ОПТИЧЕСКАЯ СБОРКА И АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ НА ЕЕ ОСНОВЕ
OPTICAL ASSEMBLY AND AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY DEVICE BASED THEREON

Область техники
Изобретение относится к оптической сборке для автостереоскопического устройства отображения и к автостереоскопическому устройству отображения, включающему в себя оптическую сборку.
Уровень техники
Известное автостереоскопическое устройство отображения показано на фиг.1. Это известное устройство 1 содержит двухмерную жидкокристаллическую дисплейную панель (ЖКД) 3, имеющую матрицу строк и столбцов пикселей 5 дисплея, выступающую в роли пространственного модулятора света для создания дисплея в форме статического изображения или динамических изображений, например видео. Для ясности, на фиг.1 показано лишь небольшое количество пикселей 5 дисплея. На практике, дисплейная панель 3 может содержать, например, около тысячи строк и несколько тысяч столбцов пикселей 5 дисплея.
Структура жидкокристаллической дисплейной панели 3 полностью традиционна. В частности, она содержит пару разнесенных прозрачных стеклянных подложек, между которыми обеспечен выровненный скрученный нематический или другой жидкокристаллический материал. Подложки несут шаблоны прозрачных электродов их оксида индия-олова (ITO) на своих лицевых поверхностях. На внешних поверхностях подложек также предусмотрены поляризацонные слои.
Каждый пиксель 5 дисплея связан с переключающим элементом, например, тонкопленочным транзистором (TFT) или тонкопленочным диодом (TFD). Пиксели дисплея используются для создания дисплея путем подачи сигналов адресации на переключающие элементы, и подходящие схемы адресации известны специалистам в данной области техники.
Дисплейная панель 3 освещается источником 7 света, содержащим, в этом случае, плоское устройство подсветки, проходящее по области пиксельной матрицы дисплея. Свет от источника света 7 направляется через дисплейную панель 3, причем отдельные пиксели 5 дисплея возбуждаются для модуляции света и создания дисплея.
Устройство 1 отображения также содержит линзовую сборку в виде лентикулярного листа 9, установленного на стороне дисплея дисплейной панели 3, которая осуществляет функцию формирования визуального отображения (вида). Лентикулярный лист 9 содержит матрицу полуцилиндрических двояковыпуклых (лентикулярных) элементов 11. Каждая лентикулярная линза 11 имеет продольную ось 10, и линзы располагаются так, что их продольные оси ориентированы параллельно друг другу. На фиг.1 показана только одна линза 11, размеры которых, для ясности, преувеличены. Таким образом, матрица удлиненных лентикулярных элементов 11, проходящих параллельно друг другу, перекрывает пиксельную матрицу дисплея, и пользователь или наблюдатель наблюдает пиксели 5 дисплея через эти лентикулярные элементы 11. Лентикулярные элементы 11 действуют как средство направления выходного света для обеспечения разных изображений, или видов, из дисплейной панели 3 в глаза пользователя, расположенные перед устройством отображения 1.
Вышеописанное устройство обеспечивает эффективное автостереоскопическое, или трехмерное, устройство отображения, если созданный дисплей или изображение содержит множественные виды. Затем такой дисплей или изображение будет указано как автостереоскопическое изображение, имеющее, по меньшей мере, два субизображения, каждое из которых представляет отдельный вид объекта, отображаемого посредством изображения. Затем, по меньшей мере, два вида отображаются линзовой сборкой, в результате чего наблюдатель получает стереоскопическое, 3D перспективное впечатление об объекте. В сборке, где, например, каждый лентикулярный элемент 11 связан с двумя столбцами пикселей 5 дисплея, пиксели 5 дисплея в каждом столбце обеспечивают вертикальный срез соответствующего двухмерного субизображения. Лентикулярный лист 9 направляет эти два среза и соответствующие срезы из столбцов пикселей дисплея, связанных с другими лентикулярными элементами 11, в левый и правый глаза пользователя, расположенные перед листом, благодаря чему пользователи наблюдает единое стереоскопическое изображение.
В модификациях такого устройства, продольные оси лентикулярных линз могут быть ориентированы наклонно с углом наклона относительно направления столбцов пикселей дисплейной панели или автостереоскопического изображения. Модификация обеспечивает преимущества в отношении распределения потери пиксельного разрешения между горизонтальным и вертикальным направлениями дисплейной панели. Хотя это не является предметом настоящего изобретения, за более подробным объяснением эффектов и режима применения можно обратиться к US 6064424.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является обеспечение оптической сборки и автостереоскопического устройства отображения, включающего в себя такую оптическую сборку, с повышенной производительностью.
Задача решается посредством оптической сборки, автостереоскопического устройства отображения, где используется оптическая сборка, и способа отображения автостереоскопического изображения с помощью оптической сборки, которые заданы в независимых пунктах формулы изобретения.
Зависимые пункты задают преимущественные варианты осуществления.
Изобретение предусматривает оптическую сборку, которая имеет, находясь в своей линзовой форме, линзовую сборку с матрицей лентикулярных линз, каждая из которых имеет конкретную форму поверхности линзы, которая, при прохождении лучей через лентикулярную линзу, после того, как они вошли с одной стороны лентикулярной линзы, существует, по меньшей мере, один луч, который падает на поверхность лентикулярной линзы перпендикулярно. Такая оптическая сборка в своей линзовой форме обеспечивает оптимальный оптический эффект в том смысле, что при наблюдении изображения под углами, сильно отличающимися от нормальных углов зрения, искажение изображения уменьшается. Следовательно, применительно к отображению автостереоскопических изображений, достигается заметное усовершенствование в отношении так называемого явления полосатости и/или в отношении перекрестной помехи со стороны дневного света и/или зависимости автостереоскопического эффекта от угла, под которым наблюдатель наблюдает автостереоскопическое изображение на автостереоскопическом устройстве отображения.
