CN113985623A - 一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统。其中，该系统包括沿光路依次设置的准直背光装置、液晶显示屏、非球面柱透镜光栅及全息功能屏。其中，准直背光装置用于发出定向光线，液晶显示屏用于对定向光线进行首次调制，以得到调制后的光线；非球面柱透镜光栅用于对调制后的光线进行折射调节，以及产生分布均匀的出射光线；全息功能屏用于对分布均匀的出射光线进行二次调制，并形成三维显示视区。本发明基于非球面柱透镜光栅有效改变了光线在柱透镜上的出射位置，从而产生分布均匀的出射光线，进而达到构建均匀分布的视点的目的；本发明提供的三维光场显示系统能够满足多人同时观看的需求，用户体验极佳。
Description
技术领域
本发明涉及三维光场显示技术领域，更为具体来说，本发明能够提供一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统。
背景技术
目前，三维光场显示技术是三维显示领域研究的热点。通过三维光场显示可再现三维场景在空间中的光线分布和显示真实、自然的三维图像。以电子沙盘应用场景为例，通过在电子沙盘上显示高质量的三维地理地形图像，能够帮助用户更加形象、具体地判断地理结构和地形细节，以有效提高工作的效率和精确性，在地理地形勘测、地图导航、交通管制等领域应用非常广泛。
但是，由于球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等透镜像差存在，使得经过标准透镜的光线无法会聚成一个点，而是形成一个尺寸较大的弥散斑的形状，从而导致传统的三维光场显示技术存在构建的视点分布不均匀的问题，在观看区域中间位置视点间距小、分布较密集，而在观看区域边缘的位置视点间距大、分布较稀疏。视点分布的不均匀会直接导致不同位置的观看者看到不同数目的视差图像，所获得的立体效果不同，不利于多人同时观看。另外，视点分布的不均匀还导致观看者在移动时获得图像的运动视差过渡不够均匀平滑，用户体验不佳。
发明内容
为解决现有三维光场显示技术存在的视点分布不均匀的问题，本发明提供了一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统，以达到提高视点分布均匀性和满足多人观看等技术目的。
为实现上述的技术目的，本发明提供了一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统，该系统可包括但不限于沿光路依次设置的准直背光装置、液晶显示屏、非球面柱透镜光栅及全息功能屏。
准直背光装置，用于发出定向光线。
液晶显示屏，用于对定向光线进行首次调制，以得到调制后的光线。
非球面柱透镜光栅，用于对调制后的光线进行折射调节，并产生分布均匀的出射光线。
全息功能屏，用于对分布均匀的出射光线进行二次调制，并形成三维显示视区。
进一步地，非球面柱透镜光栅，包括并行设置的多个非球面柱透镜。
非球面柱透镜，具有第一凸面和第二凸面；其中，第一凸面朝向液晶显示屏，第二凸面朝向全息功能屏。
进一步地，第一凸面，用于对调制后的光线进行首次折射调节，以及使首次折射调节后的光线在第二凸面对应的基准平面上的投影间距相同。
第二凸面，用于对首次折射调节后的光线进行二次折射调节，并产生分布均匀的出射光线。
进一步地，第一凸面，包括对称设置的第一弧面和第二弧面；第一弧面与第二弧面结构相同。第二凸面，包括对称设置的第三弧面和第四弧面；第三弧面与第四弧面结构相同。
进一步地，第一凸面与第二凸面之间的最大距离为第一公共线与第二公共线之间的最大距离；其中第一公共线为第一弧面与第二弧面的公共线，第二公共线为第三弧面与第四弧面的公共线。
进一步地，第一凸面与第二凸面曲率半径不同。
进一步地，第一凸面与第二凸面圆锥系数不同。
进一步地，该系统还包括：光学偏折膜，沿光路设置于非球面柱透镜光栅与全息功能屏之间，用于对分布均匀的出射光线进行偏折。
进一步地，准直背光装置，包括依次设置的光源和菲涅尔透镜。
光源，用于发出散射光线。
菲涅尔透镜，用于对散射光线进行折射后形成定向光线。
进一步地，光源为发光二极管光源。
