CN206876973U - 一种裸眼3d影像显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所述的一种裸眼3D影像显示装置，通过将液晶透镜阵列装置的多个柱面透镜构造为沿着根据第二显示面板的布置状态的方向倾斜布置，并具体选择合适的倾斜角度范围为30°～45°，提高了裸眼观看立体成像的清晰度，并通过处理器控制组成第二像素的开启和关闭，消除了残影，结构简单，成本较低。同时在第一显示面板和第二显示面板上设置的黑色矩阵，增加了出光的均匀性，并将左眼图像和右眼图像很好地区分开来，有利于裸眼立体显示的进一步推广应用。

Description

一种裸眼3D影像显示装置

技术领域

本发明涉及一种裸眼3D影像显示装置，具体的说是涉及一种设有黑色遮光矩阵的裸眼3D影像显示装置。

背景技术

近年来，3D显示技术快速发展，受到人们越来越重要的关注和重视。随着影视公司、电视服务商们推出多种3D影视作品，人类获得了前所未有的视觉体验。在观众获得强烈视觉感受时，因为需要佩戴特殊的立体眼镜，故同时也伴随了诸多不便利，例如长时间观看造成的视觉疲劳、头晕恶心，甚至清晰效果越好配套的立体眼镜越贵，以及易损坏造成的成本昂贵。使用体验的提升促使着科技的不断进步，裸眼3D显示技术应运而生，但是裸眼式立体技术还处于不断研发阶段，并且主要应用在工业商用显示市场，虽然有了部分相应产品但普及度还不够，尤其可视距离、可视角度及分辨率等方面还具有很多不足。

目前的裸眼3D显示技术主流为光屏障式、柱面透镜式，其他显示方式还包括有多层显示、指向光源等，但是即使是主流的光屏障式、柱面透镜式，仍存在成像不够清晰、亮度不够、残影明显以及结构复杂、成本较高等问题。

图1和图2是用于说明现有技术的示意图。

根据图1和图2，根据现有技术柱面透镜方法的自动立体显示装置通过利用空间分割方法使左眼和右眼感知不同的图像而实现3D图像。

也就是说，现有技术的自动立体显示装置分离地实现左眼和右眼感知的图像并利用柱面透镜折射每个图像以具有特定的角度，使得左眼图像能聚焦到左眼上而右眼图像能聚焦到右眼上，由此实现3D 图像。

然而，因为利用现有技术柱面透镜的自动立体3D面板分离地实现左眼图像和右眼图像，所以图像的分辨率减小一半。此外，柱面透镜图像聚焦的部分固定，因而使用者仅在特定位置和角度可以感知 3D图像。

此外，使用现有技术柱面透镜的自动立体3D面板使用柱面透镜折射图像，因而如果实现2D图像，则图像质量会劣化。

发明内容

根据上述问题，本发明提出了一种成像清晰、亮度足够、残影淡化以及结构简单、成本较低的裸眼3D影像显示装置。其技术方案如下所述：

一种裸眼3D影像显示装置，包括：

第一显示面板，包含多个第一像素分别沿第一方向和第二方向阵列布置，所述第一像素对应有左眼图像和右眼图像；

第二显示面板，设置于所述第一显示面板上，并包含多个第二像素分别沿第二方向和第一方向阵列布置，包括多个像素，所述多个第二像素包括左眼像素和右眼像素；

显示光源；

液晶透镜阵列装置，布置为面对所述第二显示面板的显示表面，并且包括多个柱面透镜，所述多个柱面透镜被构造为沿着根据所述第二显示面板的所述布置状态的方向倾斜布置，倾斜角度范围为30°～45°；以及

处理器，所述处理器接收第一像素的信号，并据此发出控制指令给控制模块，所述控制模块控制组成所述第二像素的开启和关闭。

所述倾斜角度优选为45°。

进一步的，所述液晶透镜阵列装置是具有液晶层的可变液晶透镜阵列，所述可变液晶透镜阵列被构造为选择性地产生相当于所述多个柱面透镜的效果的柱面透镜效果，通过电改变所述液晶层中的折射系数分布而允许所述柱面透镜效果产生在两个不同方向的任一个方向上。

进一步的，其中通过控制所述左眼像素和所述右眼像素交替地开启和关闭，使得当所述左眼像素或所述右眼像素开启时从所述背光单元发出的光被提供到所述液晶透镜阵列装置，所述控制单元实现三维图像。

