CN117331238A - 一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置及其显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续视角micro‑LED裸眼3D显示装置及其显示方法，该装置包括空间立体排布的micro‑LED阵列光源和与光源位置相匹配的立体排布的定向散射屏。所述立体排布的micro‑LED阵列光源包括在沿中心垂线轴对称的三维形状上均匀排布的micro‑LED像素。所述立体排布的定向散射屏用于定向投射由micro‑LED阵列显示的视差图像。本发明还提供了一种连续视角micro‑LED裸眼3D显示装置的显示方法。本发明提出了micro‑LED裸眼3D显示装置与方法，突破了现有裸眼3D显示离散视角的限制，在水平方向上具有360°连续视角，在垂直方向上具有180°连续视角，具有视角范围连续无跳变、清晰度高、亮度高、动态响应快的裸眼3D显示效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种了连续视角micro-LED裸眼3D显示装置及其显示方法，属于3D显示技术领域。
背景技术
Micro-LED是指尺寸小于100μm的LED，其相比于LCD与OLED，具有高对比度、高亮度、低功耗、长寿命、高像素密度等优势，在平面显示中已有广泛应用研究。裸眼3D显示相比于平面显示，能还原真实物体的深度信息，给人更强烈的视觉冲击和近乎真实的观影感受。Micro-LED与裸眼3D显示技术的结合将充分发挥两者优势。当前周视裸眼3D显示设备大多采用多投影仪和柱面/弧面定向散射屏。由于投影仪体积较大，投影仪数量及相应视点个数难以增加，使得三维虚像存在视点不连续、亮度低、图像拼接条纹等问题。Micro-LED尺寸小，像素密度目前可达10000PPI。因此，找到合适的micro-LED与周视裸眼3D显示的结合策略，是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有周视裸眼3D显示技术视点不连续、亮度低的问题，提供一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置。
本发明的技术方案为：
一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其结构由里及外依次包括：
一定向散射屏；
一立体排布的micro-LED阵列光源；
还包括一驱动控制单元和装置支架，所述驱动控制单元用于控制micro-LED阵列光源，所述定向散射屏、阵列光源、驱动控制单元均安装在装置支架上；
所述定向散射屏由散射单元在半球或其它三维形状表面排列组成，散射单元为沿水平切向周期排布的微纳光学元件，定向散射屏用于控制micro-LED出射光沿水平切向的小角度出射、沿垂直切向大角度散射，使相邻视差图像之间无串扰；
所述micro-LED阵列光源由micro-LED像素单元在与定向散射屏的形状匹配的形状表面排列组成，所述定向散射屏与所述micro-LED阵列光源的几何中心重合，所述micro-LED像素单元的出光中心方向垂直于定向散射屏相应位置处的切面，即散射单元表面。
优选的，所述定向散射屏由散射单元在沿中心垂线轴对称的三维形状表面的基板排列组成。
优选的，所述基板采用能使micro-LED发出的红、绿、蓝三色光透过的高透射率材料制成，例如透明树脂、透明玻璃等。
优选的，散射单元由透明衬底及沿水平切向周期排布的柱透镜阵列组成，透明衬底为氧化铝或氧化硅衬底，柱透镜采用氮化硅或氧化硅制成。
优选的，所述micro-LED阵列光源为多个micro-LED像素单元在载板排列而成，所述载板不透光，形状与定向散射屏的基板匹配。
优选的，所述micro-LED像素单元包含红、绿、蓝三色micro-LED芯片及单芯片集成的微透镜，micro-LED像素单元充当三维物体光场信息像素点，每个像素的发光可由驱动控制单元单独控制。其中三色micro-LED可通过量子点色转换方法、像素堆叠法、三色器件集成法等现有方法实现。单芯片集成的微透镜是指每个芯片设置一对应的微透镜。
优选的，所述沿中心垂线轴对称的三维形状为三维曲面，所述micro-LED像素与散射单元的中心垂线垂足的连线指向三维曲面的几何中心，优选三维曲面为半球形或半椭球形。
优选的，所述驱动控制单元包括电源、存储器、人眼位置监测传感器、运算芯片及驱动电路，电源用于为装置供电；存储器用于存储装置数据；人眼位置监测传感器用于监测观察者双眼位置；运算芯片用于处理三维物体光场信息数据，并根据人眼位置将光场数据分配至驱动电路；驱动电路用于控制micro-LED阵列光源。
