專利名稱：光學裝置和結合光學裝置的自動立體顯示設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于自動立體顯示設備的光學裝置以及結合該光學裝置的自動立體 顯不設備。
背景技術：
圖1中示出了已知的自動立體顯示設備。該已知的設備1包括具有顯示像素5的 行和列陣列的二維液晶顯示面板(LCD)3，其充當空間光調制器以產生靜態圖像或諸如例如 視頻之類的動態圖像形式的顯示。為了清楚起見，圖1中僅示出了少量顯示像素5。在實踐 中，顯示面板3可以例如包括大約一千行和數千列顯示像素5。液晶顯示面板3的結構完全是常規的。特別地，它包括一對隔開的透明玻璃襯底， 其間提供了對齊的扭曲向列或其他液晶材料。這些襯底在其相面對的表面上承載透明氧化 銦錫(ITO)電極圖案。在這些襯底的外表面上還提供偏振層。每個顯示像素5與諸如薄膜晶體管(TFT)或薄膜二極管(TFD)之類的開關元件關 聯。這些顯示像素用來通過向開關元件提供尋址信號而產生顯示，并且適當的尋址方案是 本領域技術人員已知的。顯示面板3由光源7照射，光源7在這種情況下包括在顯示像素陣列的區域上方 延伸的平面背光源。來自光源7的光被定向通過顯示面板3，各顯示像素5被驅動以調制該 光并且產生顯示。顯示設備1還包括設置在顯示面板3的顯示側上方的柱狀透鏡(lenticular)片 9形式的透鏡裝置，其執行視圖形成功能。柱狀透鏡片9包括半圓柱形柱狀透鏡元件11陣 列。每個柱狀透鏡11具有縱軸10，并且這些透鏡延伸，使得其縱軸取向彼此平行。為了清 楚起見，圖1中以夸大的尺寸示出了僅僅一個透鏡11。因此，彼此平行地延伸的伸長柱狀透 鏡元件11陣列覆蓋在顯示像素陣列上，并且用戶或觀察者通過這些柱狀透鏡元件11觀察 到顯示像素5。柱狀透鏡元件11充當光輸出定向裝置以便將來自顯示面板3的不同圖像或 視圖提供給位于顯示設備1之前的用戶眼睛。上述設備在產生的顯示或圖像包含多個視圖的情況下提供了一種有效的自動立 體或三維的顯示設備。這種顯示或圖像將在下文中表示為自動立體圖像，其具有至少兩幅 子圖像，它們中的每一幅代表要由圖像顯示的對象的不同視圖。然后，所述至少兩個視圖由 透鏡裝置顯示，使得觀察者感知到對象的立體、3D或環顧印象。在其中例如每個柱狀透鏡元 件11與兩列顯示像素5關聯的布置中，每列中的顯示像素5提供對應二維子圖像的豎直切 片。柱狀透鏡片9將這兩個切片以及來自與其他柱狀透鏡元件11關聯的顯示像素列的相 應切片定向到位于該片之前的用戶的左右眼，從而用戶觀察到單幅立體圖像。在這種設備的修改中，可以使柱狀透鏡取向，其縱軸以一定傾斜角相對于顯示面 板或自動立體圖像的像素列方向傾斜。該修改在水平和豎直顯示面板方向之間共有的像素 分辨率損失方面提供了優勢。由于這不是本發明的主題，關于效果和應用模式的更詳細的 解釋，請參閱US6064424。
發明內容
本發明的目的是提供一種光學裝置以及結合了這種光學裝置的具有改進的性能 的自動立體顯示設備。該目的是利用獨立權利要求中限定的光學裝置、采用該光學裝置的自動立體顯示 設備以及利用該光學裝置顯示自動立體圖像的方法來實現的。從屬權利要求限定了有利的實施例。本發明提供了一種光學裝置，當其處于其透鏡模式下時具有帶有柱狀透鏡陣列 的透鏡裝置，所述柱狀透鏡陣列中的每一個透鏡具有特定的透鏡表面形狀，當光線進入柱 狀透鏡一側之后追蹤通過柱狀透鏡的光線時，存在至少一根垂直地撞擊柱狀透鏡表面的光 線。這種光學裝置在其透鏡模式下給出最優化的光學效果，因為當在大的偏離法線觀看角 度下通過其觀看圖像時，圖像失真降低。因此，當應用于顯示自動立體圖像時，獲得了關于 所謂的條帶(banding)現象和/或關于日光串擾和/或自動立體效應對觀察者在自動立體 顯示設備上觀察自動立體圖像的角度的依賴性的顯著改進。