裸眼三維顯示裝置及其方法與流程
本發明涉及到三維顯示領域，具體涉及一種裸眼三維顯示裝置及其方法。
技術背景
由于三維顯示具有更加真實、自然、深度場景信息等特點，因此，三維顯示越來越受到人們的關注。現有商業三維顯示器所應用的技術主要是基于立體顯示技術和裸眼立體顯示技術，立體顯示技術的三維顯示器由于需要觀看者需要佩戴輔助設備，并且顯示場景只含有一個視點信息，已經越來不受消費者的接納。現如今，裸眼多視點立體顯示器已經成為立體顯示器邁入商業化的重要方式。相對于傳統裸眼多視點立體顯示器，本發明裝置可兼容2D顯示。于此同時，傳統裸眼立體顯示裝置的光學設計參數一旦固定，人眼所感知立體顯示效果的最佳觀看距離范圍將固定，無法改變。
針對傳統立體顯示裝置的缺陷，本發明裝置可實現3D顯示最佳觀看距離動態調節，并且該裝置具有高的3D顯示亮度。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種實現3D顯示最佳觀看距離、并具有高亮度的裸眼三維顯示裝置及其方法。
本發明提供一種裸眼三維顯示裝置，其包括：液晶顯示屏、以及為該液晶顯示屏提供背光的2D/3D可切換背光模組；其中，該2D/3D可切換背光模組包括：2D背光模組、位于該2D背光模組上的聲光介質基體、設置在該聲光介質基體一端的多個壓電傳感器、以及設置在該聲光介質基體另一端的多個聲波吸收器，每個壓電傳感器與每個聲波吸收器對應設置。
優選地，所述壓電傳感器設有與所述聲光介質基體的側表面接觸的壓電晶體；所述聲波吸收器設有與所述聲光介質基體的側表面接觸的吸聲材料。
優選地，所述聲光介質基體由透明光學各向同性的材料制成。
優選地，設定液晶顯示屏的左下角作為坐標系的原點，以液晶顯示屏的水平方向作為坐標系的Z軸，以液晶顯示屏的垂直方向作為坐標系的X軸，垂直于 XZ面的方向作為坐標系的Y軸；所述聲光介質基體的高度方向與X軸平行，聲光介質基體的寬度方向與Z軸平行，聲光介質基體的長度方向與Y軸平行；所述多個壓電傳感器和多個聲波吸收器分別依序設置Z軸方向上設置所述聲光介質基體的相對側邊。
優選地，所述2D背光模組位于平行于XZ面的平面。
優選地，所述2D/3D可切換背光模組的R、G、B光源是按時序依次切換，R、G、B光源的切換間隔小于1/180秒，R、G、B光源的半峰寬較窄。
本發明又提供一種裸眼三維顯示裝置的顯示方法，包括如下步驟：
S1：當液晶顯示屏顯示2D內容時，壓電傳感器和聲波吸收器處于不工作的狀態，2D/3D可切換背光模組發出面光源至液晶顯示屏上；
S2：當液晶顯示屏顯示3D內容時，通過對壓電傳感器施加電信號后會產生聲波，2D背光模組發出的光波通過含聲波作用的聲光介質基體后，調節對應聲波的頻率來控制光波經過聲光介質基體后產生不同衍射角度的衍射光，液晶顯示屏發出分離的多個視點圖像。
優選地，所述步驟S2的具體內容為：每個壓電傳感器和對應的聲波吸收器產生的每個衍射區域與液晶顯示屏的像素一一對應。
優選地，：所述的視差圖像所對應的背光衍射角度θd滿足以下條件：
在L＞2λ2s/λ條件下，當θi＝θd時，滿足衍射條件，當滿足公式(3)時，0級衍射光消失，只出現1級衍射光，衍射角度θd＝arcsin(λfs/2n0vs)；
I1＝Ii sin2(πΔnL/λ) (1)
