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CN108828894B - 一种3d光场显示系统和方法 - Google Patents

一种3d光场显示系统和方法 Download PDF

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CN108828894B CN201810580221.9A CN201810580221A CN108828894B CN 108828894 B CN108828894 B CN 108828894B CN 201810580221 A CN201810580221 A CN 201810580221A CN 108828894 B CN108828894 B CN 108828894B
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Abstract

本发明实施例提供一种3D光场显示系统和方法，该系统包括投影仪阵列、扩散膜和微透镜阵列；投影仪阵列和微透镜阵列平行的位于扩散膜的两侧；投影仪阵列与扩散膜之间具有第一间距，扩散膜与微透镜阵列之间具有第二间距；投影仪阵列包括至少两个投影仪，扩散膜中每一扩散点的扩散区域为圆锥体；该方法通过投影仪阵列中的多个投影仪来投射原始图像，同时通过扩散膜扩大每一原始图像中光线的扩散角度，将投影仪中每一像素点发出的光线扩散至覆盖整个微透镜甚至多个微透镜，以达到充分的控光和显示光场编码图像的目的，以重构出更高分辨率的3D图像；该系统结构简单，成本低廉，该系统和方法能重构出高分辨率的3D图像，满足了3D光场显示的需求。

Description

一种3D光场显示系统和方法
技术领域
本发明实施例涉及光场显示技术领域，更具体地，涉及一种3D光场显示系统和方法。
背景技术
在光场显示技术中，基于微透镜阵列的集成成像光场显示技术由于其能提供连续的观看范围和真彩色的三维效果的优点成为了主要的光场显示技术。
光场采集技术主要分为两大类，第一类是透镜阵列加电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)，组成的光场相机，其优势是结构简单、方便操作，只需进行一次拍照就能记录不同角度的信息，但是由于一个CCD需要记录各个角度的信息，会导致采集的图像分辨率很低。第二类是由相机阵列组成的采集阵列，其优势是采集到的图像分辨率高，三维信息多，但是结构复杂，不易操作。
现有的光场显示设备主要是基于液晶显示器和微透镜阵列组成的光场显示设备，由于现有的液晶显示器分辨率的限制，导致光场显示设备没有足够的分辨率去重构真实逼真的三维像；最终导致现有的光场显示设备再现的三维像分辨率低、景深小、观看视角小。并且基于液晶显示其和微透镜阵列的集成成像光场显示技术，最终再现的三维像的清晰度跟液晶显示器的分辨率直接相关，现在商用的液晶显示器最高分辨率为7680*4320，对于提高3D显示效果有限。例如，3D光场显示设备需要水平和竖直方向的观看视角均为40度，单角度分辨率需要800*600，则需要的总分辨率为40*40*800*600＝7.68*108，但是现在市场上的8K显示器的分辨率仅为7680*4320＝3.32*107，且价格昂贵；现有的光场显示设备满足不了3D光场显示的需求。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种3D光场显示系统和方法。
本发明实施例提供一种3D光场显示系统，包括：投影仪阵列、扩散膜和微透镜阵列；投影仪阵列、扩散膜和微透镜阵列之间相互平行，投影仪阵列和微透镜阵列位于扩散膜的两侧；投影仪阵列与扩散膜之间具有第一间距，扩散膜与微透镜阵列之间具有第二间距；投影仪阵列包括至少两个投影仪，扩散膜中每一扩散点的扩散区域为圆锥体；微透镜阵列包括多个微透镜。
其中，第一间距为：
Figure BDA0001688267780000021
上式中，p1为投影仪的出射透镜的直径；θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
其中，第二间距为：
Figure BDA0001688267780000022
上式中，p2为微透镜的直径，α为扩散膜的扩散角度，θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
其中，微透镜阵列的排布方式包括矩阵式排布或者蜂窝式排布。
其中，微透镜为聚光式透镜。
本发明实施例还提供一种3D光场显示方法，包括：将原始图像通过投影仪阵列投射到扩散膜上，其中，投影仪阵列包括至少两个投影仪，每一投影仪在扩散膜投射一幅原始图像；保持投影仪阵列与扩散膜之间的距离为第一间距，通过扩散膜将每一原始图像中的光线进行扩散；将扩散后的光线通过微透镜阵列重构成3D图像，并保持微透镜阵列与扩散膜之间的距离为第二间距；在距离微透镜阵列的第三间距处接收3D图像，第三间距为：
Figure BDA0001688267780000031
上式中，g为第二间距，f为微透镜的焦距。
其中，第一间距为：
Figure BDA0001688267780000032
上式中，p1为投影仪的出射透镜的直径；θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
其中，第二间距为：
