CN108008540B - 一种三维显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维显示系统，显示系统包括：定向背光源、多层液晶片、水平方向扩散器、竖直方向扩散器和光栅；所述定向背光源用于发射光；沿光的传播方向依次布置有第一层液晶片、所述水平方向扩散器、除所述第一层液晶片的其余层液晶片、所述光栅和所述竖直方向扩散器。本发明提供的一种三维显示系统，由于定向背光源发射的光线通过液晶片和扩散膜的共同作用，产生定向光线簇，保证光线会落入指定视点上，从而不会出现重影的深浅和影像的模糊。定向光线簇能够形成正确的观看视区，不会跳变视区和视差反转。每个像素会向不同方向发出多条不同光线，扩大了显示视角，显示分辨率将大大提高。

Description

一种三维显示系统
技术领域
本发明涉及三维显示领域，更具体地，涉及一种三维显示系统。
背景技术
随着科技的飞速发展和生活质量的提高，人们已经不能满足于二维平面显示所提供的观感和信息量。在相关科研、军事和娱乐生活等各个领域，对三维信息的采集和重建的必要性已经越来越凸显。目前绝大多数的三维立体显示技术都是利用人眼的双目视差原理，即利用进入人左右眼的内容的差异使人脑获取三维视觉。早期对三维显示信息的获取需要佩戴3D眼镜或者头盔，这种方式阻碍了自然视觉感受。
不需要佩戴任何设备的自由立体显示技术(裸眼3D)成为本领域技术人员研究发展的目标。目前，主流的裸眼3D显示器技术是透镜光栅和狭缝光栅的方案。
图1为现有技术中的一种柱透镜光栅三维立体显示器的显示原理图，请参考图1，柱透镜阵列的作用是将不同像素的位置信息转化为不同视点光强的方向信息。通过一排垂直排列的柱透镜阵列控制液晶显示面板中左右图像光线的射向，使右眼图像聚焦于观看者右眼，左眼图像聚焦于观看者左眼，从而让观看者在不同角度看到不同的影像，产生立体影像。视点为视差图像在空间中形成的可正确观看的位置。
图2为现有技术中的一种狭缝光栅三维立体显示器的显示原理图，请参考图2，狭缝光栅三维立体显示器由二维液晶显示器与狭缝光栅两部分组成。通过在二维显示器上加载多个视点的图像编码信息，可以让不同的视差图像在空间中不同位置处成像，从而实现裸眼3D的显示效果。狭缝光栅可以看作是由透光条与遮光条交替排列共同组成的。
其中，柱透镜光栅和狭缝光栅均需要倾斜一定角度，以消除LCD像素空间周期与光栅空间周期形成的莫尔条纹。其中，光栅周期结构与LCD显示屏上黑矩阵周期结构的干涉作用将会产生莫尔条纹。
但是，目前的三维立体显示器背光源发出的是朝向各个方向上的光线，柱透镜阵列在调制光线时会产生像差现象，这会引入视点间的串扰，即本该进入某一只眼的光线进入另一只眼睛，从而会造成重影现象和影像的模糊，进而会降低三维立体显示器的质量。其中，背光源用于点亮显示系统加载的显示内容。
并且，目前的三维立体显示技术中，由于背光源发出的是朝向各个方向的光线，所以会有相当一部分光线溢出进入相邻的透镜构建下一个显示周期中的视点，这样会导致最终显示效果一个显示周期的角度较小，人眼左右移动的时候会感觉到明显的内容周期跳变，影响观看质量。
而且，透镜焦距的表达式为：
其中，r为曲率半径，f为透镜焦距，n为折射率。根据透镜控光的原理与三角几何关系，可得出目前的裸眼3D立体显示器在理想状况下的观看视为：
其中，p为透镜截距，f为透镜焦距，θ为观看视。目前的三维立体显示器，由于透镜截距小于等于曲率半径的两倍，折射率一般取值为1.5，根据上述两个公式可得，θ的取值范围θ≤52°，即立体视角较小。
还有，目前的三维立体显示器技术中，显示分辨率和视点数目成反比，即视点越多分辨率下降越多。很难实现在密集视点情况下保证显示效果的分辨率。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题的一种三维显示系统。
根据本发明的一个方面，提供一种三维显示系统，包括：定向背光源、多层液晶片、水平方向扩散器、竖直方向扩散器和光栅；所述定向背光源用于发射光；沿光的传播方向依次布置有第一层液晶片、所述水平方向扩散器、除所述第一层液晶片的其余层液晶片、所述光栅和所述竖直方向扩散器。
