专利名称：基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备及方法
技术领域：
本发明涉及自由立体显示技术，具体地，涉及一种基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备及方法。
背景技术：
立体显示在三维显示技术中得到了广泛的应用。立体显示利用人体左右两眼的视差使观看者获得深度感。而目前比较流行的立体显示技术，可分为需要佩戴分光眼镜的立体显示和直接观看的自由立体显示技术。自由立体显示技术在很多领域都有广泛的应用，如:军事、医疗、娱乐、教育、广告和数据可视化等等。它是目前显示技术领域的重要课题。柱面透镜式(Lenticular sheets)三维技术是目前常用的一种自由立体显不技术。它通过固态柱面透镜阵列使各视点的图像到达不同的视场。其中，柱面透镜被放置在液晶显示屏的前侧。背光板提供背光光源，在液晶显示屏的对应区域上显示不同视点的图像，而这些在不同区域的图像经过对应区域的柱面透镜，投射到屏幕前的不同视场。观看者的左右两眼处于不同的视场中，因而接收到不同图像，从而产生视差，观看者可以获得三维效果。柱面透镜式三维显示技术通过将对应的图像偏转投射到相应的视场使观看者获得三维效果，具有亮度不衰减的优点。但是由于将整个液晶显示屏上的图像拆分成了多个视点的部分，空间分辨率大大下降，而图像质量也随之减弱。因此，如何提高柱面透镜式三维显示技术的图像质量是一个重要课题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备及方法，其利用液晶的电控特性，通过在不同时段呈现不同折射率分布的液晶棱镜阵列分别将不同视点的图像投射到对应视场来实现高质量的全分辨率的自由立体显示。为实现上述目的，本发明提出了一种基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其包括背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列和同步控制器；所述背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列由下至上依次放置，所述同步控制器分别与所述背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列通过信号线相连接。如上述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其中，所述液晶棱镜阵列从下到上依次为玻璃基板、ITO电极、液晶层、上方取向膜、common电极和玻璃基板。进一步地，如上述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其中，所述液晶棱镜阵列，通过多ITO电极进行单像素驱动，在液晶层施加垂直电场，使液晶层的折射率分布呈现为棱镜的形貌，从而将当前视点的图像正确地投射到对应视场。如上述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其中，所述液晶棱镜阵列中电极宽度为Wl,电极间距为W2,针对单像素电极个数为N,且单像素宽度为N* (ffl+ffl)。
如上述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其中，通过对液晶棱镜阵列基板配向使液晶棱镜阵列中液晶分子取向与液晶显示屏的出光偏振方向一致。
如上述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其中，所述背光板采用准直背光源并以脉冲方式工作；在单帧显示的开始阶段，关闭背光源，在液晶阵列稳定期，打开背光源。
进一步地，如上述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其中，所述背光板的脉冲方式在每帧开始的四分之一周期关闭背光源，在随后的四分之三的周期打开背光源进行显示。
如上述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其中，所述同步控制器用于同步调节背光板的脉冲顺序，液晶显示屏的图像切换和液晶棱镜阵列形貌的快速转换，以将对应视点图像正确地投射到相应视场。
同时，本发明还提供了一种基于上述液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备的显示方法，在显示过程中采用如下步骤:
在一帧的开始阶段，所述背光板关闭背光源，所述液晶显示屏呈现针对一个视点图像的调制，此时，所述液晶棱镜层开始建立棱镜形貌，并随着时间越来越接近理想棱镜；
在建立时间度过之后，所述背光板开始工作，此时所述液晶显示屏上显示该视点的图像，所述液晶棱镜阵列接近理想棱镜，将该视点图像较准确地投射到对应的视场中；
经过一帧时间后，整套显示设备将为下一个视场提供相应图像，在转换时刻，首先，所述背光板关闭光源，所述液晶显示屏上转换为新的视点所需要的图像，相应地，所述液晶棱镜阵列上的电极瞬时改变为新的棱镜形貌所需要的驱动电压，所述液晶棱镜阵列开始从上一个视点的形貌过渡到当前视点的形貌；然后所述液晶棱镜阵列的形貌基本稳定，所述背光板重新开始工作，所述液晶显示屏上显示当前视点的图像，所述液晶棱镜阵列将图像投射到对应视场。
