CN103353674B - 二维/三维可切换显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维/三维可切换显示器及其控制方法，显示器包括：显示装置，以及位于其前方的第一、第二和第三透镜光栅层，显示装置同一点光源发出的发散光依次形成为平行光、汇聚光线和平行光；控制单元，控制第三透镜光栅层沿其光轴平移；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点重合时，形成三维图像；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点不重合时，形成二维图像。本发明二维/三维显示转换方便，二维显示时无分辨率损失，三维显示时视区宽度明显减小，串扰减小，图像立体感更强，有效提高显示器的显示质量。

Description

二维/三维可切换显示器

技术领域

本发明涉及液晶显示技术领域，尤其涉及一种二维/三维可切换显示器。

背景技术

目前，自由立体显示技术在各大厂商的积极推进和客户需求增加的刺激下迅速发展，自由立体显示设备让人民摆脱了传统立体显示中眼镜的束缚，让人们无论在何时何地都可轻松随意的感受图像或视频的立体显示效果。目前自由立体显示主流方式为透镜光栅式自由立体显示，其利用透镜对出射光线的折射作用实现将不同视点光线分离，然后分别进入人的左右眼，进而达到立体显示的效果。具体可参照图1和图2所示，图1中由背光模组1-1和显示面板形成的显示装置1上，从其子像素1-2中选取四个依次相邻的子像素A、B、C、D，四个子像素经过显示装置1前方设置的凸透镜光栅层2之后，各个子像素在视区3上共用部分很多，串扰较大，不适合观看的区域较大。图2中示出了显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的凸透镜后的光线传输路线图，显示装置1上一个点光源4发出的光线，照射到凸透镜光栅层2上，经与该点光源4对应的一个凸透镜2-1之后，点光源出射光线变为平行光束，平行光的宽度较宽，相邻子像素在视区3上共用部分就相应较多。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

进行三维（3D）显示时，相邻子像素在视区上形成的观看图像串扰较大、观看视区范围较小；进行二维（2D）显示时，使得观看效果大大受到影响。因此需要采用相关措施来改善视区的分布并实现二维/三维（2D/3D）的自由切换以达到更好的观看效果。

同时，发明人也研究了相关的改进技术，但都存在相应的缺陷。例如，通过在原凸透镜外加一层曲率半径和节距与其相等的凹透镜来实现2D/3D的切换，通过将凹透镜在与2D显示屏平行方向上移动整数倍凸透镜节距的位移（整数倍加半个凸透镜节距）来实现2D/3D显示。该方案在移动距离上精确度要求太高，不但要求在水平方向移动，在垂直方向上也要向外移动一定距离，且只能实现2D/3D显示切换，不能解决视区串扰问题。另外，还可以通过在原凸透镜外加一层液晶层并分别控制液晶层形成不同朝向的凸透镜来实现2D/3D的显示切换，受目前技术限制，液晶凸透镜的曲率达不到普通凸透镜的大小，使得3D立体感减弱，且只能实现2D/3D显示切换而不能解决视区串扰问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何实现显示器能够在二维和三维显示中切换，并能够有效减小三维显示中的视区串扰、提高二维显示中的分辨率。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种二维/三维可切换显示器，其包括：

显示装置，输出显示器显示所需图像；

第一透镜光栅层，设置在所述显示装置前方，包括多个第一透镜，每个第一透镜将显示装置上同一点光源发出的发散光汇聚为平行光；

第二透镜光栅层，设置在所述第一透镜光栅层前方，包括多个第二透镜，每个第二透镜将所述第一透镜出射的平行光汇聚；

第三透镜光栅层，设置在所述第二透镜光栅层前方，包括多个第三透镜，所述第三透镜将第二透镜光栅层形成的所述同一点光源对应的汇聚光线转换为平行光；

控制单元，控制所述第三透镜光栅层沿其光轴平移；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点不重合时，形成二维图像；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点重合时，形成三维图像。

本发明还提供了一种二维/三维可切换显示器的控制方法，其包括以下步骤：

当控制单元接收到三维显示指令时，其控制第三透镜光栅层相对第二透镜光栅层移动，直到第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点重合；

当控制单元接收到二维显示指令时，其控制第三透镜光栅层相对第二透镜光栅层移动，直到第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点不重合。

（三）有益效果

上述技术方案具有如下优点或有益效果：在显示装置前方具有一层透镜光栅层的基础上，新增加两层透镜光栅层，通过调整新增加的两层透镜光栅层之间的距离，能够实现二维和三维显示的转换；在三维模式下，通过新增加的两层透镜光栅层来改变光线的传输方向，使显示装置同一点光源出射的光线经过原透镜光栅层的每个透镜后变成平行光线，再经过新增加的两层透镜光栅层依次变为汇聚光线和平行光线，该平行光线的宽度比原平行光线的宽度要小很多，从而实现视区宽度的减小，串扰的减少，并且新增加两层透镜光栅层组合后的焦距更大，图像的立体感更强；在二维模式下，从显示装置同一点光源出射的光线经原透镜光栅层作用后变为平行光线，此平行光线再经新增加的两层透镜光栅层后变为发散光，保证了光线的出射角度，使二维模式下无分辨率损失。

