УСТРОЙСТВО ВЫВОДА АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
AUTOSTEREOSCOPIC IMAGE OUTPUT DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к устройству вывода автостереоскопического изображения, которое содержит панель изображений и множество линзообразных элементов, расположенных над панелью изображений и через которые рассматривается изображение.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известное устройство с автостереоскопическим дисплеем описано в исследовании, озаглавленном "Многовидовой трехмерный жидкокристаллический дисплей (3D-LCD)" К ван Беркеля и др. в трудах SPIE (международное сообщество технической оптики), том 2653, 1996, страницы 32-39. Это известное устройство содержит панель двумерного жидкокристаллического дисплея, которая имеет массив строк и столбцов пикселей дисплея, действующих как пространственный модулятор света для создания дисплея. Массив удлиненных линзообразных элементов, расширяющихся параллельно друг другу, перекрывает массив пикселей дисплея, и пиксели дисплея наблюдаются через эти линзообразные элементы.
Линзообразные элементы представляются как слой элементов, каждый из которых содержит удлиненный полуцилиндрический линзовый элемент. Линзообразные элементы расширяются в направлении столбцов панели дисплея, с каждым линзообразным элементом, который перекрывает соответствующую группу двух или более соседних столбцов пикселей дисплея.
В схеме, в которой, например, каждая цилиндрическая линза ассоциирована с двумя столбцами пикселей дисплея, пиксели дисплея в каждом столбце предусматривают вертикальную часть соответствующего двумерного фрагмента изображения. Линзообразный слой направляет эти две части и соответствующие части из столбцов пикселей дисплея, ассоциированных с другими цилиндрическими линзами, с левым и правым глазами пользователя, расположенных в передней части слоя, так чтобы пользователь наблюдал одно стереоскопическое изображение.
В других схемах каждая цилиндрическая линза ассоциирована с группой из четырех или более соседних пикселей дисплея в направлении строк. Соответствующие столбцы пикселей дисплея в каждой группе расположены надлежащим образом для предоставления вертикальной части из соответствующего двумерного фрагмента изображения. Так как голова пользователя двигается слева направо, последовательности последующих, различных, стереоскопических изображений воспринимаются как создающие, например, впечатление от кругового обзора.
Вышеописанное устройство предоставляет эффективный трехмерный дисплей. Тем не менее, принимается во внимание, для того, чтобы предоставлять стереоскопические изображения, существует необходимая потеря в горизонтальном разрешении устройства. Например, панель дисплея, который имеет матрицу из 600 строк и 800 столбцов пикселей дисплея, может предоставлять автостереоскопический дисплей с четырьмя изображениями, в котором каждое изображение содержит матрицу из 600 строк и 200 пикселей. Эта существенная разница между вертикальным и горизонтальным разрешением является нежелательной.
US 6064424 раскрывает устройство с автостереоскопическим дисплеем, аналогичным тому, который описан выше, исключая, что продолговатые линзообразные элементы наклонены под углом к направлению столбцов панели дисплея. Наклоняя линзообразные элементы, некоторое снижение в горизонтальном разрешении, которое иным образом было бы необходимым, передается в вертикальное разрешение. Таким образом, становится возможным "затрачивать" как вертикальное, так и горизонтальное разрешение для увеличения числа изображений, отображаемых с помощью устройства.
Так как подразумевается, что на дисплеи смотрят люди, которые стоят или сидят в вертикальном положении, они спроектированы из условия, чтобы изображения расширялись, в основном, в горизонтальном направлении. По этой причине, направление наклона цилиндрических линз выбирается из условия, чтобы угол между линзами и вертикальным направлением был бы относительно небольшим. Почти вертикальные линзы комбинируются с предпочтительным отношением вертикального к горизонтальному формата кадра суб-пикселей (1:3 для большинства панелей), дает результат хорошего разделения изображений и хорошую структуру пикселей. Как следствие, эти продукты, в частности, подходят для использования в "горизонтальном" режиме.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для некоторых приложений, как в трехмерных надписях, вертикальный режим иногда является предпочтительным вместо горизонтального режима. В этом случае основной LCD-дисплей должен вращаться. Так как под-пиксели теперь расширяются в горизонтальном направлении вместо вертикального направления, схема с большими или меньшими вертикальными линзами приводит к нежелательному результату в отношении разделения изображений и структуры пикселей.
Целью изобретения является предоставление дисплея, который может использоваться в горизонтальном или вертикальном режиме.
Изобретение определяется независимой формулой изобретения. Зависимая формула изобретения задает преимущественные варианты осуществления.
