像素阵列的区域上延伸的平面背光。来自光源7的光被引导穿过显示面板3，其中各个单独的显示器像素5被驱动来对光进行调制以及产生显示。显示设备I还包括设置在显示面板3的显示侧的双凸透镜薄板9，其施行光引导功能连同视图形成功能。双凸透镜薄板9包括彼此平行地延伸的一行双凸透镜元件11，为了清楚起见以夸大的规格示出 了仅仅其中一个。双凸透镜元件11采取分别具有垂直于所述元件的圆柱曲率延伸的细长轴12的圆双凸凸透镜的形式，并且每一个元件充当光输出引导装置，以便从显示面板3向位于显示设备I前方的用户的眼睛提供不同的图像或视图。显示设备具有控制背光和显示面板的控制器13。图I中所示的自动立体显示设备I能够在不同方向上提供几个不同的透视图，也就是说其能够将像素输出引导到显示设备的视场内的不同空间位置。具体来说，每一个双凸透镜元件11处于每一行中的一小组显示器像素5上方，在本例中，行垂直于双凸透镜元件11的细长轴延伸。双凸透镜元件11将一组当中的每一个显示器像素5的输出投影在不同的方向上，从而形成几个不同的视图。随着用户的头部从左向右移动，他/她的眼睛将依次接收到所述几个视图当中的不同视图。本领域技术人员将认识到，必须结合前面描述的阵列使用光偏振装置，这是因为液晶材料是双折射的，其中折射率切换仅仅适用于具有特定偏振的光。所述光偏振装置可以被提供为所述设备的显示面板或成像设置的一部分。图2示出了前面所详细描述的双凸透镜类型的成像设置的操作原理，并且在剖面图中示出了背光20、显示设备24、液晶显示面板和双凸透镜阵列28。图2示出了双凸透镜设置28的双凸透镜27如何把一组像素当中的像素26’、26’ ’和26’ ’ ’的输出引导到显示设备前方的对应的三个不同空间位置22’、22’’和22’’’。所述不同位置22’、22’’和22’’’是三个不同视图的一部分。按照类似的方式，显示器像素26’、26’’和26’’’的相同输出通过设置28的双凸透镜27’被引导到对应的三个其他不同的空间位置25’、25’ ’和25’ ’ ’。三个空间位置22’到22’ ’ ’定义了第一观看区或锥体29’，而三个空间位置25’到25’ ’ ’则定义了第二观看锥体29’’。应当认识到，取决于能够引导例如由像素26’到26’’’形成的一组像素的输出的阵列的双凸透镜的数目，存在更多的这种锥体(未示出)。所述锥体填充显示设备的整个视场，正如同样关于图5所解释的那样。前面的视图引导原理导致在从一个观看锥体行进到另一个观看锥体时发生的视图重复，这是因为在每一个锥体内，相同的像素输出被显示在特定视图中。因此，在图2的例子中，空间位置22’ ’和25’ ’提供相同的视图，但是分别处于不同的观看锥体29’和29’ ’中。换句话说，特定视图在所有观看锥体中都显示出相同的内容。本发明就涉及这种视图重复。图3示出了关于图I和2描述的多视图自动立体显示器的布局的更加详细的剖面图。特定双凸透镜(例如27)下方的每一个像素311到31νπ将对视图321到32VI当中的特定视图做出贡献。该透镜下方的所有这些像素将一同对视图锥体做出贡献，其边界由线371和37π表示。例如用观看锥体角度(Φ )33表示的该锥体的宽度由几个参数的组合决定，比如从像素平面到双凸透镜的平面的距离(D) 34和透镜间距(PJ 35，正如从一般光学原理所能明显看出的那样。图4示出了与图3相同的剖面图，其中示出由显示面板24的像素3Iiv发出(或调制)的光被最靠近该像素的双凸透镜27收集以便导向观看锥体29’的视图32IV，而且还示出其被双凸透镜设置的相邻透镜27’和27’’收集从而变为导向不同观看锥体29’’和29’’’的相同视图32IV。这就是出现相同视图的重复锥体的起源。在每一个锥体中产生的相应视图是相等的。在图5中针对一个9视图系统(即每一个锥体中有9个视图)示意性地示出了这一效果。在这里，显示设备53的整个视场50被划分成多个观看锥体51 (总共11个，其中仅仅通过附图标记51标示出四个)，每一个观看锥体具有相同的多个视图52 (在本例中是9个，其仅仅针对其中一个观看锥体被标示出来)。为了获得3D效果与分辨率惩罚之间的可以接受的折中，视图的总数通常被限制·到9个或15个。这些视图当中的每一个具有通常1° -2°的角度宽度。现在，观看者54处于一个观看锥体内，并且只要他停留在所述一个观看锥体内就根据视图内的正确视差信息在他的眼中接收视图。