CN117233978A - 一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置和方法。该指向式背光裸眼三维显示装置包括光源阵列、第一透镜、棱镜、全息光学元件、第二透镜、显示屏、光源阵列控制器、总控制器和视点追踪装置。光源阵列中不同位置点光源发出的光线被第一透镜准直成不同角度的平行光通过棱镜照射全息光学元件，得到焦点位置不同的发散光束，再经第二透镜和显示屏后会聚到相应的观察者视点位置。根据观察者的双眼位置，通过总控制器计算光源阵列相应点光源位置并点亮，显示屏同步显示相应视差图像。视点追踪装置实时检测观察者的双眼位置，切换光源阵列中的相应的点光源产生相应指向背光并渲染显示图像，实现观看范围拓展的裸眼三维显示。

Description

一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示 装置和方法

技术领域

本发明涉及裸眼三维显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种实现观看范围拓展的指向背光式裸眼三维显示装置及方法。

背景技术

传统的三维显示技术一般需要佩戴辅助眼镜等助视工具观看三维图像。而今裸眼三维显示无需佩戴外部助视工具就可观察到三维图像，近年来越来越受关注。目前商用的裸眼三维显示主要采用狭缝光栅、柱状透镜以及指向式背光等方式来实现。其中，指向式背光技术采用分时复用的方法，对光传播方向进行控制，观察者在观察区域内相对应的观看视点位置观察到三维图像。该技术多采用较高刷新率的显示面板，并且利用指向式背光将图像聚焦于预先设计的视点位置。结合眼动跟踪或头部跟踪的方法确定观察者的双目视点位置，并高速同步更新指向背光和相应的显示屏幕图像，从而实现裸眼三维显示的效果。

目前，指向背光式裸眼三维显示技术多通过控制背光源产生具有方向性的光束，分别指向观察者的左右眼，再配合高帧速的显示屏，同步切换左右眼对应的视差图像。视差图像的快速切换可实现单眼全分辨率、较低的串扰和较高亮度的立体图像显示。但是观察者的观看范围与指向背光以及显示器件密切相关。现有的指向式背光三维显示技术多在一定的观看距离上生成多个视点位置，观察者仅在此观看距离上能获取比较好的三维显示效果，而在其他距离上观看存在图像串扰，不能获得很好的三维感知，观看范围较为局限，这成为急需解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的是克服已有技术存在的不足，提供一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置和方法，在满足一定的视场角和分辨率的前提下，有效地拓展指向式背光裸眼三维显示的观看范围。

为了达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

作为本发明的一种技术方案，一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，包括光源阵列、第一透镜、棱镜、全息光学元件、第二透镜、显示屏、光源阵列控制器、总控制器和视点追踪装置；

光源阵列是由多个点光源构成的二维阵列，用于提供三维显示的指向背光光源，与光源阵列控制器相连接，所述光源阵列位于第一透镜的前焦面上；

第一透镜对光源阵列中的每个点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光；

棱镜位于第一透镜后方，用于进行光束偏折；

全息光学元件是多角度复用的全息光学元件，贴合在棱镜的斜面上，用于改变反射的光线角度；

第二透镜，将从全息光学元件反射衍射并通过棱镜出射的光束会聚到对应的观察平面的观看视点；

显示屏是透射型的显示面板，用于高速地显示不同视点所需观看的二维图像并与光源阵列中相对应的点光源同步刷新；

光源阵列控制器，与光源阵列和总控制器相连接，用于接收总控制器的控制信号并控制光源阵列中每个点光源的开关及出光强度；

总控制器，与显示屏、光源阵列控制器和视点追踪装置相连接，用于获得视点追踪装置的实时视点跟踪数据、通过光源阵列控制器来控制光源阵列中不同位置的点光源及光源强度和角度、同时控制显示屏显示图像的渲染及刷新；

视点追踪装置设于显示屏附近并面向观察区域，用于检测观察者的双眼位置信息，并将数据实时传送到总控制器。

优选地，所述的光源阵列为二维排列的LED点光源阵列。

优选地，所述的光源阵列为二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列。

优选地，所述的光源阵列为为面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列，其中光源阵列的发光波长与全息光学元件相匹配。

优选地，所述的光源阵列是由M×N个点光源矩形阵列排布，第i行的点光源均对应于观察距离均为D_i的相应视点，第i行第j列的点光源对应于距离屏幕D_i的第j个视点。

优选地，所述的全息光学元件为反射型的全息光学元件，贴合在棱镜的斜面上，对不同角度的入射光能产生不同聚焦距离的再现光束；所述的全息光学元件将入射的不同角度的平行光束形成不同位置的构造点源或扩展光源，入射平行光束的角度与全息光学元件再现光源的位置一一对应。

作为本发明的另一种技术方案，一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，包括光源阵列、第一透镜、棱镜、全息光学元件、第二透镜、显示屏、光源阵列控制器、总控制器、视点追踪装置和中继光学系统；