本发明的有益效果为：本发明基于非球面柱透镜光栅有效改变了光线在柱透镜上的出射位置，从而产生分布均匀的出射光线，进而达到构建均匀分布的视点的目的，即在观看区域中间位置和在观看区域边缘的位置视点分布密度几乎完全相同，不同位置的观看者将会看到数目几乎相同的视差图像，从而获得同样的立体效果，进而满足多人同时观看的需求。而且，本发明提供均匀分布的视点保证观看者在移动时可获得非常均匀平滑的运动视差，用户体验极佳。
附图说明
图1示出了本发明一个或多个实施例中的用于视点均匀分布的三维光场显示系统正面剖视结构示意图。
图2示出了本发明一个或多个实施例中的用于视点均匀分布的三维光场显示系统侧面剖视结构示意图。
图3示出了本发明一个或多个实施例中的非球面柱透镜截面的结构示意图。
图4示出了本发明一个或多个实施例中的非球面柱透镜具体参数的示意图。
图5示出了本发明实施例中的柱透镜优化原理的示意图。
图6示出了本发明一个或多个实施例中的三维光场显示系统优化前(左)和优化后(右)的空间视点分布示意图。
图中，
100、光源。
101、菲涅尔透镜。
200、液晶显示屏。
300、非球面柱透镜光栅。
310、第一凸面。311、第一弧面。312、第二弧面。
320、第二凸面。321、第三弧面。322、第四弧面。
400、光学偏折膜。
500、全息功能屏。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统进行详细的解释和说明。
为解决传统三维光场显示技术存在的视点分布不均匀、不同位置观察者看到的视差图像数量不同、观看者在运动时获得图像的运动视差过渡不平滑等问题，本发明提供了一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统。应当理解的是，本发明中的视点是指不同体像素发出的光线在空间中交汇后所形成的能够观看到正确视差图像的交汇位置称为视点，例如图1中最上方交汇的点。本发明涉及的视差图像是指通过模拟人眼立体视觉对同一场景从不同角度拍摄时获得的两幅或多幅具有视差的图像称为视差图像。本发明所涉及的体像素是指在三维光场显示中表征三维物体上的发光物点，体像素向不同方向发出的光线具有不同的颜色、强度等信息。
如图1、2所示，本发明实施例具体能够提供一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统，该光场显示系统可包括但不限于沿光路依次设置的准直背光装置、液晶显示屏200、非球面柱透镜光栅300及全息功能屏500。
准直背光装置可用于发出定向光线。具体地，本发明实施例中的准直背光装置包括依次设置的光源100和菲涅尔透镜101。光源100能够用于发出散射光线，而菲涅尔透镜101可用于对散射光线进行折射后形成定向光线。本发明实施例中散射光线在经过菲涅尔透镜101时发生折射，成为竖直方向上的定向光线。本实施例中的光源100具体为发光二极管(LED，Light-Emitting Diode)光源。光源100具体设置于菲涅尔透镜101的焦点处，以照亮整个菲涅尔透镜101。
液晶显示屏200可用于对照射其上的定向光线进行首次调制，以得到调制后的光线；液晶显示屏200即LCD(Liquid Crystal Display)显示屏。本发明实施例中竖直方向上的定向光线穿过液晶显示屏200，由于在液晶显示屏200上显示着经过编码后的合成图像，光线在穿过液晶显示屏200时会携带显示屏中对应像素的颜色和强度信息，以用于在空间中重现三维图像。本发明中的合成图像是指利用一定的编码映射规则，将视差图像上的相应像素编码映射到一张图像上以及在液晶显示屏上进行显示，该图像称为合成图像。
非球面柱透镜光栅300，用于对调制后的光线进行折射调节，并产生分布均匀的出射光线。本发明携带显示屏中对应像素的颜色和强度信息的调制后的光线遇到非球面柱透镜光栅300时发生折射。
具体地，非球面柱透镜光栅300包括并行设置的多个非球面柱透镜，非球面柱透镜可具有第一凸面310和第二凸面320，即非球面柱透镜的两个侧面，例如前侧面和后侧面；其中，第一凸面310朝向液晶显示屏200，第二凸面320朝向全息功能屏500。第一凸面310可用于对调制后的光线进行首次折射调节，以及使首次折射调节后的光线在第二凸面320对应的基准平面上的投影间距相同。本发明的第二凸面320用于对首次折射调节后的光线进行二次折射调节，并产生分布均匀的出射光线。
