CN117471708A - 一种可动态防窥的三维显示装置 - Google Patents

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CN117471708A CN202311413656.1A CN202311413656A CN117471708A CN 117471708 A CN117471708 A CN 117471708A CN 202311413656 A CN202311413656 A CN 202311413656A CN 117471708 A CN117471708 A CN 117471708A
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陶彦博
管敏
高超
王欣
王一平
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Abstract

本发明公开了一种可动态防窥的三维显示装置，包括沿光线进入人眼方向依次设置光源模块、电控可调光阑阵列、光场调整透镜阵列、瞳孔投影平板透镜、人眼位置采集装置，所述光源模块包括灯珠阵列，所述灯珠阵列用于发出具有一定发散角的光束，所述电控可调光阑阵列能够选择性地允许光束光线在特定位置以特定角度通过，所述光场调整透镜阵列用于控制光束折射并调整方向。本发明中，通过设置人眼采集装置，并将人眼采集装置与光源模块的灯珠阵列电性连接，能够实时获取人眼位置信息并传输至灯珠阵列以点亮与人眼对应区域的灯珠，能够实现动态防窥并实现三维图像光场的显示。

Description

一种可动态防窥的三维显示装置
技术领域
本发明涉及防窥设备技术领域，更具体涉及一种可动态防窥的三维显示装置。
背景技术
目前常见实现防窥技术是通过并列排布的光栅结构实现，在一定角度外光线无法穿过屏幕即光线被阻拦，通过控制光线角度将屏幕的广视角度变为窄视角度。
例如，在一定角度内利用超微细百叶窗光学技术或通过控制液晶的方式实现光线控制以达成一定角度外的防窥作用。但在使用时，防窥角度过大无法保证隐私性，防窥角度过小无法方便自身。同时当前的大部分防窥屏幕仅为左右防窥，且常规的防窥技术会使显示屏的光照亮使用者整个脸部，因其无法达成精准控光能力，无法满足使用者有隐蔽自身的需求。
现有专利公布号为CN114035340A的专利文献公开了一种背光源模组，包括：动态发光单元阵列、准直膜、动态狭缝光栅和透镜阵列；动态发光单元阵列配置为根据显示模式确定每一帧图像对应的视图，以及为视图对应的图像帧提供背光的发光单元；准直膜配置为使发光单元发出的光线准直入射至光栅；光栅配置为根据显示模式确定每一帧图像对应的视图，根据视图确定光栅的参数，利用光栅的屏障遮挡发光单元的发光面，控制发光单元发出的光透过光栅后相对于透镜的位置和光束宽度；透镜阵列配置为对透过光栅后的光束进行折射以产生指向视图对应的目标方向的背光；显示模式包括以下至少一种：单视图模式、双视图模式和多视图模式。该方案能够实现多种显示模式下的一种或多种方向的定向背光，但其无法实现动态防窥。
同时，专利公布号为CN108415173A的专利文献公开了一种基于背光阵列生成器的指向性背光立体显示装置，包括视点检测模块、背光阵列生成器、线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器。背光阵列生成器，由光源阵列、场镜阵列、空间光调制器、扩散膜依次组成，用于生成特定形状以及分布的背光阵列单元；线性透镜阵列，用于将背光阵列的光线汇聚到设定的视区单元；视点检测模块获取人眼视点后，背光阵列生成器发出的光线依次经过线性透镜阵列、线性扩散膜、图像显示器汇聚到设定视区单元。背光阵列生成器和图像显示器同步刷新，通过时分复用，可以实现空间中不同视点单元接收不同视差图像；从而改善已有指向性背光立体显示装置画面亮度均匀性较差的技术缺陷。
但该视点检测装置是通过控制背光源发出光线的指向，使得只有在空间设定位置才可以接收到屏幕图像，实现裸眼3D的效果，也无法实现动态防窥。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，如何实现三维显示装置的动态防窥。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种可动态防窥的三维显示装置，包括沿光线进入人眼方向依次设置光源模块、电控可调光阑阵列、光场调整透镜阵列、瞳孔投影平板透镜、人眼位置采集装置，所述光源模块包括灯珠阵列，所述灯珠阵列用于发出具有一定发散角的光束，所述电控可调光阑阵列能够选择性地允许光束光线在特定位置以特定角度通过，所述光场调整透镜阵列用于控制光束折射并调整方向，所述瞳孔投影平板透镜用于将经过电控可调光阑阵列编码的小角度光束解码并控制光束角度在空间中汇聚，所述人眼采集装置与灯珠阵列电性连接，所述人眼采集装置用于实时获取人眼位置信息并传输至灯珠阵列以点亮与人眼对应区域的灯珠，所述灯珠阵列发出的光线经电控可调光阑阵列、光场调整透镜阵列、瞳孔投影平板透镜调制后在人眼位置处形成视窗。