附图说明

图1为现有技术自由立体显示器中子像素经过凸透镜光栅层后在光线接收区所形成的视区分布图；

图2为图1自由立体显示器中显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的凸透镜后的光线传输路线图；

图3为本发明实施例1中二维/三维可切换显示器处于三维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；

图4为本发明实施例1中二维/三维可切换显示器处于二维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；

图5为本发明实施例2中二维/三维可切换显示器处于三维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；

图6为本发明实施例2中二维/三维可切换显示器处于二维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；

图7为本发明实施例3中二维/三维可切换显示器处于三维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；

图8为本发明实施例3中二维/三维可切换显示器处于二维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；

图9为本发明实施例3中二维/三维可切换显示器中第二透镜曲率半径与第三透镜出射的平行光线宽度之间的关系图。

其中：1：显示装置；1-1：背光模组；1-2：子像素；2：凸透镜光栅层；2-1：凸透镜；3：视区；4：点光源；5：第一透镜；6：第二透镜；7：第三透镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

为了实现显示器能够在二维和三维显示中切换，并能够有效减小三维显示中的视区串扰，本实施例提供了一种二维/三维可切换显示器，其包括：

显示装置，输出显示器显示所需图像；

第一透镜光栅层，设置在所述显示装置前方，包括多个第一透镜，每个第一透镜将显示装置上同一点光源发出的发散光汇聚为平行光；第一透镜光栅层为现有技术中通常采用的结构，但是仅使用第一透镜光栅层,显示装置上同一点光源发出的发散光经过汇聚之后形成的平行光束的宽度较宽，会在三维显示时产生明显的串扰，影响显示器的显示质量；

第二透镜光栅层，设置在所述第一透镜光栅层前方，包括多个第二透镜，每个第二透镜将所述第一透镜出射的平行光汇聚；第二透镜光栅层仍然起汇聚作用，使得由同一点光源发出的发散光经第一透镜出射的平行光光束的宽度，经由第二透镜之后逐渐减小；

第三透镜光栅层，设置在所述第二透镜光栅层前方，包括多个第三透镜，每个第三透镜将第二透镜光栅层形成的所述同一点光源对应的汇聚光线转换为平行光；针对同一点光源，第三透镜光栅层出射的平行光相对于第一透镜光栅层出射的平行光而言，平行光束的宽度明显减小；

控制单元，控制所述第三透镜光栅层沿其光轴平移；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点不重合时，形成二维图像；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点重合时，形成三维图像。

其中，所述第一透镜为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，第二透镜为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，所述第三透镜为双凹透镜、平凹透镜或凹凸透镜。

上述二维/三维可切换显示器，在显示装置前方具有一层透镜光栅层的基础上，新增加两层透镜光栅层，通过调整新增加的第二透镜光栅层和第三透镜光栅层之间的距离，能够实现二维和三维显示的转换；第二透镜光栅层和第三透镜光栅层分离，能够实现三维显示，在三维模式下，通过新增加的两层透镜光栅层来改变光线的传输方向，使显示装置同一点光源出射的散射光线经过第一透镜光栅层后变成平行光线，再经过第二透镜光栅层变为汇聚光线，此汇聚光线再经第三透镜光栅层又变为平行光线，该平行光线的宽度比原平行光线的宽度要小很多，从而实现视区宽度的减小，串扰的减少，并且新增加两层透镜光栅层组合后的焦距更大，图像的立体感更强；第二透镜光栅层和第三透镜光栅层贴合，能够实现二维显示，在二维模式下，从显示装置同一点光源出射的光线经原透镜光栅层作用后变为平行光线，此平行光线再经新增加的两层透镜光栅层后变为发散光，保证了光线的出射角度，使二维模式下无分辨率损失。

实施例1

具体地，图3示出了本实施例二维/三维可切换显示器处于三维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；图4为与图3对应的二维/三维可切换显示器处于二维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图。参照图3和图4所示，本实施例中第一透镜光栅层由平凸透镜形成，记为第一透镜5，第二透镜光栅层由双凸透镜形成，记为第二透镜6，第三透镜光栅层由双面凹透镜形成，记为第三透镜7，第二透镜6和第三透镜7的节距均为第一透镜5的K（K为任一整数）倍，但两者靠近的曲面的曲面半径不再相同。在使用双面凸透镜作为第二透镜6时，下述所述的曲率半径，均是指第二透镜6前侧凸透镜所对应的曲率半径，以下仅以双凸透镜作为第二透镜6来进行描述。

