CN115236870A - 一种基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，包括光源、显示源、分光棱镜阵列和柱透镜光栅阵列，显示源设于光源的外侧，分光棱镜阵列包括有并排布设于显示源外侧的多个分光棱镜，柱透镜光栅阵列包括有并排布设于分光棱镜阵列外侧的多个柱透镜，分光棱镜为三棱镜，分光棱镜的底面与显示源平行设置，光源发出的光线经过显示源入射至分光棱镜的底面，再经过分光棱镜形成两束不同角度光线，两束不同角度光线分别穿设柱透镜光栅阵列后，在两个方向上形成具有视差的观看区域，进而在两个观看区域内同时产生三维显示图像。本发明能充分利用显示设备横纵方向上的子像素构筑视点，并在两个互不干扰的观看视区范围内呈现良好三维显示效果。
Description
技术领域
本发明涉及三维显示系统，尤其涉及一种基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置。
背景技术
近年来，三维显示技术发展迅速，基于光栅的光场三维显示技术逐渐成熟，通过利用各类光学器件和显示折别产生定向光线，不需要借助任何辅助设备即可还原出原始三维场景的光场分布。观看者可以在空间中不同的观看位置看到不同视角下的三维图像，相比于传统的二维显示更具真实感。
现有技术中，基于柱透镜光栅的3D显示技术能够将显示设备上不同像素的光线调制到某一方向，将不同视角的图像呈现在固定的视区范围内。其显示图像在与视点分布方向垂直的方向上分辨率保持不变，而在视点分布方向上的分辨率降低显著，且通常只能实现视角较小的3D显示，难以同时为多人观看提供良好的立体观看体验。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种能够充分利用显示设备横纵方向上的子像素构筑视点、能够在两个互不干扰的观看视区范围内呈现良好三维显示效果的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，其包括有光源、显示源、分光棱镜阵列和柱透镜光栅阵列，所述显示源设于所述光源的外侧，所述分光棱镜阵列包括有并排布设于所述显示源外侧的多个分光棱镜，所述柱透镜光栅阵列包括有并排布设于所述分光棱镜阵列外侧的多个柱透镜，所述分光棱镜为三棱镜，所述分光棱镜的底面与所述显示源平行设置，所述光源发出的光线经过所述显示源入射至所述分光棱镜的底面，再经过所述分光棱镜形成两束不同角度光线，两束不同角度光线分别穿设所述柱透镜光栅阵列后，在两个方向上形成具有视差的观看区域，进而在两个观看区域内同时产生三维显示图像。
优选地，所述显示源用于提供图像源，所述图像源包括原始三维场景信息的编码图像。
优选地，每个分光棱镜的底面覆盖所述显示源编码图像的偶数个子像素，所述分光棱镜用于将其覆盖的偶数个子像素光线偏折为两个不同方向的第一方向出射光和第二方向出射光。
优选地，所述分光棱镜的两个底角记为θ1，所述第一方向出射光和第二方向出射光与所述分光棱镜两个斜面的垂线方向夹角均记为θ2，空气的折射率记为n空，所述分光棱镜的折射率记为n棱镜，则有：n空sinθ1＝n棱镜sinθ2
优选地，多个分光棱镜的排布方向与多个柱透镜的排布方向之间的夹角记为α，则有：α≠0°。
优选地，所述分光棱镜阵列的尺寸和所述柱透镜光栅阵列的尺寸均与所述显示源的尺寸相同。
本发明公开的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置中，所述光源发出的光线经过显示源后，再经过所述分光棱镜形成两束不同出射角度的光线，两束不同角度的光线再通过所述柱透镜光栅阵列，在光线出射的两个方向上形成具有视差的观看区域，分别为两个观看区域内的观看者提供三维显示图像，并使得两个观看区域互不干扰。相比现有技术而言，本发明能够充分利用显示设备横纵方向上的子像素构筑视点，并且在两个互不干扰的观看视区范围内呈现出良好三维显示效果，较好地满足了应用需求。
附图说明
图1为本发明三维光场显示装置的结构示意图一；
图2为分光棱镜的截面图；
图3为分光棱镜的立体图；
图4为显示源和分光棱镜阵列的结构示意图；
图5为显示源、分光棱镜阵列和柱透镜光栅阵列的结构示意图；
图6为本发明三维光场显示装置的结构示意图二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，结合图1至图6所示，其包括有光源1、显示源2、分光棱镜阵列3和柱透镜光栅阵列4，所述显示源2设于所述光源1的外侧，所述分光棱镜阵列3包括有并排布设于所述显示源2外侧的多个分光棱镜30，所述柱透镜光栅阵列4包括有并排布设于所述分光棱镜阵列3外侧的多个柱透镜40，所述分光棱镜30为三棱镜，所述分光棱镜30的底面与所述显示源2平行设置，所述光源1发出的光线经过所述显示源2入射至所述分光棱镜30的底面，再经过所述分光棱镜30形成两束不同角度光线，两束不同角度光线分别穿设所述柱透镜光栅阵列4后，在两个方向上形成具有视差的观看区域，进而在两个观看区域内同时产生三维显示图像。
上述装置中，所述光源1发出的光线经过显示源2后，再经过所述分光棱镜30形成两束不同出射角度的光线，两束不同角度的光线再通过所述柱透镜光栅阵列4，在光线出射的两个方向上形成具有视差的观看区域，分别为两个观看区域内的观看者提供三维显示图像，并使得两个观看区域互不干扰。相比现有技术而言，本发明能够充分利用显示设备横纵方向上的子像素构筑视点，并且在两个互不干扰的观看视区范围内呈现出良好三维显示效果，较好地满足了应用需求。
