АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к автостереоскопическому устройству отображения, которое содержит дисплейную панель, имеющую матрицу пикселей дисплея для создания отображения, и структуру формирования изображений, предназначенную для направления различных проекций к различным пространственным положениям.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первым примером структуры формирования изображений для использования в дисплее данного типа является барьер, например, с прорезями, которые имеют размер и расположение, которые связаны с расположенными под ними пикселями дисплея. В конструкции с двумя проекциями зритель может воспринимать трехмерное (3D) изображение, если его/ее голова находится в фиксированном положении. Барьер располагают перед дисплейной панелью, и конструируют так, чтобы свет от четных и нечетных столбцов пикселей был направлен к левому и правому глазам зрителя, соответственно.
Недостатком данного типа конструкции дисплея с двумя проекциями является то, что зритель должен находиться в фиксированном положении и может перемещаться только приблизительно на 3 см влево или вправо. В более предпочтительном варианте осуществления под каждой прорезью находятся не два столбца субпикселей, а несколько. Таким образом, зрителю предоставляют возможность двигаться влево и вправо и все время воспринимать своими глазами стерео изображение.
Барьерную структуру просто изготавливать, но она не эффективна по отношению к свету. Поэтому предпочтительной альтернативой является использование в качестве структуры формирования изображений линзовой структуры. Например, можно обеспечивать массив удлиненных лентикулярных элементов, которые расположены параллельно друг другу и находятся над массивом пикселей дисплея, и на пиксели дисплея смотрят через эти лентикулярные элементы.
Лентикулярные элементы обеспечивают как пластину элементов, каждый из которых содержит удлиненные полуцилиндрические элементы линзы. Лентикулярные элементы вытянуты в направлении столбцов дисплейной панели, причем каждый лентикулярный элемент находится над соответствующей группой из двух или более смежных столбцов пикселей дисплея.
В структуре, в которой, например, каждая лентикулярная линза связана с двумя столбцами пикселей дисплея, пиксели дисплея в каждом столбце обеспечивают вертикальный срез соответствующих двумерных фрагментов изображений. Лентикулярная пластина направляет эти два сектора и соответствующие срезы от столбцов пикселей дисплея, связанных с другими лентикулярными линзами, к левому и правому глазам пользователя, расположенного перед пластиной, так, чтобы пользователь наблюдал одно стереоскопическое изображение. Пластина лентикулярных элементов таким образом обеспечивает функцию направления выходного света.
В другой структуре каждая лентикулярная линза связана с группой из четырех или более смежных пикселей дисплея в направлении строки. Соответствующие столбцы пикселей дисплея в каждой группе располагают соответствующим образом для обеспечения вертикального среза от соответствующих двухмерных фрагментов изображений. Когда пользователь двигает головой слева направо, он воспринимает серию отличающихся последовательных стереоскопических проекций, например, как круговой обзор.
Описанное выше устройство обеспечивает эффективный трехмерный дисплей. Однако, следует признать, что при обеспечении стереоскопического обзора существует обязательная потеря в горизонтальном разрешении устройства. Эта потеря в разрешении увеличивается с количеством создаваемых проекций. Таким образом, главным недостатком использования большого количества проекций является уменьшение разрешения изображения в проекции. Общее количество доступных пикселей необходимо распределять между проекциями. В случае трехмерного дисплея с n-проекциями с вертикальными лентикулярными линзами воспринимаемое разрешение каждой проекции в горизонтальном направлении будет уменьшено с коэффициентом n по отношению к двумерному (2D) случаю. В вертикальном направлении разрешение останется тем же самым. Использование наклонных барьера или лентикулярной линзы может уменьшать это неравенство между разрешением в горизонтальном и вертикальном направлении. В этом случае ухудшение разрешения можно распределять равномерно между горизонтальным и вертикальным направлениями.
Увеличение количества проекций таким образом улучшает впечатление от трехмерного изображения, но уменьшает разрешение изображения, которое воспринимается зрителем. Каждое из отдельных проекций находится в так называемом конусе обзора, и эти конусы обзора обычно повторяются по полю обзора.
Впечатление от просмотра ухудшает тот факт, что зрители не полностью свободны в выборе своего расположения в пределах поля обзора устройства отображения, т.е. своего расположения для просмотра изображения на трехмерном мониторе или телевизоре в том смысле, что на границе между конусами обзора в пределах поля обзора дисплея трехмерный эффект отсутствует, и появляются раздражающие фантомные изображения. Данное изобретение относится к решению этой проблемы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из задач данного изобретения является сокращение количества и, предпочтительно, устранение границ конусов обзора.
Данную задачу решают с помощью данного изобретения, которое определено в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения определяют предпочтительные варианты осуществления.
В автостереоскопическом устройстве согласно изобретению объединяют линзы и отверстия барьера для обеспечения широкого поля обзора и без повторения проекций в области автостереоскопического выходного изображения. Предпочтительно, дисплейная панель содержит массив пикселей дисплея, и барьерная структура выполнена таким образом, чтобы свет от пикселя достигал только одного отверстия барьера. Это предотвращает вывод отдельных проекций через множество отверстий барьера, и таким образом предотвращает повторение конусов обзора.
Нормальное направление можно предпочтительно определять относительно дисплейной панели.
Пиксели могут быть субпикселями, каждый из которых имеет отличающийся цвет, как известно из предшествующего уровня техники.
Боковые направления обзора перпендикулярны вертикальному направлению обзора, причем термин «вертикальное» имеет свое обычное значение.
Линзы линзовой структуры можно размещать у отверстий барьерной структуры. В этом случае радиус каждой линзовой структуры предпочтительно составляет 0,2-0,5 от расстояния между барьерной структурой и дисплейной панелью.
В одной из предпочтительных конструкций все поле обзора имеет автостереоскопический выход. Однако, для уменьшения общего количества проекций (и таким образом для уменьшения ухудшения разрешения), центральная часть поля обзора может иметь автостереоскопическое выходное изображение, а боковые части поля обзора - двумерное выходное изображение. Отдельные двумерные проекции центральной части поля обзора могут в таком случае располагаться ближе друг к другу, чем двумерные проекции в боковых частях поля обзора.
Для достижения этого в одной конфигурации между дисплейной панелью и барьерной структурой можно обеспечивать линзовую структуру, в которой линзы в центральной части имеют радиус кривизны, отличный от радиуса в боковых частях. Это отличие в кривизне дает возможность заполнять нормальные проекции более плотно, чем боковые проекции. Дополнительные элементы линзы можно обеспечивать в отверстиях барьерной структуры.
В другой конфигурации барьерную структуру можно обеспечивать между дисплейной панелью и линзовой структурой, причем каждый элемент линзы принимает весь свет от соответствующего отверстия барьера.
В этом случае элементы линзы могут иметь центральную часть, которая принимает свет только от одного отверстия барьера, и совместно используемые краевые участки, которые принимают свет от двух смежных отверстий барьера. Это дает возможность элементам линзы иметь регулярную или периодическую форму, например, синусоидальный профиль. Элементы линзы могут содержать стек из двух подэлементов линзы, каждый из которых имеет синусоидальный профиль. Также, дополнительные элементы линзы можно обеспечивать в отверстиях барьерной структуры.
В этой конфигурации отдельные двумерные проекции центральной части предпочтительно отделены на 0,5-3 градуса.
Барьерная структура может содержать по меньшей мере одну прозрачную пластину, причем данная пластина имеет форму с поперечным сечением в форме прямоугольника с вырезами, причем вырезы расположены в участках вне областей, которыми ограничены траектории света между дисплейной панелью и барьерной структурой. Это предоставляет возможность уменьшать вес устройства отображения.
В одном из вариантов осуществления дисплейная панель (например, жидкокристаллическая дисплейная панель) содержит пространственный модулятор света, и автостереоскопический дисплей содержит подсветку, обеспечивающую свет к пространственному модулятору света так, чтобы он проходил через пространственный модулятор света. Предпочтительно, подсветка является коллимированной подсветкой, которая обеспечивает коллимированный свет к пространственному модулятору света. Это обеспечивает улучшение яркости автостереоскопического дисплея, поскольку по меньшей мере часть иначе потерянного света перенаправляют в проекции.
