專利名稱：具有位置跟蹤的多用戶自動(dòng)立體顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)立體多用戶顯示器，具有最佳觀看位置(sweetspot)單元和圖像顯示矩陣，該最佳觀看位置單元用于將光聚焦，以形成射向一個(gè)或多個(gè)觀看者的眼睛的若干個(gè)光線束，該圖像顯示矩陣用于用具有單視場(chǎng)或立體視場(chǎng)圖像序列的二維圖像交替調(diào)制該最佳觀看位置單元的光。在本文中，術(shù)語(yǔ)“多用戶顯示器”指的是可以被多個(gè)觀看者使用、用來(lái)同時(shí)地和獨(dú)立地觀看3D景象形式的圖像序列的交替圖像的設(shè)備。本發(fā)明利用了若干個(gè)單圖像對(duì)觀看者每個(gè)眼睛的暫時(shí)交錯(cuò)。當(dāng)采用這種顯現(xiàn)法時(shí)，分辨率被保持而且不會(huì)被表現(xiàn)透視數(shù)目的因素減少，如同用空間交錯(cuò)法的情形那樣。該分辨率與圖像顯示矩陣的分辨率相同。
自動(dòng)立體多用戶顯示器應(yīng)當(dāng)滿足以下條件支持多個(gè)觀看者的能力，單個(gè)觀看者在寬廣觀看空間內(nèi)自由和獨(dú)立移動(dòng)的可能性，以及有選擇地以2D和3D模式選擇訪問(wèn)幾個(gè)圖像序列。其它希望的特性還有高圖像質(zhì)量、魯棒性、可靠性、小深度、支持實(shí)踐中所有普通圖像和視頻格式(包括照相機(jī)和立體照相機(jī))、以及低成本。
通常，如果觀看者的眼睛位于預(yù)定位置上時(shí)，觀看者使用立體顯示器僅能夠覺(jué)察到立體圖像而沒(méi)有串?dāng)_。這些位置在文獻(xiàn)中也稱作最佳觀看位置。本發(fā)明的解決方案旨在將均勻的、大面積的光分布聚焦在擴(kuò)展的最佳觀看位置上，從而根據(jù)觀看者眼睛的移動(dòng)并根據(jù)當(dāng)前顯現(xiàn)的右或左圖像，使用跟蹤和圖像控制器可以跟蹤這些最佳觀看位置。
背景技術(shù)：
EP0 881 844A2披露了一種帶有光源跟蹤的單用戶顯示器。這種顯示器以順序模式工作。光源對(duì)的兩個(gè)相鄰分段設(shè)置用于觀看者的左眼和右眼。如果用于右眼的分段開(kāi)啟，那么第一雙凸透鏡(lenticular)將該分段以多個(gè)圖像的方式投射到漫射板上?，F(xiàn)在，該漫射板用作第二光源，由于漫射板的漫射性質(zhì)，光透過(guò)圖像顯示矩陣，且右圖像穿過(guò)第二雙凸透鏡的所有透鏡，借此，光被聚焦在觀看者的右眼上。
對(duì)于隨后的圖像，光源對(duì)被切換到用于左眼的分段，圖像矩陣切換到左圖像。如果觀看者移動(dòng)出立體區(qū)域之外，那么第二光源對(duì)開(kāi)啟，其對(duì)應(yīng)于當(dāng)前的區(qū)域。
然而，使用漫射板是不利的，因?yàn)樗ǔＷ柚沽硕嘤脩舨僮?，這是由于具有多個(gè)第二光源的漫射板被表現(xiàn)在通過(guò)第二雙凸透鏡周期性的延續(xù)中。
WO 03/019952A1披露了一種用于多個(gè)觀看者的具有2D和3D呈現(xiàn)的解決方案以及一種跟蹤系統(tǒng)。從觀看者來(lái)看，在圖像顯示矩陣上，顯示器容納著受控引導(dǎo)單元，該可控引導(dǎo)單元具有包括光閘的兩個(gè)透鏡陣列，以將圖像的每個(gè)像素分開(kāi)地聚焦在一個(gè)或多個(gè)觀看者的眼睛上。每個(gè)透鏡陣列包括用于圖像矩陣的每個(gè)像素的獨(dú)立透鏡元件，所述透鏡元件將像素的調(diào)制光聚焦在光閘上。光閘對(duì)每個(gè)像素都具有多個(gè)細(xì)微的分段開(kāi)口，以便對(duì)于每個(gè)觀看者，每個(gè)透鏡元件根據(jù)他眼睛的位置打開(kāi)一個(gè)分段。這些分段通過(guò)設(shè)置在光閘背后的第二透鏡陣列的相應(yīng)第二透鏡元件，投射到觀看者的眼睛上。如果觀看者移動(dòng)，位置探測(cè)器發(fā)送觀看者的新位置，從而僅打開(kāi)對(duì)應(yīng)于這個(gè)位置的光閘分段，以確保像素保持聚焦在眼睛上。在使用時(shí)間復(fù)用法的立體操作期間，右圖像和左圖象被一個(gè)接一個(gè)地引導(dǎo)到各個(gè)眼睛上。如果存在著多個(gè)觀看者，那么啟動(dòng)多個(gè)分段。在單視場(chǎng)操作期間，所有的光閘分段都可以被打開(kāi)。
然而，這種多用戶顯示器實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)困難，因?yàn)樾枰叻直媛实墓忾l。舉例來(lái)說(shuō)，在該文獻(xiàn)的一個(gè)實(shí)施例中具有觀看者的100個(gè)可能的角位置，假設(shè)典型的像素間距為0.25mm，那么該實(shí)施例需要2.5μm的分段寬度。假設(shè)存在1,600列，則將需要具有每行160,000個(gè)分段的光閘。另外，當(dāng)制造透鏡元件、光閘開(kāi)口以及圖像矩陣的像素時(shí)，以及當(dāng)裝配期間校準(zhǔn)這些部件時(shí)，這些部件的匹配需要極其精確。而已有的像素或分段尺寸的很小偏差或稍微不對(duì)準(zhǔn)都可能會(huì)導(dǎo)致功能故障。此外，還需要裝配的顯示器對(duì)環(huán)境影響(例如溫度波動(dòng)或擺動(dòng))有很強(qiáng)的抵抗力。
