CN118764606A - 三维显示装置及显示方法、显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维显示装置及显示方法、显示设备。三维显示装置包括显示模块、透镜模块、定向背光模块、传感器模块、人眼跟踪和处理模块，显示模块设置有用于显示图像的子像素阵列，透镜模块位于所述显示模块的光路上且用于调整显示模块的出射光线，定向背光模块位于所述显示模块远离透镜模块的一侧且给显示模块提供定向背光，人眼跟踪和处理模块接收人眼实时位置信息并调整显示模块和定向背光模块，以将与观看者对应的显示图像分别映射到至少两个观看者的眼睛区域。通过使用有效的2级级联光学系统解决了观看者位置不同、图像分辨率低、不同用户之间光线串扰这些问题，可以满足多个用户同时观看，且每个用户的观看距离可以不一样。

Description

三维显示装置及显示方法、显示设备

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别是涉及一种三维显示装置及显示方法、显示设备。

背景技术

随着科技的发展，三维显示技术逐渐被应用在多种场景中。其中，裸眼三维显示技术(裸眼3D显示技术)可以让使用者不佩戴任何设备而看到三维图像，应用场景广。

裸眼3D显示包括两种不同的基本方法：一是在光学原理层面生成真实或者虚拟的图片来提供深度信息；二是将两张不同视角的图像呈现给观众的眼睛，以便通过双目视差的方式来给观看者提供深感感。

第一种方法可以通过体3D显示器在空间产生图像而实现，但是这种显示方法需要将快速变化的图像的每一帧投影到快速移动的屏幕上(例如LED屏幕)，或者，将显示物体的“切片”显示到快速移动的屏幕或多系列平行屏幕组成的多平面上，体3D显示器通常具有相对复杂的硬件，且这些屏幕必须包含在显示器内，因此显示器的体积很大。

第一种方法还可以通过全息术实现，全息术使用光的干涉产生图像。多年来，全息一直被认为是显示真实三维图像的方法，但到目前为止，还没有开发出可用于商业上的实用方法。原因有对高分辨率空间光调制器的要求。此硬件复杂，难以捕获全息图像和高信号带宽要求。所以可以采用几何光学原理的非干涉方法，其中最常见的类型包括：集成成像、多视点和超多视点等。所有这些类型都包括一个显示屏，以及在其前方不远处安装了一个透镜阵列。

此外，基于传统几何光学的方法产生的图像还存在显示内容不足的问题，尤其是普通相机捕获的图像。尽管可以使用相机阵列进行捕获，但是，相机阵列的间距会影响视差大小，由于客观尺寸的限制，也要确保相机间距不得小于相机尺寸。此外，使用传统光学进行图像捕获时，相机阵列也需要仔细校准，且需要提供很大的带宽来传输图像。

第二种方法是将“单个图像对”投射到每个观众的眼睛，这更适合当前的软硬件设施和显示面板硬件一起使用。在这种情况下，只需要2N个视图即可向N个观看者提供立体图像对，这也可以为他们每个人提供独特的视角，以便他们每个人都可以拥有运动视差。但是，对于当前大多数应用，每个观看者具有相同立体图像对也是可以接受的，因为当前使用3D眼镜(如电影院)的系统中每个用户使用的就是相同的立体图像对，缺乏运动视差。这种方法的另一个缺点是有辐辏调节冲突，其中观看者的眼睛会自然地聚焦在屏幕上，但又会在显示的立体图像处会聚，基于两个聚焦，就产生了冲突。

发明内容

本发明在于提供一种三维显示装置及显示方法、显示设备，以解决传统的三维显示装置硬件复杂、不同用户之间光线串扰等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种三维显示装置，包括：

显示模块，设置有用于显示图像的子像素阵列；

透镜模块，位于所述显示模块的光路上且用于调整所述显示模块的出射光线；

定向背光模块，位于所述显示模块远离所述透镜模块的一侧且用于给所述显示模块提供定向背光；

传感器模块，用于在所述显示模块的映射范围内获取人眼实时位置信息；

人眼跟踪和处理模块，用于接收所述传感器模块获取的人眼实时位置信息并调整所述显示模块的所述子像素和所述定向背光模块的背光方向，以将与观看者对应的显示图像分别映射到至少两个观看者的眼睛区域。

在其中一个实施例中，所述三维显示装置为双视点模式，所述显示图像包括左视图和右视图，所述显示模块用于将与观看者对应的左视图和右视图分别映射到至少两个观看者的左眼和右眼；或者，

所述三维显示装置为多视点模式，所述显示图像为一系列不同的透视图，所述显示模块用于将与观看者对应的所述透视图分别映射到至少两个观看者的眼睛区域。

在其中一个实施例中，所述定向背光模块包括LED矩阵和照明透镜阵列，所述LED矩阵的出射光线经所述照明透镜阵列后进入所述显示模块，所述照明透镜阵列用于准直所述LED矩阵发出的光线。

