CN115685581A - 一种3d显示装置以及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种3D显示装置以及设计方法。其中一具体实施例的设计方法包括，基于显示面板的目标尺寸和目标分辨率，确定关于所述像素单元的物理参数；基于所述关于所述像素单元的物理参数以及目标主瓣角，确定所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧表面的间隔距离；基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数。本发明实施例的设计方法，能够实现最优化的性能设计，既能够满足大设计要求，又能够实现低串扰，且设计得到的3D显示装置结构紧凑，具有广泛的应用前景。

Description

一种3D显示装置以及设计方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域。更具体地，涉及一种3D显示装置以及设计方法。

背景技术

3D(three dimensional，三维)显示面板，是一种可以利用人两眼具有视差的特性，在不需要任何辅助设备(如3D眼镜、3D头盔等)的情况下，即可获得具有空间、深度的逼真立体形象的显示系统。由于裸眼立体影像具有真实生动的表现力、优美高雅的环境感染力和强烈震撼的视觉冲击力等优点，3D显示面板的应用场景越来越广泛。

3D显示面板可以采用柱透镜光栅技术，实现将不同子像素发出的光线分别折射至左眼和右眼，使得左眼和右眼分别观察到不同左视差图像和右视差图像。然而，现有技术中，3D显示面板的3D视角较小，用户只能在正面的特定位置观看到3D效果，导致无法实现满足多人同时观看的场景需求，并且产生3D串扰量增大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D显示装置以及设计方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种3D显示装置的设计方法，包括：

所述3D显示装置包括显示面板和设置在显示面板出光侧的透镜层，其中所述透镜层包括多个沿第一方向排列的柱透镜，所述显示面板包括与多个柱透镜对应排列的像素单元，其中每个像素单元包括沿所述第二方向排列的多个像素岛，每个像素岛包括至少一行沿第一方向排列的同一颜色的子像素；

所述方法包括：

基于显示面板的目标尺寸和目标分辨率，确定关于所述像素单元的物理参数；

基于所述关于所述像素单元的物理参数以及目标主瓣角，确定所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧表面的间隔距离；

基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数。

进一步的，所述基于显示面板的目标尺寸和目标分辨率，确定关于所述像素单元的物理参数，包括：

根据

确定相邻所述像素单元之间的单元节距，其中目标分辨率为m×n，A为目标尺寸，所述目标尺寸A的单位为英寸；

根据

确定每个像素岛包含的最大子像素数量N，其中ω为目标主瓣角、Lmax为期望最远观看距离以及d为人眼瞳孔间距；

根据

确定每个像素岛中相邻子像素之间的子像素节距P_sub。

进一步的，还包括：

将每个像素岛包含的N个子像素设置为沿第二方向以多行排列，其中多行子像素在所述第二方向的投影不重叠。

进一步的，所述方法还包括：

将在所述第二方向的投影不重叠的多行子像素设置为在所述第一方向上的投影形成视觉上的连续发光。

进一步的，所述基于所述关于所述像素单元的物理参数以及目标主瓣角，确定所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧表面的间隔距离，包括：

根据

确定所述透镜层与所述像素单元的间隔距离H，其中所述n为所述透镜层与所述显示装置之间的透明隔垫物的折射率。

进一步的，所述基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及最佳目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数，包括：

