CN108061972A - 一种曲面光场显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种曲面光场显示系统，包括显示屏、非共轴透镜阵列和曲面全息功能屏；其中，显示屏用于显示预设的视差子图阵列；非共轴透镜阵列用于将预设的视差子图阵列投射在曲面全息功能屏；曲面全息功能屏用于提供全视差立体效果的光场；且非共轴透镜阵列由若干个非共轴透镜组所构成，非共轴透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜相对第一透镜倾斜设置。本发明提供了一种观看视角大、视觉立体感强并可实现曲面显示的曲面光场显示系统，以解决现有平面液晶显示系统观看视角小和视觉立体感差的缺陷。

Description

一种曲面光场显示系统
技术领域
本发明涉及曲面显示技术领域，更具体地，涉及一种基于非共轴透镜阵列的曲面光场显示系统。
背景技术
传统的基于狭缝光栅和柱透镜光栅的显示方式由于视点的限制无法提供一个连续平滑的视差，高密度视点方法也只能在一个很小的观看角范围内提供平滑的视差。
多投影光场显示方法的提出解决了上述问题，它不同于传统的基于视点的显示方式，它是一种基于像素的能够重构目标物体光场的显示方式，因此这种系统可以在一个很大的观看角范围内提供连续平滑的视差。然而，这种方式所需要的设备比较复杂且占用较大的空间。
因此，基于液晶显示器(LCD)的光场显示方式被提出用来解决上述的技术问题，这种显示方式中，LCD屏上显示的每一个视差子图和其相应的透镜组成了一个类似于投影仪的单元，然后成像在一个平面上。由于系统的成像面是平面，从而限制了观看视角，并且立体感较差。
发明内容
本发明提供一种观看视角大、视觉立体感强并可实现曲面显示的曲面光场显示系统，以解决现有平面液晶显示系统观看视角小和视觉立体感差的缺陷。
根据本发明的一个方面，提供一种曲面光场显示系统，其特征在于，该系统包括：
显示屏、非共轴透镜阵列和曲面全息功能屏；
所述的显示屏，用于显示预设的视差子图阵列；
所述的非共轴透镜阵列，用于将预设的视差子图阵列投射在所述的曲面全息功能屏；
所述的曲面全息功能屏，用于提供全视差立体效果的光场；
其中，所述的非共轴透镜阵列由若干个非共轴透镜组所构成，所述的非共轴透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜相对所述的第一透镜倾斜设置。
在上述方案的基础上优选，所述的显示屏为液晶显示器LCD。
在上述方案的基础上优选，所述的非共轴透镜阵列的透镜组个数由所述的视差子图阵列中的视差子图个数确定。
在上述方案的基础上优选，所述视差子图阵列中的视差子图个数为N×N，所述N为正整数，所述非共轴透镜阵列中的非共轴透镜组个数也为N×N。
在上述方案的基础上优选，所述的第一透镜与第二透镜的焦距相同。
在上述方案的基础上优选，所述的第一透镜与第二透镜之间的旋转角满足：
其中，α为第二透镜相对第一透镜的旋转角，f为第一透镜的焦距，r第一透镜单的中心点与其相应成像面的中心点之间距离，d为第一透镜单的中心点与其相应成像面的中心点在水平方向上的距离。
在上述方案的基础上优选，所述的显示屏与所述的第一透镜平行设置。
在上述方案的基础上优选，所述的第二透镜设置在所述的显示屏与所述的曲面全息功能屏之间。
与现有技术相比较，本申请提出一种曲面光场显示系统，通过在显示器与全息功能屏之间设置一非共轴透镜阵列，利用每组非共轴透镜组将与其对应的视差子图成像在曲面全息功能屏上，并经曲面全息功能屏进行调制重建目标物体的光场，从而提高其观看者视觉立体感，并增大了观看视角。
附图说明
图1为本发明一种曲面光场显示系统的结构示意图；
图2为本发明一种曲面光场显示系统的原理图；
图3为本发明非共轴透镜组成像原理图。
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，本发明公开了一种曲面光场显示系统，其包括显示屏、非共轴透镜阵列和曲面全息功能屏。
其中，显示屏可以采用液晶显示屏LCD,且该显示屏用于显示预设的视差子图阵列；视差子图阵列中的视差子图的个数为预先确定值，不同的视差子图显示物体不同方向的图像；非共轴透镜阵列中非共轴透镜组的个数与视差子图的个数相对应，即视差子图阵列中的视差子图个数为N×N，N为正整数，非共轴透镜阵列中的非共轴透镜组个数也为N×N。
本发明的非共轴透镜阵列用于将预设的视差子图阵列投射在曲面全息功能屏；曲面全息功能屏用于提供全视差立体效果的光场。
其中，非共轴透镜阵列由若干个非共轴透镜组所构成，且该非共轴透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜相对第一透镜倾斜设置，第一透镜与显示屏平行设置。每组视差子图通过其相应的非共轴透镜组成像在与显示屏有一定倾角的斜面上，最终拼接成一个曲面。
为了详细说明成像过程,设定AB作为显示屏显示的基元图像,图像中的每一个像素点发出球面波，通过非共轴透镜组后仍为球面波，并会聚成像A'B'。物点A、O、B对应的像点为A'、O'、B',以下将以像素点B为例进行详细说明：
设定显示屏与第一透镜之间的距离为f，且第一透镜与第二透镜的焦距相等，像素点B发出的光束经过第一透镜折射后为平行光，平行光束与第一透镜的光轴所成旋转角为θ，则平行光与第二透镜的光轴所成的旋转角γ＝θ+α。斜入射的平行光经过第二透镜折射后，在第二透镜的焦平面上会聚成一点B',由几何关系可知；
(其中，γ＝α+θ)
根据上述公式计算出成像点B‘与第二投影中心点的水平距离B'P'，可以表示为：
同理，可以推导出成像点A'与第二投影中心点的水平距离A'P'，可以表示为:
根据公式(1)和公式(2)可计算出AB所成的像A'B'的长度为|B'A'|＝|B'P|-|A'P|。
通过以上分析，A'B'所在的像平面位于第二透镜的焦平面上，与AB所在的物平面存在着一定的旋转角。因此，每组非共轴透镜组通过选取适当的α值，可以实现将LCD屏上的视差图成像在曲面全息功能屏上。通过曲面全息功能屏的调制后重建目标物体的光场，相比于同类型的平面光场显示，增强了立体感的同时增大了观看视角。
优选的，本发明的第一透镜与第二透镜之间的旋转角满足：
其中，α为第二透镜相对第一透镜的旋转角，f为第一透镜的焦距，r第一透镜单的中心点与其相应成像面的中心点之间距离，d为第一透镜单的中心点与其相应成像面的中心点在水平方向上的距离。
与现有技术相比较，本申请提出一种曲面光场显示系统，通过在显示器与全息功能屏之间设置一非共轴透镜阵列，利用每组非共轴透镜组将与其对应的视差子图成像在曲面全息功能屏上，并经曲面全息功能屏进行调制重建目标物体的光场，从而提高其观看者视觉立体感，并增大了观看视角。
本发明涉及的技术术语如下：
视差：指从不同方向获取的物体图像的差异。
非共轴透镜组：由两个光轴不在同一条直线上的透镜组成。
视差子图：指从不同方向获取的物体的图像。
曲面全息功能屏：用全息的方法制作的具有垂直扩散功能的弧面光学膜。
观看视角：人眼所能观察到完整再现物体的角度范围。
物平面：成像物体所在的平面。
像平面：成像物体经过透镜后所成的像所在的平面。
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 (8)

1.一种曲面光场显示系统，其特征在于，该系统包括：
显示屏、非共轴透镜阵列和曲面全息功能屏；
所述的显示屏，用于显示预设的视差子图阵列；
所述的非共轴透镜阵列，用于将预设的视差子图阵列投射在所述的曲面全息功能屏；
所述的曲面全息功能屏，用于提供全视差立体效果的光场；
其中，所述的非共轴透镜阵列由若干个非共轴透镜组所构成，所述的非共轴透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜相对所述的第一透镜倾斜设置。
2.如权利要求1所述的一种曲面光场显示系统，其特征在于：所述的显示屏为液晶显示器LCD。
3.如权利要求1所述的一种曲面光场显示系统，其特征在于：所述的非共轴透镜阵列的透镜组个数由所述的视差子图阵列中的视差子图个数确定。
4.如权利要求3所述的一种曲面光场显示系统，其特征在于：所述视差子图阵列中的视差子图个数为N×N，所述N为正整数，所述非共轴透镜阵列中的非共轴透镜组个数也为N×N。
5.如权利要求4所述的一种曲面光场显示系统，其特征在于：所述的第一透镜与第二透镜的焦距相同。
6.如权利要求5所述的一种曲面光场显示系统，其特征在于：所述的第一透镜与第二透镜之间的旋转角满足：
<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mi>arccos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>f</mi> <mi>r</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>arcsin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中，α为第二透镜相对第一透镜的旋转角，f为第一透镜的焦距，r第一透镜单的中心点与其相应成像面的中心点之间距离，d为第一透镜单的中心点与其相应成像面的中心点在水平方向上的距离。
7.如权利要求1所述的一种曲面光场显示系统，其特征在于：所述的显示屏与所述的第一透镜平行设置。
8.如权利要求1所述的一种曲面光场显示系统，其特征在于：所述的第二透镜设置在所述的显示屏与所述的曲面全息功能屏之间。
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