Согласно изобретению, предоставляется устройство вывода автостереоскопического изображения, которое содержит:
- панель изображений, которая имеет матрицу пикселей изображения, которые определяют изображение, пиксели изображения, расположенные в строках и столбцах, строки, длиннее, чем столбцы; и
<mi>φ</mi>
- матрица параллельных линзообразных элементов, расположенная над панелью изображений, линзообразные элементы, которые имеют оптические фокальные оси, которые наклонены под углом
к столбцам пикселей изображения,
<mi>φ</mi>
при этом устройство вывода изображений является работающим в первом и втором режимах, с панелью изображений и матрицей линзообразных элементов, вращаемых на 90 градусов между режимами, таким образом, предусматривая горизонтальный режим работы и вертикальный режим работы, и при этом угол наклона
в горизонтальном режиме удовлетворяет:
<mi>φ</mi>
1≥tan
≥ 1/2.
Изобретение предусматривает определенный интервал углов наклона, которые разрешают трехмерному устройству изображений использоваться и в горизонтальном, и в вертикальном режиме, хотя сохраняют хорошее распределение изображений и структуру пикселей изображений.
Интервал углов гарантирует, что существует достаточный угол при обеих ориентациях для предоставления необходимого повторения изображений.
<mi>φ</mi>
Угол
наклона в горизонтальном режиме предпочтительно удовлетворяет:
<mi>φ</mi>
1 ≥ tan
≥ 0.6.
<mi>φ</mi>
<mi>φ</mi>
В одном предпочтительном примере, tan
наклона в горизонтальном режиме удовлетворяет tan
≈ 2/3.
<mi>φ</mi>
<mi>φ</mi>
В другом предпочтительном примере tan(
) наклона в горизонтальном режиме удовлетворяет tan
≈2R, в котором R является отношением эффективной ширины к высоте пикселей изображения.
Панель изображений может содержать устройство с дисплеем, и пиксели изображения затем содержат пиксели дисплея. Пиксели являются предпочтительно прямоугольными, с отношением ширины (в направлении строк) к высоте (в направлении столбцов) областей дисплея с пикселями, в горизонтальном режиме, в интервале 1:1.5 к 1:5, например, 1:3. Каждый линзообразный элемент предпочтительно перекрывает множество пикселей дисплея в направлении строк, когда находится в любом режиме.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь будут описаны варианты осуществления изобретения, только в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 является схематичным представлением в перспективе известного устройства с автостереоскопическим дисплеем;
Фиг.2 используется для пояснения световых путей из типично известного трехмерного дисплея;
Фиг.3 показывает изображения, формируемые устройством Фиг.2;
Фиг.4 показывает распределение зон изображений, соответствующих Фиг.3;
Фиг.5 показывает структуры пикселей, соответствующих различным углам наклона;
Фиг.6 показывает распределения изображений, соответствующих структурам Фиг.5;
Фиг.7 показывает зоны изображения для конфигурации 2/3 наклона изобретения;
Фиг.8 показывает соответствие изображений для различных ориентаций дисплея Фиг.7;
Фиг.9А (горизонтальная) и фиг.9B (вертикальная) показывают расчеты трассировки лучей трехмерного горизонтального/вертикального трехмерного дисплея Фиг.7; и
Фиг.10 показывает сравнения горизонтальных изображения для конфигурации с наклоном 2/3 (Фиг.10А) и дисплеем с наклоном 1/6 (Фиг.10В).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
<mi>φ</mi>
<mi>φ</mi>
Изобретение предусматривает массив линз с определенным интервалом углов наклона, включая предпочтительное значение наклона (заданного как tan
) tan
=2/3. Это разрешает использовать трехмерный дисплей и в горизонтальном, и в вертикальном режиме.
Фиг.1 является схематичным представлением в перспективе известного устройства 1 с автостереоскопическим дисплеем прямых изображений. Известное устройство 1 содержит панель 3 жидкокристаллического дисплея матрицы активного типа, которая действует как пространственный модулятор света для создания дисплея. Другие типы панелей, создающих дисплей, могут использоваться как трубка катодных лучей или панели со светодиодами.
Панель 3 дисплея имеет ортогональную матрицу пикселей 5 дисплея, расположенную в строках и столбцах. Для ясности только небольшое число пикселей 5 дисплея показаны на Фиг. На практике, панель 3 дисплея может содержать около одной тысячи строк и несколько тысяч столбцов пикселей 5 дисплея.
