大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，是LCD顯示中的所述成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)包括直線排列的成像透鏡的單元，成像透鏡的單元包括若干獨立的子透鏡，若干獨立的子透鏡將視場分割成若干子視場，即每一子視場對應一片獨立的子透鏡；每個子透鏡由一個柱狀透鏡作為成像透鏡單元，柱狀透鏡采用多層結(jié)構(gòu)，所有子透鏡母線與柱狀透鏡母線相互重合，所述母線為對稱軸線；每個子透鏡配有一個光學引擎，光學引擎中的光源發(fā)出的光線經(jīng)子透鏡指向性的照亮屏幕的一塊區(qū)域。本實用新型的應用為無輔助立體顯示裝置實現(xiàn)了觀看視角的拓展以及大尺寸屏幕高分辨率分塊顯示的無縫拼接。
【專利說明】大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及立體顯示的裝置及方法，特別是設計一種大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)及方法，屬于信息顯示【技術(shù)領(lǐng)域】。
二、【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的視差立體顯示技術(shù)分為輔助式和無輔助式兩種類型。但是傳統(tǒng)的立體圖像顯示，需要借助輔助工具，如偏光眼鏡、互補色眼鏡、頭盔等，這也就限制了它在某些領(lǐng)域的應用。而自由立體顯示技術(shù)便是讓觀看者無需佩戴任何輔助設備便可觀看到立體效果，又名為無輔助立體顯示，該技術(shù)一般采用特殊結(jié)構(gòu)的光學成像系統(tǒng)，使觀察者對應的眼睛分別只看到不同的圖像，然后在大腦中融合出立體效果，但觀察者只有在屏幕前確定的位置才能觀看到立體效果。
[0003]串影(Cross talk)現(xiàn)象是立體圖像顯示的重要問題，指的是觀看者的眼睛不能單獨觀看到單視點畫面，而是同時觀看到左右圖像，從而導致立體顯示效果下降。串影現(xiàn)象嚴重的情況下，顯示器的立體顯示效果將完全散失，圖像重影嚴重。本項實用新型，不僅能實現(xiàn)立體觀看的效果，而且能實現(xiàn)屏幕的分段照明拼接，可以有效減少串影。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于，提供一種新型大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，用于不需要借助眼鏡、頭盔等輔助設備、在觀看范圍內(nèi)有連續(xù)立體效果的無輔助立體顯示裝置；它基于時分的原理，IXD分時交替顯示左右圖像，通過背光模組而使觀察者左眼只看到左圖像右眼只看到右圖像。背光采用多段設計，按照掃描的方式工作，每個透鏡單元在工作時分別獨立照亮前方屏幕的一塊區(qū)域后匯聚于觀察者人眼處。這樣通過整個透鏡陣列照亮區(qū)域的無縫拼接可以使得觀看者看到整個屏幕的顯示內(nèi)容。這種大視角定向成像分塊拼接顯示方式可以有效降低串影，同時拓寬觀察者的觀看視角范圍。
[0005]實現(xiàn)本實用新型目的技術(shù)解決方案為:一種大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，LCD顯示中的所述成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)包括直線排列的成像透鏡的單元，成像透鏡的單元包括若干獨立的子透鏡，若干獨立的子透鏡將視場分割成若干子視場，即每一子視場對應一片獨立的子透鏡；每個子透鏡由一個柱狀透鏡作為成像透鏡單元，柱狀透鏡采用多層結(jié)構(gòu)，所有子透鏡母線與柱狀透鏡母線相互重合，所述母線為對稱軸線；每個子透鏡配有一個光學引擎，光學引擎中的光源發(fā)出的光線經(jīng)子透鏡指向性的照亮屏幕的一塊區(qū)域。
[0006]LCD顯示的光學引擎產(chǎn)生的背光采用多段設計，按照掃描的方式工作，所有光學引擎整體照亮整個IXD顯示器的屏幕時在IXD顯示器前形成左眼或右眼的觀察窗口。
[0007]每個光學引擎發(fā)出的光線經(jīng)成像透鏡單元作用后光路指向性的照亮對應屏幕的一塊區(qū)域，并在觀看距離處形成水平方向的匯聚。
