CN108803055A - 基于狭缝光栅的三维显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于狭缝光栅的三维显示系统，包括投影仪阵列、第一扩散膜、狭缝光栅和第二扩散膜，投影仪阵列包括多个投影仪；多个投影仪，用于向第一扩散膜投射影像；第一扩散膜，用于将投射的影像在第一方向上扩散；狭缝光栅，用于基于经过扩散的影像提供具有立体效果的光场；第二扩散膜，用于将具有立体效果的光场中的光线在第二方向上扩散，以形成三维影像；其中，第一方向与第二方向垂直。本发明实施例通过设置投影仪阵列包括多个投影仪，能够在视点增多的情况下，相较于现有技术，具有更高的分辨率和更宽的观看视角，解决了现有技术中存在的视点数目和分辨率形成相互制约的关系，能够显示更好效果的3D影像。

Description

基于狭缝光栅的三维显示系统

技术领域

本发明实施例涉及光学显示领域，更具体地，涉及一种基于狭缝光栅的三维显示系统。

背景技术

目前，裸眼3D显示已成为显示行业的主流发展趋势，其中基于狭缝光栅和LED组成的裸眼3D显示设备，因其具有成本低廉、能做成大尺寸3D显示等优点，吸引了很多研究者的兴趣，并且其商用化程度很好。狭缝光栅制作简单，能做成大尺寸，并且成本低，但是由于其遮挡了很大一部分的光线，所以会降低3D显示的亮度。但狭缝光栅跟LED组合在一起能很好的解决这一问题，因为LED的显示屏的亮度足够高，能够牺牲一部分亮度。

图1为现有技术中的基于狭缝光栅和2D显示屏组成的裸眼3D显示技术原理图，如图1所示，狭缝光栅起到控制光线的作用，它能将2D显示屏上像素发出的光导向空间中不同的位置。图1中的视点指的是在空间中不同位置分别看到的三维物体的不同侧面信息。例如我们采集了一个三维模型的4个不同侧面信息，然后将他们合成一张图像，这张图像包含了4个视点的信息，因此每个视点的分辨率将下降了1/4。

将合成的图像在狭缝光栅后方显示，经过狭缝光栅的遮光作用，合成图像中不同视点的像素将会在空间中分别形成4个构建出的视点，也就是说观看者在空间中一定范围内能观看到4个不同侧面信息的图像。这个范围由狭缝光栅的节距p和2D显示屏与狭缝光栅的距离g决定，观看角度两相邻视点的间距其中W_p为2D显示屏上像素的尺寸，L为观看距离，为了能使左右眼分别接受到不同视点的信息，需使视点之间的距离T≤65mm(人眼瞳距)。

根据这种显示原理设计的裸眼3D显示设备，会使视点数目和分辨率形成相互制约的关系，并且显示的视角很小。在裸眼3D显示中，视点数目越多显示的3D像效果越好，但是随着视点的增多，分辨率会下降，例如视点数目为Q，则显示的分辨率下降为1/Q。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于狭缝光栅的三维显示系统。

本发明实施例提供一种基于狭缝光栅的三维显示系统，包括投影仪阵列、第一扩散膜、狭缝光栅和第二扩散膜，所述投影仪阵列包括多个投影仪；所述多个投影仪，用于向所述第一扩散膜投射影像；所述第一扩散膜，用于将投射的影像在第一方向上扩散；所述狭缝光栅，用于基于经过扩散的影像提供具有立体效果的光场；所述第二扩散膜，用于将所述具有立体效果的光场中的光线在第二方向上扩散，以形成三维影像；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

本发明实施例提供的基于狭缝光栅的三维显示系统，通过设置投影仪阵列包括多个投影仪，能够在视点增多的情况下，相较于现有技术，具有更高的分辨率和更宽的观看视角，解决了现有技术中存在的视点数目和分辨率形成相互制约的关系，能够显示更好效果的3D影像。

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为现有技术中的基于狭缝光栅和2D显示屏组成的裸眼3D显示技术原理图；

图2为本发明基于狭缝光栅的三维显示系统实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例中的来自投影仪的影像的光穿过第一扩散膜扩散的原理图；

图4为本发明实施例中的三维影像显示原理图；

其中，

101—2D显示屏；102—狭缝光栅；201—投影仪；

202—第一扩散膜；204—第二扩散膜；205—三维影像。

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、完整地描述，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作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。

