一种裸眼3D指向性背光系统中减弱摩尔条纹的方法与流程

本发明涉及裸眼3D显示系统领域，更具体地，涉及一种裸眼3D指向性背光系统中减弱摩尔条纹的方法。

背景技术：

摩尔条纹通常在两个或多个周期性结构叠加时会产生，这是周期性结构的光学几何效应。莫尔效应会使得原本的图像上出现干扰性的条纹，干扰图像的显示，使图像在图形以及色彩上产生失真。

裸眼3D系统中，模型的主要组成部分包括背光源，菲涅尔透镜组，LCD液晶屏，视点，由不同背光组合投影出的不同画面分别到达视区的不同位置达到裸眼3D的效果。其中，近似周期性排布的菲涅尔透镜组与拥有周期性排布的像素点的LCD屏幕的叠加，会造成在LCD屏幕的某些区域出现较为明显的摩尔条纹，影响图像质量，降低观看体验。这个问题在很多显示领域上都会出现，在数码相机拍摄时，若图像传感器的色彩滤镜上有分辨率较为相近的周期结构，摩尔条纹就会出现明显摩尔条纹。而在3D裸眼系统中摩尔条纹更为明显。在基于等高菲涅尔透镜的裸眼3D系统中，菲涅尔透镜组的中部会出现明显的摩尔条纹，严重地影响了视觉的感观。因此，减弱浮现在LCD屏幕上的摩尔条纹效应，成为裸眼3D显示系统中的一项重要工作。

目前，减弱摩尔条纹效应的主要手段是破坏系统的周期性结构，这一手段可较为明显地减弱周期结构叠加引起的莫尔效应。但是在部分裸眼3D显示系统中，菲涅尔透镜组的结构是实现裸眼3D的一个重要因素，不能改变它的周期性结构，而使用市场上少有的非周期排布的LCD屏幕，不利于裸眼3D的商业应用。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种裸眼3D指向性背光系统中减弱摩尔条纹的方法，在不影响3D指向性背光系统的视觉享受的同时，摩尔条纹得到较大的减弱，可以大幅度提高视觉感官视图的质量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种裸眼3D指向性背光系统中减弱摩尔条纹的方法，所述裸眼3D指向性背光系统包括依次排布的背光光源、菲涅尔透镜组、LCD液晶屏幕和虚拟接收器，包括以下步骤：

S1：点亮背光光源，背光光源以光子为单位向各个方向发射，光子经过菲涅尔透镜组打在LCD液晶屏幕的子像素光栅上，被分成不同颜色，进而被位于视区的虚拟接收器接收；菲涅尔透镜可看做一种准周期性节构的光栅，LCD液晶屏幕中每个单元均可看作一系列的不同颜色透过的周期性子光栅的叠加。

S2：去掉视区中虚拟接收器，直接分析打在LCD屏幕上的光子的分布情况，调整LCD液晶屏幕与透镜的距离范围以及角度范围，模拟光子打在LCD液晶屏幕上三原色子像素光栅的一维亮度分布；

S3：计算出菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕在不同角度和周期比之下在LCD液晶屏幕产生的摩尔条纹并作图；

S4：在裸眼3D指向性背光系统中菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕的周期性信息所产生摩尔条纹视觉对比度分布图中，找出菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕距离以及角度的最优值；

S5：根据所找出的菲涅尔透镜组与LCD屏幕的距离以及角度的最优值来构建3D指向性背光系统。从而确定背光光源，菲涅尔透镜组以及LCD屏幕的相对位置，从而设计出一款可有效消除摩尔条纹效应的裸眼3D指向性背光显示系统。

在一种优选的方案中，所述LCD液晶屏幕的显示层分为若干个单元，每个单元均能够用红绿蓝三原色进行亮度调配，从而显示出任何颜色。不同颜色分布互不串扰，每个单元可看作一种单色的准周期子光栅结构。