根据

确定相邻柱透镜之间的柱透镜节距D，其中L_b为最佳目标观看距离；

根据

确定所述柱透镜的理论曲率半径r，其中f在子像素设置于所述柱透镜的焦面时满足

并且其中所述n₁为所述柱透镜的折射率，n₂为所述透镜层中非柱透镜区域的折射率，k为离焦量常数。

进一步的，所述方法还包括：

基于所述理论曲率半径r，对柱透镜的曲率半径进行优化，在各视点间的串扰分布最小时确定优化后的柱透镜的最优曲率半径。

进一步的，所述基于所述理论曲率半径r，对柱透镜的曲率半径进行优化，在各视点间的串扰分布最小时确定优化后的柱透镜的最优曲率半径，包括：

设置曲率半径预设范围；

对所述预设范围内的曲率半径计算所述目标主瓣角内各个子像素经过柱透镜后的照度分布；

根据所述照度分布计算得到各视点间的串扰分布；

选择所述串扰分布中最小串扰分布对应的曲率半径为柱透镜的最优曲率半径r_opt。

进一步的，每个所述柱透镜被设置为包括沿出光方向设置的第一柱透镜部和第二柱透镜部，所述第一柱透镜部和第二柱透镜部以平行于显示面板的面对称设置。

进一步的，所述方法还包括：在所述柱透镜之间设置黑矩阵。

本发明第二方面提供了一种利用如本发明实施例第一方面的设计方法的3D显示装置，所述3D显示装置包括显示面板和设置在显示面板出光侧的透镜层，其中所述透镜层包括多个沿第一方向排列的柱透镜，所述显示面板包括与多个柱透镜对应排列的像素单元，其中每个像素单元包括沿所述第二方向排列的多个像素岛，每个像素岛包括至少一行沿第一方向排列的同一颜色的子像素。

进一步的，像素岛包括多个子像素，所述子像素沿第二方向以多行排列，其中多行子像素在所述第二方向的投影不重叠。

进一步的，在所述第二方向的投影不重叠的多行子像素在所述第一方向上的投影形成视觉上的连续发光。

进一步的，每个所述柱透镜包括沿出光方向设置的第一柱透镜部和第二柱透镜部，所述第一柱透镜部和第二柱透镜部以平行于显示面板的面对称设置。

进一步的，所述装置还包括：设置在所述柱透镜之间的黑矩阵。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例的3D显示装置的设计方法，首先根据多个目标设计参数进行像素单元的相关参数设计，进一步进行透镜层与像素单元之间的间隔距离的设计，最后进行透镜层的设计，整个过程快捷高效，实现最优化的性能设计，由该设计方法得到的3D显示装置既能够满足大设计要求，又能够实现低串扰，且其结构紧凑，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明一个实施例的3D显示装置的结构示意图；

图2示出本发明实施例的3D显示装置的光线出光示意图；

图3示出本发明实施例的3D显示装置的主瓣视角与柱透镜坡度角以及与柱透镜的开口率之间的关系曲线图；

图4示出本发明另一个实施例的对图1所示的3D显示装置进行结构设计的方法流程图；

图5示出本发明实施例的步骤S1“基于显示面板的目标尺寸A和目标分辨率，确定关于所述像素单元的物理参数”的一个实施例的方法流程图；

图6示出本发明实施例的3D显示装置的像素单元排布示意图；

图7示出本发明实施例的步骤S3“基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数”的一个实施例的方法流程图；

图8示出本发明实施例的理论曲率半径为222μm时生成的串扰分布示意图；

图9示出本发明实施例的最优曲率半径为266μm时生成的串扰分布示意图；

图10示出本发明另一个实施例的3D显示装置的结构示意图；

图11示出图10所示3D显示装置的最优曲率半径为266μm时生成的串扰分布示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明实施例提出一种3D显示装置以及设计方法，以解决上述问题。

如图1所示，本发明第一个实施例提出一种3D显示装置，并基于该3D显示装置进行结构设计。在一个可选的实施例中，所述3D显示装置包括显示面板11和设置在显示面板出光侧的透镜层12，其中所述透镜层包括多个沿第一方向X排列的柱透镜121，所述显示面板包括与多个柱透镜对应排列的像素单元111，其中每个像素单元包括沿所述第二方向排列的多个像素岛，每个像素岛包括至少一行沿第一方向排列的同一颜色的子像素。

对于本发明实施例结构的3D显示装置，其截面上的等效空气层后的光线出光示意图如图2所示，由图示几何关系可得如下关系式：

式中，ω为主瓣视角；P为像素单元111之间的单元节距(pitch)，如图1所示在X方向上由像素界定层界定的一个像素单元的长度；H为透镜层12的放置高度，即所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧的表面的间隔距离；n为所述透镜层12与所述显示面板11之间的透明隔垫物13的折射率。

在一个具体示例中，如图1所示，本发明实施例的第一方向为图示的X方向，一个像素单元111由像素界定层112界定，本发明实施例中所述的像素单元的单元节距P为相邻像素界定层中心的距离。本发明实施例的H为透镜层12的放置高度，即所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧表面的间隔距离，也就是像素单元发光面距透镜层背离所述显示面板出光侧的表面之间的距离。在一个可选的实施例中，如图1所示，相邻的柱透镜121之间设置有与像素界定层112对应设置的黑矩阵131。

