一种像素结构、显示面板及显示装置的制作方法

本实用新型涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种像素结构、显示面板及显示装置。

背景技术：

目前市场上的平板显示装置的像素单元的排列方式大多为均匀、等距、周期性排列，像素驱动装置(例如TFT-LCD的薄膜晶体管)与像素单元相对应，把计算机或其它图像发生装置传输的图像编码为周期性的行列电信号，使得上述显示装置上像素单元与离散化后的图像信息在笛卡尔坐标系中严格对应，例如原始图像在同一行上的所有像素单元，被显示装置呈现出来后，其物理位置也在平行于水平扫描起始边的同一直线上。

最近有关于虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、影像现实(CR)的光学成像系统快速发展。这些光学成像系统有一个共性需求：即通过光学系统把上述平板显示装置的图像放大并保持图像的高清晰度，同时又要求整个光学成像系统非常轻薄，以便于携带与长时间观看。然而，光学成像系统的轻薄意味着光学系统的透镜组较少，甚至仅包括单一透镜。此时，光学系统的畸变将导致成像的扭曲失真，影响人眼所看到的图像的清晰度，要想得到清晰度较高的图像，需要对光学系统的畸变进行补偿。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种像素结构，将具有该像素结构的显示装置应用于光学成像系统中时，能够有效地补偿该光学成像系统所包括的光学系统的畸变。

此外，本实用新型的另一目的在于提供一种具有上述像素结构的显示面板及具有上述像素结构的显示装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种像素结构，应用于光学成像系统所包括的显示装置，所述光学成像系统还包括光学系统，所述显示装置上显示的图像经过所述光学系统放大后投射到观察者的瞳孔。所述像素结构包括多个像素单元，每一个所述像素单元在显示面板上的位置与每一个所述像素单元的偏移中心、每一个所述像素单元的偏移量及每一个所述像素单元的像素坐标成第一预设关系，其中，所述偏移中心对应于所述光学系统的畸变中心，所述偏移量对应于所述光学系统的畸变率。

在本实用新型较佳的实施例中，上述每一个所述像素单元的偏移量、所述光学系统的畸变系数以及每一个所述像素单元与所述偏移中心之间的距离成第二预设关系。

在本实用新型较佳的实施例中，上述光学系统的畸变系数为所述光学系统的径向畸变系数。

在本实用新型较佳的实施例中，上述每一个所述像素单元的偏移中心为所述显示面板的中心点。

在本实用新型较佳的实施例中，上述光学系统包括第一光学系统和第二光学系统，位于显示面板的左侧区域的多个像素单元的第一偏移中心为所述显示面板的左侧区域的中心点，位于所述显示面板的右侧区域的多个像素单元的第二偏移中心为所述显示面板的右侧区域的中心点。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一偏移中心与所述第二偏移中心的横向距离与人的左眼瞳孔和右眼瞳孔的平均距离的差值在预设范围内。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一偏移中心与所述第二偏移中心的横向距离与人的左眼瞳孔和右眼瞳孔的平均距离一致。

在本实用新型较佳的实施例中，上述光学系统为单片会聚透镜。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种显示面板，包括上述像素结构。

第三方面，本实用新型实施例还提供了一种显示装置，包括上述像素结构。

相对于现有的像素单元成均匀、等距且周期性排列的像素结构，本实用新型实施例提供的像素结构所包括的每一个像素单元在显示面板中的位置与每一个像素单元的偏移中心、每一个像素单元的偏移量及每一个像素单元的像素坐标成第一预设关系。其中，所述偏移中心对应于一个特定光学系统的畸变中心，所述偏移量对应于该光学系统的畸变率，也就是说，本像素结构所包括的多个像素单元的位置根据对应光学系统的畸变设置。当具有本实用新型实施例提供的像素结构的显示装置与对应的光学系统构成光学成像系统时，由于该显示装置所包括的多个像素单元的位置根据对应光学系统的畸变设置，因此，可以有效地补偿该光学系统的畸变，避免了由于光学系统的畸变所导致的成像扭曲失真的情况，保证了该光学成像系统的成像清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了现有的头戴式显示设备中光学成像系统的结构示意图；