下面，结合上述各透镜光栅层对光线的作用原理，具体分析本实施例二维/三维可切换显示器在三维显示模式下，各透镜光栅层的光学参数要求以及相邻透镜光栅层之间的距离设置。

对于平凸透镜，其焦距为其中，r为平凸透镜曲率半径，n为平凸透镜折射率。

对于平凹透镜，其焦距为其中，r为平凹透镜曲率半径，n为平凹透镜折射率。

对于由两个透镜组合而成的透镜系统，若一个透镜的焦距为f₁，另一个透镜焦距为f₂，二者距离为d，则组合而成的透镜系统的焦距f为

本实施例中，各透镜光栅层的材质不相同，折射率也就不相同，第一透镜光栅层折射率为n₁，曲率半径为r₁；第二透镜光栅层折射率为n₂，其后侧（即靠近第一透镜的一侧，也即图示中的左侧）曲率半径为r₂ ^′，其前侧（即远离第一透镜的一侧，也即图示中的右侧）曲率半径为r₂ ^"；第三透镜光栅层折射率为n₃，其后侧凹透镜曲率为r₃ ^′，其前侧凹透镜曲率半径为r₃ ^"，子像素宽度为t，最佳观看距离为L，人眼瞳孔距离为e，第一透镜光栅层中第一透镜的节距为p，显示装置的视点数为N，透镜光栅层的倾斜角为θ。

（1）对于第一透镜光栅层，其中的第一透镜的焦距为曲率半径为节距为p=Ntcosθ，高度为

（2）对于第二透镜光栅层，其中的第二透镜的焦距为

（3）对于第三透镜光栅层，其中的第三透镜焦距为

为满足同一点光源发出的光线经由第三透镜之后的出射光仍是平行光，则第三透镜前侧焦点与第二透镜前侧的焦点重合，第二透镜光栅层与第三透镜光栅层距离为 $d_{23}=\frac{r_2^{\′}{r}_2^{\′\′}}{(n_2-1)(r_2^{\′}+r_2^{\′\′})}-\frac{r_3^{\′}{r}_3^{\′\′}}{(n_3-1)(r_3^{\′}+r_3^{\′\′})}.$

（4）对于从第三透镜出射的平行光的宽度l_出有其中，h₂为第二透镜前侧透镜的高度，Kp为第二透镜节距，则：

所以，本实施例中，在第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间满足距离为即可实现三维显示；调整两透镜光栅层之间的距离不满足上式，即可实现二维显示。

实施例2

具体地，图5示出了本实施例二维/三维可切换显示器处于三维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；图6为与图5对应的二维/三维可切换显示器处于二维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图。参照图5和图6所示，本实施例中第一透镜光栅层由平凸透镜形成，记为第一透镜5，第二透镜光栅层由平凸透镜形成，记为第二透镜6，第三透镜光栅层由双面凹透镜形成，记为第三透镜7，使用双面凸透镜作为第二透镜6时，下述所述的曲率半径，均是指第二透镜6前侧凸透镜所对应的曲率半径，以下仅以平凸透镜作为第二透镜6来进行描述。

本实施例中，第三透镜光栅层后侧曲面的曲率半径与第二透镜光栅层前侧曲面的曲率半径相等，能够实现下述的显示装置在二维显示时第三透镜光栅层与第二透镜光栅层的贴合，使得在二维显示时，从显示装置同一点光源出射的光线经第一透镜光栅层作用后变为平行光线，此平行光线再经新增加的贴合后的两层透镜光栅层后变为发散光，保证了光线的出射角度，使二维模式下无分辨率损失。

下面，结合上述各透镜光栅层对光线的作用原理，具体分析本实施例二维/三维可切换显示器在三维显示模式下，各透镜光栅层的光学参数要求以及相邻透镜光栅层之间的距离设置。

对于平凸透镜，其焦距为其中，r为平凸透镜曲率半径，n为平凸透镜折射率。

对于平凹透镜，其焦距为其中，r为平凹透镜曲率半径，n为平凹透镜折射率。

对于由两个透镜组合而成的透镜系统，若一个透镜的焦距为f₁，另一个透镜焦距为f₂，二者距离为d，则组合而成的透镜系统的焦距f为

本实施例中，各透镜光栅层的材质不相同，折射率也就不相同，第一透镜光栅层折射率为n₁，曲率半径为r₁；第二透镜光栅层折射率为n₂，曲率半径为r₂；第三透镜光栅层折射率为n₃，其后侧（即靠近第二透镜的一侧，也即图示中的左侧）凹透镜曲率半径与第二透镜光栅层曲率半径相等，即为r₂，其前侧（即远离第二透镜的一侧，也即图示中的右侧）凹透镜曲率半径为r₃ ^"，子像素宽度为t，最佳观看距离为L，人眼瞳孔距离为e，第一透镜光栅层中第一透镜的节距为p，显示装置的视点数为N，透镜光栅层的倾斜角为θ。

