一種寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)，包括：正交偏振顯示設備、偏振片陣列和微透鏡陣列，偏振片陣列平行放置于正交偏振顯示設備前方，微透鏡陣列貼緊放置于偏振片陣列之后，單元偏振片與單元微透鏡對齊；其中正交偏振顯示設備將兩幀對應于不同微單元透鏡的單元圖像陣列以不同的偏振態(tài)重疊顯示，顯示圖像的光線經過偏振片陣列過濾之后到達微透鏡陣列，經過微透鏡陣列的光學變換之后顯示出三維像。本發(fā)明通過偏振器件與微單元透鏡陣列耦合，增大了每個微透鏡所對應的微單元圖像的顯示范圍及分辨率，提高了立體顯示系統(tǒng)的可觀看角度。本發(fā)明提高了顯示亮度，而且很大程度上降低了控制系統(tǒng)的復雜程度及制造難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】一種寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維立體顯示技術，尤其是涉及一種寬視角的集成成像三維立體顯示 系統(tǒng)，可用于廣播電視，電影，虛擬現(xiàn)實等領域。

【背景技術】
[0002] 集成成像三維顯示技術是一種裸眼立體顯示技術，傳統(tǒng)集成成像三維顯示包括獲 取和重構兩個主要環(huán)節(jié)，如附圖1所示。在三維場景信息1的獲取過程中，采用由許多透 鏡單元整齊排布構成的微透鏡陣列2來采集三維空間物體的立體信息，并通過透鏡陣列后 端的記錄介質來記錄。由于每個透鏡單元都會從不同方位獲取各自的圖像信息--單元圖 像，最終，所有的單元圖像整齊排布形成單元圖像陣列被記錄在記錄設備3上。在重構階 段，通常采用與獲取端參數(shù)相同的透鏡陣列來再現(xiàn)三維物體像。單元圖像陣列被輸入到顯 示系統(tǒng)4,顯示器前端放置透鏡陣列5,根據(jù)光路可逆原理，透鏡陣列將單元圖像發(fā)出的光 線重新匯聚6,從而在透鏡陣列所在平面之外的一定范圍內重構出三維物體的立體像7。
[0003] 集成成像三維顯示技術可以提供全彩色，準連續(xù)視差立體圖像，并且不需要輔助 觀看設備，如立體眼鏡等，無需相干光源，便可實現(xiàn)空間成像，符合人眼生理習慣，避免了其 他立體顯示方式帶來的視覺疲勞。
[0004] 集成成像三維顯示在獲取端通過相機陣列或計算機渲染生成技術往往可以獲得 高分辨率的單元圖像陣列，但是在重構端受到顯示器件的制約，單元圖像的分辨率通常不 能較好滿足集成成像三維顯示的性能要求，極大的限制了顯示系統(tǒng)的可觀看角度和觀看效 果，成為制約集成成像三維顯示發(fā)展的一個因素。
[0005] 為了改善集成成像三維顯示系統(tǒng)的視場角，學者們提出了多種解決方案，主要分 為以下三類：1、通過改變顯示面板及微透鏡陣列的形狀來提升可觀看角度，如Yunhee Kim， Jae-Hyeung Park 等人在 "Wide-viewing-angle integral three-dimensional imaging system by curving a screen and a lens array，'（APPLIED OPTICS Vol. 44, No. 4)提 出了使用彎曲顯示面板和透鏡陣列的集成成像三維顯示系統(tǒng)，但是基于目前的加工制造 水平，彎曲的顯示面板及透鏡陣列成本高昂，不易實現(xiàn)。2、使用分時復用技術，通過在不 同時刻遮擋不同的微單元透鏡來擴大可觀看角度，如Sungyong Jung, Jae-Hyeung Park 等人在 "Wide-viewing integral three-dimensional imaging by use of orthogonal polarization switching"（APPLIED OPTICS Vol. 42，No. 14)中使用了分時復用與偏振光 相結合的方法改善了集成成像三維顯示系統(tǒng)的視場角，但是由于使用了分時復用技術，導 致了顯示系統(tǒng)的顯示亮度降低，而且系統(tǒng)的結構、控制復雜。3、通過改變微單元透鏡的形 狀，使某個方向上的可觀看角度得到提升，但是這種方法犧牲了三維顯示的橫向分辨率，而 且只能使可觀看角度得到小幅度的提升。


【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，通過使用偏振器件與微單元透鏡陣 列耦合來擴大微單元圖像的顯示面積，以提供一種高分辨率、大視場角的三維立體顯示系 統(tǒng)。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)，包括：正交 偏振顯示設備、偏振片陣列和微透鏡陣列，偏振片陣列平行放置于正交偏振顯示設備前方， 微透鏡陣列貼緊放置于偏振片陣列之后，單元偏振片與單元微透鏡對齊；其中正交偏振顯 示設備將兩幀對應于不同微單元透鏡的單元圖像陣列以不同的偏振態(tài)重疊顯示，顯示圖像 的光線經過偏振片陣列過濾之后到達微透鏡陣列，經過微透鏡陣列的光學變換之后顯示出 二維像。
