CN104104939B - 一种宽视角的集成成像三维显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽视角的集成成像三维显示系统，包括：正交偏振显示设备、偏振片阵列和微透镜阵列，偏振片阵列平行放置于正交偏振显示设备前方，微透镜阵列贴紧放置于偏振片阵列之后，单元偏振片与单元微透镜对齐；其中正交偏振显示设备将两帧对应于不同微单元透镜的单元图像阵列以不同的偏振态重叠显示，显示图像的光线经过偏振片阵列过滤之后到达微透镜阵列，经过微透镜阵列的光学变换之后显示出三维像。本发明通过偏振器件与微单元透镜阵列耦合，增大了每个微透镜所对应的微单元图像的显示范围及分辨率，提高了立体显示系统的可观看角度。本发明提高了显示亮度，而且很大程度上降低了控制系统的复杂程度及制造难度，提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及三维立体显示技术，尤其是涉及一种宽视角的集成成像三维立体显示系统，可用于广播电视，电影，虚拟现实等领域。
背景技术
集成成像三维显示技术是一种裸眼立体显示技术，传统集成成像三维显示包括获取和重构两个主要环节，如附图1所示。在三维场景信息1的获取过程中，采用由许多透镜单元整齐排布构成的微透镜阵列2来采集三维空间物体的立体信息，并通过透镜阵列后端的记录介质来记录。由于每个透镜单元都会从不同方位获取各自的图像信息——单元图像，最终，所有的单元图像整齐排布形成单元图像阵列被记录在记录设备3上。在重构阶段，通常采用与获取端参数相同的透镜阵列来再现三维物体像。单元图像阵列被输入到显示系统4，显示器前端放置透镜阵列5，根据光路可逆原理，透镜阵列将单元图像发出的光线重新汇聚6，从而在透镜阵列所在平面之外的一定范围内重构出三维物体的立体像7。
集成成像三维显示技术可以提供全彩色，准连续视差立体图像，并且不需要辅助观看设备，如立体眼镜等，无需相干光源，便可实现空间成像，符合人眼生理习惯，避免了其他立体显示方式带来的视觉疲劳。
集成成像三维显示在获取端通过相机阵列或计算机渲染生成技术往往可以获得高分辨率的单元图像阵列，但是在重构端受到显示器件的制约，单元图像的分辨率通常不能较好满足集成成像三维显示的性能要求，极大的限制了显示系统的可观看角度和观看效果，成为制约集成成像三维显示发展的一个因素。
为了改善集成成像三维显示系统的视场角，学者们提出了多种解决方案，主要分为以下三类：1、通过改变显示面板及微透镜阵列的形状来提升可观看角度，如Yunhee Kim，Jae-Hyeung Park等人在“Wide-viewing-angle integral three-dimensional imagingsystem by curving a screen and a lens array”(APPLIED OPTICS Vol.44，No.4)提出了使用弯曲显示面板和透镜阵列的集成成像三维显示系统，但是基于目前的加工制造水平，弯曲的显示面板及透镜阵列成本高昂，不易实现。2、使用分时复用技术，通过在不同时刻遮挡不同的微单元透镜来扩大可观看角度，如Sungyong Jung，Jae-Hyeung Park等人在“Wide-viewing integral three-dimensional imaging by use of orthogonalpolarization switching”(APPLIED OPTICS Vol.42，No.14)中使用了分时复用与偏振光相结合的方法改善了集成成像三维显示系统的视场角，但是由于使用了分时复用技术，导致了显示系统的显示亮度降低，而且系统的结构、控制复杂。3、通过改变微单元透镜的形状，使某个方向上的可观看角度得到提升，但是这种方法牺牲了三维显示的横向分辨率，而且只能使可观看角度得到小幅度的提升。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，通过使用偏振器件与微单元透镜阵列耦合来扩大微单元图像的显示面积，以提供一种高分辨率、大视场角的三维立体显示系统。
