CN111812858A - 桌面式3d光场显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桌面式3D光场显示装置，该3D显示装置包括激光投影仪，指向性3D光场调制器和定向扩散膜。其中激光投影仪用于投射多视角图像源；指向性3D光场调制器由像素型纳米光栅结构组成，其功能是将视角图像进行空间调制，并在水平方形进行分离投射，形成360°视点分布；定向扩散膜用于将视点进行定向扩散调制，填补视点之间的间隙，形成水平方向360°连续光场分布的桌面式3D显示效果。本发明能够增强视觉体验效果、降低显示***成本。
Description
技术领域
本发明涉及3D光场显示技术领域，特别是涉及一种桌面式3D光场显示装置。
背景技术
3D显示能够提供全方位的、立体的视觉冲击感，被认为是信息显示技术的终极目标之一。桌面式3D光场显示作为3D显示技术方式的一种，能够提供周视、无视觉疲劳、多用户观看的三维显示效果，在医疗、教育、军事、广告等多个领域都具有巨大的应用价值。
中国专利ZL201610239265.6公开了一种周视裸眼3D显示装置，所描述的3D显示装置包括光源、位相信息调制装置和图像信息调制装置。图像信息调制装置提供周视视角图像信息，经过位相信息调制装置调制后进行空间分离投射，形成360°视窗的周视三维显示。但由于投射的视角之间间隙较大，要形成连续视角光场，需要大量的视点信息，因此会大大减小显示图像的分辨率，降低视觉体验效果。中国专利ZL201710829816.9和ZL201710829887.9公开了一种360°集成成像桌面3D显示***，采用圆形排列的点状背光源时序点亮，将通过准直透镜、微透镜阵列和显示面板的视角图像信息进行快速时序刷新分离投射于360°视窗，形成桌面式3D显示效果。但***要形成满足人眼视觉暂留效应的周视集成成像效果，需要超高刷新率的显示设备和同步控制***，造成***成本太高，难以产业化推广。
发明内容
本发明的目的在于提出一种桌面式3D光场显示装置，以增强视觉体验效果、降低显示***成本。
一种桌面式3D光场显示装置，包括由下而上依次排布的激光投影仪，指向性3D光场调制器和定向扩散膜；
所述激光投影仪用于提供3D光场显示***的入射光源和视角图像源；
所述指向性3D光场调制器用于对入射的视角图像进行空间调制，形成水平方向360°分离投射；
所述定向扩散膜用于将投射图像进行二次调制，填补视角间隙，在水平方向形成连续360°视场分布的桌面式3D光场显示效果。
上述桌面式3D光场显示装置，其中，所述激光投影仪由下而上投射图像源，单幅图像源由多幅视角图像经过一定编码排列组合形成，其中图像像素数目等于各幅视角图像像素数目之和。视角图像由相机对三维物体从不同角度拍摄而成，并且需要与所观看的视角信息相一致。
上述桌面式3D光场显示装置，其中，所述指向性3D光场调制器由多组像素阵列组成，各组像素阵列之间以有序或无序的方式彼此互相嵌合，并均匀分布在所述指向性3D光场调制器的出光面上，同一组的像素阵列发出的光指向相同视点，不同组的像素阵列指向不同视点，多组像素阵列共同形成水平方向360°环形视点分布。
上述桌面式3D光场显示装置，其中，所述指向性3D光场调制器中的像素单元由纳米光栅结构填充，纳米光栅结构的周期和取向满足全息记录和再现原理，每个纳米光栅的参数能够根据光栅衍射方程进行计算，所述纳米光栅出射为透射方式。
上述桌面式3D光场显示装置，其中，所述纳米光栅周期处于100 nm到2000 nm 之间，取向角度处于0°到360°之间。
上述桌面式3D光场显示装置，其中，所述定向扩散膜为透射式光调制功能膜，能够将特定角度入射的光在其传播方向上以一定的扩散角进行定向扩散，从而填补视点之间的间隙。所述激光投影仪投射的图像信息，经过指向性3D光场调制器后，能够在水平方向上形成环形360°视角分离投射，最后，经过定向扩散膜二次调制后，在水平方向上形成连续360°视场分布的3D光场显示效果。
本发明提出采用一种激光投影指向性3D光场调制***，结合定向扩散膜，形成水平360°视场分布的桌面式3D光场显示效果。
相比现有技术，根据本发明提出的桌面式3D光场显示装置，具有以下有益效果：
第一，指向性3D光场调制器能够将激光投影仪由下而上投射的混合视角图像进行视角空间分离，在水平方向360°环形视场投射视角图像，形成桌面式观察窗口，相比高时序刷新式的桌面3D显示，简化了显示***模块，降低了显示***成本；
第二，显示***采用定向扩散膜对投射的视角图像进行二次光场调制，将投射的离散视点在投射方向上进行定向扩散，填补视点之间的空隙，在水平方向360°环形视场中不仅减小了视点所需的数目，增加了单幅视角图像的分辨率，而且形成了平滑连续的视场，增强了视觉体验效果。
