CN106814461A - 一种三维显示系统及其显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维显示系统，其包括：相位调制板、及与相位调制板对应的显示器，相位调制板上设有多个第一子元素区，每一个第一子元素区由n²个第一子像素所构成；显示器上设有与相位调制板上第一子元素区对应的第二子元素区，每一个第二子元素区由n²个第二子像素所构成，每一个第二子像素与第一子像素相对应以形成n²个超像素。本发明提供一种结构简单、能表达真实深度信息、三维显示效果好且立体观感友好度高的三维显示系统和三维显示方法，以解决现有系统中人眼观察时所存在调焦‑聚焦矛盾、硬件要求度高且成像算法复杂的技术问题。

Description

一种三维显示系统及其显示方法

技术领域

本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及一种基于超像素复振幅调制的三维显示系统和三维显示方法。

背景技术

现实生活中，世界里的各种物质形态都是在三维(Three-Dimensional，3D)空间中客观存在的，因此人眼看到的物体都是以三维的形式存在，同时也因为这样，三维显示系统相较于二维显示系统能提供更加符合人们观察习惯的图像信息，有助于人们获得更真实、丰富、可靠的视觉体验。因此，三维显示技术备受关注，它可以使画面变得立体逼真，其最基本的原理是利用左右人眼分别接收不同的画面，经过大脑对接收的图像信息进行叠加重构，形成立体方向效果的影像。

目前，现有的一种重要的可以实现3D显示的显示装置是在显示面板的出光侧设置狭缝光栅或液晶光栅等遮蔽物，利用狭缝光栅或液晶光栅在显示面板的出光侧形成若干视区。如图1所示，以在显示面板的出光侧设置狭缝光栅101为例进行说明，显示面板上的不同的亚像素单元102(图1以5个亚像素单元为例进行说明)发出的光射落在不同的视场内，观看者的双眼103落在不同的视场内可以产生3D感觉。如图1所示，a为显示面板上的亚像素单元102与狭缝光栅101之间的距离，b为3D显示装置的视距即显示面板上的亚像素单元102与观看者的双眼103之间的距离。

上述的这种基于二维双目视差图像的三维系统，由人类的视觉习惯和大脑处理形成立体的三维观感。虽然其能够为人们提供一定的三维视觉感受，但是它存在调焦-聚焦(accommodation-vergence)矛盾，违背人们的观察习惯，长时间观看会有视觉疲劳、眩晕等不舒适感。

为了解决上述的技术问题，人们提出了多视角投影、体三维显示和全息投影。而多视角投影、体三维显示和全息投影，虽然能消除调焦-聚焦矛盾，改善视觉疲劳问题，但其对应系统结构往往复杂庞大，对硬件要求高，便携性差。集成成像使用微透镜阵列获取三维场景的深度和多视角信息，所用微透镜阵列通常需要加工定制，因此制备大尺寸、多阵列、同焦距的微透镜组目前还存在不小的难度。

综上可知，目前开发出一种能表达真实深度信息、硬件要求低且成像算法简单的三维显示系统就迫在眉睫。

发明内容

本发明提供一种结构简单、能表达真实深度信息、三维显示效果好且立体观感友好度高的三维显示系统和三维显示方法，以解决现有系统中人眼观察时所存在调焦-聚焦矛盾、硬件要求度高且成像算法复杂的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种三维显示系统，其包括：相位调制板、及与所述相位调制板对应的显示器，

所述相位调制板上设有多个第一子元素区，所述每一个第一子元素区由n²个第一子像素所构成；

所述显示器上设有与所述相位调制板上第一子元素区对应的第二子元素区，所述每一个第二子元素区由n²个第二子像素所构成，所述每一个第二子像素与第一子像素相对应以形成n²个超像素；

其中，n为正整数。

在上述方案基础上优选，所述相位调制板是由一束平面波和一束物光波叠加干涉曝光而成的全息衍射光学元件，且所述物光波由空间光调制器产生。

在上述方案基础上优选，所述叠加干涉曝光的函数公式为：

其中，I_H表示干涉场强度，表示平面波峰值强度面的法线方向，表示物光波峰值强度面的法线方向，为平面波传播方向向量，p为相位调制量，

在上述方案基础上优选，所述全息衍射光学元件为厚度为1μm-100μm，且该全息衍射光学元件的光学透过率大于50％。

在上述方案基础上优选，所述全息衍射光学元件为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体中的一种。

在上述方案基础上优选，所述显示器为OLED、LED或液晶显示器中的一种。

本发明还提供了一种三维显示方法，其包括以下步骤：

S1.将目标物体复振幅信号的相位与相位调制板上的第一子元素区的第一子像素内的相位信息比较，获取两者差值最小值时的第一子像素；

S2.用步骤S1中获取的第一子像素内的相位信息替代目标物体复振幅信号的相位信息；

S3.获取与步骤S1中得到的第一子像素对应的显示器上的第二子元素区，激活第二子元素区中与步骤S1中所得到的第一子像素对应的第二子像素，并将其余第二子元素区中的第二子像素置零。