通过设置人眼采集装置，并将人眼采集装置与光源模块的灯珠阵列电性连接，能够实时获取人眼位置信息并传输至灯珠阵列以点亮与人眼对应区域的灯珠，能够实现动态防窥并实现三维图像光场的显示。
作为优选的技术方案，所述人眼采集装置包括相机，所述相机通过人眼采集方法对人眼位置实现动态捕获，所述人眼采集方法包括如下步骤：S1、画面获取：通过相机预览获取屏幕前图像画面；S2、图像的人脸识别：计算机读取图像画面并识别人脸，输出人脸的像素坐标点；S3、相机标定：使用相机拍摄标准棋盘格，拍摄各角度获取多张照片，使用openCV进行标定，获取相机内参矩阵；S4、确认人眼与屏幕垂直距离：将人眼间距设定为一固定数值，参考相机内参矩阵，确认相机参数，计算人眼到屏幕之间垂直距离；S5、镜头指出人眼向量计算：计算眉心像素坐标，结合相机内参矩阵计算镜头指出人眼向量；S6、人眼位置确认：根据人眼与屏幕之间垂直距离结合镜头指出人眼向量推导人像X轴及Y轴坐标，确认人眼位置三维坐标。
作为优选的技术方案，所述电控可调光阑阵列包括若干个阵列式分布的透光区和遮光区，所述透光区与遮光区为间隔分布，且均为矩形，所述透光区口径不大于所述光场调整透镜阵列的尺寸。
作为优选的技术方案，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的LED灯珠，所述子区域尺寸与电控可调光阑阵列的子区域尺寸相适配。
作为优选的技术方案，所述光源模块还包括整形透镜阵列，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的LED灯珠，所述整形透镜阵列位于灯珠阵列与电控可调光阑阵列之间，所述整形透镜阵列包括若干个整形透镜单元，所述子区域尺寸与整形透镜单元相适配，所述整形透镜阵列收束后的光线发散角为ω，
其中，p1为整形透镜单元的口径；f1为整形透镜单元的焦距；l为灯珠阵列与整形透镜阵列之间的距离。
作为优选的技术方案，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的MiniLED灯珠，所述子区域尺寸与电控可调光阑阵列的子区域尺寸相适配。
作为优选的技术方案，所述光源模块还包括整形透镜阵列，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的MiniLED灯珠，所述整形透镜阵列位于灯珠阵列与电控可调光阑阵列之间，所述整形透镜阵列包括若干个整形透镜单元，所述子区域尺寸与整形透镜阵列的整形透镜单元尺寸相适配。
作为优选的技术方案，所述光场调整透镜阵列包括若干透镜单元，所述透镜单元为单透镜或胶合透镜或多个透镜组合。
作为优选的技术方案，所述瞳孔投影平板透镜包括菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜将来自所述光场调整透镜阵列调控的光线汇聚至视窗处，所述视窗尺寸为W，
其中，d为电控可调光阑阵列的透光区的口径，f2为透镜单元的焦距，f3为瞳孔投影平板透镜的焦距。
作为优选的技术方案，所述透镜单元均为二维透镜，并将通过所述电控可调光阑阵列2的背光整形为一小角度发散光或一准直光束，所述透镜单元的口径为p2，p2＝2f2tanω+d；所述透光区的发散角为θ，其中d为电控可调光阑阵列透光区的口径；f2为光场调整透镜单元的焦距。
本发明的优点在于：
(1)本发明中，通过设置人眼采集装置，并将人眼采集装置与光源模块的灯珠阵列电性连接，能够实时获取人眼位置信息并传输至灯珠阵列以点亮与人眼对应区域的灯珠，能够实现防窥(隐蔽性观看)并实现三维图像光场的显示。
