CN110161796B - 一种基于双透镜阵列的立体投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于双透镜阵列的立体投影装置。该基于双透镜阵列的立体投影装置由第一透镜阵列、第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层、第二透镜阵列以及投影机阵列组成。所述投影机阵列中的投影机可将与之对应的视差图像投射至第二透镜阵列附近。所述第二透镜阵列、第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层及所述第一透镜阵列可将视差图像再次投射到空间中指定方向，从而汇聚成视点。当人眼分处于不同视点位置时，可以分别看到与之对应的视差图像，从而实现立体视觉。该立体投影装置由于投影机阵列和观看者分布于第一透镜阵列及第二透镜阵列的不同侧，故便于用于室外、橱窗等展示环境，且具备视距调节功能。

Description

一种基于双透镜阵列的立体投影装置
技术领域
本发明涉及显示技术，更具体地说，本发明涉及3D立体显示技术。
背景技术
3D显示技术是可以实现立体场景真实再现的一种显示技术，其可以为人眼分别提供不同的视差图像，从而使人产生立体视觉。通常立体显示由光栅或透镜阵列和立体视差合成图像构成。通过精确耦合，立体视差合成图像像素可以被光栅投射到指定的方向，从而形成视点。即是当人眼分别处于不同视点时，左右眼可以分别看到不同的视差图像，从而产生立体视觉。在实现大尺寸立体显示时，可使用立体投影装置，其使用投影机作为立体视差合成图像的提供媒介。传统的立体投影装置常采用前置投影机方式，即观看者和投影机处于屏幕的同一侧进行投影。本发明的一种基于双透镜阵列的立体投影装置观看者和投影机分布于屏幕的不同侧进行显示，便于用于室外、橱窗等展示环境。
发明内容
本发明提出了一种基于双透镜阵列的立体投影装置。附图1为该基于双透镜阵列的立体投影装置的结构原理图。该基于双透镜阵列的立体投影装置由第一透镜阵列、第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层、第二透镜阵列以及投影机阵列组成。所述第一透镜阵列、第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层、所述第二透镜阵列前后依次放置，所述投影机阵列放置于靠近所述第二透镜阵列一侧。所述投影机阵列中的各个投影机可将与之对应的视差图像投射到第二透镜阵列附近。所述第二透镜阵列可将投影机投射来的光束聚焦后投射于第一聚合物分散液晶散射层及第二聚合物分散液晶散射层位置处。需要说明，此处的聚焦并非指投影机所投射的视差图像按透镜成像公式准确成像于聚合物分散液晶散射层处，而是仅指代第二透镜阵列对光线具有一定的汇聚作用。所述第一聚合物分散液晶散射层、所述第二聚合物分散液晶散射层可在散射和透明两种状态间转换。同一时刻，仅有唯一的一块聚合物分散液晶散射层呈散射态。当第一聚合物分散液晶散射层呈散射态，第二聚合物分散液晶散射层呈透明态时，则第二透镜阵列投射的视差合成图像将成像于第一聚合物分散液晶散射层位置。反之，当第一聚合物分散液晶散射层呈透明态，第二聚合物分散液晶散射层呈散射态时，则第二透镜阵列投射的视差合成图像将成像于第二聚合物分散液晶散射层位置。所述第一和第二聚合物分散液晶散射层呈散射态时可对所述第二透镜阵列投射来的光束进行散射。所述第一透镜阵列可将散射层所散射的光束再次投射到空间中指定方向，从而汇聚成视点。
由于该基于双透镜阵列的立体投影装置中，投影机阵列中的投影机分处于不同的空间位置，则其光线透过第二透镜阵列时，其成像光束在第一和第二聚合物分散液晶散射层上的空间位置不同。可以理解为，投影机阵列中不同投影机所投射的视差图像在第一和第二聚合物分散液晶散射层上构成了传统3D显示器上的视差合成图像。进一步地，第一透镜阵列实现传统3D显示器分光元件的作用，可以将来自于不同投影机的视差图像投射并汇聚到不同的视点位置。当人眼分处于不同视点位置时，可以分别看到与之对应的视差图像，从而实现立体视觉。
