CN115236872A - 一种像素级控光的三维显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种像素级控光的三维显示系统，其包括有投影仪阵列A1、多角度微棱镜阵列A2和垂直扩散膜A3，所述投影仪阵列A1、所述多角度微棱镜阵列A2和所述垂直扩散膜A3的位置关系为：投影仪阵列A1和垂直扩散膜A3分设于多角度微棱镜阵列A2的两侧，投影仪阵列A1发射的投影光透过多角度微棱镜阵列A2后传输至垂直扩散膜A3；或者，投影仪阵列A1和垂直扩散膜A3均设于多角度微棱镜阵列A2的同一侧，投影仪阵列A1发射的投影光经过多角度微棱镜阵列A2反射后传输至垂直扩散膜A3。本发明能够对每个像素发出的光进行单独调制，有助于提高3D图像的清晰度、增大视点信息与观看视角以及提高图像分辨率。

Description

一种像素级控光的三维显示系统

技术领域

本发明涉及三维显示系统，尤其涉及一种像素级控光的三维显示系统。

背景技术

随着计算机技术和显示技术的快速发展，人们已不再满足于平面的二维显示技术和基于3D眼镜等助视设备的助视三维显示观感，因裸眼3D技术既能还原大量现实世界中的深度信息，又能兼顾舒适性，于是成为了显示领域最前沿、最热门的高新技术。

裸眼3D技术的基本原理是形成双目视差，即通过控光设备和像素编码相结合的方式，使观看者两眼看到不同的视差图像，经过大脑的处理后就能观看到立体效果。

从目前的市场和公开的专利中可以看出，用于实现裸眼3D的主流方案是利用经过特殊编码的显示源和传统的控光模组（如狭缝光栅、柱透镜光栅和光学全息屏幕等）来形成三维图像。例如：基于柱透镜光栅的三维显示系统，这种技术方案存在控光精度不高和串扰的问题，而且该系统中每个柱透镜单元对其覆盖下的全体像素进行分光控制，因此在加工过程中如果一个柱透镜单元产生误差，就会影响一系列像素的成像位置，造成多视差图像素错误，同时由于柱透镜存在像差，相邻视点间串扰会加重，显示的三维图像清晰度会有所下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种能够对每个像素发出的光进行单独调制，有助于提高3D图像的清晰度、增大视点信息与观看视角以及提高图像分辨率的像素级控光的三维显示系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种像素级控光的三维显示系统，其包括有投影仪阵列A1、多角度微棱镜阵列A2和垂直扩散膜A3，其中：所述投影仪阵列A1包括多个用于发射特定图像信息投影光的投影仪；所述多角度微棱镜阵列A2用于为所述投影光中的每个像素提供正确的空间成像位置；所述垂直扩散膜A3用于将来自所述多角度微棱镜阵列A2的光线扩散，以形成可视的三维图像；所述投影仪阵列A1、所述多角度微棱镜阵列A2和所述垂直扩散膜A3的位置关系为：所述投影仪阵列A1和所述垂直扩散膜A3分设于所述多角度微棱镜阵列A2的两侧，所述投影仪阵列A1发射的投影光透过所述多角度微棱镜阵列A2后传输至所述垂直扩散膜A3；或者，所述投影仪阵列A1和所述垂直扩散膜A3均设于所述多角度微棱镜阵列A2的同一侧，所述投影仪阵列A1发射的投影光经过所述多角度微棱镜阵列A2反射后传输至所述垂直扩散膜A3。

