自由立體顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種三維顯示裝置，包括：背光，從可切換的孔縫發(fā)出光，該光經(jīng)過偏振；至少一個帶有多個像素的光調(diào)制面板，能夠被設(shè)為改變所述光的偏振；偏振器，使有限偏振范圍內(nèi)的光透過；其中每個光調(diào)制面板能夠改變所述偏振，使得經(jīng)所述偏振器通過的光既能夠增加也能夠減小，而無關(guān)于經(jīng)過該面板之前的光的偏振；并且其中所述孔縫的切換與所述至少一個光調(diào)制面板上的所述像素的切換同步。
【專利說明】自由立體顯示系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維顯示系統(tǒng)，還被稱為一種自由立體顯示裝置或一種光場顯示
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術(shù)】
[0002]使觀察者用每只眼睛看見一個場景的不同透視圖是一種用于創(chuàng)建3D圖像的十分完善的方法。一種行之有效的手段是在屏幕上顯示兩個經(jīng)過不同偏振的圖像，并且對于觀察者要在每只眼睛上佩戴對應(yīng)的偏振濾鏡。
[0003]可使用孔縫(aperture)或狹縫(slit)陣列與二維(2D)顯示器結(jié)合顯示3D圖像來實施自由立體顯示器或三維(3D)顯示器。該設(shè)備的原理在于，當通過狹縫陣列(該狹縫陣列與屏幕間隔開一距離)看2D圖像時，則觀察者每只眼睛看到該2D圖像的不同部分。如果在2D顯示器上渲染并顯示適當?shù)膱D像，則能夠向觀察者的每只眼睛顯示不同的透視圖像而無需他們在每只眼睛上佩戴濾鏡。
[0004]自由立體顯示在圖像獲取和呈現(xiàn)方面提供了額外的挑戰(zhàn)和機遇。本發(fā)明致力于其中的一部分。
【具體實施方式】
[0005]如上所述，可使用掃描孔縫陣列2連同2D顯示器4 一起來實現(xiàn)自由立體顯示器，例如如圖1所示。在基本實施中，孔縫陣列2的孔縫6可為狹縫，但它們可以是任意形狀?？卓p陣列2可位于2D顯示器4和觀察者(數(shù)字8表示觀察線、觀察面或觀察空間)之間?？卓p陣列2還可如圖1中所示位于2D顯示器4后方。這種情況下，要么在孔縫陣列2后面有一均勻光源10，要么孔縫6自身可為光源10，以穿過孔縫表面的所有方向發(fā)出光。在后一種情形中，只有在某一時間點處打開的孔縫或多個孔縫6會發(fā)出光?？卓p陣列2可被實施為使用LED或OLED或其他一些光源的掃描背光。在這一系統(tǒng)的一種實施中，所述掃描背光孔縫陣列2可為在所有角度發(fā)出均勻光的白光源。所發(fā)出的光還可在孔縫的表面上是均勻的。在另一種實施中，所述背光孔縫陣列2可具有方向特性，使得其僅為一個或數(shù)個觀察角度范圍提供光。這還可與頭部跟蹤結(jié)合，從而使光的方向朝著定位到觀察者的觀察方向?？卓p光源可具有打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)或者可具有除簡單的打開和關(guān)閉之外的其他值。
[0006]2D顯示器4可為液晶顯示器(IXD)或其他透射顯示器。這種自由立體顯示器配置的一個問題在于其需要2D顯示器非常高的切換速度，以便提供良好的深度特性和大角度的連續(xù)視差。并且，在傳統(tǒng)的2D IXD顯示器中，為了提供紅、綠和藍色的子像素(這是典型配置，但也可使用其他的基 色)，會有顏色濾鏡。在圖1所述的自由立體顯示器配置中，這會造成高觀察角度處看到的像素對齊問題，其中所述子像素及其關(guān)聯(lián)的顏色濾鏡并未與視線對齊。進一步，紅、綠和藍色子像素對于不同的觀察方向會具有不同的相對強度，這會使色彩再現(xiàn)劣化，如果孔縫6是使用單獨的紅、綠和藍基色光源的掃描背光則尤其如此。在這種情況下，可實施不帶顏色濾鏡的2D顯示器并且時序性地顯示每種基色。然而，這需要2D顯示器更高的切換速度。衍射和散射效應(yīng)也會影響性能。
[0007]圖2顯示一替代配置，其中所述2D顯示器包括一個以上的2D顯示器。在該示例中具有三個2D顯示器4a、4b、4c，每個用于一種特定基色。例如，顯示器I (4a)可為這樣的LCD，其每個像素的取值范圍能夠位于對所有顏色完全透明和僅完全阻隔紅色光(且保持在所有狀態(tài)中對所有其他顏色完全透明)之間，而顯示器2 (4b)具有同樣的特性只是其能夠僅阻隔藍色光，且顯示器3 (4c)僅阻隔綠色光。所述掃描孔縫光源6也可由結(jié)合有三個光頻帶的白色光源組成，所述三個光頻帶(在該示例中為紅、綠和藍)能夠由每個顯示器I至3來阻隔。所述掃描孔縫光源還可具有對應(yīng)每個所述頻帶實體隔開的多個光源。所述光源(多個)和顯示器可匹配為使得該光源不發(fā)出組合的顯示器4a、4b、4c無法阻隔的任何可見光頻率。