Структура панели 3 жидкокристаллического дисплея является полностью традиционной. В частности, панель 3 содержит пару расположенных на расстоянии друг от друга прозрачных стеклянных подложек, между которыми предусматривается выровненный витой нематический или другой жидкокристаллический материал. Подложки передают образцы прозрачных электродов оксида индия и олова (ITO) на их лицевых поверхностях. Поляризующие слои также предусматриваются на внешних поверхностях подложек.
Каждый пиксель 5 дисплея содержит расположенные напротив электроды на подложках, с промежуточным жидкокристаллическим материалом между ними. Форма и расположение пикселей 5 дисплея определяются формой и расположением электродов. Пиксели 5 дисплея постоянно расположены на расстоянии друг от друга по интервалам.
Каждый пиксель 5 дисплея ассоциирован с элементом переключения, например, тонкопленочным транзистором (TFT) либо тонкопленочным диодом (TFD). Пиксели дисплея работают для создания дисплея с помощью предоставления сигналов адресации в элементы переключения, и соответствующие схемы адресации являются известными для специалистов в данной области техники.
Интервалы между пикселями 5 дисплея покрыты непрозрачной черной маской. Маска предусмотрена в виде сетки поглощающего свет материала. Маска покрывает элементы переключения и определяет отдельные области пикселей дисплея.
Панель 3 дисплея освещается источником 7 света, который содержит в этом случае планарную тыловую подсветку, увеличивающуюся по области матрицы пикселей дисплея. Свет от источника 7 света направляется через панель 3 дисплея, с отдельными пикселями 5 дисплея, управляемыми для модуляции света и получения дисплея.
Устройство 1 дисплея также содержит линзообразный слой 9, расположенный по стороне дисплея панели 3 дисплея. Линзообразный слой 9 содержит строку линзообразных элементов 11, расширяющихся параллельно друг другу.
Линзообразные элементы 11, из которых только один показан, наклонены под углом к направлению столбца пикселей 5 дисплея, т.е. их продольная ось, которая является той же самой, как и фокальная ось линзообразного элемента, задает острый угол, с направлением столбцов пикселей 5 дисплея.
Линзообразные элементы 11 находятся в этом примере в форме выпуклых цилиндрических линз. Тем не менее, нецилиндрические линзы могут также использоваться. Линзы действуют как средство блока оптического управления для предоставления различных изображений, или представлений от панели 3 дисплея для глаз пользователя, расположенного в передней части устройства 1 дисплея. Линзообразные элементы 11 также предусматривают множество различных изображений, или представлений для глаз пользователя, по мере того, как голова пользователя передвигается слева направо в передней части устройства 1 дисплея.
Фиг.2 используется для пояснения световых путей из типично известного трехмерного дисплея. Для 42"-дюймового (107 см) изделия с 9 изображениями, используются следующие параметры:
- общая толщина стекла над панелью d=6 мм дисплея
- радиус линзы R=2.2 мм
- угол tan(α)=l/6
- размеры пикселя высота (В)=3хширина (А), с шириной = 161.5 мкм
i
- горизонтальный шаг линзы p=4.5 x ширина.
Фиг.2 показывает повторяющиеся последовательности столбцов 21, 22 и 23 пикселей, каждый с шириной (A). Столбец 21 может представлять пиксели красного цвета, столбец 22, пиксели зеленого цвета и столбец 23, пиксели голубого цвета.
Левое изображение на Фиг.2 показывает, как вывод из различных пикселей под линзой направляется в различные пространственные расположения, так чтобы различные представления могли быть созданы в различных расположениях. В примере фиг.1, линзы и пиксели выровнены через каждые две линзы, соответствуя каждым девяти пикселям, так чтобы девять различных положений изображения могли быть сформированы.
<mi>φ</mi>
Фиг.3 показывает "принципиальную" плоскость изображения как 30. Эта озаглавленная плоскость является плоскостью, охватываемой линзообразной осью и нормалью к поверхности. Изображение(я), которое наблюдатель может видеть, определяется углом
между нормалью 32 поверхности и проекцией направления наблюдения (вектор 34) на эту плоскость 30 изображений. Этот проецируемый вектор показан как 35. Таким образом, наблюдатель 36 не обязательно должен быть непосредственно в передней части дисплея. Горизонтальная плоскость показана как 38.
Фиг.4 показывает зоны представления, пронумерованные с 1 по 9. Зоны представления заданы в плоскости, параллельной плоскости дисплея и при определенном расстоянии наблюдения, в зависимости от так называемой коррекции точки обзора. Это является коррекцией шага в линзообразном элементе для гарантии, что наблюдатель, расположенный на расстоянии, видит то же изображение(я) по всей области дисплея.
