CN116338977B - 一种像素利用率高的三维显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种像素利用率高的三维显示系统，包括：背光源，用于发出在竖直方向上准直、在水平方向上发散的光线；光阑层，光阑层包括周期性交替排列的透光条和遮光条，背光源发出的水平方向发散光线一部分透过透光条后出射，另一部分被遮光条遮挡；显示面板，显示面板以最小显示单元为单位，为通过显示单元的光线加载可动态调节的图像信息；波导层，波导层包括周期性排列的波导单元，每个波导单元用于对经过其的光线进行独立传导；控光结构，控光结构包括周期性排列的遮光区和控光区，遮光区用于对经过其的光线进行遮挡，控光区用于对经过其的光线进行调控。本发明通过改变控光结构中遮透光区域的排布方式对光线进行优化，进而提升像素利用率。

Description

一种像素利用率高的三维显示系统

技术领域

本发明涉及三维显示系统，尤其涉及一种像素利用率高的三维显示系统。

背景技术

三维显示技术相比于传统的二维平面显示技术，尽可能地还原了真实的三维视觉世界，可以提供自然逼真的观看体验，近年来受到了人们的广泛关注。具体而言，三维光场显示技术被认为是最有前途的三维显示技术之一，具有广泛的应用前景。与基于双目视差的三维显示不同，光场显示能够重建真实的三维光场分布，为观众提供真实自然的三维感知。此外，该技术可以实现具有真彩色的3D效果，视角和分辨率是三维显示中影响显示质量的重要指标，理想的3D显示技术可以为观看者提供接近真实世界的视觉感官。

传统的光场三维显示技术在视角、分辨率、和空间信息容量(视点数)之间存在固有的权衡，显示质量较低。传统光场三维显示技术的视区形成原理请参见图1所示，图1中，为形成视区的观看视角，p为柱透镜的节距，g为透镜阵列距LCD的距离，N为视区中的视点数，n为实际观看到的三维图像分辨率，通过简单的几何关系可以得到三维显示系统中的视角公式：/>；

简单来说，观看视角由每一个子图像通过其对应透镜的显示范围所决定，视点数由每个透镜覆盖的像素个数所决定，n则由透镜的个数所决定，很显然，增大透镜节距可以有效的提升视角，以及提高视点数，但是与此同时，三维图像的分辨率也将会降低。

除此之外，利用柱透镜阵列和狭缝光栅构建三维光场显示系统的方案中，由于这两种控光只具有一维方向的控光能力，因此最终形成的三维显示系统分辨率只在控光方向上降低。以水平方向控光的柱透镜三维显示系统为例，这类三维显示系统的水平分辨率大幅度降低，水平最小显示单元尺寸延展为一个柱透镜单元宽度，但是，竖直分辨率没有损失，竖直最小显示单元也仍为一个像素高度，由此造成的水平竖直显示效果的巨大差异严重影响了三维显示系统的整体显示效果。而狭缝光栅的三维显示系统同样会产生水平竖直分辨率差异，但不会造成显示单元宽度的过度延展，可是狭缝光栅通过遮挡的控光方式会造成三维显示系统亮度的急速下降。由此可见，如何均衡三维显示系统中分辨率和显示单元尺寸是现有技术亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种通过改变控光结构中遮透光区域的排布方式对光线进行优化，进而提升像素利用率的三维显示系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种像素利用率高的三维显示系统，其包括有：背光源，用于发出在竖直方向上准直、在水平方向上发散的光线；光阑层，设于所述背光源的前侧，所述光阑层包括周期性交替排列的透光条和遮光条，所述背光源发出的竖直方向光线经由所述光阑层准直出射，所述背光源发出的水平方向发散光线一部分透过所述透光条后出射，另一部分被所述遮光条遮挡；显示面板，设于所述光阑层的前侧，所述显示面板以最小显示单元为单位，为通过所述显示单元的光线加载可动态调节的图像信息；波导层，设于所述显示面板的前侧，所述波导层包括周期性排列的波导单元，每个波导单元用于对经过其的光线进行独立传导；控光结构，设于所述波导层的前侧，所述控光结构包括周期性排列的遮光区和控光区，所述遮光区用于对经过其的光线进行遮挡，所述控光区用于对经过其的光线进行调控。

