CN106526879A - 一种立体显示光栅器件及立体显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的一种立体显示光栅器件及立体显示设备，属于立体显示技术领域。该立体显示光栅器件包括：第一透明基板、第二透明基板、透明液体层、超声波发生器和超声波反射装置。第一透明基板的边缘和第二透明基板的边缘密封，并形成空腔。透明液体层位于第一透明基板和第二透明基板之间的空腔内。超声波发生器安装于透明液体层的第一端，超声波反射装置位于透明液体层的第二端。上述的超声波发生器发射的超声波经过超声波反射装置反射后在透明液体层形成驻波，并改变液体的密度分布，以此达到3D成像的效果，调整超声波的参数可改变3D成像的观看位置，关闭超声波发生器即可恢复2D成像。
Description
技术领域
本发明涉及立体显示技术领域，具体而言，涉及一种立体显示光栅器件及应用该立体显示光栅器件的立体显示设备。
背景技术
随着人们对观影体验的要求提高，当人们观看电视或者电影的时候，往往会有2D或者3D的选择。现在的裸眼3D显示技术使观众不需要佩戴特制的眼镜就能观看到3D效果。当前裸眼3D显示技术主要技术方案是在显示器前面加上一光学器件使观看者左右眼透过光栅分别看到左右视图从而形成立体视觉。该光学器件主要有狭缝式和柱透镜式。
但是狭缝式的光栅器件虽然容易加工和制造，但是该种类型的光栅对光的能量损失较为严重，需要较大的背光功率，容易造成资源浪费，观影效果也极不理想。而柱透镜式的光栅加工非常困难，光栅的参数也由设计所固定，针对不同的显示面板需重新设计模具制作新的光栅，难于实现2D/3D兼容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立体显示光栅器件，其能够实现裸眼状态的2D/3D的视频显示的切换。
本发明的另一目的在于提供一种立体显示设备，该立体显示设备能够实现裸眼状态的2D/3D的视频显示的切换，以及改变3D成像的观看区域。
本发明的实施例是这样实现的：
一种立体显示光栅器件，包括：第一透明基板、第二透明基板、透明液体层、超声波发生器和超声波反射装置；所述第一透明基板的边缘和所述第二透明基板的边缘密封，并形成空腔；所述透明液体层位于所述第一透明基板和所述第二透明基板之间的空腔内；所述超声波发生器安装于所述透明液体层的第一端，所述超声波反射装置位于所述透明液体层的第二端，所述透明液体层的第一端和第二端为所述透明液体层相对的两端；所述超声波发生器用于接收控制信号并根据所述控制信号产生与该控制信号匹配的超声波，所述超声波发生器产生的超声波在所述透明液体层中传播，经所述超声波反射装置反射后形成驻波，所述驻波使所述透明液体层密度呈周期性分布，以形成多个液体柱透镜。
优选地，所述透明液体层为液态高分子材料。
优选地，所述超声波发生器的声波发射面和所述超声波反射装置的反射面之间存在预设角度。
优选地，所述液体柱透镜的光学特性满足条件：其中，f为所述液体柱透镜的焦距，λ为所述超声波发生器产生的超声波波长，Δn为所述透明液体层的折射率变化能够达到的最大值。
优选地，所述透明液体层的折射率分布满足条件：n(z,t)＝n0+Δn.sin(2π.z/λ).sin(ω.t)；其中n0为未加载超声波时的所述透明液体层的折射率；Δn为所述透明液体层的折射率变化能够达到的最大值；λ为所述超声波发生器产生的超声波波长；ω为所述超声波发生器产生的超声波频率，z为超声波传播方向上相对于超声波发生点的位置；t为一时间参数，表明折射率随时间的变化规律。
优选地，所述超声波发生器产生的超声波的波长为0.1mm～3mm。
一种立体显示设备，包括：图像显示单元、控制单元和上述的立体显示光栅器件，所述立体显示光栅器件数量为至少一件，所述图像显示单元和所述控制单元耦合，所述控制单元和所述超声波发生器耦合；所述图像显示单元用于接收图像信号并显示交替排列的视差图像；所述控制单元用于控制所述超声波发生器所发射的超声波的相位、振幅和频率。
优选地，所述立体显示设备还包括：人眼追踪单元，所述控制单元和所述人眼追踪单元耦合；所述人眼追踪单元，用于追踪观看者的双眼空间位置信息，并得到观看者的双眼空间位置信息；所述控制单元，还用于根据所述人眼追踪单元得到的所述观看者的双眼空间位置信息来控制所述超声波发生器所发射的超声波的相位、振幅和频率。
