CN113311593A - 三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种三维显示装置，所述三维显示装置包括光源及视点生成装置，所述视点生成装置还包括：视角图像信息调制装置，用于将多视角图像信息加载至所述光源发出的光线以进行振幅调制，形成准直光束；位相信息调制装置，用于对各视角图像信息进行位相调制，使得变换至观察区域的各个视角形成若干个可调目标视点。本申请的三维显示装置能够调控视点的位置、形状、数目及大小，使得各个视角的排布方式更加丰富。

Description

三维显示装置

技术领域

本发明涉及一种三维显示装置，属于显示技术领域。

背景技术

随着生活水平不断提高、科学技术的迅猛发展。现有的显示技术已无法满足人眼的视觉需求，三维显示技术应运而生。但现有多视角裸眼三维显示装置中的相位板对光场的调控较为单一，实现的视点排布方式较为死板，各视角图像信息均匀分布，限制了三维显示效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维显示装置，其能够调控视点的位置、形状、数目及大小，使得各个视角的排布方式更加丰富。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三维显示装置，所述三维显示装置包括光源及视点生成装置，所述视点生成装置还包括：

视角图像信息调制装置，用于将多视角图像信息加载至所述光源发出的光线以进行振幅调制，形成准直光束；

位相信息调制装置，用于对各视角图像信息进行位相调制，使得变换至观察区域的各个视角形成若干个可调目标视点。

进一步地，所述视角图像信息调制装置包括若干个图像像素，所述位相信息调制装置包括若干个像素式纳米结构，所述像素式纳米结构与所述图像像素一一对应。

进一步地，所述像素式纳米结构为像素式纳米光栅、像素式菲涅尔透镜和像素式衍射光学元件中的一种或多种组合。

进一步地，所述像素式衍射光学元件为多台阶型或连续面型。

进一步地，所述图像像素以横向***法或纵向***法排列。

进一步地，所述图像像素的密度呈线性不均匀分布或梯度不均匀分布或连续不均匀分布或圆环式不均匀分布。

进一步地，若干个所述视角间距的排布方式为线性不均匀分布、梯度不均匀分布、连续不均匀分布及圆环式不均匀分布中的任一种。

进一步地，所述可调目标视点为位置、形状、数目及大小均可调的目标视点。

进一步地，所述可调目标视点的形状为点状视点、线状视点、带状视点、面状视点及环状视点中的一种或多种组成。

进一步地，所述视角图像信息调制装置为液晶显示屏、投影装置及空间光调制器中的任一种。

进一步地，所述光源包括若干个单色组成的点光源。

进一步地，所述三维显示装置还包括用以显示彩色的彩色滤光片，所述彩色滤光片、视角图像信息调制装置及位相信息调制装置沿出光方向依次放置。

进一步地，所述三维显示装置还包括设置在所述视角图像信息调制装置一侧且用以优化显示效果的光学扩散器。

进一步地，所述光学扩散器为衍射光学元件、全息功能屏、毛玻璃和随机排列的微透镜阵列中的任一种。

本发明的有益效果在于：通过设置有位相信息调制装置及视角图像信息调制装置，该位相信息调制装置用以对各视角图像信息进行位相调制，使得变换至观察区域的各个视角形成若干个可调目标视点，即对视点的空间位置、形状、数目及大小进行调控，使得视角的排布方式更为丰富，且使得视角的间距按需分配，从而在空间中更合理地排布显示信息量；并且，视场角受限和图像分辨率下降的矛盾得到解决，在保证观察区域的中间位置三维显示的高分辨率的同时，扩展了边缘的二维显示区域，从而达到扩大视场角的效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的三维显示装置的结构示意图。

