CN109375381A - 一种高信息通量低串扰的三维显示方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高信息通量低串扰的三维显示方法和系统，时序指向性照明模组按照一定的时间序列输出不同方向的照明光；照明光从不同的角度照明由显示器和透镜阵列构成的光场显示系统；光场显示系统在指定方向的照明光下显示指定视角范围的三维图像的光场信息；所述指定方向的照明光方向与指定视角范围一一对应；所述光场显示系统的显示器上显示的图像的刷新时序与所述时序指向性照明模组的照明时序同步匹配，通过分时复用，相同视角范围内的三维图像信息叠加合成高空间分辨率的三维图像。本发明的三维显示系统及方法提供了一种高分辨率、大观察范围、大景深的三维图像，无串扰噪音，图像对比度高，且三维显示系统结构简单。

Description

一种高信息通量低串扰的三维显示方法和系统
技术领域
本发明涉及三维显示领域，具体涉及一种高信息通量低串扰的三维显示方法和系统。
背景技术
高品质的自然三维显示是显示技术追求的终极目标之一。目前的三维显示技术还不能满足人们对高品质三维图像信息的需求。集成成像技术被认为是近期最可能实现大规模应用的一种自然三维显示技术。集成成像技术虽然在显示效果和显示性能上有了很大的提升，但是其输出的三维图像的分辨率、景深、视角还是受到了系统信息通量和信息串扰的限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服背景技术中的缺点，提供一种高信息通量低串扰的三维显示方法和系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高信息通量低串扰的三维显示方法，该方法包括：时序指向性照明模组按照一定的时间序列输出不同方向的照明光，所述照明光从不同的角度照明由显示器和透镜阵列构成的光场显示系统；所述显示系统在指定方向的照明光下显示指定视角范围的三维图像的光场信息；所述指定的照明光方向与所述指定的视角范围一一对应；所述显示系统的显示器上显示的图像的刷新时序与所述指向性照明光源的照明时序同步匹配，通过分时复用，相同视角范围的三维图像信息叠加合成具有更高空间分辨率的三维图像。
所述显示方法通过指向性照明可以有效地降低由于视角串扰形成的光学噪音；所述显示方法通过指向性照明还可以提升三维图像的景深，增加三维图像的观察区域。
一种高信息通量低串扰的三维显示系统，包括由点光源面阵和场镜组成的时序指向性照明模组，由显示器和透镜阵列构成的光场显示系统，由电子元件构成的时序控制模组，所述时序控制模组分别与点光源面阵和显示器相连接。所述时序指向性照明模组按照时序输出不同方向的照明光，所述照明光线按照指定的方向照明光场显示系统中的显示器，所述显示器显示指定视角范围的三维信息；照明光线经过显示器的透射或反射后，通过透镜阵列聚焦形成对应视角范围的三维图像的光场信息；所述时序控制模组用于协调控制照明时序和显示器的刷新时序，通过分时复用，在视角范围重叠的区域叠加合成高空间分辨率的三维图像。
进一步地，包括时序控制模组，时序控制模组与所述点光源面阵和显示器相连，时序控制模组控制各个不同位置的点光源按设定时序依次照明，并控制显示器按时序同步刷新三维信息。
作为优选，所述三维显示系统还包括反射镜或全反射棱镜，所述反射镜或全反射棱镜用于反射时序指向性照明模组的照明光至光场显示系统。
具体地，反射镜为平面反射镜。
进一步地，所述时序指向性照明模组通过点亮光源面阵上不同位置处的点光源实现不同指向的光线输出。所述光源面阵上的某一个点光源发射光线，通过场镜汇聚后沿着指定方向出射。
进一步地，所述时序指向性照明模组输出平行光、汇聚光或发散光等。
进一步地，所述点光源面阵优选为LED阵列；更优选为小间距、高亮度的LED阵列。
进一步地，所述场镜为菲涅尔透镜、球面透镜或非球面透镜。
进一步地，所述光场显示系统中的显示器位于所述透镜阵列的一倍焦距以内、一倍焦距处或一倍焦距以外。
更为优选地，所述光场显示系统中的显示器位于所述透镜阵列一倍焦距以内。
进一步地，所述显示器为透射式液晶(LCD)显示器、反射式数字微镜(DMD)显示器或反射式硅基液晶(LCOS)显示器等。