在其中一个实施例中，所述LED矩阵为一维的线性LED阵列，所述LED阵列、所述照明透镜阵列和所述透镜模块中的透镜具有相同的倾斜方向；和/或，

相邻的所述照明透镜通过胶粘剂粘合，所述胶粘剂的折射率与所述照明透镜的折射率相匹配。

在其中一个实施例中，所述定向背光模块包括定向光源和平面光导，所述定向光源经预设角度进入所述平面光导后以相同的角度出射。

在其中一个实施例中，所述显示模块采用时分式显示，所述显示模块按照时间顺序生成对应不同观看者的所述显示图像；和/或，

所述显示模块为LCD面板；和/或，

所述透镜模块为长焦距的柱状透镜阵列，所述柱状透镜的延伸方向与垂直方向呈夹角设置。

第二方面，本发明提供了一种显示方法，所述显示方法应用于第一方面所述的三维显示装置，包括如下步骤：

传感器模块获取人眼实时位置信息；所述人眼实时位置信息包括左眼实时位置信息和右眼实时位置信息；

人眼跟踪和处理模块接收到人眼实时位置信息后生成第一信号和第二信号，将第一信号发送给显示模块并将第二信号发送给定向背光模块；

所述显示模块基于第一信号调整对应的子像素；

所述定向背光模块基于第二信号调整定向背光的出射。

在其中一个实施例中，显示模块调整对应的子像素的步骤，具体为：

控制横向移动子像素列的赋值，以控制X方向的出瞳位置；

控制对应的子像素的间距，以控制Z方向的出瞳位置。

在其中一个实施例中，在定向背光模块基于第二信号调整定向背光的步骤中，定向背光模块的LED沿垂直方向刷新，以遵循显示模块的LCD在逐行刷新时的垂直寻址；或者，

定向背光模块的LED经软件调制输出且在显示模块的LCD寻址期间关闭，以使定向背光模块的LED与显示模块的LCD同步。

第三方面，本发明提供了一种显示设备，包括第一方面任一项所述的三维显示装置。

由上述技术方案可知，本发明实施例至少具有如下优点和积极效果：

本发明实施例的三维显示装置及显示方法、显示设备中，通过使用有效的2级级联光学系统解决了观看者位置不同、观看时图像分辨率低、不同用户之间光线串扰这些问题，该系统由粗控的定向背光模块和精控的柱状透镜阵列组成，可以满足多个用户同时观看，且每个用户的观看距离可以不一样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例三维显示装置的透视示意图；