[0008]每個透鏡單元在工作時分別獨立照亮前方屏幕的一塊區(qū)域后匯聚于觀察者人眼處，整個透鏡陣列照亮屏幕區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無縫拼接。[0009]本實用新型原理是:該大視角定向成像透鏡陣列由M行N列透鏡單元構(gòu)成，每個透鏡單元配有一個光學引擎(構(gòu)成獨立的背光)。每個光學引擎發(fā)出的光線經(jīng)透鏡單元作用后能照亮對應屏幕的一塊固定區(qū)域，并在觀看距離處形成水平方向的匯聚，如圖1所示。本實用新型的應用為無輔助立體顯示裝置實現(xiàn)了觀看視角的拓展以及大尺寸屏幕高分辨率分塊顯示的無縫拼接。本實用新型用于無需借助眼鏡、頭盔等輔助設備、在觀看范圍內(nèi)有連續(xù)立體效果的無輔助立體顯示裝置中，立體顯示裝置中還包括光電組件、人眼采集裝置、人眼檢測模塊和控制接口模塊，光電組件包括IXD液晶屏、大視角定向成像透鏡陣列和一種可尋址光學引擎。所述的大視角定向成像透鏡單元是一種特別設計的透鏡；所述的可尋址光學引擎是指一種排列特殊的光源陣列及其驅(qū)動電路，列間距很小且每一列的亮暗可獨立控制。人眼采集裝置、人眼檢測模塊得到人眼位置驅(qū)動控制光源陣列驅(qū)動電路。
[0010]本實用新型的有益效果，以大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，用于不需要借助眼鏡、頭盔輔助設備、在觀看范圍內(nèi)有連續(xù)立體效果的無輔助立體顯示裝置；它基于時分原理，通過背光模組可以使LCD顯示交替的左右圖像。這樣通過整個透鏡陣列照亮區(qū)域的無縫拼接可以使得觀看者看到整個屏幕的顯示內(nèi)容。本實用新型的應用為無輔助立體顯示裝置實現(xiàn)了觀看視角的拓展以及大尺寸屏幕高分辨率分塊顯示的無縫拼接。這種大視角定向成像分塊拼接顯示方式可以有效減輕串影現(xiàn)象，同時拓寬觀察者的觀看視角范圍。
四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本實用新型的大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)及方法在自由立體顯示裝置中應用原理。
[0012]圖2是本實用新型的大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)及方法的基本結(jié)構(gòu)單元示意圖。
[0013]圖3是本實用新型的大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)及方法的上中下三層排列方式示意圖。
[0014]圖4是本實用新型的大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)及方法一種分段背光的時序設計。
[0015]圖5是本實用新型應用的無輔助立體顯示裝置中單片機控制程序流程圖。
五、【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)的若干單元將視場分割成若干部分即若干子視場，每一子視場由一片獨立的“子透鏡”構(gòu)成；每一片子透鏡由一個柱狀透鏡作為成像透鏡單元，柱狀透鏡采用多層結(jié)構(gòu)將各子視場的子透鏡沿柱狀透鏡的母線即柱狀透鏡的對稱軸線方向相互疊放，所有子透鏡母線與柱狀透鏡母線相互重合；每個子透鏡配有一個光學引擎，光學引擎中的陣列光源發(fā)出的光線經(jīng)子透鏡指向性的照亮屏幕的一塊區(qū)域，應用于LCD顯不O
[0017]背光采用多段結(jié)構(gòu)，按照掃描的方式工作。每個透鏡單元在工作時分別獨立照亮前方屏幕的一塊區(qū)域后匯聚于觀察者人眼處。所有成像透鏡陣列整體照亮整個屏幕并在顯示器前觀看距離處形成左眼或右眼的觀察窗口。每個透鏡單元都相當于一個凸透鏡，對光線具有匯聚作用，選擇合適的焦距，將會使得每個光學引擎發(fā)出的光線經(jīng)透鏡單元作用后光路指向性的照亮對應屏幕的一塊區(qū)域，并在觀看距離處形成水平方向的匯聚，便是我們所要的較窄的出瞳。每個透鏡單元在工作時分別獨立照亮前方屏幕的一塊區(qū)域后匯聚于觀察者人眼處，整個透鏡陣列照亮屏幕區(qū)域可實現(xiàn)無縫拼接。
[0018]如圖2將視場分成三個子視場，有三片子透鏡構(gòu)成(俯視圖，三片透鏡分別位于上中下三層)，以大視角定向成像透鏡一個單元結(jié)構(gòu)為例，點亮透鏡單元后相應的背光模組，光線折射照亮屏幕上MN段后匯聚于觀察者人眼Er處。其中W透鏡起到匯聚光線的作用。
