CN108761812A - 一种阶梯型透镜光栅及三维显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种阶梯型透镜光栅及三维显示系统，所述阶梯型透镜光栅由至少两层柱透镜光栅沿光轴方向拼接而成，每层柱透镜光栅中包含多个相同的柱透镜，每层柱透镜光栅中的多个柱透镜与相邻柱透镜光栅中的多个柱透镜一一对应设置，且相邻的两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴之间的距离为第一预设距离。通过将阶梯型透镜光栅中相邻两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴错开一定的距离，在进行三维显示时，使得阶梯型透镜光栅竖直方向的分辨率降低，从而使得阶梯型透镜光栅的整体分辨率均匀。

Description

一种阶梯型透镜光栅及三维显示系统

技术领域

本发明实施例涉及三维显示技术领域，更具体地，涉及一种阶梯型透镜光栅及三维显示系统。

背景技术

随着科学技术的高速发展和信息的飞速增加，越来越多的行业领域如医学成像、军事指挥、卫星测绘和太空探索等，不再满足于二维显示提供的平面信息，而是要求实现精确的三维数据采集、高效的三维数据处理和逼真的三维显示。

在三维显示技术中，需要有控光结构对来自二维显示器发出的光线方向进行控制。柱透镜光栅由周期紧密排列的柱透镜组成，具有空间分光控光的功能。由于高透光率、可批量化生产等优势，柱透镜光栅已经成为三维显示系统最主要采用的控光结构。目前柱透镜光栅的加工工艺非常成熟，通过紫外线固化技术可以实现精度10微米的高精度光学柱透镜光栅加工。

现有技术中比较常见的三维显示系统是基于漫射背光或自发光的显示源结合柱透镜光栅的结构，该系统结构即为最传统的自由立体显示系统。显示源包括具有漫射背光的LCD显示器、LED显示器、OLED显示器、投影仪、透光显示的灯片等器件，柱透镜光栅所采用的材料可以是各种玻璃材料，可以是塑料树脂材料等。此类三维显示器需要显示源放置于柱透镜光栅的焦距处，利用透镜成像原理将显示源上的不同像素的位置信息转化为不同视点光强的方向信息，从而在显示系统前方观看到三维效果。

但是，由于柱透镜光栅长条形的透镜形状，水平方向分辨率会随着视点数增多而降低，竖直方向分辨率几乎没有损失，导致分辨率不均匀，影响观看效果。

发明内容

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的阶梯型透镜光栅就三维显示系统。

一方面本发明实施例提供了一种阶梯型透镜光栅，所述阶梯型透镜光栅由至少两层柱透镜光栅沿光轴方向拼接而成，每层柱透镜光栅中包含多个相同的柱透镜，每层柱透镜光栅中的多个柱透镜与相邻柱透镜光栅中的多个柱透镜一一对应设置，且相邻的两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴之间的距离为第一预设距离。

进一步地，每层柱透镜光栅与相邻柱透镜光栅间隔第二预设距离设置，且每层柱透镜光栅中每个柱透镜与相邻柱透镜之间间隔第三预设距离设置。

进一步地，每层柱透镜光栅中每个柱透镜的倾斜角为0度；相应地，

每层柱透镜光栅中的柱透镜的孔径为矩形，所述矩形的款为h，且10mm≥h≥0mm，所述矩形的长为P，且10mm≥P≥0mm，所述第一预设距离为d，且10mm≥d≥0mm。

进一步地，所述第二预设距离为G_h，且10mm≥G_h>0mm；所述第三预设距离为G_w，且10mm≥G_w>0mm。

另一方面本发明实施例提供了一种三维显示系统，所述三维显示系统包括显示源和阶梯型透镜光栅；其中，所述阶梯型透镜光栅为上述阶梯型透镜光栅，所述显示源为自发光的显示源或带有背光光源的显示源，且所述阶梯型透镜光栅正对所述显示源设置。

进一步地，当所述显示源为自发光的显示源，且所述阶梯型透镜光栅中每层柱透镜光栅与相邻的柱透镜光栅间隔第二预设距离设置，且每层柱透镜光栅中每个柱透镜与相邻柱透镜之间间隔第三预设距离设置时，所述三维显示系统还包括第一光线扩散结构，且所述第一光学扩散结构正对所述阶梯型透镜光栅远离所述显示源的一侧设置。

