一种裸眼3D显示设备及其显示方法发明专利

一种裸眼3D显示设备及其显示方法

摘要：本发明公开了一种裸眼3D显示设备及其显示方法，该裸眼3D显示设备包括：显示屏，人眼追踪系统，人眼追踪系统用于确定观看者的双眼在面向显示屏时相对于显示屏的空间位置；与光栅连接的光栅调控系统，光栅调控系统用于根据人眼追踪系统确定的双眼的空间位置，来调节光栅相对于显示屏的位置。在观看者的双眼发生移动时，人眼追踪系统可以确定双眼的空间位置，光栅调控系统可以根据双眼的空间位置来控制光栅相对于显示屏移动，使观看者的双眼始终与两个视点重合，从而实现3D显示。解决了传统的光栅3D显示的视点单一、可视范围小的问题，并且在保证不牺牲3D显示分辨率的前提下实现了观看视点的调节，从而提升了立体观看自由度。

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201910791337.1

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,郭宇娇,孟宪芹,闫萌,王维,陈小川

主权利要求:一种裸眼3D显示设备及其显示方法
技术领域
[0001] 本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种裸眼3D显示设备及其显示方法。
背景技术
[0002] 裸眼3D显示不需要观看者佩戴眼镜或者头盔等任何助视设备就能观看到3D影像，因此成为未来3D显示的发展主流。其中，狭缝光栅3D显示由于结构简单、造价低廉、性能良好等优点而备受关注。传统的狭缝光栅3D显示，如图1所示，包括显示屏10和狭缝光栅20，显示屏10用于显示左眼图像1和右眼图像2，只有两个视点，眼睛必须在特定的位置才能观看到3D图像，自由度低。因此，产生了多视点光栅3D显示，如图2所示，包括四个视点，显示屏10用于显示四个视点图像(1、2、3和4)，观看者可以在多个位置看到3D图像，给观看者提供了更大的观看自由度，但多视点技术同时会带来3D显示分辨率的损失，视点越多，损失越严重。
[0003] 因此，如何实现在立体观看自由度和分辨率之间取得平衡是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明实施例提供了一种裸眼3D显示设备及其显示方法，用以实现在不降低分辨率的基础上实现视点可调的裸眼3D显示。
[0005] 因此，本发明实施例提供了一种裸眼3D显示设备，包括：
[0006] 显示屏，用于显示左眼图像和右眼图像；
[0007] 光栅，具有交替设置的遮光区域和透光区域；
[0008] 人眼追踪系统，用于确定观看者的双眼在面向所述显示屏时相对于所述显示屏的空间位置；
[0009] 光栅调控系统，与所述光栅连接，用于根据所述人眼追踪系统确定的双眼的空间位置，来调节所述光栅相对于所述显示屏的位置。
[0010] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，所述光栅位于所述显示屏的入光侧，或所述光栅位于所述显示屏的出光侧。
[0011] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，所述光栅调控系统包括机械移动装置，所述机械移动装置被配置为控制所述光栅向垂直于所述显示屏方向和向平行于所述显示屏方向移动。
[0012] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，所述光栅的遮光区域宽度和透光区域宽度固定。
[0013] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，所述光栅为遮光区域宽度和透光区域宽度可调的液晶光栅。
[0014] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，所述光栅调控系统还包括液晶调控系统，所述液晶调控系统用于根据所述双眼的空间位置来调节所述液晶光栅的遮光区域宽度和透光区域宽度。
[0015] 相应地，本发明实施例还提供了一种如本发明实施例提供的上述任一项所述的裸眼3D显示设备的显示方法，包括：
[0016] 确定观看者的双眼在面向所述显示屏时相对于所述显示屏的空间位置；
[0017] 根据所述观看者的双眼在面向所述显示屏时相对于所述显示屏的空间位置，来调整所述光栅相对于所述显示屏的位置。
