侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏发明专利

专利名称：侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201810326038.6

专利申请（专利权）人：华侨大学
权利人地址：福建省泉州市丰泽区城东华侨大学

专利发明（设计）人：庄其仁,何涌,张晓婷,龚冬梅,王孝艳,郜飞飞,李梓润

专利摘要：本发明公开了一种侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏，包括白光LED光源模块、耦合器、光纤组合体、黑色背板、平凸柱面透镜阵列板、液晶图像显示屏、LED驱动电路、微控制器和光源筒；所述白光LED光源模块发出的光线由所述耦合器耦合到所述光纤组合体，得到用于定向背光裸眼3D显示屏所需的平面线光源。平面线光源发出的光线经过所述平凸柱面透镜阵列板变换为定向背光光束，将所述液晶图像显示屏上顺序播放的左右视差图像投射到观看者的左眼和右眼，实现裸眼3D显示。本发明的目的在于提供一种结构简单可靠、制造成本低、图像亮度和分辨率无损失的侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏。

主权利要求：侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏
技术领域
[0001] 本发明属于显示技术领域，具体涉及一种侧面发光光纤背光裸眼3D显示屏的设计。
背景技术
[0002] 随着显示技术的不断发展以及3D产品的出现，3D显示屏除了传统的佩戴3D眼镜的技术外，更采用了一种不需要佩戴3D眼镜的裸眼式3D显示方式，以提升观看3D图像的舒适度和便捷性。
[0003] 随着裸眼3D技术的不断进步，平板，手机，笔记本等多种三维显示终端已成熟，并引领电子设备产业加快向裸眼3D显示方向发展。3D显示终端市场规模巨大，引领全新视觉体验。
[0004] 裸眼3D显示屏应用广泛，在军事、教学、娱乐、医疗、工业等领域都得到越来越多的推广。举个例子，裸眼3D显示屏已在广场、车站等一些大型活动场所的商用显示市场得到应用。现有的裸眼式3D显示屏有采用发光二极管(LED)点阵显示屏的，也有采用液晶(LCD)显示屏的，由于需要多个角度观看，裸眼式3D显示屏均采用多视点设计，图像分辨率较低，因此只适合于对分辨率要求不高的广告类视频3D图像显示，满足人眼对3D视觉的欣赏。
[0005] 从技术层面分类来看，现有的裸眼式3D显示屏主要有3类，第一类是光屏障式技术，实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出垂直条纹，形成视差障壁，在立体显示模式下，左眼图像显示时，不透明的条纹会遮挡右眼，通过将左眼和右眼的可视图像分开，使观者看到3D影像。这种技术的优点是成本低，但屏幕亮度也低。第二类是柱状透镜技术，液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，每个柱透镜下面的图像像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素，双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素，使观者看到3D影像。柱状透镜技术不会像光屏障式那样影响屏幕亮度，所以显示效果较好，但屏幕分辨率下降严重。第三类是定向背光3D技术，定向背光3D技术采用两组LED，配合高刷新率LCD面板，让左眼和右眼图像以排序方式进入观看者的左眼和右眼，从而使观看者的左眼和右眼接受到不同的图像内容，以实现3D显示。定向背光技术亮度损失较低且无分辨率损失，但指向性背光技术的背光源所需分光器件精度高、制作难、产品不成熟。
[0006] 现有的定向背光3D显示屏一般利用两组LED和对称结构的导光板组成的背光源、结合特殊结构的3D膜片形成定向背光，其基本结构构成大致如图7所示。两组LED71和72置于显示屏左右两侧，在LED71和72之间放置导光板73，导光板73的背面为具有对称结构的三角形柱状光栅731，在导光板73的正面前方放置3D膜片74，3D膜片74的背面为三角形柱状光栅741，3D膜片74的正面为圆柱状光栅742。LED71发出的光线经过导光板73的三角形柱状光栅731反射到3D膜片74的三角形柱状光栅741上，再由3D膜片74的圆柱状光栅742聚光，将LCD屏75上的右眼图像投射到观察者右眼上，达到定向背光目的；同样，LED72发出的光线经过导光板73的三角形柱状光栅731反射到3D膜片74的三角形柱状光栅741上，再由3D膜片74的圆柱状光栅742聚光，将LCD屏75上的左眼图像投射到观察者左眼上；可以看出，上述已有技术的定向背光需要特殊结构的导光板和特殊结构的3D膜片，光线经过的反射面和折射面要求加工精度高，结构复杂，而且导光板的输出光能量均匀性难以控制，因此技术难以形成成熟的产品。
[0007] 侧面发光塑料光纤是一种新型光源，可用于艺术装饰和低亮度照明，更是一种理想的线光源，具有结构简单、组合灵活的特点。由于侧面发光塑料光纤属于线光源，现有技术中还没有用作显示器背光源的例子。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种结构简单可靠、制造成本低、图像亮度和分辨率无损失的侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏，包括白光LED光源模块、耦合器、光纤组合体、黑色背板、平凸柱面透镜阵列板、液晶图像显示屏、LED驱动电路、微控制器和光源筒；
[0011] 所述光纤组合体包括依次连接的光纤束入射段、光纤束过渡段和由若干侧面发光光纤组成的侧面发光光纤阵列，各所述侧面发光光纤以平行直线排列粘贴在所述黑色背板上，各所述侧面发光光纤按顺序进行编号，编号顺序为①②③①②③…,相同编号的所述侧面发光光纤为1组，共分成3组，若干根编号相同的所述侧面发光光纤通过相应的所述光纤束过渡段在所述光纤束入射段合并为光纤束，全部编号相同的所述侧面发光光纤分成若干相同编号的光纤束，各光纤束的编号与所述侧面发光光纤的编号相对应；
[0012] 所述耦合器、所述光纤束、所述白光LED光源模块和所述光源筒数量相同，编号一一对应；各编号相对应的所述耦合器、所述光纤束的所述光纤束入射段和所述白光LED光源模块分别对应安装在各所述光源筒内；所述耦合器的输出端与所述光纤束入射段以一定间隙相对应设置，输入端与所述白光LED光源模块以一定间隙相对应设置；所述LED驱动电路与所述白光LED光源模块电连接，所述LED驱动电路采用3个驱动电路分别控制3种编号的所述白光LED光源模块；所述平凸柱面透镜阵列板放置在所述侧面发光光纤阵列的前方，所述液晶图像显示屏放置在所述平凸柱面透镜阵列板的前方。
[0013] 所述光纤束入射段和所述光纤束过渡段为侧面不发光的普通塑料光纤，所述侧面发光光纤是在所述光纤束中同一光纤上经过激光加工散射点得到的。
[0014] 所述侧面发光光纤的末端涂覆有反光层。
[0015] 所述侧面发光光纤的长度与所述液晶图像显示屏的垂直高度一致。
[0016] 所述光纤束入射段的端面为平面，此端面与所述耦合器的输出端保持3‑5毫米的间隙。
[0017] 所述液晶图像显示屏工作于3D模式，所述3个驱动电路中的驱动信号为占空比50％的矩形脉冲信号，所述3个驱动电路中的第一个驱动电路的脉冲信号和第二个驱动电路的脉冲信号相位相差180度，所驱动的所述白光LED光源模块轮流发光，第三个驱动电路无驱动信号，所驱动的所述白光LED光源模块不发光。