优选地，所述控光区面积占所述控光结构面积的5%以上，所述控光区的高度为所述波导单元高度的整数倍。

优选地，所述透光条高度占每个遮光透光周期高度的比例大于等于5%，所述光阑层的遮光透光周期高度是所述显示面板中最小显示单元高度的整数倍。

优选地，所述波导层的波导单元高度与所述光阑层的遮光透光周期高度相同，波导单元的交界处在竖直方向上的高度位于所述光阑层的遮光条内部。

优选地，所述控光结构中的所述遮光区宽度与所述控光区宽度相等，所述波导层中的波导单元高度等于所述显示面板中的最小显示单元高度，所述遮光区高度等于所述波导单元高度。

优选地，所述波导层中的波导单元高度等于一个子像素高度，所述控光结构中的所述遮光区和所述控光区高度等于所述波导层中的波导单元高度的整数倍，所述遮光区的宽度=所述控光区的宽度=所述控光结构的宽度。

优选地，所述波导单元高度等于子像素高度的整数倍，所述控光区高度等于所述波导单元高度，所述控光区的实际控光区域小于所述波导单元高度。

优选地，所述波导单元高度等于若干个子像素高度，所述控光区高度等于所述波导单元高度，所述控光区的实际控光区域高度小于波导单元高度，所述控光区宽度不等于所述遮光区宽度，遮光控光周期宽度等于若干个控光单元宽度。

优选地，所述波导单元高度等于若干个子像素高度，所述控光区高度等于所述波导单元高度，所述控光区的实际控光区域高度小于所述波导单元高度，所述控光区宽度等于所述遮光区宽度。

优选地，所述波导单元高度等于若干个子像素高度，所述控光区高度等于所述波导单元高度，所述控光区的实际控光区域高度小于所述波导单元高度，所述控光区宽度不等于所述遮光区宽度。

本发明公开的像素利用率高的三维显示系统中，沿所述背光源的出光方向依次设置有光阑层、显示面板、波导层和控光结构，光线从所述背光源出射，所述背光源发出的光线在竖直方向上准直、在水平方向上发散，所述光阑层是由竖直交替排列的遮光条和透光条组成的周期结构，对竖直方向光线进行准直，水平方向上发散的光线进入光阑层，部分光线通过透光条出射，部分光线被遮光条遮挡吸收以保证不同透光条出射的光线在之后的光路中不发生串扰，经光阑层的光线在竖直方向上被调控后通过显示面板，所述显示面板以最小显示单元为单位为通过的光线加载可动态调节的图像信息，加载信息后的光线入射进入所述波导层，所述波导层为竖直方向上的波导周期阵列，波导层中传输的光线只能在每个波导单元内部传输，不会透射到其他波导单元中，通过波导层的光线竖直方向上具有极高的独立性，竖直方向上低串扰的光线从波导层出射进入控光结构，所述控光结构由周期排列的遮光区和控光区组成，可实现光线的合理排布，并对优化排布后的光线进行空间控光，进而实现高像素利用率的三维显示。

附图说明

图1为传统三维光场显示系统的光路结构示意图；

图2为本发明三维显示系统的结构示意图；

图3为图2中A部分的放大图；

图4为本发明优选实施例中三维显示系统的组成架构示意图；

图5为本发明三维显示系统与传统三维显示系统的显示效果对比图；

图6为本发明三维显示系统中各优选实施例的局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种像素利用率高的三维显示系统，请参见图2、图3和图4，其包括有：

背光源1，用于发出在竖直方向上准直、在水平方向上发散的光线；

光阑层2，设于所述背光源1的前侧，所述光阑层2包括周期性交替排列的透光条和遮光条，所述背光源1发出的竖直方向光线经由所述光阑层2准直出射，所述背光源1发出的水平方向发散光线一部分透过所述透光条后出射，另一部分被所述遮光条遮挡；

