CN108107598A - 一种曲面裸眼3d显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种曲面裸眼3D显示装置,涉及光学技术设备领域,包括背光模组(210),沿所述背光模组(210)发出的光线的传播方向还依次设置有透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240),透射式图像显示单元(240)用于加载并刷新视差立体图像,所述背光模组(210)发出的光线依次经过透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240)后形成观看视区。本发明的有益之处是,结构巧妙,能改善现有立体显示设备在横向观看自由度上较为固定的技术缺陷。

Description

一种曲面裸眼3D显示装置
技术领域
本发明涉及光学技术设备领域,尤其是一种曲面裸眼3D显示装置。
背景技术
3D显示(又称立体显示)是未来显示技术的发展方向之一,通过视差图像在空间多路复用的方法,为双眼提供立体信息图像。相应地,左眼于左视区接收到左眼图像,而右眼于右眼视区接收到右眼图像。若左眼图像和右眼图像构成一对视差立体图像,大脑即可将二者融合形成3D画面,使观看者感受到相应的深度信息。
目前主流裸眼3D显示技术主要包括微柱面透镜阵列、视差挡板以及指向性背光技术三种。其中基于指向性背光技术的多视点全高清裸眼3D显示装置包括光源、透镜阵列和透射式透射式图像显示单元,光源发出的光线依次经过透镜阵列和透射式透射式图像显示单元在特定视区中聚焦。
如图1所示的常规指向性立体显示装置100中,每一个背光模组110包含若干发光单元111(图1中120所指为透镜阵列,130所指为透射式图像显示单元),发光单元相应地聚焦于对应的视区140的视区单元141,提供该视点的照明。一般地,背光模组110中的发光单元111的前表面为平面,其光能经过透镜阵列120的会聚后在观看区域形成一系列棱形的视区分布(140);人眼只有处于这些视区中才能观看到均匀的、低串扰的立体图像,当人眼前后移动超出了棱形的视区分布时,将看到屏幕图像信息的缺失或者左右图像的串扰,导致昏眩感等不良体验。若背光模组110之间存在暗区(不发光区域或区域光亮度低于平均亮度70%以下),则会导致人眼在视区单元141边缘以及视区单元141间隔上感受到屏幕亮度的不均匀(屏幕某部分较亮而某部分较暗)。如此,人眼在移动过程中,会经过左、右眼视区的交界之处。人眼在这些交界之处,即使位于最佳的屏幕观看距离上,也会感受到明显的屏幕上的暗区,严重影响视觉体验。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点,提供一种曲面裸眼3D显示装置,结构巧妙,能改善现有立体显示设备在横向观看自由度上较为固定的技术缺陷。
为了解决上述技术问题,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种曲面裸眼3D显示装置,包括背光模组(210),沿所述背光模组(210)发出的光线的传播方向还依次设置有透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240),透射式图像显示单元(240)用于加载并刷新视差立体图像,所述背光模组(210)发出的光线依次经过透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240)后形成观看视区,所述透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)和透射式图像显示单元(240)按照预设曲率排布形成圆弧凹面,观看视区位于所述圆弧凹面的圆心处。
进一步地,所述背光模组(210)包括背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214),所述透镜阵列(220)包括透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224),所述背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214)与所述透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224)一一对应。
进一步地,所述背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214)朝向所述透镜阵列(220)的发光面是自由曲面。
进一步地,还包括人眼检测模块(260)和电子控制模块(270),所述人眼检测模块(260)与所述电子控制模块(270)电性连接,所述电子控制模块(270)还与背光模组(210)和透射式控制图像显示单元(240)电性连接。
进一步地,所述背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214)内均设置有若干组LED灯列。
进一步地,所述一维光学扩散膜(230)的表面设置有PET层,所述PET层的厚度是0.05~0.5mm。
进一步地,所述透射式图像显示单元(240)为一圆弧面,其曲率与所述透镜阵列(220)相同,所述透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240)依次贴合设置。
进一步地,所述透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224)的光轴与所述图像显示单元的平面的夹角为θ,所述透镜单元的光轴与所述透射式图像显示单元(240)所在的平面之间的夹角为η,所述透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224)的放大率为m,满足η-90=m(90-θ)。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的曲面裸眼3D显示装置的透镜阵列设置为具有一定曲率的弧形面,使观看视区分布更加均匀和连续。而且,该结构通过将各个背光单元的中心同时指向观看中点,可以使横向的可视角度提高至±15度,在该角度内能提高人眼在横向移动时感知到的立体图像的均匀性。此外,通过实时人眼位置检测来提前预判并同步调整背光单元的发光状态,使得视点在移动过程中始终处于背光源单元的当前投射影像的视区单元当中,从而使得人眼在移动过程中感受到均匀的裸眼3D图像。另外,本发明的透射式图像显示单元与一维光学扩散膜层及透镜阵列贴合在一起,由于一维光学扩散膜层的高通滤波特性,能有效降低莫尔条纹的影响;同时曲面排布的图像显示屏幕使得观众在观看裸眼3D时拥有更佳的临场感和沉浸感。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制,在附图中:
