CN112255787A - 一种集成成像显示系统的景深扩展方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成成像显示系统的景深扩展方法及系统，根据重构点的位置计算重构点与全息散射器之间的距离，根据此距离计算集成成像显示系统的最大景深；根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展，从而确立最优的全息散射器扩散角，有效提升系统的景深。

Description

一种集成成像显示系统的景深扩展方法及系统

技术领域

本发明涉景深扩展技术领域，特别涉及集成成像显示系统的景深扩展方法及系统。

背景技术

在大尺寸集成成像三维显示系统中，由于透镜尺寸较大，排列间隙无法忽略，因此并不适合直接进行观看，而引入全息散射器可以有效解决该问题，大大提升系统整体的显示效果，但是全息散射器在系统中的最佳放置位置以及对景深的影响却少有研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成成像显示系统的景深扩展方法及系统，用以确定全息散射器的位置，从而确立最优的全息散射器扩散角，有效提升系统的景深。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种集成成像显示系统的景深扩展方法，包括：

当重构点在全息散射器之后时，确定公共可视区域内相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第一条件；

根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第一距离；

当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内重构点的离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第二条件；

根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第二距离；

根据所述第一距离以及所述第二距离，计算所述集成成像显示系统的最大景深；

根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展。

可选地，所述当重构点在全息散射器之后时，确定显示区域内相邻重构点正确区分的条件为：公共可视区域内，相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠，且在空间位置上的像斑无混叠；

表示重构点在全息散射器上的散斑无混叠，

为理想重构时相邻重构点在空间上的中心间距；

表示重构点在空间位置上的像斑无混叠，

为重构点在空间位置上的像斑大小；

其中，μ表示显示器相邻像素的中心间距，l表示透镜阵列与中心深度平面之间的距离，Δl表示全息散射器与中心深度平面之间的距离，Δz_b表示当重构点在全息散射器之后时，重构点与全息散射器之间的距离，g表示透镜阵列与显示器之间的距离，θ表示全息散射的扩散角，α表示重构点的直射光线与全息散射器法线之间的夹角，P表示透镜阵列中单元透镜的通光孔直径。

可选地，所述根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离的计算公式如下：

可选地，当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内所看到的三维场景无混叠的条件为：离散的重构光线与全息散射器的散斑无交叉，且重构点在空间位置上的像斑无混叠；

表示离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉；

表示重构点在空间位置上的像斑无混叠；

其中Δzf表示当重构点在全息散射器之前时，重构点与全息散射器之间的距离，ΔD表示相邻单元透镜之间的距离，μ′表示重构点的像斑在其空间位置的大小。

可选地，根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离计算公式如下：

可选地，所述集成成像显示系统的最大景深ΔZ_max的计算公式如下：

本发明还提供了一种集成成像显示系统的景深扩展系统，包括：

第一条件确定模块，用于当重构点在全息散射器之后时，确定公共可视区域内相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第一条件；

第一距离确定模块，用于根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第一距离；

第二条件确定模块，用于当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内重构点的离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第二条件；

第二距离确定模块，用于根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第二距离；

最大景深计算模块，用于根据所述第一距离以及所述第二距离，计算所述集成成像显示系统的最大景深；

全息散射器位置确定模块，用于根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种集成成像显示系统的景深扩展方法及系统，根据重构点的位置计算重构点与全息散射器之间的距离，根据此距离计算集成成像显示系统的最大景深；根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展，从而确立最优的全息散射器扩散角，有效提升系统的景深。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的集成成像显示系统的景深扩展方法的流程图；

图2为本发明提供单散斑模型；

图3为本发明提供散斑混叠模型；

图4为本发明提供公共视区内的混叠效应；

图5为本发明提供集成成像显示系统的景深扩展系统的结构框图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种集成成像显示系统的景深扩展方法及系统，用以确定全息散射器的位置，从而确立最优的全息散射器扩散角，有效提升系统的景深。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种集成成像显示系统的景深扩展方法包括以下步骤：

步骤101：当重构点在全息散射器之后时，确定公共可视区域内相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第一条件。

此条件为：公共可视区域内，相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠，且在空间位置上的像斑无混叠；

表示重构点在全息散射器上的散斑无混叠，

为理想重构时相邻重构点在空间上的中心间距；

表示重构点在空间位置上的像斑无混叠，

为重构点在空间位置上的像斑大小；

其中，μ表示显示器相邻像素的中心间距，l表示透镜阵列与中心深度平面之间的距离，Δl表示全息散射器与中心深度平面之间的距离，Δz_b表示当重构点在全息散射器之后时，重构点与全息散射器之间的距离，g表示透镜阵列与显示器之间的距离，θ表示全息散射的扩散角，α表示重构点的直射光线与全息散射器法线之间的夹角，P表示透镜阵列中单元透镜的通光孔直径。

