CN107505720A - 一种基于正交偏振的三维光场显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于正交偏振的三维光场显示装置，包括依次设置的投影装置、偏振调制器、正交偏振片阵列、透镜阵列；所述投影装置用于投射两组由不同视角采集得到的第一显示内容和第二显示内容，通过第一投影仪和第二投影仪分别对两组由不同视角采集的第一显示内容、第二显示内容进行投影，并通过两个相互正交的偏振片对第一显示内容、第二显示内容进行偏振，再通过偏振调制器对第一显示内容、第二显示内容中的偏振态进行交替调制，正交偏振片阵列筛选，使同一透镜后成像在不同的第一视区和第二视区，为传统显示器系统视区的两倍，同时又能够实现高分辨率的三维光场显示。

Description

一种基于正交偏振的三维光场显示装置

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，更具体地，涉及一种基于正交偏振的三维光场显示装置。

背景技术

随着当今科学技术的飞速发展，传统的二维平面显示技术已经远远无法满足目前各个行业领域对于深度数据与空间立体感的需求。越来越多的应用领域，如医学成像、科学研究、外太空探索、重要远程会议和军事等，要求能够实现3D场景的真实重建，从而使得观看者可以更加精确的捕获相关信息，准确的进行现场判断。人类视觉的一项重要功能是认知三维(3D)自然界中物体的3D空间布局，直观地分析和判断目标和场景状况。目前现代信息科技视觉表达主要利用二维方式进行采集、存储、编码、传输及显示，只能使人们了解到场景或物体的某个空间侧面，从而限制了人们的全面认识。符合人类认知习惯的3D光显示能够更真实地重现或模拟与客观世界相同的场景，增强表达图像的深度感、层次感和真实性。在医学成像、科学研究、外太空探索、重要远程会议和军事等应用领域中，3D信息的重构有助于直观精确地捕捉到有关信息，从而得到更精准的现场判断。在智能制造领域中，保持稳健的优化设计，实现3D结构的柔性智能加工、3D装配的模拟与控制、3D数据的高效处理和3D光显示，对于完善制造过程、提高先进智能制造的设计效率、加快生产过程并提高成品率、实现高效可靠的智能装配至关重要。在3D游戏行业、3D广告视频显示、3D影视等方面，高性能裸眼动态光显示技术的突破和发展会推动整个3D产业链的飞速发展，从而带动我国战略性新兴产业和现代服务业的发展，产生巨大的经济效益。

光场三维显示方法是近似模拟3D场景真正光场的重建方式，具有较好的发展前景。光场三维显示系统是一种自由立体式三维显示设备，具有视场角大、视点密集、可同时提供水平视差和竖直视差的优势。光场显示系统主要由液晶显示器、透镜阵列、全息功能屏三部分构成，结构的复杂。传统的自由立体式显示系统的设计中，通常无法准确估计显示系统的显示效果，需要反复实验才能得到合适的参数，设计和加工耗时耗力。

光场显示是一种重要的3D显示，观看者无需佩戴助视眼镜即可观看到立体图像。且3D显示可以完全还原真实3D场景，具有全视差、全彩色和视点连续的优点。但是目前普通光场显示中，一直存在大视角和高分辨率相互制约的问题，在增大视角的同时势必会降低分辨率，本专利利用投影和偏振设备以及透镜阵列实现了大视角、高分辨率的三维光场显示。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于正交偏振的三维光场显示装置，解决了现有光场显示技术中大视角和高分辨率相互制约，不能同时实现的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种三维光场显示装置，包括依次设置的投影装置、偏振调制器、正交偏振片阵列、透镜阵列；

所述投影装置用于同时投射两组由不同视角采集得到的第一显示内容和第二显示内容，并分别调制第一显示内容、第二显示内容的偏振态，且调制角度相互正交；

所述偏振调制器用于交替调制第一显示内容和第二显示内容中的偏振态，使第一显示内容和第二显示内容中每相邻的两个偏振态相互正交，得到第一偏振态内容和第二偏振态内容；

所述正交偏振片阵列紧贴所述透镜阵列，所述正交偏振片阵列用于透过第一偏振态内容和第二偏振态内容中与正交偏振片阵列偏振态一致的内容，并阻挡与正交偏振片阵列偏振态正交的内容；