另外一個(gè)主要的缺點(diǎn)表現(xiàn)為顯示部件不能被單個(gè)替換這樣的事實(shí)。圖像顯示矩陣、透鏡陣列以及光閘必須經(jīng)常在它們的幾何結(jié)構(gòu)、分辨率以及制造容差方面進(jìn)行精確調(diào)和。
WO 03/053072A1披露了一種具有3D跟蹤系統(tǒng)并且順序表現(xiàn)立體圖像的多用戶顯示器。該裝置包括依次地一個(gè)位于另一個(gè)之后的三維可尋址背光、用于聚焦的單個(gè)大面積、容積大的成像透鏡、以及作為圖像顯示矩陣的空間光調(diào)制器。背光容許關(guān)于觀看者與顯示器之間的距離的跟蹤。聚焦的光穿過(guò)圖像顯示矩陣，該圖像顯示矩陣交替地調(diào)制用于觀看者的各個(gè)眼睛的左圖像和右圖像。
這種裝置的缺點(diǎn)是亮度低，因?yàn)橹挥芯植靠蛇x的點(diǎn)光源的光才可用來(lái)照亮整個(gè)圖像，以及大的成像透鏡和由三維背光引起的顯示器的大深度。為了限制在光軸之外這種大透鏡的像差，焦距必須足夠大，從而使得設(shè)備非常深。另外，三維背光很難制作。
很多專利的特征都在于分配給投影系統(tǒng)的附加場(chǎng)鏡，該透鏡被放置在光路的各個(gè)位置上，從而具有各種功能。
申請(qǐng)人申請(qǐng)的在先專利申請(qǐng)WO 2005/027534(在本申請(qǐng)的申請(qǐng)日時(shí)還未公布)也描述了一種多用戶顯示器。該顯示器包含了最佳觀看位置單元、用于跟蹤和圖像控制的裝置以及根據(jù)眼睛位置跟蹤最佳觀看位置的方法。
圖1是解釋工作原理的頂視圖，但并未按比例繪制也并未示出所有的光學(xué)元件。成像裝置110的多個(gè)透鏡元件111-114將照明矩陣120的可切換點(diǎn)照明元件11-46成像在觀看者的眼睛ER、EL上。當(dāng)被大面積光源130照明時(shí)，照明矩陣120為每個(gè)透鏡元件和觀看者產(chǎn)生光線B1-B4之至少一束，由于用跟蹤和圖像控制器160有選擇地啟動(dòng)照明元件11-46，所述光線束被疊加，以在觀看者眼睛的位置處形成二維最佳觀看位置SR。成像裝置110、照明矩陣120以及背光源130形成可控的最佳觀看位置單元，該單元產(chǎn)生定向背光以呈現(xiàn)從在觀看空間內(nèi)某些光斑位置可見(jiàn)的、透射LCD圖像顯示矩陣140的圖像，所述的位置由跟蹤和圖像控制器160確定。在實(shí)踐中，尤其設(shè)置了更多的透鏡元件111-114和照明元件。LCD矩陣的子像素優(yōu)選被用作照明元件。
在到達(dá)觀看者的路徑上，多束光線B1-B4透過(guò)圖像顯示矩陣140的若干塊大面積，該圖像顯示矩陣140交替地包含圖像信號(hào)PSS的立體圖像序列的唯一一個(gè)圖像。位置探測(cè)器150確定在顯示器前的觀看者的數(shù)目以及他們眼睛的位置ER、EL。相應(yīng)地，跟蹤和圖像控制器160啟動(dòng)(在所示的例子中)照明元件13、24、35和46，以呈現(xiàn)從眼睛位置ER可見(jiàn)的立體圖像序列的當(dāng)前圖像。如圖1所示，照明元件13、24、35和46相對(duì)于透鏡元件的光軸不同地定位。如果觀看者移動(dòng)，跟蹤和圖像控制器160將啟動(dòng)其它的照明元件，以便根據(jù)眼睛的轉(zhuǎn)換位置跟蹤最佳觀看位置束。為了交替表現(xiàn)的立體圖像，跟蹤和圖像控制器160通過(guò)與圖像(位于圖像矩陣內(nèi))的每次變化同步地切換照明元件，呈現(xiàn)對(duì)一個(gè)或所有觀看者的相應(yīng)眼睛可見(jiàn)的隨后圖像。在這個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，對(duì)另一個(gè)眼睛而言圖像是不可見(jiàn)的，因?yàn)槟莻€(gè)眼睛處于稱作暗點(diǎn)的位置上。如果由圖像顯示矩陣提供的用于右眼和左眼的圖像序列和到各個(gè)眼睛上的同步投射以充分高的頻率交替，那么這些眼睛就不能辨別呈現(xiàn)給它們的單個(gè)圖像。兩個(gè)眼睛都會(huì)覺(jué)察到該圖像序列為立體顯示，而不會(huì)有串?dāng)_效應(yīng)。
多束光線B1-B4實(shí)際上沿著每個(gè)有源照明元件13、24、35和46被投射到眼睛位置ER或EL的平面上這樣的路徑傳播，并被放大成至少幾個(gè)毫米的直徑。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明工作原理起見(jiàn)，在本文的所有附圖中，最佳觀看位置由平行的多束光線形成。然而，在實(shí)踐中，傳播可以稍微偏離這種準(zhǔn)直。在任何情形下，最佳觀看位置都被設(shè)置成使多束光線B1-B4的每一個(gè)覆蓋著最佳觀看位置面積的至少擴(kuò)展部分。最佳觀看位置面積優(yōu)選地至少是觀看者眼睛那么大。從而，這允許觀看者在均勻照明下觀看到圖像顯示矩陣的整個(gè)顯示面積而且沒(méi)有任何干擾，即使觀看者移動(dòng)幾個(gè)厘米，因此不再需要啟動(dòng)跟蹤。而且，這也顯著地降低了在精度、功能以及響應(yīng)時(shí)間方面對(duì)跟蹤和圖像控制器160的要求。
