一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统的制作方法

本实用新型涉及光学器件和系统设计技术领域，尤其涉及一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统。

背景技术：

近年来，大尺寸LCD面板迅速发展，虽然大尺寸的LCD已经可以做到80寸甚至100寸，但在需要大屏幕显示的场合，仍然不能满足用户的需求。目前国内外大尺寸大屏幕拼接都是采用LCD，DLP等独立的显示单元进行简单的物理拼接而成，由于每个显示单元都是独立封装的，由于LCD 驱动电路和工艺的原因，会产生一定宽度的拼缝。所以在显示器播放画面时，就会导致显示画面被分割，破坏了显示图像的连续性和完整性，严重影响观看体验。

现在国内外对此种拼缝的处理一般有两种：第一种是在显示单元边框添加LED点阵，这种方法成本较高，且不易量产，显示效果也不是很理想；第二种是通过弯曲玻璃达到折射效果，这种方法可实现的观看到无缝内容的可视角度较小，甚至在较大观看视角时会观看到放大的拼缝。这种弯曲的玻璃容易受到环境光的影响，观察者会通过弯曲玻璃部分较易观看到较亮的环境光从而影响视觉效果。

专利文献1(中国专利公告号CN206271355U)提出了一种方法来消除拼接屏的拼缝。该方法采用一种两侧边缘呈弧形对称的光电玻璃覆盖在拼缝上，实际就是一种通过弯曲玻璃来达到折射效果进而消除拼缝的方法，该方法实现的可视角度较小，无法实现大视角下消除拼缝的效果，同时，弧形光电玻璃下覆盖的正常像素会被严重拉伸，形成严重的条纹感，很影响观看体验。

专利文献2(中国专利公开号CN103700323A)提出了一种方法来消除拼接屏的拼缝。该方法采用线性菲涅尔透镜覆盖在拼缝上面，利用对图像进行拉伸放大的方式覆盖掉拼缝，但是这种方法以较大视角观看时反而会看到被放大的黑缝，同时，由于拉伸放大作用会带来较为明显的条纹纹路和严重的图像变形从而极大地影响观看效果。另外，通过线性菲涅尔透镜观看到的拼缝处的图像亮度明显低于其他附近显示区域的亮度，对显示效果造成了极大的影响。同时，该方法实现的观看视角较小，因此还存在着较多的问题。

专利文献3(中国专利公开号CN108766255A)是实用新型人团队的一份在先专利申请，提供了一种多屏幕无缝拼接显示系统，包括至少两个显示单元和至少一个线性棱镜阵列，所述至少两个显示单元中每相邻的两个显示单元拼接形成拼缝，所述线性棱镜阵列设置在所述拼缝外侧，且所述线性棱镜阵列将所述拼缝完全覆盖。通过线性棱镜阵列对拼缝两侧显示单元的出射光线的折射，达到从视觉上消除拼缝的目的。但是，该方案还存在几个问题：1、观察者通过线性棱镜阵列将看到明显的条纹纹路2、观察者通过线性棱镜阵列看到的图像将存在一条暗带，这个现象随着观看视角的增大将变得更加明显。3、线性棱镜阵列的全反射作用会极大地减小观看视角。

技术实现要素：

为了优化解决现有消除显示器拼缝方案的不足，本实用新型利用自主设计的光学元件，提出一种消除多屏幕拼接后产生拼缝的光学系统，该方案旨在实现一种超大观看视角的无缝拼接显示效果，并且在拼缝处观看的图像过度平滑且没有明显的亮度差异。本实用新型具体通过如下技术方案实现：

一种实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统，包括透射式棱镜光学元件 105-A、光学平板104和扩散式光学元件103；其中，所述扩散式光学元件 103与光学平板104、透射式棱镜光学元件105-A紧密贴合，所示扩散式光学元件103位于所述多屏幕拼接形成的显示屏上；所述光学平板104位于所述扩散式光学元件103上，用于连接透射式棱镜光学元件105-A和扩散式光学元件103；所述透射式棱镜光学元件105-A位于光学平板104的上表面正对多屏幕拼接形成的拼缝的位置，用于对光线进行折射调制，使观察者在观看显示系统时看到的是拼缝左右两边的图像而不是拼缝，实现无缝拼接的效果，同时使拼缝处图像更加平滑。

