WO2021077503A1 - 3d 显示光学系统及装置 - Google Patents

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
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    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/40—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images giving the observer of a single two-dimensional [2D] image a perception of depth

Definitions

  • the present invention relates to the field of display technology, in particular to a 3D display optical system and device.
  • the existing 3D display technology can be divided into parallax naked-eye 3D display and true 3D display according to whether the light emitted by the object is restored or not.
  • the former uses 3D glasses, slits, lenticular gratings and other devices to realize the left and right eye splitting display.
  • the human brain then synthesizes the images received by the left and right eyes into 3D vision.
  • the human eye is always focused on the plane where the display is located, the brain synthesizes 3D images often exist outside the screen or inside the screen, which just conflicts with the physiological convergence adjustment of the human eye.
  • the present invention provides a 3D display optical system and device, including an optical system including a display screen and a liquid crystal phase modulation unit, the display screen displays a plurality of pictures according to a plurality of times, the plurality of The screen is displayed on the liquid crystal phase modulation unit according to the corresponding time to form a plurality of phase diagrams, and the multiple phase diagrams form a plurality of virtual images behind the display screen according to the corresponding time.
  • a virtual image is superimposed in a time period to form an image.
  • the phase of the liquid crystal phase modulation unit is between 0-2 ⁇ .
  • the multiple times include a first time, a second time, and a third time.
  • the multiple times belong to the same time period.
  • the time interval of the multiple times is less than 1/24 second.
  • the liquid crystal phase modulation unit is in a vertical alignment mode (VA mode).
  • VA mode vertical alignment mode
  • the display screen includes an upper substrate, an indium tin oxide (ITO) common electrode, a liquid crystal, a plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes, a lower substrate, and a polarizer, so
  • the upper substrate is arranged on the indium tin oxide (ITO) common electrode
  • the indium tin oxide (ITO) common electrode is arranged on the liquid crystal
  • the liquid crystal is arranged on the indium tin oxide (ITO) strip electrode
  • the indium tin oxide (ITO) strip electrode is arranged on the lower substrate, and the lower substrate is arranged on the polarizer.
  • the direction of each of the indium tin oxide (ITO) strip electrodes is the same.
  • the direction of the plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes is consistent with the polarization direction of the polarizer.
  • the display screen includes a color resist layer.
  • the display screen does not include a color resist layer.
  • the display screen includes an upper substrate, an indium tin oxide (ITO) common electrode, a liquid crystal, a plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes, a lower substrate, and a polarizer.
  • the upper substrate is disposed on the indium tin oxide (ITO) common electrode
  • the indium tin oxide (ITO) common electrode is disposed on the liquid crystal
  • the liquid crystal is disposed on the indium oxide
  • the indium tin oxide (ITO) strip electrode is arranged on the lower substrate
  • the lower substrate is arranged on the polarizer.
  • the direction of each of the indium tin oxide (ITO) strip electrodes is the same.
  • the direction of the plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes is consistent with the polarization direction of the polarizer.
  • the present invention proposes a non-near-eye curved surface focusing 3D display optical system.
  • the curved surface focusing is realized according to the displayed content, and the time multiplexing technology is adopted to quickly switch the focusing level, and multiple focusing curved surfaces are superimposed After that, the depth information of the object is restored to the greatest extent.
  • the human eye needs to adjust the convergence when observing images of different depths, which gives people a real physiological feeling and does not feel eye discomfort; at the same time, the focusing surface required by this method under the same depth of field
  • the number of layers is much smaller than the number of screen layers required by the multi-layer light field or the number of focal plane layers for time multiplexing in the multi-focal display method.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of modules of the 3D display optical system and device of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the first time virtual image display of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the second time virtual image display of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the third time virtual image display of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the structure of the display screen of the present invention.
  • Fig. 6 is a schematic diagram of the structure of the ITO strip electrode of the present invention.
  • the 3D display optical system and device includes an optical system 110, the optical system includes a display screen 111, and a liquid crystal phase modulation unit 112, and the display screen 111 is based on multiple Multiple images are displayed at each time, and the multiple images are displayed on the liquid crystal phase modulation unit 112 according to the corresponding time to form multiple phase images, and the multiple phase images form multiple images according to the corresponding time.
  • a virtual image is behind the display screen 111, and the multiple virtual images are superimposed to form an image within a time period.
  • the multiple times include a first time t1, a second time t2, and a third time t3.
