基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3D显示装置

基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置
技术领域
1.本发明属于三维显示技术领域，特别涉及基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置。


背景技术：

2.相比于2d显示，3d显示能够真实的再现出物体的深度和运动视差信息，符合人类观看真实物体的视觉体验，加强了观看者对物体的立体感知，是人类追求的终极显示方式。在众多的3d显示技术中，集成成像3d显示具有连续视差、全彩色显示、不需要相干光源、结构简单等优点，且没有辐辏调节冲突，被认为是具有商业前景的3d显示技术之一，并逐渐被应用到科研、医疗和军事等尖端领域。但是集成成像3d显示的分辨率与视角以及景深之间存在相互制约关系。为了突破这种限制，一方面使用机械移动的透镜阵列，增加透镜的采样频率，通过时分复用使显示的片源与移动的透镜阵列同步切换，实现3d分辨率的增强；另一方面通过时序切换点光源阵列改变定向背光的方向，实现点光源的倍增，进而增加3d图像的体素来提高3d分辨率。但是机械移动方法增加了系统的复杂度，时分复用方法对显示器的刷新率要求较高。空分复用也常被用于提升3d分辨率，主要通过将多台投影仪的投影画面通过中继光学系统整合到一个显示屏上，提高微图像阵列的像素数和像素密度，再通过透镜阵列对微图像阵列进行方向性调制，在空间中重构出更多的体素来增加3d显示的分辨率。此方法存在多台投影仪矫正困难的问题，系统庞大，实现起来难度较大。


