CN213634008U

CN213634008U - 一种裸眼三维图像显示装置

Info

Publication number: CN213634008U
Application number: CN202022414239.7U
Authority: CN
Inventors: 杨乐; 任石青; 焦冬秀; 耿小芬; 申建强
Original assignee: Communication University Of Shanxi
Current assignee: Communication University Of Shanxi
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2030-10-26

Abstract

本实用新型涉及一种裸眼三维图像显示装置，通过依次叠放设置的液晶显示器、非连续柱透镜阵列及扩散屏，液晶显示器能够加载基元图像阵列。基元图像中像素发出的光线可以被倾斜的柱透镜调制到不同的水平方向上去，在水平方向上形成具有不同水平方向角的多束水平视点光线。非连续柱透镜阵列中的每个非连续柱透镜单元都可以配合相应的基元图像形成水平视点光线，这些光线束在空间中集成，从而形成具有水平视差的多个视点，实现高分辨率水平光场的构建。本实用新型充分利用了有限的平面分辨率资源，使它们转变为单方向更多的光线束来构建光场矢量场，从而去更好地拟合原始景物的光场，最终使得3D显示分辨率得到极大的提升。

Description

一种裸眼三维图像显示装置

技术领域

本实用新型涉及三维图像显示技术领域，尤其涉及一种裸眼三维图像显示装置。

背景技术

三维(three-dimensional,3D)影像显示技术，是一种新型显示技术，与普通画面显示相比，3D技术可以使画面变得立体逼真，图像不再局限于屏幕的平面上，仿佛能够走出屏幕外面，让观众有身临其境的感觉。

光场显示是基于光线重建的方法来还原原始场景的光场信息从而构建逼真3D影像的技术。光场显示技术被认为是一种理想的3D显示方式，具有很大的商用潜力，因此是近些年来3D显示领域的研究热点。

现有技术中，光场采集技术可以分为两大类。一类是透镜阵列+电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)组成的光场相机。另一类是由相机阵列组成的采集阵列。这两种组合方式中，第一种方式的优势是结构简单、方便操作，确定是由于一个CCD需要记录各个角度的信息，会导致采集的图像分辨率很低。第二种方式的优势是采集到的图像分辨率高，三维信息多，但是结构复杂，不易操作。

光场显示技术可以分为三大类，包括平板光场显示技术、体3D显示技术和全息显示技术。第一种显示技术的优势是结构简单，可实现动态全彩色显示，但是由于转化为三维光束信息的平面分辨率资源不足，会使三维成像分辨率不高。第二种显示方式的优势是立体感强，但其所呈现出的三维影像无遮挡关系。第三种显示方式是种理想的光场显示技术，具有超高三维显示分辨率，但是其难以实现大尺寸、全彩色和动态的三维影像。

平板光场显示技术本质上是把平面显示器如液晶显示器等上的平面像素资源转化为三维光场信息，使像素发出的光线具有特定的方向信息、强度信息与颜色信息，从而可构建出具有多光线束的光场矢量场去拟合原始景物的光场，最终再现出逼真、立体的3D影像。但是，目前平面显示器的分辨率资源有限，导致所转化形成的三维光场信息量有限，也就是去拟合原始景物光场的光束数目有限，最终导致了再现3D影像分辨率的不足，从而使3D 显示效果不清晰、立体感不足并会出现视差不连续的问题，严重影响观看体验。此外，所需的透镜组装需要刚性结构去连接透镜，因此这些刚性结构会遮挡液晶显示器像素发出的光线，从而使得3D影像出现视野盲点，降低观看体验。

实用新型内容

为克服现有平板光场显示技术存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种裸眼三维图像显示装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种裸眼三维图像显示装置，包括依次叠放设置的液晶显示器1、非连续柱透镜阵列2及扩散屏3，其中，

