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(shè)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(shè)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(duì)齊；其中正交偏振顯示設(shè)備將兩幀對(duì)應(yīng)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(jīng)過(guò)偏振片陣列過(guò)濾之后到達(dá)微透鏡陣列，經(jīng)過(guò)微透鏡陣列的光學(xué)變換之后顯示出三維像。本發(fā)明通過(guò)偏振器件與微單元透鏡陣列耦合，增大了每個(gè)微透鏡所對(duì)應(yīng)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(fù)雜程度及制造難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。
【專利說(shuō)明】一種寬視角的集成成像三維顯示系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維立體顯示技術(shù)，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(shí)等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 集成成像三維顯示技術(shù)是一種裸眼立體顯示技術(shù)，傳統(tǒng)集成成像三維顯示包括獲 取和重構(gòu)兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，如附圖1所示。在三維場(chǎng)景信息1的獲取過(guò)程中，采用由許多透 鏡單元整齊排布構(gòu)成的微透鏡陣列2來(lái)采集三維空間物體的立體信息，并通過(guò)透鏡陣列后 端的記錄介質(zhì)來(lái)記錄。由于每個(gè)透鏡單元都會(huì)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(shè)備3上。在重構(gòu)階 段，通常采用與獲取端參數(shù)相同的透鏡陣列來(lái)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(nèi)重構(gòu)出三維物體的立體像7。
[0003] 集成成像三維顯示技術(shù)可以提供全彩色，準(zhǔn)連續(xù)視差立體圖像，并且不需要輔助 觀看設(shè)備，如立體眼鏡等，無(wú)需相干光源，便可實(shí)現(xiàn)空間成像，符合人眼生理習(xí)慣，避免了其 他立體顯示方式帶來(lái)的視覺(jué)疲勞。
[0004] 集成成像三維顯示在獲取端通過(guò)相機(jī)陣列或計(jì)算機(jī)渲染生成技術(shù)往往可以獲得 高分辨率的單元圖像陣列，但是在重構(gòu)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(gè)因素。
[0005] 為了改善集成成像三維顯示系統(tǒng)的視場(chǎng)角，學(xué)者們提出了多種解決方案，主要分 為以下三類：1、通過(guò)改變顯示面板及微透鏡陣列的形狀來(lái)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(shí)現(xiàn)。2、使用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，通過(guò)在不 同時(shí)刻遮擋不同的微單元透鏡來(lái)擴(kuò)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(shí)復(fù)用與偏振光 相結(jié)合的方法改善了集成成像三維顯示系統(tǒng)的視場(chǎng)角，但是由于使用了分時(shí)復(fù)用技術(shù)，導(dǎo) 致了顯示系統(tǒng)的顯示亮度降低，而且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜。3、通過(guò)改變微單元透鏡的形 狀，使某個(gè)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(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，通過(guò)使用偏振器件與微單元透鏡陣 列耦合來(lái)擴(kuò)大微單元圖像的顯示面積，以提供一種高分辨率、大視場(chǎng)角的三維立體顯示系 統(tǒng)。
[0007] 為了實(shí)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(shè)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(shè)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(duì)齊；其中正交偏振顯 示設(shè)備將兩幀對(duì)應(yīng)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(jīng)過(guò)偏振片陣列過(guò)濾之后到達(dá)微透鏡陣列，經(jīng)過(guò)微透鏡陣列的光學(xué)變換之后顯示出 二維像。
[0008] 所述的正交偏振顯示設(shè)備用于顯示微單元圖像陣列，必須能夠同時(shí)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(dú)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)微單元透鏡的中心對(duì)齊。
[0009] 用于本發(fā)明中正交偏振顯示設(shè)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(duì)微單元圖像陣列中的每個(gè)微單元圖像進(jìn)行裁剪，使微單元圖 像的寬度為高度的兩倍，同時(shí)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(guò)程中使裁剪后的微單元圖像像素?cái)?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(duì)應(yīng) 兩個(gè)偏振態(tài)。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0011] 1)本發(fā)明通過(guò)偏振器件與微單元透鏡陣列耦合，控制每個(gè)為單元透鏡可通過(guò)光線 的偏振態(tài)，使每個(gè)微單元透鏡所對(duì)應(yīng)的微單元圖像擴(kuò)大了一倍，增大了每個(gè)微透鏡所對(duì)應(yīng) 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(shí)分復(fù)用技術(shù)，本系統(tǒng)顯著提高了顯示系統(tǒng)的顯示亮度。
[0013] 3)相比時(shí)分復(fù)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(fù)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(shuō)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(gè)實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明第二個(gè)實(shí)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(guò)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(shí)施方式】