本發明人發現，與例如前言中描述的現有技術設備中的圓柱形柱狀透鏡的使用關 聯的特性在于，由于場曲的原因，強度印跡(footprint)隨著觀看角度而變化。強度印跡可 以被認為是從在給定角度下穿過透鏡的具有一個透鏡寬度的平行束導出的照明區域的尺 寸。印跡尺寸在顯示像素平面內測量。窄的印跡意味著透鏡聚焦在顯示像素平面處，而較 大的印跡意味著透鏡聚焦在顯示像素平面之上或之下某處的不同位置。大的印跡與視圖的 角發散相應。圖2為示出對于0°與50°之間的觀看角度(VA)(圖2左邊的注釋)的對圖像產 生貢獻的y軸上的強度(I)(任意單位a.u.)與χ軸上的像素平面處的位置(P)(毫米)之 間的關系的曲線圖。這些曲線圖與一定的顯示器相應，該顯示器具有光學上各向同性且對 于其在透鏡表面處在透鏡與空氣的折射率之間存在0. 5的折射率差值的柱狀透鏡。在圖2 中，顯示了對于特定視圖產生貢獻的像素的χ軸上的位置。可以看出，印跡尺寸對于大于 30°的觀看角度是非常大的，其中大物理寬度的像素對視圖產生貢獻。應當指出的是，虛線 是考慮到像素尺寸以及柱狀透鏡相對于像素列方向傾斜的傾斜角的影響，與頂帽分布卷積 之后的結果。大的印跡尺寸是不希望的，因為它造成視圖之間的過多的重疊，產生視圖之間 的過多的串擾，并且從而降低3D印象。除了上面所示的對于大的觀看角度的視圖加寬之外，對于較小的觀看角度也可能 出現經常稱為莫爾類型偽像的條帶效應。這由以下事實造成柱狀透鏡的焦點隨著偏離法 線的觀看角度的增大而移向觀察者。本發明的光學裝置的透鏡裝置降低和/或減輕了這些和其他效應。在權利要求中，措詞“第一和第二層”不應當被解釋為一定意在指連續層。因此，例 如，第一層可以由具有第一折射率的嵌入到具有第二折射率的第二層中的多個體積組成。 這進一步參照關于依照本發明的可切換光學裝置的說明進行解釋。本發明的希望的有利效果隨著權利要求1中限定的乘積的幅值的增大而增大。因 此，例如，可以觀察到具有改進的質量的由該設備顯示的自動立體圖像的觀看角度隨著權 利要求1中限定的乘積的增大而增大。因此，優選地所述透鏡裝置被設計成使得所述乘積大于0.6、0.7、0.8、0.9、1.0或者甚至1. 1。優選地，該乘積大于0. 8，這提供了在獲得的效果與光學裝置在所需材料方面的可制造性之間的平衡。所希望的效果依賴于柱狀透鏡陣列內的透鏡間距。該透鏡間距應當被解釋為在曲 率方向上測量的柱狀透鏡的寬度。因此，透鏡間距垂直于例如柱狀透鏡11的縱軸而測得。 透鏡中心處的曲率半徑是在柱狀透鏡中間測量的曲率半徑，或者垂直于縱軸10截取的柱 狀透鏡截面內的半透鏡間距。透鏡間距可以由要顯示的自動立體圖像確定的最小值限界。例如，透鏡間距的下 邊界可以由自動立體圖像的分辨率或視圖數量以及因而與顯示設備中的一個柱狀透鏡關 聯的顯示面板像素的數量和尺寸確定。當使用最小可用的透鏡間距時，權利要求1中限定 的乘積可以通過設計具有適當的曲率半徑或者第一折射率的透鏡來調節。所希望的有利效果可以依賴于透鏡相對于要由其投影或者通過其觀察的自動立 體圖像的取向。當第一折射率與第二折射率之間的折射率差值更大時，這種依賴性將更大。 可以將所述光學裝置以及與其一起的透鏡裝置限定為具有觀察者一側和顯示器一側。該光 學裝置優選地以第一層作為其觀察者一側，因為這樣所獲得的有利效果最大。在所述透鏡裝置的一個實施例中，第一折射率是第一和第二折射率中的最低折射 率。這具有以下優點與透鏡裝置相對于要顯示的自動立體圖像的取向無關地實現了對于 特定設計的基于權利要求1中限定的設計準則的希望的效果。各材料的折射率之間的差值Δ η優選地比常規透鏡小，特別地處于范圍 0. 05-0. 22內。這不僅降低了上文解釋的對于取向的依賴性并且于是產生了使用的自由度， 而且提供了具有更小反射比的透鏡裝置，從而允許觀察到具有更少的由這些反射造成的干 擾的圖像。