CN106597675A - 一种裸眼3d摩尔条纹消除装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种裸眼3D系统摩尔条纹消除装置及其使用方法，所述装置包括依次排布的背光源、菲涅尔透镜阵列、光学膜层、液晶面板和虚拟接收器，第一发光单元和第二发光单元发出的光线经菲涅尔透镜阵列折射后在菲涅尔透镜阵列出射面形成带有准周期性的聚焦光线；带有准周期性的聚焦光线到达光学膜层，在光学膜层所在局域区域的分布发生改变，失去了原有的准周期性，但是光线的传播方向不改变，故经过光学膜层之后，成为不具有准周期性的聚焦光线；不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板的子像素光栅上，被分成不同颜色；第一虚拟接收器和第二虚拟接收器收集光线，此时摩尔条纹已被削弱。

Description

一种裸眼3D摩尔条纹消除装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及裸眼3D显示系统领域，更具体地，涉及一种裸眼3D摩尔条纹消除装置及其使用方法。

背景技术

近年来，虚拟现实技术(VR)迅猛发展，使得人们通过穿戴设备，达到“身临其境”的效果，已被广泛应用于教学、传媒、体感游戏、虚拟训练等各个领域。而裸眼3D技术使得观众不再有长期佩戴3D眼镜等辅助设备引起眼胀、眩晕等不适症状，减小用眼负担，拥有广阔的应用前景。但是无论是虚拟现实还是裸眼3D显示技术，显示区域都会出现一定程度的摩尔条纹，极大地影响了观看效果。

光学系统中两个空间周期性或准周期性结构相互叠加时，光在周期性物体间以恒定的角度和频率发生干涉。当人眼无法分辨原本的物体而只能看到干涉纹时，该干涉纹称为摩尔条纹。在自由立体显示系统中，液晶面板与具有周期或准周期性结构的光学膜层以一定的周期比和倾斜角度叠加时，会在屏幕上产生明显的摩尔条纹，极大破坏屏幕的亮度、色彩饱和度的均匀性，严重影响观看效果。

为了消除摩尔条纹，人们进行了大量的研究，并针对不同的系统提出了各种各样的消除方法。由于摩尔条纹是差拍原理的一种表现，可以使重叠的两个周期元件的周期相差甚远、打破某一个周期、改变两周期物体的夹角、扫描时可令图像偏离焦距等等。

在基于菲涅尔透镜的自由立体显示系统中，除了液晶面板为周期性结构，而所加的菲涅尔透镜通常为等宽或者等高齿形，故存在周期或者准周期的亮度分布变化，二者叠加容易产生摩尔条纹。

这种摩尔条纹的一般消除方法有以下两种：

(1)借助摩尔条纹对比敏感度等高线图，找到菲涅尔透镜与液晶面板的最佳夹角：

对于等宽齿形菲涅尔透镜，虽各齿的高度不同，仍接近固定周期结构，故能直接从摩尔条纹对比敏感度等高线图中找合适的周期比和倾角组合，但是制作难度大，与其他部件贴合时容易发生齿形压损。

对于等高齿形菲涅尔透镜，可看作各部分周期差异较大的准周期结构，如果在比较有限的范围内改变倾角，总会在某个地方因为满足与像素的特定周期比，产生明显的摩尔条纹。

故在光学结构比较复杂的显示系统中，倾斜放置并非总是有效的消除摩尔条纹的方法，且对系统的显示性能和结构造成额外的负担。

(2)采用伪随机排布的彩色滤光片，破坏子像素光栅的周期性，从而消除摩尔条纹：

虽然这个方法可以有效消除摩尔条纹，但需更换整个LCD面板，重新设计和制造子像素伪随机排列的液晶面板将会大大增加系统的成本，且画面色彩均匀性可能受到影响。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种裸眼3D摩尔条纹消除装置，在基于菲涅尔透镜的自由立体显示系统中加入各向异性光学结构来消除摩尔条纹，并能提高屏幕的亮度均匀性，优化观看效果。

一种裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，包括依次排布的背光源、菲涅尔透镜阵列、光学膜层、液晶面板和虚拟接收器，其中：

