CN116074486B - 裸眼3d显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种裸眼3D显示装置，包括：由多列像素组成的LED显示基板、运动基板和运动机构；LED显示基板位于运动基板的后方，运动基板用于对LED显示基板输出的光场进行空间调制；运动机构用于带动运动基板相对于LED显示基板进行匀速运动，使运动基板对空间调制后的光场进行周期调制以在预设角度范围输出预设频率的光场信息。本发明可以将像素信息按时间不同分配到不同的空间视角，在不降低图像分辨率与图像亮度的前提下实现裸眼3D显示。

Description

裸眼3D显示装置

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体地，涉及一种裸眼3D显示装置。

背景技术

近年来人们对3D显示的研究热度越来越高，而目前主要存在的3D显示技术主要包括戴眼镜式3D显示装置和裸眼3D显示装置。戴眼镜式3D显示装置需要佩戴特制的眼镜才能观看到3D效果。裸眼3D显示装置目前主要采用电子光栅、透镜以及集成成像方式，主要是由光栅或者透镜使得人的左右眼接收到图像不同的像素所组成的图像，首先损失了图像的信息量，降低了像素；其次产生的摩尔纹（RGB子像素交替的彩色条纹或者黑白条纹）会影响3D画面的显示质量；再次光栅的存在很大程度上降低了显示器的能量利用率，降低了显示器亮度。

图1是现有技术中光栅式裸眼3D显示结构的示意图。图2是现有技术中透镜式裸眼3D显示结构的示意图。如图1-图2所示，光栅式裸眼3D显示结构和透镜式裸眼3D显示结构都是先将显示像源的像素按照空间视角分配的方式令1/2的像素分别进入人的左眼和右眼，令每个眼睛接收到都是显示像源1/2的信息，再通过人体生理的聚焦和辐辏作用在人的大脑中形成3D的画面。

若采用这种方式实现多视点的观察，保证观察区域的连续性，则每一视点对应不同的像素点；若观察区域内做到N视点的观察，则每一视点进入人单眼的像素为1/N，像素利用率为1/N，这种图像的分辨率不仅被相关图像程序的分辨率所限制，而且也被用来显示图像的具有百万像素分辨率的屏幕所限制；另外，这种空间分割式裸眼3D显示屏的亮度成倍降低，对像源的要求极高。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种裸眼3D显示装置，以在不降低图像分辨率与图像亮度的前提下实现裸眼3D显示。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种裸眼3D显示装置，包括：

由多列像素组成的LED显示基板、运动基板和运动机构；

LED显示基板位于运动基板的后方，运动基板用于对LED显示基板输出的光场进行空间调制；

运动机构用于带动运动基板相对于LED显示基板进行匀速运动，使运动基板对空间调制后的光场进行周期调制以在预设角度范围输出预设频率的光场信息。

在其中一种实施例中，运动基板为由多个柱透镜组成的柱透镜基板或由多个狭缝组成的狭缝基板。

在其中一种实施例中，LED显示基板位于柱透镜基板的后焦面。

在其中一种实施例中，LED显示基板的像素间距等于柱透镜的间距。

在其中一种实施例中，还包括：

位于运动基板上方的透明保护层，用于保护运动基板。

在其中一种实施例中，运动机构包括：

转动机构和驱动机构；

转动机构位于LED显示基板和运动基板之间，用于带动运动基板相对于LED显示基板进行匀速运动；

驱动机构连接转动机构，用于驱动转动机构进行转动。

在其中一种实施例中，柱透镜位于柱透镜基板背离LED显示基板的一侧。

在其中一种实施例中，预设角度范围由运动基板与LED显示基板的相对位置和LED显示基板发散角度获得，预设频率由运动速度获得。

在其中一种实施例中，LED显示基板的视频帧频由人眼帧频和视点数量获得。

在其中一种实施例中，匀速运动的运动速度由人眼帧频、视点数量和柱透镜的间距获得；或

匀速运动的运动速度由人眼帧频、视点数量和狭缝的宽度获得。

本发明实施例的裸眼3D显示装置包括由多列像素组成的LED显示基板、运动基板和运动机构，LED显示基板位于运动基板的后方，运动机构用于带动运动基板相对于LED显示基板进行匀速运动，可以将像素信息按时间不同分配到不同的空间视角，在不降低图像分辨率与图像亮度的前提下实现裸眼3D显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中光栅式裸眼3D显示结构的示意图；

图2是现有技术中透镜式裸眼3D显示结构的示意图；

图3是本发明实施例中裸眼3D显示装置的示意图；

图4是本发明实施例中LED显示基板和柱透镜基板的示意图；

图5是本发明第一实施例中LED显示基板发射平行光的示意图；

图6是本发明第二实施例中LED显示基板发射平行光的示意图；

图7是本发明第三实施例中LED显示基板发射平行光的示意图；

图8是本发明第四实施例中LED显示基板发射平行光的示意图；

图9是本发明一实施例中LED显示基板发射的光线进入人眼的示意图；

图10是本发明另一实施例中LED显示基板发射的光线进入人眼的示意图；

图11是本发明实施例中单个像素经相邻第一个透镜出射后的示意图；

图12是本发明实施例中单个像素经相邻第三个透镜出射后的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件（包括固件、驻留软件、微代码等），或者硬件和软件结合的形式。

