CN101305311B - 显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显示设备，该显示设备包括：显示配置，在整显示区域上具有输出强度的固有不均匀性；和光学衰减器配置(205，207)，位于显示配置的前面并与显示区域对准，其中，所述光学衰减器配置具有在整个显示区域变化的光衰减特性，并适于光学地降低所述输出强度的固有不均匀性。

Description

显示设备

技术领域

本发明涉及显示设备，具体涉及在显示设备的整个显示区域的输出强度中具有固有不均匀性的显示设备。更具体地但不排它地，本发明涉及降低固有的莫尔不均匀性和类莫尔不均匀性。

背景技术

莫尔是公知的当两个周期性的图案叠加时发生的自然干涉现象。典型地，在显示设备的整个显示区域上看到莫尔图案呈一系列波纹。莫尔图案降低了用户的整体观看体验。

通常在传统的阴极射线管显示设备中看到莫尔图案。在这种设备中，莫尔图案由矩形显像管阴罩图案和磷光图案之间的干涉而引起。典型地，这种莫尔图案作为静态图案被看到，而不取决于观看角度。

由于传统液晶显示设备的每个液晶单元作为显示区域的一个独立的像素运行，所以在传统液晶显示设备中通常很少看到莫尔图案。然而，有时由于背光的不均匀性会看到不均匀性图案。

莫尔图案或其它不均匀性图案可能成为被称作自动立体显示设备的某种三维液晶显示设备的大问题。

C.van Berkel等人在SPIE Proceedings、Vol.2653、1996、第32-39页发表的名称为“Multiview 3D-LCD”的论文中描述了自动立体显示设备。这种设备包括二维液晶显示面板，该二维液晶显示面板具有用作空间光调制器的显示像素的行和列阵列，从而产生显示。彼此平行延伸的细长双凸透镜元件的阵列覆盖显示像素阵列，并且通过这些双凸透镜元件观看显示像素。

双凸透镜元件被提供作为一个元件板，每个元件包括细长的半圆柱透镜元件。双凸透镜元件沿显示面板的列方向延伸，每个双凸透镜元件覆盖显示像素的两个或多个相邻列形成的各个组。

在一种配置中，例如，每个双凸透镜与两列显示像素关联，每列的显示像素提供各自二维子图像的垂直片段。双凸透镜板将所述两个片段和来自与其它双凸透镜关联的显示像素列的相应片段导引到位于板前面的用户的左眼和右眼，以便用户看到一个立体图像。

在另一配置中，每个双凸透镜与行方向的一组四个或多个相邻像素关联。适当地配置每组中的显示像素的相应列，以便提供来自各个二维子图像的垂直片段。随着用户的头从左向右移动，一系列连续的、不同的、立体的视图让人感觉产生了例如四处张望的印象。

在上述自动立体显示设备中，由不透明的图案化黑色掩罩覆盖液晶显示面板，该黑色掩罩具有防止光从各个像素泄漏到***区域的黑色掩罩部分。该掩罩以矩形栅格的形式覆盖在各个像素之间的区域。

透镜图案和像素图案被有效地叠加，并且由于这些图案之间的空间频率比引起了莫尔效应。在某一距离，将看到莫尔图案。

这些图案取决于观看的角度，并且看起来随用户从左到右观看显示设备而空间移动。有效地，图案具有运动视差，并且等同于位于距离显示设备的显示平面固定深度处的虚拟不均匀图案。

对于降低或消除在自动立体显示设备中由掩罩引起的类莫尔图案，已经提出了许多建议。例如，已经采用薄膜二极管技术代替更传统的薄膜晶体管技术来用于矩阵显示面板。薄膜二极管技术允许很窄的像素边界，从而使类莫尔图案最小化。

已经提出了在双凸透镜元件的相对锐角处提供像素列，以便可以从所有观看角度看到等量的掩罩。所提出的另一种方案是采用光学散射体，从而使莫尔图案的效应最小化。

用于降低自动立体显示设备中的莫尔效应的所有上述方法具有多个缺陷，典型地包括显示输出的深度和锐度的损失。

在WO2004/056103A1中，公开了一种LCD显示设备，该LCD显示设备使用与***中的不均匀性相逆的光学衰减器。在DE3910520A1中公开了类似的概念。