Авторы изобретения обнаружили, что отличительная особенность, связанная с использованием цилиндрических лентикулярных линз, например, в традиционном устройстве, описанном в преамбуле, состоит в том, что, вследствие кривизны поля, отпечаток интенсивности изменяется с углом зрения. Отпечаток интенсивности можно рассматривать как размер освещенной области, полученный из параллельного пучка шириной в одну линзу, прошедшего через линзу под данным углом. Размер отпечатка измеряется на пиксельной плоскости дисплея. Узкий отпечаток означает, что фокус линзы находится в пиксельной плоскости дисплея, тогда как больший отпечаток означает, что фокус линзы находится в другом месте, где-то над или под пиксельной плоскостью дисплея. Большой отпечаток соответствует угловому расхождению видов.
На фиг.2 показан график, демонстрирующий соотношение между интенсивностью (I), отложенной по оси y (в произвольных единицах) и позицией (Р) в пиксельной плоскости, отложенной по оси x (в миллиметрах), вносящей вклад в изображение для углов зрения (VA) от 0° до 50° (аннотации приведены слева фиг.2). График соответствует дисплею, имеющему лентикулярную линзу, которая является оптически изотропной и для которой на поверхности линзы существует разность показателей преломления 0,5 между показателями преломления линзы и воздуха. На фиг.2 указаны позиции на оси x пикселей, которые вносят вклад в конкретный вид. Можно видеть, что размер отпечатка очень велик для углов зрения свыше 30°, где большая физическая ширина пикселей вносит вклад в вид. Заметим, что пунктирные линии получаются в результате свертки с прямоугольным распределением с учетом эффекта размера пикселей и угла наклона, под которым лентикулярные линзы наклонены относительно направления столбца пикселей. Большой размер отпечатка нежелателен, поскольку обуславливает избыточное перекрытие между видами, генерирующее избыточную перекрестную помеху между видами и, таким образом, ослабляет 3D впечатление.
Помимо уширения видов, показанных выше для больших углов зрения, эффект полосатости, который часто называют артефактом типа муара, также может возникать для меньших углов зрения. Это обусловлено тем фактом, что фокус лентикулярных линз смещается к наблюдателю с увеличением угла зрения сверх нормального.
Линзовая сборка оптической сборки, отвечающей настоящему изобретению, уменьшает и/или ослабляет эти и другие эффекты.
В формуле изобретения, термины «первый и второй слой» не обязательно подразумевают непрерывные слои. Таким образом, например, первый слой может быть образован множественными объемами с первым показателем преломления, внедренными во второй слой, имеющий второй показатель преломления. Это дополнительно объяснено со ссылкой на описание переключаемых оптических сборок, отвечающих изобретению.
Желательные преимущественные эффекты изобретения усиливаются с увеличением величины произведения, заданного в п.1. Таким образом, например, угол зрения, под которым автостереоскопическое изображение, отображаемое этим устройством, можно наблюдать с улучшенным качеством, возрастает с увеличением произведения, заданного в п.1. Таким образом, предпочтительно, линзовая сборка сконструирована так, чтобы произведение было больше 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0 или даже 1,1. Предпочтительно, чтобы произведение было больше 0,8, это обеспечивает баланс между полученным эффектом и технологичностью оптической сборки в отношении необходимых материалов.
Желаемый эффект зависит от линзового шага в матрице лентикулярных линз. Линзовый шаг следует рассматривать как ширину лентикулярной линзы, измеренную в направлении кривизны. Таким образом, линзовый шаг измеряется перпендикулярно, например, к продольной оси лентикулярной линзы 11. Радиус кривизны в центре линзы равен радиусу кривизны, измеренному в середине лентикулярной линзы или на половине линзового шага в сечении лентикулярной линзы, взятом перпендикулярно к продольной оси 10.
Линзовый шаг (период) может быть ограничен минимальным значением, определяемым отображаемым автостереоскопическим изображением. Например, нижняя граница линзового шага может определяться разрешением или количеством видов автостереоскопического изображения и, таким образом, количеством и размерами пикселей дисплейной панели, которые связаны с одной лентикулярной линзой в устройстве отображения. При использовании минимально применимого линзового шага, произведение, заданное в п.1, можно регулировать, конструируя линзу с надлежащим радиусом кривизны или первым показателем преломления.
Желательный преимущественный эффект может зависеть от ориентации линзы относительно проецируемого ею или наблюдаемого через нее автостереоскопического изображения. Эта зависимость усиливается с увеличением разности показателей преломления между первым показателем преломления и вторым показателем преломления. Можно предусмотреть оптическую сборку и, вместе с ней, линзовую сборку, имеющую сторону наблюдателя и сторону дисплея. Оптическая сборка, предпочтительно, имеет первый слой в качестве своей стороны наблюдателя, поскольку в этом случае достигается наибольший преимущественный эффект.
Согласно варианту осуществления линзовой сборки, первый показатель преломления является наименьшим показателем преломления из первого и второго показателей преломления. Это дает то преимущество, что желаемый эффект, основанный на критериях конструкции, заданных в п.1, для конкретной конструкции достигается независимо от ориентации линзовой сборки относительно отображаемого автостереоскопического изображения.