鉴于现有技术的图像分辨率和亮度不佳，本发明实施例提供了一种裸眼3D显示装置，采用将像素信息按时间分配到不同空间视角的方式在不降低图像分辨率与图像亮度的前提下实现裸眼3D显示。以下结合附图对本发明进行详细说明。

图3是本发明实施例中裸眼3D显示装置的示意图。如图3所示，以柱透镜基板为例，裸眼3D显示装置包括：

由多列像素组成的LED显示基板1、运动基板2和运动机构。LED显示基板1位于运动基板2的后方，运动基板2用于对LED显示基板1输出的光场进行空间调制。

其中，运动基板2可以为由多个柔性柱透镜组成的柱透镜基板或由多个狭缝组成的狭缝基板。LED显示基板1平行于运动基板2，也可以与运动基板2形成一微小角度以消除成像的摩尔纹。

图4是本发明实施例中LED显示基板和柱透镜基板的示意图。如图4所示，LED显示基板1位于柱透镜基板的后焦面，LED显示基板1的像素间距等于柱透镜的间距/>。其中，像素中的发光点RGB纵向排列；柱透镜为竖向柱透镜，位于柱透镜基板2背离LED显示基板1的一侧。

运动机构用于带动运动基板2相对于LED显示基板1进行匀速运动，使运动基板对空间调制后的光场进行周期调制以在预设角度范围输出预设频率的光场信息。其中，预设角度范围由运动基板与LED显示基板的相对位置和LED显示基板发散角度获得，预设频率由所述运动速度获得，为运动速度的倒数。

一实施例中，运动机构包括转动机构3和驱动机构（图3中未示）。

转动机构3位于LED显示基板1和运动基板2之间，用于带动运动基板2相对于LED显示基板1进行匀速运动，可以采用机械滚轮；

驱动机构连接转动机构，用于驱动转动机构进行转动，可以采用电机。

图5是本发明第一实施例中LED显示基板发射平行光的示意图。如图5所示，当柱透镜基板上每个柱透镜的中心与LED显示基板1的像素中心对齐时，像素点经过柱透镜的光轴发出一组平行光束。

图6是本发明第二实施例中LED显示基板发射平行光的示意图。图7是本发明第三实施例中LED显示基板发射平行光的示意图。如图6-图7所示，当运动机构带动运动基板2向左移动时，LED显示基板1的像源在柱透镜的负视场位置，发出的光经柱透镜后形成一组具有一定角度的平行光。反之则形成另一方向角度的平行光。

图8是本发明第四实施例中LED显示基板发射平行光的示意图。如图8所示，随着柱运动基板2的运动会形成一组随时间具有一定周期性摆动的平行光，且平行光的出射角度也随时间具有一定的周期性。

图9是本发明一实施例中LED显示基板发射的光线进入人眼的示意图。如图9所示，为了实现裸眼3D的效果，LED显示基板1的每个像素在不同的时间内播放的是具有不同拍摄角度的不同的视频源，即LED显示基板1在t1时刻播放的是同一角度拍摄的视频源，而在t2时刻播放的是另一角度拍摄的视频源。通过运动基板2的运动可以获得一定角度周期性摆动的平行光束，使得具有一定视差的两个视频源分别进入人的左眼和右眼，在人的大脑中形成3D视频，即在人眼帧频的时间内应有图8所示角度的光线分别进入人的左眼和右眼。

图10是本发明另一实施例中LED显示基板发射的光线进入人眼的示意图。如图10所示，人眼舒适放松时可视帧数（人眼帧频）为每秒24帧，集中精神时不超过30帧，那就需要在眼睛一帧的时间内通过运动基板2的运动实现如图10所示的光线摆动，光线摆动的角度范围为，摆动频率为每秒24帧，其中a的取值范围（预设角度范围）与LED显示基板1的宽度W、人眼观察距离exp和人两眼之间的宽度H相关。以中心视点为例，应满足以下关系：

；

例如，LED显示基板1为一块3m宽的LED裸眼3D显示屏，像素间距D1 =3mm，因此像素列数为1000；舒适的人眼观察距离exp为9m，人眼距H=67mm，则。

图11是本发明实施例中单个像素经相邻第一个透镜出射后的示意图。图12是本发明实施例中单个像素经相邻第三个透镜出射后的示意图。如图11-图12所示，单个像素经相邻第n个透镜（或狭缝）出射后可达到的最大角度（跳变视场角度，单个像素经相邻第n个透镜（或狭缝）出射后在两个柱透镜相邻位置会产生视场的跳变，跳变后会有新的可视点）为a，则当柱透镜的F数，或狭缝 与LED显示基板的距离等于狭缝的宽度时：