优选地，所述图像显示单元包括：多个第一类显示单元和多个第二类显示单元，多个所述第一类显示单元显示的图像构成第一图像，多个所述第二类显示单元显示的图像构成第二图像。优选地，多个所述第一类显示单元和多个所述第二类显示单元间隔排列，该间隔排列的方式为每两个所述第一类显示单元之间安装一个所述第二类显示单元；或每两个所述第二类显示单元之间安装一个所述第一类显示单元。
上述本发明提供的一种立体显示光栅器件，该立体显示光栅器件设置有超声波发生器和超声波反射装置，第一透明基板和第二透明基板的中间设置有透明液体层，该超声波发生器和超声波反射装置安装于透明液体层的其中相对的两端。当超声波发生器产生相应参数的超声波的时候，超声波在透明液体层中传播，当遇到超声波反射装置的时候发生反射，并在透明液体层中形成驻波。而透明液体层的密度分布受到驻波的影响呈现周期分布，不同的密度分布的透明液体层对光线的折射率不同，形成光栅结构，使人的左眼和右眼能够观看到不同的影像，产生3D效果。透过该透明液体层就可观看到3D影像。若将超声波发生器关闭，透明液体层就可以恢复均匀的密度，光栅结构消失，实现2D效果的观看，使用该立体显示光栅器件能够实现2D/3D兼容，调整超声波参数即可快速的调节光栅参数。
上述本发明还提供的一种立体显示设备，该立体显示设备应用上述的立体显示光栅器件，并且还包括了图像显示单元和控制单元，该图像显示单元用于显示交错排列的视差图像，而控制单元用于控制超声波发生器所发生的超声波的参数，如相位、频率和波长等，以此来改变立体显示光栅器件的透明液体层的密度分布，人眼透过该立体显示光栅器件就能够观看到立体视觉的影像。该立体显示设备能够实现2D/3D的兼容，实现快速切换，并且对于立体成像的立体显示光栅器件的光栅参数能够方便快捷的调节。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明第一实施例提供的一种立体显示光栅器件的结构示意图。
图2是本发明第一实施例提供的一种立体显示光栅器件的第一视角。
图3是本发明第一实施例提供的一种立体显示光栅器件的超声波发生器发出的超声波遇到超声波反射装置反射的声波传播方向示意图。
图4是图3的A处放大示意图。
图5是本发明第一实施例提供的一种立体显示光栅器件中透明液体层的折射率n与超声波传播方向上相对于超声波声源的位置距离z的关系示意图。
图6是本发明第一实施例提供的一种立体显示光栅器件的当三束光线入射液体柱透镜时的光路图的示意图。
图7是本发明第二实施例提供的一种应用第一实施例的立体显示光栅器件的立体显示设备的结构示意图。
图8是本发明第二实施例提供的一种立体显示设备的图像显示单元、控制单元和超声波发生器的方框示意图。
图9是本发明第二实施例提供的一种立体显示设备使用时的双眼观看第一类显示单元和第二类显示单元的示意图。
图10是本发明第三实施例提供的一种应用第一实施例的立体显示光栅器件的立体显示设备的结构示意图。
图11是本发明第三实施例提供的一种立体显示设备的图像显示单元、控制单元、人眼追踪单元和超声波发生器的方框示意图。
图标：10-立体显示光栅器件；11-第一透明基板；12-第二透明基板；13-透明液体层；14-超声波发生器；15-超声波反射装置；16-控制接口；20-立体显示设备；21-图象显示单元；21a-第一类显示单元；21b-第二类显示单元；22-控制单元；30-立体显示设备；31-人眼追踪单元；51-折射率最大点；52-折射率最小点；50-液体柱透镜折射率变化曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“平行”等术语并不表示要求部件绝对平行，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指两者的位置上接近平行或完全平行，并不是表示该结构只能完全平行，而是可以是包含一定误差的平行。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参照图1，本实施例提供一种立体显示光栅器件10，包括第一透明基板11、第二透明基板12、透明液体层13、超声波发生器14和超声波反射装置15。
