CN106226900A - 棱镜光栅及3d显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种棱镜光栅，包括有若干并列排布的三棱柱，每一所述三棱柱均能够独立旋转，从而可调节显示面板发出的光的方向，并将对应像素列发出的光折射至视图焦点；有益效果为：相较于现有棱镜光栅，本发明的棱镜光栅能够根据观看者的位置主动改变左、右画面的视图焦点，为观看者提供较合适的视差，进而使观看者看到最佳的三维画面效果。

Description

棱镜光栅及3D显示装置

技术领域

本发明涉及3D显示技术领域，尤其涉及一种棱镜光栅及具有该棱镜光栅的3D显示装置。

背景技术

现有的三维显示技术的主要原理是使观看者的左眼和右眼分别接收到不同的图像，左、右眼或得的两种图像经过人的大脑分析并重叠，从而使观看者感知到图像画面的层次感，进而产生立体感。

目前，裸眼3D技术得到了广泛的研究，其中视差屏障式的三维显示技术较为普遍，主要是通过三维光栅来阻挡光线，保证相应的光线能够进入到正确的人眼位置。

如图1所示，为现有的三维光栅的工作示意图，该三维光栅11位于显示屏12的出光面一侧，其中，三维光栅11的遮光宽度W1(等同于透光宽度)是由观看者的观看距离、显示屏的视图数目和像素大小等参数确定，一般情况下，观看距离、视图数目和像素大小这三个参数确定之后，三维光栅11的遮光宽度W1也就固定了，实际的三维光栅11的狭缝电极中每个电极条的宽度也相应设置为W1，从而通过为狭缝电极中电极条交替施加不同的电压，配合下层的公共电极使得电极条对应的位置透光或遮光(三维光栅11的空白区域为透光位置，斜条纹区域为遮光位置)。其中，该三维光栅11的每个遮光和透光周期为2个电极条的宽度。当观看者的观看距离固定后，且其左眼和右眼分别位于视图焦点L1和视图焦点R1，此时观看者可以观看到完整且无串扰的三维图像画面。

然而，当遮光宽度W1确定之后，三维光栅11中的狭缝电极宽度也设置为W1，因此，由该三维光栅11形成的视图焦点的个数是有限的，而且，视图焦点之间的间距较大，则导致串扰区域(非视图焦点的区域)较大。若观看者保持该观看距离在平行于三维光栅11平面的延伸方向X移动，或者有些许偏移，例如：观看者的左眼和右眼分别移动到位置L2和位置R2，由于位置L2和位置R2并不是视图焦点，因此，观看者看到的是三维图像画面的串扰较大，影响观看效果。

综上所述，现有的三维光栅，其透光区与遮光区的位置是预先设定好且不能改变的，因此视图焦点同样是固定的，需要观看者寻找最佳的观看位置，身体稍微偏移视图焦点则无法获得较佳的观看效果，因而不能满足观看者的观看体验。

发明内容

本发明提供一种棱镜光栅，能够根据观看者的位置主动调节光的折射角度，使观看者获得较佳的三维画面，以解决现有的三维光栅，视图焦点是固定的，人眼移开该焦点将无法获得较佳的三维画面的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种棱镜光栅，包括：

若干相互独立设置的三棱柱，每一所述三棱柱对应位于一显示像素列的出光面的一侧，相邻所述三棱柱侧边相贴合并沿水平方向排列；

框体，包覆于所述棱镜光栅的四边，用于固定所述棱镜光栅；

固定轴，包括设置于每一所述三棱柱顶面中心的上固定轴，以及设置于每一所述三棱柱底面中心的下固定轴，所述上固定轴顶端旋转连接于所述框体上边沿，所述下固定轴的底端旋转连接于所述框体下边沿；

驱动装置，设置于所述框体内，传动连接所述上固定轴或下固定轴，用以驱动每一所述三棱柱能够独立地以各自的中心轴旋转。

根据本发明的一优选实施例，所述驱动装置包括与所述三棱柱数量相同的磁轴、主动齿轮及从动齿轮，所述磁轴连接有磁轴旋转量计算单元，所述主动齿轮固定于所述磁轴的输出端，所述从动齿轮与所述主动齿轮相啮合，所述上固定轴或下固定轴穿设于所述从动齿轮的中心。

根据本发明的一优选实施例，所述框体内设置有红外定位传感器，所述红外定位传感器电性连接所述磁轴旋转量计算单元。

根据本发明的一优选实施例，所述三棱柱的横截面呈等腰三角形，在播放2D画面时，所述三棱柱为复位状态，不需要旋转，等腰三角形的底边所在平面与显示面板的出光面相平行。

根据本发明的一优选实施例，假设等腰三角形的顶角角度为α，一束平行光经过所述三棱柱折射后形成的角度范围为θ，则θ与α的关系式如下：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}-2\×ar\cos \left(sin\right(\frac{180-\mathrm{\α}}{2})\×\frac{n}{n_0}),$