作为本实用新型的进一步改进，所述系统还包括光学膜材105-B，所述光学膜材105-B与所述透射式棱镜光学元件105-A构成整体覆盖于所述光学平板104上。

作为本实用新型的进一步改进，所述透射式棱镜光学元件105-A的口径L2>10mm。

作为本实用新型的进一步改进，所述透射式棱镜光学元件105-A的每个小棱镜的深度为C1，宽度为C2，深度C1的取值范围为0mm<C1<2mm；宽度C2的取值范围为0mm<C2<2mm；θ1，θ2，θ3分别为棱镜的三个角度，其中，θ1的取值范围为0°<θ1<70°，

作为本实用新型的进一步改进，θ1的取值范围为0°<θ1<arcsin(1/n)， n为材料的折射率。

作为本实用新型的进一步改进，所述透射式棱镜光学元件105-A通过 UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶；或者所述透射式棱镜光学元件105-A用热压成型的工艺制作，其材料是塑料树脂材料；或者所述透射式棱镜光学元件105-A用玻璃材料制作，所述玻璃材料包括冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃；在所述透射式棱镜光学元件105-A的表面镀光学膜来改元件的光学性能，所述光学膜包括增透减反膜。

作为本实用新型的进一步改进，光学平板104将扩散式光学元件103 及透射式棱镜光学元件105-A连接在一起使三者融为一体式结构，该结构的厚度为d1，其范围是1mm<d1<50mm，该结构与显示面板的距离为d2，其范围是0mm≤d2<20mm。

作为本实用新型的进一步改进，所述光学平板104通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶；或者所述光学平板104用热压成型的工艺制作，其材料是塑料树脂材料；或者所述光学平板104用玻璃材料制作，所述玻璃材料包括冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA 系玻璃；在所述光学平板104的表面镀光学膜来改元件的光学性能，所述光学膜包括增透减反膜。

附图说明

图1是四块带有边框的显示器拼接而成的显示屏幕示意图；

图2是本实用新型的实现多屏幕无缝拼接显示的光学系统的结构示意图；

图3是本实用新型的光学系统的光路分布图；

图4是透射式棱镜光学元件105-A的结构图；

图5是透射式棱镜光学元件105-A的几种优选结构示意图；

图6是光学平板104的第一实施例结构示意图；

图7是光学平板104的第二实施例结构示意图；

图8是光学平板104的第三实施例结构示意图；

图9是像素发光亮度曲线图；

图10是表明出现图像亮度不一致或暗带的光路示意图；

图11是优化后的显示器亮度随光线发散角度变化的示意图；

图12是105-A不与104全贴合时的光路示意图一；

图13是105-A不与104全贴合时的光路示意图二；

图14是105-A与104全贴合、104不与103全贴合时的光路示意图一；

图15是105-A与104全贴合、104不与103全贴合时的光路示意图二；

图16是105-A与104全贴合、104与103全贴合时的光路示意图一；

图17是105-A与104全贴合、104与103全贴合时的光路示意图二；

图18是扩散式光学元件103对光线的扩散形式示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1所示，四块带有边框的显示器拼接而成的显示屏幕，其中101 代表显示器的显示区域，102阴影部分表示显示器不可显示内容的边框，中间虚线方框中的区域A为两块显示器左右边框相连接的部分，即为拼缝，宽度为L1。当显示器做拼接后，播放显示内容时，显示器拼接区域A的存在导致画面分割，非常影响观看体验。

本实用新型提出的方案就是在显示器拼接处的前方覆盖设计的光学结构，使人眼在观看多显示器拼接而成的显示屏幕时，在视觉感官上将显示器拼接区域A形成的拼缝消除掉。其中，用于拼接的显示器可以是液晶显示器(LCD显示器)，也可以是等离子显示器(PDP显示器)，也可以是 OLED显示器，也可以是背投显示器(DLP背投显示，LED背投显示等)，也可以是阴极射线管显示器等。

图2中，101为显示器的显示区域，102为显示器拼接时的拼缝，103 是扩散式光学元件，104是透射式光学平板。105-A是由多个棱镜组成的透射式棱镜光学元件，105-B是光学膜材或者板材。其中，104可由PET、 PMMA，光学玻璃或其他透明材料制作而成，105可由PET、PMMA或其他透明材料制作而成。

