CN102520527B - 一种裸眼立体显示系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种裸眼立体显示系统及其方法，包括两个空间光调制器：分别用于输出立体图像的左、右眼信号；光学系统，用于调节整个系统的位置及匹配；二元光学投影屏幕，用于会聚图像，使其大小适合人眼观看。本发明最大的优点就是图像源的空间占有量小，所以可以实现空分复用，在保持亮度的情况下可以保持高的分辨率。一般的裸眼立体显示系统，其定向偏折的功能多由柱状透镜阵列或视差挡板构成，但是图像源是由LCD液晶屏充当，为了和偏折部件进行匹配，不得不牺牲一般的分辨率；另外，采取时分方法则会牺牲一部分乃至一半以上的亮度。而分辨率和亮度不下降则是本发明最大的优点。

Description

一种裸眼立体显示系统及其方法

技术领域

本发明属于立体显示技术领域，具体涉及一种裸眼立体显示系统及其方法。

背景技术

随着DLP、LED、LCD等技术的发展，视频显示技术正处于不断成熟的阶段，2008年末，平面显示器件的发展遇到了瓶颈；而2010年起，显示技术在一个新的领域找到了未来的发展方向——立体显示。

立体显示的基础是人的双目视差效应，指的是双眼看到同一物体的不同影像，这不同影像间的差异在大脑中合成时会产生视觉深度，让观众感受到立体感。目前的三维显示技术可以分为分光立体眼镜显示、自动分光立体显示、全息术和体立体显示4大类。

其中，全息术和体三维显示技术虽然属于真三维显示的范畴，但是它们目前实现起来都面临很大的技术困难（空间光调制器（SLM）等核心器件性能有待提高、处理数据量大、需在较暗环境下观看等），预计在未来十年时间内还无法广泛推广。

分光立体眼镜法是利用佩戴的眼镜对图像进行选择或适配，从视差图像中分选出左、右眼的需要观察的内容，观众的双眼分别观察到相应的视差图像之后，视觉欺骗效应会在大脑中将两幅附带视差信息的画面合成为具有视觉深度（即立体感）的图像，从而实现立体显示。眼镜式的立体显示方法最大的不足就是需要佩戴特殊的眼镜。首先，眼镜的佩戴时间不可以太久，否则容易感到疲劳；其次，近视和老花人士观看时除要佩戴立体眼镜外，还需戴上近视或老花眼镜，使用起来十分不便。此外，分光立体眼镜法的成本也较高，时分眼镜立体显示中的液晶光阀眼镜的售价在1500元左右，显示终端也较同尺寸的平面显示产品高3倍左右，而光分式眼镜立体显示中需要两台显示终端，会系统造价大幅度提高。

自由分光立体显示技术，是为了克服分光立体眼镜显示方法中的致命缺陷——对眼镜的依赖，所提出的一种显示方法。自由分光立体显示主要包括以下的技术方向：

1.双视点双图像终端系统

图1所示的立体成像系统是夏普公司的设计。单光源（Lightsource）发出的光经过分光器(Beam-splitter)分为两束，分别经两面反射镜反射后成为了装载了左右图像的LCD的背景光，背景光照亮LCD后，再次经过另一个分光器（Beam-Combiner），使得左眼LCD的光进入左眼，右眼LCD的光进入右眼，从而达到了双象的分离。这种方法的优点是亮度高、分辨率高，缺点是观察位置固定，只可以在特定的位置上看到立体的效果。

2.双视点单图像终端系统

（1）视差挡板技术（又称为障栅系统）

视差挡板技术基本原理如图2所示。LCD平面A上奇偶交替地竖直的排列了分割为细条的照明亮线（白色部分，偶像素列）和暗条（黑色部分，奇像素列）。在双眼L、R和平面A之间放置一多狭缝挡板，使得左眼L只看到偶像素列的照明亮线，右眼R只看到奇像素列的暗条，反之亦然，从而实现了双象的分离。图片A的记录可采用单相机法或多相机法。两种记录方法都在照相底片前放置多狭缝板。视差挡板立体显示的缺点有：水平显示的像素数减半；显示的亮度不高；视差挡板和像素之间容易产生莫尔条纹；容易产生左右眼观察区域的反转（又称crosstalk）；观察视点比较固定。

