CN101620319A - 一种无莫尔纹立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无莫尔纹立体显示装置，该装置沿光传播方向依次包括：平行背光源、像素阵列、负透镜阵列和光栅；平行背光源用于向像素阵列提供平行背光；像素阵列包括若干个排列为二维矩阵形式的子像素；所述像素阵列用于显示左眼用图像和右眼用图像；负透镜阵列包括若干个负透镜，在垂直于所述像素阵列的方向上，每个负透镜正对一个所述子像素；所述负透镜阵列的每个负透镜用于将其正对的子像素的出射光束扩束，所述负透镜的出射面处的光束截面与该子像素重合；所述光栅用于将所述像素阵列显示的、经所述负透镜阵列扩束后的左、右眼用图像光分别导向至观看者的左眼和右眼。本发明提供的立体显示装置显示时没有莫尔纹产生，清晰度高、显示效果好。

Description

一种无莫尔纹立体显示装置

技术领域

本发明涉及立体显示领域，尤其涉及一种无莫尔纹立体显示装置。

背景技术

近几年，三维立体显示技术发展迅速，成为人们研究的热点。立体显示技术在医疗、广告、军事、展览、游戏等领域有重要的应用。早期的立体显示技术主要通过佩戴偏光眼镜观看立体画面，而目前的主流产品主要是基于双目视差的裸眼式立体显示装置，裸眼式立体显示装置的主要原理是在显示面板前设置光栅，所述光栅将显示面板显示的至少两幅视差图像分别提供给观看者的左、右眼。其中，所述光栅可以为狭缝光栅或柱镜光栅。

现有的显示面板为二维像素阵列形式，且每个子像素的边缘区域一般都为遮光区域，用于设置显示控制电路或作它用，因此，在背光源照射下，显示面板的每个子像素无法全部发光，每个子像素的边缘区域一般都为遮光区域，在现有技术中，显示面板上的这些遮光区域也称为黑矩阵(black matrix)。如图1所示为现有的显示面板的显示示意图，其中，每个实线框表示一个子像素，为方便表示，图1中的显示面板仅画出3行4列子像素，每个实线框内的虚线框内表示该子像素的实际通光区域11，而斜纹部分12表示该子像素边缘的遮光区域，显然，如图1中所示，显示面板上的所有遮光区域形成的黑矩阵为二维网格状，当显示面板显示时，显示面板前的光栅由于被照亮而形成的二维结构光场会与所述显示面板的黑矩阵相互作用产生莫尔条纹，严重影响视觉效果。图1中为了方便表示，将显示面板的每个子像素画为正方形形状，实际上，显示面板的子像素还可以为矩形或其它形状，此处不多做描述。

现有的技术中也提出了一些消除莫尔条纹的方法，如中国专利公开号为CN101000406A的文献中提出的一种通过破坏光栅结构光场来消除莫尔条纹的方案，在该方案中，通过增加散射屏或在光栅表面镀增透膜来消除莫尔纹，但该方案中由于散射屏或增透膜会降低显示面板显示的图像光的透射率，并且使3D图像也产生一些失真，因此，这样消除莫尔条纹的方案并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无莫尔纹立体显示装置，该立体显示装置显示时没有莫尔纹产生，清晰度高、显示效果好。

本发明提供一种无莫尔纹立体显示装置，沿光传播方向依次包括：平行背光源、像素阵列、负透镜阵列和光栅；所述平行背光源用于向所述像素阵列提供平行背光；所述像素阵列包括若干个子像素，所述若干个子像素排列为二维矩阵形式；所述像素阵列用于显示左眼用图像和右眼用图像，所述左眼用图像和右眼用图像为视差图像；所述负透镜阵列包括若干个负透镜，在垂直于所述像素阵列的方向上，每个负透镜正对一个所述子像素，所述负透镜阵列的每个负透镜用于将其正对的子像素的出射光束扩束，所述负透镜的出射面处的光束截面与该子像素重合；所述光栅用于将所述像素阵列显示的、经所述负透镜阵列扩束后的左、右眼用图像光分别导向至观看者的左眼和右眼。