优选地，该第一透明基板11和第二透明基板12相对放置，并且有一定间距。该第一透明基板11的和第二透明基板12的可以相同或者不同，例如，面积大小，材料和厚度等的相同或者不同，不作限定。该第一透明基板11和第二透明基板12均可以为透明的玻璃材质或者塑料材质或者其他的透明材料制成。该第一透明基板11和第二透明基板12的大小可以是常规的电视屏幕大小，也可以是随意指定大小来生产。在本实施例中，该第一透明基板11和第二透明基板12的形状为方形，如长方形、正方形。该第一透明基板11和该第二透明基板12的四周密封连接，在其之间形成一定厚度层状空腔。如图2所示，该图为该立体显示光栅器件10的一截面图，该层状空腔中用于容纳透明液体，形成透明液体层13。
如图3所示，为超声波遇到超声波反射装置15反射时的示意图。超声波发生器14和超声波反射装置15相互配合使用，超声波发生器14主要用于可控制的产生指定参数(波长、频率、振幅和相位等)的超声波，优选的，在本实施例中超声波的波长范围应当取值为0.1mm～3mm，包括值0.1mm、0.5mm、1mm、2mm和3mm等，具体数值应该使超声波发生器14和超声波反射装置15之间的距离为超声波的半波长整数倍；而对于超声波的控制信号可以为电信号。如图1所示，该超声波发生器14还可以外设一控制接口16，以便可以更换控制设备或者接入不同的信号输入装置。超声波反射装置15主要用于反射超声波发生器14所产生的超声波。
优选地，超声波发生器14和超声波反射装置15分别设置在透明液体层13的相对平行的两端，即该超声波发生器14设置在该透明液体层13的第一端，超声波反射装置15设置在该透明液体层13的第二端，该透明液体层13的第一端和第二端为其相对的两端。该超声波发生器14和超声波反射装置15为平行相对设置，需要说明的是本说明书中所述的平行应当理解为并非无误差的绝对平行，如图4所示，可以是超声波发生器14的声波发射面和超声波反射器的声波反射面之间存在一预设角度，该预设角度θ可以为0度或者为0度到1度范围内，或者为0度到2度范围内均可，需要说明的是该超声波发生器14发出的超声波的波源可以为面源或线源。
透明液体层13，主要是作为超声波的传播介质。
优选地，该透明液体层13应该为透明的液态高分子材料，例如透明的液态高分子化合物或者液态高分子化合物的混合物等。上述超声波发生器14产生的超声波经过超声波反射装置15反射(一次反射或者多次反射)后形成驻波(超声波反射装置15的反射点应该为驻波的波节)。在驻波的影响下(驻波属性不同，如波长和波腹的大小)，使透明液体层13的密度形成相对应的周期性分布。同时透明液体层13的折射率也呈周期性分布，由此可以看作透明液体层13形成(等效形成)了多个液体柱透镜，形成光栅结构。
其中透明液体层13的折射率分布规律满足条件：n(z,t)＝no+Δn.sin(2π.z/λ).sin(ω.t)，其中，n0为未加载超声波时的所述透明液体层13的折射率；Δn为所述透明液体层13的折射率变化能够达到的最大值；λ为所述超声波发生器14产生的超声波波长；ω为所述超声波发生器14产生的超声波频率，z为超声波传播方向上相对于超声波声源的位置；t为一时间参数，表明折射率随时间的变化规律。如图5所示，该图示出了折射率n与超声波传播方向上相对于超声波声源的位置距离z的关系图，由图5中可以看出折射率呈周期分布。
上述透明液体层13形成的多个液体柱透镜的焦距满足条件：其中，f为所述液体柱透镜的焦距，λ为所述超声波发生器14产生的超声波波长，Δn为所述透明液体层13的折射率变化能够达到的最大值。为了读者更好的理解，请参照图6，该图示出了三束光线入射液体柱透镜的光路图，以及图中的折射率最大点51，折射率最小点52以及液体柱透镜折射率变化曲线50，入射光线入射进入透明镜液体层后，由于该液体柱透镜各部分的折射率不同，入射光线产生折射，最后在焦点F处聚焦成像。
