CN103616767B - 视差照明多视点自由立体显示装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种多视点自由立体显示装置，包括液晶屏、视差光源、液晶光阀；由液晶屏交替显示多视点的立体图像，视差光源在液晶屏下方形成均匀分布的极细的狭缝光阵列；视差光源形成的狭缝光阵列与液晶屏的像素尺寸相配合，每一个狭缝光阵列的宽度对应显示屏的宽度为若干个像素、一个像素或者亚像素；液晶屏与视差光源之间布置液晶光阀，构成平面与立体兼容的立体图像显示。视差光源即视差背光源。本发明的视差光源利用“光回收”而非遮挡的办法，得到高亮度的狭缝光阵列。
Description
技术领域
本发明涉及自由立体图像显示的方法，特别是涉及一种高亮度平板立体显示的方法，属于信息显示技术领域。
背景技术
相对于佩带眼镜观看的立体显示方式，自由立体显示无需借助任何辅助工具，肉眼可以在屏幕上直接观看到立体画面，即自由立体显示(Auto-stereo Display)，又称无眼镜立体显示(Stereo Display without Glasses)技术。常见的平板型自由立体液晶显示方式如表1所示：表1：常见的平板型自由立体液晶显示方式，
柱面光栅式自由立体，其立体显示亮度与同等的平面显示器显示亮度几乎相同。这种方式适合于多视点立体显示方式（multi-view3D display），它采用同屏显示多对立体图像对的方式，例如Phliphs公司以及Stereographics公司，并已有很多相关公开专利。柱面光栅方式的最大缺点是，难以实现平面与立体显示兼容，或者说实现平面与立体显示兼容的难度较大、成本也高。
前置式狭缝光栅方式，X3D公司曾采用的方法，其基本原理与柱面光栅式基本相同。后置式狭缝背光照明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，显示亮度大幅下降。所以，这种方式通常采用同屏显示一对立体图像对的方式，利用头跟踪技术提高显示器的立体视角。目前，市面上已有部分立体显示器采用后置式狭缝背光照明方式，该结构主要由三部分构成，即液晶显示屏、狭缝液晶光阀和平面背光源。狭缝液晶光阀做成一系列的狭缝开关，背光模组采用平面光源，而且平面光源直接经过液晶光阀，也就是平面光源，从而可以做到平面立体兼容。然而，液晶光阀做成的狭缝阵列，难以做成大尺寸的显示器，并且其成本极高。
发明内容
本发明目的是，提出一种新的多视点自由立体显示方式，尤其是视差照明多视点自由立体显示装置与方法，它利用均匀分布的高亮度狭缝照明光源，提供极其狭窄的阵列狭缝照明光源。
本发明的技术方案是，一种多视点自由立体显示装置，包括液晶屏、视差光源、液晶光阀；由液晶屏交替显示多视点的立体图像，视差光源在液晶屏下方形成均匀分布的极细的狭缝光阵列；视差光源形成的狭缝光阵列与液晶屏的像素尺寸相配合，每一个狭缝光阵列对应显示屏的若干个像素、一个像素或者亚像素；液晶屏与视差光源之间布置液晶光阀，构成平面与立体兼容的立体图像显示。
所述的视差光源即视差背光源。
所述的液晶光阀，在电压的控制下呈现透明和漫射这两种不同的状态。
所述的狭缝阵列的狭缝上设有狭缝反射膜，狭缝基板的底层亦有反射膜34。所述的视差光源，利用“光回收”而非遮挡的办法，得到高亮度的狭缝光阵列；导入基板的光束在狭缝反射膜与狭缝基板底层反射膜之间来回反射，形成高亮度的狭缝光阵列。
所述的狭缝光，与狭缝光阵列的方向及液晶屏像素的排列方向之间的相互位置，存在一个预先设定的关系。液晶屏像素的结构走向与狭缝光阵列走向之间存在一定的夹角，该夹角根据多视点图像的像素分布方式的不同而不同。
所述的多视点自由立体显示装置，视差光源在液晶屏下方形成极细的狭缝光阵列；视差光源形成的狭缝光阵列间隔与液晶屏的像素尺寸相配合，每一个阵列对应显示屏的宽度为若干个像素、一个像素或者亚像素；液晶屏与视差光源之间布置液晶光阀，构成平面与立体兼容的立体图像显示。所述的视差光源即视差背光源。
所述的液晶光阀，在电压的控制下呈现透明和漫射这两种不同的状态。处于透明状态时，狭缝光的光束直接透过液晶光阀，为液晶屏提供视差光源，使显示系统处于立体显示器的状态；当液晶光阀处于散射状态时，狭缝光的光束被液晶光阀散射，形成平面光源，使显示系统处于平面显示器的状态。
