包含成像矩陣的圖像顯示裝置的製作方法

2023-06-18 04:43:21

專利名稱：包含成像矩陣的圖像顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及包含由橫向排列的成像元件組成的成像矩陣的圖像顯示 裝置，例如微透鏡陣列或透鏡陣列。更具體地說，成像元件可以是球面或非球面透鏡元件、全息光學元件(HOE)或其它任何類型的光學成像元件， 其互相組合或包含，在光傳播方向上堆疊排列。
背景技術：
本發明可以例如用於如自動立體顯示器、具有最佳位置單元的多用戶 顯示器和多圖像顯示器的圖像或視頻顯示裝置的圖像照明元件。此外，本 發明可以有益地用於大面積顯示裝置，例如廣告牌，通常用於投射圖像元 件。通過使用本發明避免了重的和大體積透鏡的應用。本文件中提及照明 元件和圖像元件指點元件。與包含最佳位置單元的顯示器結合時，本發明很重要，上述顯示器可 以為一個或多個用戶在二維和自動立體三維模式之間變換。最佳位置單元，特別是自動立體多用戶顯示器中的上述單元是定向照 明的裝置，例如用於圖像調製的透射圖像矩陣。最佳位置單元的未調製光 必須儘量均勻地穿透上述透射圖像矩陣的大區域。最佳位置單元包括具有成像元件的大面積成像矩陣，以便利用近似平 行的光束，將照明矩陣中已激活的照明元件的光以一個或多個同時生成的 最佳位置的形式投射到空間內至少一個觀看者的眼睛。將多個照明元件分 配給最佳位置單元的每個成像元件。對於每個最佳位置，位置探測器一次 僅為每個最佳位置激活一個或少數幾個照明元件，這取決於觀看者眼睛的 數目和位置。己發現最佳位置的範圍和最佳位置的光均勻性取決於激活的 照明元件相對於成像元件的位置。
朝向成像元件邊緣安置的照明元件與朝向成像元件中心安置的照明 元件生成的最佳位置具有不同的橫截面和不同的光分布。這是由於照明元 件位於與成像元件的後焦點不同的距離，導致了光束偏離平行傳播。這因而導致了最佳位置內的不均勻性和最佳位置間的串擾。因而，可 用公知最佳位置單元實現的可控視角受限，特別是對於多用戶模式。依靠 基於追蹤或多視點方法的自動立體顯示器，串擾的範圍取決於顯示器前方 觀看者的位置。前述圖像顯示裝置的圖像質量可以因成像矩陣的單個成像元件的光 學成像誤差而降低許多。除了例如照明禾IJ成像矩陣的周期結構組合特有的 球面像差、慧差、變形或摩爾條紋，大^度入射光的顯著的場曲也具有不 利影響。因此，本發明的目的在於減小利用成像矩陣將排列成矩陣的點元件投 射到物屏幕時的場曲效應。現在，場曲的影響將藉助於自動立體顯示器進行說明。上述顯示器的 圖像質量主要以兩眼之間的串擾範圍描述其特徵。與簡單的2D圖像不同，產生的反視立體像(pseudoscopic images)導 致觀看者感覺到深度反轉。這通過多視點和基於最佳位置的顯示器觀察， 由以傾斜角度入射到成像元件上的光束引起，而光束相對光軸的角度應當 儘量大，以產生大的觀看區域。具有最佳位置單元的顯示器採用可控照明 矩陣，例如OLED矩陣。照明矩陣近似位於可以是透鏡陣列的成像矩陣的 後焦平面。透鏡陣列的每個微透鏡發出校準的近軸光線。隨著光線的入射 角的增加，後焦點從平面照明矩陣向微透鏡移動(見圖1和圖2)。離開透 鏡陣列的圖像側的光不再校準，但隨入射角的增加分別聚焦。對於上述光 束，與觀看者平齊的最佳位置的範圍減小，光束已在觀看者前面聚焦，而 後發散。如果角度足夠大，這便就導致了串擾。場曲早已公知也是平行光學系統，也就是成像矩陣的光學成像誤差， 其發生在各個成像元件區域，對各個光學裝置的投射行為有不利影響。如 下面提到的現有技術的文件所示，已提出多種措施和解決方案來減小或抑
