CN101218833B - 自由立体显示装置 - Google Patents

Abstract

将包括显示设备(301)的2D/3D自由立体显示装置配置来显示图像。显示设备(301)包括多个像素(304、305)。该多个像素包括至少第一个像素组和至少第二个像素组，第一个像素组配置为发射具有第一种极化状态的光，第二个像素组配置为发射具有第二种极化状态的光。该装置还包括透镜模块，该透镜模块包括双折射透镜元件(307、317)阵列，其配置为对所述像素组中至少一个像素组的光输出进行导向，使得在互相不同的方向中发射所述像素组各自的光输出(314、315)，从而使能对所显示图像的立体感知。可以同时显示2D和3D区域。可切换的双折射透镜元件提供了可切换的2D/3D显示。

Description

自由立体显示装置

技术领域

本发明涉及包括图像显示设备和透镜装置的自由立体显示装置。

背景技术

三维成像是当今众所周知的技术。然而，传统地，它是立体图像的形式出现的，用户必须具有某种类型的光学控制设备，尤其是为了获得三维效果而提供分离光传输的眼镜。

更新的发展是能够构造具有内在3D能力而不需要用户携带额外装备的显示器。这种技术是自由立体。

自由立体是基于将从二维显示器像素阵列发射出的光导向不同方向的技术。不同方向的光导致轻微的角度不同，而人类的眼睛是稍微分离的，这就使得将图像感知为具有三维。自由立体技术的一个例子是视差栅栏。视差栅栏通过交替透射区域和不透明区域的方式造成光方向分离，诸如通过由黑暗区域散置的狭缝或亮条造成光方向分离。自由立体技术的另一个例子是在显示设备之前使用透镜。在国际专利申请WO 98/21620中描述了这种设备的一个例子。

国际专利申请WO 98/21620公开了在显示设备输出侧的透镜元件阵列。观看者的各个眼睛通过透镜元件看到构成一个或多个立体对的不同像素组。透镜元件包括电光材料，其具有为了使得能够去除透镜元件的折射影响而可切换的折射率。

然而，WO 98/21620中所公开的解决方案具有有限的能力来产生几个3D窗，而显示器的剩余部分是2D模式。用于此的被动矩阵寻址仅可以创建有限数目个3D窗，这是由于透镜的小的寻址窗造成的。特别地，例如，对于具有期望产生3D图标的窗环境的计算机显示器，这成为缺点。

本发明的目标是克服现有技术解决方案的缺点，并且提供2D/3D可切换显示器，该2D/3D可切换显示器造价更低廉并且允许同时显示任意数目个2D和3D区域。

发明内容

根据本发明，提供了包括被配置为显示图像的显示设备在内的自由立体显示装置，所述显示设备包括多个像素。该多个像素包括至少第一个像素组和至少第二个像素组，将第一个像素组配置为发射具有第一个极化状态的光，将第二个像素组配置为发射具有第二个极化状态的光。该装置还包括透镜模块，该透镜模块包括双折射透镜元件阵列，该双折射透镜元件配置为对至少一个所述像素组的光输出进行导向，使得所述像素组的各自光输出在互相不同的方向上发射，从而能够对所显示的图像进行立体感知。

这样，将所述显示器装置的像素组配置为分别发送具有固定的第一个和第二个极化状态的光。随后，诸如双折射透镜的光学模块改变具有一个极化状态的光的方向，而保留具有另一个极化状态的光的方向不改变。

优选地，光是线性极化的，并且同样优选地，两个状态的极化方向是正交的。

根据本发明的一个实施例，双折射透镜元件可以在第一个状态和第二个状态之间切换，在第一个状态中，提供透镜模块的光输出导向动作，并且在第二个状态中，去除光输出导向动作。以这种方式，可以在2D模式和3D模式两种模式中使用显示器，具有任意数目的三维窗口和提高分辨率的完全二维。

