一种裸眼立体显示装置和显示方法发明专利

一种裸眼立体显示装置和显示方法

摘要：本发明公开了一种裸眼立体显示装置和显示方法，以改善现有技术中裸眼立体显示装置存在角分辨率和空间分辨率相互制约的问题。所述裸眼立体显示装置，具有多个重复单元；所述重复单元包括：相对设置的基板和液晶盒，以及填充于所述基板和所述液晶盒之间的隔垫层；其中，每一所述重复单元内，所述基板面向所述隔垫层的一侧设置多个发光光源，所述液晶盒具有多个光控制单元，所述光控制单元被配置为控制所述发光光源入射光的透过率。

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202011283673.4

专利申请（专利权）人：京东方科技集团股份有限公司
权利人地址：北京市朝阳区酒仙桥路10号

专利发明（设计）人： 田依杉 ,孟宪芹 ,薛高磊 ,王维 ,郭宇娇 ,凌秋雨 ,彭玮婷

主权利要求:一种裸眼立体显示装置和显示方法
技术领域
[0001] 本发明涉及立体技术领域，尤其涉及一种裸眼立体显示装置和显示方法。
背景技术
[0002] 裸眼三维立体(3D)显示是未来显示发展的趋势，主要包括全息3D显示、体3D显示、自由立体3D显示技术等。其中自由立体3D显示技术由于能够获得动态、彩色以及大视场角的三维显示效果，一直被认为是可能最快进行商业化推广的裸眼3D显示技术。自由立体3D显示技术包括柱透镜阵列技术、视差屏障技术、微透镜阵列集成成像技术等，这些技术都采取2D显示屏+光学元件的方式，将2D显示屏用特定的方式分割，用来显示不同观看视角的2D图像，再通过特定的光学原理将2D图像转换成人眼看到的3D图像。此种显示方式有一个共同的缺陷，就是对于同一块2D显示屏，人眼看到的3D图像的角分辨率和空间分辨率相互制约。导致观看者在看到一个好的立体效果时，看到的图像比较模糊(PPI低)，而图像的PPI提高时，3D显示的立体效果就比较差。采用更高PPI的2D显示屏是解决这个问题的有效方法，但是受制于加工工艺，更高PPI的2D显示屏目前还比较难以得到。
发明内容
[0003] 本发明提供一种裸眼立体显示装置和显示方法，以改善现有技术中裸眼立体显示装置存在角分辨率和空间分辨率相互制约的问题。
[0004] 本发明实施例提供一种裸眼立体显示装置，具有多个重复单元；所述重复单元包括：相对设置的基板和液晶盒，以及填充于所述基板和所述液晶盒之间的隔垫层；其中，[0005] 每一所述重复单元内，所述基板面向所述隔垫层的一侧设置多个发光光源，所述液晶盒具有多个光控制单元，所述光控制单元被配置为控制所述发光光源入射光的透过率。
[0006] 在一种可能的实施方式中，相邻所述重复单元之间设置有挡墙结构，所述挡墙结构在垂直于所述基板方向上的高度，与所述隔垫层在垂直于所述基板方向上的高度相同。
[0007] 在一种可能的实施方式中，每一所述重复单元内包括：a*a个所述发光光源，a*a个所述发光光源呈a行a列排布；每一所述重复单元内包括b*b个所述光控制单元，b*b个所述光控制单元呈b行b列排布；