图1是现有立体显示装置的结构示意图;
图2是本发明所述3D显示装置一实施方式的结构示意图;
图3是本发明所述3D显示装置另一实施方式的结构示意图;
图4是图3所示实施方式中根据视点在视区中移动调节背光模组发光状态的示意图;
图中:210-背光模组,211、212、213、214-背光单元,220-透镜阵列,221、222、223、224-透镜单元,230-一维扩散膜层,240-透射式图像显示单元,250-视区,251、252、253、254、255、256、257、258-视区单元,260-人眼检测模块,270-电子控制模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
一种曲面裸眼3D显示装置,包括背光模组210,沿背光模组210发出的光线的传播方向还依次设置有透镜阵列220、一维光学扩散膜230以及透射式图像显示单元240,透射式图像显示单元240用于加载并刷新视差立体图像,背光模组210发出的光线依次经过透镜阵列220、一维光学扩散膜230以及透射式图像显示单元240后形成观看视区,透镜阵列220、一维光学扩散膜230和透射式图像显示单元240按照预设曲率排布形成圆弧凹面,观看视区位于圆弧凹面的圆心处;优选地,背光模组210包括背光单元211、背光单元212、背光单元213以及背光单元214,透镜阵列220包括透镜单元221、透镜单元222、透镜单元223以及透镜单元224,背光单元211、背光单元212、背光单元213以及背光单元214与透镜单元221、透镜单元222、透镜单元223以及透镜单元224一一对应。
背光单元211、背光单元212、背光单元213以及背光单元214朝向透镜阵列220的发光面是自由曲面,并且背光单元211、背光单元212、背光单元213以及背光单元214内均设置有若干组LED灯列,每一列形成背光单元的一个发光单元,各发光单元之间能够独立地进行发光状态的控制,以满足若干个发光单元组合形成单个观看的视区单元,该背光模组210的实现方式为直下式背光结构;一维光学扩散膜230的表面设置有PET层,PET层的厚度是0.25mm;优选地,透镜单元221、透镜单元222、透镜单元223以及透镜单元224的光轴与图像显示单元的平面的夹角为θ,透镜单元的光轴与透射式图像显示单元240所在的平面之间的夹角为η,透镜单元221、透镜单元222、透镜单元223以及透镜单元224的放大率为m,满足η-90=m(90-θ);透射式图像显示单元240为一圆弧面,其曲率与透镜阵列220相同,透镜阵列220、一维光学扩散膜230以及透射式图像显示单元240依次贴合设置。
透镜阵列220用于将背光模组210发出的光能聚焦至相应的视区单元中,一维扩散膜层230用于将LED的光能在屏幕纵向上扩散均匀而保证屏幕横向上的光线会聚性能。透镜单元221、透镜单元222、透镜单元223以及透镜单元224由一次成型的机械加工制作而成,如采用柱面透镜阵列或线性菲涅尔透镜阵列,具有薄膜型光学元件特征,能贴合于上述预设曲率排布的曲面上;若薄膜型透镜单元可以采用UV胶材料紫外曝光工艺制作,也可以采用其它材料制成的透镜阵列。在本实施例中,透镜阵列220与透射式图像显示单元240之间隔着一层一维光学扩散膜层230,一维光学扩散膜层230具有高通滤特性,能有效减少莫尔条纹效应。
在本实施例中,背光单元211、背光单元212、背光单元213以及背光单元214与透镜单元221、透镜单元222、透镜单元223以及透镜单元224一一对应,即每一个透镜单元对应于一个背光单元,例如在图2中,背光单元211与透镜单元221对应,依次类推。尽管图2中仅示例出背光单元211~214,透镜单元221~224,但本申请不限于此,本领域技术人员可以设置其他任意数量的背光单元和透镜单元。
透镜阵列220沿一圆弧面分布,圆弧面的圆心位于预设的观看距离处。背光模组210与对应的透镜单元之间的相对角度根据其所处圆弧不同相对位置进行了一定程度上的角度校正,使得背光单元经过透镜单元后聚焦在最佳位置的视区更加集中和均匀。如图2所示,透镜单元221~224、一维光学扩散膜和图像显示单元沿着一圆弧排布,其光轴共同会聚在圆弧的圆心O处。该圆弧的圆心O落在该3D显示装置的最佳3D观看距离上并位于透射式图像显示单元240的正中心的垂直线上。不失一般性地,以透镜单元221为例,透镜单元221与背光单元211之间的中心与圆弧的圆心O形成三点一线。透镜单元221的光轴与透射式图像显示单元240的平面的夹角为θ,透镜单元221的光轴与背光单元211的中心相交,夹角为η。假设透镜单元221的放大率为m,则角度校正满足:
η-90=m(90-θ)。
发明人在实现本实施方式的过程中发现,满足上述的公式可有效增加视区的光能聚焦及提高视觉均匀性。透镜单元222~224与背光单元212~214之间的关系相同,此处不再进行赘述。
参见图3,图3示出的实施方式在图2示出的实施方式的基础上,该3D显示装置还包括人眼检测模块260和与人眼检测模块260连接的电子控制模块270,人眼检测模块260与电子控制模块270电性连接,电子控制模块270还与背光模组210和透射式控制图像显示单元240电性连接。
人眼检测模块260用于检测视区中人眼的移动信息。电子控制模块270用于控制沿移动方向上与该视点所在的视区单元相邻的视区单元对应的背光单元的发光状态以及控制图像显示单元240的左右图像刷新状态。
当人眼位于无间断视区内时,通过人眼检测模块260识别人眼位置,将人眼位置信息反馈至人眼控制模块270,结合透射式图像显示单元240传输的视差图像刷新反馈信号,控制背光模组210中与人眼位置视区单元对应的发光单元的发光状态,提供裸眼3D显示效果。