由式(1)可以看出，在像素单元之间的单元节距P不变的情况下，减小间隔距离H，可使ω为主瓣视角增大。但H减小的同时，透镜层的相关参数也需要进行同步调整，然而由于现有工艺以及透镜层结构限制，间隔距离无法一直减小。

发明人基于前述主瓣视角ω的公式进一步得到透镜层对主瓣视角的影响关系为：

其中，式(2)为式(1)中的分子分母同时乘以透镜层中柱透镜的焦距f和口径D_k得到的；

进一步的，将透镜层中柱透镜的焦距f决定式

带入到式(2)中能够得到：

由图1和图2可知，

带入到式(3)中得到：

式中，n₁为所述柱透镜121的折射率，n₂为所述透镜层中非柱透镜区域122的折射率；

为离焦量；

为柱透镜121的开口率；θ为柱透镜121的坡度角。

因此，根据发明人得到的式(4)为基础，发明人进一步提出增大主瓣视角ω有主要有以下四种方法：

①增大离焦量k。根据用户对视角的需求能够确定不同的离焦量，例如视角需求大，离焦量就大。相反，视角需求小其离焦量就小。离焦量处于最优状态能够确保3D显示装置中可视角度内的串扰分布相对较小，在一个具体示例中，若视角需求为100°离焦量k可为常数1.6。

②增加折射率n₁与n₂之间的折射率差值。对于折射率差值，可采用高折材料与低折材料配合，形成柱透镜的折射率n₁与非柱透镜区域的折射率n₂之间较大的折射率差值。

③减小柱透镜(lens)开口率O。

④增大透镜层中柱透镜阵列的坡度角θ。在一个具体示例中，以离焦量k＝1.2、柱透镜的折射率n₁＝1.61、非柱透镜区域的折射率n₂＝1.0为例，得到主瓣视角ω与柱透镜坡度角θ以及与柱透镜lens的开口率O之间的关系曲线如图3所示。

在一个具体示例中，坡度角的压印工艺极限范围为40°～80°，由图3可知，

在形成坡度角的极限角度为40°的情况下：

若柱透镜开口率＝100％，则能实现50.4°的主瓣视角；

若柱透镜开口率＝50％，则能实现86.5°的主瓣视角；

若柱透镜开口率＝25％，则能实现124°的主瓣视角。

在形成坡度角的极限角度为80°的情况下：

若柱透镜开口率＝100％，则能实现71.6°的主瓣视角；

若柱透镜开口率＝50％，则能实现110.5°的主瓣视角；

若柱透镜开口率＝25％，则能实现141.7°的主瓣视角。

然而，柱透镜开口率越低，其出光效率也越低，3D显示装置的整体性能可能较差；柱透镜坡度角越大，3D视图间的串扰量也越大；3D主瓣视角越大，视点密集度就越低，为了保证双眼不被单视图区域覆盖，因此所需要的子像素数量就越多。因此，主瓣视角ω并非越大越好，为增大主瓣视角ω采取的增大离焦量k、减小柱透镜开口率O以及增大柱透镜的坡度角θ等方式也并非能使3D显示装置整体性能达到最优的方案，即并不是柱透镜开口率越低就越好、柱透镜坡度角越大就越好、3D主瓣视角越大就越好，对于如何实现3D显示装置的主瓣视角扩大化的同时，还能够保证3D显示装置具有较优的视图密集度以及较小的串扰量分布，该问题仍需要解决。

因此，本发明的第二个实施例进一步提出一种对图1所示的3D显示装置进行结构设计的方法，如图4所示，所述方法包括：

S1、基于显示面板的目标尺寸和目标分辨率，确定关于所述像素单元的物理参数；

S2、基于所述关于所述像素单元的物理参数以及目标主瓣角，确定所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧表面的间隔距离；

S3、基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数。

本发明实施例根据相关的目标参数首先确定像素单元的物理参数，并根据该像素单元的物理参数以及相关的目标参数确定透镜层的物理参数，根据该设计过程得到的3D显示装置相互关联的物理参数，设计方法便捷高效，且利用该设计方法得到的3D显示装置，结构紧凑，既能够增大主瓣视角，又能够保证较低的串扰量，该方法具有广泛的应用前景。

