CN104076519A - 一种方向性背光产生方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方向性背光产生方法，该方法包括：测量微柱透镜阵列的周期角；将微柱透镜阵列安装在液晶显示器面板表面且固定贴紧；根据单个柱面棱镜的宽度将液晶显示器面板沿着水平方向分成若干个区域，根据像素与每个柱面棱镜的相对位置将所有像素分配到对应的区域；为每个区域建立独立的坐标系；以单个柱面棱镜的宽度为区间构造亮度控制曲线；在每个像素宽度区间内对亮度控制曲线进行积分，并将积分结果作为对应像素的亮度值；确定所有像素的亮度值，得到生成当前方向背光的液晶显示器图像。本发明同时还公开了一种方向性背光产生系统。本发明不需要倾斜微柱透镜阵列，减小了摩尔条纹，大大提高了背光的方向性、锐利度和控制的灵活性。

Description

一种方向性背光产生方法和系统

技术领域

本发明属于真三维显示领域，尤其涉及一种灵活易装配且方向连续可变的方向性背光产生方法和系统。

背景技术

真三维显示技术可以为观众从不同方向提供不同的图像，当方向性背光源向不同方向发出背光时，呈像系统显示出不同的内容，从而在一定角度范围内使得观众无需借助特殊眼镜即可看见三维场景。方向性背光的设计对三维显示效果有着至关重要的作用，越锐利且亮度越高的背光就越能够获得更好的三维显示效果。

目前已经有多种方向性背光的产生方法，并应用在不同的场合中。其中已经得到广泛商业应用的是基于微柱透镜阵列的方向性背光，如图1所示，所述微柱透镜阵列主要由大量的单个柱面棱镜011平行地固定在一块透明面板010上构成，这种方法在每个柱面棱镜011的下方点亮一个独立的点光源012，不同位置的点光源发光经过柱面棱镜后将会折射到不同的方向。独立点光源一般用液晶显示器的像素点020来实现，如图2所示。但是这种方法存在下列缺陷：1、单个柱面棱镜011的宽度013往往已经由厂家设定好，只有少量的固定规格，无法保证单个柱面棱镜与整数个像素020对齐，当处于两个柱面棱镜边界下方的像素021发光时将会导致严重的摩尔条纹和背光方向错乱。而且这种不对齐所导致的误差会积累，产生更加严重的摩尔条纹；2、点光源采用二值控制，只能处于亮和灭两种状态，液晶显示器的发光利用率不高，其背光亮度较低；3、背光的方向只能以离散的角度进行调节，而不能实现连续的角度变化。

理想的方向性背光源需要微柱透镜阵列的柱面棱镜011的宽度013与整数个像素严格对齐，然而满足该条件的液晶显示器制作成本很高，而且装配精度要求苛刻。因此在具体应用中只能尽量使得单个柱面棱镜的宽度与液晶显示器的整数个像素宽度接近，而无法实现完全相等。一些学者提出将微柱透镜阵列适当地倾斜可以弥补这种匹配误差，如图3所示，但是倾斜角度难以控制而且装配难度较大。

随着真三维显示技术的快速发展，亟需一种装配成本低，控制灵活，发光利用率高的方向性背光生成系统。但当前现有的方向性背光的生成方法还无法同时满足上述要求。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的目的是提出一种适用于真三维显示的高效灵活且易装配的方向性背光生成方法和系统，以消除微柱透镜阵列与液晶显示器无法对齐所导致的误差积累，减少摩尔条纹，控制背光的方向在一定范围内可以连续变化，提高液晶显示器发光利用率，增加背光亮度。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提出一种方向性背光产生方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：测量微柱透镜阵列的周期角；

步骤2：将所述微柱透镜阵列安装在液晶显示器面板表面且固定贴紧；

步骤3：根据单个柱面棱镜的宽度将液晶显示器面板沿着水平方向分成若干个区域，每个区域的宽度与微柱透镜阵列中单个柱面棱镜的宽度一致，然后根据像素与每个柱面棱镜的相对位置将液晶显示器面板所有的像素分配到对应的区域；

步骤4：为液晶显示器面板上的每个区域建立独立的坐标系，横坐标为当前区域内像素与该区域柱面棱镜中线的距离，并转化为角度，记为像素的相位角，纵坐标为该区域各像素期望的亮度幅值；

