CN105301787A - 一种宽视角集成成像3d显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽视角集成成像3D显示装置，其渐变孔径针孔阵列中任意一列的针孔的水平节距相同，且渐变孔径针孔阵列中针孔的水平孔径宽度从中间到两边逐渐增大，使得微图像阵列中的图像元通过渐变孔径针孔阵列中的针孔重建3D视区的水平宽度从中间到两边逐渐增大，从而增大所有图像元重建3D视区的公共区域的水平宽度，实现了比现有技术中的基于偏振光栅的无串扰集成成像3D显示装置有着更宽的集成成像3D显示视角。

Description

一种宽视角集成成像3D显示装置

技术领域

本发明涉及集成成像3D显示，更具体地说，本发明涉及一种宽视角集成成像3D显示装置。

背景技术

集成成像3D显示装置利用了光路可逆原理，通过针孔阵列或者微透镜阵列将3D场景的立体信息记录到图像记录设备上，生成微图像阵列，然后把该微图像阵列显示于2D显示屏上，透过针孔阵列或者微透镜阵列重建出原3D场景的立体图像。与基于微透镜阵列的集成成像3D显示装置相比，基于针孔阵列的集成成像3D显示装置具有成本低、重量小、器件厚度薄和节距不受制作工艺限制等优点。

如图1所示，在传统的基于偏振光栅的无串扰集成成像3D显示装置中，第一偏振光栅使得通过它的光变为具有不同偏振方向的线偏振光，而第二偏振光栅对线偏振光具有调制作用，使得2D显示屏上的每个图像元透过该图像元对应的针孔重建出3D场景，且其他列的图像元不能透过该针孔，从而实现了基于偏振光栅的无串扰集成成像3D显示。在观看距离l处，该3D显示装置的水平观看视角θ为：

$\mathrm{\θ}=2arctan\[\frac{p+w}{2g}-\frac{(m-1)p}{2l}\]$

其中，w为针孔的水平孔径宽度，p为图像元的水平宽度，g为2D显示屏与针孔阵列的距离，m为微图像阵列水平方向上的图像元的数目。但是，该3D显示装置仍然存在观看视角较窄等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有3D显示装置仍然存在观看视角较窄的问题，提供一种有着更宽的集成成像3D显示视角的宽视角集成成像3D显示装置。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种宽视角集成成像3D显示装置，包括：用于显示微图像阵列的2D显示屏、渐变孔径针孔阵列、第一偏振光栅和第二偏振光栅；

所述第一偏振光栅与2D显示屏贴合，第二偏振光栅与渐变孔径针孔阵列贴合；所述第一偏振光栅由一系列相同尺寸的栅线单元在水平方向上排列组成，每个栅线单元只具有一种偏振方向，任意相邻的两个栅线单元的偏振方向正交；第一偏振光栅中栅线单元的数目与微图像阵列水平方向上图像元的数目相等，第一偏振光栅中栅线单元的水平宽度与微图像阵列中图像元的水平宽度相等；

所述第二偏振光栅由一系列相同尺寸的栅线单元在水平方向上排列组成，每个栅线单元只具有一种偏振方向，任意相邻的两个栅线单元的偏振方向正交；第二偏振光栅中栅线单元的数目与渐变孔径针孔阵列水平方向上针孔的数目相等，第二偏振光栅中栅线单元的水平宽度与渐变孔径针孔阵列中针孔的水平宽度相等；

在所述渐变孔径针孔阵列中，任意一列的针孔的水平节距相同，且渐变孔径针孔阵列中针孔的水平孔径宽度从中间到两边逐渐增大；微图像阵列中的图像元通过渐变孔径针孔阵列中的针孔重建3D视区的水平宽度从中间到两边逐渐增大。

优选的，每一个图像元对应的第一偏振光栅中栅线单元的偏振方向与该图像元对应的针孔对应的第二偏振光栅中栅线单元的偏振方向相同，第一偏振光栅使得通过它的光变为具有不同偏振方向的偏振光，第二偏振光栅对偏振光具有调制作用，使得微图像阵列中每个图像元透过该图像元对应的针孔重建出正常3D图像，且水平方向上与该图像元相邻的图像元发出的光线不能透过该针孔。

