用于自由立体视频显示器的改进的分辨率的制作方法

本发明总体上涉及自由立体显示器，并且更具体地，涉及具有显著改进的分辨率的视频自由立体显示器。

背景技术：

常规的自由立体显示器使用透镜或视差屏障或其它视图选择器的阵列，使得显示器的多个像素对于观看者的一只眼睛可见，并且使得显示器的多个其他像素对于观看者的另一只眼睛是可见的。通过隔离对于每只眼睛可见的显示器的像素，立体图像的两个分量可以呈现在显示器上。

由于普通观看者的眼睛是并排并且水平对准的，因此透镜阵列根据水平方向使像素可见。结果，用于左眼和右眼的相应像素位于相同的扫描线中并且水平地彼此偏移。

因此，在仅具有两个视图的自由立体显示器中，观看者的每只眼睛看到其水平分辨率减半的图像。在大多数自由立体显示器中，通过具有多于两个视图来改善视场。在为了提供更大的投影感知深度的尝试中，在相对狭窄的空间，例如1mm内需要更多的视图，例如24个视图。典型的LCD显示屏具有约200像素/英寸的像素密度，尽管一些具有接近300像素/英寸的密度。这大约是每毫米6个像素，即在1mm空间内提供24个视图所需的分辨率的大约四分之一。

因此，传统的视频显示设备不能在足够小的空间中提供足够的视图，以满足现代自由立体图像的需求。

技术实现要素：

根据本发明，视频显示器的单个像素可以显示多个视图的各自的单独像素。换句话说，视频显示器可以包括比视频显示器的物理像素通常支持的更多的用于自由立体图像的视图。

为了利用单个物理像素实现多个视图，物理像素是时间复用的。具体地，物理像素在给定时间间隔内显示一个视图的像素，并且视图多路复用器将来自物理像素的光偏转预定角度，以使像素出现在与视图的像素对应的位置。在另一个时间间隔，物理像素显示一个不同的视图的像素，并且视图多路复用器将来自物理像素的光偏转不同的预定角度，以使像素出现在与不同的视图的像素对应的位置。

视图多路复用器包括多个双折射材料的柱状棱镜，使得通过柱状棱镜的光的偏转可通过控制穿过的光的偏振在两个不同角度之间切换。或者，柱状棱镜的材料根据柱状棱镜的电场而改变其折射率。这种材料的实例是液晶。由柱状棱镜提供的反射角的可控性使得能够控制给定像素对于人类观看者所呈现的位置。

通过使给定像素呈现的位置和由像素显示的特定视图同步，允许该像素针对帧速率的各自的部分显示多个视图的像素。人类观看者的视觉暂留导致一个视图中的像素在整个帧中能够继续被感知，该视图通过透镜阵列对观看者是可见的。

多个视图多路复用器可以被堆叠以提供累积偏转角的更多的变化。

另外，通过将透镜体配置成在聚焦目标后面的可接受距离处聚焦，该聚焦目标例如是自由立体显示器的像素，减少了由于透镜阵列的单个透镜体的象场弯曲引起的聚焦误差。结果是，由于象场弯曲，透镜体将在观看视角的适当角度处特别好地聚焦，并且仍将产生可接受的聚焦误差以及甚至观看视角的更宽的角度。

附图说明

图1是根据本发明的观看者和自由立体显示器的平面图。

图2是图1的自由立体显示器的一部分的更详细的平面图。

图3是图1和图2的自由立体显示器的视图多路复用器的平面图。

图4是示出根据本发明的采用两(2)个视图多路复用器的像素的时间多路复用的时序图。

图5是根据本发明的可选的自由立体显示器的平面图。

图6是图5的自由立体显示器的一部分的更详细的平面图。

图7是示出图5和图6的自由立体显示器的焦点的平面图。

图8是根据本发明的可选的视图多路复用器的平面图。

图9和图10是示出使用图8的视图多路复用器的像素的时间多路复用的时序图。

图11是图2的掩模的平面图，其被放大以示出由于图2的视图多路复用器的操作而引起的视在像素的位置。

具体实施方式

根据本发明，视频显示器的单个像素可以显示多个视图的各自的单独像素。具体地，立体显示器100(图1和图2)包括视图多路复用器204A-B(图2)，其弯曲来自多个像素，例如像素216A-F中的每一个的光，使得每个像素呈现在略微不同的位置，并且为多个时间间隔中的每一个表示不同视图的像素。例如，视图多路复用器204A-B可以使像素216A处于位置216A1(图11)、216A2、216A3和216A4中的任一个位置。以这种方式，像素216A-F中的每一个被时间多路复用以表示自由立体显示器的各自的多个视图的像素。

