CN102081239A - 广角裸眼立体显示系统 - Google Patents

Abstract

一种广角裸眼立体显示系统，属立体图像显示设备。主要由显示屏、激光发射器组成。显示屏成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜片，该一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜；该一组镜片构成为：由内、外两层柱镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜，其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸透镜或者柱凹透镜。它无需观看者处于特定的角度，即可使左眼和右眼分别处于不同的虚拟区域，从而显现立体效果，具有可视角度更大、分辨率高、可视距离远的特点。

Description

广角裸眼立体显示系统

技术领域

本发明涉及立体影像显示装置，特别是采用激光光源、具有大可视角度（即广角）、无需佩带分光眼镜、无需从特定角度观看的立体影像显示设备。

背景技术

现有立体显示技术大致可分为以下两种：

1、分光眼镜式：需要借助特殊的眼睛，再配合其它辅助设备产生视差，呈现立体效果。对这类显示技术不做详细介绍。

2、无需佩戴眼睛（裸眼）式：从技术上来看，裸眼式3D可分为光屏障式（Barrier）、柱状透镜(Lenticular Lens)技术、指向光源（Directional Backlight）、多层显示(multi-layer display)技术等。

（1）、光屏障式（Barrier）：该技术的实现方法是使用一个开关液晶层、偏振膜和高分子液晶层。利用开关液晶层对屏幕像素的遮挡，从而使人的左右眼分别看到不同的像素列，利用人眼的视差实现立体效果。

（2）柱状透镜(Lenticular Lens)技术：该技术的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜，使以不同像素投射到特定的方向，如果人的左右眼处在特定的角度，就能呈现立体效果；

如，中国专利文献公开的一种“单组合图像立体显示镜”（CN1031766A），它包括一块双面柱面组透镜和一块与之重叠的透明平板，双面柱面组透镜两面具有同样的圆柱面，彼此平行，两两对称。当通过该显示镜观察位于透明平板后的平面图像可获得立体感。

（3）指向光源（Directional Backlight）：该技术搭配两组LED，配合快速反应的LCD面板和驱动方法，让3D内容以排序（sequential）方式进入观看者的左右眼互换影像产生视差，进而让人眼感受到3D三维效果。

（4）多层显示(multi-layer display)技术：该技术在一定间隔位置上重复放置多层液晶面板，不同的面板负责显示相应深度的景物。

总结：现有的裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，但是分辨率、可视角度和可视距离等方面还存在不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需佩戴分光眼镜，具有大可视角度的裸眼立体显示装置。

本发明的是这样实现的：一种广角裸眼立体显示系统，包括，显示屏，激光发射器，显示屏成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜片，该一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜，上述马鞍面反射镜或马鞍形透镜的一个方向是凸形，另一方向是凹形；该一组镜片构成为：由内、外两层柱镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜，其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸透镜或者柱凹透镜。

上述凸面镜和凹透镜的表面形状呈球面、抛物面或椭球面。

上述激光发射器发射的激光束是由三条单色激光合并而成，激光束的横切面为沿竖向的细长条形，且该细长条形的高度不大于矩形像素单元的高度。

本发明主要由激光发射器、布满镜片的显示屏两大部分组成。显示屏结构为：基板上的成像区域内均布若干矩形像素单元，每一像素单元上对应有一块或一组镜片，对激光束起发散作用。采用竖向细条状的激光束对显示屏上的像素单元进行逐行扫描，镜片对扫描光线进行发散后，发射出一个横切面为竖长条的光束从观看者眼前扫过。每个像素单元发出的光束宽度小于观看者左右眼的水平距离。采用多路图像通道的信号控制激光发射器，即可使左右眼接收到不同的图像信号，从而产生逼真的立体效果。