制場曲帶來的不利影響，例如通過在光學通路中增加其他光學元件，或通 過在伴有場曲的彎曲表面上安排成像元件。公開號為WO 03/090479的文件說明了利用透鏡陣列矯正立體顯示器 的場曲，其中將每個微透鏡的多個LED作為照明矩陣的元件排列在彎曲 表面。但是，這種形狀複雜的三維照明矩陣僅可以通過巨大的努力才能得 以實現。而且，上述解決方案的缺點在於照明矩陣的形狀必須總是與使用 的成像矩陣適應。這就意味著只要採用不同的成像矩陣，照明矩陣變就必 須改變。US6721101B2專利文件中公開了立體系統的兩部分或三部分透鏡陣 列。該陣列可以設計為規則形狀的顯微透鏡陣列或透鏡陣列，其形狀適於 矯正場曲和連續串擾的影響。但是，將其用於上述光學系統，也就是具有 大視角的系統則會有問題。由於單個透鏡元件的空間排列，會有導致暈光 的縫隙。如果光以非中心的大角度入射，貝l讓述縫隙引起圖像矩陣的非均 勻照明。但是，特別是多用戶顯示器需要大的視角。因此，總體上講，自 動立體顯示器中上述透鏡陣列的適用性有限。此外，由於微透鏡或透鏡的 多段排列，製造工藝的成本相當高。US6339506B1專利文件說明了在含有光學微型透鏡的應用中對場曲 和散光的矯正。為了矯正微型透鏡，上面的發明使用了顯微透鏡陣列，其 中每個顯微透鏡都再分為按照例如焦距的光學特性變化的透鏡子陣列。顯 微透鏡的焦距根據其中心到邊緣的距離變化。也就是中心附近的焦距最 小，朝向邊緣增大。場曲在具有排列在矩陣中的點狀光源的物平面上被矯 正。上述解決方案的缺點在於，儘管顯微透鏡的造價很高，但僅可以小角 度變化，亮度減小。同樣，單個透鏡和透鏡陣列的排列和分配需要十分精細，以便能夠達 到所需的矯正。EP1005666A1專利申請中說明了如何將彎曲CRT表面上生成的圖像 作為自動立體顯示器的平面表面上的3D表現來觀看或處理。從CRT向顯 示器傳送圖像實際上意味著將彎曲表面的圖像投射到平面上以進一步使 用。為此，位於三個二維彎曲表面的規則顯微透鏡陣列位於CRT和顯示 器之間。所有的顯微透鏡的大小都相同。單個陣列的顯微透鏡之間的距離 僅因為各個陣列的曲率而改變。在上述排列下，通過三個不同的彎曲透鏡 陣列而非單個顯微透鏡的圖像場曲的方式，將全部圖像場的曲率變平。上 述排列的缺陷在於精密製造許多顯微透鏡並正確安置在三個二維彎曲表 面，以及整個裝置的龐大設計需要巨大的努力。在EP0404289的專利中公開了在平的屏幕前產生圖像三維感覺的帶 有透鏡陣列的觀看裝置。這是帶有圖像空間交錯和圖像分離裝置的自動立 體多視點顯示器。透鏡陣列的厚度增加，各個柱面透鏡的間距在水平方向 減小，從透鏡陣列的中心到邊緣是對稱的。上述措施也矯正全部圖像場， 而非由光學誤差確定的透鏡陣列的單個柱面透鏡的光學影響。因而上述解 決方法不適合與本申請結合。發明內容本發明的一個目的在於用包括光學成像元件的成像矩陣的圖像顯示 裝置來減小光學裝置中因大視角產生的各個圖像元件的場曲所引起的的 光學誤差。矯正應盡少使用光學裝置，應當保持圖像觀看裝置的設計儘量平，並 且應當很好地適應成像矩陣生產工藝。本發明基於一發現，即在具有最佳位置單元的圖像顯示裝置中，公知 的場曲導致了局部圖像相當大範圍的串擾，以及圖像表現的不均勻。本發明基於一種圖像顯示裝置，其包括具有光學成像元件的成像矩陣 和物平面中的多個點元件，上述點元件通過成像元件投射到觀看空間。根據本發明，上述問題通過利用包含多個光學矯正元件的矯正矩陣補 償成像矩陣的場曲引起的不利影響而得以解決。每個光學成像元件分配一 個光學矯正元件。矯正矩陣的結構由其對成像元件(或成像元件的間距)的分配，和由 對應成像元件的場曲確定的矯正元件的形狀確定。
