CN106773081B - 集成成像三维显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成成像三维显示装置，其包括：2D显示面板和位于该2D显示面板上的曲面微透镜阵列；其中，所述2D显示面板设有多个第一像素区域、多个第二像素区域和多个第三像素区域，所述曲面微透镜阵列设有与多个第一像素区域对应的多个第一透镜元、与多个第二像素区域对应的多个第二透镜元、以及与多个第三像素区域对应的多个第三透镜元；所述曲面微透镜阵列以中间的透镜元为中心向两侧对称排列，每侧的第一、第二和第三透镜元的焦距不同。本发明以三种不同焦距大小的透镜元为重复单元组成曲面微透镜阵列，相应透镜元的焦距大小如上述公式所示；本发明解决了集成成像3D显示系统中的窄视角和彩色莫尔条纹。

Description

集成成像三维显示装置
技术领域
本发明属于集成成像3D技术领域，尤其涉及一种集成成像三维显示装置。
背景技术
与裸眼显示技术相比，集成成像显示是采用微透镜阵列和2D显示面板来光学再现3D显示图像的显示技术，其具有全视差、全彩色3D图像以及连续视点等特点。窄的观看视角是集成成像显示的主要缺点之一。传统集成成像显示系统中周期性的微透镜阵列与周期性的RGB子像素会引起彩色莫尔条纹出现。
众所周知，传统2D显示面板是通过R、G、B子像素为重复单元，以空间混色的方式来实现全彩色显示，当传统2D显示面板应用在集成成像3D显示技术中，即当图像元在传统2D显示面板上显示时。人眼在移动过程中，通过微透镜元阵列观看不同视点图像时颜色会产生变化，即产生了彩色莫尔条纹。针对彩色莫尔条纹，现有研究者通过结合透镜离焦和扩散方法来改善莫尔条纹，以及对2D显示面板上的R、G、B子像素进行重新排列形成透镜元下形成多个相同颜色的子像素。本专利为了增大观看视角和消除彩色莫尔条纹，采用以三种不同焦距大小的透镜元为重复单元组成曲面微透镜阵列以及对传统2D显示面板上R、G、B子像素布局进行对应的设计，形成了可以增大观看视角和消除彩色莫尔条纹的集成成像3D显示装置。
针对窄的观看视角问题，现有研究者采用曲面微透镜阵列、微透镜阵列结合大孔径透镜等技术来增大观看视角。与其他增大观看视角技术相比，采用曲面微透镜阵列是一种简单实际的方法，但是透镜元与相应对应的图像元间的间距逐渐的增加，导致图像元通过对应透镜元所成的像不聚焦在相同像平面上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决窄视角和彩色莫尔条纹的集成成像三维显示装置。
本发明提供一种集成成像三维显示装置，其包括：2D显示面板和位于该2D显示面板上的曲面微透镜阵列；其中，所述2D显示面板设有多个第一像素区域、多个第二像素区域和多个第三像素区域，所述曲面微透镜阵列设有与多个第一像素区域对应的多个第一透镜元、与多个第二像素区域对应的多个第二透镜元、以及与多个第三像素区域对应的多个第三透镜元；所述曲面微透镜阵列以中间的透镜元为中心向两侧对称排列，每侧的第一、第二和第三透镜元的焦距不同。
优选地，所述曲面微透镜阵列以第一透镜元、第二透镜元、以及第三透镜元为重复单元形成横向弯曲的曲面微透镜阵列。
优选地，相邻的第一像素区域和第二像素区域和第三像素区域为一个像素单元，第一透镜元、第二透镜元和第三透镜元为一个透镜元单元，每个透镜元单元的第一透镜元的中心点、第二透镜元的中心点和第三透镜元的中心点组成一个等边三角形；每个像素单元与对应的透镜元单元组成一个彩色的3D图像单元。
优选地，所述第一像素区域、第二像素区域和第三像素区域分别显示的颜色不同。
优选地，第一像素区域显示红色，第二像素区域显示绿色，第二像素区域显示蓝色。
优选地，所述第一像素区域由多个红色子像素组成，第二像素区域由多个绿色子像素组成，第三像素区域由多个蓝色子像素组成。
优选地，还包括每个图像元与对应透镜元之间均设置一个不透光的挡板。
优选地，设定n表示多个透镜元在所述曲面微透镜阵列中的次序，n为0表示中间的透镜元，通过中间的透镜元向两侧依序排布；
