CN103235415A - 基于光栅的多视点自由立体显示器 - Google Patents

Abstract

一种基于光栅的多视点自由立体显示器，包括显示面板及光栅。显示面板具有用于显示多个三维图像子像素的显示面。三维图像子像素沿第一方向与第二方向呈行列式排布。光栅包括多个子光栅，多个子光栅位于显示面板的显示面一侧，且沿第二方向排列。各子光栅的长度延伸方向相互平行且与第二方向具有相同夹角。各子光栅覆盖的沿第二方向的三维图像子像素的行数相同。在第二方向上各子光栅依次沿第一方向错位。本发明的基于光栅的多视点自由立体显示器通过在第二方向上子光栅依次沿第一方向错位，以有效减少相邻视点间的串扰，从而使观看者看到高质量的三维图像显示效果。

Description

基于光栅的多视点自由立体显示器

技术领域

本发明属于显示技术领域，尤其涉及一种基于光栅的多视点自由立体显示器。

背景技术

多年来，人们已经开发了各种各样对立体图像进行可视化的显示技术。在这些显示技术中，诸如微透镜阵列式立体显示、视差挡板式立体显示、全息显示等，均无需佩戴眼镜或其他辅助视具就可以为观看者呈现立体图像，这些系统都是自由立体显示系统。这些自由立体显示系统在时间或空间内可以显示多个不同的视点图像。在众多的自由立体显示系统中，基于光栅的多视点自由立体显示设备因其易于加工、多视点立体效果好所以是当前较为常见的自由立体显示系统。

图1所示为现有的基于柱镜光栅的多视点自由立体显示器的结构示意图。请参考图1，多视点自由立体显示器200a为7视点自由立体显示器，其采用倾斜式的柱镜光栅210a设计，即柱镜光栅210a的长度延伸方向Ea与显示面220a的竖直方向Va之间具有夹角βa，每个光栅周期单元212a沿显示面220a的水平方向Ha对应3.5个三维子像素215a，换句话说，在水平方向Ha上，每3.5个三维子像素215a发出的光经一个光栅周期单元212a分光。图2所示为现有的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的结构示意图。请参考图2，多视点自由立体显示器200b为9视点自由立体显示器，其采用倾斜式的狭缝光栅210b设计，即狭缝光栅210b的长度延伸方向Eb与显示面220b的竖直方向Vb之间具有夹角βb（9视点自由立体显示器对应的夹角βb通常为9.4623°），每个光栅周期单元212b沿显示面220b的水平方向Hb对应4.5个三维子像素215b，换句话说，在水平方向Ha上，每4.5个三维子像素215b发出的光经一个光栅周期单元212b分光。如图2所示，每个光栅周期单元212b是有开口部（即狭缝）213以及遮光部214组成。

现有的基于光栅的多视点自由立体显示器200a与200b是利用光栅(柱镜光栅210a或狭缝光栅210b)对三维子像素发出的光线进行分光，通过观看者左右眼睛的观看到不同的图像，从而实现三维图象效果。但是，由于现有的基于光栅的多视点自由立体显示器200a与200b的尺寸均较大，并且光栅(柱镜光栅210a或狭缝光栅210b)与显示面220a、220b的倾斜式的相对位置关系，使得在显示面220a、220b中心位置、四周周边以及边角位置的三维像素的分光角度都是一样的。因此，在某些相邻视点观看基于光栅的多视点自由立体显示器200a与200b时，便会出现较为严重的三维图像的串扰现象，导致三维图像显示效果较差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于光栅的多视点自由立体显示器，能有效减少相邻视点间的串扰，从而其具有高质量的三维图像显示效果。

本发明提供一种基于光栅的多视点自由立体显示器，包括显示面板及光栅。显示面板具有用于显示三维图像子像素的显示面。多个三维图像子像素沿第一方向与第二方向呈行列式排布。光栅位于显示面板的显示面一侧。光栅包括多个子光栅，且多个子光栅沿第二方向排列。各子光栅的长度延伸方向相互平行且与第二方向具有相同夹角，并具有相同的光栅栅距。各子光栅覆盖的沿第二方向的三维图像子像素的行数相同。在第二方向上多个子光栅依次沿第一方向错位。