步骤102：根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第一距离。公式如下：

步骤103：当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内重构点的离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第二条件。

此条件为：离散的重构光线与全息散射器的散斑无交叉，且重构点在空间位置上的像斑无混叠；

表示离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉；

表示重构点在空间位置上的像斑无混叠；

其中Δzf表示当重构点在全息散射器之前时，重构点与全息散射器之间的距离，ΔD表示相邻单元透镜之间的距离，μ′表示重构点的像斑在其空间位置的大小。

步骤104：根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第二距离。公式如下：

步骤105：根据所述第一距离以及所述第二距离，计算所述集成成像显示系统的最大景深。

步骤106：根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展。

对于InIm显示系统，其最大景深ΔZ_max由全息散射器前、后的最大无混叠景深共同组成，综合上述分析可知，系统的最大景深几乎完全由全息散射器之后的景深决定，则：

对于选定的全息散射器，其扩散角θ已知，根据系统的设计参数，带入上式求出最大景深ΔZ_max数值达到最大时的Δl，则将全息散射器放置在距离透镜阵列l+Δl处时，系统能够达到最大景深。

下面，详细介绍本发明的原理：

如图2，空间中物点A发出的光线向各个方向传播，理想情况下，未放置全息散射器时仅有一条直射的光线可以到达O点，水平方向上，物点A到全息散射器和到点O的距离分别为l′和L′，直射光线AO与全息散射器相交于A₀点，与全息散射器法线之间的夹角为α，当在点A和点O之间放置全息散射器时，由于全息散射器对光线的扩散作用，一部分原本不能到达O点的光线经过全息散射器扩展后最终到达了点O，这些扩散光线在全息散射器上具有一定的范围，对于偏离A₀的点入射光线，由于全息散射器对入射光线的扩散能力是有限的，由这些点散射的光有可能不能被O点接收到，以上方某点为例，如果散射光线的外边缘经过O点，则恰好能够被O点接收到，定义该点为上极限点A₁，则满足AA₁延长线与A₁O之间的夹角为扩散角θ的一半，同理，下极限点A₂与上极限点A₁的含义类似，A₁和A₂区间内的所有光线对O点均有贡献。因此，全息散射器上的散斑大小为：

如图3所示，当在O点观察全息散射器后间隔为d的两物点A、B时，随着d的减小，A、B两点散斑中心的间距随之减小，当减小到一定程度时，两散斑开始相交，当相交范围达到一定程度时则无法正确区分，根据瑞利可辨判决依据，当A、B两点的光斑有一半发生重叠时恰好无法辨别，此时有：

通常情况下，发生混叠时A、B间距已经足够小，因此，可以认为AO、BO与全息散射器法线的夹角基本相同，即α₁≈α₂≈α，结合公式(1)可得：

对于重构点在全息散射器之后的情况，如图4(a)所示，显示器相邻像素的中心间距为μ，单元透镜的通光孔径直径为P，相邻透镜的中心间距为ΔD，透镜阵列与LCD之间的距离为g，与CDP的距离为l，两者关系满足基本成像公式，全息散射器扩散角为θ，与CDP的距离为Δl(Δl＞0表示在CDP之前，Δl＜0表示在CDP之后)，相邻的重构点R₁和R₂在全息散射器之后，与全息散射器的距离为Δz_b。由于离散重构光线在空间交汇后再通过全息散射器，因此，可以将重构点类比于空间中的发光点，由前述分析可知，观察者在图中所示的公共可视区域(CVA)内时，不但能够同时看到R₁和R₂，而且可以感受到这两个重构点的三维信息，然而由于全息散射器的存在，当R₁和R₂与全息散射器的距离超过一定范围时，即使二者在空间上没有混叠，其在全息散射器上的散斑也会发生混叠，从而造成无法正确区分。因此，以显示区域内相邻重构点可以正确区分作为有效景深的判决标准，重构点需要满足：公共可视区域内，其在全息散射器上的散斑无混叠，且在空间位置上的像斑无混叠，则有：

其中，公式(4)表示重构点在全息散射器上的散斑无混叠，

为理想重构时相邻重构点R₁和R₂在空间上的中心间距，公式(5)表示重构点在其空间位置上的像斑无混叠，

为重构点在其空间位置上的像斑大小，类比于瑞利可辨判决依据，认为当像斑有一半发生混叠时无法正确辨认，最终可得：

当重构点的位置在全息散射器之前时，如图4(b)所示，两重构点R₁和R₂与全息散射器的距离为Δzf，重构光线通过单元透镜后形成的光束角度为β，由于扩散作用，经过全息散射器后，光束的角度扩展为θ+β，则重构点的像斑在其空间位置的大小μ′可以由该位置的光束宽度获得：