[0008] a*a个所述发光光源组成阵列的中心，与b*b个所述光控制单元组成阵列的中心重合。
[0009] 在一种可能的实施方式中，每一所述重复单元内的所述发光光源n的数量满足如下关系式：
[0010] n＝H/h，其中，H表示液晶盒的刷新频率，h表示人眼视觉暂留效应频率,n大于a*a。
[0011] 在一种可能的实施方式中，每一所述光控制单元的视点发散角 与相邻所述视点的夹角Ω满足如下关系：
[0012]
[0013] 其中， Ω＝np/L，n1表示所述隔垫层的折射率，a表示所述光控制单元在第一方向上的宽度，w表示所述发光光源在所述第一方向上的宽度，L表示所述隔垫层在垂直于所述基板方向上的厚度，n每一所述重复单元内的所述发光光源的数量，p表示相邻所述光控制单元中心之间的间距，所述发光光源在所述基板的正投影为正方形，所述第一方向平行于正方形的一边框。
[0014] 在一种可能的实施方式中，所述发光光源为微发光二极管。
[0015] 在一种可能的实施方式中，所述裸眼立体显示装置还包括瞳孔追踪设备，所述瞳孔追踪设备被配置为对用户眼睛瞳孔的移动位置进行追踪。
[0016] 本发明实施例还提供一种如本发明实施例提供的所述裸眼立体显示装置的显示方法，包括：
[0017] 控制所述发光光源发光；
[0018] 根据当前发光的所述发光光源，控制所述液晶盒通过所述光控制单元显示与当前所述发光光源对应的视差图像。
[0019] 在一种可能的实施方式中，所述控制所述发光光源发光，包括：控制所述重复单元中的各所述发光光源依次交替发光。
[0020] 在一种可能的实施方式中，所述裸眼立体显示装置还包括瞳孔追踪设备；
[0021] 所述控制所述发光光源发光，包括：
[0022] 通过所述瞳孔追踪设备根据用户眼睛瞳孔的移动位置；
[0023] 根据当前瞳孔的位置，控制对应的所述发光光源进行发光。
[0024] 本发明实施例有益效果如下：本发明实施例中，裸眼立体显示装置具有多个重复单元F；每一重复单元F包括：相对设置的基板1和液晶盒2，以及填充于基板1和液晶盒2之间的隔垫层3；每一重复单元F内，基板1面向隔垫层3的一侧设置多个发光光源10，液晶盒2具有多个光控制单元20，光控制单元20被配置为控制发光光源10入射光的透过率，发光光源10发光，一定的传输距离之后经过液晶盒的光控制单元20，分为不同方向的几束光，分别形成不同的视角，实现视角的分离，在显示时，使每个视角加载具有一定视差的图像，便可实现裸眼立体显示，而且，一个重复单元F内具有多个发光光源(例如为n个)，以及多个光控制单元(例如为m个)，一个发光光源对应m个光控制单元会产生m个视点，n个点光源交替点亮，液晶盒配合其刷新图像，利用视觉暂留效应，最终显示m*n个视点图像。这样通过时序的刷新，在不降低显示图像分辨率的前提下将视点数目增多到原来的n倍，形成具有高图像分辨率的同时具有较佳的立体效果，改善现有技术的立体显示装置存在角分辨率和空间分辨率相互制约的问题。

