專利名稱：回收式背光照明自由立體成像裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自由立體圖像成像裝置及其圖像顯示方法，特別是涉及一種高亮度平板立體成像裝置及其圖像顯示方法，屬于信息顯示技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
立體圖像顯示器將場景的三維信息完全地再現(xiàn)出來，顯示的是具有縱深感的圖像。猶如觀看立體電影那樣，觀看者可以直接看出圖像中景物的遠近、縱深，猶如身臨其境，獲得強烈的視覺沖擊。
有別于佩帶立體眼鏡觀看的立體顯示器，自由立體顯示器無需借助任何輔助工具，肉眼可以在屏幕上直接觀看到立體畫面，即自由立體顯示(Auto-stereoDisplay)或無眼鏡立體顯示(Stereo Display without Glasses)技術(shù)。目前，平板型自由立體液晶顯示方式可以分為三大類第一類基于狹縫背光照明，這種方式具有平面與立體顯示兼容的優(yōu)點，但在立體顯示的情況下，顯示亮度下降很大。第二類基于前置式狹縫光柵，這種方式具有平面與立體顯示兼容的優(yōu)點，但在立體顯示的情況下，顯示亮度下降也很大。第三類基于前置式柱面光柵，這種方式的立體顯示亮度與同等的平面顯示器顯示亮度相同，但不兼容立體顯示。
自由立體顯示的主要技術(shù)指標包括1、有效觀看區(qū)即能夠使觀看者清晰觀看到立體圖像的空間區(qū)域。在此區(qū)域，觀看者的每只眼睛只能單獨觀看到單視點畫面，不會出現(xiàn)串影(Cross talk)現(xiàn)象。有效觀看區(qū)的大小與串影區(qū)域有關(guān)，在串影區(qū)，觀看者的眼睛不能單獨觀看到單視點畫面，而是同時觀看到左右畫面，從而導致立體顯示效果下降。串影現(xiàn)象嚴重的情況下，顯示器的立體顯示效果將完全散失，圖像重影嚴重。在目前的三大類平板型自由立體液晶顯示方式中，串影現(xiàn)象是無法避免的問題。
2、兼容性是立體顯示器的另一個主要技術(shù)指標，在目前平面顯示器占據(jù)顯示器幾乎100％市場的情況下，立體顯示器必須具有與平面顯示器兼容的性能，也就是說立體顯示器既能顯示立體圖像又可以顯示平面圖像。
3、立體顯示亮度理想的立體顯示方式應(yīng)當能夠做到立體顯示模式下的現(xiàn)實亮度與平面顯示模式下的現(xiàn)實亮度沒有明顯的亮度變化。
美國專利6040807，該專利的照明光源需要平面發(fā)光體3或者可以形成均勻的平面光的部件(如散射面板+多管照明燈管陣列141)，如圖1、圖2所示，圖1是美國專利6040807光源結(jié)構(gòu)圖，圖2是美國專利6040807立體顯示器結(jié)構(gòu)圖，光線由平面光源經(jīng)過狹縫基板3a或16的下表面透射，從下方直接照射狹縫。其狹縫基板3a下表面的根本作用是讓下方的平面光源的光線透過，是光線的透射界面而非反射界面。經(jīng)狹縫反射的光線會被狹縫基板3a的下表面反射，不過，該表面對光線所起的反射作用，是未經(jīng)任何特殊處理的玻璃界面的自然屬性，任何透明材料的界面都存在折射和反射兩種屬性。另外，其狹縫基板下表面的主要作用是讓光線盡可能低透射，所以不能做任何的提高反射率的處理。
在與本發(fā)明所涉及的背光照明立體顯示方式中，目前采用的背光照明方式存在的最大問題是，立體顯示模式下的顯示亮度與同等參數(shù)的平面圖像顯示亮度下降很大。如圖3所示，圖3是狹縫背光照明的串影現(xiàn)象分析示意圖，對于照明狹縫的發(fā)光單元a0，在設(shè)計的最佳觀看平面的成像區(qū)域為A01A02，OA01、OA02段各形成左右兩幅獨立的圖像。當光源擴展為a1a2時，觀看平面的成像區(qū)域擴展為A21A12，中央O1O2存在左右圖像交叉，在圖像交叉區(qū)域出現(xiàn)串影現(xiàn)象。只有O1A21和O2A12分別是單純的左、右圖像成像區(qū)域，即有效的立體圖像顯示區(qū)域。