图2为本申请一个实施例提供的三维显示装置的结构示意图。

图3为本申请一个实施例的一种在水平方向实现视角间距调控的视角排布方式。

图4为图3中各观察区域上的视角间距随观察角度的变化图。

图5为本申请一个实施例的另一种在水平方向实现视角间距调控的视角排布方式。

图6为图5的各观察区域的视角间距随观察角度的变化图。

图7为本申请一个实施例可在水平和垂直两个方向上实现全视角间距调控的方案。

图8为本申请一个实施例的位相信息调制装置上的像素式纳米光栅结构示意图。

图9为本申请一个实施例位相信息调制装置上的像素式菲涅尔透镜结构示意图。

图10为本申请一个实施例位相信息调制装置上的像素式衍射光学元件结构示意图。

图11为搭载LCD液晶显示屏的视角间距调控的裸眼三维显示装置。

图12为本申请一个实施例搭载投影装置的视角间距调控的裸眼三维显示装置。

图13为本申请一个实施例搭载LED屏或OLED屏的主动式发光屏幕的视角间距调控的裸眼三维显示装置。

图14为本申请中一种实现像素密度调控的多视角图像信息的示意图。

图15为本申请中一种实现信息密度调控的示意图。

图16为图14及图15实施例中各观察位置上的图像像素密度随观察角度的曲线图。

图17为本申请中采用横向“***法”的像素密度调控的多视角图像信息示意图。

图18为本申请中一种实现信息密度调控的示意图。

图19为本申请中采用纵向“***法”的像素密度调控的多视角图像信息示意图。

图20为图19实施例中各观察位置上的图像像素密度随观察角度的曲线图。

图21为本申请中搭载LCD液晶显示屏的像素密度调控的裸眼3D显示装置的示意图。

图22为本申请中搭载LCD液晶显示屏的信息密度调控的裸眼3D显示装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

需要说明的是，结合附图所阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨在表示其中可以实践本文所描述的概念的唯一配置。本文中所记载的装置实施例和方法实施例将在下面的详细描述中进行描述，并在附图中通过各种框、模块、单元、组件、电路、步骤、过程、算法等等(统称为“要素”)来予以示出。这些要素可以使用电子硬件、计算机软件或者其任意组合来实现。至于这些要素是实现为硬件还是软件，取决于特定应用和施加在整体***上的设计约束。本申请的说明书和权利要求书以及说明书附图中的术语如果使用“第一”、“第二”等描述，该种描述是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

需要说明的是，在没有明示的特别说明的情况下，本申请各实施例中的各项技术特征可视为能够进行相互组合或者结合，只要该种组合或者结合不是因为技术的原因而无法实施。为了较为充分的说明本申请，一些示例性的，可选地，或者优选的特征在本申请各实施例中与其他技术特征结合在一起进行描述，但这种结合不是必须的，而应该理解该示例性的，可选地，或者优选的特征与其他的技术特征都是彼此可分离的或者独立的，只要该种可分离或者独立不是因为技术的原因而无法实施。方法实施例中的技术特征的一些功能性描述可以理解为执行该功能、方法或者步骤，装置实施例中的技术特征的一些功能性描述可以理解为使用该种装置来执行该功能、方法或者步骤。

首先，对本申请涉及的若干名词进行解释。

衍射光学元件：基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计技术，并用各种微细加工工艺，在片基或传统光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶甚至连续形状的浮雕结构，形成纯相位、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。

常见的衍射元件优化算法有GS算法。GS算法的基本思路如下：

已知输入面振幅分布和输出面光场分布，通过输入面、输出面之间的正向傅里叶变换和逆向傅里叶变换，加上输入面和输出面上的光场限制条件，反复迭代直至满足设计要求，最终解得输入面(即位相信息调制装置430)上的相位结构。

根据衍射光学元件衍射效率的普遍计算公式：

其中，N为衍射光学元件的台阶数目，m为衍射级次。当采用多台阶或连续面型衍射光学元件结构，可以提高装置的衍射效率。

多视角三维显示：利用具有周期性微结构或纳结构的光学元件将不同视角图像信息投射至不同观察区域，通过人眼的双目视差或运动视差实现三维显示效果。

位相调制屏：一类具有相位调制功能的光学元件。

本申请的三维显示装置可对视点的空间位置、形状、数目及大小进行调控，使得视角的排布方式更为丰富，且使得视角的间距按需分配，从而在空间中更合理地排布显示信息量；同时所携带的多视角图像信息为像素密度可调控，具体如下。

图1是本申请一个实施例提供的三维显示装置的结构示意图，该三维显示装置至少包括：光源410及视点生成装置，其中，视点生成装置包括视角图像信息调制装置420及位相信息调制装置430。

