CN106526875A - 集成成像三维显示装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成成像三维显示装置及其方法，依序包括：微透镜阵列、单轴晶体板、TN盒、下偏光片、显示面板、第一中心深度平面、以及第二中心深度平面，当TN盒处在打开状态时，出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_o，所述第一中心深度平面位于该像距l_o处；当TN盒处在关闭状态时，出射的线偏振光通过TN盒后其偏振方向发生改变，并其偏振方向与单轴晶体板的光轴方向平行，当出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_e，所述第二中心深度平面位于该像距l_e处。本发明通过形成两个中心深度平面，这两个中心深度平面为显示面板上的图像元阵列通过透镜阵列成像的聚焦像平面，增强三维图像深度。

Description

集成成像三维显示装置及其方法

技术领域

本发明属于三维显示的技术领域，尤其涉及一种集成成像三维显示装置及其方法。

技术背景

集成成像具有全视差、全彩色三维图像、准连续视点的裸眼三维显示技术，集成成像被视为理想裸眼三维显示装置之一。

如图1所示，集成成像显示是通过微透镜阵列2对空间中场景进行记录和再现，在显示阶段，显示面板上的图像元1通过对应微透镜阵列2在空间中光学再现原有场景中的空间位置，从而形成三维图像。随着所显示的三维图像深度的增加，边缘深度平面将会退化，导致三维图像的显示质量受到影响。现有研究表明通过控制中心深度平面的位置可以改善三维图像的显示质量，一种方法是采用基于分束器的双图像显示设备，该装置可同时获得两个中心深度平面，然而由于采用分束器，使得光效率下降，并且装置的体积较大。另一种方法是通过控制微透镜阵列沿着透镜元光轴方向机械运动，从而使得微透镜阵列与显示面板之间的距离动态发生变化，实现相应中心深度平面位置的变化。然而机械运动会引起噪声，并且不适合应用于大尺寸的三维显示领域中。

为了改善三维图像质量，本专利提出了一种集成成像三维显示装置以及其方法，通过在空间中形成两个中心深度平面来增强三维图像深度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强三维图像深度的集成成像三维显示装置及其方法。

本发明提供一种集成成像三维显示装置，依序包括：微透镜阵列、单轴晶体板、TN盒、下偏光片、显示面板、第一中心深度平面、以及第二中心深度平面，当TN盒处在打开状态时，出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_o，所述第一中心深度平面位于该像距l_o处；当TN盒处在关闭状态时，出射的线偏振光通过TN盒后其偏振方向发生改变，并 其偏振方向与单轴晶体板的光轴方向平行，当出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_e，所述第二中心深度平面位于该像距l_e处。

优选地，所述TN盒的打开状态和关闭之间的切换频率大于人眼识别频率。

优选地，所述TN盒包括第一玻璃基板、与该第一玻璃基板相对设置的第二玻璃基板、以及设置在该第一玻璃基板和第二玻璃基板之间的向列相型液晶。

优选地，所述第一玻璃基板靠近所述下偏光片设置，所述第二玻璃基板靠近所述单轴晶体板设置。

优选地，l_o和l_e的计算公式如下：

其中，当TN盒处在打开状态下，ΔZ_o为透镜前装置的所有对应的材料对光线引起的纵向位移量；当TN盒处在关闭状态下，ΔZ_e为透镜前装置的所有对应的材料对光线引起的纵向位移量；透镜为微透镜阵列的单个透镜元；f为所述透镜的焦距；g为下偏光片到透镜的距离。