本发明提供的一种立体显示光栅器件10，在使用的时候，可以控制超声波发生器14的产生超声波或者不产生超声波来实现2D/3D的转换，当打开超声波发生器14在透明液体层13产生驻波的时候可实现3D模式显示，调节超声波发生器14发射的超声波的相位、振幅、频率等参数就可以改变液体柱透镜的光学特性，如焦距。当关闭超声波发生器14，密封的透明液体层13密度均匀分布，光栅结构消失，实现了2D显示模式的切换。利用该立体显示光栅器件10可以实现2D/3D的快速切换，并且可以对光栅参数进行直接调节。
第二实施例
如图7所示，本实施提供一种应用第一实施例中的立体显示光栅器件10的立体显示设备20，该立体显示设备20包括：图像显示单元、控制单元22和第一实施例中的立体显示光栅器件10。如图8所示，该控制单元22和图象显示单元21耦合，该控制单元22和超声波发生器14耦合。
优选地，图象显示单元21用于显示交替排列的视差图像，或者在控制单元22的控制下显示交替排列的视差图像。
具体的，请参照图9，该图示出了利用该立体显示设备20裸眼观看3D影像的时候，双眼分别所观看到的第一类显示单元21a和第二类显示单元21b的图像的示意图。该图象显示单元21包括多个第一类显示单元21a和多个第二类显示单元21b，多个第一类显示单元21a和多个第二类显示单元21b都被控制单元22或者其他控制器独立控制显示。如图9所示，多个所述第一类显示单元21a和多个所述第二类显示单元21b相互间隔排列，该间隔排列的方式可以为每两个所述第一类显示单元21a之间排列/安装一个所述第二类显示单元21b；或者每两个所述第二类显示单元21b之间排列/安装一个所述第一类显示单元21a。多个所述第一类显示单元21a显示的图像构成第一图像，多个所述第二类显示单元21b显示的图像构成第二图像。该图像显示单元可以为液晶显示模组、等离子显示面板、LED面板或OLED面板等，不作限定。
优选地，控制单元22可用于控制超声波发生器14所产生的超声波的相位、振幅和频率等。还可以用于控制图象显示单元21所显示的图像信号。例如，当显示3D影像的时候，控制单元22可控制超声波发生器14工作，并将立体显示光栅器件10转换为3D模式。当显示2D图像的时候可控制超声波发生器14停止工作，立体显示光栅器件10转换为2D模式。
第三实施例
如图10所示，本实施例提供一种立体显示设备30，与第二实施例不同的是，本实施例的立体显示设备30还包括人眼追踪单元31。如图11所示，该人眼追踪单元31与控制单元22耦合，控制单元22和图象显示单元21耦合，控制单元22和超声波发生器14耦合。
该人眼追踪单元31，用于追踪观看者的双眼位置信息，并得到观看者的双眼空间位置信息。
该人眼追踪单元31可以是，一个摄像有头或者多个摄像头组成的识别系统，还可以是红外监测设备，雷达系统或者其他识别设备。另一种实施方式，还可以是人眼追踪单元31包括检测部分和佩戴部分，检测部分安装于该立体显示设备30上，佩戴部分用于佩戴在人眼附近，通过检测设备检测佩戴部分的位置来作为人眼的位置。
当需要3D显示效果的时候，人眼追踪单元31追踪并确定人眼的位置，然后控制单元22获得人眼的空间位置信息，并控制超声波发生器14发射超声波，并且调整超声波的相位，振幅和频率等参数，使得透明液体层13所形成的液体柱透镜成像的焦点处于人眼处。当人眼移动的时候，可以通过人眼追踪单元31实时捕捉人眼空间位置信息。控制单元22根据人眼空间位置信息做到实时的调节超声波参数，实现液体柱透镜或者说光栅参数的调整。最终实现在观看者在不同的观看位置都可以观看3D影像。这就解决了现有技术中的柱透镜的参数是固定的，造成其成像位置也是固定的，直接导致观看位置必须较为固定才能观看到3D影像的局限性缺点。采用本发明提供的一种立体显示设备30，观看者在观看的过程中就可以很好的移动观看位置或者变换观看角度。提升了用户体验和舒适度。