在一种优选的方案中，所述菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕无需严格匹配，的其间隔距离的最优值为可消除摩尔条纹的最小间隔距离，对于所述等高菲涅尔透镜系统，最优值为40mm。随着距离的增大，摩尔条纹会产生减弱的趋势，但因裸眼3D指向性背光系统的菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕的距离限制太远会导致显示系统视角受限，系统厚度增加及串扰率上升，所以在摩尔条纹不可见的前提下，间隔距离应尽可能控制。

在一种优选的方案中，所述背光光源设置在菲涅尔透镜阵列的入射面一侧，背光源由若干独立的线型发光单元拼接组成，线型发光单元组合形成为第一发光单元和第二发光单元，每一个发光单元在整个装置的最前端对应一个视区，第一发光单元对应第一视区，第二发光单元对第二视区。

在一种优选的方案中，所述菲涅尔透镜组由若干个菲涅尔透镜单元拼接而成，每一个菲涅尔透镜单元对应一个线型发光单元，菲涅尔透镜单元能够聚焦所对应的线型发光单元所发出的光线，形成带有准周期性的聚焦光线。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种裸眼3D指向性背光系统中减弱摩尔条纹的方法，计算出菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕在不同角度和周期比之下在LCD液晶屏幕产生的摩尔条纹并作图；在裸眼3D指向性背光系统中菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕的周期性信息所产生摩尔条纹视觉对比度分布图中，找出菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕距离以及角度的最优值；根据所找出的菲涅尔透镜组与LCD屏幕的距离以及角度的最优值来构建3D指向性背光系统。由于所述LCD液晶屏幕为散射率较低的高通透结构，因此对于菲涅尔透镜组的角度和距离并不需要严格对准亦可有3D显示效果，因此可以通过调整一定角度与距离来减弱摩尔条纹的产生而不降低3D显示系统的效果。本发明在不影响裸眼3D系统的视觉享受的同时，减弱摩尔条纹，可以大幅度提高视觉感官视图的质量。

附图说明

图1为为实施例1中裸眼3D指向性背光系统示意图。

图2为本发明中菲涅尔透镜组看做周期性光栅的依据图。

图3为本发明中LCD液晶屏幕三原色任一种颜色被看作子像素光栅图。

图4为实施例2中裸眼3D指向性背光系统光学程序模拟结构图。

图5为实施例3中裸眼3D指向性背光系统摩尔条纹实验产生的模型图。

图6为裸眼3D系统中光学膜层与LCD液晶屏幕不同距离下摩尔条纹一维光强度振幅位置分布图。

图7为裸眼3D系统中敏感对比度随距离增大而变化的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

图1为裸眼3D指向性背光系统示意图，包括背光光源10、菲涅尔透镜组11、LCD液晶屏幕12(周期性遮挡光栅)、虚拟接收器13(模拟人的眼睛视区)，需要运用菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕的组合来实现3D显示效果。而指向性背光，则是选择背光的打开与关闭的排布来转换裸眼3D显示视区。为模拟简单起见，选择正对菲涅尔透镜组中间的两盏背光打开。

