CN103246071B - 一种3d显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D显示装置，在显示面板的出光侧设置具有阵列排布的孔状透光区域的第一光栅层，在第一光栅层上设置具有阵列排布的孔状透光区域的第二光栅层。通过调节第一光栅层与第二光栅层中各孔状透光区域的重叠区域大小是否满足小孔成像条件，以实现2D显示状态与3D显示状态的切换，在3D显示状态时，调节每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域，使其达到小孔成像条件小于一个像素单元的区域，实现对显示面板中各亚像素单元出射光角度的调节，进而实现左眼图像和右眼图像分别汇聚于不同位置，实现裸眼3D显示，相对于遮挡条纹可以减少对光线的遮挡，避免减低显示亮度，实现高亮度的3D显示。

Description

一种3D显示装置
技术领域
本发明涉及3D显示技术领域，尤其涉及一种3D显示装置。
背景技术
在日常生活中，人们是利用两只眼睛来观察周围具有空间立体感的外界景物的，三维（3D）显示技术就是利用双眼立体视觉原理使人获得三维空间感，其主要原理是使观看者的左眼与右眼分别接收到不同的影像，由观看者两眼之间的瞳距产生的位置差异，使存在“双眼视差”的两副图像构成一对“立体图像对”，而“立体图像对”在经由大脑分析融合后使观看者产生立体感。
目前，3D显示技术有裸眼式和眼镜式两大类。所谓裸眼式就是通过在显示面板上进行特殊的处理，把经过编码处理的3D视频影像独立送入人的左右眼，从而令用户无需借助立体眼镜即可裸眼体验立体感觉。
目前，实现裸眼3D显示的显示装置为在诸如液晶显示器（LCD）的显示屏出光侧设置光屏障（Barrier）或光栅等遮蔽物，如光栅式、微透镜、液晶透镜等。其中，光栅式是在显示屏前安装视差屏障的栅状光学屏障来控制或者遮挡光线的行进方向，让左右两眼能同时接受到不同的影响，产生视差进而能在大脑中融合成立体影像。
目前，可以通过多种方式形成光栅式屏障，例如可以使用比较廉价的打印式菲林片来实现光栅式屏障，多数打印式菲林片的图形是与像素结构相似的长条状或者长方形状的条纹；也可以采用可开关的液晶薄膜作为光栅式屏障形成立体显示，其原理与打印式菲林光栅一样，不同之处在于液晶薄膜可以实现2D显示状态和3D显示状态的切换，即在需要进行3D显示状态时可以打开液晶薄膜来实现3D显示，在不需要进行3D显示，即2D显示状态时可以关闭液晶薄膜。
目前的光栅式屏障在3D显示状态下，形成的遮挡条纹一般都是长条状或者长方形状，这种遮挡条纹在实现3D显示效果的同时，会因对光线的遮挡而降低显示的亮度，影响观看者的视觉体验，这也成为显示裸眼3D技术推广应用的障碍。
发明内容
本发明实施例提供了一种3D显示装置，用以实现高亮度3D显示。
本发明实施例提供的一种3D显示装置，包括：显示面板，位于所述显示面板出光侧且具有阵列排布的孔状透光区域的第一光栅层，位于所述第一光栅层之上且具有阵列排布的孔状透光区域的第二光栅层，以及调节所述第一光栅层和第二光栅层的相对移位以实现2D显示状态与3D显示状态切换的调节装置；其中，
所述第一光栅层具有的孔状透光区域与所述第二光栅层具有的孔状透光区域一一对应；所述显示面板内具有阵列排布的像素单元；
在2D显示状态时，每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域覆盖至少一个像素单元的区域；
在3D显示状态时，每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域小于一个像素单元的区域。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明实施例提供的一种3D显示装置，在显示面板的出光侧设置具有阵列排布的孔状透光区域的第一光栅层，在第一光栅层上设置具有阵列排布的孔状透光区域的第二光栅层，其中第一光栅层具有的孔状透光区域与第二光栅层具有的孔状透光区域一一对应，通过调节第一光栅层与第二光栅层中各孔状透光区域的重叠区域大小是否满足小孔成像条件，以实现2D显示状态与3D显示状态的切换。具体通过调节装置调节第一光栅层和第二光栅层的相对移位，在2D显示状态时，调节每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域，使其覆盖至少一个像素单元的区域，显示面板显示的图像经过每对孔状透光区域后实现正常显示；在3D显示状态时，调节每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域，使其达到小孔成像条件小于一个像素单元的区域，实现对显示面板中各亚像素单元出射光角度的调节，进而实现左眼图像和右眼图像分别汇聚于不同位置，实现裸眼3D显示，相对于遮挡条纹可以减少对光线的遮挡，避免减低显示亮度，实现高亮度的3D显示。