图2示出了一种现有的像素结构的排布示意图；

图3示出了具有桶形畸变的像的示意图；

图4示出了具有枕形畸变的像的示意图；

图5示出了本实用新型实施例提供的一种像素结构的示意图；

图6示出了本实用新型实施例提供的另一种像素结构的示意图；

图7示出了一种单目光学成像系统的结构示意图；

图8示出了另一种像素结构的示意图；

图9示出了一种双目光学成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

目前，采用了虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)或影像现实(CR)技术的头戴式显示设备中的光学成像系统包括光学系统200及显示装置100，如图1所示。

其中，显示装置100用于显示观察者所要观看的图像。如图2所示，目前市场上的平板显示装置100的像素结构110中，像素单元111的排列方式大多为均匀、等距、周期性排列。

光学系统200用于放大显示装置100上显示的图像，并将放大后的虚像投射于观察者的瞳孔300上。考虑到设备的成本和轻便性，光学系统200通常所包括的透镜较少，甚至只包括一个透镜，例如，可以使用一个单片的球面透镜或者菲涅尔透镜。然而，为了保证头戴式显示设备的图像显示质量，要求光学系统200成像时的畸变较小，要得到较小的畸变通常需要多个透镜组成进行畸变校正。因此，上述设计也就导致了的光学系统200的畸变相对较大，尤其是采用单片透镜时，光学系统200的畸变较大。

此时，当观察者透过上述的光学系统200去观察现有的显示装置100所显示的图像时，光学系统200所成的像将发生扭曲失真，即观察者所看到的像400将会存在如图3所示的桶形畸变或如图4所示的枕形畸变。

为了改善这一点，人们在不改变光学系统200结构情况下，即在降低头戴式显示设备的成本及重量前提下，通常采取的措施为：

在显示装置100的驱动端先对将要显示的原始图像做拟变换，把会被光学系统200拉伸的部分进行纹理压缩，把会被光学系统200压缩的部分作纹理拉伸。例如虚拟显示头盔中，光学系统200采用大视场、单片透镜，具有枕形畸变。因此，为了补偿光学系统200带来的枕形畸变，原始图像常会被处理成对应于上述枕形畸变对应的具有桶形畸变的图像，具有桶形畸变的图像经过具有枕形畸变的光学系统200之后会被拉伸/压缩以实现图像的还原，来以补偿图像中心、四边及四角横向放大率的不一致。

然而，这种补偿方式将会带来两个问题：一是图像不同区域具有不一致的预放缩系数，当被压缩时图像的细节信息会被部分丢失，即使再被光学系统200放大也无法重新获得。因此，虽然观察者看到的图像不会扭曲失真，仍然保持原始图像的形状规则，但图像的四角清晰度会明显下降。二是驱动端图像的预处理，会耗用主机计算单元(CPU、GPU、ASIC等)的计算资源，带来成本、功耗的上升或系统性能的下降。

鉴于此，本实用新型实施例提供了一种像素结构，应用于上述光学成像系统所包括的显示装置100。该像素结构所包括的每一个像素单元在显示面板上的位置根据光学系统200的畸变设置，使得显示装置100所显示的图像具有与上述光学系统200相反的畸变效果，能够有效地补偿光学系统200的畸变。

光学系统200的畸变可以分为径向畸变和切向畸变，其中切向畸变对成像结果的影响较小，通常可以忽略。通常情况下，可以忽略高阶项，将光学系统的径向畸变模型可以近似表示为：

式(1)中，(x_j，y_j)、(x_d，y_d)分别对应有、无畸变的像点坐标，(x_c，y_c)为光学系统200的畸变中心。T(q)为径向畸变率，其可以表示为：

