CN104820292A - 一种基于视差的裸眼三维显示方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视差原理的裸眼三维显示方法及其装置，与现有的基于柱面镜、栅栏的视差裸眼三维显示技术相比，具有：无分辨率损失、不降低显示亮度、连续多视角等特点。该方法将偏振显示器输出具有相互垂直偏振态的两幅左右视角的视差图像，经过由电致双折射材料制作的沃拉斯顿棱镜阵列，不同偏振态的图像以特定夹角出射，形成左右两幅视差图像，夹角通过改变电致双折射材料的折射率实现调节，人眼同时观察到这两幅视差图像可在大脑中合成出三维影像。基于该方法的装置包括：偏振显示器、准直透镜阵列以及电致双折射材料组成的沃拉斯顿棱镜阵列。

Description

一种基于视差的裸眼三维显示方法及其装置

技术领域

本发明属于裸眼三维显示技术领域，该方法及其装置利用视差原理，不损失图像分辨率和亮度的情况下实现裸眼三维显示。与现有的基于柱面镜、栅栏的视差裸眼三维显示技术相比，具有：无分辨率损失、不降低显示亮度、连续多视角等特点。

背景技术

三维立体显示更能真实的反映立体世界，成熟的平板显示技术是目前三维显示技术的首选实现方案，现有的基于平板显示器的三维显示技术中大多基于视差技术，并以佩戴眼镜的方式实现将左右两个带有视差图像的分别传输给观看者的左右两眼中，由于佩戴眼镜非常不便，所以人们希望发展裸眼三维平板显示技术。

目前现有的基于视差原理的裸眼三维平板显示装置普遍采用柱面镜或是狭缝光栅器件，通过将不同视角的图像分别显示在显示器不同位置，通过折射或是遮挡原理，使观看者每只眼睛在不同视角仅能看到单一视角的图像，两只眼睛看到的具有视差的图像进入人眼后经过大脑合成即可呈现三维图像，该方法易于实现而且不需要佩戴眼镜。但这两种方法需要将所有视角的图像同时显示在显示器上，由于显示器的分辨率有限，分配到每个视角的图像的分辨率会严重下降(例如，分辨率为1920×1080显示器，显示左右两个视角的图像，每个视角的图像分辨率仅为960×1080，若显示8视角图像，每个视角图像的分辨率仅为240×1080)。此外，在大视角成像时柱面镜光栅的像差会严重影响三维成像质量，采用狭缝光栅虽然可以克服柱面镜光栅的像差影响，但由于对光线的遮挡，出现图像的亮度低，光能利用率不高的问题。

发明内容

本发明目的是解决现有裸眼三维显示分辨率损失，亮度低的问题，提供一种基于视差的裸眼三维显示方法及其装置。

本发明提供的基于视差的裸眼三维显示方法涉及的光路系统包括依次放置的偏振显示器，透镜阵列以及双折射材料，该方法包括：

(1)透镜阵列中的透镜数量与偏振显示器的像素数相同，透镜阵列的每个透镜与偏振显示器的每个像素一一对应，像素的中心与每个透镜的焦点重合；

(2)所述透镜直径为D，透镜直径D与偏振显示器的像素宽度相同。透镜的焦距为f，f的范围为0.5D至5D之一，选取的原则为最适合于微透镜阵列的制造工艺的要求，且成本最低，透镜面型质量最好；

(3)采用电致双折射材料制作的沃拉斯顿棱镜阵列，其中的每个单元为一个沃拉斯顿棱镜，材料为电致双折射材料，沃拉斯顿棱镜的入射面的初始光轴方向与偏振显示器输出光线的一个偏振态相同，每个单元的沃拉斯顿棱镜的尺寸与透镜阵列中的透镜相同，沃拉斯顿棱镜的数量与透镜阵列中的透镜数量相同，且一一对应；

(4)偏振显示器的一个像素、透镜阵列的一个透镜、沃拉斯顿棱镜阵列的一个沃拉斯顿棱镜组成一个显示单元，实现的显示功能为：偏振显示器的一个像素发出两个偏振态相互垂直的两束光，经过透镜的准直，成为平行光束，入射到沃拉斯顿棱镜，沃拉斯顿棱镜的分束方向为水平方向，相互垂直偏振的光束从沃拉斯顿棱镜出射后，以角度θ分开传播，θ符合沃拉斯顿棱镜的分束计算方法；

(5)组成沃拉斯顿棱镜的材料为电致双折射材料(如：向列相液晶材料、蓝相液晶材料等)，通过外加电场的变化，利用克尔效应改变电致双折射材料的折射率n_o和n_e；其改变量由选用材料的特性决定；