在上述方案基础上优选，所述相位调制板是由一束平面波和一束的物光波叠加干涉曝光而成的全息衍射光学元件，且所述物光波由空间光调制器产生。

在上述方案基础上优选，所述叠加干涉曝光的函数公式为

其中，I_H表示干涉场强度，表示平面波峰值强度面的法线方向，表示物光波峰值强度面的法线方向，为平面波传播方向向量，p为相位调制量，

在上述方案基础上优选，所述的显示器为OLED、LED或液晶显示器中的一种。

本申请提出一种三维显示系统，通过在相位调制板和显示器上分别采用超像素调制产生复振幅波前技术，将相位调制板上的第一子元素区设计成由多个承载相位信息的第一子像素所构成，配合将显示器上的第二子元素区与相位调制板上的第一子元素区对应，并将第二子元素区设计成由多个承载振幅信息的第二子像素所构成。通过对目标物体的波前复振幅进行优化编码，从而再现物体的三维波前。

由于本发明输出直接就是三维复振幅信号，其包含目标物体所有的深度信息，因此系统的立体观感友好度高，避免了人眼观察的调焦-聚焦矛盾。且本发明所用的复振幅调制算法简便，对硬件要求低。

附图说明

图1为现有技术中的三维显示装置的光路示意图；

图2为本发明的一种三维显示系统的整体结构示意图；

图3为本发明的相位调制板的局部结构放大图；

图4为本发明的显示器的局部结构放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图2所示，本发明的一种三维显示系统，其包括：相位调制板2、及与相位调制板2对应的显示器1。

其中，本发明的相位调制板2上设有多个第一子元素区20，每一个第一子元素区20由n²个第一子像素31所构成，每个第一子像素31内加载相位信息，具体结构见图3所示。

显示器1上设有第二子元素区30，每一个第二子元素区30与第一子元素区20相对应，且每一个第二子元素区30由n²个第二子像素31所构成，每第二子元素区30的第二子像素31与第一子元素区20的第一子像素31相互对应以形成n²个超像素，并使每个第二子元素区30中的每一个第二子元素区30内加载不同的振幅信息，具体结构见图4所示，且本发明的n为正整数。

工作原理：

物体的三维信息波前可以由一个既有振幅又有相位的复振幅信号表示，当人眼观察该信号时，可以获取一个真实的三维物体场景图像。设定待显示的目标物体复振幅信号为Aexp(iθ)，其中A为振幅(分布在[0,1])，θ为相位(分布在[0,2π])，是虚数单位，同时，设定本发明的n为2。

在上述技术参数下，本发明的相位调制板2上的第一子元素区20是由2×2的子像素矩阵所构成，由于相位分布在[0,2π]范围内，则第一子元素区20的四个第一子像素31中所加载的相位信息分别为π/2、π、3π/2和2π四个阶值。在使用本发明的三维显示系统时，均将待显示的目标物体波前每一像素点的位相由该四个阶值组成的2×2的子像素矩阵进行表达。

而与上述的相位调制板2对应的显示器1，其上的每一个第二子元素区30都是由2×2个第二子像素31所构成，并使每一个第二子像素31内加载不同的振幅信息。

使用时，当待显示目标物体的复振幅信号某一点分布为A_mnexp(iθ_mn)，传递至系统时，首先，将待显示目标物体的复振幅信号中的相位信息θ_mn与相位调制板2上的第一子元素区20中的每一个第一子像素31进行比较，获取两者之差。当两者差值最小时，将该第一子像素31记作替代像素。

将用该替代像素中的相位信息替换待显示目标物体的复振幅信号中的相位信息θ，同时，将与该替代像素对应的显示器1上的第二子元素区30中的第二子像素31激活，而将第二子元素区30中的其它第二像素置零予以熄灭，按照上述方案遍历整个待显示目标复振幅场后即可得到对应的显示器1调制图像，如图2中的三维物体正方体301或/和三维物体圆柱302。

为了进一步，详细说明本发明的技术方案，以下将详细介绍本发明的相位调制板2的结构及其制作原理。

本发明的相位调制板2即为空间离散化的阶值相位分布，它是由一束平面波和一束由空间光调制器产生的物光波叠加干涉曝光而成的全息衍射光学元件，其中该叠加干涉过程可由下式表达：

I_H表示干涉场强度，表示平面波峰值强度面的法线方向，表示物光波峰值强度面的法线方向，为平面波传播方向向量，p为相位调制量，

若体全息光栅的干涉条纹的空间周期为Δ，则根据光栅方程有：

为两平面波的夹角。由于体全息光栅的特性，是上述公式的使用条件，其必须以这个角度入射才能使用，因此，体全息光栅与平面光栅的不同之处在于使用时还需满足布拉格条件：

其中为布拉格角。

进一步的，本发明的全息衍射光学元件为厚度为1μm-100μm，且该全息衍射光学元件的光学透过率大于50％，优选的，该全息衍射光学元件为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体中的一种。

