一种多方向背光模组及含多方向背光模组的集成成像显示装置和显示方法与流程

本发明涉及一种集成成像显示装置，尤其涉及一种含多方向背光模组的集成成像显示装置和显示方法，属于三维显示技术领域。

背景技术：

集成成像显示是采用微透镜阵列和2D显示面板来实现光学再现3D图像的显示技术。是具有全视差、全彩色3D图像、准连续视点的裸眼三维显示技术，集成成像被视为理想裸眼三维显示装置之一。当二维显示面板显示图像元图像时，所采用透镜元阵列将选择合适方向光线空中再现形成集成3D图像。

在一定2D显示面板分辨率条件下，传统集成成像显示系统的观看视角、图像分辨率、图像深度成相互制约的关系。并且传统集成成像显示系统的观看视角具有窄视角(6°)特性，适合于单个用户。对于多用户，可以通过增加集成成像显示系统的观看视角实现，但是会牺牲图像分辨率和图像深度的质量。因此一种既不降低集成成像显示系统的图像分辨率和图像深度的质量，还可以满足多用户观看的集成成像显示装置的开发很有必要。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种含多方向背光模组的集成成像显示装置，该装置在不降低集成成像显示装置图像分辨率和图像深度质量的基础上，还可以满足多用户观看的需求。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种多方向背光模组，所述多方向背光模组由多方向背光单元为重复单元构成；其中，每个多方向背光单元含有多种不同角度的衍射光栅，从不同角度的衍射光栅衍射出不同方向的出射光。

其中，所述多方向背光模组包括LED灯条、导光板、以及由多个薄透镜构成的薄透镜阵列，所述导光板上表面刻蚀有多个不同角度的衍射光栅，LED灯条发出的光通过薄透镜阵列进入导光板，光线以全反射形式在导光板内部传播、并经衍射光栅出射。

其中，所述LED灯条包括多个LED，每个LED与薄透镜阵列中的每个薄透镜一一对应，其中，每个LED位于对应的薄透镜的焦点位置上。

其中，所述导光板由PMMA、Glass、PC或Zeonor材料制成。

一种多方向背光模组的集成成像显示装置，包括LCD显示屏、位于LCD显示屏背后的多方向背光模组、以及位于LCD显示屏前侧的微透镜阵列；其中，所述多方向背光模组由多方向背光单元为重复单元构成；其中，每个多方向背光单元含有多种不同角度的衍射光栅，所述LCD显示屏包括多个显示图像元区域，每个显示图像元区域含有多个不同方位角的子图像元，所述微透镜阵列由多个呈矩阵式排布的透镜元组成。

其中，所述多方向背光单元、显示图像元区域、透镜元呈一一对应，其中，多方向背光单元里对应衍射光栅出射的方向性光对对应方位角的子图像元进行照明，并通过同一个对应的透镜元成像形成多个不同角度的集成图像。

其中，对应方向衍射光栅在既定距离的照明面积与子图像元的区域面积一致，或超过对应子图像元的区域面积但不与该对应子图像元的相邻子图像元相接。

其中，所述透镜元的尺寸大于或等于与其对应的多方向背光单元和显示图像元区域的区域面积。

一种集成成像显示装置的显示方法，包括如下步骤：

步骤A：多方向背光模组中LED灯条发出的光通过薄透镜列阵进入导光板；

步骤B：经由导光板上表面的衍射光栅射出，多方向背光模组中不同方向的衍射光栅衍射出不同方向的出射光，不同方向的出射光照射在与该衍射光栅对应的子图像元上；

步骤C：通过对应的透镜元在空中成像；其中，子图像元的方位角信息与对应的衍射光光线方向一致。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

本发明的多用户集成成像显示装置在不降低集成成像显示装置图像分辨率和图像深度质量的基础上，还可以满足多用户观看的需求；其具体具有以下优点：首先，该集成成像显示装置能够再现出更多的3D显示信息，其次，多用户位于空间中不同的观看位置(观看视区)，能够看到不同的3D图像，再次，在一定观看距离条件下，当用户在相邻观看视区移动过程中，可以产生犹如观看真实场景的感受，最后，该集成成像显示装置能够消除传统集成成像显示装置的挡板(Barrier)设置，优化了装置的结构。