本發明的一個優點在於僅匹配投射和矯正元件的形狀和間距，不受照 明矩陣和圖像矩陣的結構的約束。這使得在為現有的成像矩陣結構製造顯 示裝置時，採用多個成像矩陣和照明矩陣結構而不進行任何改變成為可 能。為了矯正場曲，單一的矯正矩陣最好置於成像矩陣的光學通路上。為了避免點元件的成像中因折射率跳升出現的幹擾反射，根據光學通 路中矯正矩陣的位置匹配矯正矩陣與相鄰的媒介的折射率。在具有定向背光的自動立體多用戶顯示器的本發明的較佳實施例中， 排列在矩陣中的點元件為照明矩陣中的可控照明元件，其通過成像矩陣投 射到至少一個觀看者的眼睛。照明矩陣可以含有例如LED或OLED的主動照明元件，以及例如照 明LC顯示器的像素或子像素的被動照明元件。可控照明元件可以例如是 任何確定數目的遮光器開口 ，每個上述開口都被分配給成像矩陣和矯正矩 陣中的一個元件。這意味著每個成像元件和矯正元件分別將分配數目的照 明矩陣的像素投射到觀看空間。如果成像矩陣例如是平行排列的凸面微透鏡的透鏡陣列，則矯正矩陣 是平行的凹面微透鏡的透鏡陣列。矯正矩陣最好與照明矩陣相鄰，甚至與 其平面表面連接。在顯示器的矯正矩陣的另一實施例中，上述矯正矩陣與成像矩陣的位 置緊接。而後其形成為平行排列的凸矯正元件的透鏡陣列，上述透鏡陣列 的平面表面連接起成像矩陣作用的透鏡陣列。上述兩個矯正矩陣的實施例 有益地保持自動立體顯示器的極其平的設計。矯正矩陣的製造過程必須能 夠極好地適應成像矩陣的製造過程，以便儘量低成本地製造兩個矩陣。因 而，可以為兩個矩陣創造相同的最佳製造條件，並消除可能的誤差源。在另一實施例中，矯正矩陣的平面表面連接薄載板，上述單元作為獨 立部分置於照明矩陣和成像矩陣之間。在具有照明矩陣的圖像顯示裝置的較佳實施例中，矯正矩陣具有可變 光學參數。這使得組合的投射和矯正矩陣可以利用多部分液體透鏡實現。
本發明另一實施例中，物平面的點元件可以是多視點顯示器的圖像元 件，圖像矩陣可以含有圖像或視頻的至少兩個視點。在此，矯正矩陣有益地置於成像矩陣和圖像矩陣之間。通過構建採用的照明矩陣或圖像矩陣的表面，可以使矯正矩陣的製造 過程在技術上變得容易。因而上述結構的形狀由待矯正的成像矩陣的場曲 的形狀確定。本發明提供的自動立體顯示器具有更大觀看區域、更均勻的立體圖像 或圖像序列的照明和改善的成像質量。


現藉助較佳實施例對本發明進行說明。在附圖中，本發明以俯視圖由 下列附圖表示。圖l，在投射時通過透鏡陣列的微透鏡的兩個照明元件的光束，場曲，以及光通路的詳細視圖，表示場曲對光束中的一個的影響；圖2，在近軸光線的幫助下通過透鏡陣列中的一個微透鏡的像素聚焦；圖3，矯正元件的一實施例，其直接裝在照明陣列(未全部示出)的 玻璃表面上；以及圖4，表示本發明的兩個進一步實施例的透視圖，這兩個都是組合元件。
具體實施方式
