专利名称：广角裸眼立体显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及立体影像显示装置，特别是采用激光光源、具有大可视角度(即广角)、 无需佩带分光眼镜、无需从特定角度观看的立体影像显示设备。
背景技术：
现有立体显示技术大致可分为以下两种
1、分光眼镜式需要借助特殊的眼睛，再配合其它辅助设备产生视差，呈现立体效果。 对这类显示技术不做详细介绍。2、无需佩戴眼睛(裸眼)式从技术上来看，裸眼式3D可分为光屏障式(Barrier)、 柱状透镜(Lenticular Lens)技术、指向光源(Directional Backlight)、多层显示 (multi-layer display)(1)、光屏障式(Barrier):该技术的实现方法是使用一个开关液晶层、偏振膜和高 分子液晶层。利用开关液晶层对屏幕像素的遮挡，从而使人的左右眼分别看到不同的像素 列，利用人眼的视差实现立体效果。(2)柱状透镜(Lenticular Lens)技术该技术的原理是在液晶显示屏的前面加 上一层柱状透镜，使以不同像素投射到特定的方向，如果人的左右眼处在特定的角度，就能 呈现立体效果；
如，中国专利文献公开的一种“单组合图像立体显示镜”(CN1031766A)，它包括一块双 面柱面组透镜和一块与之重叠的透明平板，双面柱面组透镜两面具有同样的圆柱面，彼此 平行，两两对称。当通过该显示镜观察位于透明平板后的平面图像可获得立体感。(3)指向光源(Directional Backlight)该技术搭配两组LED，配合快速反应的 IXD面板和驱动方法，让3D内容以排序(sequential)方式进入观看者的左右眼互换影像产 生视差，进而让人眼感受到3D三维效果。(4)多层显示(multi-layer display)技术该技术在一定间隔位置上重复放置 多层液晶面板，不同的面板负责显示相应深度的景物。总结现有的裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，但是分辨率、可 视角度和可视距离等方面还存在不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需佩戴分光眼镜，具有大可视角度的裸眼立体显示装置。本发明的是这样实现的一种广角裸眼立体显示系统，包括，显示屏，激光发射器， 显示屏成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜 片，该一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜，上述马鞍 面反射镜或马鞍形透镜的一个方向是凸形，另一方向是凹形；该一组镜片构成为由内、外 两层柱镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜，其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸 透镜或者柱凹透镜。上述凸面镜和凹透镜的表面形状呈球面、抛物面或椭球面。上述激光发射器发射的激光束是由三条单色激光合并而成，激光束的横切面为沿 竖向的细长条形，且该细长条形的高度不大于矩形像素单元的高度。本发明主要由激光发射器、布满镜片的显示屏两大部分组成。显示屏结构为基 板上的成像区域内均布若干矩形像素单元，每一像素单元上对应有一块或一组镜片，对激 光束起发散作用。采用竖向细条状的激光束对显示屏上的像素单元进行逐行扫描，镜片对 扫描光线进行发散后，发射出一个横切面为竖长条的光束从观看者眼前扫过。每个像素单 元发出的光束宽度小于观看者左右眼的水平距离。采用多路图像通道的信号控制激光发射 器，即可使左右眼接收到不同的图像信号，从而产生逼真的立体效果。激光发射器的光束横切面为竖向细长条形状，其高度和显示屏像素上的镜片高度 相等或略小。显示屏像素单元上的镜片有多种实现方式。可以由一块镜片组成，也可由水平、竖 直两个方向的柱状镜片叠合而成；可作为背投方式显示，也可作为反射方式显示。本发明的特点和优点如下