[0018] 所述液晶图像显示屏工作于2D模式，所述3个驱动电路均为恒定的直流驱动信号，所有所述白光LED光源模块同时发光。
[0019] 所述平凸柱面透镜阵列板的一侧为柱面透镜阵列，另一侧为光学平面，所述侧面发光光纤阵列紧贴放置在所述平凸柱面透镜阵列板的光学平面上。
[0020] 所述柱面透镜阵列中的每个柱透镜对应3根所述侧面发光光纤，第一根所述侧面发光光纤和第二根所述侧面发光光纤对称放置在柱透镜中心线的两侧，第三根所述侧面发光光纤放置在相邻两柱透镜的交界线上。
[0021] 采用上述方案后，本发明的侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏，白光LED光源模块发出的朗伯型分布的白光发散光束经过耦合器转换为均匀分布的平行光束，平行光束均匀照射在光纤束入射段的端面上实现光耦合，使光纤束中的每一根光纤内具有相同的光能量。光纤束内的光能量无损耗的传输到侧面发光光纤并发光，形成线光源。众多线光源整齐排列在黑色背板上，黑色背板吸收了杂散光，形成定向背光裸眼3D技术所需的平面线状背光源。线状背光源发出的光线经过平凸柱面透镜阵列板后变成定向光束，线状背光源的位置决定了出射光束的方向，由于编号不同的光纤相对于柱面平凸透镜的位置不同，所以编号不同的光纤发光时出射光束方向也不同。
[0022] 在3D显示模式时，第一个白光LED光源模块和第二个白光LED光源模块分时工作，第三个白光LED光源模块始终不发光。由此，编号为①的光纤和编号为②的光纤轮流发光，编号为③的光纤不发光。编号为①的光纤发出的光线经过平凸柱面透镜阵列板的柱透镜转换为定向投射光束投射到观察者的左眼，此定向投射光束透过液晶图像显示屏显示的左眼图像，就将左眼图像投射到左眼。编号为②的光纤发出的光线经过平凸柱面透镜阵列板的柱透镜转换为另一个定向投射光束投射到观看者的右眼。此定向投射光束透过液晶图像显示屏显示的右眼图像，就将右眼图像投射到右眼。这样观看者的左眼和右眼看到的是两幅具有视差的不同图像，从而产生3D立体感。同理，侧面发光光纤发出的光线还可以经过相邻柱透镜转换为角度较大的定向投射光束，将左右眼图像投射到另一角度的观看者的左眼和右眼，实现多角度观看3D图像目标。另外，由于编号为③的光纤不发光，所以在它对应的定向投射光束位置形成一个暗区，看不到图像，这样做的目的是避免观看者看到的左右图像顺序颠倒而产生眩晕。2D显示模式时，观看者看到的左右图像完全相同，不存在左右图像顺序颠倒问题，不需要设定暗区，全部侧面发光光纤都发光，侧面发光光纤阵列就如同普通液晶显示屏的背光源。可见，本发明的侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏实现了2D/3D显示完全兼容。
[0023] 与现有技术相比，本发明采用侧面发光光纤作为裸眼3D显示屏的定向背光光源，比现有采用的三角形表面结构的导光板作为定向背光的光源有更多的优点：侧面发光光纤是一种理想的线光源，产生的杂散光小，使裸眼3D显示屏的图像串扰小，而现有技术的导光板光源杂散光较大；侧面发光光纤可任意控制阵列的发光顺序，可扩展裸眼3D显示屏的视点数，而现有技术的导光板光源只能实现两视点裸眼3D显示；本发明采用第三根光纤不发光技术，解决了裸眼3D显示左右图像顺序颠倒问题。与现有技术相比，本发明还具有结构简单可靠、制造成本低、图像亮度和分辨率无损失的特点，无需复杂的软硬件支持，可在现有的眼镜开关式3D显示屏基础上进行改造，经济实用。
附图说明
[0024] 图1为本发明侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏的结构示意图。
[0025] 图2为本发明中光源筒、白光LED光源模块和耦合器组件的结构示意图。
[0026] 图3为本发明中塑料光纤组合体的结构示意图。
[0027] 图4为本发明中白光LED驱动电路原理图。
[0028] 图5为本发明中白光LED驱动信号时序图。
[0029] 图6为本发明中柱透镜阵列和光纤阵列关系示意图。
[0030] 图7为现有定向背光裸眼3D技术显示屏结构示意图。
[0031] 图8为本发明侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏的工作原理图。
具体实施方式
[0032] 请参照图1，本发明的侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏，包括3×N(N为正整数)个白光LED光源模块1、3×N个耦合器2、3×N组塑料光纤组合体3，1片黑色背板4，1片平凸柱面透镜阵列板5，1块液晶图像显示屏6，3×N个LED驱动电路7、1块微控制器8和3×N个光源筒9，微控制器8包括设置于电路板上的电路布线、微处理器芯片及左右视差图像的信号脉冲输入线R和L。
[0033] 为了便于表述，本实施例中，以N＝1为例，并以各视图所示方位为参考方位。
[0034] 每个光源筒9对应安装一个白光LED光源模块1、1个耦合器2和1组塑料光纤组合体3。

