УСТРОЙСТВО АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ОТОБРАЖЕНИЯ
AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY DEVICE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
I. Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к автостереоскопическому устройству отображения, содержащему средства формирования изображения, такие как панель отображения, имеющая массив пикселей отображения, и средство формирования видимого образа. Средство формирования видимого образа представляет собой, или является настраиваемым для того, чтобы функционировать в качестве массива элементов, формирующих видимое изображение, расположенных поверх средства формирования изображения, через которое смотрят на пиксели отображения. Изобретение также относится к способу формирования автостереоскопического изображения.
II. Уровень техники
Известное автостереоскопическое устройство отображения описано в GB 2196166 A. Это известное устройство заключает в себе двумерную эмиссионную жидкокристаллическую дисплейную панель, имеющую строчный и столбцовый массив пикселей отображения, действующий в качестве средств формирования изображения для создания дисплея. Массив протяженных лентикулярных линз, простирающихся параллельно друг другу, перекрывает массив пикселей отображения и действует в качестве средства формирования видимого образа. Выходные сигналы пикселей отображения проецируются сквозь эти лентикулярные линзы, чьи линзы функционируют для изменения направлений выходных сигналов.
Лентикулярные линзы (двояковыпуклые линзы) представлены в виде листа элементов, каждый из которых заключает в себе удлиненный элемент полуцилиндрической линзы. Лентикулярные линзы вытянуты в направлении столбцов дисплейной панели, при этом каждая лентикулярная линза перекрывает соответствующую группу из двух или более смежных столбцов пикселей отображения. Фокусная точка каждой линзы совпадает с плоскостью, определяемой массивом пикселей отображения.
В конструкции, в которой, например, каждая лентикулярная линза поставлена в соответствие с двумя столбцами пикселей отображения, пиксели отображения в каждом столбце предоставляют вертикальный срез соответствующего двумерного суб-изображения. Лентикулярный лист проецирует эти два среза и соответствующие срезы от столбцов пикселей отображения, ассоциированных с другими лентикулярными линзами, в левый и правый глаза пользователя, помещенного перед этим экраном, так что пользователь наблюдает единое стереоскопическое изображение.
В других конструкциях каждой лентикулярной линзе соответствует группа из трех или более смежных пикселей отображения в построчном направлении. Соответствующие столбцы пикселей отображения в каждой группе организованы должным образом, для того чтобы обеспечивать вертикальный срез из соответствующего двумерного суб-изображения. По мере того, как голова пользователя движется слева направо, наблюдается серия последовательных, различных, стереоскопических изображений, создающих, например, впечатление кругового обзора.
Описанное выше устройство автостереоскопического отображения создает дисплей, имеющий хороший уровень яркости. Однако проблема, связанная с этим устройством, заключается в том, что изображения, проектируемые лентикулярным листом (пленкой), разделены темными зонами, вызванными «отображением» неизлучающей черной матрицы, которая обычно определяет массив пикселей отображения. Эти темные зоны без труда видны пользователю в виде неоднородностей яркости в форме темных вертикальных полос, расположенных поперек дисплея. Полосы двигаются поперек дисплея в то время как пользователь двигается слева направо, а шаг расстояния между полосами меняется в то время как пользователь двигается к или прочь от дисплея.
Несколько подходов было предложено для снижения амплитуды неоднородностей. Например, амплитуда неоднородностей может быть уменьшена с помощью хорошо известной техники наклона лентикулярных линз под острым углом по отношению к направлению столбцов массива пикселей отображения. Однако остается трудно уменьшить глубину модуляции интенсивности, привнесенной отображением черной матрицы к уровню ниже 1%, при котором неоднородности остаются различимыми и отвлекающими для пользователя.
JP 03194588 A (Nippon Telegraph & Telephone) раскрывает автостереоскопическое устройство отображения, в котором массив лентикулярных линз осуществляет функцию формирования видимого образа и организован поверх пикселированного дисплея. Линзы расфокусированы путем помещения их фокусной плоскости перед пикселированным дисплеем, тем самым снижая неоднородности яркости, вызванные отображением матрицы, которая задает пиксели. Диффузионный слой предоставляется в фокальной плоскости линз для устранения любой направленности выходных сигналов пикселей, тем самым еще более снижая неоднородности яркости.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Было также обнаружено, что глубина модуляции интенсивности, вносимой отображением черной матрицы в описанных выше устройствах, изменяется как функция оптической силы лентикулярных линз. В общем случае расфокусирование линз в устройстве путем увеличения их фокусного расстояния вызывает уменьшение глубины модуляции интенсивности, вносимой отображением черной матрицы. Однако, расфокусировка линз также вызывает перекрестные наводки между видимыми образами, спроецированными лентикулярными линзами, которые могут быть пагубными для объемного (трехмерного) эффекта, воспринимаемого пользователем.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, здесь предоставлено автостереоскопическое устройство отображения, содержащее: средство формирования изображения, имеющее ортогональный массив пикселей отображения для создания дисплея, причем пиксели дисплея задаются в пространстве непрозрачной матрицей, и модуль формирования видимого образа, скомпонованный поверх и в согласовании со средствами формирования изображения, причем модуль формирования видимого образа обеспечивает по меньшей мере две оптические функции: функцию формирования видимого образа и функцию снижения неоднородности яркости,
при которой функция формирования видимого образа изменяет направление выходных сигналов пикселей отображения таким образом, что выходные сигналы групп пикселей отображения проецируются в соответствующих различных направлениях в виде множества видимых изображений, функция формирования видимого образа, предоставляемая массивом параллельных элементов формирования видимого образа, упорядоченных по модулю формирования видимого образа, и имеющих первый период
и при которой функция снижения неоднородности яркости распределяет выходные сигналы пикселей отображения так, что неоднородности яркости, которые иначе вызывались бы отображением непрозрачной матрицы, снижены, при этом функция снижения неоднородности яркости, задающая второй период по всему модулю формирования видимого образа, нулевой, или меньший первого периода, при этом функция снижения неоднородности яркости, более того, задающая эффективный угол рассеивания в плоскости, перпендикулярной осям формирующих видимый образ элементов, не больший, чем 1,5 угла, который бы существовал между соседними видимыми образами, проецируемыми функцией формирования видимого образа, в отсутствие функции снижения неоднородности яркости.
Выражение «эффективный угол рассеивания» относится к углу, на который выходные сигналы пикселей отображения распределяются (т.е. отклоняются), как измеренные, как только выходные сигналы были излучены модулем формирования видимого образа (т.е. в воздухе). Фактический угол рассеивания, задаваемый функцией снижения неоднородности яркости будет зависеть от коэффициента преломления материала, в котором эта функция обеспечивается. Фактический угол рассеивания будет также зависеть от того, обеспечивается ли функция снижения неоднородности яркости перед или после функции формирования видимого образа. Например, фактический угол рассеивания больше, чем эффективный угол рассеивания, если функция снижения неоднородности яркости обеспечивается перед функцией формирования видимого образа. Фактический угол рассеивания равен эффективному углу рассеивания, если функция снижения неоднородности яркости обеспечивается после функции формирования видимого образа, или если функции обеспечиваются на одном и том же оптическом интерфейсе.
Эффективный угол рассеивания составляет, предпочтительно, не больше, чем в 1,3 раза, а наиболее предпочтительно - не больше, чем в 1,1 раза больше угла, который бы существовал между соседними видимыми образами, проецируемыми функцией формирования видимого образа, в отсутствие функции снижения неоднородности яркости.
Было обнаружено, что неоднородности яркости, вызванные отображением непрозрачной матрицы в автостереоскопическом устройстве отображения могут быть снижены рассеиванием (т.е. отклонением) выходных сигналов пикселей отображения, чтобы, тем самым, «закрыть» темные полосы между соседними видимыми образами. Более того, было обнаружено, что эта методика рассеивания является более эффективной для снижения неоднородностей, когда средство, которым обеспечивается функция рассеивания, имеет период, который меньше периода элементов формирования видимого образа.
Данное изобретение в частности подходит для модулей формирования визуального отображения, в которых элементы формирования визуального отображения являются лентикулярными линзами. В пределах диапазона углов обзора, фокусные точки лентикулярных линз, как было найдено на практике, задают искривленную поверхность. В известных автостереоскопических устройствах отображения, в которых лентикулярные линзы попросту расфокусированы для снижения неоднородностей яркости, фокусные точки для нормального (перпендикулярного) света обычно располагаются за плоскостью, заданной пикселями отображения или пикселями дисплея, но фокусные точки для ненормального света (соответствующие большим углам обзора) будут совпадать с этой плоскостью. Как следствие, неоднородности яркости эффективно подавляются в и близко от нормального угла обзора, но не при больших углах обзора.