Предпочтительно, подсветку конфигурируют таким образом, чтобы коллимированный свет был параллельным или сходящимся и был ограничен по меньшей мере первым диапазоном с каждой стороны от направления, нормального к дисплейной панели. Таким образом никакой свет подсветки не теряется вообще. Предпочтительно коллимированную подсветку конфигурируют таким образом, чтобы она обеспечивала коллимированный свет, состоящий из одного или более параллельных или сходящихся пучков, испускаемых в одном единственном направлении. Предпочтительно это направление перпендикулярно направлению освещения подсветки.
Когда автостереоскопический дисплей конфигурируют таким образом, что первый диапазон с каждой стороны от направления, нормального к дисплейной панели, таков, что сходящиеся пучки выходят из дисплейной панели, тогда автостереоскопический дисплей может содержать массив соединенных линз между дисплейной панелью и коллимированной подсветкой для обеспечения сходящегося коллимированного пучка света к дисплейной панели так, чтобы в плоскости пространственного модулятора света не было никаких областей между соседними сходящимися пучками, которые не освещены по меньшей мере одним пучком.
В данном случае подсветка предпочтительно обеспечивает параллельный коллимированный свет по всему освещаемому участку. Альтернативно, массив соединенных линз можно интегрировать в подсветку для обеспечения к дисплейной панели сходящихся пучков света, которые освещают весь участок дисплейной панели.
Другое устройство дополнительно содержит вторую барьерную структуру, содержащую массив отверстий, причем упомянутая барьерная структура (которая будет упоминаться как «первая» барьерная структура) и вторая барьерная структура находятся между дисплейной панелью и линзовой структурой. Вторая барьерная структура имеет более широкие отверстия, чем первая барьерная структура. Эта двойная барьерная структура предоставляет возможность дополнительного уменьшения шага между отверстиями барьера первой барьерной структуры, чем это возможно с одной барьерной структурой. Это подразумевает, что система предоставляет возможность использования преимуществ дисплеев с высоким разрешением без необходимости переноса первой барьерной структуры немного ближе к дисплейной панели, т.е. без необходимости уменьшения расстояния между первой барьерной структурой и дисплейной панелью.
Например, по меньшей мере для некоторых пикселей дисплея, в пределах первого диапазона углов, выход пикселя проецируется по меньшей мере на два отверстия барьера барьерной структуры. Это обеспечит мультиконический выход для структуры с одним барьером. Однако, вторая барьерная структура блокирует свет таким образом, что свет от пикселя проходит только через одно из отверстий второй барьерной структуры. Это восстанавливает вывод изображения с помощью одного конуса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения будут далее описаны просто для примера в отношении сопроводительных чертежей, на которых:
фиг.1 - схематический вид в перспективе известного автостереоскопического устройства отображения;
фиг.2 показывает как массив лентикулярных линз обеспечивает различные проекции к различным пространственным расположениям;
фиг.3 показывает как барьерная структура обеспечивает различные проекции к различным пространственным расположениям;
фиг.4 показывает поперечное сечение структуры мультиперспективного автостереоскопического дисплея;
фиг.5 - крупный план фиг.4;
фиг.6 показывает систему с 9 проекциями обзора, в которой проекции, созданные в каждом из множества конусов, являются одинаковыми;
фиг.7 схематично показывает идеальное решение проблемы появления повторных конусов и переходов между конусами;
фиг.8 показывает основной вариант осуществления дисплея «с одним конусом», например, показанного на фиг.7;
фиг.9a показывает одну из возможных конструкций дисплея, и фиг.9b и 9c показывают два варианта осуществления изобретения;
фиг.10 показывает другой вариант осуществления дисплея согласно изобретению;
фиг.11 показывает функциональные возможности линз, сравнивая предшествующий уровень техники с данным изобретением,
фиг.12a и 12b показывают дополнительные варианты осуществления, в которых линзу и барьер размещают на различных расстояниях от пиксельной плоскости;
фиг.13a и 13b показывают дополнительные варианты осуществления с упрощенными конструкциями для основной линзы;
фиг.14a и 14b показывает дополнительные варианты осуществления с увеличенным расстоянием между линзовой структурой и барьерной структурой;
фиг.15 показывает фактическую конструкцию для 42” (107 см) дисплеев;
фиг.16 показывает возможную модификацию конструкции подсветки;
фиг.17 показывает дополнительный вариант осуществления, который предоставляет возможность использования преимущества увеличенного разрешения в пикселях;
фиг.18 используется для объяснения, что часть подложки в конструкции на фиг.7 может быть удалена в соответствии с дополнительным примером изобретения;
фиг.19 показывает конструкцию фиг.7 с удаленными частями подложки;
фиг.20 показывает модификацию конструкции на фиг.19;
фиг.21 используется для объяснения, что часть второй подложки в конструкции на фиг.17 может также быть удалена в соответствии с дополнительным примером изобретения;
фиг.22 показывает конструкцию на фиг.17 с удаленными частями второй подложки;
фиг.23 - схематическая коллимированная подсветка; и
фиг.24 показывает автостереоскопическое устройство отображения согласно изобретению, имеющее коллимированную подсветку.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Данное изобретение обеспечивает автостереоскопическое устройство отображения, имеющее поле обзора, и в котором используют и барьерную структуру, и линзовую структуру. Множество проекций обеспечивают к различным боковым направлениям обзора в пределах поля обзора. По меньшей мере часть поля обзора имеет автостереоскопическое (3D) выходное изображение, и часть, которая имеет автостереоскопическое выходное изображение, не имеет никаких повторений отдельных (двумерных) проекций. Это подразумевает, что нет никакого изменения стерео обзоров («псевдо стерео обзоров») на границах конусов обзора, поскольку нет никаких границ конусов обзора.
Проблемы, которые решают с помощью данного изобретения, будут сначала описаны более подробно перед объяснением изобретения.
Фиг.1 - схематический вид в перспективе известного автостереоскопического устройства 1 отображения прямого обзора. Данное известное устройство 1 содержит жидкокристаллическую дисплейную панель 3 с активной матрицей, которая работает в качестве пространственного модулятора света для формирования изображения.
Дисплейная панель 3 имеет ортогональный массив пикселей 5 дисплея, упорядоченный в строки и столбцы. Для ясности только небольшое количество пикселей 5 дисплея показано на данной фигуре. Практически, дисплейная панель 3 может содержать приблизительно одну тысячу строк и несколько тысяч столбцов пикселей 5 дисплея.
Структура жидкокристаллической дисплейной панели 3 является полностью обычной. В частности, панель 3 содержит пару расположенных на некотором расстоянии друг от друга прозрачных стеклянных подложек, между которыми обеспечивают ориентированный скрученный нематический или другой жидкокристаллический материал. Подложки несут шаблоны электродов из прозрачного оксида олова и индия (ITO) на своих наружных поверхностях. Поляризационные слои также обеспечивают на внешних поверхностях подложек.
Каждый пиксель 5 дисплея содержит противостоящие электроды на подложках, с промежуточным жидкокристаллическим материалом между ними. Форму и схему размещения пикселей 5 дисплея определяют с помощью формы и схемы размещения электродов. Пиксели 5 дисплея отделены друг от друга равномерными промежутками.
Каждый пиксель 5 дисплея связан с переключающим элементом, таким как тонкопленочный транзистор (TFT) или тонкопленочный диод (TFD). Пикселями дисплея управляют для формирования изображения, обеспечивая сигналы адресации к переключающим элементам, и соответствующие схемы адресации известны специалистам.
Дисплейную панель 3 освещают с помощью источника 7 света, содержащего в данном случае плоскую подсветку, которую распределяют по участку массива пикселей дисплея. Свет от источника 7 света направляют через дисплейную панель 3, причем отдельными пикселями дисплея 5 управляют для модулирования света и формирования изображения.
Устройство 1 отображения также содержит лентикулярную пластину 9, расположенную со стороны отображения дисплейной панели 3, которая выполняет функцию формирования обзора. Лентикулярная пластина 9 содержит строки лентикулярных элементов 11, расположенных параллельно друг другу, из которых только один показан с увеличенными размерами для ясности.
Лентикулярные элементы 11 имеют вид выпуклых цилиндрических линз, и они работают в качестве средства направления выходного света для обеспечения различных изображений, или проекций, от дисплейной панели 3 к глазам пользователя, расположенного перед устройством 1 отображения.
Автостереоскопическое устройство 1 отображения, показанное на фиг.1, может обеспечивать несколько перспектив с отличающихся точек обзора в различных направлениях. В частности, каждый лентикулярный элемент 11 расположен над небольшой группой пикселей 5 дисплея в каждой строке. Лентикулярный элемент 11 проецирует каждый пиксель 5 дисплея из группы в различных направлениях для формирования нескольких отличающихся проекций. Когда голова пользователя перемещается слева направо, его/ее глаза будут по очереди воспринимать одно из нескольких отличающихся проекций.
