CN102621796B - 一种自适应孔阑的三维显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应孔阑的三维显示装置及方法，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的二维显示单元阵列、透镜阵列、自适应孔阑阵列和定向散射屏，以及分别与所述自适应孔阑阵列与所述二维显示单元阵列相连的控制部件。将需要显示的三维场景解析成投影图像，组合成显示图像送入二维显示单元阵列，作为投影显示单元的图像源；调节二维显示阵列中显示图像的切换和调节自适应孔阑阵列中各光开关通光性，对定向散射屏汇聚投影，并成像于空间不同位置。本发明利用带有光开关的自适应孔阑阵列组成自适应孔阑，实现不同深度的三维显示。

Description

一种自适应孔阑的三维显示装置及方法

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别是一种自适应孔阑的三维显示装置和方法。

背景技术

三维显示技术以其逼真地提供立体信息而深受人们欢迎，近年来学术界和工业界都对能产生深度信息的三维显示技术进行了巨大投入。现有商业化的三维显示技术主要为基于左右眼视差图像的体视三维显示技术，这种技术能产生较高分辨率的视差图像，但是过高的观赏要求和徒增索然的辅助眼镜限制了其发展。基于障栅式或柱镜式的多视角自体视三维显示技术成为目前裸眼三维显示研究的重点。得益于二维显示单元阵列的迅猛发展，通过二维显示单元阵列配合模块化的光学元件构造裸眼三维显示装置成为一种具有集成化、模块化优势的显示技术。然而成像原理和系统结构的限制带来的问题包括有限的视角数和有限的深度范围，更高的分辨率、更细腻的视角间隔、更广的观察范围和深度信息是人们对视觉享受的要求。分辨率和视角数可以通过增加信息量在一定程度上得到弥补，因此寻求一种在现有技术条件下实现具有更大深度的显示范围成为裸眼三维显示技术发展的重点研究方向。

通常情况下，基于二维显示单元阵列和光学元件阵列的投影式裸眼三维显示装置，其系统结构和参数大多是固定。二维显示单元阵列上的像素区域往往严格对应相应的光学成像元件，在指定的区域内汇聚光线成像。由此，最佳成像区域的显示空间深度信息是非常有限的，并且当过大的深度信息交互设计应用于显示装置时，会带来图像拼接错误、成像失真等一系列显示效果问题。另一方面，多视角拼接的显示方案无法在兼顾显示图像分辨率的同时保证视角过渡的连续，即往往不能同时提供双目视差和运动视差，对于多人同时观看的裸眼三维显示技术而言，具有较大深度信息的运动视差更为重要。

投影式三维显示以其较集成化的装置结构产生较大视场和较大观看图像的特性得到广泛关注。目前已经投入产业化的投影式裸眼三维显示装置大多结构复杂，需要大量的投影机和控制电路。另外，大多数的组合投影式视差型显示装置虽然采用了二维显示单元阵列和自组装透镜构造投影显示单元，但需要设置孔阑阵列作为投影显示单元的出瞳，如专利号为ZL201110178701，专利名称为“基于多屏拼接的体视三维显示装置”的专利，其采用二维显示单元阵列像素区域分割的方式并保证显示器阵列的每一块显示区域都与正前方的一个投影镜头和孔阑构成一台投影机，所有投影机在纵向上错位排列并把其对应显示区域的预想投影到定向散射屏同一位置以在弧形屏幕前方成像，该发明能在很大视场范围内实现横向视差的三维立体。其中所述的孔阑为整个投影机的出瞳，这样的孔阑往往事先设计并加工为固定的结构，大小和排布方式都不具备可调节性，也无法保证与透镜中心的对准精度，对系统整体参数的要求较高。并且显示装置和参数一旦确定，将只能作为一种特定三维显示方案的应用，具体应用场合有限。而诸多研究和文献也表明，在投影式三维显示中，出瞳的参数和设计往往对最终成像效果产生重要影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的显示空间深度信息非常有限，并且当过大的深度信息交互设计应用于显示装置时，会带来图像拼接错误、成像失真等一系列显示效果问题，提出一种自适应孔阑的三维显示装置和方法。