因此，他能够观察到没有失真的3D图像。因此，对于处在其中一个观看锥体51内的每一个观看者都可以获得相同的3D感知。但是视图和观看锥体的属性在于其沿着视场具有周期性。如果用户围绕显示器走动，则他在某点将跨越邻近的观看锥体之间的至少其中一条边界，正如例如针对处在观看锥体511和5111的边界处的观看者55所标示出的那样。在这样的区段内，两只眼睛内的图像将不会正确地匹配。因此，例如在观看者55的该位置处并且对于本例的9视图系统，左眼将接收到例如观看锥体511的第9图像，并且右眼将接收到例如观看锥体5111的第I图像。但是由于左和右图像被反转，因此这些视图具有错误的视差信息，这意味着图像是幻视的。此外并且更加严重的是，在所述图像之间存在非常大的差异，也就是说所述视图彼此相距8个视图。这被称作“超幻视”观看。在观看者移动跨越锥体边界时会观察到不连续的跳跃。本发明提供显示设备内的可控光源，以便控制将观看锥体投影到用户的方向。这一点可以被用来操纵观看锥体从而使得已知位置处的观看者接近观看锥体的中心，或者提供由多个时间顺序的观看锥体构成的显示输出并且其中在锥体边界处没有图像过渡。图6示出了根据本发明的第一显示设备，其中在一个或更多不同的所期望的方向上投影一个或更多观看锥体。同样存在双凸透镜设置28和例如液晶显示面板24之类的空间光调制器。在本例中，这些元件与前面关于图I到5描述的相应元件相同。将光源60 (例如发光二级管(LED)条带)的集合放置在背光中，其中透镜62处于其前方。透镜62可以是一维的，从而其输出是经过准直的光柱63的集合。在本例中，所述光柱垂直于图6的附图的平面延伸。如果透镜是二维的，也就是说沿着两条相交轴具有透镜化功能，则后面在系统中需要发生漫射动作，例如空间光调制器上的球面透镜，以便减轻其中一个轴方向上的透镜化动作，从而再次具有经过准直的光柱集合。在背光设置的输出侧并且在准直透镜62之上提供可切换漫射器64。这是一项可选特征，其允许在本发明的单锥体模式与传统的多锥体模式之间切换所述设备。通过沿着方向66关于透镜62移动光源60，或者接通及关断不同的光源60或光源60的不同集合以便例如模拟这样的移动，可以关于显示设备的法向68调节准直方向。准直方向的这一变化可以在离散的步骤中实施，或者可以按照连续的方式实施所述调节。头部跟踪设备被提供来确定观看者的数目和位置。这是公知的设备，并且在图6中示出了摄影机67以便示意性地表示头部跟踪系统。如果存在单个观看者，则把可切换漫射器64切换到透明状态，并且调节背光从而使得该观看者接收到视图集合。这样就提供了本发明的单锥体设置。对于背光设置的调节基本上包括将光源60放置在关于透镜62的正确位置。所述调节于是使得观看锥体被引导成使得观看者不处于观看锥体的边界处，而是完全处于所引导的观看锥体内。这一调节可以通过偏移光源或者通过接通或关断特定光源而实现。后一种情况例如可以通过使用分段背光并且提供具有正确时间顺序的电驱动而实现。替换地或附加地，可以例如利用具有偏振光源的渐变折射率透镜(GRIN)技术来移动透镜。例如在国际专利申请公开号W02007/072330中描述了这样的移动或者透镜的侧向移位，该申请被全文合并在此以作参考。该技术允许偏移透镜位置，并且可以被应用于本发明的准直透镜。将会明显看出并且可以使用实施准直透镜与背光源的所述相对位置偏移的其他方式。·在图6所示的例子中，具有视图I到9的观看锥体69被引导在方向61上，从而针对所示出的观看者如图所示与法向68成一定角度65。方向61不需要观看者二等分所述观看锥体角度。所述方向使得观看者完全处于观看锥体内就足够了。因此，他的右眼必须至少被提供所引导的观看锥体的视图1，或者他的左眼必须被提供所引导的观看锥体的视图9。对于单个观看者，这些观看锥体方向调节可以在秒的长度标度上进行。观看者跟踪仅仅需要能够在观看者正在移动时跟随他/她。可以通过移动电话(蜂窝电话)的一个或更多摄影机或者其他手持式设备来实现观看者跟踪器。一般来说，移动电话或手持式设备仅仅由一个观看者观察到，因此观看者跟踪器可以有利地总是为所述一个观看者提供最优的视图集合。因为对于一个观看者来说锥体调节不需要快速响应，因此考虑到空间和有限的电力供给，在手持式设备中可以有利地避免复杂的驱动器和计算设备。如果存在更多观看者，则系统确定每一个观看者是否可以接收由定向背光设置生成的独立无重叠的视图集合。