根據(jù)上述專利申請(qǐng)?zhí)朩O 2005/027534的最佳觀看位置單元的主要優(yōu)點(diǎn)在于，為了制造，透鏡元件111-114寬度的選擇與圖像顯示矩陣140內(nèi)的像素尺寸無(wú)關(guān)，從而每個(gè)透鏡元件至少沿水平方向覆蓋著N個(gè)照明元件11-16，以便對(duì)每個(gè)觀看者的N個(gè)不同觀看位置都產(chǎn)生一個(gè)最佳觀看位置。為了清楚起見(jiàn)，在示出的例子中數(shù)目N是六個(gè)(6)。而在實(shí)踐中，每個(gè)透鏡元件沿水平方向覆蓋著更多數(shù)目的照明元件。在照明元件11-46的給定橫截面上，可能的眼睛位置的數(shù)目可以通過(guò)選擇透鏡元件111-114的某個(gè)橫截面來(lái)確定。從而，不必要為了獲得很大數(shù)目的可能眼睛位置而花費(fèi)高昂成本分隔照明矩陣130的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿菀自黾油哥R元件111-114的寬度就足夠了。
成像裝置110優(yōu)選地包括一個(gè)雙凸透鏡或幾個(gè)雙凸透鏡的組合，透鏡元件111-114是柱面透鏡。由于柱面透鏡通常沿垂直方向擴(kuò)展到圖像顯示矩陣140的整個(gè)高度，每個(gè)透鏡元件都覆蓋著照明矩陣120的數(shù)百個(gè)照明元件。因?yàn)樽罴延^看位置僅僅在右眼與左眼之間交替地切換，所以為了清楚起見(jiàn)，在下面的描述中僅考慮實(shí)現(xiàn)該多束光線B1-B4的水平定向的那些元件。照明矩陣一列一列地切換。對(duì)于本發(fā)明的描述而言，柱面透鏡沿垂直方向覆蓋著多少照明元件是不相關(guān)的。根據(jù)本發(fā)明，跟蹤和圖像控制器160還可以沿垂直方向跟蹤最佳觀看位置。類似于水平跟蹤，將通過(guò)沿二維擴(kuò)展的投影系統(tǒng)的垂直方向選擇各個(gè)照明元件來(lái)跟蹤最佳觀看位置。
優(yōu)選地，為了提高圖像亮度和最佳觀看位置寬度，可以對(duì)每一束光線B1-B4同時(shí)啟動(dòng)幾個(gè)相鄰的照明元件。
本方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，如果更換圖像矩陣，最佳觀看位置并不需要更改。
技術(shù)問(wèn)題為了完全觀看到圖像顯示矩陣140，必須為每個(gè)透鏡元件111-114和眼睛位置啟動(dòng)每行至少一個(gè)照明元件。另外，必須啟動(dòng)使其相應(yīng)的多束光線B1-B4被沿著方向D1-D4朝各個(gè)眼睛位置ER、EL定向的那些照明元件。如圖1所示，這一點(diǎn)被實(shí)現(xiàn)根據(jù)專利申請(qǐng)DE 103 39 076的最佳觀看位置單元內(nèi)，其是用跟蹤和圖像控制器160依據(jù)方向D1-D4啟動(dòng)對(duì)應(yīng)于透鏡元件的那些照明元件。
在該例子中，啟動(dòng)的第三個(gè)照明元件13實(shí)現(xiàn)方向D1，而啟動(dòng)的第六個(gè)照明元件46實(shí)現(xiàn)方向D4。這對(duì)實(shí)踐上有用的分辨率具有不利影響，特別是對(duì)于照明矩陣120的邊緣，在該位置處可控位置的總量(inventory)被減少。這種效應(yīng)顯著地限制了觀看者可以觀看到整個(gè)圖像的觀看角，從而限制了跟蹤和圖像控制器可用的幾何跟蹤范圍。因此，這代表著一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，特別是對(duì)于自動(dòng)立體多用戶顯示器的功能而言，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)或多個(gè)觀看者位于顯示器前面時(shí)，希望具有很大的觀看空間以及對(duì)于跟蹤和圖像控制器很寬的范圍。而且，即使觀看者位于中心，從如圖1所示以照明元件46和透鏡元件114的例子可以看出，照明元件和透鏡元件也以很大的角度設(shè)置。從而，這樣的透鏡會(huì)引起像差，而像差基本上會(huì)干擾通過(guò)圖像顯示矩陣140的投影的均勻性。
現(xiàn)在，將參看位于成像裝置110邊緣的透鏡元件111和114的例子，詳細(xì)地示出這個(gè)問(wèn)題。鑒于為透鏡元件111而啟動(dòng)照明元件11-13是敏感的，因此如果照明元件14被啟動(dòng)的話，一束光線B1*將被引導(dǎo)到較低敏感的光斑位置S0。由于對(duì)應(yīng)于透鏡元件114的最外側(cè)的照明元件46已經(jīng)啟動(dòng)，因此透鏡元件114不能到達(dá)光斑位置S0。因此在實(shí)踐中，圖像顯示矩陣140將僅僅是可見(jiàn)的，而光線束B(niǎo)4不會(huì)在位置S0處產(chǎn)生貢獻(xiàn)。