优选的，所述渐变孔径针孔阵列中第i列针孔的水平孔径宽度Wi为：

$\left\{\begin{array}{cc}{W}_i=w+\frac{2gp}{l+g}\&lsqb;ceil\left(\frac{m}{2}\right)-i\&rsqb;& 1\&le;i\&le;\frac{m}{2}\\ W_i=w+\frac{2gp}{l+g}\&lsqb;i-floor\left(\frac{m}{2}\right)-1\&rsqb;& \frac{m}{2}<i\&le;m\end{array}\right.$

其中，w为位于中心位置的针孔的水平孔径宽度，p为图像元的水平宽度，g为2D显示屏与渐变孔径针孔阵列的距离，m为微图像阵列水平方向上图像元的数目，l为观看距离，i是小于或等于m的正整数。

优选的，所述3D显示装置的水平观看视角θ为：

$\mathrm{\&theta;}=2arctan\left(\frac{p+w}{2g}\right)$

其中，w为位于中心位置的针孔的水平孔径宽度，p为图像元的水平宽度，g为2D显示屏与渐变孔径针孔阵列的距离，m为微图像阵列水平方向上图像元的数目。

优选的，所述微图像阵列与渐变孔径针孔阵列均包含30×20个单元，其中，水平方向上30个单元，垂直方向上20个单元，2D显示屏与渐变孔径针孔阵列的间距为g＝5mm，图像元的水平宽度为p＝4.25mm，位于中心位置的针孔的水平孔径宽度为w＝0.075mm，观看距离l＝500mm，则第1～30列针孔的水平孔径宽度分别为0.25mm、0.2375mm、0.225mm、0.2125mm、0.2mm、0.1875mm、0.175mm、0.1625mm、0.15mm、0.1375mm、0.125mm、0.1125mm、0.1mm、0.0875mm、0.075mm、0.075mm、0.0875mm、0.1mm、0.1125mm、0.125mm、0.1375mm、0.15mm、0.1625mm、0.175mm、0.1875mm、0.2mm、0.2125mm、0.225mm、0.2375mm、0.25mm，集成成像3D显示装置的水平观看视角θ为54°。

与现有技术相比，本发明的有益效果：提供了一种宽视角集成成像3D显示装置，其渐变孔径针孔阵列中任意一列的针孔的水平节距相同，且渐变孔径针孔阵列中针孔的水平孔径宽度从中间到两边逐渐增大，使得微图像阵列中的图像元通过渐变孔径针孔阵列中的针孔重建3D视区的水平宽度从中间到两边逐渐增大，从而增大所有图像元重建3D视区的公共区域的水平宽度，实现了比现有技术中的基于偏振光栅的无串扰集成成像3D显示装置有着更宽的集成成像3D显示视角。

附图说明

图1为现有的基于渐变孔径针孔阵列的集成成像3D显示中水平方向上相邻图像元串扰示意图

图2为本发明的集成成像3D显示装置的结构示意图。

图3为本发明的渐变孔径针孔阵列的结构示意图。

图4为本发明的集成成像3D显示装置的水平观看视角示意图。

图中标记：1-2D显示屏，2-针孔阵列，3-图像元，4-第一偏振光栅，5-第二偏振光栅，6-渐变孔径针孔阵列。

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

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明提供的一种宽视角集成成像3D显示装置，增大了所有图像元重建3D视区的公共区域的水平宽度，实现了宽视角集成成像3D显示。

而参看图1所示的传统的基于偏振光栅的无串扰集成成像3D显示装置，其中第一偏振光栅4使得通过它的光变为具有不同偏振方向的偏振光，而第二偏振光栅对偏振光具有调制作用，使得2D显示屏1上的每个图像元3透过该图像元对应的针孔重建出3D场景，且其他列的图像元不能透过该针孔，从而实现了基于偏振光栅的无串扰集成成像3D显示。

在观看距离l处，该3D显示装置的水平观看视角θ为：

$\mathrm{\&theta;}=2arctan\&lsqb;\frac{p+w}{2g}-\frac{(m-1)p}{2l}\&rsqb;$

其中，w为针孔的水平孔径宽度，p为图像元3的水平宽度，g为2D显示屏1与针孔阵列2的距离，m为微图像阵列水平方向上的图像元的数目。但是，该3D显示装置仍然存在观看视角较窄等缺点。

本实施例所示出的一种宽视角集成成像3D显示装置，参看图2，包括：用于显示微图像阵列的2D显示屏1，渐变孔径针孔阵列6，第一偏振光栅5和第二偏振光栅5。第一偏振光栅4与2D显示屏1紧密贴合，第二偏振光栅5与渐变孔径针孔阵列6紧密贴合。

