CN101017248A - 回收式背光照明自由立体成像装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回收式背光照明自由立体成像装置，包括一个半封闭的光回收机构和图像层，所述的半封闭的光回收机构包括狭缝反射膜、底层反射膜和侧面反射膜，狭缝反射膜、底层反射膜和侧面反射膜镀制在同一块基板上或分别镀制在各自不同的基板上形成中空结构。利用该装置形成高亮度平面立体兼容图像的方法：光束经来回反射后从狭缝射出后；从狭缝中射出的发光单元经立体显示器后在观看面形成没有串影的立体图像；当观看者的左眼置于左图像在成像空间、右眼置于右图像在成像空间时，将观看到立体图像。本发明从根本上解决了串影问题与显示亮度之间的矛盾，同时，本发明具有很好的平面显示兼容性和对观看者进行头部视点跟踪的能力。
Description
技术领域
本发明涉及自由立体图像成像装置及其图像显示方法，特别是涉及一种高亮度平板立体成像装置及其图像显示方法，属于信息显示技术领域。
背景技术
立体图像显示器将场景的三维信息完全地再现出来，显示的是具有纵深感的图像。犹如观看立体电影那样，观看者可以直接看出图像中景物的远近、纵深，犹如身临其境，获得强烈的视觉冲击。
有别于佩带立体眼镜观看的立体显示器，自由立体显示器无需借助任何辅助工具，肉眼可以在屏幕上直接观看到立体画面，即自由立体显示(Auto-stereoDisplay)或无眼镜立体显示(Stereo Display without Glasses)技术。目前，平板型自由立体液晶显示方式可以分为三大类：第一类基于狭缝背光照明，这种方式具有平面与立体显示兼容的优点，但在立体显示的情况下，显示亮度下降很大。第二类基于前置式狭缝光栅，这种方式具有平面与立体显示兼容的优点，但在立体显示的情况下，显示亮度下降也很大。第三类基于前置式柱面光栅，这种方式的立体显示亮度与同等的平面显示器显示亮度相同，但不兼容立体显示。
自由立体显示的主要技术指标包括：
1、有效观看区：即能够使观看者清晰观看到立体图像的空间区域。在此区域，观看者的每只眼睛只能单独观看到单视点画面，不会出现串影(Cross talk)现象。有效观看区的大小与串影区域有关，在串影区，观看者的眼睛不能单独观看到单视点画面，而是同时观看到左右画面，从而导致立体显示效果下降。串影现象严重的情况下，显示器的立体显示效果将完全散失，图像重影严重。在目前的三大类平板型自由立体液晶显示方式中，串影现象是无法避免的问题。
2、兼容性：是立体显示器的另一个主要技术指标，在目前平面显示器占据显示器几乎100％市场的情况下，立体显示器必须具有与平面显示器兼容的性能，也就是说立体显示器既能显示立体图像又可以显示平面图像。
3、立体显示亮度：理想的立体显示方式应当能够做到立体显示模式下的现实亮度与平面显示模式下的现实亮度没有明显的亮度变化。
美国专利6040807，该专利的照明光源需要平面发光体3或者可以形成均匀的平面光的部件(如散射面板+多管照明灯管阵列141)，如图1、图2所示，图1是美国专利6040807光源结构图，图2是美国专利6040807立体显示器结构图，光线由平面光源经过狭缝基板3a或16的下表面透射，从下方直接照射狭缝。其狭缝基板3a下表面的根本作用是让下方的平面光源的光线透过，是光线的透射界面而非反射界面。经狭缝反射的光线会被狭缝基板3a的下表面反射，不过，该表面对光线所起的反射作用，是未经任何特殊处理的玻璃界面的自然属性，任何透明材料的界面都存在折射和反射两种属性。另外，其狭缝基板下表面的主要作用是让光线尽可能低透射，所以不能做任何的提高反射率的处理。
在与本发明所涉及的背光照明立体显示方式中，目前采用的背光照明方式存在的最大问题是，立体显示模式下的显示亮度与同等参数的平面图像显示亮度下降很大。如图3所示，图3是狭缝背光照明的串影现象分析示意图，对于照明狭缝的发光单元a0，在设计的最佳观看平面的成像区域为A01A02，OA01、OA02段各形成左右两幅独立的图像。当光源扩展为a1a2时，观看平面的成像区域扩展为A21A12，中央O1O2存在左右图像交叉，在图像交叉区域出现串影现象。只有O1A21和O2A12分别是单纯的左、右图像成像区域，即有效的立体图像显示区域。
设狭缝宽为p，狭缝与图像平面距离为d，图像单元宽为t。则图像的重叠率为：R＝p/t。
设计的最佳图像观看平面的串影区与理想观看区之间的比值与图像的重叠率R相等，R越大，串影越严重。显然，当光源的狭缝宽度p等于零时，设计最佳观看平面的串影现象消失。
因此，为了得到理想的自由立体显示效果，必须在保证足够显示亮度的前提下，尽可能地减小狭缝光源的狭缝宽度。