其中，n为所述三棱镜的材料折射率，n₀为空气的折射率。

依据本发明的上述目的，提供一种3D显示装置，包括：

显示面板，包括间隔设置的左眼像素列与右眼像素列；

棱镜光栅，位于所述显示面板出光面的一侧，用以将所述左眼像素列发出的光折射到左眼中，以及将所述右眼像素列发出的光折射到右眼中，人眼接收到具有视差的图像后经大脑合成立体画面；

所述棱镜光栅包括：

若干相互独立设置的三棱柱，每一所述三棱柱对应位于一显示像素列的出光面的一侧，相邻所述三棱柱侧边相贴合并沿水平方向排列；

框体，包覆于所述棱镜光栅的四边，用于固定所述棱镜光栅；

固定轴，包括设置于每一所述三棱柱顶面中心的上固定轴，以及设置于每一所述三棱柱底面中心的下固定轴，所述上固定轴顶端旋转连接于所述框体上边沿，所述下固定轴的底端旋转连接于所述框体下边沿；

驱动装置，设置于所述框体内，传动连接所述上固定轴或下固定轴，用以驱动每一所述三棱柱能够独立地以各自的中心轴旋转。

根据本发明的一优选实施例，所述驱动装置包括与所述三棱柱数量相同的磁轴、主动齿轮及从动齿轮，所述磁轴连接有磁轴旋转量计算单元，所述主动齿轮固定于所述磁轴的输出端，所述从动齿轮与所述主动齿轮相啮合，所述上固定轴或下固定轴穿设于所述从动齿轮的中心。

根据本发明的一优选实施例，所述框体内设置有红外定位传感器，所述红外定位传感器电性连接所述磁轴旋转量计算单元。

根据本发明的一优选实施例，所述三棱柱的横截面呈等腰三角形，在播放2D画面时，所述三棱柱为复位状态，不需要旋转，等腰三角形的底边所在平面与显示面板的出光面相平行。

根据本发明的一优选实施例，假设等腰三角形的顶角角度为α，一束平行光经过所述三棱柱折射后形成的角度范围为θ，则θ与α的关系式如下：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}-2\×ar\cos \left(sin\right(\frac{180-\mathrm{\α}}{2})\×\frac{n}{n_0}),$

其中，n为所述三棱镜的材料折射率，n₀为空气的折射率。

本发明的有益效果为：相较于现有棱镜光栅，本发明的棱镜光栅能够根据观看者的位置主动改变左、右画面的视图焦点，为观看者提供较合适的视差，进而使观看者看到最佳的三维画面效果。

附图说明

为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种现有的光栅工作原理图；

图2为本发明的棱镜光栅的主视图；

图3为本发明的棱镜光栅的俯视结构示意图；

图4为本发明的棱镜光栅工作原理图一；

图5为本发明的棱镜光栅工作原理图二。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如[上]、[下]、[前]、[后]、[左]、[右]、[内]、[外]、[侧面]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。在图中，结构相似的单元是用以相同标号表示。

本发明针对现有的光栅，透光面积与遮光面积均是固定的，导致视图焦点固定，观看者在观看三维画面时需要寻找视图焦点才能获得较佳的立体效果，进而影响观看体验的技术问题，本实施例能够解决该缺陷。

如图2所示，为本发明的棱镜光栅的主视图，所述棱镜光栅位于显示面板的正前方，所述棱镜光栅包括有框体202，所述框体202内排列设置有若干三棱柱203，每一所述三棱柱203对一位于所述显示面板的一显示像素列的出光面的一侧，所述三棱柱203垂直于所述框体202底部，两相邻的三棱柱203侧边相贴合；每一所述三棱柱203顶面中心设置有上固定轴204，每一所述三棱柱203底面中心设置有下固定轴，所述上固定轴204的顶端伸入所述框体202的上侧并旋转连接，所述下固定轴的底端伸入所述框体202的下侧并旋转连接，使得每一所述三棱柱203能够独立地以各自的中心轴旋转。

如图3所示，为本发明的棱镜光栅的俯视图，包括有框体301，固定于所述框体301内的若干三棱柱302，所述三棱柱302的截面呈三角形，位于所述三棱柱302中心设置有上固定轴303，所述上固定轴303上固定有从动齿轮304，还包括固定于所述框体301内的磁轴305，所述磁轴305的输出端固定设置有主动齿轮306，所述主动齿轮306与所述从动齿轮304相啮合，所述磁轴305转动使所述主动齿轮306旋转，从而使所述主动齿轮306带动所述从动齿轮304转动，从而使得所述三棱柱302旋转。