[0018] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述显示方法中，在所述人眼追踪系统确定观看者的双眼向垂直于所述显示屏方向移动时，所述机械移动装置控制所述光栅向垂直于所述显示屏方向移动。
[0019] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述显示方法中，在所述人眼追踪系统确定观看者的双眼向平行于所述显示屏方向移动时，所述机械移动装置控制所述光栅向平行于所述显示屏方向移动。
[0020] 可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述显示方法中，还包括：
[0021] 通过所述液晶调控系统调节所述液晶光栅的遮光区域宽度和透光区域宽度。
[0022] 本发明实施例的有益效果包括：
[0023] 本发明实施例提供的裸眼3D显示设备及其显示方法，该裸眼3D显示设备包括：显示屏，用于显示左眼图像和右眼图像；光栅，具有交替设置的遮光区域和透光区域；人眼追踪系统，用于确定观看者的双眼在面向显示屏时相对于显示屏的空间位置；光栅调控系统，与光栅连接，用于根据人眼追踪系统确定的双眼的空间位置，来调节光栅相对于显示屏的位置。在观看者的双眼发生移动时，人眼追踪系统可以确定双眼的空间位置，光栅调控系统可以根据双眼的空间位置来控制光栅相对于显示屏移动，使观看者的双眼始终与两个视点重合，从而实现3D显示。解决了传统的光栅3D显示的视点单一、可视范围小的问题，并且在保证不牺牲3D显示分辨率的前提下实现了观看视点的调节，从而提升了立体观看自由度。
附图说明
[0024] 图1为相关技术中提供的裸眼3D显示设备的结构示意图之一；
[0025] 图2为相关技术中提供的裸眼3D显示设备的结构示意图之二；
[0026] 图3为本发明实施例提供的裸眼3D显示设备的结构示意图之一；
[0027] 图4为本发明实施例提供的裸眼3D显示设备的结构示意图之二；
[0028] 图5为本发明实施例提供的液晶光栅的结构示意图；
[0029] 图6为本发明实施例提供的液晶光栅的原理示意图；
[0030] 图7为本发明实施例提供的裸眼3D显示设备的显示方法的流程示意图。
具体实施方式
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例提供的裸眼3D显示设备及其显示方法的具体实施方式作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032] 附图中各部件的形状和大小不反映裸眼3D显示设备的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
[0033] 本发明实施例提供的一种裸眼3D显示设备，如图3所示，包括：
[0034] 显示屏10，用于显示左眼图像1和右眼图像2；
[0035] 光栅20，具有交替设置的遮光区域和透光区域；
[0036] 人眼追踪系统30，用于确定观看者的双眼在面向显示屏时相对于显示屏的空间位置；
[0037] 光栅调控系统40，与光栅20连接，用于根据人眼追踪系统30确定的双眼的空间位置，来调节光栅20相对于显示屏10的位置。
[0038] 本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备，包括：显示屏，用于显示左眼图像和右眼图像；光栅，具有交替设置的遮光区域和透光区域；人眼追踪系统，用于确定观看者的双眼在面向显示屏时相对于显示屏的空间位置；光栅调控系统，与光栅连接，用于根据人眼追踪系统确定的双眼的空间位置，来调节光栅相对于显示屏的位置。在观看者的双眼发生移动时，人眼追踪系统可以确定双眼的空间位置，光栅调控系统可以根据双眼的空间位置来控制光栅相对于显示屏移动，使观看者的双眼始终与两个视点重合，从而实现3D显示。解决了传统的光栅3D显示的视点单一、可视范围小的问题，并且在保证不牺牲3D显示分辨率的前提下实现了观看视点的调节，从而提升了立体观看自由度。
[0039] 具体地，人眼追踪系统可以采用图像采集设备，如CCD相机采集环境图像，通过软件计算出观看者双眼所在的位置，如图4所示，用坐标表示为E1(x1，y1)，E2(x2，y2)，因此可以计算出双眼瞳孔间距Q为E2与E1之间的距离；由于人眼的瞳孔间距Q一般在65mm左右，而Q与光栅的遮光区域的宽度Ws和透光区域的宽度Ww相关，若Ww和Ws不易调节，也可以固定Q＝65mm，此时，人眼追踪系统只需要追踪单眼的位置即可，此种方式虽不如双眼追踪精确，但计算和调控相对简单，并能满足观看需求。