优选地，透镜模块包括电光材料，该电光材料具有可以通过选择性地施加在第一个差值和第二个差值中的一个电位差而切换的折射率，在第一个差值中，提供透镜模块的光输出导向动作，在第二个差值中，去除光输出导向动作。

在本发明的另一个实施例中，可以对显示装置进行配置，使得分别根据之前所规定的第一个和第二个极化状态来配置矩阵中针对任何N行的X行数目。在特定实施例中，数目X可以是0或N，导致完全的二维或三维图像。将显示装置配置为使得像素组构成方格式模式，这也是可行的。

另外，在本发明的一个实施例中，将透镜模块的透镜元件以相对于像素矩阵列方向倾斜的角度定向。这将去除观看者所感知到的任何不期望的波纹(moiré effect)效应。

换言之，本发明使用了连续子像素具有不同极化状态的显示器。例如，从显示器的偶数行离开子像素的光可以是在垂直方向上线性极化的，而从显示器的奇数行离开子像素的光可以是在水平方向上线性极化的。结合对在水平方向上线性极化的光进行折射的双折射透镜，该排列使得光能够导向两个不同的方向，并且因此，使得观察者能够观看到三维图像的生成。更具体地，当光通过透镜模块时，将仅对来自奇数行子像素的光进行折射，而保留来自偶数行子像素的光不改变。

因此，该配置的优点是能够实现以下配置的能力：例如，所述配置使得奇数行中的第一个子像素集创建3D图像，而使用第二个子像素集创建2D图像。在下文中，术语2D和3D将分别对应于二维和三维。

采用所描述的配置，创建局部2D/3D可切换显示器。通过选择子像素，可能选择显示的模式，并且因此，可以同时产生任意数目的2D和3D窗口。

例如，将可能显示同时包括2D文本和3D图像的文档。

此外，可以取决于应用分别对用于2D和3D模式的子像素的数目进行调整。例如，对于N视点的多视点显示器，为了在2D部分和3D部分的每个视点中得到相等的分辨率，可以针对每N行3D子像素使用单独一行2D子像素。

附图说明

现在，参考附图，将仅通过举例的方式对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1根据本发明示意性示出了自由立体显示装置的方框图；

图2根据本发明示意性示出了显示装置各层的一个实施例的透视图；

图3根据本发明示意性示出了双折射透镜模块的横截面；

图4a和4b根据本发明的一个实施例示意性示出了可切换透镜的横截面；

图5根据本发明的一个实施例示意性示出了像素矩阵。

具体实施方式

图1示意性地说明了在其中实现本发明的自由立体显示装置101。装置101能够处理信号以生成图像。装置101包括处理器102、存储器103、显示设备104、控制单元105、以及用于从诸如计算机的外部单元(未示出)接收信息信号的输入/输出单元106。对于本领域的技术人员来说，关于这些单元如何进行通信和操作的一般特征是已知的，并且因此不对其进行进一步讨论。

图2是根据本发明的显示设备200的示意图。显示设备200可以类似于图1中装置101内的显示设备104。显示设备104包括光源201、矩阵液晶显示器202和透镜模块203。透镜模块203包括用于对从液晶显示器202发射出的光进行折射的双折射透镜元件204。光源201照亮了包括以行和列矩阵排列的像素205的液晶显示器202。如本领域的技术人员将要意识到的，通过连接到液晶显示器202的控制模块在各个像素205中对来自照亮液晶显示器202的光源201的光进行调制。对于每个像素，已调制光的极化取向是在两个线性极化状态之一中。例如，这可以如在“Novel High Performance Transflective液晶Dwith a Patterned Retarder”，SJ.Roosendaal et al，page 78 e.v.SID Digest2003中所描述的那样实现。模式化阻滞膜(patterned retarder)允许在相邻子像素中创建两种不同的极化。可替换地，还可以使用模式化偏光器。这里的取向是水平和垂直极化。随后，来自每个像素205的光进入透镜元件204，其中，根据透镜元件中双折射材料的取向，光的方向发生变化或者保持不变。