进一步的，所述第二显示面板具有多个子像素二维地布置的像素构造，所述多个子像素的每个对应于彩色显示所需的多个颜色的每个，并且结合用于构造彩色显示的单位像素的每个子像素的位置在所述第一布置状态和所述第二布置状态之间改变。

进一步的，所述控制模块单独控制组成所述第二像素的部分像素的开启和关闭。

进一步的，所述第二显示面板中的所述子像素具有矩形形状，所述纵向方向上的像素宽度Wy满足下面的关系式：Wy＝Py(1-1/N)，并且角度θ满足下面的表达式：θ＝tan^-1(Px/Py(1+1/N))，其中Px和 Py分别表示所述子像素的所述较短方向和所述纵向方向上的像素节距，Wy表示所述子像素在所述纵向方向上的像素宽度，θ表示在所述第一布置状态下所述柱面透镜的所述轴相对于所述显示面板的所述垂直方向的倾斜角，并且N表示在所述第二布置状态下子像素在所述垂直方向上的数量，所述子像素构造三维像素作为立体图像的单位像素。

进一步的，所述液晶透镜阵列装置包括两个平行的第一基板和第二基板、处于两个基板中间的液晶层以及两侧的第一电极和第二电极，第一电极在该第二基板的该表面上的垂直投影，与相邻的第二电极具有一重叠部分，该重叠部分具有一重叠长度，该重叠长度为3～6μm。

进一步的，所述第一显示面板和所述第二显示面板上设有黑色矩阵。

进一步的，所述黑色矩阵是第一像素和第二像素宽度的六分之一至五分之一。

本发明还包括一种驱动裸眼3D影像显示装置的方法，该裸眼3D影像显示装置包括：第一显示面板，包含多个第一像素分别沿第一方向和第二方向阵列布置，所述第一像素对应有左眼图像和右眼图像；

第二显示面板，设置于所述第一显示面板上，并包含多个第二像素分别沿第二方向和第一方向阵列布置，包括多个像素，所述多个第二像素包括左眼像素和右眼像素；

显示光源；

液晶透镜阵列装置，布置为面对所述第二显示面板的显示表面，并且包括多个柱面透镜，所述多个柱面透镜被构造为沿着根据所述第二显示面板的所述布置状态的方向倾斜布置，倾斜角度范围为30°～45°；以及

处理器，

具体步骤为：

所述处理器接收第一像素的信号，并据此发出控制指令给控制模块，所述控制模块控制组成所述第二像素的开启和关闭。

进一步的，所述驱动方法的所述倾斜角度为45°。

所述液晶透镜阵列装置是具有液晶层的可变液晶透镜阵列，所述可变液晶透镜阵列被构造为选择性地产生相当于所述多个柱面透镜的效果的柱面透镜效果，通过电改变所述液晶层中的折射系数分布而允许所述柱面透镜效果产生在两个不同方向的任一个方向上。

其中通过控制所述左眼像素和所述右眼像素交替地开启和关闭，使得当所述左眼像素或所述右眼像素开启时从所述背光单元发出的光被提供到所述液晶透镜阵列装置，所述控制单元实现三维图像。

所述第二显示面板具有多个子像素二维地布置的像素构造，所述多个子像素的每个对应于彩色显示所需的多个颜色的每个，并且结合用于构造彩色显示的单位像素的每个子像素的位置在第一布置状态和第二布置状态之间改变。

所述控制模块单独控制组成所述第二像素的部分像素的开启和关闭。

所述第二显示面板中的所述子像素具有矩形形状，所述纵向方向上的像素宽度Wy满足下面的关系式：Wy＝Py(1-1/N)，并且角度θ满足下面的表达式：θ＝tan^-1(Px/Py(1+1/N))，

其中Px和Py分别表示所述子像素的所述较短方向和所述纵向方向上的像素节距，Wy表示所述子像素在所述纵向方向上的像素宽度，θ表示在所述第一布置状态下所述柱面透镜的所述轴相对于所述显示面板的所述垂直方向的倾斜角，并且N表示在所述第二布置状态下子像素在所述垂直方向上的数量，所述子像素构造三维像素作为立体图像的单位像素。

所述液晶透镜阵列装置包括两个平行的第一基板和第二基板、处于两个基板中间的液晶层以及两侧的第一电极和第二电极，第一电极在该第二基板的该表面上的垂直投影，与相邻的第二电极具有一重叠部分，该重叠部分具有一重叠长度，该重叠长度为3～6μm。

