觀察者跟蹤自動立體顯示器的制造方法
【技術領域】
[0001]本公開整體涉及用于導向來自空間光調制器的光的裝置，并且更具體地講，涉及自動立體顯示設備。
【背景技術】
[0002]空間多路復用自動立體顯示器通常使視差組件例如柱狀透鏡屏幕或視差屏障與圖像陣列對準，所述圖像陣列被布置成空間光調制器例如LCD上的至少第一組像素和第二組像素。視差組件將來自所述組像素中每組的光導向至相應不同的方向以在顯示器前面提供第一觀看窗和第二觀看窗。眼睛置于第一觀看窗中的觀察者用來自第一組像素的光可看到第一圖像；而眼睛置于第二觀看窗的觀察者用來自第二組像素的光可看到第二圖像。
[0003]然而，與空間光調制器的原始分辨率相比，此類顯示器的空間分辨率有所降低，此外觀看窗的結構由像素開口形狀和視差組件成像功能決定。像素之間的間隙(例如，由于電極的原因)通常產生不均勻的觀看窗。不合乎需要的是，當觀察者相對于顯示器橫向移動時，此類顯示器呈現圖像閃爍，因此限制了顯示器的觀看自由度。此類閃爍可通過使光學元件散焦而減少；然而，此類散焦導致圖像串擾程度加大并增加觀察者的視覺疲勞。

【發(fā)明內容】

[0004]需要增大自動立體顯示器的觀看自由度，使得觀察者的頭部位置被約束在狹窄角度范圍內。觀察者跟蹤可用于增大觀看自由度，使得根據所測得的觀察者位置來調整每個圖像的方向性。電子觀察者跟蹤自動立體顯示器可提供多個觀看窗并且基于這些觀看窗在顯示器前方的位置將正確數據導向至觀察者，如美國專利5，959，664中所描述，該專利全文以引用方式并入本文。可用快速光學開關和無源雙折射透鏡陣列形成可被布置成可高速切換的透鏡陣列，如美國專利7，058，252中所描述，該專利全文以引用方式并入本文。美國專利7，215，415中描述了多種2D/3D切換雙折射透鏡，并且美國專利7，750,981中描述了時間多路復用雙折射透鏡，這兩個專利均以引用方式并入本文。
[0005]根據本發(fā)明的第一方面，提供一種用于自動立體顯示裝置的顯示設備，該顯示設備包括:空間光調制器，其包括像素陣列；第一透鏡陣列和第二透鏡陣列，它們各自與空間光調制器對準并且可操作以將來自空間多路復用像素子陣列的光導向至窗平面內具有至少三個光學窗的陣列中，所述第一透鏡陣列的光學窗與所述第二透鏡陣列的光學窗在空間上偏置；以及透鏡切換裝置，其能夠使所述透鏡陣列在第一模式與第二模式的操作之間切換，其中在第一模式下，第一透鏡陣列工作而第二透鏡陣列基本上沒有光學效果，而在第二模式下，第一透鏡陣列基本上沒有光學效果而第二透鏡陣列工作。
[0006]與等效顯示設備相比此類顯示設備可用來改善空間分辨率，其中單個透鏡陣列將來自空間多路復用像素子陣列的光導向至窗平面內具有至少三個光學窗的陣列中。這通過設置透鏡切換裝置而實現，該透鏡切換裝置能夠使所述透鏡陣列在第一模式與第二模式的操作之間切換，其中在第一模式下，第一透鏡陣列工作而第二透鏡陣列基本上沒有光學效果，而在第二模式下，第一透鏡陣列基本上沒有光學效果而第二透鏡陣列工作。由于第一透鏡陣列的光學窗與第二透鏡陣列的光學窗在空間上偏置，透鏡切換裝置的操作可用于改善空間分辨率。
[0007]在用于實現此操作的一種可能技術中，所述顯示設備可被裝入自動立體顯示裝置中，該自動立體顯示裝置還包括:傳感器系統，其被布置用于檢測觀察者相對于所述顯示設備的位置；以及控制系統，其被布置用于依賴于所檢測到的觀察者的位置來控制透鏡切換裝置切換透鏡陣列，以使時間多路復用操作處于第一模式和第二模式并且同時使所述顯示設備在像素子陣列上顯示左眼圖像和右眼圖像，以將左眼圖像和右眼圖像導向至對應于觀察者的左眼和右眼的光學窗。以此方式，這種自動立體顯示裝置通過結合左眼圖像和右眼圖像的時間和空間多路復用來改善空間分辨率。另外，可減少在觀察者移動過程中的圖像閃爍，因為已經增加了光學窗的數目，因此將具有較大準確度的光導向至相應的觀察者眼睛。
[0008]根據本發(fā)明的第二方面，提供一種觀察者跟蹤自動立體顯示器，其包括:第一透鏡陣列和第二透鏡陣列；透鏡切換裝置，其被布置用于將第一透鏡陣列切換成在第一相位工作并且將第二透鏡陣列切換成在第二相位工作；空間光調制器，其被布置用于在第一相位和第二相位顯示圖像數據并且包括與第一透鏡陣列和第二透鏡陣列對準的像素陣列；其中第一透鏡陣列與像素陣列相配合而產生具有至少三個觀看窗的陣列，并且第二透鏡陣列與像素陣列相配合而產生具有至少三個觀看窗的陣列；并且其中第一觀看窗陣列和第二觀看窗陣列在空間上交錯。
