CN108415173A - 基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，包括视点检测模块、背光阵列生成器、线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器。背光阵列生成器，由光源阵列、场镜阵列、空间光调制器、扩散膜依次组成，用于生成特定形状以及分布的背光阵列单元；线性透镜阵列，用于将背光阵列的光线汇聚到设定的视区单元；视点检测模块获取人眼视点后，背光阵列生成器发出的光线依次经过线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器汇聚到设定视区单元。背光阵列生成器和图像显示器同步刷新，通过时分复用，可以实现空间中不同视点单元接收不同视差图像。本发明可以改善已有指向性背光立体显示装置画面亮度均匀性较差的技术缺陷。

Description

基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置

技术领域

本发明属于图像显示领域，尤其是涉及一种背光指向性立体显示装置。

背景技术

3D显示技术是未来主流显示方向，其中应用最为广泛的是基于视差图像的立体显示方法。左眼和右眼位于空间中不同位置，借助某些方法使得左眼只接收到左眼对应视差图像，右眼只接收到右眼对应的视差图像，经由大脑融合获得3D立体信息。

裸眼3D显示技术是一种无须佩戴助视设备即可让观众感知到图像深度信息的技术。目前主流实现技术主要有柱透镜阵列，视障光栅以及指向性背光技术等。其中基于指向性背光技术的3D显示装置包含背光源，透镜阵列，透射式图像显示单元以及视点追踪模块。传统二维显示器的背光模块无方向选择性的，观众可以在显示屏前的任意位置接收到图像信息。指向性背光源显示技术通过控制背光源发出光线的指向，使得只有在空间设定位置才可以接收到屏幕图像。借助时分复用技术，让人左眼/右眼轮流交替分别仅接收到左眼/右眼视差图像，最终经过大脑融合，获得立体深度信息。

图1为现有指向性背光立体显示装置，背光模组110包含若干发光单元111～116，其发出的光线经过线性透镜阵列120中透镜单元121～122、扩散膜130、图像显示器140，最终聚焦到对应视区集150中设定视区单元(如151)。

需要指出的是，图1中现有技术画面亮度均匀性较差。如图1所示，由于发光单元中心光线能量密度高于边缘光线，当发光单元112点亮时，其所对应的透镜单元121可以接收到大部分光能；反之，当发光单元116点亮时，其所对应的透镜单元122仅接收到小部分光能且主要能量集中于透镜单元下边缘。最终透镜单元121下边缘和透镜单元122上边缘处光线亮度差异明显而被人眼感知，所以现有技术难以满足人眼对画面亮度均匀性的要求。

本发明提出一种新型背光阵列生成器，并用于指向性背光立体显示，旨在改善已有指向性背光显示装置画面亮度均匀性。本发明提出的基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置可以在比较大的观看视角范围实现更为均匀的画面显示。

发明内容

1、发明目的。

本发明提出一种新型背光阵列生成器，并用于指向性背光立体显示，旨在改善已有指向性背光显示装置画面亮度均匀性。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明公开了一种指向性背光立体显示装置，包括视点检测模块、背光阵列生成器、线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器。视点检测模块，用于实时获取观众视点空间坐标；背光阵列生成器，由光源阵列、场镜阵列、空间光调制器、扩散膜依次组成，用于生成特定形状以及分布的背光单元；线性透镜阵列，用于将背光源阵列的光能汇聚到设定的视区单元；线性扩散膜，用于将光线沿竖直方向扩散；图像显示器为透射式被动显示器，其加载帧率至少等于两倍人眼可察觉闪烁频率以消除不适感。

视点检测模块获取人眼视点后，背光阵列生成器发出的光线依次经过线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器汇聚到设定视区单元。背光阵列生成器和图像显示器同步刷新，通过时分复用，实现空间中不同视点单元接收不同视差图像，最终观众左右眼得到不同视差图像获得立体感。

更进一步具体实施方式中，所述的视点检测模块包含控制模块，控制模块根据视点位置实时控制背光阵列生成器输入参数以确保每个背光阵列单元中心与对应线性透镜阵列单元中心连线汇聚到设定人眼视点位置。