Разность между показателями преломления соответствующих материалов, Δn, предпочтительно, меньше, чем в традиционных линзах, в частности, в диапазоне 0,05-0,22. Это не только ослабляет вышеупомянутую зависимость от ориентации, тем самым, обеспечивая свободу использования, но также обеспечивает линзовую сборку с меньшей отражательной способностью, позволяя наблюдать изображения с меньшими нарушениями, обусловленными этими отражениями. Другие возможные диапазоны разности показателей преломления составляют 0,05-0,15 и 0,09-0,12.
Разность может составлять 0,1.
Наивысший показатель преломления из первого и второго показателей преломления может находиться в диапазоне от 1,4 до 1,65. Этого можно добиться, например, путем обеспечения соответствующего первого или второго слоя, содержащего акриловый материал или поликарбонат. Высокий показатель преломления имеет особое преимущество для желаемого эффекта, если высокий показатель преломления является первым показателем преломления, поскольку в этом случае можно использовать больший радиус кривизны, перенося на менее искривленные линзы, которые проще изготавливать, чем более искривленные линзы.
Слой, имеющий наименьший показатель преломления, может иметь показатель преломления в диапазоне от 1,3 до 1,5, например, в случае, когда этот слой, имеющий этот показатель преломления, содержит силиконовый материал. Первый и второй материалы могут иметь, по существу, одинаковое число Аббе.
Первый и второй слои могут быть выполнены из твердого материала, благодаря чему опорные слои или слои подложки не требуются. Альтернативно, один из слоев, например, первый слой, может быть твердым слоем, тогда как другой слой, например второй слой, может быть жидким или газообразным. Тогда один твердый слой может иметь форму поверхности лентикулярной линзы, необходимую согласно п.1. В этих случаях опорные слои можно добавлять к оптической сборке, благодаря чему линзовая сборка заключена между опорными слоями.
Первая и вторая подложки, предпочтительно, содержат плоский стеклянный или полимерный материал, например, поликарбонат или другие прозрачные материалы.
Первый слой может содержать линзовый слой, который образует выпуклые формы лентикулярной линзы и имеет более высокий показатель преломления, чем второй материал, который содержит слой копии и заполняет промежутки между выпуклыми лентикулярными линзами.
Оптическая сборка может представлять собой переключаемую сборку, которая может переключаться между линзовой формой и дополнительным режимом работы. Дополнительный режим может, например, не иметь никакого существенного линзового эффекта. Такая оптическая сборка с дополнительным режимом без линзового эффекта обеспечивает автостереоскопическое наблюдение с преимуществами линзовой формы и двухмерное наблюдение в дополнительном режиме с преимуществами высокого разрешения, идеального, например, для отображения текста. Переключаемая сборка может содержать один или несколько электродов и электрооптический материал или слой, например, жидкокристаллический материал в сочетании с одним или несколькими поляризаторами.
Согласно изобретению, предусмотрено автостереоскопическое устройство отображения, содержащее средство обеспечения изображения и оптическую сборку, расположенную перед средством обеспечения изображения. Средство обеспечения изображения, предпочтительно, содержит матрицу пикселей изображения или пикселей дисплея, организованную в виде строк и столбцов, для образования автостереоскопического изображения. Оптическая сборка организована так, что в линзовой форме оптической сборки направления выходов групп изображения или пикселей дисплея проецируются в соответствующих разных направлениях в виде совокупности видов. Средство обеспечения изображения может представлять собой средство для обеспечения статического изображения любого рода или формы, например, автостереоскопической открытки или фотографии. Альтернативно, средство обеспечения изображения может представлять собой электронное средство отображения, обеспечивающее статические и/или динамические автостереоскопические изображения. Такое электронное средство отображения включает в себя, но без ограничения, жидкокристаллический дисплей, плазменный дисплей, дисплей на основе электронно-лучевой трубки или светодиодный дисплей. Автостереоскопический дисплей пользуется вышеописанными преимуществами. В особенности, дисплей, в котором оптическая сборка располагается так, что, находясь в линзовой форме, первый слой находится на стороне наблюдателя оптической сборки, является преимущественным для полученного вышеописанного преимущества.
Оптическую сборку можно механически присоединять и/или отсоединять от средства отображения изображения.
Согласно изобретению, предусмотрен способ отображения автостереоскопического изображения, содержащий обеспечение автостереоскопического изображения и проецирование автостереоскопического изображения через линзовую сборку, отвечающую изобретению.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже будут описаны варианты осуществления изобретения, исключительно в порядке примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг.1 - схематический вид в перспективе известного автостереоскопического устройства отображения;
фиг.2 - график, демонстрирующий иллюстративное соотношение между интенсивностью и позицией в пиксельной плоскости, вносящей вклад в изображение, создаваемое устройством, показанным на фиг.1, для углов зрения от 0° до 50°;
фиг.3 - схематический вид в разрезе известного автостереоскопического устройства отображения;
фиг.4 - графики, более подробно иллюстрирующие перекрытие видов, уширение вида и потерю интенсивности под большими углами зрения, которые могут возникать в известной линзовой структуре, показанной на фиг.4;
фиг.5 - схематический вид в разрезе иллюстративного автостереоскопического устройства отображения согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.6 демонстрирует уменьшение уширения вида и повышение интенсивности под большими углами зрения, которые достигаются благодаря линзовой сборке, отвечающей изобретению;
фиг.7 демонстрирует уменьшение перекрытия видов, которые достигаются благодаря линзовой сборке, отвечающей изобретению;
фиг.8 показывает, как производительность линзы согласно изобретению отличается от традиционной линзы;
фиг.9 - увеличенный вид, показанный на фиг.8;
фиг.10 показывает, как функцию линзы можно рассматривать как функцию, которая зондирует пиксельную структуру;
фиг.11 - функция распределения интенсивности пучка;
фиг.12 - снижение мощности спектра профиля пучка в разных поперечных сечениях;
фиг.13 используется для пояснения различия между линзой, отвечающей изобретению, и традиционной линзой в отношении резкости в диапазонах входных углов;
фиг.14 - график максимальной резкости для линзы, отвечающей изобретению;
фиг.15 схематически показывает, как линза, отвечающая изобретению, обеспечивает повышенную резкость;
фиг.16 используется для демонстрации различных геометрических параметров линзы;
фиг.17 используется для демонстрации участка, где обеспечено перпендикулярное падение света, и
фиг.18 - схематический вид в разрезе иллюстративного автостереоскопического устройства отображения согласно варианту осуществления изобретения.