现以一具体示例对该方法的具体步骤进行说明，其中，以对图1所示的3D显示装置的结构参数为例：

S1、基于显示面板11的目标尺寸A和目标分辨率，确定关于所述像素单元111的物理参数。

在一个可选的实施例中，如图5所示，步骤S1包括：

S11、根据

确定相邻所述像素单元111之间的单元节距；其中，目标分辨率为m×n，A为目标尺寸，所述目标尺寸A的单位为英寸。

本发明实施例中，每一像素单元111与柱透镜121对应设置，且像素单元111沿第一方向X排列。如图1所示，本发明实施例的第一方向为图示的X方向，一个像素单元111由像素界定层112界定，本发明实施例中所述的像素单元的单元节距P，为相邻像素界定层中心的距离。在一个可选的实施例中，如图1所示，相邻的柱透镜121之间设置有用于阻挡光线的黑矩阵131，在一个具体示例中，黑矩阵与像素界定层对应设置。

根据该步骤得到的像素单元的单元节距，能够确定当前目标尺寸下的像素单元的整体数量以及与像素单元对应设置的柱透镜的数量，实现分辨率与出光的像素单元之间的参数匹配。并且本发明实施例的柱透镜在第二方向Y上采用直排方式，即，每一个柱透镜沿图1所示Y方向延伸，用于实现低串扰的3D视图区域划分，并与相匹配的像素单元对应，使最终3D和2D显示横纵分辨率不失衡，形成标准分辨率。在一个具体示例中，当所有像素单元中的全部子像素显示同一灰阶信息时，即为2D显示。

在一个具体示例中，以3D显示装置的目标尺寸A为110寸、分辨率m×n为7680×4320、期望观看距离为4～6m以及目标主瓣角ω为50°为例，根据目标尺寸、目标分辨率与像素单元的单元节距P之间的关系式得到像素单元的单元节距，如下述公式：

计算得到像素单元的单元节距P＝317.1μm。

S12、根据

确定每个像素岛包含的最大子像素数量N；其中，ω为目标主瓣角、L_max为期望最远观看距离以及d为人眼瞳孔间距。

本发明实施例中，如图1和对应图1的像素单元排布示意图6所示，每个像素单元111包括沿第二方向排列的多个像素岛1110，每个像素岛1110至少存在一行沿X方向的设置的子像素111，即一个像素岛的子像素数量由行数乘以单行子像素数量得到。每一像素岛用于发出同一颜色的光，例如1110R用于发射红色光线，其由红色子像素构成，1110G用于发射绿色光线，其由绿色子像素构成，1110B用于发射蓝色光线，其由蓝色子像素构成，像素单元通过多个沿第二方向排布的像素岛实现像素单元的发光。不同子像素经柱透镜折射后进入用户双眼能够使用户观察到不用的视差图像，从而实现3D显示。因此，为实现3D显示，则需确保用户双眼在最远观看距离处不被单个视点覆盖，即，需对像素单元中像素岛的排布以及像素岛中子像素的排布进行进一步设置。

示例性的，根据主瓣角ω＝50°和期望观看距离(4～6m)中的最远观看距离L_max＝6000mm，再配合人眼65mm瞳距，根据下述式(6)能够得到一个像素岛内包含的最大子像素数量N＝80。

S13、根据

确定每个像素岛中相邻子像素之间的子像素节距P_sub。

在一个具体示例中，根据最大子像素数量N以及像素单元的单元节距P则能够确定每个像素岛中相邻子像素之间的子像素节距P_sub。例如前述最大子像素数量N＝80，像素单元节距P＝317.1μm，则子像素节距P_sub＝3.964μm。该子像素节距为满足各项目标性能要求下的最优排布。

图6示出一个像素单元111中的像素岛(1110R、1110G、1110B)的排布结构以及每一个像素岛中的子像素排布结构。本发明实施例中子像素节距P_sub即为在X方向上相邻的子像素中心之间的距离。在一个具体示例中，即使子像素111d与子像素111e在分布在不同的子像素行，但是两个在X方向为相邻的设置的，因此，两者中心的距离仍定义为子像素节距P_sub。

在另一个具体示例中，该像素单元在Y方向上的单元节距为在该方向上排列的子像素节距之和。本领域技术人员应当能够根据实际应用确定像素单元在Y方向上的单元节距与像素岛中排布的子像素行数的对应关系，在此不再赘述。