更进一步具体实施方式中，所述的线性透镜阵列由多个一维线性透镜组成，透镜单元共面，且线性透镜长轴相互平行并垂直于水平面。此外线性透镜阵列单元宽度应小于两倍的人眼双瞳间距，用于提高视点沿垂直显示屏幕方向的自由度。

更进一步具体实施方式中，背光阵列生成器外表发光面与权利要求1所述线性透镜阵列的垂直距离为：

其中，线性透镜阵列至显示装置设定最远观看视点的垂直距离为L′，线性透镜阵列至背光阵列生成器外表发光面的垂直距离为L，线性透镜阵列单元焦距为f。

更进一步具体实施方式中，背光阵列生成器外表发光面与权利要求1所述线性透镜阵列的垂直距离：背光阵列生成器外表发光面位于线性透镜阵列中透镜单元的焦平面处。

更进一步具体实施方式中，所述背光源阵列生成器由光源阵列、场镜阵列、空间光调制器、扩散膜依次组成，且场镜阵列、空间光调制器、扩散膜互相紧靠。

更进一步具体实施方式中，所述光源阵列均位于一个平面上，光源阵列组成单元可以是一个或多个独立线光源，线光源长轴方向互相平行并垂直水平面；所述场镜阵列由多个线性透镜单元组成，线性透镜均共面，且长轴相互平行并垂直于水平面；所述空间光调制器为透射式振幅空间光调制器；所述扩散膜为一维扩散膜或二维扩散膜，对于一维扩散膜其扩散方向需平行于水平方向。

更进一步具体实施方式中，所述光源阵列每个组成单元对应一个场镜阵列单元。

更进一步具体实施方式中，所述光源阵列与场镜阵列垂直距离满足：

其中，场镜阵列单元焦距为f₁，所述场镜阵列到光源阵列垂直距离为L₁，场镜阵列到权利要求1所述线性透镜阵列垂直距离为L′₁。

3、本发明所采用的技术效果。

(1)本发明提出一种新型背光阵列生成器，并用于指向性背光立体显示，旨在改善已有指向性背光显示装置画面亮度均匀性。

(2)本发明提出的基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置可以在比较大的观看视角范围实现更为均匀的画面显示。

(3)本发明在保持其他参数相同的情况下，采用本发明中提出的背光阵列生成器最大可以将光均匀度提升50％以上。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，其中：

图1为现有指向性背光立体显示装置结构示意图。

图2为本发明一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置实施方式1的俯视结构图。

图3为本发明一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置实施方式3的俯视结构图。

图4为本发明所述背光阵列生成器生成的背光阵列样式示意图。

图5为本发明一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置所有实施方式的逻辑功能示意图。

附图标记说明：

110：背光模组；111～116背光源单元；120：线性透镜阵列；121～122：线性透镜阵列单元；130：线性扩散膜；140：图像显示器；150：视区单元集；151～153：视区单元；

210：背光源阵列生成器；211光源阵列；211A～211B光源阵列组成单元；212场镜阵列；213空间光调制器；213A～213B为空间光调制器出光单元；214扩散膜；220线性透镜阵列；221～222线性透镜阵列单元；230线性扩散膜；240图像显示器；250视区单元集；251～253视区单元；260：视点检测模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

实施例1

如图2所示，图2是本发明所述的一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置实施方式1的俯视结构图，包括视点检测模块260、背光阵列生成器210、线性透镜阵列220、线性扩散膜230、图像显示器240。视点检测模块260获取人眼视点后，背光阵列生成器210通过控制空间光调制器213出光口生成特定形状及分布的背光阵列，且发出的光线依次经过线性透镜阵列220、线性扩散膜230、图像显示器240到达设定视区单元如251。空间光调制器213和图像显示器240同步刷新数据，通过时分复用，可以实现空间中不同视点单元显示不同视差图像，即在观众左右眼区域分别接收到不同视差图像，从而获得立体感。

在图2所示的实施方式中，背光阵列生成器210包括：光源阵列211；场镜阵列212；空间光调制器213；扩散膜214。空间光调制器213为透射式振幅空间光调制器。背光阵列的生成方式为：光源阵列211发出的光线，通过空间光调制器213上的出光区域，经扩散膜214最终形成背光阵列。