在所述的例子中，對(duì)照明元件15、16、26、41、42和43的檢查將顯示出相似的結(jié)果。盡管這種缺陷可以通過(guò)添加額外的照明元件(這會(huì)增大成像裝置110)來(lái)對(duì)位置S0進(jìn)行補(bǔ)救，但是這通常并不能解決該問(wèn)題，因?yàn)椴豢赡芴砑訉?duì)應(yīng)于更靠近成像裝置110中心的透鏡元件112、113的額外照明元件。
因?yàn)檎彰髟木嚯x經(jīng)常大于透鏡元件的距離，所以尤其在成像裝置110的邊緣，會(huì)出現(xiàn)大的角度，從而導(dǎo)致顯著的像差，并由此干擾圖像顯示矩陣140的均勻照明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及可以被數(shù)個(gè)觀看者同時(shí)使用的自動(dòng)立體顯示器，稱作多用戶顯示器，其由跟蹤和圖像控制器控制；所述顯示器的特征在于，用于單個(gè)部件及其對(duì)準(zhǔn)的成本低和工作量小，平坦設(shè)計(jì)，替換各種幾何結(jié)構(gòu)的光學(xué)部件的可能性，以及高亮度；所述顯示器能夠避免上述解決方案的缺陷，特別是能夠消除對(duì)最佳觀看位置單元的跟蹤能力的限制；另外，該顯示器還能夠?qū)⑾癫顪p至最小，從而充分地改善觀看圖像質(zhì)量、以及最主要的是改善觀看圖像的均勻性。
本發(fā)明解決方案基于的是具有最佳觀看位置單元的自動(dòng)立體多用戶顯示器，它可以被跟蹤和圖像控制器控制，并將具有預(yù)定大面積的多束光線引導(dǎo)和聚焦在若干個(gè)觀看者的幾個(gè)眼睛位置上。該最佳觀看位置單元用作透射圖像顯示矩陣的可控定向背光。多束光線寬范圍地透過(guò)圖像顯示矩陣，在圖像顯示矩陣處這些光線束被順序地用立體圖像序列調(diào)制。在這個(gè)過(guò)程中，這些多光線束在對(duì)應(yīng)于立體圖像序列的當(dāng)前圖像的每個(gè)觀看者的各個(gè)眼睛面前相重合，從而形成將整個(gè)當(dāng)前圖像呈現(xiàn)為可見(jiàn)的最佳觀看位置。該最佳觀看位置單元包含受控的照明矩陣，其具有可以被獨(dú)立地啟動(dòng)的多個(gè)照明元件，和用于將多束光線成像在最佳觀看位置上的成像設(shè)備，借此，跟蹤和圖像控制器通過(guò)啟動(dòng)相應(yīng)的照明元件，確定每束光線的方向。
根據(jù)本發(fā)明，其目的借助于包含成像裝置的成像設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該成像裝置具有多個(gè)排列成矩陣的透鏡元件，以及從光傳播的方向看、設(shè)置在成像裝置后面并且覆蓋著整個(gè)成像裝置的場(chǎng)鏡。該場(chǎng)鏡并不具有聚光透鏡的傳統(tǒng)功能，因?yàn)檫@個(gè)功能可以用照明元件的特殊選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。透鏡元件將啟動(dòng)的照明元件以幾乎準(zhǔn)直的方式并且放大地成像在最佳觀看位置上。透鏡元件的焦距相應(yīng)地縮短。
相反，場(chǎng)鏡的焦距比透鏡元件的焦距長(zhǎng)很多。場(chǎng)鏡具有啟動(dòng)與相應(yīng)的透鏡元件幾乎相同角度的那些照明元件的功能。如果可能，相同的對(duì)應(yīng)照明元件由此按照透鏡間距啟動(dòng)。對(duì)所有透鏡元件的類似的角度確保了最大的跟蹤范圍和最小的像差，這對(duì)于圖像顯示矩陣的均勻照明非常重要。
如果觀看者橫向地移動(dòng)，那么會(huì)出現(xiàn)除球面像差之外其它已知的圖像失真，例如圖像面積彎曲和彗形象差，但是這類失真會(huì)被位于雙凸透鏡的透鏡元件之下的相同有源照明元件的成像降至最小。換句話說(shuō)，場(chǎng)鏡實(shí)現(xiàn)了由引起最小圖像失真的這些照明元件形成的最佳觀看位置。在給定的圖像質(zhì)量下，場(chǎng)鏡放大了跟蹤范圍。有源照明元件的極限位置，例如圖1中的位置46，僅出現(xiàn)在極端橫向的觀看者的位置處。
本發(fā)明具有的主要優(yōu)點(diǎn)在于，與透鏡元件的位置無(wú)關(guān)，所有的有源照明元件都具有與相應(yīng)的透鏡元件大體相同的關(guān)系，從而照明矩陣和成像裝置只需要產(chǎn)生被引導(dǎo)到相應(yīng)的最佳觀看位置的大體準(zhǔn)直、平行的多束光線。因?yàn)檫B接圖形的相似性，這使得可以更有效地對(duì)每個(gè)透鏡元件使用照明元件的總量，由此增加了可以控制的位置的數(shù)目，從而擴(kuò)展了最佳觀看位置單元的跟蹤范圍。可以被用來(lái)跟蹤最佳觀看位置的角度的總量在實(shí)踐中對(duì)于所有的光線束都是相同的，即，它與多束光線在圖像顯示矩陣中的位置無(wú)關(guān)。
如果觀看者移動(dòng)遠(yuǎn)離他所在的觀看面，那么具有位置探測(cè)器的該跟蹤和圖像控制器可以使光線束的方向適應(yīng)于眼睛位置在顯示器前面的空間內(nèi)的探測(cè)到的新距離。從而，將照明元件相同地分配給相應(yīng)的透鏡受到的干擾最小。利用本發(fā)明中，對(duì)每個(gè)透鏡元件，照明元件都保持著充分的總量，從而通過(guò)改變被跟蹤和圖像控制器控制的啟動(dòng)照明元件，可以校正光線束的方向。