背光源：背光源设置在菲涅尔透镜阵列的入射面一侧，背光源由若干独立的线型发光单元拼接组成，线型发光单元组合形成为第一发光单元和第二发光单元，每一个发光单元在整个装置的最前端对应一个应视区，第一发光单元对应第一应视区，第二发光单元对第二应视区；

菲涅尔透镜阵列：菲涅尔透镜阵列由若干个菲涅尔透镜单元拼接而成，每一个菲涅尔透镜单元对应一个线型发光单元，菲涅尔透镜单元能够聚焦所对应的线型发光单元所发出的光线，形成带有准周期性的聚焦光线；

光学膜层：光学膜层能够在所在的局域位置改变光束分布，但不改变光束的传播方向，带有准周期性的聚焦光线经过光学膜层后，成为不具有准周期性的聚焦光线；

液晶面板：包括若干子像素光栅，不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板的子像素光栅上，被分成不同颜色；

虚拟接收器：包括第一虚拟接收器和第二虚拟接收器，第一虚拟接收器设置于第一应视区处，第二虚拟接收器设置于第二应视区处，虚拟接收器用于收集光线。

在一种优选的方案中，所述菲涅尔透镜单元设计为等深或等宽齿形。

在一种优选的方案中，所述菲涅尔透镜单元的每个锯形齿的宽度、深度都经过计算得出，使其能够聚焦所对应的线型发光单元所发出的光线。

在一种优选的方案中，所述第一虚拟接收器和第二虚拟接收器为半径1-2.5mm的圆形瞳孔模型，用于模拟人眼的观看效果。

在一种优选的方案中，所述菲涅尔透镜阵列、光学膜层以及液晶面板之间紧密贴合。

在一种优选的方案中，所述光学膜层使用两侧平行的单轴晶体膜层，其光轴垂直膜层厚度方向。

在一种优选的方案中，所述光学膜层为用各向同性的材料制作的透镜，该透镜的入射面与出射面不平行且都成锯齿状，入射面为小锯齿，出射面为大锯齿，大锯齿的周期为小锯齿的周期的整数倍。

本发明的进一步目的是提供一种裸眼3D摩尔条纹消除装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：背光源发光：点亮第一发光单元和第二发光单元，向各个方向发射光线；

S2：菲涅尔透镜阵列折射：第一发光单元和第二发光单元发出的光线经菲涅尔透镜阵列2折射后在菲涅尔透镜阵列出射面形成带有准周期性的聚焦光线；

S3：光学膜层改变光束分布：带有准周期性的聚焦光线到达光学膜层3，在光学膜层3所在局域区域的分布发生改变，失去了原有的准周期性，但是光线的传播方向不改变，故经过光学膜层3之后，成为不具有准周期性的聚焦光线；

S4：通过液晶面板：不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板4的子像素光栅上，被分成不同颜色；

S5：虚拟接收器收集光线：第一虚拟接收器5和第二虚拟接收器6收集光线，此时摩尔条纹已被削弱。

在一种优选的方案中，所述方法还包括：当摩尔条纹的对比度下降80％的时候可看作摩尔条纹被消除。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，包括依次排布的背光源、菲涅尔透镜阵列、光学膜层、液晶面板和虚拟接收器，第一发光单元和第二发光单元发出的光线经菲涅尔透镜阵列折射后在菲涅尔透镜阵列出射面形成带有准周期性的聚焦光线；带有准周期性的聚焦光线到达光学膜层，在光学膜层所在局域区域的分布被改变，失去了原有的准周期性，但是光线的传播方向不改变，故经过光学膜层之后，成为不具有准周期性的聚焦光线；不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板的子像素光栅上，被分成不同颜色；第一虚拟接收器和第二虚拟接收器收集光线，此时摩尔条纹已被削弱。本发明还提供一种裸眼3D摩尔条纹消除装置的使用方法，所述方法与装置相结合实现了摩尔条纹的削减。

附图说明

图1为本发明裸眼3D系统摩尔条纹消除装置的示意图。

图2为实施例2光学膜层的示意图。

图3为实施例3光学膜层的示意图。

图4为本发明上述裸眼3D系统摩尔条纹消除装置的使用方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，包括依次排布的背光源1、菲涅尔透镜阵列2、光学膜层3、液晶面板4和虚拟接收器，其中：