优选地，所述多角度微棱镜阵列A2是一个具有周期性的阵列结构，每个周期单元包含一个多角度微棱镜组，所述多角度微棱镜组由多个特定摆放角度的微棱镜组成。

优选地，所述投影仪阵列A1与所述多角度微棱镜阵列A2之间的距离L满足条件：每个投影仪投射范围内的微棱镜数量不少于该投影仪投射的图像像素数量。

优选地，所述多角度微棱镜组中的多个微棱镜沿同一直线等间距排列，每相邻的两组所述多角度微棱镜组的间距相同且相互平行。

优选地，相邻两个投影仪的投影范围存在交叠区域，所述交叠区域占每个投影仪投影区域的0~50%。

优选地，对于所述投影仪阵列A1，根据相邻视差图拍摄位置的间距及不同投影仪的位置，选取不同视图集合。

优选地，所述投影光中每个像素对应的光束只被单个特定摆放角度的微棱镜调制。

优选地，所述微棱镜填充的折射率范围N为：1<N<2。

优选地，所述微棱镜的底面宽度接近对应像素的光束宽度。

优选地，所述微棱镜的截面是三角形、矩形或五边形。

本发明公开的像素级控光的三维显示系统中，所述投影仪阵列A1，包括若干包含特定图像信息的投影仪，用于为所述多角度微棱镜阵列A2提供投影信息；所述多角度微棱镜阵列A2，用于为所述投影仪投射的影像中的每个像素提供正确的空间成像位置，以提供具有精确立体效果的光场；所述垂直扩散膜A3，用于将来自所述多角度微棱镜阵列的光线扩散，以形成可视的三维图像。基于所述投影仪阵列A1、所述多角度微棱镜阵列A2和所述垂直扩散膜A3的以上功能，本发明可组成透射式架构和反射式架构，在透射式架构下，结合图1和图4所示，所述投影仪阵列A1发射的投影光透过所述多角度微棱镜阵列A2后传输至所述垂直扩散膜A3，在反射式架构下，结合图2和图5所示，所述投影仪阵列A1发射的投影光经过所述多角度微棱镜阵列A2反射后传输至所述垂直扩散膜A3，相比现有技术而言，本发明能够对每个像素光束进行单独调制，消除了传统三维显示系统中由透镜像差造成的串扰问题，有效提高了3D图像的清晰度，同时配合投影仪的拼接搭建，可有效增大视点信息和观看视角，从而提高图像的分辨率，最终呈现出一个大视角、高清晰度的3D图像。

附图说明

图1为本发明像素级控光的三维显示系统采用透视式架构的结构示意图；

图2为本发明像素级控光的三维显示系统采用反射式架构的结构示意图；

图3为多角度微棱镜阵列的结构图；

图4为本发明像素级控光的三维显示系统采用透视式架构的光路示意图；

图5为本发明像素级控光的三维显示系统采用反射式架构的光路示意图；

图6为投影仪发射的投影光穿过多角度微棱镜阵列后被垂直扩散膜扩散的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种像素级控光的三维显示系统，结合图1至图6所示，其包括有投影仪阵列A1、多角度微棱镜阵列A2和垂直扩散膜A3，其中：

所述投影仪阵列A1包括多个用于发射特定图像信息投影光的投影仪；

所述多角度微棱镜阵列A2用于为所述投影光中的每个像素提供正确的空间成像位置；

所述垂直扩散膜A3用于将来自所述多角度微棱镜阵列A2的光线扩散，以形成可视的三维图像；

所述投影仪阵列A1、所述多角度微棱镜阵列A2和所述垂直扩散膜A3的位置关系为：

所述投影仪阵列A1和所述垂直扩散膜A3分设于所述多角度微棱镜阵列A2的两侧，所述投影仪阵列A1发射的投影光透过所述多角度微棱镜阵列A2后传输至所述垂直扩散膜A3；

或者，所述投影仪阵列A1和所述垂直扩散膜A3均设于所述多角度微棱镜阵列A2的同一侧，所述投影仪阵列A1发射的投影光经过所述多角度微棱镜阵列A2反射后传输至所述垂直扩散膜A3。

上述系统中，所述投影仪阵列A1，包括若干包含特定图像信息的投影仪，用于为所述多角度微棱镜阵列A2提供投影信息；所述多角度微棱镜阵列A2，用于为所述投影仪投射的影像中的每个像素提供正确的空间成像位置，以提供具有精确立体效果的光场；所述垂直扩散膜A3，用于将来自所述多角度微棱镜阵列的光线扩散，以形成可视的三维图像。基于所述投影仪阵列A1、所述多角度微棱镜阵列A2和所述垂直扩散膜A3的以上功能，本发明可组成透射式架构和反射式架构，在透射式架构下，结合图1和图4所示，所述投影仪阵列A1发射的投影光透过所述多角度微棱镜阵列A2后传输至所述垂直扩散膜A3，在反射式架构下，结合图2和图5所示，所述投影仪阵列A1发射的投影光经过所述多角度微棱镜阵列A2反射后传输至所述垂直扩散膜A3，相比现有技术而言，本发明能够对每个像素光束进行单独调制，消除了传统三维显示系统中由透镜像差造成的串扰问题，有效提高了3D图像的清晰度，同时配合投影仪的拼接搭建，可有效增大视点信息和观看视角，从而提高图像的分辨率，最终呈现出一个大视角、高清晰度的3D图像。

作为本发明的一个关键要素，在本实施例中，所述多角度微棱镜阵列A2是一个具有周期性的阵列结构，每个周期单元包含一个多角度微棱镜组（A2-1），所述多角度微棱镜组（A2-1）由多个特定摆放角度的微棱镜（A2-1-1）组成。其中，特定摆放角度由特定像素的空间成像位置和对应投影仪中的对应像素信息共同决定。