設(shè)狹縫寬為p，狹縫與圖像平面距離為d，圖像單元寬為t。則圖像的重疊率為R＝p/t。
設(shè)計的最佳圖像觀看平面的串影區(qū)與理想觀看區(qū)之間的比值與圖像的重疊率R相等，R越大，串影越嚴重。顯然，當光源的狹縫寬度p等于零時，設(shè)計最佳觀看平面的串影現(xiàn)象消失。
因此，為了得到理想的自由立體顯示效果，必須在保證足夠顯示亮度的前提下，盡可能地減小狹縫光源的狹縫寬度。
實際上，背光照明立體顯示方式下，有效觀看區(qū)的擴大和顯示亮度兩者之間存在著相互的矛盾1、為了擴大有效觀看區(qū)，必須縮小狹縫照明光源的狹縫寬度。
2、為了提高顯示亮度，必須充分利用背光能量。因此，照明光源的狹縫寬度越大，顯示亮度越亮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的利用光回收技術(shù)，構(gòu)成對背光回收利用，使得背光源的光強度得到充分利用，同時又能提供極其狹窄的陣列狹縫照明光源，從而根本上解決了串影問題與顯示亮度之間的矛盾，同時具有很好的平面顯示兼容性的回收式背光照明自由立體成像裝置及其方法。
為達到上述目的，本發(fā)明是采取以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種回收式狹縫背光照明自由立體成像裝置，它包括一個半封閉的光回收機構(gòu)和圖像層，所述的半封閉的光回收機構(gòu)包括狹縫反射膜和底層反射膜，狹縫反射膜和底層反射膜鍍制在同一塊基板上或分別鍍制在各自不同的基板上形成中空結(jié)構(gòu)。光線在機構(gòu)內(nèi)往復反射后從狹縫射出，形成高亮度狹縫光源。圖像層位于狹縫光源的狹縫反射膜層上方，顯示內(nèi)容是交替排列的立體圖像對陣列。立體圖像單元的寬度t與狹縫間隔(g)之間的關(guān)系是t＝g-Δg。其中，Δg是狹縫間隔g的微小變量值，與設(shè)計最佳觀看距離有關(guān)。狹縫光源照射圖像顯示層，并將立體圖像對陣列投射到成像裝置的圖像顯示空間，形成立體圖像。
前述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在狹縫反射膜的狹縫處印制折射率大于基板折射率的漫射體，所述的折射率至少在90％以上。以減小光回收機構(gòu)內(nèi)光的反射次數(shù)、增加狹縫光源的發(fā)散角，基板上下表面還增加漫射體，或者底層反射膜基板和狹縫反射膜基板的內(nèi)側(cè)增加漫射體。
前述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在狹縫反射膜的前面還添加一片柱面光柵或液晶柱面透鏡。
前述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在柱面光柵或液晶柱面透鏡的前面還有一片聚合物分散液晶板。