其他可能的折射率差值范圍是0. 05-0. 15和0. 09-0. 12。該差值可以是0. 1。第一和第二折射率的最高折射率可以處于范圍1. 4-1. 65內。這可以例如通過提 供相關的第一或第二層，使得它包含丙烯酸材料或者聚碳酸酯來實現。如果高折射率是第 一折射率，那么該高折射率對于所希望的效果是特別有利的，因為這樣可以使用較高的曲 率半徑，這轉變為比更彎曲的透鏡易于制造的較不彎曲的透鏡。具有最低折射率的層例如通過規定具有該折射率的層包含硅樹脂材料可以具有 范圍1. 3-1. 5內的折射率。第一和第二材料可以具有基本上相同的阿貝數。第一和第二層可以由所有固體材料制成，從而不需要支撐層或襯底層。可替換地， 這些層之一(例如第一層)可以是固體層，而另一層(例如第二層)是液體或氣體。該一個固 體層于是可以具有依照權利要求1的限定所需的柱狀透鏡表面的形狀。在這些情況下，可 以向光學裝置添加支撐層，使得透鏡裝置夾在支撐層之間。第一和第二襯底優選地包括平面玻璃或聚合物材料，例如聚碳酸酯或者其他透明 材料。第一層可以包括透鏡層，該透鏡層限定凸形柱狀透鏡形狀，并且具有比第二材料 更高的折射率，所述第二材料包含復制層并且填充凸形柱狀透鏡之間的間隔。所述光學裝置可以是可切換裝置，其可以在透鏡模式與另一操作模式之間切換。 該另一模式可以例如沒有顯著的透鏡效應。具有沒有透鏡效應的另一模式的這種光學裝置 將允許實現具有透鏡模式的優點的自動立體觀看以及在具有對于例如文本顯示而言理想 的高分辨率優點的所述另一模式下的二維觀看。該可切換裝置可以包括一個或多個電極以及與一個或多個偏振器組合的諸如液晶材料之類的電光材料或層。依照本發明，提供了一種包括圖像提供裝置和位于圖像提供裝置之前的光學裝置 的自動立體顯示設備。圖像提供裝置優選地包括設置成行和列的用于限定自動立體圖像的 圖像像素陣列或顯示像素陣列。光學裝置被設置成使得在該光學裝置的透鏡模式下，圖像 或顯示像素組的輸出方向作為多個視圖投射到各個不同的方向。圖像提供裝置可以是用于 以任何種類的形式(例如自動立體明信片或照片)提供靜態圖像的裝置。可替換地，圖像提 供裝置可以是提供靜態和/或動態自動立體圖像的電子顯示裝置。這種電子顯示裝置包括 但不限于液晶顯示器、等離子體顯示器、陰極射線管顯示器或者基于發光二極管的顯示器。 自動立體顯示器受益于之前解釋的優點。尤其是其中光學裝置被定位成使得當處于透鏡模 式下時第一層處于光學裝置的觀察者一側的顯示器有利于上面描述的獲得的優點。所述光學裝置可以在機械上可附接和/或可從圖像顯示裝置拆卸。依照本發明，提供了一種顯示自動立體圖像的方法，包括提供自動立體圖像以及 通過依照本發明的透鏡裝置投影該自動立體圖像。
現在將僅僅通過實例參照附圖描述本發明的實施例，在附圖中 圖1為已知自動立體顯示設備的示意性透視圖；圖2為示出對于0°與50°之間的觀看角度的對圖1的設備產生的圖像產生貢獻的強 度與像素平面處的位置之間的示例性關系的曲線圖； 圖3為已知自動立體顯示設備的示意性截面圖；圖4示出了更詳細地說明在大的觀看角度下圖4的已知透鏡結構可能出現的視圖重 疊、視圖加寬以及強度損失；圖5為依照本發明實施例的自動立體顯示設備的實例的示意性截面圖； 圖6示出了由本發明的透鏡裝置實現的大觀看角度下視圖加寬的降低以及強度的提尚；圖7示出了由本發明的透鏡裝置實現的視圖重疊的降低； 圖8示出了依照本發明的透鏡的性能如何與常規透鏡不同； 圖9示出了圖8的擴展圖；圖10示出了透鏡功能如何可以看作探測像素結構的功能； 圖11示出了光束強度分布函數； 圖12示出了不同截面處光束剖面頻譜的功率的衰減；圖13用來解釋本發明的透鏡與常規透鏡之間在跨輸入角度范圍的銳度方面的差異； 圖14示出了本發明透鏡的最大銳度的標繪圖； 圖15示意性地示出了本發明透鏡如何提供改進的銳度； 圖16用來示出各種不同的透鏡幾何參數； 圖17用來示出確保垂直光入射的區域；以及圖18為依照本發明實施例的自動立體顯示設備的實例的示意性截面圖。這些示圖的尺寸未按照比例繪制，并且在全文中，相同的附圖標記表示相同的元 件。