Диаграммы приведены не в масштабе, и аналогичные позиции обозначают аналогичные элементы на протяжении текста.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг.3 показан схематический вид типичного известного автостереоскопического или устройства 3D отображения 30. Оно состоит из дисплейной панели в виде жидкокристаллического дисплея (ЖКД) 31, со стеклянной прокладочной пластиной 32. Устройство 3D отображения имеет, в качестве своей оптической сборки, линзовую сборку 33, например, содержащую акриловые линзы 35 поверх стеклянной подложки 34. На фиг.3 показан вид в разрезе дисплея, показанного на фиг.1, перпендикулярно к продольной оси лентикулярных линз. Показаны три линзы 35, имеющие ширину, равную шагу р линзовой матрицы. В этой конструкции, разность показателей преломления на границе линзы, т.е. на поверхности линз 35 со стороны, противоположной стеклянной подложке 34, приблизительно равна 0,5, поскольку граница раздела находится между линзовым слоем, имеющим, например, показатель преломления 1,5, и воздухом.
В этом конкретном случае 9 пикселей дисплея, связанные с каждой лентикулярной 35, в том смысле, что каждая линза перекрывает группу 36 из 9 пикселей, и, таким образом, в принципе, могут создавать 9 видов, поскольку изображение каждого пикселя посылается в отдельном направлении одной перекрывающей линзы.
На фиг.4А показана интенсивность (I) света как функция угла зрения (VA) для 42-дюймового (107 см) изделия согласно геометрии, показанной на фиг.3. Нижнее семейство кривых демонстрирует отдельные виды 41, которые, для ясности, не все указаны условным обозначением. Суммарная интенсивность, объединенная по всем видам, представлена верхней кривой 42.
При увеличении углов свыше 0,4 радиан, ширина видов 41, например, измеренная как полная ширина на половине максимума, значительно увеличивается, и это также сопровождается падением интенсивности I. Падение интенсивности, в частности, следует из видов 41 при углах зрения свыше 0,5 радиан. Падение интенсивности также находится из верхней кривой 42, которая изгибается вниз на графике, показанном на фиг.4А. Можно видеть, что ширина вида возрастает, поскольку стороны кривых становятся менее кривыми. В порядке иллюстрации, на фиг.4 В показано перекрытие (О) между соседними видами 41 как функция угла зрения (VA). Перекрытие (О) представлено на фиг.4С.По определению, два полностью раздельных вида имеют нулевое перекрытие, и идентичные виды имеют перекрытие, равное единице. На фиг.4 В, относительно резкое увеличение перекрытия происходит для углов, превышающих 0,4 радиан. Чем больше перекрытие, тем больше перекрестная помеха между видами.
Из верхней кривой 42 также можно заключить, что изменения интенсивности происходят в особенности для углов зрения в диапазонах 43, т.е. приблизительно при углах зрения от -0,1 до -0,6 или от 0,1 до 0,6 радиан. Эти изменения воспринимаются наблюдателем как вышеупомянутая полосатость.
Изобретение предусматривает оптическую сборку, имеющую, в своей линзовой форме, линзовую матрицу, состоящую из волнистой границы раздела двух разных материалов. Геометрия и материальный состав линзы выбраны таким образом, чтобы оптимизировать производительность линзы, что дополнительно объяснено ниже, для получения преимущественного эффекта изобретения.
На фиг.5 показан вариант осуществления автостереоскопического устройства 50 отображения, отвечающего изобретению. Устройство имеет средство формирования изображения в виде дисплейной панели 51 со стеклянной пластиной 52. Автостереоскопическое устройство отображения имеет оптическую сборку 53, отвечающую изобретению, поверх средства формирования изображения. В этом конкретном случае сборка не переключается и постоянно находится в своей линзовой форме. Вариант осуществления содержит матрицу полуцилиндрических лентикулярных линз 55, которые ориентированы параллельно их продольным осям. Линзовая матрица содержит первый 55А и второй 55В слои, заключенные между плоскими стеклянными подложками 54, 57. Граница раздела между первым 55А и вторым 55В слоем образует волнистую поверхность линзы 58. В этом конкретном случае первый и второй слои являются оптически изотропными и имеют разность показателей преломления от 0,05 до 0,22 для излучения в спектре видимого света.
Первый слой 55А содержит линзовый слой, который образует выпуклые формы лентикулярной линзы. В настоящем варианте осуществления этот слой содержит материал с показателем преломления около 1.5, например, акриловый материал, включающий в себя: 80% этоксилированного бисфенол-А-диакрилата (SR-349 от "Sartomer Company, Inc") и 20% триметилолпропан-триакрилата (ТМРТА) с показателем преломления около 1,53. Второй слой 56 выполнен из материала силиконовой резины (Elastosil RT604 от "Wacker chemicals Inc") и имеет показатель преломления около 1,41.