为改进位置上的缺点，日本Sanyo公司开发出新的立体显示装置。该装置将光学挡板改为电子挡板，通过电压控制，使挡板在左右视点移动时跟着移动，同时液晶显示板、左右视区也能自动做出相应的位移。

（2）微透镜柱面立体显示方式

微透镜柱面屏是微透镜阵列板的简化模型，如图3所示。透镜柱面是由一排垂直排列的半圆形柱面透镜组成，利用每个柱面镜头对光的折射作用，将左右图像分别折射到左右眼，使左眼图像聚焦于左眼，右眼图像聚焦于右眼，从而产生深度感。该方法产生的图像丰富真实，适合大屏幕显示，运用精密的成形手段，使每个透镜的截面达到微米级，从而支持更高的分辨率。

1995年，日本Sanyo公司推出的40英寸三维投影系统即采用了经过改进的双柱镜屏技术。用两台投影机分别把左右眼视像投射到双柱面屏上，由于双柱面屏的作用，使得两种像分别达到人的左眼和右眼，从而实现立体视觉。

该方法的缺点有：观察视点比较固定；水平的像素数减半；透镜和LCD的对焦难度较大；存在左右观察视区的反转。

3多视点系统

双视点系统由于只能显示一幅立体图像，所以只可以单人观看，而且观看位置比较固定。更接近现实的情况是实现多人从不同角度同时观看到不同的立体图像，于是人们研究了多视点系统，其中代表是PHILIPS公司。

PHILIPS公司对于立体显示技术的研究是基于传统的微柱面透镜方法工作的。其立体液晶显示器在液晶显示屏前加一层微柱状透镜网格，液晶屏的像平面位于透镜阵列的焦平面上。每一个微柱透镜对应的图像像素被分为若干个子像素，以适应不同方向的投影需要。为防止像素间的间隙放大，该公司创新地将子像素交叉地排列起来，原理如图4所示。为使每组子像素重复投射视区，该技术另一改进之处是使柱透镜与像素列成一定角度放置。这种结构的优点是：削弱左右视区交界处的黑条纹对比度和图像比例变形问题减弱。但是，因为其采用多视点显示，所以显示的分辨率将会成倍下降。另外，微透镜住网格的造价也非常的昂贵，限制了此技术的推广。

根据上面关于立体显示技术的介绍可知，目前市面上最常用的两种立体显示技术——分光立体眼镜显示和自动分光立体显示各有自身无法克服的缺点。分光立体眼镜显示技术（眼镜式立体显示）在使用时具有很大的限制，而且配戴眼镜会为观众带来不适感。

自由分光立体显示技术（裸眼式立体显示）中双视角双图像终端系统无法克服观看位置固定的缺点,而双视角单图像终端系统和多视角系统无法克服容易造成观众处于视觉盲区或者左右眼图像反转的观察区域，而产生昏眩感的缺点，以及图像亮度低、分辨率减半的限制。

因此，鉴于以上现有的立体成像技术的缺点，提供一种可裸眼观看、能消除昏眩感、亮度较高、成本低、成像立体效果强的立体显示系统实为必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、性能可靠、成本低、成像立体效果强的裸眼立体显示系统。

本发明的另外一个目的是提供一种成像立体效果强的裸眼立体显示方法。

一种裸眼立体显示系统，包括：空间光调节器、光学系统和二元光学投影屏；

所述空间光调节器输出左眼和右眼立体图像信号，所述光学系统对所述左眼和右眼立体图像信号进行多种调节控制和放大处理，然后投射到所述二元光学投影屏上，二元光学投影屏根据将经过光学系统处理的立体图像信号进行会聚，并向用户投射图像。

所述空间光调节器包括第一空间光调节模块和第二空间光调节模块，所述第一空间光调节模块用于输出左眼立体图像信号，所述第二空间光调节模块用于输出右眼立体图像信号。

所述光学系统包括与所述第一空间光调节模块相对应的第一光学调节模块，以及与所述第二空间光调节模块相对应的第二光学调节模块。

所述光学系统包括光源和光学透镜组，所述光源的照明方式为临界照明或柯拉照明，所述光学透镜组D1为透镜组的出瞳大小，Df为菲涅尔透镜孔径，D0为观看光斑大小。L为光组到菲涅尔透镜的距离，L’为观看距离。L、L’之间的关系同样符合高斯公式。D0大小和位置由D1、L和菲涅尔透镜焦距F决定。

上式中，F为菲涅尔镜焦距，m为菲涅尔透镜关于D1的横向放大率，m=L’/L.