[0008] 所述的正交偏振顯示設備用于顯示微單元圖像陣列，必須能夠同時顯示偏振方向 相互正交的線偏振光，且不同偏振方向的顯示圖像能夠獨立控制，所顯示的微單元圖像陣 列以正交偏振態(tài)重疊顯示，對應于奇數(shù)列微單元透鏡的微單元圖像偏振態(tài)與奇數(shù)列偏振片 的偏振態(tài)相同，對應于偶數(shù)列微單元透鏡的微單元圖像偏振態(tài)與偶數(shù)列偏振片的偏振態(tài)相 同。其微單元圖像的面積為微單元透鏡面積的兩倍，其寬度是微單元透鏡寬度的兩倍，高度 與微單元透鏡的高度相同，且微單元圖像的中心與所對應微單元透鏡的中心對齊。
[0009] 用于本發(fā)明中正交偏振顯示設備的微單元圖像陣列可以使用一般微單元圖像陣 列生成，具體生成方式為：1、對微單元圖像陣列中的每個微單元圖像進行裁剪，使微單元圖 像的寬度為高度的兩倍，同時裁剪后的微單元圖像中心與原微單元圖像的中心相同。裁剪 過程中使裁剪后的微單元圖像像素數(shù)盡可能大。2、分別提取裁剪后的微單元圖像陣列中的 奇數(shù)列和偶數(shù)列，并分別拼合成新的微單元圖像陣列，得到微單元圖像陣列兩幅，分別對應 兩個偏振態(tài)。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點：
[0011] 1)本發(fā)明通過偏振器件與微單元透鏡陣列耦合，控制每個為單元透鏡可通過光線 的偏振態(tài)，使每個微單元透鏡所對應的微單元圖像擴大了一倍，增大了每個微透鏡所對應 的微單元圖像的顯示范圍及分辨率，提高了立體顯示系統(tǒng)的可觀看角度。
[0012] 2)相比目前廣泛使用的時分復用技術，本系統(tǒng)顯著提高了顯示系統(tǒng)的顯示亮度。
[0013] 3)相比時分復用的立體顯示系統(tǒng)而言，不但提高了顯示亮度，而且很大程度上降 低了控制系統(tǒng)的復雜程度及制造難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為傳統(tǒng)的集成成像三維顯示系統(tǒng)的采集及顯示原理示意圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明中的集成成像三維顯示系統(tǒng)示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明一個實施例的集成成像三維顯示系統(tǒng)示意圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明中微單元圖像陣列與微單元透鏡陣列的對應關系示意圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明第二個實施例的集成成像三維顯示系統(tǒng)示意圖；
[0019] 圖6為本發(fā)明中通過原始微單元圖像陣列生成新的微單元圖像陣列的示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，下面結合 附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明做進一步限定：
[0021] 實施例1 :
[0022] 如圖2及圖3所示，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種寬視角的集成成像三維顯 示系統(tǒng)，包括：正交偏振顯示設備8、偏振片陣列9和微透鏡陣列10,偏振片陣列9平行放置 于正交偏振顯示設備8前方，微透鏡陣列10貼緊放置于偏振片陣列9之后，微單元偏振片 15與微單元透鏡16對齊；其中正交偏振顯示設備8將兩幀對應于不同微單元透鏡16的單 元圖像陣列以不同的偏振態(tài)重疊顯示，顯示圖像的光線經過偏振片陣列9過濾之后到達微 透鏡陣列10,經過微透鏡陣列10的光學變換之后顯示出三維像13。
[0023] 所述的正交偏振顯示設備8用于顯示微單元圖像陣列14,必須能夠同時顯示偏振 方向相互正交的線偏振光，且不同偏振方向的顯示圖像能夠獨立控制，所顯示的微單元圖 像陣列14以正交偏振態(tài)重疊顯示。
[0024] 如圖2及圖4所示，對應于微單元透鏡16的奇數(shù)列微單元圖像29與偏振片陣列 9中的奇數(shù)列偏振片11的偏振態(tài)相同，對應于微單兀透鏡16的偶數(shù)列微單兀圖像28與偏 振片陣列9中偶數(shù)列偏振片12的偏振態(tài)相同。且奇數(shù)列微單元圖像29及偶數(shù)列微單元圖 像28的面積為偏振片陣列9中的偏振片面積的兩倍，其寬度是偏振片陣列9中的偏振片寬 度的兩倍，高度與偏振片陣列9中的偏振片的高度相同；另外，奇數(shù)列微單元圖像29的中心 與奇數(shù)列偏振片11的中心對齊，偶數(shù)列微單元圖像28的中心與偶數(shù)列偏振片12的中心對 齊。
[0025] 實施例2 :
[0026] 本發(fā)明的思想是利用正交偏振顯示設備，偏振片陣列和透鏡陣列來實現(xiàn)一種分辨 率和視場角都得到改善的集成成像顯示系統(tǒng)。
[0027] 如圖5所示，本實施例中的正交偏振顯示設備22采用了背投式雙投影機系統(tǒng)，其 包括兩個相同規(guī)格型號一號投影機18和二號投影機19、一號偏振片20和二號偏振片21， 能夠保持光線偏振特性的投影幕23,但本發(fā)明并不局限于使用投影顯示設備。
