本發(fā)明涉及到三維顯示領(lǐng)域，具體涉及一種裸眼三維顯示裝置及其方法。

技術(shù)背景

由于三維顯示具有更加真實(shí)、自然、深度場景信息等特點(diǎn)，因此，三維顯示越來越受到人們的關(guān)注?，F(xiàn)有商業(yè)三維顯示器所應(yīng)用的技術(shù)主要是基于立體顯示技術(shù)和裸眼立體顯示技術(shù)，立體顯示技術(shù)的三維顯示器由于需要觀看者需要佩戴輔助設(shè)備，并且顯示場景只含有一個(gè)視點(diǎn)信息，已經(jīng)越來不受消費(fèi)者的接納?，F(xiàn)如今，裸眼多視點(diǎn)立體顯示器已經(jīng)成為立體顯示器邁入商業(yè)化的重要方式。相對于傳統(tǒng)裸眼多視點(diǎn)立體顯示器，本發(fā)明裝置可兼容2D顯示。于此同時(shí)，傳統(tǒng)裸眼立體顯示裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)一旦固定，人眼所感知立體顯示效果的最佳觀看距離范圍將固定，無法改變。

針對傳統(tǒng)立體顯示裝置的缺陷，本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)3D顯示最佳觀看距離動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并且該裝置具有高的3D顯示亮度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)3D顯示最佳觀看距離、并具有高亮度的裸眼三維顯示裝置及其方法。

本發(fā)明提供一種裸眼三維顯示裝置，其包括：液晶顯示屏、以及為該液晶顯示屏提供背光的2D/3D可切換背光模組；其中，該2D/3D可切換背光模組包括：2D背光模組、位于該2D背光模組上的聲光介質(zhì)基體、設(shè)置在該聲光介質(zhì)基體一端的多個(gè)壓電傳感器、以及設(shè)置在該聲光介質(zhì)基體另一端的多個(gè)聲波吸收器，每個(gè)壓電傳感器與每個(gè)聲波吸收器對應(yīng)設(shè)置。

優(yōu)選地，所述壓電傳感器設(shè)有與所述聲光介質(zhì)基體的側(cè)表面接觸的壓電晶體；所述聲波吸收器設(shè)有與所述聲光介質(zhì)基體的側(cè)表面接觸的吸聲材料。

優(yōu)選地，所述聲光介質(zhì)基體由透明光學(xué)各向同性的材料制成。

優(yōu)選地，設(shè)定液晶顯示屏的左下角作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以液晶顯示屏的水平方向作為坐標(biāo)系的Z軸，以液晶顯示屏的垂直方向作為坐標(biāo)系的X軸，垂直于 XZ面的方向作為坐標(biāo)系的Y軸；所述聲光介質(zhì)基體的高度方向與X軸平行，聲光介質(zhì)基體的寬度方向與Z軸平行，聲光介質(zhì)基體的長度方向與Y軸平行；所述多個(gè)壓電傳感器和多個(gè)聲波吸收器分別依序設(shè)置Z軸方向上設(shè)置所述聲光介質(zhì)基體的相對側(cè)邊。

優(yōu)選地，所述2D背光模組位于平行于XZ面的平面。

優(yōu)選地，所述2D/3D可切換背光模組的R、G、B光源是按時(shí)序依次切換，R、G、B光源的切換間隔小于1/180秒，R、G、B光源的半峰寬較窄。

本發(fā)明又提供一種裸眼三維顯示裝置的顯示方法，包括如下步驟：

S1：當(dāng)液晶顯示屏顯示2D內(nèi)容時(shí)，壓電傳感器和聲波吸收器處于不工作的狀態(tài)，2D/3D可切換背光模組發(fā)出面光源至液晶顯示屏上；

S2：當(dāng)液晶顯示屏顯示3D內(nèi)容時(shí)，通過對壓電傳感器施加電信號后會(huì)產(chǎn)生聲波，2D背光模組發(fā)出的光波通過含聲波作用的聲光介質(zhì)基體后，調(diào)節(jié)對應(yīng)聲波的頻率來控制光波經(jīng)過聲光介質(zhì)基體后產(chǎn)生不同衍射角度的衍射光，液晶顯示屏發(fā)出分離的多個(gè)視點(diǎn)圖像。