所述第一显示面板和所述第二显示面板上设有黑色矩阵。

所述黑色矩阵是第一像素和第二像素宽度的六分之一至五分之一。

本发明由于采取了上述技术方案，其具有如下有益效果：

本发明所述的裸眼3D影像显示装置，通过将液晶透镜阵列装置的多个柱面透镜构造为沿着根据第二显示面板的布置状态的方向倾斜布置，并具体选择合适的倾斜角度范围为30°～45°，提高了裸眼观看立体成像的清晰度，并通过处理器控制组成第二像素的开启和关闭，消除了残影，结构简单，成本较低。同时在第一显示面板和第二显示面板上设置的黑色矩阵，增加了出光的均匀性，并将左眼图像和右眼图像很好地区分开来，有利于裸眼立体显示的进一步推广应用。

附图说明

图1和图2是用于说明现有技术的示意图。

图3是本发明的裸眼3D影像显示装置的整体结构示意图。

图4是本发明的裸眼3D影像显示装置的驱动方式示意图。

图5是液晶透镜阵列装置与第二显示面板的整体布局图。

图6是液晶透镜阵列装置与第二显示面板的局部示意图。

图7是第一显示面板和第二显示面板上黑色矩阵的示意图。

图8是黑色矩阵与透镜阵列相互配合出光的示意图。

具体实施方式

如图3和图5所示，一种裸眼3D影像显示装置，包括：第一显示面板1，包含多个第一像素分别沿第一方向X和第二方向Y阵列布置，所述第一像素对应有左眼图像和右眼图像；第二显示面板2，设置于所述第一显示面板1上，并包含多个第二像素分别沿第二方向Y和第一方向X阵列布置，包括多个像素，所述多个第二像素包括左眼像素和右眼像素；显示光源3；液晶透镜阵列装置4，布置为面对所述第二显示面板2的显示表面，并且包括多个柱面透镜41，所述多个柱面透镜41被构造为沿着根据所述第二显示面板2的所述布置状态的方向倾斜布置，倾斜角度范围为30°～45°，其中45°效果最佳；以及处理器，所述处理器接收第一像素的信号，并据此发出控制指令给控制模块，所述控制模块控制组成所述第二像素的开启和关闭。

在水平条布置中，采用斜双凸透镜系统以消除亮度不均匀性。柱面透镜的柱面轴(中心轴)以角度θ在平行于第二显示面板2的显示表面的平面中从构造空间中的Y轴方向倾斜。当采用斜双凸透镜系统以消除亮度不均匀性时，在水平条布置的情况下，水平方向上的子像素节距大于垂直条布置情况中的子像素节距。换言之，当较短方向上的像素节距为Px，并且纵向方向上的像素节距为Py(Py＞Px)时，在垂直条布置的情况下，水平方向上的子像素节距为Px，但是在水平条布置的情况下，水平方向上的子像素节距为Py。因此，增加了柱面透镜的倾斜角θ，因此难以分离水平方向上的视差图像。另外，被分配相同数量的相邻子像素R、G和B(Ri、Gi和Bi，i＝1，2，3，...)的结合形成彩色显示的单位像素。例如，在倾斜方向上彼此相邻的子像素(R2、G2和B2)的结合形成单位像素。

构造1个像素的子像素R、G和B以1行和1列的间隔布置。柱面透镜此时的倾斜角θ通过θ＝ tan^-1(Py/Px)获得。在典型的显示面板中，1个像素的高宽比为1∶1，从而建立了Py＝3Px。因此，柱面透镜的倾斜角θ为72.4°。在此情况下，垂直方向(Y方向)上的折射能力大于水平方向(X方向)上的折射能力，从而垂直方向上的视差图像的分离程度大于水平方向。在立体视觉中，水平方向上的视差是重要的，因此需要倾斜角θ为45°或更小。因此，考虑通过增加构造1个像素的子像素R、G和B之间在垂直方向上的距离而减小柱面透镜的倾斜角θ的方法。