[0040] 具体地，显示屏的相邻像素或子像素显示的信息来自于不同的视差图像，即左眼观看左眼图像，右眼观看右眼图像。因此要求显示屏的像素或子像素能被独立控制，LCD、PDP、OLED等显示屏及LCOS和DLP投影机都能满足该条件。进一步地，本发明实施例是以LCD显示屏为例进行说明的。
[0041] 具体地，本发明实施例提供的显示屏为2D显示屏。
[0042] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，光栅可以位于显示屏的入光侧，或光栅也可以位于显示屏的出光侧。具体地，如图4所示，本发明实施例提供的光栅20位于显示屏10的出光侧，即光栅20位于显示屏10和观看者的双眼之间。当然，在具体实施时，光栅也可以位于显示屏的入光侧，二者实现3D显示的原理相同，本发明实施例仅以光栅20位于显示屏10的出光侧为例进行解释说明本发明。

[0043] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，光栅调控系统包括机械移动装置，机械移动装置被配置为控制光栅向垂直于显示屏方向和向平行于显示屏方向移动。具体地，在观看者的双眼发生移动时，人眼追踪系统确定观看者的双眼的空间位置，光栅调控系统根据双眼的空间位置来确定光栅的位置，从而通过机械移动装置控制光栅向垂直于显示屏方向和向平行于显示屏方向移动。
[0044] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，如图4所示，光栅20的遮光区域宽度Wb和透光区域宽度Ww可以固定。具体地，光栅20为狭缝光栅，光栅20由透光区域和遮光区域交替组成，其中，透光区域透光，遮光区域不透光。通常可以在透明的胶片或玻璃上间隔印刷或光刻遮光条(如木条、金属条等)，也可以在透明材质物体上印刷油墨或菲林等，从而形成透光区域和遮光区域间隔排列结构的狭缝光栅。不过此种狭缝光栅的透光区域的宽度Ww和遮光区域的宽度Wb不能调节，观看者的双眼之间的瞳孔间距为Q，因此遮光区域宽度Wb和透光区域宽度Ww固定的光栅20只适用于固定Q值的单眼追踪系统。
[0045] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，如图4所示，光栅20可以为遮光区域宽度Wb和透光区域宽度Ww可调的液晶光栅。具体地，该液晶光栅的剖面结构示意图如图5所示，包括层叠设置的下偏光片01、第一玻璃基板02、第一电极03、液晶分子层04、第二电极05、第二玻璃基板06和上偏光片07，其中上偏光片07与下偏光片01相垂直。液晶光栅可以通过电场的调控作用形成亮态和暗态两种状态，可以采用电场很好地驱动两个状态的切换，从而形成液晶光栅。

