CN109036152A - 一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统 - Google Patents

一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统，包括反射式光学元件和透射式棱镜光学元件；其中，所述反射式光学元件覆盖于多屏幕拼接形成的拼缝前面，其顶角或者顶部延长线的夹角小于35o；所述透射式棱镜光学元件由多组棱镜构成，所述透射式棱镜光学元件平行与屏幕设置于所述反射式光学元件的正上方，其主要作用是与反射式光学元件共同配合利用折光的方式进一步扩大观看视角及平滑图像，使得拼接处的图像过渡自然，达到真正意义上的广角无缝拼接观看。本发明利用自主设计的光学元件，提出一种消除多屏幕拼接后产生拼缝的光学系统，该方案旨在实现一种超大观看视角的无缝拼接显示效果，并且在拼缝处观看的图像过度平滑且与拼缝附近的图像没有明显的亮度差异。

Description

一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统
技术领域
本发明涉及光学器件和系统设计技术领域，尤其涉及一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统。
背景技术
近年来，大尺寸LCD面板迅速发展，虽然大尺寸的LCD已经可以做到80寸甚至100寸，但在需要大屏幕显示的场合，仍然不能满足用户的需求。目前国内外大尺寸大屏幕拼接都是采用LCD，DLP等独立的显示单元进行简单的物理拼接而成，由于每个显示单元都是独立封装的，由于LCD驱动电路和工艺的原因，会产生一定宽度的拼缝。所以在显示器播放画面时，就会导致显示画面被分割，破坏了显示图像的连续性和完整性，严重影响观看体验。
现在国内外对此种拼缝的处理一般有两种：第一种是在显示单元边框添加LED点阵，这种方法成本较高，且不易量产，显示效果也不是很理想；第二种是通过弯曲玻璃达到折射效果，这种方法可实现的观看到无缝内容的可视角度较小，甚至在较大观看视角时会观看到放大的拼缝。这种弯曲的玻璃容易受到环境光的影响，观察者会通过弯曲玻璃部分较易观看到较亮的环境光从而影响视觉效果。
专利文献1(中国专利公开号CN108230913A)提出了一种新的方法来消除拼接屏的拼缝。该方法的光学结构由光学盖板和三棱柱形导光条组成，经过这两个部分的共同作用来实现消除拼缝的目的。然而该方法仍然存在一些没有解决的问题：
(1)人眼通过该方案中的三棱柱形导光条观看到的图像亮度将明显低于附近其他显示区域内容的亮度从而严重影响显示效果(即拼缝处观看到的图像亮度明显低于非拼缝处的图像亮度，这种现象在较大观看视角时更为明显)。为了改善这个问题，需要综合考虑显示器像素的光强分布与人眼生理视觉的特性来计算得到该三棱柱导光条顶角的取值范围，只有在这个范围之内才能够有效改善这个现象，然而该专利中并没有涉及这个问题。
(2)盖板的弯曲部分104起到了类似于凸透镜的放大作用，这个部分的弧度通常较大从而导致了整个盖板的厚度较厚，这就提高了整个盖板的加工难度和加工成本，使得整个系统的装配更加不易。另外，弯曲的部分容易受到环境光的影响，观察者会通过弯曲玻璃部分观看到较亮的环境光从而影响视觉效果。
发明内容
为了优化解决现有消除显示器拼缝方案的不足，本发明利用自主设计的光学元件，提出一种消除多屏幕拼接后产生拼缝的光学系统，该方案旨在实现一种超大观看视角的无缝拼接显示效果，并且在拼缝处观看的图像过度平滑且没有明显的亮度差异。本发明具体通过如下技术方案实现：
一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统，包括反射式光学元件和透射式棱镜光学元件；其中，所述反射式光学元件覆盖于多屏幕拼接形成的拼缝前面，所述反射式光学元件的顶角或者顶部延长线的夹角小于35°；所述透射式棱镜光学元件由多组棱镜构成，所述透射式棱镜光学元件平行与屏幕设置于所述反射式光学元件的正上方，其主要作用是与反射式光学元件共同配合利用折光的方式进一步扩大观看视角及平滑图像，使得拼接处的图像过渡自然，达到真正意义上的广角无缝拼接观看。
作为本发明的进一步改进，所述反射式光学元件的截面为三角形、多边形、圆弧形或者其他任意截面形状，并且所述反射式光学元件的表面都进行了反射处理。