[0019]圖3分別為上、中、下三層透鏡的排列方式，三層透鏡在垂直方向上相互疊加，疊加方式如圖2所示。每個透鏡前后為曲面，其余4個面為矩形平面，通過特定的設計，對背光光線達到定向投射的成像效果。這樣的排列方式實現(xiàn)了水平方向上無縫拼接，為整個屏幕的分段照明實現(xiàn)了可能，同時也降低了觀看立體顯示器過程中串擾的影響。
[0020]將LCD作為視差圖像的基本顯示器件，并以此為例，描述本實用新型的實施細節(jié)。
[0021]設使用的液晶顯示器具有如下的技術(shù)參數(shù):
[0022]分辨率:1680X 1050
[0023]有效顯示尺寸:水平474mm,垂直296mm
[0024]刷新率:12OHz
[0025]灰階響應時間:3.5ms
[0026]設定的立體顯示器主要光學參數(shù)為:
[0027]最佳觀看距離L:3m
[0028]人眼瞳距d:65mm
[0029]以左圖像為例，分析分段掃描減輕串影的原理。設透鏡陣列為6行4列，自上而下分成3等分，每部分對應2行透鏡，每部分的光學引擎按照圖5所示的時序點亮，圖中Vsyn為幀同步信號。
[0030]設這一幀應該顯示的是左圖像。對于第①部分而言，背光點亮的時刻設計在
to = I幀& 5.56ms，此時對于第①部分的第一行像素而言，從開始翻轉(zhuǎn)已經(jīng)經(jīng)過了 5.56ms, 3
對于第①部分的最后一行像素而言，從開始翻轉(zhuǎn)也已經(jīng)經(jīng)過了 I幀& 2.78ms，此時可以認
為第①部分液晶的顯示內(nèi)容已經(jīng)充分刷新為這一幀應該顯示的圖像，即左圖像，點亮左眼對應的背光，即可以觀看到左圖像；第①部分背光點亮的結(jié)束時刻tl設計在下一幀圖像開始刷新的時刻，此時第①部分液晶的顯示內(nèi)容開始刷新為下一幀的內(nèi)容，即右圖像，背光必須關(guān)閉。第②、③部分的時序分析同①。
[0031]控制背光的單片機程序流程如圖5所示。為了實現(xiàn)掃描背光的時序控制，幀同步信號作為一個外部中斷源輸入。該外部中斷服務處理程序包括:根據(jù)人眼位置信息刷新LED陣列、根據(jù)時序進行使能控制、開啟定時器定時。定時器的中斷處理程序包括刷新LED陣列、使能控制以及根據(jù)需要再開定時器。與此同時，單片機還需要通過RS-232串口，與上位機進行通訊，以更新人眼位置信息。此外，當顯示器切換到2D模式時，單片機可控制點亮全部LED，并進行PWM亮度調(diào)節(jié)。
【權(quán)利要求】
1.一種大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其特征是LCD顯示中的所述成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)包括直線排列的成像透鏡的單元，成像透鏡的單元包括若干獨立的子透鏡，若干獨立的子透鏡將視場分割成若干子視場，即每一子視場對應一片獨立的子透鏡；每個子透鏡由一個柱狀透鏡作為成像透鏡單元，柱狀透鏡采用多層結(jié)構(gòu)，所有子透鏡母線與柱狀透鏡母線相互重合，所述母線為對稱軸線；每個子透鏡配有一個光學引擎，光學引擎中的光源發(fā)出的光線經(jīng)子透鏡指向性的照亮屏幕的一塊區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利I所要求的大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于:LCD顯示的光學引擎產(chǎn)生的背光采用多段設計，按照掃描的方式工作，所有光學引擎整體照亮整個IXD顯示器的屏幕時在IXD顯示器前形成左眼或右眼的觀察窗口。
3.根據(jù)權(quán)利I所要求的大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個光學引擎發(fā)出的光線經(jīng)成像透鏡單元作用后光路指向性的照亮對應屏幕的一塊區(qū)域，并在觀看距離處形成水平方向的匯聚。
4.根據(jù)權(quán)利I所要求的大視角定向成像透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個透鏡單元在工作時分別獨立照亮前方屏幕的一塊區(qū)域后匯聚于觀察者人眼處，整個透鏡陣列照亮屏幕區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無縫拼接。
【文檔編號】G02B27/22GK203587894SQ201320653012
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】王元慶, 薛亞蘭 申請人:南京大學