如图5所示，柱面透镜41较佳为平行排列的柱状棱镜，且其与第二黑色矩阵共同的延伸方向相对于第一方向X及第二方向Y倾斜。由于柱面透镜41及第二黑色矩阵相对于第二方向Y倾斜，因此在第二方向Y上相邻的投影重迭区上方可能会对应到不同的柱面透镜41及第二黑色矩阵。换言之，在第二方向Y上相邻的投影重迭区产生的光线将并非都是由正上方或同一侧斜上方的柱面透镜41出射，因此可使两者的出射角度不同。如前所述，在第一方向X上同一列的数个投影重迭区会为了合并产生较大视角范围而具有相同的光调变量，而实际上是被当成同一个像素来使用。换言之，在第一方向X上的分辨率较投影重迭区的数量来得低。此时可借由上述柱面透镜41及第二黑色矩阵倾斜造成第二方向Y上相邻两个投影重迭区射出光线的错位及角度差关系，将下一列(第二方向Y上的下一列)的投影重迭区的显示信号补入上一列，而当作同一列的像素使用，因此可弥补在第一方向X上分辨率的损失。如前所述，一个第一像素即可在第二方向Y上产生两个投影重迭区，因此即便将两列的投影重迭区当作一列使用，实际上在第二方向Y上的分辨率仍可维持原本第一像素在第二方向Y上的数量。

当第一显示面板1及第二显示面板2间有间隙时，即可能因为光路的拉长而产生光信号在空间中的串音(crosstalk)现象，使得光信号的正确性受到影响。在图7所示的实施例中，第一显示面板1具有第一黑色矩阵设置于相邻的第一像素间；第二显示面板2具有第二黑色矩阵设置于相邻的第二像素间。第一黑色矩阵及第二黑色矩阵较佳可在制程上以制作黑矩阵的方式形成。第一黑色矩阵在第一方向X上具有第一宽度U1，第二黑色矩阵在第一方向X上具有第二宽度U2。另第二像素在第一方向X上具有第二像素宽度W2。当第一宽度U1及第二宽度U2的总合大于第二像素宽度W2时，在不同第二像素下的两个相邻第一像素所产生的光线即不易产生串音现象。如图7所示，若第一宽度U1及第二宽度U2的总合大于第二像素宽度W2，当在不同第二像素下的两个相邻第一像素所产生的光线均穿过其中的一上方的第二像素时，会分别受到第一黑色矩阵及第二黑色矩阵的影响，使得两者的出射角度范围重迭得以控制，以缓解串音现象。同理，在第二方向Y上，亦可作类似的设置，以缓解串音现象。

所述控制模块单独控制组成所述第二像素的部分像素的开启和关闭，使得调控更加精细，同时节约能源。

如图8所示，投影重迭区所产生光线投射到柱面透镜层后，其光场在第一方向X上的宽度F可以下式表示，其中若假设第二像素宽度W2相对于F可忽略不计：其中，其中：θ＝tan^-1[(6W₁-2U₁+U₂)/2d]，

如图8所示，第一像素于第一方向X上具有第一像素宽度W1，柱面透镜41在第一方向X上具有棱镜宽度P，第二显示面板2与柱面透镜层间具有第一间距D，第一显示面板1与第二显示面板2间具有第二间距d；其中，光场在第一方向X上的宽度F较佳为柱面透镜41在同一方向上宽度的2到3 倍之间，则U1,U2,W1,P,D以及d的关系较佳符合关系式：2P*d<D(5W₁-2U₁+U₂)≦3P*d。

在此一设计下，至少相邻三个柱面透镜41会被单一投影重迭区产生的光线照射到。由于相邻三个柱面透镜41所对应的第二黑色矩阵中至少一个会与此投影重迭区对应的第一黑色矩阵具有相同的颜色，因此可确保此投影重迭区的光线至少会由一个柱面透镜41出射。

进一步的，所述黑色矩阵是第一像素和第二像素宽度的六分之一至五分之一。

所述液晶透镜阵列装置包括两个平行的第一基板和第二基板、处于两个基板中间的液晶层以及两侧的第一电极和第二电极，第一电极在该第二基板的该表面上的垂直投影，与相邻的第二电极具有一重叠部分，该重叠部分具有一重叠长度，该重叠长度为3～6μm。

第二基板相对第一基板设置。液晶层介于第一基板与第二基板之间。第一电极排列于第一基板邻接液晶层的表面上，且任两相邻的第一电极定义第一间隙于其间。第二电极排列于第二基板邻接液晶层的表面上，且任两相邻的第二电极定义第二间隙于其间。每一第一电极在第二基板的表面上的垂直投影，均与两相邻的第二电极部分重叠(即重叠部分O1)。而每一第二电极在第一基板的表面上的垂直投影，均与两相邻的第一电极部分重叠(即重叠部分O2)。