图2为示意了图1中透镜阵列模块设为倾斜时的显示功能；

图3为图1所示三维显示装置的双视点模式和多视点模式；

图4为用于三个用户的LCD面板子像素映射；

图5为图3所示双视点模式下的串扰现象；

图6为五视点区域组的示意图；

图7为共轭的形成示意图；

图8为两个观看者位于不同视点观看3D图像的示意图；

图9为传统非定向背光的三维显示装置示意图；

图10为设置扩散器的三维显示装置的示意图；

图11为显示图像的零阶分量、一阶分量等分量的示意图；

图12为定向背光模块的更近视图；

图13为包括平面光导的定向背光模块的示意图；

图14为包括完整光源和信号的三维显示装置简化框图；

图15为传统照明透镜阵列的结构示意图；

图16为传统定向背光光学器件使用照明透镜和本实施例使用定向背光模块的示意图；

图17为共轭的形成的形成原理图；

图18为图17的部分区域的局部放大图；

图19为LCD面板的元素图像示意图；

图20为两个子像素的光线路径图；

图21为突出显示光束轮廓的光线路径图；

图22为双用户显示器的简化示意图；

图23为以60HZ帧速率运行的三用户显示器示例的时序图；

图24为图22所示显示器在t1、t2时间依次产生二组出瞳3的示意图；

图25为显示器中视觉阴影示意图；

图26为与柱状透镜阵列相关的子像素配置示意图；

图27为将出射瞳孔聚焦在不同距离的效果图；

图28为两个相邻的菲涅耳透镜之间边界的放大图；

图29为本发明一实施例中显示方法的流程图。

附图标记说明如下：

1、LCD面板；2、柱状透镜阵列；3、出瞳；4、定向背光模块；5、人眼跟踪和处理模块；6、传感器模块；7、捕获光线；8、透镜；9、准直光束；

11、倾斜透镜屏幕；12、视点；13、观看位置；14、最佳观看距离；15、左视区；16、右视区；17、非显示区域；18、第一左列；19、第一右列；20、第二左列；21、第二右列；22、第三左列；23、第三右列；24、第一相对亮度；25、第二相对亮度；26、左眼；27、右眼；28、左串扰；29、右串扰；30、视点区域组；31、预期共轭；32、多余共轭；33、第一观看者；34、第一子像素；35、预期出瞳；36、非预期出瞳；37、第二观看者；38、第二子像素；39、预期出射瞳孔；40、非预期出射瞳孔；41、非定向背光；42、预期光束；43、非预期光束；44、LED矩阵；45、照明源；46、扩散器；47、照明透镜阵列；48、光束；49、零阶分量；50、一阶分量；51、二阶和更高阶分量；52、平面光导；53、定向光源；54、出射光线；55、视野区域；56、眼距；57、模糊圈；58、高f值透镜；59、聚焦点；60、像素点；61、元素图像；62、真实图像；63、左图像；64、右图像；65、一阶共轭；66、第一阴影区域；67、第二阴影区域；68、第三阴影区域；69、子像素列；70、元素显示图像；71、视点组；72、透镜边缘；73、右侧LED；74、左侧LED；75、观看视角；76、射线。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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申请中的具体含义。

结合参考图1，图1为本发明一实施例中三维显示装置的透视示意图。

第一方面，本发明提供了一种三维显示装置，该三维显示装置包括显示模块(例如LCD面板1)、透镜模块(例如柱状透镜阵列2)、定向背光模块4、人眼跟踪和处理模块5、传感器模块6。显示模块设置有用于显示图像的子像素阵列，透镜模块位于显示模块的光路上且用于调整显示模块的出射光线，定向背光模块4位于显示模块远离透镜模块的一侧且用于给显示模块提供定向背光，传感器模块6用于在显示模块的映射范围内获取人眼实时位置信息，人眼跟踪和处理模块5用于接收传感器模块6获取的人眼实时位置信息并调整显示模块的子像素和定向背光模块4的背光方向，以将与观看者对应的显示图像分别映射到至少两个观看者的眼睛区域。

需要说明的是，本实施例中三维显示装置的各个模块可以是集成的一体式结构，也可以是通过有线连接或者无线连接进行信号传输的分体式结构，厂家可以根据需求自由设置。例如，在一实施例中，传感器6可以集成到人眼跟踪和处理模块5中，作为人眼跟踪和处理模块5的一部分。

本发明提供的三维显示装置是裸眼3D显示器，通过在观看者眼睛区域的视野中呈现左右图像来实现显示3D效果。如图1所示，定向背光模块4给LCD面板1提供定向背光，定向背光的方向由人眼跟踪和处理器5控制，显示模块产生图像，显示模块的出射光由柱状透镜阵列2引导和调整，以达到更精准的显示效果。为了更精准地描述观看者的观测，图1中引入了出瞳3，出瞳3是观看者可以看到3D图像的区域。

本发明通过使用有效的2级的级联光学系统解决了观看者位置不同、观看时图像分辨率低、不同用户之间光线串扰这些问题，该系统由粗控的定向背光模块4和精控的柱状透镜阵列2组成，可以满足多个用户同时观看，且每个用户的观看距离可以不一样。

在本实施例中，显示模块是液晶显示器LCD面板，当然，厂家还可以根据需要用市面上其他的显示器件来代替LCD面板。

透镜模块是柱状透镜阵列2，具体地，透柱状透镜阵列2是由一系列凸柱面透镜组成。柱状透镜阵列2的排列延伸方向与垂直方向呈夹角设置，柱状透镜阵列2与垂直方向的夹角小于25度，该夹角可以使沿垂直方向顺时针方向或者逆时针方向。需要注意的是，本文中的“垂直角度”指的是垂直于水平面的方向。

具体地，在一实施例中，柱状透镜阵列2中的透镜为长焦距的柱状透镜且该柱状透镜的延伸方向与垂直方向呈夹角设置。

传感器6可以是一个或多个具有图像传感器的摄像头，或者是将相机与其他装置(如飞行时间设备或结构光)结合使用。

参考图2，图2示意了透镜阵列模块2设为倾斜时的显示功能。来自LCD面板1的的捕获光线7经柱状透镜阵列2上的透镜8形成准直光束9，观看者可以看到来自捕获光线7上的某个点的光线以特定角度填充柱状透镜阵列2上透镜8的整个宽度，该特定角度为垂直于柱状透镜阵列2延伸方向的角度。

柱状透镜阵列2上的透镜8设置为倾斜角度有以下作用：(1)可以在垂直方向和水平方向之间分配感知分辨率。(2)消除了色差的出现，并且避免由于LCD面板1子像素之间的黑矩阵而导致图像中暗区的出现。