进一步地，所述透镜阵列为球面透镜阵列或非球面透镜阵列，所述透镜阵列为单层透镜阵列或两层透镜阵列或多层透镜阵列构成的组合阵列。
本发明的有益效果在于：
(1)解决了当前三维显示系统中信息通量受限制的问题，提供了一种高信息通量的三维显示方法和系统。
(2)解决了当前三维显示系统中图像的空间分辨率低、景深小、观察区域小的问题，提供了一种高分辨率、大景深范围、大观察区域的真三维图像显示系统。通过时序指向性照明模组照明，利用分时复用，使得分辨率和景深获得成倍数的增长。
(3)解决了当前三维显示系统中图像串扰大，对比度低等问题，提供了一种能够实现无串扰噪音，图像对比度高，且分辨率高的三维图像的显示方法与系统。
(4)解决了当前三维显示系统体积大、结构复杂的问题，提供了一种结构简单的高性能三维显示系统。
附图说明
图1是本发明实施例1的三维显示系统示意图；
图2本发明实施例2的三维显示系统示意图；
图3是本发明实施例3的三维显示系统示意图；
图4是本发明实施例4的三维显示系统示意图；
图5是本发明施例1中三维显示系统的串扰和观察范围示意图；
图6是传统的三维显示系统的串扰和观察范围示意图；
图7是传统的三维显示方法及系统示意图；
图8是传统的三维显示方法和本发明的三维显示系统在景深方面的对比示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。附图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
本实施例提供一种透射式的高信息通量低串扰的三维显示方法及系统，如图1所示，三维显示系统包括由点光源面阵和场镜组成的时序指向性照明模组，由显示器和透镜阵列构成的光场显示系统，由电子元件构成的时序控制模组8，所述时序控制模组分别与点光源面阵和显示器相连。
具体，本实施例中，点光源面阵为面阵发光二极管1；场镜为菲涅尔透镜2，显示器为透射式液晶平板显示器3；所述时序控制模组8分别与面阵发光二极管1和透射式液晶平板显示器3相连接。
具体地，本实施例中，面阵发光二极管1、菲涅尔透镜2、透射式液晶平板显示器3、透镜阵列4依次沿发光方向设置。
具体地，所述液晶平板显示器3位于透镜阵列4的一倍焦距以内。所述面阵发光二极管1位于菲涅尔透镜2的一倍焦距和两倍焦距之间。
本实施例中，面阵发光二极管1由第一发光二极管1-1、第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3构成，其中第一发光二极管1-1发出的光线经过菲涅尔透镜2汇聚后照明液晶平板显示器3，液晶平板显示器3上显示制定角度范围的三维图像信息，光线透过液晶平板显示器3后经透镜阵列4聚焦形成三维图像5，光线进一步传播形成第一观察区域6-1，所述观察区域由若干观察子区域构成。
经历同样的过程，第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3发出的光线聚焦形成三维图像5，并进一步汇聚形成第二观察区域6-2和第三观察区域6-3，所述观察区域由若干观察子区域构成。三个观察区域的方位相互交错，其公共部分叠加形成观察窗口7。
观察窗口7可以分为若干观察子窗口，其中如图1所示，观察子窗口7-1恰好由三个观察区域对应视角的观察子区域精确对位叠加而成。
时序控制模组8协调控制照明时序和透射式液晶平板显示器3的刷新时序，观察者通过观察窗口7可以看到多于传统三维显示技术输出像素数2倍的高分辨率的三维图像5。
实施例2
本实施例提供一种反射式的高信息通量低串扰的三维显示方法和系统，如图2所示，三维显示系统包括由面阵发光二极管1和非球面透镜21构成的时序指向性照明模组，由反射式数字微镜显示器31和透镜阵列4构成的光场显示系统，全反射棱镜9和时序控制模组8，所述时序控制模组分别与面阵发光二极管1和反射式数字微镜显示器31相连。所述数字微镜显示器31位于透镜阵列4的一倍焦距以内，紧贴透镜阵列4。所述面阵发光二极管1位于非球面透镜21的一倍焦距处。
本实施中，时序指向性照明模组的光轴方向与光场显示系统的对称轴所在直线垂直设置，时序指向性照明模组位于透镜阵列4的一侧，全反射棱镜9用于反射经过非球面透镜21汇聚的光线至透镜阵列4。