[0046] 具体地，如图6所示，液晶盒两侧贴布有两正交的上偏光片07和下偏光片01，偏光片存在一固定方向的偏光轴，只有振动方向与该偏光轴一致的光才能透过。将光按振动方向分解成与偏光轴垂直和平行的两分量，平行分量透过，垂直分量则被偏光片吸收。因为液晶盒两侧的偏光片是相互正交的，当液晶分子层04恰好旋光90°时，光束才能完全通过液晶光栅。因此，可以通过电场的调控形成液晶盒的亮态和暗态，并且可以实现两种状态的切换，这便形成了可以调控透光区域和遮光区域的狭缝光栅。
[0047] 需要说明的是，在具体实施时，本发明实施例提供的光栅还可以为电致变色器件等其他可控变色器件等，在此不做详细说明。
[0048] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述裸眼3D显示设备中，光栅调控系统还包括液晶调控系统，液晶调控系统用于根据双眼的空间位置来调节液晶光栅的遮光区域宽度和透光区域宽度。
[0049] 具体地，对于遮光区域宽度和透光区域宽度固定的光栅即普通胶片或玻璃狭缝光栅，可采用一个二维的机械移动装置实现光栅在垂直于显示屏方向x方向以及平行于显示屏方向y方向的位置移动，从而调整光栅位置使视点来配合观看者的双眼；对于液晶光栅，其在y方向的位置，Ww和Wb都可以通过液晶调控系统调节液晶光栅的亮态和暗态来调节，在x方向的位置仍然需要通过机械移动装置来调节。机械移动装置只能根据观看者的双眼的位置对光栅的位置进行粗条，因此考虑到机械移动装置的调节精度问题，如图4所示，也可以规定一个双眼最佳观看距离L(双眼与显示屏10直接的距离)，引导观看者在距离屏幕L的位置进行观看，此时光栅只需要在y方向进行调整，即只需要一个液晶光栅即可，从而可以实现精确调节Ww和Wb。
[0050] 下面通过具体实施例对本发明实施例提供的裸眼3D显示设备能够通过确定观看者的双眼的空间位置来实现调节光栅位置的原理进行详细说明。
[0051] 为了使观看者的双眼能观看到相应的视差图像，必须正确的选择光栅参数、显示屏像素大小及观看条件，需精确设计光栅透光区域和遮光区域的宽度、显示屏与光栅之间的距离等结构参数。具体地，如图4所示，狭缝光栅20位于显示屏10和观察者之间，称为前置狭缝光栅；由于本发明实施例是以液晶显示屏为例，当然狭缝光栅20也可以位于液晶显示屏的背光源和显示屏10之间，称为后置狭缝光栅。显示原理大体一致，本发明实施例以前置狭缝为例进行分析。对于给定的显示屏10，视差图像(即视点数)为2个，显示屏的子像素(1和2)宽度为Wp，相邻视差图像的视点间距为人眼瞳孔间距Q，人眼在x方向上距离2D显示屏的距离为L，左眼在y方向上距离显示屏最底侧的距离为Y，光栅20参数为：光栅节距(透光区域与遮光区域宽度之和)为Ws，其中，透光区域与遮光区域宽度分别为Ww和Wb，显示屏10在x方向上与狭缝光栅20的距离为D，狭缝光栅20最底侧的透光区域在y方向上距离显示屏10最底侧是距离为Y’。
[0052] 根据三角形相似，可以得到如下关系：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 式中，
[0058] Ws＝Ww+Wb，Ww＝Wb(5)
[0059] 由式(1)‑(5)可得：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 由式(6)‑(9)可得狭缝光栅20的透光区域的宽度Ww与遮光区域的宽度Wb与子像素的宽度Wp和瞳孔间距Q相关，子像素的宽度Wp是由显示屏10决定的，不同观看者的瞳孔间距Q会有细微的差别，通常会在65mm左右。可以认为瞳距为65mm不变，追踪单眼的位置；也可追踪双眼的位置，计算出瞳孔间距Q的大小，再由此推算出狭缝光栅20透光区域的宽度Ww与遮光区域的宽度Wb，双眼追踪会给每个观看者提供更好的观看效果，不过这也对光栅20透光区域的宽度Ww与遮光区域的宽度Wb的调控节带来了更多的困难。
[0065] 显示屏10在x方向上与狭缝光栅20的距离D由子像素的宽度Wp、瞳孔间距Q和人眼在x方向上与显示屏10的距离L相关。对于同一个观察者，若人向显示屏10移动x的距离，则光栅20应向显示屏10移动xWp/(Q+Wp)的距离。
[0066] 狭缝光栅20最底侧的透光区域在y方向上与显示屏最底侧的距离Y’由子像素宽度Wp、瞳孔间距Q和人眼在y方向的位置Y相关。对于同一个观察者，若人眼在y方向移动y的距离，则光栅20应在y方向移动(y+Q)Wp/(Q+WP)的距离。
[0067] 因此，在人眼发生移动时，通过人眼追踪系统确定瞳孔间距Q、人眼在y方向的位置Y和人眼在x方向上与显示屏10的距离L，以及根据子像素宽度Wp，根据上述公式(6)‑(9)就可以计算出与光栅20有关的参数：透光区域的宽度Ww、遮光区域的宽度Wb、显示屏10在x方向上与狭缝光栅20的距离D和狭缝光栅20最底侧的透光区域在y方向上与显示屏最底侧的距离Y’，从而对光栅进行调整，使观看者的双眼始终与两个视点重合，从而实现3D显示。解决了传统的光栅3D显示的视点单一、可视范围小的问题，并且在保证不牺牲3D显示分辨率的前提下实现了观看视点的调节，从而提升了立体观看自由度。
[0068] 在具体实施时，本发明中人眼追踪系统可以采用单眼追踪或双眼追踪，狭缝光栅可选用宏观上的挡板或液晶光栅，不同光栅对应的光栅调控系统不同，实现的功能也不一样，表1为具体实施方案的汇总。
[0069] 表1基于人眼追踪的视点可调裸眼3D显示设备的具体实施方案
[0070]
[0071] 表1中给出了四种主要的具体实施方案，双眼追踪相对于单眼追踪，可以提供适应于不同人眼瞳孔间距的视点；相对于透光区域和遮光区域宽度固定的普通光栅，液晶光栅可以不利用外加机械移动装置实现光栅透光区域和遮光区域的宽度和y方向的位置调节；机械移动装置只能粗条光栅的上下左右位置，很难做到精细调控，且狭缝光栅与子像素之间的对准较难。因此上述表1的四种方案中第四种方案最容易实现，且调控最为精细；第三种方案实现的立体显示自由度最高。在具体实施时，可以根据需求和器件制造水平选择具体实施方案。