激光发射器的光束横切面为竖向细长条形状，其高度和显示屏像素上的镜片高度相等或略小。

显示屏像素单元上的镜片有多种实现方式。可以由一块镜片组成，也可由水平、竖直两个方向的柱状镜片叠合而成；可作为背投方式显示，也可作为反射方式显示。

本发明的特点和优点如下：         

1、立体效果的有效角度大。观看者只要处在显示屏上的镜片的发散光线范围内，均可观察到立体效果。

2、观看者位置自由。由于人的左右眼水平分布特性，只要像素单元发散后的激光束宽度小于左右眼之间的距离，均能看到立体效果。

3、光利用效率较高，节约能源。现有市场上的的激光成像技术是通过显示屏对激光的漫反射点亮像素单元，很大一部分光线被浪费掉。而本装置通过显示屏像素上的镜片对激光进行折射或镜面反射实现，光利用效率极高。

4、可通过软件方式调整可视角度和距离，而无需更换显示屏等其它硬件设备。可通过控制激光束在一定范围内调整可视角度和距离。某些场合可能需要根据观众的位置分布进行针对性的调整，例如：1）在图像信号通道数不变的情况下，可以通过减小可视角度来增加可视距离；反之，也可以通过减小可视距离来增加可视角度。2）可通过增加图像的通道数来同时增大可视角度和提高可视距离。

附图说明

图1是本发明组成简图。

图2a、图2b、图2c是显示屏的主视图，左视图，俯视图。

图3 是激光发射器对显示屏上的像素单元进行扫描时的光路图。

图4是激光束照射到显示屏像素单元上形成的光斑的示意图。

图5是显示屏像素单元对激光进行发散后的效果示意图。

图6是通过图像信号控制激光束形成的‘虚拟区域’示意图。

图7是像素单元采用凹面镜时的光路示意图。

图8a、图8b是采用双镜片正面投影方式时，柱凸面镜的主视图，左视图。

图9a、图9b是采用双镜片正面投影方式时，柱凹透镜的主视图，俯视图。

图10a、图10b是采用双镜片正面投影方式时，屏幕的左视图，俯视图。

图11是采用单镜片背面投影方式时的光路示意图。

图12a、图12b是采用双镜片背面投影方式时，屏幕的左视图，俯视图。

具体实施方式

人的视觉对立体图形的感知，是因为左右眼视线对物体的微小角度差别而形成的视差。所以，要实现逼真的立体感，必须让人的左右眼看到不同的图像。

为了达到上述目的，本发明采用横切面为竖直细长形的激光束横向扫描显示屏像素单元，通过镜片发散后，在显示屏前形成竖条光束扫过观看者。当放大后的光束宽度小于左右眼之间的距离时，可以通过对激光的控制，使不同的信号进入左右眼。

如图1所示，本发明主要由显示屏1和激光发射器2组成。激光发射器发射激光束对显示屏进行扫描。

显示屏1上均布矩形的像素单元，每个像素单元由一片或一组镜片构成。镜片可以采用凸面镜，也可以采用凹透镜,或采用两块正交的柱状镜片组合实现。具体地，显示屏1成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜片，该一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜，上述马鞍面反射镜或马鞍形透镜的一个方向是凸形，另一方向是凹形；该一组镜片构成为：由内、外两层柱镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜，其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸透镜或者柱凹透镜。现阐述采用凸面镜时的实施方法。

图2a，2b，2c分别是显示屏的主视图、左视图、俯视图。如果图中所示，像素单元3是将若干矩形凸面镜按行列整齐、紧密的固定在显示屏上制成。凸面镜表面形状可以是球面、抛物面或椭球面。

激光发射器2发出的光束从水平方向逐行对显示屏上的像素单元进行扫描。在扫描过程中，显示屏上的像素单元3将扫描范围进一步发散放大。

图3是当激光束扫描到其中一个像素单元时的光路示意图。

如果激光发射器离显示屏比较近，在扫描靠近显示屏边缘的像素单元时，激光束可能会偏离镜片主轴太远，从而影响显示效果。为了解决此问题，可以将像素单元上的镜片向显示屏中心微微倾斜；或者将整个显示屏弯曲到适当的弧度。

