CN113325601B - 一种高视点密度光场立体显示装置 - Google Patents

Abstract

为解决传统光场立体显示装置在高视点密度条件下立体图像分辨率降低的问题，本发明提出了一种高视点密度光场立体显示装置。该装置由方向可调平面光源、衍射光栅阵列、透明液晶显示面板、垂直散射层从后至前依次放置构成；方向可调平面光源发射光波的光波前为一平面，且光线方向可调；衍射光栅阵列由大量衍射光栅片构成；每一衍射光栅片的非0级主极大用于子像素投射，可在一个较小观看范围内实现高密度的视点分布，并形成立体显示；方向可调平面光源可改变衍射光栅的入射光方向，从而使得视点位置移动以覆盖较大的观看范围。最终，本发明可以在保证观看范围和图像分辨率的条件下，实现高视点密度的光场立体显示。

Description

一种高视点密度光场立体显示装置

技术领域

本发明属于立体显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高视点密度光场立体显示装置。

背景技术

平板光场立体显示装置通过在空间中形成密度较高的视点排布以形成连续视差，从而提供真立体3D显示。其通常其采用柱透镜光栅、狭缝光栅、透镜阵列等方式实现高密度的视点排布。然而，在观看范围保持不变的条件下，视点密度的提高使得总视差图像的数量急剧提升，其最终导致立体图像分辨率的降低。为此，本发明提出了一种高视点密度的光场立体显示装置。该高视点密度的光场立体显示装置利用方向可调平面光源及衍射光栅在观看范围保持不变的条件下实现高视点密度的光场立体显示。具体的，其利用衍射光栅的光栅衍射原理，在一个较小观看范围内实现高密度的视点分布；进一步的，利用方向可调平面光源，使衍射光栅的入射光方向改变，从而改变光栅衍射方向以覆盖较大的观看范围。最终，本发明可以在保证观看范围和图像分辨率的条件下，实现高视点密度的光场立体显示。

发明内容

为解决传统光场立体显示装置在观看范围保持不变的条件下，视点密度的提高使得总视差图像的数量急剧提升，其最终导致立体图像分辨率的降低的问题，本发明提出了一种高视点密度光场立体显示装置。

该高视点密度光场立体显示装置由方向可调平面光源、衍射光栅阵列、透明液晶显示面板、垂直散射层从后至前依次放置构成。

可选的，衍射光栅阵列可放置于透明液晶显示面板之前。

方向可调平面光源发射光波的光波前为一平面，即其发射光线的方向相互平行。方向可调平面光源其发射的光线方向可调，且其在水平方向上以斜入射方式入射至衍射光栅阵列。

优选的，方向可调平面光源由相干光源阵列及透镜阵列构成。

可选的，方向可调平面光源由相干平面光源及液晶棱镜构成。

优选地，由方向可调平面光源入射至衍射光栅片的光线入射角大于30度。

衍射光栅阵列由大量衍射光栅片构成，各衍射光栅片的狭缝在水平方向上排列。每一衍射光栅片与透明液晶显示面板上的一个子像素对应，其衍射发射的光线穿过与之对应的子像素。设入射到衍射光栅片上的平行光束其入射角为i，光栅常数为d，则其衍射方向α满足：d(sini+sinα)=kλ，其中λ为入射光波长，k为任意整数；衍射光栅片具有N条狭缝，在k及k+1级主极大之间存在N-1条暗纹。

这些衍射光栅片的非0级主极大将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置。

透明液晶显示面板具有低散射系数，不改变光线传播方向。

垂直散射层在垂直方向上散射光线。

本发明在保证观看范围和图像分辨率的条件下，实现高视点密度的光场立体显示的原理如下：

方向可调平面光源发射的光波前为一平面的光波以相同的水平入射角i入射至衍射光栅阵列上的各个衍射光栅片。衍射光栅阵列上的各个衍射光栅片的狭缝在水平方向上排列，因此其可以在水平方向上形成光栅衍射。每一衍射光栅片与透明液晶显示面板上的一个子像素对应，其衍射发射的光线穿过与之对应的子像素。这些衍射光栅片的非0级主极大将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置。垂直散射层使得人眼在视点的垂直方向上能够看到与之对应的视差图像。