具體實施例方式圖3示出了典型的已知自動立體或3D顯示設備30的示意圖。它包括具有玻璃隔 離板32的液晶顯示器(LCD)顯示器31形式的顯示面板。該3D顯示設備以例如包括玻璃 襯底34上的丙烯酸透鏡35的透鏡裝置33作為其光學裝置。圖3示出了圖1顯示器的垂 直于柱狀透鏡縱軸的截面圖。示出了三個透鏡35，其具有等于透鏡間距陣列ρ的寬度。在 該設計中，透鏡邊界，即透鏡35在其與玻璃襯底34相對的側面的表面處的折射率差值近似 為0. 5，因為界面介于具有例如折射率1. 5的透鏡層與空氣之間。在該特定情況下，9個顯示像素與每個柱狀透鏡35關聯，這意味著每個透鏡覆蓋9 個像素的組36并且于是原則上可以創建9個視圖，因為每幅像素圖像發送到不同方向的一 個覆蓋透鏡。圖4A示出了對于依照圖3的幾何結構的42英寸(107cm)產品的光強度(I)與觀 看角度(VA)的函數關系。下面的曲線集示出了各視圖41，其為了清楚起見沒有全部用附圖 標記表示。所有視圖上積分的總強度示于上面的曲線42。為了將角度增大到超過0.4弧度，例如作為全寬半高而測量的視圖41的寬度顯著 地增大，并且這也伴隨著強度I的下降。強度的下降根據超過0.5弧度的觀看角度下的視 圖41是特別明顯的。強度的下降也從圖4A的曲線圖中向下彎曲的上面的曲線42看到。可 以看到視圖寬度增大，因為曲線的側面變得不那么陡峭。舉例而言，圖4B示出了相鄰視圖 41之間的重疊(0)與觀看角度(VA)的函數關系。重疊(0)在圖4C中定義。根據定義，兩 個完全分開的視圖具有零重疊，并且相同的視圖具有等于1的重疊。在圖4B中，對于超過 0. 4弧度的角度，出現重疊的相對陡峭的增加。重疊越大，視圖之間的串擾越多。由上面的曲線42進一步觀察到，尤其對于范圍43內，即近似_0. 1到-0. 6弧度或 者0. 1到0. 6弧度的觀看角度之間的觀看角度而言，出現強度變化。這些變化被觀察者感 知為前面提到的條帶。本發明提供了一種光學裝置，其在其透鏡模式下具有包括兩種不同材料的波狀界 面的透鏡陣列。透鏡幾何結構和材料組成以如下面進一步解釋的最優化透鏡性能的方式設 計，以便獲得本發明的有利效果。圖5示出了依照本發明的自動立體顯示設備50的實施例。該設備具有帶有玻璃 板52的顯示面板51形式的圖像形成裝置。該自動立體顯示設備在圖像形成裝置之上具有 依照本發明的光學裝置53。在該特定情況下，該裝置是不可切換的并且永久處于其透鏡模 式。該實施例包括取向與其縱軸平行的半圓柱形柱狀透鏡陽的陣列。該透鏡陣列包括夾 在平面玻璃襯底討、57之間的第一層55A和第二層55B。第一層55A和第二層55B之間的 界面限定了波狀透鏡表面58。在該特定情況下，第一和第二層在光學上各向同性，并且對于 可見光譜內的輻射具有0. 05與0. 22之間的折射率差值。第一層55A包括限定凸形柱狀透鏡形狀的透鏡層。在當前實施例中，該層包括 具有大約1. 5的折射率的材料，例如丙烯酸材料，其包括80%的乙氧基雙酚A 二丙烯酸酯 (Ethoxylated bisphenol A diacrylate)(來自“沙多瑪有限公司”的SR-349)以及具有大 約1. 53的折射率的20%的三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(trimethylolpropane triacrylate) (TMPTA)0第二層56由硅樹脂橡膠材料(來自“瓦克化學有限公司”的Elastosil RT604)制成并且具有大約1. 41的折射率。