本实施中，面阵发光二极管1由第一发光二极管1-1、第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3构成，其中发光二极管1-1发出的光线经过非球面透镜21汇聚后由全反射棱镜9反射并照明光场显示系统，光线经过透镜阵列4后照明数字微镜显示器31，数字微镜显示器31上显示指定角度范围的三维图像信息，光线经过数字微镜显示器31反射后经透镜阵列4聚焦形成三维图像5，光线进一步传播形成观察区域6-1。经历同样的过程，第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3发出的光线聚焦形成三维图像5，并进一步汇聚形成第二观察区域6-2和第三观察区域6-3。三个观察区域的方位相互交错，其公共部分叠加形成观察窗口7。观察子窗口7-1恰好由三个观察区域对应视角的观察子区域精确叠加而成。时序控制模组8协调控制照明时序和反射式数字微镜显示器31的图像刷新时序，观察者通过观察窗口7可以看到高分辨率的三维图像5。
实施例3
本实施例提供一种反射式的高信息通量低串扰的三维显示方法和系统，如图3所示，包括由面阵发光二极管1和球面透镜22构成的时序指向性照明模组，由反射式硅基液晶(LCOS)显示器32和非球面透镜阵列41构成的光场显示系统，全反射棱镜9和时序控制模组8。所述时序控制模组分别与面阵发光二极管1和反射式硅基液晶(LCOS)显示器32相连。
本实施中，时序指向性照明模组的光轴方向与光场显示系统的对称轴垂直设置，时序指向性照明模组位于非球面透镜阵列41一侧，全反射棱镜9用于反射经过球面透镜22汇聚后的光线至非球面透镜阵列41。
所述反射式硅基液晶(LCOS)显示器32位于非球面透镜阵列41的一倍焦距以内，紧贴非球面透镜阵列41。所述面阵发光二极管1位于球面透镜22的一倍焦距处。
本实施中，面阵发光二极管1由第一发光二极管1-1、第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3构成，其中第一发光二极管1-1发出的光线经过球面透镜22汇聚后由全反射棱镜9反射照明光场显示系统，光线经过非球面透镜阵列41后照明反射式硅基液晶(LCOS)显示器32，反射式硅基液晶(LCOS)显示器32上显示指定角度范围的三维图像信息，光线经过硅基液晶(LCOS)显示器32反射后经非球面透镜阵列41聚焦形成三维图像5，光线进一步传播形成第一观察区域6-1。
经历同样的过程，第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3发出的光线聚焦形成三维图像5，并进一步汇聚形成第二观察区域6-2和第三观察区域6-3。三个观察区域的方位相互交错，其公共部分叠加形成观察窗口7。观察子窗口7-1恰好由三个观察区域对应视角的观察子区域精确叠加而成。
时序控制模组8协调控制照明时序和反射式硅基液晶(LCOS)显示器32的刷新时序，观察者通过观察窗口7可以看到高分辨率的三维图像5。
实施例4
本实施例提供一种透射式的高信息通量低串扰的三维显示方法和系统，如图4所示，包括由面阵发光二极管1和菲涅尔透镜2构成的时序指向性照明模组，由透射式液晶平板显示器3和双层透镜阵列42构成的光场显示系统，反射镜10和时序控制模组8，所述时序控制模组8分别与面阵发光二极管1和透射式液晶平板显示器3相连接。
本实施中，其中由面阵发光二极管1和菲涅尔透镜2构成的时序指向性照明模组的光轴方向与由透射式液晶平板显示器3和双层透镜阵列42构成的光场显示系统的对称轴所在直线相垂直，反射镜10用于反射面阵发光二极管1的光线至菲涅尔透镜2。
所述透射式液晶平板显示器3位于双层透镜阵列42的一倍焦距与两倍焦距之间。所述面阵发光二极管1位于菲涅尔透镜2的一倍焦距和两倍焦距之间。
本实施中，面阵发光二极管1由第一发光二极管1-1、第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3构成，其中第一发光二极管1-1发出的光线经反射镜10反射，菲涅尔透镜2汇聚后照明液晶平板显示器3，液晶平板显示器3上显示指定角度范围的三维图像信息，光线透过液晶平板显示器3后经双层透镜阵列42聚焦形成三维图像5，光线进一步传播形成第一观察区域6-1。
