CN112305777A - 二维和三维可切换显示方法和系统 - Google Patents

二维和三维可切换显示方法和系统 Download PDF

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Abstract

提供一种二维和三维可切换显示方法以及系统。显示模式为二维显示时，加载二维图像于二维显示器，第一圆偏振控制器控制二维显示器的出射光为第一旋向圆偏振光，所述第一旋向圆偏振光经过由两个几何位相全息透镜阵列和第二圆偏振控制器组成的偏振相关透镜阵列单元后显示为二维图像；显示模式为三维显示时，加载编码的元素图像阵列于所述二维显示器，所述第一圆偏振控制器控制二维显示器的出射光为第二旋向圆偏振光，所述第二旋向圆偏振光与所述第一旋向圆偏振光的旋向相反，所述第二旋向圆偏振光经由所述偏振相关透镜阵列单元后显示为三维图像。该系统结构简单、全光控制、无需复杂驱动电路，能够应用于诸多场景。

Description

二维和三维可切换显示方法和系统
技术领域
本发明涉及一种二维和三维可切换显示方法和系统，更具体地，涉及一种二维显示和裸眼三维显示可切换方法和系统，属于二维/三维显示领域。
背景技术
二维显示器，如液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)、发光二极管(LightEmitting Diode,LED)显示器等，已经具有非常优秀的显示性能，在移动、桌面和大型终端均得了到广泛应用。但二维显示存在无法提供物理深度提示的固有弊端，随着经济社会的发展和需求，三维显示技术，特别是裸眼(主动立体)三维显示得到重视和发展。尽管以全息、光场和体显示为代表的裸眼三维显示技术得到一系列的突破，但受限于三维海量信息的存储、传输和处理，以及显示性能间的相互制约关系，裸眼三维显示器与当前二维显示器仍存在较大差距。
当前基于集成成像技术实现二维和三维可切换显示的一种技术方案是使用液晶可调微透镜阵列代替传统的微透镜阵列，通过控制液晶微透镜阵列的焦距改变显示模式。例如当焦距无穷大时，为二维显示模式；当焦距为有限值时，为三维显示模式。但无论何种形式、何种工作原理的液晶透镜，都需要较为复杂的驱动和控制电路，增加了系统的制作难度、复杂性和成本，不利于商业化应用。液体透镜与液晶透镜相似，不再赘述。另一种方案是使用投影仪、聚合物分散液晶和反射微镜阵列。投影仪投射图像，利用聚合物分散液晶在无电场时的散射特性，将投影的图像直接散射，实现二维显示；利用聚合物分散液晶在外加电场下的透射特性使投影光线透射，经反射微镜阵列调控后再由聚合物分散液晶透射并在特定位置形成三维图像，实现三维显示。该方案虽然解决了液晶和液体微透镜阵列控制电路较为复杂的问题，但只能应用在使用较少、体积较大的反射式系统中，限制了应用场景。
鉴于上述，本发明旨在提供一种二维和三维可切换显示方法和方法，来解决上述的一个或多个技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种二维和三维可切换显示方法。该方法基于集成成像原理，利用几何位相全息透镜(GeometricPhase Holographic Lens,GPHL)对不同偏振态入射光具有不同等效焦距的特性，使用偏振复用的方法实现二维显示和裸眼三维显示的切换，具有结构简单、全光控制、无需复杂驱动电路、能够应用于诸多场景的优点。
该二维和三维可切换显示方法，其特征在于包括以下步骤：
切换显示模式为二维或三维显示；
其中，显示模式为二维显示时，加载二维图像于二维显示器，第一圆偏振控制器控制二维显示器的出射光为第一旋向圆偏振光，所述第一旋向圆偏振光经由偏振相关透镜阵列单元后显示为二维图像，该偏振相关透镜阵列单元包括依次叠置的第一几何位相全息透镜阵列、第二圆偏振控制器和第二几何位相全息透镜阵列；
显示模式为三维显示时，加载编码的元素图像阵列于所述二维显示器，所述第一圆偏振控制器控制二维显示器的出射光为第二旋向圆偏振光，所述第二旋向圆偏振光与所述第一旋向圆偏振光的旋向相反，所述第二旋向圆偏振光经由所述偏振相关透镜阵列单元后显示为三维图像。