(2)本发明中，通过人眼采集方法能够实时获取人眼三维坐标，将信号传输至光源模块，同时光源模块中对应灯珠被点亮，发出的光束依次通过电控可调光阑阵列、光场调整透镜阵列、瞳孔投影平板透镜汇聚于人眼处，形成观看视窗，观看视窗随着双眼的移动实时改变，实现了动态防窥。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种可动态防窥的三维显示装置的光路传递示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种可动态防窥的三维显示装置的LED整形透镜结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的一种可动态防窥的三维显示装置的光场调整透镜阵列结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的一种可动态防窥的三维显示装置的瞳孔投影平板透镜结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的一种可动态防窥的三维显示装置的整体结构示意图；
附图标号：1、光源模块；11、灯珠阵列；111、LED灯珠；112、MiniLED灯珠；12、整形透镜阵列；121、整形透镜单元；2、电控可调光阑阵列；21、透光区；22、遮光区；3、光场调整透镜阵列；31、透镜单元；4、瞳孔投影平板透镜；5、人眼位置采集装置；6、视窗。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
实施例1
参阅图1，一种可动态防窥的三维显示装置，包括沿光线进入人眼方向依次设置的光源模块1、电控可调光阑阵列2、光场调整透镜阵列3、瞳孔投影平板透镜4、人眼位置采集装置5、视窗6；光源模块1能够发出具有一定发散角度或准直的背光光束，电控可调光阑阵列2用于控制视窗6位置，其根据光学特性和人眼位置选择性地允许光线在特定位置以特定角度通过，光场调整透镜阵列3用于控制光线方向折射并调整方向，并与电控可调光阑阵列2共同调制经光源模块1发出的光束，并生成一系列细光束，视窗6位置由瞳孔投影平板透镜4决定，瞳孔投影平板透镜4用于调制从光场调整透镜阵列3发射的光线，在空间中形成稳定可控的视窗6，视窗6尺寸是经电控可调光阑阵列2、光场调整透镜阵列3及瞳孔投影平板透镜4共同调制决定；视窗6跟随人眼的移动实时改变，人眼采集装置5与光源模块1的灯珠阵列11电性连接，人眼位置采集装置5实时获取人眼位置信息并传输至光源模块1，点亮光源模块1中与人眼位置对应区域的灯珠，实现定向背光即防窥；
当用户双眼处于左侧时，经人眼位置采集装置5实时获取人眼位置信息并传输光源模块1后，灯珠阵列11上每个区域右侧的灯珠被点亮，经过电控可调光阑阵列2和光场调整透镜阵列3整形后的细光束阵列向左侧出射，通过瞳孔投影平板透镜4的调制在左侧构建观看视窗6；同理，当用户双眼处于中心位置或右侧时，(二维LED阵列)灯珠阵列11上每个区域中心位置或左侧的灯珠被点亮，经过电控可调光阑阵列2和光场调整透镜阵列3整形后的细光束阵列向正上或右侧出射，通过瞳孔投影平板透镜4的调制在中心位置或右侧构建观看视窗6，达成隐蔽性观看(动态防窥)的同时实现三维图像光场的显示。
参阅图1，人眼位置采集装置5包括相机，相机采用人眼采集方法实现对人眼的动态捕获，从而实时获取人眼三维坐标，包括如下步骤：
S1、画面获取：相机进行相机预览获取屏幕前图像画面；
S2、图像的人脸识别：计算机读取图像画面识别人脸，输出人脸的像素坐标点；
S3、相机标定：使用相机拍摄标准棋盘格，拍摄各角度获取多张照片，使用openCV(跨平台计算机视觉库)进行标定，获取相机内参矩阵；
S4、确认人眼与屏幕垂直距离：将人眼间距设定为一固定数值，参考相机内参矩阵，确认相机参数，计算人眼到屏幕之间垂直距离；
S5、镜头指出人眼向量计算：计算眉心像素坐标，结合相机内参矩阵计算镜头指出人眼向量；
S6、人眼位置确认：根据人眼与屏幕之间垂直距离结合镜头指出人眼向量推导人像X轴及Y轴坐标，确认人眼位置三维坐标。
参阅图1，光源模块1用于提供整个显示系统所需的光源，该光源为包含多波长的近似白光的光束，光源模块1包括若干个成阵列式分布的灯珠阵列11和整形透镜阵列12，灯珠阵列11发出的光线经过整形透镜阵列12后能够形成具有一定发散角或准直的光束，灯珠阵列11和整形透镜阵列12沿朝向视窗6方向依次设置，其中灯珠阵列11分为若干个子区域，整形透镜阵列12包括若干个整形透镜单元121，本实施例中子区域为LED灯珠111组成，每个子区域尺寸对应整形透镜阵列12的整形透镜单元121尺寸，本实施例中子区域与整形透镜单元121尺寸一致，每个LED灯珠111的点亮和熄灭都是独立控制的，根据人眼位置采集装置5采集人眼位置坐标从而点亮该位置子区域内对应的LED灯珠111，LED灯珠111发出的光线经过电控可调光阑阵列2、光场调整透镜阵列3、瞳孔投影平板透镜4整形和汇聚投影在人眼处。
参阅图2，灯珠阵列11发出的光线经整形透镜阵列12调制后，发散光线角度收束至ω，根据几何光学原理，发散角ω可通过公式(1)计算，进而得到整形透镜的初始结构；
