CN102317845B - 立体3d显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通过使用快速切换速度的LCD面板、动态背光源和低成本眼镜来实现3D立体观看。该系统利用LCD面板以及LED背光源和波长选择性眼镜来通过颜色分离每一信道。该系统是基于LCD面板上的交替的左图像帧和右图像帧。通过按顺序同步的两个略微不同的红-绿-蓝光源来照射左帧和右帧。所述光源被设计为发射具有不同光谱组成的光。观看者佩戴眼镜，其中左镜片或滤光器仅使左数据信道所用的光的光谱通过，右镜片或滤光器仅使右数据信道所用的光的光谱通过。

Description

立体3D显示装置
背景技术
已经开发出多种技术以用于立体视觉(有时称为3D或3D视觉)。它们可分为2大类：基于眼镜的和不基于眼镜的。无眼镜技术的优点在于观看者无需佩戴眼镜。而缺点常常在于“最佳位置”(即，头部活动的范围)被限制为+/-～5度。使用眼镜来观看动态视频在很大程度上是基于两个图像在屏幕上的同时或顺序投影。
以下是一些较广泛使用的眼镜系统。快门眼镜系统常见于欧洲市场，例如Xpand品牌。右图像和左图像按照时间顺序被投影到屏幕上。眼镜上的液晶显示(LCD)快门与投影的图像同步，并且确保观看者的右眼仅看到“右”图像，左眼仅看到“左”图像。偏振眼镜包括real D圆偏振眼镜，其右镜片和左镜片具有相反的“旋向性”。该系统主要受IMAX的大力推广，并且由Disney、DreamWorks和其他制片厂支持。GeoWall Consortium使用线偏振系统。滤色器眼镜包括以下几种：红蓝补色立体眼镜(red/cyananaglyph)；和Dolby3D(色轮和多带通滤光器)。
发明内容
3D立体观看系统包括LCD面板、用于向LCD面板提供光的背光源、以及用于使背光源与左内容帧和右内容帧同步的控制器。背光源包括：第一三原色组，其包括发光二极管(LED)A、B和C；以及第二三原色组，其包括LED D、E和F，其中每一LED发出可见光谱的实质上不重叠的范围内的光。该系统使用供观看者佩戴的眼镜。所述眼镜具有用于过滤第一三原色组的光谱的第一镜片和用于过滤第二三原色组的光谱的第二镜片。因此，向观看者的左眼和右眼提供交替的左内容帧和右内容帧，从而提供3D观看体验。
附图说明
通过以下结合附图的对本发明的多种具体实施方式的详细描述，可以更完全地了解本发明，其中：
图1是实例I的3D系统的示意图；
图2是示出实例I的两个滤色器的设计的示意图；
图3是实例II的LED的光谱的示意图；
图4A和图4B是实例II的透射比和透射光谱的示意图；和
图5是实例II的中空边缘照明式LCD背光源中布置的LED光源的示意图。
具体实施方式
在3D显示领域，需要在标准LCD面板上显示逼真的立体图像和视频内容。本发明涉及使用快速切换速度的LCD面板、动态背光源和低成本眼镜来实现3D观看。具体地讲，所述系统利用LCD面板以及LED背光源和波长选择性眼镜来通过颜色分离每一信道。所述系统适用于膝上型PC、监视器和TV，但是其也可用于较小或其他显示器。
所述系统是基于LCD面板上的交替的左图像帧和右图像帧。通过按顺序同步的两个略微不同的光源来照射左帧和右帧。光源被设计为发出不同光谱组成的光(通常为白光)。具体地讲，光源可包括：第一三原色组，其包括LED A、B和C；以及第二三原色组，其包括LED D、E和F，其中每一LED发出可见光谱的实质上不重叠的范围内的光。LED组可包括例如不同的红-绿-蓝(RGB)LED。作为LED的替代形式，可使用诸如激光器或激光二极管的其他光源。另外，LED或其他光源可任选地包括滤光器以使发射光谱带变窄。
观看者佩戴眼镜，其中左镜片或滤光器仅使左数据信道所用的光的光谱通过，右镜片或滤光器仅使右数据信道所用的光的光谱通过。因此，向观看者的左眼和右眼提供交替的左内容帧和右内容帧，从而提供3D观看体验。
本发明结合了快门眼镜和滤色器型系统的一些特征。按照时间顺序将右图像和左图像显示在LCD或其他显示器(例如，4-6原色有机发光二极管或4-6原色等离子体显示面板)上。这一特征与快门眼镜系统具有一些共性。在直视LCD背光系统中利用两组LED照射左帧和右帧，所述LED被设计为具有不同的光谱，且优选地光谱重叠最小。利用带通差分眼镜解码左图像和右图像，当使用多带通滤光器时所述眼镜允许改善的颜色和深度信息。这一特征与补色立体眼镜和Dolby立体视觉系统具有某些共性。
实例