具体的，设入射到衍射光栅片上的平行光束其入射角为i，光栅常数为d，则其衍射方向α满足：d(sini+sinα)=kλ。

当k=0时，为衍射0级主极大。有i=-α，此时光线按原入射方向进行衍射。又因方向可调平面光源在水平方向上以斜入射方向入射至衍射光栅阵列，且其入射角较大，故0级主极大不参与显示。

当k≠0时，对k级主极大，有sinα=kλ/d-sini。因对于衍射光栅阵列中的任意衍射光栅片具有相同的入射角i，则通过设置不同的光栅常数d，可将光线衍射至不同的空间方向，从而使得这些衍射光栅片的非0级主极大将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置。故非0级主极大用于形成立体显示。

进一步的，因衍射光栅片具有N条狭缝，在k及k+1级主极大之间存在N-1条暗纹，则当N的数目越多，暗纹数目也就越多，最终k级主极大的宽度也就越小。又因非0级主极大将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置，则该视点的观看范围也就越小，因此相对于采用柱透镜光栅、狭缝光栅等传统方式，本发明可以通过设置较大的衍射光栅狭缝数目N，以使每个视点均具有较小的观看范围，从而在单位空间距离上设置更多的视点数目，从而提高视点密度。

最后，方向可调平面光源其发射的光线方向可调。则对k级主极大，根据sinα=kλ/d-sini，可在通过改变光线入射角i，使得衍射角α发生变化，且因kλ/d参数不变，各视点间的相对位置保持不变。因此本发明可以通过时分复用地以较大角度改变入射角i，以增大本发明的观看范围。在保证观看范围的条件下，实现高视点密度的光场立体显示。此外，因同一时刻下只有唯一的光线入射角i，即在较小范围内具有少量视点分布并进行图像显示，因此本发明相对于传统模式下同时在空间中提供大量视点的方式，可以具有较高的图像分辨率。

综上所述，本发明可以通过非0级主极大规律sinα=kλ/d-sini实现立体显示，在此过程中，利用设置较大的狭缝数目N，以获得较高的视点密度；同时，本发明利用方向可调平面光源其发射的光线方向可调的特性，通过时分复用的改变入射角i，以获得较大的观看范围；在上述过程中，同一时刻只有唯一的光线入射角i，即在较小范围内具有视点分布，因此可以具有较高的图像分辨率。最终，本发明可以在保证观看范围和图像分辨率的条件下，实现高视点密度的光场立体显示。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明的衍射原理示意图。

图标：100-相干光源阵列；101-打开的相干光源；102-关闭的相干光源；200-透镜阵列；300-衍射光栅阵列；400-透明液晶显示面板；500-垂直散射层；601-第一视点；602-第二视点；603-第三视点；604-第四视点；700-衍射光栅入射光线；801-0级主极大光线；802-非0级主极大光线；301-衍射光栅片；800-衍射光线。

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

图1为本实施例提供的高视点密度光场立体显示装置的结构示意图。图中，x方向为空间中的水平方向，y方向为空间中的垂直方向，z方向为与x-y平面垂直的方向。

该高视点密度光场立体显示装置由方向可调平面光源、衍射光栅阵列300、透明液晶显示面板400、垂直散射层500从后至前依次放置构成。

请参考图1，方向可调平面光源由相干光源阵列100及透镜阵列200构成。相干光源阵列100中包含多个相干光源，其放置于透镜阵列200的焦距位置处。相干光源阵列中部分相干光源打开，其余相干光源关闭。任意时刻，打开的相干光源101发射的光线可通过透镜阵列200形成光波前为一平面的光波，即其发射光线的方向相互平行。当打开的相干光源101关闭，而选择打开其它部分关闭的相干光源102时，通过透镜阵列200出射光线方向发生改变，但仍保持平行。相邻透镜间可设置挡光板，以保证打开的相干光源101发射的光线不会通过相邻的透镜出射。相干光源阵列100中，由任意相干光源经透镜阵列200入射至衍射光栅片301上的光线入射角大于30度。