图2为本发明基于狭缝光栅的三维显示系统实施例的结构示意图，如图2所示，包括投影仪阵列、第一扩散膜202、狭缝光栅102和第二扩散膜204，所述投影仪阵列包括多个投影仪201；所述多个投影仪201，用于向所述第一扩散膜202投射影像；所述第一扩散膜202，用于将投射的影像在第一方向上扩散；所述狭缝光栅102，用于基于经过扩散的影像提供具有立体效果的光场；所述第二扩散膜204，用于将所述具有立体效果的光场中的光线在第二方向上扩散，以形成三维影像205；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

具体地，所述多个投影仪201，用于向所述狭缝光栅102投射影像，所述多个投影仪201中的任一投影仪201发射的均为定向的光线，将多个投影仪投射的2D影像显示为3D影像是本发明实施例的实施的目的。

所述狭缝光栅102，用于提供具有立体效果的光场。狭缝光栅是一种常见的光学元件。需要说明的是，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)。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。即光栅是有透射、反射和衍射的作用的。

进一步地，狭缝光栅是相对比较成熟的光栅，因为制作狭缝光栅比较简单，技术难度不大，所以十年前就有狭缝立体灯箱广告或者立体灯箱装饰画。

进一步地，本发明实施例中，第一扩散膜202、狭缝光栅102和第二扩散膜204共同作用，生成了三维影像205。

本发明实施例中每一投影仪201能够投射若干个视点的信息，任两个投影仪201投射的信息对应的视点均是不同的，投影仪阵列成像面位于第一扩散膜202和投影仪阵列之间，任一投影仪201成像的面均是独立的。本发明实施例中的若干个指代一个或者多个。多个视点在空间中不同位置分别能够看到的三维物体的不同侧面信息。

本发明实施例提供的基于狭缝光栅的三维显示系统，通过设置投影仪阵列包括多个投影仪，能够在视点增多的情况下，相较于现有技术，具有更高的分辨率和更宽的观看视角，解决了现有技术中存在的视点数目和分辨率形成相互制约的关系，能够显示更好效果的3D影像。

需要说明的是，在一定角度范围内可以观看到完整的3D图像，该一定角度指代视角。

基于上述实施例，所述多个投影仪201排布在第一面，所述第一扩散膜202排布在第二面，所述狭缝光栅102排布在第三面，所述第二扩散膜204排布在第四面；所述第一面、所述第二面、所述第三面和所述第四面之间两两平行；所述第一面、所述第二面、所述第三面和所述第四面顺次排布；所述第三面与所述第四面紧贴。

具体地，所述第一面、所述第二面、所述第三面和所述第四面之间两两平行，即为第一面和第二面平行，第一面和第三面平行，第一面和第四面平行，第二面和第三面平行，第二面和第四面平行，第三面和第四面平行。

进一步地，多个投影仪201投射的影像依次传播入第一扩散膜202、狭缝光栅102、第二扩散膜204。

需要说明的是，本发明实施例中优选设置狭缝光栅102和第二扩散膜204紧贴。

本发明实施例提供的基于狭缝光栅的三维显示系统，通过设置所述第一面、所述第二面、所述第三面和所述第四面之间两两平行，且所述第三面与所述第四面紧贴，能够显示更好效果的3D影像。

基于上述实施例，所述多个投影仪均匀等距排布在所述第一面的第一直线上。

本发明实施例中优选设置多个投影仪201均匀等距排布，是为最后投射的影影像能够均匀地投射到第一扩散膜202上，为本发明实施例提供的基于狭缝光栅的三维显示系统显示的三维影像带来更好的效果。

基于上述实施例，所述第一直线与所述狭缝光栅102的周期性结构平行。

具体地，光栅具有周期性结构，光栅对光发生反射、透射和衍射作用的方向均是和其周期性结构的方向是相同的。

基于上述实施例，所述第一扩散膜202，用于将投射的影像在水平方向上扩散；所述第二扩散膜204，用于将所述具有立体效果的光场中的光线在竖直方向上扩散，以形成三维影像205。

具体地，第一扩散膜202和第二扩散膜204均是以光的干涉方法制得。

进一步地，在本实施例中，狭缝光栅102的周期性结构也是水平的。

图3为本发明实施例中的来自投影仪的影像的光穿过第一扩散膜扩散的原理图，本实施例请参考图3。

具体地，来自投影仪201的影像通过第一扩散膜202后，向水平方向扩展；进一步地，在通过狭缝光栅102之后，通过第二扩散膜204时，向竖直方向扩散，这样形成了最终的三维影像205。

