CN104297930B - 一种集成成像三维立体显示装置及显示*** - Google Patents

一种集成成像三维立体显示装置及显示*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种集成成像三维立体显示装置及显示***，该集成成像三维立体显示装置包括：二维液晶显示屏和透镜阵列，以及调节装置，所述调节装置设置在所述二维液晶显示屏和所述透镜阵列之间，用于增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。本发明的集成成像三维立体显示装置及显示***，能够方便地增大显示装置的景深，从而降低生产成本、并改善显示装置的显示效果。

Description

一种集成成像三维立体显示装置及显示***
【技术领域】
本发明涉及液晶技术领域，特别是涉及一种集成成像三维立体显示装置及显示***。
【背景技术】
由于集成成像具有能显示全真色彩、全视差的实时3D立体影像等诸多优点，已成为裸眼3D显示领域的研究热点。其基本原理是利用微透镜阵列将空间场景记录到微透镜阵列后面的胶片上，每个微透镜对应其背后胶片上的一个图像元，每个图像元记录了空间场景中的一部分信息，所有图像元集成起来组成的图像元阵列就记录了整个空间场景的三维信息。根据光路可逆原理，若在图像元阵列前面放置与记录时同样的微透镜阵列，就可以在微透镜阵列前重构起原始的三维空间场景。
由于光线在汇聚(或者反向延长线汇聚)时，透镜的景深不够大，会出现重构出的影像尺寸大于实际物体的尺寸，如果重构的物体纹理较复杂的情况下，重构出来的影像会出现模糊的现象，因此，在集成成像中，需要设法将景深增大，由于现有增大景深的方式是通过减小透镜的镜片间距来实现的，这种方式需要增加透镜的数量，因此生产成本较高，实现过程较复杂。
因此，有必要提供一种集成成像三维立体显示装置及显示***，以解决现有技术所存在的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种集成成像三维立体显示装置及显示***，以解决现有技术在增大景深时，生产成本较高，实现过程较复杂技术问题。
为解决上述技术问题，本发明构造了一种集成成像三维立体显示装置，其包括：
二维液晶显示屏，具有一图像显示平面，包括：
多个显示元素图像，用于显示不同角度的三维场景的信息，所述显示元素图像包括多个显示像素；
透镜阵列，用于将相应的显示元素图像显示的所述三维场景的信息合成为所述三维场景的三维图像，其中所述透镜阵列中的透镜与所述显示元素图像一一对应，所述图像显示平面与第一平面平行设置，且所述图像显示平面和所述第一平面之间具有一预设距离，所述第一平面为与所述透镜阵列的透镜的主光轴垂直且过所述透镜的光心的平面；以及
调节装置，设置在所述二维液晶显示屏和所述透镜阵列之间，用于增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
在本发明所述的集成成像三维立体显示装置中，所述透镜阵列在靠近所述二维液晶显示屏的一侧具有入光侧，所述显示元素图像投射到所述透镜阵列的入光侧，以形成光斑，所述调节装置通过减小所述光斑面积来增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
在本发明所述的集成成像三维立体显示装置中，所述调节装置为垂直光栅，所述垂直光栅在与所述图像显示平面的平行的截面上具有多个孔洞单元，所述垂直光栅的孔洞单元在与所述图像显示平面的垂直的截面上有一预设深度，所述孔洞单元与所述显示像素一一对应，所述孔洞单元的尺寸小于或等于所述显示像素的大小。
在本发明所述的集成成像三维立体显示装置中，所述孔洞单元的尺寸等于所述显示像素的大小，且所述孔洞单元的边缘与所述显示像素的边缘对齐。