T(q)＝k₁q²+k₂q⁴+k₃q⁶+…(2)

式(2)中，q为像点到畸变中心的距离，可以表示为：k₁、k₂及k₃为光学系统200的畸变系数。通常情况下，为了简化计算难度，可以根据所允许的误差范围忽略高阶项，将径向畸变率T(q)近似为：T(q)＝k₁q²+k₂q⁴+k₃q⁶。当然，也可以只保留前两项，即T(q)＝k₁q²+k₂q⁴。

基于上述分析，本实施例提供的像素结构包括多个像素单元121，每一个像素单元121可以包括红色子像素、绿色子像素及蓝色子像素。每一个像素单元121在显示面板120上的位置与每一个像素单元121的偏移中心、每一个像素单元121的偏移量及每一个像素单元121的像素坐标成第一预设关系。其中，所述偏移中心对应于所述光学系统的畸变中心，所述偏移量对应于所述光学系统的畸变率。对应于光学系统可能存在的桶形畸变或枕形畸变，本实施例提供的像素结构可以为如图5所示的结构，用于匹配具有枕形畸变的光学系统。或者，也可以为如图6所示的结构，用于匹配具有桶形畸变的光学系统。

其中，每一个像素单元121的像素坐标与像素结构的分辨率有关。例如，像素结构的分辨率为40×30，表示水平方向的像素单元121的个数为40个，垂直方向的像素单元121的个数为30个，此时，位于第n行第m列的像素单元121的像素坐标为(n，m)。

进一步地，为了补偿上述光学系统200的畸变，每一个像素单元121的偏移量对应于光学系统200的径向畸变率。因此，每一个像素单元121的偏移量、光学系统200的畸变系数以及每一个像素单元121与偏移中心之间的距离成第二预设关系。具体的，所述第二预设关系可以为：

ξ＝k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶ (3)

式(3)中，ξ为当前像素单元121的偏移量，r为当前像素单元121与偏移中心之间的距离，k₁、k₂、k₃为上述光学系统200的畸变系数。考虑到显示面板120的长宽比的修正关系，当像素结构的分辨率为i×j时，每一个像素单元121与偏移中心之间的距离r可以根据公式：得到。其中，(x，y)为当前像素单元121在显示面板120上的位置，(x₀，y₀)为当前像素单元121的偏移中心。

每一个像素单元121的偏移中心对应于光学系统200的畸变中心。根据径向畸变模型可以得到光学系统200的畸变中心的计算模型，从而求解畸变中心。径向畸变模型中，畸变中心和畸变系数为非线性关系。例如，可以利用透视交叉比不变性将畸变中心从径向畸变模型中分离出来建立计算模型，从而求解得到光学系统200的畸变中心。

本实施例中，考虑到光学成像系统的成本及轻便性，光学系统200一般采用单个会聚透镜，例如，球面透镜或菲涅尔透镜。此时，为了简化计算量，也可以将光学系统200的畸变中心近似为会聚透镜的像平面的中心，即光学系统200的光轴与像平面的交点，可以近似认为该交点处的畸变为0。

因此，当仅考虑光学系统200的径向畸变，且光学系统200的光轴与显示面板120垂直时，可以将光学系统200的光轴与显示面板120的交点作为像素单元121的偏移中心。

本实施例中，如图7所示，当光学系统200为单目光学系统，本实施例提供的像素结构所包括的多个像素单元121的偏移中心可以为显示面板120的中心点P。使用时包括该像素结构的显示装置100所构成的光学成像系统时，需要调节对应光学系统200的位置，使得该光学系统200的光轴201垂直于显示装置100，且经过显示装置100的显示面板120的中心点P。

