一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置

摘要

本发明提出了一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置，它包括显示屏、高折射率介质、黑色掩模板以及微透镜阵列。显示屏放置在微透镜阵列的后焦平面上，用于显示微图像阵列。显示屏上表面填充高折射率介质，用于获得大的观看主视角，高折射率介质上表面制作黑色掩模板，用于消除次视区中的3D重建图像以及不同视区之间的图像串扰与跳变，显示屏、高折射率介质和黑色掩模板三者之间紧贴，并保证图像元、黑色掩模板单元和透镜元三者一一对应且中心对齐。

权利要求

1.一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置，其特征在于，该装置包括显示屏、高折射率介质、黑色掩模板以及微透镜阵列；该装置的设计步骤为：第一步，确定图像元、黑色掩模板单元和透镜元的节距为p，微透镜阵列的焦距为f，空气的折射率为n0，微图像阵列、黑色掩模板和微透镜阵列均包含m×n 个单元，其中，水平方向上m个单元，垂直方向上n 个单元，第二步，在显示屏的上表面填充折射率为n、厚度为h 的高折射率介质，在高折射率介质上表面制作黑色掩模板，显示屏、高折射率介质和黑色掩模板三者之间紧贴，并保证图像元与黑色掩模板单元一一对应且中心对齐，其中与每个图像元相对应的黑色掩模板单元中心处的透明圆孔半径为r，h和r 的设计同时满足式 ， ， 和，第三步，将显示屏放置在微透镜阵列的后焦平面

上，用于显示微图像阵列，并保证图像元、黑色掩模板单元和透镜元三者一一对应且中心对齐。

说明书

一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置

技术领域

[0001] 本发明涉及三维（3D）立体显示技术，更具体地说，本发明涉及集成成像技术，尤指一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置。

背景技术

[0002] 集成成像是一种利用微透镜阵列来记录和再现3D场景的技术，它包括拍摄和显示两个过程。在拍摄过程中，采用由许多透镜元在水平和垂直方向上并行排列组成的微透镜阵列获取3D场景的立体信息，并把立体信息记录到位于微透镜阵列焦平面的图像记录设备上得到图像元，所有的图像元在水平和垂直方向上并行排列，组成了微图像阵列。在显示过程中一般采用与拍摄时具有相同参数的微透镜阵列，微图像阵列显示在微透镜阵列后一定距离处，根据光路可逆原理，微透镜阵列将许许多多图像元透射出来的光线聚集还原，从而在微透镜阵列的附近重建出3D场景的全真立体图像，该立体图像包含全真色彩以及连续的视差信息，观看者无需佩戴辅助设备就可获得观看真实场景的感觉，且没有立体观看视疲劳。

[0003] 尽管集成成像具有诸多优势，但是还远没有达到十全十美的程度，由于目前的微透镜阵列加工制作困难以及拍摄与显示器件的分辨率有限等因素导致它还存在许多不足之处。附图1所示为常规集成成像3D显示装置视区分布示意图，其中，主视区为每个透镜元与对应的图像元所形成的视区的公共区域，一级和二级次视区分别为每个透镜元与相邻和相间隔的图像元所形成的视区的公共区域，在各级视区之间的区域为串扰区。常规集成成像3D显示装置的观看视区很窄，观看视角很小，且在不同级次视区之间存在图像串扰与跳变，这些不足严重制约着集成成像3D显示装置的观看性能。许多研究者分别针对观看视角和图像串扰问题提出了许多解决方案，但都只是针对其中的某单一问题进行部分改善，而不能同时对观看视角和图像串扰问题进行有效改进。

发明内容

[0004] 本发明提出了一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置，如附图2所示，它包括显示屏、高折射率介质、黑色掩模板以及微透镜阵列。显示屏放置在微透镜阵列的后焦平面上，用于显示微图像阵列。显示屏上表面填充高折射率介质，高折射率介质上表面制作黑色掩模板，显示屏、高折射率介质和黑色掩模板三者之间紧贴，并保证图像元、黑色掩模板单元和透镜元三者一一对应且中心对齐。

[0005] 由显示屏上的图像元发出的光线经过高折射率介质出射时，传播方向发生偏折，并以向对应透镜元中心汇聚的方式通过微透镜阵列出射，从而使集成成像3D显示装置获得宽的主视区，获得大的观看主视角。同时，制作的黑色掩模板将来自相邻和相间图像元上的串扰光线阻挡，从而消除次视区中的3D图像以及不同视区之间的图像串扰与跳变，形成没有3D图像的空白区。在主视区与空白区之间为消隐区，消隐区内存在3D图像的部分残像。