Рассеиванием (т.е. отклонением) выходных сигналов пикселей отображения с периодом, который меньше, чем период (или шаг) лентикулярных линз, в противоположность, например, всего лишь, дефокусированию лентикулярных линз (при котором период функции рассеивания равен периоду лентикулярных линз), функция снижения неоднородности яркости эффективно отделяется от функции формирования видимого образа, и неоднородности яркости могут, тем самым, быть подавлены по широкому диапазону углов обзора. Хотя некоторые эффекты, зависимые от угла наклона, могут оставаться, эти значительно снижаются.
Более того, такая компоновка может быть более устойчивой по отношению к размерным допускам оптических компонентов, поскольку небольшие погрешности в эффективном угле рассеивания функции снижения неоднородностей яркости не влияют значительно на автостереоскопическую производительность устройства отображения, производительность которого зависит от функции формирования видимого образа.
В вариантах осуществления, в которых массив формирующих визуальное отображение элементов является первым массивом лентикулярных линз, линзы могут быть скомпонованы для наклона по отношению к направлению столбцов пикселей отображения, для того чтобы тем самым еще больше снизить неоднородности яркости.
Средство формирования изображения может быть жидкокристаллической дисплейной панелью, заключающей в себе заднюю подсветку для создания излучающего дисплея. Альтернативно могут использоваться другие типы излучающих дисплейных панелей.
Эффективный угол рассеивания функции снижения неоднородностей яркости в плоскости, перпендикулярной к осям элементов формирования видимого образа может быть по существу равным углу, который бы существовал между соседними видимыми изображениями, спроецированными функцией формирования видимого образа, в отсутствие функции снижения неоднородности яркости. Выражением, что эффективный угол рассеивания «по существу, равен» углу, который бы существовал между соседними видимыми образами, может, в частности, потребоваться, что эффективный угол рассеивания находится в промежутке от 0,5 до 1,5 раз, а предпочтительно от 0,7 до 1,3 раза, а наиболее предпочтительно - от 0,9 до 1,1 раза к углу, который бы существовал между соседними видимыми изображениями, спроецированными функцией формирования видимого образа, в отсутствие функции снижения неоднородности яркости. Таким образом, перекрестные наводки между видимыми изображениями, спроецированными функцией формирования видимого образа могут быть снижены до приемлемых уровней, каковые перекрестные наводки могут быть вредны для трехмерного эффекта, воспринимаемого пользователем.
В вариантах осуществления искривленные фокальные поверхности, определенные первым массивом лентикулярных линз, предоставляющих функцию формирования видимого образа, может каждая пересекать плоскость, определяемую массивом пикселей отображения на позициях, относящихся к фокусной точке для ненормального света. Таким образом, неизбежные вариации в фокусе, вызванные искривленными фокальными поверхностями, и полученные в результате наводки могут быть разнесены по широкому диапазону углов обзора. В других вариантах осуществления искривленные фокальные поверхности могут каждая пересекать плоскость, определяемую массивом пикселей отображения на позициях, относящихся к фокусной точке для нормального света. Таким образом, перекрестные наводки в и вблизи нормального угла обзора могут быть минимизированы за счет больших наводок при больших углах обзора.
В первой группе вариантов осуществления функция снижения неоднородности яркости может быть обеспечена вторым массивом параллельных линз, таких как микро-лентикулярные линзы, упорядоченные по модулю формирования видимого образа и имеющие второй порядок.
Линзы второго массива могут иметь второй период или шаг не более чем половину, а предпочтительнее - не более чем треть от первого периода линз первого массива. В общем случае, линзы с меньшим шагом (периодом) легче изготовить, но линзы с большим периодом обеспечивают улучшенную функциональную производительность.
Второй массив линз может быть предоставлен в оптическом интерфейсе, отличном от оптического интерфейса первого массива, например, на различных поверхностях подложки.
В альтернативном случае первый и второй массивы линз, обеспечивающие обе функции: формирования видимого образа или визуального отображения и снижения неоднородности яркости, интегрированы в один и тот же оптический интерфейс, такой что функции формирования визуального отображения и снижения неоднородности яркости обеспечиваются рефракцией на том же самом оптическом интерфейсе.
micro-lens
views
В этом случае оптический интерфейс, соответствующий каждой линзе первого массива может содержать в себе множество плоских граней, определяющих поверхность многоугольной линзы, плоских граней, соответствующих линзе второго массива каждая. Число плоских граней может быть равно числу видимых изображений, предоставляемых автостереоскопическим устройством отображения. Число плоских поверхностей N может быть выбрано каким-либо меньшим чем N. Без желания быть связанными теорией, число плоских поверхностей, дающих минимум неоднородностей яркости может быть задано:
L
L
где Δn - разность показателей преломления материалов на каждой стороне поверхности линзы, p - период многоугольных линз, R - радиус кривизны первого массива линз, а λ - длина волны используемого света.
micro-lens
В практических ситуациях дисплеем излучается полный диапазон длин волн, но хорошим средним значением для λ является 550 нм. Для практических конструктивных исполнений результат уравнения N может быть округлен до любого из целых чисел, ближайших к результату уравнения выше (одно - больше чем результат, а другое - меньше чем результат). Предпочтительно, чтобы результат был округлен до ближайшего целого числа. У этого есть преимущество, что приняты во внимание дифракционные эффекты, которые могут, возможно, мешать функции данной компоновки и дисплея.
В вариантах осуществления радиус кривизны линз второго массива микролинз таковы, что когда второй линзовый массив интегрируется путем наложения с первым массивом, оптический интерфейс, соответствующий каждой линзе первого массива, может содержать множество граней, которые являются плоскими и/или неплоскими и/или имеют равный или неравный период или ширину.
В вариантах осуществления одна или более оптических осей параллельных линз массива микролинз наклонены по отношению к одной или более оптических осей линз первого линзового массива. Грани могут, таким образом, быть наклонены по отношению к оптической оси лентикулярных линз.
В варианте осуществления лентикулярный массив и массив микролинз могут иметь полу-цилиндрические линзы с оптической осью в направлении длины.
В варианте осуществления может быть множество массивов микролинз, имеющих линзы с разным периодом. Альтернативно, может быть только один второй линзовый массив, который является интеграцией множества массивов микролинз.
Во второй группе вариантов осуществления функция снижения неоднородности яркости может обеспечиваться рассеивателем света. Рассеиватели света или световые диффузоры, как может обычно рассматриваться, имеют нулевой период.
Световой диффузор может быть поверхностным рассеивателем света, выполненным, чтобы обеспечивать диффузию рефракцией на его поверхности или интерфейсе, или, альтернативно, может быть рассеивающим световым диффузором, выполненным обеспечивать диффузию рассеиванием света. Подходящие поверхностные диффузоры включают в себя голографические диффузоры, микродиффузоры и специализированные диффузоры, конструкция и изготовление которых будет известно специалистам в данной области техники.
Световой диффузор может быть выполнен для рассеивания выходных сигналов пикселей отображения существенным образом только в плоскости, перпендикулярной осям формирующих видимое изображение элементов. Таким образом можно избежать ненужной размытости в направлении, параллельном осям формирующих видимое изображение элементов.
Альтернативно, световой диффузор может быть выполнен для рассеивания выходных сигналов пикселей отображения с различными углами рассеивания в первой и второй перпендикулярных плоскостях. Световой диффузор может тогда поворачиваться по отношению к массиву формирующих видимое изображение элементов, так что первая и вторая перпендикулярные плоскости определяют острые углы с осями формирующих видимое изображение элементов. Таким образом, может быть тонко подстроена степень рассеивания в плоскости, перпендикулярной осям формирующих видимое изображение элементов.
Согласно второму аспекту данного изобретения, предоставляется способ формирования автостереоскопического изображения, включающий:
формирование изображения с применением ортогонального массива пикселей отображения, причем пиксели отображения пространственно задаются непрозрачной матрицей; и
формирование изображения в виде множества видимых образов, проецируемых в соответствующих различных направлениях с помощью массива параллельных формирующих видимое изображение элементов, скомпонованных поверх и по всему массиву пикселей отображения, причем формирующие видимое изображение элементы изменяют направление выходных сигналов от пикселей отображения, причем формирующие видимое изображение элементы имеют первый период, при этом выходные сигналы пикселей отображения дополнительно рассеяны так, что неоднородности яркости, которые иначе были бы вызваны отображением непрозрачной матрицы, снижены элементами формирования видимого образа, причем функция рассеивания, определяет второй период, меньше первого периода, а функция рассеивания, более того, задает эффективный угол рассеивания в плоскости, перпендикулярной к осям формирующих видимый образ элементов не более чем в 1,5 раза больше, чем угол, который бы существовал между соседними видимыми образами, спроецированными элементами формирования видимого образа, в отсутствие дополнительного рассеивания.