设该基于双透镜阵列的立体投影装置中，视点到第一透镜阵列的距离即最佳观看距离为l 1，第一透镜阵列到呈散射态的聚合物分散液晶散射层的距离为l 2，呈散射态的聚合物分散液晶散射层到第二透镜阵列的距离为l 3，第二透镜阵列到投影机的距离为l 4，第一透镜阵列节距为p 1，第一透镜阵列节距为p 2。优选地，上述参数应满足：
Figure SMS_1
。
由于第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层位置不同，则当第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层分别处于散射态时，l 2及l 3取值将发生变化。根据式
Figure SMS_2
，本发明的一种基于双透镜阵列的立体投影装置可以在不同的最佳观看距离上形成视点。
可选地，第一透镜阵列和第二透镜阵列可由针孔阵列替代。
可选地，可在第一聚合物分散液晶散射层和第二聚合物分散液晶散射层之间设置更多的聚合物分散液晶散射层。
本发明中，由于该基于双透镜阵列的立体投影装置不涉及视差图像像素和光栅结构的耦合，视点的投射位置仅由投影机的位置确定，故在制备时可直接固定投影机的位置，使用时仅需要将视差图像输送到投影机即可；由于该基于双透镜阵列的立体投影装置使用投影机进行投影显示，便于实现大尺寸显示；由于该基于双透镜阵列的立体投影装置中，投影机和观看者分布于所述第一透镜阵列、所述第一及第二聚合物分散液晶散射层及所述第二透镜阵列的不同侧，故便于用于室外、橱窗等展示环境；由于第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层分别处于散射态时，本发明的一种基于双透镜阵列的立体投影装置可以在不同的最佳观看距离上形成视点，本发明可以进行最佳观看距离的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为聚合物分散液晶散射层光学原理。
图3为水平方向上本发明其中一个视点的光路原理示意图。
图4为垂直方向上本发明其中一个视点的光路原理示意图。
图5本发明实现立体显示实现远视距的原理示意图。
图6为本发明实现立体显示实现近视距的原理示意图。
图标：010-基于双透镜阵列的立体投影装置；100-第一透镜阵列； 210-第一聚合物分散液晶散射层；220-第二聚合物分散液晶散射层；300-第二透镜阵列；410-第一投影机；420-第二投影机；430-第三投影机；440-第四投影机；020-聚合物分散液晶散射层散射原理；030-水平方向上某一投影机发出光线的光路；040-垂直方向上某一投影机发出光线的光路；050-远视距显示原理模型；060-近视距显示原理模型。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例
图1为本实施例提供的基于双透镜阵列的立体投影装置010的结构示意图，图中x坐标表示空间中的水平方向，y坐标表示空间中的垂直方向，z方向表示垂直于x-y平面的轴向方向。请参照图1，本实施例提供一种基于双透镜阵列的立体投影装置010，其包括第一透镜阵列100、第一聚合物分散液晶散射层210、第二聚合物分散液晶散射层220、第二透镜阵列300、4个投影机410~440。
下面对本实施例提供基于双透镜阵列的立体投影装置010进行进一步说明。
第一透镜阵列100、第一聚合物分散液晶散射层210、第二聚合物分散液晶散射层220、第二透镜阵列300前后依次放置，所述投影机410~440放置于靠近第二透镜阵列300一侧，其排布构成阵列，其中投影机410和投影机420垂直坐标相同；投影机430和投影机440垂直坐标相同；投影机410和投影机430水平坐标相同，投影机420和投影机440水平坐标相同。所述任意投影机均可将与之对应的视差图像投射到第二透镜阵列300附近。所述第二透镜阵列300可将所述投影机410~440投射来的光束聚焦后投射于第一聚合物分散液晶散射层210及第二聚合物分散液晶散射层220位置处。