На практике существует перекрестная наводка между изображениями, что приводит к постепенным переходам. Ориентация зон изображений является той же самой, как и ориентация линз.
<mi>φ</mi>
Граф в нижней левой части Фиг.4 показывает изображение интенсивности (I) с расстоянием от нормального направления. Указаны распределения интенсивности для 9 изображений с наклоном tan
=1/6 (предполагая идеальные линзы).
<mi>φ</mi>
h
Для трехмерного эффекта только горизонтальное поперечное сечение через зоны является релевантным. Величина обозначает угол в отношении нормали поверхности, измеряемой в горизонтальной плоскости.
n
Фиг.5 показывает структуры пикселей, соответствующие различным наклонам (1/12, 1/6, 1,3, 2/3, 4/3). Оси линз обозначены с помощью наклонных линий 50. Кроме того, существуют повторяющиеся последовательности столбцов из пикселей 21, 22 и 23, которые имеют красный цвет, зеленый и, соответственно, голубой в каждом из представлений для углов наклона. Полужирные пиксели обозначают пиксели, которые выровнены с осями линз и которые являются видимыми для наблюдателя на одной прямой с нормалью поверхности. Все структуры используются для 9 систем изображений и имеют основную единственную структуру 52 пикселей цвета как показано в нижней левой части изображения, в которой полужирные пиксели являются одним и тем же цветом. Причиной для этого выбора находится в том, что основная структура пикселей является предпочтительной в отношении воспринимаемого разрешения. Конкретные наклоны (обычная форма 2/3) выбираются, так они создают распределения изображений, которые обладают определенными свойствами симметрии.
<mi>φ</mi>
h
Фиг.6 показывает распределения изображений, т.е. интенсивность (I) изображений с расстоянием от нормального направления, как соответствующего структурам Фиг.5. Следует заметить, что обозначает угол в отношении нормали поверхности, измеряемой в горизонтальной плоскости. Структура с наклоном 1/3 имеет самую малую перекрестную наводку между изображениями. Для наклонов, равных и превышающих 1/3, шаг изображений является постоянным и равен одному шагу горизонтального под-пиксела в плоскости пикселов. Для наклона, меньшего, чем 1/3, шаг изображений масштабируется пропорционально наклону. Отдельно от разновидностей шага, распределения изображений на любой стороне распределения наклона 1/3 являются очень похожими.
Распределение с наклоном 2/3 является "идентичным распределением" распределения с наклоном 1/6. То же самое является верным для распределения 1/12 и распределения 4/3.
Для практического использования, распределения 1/12 и 4/3 являются не очень интересными, так как они испытывают слишком много перекрестных наводок. Конфигурация с наклоном 1/6 является широко используемой. У нее немного больше перекрестных наводок, чем конфигурация 1/3, но у нее есть больше предпочтительных свойств в отношении к артефактам комбинационного типа ("полосчатость").
Конфигурация наклона 2/3 имеет те же свойства, что и конфигурация 1/6, исключая обстоятельство, что она предлагает возможность формировать распределение изображений в вертикальном направлении, которое является довольно сравнимым с распределением в горизонтальном направлении.
Фиг.7 показывает зоны изображения для конфигурации наклона 2/3 (α= 33.7 градусов). Горизонтальный срез через зоны формирует "горизонтальное" распределение 70 изображений и вертикальный срез формирует "вертикальное" распределение 72 изображений. Шаг вертикального распределения в 1.5 раза выше шага горизонтального распределения.
Используя конфигурацию 2/3 наклона, дисплей может использоваться как в горизонтальном, так и в вертикальном режиме. Естественно, визуализация трехмерного изображения должна адаптироваться в зависимости от режима.
Фиг.8 показывает преобразование изображения для различных ориентаций дисплея. Число 1 изображения соответствует самому правому изображению (как видно наблюдателю) в горизонтальной плоскости. Число 5 изображения соответствует центральному изображению, порождаемому в направлении нормали поверхности. Кроме того, все представления показывают повторяющиеся последовательности столбцов 21, 22 и 23 пикселей, которые имеют цвета, красный, зеленый и, соответственно, голубой. Оси линз обозначены с помощью наклонных линий 50.
