CN103424875B - 一种实现低串扰率多视点裸眼3d显示的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D显示器件设计控制工程的技术领域，更具体地，涉及一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法。一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，包括利用几何光学，算出L观察面上的光强分布I(X)与柱透镜、光源参数之间的数学关系表达式，设定相应的目标函数，找出最理想目标函数值条件下所对应的柱透镜和光源参数值，并将这些参数带入原来的光强分布I(X)和各个参数之间的数学关系表达式，求出L平面上的光强分布，以及串扰率分布，并做出相应的关系曲线；最终根据得到的最优效果下的柱透镜、光源参数值，设计制造出相应的柱透镜和光源器件。本发明优点在于，不需要牺牲屏幕分辨率，能够实现液晶面板的全分辨率显示，使得观看的效果最佳。

Description

一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法

技术领域

本发明涉及3D显示器件设计控制工程的技术领域，更具体地，涉及一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法。

背景技术

柱状透镜裸眼3D显示技术

柱状透镜(Lenticular Lens)裸眼3D显示技术，也被称为双凸透镜或微柱透镜。它相比视差障壁技术最大的优点是其亮度不会受到影响。它的原理是在液晶显示屏前面或者在背光源和液晶显示屏之间加上一层柱状透镜阵列，前者是将柱透镜下面的图像的像素分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素。于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。双眼看到不同的图像，就会产生视差，特定的图像差别下，双眼产生的视差就会产生立体感。后者的结构则如附图2。通过控制背光源在一个周期内的发光的时间顺序，在一个发光周期内，光源1,2，…，m，…，n-1,n依次发光，从而使得在L观察平面上，视区1,2，…，M，…，N-1,N依次被照亮。传统上，确定柱透镜参数的方法是根据简单的几何关系，利用下列关系式

$\frac{W+\mathrm{gap}}{D}=\frac{d}{L-d}$

Rsinθ_R=N*（W+gap）

h=d+Rcosθ_R

A=N*(W+gap)

通常条件下，对于多视点裸眼3D显示，但是根据上述设计出的柱透镜和光源器件，得到的光强分布和理想的光场分布差别非常大，也就是整个视区的串扰率很大，通常最小值都在5%以上，而且视区内光强分布非常不均匀,而且只在视区中央很小的区域串扰率比较低，离开视区，串扰率变化非常陡峭，从而使得只在极小的观看范围内串扰较小，从而严重限制了裸眼3D的观看效果和推广应用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的多种缺陷，提供一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，其不需要牺牲屏幕分辨率，能够实现液晶面板的全分辨率显示。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，其特征在于：利用几何光学，算出L观察面（距离透镜距离为L）上的光强分布I(X)与柱透镜、光源参数，如柱透镜周期A、边缘厚度h、曲率半径R以及光源宽度W、光源间隙gap，柱透镜折射率n_g之间的数学关系表达式，然后根据对光场的分布要求，如视区数目N、视区宽度D等，设定相应的目标函数，计算机程序采用自适应方法(包含但不限于模拟退火算法，直接扫描法等)，找出最理想目标函数值条件下所对应的柱透镜和光源参数值，并将这些参数带入原来的光强分布I(X)和各个参数之间的数学关系表达式，求出L平面上的光强分布，以及串扰率分布，并做出相应的关系曲线。最终根据得到的最优效果下的柱透镜、光源参数值，设计制造出相应的柱透镜和光源器件。该方法包括以下步骤：

a.根据具体的柱透镜结构，利用几何光学关系，假设视区数目为N,每个视区的宽度为D,利用光学追迹方法，得出在正对透镜阵列距离为L的平面上光强分布I(X)与柱透镜、光源的结构参数如柱透镜边缘厚度h、曲率半径R、周期A；背光源大小W、背光源间隙gap；透镜材料折射率n_g等之间的数学关系表达式；为求得光强在目标平面上的分布，设光线发出后经几何传播后到达观看平面X处，则有第m个光源发出的光在L平面上的光强分布，