步骤5：基于所述坐标系，以单个柱面棱镜的宽度为区间构造一条亮度控制曲线，所述亮度控制曲线的幅值和相位角分别由期望背光的亮度和方向确定；

步骤6：在每个像素宽度区间内对所述亮度控制曲线进行积分，并将积分结果作为对应像素的亮度值；

步骤7：根据步骤6确定液晶显示器面板上所有像素的亮度值，从而得到生成当前方向背光的液晶显示器图像。

根据本发明的另一方面，还提出一种方向性背光产生系统，所述系统包括：微柱透镜阵列和液晶显示器面板，其中：

所述微柱透镜阵列与液晶显示器面板固定在一起；

所述液晶显示器面板根据单个柱面棱镜的宽度沿着水平方向分成若干个区域，其中每个区域的宽度与微柱透镜阵列中单个柱面棱镜的宽度一致，液晶显示器面板上的所有的像素根据其与每个柱面棱镜的相对位置分配到对应的区域中；

每个区域具有独立的坐标系，横坐标为当前区域内像素与该区域柱面棱镜中线的距离，并转化为角度，记为像素的相位角，纵坐标为像素期望的亮度幅值；

基于所述坐标系，每个柱面棱镜的宽度区间内设有亮度控制曲线，所述亮度控制曲线的幅值和相位角分别由期望背光的亮度和方向确定；

所述液晶显示器面板上像素的亮度值为所述亮度控制曲线在每个像素所在宽度区间内的积分值。

本发明不需要倾斜微柱棱镜阵列，减小了摩尔条纹，大大提高了背光的方向性、锐利度和控制的灵活性。

附图说明

图1为现有技术中单个点光源发光时方向性背光的产生示意图；

图2为现有技术中微柱透镜阵列与液晶显示器像素不对齐时的相对位置示意图；

图3为传统方向性背光控制策略示意图；

图4为本发明方向性背光产生方法的流程图；

图5为本发明测量微柱透镜阵列周期角的原理图；

图6为本发明在单个柱面棱镜区域内建立独立坐标系的示意图；

图7为不同发散角度下的期望背光的亮度分布曲线及其亮度控制曲线；

图8为不同锐利度下的期望背光的亮度分布曲线及其亮度控制曲线；

图9为不同相位角下的亮度控制曲线；

图10为本发明方向性背光产生系统原理图；

图11为多个点光源同时发光时方向性背光叠加的分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的一方面，提出一种方向性背光产生方法，该方法为微柱透镜阵列中的每个柱面棱镜011建立独立的坐标系040，以每个独立的坐标系为基础生成一条亮度控制曲线041，且曲线的幅值和相位均可以单独控制，以柱面棱镜下方对应的像素020为离散区间对亮度控制曲线进行离散积分，并将每个离散区间的积分结果作为对应像素的亮度值。改变亮度控制曲线的相位即可在一定范围内改变背光的方向；改变亮度控制曲线的幅值可以调节背光的亮度。背光方向的最大角度030由微柱透镜自身曲率决定。根据亮度控制曲线可以确定对应区域内液晶显示器上的像素亮度值，确定液晶显示器上所有的像素亮度值以后即可生成全幅图像，每个方向的背光对应一个图像。

图4为本发明方向性背光产生方法的流程图，如图4所示，所述方向性背光产生方法包括以下步骤：

步骤1：测量微柱透镜阵列可实现方向背光的最大变化角度030，即微柱透镜阵列的周期角；

在本发明一实施例中，将微柱透镜阵列固定于屏幕前，其与屏幕之间的距离033记为D，当柱面棱镜下方对应的点光源012发光时可在屏幕上看见两个亮条纹031，这两个亮条纹之间的距离032记为L，如图5所示，则所述微柱透镜阵列的周期角030按照下列公式计算得到：

$\mathrm{\θ}=2*{\tan }^{-1}\left(\frac{L}{2*D}\right).$

步骤2：将所述微柱透镜阵列安装在液晶显示器面板表面且相互固定贴紧；

该步骤中，无需要求微柱透镜阵列中的单个柱面棱镜与液晶显示器面板上整数个像素严格对齐，且无需倾斜微柱透镜阵列。

步骤3：根据单个柱面棱镜的宽度将液晶显示器面板沿着水平方向分成若干个区域，每个区域的宽度与微柱透镜阵列中单个柱面棱镜的宽度一致，并为每个区域依次编号，然后根据像素与每个柱面棱镜的相对位置将液晶显示器面板所有的像素分配到对应的区域；

对于跨越两个区域的像素，根据像素在两个区域中所占比例的大小将像素分配到所占比例较大的区域中，其中，单个像素的宽度和单个柱面棱镜的宽度可以从生产厂商提供的数据中直接查询或间接计算得到。