光学镜头的出瞳为镜头内光阑在像空间所成的像透镜组的出瞳大小取决于其孔径光阑的位置和大小。若一个镜头的光圈数为F/#，则由以下光学关系F₂/#=f/D

上式中f₂为镜头焦距大小，D为出瞳的大小。

所述空间光调节器与光学透镜组的位置关系如下：

上式中f为光学透镜组的焦距，l为空间光调节器和光学透镜组的距离，L为光学透镜组和二元光学投影屏之间的距离。

所述二元光学投影屏为菲涅尔透镜屏。

本发明的第二个发明目的提供的一种裸眼立体显示方法，包括，空间光调节器、与空间光调节器相对应的光学系统和与光学系统相对应的二元光学投影屏；

所述方法包括以下步骤：

1）空间光调节器分别发出左右两路立体图像信号；

2）光学系统对所述左眼和右眼立体图像信号进行多种调节控制和放大处理，然后投射到所述二元光学投影屏上；

3）二元光学投影屏根据将经过光学系统处理的立体图像信号进行会聚，并向用户投射图像。

所述光学系统包括光源和光学透镜组，所述光学透镜组与二元光学投影屏之间匹配成像的控制方法为：

上式中，D₁为光学透镜组的出瞳大小，D_f为菲涅尔透镜孔径，D₀为向用户投射图像的观看光斑大小；L为光学透镜组与二元光学投影屏之间的距离，L’为观看距离；D₀大小和位置由D₁、L和菲涅尔透镜焦距F决定，f为二元光学投影屏的焦距，m为二元光学投影屏关于D₁的横向放大率，m=L’/L。

所述空间光调节器与光学透镜组的之间成像的控制方法如下：

上式中f为光学透镜组的焦距，l为空间光调节器和光学透镜组的距离，L为光学透镜组和二元光学投影屏之间的距离。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

由于本发明采取一种空分法来实现立体视觉，但是不同于传统的空分法，本发明最大的优点就是图像源的空间占有量小，所以可以实现空分复用，在保持亮度的情况下可以保持高的分辨率。一般的裸眼立体显示系统，其定向偏折的功能多由柱状透镜阵列或视差挡板构成，但是图像源是由LCD液晶屏充当，为了和偏折部件进行匹配，不得不牺牲一般的分辨率；另外，采取时分方法则会牺牲一部分乃至一半以上的亮度。而分辨率和亮度不下降则是本发明最大的优点。

其次，由于本发明利用改进后的二元菲涅尔屏实现了图像源的定向传播，而显示中，人眼观看电视时所接收到得光能量是很小的，基于这一点，本发明能大大减少电视系统在光学方面的能量损失。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为现有技术采用视差挡板技术的示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的成像示意图；

图5为本发明中空间光调节器、光学透镜组和二元光学聚焦屏三者之间的关系示意图；

图6为本发明中光斑成像原理示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，本发明提供一种裸眼立体显示系统，包括：空间光调节器、光学系统和二元光学投影屏；

所述空间光调节器输出左眼和右眼立体图像信号，所述光学系统对所述左眼和右眼立体图像信号进行多种调节控制和放大处理，然后投射到所述二元光学投影屏上，二元光学投影屏根据将经过光学系统处理的立体图像信号进行会聚，并向用户投射图像。