光源阵列是由多个点光源构成的二维阵列，用于提供三维显示的指向背光光源，与光源阵列控制器相连接，所述光源阵列位于第一透镜的前焦面上；

第一透镜对光源阵列中的每个点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光；

棱镜位于第一透镜后方，用于进行光束偏折；

全息光学元件是多角度复用的全息光学元件，贴合在棱镜的斜面上，用于改变反射的光线角度；

第二透镜，将从全息光学元件反射衍射并通过棱镜出射的光束会聚到对应的观察平面的观看视点；

显示屏是透射型的显示面板，用于高速地显示不同视点所需观看的二维图像并与光源阵列中相对应的点光源同步刷新；

光源阵列控制器，与光源阵列和总控制器相连接，用于接收总控制器的控制信号并控制光源阵列中每个点光源的开关及出光强度；

总控制器，与显示屏、光源阵列控制器和人眼追踪装置相连接，用于获得视点追踪装置的实时视点跟踪数据、通过光源阵列控制器来控制光源阵列中不同位置的点光源及光源强度和角度、同时控制显示屏显示图像的渲染及刷新；

视点追踪装置设于显示屏附近并面向观察区域，用于检测观察者的双眼位置信息，并将数据实时传送到总控制器；

中继光学系统将通过第一透镜和通过棱镜的准直光束共轭地照射到全息光学元件上。

优选地，所述的中继光学系统是由第一中继透镜和第二中继透镜组成，第一中继透镜和第二中继透镜的光轴重合，第一中继透镜的后焦点与第二中继透镜的前焦点重合。

作为本发明的还有一种技术方案，一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，包括彩色光源阵列、第一透镜、棱镜、彩色全息光学元件、第二透镜、显示屏、光源阵列控制器、总控制器、视点追踪装置和中继光学系统；其特征在于：

彩色光源阵列是由多个彩色点光源组成的二维阵列，用于提供三维显示的指向背光光源，与光源阵列控制器相连接，彩色光源阵列位于第一透镜的前焦面上；

第一透镜对彩色光源阵列中的每个彩色点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光；

棱镜位于第一透镜后方，用于进行光束偏折；

彩色全息光学元件是多角度复用的彩色全息光学元件，贴合在棱镜的斜面上，用于改变反射的光线角度；

第二透镜，将从彩色全息光学元件反射衍射并通过棱镜出射的光束会聚到对应的观察平面的观看视点；

显示屏是透射型的显示面板，用于高速地显示不同视点所需观看的二维图像并与彩色光源阵列中相对应的点光源同步刷新；

光源阵列控制器，与彩色光源阵列和总控制器相连接，用于接收总控制器的控制信号并控制彩色光源阵列中每个彩色点光源的开关及出光强度；

总控制器，与显示屏、光源阵列控制器和人眼追踪装置相连接，用于获得视点追踪装置的实时视点跟踪数据、通过光源阵列控制器来控制彩色光源阵列中不同位置的彩色点光源及光源强度和角度、同时控制显示屏显示图像的渲染及刷新；

视点追踪装置设于显示屏附近并面向观察区域，用于检测观察者的双眼位置信息，并将数据实时传送到总控制器。

优选地，所述的彩色点光源为白色点光源，或红绿蓝三色点光源近距离集成为一个点光源。

优选地，所述的彩色全息光学元件为红绿蓝三色复合多角度复用的反射型全息光学元件，贴合在棱镜的斜面上，对不同角度的红绿蓝三色入射光能产生不同的不同聚焦距离的彩色再现光束；所述的彩色全息光学元件是单层三色复合，或双层复合，或三层单色复合。

进一步优选地，双层复合是其中一层为一个颜色，另一层包含两个颜色。

进一步优选地，三层单色复合是每层对应一个颜色。

一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示方法，采用本发明所述的基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置进行操作，操作步骤如下：

第一步：通过视点追踪装置确定观察者双眼瞳孔中心视点相对于显示屏的空间位置(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，根据当前观察者的双目实时位置将数据传输到总控制器；

第二步：总控制器根据视点追踪装置传输的观察者双目实时位置计算对应观察者位置的光源阵列点亮光源阵列中相对应的点光源以及显示屏需加载的相对应观察者左右眼的双目视差图像；

第三步：总控制器通过光源阵列控制器控制光源阵列的点亮，并控制显示屏刷新加载的双目视差图像。视点追踪装置连续捕捉观察者双目位置，实时传输到总控制器；总控制器根据当前位置计算最适合点亮的点光源，并通过光源阵列控制器刷新，同时更新显示屏显示的双目视差图像；

第四步：观察者在不同观看距离上均可观看到通过指向背光系统照明的裸眼三维图像。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置和方法，通过不同角度的平行光束照射全息光学元件可以再现出不同位置的点光源或扩展光源发出的光束；全息光学元件通过集成不同角度入射重建的多个深度的光源位置，并与第二透镜和显示屏相配合，通过点亮光源阵列中不同位置的点光源，可在不同深度的空间位置形成任意观察视点，从而达到观察范围拓展的目的；

2.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

附图说明

附图1为本发明实施例一提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的结构示意图。

附图2为本发明实施例一提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的光源阵列的一种排布示意图。

附图3为本发明实施例一提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的光源阵列的另一种排布示意图。

附图4为本发明实施例一提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的全息光学元件的功能示意图。

附图5为本发明实施例二提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的结构示意图。

附图6为本发明实施例三提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的结构示意图。

附图7为本发明实施例三提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的彩色光源阵列的一种排布示意图。