进一步地，当所述显示源为带有背光光源的显示源时，所述显示源包括背光源和可透光显示设备，所述三维显示系统还包括第二光学扩散结构；其中，

所述阶梯型透镜光栅包括至少两个单体阶梯型透镜光栅，所述阶梯型透镜光栅中的多层柱透镜光栅分别设置到不同的单体阶梯型透镜光栅中，所述至少两个单体阶梯型透镜光栅分别正对所述可透光显示设备的两侧设置，所述阶梯型透镜光栅与所述可透光显示设备构成复合结构；

所述第二光学扩散结构包括至少两个单体第二光学扩散结构，所述至少两个第二光学扩散结构分别正对所述复合结构的两侧设置；

所述背光源正对任一个单体第二光学扩散结构远离所述复合结构的一侧设置。

本发明实施例提供的一种阶梯型透镜光栅及三维显示系统，通过将阶梯型透镜光栅中相邻两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴错开一定的距离，在进行三维显示时，使得阶梯型透镜光栅竖直方向的分辨率降低，从而使得阶梯型透镜光栅的整体分辨率均匀。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种阶梯型透镜光栅的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种阶梯型透镜光栅的结构示意图；

图3为本发明实施例中多种传统透镜的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种复合透镜的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种三维显示系统的结构示意图；

图6为本发明实施例中复合结构的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种三维显示系统的结构示意图。

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。

本发明实施例提供了一种阶梯型透镜光栅，所述阶梯型透镜光栅由至少两层柱透镜光栅沿光轴方向拼接而成，每层柱透镜光栅中包含多个相同的柱透镜，每层柱透镜光栅中的多个柱透镜与相邻柱透镜光栅中的多个柱透镜一一对应设置，且相邻的两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴之间的距离为第一预设距离。

其中，所述第一预设距离根据单个柱透镜的尺寸以及每层柱透镜光栅中柱透镜的数量确定。

具体地，所述阶梯型透镜光栅与现有技术中柱透镜光栅的显著区别在于：阶梯型透镜光栅中相邻的两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴之间的距离为第一预设距离，且每层柱透镜光栅的高度控制在一定范围内，一般此高度会设置的比较小，通过错开上下两层中相对应的两个柱透镜的光轴，将现有技术中柱透镜光栅中单个柱透镜变化为多个柱透镜上下阶梯型叠加。

本发明实施例提供的一种阶梯型透镜光栅，通过将阶梯型透镜光栅中相邻两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴错开一定的距离，在进行三维显示时，使得阶梯型透镜光栅竖直方向的分辨率降低，从而使得阶梯型透镜光栅的整体分辨率均匀。

在上述实施例的基础上，每层柱透镜光栅与相邻柱透镜光栅间隔第二预设距离设置，且每层柱透镜光栅中每个柱透镜与相邻柱透镜之间间隔第三预设距离设置。

进一步地，每层柱透镜光栅中每个柱透镜的倾斜角为0度；相应地，每层柱透镜光栅中的柱透镜的孔径为矩形，所述矩形的款为h，且10mm≥h≥0mm，所述矩形的长为P，且10mm≥P≥0mm，第一预设距离为d，且10mm≥d≥0mm。

具体地，如图1所示，阶梯型透镜光栅由透镜以阶梯型分布方式构成，柱透镜孔径为矩形。h为每个柱透镜孔径的高度，其取值范围是：10mm≥h≥0mm，处于同一层的柱透镜高度相同，不同层的柱透镜的高度可以相等也可以不相等；P为每个柱透镜孔径的宽度，其取值范围是：10mm≥P≥0mm，处于同一层的柱透镜孔径宽度相等，不同层柱透镜孔径宽度可以相等也可以不相等。d为相邻的两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴之间的距离，也等于相邻上下层透镜左边缘在水平方向上的错位距离，即第一预设距离，其取值范围是：10mm≥d≥0mm，每两层之间的错位距离可以相同也可以不相同。可以理解的是，传统的长条形柱透镜光栅其实是该结构中所有错位距离都满足d＝0时的一种特殊情况。光栅的幅面大小根据实际需要来选择，一般来说等于显示源的大小。其中，倾斜角设置为0度可以减小三维显示时图像的串扰。