需要说明的是，准直光束9也可以聚焦在观看者的眼睛区域，而不是无限远，但准直光束9仍被认为是近似准直的，因为与观察距离相比，透镜8的宽度极小，可忽略不计。

具体地，透镜8的外观呈现为一系列垂直排列的红色、绿色和蓝色条带，这些条带由LCD面板1上的子像素映射形成。当观看者向一个方向移动时，捕获光线7会向相反的方向移动，具体的移动方向取决于观看者移动的方向。需要注意的是，在本实施例中，一组色带(红绿蓝)的高度为最佳高度，最佳高度等于柱状透镜阵列2中的透镜8的水平宽度，且可以通过子像素映射来实现。

参考图3，图3(a)示意了多视点模式(Multiview)，图3(b)示意了双视点模式(MUltiople 2-view)。

在一实施例中，三维显示装置为图3(a)所示的多视点模式，显示图像为一系列不同的透视图，显示模块用于将与观看者对应的透视图分别映射至至少两个观看者的眼睛区域。在多视点模式下，透视图显示在LCD面板1上，透视图的排列延伸方向与柱状透镜阵列2的透镜8的延伸方向平行。

具体地，倾斜透镜屏幕11用于显示整个视野中的一系列时差图。倾斜透镜屏幕11显示整个视场中的一系列视点12，在观看位置13的视区观察到最左边和最右边的视点12。最佳图像质量是在最佳观看距离14(OVD)下看到的，但对于本实施例的多视点模式，可以在由视点12密度确定的范围内在更近和更远的距离看到3D效果，即增大了最佳观看距离14，增加了视区的宽度。不过，该模式是以降低景深为代价的。

在另一实施例中，三维显示装置为图3(b)所示的双视点模式，显示图像包括左视图和右视图，显示模块用于将与观看者对应的左视图和右视图分别映射到至少两个观看者的左眼和右眼。

在双视点模式下，子像素的右半部分显示左图像，左半部分显示右图像，进一步地，还可以在左右子像素列之间有选择地插入未点亮的子像素，以尽量减少眼间串扰。

示例性地，图3(b)示意了使用两组四个视点区域为两个观看者提供立体视觉，每个观看者皆能观察到自己的左视区15和右视区16，非显示区域17为图中黑色的其他视点区域，不显示任何图像。为了让观看者自由观看3D图像，需要人眼跟踪和处理模块5横向移动视野区域，以便将显示图像定位在观众的眼睛上。与多视点模式相比，双视点模式对最佳观看距离14的要求更严格，可能需要Z方向的跟踪。

进一步地，图4显示了用于三个用户的LCD面板1子像素映射。将对应三个观看者A、B、C的眼睛划分为：对应第一位观看者A双眼的第一左列和第一右列19，对应第二位观看者B双眼的第二左列20和第二右列21，对应第三位观看者C双眼的第三左列22和第三右列23。

这些列响应观众在水平方向上的移动时反向水平移动，LCD面板1上的移动量等于观众移动的横向距离乘以观众距离与透镜焦距之比。当观看者靠近屏幕时，列的间距会增加，反之亦然。

参考图5，在双视点模式中，主要问题是眼间串扰，其中，第一相对亮度24、第二相对亮度25、左眼26、右眼27、左串扰28和右串扰29如图5所示。左眼看到的是右视点的鬼影，右眼看到的是左视点的鬼影。如果要将串扰保持在可接受的值以下，即低于约5％，即使使用8k显示面板，我们发现使用单一视点区域组将无法提供足够的宽度来容纳超过一个观众。

参考图6，当视点区域组30变宽时，由于来自LCD面板1表面上任意点的光线穿过柱状透镜阵列2上的多个相邻的透镜8，形成多个视点区域组30。图6显示了五视点显示的示例，其中显示器产生了五个相同视点集的视点区域组30，为清楚起见，此处不显示离中轴线较远的组。

图7示意了共轭的形成，其中由粗实线表示的光线形成了预期共轭31。多余共轭32在整个视场内形成，为多余的共轭，而预期共轭31左侧的第一个共轭的位置(在页面向下的方向)由穿过形成预期出曈左侧相邻的透镜的虚线表示。共轭之间的距离X由以下公式给出：

X＝P*V/F

其中，P＝为透镜宽度，V为观看距离，F为透镜焦距。

在本公式中，假设V>>F，并且没有考虑透镜间距的轻微误差，以提供在最佳观察距离下形成出射瞳孔所需的会聚。距离X也是视区组的间距，这个间距在整个视场内的宽度是恒定的。