实际上，背光照明立体显示方式下，有效观看区的扩大和显示亮度两者之间存在着相互的矛盾：
1、为了扩大有效观看区，必须缩小狭缝照明光源的狭缝宽度。
2、为了提高显示亮度，必须充分利用背光能量。因此，照明光源的狭缝宽度越大，显示亮度越亮。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的利用光回收技术，构成对背光回收利用，使得背光源的光强度得到充分利用，同时又能提供极其狭窄的阵列狭缝照明光源，从而根本上解决了串影问题与显示亮度之间的矛盾，同时具有很好的平面显示兼容性的回收式背光照明自由立体成像装置及其方法。
为达到上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：
一种回收式狭缝背光照明自由立体成像装置，它包括一个半封闭的光回收机构和图像层，所述的半封闭的光回收机构包括狭缝反射膜和底层反射膜，狭缝反射膜和底层反射膜镀制在同一块基板上或分别镀制在各自不同的基板上形成中空结构。光线在机构内往复反射后从狭缝射出，形成高亮度狭缝光源。图像层位于狭缝光源的狭缝反射膜层上方，显示内容是交替排列的立体图像对阵列。立体图像单元的宽度t与狭缝间隔(g)之间的关系是t＝g-Δg。其中，Δg是狭缝间隔g的微小变量值，与设计最佳观看距离有关。狭缝光源照射图像显示层，并将立体图像对阵列投射到成像装置的图像显示空间，形成立体图像。
前述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在狭缝反射膜的狭缝处印制折射率大于基板折射率的漫射体，所述的折射率至少在90％以上。以减小光回收机构内光的反射次数、增加狭缝光源的发散角，基板上下表面还增加漫射体，或者底层反射膜基板和狭缝反射膜基板的内侧增加漫射体。
前述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在狭缝反射膜的前面还添加一片柱面光栅或液晶柱面透镜。
前述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在柱面光栅或液晶柱面透镜的前面还有一片聚合物分散液晶板。
前述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在与灯管相对的基板侧面还镀制有一侧面反射膜，所述的侧面反射膜与狭缝反射膜和底层反射膜镀制在同一块基板上或分别镀制在各自不同的基板上形成中空结构，侧面反射膜置于在基板灯管的相对侧面，侧面反射膜、狭缝反射膜与底层反射膜之间构成四边形的三个边。为了提高对光线的捕获能力，可以将侧面反射膜与狭缝反射膜之间的平行关系加以改进，使其两者之间有所倾斜，形成一个夹角。这样侧面反射膜、狭缝反射膜与底层反射膜之间就构成一个三角形。为了提高狭缝光源亮度的均匀性，基板上下表面可增加有规律性分布的漫射体，或者底层反射膜基板和狭缝反射膜基板的内侧增加有规律性分布的漫射体；所谓规律性分布系指漫射体的分布密度不同，靠近灯管处的漫射体稀疏，距离灯管越远、漫射体的密度越密。
前述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在狭缝反射膜的前面还有一片聚合物分散液晶板。
利用回收式背光照明自由立体成像装置获得高亮度平面兼容立体图像的方法，其特征在于狭缝反射膜、底层反射膜具有至少大于90％的可见光反射率，导入基板的光束在狭缝反射膜与底层反射膜之间来回反射，包括：
(1)光束经机构中来回反射后从狭缝射出；
(2)从狭缝中射出的发光单元直线传播，经立体显示器的图像显示层后，将图像成像在显示器的显示空间，在观看面形成左右两幅单纯的图像，即形成图1所示的OA01、OA02、没有图像重叠的区域；
(3)当观看者的左眼置于左图像的成像空间、右眼置于右图像的成像空间时，将观看到立体图像。
前述的利用回收式背光照明自由立体成像装置获得高亮度平面兼容立体图像的方法，其特征在于所述的光束经来回反射后从狭缝中射出包括以下几种情况：
(1)光束投射到狭缝反射膜后被反射并经底层反射膜再次反射，这样经至少两次反射之后，最终从狭缝射出；
(2)或光束直接投射到狭缝处，因基板折射率大于狭缝处介质的折射率，光被全反射回基板，再经底层反射膜反射，经至少两次往复反射后从狭缝射出；
(3)或光束投射到狭缝处，并且入射角小于全反射临界角，从狭缝射出。
前述的利用回收式背光照明自由立体成像装置获得高亮度平面兼容立体图像的方法，其特征在于所述的显示器中所述的柱面光栅是可移动的。