背光源1：背光源1设置在菲涅尔透镜阵列2的入射面一侧，背光源由若干独立的线型发光单元10拼接组成，线型发光单元10组合形成为第一发光单元11和第二发光单元12，每一个发光单元在整个装置的最前端对应一个应视区，第一发光单元11对应第一应视区，第二发光单元12对第二应视区；

菲涅尔透镜阵列2：菲涅尔透镜阵列2由若干个菲涅尔透镜单元拼接而成，每一个菲涅尔透镜单元对应一个线型发光单元10，菲涅尔透镜单元能够聚焦所对应的线型发光单元10所发出的光线，形成带有准周期性的聚焦光线；

光学膜层3：光学膜层3能够在所在的局域位置改变光束分布，但不改变光束的传播方向，带有准周期性的聚焦光线经过光学膜层3后，成为不具有准周期性的聚焦光线；

液晶面板4：包括若干子像素光栅，不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板4的子像素光栅上，被分成不同颜色；

虚拟接收器：包括第一虚拟接收器5和第二虚拟接收器6，第一虚拟接收器5设置于第一应视区处，第二虚拟接收器6设置于第二应视区处，虚拟接收器用于收集光线。

所述菲涅尔透镜单元设计为等深或等宽齿形。

所述菲涅尔透镜单元的每个矩形齿的宽度、深度都经过计算得出，使其能够聚焦所对应的线型发光单元10所发出的光线。

所述第一虚拟接收器5和第二虚拟接收器6为半径1-2.5mm的圆形瞳孔模型，用于模拟人眼的观看效果。

所述菲涅尔透镜阵列2、光学膜层3以及液晶面板4之间紧密贴合，以尽可能减小对装置体积和复杂性的影响。

由于菲涅尔透镜单元的锯齿周期很小，打破光线周期性分布所需的光线偏离也很小，当光学膜层3厚度较小时，仍能够打破光线周期性分布，此时带有不同颜色的无准周期性聚焦光线与没有放置光学膜层时的位置相差较小，可以看作仍然聚焦到没有放置光学膜层时用于收集光线的虚拟接收器的位置。此时探测到的显示效果中，摩尔条纹被显著削减。

实施例2

如果能够使菲涅尔透镜上的亮度分布均匀化，就可削弱光束周期分布的现象，即消除了光学系统中的一个周期性结构，就能够消除摩尔条纹。各向异性结构，如双折射晶体(即单轴晶体)，是能够改变光束的分布有效的材料，当光的垂直光轴传播，经过双折射晶体后，不同偏振方向的光以不同的折射率发生折射，分为o光(寻常光)和e光(非寻常光)。o光与e光出射晶体时，方向都于与入射光平行，但它们在晶体内部传播角度不同，出射时在出射面存在一段偏移距离，从而能改变部分光束的分布却不改变光束的传播方向。在光学仪器设计以及激光通讯、加工等现代光学技术领域内有着极其广泛的应用。

参见图2，作为一种具体实施例，光学膜层3采用两侧平行的单轴晶体膜层，其光轴垂直膜层厚度方向。一束偏振不统一的光从可改变光束分布的光学膜层3入射点311入射，在单轴晶体内被分为o光和e光，这两束光所受到的折射率不同，故偏折角度不同，经过厚度均匀的晶体膜层，到达出射面时分别从出射点312、313出射。这两个出射点间存在一定的距离差，从而使光束分布产生变化。因为该膜层两侧平行且外界物质都为空气，由折射定律得，光线透射前后的方向不变。因为菲涅尔透镜的锯齿周期很小，故透镜产生的o、e光分离距离可以非常小，即晶体的厚度可以设为很薄，故对于光线的聚焦影响轻微，可看作原来可以聚焦的光线仍全部聚焦到对应瞳孔模型处。

设晶体的厚度为d；折射率为n，由所选择的晶体种类决定。从菲涅尔透镜出射的光线到达单轴晶体膜层的入射角为θ，o光和e光在第一个平面的折射角分别为θ₁和θ₂，在第二个平面的入射角分别为θ₃和θ₄，在第二个平面的折射角分别为θ'和θ”。