Эффективный угол рассеивания функции снижения неоднородности яркости в плоскости, перпендикулярной к осям формирующих видимое изображение элементов, может быть по существу равен углу, который бы существовал между соседними видимыми образами, проецируемыми элементами формирования видимого образа, в отсутствие дополнительного рассеивания.
Массив параллельных формирующих видимое изображение элементов может быть первым массивом параллельных лентикулярных линз.
Функция снижения неоднородности яркости может быть обеспечена вторым массивом линз, таким как лентикулярные микролинзы, а первый и второй массивы могут быть интегрированы в тот же самый оптический интерфейс, или может предоставляться в соответствующих различных оптических интерфейсах.
Альтернативно, функция снижения неоднородности яркости может быть обеспечена световым диффузором. Световые диффузоры, как может обычно полагаться, имеют нулевой период. Световой диффузор может быть скомпонован так, чтобы рассеивать выходные сигналы пикселей отображения главным образом только в плоскости, перпендикулярной к осям элементов, формирующих видимый образ. Таким образом, можно избежать ненужного размытия в направлении, параллельном осям элементов, формирующих видимый образ.
Альтернативно, световой диффузор может быть скомпонован так, чтобы рассеивать выходные сигналы пикселей отображения с различными углами рассеивания в первой и второй перпендикулярных плоскостях. Таким образом, может быть настроена степень рассеивания в плоскости, перпендикулярной осям формирующих видимый образ элементов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления данного изобретения будут далее описаны исключительно на примерах, со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:
фиг.1 является схематическим изображением автостереоскопического устройства отображения в перспективе;
фиг.2 является схематическим изображением устройства отображения, показанного на фиг.1, в разрезе для объяснения его принципа действия;
фиг.3А, 3B и 3C являются диаграммами для объяснения методов для снижения неоднородностей яркости в выходном сигнале устройства отображения, показанного на фиг.1;
фиг.4A и 4B являются дополнительными диаграммами для объяснения, как неоднородности яркости в выходном сигнале устройства отображения, показанного на фиг.1 могут быть снижены;
фиг.5А является схематическим видом в разрезе, показывающим для диапазона углов обзора фокусные точки лентикулярной линзы другого автостереоскопического устройства отображения;
фиг.5B, 5C и 5D являются диаграммами для объяснения действия фокусных точек на функционирование автостереоскопического устройства отображения;
фиг.6 представляет график, показывающий неоднородности яркости как функцию угла обзора для автостереоскопического устройства отображения, к которому относятся фиг.5A-5D;
фиг.7 является схематическим видом в разрезе, показывающим первое автостереоскопическое устройство отображения согласно данному изобретению;
фиг.8 является схематическим видом в разрезе, показывающим второе автостереоскопическое устройство отображения согласно данному изобретению;
фиг.9 является схематическим видом в разрезе, показывающим третье автостереоскопическое устройство отображения согласно данному изобретению;
фиг.10 является схематическим видом в разрезе, показывающим четвертое автостереоскопическое устройство отображения согласно данному изобретению;
фиг.11 представляет собой график, показывающий неоднородности яркости как функцию угла обзора для автостереоскопических устройств отображения, согласно данному изобретению, показанных на фиг.7-10;
фиг.12 является схематическим видом в разрезе, показывающим пятое автостереоскопическое устройство отображения согласно данному изобретению;
фиг.13 представляет график, показывающий неоднородности яркости как функцию угла обзора для пятого автостереоскопического устройства отображения, согласно данному изобретению, показанному на фиг.12;
фиг.14А и 14B являются диаграммами для объяснения модификаций пятого автостереоскопического устройства отображения, согласно данному изобретению, показанного на фиг.12;
фиг.15A, 15B и 15C показывают поперечные сечения двух микролинзовых массивов для противодействия муару, где фиг.15А представляет два отдельных микролинзовых массива, фиг.15В представляет также два микролинзовых массива, как и на фиг.15А, но интегрированные в один микролинзовый массив, и фиг.15С представляет лентикуляр с микролинзовым массивом, как на фиг.15А, или фиг.15В, интегрированным в лентикулярную линзу;
фиг.16 представляет вид спереди трехмерного дисплея с 15 видимыми образами, основанного на скошенном лентикуляре на лицевой стороне дисплейной панели, представленной на суб-пиксельном уровне;
фиг.17 показывает интенсивность света дисплея, как функцию угла наблюдения для различных дисплеев, на основании фиг.16 с или без микролинз и с или без принятия в расчет дифракции при определении числа микролинз или граней;
фиг.18 показывает интенсивность света дисплея, как функцию угла наблюдения для различных дисплеев, на основании фиг.16 с числом микролинз и плоских граней, определенных с принятием в расчет дифракции и с и без неравной ширины микролинз или плоских граней;
фиг.19А и 19В, соответственно, показывают угловое распределение интенсивности в единственном видимом образе для комбинации лентикуляра с микролинзовым массивом, которая приводит в результате к неплоским граням, если совмещены, и поперечные сечения двух микролинзовых массива с и без микролинзового массива;
фиг.20 показывает несколько альтернативных компоновок для микролинзовых массивов;
фиг.21A, 21B и 21C являются диаграммами для объяснения шестого автостереоскопического устройства отображения согласно данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение предоставляет мультиобзорное автостереоскопическое устройство отображения такого типа, который имеет средство формирования изображения и модуль формирования видимого образа. Устройство может также иметь средство привода, приспособленное для приведения в действие средства формирования изображения с видеоданными для множества видимых образов.
Средство формирования изображения имеет массив пикселей отображения для создания дисплея, с пикселями отображения, пространственно определяемых непрозрачной матрицей.
Модуль формирования видимого образа скомпонован в согласовании со средством формирования изображения и обеспечивает по меньшей мере две оптические функции, а именно, функцию формирования видимого образа и функцию снижения неоднородности яркости.
Функция формирования видимого образа изменяет направление выходных сигналов пикселей отображения, таких что выходные сигналы групп пикселей отображения проецируются в соответствующих разных направлениях в виде множества изображений. Функция формирования видимого образа обеспечивается массивом параллельных формирующих видимый образ элементов, упорядоченных по модулю формирования видимого образа и имеющих первый порядок.
Функция снижения неоднородности яркости рассеивает выходные сигналы пикселей отображения так, что неоднородности яркости, вызванные отображением непрозрачной матрицы, снижены. Функция снижения неоднородности яркости определяет второй период по всему модулю формирования видимого образа, меньший, чем первый период, и, более того, определяет эффективный угол рассеивания в плоскости, перпендикулярной к осям формирующих видимый образ элементов главным образом равна или меньше, чем угол между соседними видимыми образами, спроецированными функцией формирования видимого образа.
Фиг.1 является схематическим перспективным видом известного мультиобзорного автостереоскопического устройства 1 отображения. Известное устройство 1 включает жидкокристаллическую дисплейную панель 3 типа активной матрицы, которая действует в качестве средства формирования изображения для создания дисплея.
Дисплейная панель 3 имеет ортогональный массив пикселей 5 отображения организованных в строки и столбцы. Ради ясности, только маленькое число пикселей 5 отображения показаны на чертеже. На практике дисплейная панель 3 может содержать около одной тысячи строк и несколько тысяч столбцов дисплейных пикселей 5.
Структура жидкокристаллической дисплейной панели 3 полностью традиционна. В частности, панель 3 заключает в себе пару расположенных с промежутком прозрачных стеклянных подложек, между которыми предоставлен вытянутый в ряд витой нематик или другой жидкокристаллический материал. Подложки несут структуры прозрачных электродов из оксида индия и олова (ITO) на своих лицевых поверхностях. Поляризационные слои также предоставлены на внешних поверхностях подложек.
Каждый пиксель 5 отображения содержит противоположные электроды на подложках, с жидкокристаллическим материалом, помещенным между ними. Форма и расположение пикселей 5 отображения определена формой и расположением электродов и компоновкой черной матрицы, предоставленной на лицевой стороне панели 3. Пиксели 5 отображения расположены с равномерными промежутками один от другого.
