TWI451162B - 自動立體影像顯示裝置 - Google Patents

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TWI451162B
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Description

自動立體影像顯示裝置
本發明是有關於一種用於自動立體影像顯示裝置之畫素結構，且特別是有關於一種用於電視、電腦螢幕、通信手機、數位相機、筆記型電腦、桌上型電腦、遊戲主機、汽車及其它行動電子裝置之影像顯示裝置的畫素結構。
一般而言，人類的視覺屬於立體視覺，亦即兩隻眼睛會看到略為不同的影像，而人類大腦會融合此兩略為不同的影像(稱為立體對影像)來產生深度的感覺。三維(3D)立體影像顯示器係針對每隻眼睛可看見的實體景像，顯示該眼所能接收的個別影像，而後大腦再融合立體對影像，以產生影像深度的全貌。
第1圖係繪示顯示平面201中顯示面的平面示意圖。對於觀賞者而言，當其右眼202觀看到顯示平面201上之一右眼同源(homologous)影像點203，其左眼204觀看到顯示平面201上之一左眼同源影像點205時，觀賞者會感覺看到螢幕平面後之一外在影像點206。然而，若從右眼同源影像點203傳來的光線被左眼204看見，且從左眼同源影像點205傳來的光線被右眼202看見的話，則會產生一幻視(pseudoscopic)影像點210及其對應的幻視影像，而由於幻視影像會造成觀賞者的視覺疲勞，所以觀賞者通常不希望有此情形發生。
第2圖係繪示顯示平面201中顯示面的另一平面示意圖。當觀賞者的右眼202觀看到顯示平面201上之一右眼同源影像點207，其左眼204觀看到顯示平面201上之一左眼同源影像點208時，觀賞者會感覺看到螢幕平面前之一外在影像點209。然而，若右眼202可看見從左眼同源影像點208傳來的光線，而左眼204可看見從右眼同源影像點207傳來的光線的話，則觀賞者會感覺看到幻視影像點212。
第3圖係繪示左眼影像10及右眼影像11的示意圖。左眼影像10中的同源影像點205係位於參考線12上，而右眼影像11中的同源影像點203係位於相對參考線12的不同相對位置，其中同源影像點203與參考線12分隔之間距13可稱為視差(disparity)，且在此係針對螢幕平面後所有影像點的正視差。同樣地，在左眼影像10中，同源影像點208係位於參考線14上，而在右眼影像11中，同源影像點207係與參考線14橫向分隔一間距15，且其係為負視差。在第1圖至第3圖所示之由左眼影像10變換到右眼影像11的過程中，同源影像點203係往右移動，且其相應於螢幕平面後的無畸變(orthoscopic)影像點(即上述外在影像點206)，而同源影像點207係往左移動，且其相應於螢幕平面前之另一無畸變影像點(即上述外在影像點209)。
綜上所述，如第3圖所示，在景色中立體對影像的每個影像中會有相對應的影像點產生，而這些影像點可稱為同源(homologous)影像點，且在左右影像之間同源影像點的相對間距可稱為視差(disparity)，其中零視差的影像點係相對應於顯示器之深度平面(depth plane)上的影像點。第1圖係繪示於顯示器後方具非交錯視差的影像點，而第2圖係繪示於顯示器前方具交錯視差的影像點，其中同源影像點之間的間距大小、與觀賞者間的距離以及觀賞者的眼間(interocular)間距，均會賦予觀賞者在顯示器上能感覺到的影像深度量。
一般立體式的顯示器在使用時，需由使用者戴上能大致將送到左右眼的景象分開的某種觀賞輔助工具，以便觀賞。舉例而言，上述觀賞輔助工具可為濾光眼鏡，此時影像需經彩色編碼(如：紅色及綠色)；或者可為偏光眼鏡，此時影像需編碼成正交偏光的狀態；抑或可為快門眼鏡(shutter glasses)，此時景色需編碼成時間序列影像而與眼鏡快門的開合達成一致。
另一方面，對於立體影像顯示器而言，其於操作時並不需經使用者戴上觀賞輔助工具才能觀賞；相反地，在此種立體影像顯示器中，使用者可從空間中有限的範圍內看見每個視野，如下列第4圖所示。
第4圖係繪示具有視差單元17之顯示元件16的示意圖。顯示元件16產生針對右眼頻道的右眼影像18，而視差單元17導引如箭號19所示之方向上的光線，以在顯示元件16前的區域產生右眼視窗20。以相對位置而言，觀賞者的右眼22位於右眼視窗20的位置，左眼視窗24的位置係供參考之用，且右眼視窗20亦可稱為垂直延伸式光瞳(vertically extended optical pupil)。
第5圖係繪示具有視差單元17之顯示元件16的另一示意圖。相較於第4圖而言，顯示元件16產生針對左眼頻道的左眼影像26，而視差單元17導引如箭號28所示之方向上的光線，以在顯示元件16前的區域產生左眼視窗30。以相對位置而言，觀賞者的左眼32位於左眼視窗30的位置，右眼視窗20的位置係供參考之用。
視差單元17係作為一光學操縱機構，其中左眼影像26的光線係藉此傳送至顯示元件16前的有限區域，而此有限區域係指左眼視窗30，且若左眼32位於左眼視窗30的話，則觀賞者可看見位於對面顯示元件16上適當的左眼影像26；同樣地，上述光學系統亦可藉此傳送右眼影像18的光線至右眼視窗20，且若觀賞者的右眼22位於右眼視窗20的話，則觀賞者可看見對面顯示元件16上適當的右眼影像18。一般而言，從任一個影像傳來的光線均可被認為是已經過光學操縱(或導引)後送至個別的方向性分佈區域。
在此應用中，「3D」一詞指的是立體式或自動立體式影像，其中不同的影像係呈現至相對應的每隻眼睛，致使人類大腦中產生深度感覺，且在此應瞭解的是，上述所指的「3D」與「3D圖像」不同，其中3D圖像指的是3D物件表現於二維(2D)顯示裝置上，且每隻眼睛均看見確實相同的影像。
此外，視差單元17可於兩種不同狀態下進行切換，其中一種是其本身提供3D影像的狀態，而另一種是其本身實質上不具光學效應而能選擇顯示3D及2D影像的狀態。在此應用中，「3D/2D」一詞指的是顯示裝置及其中光學元件之功能，可經切換而致使高解析度(full resolution)2D影像或是降低解析度(reduced resolution)自動立體式3D影像而因此產生。
第6圖係繪示一顯示裝置的平面示意圖，其中此顯示裝置包含顯示平面34上的顯示元件16和視差單元17，顯示平面34產生位於視窗平面42中的左眼視窗36、37、38以及右眼視窗39、40、41，且視窗平面42與顯示元件16的間距可稱為額定可視距離(nominal viewing distance)43。此外，相對於顯示元件16中間位置的視窗37、40係位於第零波瓣(zeroth lobe)44中，第零波瓣44右側的視窗36、39係位於+1波瓣46中，而第零波瓣44左側的視窗38、41係位於－1波瓣48中。
在此，視窗平面42係位在與顯示元件16之間具有最大橫向可視自由度的地方，且如第6圖所示，對於遠離視窗平面42的影像點而言，會有鑽石形狀的自動立體式影像可視範圍產生。此外，如圖所示，由對面顯示元件16上之每個影像點所傳來的光線，會以有限寬度的圓錐形狀發射至視窗平面42，且圓錐的寬度可定義為角寬度。
另外，視差單元17係用以在與顯示元件16間隔可視距離43的視窗平面42上，產生方向性分佈區域的照明影像，而視窗平面42上的強度變化則構成光線其方向性分佈區域的實際形式。
再者，若是人眼位於如視窗37、40的一對可視範圍時，則可橫越顯示元件16的整個範圍看見自動立體式影像，且顯示元件16的縱向可視自由度可由上述可視範圍的長度來決定。
第7圖係繪示對於理想狀態之視窗其中橫跨顯示元件16之視窗平面42的強度變化(構成光線其方向性分佈區域的實際形式)與水平位置51的關係示意圖。同時參照第6圖和第7圖，右眼視窗位置強度(或亮度)的分佈52係相對應於視窗41，強度分佈53係相對應於視窗37，強度分佈54係相對應於視窗40，強度分佈55係相對應於視窗36，而綜合強度分佈60則是個別視窗52、53、54和55強度的總和。
