CN111522146B - 一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3d显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置。所述装置由多块2D显示屏、多块拼接镜孔阵列、透镜阵列和光学扩散屏组成。所述装置使用多块拼接镜孔阵列将对应2D显示屏上的微图像阵列分别向拼缝中心进行定向位移，从而消除拼缝，经拼接镜孔阵列出射的光线通过透镜阵列的调制，重构出光场信息，实现大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示效果。
Description
技术领域
本发明涉及3D显示技术，特别涉及一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置。
背景技术
集成成像桌面3D显示技术能够重建桌面3D图像，供多人环视共享观看，并能实现桌面3D图像与实物的融合显示。与体桌面3D显示、全息桌面3D显示以及多投影光场桌面3D显示等技术相比，集成成像桌面3D显示更符合人眼观看平面显示器的习惯，且具有全视差、成本较低、占地空间较小以及功耗低等优势，是当前3D显示领域的研究热点。
集成成像桌面3D显示器主要由2D显示屏和透镜阵列组成，2D显示屏用来显示3D片源，经微透镜阵列的调制，重建出桌面3D图像。因此，2D显示屏的大小会直接影响桌面3D图像的大小。当需要重建大尺寸的桌面3D图像时，通常通过拼接多个高分辨率2D显示屏的方式实现，但相邻2D显示屏在拼接区域会出现拼缝，无法显示图像，且拼缝难以去除，使得重建的桌面3D图像在拼接区域出现黑色遮挡，严重影响了桌面3D显示的观看效果。
常见的2D显示屏无缝拼接技术有添加面状补偿屏、扩散膜层和折射透镜等方式。添加面状补偿屏的方式可以自由填充拼接区域，但需要重新开发驱动控制补偿屏与2D显示屏的同步显示，且补偿屏与2D显示屏的亮度不均，将影响桌面3D显示质量。添加扩散膜层的方式通过扩散2D显示屏边缘处的像素，实现边缘区域的无缝衔接，但拼接区域的图像亮度会明显减弱。此外，在集成成像桌面3D显示中，由于拼接区域的信息由其他区域像素复用而来，并未呈现该区域对应的3D片源信息，导致拼接区域的光场信息紊乱，严重影响了桌面3D显示效果。添加折射透镜的方式存在畸变严重、加工难度大等缺陷，对桌面3D显示装置的稳定性和桌面3D图像质量也将造成一定影响。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置。所述装置能够实现无缝拼接的桌面3D显示效果。所述装置由多块2D显示屏、多块拼接镜孔阵列、透镜阵列和光学扩散屏组成。所述装置使用多块拼接镜孔阵列将对应2D显示屏上的微图像阵列分别向拼缝中心进行定向位移，从而消除拼缝，经拼接镜孔阵列出射的光线通过透镜阵列的调制，重构出光场信息，实现大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示效果。
所述多块2D显示屏位于最底层，相邻两个2D显示屏的拼缝宽度为a。所述2D显示屏用于显示微图像阵列，所述微图像阵列由多个图像元组成。所述每个图像元包括子图像元I和子图像元II两部分。
所述拼接镜孔阵列与2D显示屏数目相同，位于2D显示屏的正上方。所述每个拼接镜孔阵列包括多个镜孔单元，每个镜孔单元由4个内壁组成，内壁厚为b，平行于拼接方向的两个内壁为镜面反射层，用于反射光线，垂直于拼接方向的两个内壁为吸收层，用于吸收杂散光。任意两个相邻的拼接镜孔阵列的镜孔倾角与水平方向的夹角分别为45°和-45°，可以定向反射光线。所述微图像阵列的图像元中，由子图像元II发出的光线射入反射内壁，在镜孔单元内进行两次反射，出射光线相对入射光线进行了水平位移。由子图像元I发出的光线直接穿过镜孔单元。由此，微图像阵列实现了精确的水平位移，所述平移量D不小于拼缝宽度的一半，即D≥0.5a。
进一步地，相邻拼接镜孔阵列在拼缝位置的边缘内壁厚度之和等于b。
进一步地，所述镜孔单元下覆盖的图像元个数是正整数，可以是1个或多个。
进一步地，所述镜孔单元的长度L、宽度W、高度H和平移量D的关系满足：
L＝W (1)
H＝D (2)
所述透镜阵列由多个光学参数相同的透镜元按周期排列组成，位于拼接镜孔阵列的正上方，用于调制经拼接镜孔阵列出射的光线，重建桌面3D图像。所述透镜元与微图像阵列中的图像元一一对应。
所述光学扩散屏位于透镜阵列的上方，用于对桌面3D图像发出的光线进行特定角度的扩散，解决由相邻透镜物理间隔和相邻镜孔内壁导致的桌面3D图像不连续的问题。
附图说明
图1A一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置的结构示意图
图1B拼接区域的光路示意图
图2拼接镜孔阵列的结构示意图
图2A拼接镜孔阵列示意图
图2B镜孔单元的结构示意图
图2C镜孔单元的正视图
图2D镜孔单元的侧视图
附图的图示标号为：
10 2D显示屏，11拼缝，12微图像阵列，121子图像元I，122子图像元II，20拼接镜孔阵列，21内壁，22镜面反射层，23吸收层，3透镜阵列，4光学扩散屏
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