附图说明
图1为小孔成像的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的3D显示装置的结构示意图；
图3a和图3b分别为本发明实施例提供的3D显示装置在2D显示状态和3D显示状态的原理示意图；
图4a和图4b分别为在2D显示状态下和3D显示状态下，第一光栅层和第二光栅层中的各孔状透光区域的重叠区域俯视示意图；
图5a和图5b分别为在2D显示状态下和3D显示状态下，第一光栅层和第二光栅层中的各孔状透光区域截面示意图；
图6为本发明实施例提供的3D显示装置中的孔状透光区域的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的3D显示装置的具体实施方式进行详细地说明。
本发明实例提供的3D显示装置利用小孔成像的原理，下面对小孔成像的条件进行简要说明，如图1所示，设发光物体的高度为h，光栅的孔径为d，发光物体到光栅的距离即物距为u，小孔成像的临界距离为v，由三角形相似原理可得：v/d=（v+u）/h，因此，临界距离v=ud/（h-d）。从公式中可以看出，当发光物体的高度h大于光栅的孔径d时，临界距离v是正值，当发光物体的高度h小于光栅的孔径d时，临界距离v是负值，无意义，当发光物体的高度h等于光栅的孔径d时，临界距离v为无穷大，也无意义。因此，小孔成像的一个重要条件是发光物体的高度h必须大于光栅的孔径d，即像素单元的大小必须大于光栅的孔径。当发光物体的高度h小于或等于d时，像屏无论放在何处，像屏上都看不到倒立的像，即发光物体的光线传播方向不改变。
根据上述小孔成像的条件，本发明实施例提供的一种3D显示装置，如图2所示，包括：显示面板01，位于显示面板01出光侧且具有阵列排布的孔状透光区域的第一光栅层02，位于第一光栅层02之上且具有阵列排布的孔状透光区域的第二光栅层03，以及调节第一光栅层02和第二光栅层03的相对移位以实现2D显示状态与3D显示状态切换的调节装置04；其中，
第一光栅层02具有的孔状透光区域与第二光栅层03具有的孔状透光区域一一对应；显示面板01内具有阵列排布的像素单元05；
在2D显示状态时，如图3a所示，每一对孔状透光区域在显示面板01上投影的重叠区域（图中虚线所示）覆盖至少一个像素单元05的区域；
在3D显示状态时，如图3b所示，每一对孔状透光区域在显示面板01上投影的重叠区域（图中虚线所示）小于一个像素单元05的区域。
在具体实施时，上述显示面板01可以液晶（LCD）显示面板、有机电致发光（OLED）显示面板、等离子体（PDP）显示面板、或阴极射线（CRT）显示器等，在此不做限定。
本发明实施例提供的3D显示装置中，通过调节第一光栅层02具有的各孔状透光区域和第二光栅层03中各孔状透光区域相互的重叠区域是否满足小孔成像的条件，即像素单元的大小相当于发光物体的大小，重叠区域的大小相当于光栅的孔径大小，来实现2D显示状态与3D显示状态的切换。
具体地，为了使第一光栅层02和第二光栅层03中的各孔状透光区域的重叠区域的大小分别能满足2D显示状态和3D显示状态的条件。即在2D显示状态下，根据上述小孔成像的条件可知，如图3a所示，需要第一光栅层02和第二光栅层03中各孔状透光区域的重叠区域（即光栅的孔径）不小于像素单元05的大小（即发光物体）；在3D显示状态下，如图3b所示，根据上述小孔成像的条件可知，需要第一光栅层02和第二光栅层03中各孔状透光区域的重叠区域（即光栅的孔径）小于像素单元05的大小（即发光物体）。在具体实施时，若将第一光栅层02和第二光栅层03中的各孔状透光区域的孔径设置为大于一个像素单元，例如两个像素单元时，会难于从2D状态切换至3D状态，并且，各孔状透光区域的孔径越大，为保证能从2D状态切换至3D状态，需要将各孔状透光区域之间的黑色遮挡部分设置较大，会大大降低显示亮度和分辨率。若将第一光栅层02和第二光栅层03中的各孔状透光区域的孔径设置成小于一个像素单元时，仅能满足3D显示状态的小孔成像条件，无法进行2D显示状态的切换。因此，为尽可能实现在2D状态下的显示具有较高的分辨率以及较少的亮度损失，同时又能在3D状态下能够满足小孔成像的条件，在具体实施时，一般如图3a和图3b所示将每一对孔状透光区域与每个像素单元05的位置一一对应，即第一光栅层02具有的孔状透光区域和第二光栅层03具有的孔状透光区域与像素单元05的位置均一一对应。
