一種低串擾、視角可控的裸眼3D顯示系統和方法與流程
2023-12-10 01:16:51
本發明屬於裸眼3d顯示領域，更具體地，涉及一種低串擾、視角可控的裸眼3d顯示系統和方法。
背景技術：
對於裸眼3d顯示系統，由於存在空氣以及液晶面板散射層結構對光線的散射，會存在一定的串擾率問題。另外，該系統的最佳觀看位置只分布在小區域範圍內，視角限定較為困難，並且在最佳觀看位置之外觀看3d影像，影像亮度會明顯降低，而且串擾率很高，會有重影現象，從而引起視覺不適。
對於3d顯示設備，其串擾指的是在3d顯示系統發出的左右眼的信號(光線)時，本該進入左眼的信號(光線)進入右眼，反之亦然。串擾率的高低在畫面上的直觀反映就是播放兩幅圖像時，造成重影的深淺和影像的模糊。
液晶面板是由兩個偏光板中間夾著液晶層和彩色濾光片所構成，兩個偏光板的偏光角度成90°，通常，液晶面板光線出射面偏光板的表面是磨砂結構(散射層)，當光線通過時會產生一定的散射，以讓液晶面板播放2d影像時有更好的視角以及降低摩爾條紋強度，但是對於3d立體顯示系統來說，這樣的散射結構會讓原本右眼接收的光會散射到左眼，原本左眼接收的光散射到右眼，因此會造成一定的串擾，影響觀看效果。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種低串擾、視角可控的裸眼3d顯示系統和方法，旨在改善現有的裸眼3d顯示過程中的信號串擾以及視角問題。
為此，本發明提供了一種裸眼3d顯示系統，包括沿光傳播方向依次設置的背光源、菲涅爾透鏡陣列和液晶面板，所述背光源發出的光線依次經過菲涅爾透鏡陣列和液晶面板在可視區域形成觀看圖像，所述液晶面板的出光面還設有透明的填充層，所述填充層填充於所述液晶面板的出光面的磨砂結構，使得光線直射出所述液晶面板的出光面。
優選地，還包括具有亮面偏振片的液晶面板，所述填充層為膠黏劑，將所述亮面偏振片通過所述膠黏劑附著於所述液晶面板的出光面，並且，所述亮面偏振片的偏振方向與所述液晶面板的偏振方向相同。
優選地，還包括亮面保護膜，所述填充層為膠黏劑，利用所述亮面保護膜通過所述膠黏劑附著於所述液晶面板的出光面。
優選地，所述背光源為一塊弧形結構的交錯排布led發光單元陣列。
優選地，所述菲涅爾透鏡陣列包括若干相互拼接的菲涅爾透鏡單元，所述菲涅爾透鏡單元聚焦發光單元發出的光場，形成空間周期性分布的光場。
優選地，所述液晶面板包括若干子像素光柵，從所述菲涅爾透鏡陣列出射形成的空間周期性分布的光場傳播到液晶面板的子像素光柵上，形成彩色畫面，出射光場分布具有空間周期性。
優選地，還包括支撐導光層，所述支撐導光層包括一有機玻璃薄板，所述有機玻璃薄板附著於所述亮面偏振片的出光面，所述導光層用於調整該導光層所在的局域位置的光場分布，其中，所述具有空間周期性分布的光場經過所述導光層後，形成空間非周期性分布的光場。
優選地，還包括一防窺膜，所述防窺膜的一側面通過膠黏劑附著於所述支撐導光板的出光面，另外一側面為亮面，當空間非周期性分布的光線到所述防窺膜時，若所述空間非周期性光線的出射角大於所述防窺膜的可視角度，該光線無法通過；若所述空間非周期性光線的出射角小於防窺膜可視角度時，該光線通過所述光學膜層；所述防窺膜的可視角度可根據實際裸眼3d顯示系統最佳觀看視角來設計。
優選地，可以單獨或者同時使用亮面防窺膜和亮面偏振片。
此外，本發明還提供了一種裸眼3d顯示方法，包括以下步驟：
點亮背光源的至少一發光單元，所述發光單元向各個方向發射光線；
所述發光單元發出的光線經菲涅爾透鏡陣列折射後，在所述菲涅爾透鏡陣列的出射面形成具有空間周期性分布的光場；
所述具有空間周期性光場傳播到液晶面板的子像素光柵後，形成彩色畫面；
所述液晶面板出射的空間周期性光場通過一亮面偏振片或者亮面保護膜，從所述亮面偏振片或者亮面保護膜出射的光場具有空間周期性，其中，所述亮面偏振片的偏振方向與所述液晶面板偏振方向一致，所述亮面偏振片通過膠黏劑黏貼在所述液晶面板的出光面上，並且所述液晶面板的出光面的磨砂結構被所述黏貼膠填充覆蓋；
通過導光層調整該導光層所在的局域位置的光場分布，其中，所述具有空間周期性的光場經過所述導光層後，形成空間非周期性分布的光場；
從所述導光層射出的光線到達防窺膜時，若所述光線的出射角大於所述防窺膜的可視角度，該光線無法通過；若光線的出射角小於防窺膜可視角度時，該光線通過所述防窺膜；
從所述防窺膜射出的光線在可視區域形成3d圖像。