[0028] 本實施例的具體實施步驟如下：
[0029] (1)使用兩個型號、參數(shù)相同的一號投影機18、二號投影機19和能夠保持光線偏 振特性的背投式投影幕23作為正交偏振顯示設備22。
[0030] la) -號投影機18和二號投影機19平行放置，根據(jù)投影機的參數(shù)將投影幕23放 置于一號投影機18和二號投影機19前方，使一號投影機18和二號投影機19所投出的影 像在投影幕23上重疊面積盡可能大。
[0031] lb)分別在一號投影機18和二號投影機19前放置一號偏振片20和二號偏振片 21，一號投影機18前的一號偏振片20偏振方向與水平方向夾角為45°，二號投影機19前 的二號偏振片21偏振方向與水平方向夾角為-45°，一號投影機18和二號投影機19在投 影幕23上的光線的偏振方向相互正交。
[0032] lc)通過對一號投影機18和二號投影機19所投出的圖像進行校正，使一號投影機 18和二號投影機19在投影幕23上的影像完全重疊，且影像的形狀是規(guī)則的矩形。
[0033] (2)在微透鏡陣列25表面上粘貼偏振片陣列24,奇數(shù)列的微透鏡上的偏振片26 偏振方向與水平方向的夾角為45°，偶數(shù)列的微透鏡上的偏振片27的偏振方向與水平方 向的夾角為-45°。
[0034] (3)根據(jù)顯示參數(shù)的需求將貼有偏振片陣列24的微透鏡陣列25放置在上述的正 交偏振顯示設備22前方，并保持微透鏡陣列25與顯示平面平行，并且貼有偏振片陣列24 的一側朝向正交偏振顯不設備22。
[0035] (4)根據(jù)顯示參數(shù)的要求通過原始微單元圖像陣列31制作微單元圖像陣列。如附 圖6所示，三維空間物體的原始微單元圖像陣列可通過相機陣列或計算機渲染生成。
[0036] 4a)對原始微單元圖像陣列31中的每個微單元圖像進行裁剪，使微單元圖像的寬 度為高度的兩倍，同時裁剪后的微單元圖像中心與原微單元圖像的中心相同。裁剪過程中 使裁剪后的微單元圖像像素數(shù)盡可能大。
[0037] 4b)將上述裁剪后的微單元圖像中的奇數(shù)列微單元圖像提取出來并進行拼接，得 到對應于奇數(shù)列微單元圖像陣列32,提取出偶數(shù)列的微單元圖像并進行拼接，得到對應于 偶數(shù)列微單元圖像陣列33。
[0038] (5)使用上述正交偏振顯示設備的一號投影機18顯示上述的奇數(shù)列微單元圖像 陣列32,二號投影機19顯示偶數(shù)列微單元圖像陣列33,顯示時通過縮放微單元圖像陣列， 并且微單元圖像的高度與微單元透鏡的高度相同，微單元圖像的寬度是微單元透鏡寬度的 兩倍，并通過平移操作使每個微單元圖像的中心與對應的微透鏡中心對齊，完成三維場景 的顯示。
[0039] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術 人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
【權利要求】
1. 一種寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)，其包括正交偏振顯示設備、偏振片陣列和微 透鏡陣列，其特征在于：偏振片陣列平行放置于正交偏振顯示設備前方，微透鏡陣列貼緊放 置于偏振片陣列之后，單元偏振片與單元微透鏡對齊。
2. 根據(jù)權利要求1所述的寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)，其特征在于：振片陣列中 奇數(shù)列與偶數(shù)列的單元偏振片偏振方向相互正交，并能夠通過偏振片陣列來控制能夠到達 微透鏡陣列上光線的偏振態(tài)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)，其特征在于：正交偏振顯 示設備所顯示的微單元圖像陣列以正交偏振態(tài)重疊顯示，對應于奇數(shù)列微單元透鏡的微單 元圖像偏振態(tài)與奇數(shù)列偏振片的偏振態(tài)相同，對應于偶數(shù)列微單元透鏡的微單元圖像偏振 態(tài)與偶數(shù)列偏振片的偏振態(tài)相同，其微單元圖像的面積為微單元透鏡面積的兩倍，其寬度 是微單元透鏡寬度的兩倍，高度與微單元透鏡的高度相同，且微單元圖像的中心與所對應 微單元透鏡的中心對齊。
4. 根據(jù)權利要求1或權利要求3所述的寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)，其特征在于： 正交偏振顯示設備可以由投影設備，偏振方向正交的一對偏振片，能保持光線偏振特性的 投影幕組成，也可以是偏光式3D液晶顯示器。
【文檔編號】H04N13/00GK104104939SQ201410333935
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權日:2014年7月11日
【發(fā)明者】王曉蕊, 于碩, 劉鑫, 張建磊, 董維科, 劉德連 申請人:西安電子科技大學