液晶屏交替显示多视点的立体图像，可以交替显示两幅图像的立体图像，也可以显示多于两幅图像的多视点立体图像。
本发明的有益效果，视差照明多视点自由立体显示装置与方法，它利用均匀分布的高亮度狭缝照明光源，提供极其狭窄的阵列狭缝照明光源。本发明的视差光源利用“光回收”而非遮挡的办法，得到高亮度的狭缝光阵列。高亮度的狭缝光源方向与TFT液晶盒的像素阵列方向保持一个非平行的特定倾斜角度，TFT液晶盒的像素阵列同屏显示多对立体图像对，经视差照明光源的投影成像，形成多视点立体显示。本发明构成了一种基于视差照明的多视点立体显示方式，同时，该方式和装置具有平面显示兼容性。本发明的立体显示的方法和装置最适合液晶显示器件。
附图说明
图1狭缝照明式多视点立体液晶显示装置结构
图2狭缝与像素阵列的相对位置；
图3液晶显示屏亚像素分布；
图4立体图像交替显示的一种方式；
图5狭缝照明式立体液晶显示的视点分布；
图6高亮度狭缝背光的光回收原理；
图7高亮度狭缝背光照明方案；
图8高亮度可调制狭缝背光照明方案。
具体实施方式
如图1，液晶屏1的主要部件是液晶盒（LC cell），液晶盒交替显示多视点的立体图像。视差光源3作为液晶屏的照明光源，形成具有一定视差分布的狭缝光阵列。与普通的平面背光照明光源不同之处在于，视差光源形成的光源由一系列具有一定规律分布的狭缝光阵列组成，是一个调制光源；而普通的平面背光照明光源形成的光源是整个背光面都是均匀的照明光束，是一个面光源。背光模块在液晶屏下方形成极细的狭缝光阵列，狭缝光阵列间隔与液晶屏的像素尺寸相配合，每一个狭缝光阵列间隔的宽度对应显示屏的若干个像素、一个像素或者亚像素（即R、G、B三色）。
液晶屏1与视差光源3之间布置液晶光阀2，构成平面与立体兼容的结构。当液晶光阀2处于透明状态时，视差光源3的光束直接透过液晶光阀2，为液晶屏1提供视差光源，使显示系统处于立体显示器的状态；当液晶光阀2处于散射状态时，视差光源3的光束被液晶光阀2散射，形成平面光源，使显示系统处于平面显示器的状态。
液晶光阀2采用现有成熟的技术。
视差背光源狭缝光阵列的方向与液晶屏像素的方向之间的相互位置，存在一个预先设定的关系，如图2所示。相互之间满足以下条件：
1、液晶屏的像素平面与视差光源所在的平面之间相互平行。
2、液晶屏的像素平面与狭缝照明条纹所在的平面之间相距d（图2中没有标出），d的大小决定了最佳观看窗口与显示器之间的距离。d越大，最佳观看窗口与显示器之间的距离也相应越大。
3、液晶屏的像素的结构走向即像素的直线排列方向AB与狭缝光的狭缝AC之间存在一定的夹角α，α由多视点图像的像素分布方式而决定。
液晶屏的多视点图像交替显示的方式也可以细分至RGB三原色像素（即亚像素），如图3所示，图中RGB三原色构成一个完整的像素。
多视点图像可以在亚像素级排列，每个像素中的RGB亚像素分别显示来自多视点图像中的对应亚像素值。
以一对视图的立体图像为例，如图4所示，左右两幅图像按照以下方式显示：
左图像（图中用符号l表示）的显示颜色为：R1B1G2 R3B3G4 R4B4G5……Rm-1Bm-1Gm
右图像（图中用符号r表示）的显示颜色为：G1R2B2 G3R4B4 G4R5B5……Gm-1RmBm
液晶屏也可以同时显示多于两幅图像的多视点立体图像，多视点图像可以按照亚像素的方式显示。
狭缝光照射液晶显示屏，将在空间形成左右图像交错的成像分布状态，通过对显示器各光学参数的选择，可以在显示屏前方空间的特定位置形成如图5所示的图像分布：
左图像区域：A3A2、A1O、B3B2、……
右图像区域：A2A1、OB3、B2B1、……
左右图像互不重叠，显示自由立体图像。
视差光源利用“光回收”而非遮挡的办法，得到高亮度的狭缝光阵列，其原理性结构如图6所示。
图6设有狭缝反射膜、底层反射膜具有足够高的可见光反射率（例如0.9以上），导入基板的光束在狭缝反射膜与底层反射膜之间来回反射，可归纳为三种情况。图6中狭缝反射膜31、基板32、狭缝33、底层反射膜34。