这一评估是基于观看者的位置与观看锥体的已知角度宽度的组合。如果可以为所有观看者提供无重叠的观看锥体，则按照时间顺序驱动背光就像其是空间光调制器。因此就按照时间顺序的方式在关于显示设备的法向68的所期望的方向上生成不同的观看锥体。随后在提供特定图像的驱动循环(帧)的不同子循环(子帧)内生成不同的观看锥体。换句话说，用于提供一个视频帧或一幅图像的显示帧(时间)可以被划分成各个子帧(时间)。不同的观看锥体现在显示视图内容，从而使得每一个对应的观看者不会体验到锥体过渡。因此，对应于每一个观看者的视图被提供成使得每一个观看者位于观看锥体内而不处在观看锥体过渡上。这样就可以减少或者避免观看锥体过渡。一些观看者可以共享观看锥体，或者实际上所有观看者(如果其靠近在一起的话)可能由单个观看锥体服务。对于观看者来说需要最小帧速率，通常是50Hz。这意味着如果存在需要单独的观看锥体的2个观看者，则时间顺序系统需要运行在100Hz，并且如果存在3个人的话则是150Hz。因此系统的能力将存在一个物理极限，该极限取决于对于特定显示设备硬件实现方式(例如包括空间光调制器)所能实现的帧速率。如果空间光调制器是基于液晶操作，则这样的液晶单元的切换速度将是这方面的一个重要限制因素。如果所存在的观看者多于所述时间顺序系统鉴于有限帧速率所可能保持的情况，则可以接通漫射器64以便减少或去除对于光的准直。所述系统于是转向关于图I到5所解释的具有重复观看锥体的标准多视图性能。因此应当理解的是，根据本发明的显示器不需要具有漫射器来允许提供受引导的观看锥体。背光可以被引导成使得视图集合(即观看锥体)的中心与观看者最为接近。在这种情况下，观看者可以在有限距离内快速移动他的头部而不会与所述视图集合失去接触，其间将不需要附加的观看锥体方向调节。在另一个实施例中，其中显示设备对于其光学设计足够快(光学锥体尺寸由玻璃厚度和透镜间距限定)，则显示设备也可以不使用观看者跟踪，而是简单地运行在固定的时 间顺序模式下。在这种情况下，显示设备的整个视场上的所有视图可能是不同的。完整的视场由多个观看锥体填充，但是各个观看锥体的所有视图显示不同的图像信息。因此，位于观看锥体边界处的观看者可以在子帧中用一只眼睛看到一幅图像，并且在时间上邻近的一个子帧中用另一只眼睛看到所述图像，从而在观看锥体边界处避免了前面描述的(超)幻视成像。这就需要图像数据编码多出许多的视图，并且可以有效地限定单个观看锥体显示，但是其中输出会随着子帧建立。本领域技术人员将会明显看到，可能存在其中按照上述方式解决了特定锥体边界同时其他锥体边界则保持就位的情况。这样就在特定方向上有效地扩大了观看锥体。显示器前方的双凸透镜正如众所周知的那样降低了分辨率。对于一些应用来说，有必要使得显示器能够显示高分辨率2D图像(例如在显示文字信息时)而没有任何分辨率损失。在这种情况下，显示设备的光引导设置可以是在一种模式下具有光引导功能并且在另一种模式下具有透明的非光引导功能的设置。可以切换的此类光引导设置可以通过多种方式来实施，例如像在国际专利申请公开号W01998/021620、W02008/126049、W02004/07045U W02004/070467, TO2005/006774、W02003/034748 或 TO2003/071335 中所公开那样，其中的每一项被全文合并在此以作参考。基于对应的公开内容，本领域技术人员将能够毫无困难地实施其中每一种所公开的设置。通过使得双凸透镜可切换会把分辨率恢复到显示设备的显示面板的原生像素分辨率，但是在没有时间顺序扫描的定向背光的情况下，无法从所有角度都看到2D图像，这是因为背光设置由于其光准直也是定向的。这对于单用户应用可能是可以接受的，但是在一些应用中(例如具有多个用户)，则希望有广角2D图像。于是可以把可切换漫射器64切换到漫射状态，以便把背光输出转换成标准漫射光输出。在这种模式下，显示设备从而操作为常规的2D显示设备。本发明的显示设备具有类似于图I中的现有技术控制器13的控制器，其控制背光和显示面板。根据本发明的显示设备在多视图模式下优选地需要提供良好地准直的光束的背光设置。如果光不是足够地准直的，则通过特定(子)像素调制的光将对光引导装置的多于一个透镜有贡献，从而在相邻观看锥体中给出重复视图。使得背光设置提供良好地对准的光通常需要可能昂贵或低效的复杂设计。