一种三维光场显示系统

摘要

本发明公开一种三维光场显示系统，所述系统包括：显示器、透镜阵列、全息功能屏；所述显示器用于显示预设的视差子图阵列；所述透镜阵列用于将所述预设的视差子图阵列投射到所述全息功能屏；所述全息功能屏用于提供具有全视差立体效果的光场；其中，所述透镜阵列中的透镜为具有偏心光瞳的透镜，所述透镜阵列满足如下条件：所述预设的视差子图阵列中位于第i行第j列的视差子图的中心相对于所述透镜阵列中相应位置的透镜Lij的通光圆孔的张角为U，i为不大于视差子图阵列行数的正整数，j为不大于视差子图阵列列数的正整数。

权利要求

1.一种三维光场显示系统，其特征在于，所述系统包括：显示器、透镜阵列、全息功能屏；

所述显示器用于显示预设的视差子图阵列；

所述透镜阵列用于将所述预设的视差子图阵列投射到所述全息功能屏；

所述全息功能屏用于提供具有全视差立体效果的光场；

其中，所述透镜阵列中的透镜为具有偏心光瞳的透镜，所述透镜阵列满足如下条件：所述预设的视差子图阵列中位于第i行第j列的视差子图的中心相对于所述透镜阵列中相应位置的透镜Lij的通光圆孔的张角为U，i为不大于视差子图阵列行数的正整数，j为不大于视差子图阵列列数的正整数；

所述透镜阵列中的透镜个数由所述预设的视差子图阵列中的视差子图个数确定，所述透镜阵列中的透镜为不透光的方形结构，所述方形结构的中心开有一通光圆孔；

所述张角U满足：

其中，D为所述通光圆孔的孔径，D1为所述显示器与所述透镜阵列的间距；

所述具有偏心光瞳的透镜的通光圆孔通过在预设透镜上截取圆形区域得到，所述圆形区域的中心满足：其中，x1为圆形区域的中心与所述预设透镜的中心的水平距离，y1为圆形区域的中心与所述预设的透镜的中心的竖直距离，D2为所述透镜阵列与所述全息功能屏的距离，X为视差子图的中心与全息功能屏中心的水平距离，Y为视差子图的中心与全息功能屏中心的竖直距离，所述视差子图为预设的视差子图阵列中与所述具有偏心光瞳的透镜位置相对应的视差子图。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述显示器为液晶显示器LCD，所述透镜阵列中的透镜为菲涅尔透镜。

3.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述预设的视差子图阵列中的视差子图个数为N×N，所述N为正整数，所述透镜阵列中的透镜个数也为N×N。

4.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述透镜阵列中的透镜制作在曲率为Cs的球面基底上，并且透镜的相位函数 满足：其中，G为非球面系数， φ为透镜的光焦度，λ为光波的波长；所述Cs与G的值通过下述方式确定：根据预设的像差平衡规则，调节Cs与G，使得弥散斑半径最小，其中所述弥散斑半径由所述具有偏心光瞳的透镜的偏心像差确定。

说明书

一种三维光场显示系统

技术领域

[0001] 本发明涉及显示技术领域，具体涉及一种基于球面基底偏心光瞳菲涅尔透镜阵列的三维光场显示系统。

背景技术

[0002] 传统的基于狭缝光栅和柱透镜光栅的显示方式由于视点的限制无法提供一个连续平滑的视差，而基于高密度视点的显示方式也只能在一个较小的观看角范围内提供连续平滑的视差。

[0003] 多投影光场显示方式的提出解决了上述问题，它是一种基于像素的能够重构目标物体光场的显示方式，这种显示方法可以在一个较大的观看角范围内提供连续平滑的视差。然而，这种显示方式需要的设备比较复杂且又占用较大的空间。

[0004] 基于液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)的光场显示方式的提出解决了上述问题，这种显示方式中，LCD上显示的每一个视差子图及其相应的成像透镜组成了一个类似于投影仪的单元，通过缩小成像透镜的通光孔径来减小因为成像透镜的像差带来的成像模糊的问题。