[0035] 请参照图1和图2，每个白光LED光源模块1均包括带有初级透镜的3W以上白光LED灯体10，白光LED灯体10焊接在光源电路板11上，光源电路板11上有2条连接线12将白光LED灯体10与LED驱动电路7相对应连接。光源电路板11通过环形垫圈92和环形外螺纹压圈91夹设固定在光源筒9的筒内下端。白光LED灯体10通过连接线12连接到相应的LED驱动电路7的输出端，白光LED灯体10由独立的LED驱动电路7驱动发光，LED驱动电路7通过电路布线连接到微控制器8的微处理器芯片的控制输出端上。
[0036] 请参照图2，耦合器2为自由曲面透镜耦合器，形状为多自由曲面轴对称旋转体，由完全透明的PMMA材料加工而成。耦合器2安装在光源筒9的筒内下段的中间部位，并位于白光LED灯体10的前端。耦合器2的前端紧靠光源筒9的内壁台阶部位95，后端由环形垫圈92压紧固定。白光LED灯体10与耦合器2保持几毫米的间隙，间隙的大小由环形垫圈92的厚度决定，白光LED灯体10发出的郎伯型分布光束经过耦合器2变换后成为能量均匀分布的光束。
[0037] 上述塑料光纤组合体3由复数根紧密排列的塑料光纤组成，塑料光纤组合体3包括依次连接的光纤束入射段31、光纤束过渡段33和由若干根侧面发光塑料光纤组成的侧面发光塑料光纤阵列32。
[0038] 光纤束入射段31位于塑料光纤组合体3的一端，且安装在光源筒9的筒内位于耦合器2的上方，光纤束入射段31的端面为平面，与耦合器2的输出面保持3‑5毫米的间隙，使进入光纤束端面的光能量更加均匀。光源筒9的上段为缩径段，且末端锥台状结构，塑料光纤组合体3通过安装于所述锥台状结构的上底面的三角形橡胶圈94以及紧箍在所述缩径段外的环形内螺纹压圈93实现定位固定。
[0039] 塑料光纤组合体3的侧面发光塑料光纤阵列32位于塑料光纤组合体3的另一端，侧面发光塑料光纤阵列32中的各侧面发光塑料光纤沿直线平行排列并粘贴在黑色背板4表面上，请参照图1和图3，3个光源筒9分为第一光源筒901、第二光源筒902和第三光源筒903，3组塑料光纤组合体3的光纤束入射段31对应于第一光源筒901、第二光源筒902和第三光源筒903分为第一光纤束入射段311、第二光纤束入射段312和第三光纤束入射段313。各上述侧面发光塑料光纤按顺序编号①②③①②③…①②③排列，编号为①的全部侧面发光塑料光纤321组成光纤束后集中到第一光源筒901的上端，编号为②的全部侧面发光塑料光纤322组成光纤束后集中到第二光源筒902的上端，编号为③的全部侧面发光塑料光纤321组成光纤束后集中到第三光源筒903的上端。