当光学系统200为双目光学系统时，其包括第一光学系统210和第二光学系统220。位于显示装置100的左侧区域的多个像素单元的第一偏移中心为所述显示装置100的左侧区域的中心点P1，位于显示装置100的右侧区域的多个像素单元的第二偏移中心为显示装置100的右侧区域的中心点P2。例如，当显示装置100用于匹配具有枕形畸变的光学系统时，其像素结构如图8所示。当然，显示装置100的左侧区域为显示装置100的显示面板120的左侧区域A，显示装置100的右侧区域为显示装置100的显示面板120的右侧区域。使用包括该像素结构的显示装置100所构成的光学成像系统时，需要调节第一光学系统210和第二光学系统220的位置，使得第一光学系统210的光轴211垂直于显示装置100，且经过其显示面板120的左侧区域A的中心点P1，使得第二光学系统220的光轴221垂直于显示装置100，且经过其显示面板120的右侧区域B的中心点P2，如图9所示。

为了观察到较清晰的图像，观察者的左眼瞳孔310和右眼瞳孔320应该也分别位于第一光学系统210的光轴211和第二光学系统220的光轴221上，如图9所示。可以理解的是，对应于双目光学系统的显示装置100中，显示面板120的左侧区域的中心点P1与右侧区域的中心点P2之间的横向距离，即第一偏移中心与第二偏移中心的横向距离与人的左眼瞳孔310中心和右眼瞳孔320中心的平均距离之间的差值应在预设范围内。其中，人的左眼瞳孔310的中心和右眼瞳孔320的中心之间的平均距离可以通过取样得到，所述预设范围根据多次试验得到。优选的，第一偏移中心与第二偏移中心之间的横向距离与人的左眼瞳孔310中心和右眼瞳孔320中心的平均距离一致。

进一步地，获取上述光学成像系统中的光学系统200的径向畸变系数的具体实施方式可以为：利用Zemax、Matlab等仿真分析软件，根据光学系统200所包括的透镜的折射率及几何参数得到。具体的，可以通过上述仿真分析软件获得光学系统200的点列图，然后按照上述径向畸变模型拟合点列图中的多个像点得到光学系统200的径向畸变系数。

此外，获取上述光学成像系统中的光学系统200的径向畸变系数的具体实施方式还可以为通过张氏标定法对上述光学系统200进行标定以得到光学系统200的径向畸变系数。具体的操作过程包括：

在现有的像素单元121均匀、等距且周期性排列的显示装置100上显示棋盘格图像作为标定参照物。或者，也可以在显示装置100的位置放置一张印制有棋盘格图像的白纸。在观察者的人眼位置放置感光成像元件，例如CCD成像单元，用于为标定参照物拍摄照片。从照片中提取特征点，例如角点。进一步，应用特征匹配法、最小二乘法、极大似然估计法等线性代数和统计方法获得光学系统200的径向畸变系数。

因此，对于特定分辨率的像素结构，当获取到每一个像素单元121的偏移中心以及光学系统200的径向畸变系数时，根据上述式(3)可得，每一个像素单元121的偏移量即为关于像素单元121在显示面板120上的位置坐标的函数。

基于以上分析，根据光学系统200的径向畸变模型，上述第一预设关系可以表示为：

式(4)中，(x′，y′)为当前像素单元121的像素坐标，(x，y)为当前像素单元121在显示面板120上的位置坐标，(x₀，y₀)为当前像素单元121的偏移中心，ξ为当前像素单元121的偏移量。将上述式(3)带入式(4)中即可以得到：

此时，对于特定分辨率的像素结构，当已知光学系统200的径向畸变系数以及每一个像素单元121的偏移中心时，根据上述式(5)即可以得到每一个已知像素坐标的像素单元121在显示面板120上的位置。

需要说明的是，为了消除显示面板120的长宽比对像素单元121的位置的影响，可以在式(5)中对坐标进行归一化处理，即将(x，y)为像素单元121在显示装置100上的相对位置坐标，(x₀，y₀)为当前像素单元121的偏移中心在显示面板120上的相对位置坐标，相应的，(x′，y′)为所述当前像素单元121的相对像素坐标。