激光束的横切面为竖向的细长条形状（如长宽比大于5的矩形，且长边在竖直方向上），高度和像素单元3的宽度相同或略小。

图4是激光束在像素单元3的正面形成光斑4的示意图。

图5是像素单元3反射的激光束从观众席扫描经过的示意图。如图所示，激光发射器2发出的激光束经过像素单元3发散后，形成横切面为虚线框所示的竖向长条矩形光束。虚线箭头表示反射后的激光束扫描的方向。

激光发射器2发射出的激光束的特性如下：

1、光束由三条单色激光束合并而成。成像过程中，通过控制每条单色激光束的亮度，达到控制激光束的亮度和颜色的目的。

2、激光束的宽度必须足够小，经过像素单元上的镜片发散后的光束到达观看者时，宽度不能大于左右眼之间的距离。这样，当光束扫描经过时，观看者左右眼能在不同时刻收到光束信号。按一定的时序规则控制激光，则可以让观看者左右眼看到不同的图像，从而呈现立体效果。

3、激光束高度和像素单元高度（即宽度）相等或略小，因为竖直方向仅需要将光束均匀发散即可，以便不同高度的观看者均能看到图像。

现介绍立体图像信号对激光束的控制方式。假定以显示屏像素点为圆心，如图6所示，图中的虚线将显示屏前的区域划分若干‘虚拟区域’，每个区域的宽度小于人左右眼间的距离。将多个通道的图像信号与‘虚拟区域’一一对应，当像素单元3反射的激光束扫描到达相应的‘虚拟区域’时，即根据相应通道的图像信号控制其色彩和亮度。

从以上可以看出，本装置需要比普通立体显示装置更多通道的图像信号（普通立体显示装置为两路通道），这对信号来源有更高的要求。可以采用以下两种方式提供信号源：1）用大量的摄像头水平排列指向同一目标进行拍摄，每个摄像头记录下来的信号在放映时对应于一个‘虚拟区域’；2）对计算机制作的立体动画进行转换，目前这种方式更容易实现。

在某些应用环境，也可以适当减少图像信号的通道数。例如：在电影放映院中，如果中间有纵向过道，则可将过道两侧的信号进行复用，这样信号通道数可以减半或减为原来的三分之一；在观看者密度不大的场合，可以只采用较少的图像信号（多余两路通道）交替使用，如果观看者恰好处于左右眼颠倒的位置，则自行稍作调整即可。

以上是像素单元3采用凸面镜的实施方式。下面简述其它种类镜片的实施方式。

和采用凸面镜相比较，其它方式只有像素单元3的构成不同，立体成像的原理都相同。因此以下不再详细描述采用各种镜片时的整体实施方式，而只描述像素单元3上的镜片的实施方式。

由于像素单元上镜片的作用并不是成像，而仅仅是从不同视角照亮像素点，因此镜片的实现方式比较灵活，主要体现在以下两个方面：

1、可以采用发散镜片，也可采用会聚镜片。当会聚镜片的焦距足够短时，也能对激光束起到发散的效果。如图7所示，以凹面镜为例描述了像素单元3采用会聚镜片时的光路示意图。该图和采用凸透镜方式的图3相对应。

2、镜片水平和竖直方向的光学特性可以独立设计。可以根据应用环境或生产工艺的需要，将两个方向的屈光度设计成不同的值（例如椭球形凸面镜）；或一个方向是凸面镜，而另一个（偏转90°的方向）方向（两个方向垂直）是凹面镜（马鞍面）；或者用两块柱面镜或柱透镜正交叠合而成，等等。

总结起来，在投影方式上，可以分为背面投影式和正面投影式；在像素单元采用的镜片数量上，可以分为单层镜片和双层镜片。像素单元3的具体实现时的组合方式较多，现分为以下四类进行描述：

