CN101122684A - 无莫尔纹的立体显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体显示装置，包括显示屏和放置在该显示屏前方的光栅，通过设定光栅与显示屏像素排列方向之间的夹角，使光栅与显示屏之间产生的莫尔纹的宽度小到人眼无法分辨的程度，以此来消除和降低光栅与显示屏之间产生的莫尔纹。利用本发明的上述技术方案实现的立体显示装置，不需额外花销就能够达到大大降低甚至消除莫尔纹的效果，极大提高了立体显示质量。

Description

无莫尔纹的立体显示装置及方法

技术领域

本发明涉及立体显示领域，尤其涉及一种消除了莫尔纹的立体显示装置及方法。

背景技术

目前市场上的显示器都以平面显示为主。随着科技的进步和发展，三维立体显示技术应蕴而生。三维立体显示技术的应用使人们能够通过三维立体显示器裸眼看到立体的画面并且不用佩戴立体眼镜。现有的裸眼三维立体显示器主要基于双目视差而开发的，主要是光栅式3D立体显示器；它由2D平面矩阵显示器(包括普通的液晶显示器LCD、等离子显示器PDP、场发射显示器FED、有机电致发光显示器OLED等)上加装光栅而成，光栅可分为柱面光栅和狭缝光栅，柱面光栅又称为柱面透镜光栅或柱镜透镜，狭缝光栅又称为视障挡板或狭缝挡板，但是由于显示器中像素是有序排列的矩阵结构，其发出的光场也会带有矩阵结构，这样的光场与显示器前面的光栅相互作用将形成莫尔纹(如图1所示，标记1表示光栅，标记2表示矩阵显示器，标记3表示由光栅1和矩阵显示器2共同产生的莫尔纹)，显然，莫尔纹的产生对三维立体画面的效果会有很大的影响，会破坏图像的观赏性，严重影响视觉效果。

现有技术中也有消除莫尔纹的方法，参见图2，背光源4发出的光对矩阵显示器的图像层5进行照明后，图像层5被照明并变成次光源，由于图像层5是矩阵结构，其发出的光场也会带有矩阵结构，它与前面的光栅相互作用形成莫尔纹，通过在图像层5与狭缝光栅7之间布置一个散射屏6，散射屏6将使图像层5产生的矩阵结构光场和狭缝光栅7反射形成的光栅结构光场均受到干扰和破坏，从而使莫尔纹消失。但是该方案中由于散射屏6的引入，将会降低图像的透射率，而且由于散射屏散射的原因，图像也会产生一些失真；因此这样的消除莫尔纹的方案并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无莫尔纹的立体显示装置以及立体显示装置中消除莫尔纹的方法，既能够使三维立体显示的画面能够达到没有莫尔纹影响的程度，而且不需要消耗额外的材料，极大节约生产成本。

为达到本发明的目的，提供一种立体显示装置，包括显示屏和放置在该显示屏前方的光栅，光栅以与水平方向成θ角度放置，其中将子像素的排列方向定位水平方向，所述θ属于由下列三步计算分别获得的解集的交集之内：

