CN105388621B - 基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统及应用方法 - Google Patents

基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于球面波照明的裸眼三维显示系统及应用方法。裸眼三维显示系统包括近似球面波照明装置、基元图像以及透镜阵列；基元图像不位于所述透镜阵列的物方焦平面或者像方焦平面上；近似球面波照明装置包括近似球面波光源；经球面波照明的基元图像通过透镜阵列在空间中合成三维图像，三维图像的空间位置和图像放大率可随着球面波光源发出的球面光波的曲率半径的变化而变化。利用可调谐球面波照明装置，按设定时序改变球面光源与基元图像之间的距离，可实现无需图像刷新的动态三维显示。

Description

基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统及应用方法
技术领域
本发明属于三维显示技术领域，具体涉及一种基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统以及利用该系统实现图像动态三维显示的方法。
背景技术
裸眼三维显示是未来显示技术发展的重要方向，其中基于柱透镜阵列或者微透镜阵列的自由立体显示技术极具前景，已经吸引了众多研究机构的注意。现有的自由立体显示系统主要分为两类：一类基于液晶、投影等电子显示技术的可刷新立体显示。另一类是基于打印或者印刷技术的三维打印或者立体印刷技术，只能显示静态的一幅或者几幅三维图像。
裸眼三维技术已经应用于诸如游戏界面、影像传播、空间投影等方面；但是无论是动态还是静态立体显示系统，都使用固定的均匀扩散光源，这在很大程度上限制了三维显示系统的设计自由度，制约了三维显示系统的性能。
目前，基于电子显示技术的可刷新立体显示为实现三维图像的放大、缩小或者三维图像的空间位置的变换，都需要软件系统对基元图像进行相应的缩放和变换计算，以获得新的基元图像，然后用新的基元图像刷新显示器上的旧图像，最终实现三维图像的刷新。基元图像的每次变化，都需要重新计算投影参数，计算复杂且计算量很大，这导致系统的响应时间过长，大大降低了三维显示系统的性能，从而降低裸眼观影舒适度。
采用印刷或者打印的基元图像进行三维显示时，现有的显示系统无法对三维图像的空间位置、大小和分辨率等进行实时调节，只能显示静态的图像，无动态或者实时三维显示功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，首次利用近似球面波照明装置照明三维显示系统，无需图像刷新即可实现动态三维显示。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，包括近似球面波照明装置、基元图像以及透镜阵列；所述基元图像位于近似球面波照明装置以及透镜阵列之间或者所述透镜阵列位于近似球面波照明装置以及基元图像之间；所述基元图像不位于所述透镜阵列的物方焦平面或者像方焦平面上；所述近似球面波照明装置包括近似球面波光源。
本发明中，近似球面波照明装置包括近似球面波光源，其发射近似球面光波；近似球面光波照明基元图像与透镜阵列。近似球面波照明装置发射出的近似球面光波为汇聚球面光波或者发散球面光波，近似球面光波曲率半径取值大于零小于无穷大；近似球面光波汇聚形成有限大小的光斑或者发散成有限大小的光源。有限大小的光斑或者有限大小的光源的面积相对于所述透镜阵列的面积足够小。
上述技术方案中，所述基元图像可以位于透镜阵列的物方空间，也可位于透镜阵列的像方空间，即基元图像位于近似球面波照明装置以及透镜阵列之间或者透镜阵列位于近似球面波照明装置以及基元图像之间。
本发明中，基元图像优选位于透镜阵列的两倍物方焦距与两倍像方焦距之间，除去所述透镜阵列的物方焦平面（物方焦点所在平面）和像方焦平面（像方焦点所在平面）。
上述技术方案中，基元图像进一步优选位于透镜阵列的物方焦平面和像方焦平面之间，不包括物方焦平面和像方焦平面。
上述技术方案中，基元图像可以打印或者印刷在承印介质上作为印刷品，也可以显示输出在电子显示屏幕如液晶显示屏上作为电子显示图像。
上述技术方案中，透镜阵列的透镜单元优选自球面透镜、柱面透镜、非球面透镜。透镜单元的排列方式可以是周期性排列，也可以是非周期性排列或者随机排列。
本发明中，近似球面波照明装置发射近似球面光波照明基元图像，近似球面波光源与基元图像之间的距离为s，距离s可以实时调制，通过s的调制即可实现用于照明的近似球面光波曲率半径的调制。基元图像位于距离透镜阵列距离为g的平面处，g不等于透镜阵列的焦距，优选为两倍物方焦距与两倍像方焦距之间，进一步优选为一倍物方焦距与一倍像方焦距之间。在近似球面光波的照明下基元图像经过透镜阵列在距离透镜阵列为d处的空间中合成三维图像。通过调制距离s，合成的三维图像的空间位置d和放大率将发生实时调制。三维图像可以是实像，也可以是虚像。三维图像的空间位置可以位于透镜阵列物方空间一侧，也可以位于像方空间一侧。
进一步的，本发明的近似球面波照明装置可调制，是指近似球面波光源相对于其他元件的位置可移动，即近似球面波光源与基元图像之间的距离可实时调整；从而调节用于照明的近似球面光波的曲率半径，实现三维图像的位置以及放大率的实时调制；本发明首次实现动态三维显示，克服了现有技术系统的响应时间过长，动态三维显示系统性能差的缺陷。