優(yōu)選地，所述步驟S2的具體內(nèi)容為：每個(gè)壓電傳感器和對應(yīng)的聲波吸收器產(chǎn)生的每個(gè)衍射區(qū)域與液晶顯示屏的像素一一對應(yīng)。

優(yōu)選地，：所述的視差圖像所對應(yīng)的背光衍射角度θ_d滿足以下條件：

在L＞2λ²_s/λ條件下，當(dāng)θ_i＝θ_d時(shí)，滿足衍射條件，當(dāng)滿足公式(3)時(shí)，0級衍射光消失，只出現(xiàn)1級衍射光，衍射角度θ_d＝arcsin(λf_s/2n₀v_s)；

I₁＝I_i sin²(πΔnL/λ) (1)

其中，I_i表示入射光的光強(qiáng)；θ_i表示入射光與聲波面間的夾角；θ_d表示1級衍射光的衍射角度；聲波k_s沿著X向傳播；λ_s為聲波的波長；λ為光波的波長；L表示聲波場與光波場在聲光介質(zhì)基體22中相互作用長度；n₀表示聲光介質(zhì)基體的平均折射率；Δn表示聲致折射率變化(聲波引起聲光介質(zhì)基體的折射率變化量)；S為聲波引起聲光介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變；P為聲光介質(zhì)基體的彈光系數(shù)。

優(yōu)選地，人眼所處位置的最佳觀看距離與視點(diǎn)衍射光之間角距離的關(guān)系式為d_3D≈d/Δθ，Δθ＝θ_di-θ_dj，其中，d_3D為最佳觀看距離；d為人眼瞳孔間距的平均距離；Δθ為相應(yīng)視點(diǎn)衍射光之間的角距離；θ_di與θ_dj表示多視點(diǎn)像素發(fā)出的相應(yīng)多個(gè)衍射光的任意兩個(gè)視點(diǎn)的衍射光之間的角距離。

本發(fā)明裸眼三維顯示裝置不僅具有高質(zhì)量的2D顯示效果，還具有高亮度的3D顯示效果；通過調(diào)節(jié)背聲波的頻率來控制背光的衍射光分布，無需改變其他的顯示參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)3D顯示，并且該三維顯示裝置的觀看距離可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明裸眼三維顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示裸眼三維顯示裝置的2D/3D可切換背光模組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1所示裸眼三維顯示裝置的顯示2D工作狀態(tài)的示意圖；

圖4為圖1所示裸眼三維顯示裝置的顯示3D工作狀態(tài)的示意圖；

圖5為圖1所示裸眼三維顯示裝置的聲光介質(zhì)基體的參數(shù)設(shè)計(jì)示意圖；

圖6為圖1所示裸眼三維顯示裝置在3D顯示模式的聲光衍射示意圖；

圖7為圖1所示裸眼三維顯示裝置的3D顯示模式下工作的示意圖；

圖8為圖1所示裸眼三維顯示裝置的為多視點(diǎn)3D顯示背光的分光示意圖；

圖9為圖1所示裸眼三維顯示裝置的多視點(diǎn)3D顯示裝置工作原理示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明裸眼三維顯示裝置，請參閱圖1所示，本裸眼三維顯示裝置包括：作為顯示圖像功能的液晶顯示屏1、以及為該液晶顯示屏1提供背光的2D/3D可切換背光模組2。其中，液晶顯示屏1作為顯示圖像的功能，該液晶顯示屏是無需彩膜結(jié)構(gòu)，如無RGB色層、BM、OC層；2D/3D可切換背光模組2的R、G、B光源是按時(shí)序依次切換，R、G、B光源的切換間隔小于1/180秒，并且R、G、B光源的半峰寬較窄。液晶顯示屏1依次相應(yīng)顯示紅色3D內(nèi)容、綠色3D內(nèi)容、藍(lán)色3D內(nèi)容，切換的間隔與R、G、B光源的切換間隔相同。