因此，本发明的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备及方法采用时分复用的工作方式，通过液晶显示屏上图像的快速切换和液晶棱镜阵列中折射率的快速变化，可在观看空间内的多个视场内显示不同视点的图像；液晶棱镜阵列的多电极驱动设计，背光板脉冲式的工作方式，将不同视场间的动态串扰降低了 35.2%，有效地提升了三维显示的观看效果。
图1是本发明的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备的结构图2是本发明中液晶棱镜层的结构示意图3 (a)是在本发明中，在单一时序的前半部分，整套显示设备将单幅图像投射到空间中部分视场的示意图3 (b)是在本发明中，在单一时序的后半部分，整套显示设备将单幅图像投射到空间中其余部分视场的示意图4是本发明中的背光板、液晶屏和液晶棱镜阵列的工作时序示意图。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的设备结构及产生的技术效果及显示方法作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果本发明的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备的整体结构如图1所示，由背光板、液晶显示屏，液晶棱镜阵列和同步控制器组成。其中，背光板放置于整个显示设备的最下方，采用低发散角的准直背光的形式提供背光源。液晶显示屏放置于背光板的上方。液晶棱镜阵列放置在显示设备的最上方，三部分模块无缝连接。同步控制器通过信号线用来控制背光板，液晶显示屏和液晶棱镜层工作状态使之匹配正常显示。其中，液晶棱镜阵列中电极宽度为W1，电极间距为W2，针对单像素电极个数为N，则单像素宽度为N*(W1+W1)。通过对液晶棱镜阵列基板配向(Rubbing)使液晶棱镜阵列中液晶分子取向与液晶显示屏的出光偏振方向一致。背光板采用准直背光源并以脉冲方式工作；在单帧显示的开始阶段，关闭背光源，在液晶阵列稳定期，打开背光源。具体地，背光板的脉冲方式在每帧开始的四分之一周期关闭背光源，在随后的四分之三的周期打开背光源进行显示。其中，在本发明中最为关键的液晶棱镜阵列的结构如图2所示。本发明采用上下电场的方式驱动液晶棱镜阵列，其中，25中为ITO电极，24为快速响应的液晶层，22为common电极，21、26为玻璃基板，23为上方取向膜。所加电压和电极配置参数均经过优化，使液晶棱镜阵列的形貌更接近理想棱镜。其中，液晶棱镜阵列通过多ITO电极进行单像素驱动，在液晶层24施加垂直电场，使液晶层24的折射率分布呈现为棱镜的形貌，从而将当前视点的图像正确地投射到对应视场。下文将通过图3和图4对本发明的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备的工作方式做进一步说明。如图3 (a)中所示，31为背光板，32为液晶显示屏，33为液晶棱镜阵列。在图3 (a)中，由设置在底部的背光板31提供准直背光源。光线经过放置在中间的液晶显示屏32被调制，显示一帧内的单幅图像。最后通过放置在最上层的液晶棱镜阵列33将图像投射到对应的一部分视场。而在图3 (b)中，同样地，底部的背光板提供准直背光源，液晶显示屏调制背光显示一帧内另一个视点的图像。相应地，液晶棱镜阵列将图像投射到对应的其他视场。利用时分复用的方式，通过液晶显示屏上图像的快速切换和液晶棱镜折射率的快速变化，本发明的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备可在观看空间内的多个视场显示不同视点的图像。观看者观看时左右两眼处于不同视场，依靠人体视觉暂留效应，双眼接受到两幅存在视差的图像，从而使得观看者获得了三维显示效果。为了实现低串扰的自由立体显示，液晶棱镜阵列必须准确地将液晶显示屏上的图像投射到对应视场。本发明中的背光板、液晶显示屏和液晶棱镜阵列的工作时序采用脉冲式工作的方法进行工作，具体如图4所示。41为液晶棱镜阵列工作序列，42为液晶显示屏工作序列，43为背光板工作序列。显示过程中，在一帧的开始阶段，背光板关闭背光源，液晶显示屏呈现针对一个视点图像的调制。此时，液晶棱镜层开始建立棱镜形貌，并随着时间越来越接近理想棱镜。在建立时间度过之后，背光板开始工作，此时液晶显示屏上显示该视点的图像，液晶棱镜阵列接近理想棱镜，可将该视点图像较准确地投射到对应的视场中。经过一帧时间后，整套显示设备将为下一个视场提供相应图像。在转换时刻，首先，背光板关闭光源，液晶显示屏上转换为新的视点所需要的图像。相应地，液晶棱镜阵列上的电极瞬时改变为新的棱镜形貌所需要的驱动电压，液晶棱镜阵列开始从上一个视点的形貌过渡到当前视点的形貌；然后液晶棱镜阵列的形貌基本稳定，背光板重新开始工作，液晶显示屏上显示当前视点的图像，液晶棱镜阵列将图像投射到对应视场。如此，通过背光板、液晶显示屏和液晶棱镜阵列的同步快速切换，在观看区域各视场显示对应图像，让观看者收看到自由立体影像。而背光板的脉冲式工作，使得本发明的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备削弱了在液晶棱镜阵列切换工作状态时带来的较大串扰。