Хотя пример описан с вышеупомянутой комбинацией первого и второго слоев, комбинации других слоев также можно применять согласно общей концепции изобретения. Таким образом, например, показатель преломления первого слоя может составлять от 1,4 до 1,6, что позволяет использовать поликарбонат с показателем преломления около 1,59 совместно с материалом силиконовой резины. Можно использовать и другие материалы с надлежащими показателями преломления без потери эффекта изобретения.
Кроме того, изобретение не ограничено этими диапазонами показателей преломления или диапазонами разности показателей преломления вышеописанных материалов. Упомянутые материалы можно заменить любыми другими материалами с надлежащим показателем преломления, выбранными так, чтобы получить необходимую разность показателей преломления по отношению к радиусу кривизны и линзовому шагу, желательным для поверхности линзы, отвечающей изобретению. Специалисты в данной области техники могут предложить различные модификации.
Линзовую структуру из акрилового материала согласно настоящему варианту осуществления можно создать в процессе дублирования. В таком процессе предусмотрена форма, имеющая рельефную поверхность, дополнительную к форме линзы, т.е., например, слой 55А. На этапе дублирования, материал слоя вступает в контакт с формой, принимая рельефную форму формы, и фиксируется в этой форме. Полученную линзу можно присоединять к слою подложки 57, например, для обеспечения прочности при формовании или после него. Подложку можно удалить, если ее единственной задачей является поддержка линзовой структуры в процессе дублирования. Затем дублированная линза со слоем подложки или без него внедряется в слой силикона, который поддерживается опорным слоем, например, стеклянной пластиной или пластмассовой пластиной. В таком процессе удобно использовать вышеупомянутый акриловый материал. Однако можно использовать любой другой материал, который можно таким образом формовать, при условии, что конечный результат является слоем с надлежащим показателем преломления по сравнению с показателем преломления другого слоя. Альтернативно, слой силикона наносится на дублированную линзу, после чего наносится опорный слой. Слой подложки или опорный слой может быть выполнен, например, из стекла. Стекло, помимо прочего, имеет преимущество плоской поверхности и широко используется при изготовлении дисплеев. Очевидно, что слой подложки и/или опорный слой должен быть способен выдерживать возможные условия на этапах производства, чтобы предохранять полученную структуру от нежелательных искажений и т.п.
Альтернативно, линзовую структуру можно подвергать механической обработке. В общем случае, для этого требуется, чтобы материалы линзы были твердыми в условиях механической обработки (температуры и давления). Например, выгодно использовать поликарбонатную линзу.
Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.5, линзовая сборка 53 вводится в автостереоскопическое устройство отображения 50, отвечающее изобретению. Для этого линзовая сборка присоединяется к дисплейной панели в виде (ЖКД) 31, имеющего стеклянную прокладочную пластину 32.
На фиг.6 показана интенсивность (I) свет как функция угла зрения (VA) для 42-дюймового (107 см) изделия согласно геометрии, показанной на фиг.5. Согласно фиг.4, нижнее семейство кривых 61 (не все из которых указаны условными обозначениями) демонстрирует отдельные виды. Суммарная интенсивность представлена верхней кривой 62.
Типичный радиус линзы для структуры, показанной на фиг.3, равен 2,212 миллиметра, но на фиг.6 радиус линзы (R) составляет только 0,519 миллиметра. Дело в том, что фокусное расстояние приблизительно равно частному радиуса линзы (R) и разности показателей преломления слоев, образующих поверхность линзы, и, таким образом, параметр фокусного расстояния остается приблизительно постоянным для линзовой структуры, отвечающей изобретению, используемой в том же приложении, где применяется известная линзовая структура, показанная на фиг.3. Можно определить точный радиус для минимизации интенсивности полосатости, что объяснено ниже. Уменьшение радиуса линзы позволяет использовать более глубокие линзы, если линза призвана покрывать одну и ту же область, т.е. покрывать одно и то же количество столбцов пикселей средства отображения. В этом случае, это будет 9 пикселей в группах 36 или 56 на фиг.3 и 5, соответственно.
На фиг.6 показано, что конструкция, отвечающая изобретению, помимо хвоста низкой интенсивности, обеспечивает значительно меньшее уширение видов. Кроме того, значительно снижается полосатость. Это частично обусловлено несколько меньшими значениями кривизны поля линзы. Для аналогичной геометрии, где акриловая часть линзы ориентирована к наблюдателю, наблюдается сходное поведение, но хвост низкой интенсивности видов ориентирован от начала отсчета.
На фиг.7 показано перекрытие как функция угла зрения по сравнению с фиг.4В. Для конструкции линзы, отвечающей изобретению, кривая перекрытия является очень плоской.
Конструкция обеспечивает заметное улучшение качества наблюдения под углами зрения (VA), значительно отличающимися от нормальных.
Помимо уменьшения перекрестной помехи и полосатости, конструкция, показанная на фиг.5, имеет дополнительное преимущество низкой отражательной способности. Верхнюю плоскую поверхность верхней стеклянной пластины легко покрыть противоотражающим покрытием. Вследствие малой разности показателей преломления, линзовая структура сама по себе имеет низкое отражение. Другое преимущество состоит в том, что внешняя поверхность устройства является плоской и прочной. Отпадает необходимость в размещении перед дисплеем дополнительной защитной пластины, поскольку эту функцию может обеспечивать одна из подложек линзовой сборки.