针对这一问题的一种解决方案是使用提供略微没有那么良好地准直的光的背光，以及将光屏障阵列42放置在光引导设置28的透镜40之间，正如图7中所示出的那样。如前所述，可以利用发光二级管(LED)形成用于提供经过准直的光的背光。此外还可以使用复合抛物线收集器(CPC)，其被放置成具有指向LC面板的不同角度。在前面的例子中，背光输出的方向被控制成使得为显示设备提供有限的观看锥体输出，其中所有视图可以显示不同的内容。如果可以把观看锥体投影到观看者的已知位置，则作为显示设备的视场，所述有限观看锥体可能就是全部所需要的。可替换地，按照前面解释的那样可以通过时间顺序的方式建立更大的视场。使用可控背光的一种替换方式是允许背光输出覆盖法向角度范围(即直到在所述结构内存在全内反射为止，例如参见示出内反射的图4)，但是仅仅照明一些背光部分，从而使得每一个像素仅仅朝向光引导装置中的一个透镜被照明。在图8中示出了这种方法，其中示出了具有光调制器24 (在本例中是液晶面板)与如前文中所述的具有透镜27的光引导设置28相组合的显示器。在特定时间t只有一个背光部分80在照明光调制器24，以便为 光引导元件提供光调制器输出。按照时间顺序的方式一个接一个地照明其他背光部分82。因此，背光包括可以被单独地接通或关断的线条光源80到82的集合。每一个视频帧被分解成几个子帧。在每一个子帧中，内容被写入到空间光调制器面板，并且背光中的其中一个线条光源被接通。各个子帧之间的差别在于，不同的线条光源被接通，并且利用不同内容寻址LC面板。该不同内容使得图像的分辨率被顺序地增大。举例来说，与受照明光源相关联的仅仅一个像素对被法向投影到显示器的图像有贡献。每次使用不同的光源集合时，不同的像素集合对该视图有贡献，从而分阶段增大图像分辨率。举例来说，空间光调制器完全像素间距可以是大约250微米。双凸透镜可以是倾斜tana为1/6的15视图设置，但是也可以使用其他倾斜角度来获益。线条光源宽度可以是近似I毫米，并且模块的厚度大约是6厘米。背光接通及关断线条光源，从而使得穿过像素的光基本上照明单个透镜。与对应于每一次光源照明事件改变像素数值的快速空间光调制器显示面板相组合，可以获得没有观看锥体过渡的单个观看锥体体验。在利用前面的方法操作的显示设备中所需要的光源的数目可以通过测试所述设备来确定，比如利用最小数目的光源显示全白色图像。双凸透镜阵列具有漫射效果，并且如果各个线条光源足够靠近在一起，则可以省略通常所存在的背光中的漫射器。通过要求穿过像素的光基本上照明单个透镜给出了光源与显示器的距离、光源的宽度与透镜间距之间的关系。如果所期望的配置意味着一些像素可能仍然会照明几个透镜，则可以关断这些像素以便去除伪像。因此，一些像素不处于“操作中”，并且没有显示面板的“操作中”的区段由多于一个光源照明。不处于操作中的区段被设定到吸收(即黑色)状态。传统的背光包括漫射器以便提供均匀输出。对于这种设计，优选的是用光吸收层来替代背部漫射器，或者将漫射器放置成与光源非常靠近。这是因为传统的漫射器将阻碍本应用中所需要的来自单个方向范围的像素照明。因此，由于穿过像素的光不应当过于发散，因此优选地在背光中不使用反射偏振器。当前常见的是关于显示器倾斜双凸透镜，以便改进水平3D分辨率。线条光源的长轴在线条光源的线条方向上延伸，并且可以按照与各个小双凸透镜相同的方式倾斜光源，从而使得在双凸透镜细长轴与光源线条长轴之间存在更好的映射。这样可以减少光学上的光伪像。在图8中，单个光源(例如80)的光基本上在所有方向上发散。为了将来自面板24的像素的光投影到单个透镜(例如27)，每次接通一个光源。由于各条被照明的灯线条的间隔使得子像素处的光是来自仅仅一个灯线条，因此在一个子帧中生成的分辨率非常低。为了获得良好的分辨率，在将被同时操作的灯线条的间隔之间应当提供许多灯线条，从而得到许多子帧。这就需要对应于空间光调制器面板24的高刷新/帧速率。为了降低帧速率，可以在背光中提供吸收壁以便限定各个节段。每一个节段于是可以被同时驱动，并且子帧的数目对应于每一个节段中的背光光源的数目。在图9中示出了这种设置，其具有关于图8所描述的完全相同的单元，并且其中吸收壁被显示为90。在所示出的设置中，每一个节段有两个背光光源，并因此仅有两个子帧。通过围绕光源放置偏振敏感准直器可以获得相同的效果。在准直器的出口处可以提供反射偏振器，从而使得LC面板接收到偏振光。这样会提高效率。