优选地，所述多层液晶片为两层；沿光的传播方向依次布置有所述第一层液晶片、所述水平方向扩散器、第二层液晶片、所述光栅和所述竖直方向扩散器；所述第一层液晶片与所述水平方向扩散器紧贴，所述第二层液晶片与所述光栅紧贴；所述水平方向扩散器和所述第二层液晶片之间有间隙。
优选地，所述多层液晶片为三层或三层以上；所述第一层液晶片与所述水平方向扩散器紧贴，最高层液晶片与所述光栅紧贴，其中，所述最高层液晶片为距离所述定向背光源最远的液晶片；对于除所述第一层液晶片的其余层液晶片，相邻的两个液晶片的距离均为第一距离；所述水平方向扩散器和第二层液晶片之间的距离为所述第一距离。
优选地，基于通过求解下述函数获得的两层液晶片的所有像素值，设置所述两层液晶片的所有像素；所述函数为：
其中，x为第一层液晶片的任一像素的横坐标，y为第一层液晶片的任一像素的纵坐标，X为第一层液晶片的横向的总像素数，Y为第一层液晶片的纵向的总像素数，N为来自第一层液晶片的任一像素的单条光束经扩散后对应的第二层液晶片的像素数，n为被扩散后的光线，θn为出射的光线偏转的角度，T(θn)为出射的光线，P(x,y)为第一层的任一像素的像素值，P(i+n,j)为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的像素值，i+n为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的横坐标，j为被扩散的光线对应到第二层液晶片的纵坐标，i为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第一个像素的横坐标，1<n<N。
优选地，所述定向背光源发射的光为定向平行背光、定向汇聚光和定向发散光中的任一种。
优选地，所述至少两层液晶片中的每层液晶片形状、分辨率和大小均相同。
优选地，所述竖直方向扩散器的扩散角大于90度。
优选地，所述定向背光源为投影仪。
优选地，所述竖直方向扩散器与所述光栅紧贴或所述竖直方向扩散器和所述光栅之间有间隙。
本发明提供的一种三维显示系统，由于定向背光源发射的光线通过液晶片和扩散膜的共同作用，产生定向光线簇，通过光栅时会发生定向偏折，保证光线会落入指定视点上，不会发生散射，从而不会出现重影的深浅和影像的模糊。定向光线簇能够形成正确的观看视区，不会跳变视区和视差反转。在各层液晶片上每个像素将会向不同方向发出多条不同光线，扩大了显示视角，且多层液晶片提高了像素的利用率，所以显示分辨率将大大提高。
附图说明
图1为现有技术中的一种柱透镜光栅三维立体显示器的显示原理图；
图2为现有技术中的一种狭缝光栅三维立体显示器的显示原理图；
图3为本发明实施例中的一种三维显示系统的结构示意图；
图4为本发明实施例中的一种在水平扩散膜和竖直扩散膜上的光线扩散示意图；
图5为本发明实施例中的两层液晶片光线复用机理图；
图6a为本发明实施例中的一种定向背光源发射定向汇聚光的三维显示系统的结构示意图；
图6b为本发明实施例中的一种定向背光源发射定向发散光的三维显示系统的结构示意图；
图6c为本发明实施例中的一种定向背光源发射定向平行背光的三维显示系统的结构示意图；
图7为本发明实施例中的一种投影仪作为定向背光源的三维显示系统的结构示意图；
图8为本发明实施例中的一种三维显示系统进行显示的原理流程图。
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。
图3为本发明实施例中的一种三维显示系统的结构示意图，如图3所示，包括：定向背光源、多层液晶片、水平方向扩散器、竖直方向扩散器和光栅；所述定向背光源用于发射光；沿光的传播方向依次布置有第一层液晶片、所述水平方向扩散器、除所述第一层液晶片的其余层液晶片、所述光栅和所述竖直方向扩散器。
具体地，本发明实施例中的水平方向扩散器和竖直方向扩散器优选设置为扩散膜。扩散膜具有扩散光线的作用，即光线在其表面会发生柔和均匀的散射，且发散角度可控。
图4为本发明实施例中的一种在水平扩散膜和竖直扩散膜上的光线扩散示意图，如图4所示，水平扩散膜用于将光线在水平方向扩散，竖直扩散膜用于将光线在竖直方向扩散。
进一步地，本发明实施例中的液晶片优选设置成两层，即在水平方向扩散器和竖直方向扩散器中设置一层液晶片。
优选地，本发明实施例中的液晶片不带背光，且来自定向背光源的光线经过液晶片后方向不会发生偏折。