第8圖係繪示對於實際狀態之視窗其中強度變化與位置的關係示意圖。同時參照第6圖和第8圖，右眼視窗位置強度的分佈56係相對應於視窗41，強度分佈57係相對應於視窗37，強度分佈58係相對應於視窗40，強度分佈59係相對應於視窗36。綜合強度分佈60的額定強度分佈變化與角度範圍中之額定強度相比，兩者的比例可稱為角強度均勻性(angular intensity uniformity，AIU)，其中額定強度分佈可例如是第7圖所示之平坦的亮度分佈、朗伯型分佈(Lambertian distribution)，或是其它具有大致上平順變化之強度輪廓的分佈，而上述角強度均勻性可於有限範圍的視角內量測而得，或是於各自顯示元件16中輸出角度的整個角範圍內量測而得。
第9圖係繪示大致呈三角狀之視窗61重疊而產生平坦分佈之另一強度分佈示意圖。此種呈三角狀之視窗61可利於提供一種強而有力的方法，以減少強度分佈60中顯現的波動。再者，此種三角狀之視窗61亦可減少因影像畫面快速改變而造成影像有明顯轉動情形之影像交換問題。
然而，不適切的視窗特性(特別是重疊的視窗特性)可能會衍生多種3D技術問題。舉例而言，當右眼影像的光線由左眼看見，或左眼影像的光線由右眼看見時，幻視影像(pseudoscopic image)會因此產生，且這種現象是一種明顯的3D影像退化機制，可導致使用者的視覺疲勞。另一方面，重疊視窗會讓使用者感覺看見模糊影像，因而侷限由顯示器所顯示之影像深度總量，又粗劣的視窗品質會造成觀賞者的可視自由度減低。所以，光學系統一般是經設計而用以讓視窗的特性最佳化，使得3D技術問題能因此減少。
在多視域的顯示器中，相鄰視窗中含有一連串的可視資料，當觀賞者相對於顯示器作橫向移動時，每隻眼睛所看見的影像會隨之改變，使得3D影像的表現得以維持。另外，當觀賞者相對於顯示器作移動時，人眼亦會對亮度變化敏感。舉例而言，若是強度分佈60以多於總量的0.5%～5%改變的話，則顯示器會有閃爍的情況發生，因此需要將強度分佈60的變化減至最低。另外，當強度分佈60隨著視角改變時，強度分佈60的均勻性可稱為角強度均勻性(angular intensity uniformity，AIU)，且其為重要的特性參數。
再者，個別影像係顯示於顯示平面34，其可由觀賞者位於或接近視窗平面42處看見。在此，橫跨視窗平面42的強度變化並非由橫跨影像的強度變化來加以定義，但為了方便說明起見，由觀賞者於視窗平面42處看見的影像可被稱為位於視窗的影像。
以下將敘述一些用以改善顯示器其角強度均勻性的已知技術。以一種習知技術中用於自動立體式顯示裝置的畫素配置結構而言，其係採用如第11a圖所示之用於標準2D顯示器的已知條狀式結構，其中畫素具有畫素開口62，且係以多行紅色畫素65、綠色畫素67和藍色畫素69的配置方式排列而成。此外，為了產生自動立體式顯示畫面，視差單元63(如：透鏡陣列)係與彩色畫素(包含畫素65、67和69)群組作配向，而介於如透鏡陣列之間的尖端71則可作為視差單元63陣列中的幾何軸線。
另一方面，視差單元63可被傾斜配置，致使視差單元63中光學元件(如：透鏡陣列中之透鏡)的幾何軸線傾向畫素開口62的垂直行方向，如美國專利號US 3,409,351和US 6,064,424兩篇專利中之例子所述。此種配置會致使如第9圖所示的視窗重疊情形產生，且與視差單元63中光學元件之幾何軸線平行於畫素開口62的垂直行方向的情形相比，此種配置可讓強度分佈60具有較佳的均勻性。
在此，與一個視差單元63中光學元件之幾何軸線平行的直線可稱為「射線(ray line)64」或稱想像線，此射線64係一條沿著射線方向而非光線方向的直線，其中射線方向係指光線額定地(忽略透鏡像差)由顯示裝置導引至視窗平面中任一垂直位置上同一相對水平位置的方向。此外，第11a圖更繪示射線64的傾斜方向以及視差單元63中光學元件之幾何軸線相對於畫素開口62的關係，其中此種配置結構會產生相對於垂直方向傾斜的視窗，使得可視資料於觀賞者作垂直移動時改變。
此外，第11a圖更繪示一種針對具有理想對焦點之理想透鏡，其中視窗平面內強度50與水平位置51之相對關係圖。在此，為易於瞭解起見，射線64與強度分佈60相交的位置係相對應於由射線64傳來之光線所進入的水平位置51。此外，強度50一般而言係為平坦狀態，但亦具有峰值74，且峰值74產生的原因如下所述。
每個給定位置51的強度分佈60，可藉由量測對應於水平位置51之射線64與相鄰畫素開口62相交的相交部分總長度66、68、70、72來決定，而這是因為在操作上，視差單元63係收集射線64傳來的光線，並將所有光線導引向觀賞者能看見的空間位置(實際上，人眼會依照瞳孔大小、透鏡像差及透鏡對焦的情況接收一束射線64傳來的光線，所以可看見的實際強度係為強度分佈60的卷積(convolution)，但如此仍會出現類似上述的峰值)。因此，當強度50改變時，相交部分總長度會因射線64涵蓋不同數量的畫素開口62及其間之間隙而有所改變，特別是強度分佈60會因射線64與較多位於角落的畫素開口62相交，而於相交部分總長度變長時有上升的位準。
由此可見，相交部分總長度66、68、70、72可包含來自兩相鄰畫素開口62的作用，其中此兩相鄰畫素具有不同顏色，且在3D影像顯示器的晶胞(unit cell)結構中均會有一個對應的相同顏色畫素。
在已知強度分佈60係不均勻且視差單元63為透鏡陣列的情況下，有效地提供不同射線64其不同相交部分長度66的平均值，可使透鏡散焦(defocus)，以平坦化強度分佈60。然而，如此方式會致使3D視窗間的重疊部分增加，並造成影像模糊的程度增加，有用的影像深度減少，且幻視影像增加。因此，需要一種不增加透鏡散焦的情形下仍能維持較高的角強度均勻性的方法。
國際公開專利號WO 2007/031921文件中係揭露一種如第11b圖所示之技術，其中此技術係藉由形成畫素切割部76而減少於強度分佈60中不平坦的問題(另外類似的技術亦教示於國際公開專利號WO 2005/006777文件中，其中畫素的配置方式係將畫素形狀調整，藉以改善顯示器顯示畫面均勻性，且將光學單元作配向而與行畫素平行)。畫素切割部76係補償另外於畫素開口62的角落增加的相交部分，以減少與射線64相交的相交部分總長度，因而使強度分佈60平坦。然而，如此的配置並無法用以補償如下所述之廣視角顯示器的輸出。
以一般液晶顯示面板而言，例如具有水平配向(homogeneous alignment)的扭轉向列型(twisted nematic)液晶的液晶顯示面板，其係採用大致呈矩形的畫素開口，其中整個畫素係作為單一個區域來進行操作，使得光學輸出的角對比特性對於畫素中的每個部分均可大致呈現一定。此種畫素係適用於矩形的切割方式，以改善強度分佈60的均勻性。然而，此種面板通常會因晶胞內單一液晶配向區域的光學特性限制，使得具視角自由度的影像對比發生嚴重的變化，而為了補償此種視角效應的影響，其中一種方式便是利用垂直配向(Vertical Aligned，VA)的液晶材料結合多重區域結構，並進一步採用複合配向變型技術，其中每個畫素均包含複數個區域，每個區域中均具有不同的液晶分子配向，而顯示器的影像對比視角特性係由個別區域產生的額外影像對比特性所決定。
第12a圖至第12c圖係繪示與此種畫素相關的運作方式。第12a圖係繪示可個別定址的紅色畫素82、綠色畫素84及藍色畫素86，其包括頂層次畫素88和底層次畫素90，且具有穿透開口92和94。在次畫素88和90內，穿透開口92係分為第一組區域1、2、3和4，而穿透開口94係分為第二組區域5、6、7和8，且次畫素88和90係由包含電極、電容及其他定址電路的區塊98和100所分隔，其中頂層次畫素88和底層次畫素90可以整體定址或各自定址。
第12b圖係較具體地繪示次畫素88和90的區域結構，其中頂層次畫素88和底層次畫素90內區域1-8的每一者的相對位置均繪示於圖中。區域1～8中每一者均對顯示器輸出影像的某特定象限中的影像對比特性有所作用，例如區域3和4係佔用一個部分以上的次畫素88，而區域7和8係佔用一個部分以上的次畫素90。另外，區域1、2、5和6可稱為「主區域」，區域3、4、7和8可稱為「次區域」。區域1～8中每一者對於整體輸出影像的作用，基本上可藉由區域中的主動區來定義，且每個區域的相對作用可經調整而改善角對比均勻性(例如：改善高角度位置的影像淡化(image washout)現象)。舉例而言，主區域1、2、5、6可具有相同面積，而次區域3、4、7、8可具有相同面積，且大於主區域1、2、5、6的面積。此外，主區域面積相對次區域面積的比例可稱為區域面積比，且可例如介於3:7和1:1之間，其一般為9:11。