相較於現有技術，本發明提供的裸眼3d顯示系統和顯示方法通過保護膜的填充層填充液晶面板的表面的磨砂結構或者直接用亮面偏振片替代液晶面板的磨砂偏振片，使得從液晶面板射出的光場不會往各個方向散射，光場直接從液晶面板的射出，因此可以降低裸眼3d的顯示系統的信號串擾率，提高了觀看效果。
進一步，本發明提供的裸眼3d顯示系統和方法還設置有防窺膜，從所述導光層射出的光線到達防窺膜時，若所述光線的出射角大於所述防窺膜的可視角度，該光線無法通過；若光線的出射角小於防窺膜可視角度時，該光線通過所述防窺膜。所以觀看者只能在視區的範圍內觀看3d影像。另外所述防窺膜的可視角度可根據實際裸眼3d顯示系統最佳觀看視角來設計，從而達到視角可控的目的，淡化非可觀看區域的視覺暗紋現象，排除非甜點觀看區域觀眾的不良體驗，進一步提高了觀看體驗。而且，因為支撐導光層調整了光場分布的空間周期性，所以防窺膜表面不會產生明顯的摩爾條紋。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的結構示意圖；
圖2是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的弧形背光源led排列示意圖
圖3是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的防窺膜的結構示意圖；
圖4是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的防窺膜可視角度設計示意圖；
圖5是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的液晶面板的結構示意圖；
圖6時本發明實施例提供的裸眼3d顯示方法的流程圖。
圖中：
1：背光源；2：菲涅爾透鏡陣列；3：液晶面板；31：下偏振片；32：第一玻璃基板；33：液晶層；34：第二玻璃基板；35：彩色濾光片；36：上偏振片；4：亮面偏振片(或亮面保護膜)；5：支撐導光層；6：亮面防窺膜；61：鏡面防刮層；62：pc層；63：百葉窗膜層；64：膠粘層；65：pet層；a：可視角度；7,8：虛擬接收器；9：可視區域。
如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發明。
具體實施方式
了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細描述。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請的實施方式及實施方式中的特徵可以相互組合。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，所描述的實施方式僅僅是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基於本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護的範圍。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在於限制本發明。
在本發明的各實施例中，為了便於描述而非限制本發明，本發明專利申請說明書以及權利要求書中使用的術語"連接"並非限定於物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。"上"、"下"、"下"、"左"、"右"等僅用於表示相對位置關係，當被描述對象的絕對位置改變後，則該相對位置關係也相應地改變。
圖1是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的結構示意圖。如圖1所示，該裸眼3d顯示系統包括沿光傳播方向依次設置的背光源1、菲涅爾透鏡陣列2和液晶面板3，所述背光源1發出的光線依次經過菲涅爾透鏡陣列2和液晶面板3在可視區域形成觀看圖像。
所述液晶面板3的出光面還設有透明的填充層，所述填充層填充於所述液晶面板3的出光面的磨砂結構，使得光線直射出所述液晶面板3的出光面，光線不會往各個方向散射，從而射出的光線具有準確的方向，從而可以降低裸眼3d的顯示系統的信號串擾率，提高了觀看效果。