优选的是准直器也像CPC那样展度守恒(etendue conserving)。这种设置在图10中示意性地示出，其中镜面反·射壁被显示为100，并且无漫射反射偏振器被显示为102。在图9的例子中，提供吸收器以便限制光的发散，从而降低帧速率。在图11的设置中，在光源112、114之间提供间隔器110，并且LC面板24是透明的并且具有高于周围介质的折射率。所述间隔器充当光导，其被放置在光源112、114正上方并且与LC面板24直接邻近，从而限制光的发散。这一限制是由于当光进入光导110时会发生折射。该间隔器包括背光光学平板/基板。可以在光源与间隔器110之间提供气隙，这同样是为了限制基板内部的最大光射线角度。该临界角度被定义为气隙的折射率与基板的折射率的比值的反正弦。由于光射线角度范围受到限制，因此IXD中的固定数目的像素被照明。这些被照明的像素对应于总体3D双凸透镜中的特定圆柱透镜中的3D视图。图12示出了类似于图11的设置，但是其中每一个背光光源120的角度输出覆盖单个双凸透镜。背光平板/基板和LCD面板处于光学接触中，并且示出了气隙122。(例如)图12中的阴影区124对于定向背光的光学功能没有贡献。因此，可以从阴影区124和其他等效区段去除基板材料。在图13中示出了经过整形的定向背光基板/平板。基板的最大重量减轻与从所述板上消除的区表面的数量有关。在理论上可以获得最大50%的重量减轻。在实践中，如图14中所示，必须有用以保持单块基板具有足够机械刚度的最小闻度h。在这种情况下，最大体积减小是
f .
Li ~ OT"/ 遍
在这里，h是对应于机械刚度所必需的最小高度，H是总的基板厚度。举例来说，对于最小厚度h为5mm的4cm厚的基板，仍然可以获得48%的重量减轻。在图14中，使得侧壁126具有光学吸收性。侧壁还可以具有其他光学功能，比如CPC反射镜曲率并且替换地具有反射属性。如果对应于(如在前面的例子中解释的)时间顺序的操作每个圆柱透镜必须有多个LED线条(例如N个)，则基板中的可能重量减轻减少1/(2N)的因数。在前面的例子中，背光被设计成使得穿过像素的光将实质上击中单个透镜。为此，来自背光的光是源自诸如灯线条之类的集中位置。将没有像素每次被多于一个灯线条照明。为了优化设计，要求对应于光学系统的设计规则具有降低呈现芯片的计算能力的目标，从而降低3D套装的成本。图15被用来解释在呈现显示时所面对的困难，并且示出了如何在传统设备中呈现9个视图。优选的是，将双凸透镜倾斜arctan (1/3)或arctan (1/6)的角度，以便改进3D显示器的像素结构。此外，透镜间距下方的子像素的数目具有优选的数值。其中一个最为常见的数值是在arctan (1/6)的倾斜角度下对应于4. 5个子像素的透镜间距，从而给出9视图3D显示器。这种配置在图15中示出，并且被用于解释设计优化。·
在具有法向背光的9视图系统中(即多锥体实现方式)，视图数目由透镜下方的子像素的位置决定，或者由子像素中心到透镜轴的距离决定。对于9视图系统，该距离是[-2.5，-2，-I. 5, -I, -O. 5, O, O. 5, I, I. 5, 2]*p，其中 p 是子像素的间距。这些距离对应于视图编号I到9。如果光穿过相邻透镜，则视图数目将由于视图重复而是相同的。对于如前所描述的单锥体显示，情况是不同的。由于没有视图重复，因此有更多可寻址视图。这特别与其中灯线条与多个透镜相关联的本发明的例子有关。因此，每一个像素照明仅仅一个透镜，但是一组透镜由一个灯线条照明(例如参见图8、9和11)。来自灯线条并且穿过像素的射线可能击中不处于所述像素的正上方的透镜，从而在大于法向观看锥体的角度下产生光(例如如图9中所示)。由于其光学构造，在某些时间将没有光射线可以到达像素上方的透镜。因此，可以利用对应于大角度的图像信息来呈现该像素。取决于灯线条的间隔以及透镜和子像素的间距，显示器将生成N个视图，并且可以从视图O处的最大负值角度开始对于递增角度对这些视图进行递增编号。如果没有采取特殊预防措施，则所生成的视图与子像素之间的对应性不像对应于9视图显示器的情况那样处于固定的重复模式下。呈现图像的方式取决于几何结构，并且可以从射线追踪找到视图映射并且可以将其存储在查找表中。但是这是代价相当高昂的操作，因为其针对每一像素数都需要帧缓冲和查找动作。与此同时，画面质量和像素结构对于所有观看角度是否相同也是成问题的。因此将希望为显示器提供更加可预测的结构，从而降低计算能力和成本。图16示出了一种实现方式，其中对于透镜160与像素平面162之间的距离(屯)和像素平面162与灯线条164之间的距离(d2)使用已定义的比值。图16a示出了穿过单行的剖面图，并且图16b示出了击中相同的透镜从而行为类似的由6个子像素构成的子集。作为一项基本假设，假设双凸透镜的间距和倾斜使得在双凸透镜的每一个透镜下方存在按照相同方式定位的由M个子像素构成的整数集合。如果这样的显示器双凸透镜组合与传统的背光一起使用，则3D显示器将生成M个视图。数目M被定义为