本实施例中，所述显示源2用于提供图像源，所述图像源包括原始三维场景信息的编码图像。
作为一种优选方式，所述分光棱镜30优选为三棱镜，其底面覆盖所述显示源2的一定区域，具体地，在本实施例中，每个分光棱镜30的底面覆盖所述显示源2编码图像的偶数个子像素，所述分光棱镜30用于将其覆盖的偶数个子像素光线偏折为两个不同方向的第一方向出射光和第二方向出射光。
实际应用中，所述分光棱镜30的斜面(坡面)角度决定所述分光棱镜阵列3出射光线的方向和角度，且所述分光棱镜30两束出射光线的方向和入射光线的方向满足折射定律。对此，在本实施例中：
所述分光棱镜30的两个底角记为θ1，所述第一方向出射光和第二方向出射光与所述分光棱镜30两个斜面的垂线方向夹角均记为θ2，空气的折射率记为n空，所述分光棱镜30的折射率记为n棱镜，则有：n空sinθ1＝n棱镜sinθ2。
在本实施例中，当所述分光棱镜阵列3中的多个分光棱镜30坡面角度以及横截面所覆盖的子像素数目均为已知数据时，所述显示源2上的子像素经过所述分光棱镜阵列3后形成第一方向出射光与第二方向出射光，该第一方向出射光与第二方向出射光为两束确定方向的出射光线。
实际应用中，为了在两个观看区域内呈现具有视差的三维显示图像，利用柱透镜光栅阵列4将从分光棱镜阵列3出射的光线进一步折射到不同视点位置。对此，在本实施例中，多个分光棱镜30的排布方向与多个柱透镜40的排布方向之间的夹角记为α，则有：α≠0°。
所述分光棱镜阵列3的尺寸和所述柱透镜光栅阵列4的尺寸均与所述显示源2的尺寸相同。
在本实施例中，所述柱透镜光栅阵列4能够对所述分光棱镜阵列3出射的第一、第二出射光线进行调制，当第一、第二出射光线中携带不同视点信息的光线被分别偏折到空间中不同视点位置时，即可以在这两个确定的方向上形成三维显示设备的两个观看视区。具体地，第一、第二出射光线分别形成的两个观看视区具有相同的视角，且互相之间不存在干扰。
本发明公开的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置中，所述光源1为显示系统提供小发散角度的背光，所述显示源2用于加载包含场景信息的编码图像，图像编码规则受分光棱镜阵列参数的影响，所述分光棱镜阵列3能够使显示源上像素发出的光线发生偏折，形成两束不同出射角度的光线，两束不同出射角度的光线再通过所述柱透镜光栅阵列4被折射到空间中不同视点位置，进而在光线出射的两个方向上分别形成具有视差的观看视区，并分别为两个观看区域的观看者提供三维显示图像。
相比现有技术而言，本发明中经过精密加工的像素化控光元件能实现对显示源上每一个子像素的精准控制，能够充分利用显示设备横纵方向上的子像素构筑视点。本发明使用像素化控光的分光棱镜阵列，对显示源发出的光线进行分光，进而形成两束不同方向的光线，再结合基于柱透镜光栅的三维显示技术原理，能够在两个互不干扰的观看视区范围内呈现良好的三维显示效果，从而满足应用需求。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，其特征在于，包括有光源（1）、显示源（2）、分光棱镜阵列（3）和柱透镜光栅阵列（4），所述显示源（2）设于所述光源（1）的外侧，所述分光棱镜阵列（3）包括有并排布设于所述显示源（2）外侧的多个分光棱镜（30），所述柱透镜光栅阵列（4）包括有并排布设于所述分光棱镜阵列（3）外侧的多个柱透镜（40），所述分光棱镜（30）为三棱镜，所述分光棱镜（30）的底面与所述显示源（2）平行设置，所述光源（1）发出的光线经过所述显示源（2）入射至所述分光棱镜（30）的底面，再经过所述分光棱镜（30）形成两束不同角度光线，两束不同角度光线分别穿设所述柱透镜光栅阵列（4）后，在两个方向上形成具有视差的观看区域，进而在两个观看区域内同时产生三维显示图像。
2.如权利要求1所述的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，其特征在于，所述显示源（2）用于提供图像源，所述图像源包括原始三维场景信息的编码图像。
3.如权利要求2所述的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，其特征在于，每个分光棱镜（30）的底面覆盖所述显示源（2）编码图像的偶数个子像素，所述分光棱镜（30）用于将其覆盖的偶数个子像素光线偏折为两个不同方向的第一方向出射光和第二方向出射光。
4.如权利要求1所述的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，其特征在于，所述分光棱镜（30）的两个底角记为θ1，所述第一方向出射光和第二方向出射光与所述分光棱镜（30）两个斜面的垂线方向夹角均记为θ2，空气的折射率记为n空，所述分光棱镜（30）的折射率记为n棱镜，则有：n空sinθ1＝n棱镜sinθ2 。
5.如权利要求1所述的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，其特征在于，多个分光棱镜（30）的排布方向与多个柱透镜（40）的排布方向之间的夹角记为α，则有：α≠0°。
6.如权利要求1所述的基于分光棱镜和柱透镜的三维光场显示装置，其特征在于，所述分光棱镜阵列（3）的尺寸和所述柱透镜光栅阵列（4）的尺寸均与所述显示源（2）的尺寸相同。
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