  • the 3D display optical device decomposes the 3D scene to be displayed into multiple focusing curved surfaces, a first frame 1111 is displayed on the display screen 111 at the first time t1, and the first frame 1111 is displayed on the display screen 111 at the first time t1.
  • the screen 1111 is displayed on the liquid crystal phase modulation unit 112 according to the first time t1 to form a first phase diagram 1121, and the first phase diagram 1121 forms a first phase diagram 1121 according to the principle of imaging through the lens at the first time.
  • the virtual image 1131 is behind the display screen 111.
  • the 3D display optical device decomposes the 3D scene to be displayed into multiple focusing curved surfaces, a second frame 1112 is displayed on the display screen 111 at the second time t2, and the second frame 1112 is displayed on the display screen 111 at the second time t2.
  • the screen 1112 is displayed on the liquid crystal phase modulation unit 112 according to the second time t2 to form a second phase diagram 1122, and the second phase diagram 1122 forms a second phase diagram 1122 according to the principle of imaging through the lens at the second time.
  • the virtual image 1132 is behind the display screen 111.
  • the 3D display optical device decomposes the 3D scene to be displayed into multiple focusing curved surfaces, a third frame 1113 is displayed on the display screen 111 at the third time t3, and the third frame is displayed on the display screen 111 at the third time t3.
  • the screen 1113 is displayed on the liquid crystal phase modulation unit 112 according to the third time t3 to form a third phase diagram 1123, and the third phase diagram 1123 forms a third phase diagram according to the principle of imaging through the lens at the third time.
  • the virtual image 1133 is behind the display screen 111.
  • the multiple times belong to the same time period.
  • the liquid crystal phase modulation unit 112 adopts time multiplexing technology to quickly switch the focus level, and the first virtual image 1131 formed at the first time t1 and the second virtual image 1131 formed at the second time t2 are formed.
  • the virtual image 1132 and the third virtual image 1133 formed at the third time t3 are quickly switched in the same time period, and the human eye 200 sees the 3D scene that is approximately restored and displayed through the visual scene after the superimposition of the three virtual images.
  • the effective thickness of the liquid crystal cell is such that the phase retardation produced by the liquid crystal phase modulation unit 112 is 0-2 ⁇ , which is aimed at around 550 nm of the center wavelength of the display spectrum.
  • the actual thickness of the corresponding liquid crystal cell depends on the liquid crystal used. The model is determined.
  • the time interval of the multiple times is less than 1/24 second.
  • the liquid crystal phase modulation unit 112 is in a vertical alignment mode (VA mode).
  • VA mode vertical alignment mode
  • the display screen 111 includes an upper substrate 1124, an indium tin oxide (ITO) common electrode 1125, a liquid crystal 1126, and a plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes 1127.
  • ITO indium tin oxide
  • ITO indium tin oxide
  • a lower substrate 1128, a polarizer 1129, the upper substrate 1124 is set on the indium tin oxide (ITO) common electrode 1125, the indium tin oxide (ITO) common electrode 1125 is set on the liquid crystal 1126, so The liquid crystal 1126 is disposed on the indium tin oxide (ITO) stripe electrode 1127, the indium tin oxide (ITO) stripe electrode 1127 is disposed on the lower substrate 1128, and the lower substrate 1128 is disposed on the base On the deflector 1129.
  • ITO indium tin oxide
  • ITO indium tin oxide
  • the direction of the indium tin oxide (ITO) stripe electrode 1127 in each pixel area is the same.
  • the direction of the plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes 1127 is consistent with the polarization direction of the polarizer 1129.
  • the display screen 111 includes a color resist layer.
  • the display screen 111 does not include a color resist layer.
  • the display screen 111 includes an upper substrate 1124, an indium tin oxide (ITO) common electrode 1125, a liquid crystal 1126, and a plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes 1127.
  • ITO indium tin oxide
  • ITO indium tin oxide
  • a lower substrate 1128, a polarizer 1129, the upper substrate 1124 is disposed on the indium tin oxide (ITO) common electrode 1125, but does not include a color resist layer, the indium tin oxide (ITO) common electrode 1125 is disposed on On the liquid crystal 1126, the liquid crystal 1126 is disposed on the indium tin oxide (ITO) stripe electrode 1127, the indium tin oxide (ITO) stripe electrode 1127 is disposed on the lower substrate 1128, and the lower The substrate 1128 is disposed on the polarizer 1129.
  • ITO indium tin oxide
  • ITO indium tin oxide
  • the direction of the indium tin oxide (ITO) stripe electrode 1127 in each pixel area is the same.
  • the direction of the plurality of indium tin oxide (ITO) strip electrodes 1127 is consistent with the polarization direction of the polarizer 1129.
  • the present invention proposes a non-near-eye curved surface focusing 3D display optical system.
  • the curved surface focusing is realized according to the displayed content, and the time multiplexing technology is adopted to quickly switch the focus level.
  • the depth information of the object is restored to the greatest extent.
  • the human eye needs to adjust the convergence when observing images of different depths, which gives people a real physiological feeling without eye discomfort; at the same time, this method is under the same depth of field.
  • the number of focusing curved surfaces required is far less than the number of screen layers required by the multi-layer light field or the number of focal surface layers for time multiplexing in a multi-focal surface display method.

