[发明专利]双折射透镜结构

说明书

技术领域

本发明涉及定向显示装置及其制造。

背景技术

这种装置可以是可切换的二维(2D)/三维(3D)自动立体显示装置；可切换高亮度反射型显示系统；或多用户显示系统。这种系统可用于计算机监视器、电信手持机、数字照相机、膝上型和台式计算机、游戏装置、汽车和其他移动显示应用。

正常人类视觉为立体的，即每只眼睛看到略微不同的世界图像。大脑合并这两幅图像(称为立体对)来给出深度感觉。三维立体显示器将独立的、一般为平面的图像(对应于观看真实世界景象将看到的图像)重放到每只眼睛。大脑再次合并该立体对以给出图像中的深度外观。

图1a以平面图示出了显示面1中的显示表面。右眼2看到显示面上的右眼同源像点(homologous point)3，左眼4看到显示面上的左眼同源像点5，而生成由用户所感知的屏幕面后面的外观图像点(apparent imagepoint)6。

图1b以平面图示出了显示面1上的显示表面。右眼2看到显示面上的右眼同源像点7，左眼4看到显示面上的左眼同源点8，而生成在屏幕面前面的外观图像点9。

图1c示出了左眼图像10和右眼图像11的外观。左眼图像10中的同源点5位于基准线12上。右眼图像11中的相应同源点3位于与基准线12不同的相对位置3处。点3距基准线12的间距13称为像差(disparity)，并且在这种情况下是位于屏幕面后面的点的正像差。

对于景象中的一般的点来说，在如图1a所示的立体对的各图像中存在对应的点。这些点称为同源点。两幅图像之间的同源点的相对间距称为像差；具有零像差的点对应于在显示器的深度平面上的点。图1b示出具有非交叉像差的点出现在显示器后面，而图1c示出具有交叉像差的点出现在显示器前面。同源点的间距幅值、距观察者的距离、以及观察者两眼间距给出了在显示器上感知的深度量。

立体式显示器在现有技术中是众所周知的，立体式显示器指这样的显示器，其中用户戴有某种观看辅助设备以将发送到左眼和右眼的视图基本上分离开。例如，观看辅助设备可以是：滤色器，其中图像是彩色编码的(例如红色和绿色)；偏振镜，其中以正交偏振态对图像进行编码；或者快门镜，其中与镜的快门打开同步地将视图编码为时间序列图像。

自动立体显示器不需要观察者戴有观看辅助设备而进行操作。在自动立体显示器中，如图2所示，从空间上受到限制的区域可以看到各视图。

图2a示出了具有附带视差(parallax)光学元件17的显示设备16。该显示设备为右眼通道生成右眼图像18。视差光学元件17沿箭头19所示的方向引导光，以在显示器前面的区域中生成右眼视窗20。观察者将其右眼22放在窗20的位置处。示出左眼视窗24的位置用作参考。视窗20也可称为垂直延伸的光瞳。

图2b示出了左眼光学系统。显示设备16为左眼通道生成左眼图像26。视差光学元件17沿箭头28所示方向引导光，以在显示器前面的区域内生成左眼视窗30。观察者将左眼32放在窗30的位置处。示出了右眼视窗20的位置用作参考。

该系统包括显示器和导光机构。将来自左图像26的光发送到显示器前面的称为视窗30的受限区。如果眼睛32放在视窗30的位置处，则观察者在整个显示器16上看到适当的图像26。类似地光学系统将希望用于右图像18的光发送到单独的窗20。如果观察者将其右眼22放在该窗上，则在整个显示器上将看到右眼图像。通常，来自任一图像的光都可以看作已经光学导入(即引入)各自的定向分布中。

图3以平面图在显示面34上示出了显示设备16、17，显示设备16、17在窗平面42上产生左眼视窗36、37、38和右眼视窗39、40、41。窗平面距显示器的间距称为标称观看距离43。相对显示器在中央位置的窗37、40处于第零波瓣44中。在第零波瓣44右侧的窗36、39位于+1波瓣46中，而第零波瓣左侧的窗38、41位于-1波瓣48中。

显示器的视窗平面表示距显示器的距离，在视窗平面处横向观看自由度最大。如图3中平面图所示，对于离开窗平面的点，存在菱形自动立体观看区。如图所示，来自显示器上各点的光以宽度有限的圆锥照射到视窗上。圆锥的宽度被定义为角宽度。

如果眼睛位于的一对观看区(诸如37、40)中的一个中，则在显示器的整个区域内将看到自动立体图像。最重要的是(to a first order)，显示器的纵向观看自由度由这些观看区的长度来确定。