為了將啟動(dòng)的照明元件成像在觀看面內(nèi)有限尺寸的最佳觀看位置上，透鏡元件必須具有短焦距。假設(shè)觀看者位于顯示器前面的中央并且大致在場(chǎng)鏡的焦距位置，并且如果準(zhǔn)直光被用于最佳觀看位置，那么照明元件被設(shè)置在透鏡元件的前焦距旁形成的平面上。如果觀看者橫向地移動(dòng)，那么由透鏡元件引起的場(chǎng)曲率會(huì)變得愈加可覺(jué)察，而且準(zhǔn)直的光線束被轉(zhuǎn)換成照明元件的聚焦成像。如果觀看者位于中央位置，那么透鏡元件優(yōu)選被定位在比根據(jù)它們的焦距所要求的位置更靠近照明元件的位置處。如果觀看者橫向地移動(dòng)，那么該距離增加，直至其達(dá)到甚至超過(guò)焦距。
通過(guò)相應(yīng)于透鏡元件的焦距適當(dāng)?shù)剡x擇場(chǎng)鏡的焦距，可以限定出最佳的空間，在該最佳的空間內(nèi)，可以由最佳觀看位置單元產(chǎn)生高質(zhì)量的3D顯示的最佳觀看位置。
成像裝置包含設(shè)置用來(lái)形成至少一個(gè)雙凸透鏡或透鏡陣列的若干個(gè)成像元件。這些成像元件被構(gòu)造為至少在水平方向上覆蓋著照明矩陣的多個(gè)可控照明元件。從而，它們還在水平方向上覆蓋著圖像顯示矩陣的多個(gè)像素。
照明矩陣可以是電子光閘(electronic shutter)，該電子光閘以開(kāi)口的形式提供照明元件，所述開(kāi)口的位置和透射可以獨(dú)立地控制，所述光閘是由背光來(lái)照明，照明矩陣或者可以包括排列成行結(jié)構(gòu)或矩陣結(jié)構(gòu)的主動(dòng)發(fā)光照明元件，所述照明元件可以獨(dú)立地控制。這樣的例子有基于DLP、TFT或其它類型的投影單元和有機(jī)LED(OLED)面板。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“場(chǎng)鏡”被用作一般類型的術(shù)語(yǔ)。在本發(fā)明中它的功能在于減少光學(xué)像差并且擴(kuò)大觀看空間?？紤]到這種透鏡的尺寸，優(yōu)選在這類光學(xué)系統(tǒng)中使用菲涅耳透鏡。
另外，該場(chǎng)鏡也可以是可被跟蹤和圖像控制器控制的全息光學(xué)元件，所述全息光學(xué)元件具有可變的焦距以改善跟蹤范圍。
由于這些單個(gè)顯示部件功能上和結(jié)構(gòu)上的分開(kāi)，因此可以減少對(duì)照明矩陣的分辨率的需求。它只是由可控位置或角度的數(shù)目來(lái)限定。特別地，這種解決方案提供了圖像顯示矩陣很大的獨(dú)立性。從而，這允許例如圖像顯示矩陣被替換用于具有更高分辨率的另一個(gè)圖像顯示矩陣，只要外部尺寸相同。
成像裝置可以整個(gè)或部分地由光學(xué)性質(zhì)可以控制的材料制成，例如聚合物。為了避免莫阿效應(yīng)，將非偏振的漫射介質(zhì)(例如漫射箔)放置在從光傳播的方向看、圖像顯示矩陣的前面。


圖1示出在現(xiàn)有技術(shù)的專利申請(qǐng)WO 2005027534中所述的自動(dòng)立體多用戶顯示器；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的、具有最佳觀看位置單元和成像裝置的自動(dòng)立體多用戶顯示器，該最佳觀看位置單元用于為觀看者的眼睛產(chǎn)生幾何均勻的最佳觀看位置；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的、具有最佳觀看位置單元的自動(dòng)立體多用戶顯示器，該最佳觀看位置單元用于為觀看者的另一個(gè)眼睛產(chǎn)生最佳觀看位置；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的、具有菲涅耳透鏡的最佳觀看位置單元；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的、具有若干個(gè)有源照明元件的最佳觀看位置單元，所述有源照明元件用于為數(shù)個(gè)觀看者產(chǎn)生最佳觀看位置光束；圖6是顯示器在2D模式下的操作的示意圖，其中最佳觀看位置僅為一個(gè)觀看者產(chǎn)生；圖7是最佳觀看位置單元的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其使用投影單元作為照明矩陣。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例參看圖2-7及借助于實(shí)施例描述根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)立體多用戶顯示器。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)立體多用戶顯示器的相同功能的元件。
圖2以觀看者右眼ER為例示出根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)元件的布置，其中編號(hào)110表示具有透鏡元件111-115的成像裝置，編號(hào)120表示用于為每個(gè)透鏡元件111-115產(chǎn)生多束光線B1-B5的照明矩陣。在這個(gè)實(shí)施例中，照明矩陣120是使用大面積光源130的光的光閘。該光閘包括透射的照明元件11-56，它是LCD或FLCD面板。在這個(gè)實(shí)施例中，成像裝置110是雙凸透鏡。照明矩陣120被設(shè)置在這個(gè)雙凸透鏡的焦平面附近，從而由成像裝置110以近平行光束的形式發(fā)出多束光線B1-B5。