步骤4：为液晶显示器面板上的每个区域建立独立的坐标系040，横坐标为该区域内像素与该区域柱面棱镜中线014的距离，并转化为角度α，记为像素的相位角042，像素与中线距离越远，角度绝对值越大，区域内最左边和最右边的像素的相位角分别为微柱透镜阵列周期角和微柱透镜阵列周期角，区域正中间的像素的相位角为零度；纵坐标为该区域各像素期望的亮度幅值，如图6所示；

独立的坐标系的建立使得每个柱面棱镜下对应的像素个数并不必须是整数，从而降低了微柱透镜阵列的精度要求和装配成本，每个区域的坐标系相互独立并平均分担了微柱透镜阵列与液晶显示器像素不对齐所导致的误差，从而避免了微柱透镜阵列与液晶显示器像素不对齐所产生的误差积累。

步骤5：基于所述坐标系，以单个柱面棱镜011的宽度013为区间构造一条亮度控制曲线，曲线越尖锐说明各个方向上背光的重叠区域越小，各个方向上背光的相互影响也越小，所述亮度控制曲线的幅值和相位角分别由需要生成背光的亮度和方向确定；

该步骤中，首先输入期望背光的方向角度，并判断所述期望背光的方向角度是否大于所述微柱透镜阵列的周期角，如否，则根据所述期望背光的方向角度来设置所述亮度控制曲线的相位角，如是，则更换微柱透镜阵列或者减小期望背光的方向角度。

这样就使得能够通过改变亮度控制曲线的相位来调整背光的方向，并在一定范围内可以连读调节背光方向。

步骤6：以每个像素所在范围为离散区间，即在每个像素宽度区间内对所述亮度控制曲线进行积分，并将积分结果作为对应像素的亮度值；

通过该步骤，所述液晶显示器面板的像素能够采用灰度控制，即允许亮度在0-255灰度等级变化，而不像现有技术中的像素亮度二值控制(亮/灭)一样，局限于亮和灭两个状态；并且本发明允许一个柱面棱镜下的多个像素同时发光，从而相比传统的像素亮度二值控制，改善了液晶显示器的利用率，提高了背光亮度。

步骤7：根据步骤6确定液晶显示器面板上所有像素的亮度值，从而得到生成当前方向背光的液晶显示器图像，实际的方向性背光是所有像素产生的方向光的叠加，改变期望背光的方向并重复所述步骤5和步骤6即可得到其他方向背光的液晶显示器图像。

接下来以实现20°视场角范围内5个方向背光为例对于本发明进行进一步的说明，其中，显示器选用27英寸液晶显示器，其长宽比为16:9，分辨率为1920×1080，每个像素的宽度022根据下式计算得到：

$\frac{35.4\×16\×\sqrt{\frac{{27}^2}{{16}^2+9^2}}}{1920}=0.311316\left(\mathrm{mm}\right).$

微柱透镜的柱面线数LPI(Lense Per Inch)为10，其单个柱面棱镜011的宽度013为2.54毫米。根据像素宽度和单个柱面棱镜的宽度，可以确定每个柱面棱镜下方平均包含的像素个数为：

$\frac{2.54}{0.311316}=8.158915.$

此时单个柱面棱镜并不能覆盖整数个像素，即微柱透镜阵列不能与液晶显示器面板严格对齐，且这种误差会不断积累。在本发明之前，已经统计对比过常规的微柱透镜阵列和市面上可买到的液晶显示器，发现没有任何一款液晶显示器面板和微柱透镜阵列可以严格对齐。因此本发明的最大意义之一在于提供了一种鲁棒的方向性背光生成方法，并不要求微柱透镜与液晶显示器面板严格对齐，从而降低了装配成本。

不同LPI的微柱透镜其光学特性也不同，其中微柱透镜的周期角030决定了方向性背光所能变化的最大角度范围，通过如图5所示方式可以测量出微柱透镜的周期角。在本实施例中，微柱透镜与屏幕之间的距离D＝680(mm)，屏幕上两个亮条纹之间的距离为L＝770(mm)，微柱透镜的周期角为：