如图3所示，并可结合图4，为进一步说明本发明中非球面柱透镜的结构，本发明实施例中第一凸面310包括对称设置的第一弧面311和第二弧面312，对称面可为穿过柱透镜中心的平面(如图3虚线所示)；第一弧面311与第二弧面312两者结构完全相同；第二凸面320包括对称设置的第三弧面321和第四弧面322，对称面可为穿过柱透镜中心的平面(如图3虚线所示)；第三弧面321与第四弧面322结构相同。第一凸面310与第二凸面320之间的最大距离为第一公共线与第二公共线之间的最大距离；其中第一公共线为第一弧面311与第二弧面312的公共线，第二公共线为第三弧面321与第四弧面322的公共线。第一凸面310与第二凸面320曲率半径不同。第一凸面310与第二凸面320圆锥系数不同，本发明在后续内容中示例了具体的曲率半径和圆锥系数。
如图5所示，入射光线与柱透镜主光轴平行，且入射光线均匀分布，相邻的光线之间具有相同的间隔Δd1，光线在柱透镜前后表面发生折射，最后出射并会聚到焦点处。为使出射光线均匀分布、会聚为一点，本发明优化柱透镜结构过程中在降低像差的同时更关键在于使光线在水平方向上的间距Δd2相等，即首次折射调节后的光线在第二凸面320对应的基准平面上的投影间距Δd2相同。
θn＝θ/2
di＝|i|*Δd2＝ftanθi
其中，f表示柱透镜的焦距，di表示光线ri在柱透镜上的出射位置与柱透镜主光轴之间的距离；θ表示观看视角，即本发明实施例中的柱透镜边缘出射光线之间的最大夹角，r0、r1、r-1、……、rn、r-n表示共2n+1条光线，θ0、θ1、θ-1、……、θn、θ-n表示各个出射光线与透镜主光轴之间的夹角。
本发明确定优化后的柱透镜参数的限制条件为上述的θi，本发明通过下述偶次非球面的表达式分别来描述待进行优化的柱透镜的前表面和后表面。
其中，c＝1/r表示非球面基准面的曲率，r表示基准面的曲率半径，k表示非球面的圆锥系数，α2、α4、α6……表示非球面的高阶系数。
应当理解的是，本发明在优化过程中，可将非球面的曲率半径、圆锥系数以及前后表面的距离都设为变量，采用阻尼最小二乘法对像差和出射光线角度进行优化，经过多次迭代后，计算出最优的结果。
如图4所示，本发明实施例给出了一种优化后的非球面柱透镜结构的具体的参数信息。
其中，对于非球面柱透镜的前表面，即第一弧面311，且第一弧面311的曲率半径r1为0.198mm，圆锥系数k1为-10.095，高阶系数α1为5.091；对于非球面柱透镜的后表面，即第二弧面312，且第二弧面312的曲率半径r2为-0.043mm，圆锥系数k2为-5.023，高阶系数α2为0.733；该非球面柱透镜折射率n＝1.5168，其主光轴方向的最大厚度为0.072mm，最大高度为0.16mm。
全息功能屏500，用于对分布均匀的出射光线进行二次调制，并形成三维显示视区。本发明折射后的分布均匀的出射光线在全息功能屏500上的焦点处会聚。具体地，本发明实施例中的全息功能屏500为定向扩散膜，该定向扩散膜用于对出射光线进行调制，从而使出射光线在空间中以一定角度进行扩散。
本发明实施例中的用于视点均匀分布的三维光场显示系统还可包括光学偏折膜400。光学偏折膜400沿光路设置于非球面柱透镜光栅300与全息功能屏500之间，用于对分布均匀的出射光线进行偏折。即本实施例在折射后的分布均匀的出射光线进行会聚前对出射光线的方向进行调整，以适于用户观看；本实施例将出射光线的方向偏折至正前方。
本发明基于在全息功能屏500上会聚的出射光线构建体像素，体像素能够向不同方向发出携带有不同视点信息(包括但不限于颜色信息和强度信息)的光线，以此来表征三维物体上的发光物体。对于同一个体像素，观看者在不同的观看位置可接收到具有不同视点信息的光线，而且所有体像素发出的光线共同重构出三维物体的光场分布，从而再现真实、自然的3D影像、形成立体感。
如图6所示，以观看视角为100°、观看距离为500mm为例对比优化前后的视点空间分布，可见本发明所提供的基于非球面柱透镜的三维光场显示系统具有更均匀的视点分布。本发明提供的三维光场显示系统在观看区域内的任何位置相邻视点间距都近似相等，观看者在观看区域内的任何位置都能获得同等质量的3D图像，且达到平滑的运动视差过渡的目的。
