一种深度调控指向性照明显示系统及方法与流程

1.本发明涉及显示照明的技术领域，更具体地，涉及一种深度调控指向性照明显示系统及方法。


背景技术：

2.电子显示与人类的生活息息相关，显示技术在市场的牵引下也蓬勃发展，现代显示器包括手表、手机、电脑显示器和电视等设备。对于不同类型的显示器，光源单独起着照明源的作用，也可以用作图案载体，例如发光二极管(oled)显示器。常规意义上的照明，通常指灯照明、led照明，最近也出现了诸如激光照明的理念，同时照明光源现在也从非相干光源延伸到相干光源。在实际生活中，显示和照明不可分割，往往需要不同的光照分布来满足不同的显示要求。
3.目前，显示照明技术迅速发展，主要表现在显示特性方面的性能改进，如动态范围、色域、均匀性、亮度和效率等，另外，在照明方向的控制方面，使用各种技术控制照明方向，也取得了较大的成功，如现有技术中公开了一种拼接型指向性背光源，即基于指向性背光显示技术，采用时空复用方法，利用光学器件对光的传播进行一定的调控，在观看距离形成一系列可独立开关的视区，指向显示照明的特有照明特点可以使图像只能在指定方向上可见，同时指向性照明技术还可以结合视网膜跟踪，变得更加智能化，照明光仅能传播到观察者视网膜周围的区域，例如在黑暗环境中(如长途飞行的客机休息舱)，独立观众的显示屏照明可能会成为其他乘客的照明噪音，但指向性照明技术的应用使得照明对横向视区之外附近的乘客几乎没有影响。然而，在纵向视区下，会干扰后面的乘客，因为照明光在完全消失之前会传播很长的距离，因此，若照明光源的深度无法调控，仍会对非显示设备使用者造成光噪声，更甚者，造成光危害。


技术实现要素：

4.为解决传统照明显示方式无法对照明光源的深度进行深度调控的问题，本发明提出一种深度调控指向性照明显示系统及方法，实现纵向深度控制，避免光显示噪声对非相关用户的干扰。
5.为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
6.一种深度调控指向性照明显示系统，包括：中央处理器、人眼跟踪模块、指向性光源、光调制模块及显示模块；人眼跟踪模块用于定位位于可视空间视区用户的双眼位置，将用户的双眼位置信息传输至中央处理器，中央处理器根据双眼位置信息分析用户双眼的空间角度和深度，得到用户双眼所视方向，根据用户双眼所视方向指导指向性光源定向出射照明光束，照明光束传输至光调制模块，光调制模块对其进行分布调控整形，分布调控整形后的照明光束出射后入射显示模块，携带载入显示模块的图像信息，然后入射可视空间视区，用户在可视空间视区观看显示模块显示的图像；所述可视空间视区的纵向深度范围由光调制模块的参数决定，横向范围由光调制模块分布调控整形后的照明光束出射光场的横
向范围决定。
7.在本技术方案中，可视空间视区会根据光调制模块的参数提前定制，人眼跟踪模块用于定位位于可视空间视区用户的双眼位置，在中央处理器的指导下，利用指向性光源决定照明的方向，确保后续照明光束向特定方向传播，然后利用光调制模块对光束调控整形，形成一种深度可调的长焦线照明光束而非普通照明的发散性光束，两者功能性效果叠加可形成指向深度可调控的显示照明，使其在距离显示模块一定距离处突然终止，同时不会对附近区域造成影响，然后携带载入显示模块的图像信息，用户在定制的可视空间视区实现观看，而在定制可视区间之外，用户无法观看显示模块中加载的图像信息，且不会接收到照明光束，并且不显示噪声。
8.优选地，指向性光源为相干光源或非相干光源。相干光源与非相干光源各有利弊，相干光源在微观上可以形成特殊的干涉条纹，具有无衍射以及自愈的特殊属性，而非相干光源不具有相干光源的一些微观特性，但保留宏观上的深度调控特性。
9.优选地，所述光调制模块为覆膜锥形透镜。这种面型结构的透镜作为光调制模块可以在定制的可视空间视区形成能量高度集中，而非定制区间能量迅速发散的光场，对于附近的用户没有照明干扰，是一种绿色高环保的照明模式。
10.优选地，指向性光源的尺寸小于覆膜锥形透镜的尺寸。
11.优选地，若指向性光源的尺寸大于覆膜锥形透镜的尺寸，在指向性光源与覆膜锥形透镜之间加入孔径光阑或等效元件，用于对指向性光源尺寸进行约束。
12.优选地，覆膜锥形透镜通过设置光束吸收半径，对照明光束的入射中心光束进行吸收，形成中央空心的暗场，未被吸收的环状照明光束出射后形成可视空间视区的集中照明光束视场，光束吸收半径调控可视空间视区的纵向形成的焦线位置，纵向调控可视空间视区的照明光束；可视空间视区的纵向深度范围满足表达式：
[0013][0014]
其中，z
fl