图3示意性地说明了诸如上述显示设备104和200的显示设备301的小区域横截面。显示设备301包括光源302、具有多个像素的液晶显示器303，示出了该多个像素中的第一个像素304和第二个像素305。如观看者350所观看到的，将透镜模块306排列在显示器前面，并且透镜模块306包括透镜元件307和317。将透镜元件307和317排列在第一层玻璃板308和第二层玻璃板309之间。透镜元件307和317包括液晶材料310，并且将玻璃板308和309之间空间的剩余部分充满塑料材料311。从光源302发射出的光312穿过液晶显示器303的第一个像素304和第二个像素305，当在像素中对其进行调制时，光312发生极化，然后光312进入第一层玻璃板308并且分别继续通过透镜元件307和317。在透镜元件307中，第一个方向上的线性极化光被折射314。在透镜元件317中，第二个方向上的线性极化光不变315。

应该注意，双折射透镜元件不一定必然位于玻璃板之间。还可以对液晶进一步进行极化，以获得固态双折射透镜，或者透镜材料可以是拉伸塑料。

图4是包括显示模块420和透镜模块416的显示设备401更加详细的视图，显示设备401诸如上文结合图1至3所述的显示设备。图4a是在折射状态下的显示设备401的横截面，并且图4b是描述非折射状态的显示设备401的横截面。即，第一个和第二个横截面说明了透镜模块416的可切换性。显示设备401包括第一层玻璃板403和第二层玻璃板404，在其上分别排列了第一个传导层405和第二个传导层406。例如，传导层由铟锡氧化物(ITO)制成，并且各自位于玻璃板403和404的相对侧面上。将诸如聚酰亚胺(poly-mide)的第一个排列层407排列在第一个传导层405顶部。优选地，该第一个排列层407的配向(rubbing direction)对应于光419的极化方向，从作为3D子像素的显示设备420的子像素发射出光419。此外，具有塑料或任何其它合适材料的负透镜408位于玻璃板403和404之间。也具有诸如聚酰亚胺的材料的第二个排列层409位于透镜408朝向第一层玻璃板403的侧面，并且透镜408和第一层玻璃板403之间的空间充满液晶(LC)材料410。

第一个传导层405和第二个传导层406作为电极，在图4a中，没有在电极之间施加电压411，因此发生双折射透镜效果，如折射光束412所指示的，对在第一个方向极化的光419进行折射。因此，在没有将电压施加到透镜408上的情况下，通过使用第一个和第二个子像素组的合适构造，可以以二维和三维结合的模式使用显示设备401，其中，第一个和第二个子像素组具有各自的将参考图5所述的第一种和第二种极化状态。

在图4b中，将电压V₀413施加到电极之间，并且如未折射光波束414所指示的，消除了透镜408的双折射透镜效果，允许处于任何极化状态下的任何光有效穿过，因此获得了显示器在二维模式中的全分辨率。

将液晶材料410与排列层407和409进行恰当排列，液晶材料410造成双折射效果。当不施加电压时，与塑料透镜408的曲率一起，获得一种极化状态的透镜效果。然而，还可能有具有其它属性以及其它类型排列层的其它液晶材料，使得当施加电压时造成透镜效果，而不施加电压时消除该透镜效果。

优选地，透镜装置由在一个方向上伸展的PEN薄膜或者对于本领域的技术人员已知的任何其它合适的材料构成。

现在，将使用图5对根据实施例的液晶显示器内的像素矩阵500的子集进行说明，在该实施例中，将用于2D和3D模式的子像素的数目调整为一个特定的应用。将显示矩阵500分割成多个行501-509和多个列，其中，由510指示多个列中的一列。如上文已经讨论过的，可以使用这种显示矩阵500获得自由立体显示装置。为了在2D区域和3D区域的每个视点中得到相等的分辨率，可以针对每N行3D子像素使用一行2D子像素，以创建N视点的多视点显示器。特别地，在图5的设备中，示出了3视点***的像素布局，其中，使用3个连续子像素行501、502、503和506-508的行组与用于呈现2D信息的单独行504和509一起创建3D信息。