其中，空间光调制器（SLM）可以用LCos、DMD、LCD等图像芯片。

所述空间光调节器包括第一空间光调节模块和第二空间光调节模块，所述第一空间光调节模块用于输出左眼立体图像信号，所述第二空间光调节模块用于输出右眼立体图像信号。

立体图像信号主要由空间光调制器来调节，通过在左右两个空间光调制器上分别加载左右图像。由于现在LCos、LCD等空间光调制器的技术趋于成熟，很容易就可以在空间光调制器上加载视频图像。对于立体视频图像信号，主要解决两路视频的同步性问题。将左右两路立体视频信号同时加载在两个空间光调制器上主要由显卡的功能决定，目前市面上一般的支持3D的显卡都能提供两个显示输出接口，而且相应的立体视频播放软件也能提供同时播放两路左右视频的的功能。所以，本发明的视频图像信号接口能够与现有的视频接口兼容。

所述光学系统包括与所述第一空间光调节模块相对应的第一光学调节模块，以及与所述第二空间光调节模块相对应的第二光学调节模块。

所述光学系统包括光源和光学透镜组。

其中所述光学透镜组具有将空间光调节器空间光调制器放大成像的作用。对于较好校正像差后的光学透镜组，其成像关系可以由高斯公式描述。

如图4所示，物AB经过光学系统（H，H’）后成像于A’B’相应的具体参数如上图所示，物AB和像A’B’之间的空间关系由高斯公式描述：

其中L为空间光调制器到光学系统的距离，F为菲涅尔透镜的焦距。L’为人眼观看的距离。

如图5所示，物面为空间光调制器，光组为透镜组，像面在菲涅尔透镜上。空间光调制器通过光组后被透镜组放大成像于菲涅尔屏上，左右图像源分别对应两个空间光调制器，每个空间光调制器对应一个透镜组，但是左右图像经过放大后会被投射到同一个菲涅尔透镜上，菲涅尔透镜具有将左右图像分别投射到左右人眼的功能，此时，菲涅尔透镜的作用相当于场镜。

对于光斑大小和位置的确定，其具体原理如图6所示，D₁为光学透镜组的出瞳大小，D_f为菲涅尔透镜孔径，D₀为观看光斑大小。L为光组到菲涅尔透镜的距离，L’为观看距离。L、L’之间的关系同样符合高斯公式。D₀大小和位置由D₁、L和菲涅尔透镜焦距F决定。

上式中，F为菲涅尔镜焦距，m为菲涅尔透镜关于D₁的横向放大率，m=L’/L。

所述空间光调节器与光学透镜组的之间成像的控制方法如下：

上式中f为光学透镜组的焦距，l为空间光调节器和光学透镜组的距离，L为光学透镜组和二元光学投影屏之间的距离。

空间光调制器与透镜组、透镜组与二元光学投影屏的匹配关系主要由高斯公式来决定，具体即是，空间光调制器通过透镜组成像在菲涅尔屏上，而透镜组的光瞳则通过菲涅尔透镜成像在人眼的观看位置上（即观看的光斑），从能量的角度，观看光斑位置处是光能的会聚处，或是说空间光调制器放大后的像由菲镜进行偏折，菲镜上的每一点都等效发出一定方向和扩束角的光线，这些光线将在最小光斑处形成交集。而光斑大小由镜头出瞳大小、镜头到菲镜之间的距离和菲镜焦距三者制约，三者之间由高斯公式联系。

光学系统对立体图像信号进行了放大成像的处理，对信号的放大处理可以是固定值也可以进行调节，若采用定焦透镜组，其放大值为常数；若采用变焦镜头，放大值可以实时调节，调节方式一般为电动方式。通过调节透镜组的焦距来实现放大率的调节。变焦透镜组技术目前已经比较成熟。

虽然菲涅尔透镜的成像规律不完全遵循高斯关系，但是由于菲涅尔透镜的功能并不是用来成像，只是充当场镜使用，其产生的像差主要集中表现为光能的集中程度的差异，在观看时可能看到中心处和边角处的明暗不均，所以在照明均匀性上有更高的要求。同样是因为菲涅尔透镜在该系统上的像差特点，需要根据对不同的菲涅尔孔径带进行校正。