第一步计算：

${\mathrm{\θ}}_n>\arccos \frac{P^2(n^2{A}^2+B^2)-A^2{B}^2}{2\mathrm{nAB}{P}^2}$

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

第二步计算：

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

第三步计算：

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围。

本发明还提供一种降低或消除立体显示设备中的莫尔纹的方法，其中该显示设备包括显示屏及其前方的光栅，包括如下步骤：

第一步：计算光栅与水平方向像素之间的遮光线形成的莫尔纹不可见的θ范围；

第二步：计算光栅与垂直方向像素之间的遮光线形成的莫尔纹不可见的θ范围；

第三步：计算光栅与象素之间遮光线的节点在与水平方向成71.56°的方向上形成莫尔纹不可见的θ范围；

第四步：将上述三个步骤中得到的θ范围交集；得到交集后的θ范围；

第五步：将光栅与水平方向成θ放置在所述显示屏前方。

所述第一步具体为：采用如下公式计算，

${\mathrm{\θ}}_n>\arccos \frac{P^2(n^2{A}^2+B^2)-A^2{B}^2}{2\mathrm{nAB}{P}^2}$

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

所述第二步具体为：采用如下公式计算，

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

所述第三步具体为：采用如下公式计算，

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围。其中n的取值范围可以根据实际情况设定。

本发明的上述技术方案，解决了光栅立体显示装置中出现的莫尔纹的问题。使得三维立体显示的画面更加具有观赏性，得到更好的视觉效果。

附图说明

图1为莫尔纹的产生原理图；

图2为现有技术中消除莫尔纹的结构图；

图3为两个光栅重叠产生的效果图；

图4为本发明第一种局部放大后的莫尔纹分析图；

图5为本发明第二种局部放大后的莫尔纹分析图。

具体实施方式

本发明中消除莫尔纹是通过设定光栅刻痕方向(以下简称光栅方向)与显示器象素排步方向的夹角来实现的。经反复实验，发现光栅方向与显示器象素排步方向的夹角变化会影响产生的莫尔纹的宽度。这样，光栅方向与显示器象素方向的夹角在一预定的角度就能够使莫尔纹的宽度很小以使人眼无法分辨，利用这样的两种办法就可实现减轻或消除莫尔纹。

将两个光栅重叠，如图3所示。从图中可以看到一系列的交叉点。由这些点一一相连，无论横向，竖向或者斜向都会形成不同方向的条纹，这些有规律的条纹都会导致莫尔纹。当两个光栅成一定角度重叠的时候，点矩阵会有很多种连接方法。任意两个连接点之间的距离也各不相同，距离最短的点之间连接起来就形成比较明显的莫尔纹，距离越长的点连接起来就形成越不明显的莫尔纹。

下面计算各种情况下产生的莫尔纹的参数。参考图4，图中有两个重叠光栅，该图为光栅局部视图，两光栅交叉角为θ，其中一个光栅的栅距为a(相当于显示屏像素之间遮光线的宽度)，另一个光栅的栅距为b，由于附图大小的限制，在图中示出两光栅的六个交叉点，分别为固定点、点-1、点0、点1、点1.1和点2；在点0到点2的延长线上，还有未示出的交叉点，依次为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12；在点0到点-1的延长线上，还有未示出的交叉点，依次为-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10。本发明中点-10...点-1、点0、点1、点1.1、点2...点12等仅仅为标记名称，数值没有任何意义。

首先计算第一种莫尔纹的参数：连接固定点和点0并双向延长，连接点1.1和点1并双向延长，固定点和点0的延长线与点1.1和点1的延长线相互平行，同时连接两个光栅上所有的交叉点，每条连线均与上述两平行线平行，所有的平行线构成一种莫尔纹，莫尔纹的宽度(即两相邻平行线之间的距离)为： $W\left(0\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{a^2+b^2-2\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$ 公式具体的推到过程这里就不做详细说明。

下面计算第二种莫尔纹的参数：第二种莫尔纹的结构参见图5，连接固定点和点-1并双向延长，连接点1.1和点0并双向延长，固定点和点-1的延长线与点1.1和点0的延长线相互平行，同时连接两个光栅上所有的交叉点，每条连线均与上述两平行线平行，所有的平行线构成第二种莫尔纹，莫尔纹的宽度为： $W(-1)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{4a^2+b^2-4\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

与上述两种方式类同，可以将各种莫尔纹的宽度一一计算出来，分别如下：

平行于固定点与点1的连线产生的莫尔纹的宽度为：W(1)＝a；

平行于固定点与点1.1的连线产生的莫尔纹的宽度为：W(1.1)＝b；

平行于固定点与点2的连线产生的莫尔纹的宽度为： $W\left(2\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{a^2+b^2+2\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点3的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(3\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{4a^2+b^2+4\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点4的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(4\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{9a^2+b^2+6\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点5的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(5\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{16a^2+b^2+8\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点6的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(6\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{25a^2+b^2+10\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点7的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(7\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{36a^2+b^2+12\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点8的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(8\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{49a^2+b^2+14\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点9的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(9\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{64a^2+b^2+16\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点10的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(10\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{81a^2+b^2+18\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点11的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(11\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{100a^2+b^2+20\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点12的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W\left(12\right)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{121a^2+b^2+22\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-2的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-2)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{9a^2+b^2-6\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-3的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-3)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{16a^2+b^2-8\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-4的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-4)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{25a^2+b^2-10\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-5的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-5)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{36a^2+b^2-12\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-6的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-6)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{49a^2+b^2-14\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-7的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-7)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{64a^2+b^2-16\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-8的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-8)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{81a^2+b^2-18\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-9的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-9)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{100a^2+b^2-20\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