M = Miw X P> e ir P[等式 I]Plens是双凸透镜的间距，P是子像素间距，nrow是其后透镜轴将处于子像素上方的相同位置的行数。例如对于1/6的倾斜，nrow将是2。为了进行高效地呈现，需要行为类似的像素块。对于图16的所提出的光学几何结构来说，这样的块可以由来自其中的光在相同的小双凸透镜中折射的像素构成。可以利用相继的视图编号来呈现该块中的像素。为了使其行为类似，击中相同透镜的像素数目应当是恒定的并且是整数。直接明了的几何计算表明，如果下式成立则该条件得到满足
(hhmm .= K (N是整数)[等式2]
该等式基本上要求对所述子像素的图像进行缩放(缩放因数为(C^d2)M2),从而使得整数个子像素配合到透镜宽度中。利用相继的编号来呈现各个子像素块。然而相邻块被类似地呈现，但是是利用增大或减小的视图编号来呈现。该视图编号将高出或低出(M-N)。这将继续到来自灯线条的·光到达最后一个子像素为止，随后将由下一个灯线条接管，并且呈现再次开始于视图编号O0下面将参照图16c进一步对此进行解释。这是基于没有倾斜的9视图系统的最简单的例子。因此M=9 (每一个透镜下方9个子像素)，并且距离dl和d2使得6个子像素将照明相同的小双凸透镜。在这种情况下，如图所示I、2、3、4、5、6相继地呈现照明透镜WO1的6个子像素。在左侧与子像素I相邻的子像素165仍然处在具有透镜轴A的相同透镜160:的正下方，但是来自线光源的光穿过该像素WO1将击中具有透镜轴A’的左侧相邻的小双凸透镜1602。透镜中心与子像素中心之间的距离决定视图编号。对于所示出的像素165是视图9。和标记为6的子像素与透镜轴A’的子像素间距相比，像素165与透镜轴的子像素间距是其(M-N)(=3)倍远。所述(M-N)跳跃也将发生在下一个透镜边界。对于正确地工作的3D显示器，每一个视图编号应当针对每一个灯线条至少出现一次，以便避免特定观看角度下的画面中的黑暗区段。如果(M-N) <=N则该条件得以满足。但是还有另一个条件需要满足，即某一视图编号被呈现的次数对于每一个视图编号是相同的。如果下面的等式成立，则该条件得到满足
= Ir 和 &fK[等式 3]
通过把等式2代入到3中则得到下式
[等式4]
因此，从灯线条到像素平面的间隔是从像素平面到双凸透镜阵列的间隔的整数倍。为了说明这些条件,选择具有M=9和N=6的3D显示器的例子。通过选择Plens=4. 5*p和nMWS=2可以获得M=9个视图(参见等式I)。根据等式2,当(^=2* 时，N=6。在图16a中已经使用了这些参数，并且该图表明4. 5个子像素的透镜间距导致来自三个相继子像素的光击中同一个透镜。由于1/6的倾斜，处于下方的显示器行包含由击中该透镜的3个子像素构成的另一个集合。在图16b中示出了由6个子像素构成的各个块如何定位。该图示出了透镜下方的像素的位置，即像素位置I最靠近透镜左边界，并且像素位置6最靠近透镜右边界。透镜的两侧边界被显示为164。
本发明的该方面是基于认识到并不需要按照前述方式呈现视图，而是需要利用前面参照图16c解释的M-N视图偏移来呈现视图。图17被用来解释如何呈现像素。如前所述，各个块中的子像素被相继地编号，并且相邻块的像素的视图编号相差3个视图。对于光学几何结构的这种选择的结果是每一个子像素将对于每一个灯线条出现两次。一般来 说，除了对于处在最大观看角度下的视图有贡献的像素之外，每一个像素出现k次。在像素出现两次的情况下，没有重复的最大观看角度下的视图数目将是(M-N)个，这是因为(M-N)的偏移将意味着最先的(M-N)个视图没有重复。因此，在图17中，视图
