CN108319030A - 一种自由立体显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自由立体显示系统，包括控光结构和扩散结构；光路上依次设置所述控光结构和所述扩散结构；所述控光结构包括相互交替设置的透光单元和遮光单元；所述透光单元用于控制光线在水平方向上的射向；所述遮光单元用于对光线进行遮挡；所述扩散结构用于在水平方向上对光线进行扩散。本发明通过相互交替设置透光单元和遮光单元，使得原本进入相邻透光单元的光线被遮光单元遮挡，光线无法透过，使得光线只能进入间隔一定距离的下一透光单元形成其他主视区，从而增加了主视区的角度和可填充视点数，使得显示效果和运动视差更加平滑。

Description

一种自由立体显示系统

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体涉及一种自由立体显示系统。

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。在科研、军事和娱乐生活等各个场景中，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。早期人们对三维显示信息的获取需要佩戴3D眼镜或者头盔，阻碍了人们的自然视觉感受。不需要佩戴任何设备的自由立体显示技术(即裸眼3D)成为人们追求的目标。现有技术中，裸眼3D显示器技术是透镜光栅和狭缝光栅的方案。

图1为现有技术提供的柱镜光栅立体显示器原理示意图，如图1所示，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。

图2为现有技术提供的狭缝光栅立体显示器原理示意图，如图2所示，基于狭缝光栅的裸眼3D显示设备由2D液晶显示器与狭缝光栅两部分组成。通过在2D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。3D显示中的狭缝光栅可以看作是由周期性的透光条与遮光条交替排列共同组成的，遮光条可以保证完全挡住光线。

柱透镜光栅和狭缝光栅需要倾斜一定角度，以消除LCD像素空间周期与光栅空间周期形成的莫尔条纹。用于自由立体显示器的2D显示器一般为LCD液晶显示器和LED显示器，LCD显示器像素排布紧密，分辨率高，已经成为家用的主流显示器。LED显示器亮度高，不受环境光的影响，而且可实现无缝拼接，适用于大型户外展示。

然而，现有技术至少存在以下技术缺陷：图3为现有技术提供的视区跳变现象形成原理示意图，如图3所示的四视点的显示系统，各像素发出的光线一部分进入正前方的透镜(或狭缝)形成一个视区，称为主视区；还会进入左右相邻的透镜(或狭缝)形成下一个视区，这样会导致整个观看区域内存在多个重复视区周期，在最终显示效果中每一个显示周期的角度较小(一般仅为10度左右)。观察者在水平移动时会感觉到明显的视区间的周期跳变，影响观看质量，这也是目前影响三维显示系统效果的首要因素。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种自由立体显示系统。

本发明提供的一种自由立体显示系统，包括控光结构和扩散结构；光路上依次设置所述控光结构和所述扩散结构；所述控光结构包括相互交替设置的透光单元和遮光单元；所述透光单元用于控制光线在水平方向上的射向；所述遮光单元用于对光线进行遮挡；所述扩散结构用于在水平方向上对光线进行扩散。

其中，所述控光结构具体包括柱透镜光栅和狭缝光栅，所述柱透镜光栅和所述狭缝光栅在光路上紧贴设置；所述柱透镜光栅中的单个透镜与所述狭缝光栅中的透光条组成所述透光单元，且所述透光条与单个透镜正对设置，所述透光条与单个透镜的宽度相同；所述柱透镜光栅中的至少一个透镜与所述狭缝光栅中的遮光条组成所述遮光单元，且所述遮光条与至少一个透镜正对设置，所述遮光条与至少一个透镜的宽度相同。

其中，所述控光结构具体包括复合柱透镜光栅，所述复合柱透镜光栅具体包括透镜和遮光透镜，所述遮光透镜内部设置有遮光条；所述透光单元包括单个透镜；所述遮光单元包括至少一个遮光透镜。