根据本发明又一方面，所述偏振相关透镜阵列单元对于第一旋向圆偏振光的焦距为第一焦距，且对于第二旋向圆偏振光的焦距为第二焦距，第一焦距不同于第二焦距。
根据本发明又一方面，所述第一焦距为无穷大，第二焦距为f′/2，f′为透射型几何位相全息透镜阵列工作在汇聚模式下的(像方)焦距。
根据本发明又一方面，第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，第二圆偏振控制器为右旋圆偏振控制器或左旋圆偏振控制器，第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列用于汇聚或发散所述第一旋向圆偏振光。
根据本发明又一方面，第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列为反射型或透射型。
根据本发明又一方面，还提供了一种二维和三维可切换显示系统，其特征在于包括：
二维显示器；
第一圆偏振控制器；
偏振相关透镜阵列单元，包括依次叠置的第一几何位相全息透镜阵列、第二圆偏振控制器和第二几何位相全息透镜阵列；以及
控制单元，用于将显示模式切换为二维或三维显示，其中，显示模式为二维显示时，控制单元加载二维图像于二维显示器，控制所述第一圆偏振控制器将二维显示器的出射光控制为第一旋向圆偏振光，所述第一旋向圆偏振光经由偏振相关透镜阵列单元后显示为二维图像；显示模式为三维显示时，控制单元加载编码的元素图像阵列于所述二维显示器，控制所述第一圆偏振控制器将二维显示器的出射光控制为第二旋向圆偏振光，所述第二旋向圆偏振光与所述第一旋向圆偏振光的旋向相反，所述第二旋向圆偏振光经由所述偏振相关透镜阵列单元后显示为三维图像。
根据本发明又一方面，所述偏振相关透镜阵列单元对于第一旋向圆偏振光的焦距为第一焦距，且对于第二旋向圆偏振光的焦距为第二焦距，第一焦距不同于第二焦距。
根据本发明又一方面，所述第一焦距为无穷大，第二焦距为f′/2，f′为透射型几何位相全息透镜阵列工作在汇聚模式下的(像方)焦距。
根据本发明又一方面，第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，第二圆偏振控制器为右旋圆偏振控制器或左旋圆偏振控制器，第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列用于汇聚或发散所述第一旋向圆偏振光。
根据本发明又一方面，第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列为反射型或透射型，二维显示器叠置于第一圆偏振控制器。
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
结构简单；全光控制、无需复杂驱动电路；能够应用于诸多场景。
附图说明
为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：
图1为几何位相全息透镜的工作原理图，其中显示了右旋圆偏振光入射的情况；
图2为几何位相全息透镜的工作原理图，其中显示了左旋圆偏振光入射的情况；
图3为根据本发明一种优选实施例的二维和三维可切换显示系统的结构示意图；
图4为图3的断面图；
图5为根据本发明一种优选实施例的二维和三维可切换显示方法的原理示意图，其中显示了右旋圆偏振光入射的情况；
图6为根据本发明一种优选实施例的二维和三维可切换显示方法的原理示意图，其中显示了左旋圆偏振光入射的情况。
具体实施例
现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。
在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。
实施例1
根据本发明一种优选实施方式，参见3-4，提供了一种二维和三维可切换显示方法，其特征在于包括以下步骤：
切换显示模式为二维或三维显示；