在上述实施例的基础上，所述第二预设距离为G_h，且10mm≥G_h>0mm；所述第三预设距离为G_w，且10mm≥G_w>0mm。

具体地，如图2所示，G_h为每层柱透镜光栅与相邻的柱透镜光栅间隔，即所述第二预设距离，取值范围为：10mm≥G_h>0mm；G_w为每层柱透镜光栅中每个柱透镜与相邻柱透镜之间间隔，即所述第三预设距离，取值范围为10mm≥G_w>0mm。在每两层柱透镜光栅之间设置第二预设距离，在每层柱透镜光栅中每两个柱透镜之间设置第三预设距离，可便于阶梯型透镜光栅的制作。

在上述实施例的基础上，每层柱透镜光栅中的柱透镜由玻璃材料、塑料树脂材料或电控光学材料制成。

具体地，阶梯型透镜光栅中的每个柱透镜所采用的材料可以是各种玻璃材料，例如：如冕牌玻璃、火石玻璃、重冕玻璃、重火石玻璃或者LA系玻璃等；可以是塑料树脂材料，例如PMMA、PC、COC、POLYCARB等；也可以是电控光学材料，例如液晶等具有电控光学特性的材料。间隔区域的材料可以是任何不透光的材料，用来阻挡来自显示源的光线，它的厚度可以根据实际需要来选择。

需要说明的是，在上述实施例中，图1-2中所示柱透镜结构为平凸透镜，但柱透镜也可以是如图3所示其他传统的透镜中任意一结构，还可以是如图3所示的柱透镜中多种柱透镜胶合在一起的复合透镜结构。其中，R是透镜的曲率半径，其绝对值的取值范围是：R>0。l是光学透镜的中心厚度，其取值范围是：5mm≥l≥0mm。l_E是光学透镜的边缘厚度，其取值范围是：5mm≥l_E≥0mm。如图4所示，柱透镜可以是平凸透镜和双凹透镜可以组成双胶合透镜或者再加上双凸透镜组成三胶合结构。柱透镜或复合透镜结构中的各面面型可以是球面的，也可以是非球面或者多边形的。

本发明实施例还提供了一种三维显示系统，所述三维显示系统包括显示源和阶梯型透镜光栅；其中，所述阶梯型透镜光栅为上述实施例中所述的阶梯型透镜光栅，所述显示源为自发光的显示源或带有背光光源的显示源，且所述阶梯型透镜光栅正对所述显示源设置。

优选地，图5为本发明实施例提供的一种三维显示系统的结构示意图，如图5所示，当所述显示源为自发光的显示源，且所述阶梯型透镜光栅中每层柱透镜光栅与相邻的柱透镜光栅间隔第二预设距离设置，且每层柱透镜光栅中每个柱透镜与相邻柱透镜之间间隔第三预设距离设置时，所述三维显示系统还包括第一光线扩散结构，且所述第一光学扩散结构正对所述阶梯型透镜光栅远离所述显示源的一侧设置。

具体地，图5为将阶梯型透镜光栅与基于漫射背光源或自发光的显示源结合构成的一种三维显示系统，系统中各组成部分说明：

E：代表基于漫射光源或自发光的显示源，它是一种电子设备，它能够向观看者提供视觉内容信息显示源发出的光线是呈漫射型，无序的。它可以是液晶显示器，激光显示器、投影仪、LED显示器、OLED显示器、量子点显示器、以及其他能够显示视觉内容的器件和系统。它用来显示静态的、动态的以及任意能够被显示或者看到的内容。静态的内容指显示的内容不随时间的变化而改变，它包括但不限于图片、静态影像、静态文本及图表数据等。动态内容指随时间的变化而改变的内容，它包括但不限于录制视频、实时视频、变化的图像、动态的文本及图表数据等。