照明矩陣120的所有有源照明元件15、25、35、45和55相對(duì)于相應(yīng)的透鏡元件具有相同的位置。因此，多束光線從透鏡元件111-115以相同的角度發(fā)出，并且具有相同的光學(xué)和幾何性質(zhì)。另一方面，這也考慮了橫截面的幾何結(jié)構(gòu)以及上面討論的像差和方向性失真。因此，所有最佳觀看位置的均勻性以及從而顯示器的圖像表現(xiàn)質(zhì)量都被充分地改善。另一方面，因?yàn)橛性凑彰髟鄬?duì)于相應(yīng)的透鏡元件具有類似的位置關(guān)系，所以跟蹤和圖像控制器160可以退到用于光線B1-B5之每一束的可控位置的相同總量。因此，跟蹤和圖像控制器160的幾何跟蹤范圍被充分地加寬。從而，只有現(xiàn)在才可以通過(guò)用跟蹤和圖像控制器160跟蹤照明矩陣120，根據(jù)位于距顯示器各個(gè)位置處的多個(gè)觀看者的眼睛位置來(lái)跟蹤最佳觀看位置。
如圖2所示，多束光線B1-B5從場(chǎng)鏡170沿不同的方向D1-D5發(fā)出，并且重合于觀看者右眼ER的前面，形成最佳觀看位置SR。該多束光線B1-B5被一個(gè)圖像一個(gè)圖像地調(diào)制，如圖1所示。
以相同的方式，隨后給觀看者的左眼提供左立體圖像，如圖3所示。現(xiàn)在，照明元件14、24、34、44和54被啟動(dòng)。多束光線B1-B5從場(chǎng)鏡170沿不同的方向D6-D10發(fā)出，并且在觀看者的左眼EL前面重疊，形成最佳觀看位置SL。
如圖4所示，優(yōu)選可以使用需要少得多的空間而且相對(duì)更廉價(jià)的菲涅耳透鏡171來(lái)替代小型場(chǎng)鏡170。菲涅耳透鏡171的結(jié)構(gòu)化側(cè)優(yōu)選面向成像裝置110。如果菲涅耳透鏡171的結(jié)構(gòu)化側(cè)被定向朝著圖像顯示矩陣140，那么會(huì)出現(xiàn)折射角，這會(huì)引起近全反射或全反射，特別是在顯示器的左邊緣和右邊緣處?？紤]到它們的焦距和這些光線束的進(jìn)入角，場(chǎng)鏡的切口(cut)可以優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為使這些光線束清楚地重合在最佳的觀看者距離前面，而不是每束光線自身顯著地會(huì)聚。通過(guò)改變場(chǎng)鏡的焦距，可以確定該跟蹤和圖像控制器跟蹤這些光線束的工作范圍的開(kāi)端。這是最佳焦距優(yōu)選位于觀看者和顯示器間的最佳距離的一半與全部之間范圍的原因。
最佳觀看位置單元的成像裝置110是雙凸透鏡，或者包含設(shè)置成線狀格式或矩陣格式的若干個(gè)成像元件。在觀看空間內(nèi)通?？梢元?dú)立地控制的位置的數(shù)目由成像元件的橫截面面積與照明矩陣的被覆蓋開(kāi)口的數(shù)目的比來(lái)確定。
因?yàn)橄癫睿p凸透鏡的角度范圍相對(duì)較小，例如為0.1rad(弧度)。為了抑制像差和/或?yàn)榱藬U(kuò)大觀看角，也可以使用雙重雙凸透鏡來(lái)替代單個(gè)雙凸透鏡。借助于頂點(diǎn)與光的方向?qū)?zhǔn)的若干個(gè)雙凸透鏡，提供最小的像差以及由此提供最大的觀看角。
具有單個(gè)透鏡的簡(jiǎn)單雙凸透鏡顯示出了上述的圖像失真，例如球面像差以及慧形象差。旨在避免這些像差的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包含了串聯(lián)雙凸透鏡，該串聯(lián)雙凸透鏡由兩個(gè)平行且共線的單個(gè)雙凸透鏡構(gòu)成。該兩個(gè)單個(gè)雙凸透鏡的成像元件的頂與一致排列的光的方向?qū)?zhǔn)，但具有稍微不同的間距。成像裝置的另一種變型采用了雙重雙凸透鏡，其具有的單個(gè)雙凸透鏡的間距近乎一致，但是具有的透鏡彼此面對(duì)。
圖5示出用于立體視場(chǎng)表現(xiàn)時(shí)多個(gè)觀看者的布置。在示出的時(shí)刻，圖像顯示矩陣140包含右立體圖像，這里用于兩個(gè)觀看者。通過(guò)啟動(dòng)照明矩陣120的相應(yīng)照明元件15、25、35、45和55，產(chǎn)生分別用于兩個(gè)觀看者右眼ER1和ER2的最佳觀看位置SR1和SR2的多束光線B1R-B5R。作為圖像序列的下一個(gè)圖像，圖像顯示矩陣140包含左立體圖像，現(xiàn)在最佳觀看位置被引導(dǎo)到觀看者的左眼EL1和EL2。兩個(gè)或多個(gè)觀看者也可以看到不同的單視場(chǎng)圖像。這可以通過(guò)為觀看者的眼睛同時(shí)啟動(dòng)最佳觀看位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)圖像矩陣包含了打算用于該觀看者的圖像。另外，對(duì)于任何數(shù)目的觀看者，通過(guò)啟動(dòng)整個(gè)照明矩陣，都可以將顯示器切換成單視場(chǎng)模式。這導(dǎo)致在觀看空間內(nèi)有大面積的均勻亮度照明。
