CN105892069A - 动态电子光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态电子光栅的结构，与液晶模组、背光模组可以构成高清晰宽视角的裸眼立体显示器。动态电子光栅由柱镜光栅和可切换狭缝光栅构成，应用倍频刷新技术，可切换狭缝光栅的N个状态依次切换时，N个相邻的柱镜顺序导通和关闭，等效于水平增加了N倍的像素，可大幅提高裸眼立体显示的清晰度和视场角，不需作2D/3D转换可直接显示高清晰图像。

Description

动态电子光栅

技术领域：

本发明涉及一种构成高分辨率自由立体显示器的动态电子光栅，自由立体显示器可用于立体电视、3D游戏机、3D广告等。

背景技术：

近几年以来，不使用眼镜的自由立体技术被积极地研究，其代表是光栅立体显示器，它由平面矩阵显示器上加装光栅而成，分为光栅前置式和光栅后置式，即光栅可位于背光源与矩阵显示板之间或矩阵显示板面向观众的那面，光栅可为柱镜光栅或狭缝光栅。光栅自由立体显示又分为双眼视差式和多视点立体显示，其中多视点立体显示具有良好的观看自由度和舒适度，适合多人同时观看，成为发展及应用的重点。

自由立体显示需要多视点分割显示屏像素，必然带来图像清晰度的降低，即观看自由度与图像清晰度是冲突的，大多数立体显示器不适合显示精细的立体图像和文字。现有技术用4K显示屏来实现多视点立体图像的高清晰显示，在分辨率为3840×2160的显示屏上，9视点图像的立体分辨率可达1280×720，画质较细致。专利申请2012102314894将倍频刷新与高密度面板两种技术有机结合在一起，大幅增加显示面板的像素密度，会获得更高的立体显示清晰度以及更自由的观看视角。其中的切换光栅实际上是一种动态电子光栅，是构成自由立体显示器的三大模组之一，与背光模组、液晶模组共同组成裸眼立体显示器。

专利申请2012102314894涉及的切换光栅即动态电子光栅与平板显示屏具有相同的刷新率，栅距根据显示屏像素尺寸、立体图像视点数量以及光栅的倾斜角度确定，分为狭缝光栅和柱镜光栅两种。动态电子光栅共有N个状态，在一个基础周期内依次切换，等效于动态电子光栅从初始状态水平移动，可视子像素依次出现在显示屏不同位置且均匀分布，在保证大视角的前提下提高了立体图像的清晰度。当动态电子光栅的每个切换状态的所有遮光条供用一个电极时，通过电压控制可在不同的状态之间迅速转换，称为瞬间切换，适合应用在LED自由立体显示屏上。LCD显示屏一个显著的特征为，新的数据扫描写入前，像素点一直显示原来的数据，因此图像与图像之间的切换是逐步扫描完成的，如果配套的动态电子光栅采用瞬间切换的方式，会因为像素重影而降低清晰度。

本发明是专利申请2012102314894的后续改进，将液晶点阵结构与扫描方法应用到动态电子光栅中，使光栅不同状态之间的切换也是逐步扫描完成的，从而与LCD显示屏图像与图像之间的切换完全同步起来，获得更清晰的自由立体显示。

发明内容：

本发明公开了一种动态电子光栅的结构和原理，目的在于提供一种光栅模组，与液晶模组、背光模组可以构成高清晰宽视角的裸眼立体显示器，可播放高清的2D/3D节目。

LCD立体显示器由光栅模组、液晶模组、背光模组以及同步器、倍频播放器构成，其中液晶模组和背光模组构成LCD显示屏。因此可以将LCD立体显示器的结构简单归结为动态电子光栅(1)、LCD显示屏(2)、倍频播放器(3)、同步器(4)。

动态电子光栅(1)由柱镜光栅(16)和可切换狭缝光栅构成，可切换狭缝光栅的栅距P是柱镜光栅栅距p的N倍，透光缝隙的宽度不大于柱镜光栅栅距p，正对着透光缝隙(21)的柱镜处于导通状态，正对着遮光条(20)的柱镜处于关闭状态，可切换狭缝光栅的N个状态依次切换时，N个相邻的柱镜顺序导通和关闭，等效于栅距为P的柱镜光栅水平移动扫描。

可切换狭缝光栅采用矩阵型液晶屏实现，即偏光片(17)、IPO玻璃(18)、液晶层(19)、IPO玻璃(18)、偏光片(17)构成矩阵型液晶屏，因LCD显示屏最外层有一层偏光片，里层的偏光片可以省略掉。