附图说明

图1为本发明多用户集成成像显示装置的结构示意图；

图2为本发明多方向背光模组的结构示意图；

图3为本发明多用户集成成像显示装置中多方向背光单元的结构示意图；

图4为本发明多用户集成成像显示装置中显示图像元区域的结构示意图；

图5为本发明多用户集成成像显示装置中透镜元的结构示意图；

图6为多用户观看本发明集成成像显示装置的示意图；

图7为本发明多用户集成成像显示装置的工作原理图；

图8～图11为本发明多用户集成成像显示装置中多方向背光模组与LCD显示屏之间的对应关系示意图；

图12～图13为子图像元与对应方向的衍射光线之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步说明。应理解，这些实施案例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

如图1～5所示，本发明含多方向背光模组的集成成像显示装置8，包括LCD显示屏1以及位于LCD显示屏1背后的多方向背光模组2和位于LCD显示屏1前侧的微透镜阵列3；其中，多方向背光模组2由多方向背光单元21为重复单元组成，每个多方向背光单元21含有多种不同角度方向的衍射光栅22，不同角度方向的衍射光栅22发出不同空间角度的出射光；LCD显示屏1包括多个显示图像元区域11，每个显示图像元区域11含有多个不同方位角的子图像元111；微透镜阵列3由多个呈矩阵式排布的透镜元31组成；多方向背光单元21、显示图像元区域11、透镜元31呈一一对应关系，多方向背光单元21里对应的衍射光栅22出射的方向性光对对应方位角的子图像元111进行照明，最终，通过同一个对应的透镜元31形成多个不同相应角度的集成图像。

本发明多方向背光模组2包括LED灯条4、以薄透镜构成的薄透镜列阵5以及导光板6，导光板6上表面蚀刻有多个不同角度方向的衍射光栅，LED灯条4发出的光通过薄透镜列阵5进入导光板，再经过衍射光栅射出；LED灯条4由多个LED组成，每个LED与薄透镜阵列5中的薄透镜一一对应，其中，LED位于对应薄透镜的焦点位置上，f为薄透镜的焦距。导光板可采用PMMA(亚克力)、Glass(玻璃)、PC(聚碳酸酯)或Zeonor(环烯的热可塑性树脂)材料制成。

当LED发出点光源通过薄透镜后变成平行光线，该平行光线以满足导光板全反射条件的一定入射角度入射至导光板侧表面，从而平行光线以全反射的形式在导光板内部传播，当平行光源传播至衍射光栅区域，该光源将从衍射光栅区域出射。衍射光栅是通过在导光板上表面刻蚀或沉积而形成，衍射光栅的间距大小和衍射光栅关于y轴角度大小是根据所需出射光的方向设置。

本发明多用户集成成像显示装置的微透镜阵列3是由同一个透镜元31为重复单元构成，是作为空中再现集成图像的元件；LCD显示屏1是作为显示图像元的介质；多方向背光模组2是作为LCD显示屏1所需的背光照明。

为了防止串扰的产生，对应方向衍射光栅在既定距离d的照明面积与子图像元的区域面积一致，或超过对应子图像元的区域面积但不与该对应子图像元的相邻子图像元相接，d为导光板上表面与LCD之间的距离；透镜元的大小大于或等于与其对应的多方向背光单元和显示图像元区域的区域面积，每个多方向背光单元的信息都不同，每个显示图像元区域的信息都不同。

本发明集成成像显示装置的显示方法，多方向背光模组中LED灯条发出的光通过薄透镜列阵进入导光板，再经由导光板上表面的衍射光栅射出，多方向背光模组中不同方向的衍射光栅衍射出不同方向的出射光，不同方向的出射光照射在与该衍射光栅对应的子图像元上，再通过对应的透镜元在空中成像；其中，子图像元的方位角信息与对应的衍射光光线方向一致。

为了降低不同波长光通过衍射光栅后的出光角度的的不同，LED白光光谱为窄带R、G、B光谱，白光LED为量子点发光二极管(QLED)，或者蓝光LED与量子点膜组合后的光源。

如图6所示，当LCD显示屏1上的显示图像元区域11上具有不同方位角信息的子图像元111，对应的多方向背光单元21上的多个不同的衍射光栅22发出空间中不同方向的背光，从而在对应的中央深度平面附近再现出多个不同的集成图像7，并且多个不同的集成图像位于空间中不同位置，当多个用户处在不同的位置，可以观看到不同的3D图像，并且当用户在移动过程中，可以观看到同一场景再现出来的不同侧面的3D图像，用户可以感知到犹如在真实场景观看的感受。