M₁：代表阶梯型透镜光栅，另外基于漫射光源或自发光的显示源E需要放置在阶梯型透镜光栅M₁的焦平面上。

K₁：代表可以让光线在水平方向扩散的第一光学扩散结构，可以是柱面透镜阵列，也可以是定向扩散膜。扩散结构在M₁之后有N片，且N≥1。光线经过第一光学扩散结构K₁后，在水平方向的扩散角度从0°到10°。

图5所示三维显示系统的工作原理为：显示源E放置于阶梯型透镜光栅M₁的焦距处，由显示源E发射出的漫射光线进入阶梯型透镜光栅M₁后，利用透镜成像原理将显示源E上的不同像素的位置信息转化为不同视点光强的方向信息形成视点，实现三维显示。由于阶梯型透镜光栅M₁间隔区域阻挡了后方显示源的部分光线，所以观看显示系统时，除了看到正确的三维效果，还会看到透镜间的间隙，影响效果的连续性，所以需要增加第一光学扩散结构K₁，可以将来自相邻透镜的光线水平方向均匀扩散融合，在视觉上消除间隙的影响。

与传统长条形柱透镜光栅形成视点过程不同的是，由于不同排之间透镜在水平方向存在错位，所以显示图像分辨率在竖置方向也会下降，竖直方向损失的分辨率补偿了水平方向损失的部分分辨率，实现分辨率的均衡，显示图像清晰度和细腻度会得到较大提升。

进一步地，当所述阶梯型透镜光栅中的柱透镜由电控光学材料制成时，如由液晶制成，三维显示系统可以实现显示图像二维/三维的转换。利用液晶的电控光学特性，通过对其施加和不施加电压来控制其折射率变化，实现来自显示源E的光线穿过阶梯型透镜光栅M₁时改变和不改变传播方向的灵活切换。当不改变传播方向时，阶梯型透镜光栅M₁只起透光作用，对经过它的光线没有偏折作用，实现二维内容显示；改变光线传播方向时，阶梯型透镜光栅M₁具有分光能力，将显示源上的不同像素的位置信息转化为不同视点光强的方向信息形成视点实现三维显示。同样，显示源需位于阶梯型透镜光栅M₁的焦距处。

在上述实施例的基础上，当所述显示源为带有背光光源的显示源时，所述显示源包括背光源和可透光显示设备，所述三维显示系统还包括第二光学扩散结构；其中，

所述阶梯型透镜光栅包括至少两个单体阶梯型透镜光栅，所述阶梯型透镜光栅中的多层柱透镜光栅分别设置到不同的单体阶梯型透镜光栅中，所述至少两个单体阶梯型透镜光栅分别正对所述可透光显示设备的两侧设置，所述阶梯型透镜光栅与所述可透光显示设备构成复合结构；

所述第二光学扩散结构包括至少两个单体第二光学扩散结构，所述至少两个第二光学扩散结构分别正对所述复合结构的两侧设置；

所述背光源正对任一个单体第二光学扩散结构远离所述复合结构的一侧设置。

其中，所述复合结构的结构示意图如图6所示，其中R代表可透光显示设备，可以是液晶显示面板，也可以是透光显示的灯片等，可以加载图像或视频内容。在R的正反两侧分别有N_正层和N_反层单体阶梯型透镜光栅，两者可以相等也可以不相等，N_正和N_反的取值范围是:10≥N_正≥1，10≥N_反≥1。各单体阶梯型透镜光栅的外形尺寸相同，侧面面积一般与可透光显示设备面积相同，每个单体阶梯型透镜光栅设置有若干层柱透镜光栅，该结构等同于将原本设置在同一阶梯型透镜光栅上的多层柱透镜光栅分别设置到不同单体阶梯型透镜光栅的对应位置。这种分体式设置可以降低阶梯型透镜光栅的加工难度。各单体阶梯型透镜光栅之间的空隙，可以不填充也可以用透光材料(如各种玻璃材料或塑料树脂材料)填充。进一步地，可以将上述单体阶梯型透镜光栅与可透光显示设备集成制造成一个整体。