Таким образом, конструкция линзы, отвечающая изобретению, обеспечивает уменьшение перекрестной помехи, зависящей от угла, уменьшение полосатости, низкую отражательную способность и позволяет обеспечивать прочные плоские стороны, имеющие преимущества по нескольким вышеупомянутым причинам.
Хотя в вышеприведенных примерах первый и второй слои заключены между слоями подложки, это не обязательно. Согласно варианту осуществления, первый слой 55А и слой подложки 57 представляют собой один и тот же слой. Соответственно, второй слой 55В и слой подложки 54 могут представлять собой один и тот же слой. Это может быть особенно справедливо, когда первый и второй слои настолько прочны, что никакие слои подложки не требуются.
В альтернативном варианте осуществления автостереоскопического устройства отображения, отвечающего изобретению, слой 52, который является частью дисплейной панели согласно вышеописанным вариантам осуществления, может образовывать слой подложки линзовой сборки, таким образом, объединяя функцию этих слоев с возможностью снижения стоимости, веса или времени изготовления.
Как упомянуто выше, линзовая матрица сконструирована на только на основе разности показателей преломления, но и на основе геометрии линзы, в частности, радиуса линзы R и линзового шага р.
На фиг.8 схематически показано, как производительность линзы 80 с высокой разностью показателей преломления и поэтому малой кривизной (верхняя часть на фиг.8), отличается от линзы с малой разностью показателей преломления и поэтому большой кривизной (нижняя часть на фиг.8). Верхняя часть фиг.8 демонстрирует линзу, где разность показателей преломления относительно воздуха составляет 0,5 на одной из границ раздела, и радиус линзы составляет 0,333 от фокусного расстояния. Нижняя часть фиг.8 демонстрирует линзу, где разность показателей преломления равна 0,1, и радиус линзы составляет 0,067 от фокусного расстояния.
Свет поступает в линзу 80 слева. Воздушная линза с высоким показателем преломления обеспечивает хорошо сформированный пучок с хорошо определенным фокусом 81. Линза с малой разностью показателей преломления имеет увеличенную кривизну и, следовательно, более заметные сферические аберрации. Пучок за линзой образует так называемые "каустики" на участке 82. На этом участке, лучи накладываются друг на друга, обеспечивая высокую локальную интенсивность. Фокусное расстояние f это расстояние за линзой, на котором лучи пересекаются вблизи оси.
На фиг.9 показан увеличенный вид нижнего примера из фиг.8. Показано распределение интенсивности в нескольких позициях вдоль пучка. На участке 80, где возникают каустики, пучки демонстрируют два положения с максимальной интенсивностью (см. график 90). На оконечности каустик (график 92) два положения совпадают, образуя одну точку высокой интенсивности. Справа от этой точки распределение интенсивности снова становится плавным. График 90 можно рассматривать как "край каустики" линзы, и график 92 является "оконечностью каустики".
Изобретение основано на понимании того, как эта оптическая производительность, которая страдает от худших оптических аберраций, может приводить к повышению угловой производительности, как описано выше. Чтобы понять, как конструкция линзы влияет на производительность оптической системы, функцию линзы можно рассматривать как функцию, которая зондирует пиксельную структуру. Это схематически объяснено на фиг.10. В левой части показан профиль пучка 100, создаваемого линзой, которая не показана, модулирующий свет, связанный с пикселями пиксельной матрицы 110. Справа на фиг.10 показана функция свертки фильтра низких частот.
Функция свертки приводит к потере информационной энтропии (более подробное объяснение термина «информационная энтропия» можно найти, например, в статье Шеннона (С.Е. Shannon) «A Mathematical Theory of communication», опубликованной в журнале The Bell System Technical Journal, т.27, стр.379-423, 623-656 июль, октябрь 1948 г.).
На фиг.11А показана функция 100 распределения интенсивности пучка как значение I(у), где у смещение относительно центральной оси.
Величина энтропийных потерь основаны на преобразовании Фурье функции 100:
Энтропийные потери определяются как:
На фиг.11 В показано логарифмическое значение, используемое для вывода энтропийных потерь.
Профиль пучка с наиболее медленно спадающей логарифмической функцией (т.е. наиболее медленно спадающим энергетическим спектром) будет иметь наименьшие информационные потери (наименьшая площадь между кривой на фиг.11 и осью х), и поэтому содержит большинство высоких частот. Можно считать, что он представляет функцию "резкости".
На фиг.12 справа показано снижение мощности спектра профиля пучка в разных поперечных сечениях. Очевидно, что профиль на оконечности каустики имеет наиболее медленно спадающий энергетический спектр. Если оконечность каустики отсутствует, как в случае достаточно больших углов падения пучков на линзу, то профиль на краю каустики имеет следующий после наилучшего спектра профиля пучка.
Вышеприведенный анализ позволяет задавать точку максимальной резкости как точку, где энергетический спектр профиля спадает наиболее медленно. Существует отчетливое различие между линзой с малой разностью показателей преломления и традиционной линзой, что показано на фиг.13.