所述系统还包括显示设备，所述显示设备设置于所述柱透镜光栅的焦距处。

其中，所述遮光单元与所述透光单元的宽度比值为遮透光比N；所述显示设备中与主视区对应的可填充视点数为k×(N+1)，其中k为单个透光单元覆盖的像素数。

其中，所述扩散结构还在竖直方向上对光线进行扩散。

其中，所述扩散结构在竖直方向上的扩散角度为120°以上，水平方向上的扩散角度与遮光单元的宽度关联。

其中，所述柱透镜光栅为阶梯型透镜光栅，所述狭缝光栅为阶梯型狭缝光栅。

其中，所述显示设备为LCD或LED显示器，所述扩散结构为全息功能屏。

本发明提供的自由立体显示系统，通过相互交替设置透光单元和遮光单元，使得原本进入相邻透光单元的光线被遮光单元遮挡，光线无法透过，使得光线只能进入间隔一定距离的下一透光单元形成其他主视区，从而增加了主视区的角度和可填充视点数，使得显示效果和运动视差更加平滑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的柱镜光栅立体显示器原理示意图；

图2为现有技术提供的狭缝光栅立体显示器原理示意图；

图3为现有技术提供的视区跳变现象形成原理示意图；

图4为本发明实施例提供的自由立体显示系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的自由立体显示系统的原理示意图；

图6为本发明另一实施例提供的自由立体显示系统的结构示意图；

图7为本发明又一实施例提供的自由立体显示系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的自由立体显示系统的扩散结构的扩散原理示意图；

图9为本发明实施例提供的自由立体显示系统的扩散结构的水平方向上扩散角度求取原理示意图；

图10本发明实施例提供的自由立体显示系统的全息功能屏的扩散原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中可能涉及到的技术名词的含义如下：自由立体显示为不用佩戴任何辅助设备，可以直接为观看者提供立体视觉的显示方式；背光源为用于点亮显示设备加载的显示内容；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；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；视点为视差图像在空间中形成的可正确观看的位置；莫尔条纹为光栅周期结构与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。

在三维显示中，为了真实还原再现一个三维景象，就需要主视区的显示角度尽可能大(最好的情况是整个观看区域只存在主视区，就不会存在跳变的现象)。首先大角度的显示周期就可以在其中填充更多的视点，视点越多立体图像更加平滑且更有利于展示细节。其次，大角度的显示周期意味着三维景象的重现角度更大，即我们重现的三维景象将有更多的侧面信息可以被重现，增大显示效果的运动视差，增强效果的真实性。

本发明实施例提供一种自由立体显示系统，包括控光结构和扩散结构；光路上依次设置所述控光结构和所述扩散结构；所述控光结构包括相互交替设置的透光单元和遮光单元；所述透光单元用于控制光线在水平方向上的射向；所述遮光单元用于对光线进行遮挡；所述扩散结构用于在水平方向上对光线进行扩散。

具体地，控光结构用于在水平方向上对光线的射向进行控制，具体可以为折射型控光结构或衍射性控光结构，例如柱透镜阵列；而由于现有技术中的控光结构是连续的，使得背光源射出的漫散射光射入相邻透镜而导致了周期跳变；因此，本发明实施例中额外设置了遮光单元，每隔一定距离就对透光单元进行遮挡，使得光线无法透光相邻的透光单元形成跳变视区；并且，由于遮挡作用，例如当透光单元与遮光单元的宽度比例为1:1时，主视区的角度增加为原来的2倍，可以填充的视点数也增加为原来的2倍，视点的增加可以使显示效果和运动视差更加平滑。

另外，由于使用了遮光单元对光线产生了遮挡，会在最终的显示画面上形成光栅黑条，特别是在遮光单元较大时，光栅黑条更宽；因此，本发明实施例提供的显示系统还设置了扩散结构，扩散结构设置于光路上控光结构的后方；扩散结构可以在水平方向上对光线进行扩散，从而减轻或者消除光栅黑条对最终显示效果的影响。