进一步地，光线经过液晶片调制携带了像素颜色信息，经扩散膜扩散后的所有散射光线将全部携带相同的信息并射向不同的方向，光强相应发生减弱。
需要说说明的是，本发明实施例中的液晶片是一种优选设置，本发明还保护其他实现三维显示的液晶装置。本实施例以定向背光源为平行定向背光源，即出射定向平行背光为例，但本发明不限于此。
本发明实施例采用定向背光源作为背光源，原因在于定向背光源发出的光线具有方向性，经过光栅时，对出射光线方向的控制更加准确，使得光线可以被定向偏折、扩散和多层液晶精确调制，保证相应光线最终落入指定视点。
本发明实施例设置至少两层液晶片，能够使光场的重构产生更好的效果。
本发明提供的一种三维显示系统，定向背光源发射的光线在通过液晶片和扩散膜的共同作用，产生定向光线簇，定向光线簇通过光栅时，会发生定向偏折，保证光线会落入指定视点上，而不会在各个方向上发生散射，从而不会出现重影的深浅和影像的模糊。定向光线簇能够形成正确的观看视区，不会跳变视区和视差反转。在各层液晶片上每个像素将会向不同方向发出多条不同光线，即在空间中不同位置看到该像素显示不同的信息，扩大了显示视角，且多层液晶片提高了像素的利用率，即每个像素将提供多次信息，所以显示分辨率将大大提高。
基于上述实施例，所述多层液晶片为两层；沿光的传播方向依次布置有所述第一层液晶片、所述水平方向扩散器、第二层液晶片、所述光栅和所述竖直方向扩散器；所述第一层液晶片与所述水平方向扩散器紧贴，所述第二层液晶片与所述光栅紧贴；所述水平方向扩散器和所述第二层液晶片之间有间隙。
具体地，水平方向扩散器和第二层液晶片之间的间隙按需设置。
基于上述实施例，所述多层液晶片为三层或三层以上；所述第一层液晶片与所述水平方向扩散器紧贴，最高层液晶片与所述光栅紧贴，其中，所述最高层液晶片为距离所述定向背光源最远的液晶片；对于除所述第一层液晶片的其余层液晶片，相邻的两个液晶片的距离均为第一距离；所述水平方向扩散器和第二层液晶片之间的距离为所述第一距离。
具体地，第一距离按需设置。
液晶片由密集的像素组成，每三个子像素(R、G、B)组成一个像素。每个子像素的值在0-255之间，液晶片加载的图像是一个矩阵。液晶片为两层时最终三维显示系统出射的每一条光线加载的信息都是分别由两层液晶片上的某两个像素值共同作用所得的，所有光线集加载的图像内容，是两次调制图样的点积。基于这样的机制，本实施例来具体说明求得两层液晶片的所有像素值的方法。需要说明的是，两层液晶片的所有像素值通过目标光线，即期望出射的光线形式来推导出来。
图5为本发明实施例中的两层液晶片光线复用机理图，本实施例请参见图5。基于通过求解下述函数获得的两层液晶片的所有像素值，设置所述两层液晶片的所有像素；所述函数为：
其中，x为第一层液晶片的任一像素的横坐标，y为第一层液晶片的任一像素的纵坐标，X为第一层液晶片的横向的总像素数，Y为第一层液晶片的纵向的总像素数，N为来自第一层液晶片的任一像素的单条光束经扩散后对应的第二层液晶片的像素数，n为被扩散后的光线，θn为出射的光线偏转的角度，T(θn)为出射的光线，P(x,y)为第一层的任一像素的像素值，P(i+n,j)为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的像素值，i+n为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的横坐标，j为被扩散的光线对应到第二层液晶片的纵坐标，i为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第一个像素的横坐标，1<n<N。
具体地，下面对于所述函数的求解过程做出进一步的说明。请参见图5，设光线经过第一层液晶中被像素值P(x,y)(0<x<X,0<y<Y)调制后，经水平扩散角度θ的扩散膜后形成光线簇进入第二层液晶，被像素P(i+n,j)(1<n<N)调制后射出。T(θn)为出射后的目标光线。在实际出射的光线与目标光线最接近时，可以得到最小化目标函数：