[0006] 优选地，本发明所述的一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置包括如下设计步骤。

[0007] 第一步，如附图2所示，确定图像元、黑色掩模板单元和透镜元的节距为p，微透镜阵列的焦距为f，空气的折射率为n0，微图像阵列、黑色掩模板和微透镜阵列均包含m×n 个单元，其中，水平方向上m 个单元，垂直方向上n 个单元。

[0008] 第二步，在显示屏的上表面填充折射率为n、厚度为h 的高折射率介质，在高折射率介质上表面制作黑色掩模板，显示屏、高折射率介质和黑色掩模板三者之间紧贴，并保证图像元与黑色掩模板单元一一对应且中心对齐，其中与每个图像元相对应的黑色掩模板单元中心处的透明圆孔半径为r，h和r的设计同时满足式（1）、（2）、（3）和（4），[0009]。

[0010] 第三步，将显示屏放置在微透镜阵列的后焦平面上，并保证图像元、黑色掩模板单元和透镜元三者一一对应且中心对齐，从而实现宽视角和无串扰的集成成像3D显示。

附图说明

[0011] 附图1为常规的集成成像3D显示装置视区分布示意图。

[0012] 附图2为本发明的宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置视区分布示意图。

[0013] 附图3为观看者在本发明实例装置的主视区拍摄得到的3D图像。

[0014] 附图4为观看者在本发明实例装置的消隐区拍摄得到的3D图像。

[0015] 附图5为观看者在本发明实例装置的空白区拍摄得到的3D图像。

[0016] 上述附图中的图示标号为：

[0017] 1 显示屏，2微透镜阵列，3高折射率介质，4黑色掩模板。

[0018] 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

[0019] 下面详细说明利用本发明一种宽视角和无串扰的集成成像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。

[0020] 本发明提出了一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置，如附图2所示，它包括显示屏、高折射率介质、黑色掩模板以及微透镜阵列。显示屏放置在微透镜阵列的后焦平面上，用于显示微图像阵列。显示屏上表面填充高折射率介质，高折射率介质上表面制作黑色掩模板，显示屏、高折射率介质和黑色掩模板三者之间紧贴，并保证图像元、黑色掩模板单元和透镜元三者一一对应且中心对齐。由显示屏上的图像元发出的光线经过高折射率介质出射时，传播方向发生偏折，并以向对应透镜元中心汇聚的方式通过微透镜阵列出射，从而使集成成像3D显示装置获得宽的主视区，获得大的观看主视角。同时，制作的黑色掩模板将来自相邻和相间图像元上的串扰光线阻挡，从而消除次视区中的3D图像以及不同视区之间的图像串扰与跳变，形成没有3D图像的空白区。在主视区与空白区之间为消隐区，消隐区内存在3D图像的部分残像。

[0021] 本发明所述的一种宽视角和无串扰的集成成像3D显示装置包括的设计步骤如下。

[0022] 第一步，确定图像元、黑色掩模板单元和透镜元的节距p=1.27mm，微透镜阵列的焦距f=5mm，空气的折射率n0=1，微图像阵列、黑色掩模板和微透镜阵列均包含m×n=200×180个单元。

[0023] 第二步，高折射率介质选用托马斯高折射率透明环氧树脂（THO5020），其折射率n=1.6，由式（1）、（2）、（3）和（4）计算得到高折射率介质的厚度h=4.01mm，黑色掩模板单元中心处的透明圆孔半径r=0.18mm。设计时需使显示屏、高折射率介质和黑色掩模板三者之间紧贴，并保证图像元与黑色掩模板单元一一对应且中心对齐。

[0024] 第三步，将显示屏放置在微透镜阵列后焦平面上，并保证图像元、黑色掩模板单元和透镜元三者一一对应且中心对齐。

[0025] 以水平方向为例，在观看距离L=1500mm处，测量得到本发明实例装置的3D观看主视角达到了θ=10.9°，而在同等参数条件下，常规的集成成像3D显示装置的3D观看主视角仅为4.7°。附图3、附图4和附图5所示分别为观看者在本发明实例装置的主视区、消隐区和空白区拍摄得到的3D图像，可以看出，该实例装置仅在主视区呈现出完整、清晰的3D图像，消隐区呈现3D图像的部分残像，而空白区没有3D图像，消除了常规的集成成像3D显示装置中次视区的3D图像以及不同视区之间的图像串扰与跳变，实现了宽视角和无串扰的集成成像3D显示。