在圖1示出的實施方式中，該裸眼3d顯示系統還包括亮面偏振片4，本實施方式中，所述亮面偏振片4為24英寸表面亮面的亮面偏振片。所述填充層為膠黏劑，清理走液晶面板自帶的磨砂結構偏振片後，將所述亮面偏振片4通過所述膠黏劑附著於所述液晶面板的出光面，並且，所述亮面偏振片4的偏振方向與所述原磨砂偏振片的偏振方向相同光場方向不會因磨砂結構而發生不確定的改變，空間周期性分布的光場直接通過亮面偏振片4，從而使得光場具有確定的方向。
在另一實施方式中，圖1示出的實施方式中的結構4可以是亮面透明保護膜，此時該裸眼3d顯示系統還包括亮面保護膜，此實施方式無需清理液晶面板自帶的偏振片。所述填充層為膠黏劑，所述亮面保護膜通過所述膠黏劑附著於所述液晶面板3的出光面。由於亮面保護膜黏貼在液晶面板3出射面上，液晶面板3表面的磨砂結構(散射層)被黏貼膠填充覆蓋，場不會往各個方向散射，具有空間周期性的光場在保護膜表面不會發生散射。
所述背光源1設置在菲涅爾透鏡陣列2的入射面一側，背光源1為一塊弧形結構的交錯排布led發光單元陣列。如圖2所示，從縱向方面看，led燈每四行周期排列；一個周期中，每行依次錯開相同的長度，圖中led的數目不代表真實背光源中的數目。
所述菲涅爾透鏡陣列2包括若干相互拼接的菲涅爾透鏡單元，所述菲涅爾透鏡單元聚焦所述發光單元發射的光場，形成具有周期性分布的光場。
本實施方式中，該裸眼3d顯示系統還包括支撐導光層5，所述支撐導光層5包括一有機玻璃薄板，所述有機玻璃薄板附著於所述亮面偏振片4(或者亮面保護膜)的出光面。所述支撐導光層調整該導光層所在的局域位置的光場分布，其中，所述具有空間周期性的光場經過所述導光層後，形成空間非周期性分布的光場，並且不改變光場的方向；支撐導光層5的加入是為了破壞光場的空間周期性，大大減弱了光場在防窺膜6上形成的摩爾條紋。
圖3是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的防窺膜6的結構示意圖。如圖3所示，本實施方式中，該裸眼3d顯示系統還包括防窺膜6。防窺膜6的原理是基於超微細百葉窗光學技術，在可視區域之外只能看到漆黑畫面，可視區域大小取決於防窺膜6的材料。可視角度為距離屏幕最左側(右側)剛好不能看到屏幕內容的角度。通常防窺膜是一面亮面、一面磨砂散射結構(散射層)的，這樣的結構對於裸眼3d顯示系統來說也會產生一定的串擾，影響觀看效果。如果是兩面都為亮面的防窺膜，由於沒有散射結構，會在膜表面會產生摩爾條紋，可用有機玻璃薄板來打破入射到防窺膜的光場的空間周期性分布，以減弱摩爾條紋，所以觀看者只能在圖1上的可視區9範圍內觀看3d影像。因為大大地減弱了光的散射以及觀看者只能在可視區域內觀看，就達到了串擾率降低和視角可控的目的。據測試結果顯示，該方法可將串擾率降低1％。
如圖4所示，所述防窺膜的可視角度可根據實際裸眼3d顯示系統最佳觀看視角來設計，根據實際顯示系統的相關參數可知屏幕寬度的一半l，最佳觀看距離d，以及邊緣觀看位置對應的角度α。
由rtδdbc，可求得：
根據δedc,
ce＝cd2+l2+2·cd·lcos(90°+α)
＝cd2+l2-2·cd·lsinα
再由余弦定理：
從而防窺膜的可視角度：
接著，如圖3所示，可設計超細百葉窗的厚度n以及寬度m，使得；
便可設計出符合實際裸眼3d顯示系統最佳觀看視角的防窺膜。
防窺膜6可以是24英寸的一面覆膠一面光亮的防窺膜，所述防窺膜6的一側面通過膠黏劑附著於所述支撐導光板的出光面，另外一側面為亮面。如圖3所示，防窺膜6包括依次排布的鏡面防刮層61、pc層62、超細百葉窗膜層63、膠粘層64和pet層65，其中：鏡面防刮層61：表面為光亮平面，有防暈防眩結構；pc層62：主要用於對超細百葉窗結構的保護和固定；細百葉窗膜層63：運用百葉窗原理，出射角大於防窺膜6可視角度時，光線無法通過，小於防窺膜6可視角度時，光線直接通過；膠黏層64用於超細百葉窗結構的固定；pet層65起到防刮作用，避免外界因素破壞超細百葉窗結構。由於超細百葉窗結構的存在，出射角大於防窺膜6可視角度的光線無法通過防窺膜6，小於防窺膜可視角度的光線可以直接通過，所以液晶面板3內的影像只能在可視區域之內觀看，而在可視區域之外只能看到漆黑畫面。
從所述導光層射出的光線到達防窺膜6時，若所述光線的出射角大於所述防窺膜6的可視角度，該光線無法通過；若光線的出射角小於防窺膜6的可視角度時，該光線通過所述防窺膜；並且在防窺膜6表面不會發生散射也不會產生明顯的摩爾條紋。
圖5是本發明實施例提供的裸眼3d顯示系統的液晶面板3的結構示意圖。如圖5所示，所述液晶面板3包括若干子像素光柵，從所述菲涅爾透鏡陣列2出射的具有空間周期性的光場傳播到液晶面板3的子像素光柵上，被分成不同顏色，出射光場仍為具有空間周期性。
