[发明专利]可切换的双折射柱面透镜阵列

说明书

本申请是申请日为2004年2月4日、申请号为200480003660.X、发明名称为“可切换的双折射柱面透镜阵列”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及的是光学显示设备，尤其是用于显示设备的可切换能动透镜。这种可切换能动透镜可用来提供：可切换二维(2D)/三维(3D)自动立体显示设备；可切换高亮度反射型显示系统；或者，多用户显示系统。这些显示系统可用于计算机监视器、手持型通信装置、数码相机、膝上型和台式计算机、游戏机、车用以及其他移动显示应用领域。

3D显示

正常的人的视觉是有立体感的，即每只眼睛看到的世界的图像稍有不同。大脑将两个图像合并起来(称为“立体像对”)，产生出深度的感觉。对应于假若看真实世界的景物会看到的那种情形，三维立体显示将单独的、大致平面的图像重现给各眼睛。大脑再次合成立体像对，而在图像中产生出深度的表现。

图1a以平面视图的方式显示出显示面1中的显示表面。右眼2看到的是显示面上的右眼同源像点3，左眼4看到的是显示面上的左眼同源像点5，从而生成了被屏幕面后面的用户所接收到的视在像点6。

图1b以平面视图的方式显示出显示面1中的显示表面。右眼2看到的是显示面上的右眼同源像点7，左眼4看到的是显示面上的左眼同源像点8，从而生成了幕面前面的视在像点9。

图1c显示的是左眼图像10和右眼图像11的形式。左眼图像10中的同源像点5位于基准线12上，右眼图像11中对应的同源像点3相对于基准线12位于不同的相对位置3上。像点3离开基准线12的距离13称为视差，在本情形中，对于将位于屏幕面后面的点来说，该视差为正视差。

对于景物中一般的点来说，在图1a所示立体像对的每个图像中都有对应的点。这些点称为同源点。两个图像之间同源点相对分开的距离称为视差。零视差的点对应着显示装置景深面上的点。图1a显示的是视差不为零的点出现在显示装置的后面，图1b显示的是视差不为零的点出现在显示装置的前面。同源点分开的大小、到观看者的距离以及观看者两眼分开的距离，产生了在显示装置上感觉到的深度量。

立体感型显示装置在现有技术中是公知的，指的是用户戴上某些种类的观看辅助装置而将送给左、右眼的图像实质上分开的显示装置。例如，观看辅助装置可以是将图像进行颜色编码(即红色和绿色)的滤色器，可以是按照正交的偏振态对图像进行编码的偏振眼镜，或者可以是将视像与眼镜快门的打开同步地编码成图像时间序列的快门眼镜。

自动立体显示装置工作时不需要观看者戴观看辅助装置。在自动立体显示装置中，如图2所示，能够从在空间中受到限制的区域看每个视像。

图2a所示的显示装置16具有附加的视差光学元件17。该显示装置对于右眼路径生成右眼图像18。视差光学元件17沿着箭头19所示的方向引导光，在显示装置前面的区域生成右眼观看窗口20。观看者将其右眼22置于观看窗口20的位置。示出了左眼观看窗口24的位置作为参照。观看窗口20也可以称为竖直延伸的光瞳。

图2b示出的是左眼光学系统。显示装置16对于左眼路径生成左眼图像26。视差光学元件17沿着箭头28所示的方向引导光，在显示装置前面的区域生成左眼观看窗口30。观看者将其左眼32置于观看窗口30的位置。示出了右眼观看窗口20的位置作为参照。

该系统包括显示装置和光学导向机构。从左图像26来的光送给被称为观看窗口30的显示装置前受限区域。如果眼32放在观看窗口30的位置，那么，观看者就能够在整个显示装置上看到合适的图像26。类似地，该光学系统将用于从右图像18来的光送给单独的观看窗口20。如果观看者将其右眼22放在该观看窗口的位置，那么将会在整个屏幕上看到右眼图像。总的来说，从任何一个图像来的光都可以被认为被光学导向(即引导)成为了各自的方向分布。

图3以平面视图的形式示出了显示装置16、17在显示面34中于窗口面42上生成左眼观看窗口36、37、38和右眼观看窗口39、40、41。窗口面从显示装置分开的距离称为名义观看距离43。相对于显示装置位于中央位置的观看窗口37、40处于零级波瓣44，零级波瓣44右侧的观看窗口36、39处于+1级波瓣46，而零级波瓣44左侧的观看窗口38、41处于-1级波瓣48。

显示装置的观看窗口面表示从显示装置开始横向观看自由度最大的距离。对于离开窗口面的点来说，如图3平面视图所示的那样，有一个菱形的自动立体观看区。如能够看到的那样，来自横跨整个显示装置的每一个点的光按照宽度有限的锥形传播到观看窗口。锥的宽度可以定位为角宽度。