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CN108803054A - 一种3d光场显示系统 - Google Patents

一种3d光场显示系统 Download PDF

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CN108803054A CN201810574335.2A CN201810574335A CN108803054A CN 108803054 A CN108803054 A CN 108803054A CN 201810574335 A CN201810574335 A CN 201810574335A CN 108803054 A CN108803054 A CN 108803054A
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Abstract

本发明实施例提供一种3D光场显示系统,包括2D影像发生装置和复合光栅;其中,2D影像发生装置用于向复合光栅投射2D影像;复合光栅为在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的光栅结构,复合光栅用于为2D影像发生装置投射的2D影像提供具有立体效果的光场,以形成3D影像。本发明实施例提供的系统,通过在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的复合光栅,解决了现有的3D光场显示系统增大视角时会导致分辨率降低的问题,确保了在增大观看视角的同时,不会由于节距的增大而导致分辨率的降低。同时,相较于传统的狭缝光栅,提高了3D影像的显示亮度。

Description

一种3D光场显示系统
技术领域
本发明实施例涉及光场显示技术领域,尤其涉及一种3D光场显示系统。
背景技术
随着科学技术的飞速发展,裸眼3D显示已成为显示行业的主流发展趋势,其中基于狭缝光栅或柱透镜光栅的裸眼3D显示设备,能够在空间中不同位置构建出三维物体的视点。因其具有成本低廉、结构简单等优点,基于狭缝光栅或柱透镜光栅的裸眼3D显示设备商用化程度高。
如图1所示的基于狭缝光栅102的裸眼3D显示系统,其中狭缝光栅102起到控制光线的作用,能够将2D显示屏101上像素发出的光导向空间中不同的位置。图1中的视点指在空间中不同位置分别看到的三维物体的不同侧面信息。然而,上述显示方式存在一些缺陷,例如通过采集任一三维模型的4个不同侧面信息合成的一张图像,包含了4个视点的信息,因此每个视点的分辨率将下降1/4。并且由于狭缝光栅遮住了大部分的光线,基于狭缝光栅的显示方式亮度低。
如图2所示的基于柱透镜光栅202的裸眼3D显示系统,此处柱透镜光栅202的作用跟图1中的狭缝光栅102一样。但是由于柱透镜能透光,所以柱透镜光栅202的亮度相较于狭缝光栅102更高,其原理是利用光线通过柱透镜时会发生折射来控制光线。但是上述两种显示方式的分辨率一样会随着视点的增加而下降,并且形成的观看视角皆为θ=2arctanp/2g,其中p为狭缝光栅102或柱透镜光栅202的节距,g为狭缝光栅102或柱透镜光栅202距离2D显示屏101的距离。
然而,如果仅通过增大节p来增大观看视角的话,会带来其他的负面影响,例如增加颗粒感、降低分辨率。如图3所示,因为2D显示屏101是放在柱透镜302后焦平面上的,像素发出的光通过柱透镜302之后会是一束宽度等于柱透镜节距的平行光,人眼303通过一个柱透镜302只能观看到一个像素,所以随着柱透镜节距的增加,柱透镜302的数目会减少,所以分辨率会下降。
发明内容
本发明实施例提供一种3D光场显示系统,用以解决现有的3D光场显示系统增大视角时会导致分辨率降低的问题。
本发明实施例提供一种3D光场显示系统,包括2D影像发生装置和复合光栅;其中,2D影像发生装置用于向复合光栅投射2D影像;复合光栅为在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的光栅结构,复合光栅用于为2D影像发生装置投射的2D影像提供具有立体效果的光场,以形成3D影像。
本发明实施例提供的一种3D光场显示系统,通过在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的复合光栅,解决了现有的3D光场显示系统增大视角时会导致分辨率降低的问题,确保了在增大观看视角的同时,不会由于节距的增大而导致分辨率的降低。同时,相较于传统的狭缝光栅,提高了3D影像的显示亮度。
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一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图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获得其他的附图。
图1为现有技术中的基于狭缝光栅的裸眼3D显示系统原理图;
图2为现有技术中的基于柱透镜光栅的裸眼3D显示系统原理图;
图3为现有技术中的基于柱透镜光栅的裸眼3D显示系统原理图;