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Abstract

一种3D显示光学系统及装置，包含一光学系统（110），光学系统（110）包含一显示屏（111）、一液晶相位调制单元（112），显示屏（111）依据多个时间显示多个画面，多个画面依据相对应的时间显示于液晶相位调制单元（112），形成多个相位图，多个相位图依据相对应的时间形成多个虚像于显示屏（111）后方，多个虚像在一时间周期内叠加成为一成像，从而人眼观察不同深度的影像时需要调节辐辏，给人真实的生理感受，且在同样的景深下所需要的聚焦曲面的层数远远小于多层光场所需的屏幕层数或者多焦面显示方法时间复用的焦面层数。

Description

3D显示光学系统及装置 技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种3D显示光学系统及装置。
 背景技术
近年来，随着显示技术的迅速发展，各种3D显示技术也随之大量涌现。目前已有的3D显示技术按照是否还原物体所发出的光线区分可以分为视差裸眼3D显示和真3D显示。前者利用3D眼镜、狭缝、柱镜光栅等器件实现左右眼分光显示，人脑再将左右眼分别接收到的图像合成为3D视觉，但是由于人眼始终是聚焦在显示器所在平面，而大脑合成的3D影像往往存在于屏幕外或者屏幕内，这与人眼生理上的辐辏调节正好冲突。
因此，长时间观看视差3D显示会使人感到眼部不适，甚至头晕。基于这一点，3D显示的未来发展方向一定是前面提到的第二类「真3D」显示技术，目前全息和体3D显示技术受限于显示媒介而发展缓慢，集成成像分辨率损失严重，多层光场及多焦面方法对空间叠加和时间叠加的层数要求较高。
因此，有需要提供一种3D显示光学系统及装置，以解决现有技术存在的问题。
 技术问题
长时间观看视差3D显示会使人感到眼部不适，甚至头晕。基于这一点，3D显示的未来发展方向一定是前面提到的第二类「真3D」显示技术，目前全息和体3D显示技术受限于显示媒介而发展缓慢，集成成像分辨率损失严重，多层光场及多焦面方法对空间叠加和时间叠加的层数要求较高。
 技术解决方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种3D显示光学系统及装置，包含一光学系统包含一显示屏、一液晶相位调制单元，所述显示屏依据多个时间显示多个画面，所述多个画面依据所述相对应的时间显示于所述液晶相位调制单元，形成多个相位图，所述多个相位图依据所述相对应的时间形成多个虚像于所述显示屏后方，所述多个虚像在一时间周期内叠加成为一成像。
根据本发明的其中一个方面，所述液晶相位调制单元的相位介于0-2π。
根据本发明的其中一个方面，所述多个时间包含一第一时间、一第二时间以及一第三时间。
根据本发明的其中一个方面，所述多个时间属于同一个所述时间周期中。
根据本发明的其中一个方面，所述多个时间的时间间隔采用的是小于1/24秒。
根据本发明的其中一个方面，所述液晶相位调制单元为垂直配向模式(VA模式)。
根据本发明的其中一个方面，所述显示屏包含一上基板、一氧化铟锡(ITO)公共电极、一液晶、多个氧化铟锡(ITO)条型电极、一下基板、一起偏器，所述上基板设置于所述氧化铟锡(ITO)公共电极上，所述氧化铟锡(ITO)公共电极设置于所述液晶上，所述液晶设置于所述氧化铟锡(ITO)条型电极上，所述氧化铟锡(ITO)条型电极设置于所述下基板上，所述下基板设置于所述起偏器上。
根据本发明的其中一个方面，所述每个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向一致。
根据本发明的其中一个方面，所述多个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向与起偏器的偏光方向一致。
根据本发明的其中一个方面，所述显示屏包含一色阻层。
根据本发明的其中一个方面，所述显示屏不包含一色阻层。
根据本发明的其中一个方面，所述显示屏包含一上基板、一氧化铟锡(ITO)公共电极、一液晶、多个氧化铟锡(ITO)条型电极、一下基板、一起偏器，但不包含一色阻层，所述上基板设置于所述氧化铟锡(ITO)公共电极上，所述氧化铟锡(ITO)公共电极设置于所述液晶上，所述液晶设置于所述氧化铟锡(ITO)条型电极上，所述氧化铟锡(ITO)条型电极设置于所述下基板上，所述下基板设置于所述起偏器上。
根据本发明的其中一个方面，所述每个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向一致。
根据本发明的其中一个方面，所述多个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向与起偏器的偏光方向一致。
 有益效果
本发明提出了一种非近眼的曲面聚焦3D显示光学系统，通过利用液晶盒的相位调制功能，根据所显示内容实现曲面聚焦，并且采用时间复用技术，快速切换聚焦层面，多个聚焦曲面叠加后最大限度地还原物体的深度信息，人眼观察不同深度的影像时需要调节辐辏，给人真实的生理感受，不会感到眼部不适；同时，在同样的景深下该方法所需要的聚焦曲面的层数远远小于多层光场所需的屏幕层数或者多焦面显示方法时间复用的焦面层数。
 附图说明
图1为本发明的3D显示光学系统及装置的模块示意图；
图2为本发明的第一时间虚像显示示意图；
图3为本发明的第二时间虚像显示示意图；
图4为本发明的第三时间虚像显示示意图；
图5为本发明的显示屏的结构示意图；
