МНОГОВИДОВОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G02B27/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к многовидовому устройству формирования изображения для создания многочисленных видов в поле наблюдения устройства формирования изображения, которое содержит дисплейную панель, имеющую пикселы для образования изображения, и формирователь изображений для направления многочисленных видов к различным пространственным местам в поле наблюдения устройства формирования изображения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Первый пример многовидового устройства формирования изображения включает в себя формирователь изображений в виде параллаксного барьера, имеющего щели, которым придают заданные размеры и которые располагают в зависимости от нижележащей матрицы из столбцов и строк пикселов дисплейной панели. В двувидовой конструкции наблюдатель может воспринимать трехмерное изображение, если его/ее голова находится в неподвижном положении. Параллаксный барьер располагают перед дисплейной панелью и рассчитывают так, чтобы свет от нечетных и четных столбцов пикселов направлялся к левому и правому глазу наблюдателя соответственно.

Недостаток конструкции двувидового устройства формирования изображения этого типа заключается в том, что наблюдатель должен находиться в неподвижном положении и может перемещаться влево или вправо только приблизительно на 3 см. В более предпочтительном осуществлении под каждой щелью находятся не два столбца подпикселов, а несколько. При этом способе осуществления допускается перемещение наблюдателя влево и вправо и его/ее глаза все время воспринимают стереоскопическое изображение.

Устройство с параллаксным барьером является простым в изготовлении, но не обладает световой эффективностью, особенно при увеличении количества видов. Поэтому предпочтительным вариантом является использование линзового устройства в качестве формирователя изображений. Например, можно предусмотреть матрицу удлиненных растровых элементов, вытянутых параллельно друг другу и покрывающих матрицу пикселов дисплейной панели, и наблюдать дисплейные пикселы через эти растровые элементы.

Растровые элементы формируют в виде листа элементов, каждый из которых представляет собой удлиненный полуцилиндрический линзовый элемент с удлиненной осью, перпендикулярной к кривизне линзового элемента. Удлиненные оси растровых элементов проходят по направлениям столбцов дисплейной панели, при этом каждый растровый элемент покрывает соответствующую группу из двух или большего количества соседних столбцов дисплейных пикселов.

В схеме, в которой, например, каждая цилиндрическая линза связана с двумя столбцами дисплейных пикселов, дисплейные пикселы в каждом столбце создают вертикальное сечение соответствующего двумерного подизображения. Растровый лист направляет эти два сечения и соответствующие сечения столбцов дисплейных пикселов, связанных с другими цилиндрическими линзами, к левому и правому глазам пользователя, расположенного перед листом, так что пользователь наблюдает единственное стереоскопическое изображение. Таким образом, лист растровых элементов выполняет функцию направления выходного светового пучка.

В других схемах каждая цилиндрическая линза связана с группой из четырех или большего количества соседних дисплейных пикселов в строчном направлении. Соответствующие столбцы дисплейных пикселов в каждой группе расположены соответственно для получения вертикального сечения соответствующего двумерного подизображения. Когда голова пользователя перемещается слева направо, происходит восприятие ряда последовательных различных стереоскопических видов, создающих, например, впечатление осмотра.

Описанное выше устройство обеспечивает эффективное трехмерное отображение. Однако должно быть понятно, что для получения стереоскопических видов необходимо приносить в жертву разрешающую способность устройства по горизонтали. Это ухудшение разрешающей способности возрастает с количеством образуемых видов. Таким образом, основной недостаток использования большого количества видов заключается в том, что разрешающая способность изображения в расчете на один вид снижается. Общее количество имеющихся пикселов распределяется по видам. В случае N-видового трехмерного устройства формирования изображения с вертикальными растровыми линзами, то есть вертикальными относительно ориентации наблюдателя, воспринимаемая разрешающая способность каждого вида по горизонтальному направлению снижается в соответствии с множителем N по сравнению с разрешающей способностью двумерных пикселов. В вертикальном направлении разрешающая способность остается такой же, как разрешающая способность двумерных пикселов. Использованием барьера или растра, который наклонен, можно уменьшить это несоответствие между разрешающей способностью в горизонтальном и вертикальном направлениях в автостереоскопическом режиме. В этом случае ухудшение разрешающей способности можно поровну распределить между горизонтальным и вертикальным направлениями.

Таким образом, при увеличении количества видов улучшается впечатление от трехмерного изображения, но в восприятии пользователя снижается разрешающая способность трехмерного изображения. Индивидуальные виды находятся в так называемых конусах видения и эти конусы видения обычно повторяются по всему полю наблюдения.

Контроль наблюдений на практике затрудняется тем, что наблюдатели неполностью свободны в выборе места, с которого смотрят на трехмерное устройство формирования изображения, между тем как на границах между конусами видения трехмерный эффект отсутствует и появляются паразитные изображения. Настоящее изобретение касается этой проблемы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения заключается в создании усовершенствованного многовидового устройства формирования изображения. В частности, в устройстве обеспечивается возможность подавления границ конусов.

Эта задача решается изобретением, определенным в независимом пункте изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения представлены предпочтительные варианты осуществления.

Многовидовое устройство формирования изображения, определенное в пункте 1 формулы изобретения, представляет собой устройство формирования изображения, в котором обеспечивается выходной световой пучок в управляемом направлении освещения пикселов, так что повторения видов могут быть исключены. Поэтому выходной световой пучок устройства формирования изображения в поле наблюдения может быть единственным конусом, имеющим многочисленные виды. При этом формируется один частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения, потому что только он направляется в узкое поле наблюдения или потому что многочисленные частичные выходные световые пучки создаются последовательно во времени для повышения разрешающей способности. В случае когда частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения представляет собой частичную область выходного света, место, с которого конус видов можно наблюдать, зависит от взаимного расположения источников света задней подсветки, которые включены, и дисплейной панели.

Матрица линз расположена перед дисплейной панелью и свет от каждого пиксела освещает по существу одну линзу. Этим исключаются повторения видов и, следовательно, границы конусов. Матрица линз может отображать плоскость пикселов дисплейной панели по существу в бесконечность. Матрица линз может быть переключаемой, так что устройство формирования изображения будет переключаемым между двумерным и трехмерным режимами работы и/или многочисленными режимами трехмерной работы, при этом многочисленные режимы различаются количеством видов.

В одном примере во время функционирования устройства все пикселы освещаются при заданном расхождении света вокруг одного общего направления, так что во время одной операции освещения один или несколько видов образуются в частичном поле наблюдения устройства формирования изображения.

Таким образом, единственный конус с многочисленными видами создается в заданном направлении. Положение выбираемой области выходного светового пучка можно выбирать путем регулирования положений источников света относительно дисплейной панели. Более значительная область наблюдения может быть образована последовательно во времени.

Эта схема представляет собой особый интерес, когда устройство дополнительно содержит систему отслеживания положения головы и направление выходного света выбирается на основании входных сигналов, принимаемых от системы отслеживания положения головы.

Источники света могут быть независимо управляемыми, при этом выходной световой пучок устройства формирования изображения представляет собой выходной световой пучок устройства формирования изображения (дисплея), являющийся результатом приведения в действие поднабора источников света, при этом выходным световым пучком от каждого приводимого в действие источника света освещается соответствующая область дисплейной панели, причем отсутствует рабочая область дисплейной панели, освещаемая более чем одним источником света.

В таком случае управлением системой источников света определяются направления, в которых создаются виды. И в этом случае более значительная область наблюдения может быть образована последовательно во времени.

Прокладка может быть предусмотрена между источниками света и дисплейной панелью и расположена так, что она ограничивает указанную соответствующую область для каждого источника света узла задней подсветки.

Узел задней подсветки также может содержать линзу, связанную с каждым источником света, для создания коллимированного направленного выходного света. В таком случае этот направленный выходной свет определяет область, из которой можно рассматривать изображение.

Переключаемый рассеиватель может быть предусмотрен для преобразования выходного светового пучка задней подсветки из направленного выходного светового пучка в рассеянный выходной световой пучок. Таким образом, устройство может быть использовано для получения единственного конического выходного светового пучка в заданном направлении или же рассеянного выходного светового пучка, приводящего к более обычной схеме с многочисленными конусами. Это может больше подходить, если во всем поле наблюдения находятся многочисленные наблюдатели.

Узел задней подсветки может содержать прозрачную пластину и этой пластине в поперечном сечении может быть придана форма прямоугольника с вырезами, расположенными на участках между источниками света, которые находятся за пределами расхождения света от источников света. В этой конструкции снижается масса узла задней подсветки за счет удаления материала, который не вносит вклад в оптические характеристики задней подсветки.

Если расстояние между плоскостью пикселов и матрицей линз, преобразованное в эффективную длину оптического пути через материал линзы, определяется как d1^∗, а расстояние между источником света и плоскостью пикселов, преобразованное в эффективную длину оптического пути через материал линзы, определяется как d2^∗, то d2^∗=kd1^∗, где k является целым числом. Это представляет особый интерес, когда один источник света используется для проецирования области отображения на многочисленные линзы и при этом гарантируется, что повторяемая картина пикселов отображается к каждой линзе.