一种由图2-3给出的裸眼3D指向性背光系统中摩尔条纹产生的分析实例，主要包括以下原理方法：

1、光栅具有典型的周期性结构，两个交叠的周期性光栅可以呈现出典型的摩尔条纹，这一现象可用遮光阴影原理——即几何光学的角度解释。

2、由于菲涅尔透镜的结构，背光可通过单元化化为一份一份光子数来通过菲涅尔透镜进行几何光学出入射模拟，模拟光子数打在LCD液晶屏幕上时可以进行一维统计光子数结果。

由一维光子数统计结果中显示可知，经过菲涅尔透镜组后的光强呈亮暗交替的准周期性分布。因此，可将菲涅尔透镜简化为光栅结构，如图2所示。

图2图像说明：

(1)光子数一维统计数据进行最大值的归一化，形成准周期性起伏分布的结构；

(2)将光子数统计转化为伪二维光强度渐变统计图像；

(3)根据以低于光强最大值20％为界限进行边界化，可得光强呈亮暗交替的准周期性分布，可看作准周期性光栅结构。

3、而对于裸眼3D系统中LCD液晶屏幕具备选取散射率低而通透率高的性质结果。其三原色子像素微结构如图3所示。

图3图像说明：

(1)红绿蓝三原色微结构条纹互不相交，呈周期性变化；

(2)一种原色对另外两种原色的周期性影响微弱可近似忽略；

(3)单原色进行灰度化可看成同一种颜色的子像素周期性排列成子光栅；

(4)LCD像素看作三个互不重叠且周期相等的子光栅重叠而成；

根据发明内容(1)当中分析偏光装置中的线性菲涅尔透镜膜层的一维光子分布，它具有渐变的周期性结构。因此可将其简化为一个准周期结构，称为菲涅尔透镜简化光栅。

LCD液晶屏幕为普通的具有周期性像素阵列的显示屏，同一种颜色的子像素组成一个光栅，称为子像素光栅，准周期分布的光场经过该子像素光栅在某些具有特定周期比的区域可视为两个周期性光栅叠合从而形成明显的摩尔条纹。

实施例2：

如图4所示，本实施例提供一种裸眼3D指向性背光系统中减弱摩尔条纹的方法：

1、根据图4图像进行模拟模型，图像说明：

(1)编号20为可控开关背光光源，为拟合方便所采取背光为笔直的平面；

(2)编号21为简单模拟3D显示系统中菲涅尔等高透镜组，偏光装置菲涅尔透镜组为等高的锯齿形结构。其薄膜厚度仅为0.15mm，因此透镜造成的吸收损失可忽略不计。其焦距为123.4cm，衬底层折射率为1.5，透镜层折射率为1.561；

(3)编号22为LCD液晶屏幕三原色中三原色互不重叠的子光栅，统计光打在该平面上的摩尔条纹分布情况；

(4)编号23为虚拟光源接收器，视区4×4mm，中心距离Z轴为P，因转化为实验阶段时可近似用高清摄像头代替，因此可直接考虑在LCD液晶屏幕上与中心距离Z轴为P处的光子分布的情况统计；

2、模拟菲涅尔透镜的过程中，只考虑一组背光灯光源射入虚拟光源接收器时经过LCD液晶屏幕时的光子排布特性，在LCD液晶屏幕上的视区大小也约为4×4mm，中心距离Z轴距离P为25mm。设置程序计算光子出入射情况，模拟光子在位置与速度方向限制在一定范围内，经过透镜和LCD液晶屏幕三原色子光栅后的视区的光子一维分布。

3、在LCD液晶屏幕上三原色分开，矩阵点乘一维归一化光子分布从而形成亮暗分明的摩尔条纹产生的模拟图。

4、调整模拟程序参数，控制偏光装置与LCD液晶屏幕的夹角变化范围为0度至8度，并且两周期性装置的距离在0mm至50mm之间。

5、当摩尔条纹的对比度下降到原来的30％及以下时，看作摩尔条纹条纹被消除。摩尔条纹消除的最小空间间隔距离，为最佳距离。对所述透镜系统而言，距离为40mm。

通过调整参数对比不同的结果模拟图，可以得出结论：随着菲涅尔透镜与LCD液晶屏幕之间距离的增大，虚拟接收器上光强的分布越来越均匀，摩尔条纹的效应越来越弱。根据光的直线传播原理，增大菲涅尔透镜与LCD液晶屏幕的距离相当于增大与LCD距离为P的虚拟菲涅尔透镜组简化光栅的周期。

采用光场计算的方法对摩尔条纹进行光强分布进行仿真，提供了一种新的摩尔条纹分析方法，通过振幅最大值与最小值的差值情况可以更精确地评判摩尔条纹的强弱。

因此可以看出，当菲涅尔透镜与LCD液晶屏幕的夹角为0度时，距离越远，摩尔条纹的对比效应越来越弱，因此对于此实验模拟中，菲涅尔透镜与LCD液晶屏幕的两周期结构以40mm距离是莫尔效应效果已基本不可见。根据实验结果，可知裸眼3D指向性背光系统中可以最大限度地消弱莫尔效应的菲涅尔透镜组与LCD液晶屏幕的位置关系。