观看本集成成像三维显示装置的视角Ω的计算公式如下:
Figure GDA0002212238720000021
其中，Δgn表示次序为n的透镜元与所述2D显示面板之间的距离和中间的透镜元与2D显示面板之间的距离的差值；
d表示集成3D图像到对应透镜元之间距离；
φ为透镜元的节距；
当Δgn的取值在合理的范围内，此时n值为nmax。
优选地，Δgn计算公式如下：
Figure GDA0002212238720000022
其中，g表示中间的透镜元与2D显示面板之间的距离；
R为曲面微透镜阵列的曲率半径，d等于R。
优选地，第一透镜元、第二透镜元和第三透镜元的焦距分别为fR、fG、fB，fR、fG、fB的表达式如下：
Figure GDA0002212238720000031
Figure GDA0002212238720000032
Figure GDA0002212238720000033
其中，gR、gG、gB分别表示第一像素区域、第二像素区域、第三像素区域到对应透镜元之间的距离；
gR＝g+Δgn，n＝3i,i＝0,1,2,3......，δR表示对第一像素区域发出的红色光线的色差补偿量；
gG＝g+Δgn，n＝1+3i,i＝0,1,2,3......，δG表示对第二像素区域发出的绿色光线的色差补偿量；
gB＝g+Δgn，n＝2+3i,i＝0,1,2,3......，δB表示对第三像素区域发出的蓝色光线的色差补偿量。
本发明以三种不同焦距大小的透镜元为重复单元组成曲面微透镜阵列，相应透镜元的焦距大小如上述公式所示；本发明相对现有2D显示面板上R、G、B子像素布局进行对应设计，并且中间区域的R像素区域、G像素区域、B像素区域和两侧区域的R像素区域、G像素区域、B像素区域是不同的，解决了集成成像3D显示系统中的窄视角和彩色莫尔条纹。
附图说明
图1为本发明集成成像三维显示装置的结构示意图；
图2为图1所示集成成像三维显示装置的中间区域排布示意图；
图3为图1所示集成成像三维显示装置的两侧区域排布示意图；
图4为图1所示集成成像三维显示装置的参数示意图；
图5为所示集成成像三维显示装置的图像元与对应的透镜元之间增加挡板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明属于集成成像3D显示领域，如图1至图3所示，本集成成像三维显示装置包括2D显示面板10和位于该2D显示面板10上的曲面微透镜阵列20。
其中，2D显示面板10为TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)、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)等2D显示面板。曲面微透镜阵列20以三种不同焦距大小的透镜元为重复单元组成的微透镜阵列，曲面微透镜元阵列20是横向(水平方向上)均匀弯曲，2D显示面板10的R、G、B子像素的排列与曲面微透镜阵列20的参数要一一对应。
其中，2D显示面板10显示依序排列的多个图像元11，该多个图像元11以R、G、B子像素的排列。
图像元11是通过第一像素区域31或第二像素区域32或第三像素区域33进行显示得到，并且图像元的大小是小于或者等于第一像素区域31或第二像素区域32或第三像素区域33的大小。
为了消除透镜元的彩色莫尔条纹，每个透镜元对应的子像素为同一颜色的子像素组合，即：2D显示面板10设有多个第一像素区域31、多个第二像素区域32和多个第三像素区域33，曲面微透镜阵列20设有与多个第一像素区域31对应的多个第一透镜元21、与多个第二像素区域32对应的多个第二透镜元22、以及与多个第三像素区域33对应的多个第三透镜元23；曲面微透镜阵列20以中间的透镜元为中心向两侧对称排列，每侧的第一、第二和第三透镜元21、22、23的焦距不同。
相邻的第一像素区域31和第二像素区域32和第三像素区域33为一个像素单元，第一透镜元21、第二透镜元22和第三透镜元23为一个透镜元单元，每个透镜元单元的第一透镜元21的中心点、第二透镜元22的中心点和第三透镜元23的中心点组成一个等边三角形；每个像素单元与对应的透镜元单元组成一个彩色的3D图像单元。