В одной схеме источники света продолжаются сверху донизу дисплея, выровнены относительно длинных осей линз и каждый источник света разделен на отрезки, при этом отрезки возбуждаются независимо. Это позволяет лучше согласовывать излучение, создаваемое узлом задней подсветки, с построчной адресацией дисплея, чтобы гарантировать освещение пикселов, когда уровень их возбуждения стабилизирован, и прекращение освещения до возникновения перекрестных искажений.

Во всех примерах дисплейная панель может содержать матрицу жидкокристаллических (ЖК) дисплейных пикселов и источники света могут содержать точечные источники света из светоизлучающих диодов или линейку светоизлучающих диодов.

Изобретением также предоставляется способ функционирования многовидового устройства формирования изображения согласно изобретению, в котором управляют дисплейной панелью и управляют системой источников света, чтобы создавать частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения, содержащий одновременно набор по меньшей мере трех двумерных видов без повторения индивидуальных двумерных видов, и чтобы свет от каждого освещаемого пиксела доходил точно до одной линзы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь осуществления изобретения будут описаны только для примера с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:

Фиг.1 - схематичный перспективный вид известного автостереоскопического устройства формирования изображения;

Фиг.2 - иллюстрация способа создания растровой матрицей различных видов в различных пространственных местах;

Фиг.3 - поперечное сечение структуры многовидового автостереоскопического устройства формирования изображения;

Фиг.4 - изображение из Фиг.3 в увеличенном масштабе;

Фиг.5 - иллюстрация 9-видовой системы, в которой виды, создаваемые в каждом из наборов конусов, являются одинаковыми;

Фиг.6 - иллюстрация первого примера устройства формирования изображения согласно изобретению;

Фиг.7 - иллюстрация модификации конструкции из Фиг.6;

Фиг.8 - иллюстрация второго примера устройства формирования изображения согласно изобретению;

Фиг.9 - иллюстрация модификации конструкции из Фиг.8;

Фиг.10 - иллюстрация дальнейшей возможной модификации конструкции из Фиг.8;

Фиг.11 - иллюстрация третьего примера устройства формирования изображения согласно изобретению;

Фиг.12 - иллюстрация четвертого примера устройства формирования изображения согласно изобретению;

Фиг.13 - иллюстрация максимально возможного снижения массы с использованием принципов, поясненных при обращении к Фиг.12;

Фиг.14 - иллюстрация пятого примера устройства формирования изображения согласно изобретению;

Фиг.15 - иллюстрация способа отображения видов на пикселах в известном устройстве формирования изображения с многочисленными конусами;

Фиг.16 - иллюстрация устройства формирования изображения согласно изобретению, в котором один источник света использован для освещения многочисленных линз, используемая для пояснения требуемого отображения видов;

Фиг.17 - иллюстрация отображения видов согласно изобретению для схемы из Фиг.16;

Фиг.18 - иллюстрация первого примера разделенной на отрезки задней подсветки, которую можно использовать в устройстве согласно изобретению;

Фиг.19 - иллюстрация задней подсветки из Фиг.18 с одним освещенным отрезком;

Фиг.20 - иллюстрация временной диаграммы работы задней подсветки из Фиг.18;

Фиг.21 - иллюстрация второго примера разделенной на отрезки задней подсветки, которую можно использовать в устройстве согласно изобретению.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретением предоставляется многовидовое устройство формирования изображения, в котором узел задней подсветки содержит систему источников света, при этом от каждого источника света, когда он включен, направляется свет к связанной с ним области дисплейной панели. Источники света расположены линиями. Эти линии могут быть непрерывными, но они также могут быть разделенными на отрезки (образующие точечные или пунктирные линии). Эти линии источников света могут быть расположены в шахматном порядке для согласования с расположенными в шахматном порядке линзами.

Расхождение света от источника света находится в пределах заданного угла, в результате чего формируется связанная с ним выходная область, находящаяся в пределах поля наблюдения дисплейной панели, откуда можно видеть эту область дисплейной панели, освещаемую источником света. Контроллер устройства формирования изображения адаптивно управляет системой источников света так, что создается частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения, содержащий набор по меньшей мере трех двумерных видов без повторения индивидуальных двумерных видов. Единственный конический выходной световой пучок можно создавать путем последовательного образования различных частичных выходных световых пучков устройства формирования изображения. В качестве варианта частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения можно создавать в выбранном направлении, если местоположение наблюдателя известно.

До представления пояснения изобретения прежде всего будут более подробно описаны задачи, решаемые изобретением.

На Фиг.1 представлен схематичный перспективный вид известного автостереоскопического устройства 1 формирования изображения прямого наблюдения. Известное устройство 1 содержит жидкокристаллическую дисплейную панель 3 активного матричного типа, которая, чтобы создавать изображение, действует как пространственный модулятор света.

Дисплейная панель 3 имеет ортогональную матрицу из строк и столбцов дисплейных пикселов 5. Ради ясности на чертеже показано только небольшое количество дисплейных пикселов 5. На практике дисплейная панель 3 может содержать около одной тысячи строк и несколько тысяч столбцов дисплейных пикселов 5. В черно-белой дисплейной панели термин «пиксел» следует толковать как означающий наименьший единичный элемент для представления части изображения. В цветном дисплее пиксел представляет подпиксел полного цветного пиксела. В соответствии с общей терминологией полный цветной пиксел содержит все подпикселы, необходимые для создания всех цветов наименьшей отображаемой части изображения. Поэтому, например, полный цветной пиксел может иметь красный (R), зеленый (G) и синий (В) подпикселы, возможно, дополненные белым субпикселом или одним или несколькими другими подпикселами основных цветов. Структура жидкокристаллической дисплейной панели 3 является совершенно обычной. В частности, панель 3 содержит пару разнесенных прозрачных стеклянных подложек, между которыми размещен материал в виде ориентированного скрученного нематического или другого жидкого кристалла. Подложки на расположенных напротив друг друга поверхностях содержат структуры прозрачных электродов из оксида индия и олова (ОИО). На внешних поверхностях подложек также предусмотрены поляризующие слои.

Каждый дисплейный пиксел 5 содержит противолежащие электроды на подложках с находящимся между ними жидкокристаллическим материалом. Форма и расположение дисплейных пикселов 5 определяются формой и расположением электродов. Дисплейные пикселы 5 регулярно отделены друг от друга зазорами.

Каждый дисплейный пиксел 5 связан с переключающим элементом, таким как тонкопленочный транзистор (ТПТ) или тонкопленочный диод (ТПД). Дисплейные пикселы приводятся в действие для получения изображения при подаче сигналов адресации к переключающим элементам, и подходящие схемы адресации должны быть известны специалистам в данной области техники.

Дисплейная панель 3 освещается источником 7 света, в этом случае содержащим плоский узел задней подсветки, продолжающийся на протяжении площади матрицы дисплейных пикселов. Свет от источника 7 света направляется через дисплейную панель 3, при этом индивидуальные дисплейные пикселы 5 возбуждаются для модуляции света и получения изображения.

Устройство 1 формирования изображения также содержит растровый лист 9, расположенный на протяжении стороны отображения дисплейной панели 3, и он выполняет функцию направления света и вместе с тем функцию формирования вида. Растровый лист 9 содержит группу растровых элементов 11, вытянутых параллельно друг другу, из которых только один показан с сильно увеличенными размерами для ясности.

Растровые элементы 11 выполнены по форме выпуклых цилиндрических линз, при этом каждая имеет удлиненную ось 12, проходящую перпендикулярно к цилиндрической кривизне элемента, и каждый элемент действует как средство направления выходного света для представления различных изображений или видов от дисплейной панели 3 к глазам пользователя, расположенного перед дисплейным устройством 1.

Дисплейное устройство имеет контроллер 13, который управляет задней подсветкой и дисплейной панелью.

Автостереоскопическое устройство 1 формирования изображения, показанное на Фиг.1, способно создавать несколько различных перспективных видов в различных направлениях, то есть оно способно направлять выходной свет пикселов в различные пространственные места в пределах поля наблюдения устройства формирования изображения. В частности, каждый растровый элемент 11 покрывает небольшую группу дисплейных пикселов 5 в каждой строке, при этом в настоящем примере строка продолжается перпендикулярно к удлиненной оси растрового элемента 11. Растровый элемент 11 проецирует выходной свет каждого дисплейного пиксела 5 из группы в особом направлении для формирования нескольких различных видов. Когда голова пользователя будет перемещаться слева направо, его/ее глаза, в свою очередь, будут воспринимать различные виды из нескольких видов.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что поляризующее свет средство должно использоваться в сочетании с описанной выше матрицей, поскольку жидкокристаллический материал является двулучепреломляющим, при этом переключение показателя преломления применимо только к свету с конкретной поляризацией. Средство поляризации света может быть образовано как часть дисплейной панели или формирователя изображений устройства.