为达到像素级控光效果，在本实施例中，所述投影仪阵列A1与所述多角度微棱镜阵列A2之间的距离L满足条件：每个投影仪投射范围内的微棱镜数量不少于该投影仪投射的图像像素数量。

本实施例中，所述多角度微棱镜组（A2-1）中的多个微棱镜（A2-1-1）沿同一直线等间距排列，每相邻的两组所述多角度微棱镜组（A2-1）的间距相同且相互平行，即任意两条直线平行等距。

实际应用中，投影仪按一定方式排列在第一面上，优选的排列方式为均匀排列，投影范围可适当交叠，对此，在本实施例中，相邻两个投影仪的投影范围存在交叠区域，所述交叠区域占每个投影仪投影区域的0~50%。

作为一种优选方式，对于所述投影仪阵列A1，根据相邻视差图拍摄位置的间距及不同投影仪的位置，选取不同视图集合。

关于所述投影仪阵列A1的具体结构原理，所述投影仪阵列A1用于为3D显示系统提供图像源，能够给观看者提供三维信息。投影仪阵列由多个投影仪以一定的排列组合方式拼接而成，为了保证透射的三维图像的亮度、分辨率和清晰度等是均匀的，多个投影仪均匀排列。投影仪的投影范围可适当交叠以增大视点信息，优选的交叠范围为0%~50%。本实施例通过所述构建多投影仪，并根据相邻视差图拍摄位置的间距及不同投影仪的位置，选取的不同视图集合的方式，可以有效提高三维光场的信息输入量，增大三维图像的分辨率，并且增大观看视角。

关于多角度微棱镜阵列A2，在本实施例中，请参见图3，所述投影光中每个像素对应的光束只被单个特定摆放角度的微棱镜调制。进一步地，所述微棱镜填充的折射率范围N为：1<N<2。所述微棱镜的底面宽度接近对应像素的光束宽度。并且所述微棱镜的截面是三角形、矩形或五边形。

上述结构中，多角度微棱镜阵列A2用于将来自投影仪的图像源中不同视差图的光线折射到不同方向形成视点，以提供具有精确三维效果的光场，观看者的左、右眼看到不同视点的图像，经过大脑融合后产生具有纵深感的立体效果。多角度微棱镜阵列A2，是一个具有周期性的阵列结构，以多角度微棱镜组（A2-1）为一个周期单元，每个周期单元由若干特定摆放角度的微棱镜（A2-1-n）组成。任意一个多角度微棱镜组（A2-1）中的微棱镜（A2-1-1）均匀等距排列在某一特定的直线上，且任意两条直线平行等距。

进一步地，基于提出的多角度微棱镜阵列结构的三维显示系统可以有两种实现方式，即透射式和反射式，下面分别进行原理介绍：

透射式三维显示系统中，多角度微棱镜阵列A2由透射微棱镜组成，如图5所示，来自投影仪的不同像素发出的光线OM1、OM2、OM3和OM4入射多角度微棱镜阵列时，分别被不同摆放方向的折射微棱镜折射调制，最终属于同一视差图的OM1和OM3汇聚在N1点处形成视点1，属于另一视差图的OM2和OM4汇聚在N1点处形成视点2，其中视点位置和投影仪位置分别位于多角度微棱镜阵列的异侧。

反射式三维显示系统中，多角度微棱镜阵列A2由反射微棱镜组成，如图6所示，来自投影仪的不同像素发出的光线OM1、OM2、OM3和OM4入射多角度微棱镜阵列时，分别被不同摆放方向的反射微棱镜反射调制，最终属于同一视差图的OM1和OM3汇聚在N1点处形成视点1，属于另一视差图的OM2和OM4汇聚在N1点处形成视点2，其中视点位置和投影仪位置分别位于多角度微棱镜阵列的同侧。

为了增加控光精度以及提高三维图像的显示质量，在投影仪的最佳观看距离范围内，一个像素发出的光束只能被单个特定折（反）射角度的微棱镜单元调制，为了增加显示亮度，优选的微棱镜底面尺寸接近对应像素的光束宽度。所述微棱镜填充的折射率范围为1<N<2。其主截面的形状可以是三角形、矩形、五边形或者其他多边形。

在具体加工制造环节中，多角度微棱镜阵列可以通过UV固化成型工艺制作，所用材料可以是UV胶。此外，还可以用热压成型的工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料（如PMMA，PC，COC，POLYCARB等）；也可以是传统磨削等冷加工工艺制作，材料可以是各种玻璃材料（如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是LA系玻璃等）；透射棱镜的透射表面可以镀光学膜（例如增透减反膜）来改善结构的光学性能，反射棱镜的反射表面需要镀反射膜来达到反射光线的效果。