在本发明的一个具体方案中，各子光栅包括沿第一方向排列的多个光栅周期单元，各光栅周期单元覆盖的沿第一方向的三维图像子像素的列数相同。

在本发明的一个具体方案中，在第二方向上多个子光栅依次朝第一方向的相反方向错位相同的错位距离。

在本发明的一个具体方案中，各子光栅覆盖的沿第二方向的三维图像子像素的行数为L，各子光栅的光栅周期单元沿第一方向的宽度为Ph，各三维图像子像素沿第二方向的宽度为Sv，各子光栅的长度延伸方向与第二方向的夹角为α，错位距离为△，其中，△＝L×Sv×tanα－Ph。

在本发明的一个具体方案中，多视点自由立体显示器具有多个视点，多个三维图像子像素沿第一方向排列的总行数以及沿第二方向排列的总列数分别为多个视点的数量的整数倍，且各子光栅覆盖的沿第二方向的三维图像子像素的行数为多个视点的数量的整数倍。

在本发明的一个具体方案中，各子光栅的各光栅周期单元覆盖的沿第一方向的三维图像子像素的列数为X，各三维图像子像素沿第一方向的宽度为Sh，各子光栅的光栅周期单元沿第一方向的宽度为Ph，Ph＝X*E*Sh/(E+Sh)，其中，E为瞳距。

在本发明的一个具体方案中，各光栅为狭缝光栅、柱镜光栅或可调节光栅。

在本发明的一个具体方案中，多视点自由立体显示器具有多个视点，多个三维图像子像素选自多个视点的多个二维图像的子像素。

在本发明的一个具体方案中，多个三维图像子像素与多个视点的多个二维图像的子像素的映射关系是 $N=\frac{(k-3l\tan \mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}{N}_{\mathrm{tot}},$ 其中，k为各三维图像子像素所在的列序数，l为各三维图像子像素所在的行序数，α为各子光栅的长度延伸方向与第二方向的夹角，Ntot为多个视点的数量，X为各光栅周期单元的覆盖的沿第一方向的三维图像子像素的列数，N表示各三维图像子像素是多个视点中的第N视点的二维图像的子像素其中之一。

本发明有益效果是，本发明的基于光栅的多视点自由立体显示器通过在第二方向上多个子光栅依次朝平行于第一方向错位，使显示面板的不同区域的对应同一视点的三维图像子像素发出的光线可以准确的到达对应的，有效减少相邻视点间的串扰，从而使观看者看到高质量的三维图像显示效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1所示为现有的基于柱镜光栅的多视点自由立体显示器的结构示意图。

图2所示为现有的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的结构示意图。

图3所示为本发明一实施例的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的局部结构示意图。

图4所示为图3中IV处的放大图。

图5所示为本发明一实施例的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的光路示意图。

图6所示为基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的Tracepro模拟位置图。

图7所示为利用Tracepro软件对现有的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的模拟图。

图8所示为利用Tracepro软件对本发明一实施例的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的模拟图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

基于光栅的多视点自由立体显示器通常包括显示面板及设置在显示面板一侧的光栅。基于光栅的多视点自由立体显示器通过显示面板与光栅组合使观看者产生双目视差，从而使观看者看到三维图像。

以下将以基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器为例进行说明。图3所示为本发明一实施例的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的局部结构示意图。图4所示为图3中IV处放大图。图5所示为本发明一实施例的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器的光路示意图。请参考图3、图4及图5，本实施例中，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100包括显示面板110及光栅130。显示面板110具有显示面120。显示面120用于显示多个三维图像子像素125。本实施例中，多个三维图像子像素125例如是RGB子像素。每个三维图像子像素125沿第一方向H的宽度为Sh，沿第二方向V的宽度为Sv。本实施例中，第一方向H与第二方向V相互垂直。多视点自由立体显示器100具有多个视点VP，在此用Ntot表示视点VP的个数。在本实施例中，Ntot例如是9，也就是说，三维图像子像素125在第一方向H与第二方向V均是以9为周期进行排布。换句话说，三维图像子像素125沿第一方向H的总列数和沿第二方向V的总行数均为视点VP的数量Ntot（例如9个）的整数倍。

