專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)莫爾紋立體顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及立體顯示領(lǐng)域，尤其涉及一種無(wú)莫爾紋立體顯示裝置。
背景技術(shù)：
近幾年，三維立體顯示技術(shù)發(fā)展迅速，成為人們研究的熱點(diǎn)。立體顯示 技術(shù)在醫(yī)療、廣告、軍事、展覽、游戲等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。早期的立體顯 示技術(shù)主要通過(guò)佩戴偏光眼鏡觀看立體畫(huà)面，而目前的主流產(chǎn)品主要是基于 雙目視差的棵眼式立體顯示裝置，棵眼式立體顯示裝置的主要原理是在顯示 面板前設(shè)置光柵，所述光柵將顯示面板顯示的至少兩幅視差圖像分別提供給 觀看者的左、右眼。其中，所述光柵可以為狹縫光柵或柱鏡光柵。
現(xiàn)有的顯示面板為二維像素陣列形式，且每個(gè)子像素的邊緣區(qū)域一般都 為遮光區(qū)域，用于設(shè)置顯示控制電路或作它用，因此，在背光源照射下，顯 示面板的每個(gè)子像素?zé)o法全部發(fā)光，每個(gè)子像素的邊緣區(qū)域一般都為遮光區(qū)
域，在現(xiàn)有技術(shù)中，顯示面板上的這些遮光區(qū)域也稱(chēng)為黑矩陣(black matrix )。 如圖1所示為現(xiàn)有的顯示面板的顯示示意圖，其中，每個(gè)實(shí)線框表示一個(gè)子 像素，為方便表示，圖1中的顯示面板僅畫(huà)出3行4列子像素，每個(gè)實(shí)線框 內(nèi)的虛線框內(nèi)表示該子像素的實(shí)際通光區(qū)域11，而斜紋部分12表示該子像 素邊緣的遮光區(qū)域，顯然，如圖1中所示，顯示面板上的所有遮光區(qū)域形成 的黑矩陣為二維網(wǎng)格狀，當(dāng)顯示面板顯示時(shí)，顯示面板前的光柵由于被照亮 而形成的二維結(jié)構(gòu)光場(chǎng)會(huì)與所述顯示面板的黑矩陣相互作用產(chǎn)生莫爾條紋， 嚴(yán)重影響視覺(jué)效果。圖1中為了方便表示，將顯示面板的每個(gè)子像素畫(huà)為正 方形形狀，實(shí)際上，顯示面板的子像素還可以為矩形或其它形狀，此處不多做描述。
現(xiàn)有的技術(shù)中也提出了 一些消除莫爾條紋的方法，如中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為
CN101000406A的文獻(xiàn)中提出的一種通過(guò)破壞光柵結(jié)構(gòu)光場(chǎng)來(lái)消除莫爾條 紋的方案，在該方案中，通過(guò)增加散射屏或在光柵表面鍍?cè)鐾改?lái)消除莫爾 紋，但該方案中由于散射屏或增透膜會(huì)降低顯示面板顯示的圖像光的透射 率，并且使3D圖像也產(chǎn)生一些失真，因此，這樣消除莫爾條紋的方案并不 理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)莫爾紋立體顯示裝置，該立體顯示裝置顯 示時(shí)沒(méi)有莫爾紋產(chǎn)生，清晰度高、顯示效果好。
本發(fā)明提供一種無(wú)莫爾紋立體顯示裝置，沿光傳播方向依次包括平行 背光源、像素陣列、負(fù)透鏡陣列和光柵；所述平行背光源用于向所述像素陣 列提供平行背光；所述像素陣列包括若干個(gè)子像素，所述若干個(gè)子像素排列 為二維矩陣形式；所述像素陣列用于顯示左眼用圖像和右眼用圖像，所述左 眼用圖像和右眼用圖像為視差圖像；所述負(fù)透鏡陣列包括若千個(gè)負(fù)透鏡，在 垂直于所述像素陣列的方向上，每個(gè)負(fù)透鏡正對(duì)一個(gè)所述子像素，所述負(fù)透 鏡陣列的每個(gè)負(fù)透鏡用于將其正對(duì)的子像素的出射光束擴(kuò)束，所述負(fù)透鏡的 出射面處的光束截面與該子像素重合；所述光柵用于將所述像素陣列顯示 的、經(jīng)所述負(fù)透鏡陣列擴(kuò)束后的左、右眼用圖像光分別導(dǎo)向至觀看者的左眼 和右眼。