具体实施例：

空间光调制器（SLM）可以用LCos、DMD、LCD等图像芯片，现在比较热门的是LCos，尤其在微型投影仪方面的应用。所以，本发明采用LCos图像源作为空间光调制器，为整个系统提供立体图像。光学系统用短焦镜头，确保整机的厚度不会太厚。二元光学投影屏采取通过特殊设计的菲涅尔透镜屏幕，使得空间光调制器经过光学系统成像在菲涅尔屏上，菲涅尔屏再将这个像偏折在人眼当中，实现了图像光路的定向传播（即在别的地方看不见图像，只有在人眼的位置才能看到全部的图像。在左图像的基础上，再加上右眼图像，分别使左右眼的图像分别投射进入观众的左眼和右眼，就能够观察到很好的立体效果。

如图3所示，空间光调制器加载立体图像后，被透镜组成像放大到菲涅尔透镜上。菲涅尔透镜上的图像大小由透镜组的焦距f和投射距离（透镜组到菲涅尔透镜的距离）决定。

对于f=58mm的镜头，将尺寸为35mm*25mm的空间光调制器放大到菲镜上，投影距离为638mm，则投射出来的图像大小为17英寸。

由于人眼的瞳距平均为65mm，所以需要控制两个光组的光瞳中心之间的距离以适应人眼的瞳距大小。因为实际上，观看光斑是光组的出瞳经过菲涅尔透镜后所成的像。所以，人眼观看的最佳距离和光斑的位置和大小也是由高斯公式来确定。

Claims (3)

1.一种裸眼立体显示系统，其特征在于，包括：空间光调节器、光学系统和二元光学投影屏；

所述空间光调节器输出左眼和右眼立体图像信号，所述光学系统对所述左眼和右眼立体图像信号进行多种调节控制和放大处理，然后投射到所述二元光学投影屏上，二元光学投影屏将经过光学系统处理的立体图像信号进行会聚处理，并向用户投射光学图像；

所述二元光学投影屏为菲涅尔透镜屏；

所述光学系统包括光源和光学透镜组，所述光源的照明方式为临界照明或柯拉照明，所述光学透镜组与二元光学投影屏之间的成像关系为：

上式中，D₁为光学透镜组的出瞳大小，D₀为向用户投射图像的观看光斑大小；L为光学透镜组与二元光学投影屏之间的距离，L’为观看距离；D₀大小和位置由D₁，L和菲涅尔透镜焦距F决定，F为二元光学投影屏的焦距，m为二元光学投影屏关于D₁的横向放大率，m=L’/L；

所述空间光调节器与光学透镜组的位置关系如下：

上式中f为光学透镜组的焦距，l为空间光调节器和光学透镜组的距离；

所述空间光调节器包括第一空间光调节模块和第二空间光调节模块，所述第一空间光调节模块用于输出左眼立体图像信号，所述第二空间光调节模块用于输出右眼立体图像信号。

2.根据权利要求1所述的裸眼立体显示系统，其特征在于，所述光学系统包括与所述第一空间光调节模块相对应的第一光学调节模块，以及与所述第二空间光调节模块相对应的第二光学调节模块。

3.一种裸眼立体显示方法，其特征在于，包括：空间光调节器、与空间光调节器相对应的光学系统、与光学系统相对应的二元光学投影屏；

所述方法包括以下步骤：

1）空间光调节器分别发出左眼和右眼立体图像信号；

2）光学系统对所述左眼和右眼立体图像信号进行多种调节控制和放大处理，然后投射到所述二元光学投影屏上；

3）二元光学投影屏根据将经过光学系统处理的立体图像信号进行会聚，并向用户投射图像；

所述空间光调节器与光学透镜组的之间成像的控制方法如下：

上式中f为光学透镜组的焦距，l为空间光调节器和光学透镜组的距离；

所述光学系统包括光源和光学透镜组，所述光学透镜组与二元光学投影屏之间匹配成像的控制方法为：

上式中，D₁为光学透镜组的出瞳大小，D₀为向用户投射图像的观看光斑大小；L为光学透镜组与二元光学投影屏之间的距离，L’为观看距离；D₀大小和位置由D₁、L和菲涅尔透镜焦距F决定，f为二元光学投影屏的焦距，m为二元光学投影屏关于D₁的横向放大率，m=L’/L。