附图说明
[0025] 图1为本发明实施例提供的一种裸眼立体显示装置的结构示意图；
[0026] 图2为本发明实施例提供的重复单元的结构示意图；
[0027] 图3为本发明实施例提供的光控制单元的分布示意图；
[0028] 图4为本发明实施例提供的发光光源的分布示意图；
[0029] 图5为本发明实施例提供的视点发散角的示意图；
[0030] 图6为本发明实施例提供的相邻两个视点夹角的示意图；
[0031] 图7为本发明实施例提供的另一种裸眼立体显示装置的结构示意图；
[0032] 图8为本发明实施例提供的一种裸眼立体显示装置的显示方法示意图；
[0033] 图9为本发明实施例提供的观看视角与视点发散角的关系示意图；
[0034] 图10A为本发明实施例提供的图4中的序号1的发光光源发光时的视点分布示意图；
[0035] 图10B为本发明实施例提供的图4中的序号2的发光光源发光时的视点分布示意图；
[0036] 图10C为本发明实施例提供的图4中的序号3的发光光源发光时的视点分布示意图；
[0037] 图10D为本发明实施例提供的图4中的序号4的发光光源发光时的视点分布示意图；
[0038] 图10E为本发明实施例提供的图4中的4个的发光光源同时发光时的视点分布示意图。
具体实施方式
[0039] 为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0040] 除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0041] 为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
[0042] 参见图1，本发明实施例提供一种裸眼立体显示装置，具有多个重复单元F；重复单元F包括：相对设置的基板1和液晶盒2，以及填充于基板1和液晶盒2之间的隔垫层3；其中，[0043] 每一重复单元F内，基板1面向隔垫层3的一侧设置多个发光光源10，液晶盒2具有多个光控制单元20，光控制单元20被配置为控制发光光源10入射光的透过率。具体的，发光光源10可以为朗伯体发光光源，具体可以为点光源朗伯体发光光源，具有立体发光效果，具体的，发光光源10可以近似为点光源，点光源为朗伯体发光，发光光源10的体积越小越好，具体的，发光光源10可以为微发光二极管micro‑LED。
[0044] 本发明实施例中，裸眼立体显示装置具有多个重复单元F；每一重复单元F包括：相对设置的基板1和液晶盒2，以及填充于基板1和液晶盒2之间的隔垫层3；每一重复单元F内，基板1面向隔垫层3的一侧设置多个发光光源10，液晶盒2具有多个光控制单元20，光控制单元20被配置为控制发光光源10入射光的透过率，发光光源10发光，一定的传输距离之后经过液晶盒的光控制单元20，分为不同方向的几束光，分别形成不同的视角，实现视角的分离，在显示时，使每个视角加载具有一定视差的图像，便可实现裸眼立体显示，而且，一个重复单元F内具有多个发光光源(例如为n个)，以及多个光控制单元(例如为m个)，一个发光光源对应m个光控制单元会产生m个视点，n个点光源交替点亮，液晶盒配合其刷新图像，利用视觉暂留效应，最终显示m*n个视点图像。这样通过时序的刷新，在不降低显示图像分辨率的前提下将视点数目增多到原来的n倍，形成具有高图像分辨率的同时具有较佳的立体效果，改善现有技术的立体显示装置存在角分辨率和空间分辨率相互制约的问题。
[0045] 在具体实施时，液晶盒2可以采用没有背光源的液晶显示屏(LiquidCrystalDisplay，LCD)，包括依次位于隔垫层3背离基板1一侧的下偏光片、TFT阵列基板、液晶层、对向基板和上偏光片。阵列基板可以设置有像素电极层(具体可以包括多个块状的像素电极)，对向基板可以设置有公共电极层，通过对像素电极和公共电极加压，形成可以控制光透过率的像素开口。具体的，每一光控制单元可以包括相对设置的一像素电极和公共电极，以及位于像素电极和公共电极之间的液晶层。对向基板具体可以不设置有彩膜层，发光光源具体可以为出射同一种光色的单色光，裸眼立体显示装置具体可以为进行单色光显示的裸眼立体显示装置。当然，裸眼立体显示装置也可以为进行彩色显示的裸眼立体显示装置，具体的，可以使每一发光光源10具有出射红光的红色子发光光源，出射绿光的绿色子发光光源，出射蓝光的蓝色子发光光源，进而实现彩色显示；具体的，也可以是通过在每一重复单元设置一同色的色阻，在不同重复单元设置不同色阻的方式进行彩色显示，例如，结合图1所示，可以使左侧的重复单元F设置有红色色阻，在中间的重复单元F设置绿色色阻，在右侧的重复单元F设置蓝色色阻，以实现彩色立体显示，具体的，可以通过在液晶盒的对向基板设置不同颜色的色阻。