技术实现要素：

3.本发明提出基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置，如附图1所示，该装置由2d显示屏、反射偏振模组、两个四分之一波片、两个回返器和透镜阵列组成。2d显示屏的像素对角线方向垂直于四分之一波片i所在平面，反射偏振模组与2d显示屏成45
°
夹角放置，四分之一波片i与回返器i平行放置，且四分之一波片i和回返器i与2d显示屏成90
°
夹角，与反射偏振模组成45
°
夹角，四分之一波片ii与回返器ii平行放置，四分之一波片ii和回返器ii与2d显示屏相向的平行放置，中间间隔反射偏振模组，透镜阵列与四分之一波片i和回返器i平行放置，中间间隔反射偏振模组。
4.所述2d显示屏显示3d片源。
5.所述反射偏振模组由两个具有相对位移为d/2的反射偏振片组成，其中d为2d显示屏的像素尺寸，反射偏振模组与2d显示屏所在平面成45
°
夹角放置。如附图2所示，所述反射偏振模组反射线偏振光i，透射偏振方向与线偏振光i正交的线偏振光ii，用于将所述2d显示屏发出的光线分离为偏振方向正交的线偏振光i和线偏振光ii。
6.所述四分之一波片i和所述四分之一波片ii用于提供π/2的相位延迟，如附图3所示，所述四分之一波片i的光轴与线偏振光i的夹角为45
°
，将入射的线偏振光i转换为圆偏振光i，将与圆偏振光i正交的圆偏振光ii转化为线偏振光ii。如附图4所示，所述四分之一波片ii光轴与线偏振光ii的夹角为-45
°
，将入射的线偏振光ii转换为圆偏振光ii，将圆偏
振光i转化为线偏振光i。
7.所述回返器是由角锥棱镜以阵列式排布构成，所述角锥棱镜由三个相互正交的反射面组成，入射光被角锥棱镜的三个反射面依次反射，出射光平行且反向于入射光方向，反射光与入射光存在半波损失，圆偏振光i经过所述回返器i反射后变为与圆偏振光i正交的圆偏振光ii，如附图5所示。圆偏振ii光经过所述回返器ii反射后变为圆偏振光i，如附图6所示。
8.所述透镜阵列将叠加后的高分辨率3d片源进行方向性调制，在空间中重构出高分辨率的3d图像。
9.所述基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置，其偏振3d片源i的形成过程，如附图7所示。所述2d显示屏发出的光线经过所述反射偏振模组被分离成线偏振光i和线偏振光ii两部分。其中线偏振光i由反射偏振模组反射，向所述四分之一波片i传播，由于线偏振光i的偏振方向与所述四分之一波片i的光轴方向成45
°
，线偏振光i经过所述四分之一波片i变为圆偏振光i，圆偏振光i经过所述回返器i按照入射光路返回，由于存在半波损失，反射光线变为圆偏振光ii，圆偏振光ii再次经过所述四分之一波片i后变为线偏振光ii，线偏振光ii沿着入射光路方向返回，然后透过反射偏振模组向透镜阵列的方向传播，并在所述2d显示屏关于所述反射偏振片i镜对称的位置成像，形成偏振3d片源i。其偏振3d片源ii的形成过程，如附图8所示，其中的线偏振光ii由反射偏振模组透射，向所述四分之一波片ii的方向传播，由于线偏振光ii的偏振方向与所述四分之一波片ii的光轴方向成-45
°
，线偏振光ii经过所述四分之一波片ii变为圆偏振光ii，圆偏振光ii经过所述回返器ii按照入射光路返回，由于存在半波损失，反射光线变为圆偏振光i，圆偏振光i再次经过所述四分之一波片ii后变为线偏振光i，线偏振光i遇到所述反射偏振模组中的反射偏振片ii，被所述反射偏振片ii反射，并向所述透镜阵列的方向传播，在所述2d显示屏关于所述反射偏振片ii镜对称的位置成像，形成偏振3d片源ii。由于反射偏振片i和反射偏振片ii之间存在d/2的相对位移，偏振3d片源i和偏振3d片源ii会在像素的对角线方向存在的相对位移，使得偏振3d片源i和偏振3d片源ii错位叠加，形成叠加后的高分辨率3d片源，如附图9所示。偏振3d片源ii的每一个像素与偏振3d片源i的4个相邻的像素叠加，形成4个尺寸为原像素尺寸1/2的像素点，如附图10所示，具体地，偏振3d片源ii中第i行第j列的像素ii
(i,j)
与偏振3d片源i中第i行第j列的像素i
(i,j)
、第i 1行第j列的像素i
(i 1,j)
、第i行第j 1列的像素i
(i,j 1)
和第i 1行第j 1列的像素i
(i 1,j 1)
叠加，形成像素h
(2i-1,2j-1)
、h
(2i,2j-1)
、h
(2i-1,2j)
和h
(2i,2j)
，当2d显示屏的像素数为m
×
n时，m为2d显示屏的水平像素数，n为2d显示屏的垂直像素数，叠加后的高分辨率3d片源的像素数为4mn-2(m n) 1，叠加后的高分辨率3d片源经过所述透镜阵列的方向性调控，在空间中重构出高分辨率的3d图像。
10.优选地，所述2d显示屏显示的3d片源的像素灰度值是偏振3d片源i和偏振3d片源ii像素灰度值的2倍，以补偿反射偏振模组对入射光线的光能损失，避免叠加后的高分辨率3d片源的亮度损失和颜色失真。
11.优选地，所述四分之一波片i和四分之一波片ii是一种宽带四分之一波片，在可见光范围内均提供π/2的相位延迟。
12.所述基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置，通过偏振复用的方
式将两个偏振片源错位叠加，叠加后的高分辨率3d片源的像素数较2d显示屏上显示的3d片源的像素数有极大提升，从而突破现有显示器空间带宽积的限制，所述装置能够灵活的调节两个反射偏振片之间的相对位移以适配各种参数的显示器，实现3d分辨率的增强。
附图说明
13.附图1为本发明的基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置示意图。
14.附图2为反射偏振模组反射线偏振光i和透射线偏振光ii的示意图。
15.附图3为四分之一波片i对线偏振光i和圆偏振光ii的调制示意图。
16.附图4为四分之一波片ii对线偏振光ii和圆偏振光i的调制示意图。
17.附图5为回返器i对圆偏振光i的调制示意图。
18.附图6为回返器ii对圆偏振光ii的调制示意图。
19.附图7为偏振3d片源i的形成示意图。
20.附图8为偏振3d片源ii的形成示意图。
21.附图9为偏振3d片源i和偏振3d片源ii错位叠加示意图。
22.附图10为叠加后的高分辨率3d片源示意图。
23.上述附图中的图示标号为：