其中，显示模式为二维显示时，加载二维图像于二维显示器1，第一圆偏振控制器2控制二维显示器1的出射光为第一旋向圆偏振光，所述第一旋向圆偏振光经由偏振相关透镜阵列单元后显示为二维图像，该偏振相关透镜阵列单元包括依次叠置的第一几何位相全息透镜阵列3、第二圆偏振控制器4和第二几何位相全息透镜阵列5；
显示模式为三维显示时，加载编码的元素图像阵列于所述二维显示器1，所述第一圆偏振控制器2控制二维显示器1的出射光为第二旋向圆偏振光，所述第二旋向圆偏振光与所述第一旋向圆偏振光的旋向相反，所述第二旋向圆偏振光经由所述偏振相关透镜阵列单元后显示为三维图像。
根据本发明又一优选实施方式，所述几何位相全息透镜阵列单元对于第一旋向圆偏振光的焦距为第一焦距，且对于第二旋向圆偏振光的焦距为第二焦距，第一焦距不同于第二焦距。
有利地，本发明中，包含了二维显示的核心器件，即高性能二维显示器1，同时通过微透镜阵列(偏振相关透镜阵列单元)进行光场调控以实现裸眼三维显示。本发明使用较为简单的方案在同一个系统上实现二维显示和裸眼三维显示可切换的功能，使用者就可以根据场景和需要进行自主调节，既能够享受高分辨率、大视场和高色彩精度的二维显示，同时也能够感受具有准确辐辏、聚焦、运动视差和更具沉浸感的三维显示。
根据本发明又一优选实施方式，所述第一焦距为无穷大，第二焦距为f′/2，f′为透射型几何位相全息透镜阵列工作在汇聚模式下的(像方)焦距。
根据本发明又一优选实施方式，第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，第二圆偏振控制器4为右旋圆偏振控制器或左旋圆偏振控制器，第一几何位相全息透镜阵列3和第二几何位相全息透镜阵列5用于汇聚或发散所述第一旋向圆偏振光。
根据本发明又一优选实施方式，第一几何位相全息透镜阵列3和第二几何位相全息透镜阵列5为反射型或透射型。
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种二维和三维可切换显示系统，其特征在于包括：
二维显示器1；
第一圆偏振控制器2；
偏振相关透镜阵列单元，包括依次叠置的第一几何位相全息透镜阵列3、第二圆偏振控制器4和第二几何位相全息透镜阵列5；以及
控制单元，用于将显示模式切换为二维或三维显示，其中，显示模式为二维显示时，控制单元加载二维图像于二维显示器1，控制所述第一圆偏振控制器2将二维显示器1的出射光控制为第一旋向圆偏振光，所述第一旋向圆偏振光经由偏振相关透镜阵列单元后显示为二维图像；显示模式为三维显示时，控制单元加载编码的元素图像阵列于所述二维显示器1，控制所述第一圆偏振控制器2将二维显示器1的出射光控制为第二旋向圆偏振光，所述第二旋向圆偏振光与所述第一旋向圆偏振光的旋向相反，所述第二旋向圆偏振光经由所述偏振相关透镜阵列单元后显示为三维图像。
该系统基于集成成像原理，利用几何位相全息透镜对不同偏振态入射光具有不同等效焦距的特性，使用偏振复用的方法实现二维显示和裸眼三维显示的切换，具有结构简单、全光控制、无需复杂驱动电路、能够应用于诸多场景的优点。
根据本发明又一优选实施方式，所述几何位相全息透镜阵列单元对于第一旋向圆偏振光的焦距为第一焦距，且对于第二旋向圆偏振光的焦距为第二焦距，第一焦距不同于第二焦距。
根据本发明又一优选实施方式，所述第一焦距为无穷大，第二焦距为f′/2，f′为透射型几何位相全息透镜阵列工作在汇聚模式下的(像方)焦距。
根据本发明又一优选实施方式，第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，第二圆偏振控制器4为右旋圆偏振控制器或左旋圆偏振控制器，第一几何位相全息透镜阵列3和第二几何位相全息透镜阵列5用于汇聚或发散所述第一旋向圆偏振光。
根据本发明又一优选实施方式，第一几何位相全息透镜阵列3和第二几何位相全息透镜阵列5为反射型或透射型，二维显示器1叠置于第一圆偏振控制器2。可替换地，第一圆偏振控制器还可位于二维显示器1之后，第一几何位相全息透镜3(偏振相关透镜阵列单元)之前。
根据本发明又一优选实施方式，偏振控制器2与二维显示器1同步工作。
下面进一步详细说明本发明的原理。