所述負(fù)透鏡陣列的每個(gè)負(fù)透鏡的入射孔徑不小于其正對(duì)的子像素的通 光孔徑；在垂直于所述負(fù)透鏡陣列的方向上，每個(gè)負(fù)透鏡的出射面與其正對(duì) 的子像素重合。
所述負(fù)透鏡為平凹透鏡。
所述負(fù)透鏡為雙凹透鏡。
所述負(fù)透鏡為焦距為負(fù)的彎月透鏡。
所述光柵為狹縫光4冊(cè)或柱鏡光柵。本發(fā)明通過(guò)采用平行背光源照射像素陣列，然后用負(fù)透鏡陣列將所述像 素陣列的每個(gè)子像素的通光區(qū)域出射的平行光擴(kuò)束為負(fù)透鏡出射面處截面 與該子像素重合的光束，經(jīng)負(fù)透鏡陣列擴(kuò)束后，原像素陣列的黑矩陣形成的 遮光區(qū)域被消除，該立體顯示裝置不會(huì)有莫爾紋出現(xiàn)。此外，由于各擴(kuò)束后 的光束在各負(fù)透鏡陣列的背面形成一虛擬點(diǎn)光源，因此負(fù)透鏡陣列對(duì)于光柵 而言相當(dāng)于是均勻照明的點(diǎn)光源，顯著提高了像素陣列的分辨率，立體顯示 的清晰度得以改善。


圖1為現(xiàn)有的顯示面板像素陣列示意圖2為本發(fā)明提供的無(wú)莫爾紋立體顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3為當(dāng)圖2所示負(fù)透鏡陣列23為平凹透鏡陣列時(shí)，平行背光源21出
射的一束光經(jīng)一個(gè)子像素及其正前方的一個(gè)平凹透鏡31的光路示意圖4為某一子像素的通光區(qū)域透過(guò)的平行光束經(jīng)平凹透鏡擴(kuò)束后形成
的虛擬點(diǎn)光源示意圖5為將圖3中的平凹透鏡31換為雙凹透鏡51的光路示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，具體說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例。
圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)莫爾紋立體顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖， 沿光線傳播方向，該裝置依次包括平行背光源21、像素陣列22、負(fù)透鏡 陣列23和光柵24,且平行背光源21、像素陣列22、負(fù)透鏡陣列23和光柵 24彼此平行。
所述平行背光源21用于向像素陣列22提供平行背光。平行背光源21 為任何一種現(xiàn)有的平行背光源，例如CN1392442、 CN1125304和CN1135797 等文獻(xiàn)中公開(kāi)平行背光源等，此處不再贅述。
所述像素陣列22為二維矩陣形式，即包含分別沿行和列方向排列的若 干個(gè)子像素。值得說(shuō)明的是事實(shí)上所述的像素陣列22為現(xiàn)有顯示面板中 除背光源外的其余部分，為方便描述，本發(fā)明實(shí)施例中用像素陣列進(jìn)行說(shuō)明，
5對(duì)于顯示面板中除背光源外的其它部件不再詳述。像素陣列22用于在平行 背光源21的照射下同時(shí)顯示或以時(shí)分方式顯示左眼用圖像和右眼用圖像， 所述左眼用圖像和右眼用圖像為視差圖像，具體顯示方式與現(xiàn)有的立體顯示 裝置一致，此處不多做說(shuō)明。
所述負(fù)透鏡陣列23包括若干個(gè)負(fù)透鏡，排列為二維矩陣形式，且負(fù)透 鏡陣列23上的負(fù)透鏡與像素陣列22的子像素——正對(duì)，即當(dāng)像素陣列 22為mxw矩陣形式時(shí)，所述負(fù)透鏡陣列也包括mx"個(gè)排列為二維矩陣形式 的負(fù)透鏡。負(fù)透鏡陣列23的每個(gè)負(fù)透鏡用于將其正對(duì)的像素陣列22上的子 像素的出射光擴(kuò)束后出射，各負(fù)透鏡的入射孔徑不小于該負(fù)透鏡在像素陣列 上正對(duì)的子像素的通光孔徑；在通光方向觀察時(shí)，各負(fù)透鏡的出射面處光束 截面與該負(fù)透鏡正對(duì)的子像素重合。圖2中為方便表示，將負(fù)透鏡陣列22 的每個(gè)負(fù)透鏡表示為平凹透鏡，實(shí)際上，負(fù)透鏡還可以為其它焦距為負(fù)的透 鏡。