所述第一聚合物分散液晶散射层210、所述第二聚合物分散液晶散射层220可在散射和透明两种状态间转换。请参照图2，第一聚合物分散液晶散射层210与第二聚合物分散液晶散射层220相同，其上下两层聚合物材料上设置有电极，电极之间设置有均匀分布的液晶微粒，可在散射和透明两种状态间进行切换。当在聚合物分散液晶散射层210的电极上不施加电压时，电极间不能形成有规律的电场，液晶微粒的光轴取向随机，呈现无序状态，其有效折射率不与聚合物的折射率匹配，入射光线被强烈散射。当在电极间施加电压时，液晶微粒的折射率与聚合物的折射率基本匹配，聚合物分散液晶散射层210呈透明状，入射光不会发生散射。
同一时刻，仅有唯一的一块聚合物分散液晶散射层呈散射态。当第一聚合物分散液晶散射层210呈散射态，第二聚合物分散液晶散射层220呈透明态时，则第二透镜阵列300投射的视差合成图像将成像于第一聚合物分散液晶散射层210位置。反之，当第一聚合物分散液晶散射层210呈透明态，第二聚合物分散液晶散射层220呈散射态时，则所述第二透镜阵列300投射的视差合成图像将成像于第二聚合物分散液晶散射层220位置。
所述第一或第二聚合物分散液晶散射层可对所述第二透镜阵列300投射来的光束进行散射。所述第一透镜阵列100可将该光束再次投射到空间中指定方向，从而汇聚成视点。请参照图3和图4，图3和图4分别为水平和垂直方向上第二投影机420经投射后最终形成视点2的光路原理示意图。图中x坐标表示空间中的水平方向，y坐标表示空间中的垂直方向，z方向表示垂直于x-y平面的轴向方向。以视点2为例，投影机420可将第二视差图像投射至第二透镜阵列300附近。来自该投影机420的光线经第二透镜阵列300上的不同柱透镜聚焦后，因第二聚合物分散液晶散射层220处于散射态，第一聚合物分散液晶散射层210处于透明态，其可在第二聚合物分散液晶散射层220上形成散射，第二聚合物分散液晶散射层220向前散射该光束，可以将该光束通过第一透镜阵列100上与之对应的柱透镜投射，并最终由各柱透镜投射的光束汇聚形成视点2。
图5为本实施例实现立体显示的原理示意图，图中x坐标表示空间中的水平方向，y坐标表示空间中的垂直方向，z方向表示垂直于x-y平面的轴向方向。由于该基于双透镜阵列的立体投影装置中，4个所述投影机410~440分处于不同的空间位置，请参照图5，其中投影机410和投影机420的垂直坐标相同，但水平坐标不同，则投影机410和投影机420光线透过第二透镜阵列300时，其光束在第二聚合物分散液晶散射层220上的水平空间位置不同。因此，第一透镜阵列100可以将来自投影机410和投影机420的视差图像分别投射至不同的水平空间位置，形成视点1和视点2。同理，请参照图4，类似地在垂直方向上，投影机420和投影机440水平坐标相同，但垂直坐标不同，故其投射的视差图像将被第一透镜阵列100投射至不同的垂直空间位置。
最终，请参考图1，第一透镜阵列100可以将来自于4个不同投影机410~440的视差图像投射并汇聚到不同的4个视点位置，形成4视点的立体图像显示。当人眼分处于不同视点位置时，可以分别看到与之对应的视差图像，从而实现立体视觉。
该基于双透镜阵列的立体投影装置中，视点到第一透镜阵列100的距离即最佳观看距离为l 1，第一透镜阵列100到第一聚合物分散液晶散射层210的距离为15 mm，第一透镜阵列100到第二聚合物分散液晶散射层210的距离为20 mm，第一聚合物分散液晶散射层210到第二透镜阵列300的距离为20 mm，第二聚合物分散液晶散射层220到第二透镜阵列300的距离为15 mm，第二透镜阵列300到投影机400的距离为1000 mm，第一透镜阵列节距p 1为5mm，第一透镜阵列节距p 2为5 mm。