；

。

其中，图11中的n 为1，图12中的n 为3，当f 为柱透镜的焦距时，D2 为柱透镜的间距；当f 为狭缝与LED显示基板的距离时，D2 为狭缝的宽度。

以柱透镜为例，F#越大越有利于柱透镜的加工。为了获得更大的连续视场，可将柱透镜的焦距f 取小，但过小的柱透镜焦距会大大提高柱透镜的加工难度；且柱透镜焦距越小则柱透镜后截距越小，即LED显示基板1和柱透镜基板之间的距离越小，安装运动滚轮机构没有足够的空间，因此一般取。

表1

当LED显示基板发散角度大于或等于2a时，预设角度范围为0°至2a；当LED显示基板发散角度小于2a时，预设角度范围为0°至LED显示基板发散角度。a为单个像素经相邻第n个透镜（或狭缝）出射后可达到的最大角度，取决于n；而n取决于运动基板与LED显示基板的相对位置，因此预设角度范围由运动基板与LED显示基板的相对位置和LED显示基板发散角度决定。

表1是相邻透镜数量与a的对应表，展示了当n=1，2，3，4……时，对应的a与视场角度2a的关系。如表1所示，本发明的视场角度远远大于现有裸眼3D技术的视场角度，可实现大LED屏的大视场裸眼3D展示。

一实施例中，裸眼3D显示装置还包括位于运动基板2上方的透明保护层4，用于保护运动基板2。

一实施例中，LED显示基板的视频帧频由人眼帧频和视点数量获得。视频刷新频率有限，可在连续视场范围内设置u个可视点，通过如下公式得到视频帧频：

；

其中，Q为视频帧频，u为视点数量，q为人眼帧频。

以人眼舒适放松时可视帧数为每秒24帧为例，若可视点为u，则在人眼帧频的时间内视频源显示u幅不同的画面，分别提供u个不同的光场，则LED显示基板的帧频为24u。若u取10，则LED显示基板的帧频为240帧/s。视频源的每一帧图像对应着某一视点，某一眼位的光场；在人眼帧频时间（即1/24s）内所有视点会显示全部光场，这样可以保证人眼在任意视点都可以看到连续的裸眼3D效果。

一实施例中，匀速运动的运动速度由人眼帧频、视点数量和柱透镜的间距获得；或，匀速运动的运动速度由人眼帧频、视点数量和狭缝的宽度获得。可以通过如下公式得到运动速度：

；

其中，V为运动速度，q为人眼帧频，u为视点数量，D₂为柱透镜的间距或狭缝的宽度。

综上，本发明采用将像素信息按时间分配到不同空间视角的方式，在人眼的1帧时间范围内生成对应多个视点的全部光场信息，每一个光场信息均由显示屏的所有像素组成，不降低显示器的分辨率和亮度，可实现多视点、高像素、高亮度的大视场的裸眼3D显示，具有以下有益效果：

1、采用将像素信息按时间分配到不同空间视角的方式产生不同的光场信息，分别进入人的左右眼，实现裸眼3D的效果。

2、进入眼睛的每一个光场都是由LED屏的所有像素组成，不存在像素损失，不需要高分辨率的显示器件做支撑。

3、采用运动基板的形式，可在不降低分辨率的前提下实现多视点观看。

4、不会降低显示屏的亮度，对显示屏的亮度没有很高的要求。

5、视频帧频、光场均与运动基板相对于LED显示基板的匀速运动速度和对应视点相匹配。

6、可实现大LED屏的大视场裸眼3D展示，也可以通过提高运动基板的运动速度的方式在不降低分辨率的前提下将本发明作为2D普通显示屏使用。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种裸眼3D显示装置，其特征在于，包括：

由多列像素组成的LED显示基板、运动基板和运动机构；

所述LED显示基板位于所述运动基板的后方，所述运动基板用于对所述LED显示基板输出的光场进行空间调制；

所述运动机构用于带动所述运动基板相对于所述LED显示基板进行匀速运动，使所述运动基板对空间调制后的光场进行周期调制以在预设角度范围输出预设频率的光场信息；

所述运动基板为由多个柱透镜组成的柱透镜基板或由多个狭缝组成的狭缝基板；

所述LED显示基板的像素间距等于所述柱透镜的间距；

所述运动机构包括：

转动机构和驱动机构；

所述转动机构位于所述LED显示基板和所述运动基板之间，用于带动所述运动基板相对于所述LED显示基板进行匀速运动；

所述驱动机构连接所述转动机构，用于驱动所述转动机构进行转动；

所述预设角度范围由所述运动基板与所述LED显示基板的相对位置和LED显示基板发散角度获得，所述预设频率由所述匀速运动的运动速度获得；

所述LED显示基板的视频帧频由人眼帧频和视点数量获得；

所述匀速运动的运动速度由人眼帧频、视点数量和所述柱透镜的间距获得；或

所述匀速运动的运动速度由人眼帧频、视点数量和所述狭缝的宽度获得。

2.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，

所述LED显示基板位于所述柱透镜基板的后焦面。

3.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，还包括：

位于所述运动基板上方的透明保护层，用于保护所述运动基板。

4.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述柱透镜位于所述柱透镜基板背离所述LED显示基板的一侧。