第一偏振光栅4由一系列相同尺寸的栅线单元在水平方向上紧密排列组成，每个栅线单元只具有一种偏振方向，任意相邻的两个栅线单元的偏振方向正交。第二偏振光栅5由一系列相同尺寸的栅线单元在水平方向上紧密排列组成，每个栅线单元只具有一种偏振方向，任意相邻的两个栅线单元的偏振方向正交。第一偏振光栅4的栅线单元的数目与微图像阵列水平方向上的图像元3的数目相等，第一偏振光栅4的栅线单元的水平宽度与微图像阵列的图像元3的水平宽度相等。

第二偏振光栅5的栅线单元的数目与渐变孔径针孔阵列6水平方向上的针孔的数目相等，第二偏振光栅5的栅线单元的水平宽度与渐变孔径针孔阵列6中针孔的水平宽度相等。

每一个图像元3对应的第一偏振光栅4中栅线单元的偏振方向与该图像元3对应的针孔对应的第二偏振光栅5中栅线单元的偏振方向相同。第一偏振光栅4使得通过它的光变为具有不同偏振方向的偏振光，而第二偏振光栅5对偏振光具有调制作用，使得微图像阵列中的图像元3透过该图像元对应的针孔重建出3D场景，且其他列的图像元不能透过该针孔，从而消除了水平方向上相邻图像元之间的串扰。

具体的，参看图3、图4，在所述渐变孔径针孔阵列6中，任意一列的针孔的水平节距相同，且渐变孔径针孔阵列6中针孔的水平孔径宽度从中间到两边逐渐增大；微图像阵列中的图像元通过渐变孔径针孔阵列6中的针孔重建3D视区的水平宽度从中间到两边逐渐增大，从而增大所有图像元重建3D视区的公共区域的水平宽度，实现了宽视角集成成像3D显示。

具体的，所述渐变孔径针孔阵列6中第i列针孔的水平孔径宽度Wi为：

$\left\{\begin{array}{cc}{W}_i=w+\frac{2gp}{l+g}\&lsqb;ceil\left(\frac{m}{2}\right)-i\&rsqb;& 1\&le;i\&le;\frac{m}{2}\\ W_i=w+\frac{2gp}{l+g}\&lsqb;i-floor\left(\frac{m}{2}\right)-1\&rsqb;& \frac{m}{2}<i\&le;m\end{array}\right.$

其中，w为位于中心位置的针孔的水平孔径宽度，p为图像元的水平宽度，g为2D显示屏1与渐变孔径针孔阵列6的距离，m为微图像阵列水平方向上图像元的数目，l为观看距离，i是小于或等于m的正整数。

同时，在最佳观看距离l处，本发明所述的集成成像3D显示装置的水平观看视角θ为：

$\mathrm{\&theta;}=2arctan\left(\frac{p+w}{2g}\right)$

其中，w为位于中心位置的针孔的水平孔径宽度，p为图像元3的水平宽度，g为2D显示屏1与渐变孔径针孔阵列6的距离，m为微图像阵列水平方向上的图像元3的数目。

实际应用中，所述微图像阵列与针孔阵列2均包含30×20个单元，其中，水平方向上30个单元，垂直方向上20个单元，2D显示屏1与渐变孔径针孔阵列6的间距为g＝5mm，图像元3的水平宽度为p＝4.25mm，位于中心位置的针孔的水平孔径宽度为w＝0.075mm。在观看距离l＝500mm处，则第1～30列针孔的水平孔径宽度分别为0.25mm、0.2375mm、0.225mm、0.2125mm、0.2mm、0.1875mm、0.175mm、0.1625mm、0.15mm、0.1375mm、0.125mm、0.1125mm、0.1mm、0.0875mm、0.075mm、0.075mm、0.0875mm、0.1mm、0.1125mm、0.125mm、0.1375mm、0.15mm、0.1625mm、0.175mm、0.1875mm、0.2mm、0.2125mm、0.225mm、0.2375mm、0.25mm，

根据公式：

$\mathrm{\&theta;}=2arctan\left(\frac{p+w}{2g}\right)$

得到本发明所述的集成成像3D显示装置的水平观看视角为54°；而基于上述参数的传统的无串扰集成成像3D显示装置的水平观看视角为24°。因此，本发明所述的集成成像3D显示装置实现了宽视角集成成像3D显示。