优选的，近似球面波照明装置由多个近似球面波光源沿着所述透镜阵列所在平面的法线方向排列组成，点亮不同位置处的近似球面波光源实现近似球面波光源可调制，用于照明的近似球面光波的曲率半径通过点亮不同位置处的近似球面光源实现动态调制；或者近似球面波照明装置由近似球面波光源与位移装置组成，用于照明的近似球面光波的曲率半径通过移动球面光源实现动态调制，近似球面波光源安装于所述位移装置上，光源发出近似球面波光，位移装置可以带着光源移动，从而使得近似球面波光源可调制；位移装置没有特别限制，可沿所述透镜阵列所在平面的法线方向移动即可，比如自动位移调节器；一般将一个近似球面波光源与位移装置连接，近似球面波光源发射指定曲率半径的球面光波照明基元图像和透镜阵列，亦可用多个近似球面波光源。近似球面波光源与基元图像之间的距离s可以通过移动近似球面波光源的位置实现调制，还可以通过点亮设置在距离基元图像不同距离处的近似球面波光源实现调制。距离s的大小选自大于零小于无穷远。
根据本发明的技术方案，近似球面波光源可以由准直光源与变焦透镜构成，从而构成球面波照明装置；或者由近似球面波光源与变焦透镜构成球面波照明装置。用于照明的近似球面光波的曲率半径通过改变变焦透镜的焦距实现动态调制；从而实现近似球面波照明装置可调制。
本发明还公开了上述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统实现图像动态三维显示的方法，包括以下步骤：打开近似球面波照明装置的近似球面波光源；近似球面波光源发射近似球面光波照明基元图像与透镜阵列，基元图像通过透镜阵列形成三维图像；然后调节用于照明的近似球面光波的曲率半径，实现三维图像的位置以及放大率的实时调制；从而实现动态三维显示。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1. 本发明首次公开了基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其三维成像机理与现有的基于均匀扩散光源照明的三维成像机理不同；克服了现有基于均匀扩散光源照明的三维显示系统中基元图像需严格对位于透镜阵列焦平面上的缺陷，大幅减轻了三维显示系统的装配难度，大幅节省了系统部件所占据的空间。
2. 本发明公开了的基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，首次实现了基于近似球面波光源可调制照明的三维显示系统的动态显示，不需要图像刷新即可实现实时响应的动态三维显示；取得了意想不到的技术效果。
3. 本发明公开的基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其基元图像与透镜阵列之间的距离、位置都可以作为系统设计的自由度；大幅增加了三维显示系统与显示效果的设计灵活性；通过改变用于照明的近似球面光波可以获得现有三维显示技术难以获得的三维艺术效果。
4. 本发明所公开的基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统结构合理、易于制作，近似球面波光源可调；克服了现有三维显示系统的光源不能实现动态调制的缺陷，解决了现有技术只能通过基于大量计算基础上的图像刷新才能调制三维图像大小、位置的问题；大幅提高了三维显示系统的响应速度，增加裸眼三维显示的体验舒适度。
5. 本发明公开的基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统显示性能优异，对于静态的三维打印或者印刷图像也可实现动态的三维变换与显示，增加裸眼三维显示的可操控性，增加乐趣。
附图说明
图1为实施例一中均匀散射光照明三维显示系统与基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统以及透镜阵列的结构示意图；
图2为实施例二中基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统的结构示意图；
图3为实施例三中基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统以及透镜阵列的结构示意图；
图4为实施例四中基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统以及透镜阵列的结构示意图；
图5为实施例五中基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统的结构示意图；
图6为实施例六中基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统的结构示意图；
图7为实施例七中基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统的结构示意图；
图8为实施例八中基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统的结构示意图；
其中：1、球面波照明装置；2、基元图像；3、透镜阵列；4、三维图像；5、均匀散射背光源；6、三维图像；7、变焦透镜；8、准直光源；91、球面波光源；92、球面波光源；93、球面波光源。
具体实施方式
下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例一
参见附图1A，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成。球面波照明装置为单个球面波光源；球面波照明装置的球面波光源设置在距离基元图像2的距离为s处，发射出发散的近似球面光波。基元图像2位于透镜阵列3的物方一倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。基元图像2在球面波照明装置5的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d处形成一个三维图像4。