以下面更全面地描述的方式，视图多路复用器204A-B组合以在该说明性的实施例中提供4对1多路复用。视图多路复用器204A-B以预定的时间间隔以预定的分视角对来自像素216A-F的光进行弯曲。在该说明性的实施例中，透镜体202C被设计成提供一度的视角增量，这意味着通过透镜体202C的观看视角，其中像素216A-F中的每一个通过掩模214相差一度是可见的。在该说明性的实施例中，为了从单个像素提供四(4)个视图，视图多路复用器204A-B组合以在四个(4)均匀间隔的分视角，即0度、0.25度、0.5度和0.75度偏转光；在其他实施例中可以使用其他角度。应当理解，单视图多路复用器可以从单个像素提供两(2)个视图，三(3)个视图多路复用器可以组合以从单个像素提供多达八(8)个视图，并且许多其他组合可以实现以从单个像素提供甚至更多的视图。还应当理解，视图多路复用器可以扫过一定范围的偏转角，以下面描述的方式从单个像素提供其他数量的视图。

使用像素216A-F中的单个像素的四(4)个视图的显示在时序图400(图4)中示出。如下面更全面地描述的，视图多路复用器204A可在0.5度的偏转光或根本不偏转的光之间切换，并且视图多路复用器204B可在0.25度的偏转光或根本不偏转的光之间切换。视图多路复用器204A-B以120Hz的速率切换，并且视图多路复用器204B以半个时钟周期的延迟跟随视图多路复用器204A，如时序图400所示。

像素216A-F具有240Hz的刷新速率。最初在时序图400中，视图多路复用器204A-B都关闭，即不偏转光，并且像素216A针对单个刷新周期显示视图N的像素。如果观看者10的眼睛通过掩模214和透镜体202A与像素216A对准，则该眼睛将在位置216A1(图11)看到像素216A的视图N，并且视图N的像素将呈现为占据透镜体202A的整个宽度(图2)。当像素216A显示其他视图的像素时，视图多路复用器204A-B的偏转导致眼睛看到平坦的黑色掩模214。然而，视觉暂留使观看者10继续在位置216A1(图11)看到四(4)个240Hz周期的视图N的像素。

在下一个240Hz周期(图4)中，视图多路复用器204A切换至打开。视图多路复用器204A-B的累积偏转为0.5度，且像素216A呈现为处于位置216A3(图11)，并且针对单个刷新周期显示视图N+2的像素(图4)。如果观看者10的眼睛通过掩模214和透镜体202A与像素216A离对准相差0.5度，则该眼睛将看到像素216A的视图N+2，并且视图N+2的像素将呈现为占据透镜体202A的整个宽度。如上所述，掩模214和视觉暂留使得观看者10继续在位置216A3(图11)看到四个(4)240Hz周期的视图N+2的像素。

在下一个240Hz周期(图4)中，视图多路复用器204B切换至打开。视图多路复用器204A-B的累积偏转为0.75度，而且像素216A呈现为处于位置216A4(图11)，并且针对单个刷新周期显示视图N+3的像素(图4)。如果观看者10的眼睛通过掩模214和透镜体202A与像素216A离对准相差0.75度，则该眼睛将看到像素216A的视图N+3，并且视图N+3的像素将呈现为占据透镜体202A的整个宽度。如上所述，掩模214和视觉暂留使得观看者10继续在位置216A4(图11)看到四个(4)240Hz周期的视图N+3的像素。