На графике 130 показана позиция фокуса, заданная как точка пересечения соседних лучей, падающих на поверхность линзы вблизи центра линзы (т.е. точки пересечения поверхности линзы и оптической оси). На графике 132 показана позиция точки, где среднеквадратическая (RMS) ширина пучка является наименьшей. Иными словами, точки, где поперечное сечение пучка является наименьшим. Значительно отличается точка максимальной резкости, показанная на графике 134. Для линзы с низкой Δn, эта кривая имеет гораздо больший радиус кривизны по сравнению с нормальной линзой. Это значит, что для увеличенных углов падения, точка максимальной резкости остается сравнительно гораздо ближе к исходной фокальной плоскости. В действительности, кривая для линзы с низкой Δn образуется вращением оконечной точки каустики вокруг центра линзы (в этом случае центр означает центр сферы, образующей линзу). Для нормальной линзы, кривая для увеличенных углов образуется точкой на краевом участке каустики (оконечность отсутствует).
Таким образом, можно видеть, что если можно сконструировать линзу для обеспечения оконечного участка каустики, который охватывает все углы падения, то резкость можно повысить. На фиг.14 показан график максимальной резкости и оконечный участок каустики 140 и краевой участок каустики 142. Оконечность каустики присутствует, если один из входящих лучей падает на поверхность линзы перпендикулярно. Этот луч проходит через центр сферы, образующей поверхность линзы. Если угол падения лучей слишком велик (для данной апертуры линзы), оконечность исчезает.
Это позволяет определить набор конструкционных параметров линзы. Согласно фиг.15, входящие лучи изгибаются к нормали, ограничивая угловой диапазон в первом слое оптической сборки. Можно сконструировать линзу с достаточно малой Δn, т.е. линзу достаточно искривленную, чтобы для каждого угла входа (соответствующего полному угловому диапазону в воздухе), по меньшей мере, один луч падал на поверхность линзы перпендикулярно. Это правило конструирования обеспечивает участок наибольшей резкости вблизи пиксельной плоскости, тем самым, обеспечивая вышеупомянутые преимущества.
Пиксельная плоскость дисплея находится вблизи вертикальной линии 150, и наблюдатель располагается слева. Для простоты, на фиг.15 показаны лучи, идущие от наблюдателя к дисплею, но анализ будет таким же, как в случае, когда свет проходит через пиксели дисплея к наблюдателю.
Можно по-разному охарактеризовать конструкцию линзы для обеспечения непрерывной оконечности каустики, которая, в свою очередь, обеспечивает вышеописанную повышенную резкость.
Фиг.16 используется для демонстрации различных геометрических параметров линзы.
Число видов определяется линзовым шагом р. Диапазон углов зрения, заданный первичным углом конуса γ, определяется линзовым шагом р, расстоянием d от пиксельной плоскости 40 до линзы и показателем преломления n2.
Для данных р, d, n1 и n2, радиус линзы R оптимизируется для минимизации полосатости.
Этот радиус линзы R определяет фокусное расстояние f, которое, в показанном примере, чуть больше расстояния d. Известно смещение пиксельной матрицы от фокусного расстояния, для уменьшения эффекта создания изображения черного трафаретного слоя панели ЖКД.
Помимо рассмотренной выше малой разности показателей преломления, оптическую производительность линзы можно охарактеризовать параметром n1(p/2R), где значения n1, p и R показаны и объяснены со ссылкой на фиг.16. Этот безразмерный параметр учитывает кривизну линзы, а также фокусное расстояние, и изгибание света при входе в тело линзы. В частности, когда n1 задан как часть линзовой сборки на стороне наблюдателя, он учитывает изгибание на границе раздела с воздухом на стороне наблюдателя. Этот параметр позволяет удовлетворять требование перпендикулярного падения света на поверхность линзы.
На фиг.17, участок, где обеспечено перпендикулярное падение показан как заштрихованный участок. Левая, наклонная граница заштрихованной области определяется как:
Правая, вертикальная граница задается как:
Для круглой линзы, шаг не может превышать удвоенный радиус, и это определяет правую границу.
Граница области на фиг.17 определяется на основании n1(p/2R)=1, и точки внутри границы удовлетворяют условию n1(p/2R)>1.
Изобретение, в общем случае, применимо к значениям n1(p/2R)>0,6. Более предпочтительно, n1(p/2R)>0,8. Еще более предпочтительно, n1(p/2R)>1.
На фиг.17, участок 180 представляет реальную геометрию линзы, и участок 182 представляет наиболее легкодоступные на данный момент материалы для тела линзы (исключая n1=1). Это обеспечивает участок 184 основанный на доступных на данный момент материалах и удовлетворяющий наиболее предпочтительному диапазону конструкционных параметров линзы согласно изобретению.
В примерах, показанных на фиг.8 17, n1<n2, при том, что искривленные наружу поверхности линз обращены к наблюдателю. Такое же соотношение справедливо для геометрии, где линзы обращены в обратном направлении, например, как показано на фиг.5. В этом случае, искривленные наружу поверхности линз обращены к дисплейной панели, и n1>n2 для создания собирающей линзы.
Изобретение применимо ко всем типам собирающих линз и создает преимущественный эффект во всех типах автостереоскопических дисплеев на основе лентикулярных линз. Таким образом, разность показателей преломления между слоями, образующими границу раздела линзы не обязана быть малой, при условии, что выполнения соотношения показателя преломления, линзового шага и кривизны поверхности линзы согласно изобретению, и, таким образом, достигается преимущественный эффект.
На практике, линзовая система может состоять из более, чем двух или трех сред, например, промежуточных стеклянных пластин/слоев или воздушных зазоров.