公式(1)：
其中，p1为整形透镜单元121的口径；f1为整形透镜单元121的焦距；l为灯珠阵列11与整形透镜阵列12之间的距离；ω：发散角。
参阅图3，电控可调光阑阵列2位于光源模块1与光场调整透镜阵列3之间，电控可调光阑阵列2可在外电场作用力下，利用光学特性周期性变化引起寻常光与非寻常光偏转，改变液晶倾角和空间取向状态，进而改变液晶折射率，从而使电控液晶光栅起到相位调制作用，电控可调光阑阵列2紧贴于光场调整透镜阵列3的平面侧，其作用是使在特定位置的光线以特定的角度通过电控可调光阑阵列2，以控制视窗6位置。
参阅图3，电控可调光阑阵列2设置于光场调整透镜阵列3背离视窗6的一端，电控可调光阑阵列2工作时包括若干个阵列式分布的透光区21和遮光区22，透光区21口径不大于光场调整透镜阵列3的透镜单元31的尺寸，每个透光区21和遮光区22的形状为矩形，通过控制透光区21及遮光区22的面积比设置单位内透光比例，通过电控可调光阑阵列2的部分光经光场调整透镜阵列3及瞳孔投影平板透镜4共同调制后形成目标光场分布，调制后的光束最终投影在人眼处。
电控可调光阑阵列2的制备是利用光刻法制备液晶光阑，将高分子聚合物涂覆在表面经过取向处理的带有ITO电极的玻璃基板上，以紫外灯为光源，通过光掩模法，使高分子聚合物在光场的引发下发生光化学反应，样品显影刻蚀处理后呈栅状，将液晶注入后，施加电场控制其衍射效率，实现其光开关特性，形成聚合物/液晶(PDLC)电控光阑。
参阅图4，光场调整透镜阵列3包括若干透镜单元31，透镜单元31是二维透镜单元，包括平面和凸面，可以为单透镜或胶合透镜或多个透镜组合，经过整形透镜阵列12收束后的光线经电控可调光阑阵列2调制后，形成发散角为θ的细光束，透镜单元31的口径p2可通过公式(2)计算，发散角θ可通过公式(3)计算；
公式(2)：p2＝2f2tanω+d
公式(3)：
其中，其中d为电控可调光阑阵列2的透光区21的口径；f2为透镜单元31与电控可调光阑阵列2之间的距离即透镜单元31的焦距。
参阅图1，瞳孔投影平板透镜4为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜将经过电控可调光阑阵列2编码的小角度光束解码并控制光束角度在空间中尽显汇聚，构建出位于人眼瞳孔的观看视窗6，视窗6尺寸为W，可由公式(4)计算；
公式(4)：
其中f3为视窗6与瞳孔投影平板透镜4之间的距离即瞳孔投影平板透镜4的焦距；
联立公式(3)及公式(4)，可得出电控可调光阑阵列2透光区口径、光场调整透镜单元31焦距f2及瞳孔投影平板透镜焦距f3与视窗6尺寸的关系，由公式(5)表示：
公式(5)：
参阅图5，根据上述公式确定视窗6尺寸与光学成像系统参数之间的关系，完成光学器件的设计优化。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中光源模块1包括若干个呈阵列式分布的灯珠阵列11，其中灯珠阵列11分为若干个子区域，子区域为LED灯珠111组成，该子区域对应电控可调光阑阵列2的子区域，每个LED灯珠111的点亮和熄灭都是独立控制的，根据人眼位置采集装置5采集人眼位置坐标从而点亮该位置子区域内对应的LED灯珠111。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，光源模块1包括若干个成阵列式分布的灯珠阵列11和整形透镜阵列12，整形透镜阵列12包括若干个整形透镜单元121，灯珠阵列11和整形透镜阵列12沿朝向视窗6方向依次设置，其中灯珠阵列11分为若干个子区域，本实施例中子区域为MiniLED灯珠112组成，每个子区域尺寸对应整形透镜阵列12的整形透镜单元121的尺寸，本实施例中，子区域与整形透镜单元121尺寸一致，每个MiniLED灯珠112的点亮和熄灭都是独立控制的，根据人眼位置采集装置5采集人眼位置坐标从而点亮该位置子区域内对应的MiniLED灯珠112。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于，本实施例中光源模块1包括若干个呈阵列式分布的灯珠阵列11，其中灯珠阵列11分为若干个子区域，子区域为MiniLED灯珠112组成，该子区域对应电控可调光阑阵列2的子区域，每个MiniLED灯珠112的点亮和熄灭都是独立控制的，根据人眼位置采集装置5采集人眼位置坐标从而点亮该位置子区域内对应的MiniLED灯珠112。