假设像素结构的分辨率为i×j，对于第n行第m列的像素单元121，其像素坐标为(n，m)，该像素单元121在显示面板120上的物理坐标为(u，v)，该像素单元121对应的偏移中心的物理坐标为(u₀，v₀)且显示面板120的宽度为w，高度为h。以显示面板120的左上角为像素坐标的起点(1，1)以及物理坐标的原点(0，0)，且显示面板120的宽度方向为横轴x，高度方向为纵轴y。此时，(x，y)＝(u/w，v/h)，其中，0≤u/w≤1，0≤v/h≤1。均大于或等于0且小于或(x′，y′)＝(m/i，n/j)，(x₀，y₀)＝(u₀/w，v₀/h)。

此时，对式(5)中的各位置参数进行归一化处理后，可以表示为：

且式(6)中，此时，根据式(6)可知，像素单元121的像素坐标(n，m)在本实施例提供的显示面板120上的物理坐标(u，v)。

因此，当光学系统200为单目光学系统，且将显示面板120的中心点P作为像素单元121的偏移中心时，(x₀，y₀)＝(u₀/w，v₀/h)＝(0.5，0.5)。

当光学系统200为双目光学系统时，且将显示面板120的左侧区域A的中心点P1作为位于显示面板120的左侧区域A的多个像素单元121的第一偏移中心，将显示面板120的右侧区域B的中心点作为位于显示面板120的右侧区域B的多个像素单元121的第二偏移中心。此时，第一偏移中心为(0.25，0.5)，第二偏移中心为(0.75，0.5)。也就是说，对应于双目光学系统的显示装置100，每一个像素单元121在显示面板120上的位置与该像素单元121是位于显示面板120的左侧区域A，还是位于显示面板的右侧区域B有关。上述式(6)可以具体表示为：

当u/w小于0.5时，

当u/w大于0.5时，

此时，就可以相应的得到位于显示面板120的左侧区域的多个像素单元121在显示面板120上的具体位置以及位于显示面板120的右侧区域的多个像素单元121在显示面板120上的具体位置。例如，可以得到显示面板120的特定位置(如横向3.3毫米，纵向1.7毫米)属于第几行第几列的像素单元121，或者是，特定行列的像素单元121的中心在显示面板120的物理位置。

综上所述，本实用新型实施例提供的像素结构摒弃了传统的像素单元121均匀、等距且周期性排列的方式，每一个像素单元121在显示面板120上的位置根据对应的光学系统200的畸变情况设置，具体可以根据每一个像素单元121的偏移中心、每一个像素单元121的偏移量及每一个像素单元121的像素坐标设置。其中，上述偏移中心对应于该光学系统200的畸变中心，上述偏移量对应于该光学系统200的畸变率。因此，本实施例提供的像素结构所包括的像素单元121具有不规则排布，将具有本实用新型实施例提供的像素结构的显示装置与对应的光学系统构成光学成像系统，当输入规则、无变形的原始图像时，该显示装置所显示的图像具有与该光学系统200相反的畸变效果，，能够有效地补偿该光学系统200的畸变，从而改善了光学成像系统的成像质量，保证了观察者所看到的图像的清晰度。

另外，本实用新型实施例还提供了一种显示面板，包括上述实施例提供的像素结构。本实施例提供的显示面板中，每一个像素单元121在显示面板上的位置与每一个像素单元121的偏移中心、每一个像素单元121的偏移量及每一个像素单元121的像素坐标成上述的第一预设关系。其中，所述偏移中心对应于与该显示面板匹配的光学系统的畸变中心，所述偏移量对应于上述光学系统的畸变率。

进一步，本实用新型实施例还提供了一种显示装置，包括上述实施例提供的像素结构。需要说明的是，本实施例提供的显示装置可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、发光二极管显示器、数字光处理显示器、等离子显示器或阴极射线管显示器，在此不做限定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。