CN104503094B - 基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统及方法，所述系统，包括：平行光源、显示面板、体布拉格光栅单元和全息功能屏；平行光源用于照亮显示面板；显示面板与平行光源对应设置，用于显示排布在显示面板上的视差子图；体布拉格光栅单元位于显示面板的显示面的一侧，用于将显示面板上的视差子图的图像投射到全息功能屏上；全息功能屏与体布拉格光栅单元对应，用于调制视差子图以重建物体图像，使观察者全视角观看物体。本发明将LCD面板上视差子图的内容全部投射在全息功能屏上，通过全息功能屏的调制以重建3D光场，观察者可以在360°范围内观看到重建的3D物体，实现了大尺寸多视点的360°真三维显示，使得立体效果极佳。

Description

基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统及方法

技术领域

本发明涉及三维图像显示技术领域，特别是指一种基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统及方法。

背景技术

自由立体显示提供了一种新型的立体观察手段，自由立体显示的优点在于不需要借助任何辅助手段就可以体验到真实的三维立体图像。实现自由立体显示是一个复杂且技术含量高的过程，其显示的视差图越多，观察到的立体感越强，现存的自由立体显示多是基于柱面镜光栅阵列的原理，这种显示机制不能够提供真实物体的物理深度，且随着视点增加，最终合成图像的分辨率会大为下降。

目前，基于全息功能屏的投影阵列显示系统提供了一种新型的显示机制，它利用全息功能屏的调制作用将来自不同方向的投影信息在空间中进行调制，从而再现目标物体，这种显示方式能够为观察者提供真实物体的物理深度，此外，基于高速投影仪和旋转屏的显示系统为观察者也提供了360度观看重建物体的方法。

然而，现有的基于全息功能屏的投影阵列真三维显示可以提供真实物体的物理深度，但是这种系统设备极其复杂，占用较大的空间。此外，基于高速投影仪和旋转屏的系统对于高速投影仪的刷新速率有着较高的要求，这样就意味着只能去加载一些简单色彩的图像并且无法加载动态视频。而且，旋转屏是由透镜组成，由于透镜像差的影响，将会极大的影响观看范围以及最终的立体效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统及方法，实现了大尺寸多视点的360度真三维显示，使得立体效果极佳。

第一方面，本发明提供一种基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统，包括：平行光源、显示面板、体布拉格光栅单元和全息功能屏；