所述透镜阵列用于对透过正交偏振片阵列的第一偏振态内容成像形成第一视区，对透过正交偏振片阵列的第二偏振态内容成像形成第二视区。

作为优选的，还包括透射散射屏，所述透射散射屏设于所述偏振调制器与所述投影装置间，所述偏振调制器紧贴所述透射散射屏，所述透射散射屏用于呈现经投影装置投射的两种偏振态相互正交的第一显示内容和第二显示内容。

作为优选的，还包括全息功能屏，所述全息功能屏设于所述透镜阵列成像光线的一侧，用于将透镜阵列的成像光线扩散并均匀分布到观看视角范围。

作为优选的，所述透镜阵列包括多个透镜，所述透镜的焦距为f，所述透镜阵列与所述全息功能屏的间距为L，所述透镜阵列与所述偏振调制器的间距为l，所述f、L、l满足如下关系：1/f＝1/L+1/l。

作为优选的，所述透镜阵列包括水平方向设置的M个透镜及竖直方向设置的N个透镜，相邻透镜间的间距为g，每个透镜下覆盖n*n个像素。

作为优选的，所述偏振调制器包括M个偏振调制单元，所述每个偏振调制单元的宽度与第一显示内容、第二显示内容中每个子图像的宽度相等，高度与透镜阵列的总高度相等。

作为优选的，所述偏振调制器包括无旋和90°旋转两种偏振调制状态的偏振调制单元，所述两种偏振调制单元交替设置。

作为优选的，所述正交偏振片阵列包括M个偏振片单元，所述每个偏振片单元的宽度为g，高度与透镜阵列的总高度相等。

作为优选的，所述正交偏振片阵列中每个偏振片单元只有一种偏振方向，且任意相邻两个偏振片单元的偏振方向正交。

作为优选的，所述投影装置包括第一投影仪和第二投影仪，所述第一投影仪投影第一显示内容，第二投影仪投影第二显示内容；所述第一投影仪的镜头上设有第一偏振片，所述第二投影仪的镜头上设有第二偏振片，所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振态方向相互正交。

本申请提出一种基于正交偏振的三维光场显示装置，通过第一投影仪和第二投影仪分别对两组由不同视角采集的第一显示内容、第二显示内容进行投影，并通过两个相互正交的偏振片对第一显示内容、第二显示内容进行偏振，再通过偏振调制器对第一显示内容、第二显示内容中的偏振态进行交替调制，正交偏振片阵列筛选，使同一透镜后成像在不同的第一视区和第二视区，为传统显示器系统视区的两倍，同时又能够实现高分辨率的三维光场显示。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于偏振的光场显示装置结构框图；

图2为根据本发明实施例的视差图像序列采集示意图；

图3为根据本发明实施例的偏振调制器原理示意图；

图4为根据本发明实施例的基于偏振的光场显示原理图示意图；

图5为根据本发明实施例的基于偏振的光场显示具体实施示意图；

图6为根据本发明实施例的偏振调制器加载图像示意图。

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。

如图1所示，图中示出了一种基于正交偏振的三维光场显示装置，包括依次设置的投影装置、偏振调制器、正交偏振片阵列、透镜阵列；

所述投影装置用于投射两组由不同视角采集得到的第一显示内容和第二显示内容，所述投影装置包括第一投影仪和第二投影仪，所述第一投影仪投影第一显示内容，第二投影仪投影第二显示内容；所述第一投影仪的镜头上设有第一偏振片，所述第二投影仪的镜头上设有第二偏振片，所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振态方向相互正交。在本实施例中，所述第一偏振片为45°偏振片，所述第二偏振片为135°偏振片。