[0005] 现有的基于LCD的光场显示方式存在的问题如下：由于成像透镜的通光孔径(即通光圆孔的孔径)减小，如图1所示，对于LCD边缘部分的视差子图(如1中最左侧的视差子图)，该视差子图的中心与其相应的成像透镜中心有一偏移距离d1，成像透镜的通光孔径为D，D满足：S＝N×D，N为视差子图阵列的行数，S为视差子图阵列中同行相邻视差子图的间距，图1中D1为LCD与透镜阵列的间距，最左侧的视差子图的中心相对于透镜阵列中最左侧的透镜的通光圆孔的张角为U2，中间的视差子图的中心相对于透镜阵列中间的透镜的通光圆孔的张角为U1，U1与U2满足下式：

[0006]

[0007] 像面中心(即全息功能屏中心)的照度满足：

[0008]

[0009] 其中，E1为中间的视差子图的像面中心照度，E2为最左侧的视差子图的像面中心照度，k为吸收系数，β为放大倍数，L为LCD的亮度。

[0010] 可见，由于U2＜U1，所以E2小于E1，所以在像面上的照度被降低。

发明内容

[0011] 本发明所要解决的技术问题是现有的基于LCD的光场显示方式由于成像透镜的通光孔径减小，对于LCD边缘部分的视差子图，这些视差子图中心与其相应的成像透镜中心有一定距离的偏移，所以在像面上的照度被降低了很多的问题。

[0012] 为此目的，第一方面，本发明提供一种三维光场显示系统，所述系统包括：显示器、透镜阵列、全息功能屏；

[0013] 所述显示器用于显示预设的视差子图阵列；

[0014] 所述透镜阵列用于将所述预设的视差子图阵列投射到所述全息功能屏；

[0015] 所述全息功能屏用于提供具有全视差立体效果的光场；

[0016] 其中，所述透镜阵列中的透镜为具有偏心光瞳的透镜，所述透镜阵列满足如下条件：

[0017] 所述预设的视差子图阵列中位于第i行第j列的视差子图的中心相对于所述透镜阵列中相应位置的透镜Lij的通光圆孔的张角为U，i为不大于视差子图阵列行数的正整数，j为不大于视差子图阵列列数的正整数。

[0018] 可选的，所述显示器为液晶显示器LCD，所述透镜阵列中的透镜为菲涅尔透镜。

[0019] 可选的，所述透镜阵列中的透镜个数由所述预设的视差子图阵列中的视差子图个数确定。

[0020] 可选的，所述预设的视差子图阵列中的视差子图个数为N×N，所述N为正整数，所述透镜阵列中的透镜个数也为N×N。

[0021] 可选的，所述透镜阵列中的透镜为不透光的方形结构，所述方形结构的中心开有一通光圆孔。

[0022] 可选的，所述张角满足：

[0023]

[0024] 其中，D为所述通光圆孔的孔径，D1为所述显示器与所述透镜阵列的间距。

[0025] 可选的，所述具有偏心光瞳的透镜的通光圆孔通过在预设透镜上截取圆形区域得到，所述圆形区域的中心满足：

[0026]

[0027]

[0028] 其中，x1为圆形区域的中心与所述预设透镜的中心的水平距离，y1为圆形区域的中心与所述预设的透镜的中心的竖直距离，D2为所述透镜阵列与所述全息功能屏的距离，X为视差子图的中心与全息功能屏中心的水平距离，Y为视差子图的中心与全息功能屏中心的竖直距离，所述视差子图为预设的视差子图阵列中与所述具有偏心光瞳的透镜位置相对应的视差子图。

[0029] 可选的，所述透镜阵列中的透镜制作在曲率为Cs的球面基底上，并且透镜的相位函数 满足：

[0030]

[0031] 其中，G为非球面系数， φ为透镜的光焦度，λ为光波的波长；所述Cs与G的值通过下述方式确定：

[0032] 根据预设的像差平衡规则，调节Cs与G，使得弥散斑半径最小，其中所述弥散斑半径由所述具有偏心光瞳的透镜的偏心像差确定。

[0033] 相比于现有技术，本发明的三维光场显示系统通过将透镜阵列制作为满足：视差子图阵列中视差子图的中心相对于透镜阵列中相应位置的透镜的通光圆孔的张角为U，并且将透镜制作为具有偏心光瞳的透镜解决了现有技术存在的问题，实现了效果较好的三维光场显示。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0035] 图1示出了基于液晶显示器LCD的光场显示系统结构图；