盡管描述的實例具有前述第一和第二層的組合，但是在本發明的一般構思內，同 樣可以很好地應用其他層的組合。因此，例如，第一層的折射率可以介于1.4與1.6之間， 使得具有大約1. 59的折射率的聚碳酸酯可以與硅樹脂橡膠材料一起使用。還有其他具有 適當折射率的材料可以使用，而不損失本發明的效果。再者，本發明并不限于這些折射率范圍或者上面限定的材料的折射率差值范圍。 所提及的材料可以用具有適當折射率的任何其他材料代替，這些其他材料被選擇成使得與 依照本發明的透鏡表面所需的曲率半徑和透鏡間距有關地獲得所要求的折射率差值。各種 不同的修改對于本領域技術人員應當是清楚明白的。當前實施例的丙烯酸材料透鏡結構可以通過復制工藝來制成。在這種工藝中，提 供具有與透鏡(即例如層^A)形狀互補的起伏(relief)表面的模具。在復制步驟中，使層 材料與模具接觸，使得它呈模具的起伏形狀并且固定于該形狀。得到的透鏡可以附接到襯 底層57例如以便在模制期間或者之后提供強度。如果襯底僅僅用來維持復制工藝期間的 透鏡結構，那么可以移除襯底。然后，將具有或者可能沒有襯底層的復制的透鏡嵌入到由諸 如玻璃板或塑料板之類的支撐層支撐的硅樹脂層中。在這種過程中可以方便地使用前面提 到的丙烯酸材料。然而，可以使用可以以這種方式模制的任何其他材料，只要與其他層的折 射率相比時，最終結果是具有適當折射率的層。可替換地，將硅樹脂層施加到復制的透鏡， 之后施加支撐層。襯底層或支撐層中的任何一個可以例如由玻璃制成。除了其他優點之 外，玻璃還具有以下優點具有平坦的表面，并且通常用在顯示器行業。顯然，襯底層和/或 支撐層必須能夠經受住制造步驟期間的可能的狀況，使得得到的結構免于不希望的變形等寸。可替換地，可以在機械上加工透鏡結構。通常，這需要在加工條件(溫度和壓力)下 為固體的透鏡材料。例如，可以以這種方式有利地制成聚碳酸酯透鏡。在圖5的實施例中，將透鏡裝置53結合到依照本發明的自動立體顯示設備50中。 此外，將透鏡裝置附接到具有玻璃隔離板32的(IXD) 31形式的顯示面板。圖6示出了對于依照圖5的幾何結構的42英寸(107cm)產品的光強度(I)與觀看 角度(VA)的函數關系。像圖4中一樣，下面的曲線61 (沒有全部用附圖標記標注)集示出 了各視圖。總強度示于上面的曲線62。圖3結構的典型透鏡半徑是2. 212毫米，但是在圖6中，透鏡半徑(R)為僅僅0. 519 毫米。這是因為焦距近似等于透鏡半徑(R)與限定透鏡表面的層的折射率差值的商，并且 焦距參數因而對于與圖3的已知透鏡結構用于相同應用中的本發明的透鏡結構保持近似 恒定。可以確定精確的希望的半徑以便最小化條帶強度，這在下面進行解釋。如果透鏡要覆 蓋相應的區域，即覆蓋顯示裝置的相同列數的像素，那么減小的透鏡半徑引起更深的透鏡。 在這種情況下，其將分別是圖3和圖5的組36或56中的9個像素。除了低強度尾部之外，圖6示出了對于本發明的設計而言，視圖的加寬小得多。而 且，條帶顯著地降低。這部分歸因于透鏡的一定程度上更小的場曲。對于類似的幾何結構， 透鏡的丙烯酸部分朝觀察者取向，觀察到類似的行為，但是視圖的低強度尾部遠離原點取 向。圖7示出了用于與圖4B比較的重疊與觀看角度的函數關系。對于本發明的透鏡設計，重疊曲線非常平坦。該設計在較大的偏離法線的觀看角度(VA)下給出觀看體驗的顯著改善。除了降低串擾和條帶之外，圖5的設計具有低反射率的附加優點。上面的玻璃板 的上面的平坦表面可以容易地涂敷抗反射涂層。由于低折射率差值的原因，透鏡結構本身 具有低反射。另一優點是，設備的外表面是平坦和魯棒的。在顯示器之前無需附加的保護 板，因為透鏡裝置襯底之一可以提供這種功能。因此，本發明的透鏡設計提供了角度相關串擾的降低、條帶的降低、低反射率以及 可以被設置成具有出于上面提到的若干原因而具有優勢的魯棒平坦側面的設計。盡管在上面給出的實例中，第一和第二層夾在襯底層之間，但這不是強制性的。