本发明的有益效果是采用侧射式照明结构，光线往复反射的上下反射面反射膜的反射率90％以上，透射率为零，没有任何透射光线；不需要散射层构成均匀的平面光源，也不需要平面形状的发光体，自行形成平面光照明，具有回收率高，亮度高的特点，且能实现立体和平面显示的兼容，从根本上解决了串影问题与显示亮度之间的矛盾，具有很好的对观看者进行头部跟踪(视点跟踪)的能力。
附图说明
图1是美国专利6040807光源结构图；
图2是美国专利6040807立体显示器结构图；
图3是狭缝背光照明的串影现象分析示意图；
图4是高亮度狭缝背光的光回收原理图；
图5是高亮度狭缝背光照明方案示意图；
图6是高亮度调制狭缝背光照明方案示意图；
图7是高亮度狭缝照明式立体液晶显示器示意图；
图8是左右图像交替显示的一种方式的示意图；
图9是高亮度狭缝照明式立体液晶显示器原理分析示意图。
附图4-9中主要附图标记含义：
1、狭缝反射膜 2、基板
3、狭缝 4、底层反射膜
5、导光板 6、漫射体
7、柱面光栅 8、侧面反射膜
9、回收式狭缝光源 10、PDLC
11、可调制回收式狭缝光源 12、液晶显示屏
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步的分析：
基于上述方案，本发明提出利用“光回收”而非遮挡的办法，得到高亮度的狭缝光源，其原理性结构如图4所示。图4是高亮度狭缝背光的光回收原理图，设狭缝反射膜、底层反射膜具有足够高的可见光反射率(一般要求大于90％)，导入基板的光束在狭缝反射膜与底层反射膜之间来回反射，可归纳为三种情况。
第一种如图中的光束a，投射到狭缝反射膜后被反射并经底层反射膜再次反射，这样多次往复反射之后，最终从狭缝射出；第二种如图中的光束b，投射到狭缝处，如果基板折射率大于狭缝处介质的折射率，则被全反射回基板，经底层反射膜反射，多次往复反射后从狭缝射出；第三种如图中的光束c，投射到狭缝处，并且入射角小于全反射临界角，从狭缝射出。
图4中的基板也可以不采用导光板，而直接使用空气。这样，狭缝反射膜、底层反射膜分别镀制在不同的基板上，两者之间形成“中空”(Hollow structure)式的结构，而不是采用基板那样的实心结构。为了提高狭缝光源亮度的均匀性，基板上下表面可增加有规律性分布的漫射体，或者底层反射膜基板和狭缝反射膜基板的内侧增加有规律性分布的漫射体。
5是高亮度狭缝背光照明方案示意图。如图5所示，利用液晶显示器原有的导光板构成光回收式高亮度狭缝照明模块。在导光板的上端面镀制狭缝反射膜，在透光狭缝处印制高折射率漫射体。反射狭缝也可以不直接镀制在导光板上，而制作在独立的基体上再与导光板相连接。导光板的底部和没有灯管的侧面加镀反射膜。为了进一步减小狭缝光的宽度，同时也为了压缩狭缝光发散角，在导光板上部再增加柱面光栅板。通过机械的方式移动柱面光栅板，可以改变狭缝光源相对于图像层的空间位置，有限地跟踪观看者视点的变化，扩大立体视角。
图5所示的方案可以进一步加以改进，得到其它性能的照明光源。例如图6所示的结构，图6是高亮度调制狭缝背光照明方案示意图，将柱面光栅改成液晶柱面透镜，并添加聚合物分散液晶板(PDLC)。通过对液晶柱面透镜的调制，可以改变柱面透镜的分布状态，改变照明狭缝的空间位置，从而实现对视点的跟踪，扩大立体视角。聚合物分散液晶板的作用是实现平面与立体显示的兼容。因为PDLC可以在电压的控制下呈现透明和漫射这两种不同的状态，对于立体显示，需要形成狭缝照明光源，置PDLC处于透明状态；对于平面显示，需要形成均匀照明光源，置PDLC处于漫射状态，PDLC就相当于一个漫射体，使狭缝光转变成均匀的照明光源。
图7是高亮度狭缝照明式立体液晶显示器示意图。如图7，狭缝背光源作为液晶屏的照明光源，液晶屏按列交替显示左右图像，例如奇数行(图中黑色小块)显示左图像，偶数行显示右图像(图中白色小块)，如图8(a)。背光模块在液晶屏下方形成极细的照明狭缝阵列，每一个阵列对应显示屏的两列，即图中的黑、白一对小方块。
液晶屏的左右图像交替显示的方式也可以细分至RGB三原色，即按照图8(b)所示的方式。图中RGB三原色构成一个完整的像素，但每个像素中的RGB值分别来自左右两幅图像，例如：
左图像的显示颜色为：R1B1G2 R3B3G4 R4B4G5......Rm-1Bm-1Gm
右图像的显示颜色为：G1R2B2 G3R4B4 G4R5B5......Gm-1RmBm
狭缝光照射液晶显示屏，将在空间形成左右图像交错的成像分布状态，通过对显示器各光学参数的选择，可以在显示屏前方空间的特定位置形成如图9所示的图像分布：
左图像区域：A3A2、A1O、B3B2、......