所述平行光源，用于照亮所述显示面板；

所述显示面板，与所述平行光源对应设置，用于显示排布在所述显示面板上的视差子图；

体布拉格光栅单元，位于所述显示面板的显示面的一侧，用于将所述显示面板上的所述视差子图的图像投射到所述全息功能屏上；

所述全息功能屏，与所述体布拉格光栅单元对应，用于调制所述视差子图以重建物体图像，使观察者全视角观看物体。

优选地，所述平行光源包括对应设置的LED阵列光源和透镜阵列，所述LED阵列光源发射的光通过所述透镜阵列照亮所述显示面板。

优选地，所述视差子图为多个，所述多个视差子图等间隔地排布在所述显示面板上。

优选地，所述多个视差子图以圆周形式均匀排布在所述显示面板上。

优选地，所述体布拉格光栅单元为多个，所述多个体布拉格光栅单元与所述多个视差子图一一对应。

优选地，所述体布拉格光栅单元为由红光、蓝光和绿光记录并叠加在一起的体布拉格光栅单元。

第二方面，本发明提供一种基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法，包括：

将多个视差子图均匀排布在所述显示面板上，针对所述显示面板上不同位置的所述视差子图设置相应的体布拉格光栅单元，所述每个视差子图包括物体的一个方向信息；

开启平行光源，使所述平行光源发射的光源作为背光照亮所述显示面板上的所述视差子图；

所述体布拉格光栅单元通过所述平行光源发出的光，将对应的所述视差子图的图像按照物体的方向信息投射到全息功能屏上；

所述全息功能屏调制所述视差子图以重建物体图像，以使观察者在全视角观察到物体。

优选地，所述全息功能屏调制所述视差子图以重建物体图像，包括：

所述全息功能屏接收所述体布拉格光栅单元上的像素发出的对应于所述物体上第一点的光线；

遍历所有体布拉格光栅单元，直至所述全息功能屏获取所述体布拉格光栅单元上的像素发出的对应于所述物体上第一点的所有光线；

所述全息功能屏根据所述所有光线重建所述物体上第一点的光场分布。

优选地，所述方法还包括：

所述全息功能屏获取所述物体上每个点的光场分布，根据所述每个点的光场分布，重建物体图像。

优选地，所述将多个视差子图均匀排布在所述显示面板上，包括：将所述多个视差子图以圆周形式均匀排布在所述显示面板上。

本发明利用体布拉格光栅高度灵敏的波长选择性和方向选择性将LCD上不同位置的视差子图投影到全息功能屏上的共同区域，经全息功能屏调制后，可以实现360°范围内的真三维显示效果，克服了传统立体显示方式中无法提供真实物体物理深度、无法360°范围内观看、设备复杂占用空间大等多个问题，并且节省成本，显示效果好。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统的结构示意图；

图2为图1所示的基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统的俯视图；

图3为图1中的体布拉格光栅单元的导光示意图

图4a-4b为图1中光场重构的工作原理图；

图5为图1中全息功能屏的工作原理图；

图6为本发明实施例提供的基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法的部分流程示意图。

附图标记：

11、平行光源；12、显示面板；13、体布拉格光栅单元；14、全息功能屏；15、观察者；16、显示单元；17、视差子图；18、透镜阵列；19、LED阵列光源。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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1示出了本发明实施例提供的基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统的结构示意图，图2示出了图1所示的基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统的俯视图，如图1和图2所示，本实施例的基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统，包括：平行光源11、显示面板12、体布拉格光栅单元13和全息功能屏14；其中，平行光源11用于照亮所述显示面板12；显示面板12与平行光源11对应设置，用于显示排布在所述显示面板12上的视差子图17，优选地，本实施例中的显示面板12为LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)面板；体布拉格光栅单元13位于显示面板12的显示面的一侧，用于将显示面板12上的视差子图17的图像投射到全息功能屏14上，针对显示面板12上不同位置的视差子图17应设计相应的体布拉格光栅单元13；全息功能屏14与体布拉格光栅单元13对应，用于调制视差子图以重建物体图像，使观察者15可以360°全视角观看物体。

为了实现智能背光分区控制，使显示画面对比度得到显著提高，并在能耗上表现也更为优越，本实施例中的平行光源11包括对应设置的LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)阵列光源和透镜阵列，LED阵列光源用于发射光源，透镜阵列用于导光，LED阵列光源发射的光通过透镜阵列照亮显示面板12，从而通过LED点阵光源和透镜阵列向系统提供平行光源以照亮显示面板12。

应说明的是，平行光源11不仅仅限定为包括LED阵列光源和透镜阵列，在实际生产设计过程中，可以选用其他具有同等功能的光源代替。

进一步地，由于体布拉格光栅单元13有较为灵敏的波长选择性，因此，本实施例中的每一个体布拉格光栅单元13都是分别由红光、蓝光、绿光三种激光记录并叠加在一起所组成的体布拉格光栅单元，针对同一个光路，由三种波长的激光器分别记录，将分别记录的三个子单元叠加在一起组成了一个体布拉格光栅单元。但本实施例不仅仅局限于该种体布拉格光栅单元13，可根据生产需要自行设定。

本实施例中，为了能够让观察者15在360°范围内观察到重建物体的光场，视差子图17的个数为多个，并且按照一定的排布方式显示在显示面板12上，优选地，多个视差子图17按照圆周形式均匀地排布在在显示面板12上。

应说明的是，对于本实施例中视差子图17在显示面板12上的排布方式，图2中只示出了多个视差子图17组成的三个圆周，每个圆周都由均匀分布地显示单元组成，显示单元包括视差子图17以及对应设置的体布拉格光栅单元13，本实施例不仅仅限定为三个显示圆周，在实际情况中可以排列更多层的显示圆周从而更加真实地还原目标物体的光场。

本实施例的全视角三维显示系统，平行光源11作为背光照亮显示面板12上显示的视差子图17，每个视差子图17与其相应的体布拉格光栅单元13组成一个显示单元，每个显示单元显示物体一个方向的信息。平行光源11发出的平行光通过每个视差子图17相应的体布拉格光栅单元13，将显示面板12上视差子图17的内容全部投射在全息功能屏14上的共同区域，通过全息功能屏的调制以重建3D(Three-dimensional，三维)光场，观察者15可以在360度范围内观看到重建的3D物体。