在下一个240Hz周期(图4)中，视图多路复用器204A切换至关闭。视图多路复用器204A-B的累积偏转为0.25度，且像素216A呈现为处于位置216A2(图11)，并且针对单个刷新周期显示视图N+1的像素(图4)。如果观看者10的眼睛通过掩模214和透镜体202A与像素216A离对准相差0.25度，则该眼睛将看到像素216A的视图N+1，并且视图N+1的像素将呈现为占据透镜体202A的整个宽度。如上所述，掩模214和视觉暂留使得观看者10继续在位置216A2(图11)看到四个(4)240Hz周期的视图N+1的像素。

在下一个240Hz周期(图4)中，视图多路复用器204B切换至关闭。视图多路复用器204A-B的累积偏转是0度，并且像素216A再次显示视图N的像素，并且针对单个刷新周期呈现为处于位置216A1(图11)。并且，时序图400(图4)的四(4)周期模式重复。

因此，视图多路复用器204A-B时间多路复用像素216A-F，使得每个像素可以显示自由立体显示器100的四(4)个不同视图的像素。应当理解，在没有透镜体202A-C的情况下，像素216A对于人类观看者将呈现为在位置216A1(图11)、216A2、216A3和216A4处的四(4)个不同的像素。因此，在没有透镜阵列或其它视图选择器的情况下，视图多路复用器204A-B使显示器具有比显示器的物理分辨率密集得多的可见分辨率。

还应当理解，存在透镜阵列的替代选择，以确保人类观看者仅看到自由立体图像的多个视图中的一个。例如，可以使用视差屏障。此外，使用激光器而不是LCD或LED作为光源允许由特定像素显示的各个视图仅在激光器的光所指向的位置处可见。

如图2所示，自由立体显示器100包括透镜阵列的多个透镜202A-C。在该说明性的实施例中，透镜体202A-C被设计成以在由Dr.Richard A.Muller在2010年10月8日提交的题为“Improved Perceived Image Depth for Autostereoscopic Displays”的共同未决美国专利申请12/901,478中描述的方式提供相对平坦的场。使由于像场弯曲导致的透镜体聚焦误差最小化的其它方法将在下文中描述。

在该说明性的实施例中，视图多路复用器204A-B紧接在透镜体的后面。下面结合图3更详细地描述视图多路复用器204A-B。在视图多路复用器204A-B之后是透明材料，例如塑料、玻璃或诸如空气的气体的层206、偏振器208和透明材料的第二层210。

在层210的后面是滤色器212A-F的阵列，每个滤色器将红色，绿色或蓝色色调赋予像素216A-F中相应的一个像素。像素216A-F是垂直像素，如由Dr.Richard A.Muller在2010年8月25日提交的题为“Improved Resolution for Autostereoscopic Video Displays”的共同未决美国专利申请12/868,038中所描述的。

掩模214位于滤色器212A-F和像素216A-F之间，并将像素216A-F的感知宽度限制为其实际宽度的四分之一，通过视图多路复用器204A-B的操作，由于光的偏转，在视在像素的像素216A-F之间留下暗区。在该说明性的实施例中，透镜体202A-C的焦点视场大约位于掩模214处。

像素216A-F紧邻掩模214之后定位。像素216A-F中的每一个是单独的、独立控制的LCD子像素，具有其专属的独立控制的显示强度。每个像素216A-F的颜色由滤色器212A-F中相应的一个控制。在像素216A-F后面的是透明材料的另一层218和偏振器220。在偏振器220后面是光源(未示出)，如在常规LCD显示器中典型的那种光源。偏振器208和220类似于在常规LCD显示器中使用的偏振器。

在图3中更详细地示出了视图多路复用器204A。除非另有说明，视图多路复用器204B直接类似于视图多路复用器204A，并且以下描述也适用于视图多路复用器204B。

视图多路复用器204A(图3)从上方以横截面图示出，并且包括例如液晶的双折射材料的三棱柱304A-C。三棱柱304A-C位于透明塑料或玻璃的层302和透明塑料或玻璃的开槽层306之间，在其中制造三角形凹槽从而为三棱柱304A-C提供空间。

在层306的后面是位于电极层308和312之间的液晶的切换层310。通过选择性地向电极层308和312施加电荷，可以切换通过切换层310的光的偏振，例如在相对于三棱柱304A-C中的双折射材料为平行和垂直取向之间的切换。