下面详细说明本发明的一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
如附图1A所示，一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置由两块2D显示屏10、两块拼接镜孔阵列20、一个透镜阵列3和一个光学扩散屏4组成。如附图1B所示，所述装置使用两块拼接镜孔阵列20将两块2D显示屏10上的微图像阵列12向显示屏拼缝中心进行定向位移，从而消除拼缝11，从拼接镜孔阵列20出射的光线再通过透镜阵列3的调制，重构出光场信息，实现无缝拼接的集成成像桌面3D显示效果。
2D显示屏10位于最底层，两块2D显示屏的拼缝11宽度为a＝14mm。2D显示屏10用于显示微图像阵列12，所述微图像阵列12由多个矩形的图像元组成。每个矩形图像元分为子图像元I121和子图像元II 122两部分。在一个实施例中，每个图像元的分辨率180×180个像素，其中子图像元I和子图像元II包含的像素数目相等，均为图像元分辨率的一半，包括90×180个像素。子图像元I发出的光线直接穿过拼接镜孔阵列，子图像元II发出的光线在拼接镜孔内经两次反射后出射。
两块拼接镜孔阵列20位于2D显示屏10的上方。如附图2所示，所述拼接镜孔阵列20包括多个镜孔单元，每个镜孔单元由4个内壁21组成，壁厚b＝0.2mm，平行于拼接方向的两个内壁为镜面反射层22，用于反射光线，垂直于拼接方向的两个内壁为吸收层23，用于吸收杂散光。两个相邻的拼接镜孔阵列20的镜孔倾角与水平方向的夹角分别为45°和-45°，可以定向反射光线。微图像阵列的图像元中，由子图像元II 122发出的光线射入反射内壁，在镜孔单元内进行两次反射，出射光线相对入射光线进行了水平位移。由子图像元I121发出的光线直接穿过镜孔单元。由此，微图像阵列实现了精确的水平位移，平移量D不小于拼缝宽度的一半。在一个实施例中，平移量D＝7mm，D＝7mm≥0.5a。靠近拼缝中心11位置的两个镜孔单元内壁21厚度均为0.1mm。镜孔单元下覆盖1个图像元，拼接镜孔单元的长度L和宽度W均为14mm，高度H和平移量D均为7mm，上述参数的关系满足L＝W＝2H＝2D。
所述透镜阵列3由多个光学参数相同的透镜元按矩形周期排列组成，位于拼接镜孔阵列20的正上方，用于调制经拼接镜孔阵列出射的光线，重建桌面3D图像。在一个实施例中，透镜阵列的节距为14mm，透镜元的直径为12mm。透镜元、图像元和镜孔单元三者一一对应。
所述光学扩散屏4位于透镜阵列3的上方，用于对桌面3D图像发出的光线进行特定角度的扩散，解决由相邻透镜物理间隔和相邻镜孔内壁21导致的桌面3D图像不连续的问题。在一个实施例中，扩散角度为6.5°。
Claims (4)
1.一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置，所述装置由多块2D显示屏、多块拼接镜孔阵列、透镜阵列和光学扩散屏组成；所述装置使用多块拼接镜孔阵列将对应2D显示屏上的微图像阵列分别向拼缝中心进行定向位移，从而消除拼缝，经拼接镜孔阵列出射的光线通过透镜阵列的调制，重构出光场信息，实现无缝拼接的集成成像桌面3D显示效果；所述多块2D显示屏位于最底层，相邻两个2D显示屏的拼缝宽度为a，2D显示屏用于显示微图像阵列，所述微图像阵列由多个图像元组成，每个所述图像元包括子图像元I和子图像元II两部分；所述拼接镜孔阵列与2D显示屏数目相同，位于2D显示屏的正上方，所述每个拼接镜孔阵列包括多个镜孔单元，每个镜孔单元由4个内壁组成，内壁厚为b，平行于拼接方向的两个内壁为镜面反射层，用于反射光线，垂直于拼接方向的两个内壁为吸收层，用于吸收杂散光，任意两个相邻的拼接镜孔阵列的镜孔倾角与水平方向的夹角分别为45°和-45°，可以定向反射光线，所述微图像阵列的图像元中，由子图像元II发出的光线射入反射内壁，在镜孔单元内进行两次反射，出射光线相对入射光线进行了水平位移，由子图像元I发出的光线直接穿过镜孔单元，由此，微图像阵列实现了精确的水平位移，所述水平位移用平移量D表示，所述平移量D不小于拼缝宽度的一半，即D≥0.5a；所述透镜阵列由多个光学参数相同的透镜元按周期排列组成，位于拼接镜孔阵列的正上方，用于调制经拼接镜孔阵列出射的光线，重建桌面3D图像，所述透镜元与微图像阵列中的图像元一一对应；所述光学扩散屏位于透镜阵列的上方，用于对桌面3D图像发出的光线进行特定角度的扩散，解决由相邻透镜物理间隔和相邻镜孔内壁导致的桌面3D图像不连续的问题。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置，其特征在于，相邻拼接镜孔阵列在拼缝位置的边内缘壁厚度之和等于b。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置，其特征在于，所述镜孔单元下覆盖的图像元个数是正整数，可以是1个或多个。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸无缝拼接的集成成像桌面3D显示装置，其特征在于，所述镜孔单元的长度L、宽度W、高度H和平移量D的关系满足L＝W，H＝D。
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