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，包括沿光线进入人眼方向依次设置光源模块、电控可调光阑阵列、光场调整透镜阵列、瞳孔投影平板透镜、人眼位置采集装置，所述光源模块包括灯珠阵列，所述灯珠阵列用于发出具有一定发散角的光束，所述电控可调光阑阵列能够选择性地允许光束光线在特定位置以特定角度通过，所述光场调整透镜阵列用于控制光束折射并调整方向，所述瞳孔投影平板透镜用于将经过电控可调光阑阵列编码的小角度光束解码并控制光束角度在空间中汇聚，所述人眼采集装置与灯珠阵列电性连接，所述人眼采集装置用于实时获取人眼位置信息并传输至灯珠阵列以点亮与人眼对应区域的灯珠，所述灯珠阵列发出的光线经电控可调光阑阵列、光场调整透镜阵列、瞳孔投影平板透镜调制后在人眼位置处形成视窗。
2.根据权利要求1所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述人眼采集装置包括相机，所述相机通过人眼采集方法对人眼位置实现动态捕获，所述人眼采集方法包括如下步骤：S1、画面获取：通过相机预览获取屏幕前图像画面；S2、图像的人脸识别：计算机读取图像画面并识别人脸，输出人脸的像素坐标点；S3、相机标定：使用相机拍摄标准棋盘格，拍摄各角度获取多张照片，使用openCV进行标定，获取相机内参矩阵；S4、确认人眼与屏幕垂直距离：将人眼间距设定为一固定数值，参考相机内参矩阵，确认相机参数，计算人眼到屏幕之间垂直距离；S5、镜头指出人眼向量计算：计算眉心像素坐标，结合相机内参矩阵计算镜头指出人眼向量；S6、人眼位置确认：根据人眼与屏幕之间垂直距离结合镜头指出人眼向量推导人像X轴及Y轴坐标，确认人眼位置三维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述电控可调光阑阵列包括若干个阵列式分布的透光区和遮光区，所述透光区与遮光区为间隔分布，且均为矩形，所述透光区口径不大于所述光场调整透镜阵列的尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的LED灯珠，所述子区域尺寸与电控可调光阑阵列的子区域尺寸相适配。
5.根据权利要求3所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述光源模块还包括整形透镜阵列，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的LED灯珠，所述整形透镜阵列位于灯珠阵列与电控可调光阑阵列之间，所述整形透镜阵列包括若干个整形透镜单元，所述子区域尺寸与整形透镜单元相适配，所述整形透镜阵列收束后的光线发散角为ω，
其中，pD为整形透镜单元的口径；fD为整形透镜单元的焦距；l为灯珠阵列与整形透镜阵列之间的距离。
6.根据权利要求3所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的MiniLED灯珠，所述子区域尺寸与电控可调光阑阵列的子区域尺寸相适配。
7.根据权利要求3所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述光源模块还包括整形透镜阵列，所述灯珠阵列包括多个子区域，所述子区域包括若干个阵列分布的MiniLED灯珠，所述整形透镜阵列位于灯珠阵列与电控可调光阑阵列之间，所述整形透镜阵列包括若干个整形透镜单元，所述子区域尺寸与整形透镜阵列的整形透镜单元相适配。
8.根据权利要求5所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述光场调整透镜阵列包括若干透镜单元，所述透镜单元为单透镜或胶合透镜或多个透镜组合。
9.根据权利要求8所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述瞳孔投影平板透镜包括菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜将来自所述光场调整透镜阵列调控的光线汇聚至视窗处，所述视窗尺寸为W，
其中，d为电控可调光阑阵列透光区的口径，f2为透镜单元的焦距，f3为瞳孔投影平板透镜的焦距。
10.根据权利要求9所述的一种可动态防窥的三维显示装置，其特征在于，所述透镜单元均为二维透镜，并将通过所述电控可调光阑阵列2的背光整形为一小角度发散光或一准直光束，所述透镜单元的口径为p2，p2＝2f2tanω+d；所述透光区的发散角为θ，其中d为电控可调光阑阵列的透光区的口径；f2为光场调整透镜单元的焦距。
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