发明内容

本发明由独立权利要求定义。从属独立权利要求定义了有利的实施例。光学衰减器配置包括光衰减面板。作为优选，光衰减面板小于10mm厚，最好小于5mm厚。

在所述显示输出强度的不均匀性取决于观看的角度的情况下，虚拟不均匀图案具有在所述显示平面前面的位置，即，图案具有运动视差。光衰减面板在与所述虚拟不均匀图案的位置相应的位置处与所述显示平面分隔开。特别优选地，另一选择是光学衰减器配置包括在与所述虚拟不均匀图案的位置相应的位置处共同定义虚拟光衰减图案的多个光衰减面板。这种配置特别适合于虚拟不均匀图案具有在显示平面后面的位置的情况，并且该配置可以与显示配置集成，以便提供紧凑的显示设备。

该光学衰减器配置适于在显示区域的选择部分中衰减显示配置的输出，该衰减补偿了由显示配置的固有不均匀性提供的衰减。这样，可以提供具有固有均匀的整体输出强度的设备。

例如，该显示配置可以具有显示输出强度的固有不均匀性，其造成了在整个显示区域上亮度在等别100％和99％之间变化。随着光学衰减配置提供达到1％的衰减，显示设备在全部显示区域上的整体亮度级别是99％。

在本说明书的全文中，术语“固有不均匀性”是指不均匀性完全是显示配置的物理结构的函数。该术语不旨在与由于特殊显示数据或者由于显示数据和显示配置的结构之间的任何交换而造成的不均匀性相关。

作为优选，所述显示输出强度的固有不均匀性和光学衰减配置均具有周期性的特性，周期性特性在整个显示区域的一个方向上。例如，所述显示输出强度的不均匀性包括莫尔图案。

所述显示输出强度的不均匀性不取决于观看的角度。在这种情况下，光衰减面板可以与显示配置的输出直接相邻。这种类型的不均匀性的示例是由于液晶显示设备的不均匀背光和在阴极射线管显示设备的矩形显像管阴罩图案和磷光图案之间的莫尔干涉造成的。

优选地，所述多个光衰减面板位于距离显示平面100mm内。

在所述显示输出强度的不均匀性取决于观看角度的情况下，提供第一和第二光衰减面板，具有基本上分别定义余弦波和方波的光衰减特性。可以采用这种配置来形成远离所述显示平面定位的虚拟光衰减图案。所述第一光衰减面板正对着所述显示配置定位，而所述第二光衰减面板与第一光衰减面板间隔开。

在特别优选实施例中，第一光衰减面板沿x方向具有由以下方程定义的光衰减特性：

$P_1\left(x\right)=1-{\mathrm{\δ}}_{p1}(1+\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{p1}})$

其中P₁(x)是衰减特性，δ_p1衰减特性的幅度，和λ_P1是衰减特性的波长。

所述第二光衰减面板具有由方波定义的光衰减特性，所述方波具有占空比1-δ_P2和波长λ_P2。

每个光衰减面板可以包括多个叠加的光衰减图案，例如两个图案，光衰减图案一起产生莫尔图案用于消除显示输出的不均匀性。

所述显示配置包括液晶显示面板，所述液晶显示面板具有显示元件的行和列阵列。所述光衰减配置的光衰减特性的波长优选小于显示元件间距，并且优选大大小于显示元件间距。例如，波长可以小于显示元件间距的1/10。这样，还可以避免莫尔干涉。

