CN107561722A - 360°集成成像桌面3d显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了360°集成成像桌面3D显示系统，包括背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板、系统外壳，背光源组位于最底层，往上依次是准直透镜、微透镜阵列和透射型显示面板。背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板被置于系统外壳中，系统外壳的上表面中间镂空，透射型显示面板被置于系统外壳的镂空处。背光源组由多个点状背光源成圆形排列而成，并时序点亮；准直透镜用于光束准直，产生倾斜平行光束；微透镜阵列用于将倾斜平行光束会聚，产生具有特定传播方向和发散角的点光源阵列；透射型显示面板用于显示集成成像片源。一个点状背光源点亮，产生一个角度的桌面3D图像，多个点状背光源时序点亮，产生360°的桌面3D图像。
Description
技术领域
本发明涉及桌面显示技术和集成成像3D显示技术，特别涉及360°集成成像桌面3D显示系统。
背景技术
理想的桌面显示应提供360°的环绕观看功能，因此桌面显示屏像素发出的光线不像常规显示屏一样朝正前方发散，而是向显示屏的一侧偏转，光线发散角的对称轴与显示屏的法线方向具有一定夹角，使得环绕在桌面显示屏周围的观看者位于光线发散角的中间位置，从而获得良好的360°环视观看效果。由于常规墙面显示屏的像素光线向正前方发散，发散角以显示屏的法线方向为对称轴，适合于正视观看，因此不能直接将常规墙面显示屏平躺放置来实现桌面显示。同时，理想的桌面显示应该为不同方位的观看者提供场景不同角度的图像信息，裸眼3D显示技术就是很好的选择方案。
集成成像3D显示是一种真3D显示技术，通过在显示屏前附加微透镜阵列，并将显示屏上显示的微图像阵列与微透镜阵列精密匹配，微透镜阵列将微图像阵列发出的光线聚集还原，在空间中重建出原3D物体的光场信息，从而实现3D图像显示。集成成像3D显示具有裸眼、全真3D再现、无视疲劳、具有正确的深度暗示和准连续的观看视点等优点。将集成成像显示与桌面显示技术相结合，能为不同方位的观看者提供不同的3D图像信息，在桌面显示屏上还原出物体的真实形貌，且显示的虚拟3D图像还可与空间中的真实物体融合在一起，获得增强现实的显示效果。
发明内容
本发明提出360°集成成像桌面3D显示系统。如附图1所示，所述系统包括背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板和系统外壳。背光源组位于最底层，往上依次是准直透镜、微透镜阵列和透射型显示面板。如图2所示，背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板被置于系统外壳中，系统外壳的上表面中间镂空，透射型显示面板被置于系统外壳的镂空处。
所述背光源组，位于准直透镜的焦平面上，如附图3所示，由多个点状背光源成圆形排列而成，并时序点亮。
所述准直透镜，用于将所述背光源组的点状背光源发出的光束进行光束准直，产生倾斜平行光束。
所述微透镜阵列，由多个透镜元等间距排列而成，用于将入射的倾斜平行光束会聚，产生具有特定传播方向和发散角的点光源阵列。
所述透射型显示面板，用于显示集成成像片源，集成成像片源是一幅由多个图像元组成的微图像阵列，每个图像元包含3D图像的一小部分信息。
所述系统的一个点状背光源点亮，产生一个角度的桌面3D图像，多个点状背光源时序点亮，产生360°的桌面3D图像。
所述一个点状背光源点亮，产生一个角度的桌面3D图像，如附图4所示。背光源组中的一个点状背光源被点亮，发出的光束到达准直透镜，被准直为倾斜平行光束，该倾斜平行光束再经过微透镜阵列会聚，在微透镜阵列的焦平面上产生一组点光源阵列，该点光源阵列进一步照明透射型显示面板上显示的集成成像片源。来自同一物点的同名像素被其对应的点光源的一束光束照明，在空间中重建出3D像点。一个点状背光源点亮产生的垂直观看视角θ v 和水平观看视角θ h 分别如附图5和附图6所示，分别由式（1）和式（2）计算得出。