然而，針對上述應用於可個別定址顯示單元的畫素切割方法，當一或多個畫素切割部自矩形畫素移除時，開口的形狀即變成移除後所剩的形狀，而如此則無法產生視角的均勻性，如第13a圖和第13b圖所示。第13a圖係繪示射線64與第12a圖所示之垂直配向畫素結構的配向示意圖。如前所述，此種配置會造成非均勻的輸出強度，其主要是因為射線與橫跨畫素寬度上所有位置相交的相交部分總長度的變化。第13b圖係繪示可個別定址的畫素開口及其具有畫素切割部102、103的示意圖。
在此值得注意的是，雖然此種配置可預期會改善均勻性，但並不會於垂直配向液晶顯示裝置中產生高均勻性的特性，其中上述區域需要一致地操作，以維持橫跨顯示裝置之不同視角的對比特性。由於區域1～8中每一者的均勻性並不受控制，因此角度的對比將有所變化，而此種視角對比之均勻性的特性可稱為角對比均勻性(angular contrast uniformity，ACU)。第14圖係繪示個別區域1的強度分佈60遭受角強度均勻性(AIU)衰減，並導致對於整體顯示裝置其角對比均勻性(ACU)衰減而產生之非均勻性的示意圖。具體而言，射線64與區域1相交的相交部分長度104，會橫跨許多區域而產生AIU強度分佈60中的平坦區106，但開口內區域1中的區塊108會產生AIU強度分佈60中的凹陷區110，而這表示當畫素的綜合強度整體上僅考慮開口大小而可呈均勻分佈時，區域1相關的均勻性不會固定，且顯示裝置的顯示強度會出現變化，特別是在區域1對最終輸出影像的對比度影響很大的所在象限。
因此，上述畫素開口中利用切割部的方式，由於並未考慮個別區域的AIU，所以並未能在具有多區域之顯示裝置中保持所需的ACU。
依據本發明一實施例，提出一種自動立體影像顯示裝置(或稱裸眼式3D立體顯像)，其包含一空間光調變器以及一視差單元。空間光調變器包含一畫素陣列，畫素陣列包含不同顏色且能個別定址的複數個畫素，且畫素陣列係藉由一多畫素複製單元在一行方向和一列方向上重複而排列形成，其中每個畫素包含複數個區域。視差單元包含一光學單元陣列，而光學單元陣列包含複數個光學單元，其中光學單元設置於空間光調變器上以將自畫素傳來的光線導入至不同視窗。光學單元包含複數條幾何軸線，且幾何軸線在相對行方向傾斜一角度之一方向上平行延伸橫跨空間光調變器。
上述區域之形狀使得對於個別區域，與幾何軸線平行之一想像線具有與個別區域相交之一相交部分總長度，由沿著想像線上與相鄰同顏色畫素相交之部分加總而成，並對位於所有位置之想像線而言均相同，且不同區域之相交部分總長度係對應地與個別區域的面積成比例。
採用上述方式可因此改善顯示裝置的角對比均勻性(angular contrast uniformity，ACU)，如下所述。首先，由於與圓柱透鏡之幾何軸線平行的想像線，其與每一個個別區域相交，並由沿著想像線上與相鄰同顏色畫素相交之部分加總而成之相交部分總長度，其對位於所有位置之想像線而言均相同，因此可改善個別區域的角強度均勻性(angular intensity uniformity，AIU)。接著，再加上對於不同區域的相交部分總長度會與個別區域的面積成比例，因此也可改善對於不同視角的角對比均勻性。此外，上述特性均可在不需對光學單元進行散焦(defocus)的情況下達成，所以使視差元件的聚焦得以確定，以於畫素平面處顯示小型影像，藉以減少視窗間產生的模糊現象。因此，藉由減少幻視影像的強度，並減少模糊影像的作法，如此便可改善3D影像的品質。
另外，藉由改善角對比均勻性可因此改善顯示裝置的特性，且其可根據顯示裝置的設定而有不同的益處，包括例如減少影像模糊及/或使影像深度增加的程度顯示出來。依據本發明之實施例，自動立體影像多視域(multiview)顯示裝置中會存有特別的設定值，致使顯示裝置對動態觀賞者不會出現可見的閃爍情形。因此，相對顯示裝置移動的觀賞者不會看見顯示裝置顯現閃爍的情形，或看見橫跨顯示區域的強度變化。
在可切換的2D/3D顯示裝置中，除了上述於3D模式下可獲得的好處之外，亦可改善2D模式下的角強度均勻性和角對比均勻性，且可切換的視差單元的製作和設計可因此彈性地具有較低成本、較高產率及/或彈性的公差(tolerance)。在可切換的2D/3D顯示裝置中，於使用雙折射透鏡陣列作為視差單元的情況下，透鏡陣列的折射率匹配要求可較有彈性，及/或大角度位置之極化開關的特性亦可較有彈性。
第10a圖係依照本發明實施例繪示一種自動立體影像顯示裝置的側視圖，其中此自動立體影像顯示裝置包含可切換式透鏡單元。背光源400係對一空間光調變器(Spatial Light Modulator，SLM)照射光線，其中空間光調變器包含穿透式液晶顯示器，且穿透式液晶顯示器更包含偏光板402、基板404、像素化(pixellated)液晶層406、基板408、偏光板410、基板412、可切換式偏光旋轉層414、基板416、雙折射微透鏡陣列418(包含透鏡螢幕)、等向性層420以及基板422。此種2D/3D顯示器能在自動立體式3D顯示器和高解析度2D顯示器的兩種操作模式下切換，而於2D和3D模式下均具有高亮度。
第10b圖係依照本發明實施例繪示如第10a圖所示之自動立體影像顯示裝置的平面圖。此種顯示器包含傾斜延伸的透鏡單元426，其配置於空間光調變器424上，並與空間光調變器424作配向，其中空間光調變器424包含與透鏡單元426成一角度430配置的畫素428陣列。能個別定址的畫素428係具有不同顏色，並藉由一多畫素複製單元在一行方向和一列方向上重複而排列形成。另外，透鏡單元426包含複數條幾何軸線，其在相對行方向傾斜一角度的方向上平行延伸橫跨空間光調變器424，其中上述行方向可例如是顯示裝置之垂直方向。
透鏡式螢幕可包含垂直延伸之圓柱狀微透鏡，在此「圓柱狀」一詞具有已知技術中字面上的一般意思，且包括非球面鏡的形狀，而不僅限於球面鏡的形狀。透鏡的間距(pitch)亦對應於視角校正條件，藉以提供位於正確可視距離的視窗。透鏡的曲率大致上係經設定，以於視窗平面上產生LCD畫素影像。當透鏡收集由畫素以圓錐狀出射的光線並將光線分佈於視窗時，上述透鏡式螢幕中的背板可具有高亮度。
上述圓柱狀透鏡中的透鏡邊緣(具有曲率半徑)可以一第一線性方向延伸，且圓柱狀透鏡的幾何軸線係定義為在第一線性方向上沿著透鏡中心點的直線(亦即平行於邊緣延伸方向)。
第10c圖係依照本發明實施例繪示與第10a圖中之顯示器等效之視差屏障(Parallax Barrier)的示意圖。偏光板410的輸出端配置有基板432、圖案化可切換式液晶層434、基板436以及輸出偏光板438。此種顯示器可作為一種可切換式2D/3D視差屏障顯示器，其中視差屏障單元係形成於圖案化可切換式液晶層434中，且液晶層434經偏光板410、438解析時包含相位區塊以及屏障區塊，其中相位區塊位於具缺口之屏障圖案中。此外，可切換式視差屏障可另外配置於背光源400和偏光板402之間。
第10d圖係依照本發明實施例繪示具有畫素428陣列之屏障其等效配向結構的示意圖。屏障440包含屏障區塊444以及開口區塊442，其中屏障區塊444係呈延伸狀，並以相對的角度430與畫素428陣列作配向。第10b圖和第10d圖中的配置有利於使第9圖中的視窗根據標準面板畫素配置而產生，但會遭受視窗傾斜的問題，使得理想可視位置於觀賞者作垂直移動時作橫向位移。
第10e圖係依照本發明另一實施例繪示如第10a圖所示之自動立體影像顯示裝置的平面圖。當空間光調變器446的畫素448陣列以一個角度452作配向時(亦即行方向相對垂直方向傾斜)，透鏡單元450可作垂直配向。
第10f圖係依照本發明另一實施例繪示具有畫素陣列之屏障其等效配向結構的示意圖，其中屏障454包含開口區塊456以及屏障區塊458，且當畫素陣列448以一個角度452傾斜時，屏障454可作垂直配向。第10e圖和第10f圖中的配置有利於產生垂直視窗，使得理想可視位置不會於觀賞者相對顯示器作垂直移動時作改變
另外，上述配置方式可一併結合，例如畫素陣列和視差單元(如：視差屏障)陣列均相對垂直方向傾斜。
此外，視差單元(如：透鏡螢幕或視差屏障)的幾何軸線可與光學單元平行，而當視差屏障的幾何軸線平行於每個開口邊緣時，透鏡螢幕的幾何軸線可因此與每個圓柱狀透鏡的尖端和邊緣平行。視差單元陣列包含多條幾何軸線，其平行延伸而橫跨空間光調變器。再者，如第10b、10d、10e和10f圖所示，視差單元係相對多畫素複製單元之行方向以一個角度傾斜，其中多畫素複製單元包含不同顏色而能個別定址之畫素。