Специалисты должны признать, что средство поляризации света необходимо использовать вместе с описанным выше массивом, так как жидкокристаллический материал является двоякопреломляющим, причем показатель преломления изменяется только в применении к свету определенной поляризации. Средство поляризации света можно обеспечивать, как часть дисплейной панели или структуры формирования изображений устройства.
На фиг.2 показан принцип работы структуры формирования изображения лентикулярного типа, которая описана выше, и на ней показана подсветка 20, устройство 24 отображения, такое как LCD, и лентикулярный массив 28. На фиг.2 показано, как лентикулярная структура 28 направляет выход различных пикселей к трем различным пространственным расположениям 26, 26' и 26”. Пиксели могут быть пикселями монохромного дисплея или, как в настоящем примере (не обозначенные позиционными обозначениями, но видимые из закрашенных пикселей на чертеже) субпикселями цветного дисплея. Визуализация изображения дисплея, т.е. присваивание субпикселей проекциям, создаваемым дисплеем, будет таково, что каждая проекция будет иметь всю цветную информацию изображения. Подходящие схемы визуализации известны специалистам, поскольку они подробно описаны в предшествующем уровне техники.
На фиг.3 показан принцип работы структуры формирования изображения барьерного типа, и на ней показана подсветка 20, барьерное устройство 22 и устройство 24 отображения, такое как LCD. На фиг.3 показано, как барьерное устройство 22 обеспечивает структурированный выход света. Это подразумевает, что различные пиксели освещают с помощью прерывистых областей источника света, в результате осуществляется функция направления света. Как показано, пиксели 29a для одной проекции освещают с одного направления, а пиксели 29b для другой проекции освещают с другого направления. Два глаза зрителя 56 воспринимают свет, модулированный с помощью различных пикселей дисплея.
Данное изобретение направлено на решение проблемы повторения обзоров, которую объясняют ниже.
L
На фиг.4 показано поперечное сечение структуры автостереоскопического многорастрового дисплея, например, дисплея, показанного на фиг.2. Снова, панель 24 LCD имеет наверху лентикулярный массив 28. Лентикулярный массив имеет отдельные лентикулярные линзы 28', 28” и т.д. Каждый пиксель под определенными лентикулярными линзами 28', 28” и т.д. будет вносить вклад в определенную проекцию из проекций 41-47. В этом случае каждый пиксель является субпикселем цветного пикселя красной, зеленой, синей дисплейной панели. Различные цветные субпиксели изображены с помощью различного закрашивания. Все пиксели под этой линзой будут вместе вносить вклад в конус обзора, который охватывается углом Φ. Ширину этого конуса, которая определяется углом Φ, определяют с помощью комбинации нескольких параметров: она зависит от расстояния D от пиксельной плоскости до плоскости лентикулярных линз. Она также зависит от шага P линзы.
Фиг.5 - крупный план фиг.4, и на нем показывают, что свет, испускаемый пикселем дисплея 24, собирают с помощью лентикулярной линзы, самой близкой к пикселю, но также и с помощью соседних линз лентикулярной структуры. Таким образом, информацию от каждого пикселя направляют в различные конусы обзора, таким образом, что все конусы обзора с идентичной информацией повторяются в плоскости чертежей. Это - источник появления повторных конусов обзора. Такое повторение в общем случае происходит в боковом направлении.
Зависимостью ширины конуса (Φ) от этих параметров приблизительно управляют с помощью соотношения:
В этом выражении n - усредненный показатель преломления материалов, расположенных между пиксельной плоскостью и плоскостью лентикулярных линз (обычно, n находится в диапазоне от 1,0 (воздух) до 1,6).
Следует отметить, что чем меньше угловое расстояние между двумя проекциями, тем лучше трехмерный эффект.
Соответствующие проекции, созданные в каждом из конусов обзора, являются одинаковыми. Этот эффект схематично показан на фиг.6 для автостереоскопической системы 60 с 9 проекциями. Система имеет поле 62 обзора с 11 повторяющимися конусами 61 обзора с 9 проекциями в каждом конусе 61 обзора. 9 проекций, каждая из которых имеет информацию двумерного изображения всего изображения, которое будет отображаться таким образом, что различные проекции имеют небольшое отличие в смещении для обеспечения стерео восприятия всего изображения. Как объяснено во введении данной заявки, в пределах одного конуса теперь возможно стерео наблюдение с различных точек обзора за содержимым изображения, которое будет отображаться таким образом, что обеспечивается возможность осмотра с разных сторон.
Для приемлемого компромисса между трехмерным эффектом и ухудшением разрешения общее количество проекций ограничено обычно 9 или 15, и могут выполняться другие условия. Эти проекции обычно имеют угловую ширину 1°-2°. Проекции и конусы имеют такое свойство, что они являются периодическими. Если пользователь будет идти вокруг дисплея (например, в боковом направлении), то он в некоторый момент будет пересекать границы конусов 63 обзора между смежными конусами обзора. Таким образом, в определенной области около этих границ изображения для обоих глаз не будут должным образом соответствовать между собой по параллаксу и/или перспективе. Это показано для зрителя 64 на фиг.6. В случае, например, системы с 9 проекциями левый глаз воспринимает, например, 9-ое двумерное изображение, а правый глаз будет воспринимать, например, 1-ое двумерное изображение всего отображаемого изображения. Прежде всего, левое и правое изображения меняются местами, что подразумевает, что изображение - псевдоскопическое. Во-вторых, и это более серьезно, между изображениями существует очень большое несоответствие. Это упоминается как «суперпсевдоскопическое» визуальное отображение. Когда зритель преодолевает границы конусов, наблюдаются очень раздражающие скачкообразные изменения.
Только зритель, расположенный полностью в пределах определенного конуса (например, зритель 65 слева на фиг.6) воспринимает трехмерный эффект, поскольку проекции, которые направляют к его левому и правому глазам, в этом случае немного отличаются (например, проекции 4 и 5 для левого и правого глаза являются проекциями с небольшим смещением, соответственно).
Чтобы суммировать, целью данного описания изобретения является обеспечение решения проблемы появления переходов между конусами при сохранении хорошего трехмерного эффекта.
Первый вариант осуществления согласно изобретению будет описан далее в отношении фиг.7, на которой показывают идеальное решение проблемы появления повторных конусов и переходов между конусами. На фиг.7 показана система 70, которая имеет только один конус 71, состоящий из множества проекций (т.е. угол Φ близок к 180°), так, чтобы не было никаких переходов между конусами. Таким образом, ширина конуса обзора - такая же, как поле обзора системы 70.
На фиг.8 показывают основной вариант осуществления такого дисплея «с одним конусом». Он состоит из дисплея, имеющего дисплейную панель с пиксельной плоскостью 86, оборудованную барьером 80 с относительно узкими прозрачными отверстиями (прорезями) 82. Барьер располагают от дисплейной панели на расстоянии D. Свет 84, исходящий от средства обеспечения подсветки (не показано), входит в стекло 81 дисплея со стороны подсветки. Внутри стекла угол входящего света с нормалью дисплея изменяется между 0° и 42° (предполагая, что свет от подсветки в воздухе изменяется между 0° и 90° и что показатель преломления стекла дисплея равен 1,5). Поскольку угловое распространение света внутри стекла ограничено, повторных проекций можно избежать, сделав шаг P барьера достаточно большим. В качестве эмпирического правила шаг P барьера должен обычно быть в два раза больше расстояния D от барьера до плоскости 86 пикселей. Точное соотношение между шагом и расстоянием зависит от ширины прорези (размера отверстия) и показателя преломления стекла/среды 83 между пикселями 86 и барьером 80.
Эта структура требует множества проекций 87 (только одна из проекций имеет номер позиции на фиг.8) для обеспечения хорошего трехмерного эффекта: это подразумевает, что пространственное разрешение каждой из проекций будет очень низким. Доступное количество пикселей на пиксельной панели (LC панели в данном случае) должно делиться между проекциями; чем больше проекций, тем ниже количество пикселей, доступных для каждой проекции.
Этот недостаток можно устранить при использовании пиксельной панели (LC панели в данном случае), которая имеет очень большое количество пикселей (например, с помощью использования панели стандарта Quad-Full-High-Definition (3840×2160 пикселей)). Также количество пропускаемого света будет ограничено из-за уменьшения размеров отверстий.