亮度控制曲线的构造可以采用多种方法，在本实施例中首先构造一条期望背光的亮度分布曲线，然后在期望背光的亮度分布曲线上作用一个惩罚因子，这里采用的惩罚因子是其余弦值的20次方。微柱透镜阵列产生的方向性背光亮度并不是按照理想的方波分布，而是在一定的范围内随着发散角度的增大而逐渐减小，期望背光的亮度曲线的宽度代表了所允许的发散角度，期望背光的亮度曲线的锐利度体现了相邻方向上背光的重叠区域大小。如图7和图8所示，改变期望背光的亮度分布曲线的锐利度和允许发散角度，其控制亮度曲线也相应改变，从而可以灵活的调节方向性背光空间分布。

背光方向的改变只需要改变亮度控制曲线的相位即可，本实施例中背光方向变化的最大范围可达47.648522°，本发明由于相位可以连读改变，因此背光的方向也可以连续改变，这是传统的方向性背光源所达不到的。

要实现视场角20°范围内5个方向背光源，则与中心轴线的偏角从-10°到+10°，5个方向背光的中心线角度分别为-10°，-5°，0°，5°，10°，如图9所示。但图9中的5条亮度控制曲线并不是同时起作用，这里只是为了比较相位差别而绘制在同一图中。例如要产生-5°的方向背光，那么只需要相位角为-5度的亮度控制曲线起作用就可以。

在本发明中，每个像素的宽度022是不可忽略的。根据像素所在的区域对亮度控制曲线进行积分，积分结果作为对应像素的亮度值。需要注意的是，由于每个区域中第一个像素相对亮度控制曲线的位置都各不相同，因此每个区域都需要重新计算像素与亮度控制曲线的相对位置，如图10所示。因为每个区域中像素与亮度控制曲线的相对位置各不相同，积分结果也就不同，因此每个区域的各个像素的亮度值都不相同，这也是本发明能够避免误差积累，减少摩尔条纹的关键所在。

在本发明的实际实施中，并不需要对液晶显示器面板的上每个像素都计算其亮度值。因为微柱透镜与液晶显示器面板之间没有倾斜，因此同一个柱面棱镜内沿着棱镜伸展的方向上同一列像素的亮度值是一样的。为了简化运算，只需要沿着液晶显示器面板的水平方向计算一行像素的亮度值，并将液晶显示器面板上同一列内的像素赋予相同的亮度值即可。

对于任意一个柱面棱镜内会有多个像素以不同的亮度值同时发光，所产生的方向性背光是多个像素点光源经折射后光路的叠加，如图11所示。每一个柱面棱镜会产生一束可独立控制的背光，因此微柱透镜上的多个柱面透镜可以组合形成不同的方向性背光，例如：1)可以使每个柱面棱镜产生相同方向的光束，从而得到近似平行的方向性背光；2)所有的柱面透镜产生的方向光都指向空间中同一点，从而得到类似聚光灯的方向性背光。这正是本发明能够实现灵活的方向性背光控制的关键所在：根据实际的应用需要可以灵活控制每一个柱面棱镜的光束方向和空间分布，组合所有柱面棱镜的光束即可得到期望的方向性背光。

依次改变相位角042为-10°，-5°，0°，5°，10°，并对亮度控制曲线进行离散积分，得到5个液晶显示器的像素亮度图。一般方向性背光的应用是依次切换这五个液晶显示器像素亮度图，即可按时序产生5个离散方向上的背光。

图10为本发明方向性背光产生系统的原理图，所述方向性背光产生系统包括：微柱透镜阵列011和液晶显示器面板010，其中：

所述微柱透镜阵列011与液晶显示器面板010固定在一起；

所述液晶显示器面板010根据单个柱面棱镜的宽度沿着水平方向分成若干个区域，其中每个区域的宽度与微柱透镜阵列中单个柱面棱镜的宽度一致，液晶显示器面板上的所有的像素020根据其与每个柱面棱镜的相对位置分配到对应的区域中；

其中，对于跨越两个区域的像素，根据像素在两个区域中所占比例的大小将像素分配到所占比例较大的区域中，单个像素的宽度和单个柱面棱镜的宽度可以从生产厂商提供的数据中直接查询或间接计算得到。

每个区域具有独立的坐标系040，横坐标为当前区域内像素与该区域柱面棱镜中线014的距离，并转化为角度α，记为像素的相位角042，像素与中线距离越远，角度绝对值越大，区域内最左边和最右边的像素的相位角分别为微柱透镜阵列周期角和微柱透镜阵列周期角，区域正中间的像素的相位角为零度；纵坐标为像素期望的亮度幅值；