作为本发明的进一步改进，所述反射式结构光学元件的表面的反射处理是指在其表面镀反射光学膜或者通过对表面抛光或者贴附具有反射能力的材料来实现反射光线效果的工艺。
作为本发明的进一步改进，所述反射式结构光学元件的底部宽度L2大于等于拼缝102的宽度L1，其高度L3的取值范围是：0～50mm。
作为本发明的进一步改进，所述透射式棱镜光学元件的宽度S2大于等于拼缝102的宽度L1。
作为本发明的进一步改进，所述透射式棱镜光学元件与拼缝的距离L5的取值范围是：0～50mm。
作为本发明的进一步改进，所述透射式棱镜光学元件由N层复合型的棱镜阵列组成，N大于等于1。
作为本发明的进一步改进，所述反射式结构光学元件103和透射式棱镜光学元件104-A之间的距离L4的取值范围是：0～50mm。
作为本发明的进一步改进，通过对拼缝两边的图像进行拉伸或者压缩处理来进一步提升图像在拼缝过度处的平滑性。
作为本发明的进一步改进，所述透射式棱镜光学元件通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶；或者，所述透射式棱镜光学元件采用热压成型的工艺制作，其材料是塑料树脂材料或者玻璃材料；或者，所述透射式棱镜光学元件采用传统的冷加工工艺制作，其材料是塑料树脂材料或者玻璃材料。
附图说明
图1是四块带有边框的显示器拼接而成的显示屏幕示意图；
图2是本发明的实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统的结构示意图；
图3是本发明的光学系统的光路分布图；
图4是反射式光学元件的光路分布图；
图5是对比灵敏度因数C的曲线图；
图6是像素发光强度曲线图；
图7是反射式光学元件的结构示意图；
图8是反射式结构光学元件几种优选结构示意图；
图9是透射式棱镜光学元件的光路分布图；
图10是透射式棱镜光学元件的俯视图；
图11是透射式棱镜光学元件的剖面图；
图12是反射式结构光学元件几种优选结构示意图；
图13(a)是本发明的光学系统的第一实施例结构示意图；
图13(b)是本发明的光学系统的第二实施例结构示意图；
图13(c)是本发明的光学系统的第三实施例结构示意图；
图13(d)是本发明的光学系统的第四实施例结构示意图；
图13(e)是本发明的光学系统的第五实施例结构示意图；
图13(f)是本发明的光学系统的第六实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，四块带有边框的显示器拼接而成的显示屏幕，其中101代表显示器的显示区域，102阴影部分表示显示器不可显示内容的边框，中间虚线方框中的区域K为两块显示器左右边框相连接的部分，即为拼缝，宽度为L1。当显示器做拼接后，播放显示内容时，显示器拼接区域K的存在导致画面分割，非常影响观看体验。
本发明提出的方案就是在显示器拼接处的前方覆盖设计的光学结构，使人眼在观看多显示器拼接而成的显示屏幕时，在视觉感官上将显示器拼接区域K形成的拼缝消除掉。其中，用于拼接的显示器可以是液晶显示器(LCD显示器)，也可以是等离子显示器(PDP显示器)，也可以是OLED显示器，也可以是背投显示器(DLP背投显示，LED背投显示等)，也可以是阴极射线管显示器等。
图2中，101为显示器的显示区域，102为显示器拼接时的拼缝，103为反射式光学元件，104-A是由多个棱镜组成的透射式棱镜光学元件，104-B是PET、PMMA等透明材料制作的光学板材或者膜材。
反射式光学元件103，其两侧为具有反射性质的表面。反射式光学元件103把拼接带来的拼缝完全覆盖，使人眼观察不到拼缝而是观看到显示器上的图像经过其反射后的内容。由多个棱镜组成的透射式棱镜光学元件104-A，它的作用主要有两个方面：其一是改善反射结构上图像内容与其他显示区域图像内容的平滑性；二是与反射结构共同配合利用折光的方式进一步扩大观看视角(即观看到消除拼缝且平滑无明显亮度差异内容的可视角度)，达到真正意义上的广角无缝拼接观看。
如图3所示为整体结构的光路分布图，拼缝102发出的光线被反射光学元件103完全遮挡，观察者无论以任何角度都不会观看到拼缝102。此时人眼在拼缝处观看到的图像是显示器上其他区域的图像经过103和104-A共同调制作用后的内容，例如图3中显示区域的像素Q发出的光线经过103和104-A的调制作用后进入了观察者的眼睛。观察者以不同视角在拼接处观察到的图像将是由显示器上不同显示区域上的像素通过103和104-A的调制作用后进入人眼的。