L
L
Для обеспечения 180-градусного поля обзора и для улучшения эффективности света, можно также использовать линзы. В частности, требуются широкие линзы (большой шаг P линзы), а также очень сильные линзы в комбинации с небольшим расстоянием от пиксельной плоскости до плоскости лентикулярных линз (D). Такие сильные линзы практически нельзя изготовить (их радиус кривизны R будет меньше, чем P/2, подразумевая, что даже полусферическая линза не будет достаточно сильной).
Этот недостаток можно устранить способом, который объяснен в отношении фиг.9. Это предусматривает расширение отверстий 82 в барьере 80 и размещение линзы 90 в (и по существу в плоскости) каждого отверстия для улучшения количества пропускаемого света.
Таким образом, изобретение относится к различным конфигурациям, которые объединяют линзовую и барьерную структуры.
max
max
-1
Угловые размеры лучей света, присутствующих в LC панели, ограничены θ=sin(1/n). В данном случае n является показателем преломления подложки и защитного стекла LC панели. Обычно n=1,52, что приводит к θ=±41°.
Это является просто результатом закона Снелля: лучи, исходящие из подсветки, когда они входят в стеклянную подложку LC панели, будут преломляться в нормальном направлении.
Это подразумевает, что с помощью структуры, показанной на фиг.9a, на которой показан простой блокирующий свет барьер с периодическим массивом прозрачных прорезей перед LC панелью, единственный конус обзора будет создан, обеспечивая соблюдение следующих условий:
max
L
L
L
В этом соотношении S является шириной прорези в барьере и D является расстоянием между барьерной структурой и LC панелью. Практически, S должна быть небольшой, чтобы не расширять отдельные проекции. В этом случае, при объединении с tan(θ)≈1, минимальным значением для P является P≈2D; поэтому, предпочтительно, P>2D.
Небольшое значение для ширины прорезей S подразумевает низкое пропускание света: большая часть света теряется. Решение состоит в увеличении ширины прорезей и объединении прорезей с лентикулярной линзой, как показано на фиг.9b и фиг.9c. Лентикулярная линза должна иметь фокусное расстояние f, которое по существу равно расстоянию от линзы до пиксельной плоскости. Это гарантирует, что перекрытие между соседними проекциями остается небольшим.
С помощью аппроксимации фокусное расстояние лентикулярной линзы подчиняется соотношению f≈Rn/(n-1), где R - радиус кривизны линзы. Предполагая, что n=1,52 и f=D, из этого следует, что R≈D/3. Предпочтительно, 0,2D<R<0,5D.
Оптическое качество лентикулярных линз можно улучшать с помощью выбора прорезей в барьере так, чтобы они были уже, чем ширина линз (как показано на фиг.9b).
Если дисплейная панель OLED (или любая другая панель с излучающими пикселями, которая не требует ни подсветки, ни пространственной модуляции света) используется вместо LC панели, то лучи, излучаемые пикселем OLED, не ограничены ограниченным угловым диапазоном; вместо этого они охватывают весь диапазон от -90° до +90° внутренней части защитного стекла OLED. В результате лучи, излучаемые под большими углами, могут легко достигать соседних и следующих соседних прорезей. Однако, эти паразитные лучи не будут создавать проблемы при условии, что используется механизм полного внутреннего отражения, обеспечивая, что эти лучи не смогут выйти из защитного стекла 91 панели OLED. Пример решения при таком полном внутреннем отражении показан схематично на фиг.9c, где внешнее поступление света в линзы теперь ограничено углом падения света путем обеспечения того, что кривизна линзы обращена к защитному стеклу панели излучающих пикселей (панели OLED). Таким образом, для дисплеев обоих типов угол траектории света между дисплейной панелью и барьерной структурой ограничен первым диапазоном с каждой стороны от нормального направления. Это дает возможность барьеру работать, обеспечивая, чтобы свет от одного пикселя достигал только одного отверстия барьера.
Комбинация линзового и барьерного средств подразумевает, что угол траектории света к полю обзора устройства отображения находится во втором диапазоне с каждой стороны от нормального направления, причем второй диапазон больше первого диапазона. Предельное значение второго диапазона равно 90 градусов, так, чтобы выходное поле обзора дисплея и таким образом - конус обзора - было равно полным 180 градусам.
Автостереоскопическое устройство 100 согласно второму варианту осуществления согласно изобретению описано в отношении фиг.10. Снова, существует только один конус обзора, который охватывает поле обзора 102. В этом случае плотность проекций является высокой при небольших углах обзора и низкой при больших углах обзора. Это приводит к хорошему качеству трехмерного изображения при относительно небольших углах обзора (в боковом направлении), например, для зрителя 105, и к хорошему качеству двумерного изображения при больших углах обзора, например, для зрителя 104.
Таким образом, проекции 101, которые включают в себя, например, проекции 101', 101'' и 101''', распределяют нелинейным способом. Т.е. проекции располагают таким образом, что расстояние между проекциями является небольшим для проекций, выходящих из дисплея почти перпендикулярно (т.е. для небольших углов обзора, например, для проекции 101'''). При увеличении угла обзора расстояние между проекциями увеличивается (например, для проекций 101” и 101'). Таким образом, не все проекции имеют одинаковую ширину проекции.
Как указано выше, чем меньше угловое расстояние между соседними проекциями, тем более явный трехмерный эффект, и наоборот. Это подразумевает, что зритель, смотрящий на дисплей под небольшими углами обзора, будет видеть высококачественное трехмерное изображение (например, зритель 105), тогда как при увеличении углов обзора трехмерный эффект будет постепенно уменьшаться и в конечном счете уменьшится до двумерного изображения (например, для зрителя 104).
Преимущество состоит в том, что таким образом необходимо только ограниченное количество проекций, подразумевая, что хорошее пространственное разрешение может быть получено в пределах каждой проекции. В то же самое время никакого повторения проекций не происходит.
Небольшое перекрытие можно обеспечивать между соседними проекциями для небольших углов обзора (это помогает обеспечить хороший трехмерный эффект), и постепенно увеличивающееся перекрытие - для увеличивающихся углов обзора. В частности, при больших углах обзора, когда трехмерный эффект будет уменьшен, может быть получено хорошее качество двумерного эффекта, обеспечивая большое перекрытие между проекциями. С помощью визуализации внешних проекций с тем же самым содержимым изображения и обеспечения большего перекрытия между этими проекциями увеличивают видимое пространственное разрешение изображения, которое видит зритель. Другими словами, при небольших углах обзора проекции визуализируются как трехмерные проекции, а при больших углах обзора проекции визуализируются как двумерные проекции.
Визуализация проекции является процессом назначения необходимым пикселям надлежащей информации изображения, так что данная информация попадает на необходимые проекции. Специалисты будут иметь возможность обращаться к пиксельной плоскости, используя обычную электронную аппаратуру и оборудование дисплея таким образом, чтобы она обеспечивала такую визуализацию.
Далее будет объяснен способ, с помощью которого проекции можно перераспределять нелинейным способом.
in
out
in
out
Обращаясь к фиг.5, пусть θ будет углом, под которым луч света испускается определенным пикселем, и θ будет углом, под которым этот луч сета выходит из трехмерного дисплея. Соотношение между θ и θ подчиняется закону Снелля:
out
in
Следует отметить, что в этом соотношении n является показателем преломления защитного стекла LC панели. Из этого соотношения можно определять изменение в θ после небольшого изменения θ:
in
Определяют функцию f(θ):
Можно показать, что результат является следующим:
out
in
in
Данная функция пропорциональна dθ/dθ (и поэтому пропорциональна угловому расстоянию между соседними проекциями) и приведена к единице для θ=0 (соответствует нулевому углу обзора). Для n=1,52 это соотношение графически изображено на фиг.11. Сплошная линия 110 представляет характер изменения, который соответствует предшествующему уровню техники. Пунктирная линия 112 представляет пример согласно изобретению.
in
in
предшествующего уровня техники
in
in
in
предшествующего уровня техники
in
Таким образом, предпочтительны распределения проекций, которые характеризуются функцией f(θ), которые подчиняются соотношению f(θ)>1,05 f(θ) для всех значений θ. Это соответствует распределениям проекций, занимающих закрашенный участок на фиг.11. Закрашенный участок на данной фигуре соответствует f(θ)>f(θ).