如图3所示的是整体结构的光路示意图，其中，101为显示器的显示区域，中间阴影部分为显示器左右边框相连接部分，即拼缝102。假设拼缝102上任意一点Y发出的光线经过扩散式光学元件103、光学平板104 和透射式棱镜光学元件105-A的共同调制后以大角度折射到边缘区域。而拼缝旁边的像素X发出的光线经过扩散式光学元件103、光学平板104和透射式棱镜光学元件105-A的共同调制后折射到观察者位置，此时观察者在观看到的是拼缝周围的显示画面而非拼缝，这就实现了大视角下的无缝拼接显示。

需要强调的是，由于透射式棱镜光学元件105-A的作用，人眼通过它观察到的图像会出现条纹纹路且图像的亮度明显低于附近其他显示区域的图像亮度，因此本实用新型引入扩散式光学元件103，该元件能够消除上述图像的条纹纹路并且改善拼接处图像的亮度，使拼缝处图像的亮度与其附近显示区域的图像亮度没有明显的差异，解决了暗带问题。另外，扩散式光学元件103与光学平板104、透射式棱镜光学元件105-A紧密贴合后能够解决光学系统表面的全反射问题，从而增大观看视角。本实用新型还可以加入图像处理技术，对拼接处图像进行拉伸或压缩处理来进行补偿，使得图像过渡自然、无变形，或者对拼接处的图像进行亮度补偿来进一步改善亮度均匀性和暗带。下面将详细说明各元件的作用。

透射式棱镜光学元件105-A的由多个棱镜单元组成，其主要作用有两个，一是对拼缝处光线进行大角度的折射调制，使观察者在观看拼接后的显示系统时看不到拼缝；二是对拼缝周围的图像进行折射调制，使观察者看到的内容是拼缝周围正常显示的内容，使拼接后显示系统显示的图像更加平滑。

如图4所示为透射式棱镜光学元件105-A的结构图，L2为透射式棱镜光学元件的口径，限定其取值范围为L2>10mm。透射式棱镜光学元件为中心对称结构，其每个小棱镜的深度为C1，宽度为C2，深度C1的取值范围是0mm<C1<2mm；宽度C2的取值范围是0mm<C2<2mm。θ1，θ2，θ3 分别为棱镜的三个角度，其中限定θ1的取值范围是0°<θ1<70°,更加优选的范围是：0°<θ1<arcsin(1/n)，n为材料的折射率。

在加工中，透射式棱镜光学元件可以通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶，所使用UV胶的折射率没有限定。此外，还可以用热压成型的工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC，COC， POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)；也可以采用传统的冷加工工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC，COC，POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)；可以在表面镀各种光学膜(例如增透减反膜)来改元件的光学性能。

需要说明的是，上面描述的透射式棱镜光学结构只是其中一个实施例，只要可以实现对拼缝处光线进行大角度偏折，使人眼在观看拼接系统时看不到拼缝的透射式棱镜结构都在本专利的保护范围之内，图5中列举几种其他的透射式棱镜光学结构的形式。同样的，对图5列举的几种结构，L2 为其口径，其范围是L2>10mm。

需要说明的是，元件105-B是一种由透明材料制作的光学板材或者膜材，与透射式棱镜光学元件构成一体覆盖在显示设备前方，目的是使整体系统结构更加美观，其制作材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC， COC，POLYCARB等)；也可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)，或是其他透明的复合材料。

光学平板104的作用主要将透射式棱镜光学元件105-A和扩散式光学元件103连接在一起，使这三者融合为一体，保证三者之间不留有空气层。在连接的过程中，可以采用胶合、全贴合等工艺来实现。

光学平板104的材料可以是塑料树脂材料(如PMMA，PC，COC， POLYCARB等)；可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等)；也可以通过UV固化成型工艺制作，所用材料为UV胶，所使用UV胶的折射率没有限定。另外，可以在表面镀各种光学膜(例如增透减反膜)来改元件的光学性能。

光学平板104可以是如图6所示的为一整块，也可以由两块或者多块拼接而成，图7以两块拼接为例。对于如图7所示的拼接情况可以对拼接处进行打磨并填充材料来弥补缝隙，例如可以填入UV胶水后固化成形。这里只是以填入UV胶水为例来进行说明，并不是对保护范围进行限制。

如图8所示，拼接的两块透射式光学平板的连接处也可以做成其他形状，然后使用材料来进行填充，例如可以填入UV胶水后固化成形。这里只是以填入UV胶水为例来进行说明，并不是对保护范围进行限制。