（1）对于第一透镜光栅层，其中的第一透镜的焦距为曲率半径为节距为p=Ntcosθ，高度为

（2）对于第二透镜光栅层，其中的第二透镜的焦距为

（3）对于第三透镜光栅层，其中的第三透镜可看作是两个平凹透镜组成的透镜系统，且二者间距离远小于焦距，即d=0，则第三透镜焦距满足即其中，f₃为第三透镜焦距，f₃ ^′为第三透镜后侧凹面透镜焦距，因其与第二透镜能够吻合地靠在一起，则f₃ ^′=-f₂，f₃ ^"为第三透镜前侧凹面透镜焦距，则第三透镜焦距为

为满足同一点光源发出的光线经由第三透镜之后的出射光仍是平行光，则第三透镜前侧焦点与第二透镜前侧的焦点重合。第二透镜光栅层与第三透镜光栅层距离为 $d_{23}=f_2-\left|f_3\right|=\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{r_3^{\′\′}{r}_2}{(n_3-1)(r_3^{\′\′}+r_2)}.$

（4）对于从第三透镜出射的平行光的宽度l_出有其中，h₂为第二透镜的高度，Kp为第二透镜节距，则：

（5）为了尽可能的减少串扰，最佳地需要满足同一点光源发出的光线从第二透镜出射并进入第三透镜时光束的宽度最小，从而实现从第三透镜出射的平行光的宽度也会最小。此时需要第三透镜的焦距最小，而第三透镜后侧凹面透镜的焦距与第二透镜的焦距相等，因此只能改变第三透镜的前侧凹面焦距。

第三透镜的节距为Kp，当透镜曲率半径最小时，焦距最小，前侧凹面镜的最小曲率半径为Kp/2，则焦距

此时，第三透镜焦距为 $f_3=\frac{f_3^{\′\′}{f}_3^{\′}}{f_3^{\′}+f_3^{\′\′}}=\frac{\frac{\mathrm{Kp}}{2(n_3-1)}\frac{r_2}{n_2-1}}{\frac{\mathrm{Kp}}{2(n_3-1)}+\frac{r_2}{n_2-1}}=\frac{{\mathrm{Kpr}}_2}{\mathrm{Kp}(n_2-1)+2r_2(n_3-1)}.$

此时，第二透镜光栅层与第三透镜光栅层距离为：

$d_{23}=f_2-\left|f_3\right|=\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{{\mathrm{Kpr}}_2}{\mathrm{Kp}(n_2-1)+2r_2(n_3-1)}.$

此时，从第三透镜出射的平行光的宽度为：

（6）对于第一透镜光栅层和第二透镜光栅层间的距离，二者靠在一起可以减少整个光栅结构的厚度，即两者间距优选为零。

接下来，对本实施例二维/三维可切换显示器在二维显示模式下，各透镜光栅层的光学参数要求以及相邻透镜光栅层之间的距离设置进行分析。

显示2D图像时，通过控制单元的作用，第二透镜光栅层和第三光栅层紧靠在一起，变为一个整体，此整体即第四透镜光栅层。从显示装置中发出的光线经过第一层凸透镜光栅层后，光线由于受到凸透镜的折射作用而彼此分离，液晶显示屏上每一个点发射出的光线经凸透镜后变为平行光束。光线再经过第四层凹透镜光栅层后因受到凹透镜作用而将光变为发散光，显示装置上每一个点光源发射出的光线进过第一层凸透镜作用后变为平行光束，平行光束再经第四凹透镜层而发散，使得观看者在任意角度都可看到显示装置上的每一个点。

（1）此时对于第四透镜光栅层，它相当于是由平面凹透镜形成，其焦距与第三透镜前侧凹面透镜的焦距相等，则其焦距为：

$f_4=\frac{f_2{f}_3}{f_2+f_3}=-\frac{r_3^{\′\′}{r}_2^2}{\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{r_3^{\′\′}{r}_2}{(n_3-1)(r_3^{\′\′}+r_2)}}.$