图3示出了图1中的体布拉格光栅单元的导光示意图，如图2和图3所示，本实施例利用体布拉格光栅单元13的导光作用将处于不同空间位置的视差子图17投射到全息功能屏14上的共同区域，因此针对不同位置的视差子图17应设计相应的体布拉格光栅单元13。以图2中序号8—4径向方向的体布拉格光栅单元13为例，LED阵列光源19和透镜阵列18发出平行背光经过体布拉格光栅单元13的调制后，会向不同的方向汇聚最终投射到全息功能屏14上的共同区域。

应说明的是，其他径向方向的体布拉格光栅单元13也是同样的原理，本实施例不再对其他体布拉格光栅单元13的导光原理进行详述。

图4a和图4b示出了图1中光场重构的工作原理图，具体地，图4a示出了当观察者15分别处于同一半径不同高度时，观察到的全息功能屏14重建物体光场的原理示意图，图4b示出了当观察者15分别处于不同高度不同半径时，观察由同一圆周的显示单元重建的点的原理示意图。

如图4a和图4b所示，本实施例中的全息功能屏14为了显示真实物体，必须重建真实物体上每一点的光场分布，以图4a和图4b中的A点为例，在图4a中，像素P会发出相应的光线，之后通过体布拉格光栅单元13的调制到达点A。其中，空间光线PA可由公式(1)表示为：

$\frac{x-x_A}{m}=\frac{y-y_A}{n}=\frac{z-z_A}{p}---\left(1\right)$

$\stackrel{\→}{s}=(m,n,p)=(x_A-x_P,y_A-y_P,z_A-z_P)$

在公式(1)中，(x_p，y_p，z_p)为像素P点的坐标，(x_A，y_A，z_A)为A点的坐标，是光线PA的方向向量，同理，来自不同显示单元16的相应的像素会发出不同的光线，这一系列光线共同重建物了物体上点A的光场。为了说明方便，图4a中只画出了三个由显示单元16组成的圆周，依据图4a中的几何关系可以得到：

$\begin{array}{c}{R}_V=R*\frac{h+z_A}{H-z_A}\\ \mathrm{\ΔH}=\frac{R_V}{h+z_A}\frac{R_{\mathrm{MAX}}-R_{\min }}{R_{\mathrm{MAX}}{R}_{\min }}\end{array}---\left(2\right)$

在公式(2)中，R_V为观察者15观看圆周的半径，R为显示单元16组成的圆周的半径，R_MAX为显示单元16组成的最外圈的圆周半径，R_min为显示单元16组成的最里圈的圆周半径，H,h分别代表观察者观看圆周位置与全息功能屏14的距离以及全息功能屏14与显示面板12的距离，ΔH代表观看高度的范围。

从图4a和公式(2)的分析可以得知，当观察者15位于相同的观看半径不同高度时，观看到的点A是由不同圆周的显示单元16上相应的像素所重构的光场，例如当观察者15位于半径为R_V，高度分别为H₁,H₂,H₃的圆周时，观看到重建物体上的A点依次是由最里圈到最外圈显示单元16上的相应像素所重构的光场。

若要观察到同一圆周显示单元16相应像素所重构的A点的光场，如图4b所示，观察者15需要位于不同高度，不同半径的圆周上。根据以上分析得知，本发明中的显示系统可以真实地再现了目标物体的光场。

本发明中全息功能屏14具有点扩散的功能，它将每个像素发出的重构光线在空间中以一个较小的约束角进行扩散，这样就保证了重建物体图像的连续性和亮度的均匀性，如图5所示，最终的重构物体图像是由一系列均匀分布的半径很小的圆形图像所组成。

本实施例的基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统，利用体布拉格光栅高度灵敏的波长选择性和方向选择性将显示面板上不同位置的视差子图投影到全息功能屏上的共同区域，经全息功能屏调制后，可以实现360度范围内的真三维显示效果，从而实现了一个大尺寸、多视点、高分辨率360度范围观看的真三维显示系统，设备复杂占用空间小、结构简单，成本低。

图6示出了本发明实施例中基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法的流程示意图，如图6所示，本实施例的基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法如下所述。