扩散式光学元件103是一种可以对入射光线进行一定角度扩散的光学元件，其主要作用有三个，一是消除由于透射式棱镜光学元件105-A的放大作用带来的条纹纹路；二是改善拼接处图像的亮度，使拼缝处图像的亮度与其附近显示区域的图像亮度没有明显的差异，解决了拼接处图像存在暗带的问题，同时使显示面板亮度更加均匀，提升观看体验；三是该元件与光学平板104、透射式棱镜光学元件105-A紧密贴合后能解决该光学系统表面的全反射问题，从而增大观看视角。扩散式光学元件103可以是表面分布有微结构的光学元件，例如微透镜阵列、垂直交错的两层柱面透镜阵列、垂直交错的两层线性三角棱镜阵列、圆锥阵列、不规则几何表面等。扩散式光学元件103也可以是通过将光扩散剂添加到PC、PVC、PS、PMMA、 PET、环氧树脂等透明材料中形成的元件，光扩散剂可以是有机微粒，也可以是无机微粒，例如亚克力微粒、苯乙烯微粒、丙烯酸脂微粒、二氧化硅微粒等。扩散式光学元件103还可以是在表面分布有微结构的光学元件内部同时添加光扩散剂而形成的元件。以上只是例举了几种可能的扩散式光学元件，并不是对本专利的保护范围进行限制。实际上，只要是能对入射光进行一定角度的扩散并起到上述三个作用的扩散元件都是本专利所保护的范围。在本实用新型中扩散角的定义为：一束平行光线入射该扩散式光学元件后光线发散的角度，如图18中的γ、λ1、λ2。

(1)消除条纹纹路

在前面说明透射式棱镜光学元件消除拼缝的原理提到过，观察者在观察无缝拼接显示系统时，透射式棱镜光学元件会把拼缝周围的显示内容发出的光线调制进入观察者的人眼，因此在原有应该看到拼缝的地方观察者看到的是正常图像，如果不加扩散式光学元件103，观察者直接观看经过透射式棱镜光学元件调制后的图像会有明显的像素拉伸放大感，能够感受到明显的条纹纹路，严重影响观看体验。在加入扩散式光学元件103后，显示器发出的光线会先经过扩散式光学元件103的扩散调制后，再通过光学平板和透射式棱镜光学元件的调制进入人眼，从而消除透射式棱镜光学元件调制后带来的条纹纹路，进一步优化观看体验。需要说明的是，对于这个问题，扩散角越大，改善效果越明显，当扩散角大于3°时，条纹纹路现象就开始有所改善，当扩散角大于10°时，条纹纹路问题基本被解决了。因此，扩散角的取值范围应当是3°～180°，只是当扩散角度越大，整个光学系统的透光率就越低，在相同功率的显示器背光条件下，显示器的亮度就越低，因此更加优选的范围是：3°～130°。

(2)改善拼接处图像的亮度，解决暗带问题

另一方面，普通显示器因为其本身的发光特性，其亮度会随着光线角度的增大而减小，图9给出了一个像素的发光相对亮度曲线图，由于显示区域上的每一个像素都以不同的角度发射光线，因此出射角度越小的光线其发光亮度越强，出射角度越大的光线其发光亮度越弱，这是造成拼接处图像亮度与其附近显示区域图像亮度存在差异及暗带问题的根本原因。例如，当人眼正对拼缝时，通过透射式棱镜光学元件105-A看到的图像是由相应图像区域像素的大角度光线提供，例如图10区域Y中的像素M。而不通过105-A看到的拼接处附近的图像是由相应图像区域像素的小角度光线提供，例如图10区域Z中的像素N，这样就可能带来图像亮度的差异。此时，人眼通过透射式棱镜光学元件105-A看到的显示区域Y的图像亮度会低于不通过该光学元件看到的区域Z的图像亮度，从而在拼接处的图像上出现暗带，严重影响最终的显示效果。