1、立体效果的有效角度大。观看者只要处在显示屏上的镜片的发散光线范围内，均可 观察到立体效果。2、观看者位置自由。由于人的左右眼水平分布特性，只要像素单元发散后的激光 束宽度小于左右眼之间的距离，均能看到立体效果。3、光利用效率较高，节约能源。现有市场上的的激光成像技术是通过显示屏对激 光的漫反射点亮像素单元，很大一部分光线被浪费掉。而本装置通过显示屏像素上的镜片 对激光进行折射或镜面反射实现，光利用效率极高。4、可通过软件方式调整可视角度和距离，而无需更换显示屏等其它硬件设备。可 通过控制激光束在一定范围内调整可视角度和距离。某些场合可能需要根据观众的位置分 布进行针对性的调整，例如1)在图像信号通道数不变的情况下，可以通过减小可视角度来 增加可视距离；反之，也可以通过减小可视距离来增加可视角度。2)可通过增加图像的通 道数来同时增大可视角度和提高可视距离。
图1是本发明组成简图。图2a、图2b、图2c是显示屏的主视图，左视图，俯视图。图3是激光发射器对显示屏上的像素单元进行扫描时的光路图。图4是激光束照射到显示屏像素单元上形成的光斑的示意图。图5是显示屏像素单元对激光进行发散后的效果示意图。图6是通过图像信号控制激光束形成的‘虚拟区域’示意图。图7是像素单元采用凹面镜时的光路示意图。图8a、图8b是采用双镜片正面投影方式时，柱凸面镜的主视图，左视图。图9a、图9b是采用双镜片正面投影方式时，柱凹透镜的主视图，俯视图。
图10a、图IOb是采用双镜片正面投影方式时，屏幕的左视图，俯视图。图11是采用单镜片背面投影方式时的光路示意图。图12a、图12b是采用双镜片背面投影方式时，屏幕的左视图，俯视图。
具体实施例方式人的视觉对立体图形的感知，是因为左右眼视线对物体的微小角度差别而形成的 视差。所以，要实现逼真的立体感，必须让人的左右眼看到不同的图像。为了达到上述目的，本发明采用横切面为竖直细长形的激光束横向扫描显示屏像 素单元，通过镜片发散后，在显示屏前形成竖条光束扫过观看者。当放大后的光束宽度小于 左右眼之间的距离时，可以通过对激光的控制，使不同的信号进入左右眼。如图1所示，本发明主要由显示屏1和激光发射器2组成。激光发射器发射激光 束对显示屏进行扫描。显示屏1上均布矩形的像素单元，每个像素单元由一片或一组镜片构成。镜片可 以采用凸面镜，也可以采用凹透镜，或采用两块正交的柱状镜片组合实现。具体地，显示屏 1成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜片，该 一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜，上述马鞍面反射 镜或马鞍形透镜的一个方向是凸形，另一方向是凹形；该一组镜片构成为由内、外两层柱 镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜， 其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸透镜或 者柱凹透镜。现阐述采用凸面镜时的实施方法。图2a，2b，2c分别是显示屏的主视图、左视图、俯视图。如果图中所示，像素单元3 是将若干矩形凸面镜按行列整齐、紧密的固定在显示屏上制成。凸面镜表面形状可以是球 面、抛物面或椭球面。激光发射器2发出的光束从水平方向逐行对显示屏上的像素单元进行扫描。在扫 描过程中，显示屏上的像素单元3将扫描范围进一步发散放大。图3是当激光束扫描到其中一个像素单元时的光路示意图。如果激光发射器离显示屏比较近，在扫描靠近显示屏边缘的像素单元时，激光束 可能会偏离镜片主轴太远，从而影响显示效果。为了解决此问题，可以将像素单元上的镜片 向显示屏中心微微倾斜；或者将整个显示屏弯曲到适当的弧度。激光束的横切面为竖向的细长条形状(如长宽比大于5的矩形，且长边在竖直方 向上)，高度和像素单元3的宽度相同或略小。图4是激光束在像素单元3的正面形成光斑4的示意图。图5是像素单元3反射的激光束从观众席扫描经过的示意图。如图所示，激光发 射器2发出的激光束经过像素单元3发散后，形成横切面为虚线框所示的竖向长条矩形光 束。虚线箭头表示反射后的激光束扫描的方向。激光发射器2发射出的激光束的特性如下