所述非连续柱透镜阵列2包括若干个周期性排列的非连续柱透镜单元；每个所述非连续柱透镜单元包括一组不透光材料和柱透镜。

所述若干个非连续柱透镜单元结构相同，自上而下、自左向右按照设定的周期排列组成所述非连续柱透镜阵列。

所述液晶显示器1能够加载基元图像阵列；所述基元图像阵列包括若干个基元图像；每个所述基元图像包括若干个与所述液晶显示器1像素分辨率相同且对应的基元像素。

所述基元图像与组成所述非连续柱透镜阵列2的非连续柱透镜单元一一对应。

所述非连续柱透镜阵列2中的每个非连续柱透镜单元中的柱透镜均为倾斜设置。

所述非连续柱透镜阵列2中的每个非连续柱透镜单元都能够配合对应的所述基元图像形成水平视点光线。

所述不透光材料为不透光的树脂材料。

所述非连续柱透镜阵列2根据柱透镜口径和非连续柱透镜阵列的节距设定，并能够进行调整。

所述液晶显示器1、非连续柱透镜阵列2及扩散屏3以设定距离依次叠放设置。

所述扩散屏3为能够消除三维图像视野盲区的立体光栅。

本实用新型的有益效果是：

本实施例中，通过依次叠放设置的液晶显示器、非连续柱透镜阵列及扩散屏，液晶显示器能够加载基元图像阵列。基元图像中像素发出的光线可以被倾斜的柱透镜调制到不同的水平方向上去，在水平方向上形成具有不同水平方向角的多束水平视点光线。非连续柱透镜阵列中的每个非连续柱透镜单元都可以配合相应的基元图像形成水平视点光线，这些光线束在空间中集成，从而形成具有水平视差的多个视点，实现高分辨率水平光场的构建。本实用新型充分利用了有限的平面分辨率资源，使它们转变为单方向更多的光线束来构建光场矢量场，从而去更好地拟合原始景物的光场，最终使得3D 显示分辨率得到极大的提升。

进而，本实用新型方案使用了扩散屏用以消除3D影像的视野盲区，并且扩散屏可以帮助人眼对3D影像进行更好的聚焦，使立体感更加明显，从而改善观看体验。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于透镜阵列的集成成像系统结构图；

图2为本实用新型实施例提供的集成成像再现的具有n×n个视点的全视差光场示意图；

图3为本实用新型实施例提供的裸眼三维图像显示装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的裸眼三维图像显示装置中基元图像与非连续柱透镜单元对应示意图；

图5a～图5d为本实用新型实施例提供的基元图像配合非连续柱透镜单元产生水平视点光线示意图；

图6为本实用新型实施例提供的裸眼三维图像显示装置再现的具有n×n 个水平视点的水平光场示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

集成成像是一种光场显示技术，其通常采用二维平面液晶显示器作为光信息源，采用透镜阵列结构作为光信息空间调制控制单元，来使二维平面像素转变为具有特定方向、强度和颜色信息的三维光场信息。基于液晶显示器和透镜阵列的集成成像系统结构如图1所示。

如图1所示，其基本原理为：液晶显示器上加载基元图像阵列作为光信息源，基元图像阵列由基元图像周期排列组成，其上的像素发出的光线具有特定的强度和颜色信息。像素发出的光线被放在液晶显示器前方的透镜阵列调制，使光线具有特定的方向角。这样通过透镜阵列的光线便具有了特定的方向、强度和颜色信息，能拟合出原始景物的光场信息，从而展现出逼真的 3D影像。

设定基元图像阵列中的基元图像分辨率为n×n，与其对应的透镜调制其具有的n×n个像素发出的光线，构建出具有n个水平视点和n个垂直视点组成的再现光场，如图2所示。因此集成成像是一种全视差立体显示方式，具有水平立体感和垂直立体感。

本实施例中，视差为采用立体相机拍摄同一场景所获得的多幅稍有差异的图像称为视差图像，而这些视差图像所展现出来的二维显示信息的组合为视差。水平/垂直视差为采用立体相机在水平/垂直方向上拍摄同一场景所获得的多幅稍有差异的图像称为视差图像，而这些视差图像所展现出来的二维显示信息的组合为水平/垂直视差。全视差指所拍摄图像既有水平视差信息又有垂直视差信息。

视点为在某一个角度观察物体所看到的二维光信息。视区为通过控制光线出射方向而在空间中形成具有周期性排布的光场信息，这种周期性的光场信息就是视区。视角为在系统设计的最佳观看距离处，观察视区的可视范围角度。

节距为控光装置周期性结构的一个周期的水平宽度为像素水平宽度的倍数。

光场为以超多视点所构成的、还原物体本身自然光信息的三维立体呈现效果。水平光场为水平视差以超多视点所构成，使物像具有物体水平方向自然光信息的三维立体呈现效果。

基元图像为液晶显示器若干特定像素所组成的集合，用于进行图像编码的最小单位。基元图像阵列为若干基元图像组成的阵列。

本实施例提供一种裸眼三维图像显示装置，如图3和图4所示，包括依次叠放设置的液晶显示器1、非连续柱透镜阵列2及扩散屏3，其中，

本实施例中，液晶显示器1、非连续柱透镜阵列2、扩散屏3以前后顺序并以一定距离排列组成。液晶显示器1上加载基元图像阵列。基元图像阵列可以是一整张图片，其分辨率与液晶显示器1分辨率一致。基元图像阵列是由若干张基元图像上下左右排列在一起组成的，对应的是整个非连续柱透镜阵列，其组成部分基元图像是一一对应非连续柱透镜单元的。加载可以是在液晶显示器1上把基元图像阵列全屏显示出来。

基元图像阵列中基元图像的分辨率为n×n，其中横向分辨率为n，纵向分辨率为n，其像素编号为Pnn(n＝1,2,...)。这里，本实施例以基元图像横向分辨率为n，纵向分辨率为n为例来说明本实施例的技术要点，本实施例也可以是m×n的分辨率，也即横向分辨率为m，纵向分辨率为n。基元图像横向分辨率和纵向分辨率可以不一样，也就是基元图像可以是矩形。