請參閱圖2所示，2D/3D可切換背光模組2包括：2D背光模組21、位于該2D背光模組21上的聲光介質(zhì)基體22、設(shè)置在該聲光介質(zhì)基體22一端的多個(gè)壓 電傳感器23、以及設(shè)置在該聲光介質(zhì)基體22另一端的多個(gè)聲波吸收器24。其中，聲光介質(zhì)基體22位于液晶顯示屏1與2D背光模組21之間；每個(gè)壓電傳感器23與每個(gè)聲波吸收器24對應(yīng)設(shè)置；壓電傳感器23的功能是將電信號轉(zhuǎn)化成聲波；聲光介質(zhì)基體22由透明光學(xué)各向同性的材料制成，如PMMA(甲基丙烯酸甲酯)等；聲波吸收器24的作用是通過吸聲材料是將聲波的能量轉(zhuǎn)換為熱能，從而阻礙聲波繼續(xù)傳播；壓電傳感器23設(shè)有與聲光介質(zhì)基體22的側(cè)表面接觸的壓電晶體，聲波吸收器24設(shè)有與聲光介質(zhì)基體22的側(cè)表面接觸的吸聲材料。

液晶顯示屏1顯示圖像內(nèi)容，2D/3D可切換背光模組2為液晶顯示屏1的顯示圖像提供照明。

請參閱圖3所示，當(dāng)液晶顯示屏1顯示2D內(nèi)容時(shí)，壓電傳感器23與聲波吸收器24處于不工作的狀態(tài)，2D/3D可切換背光模組2的光學(xué)特性為面光源特性。

請參閱圖4所示，當(dāng)液晶顯示屏1顯示3D內(nèi)容時(shí)，壓電傳感器23與聲波吸收器24處于工作狀態(tài)，壓電傳感器23會(huì)產(chǎn)生聲波，聲波在聲光介質(zhì)基體22的聲光介質(zhì)中傳播過程中會(huì)使得聲光介質(zhì)材料密度發(fā)出周期性的變化。當(dāng)2D背光模組21發(fā)出的光波通過聲光介質(zhì)后會(huì)使得光波發(fā)出Bragg衍射，此時(shí)2D/3D可切換背光模組2光學(xué)特性為指向背光的光學(xué)特性。

當(dāng)背光發(fā)出的光波通過聲光介質(zhì)后，通過聲波吸收器24調(diào)節(jié)聲波的頻率控制空間中衍射條紋分布，從而產(chǎn)生適合3D顯示所需背光照明。當(dāng)液晶顯示屏1上相應(yīng)的像素顯示視差圖像內(nèi)容后，從而實(shí)現(xiàn)了多視點(diǎn)3D顯示。

視點(diǎn)的含義為：背光模組的明暗交替的線光源對液晶顯示屏上的多個(gè)視差圖像提供照明，每個(gè)視差圖像為一個(gè)視點(diǎn)。當(dāng)人眼處在恰當(dāng)距離觀看液晶顯示屏?xí)r，左眼與右眼只接受相應(yīng)的視差圖像，從而實(shí)現(xiàn)了3D觀看效果。

圖5為聲光介質(zhì)基體的參數(shù)設(shè)計(jì)示意圖，以液晶顯示屏的左下角作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以液晶顯示屏1的水平方向作為坐標(biāo)系的Z軸，以液晶顯示屏1的垂直方向作為坐標(biāo)系的X軸，垂直于XZ面的方向作為坐標(biāo)系的Y軸。垂直于XZ面的方向作為坐標(biāo)系Y軸。2D背光模組21位于平行于XZ面的平面。

聲光介質(zhì)基體22的高度H方向與X軸平行，聲光介質(zhì)基體22的寬度W方向與Z軸平行，聲光介質(zhì)基體的長度L方向與Y軸平行；壓電傳感器23和聲波吸收器24分別設(shè)置在聲光介質(zhì)基體的高度H方向的相對側(cè)邊。

L為聲波場與光波場在聲光介質(zhì)基體22相互作用的有效長度；H為聲光介質(zhì)基體22的高度，與液晶顯示屏1的有效顯示區(qū)域的垂直方向的寬度相互對應(yīng)。