在未使用脉冲式背光的方式下，动态串扰约为18.59%。经过优化，本发明选择在一帧开始的四分之一周期中关闭背光源，在随后的四分之三周期中打开背光源进行显示，这种方式使得观看时的动态串扰为降低了 35.2%，从而实现了低串扰的全分辨率自由立体显示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显不设备，其特征在于，包括背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列和同步控制器；所述背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列由下至上依次放置，所述同步控制器分别与所述背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列通过信号线相连接。
2.如权利要求1所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其特征在于，所述液晶棱镜阵列从下到上依次为玻璃基板、ITO电极、液晶层、上方取向膜、common电极和玻璃基板。
3.如权利要求2所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其特征在于，所述液晶棱镜阵列，通过多ITO电极进行单像素驱动，在液晶层施加垂直电场，使液晶层的折射率分布呈现为棱镜的形貌，从而将当前视点的图像正确地投射到对应视场。
4.如权利要求1所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其特征在于，所述液晶棱镜阵列中电极宽度为W1，电极间距为W2，针对单像素电极个数为N，且单像素宽度为N*(W1+W1)。
5.如权利要求1所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其特征在于，通过对液晶棱镜阵列基板配向使所述的液晶棱镜阵列中的液晶分子取向与液晶显示屏的出光偏振方向一致。
6.如权利要求1所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其特征在于，所述背光板采用准直背光源并以脉冲方式工作；在单帧显示的开始阶段，关闭背光源，在液晶阵列稳定期，打开背光源。
7.如权利要求6所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其特征在于，所述背光板的脉冲方式在每帧开始的四分之一周期关闭背光源，在随后的四分之三的周期打开背光源进行显示。
8.如权利要求1所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备，其特征在于，所述同步控制器用于同步调节背光板的脉冲顺序，液晶显示屏的图像切换和液晶棱镜阵列形貌的快速转换，以将对应视点图像正确地投射到相应视场。
9.如权利要求1-8之一所述的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备的显示方法，其特征在于，在显示过程中采用如下步骤: 在一帧的开始阶段，所述背光板关闭背光源，所述液晶显示屏呈现针对一个视点图像的调制，此时，所述液晶棱镜层开始建立棱镜形貌，并随着时间越来越接近理想棱镜； 在建立时间度过之后，所述背光板开始工作，此时所述液晶显示屏上显示该视点的图像，所述液晶棱镜阵列接近理想棱镜，将该视点图像较准确地投射到对应的视场中； 经过一帧时间后，整套显示设备将为下一个视场提供相应图像，在转换时刻，首先，所述背光板关闭光源，所述液晶显示屏上转换为新的视点所需要的图像，相应地，所述液晶棱镜阵列上的电极瞬时改变为新的棱镜形貌所需要的驱动电压，所述液晶棱镜阵列开始从上一个视点的形貌过渡到当前视点的形貌；然后所述液晶棱镜阵列的形貌基本稳定，所述背光板重新开始工作，所述液晶显示屏上显示当前视点的图像，所述液晶棱镜阵列将图像投射到对应视场。
全文摘要
本发明公开了一种基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备及方法，其包括背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列和同步控制器；所述背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列由下至上依次放置，所述同步控制器分别与所述背光板、液晶显示屏、液晶棱镜阵列通过信号线相连接。本发明的基于液晶棱镜阵列的全分辨率自由立体显示设备及方法采用时分复用的工作方式，通过液晶显示屏上图像的快速切换和液晶棱镜阵列中折射率的快速变化，可在观看空间内的多个视场内显示不同视点的图像；液晶棱镜阵列的多电极驱动设计，背光板脉冲式的工作方式，将不同视场间的动态串扰降低了35.2%，有效地提升了三维显示的观看效果。
文档编号G02F1/29GK103176308SQ20131011620
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者陆建钢, 谈健, 王祎君, 倪水彬, 刘诗雨 申请人:上海交通大学