表示可视空间视区中心轴上纵向深度范围，r1和r2分别为覆膜锥形透镜的外半径与光束吸收半径，r1＞r2，na表示覆膜锥形透镜的折射率，表示覆膜锥形透镜的特征角度，为弧度制。
[0015]
在此，可视空间视区具有深度可视限制的特性，而其范围的确定是由前期用于初始照明光束分布调控整形的光调制模块的参数决定，可视空间视区的定制与光调制模块本身的轮廓整形功能相辅相成，使得在定制可视空间视区内用户可实现观看，而在非定制区间内，用户无法观看显示模块中加载的图像信息，且不会接收到照明光束。
[0016]
优选地，显示模块采用光学膜层，在光学膜层上定制显示图像或采用lcd屏实时变化图像显示，显示模块载入的图像不影响分布调控整形后出射的照明光束的宏观深度特性。
[0017]
在此，光学膜层的散射特性极小或可忽略不计，静态图像信息可以直接拓印在光学显示膜层上用于静态显示，不影响分布调控整形后的照明光束在可视空间视区的传输。
[0018]
本发明还提出一种深度调控指向性照明显示方法，所述方法基于深度调控指向性照明显示系统实现，包括以下步骤：
[0019]
s1.利用人眼跟踪模块定位位于可视空间视区用户的双眼位置，将用户的双眼位
置信息传输至中央处理器；
[0020]
s2.中央处理器根据双眼位置信息分析用户双眼的空间角度和深度，得到用户双眼所视方向，根据用户双眼所视方向指导指向性光源定向出射照明光束；
[0021]
s3.定向照明光束传输至光调制模块，光调制模块对定向照明光束进行分布调控整形，分布调控整形后的照明光束出射后入射显示模块，携带载入显示模块的图像信息，然后入射可视空间视区；
[0022]
s4.用户在可视空间视区观看显示模块显示的图像。
[0023]
优选地，步骤s1所述的可视空间视区根据光调制模块的参数提前定制，光调制模块为覆膜锥形透镜，参数包括：外半径r1、光束吸收半径r2、折射率na及特征角度定制的可视空间视区的纵向深度范围满足表达式：
[0024][0025]
其中，z
fl
表示可视空间视区中心轴上纵向深度范围；定制的可视空间视区的横向范围由光调制模块分布调控整形后的照明光束的出射光场的横向范围决定。
[0026]
优选地，当用户的双眼位置处于人眼跟踪模块监测范围之外时，深度调控指向性照明显示结束。
[0027]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0028]
本发明提出了一种深度调控指向性照明显示系统及方法，基于用户人眼位置及所视方向，在中央处理器的指导下，利用指向性光源决定照明光束的方向，确保后续照明光束向特定方向传播，然后利用光调制模块对光束调控整形，形成一种深度可调的长焦线照明光束而非普通照明的发散性光束，光调制模块和指向性光源在功能性效果上叠加形成了指向深度可调控的显示照明，使光束在距离显示模块一定距离处突然终止，同时不会对附近区域造成影响，然后携带载入显示模块的图像信息，用户在定制的可视空间视区实现观看，而在定制可视区间之外，用户无法观看显示模块中加载的图像信息，实现纵向深度控制，避免光显示噪声对非相关用户的干扰。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例1中提出的深度调控指向性照明显示系统的整体结构示意图；
[0030]
图2为本发明实施例1中提出的覆膜锥形透镜的示意图；
[0031]
图3为本发明实施例1中提出的覆膜锥形透镜的横截面示意图；
[0032]
图4为普通led光线未调控整形的轮廓图；
[0033]
图5为应用本发明实施例1提出的深度调控指向性照明显示系统后的照明光束轮廓图；
[0034]
图6为本发明实施例2中提出的深度调控指向性照明显示方法的流程示意图；
[0035]
图7为本发明实施例3中提出的在可视空间视区和非可视空间视区的归一化光能量测试结果示意图；
[0036]
图8为本发明实施例3中提出的显示模块的图像不同可视空间视区中心轴纵向深度处观看结果的示意图。
[0037]
其中，1.中央处理器；2.人眼跟踪模块；3.指向性光源；4.光调制模块；5.显示模
块；41.可视空间视区；51.非可视空间视区；411.用户人眼。
具体实施方式
[0038]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0039]
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0040]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0042]
实施例1
[0043]