在 一個實施例中，第一層55A和襯底層57是同一層。因此，第二層55B和襯底層M可以是同 一層。當第一和第二層足夠堅固，使得襯底層不必要時，這可能尤其如此。在依照本發明的自動立體顯示設備的可替換實施例中，為上面給出的實施例中的 顯示面板的一部分的層52可以形成透鏡裝置的襯底層，從而將這些層的功能與減少成本 重量或制造時間的機會組合。如上所述，透鏡陣列不僅基于折射率差值，而且基于透鏡的幾何結構，特別是透鏡 半徑R和透鏡間距P而設計。圖8示意性地示出了具有高折射率差值以及因而小的曲率的透鏡80 (圖8頂部) 的性能如何與具有低折射率差值以及因而大的曲率的透鏡(圖8底部)不同。圖8頂部示 出了在所述界面之一處具有與空氣的折射率差值0. 5以及焦距的0. 333倍的透鏡半徑的透 鏡。圖8底部示出了具有折射率差值0.1以及焦距的0.067倍的透鏡半徑的透鏡。光從左邊進入透鏡80。高折射率空氣透鏡提供了具有良好定義的焦點81的良好 形狀的光束。低折射率差值透鏡具有較大的曲率以及因而更多的球面像差。透鏡之后的光 束在區域82中表現出所謂的“焦散線(caustics)”。在該區域內，光線相互趕上，給出局部 高強度。焦距f為透鏡之后的距離，靠近軸的光線在該距離處相交。圖9示出了來自圖8的下面的實例的擴展圖。沿著光束的若干位置處的強度分布 被示出。在其中出現焦散線的區域80中，光束表現出兩個具有強度最大值的位點(參見標 繪圖90)。在焦散線的尖端處(標繪圖92)，兩個位點重合以形成一個高強度點。在該點的 右邊，強度分布再次變得平滑。標繪圖90可以被認為是透鏡的“焦散邊緣”，并且標繪圖92 是“焦散尖端”。本發明基于如上面所解釋的經受更壞的光學像差的這種光學性能如何可以引起 角度性能的改善的理解。為了理解透鏡設計如何影響光學系統的性能，可以將透鏡功能看 作探測像素結構的功能。這在圖10中示意性地進行解釋。左邊部分示出由未示出的透鏡 創建的光束剖面100，其調制與像素陣列110的像素關聯的光。這是如圖10的右邊所示的 低通濾波器卷積函數。該卷積函數導致信息熵的損失(欲知術語信息熵的更詳細的解釋，參見例如C. E. Shannon ^tJ A Mathematical Theory of communication, The Bell System Technical Journal, Vol. 27pp. 379-423， 623-656 July, October, 1948)。圖IlA示出了作為值I (y)的光束強度分布函數100，其中y為離中心軸的移位。熵損失基于函數100的傅立葉變換熵損失定義為圖IlB示出了用來導出熵損失的對數值。具有最緩慢衰減對數函數(即最緩慢衰減功率譜)的光束剖面將具有最少的信息 損失(圖11的曲線與χ軸之間的最小面積)，并且因而包含最多的高頻。這可以被認為表示 “銳度”函數。圖12在右邊示出了不同截面處光束剖面頻譜的功率譜的衰減。顯然，焦散尖端處 的剖面具有最緩慢的衰減功率譜。如果焦散尖端不存在，這是光束在透鏡上的充分大的入 射角的情況，那么焦散邊緣處的剖面具有次優光束剖面頻譜。上面的分析允許最大銳度點定義為其中剖面的功率譜最緩慢地衰減的點。在低折 射率差值透鏡與常規透鏡之間存在明顯的差異，如圖13中所示。標繪線130是定義為撞擊到靠近透鏡中心(即透鏡表面與光軸的交叉)的透鏡表面 上的鄰近光線的交點的焦點位置。標繪線132是其中光束的均方根(RMS)寬度最小的點的 位置。換而言之，其中光束的截面最小的點。顯著的差異是標繪線134所示的最大銳度點。 對于低Δ η透鏡，當與通常的透鏡相比時，該曲線具有大得多的曲率半徑。這意味著對于較 大的入射角，最大銳度點仍然相對地在很大程度上更靠近原始焦平面。事實上，低Δ η透鏡 的曲線由焦散尖端點圍繞透鏡中心(在這種情況下，中心表示形成透鏡的球面中心)旋轉而 形成。