阵列光源角分辨率(PPD，Pixel Per Degree)由micro-LED像素大小p、相邻像素间距d以及像素与立体排布几何中心距离r共同决定，其值可表示为PPD＝r/(p+d)。
本发明还提供了一种连续视角micro-LED裸眼3D显示方法，基于前述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置实现，包括以下步骤：
1)三维物体的光场信息被扫描并存储器存储为数据；运算芯片结合光场信息数据计算生成视差图像数据；可采用光场建模技术完成三维物体扫描与重建，视差图像生成算法可采用双目立体视觉匹配算法；
2)驱动控制单元将视差图像数据加载至micro-LED阵列光源，单个数据点加载在micro-LED像素单元上，作为视差图像像素点，整体视差图像数据按空间位置顺序加载在立体排布的micro-LED阵列光源对应区域上，用于还原视差图像；
3)由不同区域阵列光源还原的视差图像经半球形定向散射屏投射后，被人眼的双眼接收并形成三维物体虚像，micro-LED像素发光经半球形定向散射屏散射后，光沿垂直切向的发散角相对micro-LED像素发散角基本不变、而沿水平切向的发散角收窄，收窄后的发散角满足使相邻视差图像之间无串扰的要求；
4)当观察者位置相对装置移动时，人眼位置监测传感器将观察者位置数据传输至运算芯片；运算芯片根据位置数据生成与观察者位置相对应的三维物体视差图像数据并选择与位置相应的micro-LED阵列光源显示区
域，并将图像数据及显示区域传输至驱动电路；驱动电路基于图像数据以及显示区域数据来逐像素点调整显示区域及视差图像以实现在水平
方向360°、垂直方向180°近乎连续的裸眼3D视角。
优选的，当观察者与装置中心距离变化时，根据观察者左右视点位置调整相邻视差图像显示区域的距离来保证视差图像可分别投射至双眼。
本发明的有益效果为：
(1)采用micro-LED作为裸眼3D显示光源，具有高对比度、高亮度、低功耗、长寿命、高像素密度的优势。
(2)立体排布的micro-LED阵列光源、半球形定向散射屏均由micro-LED像素、散射单元拼接而成，使得光源及散射屏尺寸、形状灵活可调。
(3)由立体排布的micro-LED阵列光源及半球形定向散射屏组成的裸眼3D显示装置具备结构紧凑体积小、可便携的优势。
(4)可通过逐像素点调整显示区域及视差图像形成在水平方向360°、垂直方向180°近乎连续的裸眼3D视角，避免了因投影仪数量限制导致的视点不连续、亮度低、图像拼接条纹等问题。
附图说明
图1为本发明的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置的剖面结构示意图；
图2为本发明的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置中的半球形定向散射屏结构示意图；
图3为本发明中半球形定向散射屏散射单元的横截面结构示意图；
图4为本发明中半球形定向散射屏散射单元的俯视结构示意图；
图5为本发明中连续视角micro-LED裸眼3D显示装置中的立体排布的micro-LED阵列光源结构示意图；
图6为本发明中立体排布的micro-LED阵列光源像素的横截面结构示意图；
图7为本发明中连续视角micro-LED裸眼3D显示装置中的立体排布的micro-LED阵列光源、半球形定向散射屏、观察者之间的光路示意图；
图8为本发明中连续视角micro-LED裸眼3D显示装置的水平方向360°连续视角显示方法示意图；
图9为本发明中连续视角micro-LED裸眼3D显示装置的垂直方向180°连续视角显示方法示意图。
具体实施方式
以下是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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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的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。
实施例1一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置及其显示方法：