场镜阵列212中每个场镜单元(如212A)对应一个发光单元(如211A)，并且将该发光单元成像到后方线性透镜阵列单元如221中心。场镜单元(如212A)可以控制空间光调制器213出光区域发出光线的能量空间分布，使得光束的中轴总是指向对应线性阵列透镜单元(如221)中心。相比现有背光阵列，本发明提出的背光阵列生成器产生的背光阵列单元发出光束的中轴永远指向对应透镜单元中心，保证了线性透镜阵列220上光能在各个视角范围都可以保持良好的均匀性。

此外背光阵列生成器210控制精度主要取决于空间光调制器213，所以在精度允许范围内(像素级)可以自由生成需要的出光单元，相比直接使用可寻址光源阵列(如LED阵列)作背光源，控制更加精确，所以视区集250中视点单元251～253之间过度也更为平滑。

光源阵列211与场镜阵列212垂直距离满足：

其中，场镜阵列单元焦距为f₁，所述场镜阵列212到光源阵列211垂直距离为L₁，场镜阵列212到线性透镜阵列220垂直距离为L′₁。

背光阵列生成器210外表发光面即扩散膜214与线性透镜阵列220垂直距离为：

其中，线性透镜阵列至显示装置设定最远观看视点的垂直距离为L′，线性透镜阵列至背光阵列生成器外表发光面的垂直距离为L，线性透镜阵列单元焦距为f。

所述背光源阵列生成器210发出的光线经线性透镜阵列220汇聚到设定的视区单元如251。在本实施例中，线性透镜阵列单元221～222以及场镜阵列单元212A～212B均为一维线性透镜，透镜单元的实现可以采用传统柱面透镜、线性菲涅尔透镜甚至是其他特殊原理实现的具有同样功能的光学薄膜器件。

所述线性扩散膜230将光线沿竖直方向(y轴)扩散，具体实现可以使用透镜光栅或其他特殊原理实现的具有同样功能的光学薄膜器件。

实施例2

与实施例1不同的是，所述的背光阵列生成器210外表发光面，即扩散膜214位于线性透镜阵列220中透镜单元的焦平面处

实施例3

参见图3，图3为本发明一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置实施方式3的俯视结构图。实施例1和实施例3的区别在于，图3所示的光源阵列211中每个光源单元211A～211B分别由两个独立光源组成，且光源分居场镜单元对称轴两边。线性透镜阵列单元如221接收到的光线是来自于光源单元211A中两个LED光能分布的叠加，所以线性透镜阵列单元如211接收到的光能相比图2所示结构更为均匀。

实施例4

与实施例3不同的是，所述的背光阵列生成器210外表发光面，即扩散膜214位于线性透镜阵列220中透镜单元的焦平面处

参见图4，图4是本发明所述的背光阵列生成器所产生的背光阵列示意图。210为所述背光阵列生成器正视图，背光单元213A～213B均为狭长矩形。提高矩形背光单元213A～213B沿x轴方向宽度相当于增大背光单元面积，可以获得更多的光能输出；矩形背光单元213A～213B在y轴方向长度应基本等于线性透镜阵列220y轴方向长度。矩形背光单元213A～213B位置分布可由以下三角几何相似关系得出：

其中，所述背光阵列生成器210发光面中心为坐标原点，设线性透镜阵列220中某透镜单元如212A的焦距为f、中心x轴坐标值为X_l、对应的背光矩形单元中心x轴坐标值X_b；设某视点单元如251与线性透镜阵列220垂直距离为D、x轴坐标值为Q。

需要指出，图示2、3、4在不影响基本原理的前提下仅示意出一个视区单元对应的矩形背光阵列。对于多人同时观看的情况，背光阵列生成器也可生成多组背光阵列，分别对应多个视点。最后通过与图像显示器240时分复用，可以实现不同视点显示不同视差图像。

参见图5，图5为本发明一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置所有实施方式的逻辑功能示意图。