为解决照明光源的深度无法调控时，其携带下的显示设备照明会对出射纵向深度上非显示设备使用者造成光噪声的问题，如图1所示，本实施例提出一种深度调控指向性照明显示系统，包括：中央处理器1、人眼跟踪模块2、指向性光源3、光调制模块4及显示模块5；其中，人眼跟踪模块2用于定位位于可视空间视区用户的双眼位置，它是基于双目摄像头空间位置关系的原理定位用户双眼位置，此处不再赘述，人眼跟踪模块2将用户的双眼位置信息传输至中央处理器1，中央处理器1根据双眼位置信息分析用户双眼的空间角度和深度，得到用户双眼所视方向，根据用户双眼所视方向指导指向性光源3定向出射照明光束，照明光束传输至光调制模块4，光调制模块4对其进行分布调控整形，分布调控整形后的照明光束出射后入射显示模块5，携带载入显示模块5的图像信息，然后入射可视空间视区，用户在可视空间视区观看显示模块5显示的图像。
[0044]
在本实施例中，参见图1，在结构上，可视空间视区的标号表示为41，用户人眼的标号表示为411，可视空间视区41之外的非可视空间视区的标号表示51，在此，先默认用户位于可视空间视区41内来讲述整个深度调控指向性照明显示系统的工作逻辑，如图1所示，人眼跟踪模块2链接指向性光源3和光调制模块4，亦同时作为内部背光组件。
[0045]
即使先默认用户位于可视空间视区41内，但实际可视空间视区41为深度调控指向性照明显示系统设计之前提前定制，定制参数基于光调制模块4的参数，其纵向深度范围由光调制模块4的参数决定，横向范围由光调制模块4分布调控整形后的照明光束出射光场的横向范围决定。在中央处理器1的指导下，利用指向性光源3决定照明的方向，确保后续照明光束向特定方向传播，只能在用户所视方向上可见，然后利用光调制模块4对光束调控整形，形成一种深度可调的长焦线照明光束而非普通照明的发散性光束，光调制模块4和指向性光源3在功能性效果上叠加可形成指向深度可调控的显示照明，使光束在距离显示模块一定距离处突然终止，同时不会对附近区域造成影响，然后携带载入显示模块5的图像信息，用户在定制的可视空间视区41实现观看，而在定制可视区间41之外，用户无法观看显示模块5中加载的图像信息，且不会接收到照明光束，并且不显示噪声。
[0046]
在本实施例中，指向性光源3为相干光源或非相干光源。指向性光源3采用相干光源与非相干光源，各有利弊，相干光源在微观上可以形成特殊的干涉条纹，具有无衍射以及自愈的特殊属性，而非相干光源不具有相干光源的一些微观特性，但保留宏观上的深度调控特性。
[0047]
在本实施例中，光调制模块4为覆膜锥形透镜，结构示意图如图2所示，覆膜锥形透
镜是一种特殊面型透镜，这种面型结构的透镜作为光调制模块4可以在定制的可视空间视区41形成能量高度集中、非可视空间视区51的能量迅速发散的光场，这样对于附近的用户没有照明干扰，是一种绿色高环保的照明模式。一般指向性光源3的尺寸小于覆膜锥形透镜的尺寸，若指向性光源3的尺寸大于覆膜锥形透镜的尺寸，在指向性光源3与覆膜锥形透镜之间加入孔径光阑，以限定指向性光源3出射的照明光束尺寸。
[0048]
参见图2，覆膜锥形透镜通过设置光束吸收半径(内圈黑色)，对照明光束的入射中心光束进行吸收，形成中央空心的暗场，未被吸收的环状照明光束出射后形成可视空间视区41的集中照明光束视场，光束吸收半径调控在可视空间视区41的纵向形成的光束焦线位置，纵向调控可视空间视区的照明光束；光调制模块4的主要功能是对指向性光源3发出的光束进行光束分布的调控整形，主要参数是底面角即特征角度并且在计算时按弧度制计算，特征半径是两个不同的数值r1和r2，且一般的r1＞r2，在0＜r1＜r2的特殊面型区间内，设计一层吸收表面(图2中圆心附近的黑色局域范围所示m)用来对入射中心光束实现吸收，形成中央空心的暗场，而未被吸收的环状光束形成可视空间视区41的明亮视场分布。
[0049]
可视空间视区的纵向深度范围满足表达式：
[0050][0051]
其中，z
fl
表示可视空间视区中心轴上纵向深度范围，r1和r2分别为覆膜锥形透镜的外半径与光束吸收半径，可参见图3，r1＞r2，na表示覆膜锥形透镜的折射率，表示覆膜锥形透镜的特征角度，为弧度制。
[0052]
可视空间视区41的定制与光调制模块4本身的轮廓整形特性相辅相成，光调制模块4采用的覆膜锥形透镜的直径特性，决定了可视空间视区41的照明光束的纵向显示深度，而且也决定了对初始照明光束的轮廓整形形式，指向性光源3可以由普通led背光构成，对于同一指向性光源3发出的光束，不涉及覆膜锥形透镜轮廓整形的光线轮廓图如图4所示，而应用本实施例提出的深度调控指向性照明显示系统的光调制模块4进行分布调控整形后的照明光束轮廓图参见图5，在可视空间视区中心轴上纵向深度范围z