所述负透镜阵列的每个负透镜的入射孔径不小于其正对的子像素的通光孔径；在垂直于所述负透镜阵列的方向上，每个负透镜的出射面与其正对的子像素重合。

所述负透镜为平凹透镜。

所述负透镜为双凹透镜。

所述负透镜为焦距为负的弯月透镜。

所述光栅为狭缝光栅或柱镜光栅。

本发明通过采用平行背光源照射像素阵列，然后用负透镜阵列将所述像素阵列的每个子像素的通光区域出射的平行光扩束为负透镜出射面处截面与该子像素重合的光束，经负透镜阵列扩束后，原像素阵列的黑矩阵形成的遮光区域被消除，该立体显示装置不会有莫尔纹出现。此外，由于各扩束后的光束在各负透镜阵列的背面形成一虚拟点光源，因此负透镜阵列对于光栅而言相当于是均匀照明的点光源，显著提高了像素阵列的分辨率，立体显示的清晰度得以改善。

附图说明

图1为现有的显示面板像素阵列示意图；

图2为本发明提供的无莫尔纹立体显示装置的结构示意图；

图3为当图2所示负透镜阵列23为平凹透镜阵列时，平行背光源21出射的一束光经一个子像素及其正前方的一个平凹透镜31的光路示意图；

图4为某一子像素的通光区域透过的平行光束经平凹透镜扩束后形成的虚拟点光源示意图；

图5为将图3中的平凹透镜31换为双凹透镜51的光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明实施例。

图2所示为本发明实施例提供的无莫尔纹立体显示装置的结构示意图，沿光线传播方向，该装置依次包括：平行背光源21、像素阵列22、负透镜阵列23和光栅24，且平行背光源21、像素阵列22、负透镜阵列23和光栅24彼此平行。

所述平行背光源21用于向像素阵列22提供平行背光。平行背光源21为任何一种现有的平行背光源，例如CN1392442、CN1125304和CN1135797等文献中公开平行背光源等，此处不再赘述。

所述像素阵列22为二维矩阵形式，即包含分别沿行和列方向排列的若干个子像素。值得说明的是：事实上所述的像素阵列22为现有显示面板中除背光源外的其余部分，为方便描述，本发明实施例中用像素阵列进行说明，对于显示面板中除背光源外的其它部件不再详述。像素阵列22用于在平行背光源21的照射下同时显示或以时分方式显示左眼用图像和右眼用图像，所述左眼用图像和右眼用图像为视差图像，具体显示方式与现有的立体显示装置一致，此处不多做说明。

所述负透镜阵列23包括若干个负透镜，排列为二维矩阵形式，且负透镜阵列23上的负透镜与像素阵列22的子像素一一正对，即：当像素阵列22为m×n矩阵形式时，所述负透镜阵列也包括m×n个排列为二维矩阵形式的负透镜。负透镜阵列23的每个负透镜用于将其正对的像素阵列22上的子像素的出射光扩束后出射，各负透镜的入射孔径不小于该负透镜在像素阵列上正对的子像素的通光孔径；在通光方向观察时，各负透镜的出射面处光束截面与该负透镜正对的子像素重合。图2中为方便表示，将负透镜阵列22的每个负透镜表示为平凹透镜，实际上，负透镜还可以为其它焦距为负的透镜。

所述光栅24用于将像素阵列22显示的、经负透镜阵列23扩束后的左、右眼用图像光分别导向至观看者的左、右眼。光栅24可以为狭缝光栅或柱镜光栅，光栅根据现有立体显示装置的具体需要进行设计和选用，此处不再详述。

以下对图2所示无莫尔纹立体显示装置的工作原理进行详细说明。

图3所示为当图2所示负透镜阵列23为平凹透镜阵列时，平行背光源21出射的一束光经一个子像素及其正前方的一个平凹透镜31的光路示意图。其中，该光路图以平行背光源21中垂直入射后不做任何改变经过该子像素中心的光线为光轴。如图3中所示，所述平凹透镜31入射面为凹面，平凹透镜31的出射面为平面。图3中为方便表示，使每个平凹透镜31的凹面最大口径处的截面形状和大小与其正对的像素阵列22上的子像素的通光区域一致，平凹透镜31中与凹面相对的平面的形状和大小与像素阵列22的一个完整子像素一致。由于光轴上下两侧的光路对称，以下为方便说明，仅以光轴上侧光线进行说明。