附图8为本发明实施例三提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的彩色光源阵列的另一种排布示意图。

附图9为本发明实施例三提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的彩色全息光学元件的功能示意图。

附图10为本发明实施例三提供的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置的全息光学元件的复合示意图。

附图11为本发明实施例一～实施例三提供的基于单色/彩色全息光学元件实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示方法示意流程图。

应当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

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的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。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

本实施例实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置如图1所示，包括光源阵列100、第一透镜110、棱镜120、全息光学元件130、第二透镜140、显示屏150、光源阵列控制器160、总控制器170、视点追踪装置180；

所述的光源阵列100由多个点光源构成的二维阵列，用于提供三维显示的指向背光光源，与光源阵列控制器160相连接。由光源阵列控制器160控制光源阵列100中每个点光源的开关及出光强度。所述的光源阵列100由二维排布的多个点光源构成，其排列方式与设计的观察距离和不同距离的水平观看范围和视点间隔相关。光源阵列100中的每个点光源可根据实际需要的观察深度和系统要求选择合适的数量和排布，每个点光源对应了一个视点位置。而且所述点光源的形状可以是矩形，也可以是圆形或其他形状。所述的光源阵列100为二维排列的LED点光源阵列，或为二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，或为面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。所述的光源阵列100的发光波长与全息光学元件130相匹配。

在所述的第一透镜110的前焦面设有光源阵列100，第一透镜110对光源阵列100中的每个点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光，并且保证不同角度的宽光束平行光通过所述的棱镜120并照明贴合在棱镜120上的全息光学元件130上，照明区域覆盖相应的有效工作区域；光源阵列100中每个点光源101的自身位置以及光轴朝向决定了点光源出光的中心角度；光源阵列100中的点光源与第一透镜110的相对位置决定了其产生的准直平行光的角度；光源阵列100中的点光源的间隔及第一透镜110的焦距决定产生不同角度平行光的角度间隔。所述的第一透镜110可以是单透镜、双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。所述的第一透镜110还可以是柱透镜，此时仅在一个方向对入射光束进行准直，而在其正交方向上不改变入射光束的方向。

所述的棱镜120位于第一透镜110后，用于实现光线转折并在其内部全反射减少能量损失。所述的棱镜120的顶角的角度范围可以根据所需要的偏折角度进行选择，但需要保证在照射到斜面上的光线全反射。

所述的全息光学元件130为多角度复用的全息光学元件，针对不同角度的入射光能产生不同聚焦距离的再现光束。所述的全息光学元件130为反射型的全息光学元件，贴合在棱镜120的斜面上，用于改变反射的光线角度。全息光学元件130一般通过记录不同角度入射的参考光和聚焦远近位置不同的信号光分时曝光制备，充分利用了全息光学元件的角度选择性。当不同角度入射的平行光束经所述的全息光学元件130衍射，能够得到焦点不同的发散光束以满足本结构的目的。在实际制备过程中，多采用将全息记录材料先固定在棱镜120的相应位置上，再通过全息曝光的方法进行分时曝光制备形成全息光学元件130。也可以将制备好的全息光学元件130通过光学匹配液等材料粘接到工作面的方式与棱镜120贴合在一起。常用的全息记录材料有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂、光致聚合物、光导热塑料等。光致聚合物全息记录材料具有灵敏度及衍射效率高、加工方便、可实时干法显影等优点，易于制备。

所述的第二透镜140一般为菲涅尔镜，是将从全息光学元件130反射衍射并通过棱镜出射的光束会聚到对应的观察平面的观看视点。所述的第二透镜140可以是正透镜也可以是负透镜，具体根据观察范围中的设计视点位置及全息光学元件的参数等因素决定。所述的第二透镜140的面型和尺寸应根据使用需求选取，保证照明整个显示屏150后会聚到设计的观察视点位置。

所述的显示屏150是透射型的显示面板，可以为液晶显示面板(LCD)或类似功能的显示器件等。所述的显示屏150用于高速地显示不同视点所需观看的二维图像并与光源阵列100中相对应的点光源同步刷新。所述的显示屏150通过高速刷新立体图像序列给用户提供三维视差图像。

所述的光源阵列控制器160，与光源阵列100和总控制器170相连接，用于接收总控制器170的控制信号并控制光源阵列100中每个点光源的开关及出光强度，从而改变显示屏150图像会聚的视点位置。通过视点追踪装置180对观察者观察距离的数据采集，点亮光源阵列100中不同位置的点光源，使经过第一透镜110的光束以不同角度入射到贴附在棱镜120表面的全息光学元件130上，再经第二透镜140和显示屏150为不同观看距离的视点提供高分辨率三维显示图像，从而实现观察范围拓展的指向式背光三维显示。

所述的总控制器170，与显示屏150、光源阵列控制器160和人眼追踪装置180相连接，用于获得视点追踪装置180的实时视点跟踪数据、通过光源阵列控制器160来控制光源阵列100中不同位置的点光源及光源强度和角度、同时控制显示屏150显示图像的渲染及刷新。所述的总控制器170驱动光源阵列控制器160控制光源阵列100中相应的点光源发光，通过控制不同行和不同列的点光源发光，从而改变入射到全息光学元件130的光束角度，实现在不同观看距离上的多个视点位置的时序切换。