在本实施例中，所述第一显示内容和第二显示内容为由不同视角采集得到的合成图，将视差图像的像素按照透镜阵列的光学结构，以一定规律排列生成的图像成为合成图像；具体的，为了在显示过程中避免内容跳变或重影等干扰显示效果的现象，如图2所示，利用2n*n(n*n等于每个透镜下覆盖的像素数)个虚拟相机等间距排列放置作为拍摄阵列，将相机中心与三维场景对准，采用离轴拍摄的方式进行图像序列的采集，将左半部分相机阵列1采集的视差图像序列和右半部分相机阵列2采集的视差图像阵列分别进行编码合成，得到该系统的两组显示内容，即第一显示内容和第二显示内容。

所述偏振调制器用于交替调制第一显示内容和第二显示内容中的偏振态，使第一显示内容和第二显示内容中每相邻的两个偏振态相互正交，得到第一偏振态内容和第二偏振态内容；

所述正交偏振片阵列紧贴所述透镜阵列，所述正交偏振片阵列用于透过第一偏振态内容和第二偏振态内容中与正交偏振片阵列偏振态一致的内容，并阻挡与正交偏振片阵列偏振态正交的内容；

所述透镜阵列用于对透过正交偏振片阵列的第一偏振态内容成像形成第一视区，对透过正交偏振片阵列的第二偏振态内容成像形成第二视区。

在本实施例中，还包括透射散射屏，所述透射散射屏设于所述偏振调制器与所述投影装置间，所述偏振调制器紧贴所述透射散射屏，所述透射散射屏用于呈现经投影装置投射的两种偏振态相互正交的第一显示内容和第二显示内容。

在本实施例中，还包括全息功能屏，所述全息功能屏设于所述透镜阵列成像光线的一侧，用于将透镜阵列的成像光线扩散并均匀分布到观看视角范围。全息功能屏可以有效的消除透镜间的缝隙，使偏振内容通过透镜阵列的光线经过全息功能屏的扩散作用后均匀的分布到整个观看视角范围。

在本实施例中，所述透镜阵列包括多个透镜，所述透镜的焦距为f，所述透镜阵列与所述全息功能屏的间距为L，所述透镜阵列与所述偏振调制器的间距为l，所述f、L、l满足如下关系：1/f＝1/L+1/l。

在本实施例中，具体的，所述透镜阵列包括水平方向设置的M个透镜及竖直方向设置的N个透镜，相邻透镜间的间距为g，每个透镜下覆盖n*n个像素。

偏振调制器是一种间隔性改变显示内容偏振态的器件，在本实施例中，所述偏振调制器包括M个偏振调制单元(M等于透镜阵列水平方向的透镜个数)，偏振调制单元可以调制偏振入射光的偏振态，在本实施例中采用无旋和90°旋转两种状态，偏振调制器是由两种偏振调制状态的单元相间交替制得，无旋状态是通过偏振调制单元后其显示内容的偏振态不发生改变，90°旋转状态是通过偏振调制单元后显示内容的偏振态发生90°旋转。每个偏振调制单元的宽度等于合成图的每个子图像的宽度，高度为透镜阵列总高度，因此同一偏振态的显示内容经过偏振调制器调制后产生具有两种相互正交的偏振态的显示内容。如图3所示，第一显示内容(显示内容1)和第二显示内容(显示内容2)经过偏振调制器调制后分别形成第一正交偏振内容(正交偏振态内容1)和第二正交偏振内容(正交偏振态内容2)；所述第一正交偏振内容和第二正交偏振内容都包括多个阵列排布的偏振内容单元，在本实施例中，第一显示内容经过偏振调制器后形成45°偏振态内容单元和135°偏振态内容单元间隔排列的阵列；第二显示内容经偏振调制器后形成135°偏振态内容单元和45°偏振态内容单元间隔排列的阵列，其中，正交偏振态内容的宽度等于偏振调制单元的宽度，如图3所示。

在本实施例中，所述正交偏振片阵列包括M个偏振片单元(M等于透镜阵列水平方向的透镜个数)，每个偏振片单元的宽度为透镜阵列中两相邻透镜之间的间距，即所述每个偏振片单元的宽度为g，高度与透镜阵列的总高度相等。

在本实施例中，所述正交偏振片阵列中每个偏振片单元只有一种偏振方向，且任意相邻两个偏振片单元的偏振方向正交。作为优选的，所述偏振片单元为45°和135°偏振方向的偏振单元。

