CN109188830A - 基于复合调制方式的光场显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合调制方式的光场显示系统，包括：投影单元和液晶调制层；全息漫射屏，用于与所述投影单元构成光强增强调制层，以对光线进行增强调制；背光系统，用于与所述液晶调制层构成光强衰减调制层，以对光线进行衰减调制。该系统通过背光系统和液晶调制层实现光线的衰减调制，再通过投影单元和全息漫射屏实现光线的增强调制，可以提供一个可增可减的复合调制方式，具有更高的灵活性，提高对比度图像的传输效率，并提高光场显示的信噪比。

Description

基于复合调制方式的光场显示系统
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，特别涉及一种基于复合调制方式的光场显示系统。
背景技术
随着医疗、电子和信息技术的发展，普通的二维显示越来越不能够满足人们对视觉信息的需求，如3D电影、视觉导航、游戏等领域中，三维显示技术越来越成为一种重要的趋势。光场显示技术作为三维显示技术中重要的组成部分具有不可替代的优势，如连续的运动视差、可多人观察、三维实时渲染、不需要辅助设备、不易发生视觉疲劳等。
光场显示技术能够在不同方向上提供不同的光强，通过特定的光场分布实现三维立体视觉效果。光场显示技术主要包括基于透镜阵列或投影仪阵列的光场显示和基于液晶的多层光场显示。基于液晶的多层光场显示，由于液晶调制的便利性，能够提供更好的显示效果。
但在相关技术中，光线强度层层衰减，对于目标光场的显示，明亮区域要求所有层具有高传输，但黑色区域要求所有层具有低传输。在高对比度的图像中，黑色区域和明亮区域都存在，单纯基于衰减式液晶层的调制方式无法正确处理此情况，导致显示信噪比并不理想。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于复合调制方式的光场显示系统，该系统可以提供一个可增可减的复合调制方式，提高光场显示的信噪比。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于复合调制方式的光场显示系统，包括：投影单元和液晶调制层；全息漫射屏，用于与所述投影单元构成光强增强调制层，以对光线进行增强调制；背光系统，用于与所述液晶调制层构成光强衰减调制层，以对光线进行衰减调制。
根据本发明实施例提出的基于复合调制方式的光场显示系统，通过背光系统和液晶调制层实现光线的衰减调制，再通过投影单元和全息漫射屏实现光线的增强调制，可以提供一个可增可减的复合调制方式，对光线亮度的调制具有更高的灵活性，能够提高对比度图像的传输效率，并提高光场显示的信噪比。
另外，根据本发明上述实施例的基于复合调制方式的光场显示系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述背光系统设置在光场显示系统的最底层，以用于提供初始光强分布L0(x，y，u，v)。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述液晶调制层设置在所述背光系统与所述全息漫射屏之间，且由衰减式液晶组成，以对光强进行衰减式调制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述全息漫射屏设置在所述液晶调制层与所述投影单元之间，以直接透射来自所述液晶调制层光线，并对投影光线进行漫反射。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述投影单元设置在所述广场显示系统的最顶层，并生成投影图案P2(x2，y2)，以对所述光强进行增强式调制。
其中，在光场中，所述光线在所述背光系统所在平面的位置为(x，y)，光线方向为(u，v)，所述全息散射屏与所述背光系统的距离为h2，所述液晶调制层的层数为n，层间距为Δz，所述最底层与所述背光系统的距离为h1，所述光场表示为：
其中，L0为初始光强分布，In为液晶调制层中第n层液晶的光强透过率分布函数，P2为投影图案分布，当光线传播到投影平面时，其位置与背光平面的光线初始位置的转换关系是：x2＝x+uh2，y2＝y+vh2。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：控制器，用于控制所述投影单元、所述液晶调制层和/或所述背光系统的光强分布，实现对光强可增可减的复合调制。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于复合调制方式的光场显示系统结构示意图；
图2为相关技术的多层液晶光场显示的衰减调制方式示意图；
图3为根据本发明实施例的基于复合调制方式的光场显示系统结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的投影单元结构示意图；