$I_m\left(X\right)=\underset{x_m}{\overset{x_m+W}{\∫}}\mathrm{dx}\underset{{\mathrm{\φ}}_0}{\overset{{\mathrm{\φ}}_M}{\∫}}\mathrm{d\φ\δ}(X-G(\mathrm{\φ},x))$

其中φ_M，φ₀分别是积分上下限。x_m为光源m上任意一点坐标值，φ为发光角度，δ(X-G(φ,x))为泛函函数作Lorentz近似：

$\mathrm{\δ}(X-G(\mathrm{\φ},x))\⇒(\mathrm{\Γ}/\mathrm{\π})/[{(X-G(\mathrm{\φ},x))}^2+{\mathrm{\Γ}}^2]$

G(φ,x)为由光线追迹得到的一个与柱透镜、光源参数有关的光源位置x和发光角度φ的函数。Γ取值为1。光源为朗伯光源。

b.根据给定的目标光场的要求，例如视区数目N,视区宽度D，设定目标函数，目标函数的选择可以有多种方式。如，以第M个视区的平均串扰率、第M个视区中最小串扰率、光源m产生的光场在第M个视区的集约度等(不限于以上几种)；以光源m产生的光场在第M个视区的集约度为例，定义目标函数Ratio_m为：

其中I_m(X)为第m个光源在L平面上产生的光强分布。为第m个光源产生的光强在整个目标视区（视区M）上的积分，而为第m个光源产生的光强在第M+1个视区和第M-1个视区的积分和。

c.编制计算机程序，采用自适应算法如模拟退火算法，直接逐次扫描等（不限于以上两种），找出最优的目标函数，以直接逐次扫描法为例，在一定取值范围内，一定取值间隔下，逐个扫描所有可能参数组合下的目标函数值。将目标函数值Ratio_m与Ratio'_m比较，Ratio'_m是预设参数，初值设为0，当Ratio_m大于Ratio'_m时，用当前的Ratio_m值代替Ratio'_m值，同时参数h、R、A、W、gap、n_g等的值的更新将被接受，否则不接受。当程序扫描完所有的可能取值后。程序记录并输出最优的目标函数值，以及对应最优目标函数下的各个参数值h'，R'，gap'，W',n_g'等；

d.利用步骤c中得到的参数值大小h'，R'，gap'，W',n_g'等，再重新利用a中公式，计算出任何一个光源k(k=1,2，…，n-1,n)在距离为L的平面上的最优下的光强分布I_k(X),利用求出的I_k(X),串扰率定义为,在视区M(M=1,2,…，N-1，N)上，有

${\mathrm{Crosstalk}}_M\left(X\right)=\frac{\underset{k\≠m}{\mathrm{\Σ}}{I}_k\left(X\right)}{\mathrm{\Σ}{I}_k\left(X\right)}*100\%$

I_k(X)为第k个光源在L平面上产生的光强分布。

e.根据求得的柱透镜、光源参数值，设计制造出相应的柱透镜、光源器件。

与现有技术相比，有益效果是：本发明采用对背光源进行时分控制，在背光源与液晶面板之间加一层柱透镜阵列。此方案的优点在于，它不需要牺牲屏幕分辨率，能够实现液晶面板的全分辨率显示。本发明旨在提供一种柱透镜参数设计的自适应优化的控制方法，实现柱透镜阵列参数的最优设计，使得观看的效果最佳。

附图说明

图1为柱透镜结构示意图（以四视点为例）。

图2为时分式背光源显示原理结构图（以四视点为例）。

图3为本发明的自适应控制流程示意图。

图4为普通多视点高串扰率效果和本发明的低串扰率效果对比图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实施例中，此方案是采用对背光源进行时分控制，在背光源与液晶面板之间加一层柱透镜阵列。此方案的优点在于，它不需要牺牲屏幕分辨率，能够实现液晶面板的全分辨率显示。本发明旨在提供一种柱透镜参数设计的自适应优化的控制方法。在我们原有研究的基础上，实现柱透镜阵列参数的最优设计，使得观看的效果最佳。实验结果发现和本方法算得的结果符合的非常好。本发明能够根据不同的设计要求，譬如观看距离L，视区数目N，视区大小D等，程序能够自动找出符合要求的最佳柱透镜和光源参数，譬如柱透镜边缘厚度h，曲率半径R，周期宽度A,光源的宽度W，光源间距gap等。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