所有像素岛在Y方向上的子像素解决之和

在一个可选的实施例中，将每个像素岛1110包含的N个子像素1111设置为沿第二方向Y以多行排列，多行排列的子像素落在所述显示面板上的投影不重叠。本发明实施例中，通过像素岛中的N个子像素进行像素特殊化排布设计以匹配透镜层中的柱透镜直排结构，实现3D显示装置良好的视觉效果。具体的，如图6所示，使同一行中沿X方向排列的子像素1111形成错位排列，并且，在Y方向上设置有多行沿X方向排列的子像素，像素岛中全部的子像素在所述Y方向上的投影均不存在重合或者覆盖。

更具体的，参见图6所示的示例性行的排布结构，像素岛1110R中子像素1111的颜色均为红色，一个像素岛1110R中的子像素数量为前述的最大子像素数量80，80个子像素1111可被设置为以4行*每行20个子像素的结构排列，即在Y方向上一个像素岛1110R包括4行沿X方向排列的子像素行，每一子像素行包括20个沿X方向错位排列的子像素1111。进一步的，如图6所示，以位于4行中相邻的子像素为例，这4个子像素落在显示面板上的投影并不存在重合区域，即在X方向上，位于相邻行之间的子像素并不存在重合区域，在Y方向上，位于相邻行之间的子像素同样不存在重合区域，从而实现满足目标分辨率、满足视点要求下的最大化数量的像素排布。

进一步的，在一个可选的实施例中，将在所述第二方向的投影不重叠的多行子像素设置为在所述第一方向上的投影形成视觉上的连续发光。考虑到前述的排布方式，即子像素投影均不重合，当相邻行之间的相邻的子像素间隔过大时，会导致出现视觉黑点，即进入到人眼中的视差图像中间有黑点，因此，本发明实施例进一步将子像素排布结构设置为形成连续发光带。

具体的，如图6所示，第一行子像素1111a、第二行子像素1111b、第三行子像素1111c以及第四行子像素1111d在X方向上以及在Y方向上紧密相邻设置。更具体的，第一行子像素1111a的底边所在直线与第二行子像素1111b的顶边所在直线重合，第二行子像素1111b的底边所在直线与第三行子像素1111c的顶边所在直线重合，第三行子像素1111c的底边所在直线与第四行子像素1111d的顶边所在直线重合。并且，第一行子像素1111a的右侧边所在直线与第二行子像素1111b的左侧边所在直线重合；第二行子像素1111b的右侧边所在直线与第三行子像素1111c的左侧边所在直线重合；第三行子像素1111c的右侧边所在直线与第四行子像素1111d的左侧边所在直线重合。因此，通过该排布设置，落入到用户眼中的视差图像为连续图像，使得3D显示装置具有良好的成像性能。

S2、基于所述关于所述像素单元的物理参数以及目标主瓣角，确定所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧表面的间隔距离。

在一个可选的实施例中，步骤S2包括：

S21、根据

确定所述透镜层与所述像素单元的间隔距离H；

其中所述n为所述透镜层与所述显示装置之间的透明隔垫物的折射率。

示例性的，像素单元的单元节距P＝317.1μm、目标主瓣视角ω＝50°，所述透镜层与所述显示装置之间的透明隔垫物的折射率n＝1.5，通过式(1)计算能够得到间隔距离H＝546μm。

在一个具体示例中，如图1和如图2所示，透镜层包括柱透镜121以及非柱透镜区域122，可通过选择不同的柱透镜材料以及非柱透镜区的材料实现较大的折射率差值，实现增大主瓣视角。示例性的，柱透镜121的材料可选用高折射率的树脂材料，非柱透镜区域122可选择折射率较小的低折材料或气体配合，例如折射率为1的空气或者氮气。

S3、基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数。

本发明实施例中，在前述步骤对像素单元以及间隔距离进行设计的基础上，进一步对透镜层的物理参数进行设计，实现像素单元既能够满足设计要求实现大主瓣视角设计，又能够降低各视角之间的串扰量。