显示面板3，设于所述光阑层2的前侧，所述显示面板3以最小显示单元为单位，为通过所述显示单元的光线加载可动态调节的图像信息；

波导层4，设于所述显示面板3的前侧，所述波导层4包括周期性排列的波导单元，每个波导单元用于对经过其的光线进行独立传导；

控光结构5，设于所述波导层4的前侧，所述控光结构5包括周期性排列的遮光区50和控光区51，所述遮光区50用于对经过其的光线进行遮挡，所述控光区51用于对经过其的光线进行调控。

上述系统中，沿所述背光源1的出光方向依次设置有光阑层2、显示面板3、波导层4和控光结构5，光线从所述背光源1出射，所述背光源1发出的光线在竖直方向上准直、在水平方向上发散，所述光阑层2是由竖直交替排列(竖直交替排列是指一行遮光条、一行透光条……周期重复)的遮光条和透光条组成的周期结构，具体地。对竖直方向光线进行准直，水平方向上发散的光线进入光阑层，部分光线通过透光条出射，部分光线被遮光条遮挡吸收以保证不同透光条出射的光线在之后的光路中不发生串扰，经光阑层2的光线在竖直方向上被调控后通过显示面板3，所述显示面板3以最小显示单元为单位为通过的光线加载可动态调节的图像信息，加载信息后的光线入射进入所述波导层4，所述波导层4为竖直方向上的波导周期阵列，波导层中传输的光线只能在每个波导单元内部传输，不会透射到其他波导单元中，通过波导层的光线竖直方向上具有极高的独立性，竖直方向上低串扰的光线从波导层出射进入控光结构5，所述控光结构5由周期排列的遮光区和控光区组成，可实现光线的合理排布，并对优化排布后的光线进行空间控光，进而实现高像素利用率的三维显示。

本实施例中，所述控光区51面积占所述控光结构5面积的5%以上，所述控光区51的高度为所述波导单元高度的整数倍。实际应用中，所述控光结构由周期排列的遮光区和控光区组成，所述遮光区能够全部遮挡经过的光线，所述控光区可以对经过的光线进行精确的调控。控光区内部可以具有遮光区域和实际控光区域以实现所需的控光需求，为实现光线的优化排布，所述控光区散布在整个控光结构中，每个控光区可根据需求被设计为不同的尺寸和不同的形状，所述控光区面积占整个控光结构面积的5%以上，所述控光区的高度为波导单元高度的整数倍。

作为一种优选方式，所述透光条高度占每个遮光透光周期高度的比例大于等于5%，所述光阑层2的遮光透光周期高度是所述显示面板3中最小显示单元高度的整数倍。具体地，遮光透光周期高度是指遮光条和透光条的高度之和。

关于所述波导层4，在本实施例中，所述波导层4的波导单元高度与所述光阑层2的遮光透光周期高度相同，波导单元的交界处在竖直方向上的高度位于所述光阑层2的遮光条内部。优选地，波导单元交界线与遮光条中央对齐。

实际应用中，所述控光结构5可根据需求旋转角度。所述显示面板3包括但不限于液晶显示面板、印刷制品等。

请参见图5中的效果示意(a)，本发明的三维显示系统中，某个控光区51在显示面板3上的实际控光区域为一个遮光控光周期内的区域（一个遮光区加相邻的一个控光区），因此，对比传统的柱透镜光栅三维显示系统，相同视角下的传统三维显示系统中，柱透镜光栅的周期宽度与本发明中控光结构的周期宽度相同，但是柱透镜单元宽度却是本发明的两倍，最终构建的三维显示系统分辨率则相同如图5中的效果示意(b)。由于柱透镜光栅三维显示系统的显示载体为柱透镜单元，因此，传统柱透镜光栅三维显示系统的显示图像如图所示为以柱透镜单元宽度周期的条状单元，对比可知本发明的显示图像则为显示单元更精细的错落式排布，因此，相同视角、相同分辨率下的三维显示系统，本发明的显示效果明显更好。