设像素阵列22与平凹透镜31之间的介质折射率为n₁，平凹透镜31折射率为n₂，平凹透镜31出射面侧(平凹透镜31和光栅24之间)的介质折射率为n₃。平凹透镜31的凹面曲率半径为r，平凹透镜31的厚度为d。平凹透镜31入射面侧光轴最上侧一条光线的入射高度为h₁(即：图3所示光路图中，入射光束口径为2h₁)，这条边缘光线在凹面上的入射角为θ₁，折射角为θ₂，随后这条边缘光线在该平凹透镜31的出射面上以发散角θ₃出射，出射高度为h₂，即图3所示光路图中，出射光束口径为2h₂。根据光线传播规律及几何光学原理可得：

${\sin \mathrm{\θ}}_1=\frac{h_1}{r}---\left(1\right)$

n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂            (2)

d×tan(θ₁-θ₂)+h₁＝h₂        (3)

n₂sin(θ₁-θ₂)＝n₃sinθ₃      (4)

由公式(1)至(4)可以解出用h₁、r、d、n₁、n₂和n₃表示的h₂和θ₃，因此，可以通过调整h₁、r、d、n₁、n₂和n₃的值，使出射光束口径2h₂以及发散角θ₃为预定值。一般情况下，n₁＝n₃＝1，平凹透镜31为玻璃材质，所以n₂＞1。由于不同的显示面板的子像素的通光区域的孔径2h₁不同，本发明实施例可以根据实际需要调整采用的平凹透镜的参数，使各平凹透镜将其正对的子像素提供的平行入射光束扩束为出射面处截面等于该子像素的宽光束出射，即：当在平凹透镜的平面侧观察时，原像素阵列上不发光的黑矩阵部位被扩束后的光束占满，因此在平凹透镜的出射光一侧看到的像素阵列的任意两个相邻子像素之间不再有遮光区域，黑矩阵被有效消除。

如图4所示：某一子像素的通光区域透过的平行光束41经平凹透镜31后被扩束为光束42，光束42在平凹透镜31后方形成虚拟点光源43，对于平凹透镜31前方的观看者来说，该虚拟点光源43相当于是该子像素的像，显然，这种采用凹透镜扩素的方法不仅消除了莫尔纹，而且显著提高了像素的分辨率，有效提高了立体显示的清晰度。

实际上，相对于一般的平凹透镜而言，每个子像素很小，因此可认为图3中子像素发出的光符合近轴光路走向的要求，以下为了表述更为清楚，采用近轴光路进行分析，即可认为r＞＞h₁，因此θ₁较小，sinθ₁≈θ₁，此外，由于n₁＝n₃＝1＜n₂(或者根据需要取n₁≠1，n₂≠1且n₁＜n₂，n₂＞n₃)，则由式(2)可知θ₂小于θ₁，因此θ₁-θ₂远小于θ₁，sinθ₂≈θ₂，tan(θ₁-θ₂)≈sin(θ₁-θ₂)≈θ₁-θ₂，根据公式(1)至(4)以及以上近似处理，可得：

$h_2=h_1[\frac{d}{r}(1-\frac{n_1}{n_2})+1]---\left(5\right)$

${\mathrm{\θ}}_3=\arcsin \left[\frac{n_2{h}_1}{n_{3}r}(1-\frac{n_1}{n_2})\right]---\left(6\right)$

由式(5)和(6)可明显得知：对于给定的入射光束口径h₁，可以通过调整r、d、h₁、h₂和h₃的值，使出射光束孔径h₂以及发散角θ₃为预定值。

当图2所示的光栅24要求负透镜阵列23提供具有较大发散角的光束时，可将负透镜阵列23可为双凹透镜，双凹透镜即将所述平凹透镜的平面改为向内凹的凹面，以下进行说明。

图5为将图3中的平凹透镜31换为双凹透镜51的光路示意图。其中，沿光轴方向，双凹透镜51具有第一凹面52和第二凹面53，第一凹面52的曲率半径为r₁，第二凹面53的曲率半径为r₂，第二凹面53的上边缘点A与曲率中心O的连线AO与光轴的夹角为θ₄。设像素阵列22的与双凹透镜51之间的介质折射率为n₁，双凹透镜51折射率为n₂′，双凹透镜51出射面侧的介质折射率为n₃，双凹透镜51的厚度为d′，双凹透镜51入射面一侧光轴上侧光束口径为h₁，最上侧边缘光线在第一凹面52上的入射角为θ₁′，折射角为θ₂′。双凹透镜51的出射面侧光轴上侧光束口径为h₂′，最上侧边缘光线在第二凹面53上以发散角θ₃′出射。则由几何光学原理可推得：