为了实现上述目的，本发明提供一种宽视角的集成成像三维显示系统，包括：正交偏振显示设备、偏振片阵列和微透镜阵列，偏振片阵列平行放置于正交偏振显示设备前方，微透镜阵列贴紧放置于偏振片阵列之后，单元偏振片与单元微透镜对齐；其中正交偏振显示设备将两帧对应于不同微单元透镜的单元图像阵列以不同的偏振态重叠显示，显示图像的光线经过偏振片阵列过滤之后到达微透镜阵列，经过微透镜阵列的光学变换之后显示出三维像。
所述的正交偏振显示设备用于显示微单元图像阵列，必须能够同时显示偏振方向相互正交的线偏振光，且不同偏振方向的显示图像能够独立控制，所显示的微单元图像阵列以正交偏振态重叠显示，对应于奇数列微单元透镜的微单元图像偏振态与奇数列偏振片的偏振态相同，对应于偶数列微单元透镜的微单元图像偏振态与偶数列偏振片的偏振态相同。其微单元图像的面积为微单元透镜面积的两倍，其宽度是微单元透镜宽度的两倍，高度与微单元透镜的高度相同，且微单元图像的中心与所对应微单元透镜的中心对齐。
用于本发明中正交偏振显示设备的微单元图像阵列可以使用一般微单元图像阵列生成，具体生成方式为：1、对微单元图像阵列中的每个微单元图像进行裁剪，使微单元图像的宽度为高度的两倍，同时裁剪后的微单元图像中心与原微单元图像的中心相同。裁剪过程中使裁剪后的微单元图像像素数尽可能大。2、分别提取裁剪后的微单元图像阵列中的奇数列和偶数列，并分别拼合成新的微单元图像阵列，得到微单元图像阵列两幅，分别对应两个偏振态。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明通过偏振器件与微单元透镜阵列耦合，控制每个为单元透镜可通过光线的偏振态，使每个微单元透镜所对应的微单元图像扩大了一倍，增大了每个微透镜所对应的微单元图像的显示范围及分辨率，提高了立体显示系统的可观看角度。
2)相比目前广泛使用的时分复用技术，本系统显著提高了显示系统的显示亮度。
3)相比时分复用的立体显示系统而言，不但提高了显示亮度，而且很大程度上降低了控制系统的复杂程度及制造难度，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为传统的集成成像三维显示系统的采集及显示原理示意图；
图2为本发明中的集成成像三维显示系统示意图；
图3为本发明一个实施例的集成成像三维显示系统示意图；
图4为本发明中微单元图像阵列与微单元透镜阵列的对应关系示意图；
图5为本发明第二个实施例的集成成像三维显示系统示意图；
图6为本发明中通过原始微单元图像阵列生成新的微单元图像阵列的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步限定：
实施例1：
如图2及图3所示，为了实现上述目的，本发明提供一种宽视角的集成成像三维显示系统，包括：正交偏振显示设备8、偏振片阵列9和微透镜阵列10，偏振片阵列9平行放置于正交偏振显示设备8前方，微透镜阵列10贴紧放置于偏振片阵列9之后，微单元偏振片15与微单元透镜16对齐；其中正交偏振显示设备8将两帧对应于不同微单元透镜16的单元图像阵列以不同的偏振态重叠显示，显示图像的光线经过偏振片阵列9过滤之后到达微透镜阵列10，经过微透镜阵列10的光学变换之后显示出三维像13。
所述的正交偏振显示设备8用于显示微单元图像阵列14，必须能够同时显示偏振方向相互正交的线偏振光，且不同偏振方向的显示图像能够独立控制，所显示的微单元图像阵列14以正交偏振态重叠显示。
如图2及图4所示，对应于微单元透镜16的奇数列微单元图像29与偏振片阵列9中的奇数列偏振片11的偏振态相同，对应于微单元透镜16的偶数列微单元图像28与偏振片阵列9中偶数列偏振片12的偏振态相同。且奇数列微单元图像29及偶数列微单元图像28的面积为偏振片阵列9中的偏振片面积的两倍，其宽度是偏振片阵列9中的偏振片宽度的两倍，高度与偏振片阵列9中的偏振片的高度相同；另外，奇数列微单元图像29的中心与奇数列偏振片11的中心对齐，偶数列微单元图像28的中心与偶数列偏振片12的中心对齐。
实施例2：