本發明實施例中之空間光調變器可為穿透式、反射式、半穿透反射式或放射式空間光調變器，其中能個別定址之單元包含用以增強顯示影像特性的區域(domain)。在此，空間光調變器係包括調變外部光源之傳送或反射強度的元件，例如可包括液晶顯示器。此外，空間光調變器亦包括本身可產生光的元件，例如可包括電激發光(electroluminescent)顯示器。
第11c圖係依照本發明實施例繪示一種晶胞(unit cell)結構的具體示意圖。不同顏色而能個別定址之畫素陣列包含多行的3D畫素(即紅色畫素82、綠色畫素84及藍色畫素86)，其係以多畫素複製單元501在一行方向和一列方向上重複而排列形成，且配置成列畫素500、502、504、506的方式。在本實施例中，顯示器可為一種具有5個視域的顯示器，而射線514、516(或稱想像線)對於上述3D畫素可以1個水平畫素間距與1個垂直畫素間距所形成的角度來配置，其中射線方向係指光線額定地(忽略透鏡像差)由顯示裝置導引至視窗平面中任一垂直位置上同一相對水平位置的方向。射線514係與紅色畫素518、522、524相交，且3D畫素中可見的紅色光數量，係由沿著射線514與相鄰之相同顏色畫素相交之相交部分長度的總和來決定。因此，顯示器中此區塊內的強度即為射線514與紅色畫素518、522、524相交部分長度的總和。雖然一般而言，相交部分的總和可能要考慮不同畫素配置中不同數量的畫素以及不同角度的射線，但以本實施例而言，相交部分的總和係基於相鄰的紅色畫素518、522、524。在此值得注意的是，上述所稱配向的意思，包括射線514和紅色畫素524相交部分的長度係與射線514和紅色畫素518相交部分的長度相同，且射線514和紅色畫素522相交部分的長度係與射線514和綠色畫素520相交部分的長度相同。因此，雖然於操作上對單一顏色畫素而言，相交部分長度係由晶胞中的紅色畫素518、522所決定，其亦可利用不同顏色畫素(如：畫素518和520)來決定。在此，為了方便說明起見，以下是假設空間光調變器上能個別定址之畫素開口的形狀均大致相同。
在本發明實施例中，多畫素複製單元501係在相互垂直的行方向和列方向上重複而排列形成，但不以此為限，亦即行方向和列方向所形成的角度也可少於90度角。
本發明實施例中之畫素包含一區域結構，以達成顯示器所要求的光輸出結果。第12c圖係依照本發明實施例繪示一種具有區域結構之液晶畫素的示意圖，其中此液晶畫素可為垂直配向(VA)的液晶畫素。液晶層包含液晶分子534，且配置於基板530和532之間。位於基板530上之表面特徵536、538可例如是稜鏡，使得當稜鏡與合適的配向層共同使用時，可因此達成液晶分子的垂直配向(如第12c圖所示)。另外，區域中不同的極性(或稱頂角(zenithal))配向可藉由不同預傾角度處理或使用不同突出物(protrusion)等方法單獨或共同產生，致使不同的有效電場施加於各自的區域，其中不同的電場可藉由分別定址、個別電晶體或浮接電極結構的使用等方式施加於區域。
液晶分子的指向矢方向542、544、546、548會作不同變化，如此使得指向矢方向542、544、546、548可代表一半能個別定址之畫素中不同區域內的配向，其中每一個能個別定址之畫素均包含不同的配向。黑色光罩540係經定位，藉以遮蔽可能減少顯示對比度的液晶向錯(disclination)現象。此外，區域形狀可由黑色光罩540的結構來設定，且亦可由其它層(例如電極、電容及電晶體，但不以此為限)所決定，而區域的光學特性則可由液晶分子的指向矢配向來決定。
此外，亦可藉由適當地控制施加於不同區域的電壓來設定不同的指向矢方向542、546，以達到類似的配向方向特性，而區域的配置和面積可相同於如第12a圖所示之例子，以實現如上所述的所需視角特性。
另一方面，液晶分子可作其它配置，例如用於雙層平面切換式(in-plane switching)或邊際場切換式(fringe field switching)液晶顯示器，以實現期望的對比均勻性。在本實施例中，表面特徵536、538亦可例如由電極來取代，以實現所需的視角特性。
是故，液晶材料可為垂直配向的液晶材料或是雙層平面切換式液晶材料，而區域中則包括不同的配向，用以共同減少畫素對比度隨著視角變化的程度。
放射式顯示器一般具有朗伯型(Lambertian)輸出，因此其並不需要用以實現對比特性的多區域配置。然而，此種顯示器可能包括多個個別區域，以藉由空間多工處理而產生所需的輸出，其中灰階輸出可由不同面積的區域來決定。在本實施例中，區域具有不同大小，且畫素的總輸出強度係由定址的區域來決定。因此，下列本發明之實施例可用以於此種空間多工處理的顯示器中實現與視角一致的灰階均勻性。
再者，對於給定的彩色畫素配置而言，考慮3D影像的多種特性可決定想象射線相對行畫素及列畫素的角度。舉例而言，紅色、綠色及藍色畫素具有同樣大小，且共同形成一方形彩色畫素單元，其具有水平3單位及垂直3單位的大小，而射線則是以水平1單位及垂直3單位所形成的角度配置，並與垂直方向成18.43度角，且在某一程度上致使重疊視窗產生。將射線以水平1單位及垂直6單位所形成的角度作配置而將角度減至9.46度角，可因此增加相鄰視窗間的重疊(如：加寬第9圖中的三角形視窗結構)，而較寬的視窗會增加視域重疊，使得不合期待的幻視影像較可能發生，並增加影像模糊的現象。然而，當觀賞者相對顯示器作橫向移動時，影像會較平順地變化，且此情形相較於上述18.43度角的情形，具有更大的垂直可視自由度。兩種不同角度亦使畫素具有不同的空間頻率，可調整3D影像的逼真度(fidelity)，而另外也可使用其它角度來調整所需的顯示特性。
一般而言，射線(即光學單元的幾何軸線)係傾斜一角度，使得列方向上幾何軸線相對列方向上畫素間距的位移，係於行方向上畫素間距乘以一非零整數所得之值的範圍內。舉例而言，在行方向垂直列方向的情形，其代表光學單元的幾何軸線係以tan-1 (pr/(pc‧n))的角度相對行方向作傾斜，其中pr是列方向上畫素之間距，pc是行方向上畫素之間距，n是一非零整數，而上述18.43度角和9.46度角則分別是n為1和2的情形。
在本發明實施例中，調整射線角度可改變射線與每個區域重疊的情況，下列將以較具體的實施例來說明。
第15圖係依照本發明實施例繪示一種包含畫素82、84、86的複製單元的平面示意圖，其中此實施例係考慮對區域1作補償。對所有畫素而言，每個畫素82、84、86內區域1的位置大致上均相同。自動立體式光學單元(未繪示)(如：透鏡螢幕)係相對畫素開口傾斜一個角度作配向，藉以用於多視域的自動立體式顯示器。在本實施例中，畫素82、84、86均具有水平1單位及垂直3單位大小的間距，使得2D模式下的彩色畫素具有水平3單位及垂直3單位大小的間距。因此，平行於視差單元之幾何軸線的射線，其傾斜角度即為水平1單位及垂直3單位所形成的角度，與垂直畫素軸線成約18.43度角。為了於區域中提供良好的角強度均勻性，想像射線64與區域1的相交部分對於橫跨畫素寬度之射線上所有位置而言均需要固定，且為了實現此種作法，區域1具有平行側邊以非零角度θ1延伸至射線64，而區域1也具有端面112、114與射線64平行，並因此相對行方向作傾斜。上述此種配置有賴於對用以定義區域結構之光罩作準確的界定。
第16a圖係依照本發明另一實施例繪示一種包含能個別定址之畫素82、84、86的複製單元的平面示意圖，其中端面係調整為以非零度角配置而不與射線64平行，例如可如圖所示配置成垂直方向。在操作上，位於畫素中央的射線64係與相交部分長度122重疊，而對於端面的任一側來說，射線64係與端面交錯，相交部分長度123、126均與相交部分長度122相同，且相交部分長度124和125加總後會與相交部分長度122相同。上述此種端面配置有利於改善製造公差(manufacturing tolerance)或製作時可容許的誤差範圍，例如當射線與邊界交錯時，黑色光罩層會對射線長度中的變化有較少的影響
在此為了簡要說明起見，射線僅繪示於兩相鄰的畫素之間，但一般而言，射線會出現於沿著射線方向任意數量之相同顏色的相鄰畫素上，而除非採用另外的彩色畫素配置(如：標準RGB條紋式畫素配置)，否則此種相同顏色的畫素於陣列中並不會相鄰。因此，總強度係由顯示面上不同位置的畫素來決定，且3D模式下畫素的尺寸大小應接近或小於在額定可視距離處人眼的解析度限制，使得觀賞者看見的整體強度在視窗中平均分佈，且在個別畫素範圍內相依存在。