本发明实施例提供的自由立体显示系统，通过相互交替设置透光单元和遮光单元，使得原本进入相邻透光单元的光线被遮光单元遮挡，光线无法透过，使得光线只能进入间隔一定距离的下一透光单元形成其他主视区，从而增加了主视区的角度和可填充视点数，使得显示效果和运动视差更加平滑。

在上述实施例的基础上，所述控光结构具体包括柱透镜光栅和狭缝光栅，所述柱透镜光栅和所述狭缝光栅在光路上紧贴设置；所述柱透镜光栅中的单个透镜与所述狭缝光栅中的透光条组成所述透光单元，且所述透光条与单个透镜正对设置，所述透光条与单个透镜的宽度相同；所述柱透镜光栅中的至少一个透镜与所述狭缝光栅中的遮光条组成所述遮光单元，且所述遮光条与至少一个透镜正对设置，所述遮光条与至少一个透镜的宽度相同。

图4为本发明实施例提供的自由立体显示系统的结构示意图，如图4所示，其中(a)为系统的正视图，(b)为系统的俯视图，如图4所示，控光结构具体可以通过柱透镜阵列和狭缝光栅实现。柱透镜光栅与狭缝光栅需要在光路上紧贴设置，但不限于前后；例如图4为柱透镜光栅在前，狭缝光栅在后；图6为本发明另一实施例提供的自由立体显示系统的结构示意图，图6中狭缝光栅在前，柱透镜光栅在后。

柱透镜光栅和狭缝光栅需要倾斜一定角度，以消除像素空间周期与光栅空间周期形成的莫尔条纹柱；因此，基于上述柱透镜光栅和狭缝光栅，柱透镜光栅由多个透镜组成，狭缝光栅由多个交替排列的透光条和遮光条组成。其中，透光条与正对的单个透镜宽度相同，组成透光单元；遮光条与正对的一个或多个透镜的宽度相同(例如图4中为2个)，组成遮光单元。

图5为本发明实施例提供的自由立体显示系统的原理示意图，如图5所示，例如遮光条和透光条的宽度都为单个透镜的宽度时，由于相邻透镜被狭缝光栅的遮光条遮住，光线无法透过，因此光线只能进入相隔一个透镜后的下一透镜形成其他视区(如图5中的左侧的1-2视点和右侧的7-8视点)。使得主视区的角度将增加为原来的两倍，其次可以填充的视点数也增加为原来的两倍(由图3示出的4视点增加为图5示出的8视点)。

通过利用柱透镜光栅和狭缝光栅能有效对光线进行遮挡，增强显示效果。

在上述任一实施例的基础上，所述控光结构具体包括复合柱透镜光栅，所述复合柱透镜光栅具体包括透镜和遮光透镜，所述遮光透镜内部设置有遮光条；所述透光单元包括单个透镜；所述遮光单元包括至少一个遮光透镜。

图7为本发明又一实施例提供的自由立体显示系统的结构示意图，如图7所示，复合柱透镜光栅相当于将狭缝光栅设置于柱透镜光栅内部。复合柱透镜光栅中的单个透镜为透光单元；透镜中设置有遮光条的透镜为遮光透镜，一个或多个遮光透镜组成遮光单元。

通过利用复合柱透镜光栅，与普通柱透镜光栅的外形一致，节省空间。

在上述任一实施例的基础上，所述系统还包括显示设备，所述显示设备设置于所述柱透镜光栅的焦距处。具体地，如图4所示，显示器与柱透镜光栅的距离为焦距f。

在上述任一实施例的基础上，所述遮光单元与所述透光单元的宽度比值为遮透光比N；所述显示设备中与主视区对应的可填充视点数为k×(N+1)，其中k为单个透光单元覆盖的像素数。

具体地，遮透光比N为遮光部分与透光部分的宽度比值，也即遮光单元与透光单元的宽度比值；k为单个透光单元覆盖的像素数，例如图1中的k＝4；在图5提供的系统中，遮透光比为1：1，主视区视角和视点数目提高2倍；当遮透光比为N：1时，主视区视角和视点数提高N+1倍。因此，通过调节遮透光比，可以根据实际需求灵活提高视角和视点数。

