CN104597608A - 基于led的无辅助立体显示器的指向性背光结构和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于LED的无辅助立体显示器的指向性背光设置方法，采用可寻址背光模块、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，所述可寻址背光模块包括指向性光学组件和可寻址光源；基于时分原理，使显示屏交替显示观看者左右眼观看的左右图像；利用同步时序控制光源的点亮时序，亦即显示左图像时，点亮相应位置的LED光源单元，显示右图像时，点亮相应位置的LED光源单元；使用切换机构以实现三个汇聚观察窗口即三个不同距离观看。

Description

基于LED的无辅助立体显示器的指向性背光结构和方法

一、技术领域

本发明涉及一种无辅助自由立体显示器指向性背光方法，特别是设计一种较薄的可满足三个不同距离观看的指向性背光结构，属于信息显示技术领域。

二、背景技术

LED背光源作为一项高端技术，具有节能环保、耗能少等特点，已被广泛运用到照明装饰等各个领域。

当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点。

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。欧美、日韩等国家和地区从上世纪80年代开始进行三维立体显示的研究，我国虽然在此领域起步较晚，与国际水平存在差距，但是一些高校和科研院所也在立体显示领域进行了大量研究并取得了显著的成果。

如今的自由立体显示方式主要有狭缝光栅式和柱镜光栅式两种，狭缝光栅式立体显示技术根据狭缝光栅与屏幕的相对位置分为前置与后置式，前置式即光栅放在显示屏前，将显示器的奇、偶列分开，使得观察者可以在特定的位置分别观看到奇、偶列图像，如果在奇数列显示一幅图像，在偶数列显示另一幅图像，那么就可以借助狭缝光栅使观察者看到左右图像对，后置式光栅立体又称作狭缝照明式，光源通过狭缝直接照射到图像上。柱镜光栅式是在显示屏前放置一系列完全相同的小圆柱透镜单元线排列而成的阵列，在排列方向，每一个小透镜单元起着汇聚光线的作用，而且其一端的平面为透镜的焦平面，通过对每一列光线的分离将显示器的奇、偶列分开。然而这两种方法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。

鉴于此，如今迫切需要设计一种轻薄的、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。

三、发明内容

本发明的目的是：提出无需借助眼镜、头盔等辅助设备的，能在3个不同距离产生指向性出瞳的无辅助自由立体显示背光结构和方法。

本发明的技术方案为：一种基于LED的无辅助立体显示器的指向性背光设置方法，采用可寻址背光模块、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，所述可寻址背光模块包括指向性光学组件和可寻址光源；基于时分原理，使显示屏交替显示观看者左右眼观看的左右图像；利用同步时序控制光源的点亮时序，亦即显示左图像时，点亮相应位置的LED光源单元，显示右图像时，点亮相应位置的LED光源单元；其特征是使用切换机构以实现三个汇聚观察窗口即三个不同距离观看，在满足第一个汇聚观察窗口(观看距离)时，LED光源单元的光线经过成像透镜16至反射镜14，并通过反射镜14入射到指向性光学组件的导光板内，反射镜14通过掠入射显示结构形成出瞳；为了满足第二个汇聚观察窗口(观看距离)，设有一个旋转机构将反射镜14旋转出光路，从而此光路光线进入第二成像透镜20，并通过第二成像透镜20反射镜方式射入厚导光板23，且为掠入射显示结构经过指向性光学组件厚导光板形成出瞳；为了满足第三个汇聚观察窗口(观看距离)，在第二成像透镜20处也设置一个旋转机构，此处旋转机构是在第二成像透镜20处替换成另一个焦距不同的成像透镜，从而在第三个距离产生指向性出瞳；

所述的指向性光学组件包括柱透镜、若干导光板、导光板端部安装的折光反射棱镜及成像透镜组成；柱透镜将LED光源单元发出的发散光在一个平面内压缩成平行光并通过导光板传输，而保持传播特性不变；导光板的作用是使光线在其中保持全反射传输并增加光程，用成像透镜成像；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方向进行压缩传输，形成第二、第三汇聚观察窗口；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。

所述掠入射折光显示结构，掠入射结构由反射镜，导光板和微结构膜组成，其中反射镜放置在厚导光板的光线入射处，并调整到合适角度使光线全部摄入到导光板内，微结构膜是由一系列有机聚酯微型结构组成，光线经由反射镜入射进导光板，一部分光通过微结构膜向上全反射，剩下一部分光线通过导光板后部的反射镜反射到微结构膜上，从而被再次利用，同样经过全反射后向上射出。

本申请基于一种基于LED的无辅助立体显示器的设置方法，所述的可寻址光源由一系列发光单元组成电路板及其驱动电路板组成，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眼睛位置信息，可寻址光源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显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处观看到显示屏显示的右图像。