所述视点追踪装置180一般设于显示模组附近并面向观察区域，用于检测观察者的双眼位置信息，并将数据实时传送到总控制器170。根据观察者的双眼位置，总控制器170计算光源阵列100中需要点亮的点光源位置，并通过光源阵列控制器160控制所需要点亮的点光源的开关，同时显示屏150也同步显示该观察者位置相应的视差图像信息，从而让观察者可以观看到三维图像。当观察者位置变化时，视点追踪装置180检测当前观察者的双眼位置，通过光源阵列控制器160切换光源阵列100中的相应的点光源，产生与观察者的双眼位置相对应的指向背光，同时对显示屏150的显示图像也进行同步刷新，实现大观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示。

光源阵列100的一种排布方式由图2所示，具体为M×N的矩形阵列排布。M和N的具体数值可由整体结构大小和需要达到的观察范围及视点间隔等因素进行选择。一般地，2≤M≤200，2≤N≤200。具体地，第i行的点光源均对应于观察距离均为D_i的相应视点，第i行第j列的点光源对应于距离屏幕D_i的第j个视点。光源阵列100中每一行点光源的横向间距决定了视点的横向间隔，点光源的列间距决定了距离屏幕的不同观看距离的间隔。光源阵列100的点光源间隔越密，在观察区域所重建的视点间隔越密，减少了人眼移动时图像的跳变和串扰。

光源阵列100的另一种排布方式由图3所示。具体可以为M×N的阵列排布。M和N的具体数值可由整体结构大小和需要达到的观察范围及视点间隔等因素进行选择。一般地，2≤M≤200，2≤N≤200。但光源阵列100中不同行的排列方式可以是交错排列的，观看范围中对应的观看视点排列也是交错排列的。不对称的排布目的是使视场的分布更加多样化，一定程度上增加了视角密度，减少了人眼移动时图像的跳变和串扰，观察到的三维效果更加平滑。

全息光学元件130的工作方式由图4所示，不同角度的平行光束(a₁，a₂，a₃……a_M)入射到全息光学元件130上对应与下方(或者是上方)不同位置的构造点源或扩展光源(b₁，b₂，b₃……b_M)。所述的扩展光源的光源形状为水平方向窄垂直方向宽的竖条。当平行光a₁以Φ₁的角度入射到全息光学元件130上，全息光学元件130可以再现出在b₁位置的点光源或扩展光源。当平行光a_i以Φ_i的角度入射到全息光学元件130上时，全息光学元件130再现出在b_i位置的点光源或扩展光源。所述的全息光学元件130是集成了M个不同角度入射光束重建M个光源的全息光学结构，入射平行光束的角度与全息光学元件130再现光源的位置一一对应。全息光学元件130记录的光束波长和点光源发出的光束波长相对应。通过不同角度的平行光束照射全息光学元件130可以再现出不同位置的点光源或扩展光源发出的光束。全息光学元件130通过集成不同角度入射重建的多个深度的光源位置，并与第二透镜140和显示屏150相配合，从而达到观察范围拓展的目的。

本实施例基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，通过不同角度的平行光束照射全息光学元件可以再现出不同位置的点光源或扩展光源发出的光束。全息光学元件通过集成不同角度入射重建的多个深度的光源位置，并与第二透镜和显示屏相配合，通过点亮光源阵列中不同位置的点光源，可在不同深度的空间位置形成任意观察视点，从而达到观察范围拓展的目的。

实施例二：

本实施例实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置如图5所示，包括光源阵列100、第一透镜110、棱镜120、全息光学元件130、第二透镜140、显示屏150、光源阵列控制器160、总控制器170、视点追踪装置180、中继光学系统190。

所述的中继光学系统190是由第一中继透镜191和第二中继透镜192组成的成像系统，保证通过第一透镜110共轭地照射到全息光学元件130上，也可允许一定的偏差，保证光源阵列100中不同位置点光源照射到全息光学元件130上的区域相对重合。中继光学系统190的基本结构为4f光学系统或类4f光学系统，第一中继透镜191和第二中继透镜192的光轴重合，第一中继透镜191的后焦点与第二中继透镜192的前焦点重合。根据系统共轭关系，中继光学系统190将准直光线照射到全息光学元件130上。第一中继透镜191的焦距和第二中继透镜192的焦距由通过第一透镜110的平行光的宽度L和设计要求入射到全息光学元件130的平行光束的宽度L'决定。中继光学系统190的主要功能当点亮光源阵列100中不同行的点光源而产生不同角度的平行光束通过中继光学系统190将平行光束扩宽。入射到全息光学元件130的区域相对集中，光能利用率高，观察到的图像效果更好。所述的第一中继透镜191和第二中继透镜192的焦距比例决定了光束扩宽的比例。所述的第一中继透镜191可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。所述的第二中继透镜192可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