其中，N为来自第一层液晶片的任一像素的单条光束经扩散后对应的第二层液晶片的像素数，n为被扩散后的光线，θn为出射的光线偏转的角度，T(θn)为出射的光线，x为第一层液晶片的任一像素的横坐标，y为第一层液晶片的任一像素的纵坐标，P(x,y)为第一层的任一像素的像素值，P(i+n,j)为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的像素值，i+n为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的横坐标，j为被扩散的光线对应到第二层液晶片的纵坐标，i为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第一个像素的横坐标，1<n<N。
遍历第一层液晶的所有像素，得到整个目标光线集的最小化目标函数：
其中，x为第一层液晶片的任一像素的横坐标，y为第一层液晶片的任一像素的纵坐标，X为第一层液晶片的横向的总像素数，Y为第一层液晶片的纵向的总像素数，N为来自第一层液晶片的任一像素的单条光束经扩散后对应的第二层液晶片的像素数，n为被扩散后的光线，θn为出射的光线偏转的角度，T(θn)为出射的光线，P(x,y)为第一层的任一像素的像素值，P(i+n,j)为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的像素值，i+n为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的横坐标，j为被扩散的光线对应到第二层液晶片的纵坐标，i为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第一个像素的横坐标，1<n<N。
通过非负张量分解法求解上述函数，获得两层液晶片的所有像素值，并基于获得的两层液晶片的所有像素值设置两层液晶片的所有像素。
本发明提供的一种三维显示系统，通过设置通过函数求解获得像素值，能够使得三维显示的效果更好。
基于上述实施例，所述定向背光源发射的光为定向平行背光、定向汇聚光和定向发散光中的任一种。
图6a为本发明实施例中的一种定向背光源发射定向汇聚光的三维显示系统的结构示意图，图6b为本发明实施例中的一种定向背光源发射定向发散光的三维显示系统的结构示意图，图6c为本发明实施例中的一种定向背光源发射定向平行背光的三维显示系统的结构示意图；本实施例请参见图6a、图6b和图6c。
基于上述实施例，所述至少两层液晶片中的每层液晶片形状、分辨率和大小均相同。
基于上述实施例，所述光栅为柱透镜阵列或狭缝光栅。
具体地，由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅(grating)。
基于上述实施例，所述竖直方向扩散器的扩散角大于90度。
具体地，扩散角为光线经过全息功能屏后在水平或竖直方向上的发散角度。全息功能屏为利用散斑全息制作的对入射光线具有特定角度扩展作用的光学薄膜。
基于上述实施例，所述定向背光源为投影仪。图7为本发明实施例中的一种投影仪作为定向背光源的三维显示系统的结构示意图，本实施例请参见图7。投影仪提供定向发散光，并且投影仪中的液晶与三维显示系统中的多层液晶片共同调制内容拟合目标光线。
基于上述实施例，所述竖直方向扩散器与所述光栅紧贴或所述竖直方向扩散器和所述光栅之间有间隙。
图8为本发明实施例中的一种三维显示系统进行显示的原理流程图，如图8所示，包括：定向背光源发射光；所述光中任一光线射入第一层液晶片中的对应的任一第一层像素，并从所述任一第一层像素中出射；其中，出射的所述任一光线携带了所述任一第一层像素的颜色信息，出射的所述任一光线作为任一第一层出射光线；所述任一第一层出射光线射入水平方向扩散器，在水平方向发生散射，从所述水平方向扩散器出射的所述任一第一层出射光线作为任一散射第一层出射光线；所述任一散射第一层出射光线依次射入除所述第一层液晶片的其余层液晶片中的对应的像素并出射，从最高层液晶片出射的所述任一散射第一层出射光线作为任一调制出射光线；其中，所述最高层液晶片为距离所述定向背光源最远的液晶片；所述任一调制出射光线射入光栅，从所述光栅中出射的所述任一调制出射光线作为任一光栅出射光线；所述任一光栅出射光线射入竖直方向扩散器，在竖直方向发生散射，从所述竖直方向扩散器出射的所述任一光栅出射光线作为任一出射光线；所有出射光线构成三维图像。
具体地，任一散射第一层出射光线携带第一层像素的颜色信息并入射到下一层液晶片的对应的像素中去。