视角图像信息调制装置420用于将多视角图像信息加载至光源410发出的光线以进行振幅调制，形成准直光束。值得注意的是，在本申请中，沿一个方向传播的准直光束指的是发散角半高宽在30°以内的出射光线。优选地，出射光线的发散角半高宽在10°范围内。可选的，视角图像信息调制装置可以为LCD技术中的液晶显示屏，或是激光投影技术中的投影装置，亦或是空间光调制器。根据实际不同需要，可以提供彩色或动态图像。

位相信息调制装置430用于对准直光束的衍射角、方位角及波前进行位相调制以变换为观察区域的多个视角，并在视角处形成若干个可调目标视点。若干个视角间距的排布方式为线性不均匀、梯度不均匀、连续不均匀及圆环式不均匀中的任一种。可选的，位相信息调制装置430可以为指向性投影屏幕或是位相调制屏。视角图像信息调制装置420包括若干个图像像素，位相信息调制装置430包括若干个像素式纳米结构440，像素式纳米结构440与所述图像像素一一对应。图像像素以横向***法或纵向***法排列，图像像素的密度呈线性不均匀或梯度不均匀或连续不均匀或圆环式不均匀。当图像像素以横向***法或纵向***法排列时，三维显示装置还包括设置在视角图像信息调制装置420一侧且用以优化显示效果的光学扩散器，该光学扩散器为衍射光学元件、全息功能屏、毛玻璃和随机排列的微透镜阵列中的任一种。

像素式纳米结构440为像素式纳米光栅、像素式菲涅尔透镜和像素式衍射光学元件中的一种或多种组合，其中，像素式衍射光学元件为多台阶型或连续面型。

在本申请中，光源410与视角图像信息调制装置420之间还设置有背光板或导光板(未图示)，背光板与导光板用以将光线变换为沿一个方向或多个方向的准直光线。为了以示区别，该准直光线称为第一准直光线。视角图像信息调制装置420设置在第一准直光束10的传播方向上，其中的显示芯片将通过振幅调制方式将多视角图像信息加载到第一准直光束10上，形成第二准直光束20。位相信息调制装置430设置在第二准直光束20的传播方向上，该位相信息调制装置430上的像素式纳米结构440可对携带多视角图像信息的第二准直光束20进行位相调制或者重构，进而得到位置、形状、数目和大小均可调的视点，使得人眼能够在不同的位置观察到不同的视差图像，从而实现视角间距调控的裸眼三维显示效果。请参见图2，当携带像素密度可调的多视角图像信息的光束，经过位相信息调制装置430时，该位相信息调制装置430上像素式纳米结构440对不同视角的光束进行切割，从而单独调控每个子光束的位相，从而在不同视角位置处，生成一定数量的视点。如上所述的，无论是各视角的图像像素密度，还是视角间距都从中央到边缘呈不均匀分布，显示信息得到合理分配，实现了像素密度及信息密度调控。

下面通过几种情况对本申请中的三维显示装置进行说明。当未携带像素密度可调的多视角图像信息时：

图3为本申请一个实施例的一种在水平方向实现视角间距调控的视角排布方式。当携带多视角图像信息的准直光束，经过位相信息调制装置430时，位相信息调制装置430上的像素式衍射结构将对准直光束进行位相调制，形成位置、形状、数目和大小均可调的目标视点，该目标视点为会聚视点。其中，中间区域中的第二视角(数字2部分)和第三视角(数字3部分)所包括的点状视点数目较少，而边缘区域第一视角(数字1部分)和第四视角(数字4部分)所包括的视点数目较多，如此可以扩大水平的可视范围。这样一来，第二视角和第三视角之间的视角间距就明显小于边缘视角间距，实现了视角间距从边缘到中间的不均匀排布。请参见图4，图4为图3中各观察区域上的视角间距随观察角度的变化图。可以看到，视角间距随观察角度“梯度不均匀”，中间区域两个视角的间距(即第二视角与第三视角)要明显小于边缘区域。