1、2、3将不会出现两次。对应于这些视图的潜在图像失真不成问题，因为其在非常大的角度下出现。在出现k次的像素的最一般的情况下，k由等式3定义。参照前面的图9的实施例，灯线条与像素不是通过折射率η>1的介质分开以便限制角度发散，而是通过空气分开。使用吸收壁来限制光到达像素的角度。其结果是，应当通过乘以η来适配用在等式2-4中的d2的定义
dZ = d2K H[等式 5]
可以通过不同的方式来说明这一点，即距离d2*应当等于灯线条与像素之间的遂鏡分廣中游有效光学路径长度，并且该距离d2*是距离dl*的整数倍，其中距离dl*是像素与透镜之间的遂鏡分质中游有效光学路径长度。在图9上标出了距离d2*。参照图10的实施例，使用准直器来限制光到达显示器的角度。在本例中，d2应当是准直器的端面与像素平面之间的光学距离。这在图10上标出。针对背光使用灯线条还导致涉及驱动方案的其他问题。这方面特别涉及其中将不同的灯线条集合顺序地接通的实现方式。灯线条被设置在交替接通的(至少两个)线条的集合中。所出现的问题在于，显示器的寻址通常是从上到下，并且灯线条基本上在该相同的方向上延伸。其结果是，沿着灯线条生成的光将到达在前一个或下一个子帧中寻址的像素，从而导致串扰。为了解决这一问题，可以对灯线条进行分段，并且相应地改动驱动方案。在前面描述的按照时间顺序的方式提供视图的设置中，例如可以通过参照图11所解释的那样使用两个灯线条集合而使得显示器的分辨率加倍。对于行寻址的显示器，比如可以买到的IXD显示器，会出现串扰问题。对显示器进行逐行寻址，并且在寻址了第一帧的最后一行之后，将开始寻址下一帧的第一行。因此只有一个时刻是利用一帧的所有信息对显示器进行寻址。但是该时刻的持续时间过短，因此无法从灯线条生成足够的光以便从显示器得到足够的亮度。与此同时，显示器的最后几行已被寻址，但是LC没有足够的时间来切换到所期望的状态。其结果是，在显示器的下部显示的信息不正确。针对这一问题的一种解决方案是从上到下分段扫描灯线条。为此，对灯线条进行分段，并且与对于显示器的驱动同时实施对于各个节段的驱动。切换节段的定时应当使得当LC切换到其所期望的状态时接通灯线条。对于显示器的时间顺序驱动可能会出现另一个问题，其类似于可以在交织显示器中观察到的线条爬行(line crawling)伪像。灯线条的驱动方法也可以减轻线条爬行的影响。在图18中示出了所使用的背光的示意图。所述背光由在与显示器(未示出)前方的双凸透镜相同的方向上倾斜的灯线条构成。所述灯线条被划分成在图中分别由I和2表示的两个集合。灯线条可以被划分成能够被单独驱动的各个部分(在这里被标记为a. . .m)。意味着来自集合I中的所有灯线条的节段(a)的所有节段al互连,正如a2、bl、b2等等一样。为了进行说明，图19示出了仅仅其中一个节段190被接通的背光。所述节段对应于第2组灯线条和节段d。由于光在其传播方向上受到灯线条与像素平面之间的光学板的限制，因此光将仅仅照明显示器的一部分。这由白色区域190标示。图中表示出由灯线条照明的显示器中的最低行(rowm)和最高行(rown)。看起来符合逻辑的做法将是紧接在寻址r0Wm之后接通所述节段。但是这没有考虑到LC的切换时间。如果灯线条在此时被切换，则来自先前子帧的数据将仍然处于该像素上。·由于在该子帧中接通了不同的灯线条，因此图像内容相当不同，从而导致显著的串扰。通过考虑到切换时间τ，应当在寻址了该行经过时间τ之后接通灯线条。一旦寻址了最高行ι·ο η，就应当关断灯线条节段d2。作为结论，可以得出下面的规则集合
(i)在利用当前子帧的信息寻址了由所述节段照明的最低行经过时间τ(毫秒量级)之后接通该节段；
(ii)在利用下一帧的信息寻址了由所述节段照明的最高行时关断该节段；
(iii)对于显示器的最低节段，不存在由所述节段照明的物理最低行。在这里，应当在对接下来的各个子帧的第一行的其中之一进行寻址时寻址所述节段。该行可以被如下计算
权利要求
1.一种用于在显示器的视场内提供多个视图的多视图显示设备，其包括 -包括像素的显示面板(24)； -包括窄而长的光源(30)的设置的背光，其中每一个光源在被接通时照明相关联的像素区段； -设置在显示面板(24)前方的透镜(28)的阵列，其中每一个被照明像素的光确切地到达一个透镜；以及 -被适配成控制显示面板(24 )和光源(30 )的设置的显示设备控制器，从而提供同时包括由至少三个2D视图构成的集合并且没有各个单独的2D视图的重复的部分显示输出。
