CN111273457A - 基于投影光学引擎的指向光源裸眼3d显示器和显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器和显示方法。该基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器包括：背光源模块，包括投影光学引擎以投射第一条纹组和第二条纹组；反射模块，用于漫反射第一条纹组或第二条纹组；光学膜层模块，用于形成第一光束和第二光束；图像显示模块；人眼检测模块；同步与控制模块，控制图像显示模块加载左眼图像时投射第一条纹组，加载右眼图像时投射第二条纹组。本发明基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器和显示方法是利用投影光学引擎投射第一条纹组和第二条纹组，图像显示模块加载左眼图像和右眼图像以形成3D图像显示，可以降低光学元件的要求，提高3D显示的视角。

Description

基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器和显示方法

技术领域

本发明涉及一种裸眼3D显示器，属于显示技术领域，尤其涉及一种基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器和显示方法。

背景技术

在无需佩戴头盔和眼镜的情况下，裸眼3D显示的图像是立体的。裸眼3D显示技术主要是通过“视差创造立体”。大脑通过视差图像的融合来实现立体视觉。在技术分类上，裸眼3D显示技术主要包括全息显示、体三维显示、集成成像、自由立体显示技术。

目前，自由立体显示技术是相对比较成熟的。自由立体显示技术主要光栅式裸眼3D显示技术(Barrier)、柱透镜式裸眼3D显示技术(Lenticular)、指向光源式(Directionalbacklight)裸眼3D显示技术等3种。其中，光栅式裸眼3D显示技术和柱透镜式裸眼3D显示技术，是由光栅或者柱透镜等3D光学结构精密贴合显示面板前面形成。其屏幕分辨率至少下降1半，亮度下降1半。

指向光源裸眼3D显示，主要是通过将“3D光学结构”贴合在显示面板后面(而不是显示面板前面)，控制左右眼视差图像光束的出射方向，实现将左右眼图像分别投射到观察者的左右眼中。图像显示层显示左眼画面时，对应左眼视区的光源开启，然后通过指向背光膜层向左眼投射光束，右眼亦然。由于指向背光采用时分复用的方式显示图像，因此，每一个画面都能保持完整的屏幕分辨率，而不会以液晶面板的一半分辨率显示单只眼睛的图像。

指向光源裸眼3D技术的开发单位主要有3M公司和Eizo公司。3M公司主要利用2组LED和特制棱镜膜，配合高速的LCD面板，以时分的方式投射3D图像。而Eizo公司主要利用LED光源和自由曲面镜面，配合高速的LCD面板，形成3D效果。但是上述的这2种技术所涉及的特制棱镜膜和自由曲面镜面制造工艺难度高，导致系统的串扰率大，视角小。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，可以在3D显示器的光学元件的制造工艺较低的情况下保持较高的视角。

本发明的另一目的是提供一种上述基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器的显示方法。

一种基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其结构包括：

背光源模块，包括投影光学引擎，所述投影光学引擎用于投射对应于左眼的第一条纹组和对应于右眼的第二条纹组；

反射模块，用于漫反射所述背光源模块投射的第一条纹组或第二条纹组；

光学膜层模块，用于将所述第一条纹组形成指向所述左眼的第一光束，以及将所述第二条纹组形成指向所述右眼的第二光束；

图像显示模块，用于交替加载左眼图像和右眼图像；

人眼检测模块，用于检测左眼视区和右眼视区的位置信息；

同步与控制模块，用于根据所述人眼检测模块检测的位置信息控制所述背光源模块和所述图像显示模块；

所述同步与控制模块控制所述图像显示模块加载左眼图像时，根据所述左眼视区的位置信息控制所述背光源模组投射第一条纹组，使得所述第一条纹组经过所述反射模块和光线膜层模块形成第一光束透射过所述图像显示模块形成左眼图像序列投射至所述左眼视区；所述同步与控制模块控制所述图像显示模块加载右眼图像时，根据所述右眼视区的位置信息控制所述背光源模组投射第二条纹组，使得所述第二条纹组经过所述反射模块和光线膜层模块形成第二光束透射过所述图像显示模块形成右眼图像序列投射至所述右眼视区。

优选地，所述投影光学引擎以大于或等于100Hz的频率交替投射所述第一条纹组和第二条纹组。

优选地，所述投影光学引擎的投射比小于或等于0.4。

优选地，所述投影光学引擎根据所述反射模块的形状、左眼视区和右眼视区的位置信息调制所述第一条纹组和第二条纹组，使得所述第一条纹组和第二条纹组的面积沿远离所述图像显示模块中心的方向递增。