對于通常的透鏡而言，較大角度的曲線由焦散邊緣區域上的點(尖端不存在)形成。因此，可以看出，如果透鏡可以被設計成提供覆蓋所有入射角的焦散尖端區域，那 么可以改善銳度。圖14示出了最大銳度的標繪圖并且示出了焦散尖端區域140和焦散邊 緣區域142。如果進入的光線之一垂直地撞擊透鏡表面，那么焦散尖端存在。該光線經過限 定透鏡表面的球面的中心。如果光線的入射角太大(對于給定的透鏡孔徑而言)，那么尖端 不再存在。這允許確定用于透鏡的設計參數集。如圖15中所示，進入的光線彎向法向，將角 度范圍限制在光學裝置的第一層內。透鏡可以被設計成Δ η充分小，即透鏡充分彎曲，使 得對于每個進入角度(與空氣中的全角度范圍相應)而言，至少一條光線垂直地撞擊透鏡表 面。該設計規則于是提供了靠近像素平面的最大銳度區域，并且從而提供了上述優點。顯示器的像素平面在豎直線150的附近，并且觀察者在左邊。為了簡單起見，圖15 示出了從觀察者指向顯示器的光線，但是當考慮通過顯示像素定向到觀察者的光時，該分 析并不變化。存在表征提供該連續焦散尖端的透鏡設計的許多方式，其反過來引起上面解釋的 銳度改善。圖16用來示出各個不同的透鏡幾何參數。視圖的數量由透鏡間距ρ確定。由主錐角、限定的觀看角度的范圍由透鏡間距 P、從像素平面40到透鏡的距離d以及折射率n2確定。給定p、d、nl和η2，最優化透鏡半徑R以實現最小條帶。該透鏡半徑R確定焦距f，其稍大于所示實例中的距離d。已知從焦距偏移像素陣列，以便降低IXD面板的黑色掩蔽 層的成像效應。除了上面討論的低折射率差值之外，透鏡的光學性能可以由參數nl(p/2R)表征， 其中nl、p和R的值都被示出并且參照圖16進行解釋。該無量綱參數考慮了透鏡曲率和焦 距，以及當光進入透鏡體時光的彎曲。特別地，在nl被限定為在觀察者一側的透鏡裝置的 部分的情況下，這考慮了觀察者一側空氣界面處的彎曲。該參數使得光垂直于透鏡表面入 射的要求能夠被滿足。圖17將對于其確保垂直入射的區域顯示為陰影區域。該陰影區域的傾斜左邊界 由下式確定對于nl > V 2 nl(p/2R) = 1 對于nl <= V 2 nl(p/2R) = nl2/ 2 V (nl2_l) 右垂直邊界由下式給出 p/2R =I0對于圓形透鏡而言，所述間距不可能超過半徑的2倍，并且這決定了右邊界。圖17中的區域的邊界基于nl(p/2R)=l并且邊界內的點滿足nl (p/2R) >1。本發明更一般地適用于nl(p/2R)>0. 6的值。更優選地，nl (p/2R) >0. 8。甚至更優 選地，nl(p/2R)>l。在圖17中，區域180代表可行的透鏡幾何結構，并且區域182代表透鏡體的當前 最容易獲得的材料(不包括nl=l)。這給出了基于當前可獲得的材料并且滿足本發明的最優 選的透鏡設計參數范圍的區域184。圖8-17的實例具有nl<n2，向外彎曲的透鏡面指向觀察者。對于其中透鏡指向相 反方向(例如如圖5中所示)的幾何結構而言，相同的關系成立。在這種情況下，向外彎曲的 透鏡面指向顯示面板，并且nl>n2以形成正透鏡。本發明適用于所有類型的正透鏡并且在所有類型的基于柱狀透鏡的自動立體顯 示器中具有其有利效果。因此，形成透鏡界面的層之間的折射率差值不必是小的，只要依照 本發明的折射率、透鏡間距以及透鏡表面曲率的關系被滿足，因為這樣獲得了所述有利效^ ο在實踐中，所述透鏡系統可以包括超過兩個或三個介質，例如中間玻璃板/層或 者空氣間隙。上面的討論和分析基于球面透鏡。然而，可以使用非球面透鏡(例如具有兩個有效 半徑)。上面的分析于是可以被認為基于(沿著中心光軸的)透鏡中心處的有效透鏡半徑。材料的折射率依賴于光的波長。這通常以所謂的“阿貝數”來表示。由于該波長依 賴性，透鏡的焦點依賴于光的顏色。當由僅具有小的折射率差值的兩種材料制成透鏡時，作 為整體的透鏡的顏色依賴性將以大致為(naCTyli。-naJ/(na。ryli。-nsili。。J ^ 5的倍數提高， 導致顏色相關條帶。為了避免這點，不同材料的阿貝數應當匹配。阿貝數定義為