在一个可选的实施例中，如图7所示，该步骤S3包括：

S31、根据

确定相邻柱透镜之间的柱透镜节距D，其中L_b为最佳目标观看距离。

示例行的，由图3可知，当目标主瓣视角为50°，同时考虑到光的利用率，故优选透镜层中柱透镜的开口率为100％，再根据3D设计收缩关系如式(7)，其中最佳观看距离L_b＝5000mm，具体的，本发明实施例的最佳观看距离为最大期望距离6000mm与最小期望距离4000mm的均值，带入式(7)，计算得到柱透镜阵列的柱透镜节距D＝317.077μm。

S32、根据

确定所述柱透镜的理论曲率半径r，其中f在子像素设置于所述柱透镜的焦面时满足

其中，所述n₁为所述柱透镜的折射率，n₂为所述透镜层中非柱透镜区域的折射率，k为离焦量常数。

在一个具体示例中，将各子像素设置在柱透镜的焦面上，能够获得出光发散角最小的光束，从而减小3D视图间的串扰，因此本发明实施例通过各子像素位于柱透镜焦面上时根据离焦量常数与焦距的关系公式，计算得到柱透镜的焦距f＝364μm。并进一步根据柱透镜的焦距决定式，例如，柱透镜采用折射率较高的树脂材料，其折射率n₁＝1.61，非柱透镜区域采用折射率较低的材料n₂＝1.0，从而得到柱透镜的理论曲率半径r＝222μm。

因此，基于上述步骤得到的3D显示装置的各个参数包括：目标尺A为110寸、分辨率为7680×4320、期望观看距离为4～6m、目标主瓣角ω为50°、像素单元的单元节距P为317.1μm、像素岛的最大子像素数量N为80、像素岛中子像素节距P_sub为3.964μm、间隔距离H为546μm、柱透镜节距D为317.077μm、柱透镜焦距f为364μm、理论曲率半径r为222μm，基于这些参数，既能够满足大主瓣视角的设计要求，又能够实现与设计要求高度匹配的结构设计。

进一步的根据上述得到的相关参数(N＝80、P_sub＝3.964μm、H＝546μm、D＝317.077μm、r＝222μm)进行建模仿真，得到如图8所示的主瓣视角内各个子像素经过柱透镜折射后的出光角谱。由图8所示的理论曲率半径r为222μm对应的串扰量示意图可知，该结构下的3D显示装置，边缘视角光束逐渐准直，中心视角光束逐渐发散，导致中心视角的3D串扰量增大。由出光角普数据计算，根据瞳孔大小为积分所得的不正确视图亮度与正确视图亮度的比值进行串扰计算，得到各视点间的串扰分布为90.6％～94.5％。

在一个可选的实施例中，所述方法还包括：

S33、基于所述理论曲率半径r，对柱透镜的曲率半径进行优化，在各视点间的串扰分布最小时确定优化后的柱透镜的最优曲率半径。

本发明实施例进一步对所述理论曲率半径进行优化，在实现大主瓣视角设计的基础上，进一步实现3D显示装置的低串扰设计。在一个可选的实施例中，步骤S33包括：

S331设置曲率半径预设范围。

在一个具体示例中，曲率半径预设范围可以理论曲率半径为中心点，设置一曲率半径的阈值，例如在222±100μm的范围内寻找是否存在最优的曲率半径。在另一个具体示例中，该曲率半径的预设范围还可由小到大，例如该预设范围为(0，+∞)。

本领技术人员能够根据实际应用选择对应的预设范围以进行最优半径的寻找，在此不再赘述。

S332、对所述预设范围内的曲率半径计算所述目标主瓣角内各个子像素经过柱透镜后的照度分布。

在一个具体示例中，可通过Zemax的光学产品设计与仿真软件进行仿真设计得到不同曲率半径下的照度分布。

S333、根据所述照度分布计算得到各视点间的串扰分布。

S334、选择所述串扰分布中最小串扰分布对应的曲率半径为柱透镜的最优曲率半径r_opt。

在一个具体示例中，将曲率半径由小到大进行扫描并计算串扰分布后，综合考虑整个视角内的串扰量，选择最优曲率半径r_opt为266μm时可视空间整体串扰分布最小，具体的，该最优曲率半径下的串扰分布图如图9所示，其串扰分布为20.4％～64.2％，相对前述的理论半径下的串扰分布(90.6％～94.5％)有明显的提升，该结构下的3D显示装置既能够满足大主瓣视角的设计需求，又能够降低3D分布串扰，具有广泛的应用前景。