根据光的折射定律得到：

sinθ＝n_osinθ₁＝n_esinθ₂

sinθ'＝n_osinθ₃

sinθ"＝n_esinθ₄

由于晶体两个平面平行，所以在第二个表面的入射角有：

θ₁＝θ₃

θ₂＝θ₄

故根据之前的式子可以得到：

θ＝θ'＝θ"

即光线透射后传播方向不发生改变。

两束光线到第二个折射面时出现距离：

d tanθ₁-d tanθ₂

则透射产生的两条平行光线出现了间距d'：

d'＝cosθ×(d tanθ₁-d tanθ₂)

该间距与入射角θ有关，故不同入射角度的光线产生的偏离间距d'不同，这一偏离间距能够打破透射出菲涅尔透镜阵列上光束的分布，从而打破菲涅尔透镜单元上的暗区的周期性，可以有效地消除摩尔条纹。

利用光学模拟软件进行模拟，可以得到摩尔条纹及条纹对比度。选用不同厚度的同一材料的单轴晶体进行模拟，可以看出摩尔条纹都被明显削弱，同时厚度在大于一个不太大的特定值后，对于摩尔条纹的削弱效果不再显著提高，故实际所需采用的单轴晶体厚度亦不用选太大，则不会对系统的复杂性带来过大的影响。

除了单轴晶体等各向异性结构外，还可以采用具有相同功能的等效系统，即能够在所在局域区域改变光束的分布但不改变光线的传播方向的透明系统。

实施例3

参见图3，作为一种具体实施例，光学膜层3为用各向同性的材料制作的透镜，该透镜的入射面与出射面不平行且都成锯齿状，入射面为小锯齿3201，出射面为大锯齿3202，大锯齿3202的周期为小锯齿3201的周期的整数倍。透镜两侧锯齿存在的公共周期即为大锯齿3202的周期，每一个小锯齿3201的两沿斜率与每一个大锯齿3202的两沿斜率对应相等，即大锯齿3202可以看作是小锯齿3201的等比放大。同时在整片透镜上，大锯齿3202的齿形最凹处正好是小锯齿3201最凸处，保证了即使透镜两侧十分贴近也不会出现两侧的交叉。由于菲涅尔透镜单元的锯齿周期非常小，所以要打破其上的周期性暗区，只要使得光束分布发生细微的变化，故透镜的厚度可以很薄，以降低对于系统结构复杂性的影响，并且对于光线的聚焦影响轻微，可看作原来可以聚焦的光线仍全部聚焦到对应瞳孔模型处。

透镜的折射率为n，由选定的材料决定；两侧锯齿沿同时向外弯折时距离为T，两侧锯齿沿同向弯折时距离为t。

进一步可以使得两条平行光从小锯齿3201上的入射点321、322入射，从大锯齿3202上的出射点323、324出射；入射时两光线距离为d，出射时距离为d'。其中一条光线的第一个折射面入射角为θ，出射角为θ₁；第二个折射面的入射角为θ₂，出射角为θ'。它传播方向由光的折射定律可得：

sinθ＝n sinθ₁

n sinθ₂＝sinθ'

由于入射平面与出射平面平行，故：

θ₁＝θ₂

则有：

θ＝θ'

另一条光线由于入射角相同，入射、出射平面与第一条光线的平行，故也满足光线透射后传播方向不变。

两条光线在透镜中走的距离分别为：

T/cosθ₂

t/cosθ₂

则两条光线与原光线方向的偏移距离分别为：

T cos(θ'-θ₂)/cosθ₂

t cos(θ'-θ₂)/cosθ₂

则有：

d-d'＝(T-t)cos(θ'-θ₂)/cosθ₂

两条光线之间的距离发生变化，从而改变了光束的分布但不改变光束的传播方向。利用光学模拟软件进行模拟，可以得到摩尔条纹及条纹对比度。选用不同锯齿周期比的同一各向同性材料进行模拟，可以看出摩尔条纹都被明显削弱。

实施例4

如图4所示，一种上述裸眼3D系统摩尔条纹消除装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：背光源1发光：点亮第一发光单元11和第二发光单元12，向各个方向发射光线；