(1)参见图1，一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置剖面结构示意图。一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置包括半球形定向散射屏1、立体排布的micro-LED阵列光源2、驱动控制单元3以及装置支架4。半球形定向散射屏位于立体排布的micro-LED阵列光源内侧。阵列光源发出的光经定向散射屏调控后投射至观察者。驱动控制单元包含电源、存储器、运算芯片、及驱动电路，为装置提供电源并驱动micro-LED阵列。定向散射屏1、阵列光源2、驱动控制单元3均安装在装置支架4上。
(2)参见图2至图4，一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置中的半球形定向散射屏结构示意图及散射单元截面、俯视结构示意图。半球形定向散射屏1由散射单元5在半球形状的基板6排列组成。基板6由透光材料制成，如透明塑料，可使得红、绿、蓝三色波段透射。散射单元5由透明衬底51及沿平行于XY平面方向周期排布的柱透镜阵列52组成。透明衬底为氧化铝或氧化硅衬底。柱透镜的剖面为半圆形，圆形端面垂直于基板，柱透镜阵列为氮化硅或氧化硅材料，结合纳米压印光刻胶与刻蚀制备。
(3)参见图5至图6，一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置中的立体排布的micro-LED阵列光源结构示意图及micro-LED像素截面结构示意图。micro-LED阵列光源2由micro-LED像素7在半球形状的载板8排列组成。载板8不透光。Micro-LED像素7包含红、绿、蓝三色micro-LED71以及单像素集成的微透镜72。单像素集成的微透镜采用光刻胶回流工艺制备，其材料可为光刻胶或氧化硅，形状为半球形。
(4)参见图7，一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置中的立体排布的micro-LED阵列光源、半球形定向散射屏、观察者之间的光路示意图。Micro-LED像素与散射单元的径向位置对应，使得像素发光可经由散射单元调节发散角。假设micro-LED像素与散射单元径向距离为a、像素发光的发散角为β，则散射单元的切向尺寸L需满足L＞2a/tan(β/2)，才可使像素发光全部入射散射单元。Micro-LED阵列光源发出的光首先由单像素集成的微透镜调控并收窄出光角。经过定向散射屏时，由于柱透镜沿水平方向周期排布，光在沿水平切向的发散角收窄、在垂直切向基本不变并形成出光瞳，以减小相邻视差图像之间的串扰。假设观察者瞳距为m，距离阵列光源几何中心s，则当左右视差图像中心间距为2r*arctan(m/2s)时，视差图像可投射至人眼并形成三维物体虚像。
(5)参见图8至图9，一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置的水平方向360°，垂直方向180°连续视角显示方法示意图。当观察者位置相对装置移动时，通过控制驱动电路来逐像素点调整显示区域及视差图像以形成在水平方向360°、垂直方向180°近乎连续的裸眼3D视角。
(6)一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置的显示方法。三维物体的光场信息被扫描并存储器存储为数据；运算芯片结合光场信息数据计算生成视差图像数据；由驱动电路3将视差图像数据加载至micro-LED；单个数据点加载在micro-LED像素7上，作为视差图像像素点；整体视差图像数据按空间位置顺序加载在立体排布的micro-LED阵列光源2部分区域上，用于还原视差图像；由不同区域阵列光源还原的视差图像经定向散射屏1投射，被人眼的双眼接收并形成三维物体虚像；当观察者位置相对装置移动时，通过控制驱动电路来逐像素点调整显示区域及视差图像以形成在水平方向360°、垂直方向180°近乎连续的裸眼3D视角。
实施例2
与实施例1不同的是，基板6与载板8为半椭球形。其余结构均相同。相较于实施例1，实施例2在半椭球形侧面区域的micro-LED像素更多，端面区域像素较少，使得侧面区域可设置更多裸眼3D显示视角，可以应用在单侧3D视角要求更密度的场景。
对比例1
与实施例1不同的是，基板6与载板8为半正方体形。其余结构均相同。相较于实施例1，对比例1在半正方体形转角区域的micro-LED像素角度存在突变，使得该处显示画面产生畸变扭曲，不利于连续视角裸眼3D显示
对比例2