此外，如图5中的效果示意(c)，对比传统狭缝光栅的三维显示系统，相同视角下的传统三维显示系统中，狭缝光栅每个狭缝的周期宽度与本发明中控光结构的周期宽度相同，但是每个狭缝单元的透光区却比本发明中控光结构的透光区窄，最终构建的三维显示系统分辨率则相同。由于狭缝光栅三维显示系统的显示载体为狭缝单元，因此，传统狭缝透镜光栅三维显示系统的显示图像如图5效果示意(c)所示为以狭缝单元宽度周期的条状单元，且为保证正常的显示效果，狭缝光栅的透光量较低，导致传统狭缝透镜光栅三维显示系统的亮度较低。对比之下可知，本发明的显示图像则为显示单元更精细的错落式排布，而且由于控光结构的高效控光，亮度也不会下降过多。综上可知，在相同视角、相同分辨率下的三维显示系统，本发明的显示效果明显更好。

请参见图6，下面详述几个具体的实施例以分析本发明提升像素利用率的具体原理。图6所示实施例中的显示面板为液晶显示面板，其最小显示单元为子像素，控光结构的控光单元为柱透镜，其中h为波导层中波导单元的高度，w为控光结构中控光单元的高度。

如图6中的(a)所示，该实施例中控光结构的遮光区宽度与控光区宽度相等，且均为一个控光单元的宽度，波导单元高度等于显示面板中一个最小显示单元高度，遮光区高度等于波导单元高度，因此不同行的显示单元发出的光不会相互串扰。由此形成的三维显示系统中，系统中的最小显示单元即为每个控光结构中的透光区域， 最小显示单元以控光单元的宽度为宽度，一个子像素的高度为高度交错排列，显示效果得到提升，该实例为本发明的一个典型实施例，总结出如下结构特点：所述控光结构5中的所述遮光区50宽度与所述控光区51宽度相等，所述波导层4中的波导单元高度等于所述显示面板3中的最小显示单元高度，所述遮光区50高度等于所述波导单元高度。

但是一般情况下，控光结构的宽度大于甚至远大于显示面板中最小显示的单元高度，因此，如图6中的(a)所示实施例的显示效果提升有限，如图6中的(b)所示，该实例中波导单元高度等于一个子像素高度，控光结构的遮光区和控光区高度等于波导单元高度的整数倍，遮光区宽度等于控光区宽度等于控光单元宽度。由此形成的三维显示系统中，最小显示单元以控光单元的宽度为宽度，若干个子像素的高度为高度交错排列，最小显示单元排布得到优化，显示效果进一步提升，该实例为本发明的一个典型实施例，由该实例可总结出如下结构特点：所述波导层4中的波导单元高度等于一个子像素高度，所述控光结构5中的所述遮光区50和所述控光区51高度等于所述波导层4中的波导单元高度的整数倍，具体而言，仅遮光区50就等于所述波导层4中的波导单元高度的整数倍，所述遮光区50的宽度=所述控光区51的宽度=所述控光结构5的宽度。

图6中的(a)、(b)所示的实例中，为保证竖直方向上相邻控光区的光线来自波导层中不同的波导结构中，令波导单元的高度等于一个子像素高度，且控光区的高度等于波导单元高度的整数倍。如图6中(c)所示的实例中，波导单元高度等于子像素高度的整数倍，且控光区高度等于波导单元高度，但为了进一步减少串扰，控光区的实际控光区域小于波导单元高度。该实例可以减少波导层中的波导单元数量，降低波导层制造难度。同时控光区的实际控光区域高度小于波导单元高度可以完全保证竖直方向上不同控光区之间的光线不发生串扰，提升了显示质量，该实例为本发明的一个典型实施例，可总结出如下结构特点：所述波导单元高度等于子像素高度的整数倍，所述控光区51高度等于所述波导单元高度，所述控光区51的实际控光区域小于所述波导单元高度。