具体地，如图7所示为将阶梯型透镜光栅与基于定向背光源的显示源结合构成的一种新的三维显示系统，系统中各组成部分说明：

Q：代表定向发光背光源，它可以用于点亮显示设备。表示的背光源可以是平行光，可以是发散光，也可以是汇聚光。光源发出的任意两条光线夹角需要小于10°。

M₂：代表所述复合结构。

K₂:为可以让光线在垂直方向扩散的第二光学扩散结构，可以是柱面透镜阵列，也可以是定向扩散膜。这里的扩散结构在Q与M₂之间有N₁片，在M₂之后有N₂片。光线经过K₂后，在竖直方向的扩散角度可以从10°到180°。其中，N₁+N₂≥1，N₁≥0，N₂≥0。

D代表背光源Q到M₂的距离，取值范围是：5000mm≥D≥0mm。

图7所示三维显示系统的工作原理为：来自背光源发出的定向光线，经过M₂时，被显示源信息调制的同时发生定向偏折，在空间中形成视点，实现三维显示。第二光学扩散结构K₂的作用是把形成视点的光线在竖直方向上扩散，可以让观看者从不同高度看到立体图像。

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 (7)

1.一种阶梯型透镜光栅，其特征在于，所述阶梯型透镜光栅由至少两层柱透镜光栅沿光轴方向拼接而成，每层柱透镜光栅中包含多个相同的柱透镜，每层柱透镜光栅中的多个柱透镜与相邻柱透镜光栅中的多个柱透镜一一对应设置，且相邻的两层柱透镜光栅中相对应的两个柱透镜的光轴之间的距离为第一预设距离。

2.根据权利要求1所述阶梯型透镜光栅，其特征在于，每层柱透镜光栅与相邻柱透镜光栅间隔第二预设距离设置，且每层柱透镜光栅中每个柱透镜与相邻柱透镜之间间隔第三预设距离设置。

3.根据权利要求2所述阶梯型透镜光栅，其特征在于，每层柱透镜光栅中每个柱透镜的倾斜角为0度；相应地，

每层柱透镜光栅中的柱透镜的孔径为矩形，所述矩形的款为h，且10mm≥h≥0mm，所述矩形的长为P，且10mm≥P≥0mm，所述第一预设距离为d，且10mm≥d≥0mm。

4.根据权利要求3所述阶梯型透镜光栅，其特征在于，所述第二预设距离为G_h，且10mm≥G_h>0mm；所述第三预设距离为G_w，且10mm≥G_w>0mm。

5.一种三维显示系统，其特征在于，所述三维显示系统包括显示源和阶梯型透镜光栅；其中，所述阶梯型透镜光栅为如权利要求1-5中任一项所述的阶梯型透镜光栅，所述显示源为自发光的显示源或带有背光光源的显示源，且所述阶梯型透镜光栅正对所述显示源设置。

6.根据权利要求5所述三维显示系统，其特征在于，当所述显示源为自发光的显示源，且所述阶梯型透镜光栅中每层柱透镜光栅与相邻的柱透镜光栅间隔第二预设距离设置，且每层柱透镜光栅中每个柱透镜与相邻柱透镜之间间隔第三预设距离设置时，所述三维显示系统还包括第一光线扩散结构，且所述第一光学扩散结构正对所述阶梯型透镜光栅远离所述显示源的一侧设置。

7.根据权利要求5所述三维显示系统，其特征在于，当所述显示源为带有背光光源的显示源时，所述显示源包括背光源和可透光显示设备，所述三维显示系统还包括第二光学扩散结构；其中，

所述阶梯型透镜光栅包括至少两个单体阶梯型透镜光栅，所述阶梯型透镜光栅中的多层柱透镜光栅分别设置到不同的单体阶梯型透镜光栅中，所述至少两个单体阶梯型透镜光栅分别正对所述可透光显示设备的两侧设置，所述阶梯型透镜光栅与所述可透光显示设备构成复合结构；

所述第二光学扩散结构包括至少两个单体第二光学扩散结构，所述至少两个第二光学扩散结构分别正对所述复合结构的两侧设置；

所述背光源正对任一个单体第二光学扩散结构远离所述复合结构的一侧设置。