图4a和图4b分别为在2D显示状态下和3D显示状态下，第一光栅层02和第二光栅层03中的各孔状透光区域的重叠区域俯视示意图。图5a和图5b分别为在2D显示状态下和3D显示状态下，第一光栅层02和第二光栅层03中的各孔状透光区域截面示意图。
并且，在具体实施时，一般将第一光栅层中各孔状透光区域设置为占第一光栅层总面积的60%-90%，即第一光栅层中黑色遮挡部分占第一光栅层总面积的10%-40%；将第二光栅层中各孔状透光区域设置为占第二光栅层面积的60%-90%，即第二光栅层中黑色遮挡部分占第二光栅层总面积的10%-40%，以便在第一光栅层和第二光栅层之间相对移位后，利用黑色遮挡部分调节两层光栅层中各孔状透光区域的重叠区域的大小。
在具体实施时，第一光栅层和/或第二光栅层一般可以为由黑矩阵材料制备而成的光栅层，在黑矩阵材料上制备各孔状透光区域。
进一步地，为了保证在2D显示状态时，第一光栅层02和第二光栅层03中的各孔状透光区域较少的遮挡显示面板01的像素单元的出光区域，可以将第一光栅层02具有的各孔状透光区域与第二光栅层03具有的各孔状透光区域设置为形状和尺寸均相同，即第一光栅层02和第二光栅层03的内部结构一致，两者可上下互换。
进一步地，为了保证3D显示装置在2D显示状态下具有较少的亮度损失，可以将第一光栅层02具有的各孔状透光区域与第二光栅层03具有的各孔状透光区域的形状设置为与各像素单元的形状一致，例如可以为方形或圆形，在此不作限定。
下面以第一光栅层02具有的各孔状透光区域、第二光栅层03具有的各孔状透光区域以及各像素单元的形状均为长方形为例进行说明，其中，如图6所示，一个像素单元由红绿蓝RGB三个亚像素单元组成，一个像素单元的宽度为x，一个像素单元的长度为y。
具体地，调节第一光栅层和第二光栅层的相对移位以实现2D显示状态与3D显示状态切换的调节装置04，具体可以包括：
驱动第一光栅层沿像素单元行的延伸方向平移的第一驱动部件；和/或，
驱动第二光栅层沿像素单元行的延伸方向平移的第二驱动部件。
在具体实施时，在2D显示状态和3D显示状态之间相互切换时，可以仅驱动第一驱动部件，如图2所示，使第一光栅层02相对第二光栅层03沿着像素单元行的延伸方向（箭头方向）平移；也可以仅驱动第二驱动部件，使第二光栅层03相对第一光栅层02沿着像素单元行的延伸方向（箭头方向）平移；当然，为了节省机械结构的移动距离，还可以同时驱动第一驱动部件和第二驱动部件，使第一光栅层和第二光栅层同时相对平移，实现调节两光栅层中各孔状透光区域的重叠区域大小。在具体实施时，可以在3D显示状态下，调整第一光栅层和第二光栅层相对位移（n+1/4）x，其中n为整数。
在具体实施时，第一驱动部件和第二驱动部件可以通过步进马达，与步进马达的输出轴同轴固定的齿轮，以及设置在第一光栅层和第二光栅层上的齿条实现对应的第一光栅层或第二光栅层的平移过程，当然，也可以通过其他微型机械装置实现，在此不作限定。
进一步地，根据小孔成像原理，在满足小孔成像条件下，如图1所示，成像距离v0可以简化为：v0=Eu/h，其中E为人眼两瞳孔的距离，v0为成像距离。根据此公式，在具体实施时，本发明实施例提供的3D显示装置，还可以包括：调节显示面板01与第一光栅层02之间距离的第三驱动部件；设置于显示面板正面的信号采集单元，该信号采集单元具有用于采集显示面板前侧观看者面部与显示面板之间距离信息的距离采集模块；与距离采集模块和第三驱动部件信号连接的信号处理单元，当距离采集模块采集的距离信息变化时生成驱动信号，第三驱动部件根据驱动信号调节显示面板与第一光栅层的相对距离，以达到根据观看者与显示面板的距离调节第一光栅层与显示面板之间距离，实现3D显示状态的最佳观看效果。
例如：以分辨率为1280*800的10英寸的3D显示装置为例，其中，每个亚像素单元的宽度约为55μm，高度约为180μm；则第一光栅层和第二光栅层中各孔状透光区域的孔径宽度为160μm，高度为180μm，人眼两瞳孔的距离一般为6.5cm。通过检测得到若在观看者在距离显示面板1.4m处观看，通过计算可以得出第一光栅层距离显示面板的放置距离应约为2mm，通过第三驱动部件调节第一光栅层与显示面板之间的距离，可以实现观看者的最佳3D观看效果。