在另一个具体示例中，由离焦量k、柱透镜焦距f以及曲率半径的公式关系可知，例如

以及

可知：

当曲率半径由理论曲率半径变化为最优曲率半径时，离焦量常数k随之变化为最优离焦量，因此，该步骤S44还包括根据最优曲率半径确定最优离焦量k_opt，从而进一步得到更准确地结构设计。

基于本发明实施例上述过程得到的3D显示装置的各个参数，首先根据多个目标设计参数进行像素单元的相关参数设计，进一步进行透镜层与像素单元之间的间隔距离的设计，最后进行透镜层的设计，整个过程快捷高效，得到的参数尺寸既能够满足大设计要求，又能够实现低串扰，且整个3D显示装置结构紧凑，实现最优化的性能设计，具有广泛的应用前景。

本发明实施例的设计方法不仅应用如图1所示的3D显示装置中，在一个可选的实施例中，本发明实施例的设计方法还能够应用于图10所示的结构设计中，如图10所示，每个所述柱透镜被设置为包括沿出光方向设置的第一柱透镜部1211和第二柱透镜部1212，所述第一柱透镜部1211和第二柱透镜部1212以平行于显示面板的面对称设置。在一个可选的实施例中，本发明实施例的3D显示装置在相邻的所述柱透镜之间设置有黑矩阵，例如相邻的第一柱透镜部1211之间以及相邻的第二柱透镜部1212之间，均设置有黑矩阵131，用于防止漏光。

本发明实施例，采用对称式的柱透镜，其结构简单，第一柱透镜部和第二柱透镜部的曲率半径相同，两者相对于平行于显示面板的面对称设置，该结构能够校正慧差，提高光束准直度。

在一个具体示例中，在得到理论曲率半径r＝222μm并进行步骤S4的优化后，选择所述串扰分布中最小串扰分布对应的曲率半径为266μm，即，此结构下进行优化得到的最优曲率半径r_opt为266μm。如图11所示，该结构下3D显示装置的可视空间整体串扰分布进一步减小，其串扰分布为3.2％～32.5％，既能够满足大设计要求，又能够实现低串扰，性能实现最优化设计。

在另一个具体示例中，本发明实施例的对称设置的第一柱透镜部和第二柱透镜部的曲率半径可设置为不同的曲率半径，即，第一柱透镜部和第二柱透镜部仍关于一平行于显示面板的平面对称，而第一柱透镜部的柱透镜的曲率半径为r₁，第二柱透镜部的柱透镜的曲率半径为r₂，两者曲率半径并不相同，可分别对每一柱透镜的曲率半径进行优化，以得到最优曲率半径。

本发明的另一个实施例提出一种利用如上述设计方法得到的3D显示装置，如图1所示，所述3D显示装置包括显示面板11和设置在显示面板11出光侧的透镜层12，其中所述透镜层12包括多个沿第一方向排列的柱透镜121，所述显示面板包11括与多个柱透镜对应排列的像素单元111，其中每个像素单元包括沿所述第二方向排列的多个像素岛，每个像素岛包括至少一行沿第一方向排列的同一颜色的子像素。

利用本发明设计方法得到的3D显示装置，各个结构之间相互匹配，像素单元、像素单元与透镜层之间的间隔距离以及透镜层的参数结构均能满足目标设计参数需求，既能够实现大主瓣视角的设计需求，又能够实现该设计需求下的低串扰性能，具有广泛的应用前景。

在一个可选的实施例中，如图6所示，每个像素岛(1110R、1110G、1110B)包括多个子像素1111，所述子像素沿第二方向以多行排列，其中多行排列的子像素落在显示面板上的投影不重叠，以实现满足分辨率要求下的最大数量化的像素排布。

在一个可选的实施例中，如图6所示，所述多行排列的子像素在所述第一方向上的投影形成视觉上的连续发光，以显示连续的图像，消除视觉黑点。

在一个可选的实施例中，如图1所示，所述装置还包括：设置在相邻柱透镜121之间的黑矩阵131，所述黑矩阵与界定像素单元111的像素界定层112对应设置，用于防止漏光。

在一个可选的实施例中，如图10所示，每个所述柱透镜包括沿出光方向设置的第一柱透镜部1211和第二柱透镜部1212，所述第一柱透镜部1211和第二柱透镜部1212以平行于显示面板的面对称设置。