Claims (5)

1.一种宽视角集成成像3D显示装置，包括：用于显示微图像阵列的2D显示屏、渐变孔径针孔阵列、第一偏振光栅和第二偏振光栅；

所述第一偏振光栅与2D显示屏贴合，第二偏振光栅与渐变孔径针孔阵列贴合；所述第一偏振光栅由一系列相同尺寸的栅线单元在水平方向上排列组成，每个栅线单元只具有一种偏振方向，任意相邻的两个栅线单元的偏振方向正交；第一偏振光栅中栅线单元的数目与微图像阵列水平方向上图像元的数目相等，第一偏振光栅中栅线单元的水平宽度与微图像阵列中图像元的水平宽度相等；

所述第二偏振光栅由一系列相同尺寸的栅线单元在水平方向上排列组成，每个栅线单元只具有一种偏振方向，任意相邻的两个栅线单元的偏振方向正交；第二偏振光栅中栅线单元的数目与渐变孔径针孔阵列水平方向上针孔的数目相等，第二偏振光栅中栅线单元的水平宽度与渐变孔径针孔阵列中针孔的水平宽度相等；

其特征在于，在所述渐变孔径针孔阵列中，任意一列的针孔的水平节距相同，且渐变孔径针孔阵列中针孔的水平孔径宽度从中间到两边逐渐增大；微图像阵列中的图像元通过渐变孔径针孔阵列中的针孔重建3D视区的水平宽度从中间到两边逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的一种宽视角集成成像3D显示装置，其特征在于，每一个图像元对应的第一偏振光栅中栅线单元的偏振方向与该图像元对应的针孔对应的第二偏振光栅中栅线单元的偏振方向相同，第一偏振光栅使得通过它的光变为具有不同偏振方向的偏振光，第二偏振光栅对偏振光具有调制作用，使得微图像阵列中每个图像元透过该图像元对应的针孔重建出正常3D图像，且水平方向上与该图像元相邻的图像元发出的光线不能透过该针孔。

3.根据权利要求1所述的一种宽视角集成成像3D显示装置，其特征在于所述渐变孔径针孔阵列中第i列针孔的水平孔径宽度W_i为：

$\left\{\begin{array}{cc}{W}_i=w+\frac{2gp}{l+g}\&lsqb;ceil\left(\frac{m}{2}\right)-i\&rsqb;& 1\&le;i\&le;\frac{m}{2}\\ W_i=w+\frac{2gp}{l+g}\&lsqb;i-floor\left(\frac{m}{2}\right)-1\&rsqb;& \frac{m}{2}<i\&le;m\end{array}\right.$

其中，w为位于中心位置的针孔的水平孔径宽度，p为图像元的水平宽度，g为2D显示屏与渐变孔径针孔阵列的距离，m为微图像阵列水平方向上图像元的数目，l为观看距离，i是小于或等于m的正整数。

4.根据权利要求2所述的一种宽视角集成成像3D显示装置，在观看距离l处，所述3D显示装置的水平观看视角θ为：

$\mathrm{\&theta;}=2\arctan \left(\frac{p+w}{2g}\right)$

其中，w为位于中心位置的针孔的水平孔径宽度，p为图像元的水平宽度，g为2D显示屏与渐变孔径针孔阵列的距离，m为微图像阵列水平方向上图像元的数目。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种宽视角集成成像3D显示装置，其特征在于，所述微图像阵列与渐变孔径针孔阵列均包含30×20个单元，其中，水平方向上30个单元，垂直方向上20个单元，2D显示屏与渐变孔径针孔阵列的间距为g＝5mm，图像元的水平宽度为p＝4.25mm，位于中心位置的针孔的水平孔径宽度为w＝0.075mm，观看距离l＝500mm，则第1～30列针孔的水平孔径宽度分别为0.25mm、0.2375mm、0.225mm、0.2125mm、0.2mm、0.1875mm、0.175mm、0.1625mm、0.15mm、0.1375mm、0.125mm、0.1125mm、0.1mm、0.0875mm、0.075mm、0.075mm、0.0875mm、0.1mm、0.1125mm、0.125mm、0.1375mm、0.15mm、0.1625mm、0.175mm、0.1875mm、0.2mm、0.2125mm、0.225mm、0.2375mm、0.25mm，集成成像3D显示装置的水平观看视角θ为54°。