请参考图1，衍射光栅阵列300由大量衍射光栅片301构成，各衍射光栅片301的狭缝在水平方向上排列。每一衍射光栅片301与透明液晶显示面板400上的一个子像素对应，其衍射发射的光线穿过与之对应的子像素。

请参考图2，设入射到衍射光栅片301上的平行光束其入射角为i，光栅常数为d，则其衍射方向α满足：d(sini+sinα)=kλ，其中λ为入射光波长；衍射光栅片具有N条狭缝，在k及k+1主极大之间存在N-1条暗纹。

请参考图1，这些衍射光栅片301的非0级主极大光线802将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置。本实施例中在水平方向上一共形成了4个视点，分别为第一视点601、第二视点602、第三视点603及第四视点604。

透明液晶显示面板400具有低散射系数，不改变光线传播方向。

垂直散射层500由柱透镜光栅构成，光栅在垂直方向上排列，故其可在垂直方向上散射光线。

本实施例在保证观看范围和图像分辨率的条件下，实现高视点密度的光场立体显示的原理如下：

请参考图1和图2，方向可调平面光源发射的光波前为一平面的光波以相同的水平入射角i入射至衍射光栅阵列300上的各个衍射光栅片301。

请参考图2，衍射光栅阵列300上的各个衍射光栅片301的狭缝在水平方向上排列，因此其可以在水平方向上形成光栅衍射。

请参考图1，每一衍射光栅片301与透明液晶显示面板400上的一个子像素对应，其衍射发射的光线穿过与之对应的子像素。这些衍射光栅片301的非0级主极大光线802将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置。具体的，透明液晶显示面板400上左起第一子像素、第五子像素被投射至第一视点601；左起第二子像素、第六子像素被投射至第二视点602；左起第三子像素、第七子像素被投射至第三视点603；左起第四子像素、第八子像素被投射至第四视点604。

垂直散射层500由柱透镜光栅构成，光栅在垂直方向上排列，故其可在垂直方向上散射光线。因此，垂直散射层500使得人眼在视点的垂直方向上能够看到与之对应的视差图像。

请参考图2，具体的，设入射到衍射光栅片301上的平行光束其入射角为i，光栅常数为d，则其衍射光线800的衍射方向α满足：d(sini+sinα)=kλ。

当k=0时，为衍射0级主极大。有i=-α，此时光线按原入射方向进行衍射。又因相干光源阵列100中，由任意相干光源经透镜阵列200入射至衍射光栅阵列300上的衍射光栅入射光线700入射角大于30度，其入射角较大，人在面向高视点密度光场立体显示装置正负30度的范围内均无法看到0级主极大光线801，故0级主极大不参与显示。

当k≠0时，对k级主极大，有sinα=kλ/d-sini。对于衍射光栅阵列300中的任意衍射光栅片301具有相同的入射角i，则通过设置不同的光栅常数d，可将光线衍射至不同的空间方向，从而使得这些衍射光栅片的非0级主极大将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置。故非0级主极大用于形成立体显示。

具体的，以某一红色子像素的衍射情况为例，设红色子像素彩色滤光片允许通过的光束波长为650 nm，入射角i=45度，光栅常数d为700 nm，则在k=1时，其1级主极大的投射方向满足sinα=λ/d-sini，即以出射角α=-12.79度进行出射，该1级主极大用于立体显示。