[0009]本文公開的原理為實現一種自動立體顯示器而準備，其中利用空間和時間多路復用提供多個光學窗。一對快速響應的透鏡陣列與快速響應空間光調制器對準，并且被同步以向第一組圖像和第二組圖像提供相應的第一方向性和第二方向性，從而提供相應的第一組光學窗和第二組光學窗。所述第一組光學窗和第二組光學窗可各自在每個觀看辧中包括兩個或更多個光學窗。所述光學窗可被布置成相對于垂直方向傾斜25度至65度、優(yōu)選地35度至55度，并且在有利的實施例中基本上傾斜45度。觀察者跟蹤系統可被布置成針對顯示器的橫式取向和豎式取向將左眼圖像數據導向至觀察者的左眼并將右眼圖像數據導向至觀察者的右眼。優(yōu)選地，觀察者跟蹤系統可被布置成針對給定觀察者位置將單個左眼圖像導向至左眼并將單個右眼圖像導向至右眼。
[0010]根據本發(fā)明的第三方面，提供一種自動立體顯示裝置，其包括:顯示設備，其包括被布置在形狀為具有兩個鏡面對稱的正交軸線的開口中的像素陣列以及被布置用于將來自空間多路復用像素子陣列的光導向至窗平面內的相應光學窗中的視差元件，所述光學窗具有不同位置并且以相對于所述開口的矩形形狀的一條軸線為25至65度的范圍內的角度延伸；傳感器系統，其被用于跨所述顯示設備檢測觀察者在兩個維度上的位置以及觀察者的觀看取向；以及控制系統，其被布置用于依賴于所檢測到的觀察者的位置和所檢測到的觀看取向來控制顯示設備在像素子陣列上顯示左眼圖像和右眼圖像，以將左眼圖像和右眼圖像導向至對應于觀察者的左眼和右眼的光學窗。
[0011]本發(fā)明的第三方面受益于對這樣的角度的選擇，所述光學窗在該角度上相對于其中陣列像素的開口的形狀的軸線延伸。顯示設備最通常地被接近于對稱軸線中的一條軸線的視角觀察，也即在矩形開口的情況下以橫式或豎式取向來觀察。在觀看窗沿著或接近于對稱軸線延伸的情況下，僅當顯示設備在該對稱軸線為豎直時觀察才提供圖像的自動立體顯示，而當顯示設備被旋轉90度以使得另一對稱軸線為豎直時不提供圖像的自動立體顯示，因為此時單個觀看窗延伸跨觀察者的雙眼。
[0012]相比之下，在本發(fā)明的第三方面，所述窗以45度左右的范圍內的角度延伸，例如從25至65度、更優(yōu)選地35至55度、或40至50度。當依賴于所檢測到的觀察者的位置和所檢測到的觀看取向來控制時，此類傾斜的觀看窗可用于在顯示設備的各種取向下提供圖像的自動立體顯示。具體地講，由于傾斜的窗沿兩條軸線分開，所以當以任一軸線在豎直方向上或其附近的取向觀察顯示裝置時，可將左眼圖像和右眼圖像導向為在對應于觀察者的左眼和右眼的位置的觀看窗中的顯示圖像。
[0013]本文的實施例可實現具有大面積和薄結構、寬視角、高分辨率2D和3D模式、低串擾、橫式和豎式觀看幾何條件、無移動部件、低成本以及高效率和高亮度的自動立體顯示器。此類顯示器可尤其非常適合于單觀察者顯示器?？沙尸F具有高圖像保真性的文字和圖形信息。
[0014]本發(fā)明的實施例可用于多種光學系統中。實施例可包括或利用各種投影儀、投影系統、光學組件、顯示器、微型顯示器、計算機系統、處理器、獨立成套的投影儀系統、視覺和/或視聽系統以及電和/或光學裝置。實際上，本發(fā)明的方面可以跟與光學和電氣裝置、光學系統、演示系統有關的任何設備，或者可包括任何類型的光學系統的任何設備一起使用。因此，本發(fā)明的實施例可用于光學系統、視覺和/或光學呈現中使用的裝置、視覺外圍設備等，并且可用于多種計算環(huán)境。
[0015]可在單個實施例中同時使用本發(fā)明的不同方面，并且可將這些方面的各種可選特征一起組合成任何組合。
[0016]以下將進行對所公開實施例的詳細說明，應當理解，本發(fā)明并不將其應用或形成限于所示的具體布置方式的細節(jié)，因為本發(fā)明能夠采用其他實施例。此外，可以不同的組合和布置方式來闡述本發(fā)明的各個方面，以限定實施例在其本身權利內的獨特性。另外，本文使用的術語是為了說明的目的，而非限制。本領域的普通技術人員在閱讀本公開內容全文后，本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點及特征將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0017]實施例通過舉例的方式在附圖中示出，其中類似的附圖標號表示類似的組件，并且其中:
[0018]圖1A是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了自動立體顯示器的光傳播的俯視圖；
[0019]圖1B是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了觀看窗陣列的前視圖；
[0020]圖1C是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了觀看窗陣列的前視圖；
[0021]圖1D是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了觀察者跟蹤自動立體顯示系統的側視圖；