如此一来，当于第一电极与第二电极之间施加一电场，液晶层中的液晶分子便受到电场的影响而改变其排列方向，使得液晶层的折射率分布类似于实体透镜。详细地说，首先定义第一基板与第二基板的法线方向为垂直方向，而第一基板与第二基板的延伸方向为水平方向。在施加电场的情况下，第一基板与第二基板之间的电场在重叠部分O1与O2之间与其它区域有所不同。于重叠部分O1与O2之间具有最强的垂直电场，而越远离重叠部分O1与O2，垂直电场强度越弱。液晶分子在垂直电场下的折射率定义为第一折射率，而在水平电场下的折射率定义为第二折射率。因此在重叠部分O1与O2之间，液晶分子具有第一折射率，随着远离重叠部分O1与O2，液晶分子渐渐改变为第二折射率。如此一来，经由上述的第一电极与第二电极的排列方式，整体液晶层能够产生相似于实体透镜的折射率分布。

另外，在本实施方式中，第一电极与第二电极均呈条状，且沿线性方向分别排列于第一基板与第二基板上。亦即第一电极与第二电极，甚至于液晶层的折射率变化皆属于一维阵列排列。然而上述的排列方式仅为例示，并非用以限制本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性设计第一电极与第二电极的排列方式。

虽然上面针对裸眼3D影像显示装置描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，而并非用于限制本发明。

Claims (10)

1.一种裸眼3D影像显示装置，包括：

第一显示面板，包含多个第一像素分别沿第一方向和第二方向阵列布置，所述第一像素对应有左眼图像和右眼图像；

第二显示面板，设置于所述第一显示面板上，并包含多个第二像素分别沿第二方向和第一方向阵列布置，包括多个像素，所述多个第二像素包括左眼像素和右眼像素；

显示光源；

液晶透镜阵列装置，布置为面对所述第二显示面板的显示表面，并且包括多个柱面透镜，所述多个柱面透镜被构造为沿着根据所述第二显示面板的所述布置状态的方向倾斜布置，倾斜角度范围为30°～45°；以及

处理器，所述处理器接收第一像素的信号，并据此发出控制指令给控制模块，所述控制模块控制组成所述第二像素的开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的裸眼3D影像显示装置，所述倾斜角度为45°。

3.根据权利要求1所述的裸眼3D影像显示装置，所述液晶透镜阵列装置是具有液晶层的可变液晶透镜阵列，所述可变液晶透镜阵列被构造为选择性地产生相当于所述多个柱面透镜的效果的柱面透镜效果，通过电改变所述液晶层中的折射系数分布而允许所述柱面透镜效果产生在两个不同方向的任一个方向上。

4.根据权利要求1所述的裸眼3D影像显示装置，其中通过控制所述左眼像素和所述右眼像素交替地开启和关闭，使得当所述左眼像素或所述右眼像素开启时从背光单元发出的光被提供到所述液晶透镜阵列装置，所述控制单元实现三维图像。

5.根据权利要求1～4任一项所述的裸眼3D影像显示装置，所述第二显示面板具有多个子像素二维地布置的像素构造，所述多个子像素的每个对应于彩色显示所需的多个颜色的每个，并且结合用于构造彩色显示的单位像素的每个子像素的位置在第一布置状态和第二布置状态之间改变。

6.根据权利要求5所述的裸眼3D影像显示装置，所述控制模块单独控制组成所述第二像素的部分像素的开启和关闭。

7.根据权利要求5所述的裸眼3D影像显示装置，所述第二显示面板中的所述子像素具有矩形形状，纵向方向上的像素宽度Wy满足下面的关系式：Wy＝Py(1-1/N)，并且角度θ满足下面的表达式：θ＝tan^-1(Px/Py(1+1/N))，

其中Px和Py分别表示所述子像素的较短方向和所述纵向方向上的像素节距，Wy表示所述子像素在所述纵向方向上的像素宽度，θ表示在所述第一布置状态下所述柱面透镜的轴相对于所述显示面板的垂直方向的倾斜角，并且N表示在所述第二布置状态下子像素在所述垂直方向上的数量，所述子像素构造三维像素作为立体图像的单位像素。

8.根据权利要求1～4任一项所述的裸眼3D影像显示装置，所述液晶透镜阵列装置包括两个平行的第一基板和第二基板、处于两个基板中间的液晶层以及两侧的第一电极和第二电极，第一电极在该第二基板的该表面上的垂直投影，与相邻的第二电极具有一重叠部分，该重叠部分具有一重叠长度，该重叠长度为3～6μm。

9.根据权利要求1～4任一项所述的裸眼3D影像显示装置，所述第一显示面板和所述第二显示面板上设有黑色矩阵。

10.根据权利要求9所述的裸眼3D影像显示装置，所述黑色矩阵是第一像素和第二像素宽度的六分之一至五分之一。