На Фиг.2 показан принцип работы формирователя изображений растрового типа, описанного более подробно выше, и показаны в поперечном сечении узел 20 задней подсветки, устройство 24 формирования изображения, жидкокристаллическая дисплейная панель и растровая матрица 28. На Фиг.2 показано, каким образом растровый элемент 27 растровой структуры 28 направляет выходной свет от пикселов 26′, 26′′ и 26′′′ из группы пикселов к соответствующим трем различным пространственным местам 22′, 22′′ и 22′′′ перед устройством формирования изображения. Различными местами 22′, 22′′ и 22′′′ представлена часть трех различных видов.

Аналогичным образом тот же самый выходной свет от дисплейных пикселов 26′, 26′′ и 26′′′ направляется к соответствующим трем другим пространственным местам 25′, 25′′ и 25′′′ растровым элементом 27′ структуры 28. В то время как три пространственных места с 22′ по 22′′′ определяют первую зону или конус 29′ видения, три пространственных места с 25′ по 25′′′ определяют второй конус 29′′ видения. Должно быть понятно, что в зависимости от количества растровых линз матрицы, которые могут направлять выходной свет группы пикселов, такой как формируемый пикселами с 26′ по 26′′′, может существовать большее количество таких конусов (непоказанных). Конусы заполняют все поле наблюдения устройства формирования изображения, что также поясняется применительно к Фиг.5.

Изложенный выше принцип направления видов приводит к повторению видов, возникающему при переходе от одного конуса видения к другому, поскольку в каждом конусе один и тот же выходной свет пикселов отображается в конкретный вид. Поэтому в примере из Фиг.2 на пространственных местах 22′′ и 25′′ создается один и тот же вид, но в различных конусах 29′ и 29′′ видения соответственно. Иначе говоря, во всех конусах видения конкретный вид имеет одинаковое содержимое. Настоящее изобретение имеет отношение к этому повторению видов.

На Фиг.3 показано более подробно поперечное сечение структуры многовидового автостереоскопического устройства формирования изображения, описанного применительно к Фиг.1 и 2. Каждый пиксел с 31^Iпо 31^VII, находящийся под определенной растровой линзой (например 27), вносит вклад в конкретный вид из видов с 32^Iпо 32^VI. Все эти пикселы, находящиеся под этой линзой, совместно вносят вклад в конус видов, границы которого указаны линиями 37^Iи 37^II. Как должно быть очевидно из общих принципов оптики, ширина этого конуса, выраженная, например, через угол (Φ) 33 конуса видения, определяется сочетанием нескольких параметров, таких как расстояние (D) 34 от плоскости пикселов до плоскости растровых линз и шаг (P_L) 35 линз.

На Фиг.4, отображающей такое же поперечное сечение, как на Фиг.3, показано, что свет, излучаемый (или модулируемый) пикселом 31^IVдисплейной панели 24, собирается растровой линзой 27, ближайшей к пикселу, для направления к виду 32^IV в конусе 29′ видения, но также показано, что он собирается соседними линзами 27′ и 27′′ растровой структуры для направления к тому же самому виду 32^IV, но в других конусах 29′′ и 29′′′ видения. Это является первопричиной возникновения повторяющихся конусов с одинаковыми видами.

Соответствующие виды, создаваемые в каждом из конусов, являются одинаковыми. Этот эффект схематично показан на Фиг.5 для 9-видовой системы (то есть с 9 видами в каждом конусе). В данном случае все поле 50 наблюдения устройства 53 формирования изображения разделено на многочисленные конусы 51 видения (11 в общей сложности, из которых только четыре показаны позицией 51), при этом каждый один из конусов видения имеет одинаковые многочисленные виды 52 (в этом случае 9, которые обозначены только для одного из конусов видения).

Для достижения приемлемого компромисса между трехмерным эффектом и ухудшением разрешающей способности общее количество видов обычно ограничивают числом 9 или 15. Каждый из этих видов обычно имеет угловую ширину 1°-2°. Далее, наблюдателя 54 помещают в пределы одного конуса видения и он воспринимает своими глазами виды точно в соответствии с информацией о параллаксе в пределах видов до тех пор, пока остается в пределах одного конуса видения. Следовательно, он может наблюдать трехмерное изображение без искажения. Поэтому то же самое трехмерное восприятие доступно для каждого наблюдателя, который находится в пределах одного из конусов 51 видения. Однако виды и конусы видения имеют свойство, заключающееся в том, что они являются периодическими на всем протяжении поля наблюдения. Если пользователь идет вблизи устройства формирования изображения, в некоторой точке он пересечет по меньшей мере одну из границ между соседними конусами видения, как это показано, например, для наблюдателя 55, который находится на границе конусов 51^Iи 51^IIвидения. В таких областях изображения в обоих глазах не будут надлежащим образом согласованы. Поэтому, например, при таком положении наблюдателя 55 и в данном случае 9-видовой системы левый глаз воспринимает, например, 9-е изображение конуса 51^Iвидения, а правый глаз воспринимает, например, 1-е изображение конуса 51^IIвидения. Однако эти виды имеют в своем составе ложную информацию о параллаксе, поскольку левое и правое изображения являются обращенными и это означает, что изображение является псевдоскопическим. Кроме того, и это является более серьезным, имеется большая диспаратность между изображениями, то есть виды представляют собой 8 видов, отстоящих друг от друга. Это называют «сверхпсевдоскопическим видением». Когда наблюдатель перемещается между границами конусов, он наблюдает скачкообразные изменения.

Изобретением предоставляется управляемый источник света в устройстве формирования изображения для управления направлением, в котором конус видения проецируется к пользователю. Его можно использовать для управления конусом видения, чтобы наблюдатель, при известности положения его, находился вблизи центра конуса видения, или для образования выходного света устройства формирования изображения, составленного из многочисленных последовательных во времени конусов видения без переходов изображения на границах конусов.

На Фиг.6 показано первое устройство формирования изображения согласно изобретению, в котором один или несколько конусов видения проецируются в одном или нескольких различных заданных направлениях. И в этом случае имеются растровая структура 28 и пространственный модулятор света, такой как жидкокристаллическая дисплейная панель 24. В представленном примере эти элементы являются такими же, как соответствующие элементы, описанные применительно к Фиг. с 1 по 5, приведенным выше.

Набор источников 60 света, например светодиодных (СД) полосок, расположен в узле задней подсветки вместе с линзами 62 перед ними. Линзы 62 могут быть одномерными, чтобы их выходной свет представлял собой набор столбцов 63 коллимированного света. В представленном примере столбцы света продолжаются перпендикулярно к плоскости чертежа из Фиг.6. Если линзы являются двумерными, то есть обладают линзовой функцией вдоль двух пересекающихся осей, то в этой системе требуется, чтобы далее происходило рассеяние, например, посредством сферических линз на пространственном модуляторе света, чтобы ослаблять линзовое действие в одном из осевых направлений и опять-таки иметь набор столбцов коллимированного света.

Переключаемый рассеиватель 64 предусмотрен на выходной стороне системы задней подсветки поверх коллимирующих линз 62. Он представляет собой используемый по желанию элемент, который позволяет переключать устройство между режимом единственного конуса согласно изобретению и обычным режимом многочисленных конусов.

Путем перемещения источников 60 света по направлению 66 относительно линз 62 или, например, включения и выключения различных источников света из набора источников 60 света, чтобы имитировать такое перемещение, направление коллимации относительно нормали 68 устройства формирования изображения можно регулировать. Это изменение направления коллимации можно осуществлять дискретными шагами или регулирование можно выполнять непрерывным образом.

Устройство отслеживания положения головы предусмотрено для определения количества наблюдателей и местоположений их. Оно является хорошо известным устройством, и на Фиг.6 показана камера 67, схематично представляющая систему отслеживания положения головы. Если имеется единственный наблюдатель, переключаемый рассеиватель 64 переключается в прозрачное состояние и задняя подсветка регулируется так, что наблюдатель воспринимает набор видов. Этим обеспечивается устройство изобретения с единственным конусом. Регулирование системы задней подсветки в своей основе содержит помещение источников 60 света в правильное положение относительно линз 62. Кроме того, регулирование заключается в направлении конуса видения таким образом, чтобы наблюдатель не находился на границе конуса видения, а полностью в пределах направляемого конуса видения. Это регулирование может быть выполнено путем сдвига источников света или путем включения или выключения определенных источников света. Например, последнее можно делать при использовании разделенной на отрезки задней подсветки и обеспечении надлежащей временной последовательности электрического возбуждения.

В качестве варианта или дополнительно линзы можно перемещать, например, при использовании технологии линз с градиентным показателем преломления (ГПП) и наличии поляризованных источников света. Такое перемещение или поперечное смещение линз описано, например, в Международной заявке WO2007/072330, которая полностью включена в эту заявку путем ссылки. Эта технология обеспечивает сдвиг положений линз и может быть применена к коллимирующим линзам настоящего изобретения. Другие способы осуществления такого сдвига относительных положений коллимирующих линз и источников задней подсветки являются очевидными и могут использоваться.