图4为本发明实施例中的一种3D光场显示系统的结构示意图;
图5为本发明实施例中的一种复合光栅的结构示意图;
图6为本发明实施例中的一种3D光场显示系统的结构示意图;
其中,
101-2D显示屏; 102-狭缝光栅; 202-柱透镜光栅;
302-柱透镜; 303-人眼; 401-2D影像发生装置;
402-复合光栅; 403-3D影像; 501-柱透镜;
502-遮光部分; 601-第一投影仪; 602-第二投影仪;
603-第三投影仪; 604-垂直扩散膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图4为本发明实施例中的一种3D光场显示系统的结构示意图,如图4所示,一种3D光场显示系统,包括2D影像发生装置401和复合光栅402;其中,2D影像发生装置401用于向复合光栅402投射2D影像;复合光栅402为在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的光栅结构,复合光栅402用于为2D影像发生装置401投射的2D影像提供具有立体效果的光场,以形成3D影像。
具体地,2D影像发生装置401可以是2D显示屏,也可以是投影仪等能够对外投射影像的设备,且2D影像发生装置401可以是单一显示屏或投影仪,也可以是多个2D显示屏和/或投影仪的组合,本发明实施例不对2D影像发生装置401的类型和数量作具体限定。
此外,复合光栅402相当于现有的狭缝光栅与柱透镜光栅的结合。图5为本发明实施例中的一种复合光栅402的结构示意图,如图5所示,复合光栅402由柱透镜501和遮光部分502构成。相对于由遮光部分502和遮光部分502之间的狭缝构成的狭缝光栅,复合光栅402增大了狭缝光栅的狭缝,并在狭缝处设置了柱透镜501。
进一步地,本发明实施例中,2D影像发生装置401与复合光栅402共同作用,生成了3D影像。
本发明实施例中,通过在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的复合光栅402,解决了现有的3D光场显示系统增大视角时会导致分辨率降低的问题,确保了在增大观看视角的同时,不会由于节距的增大而导致分辨率的降低。同时,相较于传统的狭缝光栅,提高了3D影像的显示亮度。
基于上述实施例,一种3D光场显示系统,2D影像发生装置401排布在第一平面,复合光栅402排布在第二平面,第一平面与第二平面平行,即2D影像发生装置401所在的平面与复合光栅402所在的平面平行。同理,由2D影像发生装置401所在的平面与2D影像发生装置401发出2D影像的成像面平行可知,2D影像发生装置401发出2D影像的成像面与复合光栅402所在的平面平行。
本发明实施例中,通过设置第一平面和第二平面平行,有助于3D光场显示系统3D影像显示效果的提升。
基于上述任一实施例,一种3D光场显示系统,2D影像发生装置401为投影仪阵列,投影仪阵列包括多个投影仪,多个投影仪均匀等距排布在第一平面的第一直线上。
其中,上述多个投影仪中,每一投影仪均用于向复合光栅402投射2D影像,且每一投影仪发射的均为定向的光线。每一投影仪能够投射若干个视点的信息。上述多个投影仪中,任意两个投影仪投射的信息对应的视点均是不同的。投影仪阵列中,每一投影仪投射的2D影像在投射到复合光栅402之前,构成投影仪阵列成像面,因而投影仪阵列成像面位于投影仪阵列与复合光栅402之间,任一投影仪成像的面均是独立的。本发明实施例中的若干个指代一个或者多个。多个视点在空间中不同位置分别能够看到的三维物体的不同侧面信息。
进一步地,本发明实施例中,通过对投影仪进行等距排布,使得投影仪阵列投射的2D影像能够均匀投射在复合光栅402上,以使得本发明实施例提出的3D光场显示系统能够提供更佳的显示效果。
本发明实施例中,通过设置投影仪阵列包括多个投影仪,能够在视点增多的情况下,相较于现有技术,具有更高的分辨率和更宽的观看视角,解决了现有技术中存在的视点数目和分辨率形成相互制约的关系,能够显示更好效果的3D影像。
基于上述任一实施例,一种3D光场显示系统,第一直线与复合光栅的周期性结构平行。需要说明的是,复合光栅具有周期性结构,复合光栅对光发生反射、透射和衍射作用的方向均是和其周期性结构的方向是相同的。
基于上述任一实施例,一种3D光场显示系统,还包括垂直扩散膜,垂直扩散膜用于将具有立体效果的光场中的光线在竖直方向上扩散;垂直扩散膜位于第三平面,第三平面与第一平面和第二平面平行;第一平面、第二平面和第三平面顺次排布。
具体地,垂直扩散膜是通过光的干涉的方法获取的,能够将经过复合光栅402发出的具有立体效果的光场中的光线在竖直方向上扩散预设角度,且在水平方向不对上述光线产生影响的光学器件。需要说明的是,垂直扩散膜的扩散角度可以根据3D光场显示系统的实际需求确定,本发明实施例对此不作具体限定。
本发明实施例中3D光场显示系统的运行原理如下:
首先,2D影像发生装置401发射出2D影像,并投射在复合光栅402上。随后,2D影像发生装置401投射的2D影像通过复合光栅402,形成具有立体效果的光场。接着,通过复合光栅402形成的具有立体效果的光场中的光线通过垂直扩散膜在竖直方向上扩散预设角度后,形成3D影像。