[0046] 在具体实施时，结合图1所示，相邻重复单元F之间设置有挡墙结构4，挡墙结构4在垂直于基板1方向上的高度，与隔垫层3在垂直于基板1方向上的高度相同。本公开实施例中，相邻重复单元F之间设置有挡墙结构4，可以实现对相邻重复单元F的出光进行遮挡，以避免相邻重复单元F之间出光的串扰。
[0047] 在具体实施时，参见图2、图3和图4所示，其中，图3为光控制单元20的排布示意图，图4为发光光源10的排布示意图，每一重复单元F内包括：a*a个发光光源10，a*a个发光光源10呈a行a列排布；每一重复单元F内包括b*b个光控制单元20，b*b个光控制单元20呈b行b列排布；a*a个发光光源10组成阵列的中心O，与b*b个光控制单元20组成阵列的中心O’重合。
具体的，结合图2所示，每一重复单元F内包括：2*2个发光光源10，2*2个发光光源10呈2行2列排布；每一重复单元F内包括4*4个光控制单元20，4*4个光控制单元20呈4行4列排布。发光光源10的排列方式为关于中心对称排布，光控制单元20的排列方式为关于中心对称排布。
[0048] 在具体实施时，一个重复单元F内点发光光源10的数目n首先受到液晶盒刷新频率的制约，具体的，每一重复单元F内的发光光源n的数量满足如下关系式：n＝H/h，其中，H表示液晶盒的刷新频率，h表示人眼视觉暂留效应频率,n大于或等于a*a，以实现多个连续画面。具体的，例如，液晶盒的刷新频率为120Hz，为了保证人眼视觉暂留效应的24Hz，发光光源10的数目n≤5。
[0049] 在具体实施时，参见图5和图6所示，每一光控制单元20的视点发散角 与相邻视点的夹角Ω满足如下关系：
[0050]
[0051] 其中， Ω＝np/L，n1表示隔垫层3的折射率，a表示光控制单元20在第一方向AB上的宽度，w表示发光光源10在第一方向AB上的宽度，L表示隔垫层3在垂直于基板1方向上的厚度，n每一重复单元F内的发光光源10的数量，p表示相邻光控制单元20中心之间的间距，发光光源10在基板1的正投影为正方形，第一方向AB平行于正方形的一边框。本发明实施例中，每一光控制单元20的视点发散角 与相邻视点的夹角Ω满足如下关系： 可以避免相邻视点之间的串扰。
[0052] 在具体实施时，参见图7所示，裸眼立体显示装置还包括瞳孔追踪设备，瞳孔追踪设备被配置为对用户眼睛瞳孔的移动位置进行追踪。具体的，裸眼立体显示装置还包括根据瞳孔追踪设备获得的信息进行光源控制的光源控制设备。具体的，发光光源以及液晶盒可以作为显示模块，瞳孔追踪设备以及光源控制设备可以作为控制模块。
[0053] 基于同一发明构思，参见图8所示，本发明实施例还提供一种如本发明实施例提供的裸眼立体显示装置的显示方法，包括：
[0054] 步骤S100、控制发光光源发光；
[0055] 步骤S200、根据当前发光的发光光源，控制液晶盒通过光控制单元显示与当前发光光源对应的视差图像。
[0056] 在具体实施时，关于步骤S100，控制发光光源发光，包括：控制重复单元中的各发光光源依次交替发光。
[0057] 本发明实施例中，控制发光光源发光，包括：控制重复单元中的各发光光源依次交替发光，可以使裸眼立体显示装置具有较低的制作成本以及简化显示装置的复杂度。
[0058] 在具体实施时，裸眼立体显示装置还包括瞳孔追踪设备；关于步骤S100，控制发光光源发光，包括：
[0059] 步骤S101、通过瞳孔追踪设备根据用户眼睛瞳孔的移动位置；
[0060] 步骤S102、根据当前瞳孔的位置，控制对应的发光光源进行发光。
[0061] 本发明实施例中，瞳孔追踪设备追踪人眼瞳孔的位置，由此确定视点的位置，反馈给光源控制设备点亮合适的光源，不再进行刷新，因此对显示面板的刷新频率和每个重复单元下发光光源的个数都没有要求。
[0062] 为了更清楚地理解本发明实施例提供的裸眼立体显示装置，以下结合图1所示的裸眼立体显示装置，进行进一步详细说明如下：
[0063] 裸眼立体显示装置由基板1、发光光源10(点光源)、隔垫层3、BM遮挡(挡墙结构4)和液晶盒2(LCD面板)组成；
[0064] A、基板1，具体的，基板1选用平整度和稳定性好，易于涂胶的材料，首选玻璃基板，也可以用硅或聚酯化合物，对基板1的厚度这里不作特殊要求，具体的，基板1上可以设置用于驱动发光光源10的驱动电路，以控制发光光源10的发光；
[0065] B、发光光源10(点光源)，点光源为朗伯体发光，体积越小越好，首选micro‑LED；由于点光源为体发光或面发光的，点光源的体积与每个视点的发散角 有关；结合图5所示，像素开口宽度为a，点光源的宽度为w，隔垫层高度为L，隔垫层折射率为n1，有如下几何关系：
[0066] 具体的，该等式中的等于可以理解为约等于，即，
[0067] 可以看到，发散角 与控制单元20在第一方向AB上的宽度a(像素开口)和发光光源10在第一方向AB上的宽度w成正比例关系，与隔垫层3高度L成反比例关系，点光源体积越小，视点发散角越小，保证相邻视点互不串扰，一定的观看视角FOV内可以实现的视点数越多，如图9所示，若视点发散角为8°，40°的观看视角FOV内最多分割成5个视点；若视点发散角为4°，则在同样的观看视角FOV内视点数加倍；