优选地，所述左眼视区的移动方向与所述第一条纹组的移动方向相反，以及，所述右眼视区的移动方向与所述第二条纹组的移动方向相反。

优选地，所述第一条纹组与所述左眼视区一一对应，所述第二条纹组与所述右眼视区一一对应。

优选地，所述反射模块为平面反射件或者多边形的光学反射件或者弧形阵列组成的光学反射件。

优选地，所述光学膜层模块包括菲涅尔透镜阵列或者柱透镜阵列。

优选地，所述同步与控制模块通过获取所述背光源模块投射所述第一条纹组和第二条纹组的时间戳，根据所述时间戳控制所述图像显示模块刷新所述左眼图像和右眼图像。

一种基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示方法，包括以下步骤：

投影光学引擎根据左眼视区的位置信息投射第一条纹组，所述第一条纹组依次经反射模块和光学膜层模块形成指向左眼视区的第一光束；在图像显示模块加载左眼图像时，所述第一光束透射图像显示模块形成左眼图像序列投射至所述左眼视区；

投影光学引擎根据右眼视区的位置信息投射第二条纹组，所述第二条纹组依次经反射模块和光学膜层模块形成指向左眼视区的第二光束；在图像显示模块加载右眼图像时，所述第二光束透射图像显示模块形成右眼图像序列投射至所述右眼视区；

交替投射所述左眼图像序列和所述右眼图像序列以形成3D图像。

与现有技术相比，上述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器和显示方法利用投影光学引擎作为光源投射第一条纹组和第二条纹组，图像显示模块作为图像源加载左眼图像和右眼图像，第一条纹组在图像显示模块加载左眼图像透射图像显示模块形成左眼图像序列以及第二条纹组透射加载右眼图像时的图像显示模块形成右眼图像序列以形成3D图像显示，使得显示器的图像源和光源机构分离，可以分别独立控制，可以降低光学元件的要求，实现一个投影光学引擎即可实现裸眼3D效果。同时，人眼移动到新的空间位置时，也可以实时的将裸眼3D图像透射过去，增大了3D显示的视角。

而且，使用投影光学引擎和反射模组取代了现有的指向光源裸眼3D显示技术中所使用的LED光源，也可以降低裸眼3D显示器的成本，使得裸眼3D显示器的结构更简单。

附图说明

图1是基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器在实施例1的结构示意图。

图2是基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器在实施例2的结构示意图。

图3是基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器在实施例3的结构示意图(投射左眼状态)。

图4是实施例3中反射模块和背光源模块在投射左眼的示意图。

图5是实施3示出的指向光源裸眼3D显示器投射右眼的示意图。

图6是实施例3中反射模块和背光源模块在投射右眼的示意图。

图7是人在新的位置时裸眼3D显示器的投射左眼的示意图。

图8是人在新的位置时裸眼3D显示器的投射右眼的示意图。

图9是投影光学引擎和图像刷新的同步控制时序图。

图中：

11-背光源模块；12-反射模块；13-光学膜层模块；14-图像显示模块；15-人眼检测模块；16-同步与控制模块；17-观察者；21-亮条纹；22-暗条纹。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

图1是基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器在实施例1的结构示意图。如图1所示，基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器包括背光源模块11、反射模块12、光学膜层模块13、图像显示模块14、人眼检测模块15、同步与控制模块16。该指向光源裸眼3D显示器通过交替向左眼投射左眼图像序列和向右眼投射右眼图像序列，使得观察者17得以获取3D显示效果。

背光源模块11包括投影光学引擎，投影光学引擎优选为超短焦投影光学引擎，可以位于光学膜层模块13和图像显示模块14的正下方。如图2和图3所示，投影光学引擎也可以位于光学膜层模块13和图像显示模块14的上方、左方和右方。为了有效的缩减3D显示器的厚度，所述投影光学引擎的投射比小于或等于0.4，用于以大于或等于100Hz的频率交替投射对应于左眼的第一条纹组和对应于右眼的第二条纹组作为指向光源裸眼3D显示器的光源。其中，第一条纹组和第二条纹组为灰度条纹组，即包括黑色和白色条纹的图像。在一个观察者17观看时，第一条纹组和第二条纹组的数量为一组。在存在多个观察者17的情况时，背光源模块11同时投射出多组所述第一条纹组，并且每组所述第一条纹组分别与观察者17的左眼所在的所述左眼视区一一对应，即一组第一条纹组对应于一个观察者17的左眼所在的左眼视区；同样，在存在多个观察者17的情况时，背光源模块11同时投射出多组所述第二条纹组，并且每组所述第二条纹组分别与观察者17的右眼所在的所述右眼视区一一对应，即一组第二条纹组对应于一个观察者17的右眼所在的右眼视区。