所述磁轴305的旋转圈数是由磁轴旋转量计算单元与红外定位传感器所述控制的；其中，所述红外定位传感器能够获取观看者的位置信息，然后，所述磁轴旋转量计算单元获取该位置信息后，对磁轴305的旋转量进行计算，最后将计算结果通过指令输入所述磁轴305并驱动其旋转。

旋转每一所述三棱柱302的目的在于，使经过所述三棱柱302的光改变折射角度，使得显示面板的所有左眼像素列发出的光透过所述三棱柱302汇合至对应于观看者的左眼的视图焦点，同时使所述显示面板的所有右眼像素列发出的光透过所述三棱柱302汇合至对应于观看者的右眼的视图焦点，从而使观看者获得较佳的视差；

优选的，所述三棱柱302的截面为等腰三角形。

假设该等腰三角形的顶角角度为α，一束平行光经过所述三棱柱302折射后形成的角度范围为θ，则θ与α的关系式如下：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}-2\×ar\cos \left(sin\right(\frac{180-\mathrm{\α}}{2})\×\frac{n}{n_0}),$

其中，n为所述三棱镜的材料折射率，n₀为空气的折射率。

因此，根据上述计算公式，可以根据等腰三角形的顶角设定角度、三棱镜材料折射率及空气折射率计算出平行光经过所述三棱柱302折射出的角度。

如图4所示，为本发明的棱镜光栅工作原理图，包括有显示面板401及位于所述显示面板401出光面一侧的若干三棱柱402，所述显示面板401包括有左眼像素列L与右眼像素列R；当观看2D画面或观看者人数多于一人的情况下，所述三棱柱402为复位状态，所述三棱柱402不需要旋转，等腰三角形的底边所在平面与所述显示面板401的出光面相平行，此时，光线从所述三棱柱402靠近所述显示面板401的出光面的一侧进入，然后经过所述三棱柱402折射出的光接近于平行光，因此不存在视图焦点，无立体效果。

如图5所示，为本发明的棱镜光栅工作原理图，包括有显示面板501及位于所述显示面板501出光面的一侧的若干三棱柱502，所述显示面板501包括有左眼像素列L与右眼像素列R；当观看者为一人时，每一所述三棱柱502均向显示面板501的中线方向旋转一定角度，所述三棱柱502折射的光发生偏转，使得所述左眼像素列L发出的光聚焦在左眼的视图焦点，同时使所述右眼像素列R发出的光聚焦在右眼的视图焦点，使人眼获取到最佳的视差，进而使观看者观看到最佳的立体画面。

例如，所述显示面板可以是LCD(液晶)显示面板或OLED(有机发光二极管)显示面板，两种类型的显示面板配合本发明的棱镜光栅实现上述发明目的，区别仅在于发光原理的不同。

依据本发明的上述目的，提供一种3D显示装置，包括：显示面板，包括间隔设置的左眼像素列与右眼像素列；棱镜光栅，位于所述显示面板出光面的一侧，用以将所述左眼像素列发出的光折射到左眼中，以及将所述右眼像素列发出的光折射到右眼中，人眼接收到具有视差的图像后经大脑合成立体画面；所述棱镜光栅包括：若干相互独立设置的三棱柱，每一所述三棱柱对应位于一显示像素列的出光面的一侧，相邻所述三棱柱侧边相贴合并沿水平方向排列；框体，包覆于所述棱镜光栅的四边，用于固定所述棱镜光栅；固定轴，包括设置于每一所述三棱柱顶面中心的上固定轴，以及设置于每一所述三棱柱底面中心的下固定轴，所述上固定轴顶端旋转连接于所述框体上边沿，所述下固定轴的底端旋转连接于所述框体下边沿；驱动装置，设置于所述框体内，传动连接所述上固定轴或下固定轴，用以驱动每一所述三棱柱能够独立地以各自的中心轴旋转。

优选的，所述驱动装置包括与所述三棱柱数量相同的磁轴、主动齿轮及从动齿轮，所述磁轴连接有磁轴旋转量计算单元，所述主动齿轮固定于所述磁轴的输出端，所述从动齿轮与所述主动齿轮相啮合，所述上固定轴或下固定轴穿设于所述从动齿轮的中心。

优选的，所述框体内设置有红外定位传感器，所述红外定位传感器电性连接所述磁轴旋转量计算单元。

优选的，所述三棱柱的横截面呈等腰三角形，在播放2D画面时，所述三棱柱为复位状态，不需要旋转，等腰三角形的底边所在平面与显示面板的出光面相平行。

优选的，假设等腰三角形的顶角角度为α，一束平行光经过所述三棱柱折射后形成的角度范围为θ，则θ与α的关系式如下：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}-2\×ar\cos \left(sin\right(\frac{180-\mathrm{\α}}{2})\×\frac{n}{n_0}),$