光栅130为狭缝光栅，其包括多个设置于显示面板110的显示面112的一侧的子光栅131（图3中仅绘示出两个子光栅131）。多个子光栅131沿第二方向V排列，且每个子光栅131的长度延伸方向E相互平行并与第二方向V具有相同的夹角α。多个子光栅131具有相同的光栅栅距P。一般地，夹角α的大小与视点VP的数量Ntot相关。在本实施例中，视点VP的数量Ntot为9，通常夹角α的大小为9.4623°，即tanα＝1/6。各子光栅131覆盖的沿第二方向V的三维图像子像素125的行数L相同，且为视点VP的数量Ntot（例如9个）的整数倍。所谓覆盖是指沿第二方向V的L行的三维图像子像素125发出的光线通过其对应的子光栅131进行分光。本实施例中，各子光栅131覆盖的沿第二方向V的三维图像子像素125的行数L为视点VP的数量Ntot的一倍，即行数L等于视点VP的数量Ntot（例如9）。各子光栅131包括沿第一方向H排列的多个光栅周期单元132。在本实施例中，光栅周期单元132覆盖的沿第一方向H的三维图像子像素125的列数为X，且每个光栅周期单元132覆盖的沿第一方向H的三维图像子像素125的列数是相同的。所谓覆盖是指沿第一方向H的X列的三维图像子像素125发出的光线通过其对应的光栅周期单元132进行分光，并非指沿第一方向H的X列三维图形子像素125沿第一方向H的宽度Sv之和与光栅周期单元132沿第一方向H的宽度Ph相同。可以理解的是，光栅周期单元132沿第一方向H的宽度Ph实际上略小于X列三维图形子像素125沿第一方向H的宽度Sv之和，同样可以使得沿第一方向H的X列的三维图像子像素125发出的光线通过其对应的光栅周期单元132进行分光。本实施例中，X值例如是4.5。此外，在第二方向V上多个子光栅131依次沿第一方向H错位。具体的讲，如图4所示，在第二方向V上，位于下方的子光栅131相对于位于上方的子光栅131朝第一方向H的相反方向错位，错位距离为△。可以理解的是，也可以看成是，在第二方向V上，位于下方的子光栅131相对于位于上方的子光栅131朝第一方向H错位，错位距离为Ph-△，其中Ph为光栅周期单元132沿第一方向H的宽度。本实施例中，在第二方向V上多个子光栅132依次朝第一方向H的相反方向错位相同的错位距离△。

错位距离△是依据下述公式进行计算：△＝L×Sv×tanα－Ph，其中，L为各子光栅131覆盖的沿第二方向V的三维图像子像素125的行数，Sv为每个三维子像素125沿第二方向V的宽度，Ph为各子光栅131的光栅周期单元132沿第一方向H的宽度。本实施例中，各子光栅131的光栅周期单元132沿第一方向H的宽度Ph与光栅周期单元132覆盖的沿第一方向H的三维图像子像素125的列数X相关。具体的，各子光栅131的光栅周期单元132沿第一方向H的宽度Ph可由下式计算而得：Ph＝X*E*Sh/(E+Sh)，其中E为瞳距（即成人的两眼之间的距离），Sh为每个三维图像子像素125沿第一方向H的宽度。本实施例中，各子光栅131的光栅周期单元132沿第一方向H的宽度Ph计算公式是通过下述公式的推导而得：（1）Sh/E=G/D以及（2）Ph/(X*Sh)＝D/(D+G)，其中，E为瞳距，Sh为每个三维图像子像素125沿第一方向H的宽度，G为显示面板110与光栅130的距离，D为视距（即成人在观看电视节目时，成人的两眼到显示面板110的垂直距离，例如是3m）。利用公式（1）得到G=Sh/E*D，并代入公式（2）中获得Ph＝X*E*Sh/(E+Sh)。需要说明的是，在各子光栅131的光栅周期单元132沿第一方向H的宽度Ph计算获得之后，依据占空比（例如75%，占空比指的是各子光栅131的光栅周期单元132的遮光部宽度B占光栅栅距P的比值）即可具体设计出适宜的光栅130。进一步，再依据错位距离△计算公式计算出△＝L×Sv×tanα－Ph，并在设置光栅130时，在第二方向V上，使得位于下方的子光栅131相对于位于上方的子光栅131朝第一方向H的相反方向错位，错位距离为△，从而获得基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100。