所述投影光学引擎根据所述反射模块12的形状、左眼视区和右眼视区的位置信息调制所述第一条纹组和第二条纹组，使得所述第一条纹组和第二条纹组的面积沿远离所述图像显示模块14中心的方向递增。背光源模块11虽然是投影光学引擎，但是背光源模块11仅仅作为光源使用，而不需要作为图像源使用，因此，背光源模块11无需像其他投影式裸眼3D显示器那样需要投射出彩色的图像源。

反射模块12位于3D显示器的后方，并且与背光源模块11存在一定的距离，用于漫反射所述背光源模块11投射的第一条纹组或第二条纹组。所述反射模块12为平面反射件(如图1所示)或者多边形的光学反射件或者弧形阵列＝(如图3所示)组成的光学反射件。

光学膜层模块13位于反射模块12的前方(靠近图像显示模块14的方向)，并且位于图像显示模块14的后方(靠近反射模块12的方向)光学膜层模块13与反射模块12之间保持一定的距离，该距离与光学膜层模块13的焦距和视区位置有关。光学膜层模块13是由透镜组组成的光学膜层。在一些实施方式中，所述光学膜层模块13包括菲涅尔透镜阵列或者柱透镜阵列。光学膜层模块13中的每一个透镜，能够将反射模块12漫反射出来的光束，重新汇聚，并向眼睛所在的特定视区位置，形成定向性的传播。

这样，光学膜层模块13可以将所述第一条纹组形成指向所述左眼的第一光束，以及将所述第二条纹组形成指向所述右眼的第二光束。此时，第一光束和第二光束并不具备任何3D图像信息，仅仅是具有灰度信息的光束。

图像显示模块14位于光学膜层模块13的前方(远离背光源模块11的方向)，用于交替加载左眼图像和右眼图像。经过光学膜层模块13重新汇聚的第一光束和第二光束可以穿过该图像显示模块14形成3D图像信息。3D图像信息由左眼图像序列和右眼图像序列构成。左眼图像序列和右眼图像序列以大于等于100Hz的速度交替刷新。这一过程使得第一光束和第二光束光束，变成了具有3D图像信息的光束，分别指向观察者17的左眼和右眼，使得观察者17的左眼获得左图像序列，右眼获得右图像序列，从而使得观察者17获得3D显示视觉效果。

人眼检测模块15用于检测左眼视区和右眼视区的位置信息，即检测左眼所在的左眼视区的三维空间坐标和右眼所在的右眼视区的三维空间坐标。

同步与控制模块16连接背光源模块11、图像显示模块14和人眼检测模块15，用于根据所述人眼检测模块15检测的位置信息控制所述背光源模块11和所述图像显示模块14，实现超短焦投影光学引擎的第一条纹组和第二条纹组与图像显示模块14的彩色图像稳定的同步刷新。在一个实施例中，同步与控制模块16是以FPGA为核心的电路控制系统，通过获取所述图像显示模块14的视差图像刷新的时间戳，并利用这个时间戳的数据，精确的控制投影光学引擎，根据所述时间戳控制所述背光源模块11投射所述第一条纹组和第二条纹组。

在另一个实施例中，同步与控制模块16是以FPGA为核心的电路控制系统，通过获取投影光学引擎光束透射的投射所述第一条纹组和第二条纹组的时间戳，并利用这个时间戳的数据，精确的控制液晶面板视差图像的刷新，即根据所述时间戳控制所述图像显示模块14刷新所述左眼图像和右眼图像。在一个具体的实施例中(参考图3)，当人眼检测模块15检测到用户时，同步与控制模块16开始控制超短焦投影光学引擎投射的条纹灰度图像与图像显示模块14的3D视差图像以固定的时间间隔同步刷新。

下面详细描述上述实施方式涉及的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器的工作过程。

所述同步与控制模块16控制所述图像显示模块14加载左眼图像时，根据所述左眼视区的位置信息控制所述背光源模组投射第一条纹组，使得所述第一条纹组经过所述反射模块12和光线膜层模块形成第一光束透射过所述图像显示模块14形成左眼图像序列投射至所述左眼视区。

图4是实施例3中反射模块12和背光源模块11在投射左眼的示意图。如图3和图4所示，当人眼检测模块15检测返回观察者17的左眼的位置信息，当图像显示模块14播放左眼图像时，同步与控制模块16控制背光源模块11投射一组经过调制的第一条纹组。该第一条纹组为明暗交替的条纹组，包括亮条纹21(有光照射的位置)和暗条纹22(无光照射的位置)。亮条纹21经过反射后，在光学膜层模块13的帮助下形成指向性的第一光束，在透射穿过图像显示模块14的过程中，加载3D图像中的左眼图像使得第一光束形成左眼图像序列，然后投射到左眼所在的左眼区域。