S2：菲涅尔透镜阵列2折射：第一发光单元11和第二发光单元12发出的光线经菲涅尔透镜阵列2折射后在菲涅尔透镜阵列出射面形成带有准周期性的聚焦光线；

S3：光学膜层3改变光束分布：带有准周期性的聚焦光线到达光学膜层3，在光学膜层3所在局域区域的分布被改变，失去了原有的准周期性，但是光线的传播方向不改变，故经过光学膜层3之后，成为不具有准周期性的聚焦光线；

S4：通过液晶面板4：不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板4的子像素光栅上，被分成不同颜色；

S5：虚拟接收器收集光线：第一虚拟接收器5和第二虚拟接收器6收集光线，此时摩尔条纹已被削弱。

所述方法还包括：当摩尔条纹的对比度下降80％的时候可看作摩尔条纹被消除。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，其特征在于，包括依次排布的背光源、菲涅尔透镜阵列、光学膜层、液晶面板和虚拟接收器，其中：

背光源：背光源设置在菲涅尔透镜阵列的入射面一侧，背光源由若干独立的线型发光单元拼接组成，线型发光单元组合形成为第一发光单元和第二发光单元，每一个发光单元在整个装置的最前端对应一个应视区，第一发光单元对应第一应视区，第二发光单元对第二应视区；

菲涅尔透镜阵列：菲涅尔透镜阵列由若干个菲涅尔透镜单元拼接而成，每一个菲涅尔透镜单元对应一个线型发光单元，菲涅尔透镜单元能够聚焦所对应的线型发光单元所发出的光线，形成带有准周期性的聚焦光线；

光学膜层：光学膜层能够在所在的局域位置改变光束分布，但不改变光束的传播方向，带有准周期性的聚焦光线经过光学膜层后，成为不具有准周期性的聚焦光线；

液晶面板：包括若干子像素光栅，不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板的子像素光栅上，被分成不同颜色；

虚拟接收器：包括第一虚拟接收器和第二虚拟接收器，第一虚拟接收器设置于第一应视区处，第二虚拟接收器设置于第二应视区处，虚拟接收器用于收集光线。

2.根据权利要求1所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜单元设计包括等深或等宽齿形。

3.根据权利要求1所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜单元的每个锯形齿的宽度、深度都经过计算得出，使其能够聚焦所对应的线型发光单元所发出的光线。

4.根据权利要求1所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，其特征在于，所述第一虚拟接收器和第二虚拟接收器为半径1-2.5mm的圆形瞳孔模型，用于模拟人眼的观看效果。

5.根据权利要求1所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜阵列、光学膜层以及液晶面板之间紧密贴合。

6.根据权利要求1所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，其特征在于，所述光学膜层使用两侧平行的单轴晶体膜层，其光轴垂直膜层厚度方向。

7.根据权利要求1所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置，其特征在于，所述光学膜层为用各向同性的材料制作的透镜，该透镜的入射面与出射面不平行且都成锯齿状，入射面为小锯齿，出射面为大锯齿，大锯齿的周期为小锯齿的周期的整数倍。

8.一种权利要求1所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：背光源发光：点亮第一发光单元和第二发光单元，向各个方向发射光线；

S2：菲涅尔透镜阵列折射：第一发光单元和第二发光单元发出的光线经菲涅尔透镜阵列2折射后在菲涅尔透镜阵列出射面形成带有准周期性的聚焦光线；

S3：光学膜层改变光束分布：带有准周期性的聚焦光线到达光学膜层3，在光学膜层3所在局域区域的分布被改变，失去了原有的准周期性，但是光线的传播方向不改变，故经过光学膜层3之后，成为不具有准周期性的聚焦光线；

S4：通过液晶面板：不具有准周期性的聚焦光线到达液晶面板4的子像素光栅上，被分成不同颜色；

S5：虚拟接收器收集光线：第一虚拟接收器5和第二虚拟接收器6收集光线，此时摩尔条纹已被削弱。

9.根据权利要求8所述的裸眼3D系统摩尔条纹消除装置的使用方法，其特征在于，所述方法还包括：当摩尔条纹的对比度下降80％的时候可看作摩尔条纹被消除。