下面将进一步分析反射式光学元件103及透射式结构光学元件104-A的作用和参数。
图4为反射式光学元件103的光路分布图，拼缝102处的光线被其完全遮挡，因此观察者无论在任何角度都不会观察到拼缝102。观察者观看到的是经过其反射后的其他显示区域上的内容。为了保证至少在正对拼缝时，观察者在反射元件103上观看到的图像的亮度不明显低于附近其他显示区域，其顶角Φ的最大值应小于35度，否则观察者将看到反射结构上的图像和其附近的其他显示区域图像的亮度明显不同从而严重影响显示效果，下面将详细分析顶角的计算过程。
在人眼的视觉特性研究中，将人眼刚能分辨图像亮度差异时所对应的最小相对对比度数值称为对比灵敏度因数C，可用式(1)表示为：
其中P1、P2分别为两个图像区域的亮度，该比值的大小与亮度P1有关，图5给出了P1在取不同值时，该比值C的变化曲线。由于通常显示器的亮度为300nit左右，因此由图5可以看出此时C约为0.02。假设人眼通过反射式光学元件观看到的图像亮度为P2，观看到附近的其他显示区域图像的亮度为P1，为了在观看反射式元件上的图像和其附近其他显示区域上图像的亮度没有差异，应满足不等式(2)：
图6给出了一个像素的发光强度曲线图，其光强随着出射光线角度的变大而变弱，由于显示区域上的每一个像素都以不同的角度发射光线，因此出射角度越小的光线其发光强度越强，出射角度越大的光线其发光强度越弱，这就可能会导致人眼在大角度观看像素的亮度低于在小角度观察时的亮度。根据这个关系，如图4所示，像素M发出的光线以近似0度的出射角进入人眼，而像素Q发出的光线则以较大的出射角θ经过反射式光学元件103的反射后进入人眼，此时，由于人眼通过反射光学元件看的图像是由像素Q附近的区域A提供，而人眼看到的反射光学元件附近的图像是由像素M周围的区域B提供，这就可能导致人眼看到区域A的图像亮度低于区域B的图像亮度。从而严重影响最终的显示效果。由于图5给出的人眼感知的物理量是亮度，图6给出的是像素的发光强度，因此为了进一步分析，这里给出了发光光强I和发光亮度P之间的关系式：
上式中，ds是发光面元，θ是图4中像素Q发出光线的出射角度。将公式(3)代入到不等式(2)中并经过简化后可以得到不等式(4)：
I＜0.98cosθ (4)
结合图6的像素发光强度曲线图可知，当θ＝35°时，I＝0.8(归一化强度)，满足不等式(4)，因此当θ＜35°时，人眼就不会察觉到上文提到的图4中区域A和区域B中图像的亮度差异。
以图4中的像素Q为例，假设出射角θ＝35°，则为了保证至少人眼正对拼缝时(即至少0度视角)不观看到明显的亮度差异，那么像素Q发出的35度的光线经过反射式元件103的反射后出射角应当大于0度，则根据图中的几何关系可以推导得出，此时反射光学元件的顶角Φ＜35°，由此计算得到了反射光学元件103的顶角的取值范围应当是0°＜Φ＜35°。
图7给出了反射式光学元件103的各个视角的示意图，其高度的取值范围是：0mm＜L3＜50mm，其底部宽度的取值范围是：L2≥L1(L1是拼缝的宽度)。其顶角的取值范围是：0°＜Φ＜35°，表1示出了顶角Φ的优选角度。
表1顶角Φ的优选角度
1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10°
11° 12° 13° 14° 15° 16° 17° 18° 19° 20°
21° 22° 23° 24° 25° 26° 27° 28° 29° 30°
31° 32° 33° 34°
在加工中，反射式结构光学元件可以采用数控CNC或其他精加工工艺来制作，其材料可以是金属铝(AI)，金属铜(Cu)，复合金属等各类金属材料。也可以通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶，所使用UV胶的折射率没有限定。此外，还可以用热压成型的工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如PMMA、PC、COC、POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃、火石玻璃、重冕玻璃、重火石玻璃或是LA系玻璃等)；反射式光学元件的侧面要分别做反射处理来达到对光线反射调制的效果。其中，反射处理可以通过镀反射光学膜的方式或者贴附具有反射能力的材料来实现，对于金属等材料，也可以通过对表面抛光等工艺来达到反射光线的效果。