参见附图1B，将上述裸眼三维显示系统中单个球面波光源换为单个均匀散射背光源5，即为现有均匀散射光照明三维显示系统，基元图像在均匀散射背光源的照明下通过透镜阵列在距离微透镜阵列为d0处形成一个三维图像。
参见附图1C，本实施例的透镜阵列3由柱面透镜单元周期性排列构成。
本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统显示的三维图像距离微透镜阵列的距离d与d 0 的关系为：
图像放大率M为：
f为透镜阵列的焦距。
实施例二
参见附图2A，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成，本实施例的透镜阵列3由柱面透镜单元周期性排列构成。球面波照明装置由单个球面波光源与自动位移调节器组成；球面波照明装置的球面波光源设置在距离基元图像2的距离为s处，发射出发散的近似球面光波。基元图像2位于透镜阵列3的物方一倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。基元图像2在球面波照明装置1的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d处形成一个三维图像4。
参见附图2B，然后沿透镜阵列所在平面的法线方向移动自动位移调节器，调节球面波光源的位置，改变参数s的大小为s1，三维图像的位置以及放大率实时调制；远离透镜方向移动，基元图像在可调制球面波照明装置的照明下通过透镜阵列在距离微透镜阵列为d1处形成一个缩小的三维图像。如果朝着透镜方向移动，基元图像在可调制球面波照明装置的照明下通过透镜阵列形成一个放大的三维图像；从而实现图像动态三维显示。
实施例三
参见附图3A，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成。球面波照明装置由单个球面波光源组成；球面波照明装置的球面波光源设置在距离基元图像2的距离为s处，发射出发散的近似球面光波。基元图像2位于透镜阵列3的像方一倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。基元图像2在近似球面波照明装置1的照明下通过透镜阵列3照射下，在距离基元图像2距离为d处形成一个的三维图像4。
参见附图3B，本实施例的透镜阵列3由球面透镜单元正交排列构成。
可以将单个球面波光源装于自动位移调节器上构成球面波照明装置；然后沿透镜阵列所在平面的法线方向移动自动位移调节器，调节球面波光源的位置，三维图像的位置以及放大率实时调制；如果朝着透镜方向移动，基元图像在可调制球面波照明装置的照明下通过透镜阵列形成一个放大的三维图像，反之则形成一个缩小的三维图像，从而实现图像动态三维显示。
实施例四
参见附图4A，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成。球面波照明装置由单个球面波光源构成；球面波照明装置的球面波光源设置在距离基元图像2的距离为s处，发射出汇聚的近似球面光波，汇聚形成光斑。基元图像2位于透镜阵列3的物方1.5倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。基元图像2在球面波照明装置的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d处形成一个三维图像4。
参见附图4B，本实施例的透镜阵列3由非球面透镜单元随机排列构成。
可以将单个球面波光源装于自动位移调节器上构成球面波照明装置；然后沿透镜阵列所在平面的法线方向移动自动位移调节器，调节球面波光源的位置，三维图像的位置以及放大率实时调制；如果朝着透镜方向移动，基元图像在可调制球面波照明装置的照明下通过透镜阵列形成一个缩小的三维图像，反之则形成一个放大的三维图像，从而实现图像动态三维显示。
实施例五
参见附图5，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成，本实施例的透镜阵列3由球面透镜单元正交排列构成。球面波照明装置由单个球面波光源构成；球面波照明装置的球面波光源设置在距离基元图像2的距离为s处，发射出汇聚的近似球面光波，汇聚形成光斑。基元图像2位于透镜阵列3的像方1倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。基元图像2在近似球面波照明装置1的照明下通过透镜阵列3照射下，在距离基元图像2距离为d处形成一个的三维图像4。
可以将单个球面波光源装于自动位移调节器上构成球面波照明装置；然后沿透镜阵列所在平面的法线方向移动自动位移调节器，调节球面波光源的位置，三维图像的位置以及放大率实时调制；如果朝着透镜方向移动，基元图像在可调制球面波照明装置的照明下通过透镜阵列形成一个缩小的三维图像，反之则形成一个放大的三维图像，从而实现图像动态三维显示。
实施例六
参见附图6，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成，本实施例的透镜阵列3由非球面透镜单元随机排列构成。球面波照明装置1由三个球面波光源91、92、93沿着透镜阵列法线方向排列组成；三个球面波光源设置在距离基元图像2的不同距离处，发射出发散的近似球面光波；可以独立控制，按照设定的时序分别点亮，点亮时间的控制属于现有简单控制方法。
基元图像2位于透镜阵列3的物方一倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。基元图像2在球面波光源91的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d处形成一个三维图像4。然后关闭球面波光源91，打开球面波光源93，即调节球面波光源的位置，三维图像的位置以及放大率实时调制；基元图像2在球面波光源93的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d1处形成一个缩小的三维图像6，从而实现图像动态三维显示。按时序切换点亮点光源91、92和93，在无图像刷新条件下，本实施例所述的球面波照明三维显示系统可在空间中不同位置处获得动态的三维图像。
实施例七
参见附图7，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成，本实施例的透镜阵列3由非球面透镜单元随机排列构成；基元图像2位于透镜阵列3的物方一倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。球面波照明装置由球面波光源与变焦透镜7构成，通过改变变焦透镜的焦距实现球面波照明可调制。首先球面波光源在变焦透镜作用下在距离图像基元s处形成球面波光源的像点，基元图像2在该球面波光源像点的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d处形成一个三维图像4，见附图7上图；调节变焦透镜的焦距，从而在距离图像基元s1处形成球面波光源的像点；基元图像2在该球面波光源像点的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d1处形成一个缩小的三维图像6，见附图7下图。
实施例八
参见附图 8，本实施例中基于球面波照明的裸眼三维显示系统由球面波照明装置1、基元图像2、透镜阵列3构成，本实施例的透镜阵列3由球面透镜单元正交排列构成；基元图像2位于透镜阵列3的物方一倍焦距以内，距离微透镜阵列g处。球面波照明装置由准直光源8与变焦透镜7构成，通过改变变焦透镜的焦距实现球面波照明可调制。首先球面波光源在变焦透镜作用下在距离图像基元s处形成球面波光源的像点，基元图像2在该球面波光源像点的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d处形成一个三维图像4，见附图8上图；调节变焦透镜的焦距，从而在距离图像基元s1处形成球面波光源的像点；基元图像2在该球面波光源像点的照明下通过透镜阵列3在距离微透镜阵列为d1处形成一个缩小的三维图像6，见附图8下图。

Claims (10)

1.一种基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统包括近似球面波照明装置、基元图像以及透镜阵列；所述近似球面波照明装置包括近似球面波光源；所述基元图像位于近似球面波照明装置以及透镜阵列之间或者所述透镜阵列位于近似球面波照明装置以及基元图像之间；所述基元图像不位于所述透镜阵列的物方焦平面或者像方焦平面上。
2.根据权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述基元图像位于所述透镜阵列的两倍物方焦距与两倍像方焦距之间。
3.根据权利要求2所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述基元图像位于所述透镜阵列的物方焦距与像方焦距之间。
4.根据权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述近似球面波照明装置由单个近似球面波光源构成。
5.根据权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述近似球面波照明装置还包括位移装置；所述近似球面波光源安装于所述位移装置上。
6.根据权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述近似球面波照明装置由多个近似球面波光源沿着所述透镜阵列所在平面的法线方向排列组成。
7.根据权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述近似球面波光源由准直光源与变焦透镜构成。
8.根据权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述近似球面波照明装置还包括变焦透镜。
9.根据权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统，其特征在于：所述透镜阵列的透镜单元选自球面透镜、柱面透镜或者非球面透镜；所述透镜阵列中，透镜单元的排列方式为周期性排列或者随机排列；所述基元图像为印刷图像或者电子显示图像。
10.利用权利要求1所述基于近似球面波照明的裸眼三维显示系统实现图像动态三维显示的方法，其特征在于，包括以下步骤：打开近似球面波照明装置的近似球面波光源；近似球面波光源发射近似球面光波照明基元图像与透镜阵列，基元图像通过透镜阵列形成三维图像；然后调节用于照明的近似球面光波的曲率半径，实现三维图像的位置以及放大率的实时调制；从而实现动态三维显示。
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