本发明实施例提供的一种3D显示装置，在显示面板的出光侧设置具有阵列排布的孔状透光区域的第一光栅层，在第一光栅层上设置具有阵列排布的孔状透光区域的第二光栅层，其中第一光栅层具有的孔状透光区域与第二光栅层具有的孔状透光区域一一对应，通过调节第一光栅层与第二光栅层中各孔状透光区域的重叠区域大小是否满足小孔成像条件，以实现2D显示状态与3D显示状态的切换。具体通过调节装置调节第一光栅层和第二光栅层的相对移位，在2D显示状态时，调节每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域，使其覆盖至少一个像素单元的区域，显示面板显示的图像经过每对孔状透光区域后实现正常显示；在3D显示状态时，调节每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域，使其达到小孔成像条件小于一个像素单元的区域，实现对显示面板中各亚像素单元出射光角度的调节，进而实现左眼图像和右眼图像分别汇聚于不同位置，实现裸眼3D显示，相对于遮挡条纹可以减少对光线的遮挡，避免减低显示亮度，实现高亮度的3D显示。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种3D显示装置，其特征在于，包括：显示面板，位于所述显示面板出光侧且具有阵列排布的孔状透光区域的第一光栅层，位于所述第一光栅层之上且具有阵列排布的孔状透光区域的第二光栅层，以及调节所述第一光栅层和第二光栅层的相对移位以实现2D显示状态与3D显示状态切换的调节装置；其中，
所述第一光栅层具有的孔状透光区域与所述第二光栅层具有的孔状透光区域一一对应；所述显示面板内具有阵列排布的像素单元；
在2D显示状态时，每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域覆盖至少一个像素单元的区域；
在3D显示状态时，每一对孔状透光区域在显示面板上投影的重叠区域达到小孔成像条件小于一个像素单元的区域。
2.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，所述每一对孔状透光区域与每个像素单元的位置一一对应。
3.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，所述第一光栅层具有的各孔状透光区域与所述第二光栅层具有的各孔状透光区域形状和尺寸均相同。
4.如权利要求3所述的3D显示装置，其特征在于，所述第一光栅层具有的各孔状透光区域与所述第二光栅层具有的各孔状透光区域的形状为方形或圆形。
5.如权利要求1所述的3D装置，其特征在于，所述第一光栅层中各孔状透光区域占所述第一光栅层总面积的60％-90％；所述第二光栅层中各孔状透光区域占所述第二光栅层总面积的60％-90％。
6.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，所述调节装置包括：
驱动第一光栅层沿像素单元行的延伸方向平移的第一驱动部件；和/或，
驱动第二光栅层沿像素单元行的延伸方向平移的第二驱动部件。
7.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，还包括：
调节所述显示面板与所述第一光栅层之间距离的第三驱动部件；
设置于所述显示面板正面的信号采集单元，所述信号采集单元具有用于采集所述显示面板前侧观看者面部与所述显示面板之间距离信息的距离采集模块；
与所述距离采集模块和所述第三驱动部件信号连接的信号处理单元，当所述距离采集模块采集的距离信息变化时生成驱动信号，所述第三驱动部件根据所述驱动信号调节所述显示面板与所述第一光栅层的相对距离。
8.如权利要求1-7任一项所述的3D显示装置，其特征在于，所述第一光栅层和/或第二光栅层为由黑矩阵材料制备而成的光栅层。
9.如权利要求1-7任一项所述的3D显示装置，其特征在于，所述显示面板为液晶LCD显示面板、有机电致发光OLED显示面板、等离子体PDP显示面板、或阴极射线CRT显示器。
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