本发明的思想是利用正交偏振显示设备，偏振片阵列和透镜阵列来实现一种分辨率和视场角都得到改善的集成成像显示系统。
如图5所示，本实施例中的正交偏振显示设备22采用了背投式双投影机系统，其包括两个相同规格型号一号投影机18和二号投影机19、一号偏振片20和二号偏振片21，能够保持光线偏振特性的投影幕23，但本发明并不局限于使用投影显示设备。
本实施例的具体实施步骤如下：
(1)使用两个型号、参数相同的一号投影机18、二号投影机19和能够保持光线偏振特性的背投式投影幕23作为正交偏振显示设备22。
1a)一号投影机18和二号投影机19平行放置，根据投影机的参数将投影幕23放置于一号投影机18和二号投影机19前方，使一号投影机18和二号投影机19所投出的影像在投影幕23上重叠面积尽可能大。
1b)分别在一号投影机18和二号投影机19前放置一号偏振片20和二号偏振片21，一号投影机18前的一号偏振片20偏振方向与水平方向夹角为45°，二号投影机19前的二号偏振片21偏振方向与水平方向夹角为-45°，一号投影机18和二号投影机19在投影幕23上的光线的偏振方向相互正交。
1c)通过对一号投影机18和二号投影机19所投出的图像进行校正，使一号投影机18和二号投影机19在投影幕23上的影像完全重叠，且影像的形状是规则的矩形。
(2)在微透镜阵列25表面上粘贴偏振片阵列24，奇数列的微透镜上的偏振片26偏振方向与水平方向的夹角为45°，偶数列的微透镜上的偏振片27的偏振方向与水平方向的夹角为-45°。
(3)根据显示参数的需求将贴有偏振片阵列24的微透镜阵列25放置在上述的正交偏振显示设备22前方，并保持微透镜阵列25与显示平面平行，并且贴有偏振片阵列24的一侧朝向正交偏振显示设备22。
(4)根据显示参数的要求通过原始微单元图像阵列31制作微单元图像阵列。如附图6所示，三维空间物体的原始微单元图像阵列可通过相机阵列或计算机渲染生成。
4a)对原始微单元图像阵列31中的每个微单元图像进行裁剪，使微单元图像的宽度为高度的两倍，同时裁剪后的微单元图像中心与原微单元图像的中心相同。裁剪过程中使裁剪后的微单元图像像素数尽可能大。
4b)将上述裁剪后的微单元图像中的奇数列微单元图像提取出来并进行拼接，得到对应于奇数列微单元图像阵列32，提取出偶数列的微单元图像并进行拼接，得到对应于偶数列微单元图像阵列33。
(5)使用上述正交偏振显示设备的一号投影机18显示上述的奇数列微单元图像阵列32，二号投影机19显示偶数列微单元图像阵列33，显示时通过缩放微单元图像阵列，并且微单元图像的高度与微单元透镜的高度相同，微单元图像的宽度是微单元透镜宽度的两倍，并通过平移操作使每个微单元图像的中心与对应的微透镜中心对齐，完成三维场景的显示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种宽视角的集成成像三维显示系统，其包括正交偏振显示设备、偏振片阵列和微透镜阵列，其特征在于：偏振片阵列平行放置于正交偏振显示设备前方，微透镜阵列贴紧放置于偏振片阵列之后，单元偏振片与单元微透镜对齐，所述正交偏振显示设备所显示的微单元图像阵列以正交偏振态重叠显示，对应于奇数列微单元透镜的微单元图像偏振态与奇数列偏振片的偏振态相同，对应于偶数列微单元透镜的微单元图像偏振态与偶数列偏振片的偏振态相同，微单元图像的面积为微单元透镜面积的两倍，宽度是微单元透镜宽度的两倍，高度与微单元透镜的高度相同，且微单元图像的中心与所对应微单元透镜的中心对齐。
2.根据权利要求1所述的宽视角的集成成像三维显示系统，其特征在于：偏振片阵列中奇数列与偶数列的单元偏振片偏振方向相互正交，并能够通过偏振片阵列来控制能够到达微透镜阵列上光线的偏振态。
3.根据权利要求1所述的宽视角的集成成像三维显示系统，其特征在于：正交偏振显示设备由投影设备，偏振方向正交的一对偏振片，能保持光线偏振特性的投影幕组成。
4.根据权利要求1所述的宽视角的集成成像三维显示系统，其特征在于：正交偏振显示设备，是偏光式3D液晶显示器。
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