常规GPHL的工作原理如图1-2所示，其对于不同偏振态的入射光具有不同的像方焦距，其中011为右旋圆偏振(RCP)入射光，012为左旋圆偏振(LCP)入射光，02为GPHL，031为LCP出射光，032为RCP出射光。规定像方焦距的符号规则为从GPHL与光轴的交点起到像方焦点止，向右为正，向左为负，图中一律标注正值。以图1-2所示的一种透射型GPHL为例，对于RCP入射光011，经GPHL 02调制得到会聚的LCP出射光031，f'为正，如图1所示；对于LCP入射光012，经GPHL 02调制得到发散的RCP出射光032，f'为负，如图2所示。下文以具有上述特征的GPHL进行技术方案的详细论述，包括但不局限于此种GPHL，例如还可采用反射型GPHL。
优选地，基于集成成像原理，利用GPHL阵列(GPHL Array,GPHLA)实现透射型二维和三维可切换显示的系统结构示例如图3-6所示，其中图3为三维示意图，图4为截面图。其中，二维显示器1用于显示二维图像(二维显示模式)或元素图像阵列(三维显示模式)；偏振控制器(第一圆偏振控制器)2用于控制出射光的偏振态；31为第一GPHLA 3中的某一个GPHL；RCP控制器(第二圆偏振控制器)4用于控制出射光始终为RCP光；第二GPHLA 5优选参数与第一GPHLA完全相同，51为第二GPHLA 5中的某一个CPHL且与31对应。第一GPHLA、RCP控制器4和第二GPHLA优选紧密贴合。
图5-6为上述系统的工作原理示意图，为方便起见，只对GPHLA中相对应的一组GPHL31和51进行说明，并将第一GPHLA、RCP控制器4和第二GPHLA之间的缝隙放大。其中11、21和41分别为二维显示器1、偏振控制器2和RCP控制器4中与31和51相对应的部分。
在三维显示模式下，11加载某一元素图像，21将11发出的光的偏振态调整为RCP，然后经31会聚并被转化为LCP光，此时31等效为具有正像方焦距的透镜；LCP光经41又被转化为RCP，然后经51会聚并再次被转化为LCP光，此时51等效为具有正像方焦距的透镜。实际上31、41和51紧密贴合，31和51的间距近似为0，根据组合透镜焦距公式，经21得到的RCP入射光对31、41和51系统的组合焦距约为f'/2。此时第一GPHLA、RCP控制器4和第二GPHLA共同作用，相当于微透镜阵列。
在二维显示模式下，11加载整个二维图像的某一部分，21将11发出的光的偏振态调整为LCP，然后经31发散并被转化为RCP光，此时31等效为具有负像方焦距的透镜；RCP光直接通过41，然后经51会聚并被转化为LCP光，此时51等效为具有正像方焦距的透镜。根据组合透镜焦距公式，经21得到的LCP入射光对31、41和51系统的组合焦距为无穷大。此时第一GPHLA、RCP控制器4和第二GPHLA共同作用，相当于入射光直接透射。
综上，当二维显示器1加载编码的元素图像阵列，偏振控制器2同步输出RCP光时，为三维显示模式；当二维显示器1加载常规二维图像，偏振控制器2同步输出LCP光时，为二维显示模式。因此只需要同步更改二维显示器1中图像的编码方式及偏振控制器2对偏振光的控制形态即可实现二维显示与三维显示的切换。
可以理解的是，在此仅就某一种透射型GPHLA的情况进行了详细说明，对于反射型系统原理相似，不再详细描述。
此外，若使用的透射型GPHLA对不同旋向圆偏振光的作用情况与所给实例恰好相反，即对RCP入射光发散，对LCP入射光汇聚，则第二圆偏振控制器4应为左旋圆偏振控制器。此时由第一GPHLA、RCP控制器4和第二GPHLA组成的偏振相关透镜阵列对RCP入射光透射，即此时二维显示器1应加载二维图像，偏振控制器2同步输出RCP光，系统工作在二维显示模式；对LCP入射光反射，此时二维显示器1应加载元素图像阵列，偏振控制器2同步输出LCP光，系统工作在三维显示模式。
根据本发明又一优选实施方式，第一和第二几何位相全息透镜阵列为透射型。可替换地，采用一片透射型、一片反射型的第一和第二几何位相全息透镜阵列时，透射型的焦距为f'，反射型的焦距应为f'/2，对不同偏振态入射光的组合焦距分别为无穷大和f'/2。f'为透射型几何位相全息透镜阵列工作在汇聚模式(正透镜模式)下的像方焦距。