В примере, показанном на Фиг.6, конус 69 видения, имеющий виды с 1 по 9, ориентирован в направлении 61, составляющем угол 65 с нормалью 68, видимый показанному наблюдателю. Нет необходимости в том, чтобы направление 61 делило пополам угол конуса видения и наблюдатель находился на нем. Достаточно, чтобы направление было таким, при котором наблюдатель полностью находится в пределах конуса видения. Таким образом, его правый глаз должен обеспечиваться по меньшей мере видом 1 или его левый глаз должен обеспечиваться по меньшей мере видом 9 из направляемого конуса видения.

В случае единственного наблюдателя эти регулировки направления конуса видения могут выполняться в линейном масштабе секунд. Отслеживание положения наблюдателя необходимо только для того, чтобы иметь возможность следить за наблюдателем, если он/она перемещается.

Устройство отслеживания положения наблюдателя может быть осуществлено с помощью одной или нескольких камер мобильного телефона (сотового телефона) или другого мобильного устройства. В общем случае мобильный телефон или мобильное устройство осуществляют наблюдение только за одним наблюдателем, так что устройство отслеживания положения наблюдателя всегда может успешно обеспечивать одного наблюдателя оптимальным набором видов. Поскольку для регулирования одного конуса видения не требуется высокое быстродействие, сложная программа управления устройством и вычислительные устройства могут быть исключены из мобильного устройства и достигнуто преимущество, если учесть объем памяти и ограниченное энергоснабжение.

Если присутствуют несколько наблюдателей, система определяет, может ли каждый наблюдатель воспринимать независимый неперекрывающийся набор видов, которые создаются системой направленной задней подсветки. Это количественное оценивание основано на сочетании положений наблюдателей и известной угловой ширины конусов видения. Если все наблюдатели могут быть обеспечены конусами видения, которые не перекрываются, то заднюю подсветку возбуждают последовательно во времени, как и пространственный модулятор света. Таким образом, различные конусы видения образуются в заданных направлениях относительно нормали 68 устройства формирования изображения последовательно во времени. В таком случае различные конусы видения образуются в пределах различных подциклов (подкадров) цикла возбуждения (кадра), в котором создается конкретное изображение. Иначе говоря, кадр изображения (время), предназначенный для получения одного кадра видеоизображения или одного изображения, можно разделять на подкадры (интервалы времени). В таком случае в различных конусах видения отображается содержимое вида, так что каждый из соответствующих наблюдателей не ощущает перехода конусов. Таким образом, виды для каждого наблюдателя создаются такими, что каждый наблюдатель располагается в пределах конуса видения, а не на переходах конусов видения. Таким способом переходы конусов видения могут быть ослаблены или исключены. Некоторые наблюдатели могут совместно использовать конус видения или фактически все наблюдатели, если они находятся близко друг к другу, могут обслуживаться единственным конусом видения.

Существует минимальная частота кадров, которая необходима для наблюдателя, обычно 50 Гц. Это означает, что, если присутствуют 2 наблюдателя, для которых требуются отдельные конусы видения, последовательная во времени система должна работать при частоте 100 Гц, а если присутствуют 3 человека, то при 150 Гц. Поэтому существует физический предел возможностей системы и этот предел зависит от частоты кадров, которая может быть достигнута при конкретной реализации аппаратного обеспечения устройства формирования изображения, в том числе, например, пространственного модулятора света. Если пространственный модулятор света базируется на работе жидких кристаллов, скорость переключения таких жидкокристаллических ячеек будет важным ограничивающим фактором.

Если присутствует большее количество наблюдателей, чем может поддерживать последовательная во времени система в связи с ограниченной частотой кадров, то может быть включен рассеиватель 64 для уменьшения или исключения коллимации света. В таком случае система переходит в обычный режим многих видов, в котором, как пояснялось применительно к Фиг. с 1 по 5, имеются повторяющиеся конусы видения. Поэтому должно быть понятно, что устройство формирования изображения согласно изобретению не нуждается в рассеивателе для получения направляемого конуса видения.

Заднюю подсветку можно направлять так, чтобы центр набора видов (то есть конуса видения) находился наиболее близко к наблюдателю. В этом случае наблюдатель может быстро перемещать голову на протяжении конечного расстояния без потери контакта с набором видов и в это время нет необходимости в дополнительной регулировке для направления конуса видения.

В другом осуществлении, в котором устройство формирования изображения является достаточно быстродействующим в части его оптической схемы (размера оптического конуса, определяемого толщиной стекла и шагом линз), в устройстве формирования изображения также можно не использовать отслеживание наблюдателя, а оно всего лишь должно работать в фиксированном режиме последовательно во времени. В этом случае все виды в полном поле наблюдения устройства формирования изображения могут быть различными. Полное поле наблюдения заполнено многочисленными конусами видения, но все виды конусов видения отображают различную изобразительную информацию. Поэтому наблюдатель, располагающийся на границе конуса видения, может видеть одно изображение одним глазом в одном подкадре и видеть изображение другим глазом в смежном по времени подкадре, так что (сверх) псевдоскопическое изображение, описанное выше, исключается на границах конусов видения. Для этого требуются данные об изображении для кодирования многих дополнительных видов и при этом может эффективно осуществляться отображение единственного конуса видения, но при использовании выходного света, создаваемого в пределах подкадров.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что может быть ситуация, когда отдельные границы конусов устраняются этим способом, тогда как другие остаются на месте. Это эффективно увеличивает конус видения в определенных направлениях.

Как хорошо известно, растр перед устройством формирования изображения снижает разрешающую способность. При некоторых применениях необходимо, чтобы устройство формирования изображения было способно отображать двумерные изображения с высоким разрешением, например, без какой-либо потери разрешающей способности, при отображении текстовой информации. В этом случае направляющая свет структура устройства формирования изображения может быть структурой, обладающей функцией направления света в одном режиме и функцией отсутствия направления света в другом режиме. Такие направляющие свет структуры, которые могут переключаться, можно реализовывать многочисленными способами, такими как, например, раскрытыми в Международных заявках WO1998/021620, WO2008/126049, WO2004/070451, WO2004/070467, WO2005/006774, WO2003/034748 или WO2003/071335, каждая из которых полностью включена в эту заявку путем ссылки. Специалист в данной области техники может без труда осуществить каждую и все раскрытые структуры на основании соответствующих раскрытий. Выполнение растра переключаемым возвращает разрешающую способность к естественной разрешающей способности пикселов дисплейной панели устройства формирования изображения, но в случае направленной задней подсветки без сканирования последовательно во времени двумерное изображение нельзя видеть из всех углов, когда система задней подсветки также является направленной, вследствие коллимации света. Это может быть приемлемо для применения при единственном пользователе, но при некоторых применениях, например, в случае многочисленных пользователей широкоугольные двумерные изображения являются желательными. В таком случае переключаемый рассеиватель 64 может переключаться в состояние рассеяния для преобразования выходного света задней подсветки в обычный рассеянный выходной свет. Поэтому в этом режиме устройство формирования изображения работает как регулярное двумерное устройство формирования изображения. Устройство формирования изображения согласно изобретению имеет контроллер, аналогичный контроллеру 13 из предшествующего уровня техники на Фиг.1, который управляет задней подсветкой и дисплейной панелью.

Предпочтительно, чтобы устройство формирования изображения согласно изобретению в многовидовом режиме имело системы задней подсветки, которые обеспечивают хорошо коллимированные световые пучки. Если свет не является достаточно коллимированным, то свет, модулируемый при помощи определенного (под) пиксела, будет вносить вклад в несколько линз направляющей свет структуры, что приведет к образованию повторяющихся видов в соседних конусах видения. Для создания системы задней подсветки, обеспечивающей хорошо коллимированный свет, требуется сложная конструкция, которая может быть дорогостоящей или неэффективной. Решение этой задачи заключается в использовании задней подсветки, обеспечивающей менее хорошо коллимированный свет, и в размещении матрицы 42 светового барьера между линзами 40 направляющей свет структуры 28, как это показано на Фиг.7.

Как упоминалось выше, заднюю подсветку для создания коллимированного света можно образовывать с использованием светоизлучающих диодов (СИД). Кроме того, можно использовать составные параболические коллекторы (СПК), которые располагают под различными углами, ориентируя в направлении жидкокристаллической панели.

В приведенном выше примере направлением выходного света задней подсветки управляют так, чтобы выходной свет в ограниченном конусе видения создавался для устройства формирования изображения, в котором все виды могут отображать различное содержимое. Ограниченный конус видения может быть всем тем, что необходимо в качестве поля наблюдения устройства формирования изображения, если конус видения можно проецировать в направлении известного положения наблюдателя. В качестве варианта, как пояснялось выше, большее поле наблюдения можно образовывать последовательно во времени.