1、光束由三条单色激光束合并而成。成像过程中，通过控制每条单色激光束的亮度，达 到控制激光束的亮度和颜色的目的。2、激光束的宽度必须足够小，经过像素单元上的镜片发散后的光束到达观看者时，宽度不能大于左右眼之间的距离。这样，当光束扫描经过时，观看者左右眼能在不同时 刻收到光束信号。按一定的时序规则控制激光，则可以让观看者左右眼看到不同的图像，从 而呈现立体效果。3、激光束高度和像素单元高度(即宽度)相等或略小，因为竖直方向仅需要将光束 均勻发散即可，以便不同高度的观看者均能看到图像。现介绍立体图像信号对激光束的控制方式。假定以显示屏像素点为圆心，如图6 所示，图中的虚线将显示屏前的区域划分若干‘虚拟区域’，每个区域的宽度小于人左右眼 间的距离。将多个通道的图像信号与‘虚拟区域’ 一一对应，当像素单元3反射的激光束扫 描到达相应的‘虚拟区域’时，即根据相应通道的图像信号控制其色彩和亮度。从以上可以看出，本装置需要比普通立体显示装置更多通道的图像信号(普通立 体显示装置为两路通道)，这对信号来源有更高的要求。可以采用以下两种方式提供信号 源1)用大量的摄像头水平排列指向同一目标进行拍摄，每个摄像头记录下来的信号在放 映时对应于一个‘虚拟区域’ ；2)对计算机制作的立体动画进行转换，目前这种方式更容易 实现。在某些应用环境，也可以适当减少图像信号的通道数。例如在电影放映院中，如 果中间有纵向过道，则可将过道两侧的信号进行复用，这样信号通道数可以减半或减为原 来的三分之一；在观看者密度不大的场合，可以只采用较少的图像信号(多余两路通道)交 替使用，如果观看者恰好处于左右眼颠倒的位置，则自行稍作调整即可。以上是像素单元3采用凸面镜的实施方式。下面简述其它种类镜片的实施方式。和采用凸面镜相比较，其它方式只有像素单元3的构成不同，立体成像的原理都 相同。因此以下不再详细描述采用各种镜片时的整体实施方式，而只描述像素单元3上的 镜片的实施方式。由于像素单元上镜片的作用并不是成像，而仅仅是从不同视角照亮像素点，因此 镜片的实现方式比较灵活，主要体现在以下两个方面
1、可以采用发散镜片，也可采用会聚镜片。当会聚镜片的焦距足够短时，也能对激光束 起到发散的效果。如图7所示，以凹面镜为例描述了像素单元3采用会聚镜片时的光路示 意图。该图和采用凸透镜方式的图3相对应。2、镜片水平和竖直方向的光学特性可以独立设计。可以根据应用环境或生产工艺 的需要，将两个方向的屈光度设计成不同的值(例如椭球形凸面镜)；或一个方向是凸面镜， 而另一个(偏转90°的方向)方向(两个方向垂直)是凹面镜(马鞍面);或者用两块柱面镜或 柱透镜正交叠合而成，等等。总结起来，在投影方式上，可以分为背面投影式和正面投影式；在像素单元采用的 镜片数量上，可以分为单层镜片和双层镜片。像素单元3的具体实现时的组合方式较多，现 分为以下四类进行描述
1、单镜片正面投影式。像素单元采用一块反射镜片，激光发射器从正面向显示屏发射 扫描激光束。上面的凸面镜方式既属于这类方式中的一种。除了可以采用凸面镜外，还可 以采用凹面镜和马鞍面镜。马鞍面镜可以是水平方向为凹面镜，竖直方向为凸面镜；或水平 方向是凸面镜，竖直方向为凹面镜。2、双镜片正面投影式。显示屏分为内外两层，内层采用柱面镜，外层采用柱透镜，激光发射器从正面向显示屏发射扫描激光束。内层的柱面镜可以是柱凹面镜或柱凸面镜， 外层的柱透镜可以是柱凹透镜或柱凸透镜。两层柱镜片以轴线正交方式重叠。轴线为横向 的柱镜片从竖直方向发散激光束，轴线为竖向的柱镜片从水平方向发散激光束。现以横向 柱凸面镜+竖向柱凹透镜的方式为例，描述此类显示屏的实施方式。