因此本发明采用激光投影指向性3D光场调制***结合定向扩散膜的二次调制，能够获得水平方向连续360°视场分布的3D光场显示效果，同时***结构简单，能够应用于桌面式3D显示应用中。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是像素型纳米光栅在XY平面下的结构图。
图2是图1中的像素型纳米光栅在XZ平面下的结构图。
图3是本发明实施方式下的一种桌面式3D光场显示装置原理图。
图4是本发明实施方式下的3D显示***中单视角调制原理图。
图5是本发明实施方式下的3D显示***中多视角调制原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
正如背景技术中所述，在实现桌面3D光场显示多种手段中，采用激光投影指向性3D光场调制***结合定向扩散膜二次调制，实现水平方向连续360°视场分布的3D光场显示效果，得到了本领域技术人员的青睐，成为未来最有可能大规模应用在桌面式3D显示***中的技术之一。
请先参见图1和图2，图1和图2是一个特征尺寸在纳米级别的像素型衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构示意图。根据光栅衍射方程，像素型纳米光栅101的周期和取向角、入射光的入射角、衍射光的衍射角满足以下关系：
其中，光线由下往上以一定倾角沿z轴正方向传输，α1和β1依次表示入射光201与x轴和y轴的夹角；α2和β2依次表示衍射光202与x轴和y轴的夹角；n和λ依次表示基底材料203的折射率和入射光源201的波长；Ʌx和Ʌy依次表示像素型纳米光栅101的周期Ʌ在x轴和y轴的分量；φ表示像素型纳米光栅101的取向角（槽型方向与y轴正方向夹角）。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线角度之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的像素型纳米光栅的周期和取向角了。例如，532 nm波长绿光以与x轴夹角45°，与y轴夹角90°斜入射（折射率为1.5），衍射光与x轴夹角45°，与y轴夹角45°时，通过计算，对应的纳米光栅周期为851nm，取向角为-63.43°。
按照上述原理，在一块指向性3D光场调制器的出光面上制作出多个按需设定的不同取向角和周期的像素型纳米光栅之后，理论上可以对入射图像进行精确调制，将混合多视角图像在水平方向视角分离形成环形360°视场，结合定向扩散膜的二次调制，形成水平方向360°连续光场分布的桌面式3D显示***。
本发明的技术方案是：激光投影仪投射的多视角图像源像素与指向性3D光场调制器上的像素对准，经过像素型纳米光栅结构的调制，将投射的多视角图像进行空间分离，在水平方向360°视场投射，最后经过定向扩散膜方向性扩散，填补视点之间的间隙，形成连续360°环形视场分布。指向性3D光场调制器中包含的像素型纳米光栅结构的参数满足上述求出的方程（1）和（2）。纳米光栅像素阵列的功能是对入射图像进行空间分离投射，由于其调制的高精度、高自由度等特性，因此，能够在水平方向形成环形360°视场分布，获得桌面式3D光场显示效果，同时，采用定向扩散膜的二次调制，能够用较少的视点形成连续的视场，增加了显示图像的分辨率。
下面，将对本发明的技术方案进行具体实施方式的详细介绍。
请参照图3，图3是本发明实施方式下的一种桌面式3D光场显示装置原理图。该桌面式3D光场显示***包括激光投影仪301，指向性3D光场调制器302，和定向扩散膜303。激光投影仪301将混合多视角图像投射到指向性3D光场调制器302上，经过像素型纳米光栅的调制（例如像素型纳米光栅302a, 302b, 302c, 302d）后，视角空间分离并投射到定向扩散膜303上，经过定向扩散膜303视角扩展调制，在水平方向形成连续360°环形视场（例如形成的视角303a, 303b, 303c, 303d分别指向不同的视场方位）。因此，人在围绕着显示设备观看的过程中，不同位置能够看到3D图像的不同侧面，例如人眼位于视角303b时，能看到视角图304a显示的图像；人眼位于视角303d时，能看到视角图304b显示的图像，两幅视角图显示出了不同的物理位置关系。其中，经过定向扩膜扩展的视角填补了视点之间的空隙，形成了视场的连续性，提高了桌面3D显示***的图像分辨率，增加了视觉体验感。