1、单镜片正面投影式。像素单元采用一块反射镜片，激光发射器从正面向显示屏发射扫描激光束。上面的凸面镜方式既属于这类方式中的一种。除了可以采用凸面镜外，还可以采用凹面镜和马鞍面镜。马鞍面镜可以是水平方向为凹面镜，竖直方向为凸面镜；或水平方向是凸面镜，竖直方向为凹面镜。

2、双镜片正面投影式。显示屏分为内外两层，内层采用柱面镜，外层采用柱透镜，激光发射器从正面向显示屏发射扫描激光束。内层的柱面镜可以是柱凹面镜或柱凸面镜，外层的柱透镜可以是柱凹透镜或柱凸透镜。两层柱镜片以轴线正交方式重叠。轴线为横向的柱镜片从竖直方向发散激光束，轴线为竖向的柱镜片从水平方向发散激光束。现以横向柱凸面镜+竖向柱凹透镜的方式为例，描述此类显示屏的实施方式。图8a、图8b分别是显示屏内层柱凸面镜的主视图和左视图，在基板上固定若干宽度对齐显示屏两端，高度和像素单元3相等的柱凸面镜5；外层可以采用整块透明材料，制作出若干高度和显示屏上下沿对齐，宽度和像素单元3相等的柱凹透镜6，如图9a、图9b所示，分别是显示屏外层柱凹透镜的主视图和俯视图；将两层屏对齐叠合，如图10a、图10b，分别是完整显示屏的左视图和俯视图。柱面镜5和柱透镜6的交叉重叠部分构成了图2a中的像素单元3。需要说明一下的是：使用时，外层的柱凹透镜会两次对激光束进行横向发散，因此应将其屈光率减半。

3、单镜片背面投影式。像素单元采用一块透镜，激光发射器从背面向显示屏发射扫描激光束。如图11所示，显示屏上的像素单元采用凹透镜对激光发射器2发射的激光束进行发散，在显示屏前方同样可以产生和凸面镜相同的效果。可以在整块的透明材料上制作出紧密排列的凹透镜、凸透镜或马鞍面透镜。马鞍面透镜可以是水平方向为凹透镜，竖直方向为凸透镜；或水平方向是凸透镜，竖直方向为凹透镜。

4、双镜片背面投影式。显示屏分为前后两层，均采用柱透镜，激光发射器从背面向显示屏发射扫描激光束。两层柱透镜以轴线正交方式重叠。轴线为横向的柱透镜从竖直方向发散激光束，轴线为竖向的柱透镜从水平方向发散激光束。现以横向柱凹透镜+竖向柱凹透镜的方式为例，描述此类显示屏的实施方式。

如图12a、图12b所示，分别为显示屏的左视图、俯视图。采用一整块透明材料制作图2a中的显示屏，在显示屏的背侧（靠近激光发射器的一侧）密布若干宽度和显示屏两端对齐，高度和像素单元高度相等的横向柱凹透镜7；在显示屏的前侧（靠近观看者一侧）密布若干高度和显示屏上下沿对齐，宽度和像素单元宽度相等的纵向柱凹透镜8。横向柱凹透镜7和纵向柱凹透镜8的交叉重叠部分构成了图2a中的像素单元。

Claims (3)

1.一种广角裸眼立体显示系统，包括，显示屏，激光发射器，其特征是：所述显示屏（1）成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜片，该一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜，上述马鞍面反射镜或马鞍形透镜的一个方向是凸形，另一方向是凹形；该一组镜片构成为：由内、外两层柱镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜，其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸透镜或者柱凹透镜。

2.根据权利要求1所述的广角裸眼立体显示系统，其特征是：所述凸面镜和凹透镜的表面形状呈球面、抛物面或椭球面。

3.根据权利要求1或2所述的广角裸眼立体显示系统，其特征是：所述激光发射器发射的激光束是由三条单色激光合并而成，激光束的横切面为沿竖向的细长条形，且该细长条形的高度不大于矩形像素单元的高度。

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