現將根據本發明詳細說明在投射成像矩陣的點元件時矯正矩陣 的效果。成像矩陣由例如條紋或透鏡形式的成像元件組成。照明矩陣由多 個照明元件組成。圖1以簡化的形式表示自動立體多用戶顯示器中場曲的影響。場 曲表示傾斜光線的後焦點的實際路線，其在照明元件通過成像矩陣的 成像元件投射時出現。照明矩陣(圖中僅表示部分)，例如遮光器2， 含有許多個作為照明元件的像素1。從光傳播的方向看去，具有作為 在觀看者的眼睛處聚焦光線的圖像元件的平行條紋形狀的微透鏡31 的透鏡陣列形式的成像矩陣置於照明矩陣後面，圖中僅表示一個微透 鏡31。場曲6用點線表示，從與微透鏡的光學軸距離相等的兩個像 素看到一個窄的投射光束，但方向相反。圖1的細節表示由於場曲6 的影響，平行光束8的焦點位於遮光器平面前方的曲線上。所有投射 光束都是這樣。光線的入射角增加時，後面的焦點從照明矩陣移動到 微透鏡31。這表示由於焦點的錯位，遮光器平面的像素1不如預期 一樣經由平行光束8投射。由於待投射的像素1此時位於兩倍焦距的 範圍內，光線不再以校準光線的形式離開透鏡陣列的圖像側，而是根 據入射角的增加朝透鏡陣列聚焦。反之，近軸光線作為校準光線離開 微透鏡。由像素尺寸和觀看者的距離確定最佳位置的範圍。對於圖1 中的光束8，在觀看者水平處減小最佳位置的範圍，直到光束在觀看 者前面良好聚焦，並且只要角度足夠大則甚至再次發散到達觀看者的 另一隻眼睛。這導致串擾。觀看者離中心位置的距離越遠，上述光學 誤差的效果越顯著。由於照明元件的不當成像，對觀看窗的邊緣發生 模糊和其他不利效果。上述缺陷不僅在多用戶顯示器中觀察到，如果要實現大視角或多 視點，則還在多視點顯示器和大面積顯示裝置中觀察到。圖1的細節表示像素1向彎曲焦點平面的偏移，光線經過微透鏡 後即聚焦，最後在觀看平面發散。由於觀看者的給定位置，微透鏡 31的所有光線都具有已說明的導致發散的上述角度。對於所有微透 鏡和全部最佳位置單元，這導致了透射圖像矩陣的不均勻照明和串 擾。觀看者察覺到帶有上述幹擾的圖像或視頻。由於觀看者位於圖像 矩陣前方的不同位置，這將對多個觀看者的顯示器具有顯著的負面影 響。位置探測器確定他們的位置，使得最佳位置單元以擴展的最佳位 置的形式將光束傳遞到觀看者的每隻眼睛。最佳位置單元包含照明矩 陣和從光傳播的方向看去排列在照明矩陣後面的成像矩陣。最佳位置
被定義為無串擾的立體觀看區域，產生最佳位置的光束利用圖像矩陣 中的右側和左側圖像信息交替調整光線，均勻地穿透排列在最佳位置單元後面的圖像矩陣，從而允許在2D或3D模式下可選擇地觀看。 鑑於擴展的最佳位置，觀看者在其位置周圍移動的確定範圍享受而不 會失去立體感受。依靠觀看者的位置，根據光束的通路激活照明矩陣 的照明元件，即像素l。可以預定與一個成像元件有關的任何數目的 像素。如果觀看者移動，將通過激活其他像素追蹤最佳位置。像素離 軸的位置越遠，由場曲引起的光學分散越大，因場曲而減弱最佳位置 的照明。除了降低的圖像質量，圖像矩陣的照明也會因分散光部分的 相互影響而被感到不均勻。圖2表示像素1沿微透鏡31的光軸成像，像素通過近軸光束投 射到最佳位置。成像矩陣由垂直方向上排列的多個平行微透鏡的透鏡 陣列組成，圖中僅表示1個微透鏡31。將遮光器2的任何數目的像 素1分配給一個微透鏡31，並位於上述微透鏡前面。待投射的像素1 位於微透鏡31的焦點附近，以平行光束8的形式定向到觀看空間內 觀看者的右/左眼(圖中未示)。圖3表示本發明解決上述問題的一實施例。具有矯正場曲6 (圖 1)的矯正元件的矯正矩陣置於物平面附近，位於遮光器2的表面。 具有凹球面透鏡41的透鏡陣列4在本實施例中用作矯正矩陣，圖中 僅表示一個上述微透鏡。透鏡陣列4的微透鏡41的表面表示出由場 曲6預定的曲率，從而補償成像矩陣的場曲。進一步排列透鏡陣列使得每個微透鏡31與矯正微透鏡41的位置 嚴格相對，而考慮到通過透視後的縮減，微透鏡31、 41的間距大致 相同。本發明的一個優點在於在定向背光的自動立體多用戶顯示器中， 無論相對成像元件的像素的位置如何，對於遮光器2的每個可控像素 1，平行光束8都幾乎相同。根據本發明，還可以通過構建照明矩陣的表面實現場曲矯正，使