图8示意了第一观看者33和第二观看者37位于不同的视点区域组30时各自可以看到3D图像的方式。为了清楚起见，该图仅显示了对应的第一子像素34和第二子像素38发光的四条光线，一条光线从第一子像素34传播到第一观看者33右眼的预期出瞳35，另一条光线产生不需要的非预期出瞳36，称为共轭。一条光线从第二子像素38传播到第一观察者33右眼的预期出射瞳孔39，另一条光线产生不需要的出射瞳孔40，称为共轭。在这种情况下，出瞳可能会重叠，因此看不到清晰的3D图像。需要注意的是，图8仅是示例性给出第一子像素34和第二子像素38，但在实际的应用中，每只眼睛都会有多个子像素。

参考图9，在某些传统的三维显示装置中，LCD面板由非定向背光41照亮，所有来自屏幕上某个点的光束的宽度和亮度基本相同，使用如图9所示的预期光束42与任何不需要的非预期光束43相比没有特别的优势，这种设置仅适用于的单个观看者使用。

在本发明中，通过使用定向背光模块4限制背光光线的角度范围来去处理大多数不需要的共轭出瞳。

参考图10，在本实施例中，定向背光模块4包括LED矩阵44和照明透镜阵列47，LED矩阵44的出射光线经照明透镜阵列47后进入LCD面板1，照明透镜阵列用于准直LED矩阵44发出的光线。

具体地，背光由LED矩阵44提供，照明透镜阵列47为柱状凸透镜阵列，这些柱状凸透镜可以覆盖多个小透镜，具体的数量由系统的其他参数决定，如显示面板分辨率、观看距离等，覆盖透镜的数量不限定为整数。LED矩阵44位于照明透镜阵列47焦平面的后方，以便LED的照明源45聚焦在图3所示的最佳观看距离14上。需要注意的是，为了清楚解释，观看者被固定在中心轴上，但实际上，相同的显示方法适用于整个视场。

具体地，LED矩阵44为一维的线性LED阵列，LED阵列44、照明透镜阵列47和透镜阵列模块2中的透镜具有相同的倾斜角度。

来自LCD面板上任何点的光线的角分布受到LED矩阵44上的照明源45区域的宽度限制。来自LCD面板1上的点的光线主要经过覆盖它的透镜，而经过其两侧紧邻的透镜的光线量减少，因此，很难将出射角与透镜的宽度精确匹配，而Z方向的跟踪可以改变这个问题。

进一步地，因为照明源45在垂直方向上不是连续的，本实施例在照明源45和照明透镜阵列47之间放置了扩散器46，扩散器46仅在一个方向上扩散，扩散角等于照明透镜的倾斜角。通过这种排列方式，形成从特定透镜射出的预期光束42以及特定透镜两侧形成的光束48。

参考图11，尽管在设计和分析此显示器时仅使用了几何光学的原理，但这里引用了物理光学中使用的术语，图11对此进行了解释说明。在图11中，所需出瞳区域的光线可以看作是光的零阶分量49的几何光学等效物，来自相邻透镜的减小的残留光线可以视为一阶分量50，而被抑制的光线可以视为二阶和更高阶分量51。需要注意的是，图9和图10显示了单个透镜的单个光束，因此在这里使用术语“分量”，以便将阶数应用于单个光束或完整的出瞳。

参考图12，图12示意了定向背光模块的更近视图。点亮的照明源45，扩散器46的扩散方向由上方的双头箭头表示，照明透镜阵列47和柱状透镜阵列2的倾斜角由下方的双头箭头表示，它们都具有相同的倾斜角。需要注意的是，在其他视图中，为了清晰描述而将扩散器46省略。

参考图13，在另一实施例中，定向背光模块4包括平面光导52和定向光源53，定向光源53经预设角度进入平面光导52后以相同的角度出射。具体地，定向光源53无论是从图12所示平面光导52的一侧边缘，还是在靠近一个边缘的背面进入平面光导52，具有给定角度的输入光线会以相同的角度射出整个屏幕区域的出射光线54。如图13所示，出射光线54的角度扩展将具有与上文照明透镜阵列47相同的效果。

参考图14，图14为一实施例中包括完整光源和信号的三维显示装置简化框图。定向背光模块4可以采用照明透镜阵列47或者平面光导52，两种系统的LCD面板1和透镜阵列模块2都相同，但对应的LED驱动器不同。

其中，图14中的Viewers为观看者，sensor为传感器，light为光源的光路；Signal为信号传输路径；Multi-user eye position tracker and processor为人眼跟踪和处理模块，Directional backlight为定向背光模块，LCD为液晶显示屏，Lenticular screen为透镜模块。

图15示意了现有技术中仅具有大致垂直对齐的线性LED矩阵44和平行线性(柱面)照明透镜阵列47的传统设置。这种设置无法在Z方向上聚焦。在此示例中，透镜阵列仅由三个透镜组成，这限制了观看者可以移动的深度，例如，这将限制观众占据一排座位。如果使用更多的镜头，则移动深度会增加。其中，观看者的视野区域55和眼距56如图15所示。