所述同步与控制模块16控制所述图像显示模块14加载右眼图像时，根据所述右眼视区的位置信息控制所述背光源模组投射第二条纹组，使得所述第二条纹组经过所述反射模块12和光线膜层模块形成第二光束透射过所述图像显示模块14形成右眼图像序列投射至所述右眼视区。

图5是实施3示出的指向光源裸眼3D显示器投射右眼的示意图，图6是实施例3中反射模块12和背光源模块11在投射右眼的示意图。当人眼检测模块15检测返回观察者17的右眼的位置信息时，图像显示模块14加载右眼图像，同步与控制模块16控制背光源模块11投射一组经过调制的第二条纹组。

亮条纹21被投射在反射模块12白色示出的条纹，暗条纹22则被表示为黑色的条纹。亮条纹21经过反射后，经光学膜层模块13聚合后，形成指向性的第二光束。第二光束透射穿过图像显示模块14的过程中，加载3D图像中的右眼图像使得第二光束形成右眼图像序列，然后投射到右眼所在的右眼区域。

为了提高显示的亮度均匀性，投射到反射模块12的亮条纹21和暗条纹22，需要根据反射模块12的形状、投射位置进行调制。优选地，亮条纹21和暗条纹22的面积沿远离图像显示模块14的中心的方向递增，即越靠近图像显示模块14的中心的投射位置，投射的条纹面积越小；越远离屏幕中心的投射位置，投射的条纹面积越大。

在图3-6所示中，各亮条纹21形成的组对应一个视区位置。因此，所有亮条纹21的透射和调制是指根据视区位置的不同，同步和控制模块可以改变第一条纹组和第二条纹组中每一条灰度条纹的位置、亮度和形状。每个视区对应的第一条纹组和第二条纹组都是不同的，不同的第一条纹组和第二条纹组都是被同步与控制模块16统一控制的。

图7是人在新的位置时裸眼3D显示器的投射左眼的示意图。如图7所示，当人眼检测模块15检测到观察者17发生移动时，或者观察者17出现在新的位置时，人眼检测模块15获得左眼和右眼的位置信息后，当图像显示模块14播放左眼图像时，同步与控制模块16控制背光源模块11投射一组经过调制的第一条纹组。

第一条纹组被投射在反射模块12(如图7所示的条纹，暗条纹22表示为黑色，亮条纹21表示为白色)，亮条纹21经过反射后，在光学膜层模块13的聚合作用下形成指向性的第一光束，第一光束透射穿过图像显示模块14的过程中，在透射穿过图像显示模块14的过程中，加载3D图像中的左眼图像使得第一光束形成左眼图像序列，然后投射到左眼所在的左眼区域。

图8是人在新的位置时裸眼3D显示器的投射右眼的示意图。如图8所示，当图像显示模块14播放右眼图像时，亮条纹21则应投射在反射模块12。第二条纹组被投射在反射模块12(如图8所示的条纹中，暗条纹22表示为黑色，亮条纹21表示为白色)，亮条纹21经过反射后，在光学膜层模块13的聚合作用下形成指向性的第二光束，第二光束透射穿过图像显示模块14的过程中，在透射穿过图像显示模块14的过程中，加载3D图像中的右眼图像使得第二光束形成右眼图像序列，然后投射到右眼所在的右眼区域。

所述左眼视区的移动方向与所述第一条纹组的移动方向相反，以及，所述右眼视区的移动方向与所述第二条纹组的移动方向相反。

最后，交替投射所述左眼图像序列和所述右眼图像序列以形成3D图像。

图9是投影光学引擎和图像刷新的同步控制时序图。在同步与控制方面，如图9所示，t2为投影光学引擎投射第二条纹组的刷新时间，t1为投影光学引擎投射第一条纹组的刷新时间，T2为图像显示模块显示右眼图像的刷新时间，T1为图像显示模块显示左眼图像的刷新时间。同步与控制模块16开始控制投影光学引擎投射的第一条纹组和第二条纹组与图像显示模块14的3D视差图像以固定的时间间隔同步刷新，这个同步刷新可是同时刷新，也可以是保持一个稳定的时间间隔△t刷新。△t可以等于0，也可以大于0。如图9所示，为了防止和降低串扰，当左眼图像序列刷新时，投影光学引擎的第二条纹组是不会投射和刷新。第二条纹组在左眼图像序列刷新和保留之外的时刻投射。当右眼图像序列刷新时，投影光学引擎第一条纹组是不会投射和刷新。第一条纹组在右眼图像序列刷新和保留之外的时刻投射。