其中，Ii表示入射光的光強；θi表示入射光與聲波面間的夾角；θd表示1級衍射光的衍射角度；聲波ks沿著X向傳播；λs為聲波的波長；λ為光波的波長；L表示聲波場與光波場在聲光介質基體22中相互作用長度；n0表示聲光介質基體的平均折射率；Δn表示聲致折射率變化(聲波引起聲光介質基體的折射率變化量)；S為聲波引起聲光介質產生的應變；P為聲光介質基體的彈光系數。
優選地，人眼所處位置的最佳觀看距離與視點衍射光之間角距離的關系式為d3D≈d/Δθ，Δθ＝θdi-θdj，其中，d3D為最佳觀看距離；d為人眼瞳孔間距的平均距離；Δθ為相應視點衍射光之間的角距離；θdi與θdj表示多視點像素發出的相應多個衍射光的任意兩個視點的衍射光之間的角距離。
本發明裸眼三維顯示裝置不僅具有高質量的2D顯示效果，還具有高亮度的3D顯示效果；通過調節背聲波的頻率來控制背光的衍射光分布，無需改變其他的顯示參數，實現多視點3D顯示，并且該三維顯示裝置的觀看距離可以動態調節。
附圖說明
圖1所示為本發明裸眼三維顯示裝置的結構示意圖；
圖2為圖1所示裸眼三維顯示裝置的2D/3D可切換背光模組的結構示意圖；
圖3為圖1所示裸眼三維顯示裝置的顯示2D工作狀態的示意圖；
圖4為圖1所示裸眼三維顯示裝置的顯示3D工作狀態的示意圖；
圖5為圖1所示裸眼三維顯示裝置的聲光介質基體的參數設計示意圖；
圖6為圖1所示裸眼三維顯示裝置在3D顯示模式的聲光衍射示意圖；
圖7為圖1所示裸眼三維顯示裝置的3D顯示模式下工作的示意圖；
圖8為圖1所示裸眼三維顯示裝置的為多視點3D顯示背光的分光示意圖；
圖9為圖1所示裸眼三維顯示裝置的多視點3D顯示裝置工作原理示意圖。
具體實施方式
本發明裸眼三維顯示裝置，請參閱圖1所示，本裸眼三維顯示裝置包括：作為顯示圖像功能的液晶顯示屏1、以及為該液晶顯示屏1提供背光的2D/3D可切換背光模組2。其中，液晶顯示屏1作為顯示圖像的功能，該液晶顯示屏是無需彩膜結構，如無RGB色層、BM、OC層；2D/3D可切換背光模組2的R、G、B光源是按時序依次切換，R、G、B光源的切換間隔小于1/180秒，并且R、G、B光源的半峰寬較窄。液晶顯示屏1依次相應顯示紅色3D內容、綠色3D內容、藍色3D內容，切換的間隔與R、G、B光源的切換間隔相同。
請參閱圖2所示，2D/3D可切換背光模組2包括：2D背光模組21、位于該2D背光模組21上的聲光介質基體22、設置在該聲光介質基體22一端的多個壓 電傳感器23、以及設置在該聲光介質基體22另一端的多個聲波吸收器24。其中，聲光介質基體22位于液晶顯示屏1與2D背光模組21之間；每個壓電傳感器23與每個聲波吸收器24對應設置；壓電傳感器23的功能是將電信號轉化成聲波；聲光介質基體22由透明光學各向同性的材料制成，如PMMA(甲基丙烯酸甲酯)等；聲波吸收器24的作用是通過吸聲材料是將聲波的能量轉換為熱能，從而阻礙聲波繼續傳播；壓電傳感器23設有與聲光介質基體22的側表面接觸的壓電晶體，聲波吸收器24設有與聲光介質基體22的側表面接觸的吸聲材料。
液晶顯示屏1顯示圖像內容，2D/3D可切換背光模組2為液晶顯示屏1的顯示圖像提供照明。
請參閱圖3所示，當液晶顯示屏1顯示2D內容時，壓電傳感器23與聲波吸收器24處于不工作的狀態，2D/3D可切換背光模組2的光學特性為面光源特性。
請參閱圖4所示，當液晶顯示屏1顯示3D內容時，壓電傳感器23與聲波吸收器24處于工作狀態，壓電傳感器23會產生聲波，聲波在聲光介質基體22的聲光介質中傳播過程中會使得聲光介質材料密度發出周期性的變化。當2D背光模組21發出的光波通過聲光介質后會使得光波發出Bragg衍射，此時2D/3D可切換背光模組2光學特性為指向背光的光學特性。
