CN103605211B - 平板化无辅助立体显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种平板化无辅助立体显示方法，采用指向性背光模组、人眼位置跟踪模块和控制接口模块使普通图像的平板显示屏提供立体显示效果，所述指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎；基于时分原理，平板化显示屏交替显示观看者左右眼观看的左右图像；利用视频场同步时序控制可寻址光学引擎的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；指向性光学组件则将发光单元发出的光线在显示器前形成左眼或右眼的观看窗口(出瞳)，使得观看者的左眼只能看到左图像右眼只能看到右图像。

Description

平板化无辅助立体显示装置及方法

技术领域

本发明涉及一种立体显示装置及方法，特别是设计一种无辅助立体显示装置及方法，属于信息显示技术领域。

背景技术

自由立体显示技术是裸视3D显示技术的一种。它基于双目视差原理，通过光学部件将普通2D显示屏上显示的左、右视差图像分别送入观看者的左、右眼，经过大脑神经融合后获得立体感知。日本、韩国、欧美等国家从20世纪80年代开始了三维立体显示的基础研究，各国根据自身的情况，开发了各种技术和产品。我国三维立体显示虽起步较晚，基础薄弱，与国际水平存在差距，但也有不少高校、研究所和公司企业对立体显示开展研究并取得了较为显著的成果。

光栅式立体显示是当前裸眼立体显示器常用实现方法，光栅又可分为几种，有狭缝光栅，柱面透镜光栅和点阵式光栅，其中点阵式光栅应用较少。如中国专利CN201110372599.8（LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法）和专利申请号为CN201010573306.8（“光栅式自由立体显示装置”）等的中国专利都公开了一种狭缝光栅式无辅助立体显示装置或方法，通过匹配像素从而达到分光的效果。但光栅式立体显示会造成图像分辨率损失，而且需要提供多个视图以供多人观看，立体视域不连续造成立体感不强烈等缺点；而且，其中的狭缝光栅由一条条不透明的黑色线条间隔透明线条构成，显示设备的光线一部分被狭缝光栅遮挡，造成亮度损失。

中国专利CN201010252725.1，王强华，刘军，陶宇虹等，公开了基于灰度屏的全分辨率多视点自由立体显示装置则公开了一种无分辨率失真的立体显示装置，采用多层屏叠加实现全分辨率，但屏与屏之间需要精确定位以及计算机精确控制灰度屏的灰度值，并且一旦制作完成，各参数不易改变，难以满足普适性要求；而且观看者只能在固定位置处看到立体，无法在一定范围内自由移动。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种便捷的可供多人观看的自由立体显示装置，以便可以在设备较为简单的前提下实现质量较高的立体显示效果。

发明内容

本发明的目的是：提出一种无需借助眼镜、头盔等辅助设备，在观看范围内有连续立体效果的并可供多人观看的无辅助立体显示装置及方法。

本发明的技术方案为：一种平板化无辅助立体显示方法，采用指向性背光模组、人眼位置跟踪模块和控制接口模块使普通图像的平板显示屏提供立体显示效果，所述指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎；该方法基于时分原理，平板化显示屏交替显示观看者左右眼观看的左右图像；利用视频场同步时序控制可寻址光学引擎的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；指向性光学组件则将发光单元发出的光线在显示器前形成左眼或右眼的观看窗口(出瞳)，使得观看者的左眼只能看到左图像右眼只能看到右图像，再经过大脑融合，从而观看到无分辨率损失的立体图像。

所述的可寻址光学引擎由一系列发光单元构成的阵列及其驱动电路组成，每一发光单元可以分别寻址。根据从人眼位置跟踪模块获得的观察者双眼位置信息，可寻址光学引擎将对应的若干发光单元点亮，在观察者的双眼位置形成一对独立的出瞳。其中，左眼位置的出瞳处可以观看到液晶显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处可以观看到液晶显示屏显示的右图像。

所述的人眼位置跟踪模块的作用是探测观看者的位置，特别是脸部或者眼睛的位置，为指向性背光模组的出瞳位置控制提供依据。

控制接口模块与人眼位置跟踪模块相互通信，获得人眼位置信息，再通过查询事先测定的人眼位置与发光单元位置对应表，从而确定可寻址光学引擎上应该对应点亮的发光单元位置；以所显示的视频或是图像内容的场同步信号同步光学引擎上被点亮的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；指向性光学组件则将发光单元发出的光线在显示器前形成左眼或右眼的观看窗口(出瞳)，使得观看者的左眼只能看到左图像右眼只能看到右图像，再经过大脑融合，从而观看到无分辨率损失的立体图像。