与实施例1不同的是，基板6与载板8均为平面形。其余结构均相同。相较于实施例1，对比例2在平面上分布的micro-LED像素只能朝屏幕一侧发光，不能产生水平方向360°连续视角。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于其结构由里及外依次包括：
一立体排布的定向散射屏；
一立体排布的micro-LED阵列光源；
还包括一驱动控制单元和装置支架，所述驱动控制单元用于控制micro-LED阵列光源，所述定向散射屏、阵列光源、驱动控制单元均安装在装置支架上；
所述定向散射屏由散射单元在沿中心垂线轴对称的三维形状表面排列组成，散射单元为沿水平切向周期排布的微纳光学元件；
所述micro-LED阵列光源由micro-LED像素单元在与定向散射屏的形状匹配的三维形状表面排列组成，所述定向散射屏与所述micro-LED阵列光源的几何中心重合，所述micro-LED像素单元的出光中心方向垂直于定向散射屏相应位置处的散射单元表面。
2.根据权利要求1所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于所述定向散射屏由散射单元在沿中心垂线轴对称的三维形状表面的基板排列组成。
3.根据权利要求2所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于所述基板材料使micro-LED发出的红、绿、蓝三色光透过。
4.根据权利要求1所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于散射单元由透明衬底及沿水平切向周期排布的柱透镜阵列组成，透明衬底为氧化铝或氧化硅衬底，柱透镜采用氮化硅或氧化硅制成。
5.根据权利要求2所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于所述micro-LED阵列光源为多个micro-LED像素单元在载板排列而成，所述载板不透光，形状与定向散射屏的基板匹配。
6.根据权利要求5所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于每个micro-LED像素单元包含红、绿、蓝三色micro-LED芯片及单芯片集成的微透镜，每个micro-LED芯片的发光由驱动控制单元单独控制，使得micro-LED像素发出红光、绿光、蓝光或组合光。
7.根据权利要求1所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于所述沿中心垂线轴对称的三维形状为三维曲面，所述micro-LED像素与散射单元的中心垂线垂足的连线指向三维曲面的几何中心。
8.根据权利要求7所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于三维曲面为半球形或半椭球形。
9.根据权利要求1所述的连续视角micro-LED裸眼3D显示装置，其特征在于所述驱动控制单元包括电源、存储器、人眼位置监测传感器、运算芯片及驱动电路，电源用于为装置供电；存储器用于存储装置数据；人眼位置监测传感器用于监测观察者双眼位置；运算芯片用于处理三维物体光场信息数据，并根据人眼位置将光场数据分配至驱动电路；驱动电路用于控制micro-LED阵列光源。
10.一种连续视角micro-LED裸眼3D显示方法，其特征在于包括以下步骤：
1)扫描三维物体的光场信息并存储为数据，结合光场信息数据计算生成视差图像数据；
2)驱动控制单元将视差图像数据加载至micro-LED阵列光源，单个数据点加载在micro-LED像素单元上，作为视差图像像素点，整体视差图像数据按空间位置顺序加载在立体排布的micro-LED阵列光源对应区域上，用于还原视差图像；
3)由不同区域阵列光源还原的视差图像经半球形定向散射屏投射后，被人眼的双眼接收并形成三维物体虚像，micro-LED像素发光经半球形定向散射屏散射后，光沿垂直切向的发散角相对micro-LED像素发散角基本不变、而沿水平切向的发散角收窄，收窄后的发散角满足使相邻视差图像之间无串扰的要求；
4)当观察者位置相对装置移动时，人眼位置监测传感器将观察者位置数据传输至运算芯片；运算芯片根据位置数据生成与观察者位置相对应的三维物体视差图像数据并选择与位置相应的micro-LED阵列光源显示区域，并将图像数据及显示区域传输至驱动电路；驱动电路基于图像数据以及显示区域数据来逐像素点调整显示区域及视差图像以实现在水平方向360°、垂直方向180°近乎连续的裸眼3D视角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |