CN105700161A - 基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3d显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，其通过在所述2D显示屏和针孔阵列之间设置障壁阵列，使得每个图像元发出的光线只能通过其对应的针孔成像，从而避免了水平方向上相邻图像元之间的串扰，从而增大了每个图像元的成像区域，使得显示装置的观看视角更大；进一步的，通过这种结构不再需要通过减小针孔的水平孔径宽度或减小微图像阵列中图像元的数目来增大观看视角，因此本发明所述显示装置可以在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示。

Description

基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置

技术领域

本发明涉及一种集成成像3D显示装置，特别涉及一种基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像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。

但是在现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置中，一个图像元发出的光线通过它对应的针孔形成了正常3D图像；但是，水平方向上与该图像元相邻的图像元发出的一部分光线也通过该针孔，造成了水平方向上相邻图像元之间的串扰，从而减小了每个图像元的成像区域，使得目前的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置仍然存在观看视角窄等缺点，从而限制了它的实际应用。

而现有的解决办法有：一是通过减小针孔的水平孔径宽度来增大观看视角，但是会减小光学效率；二是可以通过减小微图像阵列中图像元的数目来增大观看视角，但是会减小分辨率。因此，现有技术中，存在着必须以减小光学效率或减小分辨率作为代价的前提下，才能够实现宽视角集成成像3D显示的问题；故目前亟需一种能够在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示的集成成像3D显示装置。

发明内容

本发明的目的在于克服目前的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置存在观看视角窄的缺点，从而限制了它的实际应用的问题，提供一种能够在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示的集成成像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：

一种基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，包括用于显示微图像阵列的2D显示屏，还包括，

针孔阵列，所述针孔阵列与所述2D显示屏平行设置，位于所述针孔阵列中心位置的针孔的中心与位于所述微图像阵列中心位置的图像元的中心对齐，所述针孔阵列中的相邻针孔以固定间距排列；

障壁阵列，所述障壁阵列设置在所述2D显示屏和针孔阵列之间，所述障壁阵列中的障壁设置在所述微图像阵列中相邻2个图像元之间，用于分隔相邻的图像元，使每个图像元发出的光线只能通过其对应的针孔成像。

其中，通过在所述2D显示屏和针孔阵列之间设置障壁阵列，使得每个图像元发出的光线只能通过其对应的针孔成像，从而避免了水平方向上相邻图像元之间的串扰，从而增大了每个图像元的成像区域，使得显示装置的观看视角更大；进一步的，通过这种结构还可以在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示。

根据本发明实施例，所述微图像阵列水平方向的图像元个数和与针孔阵列水平方向的针孔个数相同，均包含m个图像元和m个针孔，针孔阵列中相邻针孔的间距d由下式计算得到：

$d=\frac{lp}{l+g}-w$

其中，p为图像元的水平宽度，l为最佳观看距离，g为2D显示屏与针孔阵列的间距，w为针孔的水平孔径宽度。

根据本发明实施例，所述显示装置的水平观看视角θ′计算如下：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=2arctan\left(\frac{p+w}{2g}\right)$

由水平观看视角θ′计算式可以看出，显示装置的观看视角与针孔的水平孔径宽度成正比，与微图像阵列中图像元的数目无关，因而不需要再通过通过减小针孔的水平孔径宽度或减小微图像阵列中图像元的数目来增大观看视角，因此所述显示装置可以在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示。

根据本发明实施例，所述障壁与所述图像元和针孔阵列垂直，位于任一两个相邻的障壁之间的图像元发出的光线只能通过其对应的针孔成像。

根据本发明实施例，当所述障壁与所述图像元和针孔阵列不垂直时，所述障壁与所述图像元和针孔阵列之间的夹角以满足使得一个图像元对应一个针孔进行设置，即无论障壁与所述图像元和针孔阵列之间的夹角是多少，只要使得2个相邻障壁间的图像元只能通过一个与其对应的针孔成像即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过在所述2D显示屏和针孔阵列之间设置障壁阵列，使得每个图像元发出的光线只能通过其对应的针孔成像，从而避免了水平方向上相邻图像元之间的串扰，从而增大了每个图像元的成像区域，使得显示装置的观看视角更大；进一步的，通过这种结构不再需要通过减小针孔的水平孔径宽度或减小微图像阵列中图像元的数目来增大观看视角，因此本发明所述显示装置可以在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示。

附图说明：

图1为现有的基于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为现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置的水平观看视角示意图；

图3为本发明的集成成像3D显示装置的原理和参数示意图；

图中标记：

1-2D显示屏，2-针孔阵列，20-本发明的针孔阵列中的针孔，3-图像元，4-现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示中单个图像元形成正常3D图像的理论区域，5-现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示中单个图像元形成正常3D图像的实际区域，6-现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示中水平方向上相邻图像元形成的串扰区域，7-障壁。

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

参看图1，在现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置中，2D显示屏1上的一个图像元3发出的光线通过它对应的针孔形成了正常3D图像(如图1中标记4所示)；但是，水平方向上与该图像元3相邻的图像元3发出的一部分光线也通过该针孔，造成了水平方向上相邻图像元3之间的串扰(如图1中标记6所示)，从而减小了每个图像元3的成像区域，其中单个图像元3的实际成像区域如图1标记5所示。又如图2所示，在现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置中，观看视区是所有图像元3的成像区域的公共部分，在观看距离l处，现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置在左右方向上的水平观看视角θ为：