第16a圖更繪示所有區域1～8的配置，其中第一組區域1～4位於頂層次畫素88中，第二組區域5～8位於底層次畫素90中，端面114係以上述垂直的方式配置。在此種配置方式中，頂層次畫素88中區域1～4的形狀均相同，而底層次畫素90中區域5～8具有不同的形狀。舉例而言，區域7、8係在尺寸上作垂直延伸，藉以維持其與射線重疊的長度一定。
第16b圖係依照本發明實施例繪示一種用於第16a圖中畫素配置的定址結構示意圖，其中此定址結構一般可稱為2D1G結構(二資料線搭配一閘極線)。如圖所示，能個別定址之畫素82、84、86中每一者均包括具定址方式的多個區域，其中區塊800代表畫素86中頂層次畫素的主區域，區塊802代表畫素86中頂層次畫素的次區域，區塊804代表畫素86中底層次畫素的主區域，區塊806代表畫素86中底層次畫素的次區域。資料線808、810(或稱資料電極)係與閘極線805(或稱閘極電極)搭配操作，而用以傳送資料信號至對應的區塊，而閘極線807則是用以對下一列的畫素作定址。區塊800和804係藉由定址單元814進行切換，而區塊802和806則是藉由定址單元816進行切換，其中定址單元814係藉由電極822連接至對應的畫素區塊，且定址單元814、816可例如包括薄膜電晶體。
不同的兩資料信號係由資料線808、810所傳送，使得主區域中的區塊800、804以及次區域中的區塊802、806可看見不同的信號。雖然上述資料信號係與畫素所需的信號相關，但可提供不同電壓予畫素，以對主區域和次區域進行定址而使其具有不同的伽瑪曲線(即輸出灰階轉換函數)。畫素86係經定址而具有一目標灰階與原始資料信號相關，因此畫素86可作為包含多個區域且能個別定址的畫素，縱使個別區域範圍在考慮液晶模式下光電效應所致之角度變化後，可經定址而具有不同灰階以於廣視角範圍內實現灰階均勻的特性。
第16c圖係依照本發明另一實施例繪示一種用於第16a圖中畫素配置的定址結構示意圖，其中此定址結構一般可稱為2G1D結構(二閘極線搭配一資料線)。如圖所示，資料線834(或稱資料電極)係與閘極線824、826(或稱閘極電極)搭配操作，而用以傳送資料信號至畫素86中對應的區塊800、802、804、806，閘極線828則是用以對下一列的畫素作定址。此外，區塊800和804係藉由定址單元830進行切換，而區塊802和806則是藉由定址單元832進行切換。
在單一時段中，用於畫素86的資料信號可具有兩不同值，且兩閘極線824、826可依據不同脈衝寬度開啟操作。主區域和次區域於開始時係充電至一第一資料值，接著閘極線824設定為0V，且當主區域電晶體830關閉時，電壓會施加於閘極線826，電晶體832維持開啟，使得區塊802和806進一步充電至一第二資料值。
是故，能個別定址之畫素86包含定址電路，可藉不同信號切換主區域和次區域，而此種配置係用以獨立控制每個區域的灰階響應，以最佳化最終畫素的角灰階響應。另外，畫素86可作為具多區域之能個別定址的畫素，此時個別區域的定址電壓與所需的畫素灰階直接相關，並使輸出含有角均勻性的特性。
另外，可結合單一定址元件對頂層次畫素和底層次畫素作定址，並將定址元件連接於單一資料線和單一閘極線，使得能個別定址的畫素包含頂層次畫素和底層次畫素。
由上可知，空間光調變器包含一畫素陣列，此畫素陣列包含不同顏色且能個別定址的數個畫素，且藉由一多畫素複製單元在一行方向和一列方向上重複而排列形成，其中每一個畫素均包含數個區域。
依此，上述實施例可提供隨著顯示器之視角作用的均勻強度變化，且上述實施例可移除顯示器中位於區域之間的黑色光罩其多餘的能見度，觀看顯示器的觀賞者可於廣範圍的視角看見均勻的強度分佈。因此，當觀賞者相對顯示器移動時，顯示器不會出現閃爍的情況(其為一種擾人的視覺產物)。是故，顯示器的角強度均勻性(AIU)(如強度分佈60所表示)基本上對顯示器的所有視角而言均係呈現固定的，無論其中視差單元的對焦情形為何，而此種配置亦有利於提供良好的角對比均勻性(ACU)。為此，當觀賞者移動頭部時，顯示器的對比度不會出現變化，而若是顯示器的對比度於觀賞者移動頭部時出現變化的話，則影像亦會出現閃爍，致使顯示特性衰減。
在切換式2D/3D顯示器中，當顯示器切換為2D模式時，也可能有一些多餘的3D功能存在。在本發明實施例中，由於角強度均勻性和角對比均勻性皆與視差光學元件的對焦情形無關，因此若是有某些多餘的3D功能存在於2D模式下的話，亦不至於影響角強度均勻性和角對比均勻性，而這使得光學單元的製造公差(manufacturing tolerance)較有彈性。舉例而言，在切換式雙折射透鏡中(如美國專利號US 7,058,252所述之例子)，可能存在多餘的指數步長(index step)介於液晶和等向性透鏡材料之間，而於一般畫素中，可能因多餘的透鏡作用而造成角強度均勻性錯誤。在本發明實施例中，指數步長的公差可因此變得較有彈性，有利於減少透鏡的成本並增加產率。
在本發明實施例中，當提供足夠空間予電極和定址電路時，個別區域的實際配置方式可經調整而使開口率(aperture ratio)最佳化，然圖中所示僅為方便繪示而已，不以此為限。此外，在每個例子中，相交部分長度係維持在區域寬度的範圍內，且對於每個區域而言均是固定的。
再者，在3D模式下，上述方式可使透鏡的對焦最佳化，而不會出現如習知技術中散焦(defocus)的情形，且有利於使橫跨相鄰視窗的可視資料進一步分開(如第9圖所示之例子)，而減少視窗重疊則有利於減少3D影像中的模糊現象，使得影像深度的總量增加。此外，更可減少幻視影像強度，以增加觀賞顯示影像的舒適度。上述配置可應用於採用視差光學元件(如：透鏡螢幕及視差屏障)的3D顯示器。
其次，在具有隨視角變化之光學功能(例如由偏軸像差(off-axis aberration)或是由隨入射光角度改變之有效透鏡指數步長所致)的透鏡中，由畫素平面上採集的光範圍會隨視角變化。在本發明實施例中，對所有射線以及沿著射線之相鄰同顏色畫素而言，射線與畫素相交而具有固定的相交部分長度，其表示由採集射線而得的光範圍會隨視角變化，而會產生相同強度和對比特性。上述畫素配置可因此提供高視角，以產生良好的角強度均勻性和角對比均勻性，而不會導致非均勻的強度分佈。
此外，在與極化開關之視角相關的被動式雙折射透鏡中，強度變化係與開關的極化輸出無關，而此種配置可減少開關中光學補償膜的使用，並使開關更便宜、更薄且更容易製作。
再者，於具有3D偏軸現象(當透鏡在2D模式下時發生)的主動式雙折射透鏡中，黑色光罩不會作為角強度均勻性和角對比均勻性隨著視角變化的因素。
是故，應用本發明實施例可改善影像品質，並降低成本，而不需犧牲顯示器的2D影像特性，且此種配置可藉由調整畫素開口的佈局來實現。
第17圖係依照本發明實施例繪示一種頂層次畫素88的示意圖。頂層次畫素88的第一組區域1～4具有平行側邊，沿著區域1～4的整體長度與射線64成非零度角θ1延伸，且區域1～4各自於其平行側邊之間具有正交的寬度1225、1227、1229、1231。一般而言，位於頂層次畫素88的第一組區域1～4係與垂直方向成+45度角作配向，以有利於產生最佳化輸出對比的均勻性，並致能垂直或水平向的偏光板。此外，相對行畫素傾斜一角度1237的射線64，係與區域1、2、3、4分別相交在相交部分線段1222、1223、1221、1224。
在顯示器中，區域1和2係具有相同面積的主區域，其中線段1222和1223的長度相同，而區域3和4是具有相同面積的次區域。主區域面積對次區域面積的比可稱為區域面積面積比，且可例如介於7:3和1:1之間，而一般為11:9。另外，線段1221和1224的長度相同。又，線段1222和1223之長度對線段1221和1224之長度的比可稱為區域相交部分長度比，且其與顯示器中之上方畫素區域面積比相同。上述配置有利於產生與一般顯示器大致上相同的高角度淡化(wash-out)特性。
在射線與端面112或114重疊的例子中，射線與區域1～4中每一者相交後具有相交部分總長度，且各相交部分長度相對於位於所有位置的射線而言均相同，而相交部分總長度為射線與同列相鄰畫素的兩區域相交部分的總和。
