CN1301420C - 双微偏振式自由立体成像装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双微偏振式自由立体成像的装置及其方法，该装置包括图像面、狭缝光栅以及双微偏振片，其中双微偏振片是指上下两层微偏振片将狭缝光栅夹在中间，其中处于图像面一侧的微偏振片处于图像面与狭缝光栅之间；所述的微偏振片由相邻两列微偏振单元的透光轴方向相互垂直的微偏振单元周期性分布构成，即所谓“正交排列”；所述的狭缝光栅由等宽度的遮光条纹平行排列组成。本发明公开的一种新的立体成像装置及其方法，其双微偏振结构在预先设计的最佳观看平面处，不存在左右图像的重叠，因此不会出现串影现象，从而大大改善了立体图像显示的质量，本发明立体成像方法适合所有的平面显示器，可以使用所有的现有平面图像显示器件作为视差图像显示的基本器件。

Description

双微偏振式自由立体成像装置及其方法

技术领域

本发明涉及自由立体成像的装置及其基本方法，特别是涉及一种平板立体图像显示的装置及其成像方法，属于信息显示技术领域。

技术背景

立体图象显示技术又称作三维图像显示技术或3D图像显示技术，它致力于将客观景象的三维信息完全地再现出来，显示具有纵深感的立体图像。犹如观看立体电影那样，观看者可以直接观看出图像中景物的远近、纵深，犹如身临其境，获得强烈的视觉冲击。

有别于佩带立体眼镜观看的立体显示方法，自由立体显示技术无需借助任何辅助工具，肉眼可以在显示器的屏幕上直接观看到立体画面，即所谓自由立体显示(Auto-stereo Display)或无眼镜立体显示(StereoDisplay without Glasses)技术。

目前，平板型自由立体液晶显示方式可以分为三大类：第一类基于狭缝背光照明，如图1(a)所示，这种方式具有平面与立体显示兼容的优点，但在立体显示的情况下，图像显示的亮度下降很大。第二类基于前置式狭缝光栅，如图1(b)所示，这种方式具有平面与立体显示兼容的优点，但在立体显示的情况下，图像显示的亮度下降也很大。第三类基于前置式柱面光栅，如图1(c)所示，这种方式的立体显示亮度与同等的平面显示器显示亮度相同，但不能与平面显示模式兼容。表1给出了这三类方法的特点比较。

表1  三类液晶显示器的主要特性比较

技术指标	狭缝照明式	狭缝光栅式	柱面光栅式
				串影	较差	较好	较差
兼容性	兼容平面显示	兼容平面显示	只用于立体显示
				显示亮度[1]	30％	40％	80％
成本[1]	200％	120％	150％
				光均匀性	较差	较好	好
立体视角	大[2]	大[2]	不大
				适用性[3]	液晶显示器	各类平面显示器	各类平面显示器

[1]相对于平面显示器，[2]辅助视角跟踪，[3]适合应用的平面显示器

串影(Cross talk)现象是立体图像显示的重要问题，在串影区，观看者的眼睛不能单独观看到单视点画面，而是同时观看到左右图像，从而导致立体显示效果下降。串影现象严重的情况下，显示器的立体显示效果将完全散失，图像重影严重。在目前的三大类平板型自由立体显示方式中，串影现象是无法避免的问题。

兼容性是立体显示器的另一个主要技术指标，在目前平面显示器占据显示器几乎100％市场的情况下，立体显示器必须具有与平面显示兼容的性能，也就是说立体显示器既能显示立体图像又可以显示平面图像。

发明内容

本发明的目的在于利用正交双微偏振结构获得一种自由立体成像的装置，该装置构成对图像光源的有序调节，使所要显示的左右画面在空间上被完全地分割开来，从根本上解决了串影问题，同时，本发明的目的还在于提供一种能具有很好的平面显示兼容性的立体显示方式。