图5为本申请一个实施例的另一种在水平方向实现视角间距调控的视角排布方式。以九视角装置为例，当携带多视角图像信息的光束，经过位相信息调制装置430时，位相信息调制装置430上的像素式衍射结构将对准直光束进行位相调制，从而在空间不同位置，形成带宽均不同的目标视点，该目标视点为带状视点。从图中可以看到，第五视角(数字5区域)的视点带宽最小，其他视角的视点带宽从中央到边缘依次递减，处在最边缘的第一视角(数字1区域)和第九视角(数字9区域)的视点带宽最大，用以扩大横向的可视范围。这样一来，第五视角与左右相邻的两个视角间的间距要明显小于边缘其他的视角间距，实现了视角间距从边缘到中间的不均匀排布。请参见图6，图6为图5的各观察区域的视角间距随观察角度的变化图。可以看到，视角间距随观察角度“连续不均匀”，中央视角间距要明显小于边缘。

诚然，在其他实施例中，视角之间的间距排布方式还可为线性不均匀分布或圆环式不均匀分布，在此不做具体限定，根据实际情况而定，

图7为本申请一个实施例可在水平和垂直两个方向上实现全视角间距调控的方案。以九视角为例，当携带多视角图像信息的准直光束，经过位相信息调制装置430时，位相信息调制装置430上的像素式衍射结构将对准直光束进行位相调制，从而在空间不同位置，形成点状、带状、面状的混合目标视点。其中，第四、第五、第六三个视角(数字4、5、6部分)为点状视点，分布在正中间位置；可视范围最大的面状视点，分布在左右两个边缘位置，用以扩大水平可视范围；而带状视点则分布在上下两个边缘位置，用以扩大垂直可视范围。这样一来，正中间位置处，相邻视角间距明显小于边缘其他视角间距，实现了水平和垂直两个方向上的视角间距调控。水平方向视角间距和垂直方向视角间距变化依据实际需求，可不相同。

诚然，在其他实施例中，该可调目标视点的形状亦可为线状视点、环状视点中的一种或结合上述点状视点、线状视点、带状视点、面状视点及环状视点中的多种组成。

图8为本申请一个实施例的位相信息调制装置430上的像素式纳米光栅结构示意图。在本申请中，位相信息调制装置430包括若干个体像素，每个体像素被划分为n个与视角图像对应的亚像素，n为正整数。以四视角为例，该位相信息调制装置430包括多个体像素(图中以大写字母表示)，每个体像素被划分为4个对应不同视角图像的亚像素，再将每个亚像素分割成含有不同周期或取向角的纳米光栅的子像素。如图所示，以最左边的一个体像素A为例，其被划分为4个亚像素分别是1A、2A、3A和4A，不同亚像素对应不同视角图像。比如亚像素1A对应第一视角(最左边)图像的像素单元，亚像素1A就被分割成9个包括不同纳米光栅结构的子像素1a-1i，这些子像素单元又会将光束进一步分割，并且单独调控每个子光束的位相，从而在第一视角位置处，形成9个视点；又如亚像素2A对应第二视角图像的像素单元，亚像素2A可被分割成3个包括不同纳米光栅结构的子像素2a、2d、2g，这些子像素同样将光束分割，并对每个子光束进行位相调制，在第二视角(第一视角右侧)位置处，形成3个视点。这样一来，通过调控不同亚像素中纳米光栅像素单元的数目，即可调控不同视角的视点数目，实现视角调控的裸眼三维显示。

其中，亚像素中的子像素也可使用空间复用型光栅。其中，根据光栅方程，衍射光栅像素的周期、取向角满足以下关系：

tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ)) (1)

其中，θ₁和φ₁分别表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴负方向的夹角)和方位角(衍射光线与y轴正方向的夹角)，θ和λ分别表示光源410的入射角(入射光线与z轴负方向的夹角)和波长，Λ和