Figure BDA0001688267780000033
上式中，p2为微透镜的直径，α为扩散膜的扩散角度，θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
本发明实施例提供的一种3D光场显示系统和方法，该系统包括投影仪阵列、扩散膜和微透镜阵列；投影仪阵列、扩散膜和微透镜阵列之间相互平行，投影仪阵列和微透镜阵列位于扩散膜的两侧；投影仪阵列与扩散膜之间具有第一间距，扩散膜与微透镜阵列之间具有第二间距；投影仪阵列包括至少两个投影仪，扩散膜中每一扩散点的扩散区域为圆锥体；微透镜阵列包括多个微透镜；该方法通过投影仪阵列中的多个投影仪来投射原始图像，同时通过扩散膜扩大每一原始图像中光线的扩散角度，将投影仪中每一像素点发出的光线扩散至覆盖整个微透镜甚至多个微透镜，以达到对多个投影仪来投射图像进行充分的控光和显示光场编码图像的目的，以重构出更高分辨率的3D图像；该系统结构简单，成本低廉，该方法操作简单，该系统和方法能重构出高分辨率的3D图像，满足了3D光场显示的需求。
附图说明
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。
图1为根据本发明实施例的3D光场显示系统的示意图；
图2为根据本发明实施例的3D光场显示系统的俯视图；
图3为根据本发明实施例的微透镜阵列的结构示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，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作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。
本发明实施例提供一种3D光场显示系统，参考图1，包括：投影仪阵列1、扩散膜2和微透镜阵列3；投影仪阵列1、扩散膜2和微透镜阵列3之间相互平行，投影仪阵列1和微透镜阵列3位于扩散膜2的两侧；投影仪阵列1与扩散膜2之间具有第一间距，扩散膜2与微透镜阵列3之间具有第二间距；投影仪阵列1包括至少两个投影仪，扩散膜2中每一扩散点的扩散区域为圆锥体；微透镜阵列3包括多个微透镜。
具体地，本实施例提供的3D光场显示系统包括投影仪阵列1、扩散膜2和微透镜阵列3，其中，投影仪阵列1、扩散膜2和微透镜阵列3之间相互平行，投影仪阵列1和微透镜阵列3位于扩散膜2的两侧；投影仪阵列1与扩散膜2之间具有第一间距，扩散膜2与微透镜阵列3之间具有第二间距；投影仪阵列1包括至少两个投影仪，扩散膜2中每一扩散点的扩散区域为圆锥体；微透镜阵列3包括多个微透镜。投影仪阵列1投出多幅原始图像，每一原始图像在微透镜阵列3前方的扩散膜2上成像，投影仪阵列1投出的每一原始图像中的每一束光线都会经过扩散膜2而扩散成圆锥状，通过设置扩散膜2与微透镜阵列3之间的第二间距，使投影仪中每一像素点发出的光线扩散至覆盖整个微透镜甚至多个微透镜所在的平面，经过微透镜阵列3的控光，最终可在空间中重构出高分辨率的3D像。因此，通过叠加投影仪阵列1中每一投影仪投射的原始图像可以提高显示的总分辨率，如单个投影仪的分辨率为M*N，投影仪阵列1包含K个投影仪，则扩散膜2上构成的显示图像的总分辨率为M*N*K，再经过微透镜阵列3的控光，最终可获得更高分辨率的图像，可以满足光场3D显示所需要的分辨率需求。
本实施例通过投影仪阵列中的多个投影仪来投射原始图像，同时通过扩散膜扩大每一原始图像中光线的扩散角度，将投影仪中每一像素点发出的光线扩散至覆盖整个微透镜甚至多个微透镜所在的平面，以达到对多个投影仪来投射图像进行充分的控光和显示光场编码图像的目的，以重构出更高分辨率的3D图像；该系统结构简单，成本低廉，操作简单，能显示高分辨率的3D图像，满足了3D光场显示的需求。
基于以上实施例，参考图2，第一间距为：
Figure BDA0001688267780000051
上式中，p1为投影仪的出射透镜的直径；θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
具体地，投影仪具有光学系统，投影仪中的光学系统包括一个出射透镜，该出射透镜为聚光透镜，其作用是将投影仪中保存的图像对外成像，对图像中的每一像素点发出的光线进行聚光。为了达到最佳的效果，扩散膜应位于投影仪中保存的图像中每一像素点所发出的光线的聚焦点，所述的第一间距即为该聚焦点离出射透镜的距离，且该第一间距为：
Figure BDA0001688267780000061
上式中，p1为投影仪的出射透镜的直径；θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
基于以上实施例，参考图2，第二间距为：
Figure BDA0001688267780000062
上式中，p2为微透镜的直径，α为扩散膜的扩散角度，θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
具体地，扩散膜的扩散角度为α，对应扩散膜上的一个扩散点，对应投影仪中的某一像素点发出的光线，入射到该扩散点的光线的夹角为θ，θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中该像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心，则该像素点发出的光线经扩散膜扩散后的最大夹角为ω＝α+θ，为了保证该像素点发出的光线经扩散膜扩散后能够覆盖微透镜的整个平面，根据几何关系，扩散膜与微透镜阵列之间的第二间距为：