（1）
（2）
其中透镜元和图像元的节距相同，都为p，f为透镜元的焦距，f ′为准直透镜的焦距，R为背光源组所成圆形的半径，M为微透镜阵列在一维方向上包含的透镜元个数，H为观看者距微透镜阵列边缘的水平距离，L为观看者距透射型显示面板的垂直距离。
优选地，透射型显示面板与微透镜阵列的间距为2倍微透镜阵列焦距，以确保一个点光源刚好照明一个图像元区域，且相邻点光源的照明区域不重叠。
所述背光源组中相邻点状背光源与背光源组的圆心连线所成的夹角α的取值满足以下两个条件，1）α小于等于一个点状背光源点亮产生的水平观看视角θ h ，2）Nα=360°，其中N为背光源组中点状背光源的个数，N取整数。
所述多个点状背光源时序点亮，产生360°的桌面3D图像，N个点状背光源依次时序点亮，透射型显示面板上同步显示对应视角的集成成像片源，在每个点状背光源点亮的时刻产生一个水平观看视角θ h ，相邻点状背光源产生的水平观看视角间隔为α。N个点状背光源以大于等于引起人眼视觉暂留效应的频率时序点亮，透射型显示面板以相同的帧率同步显示对应视角的集成成像片源，产生如附图7所示的360°桌面环视效果。
四、附图说明
附图1为本发明360°集成成像桌面3D显示系统的内部结构示意图
附图2为本发明360°集成成像桌面3D显示系统的显示效果示意图
附图3为背光源组示意图
附图4为一个点状背光源点亮的桌面3D显示光路示意图
附图5为一个点状背光源点亮产生的垂直观看视角示意图
附图6为一个点状背光源点亮产生的水平观看视角示意图
附图7为360°环视观看示意图
上述附图中的图示标号为：
1 系统外壳，20透射型显示面板，21同名像素，30悬浮3D图像，31 3D像点，4观看者，50背光源组，51点状背光源，52点亮的点状背光源，6准直透镜，7微透镜阵列， 8点光源阵列，90 360°环视视角，91一个点状背光源点亮产生的观看视角。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明360°集成成像桌面3D显示系统的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本实施例的360°集成成像桌面3D显示系统的结构图请参阅附图1和附图2所示，包括背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板和系统外壳。背光源组位于最底层，往上依次是准直透镜、微透镜阵列和透射型显示面板，背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板被置于系统外壳中，系统外壳的上表面中间镂空，透射型显示面板被置于系统外壳的镂空处。
背光源组位于准直透镜的焦平面上，由多个点状背光源成圆形排列而成，并时序点亮；准直透镜用于将背光源组的点状背光源发出的光束进行光束准直，产生倾斜平行光束；微透镜阵列由多个透镜元等间距排列而成，用于将入射的倾斜平行光束会聚，产生具有特定传播方向和发散角的点光源阵列；透射型显示面板用于显示集成成像片源，集成成像片源是一幅由多个图像元组成的微图像阵列，每个图像元包含3D图像的一小部分信息。
背光源组中的一个点状背光源被点亮，发出的光束到达准直透镜，被准直为倾斜平行光束，该倾斜平行光束再经过微透镜阵列会聚，在微透镜阵列的焦平面上产生一组点光源阵列，该点光源阵列进一步照明透射型显示面板上显示的集成成像片源。来自同一物点的同名像素被其对应的点光源的一束光束照明，在空间中重建出3D像点。
本实施例中，具体参数设置如下：透镜元和图像元的节距相同，都为p=2.54mm，透镜元的焦距为f=3.3mm，准直透镜的焦距为f ′=30mm，背光源组所成圆形的半径为R=15mm，微透镜阵列在一维方向上包含的透镜元个数为M=50，观看者距微透镜阵列边缘的水平距离为H=300mm，观看者距透射型显示面板的垂直距离为L=500mm。为了使得一个点光源刚好照明一个图像元区域，且相邻点光源的照明区域不重叠，所述透射型显示面板与微透镜阵列的间距为2倍微透镜阵列焦距，即6.6mm。