可切换狭缝光栅采用的矩阵型液晶屏与LCD显示屏相比有几点明显差异：

a.黑白二值显示，无彩色滤光层，无灰阶；

b.用黑线条替换黑矩阵(Black Matrix)，增加透光率；

c.每个点形状为矩形或平行四边形，宽度等于柱镜光栅栅距p，高度等于LCD显示屏的像素点距，也可以将数行像素合并为一行简化处理。

LCD显示屏(2)具有点对点显示功能，120HZ以上的图像刷新率。显示屏以基础频率的N倍交替刷新屏幕图像，基础频率一般为60Hz，也可以是其它合适的频率，也就是说，显示屏的刷新率等于基础频率的N倍。

倍频播放器(3)输出的每一帧高分辨率的立体合成图象被分解成N幅全分辨率子图像，在一个基础刷新周期，即1/60秒内依次点对点显示，N≥2，同步器(4)控制动态电子光栅(1)与LCD显示屏(2)同步扫描，逐行切换，被分解的N幅子图像同一视点的可视子像素被叠加成一帧N倍清晰度的立体图像。

显示屏刷新率、基础频率与倍频数N的典型组合为：

a.2倍频 120Hz 基础刷新率为60Hz；

b.4倍频 240Hz 基础刷新率为60Hz；

c.5倍频 240Hz 基础刷新率为48Hz。

全分辨率是指LCD显示屏(2)的物理分辨率，是可显示的最高清晰度，而高于全分辨率的图像无法一次显示出来。以4K LCD显示屏为例，全分辨率为3840*2160，显示9视点立体视频的清晰度为720P；采用4倍频技术，可获得36视点720P，或者20视点966P清晰度的立体图像，视野十分宽泛；不采用倍频技术，达到同样的视野和清晰度，需要12K以上的LCD显示屏。采用超高分辨率显示屏与采用倍频技术均能提高立体图像的清晰度，比较而言，采用倍频技术的优势十分突出：

a.成本优势，12K以上超高分辨率显示屏相比于4K屏加上倍频技术成本更高。

b.清晰度优势，超高分辨率显示屏像素在纵向密度过高，冗余大，50％以上被浪费了；倍频技术获得的N倍像素全部应用在横向，符合光栅立体显示的特点，具有均衡的清晰度。

c.视角优势，超高分辨率显示屏的视角受限于两个因素，9视点时具有均衡的横纵向分辨率，到20视点以上时纵向冗余已经很大，另外一个限制因素来源于柱镜光栅本身，栅距不能超过弧度半径R的两倍，在观看范围内左右移动时，立体图像会发生几次跳跃，带来眼晕感；采用4倍频技术，20视点、36视点都具有均衡的分辨率，栅距最多可达到弧度半径R的8倍，可以满足在有效观看范围内移动时不发生立体图像的跳跃，彻底解决因图像跳跃反向带来的眼晕问题。

d.叠加优势，超高分辨率显示屏上仍然可以应用倍频技术来进一步提高清晰度和视角。

附图说明：

图1A是立体显示器侧视图，图1B是立体显示器正视图。

图2A是动态电子光栅截面示意图；图2B是动态电子光栅初始状态截面示意图；图2C是动态电子光栅第二状态截面示意图。

图3是可切换狭缝光栅矩阵型液晶屏的像素结构示意图。

图4A是2倍频动态电子光栅与LCD显示屏初始状态示意图；图4B是2倍频动态电子光栅与LCD显示屏同步逐行扫描状态示意图；图4C是2倍频动态电子光栅与LCD显示屏第二状态示意图。

上述各附图中的图示标号为：

1动态电子光栅，2LCD显示屏，3倍频播放器，4同步器，5黑线条，6黑像素点，7白像素点，16柱镜光栅，17偏光片，18IPO玻璃，19液晶层，20遮光条，21透光缝隙。

本发明公开的动态电子光栅，应用倍频刷新技术，可大幅提高自由立体显示器的清晰度和视场角，不需作2D/3D转换可直接显示高清晰图像，立体图像具有宽视角、大景深、高清晰的优势。