Каждый пиксель 5 отображения связан с коммутационным элементом, таким как тонкопленочный транзистор (TFT) или тонкопленочный диод (TFD). Пиксели отображения для создания дисплея приводятся в движение предоставлением сигналов адресации коммутационным элементам, а подходящие схемы адресации будут известны специалистам в данной области техники.
Дисплейная панель 3 подсвечивается источником 7 света, содержащим, в данном случае, плоскостную заднюю подсветку, простирающуюся поверх области массива пикселей отображения. Свет от источника 7 света направляется сквозь дисплейную панель 3, с индивидуальными пикселями 5 отображения, управляемыми для модуляции света и создания дисплея.
Устройство 1 отображения также содержит лентикулярную пленку (лист) 9, выполненную поверх отображающей стороны дисплейной панели 3, которая выполняет функцию формирования видимого образа. Лентикулярная пленка 9 содержит строку лентикулярных линз 11, простирающихся параллельно одна другой в направлении столбцов дисплейной панели 3, из которых показана только одна, с увеличенными размерами в целях ясности. Лентикулярные линзы 11 имеют фокусные точки, которые приблизительно совпадают с плоскостью дисплейной панели 3, и действуют как элементы, формирующие видимое изображение, для выполнения функции формирования видимого образа.
Лентикулярные линзы 11 находятся в форме выпуклых цилиндрических элементов, и они действуют как средство направления светового выходного сигнала для предоставления различных изображений или видимых отображений от дисплейной панели 3 в глаза пользователя, помещенного перед устройством 1 отображения.
Автостереоскопическое устройство отображения 1, показанное на фиг.1 способно предоставлять несколько разных перспективных изображений в разных направлениях. В частности, каждая лентикулярная линза 11 перекрывает небольшую группу пикселей 5 отображения в каждой строке. Лентикулярная линза 11 проецирует каждый пиксель 5 отображения из группы в различном направлении, так, чтобы сформировать несколько различных отображений. По мере того как голова пользователя движется слева направо, его/ее глаза будут получать различное видимое отображение, одно из нескольких, по очереди.
Фиг.2 показывает принцип действия формирующего изображение средства лентикулярного типа, как описано выше, и показывает источник 7 света, дисплейную панель 3 и лентикулярную пленку 9. Данное средство предоставляет три видимых изображения 201, 202 и 203, каждое спроецированное в различных направлениях. Каждый пиксель дисплейной панели 3 управляется информацией для одного конкретного видимого образа.
Описанное выше автостереоскопическое устройство отображения создает дисплей, имеющий хороший уровень яркости. Однако проблема, связанная с данным устройством, в том, что видимые изображения, спроецированные лентикулярной пленкой 9, разделены темными зонами, вызванными отображением неизлучающей черной матрицы, которая определяет массив пикселей отображения. Эти темные зоны легко наблюдаются пользователем в виде неоднородностей яркости в форме темных вертикальных полос по всему дисплею. Полосы двигаются поперек дисплея в то время как пользователь двигается слева направо, а период данных полос меняется по мере того, как пользователь двигается к или прочь от дисплея. Данные полосы, в частности, представляют проблему в устройствах, имеющих высокую долю своей дисплейной области в виде черной матрицы, таких как дисплеи высокого разрешения, разработанные для мобильных применений.
Неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы, проиллюстрированы на фиг.3А, которая показывает обобщенные графики зависимости интенсивности яркости от угла обзора для устройства отображения, показанного на фиг.1 и 2. Верхний график показывает вклады отдельных визуальных отображений 301, чьи вклады каждый имеет постоянную интенсивность яркости, помещенных между темными полосами, вызванными отображением черной матрицы, чьи полосы каждая имеет нулевую интенсивность яркости. Переход между видимыми образами и темными полосами является ступенчатым переходом. Нижний график 302 показывает накопительный эффект вкладов отдельных видимых образов, иными словами, уровни яркости, наблюдаемые пользователем, двигаются поперек лицевой стороны дисплея. Из нижнего графика можно увидеть, что там есть значительная модуляция интенсивности яркости.
Для снижения амплитуды неоднородностей было предложено несколько подходов. Например, амплитуда неоднородностей может быть понижена хорошо известным методом наклона лентикулярных линз 11 под острым углом по отношению к направлению столбцов массива пикселей отображения. Получающиеся в результате неоднородности яркости проиллюстрированы на фиг.3В. На этом чертеже верхний график 303, опять-таки, показывает вклады отдельных визуальных отображений, помещенных между темными полосами, вызванными отображением черной матрицы. Можно увидеть, что переход между видимыми образами (визуальными отображениями) и темными полосами является постепенным, с интенсивностью яркости, меняющейся с постоянной скоростью. Нижний график 304 показывает накопительный эффект вкладов отдельных визуальных отображений, и можно увидеть, что глубина модуляции интенсивности, привнесенная отображением черной матрицы, значительно снижена. Однако, остается затруднительно понизить эту глубину модуляции интенсивности до уровня ниже 1%, при котором неоднородности остаются воспринимаемыми и отвлекающими для пользователя.
Хотя метод наклона лентикулярных линз 11 может служить для снижения воспринимаемых неоднородностей яркости, вызванными отображением черной матрицы, дальнейшие значительные сокращения могут успешно быть достигнуты дефокусировкой лентикулярных линз 11. Согласно этому способу, фокусные расстояния лентикулярных линз 11 увеличены таким образом, что их фокусные точки лежат позади плоскости дисплейной панели 3. Получаемые в результате неоднородности яркости проиллюстрированы на фиг.3С. На верхнем графике 305 можно видеть, что переход между видимыми образами и темными полосами является постепенным, с интенсивностью, меняющейся с переменной скоростью. Нижний график 306 показывает накопительный эффект вкладов отдельных визуальных отображений, и можно увидеть, что глубина модуляции интенсивности, привнесенная отображением черной матрицы, почти полностью устранена.
Дальнейшее снижение в неоднородностях яркости, полученное дефокусировкой лентикулярных линз 11, происходит за счет внесения некоторых перекрестных наводок между видимыми изображениями, которые вредны для воспринимаемой трехмерной производительности устройства. Эти перекрестные наводки обычно увеличиваются по мере того как лентикулярные линзы 11 дефокусируются.
Фиг.4А показывает автостереоскопическое устройство отображения описанного выше типа, в котором лентикулярные линзы 11 были наклонены и дефокусированы для минимизации воспринимаемых неоднородностей яркости, вызванными отображением черной матрицы. Для идеальных лентикулярных линз 11 неоднородности яркости могут быть минимизированы путем увеличения фокусного расстояния лентикулярных линз так, чтобы обеспечить складывание (дальнее поле) углового распределения с блочной функцией, чья функция имеет ширину, равную числу, кратному углу между соседними визуальными отображениями, спроецированными линзами. Для того, чтобы удерживать перекрестные наводки на приемлимо низких уровнях, выбирается блочная функция, имеющая ширину, равную углу φ между соседними визуальными отображениями, спроецированными линзами, как показано на фиг.4В.
Как можно видеть на фиг.4А, дефокусирование лентикулярных линз 11 служит для распространения или расширения выходных сигналов пикселей 5 отображения, соответствующих каждому визуальному отображению, для выравнивания, таким образом, неоднородностей яркости, вызванных отображением черной матрицы.
На практике было обнаружено, что средство, описанное со ссылкой на фиг.4А и 4В выше, эффективно только при снижении неоднородностей яркости для углов обзора в точности и около нормального (перпендикулярного) угла обзора. При больших углах наклона неоднородности яркости стремятся увеличиваться опять до уровней, при которых они являются отвлекающими для пользователя. Причина этого зависимого от угла обзора эффекта будет сейчас описана со ссылкой на фиг.5А-5D.
Фиг.5А является схематическим видом в разрезе, показывающим для диапазона углов обзора фокусные точки лентикулярной линзы 11 автостереоскопического устройства отображения, описанного выше со ссылками на фиг.4А и 4В. Для коллимированного света фокусное расстояние практического конструктивного исполнения линзы меняется в зависимости от угла падения света. Таким образом, на практике фокусные точки линзы 11 определяют искривленную «фокальную поверхность» 13, как показано на чертеже.
При нормальном угле обзора линза 11 дефокусирована таким образом, что фокусная точка 15 лежит за плоскостью дисплейной панели 3. В частности, фокусная точка 15 организована так, чтобы обеспечивать складывание углового распределения с блочной функцией, имеющей ширину, равную углу φ между соседними визуальными отображениями, спроецированными линзами 11. Эта функция проиллюстрирована на фиг.5В, и является той же самой, что и объясненная выше, со ссылками на фиг.4А и 4В. Таким образом, в самом и около нормального угла обзора неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы, почти полностью устранены, и глубина модуляции такая, как показано на фиг.3С.