结合参考图15和图16，图16(a)显示了传统定向背光光学器件使用照明透镜将LED的照明源45聚焦到视区中以产生出瞳3的方式。通过精心设计，只要观看距离相对较小且观看区域有限，这些性能就足够好了。然而，如果要使显示器外壳紧凑，则镜头将需要具有较低的f值，因此在长距离观看和大视角应用中可能会产生无法接受大的模糊圈57的趋势。

透镜像差问题可以通过采用不同的方法克服，如图16(b)所示，在本实施例中，使用一组小型高f值透镜58实现对焦，而不是使用单个低f值透镜。这些透镜的f值将比单个透镜大一个数量级，因此球差要小得多，离轴性能也要好得多，从而产生小的模糊。在这种情况下，有效的照明源45现在是LCD面板1上的像素点60，这些位置可以在软件中控制，因此可以对光束方向进行高度控制。由于高f值透镜58的倾斜角相对于子像素的对角线角度的关系，可以获得高度的角度精度，更精准的聚焦位置59。

此外，这种设置的另一个优点是衍射的影响可以忽略不计。当观察距离达到3m或更远时，在图16(a)的排列中，衍射图的第一最大值的位置可能是眼距56的一半，因为它是由子像素宽度决定的。在图16(b)的配置下，衍射的影响可以忽略不计，因为柱状透镜阵列2中的透镜8的宽度远大于像素点60的宽度。

参考图17至图19，图17示意了共轭的形成方式，该形成方式与图10中共轭的形成方式基本相同，不同之处在于插入了角度θ。这个角度在每个位置上基本相同，由于它很小，θ大致等于柱状透镜阵列2的透镜8从LCD面板1上的某一点所夹角的一半，这是在图19中解释的原因。在图中的例子中，两个一阶共轭捕获了相等数量的可用光。角度θ和照明透镜阵列47的焦距可以用于确定照明源45的宽度。

结合图10、图17和图18，图18是图17部分区域的局部放大图，所有角度θ基本相似，因为进入照明透镜阵列47的扇形光线的角度等于离开照明透镜阵列47的角度。在这种情况下，用于照明的像素点60位于中心轴上，角度θ使来自这些光源的光线覆盖柱状透镜阵列2的两个透镜8的宽度。每个光源产生两个一阶共轭，每个共轭的宽度是零阶的预期光束42的一半。

参考图19，LCD面板1上的白色区域可以被认为是元素图像61。元素图像61是在最佳观看距离14处产生包含所有视图的真实图像62的图像，也就是LCD面板1上显示的原始图像。这是选定的视点区域组，如果不抑制，由于来自LCD面板1上的点的光线穿过几个相邻的透镜8，这些组将在整个视场中重复。元素图像62的间距比柱状透镜的宽度略宽，以便允许每个透镜的中心轴会聚在最佳观看距离14。从元素图像61的宽度发射出一个开口角为2θ的光线扇，因此确保从元素图像61的每个像素点60所发出的光都能照亮整个宽度的透镜8。其中，透镜8为柱状透镜阵列2中的透镜。

参考图20，图20显示了两个子像素的光线路径。元素图像61包括左图像63和右图像64。元素图像61的一半宽度显示左侧图像，另一半显示右侧图像。在本实施例中，左图像63对应的子像素位于显示左眼图像组的中间，右图像64对应的子像素位于右眼图像组的右侧，如图20中的局部放大图所示。当人眼跟踪和处理器5将左右出瞳的中心边界与眼睛之间的中心重合时，左光束指向左眼26的瞳孔，右光束指向右眼27的瞳孔。这是基于以下假设：每个出瞳3的宽度与眼距56大致相同。请注意，为了清楚起见，图中的透镜和眼睛间距不在同一比例尺上，附图中的尺寸比例仅为了清楚说明，不限定具体的尺寸数值比例。例如，在实践中，柱状透镜阵列2中的透镜8的尺寸约为0.5毫米，眼睛的瞳孔约为5毫米。

参考图21，在图21中可以更清楚地看到光线的分布，其中突出显示了光束的轮廓。对于左眼26，其中选择了到眼睛的中心光束，两个共轭的一阶分量50彼此相等，并且是零阶分量49宽度的一半。对于右眼27，在选择边缘子像素时，零阶分量49和一阶分量50基本上是全宽和可忽略不计的宽度。