公知的場曲走向橫向變平，從而補償程序矩陣的光學誤差。矯正矩陣可以被安排在照明矩陣和成像矩陣之間的任何位置。其 結構取決於場曲在其實際位置的必要矯正。為了抑制還導致最佳位置和圖像矩陣照明不均勻的反射，使矯正 矩陣的折射率適應周圍媒質的折射率是有用的。上述需求可以通過例 如用於製造透鏡的塑料材料來達到。從而避免光學通路中界面上不希 望有的反射。最好將照明矩陣的表面和矯正矩陣的平面表面通過例如 粘合連接在一起而不改變折射率。矯正陣列的其他實施例如圖4a和圖4b所示。透明載板7例如通 過聚合物鑄件裝備有矯正陣列4或/和5中的一個，作為單獨的複合 元件置於照明矩陣和成像矩陣之間。箭頭表示兩幅圖中光的入射方 向。將包含組件7和4的複合元件置於十分接近照明矩陣的載板側以 便矯正場曲。但是，還可以為矯正的目的利用包含組件7和5的複合 元件。最後，其載板側必須置於非常接近成像矩陣的位置。上述複合 元件顯示了形狀的巨大強度。其良好的以處理性使其可以有效並可靠 地製造和裝配。本發明應用的主要領域是通常用於廣告目的的多視點立體顯示 器，含有從不同角度以扇形方式投射到空間的薄膜上的硬拷貝或其他 任何數據載體的多視點。此處照明可以為透射或反射的。根據本發明的另一實施例，通常可以應用GRIN透鏡作為單個微 透鏡31的矯正元件。其特徵在於其含一種物質，其中透鏡的效果由 折射率的持續變化產生，該折射率為媒質中的空間坐標的函數，並且 製造過程中可以設置折射率分布。這便可以在最初防止幹擾的光學誤 差。上述透鏡可以是凸或凹透鏡的形狀，以條紋透鏡的形式出現。場曲的問題還可以通過作為矯正矩陣的具有可變焦距的所謂液 體透鏡解決。該透鏡含有至少兩個組件，如果施加電壓則持續改變焦 距。通過使其參數與使用的微透鏡的參數相適應，可以有益地防止或 者至少最小化場曲和其他像差，如以上對GRIN透鏡所述。
根據本發明，利用最小的光學裝置矯正場曲，同時保持儘可能平 的設計，獲得低製造成本。另一優點是可以用同樣或類似的工藝過程製造矯正矩陣和成像 矩陣。根據本發明，利用矯正矩陣並結合作為定向背光的自動立體顯示器的成像矩陣的透鏡陣列，或結合多視點顯示器，或結合通常利用 具有大面積顯示裝置的成像功能的透鏡陣列，獲得改良的成像質量，並在定向背光的立體顯示器的情況下以不變的亮度更均勻地為2D和 3D顯示的信息載板照明。由於根據本發明的場曲矯正，保持了多用戶顯示器的照明矩陣的 解析度性能和可控的觀看者位置的數目，因為僅為每個探測到的觀看 者的位置激活最少數目的照明元件，從而通過最佳位置的方式將立體 圖像信息分配給觀看者。與像素相關的可用照明元件都可單獨激活。 矯正矩陣不會以任何方式影響圖像矩陣的可替換性。本發明的另一優點在於，自動立體多用戶顯示器可以結合任何數 目的甚至非常多的像素通過一個微透鏡投射。這使得微透鏡可以相當 寬，製造誤差可以不是很嚴格，因此使構建的透鏡膜的製造成本減小 許多。
權利要求
1.具有成像矩陣的圖像顯示裝置，包含光學成像元件和物平面中的多個點元件，上述點元件由上述成像元件投射到觀察空間，其特徵是每個成像元件分配有一個單件的光學矯正元件。