实施例3：

如图5所示，本实施例提供一种裸眼3D指向性背光系统中减弱摩尔条纹的方法：

1、根据图5图像的模型进行模拟，图像说明：

(1)编号30为可控开关背光光源，为实验方便，可以打开正对着菲涅尔透镜的两盏背光灯光源；

(2)编号31为简单模拟3D显示系统中菲涅尔等高透镜组，偏光装置菲涅尔透镜组为等高的锯齿形结构。其薄膜厚度仅为0.15mm，因此透镜造成的吸收损失可忽略不计。其焦距为123.4mm，衬底层折射率为1.5，透镜层折射率为1.561；

(3)编号32为LCD液晶屏幕，具有低散射率以及高通透性；

(4)编号33为虚拟光源接收器，实验阶段时可近似用高清摄像头代替，因此可直接观察在LCD液晶屏幕上摩尔条纹产生分布的情况拍摄图；

2、该图5中给出的实验为简单的裸眼3D系统指向性背光实验，用于分析摩尔条纹的产生情况。通过背光中间开启，其余关闭，在特定距离下放置特定角度的菲涅尔透镜和LCD液晶屏幕。

3、打在LCD液晶屏幕平面上的光子成亮暗交替的准周期排布，叠加在LCD液晶屏幕上的三原色子光栅上，在距离正对中心Z轴P为25mm时的视区中用高清摄像机拍摄，可得到彩色摩尔条纹图，从而来代替肉眼的观察。

4、图5当中，背光光源通过周期性的菲涅尔透镜组以及LCD液晶屏幕上，因为菲涅尔透镜可以倾斜一定角度，从而与LCD液晶屏幕构成一定夹角。调整参数，控制偏光装置与LCD液晶屏幕的夹角变化为0、2、4、6、8度而两周期性装置的距离在0mm至50mm之间。

5、根据实施例3的前4步步骤中，将参数不同的角度和距离下实验拍摄的图进行软件分析其光强度对比度，找出实验当中最合适的角度和距离。

在步骤(4)当中，在裸眼3D视觉系统中固定背光光探头与菲涅尔透镜的距离，只改变菲涅尔透镜的倾斜角度以及菲涅尔透镜与LCD液晶屏幕的距离来改变生成的摩尔条纹效应的强弱特性。

在步骤(4)当中，观察方法为用高清摄像机拍照，在角度为0到8度的范围内，以及距离在0mm到50mm的范围内进行拍照对比。

在步骤(4)当中，由于实验过程中相比模拟效果存在误差，因此两周期性装置的距离调整幅度应相应增大以更明显看出其变化趋势，故距离在0mm至50mm之间，步速为5mm。

在步骤(5)当中，固定每张图片均以某一位置点作为参考点，通过这一位置点向垂直摩尔条纹的方向划线，运用光强度分析软件进行一维光强度分析，从而得出实际中固定角度与固定距离下的摩尔条纹的光强对比度。

得出的一维光强对比度中，有明显的三角函数周期性，通过将某一极大峰值I_max与极小峰值I_min的相差作为其光强度幅度差来记录为摩尔条纹光强对比度的评估测量指标。

在同一角度不同距离下进行记录，得出了光强幅度差与距离的关系，结果如图6-7所示。

图6-7图像说明：

(1)图6为所得到的在距离Z轴中心25mm距离的视区中的振幅在0——50mm不同距离下的位置分布曲线图；

(2)图7由实验效果经软件模拟可得出，随着距离的增大，幅度极大值与极小值的幅值差将会越来越小，即摩尔条纹会呈减弱的趋势。即图(b)为不同距离下摩尔条纹效应敏感对比的相对平均强弱θ的对比图；

从而找出摩尔条纹最小对比度的两装置的距离，从而实现摩尔条纹的削弱甚至消除。所得到的光强对比度较小的推荐距离为40mm。