分别表示纳米衍射光栅的周期和取向角(槽型方向与x轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。

因此，当入射光线波长、入射角、衍射光线衍射角和衍射方位角确定之后，即可利用上式计算出所需的光栅周期和取向角。

图9为本申请一个实施例位相信息调制装置430上的像素式菲涅尔透镜结构示意图。同样以4视角为例，该位相信息调制装置430包括多个体像素(图中以大写字母表示)，每个体像素被划分为4个对应不同视角图像的亚像素，再将每个亚像素分割成含有不同周期或取向角的菲涅尔透镜的子像素。如图9所示，以最左边的一个体像素A为例，其被划分为4个亚像素分别是1A、2A、3A和4A，不同亚像素对应不同视角图像。比如亚像素1A对应第一视角(最左边)图像的像素单元，亚像素1A就被分割成9个包括不同菲涅尔透镜结构的子像素1a-1i，这些子像素单元又会将光束进一步分割，并且单独调控每个子光束的波前，从而在第一视角位置处，形成9个视点；又如亚像素2A对应第二视角图像的像素单元，亚像素2A可被分割成3个包括不同菲涅尔透镜结构的子像素2a、2d、2g(图中未画出)，这些子像素同样将光束分割，并对每个子光束进行波前调控，在第二视角位置处，形成3个视点。这样一来，通过调控不同亚像素中菲涅尔透镜像素单元的数目，即可调控不同视角的视点数目，实现视角调控的裸眼三维显示。

诚然，也可利用像素式微柱透镜结构，可以产生带状视点。亦或者，采用谐衍射结构，能够对多个波长的光场进行调控，从而起到消色差的效果。

图10为本申请一个实施例位相信息调制装置430上的像素式衍射光学元件结构示意图。同样以4视角为例，该位相信息调制装置430包括多个体像素(图中以大写字母表示)，每个体像素被划分为4个对应不同视角图像的亚像素。与上述两个实施例不同，衍射光学元件可以直接对光束进行整形，从而调控视点的形状和大小，因此，无需再将亚像素分割。这些亚像素就包括了具有不同特征结构的衍射光学元件。如图所示，以最左边的一个体像素A为例，其被划分为4个亚像素分别是1A、2A、3A和4A，不同亚像素对应不同视角图像，同时，这些亚像素上还含有不同结构的衍射光学元件像素。比如亚像素1A对应第一视角(数字1区域)图像的像素单元，同时，该亚像素1A上含有衍射光学元件像素。亚像素1A上的衍射光学元件像素将按照理想的输出面光场，对入射光束进行光束整形，从而在第一视角位置形成范围较大的面状视点；又如亚像素2A对应第二视角(数字2区域)图像的像素单元，该亚像素2A上的衍射光学元件像素同样将对入射光束进行光束整形，从而在第二视角位置形成范围较小的带状视点。这样一来，通过调控不同亚像素上的衍射光学元件的结构，即可调控不同视角位置上，视点的形状和大小，从而实现视角调控的裸眼三维显示。在本申请中，该衍射光学元件可以是多台阶结构，甚至是具有连续面型的相位结构，从而获得极高衍射效率。亦或者，该衍射光学元件可以用激光直写设备制备，可通过纳米压印等方式进行批量复制，具有易加工、成本低的优势。

图11为搭载LCD液晶显示技术的视角间距调控的裸眼三维显示装置，包括光源410、指向性背光板(图中未画出)、LCD液晶显示屏和位相调制屏。其中位相调制屏设置有多个像素阵列，单个像素为上述的多种可选衍射结构中的一种。光源410发出的光束经指向性背光板转换为沿一个或多个方向的第一准直光束10，LCD液晶显示屏设置在第一准直光束10的传播方向上，其通过振幅调制方式将多视角视差图像信息加载到第一准直光束10上形成第二准直光束20。位相调制屏设置在第二准直光束20的传播方向上，其利用像素式的衍射结构单元将承载不同视差图像的第二准直光束20进行相位重构，使每个视角大小，光强分布，和视角间隔都不相同。按照图5所示的视角排布方式，实现视角间距调控。

图12为本申请一个实施例搭载投影技术的视角间距调控的裸眼三维显示装置，包括投影装置和指向性投影屏幕。其中投影装置中的显示芯片将提供多视角图像信息；指向性投影屏幕则设置有多个体像素阵列，单个像素为上述的多种可选衍射结构中的一种。从投影装置发出的光束，将携带经该投影装置调制的多视角图像信息从而形成扩散光束。指向性投影屏幕将入射的视角图像信号进行相位调制，按照图5所示的视角排布方案，在指向性投影屏幕的正前方，形成不同形状大小的视点，实现视角间距调控。