如果對(duì)于一個(gè)觀看者不給予圖像信息，那么關(guān)掉相應(yīng)的最佳觀看位置就足以了，如圖6所示，對(duì)于單視場(chǎng)模式這也是可以的。觀看者1(例如，銀行職員)可以用兩個(gè)眼睛看到通過(guò)最佳觀看位置S1可看到的信息，而顯示器對(duì)于觀看者2(例如，顧客)看起來(lái)是黑暗的。
圖7示出作為照明矩陣的投影系統(tǒng)180，該投影系統(tǒng)180例如可以基于DLP。如圖所示，成像裝置110和菲涅耳透鏡171為圖像顯示矩陣140提供的圖像序列的每個(gè)圖像產(chǎn)生最佳觀看位置。圖像內(nèi)容被投射到觀看空間內(nèi)，如上所述。根據(jù)本發(fā)明，還可以在成像裝置110前面放置漫射板190或另一個(gè)場(chǎng)鏡，所述漫射板或透鏡引導(dǎo)光到成像裝置上。
另外，本發(fā)明可以優(yōu)選地應(yīng)用于為多個(gè)觀看者順序在一個(gè)顯示器上表現(xiàn)不同圖像序列的圖像。該顯示器可以例如用在車輛內(nèi)，以交替地向車輛駕駛員呈現(xiàn)由車載計(jì)算機(jī)提供的信息，例如諸如速度、環(huán)境溫度、燃料消耗量、操作故障等這些導(dǎo)航或操作信息，以及諸如電視節(jié)目或視頻等這些乘客娛樂(lè)信息。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，跟蹤和圖形控制器160以與圖像序列頻率同步的方式在駕駛員與乘客之間交替地改變最佳觀看位置。
與圖像顯示矩陣一起，上述的最佳觀看位置單元實(shí)現(xiàn)了一種自動(dòng)立體多用戶顯示器，它提供優(yōu)良的圖像質(zhì)量并由此具有廣泛的應(yīng)用。這種顯示器可以以2D模式和3D模式同時(shí)用于多個(gè)用戶，并能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)處理，而且能夠獲得高分辨率、高亮度以及小深度，盡管照明矩陣的元件相對(duì)較大。這些特別寬的最佳觀看位置可以確保觀看者有大的移動(dòng)性。因此，這種顯示器具有魯棒性，并且顯著地降低了現(xiàn)有技術(shù)裝置存在的對(duì)制造精度的極高需求。由于這種顯示器在圖像顯現(xiàn)方面具有的高質(zhì)量特性，因此可以很好地適合于醫(yī)藥、工藝、研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中的高端應(yīng)用，視頻會(huì)議系統(tǒng)和廣告業(yè)，例如家庭顯示器、掌上型計(jì)算機(jī)、視頻電話這等些低端應(yīng)用，以及許多其它應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)立體多用戶顯示器，具有被跟蹤和圖像控制器(160)進(jìn)行方向控制的最佳觀看位置單元，其中所述最佳觀看位置單元具有照明矩陣(120，130)和成像設(shè)備，所述照明矩陣包括可以被單個(gè)地啟動(dòng)的多個(gè)照明元件，所述成像設(shè)備具有若干個(gè)透鏡元件(111-115)，這些透鏡元件用于將若干個(gè)有源照明元件以若干個(gè)定向光線束的形式交替地成像在對(duì)應(yīng)于不同眼睛位置(EL1/ER1，EL2/ER2)的若干個(gè)擴(kuò)展最佳觀看位置(SR/SL)上，使得在透射圖像顯示矩陣(140)上提供的立體圖像序列的右圖像和左圖像可以被呈現(xiàn)為在若干個(gè)觀看者的右/左眼睛位置(EL1/ER1，EL2/ER2)上可見(jiàn)，由此，通過(guò)對(duì)每個(gè)眼睛位置(EL1/ER1，EL2/ER2)、透鏡元件(111-115)以及線啟動(dòng)該照明矩陣(120，130)的至少一個(gè)照明元件，所述跟蹤和圖像控制器(160)為每束光線(B1-B5)確定方向(D1，D2，…或D5)，使得所有的光線束(B1-B5)重合在該最佳觀看位置(SR/SL)的位置上，其中所述成像設(shè)備包括成像裝置(110)，具有多個(gè)短焦距的透鏡元件(111-115)，使得所述有源照明元件以放大的方式成像在所述最佳觀看位置(SR/SL)上；及場(chǎng)鏡(107)，沿光傳播方向設(shè)置在所述成像裝置(110)后面并具有比所述透鏡元件(111-115)長(zhǎng)得多的焦距，以使相鄰光線束(B1，B2，B4，B5)之間的距離保持恒定且最小，從而用照明矩陣(120)維持對(duì)所述光線束的方向(D1-D5)的限定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其中透鏡元件(111-115)具有短焦距，成像裝置(110)和照明矩陣(120，130)彼此相對(duì)地設(shè)置在該焦距附近，以確保最佳觀看位置單元具有大的橫向跟蹤范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其中該跟蹤和圖像控制器(160)控制該照明矩陣(120，130)，使得對(duì)于每個(gè)眼睛位置，位于該成像裝置(110)中央的一束光線(B3)離開(kāi)成像裝置(110)射向眼睛位置(EL/ER)，而所有其它的光線束(B1，B2，B4，B5)以近乎平行于該中央光線束(B3)的方式離開(kāi)該成像裝置(110)，而且場(chǎng)鏡(170)重合所有的光線束，以在相應(yīng)的眼睛位置(EL1/ER1，EL2/ER2)上形成最佳觀看位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其中該場(chǎng)鏡(170)是菲涅耳透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，相關(guān)于場(chǎng)鏡的焦距和這些光線束的進(jìn)入角來(lái)設(shè)計(jì)場(chǎng)鏡的切口，使得所述光線束清楚地重合在最佳觀看者距離的前面，而不是使這些光線束自身顯著地會(huì)聚。