其中，第一像素区域31、第二像素区域32和第三像素区域33分别显示的颜色不同，第一像素区域31显示红色R，第二像素区域32显示绿色G，第二像素区域33显示蓝色B。
第一像素区域31由多个红色子像素构成，第二像素区域32由多个绿色子像素构成，第三像素区域33由多个蓝色子像素构成。
曲面微透镜阵列20以第一透镜元21、第二透镜元22、以及第三透镜元23为重复单元形成横向弯曲的曲面微透镜阵列，每个透镜元与相应图像元11一一对应，即图像元11通过该对应透镜元在空间中成像，并且图像元11区域大小与透镜元的大小是相互对应的。
图2为2D显示面板上的第一像素区域31、第二像素区域32以及第二像素区域33排布与微透镜元阵列排布关系示意图，为了实现彩色显示第一像素区域31、第二像素区域32以及第二像素区域33与相对应的透镜元共同作用形成彩色的3D图像。透镜元的形状与第一像素区域31、第二像素区域32和第三像素区域33要一一对应。
如图2和图3所示，当采用曲面微透镜阵列20时，2D显示面板10与相应的透镜元之间的距离是逐渐的增大，尤其是2D显示面板10边缘处于相应的透镜元之间的距离、以及透镜元所对应的图像元的区域大小是逐渐增加的，因此，2D显示面板10上的中间区域的R、G、B子像素排列形成的第一像素区域31大小、第二像素区域32大小、第三像素区域33大小与两侧区域的R、G、B子像素排列形成的第一像素区域31大小、第二像素区域32大小、第三像素区域33大小是不一致的。
图4为本发明集成成像三维显示装置的参数示意图，假定n表示透镜元在曲面微透镜阵列20中的次序，n为0表示中间的透镜元，通过中间的透镜元向两侧依序排布；g表示中间的透镜元与2D显示面板10之间的距离，Δgn表示次序为n的透镜元与2D显示面板10之间的距离和中间的透镜元与2D显示面板之间的距离的差值；gR、gG、gB分别表示第一像素区域、第二像素区域、第三像素区域到对应透镜元之间的距离；φ为透镜元的节距；d表示集成3D图像到对应透镜元之间距离；在本发明中，d的值指的是曲面微透镜阵列20的曲率半径R。
Δgn的计算公式如(1)所示：
Figure GDA0002212238720000051
由于不同波长的光对相同材料的透镜元所表现的折射率的大小是不同的，所以设置R像素区域、G像素区域、B像素区域分别对应透镜元的焦距大小是不同的。
如图4所示，假定第一透镜元、第二透镜元和第三透镜元的焦距分别为fR、fG、fB。为了使得图像元通过对应的透镜元所成的像在同一空间位置上，即图像元通过对应的透镜元所成的像到对应透镜元的距离为曲面透镜元的曲率半径R。fR、fG、fB的表达式如下：
Figure GDA0002212238720000061
Figure GDA0002212238720000062
Figure GDA0002212238720000063
其中，gR＝g+Δgn，n＝3i,i＝0,1,2,3......，δR表示对第一像素区域发出的红色光线的色差补偿量。
gG＝g+Δgn，n＝1+3i,i＝0,1,2,3......，δG表示对第二像素区域发出的绿色光线的色差补偿量。
gB＝g+Δgn，n＝2+3i,i＝0,1,2,3......，δB表示对第三像素区域发出的蓝色光线的色差补偿量。
观看视角是集成成像显示系统中的一个重要的参数，在观看视角范围内，人眼可以观看到通过集成成像显示系统重建的完整的3D图像，并具有良好的运动视差。本发明的观看视角Ω的计算公式如(2)所示:
Figure GDA0002212238720000064
其中，φ表示透镜元节距，当Δgn的取值在合理的范围内，此时n值为nmax。将nmax代入公式公式(2)可以得到观看视角Ω的值。
由于图像元可以通过所对应的透镜元的相邻的透镜元成像，所以会产生重影图像(flipped image)，为了消除重影图像，如图5所示，本发明的一个实施例是在每个图像元11与对应透镜元之间均设置一个不透光的挡板40，从而防止图像元从对应透镜元的相邻透镜元成像形成重影图像。