Недостатком приведенных выше примеров, когда линзы находятся в отверстиях, является то, что расстояние между проекциями не легко настраивать. Расстояние главным образом определяется с помощью преломления на границе раздела стекло-воздух отверстий или линз. Результирующее расстояние между проекциями увеличивается, когда (центральный) угол проекции с нормалью дисплея увеличивается, но может потребоваться более резкое увеличение.
Таким образом, усовершенствование приведенных выше примеров снова основано на комбинации по меньшей мере одного слоя с блокирующими свет элементами (барьерами) и по меньшей мере одного слоя с лентикулярными линзами (линзами). Однако, эти слои находятся на различных определенных расстояниях от основного дисплея. Эта мера предоставляет возможность подстраивать расстояния между проекциями в соответствии с требованиями.
Из приведенных выше примеров ясно, что функцией барьера является осуществление определенного выбора из всех лучей, которые проходят через систему. Помещая линзу и барьер на различных расстояниях от пиксельной плоскости, траектории света, соответствующие различным углам выхода, пересекут поверхность линзы в различных позициях. Наклон и кривизну линзы в этих позициях можно корректировать в зависимости (или как функцию) от угла выхода. Таким образом, можно изменять расстояние между проекциями (ширину проекций).
b
l
Первый вариант осуществления показан на фиг.12a. Следя за светом от пикселей дисплея в пиксельной плоскости 86 по направлению к зрителю, лучи сначала проходят через линзу 120, а затем встречаются с барьером. Отверстия в барьере, как можно первоначально предполагать, являются узкими прорезями «микроотверстий». Требования конструкции можно наиболее просто понять, отслеживая лучи снаружи назад через отверстие барьера. В этом случае лучи в среде между барьером и линзой занимают углы между 0° и 42° (принимая n=1,5) относительно нормали к дисплею. Все лучи «появляющиеся» из отверстия, должны быть «собраны» линзой. Устанавливая d=d-d, d является расстоянием между частью линзы, которая ближе всего к барьеру, и барьером. Теперь, как при геометрии, показанной на фиг.5, d должно приблизительно удовлетворять требованию: d/p≈0,5.
Конкретная форма линзы зависит от требований расстояния между проекциями. Для практических целей круглое или эллиптическое поперечное сечение может обеспечивать приемлемое распределение проекций. В общем случае, линза может - но не обязательно должна - быть очень асферической. Радиус кривизны в центре линзы (линзы 120) определяется с помощью требуемого расстояния между проекциями для проекций около нормали к дисплею.
Недостатком использования очень узкого отверстия в барьере является то, что усредненное пропускание барьера и, следовательно, яркость дисплея становится низкой. Если размер отверстия будет увеличен без дополнительных мер, то яркость увеличится, но также увеличится и угловое перекрытие (перекрестные помехи) между проекциями. Чтобы избежать этого, дополнительную линзу (линзу 122) можно размещать в отверстии или очень близко к нему. Это показано на фиг.12b. В показанном случае линза 122 является рассеивающей.
Роль/технологический процесс разработки линз 120 и 122 таковы, что линзу 120 разрабатывают так, чтобы обеспечить надлежащее распределение проекций вместе с барьером типа микроотверстий. В таком случае линзу 122 разрабатывают таким образом, что узкий пучок лучей, появляющийся в пределах узкого углового диапазона от центра пикселя дисплея, генерирующего центральную проекцию, после прохождения центра линзы 120 и после прохождения линзы 122 испускается как параллельный пучок в направлении зрителя. Ширину отверстия выбирают как можно больше, но таким образом, чтобы помехи между проекциями не создавали очень большую проблему. Следуя этому технологическому процессу, получают хороший компромисс между 1) расстоянием между проекциями, 2) помехами между проекциями и 3) яркостью.
l
b
В конструкции на фиг.12 соотношение между расстоянием (d) от линз 120 до дисплейной панели 86 и расстоянием d от барьерной структуры 80 до дисплейной панели 86 находится в диапазоне от 0,3 до 0,6.
Одной возможной проблемой для обоих вариантов осуществления, показанных на фиг.12, является то, что форма линзы не очень технологична. Линза имеет тенденцию становиться очень «глубокой», и в точках, где две соседние линзы пересекаются, кривые линзы являются почти тангенциальными к нормали к дисплею.
b
l
b
Более предпочтительный вариант осуществления показан на фиг.13a. Прослеживая свет от пикселей дисплея к зрителю, лучи сначала встречаются с барьером и затем встречаются с линзой. Барьер выбирается таким образом, чтобы никакие повторения проекций не могли произойти (см. фиг.5), следовательно: d/p≈0,5. Оказывается, что для приемлемого распределения проекций волнообразная линза является предпочтительной. Преимущество этой конфигурации состоит в том, что она менее глубокая и не содержит «сложные» наклоны. Следует отметить, что в пределах одного шага линзы кривая линзы касается стекла между барьером и линзой дважды. Линза является очень асферичной. Все лучи, выходящие из отверстия барьера, должны быть «собраны» линзой. Это подразумевает, что если устанавливают d=d-d, то d должно приблизительно удовлетворять условию: d/p≈0,5.
l
b
В этом случае соотношение между расстоянием d от линз 120 до дисплейной панели 86 и расстоянием d от барьерной структуры 80 до дисплейной панели 86 находится предпочтительно в диапазоне от 1,5 до 2,5.
Как в предыдущем варианте осуществления, отверстия в барьерах можно увеличивать и оборудовать линзами 122. Это показано на фиг.13b.
Для практических конструкций выгодно размещать барьер настолько близко к пикселям дисплея, насколько это возможно. Как правило, это минимальное расстояние составляет приблизительно 1 мм. Это подразумевает, что расстояние от линзы до барьера - также приблизительно 1 мм, и шаг барьера/линзы составляет приблизительно 2 мм. Общее количество проекций может быть 20-40, в зависимости от рассматриваемого дисплея. Расстояние между проекциями около нормали к поверхности определяют с помощью кривизны поверхности линзы в центре. Как правило, необходимое расстояние между проекциями около нормали к поверхности равно 1°-2°. Во многих практических ситуациях это подразумевает, что кривизну в центре необходимо выбирать таким образом, чтобы соответствующая фокальная плоскость была расположена очень близко к барьеру (немного «ниже» барьера). Для обеспечения этого, кривизна должна быть сильной. Теперь, проблема возникает, если хотят расширить отверстие и поместить в нем линзу (линзу 122), чтобы проекции оставались более или менее коллимированными. Поскольку основная линза (линза 120) имеет большую кривизну, линза 122 должна быть рассеивающей линзой с большой кривизной. На практике оказывается, что это ограничивает размер отверстий и/или эффективность системы. Поэтому, линзу 120 предпочтительно размещают дальше от барьера, так что кривизну в центре можно, соответственно, уменьшать.
l
b
Третий вариант осуществления с увеличенным расстоянием от линзы до барьера показан на фиг.14a. Основная линза имеет косинусоидальную форму. По сравнению с предыдущим вариантом осуществления, расстояние от линзы до барьера удвоилось. Шаг линзы остался тем же самым, но линза касается расположенного ниже стекла только один раз за шаг. Лучи, проходящие через отверстие барьера, «собирают» фактически с помощью двух (или, альтернативно, половины + одной + половины) линз. Часть линзы, которая действует как «центральная часть» для одного отверстия барьера, действует как «краевая часть» для соседнего отверстия. Каждая часть линзы используется два раза, т.е. освещается из двух отверстий. Преимущество состоит в том, что линза может иметь меньшую кривизну в центре. В результате отверстие барьера можно увеличивать, и менее рассеивающая линза необходима для коллимирования центральных проекций. В этом случае соотношение между расстоянием d от линзы 120 до дисплейной панели 86 и расстоянием d от барьерной структуры 80 до дисплейной панели 86 находится предпочтительно в диапазоне от 2,5 до 3,5.
b
На фиг.13 и 14 соотношение между расстоянием d от барьерной структуры 80 до дисплейной панели 86 и шагом p отверстий 82 барьерной структуры 80 находится в диапазоне от 0,3 до 0,6.
Фиг.15 показывает фактическую конструкцию для 42” (107 см) дисплеев (1920 × 1080 пикселей). Основная линза 120 состоит из комбинации двух расположенных в стек косинусоидальных линз. Причина состоит в том, что их проще изготавливать, чем одну линзу с «двойной глубиной». Для простоты выбирают обоснованно широкое отверстие (10%-ое пропускание света), и линза 122 не используется. Это можно сделать, если кривизну в центре линзы (или стеке линз) выбрать таким образом, чтобы фокальная плоскость совпадала с пиксельной плоскостью. Это гарантирует коллимацию проекций. Предполагая, что линза имеет косинусоидальную форму и зная ее кривизну, определяют конструкцию.