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
结构简单；全光控制、无需复杂驱动电路；能够应用于诸多场景。
虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维和三维可切换显示方法，其特征在于包括以下步骤：
切换显示模式为二维或三维显示；
其中，显示模式为二维显示时，加载二维图像于二维显示器，第一圆偏振控制器控制二维显示器的出射光为第一旋向圆偏振光，所述第一旋向圆偏振光经由偏振相关透镜阵列单元后显示为二维图像，该偏振相关透镜阵列单元包括依次叠置的第一几何位相全息透镜阵列、第二圆偏振控制器和第二几何位相全息透镜阵列；
显示模式为三维显示时，加载编码的元素图像阵列于所述二维显示器，所述第一圆偏振控制器控制二维显示器的出射光为第二旋向圆偏振光，所述第二旋向圆偏振光与所述第一旋向圆偏振光的旋向相反，所述第二旋向圆偏振光经由所述偏振相关透镜阵列单元后显示为三维图像。
2.根据权利要求1所述的二维和三维可切换显示方法，其特征在于所述偏振相关透镜阵列单元对于第一旋向圆偏振光的焦距为第一焦距，且对于第二旋向圆偏振光的焦距为第二焦距，第一焦距不同于第二焦距。
3.根据权利要求2所述的二维和三维可切换显示方法，其特征在于所述第一焦距为无穷大，第二焦距为f′/2，f′为透射型几何位相全息透镜阵列工作在汇聚模式下的像方焦距。
4.根据权利要求1-3任一项所述的二维和三维可切换显示方法，其特征在于，第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，第二圆偏振控制器为右旋圆偏振控制器或左旋圆偏振控制器，第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列用于汇聚或发散所述第一旋向圆偏振光。
5.根据权利要求1-3任一项所述的二维和三维可切换显示方法，其特征在于第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列为反射型或透射型。
6.一种二维和三维可切换显示系统，其特征在于包括：
二维显示器；
第一圆偏振控制器；
偏振相关透镜阵列单元，包括依次叠置的第一几何位相全息透镜阵列、第二圆偏振控制器和第二几何位相全息透镜阵列；以及
控制单元，用于将显示模式切换为二维或三维显示，其中，显示模式为二维显示时，控制单元加载二维图像于二维显示器，控制所述第一圆偏振控制器将二维显示器的出射光控制为第一旋向圆偏振光，所述第一旋向圆偏振光经由偏振相关透镜阵列单元后显示为二维图像；显示模式为三维显示时，控制单元加载编码的元素图像阵列于所述二维显示器，控制所述第一圆偏振控制器将二维显示器的出射光控制为第二旋向圆偏振光，所述第二旋向圆偏振光与所述第一旋向圆偏振光的旋向相反，所述第二旋向圆偏振光经由所述偏振相关透镜阵列单元后显示为三维图像。
7.根据权利要求6所述的二维和三维可切换显示系统，其特征在于所述几何位相全息透镜阵列单元对于第一旋向圆偏振光的焦距为第一焦距，且对于第二旋向圆偏振光的焦距为第二焦距，第一焦距不同于第二焦距。
8.根据权利要求7所述的二维和三维可切换显示系统，其特征在于所述第一焦距为无穷大，第二焦距为f′/2，f′为透射型几何位相全息透镜阵列工作在汇聚模式下的像方焦距。
9.根据权利要求6-8任一项所述的二维和三维可切换显示系统，其特征在于第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，第二圆偏振控制器为右旋圆偏振控制器或左旋圆偏振控制器，第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列用于汇聚或发散所述第一旋向圆偏振光。
10.根据权利要求6-8任一项所述的二维和三维可切换显示系统，其特征在于第一几何位相全息透镜阵列和第二几何位相全息透镜阵列为反射型或透射型，二维显示器叠置于第一圆偏振控制器。
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