平行于固定点与点-10的连线产生的莫尔纹的宽度为：

$W(-10)=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{121a^2+b^2-22\mathrm{ab}\×\cos \mathrm{\θ}}};$

以此类推，可以得到所有莫尔纹的宽度计算公式，这里就不再一一列出。对于莫尔纹的宽度为：W(1)＝a和W(1.1)＝b的情况，由于a和b很小，通常小于一毫米，人眼不能分辨，这里就不用考虑。

因此就不再考虑这两种情况下的莫尔纹情况，我们将其它情况下的莫尔纹计算公式合为一个通式： $W=\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{{\left(\mathrm{na}\right)}^2+b^2\±2\mathrm{nab}*\cos \mathrm{\θ}}},$ n为正整数，θ是两光栅之间的夹角。假设人眼能看到的最小莫尔纹的宽度为P，根据上述通式可以推出，当a、b一定时，人眼看不到莫尔纹，θ应在的范围为：

$\mathrm{\&theta;}>\arccos \frac{P^2(n^2{a}^2+b^2)-a^2{b}^2}{2{\mathrm{nabP}}^2}$ 或 $\mathrm{\&theta;}<\arccos \frac{a^2{b}^2-(n^2{a}^2+b^2)P^2}{2\mathrm{nab}{P}^2};$

以上公式中，a²b²-(n²a²+b²)P²＝a²b²-n²a²P²-b²P²＝b²(a²-P²)-n²a²P²其中，a很显然小于P，所以b²(a²-P²)＜0，b²(a²-P²)-n²a²P²＜0，即a²b²-(n²a²+b²)P²＜0因此， $\arccos \frac{a^2{b}^2-(n^2{a}^2+b^2)P^2}{{2\mathrm{nabP}}^2}$ 必定＞90°小于180°，故而θ只要＜90°均满足该不等式。由于只需要考虑光栅与像素之间遮光线的夹角即0°-90°，因此，只需要考虑 $\mathrm{\&theta;}>\arccos \frac{P^2(n^2{a}^2+b^2)-a^2{b}^2}{2\mathrm{nab}{P}^2}$ 的范围。

由于显示屏像素可以在三个方向上有比较明显的遮光线(从而形成光栅)，即：水平方向，垂直方向以及倾斜方向(与水平成71.56度的方向，由子像素对角连接线形成，也即像素之间遮光线的节点连接形成)，这些黑色遮光线会形成规律性的排列，其与显示器前面的光栅互相影响形成莫尔纹。本发明中为了全面考虑显示屏中像素之间遮光线构成的光栅对莫尔纹的影响，相应的也分为三种情况进行分析，三种情况各获得的θ的范围的交集即为要消除或降低莫尔纹时光栅与水平方向的夹角应设置的范围。以下分别为三种情况下的莫尔纹计算公式和θ的计算公式，由于在三种情况中，显示屏中像素之间遮光线形成的光栅宽度是不同的，为了公式中参数的统一以及公式的正确性，这里设定A为像素的宽度、B为光栅的栅距、θ为光栅与水平方向的夹角(θ在0°-90°之间)、n为正整数，本发明设定子像素的窄边水平方向平行，宽边与垂直方向平行，本领域技术人员应当明白，显示器像素的排列如果发生变化，水平方向与垂直方向也相应发生变化。对应具体公式如下：

一、光栅与水平方向的像素之间遮光线形成莫尔纹宽度的通式和θ的计算公式： $W_n=\frac{\mathrm{AB}}{\sqrt{{\left(\mathrm{nA}\right)}^2+B^2\&PlusMinus;2\mathrm{nAB}*\cos \mathrm{\&theta;}}};$ 求出θ_n为：

${\mathrm{\&theta;}}_n>\arccos \frac{P^2(n^2{A}^2+B^2)-A^2{B}^2}{{2\mathrm{nABP}}^2}$ 其中P为假设人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；n为正整数，A为像素的宽度；B为光栅的栅距；θ的范围实质上就是所有θ_n的交集，n可以取1-100或者更大，通常取到50便足够了，因为影响θ最大的n值通常在B/A的附近。