При некоторых больших углах обзора фокусная точка 17 линзы 11 по большей части совпадает с плоскостью дисплейной панели 3. При этом угле обзора фокусная точка 17 в основном не обеспечивает складывания углового распределения, как проиллюстрировано узкой блочной функцией, показанной на фиг.5С. Таким образом, при самом и около этого угла обзора неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы снижены очень слабо, а глубина модуляции похожа на ту, что показана на фиг.3В.
При некотором еще даже большем угле обзора фокусная точка 19 линзы 11 лежит впереди плоскости дисплейной панели 3. При этом угле обзора фокусная точка 19 обеспечивает значительное складывание углового распределения, как проиллюстрировано блочной функцией, показанной на фиг.5D. Таким образом, при самом и около этого угла обзора неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы почти полностью устранены, а глубина модуляции практически равна нулю, как показано на фиг.3С.
Фиг.6 представляет график, показывающий неоднородности яркости как функцию угла обзора для автостереоскопического устройства отображения, к которому относятся фиг.5A-5D. Нижний график 601 показывает отдельные вклады интенсивности яркости отдельных визуальных отображений, помещенных между темными полосами, вызванными отображением черной матрицы. Верхний график 602 показывает накопительный эффект вкладов отдельных визуальных отображений, или иными словами, уровни яркости, наблюдаемые пользователем, двигающимся поперек лицевой стороны дисплея. Из верхнего графика можно увидеть, что глубина модуляции интенсивности является низкой при нормальном угле обзора и около нормального угла обзора, но увеличивается до значительных и отвлекающих уровней при углах обзора в диапазоне между 10° и 35°. При углах обзора, больших чем 35°, глубина модуляции интенсивности возвращается к более низким уровням.
Таким образом, даже хотя лентикулярные линзы 11 автостереоскопического устройства отображения могут быть дефокусированы для минимизации неоднородностей яркости, главным образом увеличением фокусного расстояния линз 11, для практических применений все равно будет диапазон углов обзора, для которых лентикулярные линзы 11 будут, в основном, в фокусе и, следовательно, для которых неоднородности яркости будут значительными и отвлекающими для пользователя.
Настоящее изобретение признает эту проблему и решает ее путем предоставления функции снижения неоднородности яркости, согласно которой выходные сигналы пикселей отображения разнесены (т.е. отклонены) для того, чтобы «закрыть» темные полосы, вызванные отображением черной матрицы. Функция снижения неоднородности яркости определяет период, который меньше периода лентикулярных линз, обеспечивающих средство формирования видимого образа (визуального отображения). Таким образом, функции формирования видимого образа и снижения неоднородности яркости могут быть разделены, а выходные сигналы пикселей отображения, соответствующие разным видимым образам, могут быть значительно разнесены, для большого диапазона углов обзора, минимизируя, таким образом, неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы.
Фиг.7 является схематическим видом в разрезе, показывающим первое автостереоскопическое устройство 101 отображения согласно данному изобретению. Со ссылкой на эту фигуру, первое устройство 101 согласно данному изобретению по общей структуре подобно устройству 1, описанному выше по ссылкам на фиг.1 и 2. Так, устройство 101 включает в себя дисплейную панель 103, осуществляющую функцию формирования изображения, источник света (не показан) для дисплейной панели 103 и лентикулярную пленку, осуществляющую функцию формирования видимого образа. Дисплейная панель 103 и источник света, в частности, идентичны тем, что уже описаны выше.
lens
lens
Устройство 101, показанное на фиг.7, также подобно устройству, описанному выше по ссылкам на фиг.4А-5D. Так, лентикулярные линзы 111 устройства 101 наклонены под острым углом относительно направления столбцов дисплейной панели 103. Лентикулярные линзы 111 отличаются от таковых устройства 1, описанных по ссылкам на фиг.4А-5D, тем, что их фокусные точки (для нормально падающего коллимированного света) совпадают с плоскостью дисплейной панели 103, или иными словами, линзы 111 сконструированы так, чтобы быть в фокусе. Так, фокусное расстояние линз (для нормально падающего коллимированного света), f равно разнесению между плоскостями дисплейной панели 103 и лентикулярной пленки 109, d.
Устройство 101, показанное на фиг.7, также отличается от устройства 1, описанного по ссылкам на фиг.4А-5D, тем, что оно дополнительно включает в себя голографический диффузор 121, образованный на стеклянной подложке 123 для обеспечения функции снижения неоднородности яркости. Голографический диффузор 121 организован поверх и выставлен относительно лентикулярной пленки 109, таким образом, что стеклянная подложка 123 смотрит в сторону от лентикулярной пленки 109.
d
d
Голографический диффузор 121 и стеклянная подложка 123 вместе настроены так, что они разбрасывают (т.е. отклоняют) выходные сигналы пикселей отображения, спроецированные лентикулярной пленкой 109 с идеальной блочной функцией. В частности, эффективный угол Φ рассеяния голографического диффузора 121 и стеклянной подложки 123, в плоскости, перпендикулярной к осям лентикулярных линз, настроен быть равным углу Φ между соседними видимыми образами, проецируемыми лентикулярной пленкой 109. Фактический угол Φ' рассеяния голографического диффузора 121 - есть Φ, деленный на показатель преломления n стеклянной подложки 123.
Это рассеяние выходных сигналов пикселей отображения минимизирует неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы, между тем, в то же самое время ограничивая перекрестные наводки до приемлемых уровней. Из-за того, что функция снижения неоднородности яркости, обеспечиваемая голографическим диффузором 121 не является зависимой от угла обзора, или только слегка зависимой от угла обзора, неоднородности яркости минимизированы для большого диапазона углов обзора.
Голографический диффузор 121 и стеклянная подложка 123 также выполнены так, что они передают выходные сигналы пикселей отображения, проецируемые лентикулярной пленкой 109, главным образом, без рассеивания в плоскости, параллельной осям лентикулярных линз. Таким образом, ненужной размытости видимых образов можно избежать.
Конструкция и изготовление подходящих голографических диффузоров будут хорошо известны специалистам в данной области техники.
Фиг.8 является схематическим видом в разрезе, показывающим второе автостереоскопическое устройство 201 отображения согласно данному изобретению. Со ссылкой на эту фигуру, второе устройство 201 согласно данному изобретению имеет ту же самую структуру, как и первое устройство 101, описанное со ссылками на фиг.7, за исключением того, что функция снижения неоднородности яркости обеспечивается голографическим диффузором 221, вложенному между парой стеклянных подложек 223а, 223b, причем голографический диффузор 221 и стеклянные подложки 223а, 223b предоставлены между дисплейной панелью 203 и лентикулярной пленкой 209.
Второе устройство 201, показанное на фиг.8 также функционирует аналогичным образом с устройством 101, описанным со ссылкой на фиг.7. Однако, рассеивание выходных сигналов пикселей отображения голографическим диффузором 221 для минимизации неоднородностей яркости, происходит перед проецированием выходных сигналов в разных направлениях лентикулярной пленкой 209.
d
d
Таким образом, эффективный угол рассеивания Φ голографического диффузора 221 и стеклянных подложек 223а, 223b, в плоскости, перпендикулярной осям лентикулярных линз, опять же, задается быть равным углу Φ между соседними видимыми образами, проецируемыми лентикулярной пленкой 109. Полагая среду между пикселями отображения и голографическим диффузором 221 и между голографическим диффузором 221 и лентикулярной пленкой 209 гомогенной, фактический угол рассеяния Φ' голографического диффузора 121 задается следующим уравнением:
lens
diff
где n - показатель преломления гомогенной стеклянной среды, d - расстояние между плоскостями дисплейной панели 203 и лентикулярной пленки 209, а d - расстояние между плоскостями дисплейной панели 203 и голографического диффузора 221.