进一步的，所述的可寻址光学引擎由一系列发光单元构成的光源阵列及其驱动电路组成，每一发光单元能够分别寻址；根据从人眼位置跟踪模块获得的观察者双眼位置信息，可寻址光学引擎将对应的若干发光单元点亮，在观察者的双眼位置形成一对独立的出瞳；其中，左眼位置的出瞳处观看到图像显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处观看到图像显示屏显示的右图像。

进一步的，所述的控制接口模块负责与上位机人眼位置跟踪模块的通信以及光学引擎中发光单元的亮灭时序，控制接口模块与人眼位置跟踪模块建立通信，获得人眼位置信息，再通过查询事先测定的人眼位置与发光单元位置对应表，确定可寻址光学引擎上应该对应点亮的发光单元位置；同时，控制接口模块控制光学引擎上被点亮的发光单元的亮、灭时序，保持其与显示的左右图像的刷新时序一致。

所述的图像显示屏是指能显示彩色图像的液晶显示屏、等离子显示屏、有机电致发光显示屏等。刷新率f需要满足

$\frac{f}{2}\≥\mathrm{CFF}---\left(1\right)$

在（1）式成立的条件下，人眼可以观看到无闪烁的立体图像。式中，表示单眼观看到的图像刷新率，CFF（CriticalFlickerFrequency）是临界闪烁频率，表示人眼视觉系统时间分辨能力的上限。

平板化无辅助立体显示装置，采用指向性背光模组、人眼位置跟踪模块、平板显示屏和控制接口模块使普通图像的平板显示屏提供显示观看者左右眼观看的左右图像，所述指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎；控制接口模块与人眼位置跟踪模块相互通信，获得人眼位置信息，再通过查询事先测定的人眼位置与发光单元位置对应表，从而确定可寻址光学引擎上应该对应点亮的发光单元位置；以所显示的视频或是图像内容的场同步信号同步所述光学引擎上被点亮的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；指向性光学组件；

所述的指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎。所述的指向性光学组件由聚光镜、折光反射镜以及成像透镜组成，（如图1）；其特征是聚光镜将面光源发出的发散光在一个平面内压缩成平行光或近平行光，而保持向前传播特性不变；此平行光或近平行光形成扁平状或板状的扇面光束；成像透镜则将该扇面光束的发散光束压缩成像，形成汇聚扇面光束或者平行光束，亦即观察窗口；折光镜改变光束传播方向的同时，展宽入射光束，使光束照亮整个液晶显示屏。一般而言，折光反射镜是一个由一系列微结构组成的反射面，用于改变扇面光束或汇聚扇面光束的传播方向，使汇聚扇面光束沿着与图像显示屏垂直的方向传播，照亮整个图像显示屏。通过上述三个部件，形成具有指向特性的汇聚出瞳，并保证人眼在出瞳位置处能看到整个屏幕。

所述的可寻址光学引擎由一系列发光单元构成的阵列及其驱动电路组成，每一发光单元可以分别寻址。根据从人眼位置跟踪模块获得的观察者双眼位置信息，可寻址光学引擎将对应的若干发光单元点亮，在观察者的双眼位置形成一对独立的出瞳。其中，左眼位置的出瞳处可以观看到图像显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处可以观看到图像显示屏显示的右图像。

所述的可寻址光学引擎由一系列发光单元构成的光源阵列及其驱动电路组成，每一发光单元可以分别寻址。根据从人眼位置跟踪模块获得的观察者双眼位置信息，可寻址光学引擎将对应的若干发光单元点亮，在观察者的双眼位置形成一对独立的出瞳。其中，左眼位置的出瞳处可以观看到图像显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处可以观看到图像显示屏显示的右图像。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，其显著优点是：

1、无需佩戴眼镜、头盔等辅助设备；

2、所看到的立体图像是无失真的，具有较强立体逼真度，可显示无分辨率损失的高清图像；

3、只需提供一对具有视差的左右图像，便可实现多人观看，降低了数据处理要求；

3、所采取的指向性背光模组具有良好的成像质量，使得形成的观察窗口（即光学出瞳）足够窄，有效降低串影影响；

4、该装置可供多个用户观看，能实现2D和3D模式的自由切换。

5、可寻址光学引擎与高精度、实时鲁棒的人眼位置跟踪模块相配合，立体观察窗口在观看范围内是连续的。

附图说明

图1是一个实施实例的整体结构侧视图，虚线部分为指向性背光模组区域；

图2聚光镜作用示意图；

图3成像透镜成像原理；

图4出瞳形成示意图；

图5是光学引擎之LED阵列的简化示意图。

具体实施方式

图中，发光单元阵列1、聚光镜2、反光镜3、成像透镜4、折光反射镜5、LCD显示屏6、摄像头7。物距U，像距V，发射光束8、扁平的扇面光束9、人眼位置跟踪模块10、可寻址光学引擎11、A、B均为观察者视点。