承上所述，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100具有多个视点VP，假设每个视点VP可以单独的观看到二维图像，其中基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100中显示面120显示的三维图像子像素125是选自这些二维图像的子像素。换句话说，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100的三维图像子像素125是Ntot个视点VP中的某一视点VP中的二维图像的子像素。具体地，本实施例中，多视点自由立体显示器100中显示面120显示的多个三维图像子像素125与Ntot个视点VP的二维图像的子像素的映射关系是

其中，k为一个三维子像素125所在的列序数，l为这个三维子像素125所在的行序数。α为各子光栅131的长度延伸方向与第二方向B的夹角（本实施例中，视点VP数量Ntot等于9，相应的夹角α的度数为9.4623°，即tanα等于1/6）。Ntot为多个视点VP的数量（本实施例中，视点VP数量Ntot等于9），X为各子光栅130的光栅周期单元132所覆盖的沿第一方向H的三维图像子像素125的行数（例如是4.5行）。mod为求余函数。N表示第l行第k列的三维图像子像素125是多个视点VP中的第N视点VP的二维图像的子像素其中之一，当计算的N值为0或者负数时将其加上Ntot（例如是9）。

承上述，从现有技术可以知道，观看者与显示面120的中心位置之间的角度为垂直，而与显示面120四周周边和边角位置的角度为非垂直。本案的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100利用包括多个子光栅131的光栅130，对沿第二方向V的多个子光栅131的位置进行了微调，例如在第二方向V上，位于下方的子光栅131相对于位于上方的子光栅131朝第一方向H的相反方向错位。由于光栅130结构的改变，使得光栅130不仅在对显示面120的中心位置对应三维图像子像素125发出光线进行分光时形成对称的分光角度，在对显示面120的四周周边和边角位置处对应的三维图像子像素125发出光线进行分光时也形成对称的分光角度，从而使观看者看到的显示面120各个视点VP观看到的高质量的三维图像，大大减少相邻视点VP间产生串扰。

请继续参考图5，从基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100的光路图来看，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100利用包括多个子光栅131的光栅130，对沿第二方向V的多个子光栅131的位置进行了微调，例如在第二方向V上位于下方的子光栅131相对于位于上方的子光栅131朝第一方向H的相反方向错位，的确能有效改善相邻视点间的串扰问题，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100在显示三维图像时，显示面120多个三维图像子像素125的光线可准确的到达对应的各视点VP，也就是说，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100的相邻视点VP间不会存在信号串扰，从而使观看者可以观看到高质量的三维图像显示效果。

以下将结合Tracepro软件模拟试验对本实施例基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100的三维图像显示效果的改善作进一步的说明。为了便于比较，也利用Tracepro软件模拟试验对现有的基于光栅的多视点自由立体显示器200b进行了对比模拟试验。图6所示为基于光栅的多视点自由立体显示器的Tracepro模拟位置图。图7所示为利用Tracepro软件对如图2所示的现有的基于光栅的多视点自由立体显示器200b的模拟图。图8所示为利用Tracepro软件对本实施例的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100的模拟图。请参考图6，在本实施例中，在显示面板内均匀取9个(①～⑨)区域作为Tracepro软件模拟位置分别进行光线追迹，模拟接收面不同位置接收到的各视点的光照度，并绘制如图7和图8所示关系曲线，并以（a-b）曲线显示模拟显示面板a号区域视点b的光照度随接收面位置关系。例如2-1曲线表示模拟显示面板2号区域视点1的光照度随接收面位置关系。

请参考图7，在对现有的基于光栅的多视点自由立体显示器200b进行模拟时，无论是显示面板的水平方向的4、5、6区域还是竖直方向的2、5区域，不同区域的同一视点的最大光照度位置不相同（即位置坐标不相同）。换句话说，对应于显示面板不同区域的同一视点的最佳观看位置不统一，因此会产生相邻视点间的串扰。以区域5的视点1、3为例，假设左眼观看视点3，右眼观看视点1，最佳观看位置（即左眼可以看到区域5的视点3的最大亮度，右眼可以看到区域5的视点1的最大亮度，且区域5的视点3的最大亮度所对应的位置坐标与区域5的视点1的最大亮度所对应的位置坐标的之差要接近成人人眼间距），从图7上可以看出，区域5的视点3与视点1的最大亮度对应的位置坐标之差约为129.41-66.66=62.75mm，接近成年人人眼间距，但是此时，从图7上可以看到，区域2的视点3的最大亮度所对应的位置坐标也位于区域5的视点1的最大亮度所对应的位置坐标附近，因此，右眼除了看到区域5的视点1外还会有来自区域2的视点3的干扰，导致观看者看到的三维图像的质量较差。