由于本发明实施例提供的3D显示装置采用上述几种实施例提供的设计方法相对应，因此在前实施方式也适用于本实施例提供的3D显示装置，在本实施例中不再详细描述。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (15)

1.一种3D显示装置的设计方法，其特征在于，

所述3D显示装置包括显示面板和设置在显示面板出光侧的透镜层，其中所述透镜层包括多个沿第一方向排列的柱透镜，所述显示面板包括与多个柱透镜对应排列的像素单元，其中每个像素单元包括沿所述第二方向排列的多个像素岛，每个像素岛包括至少一行沿第一方向排列的同一颜色的子像素；

所述方法包括：

基于显示面板的目标尺寸和目标分辨率，确定关于所述像素单元的物理参数；

基于所述关于所述像素单元的物理参数以及目标主瓣角，确定所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧表面的间隔距离；

基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于显示面板的目标尺寸和目标分辨率，确定关于所述像素单元的物理参数包括：

根据

确定相邻所述像素单元之间的单元节距，其中目标分辨率为m×n，A为目标尺寸，所述目标尺寸A的单位为英寸；

根据

确定每个像素岛包含的最大子像素数量N，其中ω为目标主瓣角、L_max为期望最远观看距离以及d为人眼瞳孔间距；

根据

确定每个像素岛中相邻子像素之间的子像素节距P_sub。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将每个像素岛包含的N个子像素设置为沿第二方向以多行排列，多行排列的子像素落在所述显示面板上的投影不重叠。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将在所述显示面板上的投影不重叠的多行子像素设置为在所述第一方向上的投影形成视觉上的连续发光。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述关于所述像素单元的物理参数以及目标主瓣角，确定所述透镜层背离所述显示面板出光侧的表面距所述像素单元朝向出光侧的表面的间隔距离，包括：

根据

确定所述透镜层与所述像素单元的间隔距离H，其中所述n为所述透镜层与所述显示装置之间的透明隔垫物的折射率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及最佳目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数包括：

根据

确定相邻柱透镜之间的柱透镜节距D，其中L_b为最佳目标观看距离；

根据

确定所述柱透镜的理论曲率半径r，其中f在子像素设置于所述柱透镜的焦面时满足

并且其中所述n₁为所述柱透镜的折射率，n₂为所述透镜层中非柱透镜区域的折射率，k为离焦量常数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于关于所述像素单元的物理参数、所述间隔距离以及最佳目标观看距离，确定关于所述透镜层的物理参数还包括：

基于所述理论曲率半径r，对柱透镜的曲率半径进行优化，在各视点间的串扰分布最小时确定优化后的柱透镜的最优曲率半径。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述理论曲率半径r，对柱透镜的曲率半径进行优化，在各视点间的串扰分布最小时确定优化后的柱透镜的最优曲率半径包括：

设置曲率半径预设范围；

对所述预设范围内的曲率半径计算所述目标主瓣角内各个子像素经过柱透镜后的照度分布；

根据所述照度分布计算得到各视点间的串扰分布；

选择所述串扰分布中最小串扰分布对应的曲率半径为柱透镜的最优曲率半径r_opt。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述柱透镜被设置为包括沿出光方向设置的第一柱透镜部和第二柱透镜部，所述第一柱透镜部和第二柱透镜部以平行于显示面板的面对称设置。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述柱透镜之间设置黑矩阵。

11.一种利用如权利要求1～10中任一项设计方法得到的3D显示装置，其特征在于，所述3D显示装置包括显示面板和设置在显示面板出光侧的透镜层，其中所述透镜层包括多个沿第一方向排列的柱透镜，所述显示面板包括与多个柱透镜对应排列的像素单元，其中每个像素单元包括沿所述第二方向排列的多个像素岛，每个像素岛包括至少一行沿第一方向排列的同一颜色的子像素。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，每个像素岛包括多个子像素，所述多个子像素沿第二方向以多行排列，其中，多行排列的子像素落在所述显示面板上的投影不重叠。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，

在所述显示面板上的投影不重叠的多行排列的子像素在所述第一方向上的投影在视觉上连续发光。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，每个所述柱透镜包括沿出光方向设置的第一柱透镜部和第二柱透镜部，所述第一柱透镜部和第二柱透镜部以平行于显示面板的面对称设置。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：设置在相邻柱透镜之间的黑矩阵。

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