[0008]另一示例可以是具有六個顯示器，其中紅、綠和藍色頻帶每個都分成兩個。這樣會有一個顯示器僅阻隔高頻藍色而一個顯示器僅阻隔低頻藍色。類似地，紅色和綠色會具有用于低頻帶和高頻帶的不同顯示器。
[0009]另一示例可以是具有兩個顯示器，其中每個顯示器能夠阻隔不同偏振的光。
[0010]另一示例在圖3中說明。仍存在孔縫光源310。其可被設(shè)計為送出例如O度的偏振光，或者可在孔縫光源和包括一個或多個顯示器320的顯示器4之間存在其能夠改變光特性的偏振器。在該示例中，使用的是液晶面板，但可使用具有適當特性的任意光調(diào)制設(shè)備。在圖3的示例中，有兩個液晶面板LCl (320a)和LC2 (320b)，例如為扭轉(zhuǎn)向列盒(twistednematic cell)。應(yīng)當說明的是，同樣可使用具有使用不同于扭轉(zhuǎn)向列盒的其他技術(shù)的期望偏振操控特性的液晶盒。注意到以下的示例使用了術(shù)語扭轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)角度，這里另一種表達方式可以是使用術(shù)語偏振旋轉(zhuǎn)和X度的偏振旋轉(zhuǎn)。偏振器330被設(shè)置用以使經(jīng)最后的液晶面板320b通過的光偏振。偏振器330起到類似濾鏡的作用，根據(jù)經(jīng)最后的液晶面板通過的光的偏振來限制到達觀察者的光。
[0011]第一面板LCl (320a)在關(guān)斷狀態(tài)下具有O扭轉(zhuǎn)以及在全開狀態(tài)(電壓Von)下具有90度負扭轉(zhuǎn)(逆時針)。第二面板LC2 (320b)在關(guān)斷狀態(tài)下具有O扭轉(zhuǎn)以及在全開狀態(tài)(電壓Von)下具有180度正扭轉(zhuǎn)(順時針)。兩個面板都能夠在施加Voff與Von之間的電壓V時提供中間的扭轉(zhuǎn)值。注意到在該示例中使用了 O的關(guān)斷電壓，但其也可以是另一電壓Voff。全開狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)可使用上述示例以外的不同值。它們可以被設(shè)置為使得:
[0012]a)第一面板LCl能夠提供這樣的輸出，其根據(jù)所施加的電壓能夠提供與偏振器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能夠提供這樣的輸出，其根據(jù)所施加的電壓能夠不考慮進入面板LC2之前的光的偏振而提供與偏振器330的偏振平行或垂直的偏振。光在LC2之前可能的偏振狀態(tài)取決于LCl的特性。
[0014]c)該方法不限于兩個面板?？墒褂萌我鈹?shù)目的面板。從而每個面板能夠不考慮進入該面板之前的光的偏振而提供與偏振器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之后則可提供O到180度之間的負扭轉(zhuǎn)。每個面板可由兩個或更多的子面板組成，這些子面板一起工作以提供必要的特性。
[0015]現(xiàn)在將參照示例光線LI來說明所述操作。該光線LI以O(shè)度偏振離開孔縫光源310的孔縫A3。[0016]情況1:LC1上的像素P3被設(shè)為0，所以光在LC2之前仍為O度。^:2上的像素卩’3現(xiàn)在可被設(shè)為提供O度扭轉(zhuǎn)，在該情況下所有的光將被偏振器330阻隔并且輸出將為黑色。如果代之以將P’3設(shè)為低于Von的值以提供正90度扭轉(zhuǎn)，則所有光都將經(jīng)偏振器330通過且輸出將為全部強度。P’ 3還可被設(shè)為Von且提供180度扭轉(zhuǎn)，這又可意味著所有光都被偏振器330阻隔。
[0017]情況2 =LCl上的像素P3被設(shè)為Von，且所述光線在LC2之前將具有_90度扭轉(zhuǎn)，如果P’ 3被設(shè)為O則光在LC2上的P’ 3之后仍將具有-90度扭轉(zhuǎn)，且所有光都將經(jīng)偏振器330通過，以及輸出將為全部強度。如果代之以將P’3設(shè)為低于Von的值以提供正90度扭轉(zhuǎn)，則輸出光將處于O度，在該情況下所有光都將被偏振器330阻隔。
[0018]情況3:LC上的像素P3被設(shè)為Vn，從而使得所述光線在LC2之前將具有-N度扭轉(zhuǎn)(0〈N〈90)。LC2上的像素P’3現(xiàn)在可被設(shè)為Vn’以提供+N度扭轉(zhuǎn)，從而使得來自LC2的輸出為O度扭轉(zhuǎn)，且光將被偏振器330阻隔。像素P’ 3還可被設(shè)為Vm’以提供+M度扭轉(zhuǎn)(0〈M〈180)。如果M=N+90，則光在LC2上的P’ 3之后將具有90度扭轉(zhuǎn)，且所有光都將經(jīng)偏振器330通過，以及輸出將為全部強度。