图13为本申请一个实施例搭载LED屏幕或OLED屏幕等主动式发光屏幕的视角间距调控的裸眼三维显示装置，其包括LED显示屏和位相调制屏。优选地，LED显示屏和位相调制屏中间还有一个将点光源410阵列转换为准直光线的光线调控板(图中未画出)。LED屏或OLED屏发出的光束携带有多视角视差图像信号，并通过位相调制屏，转换为准直光束。位相调制屏设置在光束的传播方向上，并对该光束进行位相调制，按照图5所示的视角排布方案，实现视角间距调控。

当携带像素密度可调的多视角图像信息时：

图14本申请中一种实现像素密度调控的多视角图像信息的示意图，以4视角为例，该图像信号包含多个体像素，每个体像素包含4个亚像素单元，在同一体像素中，不同数字的亚像素单元对应不同视角上的图像像素。为方便起见，图中只画出了4个体像素。实际图像信号可以该4个体像素为周期单元，重复排列更多体像素。在本实施例中，每个体像素并不一定包含所有视角上的图像像素，也就是说每个体像素中，分配到不同视角上的亚像素数目不再一致。以最左边的体像素a为例，该体像素a包含4个亚像素分别是1a、2a、3a和4a。其中，亚像素1a对应第一视角上的视差图的像素，该亚像素1a和左数第3个体像素c中的亚像素1c共同构成第一视角上的部分图像。然而，以最右边的体像素d为例，该体像素d同样包含4个亚像素，所不同的是，这4个亚像素只有中央第二视角和第三视角的图像像素，分别是2d、2d、3d和3d。这样一来，中央第二视角和第三视角上的图像像素明显多于边缘两个视角，像素密度从中央区域到边缘区域呈不均匀分布。以此类推，通过调控多视角图像信息中的不同视角对应的亚像素数目，即可调控视差图像的像素密度。

再请参见图15，位相信息调制装置430的每个体像素首先被划分为4个对应不同视角的亚像素，然后，再将每个亚像素分割成含有不同周期或取向角的纳米光栅的子像素以最左边的一个体像素A为例，其被划分为4个亚像素分别是1A、2A、3A和4A。其中，亚像素1A将被分割成9个包含不同纳米光栅结构的子像素1a-1i，这些子像素单元又会将光束进一步分割，并且单独调控每个子光束的位相，从而在第一视角位置处，形成9个视点；又如亚像素2A对应第二视角图像的像素单元，亚像素2A可被分割成3个包含不同纳米光栅结构的子像素2a、2d、2g(图中未画出)，这些子像素同样将光束分割，并对每个子光束进行位相调制，在第二视角位置处，形成3个视点。显而易见的，中央第二视角和第三视角的视点数目明显少于边缘两个视角，视角间距从中央区域到边缘区域呈不均匀分布。通过调控不同亚像素中子像素纳米光栅结构的数目，即可调控视角间距。

当携带像素密度可调的多视角图像信息的光束，经过位相信息调制装置时，该位相信息调制装置上一一对应的亚像素单元包含一定数量的子像素纳米光栅结构，这些子像素纳米光栅结构会对不同视角的光束进行切割，从而单独调控每个子光束的位相，从而在不同视角位置处，生成一定数量的视点。如上所述的，无论是各视角的图像像素密度，还是视角间距都从中央到边缘呈不均匀分布，显示信息得到合理分配，实现了信息密度调控。

图16为图15及图14实施例中各观察位置上的图像像素密度随观察角度的曲线图。从图中能看到，像素密度随观察角度“梯度不均匀”，中央两个视角上的图像分辨率要明显高于边缘两个视角。

图17示出了一种采用横向“***法”的像素密度调控的多视角图像信息。以4视角为例，该图像信号同样包含多个体像素，每个体像素包含4个亚像素单元，这些亚像素单元均水平排布，构成横向的体像素。在同一体像素中，不同数字的亚像素单元对应不同视角上的图像像素。与上述实施例均不同的是，本实施例采用横向“***法”来实现各视角的像素密度调控。参见第一行像素，最左端的横向体像素a包含4个亚像素，分别为1a、2a、3a和4a，其中，亚像素1a对应第一视角上的图像像素，亚像素2a对应第二视角上的图像像素，以此类推。在相邻的体像素a和体像素b之间额外***亚像素2和亚像素3,分别对应第二视角和第三视角上的图像像素。这样一来，中央第二视角和第三视角上的图像像素明显多于边缘两个视角，像素密度从中央区域到边缘区域呈不均匀分布。另一方面，在横向上，来自同一视角的亚像素的间隔均保持一致，这样有利于显示效果，例如，亚像素1a与1b之间总是间隔5个像素，亚像素2a和2之间则总是间隔2个像素；亚像素3a和3之间总是间隔2个像素；亚像素4a和4b之间总是间隔5个像素，以此类推……对应不同视角的相邻亚像素间距也呈现了不均匀分布。总之，通过在相邻横向体像素之间***数量可调的亚像素单元，即可调控不同视角图像的像素密度。