如圖6所示，當(dāng)壓電傳感器23發(fā)出聲波后，聲波在聲光介質(zhì)基體22中傳播，由于光波的頻率遠(yuǎn)大于聲波的頻率，因此可將聲光介質(zhì)基體22對光波的調(diào)節(jié)過程視為靜止。因此，可以通過控制聲波頻率來調(diào)節(jié)衍射光的衍射角度，即控制了衍射光的空間分布。

圖6為本裸眼三維顯示裝置在3D顯示模式的聲光衍射示意圖當(dāng)入射角θ_i與衍射角θ_d相等時(shí)，衍射光只有1級衍射光出現(xiàn)，1級衍射光的光強(qiáng)I₁滿足公式(1)，1級衍射角度θ_d滿足公式(4)：

I₁＝I_i sin²(πΔnL/λ) (1)

θ_d＝arcsin(λf_s/(2n₀v_s)) (4)

其中，I_i表示入射光的光強(qiáng)；θ_i表示入射光與聲波面間的夾角；θ_d表示1級衍射光的衍射角度；聲波k_s沿著X向傳播；λ_s為聲波的波長；L表示聲波場與光波場在聲光介質(zhì)基體22中相互作用長度；n₀表示聲光介質(zhì)基體22的平均折射率；Δn表示聲致折射率變化(聲波引起聲光介質(zhì)基體22的折射率變化量)；S為超聲波引起聲光介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變；P為聲光介質(zhì)基體22的彈光系數(shù)。

聲波面：壓電傳感器產(chǎn)生聲波，聲波將沿著聲光介質(zhì)基體22內(nèi)傳播，在聲波的傳播過程中，會(huì)引起聲波介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)，聲光介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相位相同的點(diǎn)連成的面稱為聲波面。

為了使得多個(gè)視差圖像發(fā)出的光能夠在空間中相應(yīng)位置分離，根據(jù)公式(4)，本發(fā)明采用的光源為半峰寬較窄的RGB光源，并且R、G、B光源的切換間隔小于1/180秒，液晶顯示屏1依次相應(yīng)顯示紅色3D內(nèi)容、綠色3D內(nèi)容、藍(lán)色3D內(nèi)容。

當(dāng)在某個(gè)時(shí)間段上，2D/3D可切換背光模組2發(fā)出的光源是R光源，于此同時(shí)液晶顯示屏1顯示紅色3D內(nèi)容，通過控制相應(yīng)視差圖像對應(yīng)的聲波頻率，使得多個(gè)紅色視差圖像能夠在空間中相應(yīng)位置分離。當(dāng)人眼處在對應(yīng)的位置，人 會(huì)感知紅色3D顯示效果。同理，當(dāng)在某個(gè)時(shí)間段上，2D/3D可切換背光模組2發(fā)出的光源是G光源，于此同時(shí)液晶顯示屏1顯示綠色3D內(nèi)容，通過控制相應(yīng)視差圖像對應(yīng)的聲波頻率，使得多個(gè)綠色視差圖像能夠在空間中相應(yīng)位置分離。當(dāng)人眼處在對應(yīng)的位置，人會(huì)感知綠色3D顯示效果。當(dāng)在某個(gè)時(shí)間段上，2D/3D可切換背光模組2發(fā)出的光源是B光源，于此同時(shí)液晶顯示屏1顯示藍(lán)色3D內(nèi)容，通過控制相應(yīng)視差圖像對應(yīng)的聲波頻率，使得多個(gè)藍(lán)色視差圖像能夠在空間中相應(yīng)位置分離。當(dāng)人眼處在對應(yīng)的位置，人會(huì)感知藍(lán)色3D顯示效果。其中，當(dāng)面板1分別顯示紅色3D內(nèi)容、綠色3D內(nèi)容以及藍(lán)色3D內(nèi)容，多視點(diǎn)像素對應(yīng)的多個(gè)壓電傳感器所產(chǎn)生的聲波頻率是不相同的，具體的差別由設(shè)計(jì)決定。