利用视频场同步时序控制可寻址光源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。

所述的指向性光学组件将可寻址光源在两个不同位置点亮不同数量的发光单元，经过棱柱镜、导光板、折光反射棱镜和成像透镜后，通过人眼跟踪模块控制可寻址光源，可以在人眼位置形成指向性出瞳，从而使人观看到立体效果。光源发出的光线经过棱柱镜压缩发散角后，入射到导光板内，传输过程中利用了导光板的全反射原理，既减小了光传输损失，又将光线传播的厚度进行了压缩，并满足了成像透镜的光程要求。相对于其他背光方式，有效压缩了整体结构的厚度，使整个装置轻薄。光线经过折光反射镜后继续传播，如此反复并经过成像透镜后，在另一个方向将光线会聚，就形成了指向性出瞳光斑。

所述的可寻址光源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，可寻址光源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，右眼位置的出瞳处可以观看到图像显示屏显示的右图像。

本发明的有益效果：通过平板化无辅助立体显示装置，能在3个不同距离产生指向性出瞳的无辅助自由立体显示背光结构和方法。可得到一种轻薄的、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。

四、附图说明

图1是一个实施实例的整体结构侧视图；

图2掠入射光路示意图；

图3出瞳形成示意图；

图4出瞳形成的整体结构示意图(从图1下面往上看，与图1同属一个坐标系)。

五、具体实施方式

图1中，1是LED发光电路板，2是棱柱镜，3、4、5、6是薄导光板，7-13是反射棱镜，15、16、19、20是成像透镜，14、17、18、21是反射镜，24、23是厚导光板，旋转机构24。图4是从图1下方往上看的。

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。

采用可寻址背光模块、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，所述指向性背光模块包括指向性光学组件和可寻址光源；以所显示的视频或是图像内容的场同步信号同步所述光源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。

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。

光源由电路板驱动发光，经过棱柱镜压缩发散角后入射到导光板内，接着经过反射棱镜反射光线，再经过一块反射棱镜反射入导光板，如此反复折返，最终光线由导光板8进入图下方的成像透镜15，此透镜的作用是汇聚光线，接着由反射棱镜反射并通过成像透镜16汇聚，在一种距离汇聚时，反射镜14将光线反射到导光板22内，通过掠入射的方式入射到成像透镜19并最终得到成像光斑，而在另外两种距离显示时，将反射镜14撤出光路，并通过一种切换机制切换两种尺寸相同但是焦距不同的成像透镜，再经反射镜21掠入射到导光板23并最终成像。

掠入射结构如图所示，结构由反射镜，导光板和微结构膜组成，其中微结构膜是由一系列微型结构组成，它可以将入射光线通过全反射接近90度射出，增加了光线利用率。利用微结构膜，光线经由反射镜入射进导光板，一部分光通过膜向上全反射，剩下一部分光线通过后部的反射镜反射到膜上，从而被再次利用，同样经过全反射后向上射出。

LED光源单元的光线经过成像透镜16至反射镜14，并通过反射镜14入射到指向性光学组件的厚导光板22内，反射镜14通过掠入射显示结构形成出瞳(光从光疏介质向光密介质传播，入射角接近于90度时为掠入射)；为了满足第二个汇聚观察窗口(观看距离)，设有一个旋转机构24将反射镜14旋转出光路，从而此光路光线进入第二成像透镜20，并通过第二成像透镜20反射镜方式射入厚导光板23，且为掠入射显示结构经过指向性光学组件厚导光板形成出瞳；为了满足第三个汇聚观察窗口(观看距离)，在第二成像透镜20处也设置一个旋转机构，此处旋转机构是在第二成像透镜20处替换成另一个焦距不同的成像透镜，从而在第三个距离产生指向性出瞳；

其中图3所示的出瞳示意图，是图1这个系统的简化光路图，在此省略了光线经过多个反射棱镜与反射镜的光程，但是原理上是一样的，都是通过导光板与菲涅耳透镜，在目标距离上形成光学视场。如图3所示，点亮的LED通过棱柱镜使发光单元发出的发散光在一个平面内压缩成平行光并通过导光板传输，而保持传播特性不变，进而通过导光板传输，并通过反射棱镜折转光路，最终通过菲涅耳透镜在指定位置形成出瞳。

所述的指向性光学组件包括棱柱镜、导光板、折光反射棱镜及成像透镜组成；棱柱镜将LED光源单元发出的发散光在一个平面内压缩成平行光并通过导光板传输，而保持传播特性不变；导光板的作用是使光线在其中保持全反射传输并增加光程，用成像透镜成像；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方向进行压缩传输，形成第二、第三汇聚观察窗口；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。若干导光板包括薄导光板与厚导光板，且是平行导光板。