[0068] 点光源是周期性排布的，一个重复单元F为一个周期，周期的大小P与隔垫层的高度L共同决定了观看视角FOV的大小，FOV≈2n1arctan(P/2L)，要根据FOV的大小适当采取P值；
[0069] 一个周期内点光源的数目n首先受到LCD面板的刷新频率的制约，若LCD面板为120Hz，则为了保证人眼视觉暂留效应的24Hz，光源的数目n≤5，LCD面板的刷新频率越高越好；其次，n还决定了视点数目，要综合考虑；
[0070] 一个周期内n个点光源的相对位置与视点排布相关；
[0071] C、隔垫层3，为了使点光源各个视角的光在空间上分开一定的距离，点光源发出的光必须要传输一段距离，隔垫层3的作用是保证一定的传输距离，隔垫层3为均匀、透明、不吸光的介质，首选玻璃。隔垫层3的高度L与视场角的大小和像素出光发散角相关，需综合考虑；
[0072] D、挡墙结构4(BM遮挡)，为了防止不同重复单元F的发光光源10之间的相互串扰，在相邻的重复单元F之间需要BM遮挡，可以选用图1中壁垒式的遮挡方式或其他，能够起到防止串扰的作用即可；
[0073] E、液晶盒(LCD面板)，采用没有背光源的LCD显示屏，包括下偏光片、TFT阵列基板、液晶层、对向基板和上偏光片，液晶盒20的光控制单元20尺寸p(也即像素开口尺寸)决定了相邻视点的夹角Ω，如图6所示，有几何关系Ω＝np/L，具体的，该等式中的等号可以理解为约等于，即，Ω≈np/L，像素开口a与视点发散角 相关，多视点3D显示中要保证 因此综合考虑LCD面板的像素数量与开口大小；
[0074] 具体的，以手机显示为例，手机显示面板尺寸为2寸，观看距离为360mm，利用本发明实施例提出的显示结构实现超多视点的裸眼3D显示，在2D显示中，手机的分辨率(PPI)一般为250左右，即可实现视网膜显示(retina显示)，使用传统的裸眼3D显示技术，若实现4*4个视点，每个视点图实现retina/2水平，需要屏幕的PPI为500。而使用本发明实施例的显示结构，500PPI，刷新频率为120Hz的显示屏，可以实现8*8个视点，每个视点图实现retina/2水平，结构参数如表1所示：
[0075] 表1超多视点裸眼3D显示结构参数
[0076]
[0077] 结合图2所示的重复单元，一个重复单元包含4*4个像素和2*2个点光源，排列方式为关于中心对称排布，隔垫层3为玻璃，折射率n＝1.52，高度L＝450um；显示单元周期性排布，共240*240个，每种同样序号的光源单独点亮时在360mm观看距离处所形成的视点如图10A‑图10E所示，其中，图10A为序号为1的发光光源点亮时的视点分布，图10B为序号为2的发光光源点亮时的视点分布,图10C为序号为3的发光光源点亮时的视点分布，图10D为图4中序号为4的发光光源点亮时的视点分布，图10E为图4中4个发光光源同时点亮时的视点分布，4个点光源交替点亮，序号为1的发光光源第一次亮到下一次亮为一个周期，点光源的刷新频率为30Hz，正好与屏幕的120Hz刷新频率相匹配。且满足人眼的视觉暂留需求，人眼可以在大脑中合成图10E所示的视点分布图。共8*8个视点，相邻视点夹角为5°，视场角为40°*
40°，在360mm观看距离相邻视点的距离为30mm左右，人眼瞳孔间距60mm左右，两个瞳孔间包含3个视点，可以使画面更连续。
[0078] 本发明实施例有益效果如下：本发明实施例中，裸眼立体显示装置具有多个重复单元F；每一重复单元F包括：相对设置的基板1和液晶盒2，以及填充于基板1和液晶盒2之间的隔垫层3；每一重复单元F内，基板1面向隔垫层3的一侧设置多个发光光源10，液晶盒2具有多个光控制单元20，光控制单元20被配置为控制发光光源10入射光的透过率，发光光源10发光，一定的传输距离之后经过液晶盒的光控制单元20，分为不同方向的几束光，分别形成不同的视角，实现视角的分离，在显示时，使每个视角加载具有一定视差的图像，便可实现裸眼立体显示，而且，一个重复单元F内具有多个发光光源(例如为n个)，以及多个光控制单元(例如为m个)，一个发光光源对应m个光控制单元会产生m个视点，n个点光源交替点亮，液晶盒配合其刷新图像，利用视觉暂留效应，最终显示m*n个视点图像。这样通过时序的刷新，在不降低显示图像分辨率的前提下将视点数目增多到原来的n倍，形成具有高图像分辨率的同时具有较佳的立体效果，改善现有技术的立体显示装置存在角分辨率和空间分辨率相互制约的问题。
[0079] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

专利地区：北京

专利申请日期：2020-11-17

专利公开日期：2022-12-23

专利公告号：CN112415765B