当第二聚合物分散液晶散射层220处于散射态时，装置处于远视距模式，请参考图5，根据公式
Figure SMS_3
，该基于双透镜阵列的立体投影装置的最佳观看距离为1333mm。
当第一聚合物分散液晶散射层210处于散射态时，装置处于近视距模式，请参考图6，根据公式
Figure SMS_4
，该基于双透镜阵列的立体投影装置的最佳观看距离为750mm。
本实施例中，由于该基于双透镜阵列的立体投影装置010不涉及视差图像像素和光栅结构的耦合，视点的投射位置仅由投影机阵列中四台投影机410~440的位置确定，故在制备时可直接固定投影机410~440的位置，使用时仅需要将视差图像输送到投影机410~440即可；由于该基于双透镜阵列的立体投影装置010使用投影机410~440进行投影显示，便于实现大尺寸显示；由于该基于双透镜阵列的立体投影装置010中，投影机410~440和观看者分布于所述第一透镜阵列100、所述第一及第二聚合物分散液晶散射层及所述第二透镜阵列300的不同侧，故便于用于室外、橱窗等展示环境；由于第一聚合物分散液晶散射层210、第二聚合物分散液晶散射层220分别处于散射态时，本发明的一种基于双透镜阵列的立体投影装置010可以在不同的最佳观看距离上形成视点，本发明可以进行最佳观看距离的调节。

Claims (4)

1.一种基于双透镜阵列的立体投影装置，其特征在于：该基于双透镜阵列的立体投影装置由第一透镜阵列、第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层、第二透镜阵列以及投影机阵列组成，所述第一透镜阵列、第一聚合物分散液晶散射层、第二聚合物分散液晶散射层、所述第二透镜阵列前后依次放置，所述投影机阵列放置于靠近所述第二透镜阵列一侧；
所述投影机阵列中的各个投影机可将视差图像投射到所述第二透镜阵列附近，所述第二透镜阵列可将投影机投射来的光束聚焦后投射于第一聚合物分散液晶散射层及第二聚合物分散液晶散射层位置处；
所述第一聚合物分散液晶散射层、所述第二聚合物分散液晶散射层可在散射和透明两种状态间转换，同一时刻，仅有唯一的一块聚合物分散液晶散射层呈散射态；当第一聚合物分散液晶散射层呈散射态，第二聚合物分散液晶散射层呈透明态时，则第二透镜阵列投射的视差合成图像将成像于第一聚合物分散液晶散射层位置，反之，当第一聚合物分散液晶散射层呈透明态，第二聚合物分散液晶散射层呈散射态时，则第二透镜阵列投射的视差合成图像将成像于第二聚合物分散液晶散射层位置；
所述第一和第二聚合物分散液晶散射层呈散射态时可对所述第二透镜阵列投射来的光束进行散射，所述第一透镜阵列可将该光束再次投射到空间中指定方向，从而汇聚成视点，当人眼处于视点位置时可以看到与之对应的视差图像，从而形成立体视觉；
投影机阵列中分处于不同水平空间位置的投影机，其所投射的视差图像可由第一透镜阵列分别投射至不同的水平空间位置，并形成视点；而投影机阵列中分处于不同垂直空间位置的投影机，其所投射的视差图像可由第一透镜阵列分别投射至不同的垂直空间位置，并形成视点；
设该基于双透镜阵列的立体投影装置中，视点到第一透镜阵列的距离即最佳观看距离为l1，第一透镜阵列到呈散射态的聚合物分散液晶散射层的距离为l2，呈散射态的聚合物分散液晶散射层到第二透镜阵列的距离为l3，第二透镜阵列到投影机的距离为l4，第一透镜阵列节距为p1，第一透镜阵列节距为p2，上述参数应满足：
Figure FDA0004115254900000011
2.如权利要求1所述的一种基于双透镜阵列的立体投影装置，其特征在于：第一透镜阵列由针孔阵列代替。
3.如权利要求1所述的一种基于双透镜阵列的立体投影装置，其特征在于：第二透镜阵列由针孔阵列代替。
4.如权利要求1所述的一种基于双透镜阵列的立体投影装置，其特征在于：在第一聚合物分散液晶散射层和第二聚合物分散液晶散射层之间设置更多的聚合物分散液晶散射层。
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