本发明还提供一种自动立体显示设备，包括上述显示设备，其中，所述显示配置还包括透镜阵列，每个透镜与每行阵列的多个显示元件相关联。该透镜可以是双凸透镜。

根据本发明的另一方面，提供一种在显示设备上产生可观看图像的方法，该方法包括：提供在整个显示区域上具有输出强度的固有不均匀性的显示配置；在所述显示配置的显示区域上产生可观看的图像；和通过提供光学衰减器配置来光学地降低所述显示配置的输出强度的固有不均匀性，所述光学衰减器配置位于所述显示配置的前面，并与所述显示区域对准，其中所述光学衰减器配置具有在整个显示区域上变化的光衰减特性。

根据本发明的另一方面，提供一种光学衰减器配置，用于降低显示设备的输出强度的固有不均匀性，所述光学衰减器配置位于所述显示配置的前面并与显示区域对准，其中，所述光学衰减器配置具有在显示区域上变化的光衰减特性，并适于光学地降低所述输出强度的固有不均匀性。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是应用于已知二维液晶显示设备的本发明的第一实施例的示意图；

图2a和2b用于说明图1所示的第一实施例的使用；

图3是已知立体三维液晶显示设备的剖面图；

图4a和4b用于说明与图3所示的设备相关的输出强度的不均匀性；

图5是应用于图3所示的已知设备的本发明的第二实施例的示意图；

图6a、6b和6c用于说明图5所示的第二实施例；和

图7用于说明图5所示的第二实施例的使用。

具体实施方式

本发明提供了一种显示设备，该显示设备具有位于显示区域的前面并与显示区域对准的光学衰减配置。该光学衰减配置具有在显示区域上改变的光衰减特性，并适于光学地消除显示输出强度中的固有不均匀性。

图1是本发明的第一实施例的示意图。显示设备1包括已知的液晶显示设备，该液晶显示设备包括位于背光5前面的透射液晶显示面板3。

液晶显示面板3完全是传统的，本领域技术人员已经熟知其结构。液晶显示面板3基本上包括可操作地选择性调制来自背光5的光的显示像素的行和列阵列，以便在由阵列定义的显示区域上形成可视图像。

与上述配置相关的问题是很难在整个显示区域上提供一致水平的背光。这是因为背光5例如可以包括一个点光源或多个点光源，以及用于对光输出强度进行平均的配置。因此，由液晶显示面板3产生的图像典型地在整个显示区域上具有亮度不均匀性，该不均匀性是在该配置的结构中固有的。这些不均匀性是静态的，即它们不取决于正在显示的特殊数据或图像，并且它们不取决于观看的角度。

为了去除由于上述不一致的背光而导致的固有不均匀性，设备1包括与显示面板3对置且与显示区域对准的光学衰减面板7。光学衰减面板7包括基本上透明的玻璃板。尽管该玻璃板对可见光基本上是透明的，但是它承载光衰减材料的图案。该光衰减材料用来消除由上述不一致的背光引起的固有不均匀性。

定位该玻璃板，使光学衰减材料与显示面板对置，以便使其尽可能靠近显示面板。这样，使视差效应最小化，以便光学衰减面板7在大范围视角中有效消除不均匀性。典型的视角由箭头8指示。

图2a和2b用于说明图1所示的设备的使用。

图2a说明了当所有像素被设置为显示相同的、最亮的灰度级设置时的显示输出9。正如所看到的，显示输出的亮度由于不一致的背光而在整个显示区域变化。更具体地，显示输出9包括99％亮度11和100％亮度13的交替带。

图2b说明了在显示区域上光学衰减面板的光学衰减特性15。正如所看到的，由光衰减材料提供的光衰减在显示区域上变化。更具体地，衰减特性15包括100％透射(0％衰减)17和99％透射(1％衰减)19的交替带。

在使用中，从整体考虑，显示设备1在显示区域上不具有亮度的固有不均匀性。这是用于大范围视角的情况。光学衰减面板7的唯一另外可看到的效果是显示输出的整体亮度的很轻微的降低。不存在可感知的深度或锐度的损失。

图3是本发明的第二实施例可应用的已知立体三维显示设备的剖面图。

设备101包括传统的液晶显示面板103，其包括背光。液晶显示面板103完全是传统的，本领域技术人员已经熟知其结构。液晶显示面板103基本上包括可操作地选择性调制来自背光的光的显示像素的行和列阵列，以便在由阵列定义的显示区域上形成可视图像。