前述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在與燈管相對的基板側(cè)面還鍍制有一側(cè)面反射膜，所述的側(cè)面反射膜與狹縫反射膜和底層反射膜鍍制在同一塊基板上或分別鍍制在各自不同的基板上形成中空結(jié)構(gòu)，側(cè)面反射膜置于在基板燈管的相對側(cè)面，側(cè)面反射膜、狹縫反射膜與底層反射膜之間構(gòu)成四邊形的三個邊。為了提高對光線的捕獲能力，可以將側(cè)面反射膜與狹縫反射膜之間的平行關(guān)系加以改進，使其兩者之間有所傾斜，形成一個夾角。這樣側(cè)面反射膜、狹縫反射膜與底層反射膜之間就構(gòu)成一個三角形。為了提高狹縫光源亮度的均勻性，基板上下表面可增加有規(guī)律性分布的漫射體，或者底層反射膜基板和狹縫反射膜基板的內(nèi)側(cè)增加有規(guī)律性分布的漫射體；所謂規(guī)律性分布系指漫射體的分布密度不同，靠近燈管處的漫射體稀疏，距離燈管越遠、漫射體的密度越密。
前述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在狹縫反射膜的前面還有一片聚合物分散液晶板。
利用回收式背光照明自由立體成像裝置獲得高亮度平面兼容立體圖像的方法，其特征在于狹縫反射膜、底層反射膜具有至少大于90％的可見光反射率，導入基板的光束在狹縫反射膜與底層反射膜之間來回反射，包括(1)光束經(jīng)機構(gòu)中來回反射后從狹縫射出；(2)從狹縫中射出的發(fā)光單元直線傳播，經(jīng)立體顯示器的圖像顯示層后，將圖像成像在顯示器的顯示空間，在觀看面形成左右兩幅單純的圖像，即形成圖1所示的OA01、OA02、沒有圖像重疊的區(qū)域；(3)當觀看者的左眼置于左圖像的成像空間、右眼置于右圖像的成像空間時，將觀看到立體圖像。
前述的利用回收式背光照明自由立體成像裝置獲得高亮度平面兼容立體圖像的方法，其特征在于所述的光束經(jīng)來回反射后從狹縫中射出包括以下幾種情況(1)光束投射到狹縫反射膜后被反射并經(jīng)底層反射膜再次反射，這樣經(jīng)至少兩次反射之后，最終從狹縫射出；(2)或光束直接投射到狹縫處，因基板折射率大于狹縫處介質(zhì)的折射率，光被全反射回基板，再經(jīng)底層反射膜反射，經(jīng)至少兩次往復反射后從狹縫射出；(3)或光束投射到狹縫處，并且入射角小于全反射臨界角，從狹縫射出。
前述的利用回收式背光照明自由立體成像裝置獲得高亮度平面兼容立體圖像的方法，其特征在于所述的顯示器中所述的柱面光柵是可移動的。
本發(fā)明的有益效果是采用側(cè)射式照明結(jié)構(gòu)，光線往復反射的上下反射面反射膜的反射率90％以上，透射率為零，沒有任何透射光線；不需要散射層構(gòu)成均勻的平面光源，也不需要平面形狀的發(fā)光體，自行形成平面光照明，具有回收率高，亮度高的特點，且能實現(xiàn)立體和平面顯示的兼容，從根本上解決了串影問題與顯示亮度之間的矛盾，具有很好的對觀看者進行頭部跟蹤(視點跟蹤)的能力。


圖1是美國專利6040807光源結(jié)構(gòu)圖；圖2是美國專利6040807立體顯示器結(jié)構(gòu)圖；圖3是狹縫背光照明的串影現(xiàn)象分析示意圖；圖4是高亮度狹縫背光的光回收原理圖；圖5是高亮度狹縫背光照明方案示意圖；圖6是高亮度調(diào)制狹縫背光照明方案示意圖；圖7是高亮度狹縫照明式立體液晶顯示器示意圖；
圖8是左右圖像交替顯示的一種方式的示意圖；圖9是高亮度狹縫照明式立體液晶顯示器原理分析示意圖。
附圖4-9中主要附圖標記含義1、狹縫反射膜 2、基板3、狹縫 4、底層反射膜5、導光板 6、漫射體7、柱面光柵 8、側(cè)面反射膜9、回收式狹縫光源 10、PDLC11、可調(diào)制回收式狹縫光源12、液晶顯示屏具體實施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的分析基于上述方案，本發(fā)明提出利用“光回收”而非遮擋的辦法，得到高亮度的狹縫光源，其原理性結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4是高亮度狹縫背光的光回收原理圖，設(shè)狹縫反射膜、底層反射膜具有足夠高的可見光反射率(一般要求大于90％)，導入基板的光束在狹縫反射膜與底層反射膜之間來回反射，可歸納為三種情況。