[0022]圖2是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括傾斜無源表面起伏雙折射透鏡的窗切換3D自動立體顯示器的側視圖；
[0023]圖3是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了窗切換3D自動立體顯示器的前視圖；
[0024]圖4是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括傾斜雙折射透鏡和透射式空間光調制器的窗切換3D自動立體顯示器中的光學層的前視圖；
[0025]圖5是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括垂直雙折射透鏡的窗切換3D自動立體顯示器中的光學層的前視圖；
[0026]圖6A是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括掃描背光源的窗切換3D自動立體顯示器中的光學層的前視圖；
[0027]圖6B是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括發(fā)射式掃描空間光調制器的窗切換3D自動立體顯示器中的光學層的前視圖；
[0028]圖7是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括發(fā)射式掃描空間光調制器和無源表面起伏雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器的前視圖；
[0029]圖8是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括處于第一工作模式的無源雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器中的光學層的前視圖；
[0030]圖9是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括處于第二工作模式的無源雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器中的光學層的前視圖；
[0031]圖1OA是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括有源表面起伏雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器的側視圖；
[0032]圖1OB是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括有源和無源表面起伏雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器的側視圖；
[0033]圖1OC是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括漸變折射率有源雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器的側視圖；
[0034]圖1OD是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括漸變折射率有源雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器的側視圖；
[0035]圖1OE是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括漸變折射率有源和無源雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器的側視圖；
[0036]圖1OF是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括漸變折射率有源和表面起伏無源雙折射透鏡的窗切換2D/3D自動立體顯示器的側視圖；
[0037]圖1OG是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括以第一模式工作的自適應表面起伏透鏡的窗切換3D自動立體顯示器的側視圖；
[0038]圖1OH是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了包括以第二模式工作的自適應表面起伏透鏡的窗切換3D自動立體顯示器的側視圖；
[0039]圖11是根據本發(fā)明的示意圖，其示出了五