请参照图4，图4是本发明实施方式下3D显示***中单视角调制原理图。如前所述，多视角图像经过指向性3D光场调制器302中的多组像素型纳米光栅结构调制后，分离投射于不同的视点。其中，同一组像素型纳米光栅能够将视角图像会聚投射于相同视点，例如相同组像素型纳米光栅401a, 401b, 401c，401d和401e能够将对应的视角图像会聚投射于视点402处，再经过定向扩散膜303的调制后，形成观察视角403。为了实现这种会聚式投射，指向性3D光场调制器302上的像素型纳米光栅的参数（周期和取向）都不相同，需根据像素型纳米光栅位置坐标、激光投影仪位置坐标和入射光波长、会聚视点坐标进行特定理论设计，其中坐标为（x, y）的纳米像素的周期Λ和取向φ满足以下方程（3）和（4）：
其中λ是入射光波长；n为指向性3D光场调制器基底材料的折射率；x0, y0和z0分别是视点位置在x轴、y轴和z轴的坐标. x1, y1和z1分别是激光投影仪在x轴、y轴和z轴的坐标。
请参照图5，图5是本发明实施方式下的3D显示***中多视角调制原理图。激光投影仪301投射图像像素需要与指向性3D光场调制器302的纳米光栅像素对准，例如，图像像素501a-501f分别与纳米光栅像素502a-502f对准。经过纳米光栅结构调制后，视角图像进行会聚分离投射，形成不同的观察视点，例如，其中组成左侧视角的像素501a和501d被调制会聚投射于视点503a，组成中间视角的像素501b和501e被调制会聚投射于视点503b，组成右侧视角的像素501c和501f被调制会聚投射于视点503c。最后，经过定向扩散膜303调制后，形成观察视角504a-504c。由此可见，视点503a到503c之间的间隙通过定向扩散膜303调制后被填补，形成的视角504a-504c呈连续的视场分布特性，大大减小了桌面3D显示***中所需的视点数目，增加了单幅视角图像的分辨率。
本发明上述的指向性3D光场调制器，其出光面上的像素型纳米光栅可以采用光刻技术以及纳米压印进行制作。需要指出的是，在本发明中，既可以采用光刻方法在指向性3D光场调制器表面刻蚀制作出各个不同参数的像素型纳米光栅，也可以通过该光刻方法先制作出能够用于压印的掩模，然后通过纳米压印技术大批量的在指向性3D光场调制器上压印出上述像素型纳米光栅的图案。
综上所述，本发明公开了一种实现桌面式3D光场显示装置。在本发明中，利用指向性3D光场调制器和定向扩散膜对光的传输和调制输出的能力，结合激光投影仪投射的多视角图像源，能够在水平方向形成360°连续视场，应用于桌面式3D显示设备中。相比现有技术，该装置具有以下有益效果：
第一，指向性3D光场调制器能够将激光投影仪由下而上投射的混合视角图像进行视角空间分离，在水平方向360°环形视场投射视角图像，形成桌面式观察窗口，相比高时序刷新式的桌面3D显示，简化了显示***模块，降低了显示***成本；
第二，显示***采用定向扩散膜对投射的视角图像进行二次光场调制，将投射的离散视点在投射方向上进行定向扩散，填补视点之间的空隙，在水平方向360°环形视场中不仅减小了视点所需的数目，增加了单幅视角图像的分辨率，而且形成了平滑连续的视场，增强了视觉体验效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种桌面式3D光场显示装置，其特征在于：包括由下而上依次排布的激光投影仪，指向性3D光场调制器和定向扩散膜；
所述激光投影仪用于提供3D光场显示***的入射光源和视角图像源；
所述指向性3D光场调制器用于对入射的视角图像进行空间调制，形成水平方向360°分离投射；
所述定向扩散膜用于将投射图像进行二次调制，填补视角间隙，在水平方向形成连续360°视场分布的桌面式3D光场显示效果；
所述指向性3D光场调制器由多组像素阵列组成，各组像素阵列之间以有序或无序的方式彼此互相嵌合，并均匀分布在所述指向性3D光场调制器的出光面上，同一组的像素阵列发出的光指向相同视点，不同组的像素阵列指向不同视点，多组像素阵列共同形成水平方向360°环形视点分布。
2.根据权利要求1所述的桌面式3D光场显示装置，其特征在于，所述激光投影仪由下而上投射图像源，单幅图像源由多幅视角图像经过一定编码排列组合形成，其中图像像素数目等于各幅视角图像像素数目之和，图像源经过所述指向性3D光场调制器和定向扩散膜调制后，在水平方向形成连续360°环形视场观察窗口。
3.根据权利要求1所述的桌面式3D光场显示装置，其特征在于，所述定向扩散膜为透射式光调制功能膜，用于将特定角度入射的光在其传播方向上以一定的扩散角进行定向扩散，从而填补视点之间的间隙，所述激光投影仪投射的图像信息，经过所述指向性3D光场调制器后，能够在水平方向上形成环形360°视角分离投射，最后，经过所述定向扩散膜二次调制后，在水平方向上形成连续360°视场分布的3D光场显示效果。
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