一种自适应孔阑的三维显示装置，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的二维单元显示阵列、透镜阵列、和定向散射屏，还包括位于所述透镜阵列与所述散射屏之间的带有光开关的自适应孔阑阵列，每个孔阑对应一个可控光开关，且二维显示单元阵列中的每个显示单元均对应多个透镜和孔阑；以及分别与所述自适应孔阑阵列与所述二维显示单元阵列相连的控制部件。

所述的自适应孔阑阵列是由一系列孔阑和光开关一一对应组成的阵列；所述控制部件还包括控制二维显示单元阵列中显示图像的切换的装置和控制光开关阵列中光开关选择性通光的装置。

所述的定向散射屏是在横向或纵向具有特定散射角度要求的屏幕结构，其形状是平面或弧面的。

所述的二维显示单元阵列是单个二维显示单元阵列或多个二维显示单元阵列组成的阵列。

一种自适应孔阑的三维显示方法，包含如下步骤：

(1)确定要显示场景在空间的深度位置，将被显示的三维场景进行三维立体空间描述，解析成一系列显示所需的投影图像，组合成显示图像送入二维显示单元阵列，作为投影显示单元的图像源；

(2)控制部件控制打开自适应孔阑阵列相应的光开关，作为投影显示单元的出瞳；

(3)二维显示单元阵列的各投影显示单元显示图像通过对应的透镜、孔阑、光开关组合，向定向散射屏汇聚投影，并成像于空间指定位置，形成一系列拼接的竖条或方块影像，实现三维显示；

(4)判断是否需要显示不同深度的图像，如果是则重复步骤1)-3)，否则结束。

其中步骤(1)中，通过控制部件控制二维显示单元阵列中显示图像的切换，实现不同深度位置的三维显示。

所述步骤(2)中，控制部件调节自适应孔阑阵列中光开关选择性通光，通过改变自适应孔阑阵列中各光开关通光性，可以实现一部分孔阑关闭，另外一部孔阑开启，从而使光路通过不同的孔阑在不同的位置成像。

本发明的主要优点在于提出了一种具备普适性的、可用于多种视场拼接的基于自适应孔阑的空间三维显示装置及系统。，它包括具备较高拓展性的投影式三维显示装置、透镜阵列及自适应孔阑系统，其优势在于可以通过切换显示图像及调节自适应孔阑阵列光开关通光性，改变投影图像空间汇聚点，从而实现不同深度的显示，可广泛用于基于多投影显示或分时显示拼接原理的体三维显示装置。

附图说明

图1是基于自适应孔阑的空间三维显示装置结构示意图；

图2是自适应孔阑阵列排布和选择性开关示意图；

图3是任一视点位置观看到的拼接图像示意图；

图4是本发明自适应孔阑的三维显示方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步的阐述。

如图1所示，一种基于自适应孔阑的空间三维显示装置包括顺次设置的二维显示单元阵列1、透镜阵列2、自适应孔阑阵列3、定向散射屏4，以及位于所述透镜阵列2与所述定向散射屏4之间的带有光开关的自适应孔阑阵列3，每个孔阑对应一个可控光开关，且二维显示单元阵列1中的每个显示单元均对应多个透镜和孔阑；以及分别与所述自适应孔阑阵列3与所述二维显示单元阵列1相连的控制部件5。

所述的自适应孔阑阵列3是由一系列孔阑和光开关一一对应组成的阵列；所述控制部件5还包括控制二维显示单元阵列1中显示图像的切换的装置，以及控制光开关阵列中光开关选择性通光的装置。

所有透镜和自适应孔阑依次在纵向上错位排列，为充分利用二维显示单元阵列1的显示区域空间，且保证透镜阵列2和自适应孔阑阵列3布置的一致性和可操作性，本实施例中采用纵向错位1/3的方式进行排布。如图2所示。

所述的二维显示单元阵列1是单个二维显示单元或多个二维显示单元组成的阵列，其中，二维显示单元阵列是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。

所述的自适应孔阑阵列3是由一系列孔阑和光开关一一对应组成的阵列，光开关是液晶开关、电致变色开关或机械结构开关。

所述的定向散射屏4是在横向或纵向具有特定散射角度要求的屏幕结构，其形状是平面或弧面的。

如图4所示，一种使用所述装置的基于自适应孔阑的空间三维显示方法的流程如下：

1)确定要显示场景在空间的深度位置，将被显示的三维场景进行三维立体空间描述，解析成一系列显示所需的投影图像，组合成显示图像送入二维显示单元阵列1，作为投影显示单元的图像源。