[0036] 图2示出了本发明的一种三维光场显示系统；

[0037] 图3示出了本发明的一种三维光场显示系统；

[0038] 图4示出了本发明具有偏心光瞳的透镜的通光圆孔的获取示意图。

具体实施方式

[0039] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0040] 如图2所示，本实施例公开一种三维光场显示系统，所述系统包括：显示器、透镜阵列、全息功能屏，显示器可选用液晶显示器LCD，透镜阵列中的透镜可选用菲涅尔透镜。

[0041] 显示器用于显示预设的视差子图阵列；视差子图阵列中的视差子图的个数为预先确定的值，不同的视差子图显示物体不同方向的图像；透镜阵列中的透镜个数由预设的视差子图阵列中的视差子图个数确定，如图3所示，视差子图阵列中的视差子图个数为81个，即视差子图阵列为9行9列，透镜阵列中的透镜个数也为81个。

[0042] 透镜阵列用于将预设的视差子图阵列投射到全息功能屏；

[0043] 全息功能屏用于提供具有全视差立体效果的光场；

[0044] 其中，透镜阵列中的透镜为具有偏心光瞳的透镜，透镜阵列满足如下条件：预设的视差子图阵列中位于第i行第j列的视差子图的中心相对于所述透镜阵列中相应位置的透镜Lij的通光圆孔的张角为U，i为不大于视差子图阵列行数的正整数，j为不大于视差子图阵列列数的正整数。张角U满足：

[0045]

[0046] 其中，D为所述通光圆孔的孔径，D1为所述显示器与所述透镜阵列的间距。

[0047] 可见，本实施例，最左侧的视差子图的中心相对于透镜阵列中最左侧的透镜的通光圆孔的张角U2＝U，中间的视差子图的中心相对于透镜阵列中间的透镜的通光圆孔的张角为U1＝U，由此得知，具有偏心光瞳的透镜阵列保证了边缘视差子图(即最左侧的视差子图)不会因偏离透镜中心过多而导致其像面照度过低，同时，具有偏心光瞳的透镜阵列也保证了最终重建物体图像照度的均匀性。

[0048] 在具体应用中，如图4所示，具有偏心光瞳的透镜的通光圆孔通过在预设透镜上截取圆形区域得到，圆形区域的中心满足：

[0049]

[0050]

[0051] 其中，x1为圆形区域的中心与所述预设透镜的中心的水平距离，y1为圆形区域的中心与所述预设的透镜的中心的竖直距离，D2为透镜阵列与全息功能屏的距离，X为视差子图的中心与全息功能屏中心的水平距离，Y为视差子图的中心与全息功能屏中心的竖直距离，所述视差子图为预设的视差子图阵列中与具有偏心光瞳的透镜位置相对应的视差子图。

[0052] 由于具有偏心光瞳的透镜会引入偏心像差，为了降低偏心像差的影响，本实施例中，透镜阵列中的透镜制作在曲率为Cs的球面基底上，并且透镜的相位函数 满足：

[0053]

[0054] 其中，G为非球面系数， φ为透镜的光焦度，λ为光波的波长；所述Cs与G的值通过下述方式确定：

[0055] 根据预设的像差平衡规则，调节Cs与G，使得弥散斑半径最小，其中，弥散斑半径由具有偏心光瞳的透镜的偏心像差确定。

[0056] 在本实施例中，所述具有偏心光瞳的透镜的偏心像差有四种：

[0057]

[0058]

[0059]

[0060]

[0061]

[0062]

[0063] S3＝J2φ

[0064]

[0065]

[0066] 其中， u、u'为第一近轴光线角， h为第一近轴光线与透镜交点的高度，n为透镜的折射率，J为拉格朗日常量。

[0067] 本文涉及的技术术语如下：

[0068] 照度：即通常所说的勒克司度(lux)，表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。

[0069] 像差：实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，这些与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差，叫做像差。

[0070] 偏心光瞳：偏离入射光瞳中心的部分瞳面。

[0071] 偏心像差：由偏心光瞳引入的像差。

[0072] 通光孔径：指透镜的有效孔径。

[0073] 球面基底：指具有一定曲率的球面型衬底，传统菲涅尔透镜的基底是平面。

[0074] 视差：指从不同方向获取的物体图像的差异。

[0075] 视差子图：指不同方向获取的物体的图像。

[0076] 全息功能屏：用全息的方法制作的具有点扩散功能的光学屏。

[0077] 散射角：全息功能屏点扩散的散射角。

[0078] 视点：从实际物体一个方向所获取的图像。

[0079] 分辨率：是指一英寸内包含的像素点的数量。

[0080] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。