本发明实施例中,通过加设垂直扩散膜,解决了由于2D影像发生装置投射的2D影像光线发散角较小的问题,保证了观看者能够在整个竖直方向观看到3D光场显示系统显示的3D影像。
基于上述任一实施例,一种3D光场显示系统,3D光场显示系统的观看视角为:
其中,为观看视角,N为投影仪阵列中的投影仪个数,p为复合光栅的节距,g为投影仪阵列与投影仪阵列成像面之间的距离。
具体地,多个投影仪共同在空间中形成多个视点,若投影仪的横向分辨率为M,则最终显示的三维图像分辨率仅下降至M/N。则3D光场显示系统的观看视角也随之提高了N倍。
为了更好地理解与应用本发明提出的一种3D光场显示系统,本发明进行以下示例,且本发明不仅局限于以下示例。
图6为本发明实施例中的一种3D光场显示系统的结构示意图,如图6所示,3D光场显示系统包括投影仪阵列、复合光栅402和垂直扩散膜604。
其中,投影仪阵列由3个等距排列的投影仪构成,且本示例中的3D光场显示系统具备18个视点,每一投影仪投射出的图像包括6个视点的信息。具体地,其中第一投影仪601投射的2D影像包括视点13、14、15、16、17和18的信息,第二投影仪602投射的2D影像包括视点7、8、9、10、11和12的信息,第三投影仪603投射的2D影像包括视点1、2、3、4、5和6的信息。
由此,第一投影仪601投射的2D图像经过复合光栅402和垂直扩散膜602后,在空间中形成了视点13、14、15、16、17和18,第二投影仪602投射的2D图像经过复合光栅402和垂直扩散膜604后,在空间中形成了视点7、8、9、10、11和12,第三投影仪603投射的2D图像经过复合光栅402和垂直扩散膜604后,在空间中形成了视点1、2、3、4、5和6。由此,上述三个投影仪共同在空间中构建出包含18个视点的3D影像。
若投影仪的水平分辨率为M,则最终显示的3D影像的分辨率仅下降至M/6,比传统的方法提高了3倍。本示例中的3D光场显示系统的观看视角为:
由上可知,本示例中的3D光场显示系统的观看视角相比传统光场显示系统提高了3倍。
此处,投影仪阵列的排放以图6中3个投影仪为例,其他数量的投影仪可以此类推,第一投影仪601、第二投影仪602和第三投影仪603放置在纵向距离复合光栅402L+g处,上述投影所投影的2D影像均成像在距投影仪阵列纵向L处。第一投影仪601与第三投影仪603在横向方向,距离第二投影仪602的距离为d=pL/g,其中p为复合光栅402的节距。
本示例中,通过在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的复合光栅402,解决了现有的3D光场显示系统增大视角时会导致分辨率降低的问题,确保了在增大观看视角的同时,不会由于节距的增大而导致分辨率的降低。同时,相较于传统的狭缝光栅,提高了3D影像的显示亮度。
其次,通过设置投影仪阵列包括多个投影仪,能够在视点增多的情况下,相较于现有技术,具有更高的分辨率和更宽的观看视角,解决了现有技术中存在的视点数目和分辨率形成相互制约的关系,能够显示更好效果的3D影像。
再次,通过对投影仪进行等距排布,使得投影仪阵列投射的2D影像能够均匀投射在复合光栅402上,以使得本发明实施例提出的3D光场显示系统能够提供更佳的显示效果。
最后,通过加设垂直扩散膜604,解决了由于2D影像发生装置投射的2D影像光线发散角较小的问题,保证了观看者能够在整个竖直方向观看到3D光场显示系统显示的3D影像。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种3D光场显示系统,其特征在于,包括2D影像发生装置和复合光栅;
其中,所述2D影像发生装置用于向所述复合光栅投射2D影像;
所述复合光栅为在狭缝光栅的狭缝处设置有柱透镜的光栅结构,所述复合光栅用于为所述2D影像发生装置投射的2D影像提供具有立体效果的光场,以形成3D影像。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述2D影像发生装置排布在第一平面,所述复合光栅排布在第二平面,所述第一平面与所述第二平面平行。
3.根据权利要求2所述的系统,其特征在于,所述2D影像发生装置为投影仪阵列,所述投影仪阵列包括多个投影仪,所述多个投影仪均匀等距排布在所述第一平面的第一直线上。
4.根据权利要求3所述的系统,其特征在于,所述第一直线与所述复合光栅的周期性结构平行。
5.根据权利要求2所述的系统,其特征在于,还包括垂直扩散膜,所述垂直扩散膜用于将所述具有立体效果的光场中的光线在竖直方向上扩散;
所述垂直扩散膜位于第三平面,所述第三平面与所述第一平面和所述第二平面平行;
所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面顺次排布。
6.根据权利要求3所述的系统,其特征在于,所述3D光场显示系统的观看视角为:
其中,为观看视角,N为所述投影仪阵列中的投影仪个数,p为所述复合光栅的节距,g为所述投影仪阵列与投影仪阵列成像面之间的距离。
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