下面的实例具有单一的基础原理，具体地讲，向快LCD面板提供来自两个相机的图像序列，这两个相机以略微不同的角度设置在右侧和左侧，以模拟人立体图像。或者，可利用计算机动画或类似技术来合成模仿这种布置方式的图像组。右眼图像和左眼图像被按顺序显示，意味着它们被记录为帧序列，其中每一右相机(或右眼)帧前后均为左相机帧。每一左眼图像也前后均为右眼帧。具有不同光谱组成的两个光源被定时以与图像同步地打开，第一光源仅照射右眼图像，第二光源仅照射左眼图像。
观看者佩戴眼镜，该眼镜针对每只眼具有不同的滤色器。左眼滤色器被设计为向人的左眼中透射。左眼滤色器还阻挡针对右眼图像帧定时的光源的发射。右眼滤色器被类似地设计为向人的右眼中透射。右眼滤色器还阻挡针对左眼图像帧定时的光源的发射。因此，观看者仅在右眼中接收右相机所拍摄的图像，仅在左眼中接收用左相机拍摄的图像，从而允许观看者的大脑合成立体图像感知。
实例I中所示的结构被完全地组装、测试并确认，以生成功能立体图像。
实例II中的结构示出的原理涉及：用于观看者眼镜的一对多层光学膜(MOF)滤光器的设计，以及用于右眼和左眼信道的LED光引擎的匹配设计。
实例III描述了滤色器和光引擎眼对的简化设计，其涉及单陷波滤光器(可能用MOF制成)。
实例1
两个高亮度LED光源分别连接到驱动电子器件。所使用的LCD面板具有120Hz的高刷新率，以连续显示交替的右眼帧和左眼帧。两个白色LED光源(被标记为1和2)与显示在LCD面板上的右眼帧和左眼帧同步地按顺序打开。因此，当左眼帧被写在LCD面板上时，LED光源1打开；就在奇数帧被擦除并且右眼帧被写到LCD像素阵列上之前，光源1关闭。在右眼帧被写到LCD面板上之后，LED光源2打开；就在右眼帧被擦除之前，光源2关闭。
所使用的光源为Citizen Electronics Co.，Ltd所制造的CL-L102-C3NLED。每一光源包含串联的3个LED。每一白色LED光源穿过滤色器发射。两个滤色器(CF)(在图1中标记为CF1和CF2)被设计为透射不重叠的光谱带。
在该实验中，滤色器被设计为透射、反射、或吸收两个光谱带。CF1透射深蓝色、翠绿色、和橘黄色光谱带。CF2透射青色、黄绿色和深红色，如图2所示。
使用光学元件将两个光束投射到设置在LCD面板背后的漫射板上。特定光学结构并非图示原理所必不可少的。在该实验中，使用25厘米(cm)长孔径来准直光束，使用5cm×7.5cm平反射镜将光束转向并引导到漫射器上。观看者通过眼镜观察图像。使用与CF1和CF2相同的滤色器作为其右“镜片”和左“镜片”。因此，显示在LCD面板上的奇数和偶数帧被定时以用具有不重叠的光谱组成的闪光进行背光照射。然后，通过眼镜对奇数和偶数帧的图像进行过滤并将其引导到右眼和左眼中。仅右相机所拍摄的信息被投影到观看者的右眼中，仅左相机图像被投影到观看者的左眼中。在此实验中，多个观看者观察到逼真的3D图像。
实例II
在此实例中使用两个不同类型的LED光源。观看者使用具有两个不同的滤色器CF1和CF2的眼镜。
图3示出在设计实例II时所使用的Luxeon Rebel LED的光谱。图3的示意图示出用于建模的Luxeon Rebel LED的实际颜色代码(color bin)(参见Philips Lumileds Lighting Co.针对代码定义的出版物DS56)：品蓝(代码3)；蓝色(代码5)；青色(代码6)；绿色(代码6)；琥珀色(代码7)和红色(代码5)。较宽轨迹表示适光明视度曲线(photopic visibilitycurve)(V图)。
每一光源由3种不同颜色的LED构成。在此实例中，假设光源S1由蓝色、绿色、和红色LED构成，光源S2由品蓝、青色和黄色LED构成(参见图3)。在此实例中，所使用的颜色名称和光谱得自Luxeon Rebel数据表，以用于举例说明。可使用得自不同供应商的不同颜色组和LED，包括得自不同制造商的部件和颜色命名的混合。
如图4A所示，一个滤色器(CF1)被设计为透射来自第一光源(S1)中的所有LED的光，但是不透射来自第二光源(S2)中的所有LED的光谱带。如图4B所示，另一滤色器(CF2)被设计为透射来自第二光源(S2)中的所有LED的光，但是不透射来自第一LED光源(S1)中的所有LED的光谱带。如图5所示，系统电子器件向LCD面板透射交织图像序列，其中左相机所拍摄的每一帧前后均为右相机所拍摄的图像，反之亦然。