优选地，ΔZ_o、ΔZ_e、计算公式如下：

Δzo＝Δz₁+Δz₂+Δz₃+Δz₄+Δz₅+Δz₆

Δz_e＝Δz₁+Δz₂+Δz'₃+Δz₄+Δz₅+Δz'₆

其中，ΔZ₁表示第一透明黏合剂对光线引起的纵向位移量；ΔZ₂表示TN盒的第一玻璃基板对光线所引起的纵向位移量；ΔZ₃表示TN盒在打开状态下的向列型液晶层对光线引起的纵向位移量；ΔZ^′ ₃表示TN盒在关闭状态下的向列型液晶层对光线引起的纵向位移量；ΔZ₄表示TN盒的第二玻璃基板对光线所引起的纵向位移量；ΔZ₅表示第二透明黏合剂对光线引起的纵向位移量；ΔZ₆表示当出射光的偏振方向与单轴晶体板的光轴相互垂直时，单轴晶体板对光线引起的纵向位移量；ΔZ^′ ₆表示当出射光的偏振方向与单轴晶体板的光轴相互平行时，单轴晶体板对对光线引起的纵向位移量。

优选地，ΔZ₁、ΔZ₂、ΔZ₃、ΔZ^′ ₃、ΔZ₄、ΔZ₅、ΔZ₆、以及ΔZ^′ ₆计算公式如下：

其中，n₁为所述TN盒的第一玻璃基板与下偏光片黏合的第一透明黏合剂的折射率；d₁为第一玻璃基板与下偏光片之间的距离；n_G为TN盒两侧的玻璃基板的折射率；d₂为第一玻璃基板的厚度；n₂为TN盒的第二玻璃基板与单轴晶体板黏合的第二透明黏合剂的折射率；d₂为第二玻璃基板的厚度；d₄为第二玻璃基板与单轴晶体板之间的距离；△n₁为TN盒打开条件下的向列相液晶的平均折射率；△n₂为TN盒关闭条件下的向列相液晶的平均折射率。

优选地，当显示面板为TFT液晶显示器，显示面板表面设有上偏光片，下偏光片的偏光轴与上偏光片的偏光轴是正交的。

本发明还提供一种集成成像三维显示的控制方法，集成成像三维显示装置依序包括：微透镜阵列、单轴晶体板、TN盒、下偏光片、以及显示面板，本控制方法包括如下方法：

S1：当TN盒处在打开状态时，出射的线偏振光通过TN盒后其偏振方向没发生改变，此时，当出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_o；

S2：当TN盒处在关闭状态下，出射的线偏振光通过TN盒后其偏振方向发生改变，并其偏振方向与单轴晶体板的光轴方向平行，此时，当出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_e。

本发明通过形成两个中心深度平面，这两个中心深度平面为显示面板上的图像元阵列通过透镜阵列成像的聚焦像平面，增强三维图像深度。

附图说明

图1为本现有集成成像显示的结构示意图；

图2为本发明集成成像三维显示装置的结构示意图；

图3为图2所示集成成像三维显示装置在TN盒处于打开状态的结构示意图；

图4为图2所示集成成像三维显示装置在TN盒处于关闭状态的结构示意图；

图5为图2所示集成成像三维显示装置在TN盒处于打开状态的的中心深度平面空间位置示意图；

图6为图2所示集成成像三维显示装置在TN盒处于关闭状态的的中心深度平面空间位置示意图；

图7为图2所示集成成像三维显示装置在TN盒处于打开状态的的中心深度平面空间位置示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种集成成像三维显示装置，如图2所示，本集成成像三维显示装置依序包括：微透镜阵列10、单轴晶体板20、TN盒30、下偏光片40、以及显示面板50，其中，显示面板50为显示图像的功能，具体涉及到TFT-LCD、OLED(有机发光二极管)、PDP(等离子显示面板)、FED(场致发射显示器)、CNT(碳纳米管显示器)、SED(表面传导电子发射显示器)；下偏光片40的作用是将显示面板50的出射光变成线偏振光。

当显示面板50为TFT液晶显示器，显示面板50表面设有上偏光片，则下偏光片40的偏光轴与上偏光片的偏光轴是正交的，在TFT-LCD领域是通常配置的，并且TFT-LCD是被动显示面板，则需要一个背光装置对其进行照明，该背光装置为常规的直下式结构背光源或侧光式结构背光源；当显示面板50为OLED(有机发光二极管)、PDP(等离子显示面板)、FED(场致发射显示器)、CNT(碳纳米管显示器)、或SED(表面传导电子发射显示器)，仅需要下偏光片40。