图5为根据本发明一个实施例的全息漫射屏光学效果图；
图6为根据本发明一个实施例的背光系统结构示意图。
基于复合调制方式的光场显示系统附图标记：1-投影单元、101-第一投影仪、102-平行准直系统、2-全息漫射屏、202a、202b-光学信号、3-液晶调制层、301-衰减式液晶、4-背光系统、401-匀光膜、402-光学LED阵列、403-散射屏、404-第二投影仪。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于复合调制方式的光场显示系统结构。
图1是本发明一个实施例的基于复合调制方式的光场显示系统结构示意图。
如图1所示，该基于复合调制方式的光场显示系统10包括：投影单元1、全息漫射屏2、液晶调制层3和背光系统4。
其中，全息漫射屏2用于与投影单元构成光强增强调制层，以对光线进行增强调制。背光系统4用于与液晶调制层构成光强衰减调制层，以对光线进行衰减调制。该系统可以提供一个可增可减的复合调制方式，具有更高的灵活性，提高对比度图像的传输效率，并提高光场显示的信噪比。
进一步地，在本发明的一个实施例中，光场显示系统得到的光场可表示为：L(x，y，u，v)，其中，x，y为光线在背光系统所在平面的位置，u，v为光线方向，u＝tanβx，v＝tanβy。
进一步地，在本发明的一个实施例中，背光系统4设置在光场显示系统的最底层，以用于提供初始光强分布L0(x，y，u，v)。
背光系统4可以有两种结构，其中，第一种为匀光系统，包括LED背光及匀光膜，匀光系统光强为C，初始光场分布为L0(x，y，u，v)＝C。第二种包括投影仪及散射屏，投影图案为P0(x，y)，初始光场分布为L0(x，y，u，v)＝P0(x，y)。
进一步地，在本发明的一个实施例中，液晶调制层3设置在背光系统4与全息漫射屏2之间，且由衰减式液晶组成，以对光强进行衰减式调制。
具体地，液晶调制层3与背光系统4构成光强衰减调制层，液晶调制层包含两层或两层以上衰减式液晶层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，全息漫射屏2设置在液晶调制层3与投影单元1之间，以直接透射来自液晶调制层光线，并对投影光线进行漫反射，投影单元与全息漫射屏构成光强增强调制层。
其中，投影单元1包括投影仪及其平行准直系统。投影单元1在全息漫射屏表面形成的光场分布为：
L2(x，y，u，v)＝P2(x+uh2，y+vh2)
全息漫射屏2为全息光学元件，只对特定角度的光进行漫反射，其他角度的光不改变传播方向。
进一步地，在本发明的一个实施例中，投影单元1设置在广场显示系统的最顶层，并生成投影图案P2(x2，y2)，以对光强进行增强式调制。
其中，在光场中，光线在背光系统所在平面的位置为(x，y)，光线方向为(u，v)，全息散射屏与背光系统的距离为h2，液晶调制层的层数为n，层间距为Δz，最底层与背光系统的距离为h1，进一步地，在本发明实施例中，光场显示系统得到的光场分布为：
其中，P2为投影图案，L0为初始光强分布，In为液晶调制层中第n层液晶的光强透过率分布。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：控制器，用于控制投影单元、液晶调制层和/或背光系统的光强分布，实现对光强可增可减的复合调制。
进一步地，如图2所示，在相关技术中，包含两层衰减式液晶301，第一层衰减式液晶的位置d1处发出的两条光线强度相同为L1，第二层衰减式液晶中，位置d2处与位置d3处的液晶透过率不同，L1经过这两个位置后分别衰减为L2和L3，从而实现对不同方向上的光强进行不同的调制，对两层衰减式液晶不同位置的透过率进行相应调制就可以得到近似目标光场的分布，从而实现光场显示。
但是，上述技术光线强度层层衰减，对于目标光场的显示，明亮区域要求所有层具有高传输，但是黑色区域要求所有层具有低传输，在高对比度的图像中，黑色区域和明亮区域都存在，单纯基于衰减式液晶层的调制方式无法正确处理此情况，导致显示信噪比并不理想。
本发明实施例的基于复合调制方式的光场显示系统可以克服上述缺点，提供了一个光强可增可减的复合调制方式，提高光场显示的信噪比。
如图3所示，在本发明的实施例中，包括：投影单元1、全息漫射屏2、液晶调制层3和背光系统4。投影单元1与全息漫射屏2组成了光强的增强调制层，液晶调制层3与背光系统4组成了光强的衰减调制层。
其中，背光系统发出的光强信号强度I5，在经过液晶调制层之后，透射型号强度衰减为I6，在全息漫射屏的对应位置处，投影单元投影的信号，没有相同方向信号叠加时，出射强度为I7，与方向相同的透射信号叠加，出射信号强度为I9＝I7+I6，其他方向的信号，在全息漫射屏对应位置处没有叠加强度，光强不变，出射信号强度I8＝I6，最终，初始的光强I5在经过光场显示系统调制后，出射光场的强度分布既可以是增加后的I9，也可以是衰减后的I6。
