基于背光立体显示装置的提高背光照明均匀度的方法
技术领域
本发明属于图像显示领域，尤其是涉及一种背光立体显示装置的背光均匀度改进方法。
背景技术
立体显示技术是未来显示显示技术的主流发展方向，其最为广泛、基础的一种应用就是基于视差图像的立体显示方法。由于人的左眼和右眼在世界坐标系当中处于不同位置，通过某种方法使得左右眼获取带有不同位置信息的视差图像使得大脑获取该空间位置信息，我们便达到了立体显示的目的。
目前广泛应用的立体显示技术需要观众佩戴3D眼镜来实现，然而随着理论的探究与技术的进步，裸眼3D显示技术逐渐成为未来立体显示技术的发展主流，即一种无须佩戴助视设备即可让观众感知到图像深度信息的技术。目前主流实现技术主要有柱透镜阵列，视障光栅以及指向性背光技术三种。其中基于指向性背光技术的3D显示装置主要包含背光源、透镜阵列、透射式图像显示单元。
然而目前的指向性背光立体显示技术仍然存在一些技术缺陷，例如空间串扰高、Mura等。Mura，即光照分布不均现象是显示领域常见的光照不均问题。对背光立体显示装置而言，使用的背光源大多数为小尺寸LED光源，LED的光照强度分布在空间上本来就存在中间亮、边缘暗的不均匀现象，此种光照强度不均匀在进过系统各光学结构扩散后会直接导致系统的背光分布不均。同时，系统中的线性透镜、扩散膜等光学结构会对光源的光分布产生二次影响。本发明针对此问题，提出了一种具有普遍意义的、实用的消除背光照明的存在亮暗条纹，提高背光均匀度的方法。
图1为现有指向性背光立体显示装置，背光源阵列包含若干光源单元111～113，其发出的光线经过透镜阵列120、线性扩散膜130和图像显示单元140后到达视区150。需要指出的是，图1中所示的指向性背光照明装置中，光源单元在沿其主光轴方向的空间内光能分布是不均匀的，经过非理想透镜与线性扩散膜后，其背光照明均匀的均匀性很差。
图2为现有背光立体显示装置两个光源单位的照明光强分布示意图。可见两个光源单元的背光照明区域之间存在明显的暗区，并且在两个光源单位的扩散光束交界处存在一个较低的亮度值，设其对应的灰度值为GEage，此处即为暗区的中心，在宏观上人眼会将其认定为一个黑色条纹。而扩散光束的中心亮度，设其对应的灰度值为GMax，由于GMax＞＞GEage，则背光照明区域会有周期性的暗区。
发明内容
1、发明目的
为了克服现有指向性背光立体显示装置背光照明存在亮暗区、均匀度差的不足，本发明提出一种基于背光立体显示装置的提高背光照明均匀度的方法，在面对背光源光照强度分布不均导致提高背光照明不均匀时，使光束扩散后的背光照明区域的光照分布达到均匀性良好的状态。
2、本发明所采用的技术方案
本发明公开了一种基于背光立体显示装置的提高背光照明均匀度的方法，在面对背光源光照强度分布不均导致提高背光照明不均匀时，对背光系统的光源间距及光源行间距进行调整，再施加一定灰度分布图样的空间光调制器窗口后，使光束扩散后的背光照明区域的光照分布达到均匀性良好的状态。
更进一步具体实施方式中，需要在视区中央位置采集得背光立体显示系统的背光照度图像，用范围为[0，255]的灰度值等效背光立体显示系统的背光照度，得到灰度分布后利用多项式拟合或高斯拟合等方式得到灰度关于像素坐标的拟合曲线公式。
更进一步具体实施方式中，假定每个实际光源单位在进过透镜、空间光调制器及扩散膜之后的扩散光束沿垂直于扩散方向上的光强分布基本一致。
更进一步具体实施方式中，对背光系统的光源间距进行优化调整，需要首先分析两个光源单元扩散光束交界处的光强分布，求出并调整至合理的光源单位间距使得两者存在叠加区域，消除光源单元之前的暗区。