请参考图8，在对本实施例的基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100进行模拟时，无论是显示面板的水平方向上的4、5、6区域还是竖直方向的上的2、5区域，不同区域的相同视点最大光照度位置相同（即处于同一位置坐标）。例如，区域2的视点3、区域4的视点3、区域5的视点3、区域6的的视点3的最大亮度所对应的位置坐标大致相同，区域2的视点1、区域4的视点1、区域5的视点1、区域6的的视点1的最大亮度所对应的位置坐标也大致相同。也就是说，在视点3观看不会受到其他视点例如视点1的信号的干扰。因此，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100有效减小了相邻视点间的串扰，这样观看者可以看到高质量的三维图像。

在其他实施方式中，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100中光栅130也可不采用狭缝光栅，而采用柱镜光栅。柱镜光栅与狭缝光栅的光栅周期单元的结构虽然不同，但整体光栅的结构和原理与狭缝光栅相同，在此不再赘述。

在其他实施方式中，基于狭缝光栅的多视点自由立体显示器100中光栅130也可采用可调节光栅。可调节光栅除光栅栅距是可以调节的之外，其他原理和结构与光栅130相同，在此不再赘述。可调节光栅的选用可以更好的适应显示的三维图像子像素的覆盖需求，进而提高三维图像的显示质量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，其包括：

显示面板，具有用于显示三维图像子像素的显示面，该多个三维图像子像素沿第一方向与第二方向呈行列式排布；以及

光栅，该光栅位于该显示面板的该显示面一侧，该光栅包括多个子光栅，该多个子光栅沿该第二方向排列，各该子光栅的长度延伸方向相互平行且与该第二方向具有相同夹角，各该子光栅具有相同的光栅栅距，各该子光栅覆盖的沿该第二方向的该三维图像子像素的行数相同，并且在该第二方向上该多个子光栅依次沿该第一方向错位。

2.如权利要求1所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，各该子光栅包括沿该第一方向排列的多个光栅周期单元，各该光栅周期单元覆盖的沿该第一方向的该三维图像子像素的列数相同。

3.如权利要求2所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，在该第二方向上该多个子光栅依次朝该第一方向的相反方向错位相同的错位距离。

4.如权利要求3所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，各该子光栅覆盖的沿该第二方向的该三维图像子像素的该行数为L，各该子光栅的该光栅周期单元沿该第一方向的宽度为Ph，各该三维图像子像素沿该第二方向的宽度为Sv，各该子光栅的该长度延伸方向与该第二方向的该夹角为α，该错位距离为△，其中，△＝L×Sv×tanα－Ph。

5.如权利要求1所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，该多视点自由立体显示器具有多个视点，该多个三维图像子像素沿该第一方向排列的总行数以及沿该第二方向排列的总列数分别为该多个视点的数量的整数倍，且各该子光栅覆盖的沿该第二方向的该三维图像子像素的该行数为该多个视点的该数量的整数倍。

6.如权利要求2所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，各该子光栅的各该光栅周期单元覆盖的沿该第一方向的该三维图像子像素的列数为X，各该三维图像子像素沿该第一方向的宽度为Sh，各该子光栅的该光栅周期单元沿该第一方向的宽度为Ph，Ph＝X*E*Sh/(E+Sh)，其中，E为瞳距。

7.如权利要求1所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，各该子光栅为狭缝光栅、柱镜光栅或可调节光栅。

8.如权利要求1所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，该多视点自由立体显示器具有多个视点，该多个三维图像子像素选自该多个视点的多个二维图像的子像素。

9.如权利要求8所述的基于光栅的多视点自由立体显示器，其特征在于，该多个三维图像子像素与该多个视点的该多个二维图像的子像素的映射关系是其中，k为各该三维图像子像素所在的列序数，l为各该三维图像子像素所在的行序数，α为各该光栅的该长度延伸方向与该第二方向的该夹角，Ntot为该多个视点的数量，X为各该光栅周期单元的覆盖的沿该第一方向的该三维图像子像素的列数，N表示各该三维图像子像素是该多个视点中的第N视点的该二维图像的子像素其中之一。

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