所述光柵24用于將像素陣列22顯示的、經(jīng)負(fù)透鏡陣列23擴(kuò)束后的左、 右眼用圖像光分別導(dǎo)向至觀看者的左、右眼。光柵24可以為狹縫光柵或柱 鏡光柵，光柵根據(jù)現(xiàn)有立體顯示裝置的具體需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和選用，此處不再 詳述。
以下對(duì)圖2所示無(wú)莫爾紋立體顯示裝置的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 圖3所示為當(dāng)圖2所示負(fù)透鏡陣列23為平凹透鏡陣列時(shí)，平行背光源 21出射的一束光經(jīng)一個(gè)子像素及其正前方的一個(gè)平凹透鏡31的光路示意 圖。其中，該光路圖以平行背光源21中垂直入射后不做任何改變經(jīng)過(guò)該子 虧象素中心的光線為光軸。如圖3中所示，所述平凹透4竟31入射面為凹面， 平凹透鏡31的出射面為平面。圖3中為方^f更表示，4吏每個(gè)平凹透鏡31的凹 面最大口徑處的截面形狀和大小與其正對(duì)的像素陣列22上的子像素的通光 區(qū)域一致，平凹透鏡31中與凹面相對(duì)的平面的形狀和大小與像素陣列22的 一個(gè)完整子像素一致。由于光軸上下兩側(cè)的光路對(duì)稱(chēng)，以下為方便說(shuō)明，僅 以光軸上側(cè)光線進(jìn)行說(shuō)明。
設(shè)像素陣列22與平凹透鏡31之間的介質(zhì)折射率為巧，平凹透鏡31折 射率為"2,平凹透鏡31出射面?zhèn)?平凹透鏡31和光柵24之間)的介質(zhì)折 射率為"3。平凹透鏡31的凹面曲率半徑為r，平凹透鏡31的厚度為么平凹透鏡31入射面?zhèn)裙廨S最上側(cè)一條光線的入射高度為^ (即圖3所示光 路圖中，入射光束口徑為2/^ ),這條邊緣光線在凹面上的入射角為《，折 射角為《，隨后這條邊緣光線在該平凹透鏡31的出射面上以發(fā)散角《出射， 出射高度為&，即圖3所示光路圖中，出射光束口徑為2&。根據(jù)光線傳播 規(guī)律及幾何光學(xué)原理可得
<formula>formula see original document page 7</formula>(1)
<formula>formula see original document page 7</formula> (2 )
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)<formula>formula see original document page 7</formula>3 sin《 (4 )
由/>式(1 )至(4)可以解出用A、 r、 d、巧、"2和"3表示的/z2和《， 因此，可以通過(guò)調(diào)整^、 / 、 " A、 "2和"3的值，使出射光束口徑2h以及 發(fā)散角《為預(yù)定值。 一般情況下，"1="3=1,平凹透鏡31為玻璃材質(zhì)，所以 "2>1。由于不同的顯示面板的子像素的通光區(qū)域的孔徑2/^不同，本發(fā)明實(shí) 施例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整采用的平凹透鏡的參數(shù)，使各平凹透鏡將其正對(duì) 的子像素提供的平行入射光束擴(kuò)束為出射面處截面等于該子像素的寬光束 出射，即當(dāng)在平凹透鏡的平面?zhèn)扔^察時(shí)，原像素陣列上不發(fā)光的黑矩陣部 位被擴(kuò)束后的光束占滿(mǎn)，因此在平凹透鏡的出射光一側(cè)看到的像素陣列的任 意兩個(gè)相鄰子像素之間不再有遮光區(qū)域，黑矩陣被有效消除。