右图像区域：A2A1、OB3、B2B1、......
左右图像互不重叠，显示自由立体图像。
Claims (10)
1、回收式背光照明自由立体成像装置，它包括一个半封闭的光回收机构和图像层，其特征在于所述的半封闭的光回收机构包括狭缝反射膜和底层反射膜，狭缝反射膜和底层反射膜镀制在同一块基板上或分别镀制在各自不同的基板上形成中空结构，图像层位于狭缝光源的狭缝反射膜层上方，显示内容是交替排列的立体图像对阵列，立体图像单元的宽度(t)比狭缝间隔(g)稍小，即t＝g-Δg。
2、根据权利要求1所述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在狭缝反射膜的狭缝处印制折射率大于基板折射率的漫射体，基板上下表面还增加漫射体，或者底层反射膜基板和狭缝反射膜基板的内侧增加漫射体。
3、根据权利要求1或2所述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在狭缝反射膜的前面还添加一片柱面光栅或液晶柱面透镜。
4、根据权利要求3所述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在柱面光栅或液晶柱面透镜的前面还有一片聚合物分散液晶板。
5、根据权利要求3所述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于与灯管相对的基板侧面还镀制有一侧面反射膜，所述的侧面反射膜与狭缝反射膜和底层反射膜镀制在同一块基板上或分别镀制在各自不同的基板上形成中空结构，侧面反射膜置于在基板灯管的相对侧面，侧面反射膜、狭缝反射膜与底层反射膜之间构成一个四边形的三个边。
6、根据权利要求4所述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在基板灯管的相对侧面还镀制有一侧面反射膜，所述的侧面反射膜与狭缝反射膜和底层反射膜镀制在同一块基板上或分别镀制在各自不同的基板上形成中空结构，侧面反射膜置于在基板灯管的相对侧面，侧面反射膜、狭缝反射膜与底层反射膜之间构成一个四边形的三个边。
7、根据权利要求5所述的回收式背光照明自由立体成像装置，其特征在于在狭缝反射膜的前面还有一片聚合物分散液晶板。
8、利用回收式背光照明自由立体成像装置获得高亮度平面兼容立体图像的方法，其特征在于狭缝反射膜、底层反射膜具有至少大于90％的可见光反射率，导入基板的光束在狭缝反射膜与底层反射膜之间来回反射，包括：
(1)光束经来回反射后从狭缝射出；
(2)从狭缝中射出的发光单元直线传播，经立体显示器的图像显示层后，将图像成像在显示器的显示空间。
(3)当观看者的左眼置于左图像的成像空间、右眼置于右图像的成像空间时，将观看到立体图像。
9、根据权利要求8所述的利用回收式背光照明自由立体成像装置获得高亮度平面兼容立体图像的方法，其特征在于所述的光束经来回反射后从狭缝中射出包括以下几种情况：
(1)光束投射到狭缝反射膜后被反射并经底层反射膜再次反射，这样经至少两次反射之后，最终从狭缝射出；
(2)或光束直接投射到狭缝处，因基板折射率大于狭缝处介质的折射率，光被全反射回基板，经底层反射膜反射，经至少两次往复反射后从狭缝射出；
(3)或光束投射到狭缝处，并且入射角小于全反射临界角，从狭缝射出。
10、根据权利要求8所述的利用回收式背光照明自由立体成像装置获得高亮度平面兼容立体图像的方法，其特征在于所述的显示器中所述的柱面光栅是可移动的。
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