在本发明所述的集成成像三维立体显示装置中，所述预设深度小于或等于所述预设距离。
在本发明所述的集成成像三维立体显示装置中，在所述垂直光栅的表面涂有光反射层。
在本发明所述的集成成像三维立体显示装置中，所述集成成像三维立体显示装置还包括用于提供背光光源的背光模组，所述背光模组为指向性背光模组。
本发明的另一个目的在于提供一种集成成像三维立体显示***，其包括：集成成像三维立体采集装置，包括：
图像采集传感器，包括：
多个采集单元，用于采集不同角度的三维场景的信息；以及
采集透镜阵列，用于将所述三维场景的三维图像转化为所述不同角度的三维场景的信息；以及
集成成像三维立体显示装置，包括：
二维液晶显示屏，具有一图像显示平面，包括：
多个显示元素图像，用于显示不同角度的三维场景的信息，所述显示元素图像包括多个显示像素；
透镜阵列，用于将相应的显示元素图像显示的所述三维场景的信息合成为所述三维场景的三维图像，其中所述透镜阵列中的透镜与所述显示元素图像一一对应，所述图像显示平面与第一平面平行设置，且所述图像显示平面和所述第一平面之间具有一预设距离，所述第一平面为与所述透镜阵列的透镜的主光轴垂直且过所述透镜的光心的平面；以及
调节装置，设置在所述二维液晶显示屏和所述透镜阵列之间，用于增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
在本发明所述的集成成像三维立体显示***中，所述透镜阵列在靠近所述二维液晶显示屏的一侧具有入光侧，所述显示元素图像投射到所述透镜阵列的入光侧，以形成光斑，所述调节装置通过减小所述光斑面积来增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
在本发明所述的集成成像三维立体显示***中，所述调节装置为垂直光栅，所述垂直光栅在与所述图像显示平面的平行的截面上具有多个孔洞单元，所述垂直光栅的孔洞单元在与所述图像显示平面的垂直的截面上有一预设深度，所述孔洞单元与所述显示像素一一对应，所述孔洞单元的尺寸小于或等于所述显示像素的大小。
本发明的集成成像三维立体显示装置及显示***，通过在二维液晶显示屏和透镜阵列之间增加一具有孔洞单元的垂直光栅，来增大景深，从而改善了裸眼3D显示效果，增大了显示装置及显示***的解析度，解决了现有的集成成像三维立体显示装置及显示***，生产成本较高，实现过程较复杂技术问题。
【附图说明】
图1为现有的集成成像三维立体显示***的结构示意图；
图2为现有的集成成像三维立体显示装置的景深结构示意图；
图3为本发明集成成像三维立体显示装置的结构示意图；
图4为图3中垂直光栅沿A-A’方向的截面图；
图5为现有技术中的光斑形成示意图；
图6为本发明的集成成像三维立体显示装置中的光斑形成示意图；
图7为本发明的集成成像三维立体显示装置的优选结构示意图。
【具体实施方式】
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。
请参照图1，图1为现有的集成成像三维立体显示***的结构示意图。
该集成成像三维立体显示***10包括集成成像三维立体采集装置11和集成成像三维立体显示装置12，该集成成像三维立体采集装置11包括图像采集传感器111以及透镜阵列112，图像采集传感器111包括用于采集不同角度的三维场景的信息的多个采集单元113，透镜阵列112用于将三维场景的三维图像转化为不同角度的三维场景的信息。集成成像三维立体显示装置12包括二维液晶显示屏121和透镜阵列122，二维液晶显示屏121包括用于显示不同角度的三维场景的信息的多个显示元素图像123，透镜阵列122用于将相应的显示元素图像123显示的三维场景的信息合成为三维场景的三维图像。