在上述任一实施例的基础上，所述扩散结构还在竖直方向上对光线进行扩散。

扩散结构除了在水平方向上进行小角度扩散以消除黑条现象，还可以在竖直方向上大角度扩散。图8为本发明实施例提供的自由立体显示系统的扩散结构的扩散原理示意图，如图8所示，一条入射光线经过该扩散结构后，在水平方向上形成小角度的展宽，竖直方向形成大角度的展宽，最终形成一个长条光斑。由于视点是水平排布的，竖直方向大角度扩散可以增大最终显示效果在竖直方向上的观看范围。

在上述任一实施例的基础上，所述扩散结构在竖直方向上的扩散角度为120°以上，水平方向上的扩散角度与遮光单元的宽度关联。

图9为本发明实施例提供的自由立体显示系统的扩散结构的水平方向上扩散角度求取原理示意图，如图9所示，由透光条出射的光线经过扩散结构后发生扩散，目的是消除光栅黑条的影响。图9中取透光条出射的最边缘两条光线，这两条光线发生扩散后的出射光线的反向延长线应交于黑色遮光条的中心(图9中的w为遮光条的宽度)。此时，扩散后的出射光线与扩散前的光线之间的夹角t即为所求扩散角。

在上述任一实施例的基础上，所述柱透镜光栅为阶梯型透镜光栅，所述狭缝光栅为阶梯型狭缝光栅。

在上述任一实施例的基础上，所述显示设备为LCD或LED显示器，所述扩散结构为全息功能屏。

具体地，图10本发明实施例提供的自由立体显示系统的全息功能屏的扩散原理示意图，如图10所示，(a)为水平方向扩散，(b)为竖直方向扩散；全息功能屏即扩散膜，具有扩散光线的作用；光线在全息功能屏的表面会发生柔和均匀的散射，且发散角度可控。如果光线经过液晶调制携带了像素颜色信息，经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，只是光强会发生减弱。

综上所述，本发明提供的一种新的三维显示系统结构，系统中采取柱透镜光栅与狭缝光栅有效结合的方法并利用全息功能屏光线扩散机理，实现清晰、大视角、平滑的三维效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种自由立体显示系统，其特征在于，包括控光结构和扩散结构；光路上依次设置所述控光结构和所述扩散结构；

所述控光结构包括相互交替设置的透光单元和遮光单元；所述透光单元用于控制光线在水平方向上的射向；所述遮光单元用于对光线进行遮挡；

所述扩散结构用于在水平方向上对光线进行扩散。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控光结构具体包括柱透镜光栅和狭缝光栅，所述柱透镜光栅和所述狭缝光栅在光路上紧贴设置；

所述柱透镜光栅中的单个透镜与所述狭缝光栅中的透光条组成所述透光单元，且所述透光条与单个透镜正对设置，所述透光条与单个透镜的宽度相同；

所述柱透镜光栅中的至少一个透镜与所述狭缝光栅中的遮光条组成所述遮光单元，且所述遮光条与至少一个透镜正对设置，所述遮光条与至少一个透镜的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控光结构具体包括复合柱透镜光栅，所述复合柱透镜光栅具体包括透镜和遮光透镜，所述遮光透镜内部设置有遮光条；

所述透光单元包括单个透镜；

所述遮光单元包括至少一个遮光透镜。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括显示设备，所述显示设备设置于所述柱透镜光栅的焦距处。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述遮光单元与所述透光单元的宽度比值为遮透光比N；所述显示设备中与主视区对应的可填充视点数为k×(N+1)，其中k为单个透光单元覆盖的像素数。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扩散结构还在竖直方向上对光线进行扩散。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述扩散结构在竖直方向上的扩散角度为120°以上，水平方向上的扩散角度与遮光单元的宽度关联。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述柱透镜光栅为阶梯型透镜光栅，所述狭缝光栅为阶梯型狭缝光栅。

9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述显示设备为LCD或LED显示器，所述扩散结构为全息功能屏。