第18圖係依照本發明實施例繪示一種底層次畫素90的示意圖。底層次畫素90的第二組區域5～8具有平行側邊，沿著區域5、6及大部分區域7、8的整體長度與射線64成非零度角θ2延伸，且區域5～8各自於其平行側邊之間具有正交的寬度1233、1235、1237、1239。一般而言，第二組區域5～8係與垂直方向成－45度角作配向，以有利於產生最佳化輸出對比的均勻性，並啟動垂直或水平向的偏光板。此外，射線64與區域5～8各自相交在相交部分線段1301、1302、1303、1304。在本實施例中，角度θ2係與角度θ1不同。
另外，底層次畫素90的第二組區域5～8亦可具有一總長度，且此總長度係在其與射線64正交的部分相等於圓柱狀透鏡間距的一半時形成，如下列第20圖及實施例所述。
頂層次畫素88的第一組區域1～4係彼此相鄰配置，且底層次畫素90的第二組區域5～8亦彼此相鄰配置，雖此種配置方式並非必要，但可使畫素作緊密地配置。
在顯示器中，區域5和6為相同面積的主區域，而區域1和2為相同面積的主區域，且於本實施例中，線段1301和1302相同。另外，區域7和8為相同面積的次區域，而區域3和4為相同面積的次區域，且於本實施例中，線段1303和1304相同。線段1301和1302對線段1303和1304比例可稱為區域相交部分比，且可等同於顯示器中之下方畫素區域面積比。上述配置有利於產生與一般顯示器大致上相同的高角度淡化(wash-out)特性。值得注意的是，作為次區域的區域7和8可包括額外的區塊1305、1306，使得對於區域內射線上所有位置而言，可維持其中線段1303和1304具有同樣的相交部分長度。
此外，線段1301和1302的總長度大致上等同於線段1221、1222、1223和1224的總長度，而在每個實施例中，總畫素區域相交部分長度比係等同於區域面積比，使得每個區域內的相交部分對相交部分總長度的比例係等同於每個區域面積對總區域面積的比例。
為方便圖示說明起見，若區域面積比設為1的話，則上方畫素的區域寬度會設為彼此相等，且下方畫素的區域寬度會設為彼此相等。若頂層次畫素區域寬度1225、1227、1229和1231為Wt 的話，假設區域傾斜角度為45度角，則射線與頂層次畫素區域1、2、3、4的相交部分線段1222、1223、1221、1224的總長度it 可由下式求得：
it =4×wt /sin(θ1 )
如第18圖所示，底層次畫素90的第二組區域5～8係以較接***行於射線的方式作配向，且為了補償之目的，射線係於任一點與兩區域相交，但相交部分長度較大。若是底層次畫素90的額定區域寬度1233、1235、1237、1239為Wb 的話，假設區域傾斜角度為－45度角，則射線與底層次畫素區域5、6、7、8的相交部分線段1301、1302、1303、1304的總長度ib 可由下式求得：
ib =4×wb /sin(θ2 )
為了維持頂層及底層次畫素區域中每一者的等效強度分佈，相交部分總長度it 和ib 應相等。實際上，在區域1～4的側邊相對行方向作+45度角傾斜的例子中，區域5～8的側邊係相對行方向作－45度角傾斜，且射線係相對行方向作18.43度角傾斜，區域寬度Wt 與Wb 大致相同，而這有利於讓顯示器中的開口率最佳化，且每個區域可延伸而涵蓋次畫素的最大面積。
第19圖係依照本發明實施例繪示一種畫素開口的配置示意圖，其中射線142相對垂直方向的角度θ係以水平1單位及垂直2單位大小的方式設定，使θ為9.46度角，並形成下列關係式：
wt =0.7×wb
因此，對於此特別的角度而言，當區域的總範圍垂直性地變大以補償整體區域輸出效率時，頂層次畫素的開口率會降低，而此種配置亦會增加相鄰視窗間的重疊。
其次，θ設定為18.43度角的射線會加大開口率，並減少視窗重疊，而若是需要在此系統中增加視窗重疊(例如：減少模糊閃爍效應，其中影像模糊數量隨觀賞者位置變化)的話，則較能依此對透鏡作散焦；相反地，在較為垂直的系統(即具有較小的透鏡傾斜角度)中，則較無法減少視窗重疊。
一般而言，區域面積比值以及區域線段相交部分長度比值均不會是1，以致於對第一組區域的主區域1、2和次區域3、4以及第二組區域的主區域5、6和次區域7、8而言，寬度Wt 和Wb 不會相同。然而，對個別區域而言，相交部分長度比值會與面積比值相同，特別是當使用下述之下方畫素區域補償方式時。
第30圖係依照本發明實施例繪示一種在區域面積不相同的情形下頂層次畫素區域723和721的示意圖。區域723具有面積a1，其側邊720、722由寬度724(w1)所隔開，且與射線726以小於90度角之一角度728(θ1)相交，而射線726與上區域723的相交部分727的長度i1可由數學式w1/i1=sinθ1求得。同樣地，區域721具有面積a2，其側邊730、732由寬度719(w2)所隔開，且與射線726以小於90度角之一角度729(θ2)相交，使得射線726與下區域721的相交部分725的長度i2可由數學式w2/i2=sinθ2求得。區域723和721內相交部分長度的比例i1/i2，係在相交部分長度沿著射線橫跨相鄰畫素作加總時，由區域723之面積a1對區域721之面積a2的比例給定。是故，及於相鄰區域的情形下，w1/w2=a1‧sinθ1/a2‧sinθ2。值得注意的是，在單一畫素內(包括第一和第二組區域)，當射線不與至少一區域相交時，上述比例可能不會維持一定。
如上所述，底層次畫素90中的第二組區域5～8的每一者具有一總長度，且此總長度係在其與射線64正交的部分相等於圓柱狀透鏡間距的一半時形成。如此一來，對單一列畫素而言，射線64與區域對5和7(區域對6和8亦同)相交的相交部分長度對射線上所有位置而言均相同。第20圖係依照本發明實施例繪示一種對於底層次畫素90而言區域重疊部分的示意圖。如圖所示，強度分佈138顯示射線的每個位置上由區域6和8所提供的相對強度，而強度分佈140則是顯示由區域5和7所提供的相對強度。不過，由於畫素間距內的相交部分長度固定，所以當此種配置提供均勻的角強度均勻性時，可能會因區域不隨視角平均分佈而導致不均勻的角對比均勻性。
第21a圖係依照本發明實施例繪示一種對第20圖所示之結構其角對比均勻性作補償之配置的示意圖。如圖所示，頂層次畫素88及底層次畫素90陣列係以多行的紅色畫素82、綠色畫素84及藍色畫素86配製而成。此外，第22a圖和第22b圖係依照本發明實施例繪示沿著射線之相鄰底層次畫素150、152配置的示意圖，其係為對第20圖所示之結構其角對比均勻性作補償。具體而言，區域對5和7(區域對6和8亦同)的形狀係於沿著射線64方向相鄰同顏色的畫素中交替變動，是故在底層次畫素150中，由左下方往右上方配置的區域依序為8、7、6、5、8、7，而在另一個同顏色的底層次畫素152中，配置的區域依序互補為6、5、8、7、6、5。如此的話，同顏色之兩相鄰畫素150和152中與區域5～8相交部分之長度，對於位在所有位置的射線而言均會相同，且沿著各自射線方向上同顏色畫素之單一視域內最終輸出的角對比均勻性會呈現一致。換言之，區域中之每一者均包含一對區域，且該些對區域之形狀使得想像線與同顏色畫素之該對區域相交部分之總長度為一定值。此外，第21a圖亦顯示如何於同一射線上同顏色畫素中相鄰區域間實現強度匹配，其中在一列底層次畫素90內，區域順序可於上述兩種態樣之間循環，或可於列中固定其順序。
在第21a圖中，上方的底層次畫素150以及下方的底層次畫素152為沿著射線64方向同顏色的相鄰次畫素，且每個畫素除紅色、綠色、藍色之外亦包含其它顏色(例如：白色畫素)。
第21b圖係依照本發明實施例繪示另一種視窗結構的示意圖，其中此視窗結構可由本發明實施例中除第22a圖和第22b圖之補償結構外的區域結構所產生。舉例而言，第18圖中的底層次畫素區域結構由視差光學單元成像時，個別區域可導向至視窗平面內不同的各自位置，因此底層次畫素可由亮度曲線151來代表，且其更由包含亮度曲線153、155、157的次結構所組成，接著視窗結構則以鄰近畫素的亮度曲線159作重複。為此，當觀賞者頭部橫跨視窗平面作移動時，看見的區域組合可能跟著變動。若是能個別定址之畫素86包含多個定址單元的話，個別區域可於視窗平面中不同位置提供光線，且更可被定址，藉以在特定方向上(如視窗平面中水平位置51)提供更適切的灰階予畫素強度。因此，可進一步增加顯示器的可視資料解析度，且可自鄰近視域中內插資料，而區域強度可於畫素寬度上各點作變化，與送至鄰近畫素的定址電壓相關。當觀賞者移動頭部時，此種配置有利於增加影像資料的平滑度，並減少3D影像中的模糊程度。