Вышеприведенные рассмотрение и анализ основаны на сферических линзах. Однако можно использовать асферические линзы (например, имеющие два эффективных радиуса). Вышеприведенный анализ можно проводить на основании эффективного радиуса линзы в центре линзы (вдоль центральной оптической оси).
acrylic
air
acrylic
silicone
Показатель преломления материала зависит от длины волны света. Это обычно выражается так называемым "числом Аббе". Благодаря зависимости от длины волны, фокус линзы зависит от цвета света. Если создать линзу из двух материалов с малой разностью показателей преломления, цветовая зависимость линзы как целого будет грубо выражаться коэффициентом (n-n)/(n-n) (5, что приводит полосатости, зависящей от цвета. Во избежание этого, числа Аббе разных материалов должны совпадать.
Число Аббе определяется как:
D
F
C
где n, n, n показатели преломления материала в спектральных линиях D, F и С (589,2 нм, 486,1 нм, 656,3 нм, соответственно).
3
Можно предположить, что вышеупомянутые разности показателей преломления "в видимом спектре" измеряются в одной точке видимого спектра, например, на линии D гелия, 587,5618 нм.
Предпочтительно, чтобы лентикулярные линзы располагались наклонно относительно столбцов пикселей дисплея, и это является известной мерой по распределению потерь разрешения, возникающих в линзовой матрице между направлениями строк и столбцов дисплея.
Конструкция жидкокристаллического дисплея и обработка изображений, необходимая для генерации необходимых множественных видов, не были подробно описаны. Все они являются стандартными, и изобретение предусматривает изменение только в конструкции линзы.
В вышеприведенном примере, линзовый слой 60 может состоять из акрилового материала, но, вместо этого, он может состоять из поликарбонатного материала (показатель преломления n=1,59-1,60), и может применяться совместно с силиконовым материалом в качестве слоя 62 второго материала.
Согласно варианту осуществления, представленному на фиг.18А и 18В, оптическая сборка может иметь область 200, представленную на фиг.18В, где граница раздела между слоями, образующими поверхность линзы, является, по существу, плоской. Эту нелинзовую область можно использовать для отображения, например, 2D данных любого рода. Нелинзовая область (200) имеет такую же разность показателей преломления, что и линзовая область, показанная на фиг.18А, с тем преимуществом, что граница между двумя областями будет замаскирована, т.е. будет менее видна наблюдателю по сравнению со случаем, когда нелинзовая область не снабжена многослойной структурой линзовой области, имеющей малые разности показателей преломления. Это позволяет повысить качество отображения. Очевидно, что, при необходимости, можно обеспечить несколько таких областей, а также, что можно обеспечить несколько линзовых областей. Это может играть важную роль для дисплейных систем, которые должны одновременно обеспечивать 3D данные и 2D данные. Эти сборку и соответствующий дисплей, имеющие нелинзовую область с двумя слоями с низким показателем преломления, также можно использовать независимо от требования к радиусу линзы, которое выражается признаком 'причем произведение первого показателя преломления и линзового шага, деленного на удвоенный радиус кривизны, больше 0,6' в настоящем изобретении без потери описанного преимущества.
Изобретение можно использовать в дисплеях общего вида, включая электронные фоторамки и другие устройства вывода изображений.
Специалисты в данной области техники могут предложить различные модификации.
Предпочтительно, обе поверхности первого и второго слоев, противоположные тем, которые образуют поверхность линзы, являются плоскими. Хотя одна из этих поверхностей позволяет легко монтировать линзовую сборку на плоской поверхности устройства отображения, например, обычного жидкокристаллического дисплея (ЖКД), другую можно обеспечить дополнительными слоями, например, противоотражательными покрытиями и/или другими оптическими слоями и/или устойчивыми к царапинам и/или другими защитными покрытиями. Следовательно, дополнительно слои предпочтительно не располагать между линзовой сборкой и поверхностью дисплейной панели, чтобы не нарушать оптический эффект или оптический выход автостереоскопического устройства отображения, снабженного линзовой сборкой.
Настоящее изобретение применимо ко всем оптическим сборкам с функцией линзы, особенно, используемым для автостереоскопического дисплея. Таким образом, оптическая сборка может быть переключаемой сборкой, имеющей функцию линзы, отвечающую изобретению, в одном режиме и другую оптическую функцию в дополнительном режиме. Переключаемая оптическая сборка может, например, быть построена, как описано в WO 1998/021620 A1. В этом случае оптическая сборка содержит электродную структуру и жидкокристаллический (ЖК) материал, функционирующие как один из первого и второго слоев оптической сборки. Показатель преломления жидкокристаллического слоя анизотропен и зависит от ориентации молекул жидкого кристалла. Электродные структуры предназначены для создания электрических полей в слое для выравнивания молекул ЖК в одном из двух режимов оптической сборки. Таким образом, в линзовой форме молекулы ЖК ориентированы так, что существует разность показателей преломления между первым и вторым слоями, тогда как в дополнительном режиме эта разность показателей преломления может, по существу, отсутствовать в силу соответствующей переориентации молекул ЖК, что обеспечивает другой показатель преломления ЖК слоя.
Другие принципы обеспечения переключаемых линзовых сборок можно использовать для подготовки оптической сборки, отвечающей изобретению. Таким образом, например, можно использовать линзы с флюидным фокусом.
В формуле изобретения, любые условные обозначения, заключенные в скобки, не следует рассматривать как ограничение формулы изобретения. Слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, помимо перечисленных в пункте формулы изобретения. Употребление названия элемента в единственно числе не исключает наличия совокупности таких элементов. В пункте устройства, где перечислено несколько средств, несколько из этих средств может быть реализовано одним и тем же элементом оборудования. Тот факт, что определенные меры упомянуты в различных зависимых пунктах, не говорит о том, что нельзя преимущественно использовать комбинацию этих мер.