本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种双微偏振式自由立体成像的装置，包括图像面，其特征在于它还包括正交双微偏振结构，所述的正交双微偏振结构是由上、中、下三层光学元件组成，上、下两层都是微偏振片，在上、下两层微偏振片之间夹有作为中间层的狭缝光栅，其中图像面处于上层微偏振片的下方；所述的微偏振片由相邻两列微偏振单元的透光轴方向相互垂直的微偏振单元周期性分布构成，即所谓“正交排列”；所述的狭缝光栅由等宽度的遮光条纹平行排列组成；所述的周期性是指微偏振片中的所有微偏振单元具有如下特征：相邻微偏振单元的宽度相等、各单元相互平行、透光轴方向相互垂直。

本发明一种双微偏振式自由立体成像的装置还可采取以下的技术方案来进一步实现：

前述的一种双微偏振式自由立体成像的装置，其中所述的正交双微偏振结构中周期性排列的微偏振单元透光轴方向在空间上相差180°相位；中间层为狭缝光栅，光栅的周期性透光狭缝位置与上、下两层微偏振片的空间位置均相差90°相位；微偏振片的微偏振单元相互平行，同时与中间的光栅条纹走向也相互平行，上、下偏振片与光栅层之间留有距离。

利用上述的双微偏振式自由立体成像装置成像的方法，该方法是利用双微偏振式自由立体成像装置实现的，所述的装置包括图像面和正交双微偏振结构，所述的正交双微偏振结构是由上、中、下三层光学元件组成，上、下两层都是微偏振片，在上、下两层微偏振片之间夹有作为中间层的狭缝光栅，其中图像面处于上层微偏振片的下方；所述的微偏振片由相邻两列微偏振单元的透光轴方向相互垂直的微偏振单元周期性分布构成，形成“正交排列”；所述的狭缝光栅由等宽度的遮光条纹平行排列组成；所述的周期性是指微偏振片中的所有微偏振单元具有如下特征：相邻微偏振单元的宽度相等、各单元相互平行、透光轴方向相互垂直；该方法的成像的原理是在沿着与画面行方向相同的方向，图像平面隔列交替显示左右两幅画面，即左视点图像和右视点图像，图像平面与上层微偏振片相接，图像面的列与上层微偏振片中窄条型的微偏振单元线条指向相同，每一微偏振单元对应一列独立的图像阵列，使图像面发出的光被调制成以列为周期的正交偏振光；其特征在于它包括：

(1)左图像显示：设像素L宽度为L₁L₂，其发射的偏振光振动方向垂直于纸面，经狭缝光栅后，由于正交分布下层微偏振片的作用，像素L的光束穿过下层微偏振片中透光轴垂直于纸面的微偏振单元；若下层微偏振单元的透光轴垂直于纸面，则透过狭缝光栅的像素L的光束只能穿过该微偏振单元，在观看平面形成空间分离的的投影图像；

(2)右图像显示：与上述左图像显示同样的道理，图像平面上的所有的右图像在成像空间也形成空间分离的投影图像；

(3)当观看者的左眼置于左图像在成像空间、右眼置于右图像在成像空间时，将观看到立体图像。

本发明一种双微偏振式自由立体成像方法所涉及的两种基本元件，即双微偏振片和狭缝光栅。微偏振片(micro-polarizer或μpolarizer)由一系列宽度(图2中的a₁)微小的微偏振单元周期性分布构成，其周期性分布间隔为b₁，如图2所示。相邻两列微偏振单元的透光轴方向相互垂直，即所谓“正交排列”(orthogonal arranging)。图中的箭头分别代表它的透光轴方向。狭缝光栅如图3所示，它由一系列等宽度(图中的b₂)的遮光条纹组成，透光狭缝宽为a₂。