[0019]從以上三種情況示出，與P3的狀態(tài)無關(guān)，P’3能夠改變偏振以提供所有輸出狀態(tài)。換言之，有許多種P3和P’3的狀態(tài)組合能夠提供相同的輸出狀態(tài)。這里應(yīng)當提到，LCl還可被設(shè)計為能夠提供更高的負扭轉(zhuǎn)，例如180度，在這種情況下甚至還可有更多種狀態(tài)組合。
[0020]圖4和圖5解釋了這樣如何能夠改善自由立體顯示系統(tǒng)。首先考慮如圖4中所示的單面板系統(tǒng)。這里觀察線被限制為使得觀察者通過顯示器4上的每個像素400僅看到一個亮著的孔縫6 (在該討論中忽略觀察線邊緣處的邊界效應(yīng))。該示例使用了觀察線8，但其還可以是面或空間。
[0021]如果觀察線8如圖5所示增長，則不再是這樣的情況。這里，對于顯示器4上的每個像素400，始終有這樣一個位置:在該處通過像素400看到一個亮著的孔縫6 ;且有另一個位置:在該處通過同一像素看到第二個亮著的孔縫。對于包括單面板的顯示器4而言這是一個問題，因為一個像素僅能取一個值，且該值對于每個亮著的孔縫應(yīng)當是獨立的。這就是為什么包括一個顯示面板的顯示器將觀察線限制為圖4中那樣的原因。然而，如果使用兩個面板帶有圖3中說明的特性，則能夠在亮著的孔縫之間距離固定的情況下加寬觀察線(還可以選擇保持相同的觀察線而使亮著的孔縫之間的距離更小)。
[0022]圖6說明了這樣是如何工作的。該圖顯示了由觀察者在觀察線8看到的且取決于LC2上像素P’N狀態(tài)的所有光矢量。這些矢量可通過考慮系統(tǒng)的幾何形狀來確定。例如:
[0023]1.首先繪示經(jīng)亮著的孔縫、像素P’ N和觀察線通過的矢量。如此得到矢量V2和V4。然后這些矢量經(jīng)LCl上的兩個像素(PN+1和PN-1)通過。
[0024]2.然后繪示經(jīng)過亮著的孔縫、所述兩個像素其中之一和觀察線的矢量。匹配這一標準的唯一矢量為經(jīng)LC2上的像素P’ N-2通過的VI。
[0025]3.然后繪示經(jīng)過亮著的孔縫、像素P’ N-2和觀察線的矢量。除Vl之外，僅有V3匹配這一標準且其經(jīng)過LCl上的像素PN-3。
[0026]4.然后繪示經(jīng)過亮著的孔縫、像素PN-3和觀察線的矢量。沒有額外的矢量匹配這一標準(V3是在前一步驟中得到)。
[0027]基于顯 示的場景，每個矢量應(yīng)當具有將被稱為V1、V2、V3和V4的值?，F(xiàn)在可建立等式以限定每個像素應(yīng)取的狀態(tài):
[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，所以將能夠為每個像素設(shè)置多個狀態(tài)以提供正確的輸出值。下面的表格顯示對于矢量的輸出值示例，并顯示如何通過表達為扭轉(zhuǎn)的像素值來實現(xiàn):
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種三維顯示裝置，包括: 背光，從可切換的孔縫發(fā)出光，該光經(jīng)過偏振； 至少一個帶有多個像素的光調(diào)制面板，能夠被設(shè)為改變所述光的偏振； 偏振器，使有限偏振范圍內(nèi)的光透過； 其中每個光調(diào)制面板能夠改變所述偏振，使得經(jīng)所述偏振器通過的光既能夠增加也能夠減小，而無關(guān)于經(jīng)過該面板之前的光的偏振；并且其中所述孔縫的切換與所述至少一個光調(diào)制面板上的所述像素的切換同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光調(diào)制面板為液晶顯示器。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述帶有孔縫的背光為LED或OLED顯示器。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述光調(diào)制面板上像素的狀態(tài)根據(jù)一角度而改變，通過該角度觀察者將經(jīng)該像素看到亮著的孔縫。
5.一種自由立體顯示裝置或光場顯示裝置，包括: 背光，包括多個孔縫，其中每個孔縫能夠在發(fā)出不同特性的光之間切換； 至少一個包括多個像素的光調(diào)制面板，能夠改變進入該面板的光的特性，使得所得到的用于觀察者的光強度能夠基于該光調(diào)制面板的狀態(tài)而與沒有光調(diào)制面板時感知到的強度相比既能增大和也能減小； 對所述背光孔縫和所述至少一個光調(diào)制面板的切換是同步的。
【文檔編號】H04N13/04GK103918256SQ201280035504
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】拉斯·湯瑪斯·克里斯蒂安·埃里克森, 克里斯蒂安·尼古拉·莫勒 申請人:塞特雷德股份公司