请参见图18中的位相信息调制装置则采用像素式菲涅尔透镜结构。以第一行像素为例，最左端的横向体像素A被划分为4个亚像素分别是1A、2A、3A和4A，不同亚像素对应不同视角图像。比如亚像素1A对应1视角图像的像素单元，亚像素1A就被分割成9个包含不同菲涅尔透镜的子像素1a-1i，这些子像素单元又会将光束进一步分割，并且单独调控每个子光束的波前，从而在第一视角位置处，形成9个视点；又如亚像素2A对应2视角图像的像素单元，亚像素2A可被分割成3个包含不同菲涅尔透镜的子像素2a、2d、2g(图中未画出)，这些子像素同样将光束分割，并对每个子光束进行波前调控，在第二视角位置处，形成3个视点。显而易见的，中央第二视角和第三视角的视点数目明显少于边缘两个视角，视角间距从中央区域到边缘区域发生不均匀分布。通过调控不同亚像素中菲涅尔透镜像素单元的数目，即可调控视角间距。

当携带像素密度可调的多视角图像信息的光束，经过位相信息调制装置时，该位相信息调制装置上一一对应的亚像素单元包含一定数量的子像素菲涅尔透镜结构，这些子像素菲涅尔透镜结构会对不同视角的光束进行切割，从而单独调控每个子光束的波前，从而在不同视角位置处，生成一定数量的视点。如上所述的，无论是各视角的图像像素密度，还是视角间距都从中央到边缘呈不均匀分布，显示信息得到合理分配，实现了信息密度调控。

图19则示出了一种采用纵向“***法”的像素密度调控的多视角图像信息的示意图。以5视角为例，该图像信号同样包含多个体像素(图中以小写字母表示，并用加粗黑线标出)，每个体像素包含5个亚像素单元，这些亚像素单元均竖直排布，构成纵向的体像素。在同一体像素中，不同数字的亚像素单元对应不同视角上的图像像素。本实施例采用纵向“***法”来实现各视角的像素密度调控。如图7所示，参见第一列像素，最上端的横向体像素a包含5个亚像素，分别为1a、2a、3a、4a和5a，其中，亚像素1a对应1视角上的图像像素，亚像素2a对应2视角上的图像像素，以此类推。在相邻的体像素a和体像素b之间额外***亚像素2、亚像素3、亚像素3和亚像素4,分别对应2视角、3视角和4视角上的图像像素。这样一来，中央3视角上的图像包含的像素数最多，像素密度最大；次边缘2视角和4视角上的图像包含的像素数次之，像素密度次之；而最边缘的1视角和5视角上的图像包含的像素数最少，像素密度最小。像素密度从中央区域到边缘区域呈不均匀分布。总之，通过在相邻纵向体像素之间***数量可调的亚像素单元，即可调控不同视角图像的像素密度。

图20为图19实施例中各观察位置上的图像像素密度随观察角度的曲线图。从图中能看到，像素密度随观察角度“梯度不均匀”，中央视角上的图像分辨率最高，而其他视角上的图像分辨率则随着观察角度递减。

图21为一种搭载LCD液晶显示技术的像素密度调控的裸眼3D显示装置。包括：光源、指向性背光板、LCD液晶显示屏和位相调制屏，其中LCD液晶显示屏将提供上述实施例中的像素密度调控的多视角图像信息，而位相调制屏则设置有多个衍射结构像素阵列，该像素式衍射结构的排布方式和多视角图像信息一致。