选择双折射材料、其在制造时设置的取向以及三棱柱304A-C的尺寸和形状以提供具有切换层310的一个偏振取向的光偏转的一个量，以及具有切换层310的另一个偏振取向的偏转的不同的量。实际上，三棱柱304A-C中的双折射材料是棱镜，其光偏转程度根据切换层310的状态而变化。

在该说明性的实施例中，双折射材料被选择为具有基本上等于层302和306的透明材料的折射率的一个折射率，并且因此对于切换层310的一个偏转取向，不提供光的偏转，如箭头314A所示。实际上，三棱柱304A-C的棱镜消失到层302和306中，并且三棱柱304A-C和层302和306看起来是透明材料的单个的平坦的层。然而，应当理解，棱镜不必提供零度的偏转以有效地消失到层302和306中。只要棱镜是可控制的以提供至少两个不同的偏转角中的一个，则可以使得像素216A出现在至少两个不同的、可能重叠的位置中的一个中，并且因此用于像素216A的时间多路复用的目的。

对于本说明性的实施例中的切换层310的另一偏振取向，选择双折射材料、其在制造时设置的取向以及视图多路复用器204A中的三棱柱304A-C的大小和形状，以将光偏转0.5度，如箭头314B所示，并且选择双折射材料、其在制造时的取向以及视图多路复用器204B中的三棱柱304A-C的尺寸和形状，以将光偏转0.25度。实际上，具有该偏振取向的双折射材料的不同的折射率和三棱柱304A-C的尺寸是被设计为以预定的期望角度反射光的棱镜，例如在该说明性的实施例中的视图多路复用器204A中的0.5度和视图多路复用器中204B的0.25度。

如上所述，自由立体显示器100包括多个透镜体202A-C，其被设计成以'478申请中记载的方式提供相对平坦的场。图5和图6示出了用于减少由于常规透镜体的象场弯曲引起的自由立体图像劣化的另一种方法。

观看者10(图5)正在从不同视角观看由自由立体显示器100B显示的自由立体图像。自由立体显示器100B是自由立体显示器100的替代实施例，并且直接类似于自由立体显示器100，除了本文另有描述的内容。自由立体显示器100B不包括弯月面圆柱体透镜体，而是包括更常规设计的透镜体，其具有凸起的近侧表面和平坦的远侧表面。

自由立体图像以非常好的聚焦被最佳地观看。在自由立体显示器100B的情况下，聚焦目标是掩模214B。然而，由于某些透镜体的象场弯曲，显著地偏离直接垂直于自由立体显示器100B的视角倾向于失焦。该象场弯曲由曲线502示出，该曲线502表示在各个透视角度下的透镜体的焦点的轨迹。为了减少在视角的较宽范围上的焦点损失，自由立体显示器100B的透镜阵列被聚焦在掩模214B的稍微后侧，以沿曲线504提供焦点的轨迹。

在图6中，自由立体显示器100B的一部分被放大。曲线502和504被放大以示出其中的聚焦误差。

曲线502表示在典型的常规自由立体显示器中,由透镜体提供的焦点的轨迹。曲线502示出对于直向的视角，即，垂直于自由立体显示器100B的非常好的聚焦，即接近零聚焦误差。在更宽的视角，曲线502示出了显著的聚焦误差602。

在该说明性的实施例中，自由立体显示器100B的透镜体被设计成在直向视角上聚焦在掩膜214B的后面。如图7所示，曲线504在掩模214B后面一定的量，从接近垂直于掩模214的观看视角来看，自由立体显示器100B的透镜体的焦点被模糊了宽度702，该宽度702仅仅是掩模214B中的间隙的宽度。这种有限的模糊不影响由观看者10感知的自由立体图像的准确性，因为通过每个透镜体，除了预期的像素以外，没有其他像素对观看者10是可见的。因此，在接近垂直视角处可见的聚焦误差604(图6)足够小而不影响观看者10的焦点的感知。

在更宽的观看视角，曲线504与掩模214B相交以提供非常好的聚焦，仍然几乎等于观看者10在接近垂直的视角所感知的程度，并且在更宽的观看视角开始模糊，如曲线504位于掩模214B的前面时。由观看者10感知的视图的质量在这些较宽的观看视角下被保持直到聚焦误差606，超过该聚焦误差606，模糊量超过掩模214B中的间隙的宽度。