图像采集传感器111的采集单元113和透镜阵列112的透镜一一对应，图像采集传感器111的采集单元113和二维液晶显示屏121的显示元素图像123一一对应，
二维液晶显示屏121的显示元素图像123与透镜阵列122的透镜一一对应。集成成像三维立体显示装置12的景深如图2中的D所示。其中p为透镜的镜片间距，L为透镜的光心到焦点之间的距离，λ为红外光的波长。其中，景深的计算公式为：
D = 4 λ ( L p ) 2 - - - ( 1 )
由于光线在汇聚(或者反向延长线汇聚)时，集成成像三维立体显示装置12的景深不够大，使得透镜阵列122合成的三维图像尺寸大于实际物体的尺寸，在实际物体的纹理较复杂的情况下，透镜阵列122合成的三维图像会出现模糊的现象，因此，在集成成像中，有必要将景深增大。如公式2所示，要增大景深，就必须减小透镜的镜片间距，即使用镜片间距较小的透镜，为了保证二维液晶显示屏121的显示元素图像123与透镜阵列122的透镜一一对应的关系，当镜片间距较小时，透镜阵列中的透镜数量就会增加，从而导致生产成本增加。
请参照图3，图3为本发明集成成像三维立体显示装置的结构示意图。
如图3所示，本发明的集成成像三维立体显示装置20包括具有一图像显示平面的二维液晶显示屏21和透镜阵列22，二维液晶显示屏21包括用于显示不同角度的三维场景的信息的多个显示元素图像211，所述显示元素图像包括多个显示像素，所述透镜阵列22用于将相应的显示元素图像211显示的三维场景的信息合成为三维场景的三维图像。其中所述透镜阵列22中的透镜与所述显示元素图像211一一对应，所述图像显示平面与第一平面平行设置，且所述图像显示平面和所述第一平面之间具有一预设距离，所述预设距离大于或者小于所述透镜阵列的焦距，所述第一平面为与所述透镜阵列22的透镜的主光轴垂直且过所述透镜的光心的平面；以及
本发明的集成成像三维立体显示装置20还包括调节装置，调节装置设置在所述二维液晶显示屏21和所述透镜阵列22之间，用于增大所述集成成像三维立体显示装置20的景深。
所述调节装置譬如为垂直光栅23，如图4所示，图4为图3中垂直光栅沿A-A’方向的截面图；其中A-A’方向是与所述图像显示平面平行的方向，所述垂直光栅23具有多个孔洞单元231。在与所述图像显示平面的垂直的截面上(结合图3)，所述垂直光栅23的孔洞单元231沿与所述图像显示平面的垂直方向上有一预设深度，所述孔洞单元231与所述显示像素一一对应，所述孔洞单元231的尺寸小于或等于所述显示像素的大小。
所述透镜阵列22在靠近所述二维液晶显示屏21的一侧具有入光侧，所述显示元素图像211投射到所述透镜阵列22的入光侧，以形成光斑。所述调节装置通过减小所述光斑面积来增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
以所述透镜阵列22中的单个透镜为例，现有技术中的光斑形成图如图5所示，所述显示元素图像，投射到所述透镜阵列22的入光侧时，由于光线未被遮挡，因此形成的光斑占据整个透镜。
如图6所示，本发明中所述显示元素图像211经过所述垂直光栅23后，再投射到所述透镜阵列22的入光侧，由于一部分光线被所述垂直光栅23遮挡，且由于所述孔洞单元231的尺寸小于或等于所述显示像素的大小，因此形成最大的光斑的面积与一个显示像素的大小相同，此时公式(1)中的所述透镜的镜片间距p等效为dpixel，其景深的计算公式如公式(2)所示，其中D为集成成像三维立体显示装置20的景深，L为透镜的光心到焦点之间的距离：
D = 4 λ ( L d pixel ) 2 - - - ( 2 )
即，由于dpixel小于所述透镜的镜片间距P，相当于公式(1)中的P减小，因此景深增大。