第31圖係依照本發明實施例繪示另一種頂層次畫素的示意圖。頂層次畫素750包含分別具邊界754、756、758、760的區域1、2、3、4，而相鄰頂層次畫素752則包含分別具邊界762、764、766、768的區域1、2、3、4。另外，第31圖之下方係繪示對應於各區域的視窗，其顯示了區域1與2以及區域3與4之間平順的轉移過程。
相較於先前頂層次畫素的實施例，本實施例中對於想象射線上所有位置而言任一區域的強度均非固定不變。如第21a圖所述之方式，沿著想象射線64的相鄰顏色畫素包含相反的區域，使得一個區域的總強度遍及相鄰畫素各處均為固定。
上述配置具有均勻的次畫素88和90的定位。然而，次畫素88和90及其中區域可作移位，藉以使電極和定址電路的配置最佳化。第23圖係依照本發明實施例繪示一種將第21a圖所示之配置作垂直偏移的配置示意圖，其中行電極154和列電極156係適切地安插於畫素開口之間的間隔，且多個區塊(如：區塊158)係存在畫素之間，而其它定址電路可位於區塊中。
第24圖和第25圖係依照本發明實施例繪示一種底層次畫素90於列方向上偏移配置的示意圖，其中此種配置使得第二組區域5～8範圍的中心，沿著列方向相對第一組區域1～4範圍的中心作偏移，而這造成行電極160有彎曲現象。此種配置可利於用以增加供定址電路使用的可用面積。
在本發明實施例中，個別區域可相對彼此作移位，而這利於用以減少可視資料之間的重疊，如第25圖所示，其中底層次畫素90中第二組區域5～8範圍的中心以及第一組區域1～4範圍中心係沿射線64作配向。因此，區域端面1141、1142、1143、1144具有與射線64相交的相同相交部分點。此種配置亦可用以確保可視資料在個別視窗36～41各處仍有固定的角對比均勻性，且更可於觀賞者移動時減少畫面閃爍情形，並使影像深度最大化，減少視域間的影像模糊。另外，區域可於列方向上移位，藉以提供較大的視窗重疊及緩和的模糊閃爍情形，其中模糊程度會隨觀賞者位置作變化，使得影像的某部分中3D影像的強度會隨觀賞者位置作變動。
第26圖係依照本發明另一實施例繪示一種畫素開口的配置示意圖，其中頂層次畫素88中第一組區域1～4以及底層次畫素90中第二組區域5～8係經調整而有各自相對射線64的傾斜角度1145、1147(對應角度θ1和θ2)，且兩角度大小相同而正負號相反。此種配置有利於改善第17圖和第18圖中的底層次畫素的佈局，提供底層次畫素較大的開口率。因此，最佳對比椎以及輸入極化的少量轉動可用以改善2D和3D模式下的元件特性，並降低元件成本。
第27圖係依照本發明實施例繪示又一種畫素開口的配置示意圖，其中個別區域包含部分經空間多工處理之畫素，而非上述之對比多工處理的畫素。此種配置可用於控制例如穿透式、反射式或放射式畫素比例而顯現灰階的顯示器中，且可確保當此種配置與視差單元(例如：透鏡螢幕)共同使用時，此類顯示器中輸出強度隨著視角呈現一定。
畫素606包含不同面積的區域601、602、603、604，且與產生射線616的視差單元作配向，而區域601、602、603、604分別具有寬度608、610、612、614，使得射線616與每個區域相交的相交部分長度係與區域面積成比例，並使得沿著射線616方向上相鄰同顏色畫素之相交部分總長度，對於位在所有位置的射線616而言均相同。
第28圖係依照本發明實施例繪示一種次區域的結構示意圖，其中次區域的側邊並非平行，而次區域例如是呈三角開口狀。具體而言，頂層次畫素700的單一區域包含次區域704和706，且其配置係使得沿著射線702與次區域的相交部分長度對於位在所有位置的射線而言大致均相同。此外，在次區域704和706的側邊均非平行的情況下，次區域704和706可連接在一起而形成具平行側邊的形狀。此種配置有利於促成電極穿越區域範圍的佈線，並保持顯示器中的角強度均勻性及角對比均勻性。
第29圖係依照本發明實施例繪示一種單一區域的結構示意圖，其中區域的側邊相互平行但不呈直線狀。頂層次畫素708可包含區域712，而區域712具有不呈直線狀的開口邊緣714、716，且開口邊緣714、716係相對彼此作配向，使得射線710與其相交部分之長度對於位在所有位置的射線710而言均為一定。此種非呈直線狀的特徵可出現於畫素佈局的具體結構中，藉以例如促成電性結構的佈局。此外，此種配置亦可改善後視差屏障顯示器的繞射情形
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、26．．．左眼影像
11、18．．．右眼影像
12、14．．．參考線
13、15．．．間距
16．．．顯示元件
17、63．．．視差單元
19、28．．．箭號
20、39、40、41．．．右眼視窗
22、202．．．右眼
24、30、36、37、38．．．左眼視窗
32、204．．．左眼
34、201．．．顯示平面
42．．．視窗平面
43．．．額定可視距離
44．．．第零波瓣
46．．．+1波瓣
48．．．－1波瓣
50．．．強度
51．．．水平位置
52、53、54、55、56、57、58、59．．．強度分佈視窗
60、138、140．．．強度分佈
61．．．三角狀視窗
62．．．畫素開口
64、142、514、516、616、702、710、726．．．射線
65、82、518、522、524．．．紅色畫素
67、84、520．．．綠色畫素
69、86．．．藍色畫素
66、68、70、72、104、122～126．．．相交部分長度
71．．．尖端
74．．．峰值
76、102、103．．．畫素切割部
88、700、708．．．頂層次畫素
90、150、152．．．底層次畫素
92、94．．．穿透開口
98、100、108、158、800、802、804、806、1305、1306．．．區塊
106．．．平坦區
110．．．凹陷區
112、114．．．端面
151、153、155、157、159．．．亮度曲線
154、160．．．行電極
156．．．列電極
203、207．．．右眼同源影像點
205、208．．．左眼同源影像點
206、209．．．外在影像點
210、212．．．幻視影像點
400．．．背光源
402、410、438．．．偏光板
404、408、412、416、422、432、436、530、532．．．基板
406．．．像素化液晶層
414．．．可切換式偏光旋轉層
418．．．雙折射微透鏡陣列
420．．．等向性層
424、446．．．空間光調變器
426、450．．．透鏡單元
428、448、606．．．畫素
430、452、728、729、1237、1145、1147．．．角度
434．．．圖案化可切換式液晶層
440、454．．．屏障
442、456．．．開口區塊
444、458．．．屏障區塊
501．．．多畫素複製單元
500、502、504、506．．．列畫素
534．．．液晶分子
536、538．．．表面特徵
540．．．黑色光罩
542、544、546、548．．．指向矢方向
601～604、712．．．區域
608、610、612、614、719、724、1233、1225、1227、1229、1231、1233、1235、1237、1239．．．寬度
704、706．．．次區域
714、716．．．開口邊緣
720、722、730、732．．．側邊
721、723．．．頂層次畫素區域
725、727、1221～1224、1301～1304．．．相交部分線段
762、764、766、768．．．邊界
805、807、824、826、828．．．閘極線
808、810．．．資料線
814、816、830、832．．．定址單元
822．．．電極
830、832．．．電晶體
1141～1144．．．區域端面
第1圖係繪示3D顯示器中螢幕平面後方物件影像深度產生的示意圖。
第2圖係繪示3D顯示器中螢幕平面前方物件影像深度產生的示意圖。
第3圖係繪示立體對影像中每一者所對應之同源影像點的位置示意圖。
第4圖係繪示自動立體3D影像顯示裝置前方右眼視窗資訊的示意圖。
第5圖係繪示自動立體3D影像顯示裝置前方左眼視窗資訊的示意圖。
第6圖係繪示3D顯示器之輸出所產生的可視區域範圍的平面示意圖。
第7圖係繪示自動立體3D顯示器中對於理想狀態之視窗其中橫跨顯示元件之視窗平面的強度變化與水平位置的關係示意圖。
