一种裸眼三维显示装置及方法

本发明涉及自由立体显示领域，尤其涉及一种裸眼三维显示装置及方法。

背景技术：

1、三维显示系统是一种能够呈现立体影像的技术。它利用计算机生成的三维模型，将其转化为平面上的二维影像，并通过特定的方法再将其重构成立体影像。传统的三维显示技术需要配合使用特殊眼镜或头戴式显示器才能呈现出真正的三维显示效果。近年来，随着科技的发展，裸眼三维显示技术已经逐渐兴起，它使观看者无需佩戴特殊眼镜，就可以看到立体效果，进而可以提供更为真实、自然的视觉效果，使得用户可以更好地沉浸其中。

2、在裸眼三维显示系统中，背光源发出的光线进入液晶显示面板，然后通过一些光学系统去控制显示面板上不同位置处的像素发出的光线，从而使这些光线分别投射到不同的方向，这些携带不同信息的图像再被观看者捕捉到从而产生立体感。因此背光源和能够将光线投射到不同视点的光学系统是裸眼三维显示系统的重要组成部分。

3、裸眼三维显示系统要求背光源发出的光具有高准直性和高均匀性，否则不仅导致背光源的能量利用效率较低，还会降低图像分辨率，加大视点间的串扰，削弱观看者的使用体验。目前的背光源主要采用网点、微棱镜结构和衍射等结构。网点结构可以产生均匀的背光，但是准直度难以调控，发散角度较大；微棱镜结构可以实现高准直度，但对入射光有较高的角度选择性，对结构的角度也需要精密的调控，制作较为困难；衍射结构由于需要平衡衍射元件对波长和角度的选择性，加大了设计的困难，甚至有些设计中只能使用单色激光源。

4、在自由立体显示中，通常使用狭缝光栅、柱面透镜光栅等光学结构作为光场指向屏，来调控不同视图的光线，以汇聚到预定的视点。在实际的裸眼三维显示应用中，串扰、视场角等因素都会严重影响图像的显示效果，目前许多研究通过改进光场指向屏的设计来解决这些问题，如采用先进的体全息光栅、结合多个狭缝或柱面透镜光栅、设计更复杂的光学结构等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种裸眼三维显示装置及方法，该裸眼三维显示装置使用了一种准直背光源，其可以提供高准直度、高均匀度的白光照明，产生大面积、大角度的定向背光。同时本发明在准直背光源后面添加了一个逐像素背照明方向调控屏，可以分别将对应每个像素的光线偏转指定角度，为光场指向屏的设计降低了难度并提供了更高的自由度。

2、为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、本发明提供了一种裸眼三维显示装置，包括准直背光源、液晶显示模组、像素调控透镜阵列、光场指向屏；

4、所述准直背光源包括第一层菲涅尔透镜阵列和第二层菲涅尔透镜阵列，用于产生定向均匀白光；

5、所述逐像素背照明方向调控屏由若干微结构紧密排列组成用于将准直背光源产生的均匀光线偏折指定角度；

6、所述液晶显示模组用于对经逐像素背照明方向调控屏偏折后的光场进行调制，形成彩色图像，所述彩色图像包含多个视图的图像；液晶显示模组均匀分为多个区域，每个区域包含多个像素，一个区域的各个像素分别属于各视图；

7、所述逐像素背照明方向调控屏的每一个微结构对应一个像素，所述将准直背光源产生的均匀光线偏折指定角度具体为：准直背光源在同一视图的像素对应位置产生的光线也对应该视图，逐像素背照明方向调控屏将准直背光源产生的对应不同视图的光线偏折到指定的不同角度，而对应同一视图的光线沿相同角度出射；

8、所述光场指向屏用于将各视图图像的光线汇聚到相应各个空间预定视点位置，实现三维显示的视点重构。

9、作为本发明的优选方案，所述准直背光源还包括光源阵列、光阑阵列和光学平板，光源阵列发出的光束通过光阑阵列后进入第一层菲涅尔微透镜阵列，再经过光学平板偏折后进入第二层菲涅尔微透镜阵列。

10、作为本发明的优选方案，所述准直背光源中的光源阵列由若干个光源均匀分布在基板上组成，所述光源为miniled、led或microled。

11、作为本发明的优选方案，所述第一层菲涅尔透镜阵列和第二层菲涅尔透镜阵列均由多个菲涅尔微透镜紧密排列组成，第一层菲涅尔阵列的菲涅尔微透镜与第二层菲涅尔阵列的菲涅尔微透镜两两构成准直匀光单元；所述准直背光源中的光阑阵列由多个光阑单元构成，每个光阑单元与光源一一对应，光源发出的光束经过光阑后进入对应的准直匀光单元；所述光阑阵列用于限定进入准直匀光单元的光束角度，防止相邻光源之间发生串扰。