譬如在一个所述透镜的入光侧上形成N个光斑，那么，所述集成成像三维立体显示装置20的景深是传统结构的景深的N2倍。
优选地，所述孔洞单元231的尺寸等于所述显示像素的大小，且所述孔洞单元231的边缘与所述显示像素的边缘对齐，所述孔洞单元231的形状与所述显示像素的形状相匹配。这种情况下，所述显示像素的能够被完整地合成，使得所述集成成像三维立体显示装置20的合成的三维图像色彩饱和度更好，显示效果更佳。
优选地，所述垂直光栅23与所述二维液晶显示屏21之间有间隙，或者与所述透镜阵列22之间有间隙，或者与所述二维液晶显示屏21和所述透镜阵列22之间都有间隙，所述孔洞单元231的预设深度小于所述预设距离，或者所述垂直光栅23同时紧靠在所述二维液晶显示屏21和所述透镜阵列22上，只要保证某个像素的所有出射光线通过所述垂直光栅23后，能够投射到所述透镜阵列22的同一透镜上即可。
优选地，为避免相邻显示像素之间的串扰问题，所述垂直光栅23由不透光材料制成，从而具有更好的显示效果。
优选地，为了提高背光光源的利用率，可以在所述垂直光栅23的表面涂上光反射层(譬如金属层等，譬如银)，由于垂直光栅遮挡光线导致所述集成成像三维立体显示装置亮度下降，通过光反射层能够将一部分被遮挡的光线折射到所述透镜阵列上，从而减弱所述垂直光栅23对所述集成成像三维立体显示装置亮度的影响。
优选地，如图7所示，所述集成成像三维立体显示装置20还包括用于提供背光光源的背光模组24，所述背光模组24为指向性背光模组，由于指向性背光模组可以控制光线的射出的方向，当控制指向性背光模组24的光线向所述显示像素中间射出时，尤其当所述显示像素的边缘与所述孔洞单元231的边缘对齐时，虽然所述垂直光栅遮挡光线，但是位于所述孔洞单元231中间的光线不能被所述垂直光栅23遮挡，因此能更好地提高背光光源的利用率，增大所述集成成像三维立体显示装置的亮度。
本发明的集成成像三维立体显示装置，通过在二维液晶显示屏和透镜阵列之间增加一具有孔洞单元的垂直光栅，来增大景深，从而改善了裸眼3D显示效果，增大了显示装置的解析度，解决了现有的集成成像三维立体显示装置，生产成本较高，实现过程较复杂技术问题。
本发明还提供一种集成成像三维立体显示***，其包括：集成成像三维立体采集装置和集成成像三维立体显示装置。
所述集成成像三维立体采集装置，包括：图像采集传感器以及采集透镜阵列，所述图像采集传感器，包括：多个用于采集不同角度的三维场景的信息采集单元；所述采集透镜阵列，用于将所述三维场景的三维图像转化为所述不同角度的三维场景的信息；
所述集成成像三维立体显示装置包括具有一图像显示平面的二维液晶显示屏和透镜阵列，二维液晶显示屏包括用于显示不同角度的三维场景的信息的多个显示元素图像，所述显示元素图像包括多个显示像素；
透镜阵列用于将相应的显示元素图像显示的三维场景的信息合成为三维场景的三维图像。其中所述透镜阵列中的透镜与所述显示元素图像一一对应，所述图像显示平面与第一平面平行设置，且所述图像显示平面和所述第一平面之间具有一预设距离，所述第一平面为与所述透镜阵列的透镜的主光轴垂直且过所述透镜的光心的平面；以及
本发明的集成成像三维立体显示装置还包括调节装置，调节装置设置在所述二维液晶显示屏和所述透镜阵列之间，用于增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
本发明的集成成像三维立体显示***中的集成成像三维立体显示装置可以为上述实施例中的任意一种集成成像三维立体显示装置，鉴于所述集成成像三维立体显示装置在上文已有详细的描述，此处不再赘述。
本发明的集成成像三维立体显示***，通过在二维液晶显示屏和透镜阵列之间增加一具有孔洞单元的垂直光栅，来增大景深，从而改善了裸眼3D显示效果，增大了显示显示***的解析度，解决了现有的集成成像三维立体显示***，生产成本较高，实现过程较复杂技术问题。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种集成成像三维立体显示装置，其特征在于，包括：