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，它包含位置探測(cè)器(150)，該位置探測(cè)器確定若干個(gè)觀看者的橫向眼睛位置(EL1/ER1，EL2/ER2)以及這些眼睛位置到該圖像顯示矩陣(140)的距離，而且所述跟蹤和圖像控制器(160)通過(guò)相應(yīng)地改變啟動(dòng)的照明元件，使所述光線束(B1-B5)的方向(D1-D5)適應(yīng)于顯示器前面的觀看空間內(nèi)探測(cè)到的眼睛的位置(EL1/ER1，EL2/ER2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，所述場(chǎng)鏡(170或171)的焦距位于觀看者和顯示器間的最佳距離的一半與全部之間的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，所述場(chǎng)鏡(170)是具有可控焦距的可控全息光學(xué)元件(HOE)，而且所述跟蹤和圖像控制器(160)根據(jù)探測(cè)到的距離設(shè)定其焦距。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，所述成像裝置(110)是雙凸透鏡、串聯(lián)雙凸透鏡或雙重雙凸透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，所述照明矩陣包含背光(130)和具有若干個(gè)開(kāi)口的電子光閘(120)，所述開(kāi)口的位置和透射是獨(dú)立可控的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，所述圖像顯示矩陣(140)和光閘(120)具有相同的像素幾何結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，所述照明矩陣是主動(dòng)發(fā)光元件的規(guī)則陣列，所述元件的位置和光強(qiáng)是獨(dú)立可控的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，所述成像裝置(110)全部或部分地由光學(xué)性質(zhì)可以控制的材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，在所述照明矩陣內(nèi)設(shè)有投影單元(180)，該投影單元包括從光傳播的方向看、優(yōu)選設(shè)置在該成像裝置(110)前面的漫射層和/或菲涅耳透鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的自動(dòng)立體多用戶顯示器，其特征在于，每個(gè)投射元件和圖像線的幾個(gè)相鄰照明元件被同時(shí)啟動(dòng)，以確保該圖像顯示矩陣(140)的均勻照明并擴(kuò)大最佳觀看位置。
全文摘要
一種自動(dòng)立體多用戶顯示器，包括被跟蹤和圖像控制器(160)進(jìn)行方向控制的最佳觀看位置單元，其中照明矩陣(120)配置有可獨(dú)立啟動(dòng)的若干個(gè)照明元件(11…56)，以及用于交替成像有源照明元件的成像設(shè)備，以便借助于被引導(dǎo)的光束(B1R…B5L)，使得擴(kuò)展的最佳觀看位置(SR1/SR2)對(duì)于觀看透射圖像矩陣(140)上交替圖像或立體圖像序列的若干個(gè)觀看者的各個(gè)眼睛位置是可見(jiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，該成像設(shè)備包括成像矩陣(110)，其配置有多個(gè)小焦距的透鏡元件(111－115)，使得有源照明元件以放大的方式成像在最佳觀看位置(SRI/S<SB>R2</SB>)上；以及場(chǎng)鏡(107)，其設(shè)置在所述成像矩陣(110)，以使相鄰光束(B1，B2，B4，B5)之間的啟動(dòng)的照明元件的距離盡可能保持恒定，從而有助于用照明矩陣(120)對(duì)光束進(jìn)行方向(D1…D5)的選擇。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1894976SQ200480037690
公開(kāi)日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者阿明·施韋爾特納 申請(qǐng)人:視真技術(shù)有限公司