综上所述，本发明提供的一种立体显示光栅器件，该立体显示光栅器件中，该超声波发生器和超声波反射装置安装于透明液体层的其中相对的两端。当超声波发生器产生相应参数的超声波的时候，超声波在透明液体层中传播，当遇到超声波反射装置的时候发生反射，并在透明液体层中形成驻波。而透明液体层的密度分布受到驻波的影响呈现周期分布，不同的密度分布的透明液体层对光线的折射率不同，形成光栅结构，使人的左眼和右眼能够观看到不同的影像，产生3D效果。透过该透明液体层就可观看到3D影像。若将超声波发生器关闭，透明液体层就可以恢复均匀的密度，光栅结构消失，实现2D效果的观看，使用该立体显示光栅器件能够实现2D/3D兼容，调整超声波参数即可快速的调节光栅参数。本发明提供的一种立体显示设备，应用了上述的立体显示光栅器件，并且还包括了图像显示单元和控制单元，该图像显示单元用于显示交错排列的视差图像，而控制单元用于控制超声波发生器所发生的超声波的参数，如相位、频率和波长等，以此来改变立体显示光栅器件的透明液体层的密度分布，人眼透过该立体显示光栅器件就能够观看到立体视觉的影像。该立体显示设备能够实现2D/3D的兼容，实现快速切换，并且对于立体成像的立体显示光栅器件的光栅参数能够方便快捷的调节，从而改变液体柱透镜的焦距及成像位置，观看者可在不同的位置观看到3D模式下的立体影像。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种立体显示光栅器件，其特征在于，包括：第一透明基板、第二透明基板、透明液体层、超声波发生器和超声波反射装置；所述第一透明基板的边缘和所述第二透明基板的边缘密封，并形成空腔；所述透明液体层位于所述第一透明基板和所述第二透明基板之间的空腔内；所述超声波发生器安装于所述透明液体层的第一端，所述超声波反射装置位于所述透明液体层的第二端，所述透明液体层的第一端和第二端为所述透明液体层相对的两端；
所述超声波发生器用于接收控制信号并根据所述控制信号产生与该控制信号匹配的超声波，所述超声波发生器产生的超声波在所述透明液体层中传播，经所述超声波反射装置反射后形成驻波，所述驻波使所述透明液体层密度呈周期性分布，以形成多个液体柱透镜。
2.根据权利要求1所述的立体显示光栅器件，其特征在于，所述透明液体层为液态高分子材料。
3.根据权利要求1所述的立体显示光栅器件，其特征在于，所述超声波发生器的声波发射面和所述超声波反射装置的反射面之间存在预设角度。
4.根据权利要求3所述的立体显示光栅器件，其特征在于，所述液体柱透镜的光学特性满足条件：其中，f为所述液体柱透镜的焦距，λ为所述超声波发生器产生的超声波波长，Δn为所述透明液体层的折射率变化能够达到的最大值。
5.根据权利要求1所述的立体显示光栅器件，其特征在于，所述透明液体层的折射率分布满足条件：n(z,t)＝n0+Δn.sin(2π.z/λ).sin(ω.t)；其中n0为未加载超声波时的所述透明液体层的折射率；Δn为所述透明液体层的折射率变化能够达到的最大值；λ为所述超声波发生器产生的超声波波长；ω为所述超声波发生器产生的超声波频率，z为超声波传播方向上相对于超声波发生点的位置；t为一时间参数，表明折射率随时间的变化规律。
6.根据权利要求1所述的立体显示光栅器件，其特征在于，所述超声波发生器产生的超声波的波长为0.1mm～3mm。
7.一种立体显示设备，其特征在于，包括：图像显示单元、控制单元和权利要求1-6任一项所述的立体显示光栅器件，所述立体显示光栅器件数量为至少一件，所述图像显示单元和所述控制单元耦合，所述控制单元和所述超声波发生器耦合；
所述图像显示单元用于接收图像信号并显示交替排列的视差图像；
所述控制单元用于控制所述超声波发生器所发射的超声波的相位、振幅和频率。
8.根据权利要求7所述的立体显示设备，其特征在于，所述立体显示设备还包括：人眼追踪单元，所述控制单元和所述人眼追踪单元耦合；
所述人眼追踪单元，用于追踪观看者的双眼空间位置信息，并得到观看者的双眼空间位置信息；
所述控制单元，还用于根据所述人眼追踪单元得到的所述观看者的双眼空间位置信息来控制所述超声波发生器所发射的超声波的相位、振幅和频率。
9.根据权利要求7所述的立体显示设备，其特征在于，所述图像显示单元包括：多个第一类显示单元和多个第二类显示单元，多个所述第一类显示单元显示的图像构成第一图像，多个所述第二类显示单元显示的图像构成第二图像。
10.根据权利要求9所述的立体显示设备，其特征在于，多个所述第一类显示单元和多个所述第二类显示单元间隔排列，该间隔排列的方式为每两个所述第一类显示单元之间安装一个所述第二类显示单元；或每两个所述第二类显示单元之间安装一个所述第一类显示单元。
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