在另一个实施例中，在相对于子像素倾斜的角度上排列透镜。因此，减少了由透镜结构引起的任何波纹效应并且可以提高所感知到的图像质量。

在该文件中对在水平和垂直方向上线性极化的光的参考不应该是限制的，而是将其认为是正交极化状态的任何组合。

因此，总之，对自由立体显示装置进行了说明，其包括被配置为对图像进行显示的显示设备。显示设备包括多个像素。该多个像素包括至少第一个像素组和至少第二个像素组，其中，将第一个像素组配置为发射具有第一种极化状态的光，将第二个像素组配置为发射具有第二种极化状态的光。该装置还包括透镜模块，该透镜模块包括双折射透镜元件阵列，将其配置为对所述像素组中至少一个像素组的光输出进行导向，使得在互相不同的方向上发射所述像素组各自的光输出，从而使能对所显示图像的立体感知。

本领域的技术人员意识到，本发明绝不是要受限于上述的优选实施例。相反，在所附权利要求范围内的许多修改和变化是可能的。

Claims (9)

1.一种自由立体显示装置，包括配置为对图像进行显示的显示设备(104、200、301、401)，所述显示设备包括多个像素(205、304、305)，所述多个像素包括至少第一个像素组和至少第二个像素组，所述第一个像素组配置为发射具有第一种极化状态的光，其中所述光当在所述像素中调制时发生极化，所述第二个像素组配置为发射具有第二种极化状态的光，其中所述光当在所述像素中调制时发生极化，所述装置还包括透镜模块(203、306、416)，所述透镜模块(203、306、416)包括双折射透镜元件(307、317、408)阵列，其中，所述双折射透镜元件可以在第一种状态和第二种状态之间切换，在所述第一种状态中，提供了所述透镜模块的光输出导向动作，以改变具有第一种极化状态的光的方向，而保留具有第二种极化状态的光的方向不改变，在所述第二种状态中，去除了所述光输出导向动作，所述双折射透镜元件(307、317、408)配置为对所述至少第一个像素组的光输出进行导向以及保留所述至少第二个像素组的光输出的方向不改变，使得在互相不同的方向上发射所述像素组的各自光(314、315、412、414)输出，从而使能对所显示图像的立体感知并且同时产生2D窗口。

2.如权利要求1所述的自由立体显示装置，其中，所述极化状态是线性的。

3.如权利要求2所述的自由立体显示装置，其中，所述第一种和第二种极化状态是正交的。

4.如权利要求1至3中任一个所述的自由立体显示装置，其中，所述透镜模块包括电光材料，其具有可切换的折射率，该可切换的折射率是通过有选择地施加第一个电位差值和第二个电位差值中的一个电位差(411、413)而可切换的，在所述第一个电位差值中，提供了所述透镜模块的所述光输出导向动作，在所述第二个电位差值中，去除了所述光输出导向动作。

5.如权利要求1至3中任一个所述的自由立体显示装置，其中，将所述多个像素排列在行和列矩阵(500)中，并且其中，根据所述第一种和第二种极化状态分别配置所述矩阵中的针对任何N行的X行。

6.如权利要求5所述的自由立体显示装置，其中，X＝0，从而将所述显示器配置为仅产生二维或三维图像。

7.如权利要求5所述的自由立体显示装置，其中，所述像素组构成方格式模式。

8.如权利要求5所述的自由立体显示装置，其中，将所述透镜元件以相对于所述像素矩阵列方向倾斜的角度定向。

9.如权利要求1至3中任一个所述的自由立体显示装置，其中，所述透镜元件包括双折射PEN薄膜。

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