CN104122672B - 一种基于微球形透镜阵列的3d显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于微球形透镜阵列的3D显示器。该3D显示器由2D显示面板、光学平板、微球形透镜阵列和打孔板组成，并依次放置。微球形透镜阵列由大量彼此分离的微球形透镜组成。微球形透镜可以将来自于2D显示面板上不同位置的像素投射到不同的空间方向上，从而实现3D显示。由于微球形透镜在镜面尺寸相同的情况下焦距较小，因此该3D显示器相对于传统3D显示器具有较大的视角。

Description

一种基于微球形透镜阵列的3D显示器
技术领域
本发明涉及3D显示技术，更具体地说，本发明涉及基于透镜阵列的3D显示技术。
背景技术
基于透镜阵列的3D显示器是一种无需任何助视设备的3D显示器。它通过透镜阵列的光折射作用，将2D显示面板上不同区域的像素投射到不同的空间方向上，从而实现3D显示。基于透镜阵列的3D显示器相对于传统的狭缝光栅3D显示器具有高亮度的特点，因此其观看效果更佳。
基于透镜阵列的3D显示器通常由2D显示面板和透镜阵列组成，2D显示面板用于提供来自同一立体场景的多幅视差图像，透镜阵列利用光折射作用，将这些视差图像在空间方向上进行分开，形成不同的视点。当观看者双眼分别处于不同的视点时，就能够观看到对应的视差图像，从而实现立体感观。然而，常规的透镜阵列通常由模具浇注或由光刻胶固化而成，其透镜由一曲面和一平面组成，且其厚度较大，因此其焦距较大。而3D显示器的视角反比于透镜阵列的焦距，故常规的基于透镜阵列的3D显示器的视角通常较小。
发明内容
本发明提出了一种基于微球形透镜阵列的3D显示器。如附图1所示，该3D显示器由2D显示面板、光学平板、微球形透镜阵列和打孔板组成，光学平板位于2D显示面板和微球形透镜阵列之间，微球形透镜阵列位于光学平板和打孔板之间，打孔板位于微球形透镜阵列和观看者之间。光学平板是以透明材料制成的平板，具有一定厚度，在透镜焦点尺寸要求不高的情况下其厚度也可取零值，即不需光学平板。微球形透镜阵列是以微球形透镜组成，其相对位置由打孔板开孔位置决定，每个微球形透镜的几何中心在垂直于显示屏的方向上正对打孔板开孔的几何中心。打孔板由不透光材料制成，其上以二维正交阵列形式或二维密堆积形式分布有半径相同的圆形开孔。二维正交阵列形式中，每个微球形透镜与周围4个微球形透镜邻接；二维密堆积形式中，每个微球形透镜与周围6个微球形透镜邻接。打孔板开孔半径小于微球形透镜的半径，此打孔板紧压微球形透镜，并对微球形透镜进行固定。
附图2为本发明的结构原理图，来自于2D显示面板上不同位置像素的光线经过微球形透镜阵列折射后，可以不在不同的空间方向上进行投射，从而实现3D显示。设本发明的微球形透镜半径为r b，透镜材料折射率为n 1，打孔板上的开孔半径为r h，光学平板的厚度为d，光学平板折射率为n 2，本发明的视角大小为θ。优选地，这些参数应满足：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中，f s为微球形透镜单一球面的远轴光线焦距，f a为微球形透镜的远轴光线焦距。
当观看者的左眼和右眼分别处于不同的视点时，可以看到与视点对应的不同的视差图像，从而产生立体感。和传统的基于透镜阵列的3D显示器相比，本发明由于利用了微球形透镜，而微球形透镜在镜面尺寸相同时焦距较小，因此视角θ较大。
附图说明
附图1为本发明的结构图。
附图2为本发明的结构原理图。
附图3为本发明实施例在最佳观看距离上某一垂直方向上的亮度分布图。
上述附图中的图示标号为：
1.2D显示面板，2.光学平板，3.微球形透镜阵列，4.打孔板。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明利用本发明基于微球形透镜阵列的3D显示器的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
某一基于微球形透镜阵列的3D显示器由2D显示面板、光学平板、微球形透镜阵列和打孔板组成，光学平板位于2D显示面板和微球形透镜阵列之间，微球形透镜阵列位于光学平板和打孔板之间，打孔板位于微球形透镜阵列和观看者之间。光学平板是以透明材料制成的平行平板，具有一定厚度。微球形透镜阵列是以微球形透镜组成，其相对位置由打孔板开孔位置决定，每个微球形透镜的几何中心在垂直于显示屏的方向上正对打孔板开孔的几何中心。打孔板以不透光材料制成，其上以二维密堆积形式分布有半径相同的圆形开孔，二维密堆积形式中，每个微球形透镜与周围6个微球形透镜邻接，开孔半径小于微球形透镜的半径，此打孔板紧压微球形透镜，并对微球形透镜进行固定。本实例的微球形透镜半径为r b=5mm，透镜材料折射率为n 1=1.51，打孔板上的孔半径为r h=4mm，光学平板的厚度为d=1mm，光学平板折射率为n 2=1.5，3D显示器的视角大小为θ=64°。
实例中，上述参数的对应关系满足：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中，f s=12.35mm为微球形透镜单一球面的远轴光线焦距，f a=6.87mm为整个微球形透镜的远轴光线焦距。
本发明的3D显示器可以在最佳观看距离上形成若干个视点。当观看者的左眼和右眼分别处于不同的视点时，可以看到与视点对应的不同的视差图像，从而产生立体感。
附图3为本发明基于微球形透镜阵列的3D显示器在最佳观看距离上某一垂直方向上各幅视差图像的绝对亮度分布，横坐标x为最佳观看距离上水平方向的位移，纵坐标为每幅视差图像的亮度。由附图3可见，每幅视差图像对应的视区在水平方向上依次排列，相邻视点之间串扰很小。

Claims (2)

1.一种基于微球形透镜阵列的3D显示器，其特征在于：该3D显示器由2D显示面板、光学平板、微球形透镜阵列和打孔板组成；光学平板放置于2D显示面板和微球形透镜阵列之间，微球形透镜阵列放置于光学平板和打孔板之间，打孔板放置于微球形透镜阵列和观看者之间；所述光学平板是以透明材料制成的平板，具有一定厚度；所述微球形透镜阵列是以微球形透镜组成，其相对位置由打孔板开孔位置决定，每个微球形透镜的几何中心在垂直于显示屏的方向上正对打孔板开孔的几何中心；所述打孔板以不透光材料制成，其上以二维正交阵列形式或二维密堆积形式分布有半径相同的圆形开孔，二维正交阵列形式中，每个微球形透镜与周围4个微球形透镜邻接，二维密堆积形式中，每个微球形透镜与周围6个微球形透镜邻接，打孔板开孔半径小于微球形透镜的半径，打孔板紧压微球形透镜，并对微球形透镜进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于微球形透镜阵列的3D显示器，其特征在于，微球形透镜半径为rb，微球形透镜材料折射率为n1，打孔板上的开孔半径为rh，光学平板的厚度为d，光学平板折射率为n2，3D显示器的视角大小为θ，这些参数应满足：
f s = r h 2 + ( f s - r b + r b 2 - r h 2 ) 2 n 1 + r b ,
f a = f s 2 ( f s - r b ) 2 n 1 ,
d≈(fa-rb)n2，
θ = 2 arctan r b r b + d ,
式中，fs为微球形透镜单一球面的远轴光线焦距，fa为微球形透镜的远轴光线焦距。
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