图8a、图8b分别是显 示屏内层柱凸面镜的主视图和左视图，在基板上固定若干宽度对齐显示屏两端，高度和像 素单元3相等的柱凸面镜5 ；外层可以采用整块透明材料，制作出若干高度和显示屏上下沿 对齐，宽度和像素单元3相等的柱凹透镜6，如图9a、图9b所示，分别是显示屏外层柱凹透 镜的主视图和俯视图；将两层屏对齐叠合，如图10a、图10b，分别是完整显示屏的左视图和 俯视图。柱面镜5和柱透镜6的交叉重叠部分构成了图2a中的像素单元3。需要说明一下 的是使用时，外层的柱凹透镜会两次对激光束进行横向发散，因此应将其屈光率减半。3、单镜片背面投影式。像素单元采用一块透镜，激光发射器从背面向显示屏发射 扫描激光束。如图11所示，显示屏上的像素单元采用凹透镜对激光发射器2发射的激光束 进行发散，在显示屏前方同样可以产生和凸面镜相同的效果。可以在整块的透明材料上制 作出紧密排列的凹透镜、凸透镜或马鞍面透镜。马鞍面透镜可以是水平方向为凹透镜，竖直 方向为凸透镜；或水平方向是凸透镜，竖直方向为凹透镜。4、双镜片背面投影式。显示屏分为前后两层，均采用柱透镜，激光发射器从背面向 显示屏发射扫描激光束。两层柱透镜以轴线正交方式重叠。轴线为横向的柱透镜从竖直方 向发散激光束，轴线为竖向的柱透镜从水平方向发散激光束。现以横向柱凹透镜+竖向柱 凹透镜的方式为例，描述此类显示屏的实施方式。如图12a、图12b所示，分别为显示屏的左视图、俯视图。采用一整块透明材料制作 图2a中的显示屏，在显示屏的背侧(靠近激光发射器的一侧)密布若干宽度和显示屏两端对 齐，高度和像素单元高度相等的横向柱凹透镜7 ；在显示屏的前侧(靠近观看者一侧)密布若 干高度和显示屏上下沿对齐，宽度和像素单元宽度相等的纵向柱凹透镜8。横向柱凹透镜7 和纵向柱凹透镜8的交叉重叠部分构成了图2a中的像素单元。
权利要求
1.一种广角裸眼立体显示系统，包括，显示屏，激光发射器，其特征是所述显示屏(1) 成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜片，该 一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜，上述马鞍面反射 镜或马鞍形透镜的一个方向是凸形，另一方向是凹形；该一组镜片构成为由内、外两层柱 镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜， 其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸透镜或 者柱凹透镜。
2.根据权利要求1所述的广角裸眼立体显示系统，其特征是所述凸面镜和凹透镜的 表面形状呈球面、抛物面或椭球面。
3.根据权利要求1或2所述的广角裸眼立体显示系统，其特征是所述激光发射器发 射的激光束是由三条单色激光合并而成，激光束的横切面为沿竖向的细长条形，且该细长 条形的高度不大于矩形像素单元的高度。
全文摘要
一种广角裸眼立体显示系统，属立体图像显示设备。主要由显示屏、激光发射器组成。显示屏成像区域内均布若干矩形像素单元，每一矩形像素单元位置上对应有一个或一组镜片，该一个镜片是凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、马鞍面反射镜或马鞍形透镜；该一组镜片构成为由内、外两层柱镜片以轴线正交方式重叠组成，对于正面投影式，其内层柱镜片是柱凸面镜或者柱凹面镜，其外层柱镜片是柱凸透镜或者柱凹透镜，对于背面投影式，其内层和外层都为柱凸透镜或者柱凹透镜。它无需观看者处于特定的角度，即可使左眼和右眼分别处于不同的虚拟区域，从而显现立体效果，具有可视角度更大、分辨率高、可视距离远的特点。
文档编号G02B27/22GK102081239SQ201010602150
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者隆元线 申请人:隆元线