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

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的间距，m为微图像阵列1水平方向上图像元3的数目。

由式(1)结合图1、图2可以看出，在现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置中，观看视角θ与针孔的水平孔径宽度w成反比，与微图像阵列1中图像元3的数目成反比。即，在现有的基于针孔阵列的集成成像3D显示装置中，可以通过减小针孔的水平孔径宽度w来增大观看视角，但是会减小光学效率；可以通过减小微图像阵列1中图像元3的数目m来增大观看视角，但是会减小分辨率。因此，现有技术中，存在着必须以减小光学效率或减小分辨率作为代价的前提下，才能够实现宽视角集成成像3D显示的问题。

参看图3，本实施例针对上述现有技术的缺点，具体给出了一种基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，它包括用于显示微图像阵列的2D显示屏1，还包括，针孔阵列2，所述针孔阵列2与所述2D显示屏1平行设置，位于所述针孔阵列2中心位置的针孔的中心与位于微图像阵列中心位置的图像元3的中心对齐，针孔阵列2中相邻针孔以固定间距排列；所述微图像阵列水平方向的图像元3个数和与针孔阵列2水平方向的针孔20个数相同，均包含m个图像元3和m个针孔20，针孔阵列2中相邻针孔20的间距d由下式计算得到：

$d=\frac{lp}{l+g}-w---\left(2\right)$

其中，w为图3所示的本发明的基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置中针孔的水平孔径宽度，p为图像元3的水平宽度，l为最佳观看距离，g为2D显示屏1与本发明的针孔阵列2的间距。

以及障壁阵列，所述障壁阵列设置在所述2D显示屏1和本发明的针孔阵列2之间，所述障壁阵列中的障壁7设置在所述微图像阵列中相邻2个图像元之间，用于分隔相邻的图像元，使每个图像元发出的光线只能通过其对应的针孔20成像，从而避免了水平方向上相邻图像元之间的串扰，从而增大了每个图像元的成像区域，使得显示装置的观看视角更大；

在这里需要进一步说明的是，在本实施例中，所述障壁阵列中的多个障壁7与所述图像元3和针孔阵列2相互垂直，但是不仅限于此种排列方式，同样地，所述障壁7还可以与所述针孔阵列2和图像元3成其它夹角，只要使得一个图像元3对应一个针孔20即可，即无论障壁7与所述图像元3和针孔阵列2之间的夹角是多少，只要使得2个相邻障壁7间的图像元3只能通过一个与其对应的针孔20成像即可。。

所述显示装置的水平观看视角θ′计算如下：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=2arctan\left(\frac{p+w}{2g}\right)---\left(3\right)$

由水平观看视角θ′计算式可以看出，本发明显示装置的观看视角与针孔20的水平孔径宽w度成正比，与微图像阵列中图像元3的数目无关，因而不需要再通过通过减小针孔20的水平孔径宽度w或减小微图像阵列中图像元3的数目来增大观看视角，因此所述显示装置可以在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示。

更具体的，在所述微图像阵列水平方向上包含48个图像元3，本发明的针孔阵列2水平方向上包含48个针孔20，所述2D显示屏1与本发明的针孔阵列2的间距为g＝5mm，图像元3的水平宽度为p＝5mm，针孔20的水平孔径宽度为w＝1mm，最佳观看距离为l＝420mm，则由公式(2)：

$d=\frac{lp}{l+g}-w---\left(2\right)$

计算得到针孔阵列中相邻针孔20的间距d＝3.95mm；根据公式(3)：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=2arctan\left(\frac{p+w}{2g}\right)---\left(3\right)$

得到所述显示装置的水平观看视角θ′为62°；而基于上述参数的现有的集成成像3D显示装置的水平观看视角θ为19°。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。

综上，把发明通过在所述2D显示屏1和针孔阵列2之间设置障壁阵列，使得每个图像元3发出的光线只能通过其对应的针孔20成像，从而避免了水平方向上相邻图像元之间的串扰，从而增大了每个图像元3的成像区域，使得显示装置的观看视角更大；进一步的，通过这种结构不再需要通过减小针孔20的水平孔径宽度或减小微图像阵列中图像元3的数目来增大观看视角，因此本发明所述显示装置可以在不减小光学效率和分辨率的前提下，实现宽视角集成成像3D显示。

Claims (5)

1.一种基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，包括用于显示微图像阵列的2D显示屏，其特征在于，还包括，

针孔阵列，所述针孔阵列与所述2D显示屏平行设置，位于所述针孔阵列中心位置的针孔的中心与位于所述微图像阵列中心位置的图像元的中心对齐，所述针孔阵列中的相邻针孔以固定间距排列；

障壁阵列，所述障壁阵列设置在所述2D显示屏和针孔阵列之间，所述障壁阵列中的障壁设置在所述微图像阵列中相邻2个图像元之间，用于分隔相邻的图像元，使每个图像元发出的光线只能通过其对应的针孔成像。

2.根据权利要求1所述的基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，其特征在于，所述微图像阵列水平方向的图像元个数和与针孔阵列水平方向的针孔个数相同，均包含m个图像元和m个针孔，针孔阵列中相邻针孔的间距d由下式计算得到：

其中，p为图像元的水平宽度，l为最佳观看距离，g为2D显示屏与针孔阵列的间距，w为针孔的水平孔径宽度。

3.根据权利要求2所述的基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，其特征在于，所述显示装置的水平观看视角θ′计算如下：

。

4.根据权利要求3所述的基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，其特征在于，所述障壁与所述图像元和针孔阵列垂直。

5.根据权利要求3所述的基于障壁和针孔阵列的宽视角集成成像3D显示装置，其特征在于，当所述障壁与所述图像元和针孔阵列不垂直时，所述障壁与所述图像元和针孔阵列之间的夹角以满足使得一个图像元对应一个针孔进行设置。