第8圖係繪示自動立體3D顯示器中對於實際狀態之視窗其中強度變化與位置的關係示意圖。
第9圖係繪示自動立體3D顯示器中大致呈三角狀之視窗重疊而產生平坦分佈之另一強度分佈示意圖。
第10a圖係依照本發明實施例繪示一種自動立體影像顯示裝置的側視圖。
第10b圖係依照本發明實施例繪示如第10a圖所示之自動立體影像顯示裝置的平面圖。
第10c圖係依照本發明實施例繪示與第10a圖中之顯示器等效之視差屏障(Parallax Barrier)的示意圖。
第10d圖係依照本發明實施例繪示具有畫素陣列之屏障其等效配向結構的示意圖。
第10e圖係依照本發明另一實施例繪示如第10a圖所示之自動立體影像顯示裝置的平面圖。
第10f圖係依照本發明另一實施例繪示具有畫素陣列之屏障其等效配向結構的示意圖。
第11a圖係繪示習知之畫素配置及角強度均勻性的示意圖。
第11b圖係繪示另一習知之畫素配置及角強度均勻性的示意圖。
第11c圖係依照本發明實施例繪示一種晶胞(unit cell)結構的具體示意圖。
第12a圖係繪示習知多區域畫素配置的示意圖。
第12b圖係繪示第12a圖之區域結構的示意圖。
第12c圖係依照本發明實施例繪示一種具有區域結構之液晶畫素的示意圖。
第13a圖係繪示射線與第12a圖所示之垂直配向畫素結構的配向示意圖。
第13b圖係繪示可個別定址的畫素開口及其具有畫素切割部的示意圖。
第14圖係繪示個別區域的強度分佈遭受角強度均勻性衰減，並導致對於整體顯示裝置其角對比均勻性衰減而產生之非均勻性的示意圖。
第15圖係依照本發明實施例繪示一種包含畫素的複製單元的平面示意圖。
第16a圖係依照本發明另一實施例繪示一種包含能個別定址之畫素的複製單元的平面示意圖。
第16b圖係依照本發明實施例繪示一種用於第16a圖中畫素配置的定址結構示意圖。
第16c圖係依照本發明另一實施例繪示一種用於第16a圖中畫素配置的定址結構示意圖。
第17圖係依照本發明實施例繪示一種頂層次畫素的示意圖。
第18圖係依照本發明實施例繪示一種底層次畫素的示意圖。
第19圖係依照本發明實施例繪示一種畫素開口的配置示意圖。
第20圖係依照本發明實施例繪示一種對於底層次畫素而言區域重疊部分的示意圖。
第21a圖係依照本發明實施例繪示一種對第20圖所示之結構其角對比均勻性作補償之配置的示意圖。
第21b圖係依照本發明實施例繪示另一種視窗結構的示意圖。
第22a圖和第22b圖係依照本發明實施例繪示沿著射線之相鄰底層次畫素配置的示意圖。
第23圖係依照本發明實施例繪示一種將第21a圖所示之配置作垂直偏移的配置示意圖。
第24圖和第25圖係依照本發明實施例繪示一種底層次畫素於列方向上偏移配置的示意圖。
第26圖係依照本發明另一實施例繪示一種畫素開口的配置示意圖。
第27圖係依照本發明實施例繪示又一種畫素開口的配置示意圖。
第28圖係依照本發明實施例繪示一種次區域的結構示意圖。
第29圖係依照本發明實施例繪示一種單一區域的結構示意圖。
第30圖係依照本發明實施例繪示一種在區域面積不相同的情形下頂層次畫素區域的示意圖。
第31圖係依照本發明實施例繪示另一種頂層次畫素的示意圖。
64．．．射線
88．．．頂層次畫素
112、114．．．端面
1221～1224．．．相交部分線段
1225、1227、1229、1231．．．寬度
1237．．．角度

Claims (21)

  1. 一種自動立體影像顯示裝置，包含：一液晶空間光調變器，包含一畫素陣列，該畫素陣列包含不同顏色且能個別定址的複數個畫素，該畫素陣列係藉由一多畫素複製單元在一行方向和一列方向上重複而排列形成，該些畫素中之每一者具有複數個區域，該些區域具有不同配向方向；以及一視差單元，包含一光學單元陣列，該光學單元陣列包含複數個光學單元，該些光學單元設置於該空間光調變器上以將自該些畫素傳來的光線導入至複數個不同視窗，該些光學單元之複數條彼此平行之幾何軸線(geometric axis)係相對於該行方向以傾斜一角度之一方向與該液晶空間光調變器相交；其中該些區域之形狀使得對於個別區域而言，與該些幾何軸線平行之一想像線具有與個別區域相交之一相交部分總長度，該相交部分總長度係為由沿著該想像線上與同顏色的畫素所相交之長度部分加總而成，並對位於所有位置之該想像線而言均相同，且不同區域之該相交部分總長度係對應地與個別區域的面積成比例。
  2. 如請求項1所述之自動立體影像顯示裝置，其中該些區域中之至少一區域具有兩平行側邊，該些平行側邊係相對於該些幾何軸線以一非零度角作延伸。
  3. 如請求項2所述之自動立體影像顯示裝置，其中該至少一區域具有複數個端面，該些端面係在該些平行側邊之間相對於該些幾何軸線以一非零度角作延伸。
  4. 如請求項1所述之自動立體影像顯示裝置，其中該些區域之一部分係被定義為第一區域組，該些區域之另一部份係被定義為第二區域組，該第一區域組中之區域之兩相互平行的側邊係與該些幾何軸線形成一第一角度，該第二區域組中之區域之兩相互平行的側邊係與該些幾何軸線形成一第二角度。
  5. 如請求項4所述之自動立體影像顯示裝置，其中該第一區域組中至少一區域之面積係與該第二區域組中至少一區域之面積相同。
  6. 如請求項4所述之自動立體影像顯示裝置，其中：(a)該第一區域組包括複數個具有不同面積之區域，該第一區域組中之任兩個區域之該些兩平行側邊之間的間距比係與該任兩個區域之面積比成一比例；以及(b)該第二區域組包含複數個具有不同面積之區域，該第二區域組中之任兩個區域之該些兩平行側邊之間的間距比係與該任兩個區域之面積比成一比例。
  7. 如請求項4所述之自動立體影像顯示裝置，其中： (a)該第一區域組包含複數個面積相同的主區域以及複數個面積相同的次區域，該些次區域之面積小於該些主區域之面積；以及(b)該第二區域組包含複數個與該第一區域組中該些主區域面積相同的主區域以及複數個與該第一區域組中該些次區域面積相同的次區域。
  8. 如請求項7所述之自動立體影像顯示裝置，其中該些主區域與該些次區域的面積比例約為1：1至7：3。
  9. 如請求項4所述之自動立體影像顯示裝置，其中該第二角度與該第一角度相異。
  10. 如請求項4所述之自動立體影像顯示裝置，其中該第一角度與該第二角度的大小相等而正負號相反。
  11. 如請求項4所述之自動立體影像顯示裝置，其中該第一區域組中之區域係彼此相鄰排列，該第二區域組中之區域係彼此相鄰排列。
  12. 如請求項11所述之自動立體影像顯示裝置，其中對於該些畫素中以該行方向排列之任兩相鄰之一第一畫素以及一第二畫素而言，該第一畫素中之該第一區域組中之第一個區域之中心點與該第一畫素中之該第二區域組中之 第一個區域之中心點之相對偏移量大致上為一定值。
  13. 如請求項12所述之自動立體影像顯示裝置，其中該第一畫素中之該第一區域組中之第一個區域之中心點與該第一畫素中之該第二區域組中之第一個區域之中心點係沿著與該些幾何軸線平行之該想像線對齊排列。
  14. 如請求項1所述之自動立體影像顯示裝置，其中該些區域中之每一者係包含一對區域，該些對區域之形狀使得該想像線與同顏色畫素之該對區域相交部分之總長度為一定值。
  15. 如請求項1所述之自動立體影像顯示裝置，其中該些區域係為液晶材料之區域。
  16. 如請求項15所述之自動立體影像顯示裝置，其中該液晶材料係為垂直配向之液晶材料或平面切換式液晶材料。
  17. 如請求項1所述之自動立體影像顯示裝置，其中該些光學單元係為圓柱狀透鏡。
  18. 如請求項1所述之自動立體影像顯示裝置，其中該些光學單元之該些幾何軸線係相對於該行方向傾斜一角 度，該角度等於arctan(pr/(pc×n))，其中pr為沿該列方向之相鄰兩畫素之間距，pc為沿該行方向之相鄰兩畫素之間距，n為一非零整數。
  19. 如請求項18所述之自動立體影像顯示裝置，其中該行方向垂直於該列方向。
  20. 如請求項19所述之自動立體影像顯示裝置，其中該多畫素複製單元之該行方向係為該顯示裝置之一垂直方向，該些光學單元之該些幾何軸線係相對於該顯示裝置之該垂直方向傾斜。
  21. 如請求項19所述之自動立體影像顯示裝置，其中該多畫素複製單元之該行方向係相對於該顯示裝置之一垂直方向傾斜，該些光學單元之該些幾何軸線係於該顯示裝置之該垂直方向上延伸。
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