由于重构点是由离散的重构光线构成，这些离散光线需要先通过全息散射器，然后才能在空间中形成重构点，而重构点在全息散射器上的散斑会作为新的光源被观察者看到，在公共可视区域内，当散斑发生交叉时，会发生误判。因此，在公共可视区域内所看到的三维场景无混叠需要满足：离散的重构光线与全息散射器的散斑无交叉，且重构点在其空间位置上的像斑无混叠，有：

其中，公式(8)表示离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉，公式(9)表示重构点在其空间位置上的像斑无混叠，则全息散射器前的无混叠景深满足：

对于InIm显示系统，其最大景深ΔZ_max由全息散射器前、后的最大无混叠景深共同组成，综合上述分析可知，系统的最大景深几乎完全由全息散射器之后的景深决定，则：

对于选定的全息散射器，其扩散角θ已知，根据系统的设计参数，带入(11)求出最大景深ΔZ_max数值达到最大时的Δl，则将全息散射器放置在距离透镜阵列l+Δl处时，系统能够达到最大景深。

如图5所示，本发明还提供了一种集成成像显示系统的景深扩展系统，包括：

第一条件确定模块501，用于当重构点在全息散射器之后时，确定公共可视区域内相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第一条件。

第一距离确定模块502，用于根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第一距离。

第二条件确定模块503，用于当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内重构点的离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第二条件。

第二距离确定模块504，用于根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第二距离。

最大景深计算模块505，用于根据所述第一距离以及所述第二距离，计算所述集成成像显示系统的最大景深。

全息散射器位置确定模块506，用于根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

Claims (7)

1.一种集成成像显示系统的景深扩展方法，其特征在于，包括：

当重构点在全息散射器之后时，确定公共可视区域内相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第一条件；

根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第一距离；

当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内重构点的离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第二条件；

根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第二距离；

根据所述第一距离以及所述第二距离，计算所述集成成像显示系统的最大景深；

根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展。

2.根据权利要求1所述的集成成像显示系统的景深扩展方法，其特征在于，所述当重构点在全息散射器之后时，确定显示区域内相邻重构点正确区分的条件为：公共可视区域内，相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠，且在空间位置上的像斑无混叠；

表示重构点在全息散射器上的散斑无混叠，

为理想重构时相邻重构点在空间上的中心间距；

表示重构点在空间位置上的像斑无混叠，

为重构点在空间位置上的像斑大小；

其中，μ表示显示器相邻像素的中心间距，l表示透镜阵列与中心深度平面之间的距离，Δl表示全息散射器与中心深度平面之间的距离，Δz_b表示当重构点在全息散射器之后时，重构点与全息散射器之间的距离，g表示透镜阵列与显示器之间的距离，θ表示全息散射的扩散角，α表示重构点的直射光线与全息散射器法线之间的夹角，P表示透镜阵列中单元透镜的通光孔直径。

3.根据权利要求2所述的集成成像显示系统的景深扩展方法，其特征在于，所述根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离的计算公式如下：

4.根据权利要求2所述的集成成像显示系统的景深扩展方法，其特征在于，当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内所看到的三维场景无混叠的条件为：离散的重构光线与全息散射器的散斑无交叉，且重构点在空间位置上的像斑无混叠；

表示离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉；

表示重构点在空间位置上的像斑无混叠；

其中Δz_f表示当重构点在全息散射器之前时，重构点与全息散射器之间的距离，ΔD表示相邻单元透镜之间的距离，μ′表示重构点的像斑在其空间位置的大小。

5.根据权利要求4所述的集成成像显示系统的景深扩展方法，其特征在于，根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离计算公式如下：

6.根据权利要求4所述的集成成像显示系统的景深扩展方法，其特征在于，所述集成成像显示系统的最大景深ΔZ_max的计算公式如下：

7.一种集成成像显示系统的景深扩展系统，其特征在于，包括：

第一条件确定模块，用于当重构点在全息散射器之后时，确定公共可视区域内相邻重构点在全息散射器上的散斑无混叠且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第一条件；

第一距离确定模块，用于根据所述第一条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第一距离；

第二条件确定模块，用于当重构点在全息散射器之前时，确定公共可视区域内重构点的离散重构光线与全息散射器的散斑无交叉且相邻重构点在空间位置上的像斑无混叠的条件，为第二条件；

第二距离确定模块，用于根据所述第二条件，确定所述重构点与所述全息散射器之间的距离，为第二距离；

最大景深计算模块，用于根据所述第一距离以及所述第二距离，计算所述集成成像显示系统的最大景深；

全息散射器位置确定模块，用于根据所述集成成像显示系统的最大景深，确定所述全息散射器的位置，实现所述集成成像显示系统的景深扩展。

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