相互平行延伸的细长透镜元件105的阵列覆盖显示像素阵列，并且通过这些双凸透镜元件105观看显示像素。包括细长半圆柱透镜元件的双凸透镜元件105平行于显示像素列延伸。

在显示面板103和双凸透镜元件105的阵列之间，设置一个矩形不透明黑色掩罩107。掩罩107覆盖显示面板103的像素之间的区域，而不覆盖像素本身。掩罩107的目的在于使显示面板的像素分隔开，从而防止任何光从像素之间的液晶面板的未调制区域泄漏。

该示例中的每个透镜元件105覆盖显示像素的四列，并且在使用中，每列显示像素提供各个二维子图像的垂直片段。双凸透镜板105将该四个片段和来自与其它双凸透镜相关的显示像素列的相应片段导引到显示设备101的各个观看区域。四组片段中的两组分别被引导到位于设备101前面的用户的左眼和右眼，从而用户看到一个立体图像。随着用户的头从左向右移动，观看到一系列连续的、不同的立体视图。

与上述设备101相关的问题是透镜元件105对掩罩107的图像以及构成子图像的像素的片段进行投影。掩罩107作为显示设备101的输出强度的固有不均匀性是可看到的，并且形成垂直线的类莫尔图案。该图案看起来随着用户从左向右移动而空间移动，即图案具有运动视差。该类莫尔图案事实上等同于位于离设备101的显示平面固定深度处的静态的、虚拟不均匀图案。

图4a和4b说明了由掩罩107引起的虚拟不均匀图案。如图4a所示，虚拟不均匀图案109位于相对显示平面111的深度z_m处，并具有波长λ_m和强度δ_m。如图4b所示，虚拟不均匀图案的亮度特性103接近于沿方向x的余弦函数，并以方程1定义：

$M\left(x\right)=1-{\mathrm{\δ}}_m(1+\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_m})---\left(1\right)$

对于图3所示的设备101，虚拟不均匀图案深度z_m等于指定的观看距离，其例如可以是1米。亮度特性的波长λ_m是例如5厘米，亮度特性的强度δ_m是1％。

图5是本发明的第二实施例的示意图。第二实施例是包括参考图3描述的显示设备101的显示设备201。

如上所述，显示设备101包括液晶显示面板103、双凸透镜元件105的阵列和位于二者之间的掩罩107。

第二实施例的显示设备201还包括光学衰减配置203，用于消除在上面参考图4a和4b所描述的由掩罩107引起的虚拟不均匀图案109的影响。

由箭头208指示显示设备201的典型观看方向。

光学衰减配置203包括第一和第二光学衰减面板205、207。每个面板205、207包括基本上透明的板，例如玻璃板。尽管该板对可见光基本上是透明的，但是，它们承载光衰减材料的图案。

光学衰减面板205、207共同定义了在距离显示面板111的深度等于由掩罩107引起的虚拟不均匀图案109的深度处的虚拟光衰减图案。

图6a、6b和6c示意说明了更详细的光学衰减面板205、207。第一面板205正对着双凸透镜元件105的阵列进行定位，第二面板207与第一面板205间隔一个小的距离z_p。第一和第二面板205、207各自具有沿与透镜元件的长度垂直的方向x呈周期性的光衰减特性P₁，P₂。

第一和第二面板205、207的光衰减特性209、211分别如图6b和6c所示，并定义如下：

$P_1\left(x\right)=1-{\mathrm{\δ}}_{p1}(1+\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{p1}})---\left(2\right)$

P₂(x)＝具有占空比1-δ_P2和波长λ_P2的方波            (3)

其中，δ_p1和λ_P1是第一面板205的衰减特性的幅度和波长。δ_p1、λ_P1、δ_P2、λ_P2以及间距z_p的值是衰减设备的设计参数。

忽略显示像素分辨率以下即在分辨率λ_P1、λ_P2以下的细微细节，可以看到，虚拟光衰减图案沿方向x的光衰减特性AM(x)由以下方程近似表达：

$\mathrm{AM}\left(x\right)\≈T+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{am}}(1+\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{am}}})---\left(4\right)$