Альтернативный способ использования управляемой задней подсветки заключается в возможности охвата выходным светом задней подсветки нормального диапазона углов (то есть до возникновения полного внутреннего отражения в структуре, см., например, Фиг.4, показывающую внутреннее отражение), но с освещением только на участках задней подсветки, чтобы каждый пиксел освещался только в направлении одной линзы направляющей свет структуры. Этот способ показан на Фиг.8, на которой устройство формирования изображения показано имеющим модулятор 24 света (в этом случае жидкокристаллическую панель) в сочетании с направляющей свет структурой 28, имеющей линзы 27, описанной в этой заявке выше. Только один участок 80 задней подсветки освещает модулятор 24 света в конкретный момент t времени, чтобы снабжать направляющие свет элементы выходным светом модулятора света. Другие участки 82 задней подсветки подсвечиваются последовательно во времени, один после другого.

Таким образом, узел задней подсветки содержит набор линейных источников с 80 по 82, которые можно индивидуально включать или выключать. Каждый видеокадр разделяют на несколько подкадров. В каждом подкадре содержимое записывают в панель пространственного модулятора света и один из линейных источников в узле задней подсветки включают. Различие между подкадрами заключается во включении различных линейных источников и адресации жидкокристаллической панели с использованием различного содержимого. Это различное содержимое является таким, что разрешающая способность изображения повышается последовательно. Например, только один пиксел, связанный с включенным источником света, вносит вклад в изображение, проецируемое по нормали для отображения. В каждый момент времени используется другой набор источников света, другой набор пикселов вносит вклад в вид, так что разрешающая способность изображения повышается поэтапно.

Например, полный шаг пикселов пространственного модулятора света может быть порядка 250 мкм. Растр может быть 15-видовой структурой с наклоном arctg α=1/6, но с успехом можно использовать другие углы наклона. Ширина линейного источника может составлять приблизительно 1 мм и толщина модуля около 6 см.

В узле задней подсветки линейные источники включаются и выключаются так, что свет через пиксел освещает по существу единственную линзу. При сочетании дисплейной панели с быстродействующим пространственным модулятором света, в котором значения пикселов изменяются при каждом событии, связанном с освещением источником света, можно получать единственный конус видения без переходов конусов видения.

Количество источников света, необходимых в устройстве формирования изображения, работающем в соответствии с изложенным выше способом, можно определять таким тестированием устройства, при котором полностью белое изображение отображается при минимальном количестве источников света. Матрица растровых линз обладает эффектом рассеяния, и рассеиватель в узле задней подсветки, который обычно присутствует, можно не включать, если линейные источники находятся достаточно близко друг к другу.

Необходимый свет через пиксел, освещающий по существу единственную линзу, задается зависимостью между расстоянием от источников света до устройства формирования изображения, шириной источников света и шагом линз.

Если в желаемой конфигурации предполагается, что некоторые пикселы все же могут освещать несколько линз, эти пикселы можно выключать для исключения артефактов. Таким образом, некоторые пикселы не работают и нерабочая область дисплейной панели освещается несколькими источниками света. Область, которая является нерабочей, приводят в состояние поглощения (то есть черное).

Обычный узел задней подсветки включает в себя рассеиватель для создания равномерного выходного света. Для такой конструкции предпочтительно, чтобы задний рассеиватель был заменен поглощающим свет слоем или чтобы рассеиватель был помещен очень близко к источнику света. Причина состоит в том, что обычный рассеиватель препятствует освещению пиксела из единственной области направлений, что требуется в этом применении. Таким образом, поскольку свет через пиксел не должен слишком сильно расходиться, предпочтительно не использовать отражательный поляризатор в узле задней подсветки.

В настоящее время обычно наклоняют растр на протяжении устройства формирования изображения для повышения разрешающей способности трехмерного изображения по горизонтали. Линейные источники света имеют длинную ось, проходящую в направлении линии источников света, и источники света могут быть наклонены аналогично цилиндрическим линзам, чтобы имелось лучшее соответствие между удлиненной осью растра и длинной осью линии источников света. Этим можно ослаблять оптические артефакты.

На Фиг.8 свет от единственного источника света (например, 80) в основном расходится во всех направлениях. Чтобы иметь свет от пиксела из панели 24, проецируемый на единственную линзу (например, 27), в конкретный момент времени включают один источник света. Поскольку разнос светящихся световых линий такой, что свет на подпикселе имеется только от одной линии, разрешающая способность, получаемая в течение одного подкадра, является очень низкой. Для хорошей разрешающей способности многочисленные световые линии, действующие одновременно, следует предусматривать в промежутках световых линий, что приводит к многочисленным подкадрам. При этом требуются высокие скорости обновления/кадров для панели 24 пространственного модулятора света. Чтобы снижать частоту кадров, поглощающие стенки можно предусматривать в узле задней подсветки для задания отрезков. В таком случае все отрезки можно возбуждать одновременно, а количество подкадров будет соответствовать количеству источников света задней подсветки в каждом отрезке. Такая структура показана на Фиг.9, и она имеет блоки, идентичные описанным применительно к Фиг.8, и в ней поглощающие стенки показаны позицией 90. В показанной структуре имеются два источника света задней подсветки на каждый отрезок и поэтому будут только два подкадра.

Такой же результат можно также получать путем размещения чувствительных к поляризации коллиматоров вокруг источников света. На выходе коллиматора можно располагать отражательный поляризатор, чтобы жидкокристаллическая панель воспринимала поляризованный свет. Это повышает эффективность. Предпочтительно, чтобы коллиматоры также были сохраняющими геометрический фактор пучка подобно составным параболическим коллекторам. Такая структура схематично показана на Фиг.10 и в ней зеркальная отражающая стенка показана позицией 100, а нерассеивающий отражательный поляризатор показан позицией 102.

В примере из Фиг.9 поглотители предусмотрены для ограничения расхождения света и тем самым уменьшения частоты кадров. В структуре из Фиг.11 прокладка 110, расположенная между источниками 112, 114 света и жидкокристаллической панелью 24, является прозрачной и имеет более высокий показатель преломления, чем окружающая среда. Прокладка функционирует как световод и расположена непосредственно поверх источников 112, 114 света и непосредственно прилегает к жидкокристаллической панели 24, так что расхождение света ограничивается. Это ограничение обусловлено преломлением, которое происходит, когда свет входит в световод 110. Эта прокладка содержит пластину/подложку узла задней подсветки.

Воздушный зазор может быть предусмотрен между источниками света и прокладкой 110, и опять для ограничения максимальных углов световых лучей внутри подложки. Этот критический угол определяется как обратная величина синуса отношения показателя преломления воздушного зазора и показателя преломления подложки. Поскольку диапазон углов световых лучей ограничен, в жидкокристаллическом устройстве формирования изображения освещается фиксированное количество пикселов. Эти освещаемые пикселы соответствуют трехмерным видам в конкретной цилиндрической линзе по всему трехмерному растру.

На Фиг.12 показана структура, аналогичная структуре на Фиг.11, но в которой угловой выходной световой пучок каждого источника 120 света задней подсветки охватывает единственную растровую линзу. Пластина/подложка узла задней подсветки и панель жидкокристаллического устройства формирования изображения (дисплея) находятся в оптическом контакте и показан воздушный зазор 122.

На Фиг.12 заштрихованная зона 124 (например) не вносит вклад в оптическую функциональность направленной задней подсветки. Поэтому материал подложки можно удалять из заштрихованной зоны 124 и других эквивалентных областей. Реконфигурированная подложка/пластина узла направленной задней подсветки показана на Фиг.13.

Максимальное уменьшение массы пластины подложки связано с величиной поверхности зоны, которая удаляется с пластины. Теоретически можно добиться уменьшения массы максимум на 50%. На практике, как показано на Фиг.14, минимальная высота h необходима для поддержания единственной пластины подложки при достаточной механической жесткости. В этом случае максимальное уменьшение объема составляет:

$$\left[1-{\left(\frac{\sqrt{2}h}{H}\right)}^2\right]·50\%$$ .

Здесь h является минимальной высотой, необходимой для механической жесткости, Н является общей толщиной подложки. Например, в случае подложки толщиной 4 см при минимальной толщине h, составляющей 5 мм, можно достичь уменьшения массы еще на 48%.

На Фиг.14 боковые стенки 126 выполнены оптически поглощающими. Кроме того, боковые стенки могут выполнять иную оптическую функцию, например функцию кривизны зеркала составного параболического коллектора, и могут иметь отражающие свойства.

Если многочисленные (например, N) линии светоизлучающих диодов для каждой цилиндрической линзы необходимы для последовательной во времени работы (как пояснялось выше на примерах), возможное уменьшение массы подложки снижается в соответствии с множителем 1/2N.

В приведенных выше примерах задняя подсветка выполнена так, что свет через пикселы попадает на по существу единственную линзу. Чтобы это происходило, свет от задней подсветки исходит из сосредоточенных мест, таких как световые линии. В конкретный момент времени пиксел не освещается более чем одной световой линией.