如图6中的(d)所示，该实例中波导高度等于若干个子像素高度，控光结构的控光区高度等于波导单元高度，控光区的实际控光区域高度小于波导单元高度，控光区宽度不等于遮光区宽度，遮光控光周期宽度等于若干个控光单元宽度，由此形成的三维显示系统中，最小显示单元以控光结构中遮光区控光区的周期宽度为宽度，若干个子像素的高度为高度交错排列，实现了三维显示系统中最小显示单元的自由排布，显示效果得到提升，该实例为本发明的一个典型实施例，由该实例可总结出如下结构特点：所述波导单元高度等于若干个子像素高度，所述控光区51高度等于所述波导单元高度，所述控光区51的实际控光区域高度小于波导单元高度，所述控光区51宽度不等于所述遮光区50宽度，遮光控光周期宽度等于若干个控光单元宽度。控光单元为控光结构中实际控光单元，可为柱透镜、狭缝光栅等光学器件，参见图3中的中间一列即为控光单元。

如图6中的(e)所示，该实例中波导高度等于若干个子像素高度，控光结构的控光区高度等于波导单元高度，控光区的实际控光区域高度小于波导单元高度，控光区宽度等于遮光区宽度。该实例中控光结构旋转了一定的角度，控光区的形状也随着控光结构的旋转发生了改变，这样的旋转可以进一步均衡显示系统中水平方向和竖直方向的分辨率，也可以消除三维显示系统中摩尔纹的产生，由此总结出如下结构特点：所述波导单元高度等于若干个子像素高度，所述控光区51高度等于所述波导单元高度，所述控光区51的实际控光区域高度小于所述波导单元高度，所述控光区51宽度等于所述遮光区50宽度。

如图6中的(f)所示，实例中波导高度等于若干个子像素高度，控光结构的控光区高度等于波导单元高度，控光区的实际控光区域高度小于波导单元高度，控光区宽度不等于遮光区宽度。该实例中，控光区可以为任意形状，而且同一控光区中可以根据需求设计自由数量的实际控光区。实现了三维显示系统中最小显示单元更自由的排布，显示效果得到提升，由该实例可总结出如下结构特点：所述波导单元高度等于若干个子像素高度，所述控光区51高度等于所述波导单元高度，所述控光区51的实际控光区域高度小于所述波导单元高度，所述控光区51宽度不等于所述遮光区50宽度。

为了更好地理解本发明的技术方案，下面提供一个详细参数的实施例， 实施例中，不考虑子像素间间隙，子像素宽度为30um，高度为90um。光阑层的周期高度为270um，每个周期覆盖3行子像素，周期中，遮光条高度为20um，每个遮光条的中心正好位于子像素边界。波导层的波导单元高度与光阑层周期高度相同，为270um，其中，波导单元的边界位于遮光条中心，这样，光阑层可以很好地将一个波导单元的光线来源限制在对应的3行子像素中，不同波导单元的光线来源于不同的子像素，有效消除了显示面板到波导单元的串扰。控光结构经过顺时针旋转18.44°后置于波导层之后，旋转后，控光结构的控光区和遮光区均为平行四边形，其中，水平方向的宽度二者相同，均为250um，为子像素宽度的8.333倍，竖直方向上，每行遮光区和控光区的高度为270um，但是为了更好的抑制串扰，每个透光区的实际控光区域高度为250um，相差的高度依旧采用遮光处理，这一部分的遮光区中心位于波导单元边界，这样的结构可以消除波导单元到控光结构的串扰，使不同控光区的光线来源不同，分别来自不同的波导单元。最终形成的三维显示系统中，在有效视区内，每个最小显示单元为控光区，且控光区为宽为250um，高为250um平行四边形交错排列，因此形成的三维显示图像中，水平和竖直的显示单元数量和尺寸较为均衡，显示效果较传统三维显示系统显著提升。