圖7為3D顯示模式下工作示意圖，由于多視點(diǎn)3D顯示模式中，水平視差是深度融合的主要因素，因此，將多個(gè)壓電傳感器23和對應(yīng)的多個(gè)聲波吸收器24依序按Z軸方向上依次排列，如圖7所示按Z軸排列。每個(gè)壓電傳感器23和對應(yīng)的聲波吸收器24在聲光介質(zhì)基體22上產(chǎn)生的衍射區(qū)域A與液晶顯示屏1的多個(gè)視差圖像像素排列一一對應(yīng)，通過控制壓電傳感器23的頻率實(shí)現(xiàn)空間視點(diǎn)對應(yīng)的背光分離。

當(dāng)光波以一定角度入射含超聲波的聲光介質(zhì)基體22的表面，光波通過聲光介質(zhì)基體22后發(fā)生了Bragg衍射，并且各個(gè)不同衍射角衍射光在XY面上分光。如圖8所示為多視點(diǎn)3D顯示背光的分光示意圖，通過調(diào)節(jié)壓電傳感器23控制聲波的頻率來實(shí)現(xiàn)不同衍射角度衍射光的分布，從而使得多個(gè)視點(diǎn)圖像發(fā)出分離的空間光強(qiáng)。

圖8表示多視點(diǎn)3D顯示中多視點(diǎn)像素的分光示意圖，當(dāng)觀看者處在最佳的觀看距離，人的左右眼分別接收到不同的視差圖像時(shí)，人就會(huì)感知到立體效果。其中，最佳觀看距離d_3D≈d/Δθ，d為人眼瞳孔間距的平均距離，Δθ為相應(yīng)視點(diǎn)衍射光之間的角距離。Δθ＝θ_di-θ_dj，θ_di與θ_dj表示多視點(diǎn)像素發(fā)出的相應(yīng)多個(gè)衍射光的任意兩個(gè)視點(diǎn)的衍射光之間的角距離。θ_di與θ_dj是由公式(4)決定。通過控制聲波頻率來控制相應(yīng)視點(diǎn)圖像衍射光的衍射角度，從而Δθ的值可通過聲波頻率來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而最佳觀看距離可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

圖9所示為多視點(diǎn)3D顯示裝置工作示意圖，通過調(diào)節(jié)對應(yīng)的壓電傳感器23使得產(chǎn)生相應(yīng)的聲波頻率，2D背光模組21光源光強(qiáng)分布適合3D顯示所需的照明，由于人眼視覺流暢的最低標(biāo)準(zhǔn)是60Hz，當(dāng)液晶顯示屏1以高于180Hz的 顯示頻率依次顯示紅綠藍(lán)3D顯示內(nèi)容，并且當(dāng)人眼處于最佳觀看距離時(shí)，可以連續(xù)感知立體顯示效果，最佳觀看距離d_3D≈d/Δθ，d為人眼瞳孔間距的平均距離，Δθ為相應(yīng)視點(diǎn)衍射光之間的角距離。

本發(fā)明還揭示一種裸眼三維顯示裝置的顯示方法，包括如下步驟：

S1：當(dāng)液晶顯示屏顯示2D內(nèi)容時(shí)，壓電傳感器和聲波吸收器處于不工作的狀態(tài)，2D/3D可切換背光模組發(fā)出面光源至液晶顯示屏上；

S2：當(dāng)液晶顯示屏顯示3D內(nèi)容時(shí)，通過對壓電傳感器施加電信號后會(huì)產(chǎn)生聲波，2D背光模組發(fā)出的光波通過含聲波作用的聲光介質(zhì)基體后，調(diào)節(jié)對應(yīng)聲波的頻率來控制光波經(jīng)過聲光介質(zhì)基體后產(chǎn)生不同衍射角度的衍射光，液晶顯示屏發(fā)出分離的多個(gè)視點(diǎn)圖像。

每個(gè)壓電傳感器23和對應(yīng)的聲波吸收器24在聲光介質(zhì)基體22上產(chǎn)生的每個(gè)衍射區(qū)域與液晶顯示屏1的多個(gè)視差圖像像素排列一一對應(yīng)。

本發(fā)明裸眼三維顯示裝置不僅具有高質(zhì)量的2D顯示效果，還具有高亮度的3D顯示效果；通過調(diào)節(jié)背聲波的頻率來控制背光的衍射光分布，無需改變其他的顯示參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)3D顯示，并且該三維顯示裝置的觀看距離可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。