其中： $z_{\mathrm{am}}=z_p\frac{{\mathrm{\λ}}_{p1}}{{\mathrm{\λ}}_{p1}-{\mathrm{\λ}}_{p2}}$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{am}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{p1}{\mathrm{\λ}}_{p2}}{|{\mathrm{\λ}}_{p1}-{\mathrm{\λ}}_{p2}|}---\left(5\right)$

T＝1-δ_p1-δ_p2

δ_am＝δ_p1δ_p2

以及这里z_am是从第二衰减面板207测量的虚拟光衰减图案的深度，λ_am和δ_am分别是虚拟光衰减图案的波长和幅度。值z_p是两个面板的物理间隔。项T是基础衰减，强度的周期性波动叠加到基础衰减上。

为了通过虚拟光衰减图案消除虚拟不均匀图案109，以下关系是固定的：

z_am＝z_m

(以便由衰减器提供的衰减图案的深度与固有不均匀图案的深度相匹配)

λ_am＝λ_m

δ_am＝δ_m，

${\mathrm{\λ}}_{p1}=\frac{1}{(1-\mathrm{\α})}{\mathrm{\λ}}_p$

λ_p2＝λ_p

(以便由衰减器提供的衰减图案的特性与固有不均匀图案相匹配)

δ_p1＝δ_p2＝δ_p，

(为了设计方便)

采用上述关系，得出以下方程：

${\mathrm{\δ}}_p=\sqrt{{\mathrm{\δ}}_m}$

$T=1-2\sqrt{{\mathrm{\δ}}_m}---\left(6\right)$

z_p＝αz_m

λ_p＝αλ_m

设计变量α使物理间隔z_p能缩放为任意值，并且可以足够小，以便保证光学衰减器配置203可以被容纳在显示设备101前面的最小量的空间中。

对于图3所示的显示设备的值z_m、λ_m和δ_m，δ_p是0.1和T＝0.8，即20％的亮度损失。

选择α＝5×10^-3的同时，提供值z_p为5mm、值λ_P1为0.2513mm和值λ_P2为0.25mm。后者的值小于显示设备的输出分辨率(其由透镜宽度/间距确定)，从而保证不会带来额外的莫尔干涉。

图7用于说明图5所示的第二实施例的使用。

在图7中，左侧焦点具有与面板205的衰减部分对齐的面板207的衰减部分。右侧交点具有与面板205的未衰减部分对齐的面板207的衰减部分，并且这意味着存在亮度的更大的降低。这样，两个面板205、207将可以被认为是虚拟光衰减图案的变化亮度图案投影到距离z_am处的平面。

在使用中，虚拟衰减图案的衰减和未衰减区域消除了虚拟不均匀图案109的影响。这样，提供了不具有由掩罩107引起的固有不均匀性的显示设备201。

已经描述了本发明的两个特定的实施例。然而，本领域技术人员应该理解，可以对这些实施例进行各种改变和改进，而不偏离本发明的范围。例如，可以通过各种可替换的光学配置来提供虚拟光衰减图案。也可以提供不同的衰减图案，用来消除不同类型的不均匀性。

还有，尽管在完整显示设备的环境中描述了本发明的实施例，但是可替换实施例可以采用与现有显示设备一起使用的单独光学衰减配置的形式。在这种情况下，可以另外提供用于使光学衰减配置与显示设备的显示区域对齐的框架。

已经描述了衰减器配置用来降低不均匀性。显然，该设计旨在消除这些不均匀性，而且这可能取决于显示面板固有特性的性质。

可以将面板形成为幻灯片，采用精确的高分辨率的打印机将所需的图案打印在幻灯片上，例如激光打印到幻灯片上。可以采用其它完全透明的幻灯片来设置面板之间的间隔。所用的不同的材料应该具有相同的膨胀系数。