如圖4所示某一子像素的通光區(qū)域透過(guò)的平行光束41經(jīng)平凹透鏡31 后被擴(kuò)束為光束42，光束42在平凹透鏡31后方形成虛擬點(diǎn)光源43，對(duì)于 平凹透鏡31前方的觀看者來(lái)說(shuō)，該虛擬點(diǎn)光源43相當(dāng)于是該子像素的像， 顯然，這種采用凹透鏡擴(kuò)素的方法不僅消除了莫爾紋，而且顯著提高了像素 的分辨率，有效提高了立體顯示的清晰度。
實(shí)際上，相對(duì)于一般的平凹透鏡而言，每個(gè)子像素很小，因此可認(rèn)為圖 3中子像素發(fā)出的光符合近軸光路走向的要求，以下為了表述更為清楚，采 用近軸光路進(jìn)行分析，即可認(rèn)為r》h,因此《較小，sin《《《，此外，由于
(或者根據(jù)需要取巧- 1，"2 "且巧 < "2, w2 > w3 ), 貝'J由式(2 )可
知《小于《，因Jt匕《-《遠(yuǎn)小于《，sin<92 6>2, tan(《—《)《 sin(《-《)》《—《，根據(jù)公式(1)至(4)以及以上近似處理，可得:
廣
&=化
、
"2乂
+ 1
《=arcsin
「 1_
、"2j
(5)
(6)
由式(5)和(6)可明顯得知對(duì)于給定的入射光束口徑&,可以通過(guò) 調(diào)整r、 " a、 "2和"3的值，使出射光束孔徑&以及發(fā)散角《為預(yù)定值。
當(dāng)圖2所示的光柵24要求負(fù)透鏡陣列23提供具有較大發(fā)散角的光束 時(shí)，可將負(fù)透鏡陣列23可為雙凹透鏡，雙凹透鏡即將所述平凹透鏡的平面 改為向內(nèi)凹的凹面，以下進(jìn)行說(shuō)明。
圖5為將圖3中的平凹透鏡31換為雙凹透鏡51的光路示意圖。其中， 沿光軸方向，雙凹透4竟51具有第一凹面52和第二凹面53，第一凹面52的 曲率半徑為r,，第二凹面53的曲率半徑為^，第二凹面53的上邊緣點(diǎn)A與 曲率中心O的連線AO與光軸的夾角為《。詔 像素陣列22的與雙凹透4竟51 之間的介質(zhì)折射率為",，雙凹透4竟51折射率為"2',雙凹透4竟51出射面?zhèn)鹊?介質(zhì)折射率為《3，雙凹透鏡51的厚度為c/',雙凹透鏡51入射面一側(cè)光軸上 側(cè)光束口徑為化，最上側(cè)邊緣光線在第一凹面52上的入射角為《'，折射角
為《'。雙凹透鏡51的出射面?zhèn)裙廨S上側(cè)光束口徑為V,最上側(cè)邊緣光線在 第二凹面53上以發(fā)散角《'出射。則由幾何光學(xué)原理可推得
(7)
6
(8) (9)
(10)
"2' sin(《'-《'+6>4) = "3 sin(《) (11) 類(lèi)似于采用平凹透鏡時(shí)的情況，可通過(guò)式(7)至(11)精確計(jì)算出用^、 ^、 。、c/'、巧、"2'和"3表示的V和《'，因jt匕可以通過(guò)調(diào)整^ 、 。、 r2、 d'、",、 "2'和"3的值，使出射光束孔徑V以及發(fā)散角g'為預(yù)定值。
8可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)透鏡陣列為雙凹透鏡陣列時(shí)，也可以通過(guò)選擇雙凹透鏡的曲 率半徑以及折射率等參數(shù)，使各雙凹透鏡將其正對(duì)的子像素提供的平行入射 光束擴(kuò)束為截面等于該子像素的寬光束出射，從而消除像素陣列上的黑矩陣 的影響。
綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)采用平行背光源照射像素陣列，然后用負(fù) 透鏡陣列將所述像素陣列的每個(gè)子像素的通光區(qū)域出射的平行光擴(kuò)束為出 射面處截面與該子像素重合的光束，經(jīng)負(fù)透鏡陣列擴(kuò)束后，原像素陣列的黑 矩陣形成的遮光區(qū)域被消除，該立體顯示裝置不會(huì)有莫爾紋出現(xiàn)。此外，由 于各擴(kuò)束后的光束在各負(fù)透鏡陣列的背面形成一虛擬點(diǎn)光源，因此負(fù)透鏡陣 列對(duì)于光柵而言相當(dāng)于是均勻照明的點(diǎn)光源，顯著提高了像素陣列的分辨 率，立體顯示的清晰度得以改善。
