视区分离的集成成像双视3D显示方法及装置

视区分离的集成成像双视3d显示方法及装置
技术领域
1.本发明属于集成成像双视显示技术领域，特别涉及一种视区分离的集成成像双视3d显示技术。


背景技术：

2.双视显示是一种新兴的显示技术，它允许人们从不同的位置看同一个显示屏幕时，分别观看到两幅内容不同的图像，广泛应用于车载显示、医疗手术、家庭影院等领域。例如，在车辆显示中，一侧的驾驶员可以实时观看导航信息，另一侧的乘客可以观看电影和娱乐节目。随着显示技术的蓬勃发展，双视显示不再局限于显示2d图像，双视显示与3d显示的结合也受到了越来越多的关注。集成成像3d显示可提供连续运动视差、准连续视点、无视觉疲劳的全彩动态三维图像。它还具有结构简单、紧凑的优点，适合应用于车载显示中。集成成像双视显示具备诸多优势，密集视点可以为驾驶员和乘客提供精确的3d导航信息和3d娱乐节目，且在长时间观看时不会造成视觉疲劳，这一特点也保证了行车安全。
3.传统集成成像双视3d显示的左右两个观看区域是连续的，没有角度间隔，这导致当观看者站在两个观看区域临界处时，左右视区的3d图像会发生重叠。而且，两个观看区域都是固定和受限的，且左右观看区域连续。对于需要分离可视区域的应用场景，如车载显示，传统集成成像双视3d显示装置不仅会在临界视区产生重叠图像，还会造成视点的浪费。