Линзы, конечно, не нуждаются в точных синусоидальных формах. В общем случае у них будет периодическая форма между переменными максимумами и минимумами, причем расстояние между смежными минимумами и максимумами соответствует половине шага линзы.
График на фиг.15 показывает результирующее распределение проекций. Общее количество проекций составляет 22. Проекции около нормали к дисплею расположены относительно близко. Для больших не являющихся перпендикулярными углов проекции находятся на большем расстоянии друг от друга. Дисплей согласно этой конструкции будет иметь возможность отображать трехмерное содержимое зрителю, находящемуся около нормали к дисплею, и двумерное содержимое зрителю, который смотрит на дисплей под более наклонными углами. Как ожидается, барьер уменьшает количество света. Усредненное пропускание света составляет 10%. Количество света достигает максимума около нормали к дисплею. Максимальное пропускание света составляет 25%. В трехмерной области яркость уменьшается до 25% от исходного значения (т.е. без линз/барьеров), тогда как для больших углов яркость уменьшается меньше, чем на 10%. Эти величины зависят, конечно, от выбора отдельных конструкций, и их можно улучшать.
Полное распределение интенсивности света является обычным для приведенных выше вариантов осуществления. В результате трехмерный дисплей будет выглядеть довольно тусклым, когда на него смотрят под большими углами обзора. В вычислениях предполагалось, что угловое распределение света от подсветки является распределением Ламберта. Для улучшения зависимости распределения интенсивности света от углов, подсветку можно настраивать для увеличения ее яркости под большими углами за счет яркости под маленькими углами. Это схематично показано на фиг.16. Практический способ достижения этого состоит в том, чтобы перевернуть пленку увеличения яркости (BEF, которая произведена Vikuity (компания 3M)) на другую сторону (т.е. поверхность формирования изображения удаляют от панели и ориентируют по направлению к подсветке).
Приведенные выше примеры объединяют структуру с одной линзой со структурой с одним барьером. Ниже описана модификация, в которой используют две барьерные структуры. Вероятно, что размеры пикселя продолжат уменьшаться, и разрешение дисплеев будет увеличиваться в ближайшем будущем. Осуществляя описанную выше технологию с одним барьером для дисплея с одним конусом, подразумевается, что толщину защитного стекла LC панели необходимо сокращать, соответственно, в конструкции, так, чтобы свет от пикселя достигал только одного отверстия барьера. Использование второго барьера в конструкции дисплея с одним конусом устраняет необходимость сокращения толщины стекла панели при увеличении разрешения в пикселях.
Увеличение разрешения предоставляет возможность находить оптимальное соотношение между увеличением количества проекций с одной стороны и увеличением разрешения с другой стороны. Этот выбор можно осуществлять с помощью соответствующего выбора шага прорезей в барьере. В приведенных выше примерах минимальный шаг определяют с помощью толщины защитного стекла LC панели. Ниже будет показано, что использование второго барьера предоставляет возможность избегать этого ограничения.
B1
B2
На фиг.17 показан пример конструкции c двойным барьером, содержащей LC панель 86, первую барьерную структуру 80 и (основную) линзовую структуру 120. Вторую барьерную структуру 130 обеспечивают между выходом первой барьерной структуры 80 и линзовой структурой 120. Расстояние между LC панелью 86 и первой барьерной структурой 80 равно d, и его минимальное значение определяется с помощью толщины защитного стекла LC панели. Расстояние между LC панелью 86 и второй барьерной структурой 130 равно d.
L
L
Размеры пикселей, как ожидают, будут уменьшаться, но минимальная толщина защитного стекла LC панели не будет уменьшаться в том же темпе. Это подразумевает, что не будет возможности значительно уменьшать значение D (которое в приведенном выше анализе дает минимальный шаг барьера P≈2D). Это подразумевает, что хотя доступно больше пикселей, воспринимаемое разрешение трехмерных проекций нельзя значительно увеличивать, так как воспринимаемое разрешение определяется шагом барьера P, который не может быть значительно уменьшен, поскольку толщину D нельзя дополнительно уменьшать. Показанный на фиг.17 второй барьер 130 решает эту проблему.
B1
B1
B2
B1
Шаги обоих барьеров по существу равны. Эта структура предоставляет возможность уменьшать шаг барьера ниже предыдущего предела 2D (т.е. 2d). Таким образом P=P<2d.
Это подразумевает, что лучи, испускаемые определенным пикселем, могут проходить дальше, чем через одну прорезь в первом барьере, что приводит к повторным конусам. Чтобы предотвратить повторение конусов, которые достигают зрителя, паразитные лучи блокируют с помощью второго барьера. Это показано на фиг.17.
B1
B2
Прорези во втором барьере 130 шире, чем прорези в первом барьере: S<S.
B1
B2
B1
B2
B1
Как правило, d устанавливают равным толщине защитного стекла LC панели. Кроме того, обычно, 1,2<d/d<2,0. Точно так же обычно, 1,2<S/S<5,0.
Таким же образом, как в приведенных выше примерах, ширину прорезей в первом барьере определяют с помощью фактического размера пикселя, толщины переднего защитного стекла LC панели и показателя преломления защитного стекла. Период прорезей определяют с помощью выбранного количества трехмерных проекций в комбинации с углом наклона лентикулярной линзы.
Комбинация этих двух барьеров подразумевает, что свет от пикселя снова не связан с более чем одной проекцией, так, чтобы избежать повторения конусов обзора. Таким образом, второй барьер обеспечивает большую свободу разработки для обеспечения компромисса между количеством проекций и разрешением проекций, когда более высокое разрешение дисплея становится доступным.
Обе барьерные структуры могут находиться на отдельных тонкопленочных слоях фольги, или быть интегрированы с обеих сторон слоя, служащего подложкой 132. Необходимая ширина прорезей во втором барьере зависит от выбора ширины прорезей в первом барьере, а так же от расстояния от первого до второго барьерного слоя. С точки зрения конструкции выгодно (для меньших углов луча света) иметь промежуточную среду с показателем преломления n между обоими барьерными слоями. Оба барьерных слоя могут иметь оптический контакт с этой подложкой.
Вторую подложку 134 обеспечивают на вершине стека барьера. Переднюю поверхность этой подложки обеспечивают аналогичным лентикулярному массивом линз, у которого может быть та же самая конструкция, которая указана выше, например, поперечное сечение косинусоидальной формы. Как в приведенных выше примерах, этот массив линз отображает пиксельную плоскость дисплея в бесконечность. Форма поперечного сечения массива линз определяет угловое распределение различных проекций. Подложка массива линз может находиться или может не находиться в оптическом контакте со вторым барьерным слоем.
Прорези в одном или в обоих барьерах можно обеспечивать дополнительными линзами, таким же образом, как объяснено для приведенных выше примеров, для предоставления возможности увеличения размера прорези, все еще имея приемлемое трехмерное качество. Увеличение размера прорези приведет к меньшей блокировке барьерами света, таким образом, приводя к более эффективной с точки зрения стоимости системе.
Различные слои, служащие подложкой (содержащие оптические особенности) в приведенных выше конструкциях могут иметь существенную толщину, что приводит к увеличению веса трехмерного дисплея. Поэтому дополнительная модификация приведенных выше конструкций предусматривает удаление материала в оптически неактивных областях различных слоев, служащих подложкой.
Эта технология будет объяснена для видов конструкции, показанной на фиг.8 и 17.
Работа трехмерного дисплея с одним конусом с одним блокирующим барьером на фиг.8 основывается на принципе выбора определенной группы пикселей LCD при использовании подложки, которая действует в качестве волновода для лучей света вне критического угла полного внутреннего отражения.
На фиг.18 схематично показывают соответствующие углы. Воздушный зазор 81 присутствует между блокирующим барьером 80 и подложкой 140, и в результате существует критический угол, определяемый с помощью арксинуса соотношения показателя преломления воздуха и показателя преломления подложки, соответственно.
Этот воздушный зазор 81 необходим, если структура подсветки уже не обеспечивает ограничение углового расхождения. Например, на фиг.8, граница раздела стекло-воздух между подсветкой и панелью LCD обеспечивает ограничение углов. Если подсветка находится в прямом контакте с панелью LCD, например, подсветка OLED, то воздушный зазор 81 можно использовать для обеспечения необходимого ограничения углов.