24.100 2d显示屏，101 3d片源，200反射偏振模组，201反射偏振片i，202反射偏振片ii，301四分之一波片i，302四分之一波片i，401回返器i，402回返器ii，5透镜阵列，600叠加后的高分辨率3d片源，601叠加后的高分辨率3d片源的像素，610偏振3d片源i，620偏振3d片源ii，7高分辨率的3d图像，801线偏振光i，802线偏振光ii，901圆偏振光i，902圆偏振光ii。
25.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
26.下面详细说明本发明基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像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。
27.本发明提出基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置，如附图1所示，所述装置由2d显示屏100、反射偏振模组200、四分之一波片i 301、四分之一波片ii 302、回返器i 401、回返器i 402、透镜阵列5组成。所述2d显示屏100上面3d片源101的像素对角线方向垂直于四分之一波片i 301所在平面，所述反射偏振模组200与2d显示屏100成45
°
夹角放置，四分之一波片i 301与回返器i 401平行放置，且四分之一波片i 301和回返器i 401与2d显示屏100成90
°
夹角，与反射偏振模组200成45
°
夹角，四分之一波片ii302与回返器ii 402平行放置，四分之一波片ii 302和回返器ii 402与2d显示屏100相向的平行放置，中间间隔反射偏振模组200，透镜阵列5与四分之一波片i 301和回返器i 401平行放置，中间间隔反射偏振模组200。
28.在本实施例中，线偏振光i 801为s线偏振光，线偏振光ii 802为p线偏振光，圆偏振光i 901为左旋圆偏振光，圆偏振光ii 902为右旋圆偏振光。所述2d显示屏100的分辨率
为2160
×
1620像素，用于显示3d片源101，其像素尺寸d为0.096mm，所述2d显示屏100上面3d片源101的像素灰度值是偏振3d片源i 610和偏振3d片源ii 620像素灰度值的2倍。
29.所述反射偏振模组200是由两个反射偏振片组成，且与2d显示屏100所在平面成45
°
夹角放置，反射偏振片i 201和反射偏振片ii 202之间的相对位移为0.048mm，所述反射偏振模组200反射线偏振光i 801，透射与线偏振光i 801方向正交的线偏振光ii 802，如附图2所示。
30.所述四分之一波片i 301和四分之一波片ii 302是宽带四分之一波片，对可见光提供π/2的相位延迟。如附图3所示，所述四分之一波片i 301光轴与s线偏振光的夹角为45
°
，将入射的s线偏振转换为左旋圆偏振光，将右旋圆偏振光转化为p线偏振光。如附图4所示，所述四分之一波片ii 302光轴与p线偏振光的夹角为-45
°
，将入射的p线偏振光转换为右旋圆偏振光，将左旋圆偏振光转化为s线偏振光。
31.所述回返器i 401将左旋圆偏振光反射三后次后平行且反向于入射光方向出射，反射光与入射光存在半波损失，左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，如附图5所示。右旋圆偏振光经过回返器ii 402反射后变为左旋圆偏振光，如附图6所示。
32.所述基于回返器和反射偏振片高分辨率集成成像3d显示装置，其偏振3d片源i 610的形成过程，如附图7所示。所述2d显示屏100发出的光线先经过所述反射偏振模组200被分离成s线偏振光和p线偏振光两部分。其中s线偏振光由偏振模组200反射，向所述四分之一波片i 301传播，s线偏振光经过所述四分之一波片i 301变为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光经过所述回返器i 401按照入射光路返回，变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光再次经过所述四分之一波片i 301后变为p线偏振光，然后透过所述反射偏振模组200向所述透镜阵列5的方向传播，并在所述2d显示屏100关于所述反射偏振片i 201镜对称的位置成像，形成偏振3d片源i 610。其偏振3d片源ii 620的形成过程，如附图8所示，其中的p线偏振光由偏振模组200透射，向所述四分之一波片ii 302的方向传播，p线偏振光经过所述四分之一波片ii 302变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经过所述回返器ii 402按照入射光路返回，反射光线变为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光再次经过所述四分之一波片ii 402后变为s线偏振光，s线偏振光先遇到所述反射偏振模组200中反射偏振片ii 202，被所述反射偏振片ii 202反射向所述透镜阵列5的方向传播，并在所述2d显示屏关于所述反射偏振片ii 202镜对称的位置成像，形成偏振3d片源ii 620。由于反射偏振片i 201偏振片ii 202之间存在0.048mm的相对位移，偏振3d片源i 610和偏振3d片源ii 620会在像素的对角线方向存在0.068mm的相对位移，偏振3d片源i 610和偏振3d片源ii 620错位叠加，如附图9所示。偏振3d片源ii 620的每一个像素与偏振3d片源i 610的4个相邻的像素叠加形成4个节距为0.048mm的像素，如附图10所示，具体地，偏振3d片源ii 620中的第2行第2列的像素ii
(2,2)
与偏振3d片源i 610中第2行第2列的i
(2,2)
、第3行第2列的i
(3,2)
、第2行第3列的i
(2,3)
和第3行第3列的i
(3,3)
叠加，形成像素h
(3,3)
、h
(4,3)
、h
(3,4)
和h
(4,4)
，叠加后的高分辨率3d片源600的像素数为4319
×
3239，叠加后的高分辨率3d片源600经过所述透镜阵列5实现方向性调控，在空间中重构出高分辨率的3d图像7。
33.在本实施例中，通过偏振复用的方式将两个偏振片源错位叠加，形成叠加后的高分辨率3d片源600，将3d片源的分辨率由2160
×
1620提升到4319
×
3239，从而突破现有显示器空间带宽积的限制，此装置能够灵活的调节两个反射偏振片之间的相对位移以适配各种
参数的显示器，实现3d分辨率的增强。