Фиг.9 является схематическим видом в разрезе, показывающим третье автостереоскопическое устройство 301 отображения согласно данному изобретению. Со ссылкой на эту фигуру, третье устройство 301 согласно данному изобретению имеет ту же самую структуру, как и первое устройство 101, описанное со ссылками на фиг.7, за исключением того, что функция снижения неоднородности яркости обеспечивается массивом близко расположенных лентикулярных микролинз 321, сформированных на стеклянной подложке 323. Массив микролинз 321 скомпонован поверх и согласован относительно лентикулярной пленки 309, таким образом, что стеклянная подложка 323 обращена в сторону от лентикулярной пленки 309.
micro-lens
Массив микролинз 321 сформирован в виде пленки (листа) лентикулярных микроэлементов, имеющую период p, который составляет очень маленькую долю периода лентикулярных элементов лентикулярной пленки 309. В частности, 36 микролинз перекрывают каждую линзу лентикулярной пленки 309.
d
d
d
Массив микролинз 321 и стеклянная подложка 323 выполнены так, чтобы рассеивать выходные сигналы пикселей отображения, проецируемых лентикулярной пленкой 309 с идеальной блочной функцией. В частности, эффективный угол Φ рассеивания массива микролинз 321 и стеклянной подложки 323 в плоскости, перпендикулярной осям лентикулярных линз, задан так, чтобы быть равным углу Φ между соседними визуальными отображениями, проецируемыми лентикулярной пленкой 309. Фактический угол Φ' рассеяния массива микролинз 321 - есть Φ, деленное на коэффициент преломления n стеклянной подложки 323.
micro-lens
Микролинзы могут иметь положительное или отрицательное фокусное расстояние f и удовлетворять следующему требованию:
Рассеяние выходных сигналов пикселей отображения минимизирует неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы, между тем, в то же самое время ограничивая перекрестные наводки до приемлемых уровней. Из-за того, что функция снижения неоднородности яркости, обеспечиваемая массивом микролинз 321, не является зависимой от угла обзора, или только слегка зависимой от угла обзора, неоднородности яркости минимизированы для большого диапазона углов обзора.
Массив микролинз 321 и стеклянная подложка 323 также выполнены так, что они передают выходные сигналы пикселей отображения, проецируемые лентикулярной пленкой 309, главным образом, без рассеивания в плоскости, параллельной осям лентикулярных линз. Таким образом, ненужной размытости визуальных отображений можно избежать.
Фиг.10 является схематическим видом в разрезе, показывающим четвертое автостереоскопическое устройство 401 отображения согласно данному изобретению. Со ссылкой на этот чертеж, четвертое устройство 401 согласно данному изобретению имеет ту же самую структуру, как и третье устройство 301, описанное со ссылками на фиг.9, за исключением того, что массив микролинз 421, обеспечивающий функцию снижения неоднородностей яркости, расположен между дисплейной панелью 403 и лентикулярной пленкой 409.
Четвертое устройство 401, показанное на фиг.10 тоже функционирует совершенно аналогичным образом с устройством 301, описанным со ссылкой на фиг.9. Однако, рассеивание выходных сигналов пикселей отображения массивом микролинз 421 для целей минимизации неоднородностей яркости, происходит перед проецированием выходных сигналов в разных направлениях лентикулярной пленкой 409.
d
d
Таким образом, эффективный угол Φ рассеивания массива микролинз 421 в плоскости, перпендикулярной осям лентикулярных линз, опять же, задан быть равным углу Φ между соседними визуальными отображениями, проецируемыми лентикулярной пленкой 109. Фактический угол рассеяния Φ' массива микролинз 421 компенсируется и для коэффициента преломления n стеклянной подложки 423, и для того факта, что функция снижения неоднородности яркости обеспечивается перед функцией формирования визуального отображения.
Фиг.11 представляет собой график, показывающий неоднородности яркости как функцию угла обзора для автостереоскопических устройств отображения, показанных на фиг.7-10. Нижний график 1101 показывает отдельные вклады интенсивности яркости отдельных визуальных отображений, помещенных между темными полосами, вызванными отображением черной матрицы. Верхний график 1102 показывает накопительный эффект вкладов отдельных визуальных отображений, или иными словами, уровни яркости, наблюдаемые пользователем, двигающимся поперек лицевой стороны дисплея. Из верхнего графика можно увидеть, что глубина модуляции интенсивности преимущественно минимизирована по большому диапазону углов обзора, включая и те, что в диапазоне между 10° и 35°.
Фиг.12 является схематическим видом в разрезе, показывающим пятое автостереоскопическое устройство 501 отображения. Со ссылкой на эту фигуру, пятое устройство 501 согласно данному изобретению имеет ту же самую структуру, как и первое устройство 101, описанное со ссылками на фиг.7, за исключением того, что функции снижения неоднородности яркости и формирования визуального отображения обеспечиваются на одном и том же оптическом интерфейсе.
В частности, второй массив линз, обеспечивающий функцию снижения неоднородности яркости и имеющий второй период, объединены с первым массивом линз, обеспечивающим функцию формирования визуального отображения и имеющим первый период, больший чем второй период. Для такой компоновки, используя простую геометрическую оптику, можно получить следующее приближение:
micro-lens
micro-lens
views
где R - радиус линз второго массива, N - количество линз второго массива на одну линзу первого массива, R - радиус линз первого массива и N - число визуальных отображений, предоставляемых устройством.
micro-lens
views
micro-lens
Если N выбрано равным N, то радиусы линз первого и второго массивов R, R являются одинаковыми. Получаемая в результате геометрия иллюстрируется на фиг.12, который показывает единственный массив по существу полигональных линз 521, обеспечивающих обе функции: формирования визуального отображения и снижения неоднородности яркости. Каждая плоская поверхность 522 каждой полигональной линзы 521 соответствует линзе второго массива, который обеспечивает функцию снижения неоднородности яркости. Устройство 501 предоставляет 5 визуальных отображений.
Рассеяние выходных сигналов пикселей отображения плоскими поверхностями минимизирует неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы, между тем, в то же самое время ограничивая перекрестные наводки до приемлемых уровней. Из-за того, что функция снижения неоднородности яркости, обеспечиваемая массивом полигональных линз 521, не является зависимой от угла обзора, или только слегка зависимой от угла обзора, неоднородности яркости минимизированы для большого диапазона углов обзора.
micro-lens
micro-lens
views
В некоторых случаях простых средств геометрической оптики недостает для правильного определения требуемого числа плоских поверхностей N, и приходится брать в расчет дифракционные эффекты. При этом число плоских поверхностей N может быть выбрано каким-либо меньшим, чем N. Без желания быть связанными теорией, число плоских поверхностей, дающих минимум неоднородностей яркости может быть задано:
L
L
где Δn=n1-n2 - разность показателей (коэффициентов) преломления n1 и n2 материалов на каждой стороне поверхности линзы, p - период полигональных линз, λ - длина волны используемого света, а R - радиус кривизны первых линз.
micro-lens
В практических ситуациях дисплеем испускается полный диапазон длин волн, но для целей вышеприведенного подсчета хорошим средним значением для λ является 550 нм. Альтернативно, длина волны, используемая для данного подсчета, является одной из границ спектра света, используемого для дисплея. Для практических конструкций результат уравнения N может быть округлен до любого из ближайших целых чисел, большего или меньшего чем значение результата. Предпочтительнее всего, результат округляется до ближайшего целого. Практической рекомендацией будет конструировать дисплей, используя вышеприведенный расчет, когда значение модуля в делителе больше, чем около 0,1.
Массив полигональных линз 521 также выполнен таким образом, что он передает выходные сигналы пикселей отображения, проецируемые лентикулярной пленкой 509 существенным образом без рассеивания в плоскости, параллельной осям первого массива линз. Таким образом, ненужной размытости видимых образов можно избежать.
Фиг.13 представляет график, показывающий неоднородности яркости как функцию угла обзора для пятого автостереоскопического устройства отображения 501, согласно данному изобретению, показанному на фиг.12.
Нижний график 1301 показывает отдельные вклады интенсивности яркости отдельных визуальных отображений, помещенных между темными полосами, вызванными отображением черной матрицы. Верхний график 1302 показывает накопительный эффект вкладов отдельных визуальных отображений, или иными словами, уровни яркости, наблюдаемые пользователем, двигающимся поперек лицевой стороны дисплея. Из верхнего графика можно увидеть, что глубина модуляции интенсивности преимущественно минимизирована по большому диапазону углов обзора, включая и те, что в диапазоне между 10° и 35°.
sample
Фиг.14А и 14B являются диаграммами для объяснения модификаций пятого автостереоскопического устройства отображения, согласно данному изобретению, показанного на фиг.12. Эти чертежи показывают огибающие кривые, которыми определяется геометрия полигональных линз. Огибающие кривые являются сегментами окружностей, хотя могут предоставляться также и некруговые огибающие кривые. Геометрия полигональных линз определяется подбором образцов огибающей кривой на фиксированных интервалах p. В предпочтительных вариантах осуществления применяется следующее соотношение:
lens
views
где p - период полигональных линз, n - положительное целое число, а N - число визуальных отображений, предоставляемых устройством.