更进一步具体实施方式中，加入特定灰度分布图样的空间光调制器窗口阵列，对背光源单元发出的光线进行调制，使已知的灰度分布转变为期望的均匀分布。其中，空间光调制器窗口对背光源的调制原理有两种可选方案：
方案一：调整空间光调制器窗口的透过率。关于空间光调制器的透过率与最终背光照明面上灰度值分布的改变方法，可以认为符合以下关系：
F(i)＝K(i)SLM(i)
F′(i)＝K(i)SLM′(i)
其中K(i)表示系统对于像素点i位置的透过率，SLM(i)表示当前空间光调制器单元对应像素点i的灰度值，F(i)表示当前背光照明面上像素点i处的灰度值；SLM′(i)表示在期望背光照度下的空间光调制器单元对应像素点i的灰度值，F′(i)表示期望背光照度下背光照明面上像素点i处的灰度值。
方案二：调整空间光调制器窗口的透光面积。在窗口的透过率为100％时，可以认为透光面积与最终背光照明面上灰度值成比例关系，故可以认为空间光调制器窗口单元的每一行像素总数(窗口宽度)与最终背光照明面上灰度值有以下关系：
F(i)＝S(i)Pix(i)
F′(i)＝S(i)Pix′(i)
其中S(i)表示空间光调制器第i行像素的比例系数，Pix(i)表示当前空间光调制器窗口单元中第i行的像素总数，F(i)表示当前背光照明面上像素点i处的灰度值；Pix′(i)表示在期望背光照度下的空间光调制器窗口单元中第i行的像素总数，F′(i)表示期望背光照度下背光照明面上像素点i处的灰度值。
更进一步具体实施方式中，以调整同行光源单位的间距为例，设一个光源单位对应的扩散光束在水平方向(x轴方向)边缘灰度值，即暗区的最低灰度值为GEage。GEage对应的两个像素坐标x0、x′0即为光源单位对应的扩散光束在水平方向(x轴)的边缘像素点，x0、x′0、x1、x′1...xn、x′n代表了同行中n个光源单元的像素坐标，显然在原系统中，像素坐标以x0为起点，以x′n为终点，且有：
x′n-1＝xn
为了消除同行光源单元之前的黑色条纹及暗区，调整两个光源单元的间距使得两者存在叠加区域。设G′A为期望达到的叠加区正中间最大光强对应的灰度值，设β为G′A与GMax的比例系数，满足：
G′A＝β·GMax
G′A＝2G4
可以求得GA，再利用灰度分布公式求得对应的像素坐标xA。设原系统同行光源单元间距为D0，则期望对应的间距D′0为，
更进一步具体实施方式中，设暗区的最低亮度相对于原最大亮度的提升比为A，则有：
3、本发明的技术有益效果
与现有的技术相比，本发明的有益效果是，在不改变现有线性透镜结构的情况下，有效地消除背光源因线性透镜结构与扩散膜后较远距离处背光图案上的亮暗条纹，保证背的光立体显示装置的背光照明均匀度良好，提高背光立体显示装置的显示效果。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，其中：
图1为现有背光立体显示装置基本结构示意图。
图2为现有背光立体显示装置两个光源单位的照明光强分布示意图。
图3为调整行内光源间隔后整体灰度分布叠加原理示意图。
图4为加入具有特定灰度分布图样的空间光调制器阵列后的背光立体显示装置示意图。
图5为本发明实施例的空间光调制器窗口灰度修正原理示意图。
附图标记说明：
100：现有的立体显示装置；110：背光源阵列；111～113光源单元；120：透镜阵列；130：线性扩散膜；140：图像显示单元；150：视区；151～153：视区单元；200：本发明实施例所提供的背光立体显示装置；210：背光源阵列；211～213光源单元；220：空间光调制器阵列；221：空间光调制器窗口单元；230：透镜阵列；231：透镜单元；240：线性扩散膜；250：图像显示单元；260：视区；261～262：视区单元.