Для оптимизации конструкции необходимо использовать правила проектирования оптической системы с целью снижения вычислительной мощности визуализирующей микросхемы и тем самым снижения стоимости трехмерной системы.

Фиг.15 используется для пояснения трудностей, встречающихся при визуализации изображения, и на ней показано, каким образом 9 видов визуализируются в обычном устройстве.

Предпочтительно, чтобы растр был наклонен под углом arctg(1/3) или arctg(1/6) для улучшения структуры пикселов трехмерного дисплея. Кроме того, некоторое количество подпикселов находится под линзами с шагом, имеющим предпочтительные численные значения. Одним из наиболее общих численных значений является шаг линз, соответствующий 4,5 подпикселов при угле наклона arctg(1/6), приводящий к трехмерному устройству формирования изображения (дисплею) с 9 видами. Эта конфигурация показана на Фиг.15 и используется для пояснения оптимизации конструкции.

В системе с 9 видами в случае обычной задней подсветки (то есть реализующей многочисленные конусы) количество видов определяется положением подпиксела под линзой или расстоянием центра подпиксела до оси линзы. Для системы с 9 видами это расстояние составляет [2,5; -2; -1,5; -1; -0,5; 0; 0,5; 1; 1,5; 2]∗p, где p является шагом подпикселов. Эти расстояния соответствуют количеству видов от 1 до 9. Если свет проходит через соседние линзы, количество видов будет таким же вследствие повторения видов.

В случае устройства формирования изображения с единственным конусом, описанного выше, ситуация является иной. Поскольку нет повторения видов, имеется большее количество адресуемых видов. В частности, это относится к примерам изобретения, в которых световая линия связана с многочисленными линзами. Поэтому каждый пиксел освещает только одну линзу, но группа линз освещается одной световой линией (см., например, Фиг.8, 9 и 11).

Луч от световой линии через пиксел может попадать на линзу, которая не находится непосредственно над пикселом, что приводит к получению света под большим углом, чем при обычном конусе видения (показанном, например, на Фиг.9). Вследствие выбранной оптической конструкции в конкретные моменты времени нет световых лучей, которые могут доходить до линзы над пикселом. Следовательно, этот пиксел может быть визуализирован вместе с изобразительной информацией на протяжении большого угла.

В зависимости от разноса световых линий и шага линз и подпикселов устройство формирования изображения будет создавать N видов, и эти виды можно пронумеровать в порядке возрастания возрастающих углов, начиная с самого отрицательного угла при виде 0. Если не принимать особых мер предосторожности, в неподвижной повторяющейся картине не будет соответствия между образуемым видом и подпикселом, как в случае отображения 9 видов.

Способ визуализации изображения зависит от геометрии, и отображения видов можно находить на основании трассирования лучей и сохранять в просмотровой таблице. Однако это является требующей очень больших затрат операцией, поскольку для нее необходимы буфер кадров и поисковые действия для каждого номера пиксела. В то же самое время сомнительно, что качество изображения и структура пикселов будет одной и той же для всех углов наблюдения.

Поэтому желательно создавать изображение с более предсказуемой структурой и тем самым снижать вычислительную мощность и затраты.

На Фиг.16 показано осуществление, в котором используют заданное отношение расстояния (d₁) между линзой 160 и плоскостью 162 пикселов и расстояния (d₂) между плоскостью 162 пикселов и световыми линиями 164.

На Фиг.16а показано поперечное сечение через одну строку и на Фиг.16b показаны поднаборы из 6 подпикселов, которые расположены за одной и той же линзой и поэтому ведут себя аналогичным образом.

В качестве основного предположения шаг и наклон растра предполагаются такими, что имеется целочисленный набор из М подпикселов под каждой линзой растра, которые расположены аналогичным образом. Если использовать такое сочетание растра устройства формирования изображения с традиционной задней подсветкой, трехмерное устройство формирования изображения будет создавать М видов. Число М определяется как

M=n_строк×P_растра+p, $$$$ [уравнение 1]

P_растра является шагом растра, p является шагом подпикселов и n_строк является количеством строк, после которых ось линзы находится в одном и том же положении над подпикселом. Например, при наклоне 1/6 значение n_строк будет равно 2.

Для эффективной визуализации необходимы блоки пикселов, которые ведут себя одинаковым образом. Для предложенной оптической геометрии из Фиг.16 такие блоки могут состоять из пикселов, свет от которых преломляется в одной и той же цилиндрической линзе. Пикселы в этом блоке могут быть визуализированы по порядку номеров видов. Чтобы они вели себя одинаковым образом, количество пикселов, расположенных за одной и той же линзой, должно быть постоянным и целым числом. Непосредственные геометрические вычисления показывают, что это условие удовлетворяется, если:

d₂M/(d₁+d₂)=N (N - целое число) $$$$ [уравнение 2]

Из этого уравнения вытекает основное требование масштабирования изображения подпикселов (в соответствии с масштабным множителем (d₁+d₂)/d₂)), чтобы целое число подпикселов соответствовало ширине линзы.

Блоки подпикселов визуализируются по порядку номеров. Однако соседний блок визуализируется аналогичным образом, но при повышенном или сниженном количестве видов. Это количество видов может быть больше или меньше (M-N). Это будет продолжаться до тех пор, пока свет от световой линии не достигнет последнего подпиксела, после чего следующая световая линия вступает в действие и визуализация опять начинается с вида под номером 0.

Это дополнительно поясняется при обращении к Фиг.16с. Она основана на самом простом примере системы с 9 видами без наклона. Поэтому М=9 (9 подпикселов под каждой линзой), а расстояния d₁и d₂ являются такими, что 6 подпикселов освещают одну и ту же цилиндрическую линзу.

Как показано, в этом случае 6 подпикселов, которые освещают линзу 160₁, визуализируются последовательно: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Подпиксел 165, который находится по соседству слева от подпиксела 1, также расположен непосредственно под той же самой линзой 160₁ с осью А линзы, но свет от линейного источника света через этот пиксел 165 попадает на левую соседнюю цилиндрическую линзу 160₂ с осью А′ линзы. Расстояние между центром линзы и центром подпиксела определяет нумерацию видов. Для показанного пиксела 165 - это вид 9. Пиксел 165 отстоит дальше на шаг подпикселов, умноженный на (M-N)(=3), от оси линзы, чем подпиксел, указанный под номером 6, отстоит от оси А′ линзы. Скачок (M-N) также происходит на следующей границе линзы.

При надлежащей работе трехмерного устройства формирования изображения вид с каждым номером должен возникать по меньшей мере один раз для каждой световой линии, чтобы исключались темные области в изображении при определенных углах наблюдения. Это условие удовлетворяется в случае, если (M-N)≤N. Однако должно удовлетворяться и другое условие, которое заключается в том, что количество визуализаций вида с определенным номером является таким же, как видов со всеми номерами. Это условие удовлетворяется, если:

$$\frac{N}{M-N}=k$$ и k∈N. $$$$ [уравнение 3]

Подстановка уравнения 2 в уравнение 3 приводит к:

$$\frac{d_2}{d_1}=k$$ . $$$$ [уравнение 4]

Таким образом, расстояние от световой линии до плоскости пикселов является целым числом, умноженным на расстояние от плоскости пикселов до растровой матрицы.

Для иллюстрации этих условий выбран пример трехмерного устройства формирования изображения, который имеет М=9 и N=6. Количество М=9 видов можно получить при выборе P_растра=4,5∗p и n_строк=2 (см. уравнение 1). Из уравнения 2 следует, что N=6, когда d₁=2∗d₂.

Эти параметры использованы для Фиг.16а и видно, что шаг линз из 4,5 подпикселов приводит к тому, что свет от трех последовательных подпикселов попадает на одну и ту же линзу. Вследствие наклона 1/6 нижележащая строка изображения содержит другой набор из 3 подпикселов, которые совпадают с этой линзой. На Фиг.16b показано расположение блоков из 6 подпикселов. Видно положение пикселов под линзой, а именно место пиксела 1 находится ближе всего к левой границе линзы, а место пиксела 6 находится ближе всего к правой границе линзы. Границы двух сторон линзы показаны позицией 164.

Этот аспект изобретения основан на понимании, что он не является способом, которым необходимо визуализировать виды, а виды необходимо визуализировать при сдвиге M-N видов, поясненном выше при обращении к Фиг.16с.

Фиг.17 используется для пояснения способа визуализации пикселов. Как уже указывалось, подпикселы в блоках нумеруют последовательно и номер вида из пикселов соседних блоков отличается на 3 вида. Результат этого выбора оптимальной геометрии заключается в том, что каждый подпиксел будет представляться дважды для каждой световой линии.