一个点状背光源点亮产生的垂直观看视角θ v 和水平观看视角θ h 分别由式（1）和式（2）计算得出θ v ≈29°，θ h ≈29.5°。
本实施例中，设置相邻点状背光源与背光源组的圆心连线所成的夹角α取值为24°，背光源组中点状背光源的个数N取值为15。满足条件，1）α小于等于一个点状背光源点亮产生的水平观看视角θ h ，2）Nα=360。
所述系统的15个点状背光源依次时序点亮，透射型显示面板上同步显示对应视角的集成成像片源，在每个点状背光源点亮的时刻产生29.5°的水平观看视角，相邻点状背光源产生的水平观看视角间隔为24°。15个点状背光源以大于等于引起人眼视觉暂留效应的频率时序点亮，透射型显示面板以相同的帧率同步显示对应视角的集成成像片源，产生360°的桌面环视显示效果。
Claims (5)
1.360°集成成像桌面3D显示系统，其特征在于，所述系统包括背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板和系统外壳，背光源组位于最底层，往上依次是准直透镜、微透镜阵列和透射型显示面板，背光源组、准直透镜、微透镜阵列、透射型显示面板被置于系统外壳中，系统外壳的上表面中间镂空，透射型显示面板被置于系统外壳的镂空处；所述背光源组，由多个点状背光源成圆形排列而成，并时序点亮；所述准直透镜，用于将所述背光源组的点状背光源发出的光束进行光束准直，产生倾斜平行光束；所述微透镜阵列，由多个透镜元等间距排列而成，用于将入射的倾斜平行光束会聚，产生具有特定传播方向和发散角的点光源阵列；所述透射型显示面板，用于显示集成成像片源，集成成像片源是一幅由多个图像元组成的微图像阵列，每个图像元包含3D图像的一小部分信息；所述系统的一个点状背光源点亮，产生一个角度的桌面3D图像，多个点状背光源时序点亮，产生360°的桌面3D图像。
2.根据权利要求1所述的360°集成成像桌面3D显示系统，其特征在于，背光源组中的一个点状背光源被点亮，发出的光束到达准直透镜，被准直为倾斜平行光束，该倾斜平行光束再经过微透镜阵列会聚，在微透镜阵列的焦平面上产生一组点光源阵列，该点光源阵列进一步照明透射型显示面板上显示的集成成像片源，来自同一物点的同名像素被其对应的点光源的一束光束照明，在空间中重建出3D像点，一个点状背光源点亮产生的垂直观看视角θ v 和水平观看视角θ h 分别由式
和式
计算得出，其中透镜元和图像元的节距相同，都为p，f为透镜元的焦距，f ′为准直透镜的焦距，R为背光源组所成圆形的半径，M为微透镜阵列在一维方向上包含的透镜元个数，H为观看者距微透镜阵列边缘的水平距离，L为观看者距透射型显示面板的垂直距离。
3.根据权利要求1所述的360°集成成像桌面3D显示系统，其特征在于，透射型显示面板与微透镜阵列的间距为2倍微透镜阵列焦距，以确保一个点光源刚好照明一个图像元区域，且相邻点光源的照明区域不重叠。
4.根据权利要求1所述的360°集成成像桌面3D显示系统，其特征在于，背光源组中相邻点状背光源与背光源组的圆心连线所成的夹角α的取值满足两个条件：α小于等于一个点状背光源点亮产生的水平观看视角θ h ；Nα=360°，其中N为背光源组中点状背光源的个数，N取整数。
5.根据权利要求1所述的360°集成成像桌面3D显示系统，其特征在于，N个点状背光源依次时序点亮，透射型显示面板上同步显示对应视角的集成成像片源，在每个点状背光源点亮的时刻产生一个水平观看视角θ h ，相邻点状背光源产生的水平观看视角间隔为α，N个点状背光源以大于等于引起人眼视觉暂留效应的频率时序点亮，透射型显示面板以相同的帧率同步显示对应视角的集成成像片源，产生360°桌面环视效果。
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