当用左相机拍摄的图像被显示在LCD面板上时，第一LED光源打开，第二光源关闭，因为眼镜中的左镜片(CF1)透射来自第一光源(S1)的光。左图像被透射到观看者的左眼中。由于眼镜中的右镜片(CF2)不透射来自第一光源(S1)的光，所以左图像不会透射到观看者的右眼中。因此，左相机所拍摄的图像被投影到观看者的左眼中，而不投影到观看者的右眼中。
当用右相机拍摄的图像被显示在LCD面板上时，第二LED光源(S2)打开，第一光源关闭，因为眼镜中的右镜片(CF2)透射来自第二光源(S2)的光。右图像被透射到观看者的右眼中。由于眼镜中的左镜片(CF1)不透射来自第二光源(S2)的光，所以右图像不透射到观看者的左眼中。因此，右相机所拍摄的图像被投影到观看者的右眼中，而不投影到观看者的左眼中。
实例II的系统设计范围涵盖若干变型，包括但不限于下列变型。滤色器CF1和CF2可利用各种基础光学原理来滤光、将光反射回、从轴线转向观看者的眼中以实现有效的视场、吸收光、或者它们的组合。具体地讲，CF1和CF2可被设计为具有指定透射参数的多层光学膜。LED组和滤色器可被设计为对于每一信道包括多个发射谱带，并且滤色器中包括相应数量的透射谱带。可使用LCD背光源(实心或中空的，边缘照明式、直接照明式)。所述系统可被设计为投影系统(前投影或后投影)，其成像元件为硅基液晶或其他微阵列。与右图像和左图像相关的滤色器和LED光源对的颜色和组成是可互换的。
实例III
来自平衡于白色点处的RGB或rBCyY LED群组的大部分视觉上可感知的光由LED光源的“中间”构件传输：发射光谱集中于适光曲线的中间部分的绿色或青色LED(参见图3中的较宽轨迹)。因此，3D效果并不一定是通过完全分离所有的三个颜色分量(如实例II那样)实现的，而是可仅通过针对右图像和左图像分离光通量占优的分量来实现。
此类系统将具有以下2个LED光源：由红色、绿色1、和蓝色LED构成的第一光源；以及由红色、绿色2、和蓝色LED构成的第二光源。
观看者将使用在右眼和左眼(可互换)上具有不同滤色器的眼镜。一个滤色器将被设计为透射蓝色、红色、和绿色1LED所发射的光，而不透射绿色2LED所发射的光谱部分。第二滤色器将被设计为透射蓝色、红色、和绿色2LED所发射的光，而不透射绿色1LED所发射的光谱部分。此类滤色器可被构造为例如具有单个陷波谱带的多层陷波滤光器光学叠堆。

Claims (4)

1.一种3D立体观看系统，其包括：
硅基液晶光源，所述硅基液晶光源包括：
第一组红色、绿色、和蓝色LED，其分别具有第一范围的红色、绿色、和蓝色光谱；和
第二组红色、绿色、和蓝色LED，其分别具有第二范围的红色、绿色、和蓝色光谱，
其中所述第一范围的红色光谱实质上等于所述第二范围的红色光谱，所述第一范围的蓝色光谱实质上等于所述第二范围的蓝色光谱，并且所述第一范围的绿色光谱实质上与所述第二范围的绿色光谱不重叠；
控制器，其用于使所述硅基液晶光源与投影的左内容帧和右内容帧同步；以及
将由观看者佩戴的眼镜，所述眼镜具有用于过滤所述第一范围的绿色光谱的第一镜片和用于过滤所述第二范围的绿色光谱的第二镜片，从而向观看者的左眼和右眼提供交替的左内容帧和右内容帧以获得3D观看体验。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一镜片和所述第二镜片中的每一个包括多层陷波滤光器。
3.一种3D立体观看系统，其包括：
LCD面板；
用于向所述LCD面板提供光的背光源，所述背光源包括：
第一组红色、绿色、和蓝色LED，其分别具有第一范围的红色、绿色、和蓝色光谱；和
第二组红色、绿色、和蓝色LED，其分别具有第二范围的红色、绿色、和蓝色光谱，
其中所述第一范围的红色光谱实质上等于所述第二范围的红色光谱，所述第一范围的蓝色光谱实质上等于所述第二范围的蓝色光谱，并且所述第一范围的绿色光谱实质上与所述第二范围的绿色光谱不重叠；
控制器，用于使所述背光源与传输到所述LCD面板的左内容帧和右内容帧同步；以及
将由观看者佩戴的眼镜，所述眼镜具有用于过滤所述第一范围的绿色光谱的第一镜片以及用于过滤所述第二范围的绿色光谱的第二镜片，从而向观看者的左眼和右眼提供交替的左内容帧和右内容帧以获得3D观看体验。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一镜片和所述第二镜片中的每一个包括多层陷波滤光器。
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