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
实施例1
如图3，为一种通过调整同行光源间距和光源行间距来提高背光立体显示装置背光照明均匀度的方法。利用固定在系统视区150正中央位置的相机对现有背光立体显示装置的图像显示单元在显示全白图像时进行拍摄，对得到的图像进行灰度提取。设定的灰度值范围为[0，255]，则原系统光源单位对应的最大光强对应的灰度值为GMax＝255。
假定每个光源单元发出的光线在进过其主光轴的任一平面内的光强分布近似于一条高斯曲线，则每个实际光源单位在进过透镜、空间光调制器及扩散膜之后的扩散光束沿垂直于扩散方向上的光强分布可以用一条高斯曲线的一部分近似代替。
设一个光源单位对应的扩散光束边缘灰度值，即暗区的最低灰度值为GEage。GEage对应的两个像素坐标x0、x′0即为光源单位对应的扩散光束在水平方向(x轴)的边缘像素点，x0、x′0、x1、x′1...xn、x′n代表了同行中n个光源单元的像素坐标，显然在原系统中，像素坐标以x0为起点，以x′n为终点，且有：
x′n-1＝xn
为了消除同行光源单元之前的黑色条纹及暗区，调整两个光源单元的间距使得两者存在叠加区域。设G′A为期望达到的叠加区正中间最大光强对应的灰度值，设β为G′A与GMax的比例系数，满足：
G′A＝β·GMax
G′A＝2GA
本实施例中以β＝0.954为例，此时可以求得GA，再由GA和灰度分布拟合曲线求得对应的像素坐标xA。设原系统同行光源单元间距为D0，则期望对应的间距D′0为：
将两个光源单元的间距调整为D′0后，叠加区的中中央灰度即为G′A，此时的整体灰度曲线为图3中点划线所示。
设暗区的最低亮度相对于原最大亮度的提升比A为：
得A＝70.4％，结合整体灰度曲线可知同行光源间暗区基本被消除。此时，整体灰度曲线最大值为G′Max，可能会出现G′Max＞255的情况，这表明光源单元的间距调整后，背光照明的最大亮度有所提高。
实施例2
参见图4，图4为加入具有特定灰度分布图样的空间光调制器阵列后的背光立体显示装置示意图，其中空间光调制器窗口单元221与光源单元221为对应的关系，线性扩散膜存在一定的扩散方向且透镜阵列中使用的是二维透镜。对光源间距、光源行间距进行调整后，暗区的最低亮度有明显上升，但G′A与G′Max仍然有一些差距，且二者之间仍旧存在一定过渡区域，这也会导致照明不均现象，背光照明的光强分布需要空间光调制器进一步调制。
加入特定灰度分布图样的空间光调制器窗口，对已知的灰度分布进行调制，达到期望的均匀分布。其中，关于空间光调制器的透过率与最终背光照明面上灰度值分布的改变方法，可以认为符合以下关系：
F(i)＝K(i)SLM(i)
F′(i)＝K(i)SLM′(i)
其中K(i)表示系统对于像素点i位置的透过率，SLM(i)表示当前空间光调制器单元对应像素点i的灰度值，F(i)表示当前背光照明面上像素点i处的灰度值；SLM′(i)表示在期望背光照度下的空间光调制器单元对应像素点i的灰度值，F′(i)表示期望背光照度下背光照明面上像素点i处的灰度值。
由于K(i)是光学系统固定的参数，又可以认为空间光调制器在像素点i处的透过率与SLM(i)是等效的。本实施例中，将[0，G′Max]的灰度范围映射到[0，255]内，则F′(i)在[0，255]内取值，测得F(i)后，设定期望的F′(i)，根据上式可求出需要改变的SLM′(i)。
图5为本发明实施例的空间光调制器窗口灰度修正原理示意图。在本发明实施例中，设定F′(i)＝205，即期望的照明面光强对应的灰度值均为205。图中直线代表了原有的照明面对应光强的灰度值分布曲线，即为F(i)曲线。在SLM(i)＝255的条件下，通过上述公式计算出SLM′(i)曲线，即图5中点划线所示。将SLM′(i)曲线在竖直方向投影到空间光调制器窗口，则系统的理论上可以达到期望的背光光强分布。
需要指出的，为了达到背光照明均匀，本发明提供的空间光调制器窗口灰度修正步骤需要关注扩散光束像素点中的最低灰度值即GEage，而GEage可以通过实施例1所示的方法已经得到有效地提高，故本发明提供的方法在理论上能将背光照度分布有效地达到期望值附近。
综上所述，本发明所提供的一种基于背光立体显示装置的提高背光照明均匀度的方法，对背光立体显示装置中背光源阵列中的光源间距的调制提出了一种有效的数量化方法，可以在不改变光源器件的条件下，准确地计算出适合原系统的光源间距，具有准确率高、可操作性强的特点；本发明中所提供的一定灰度分布图样空间光调制器窗口及生成方法，能够在不改变原有背光立体显示装置光学结构的情况下，对在空间上对背光源出射光束的光照强度进行调制。同时，提出的两种空间光调制器窗口对背光源光束的调制方案，从原理上具有适用范围广、易于操作的特点，两种调制方案均可提高背光立体显示装置的背光照明均匀度，具有低成本、高效率的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内，例如实施例1中G′A与GMax的比例系数β是可以根据实际情况调整的、实施例2中的方案一也可以使用上述方案二中的原理来设置空间光调制器窗口。