图6为本发明的ITO条型电极的结构示意图。
 本发明的最佳实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，用以举例证明本发明可以实施，这些实施例可以向本领域中的技术人员完整介绍本发明的技术内容，使得本发明的技术内容更加清楚和便于理解。然而本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在一实施例中，如图1所示，所述3D显示光学系统及装置包含一光学系统110，所述光学系统包含一显示屏111、一液晶相位调制单元112，所述显示屏111依据多个时间显示多个画面，所述多个画面依据所述相对应的时间显示于所述液晶相位调制单元112，形成多个相位图，所述多个相位图依据所述相对应的时间形成多个虚像于所述显示屏111后方，所述多个虚像在一时间周期内叠加成为一成像。
在一实施例中，所述多个时间包含一第一时间t1、一第二时间t2以及一第三时间t3。
如图2所示，所述3D显示光学装置将要显示的3D场景分解成多个聚焦曲面，一第一画面1111在所述第一时间t1显示于所述显示屏111上，所述一第一画面1111依据所述第一时间t1显示于所述液晶相位调制单元112，形成一第一相位图1121，所述第一相位图1121依据所述第一时间透过透镜成像原理，形成一个第一虚像1131于所述显示屏111后方。
如图3所示，所述3D显示光学装置将要显示的3D场景分解成多个聚焦曲面，一第二画面1112在所述第二时间t2显示于所述显示屏111上，所述一第二画面1112依据所述第二时间t2显示于所述液晶相位调制单元112，形成一第二相位图1122，所述第二相位图1122依据所述第二时间透过透镜成像原理，形成一个第二虚像1132于所述显示屏111后方。
如图4所示，所述3D显示光学装置将要显示的3D场景分解成多个聚焦曲面，一第三画面1113在所述第三时间t3显示于所述显示屏111上，所述一第三画面1113依据所述第三时间t3显示于所述液晶相位调制单元112，形成一第三相位图1123，所述第三相位图1123依据所述第三时间透过透镜成像原理，形成一个第三虚像1133于所述显示屏111后方。
在一实施例中，所述多个时间属于同一个所述时间周期中。
在一实施例中，所述液晶相位调制单元112采用时间复用技术，快速切换聚焦层面，将所述第一时间t1形成的所述第一虚像1131、第二时间t2形成的所述第二虚像1132以及第三时间t3形成的所述第三虚像1133，在同一所述时间周期内快速切换，人眼200透過这三个虚像叠加后的视觉场景，看到近似还原显示的3D场景。
在一实施例中，液晶盒的有效厚度使得液晶相位调制单元112所产生的相位延迟为0-2π，其针对显示光谱中心波长550nm附近，然而对应的液晶盒实际厚度值要根据所使用的液晶型号确定。
在一实施例中，所述多个时间的时间间隔采用的是小于1/24秒。
在一实施例中，所述液晶相位调制单元112为垂直配向模式(VA模式)。
在一实施例中，如图5所示，所述显示屏111包含一上基板1124、一氧化铟锡(ITO)公共电极1125、一液晶1126、多个氧化铟锡(ITO)条型电极1127、一下基板1128、一起偏器1129，所述上基板1124设置于所述氧化铟锡(ITO)公共电极1125上，所述氧化铟锡(ITO)公共电极1125设置于所述液晶1126上，所述液晶1126设置于所述氧化铟锡(ITO)条型电极1127上，所述氧化铟锡(ITO)条型电极1127设置于所述下基板1128上，所述下基板1128设置于所述起偏器1129上。
在一实施例中，如图6所示，所述每个像素区内的氧化铟锡(ITO)条型电极1127的方向一致。
在一实施例中，所述多个氧化铟锡(ITO)条型电极1127的方向与起偏器1129的偏光方向一致。
在一实施例中，所述显示屏111包含一色阻层。
在一实施例中，所述显示屏111不包含一色阻层。
在一实施例中，如图5所示，所述显示屏111包含一上基板1124、一氧化铟锡(ITO)公共电极1125、一液晶1126、多个氧化铟锡(ITO)条型电极1127、一下基板1128、一起偏器1129，所述上基板1124设置于所述氧化铟锡(ITO)公共电极1125上，但不包含一色阻层，所述氧化铟锡(ITO)公共电极1125设置于所述液晶1126上，所述液晶1126设置于所述氧化铟锡(ITO)条型电极1127上，所述氧化铟锡(ITO)条型电极1127设置于所述下基板1128上，所述下基板1128设置于所述起偏器1129上。
在一实施例中，如图6所示，所述每个像素区内的氧化铟锡(ITO)条型电极1127的方向一致。
在一实施例中，所述多个氧化铟锡(ITO)条型电极1127的方向与起偏器1129的偏光方向一致。
根据上述实施例，本发明提出了一种非近眼的曲面聚焦3D显示光学系统，通过利用液晶盒的相位调制单元，根据所显示内容实现曲面聚焦，并且采用时间复用技术，快速切换聚焦层面，多个聚焦曲面叠加后最大限度地还原物体的深度信息，人眼观察不同深度的影像时需要调节辐辏，给人真实的生理感受，不会感到眼部不适；同时，在同样的景深下该方法所需要的聚焦曲面的层数远远小于多层光场所需的屏幕层数或者多焦面显示方法时间复用的焦面层数。
以上对本发明实施例所提供的一种3D显示光学系统及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；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的技术方案的范围。