具体实施方式：

实施案例一，行扫描黑白二值矩阵液晶屏构成的动态电子光栅。

如图2所示，动态电子光栅(1)由柱镜光栅(16)和可切换狭缝光栅构成，可切换狭缝光栅采用矩阵型液晶屏实现，由偏光片(17)、IPO玻璃(18)、液晶层(19)、IPO玻璃(18)、偏光片(17)等构成矩阵型液晶屏，其中遮光条(20)由黑像素点(6)构成，透光缝隙(21)由白像素点(7)构成。矩阵型液晶屏的像素结构如图3所示，呈平行四边形结构，黑白二值显示，像素列与像素列之间用黑线条(5)隔开，像素行与像素行之间无间隔，像素宽度等于柱镜光栅栅距p，像素高度等于LCD显示屏的像素点距。线宽为两个像素(1黑1白)的可切换狭缝光栅构成2倍频动态电子光栅，分为初始状态和第二状态，对应于LCD显示屏显示的图像为T₁和T₂，如图4所示。线宽为四个像素(3黑1白)的可切换狭缝光栅构成4倍频动态电子光栅，分别在初始状态、第二状态、第三状态、第四状态之间切换，对应于LCD显示屏上显示的图像分别为T₁、T₂、T₃和T₄。构成切换狭缝光栅的矩阵型液晶屏与显示图像的LCD显示屏采用逐行扫描的方式刷新图像数据都是十分合适的，两者之间容易做到同步切换，如图4A所示，动态电子光栅与立体图像均为初始状态，图4B所示，在同步器(4)控制下动态电子光栅与立体图像均开始逐行刷新数据，图4C所示，动态电子光栅与立体图像完全切换到第二状态。

动态电子光栅与立体图像之间的同步并不需要严格达到点对点的程度，可以把矩阵型液晶屏上M行像素合并成一行，与LCD显示屏上的M行像素同步即可，比如M＝10，可以降低矩阵型液晶屏电极的设计加工难度以及切换时的数据量。

实施案例二，无滤光层LCD屏构成的动态电子光栅。

应用4倍频60Hz的基础刷新率显示20视点裸眼立体图像，需要准备一台分辨率为3840*2160、刷新率240Hz的55英寸4K液晶电视显示立体图像，液晶电视的像素点距为0.3171mm。准备一片分辨率为3840*2160、刷新率240Hz的55英寸液晶面板作可切换狭缝光栅，液晶面板中滤光层在加工时已经被去除，像素点距为0.3165mm，比液晶电视的点距略小，有效面积为1215*683mm，液晶图案组成的光栅线条与竖直方向倾斜角度为18.43度，与相同倾角，栅距为0.5mm的柱镜光栅(16)复合在一起，形成动态电子光栅(1)，4个切换状态液晶图案组成的狭缝光栅的横向周期均为20个子像素宽度，遮光条(20)的宽度为15个子像素，透光缝隙(21)的宽度为5个子像素。同步器(4)控制动态电子光栅(1)与液晶电视同步刷新数据，从图像T₁切换到T₂，然后顺序切换到T₃、T₄，实现高清晰、宽视角裸眼立体显示。

Claims (5)

1.一种动态电子光栅，由柱镜光栅(16)和可切换狭缝光栅构成，可切换狭缝光栅的栅距P是柱镜光栅栅距p的N倍，可切换狭缝光栅的N个状态依次切换时，N个相邻的柱镜顺序导通和关闭，其特征在于，可切换狭缝光栅采用矩阵型液晶屏实现光线的穿透与遮挡，矩阵型液晶屏由IPO玻璃(18)、液晶层(19)、偏光片(17)构成，其中遮光条(20)由黑像素点(6)构成，透光缝隙(21)由白像素点(7)构成。

2.如权利要求1所述的电子光栅，其特征还在于，矩阵型液晶屏黑白二值显示，像素形状为矩形或平行四边形，像素列与像素列之间用黑线条(5)隔开，像素行与像素行之间无间隔，像素宽度等于柱镜光栅栅距p，像素高度等于LCD显示屏的像素点距的M倍。

3.如权利要求2所述的电子光栅，其特征还在于，水平周期为1黑1白两个像素的狭缝光栅构成2倍频动态电子光栅，分为初始状态和第二状态，同步显示LCD显示屏上的图像T₁和T₂，矩阵型液晶屏和LCD显示屏的刷新率均为120Hz。

4.如权利要求2所述的电子光栅，其特征还在于，水平周期为3黑1白四个像素的狭缝光栅构成4倍频动态电子光栅，分别在初始状态、第二状态、第三状态、第四状态之间切换，同步显示LCD显示屏上的图像T₁、T₂、T₃和T₄，矩阵型液晶屏和LCD显示屏的刷新率均为240Hz。

5.如权利要求2所述的电子光栅，其特征还在于，狭缝光栅矩阵型液晶屏与显示图像的LCD显示屏均采用逐行扫描的方式，在同步器(4)控制下同步刷新图像数据。