本发明以三种不同焦距大小的透镜元为重复单元组成曲面微透镜阵列，相应透镜元的焦距大小如上述公式所示；本发明相对现有2D显示面板上R、G、B子像素布局进行对应设计，并且中间区域的R像素区域、G像素区域、B像素区域和两侧区域的R像素区域、G像素区域、B像素区域是不同的，解决了集成成像3D显示系统中的窄视角和彩色莫尔条纹。

Claims (5)

1.一种集成成像三维显示装置，其特征在于，其包括：2D显示面板和位于该2D显示面板上的曲面微透镜阵列；其中，所述2D显示面板设有多个第一像素区域、多个第二像素区域和多个第三像素区域，所述第一像素区域、第二像素区域和第三像素区域分别显示的颜色不同，第一像素区域由多个红色子像素组成，第一像素区域显示红色，第二像素区域由多个绿色子像素组成，第二像素区域显示绿色，第三像素区域由多个蓝色子像素组成，第二像素区域显示蓝色，所述曲面微透镜阵列设有与多个第一像素区域对应的多个第一透镜元、与多个第二像素区域对应的多个第二透镜元、以及与多个第三像素区域对应的多个第三透镜元；所述曲面微透镜阵列以中间的透镜元为中心向两侧对称排列，每侧的第一、第二和第三透镜元的焦距不同；相邻的第一像素区域和第二像素区域和第三像素区域为一个像素单元，第一透镜元、第二透镜元和第三透镜元为一个透镜元单元，每个透镜元单元的第一透镜元的中心点、第二透镜元的中心点和第三透镜元的中心点组成一个等边三角形；每个像素单元与对应的透镜元单元组成一个彩色的3D图像单元；第一透镜元、第二透镜元和第三透镜元的焦距分别为fR、fG、fB，fR、fG、fB的表达式如下：
Figure FDA0002212238710000011
Figure FDA0002212238710000012
Figure FDA0002212238710000013
其中，gR、gG、gB分别表示第一像素区域、第二像素区域、第三像素区域到对应透镜元之间的距离；d表示集成3D图像到对应透镜元之间距离；
gR＝g+Δgn，n＝3i,i＝0,1,2,3......，δR表示对第一像素区域发出的红色光线的色差补偿量；
gG＝g+Δgn，n＝1+3i,i＝0,1,2,3......，δG表示对第二像素区域发出的绿色光线的色差补偿量；
gB＝g+Δgn，n＝2+3i,i＝0,1,2,3......，δB表示对第三像素区域发出的蓝色光线的色差补偿量；其中，Δgn表示次序为n的透镜元与所述2D显示面板之间的距离和中间的透镜元与2D显示面板之间的距离的差值；g表示中间的透镜元与2D显示面板之间的距离。
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：所述曲面微透镜阵列以第一透镜元、第二透镜元、以及第三透镜元为重复单元形成横向弯曲的曲面微透镜阵列。
3.根据权利要求1-2任一所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：还包括每个图像元与对应透镜元之间均设置一个不透光的挡板。
4.根据权利要求1-2任一所述的集成成像三维显示装置，其特征在于：设定n表示多个透镜元在所述曲面微透镜阵列中的次序，n为0表示中间的透镜元，通过中间的透镜元向两侧依序排布；
观看本集成成像三维显示装置的视角Ω的计算公式如下:
Figure FDA0002212238710000021
d表示集成3D图像到对应透镜元之间距离；
Figure FDA0002212238710000022
为透镜元的节距；
5.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：Δgn计算公式如下：
Figure FDA0002212238710000023
其中，g表示中间的透镜元与2D显示面板之间的距离；
R为曲面微透镜阵列的曲率半径，d等于R。
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