權利要求
1.一種光學裝置，至少具有其中它是透鏡裝置的透鏡模式，該透鏡裝置包括正柱狀透 鏡(11)陣列(9)，這些正透鏡中的每個對應透鏡包括第一層和第二層，第一層和第二層具 有彼此之間的限定柱狀透鏡表面的界面，第一層具有第一折射率并且第二層具有與第一折 射率不同的第二折射率，透鏡陣列具有透鏡間距并且柱狀透鏡表面在其中心處具有曲率半 徑，其中第一折射率與被曲率半徑的2倍除的透鏡間距的乘積大于0. 6。
2.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述乘積大于0.8。
3.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述乘積大于1。
4.如權利要求1所述的光學裝置，其中所述透鏡裝置具有與顯示器一側相對的觀察 者一側，并且第一層在該透鏡裝置的觀察者一側。
5.如前面的權利要求中任何一項所述的透鏡裝置，其中第一折射率是第一折射率和 第二折射率中的最低折射率。
6.如前面的權利要求中任何一項所述的透鏡裝置，其中第一折射率與第二折射率之 間的折射率差值的絕對值介于0. 05與0. 22之間。
7.如權利要求6所述的透鏡裝置，其中所述絕對值介于0.05與0. 15之間。
8.如前面任一權利要求所述的透鏡裝置，其中第一折射率和第二折射率中的最高折 射率處于1.4-1.65的范圍內。
9.如前面任一權利要求所述的透鏡裝置，其中第一折射率和第二折射率中的最低折 射率處于1.3-1.5的范圍內。
10.如前面的權利要求中任何一項所述的透鏡裝置，其中第一層和第二層在光學上各 向同性。
11.如前面任一權利要求所述的透鏡裝置，其中第一層和第二層具有基本上相同的阿 貝數。
12.如權利要求1所述的透鏡裝置，具有其中第一層和第二層之間的界面基本上平坦 的區域。
13.一種自動立體顯示設備，包括圖像提供裝置(3)以及位于該圖像提供裝置之前的依照前面任一權利要求的光學裝置(9)。
14.依照權利要求13的自動立體顯示設備，其中所述圖像形成裝置是電子顯示面板(3)。
15.依照權利要求13和14中任何一項的自動立體顯示設備，其中所述光學裝置被定 位成使得當處于透鏡模式下時，第一層在光學裝置的觀察者一側。
16.依照權利要求13或14的自動立體設備，其中所述透鏡裝置被定位成使得第二層 比第一層更靠近圖像提供裝置，并且其中第二折射率是第一折射率和第二折射率中的最低 折射率。
17.—種顯示自動立體圖像的方法，包括提供包含多個視圖的圖像以及通過依照權利 要求1-12中任何一項的透鏡裝置投影該圖像。
全文摘要
一種自動立體顯示透鏡裝置包括平行柱狀透鏡(11)陣列(9)，其中該透鏡陣列包括夾在平面襯底之間的不同折射率的第一和第二材料(60，62)，第一和第二材料之間的界面限定透鏡表面。第一材料具有折射率n1，透鏡陣列具有透鏡間距p并且柱狀透鏡在其中心處具有曲率半徑R，這些透鏡滿足n1(p/2R)>0.6。當用于自動立體顯示器時，這種裝置在陡峭角度下給出降低的條帶和強度損失。
文檔編號G02B27/22GK102047169SQ200980120347
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月27日 優先權日2008年6月2日
發明者F·皮爾曼, M·G·H·希丁克, M·P·C·M·克里恩, O·H·威廉森, S·T·德茲瓦爾特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司