[0040] 塑料光纤组合体3从离开黑色背板4到光源筒9之间的部分为光纤束过渡段33。
[0041] 上述塑料光纤组合体3在不同长度位置的结构和形状不同，以编号为①的侧面发光塑料光纤321为例，请参照图3，粘贴在黑色背板4表面上的侧面发光塑料光纤321为侧面经过激光加工散射点的发光塑料光纤，侧面发光塑料光纤321的长度与液晶图像显示屏6的垂直高度一致。光纤束过渡段33与侧面发光塑料光纤321对应的为光纤束过渡段331，光纤束过渡段331为没有经过激光加工的普通塑料光纤，光纤过渡段331的长度应保证光纤弯曲部位331a的弯曲半径大于25mm。所有侧面发光塑料光纤321的末端涂覆有反光层，用于提高光利用率。
[0042] 请参照图4，3个白光LED光源模块1的白光LED灯体10分为第一白光LED灯体101、第二白光LED灯体102和第三白光LED灯体103；相应的，3个白光LED光源模块1的连接线12分为第一连接线121、第二连接线122和第三连接线123；相应的，3个LED驱动电路7分为第一驱动电路701、第二驱动电路702和第三驱动电路703。安装在第一光源筒901下端的第一白光LED灯体101通过第一连接线121连接到第一驱动电路701的输出端，安装在第二光源筒902下端的第二白光LED灯体102通过第二连接线122连接到第二驱动电路702的输出端，安装在第三光源筒903下端的第三白光LED灯体103通过第三连接线123连接到第三驱动电路703的输出端。第一驱动电路701、第二驱动电路702和第三驱动电路703均为驱动电流大于1A的脉冲驱动电路，它们的输入端分别为A、B和C，由微控制器8提供输入信号。输入端A、B和C的脉冲信号时序图请参照图5。当液晶图像显示屏6工作于3D模式时，输入端A和输入端B的输入信号为占空比50％的矩形脉冲信号，输入端C为低电平直流信号。输入端A和输入端B的矩形脉冲信号相位相差180度。当液晶图像显示屏6工作于2D模式时，输入端A、B和C的输入信号均为高电平直流信号。
[0043] 请参照图6，上述平凸柱面透镜阵列板5为一面是柱面透镜阵列51，另一面为光学平面52的亚克力板，平凸柱面透镜阵列板5的厚度刚好使光学平面52位于柱面透镜阵列51的焦平面上。侧面发光塑料光纤阵列32紧贴放置在平凸柱面透镜阵列板5的光学平面52上，这样侧面发光塑料光纤阵列32就位于平凸柱面透镜阵列板5的焦平面附近。上述柱面透镜阵列51中每个柱透镜对应上述侧面发光塑料光纤阵列32的3根光纤321、322、323，光纤321、322、323的编号分别为①、②和③。光纤321和光纤322对称放置在光学平面52上相对柱面透镜阵列51的其中一个柱透镜的中心线51a的两侧，光纤323放置在光学平面52上对应柱面透镜阵列51中相邻的两个柱透镜的交界线51b上。