光源发出的光束经指向性背光板转换为沿一个或多个方向的第一准直光束，LCD液晶显示屏设置在第一准直光束的传播方向上，其通过振幅调制方式将像素密度调控的多视角视差图像信息加载到第一准直光束上形成第二准直光束。位相调制屏设置在第二准直光束的传播方向上，将对第二准直光束产生位相调制，从而在位相调制屏正下方的不同观察位置，产生图像像素数目不同的子视角图像，实现像素密度调控的裸眼3D显示。再请参见图22，位相信息调制装置上的像素式衍射结构会对该第二准直光束进行位相调制，将含有不同像素密度的视角图像投射到对应的观察位置，形成形状、大小、数目均可调的视点，从而实现LCD型的信息密度调控的裸眼3D显示。

诚然，在其他实施例中，LCD液晶显示技术也可为投影技术或LED屏幕或OLED屏幕等主动式发光屏幕等其他，在此不做具体限定，根据实际情况而定。

本申请为了实现彩色显示，还可将光源410设置为多个单色组成的点光源410，如三个单色(RGB三基色)点光源410，三维显示装置还包括用以显示彩色的彩色滤光片，彩色滤光片、视角图像信息调制装置420及位相信息调制装置430沿出光方向依次放置，光源410发出的光依次入射到视角图像信息调制装置420、位相信息调制装置430和彩色滤光片。诚然，视角图像信息调制装置420、位相信息调制装置430和彩色滤光片的放置顺序可变，根据实际需求而定。

综上所述：通过设置有位相信息调制装置430及视角图像信息调制装置420，该位相信息调制装置430用以对各视角图像信息进行位相调制，使得变换至观察区域的各个视角形成若干个可调目标视点，即对视点的空间位置、形状、数目及大小进行调控，使得视角的排布方式更为丰富，且使得视角的间距按需分配，从而在空间中更合理地排布显示信息量；并且，视场角受限和图像分辨率下降的矛盾得到解决，在保证观察区域的中间位置三维显示的高分辨率的同时，扩展了边缘的二维显示区域，从而达到扩大视场角的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (14)

1.一种三维显示装置，其特征在于，所述三维显示装置包括光源及视点生成装置，所述视点生成装置还包括：

视角图像信息调制装置，用于将多视角图像信息加载至所述光源发出的光线以进行振幅调制，形成准直光束；

位相信息调制装置，用于对各视角图像信息进行位相调制，使得变换至观察区域的各个视角形成若干个可调目标视点。

2.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述视角图像信息调制装置包括若干个图像像素，所述位相信息调制装置包括若干个像素式纳米结构，所述像素式纳米结构与所述图像像素一一对应。

3.如权利要求2所述的三维显示装置，其特征在于，所述像素式纳米结构为像素式纳米光栅、像素式菲涅尔透镜和像素式衍射光学元件中的一种或多种组合。

4.如权利要求3所述的三维显示装置，其特征在于，所述像素式衍射光学元件为多台阶型或连续面型。

5.如权利要求2所述的三维显示装置，其特征在于，所述图像像素以横向***法或纵向***法排列。

6.如权利要求2所述的三维显示装置，其特征在于，所述图像像素的密度呈线性不均匀分布或梯度不均匀分布或连续不均匀分布或圆环式不均匀分布。

7.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，若干个所述视角间距的排布方式为线性不均匀分布、梯度不均匀分布、连续不均匀分布及圆环式不均匀分布中的任一种。

8.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述可调目标视点为位置、形状、数目及大小均可调的目标视点。

9.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述可调目标视点的形状为点状视点、线状视点、带状视点、面状视点及环状视点中的一种或多种组成。

10.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述视角图像信息调制装置为液晶显示屏、投影装置及空间光调制器中的任一种。

11.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述光源包括若干个单色组成的点光源。

12.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述三维显示装置还包括用以显示彩色的彩色滤光片，所述彩色滤光片、视角图像信息调制装置及位相信息调制装置沿出光方向依次放置。

13.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述三维显示装置还包括设置在所述视角图像信息调制装置一侧且用以优化显示效果的光学扩散器。

14.如权利要求13所述的三维显示装置，其特征在于，所述光学扩散器为衍射光学元件、全息功能屏、毛玻璃和随机排列的微透镜阵列中的任一种。

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