所述的光源阵列100用于提供照明光，与光源阵列控制器160相连接，通过光源阵列控制器160按照观察者的视点位置切换光源阵列100中的点光源；第一透镜110对点光源阵列100中的每个点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的平行光束；所述的中继光学系统190将经过第一透镜110的不同角度的平行光束进行一定的扩束并与全息光学元件130相匹配；所述的棱镜120实现扩宽后的平行光束通过全息光学元件130衍射反射。当不同角度入射的平行光束经所述的全息光学元件130衍射，得到焦点位置不同的发散光束。通过第二透镜140和显示屏150后在观察者的实时视点位置成像。根据观察者的双眼位置，总控制器170计算光源阵列100中需要点亮的点光源位置，并通过光源阵列控制器160控制所需要点亮的点光源的开关，同时显示屏150也同步显示该观察者位置相应的视差图像信息，从而让观察者可以观看到三维图像。当观察者位置变化时，视点追踪装置180检测当前的观察者的双眼空间位置，通过光源阵列控制器160切换光源阵列100中的相应的点光源，产生与观察者的双眼位置相对应的指向背光，同时对显示屏150的显示图像也进行同步渲染刷新，最终实现大观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示。

本实施例装置根据观察者的双眼位置，通过总控制器计算光源阵列相应点光源位置并点亮，显示屏同步显示相应视差图像。视点追踪装置实时检测观察者的双眼位置，切换光源阵列中的相应的点光源产生相应指向背光并渲染显示图像，实现观看范围拓展的裸眼三维显示。

实施例三：

本实施例实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置如图6所示，包括彩色光源阵列200、第一透镜110、棱镜120、彩色全息光学元件230、第二透镜140、显示屏150、光源阵列控制器160、总控制器170、视点追踪装置180。

所述的彩色光源阵列200一般是多个彩色点光源组成的二维阵列，如图8所示。彩色点光源为白色点光源，或红绿蓝(RGB)三色点光源近距离集成为一个点光源。同一行的不同位置对应相同深度的不同视点位置。不同行的彩色点光源对应不同的观看距离。所述的彩色光源阵列200中的彩色点光源为白光LED，或为RGB三色分立的LED，或为三色光纤耦合激光器的输出端，或为白光面光源和相应主动开关组成。所述的彩色光源阵列200的发光中心波长与彩色全息光学元件230相匹配。用于提供三维显示指向背光的彩色光源阵列200，与光源阵列控制器160相连接。所述的彩色光源阵列200置于第一透镜110的前焦面，第一透镜110对彩色光源阵列200中的每个彩色点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光。光源阵列控制器160控制彩色光源阵列200中每个彩色点光源的开关及出光强度。所述的彩色光源阵列200中由二维排布的多个彩色光源构成，其排列方式与设计的不同颜色的观察距离和不同距离的水平观看范围和视点间隔相关。彩色光源阵列200中的每个彩色光源可以根据实际需要的观察深度和系统要求选择合适的数量和排布，每个彩色光源对应了一个视点位置。

光源阵列控制器160按照观察者的视点位置切换彩色光源阵列200中的彩色点光源；第一透镜110对彩色光源阵列200中的每个彩色点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的平行光束；所述的棱镜120实现扩宽后的平行光束通过彩色全息光学元件230衍射并反射。当不同角度入射的平行光束经所述的彩色全息光学元件230衍射，得到焦点位置不同的彩色发散光束。通过第二透镜140和显示屏150后在观察者的实时视点位置成像。根据观察者的双眼位置，总控制器170计算彩色光源阵列200中需要点亮的彩色点光源位置，并通过光源阵列控制器160控制所需要点亮的彩色点光源的开关，同时显示屏150也同步显示该观察者位置相应的彩色视差图像信息，从而让观察者可以观看到彩色三维图像。当观察者位置变化时，视点追踪装置180检测当前的观察者的双眼位置，通过光源阵列控制器160切换彩色光源阵列200中需要点亮的彩色点光源，产生与观察者的双眼位置相对应的指向背光，同时对显示屏150的显示图像也进行同步刷新。最终实现大观看范围拓展的指向式背光彩色裸眼三维显示。

彩色光源阵列200的一种排布方式由图7所示，具体为J×K的矩形阵列排布以近距离横向排布的3个RGB点光源合为单个彩色点光源。J和K的具体数值可由整体结构大小和需要达到的观察范围及视点间隔等因素进行选择。一般地，2≤J≤200，2≤K≤200。具体地，第i行的点光源均对应于观察距离均为D_i的相应视点，第i行第j列的彩色点光源对应于距离屏幕D_i的第j个视点。彩色光源阵列200中每一行彩色点光源201的横向间距决定了视点的横向间隔，彩色点光源的列间距决定了距离屏幕的不同观看距离的间隔。彩色光源阵列200的彩色点光源间隔越密，在观察区域所重建的视点空间间隔越密，减少了人眼移动时图像的跳变和串扰。