2.如权利要求I所述的设备，其中，透镜(28)的阵列把显示面板的像素平面成像到基本上无限远。
3.如任一条在前权利要求所述的设备，其中，在所述设备的操作期间，利用围绕一个共同方向的预定光散布来照明所有像素，从而使得在一次照明操作期间，在显示设备的部分视场内生成所述由至少三个2D视图构成的集合。
4.如权利要求3所述的设备，其还包括头部跟踪系统(35)，并且其中显示设备的所述部分视场是基于接收自头部跟踪系统(35 )的输入来选择的。
5.如任一条在前权利要求所述的设备,其中，所述背光还包括与每一个光源(30)相关联的透镜(32)以用于提供经过准直的定向输出。
6.如任一条在前权利要求所述的设备，其中，所述光源(30)是独立可控的，并且所述部分显示输出包括由致动所述光源(30)的子集而得到的显示输出，其中来自每一个所致动的光源的输出照明显示面板(24)的对应区段，并且没有显示面板的受操作区段由多于一个光源(30)照明。
7.如权利要求6所述的设备，其还包括光源与显示面板之间的间隔器(70)，其被设置成限制对应于背光的每一个光源(50 )的所述对应区段。
8.如任一条在前权利要求所述的设备，其还包括偏振敏感的准直光学设备和反射偏振器，所述偏振敏感的准直光学设备和反射偏振器被设置成使得来自一种偏振的光源的光的路径基本上不发生改变，同时垂直于所述偏振的偏振则基本上被朝向光源反射。
9.如任一条在前权利要求所述的设备，其中，被转换成穿过透镜材料的有效光学距离的像素平面与透镜阵列之间的距离是dl*，被转换成穿过透镜材料的有效光学距离的光源与像素平面之间的距离是d2*，并且d2*=kdl*，其中k是整数。
10.如任一条在前权利要求所述的设备，其中，所述光源从显示器的顶部到底部对准各个透镜的长轴延伸，并且其中每一个光源被分段成各个独立可驱动的节段。
11.如任一条在前权利要求所述的设备，其中，所述显示面板(24)包括LC显示器像素的阵列，并且其中所述光源(30)包括LED条带。
12.如任一条在前权利要求所述的设备，其还包括可切换漫射器(34)以用于把背光的输出从定向输出转换成漫射输出。
13.如任一条在前权利要求所述的设备，其中，所述背光包括透明平板，其中所述平板的剖面被定形为具有切出部分(84)的矩形形状，其中所述切出部分被定位在光源(50)之间的来自光源的光散布不到的区域中。
14.一种操作用于在显示器的视场内提供多个视图的多视图显示设备的方法，所述显示设备包括各个像素、背光以及设置在显示面板(24)前方的透镜(28)的阵列，其中所述背光包括窄而长的光源(30)的设置，其中每一个光源在被接通时照明相关联的像素区段，其中，所述方法包括 对显示面板(24)和光源(30)的设置进行控制从而提供部分显示输出，所述部分显示输出同时包括由至少三个2D视图构成的集合并且没有各个单独2D视图的重复，并且其中每一个被照明像素的光确切地到达一个透镜。
15.如权利要求14所述的方法，其中 -在所述设备的操作期间，利用围绕一个共同方向的预定光散布来照明所有像素，从而在显示设备的部分视场(36)内生成一个或更多视图；或者 -在所述设备的操作期间，致动所述光源(30)的子集，其中来自每一个所致动的光源的输出照明显示面板的对应区段，并且没有显示面板的受操作区段由多于一个光源照明。
全文摘要
本发明涉及一种多视图照明设备，其包括像素化显示面板和背光，所述背光包括光源(30)的设置，其中每一个光源在被接通时照明显示面板的相关联的像素区段。显示控制器被适配成控制像素化显示面板和光源设置，从而提供同时包括由至少三个2D视图构成的集合并且没有各个单独的2D视图的重复的部分显示输出。这种设置提供具有像素的受控照明方向的输出，从而避免了视图重复。所述输出可以是单个视图锥体，并且可以从该处观看所述视图锥体的位置取决于背光的被激活的光源与显示面板之间的关系。
文档编号G02B27/22GK102906627SQ201180025274
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月21日
发明者F.皮尔曼, O.H.威廉森, L.R.R.德斯梅特, M.斯鲁伊特, S.T.德滋瓦特, M.P.C.M.克里恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司