TN盒30的作用是改变出射光的偏振方向，TN盒30是两块玻璃基板中填充90°的扭曲配向结构的向列相型液晶；单轴晶体板20的光轴方向与下偏光片40的偏光轴方向相互垂直；微透镜阵列10的作用是图像元通过对应的微透镜元空间时再现三维图像。

图3和图4为本集成成像三维显示装置的工作原理示意图，假定以单个透镜11为例，透镜11为微透镜阵列的单个透镜元，显示面板50的出射光通过下偏光片40后变成线偏振光，其偏振方向与单轴晶体板20的光轴方向相互垂直。

如图3所示，当TN盒30处在打开(On)状态时，出射的线偏振光通过TN盒20后其偏振方向没发生改变，此时，当出射光通过单轴晶体板20，出射光相对于单轴晶体板20表现的折射率为n_o，显示面板50的图像元发出的光线(o光)经过微透镜阵列形成的像距为l_o。

如图4所示，当TN盒30处在关闭(Off)状态下，出射的线偏振光通过TN盒30后其偏振方向发生改变，并其偏振方向与单轴晶体板20的光轴方向平行，此时，当出射光通过单轴晶体板20，出射光相对于单轴晶体板20表现的折射率为n_e，显示面板50的图像元发出的光线(e光)经过微透镜阵列形成的像距为l_e。

为了形成两个中心深度平面，本显示装置通过对TN盒30的打开(On)状态和关闭(Off)之间快速切换，切换的频率要大于人眼识别频率。如图5所示为集成成像三维显示装置的中心深度平面空间位置示意图，当TN盒30处在打开(On)状态下，出射光相对于单轴晶体板20的折射率为n_o，此时当出射光通过透镜11所成像的像距为l_o，假定为第一中心平面L₁所处的位置。当TN盒30处在关闭(Off)状态下，出射光相对于单轴晶体板20的折射率为n_e，此时当出射光通过透镜11所成的像的像距为l_e，假定为第二中心平面L₂所处的位置。因此，当TN盒30的切换频率大于人眼识别频率，人眼在空间内的某个观看区域内可感受到两个深度平面形成的三维图像，其中，第一中心深度平面L₁与第二中心深度平面L₂的空间位置前后次序根据具体的计算得到。

为了精确计算两个中心深度平面(成像的最佳位置)的位置，如图5和图6所示为中心深度平面的空间距离计算示意图，g为下偏光片40到透镜11的距离；如图5所示，假定当TN盒30为打开(On)状态下，对应的向列相液晶的平均折射率为△n₁，液晶盒厚为d₃，l_o为三维图像的中心深度L1到透镜11之间的距离；如图6所示，当TN盒30为关闭(Off)状态下，对应的向列相液晶的平均折射率为△n₂，液晶盒厚为d₃，l_e为三维图像的中心深度L2到透镜11之间的距离。

其中，TN盒30包括第一玻璃基板31、与该第一玻璃基板31相对设置的第 二玻璃基板32、以及设置在该第一玻璃基板31和第二玻璃基板32之间的向列相型液晶。其中，第一玻璃基板31靠近下偏光片40设置，第二玻璃基板32靠近单轴晶体板20设置。

本集成成像三维显示装置对应的参数如下：TN盒30的第一玻璃基板31与下偏光片40黏合的第一透明黏合剂的折射率为n₁，第一玻璃基板31与下偏光片40之间的距离为d₁；TN盒30两侧的玻璃基板31、32的折射率为n_G，第一玻璃基板31的厚度为d₂，TN盒30的第二玻璃基板32与单轴晶体板20黏合的第二透明黏合剂的折射率为n₂，第二玻璃基板32的厚度为d₂，第二玻璃基板32与单轴晶体板20之间的距离为d₄；向列相液晶的平均折射率为△n₂；光线通过介质后纵向移动的位移量分别为：ΔZ₁表示第一透明黏合剂对光线引起的纵向位移量；ΔZ₂表示TN盒的第一玻璃基板对光线所引起的纵向位移量；ΔZ₃表示TN盒在打开(On)状态下的向列型液晶层对光线引起的纵向位移量；ΔZ′₃表示TN盒在关闭(Off)状态下的向列型液晶层对光线引起的纵向位移量；ΔZ₄表示TN盒的第二玻璃基板对光线所引起的纵向位移量；ΔZ₅表示第二透明黏合剂对光线引起的纵向位移量；ΔZ₆表示当出射光的偏振方向与单轴晶体板20的光轴相互垂直时，单轴晶体板20对光线引起的纵向位移量；ΔZ′₆表示当出射光的偏振方向与单轴晶体板20的光轴相互平行时，单轴晶体板20对对光线引起的纵向位移量；f为透镜11的焦距。