彩色光源阵列200的另一种排布方式由图8所示，具体为J×K的矩形阵列排布以近距离纵向排布的3个RGB点光源合为单个彩色点光源。。J和K的具体数值可由整体结构大小和需要达到的观察范围及视点间隔等因素进行选择。一般地，2≤J≤200，2≤K≤200。具体地，第i行的点光源均对应于观察距离均为D_i的相应视点，第i行第j列的彩色点光源对应于距离屏幕D_i的第j个视点。彩色光源阵列200中每一行彩色点光源的横向间距决定了视点的横向间隔，彩色点光源的列间距决定了距离屏幕不同观看距离的间隔。彩色光源阵列200的彩色点光源间隔越密，在观察区域所重建的视点空间间隔越密，减少了人眼移动时图像的跳变和串扰。所述的彩色全息光学元件230为RGB三色复合多角度复用的全息光学元件。对应于彩色光源阵列200，对不同角度的彩色入射光能产生不同聚焦距离的彩色再现光束。所述的彩色全息光学元件230为反射型的全息光学元件，贴合在棱镜120的斜面上，用于改变反射的光线角度。彩色全息光学元件230一般通过RGB三种波长的不同角度入射参考光和聚焦远近不同位置的信号光进行分时曝光制备，充分利用了全息光学元件的角度选择性和波长选择性。如图10所示，彩色全息光学元件有三种复合形式，分别是单层RGB三色复合；双层R+GB、G+RB、B+RG复合；三层R、G、B复合。三种复合形式对应于三种不同的曝光记录模式分别是RGB三色同时曝光记录，R+GB、G+RB、B+RG分时曝光记录以及R、G、B三色分时曝光记录。常用的全息记录材料有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂、光致聚合物、光导热塑料等。光致聚合物全息记录材料具有灵敏度及衍射效率高、加工方便、可实时干法显影等优点，易于制备。

彩色全息光学元件230的工作方式由图9所示，不同角度的RGB平行光束(R₁G₁B₁，R₂G₂B₂，R₃G₃B₃……R_MG_MB_M)入射到彩色全息光学元件230上对应与下方(或者是上方)不同位置的构造点源或扩展光源(b₁，b₂，b₃……b_M)。所述的扩展光源的光源形状为水平方向窄、垂直方向宽的竖条。当由彩色光源R₁G₁B₁出射的平行光a₁以Φ₁的角度入射到彩色全息光学元件230上，彩色全息光学元件230可以再现出在b₁位置的彩色点光源或彩色扩展光源。当由彩色光源R_iG_iB_i出射的平行光a_i以Φ_i的角度入射到彩色全息光学元件230上时，彩色全息光学元件230再现出在b_i位置的彩色点光源或彩色扩展光源。所述的彩色全息光学元件230是集成了M个不同角度入射RGB三色光束重建M个RGB光源的全息光学结构，入射RGB三色平行光束的角度与彩色全息光学元件230再现光源的位置一一对应。彩色全息光学元件230记录的光束波长和彩色点光源201发出的光束波长相对应。通过不同角度的RGB三色平行光束照射彩色全息光学元件230可以再现出不同位置的彩色点光源或彩色扩展光源发出的光束。彩色全息光学元件230通过集成不同角度入射重建的多个深度的彩色光源位置，并与第二透镜140和显示屏150相配合，从而达到观察范围拓展的目的。

本实施例基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，通过不同角度的平行光束照射全息光学元件可再现出不同位置的点光源或扩展光源发出的光束。全息光学元件通过集成不同角度入射重建的多个深度的彩色光源位置，并与第二透镜和显示屏相配合，通过点亮光源阵列中不同位置的点光源，可在不同深度的空间位置形成任意观察视点，从而达到观察范围拓展的目的。

实施例四：

本实施例实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示方法，采用上述的实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置进行操作，具体方法流程如图11所示，该方法包括如下操作步骤：

第一步：通过视点追踪装置确定观察者双眼瞳孔中心视点相对于显示屏的空间位置(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，根据当前观察者的双目实时位置将数据传输到总控制器。

第二步：总控制器根据视点追踪装置传输的观察者双目实时位置计算对应观察者位置的光源阵列点亮光源阵列中相对应的点光源以及显示屏加载的相对应观察者左右眼的双目视差图像，并根据人眼视觉暂留的特性，控制显示屏高速刷新双目视差图像。点光源即实施例一，实施例二中的单色点光源或者是实施例三中的彩色点光源。

第三步：总控制器通过光源阵列控制器控制光源阵列的点亮，并控制显示屏刷新加载的双目视差图像。由于观察者的位置移动造成的观察区域改变，因此视点追踪装置的连续捕捉实时观察者双目位置。将双目位置数据实时传输到总控制器，总控制器根据当前位置计算最适合点亮的点光源。点亮的点光源经实施例一，实施例二中的单色全息光学元件或者实施例三中的彩色全息光学元件照明显示屏高速刷新双目视差图像，光源阵列控制器控制光源阵列中相应点光源的开关，与视点追踪装置捕捉观察者双目位置以及显示屏高速刷新双目视差图像是在总控制器的控制下同步进行的。点光源即实施例一、实施例二中的单色点光源或者是实施例三中的彩色点光源。