正交双微偏振结构是本发明立体显示方式的主体，如图4所示，由上、中、下三层光学元件组成。上、下两层都是微偏振片，分别表示微偏振片中透光轴方向相一致的微偏振单元，周期性的偏振透光轴方向在空间上相差180°相位。中间层为狭缝光栅，光栅的周期性透光点与上、下两层微偏振片的透光轴方向均相差90°相位。微偏振片的微偏振单元相互平行，同时与中间的光栅条纹走向也相互平行，上、下偏振片相距光栅层的间距分别为h₁和h₂。

作为一种新的立体成像方式，这种双微偏振结构在预先设计的最佳观看平面处，不存在左右图像的重叠，因此不会出现串影现象，从而大大改善了立体图像显示的质量。

本发明的主要特点表现在以下几方面：

1、理论上无串影现象，从而消除了现有立体显示方案不可避免的晃眼(flicker)现象，从而具有极高的立体成像质量。

2、适合所有的平面显示器，可以使用所有的现有平面图像显示器件作为视差图像显示的基本器件，例如液晶显示器(LCD)、电致发光显示器(EL)、等离子体显示器(PDP)、场致发光显示器(FED)、有机发光二极管(OLED)、电泳显示器(EPD)、电致变色显示器(ECD)等等。

3、适合所有的静态立体图片，如印刷、喷墨打印、喷绘、感光材料的图片等。

如图5所示的一种双微偏振式自由立体成像方法，其成像的原理是在沿着与画面行方向相同的方向，图像平面隔列交替显示左右两幅画面。设图中深黑色的长方形表示左视点图像(L图像)，白色的长方形表示右视点图像(R图像)。图像平面与上层微偏振片相接，图像面的列与上层微偏振片中窄条型的微偏振单元线条指向相同。每一微偏振单元对应一列独立的图像阵列，使图像面发出的光被调制成以列为周期的正交偏振光。

以左图象为例，分析系统的成像原理。设像素L宽度为L₁L₂，其发射的偏振光振动方向垂直于纸面。经光栅O后，在没有下层微偏振片的条件下，像素L在观看面的投影区域为将I₁I₄。由于正交分布下层微偏振片的作用，像素L的光束只能穿过下层微偏振片中透光轴垂直于纸面的微偏振单元。假定图中标为黑色的下层微偏振单元的透光轴垂直于纸面，因此，透过光栅O的像素L的光束只能穿过图中黑色的偏振单元，在观看平面形成I₂I₃的投影。对于像素L，透过光栅的所有狭缝之后，将在成像空间形成一系列的投影图像。图6的光强分布图中，虚线曲线描绘的是图像平面上所有的左图象在成像空间的图像光强分布。同样的道理，图像平面上所有的右图象在成像空间也形成一系列的成像光强分布，如图6的实线曲线。当观看者的左眼置于左图象在成像空间、右眼置于右图象在成像空间时，将观看到立体图像。

从简考虑，设图像平面、上下微偏振片及光栅之间的介质为空气(光学折射率n＝1.0000)，则双微偏振式成像系统的各光学参数可按照以下关系式确定。

$h_2=\frac{Z}{B}t-d---\left(1\right)$

式中，t为图像平面表现左右图像的独立像元的宽度，d为图像平面相对下微偏振片距离。可以取h₁＝h₂＝h₀。

下微偏振片的偏振单元宽度：

a₁＝b₁＝t-δ₁                          (2)

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{d}{Z+2h_0+d}t---\left(3\right)$

光栅的相邻狭缝间隔为：

b₂＝2_t-δ₂                             (4)

其中：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{h_0+d}{Z+2h_0+d}2t---\left(5\right)$

上微偏振片的偏振单元宽度：

a₃＝b₃＝t-δ₃                          (6)