基于上述实施例，所述基于狭缝光栅102的三维显示系统的观看视角为：

其中，为观看视角，N为投影仪阵列中的投影仪的个数，p为狭缝光栅的节距，g为投影仪阵列到投影仪阵列成像面的距离。

具体地，多个投影仪201共同在空间中形成多个视点，若投影仪的横向分辨率为M，则最终显示的三维图像分辨率仅下降至M/N。总的观看视角也提高了N倍。

需要说明的是，狭缝光栅的节距是指狭缝光栅一个周期的宽度。

作为一个优选实施例，图4为本发明实施例中的三维影像显示原理图，请参考图4。

图4以3个投影仪为例进行说明，但是本发明实施例提出的系统不仅限于3个投影仪201。图4以构建9个视点为例进行说明，但是不仅限于构成9个视点。如图4所示，投影仪阵列中的3个投影仪201分别投出一张图像，这3张图像通过依次经过第一扩散膜202、狭缝光栅、第二扩散膜204之后将共同在空间中构建出一个三维影像205。通过3个投影仪共同构建的三维影像205的视点数、视角、分辨率皆为通过单一屏幕构建的3D图像的3倍。

投影仪1投出的图像包含了视点7、8、9的信息，投影仪2投出的图像包含了视点4、5、6的信息，投影仪3投出的图像包含了视点1、2、3的信息。因此，投影仪1将在空间中构建出视点7、8、9；投影仪2将在空间中构建出视点4、5、6；投影仪3将在空间中构建出视点1、2、3，它们将共同在空间中构建出9个视点的3D图像。若投影仪201的水平分辨率为M，则最终显示的三维图像的水平分辨率仅下降至M/3，比传统的方法提高了3倍，垂直方向不降低。总的观看视角也提高了3倍。投影仪阵列的排放以图中3个投影仪201为例，其他数量投影仪201可以此类推，投影仪1，2，3放置在纵向距离狭缝光栅L+g处，它们所投影的图像都成像在距投影仪201纵向L处。

投影仪1和3在横向方向，距离投影仪2的距离为

由于投影仪201成像的图像其光线发散角小，图像的发光角度仅为只能在很小的范围观看到图像。所以在图像发出的光通过狭缝光栅102之前，需要先经过第一扩散膜202将光线发散角度增大至其中P为狭缝光栅102的节距，d为投影仪阵列成像面离狭缝光栅102的距离。

图像发出的光线通过狭缝光栅102之后，为了在垂直于第一方向都能观看到图像，本发明提出在狭缝光栅102前方加入第二扩散膜204(紧贴)，它能将光线在垂直于第一方向上扩散开，让其像普通2D显示屏一样能够在整个竖直方向观看到图像。

本发明实施例提供的基于狭缝光栅的三维显示系统，通过设置投影仪阵列包括多个投影仪，能够在视点增多的情况下，相较于现有技术，具有更高的分辨率和更宽的观看视角，解决了现有技术中存在的视点数目和分辨率形成相互制约的关系，能够显示更好效果的3D影像。本发明实施例提供的基于狭缝光栅的三维显示系统，通过设置所述第一面、所述第二面、所述第三面和所述第四面之间两两平行，且所述第三面与所述第四面紧贴，能够显示更好效果的3D影像。

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 (6)

1.一种基于狭缝光栅的三维显示系统，其特征在于，包括投影仪阵列、第一扩散膜、狭缝光栅和第二扩散膜，所述投影仪阵列包括多个投影仪；

所述多个投影仪，用于向所述第一扩散膜投射影像；

所述第一扩散膜，用于将投射的影像在第一方向上扩散；

所述狭缝光栅，用于基于经过扩散的影像提供具有立体效果的光场；

所述第二扩散膜，用于将所述具有立体效果的光场中的光线在第二方向上扩散，以形成三维影像；

其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述多个投影仪排布在第一面，所述第一扩散膜排布在第二面，所述狭缝光栅排布在第三面，所述第二扩散膜排布在第四面；

所述第一面、所述第二面、所述第三面和所述第四面之间两两平行；

所述第一面、所述第二面、所述第三面和所述第四面顺次排布；

所述第三面与所述第四面紧贴。

3.根据权利要求2所述的显示系统，其特征在于，所述多个投影仪均匀等距排布在所述第一面的第一直线上。

4.根据权利要求3所述的显示系统，其特征在于，所述第一直线与所述狭缝光栅的周期性结构平行。

5.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述第一扩散膜，用于将投射的影像在水平方向上扩散；

所述第二扩散膜，用于将所述具有立体效果的光场中的光线在竖直方向上扩散，以形成三维影像。

6.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述基于狭缝光栅的三维显示系统的观看视角为：

其中，为观看视角，N为投影仪阵列中的投影仪的个数，p为狭缝光栅的节距，g为投影仪阵列到投影仪阵列成像面的距离。