进一步地，背光系统为光场显示系统提供初始光场分布L0(x，y，u，v)，其中，x，y为光线在背光系统所在平面的位置，u，v为光线方向，u＝tanβx，v＝tanβy。液晶调制层包含n层衰减式液晶，层间距为Δz，最底层液晶与背光系统距离为h1，调制后光场为：
其中，投影单元设置在系统最上层，投影图案为P2(x2，y2)，x2，y2为像素在全息漫射屏表面的位置分布，全息漫射屏与背光系统距离为h2，投影单元在全息漫射屏表面形成的光场分布为：
L2(x，y，u，v)＝P2(x+uh2，y+vh2)
进一步地，光场显示系统得到的光场分布为：
综上所述，通过对光强进行衰减调制和增强调制相结合的复合调制方式，对光线亮度的调制具有更高的灵活性，能够提高对比度图像的传输效率，改善三维显示信噪比。
如图4所示的投影单元结构示意图，包括第一投影仪101及平行准直系统102。
其中，第一投影仪101发出的光强信号通过平行准直系统102后，成为平行光束，以固定入射角θ入射到全息漫射屏3表面。
如图5所示，接下来描述光线通过全息漫射屏的光学效果。
外界光线通过全息漫射屏3时，只有以特定角度入射θ的光学信号201会在全息漫射屏2表面发生漫反射，其他角度入射的光学信号202a和202b不改变其原来的传播方向和信号强度。
投影单元中出射的平行光束角度与全息漫射屏的特定入射角度θ相符，光线在全息漫射屏表面发生漫反射，能够与直接透过表面传播的光线强度进行叠加，达到增强光强的调制效果。投影单元中投射的图案信息在全息漫射屏表面不同位置发生漫反射，与从相应位置处透射的光线强度叠加，使得不同方向的光线强度得到相应的调制，从而显示光场信息。
如图6所示，在本发明实施例中，背光系统的一种结构包括匀光膜401和光学LED阵列402，为液晶调制层提供均匀的背光光强分布C，初始光场分布为L0(x，y，u，v)＝C。
进一步地，背光系统的另一种结构包括散射屏403和第二投影仪404，为液晶调制层提供可编码调制的背光分布P0(x，y)，初始光场分布为L0(x，y，u，v)＝P0(x，y)，能够提高信号调制效率。
进一步地，背光系统发出的光学信号到达液晶调制层后，每经过一层衰减式液晶，根据相应位置处液晶调制信号的大小对光线的透过率进行调制，从而达到一个光强衰减调制的效果，其中，液晶调制层包含两层或两层以上衰减式液晶层。
根据本发明实施例提出的基于复合调制方式的光场显示系统，通过背光系统和液晶调制层实现光线的衰减调制，再通过投影单元和全息漫射屏实现光线的增强调制，可以提供一个可增可减的复合调制方式，具有更高的灵活性，提高对比度图像的传输效率，并提高光场显示的信噪比。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于复合调制方式的光场显示系统，其特征在于，包括：
投影单元和液晶调制层；
全息漫射屏，用于与所述投影单元构成光强增强调制层，以对光线进行增强调制；以及
背光系统，用于与所述液晶调制层构成光强衰减调制层，以对光线进行衰减调制。
2.根据权利要求1所述的基于复合调制方式的光场显示系统，其特征在于，所述背光系统设置在光场显示系统的最底层，以用于提供初始光强分布L0(x，y，u，v)。
3.根据权利要求2所述的基于复合调制方式的光场显示系统，其特征在于，所述液晶调制层设置在所述背光系统与所述全息漫射屏之间，且由衰减式液晶组成，以对光强进行衰减式调制。
4.根据权利要求3所述的基于复合调制方式的光场显示系统，其特征在于，所述全息漫射屏设置在所述液晶调制层与所述投影单元之间，以直接透射来自所述液晶调制层光线，并对投影光线进行漫反射。
5.根据权利要求3或4所述的基于复合调制方式的光场显示系统，其特征在于，所述投影单元设置在所述广场显示系统的最顶层，并生成投影图案P2(x2，y2)，以对所述光强进行增强式调制。
6.根据权利要求5所述的基于复合调制方式的光场显示系统，其特征在于，在光场中，所述光线在所述背光系统所在平面的位置为(x，y)，光线方向为(u，v)，所述全息散射屏与所述背光系统的距离为h2，所述液晶调制层的层数为n，层间距为Δz，所述最底层与所述背光系统的距离为h1，所述光场表示为：
其中，In为液晶调制层中第n层液晶的光强透过率分布函数，P2为投影图案分布，当光线传播到投影平面时，其位置与背光平面的光线初始位置的转换关系是：x2＝x+uh2，y2＝y+vh2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于复合调制方式的光场显示系统，其特征在于，还包括：
控制器，用于控制所述投影单元、所述液晶调制层和/或所述背光系统的光强分布，实现对光强可增可减的复合调制。
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