В общем случае каждый подпиксел проявляется k раз, исключая пикселы, которые вносят вклад в виды, которые принадлежат к наибольшим углам наблюдения. В случае пиксела, возникающего дважды, число неповторяющихся видов при наибольших углах наблюдения будет составлять (M-N), поскольку сдвиг на (M-N) будет означать, что первые (M-N) видов не повторяются. Поэтому виды 1, 2, 3 на Фиг.17 не будут возникать дважды. Потенциальные искажения изображения не создают проблемы для этих видов, поскольку они возникают при очень больших углах.

В более общем случае пикселы возникают k раз, где k определяется уравнением 3.

Что касается осуществления из Фиг.9, приведенной выше, то для ограничения углового расхождения световые линии и пикселы разделены не средой с показателем преломления n>1, а воздухом. Поглощающие стенки использованы для ограничения углов, под которыми свет попадает на пиксел. В результате определение d₂, использованное в уравнениях 2-4, должно быть приведено в соответствие умножением на n:

$$d_2^{\ast }=d_2\times n$$ . $$$$ [уравнение 5]

Различным способом можно установить, что расстояние d2^∗ должно быть равно эффективной длине оптического пути в среде линзы между световой линией и пикселом и это расстояние d2^∗ является кратным расстоянию d1^∗, которое равно эффективной длине оптического пути в среде линзы между пикселом и линзой. Расстояние d2^∗ обозначено на Фиг.9.

Что касается осуществления из Фиг.10, то коллиматор использован для ограничения углов, под которыми свет приходит на устройство формирования изображения. В этом случае d₂ должно быть длиной оптического пути между концевой гранью коллиматора и плоскостью пикселов. Она обозначена на Фиг.10.

Использование световых линий для задней подсветки также приводит к возникновению других проблем, связанных со схемой возбуждения. В частности, этот аспект относится к осуществлениям, в которых различные наборы световых линий включаются последовательно. Световые линии расположены в наборах (по меньшей мере в двух) линий, которые включаются попеременно. Проблема возникает вследствие того, что адресация устройства формирования изображения обычно происходит сверху донизу, а линии света продолжаются по существу в том же самом направлении. В результате свет, создаваемый вдоль световой линии, достигает пикселов, адресация которых осуществляется в предшествующем или последующем подкадре, что приводит к перекрестным искажениям.

Для разрешения этой проблемы световые линии можно разделять на отрезки и соответственно изменять схему возбуждения.

В описанной выше структуре, в которой виды создаются последовательно во времени, как в поясненной при обращении к Фиг.11, разрешающую способность устройства формирования изображения можно, например, удвоить при использовании двух наборов световых линий.

Для адресуемого по строкам устройства формирования изображения (дисплея), такого как имеющиеся в продаже жидкокристаллические дисплеи, возникает проблема перекрестных искажений. Дисплей адресуется строка за строкой и после адресации последней строки первого кадра начинается адресация первой строки следующего кадра. Следовательно, существует только один момент времени, в который дисплей адресуется всей информацией одного кадра. Однако продолжительность этого момента времени является очень небольшой для создания достаточного света от световых линий, чтобы иметь достаточную яркость от дисплея. Вместе с тем адресуются последние несколько строк дисплея, но для жидкого кристалла не имеется достаточного времени, чтобы переключиться в заданное состояние. В результате информация, отображаемая в нижней части дисплея, является неточной.

Решение этой проблемы заключается в сканировании световых линий отрезками сверху донизу. Для этого световые линии разделяют на отрезки и возбуждение отрезков осуществляют синхронно с возбуждением дисплея. Синхронизация переключения отрезка должна быть такой, чтобы световые линии включались, когда жидкий кристалл переключен в заданное состояние.

При последовательном во времени возбуждении дисплея может возникать другая проблема, связанная с артефактом, напоминающим скольжение строк, который можно наблюдать в дисплеях с чересстрочной разверткой. Способами возбуждения световых линий также можно ослаблять эффект скольжения строк.

На Фиг.18 показан схематичный чертеж используемой задней подсветки. Задняя подсветка состоит из световых линий, которые наклонены в том же самом направлении, что и растр, который находится перед дисплеем (непоказанным). Световые линии разделены на два набора, которые на фигуре показаны цифрами 1 и 2. Световые линии разделены на части (в данном случае обозначенные как a…m), которые можно возбуждать индивидуально. Все отрезки а1, обозначающие отрезок (а) из всех световых линий в наборе 1, взаимно соединены как и a2, b1, b2 и т.д.

Для иллюстрации на Фиг.19 показана задняя подсветка с только одним включенным отрезком 190. Отрезок принадлежит к группе 2 световых линий и отрезку d. Поскольку в направлении прохождения свет ограничивается оптической пластиной между световыми линиями и плоскостью пикселов, свет освещает только часть дисплея. Она обозначена черной областью 190. Показаны самая нижняя строка (строка_m) и самая верхняя строка (строка_n) в дисплее, которые освещаются световой линией.

Представляется логичным включать отрезок сразу после адресации строки_m. Однако при этом не будет учтено время переключения жидкого кристалла. Если световую линию включать в этот момент времени, данные из предшествующего подкадра все еще будут на этом пикселе.

Поскольку другая световая линия включается на этом подкадре, содержимое изображения будет совершенно другим, что приведет к значительным перекрестным искажениям. С учетом времени τ переключения световая линия должна включаться спустя время τ после адресации строки.

Как только самая верхняя строка_n будет адресована, отрезок d2 должен быть выключен.

В заключение можно установить нижеследующий набор правил:

(i) Отрезок включают спустя время τ (порядка миллисекунд) после освещения отрезком самой нижней строки, адресованной информацией текущего подкадра;

(ii) Отрезок выключают, когда самая верхняя строка, освещаемая отрезком, адресуется информацией следующего подкадра;

(iii) Для самого нижнего отрезка дисплея физически нет самой нижней строки, освещаемой отрезком. В данном случае отрезок следует адресовать, когда адресуется одна из первых строк следующих подкадров. Эту строку можно вычислять в следующем виде:

$${\text{строка}}_{\text{i}}={\text{строка}}_{\text{m}}-{\text{строка}}_{\text{k}}-\left(\frac{\tau }{{\text{t}}_{\text{подкадра}}}\times {\text{n}}_{\text{строк}}\right)$$ . $$$$ [уравнение 6]

В этом уравнении t_{подкадра} является периодом подкадра и n_строк является количеством строк дисплея.

Для самого верхнего отрезка дисплея физически нет самой верхней строки, освещаемой отрезком. Для исключения различий яркости этот отрезок следует выключать так, чтобы он был включен в течение такого же периода времени, как и другие отрезки.

На Фиг.20 показана временная диаграмма возбуждения световых линий с использованием этих ограничений.

Как показано, после адресации самой нижней строки, охватываемой отрезком, отрезок светится после временной задержки. Когда после этого адресуется самая верхняя строка в отрезке (которая послужит для следующего кадра), адресация светового отрезка заканчивается.

Это пояснение основано на дисплее с только двумя наборами световых линий.

Однако, чтобы повысить разрешающую способность, в других осуществлениях задняя подсветка может быть разделена на большее количество наборов. Например, могут быть 4 набора световых линий один за другим. На Фиг.21 изображена задняя подсветка для такого осуществления. На ней показаны четыре набора световых линий, пронумерованных с 1 по 4.

Когда такой дисплей адресуют, то кажется логичным включать отрезки световых линий из набора 1, за которым следуют набор 2, набор 3 и в заключение набор 4. Однако это может приводить к проблеме, заключающейся в том, что линии будут восприниматься медленно двигающимися в направлении, перпендикулярном световым линиям. Это происходит вследствие того, что световые линии адресуются слева направо с частотой, превышающей в четыре раза частоту кадров, которая является относительно низкой. Глаза следуют за световыми линиями, свечение которых продвигается слева направо, и будут возникать линии, медленно перемещающиеся по экрану.

Световые линии (и поэтому также визуализируемые изображения, связанные со световыми линиями) могут адресоваться различным образом. Для последовательности 4 подкадров возникают следующие возможности:

Возбуждение 1, 3, 2, 4, 1, 3, 2, 4…

Возбуждение 1, 4, 2, 3, 1, 4, 2, 3…

Возбуждение 1, 2, 4, 3, 1, 2, 4, 3…

Общая идея заключается в удалении регулярной картины при адресации. Путем пропуска строк в схеме адресации расстояние между световыми линиями изменяют от подкадра к подкадру и скольжение линий уже почти не происходит.

В общем случае:

(i) Расстояние между последовательно адресуемыми световыми линиями должно быть по возможности большим.

(ii) В одном кадре должен быть каждый подкадр.

(iii) Для каждого подкадра порядок должен быть одинаковым, чтобы исключалось мерцание некоторых линий.

Имеются различные варианты описанных примеров. Например, упоминалось об использовании наклонного растра и источников света. Это является необязательным и растр может не быть наклонным. Линейные источники, используемые в узле задней подсветки, могут быть заменены точечными источниками и растровая матрица перед панелью в таком случае может быть заменена матрицей круговых линз.