经历同样的过程，第二发光二极管1-2和第三发光二极管1-3发出的光线聚焦形成三维图像5，并进一步汇聚形第二观察区域6-2和第三观察区域6-3。三个观察区域的方位相互交错，其公共部分叠加形成观察窗口7。观察子窗口7-1恰好由三个观察区域对应视角的观察子区域精确叠加而成。时序控制模组8协调控制照明时序和透射式液晶平板显示器3的刷新时序，观察者通过观察窗口7可以看到高分辨率的三维图像5。
实施例5
本实施例对本发明的高信息通量低串扰的三维显示方法及系统在串扰和观察区域方面进行测试及分析。本实施例以实施例1中的高信息通量低串扰的三维显示方法及系统为例进行测试分析。
如图5所示，显示系统在时序指向性照明模组输出的汇聚光照明下，各个透镜单元的视角也发生汇聚，在这个汇聚效应的影响下，各个透镜单元的视角的重叠区域701大幅增加，且不受透镜单元个数的影响。观察者只有在观察区域701中才可以看到完整的三维图像5。所以利用本发明提出的显示方法可以大幅增加三维图像的观察区域。
如图5插图所示的是实施例1中的三维显示系统具有低串扰优势的原因，显示器3上的相邻像素3-1和3-2位于相邻透镜的交接线附近，在时序指向性照明模组的照明下，穿过像素3-1和3-2的光线按照原入射方向出射，散射光线极小，可以忽略，所以几乎没有光线进入相邻的透镜单元形成串扰，或无串扰。
对比例1
本对比例为传统的三维显示方法及系统在串扰和观察区域方面进行测试及分析。
如图6所示，是传统三维显示系统，依次沿光线传播方向设置散射背光模组15、显示器30和透镜阵列4，所述显示器30位于透镜阵列4的焦平面上。散射背光模组15发出均匀的散射光照明显示器30，显示器30上显示指定视角范围的三维图像信息，散射光透过显示器30后被透镜阵列4聚焦，在空间中合成三维图像5并形成观察区域70。如图6所示，传统三维显示系统的观察区域70是各个透镜单元的视角的重叠区域，观察者只有在观察区域70中才可以看到完整的三维图像5。观察区域70的面积将随着透镜单元个数的增加而减小。所以传统三维显示技术的观察区域受限制。
图6插图所示的是传统三维显示器形成串扰的原因，显示器30上有相邻的像素3-1和3-2位于相邻透镜单元交接线的附近。由于散射光照明，像素3-1和像素3-2发出的散射光线沿着各个方向出射，像素3-1的部分光线将进入像素3-2对应的透镜单元，像素3-2的部分光线将进入像素3-1对应的透镜单元，这些交叉的光线将形成严重的串扰，导致三维图像的对比度降低，分辨率下降。
通过对比例1与实施例5的对比可以发现，本发明的三维显示系统及方法相较于传统三维显示系统，本发明的观察区域显著增加，串扰低到可以忽略不计或无串扰；而传统三维显示系统其观察区域较小且受限，串扰现象严重，图像对比度低，分辨率低。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
对比例2
本对比例为传统的三维显示方法及系统在分辨率方面进行测试及分析。
如图7所示，是传统三维显示系统，依次沿光线传播方向设置散射背光模组15、显示器30和透镜阵列4，所述显示器30位于透镜阵列4的焦平面上。散射背光模组15发出均匀的散射光照明显示器30，显示器30上显示指定视角范围的三维图像信息，散射光透过显示器30后被透镜阵列4聚焦，在空间中合成三维图像5并形成观察窗口7。如图7所示，传统三维显示系统合成的三维图像5由一系列空间光点组成。透镜阵列4中的一个透镜单元输出一条光线合成一个空间光点。
如图1所示，实施例1中高信息通量低串扰的三维显示方法及系统合成的三维图像5由一系列空间光点组成。透镜阵列4中的一个透镜单元输出三条光线合成一个空间光点。所以分辨率是传统三维显示的三倍。
通过对比例2与实施例1的对比可以发现，本发明的三维显示系统及方法相较于传统三维显示系统，本发明的分辨率显著增加。
对比例3
本对比例为传统的三维显示方法及系统在景深方面进行测试及分析。如图8所示的系统上半部分是传统三维显示系统，采用散射背光模组15照明，下半部分是本发明提出的一种高信息通量的三维显示方法和系统，采用由面阵发光二极管1和菲涅尔透镜2构成的时序指向性照明模组照明。
