CN110082960B - 一种基于高亮分区背光的光场显示装置及其光场优化算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维显示技术领域，具体涉及一种基于高亮分区背光的光场显示装置及其光场优化算法，包括高亮分区背光模块和空间光调制阵列，空间光调制阵列包括若干层液晶层，高亮分区背光模块和若干层液晶层依次等距排列，若干层液晶层和高亮分区背光模块均与计算机连接。本发明的实质性效果是：1、本发明采用高亮分区背光，通过双自由曲面透镜提高发光单元的有效发光亮度；2、本发明通过像素点透过率和背光模块发光强度相结合的方式重建目标光场，增加了调控光线的手段，提高了图像质量。

Description

一种基于高亮分区背光的光场显示装置及其光场优化算法

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，具体涉及一种基于高亮分区背光的光场显示装置及其光场优化算法。

背景技术

与传统二维显示相比，三维显示能够提供显示物体的深度信息，能够客观描述真实世界，因此获得了广泛关注。光场显示实现三维显示主流方法之一，能提供双目视差、运动视差、物体间的遮挡关系，更加真实地再现三维世界。目前光场显示主要有集成成像和多投影阵列。然而它们都存在各种缺陷，例如分辨率低、成本高以及清晰度不高等问题。虽然基于多层液晶的光场显示能够有效解决上述问题，但因为液晶透过率低，液晶屏层叠数量不能超过三层。背光模块发光单元无法独立控制，发光强度均等，因此只能通过调控液晶透过率来调制光线，限制了调控光线的手段，所以仍存在亮度低、图像质量不高等问题。

如中国专利CN106647094A，公开日2017年5月10日，一种光场显示装置，该光场显示装置包括多组成像模组，每组所述成像模组包括一液晶透镜阵列和一显示屏，所述液晶透镜阵列设置于所述显示屏的出光侧，其中，所述多组成像模组的成像彼此平行。其技术方案可以降低显示屏和液晶透镜阵列的刷新频率要求，从而降低响应时间要求。但其不能解决光场显示分辨率低和清晰度不高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前多层液晶光场显示存在的亮度低、图像质量不高的技术问题。提出了一种能够提高清晰度的立体显示更逼真的基于高亮分区背光的光场显示装置及其光场优化算法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于高亮分区背光的光场显示装置，包括计算机，还包括高亮分区背光模块和空间光调制阵列，所述空间光调制阵列包括若干层液晶层，所述高亮分区背光模块和若干层液晶层依次等距排列，所述若干层液晶层和高亮分区背光模块均与计算机连接；所述计算机执行以下步骤：A1)根据目标立体图像帧构建重建光线；A2)根据重建光线确定高亮分区背光模块的每个发光点亮度以及每层液晶层的像素点的透过率；A3)重复步骤A1至A2，更新立体图像帧的显示。

作为优选，所述高亮分区背光模块包括若干个发光单元，所述若干个发光单元的数量和排列与液晶层的像素分辨率对应，所述发光单元为LED、miniLED或microLED中的一种。

作为优选，所述发光单元覆有双自由曲面透镜。

一种光场优化算法，适用于如前述的一种基于高亮分区背光的光场显示装置，包括以下步骤：B1)设定观看区域，设定若干个预设观看点，将预设观看点坐标输入计算机；B2)根据目标立体图像和预设观看点，确定有效光线，所述有效光线指传播方向能够到达至少一个预设观看点的光线I，第i条有效光线表示为l_i，其光强表示为I_i；B3)确定每条有效光线在高亮分区背光模块的发光点坐标(x_b,y_b)，以及经过每层液晶层的像素的坐标(k,x_k,y_k)，其中k表示第k层液晶层；B4)建立重建光线I'，重建光线I'的方向由其所在高亮分区背光模块的发光点坐标(x_b,y_b)以及经过的每层液晶层的像素的坐标(k,x_k,y_k)确定，重建光线I'的光强由下式确定：

其中，

为高亮分区背光模块发光点的发光强度，f(k,x_k,y_k)表示第k层液晶层上坐标为(x_k,y_k)的像素点的透过率，N为液晶层总数量；B5)建立优化目标函数：

其中，T为有效光线总数量；B6)根据步骤B4中的重建光线I'的光强的计算式和步骤B5中的优化目标函数，确定每个目标立体图像帧下，高亮分区背光模块每个发光点的强度和每层液晶层中每个像素点的透光率。

本发明的实质性效果是：1、本发明采用高亮分区背光，通过双自由曲面透镜提高发光单元的有效发光亮度；2、本发明通过像素点透过率和背光模块发光强度相结合的方式重建目标光场，增加了调控光线的手段，提高了图像质量。