以普通LCD显示屏作为视差图像的基本显示器件，并以此为例，详细描述本发明的一个实施细节。有必要再此指出的是，以下实施实例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术成熟人员根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

一种平板化无辅助立体显示装置，该装置包括指向性背光模组、人眼位置跟踪模块、控制接口模块和普通图像显示屏，所述的指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎。所述的指向性光学组件由聚光镜、折光反射镜以及成像透镜组成。聚光镜将面光源发出的发散光在一个平面内压缩成平行光，而保持另一个垂直平面的传播特性不变。折光反射镜是由微结构组成的反射面，其作用为改变光束传播方向，使光束沿与图像显示屏垂直的方向传播；而成像透镜则将该只在一个平面内被压缩成平行光的光束在正交的另一个平面内压缩，形成汇聚观察窗口。通过上述三个部件，形成具有指向特性的汇聚出瞳，并保证人眼在出瞳位置处能看到整个屏幕。

基于上述装置实现平板化无辅助立体显示的方法：即图像显示屏分时显示左右图像，辅助以人眼位置跟踪模块，当图像显示屏显示左图像时，可寻址光学引擎上对应左眼的发光单元被点亮，其光线经指向性光学组件后照亮整个屏幕并在观察者的左眼位置处形成观看窗口；当图像显示屏显示右图像时，可寻址光学引擎上对应右眼的发光单元被点亮，其光线经指向性光学组件后照亮整个屏幕并在观察者的右眼位置处形成观看窗口。通过与人眼位置跟踪模块的配合，可以为有效观看范围内任意位置处的观察者提供有效观察窗口，并可观看到全分辨率、无闪烁的立体图像，并且允许多人同时观看。

图1中带箭头的线条表示光线走向、观察者沿Z轴方向观看，G表示观看区域；图中的各部件分别是：发光单元阵列1、聚光镜2、反光镜3、成像透镜4、折光反射镜5、LCD显示屏6、摄像头7。

本发明提出了一种基于时分原理的平板化无辅助立体显示装置和方法，如图1所示，其中，该装置包括指向性背光模组、人眼位置跟踪模块、控制接口模块和普通图像显示屏。所述的指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎；所述的指向性光学组件由聚光镜（2）、折光反射镜（5）以及成像透镜（4）组成。为了更好地描述光束走向，设立坐标系X-Y-Z，其中X-Y平面与图像显示屏的平面平行，Z轴与图像显示屏的法线方向一致。

本发明的整体实现方法：基于时分原理，图像显示屏交替显示左右图像；控制接口模块与人眼位置跟踪模块相互通信，获得人眼位置信息，再通过查询事先测定的人眼位置与发光单元位置的对应表，从而确定可寻址光学引擎上应该对应点亮的发光单元位置；以显示视频或是图像内容的场同步信号同步光学引擎上被点亮的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；指向性光学组件则将发光单元发出的光线在显示器前形成左眼或右眼的观看窗口(出瞳)，使得观看者的左眼只能看到左图像右眼只能看到右图像，再经过大脑融合，从而观看到无分辨率损失的立体图像。

本实施实例中，所述的指向性光学组件中的聚光镜（2）可以对光束进行单方向压缩，例如使用棱柱镜，如图2所示，其主要作用是将光束在YZ平面内的发散光汇聚成近平行光或近似平行光，以便光线能全部通过较窄的成像透镜（4）；其中的成像透镜（4）能将不同位置处的物点成像于不同像点处，其成像原理可如图3所示，可将光线照亮显示屏后在显示屏前方形成所需的较窄的观察窗口，即光学出瞳，也即最佳观看距离；其中折光反射镜（5）表面的微结构将图1中沿Y方向传播的光折变为沿Z方向传播。

为了增大光程，节省显示装置占用的空间，本装置中仍采用了反光镜（3）。所述的整个指向性光学组件能够将发光单元发出的光线按一定的方向在显示屏前方观看距离处形成水平方向的汇聚，即需要的出瞳，如图4所示。