第四步：观察者在不同观看距离上均可观看到通过指向背光系统照明的裸眼三维图像。

综上所述，上述实施例用于一种实时观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置和显示方法。其中，实施例一、实施例二基于单色全息光学元件实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置和显示方法，所述的指向式背光裸眼三维显示装置包括光源阵列、第一透镜、棱镜、全息光学元件、第二透镜、显示屏、光源阵列控制器、总控制器、视点追踪装置。点亮的光源阵列发出的光经过透镜准直后进入棱镜辐照到贴合的单色全息光学元件上面。单色全息光学元件再现出的光线经过透镜和显示屏将不断刷新的双目视差图像投射到观察者的视点位置。视点追踪装置通过实时捕捉观察者的双目视点位置，总控制器计算控制光源阵列控制器以更新点亮的点光源位置使全息光学元件再现出不同的光源位置照射透镜和显示屏。显示屏通过总控制器的控制刷新双目视差图像满足在一定的观看条件下观看范围的扩展。达到实时观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示。另外，实施例三基于彩色全息光学元件实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置和显示方法，所述的指向式背光裸眼三维显示装置包括RGB光源阵列、第一透镜、棱镜、彩色全息光学元件、第二透镜、显示屏、光源阵列控制器、总控制器、视点追踪装置。点亮的RGB光源阵列发出的三色光经过透镜准直后进入棱镜辐照到贴合的彩色全息光学元件上面。彩色全息光学元件再现出的光线经过透镜和显示屏将不断刷新的彩色双目视差图像投射到观察者的位置。视点追踪装置通过实时捕捉观察者的双目视点位置，总控制器计算控制光源阵列控制器以更新点亮的RGB点光源组的位置使彩色全息光学元件再现出不同的彩色光源位置照射透镜和显示屏。显示屏通过总控制器的控制刷新彩色双目视差图像满足在一定的观看条件下观看范围的扩展。达到实时观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示。

由上述实施例可知，本发明优选实施例实现观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示。本发明指向式背光裸眼三维显示装置包括光源阵列、第一透镜、棱镜、全息光学元件、第二透镜、显示屏、光源阵列控制器、总控制器和视点追踪装置。光源阵列中不同位置点光源发出的光线被第一透镜准直成不同角度的平行光通过棱镜照射全息光学元件，得到焦点位置不同的发散光束，再经第二透镜和显示屏后会聚到相应的观察者视点位置。根据观察者的双眼位置，通过总控制器计算光源阵列相应点光源位置并点亮，显示屏同步显示相应视差图像。视点追踪装置实时检测观察者的双眼位置，切换光源阵列中的相应的点光源产生相应指向背光并渲染显示图像，实现观看范围拓展的裸眼三维显示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，包括光源阵列(100)、第一透镜(110)、棱镜(120)、全息光学元件(130)、第二透镜(140)、显示屏(150)、光源阵列控制器(160)、总控制器(170)和视点追踪装置(180)，其特征在于：

所述光源阵列(100)是由多个点光源构成的二维阵列，用于提供三维显示的指向背光光源，与光源阵列控制器(160)相连接，所述光源阵列(100)位于第一透镜(110)的前焦面上；

所述的第一透镜(110)对光源阵列(100)中的每个点光源发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光；

所述的棱镜(120)位于第一透镜(110)后方，用于进行光束偏折；

所述的全息光学元件(130)是多角度复用的全息光学元件，贴合在棱镜(120)的斜面上，用于改变反射的光线角度；

所述的第二透镜(140)将从全息光学元件(130)反射衍射并通过棱镜出射的光束会聚到对应的观察平面的观看视点；

所述的显示屏(150)是透射型的显示面板，用于高速地显示不同视点所需观看的二维图像并与光源阵列(100)中相对应的点光源同步刷新；

所述的光源阵列控制器(160)，与光源阵列(100)和总控制器(170)相连接，所述光源阵列控制器(160)用于接收总控制器(170)的控制信号并控制光源阵列(100)中每个点光源的开关及出光强度；

所述的总控制器(170)，与显示屏(150)、光源阵列控制器(160)和视点追踪装置(180)相连接，所述的总控制器(170)用于获得视点追踪装置(180)的实时视点跟踪数据，通过光源阵列控制器(160)来控制光源阵列(100)中不同位置的点光源及光源强度和角度，同时控制显示屏(150)显示图像的渲染及刷新；

所述视点追踪装置(180)设于显示屏(150)附近并面向观察区域，用于检测观察者的双眼位置信息，并将数据实时传送到总控制器(170)。

2.根据权利要求书1所述的基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，其特征在于：所述的光源阵列(100)为二维排列的LED点光源阵列，或为二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，或为面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列；所述光源阵列(100)的发光波长与全息光学元件(130)相匹配。

3.根据权利要求书1所述的基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，所述的光源阵列(100)是由M×N个点光源矩形阵列排布，第i行的点光源均对应于观察距离均为D_i的相应视点，第i行第j列的点光源对应于距离屏幕D_i的第j个视点。

4.根据权利要求书1所述的基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，其特征在于：所述的全息光学元件(130)为反射型的全息光学元件，贴合在棱镜(120)的斜面上，对不同角度的入射光能产生不同聚焦距离的再现光束；所述的全息光学元件(130)将入射的不同角度的平行光束形成不同位置的构造点源或扩展光源，入射平行光束的角度与全息光学元件(130)再现光源的位置一一对应。

5.一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，其特征在于：包括光源阵列(100)、第一透镜(110)、棱镜(120)、全息光学元件(130)、第二透镜(140)、显示屏(150)、光源阵列控制器(160)、总控制器(170)、视点追踪装置(180)和中继光学系统(190)；其中：

所述的光源阵列(100)是由多个点光源(101)构成的二维阵列，用于提供三维显示的指向背光光源，与光源阵列控制器(160)相连接，所述光源阵列(100)位于第一透镜(110)的前焦面上；

所述的第一透镜(110)对光源阵列(100)中的每个点光源(101)发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光；