2. 根據權利要求1所述的圖像顯示裝置，其特徵是光學矯正元件形成 矯正矩陣，其結構由單個成像元件的場曲確定的矯正元件的形狀確定。
3. 根據權利要求2所述的圖像顯示裝置，其特徵是矯正矩陣的位置盡 量與物平面靠近。
4. 根據權利要求2所述的圖像顯示裝置，其特徵是矯正矩陣的位置盡 量與觀看空間中的觀看平面靠近。
5. 根據權利要求1所述的圖像顯示裝置,其特徵是矯正元件的間距大 致等於成像元件的間距。
6. 根據權利要求2所述的圖像顯示裝置，其特徵是在光學通路上僅安 置一個矯正矩陣。
7. 根據權利要求1所述的圖像顯示裝置，其特徵是使矯正元件的折射 率適應周圍介質的折射率。
8. 根據權利要求1所述的圖像顯示裝置，其特徵是點元件為照明矩陣 的可控照明元件，其中上述照明元件發出的光以平行光束的形式導入至少 一個觀看者的眼睛，上述光束在到達觀看者眼睛的途中儘量均勻地穿透圖 像矩陣。
9. 根據權利要求8所述的圖像顯示裝置，其特徵是成像矩陣為平行排 列的凸面微透鏡(3 l)的透鏡陣列。
10. 根據權利要求8所述的圖像顯示裝置，其特徵是照明元件為遮光 器(2)的可控照明開口，總數為任何確定的數目，以在各個情況下為一個微 透鏡(31)形成功能單元。
11. 根據權利要求8所述的圖像顯示裝置，其特徵是照明矩陣包含主 動發光照明元件。
12. 根據權利要求2所述的圖像顯示裝置，其特徵是矯正矩陣是平行 排列的矯正元件(41/51)中的透鏡陣列(4/5)。
13. 根據權利要求8所述的圖像顯示裝置，其特徵是矯正矩陣的平面 表面與照明矩陣的表面相結合。
14. 根據權利要求2所述的圖像顯示裝置，其特徵是矯正矩陣顯示可 變光學參數。
15. 根據權利要求14所述的圖像顯示裝置，其特徵是可變光學參數是 焦距，矯正元件是每個微透鏡(31)的一個液體透鏡。
16. 根據權利要求1所述的圖像顯示裝置，其特徵是連續改變折射率 的單件GRIN透鏡同時是成像元件和矯正元件。
17. 根據權利要求1所述的圖像顯示裝置，其特徵是點元件為自動立 體顯示器的圖像矩陣的圖像元件。
18. 根據權利要求17所述的圖像顯示裝置，其特徵是圖像矩陣包含一 個圖像或視頻表現的至少兩個視點。
19. 根據權利要求17所述的圖像顯示裝置，其特徵是矯正矩陣置於成 像矩陣和圖像矩陣之間。
20. 根據權利要求2、 8和17所述的圖像顯示裝置，其特徵是通過選 擇性地構建照明矩陣或圖像矩陣的表面形成矯正矩陣，使得該結構的形狀 能夠矯正場曲(6)。
全文摘要
本發明涉及包含由橫向排列的成像元件組成的成像矩陣的圖像顯示裝置，例如微透鏡陣列或透鏡陣列，置於物平面並由觀看室內的成像矩陣形成的多個點元件。為了減小引起大視角的單個成像元件的圖像場曲的成像誤差，由包括多個光學矯正元件的矯正矩陣進行補償。光學矯正元件與每個單個的光學成像元件有關。本發明可以例如用於如自動立體顯示器、具有最佳位置單元的多用戶顯示器和多圖像顯示器的圖像或視頻顯示裝置，以便使照明元件成像。本發明還涉及包括最佳位置單元的為一個或多個觀看者在二維和自動立體三維模式之間變換的顯示器。
文檔編號H04N13/00GK101107866SQ200680003016
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月19日 優先權日2005年1月24日
發明者阿明·史威特納 申請人:視瑞爾技術公司