附图说明

图1为实施例一光场显示装置结构示意图。

图2为实施例一目标光线示意图。

图3为实施例一重建光线示意图。

图4为实施例一光场优化算法流程框图。

其中：1、计算机，2、空间光调制阵列，3、高亮分区背光模块，4、预设观看点，5、液晶层。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于高亮分区背光的光场显示装置，如图1所示，本实施例包括依次等间距排列的高亮分区背光模块3和三层液晶层5，以及计算机1。三层液晶层5构成空间光调制阵列2。高亮分区背光模块3和若干层液晶层5均与计算机1连接。计算机1运行三维光场算法，求解每层液晶层5的透光率以及高亮分区背光模块3的发光强度，实现光场重建和图像源输出。第一层液晶层5离观看者最近，第三层液晶层5离观看者最远，液晶层5的像素分辨率为1024×768，高亮分区背光模块3的发光点数量与液晶层5匹配，也为1024×768。高亮分区背光模块3具有以下特点：一、能提供更高亮度，与传统背光相比，背光亮度可由129620Nit提高到362533Nit，提升了180％；二、将高亮背光模块分为1024×768个单元，每个单元独立控制，可发出不同光强的光线。

通过计算机1获得有效光线，然后借助空间光调制器阵列和高亮分区背光模块3重建有效光线，如图4所示，其具体步骤如下：

1)根据立体目标和观看区域确定有效光线传播方向和光强，在观看区域取25个预设观看点4，则有效光线数量T＝1024×768×25；

2)如图2所示，计算机1计算每条有效光线经过背光模块和每块液晶层5的位置，假设光线l_i光强为I_i，经过背光模块坐标为(x_b，y_b)和空间光调制器阵列每层液晶层5坐标为(1，x₁，y₁)，(2，x₂，y₂)，(3，x₃，y₃)；

3)如图3所示，根据光线l_i重建光线l′_i，l_i和l′_i传播方向相同，则l′_i经过坐标(x_b，y_b)，(1，x₁，y₁)，(2，x₂，y₂)，(3，x₃，y₃)，l′_i的发光强度可表示为：

I′_i表示l′_i的光强，有效光线l_i和重建光线l′_i的传播方向相同，

表示背光模块坐标为(x_b，y_b)发光强度，

表示第1层液晶层5坐标为(x₁，y₁)像素点的透过率，

表示第2层液晶层5坐标为(x₂，y₂)像素点的透过率，

表示第3层液晶层5坐标为(x₃，y₃)像素点的透过率；

4)同时若要获得最佳的立体效果，需满足另一条件，即

5)联立步骤(3)和步骤(4)中的计算式，可获得背光模块发光强度分布和每层液晶层5像素点的透过率，将其保存为四幅分辨率1024×768的二维图像。

通过本发明装置再现立体目标时，只需通过计算机1将代表背光模块发光强度分布的二维图像和代表每层液晶层5透过率的二维图像分别传送到背光模块和对应的液晶层5。当背光模块和三层液晶层5协同工作时，观看者就能感受到逼真的三维效果。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (2)

1.一种基于高亮分区背光的光场显示装置，包括计算机，其特征在于，

还包括高亮分区背光模块和空间光调制阵列，所述高亮分区背光模块包括若干个发光单元，所述若干个发光单元的数量和排列与液晶层的像素分辨率对应；

所述发光单元上覆有双自由曲面透镜；所述空间光调制阵列包括若干层液晶层，所述高亮分区背光模块和若干层液晶层依次等距排列，所述若干层液晶层和高亮分区背光模块均与计算机连接；

设定观看区域，设定若干个预设观看点，将预设观看点坐标输入计算机；

所述计算机执行以下步骤：

A1)根据目标立体图像帧构建重建光线；

根据目标立体图像和预设观看点，确定有效光线，所述有效光线指传播方向能够到达至少一个预设观看点的光线I，第i条有效光线表示为l_i，其光强表示为I_i；

A2)根据重建光线确定高亮分区背光模块的每个发光点亮度以及每层液晶层的像素点的透过率；

确定每条有效光线在高亮分区背光模块的发光点坐标(x_b,y_b)，以及经过每层液晶层的像素的坐标(k,x_k,y_k)，其中k表示第k层液晶层；

建立重建光线I'，重建光线I'的方向由其所在高亮分区背光模块的发光点坐标(x_b,y_b)以及经过的每层液晶层的像素的坐标(k,x_k,y_k)确定，重建光线I'的光强由下式确定：

其中，

为高亮分区背光模块发光点的发光强度，f(k,x_k,y_k)表示第k层液晶层上坐标为(x_k,y_k)的像素点的透过率，N为液晶层总数量；

建立优化目标函数：

其中，T为有效光线总数量；

根据重建光线I'的光强的计算式和优化目标函数，使用优化算法，确定每个目标立体图像帧下，高亮分区背光模块每个发光点的强度和每层液晶层中每个像素点的透光率；

A3)重复步骤A1至A2，更新立体图像帧的显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于高亮分区背光的光场显示装置，其特征在于，所述发光单元为LED、miniLED或microLED中的一种。

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