如图4所示，将两片正交的偏振片(本专利采用45°和135°偏振片)分别贴置于两台投影仪镜头，投影内容分别是两张由以上方式得到的合成图。投影装置分别将合成图像投射于透射散射屏上，从而呈现出两种偏振态相互正交的显示内容，即显示内容1(第一显示内容)和显示内容2(第二显示内容)。显示内容1和2同时经过偏振调制器的调制后，得到如图3所示的正交偏振态内容1和2。可见正交偏振态内容1和2对应相同位置的两个内容单元的偏振态相互正交。正交偏振态内容1和2经过正交偏振片阵列时，只有每个偏振态内容单元的偏振态和正交偏振片阵列相对应的每个偏振片单元的偏振态一致才可通过透镜成像，如果正交偏振态内容和正交偏振阵列相对应的偏振片单元的偏振态呈正交状态，则正交偏振态内容的出射光完全被阻挡光线无法通过。所以，正交偏振态内容经过正交偏振片阵列透过透镜阵列成像时，每一个正交偏振态内容单元对应其相应的透镜成像，处于同一位置的正交偏振态内容1和2的出射光由于具有不同的偏振态，被透镜阵列前的正交偏振片阵列调制后，出射光的方向不同，经过不同的透镜成像，且相邻透镜间的成像内容不会发生串扰。每个透镜单元分别对应正交偏振片阵列的偏振单元。如图4所示，正交偏振态内容1透过正交偏振阵列经过透镜阵列成像后形成了视区1，同理，正交偏振态内容2透过正交偏振阵列经过透镜阵列成像后形成了视区2。

在现有技术中，传统光场显示系统的观看视角θ可以通过下式表示：

式中，p为合成图中每个单元图像的边长。l为透镜阵列与偏振调制器之间的距离。

而根据本实施例中提供的装置，在同一透镜下透射的内容为处于不同位置的正交偏振态内容1和2的单元图像，经过同一透镜后成像在不同的视区，相比传统观看角度而言，p可以认为变为原来的2倍，因此，根据本实施例中的光场显示装置提供的观看视角为：

因此，本实施例设计的基于偏振片的光场显示系统的总视区就是视区1和视区2的总和，较原来传统的显示系统，观看视角扩大了且保持原有的高分辨率不变。

在本实施例中，还提供了一种具体装置的实施方式，如图5所示，采用水平方向透镜数目为46个，竖直方向27个的透镜阵列，任意相邻透镜之间的间距g为11.0mm，焦距f为14.48mm，l为26.16mm，L为140mm，每个透镜下覆盖子像素数目为83*83，合成图像的相邻图像单元之间间距p为11.13mm。采用45°和135°偏振态的偏振片分别贴置于两台投影仪镜头上，投射在透射散射屏上，形成45°偏振态的显示内容1和135°偏振态的显示内容2。在本实施例中，偏振调制器由无彩膜液晶显示器，通过剥离两面的偏振片制得。液晶显示器的液晶单元加电后可以改变入射偏振光的偏振态。实际操作中通过加载不同的图像单元控制偏振旋转的角度，加载像素值为0的图像单元不改变入射光的偏振态，加载像素值为255的图像单元将入射光的偏振态旋转90°。偏振调制器加载图像如图6所示，其中n为透镜所覆盖的像素宽度。显示内容1和2分别经过偏振调制器调制后，显示内容1被调制为45°偏振单元和135°偏振单元等间距排列的正交偏振态内容1，显示内容2被调制为135°偏振单元和45°偏振单元等间距排列的正交偏振态内容2，正交偏振态内容1和2在相对应的同一位置处偏振态正交。正交偏振片阵列是由45°偏振片和135°偏振片等间距相接而成。正交偏振态内容1和2只有和45°、135°的正交偏振片阵列相对应的偏振态一致才可通过透镜成像，正交偏振态内容1经过正交偏振片阵列调制成像后形成视区1，同理，正交偏振态内容2成像后形成视区2。在此成像过程中不存在两显示内容之间的串扰，而且，由于采集过程中视差图像序列连续，在观看过程中视区1和视区2之间无跳变发生，总观看视区为视区1和视区2的总和，较传统光场显示的观看视角而言，传统方式得到的光场显示的观看视角为41.9°，此专利提出的显示方式的观看视角为80.1°，观看视角增大了38.1°。