基于所述坐标系，每个柱面棱镜011的宽度区间内设有亮度控制曲线，曲线越尖锐就说明各个方向上背光的重叠区域越小，各个方向上背光的相互影响也越小，所述亮度控制曲线的幅值和相位角分别由需要生成背光的亮度和方向确定；

所述液晶显示器面板010上像素的亮度值为所述亮度控制曲线在每个像素所在宽度区间内的积分值。

根据上述技术方案的方向性背光产生系统中，所述微柱透镜阵列与液晶显示器面板上的像素并不严格对齐，也即单个柱面棱镜下方并不要求有恰好整数个像素，允许像素同时跨越两个柱面棱镜。

通过上述实施例详细阐述了本发明产生5个离散方向背光的具体实现方式，根据实际应用的需要可以类似的产生更多的不同方向上的背光以满足特定要求。如果要产生更大或更小可变角度的方向性背光，可以更换其他LPI的微柱透镜。本发明对于任意宽度的柱面棱镜都有鲁棒性，因此更换其他LPI的微柱透镜以后仍能产生正确的方向性背光。另外，本发明对于微柱透镜阵列的LPI和液晶显示器的规格没有特殊规定，对于某种型号的液晶显示器，并不要求使用特定LPI的微柱透镜；对于某种特定的微柱透镜阵列，也并不要求使用特定的某种液晶显示器，也就是说，任意LPI的微柱透镜和任意规格的液晶显示器都能匹配起来产生方向性背光源。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种方向性背光产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：测量微柱透镜阵列的周期角；

步骤2：将所述微柱透镜阵列安装在液晶显示器面板表面且固定贴紧；

步骤3：根据单个柱面棱镜的宽度将液晶显示器面板沿着水平方向分成若干个区域，每个区域的宽度与微柱透镜阵列中单个柱面棱镜的宽度一致，然后根据像素与每个柱面棱镜的相对位置将液晶显示器面板所有的像素分配到对应的区域；

步骤4：为液晶显示器面板上的每个区域建立独立的坐标系，横坐标为当前区域内像素与该区域柱面棱镜中线的距离，并转化为角度，记为像素的相位角，纵坐标为该区域各像素期望的亮度幅值；

步骤5：基于所述坐标系，以单个柱面棱镜的宽度为区间构造一条亮度控制曲线，所述亮度控制曲线的幅值和相位角分别由期望背光的亮度和方向确定；

步骤6：在每个像素宽度区间内对所述亮度控制曲线进行积分，并将积分结果作为对应像素的亮度值；

步骤7：根据步骤6确定液晶显示器面板上所有像素的亮度值，从而得到生成当前方向背光的液晶显示器图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期角为微柱透镜阵列可实现方向背光的最大变化角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，对于跨越两个区域的像素，将像素分配到所占比例较大的区域中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，首先输入期望背光的方向角度，并判断所述期望背光的方向角度是否大于所述微柱透镜阵列的周期角，如否，则根据所述期望背光的方向角度设置所述亮度控制曲线的相位角，如是，则更换微柱透镜阵列或者减小期望背光的方向角度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述亮度控制曲线的构造包括：

首先构造一条期望背光的亮度分布曲线；

然后在期望背光的亮度分布曲线上加入惩罚因子，所述惩罚因子是其余弦值的20次方。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法所产生的方向性背光是多个像素点光源经折射后光路的叠加。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：改变期望背光的方向并重复所述步骤5和步骤6得到其他方向背光的液晶显示器图像。

8.一种方向性背光产生系统，其特征在于，所述系统包括：微柱透镜阵列和液晶显示器面板，其中：

所述微柱透镜阵列与液晶显示器面板固定在一起；

所述液晶显示器面板根据单个柱面棱镜的宽度沿着水平方向分成若干个区域，其中每个区域的宽度与微柱透镜阵列中单个柱面棱镜的宽度一致，液晶显示器面板上的所有的像素根据其与每个柱面棱镜的相对位置分配到对应的区域中；

每个区域具有独立的坐标系，横坐标为当前区域内像素与该区域柱面棱镜中线的距离，并转化为角度，记为像素的相位角，纵坐标为像素期望的亮度幅值；

基于所述坐标系，每个柱面棱镜的宽度区间内设有亮度控制曲线，所述亮度控制曲线的幅值和相位角分别由期望背光的亮度和方向确定；

所述液晶显示器面板上像素的亮度值为所述亮度控制曲线在每个像素所在宽度区间内的积分值。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，对于跨越两个区域的像素，将像素分配到所占比例较大的区域中。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统所产生的方向性背光是多个像素点光源经折射后光路的叠加。