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；其中掠入射结构由反光镜14、17和导光板22构成，或反光镜18、21、和导光板23将沿Y轴传播的光线变成沿Z轴传播的光线。

本实施实例中，所述的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15；其中的成像透镜15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；其中掠入射结构14、17、22或18、21、23将沿Y轴传播的光线变成沿Z轴传播的光线。

为了增加成像透镜的成像光程并节省装置占用空间，此系统结构采用导光板并多次折光反射的方法，通过反射棱镜实现，将光程增加了数倍，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。

为了使出瞳满足三个不同观看距离，在结构上做了调整机构，在满足第一个观看距离时，光线经过成像透镜16并通过反射镜14入射到导光板24内，通过掠入射从而形成出瞳；为了满足第二个观看距离，设计了一个旋转机构将反射镜14旋转出光路，从而光线进入成像透镜20，并通过反射镜20射入导光板23，经过掠入射形成出瞳；为了满足第三个观看距离，在成像透镜20处也放置了一个旋转机构，所不同的是，此处旋转是在透镜20处替换成另一个焦距不同的成像透镜，从而可以在另一个距离产生指向性出瞳。

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 (6)

1.一种基于LED的无辅助立体显示器的指向性背光设置方法，其特征是采用可寻址背光模块、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，所述可寻址背光模块包括指向性光学组件和可寻址光源，可寻址光源基于时分原理，使显示屏交替显示观看者左右眼观看的左右图像；利用同步时序控制光源的点亮时序，亦即显示左图像时，点亮相应位置的LED光源单元，显示右图像时，点亮相应位置的LED光源单元；其特征是使用切换方法以实现三个汇聚观察窗口即三个不同距离观看，在满足第一个汇聚观察窗口(观看距离)时，LED光源单元的光线经过成像透镜(16)至反射镜(14)，并通过反射镜入射到指向性光学组件的厚导光板内，反射镜通过掠入射显示结构形成出瞳；为了满足第二个汇聚观察窗口，设有一个旋转机构将反射镜旋转出光路，从而此光路光线进入第二成像透镜(20)，并通过第二成像透镜反射镜方式射入厚导光板，且为掠入射显示结构经过指向性光学组件厚导光板形成出瞳；为了满足第三个汇聚观察窗口，在第二成像透镜处也设置一个旋转机构，此处旋转机构是在第二成像透镜处替换成另一个焦距不同的成像透镜，从而在第三个距离产生指向性出瞳；

所述的指向性光学组件包括柱透镜、若干导光板、导光板端部安装的折光反射棱镜及成像透镜组成；柱透镜将LED光源单元发出的发散光在一个平面内压缩成平行光并通过导光板传输，而保持传播特性不变；导光板的作用是使光线在其中保持全反射传输并增加光程，用成像透镜成像；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方向进行压缩传输，形成第二、第三汇聚观察窗口；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。

2.根据权利要求1所述的指向性背光设置方法，其特征是掠入射显示结构即掠入射折光显示，由反射镜，导光板和微结构膜组成，其中反射镜放置在厚导光板的光线入射处，并调整到合适角度使光线全部摄入到导光板内，微结构膜是由一系列有机聚酯微型结构组成，光线经由反射镜入射进导光板，一部分光通过微结构膜向上全反射，剩下一部分光线通过导光板后部的反射镜反射到微结构膜上，从而被再次利用，同样经过全反射后向上射出。

3.根据权利要求1所述的指向性背光设置方法，其特征是若干导光板包括薄导光板与厚导光板，且是平行导光板。

4.根据权利要求1所述的指向性背光设置方法，其特征是所述的可寻址光源由一系列发光单元组成电路板及其驱动电路板组成，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眼睛位置信息，可寻址光源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显示屏显示的左图像，右眼位置的出瞳处观看到显示屏显示的右图像。

5.根据权利要求1所述的指向性背光设置方法，其特征是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是临界闪烁频率，表示人眼视觉系统时间分辨能力的上限。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于LED的无辅助立体显示器的指向性背光设置方法得到的装置，其特征是装置包括可寻址背光模块、人眼位置跟踪模块、控制接口模块和普通图像显示屏，所述的可寻址背光模块包括指向性光学器件和可寻址光源；采用指向性背光模块、人眼位置跟踪模块和控制接口模块，使显示屏可以分时显示组成立体图像的左右图像对，所述可寻址背光模块包括指向性光学组件和可寻址光源；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，从而确定点亮的发光单元的位置，并且保证显示的视频信号的左右图像对和光源的点亮时序一致；所述的指向性光学组件包括柱透镜、平行导光板、作为反射镜的折光反射棱镜及成像透镜；柱透镜将LED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；平行导光板的作用是使柱透镜压缩成平行光光线在其中保持全反射传输并增加光程，从而更好地用成像透镜成像；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。