ΔZ₁、ΔZ₂、ΔZ₃、ΔZ′₃、ΔZ₄、ΔZ₅、ΔZ₆、ΔZ′₆、ΔZ_o、ΔZ_e、l_o、以及l_e计算公式如下：

Δzo＝Δz₁+Δz₂+Δz₃+Δz₄+Δz₅+Δz₆ (7)

Δz_e＝Δz₁+Δz₂+Δz'₃+Δz₄+Δz₅+Δz'₆ (8)

因此，根据公式(1)至(6)可以得到：当TN盒30处在打开(On)状态下，透镜11前装置的所有对应的材料对光线引起的纵向位移量为ΔZ_o，如公式(7)所示。从而通过对应的透镜元所形成的三维图像像距l_o如公式(9)所示。当TN盒处在打开(Off)状态下，透镜前装置的所有对应的材料对光线引起的纵向位移量为ΔZ_e，如公式(8)示。从而通过对应的透镜元所形成的三维图像像距l_e如公式(9)所示。

本发明还提供一种集成成像三维显示的控制方法，包括如下步骤：

S1：当TN盒30处在打开(On)状态时，出射的线偏振光通过TN盒20后其偏振方向没发生改变，此时，当出射光通过单轴晶体板20，出射光相对于单轴晶体板20表现的折射率为n_o，显示面板50的图像元发出的光线(o光)经过微透镜阵列形成的像距为l_o；

S2：当TN盒30处在关闭(Off)状态下，出射的线偏振光通过TN盒30后其偏振方向发生改变，并其偏振方向与单轴晶体板20的光轴方向平行，此时，当出射光通过单轴晶体板20，出射光相对于单轴晶体板20表现的折射率为n_e，显示面板50的图像元发出的光线(e光)经过微透镜阵列形成的像距为le。

本发明通过形成两个中心深度平面，这两个中心深度平面为显示面板上的图像元阵列通过透镜阵列成像的聚焦像平面，增强三维图像深度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种集成成像三维显示装置，其特征在于，依序包括：微透镜阵列、单轴晶体板、TN盒、下偏光片、显示面板、第一中心深度平面、以及第二中心深度平面，当TN盒处在打开状态时，出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_o，所述第一中心深度平面位于该像距l_o处；当TN盒处在关闭状态时，出射的线偏振光通过TN盒后其偏振方向发生改变，并其偏振方向与单轴晶体板的光轴方向平行，当出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_e，所述第二中心深度平面位于该像距l_e处。

2.根据权利要求1所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：所述TN盒的打开状态和关闭之间的切换频率大于人眼识别频率。

3.根据权利要求1或2所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：所述TN盒包括第一玻璃基板、与该第一玻璃基板相对设置的第二玻璃基板、以及设置在该第一玻璃基板和第二玻璃基板之间的向列相型液晶。

4.根据权利要求3所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：所述第一玻璃基板靠近所述下偏光片设置，所述第二玻璃基板靠近所述单轴晶体板设置。