Верхнее левое изображение показывает обычную горизонтальную конфигурацию изображения. Номера, ассоциированные с каждым пикселем, показывают номер изображения, и относятся к горизонтальному расстоянию между центром пикселя и осью 50 линз. Это расстояние определяет выходящий угол соответствующего изображения. В этом примере есть 9 различных расстояний. В горизонтальном случае, все расстояния имеют место в одной единственной строке. Эти расстояния равны: в -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4 раза больше шага столбцов. Соответствующие номера изображения равны с 1 по 9. В вертикальном случае все расстояния имеют место в двух столбцах (которые выполняются горизонтально в этом режиме). Они соответствуют: -2, -1.5,-1, -0.5, 0, 0.5, 1, 1.5, 2 раза больше шага строк. Соответствующие номера изображения снова равны с 1 по 9. "Целочисленные" расстояния имеют место в столбце и наполовину пронумерованные расстояния имеют место в соседнем столбце.
Фиг.8 показывает четыре возможных ориентации дисплея, чередующегося через вращение в определенном направлении как обозначено чередующимися стрелками 80, каждая указывающая направление вращения сопоставления изображения.
lens
Фиг.9A и В показывают расчеты трассировки лучей горизонтального (Фиг.9A) и вертикального (Фиг.9B) трехмерного дисплея с наклоном 2/3 в виде распределений изображения, т.е. интенсивность (I) изображения с расстоянием от обычного направления. Угол обозначает угол в отношении нормали поверхности, измеряемой в горизонтальной плоскости. Отдельные кривые 90 показывают отдельные изображения. Общая интенсивность 92 известна в (волнообразной) верхней кривой на Фиг., справа. Общая толщина (d) стекла между LCD-пикселями и линзами выбрана 15 мм, хотя радиус Rлинзы = 5.54 мм. Для этой геометрии шаг горизонтального изображения является немного меньшим, чем (горизонтальный) шаг изображения стандартного наклона 1/6 "поражающего" дисплея, тогда как шаг вертикального изображения является немного большим.
lens
Фиг.10A и В показывает сравнение горизонтальных изображений для конфигурации с наклоном 2/3 Фиг.9 и, соответственно, "поражающего" дисплея с наклоном 1/6. Дисплей Фиг.10В имеет толщину d= 6 мм стекла и радиус R=2.24 мм линз. Отдельно от разницы в шаге, форма изображений является очень похожей. Это немного зависит от формы черненой матрицы вокруг и в пикселе. Для пикселей с областью горизонтальной черненой матрицы в середине формы изображения конфигурации с наклоном в 2/3 имеет тенденцию быть менее предпочтительным, чем форма с наклоном в 1/6.
<mi>φ</mi>
Описание выше дает предпочтительный угол tan
= 2/3. Как пояснено выше, это дает хороший компромисс между трехмерным эффектом как в горизонтальном, так и в вертикальном режимах.
<mi>φ</mi>
<mi>φ</mi>
<mi>φ</mi>
<mi>φ</mi>
В целом, трехмерный эффект достижим в обоих режимах, когда в горизонтальном режиме 1 ≥ tan
≥ 1/2. Tan
= 1 соответствует 45 градусам, так чтобы угол наклона был тем же самым в вертикальном и горизонтальном режиме. Так как значение tan
увеличивается, линзы становятся более вертикальными, когда находятся в горизонтальном режиме, и трехмерный эффект в вертикальном режиме ухудшается. В пределе tan
= 1/2, линзы равны 26.6 градусов против 63.4 градусов.
<mi>φ</mi>
Это представляет собой намного больший наклон, чем традиционный tan
= 1/6 (9.5 градусов) так, чтобы трехмерные изображения в обоих режимах могли быть достижимыми.
Предпочтительным использованием изобретения являются устройства автостереоскопического дисплея, например, использующие панель жидкокристаллического дисплея. Однако, изобретение может использоваться для других приложений, включая статичные изображения, например, кадры цифровых изображений и электронные надписи.
В вышеописанных примерах пиксели являются прямоугольными, но это не является необходимым. Напротив, были предложения модифицировать форму пикселей для соответствия наклона линз для того, чтобы снизить перекрестную наводку. Подобные меры могут также использоваться в этой заявке.
Можно увидеть, что предпочтительный наклон 2/3, когда объединяется с отношением пикселей в 1/3, дает увеличение в два раза, так как много пикселей между линзами в горизонтальном режиме сравниваются с вертикальным режимом. В примере, показанном на Фиг.5, в горизонтальном направлении существуют шаги 9 столбцов между линзами в горизонтальном режимом и шаги в 4.5 строк между линзами в вертикальном режиме. Предпочтительный угол может таким образом рассматриваться как двойной для эффективного отношения ширины к высоте пикселей (т.е. отношение, которое включает в себя границы вокруг пикселей).
Различные модификации станут очевидными для специалистов в данной области техники.