非连续柱透镜阵列2由周期性排列的非连续柱透镜单元组成。非连续柱透镜单元由不透光材料和柱透镜组成。周期性排列指若干结构相同的非连续柱透镜单元自上而下、自左向右排列组成非连续柱透镜阵列。不透光材料可以但不限于是不透光的树脂材料。

所述扩散屏3为能够消除三维图像视野盲区的立体光栅。

如图5a～图5d所示，为基元图像配合非连续柱透镜单元产生水平视点光线示意图。本实施例中，非连续柱透镜阵列2由一系列非连续柱透镜单元组成，而非连续柱透镜单元由不透光材料和倾斜的柱透镜组成。基元图像包含了n行、n列像素，总共n×n个像素。处于基元图像中每行像素范围的柱透镜部分相对于这行像素为一个独立的柱透镜，这些像素与柱透镜边缘有不同的距离，并且基元图像中不同行的像素与其相对应柱透镜部分的边缘具有不同的距离，如ΔM_n(n＝1，2，...)。因此，基元图像中像素发出的光线可以被倾斜的柱透镜调制到不同的水平方向上去，在水平方向上形成具有不同水平方向角的n×n束水平视点光线。

非连续柱透镜阵列2中的每个单元都可以配合相应的基元图像形成水平视点光线，这些光线束在空间中集成，从而形成具有水平视差的n×n个视点，实现高分辨率水平光场的构建。也就是说，不同于集成成像所构建的具有n个垂直视点与n个水平视点的全视差光场。液晶显示器1的全部像素都用于构建水平方向的视点光束，构建出了n×n个水平视点。这样就充分利用了有限的平面分辨率资源，使它们转变为单方向更多的光线束来构建光场矢量场，从而去更好地拟合原始景物的光场，最终使得3D显示分辨率得到极大的提升。

如图6所示，为本实施例再现的具有n×n个水平视点的水平光场示意图。其中，使用本实施例提供的裸眼三维图像显示装置再现的光场为水平光场，具有水平方向n×n个视点，并且只具有水平视差。而在垂直方向上，因为非连续柱透镜阵列不具有对光线垂直方向调制的能力，因而只有一个视点。综上所述，使用所提出的裸眼3D显示装置可以构建出n×n×1个视点。

本实施例中，非连续柱透镜阵列的两个关键参数为柱透镜口径w(柱透镜口径指柱透镜背面平面的水平宽度)和非连续柱透镜阵列的节距P_A(节距指周期性结构的一个周期的水平宽度，也就是非连续柱透镜阵列中非连续柱透镜单元的宽度)。这两个参数确定该裸眼三维图像显示装置的视角θ根据如下公式计算：

其中，l为非连续柱透镜阵列2与液晶显示器1的距离。

非连续透镜阵列2的透光率γ为：

基元图像中横向(纵向)分辨率n为：

其中，w_p为像素的横向宽度。

本实施例中，基于非连续透镜阵列的裸眼三维图像显示装置使用了扩散屏用以消除3D影像的视野盲区，并且扩散屏可以帮助人眼对3D影像进行更好的聚焦，使立体感更加明显，从而改善观看体验。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、”“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种裸眼三维图像显示装置，其特征在于，包括依次叠放设置的液晶显示器(1)、非连续柱透镜阵列(2)及扩散屏(3)，其中，

所述非连续柱透镜阵列(2)包括若干个周期性排列的非连续柱透镜单元；每个所述非连续柱透镜单元包括一组不透光材料和柱透镜。

2.根据权利要求1所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述若干个非连续柱透镜单元结构相同，自上而下、自左向右按照设定的周期排列组成所述非连续柱透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述液晶显示器(1)能够加载基元图像阵列；所述基元图像阵列包括若干个基元图像；每个所述基元图像包括若干个与所述液晶显示器(1)像素分辨率相同且对应的基元像素。

4.根据权利要求3所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述基元图像与组成所述非连续柱透镜阵列(2)的非连续柱透镜单元一一对应。

5.根据权利要求3所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述非连续柱透镜阵列(2)中的每个非连续柱透镜单元中的柱透镜均为倾斜设置。

6.根据权利要求3所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述非连续柱透镜阵列(2)中的每个非连续柱透镜单元都能够配合对应的所述基元图像形成水平视点光线。

7.根据权利要求1所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述不透光材料为不透光的树脂材料。

8.根据权利要求1所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述非连续柱透镜阵列(2)根据柱透镜口径和非连续柱透镜阵列的节距设定，并能够进行调整。

9.根据权利要求1所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述液晶显示器(1)、非连续柱透镜阵列(2)及扩散屏(3)以设定距离依次叠放设置。

10.根据权利要求1所述的裸眼三维图像显示装置，其特征在于，所述扩散屏(3)为能够消除三维图像视野盲区的立体光栅。