在本实施例中，垂直扩散膜A3是用于将来自所述多角度微棱镜阵列的光线在垂直于所述第一直线的方向扩散，以形成三维影像。

关于垂直扩散膜A3的具体结构：垂直扩散膜A3用于将来自所述多角度微棱镜阵列的光线在垂直于所述第一直线的方向扩散，以形成三维影像。

垂直扩散膜是以光的干涉方法制得，能够在垂直于特定方向的方向将光扩散一定角度（角度可选择），而水平方向对光线不产生影响，能够解决2D影像显示源投射的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完整的三维影像。图6所示为本发明优选实施例中投影仪发出的光穿过多角度微棱镜阵列后被垂直扩散膜扩散的原理图，投影仪发出的每个像素的光线近似于平行光，经过微棱镜调制后入射垂直扩散膜，最终出射于一束发散角大于入射光发散角的光线。

本发明公开的像素级控光的三维显示系统中，所述投影仪阵列包括若干包含特定图像信息的投影仪，用于为所述多角度微棱镜阵列提供投影信息；所述多角度微棱镜阵列用于为所述投影仪投射的影像中的每个像素提供正确的空间成像位置，以提供具有精确立体效果的光场；所述垂直扩散膜，用于将来自所述多角度微棱镜阵列的光线扩散，以形成可视的三维图像。相比现有技术而言，本发明的有益效果在于：本发明通过设置包括多个特定摆放角度的微棱镜的多角度微棱镜阵列，能够对每个像素发出的光进行单独调制，消除了传统的三维显示系统中由透镜像差造成的串扰问题，进而提高3D图像的清晰度，同时配合投影仪拼接，增大了视点信息和观看视角以及提高了图像的分辨率，最终呈现出一个大视角，高清晰度的3D图像，较好地满足了应用需求。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种像素级控光的三维显示系统，其特征在于，包括有投影仪阵列A1、多角度微棱镜阵列A2和垂直扩散膜A3，其中：

所述投影仪阵列A1包括多个用于发射特定图像信息投影光的投影仪；

所述多角度微棱镜阵列A2用于为所述投影光中的每个像素提供正确的空间成像位置；

所述垂直扩散膜A3用于将来自所述多角度微棱镜阵列A2的光线扩散，以形成可视的三维图像；

所述投影仪阵列A1、所述多角度微棱镜阵列A2和所述垂直扩散膜A3的位置关系为：

所述投影仪阵列A1和所述垂直扩散膜A3分设于所述多角度微棱镜阵列A2的两侧，所述投影仪阵列A1发射的投影光透过所述多角度微棱镜阵列A2后传输至所述垂直扩散膜A3；

或者，所述投影仪阵列A1和所述垂直扩散膜A3均设于所述多角度微棱镜阵列A2的同一侧，所述投影仪阵列A1发射的投影光经过所述多角度微棱镜阵列A2反射后传输至所述垂直扩散膜A3；

所述多角度微棱镜阵列A2是一个具有周期性的阵列结构，每个周期单元包含一个多角度微棱镜组，所述多角度微棱镜组由多个特定摆放角度的微棱镜组成；

所述投影光中每个像素对应的光束只被单个特定摆放角度的微棱镜调制。

2.如权利要求1所述的像素级控光的三维显示系统，其特征在于，所述投影仪阵列A1与所述多角度微棱镜阵列A2之间的距离L满足条件：每个投影仪投射范围内的微棱镜数量不少于该投影仪投射的图像像素数量。

3.如权利要求1所述的像素级控光的三维显示系统，其特征在于，所述多角度微棱镜组中的多个微棱镜沿同一直线等间距排列，每相邻的两组所述多角度微棱镜组的间距相同且相互平行。

4.如权利要求1所述的像素级控光的三维显示系统，其特征在于，相邻两个投影仪的投影范围存在交叠区域，所述交叠区域占每个投影仪投影区域的0~50%。

5.如权利要求1所述的像素级控光的三维显示系统，其特征在于，对于所述投影仪阵列A1，根据相邻视差图拍摄位置的间距及不同投影仪的位置，选取不同视图集合。

6.如权利要求1所述的像素级控光的三维显示系统，其特征在于，所述微棱镜填充的折射率范围N为：1<N<2。

7.如权利要求1所述的像素级控光的三维显示系统，其特征在于，所述微棱镜的底面宽度接近对应像素的光束宽度。

8.如权利要求1所述的像素级控光的三维显示系统，其特征在于，所述微棱镜的截面是三角形、矩形或五边形。

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