601、将多个视差子图均匀排布在显示面板上，针对显示面板上不同位置的视差子图设置相应的体布拉格光栅单元。

可以理解的是，每个视差子图均包括对应的物体的一个方向信息。

602、开启平行光源，使平行光源发射的光源作为背光照亮显示面板上的视差子图。

本实施例中，平行光源包括对应设置的LED阵列光源和透镜阵列，LED阵列光源用于发射光源，发射的光通过透镜阵列照亮显示面板。

603、体布拉格光栅单元通过平行光源发出的光，将对应的视差子图的图像按照物体的方向信息投射到全息功能屏上。

可以理解的是，视差子图为多个，多个视差子图以圆周形式均匀排布在显示面板上，体布拉格光栅单元为多个，多个体布拉格光栅单元与多个视差子图分别一一对应。

604、全息功能屏调制视差子图以重建物体图像，以使观察者在全视角观察到物体。

图7示出了本发明实施例中基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法的部分流程示意图，具体地，图7示出了图6中步骤604的流程示意图，如图7所示，步骤604具体包括：

6041、全息功能屏接收所述体布拉格光栅单元上的像素发出的对应于所述物体上第一点的光线。

本实施例中，全息功能屏为了显示真实物体，必须重建真实物体上每一点的光场分布，像素会发出相应的光线，之后通过体布拉格光栅单元的调制到达全息功能屏对应的一点。

6042、遍历所有体布拉格光栅单元，直至所述全息功能屏获取所述体布拉格光栅单元上的像素发出的对应于所述物体上第一点的所有光线。

应说明的是，来自不同显示单元的相应的像素会发出不同的光线，这一系列光线共同重建物了物体上对应点的光场。

6043、全息功能屏根据所述所有光线重建所述物体上第一点的光场分布。

6044、全息功能屏获取所述物体上每个点的光场分布，根据所述每个点的光场分布，重建物体图像。

在具体应用中，在重建物体上的第一点的光场之后，接着重建物体上的第二点的光场，直至全息功能屏构建所述物体上所有点的光场分布，并根据所有点的光场分布，重建物体图像，从而可以真实地再现了目标物体的光场。

本实施例的基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法，利用体布拉格光栅高度灵敏的波长选择性和方向选择性将显示面板上不同位置的视差子图投影到全息功能屏上的共同区域，经全息功能屏调制后，可以实现360°范围内的真三维显示效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求以及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于体布拉格光栅的全视角三维显示系统，其特征在于，包括：平行光源、显示面板、体布拉格光栅单元和全息功能屏；

所述平行光源，用于照亮所述显示面板；

所述显示面板，与所述平行光源对应设置，用于显示排布在所述显示面板上的视差子图；

体布拉格光栅单元，位于所述显示面板的显示面的一侧，用于将所述显示面板上的所述视差子图的图像投射到所述全息功能屏上；

所述全息功能屏，与所述体布拉格光栅单元对应，用于调制所述视差子图以重建物体图像，使观察者全视角观看物体；

所述体布拉格光栅单元为多个，且所述视差子图为多个，所述多个视差子图以圆周形式均匀排布在所述显示面板上，且所述多个体布拉格光栅单元与所述多个视差子图一一对应。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平行光源包括对应设置的LED阵列光源和透镜阵列，所述LED阵列光源发射的光通过所述透镜阵列照亮所述显示面板。

3.根据权利要求1-2任一所述的系统，其特征在于，所述体布拉格光栅单元为由红光、蓝光和绿光记录并叠加在一起的体布拉格光栅单元。

4.一种基于体布拉格光栅的全视角三维显示方法，其特征在于，包括：

将多个视差子图以圆周形式均匀排布在显示面板上，针对所述显示面板上不同位置的所述视差子图设置相应的体布拉格光栅单元，每个所述视差子图包括物体的一个方向信息；

开启平行光源，使所述平行光源发射的光照亮所述显示面板上的所述视差子图；

所述体布拉格光栅单元通过所述平行光源发出的光，将对应的所述视差子图的图像按照物体的方向信息投射到全息功能屏上；

所述全息功能屏调制所述视差子图以重建物体图像，以使观察者在全视角观察到物体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述全息功能屏调制所述视差子图以重建物体图像，包括：

所述全息功能屏接收所述体布拉格光栅单元上的像素发出的对应于所述物体上第一点的光线；

遍历所有体布拉格光栅单元，直至所述全息功能屏获取所述体布拉格光栅单元上的像素发出的对应于所述物体上第一点的所有光线；

所述全息功能屏根据所述所有光线重建所述物体上第一点的光场分布。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述全息功能屏获取所述物体上每个点的光场分布，根据所述每个点的光场分布，重建物体图像。