Figure BDA0001688267780000071
上式中，p2为微透镜的直径，α为扩散膜的扩散角度，θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
本实施例通过设置第二间距，保证投影仪中每一像素点发出的光线经扩散膜扩散后能够覆盖微透镜的整个平面，以保证3D成像效果。
基于以上实施例，参考图3，微透镜阵列的排布方式包括矩阵式排布或者蜂窝式排布。
基于以上实施例，微透镜为聚光式透镜，聚光式透镜包括单侧凸透镜，双侧凸透镜或者两侧分别为凸面和凹面但是具有聚光功能的透镜。
本发明实施例还提供一种3D光场显示方法，包括：将原始图像通过投影仪阵列投射到扩散膜上，其中，投影仪阵列包括至少两个投影仪，每一投影仪在扩散膜投射一幅原始图像；保持投影仪阵列与扩散膜之间的距离为第一间距，通过扩散膜将每一原始图像中的光线进行扩散；将扩散后的光线通过微透镜阵列重构成3D图像，并保持微透镜阵列与扩散膜之间的距离为第二间距；在距离微透镜阵列的第三间距处接收3D图像，第三间距为：
Figure BDA0001688267780000072
上式中，g为第二间距，f为微透镜的焦距。
其中，第一间距为：
Figure BDA0001688267780000073
上式中，p1为投影仪的出射透镜的直径；θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
其中，第二间距为：
Figure BDA0001688267780000081
其中，p2为微透镜的直径，α为扩散膜的扩散角度，θ为最大夹角，该最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
具体的，本实施例的3D光场显示方法通过以上实施例的3D光场显示系统来实现，具体的实现方法已经在上述实施例的3D光场显示系统中进行了描述，此处不再赘述，此处需要强调的是，上述实施例的3D光场显示系统中重构出的3D图像，观察者可在距离微透镜阵列的第三间距处接收该3D图像，该第三间距为：
Figure BDA0001688267780000082
其中，g为第二间距，f为微透镜的焦距。
本实施例通过投影仪阵列中的多个投影仪来投射原始图像，同时通过扩散膜扩大每一原始图像中光线的扩散角度，将投影仪中每一像素点发出的光线扩散至覆盖整个微透镜甚至多个微透镜所在的平面，以达到对多个投影仪来投射图像进行充分的控光和显示光场编码图像的目的，以重构出更高分辨率的3D图像；该系统结构简单，成本低廉，操作简单，能显示高分辨率的3D图像，满足了3D光场显示的需求。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种3D光场显示系统，其特征在于，包括：投影仪阵列、扩散膜和微透镜阵列；
所述投影仪阵列、所述扩散膜和所述微透镜阵列之间相互平行，所述投影仪阵列和所述微透镜阵列位于所述扩散膜的两侧；
所述投影仪阵列与所述扩散膜之间具有第一间距，所述扩散膜与所述微透镜阵列之间具有第二间距；
所述投影仪阵列包括至少两个投影仪，所述扩散膜中每一扩散点的扩散区域为圆锥体；所述微透镜阵列包括多个微透镜；
其中，所述第二间距为：
Figure FDA0002359703690000011
其中，p2为微透镜的直径，α为扩散膜的扩散角度，θ为最大夹角，所述最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一间距为：
Figure FDA0002359703690000012
其中，p1为投影仪的出射透镜的直径；θ为最大夹角，所述最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微透镜阵列的排布方式包括矩阵式排布或者蜂窝式排布。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微透镜为聚光式透镜。
5.一种3D光场显示方法，其特征在于，包括：
将原始图像通过投影仪阵列投射到扩散膜上，其中，投影仪阵列包括至少两个投影仪，每一投影仪在所述扩散膜投射一幅原始图像；
保持所述投影仪阵列与所述扩散膜之间的距离为第一间距，通过所述扩散膜将每一原始图像中的光线进行扩散；
将扩散后的光线通过微透镜阵列重构成3D图像，并保持所述微透镜阵列与所述扩散膜之间的距离为第二间距；
在距离所述微透镜阵列的第三间距处接收所述3D图像，所述第三间距为：
Figure FDA0002359703690000021
其中，g为第二间距，f为微透镜的焦距；
其中，所述第二间距为：
Figure FDA0002359703690000022
其中，p2为微透镜的直径，α为扩散膜的扩散角度，θ为最大夹角，所述最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一间距为：
Figure FDA0002359703690000023
其中，p1为投影仪的出射透镜的直径；θ为最大夹角，所述最大夹角为投影仪中同一像素点发出的光线经过出射透镜的两个边缘点折射后的光线之间的夹角，且两个边缘点之间的连线通过出射透镜的中心。
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