[0072] 基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种裸眼3D显示设备的显示方法，如图7所示，包括：
[0073] S701、确定观看者的双眼在面向显示屏时相对于显示屏的空间位置；
[0074] S702、根据观看者的双眼在面向显示屏时相对于显示屏的空间位置，来调整光栅相对于显示屏的位置。
[0075] 本发明实施例提供的裸眼3D显示设备的显示方法，在观看者的双眼发生移动时，人眼追踪系统可以确定双眼的空间位置，光栅调控系统可以根据双眼的空间位置来控制光栅相对于显示屏移动，使观看者的双眼始终与两个视点重合，从而实现3D显示。解决了传统的光栅3D显示的视点单一、可视范围小的问题，并且在保证不牺牲3D显示分辨率的前提下实现了观看视点的调节，从而提升了立体观看自由度。
[0076] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述显示方法中，在人眼追踪系统确定观看者的双眼向垂直于显示屏方向移动时，机械移动装置控制光栅向垂直于显示屏方向移动。
[0077] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述显示方法中，在人眼追踪系统确定观看者的双眼向平行于显示屏方向移动时，机械移动装置控制光栅向平行于显示屏方向移动。
[0078] 进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述显示方法中，还包括：
[0079] 通过液晶调控系统调节液晶光栅的遮光区域宽度和透光区域宽度。
[0080] 具体地，该裸眼3D显示设备的显示方法的实施可以参见上述裸眼3D显示设备的实施例，重复之处不再赘述。
[0081] 本发明实施例提供的裸眼3D显示设备及其显示方法，该裸眼3D显示设备包括：显示屏，用于显示左眼图像和右眼图像；光栅，具有交替设置的遮光区域和透光区域；人眼追踪系统，用于确定观看者的双眼在面向显示屏时相对于显示屏的空间位置；光栅调控系统，与光栅连接，用于根据人眼追踪系统确定的双眼的空间位置，来调节光栅相对于显示屏的位置。在观看者的双眼发生移动时，人眼追踪系统可以确定双眼的空间位置，光栅调控系统可以根据双眼的空间位置来控制光栅相对于显示屏移动，使观看者的双眼始终与两个视点重合，从而实现3D显示。解决了传统的光栅3D显示的视点单一、可视范围小的问题，并且在保证不牺牲3D显示分辨率的前提下实现了观看视点的调节，从而提升了立体观看自由度。
[0082] 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：2019-08-26

专利公开日期：2022-05-13

专利公告号：CN110401829B