12、作为本发明的优选方案，所述准直背光源中，第一层菲涅尔透镜阵列和第二层菲涅尔透镜阵列的面型为非球面或自由曲面，材料均为光学塑料，其折射率为1.4～1.8。

13、作为本发明的优选方案，所述准直背光源中，所述第一层菲涅尔透镜阵列的菲涅尔微透镜齿型一侧对向光源阵列；所述第二层菲涅尔透镜阵列的菲涅尔微透镜齿型一侧背向光源阵列；光学平板的一面与第一层菲涅尔透镜阵列的光滑面胶合在一起，光学平板的另一面与第二层菲涅尔透镜阵列的光滑面胶合在一起。

14、作为本发明的优选方案，所述光学平板的折射率大于1，为玻璃或光学塑料。

15、作为本发明的优选方案，所述像素调控透镜阵列中微透镜的面型为非球面或自由曲面，材料为光学塑料，其折射率为1.4～1.8。

16、作为本发明的优选方案，所述光场指向屏为柱面透镜光栅、表面浮雕光栅或体全息光栅。

17、作为本发明的优选方案，所述准直背光源具有较高的定向性，根据不同的设计方案，所述光源发出的光束通过特殊设计好的其他组件后，可以沿背光板的法线方向出射，也可以成一定角度倾斜出射，可以更好地满足后续显示模块的使用需求。

18、作为本发明的优选方案，所述准直背光源发出的光束具有较高的准直度，通过对准直匀光单元的优化设计，其出射光束强度的半角全宽可以小于5°。

19、作为本发明的优选方案，所述逐像素背照明方向调控屏中的微结构是由两种光学材料上下紧密胶合而成的立方体微棱镜块，大小与液晶显示模组的一个像素等同；所有立方体微棱镜块的上表面在同一平面，所有下表面在同一平面，内部胶合面与所述上下表面形成夹角，若干所述立方体微棱镜块紧密排列在一起构成逐像素背照明方向调控屏；

20、所述准直背光源产生的光线接触对应的立方体微棱镜块下表面，经过第一次折射后进入第一光学材料传播，经过胶合面时产生第二次折射进入第二光学材料，再接触上表面产生第三次折射后从所述立方体微棱镜块出射。

21、作为本发明的优选方案，所述逐像素背照明方向调控屏的微结构按以下方法设计：

22、若两种光学材料的折射率满足n1＜n2，光线第二次折射时入射角将大于出射角，根据斯涅尔定律推导出关系式：

23、

24、其中n1为第一光学材料的折射率，n2为第二光学材料的折射率，为两种光学材料的胶合面与立方体微棱镜块的上下表面的角度；若两种光学材料的折射率满足n1＞n2，光线第二次折射时入射角将小于出射角，根据斯涅尔定律，可以推导出关系式，

25、

26、调整所述立方体微棱镜块中两种光学材料的折射率n1、n2和胶合面的角度控制从所述立方体微棱镜块出射的光线的出射角θ的大小，使光线往更靠近视点的方向偏折，并在穿过光场指向屏后将各视图图像的光线汇聚到相应各个空间预定视点位置。

27、本发明还提供了一种基于上述的裸眼三维显示装置的方法，所述方法包括：

28、准直背光源产生定向均匀白光，逐像素背照明方向调控屏的微结构将对应像素位置的各部分光线偏折指定角度；

29、液晶显示模组对偏折后的光线进行调制，形成彩色图像，所述彩色图像包含多个视图的图像；

30、所述光场指向屏将各视图图像的光线汇聚到相应的各个空间预定视点位置，实现三维显示的视点重构。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

32、本发明可以提供一种裸眼三维显示装置，基于一种由高准直性、高均匀性的准直背光源构成的逐像素指向背光系统。本发明采用两层菲涅尔透镜阵列对光源发出的光进行联合调控，达到背光均匀化的目的；基于自由曲面光束调控理论，对菲涅尔透镜进行结构参数设计，使背光具有高准直度，且能根据需要偏转不同的角度。本发明根据自由立体显示的基本原理，采用逐像素背照明方向调控屏对准直背光源发出的光线进行初步偏转，构成了逐像素指向背光系统，可以减小后续光场指向屏的设计难度并提供更高的自由度，有利于实现多视点三维成像，克服现有技术中的串扰和视场角限制的问题。