（2）对于第一透镜和第二透镜间的距离，二者靠在一起可以减少整个光栅结构的厚度，即两者间距优选为零。

实施例3

本实施例二维/三维可切换显示器的结构与实施例2相类似，其不同之处在于本实施例中，形成各透镜光栅层的透镜的材料相同，折射率相同，节距相同。

具体地，图7示出了本实施例二维/三维可切换显示器处于三维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图；图8为与图7对应的二维/三维可切换显示器处于二维模式下显示装置上一个点光源发出的光线经其对应的各透镜后的光线传输路线图。参照图7所示，显示器处于三维模式时，第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间分离开，保持一定的间距，显示装置1上其中一个点光源4发出的散射光线首先到达第一透镜光栅层，第一透镜光栅层为由多个平凸透镜形成的透镜光栅，图7中仅示出了其中的一个平凸透镜，记为第一透镜5，第一透镜5对一束散射光线进行汇聚，形成平行光线出射，该平行光线进一步到达第二透镜光栅层，第二透镜光栅层为由多个平凸透镜形成的透镜光栅，图7仅示出了其中的一个平凸透镜，记为第二透镜6，上述平行光线经第二透镜6汇聚之后形成汇聚光线，然后到达第三透镜光栅层，第三透镜光栅层为由多个双面凹透镜形成的透镜光栅，图7仅示出了其中的一个双面凹透镜，记为第三透镜7，第三透镜7将上述汇聚光线形成为平行光线射出，由第三透镜7射出的平行光线的宽度比第一透镜5射出的平行光线的宽度小很多。第一透镜光栅层、第二透镜光栅层和第三透镜光栅层中，各光栅层倾斜角相等，并且形成上述三个光栅层的各透镜的节距相等，以保证由显示装置1出射的光线能够经过相同的光学处理，最后由第三透镜光栅层出射的平行光线宽度均匀一致。

下面，结合上述各透镜光栅层对光线的作用原理，具体分析本实施例二维/三维可切换显示器在三维显示模式下，各透镜光栅层的光学参数要求以及相邻透镜光栅层之间的距离设置。

对于平凸透镜，其焦距为其中，r为平凸透镜曲率半径，n为平凸透镜折射率。

对于平凹透镜，其焦距为其中，r为平凹透镜曲率半径，n为平凹透镜折射率。

对于由两个透镜组合而成的透镜系统，若一个透镜的焦距为f₁，另一个透镜焦距为f₂，二者距离为d，则组合而成的透镜系统的焦距f为

在本实施例中，各透镜光栅层的材质均为UV胶，故认为各透镜层的折射率相等，均为n。

（1）对于第一透镜光栅层，其焦距为其中，r₁为第一透镜5的曲率半径，t为子像素宽度，L为最佳观看距离，e为人眼瞳孔距离，n为折射率，第一透镜5高度为p为第一透镜5的节距，P=Ntcosθ，N为自由立体显示设备的视点数，θ为第一透镜光栅层的倾斜角。

（2）对于第二透镜光栅层，其焦距为其中，r₂为第二透镜6的曲率半径。

（3）对于第三透镜光栅层，可将其看作是两个平凹透镜组成的透镜系统，且二者间距离远小于焦距，即d=0，则第三透镜焦距为即其中，f₃为第三透镜7的焦距，f₃ ^′为第三透镜7后侧凹面透镜的焦距，因其与第二透镜6能够吻合地靠在一起，则f₃ ^′=-f₂，f₃ ^"为第三透镜7前侧凹面透镜的焦距，r₃ ^"为第三透镜7前侧凹面透镜的曲率半径。则第三透镜7的焦距为 $f_3=\frac{f_3^{\′\′}{f}_3^{\′}}{f_3^{\′\′}+f_3^{\′}}=-\frac{r_3^{\′\′}{r}_2}{(n-1)(r_3^{\′\′}+r_2)}.$

为满足同一点光源发出的光线经由第三透镜之后的出射光仍是平行光，则第三透镜前侧的焦点和第二透镜前侧焦点重合，则第二透镜光栅层与第三透镜光栅层距离为 $d_{23}=f_2-\left|f_3\right|=\frac{r_2}{n-1}-\frac{{r_3^{\′\′}r}_2}{(n-1)(r_3^{\′\′}+r_2)}=\frac{r_2^2}{(n-1)(r_3^{\′\′}+r_2)}.$

（4）对于从第三透镜光栅层出射的平行光的宽度l_出有其中，h₂为形成第二透镜光栅层的第二透镜6的高度，

$h_2=r_2-\sqrt{{\left(r_2\right)}^2-{\left(\frac{p}{2}\right)}^2=}=r_2-\sqrt{{\left(r_2\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}}{2}\right)}^2},$

则

（5）为了尽可能的减少串扰，最佳地需要满足同一点光源发出的光线从第二透镜出射并进入第三透镜时光束的宽度最小，从而实现从第三透镜出射的平行光的宽度也会最小。此时需要第三透镜的焦距最小，而第三透镜后侧凹面透镜的焦距与第二透镜的焦距相等，因此只能改变第三透镜的前侧凹面焦距。