當背光發出的光波通過聲光介質后，通過聲波吸收器24調節聲波的頻率控制空間中衍射條紋分布，從而產生適合3D顯示所需背光照明。當液晶顯示屏1上相應的像素顯示視差圖像內容后，從而實現了多視點3D顯示。
視點的含義為：背光模組的明暗交替的線光源對液晶顯示屏上的多個視差圖像提供照明，每個視差圖像為一個視點。當人眼處在恰當距離觀看液晶顯示屏時，左眼與右眼只接受相應的視差圖像，從而實現了3D觀看效果。
圖5為聲光介質基體的參數設計示意圖，以液晶顯示屏的左下角作為坐標系的原點，以液晶顯示屏1的水平方向作為坐標系的Z軸，以液晶顯示屏1的垂直方向作為坐標系的X軸，垂直于XZ面的方向作為坐標系的Y軸。垂直于XZ面的方向作為坐標系Y軸。2D背光模組21位于平行于XZ面的平面。
聲光介質基體22的高度H方向與X軸平行，聲光介質基體22的寬度W方向與Z軸平行，聲光介質基體的長度L方向與Y軸平行；壓電傳感器23和聲波吸收器24分別設置在聲光介質基體的高度H方向的相對側邊。
L為聲波場與光波場在聲光介質基體22相互作用的有效長度；H為聲光介質基體22的高度，與液晶顯示屏1的有效顯示區域的垂直方向的寬度相互對應。
如圖6所示，當壓電傳感器23發出聲波后，聲波在聲光介質基體22中傳播，由于光波的頻率遠大于聲波的頻率，因此可將聲光介質基體22對光波的調節過程視為靜止。因此，可以通過控制聲波頻率來調節衍射光的衍射角度，即控制了衍射光的空間分布。
圖6為本裸眼三維顯示裝置在3D顯示模式的聲光衍射示意圖當入射角θi與衍射角θd相等時，衍射光只有1級衍射光出現，1級衍射光的光強I1滿足公式(1)，1級衍射角度θd滿足公式(4)：
I1＝Ii sin2(πΔnL/λ) (1)
θd＝arcsin(λfs/(2n0vs)) (4)
其中，Ii表示入射光的光強；θi表示入射光與聲波面間的夾角；θd表示1級衍射光的衍射角度；聲波ks沿著X向傳播；λs為聲波的波長；L表示聲波場與光波場在聲光介質基體22中相互作用長度；n0表示聲光介質基體22的平均折射率；Δn表示聲致折射率變化(聲波引起聲光介質基體22的折射率變化量)；S為超聲波引起聲光介質產生的應變；P為聲光介質基體22的彈光系數。
聲波面：壓電傳感器產生聲波，聲波將沿著聲光介質基體22內傳播，在聲波的傳播過程中，會引起聲波介質的質點發生振動，聲光介質中質點振動相位相同的點連成的面稱為聲波面。
為了使得多個視差圖像發出的光能夠在空間中相應位置分離，根據公式(4)，本發明采用的光源為半峰寬較窄的RGB光源，并且R、G、B光源的切換間隔小于1/180秒，液晶顯示屏1依次相應顯示紅色3D內容、綠色3D內容、藍色3D內容。
當在某個時間段上，2D/3D可切換背光模組2發出的光源是R光源，于此同時液晶顯示屏1顯示紅色3D內容，通過控制相應視差圖像對應的聲波頻率，使得多個紅色視差圖像能夠在空間中相應位置分離。當人眼處在對應的位置，人 會感知紅色3D顯示效果。同理，當在某個時間段上，2D/3D可切換背光模組2發出的光源是G光源，于此同時液晶顯示屏1顯示綠色3D內容，通過控制相應視差圖像對應的聲波頻率，使得多個綠色視差圖像能夠在空間中相應位置分離。當人眼處在對應的位置，人會感知綠色3D顯示效果。當在某個時間段上，2D/3D可切換背光模組2發出的光源是B光源，于此同時液晶顯示屏1顯示藍色3D內容，通過控制相應視差圖像對應的聲波頻率，使得多個藍色視差圖像能夠在空間中相應位置分離。當人眼處在對應的位置，人會感知藍色3D顯示效果。其中，當面板1分別顯示紅色3D內容、綠色3D內容以及藍色3D內容，多視點像素對應的多個壓電傳感器所產生的聲波頻率是不相同的，具體的差別由設計決定。