[0020] 為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，下面結(jié)合 附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步限定：
[0021] 實(shí)施例1 :
[0022] 如圖2及圖3所示，為了實(shí)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(shè)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(shè)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(duì)齊；其中正交偏振顯示設(shè)備8將兩幀對(duì)應(yīng)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(jīng)過(guò)偏振片陣列9過(guò)濾之后到達(dá)微 透鏡陣列10,經(jīng)過(guò)微透鏡陣列10的光學(xué)變換之后顯示出三維像13。
[0023] 所述的正交偏振顯示設(shè)備8用于顯示微單元圖像陣列14,必須能夠同時(shí)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(dú)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)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(duì) 齊。
[0025] 實(shí)施例2 :
[0026] 本發(fā)明的思想是利用正交偏振顯示設(shè)備，偏振片陣列和透鏡陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)一種分辨 率和視場(chǎng)角都得到改善的集成成像顯示系統(tǒng)。
[0027] 如圖5所示，本實(shí)施例中的正交偏振顯示設(shè)備22采用了背投式雙投影機(jī)系統(tǒng)，其 包括兩個(gè)相同規(guī)格型號(hào)一號(hào)投影機(jī)18和二號(hào)投影機(jī)19、一號(hào)偏振片20和二號(hào)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(shè)備。
[0028] 本實(shí)施例的具體實(shí)施步驟如下：
[0029] (1)使用兩個(gè)型號(hào)、參數(shù)相同的一號(hào)投影機(jī)18、二號(hào)投影機(jī)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(shè)備22。
[0030] la) -號(hào)投影機(jī)18和二號(hào)投影機(jī)19平行放置，根據(jù)投影機(jī)的參數(shù)將投影幕23放 置于一號(hào)投影機(jī)18和二號(hào)投影機(jī)19前方，使一號(hào)投影機(jī)18和二號(hào)投影機(jī)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(hào)投影機(jī)18和二號(hào)投影機(jī)19前放置一號(hào)偏振片20和二號(hào)偏振片 21，一號(hào)投影機(jī)18前的一號(hào)偏振片20偏振方向與水平方向夾角為45°，二號(hào)投影機(jī)19前 的二號(hào)偏振片21偏振方向與水平方向夾角為-45°，一號(hào)投影機(jī)18和二號(hào)投影機(jī)19在投 影幕23上的光線的偏振方向相互正交。
[0032] lc)通過(guò)對(duì)一號(hào)投影機(jī)18和二號(hào)投影機(jī)19所投出的圖像進(jìn)行校正，使一號(hào)投影機(jī) 18和二號(hào)投影機(jī)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(shè)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(cè)朝向正交偏振顯不設(shè)備22。
[0035] (4)根據(jù)顯示參數(shù)的要求通過(guò)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(guò)相機(jī)陣列或計(jì)算機(jī)渲染生成。
[0036] 4a)對(duì)原始微單元圖像陣列31中的每個(gè)微單元圖像進(jìn)行裁剪，使微單元圖像的寬 度為高度的兩倍，同時(shí)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(guò)程中 使裁剪后的微單元圖像像素?cái)?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(lái)并進(jìn)行拼接，得 到對(duì)應(yīng)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(jìn)行拼接，得到對(duì)應(yīng)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(shè)備的一號(hào)投影機(jī)18顯示上述的奇數(shù)列微單元圖像 陣列32,二號(hào)投影機(jī)19顯示偶數(shù)列微單元圖像陣列33,顯示時(shí)通過(guò)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(guò)平移操作使每個(gè)微單元圖像的中心與對(duì)應(yīng)的微透鏡中心對(duì)齊，完成三維場(chǎng)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(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)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(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其 等效物界定。
【權(quán)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(shè)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(shè)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(duì)齊。
2. 根據(jù)權(quán)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(guò)偏振片陣列來(lái)控制能夠到達(dá) 微透鏡陣列上光線的偏振態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)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(shè)備所顯示的微單元圖像陣列以正交偏振態(tài)重疊顯示，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng) 微單元透鏡的中心對(duì)齊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)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(shè)備可以由投影設(shè)備，偏振方向正交的一對(duì)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(hào)】H04N13/00GK104104939SQ201410333935
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)