第三透镜光栅层的节距为p，当透镜曲率半径最小时，焦距最小，前侧凹面镜的小曲率半径为p/2，则焦距

此时，第三透镜光栅层焦距为 $f_3=\frac{f_3^{\′\′}{f}_3^{\′}}{f_3^{\′}+f_3^{\′\′}}=\frac{\frac{\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}}{2(n-1)}\frac{r_2}{n-1}}{\frac{\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}}{2(n-1)}+\frac{r_2}{n-1}}=\frac{\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}{r}_2}{(n-1)(\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}+{2r}_2)}.$

此时，第二透镜光栅层与第三透镜光栅层距离为：

$d_{23}=f_2-\left|f_3\right|=\frac{r_2}{n-1}-\frac{\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}{r}_2}{(n-1)(\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}+{2r}_2)}=\frac{{2r}_2^2}{(n-1)(\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}+{2r}_2)},$

从第三透镜出射的平行光的宽度为：

l_出与r₂的关系以9视点65寸裸视设备为例来说明，其中，N=9，t=0.124mm，n=1.5，θ=arctan(1/6)，则可得l_出与r₂的关系如图9所示，r₂的最小值为p/2，即也就是说可以设定优选此时l_出最小，在上例中，r_2min=0.558mm，l_出=0.333。r₂的最小值为0.558，随着r₂的增大，l_出先增大后减小，在0.657时达到最大值0.3716。

（6）从（5）中可知，d₂₃的值随r₂的增大而增大，当r₂最小时，d₂₃最小，r₂的最小值为p/2， $d_{23}=\frac{{\left(\frac{p}{2}\right)}^2}{(n-1)(r_3^{\′\′}+\frac{p}{2})}=\frac{p^2}{2(n-1)({2r}_3^{\′\′}+p)}=\frac{{\left(\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}{2(n-1)({2r}_3^{\′\′}+\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ})},$ 此时，第二透镜6的曲面为半圆形。

（7）在满足第（5）和（6）条件时，第二透镜光栅层和第三透镜光栅层间距离最小，形成第二透镜光栅层和第三透镜光栅层的第二透镜6和第三透镜7的曲率半径均为p/2。此时通过第三透镜光栅层出射的平行光的宽度为

（8）对应（5）中给出的9视点65寸裸视设备的示例，尽管r₂在大于0.657后l_出会逐渐减小，但考虑到光栅的厚度限制，在r₂为最小值时，该光栅系统结构比较合理，厚度适宜，同时又能满足三维显示时串扰最小，此时为（7）中所述情况，第二透镜光栅层和第三透镜光栅层距离最小，l_出为1/2n，在（5）的示例中l_出为0.3333，它比原来的0.558减少了40.3%，对串扰的减小效果比较明显，况且由于第二透镜6的原因，使得立体感更加强烈。

（9）对于第一透镜光栅层和第二透镜光栅层间的距离，因为从第一透镜5出射的光线为平行光且第一透镜5节距与第二透镜6节距相等，所以二者距离可以尽量小，靠在一起也可，具体可根据实际情况例如对光栅厚度的要求等来决定。

接下来，对本实施例二维/三维可切换显示器在二维显示模式下，各透镜光栅层的光学参数要求以及相邻透镜光栅层之间的距离设置进行分析。

本实施例二维/三维可切换显示器显示二维图像时，通过控制单元的作用，第二透镜光栅层和第三透镜光栅层靠紧贴合在一起，变为一个整体，此整体如图8所示，即一个第二透镜6对应一个第三透镜7，贴合之后形成一个平凹透镜。从显示装置1中发出的光线经过第一透镜光栅层后，光线由于受到凸透镜的折射作用而彼此分离，显示装置1上点光源4发射出的光线经第一透镜5后变为平行光线，平行光线再经过第二透镜6和第三透镜7形成的平凹透镜后变为发散光，显示装置1上每个点光源4发射出的光线经过第一透镜光栅层作用后变为平行光束，平行光束再经平凹透镜形成的透镜光栅层而发散，使得观看者在任意角度都可看到显示器上的每一个点。

（1）此时对于第二透镜6和第三透镜7形成的平凹透镜，它相当于一个平凹透镜，其焦距与第三透镜7前侧凹面透镜的焦距相等，则其焦距为 $f_4=f_3^{\′\′}=-\frac{r_3^{\′\′}}{n-1}.$

（2）对于第一透镜光栅层和第二透镜光栅层间的距离，因为从第一透镜5出射的光线为平行光，且第一透镜5节距与第二透镜6节距相等，为减少整个系统的厚度，可将二者近靠在一起。