在一些实施例中，保持不比掩模214B中的间隙更宽的聚焦误差可能允许在观看视角的更宽的角度存在不可接受的大聚焦误差。通常，通过确定针对期望质量的视角范围上的模糊宽度，并选择透镜和焦点的轨迹，其模糊宽度在该视角范围内最小化，来实现最佳结果。

结果是焦点的轨迹由曲线504表示的透镜体提供了比常规透镜体的可接受视角的更宽范围。

如上文简要描述的，单视图多路复用器804(在图8中的横截面视图中示出)可以扫过一定范围的偏转角，以从单个像素提供多个视图。

视图多路复用器804包括其折射率可由例如电场控制的材料的三棱柱808A-C。这种材料的实例是液晶。三棱柱808A-C位于透明塑料或玻璃的层606和透明塑料或玻璃的开槽层810之间，在其中制造三角形凹槽从而为三棱柱808A-C提供空间。

在层806的前面是电极层802。在层810的后面是电极层812。通过选择性地将电荷施加到电极层802和812，可以改变三棱柱808A-C中的材料的折射率。

选择三棱柱808A-C内的材料、其在制造时设定的取向以及三棱柱808A-C的尺寸和形状，以提供跨过电场范围的期望的偏转范围，该电场可跨过电极层802和812产生。实际上，三棱柱808A-C中的材料是棱镜，其光偏转程度根据电极层802和812之间的电场而变化。

在该说明性的实施例中，偏转的期望范围是0.0-2.0度，三棱柱808A-C内的材料具有从层806和810的折射率变化到比层806和810的折射率高0.1的折射率，并且三棱柱808A-C为具有角816是20度的直角三角形的横截面。

时序图900(图9)图示了使用视图多路复用器804的像素216A的时间多路复用。时序图900示出了电极层802和812之间的电场、视图多路复用器804的对应偏转角以及由像素216A显示的各个视图。由视图多路复用器804提供的偏转角度扫过预定范围，例如0-2.0度。像素216A以同步方式显示视图N到N+3的像素，使得视图多路复用器804扫过偏转角0.0-0.5度的同时，像素216A显示视图N的像素，视图多路复用器804扫描通过偏转角0.5-1.0度的同时，显示视图N+1的像素，视图多路复用器804扫描通过偏转角1.0-1.5度的同时，显示视图N+2的像素，并且视图多路复用器804扫过偏转角1.5-2.0度的同时，显示视图N+3的像素，其后视图多路复用器804返回以提供0度的偏转，并且像素216A显示视图N的下一帧的像素。

应当理解，虽然像素216A被示出为仅时间多路复用四(4)个视图，但是像素216A可以时间多路复用更多视图，这仅受到相对于期望帧速率的像素216A的切换速率的限制。在使用一个或多个LED，例如，在非常大的标志中实现像素216A的实施例中，像素216A可以比LCD像素更快地切换，并且可以时间多路复用更多的视图。例如，一些LED可以以2.0M Hz的频率切换。因此，单个LED(或红色，绿色和蓝色LED的群集)可以提供单个像素的300个或更多个视图，仅受到透镜体202A-C的光学质量、偏转角度的范围以及视图多路复用器804的切换速度的限制。

时序图1000(图10)示出了视图多路复用器804可对由像素216A所展示的多个视图的像素进行时间多路复用的替代方式。一旦视图多路复用器804扫过偏转角的一个范围，例如，0-2.0度，则视图多路复用器804在相反方向上往回扫过该范围，例如，从2.0度到0度。以同步方式，一旦像素216A切换通过视图N、N+1、N+2和N+3的像素，则像素216A以相反顺序，即切换通过视图N+3、N+2、N+1和N的随后的帧的像素。

应当理解，视图多路复用器804可以以其它方式循环通过偏转角，包括阶梯式图案。此外，视图多路复用器804的多个实例可以堆叠，例如视图多路复用器204A-B(图2)，以提供更大范围的累积偏转角。

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