如圖5所示，一種液晶面板3的基本結構，包括依次排布的下偏振片31、第一玻璃基板32、液晶層33、第二玻璃基板34、彩色濾光片35和上偏振片36，其中：
下偏振片31用於使入射光變為線偏振光，起到起偏器的作用；
玻璃基板用於包括第一玻璃基板32和第二玻璃基板34，兩個玻璃基板之間充滿液晶，起到固定液晶的作用，線偏振光可直接通過玻璃基板；
液晶層33用於在利用電場控制液晶分支的旋轉，來改變光的偏振方向，不同的電場大小，光的偏振方向不同；
彩色濾光片35用於光打在彩色濾光片35的各個像素上顯示出不同的顏色；
上偏光片36用於不同偏振方向的光通過偏振片有不同的光強損耗，一般上偏光片有如圖5中的磨砂結構(散射層)，並且液晶面板3可以撕下這層上偏振片36。
液晶面板3的上偏振片36的磨砂結構(散射層)會對出射的光產生散射，從而對於3d顯示系統來說會產生一定的串擾率。
在本實施方式中，當串擾率降低1％時可認為串擾率降低了。另外，考慮到裝置結構體積等因素，支撐導光層5和亮面防窺膜6可以放在液晶面板3的左側或右側。考慮到裸眼3d顯示裝置本身視角的局限性，也可不放上防窺膜6。偏振片和防窺膜可以單獨在裝置上使用，也即是可貼上偏振片而不貼上防窺膜，也可貼上防窺膜而不貼上偏振片。
圖6時本發明實施例提供的裸眼3d顯示方法的流程圖。如圖4所示，該裸眼3d顯示方法包括步驟s401～s407。
步驟s401：點亮背光源1的至少一發光單元，所述發光單元向各個方向發射光線；
步驟s402：所述菲涅爾透鏡單元2聚焦所述發光單元發射的光場，形成具有周期性分布的光場；
步驟s403：所述具有空間周期性分布的光場經液晶面板3的子像素光柵後，形成彩色畫面；
步驟s404：液晶面板3出射的光場通過一亮面偏振片，從所述亮面偏振片射出的出射光場仍然是具有空間周期性，其中，所述亮面偏振片的偏振方向與所述液晶面板3被清理的磨砂偏振片偏振方向一致，所述偏振片通過膠黏劑黏貼在所述液晶面板3的出光面上；此外，亮面偏振片可以用亮面保護膜替代，此時無需清理液晶面板原有的磨砂偏振片，所述液晶面板3的磨砂偏振片的磨砂結構被所述黏貼膠填充覆蓋；兩種方案的目的都是防止光場被原液晶面板上的磨砂偏振片散射。
步驟s405：通過支撐導光層調整該導光層所在的局域位置的光場分布，其中，所述具有空間周期性的光場經過所述導光層後，形成空間非周期性分布的光場，並且不改變光場的方向；
步驟s406：從所述導光層射出的光線到達防窺膜時，若所述光線的出射角大於所述防窺膜的可視角度，該光線無法通過；若光線的出射角小於防窺膜可視角度時，該光線通過所述防窺膜。
步驟s407：從所述防窺膜6射出的光線在可視區域形成3d圖像。本實施方式中，可以虛擬接收器7和虛擬接收器8收集光線，此時降低了串擾率以及控制了視角。
本實施方式相較於現有技術，本發明提供的裸眼3d顯示系統和顯示方法通過保護膜的填充層填充液晶面板的表面的磨砂結構或者直接用亮面偏振片替代液晶面板的磨砂偏振片，使得從液晶面板射出的光場不會往各個方向散射，光場直接從液晶面板的射出，從而可以降低裸眼3d的顯示系統的信號串擾率，提高了觀看效果。
進一步，本發明提供的裸眼3d顯示系統和方法還設置有防窺膜，從所述導光層射出的光線到達防窺膜時，若所述光線的出射角大於所述防窺膜的可視角度，該光線無法通過；若光線的出射角小於防窺膜可視角度時，該光線通過所述防窺膜。所以觀看者只能在視區的範圍內觀看3d影像。另外所述防窺膜的可視角度可根據實際裸眼3d顯示系統最佳觀看視角來設計，從而達到視角可控的目的，淡化非可觀看區域的視覺暗紋現象，排除非甜點觀看區域觀眾的不良體驗，進一步提高了觀看體驗。而且，因為支撐導光層調整了光場分布的空間周期性，所以防窺膜表面不會產生明顯的摩爾條紋。在本發明所提供的幾個具體實施方式中，應該理解到，所揭露的連接方式和結構，可以通過其它的方式實現。對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然「包括」一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除複數。第一，第二等詞語用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。
以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換都不應脫離本發明技術方案的精神和範圍。