由以上实施例可以看出，二维/三维可切换显示器满足下述条件时，显示效果最佳：

（1）第二透镜为平凸透镜，有利于提供实现的方便性，平凸透镜可附着在基材上，比双凸透镜和凹凸透镜对工艺和结构等的要求更低；

（2）第一透镜、第二透镜和第三透镜的节距相同，匹配度最好，成像效果最好；

（3）第二透镜可与第三透镜吻合地靠在一起。减少整个结构的厚度；不再对从第一透镜出射的平行光进行汇聚，使得其分散效果更好。

基于上述实施例所提供的二维/三维可切换显示器，本发明还提供了一种二维/三维可切换显示器的控制方法，其包括以下步骤：

当控制单元接收到三维显示指令时，其控制第三透镜光栅层相对第二透镜光栅层移动，直到第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点重合；

当控制单元接收到二维显示指令时，其控制第三透镜光栅层相对第二透镜光栅层移动，直到第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点不重合。

具体地，显示器进行三维显示时，控制单元控制第三透镜光栅层靠近或远离第二透镜光栅层的距离根据显示器的具体结构来确定。

（1）若第二透镜光栅层和第三透镜光栅层折射率不相等，第一透镜和第二透镜的节距不相等，则控制单元控制第三透镜光栅层和第二透镜光栅层分离的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{r_3^{\′\′}{r}_2}{(n_3-1)(r_3^{\′\′}+r_2)},$

其中，第二透镜光栅层折射率为n₂，第二透镜曲率半径为r₂；第三透镜光栅层折射率为n₃，第三透镜远离第二透镜一侧的凹透镜曲率半径为r₃ ^"。

此时，为使三维显示时的串扰最小，则控制单元控制第三透镜光栅层和第二透镜光栅层分离的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{{\mathrm{Kpr}}_2}{\mathrm{Kp}(n_2-1)+{2r}_2(n_3-1)},$

其中，第二透镜光栅层折射率为n₂，第二透镜曲率半径为r₂；第三透镜光栅层折射率为n₃，第二透镜和第三透镜的节距均为Kp。

（2）若第二透镜光栅层和第三透镜光栅层折射率相等且为n，第一透镜和第二透镜的节距相等时，则控制单元控制第三透镜光栅层和第二透镜光栅层分离的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2^2}{(n-1)(r_3^{\′\′}+r_2)},$

其中，n为各透镜光栅层的折射率，r₂为第二透镜的曲率半径，r₃ ^"为第三透镜远离第二透镜一侧的凹面透镜的曲率半径。

此时，为使三维显示时的串扰最小，则控制单元控制第三透镜光栅层和第二透镜光栅层分离的距离为：

$d_{23}=\frac{{2r}_2^2}{(n-1)(\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}+{2r}_2)},$

其中，r₂为第二透镜的曲率半径，N为显示器的视点数，t为显示器子像素的宽度，θ为各透镜光栅层的倾斜角。

通过上述实施例可以看出，本发明通过在显示装置前方具有一层透镜光栅层的基础上，新增加两层透镜光栅层，通过调整新增加的两层透镜光栅层之间的距离，能够实现二维和三维显示的转换；在三维模式下，通过新增加的两层透镜光栅层来改变光线的传输方向，使显示装置同一点光源出射的光线经过原透镜光栅层的每个透镜后变成平行光线，再经过新增加的两层透镜光栅层依次变为汇聚光线和平行光线，该平行光线的宽度比原平行光线的宽度要小很多，从而实现视区宽度的减小，串扰的减少，并且新增加两层透镜光栅层组合后的焦距更大，图像的立体感更强；在二维模式下，从显示装置同一点光源出射的光线经原透镜光栅层作用后变为平行光线，此平行光线再经新增加的两层透镜光栅层后变为发散光，保证了光线的出射角度，使二维模式下无分辨率损失。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种二维/三维可切换显示器，其特征在于，包括：

显示装置，输出显示器显示所需图像；

第一透镜光栅层，设置在所述显示装置前方，包括多个第一透镜，每个第一透镜将显示装置上同一点光源发出的发散光汇聚为平行光；

第二透镜光栅层，设置在所述第一透镜光栅层前方，包括多个第二透镜，每个第二透镜将所述第一透镜出射的平行光汇聚；

第三透镜光栅层，设置在所述第二透镜光栅层前方，包括多个第三透镜，所述第三透镜将第二透镜光栅层形成的所述同一点光源对应的汇聚光线转换为平行光；

控制单元，在进行三维图像显示时，根据既定的第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间的距离，控制所述第三透镜光栅层沿其光轴平移；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点不重合时，形成二维图像；当第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点重合时，形成三维图像；