二维液晶显示屏，具有一图像显示平面，包括：
多个显示元素图像，用于显示不同角度的三维场景的信息，所述显示元素图像包括多个显示像素；
透镜阵列，用于将相应的显示元素图像显示的所述三维场景的信息合成为所述三维场景的三维图像，其中所述透镜阵列中的透镜与所述显示元素图像一一对应，所述图像显示平面与第一平面平行设置，且所述图像显示平面和所述第一平面之间具有一预设距离，所述第一平面为与所述透镜阵列的透镜的主光轴垂直且过所述透镜的光心的平面；以及
调节装置，设置在所述二维液晶显示屏和所述透镜阵列之间，用于增大所述集成成像三维立体显示装置的景深，其中所述调节装置为垂直光栅，所述垂直光栅在与所述图像显示平面的平行的截面上具有多个孔洞单元，所述垂直光栅的孔洞单元在与所述图像显示平面的垂直的截面上有一预设深度，所述孔洞单元与所述显示像素一一对应，所述孔洞单元的尺寸小于或等于所述显示像素的大小。
2.根据权利要求1所述的集成成像三维立体显示装置，其特征在于，所述透镜阵列在靠近所述二维液晶显示屏的一侧具有入光侧，所述显示元素图像投射到所述透镜阵列的入光侧，以形成光斑，所述调节装置通过减小所述光斑面积来增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
3.根据权利要求1所述的集成成像三维立体显示装置，其特征在于，所述孔洞单元的尺寸等于所述显示像素的大小，且所述孔洞单元的边缘与所述显示像素的边缘对齐。
4.根据权利要求1所述的集成成像三维立体显示装置，其特征在于，所述预设深度小于或等于所述预设距离。
5.根据权利要求1所述的集成成像三维立体显示装置，其特征在于，在所述垂直光栅的表面涂有光反射层。
6.根据权利要求1所述的集成成像三维立体显示装置，其特征在于，所述集成成像三维立体显示装置还包括用于提供背光光源的背光模组，所述背光模组为指向性背光模组。
7.一种集成成像三维立体显示***，其特征在于，包括：
集成成像三维立体采集装置，包括：
图像采集传感器，包括：
多个采集单元，用于采集不同角度的三维场景的信息；以及
采集透镜阵列，用于将所述三维场景的三维图像转化为所述不同角度的三维场景的信息；以及
集成成像三维立体显示装置，包括：
二维液晶显示屏，具有一图像显示平面，包括：
多个显示元素图像，用于显示不同角度的三维场景的信息，所述显示元素图像包括多个显示像素；
透镜阵列，用于将相应的显示元素图像显示的所述三维场景的信息合成为所述三维场景的三维图像，其中所述透镜阵列中的透镜与所述显示元素图像一一对应，所述图像显示平面与第一平面平行设置，且所述图像显示平面和所述第一平面之间具有一预设距离，所述第一平面为与所述透镜阵列的透镜的主光轴垂直且过所述透镜的光心的平面；以及
调节装置，设置在所述二维液晶显示屏和所述透镜阵列之间，用于增大所述集成成像三维立体显示装置的景深，其中所述调节装置为垂直光栅，所述垂直光栅在与所述图像显示平面的平行的截面上具有多个孔洞单元，所述垂直光栅的孔洞单元在与所述图像显示平面的垂直的截面上有一预设深度，所述孔洞单元与所述显示像素一一对应，所述孔洞单元的尺寸小于或等于所述显示像素的大小。
8.根据权利要求7所述的集成成像三维立体显示***，其特征在于，所述透镜阵列在靠近所述二维液晶显示屏的一侧具有入光侧，所述显示元素图像投射到所述透镜阵列的入光侧，以形成光斑，所述调节装置通过减小所述光斑面积来增大所述集成成像三维立体显示装置的景深。
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