Толщину подложки H нельзя выбирать произвольно в этом случае. Ее максимальная толщина (H) зависит от размера (P) пикселя в LCD, количества (N) проекций (т.е. количества пикселей под конкретной лентикулярной линзой) и показателя преломления материала подложки и размера прорези (S). Толщину подложки выражают следующим образом:
Заштрихованный участок 142 на фиг.18 (и другие соответствующие участки - показан заштрихованный участок для одной половины периода прорезей барьера) представляет материал подложки, который можно удалять, не затрагивая оптические функциональные возможности. Теоретически можно получить 45%-ое сокращение веса, если отверстие прорези S не больше 10% от шага лентикулярных линз. Пластину 140 подложки с удаленным материалом показывают на фиг.19. Барьер 80 можно применять в нижней поверхности лентикулярного массива.
Практически, как показано на фиг.20, минимальная высота h необходима для поддержания одной единственной платы подложки с достаточной механической жесткостью. В этом случае максимальное сокращение объема (веса) равно:
Вместо использования плоского барьера 80, на фиг.20 также показано, что боковые стенки 144 выполнены оптически поглощающими. С помощью покрытия реконфигурированной подложки оптическим поглотителем можно блокировать нежелательное обратное отражение Френеля в пластину подложки в дополнение к обеспечению необходимой функциональной особенности отверстий барьера.
Максимальную толщину подложки, заданную выше как
возможно, нельзя обеспечить, когда разрешение дисплея увеличивается (т.е. размер пикселя P сокращается). Тогда необходимо внедрять второй блокирующий барьер в оптическую систему для ограничения поля обзора (через первую прорезь) к правому набору пикселей, таким образом, обеспечивая пример трехмерного дисплея с одним конусом и двумя барьерами, показанный на фиг.17.
На фиг.21 показывают структуру, соответствующую фиг.17, но в которой нижний барьер уже заменен подложкой с покрытием с уменьшенным весом, как показано на фиг.20. Первая и вторая подложки находятся в оптическом контакте.
Можно показать с помощью геометрических вычислений, что толщина второй платы подложки 150 должна быть минимально
где H является толщиной подложки первого блокирующего барьера 140 и N является количеством проекций в одном конусе (т.е. также количеством пикселей под одной лентикулярной линзой). Второй барьер 130 имеет блокирующую абсорбирующую область с шириной 2b, где
Параметр P - размер одного пикселя в LCD. Параметр β - масштабный коэффициент для отверстия первой пропускающей свет прорези. Практически β - максимально 10% шага лентикулярных линз (=0,10.N.P), чтобы сохранить распределение проекций не очень большим.
На фиг.21 область материала, который можно безопасно удалять во втором слое, служащем подложкой, снова заштрихована, как область 152. Другие соответствующие области можно также удалять. Так как лучи света перемещаются по прямым траекториям в гомогенном материале, они не могут присутствовать за линией, которая соединяет края первой и второй пропускающих свет прорезей. Результирующая реконфигурированная вторая подложка показана на фиг.22. С помощью использования параметров b и H можно показать, что возможно сокращение объема
Например, если прорезь первого барьера имеет отверстие 10% (β=0,1), и экран имеет 9 проекций (N=9), то сокращение объема 80% возможно во второй плате подложки.
На фиг.22 также показано, что барьерный слой 130 можно заменять поглощающим покрытием 154.
Таким образом, можно заметить, что для обеих конструкций барьерная структура содержит по меньшей мере одну прозрачную пластину, причем данная пластина имеет поперечное сечение в форме прямоугольника с вырезами, причем вырезы расположены в участках вне областей, которыми ограничены маршруты света между дисплейной панелью и барьерной структурой. Эта технология возможна для одной пластины, когда используется один барьер, или для обеих пластин, когда используются две барьерные структуры.
Так как дисплей согласно изобретению использует барьер с относительно узкими прорезями для выбора части лучей света, исходящих из пикселей, подлежащих передаче в созданные проекции, усредненное пропускание света барьера относительно низкое, так что яркость дисплея может стать низкой. Это может быть, например, случай, когда дисплейная панель - LCD, имеющая обычную равномерную излучающую подсветку, которая излучает свет по широкому распределению углов. Можно заметить в ранее описанных примерах, например, в примерах на фиг.12 и 13, что только одна часть света подсветки пройдет через отверстия для обеспечения отображения для зрителя.
Для улучшения яркости дисплея согласно изобретению, данный дисплей может содержать источник света, например, коллимированную подсветку, которая обеспечивает коллимированный свет, причем коллимация такова, что коллимированные пучки света по меньшей мере частично соответствуют пучкам, которые выбраны с помощью оптической конструкции оптики создания проекций (барьерной и линзовой структур). Предпочтительно коллимация такова, что пучки полностью соответствуют, так что никакой свет вообще не теряется. Коллимация света обеспечивает, что большая часть света подсветки попадает в проекции, которые будут наблюдать, к тому же увеличивая яркость дисплея, имеющего обычную равномерную излучающую подсветку.
Далее будут описаны примеры дисплеев с коллимированной подсветкой. Предпочтительно коллимированную подсветку конфигурируют таким образом, чтобы она обеспечивала коллимированный свет, состоящий из одного или более параллельных пучков, испускаемых в одном единственном направлении. Предпочтительно это направление перпендикулярно направлению освещения подсветки.
Фиг.23 - пример коллимированной подсветки 220, которую можно использовать в дисплее согласно изобретению. Коллимированная подсветка содержит массив источников света, например, светоизлучающих диодов (LED) 221, барьер 222 подсветки, имеющий отверстия 223 подсветки, предназначенные для пропускания света от источника света, и линзы 224 подсветки, предназначенные для коллимирования света, который проходит через отверстия. Предпочтительно каждый источник света оптически связан с одним отверстием и одной линзой, так что свет от одного источника света проходит только через одно отверстие, и свет, который проходит через отверстие, собирается только одной линзой. Источники света могут быть отделены друг от друга темными областями, которые расположены между ними для улучшения оптического взаимодействия.
В варианте осуществления на фиг.23 источник света расположен в фокальной точке или в плоскости линзы, с которой он связан. Таким образом свет, проходящий через отверстие, коллимируют с помощью линзы для формирования параллельных пучков света 225, имеющих ширину 226 параллельных пучков. Направление 227 параллельных пучков можно устанавливать или управлять согласно общим геометрическим оптическим принципам, т.е. изменяя, например, расположение линзы подсветки относительно источника и т.д. В данном варианте осуществления направление параллельных пучков перпендикулярно участку освещения коллимированной подсветки. Отверстия в барьере подсветки могут быть относительно широкими, например, чтобы по меньшей мере предотвращать попадание паразитных лучей света от одного источника в соседнюю линзу подсветки, т.е., например, в линзу, которая оптически не связана с источником света, от которого исходит свет. Предпочтительно, как на фиг.23, линзы подсветки в массиве линз имеют такую ширину и расположение, что их края совпадают, а ширина отверстий подсветки и их расположение таково, что свет от источника света заполняет всю линзу, с которой он оптически связан, т.е. свет, испускаемый каждым источником света, ограничен угловыми размерами так, чтобы он попадал во всю ширину. Следует отметить, что форма сечения отверстий и/или линз может быть такой, чтобы форма сечения пучков света, выходящих из подсветки, заполняла плоскость участка освещения коллимированной подсветки. Таким образом подсветка обеспечивает по существу равномерное освещение параллельными пучками света всего участка освещения. Как сказано, эти пучки перпендикулярны в данном случае.
Таким образом, коллимированная подсветка может обеспечивать свет, который ограничен в пределах одного или более пучков, каждый из которых имеет ограниченные угловые размеры, что отличает коллимированную подсветку от обычной равномерной подсветки. Предпочтительную форму коллимированных пучков света по отношению к степени коллимации (степени углового ограничения пучков) и форме поперечного сечения определяют с помощью подробной конструкции дисплея согласно изобретению. Примеры приведены ниже.