如图7所示，以LCD的左下角为原点o，以LCD的水平方向为x轴，以LCD的垂直方向为y轴，以垂直于面xoy的方向为z轴。以一维为例，本发明以集成成像显示的实模式为例，即透镜元与LCD之间的距离g大于透镜元焦距f₁，所成像为子图像元发出的光线通过对应的透镜元汇聚在透镜元阵列的前方形成实像。

E₀、E₁、E₂、E₃、E₄、E₅分别表示多方向背光单元，A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅分别表示显示图像元区域，0、1、2、3、4、5分别表示微透镜阵列中的透镜元。C_0-0、C_1-0、C_2-0、C_3-0、C_4-0、C_5-0分别表示子图像元，对应的下标第一个序号0、1、2、3、4、5分别表示子图像元通过对应的透镜元成像，并且对应的子图像元分别位于对应的显示图像元区域内，如子图像元C_1-0是通过透镜元1进行成像的，并且位于显示图像元区域A₁内，对应的下标第二个序号0、0、0、0、0、0分别表示子图像元C_0-0、C_1-0、C_2-0、C_3-0、C_4-0、C_5-0为含有相同方位角三维场景信息的子图像元。D_0-0、D_1-0、D_2-0、D_3-0、D_4-0、D_5-0分别表示能够衍射不同方向光的衍射光栅，分别对子图像元C_0-0、C_1-0、C_2-0、C_3-0、C_4-0、C_5-0进行照明，并且设置对应的衍射光栅出射出来的光对相距d的LCD的照度区域与子图像元区域的要一一对应。图中，P_L表示微透镜阵列中的透镜元节距；g表示微透镜阵列与LCD相距的距离；L表示中央深度平面的位置，中央深度平面与微透镜阵列之间的距离。B₀、B₁、B₂、B₃、B₄、B₅表示子图像元C_0-0、C_1-0、C_2-0、C_3-0、C_4-0、C_5-0分别通过对应透镜元0、1、2、3、4、5形成的像。

图8～图11表示多方向背光模组与LCD显示屏的分布单元之间对应关系示意图，i、j分别表示衍射光栅和子图像元分别在x轴和y轴方向上的次序；k、g分别表示多方向背光单元和显示图像元区域分别在x轴和y轴方向上的次序。多方向背光单元21E_kg表示二维次序k、g的多方向背光单元；显示图像元区域11A_kg表示二维次序k、g的显示图像元区域。衍射光栅22D_ij-kg表示多方向背光单元E_kg内的二维次序i、j的衍射光栅；子图像元111C_ij-kg表示显示图像元区域A_kg内的二维次序i、j的子图像元。衍射光栅D_ij-kg发出的光是对对应的子图像元C_ij-kg进行照明。其中，i＝0，1，2...，j＝0，1，2...，k＝0，1，2...，g＝0，1，2...。

空间再现多个集成图像的空间位置是由多方向背光单元的各个衍射光的方向决定，并且多方向背光模组中的各个多方向背光单元中所含的各个衍射光的方向是不一样的，如多方向背光单元E₀₀与多方向背光单元E₀₁中所含的各个衍射光的方向是不一样的，但E₀₀中的D_00-00与E₀₁中的D_00-01是形成同一个集成图像所需的不同方向光线信息。D_00-00所对应的子图像元C_00-00和D_00-01所对应的子图像元C_00-01是形成同一集成图像所需的方位角的图像元信息，从而子图像元C_00-00和子图像元C_00-01分别通过对应的透镜元形成集成图像。

本发明采用图像深度Δz_m、图像分辨率RI、来表述该显示系统的集成图像的性能。

集成图像深度公式：

集成图像分辨率公式：

其中，P_x表示LCD的像素大小；P_L表示透镜元的大小；g表示透镜元阵列与LCD之间的距离；L表示中央深度平面至透镜元阵列之间的距离。

为了更好的再现出多个集成图像，通过微透镜阵列记录的子图像元所包含的光线的方向信息与不同方向的衍射光要一一对应。其中图像元区域中的每个子图像元，每个集成图像是由多个不同方位角信息的子图像元通过对应的透镜元形成，其中，子图像元的方位角信息与对应的衍射光光线方向要一致。如图12～13所示，l₁、l₂、l₃表示不同方向的衍射光，I₁、I₂、I₃表示含有不同方向光的子图像元，其中，l₁与I₁所涉及光的方向是一致的。衍射光l₁是对I₁照明后通过透镜元空中成像。