所述的棱镜(120)位于第一透镜(110)后方，用于进行光束偏折；

所述的全息光学元件(130)是多角度复用的全息光学元件，贴合在棱镜(120)的斜面上，用于改变反射的光线角度；

所述的第二透镜(140)，将从全息光学元件(130)反射衍射并通过棱镜出射的光束会聚到对应的观察平面的观看视点；

所述的显示屏(150)是透射型的显示面板，用于高速地显示不同视点所需观看的二维图像并与光源阵列(100)中相对应的点光源同步刷新；

所述的光源阵列控制器(160)，与光源阵列(100)和总控制器(170)相连接，用于接收总控制器(170)的控制信号并控制光源阵列(100)中每个点光源(101)的开关及出光强度；

所述的总控制器(170)，与显示屏(150)、光源阵列控制器(160)和人眼追踪装置(180)相连接，用于获得视点追踪装置(180)的实时视点跟踪数据、通过光源阵列控制器(160)来控制光源阵列(100)中不同位置的点光源(101)及光源强度和角度、同时控制显示屏(150)显示图像的渲染及刷新；

所述视点追踪装置(180)设于显示屏(150)附近并面向观察区域，用于检测观察者的双眼位置信息，并将数据实时传送到总控制器(170)；

所述的中继光学系统(190)将通过第一透镜(110)的准直光束扩束后共轭地照射到全息光学元件(130)上。

6.根据权利要求书5所述的基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，其特征在于：所述的中继光学系统(190)是由第一中继透镜(191)和第二中继透镜(192)组成，第一中继透镜(191)和第二中继透镜(192)的光轴重合，第一中继透镜(191)的后焦点与第二中继透镜(192)的前焦点重合。

7.一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，包括彩色光源阵列(200)、第一透镜(110)、棱镜(120)、彩色全息光学元件(230)、第二透镜(140)、显示屏(150)、光源阵列控制器(160)、总控制器(170)、视点追踪装置(180)和中继光学系统(190)，其特征在于：

所述的彩色光源阵列(200)是由多个彩色点光源(201)组成的二维阵列，用于提供三维显示的指向背光光源，与光源阵列控制器(160)相连接，所述彩色光源阵列(200)位于第一透镜(110)的前焦面上；

所述的第一透镜(110)对彩色光源阵列(200)中的每个彩色点光源(201)发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光；

所述的棱镜(120)位于第一透镜(110)后方，用于进行光束偏折；

所述的彩色全息光学元件(230)是多角度复用的彩色全息光学元件，贴合在棱镜(120)的斜面上，用于改变反射的光线角度；

所述的第二透镜(140)，将从彩色全息光学元件(230)反射衍射并通过棱镜出射的光束会聚到对应的观察平面的观看视点；

所述的显示屏(150)是透射型的显示面板，用于高速地显示不同视点所需观看的二维图像并与彩色光源阵列(200)中相对应的点光源同步刷新；

所述的光源阵列控制器(160)，与彩色光源阵列(200)和总控制器(170)相连接，用于接收总控制器(170)的控制信号并控制彩色光源阵列(200)中每个彩色点光源(201)的开关及出光强度；

所述的总控制器(170)，与显示屏(150)、光源阵列控制器(160)和人眼追踪装置(180)相连接，用于获得视点追踪装置(180)的实时视点跟踪数据、通过光源阵列控制器(160)来控制彩色光源阵列(200)中不同位置的彩色点光源(201)及光源强度和角度、同时控制显示屏(150)显示图像的渲染及刷新；

所述视点追踪装置(180)设于显示屏(150)附近并面向观察区域，用于检测观察者的双眼位置信息，并将数据实时传送到总控制器(170)。

8.根据权利要求书7所述的基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，其特征在于：彩色点光源为白色点光源，或红绿蓝(RGB)三色点光源近距离集成为一个点光源。

9.根据权利要求书7所述的基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置，其特征在于：所述的彩色全息光学元件(230)为红绿蓝三色复合多角度复用的反射型全息光学元件，贴合在棱镜(120)的斜面上，对不同角度的红绿蓝三色入射光能产生不同聚焦距离的彩色再现光束；所述的彩色全息光学元件是单层三色复合、双层复合或三层单色复合。

10.一种基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示方法，利用权利要求1、5或7中任意一项所述基于光源阵列观看范围拓展的指向式背光裸眼三维显示装置进行操作，其特征在于，操作步骤如下：

第一步：通过视点追踪装置确定观察者双眼瞳孔中心视点相对于显示屏的空间位置(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，根据当前观察者的双目实时位置将数据传输到总控制器；

第二步：总控制器根据视点追踪装置传输的观察者双目实时空间位置计算对应观察者位置的光源阵列点亮光源阵列中相对应的点光源，以及显示屏需加载的相对应观察者左右眼的双目视差图像；

第三步：总控制器通过光源阵列控制器控制光源阵列的点亮，并控制显示屏刷新加载的双目视差图像；视点追踪装置连续捕捉观察者双目位置，实时传输到总控制器；总控制器根据当前位置计算最适合点亮的点光源，并通过光源阵列控制器刷新，同时更新显示屏显示的双目视差图像；

第四步：观察者在不同观看距离上均可观看到通过指向背光系统照明的裸眼三维图像。