以图示5为例说明本发明实施例具体工作流程：视点检测模块260获得观众左眼坐标，并控制背光阵列生成器210产生如图4所示的一系列背光阵列单元213A～213B，与此同时图像显示器240输入对应左眼视差图像。这样背光阵列发出的光线经过线性透镜阵列220、线性扩散膜230及图像显示器240汇聚到设定左眼，即观众左眼接收到左视差图像。接下来同理，观众右眼接收到右视差图像。上述两个视点(左右眼)切换速度高于人眼可分辨闪烁频率阈值，所以观众的直观感受是左右眼分别看到不同的视差图像，最终两幅视差图像融合产生立体感。需要指出的是左右眼接收到图像的顺序不影响最终效果，即可以先让观众右眼接收到右视差图像，再让观众左眼接收到左视差图像。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内，例如实施例中背光阵列生成器的光源阵列的组成单元并不限于1个或2个，也可以是多个。

Claims (9)

1.一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，其特征在于：

包括视点检测模块、背光阵列生成器、线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器；

视点检测模块，用于实时获取观众视点空间坐标；

背光阵列生成器，由光源阵列、场镜阵列、空间光调制器、扩散膜依次组成，用于生成特定形状以及位置分布的背光单元；

线性透镜阵列，用于将背光阵列生成器的光能汇聚到设定的视区单元；

线性扩散膜，用于将光线沿竖直方向扩散；

图像显示器，为透射式被动显示器，其图像加载帧率应大等于两倍人眼可察觉闪烁频率以消除不适感；

视点检测模块获取人眼视点后，背光阵列生成器发出的光线依次经过线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器汇聚到设定视区单元；背光阵列生成器和图像显示器同步刷新，通过时分复用，实现空间中不同视点单元显示不同视差图像。

2.根据权利要求1所述的基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，其特征在于：所述的视点检测模块包含控制模块，控制模块根据视点位置实时控制背光阵列生成器输入参数以确保每个背光阵列单元中心与对应线性透镜阵列单元中心连线汇聚到设定人眼视点位置。

3.根据权利要求1所述的基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，其特征在于：所述的线性透镜阵列由多个一维透镜组成，透镜单元共面，且透镜长轴互相平行并垂直于水平面,线性透镜阵列单元宽度应小于两倍的人眼双瞳间距，用于提高视点沿垂直显示屏幕方向的自由度。

4.根据权利要求1所述的基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，其特征在于：背光阵列生成器外表发光面与所述线性透镜阵列的垂直距离为：

其中，线性透镜阵列至显示装置设定最远观看视点的垂直距离为L′，线性透镜阵列至背光阵列生成器外表发光面的垂直距离为L，线性透镜阵列单元焦距为f。

5.根据权利要求1所述的基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，其特征在于：背光阵列生成器外表发光面与所述线性透镜阵列的垂直距离为：背光阵列生成器外表发光面位于线性透镜阵列单元的焦平面处。

6.根据权利要求1所述的基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，其特征在于：所述背光源阵列生成器由光源阵列、场镜阵列、空间光调制器、扩散膜依次组成，且场镜阵列、空间光调制器、扩散膜互相紧靠。

7.根据权利要求6所述的背光源阵列生成器，其特征在于：所述光源阵列均位于一个平面上，光源阵列每个组成单元可以由一个或多个独立线光源构成，线光源长轴方向互相平行并垂直水平面；所述场镜阵列由多个线性透镜单元组成，线性透镜均共面，且长轴相互平行并垂直于水平面；所述空间光调制器为透射式振幅空间光调制器；所述扩散膜为一维扩散膜或二维扩散膜，对于一维扩散膜其扩散方向需平行于水平方向。

8.根据权利要求6所述的背光源阵列生成器，其特征在于：所述光源阵列每个组成单元对应一个场镜阵列单元。

9.根据权利要求6所述的背光源阵列生成器，其特征在于：所述光源阵列与场镜阵列垂直距离满足：

其中，场镜阵列单元焦距为f₁，所述场镜阵列到光源阵列垂直距离为L₁，场镜阵列到权利要求1所述线性透镜阵列垂直距离为L′₁。