Автостереоскопический дисплей, в котором выполняют выбор параллельных пучков, которые попадают в его проекции, предпочтительно можно оснащать коллимированной подсветкой, обеспечивающей такие параллельные пучки. В одном из вариантов осуществления такой дисплей может быть дисплеем, описанным в отношении фиг.12. Предпочтительно, коллимированную подсветку конфигурируют таким образом, чтобы ее параллельные пучки имели площадь поперечного сечения, которая соответствует площади поперечного сечения линз 120 линзовой структуры. В этом случае свет не теряется. Таким образом, поскольку дисплей на фиг.12 имеет полуцилиндрические линзы 120 в своей структуре, которые выбирают пучки света по существу с прямоугольной формой сечения, подсветку предпочтительно конфигурируют таким образом, чтобы ее пучки света соответствовали этой прямоугольной форме. Даже более предпочтительно, участок прямоугольной формы пучков коллимированной подсветки является по меньшей мере таким же маленьким, как участок выбранного пучка, поскольку затем весь свет, обеспеченный подсветкой, выбирают в дисплее, чтобы он попал в проекции. Форму пучков света коллимированной подсветки можно выбирать, используя форму отверстий подсветки в комбинации с формой линз подсветки. Таким образом на фиг.12 отверстиями подсветки предпочтительно являются прямоугольные прорези, а линзами подсветки - полуцилиндрические линзы.
Ясно, что можно использовать другую относящуюся к форме конфигурацию, которая определяется оптикой формирования проекции автостереоскопического дисплея. Например, коллимированные пучки света подсветки могут иметь квадратную или шестиугольную площадь поперечного сечения, полученную с помощью отверстий и/или линз с соответствующей формой поперечного сечения.
В качестве альтернативы дисплею с выбором параллельных пучков, преимущественно можно создавать автостереоскопический дисплей, в котором выбирают сходящиеся пучки, которые попадают в проекции, как описано выше в отношении, например, фиг.8, 13 или 14. Такие автостереоскопические дисплеи можно оснащать коллимированной подсветкой, обеспечивающей такие сходящиеся пучки.
Таким образом, коллимированная подсветка, подходящая для этих целей, будет подсветкой, в которой линзы подсветки 224 коллимированой подсветки 220 будут размещены на расстоянии от источников света, которое больше, чем фокальное расстояние, так, чтобы привести к сходящимся пучкам.
Следует отметить, однако, что в результате на некотором расстоянии от подсветки (линзы), где пучок все еще сходится, будут существовать области между соседними пучками, где нет света. Следовательно пиксели обычной пиксельной плоскости в этих областях не будут освещены. Или структуру пикселей дисплейной панели корректируют, чтобы пропускать пиксели, которые не освещены, или такие пиксели просто не используются.
В предпочтительном варианте осуществления, однако, коллимированную подсветку затем создают таким образом, чтобы никакая такая «темнота» не освещенной области не существовала в некоторый момент в ее сходящихся пучках, так, чтобы можно было использовать максимальное количество пикселей. Это можно сделать, используя оптическую структуру с соединенными линзами, причем соседние линзы перекрываются, через частичное изменение фрагментов соседних линз. Дисплей 240 на фиг.24 показан в качестве примера.
Используется коллимированная подсветка на фиг.23, обеспечивающая параллельно-перпендикулярно ориентированные пучки 241 света на фиг.24 (подсветка не показана). В дополнение к варианту осуществления автостереоскопического дисплея, который описан в отношении фиг.13 или 14, массив соединенных линз 242 обеспечивают для преобразования параллельных пучков 241 света в сходящиеся пучки 243, которые по степени схождения соответствуют пучкам 244, выбранным с помощью прорезей 244 барьера. Для обеспечения одного выбранного пучка 244 полным освещением, линзы массива соединенных линз 242 должны иметь такую ширину 245, что соседние линзы, обозначенные линией 246, в этом массиве должны перекрываться. Это обеспечивают с помощью создания массива соединенных линз таким образом, чтобы массив имел частичное изменение фрагментов соседних перекрывающихся линз так, чтобы в результате получилась поверхность линзы 247. Следует отметить, что перекрывающиеся линзы - фактически воображаемые линзы, которые обеспечивают все освещение выбранного пучка, как указано выше. Некоторые части поверхности линзы фактического массива соединенных линз совпадают с поверхностями перекрывающихся «воображаемых» линз, в то время как другие не совпадают. Ясно, что если необходимо обеспечивать неполное освещение, то для достижения этого эффекта поверхность линзы можно корректировать согласно указанному выше принципу.
Возможную неравномерность интенсивности света по сходящимся пучкам можно корректировать с помощью корректировки интенсивности света параллельных пучков так, чтобы она противодействовала такой неравномерности. Фильтры или линзы подсветки откорректированной формы можно использовать для этой цели.
Обычно, массив соединенных линз можно интегрировать с линзами подсветки для обеспечения возможности полной сходимости пучков для коллимированной подсветки.
ОСНОВАНИЕ ДЛЯ ВЫДЕЛЕННОЙ ЗАЯВКИ:
Если коллимированную подсветку настраивают таким образом, что она обеспечивает пучки света, или параллельные, или сходящиеся, которые имеют степень коллимации, которая по меньшей мере достаточна для обеспечения попадания окончательных пучков света в пределы пучков, передаваемых в проекции с помощью оптической структуры автостереоскопического дисплея, то барьер для выбора можно в принципе не использовать в барьерной структуре. Таким образом, например, если параллельные пучки света коллимированной подсветки точно соответствуют параллельным пучкам, входящим в линзы 120 на фиг.4, то барьер 80 можно не использовать. Так же, если пучки являются сходящимися, например, соответствуют пучкам, проходящим через массив пикселей на фиг.13 и 14, то барьеры 80 можно не использовать без потери эффекта.
Данное изобретение обеспечивает многоракурсный дисплей. В частности стерео область с одним конусом имеет по меньшей мере 3 различные двумерные перспективы (соответствующие двум позициям наблюдения трехмерного эффекта). Предпочтительно, стерео область имеет по меньшей мере 5 двумерных проекций, более предпочтительно 9 или больше, и даже возможно 15 или больше проекций. Количество двумерных проекций выбирают, основываясь на необходимом компромиссе между разрешением и впечатлением от просмотра, которое можно обеспечивать с помощью большего количества проекций, а так же с помощью необходимой ширины области стерео просмотра (поскольку двумерные проекции отделены друг от друга на 0,5-3 градуса, например).
Хотя приведенное выше описание сконцентрировано на дисплее «со световым затвором», таком как LCD, изобретение также относится к дисплеям эмиссионного типа, как, например, дисплеи на органических светодиодах (OLED). В последнем случае свет, который находится в пределах стекла дисплея, не ограничен направленным вверх конусом с углом 2×42°, а занимает все угловое пространство. Все приведенные выше варианты осуществления могут использоваться с одной модификацией: отверстия барьера должны иметь воздушный зазор, как показано на фиг.9c. Воздушный зазор обеспечивает прохождение света от одного пикселя только через одно отверстие барьера. Воздушный зазор можно заменять любым другим зазором, имеющим тот же самый эффект, как будет понятно. Все другие отверстия барьера блокируют с помощью полного внутреннего отражения. Соотношение между шагом p барьера и расстоянием d от пикселя до барьера должно быть таким же, как показано на фиг.5. Отверстие с воздушным зазором может - но не обязательно должно - использоваться для дисплея со световым затвором, как LCD.
l
l
Некоторые приведенные выше примеры были показаны, как имеющие только одну основную линзу (линзу 120). Практически, как в фактической конструкции, показанной на фиг.15, может быть выгодно разделить основную линзу на две преломляющие поверхности. У этого могут быть технологические причины или причины качества оптики. Кроме того, в случае одной основной линзы, линзу можно сформировать непосредственно на стекле между барьером и линзой. Что касается определения расстояния d от линзы до пикселя, то его можно рассматривать как наименьшее возможное расстояние от пиксельной плоскости до части линзы (или стека линз) для фиг.13 и 14. Для фиг.12 d можно рассматривать, как наибольшее возможное расстояние от пиксельной плоскости до части линзы.
На данных фигурах был показан участок наблюдения (т.е. единственный конус), который покрывает по существу весь диапазон 180 градусов углов вывода изображения. Однако, это не важно. Например, темные области могут присутствовать при больших углах, так что конус обзора более ограничен. Например, центральные 120 градусов могут определять область обзора (поле обзора) для дисплея, а 30 градусов с каждой стороны могут быть темными областями.
Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами при воплощении заявляемого изобретения после изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множества элементов. Тот факт, что определенные меры описаны во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинацию этих мер нельзя использовать для преимущества. Ни одно из позиционных обозначений не должно рассматриваться в качестве ограничения формы изобретения.