进一步的，因衍射光栅片301具有N=8条狭缝，在1及2级主极大之间存在N-1=7条暗纹，则当N的数目越多，暗纹数目也就越多，最终1级主极大的宽度也就越小。又因该1级主极大将属于同一视差图像的子像素投射至同一视点位置，则该视点的观看范围就越小，因此相对于采用柱透镜光栅、狭缝光栅等传统方式，本发明可以通过设置较大的衍射光栅狭缝数目N，以使每个视点均具有较小的观看范围，从而在单位空间距离上设置更多的视点数目，从而提高视点密度。

最后，方向可调平面光源其发射的光线方向可调。则对1级主极大，有k=1，根据sinα=λ/d-sini，可在通过改变光线入射角i，使得衍射角α发生变化，且因λ/d参数不变，各视点间的相对位置保持不变。因此本发明可以通过时分复用地点亮相干光源阵列100中的部分相干光源，改变入射角i，以增大本发明的观看范围。从而在保证观看范围的条件下，实现高视点密度的光场立体显示。此外，因同一时刻下只有唯一的光线入射角i，即在较小范围内具有少量的4视点分布并进行图像显示，即显示的图像像素数目为透明液晶显示面板的1/4，因此本发明相对于传统模式下同时在空间中提供大量视点的方式，可以具有较高的图像分辨率。

综上所述，本实施例可以通过1级主极大规律sinα=λ/d-sini实现立体显示，在此过程中，利用设置较大的狭缝数目N，以获得较高的视点密度；同时，本发明利用方向可调平面光源其发射的光线方向可调的特性，通过时分复用的改变入射角i，以获得较大的观看范围；在上述过程中，同一时刻只有唯一的光线入射角i，即在较小范围内具有较少的4个视点分布，因此可以具有较高的图像分辨率。最终，本发明可以在保证观看范围和图像分辨率的条件下，实现高视点密度的光场立体显示。

Claims (5)

1.一种高视点密度光场立体显示装置，其特征在于：该高视点密度光场立体显示装置由方向可调平面光源、衍射光栅阵列、透明液晶显示面板、垂直散射层从后至前依次放置构成；方向可调平面光源发射光波的光波前为一平面；方向可调平面光源其发射的光线方向可调，且其在水平方向上以斜入射方式入射至衍射光栅阵列；衍射光栅阵列由数量匹配于透明液晶显示面板子像素的衍射光栅片构成，各衍射光栅片的狭缝在水平方向上排列；每一衍射光栅片与透明液晶显示面板上的一个子像素对应，其衍射发射的光线穿过与之对应的子像素；设入射到衍射光栅片上的平行光束其入射角为 i，光栅常数为 d，则其衍射方向α满足： d(sin i+sin α)= kλ，其中λ为入射光波长；衍射光栅片具有 N条狭缝，在 k及 k+1主极大之间存在 N-1条暗纹；与同一视差图像的不同子像素对应的衍射光栅片具有不同的光栅常数d，以使得这些衍射光栅片的非0级主极大将属于同一视差图像的不同子像素投射至同一视点位置；同一时刻，该高视点密度光场立体显示装置提供大于等于2个视点位置；透明液晶显示面板具有低散射系数，不改变光线传播方向；垂直散射层在垂直方向上散射光线；时分复用地，调节方向可调平面光源所发射的光线方向，即入射到衍射光栅片上的平行光束入射角i，以增大本装置的观看范围。

2.如权利要求1所述的一种高视点密度光场立体显示装置，其特征在于：衍射光栅阵列放置于透明液晶显示面板之前。

3.如权利要求1所述的一种高视点密度光场立体显示装置，其特征在于：方向可调平面光源由相干光源阵列及透镜阵列构成。

4.如权利要求1所述的一种高视点密度光场立体显示装置，其特征在于：方向可调平面光源由相干平面光源及液晶棱镜构成。

5.如权利要求1所述的一种高视点密度光场立体显示装置，其特征在于：由方向可调平面光源入射至衍射光栅片的光线入射角大于30度。

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