具体地，LCD面板1采用时分式显示，LCD面板1按照时间顺序生成对应不同观看者的显示图像。

参考图22，图22显示了双用户显示器的简单示例。通过点亮的照明源45和传输图像信息的LCD面板1上的像素点60的位置来控制光线的方向。定向背光和显示面板必须同步运行，并且帧速率必须是正常帧速率的两倍。

参考图23，图23是以60HZ帧速率运行的三用户显示器示例的时序图，因此一帧的周期为16.67ms。在此期间，必须在称为时分多路复用(MUX)的过程中依次显示三个单独的图像。因此，LCD面板1上的图像必须每5.67毫秒刷新一次。这些图像中的每一张图像都称为一个场，因此场速率为180HZ。LCD是相对较慢的设备，从一个图像到另一个图像的变化通常需要1毫秒以上。因此，必须留出时间进行此切换，并且在此期间，屏幕不能显示图像，因为屏幕将在其整个区域内显示两个不同的图像。在此期间，背光将关闭。背光仅在标有“显示图像”的时间段内亮起。

如果假设屏幕可以在2.78毫秒或更短的时间内刷新，则每个观看者的占空比为16.7％，占空比是可以看到图像的时间与看不到图像的时间之比。有效增加占空比的一种可能方式是利用屏幕逐行刷新，通常从顶部到底部。如果背光LED由LED矩阵44组成，其中每列都是LED的线性阵列，那么点亮的照明源45也可以在垂直方向上进行控制，因为每个单独的LED只照亮LCD的有限高度。这将最大化有效占空比，并且还会减少对闪烁的感知。

参考图24和图25，图24显示了在t1、t2时间依次产生二组出瞳3的示例。左右图像视图填充了所需视点区域组[30]的整个宽度，因此一阶共轭65紧邻所需的出瞳。显示的目的是使视点区域组尽可能窄，以便提供最大的视点区域密度，从而最大限度地减少串扰。

此外，最好让单个观看者占据的总视场宽度尽可能小，以尽量减少图25所示的视觉阴影，视觉阴影包括第一阴影区域66、第二阴影区域67和第三阴影区域68，从而避免其他观看者无法正常使用该区域。

参考图26，图26显示了与柱状透镜阵列2相关的子像素配置示例。左边的图像在子像素列69上以较深的灰色阴影显示，右边的图像以较浅的灰色显示。为了使左右图像覆盖整个视点区域组30的宽度；左列和右列的宽度等于柱状透镜的宽度。所需的光线穿过图中高亮显示的透镜8，到达第一个共轭出曈的光线穿过与其相邻的透镜。请注意，出于清晰起见，仅显示了其光线穿过透镜8的那些子像素列69的列。定向背光确保光线只完全穿过一个选择的透镜，并且只部分穿过其直接相邻的透镜。。

参考图27，图27示意了将出射瞳孔聚焦在不同距离的效果。通过改变元素显示图像70的间距，随着观看距离的增加，元素显示图像70的间距相应的减小。这使得光线的中心轴在观看距离处汇聚。元素图像的间距与硬件参数无关，仅由软件控制。参考图27，元素图像61的间距E由以下公式给出：

E＝L(V+F)/V

其中L为透镜间距，V＝为观看距离，F为透镜焦距。

因此，在实践中，V>>F，E～L。

需要注意的是，由于为了清晰起见，图中显示的距离V被缩短，因此这一点并不明显。由此导致的结果是，元素图像的宽度保持基本恒定，而单个视点组71的宽度与观看距离成正比。

具体地，定向背光模块4中的照明透镜47为一系列菲涅尔透镜，由于背光包含一系列菲涅耳透镜，因此其操作独立于这些透镜的位置是重要的。在最终设计时，如果不仔细可能会出现对透镜结构的一些可见性，但必须确立照明透镜阵列47和柱状透镜阵列2之间的关系至少在原则上可以提供连续的照明源，其亮度和角度分布根据需要设置。

参考图28，图28是两个相邻的菲涅耳透镜之间边界的放大图。首先，透镜边缘72之间的连接处必须用匹配的折射率胶粘剂粘合，以防止全内反射效应。透镜可以沿着轮廓的槽底切割，射线从透镜中心的轮廓整个宽度发射，光源分别来自透镜背后的右侧LED73或左侧LED74。请注意，“右”和“左”在这里指的是从显示器前面看向现实世界的方向，它们分别对应于图中的上和下。虽然亮度会有不可避免的变化，但这些变化应该可以在软件中进行校正，并且未使用的射线76应该可以对任何角度的不规则性进行补偿，以达到更好的观看视角75。