图8给出了反射式结构光学元件的几种优选情况，从图中可以看出结构既可以是空心的也可以是实心的，其顶角或者顶部延长线的夹角Φ＜35°，优选角度如表1所示，底部宽度L2≥L1(L1是拼缝的宽度)，高度的取值范围是：0mm＜L3＜50mm。
需要说明的是，上面提到的几种反射式结构光学元件仅仅是一些优选例，并不是限制该结构的其他可能的形状，实际上，只要反射式光学元件能够覆盖住拼缝，并使元件两侧面达到反射光线的效果，且顶角或其顶部的延长线的夹角小于35度的任意形状都在本发明的保护范围之内。
透射式棱镜光学元件由多个棱镜单元组成，这部分结构的作用主要有两个：(1)与反射结构共同配合利用折光的方式进一步扩大观看视角(即观看到消除拼缝且平滑无明显亮度差异内容的可视角度)；(2)改善反射结构上图像内容与其他显示区域图像内容的平滑性。
根据上面部分的分析可以得知，当反射结构元件的顶角Φ＝35°时，像素Q发出的出射角θ＝35°的光线S经过反射式光学元件103的反射后出射角(与竖直方向的夹角)为0度；当反射结构元件的顶角Φ＝0°时，像素Q发出的光线S经过反射式光学元件103的反射后出射角为35度，这意味着能够观察到无明显亮度差异的无缝拼接显示内容的可视角度为0°～70°(两边对称)。因此，为了进一步增大这个可视角度的范围，应当增大光线S的出射角。为了达到这个目的，本发明在反射式光学元件103的前方加入了棱镜阵列104-A，如图9所示，像素Q发出的出射角θ＝35°的光线S经过反射式光学元件103的反射后其出射角较小(与竖直方向的夹角)，但经过棱镜阵列104-A的折射作用后就增大了光线S的出射角，即增大了能够观察到无明显亮度差异的无缝拼接显示内容的可视角度。
另外，如果不加入透射式棱镜光学元件104-A，人眼将直接看到反射式光学元件103，这会在视觉上显得十分突兀，而且反射式元件上的图像与其附近显示区域的图像的连接性和平滑性都不理想，因此，在反射式元件103前方加入透射式棱镜光学元件104-A能够很好的改善拼接处区域图像的平滑性。
图10是透射式棱镜光学元件的俯视图，其中，S2为透射式棱镜光学元件的口径，其范围是50mm＞S2≥L1(L1为拼缝宽)。
图11为透射式棱镜光学元件结构的细节参数，C1为每个锯齿的深度，其范围是10mm＞C1＞0。C2是每个锯齿的宽度，其范围是10mm＞C2＞0。三个角ε1、ε2、ε3之间的相互关系是ε1+ε2+ε3＝180°。在加工中，透射式棱镜光学元件可以通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶，所使用UV胶的折射率没有限定。此外，还可以用热压成型的工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC，COC，POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)；也可以采用传统的冷加工工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC，COC，POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)；可以在表面镀各种光学膜(例如增透减反膜)来改元件的光学性能。
本发明中提及的透射式棱镜光学元件104-A可以有多种变化形式，可以是单层结构也可以是多层的复合结构，如图12所示。
其中，S2为透射式棱镜光学元件的口径，其范围是S2≥L1(L1为前文拼缝宽)。在加工中，透射式棱镜光学元件可以通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶，所使用UV胶的折射率没有限定。此外，还可以用热压成型的工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC，COC，POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)；也可以采用传统的冷加工工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC，COC，POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)；可以在表面镀各种光学膜(例如增透减反膜)来改元件的光学性能。