通过控制部件控制二维显示单元阵列中显示图像的切换，实现不同深度位置的三维显示。

2)控制部件5控制打开自适应孔阑阵列3相应的光开关，作为投影显示单元的出瞳；

如图2实线和虚线所示，通过改变自适应孔阑阵列中各光开关通光性，可以实现一部分孔阑关闭，另外一部孔阑开启，从而使光路通过不同的孔阑在不同的位置成像。

3)二维显示单元阵列1的各投影显示单元显示图像通过对应的透镜、光开关组合，如图2实线或虚线孔阑所示，向定向散射屏4汇聚投影，并成像于空间指定位置A或B，形成一系列拼接的竖条或方块影像，如图3所示，实现三维显示。

4)判断是否需要显示不同深度的图像，如果是则重复步骤1)-3)，否则结束。

当需要显示不同深度的图像时，控制部件5控制二维显示单元阵列1中显示图像的切换与自适应孔阑阵列3中光开关选择性通光，实现汇聚投影成像于空间另一个深度位置，则实现了连续不同深度图像的三维显示。

具体流程可归纳为，根据所需显示的图像空间深度，改变自适应孔阑阵列3中各光开关通光性，组合成不同的自适应孔阑，使具有特定深度信息的图像源通过透镜阵列2中相应的透镜组合，投影汇聚到空间中不同深度位置，再经过定向散射屏4的散射作用提供完整的视图及足够的观察范围，定向散射屏4的作用在于保证所有孔阑图像在横向上拼接、在纵向上展开。

虽然这里是通过示意和举例的方式对本发明进行进一步描述的，但应该认识到，本发明并不局限于上述实施方式和实施例，前文的描述只被认为是说明性的，而非限制性的，本领域技术人员可以做出多种变换或修改，只要没有离开所附权利要求中所确立的范围和精神实质，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自适应孔阑的三维显示装置，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的二维显示单元阵列、透镜阵列、和定向散射屏，其特征在于：

所述三维显示装置设置有位于所述透镜阵列与所述散射屏之间的带有光开关的自适应孔阑阵列，每个孔阑对应一个可控光开关，且二维显示单元阵列中的每个显示单元均对应多个透镜和孔阑；以及分别与所述自适应孔阑阵列与所述二维显示单元阵列相连的控制部件；

所述控制部件还包括:

控制二维显示单元阵列中显示图像的切换的装置；

控制光开关阵列中光开关选择性通光的装置；

所述的二维显示单元阵列是单个二维显示单元阵列或多个二维显示单元阵列组成的阵列。

2.根据权利要求1所述的自适应孔阑的三维显示装置，其特征在于：所述的自适应孔阑阵列是由一系列孔阑和光开关一一对应组成的阵列。

3.根据权利要求1所述的自适应孔阑的三维显示装置，其特征在于：所述的定向散射屏是在横向或纵向具有特定散射角度要求的屏幕结构，其形状是平面或弧面的。

4.一种自适应孔阑的三维显示方法，其特征在于，包含如下步骤：

(1)确定要显示场景在空间的深度位置，将被显示的三维场景进行三维立体空间描述，解析成一系列显示所需的投影图像，组合成显示图像送入二维显示单元阵列，作为投影显示单元的图像源；

步骤(1)包括：控制部件控制二维显示单元阵列中显示图像的切换，实现不同深度位置的三维显示；

(2)控制部件控制打开自适应孔阑阵列相应的光开关，作为投影显示单元的出瞳；

步骤(2)包括：控制部件调节自适应孔阑阵列中光开关选择性通光，通过改变自适应孔阑阵列中各光开关通光性，可以实现一部分孔阑关闭，另外一部孔阑开启，从而使光路通过不同的孔阑在不同的位置成像；

(3)二维显示单元阵列的各投影显示单元显示图像通过对应的透镜、孔阑、光开关组合，向定向散射屏汇聚投影，并成像于空间指定位置，形成一系列拼接的竖条或方块影像，实现三维显示；

(4)判断是否需要显示不同深度的图像，如果是则重复步骤1)-3)，否则结束。