В некоторых вариантах осуществления пересечение между соседними огибающими кривыми определяет точку выборки для полигональной линзы, как показано на фиг.14А. В других вариантах осуществления точки выборки не совпадают с пересечением между соседними огибающими кривыми, как показано на фиг.14В.
В шестом варианте осуществления согласно данному изобретению устройство имеет комбинацию не одного, а более чем одного дополнительных массивов микролинз для обеспечения функции снижения неоднородности яркости. Например, могут присутствовать два массива микролинз.
microlens
L
ML1
L
ML2
L
L
ML1
ML2
В частном примере фиг.15А согласно данному изобретению устройство имеет два массива микролинз 1501 и 1502, из которых микролинзы имеют радиус кривизны вдвое больший, чем у лентикулярных (двояковыпуклых) линз (первый линзовый массив тоже обозначен с массивом линз, формирующим визуальное отображение), а кривизна их преломляющей поверхности противоположна таковой у лентикулярных линз (R=-2R). В то время как микролинзы ML1 массива 1501 имеют период P, который в 5 раз меньше периода, или шага, лентикулярных линз P, линзы ML2 массива 1502 имеют период P, который в 3,5 раза меньше периода лентикулярных линз P. Контуры участков пересечения этих линзовых массивов обозначены на фиг.15А, где вертикальная ось представляет размерность z участка пересечения линзы (направление, в котором измеряется толщина линзы), а горизонтальная ось представляет размерность x ширины линзы. И поэтому в этом примере P=0,8 мм, P=0,8/5 мм и P=0,8/3,5 мм.
В дальнейшей модификации этого варианта осуществления эти два массива линз 1501 и 1502 могут быть интегрированы в один массив микролинз наложением данных двух массивов микролинз. В таком случае контур единственного массива, который получается в результате, представлен позицией 1503 на фиг.15В. В еще одной модификации данные два массива могут быть интегрированы вместе, а также с массивом лентикулярных линз (формирующим визуальное отображение первым линзовым массивом). В том случае контур полученного в результате массива лентикулярных линз таков, что он показывает плоские грани с неравной шириной (измеренной в направлении x), как может наблюдаться из участка пересечения линзы фиг.15С.
L
L
views
Эффект от использования множества массивов микролинз, как описано в предыдущих параграфах, обозначен со ссылками на фиг.16 и 17. Фиг.16 показывает вид спереди конфигурации 15-образного трехмерного 42-дюймового дисплея (формата полного высокого разрешения, full-HD: 1920Ч1080 пикселей) с лентикулярным (первым) линзовым массивом, скошенным под углом арктангенс (1/6) по отношению к направлению столбцов суб-пикселей. Линии 1601 указывают границы лентикулярного массива (первого линзового массива). Ссылаясь на фиг.12, характеристики лентикулярного массива следующие: n1=1,52, n2=1 (т.е. воздух), период лентикулярных линз P=0,798 мм, а радиус кривизны лентикулярных линз R=3,0373 мм. Со ссылкой на фиг.16 дисплей выполнен с возможностью иметь 15 визуальных отображений или видов, т.е. N=15, которые на чертеже для номера суб-пикселя от 1 до 15, их вклад в визуальное отображение указан номерами от 1 до 15. Черная матрица 1602 составляет до 25% периода суб-пикселей, которые измерены в обоих, горизонтальном и вертикальном, направлениях. В дальнейших вычислениях задается λ=550 нм, как конструктивная длина волны, если не заявлено иначе.
Фиг.17 показывает рассчитанные графики интенсивности, как видится наблюдателем, при слежении за определенным местом на дисплее как функции угла, при котором это местоположение отслеживается. Графики на фиг.17 являются результатом отслеживания лучей с учетом дифракции в так называемом приближении Френеля-Кирхгофа. Интенсивность на графике 1701 (пунктирная линия) непостоянна, что типично для муаровой интерференции (наличие полос) на дисплее, как если бы без использования настоящего изобретения. Муаровое искажение, как представлено стандартным отклонением, характеризуемым значением сигмы, составляет в этом случае 1,2%. При применении данного изобретения с использованием простой геометрической оптики число линз во втором массиве или число плоских граней в лентикуляре требовалось бы равным числу видов (визуальных отображений), т.е. 15. Как можно видеть на фиг.17, график 1602 (сплошная линия), представляющий это решение, почти перекрывает пунктирную линию 1701, т.е. улучшение только маленькое, так как сигма понижена до 1,16%. Это в связи с тем, что в этом случае простая геометрическая оптика недостаточна, и дифракция должна приниматься в расчет во время определения числа микролинз или плоских граней. Это может быть сделано согласно формуле, данной здесь выше, путем снижения числа микролинз, или увеличения их периода. Графики с 1603 по 1605 представляют различные ситуации, где N равно от 6 до 8. Формула, данная выше, которая учитывает дифракцию, приводит в результате к устройству, имеющему число микролинз на лентикуляр или число плоских граней на лентикуляр N=7, что очень близко к оптимальному, полученному при N=6. Как можно видеть, улучшение лучше, чем без учета дифракции, поскольку значение сигма теперь падает ниже 0,8% для N=8, 0,41% для N=7 и в лучшем случае N=6, даже, до 0,34%.
График при N=6 воспроизводится на фиг.18 и помечен позицией 1801. Также показан график 1802, представляющий устройство, имеющее два микромассива, как описано со ссылкой на фиг.15. Так, один из двух микромассивов имеет N1=5, а другой имеет N2=3,5. В этом случае количество муара снижено даже значительнее, как наблюдается из даже более низкого значения сигма 0,05%.
Оптимизированная компоновка фиг.15 работает хорошо для запланированной длины волны λ=550 нм (=зеленый), но также при других длинах волн в видимом спектре, таких как λ=630 нм (=красный) и λ=470 нм (=синий). Значение сигма с этими тремя длинами волн приблизительно одно и то же.
В дополнительных вариантах осуществления данного изобретения стандартный лентикулярный массив с искривленной преломляющей поверхностью и без граней комбинируется с одним или более массивом линз таким образом, что радиус кривизны микролинз отличается (по магнитуде) от такового для лентикулярных линз. Когда такие микролинзы физически комбинируются в лентикулярный массив, данный лентикулярный массив не окажется с плоскими гранями, но с искривленными гранями.
ML
ML
ML
ML
ML
L
ML
Без желания быть связанными теорией, геометрическая оптика требует, чтобы угловой интервал между двумя соседними видами Δθ был равен периоду микролинзы микролинзового массива, поделенному на фокусное расстояние массивов микролинз f, т.е. Δθ=P/f. В приближении фокусное расстояние равно радиусу кривизны микролинзы R, поделенному на разность коэффициентов преломления материалов n1 и n2, образующих преломляющую поверхность микролинз, т.е. f=|R/(n1-n2)|. Стоит заметить, что когда микролинза вмонтирована таким образом, что многогранный лентикуляр получается в результате, коэффициенты преломления также относятся к материалам многогранной линзы. Предполагая, что есть N микролинз (или граней) на одну лентикулярную линзу, и замечая, что период лентикулярной линзы равен числу граней, умноженному на период микролинзы, P=N·P, можно вывести, что:
ML
ML
ML
Следовательно, для достижения определенного углового интервала между двумя соседними видами, согласно геометрической оптике не имеет значения, есть ли у нас много микролинз N в комбинации с маленьким радиусом кривизны каждой микролинзы R, или мало микролинз в комбинации с большим радиусом кривизны R. На практике, как описано здесь раньше, феномен дифракции становится важным, когда микролинзы являются маленькими, т.е., имеют маленькую ширину (по отношению к длине волны используемого света). Одним предпочтительным подходом может вследствие этого быть - выбор наименьшего числа микролинз (или граней), которое приемлемо с точки зрения восприятия, причем к восприятию относится, среди прочих, желательный угловой интервал между видами. Затем число граней N устанавливается в то значение, которое, если дифракция важна, предпочтительно проводится с использованием уравнения, данного здесь выше для принятия в расчет дифракции. Затем, после задания N, радиус кривизны R микролинз или граней, если микролинзы вмонтированы в лентикуляр, определяется и задается. Эта процедура, в зависимости от выборов, сделанных для достижения наилучшего опыта наблюдения, как предпочтительно для восприятия, привести к устройству, которое имеет микролинзовый массив, интегрированный в лентикуляр, такой, что грани лентикуляра являются не плоскими, а искривленными.