圖7為3D顯示模式下工作示意圖，由于多視點3D顯示模式中，水平視差是深度融合的主要因素，因此，將多個壓電傳感器23和對應的多個聲波吸收器24依序按Z軸方向上依次排列，如圖7所示按Z軸排列。每個壓電傳感器23和對應的聲波吸收器24在聲光介質基體22上產生的衍射區域A與液晶顯示屏1的多個視差圖像像素排列一一對應，通過控制壓電傳感器23的頻率實現空間視點對應的背光分離。
當光波以一定角度入射含超聲波的聲光介質基體22的表面，光波通過聲光介質基體22后發生了Bragg衍射，并且各個不同衍射角衍射光在XY面上分光。如圖8所示為多視點3D顯示背光的分光示意圖，通過調節壓電傳感器23控制聲波的頻率來實現不同衍射角度衍射光的分布，從而使得多個視點圖像發出分離的空間光強。
圖8表示多視點3D顯示中多視點像素的分光示意圖，當觀看者處在最佳的觀看距離，人的左右眼分別接收到不同的視差圖像時，人就會感知到立體效果。其中，最佳觀看距離d3D≈d/Δθ，d為人眼瞳孔間距的平均距離，Δθ為相應視點衍射光之間的角距離。Δθ＝θdi-θdj，θdi與θdj表示多視點像素發出的相應多個衍射光的任意兩個視點的衍射光之間的角距離。θdi與θdj是由公式(4)決定。通過控制聲波頻率來控制相應視點圖像衍射光的衍射角度，從而Δθ的值可通過聲波頻率來動態調節，從而最佳觀看距離可以動態調節。
圖9所示為多視點3D顯示裝置工作示意圖，通過調節對應的壓電傳感器23使得產生相應的聲波頻率，2D背光模組21光源光強分布適合3D顯示所需的照明，由于人眼視覺流暢的最低標準是60Hz，當液晶顯示屏1以高于180Hz的 顯示頻率依次顯示紅綠藍3D顯示內容，并且當人眼處于最佳觀看距離時，可以連續感知立體顯示效果，最佳觀看距離d3D≈d/Δθ，d為人眼瞳孔間距的平均距離，Δθ為相應視點衍射光之間的角距離。
本發明還揭示一種裸眼三維顯示裝置的顯示方法，包括如下步驟：
S1：當液晶顯示屏顯示2D內容時，壓電傳感器和聲波吸收器處于不工作的狀態，2D/3D可切換背光模組發出面光源至液晶顯示屏上；
S2：當液晶顯示屏顯示3D內容時，通過對壓電傳感器施加電信號后會產生聲波，2D背光模組發出的光波通過含聲波作用的聲光介質基體后，調節對應聲波的頻率來控制光波經過聲光介質基體后產生不同衍射角度的衍射光，液晶顯示屏發出分離的多個視點圖像。
每個壓電傳感器23和對應的聲波吸收器24在聲光介質基體22上產生的每個衍射區域與液晶顯示屏1的多個視差圖像像素排列一一對應。
本發明裸眼三維顯示裝置不僅具有高質量的2D顯示效果，還具有高亮度的3D顯示效果；通過調節背聲波的頻率來控制背光的衍射光分布，無需改變其他的顯示參數，實現多視點3D顯示，并且該三維顯示裝置的觀看距離可以動態調節。
以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發明的保護范圍。
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