优选在制造期间来粘附衰减面板，而这可以手工进行，以便可以安装衰减面板作为附加产品。

各种其它改进对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (12)

1.一种显示设备，包括：

显示配置(1；101)，在整个显示区域上具有输出强度的固有不均匀性；和

包括光衰减面板的光学衰减器配置(7；203)，位于显示配置的前面并与显示区域对准，

其中，所述光学衰减器配置(7；203)具有在整个显示区域变化的光衰减特性，并适于光学地降低所述输出强度的固有不均匀性，

其中，显示输出强度的不均匀性取决于观看的角度，因此虚拟不均匀图案具有位于显示平面前面或后面的位置，并且其中：

对于位于所述显示平面前面的虚拟不均匀图案，光衰减面板在与所述虚拟不均匀图案的位置相应的位置处与所述显示平面分隔开，且

对于位于所述显示平面后面的虚拟不均匀图案，光学衰减器配置(203)包括在与所述虚拟不均匀图案的位置相应的位置处、共同定义了虚拟光衰减图案的多个光衰减面板(205；207)。

2.根据权利要求1的显示设备，其中，显示输出强度的固有不均匀性和光学衰减器配置均具有周期性的特性。

3.根据权利要求1或2的显示设备，其中，显示输出强度的不均匀性包括莫尔图案。

4.根据权利要求1的显示设备，其中，所述虚拟不均匀图案位于所述显示平面后面，并且其中所述显示设备具有定位在距离显示平面100mm内的多个光衰减面板。

5.根据权利要求1的显示设备，其中，所述虚拟不均匀图案位于所述显示平面后面，并且所述设备包括第一和第二光衰减面板(205；207)，分别具有定义了正弦波(209)和方波(211)的特性。

6.根据权利要求5的显示设备，其中，所述第一光衰减面板(205)正对着所述显示配置进行定位，而所述第二光衰减面板(207)与第一光衰减面板间隔开。

7.根据权利要求5或6的显示设备，其中，所述第一光衰减面板(205)具有由以下方程定义的特性：

$P_1\left(x\right)=1-{\mathrm{\δ}}_{p1}(1+\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{p1}})$

其中P₁(x)是衰减特性，δ_p1衰减特性的幅度，和λ_P1是衰减特性的波长。

8.根据权利要求5或6的显示设备，其中，所述第二光衰减面板(207)具有由方波定义的特性，所述方波具有占空比1-δ_P2和波长λ_P2，这里δ_P2是所述衰减特性的幅度。

9.根据权利要求1的显示设备，其中，所述显示配置包括液晶显示面板，所述液晶显示面板具有显示元件的行和列阵列。

10.根据权利要求9的显示设备，其中，所述光学衰减器配置的光衰减特性的波长小于显示元件间距。

11.一种自动立体显示设备，该设备包括根据权利要求9或10的显示设备，其中，所述显示配置还包括透镜(105)阵列，每个透镜与阵列每行中的多个显示元件相关联。

12.一种在显示设备上产生可观看图像的方法，该方法包括：

提供在整个显示区域上具有输出强度的固有不均匀性的显示配置，其中，显示输出的不均匀性取决于观看的角度，因此虚拟不均匀图案具有位于显示平面前面或后面的位置；

在所述显示配置的显示区域上产生可观看的图像；和

通过提供光学衰减器配置(7；203)来光学地降低所述显示配置的输出强度的固有不均匀性，所述光学衰减器配置位于所述显示配置的前面并与所述显示区域对准，

其中所述光学衰减器配置具有在整个显示区域变化的光衰减特性，其中

对于位于所述显示平面前面的虚拟不均匀图案，光学衰减器配置在与所述虚拟不均匀图案的位置相应的位置处与所述显示平面分隔开，且

对于位于所述显示平面后面的虚拟不均匀图案，光学衰减器配置(203)包括在与所述虚拟不均匀图案的位置相应的位置处、共同定义了虚拟光衰减图案的多个光衰减面板(205；207)。

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