需要说明的是，图12只是给出了几种透射式棱镜光学元件104-A的优选例，并不是对其进行限制，任何本领域人不付出创造性劳动的改进都属于本发明专利所保护的范围。
以上各部分主要分析了本发明中光学结构的两个光学部分的主要功能、参数范围及各种可能的变形。本发明的光学结构由反射式光学元件和透射式光学元件共同组成，其中反射式光学元件和透射式光学元件可以是以上提到的各种变形，图13(a)～图13(f)给出了本发明中光学结构的几种组合形式，但并不是对其进行限制，实际上本发明的光学结构可以由图8中所示的多种反射光学元件与图12中所示的多种透射式棱镜光学元件进行自由组合而成，任何本领域人不付出创造性劳动的改进都属于本发明专利所保护的范围。
最后需要说明的一点是：还可以通过对拼缝两侧的图像进行拉伸或者压缩处理来配合本发明提出的光学结构实现无缝平滑的显示。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统，其特征在于：所述系统包括反射式光学元件和透射式棱镜光学元件；其中，所述反射式光学元件覆盖于多屏幕拼接形成的拼缝前面，所述反射式光学元件的顶角或者顶部延长线的夹角小于35°；所述透射式棱镜光学元件由多组棱镜构成，所述透射式棱镜光学元件平行与屏幕设置于所述反射式光学元件的正上方，其主要作用是与反射式光学元件共同配合利用折光的方式进一步扩大观看视角及平滑图像，使得拼接处的图像过渡自然达到真正意义上的广角无缝拼接观看。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述反射式光学元件的截面为三角形、多边形、圆弧形或者其他任意截面形状，并且所述反射式光学元件的表面都进行了反射处理。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述反射式结构光学元件的表面的反射处理是指在其表面镀反射光学膜或者通过对表面抛光或者贴附具有反射能力的材料来实现反射光线效果的工艺。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述反射式结构光学元件的底部宽度L2大于等于拼缝102的宽度L1，其高度L3的取值范围是：0～50mm。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述透射式棱镜光学元件的宽度S2大于等于拼缝102的宽度L1。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于；所述透射式棱镜光学元件与拼缝的距离L5的取值范围是：0～50mm。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述透射式棱镜光学元件由N层复合型的棱镜阵列组成，N大于等于1。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述反射式结构光学元件103和透射式棱镜光学元件104-A之间的距离L4的取值范围是：0～50mm。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：通过对拼缝两边的图像进行拉伸或者压缩处理来进一步提升图像在拼缝过度处的平滑性。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述透射式棱镜光学元件通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶；或者，所述透射式棱镜光学元件采用热压成型的工艺制作，其材料是塑料树脂材料或者玻璃材料；或者，所述透射式棱镜光学元件采用传统的冷加工工艺制作，其材料是塑料树脂材料或者玻璃材料。
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