技术实现要素：

4.本发明提出一种视区分离的集成成像双视3d显示方法，如附图1所示，所述方法包括背光准直、光场调制和视区分离三个过程。背光准直过程中，点光源和准直透镜提供平行准直背光；光场调制过程中，平行准直背光照射透射式显示面板，透射式显示面板显示复合微图像阵列，透镜阵列对从透射式显示面板出射的光进行调制；视区分离过程中，棱镜阵列对经过透镜阵列调制的光线进行偏折，将带有不同信息的子图像元i和子图像元ii的光线分别向相反的方向偏折，从而实现左右3d视区分离。
5.所述复合微图像阵列如附图2所示，由复合图像元以阵列式排布而成，每个复合图像元对称地分为子图像元i和子图像元ii，在复合微图像阵列中，子图像元i和子图像元ii水平相间排列而成。
6.所述透镜阵列如附图3所示，由透镜元以阵列式排布而成。
7.所述棱镜阵列如附图4所示，由棱镜单元以阵列式排布而成，棱镜阵列的左右两个入射面将光线偏折到不同的方向。
8.所述背光准直过程，将点光源放置在准直透镜的焦点处，准直透镜把点光源发出的光束转变为平行准直光。
9.所述光场调制过程，平行准直背光照射透射式显示面板，透射式显示面板显示复合微图像阵列，透镜阵列将带有不同视差信息的光线进行光场调制。
10.所述视区分离过程，如附图5所示，组成棱镜阵列的棱镜单元与组成透镜阵列的透
镜元以及组成复合微图像阵列的复合图像元，三者一一对应。在经过了透镜阵列的光场调制后，子图像元i发出的光线从棱镜的左侧入射，由于棱镜的倾斜入射面对光线的偏折作用，从左侧入射的子图像元i的光线偏转到右侧，形成右侧的3d视区i，为右侧的观看者呈现3d图像i。同理地，来自子图像元ii的光线进入棱镜的右侧，并被偏转到左侧，形成左侧的3d视区ii，为左侧的观看者呈现3d图像ii。通过这种方式，带有两种子图像元像素信息的光线分别向左右两个方向偏折，形成的3d视区i和3d视区ii完全分离开，并在3d视区i和3d视区ii中间形成分离区，避免了临界视区的图像重叠以及视点的浪费。
11.优选地，透镜阵列的组成单元透镜元与棱镜阵列的组成单元棱镜单元的下表面形状相同，且二者中心对齐。
12.优选地，为了避免光线入射棱镜阵列后产生全反射，减少光损失，棱镜的顶角α需满足条件，其中，f为透镜的焦距，δp为透射式显示面板的像素尺寸，n为棱镜的折射率。
13.优选地，为了减小棱镜阵列对光线产生的色散，棱镜阵列的材质选择高阿贝数的透明材质。
14.本发明还提出视区分离的集成成像双视3d显示装置，如附图1所示，所述装置包括背光准直子部件、光场调制子部件、视区分离子部件。背光准直子部件包含点光源和准直透镜，将点光源放置在准直透镜的焦点处，准直透镜把点光源发出的光束转变为平行准直光；光场调制子部件包括透射式显示面板和透镜阵列，平行准直光照射透射式显示面板，透射式显示面板显示复合微图像阵列，透镜阵列对从透射式显示面板出射的光进行调制；视区分离子部件为棱镜阵列，棱镜阵列对经过透镜阵列调制的光线进行偏折，将带有不同信息的子图像元i和子图像元ii的光线分别向相反的方向偏折，从而实现左右3d视区分离。
15.所述复合微图像阵列如附图2所示，由复合图像元以阵列式排布而成，每个复合图像元对称地分为子图像元i和子图像元ii，子图像元i和子图像元ii水平相间排列而成。
16.所述透镜阵列如附图3所示，由透镜元以阵列式排布而成。
17.所述棱镜阵列如附图4所示，由棱镜单元以阵列式排布而成，棱镜阵列的左右两个入射面将光线偏折到不同的方向。
18.所述背光准直子部件中，将点光源放置在准直透镜的焦点处，准直透镜把点光源发出的光束转变为平行准直光。
19.组成棱镜阵列的棱镜单元与组成透镜阵列的透镜元以及组成复合微图像阵列的复合图像元，三者一一对应。在经过了透镜阵列的光场调制后，子图像元i发出的光线从棱镜的左侧入射，由于棱镜的倾斜入射面对光线的偏折作用，从左侧入射的子图像元i的光线偏转到右侧，形成右侧的3d视区i，为右侧的观看者呈现3d图像i。同理地，来自子图像元ii的光线进入棱镜的右侧，并被棱镜的倾斜入射面偏转到左侧，形成左侧的3d视区ii，为左侧的观看者呈现3d图像ii。通过这种方式，带有两种子图像元像素信息的光线分别向左右两个方向偏折，形成的3d视区i和3d视区ii完全分离开，并在3d视区i和3d视区ii中间形成分离区，避免了临界视区的图像重叠以及视点的浪费。
20.优选地，透镜阵列的组成单元透镜元与棱镜阵列的组成单元棱镜单元的下表面形状相同，且二者中心对齐。
21.优选地，为了避免光线入射棱镜阵列后产生全反射，减少光损失，棱镜的顶角α需满足条件，其中，f为透镜的焦距，δp为透射式2d显示面板的像素尺寸，n为棱镜的折射率。
22.优选地，为了减小棱镜阵列对光线产生的色散，棱镜阵列的材质选择高阿贝数的透明材质。
附图说明
23.附图1为本发明的视区分离的集成成像双视3d显示装置示意图。
24.附图2为所述复合微图像阵列结构示意图。
25.附图3为所述透镜阵列的结构示意图。
26.附图4为所述棱镜阵列的结构示意图。
27.附图5为所述装置视区分离的光路示意图。
28.上述附图中的图示标号为：
29.1点光源，2准直透镜，3透射式显示面板，400复合微图像阵列，410复合图像元，401子图像元i，402子图像元ii，500透镜阵列，501透镜元，600棱镜阵列，601棱镜单元，7 3d图像i，8 3d图像ii，9 3d视区i，10 3d视区ii，11分离区。
30.应该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
31.下面详细说明本发明的一种视区分离的集成成像双视3d显示装置的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
32.本发明提出一种视区分离的集成成像双视3d显示装置，如附图1所示，所述装置包括背光准直子部件、光场调制子部件、视区分离子部件。背光准直子部件包含点光源和准直透镜，将点光源放置在准直透镜的焦点处，准直透镜把点光源发出的光束转变为平行准直光；光场调制子部件包括透射式显示面板和透镜阵列，平行准直背光照射透射式显示面板，透射式显示面板显示复合微图像阵列，透镜阵列对从透射式显示面板出射的光进行调制；视区分离子部件为棱镜阵列，棱镜阵列对经过透镜阵列调制的光线进行偏折，将带有不同信息的子图像元i和子图像元ii的光线分别向相反的方向偏折，从而实现左右3d视区分离。
33.在本实施例中，复合微图像阵列由复合图像元以阵列式排布而成，每个复合图像元对称地分为子图像元i和子图像元ii，子图像元i和子图像元ii相间排列而成。每个复合图像元的分辨率为144
×
144，包含了3d物体i和ii的视差信息，3d物体i为“立方体”，3d物体ii为“圆柱体”。
34.在本实施例中，透镜阵列的单个透镜元为圆形并且呈现矩形排列而成。
35.在本实施例中，棱镜阵列由棱镜单元以矩形阵列排布而成，棱镜阵列的左右两个入射面将光线偏折到不同的方向。
36.在本实施例中，背光准直子部件中点光源采用led，其功率为3w，准直透镜采用菲涅尔透镜，它的焦距为178mm，将led置于菲涅尔透镜的焦点处，led和菲涅尔透镜组成准直背光结构提供平行的准直背光，准直背光减小了光束的发散角，因此成像面上像点尺寸较小，提高了显示3d图像的清晰度。
37.在本实施例中，所述光场调制子部件中透射式显示面板用于显示复合微图像阵列，其像素尺寸为90μm，分辨率为3840
×
2160。用于显示有效复合微图像阵列信息的像素为1440
×
1008，用于调制光线地透镜阵列节距为13mm，焦距为11mm，使用的透镜的数量为10
×
7，透镜阵列与透射式显示面板的距离是11.8mm。
38.在本实施例中，视区分离子部件采用的棱镜阵列由棱镜单元以阵列式排布而成，为了避免光线入射棱镜阵列后产生全反射，减少光损失，棱镜的顶角α需满足条件：其中，f为透镜的焦距，δp为透射式2d显示面板的像素尺寸，n为棱镜的折射率。因此采用的是底面是边长为13mm的正方形，剖面为等腰直角三角形，并且折射率是1.52的棱镜阵列，为了减小棱镜阵列对光线产生的色散，棱镜阵列的材质选择高阿贝数的透明材质，其阿贝数为64.2。棱镜阵列整齐地固定在透明亚克力板上，透镜阵列的组成单元透镜元与棱镜阵列的组成单元棱镜单元的下表面形状相同，且二者中心对齐。
39.本实施例中，为了消除透镜元之间的间隙得到平滑的3d图像，选用了5
°
的光学扩散屏对光线进行扩散，光学扩散屏与透镜阵列的距离为160mm。重建的3d图像i为“立方体”，3d图像ii是“圆柱体”。再现3d图像的左视区为-55
°
到-27
°
，右视区为27
°
到55
°
。重建的3d图像运动视差平滑，清晰度高，两个观看视区之间的角度间距为54
°
，左右观看视区完全分离开，并且消除了重叠图像，从而实现了视区分离的集成成像双视3d显示。