第一種如圖中的光束a，投射到狹縫反射膜后被反射并經(jīng)底層反射膜再次反射，這樣多次往復反射之后，最終從狹縫射出；第二種如圖中的光束b，投射到狹縫處，如果基板折射率大于狹縫處介質(zhì)的折射率，則被全反射回基板，經(jīng)底層反射膜反射，多次往復反射后從狹縫射出；第三種如圖中的光束c，投射到狹縫處，并且入射角小于全反射臨界角，從狹縫射出。
圖4中的基板也可以不采用導光板，而直接使用空氣。這樣，狹縫反射膜、底層反射膜分別鍍制在不同的基板上，兩者之間形成“中空”(Hollow structure)式的結(jié)構(gòu)，而不是采用基板那樣的實心結(jié)構(gòu)。為了提高狹縫光源亮度的均勻性，基板上下表面可增加有規(guī)律性分布的漫射體，或者底層反射膜基板和狹縫反射膜基板的內(nèi)側(cè)增加有規(guī)律性分布的漫射體。
5是高亮度狹縫背光照明方案示意圖。如圖5所示，利用液晶顯示器原有的導光板構(gòu)成光回收式高亮度狹縫照明模塊。在導光板的上端面鍍制狹縫反射膜，在透光狹縫處印制高折射率漫射體。反射狹縫也可以不直接鍍制在導光板上，而制作在獨立的基體上再與導光板相連接。導光板的底部和沒有燈管的側(cè)面加鍍反射膜。為了進一步減小狹縫光的寬度，同時也為了壓縮狹縫光發(fā)散角，在導光板上部再增加柱面光柵板。通過機械的方式移動柱面光柵板，可以改變狹縫光源相對于圖像層的空間位置，有限地跟蹤觀看者視點的變化，擴大立體視角。
圖5所示的方案可以進一步加以改進，得到其它性能的照明光源。例如圖6所示的結(jié)構(gòu)，圖6是高亮度調(diào)制狹縫背光照明方案示意圖，將柱面光柵改成液晶柱面透鏡，并添加聚合物分散液晶板(PDLC)。通過對液晶柱面透鏡的調(diào)制，可以改變柱面透鏡的分布狀態(tài)，改變照明狹縫的空間位置，從而實現(xiàn)對視點的跟蹤，擴大立體視角。聚合物分散液晶板的作用是實現(xiàn)平面與立體顯示的兼容。因為PDLC可以在電壓的控制下呈現(xiàn)透明和漫射這兩種不同的狀態(tài)，對于立體顯示，需要形成狹縫照明光源，置PDLC處于透明狀態(tài)；對于平面顯示，需要形成均勻照明光源，置PDLC處于漫射狀態(tài)，PDLC就相當于一個漫射體，使狹縫光轉(zhuǎn)變成均勻的照明光源。
圖7是高亮度狹縫照明式立體液晶顯示器示意圖。如圖7，狹縫背光源作為液晶屏的照明光源，液晶屏按列交替顯示左右圖像，例如奇數(shù)行(圖中黑色小塊)顯示左圖像，偶數(shù)行顯示右圖像(圖中白色小塊)，如圖8(a)。背光模塊在液晶屏下方形成極細的照明狹縫陣列，每一個陣列對應(yīng)顯示屏的兩列，即圖中的黑、白一對小方塊。
液晶屏的左右圖像交替顯示的方式也可以細分至RGB三原色，即按照圖8(b)所示的方式。圖中RGB三原色構(gòu)成一個完整的像素，但每個像素中的RGB值分別來自左右兩幅圖像，例如左圖像的顯示顏色為R1B1G2R3B3G4R4B4G5......Rm-1Bm-1Gm右圖像的顯示顏色為G1R2B2G3R4B4G4R5B5......Gm-1RmBm狹縫光照射液晶顯示屏，將在空間形成左右圖像交錯的成像分布狀態(tài)，通過對顯示器各光學參數(shù)的選擇，可以在顯示屏前方空間的特定位置形成如圖9所示的圖像分布左圖像區(qū)域A3A2、A1O、B3B2、......
右圖像區(qū)域A2A1、OB3、B2B1、......