[0044] 本发明的工作原理如下：
[0045] 请参照图1～图3，白光LED灯体10发出的朗伯型分布的白光发散光束211经过耦合器2转换为均匀分布的平行光束212，平行光束212均匀照射在塑料光纤组合体3的光纤束入射段31的端面上实现光耦合，使塑料光纤组合体3中的每一根光纤内具有相同的光能量。第一白光LED灯体101的光耦合进入第一光纤束入射段311，第二白光LED灯体102的光耦合进入第二光纤束入射段312，第三白光LED灯体103的光耦合进入第三光纤束入射段313。第一光纤束入射段311内的光能量无损耗的传输到各侧面发光塑料光纤321，编号为①；第二光纤束入射段312内的光能量无损耗的传输到各侧面发光塑料光纤322，编号为②；第三光纤束入射段313内的光能量无损耗的传输到各侧面发光塑料光纤323，编号为③。最后实现光纤阵列①②③①②③…的发光输出，形成定向背光裸眼3D技术所需的平面线状背光源。光纤阵列整齐排列在黑色背板4上，黑色背板4吸收了杂散光，减少了线状光源之间的串扰。
[0046] 请参照图1、图4和图5，在3D显示模式时，第一白光LED灯体101和第二白光LED灯体102是分时工作的，即第一白光LED灯体101发光时，第二白光LED灯体102不发光；第二白光LED灯体102发光时，第一白光LED灯体101不发光。第三白光LED灯体103始终不发光。第一白光LED灯体101通过第一驱动电路701控制，其输入信号端为A；第二白光LED灯体102通过第二驱动电路702控制，其输入信号端为B；第三白光LED灯体103通过第三驱动电路703控制，其输入信号端为C；输入信号端A、B和C均连接到微控制器8的输出端，由来自左右视差图像信号脉冲输入线R和L的脉冲信号实现同步控制。

[0047] 请参照图6和图8，侧面发光塑料光纤321发出的光线经过平凸柱面透镜阵列板5的正面柱透镜512转换为定向投射光束531投射到观察者的左眼；侧面发光塑料光纤322发出的光线经过平凸柱面透镜阵列板5的正面柱透镜512转换为定向投射光束532投射到观看者的右眼。液晶图像显示屏6放置于定向投射光束的光路中，上述液晶图像显示屏6与侧面发光塑料光纤321和322同步分时显示左右图像。当侧面发光塑料光纤321发光时，产生的定向投射光束531透过液晶图像显示屏6显示的左眼图像，就将左眼的图像投射到左眼；当侧面发光塑料光纤322发光时，产生的定向投射光束532透过液晶图像显示屏6显示的右眼图像，就将右眼图像投射到右眼。这样观看者的左眼和右眼看到的是两幅具有视差的不同图像，从而产生3D立体感。同理，侧面发光塑料光纤321发出的光线还可以经过右邻柱透镜513转换为定向投射光束533，将左眼的图像投射到另一角度的观看者左眼；同样侧面发光塑料光纤322发出的光线也可以经过右邻柱透镜513转换为定向投射光束534，将右眼的图像投射到该角度的观看者右眼，实现了多角度观看3D图像的目的。另外，由于侧面发光塑料光纤323不发光，所以在它对应的定向投射光束位置535形成一个暗区，看不到图像，这样做的目的是避免观看者看到的左右图像顺序颠倒而产生眩晕。

[0048] 在2D显示模式时，由于观看者看到的左右图像完全相同，不存在左右图像顺序颠倒问题，不需要设定暗区，因此2D显示模式中侧面发光塑料光纤321、侧面发光塑料光纤322和侧面发光塑料光纤323同时发光。本发明的侧面发光光纤定向背光裸眼3D显示屏实现了2D/3D显示完全兼容。

[0049] 上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

专利地区：福建

专利申请日期：2018-04-12

专利公开日期：2023-08-29

专利公告号：CN108490624B