В данных об изображениях, подаваемых на жидкокристаллическую панель, должны учитываться конструкции линзового узла и узла задней подсветки. С этой целью дисплей может быть снабжен просмотровой таблицей. Например, сохраняемыми данными предоставляется информация, определяющая, какой источник света из узла задней подсветки в сочетании с определенным пикселом должен освещать определенную линзу, и направление результирующего светового пути. Данные для этой просмотровой таблицы могут быть вычислены или измерены на заводе и могут быть использованы для обработки данных об изображениях.

Заднюю подсветку можно образовывать с использованием технологии (поляризованных) органических светоизлучающих диодов или технологии жидкокристаллических дисплеев. Она обладает преимуществом, заключающимся в том, что свет уже является поляризованным, а технология является относительно дешевой.

Представлено использование растровых линз. Однако вместо них можно использовать перенаправляющую пластину. Эта пластина имеет поверхность с выступами переменной высоты. Растр или перенаправляющая пластина могут не находиться поверх экрана жидкокристаллического дисплея, их можно помещать между узлом задней подсветки и экраном жидкокристаллического дисплея.

Если направленным выходным светом и равномерностью источников света узла задней подсветки можно управлять в достаточной степени, необходимость в растре (или перенаправляющей пластине) может отпасть. Конечно, преимущество заключается в меньшем количестве элементов.

При качественном трехмерном эксперименте вид обычно имеет ширину 2°. Без растра или перенаправляющей пластины необходимо иметь около 90 различных направлений из узла задней подсветки. Это приводит к дорогому и объемному узлу задней подсветки. Кроме того, чтобы пользователи могли видеть все 90 видов, система должна работать с частотой 90×50 Гц, которая (в то же время) неосуществима. Однако для единственного пользователя в известном положении (в результате отслеживания положения головы) этот вариант уже может быть осуществимым.

Единственный конический выходной световой пучок в системе согласно изобретению имеет по меньшей мере три вида (то есть 2 возможности трехмерного визуального отображения). Более предпочтительно, чтобы имелось по меньшей мере шесть индивидуальных видов, например 6, 9 или 15 видов.

В приведенном выше осуществлении источник света предполагался излучающим неполяризованный свет. Для жидкокристаллической панели требуется поляризованный свет и поэтому имелись поглощающие поляризаторы. Чтобы исключать потери на поглощение, в обычные узлы задней подсветки часто включают отражательный поляризатор для пропускания света с нужной поляризацией и возврата света с другой поляризацией. Результат заключается в том, что интенсивность/эффективность повышается.

При использовании такого отражательного поляризатора вблизи жидкокристаллической панели может нарушаться желаемый коллимированный направленный выходной световой пучок от источника света в системе изобретения. Поэтому предпочтительно не включать такой отражательный поляризатор и допускать потери на поглощение или принимать альтернативные меры для снижения потерь.

Можно создавать источники поляризованного света. Преимущество заключается в том, что большая часть света не будет поглощаться поляризатором в жидкокристаллической панели. Чтобы образовать такой источник света с коллимированным линейным выходным светом, можно использовать чувствительный к поляризации коллиматор в качестве части источника света. Путь света от источника света одной поляризации остается неизменным, тогда как свет с поляризацией, перпендикулярной к указанной поляризации, по существу отражается к источнику света.

Такой коллиматор можно образовать из двулучепреломляющих материалов (имеющих показатель преломления, который зависит от поляризации) с сочетании с обычным материалом. Результирующий эффект заключается в том, что одна поляризация не обнаруживается коллиматором. Свет с этой поляризацией возникает как излучаемый от линии. Свет с другой поляризацией обнаруживается коллиматором и претерпевает отражение от отражательного поляризатора. Если коллиматор, такой как составной параболический коллектор, сохраняет геометрический фактор пучка, возвращающийся свет может отражаться к источнику.

В таком случае поляризацию света можно изменять в источнике света и будет иметься возможность дополнительного излучения света.

В схемах возбуждения, описанных выше, предполагается адресация дисплеев по строкам, при этом адреса записываются сверху донизу. Однако схема возбуждения панели может быть иной, например снизу доверху. В таком случае возбуждение отрезков также должно осуществляться в противоположном направлении.

Существуют дисплеи, предназначенные для использования в портретном режиме. В этом случае дисплей можно адресовать по столбцам. В этом случае отрезки на одном и том же столбце следует включать в одно и то же время и сканировать отрезки слева направо или справа налево.

Дискретные источники света узла задней подсветки показаны как линии. Эти линии могут быть непрерывными (то есть от верха до низа дисплея) или разделенными на отрезки (образующие точечные или пунктирные линии) и они могут быть расположены в шахматном порядке. Таким образом, каждый источник света представляет собой единственный линейный светоизлучающий элемент или же ряды из двух или большего количества светоизлучающих элементов, расположенных по существу на одной линии. Индивидуальные светоизлучающие элементы могут быть удлиненными и расположенными в направлении линии (то есть создающими точечную или пунктирную линию) или они могут быть смещены от направления линии (то есть создающими расположенные в шахматном порядке линии).

Во всех случаях каждая линия источников света (будь то единственный светоизлучающий элемент или многочисленные светоизлучающие элементы) представляет собой узкий и удлиненный источник света.

При практическом использовании заявленного изобретения, на основании изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения специалисты в данной области техники могут осознавать и создавать другие варианты раскрытых осуществлений. В формуле изобретение слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а упоминание элементов в единственном числе не исключает множества таких элементов. Сам факт перечисления некоторых признаков во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения не означает, что сочетание этих признаков не может быть успешно использовано. Любая позиция в формуле изобретения не должна толковаться как ограничивающая объем.

Изобретение относится к многовидовым устройствам формирования изображения для создания видов в поле наблюдения. Устройство включает снабженную пикселами дисплейную панель, узел задней подсветки, содержащий систему источников света, в которой каждый источник света при включении освещает связанную с ним область пикселов дисплейной панели, а также систему отслеживания положения головы. Контроллер устройства выполнен с возможностью управления дисплейной панелью и системой источников света так, чтобы создавался частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения, содержащий одновременно набор по меньшей мере трех двумерных видов без повторения индивидуальных двумерных видов. Указанное частичное поле наблюдения устройства формирования изображения выбирается на основании входных сигналов, принимаемых от системы отслеживания положения головы. Технический результат - исключение повторения видов, уменьшение энергопотребления. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Многовидовое устройство формирования изображения для создания многочисленных видов в поле наблюдения устройства формирования изображения, содержащее:
- дисплейную панель (24), содержащую пикселы;
- узел задней подсветки, содержащий систему узких и удлиненных источников (30) света, в которой каждый источник света при включении освещает связанную с ним область пикселов;
- матрицу (28) линз, расположенную перед дисплейной панелью (24), причем свет от каждого освещаемого пиксела доходит точно до одной линзы;
- контроллер устройства формирования изображения, выполненный с возможностью управления дисплейной панелью (24) и системой источников (30) света так, чтобы создавался частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения, содержащий одновременно набор по меньшей мере трех двумерных видов без повторения индивидуальных двумерных видов; и
систему (35) отслеживания положения головы,
при этом во время функционирования устройства все пикселы освещаются при заданном расхождении света вокруг одного общего направления, так что во время одной операции освещения набор по меньшей мере трех двумерных видов образуется в частичном поле наблюдения устройства формирования изображения, причем указанное частичное поле наблюдения устройства формирования изображения выбирается на основании входных сигналов, принимаемых от системы (35) отслеживания положения головы.

2. Устройство по п.1, в котором матрица (28) линз отображает плоскость пикселов дисплейной панели по существу в бесконечность.

3. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором узел задней подсветки дополнительно содержит линзу (32), связанную с каждым источником (30) света, для создания коллимированного направленного выходного светового пучка.

4. Устройство по п.1, в котором дисплейная панель (24) содержит матрицу пикселов жидкокристаллического дисплея и в котором источники (30) света содержат светодиодные полоски.

5. Способ функционирования многовидового устройства формирования изображения для создания многочисленных видов в поле наблюдения устройства формирования изображения, которое содержит пикселы и узел задней подсветки, содержащий систему узких и удлиненных источников (30) света, при этом каждый источник света при включении освещает связанную с ним область пикселов и матрицу (28) линз, расположенную перед дисплейной панелью (24),
при этом способ заключается в том, что:
выбирают частичное поле наблюдения устройства формирования изображения на основании входного сигнала, принимаемого от системы (35) отслеживания положения головы;
управляют дисплейной панелью (24) и системой источников (30) света так, чтобы в частичном поле наблюдения создавался частичный выходной световой пучок устройства формирования изображения, содержащий одновременно набор по меньшей мере трех двумерных видов без повторения индивидуальных двумерных видов, и чтобы свет от каждого освещаемого пиксела доходил точно до одной линзы, при этом все пикселы освещают при заданном расхождении света вокруг одного общего направления, чтобы образовывались по меньшей мере три двумерных вида в частичном поле (36) наблюдения устройства формирования изображения.