a.根据具体的柱透镜结构（如附图1），利用几何光学关系，得出在正对透镜阵列距离为L的平面上光强分布I(X)与柱透镜、光源的结构参数如柱透镜边缘厚度h、曲率半径R、周期A；背光源大小W、背光源间隙gap；透镜材料折射率n_g等之间的数学关系表达式；为求得光强在目标平面上的分布，设光线发出后经几何传播后到达观看平面X处，则有第m个光源发出的光在L平面上的光强分布，

$I_m\left(X\right)=\underset{x_m}{\overset{x_m+W}{\∫}}\mathrm{dx}\underset{{\mathrm{\φ}}_0}{\overset{{\mathrm{\φ}}_M}{\∫}}\mathrm{d\φ\δ}(X-G(\mathrm{\φ},x))$

其中φ_M，φ₀分别是积分上下限。x为光源m上任意一点坐标值，φ为发光角度，δ(X-G(φ,x))为泛函函数作Lorentz近似：

$\mathrm{\δ}(X-G(\mathrm{\φ},x))\⇒(\mathrm{\Γ}/\mathrm{\π})/[{(X-G(\mathrm{\φ},x))}^2+{\mathrm{\Γ}}^2]$

G(φ,x)为由光线追迹得到的一个与柱透镜、光源参数有关的光源位置x和发光角度φ的函数。Γ取值为1。光源为朗伯光源。

式中各参数对应附图1中的参数；

b.根据给定的目标光场的要求，例如视区数目N,视区宽度D，设定目标函数，目标函数的选择可以有多种方式。如，以第M个视区的平均串扰率、第M个视区中最小串扰率、光源m产生的光场在第M个视区的集约度等(不限于以上几种)；以光源m产生的光场在第M个视区的集约度为例，定义目标函数Ratio_m为：

其中I_m(X)为第m个光源在L平面上产生的光强分布。为第m个光源产生的光强在整个目标视区（视区M）上的积分，而为第m个光源产生的光强在第M+1个视区和第M-1个视区的积分和。

c.编制计算机程序，采用自适应算法如模拟退火算法，直接逐次扫描等（不限于以上两种），找出最优的目标函数，以直接逐次扫描法为例，在一定取值范围内，一定取值间隔下，逐个扫描所有可能参数组合下的目标函数值。将目标函数值Ratio_m与Ratio'_m比较，Ratio'_m是预设参数，初值设为0，当Ratio_m大于Ratio'_m时，用当前的Ratio_m值代替Ratio'_m值，同时参数h、R、A、W、gap、n_g等的值的更新将被接受，否则不接受。当程序扫描完所有的可能取值后。程序记录并输出最优的目标函数值，以及对应最优目标函数下的各个参数值h'，R'，gap'，W',n_g'等；

d.利用步骤c中得到的参数值大小h'，R'，gap'，W',n_g'等，再重新利用a中公式，计算出任何一个光源k(k=1,2，…，n-1,n)在距离为L的平面上的最优下的光强分布I_k(X),利用求出的I_k(X),串扰率定义为,在视区M(M=1,2,…，N-1，N)上，有

${\mathrm{Crosstalk}}_M\left(X\right)=\frac{\underset{k\≠m}{\mathrm{\Σ}}{I}_k\left(X\right)}{\mathrm{\Σ}{I}_k\left(X\right)}*100\%$