fl
内，光源轮廓的最大的光束线密度可以比未整形之前提高一个数量级，这也使得在定制可视空间视区41内的用户可实现观看，而在非定制区间内，用户无法观看显示模块中加载的图像信息，且不会接收到照明光束，光束吸收半径调控可视空间视区的纵向形成的焦线位置，纵向调控可视空间视区的照明光束。
[0053]
在本实施例中，显示模块5采用光学膜层，在光学膜层上定制显示图像或采用lcd屏实时变化图像显示，显示模块5载入的图像不影响分布调控整形后出射的照明光束的宏观深度特性。光学膜层的散射特性极小或可忽略不计，静态图像信息可以直接拓印在光学显示膜层上用于静态显示。
[0054]
实施例2
[0055]
参见图6，本实施例中还提出一种深度调控指向性照明显示方法，该方法基于实施例1所述的深度调控指向性照明显示系统实现，包括以下步骤：
[0056]
s1.利用人眼跟踪模块2定位位于可视空间视区用户的双眼位置，将用户的双眼位置信息传输至中央处理器1；此时，先默认用户双眼位于可视空间视区内。
[0057]
s2.中央处理器1根据双眼位置信息分析用户双眼的空间角度和深度，得到用户双
眼所视方向，根据用户双眼所视方向指导指向性光源3定向出射照明光束；
[0058]
s3.定向照明光束传输至光调制模块4，光调制模块4对定向照明光束进行分布调控整形，分布调控整形后的照明光束出射后入射显示模块5，携带载入显示模块5的图像信息，然后入射可视空间视区；
[0059]
s4.用户在可视空间视区观看显示模块5显示的图像。
[0060]
优选地，步骤s1所述的可视空间视区根据光调制模块4的参数提前定制，光调制模块4为覆膜锥形透镜，参数包括：外半径r1、光束吸收半径r2、折射率na及特征角度定制的可视空间视区的纵向深度范围满足表达式：
[0061][0062]
其中，z
fl
表示可视空间视区中心轴上纵向深度范围；定制的可视空间视区的横向范围由光调制模块分布调控整形后的照明光束的出射光场的横向范围决定。当用户的双眼位置处于人眼跟踪模块监测范围之外时，深度调控指向性照明显示结束。
[0063]
实施例3
[0064]
在本实施例中，结合实施例1提出的系统以及实施例2中提出的方法，将用户双眼替换为ccd相机模拟，进行归一化光能量测试实验，指向性光源3采用相干光源，可以利用配比rgb三基色原理合光形成白激光光源，诸如采用波长为：波长为700.0nm的红光(r)，波长为546.1nm的绿光(g)和波长为435.8nm的蓝光(b)，其相应地rgb三基色通量配比：标准白光(e)的三基色光通量配比为1：4.5907：0.0601，或一般的，可设计三基色光通量的配比合成所需其他的照明光颜色。在实验中使用的光调制模块4是折射率na为1.46的覆膜锥形透镜，指向光性源3的入射半径选取的是12.6mm，覆膜锥形透镜的参数r1和r2分别为12.6mm和0.0001mm，得到的实验上的调制照明光照距离为320mm左右。图7表示在可视空间视区(亮区)和非可视空间视区(非亮区)的归一化光能量测试结果示意图，可视空间视区的纵向深度范围指z轴的亮度范围，横向范围指的是x轴的移动范围。由上述的理论计算公式：
[0065][0066]
计算z
fl
为中心轴上纵向的深度范围约为314mm，结果与实验上测试的结果有较好的符合性。
[0067]
在不同纵向深度上进行显示图片的拍摄进一步验证深度调控照明的显示结果，如图8所示，将ccd摄像机位于轴向上90mm、110mm、150mm、300mm、400mm和500mm处进行显示实验的拍摄，由结果得出：在深度调控的显示系统在定制可视空间视区41的z轴上实现了90mm、110mm、150mm、300mm的图片的可视化，而在非可视空间视区51诸如400mm和500mm的位置处不能形成可视化观看，即形成了设定深度的视区显示，没有照明光束的分布无法进行显示观看，与系统设计的深度调制化照明理念相互印证，即是系统具有深度调制功能，定制的可视空间视区41实现照明，非定制照明区间51不可显示。而若引入光调制模块的光吸收表面，不对入射中心光束吸收，则由光调制模块4调控形成的出射光束焦线是从覆膜锥形透镜尖端z＝0开始，若设计光束吸收半径，则可以调控z轴形成的焦线位置诸如从z＝100mm、500mm开始。
[0068]
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0069]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。