像素3-4在散射背光照明下，发出散射光线，这些散射光线均匀覆盖对应透镜单元的口径，其覆盖区域为D1。像素3-2在时序指向性照明模组的照明下，发出光线的方向与入射光线的方向一致，只覆盖对应透镜单元口径的非常小的一部分，其覆盖区域为D2。可知在指向性照明模组照明下光学系统的有效通光孔径D2远远小于散射背光照明下光学系统的有效通光孔径D1。根据光学系统的成像规律，在其它参数不变的情况下，成像系统的通光孔径越小系统的景深越大。所以本发明提出的显示方法和系统可以有效提升三维显示系统的景深。
通过对比例3可以发现，本发明的三维显示系统及方法相较于传统三维显示系统及方法，本发明的系统的景深可以显著增加。

Claims (10)

1.一种高信息通量低串扰的三维显示方法，其特征在于，
时序指向性照明模组按照一定的时间序列输出不同方向的照明光；
照明光从不同的角度照明由显示器和透镜阵列构成的光场显示系统；
光场显示系统在指定方向的照明光下显示指定视角范围的三维图像的光场信息；所述指定方向的照明光方向与指定视角范围一一对应；所述光场显示系统的显示器上显示的图像的刷新时序与所述时序指向性照明模组的照明时序同步匹配，通过分时复用，相同视角范围内的三维图像信息叠加合成高空间分辨率的低串扰三维图像。
2.根据权利要求1所述的高信息通量低串扰的三维显示方法，其特征在于，所述时序指向性照明模组输出指向性照明光，降低由于视角串扰形成的光学噪音，提升三维图像的景深，增加三维图像的观察区域。
3.一种高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，包括由点光源面阵和场镜组成的时序指向性照明模组，由显示器和透镜阵列构成的光场显示系统，由电子元件构成的时序控制模组，所述时序控制模组分别与点光源面阵和显示器相连接；
所述时序指向性照明模组按照时序输出不同方向的照明光，照明光按照指定的方向照明光场显示系统中的显示器，所述显示器显示对应视角范围的三维信息；照明光线经过显示器的透射或反射后，通过透镜阵列聚焦形成对应视角范围的三维图像的光场信息；所述时序控制模组用于协调控制照明时序和显示器的刷新时序，通过分时复用，在视角范围重叠的区域叠加合成高空间分辨率的三维图像。
4.根据权利要求3所述的高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，还包括反射镜或全反射棱镜，所述反射镜或全反射棱镜用于反射时序指向性照明模组的照明光至光场显示系统。
5.根据权利要求3或4所述的高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，所述时序指向性照明模组通过点亮光源面阵上不同位置处的点光源实现不同指向的光线输出；所述光源面阵上的某一个点光源发射光线，通过场镜汇聚后沿着指定方向出射。
6.根据权利要求5所述的高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，所述时序指向性照明模组输出平行光、汇聚光或发散光。
7.根据权利要求3所述的高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，所述点光源面阵为LED阵列。
8.根据权利要求3或4所述的高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，所述光场显示系统中的显示器位于所述透镜阵列的一倍焦距以内、一倍焦距处或一倍焦距以外。
9.根据权利要求3或4所述的高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，所述透镜阵列为球面透镜阵列或非球面透镜阵列；所述透镜阵列为单层透镜阵列或两层透镜阵列或多层透镜阵列构成的组合阵列。
10.根据权利要求3或4所述的高信息通量低串扰的三维显示系统，其特征在于，所述场镜为菲涅尔透镜、球面透镜或非球面透镜。
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