相比现有技术而言，本发明三维显示系统通过特殊控光结构的控光，对三维显示系统的光线进行了优化重组，同时，为了保证控光结构对光线的优化效果，设计了竖直方向上低串扰的光路，最终提升了三维显示系统的显示效果，实现了三维显示系统像素利用率的显著提升。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。此外，基于上述各个实例所衍化的以改变控光结构中遮光透光区排布的方式(包括改变透光区尺寸、形状，以及透光遮光周期，不受串扰的周期高度等方式等)为手段达到的提升像素利用率的三维显示系统方案，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，包括有：

背光源(1)，用于发出在竖直方向上准直、在水平方向上发散的光线；

光阑层(2)，设于所述背光源(1)的前侧，所述光阑层(2)包括周期性交替排列的透光条和遮光条，所述背光源(1)发出的竖直方向光线经由所述光阑层(2)准直出射，所述背光源(1)发出的水平方向发散光线一部分透过所述透光条后出射，另一部分被所述遮光条遮挡；

显示面板(3)，设于所述光阑层(2)的前侧，所述显示面板(3)以最小显示单元为单位，为通过所述显示单元的光线加载可动态调节的图像信息；

波导层(4)，设于所述显示面板(3)的前侧，所述波导层(4)包括周期性排列的波导单元，每个波导单元用于对经过其的光线进行独立传导；

控光结构(5)，设于所述波导层(4)的前侧，所述控光结构(5)包括周期性排列的遮光区(50)和控光区(51)，所述遮光区(50)用于对经过其的光线进行遮挡，所述控光区(51)用于对经过其的光线进行调控。

2.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述控光区(51)面积占所述控光结构(5)面积的5％以上，所述控光区(51)的高度为所述波导单元高度的整数倍。

3.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述透光条高度占每个遮光透光周期高度的比例大于等于5％，所述光阑层(2)的遮光透光周期高度是所述显示面板(3)中最小显示单元高度的整数倍，遮光透光周期高度是指遮光条和透光条的高度之和。

4.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述波导层(4)的波导单元高度与所述光阑层(2)的遮光透光周期高度相同，波导单元的交界处位于所述光阑层(2)的遮光条内部，遮光透光周期高度是指遮光条和透光条的高度之和。

5.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述控光结构(5)中的所述遮光区(50)宽度与所述控光区(51)宽度相等，所述波导层(4)中的波导单元高度等于所述显示面板(3)中的最小显示单元高度，所述遮光区(50)高度等于所述波导单元高度。

6.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述波导层(4)中的波导单元高度等于一个显示面板子像素高度，所述控光结构(5)中的所述遮光区(50)和所述控光区(51)高度等于所述波导层(4)中的波导单元高度的整数倍，所述遮光区(50)的宽度＝所述控光区(51)的宽度＝所述控光结构(5)的宽度。

7.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述波导单元高度等于显示面板子像素高度的整数倍，所述控光区(51)高度等于所述波导单元高度，所述控光区(51)的实际控光区域高度小于所述波导单元高度。

8.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述波导单元高度等于若干个显示面板子像素高度之和，所述控光区(51)高度等于所述波导单元高度，所述控光区(51)的实际控光区域高度小于波导单元高度，所述控光区(51)宽度不等于所述遮光区(50)宽度，遮光控光周期宽度等于若干个控光单元宽度之和。

9.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述波导单元高度等于若干个显示面板子像素高度之和，所述控光区(51)高度等于所述波导单元高度，所述控光区(51)的实际控光区域高度小于所述波导单元高度，所述控光区(51)宽度等于所述遮光区(50)宽度。

10.如权利要求1所述的像素利用率高的三维显示系统，其特征在于，所述波导单元高度等于若干个显示面板子像素高度之和，所述控光区(51)高度等于所述波导单元高度，所述控光区(51)的实际控光区域高度小于所述波导单元高度，所述控光区(51)宽度不等于所述遮光区(50)宽度。