其中，n为所述三棱镜的材料折射率，n₀为空气的折射率。

本优选实施例的3D显示装置的工作原理跟上述优选实施例的棱镜光栅的工作原理一致，具体可参考上述优选实施例的棱镜光栅的工作原理，此处不再做赘述。

本发明相较于现有棱镜光栅，本发明的棱镜光栅能够根据观看者的位置主动改变左、右画面的视图焦点，为观看者提供较合适的视差，进而使观看者看到最佳的三维画面效果。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种棱镜光栅，其特征在于，包括：

若干相互独立设置的三棱柱，每一所述三棱柱对应位于一显示像素列的出光面的一侧，相邻所述三棱柱侧边相贴合并沿水平方向排列；

框体，包覆于所述棱镜光栅的四边，用于固定所述棱镜光栅；

固定轴，包括设置于每一所述三棱柱顶面中心的上固定轴，以及设置于每一所述三棱柱底面中心的下固定轴，所述上固定轴顶端旋转连接于所述框体上边沿，所述下固定轴的底端旋转连接于所述框体下边沿；

驱动装置，设置于所述框体内，传动连接所述上固定轴或下固定轴，用以驱动每一所述三棱柱能够独立地以各自的中心轴旋转。

2.根据权利要求1所述的棱镜光栅，其特征在于，所述驱动装置包括与所述三棱柱数量相同的磁轴、主动齿轮及从动齿轮，所述磁轴连接有磁轴旋转量计算单元，所述主动齿轮固定于所述磁轴的输出端，所述从动齿轮与所述主动齿轮相啮合，所述上固定轴或下固定轴穿设于所述从动齿轮的中心。

3.根据权利要求2所述的棱镜光栅，其特征在于，所述框体内设置有红外定位传感器，所述红外定位传感器电性连接所述磁轴旋转量计算单元。

4.根据权利要求1所述的棱镜光栅，其特征在于，所述三棱柱的横截面呈等腰三角形，所述三棱柱为复位状态时，三棱柱不需要旋转，等腰三角形的底边所在平面与显示面板的出光面相平行。

5.根据权利要求4所述的棱镜光栅，其特征在于，假设等腰三角形的顶角角度为α，一束平行光经过所述三棱柱折射后形成的角度范围为θ，则θ与α的关系式如下：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}-2\×ar\cos \left(\sin \right(\frac{180-\mathrm{\α}}{2})\×\frac{n}{n_0}),$

其中，n为所述三棱镜的材料折射率，n₀为空气的折射率。

6.一种3D显示装置，其特征在于，包括：

显示面板，包括间隔设置的左眼像素列与右眼像素列；

棱镜光栅，位于所述显示面板出光面的一侧，用以将所述左眼像素列发出的光折射到左眼中，以及将所述右眼像素列发出的光折射到右眼中，人眼接收到具有视差的图像后经大脑合成立体画面；

所述棱镜光栅包括：

若干相互独立设置的三棱柱，每一所述三棱柱对应位于一显示像素列的出光面的一侧，相邻所述三棱柱侧边相贴合并沿水平方向排列；

框体，包覆于所述棱镜光栅的四边，用于固定所述棱镜光栅；

固定轴，包括设置于每一所述三棱柱顶面中心的上固定轴，以及设置于每一所述三棱柱底面中心的下固定轴，所述上固定轴顶端旋转连接于所述框体上边沿，所述下固定轴的底端旋转连接于所述框体下边沿；

驱动装置，设置于所述框体内，传动连接所述上固定轴或下固定轴，用以驱动每一所述三棱柱能够独立地以各自的中心轴旋转。

7.根据权利要求6所述的3D显示装置，其特征在于，所述驱动装置包括与所述三棱柱数量相同的磁轴、主动齿轮及从动齿轮，所述磁轴连接有磁轴旋转量计算单元，所述主动齿轮固定于所述磁轴的输出端，所述从动齿轮与所述主动齿轮相啮合，所述上固定轴或下固定轴穿设于所述从动齿轮的中心。

8.根据权利要求7所述的3D显示装置，其特征在于，所述框体内设置有红外定位传感器，所述红外定位传感器电性连接所述磁轴旋转量计算单元。

9.根据权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，所述三棱柱的横截面呈等腰三角形，所述三棱柱为复位状态时，三棱柱不需要旋转，等腰三角形的底边所在平面与显示面板的出光面相平行。

10.根据权利要求9所述的3D显示装置，其特征在于，假设等腰三角形的顶角角度为α，一束平行光经过所述三棱柱折射后形成的角度范围为θ，则θ与α的关系式如下：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}-2\×ar\cos \left(sin\right(\frac{180-\mathrm{\α}}{2})\×\frac{n}{n_0}),$

其中，n为所述三棱镜的材料折射率，n₀为空气的折射率。