参见图4,图4是图3所示实施方式中根据视点在视区中移动时调节背光模组发光状态的示意图。图4示出的是一个背光单元结合对应的透镜阵列单元来说明该显示装置实现均匀无暗区裸眼3D显示的方法。参见图4,240为图像显示单元,221为透镜阵列排布当中的一个透镜单元,211为该透镜单元221所对应的背光单元,250为该背光单元211经过该透镜单元221并照明图像显示单元后聚焦在最佳观看距离上的视区分布。背光单元211由若干个发光单元a~h组成。在本实施例中,每个发光单元a~h由一列LED光源提供照明,经过背光单元211的朝向透镜阵列220的表面所设置的维扩散膜层230匀光后聚焦光线。背光单元211中的每一个发光单元皆由控制模块270对发光状态进行控制,可随需要控制任意一发光单元(任意一列LED灯条)的亮灭行为。在图4示出的实施方式中,背光模组211具有发光单元a~h。其中,视区250中的视区单元251~258为背光单元211的发光单元a~h经过透镜单元后在观看距离形成的,它们的一一对应关系为:a~251、b~252、c~253…h~258。实际应用时一个视区单元由两个或以上的发光单元同时点亮而形成。
下面以两个发光单元对应一个视区单元为例说明本发明实施例提供的立体显示装置的工作过程。
当人眼检测模块260检测到人的右眼处于视区251和252时,左眼处于视区254和255时,通过控制模块270控制发光单元a&b和d&e点亮,其点亮的时序与图像显示单元刷新左右视差图像的时序同步,当图像显示单元240刷新左眼图像时,点亮发光单元d&e,熄灭发光单元a&b;而刷新右眼图像时反之。当左右眼图像刷新频率在120Hz以上不会产生闪烁感。此时,电子控制模块270控制发光单元c处于熄灭的状态,或者在亮度为发光单元a&b和发光单元d&e的亮度的30%以下的状态,来控制左右光源聚焦的散斑效应导致的左右眼串扰率在5%以下。当人右眼向左移动至视区252和253的边界时,人眼检测模块260反馈视点(人眼)移动信息至电子控制模块270,电子控制模块270相应地关闭发光单元a,点亮发光单元c&f,控制发光单元d的亮度为全暗或30%以下亮度,同时重复之前的图像显示单元的刷新同步动作,保证在人眼移动过程中能够观赏到无缝衔接的均匀的裸眼3D图像。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化,例如实施例中的背光模组210的发光单元的结构并不限于平面排布,发光单元也可以形成一个立体结构的排布。

Claims (8)

1.一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,包括背光模组(210),沿所述背光模组(210)发出的光线的传播方向还依次设置有透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240),透射式图像显示单元(240)用于加载并刷新视差立体图像,所述背光模组(210)发出的光线依次经过透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240)后形成观看视区,所述透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)和透射式图像显示单元(240)按照预设曲率排布形成圆弧凹面,观看视区位于所述圆弧凹面的圆心处。
2.根据权利要求1所述的一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,所述背光模组(210)包括背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214),所述透镜阵列(220)包括透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224),所述背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214)与所述透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224)一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,所述背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214)朝向所述透镜阵列(220)的发光面是自由曲面。
4.根据权利要求1所述的一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,还包括人眼检测模块(260)和电子控制模块(270),所述人眼检测模块(260)与所述电子控制模块(270)电性连接,所述电子控制模块(270)还与所述背光模组(210)和所述透射式控制图像显示单元(240)电性连接。
5.根据权利要求2所述的一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,所述背光单元(211)、背光单元(212)、背光单元(213)以及背光单元(214)内均设置有若干组LED灯列。
6.根据权利要求1所述的一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,所述一维光学扩散膜(230)的表面设置有PET层,所述PET层的厚度是0.05~0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,所述透射式图像显示单元(240)为一圆弧面,其曲率与所述透镜阵列(220)相同,所述透镜阵列(220)、一维光学扩散膜(230)以及透射式图像显示单元(240)依次贴合设置。
8.根据权利要求2所述的一种曲面裸眼3D显示装置,其特征在于,所述透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224)的光轴与所述图像显示单元的平面的夹角为θ,所述透镜单元的光轴与所述透射式图像显示单元(240)所在的平面之间的夹角为η,所述透镜单元(221)、透镜单元(222)、透镜单元(223)以及透镜单元(224)的放大率为m,满足η-90=m(90-θ)。
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