${{\sin \mathrm{\θ}}_1}^{\′}=\frac{h_1}{r_1}---\left(7\right)$

n₁sinθ₁′＝n₂′sinθ₂′                          (8)

d′×tan(θ₁′-θ₂′)+h₁＝h₂′                    (9)

$\sin {\mathrm{\θ}}_4=\frac{{h_2}^{\′}}{r_2}---\left(10\right)$

n₂′sin(θ₁′-θ₂′+θ₄)＝n₃sin(θ₃′+θ₄)        (11)

类似于采用平凹透镜时的情况，可通过式(7)至(11)精确计算出用h₁、r₁、r₂、d′、n₁、n₂′和n₃表示的h₂′和θ₃′，因此可以通过调整h₁、r₁、r₂、d′、n₁、n₂′和n₃的值，使出射光束孔径h₂′以及发散角θ₃′为预定值。

若采用近轴方式计算，则有：

${h_2}^{\′}=h_1[\frac{d^{\′}}{r_1}(1-\frac{n_1}{{n_2}^{\′}})+1]---\left(12\right)$

${{\mathrm{\θ}}_3}^{\′}\≈\arcsin \left\{\frac{{n_3}^{\′}}{n_3}\sin \right[\frac{h_1}{r_1}(1-\frac{n_1}{{n_2}^{\′}})+\frac{{h_2}^{\′}}{r^{\′}}\left]\right\}-\frac{{h_2}^{\′}}{r^{\′}}---\left(13\right)$

可见，当负透镜阵列为双凹透镜阵列时，也可以通过选择双凹透镜的曲率半径以及折射率等参数，使各双凹透镜将其正对的子像素提供的平行入射光束扩束为截面等于该子像素的宽光束出射，从而消除像素阵列上的黑矩阵的影响。

综上所述，本发明实施例通过采用平行背光源照射像素阵列，然后用负透镜阵列将所述像素阵列的每个子像素的通光区域出射的平行光扩束为出射面处截面与该子像素重合的光束，经负透镜阵列扩束后，原像素阵列的黑矩阵形成的遮光区域被消除，该立体显示装置不会有莫尔纹出现。此外，由于各扩束后的光束在各负透镜阵列的背面形成一虚拟点光源，因此负透镜阵列对于光栅而言相当于是均匀照明的点光源，显著提高了像素阵列的分辨率，立体显示的清晰度得以改善。

值得说明的是，在选用负透镜阵列时，如果考虑造价问题，可以采用平凹透镜；如果需要尽量扩大负透镜阵列的出射光束发散角，可以采用双凹透镜；在特殊情况下，只要保证负透镜整体光焦度为负，也可以使用弯月透镜。

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 (6)

1、一种无莫尔纹立体显示装置，其特征在于，沿光传播方向依次包括：平行背光源、像素阵列、负透镜阵列和光栅；

所述平行背光源用于向所述像素阵列提供平行背光；

所述像素阵列包括若干个子像素，所述若干个子像素排列为二维矩阵形式；所述像素阵列用于显示左眼用图像和右眼用图像，所述左眼用图像和右眼用图像为视差图像；

所述负透镜阵列包括若干个负透镜，在垂直于所述像素阵列的方向上，每个负透镜正对一个所述子像素，所述负透镜阵列的每个负透镜用于将其正对的子像素的出射光束扩束，所述负透镜的出射面处的光束截面与该子像素重合；

所述光栅用于将所述像素阵列显示的、经所述负透镜阵列扩束后的左、右眼用图像光分别导向至观看者的左眼和右眼。

2、如权利要求1所述的无莫尔纹立体显示装置，其特征在于，所述负透镜阵列的每个负透镜的入射孔径不小于其正对的子像素的通光孔径；在垂直于所述负透镜阵列的方向上，每个负透镜的出射面与其正对的子像素重合。

3、如权利要求1或2所述的立体显示装置，其特征在于，所述负透镜为平凹透镜。

4、如权利要求1或2所述的立体显示装置，其特征在于，所述负透镜为双凹透镜。

5、如权利要求1或2所述的立体显示装置，其特征在于，所述负透镜为焦距为负的弯月透镜。

6、如权利要求1所述的无莫尔纹立体显示装置，其特征在于，所述光栅为狭缝光栅或柱镜光栅。

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