本实用新型的扩散式光学元件可以很好地解决这个问题，显示器发出的光线经过扩散式光学元件的扩散调制后，会优化显示器的发光亮度分布，使显示器亮度分布更加均匀，观察者在观看显示系统时，将不会看到拼接处图像与其附近显示区域图像存在明显的亮度差异，从而进一步优化观看体验，如图11所示为优化后的显示器亮度随光线发散角度变化的趋势示意图，显示器面板像素的发光亮度随着发散角度的增大并没有显著下降，像素发光亮度变得更加均匀。此时，人眼看到的图10中所示显示区域Z的图像亮度与区域Y的图像亮度几乎没有差异，保证了舒适的观看体验。对于这个问题，扩散角越大，改善效果越明显，当扩散角大于10°时，暗带现象就开始有所改善；当扩散角大于100°时，暗带现象已经有了明显的改善；当扩散角大于140°时，暗带已经基本被消除了。只是当扩散角度越大，整个光学系统的透光率就越低，在相同功率的显示器背光条件下，显示器的亮度就越低，因此更加优选的范围是：10°～130°。这里需要说明的是：图11只是为了说明经过调制后的像素发光亮度的分布趋势示意图，并不是限制其分布的其他情况，实际上，只要通过扩散式光学元件的调制后，发光亮度在各个角度分布均匀(近似朗伯体的分布)都是本专利的保护范围。

(3)解决全反射问题，增大观看视角

由于光路的可逆性，为了方便，下面以人眼为出发点进行光路分析。如图12、13所示，当光学平板104与透射式棱镜光学元件105-A没有紧密贴合留有空气时，人眼以大角度通过105-A观察时，发出的光线通过 105-A的折射后入射在该元件与空气的交界面上，如果该光线的入射角大于等于全反射的临界角，则会发生全反射的现象，这样人眼就无法通过 105-A看到显示器上的内容，从而减小了观看视角。

同理，如图14、15所示，当元件105-A与元件104全贴合但是与元件103之间没有全贴合留有空气时，则同样会发生全发射现象，减小观看视角。

如图16、17所示，只有扩散元件103、光学平板104和透射式棱镜光学元件105-A全贴合成为一体式结构后才能够解决全反射问题，从而增大系统的观看视角。此时，由于元件103的扩散作用打破了全反射条件，因此人眼能够透过该一体式结构看到显示器上的内容，实现了大视角无缝拼接的效果。

这里需要强调的是，由扩散元件103、光学平板104和透射式棱镜光学元件105-A组成的一体式光学结构与显示面板之间距离的取值范围是： 0mm≤d2<20mm，当d2＝0mm时表示提出的一体式光学结构与显示器之间紧密贴合在一起，不留有空气。

以上阐述发生全反射的光路图只是举例说明，并不是限制该专利的保护范围，实际上只要是通过将扩散元件103、光学平板104和透射式棱镜光学元件105-A全贴合为一体能够解决全反射问题来增大观看视角的情况都属于本专利的保护范围。需要说明的是，对于这个问题，扩散角越大，改善效果越明显，当扩散角大于3°时，全反射问题已经有所改善，当扩散角大于10°时，全反射问题基本不会影响观看视角了。因此，扩散角的取值范围应当是3°～180°，只是当扩散角度越大，整个光学系统的透光率就越低，在相同功率的显示器背光条件下，显示器的亮度就越低，因此更加优选的范围是：3°～130°。

如图18所示，扩散式光学元件103对光线的扩散形式有三种，分别为点扩散形式，水平或竖直单一方向的扩散形式和水平竖直两方向同时扩散的形式。其中，在水平竖直扩散的示意中λ1为光线水平扩散角，λ2为光线竖直扩散角，当λ1＝0°且λ2≠0°时为竖直扩散，当λ1≠0°且λ2＝0°时为水平扩散，当λ1≠0°且λ2≠0°时为水平竖直均扩散。这里需要说明的是，对于扩散式光学元件103，其扩散角度越大，对于改善图像条纹纹路解决全反射等问题越有利，只是为了保证图像的清晰度，扩散角度越大就要求本实用新型提出的一体式光学结构与显示面板的距离越近或者与显示面板贴合在一起。需要说明的是，本实用新型中无论哪一种类型的扩散式光学元件都能起到前文所描述的作用，故只要能对光线起到一定扩散作用的元件，或者在透射式光学平板面上制作能起到扩散作用的结构，均在本专利的保护范围之内。

由于透射式光学元件105-A的作用会使得拼接处的图像拉伸从而造成严重的图像变形，因此本方案对拼接处附近的图像进行拉伸或压缩处理从而起到补偿的作用，使得拼接处的图像过渡自然、无变形。另外，通过对拼接处图像及其附近图像亮度的调节可以进一步改善整体画面亮度的均匀性，提高显示效果。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。