ML
L
ML
Фиг.19А и 19В показывают профиль интенсивности единичного вида и форму лентикуляров с и без интегрированных микролинз для целей сравнения. На фиг.19А график 1901 относится к N=0, т.е. обычный лентикуляр с формой поперечного сечения согласно графику 1904 на фиг.19В. График 1902 относится к микролинзовому массиву N=6 c R=-R=-3,0373 мм, где все микролинзы имеют одинаковую ширину. Когда такие микролинзы включены в лентикулярный массив, линзы лентикулярного массива имеют плоские грани. График показывает, что наименьшее количество муара, достигнутое с такими микролинзами или гранями, составляет 0,34%. График 1903 относится к N=3 c R=-10 мм и равной шириной микролинз. При интеграции в лентикулярные линзы это приводит к неплоским граням, так что форма поперечного сечения лентикуляра с интегрированными микролинзами представлена на графике 1905 фиг.19В. Количество муара 0,17% является даже более низким, чем таковое для примера, имеющего плоские грани. Более того, как успешно подтверждается результатами, показанными на фиг.19А, расширение отдельного вида, полученного с устройством, которое соответствует лентикуляру с неплоскими гранями (график 1903) значительно меньше того, что у видов, полученных с устройством, соответствующим лентикулярам с плоскими гранями (график 1902).
В основном, таким образом, предпочтительно, но не обязательно в некоторых случаях, чтобы число микролинз или число граней сохранялось как можно меньшим при регулировании радиуса кривизны для таких микролинз для того, чтобы минимизировать муар. Таким образом дифракция является наиболее ограниченной. Предпочтительно, N>1 и N<10. Более предпочтительно, - это устройство с N>2 и N<5.
Будет ясно, что могут быть использованы комбинации вариантов осуществления, как описано выше. Так, со ссылкой на фиг.20, соседствующие микролинзы в устройстве могут иметь такую же оптическую силу, но противоположную по знаку (вогнутые или выпуклые линзы), как показано в микролинзовом массиве 2001. Это снижает дифракцию, так как период микролинз увеличен, если микролинзы имеют тот же шаг, период удвоился. Альтернативно, микролинзы могут иметь тот же самый шаг, но другую оптическую силу, или иметь ту же оптическую силу и другой шаг, или иметь отличающуюся силу и шаг.
В другом варианте осуществления, согласно данному изобретению, сконфигурированные в сетку микролинзы наклонены по отношению к лентикулярам, или при включении, грани, интегрированные в лентикуляр, скошены в ориентации по отношению к ориентации лентикуляра. В случае, когда есть всего несколько граней для каждой линзы, пространственная структура пикселей в пределах каждого вида, как обнаруживается наблюдателем, может иметь неблагоприятное распределение; неблагоприятное в смысле того, что на эту структуру некомфортно смотреть, благодаря, например, появлению разбитых структур в цвете. Этот эффект может быть в среднем устранен наклоном микролинз или структурированной сетки граней по отношению к лентикулярным линзам.
Линзы не должны быть сферическими, т.е. асферические линзы могут быть использованы для снижения аберраций, как известно в данной области техники.
Один или более массивов микролинз могут быть отделены от лентикулярного линзового массива, или интегрированы с лентикулярным линзовым массивом, приводя в результате к многогранному лентикуляру. Последний будет иметь преимущества в том, что придется изготавливать только один линзовый массив, а полученное в результате устройство будет тоньше и/или легче по весу.
Хотя много примеров было описано, начиная со скошенного лентикуляра. Данное изобретение с одинаковым эффектом может быть использовано для ненаклонных лентикуляров, или любого другого типа лентикуляра в пределах области техники, к которой относится данное изобретение. Линзы данного изобретения могут быть изготовлены с использованием методов абляции и/или методов отливки, как известно в данной области техники.
Фиг.21А-21С являются диаграммами для объяснения дальнейшего автостереоскопического устройства 601 отображения, согласно данному изобретению. Со ссылкой на этот чертеж, шестое устройство 601 согласно данному изобретению имеет ту же самую структуру, как и первое устройство 101, описанное со ссылками на фиг.7, за исключением того, что голографический диффузор 621 обеспечивает различные эффективные углы рассеивания 625, 627 в первой и второй перпендикулярных плоскостях x'-z, y'-z. В частности, как проиллюстрировано на фиг.21В, эффективный угол рассеивания 625 в первой плоскости x'-z равен 0,5°, а эффективный угол рассеивания 627 во второй плоскости y'-z равен 5°. Голографический диффузор 621 может быть выполнен таким образом, чтобы обеспечить другие эффективные углы рассеивания, единственным требованием является, что эффективный угол рассеивания в одной плоскости будет меньше, чем угол Φ между соседними видами, проецируемыми лентикулярной пленкой 609, а в другой плоскости эффективный угол рассеивания будет больше, чем угол Φ.
Более того, голографический диффузор 621 вращается вокруг оси z (простирающейся вглубь страницы) так, что оси y лентикулярных линз и ось y' голографического диффузора 621 вместе задают угол x. Таким образом, характеристика диффузора может быть отрегулирована. Например, по мере того, как голографический диффузор 621 вращается, функция складывания становится трапецевидной формы, как проиллюстрировано на фиг.21С. Когда ширина 629 на половине максимума становится равной углу между видами Φ, неоднородности яркости, вызванные отображением черной матрицы, минимизируются.
Наряду с обеспечением для регулировки характеристик рассеивания, конфигурация, описанная со ссылками на фиг.21А-21С предусматривает, чтобы единственный слой голографического диффузора изготавливался для множества различных автостереоскопических устройств отображения, со слоем, вращающемся на различные углы, чтобы удовлетворять заданным параметрам каждого дисплея. Например, углы рассеивания в диапазоне от 0,5° до 5° могут быть достигнуты с использованием голографического диффузора 621, описанного со ссылками на фиг.21А и 21В.
Предпочтительный вариант осуществления данного изобретения был описан выше. Однако, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны без выхода из рамок данного изобретения. Предусмотрено, что лентикулярная пленка может дополнительно быть введена другими средствами, например, с привлечением линз с градиентным показателем преломления (GRIN), или ячеек, содержащих электрооптические материалы, такие как жидкие кристаллы. Для линз лентикулярной пленки нет необходимости быть скошенными. Варианты осуществления данного изобретения, содержащие голографический диффузор были описаны выше. В других вариантах осуществления голографический диффузор может быть заменен на другие типы поверхностного диффузора, такие как спроектированные диффузоры, или дисперсные диффузоры.
Френелевские отражения (потери) на воздушном интерфейсе поверхностных диффузоров, т.е. отражения, которые могут вызвать снижение контраста автостереоскопического устройства отображения при дневном свете, могут быть снижены сопряжением поверхностного диффузора со средой, имеющей должным образом подобранный коэффициент преломления. В вариантах осуществления, в которых дисплейная панель является жидкокристаллической дисплейной панелью, линейно поляризованный выходной сигнал может быть применен для улучшения контраста устройства при дневном свете. Это может быть достигнуто путем изготовления рассеивающего слоя чувствительным к направлению поляризации.
dif
o
e
o
e
Например, поверхностный диффузор, имеющий коэффициент преломления n, может взаимодействовать с двоякопреломляющей средой, такой как жидкокристаллический материал, который характеризуется обычным и экстраординарным коэффициентом преломления n, n. n может быть подобран к коэффициенту преломления диффузора, с n, являющимся выше, чем коэффициент преломления диффузора. Двоякопреломляющая среда, затем ориентируется таким образом, что экстраординарный коэффициент преломления будет применяться к свету от дисплея, так, чтобы этот свет претерпевал распространение в двух направлениях. Внешний свет, падающий на дисплей, не поляризован, так, что обычный и экстраординарный коэффициенты преломления применяются в равной степени. Таким образом, только половина внешнего света встретится с интерфейсом и будет частично отражена, снижая, тем самым, контраст при дневном свете. Другая половина внешнего света не встретится с интерфейсом и не будет, следовательно, отражена. Такой вариант осуществления улучшает контраст при дневном свете в два раза.
Другие варианты осуществления, содержащие двоякопреломляющую среду, также предусмотрены.
В некоторых вариантах осуществления первый и второй массивы линз, осуществляющие функции формирования видов и снижения неоднородности яркости, объединены в единственный оптический интерфейс, такой как в варианте осуществления, описанном выше, содержащим массив полигональных линз. В других таких вариантах осуществления первый и второй массивы линз, имеющие неравные радиусы, могут быть объединены, чтобы обеспечить массив неполигональных линз, например, имеющих геометрию, подобную «колесу для цепной передачи». Первый и второй массивы линз также могут поворачиваться по отношению друг к другу.