由于第一层液晶片对光线的调制和扩散膜的扩散作用，其余层液晶片中的每一个像素都会接收到来自多个方向且加载了不同信息的光线，这些光线簇入射后会再接收该像素的颜色信息调制。
所以最高层液晶片的像素会出射不同方向的经多次调制的光线，实现光线密集复用。
本发明提供的一种三维显示系统，采用定向背光源作为背光源，原因在于定向背光源发出的光线具有方向性，使得光线可以被定向偏折、扩散和多层液晶精确调制，保证相应光线最终落入指定视点。本发明实施例设置至少两层液晶片，能够使光场的重构产生更好的效果。定向背光源发射的光线在通过液晶片和扩散膜的共同作用，产生定向光线簇，定向光线簇通过光栅时，会发生定向偏折，保证光线会落入指定视点上，而不会在各个方向上发生散射，从而不会出现重影的深浅和影像的模糊。定向光线簇能够形成正确的观看视区，不会跳变视区和视差反转。在各层液晶片上每个像素将会向不同方向发出多条不同光线，即在空间中不同位置看到该像素显示不同的信息，扩大了显示视角，且多层液晶片提高了像素的利用率，即每个像素将提供多次信息，所以显示分辨率将大大提高。通过设置通过函数求解获得像素值，能够使得三维显示的效果更好。本发明利用扩散器对光线的定向扩散机制和多层液晶结构，对来自定向背光源的定向光线进行“调制—扩散—调制”，实现最高层液晶片每个像素出射不同方向的多条光线，即实现对单光线的密集复用。
最后，本发明的系统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 (7)

1.一种三维显示系统，其特征在于，包括：定向背光源、多层液晶片、水平方向扩散器、竖直方向扩散器和光栅；
所述定向背光源用于发射光；沿光的传播方向依次布置有第一层液晶片、所述水平方向扩散器、除所述第一层液晶片的其余层液晶片、所述光栅和所述竖直方向扩散器；
所述多层液晶片为两层；
沿光的传播方向依次布置有所述第一层液晶片、所述水平方向扩散器、第二层液晶片、所述光栅和所述竖直方向扩散器；
所述第一层液晶片与所述水平方向扩散器紧贴，所述第二层液晶片与所述光栅紧贴；
所述水平方向扩散器和所述第二层液晶片之间有间隙；
基于通过求解下述函数获得的两层液晶片的所有像素值，设置所述两层液晶片的所有像素；所述函数为：
其中，x为第一层液晶片的任一像素的横坐标，y为第一层液晶片的任一像素的纵坐标，X为第一层液晶片的横向的总像素数，Y为第一层液晶片的纵向的总像素数，N为来自第一层液晶片的任一像素的单条光束经扩散后对应的第二层液晶片的像素数，n为被扩散后的光线，θn为出射的光线偏转的角度，T(θn)为出射的光线，P(x,y)为第一层的任一像素的像素值，P(i+n,j)为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的像素值，i+n为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第n个像素的横坐标，j为被扩散的光线对应到第二层液晶片的纵坐标，i为被扩散的光线对应到第二层液晶片的第一个像素的横坐标，1<n<N。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述定向背光源发射的光为定向平行背光、定向汇聚光和定向发散光中的任一种。
3.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述至少两层液晶片中的每层液晶片形状、分辨率和大小均相同。
4.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述光栅为柱透镜阵列或狭缝光栅。
5.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述竖直方向扩散器的扩散角大于90度。
6.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述定向背光源为投影仪。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的显示系统，其特征在于，所述竖直方向扩散器与所述光栅紧贴或所述竖直方向扩散器和所述光栅之间有间隙。
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