且该显示器1为OLED、LED或液晶显示器中的一种。

本发明还提供了一种三维显示方法，其包括以下步骤：

S1.将目标物体复振幅信号的相位与相位调制板2上的第一子元素区20的第一子像素31内的相位信息比较，获取两者差值最小值时的第一子像素31；

S2.用步骤S1中获取的第一子像素31内的相位信息替代目标物体复振幅信号的相位信息；

S3.获取与步骤S1中得到的第一子像素31对应的显示器1上的第二子元素区30，激活第二子元素区30中与步骤S1中所得到的第一子像素31对应的第二子像素31，并将其余第二子元素区30中的第二子像素31置零。

与现有技术相比较，本发明有以下技术效果：

1.本发明采用若干个第一像素区和第二像素区构成一个超像素，利用超像素调制产生复振幅波前，提供了真三维立体场景，消除了眼睛的调焦-聚焦矛盾。

2.本发明所提出的超像素复振幅调制的算法较简单，对计算机的硬件要求低，运算速度快，可实现快速实时刷新显示。

3.本发明的振显示器1为OLED、LED或者液晶显示器1中的一种，即可采用单色的OLED或LED显示器1作为本发明的显示器1，无需对现有系统有较大的改变，便于推广和使用。

4.本发明的相位调制板2为采用干涉曝光加工成的全息衍射光学元件，易于复制进行大面阵加工，且系统紧凑轻薄，携带便利。

5.衍射光学元件厚度为1μm-100μm，材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，光透过率大于50％。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维显示系统，其特征在于，其包括：相位调制板、及与所述相位调制板对应的显示器，

所述相位调制板上设有多个第一子元素区，所述每一个第一子元素区由n²个第一子像素所构成；

所述显示器上设有与所述相位调制板上第一子元素区对应的第二子元素区，所述每一个第二子元素区由n²个第二子像素所构成，所述每一个第二子像素与第一子像素相对应以形成n²个超像素；

其中，n为正整数。

2.如权利要求1所述的一种三维显示系统，其特征在于，所述相位调制板是由一束平面波和一束物光波叠加干涉曝光而成的全息衍射光学元件，且所述物光波由空间光调制器产生。

3.如权利要求2所述的一种三维显示系统，其特征在于，所述叠加干涉曝光的函数公式为：

$\begin{array}{c}{I}_H=|\exp (i{\stackrel{\→}{k}}_1\·\stackrel{\→}{r})+\exp \[i({\stackrel{\→}{k}}_2\·\stackrel{\→}{r}+p)\]{|}^2\\ =2+2\cos \[({\stackrel{\→}{k}}_1-{\stackrel{\→}{k}}_2)\·\stackrel{\→}{r}-p\]\end{array}$

其中，I_H表示干涉场强度，表示平面波峰值强度面的法线方向，表示物光波峰值强度面的法线方向，为平面波传播方向向量，p为相位调制量，

4.如权利要求2所述的一种三维显示系统，其特征在于，所述全息衍射光学元件为厚度为1μm-100μm，且该全息衍射光学元件的光学透过率大于50％。

5.如权利要求2所述的一种三维显示系统，其特征在于，所述全息衍射光学元件为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体中的一种。

6.如权利要求2所述的一种三维显示系统，其特征在于，所述显示器为OLED、LED或液晶显示器中的一种。

7.一种三维显示方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1.将目标物体复振幅信号的相位与相位调制板上的第一子元素区的第一子像素内的相位信息比较，获取两者差值最小值时的第一子像素；

S2.用步骤S1中获取的第一子像素内的相位信息替代目标物体复振幅信号的相位信息；

S3.获取与步骤S1中得到的第一子像素对应的显示器上的第二子元素区，激活第二子元素区中与步骤S1中所得到的第一子像素对应的第二子像素，并将其余第二子元素区中的第二子像素置零。

8.如权利要求7所述的一种三维显示方法，其特征在于，所述相位调制板是由一束平面波和一束物光波叠加干涉曝光而成的全息衍射光学元件，且所述物光波由空间光调制器产生。

9.如权利要求8所述的一种三维显示方法，其特征在于，所述叠加干涉曝光的函数公式为

$\begin{array}{c}{I}_H=|\exp (i{\stackrel{\→}{k}}_1\·\stackrel{\→}{r})+\exp \[i({\stackrel{\→}{k}}_2\·\stackrel{\→}{r}+p)\]{|}^2\\ =2+2\cos \[({\stackrel{\→}{k}}_1-{\stackrel{\→}{k}}_2)\·\stackrel{\→}{r}-p\]\end{array}$

其中，I_H表示干涉场强度，表示平面波峰值强度面的法线方向，表示物光波峰值强度面的法线方向，为平面波传播方向向量，p为相位调制量，

10.如权利要求7所述的一种三维显示方法，其特征在于，所述的显示器为OLED、LED或液晶显示器中的一种。