参考图29，第二方面，本发明提供了一种显示方法，该显示方法应用于第一方面的三维显示装置，该显示办法包括如下步骤：

步骤S100:传感器模块获取人眼实时位置信息；所述人眼实时位置信息包括左眼实时位置信息和右眼实时位置信息。

步骤S200:人眼跟踪和处理模块接收到人眼实时位置信息后生成第一信号和第二信号，将第一信号发送给显示模块并将第二信号发送给定向背光模块。

步骤S300:显示模块基于第一信号调整对应的子像素。

步骤S400:定向背光模块基于第二信号调整定向背光的出射。

具体地，在一实施例中，步骤S300包括如下步骤：

步骤S301:控制横向移动子像素列的赋值，以控制X方向的出瞳位置。

步骤S302:控制对应的子像素的间距，以控制Z方向的出瞳位置。

需要注意的是，X方向指的是显示模块的横向，Z方向指的是显示模块的纵向。

具体地，在一实施例中，步骤S400包括如下步骤：

步骤S401:定向背光模块的LED沿垂直方向刷新，以遵循显示模块的LCD在逐行刷新时的垂直寻址

或者，在另一实施例中，步骤S400包括如下步骤：

步骤S402:定向背光模块的LED经软件调制输出且在显示模块的LCD寻址期间关闭，以使定向背光模块的LED与显示模块的LCD同步。

具体地寻址和控制过程可以通过相应的软件来实现，此处不在一赘述。

第三方面，本发明提供了一种显示设备，显示设备包括第一方面的三维显示装置，显示设备的其他零部件可以根据需要自由设置。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种三维显示装置，其特征在于，包括：

显示模块，设置有用于显示图像的子像素阵列；

透镜模块，位于所述显示模块的光路上且用于调整所述显示模块的出射光线；

定向背光模块，位于所述显示模块远离所述透镜模块的一侧且用于给所述显示模块提供定向背光；

传感器模块，用于在所述显示模块的映射范围内获取人眼实时位置信息；

人眼跟踪和处理模块，用于接收所述传感器模块获取的人眼实时位置信息并调整所述显示模块的所述子像素和所述定向背光模块的背光方向，以将与观看者对应的显示图像分别映射到至少两个观看者的眼睛区域。

2.根据权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述三维显示装置为双视点模式，所述显示图像包括左视图和右视图，所述显示模块用于将与观看者对应的左视图和右视图分别映射到至少两个观看者的左眼和右眼；或者，

所述三维显示装置为多视点模式，所述显示图像为一系列不同的透视图，所述显示模块用于将与观看者对应的所述透视图分别映射到至少两个观看者的眼睛区域。

3.根据权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述定向背光模块包括LED矩阵和照明透镜阵列，所述LED矩阵的出射光线经所述照明透镜阵列后进入所述显示模块，所述照明透镜阵列用于准直所述LED矩阵发出的光线。

4.根据权利要求3所述的三维显示装置，其特征在于，所述LED矩阵为一维的线性LED阵列，所述LED阵列、所述照明透镜阵列和所述透镜模块中的透镜具有相同的倾斜方向；和/或，

相邻的所述照明透镜通过胶粘剂粘合，所述胶粘剂的折射率与所述照明透镜的折射率相匹配。

5.根据权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述定向背光模块包括定向光源和平面光导，所述定向光源经预设角度进入所述平面光导后以相同的角度出射。

6.根据权利要求1至5任一项所述的三维显示装置，其特征在于，所述显示模块采用时分式显示，所述显示模块按照时间顺序生成对应不同观看者的所述显示图像；和/或，

所述显示模块为LCD面板；和/或，

所述透镜模块为长焦距的柱状透镜阵列，所述柱状透镜的延伸方向与垂直方向呈夹角设置。

7.一种显示方法，应用于如权利要求1至6任一项所述的三维显示装置，其特征在于，包括如下步骤：

传感器模块获取人眼实时位置信息；所述人眼实时位置信息包括左眼实时位置信息和右眼实时位置信息；

人眼跟踪和处理模块接收到人眼实时位置信息后生成第一信号和第二信号，将第一信号发送给显示模块并将第二信号发送给定向背光模块；

所述显示模块基于第一信号调整对应的子像素；

所述定向背光模块基于第二信号调整定向背光的出射。

8.根据权利要求7所述的显示方法，其特征在于，显示模块调整对应的子像素的步骤，具体为：

控制横向移动子像素列的赋值，以控制X方向的出瞳位置；

控制对应的子像素的间距，以控制Z方向的出瞳位置。

9.根据权利要求7所述的显示方法，其特征在于，在定向背光模块基于第二信号调整定向背光的步骤中，定向背光模块的LED沿垂直方向刷新，以遵循显示模块的LCD在逐行刷新时的垂直寻址；或者，

定向背光模块的LED经软件调制输出且在显示模块的LCD寻址期间关闭，以使定向背光模块的LED与显示模块的LCD同步。

10.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的三维显示装置。