5.根据权利要求4所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：l_o和l_e的计算公式如下：

$l_o=\frac{f(g-{\mathrm{\Δz}}_o)}{g-{\mathrm{\Δz}}_o-f}$

$l_e=\frac{f(g-{\mathrm{\Δz}}_e)}{g-{\mathrm{\Δz}}_e-f}$

其中，当TN盒处在打开状态下，ΔZ_o为透镜前装置的所有对应的材料对光线引起的纵向位移量；当TN盒处在关闭状态下，ΔZ_e为透镜前装置的所有对应的材料对光线引起的纵向位移量；透镜为微透镜阵列的单个透镜元；f为所述透镜的焦距；g为下偏光片到透镜的距离。

6.根据权利要求5所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：ΔZ_o、ΔZ_e、计算公式如下：

Δz_o＝Δz₁+Δz₂+Δz₃+Δz₄+Δz₅+Δz₆

Δz_e＝Δz₁+Δz₂+Δz'₃+Δz₄+Δz₅+Δz'₆

其中，ΔZ₁表示第一透明黏合剂对光线引起的纵向位移量；ΔZ₂表示TN盒的第一玻璃基板对光线所引起的纵向位移量；ΔZ₃表示TN盒在打开状态下的向列型液晶层对光线引起的纵向位移量；ΔZ′₃表示TN盒在关闭状态下的向列型液晶层对光线引起的纵向位移量；ΔZ₄表示TN盒的第二玻璃基板对光线所引起的纵向位移量；ΔZ₅表示第二透明黏合剂对光线引起的纵向位移量；ΔZ₆表示当出射光的偏振方向与单轴晶体板的光轴相互垂直时，单轴晶体板对光线引起的纵向位移量；ΔZ′₆表示当出射光的偏振方向与单轴晶体板的光轴相互平行时，单轴晶体板对对光线引起的纵向位移量。

7.根据权利要求6所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：ΔZ₁、ΔZ₂、ΔZ₃、ΔZ′₃、ΔZ₄、ΔZ₅、ΔZ₆、以及ΔZ′₆计算公式如下：

${\mathrm{\Δz}}_1=d_1\left(1-\frac{1}{n_1}\right)$

${\mathrm{\Δz}}_2=d_2\left(1-\frac{1}{n_G}\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δz}}_3=d_3\left(1-\frac{1}{{\mathrm{\Δn}}_1}\right)& {{\mathrm{\Δz}}^{\′}}_3=d_3\left(1-\frac{1}{{\mathrm{\Δn}}_2}\right)\end{array}$

${\mathrm{\Δz}}_4=d_2\left(1-\frac{1}{n_G}\right)$

${\mathrm{\Δz}}_5=d_4\left(1-\frac{1}{n_2}\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δz}}_6=d(1-\frac{1}{n_o})& {{\mathrm{\Δz}}^{\′}}_6=d(1-\frac{1}{n_e})\end{array}$

其中，n₁为所述TN盒的第一玻璃基板与下偏光片黏合的第一透明黏合剂的折射率；d₁为第一玻璃基板与下偏光片之间的距离；n_G为TN盒两侧的玻璃基板的折射率；d₂为第一玻璃基板的厚度；n₂为TN盒的第二玻璃基板与单轴晶体板黏合的第二透明黏合剂的折射率；d₂为第二玻璃基板的厚度；d₄为第二玻璃基板与单轴晶体板之间的距离；△n₁为TN盒打开条件下的向列相液晶的平均折射率；△n₂为TN盒关闭条件下的向列相液晶的平均折射率。

8.根据权利要求1所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：当显示面板为TFT液晶显示器，显示面板表面设有上偏光片，下偏光片的偏光轴与上偏光片的偏光轴是正交的。

9.一种集成成像三维显示的控制方法，其特征在于，集成成像三维显示装置依序包括：微透镜阵列、单轴晶体板、TN盒、下偏光片、以及显示面板，本控制方法包括如下方法：

S1：当TN盒处在打开状态时，出射的线偏振光通过TN盒后其偏振方向没发生改变，此时，当出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_o；

S2：当TN盒处在关闭状态下，出射的线偏振光通过TN盒后其偏振方向发生改变，并其偏振方向与单轴晶体板的光轴方向平行，此时，当出射光通过单轴晶体板，显示面板的图像元发出的光线经过微透镜阵列形成的像距为l_e。