综上所述，本发明基于通过优化得到的非球面柱透镜光栅有效改变了光线在柱透镜上的出射位置，本发明实施例产生分布均匀的出射光线，使出射光线近乎会聚于焦点处，进而达到构建均匀分布的视点的目的，即在观看区域中间位置和在观看区域边缘的位置视点分布密度几乎完全相同，以避免现有三维光场显示系统中存在的观看区域中间位置视点间距小且密集、但观看区域边缘附近位置视点间距大且稀疏的问题，不同位置的观看者将会看到数目几乎相同的视差图像，从而获得同样的立体效果，进而满足多人同时观看的需求。而且，本发明提供均匀分布的视点保证观看者即使在移动时也可获得非常均匀平滑的运动视差，用户体验极佳。
另外，本发明所提供的用于视点均匀分布的三维光场显示系统可用于电子沙盘等场景，从而为用户提供视点分布均匀的高质量的三维地理地形图像。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的准直背光装置、液晶显示屏、非球面柱透镜光栅及全息功能屏；
所述准直背光装置，用于发出定向光线；
所述液晶显示屏，用于对所述定向光线进行首次调制，以得到调制后的光线；
所述非球面柱透镜光栅，用于对所述调制后的光线进行折射调节，并产生分布均匀的出射光线；
所述全息功能屏，用于对所述分布均匀的出射光线进行二次调制，并形成三维显示视区。
2.根据权利要求1所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述非球面柱透镜光栅，包括并行设置的多个非球面柱透镜；
所述非球面柱透镜，具有第一凸面和第二凸面；其中，所述第一凸面朝向所述液晶显示屏，所述第二凸面朝向所述全息功能屏。
3.根据权利要求2所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述第一凸面，用于对所述调制后的光线进行首次折射调节，以及使首次折射调节后的光线在第二凸面对应的基准平面上的投影间距相同；
所述第二凸面，用于对首次折射调节后的光线进行二次折射调节，并产生所述分布均匀的出射光线。
4.根据权利要求3所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述第一凸面，包括对称设置的第一弧面和第二弧面；所述第一弧面与所述第二弧面结构相同；
所述第二凸面，包括对称设置的第三弧面和第四弧面；所述第三弧面与所述第四弧面结构相同。
5.根据权利要求4所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述第一凸面与所述第二凸面之间的最大距离为第一公共线与第二公共线之间的最大距离；其中所述第一公共线为所述第一弧面与所述第二弧面的公共线，所述第二公共线为第三弧面与所述第四弧面的公共线。
6.根据权利要求2所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述第一凸面与所述第二凸面曲率半径不同。
7.根据权利要求2所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述第一凸面与所述第二凸面圆锥系数不同。
8.根据权利要求1所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，还包括：
光学偏折膜，沿光路设置于所述非球面柱透镜光栅与所述全息功能屏之间，用于对所述分布均匀的出射光线进行偏折。
9.根据权利要求1所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述准直背光装置，包括依次设置的光源和菲涅尔透镜；
所述光源，用于发出散射光线；
所述菲涅尔透镜，用于对所述散射光线进行折射后形成所述定向光线。
10.根据权利要求9所述的用于视点均匀分布的三维光场显示系统，其特征在于，
所述光源为发光二极管光源。
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