上述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器和显示方法利用投影光学引擎作为光源投射第一条纹组和第二条纹组，图像显示模块14作为图像源加载左眼图像和右眼图像，第一条纹组在图像显示模块14加载左眼图像透射图像显示模块14形成左眼图像序列以及第二条纹组透射加载右眼图像时的图像显示模块14形成右眼图像序列以形成3D图像显示，使得显示器的图像源和光源机构分离，可以分别独立控制，实现一个投影光学引擎即可实现单人和多人裸眼3D效果。多人的情况下，则可以同步投射出多组条纹组。同时，人眼移动到新的空间位置时，也可以实时的将裸眼3D图像透射过去，增大了3D显示的视角。

而且，使用投影光学引擎和反射模组取代了现有的指向光源裸眼3D显示技术中所使用的LED光源，也可以降低裸眼3D显示器的成本，使得裸眼3D显示器的结构更简单。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于其包括：

背光源模块，包括投影光学引擎，所述投影光学引擎用于投射对应于左眼的第一条纹组和对应于右眼的第二条纹组；

反射模块，用于漫反射所述背光源模块投射的第一条纹组或第二条纹组；

光学膜层模块，用于将所述第一条纹组形成指向所述左眼的第一光束，以及将所述第二条纹组形成指向所述右眼的第二光束；

图像显示模块，用于交替加载左眼图像和右眼图像；

人眼检测模块，用于检测左眼视区和右眼视区的位置信息；

同步与控制模块，用于根据所述人眼检测模块检测的位置信息控制所述背光源模块和所述图像显示模块；

所述同步与控制模块控制所述图像显示模块加载左眼图像时，根据所述左眼视区的位置信息控制所述背光源模组投射第一条纹组，使得所述第一条纹组经过所述反射模块和光线膜层模块形成第一光束透射过所述图像显示模块形成左眼图像序列投射至所述左眼视区；所述同步与控制模块控制所述图像显示模块加载右眼图像时，根据所述右眼视区的位置信息控制所述背光源模组投射第二条纹组，使得所述第二条纹组经过所述反射模块和光线膜层模块形成第二光束透射过所述图像显示模块形成右眼图像序列投射至所述右眼视区。

2.如权利要求1所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述投影光学引擎以大于或等于100Hz的频率交替投射所述第一条纹组和第二条纹组。

3.如权利要求2所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述投影光学引擎的投射比小于或等于0.4。

4.如权利要求3所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述投影光学引擎根据所述反射模块的形状、左眼视区和右眼视区的位置信息调制所述第一条纹组和第二条纹组，使得所述第一条纹组和第二条纹组的面积沿远离所述图像显示模块中心的方向递增。

5.如权利要求4所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述左眼视区的移动方向与所述第一条纹组的移动方向相反，以及，所述右眼视区的移动方向与所述第二条纹组的移动方向相反。

6.如权利要求5所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述第一条纹组与所述左眼视区一一对应，所述第二条纹组与所述右眼视区一一对应。

7.如权利要求6所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述反射模块为平面反射件或者多边形的光学反射件或者弧形阵列组成的光学反射件。

8.如权利要求7所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述光学膜层模块包括菲涅尔透镜阵列或者柱透镜阵列。

9.如权利要求1所述的基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示器，其特征在于：所述同步与控制模块通过获取所述背光源模块投射所述第一条纹组和第二条纹组的时间戳，根据所述时间戳控制所述图像显示模块刷新所述左眼图像和右眼图像，或者，

所述同步与控制模块通过获取所述图像显示模块刷新所述左眼图像和右眼图像的时间戳，根据所述时间戳控制所述背光源模块投射所述第一条纹组和第二条纹组。

10.一种基于投影光学引擎的指向光源裸眼3D显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

投影光学引擎根据左眼视区的位置信息投射第一条纹组，所述第一条纹组依次经反射模块和光学膜层模块形成指向左眼视区的第一光束；在图像显示模块加载左眼图像时，所述第一光束透射图像显示模块形成左眼图像序列投射至所述左眼视区；

投影光学引擎根据右眼视区的位置信息投射第二条纹组，所述第二条纹组依次经反射模块和光学膜层模块形成指向左眼视区的第二光束；在图像显示模块加载右眼图像时，所述第二光束透射图像显示模块形成右眼图像序列投射至所述右眼视区；

交替投射所述左眼图像序列和所述右眼图像序列以形成3D图像。

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