I_k(X)为第k个光源在L平面上产生的光强分布。

e.根据求得的柱透镜、光源参数值，设计制造出相应的柱透镜、光源器件。如图4所示，以四视点为例，其中图4的上图为光强分布I(X)，下图为串扰率分布Crosstalk（X）;实线代表本发明实现的低串扰率效果，虚线为普通的高串扰率效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，其特征在于，包括利用几何光学，算出与透镜阵列距离为L的平面上的光强分布I(X)与柱透镜、光源参数之间的数学关系表达式，然后根据对光场的分布要求，设定相应的目标函数，计算机程序采用自适应方法，找出最理想目标函数值条件下所对应的柱透镜和光源参数值，并将这些参数带入原来的光强分布I(X)和各个参数之间的数学关系表达式，求出与透镜阵列距离为L的平面上的光强分布，以及串扰率分布，并做出相应的关系曲线；最终根据得到的最优效果下的柱透镜、光源参数值，设计制造出相应的柱透镜和光源器件；该方法包括以下步骤：

a.根据具体的柱透镜结构，假设视区数目为N,每个视区的宽度为D,利用光学追迹方法，得出在距离透镜阵列距离为L的平面上光强分布I(X)与柱透镜边缘厚度h、曲率半径R、周期A、背光源大小W、背光源间隙gap、透镜材料折射率n_g参数之间的数学关系表达式；

b.根据给定的对目标光场分布要求，设定目标函数；

c.利用计算机程序语言进行编程，采用自适应算法，在一定取值范围内，一定取值间隔下计算出所有的可能参数取值组合下，目标函数值的大小，计算机程序以目标函数为依据，自动找出对应最理想目标函数值条件下所对应的各个参数值；

d.将步骤c中得到的最优目标函数所对应的柱透镜、光源参数值，重新带入步骤a中数学关系公式，计算出最优效果下的光场分布I(X),并利用求出的I(X),根据串扰率的定义，计算出整个与透镜阵列距离为L的平面内的串扰率分布Crosstalk(X)；

e.利用步骤c中得到最优目标函数条件下所对应的各个参数值，设计制造出相应的柱透镜和光源器件。

2.根据权利要求1所述的一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，其特征在于，所述的目标函数定义方法，第M个视区的目标光场集约度，定义为：

其中I_m(X)为第m个光源在L平面上产生的光强分布；为第m个光源产生的光强在第M个视区上的积分，而为第m个光源产生的光强在第M+1个视区和第M-1个视区的积分和；

Ratio_m与Ratio_m'比较，Ratio'_m是预设参数，初值设为0，当Ratio_m大于Ratio'_m时，用当前的Ratio_m值代替Ratio'_m值，同时参数h、R、A、W、gap、n_g的值的更新将被接受，否则不接受。

3.根据权利要求1所述的一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，其特征在于，所述的根据具体的柱透镜结构，利用几何光学关系，得出在正对与透镜阵列距离为L的平面上光强分布I(X)与柱透镜及光源的结构参数，包括柱透镜边缘厚度h、曲率半径R、周期A、透镜材料折射率n_g、背光源大小W、背光源间隙gap之间的数学关系表达式；

$I_m\left(X\right)=\underset{x_m}{\overset{x_m+W}{\∫}}\mathrm{dx}\underset{{\mathrm{\φ}}_0}{\overset{{\mathrm{\φ}}_M}{\∫}}\mathrm{d\φ\δ}(X-G(\mathrm{\φ},x))$

其中φ_M，φ₀分别是积分上下限，x为光源m上任意一点坐标值，φ为发光角度，δ(X-G(φ,x))为泛函函数作Lorentz近似：

$\mathrm{\δ}(X-G(,x))\⇒(\mathrm{\Γ}/\mathrm{\π})/[{(X-G(\mathrm{\π},x))}^2+{\mathrm{\Γ}}^2]$

G(φ,x)为由光线追迹得到的一个与柱透镜、光源参数有关的光源位置x和发光角度φ的函数；Γ取值为1，光源为朗伯光源。

4.根据权利要求1所述的一种实现低串扰率多视点裸眼3D显示的设计方法，其特征在于，所述的程序可以算出任意给定参数下的光强分布和串扰率分布，串扰率定义为,在对应于光源m的视区M上，有

${\mathrm{Crosstalk}}_M\left(X\right)=\frac{\underset{k\≠m}{\mathrm{\Σ}}{I}_k\left(X\right)}{\mathrm{\Σ}{I}_k\left(X\right)}*100\%$

其中I_k(X)为第k个光源在与透镜阵列距离为L的平面上产生的光强分布。