第二透镜光栅层前方或前侧为靠近观看者的一侧，第二透镜光栅层的后方或后侧为靠近显示装置的一侧；第三透镜光栅层的前方或前侧为靠近观看者的一侧，第三透镜光栅层后方或后侧为靠近显示装置的一侧。

2.根据权利要求1所述的二维/三维可切换显示器，其特征在于，所述第一透镜为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，第二透镜为双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜，所述第三透镜为双凹透镜、平凹透镜或凹凸透镜。

3.根据权利要求1所述的二维/三维可切换显示器，其特征在于，所述显示器进行三维图像显示时，所述第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2^{\′}{r}_2^{\′\′}}{(n_2-1)(r_2^{\′}+r_2^{\′\′})}-\frac{r_3^{\′}{r}_3^{\′\′}}{(n_3-1)(r_3^{\′}+r_3^{\′\′})},$

其中，第二透镜光栅层折射率为n₂，第二透镜后侧曲率半径为r′₂，前侧曲率半径为r"₂；第三透镜光栅层折射率为n₃，第三透镜后侧曲率半径为r′₃，前侧曲率半径为r"₃。

4.根据权利要求1所述的二维/三维可切换显示器，其特征在于，所述显示器进行三维图像显示时，所述第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{r_3^{\′\′}{r}_2}{(n_3-1)(r_3^{\′\′}+r_2)},$

其中，所述第二透镜和第三透镜的节距相等，第二透镜光栅层折射率为n₂，第二透镜前侧曲率半径为r₂；第三透镜光栅层折射率为n₃，第三透镜前侧曲率半径为r"₃，第三透镜后侧曲率半径与第二透镜前侧曲率半径相等。

5.根据权利要求1所述的二维/三维可切换显示器，其特征在于，所述显示器进行三维图像显示时，所述第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{\mathrm{Kp}{r}_2}{\mathrm{Kp}(n_2-1)+{2r}_2(n_3-1)},$

其中，第二透镜光栅层折射率为n₂，第二透镜前侧曲率半径均为r₂；第三透镜光栅层折射率为n₃，第二透镜和第三透镜的节距均为Kp，第三透镜后侧曲率半径与第二透镜前侧曲率半径相等。

6.根据权利要求1所述的二维/三维可切换显示器，其特征在于，所述显示器进行三维图像显示时，所述第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2^2}{(n-1)(r_3^{\′\′}+r_2)},$

其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的节距相等，折射率相等，n为各透镜光栅层的折射率，第二透镜前侧曲率半径均为r₂，第三透镜前侧曲率半径为r"₃，第三透镜后侧曲率半径与第二透镜层前侧曲率半径相等。

7.根据权利要求1所述的二维/三维可切换显示器，其特征在于，所述显示器进行三维图像显示时，所述第二透镜光栅层与第三透镜光栅层之间的距离为：

$d_{23}=\frac{{2r}_2^2}{(n-1)(\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}+2r_2)},$

其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的节距相等，折射率相等，n为各透镜光栅层的折射率，第二透镜前侧曲率半径均为r₂，第三透镜后侧曲率半径与第二透镜前侧曲率半径相等，N为显示器的视点数，t为显示器子像素的宽度，θ为各透镜光栅层的倾斜角。

8.根据权利要求6或7所述的二维/三维可切换显示器，其特征在于，所述显示器进行二维图像显示时，所述第二透镜光栅层和第三透镜光栅层之间的距离为0。

9.基于权利要求1-8中任一项所述的二维/三维可切换显示器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当控制单元接收到三维显示指令时，其控制第三透镜光栅层相对第二透镜光栅层移动，直到第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点重合；

当控制单元接收到二维显示指令时，其控制第三透镜光栅层相对第二透镜光栅层移动，直到第三透镜光栅层前侧焦点与第二透镜光栅层前侧焦点不重合；在显示器进行三维显示时：

若第二透镜光栅层和第三透镜光栅层折射率不相等，则控制单元控制第三透镜光栅层和第二透镜光栅层之间的距离为：

$d_{23}=\frac{r_2}{n_2-1}-\frac{{\mathrm{Kpr}}_2}{\mathrm{Kp}(n_2-1)+{2r}_2(n_3-1)},$

若第二透镜光栅层和第三透镜光栅层折射率相等且为n时，则控制单元控制第三透镜光栅层和第二透镜光栅层之间的距离为：

$d_{23}=\frac{{2r}_2^2}{(n-1)(\mathrm{Nt}\cos \mathrm{\θ}+{2r}_2)},$

其中，n₂为第二透镜光栅层折射率，第二透镜前侧曲率半径均为r₂，n₃为第三透镜光栅层折射率，Kp为第二透镜和第三透镜的节距，N为显示器的视点数，t为显示器子像素的宽度，θ为各透镜光栅层的倾斜角。