左右圖像互不重疊，顯示自由立體圖像。
權(quán)利要求
1.回收式背光照明自由立體成像裝置，它包括一個半封閉的光回收機構(gòu)和圖像層，其特征在于所述的半封閉的光回收機構(gòu)包括狹縫反射膜和底層反射膜，狹縫反射膜和底層反射膜鍍制在同一塊基板上或分別鍍制在各自不同的基板上形成中空結(jié)構(gòu)，圖像層位于狹縫光源的狹縫反射膜層上方，顯示內(nèi)容是交替排列的立體圖像對陣列，立體圖像單元的寬度(t)比狹縫間隔(g)稍小，即t＝g-Δg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在狹縫反射膜的狹縫處印制折射率大于基板折射率的漫射體，基板上下表面還增加漫射體，或者底層反射膜基板和狹縫反射膜基板的內(nèi)側(cè)增加漫射體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在狹縫反射膜的前面還添加一片柱面光柵或液晶柱面透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在柱面光柵或液晶柱面透鏡的前面還有一片聚合物分散液晶板。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于與燈管相對的基板側(cè)面還鍍制有一側(cè)面反射膜，所述的側(cè)面反射膜與狹縫反射膜和底層反射膜鍍制在同一塊基板上或分別鍍制在各自不同的基板上形成中空結(jié)構(gòu)，側(cè)面反射膜置于在基板燈管的相對側(cè)面，側(cè)面反射膜、狹縫反射膜與底層反射膜之間構(gòu)成一個四邊形的三個邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在基板燈管的相對側(cè)面還鍍制有一側(cè)面反射膜，所述的側(cè)面反射膜與狹縫反射膜和底層反射膜鍍制在同一塊基板上或分別鍍制在各自不同的基板上形成中空結(jié)構(gòu)，側(cè)面反射膜置于在基板燈管的相對側(cè)面，側(cè)面反射膜、狹縫反射膜與底層反射膜之間構(gòu)成一個四邊形的三個邊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的回收式背光照明自由立體成像裝置，其特征在于在狹縫反射膜的前面還有一片聚合物分散液晶板。
8.利用回收式背光照明自由立體成像裝置獲得高亮度平面兼容立體圖像的方法，其特征在于狹縫反射膜、底層反射膜具有至少大于90％的可見光反射率，導入基板的光束在狹縫反射膜與底層反射膜之間來回反射，包括(1)光束經(jīng)來回反射后從狹縫射出；(2)從狹縫中射出的發(fā)光單元直線傳播，經(jīng)立體顯示器的圖像顯示層后，將圖像成像在顯示器的顯示空間。(3)當觀看者的左眼置于左圖像的成像空間、右眼置于右圖像的成像空間時，將觀看到立體圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用回收式背光照明自由立體成像裝置獲得高亮度平面兼容立體圖像的方法，其特征在于所述的光束經(jīng)來回反射后從狹縫中射出包括以下幾種情況(1)光束投射到狹縫反射膜后被反射并經(jīng)底層反射膜再次反射，這樣經(jīng)至少兩次反射之后，最終從狹縫射出；(2)或光束直接投射到狹縫處，因基板折射率大于狹縫處介質(zhì)的折射率，光被全反射回基板，經(jīng)底層反射膜反射，經(jīng)至少兩次往復反射后從狹縫射出；(3)或光束投射到狹縫處，并且入射角小于全反射臨界角，從狹縫射出。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用回收式背光照明自由立體成像裝置獲得高亮度平面兼容立體圖像的方法，其特征在于所述的顯示器中所述的柱面光柵是可移動的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種回收式背光照明自由立體成像裝置，包括一個半封閉的光回收機構(gòu)和圖像層，所述的半封閉的光回收機構(gòu)包括狹縫反射膜、底層反射膜和側(cè)面反射膜，狹縫反射膜、底層反射膜和側(cè)面反射膜鍍制在同一塊基板上或分別鍍制在各自不同的基板上形成中空結(jié)構(gòu)。利用該裝置形成高亮度平面立體兼容圖像的方法光束經(jīng)來回反射后從狹縫射出后；從狹縫中射出的發(fā)光單元經(jīng)立體顯示器后在觀看面形成沒有串影的立體圖像；當觀看者的左眼置于左圖像在成像空間、右眼置于右圖像在成像空間時，將觀看到立體圖像。本發(fā)明從根本上解決了串影問題與顯示亮度之間的矛盾，同時，本發(fā)明具有很好的平面顯示兼容性和對觀看者進行頭部視點跟蹤的能力。
文檔編號G02B6/00GK101017248SQ200710020519
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月7日
發(fā)明者王元慶 申請人:南京大學