二、光栅与竖直方向的像素之间遮光线形成莫尔纹的宽度公式的通式和θ的计算公式：

求出θ_n为：

计算方法和参数的限定与上述第一种情况相同。

三、光栅与倾斜方向的像素之间遮光线形成莫尔纹的宽度公式的通式和θ的计算公式：

求出θ_n为：

可以分为下面两个不等式：

或

计算方法和参数的限定与上述第一种情况相同。

下面列举几个实例进行说明：第一个实例：显示器参数如下：单位：mm；46寸显示器：像素宽度大小A＝0.53025，显示器大小1920×1080；显示器长：1920*0.53025＝1018.08；显示器宽：1080*0.53025＝572.67；本例中采用的光栅栅距为B＝1.50305，我们假设P＝3mm。

第一种情况：光栅与水平方向的象素黑线成的莫尔纹：将A、B和P的值代入不等式： ${\mathrm{\&theta;}}_n>\arccos \frac{P^2(n^2{A}^2+B^2)-A^2{B}^2}{2\mathrm{nAB}{P}^2},$ 将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，结果为：θ＞9.3°。

由于θ是两光栅之间的夹角，因此，这里θ是光栅与水平方向的夹角；这里n取值从1到100只是一个特例，可以取更多，当然也可以少取一些，反复实验表明，对莫尔纹的影响最大的n值通常在b/a的值的附近，因此n的取值范围也是可以根据情况而定的。由于现在采用计算机计算，所以n值即使取到1万甚至更多，也很容易计算出结果，由于b/a的结果通常都不会超过20，n通常取到50以上就能满足要求。

第二种情况：光栅与竖直的像素之间遮光线形成的莫尔纹：将A、B和P的值代入公式：将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，结果为：θ＜89.5°。

第三种情况：光栅与斜向像素之间遮光线形成的莫尔纹：将A、B和P的值代入公式：

将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，结果为：θ＞74.8°。将A、B和P的值代入公式：

将n＝1、2、3...100，逐一代到该公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，结果为：θ＜68.4°；将在三种情况下分别得到的结果θ＞9.3°、θ＜89.5°、θ＞74.8°以及θ＜68.4°求交集，得到9.3°＜θ＜68.4°或74.8°＜θ＜89.5°；经过实验验证，实验结果与理论得到的结果基本相符。

根据本发明的技术方案实现的立体显示装置，不需额外花销就能够达到大大降低甚至消除莫尔纹的效果，极大提高了立体显示质量。

上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本方法的启示下，在不脱离本方法宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种立体显示装置，包括显示屏和放置在该显示屏前方的光栅，其特征在于，光栅以与水平方向成θ角度放置，其中将子像素的排列方向定位水平方向，所述θ属于由下列三步计算分别获得的解集的交集之内：

第一步计算：

${\mathrm{\&theta;}}_n>\arccos \frac{P^2(n^2{A}^2+B^2)-A^2{B}^2}{{2\mathrm{nABP}}^2}$

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

第二步计算：

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

第三步计算：

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ1₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围。

2.根据权利要求1所述的一种立体显示装置，其中A＝0.53025mm，B＝1.50305mm，P＝3mm，9.3°＜θ＜68.4°或74.8°＜θ＜89.5°。

3.一种降低或消除立体显示设备中的莫尔纹的方法，其中该显示设备包括显示屏及其前方的光栅，包括如下步骤：

第一步：计算光栅与水平方向的像素之间遮光线形成莫尔纹不可见的θ范围；

第二步：计算光栅与垂直方向的像素之间遮光线形成莫尔纹不可见的θ范围；

第三步：计算光栅与与水平方向成71.56°的像素之间遮光线形成莫尔纹不可见的θ范围；

第四步：将上述三个步骤中得到的θ范围交集；得到交集后的θ范围；

第五步：将光栅与水平方向成θ放置在所述显示屏前方。

4.根据权利要求3所述的一种降低或消除立体显示设备中的莫尔纹的方法，其特征在于，

所述第一步具体为：采用如下公式计算，

${\mathrm{\&theta;}}_n>\arccos \frac{P^2(n^2{A}^2+B^2)-A^2{B}^2}{{2\mathrm{nABP}}^2}$

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

所述第二步具体为：采用如下公式计算，

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围；

所述第三步具体为：采用如下公式计算，

其中P为人眼能看到的最小莫尔纹的宽度；A为像素的宽度；B为光栅的栅距，n为正整数；将n＝1、2、3...100，逐一代到公式算出θ₁、θ₂、θ₃.....θ₁₀₀；然后求它们的交集，得到θ的范围。

Images