Claims (14)

  1. 一种3D显示光学系统及装置，包含：
    一光学系统包含一显示屏、一液晶相位调制单元；
    所述显示屏依据多个时间显示多个画面；
    所述多个画面依据所述相对应的时间显示于所述液晶相位调制单元，形成多个相位图；
    所述多个相位图依据所述相对应的时间形成多个虚像于所述显示屏后方；
    所述多个虚像在一时间周期内叠加成为一成像。
  2. 如权利要求1所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述液晶相位调制单元的相位介于0-2π。
  3. 如权利要求1所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述多个时间包含一第一时间、一第二时间以及一第三时间。
  4. 如权利要求1所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述多个时间属于同一个所述时间周期中。
  5. 如权利要求1所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述多个时间的时间间隔采用的是小于1/24秒。
  6. 如权利要求1所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述液晶相位调制单元为垂直配向模式(VA模式)。
  7. 如权利要求1所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述显示屏包含一上基板、一氧化铟锡(ITO)公共电极、一液晶、多个氧化铟锡(ITO)条型电极、一下基板、一起偏器；
    所述上基板设置于所述氧化铟锡(ITO)公共电极上；
    所述氧化铟锡(ITO)公共电极设置于所述液晶上；
    所述液晶设置于所述氧化铟锡(ITO)条型电极上；
    所述氧化铟锡(ITO)条型电极设置于所述下基板上；
    所述下基板设置于所述起偏器上。
  8. 如权利要求7所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述每个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向一致。
  9. 如权利要求7所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述多个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向与起偏器的偏光方向一致。
  10. 如权利要求7所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述显示屏包含一色阻层。
  11. 如权利要求7所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述显示屏不包含一色阻层。
  12. 如权利要求1所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述显示屏包含一上基板、一氧化铟锡(ITO)公共电极、一液晶、多个氧化铟锡(ITO)条型电极、一下基板、一起偏器，但不包含一色阻层；
    所述上基板设置于所述氧化铟锡(ITO)公共电极上；
    所述氧化铟锡(ITO)公共电极设置于所述液晶上；
    所述液晶设置于所述氧化铟锡(ITO)条型电极上；
    所述氧化铟锡(ITO)条型电极设置于所述下基板上；
    所述下基板设置于所述起偏器上。
  13. 如权利要求12所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述每个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向一致。
  14. 如权利要求12所述的3D显示光学装置，其特征在于，所述多个氧化铟锡(ITO)条型电极的方向与起偏器的偏光方向一致。
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