值得說(shuō)明的是，在選用負(fù)透鏡陣列時(shí)，如果考慮造價(jià)問(wèn)題，可以采用平 凹透鏡；如果需要盡量擴(kuò)大負(fù)透鏡陣列的出射光束發(fā)散角，可以采用雙凹透 鏡；在特殊情況下，只要保證負(fù)透鏡整體光焦度為負(fù)，也可以使用彎月透鏡。
上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員在本方法的啟示下，在不脫離本方法宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況 下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
若采用近軸方式計(jì)算，則有
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權(quán)利要求
1、一種無(wú)莫爾紋立體顯示裝置，其特征在于，沿光傳播方向依次包括平行背光源、像素陣列、負(fù)透鏡陣列和光柵；所述平行背光源用于向所述像素陣列提供平行背光；所述像素陣列包括若干個(gè)子像素，所述若干個(gè)子像素排列為二維矩陣形式；所述像素陣列用于顯示左眼用圖像和右眼用圖像，所述左眼用圖像和右眼用圖像為視差圖像；所述負(fù)透鏡陣列包括若干個(gè)負(fù)透鏡，在垂直于所述像素陣列的方向上，每個(gè)負(fù)透鏡正對(duì)一個(gè)所述子像素，所述負(fù)透鏡陣列的每個(gè)負(fù)透鏡用于將其正對(duì)的子像素的出射光束擴(kuò)束，所述負(fù)透鏡的出射面處的光束截面與該子像素重合；所述光柵用于將所述像素陣列顯示的、經(jīng)所述負(fù)透鏡陣列擴(kuò)束后的左、右眼用圖像光分別導(dǎo)向至觀看者的左眼和右眼。
2、 如權(quán)利要求1所述的無(wú)莫爾紋立體顯示裝置，其特征在于，所述負(fù)透 鏡陣列的每個(gè)負(fù)透鏡的入射孔徑不小于其正對(duì)的子像素的通光孔徑；在垂直 于所述負(fù)透鏡陣列的方向上，每個(gè)負(fù)透鏡的出射面與其正對(duì)的子像素重合。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的立體顯示裝置，其特征在于，所述負(fù)透鏡為 平凹透4竟。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的立體顯示裝置，其特征在于，所述負(fù)透鏡為 雙凹透鏡。
5、 如權(quán)利要求1或2所述的立體顯示裝置，其特征在于，所述負(fù)透鏡為 焦距為負(fù)的彎月透鏡。
6、 如權(quán)利要求1所述的無(wú)莫爾紋立體顯示裝置，其特征在于，所述光柵 為狹縫光柵或柱鏡光柵。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)莫爾紋立體顯示裝置，該裝置沿光傳播方向依次包括平行背光源、像素陣列、負(fù)透鏡陣列和光柵；平行背光源用于向像素陣列提供平行背光；像素陣列包括若干個(gè)排列為二維矩陣形式的子像素；所述像素陣列用于顯示左眼用圖像和右眼用圖像；負(fù)透鏡陣列包括若干個(gè)負(fù)透鏡，在垂直于所述像素陣列的方向上，每個(gè)負(fù)透鏡正對(duì)一個(gè)所述子像素；所述負(fù)透鏡陣列的每個(gè)負(fù)透鏡用于將其正對(duì)的子像素的出射光束擴(kuò)束，所述負(fù)透鏡的出射面處的光束截面與該子像素重合；所述光柵用于將所述像素陣列顯示的、經(jīng)所述負(fù)透鏡陣列擴(kuò)束后的左、右眼用圖像光分別導(dǎo)向至觀看者的左眼和右眼。本發(fā)明提供的立體顯示裝置顯示時(shí)沒(méi)有莫爾紋產(chǎn)生，清晰度高、顯示效果好。
文檔編號(hào)G02B27/22GK101620319SQ20091010926
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者蓉 唐, 揚(yáng) 楊, 鄭華兵 申請(qǐng)人:深圳超多維光電子有限公司