其中：

${\mathrm{\δ}}_3=\frac{2h_0+d}{Z+2h_0+d}t---\left(7\right)$

附图说明

图1是常见的平板型自由立体液晶显示方式：其中(a)狭缝照明式(b)狭缝光栅式(c)柱面光栅式显示屏—1、狭缝光源---2、狭缝光栅---3、柱面光栅---4；

图2是双微偏振片

图3是狭缝光栅

图4是正交双微偏振结构：其中中间层---5、上层---6、下层---7；

图5是双微偏振式自由立体成像的原理：其中图像面---8、上层微偏振片---9、下层微偏振片---10、观看平面---11；

图6是左右图像的成像光强分布

图7是使用液晶显示器作为显示器件的成像原理图：其中LCD滤色片层---12；

图8是喷绘图片作为视差图像的显示器件的成像原理图：其中喷绘图片---13；

具体实施方式

实施例1

将LCD作为视差图像的基本显示器件，并以此为例，描述本发明的实施细节。

设使用的液晶显示器直接将下层微偏振片置于液晶盒的滤色片层，并且具有如下的技术参数：

1、分辨率：1024×768

2、有效显示尺寸：水平288mm

3、液晶盒前基片厚度0.7mm

4、液晶屏前偏振片厚度0.1mm

设定的立体显示器主要光学参数为：

1、最佳观看距离：600mm

2、人眼瞳距：65mm

如图7所示的一种双微偏振式自由立体成像方法，其成像的原理是在沿着与画面行方向相同的方向，图像平面隔列交替显示左右两幅画面。设图中深黑色的长方形表示左视点图像(L图像)，白色的长方形表示右视点图像(R图像)。LCD滤色片层(图像平面)与上层微偏振片相接，滤色片层的列与上层微偏振片中窄条型的微偏振单元线条指向相同。每一微偏振单元对应一列独立的图像阵列，使滤色片层发出的光被调制成以列为周期的正交偏振光。

以左图象为例，分析系统的成像原理。设像素L宽度为L₁L₂，其发射的偏振光振动方向垂直于纸面。经光栅O后，在没有下层微偏振片的条件下，像素L在观看面的投影区域为I₁I₄。由于正交分布下层微偏振片的作用，像素L的光束只能穿过下层微偏振片中透光轴垂直于纸面的微偏振单元。假定图中标为黑色的下层微偏振单元的透光轴垂直于纸面，因此，透过光栅O的像素L的光束只能穿过图中黑色的偏振单元，在观看平面形成I₂I₃的投影。对于像素L，透过光栅的所有狭缝之后，将在成像空间形成一系列的投影图像。

根据本发明的立体成像原理，可以计算得到立体液晶显示器的结构参数如下：

1、上层微偏振片与光栅的相对距离h₁：0.865mm

2、下层微偏振片与光栅的相对距离h₂：0.865mm

3、光栅栅距b₂：0.1872mm

4、光栅缝宽a₂：0.0900mm

5、上层微偏振片单元宽度：0.0935mm

实施例2

将喷绘图片作为视差图像的基本图像面，并以此为例，描述本发明的实施细节。

将喷绘图片直接与上层微偏振片相粘贴，并且具有如下的技术参数：

1、分辨率：254dpi

2、立体图像对：10幅

3、有效显示尺寸：水平2000mm

设定的立体显示器主要光学参数为：

1、最佳观看距离：2000mm

2、人眼瞳距：65mm

如图8所示的一种双微偏振式自由立体成像方法，其成像的原理是在沿着与画面行方向相同的方向，图像平面隔列交替显示左右两幅画面。设图中深黑色的长方形表示左视点图像(L图像)，白色的长方形表示右视点图像(R图像)。喷绘图片(图像平面)与上层微偏振片相接，喷绘图片的列与上层微偏振片中窄条型的微偏振单元线条指向相同。每一微偏振单元对应一列独立的图像阵列，使喷绘图片发出的光被调制成以列为周期的正交偏振光。