综上所述，本申请提出一种基于正交偏振的三维光场显示装置，通过第一投影仪和第二投影仪分别对两组由不同视角采集的第一显示内容、第二显示内容进行投影，并通过两个相互正交的偏振片对第一显示内容、第二显示内容进行偏振，再通过偏振调制器对第一显示内容、第二显示内容中的偏振态进行交替调制，正交偏振片阵列筛选，使同一透镜后成像在不同的第一视区和第二视区，为传统显示器系统视区的两倍，同时又能够实现高分辨率的三维光场显示。。

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)

1.一种三维光场显示装置，其特征在于，包括依次设置的投影装置、偏振调制器、正交偏振片阵列、透镜阵列；

所述投影装置用于同时投射两组由不同视角采集得到的第一显示内容和第二显示内容，并分别调制第一显示内容、第二显示内容的偏振态，且调制角度相互正交；

所述偏振调制器用于交替调制第一显示内容和第二显示内容中的偏振态，使第一显示内容和第二显示内容中每相邻的两个偏振态相互正交，得到第一偏振态内容和第二偏振态内容；

所述正交偏振片阵列紧贴所述透镜阵列，所述正交偏振片阵列用于透过第一偏振态内容和第二偏振态内容中与正交偏振片阵列偏振态一致的内容，并阻挡与正交偏振片阵列偏振态正交的内容；

所述透镜阵列用于对透过正交偏振片阵列的第一偏振态内容成像形成第一视区，对透过正交偏振片阵列的第二偏振态内容成像形成第二视区。

2.根据权利要求1所述的三维光场显示装置，其特征在于，还包括透射散射屏，所述透射散射屏设于所述偏振调制器与所述投影装置间，所述偏振调制器紧贴所述透射散射屏，所述透射散射屏用于呈现经投影装置投射的两种偏振态相互正交的第一显示内容和第二显示内容。

3.根据权利要求1所述的三维光场显示装置，其特征在于，还包括全息功能屏，所述全息功能屏设于所述透镜阵列成像光线的一侧，用于将透镜阵列的成像光线扩散并均匀分布到观看视角范围。

4.根据权利要求1所述的三维光场显示装置，其特征在于，所述透镜阵列包括多个透镜，所述透镜的焦距为f，所述透镜阵列与所述全息功能屏的间距为L，所述透镜阵列与所述偏振调制器的间距为l，所述f、L、l满足如下关系：1/f＝1/L+1/l。

5.根据权利要求1所述的三维光场显示装置，其特征在于，所述透镜阵列包括水平方向设置的M个透镜及竖直方向设置的N个透镜，相邻透镜间的间距为g，每个透镜下覆盖n*n个像素。

6.根据权利要求5所述的三维光场显示装置，其特征在于，所述偏振调制器包括M个偏振调制单元，所述每个偏振调制单元的宽度与第一显示内容、第二显示内容中每个子图像的宽度相等，高度与透镜阵列的总高度相等。

7.根据权利要求6所述的三维光场显示装置，其特征在于，所述偏振调制器包括无旋和90°旋转两种偏振调制状态的偏振调制单元，所述两种偏振调制单元交替设置。

8.根据权利要求5所述的三维光场显示装置，其特征在于，所述正交偏振片阵列包括M个偏振片单元，所述每个偏振片单元的宽度为g，高度与透镜阵列的总高度相等。

9.根据权利要求8所述的三维光场显示装置，其特征在于，所述正交偏振片阵列中每个偏振片单元只有一种偏振方向，且任意相邻两个偏振片单元的偏振方向正交。

10.根据权利要求9所述的三维光场显示装置，其特征在于，所述投影装置包括第一投影仪和第二投影仪，所述第一投影仪投影第一显示内容，第二投影仪投影第二显示内容；所述第一投影仪的镜头上设有第一偏振片，所述第二投影仪的镜头上设有第二偏振片，所述第一偏振片和所述第二偏振片的偏振态方向相互正交。