第一种如图中的光束B1，投射到狭缝反射膜后被反射并经底层反射膜再次反射，这样多次往复反射之后，最终从狭缝射出；第二种如图中的光束B2，投射到狭缝处，如果基板折射率大于狭缝处介质的折射率，这被全反射回基板，经底层反射膜反射，多次往复反射后从狭缝射出；第二种如图中的光束B3（图7中亦然），投射到狭缝处，并且入射角小于全反射临界角，从狭缝射出。
实施例1：
如图7所示，利用液晶显示器原有的导光板构成光回收式高亮度狭缝照明模块。在导光板的上端面镀制狭缝反射膜，在透光狭缝处印制高折射率漫射体。反射狭缝也可以不直接镀制在导光板上，而制作在独立的基体上再与导光板相连接。导光板的底部和没有灯管的侧面加镀反射膜。为了进一步减小狭缝光的宽度，同时也为了压缩狭缝光发散角，在导光板上部再增加柱面光栅板。通过机械的方式移动柱面光栅板，可以有限地跟踪观看者视点的变化，扩大立体视角。
图7所示的方案可以进一步加以改进，得到其他性能的照明光源。11导光板，12狭缝反射膜，13漫射体，14底层反光膜，15柱面光栅，16侧面反射膜。
例如图8所示的结构，16回收式狭缝光源，15柱面光栅，17PDLC；将柱面光栅改称液晶柱面透镜，并添加聚合物分散液晶板（PDLC）。通过对液晶柱面透镜的调制，可以改变柱面镜的分布状态，改变照明狭缝的空间位置，从而实现对视点的跟踪，扩大立体视角。
聚合物分散液晶板的作用是实现平面与立体显示的兼容。因为PDLC可以在电压的控制下呈现透明和漫射这两种不同的状态，对于立体显示，需要形成狭缝照明光源，置PDLC处于透明状态；对于平面显示，需要形成均匀照明光源，置PDLC处于漫射状态，PDLC就相当于一个漫射体，使狭缝光转变成均匀的照明光源。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (1)
1.一种多视点自由立体显示装置，其特征是包括液晶屏、视差光源、液晶光阀；由液晶屏交替显示多视点的立体图像，视差光源在液晶屏下方形成均匀分布的极细的狭缝光阵列；视差光源形成的狭缝光阵列与液晶屏的像素尺寸相配合，每一个狭缝光阵列的宽度对应显示屏的宽度为若干个像素、一个像素或者亚像素；液晶屏与视差光源之间布置液晶光阀，构成平面与立体兼容的立体图像显示；所述的液晶光阀，在电压的控制下呈现透明和漫射这两种不同的状态；
狭缝上设有狭缝反射膜，狭缝基板的底层亦有反射膜；所述的视差光源，导入狭缝基板的光束在狭缝反射膜与狭缝基板底层反射膜之间来回反射，形成高亮度的狭缝光阵列；
视差光源在液晶屏下方形成极细的狭缝光阵列；视差光源形成的狭缝光阵列间隔与液晶屏的像素尺寸相配合，每一个阵列对应显示屏的宽度为若干个像素、一个像素或者亚像素；液晶屏与视差光源之间布置液晶光阀，构成平面与立体兼容的立体图像显示；视差光源即视差背光源；
所述的液晶光阀，在电压的控制下呈现透明和漫射这两种不同的状态；处于透明状态时，狭缝光的光束直接透过液晶光阀，为液晶屏提供视差光源，使显示系统处于立体显示器的状态；当液晶光阀处于散射状态时，狭缝光的光束被液晶光阀散射，形成平面光源，使显示系统处于平面显示器的状态；
液晶屏交替显示多视点的立体图像，能交替显示两幅图像的立体图像，或显示多于两幅图像的多视点立体图像；
所述的视差光源，利用“光回收”而非遮挡的办法，得到高亮度的狭缝光阵列；导入狭缝基板的光束在狭缝反射膜与狭缝基板底层反射膜之间来回反射，形成高亮度的狭缝光阵列；
液晶屏像素的结构走向与狭缝光阵列走向之间存在一定的夹角，该夹角根据多视点图像的像素分布方式的不同而不同：1）、液晶屏的像素平面与视差光源所在的平面之间相互平行；2）、液晶屏的像素平面与狭缝照明条纹所在的平面之间相距d，d的大小决定了最佳观看窗口与显示器之间的距离；d越大，最佳观看窗口与显示器之间的距离也相应变大；3）液晶屏的像素的结构走向即像素的直线排列方向AB与狭缝光的狭缝AC之间存在一定的夹角α，α由多视点图像的像素分布方式而决定；
将柱面光栅改为液晶柱面透镜，并添加聚合物分散液晶板PDLC；通过对液晶柱面透镜的调制，改变液晶柱面透镜的分布状态，改变照明狭缝的空间位置，从而实现对视点的跟踪，扩大立体视角；聚合物分散液晶板的作用是实现平面与立体显示的兼容。
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