以左图象为例，分析系统的成像原理。设像素L宽度为L₁L₂，其发射的偏振光振动方向垂直于纸面。经光栅O后，在没有下层微偏振片的条件下，像素L在观看面的投影区域为将I₁I₄。由于正交分布下层微偏振片的作用，像素L的光束只能穿过下层微偏振片中透光轴垂直于纸面的微偏振单元。假定图中标为黑色的下层微偏振单元的透光轴垂直于纸面，因此，透过光栅O的像素L的光束只能穿过图中黑色的偏振单元，在观看平面形成I₂I₃的投影。对于像素L，透过光栅的所有狭缝之后，将在成像空间形成一系列的投影图像。

根据本发明的立体成像原理，可以计算得到立体液晶显示器的结构参数如下：

1、上层微偏振片与光栅的相对距离h₁：3.077mm

2、下层微偏振片与光栅的相对距离h₂：3.077mm

3、光栅栅距b₂：0.998mm

4、光栅缝宽a₂：0.998mm

5、上层微偏振片单元宽度：0.0997mm

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1、一种双微偏振式自由立体成像的装置，包括图像面，其特征在于它还包括正交双微偏振结构，所述的正交双微偏振结构是由上、中、下三层光学元件组成，上、下两层都是微偏振片，在上、下两层微偏振片之间夹有作为中间层的狭缝光栅，其中图像面处于上层微偏振片的下方；所述的微偏振片由相邻两列微偏振单元的透光轴方向相互垂直的微偏振单元周期性分布构成，形成“正交排列”；所述的狭缝光栅由等宽度的遮光条纹平行排列组成；所述的周期性是指微偏振片中的所有微偏振单元具有如下特征：相邻微偏振单元的宽度相等、各单元相互平行、透光轴方向相互垂直。

2、根据权利要求1所述的一种双微偏振式自由立体成像的装置，其中所述的正交双微偏振结构中周期性排列的微偏振单元透光轴方向在空间上相差180°相位；中间层狭缝光栅的周期性透光狭缝位置与上、下两层微偏振片的空间位置均相差90°相位；微偏振片的微偏振单元相互平行，同时与中间的光栅条纹走向也相互平行，上、下偏振片与光栅层之间留有距离。

3、一种双微偏振式自由立体成像的方法，该方法是利用双微偏振式自由立体成像装置实现的，所述的装置包括图像面和正交双微偏振结构，所述的正交双微偏振结构是由上、中、下三层光学元件组成，上、下两层都是微偏振片，在上、下两层微偏振片之间夹有作为中间层的狭缝光栅，其中图像面处于上层微偏振片的下方；所述的微偏振片由相邻两列微偏振单元的透光轴方向相互垂直的微偏振单元周期性分布构成，形成“正交排列”；所述的狭缝光栅由等宽度的遮光条纹平行排列组成；所述的周期性是指微偏振片中的所有微偏振单元具有如下特征：相邻微偏振单元的宽度相等、各单元相互平行、透光轴方向相互垂直；该方法的成像的原理是在沿着与画面行方向相同的方向，图像平面隔列交替显示左右两幅画面，即左视点图像和右视点图像，图像平面与上层微偏振片相接，图像面的列与上层微偏振片中窄条型的微偏振单元线条指向相同，每一微偏振单元对应一列独立的图像阵列，使图像面发出的光被调制成以列为周期的正交偏振光；其特征在于它包括：

(1)左图像：设像素L宽度为L₁L₂，其发射的偏振光振动方向垂直于纸面，经狭缝光栅后，由于正交分布下层微偏振片的作用，像素L的光束穿过下层微偏振片中透光轴垂直于纸面的微偏振单元；由于该下层微偏振单元的透光轴垂直于纸面，则透过狭缝光栅的像素L的光束只能穿过该微偏振单元，在观看平面形成空间分离的投影图像；

(2)右图像：同样的道理，图像平面上的所有的右图像在成像空间也形成空间分离的投影图像；

(3)当观看者的左眼置于左图像在成像空间、右眼置于右图像在成像空间时，将观看到立体图像。

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