如图5所示为有A、B观察者视点表示两个观看者的情况下的系统整体图。人眼位置跟踪模块检测到观看者的位置（主要是双眼的位置），提供给光学引擎。当LCD显示屏的显示内容为左图像时，光源阵列根据观察者左眼的位置点亮，如图中区域A_l、B_l，在每一位观察者的左眼处形成宽度为S_R的窗口，即出瞳；当LCD显示屏的显示内容为右图像时，光源阵列根据观察者右眼的位置点亮，如图中区域A_r、B_r，在每一位观察者的右眼处同样形成宽度为S_R的窗口。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种平板化无辅助立体显示方法，其特征是采用指向性背光模组、人眼位置跟踪模块和控制接口模块使显示普通图像的平板显示屏提供立体显示效果，所述指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎；基于时分原理，平板显示屏交替显示观看者左右眼观看的左右图像；利用视频场同步时序控制可寻址光学引擎的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；指向性光学组件则将发光单元发出的光线在平板显示屏前形成左眼或右眼的观看窗口即出瞳，使得观看者的左眼只能看到左图像右眼只能看到右图像；所述的控制接口模块负责与上位机人眼位置跟踪模块的通信以及光学引擎中发光单元的亮灭时序，控制接口模块与人眼位置跟踪模块建立通信，获得人眼位置信息，再通过查询事先测定的人眼位置与发光单元位置对应表，确定可寻址光学引擎上应该对应点亮的发光单元位置；同时，控制接口模块控制光学引擎上被点亮的发光单元的亮、灭时序，保持其与显示的左右图像的刷新时序一致；所述的平板显示屏是指能显示彩色图像的液晶显示屏、等离子显示屏或有机电致发光显示屏；刷新率f需要满足:

f/2≥CFF（1）

在（1）式成立的条件下，人眼能够观看到无闪烁的立体图像；式中，f/2表示单眼观看到的图像刷新率，CFF是临界闪烁频率，表示人眼视觉系统时间分辨能力的上限；

控制接口模块与人眼位置跟踪模块相互通信，获得人眼位置信息，从而确定可寻址光学引擎上应该对应点亮的发光单元位置；以所显示的视频或是图像内容的场同步信号同步光学引擎上被点亮的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；指向性光学组件则将发光单元发出的光线在平板显示屏前形成左眼或右眼的观看窗口即出瞳；所述的可寻址光学引擎由一系列发光单元构成的光源阵列及其驱动电路组成，每一发光单元能够分别寻址；根据从人眼位置跟踪模块获得的观察者双眼位置信息，可寻址光学引擎将对应的若干发光单元点亮，在观察者的双眼位置形成一对独立的出瞳；其中，左眼位置的出瞳处观看到平板显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处观看到平板显示屏显示的右图像。

2.平板化无辅助立体显示装置，其特征是包括指向性背光模组、人眼位置跟踪模块、控制接口模块和平板显示屏，所述的指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎；采用指向性背光模组、人眼位置跟踪模块和控制接口模块使显示普通图像的平板显示屏提供显示观看者左右眼观看的左右图像，所述指向性背光模组包括指向性光学组件和可寻址光学引擎；控制接口模块与人眼位置跟踪模块相互通信，获得人眼位置信息，从而确定可寻址光学引擎上应该对应点亮的发光单元位置；以所显示的视频或是图像内容的场同步信号同步所述光学引擎上被点亮的发光单元的亮灭时序，亦即显示左图像时，只有对应观看者左眼的发光单元被点亮，显示右图像时，只有对应观看者右眼的发光单元被点亮；所述的指向性光学组件由聚光镜、折光反射镜以及成像透镜组成；聚光镜将面光源发出的发散光在一个平面内压缩成平行光，而保持传播特性不变；折光反射镜是由微结构组成的反射面，其作用为改变光束传播方向，使光束沿与平板显示屏垂直的方向传播；而成像透镜则将该在一个平面内被压缩成平行光的光束在正交的另一个平面内压缩，形成汇聚观察窗口；通过上述聚光镜、折光反射镜以及成像透镜，形成具有指向特性的汇聚出瞳，并保证人眼在出瞳位置处能看到整个屏幕。

3.根据权利要求2所述的平板化无辅助立体显示装置，其特征是所述的可寻址光学引擎由一系列发光单元构成的阵列及其驱动电路组成，每一发光单元分别寻址；根据从人眼位置跟踪模块获得的观察者双眼位置信息，可寻址光学引擎将对应的若干发光单元点亮，在观察者的双眼位置形成一对独立的出瞳；其中，左眼位置的出瞳处观看到平板显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处观看到平板显示屏显示的右图像。

4.根据权利要求2所述的平板化无辅助立体显示装置，其特征是折光反射镜是一个由一系列微结构组成的反射面，用于改变扇面光束或汇聚扇面光束的传播方向。