(6)通过改变外加电场变化，实现组成沃拉斯顿棱镜的电致双折射材料的折射率n_o和n_e的调节，实现从沃拉斯顿棱镜出射光束的角度θ的调节。

本发明同时提供了一种根据以上所述方法的基于视差的裸眼三维显示装置，该装置包括：

(1)根据以上所述的方法制作透镜阵列和沃拉斯顿棱镜阵列，选取可同时实现两幅偏振状态垂直图像显示的偏振显示器；

(2)将透镜阵列平行的安装在偏振显示器上，透镜阵列与偏振显示器的间距为透镜的焦距f，透镜阵列的每个透镜与偏振显示器的每个像素对准；

(3)将沃拉斯顿棱镜阵列平行的安装在透镜阵列上，其间距在工艺可以保证的条件下越小越好，透镜阵列的每个透镜与沃拉斯顿棱镜阵列的每个沃拉斯顿棱镜对准。

本发明的优点和积极效果：

本发明所提出的方法与现有的基于柱面镜、狭缝光栅的视差裸眼三维显示技术相比，具有：无分辨率损失、不降低显示亮度、连续多视角等特点。

附图说明

图1双折射原理图。

图2基于双折射原理的裸眼三维平板显示装置结构示意图。

图中：1 偏振显示器，2 准直透镜阵列，3 沃拉斯顿棱镜阵列；4和5分别为观看者的两只眼睛。

图3利用视差原理重构的三维图像。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有严格按比例绘制。

具体实施方式

左右两视角图像的分束原理如图1所示，利用偏振显示器输出左右两个视角的图像，这两幅图像分别具有相互垂直的偏振态，图1中左侧为输入具有正交的两个偏振态的两个视角图像。经过采用电致双折射材料制作的沃拉斯顿棱镜，根据沃拉斯顿棱镜的分束原理，两幅具有相互垂直偏振态的图像以分束角θ出射。θ与电致双折射材料的折射率、沃拉斯顿棱镜的几何参数有关，计算方法为：

θ＝β_o-β_e               (1)

A_α＝(n_e-sin²α)^1/2               (4)

B_α＝sinαcosS                 (5)

D_α＝(n_o-sin²α)^1/2                  (7)

其中θ为分束角，β_o和β_e为o光和e光的出射角，A_αB_αC_αD_α为中间变量，不具有任何具体含义，α为入射角，S为沃拉斯顿棱镜结构角，λ为入射波波长，K为Kerr常数，n(0)为不加电场时，电致双折射材料的折射率，E为所加电场的有效值。

基于双折射原理的裸眼三维平板显示装置的原理图如图2所示，该装置包括三部分：依次放置的1偏振显示器，2准直透镜阵列，3采用电致双折射材料制作的沃拉斯顿棱镜阵列。偏振显示器1距离准直透镜阵列2的距离为透镜阵列的焦距f，沃拉斯顿棱镜3阵列安装在准直透镜阵列2的外侧，间距为在安装条件许可的情况下，尽可能的贴近准直透镜阵列2。

实施例：

电致双折射材料的选取：所述的双折射材料选用蓝相液晶，不加电场时其折射率由公式9得：n(0)＝1.5433，当外加电场为E＝1.95111V/μm时，△n＝0.1650趋于饱和。依据上述的公式(1-9)，可以计算出实现的最大分束角大小为19°。

采用分辨率为1920×1080的40英寸偏振显示器，采用热熔法制作的微透镜阵列的数量为1920×1080，每个透镜的直径为0.5mm，透镜元的焦距要求在0.25mm-2.5mm之间，在此，我们选择f＝2mm，。将尺寸为0.5mm，分束角S＝60°的沃拉斯顿棱镜紧挨准直透镜透镜阵列放置。形成的左右两个视角的夹角变化范围为0°到19°，观察者的双目间距为65mm，根据其中d为双目之间距离，l为观察者据显示屏的距离，可以得出观察者在距离显示屏2000mm的距离可以看到三维图像。图3为利用视差原理获取的三维重构图。

Claims (2)

1.一种基于视差的裸眼三维显示方法，其特征在于该方法涉及的光路系统包括依次放置的偏振显示器，透镜阵列以及双折射材料；具体方法包括：

(1)透镜阵列中的透镜数量与偏振显示器的像素数相同，透镜阵列的每个透镜与偏振显示器的每个像素一一对应，像素的中心与每个透镜的焦点重合；

(2)所述透镜直径为D，透镜直径D与偏振显示器的像素宽度相同；透镜的焦距为f，f的范围为0.5D至5D之一；

(3)采用电致双折射材料制作的沃拉斯顿棱镜阵列，其中的每个单元为一个沃拉斯顿棱镜，材料为电致双折射材料，沃拉斯顿棱镜的入射面的初始光轴方向与偏振显示器输出光线的一个偏振态相同，每个单元的沃拉斯顿棱镜的尺寸与透镜阵列中的透镜相同，沃拉斯顿棱镜的数量与透镜阵列中的透镜数量相同，且一一对应；

(4)偏振显示器的一个像素、透镜阵列的一个透镜、沃拉斯顿棱镜阵列的一个沃拉斯顿棱镜组成一个显示单元，实现的显示功能为：偏振显示器的一个像素发出两个偏振态相互垂直的两束光，经过透镜的准直，成为平行光束，入射到沃拉斯顿棱镜，沃拉斯顿棱镜的分束方向为水平方向，相互垂直偏振的光束从沃拉斯顿棱镜出射后，以角度θ分开传播，θ符合沃拉斯顿棱镜的分束计算方法；

(5)通过外加电场的变化，利用克尔效应改变电致双折射材料的折射率n_o和n_e，改变量由选用材料的特性决定；

(6)通过改变外加电场变化，实现组成沃拉斯顿棱镜的电致双折射材料的折射率n_o和n_e的调节，实现从沃拉斯顿棱镜出射光束的角度θ的调节。

2.一种根据权利要求1所述方法的基于视差的裸眼三维显示装置，其特征在于该装置包括：

(1)根据权利要求1所述的方法制作透镜阵列和沃拉斯顿棱镜阵列，选取可同时实现两幅偏振状态垂直图像显示的偏振显示器；

(2)将透镜阵列平行的安装在偏振显示器上，透镜阵列与偏振显示器的间距为透镜的焦距f，透镜阵列的每个透镜与偏振显示器的每个像素对准；

(3)将沃拉斯顿棱镜阵列平行的安装在透镜阵列上，透镜阵列的每个透镜与沃拉斯顿棱镜阵列的每个沃拉斯顿棱镜对准。