基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)及應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于三維顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于近似球面波照明的裸眼三維顯 示系統(tǒng)以及利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像動(dòng)態(tài)三維顯示的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 裸眼三維顯示是未來(lái)顯示技術(shù)發(fā)展的重要方向，其中基于柱透鏡陣列或者微透鏡 陣列的自由立體顯示技術(shù)極具前景，已經(jīng)吸引了眾多研究機(jī)構(gòu)的注意?，F(xiàn)有的自由立體顯 示系統(tǒng)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)基于液晶、投影等電子顯示技術(shù)的可刷新立體顯示。另一類(lèi)是基 于打印或者印刷技術(shù)的三維打印或者立體印刷技術(shù)，只能顯示靜態(tài)的一幅或者幾幅三維圖 像。
[0003] 裸眼三維技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于諸如游戲界面、影像傳播、空間投影等方面；但是無(wú)論是 動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)立體顯示系統(tǒng)，都使用固定的均勻擴(kuò)散光源，這在很大程度上限制了三維顯 示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度，制約了三維顯示系統(tǒng)的性能。
[0004] 目前，基于電子顯示技術(shù)的可刷新立體顯示為實(shí)現(xiàn)三維圖像的放大、縮小或者三 維圖像的空間位置的變換，都需要軟件系統(tǒng)對(duì)基元圖像進(jìn)行相應(yīng)的縮放和變換計(jì)算，以獲 得新的基元圖像，然后用新的基元圖像刷新顯示器上的舊圖像，最終實(shí)現(xiàn)三維圖像的刷新。 基元圖像的每次變化，都需要重新計(jì)算投影參數(shù)，計(jì)算復(fù)雜且計(jì)算量很大，這導(dǎo)致系統(tǒng)的響 應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大大降低了三維顯示系統(tǒng)的性能，從而降低裸眼觀影舒適度。
[0005] 采用印刷或者打印的基元圖像進(jìn)行三維顯示時(shí)，現(xiàn)有的顯示系統(tǒng)無(wú)法對(duì)三維圖像 的空間位置、大小和分辨率等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，只能顯示靜態(tài)的圖像，無(wú)動(dòng)態(tài)或者實(shí)時(shí)三維顯 示功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)，首次利用近 似球面波照明裝置照明三維顯示系統(tǒng)，無(wú)需圖像刷新即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維顯示。
[0007] 為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于近似球面波照明的裸 眼三維顯示系統(tǒng)，包括近似球面波照明裝置、基元圖像以及透鏡陣列；所述基元圖像位于近 似球面波照明裝置以及透鏡陣列之間或者所述透鏡陣列位于近似球面波照明裝置以及基 元圖像之間；所述基元圖像不位于所述透鏡陣列的物方焦平面或者像方焦平面上；所述近 似球面波照明裝置包括近似球面波光源。
[0008] 本發(fā)明中，近似球面波照明裝置包括近似球面波光源，其發(fā)射近似球面光波；近似 球面光波照明基元圖像與透鏡陣列。近似球面波照明裝置發(fā)射出的近似球面光波為匯聚球 面光波或者發(fā)散球面光波，近似球面光波曲率半徑取值大于零小于無(wú)窮大；近似球面光波 匯聚形成有限大小的光斑或者發(fā)散成有限大小的光源。有限大小的光斑或者有限大小的光 源的面積相對(duì)于所述透鏡陣列的面積足夠小。
[0009] 上述技術(shù)方案中，所述基元圖像可以位于透鏡陣列的物方空間，也可位于透鏡陣 列的像方空間，即基元圖像位于近似球面波照明裝置以及透鏡陣列之間或者透鏡陣列位于 近似球面波照明裝置以及基元圖像之間。
[0010] 本發(fā)明中，基元圖像優(yōu)選位于透鏡陣列的兩倍物方焦距與兩倍像方焦距之間，除 去所述透鏡陣列的物方焦平面(物方焦點(diǎn)所在平面）和像方焦平面(像方焦點(diǎn)所在平面)。 [0011] 上述技術(shù)方案中，基元圖像進(jìn)一步優(yōu)選位于透鏡陣列的物方焦平面和像方焦平面 之間，不包括物方焦平面和像方焦平面。
[0012] 上述技術(shù)方案中，基元圖像可以打印或者印刷在承印介質(zhì)上作為印刷品，也可以 顯示輸出在電子顯示屏幕如液晶顯示屏上作為電子顯示圖像。
[0013] 上述技術(shù)方案中，透鏡陣列的透鏡單元優(yōu)選自球面透鏡、柱面透鏡、非球面透鏡。 透鏡單元的排列方式可以是周期性排列，也可以是非周期性排列或者隨機(jī)排列。
[0014] 本發(fā)明中，近似球面波照明裝置發(fā)射近似球面光波照明基元圖像，近似球面波光 源與基元圖像之間的距離為S，距離S可以實(shí)時(shí)調(diào)制，通過(guò)S的調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)用于照明的近 似球面光波曲率半徑的調(diào)制。基元圖像位于距離透鏡陣列距離為g的平面處，g不等于透 鏡陣列的焦距，優(yōu)選為兩倍物方焦距與兩倍像方焦距之間，進(jìn)一步優(yōu)選為一倍物方焦距與 一倍像方焦距之間。在近似球面光波的照明下基元圖像經(jīng)過(guò)透鏡陣列在距離透鏡陣列為d 處的空間中合成三維圖像。通過(guò)調(diào)制距離s，合成的三維圖像的空間位置d和放大率將發(fā)生 實(shí)時(shí)調(diào)制。三維圖像可以是實(shí)像，也可以是虛像。三維圖像的空間位置可以位于透鏡陣列 物方空間一側(cè)，也可以位于像方空間一側(cè)。
[0015] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的近似球面波照明裝置可調(diào)制，是指近似球面波光源相對(duì)于其 他元件的位置可移動(dòng)，即近似球面波光源與基元圖像之間的距離可實(shí)時(shí)調(diào)整；從而調(diào)節(jié)用 于照明的近似球面光波的曲率半徑，實(shí)現(xiàn)三維圖像的位置以及放大率的實(shí)時(shí)調(diào)制；本發(fā)明 首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維顯示，克服了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)三維顯示系統(tǒng)性能差 的缺陷。
[0016] 優(yōu)選的，近似球面波照明裝置由多個(gè)近似球面波光源沿著所述透鏡陣列所在平面 的法線(xiàn)方向排列組成，點(diǎn)亮不同位置處的近似球面波光源實(shí)現(xiàn)近似球面波光源可調(diào)制，用 于照明的近似球面光波的曲率半徑通過(guò)點(diǎn)亮不同位置處的近似球面光源實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)制；或 者近似球面波照明裝置由近似球面波光源與位移裝置組成，用于照明的近似球面光波的曲 率半徑通過(guò)移動(dòng)球面光源實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)制，近似球面波光源安裝于所述位移裝置上，光源發(fā) 出近似球面波光，位移裝置可以帶著光源移動(dòng)，從而使得近似球面波光源可調(diào)制；位移裝置 沒(méi)有特別限制，可沿所述透鏡陣列所在平面的法線(xiàn)方向移動(dòng)即可，比如自動(dòng)位移調(diào)節(jié)器；一 般將一個(gè)近似球面波光源與位移裝置連接，近似球面波光源發(fā)射指定曲率半徑的球面光波 照明基元圖像和透鏡陣列，亦可用多個(gè)近似球面波光源。近似球面波光源與基元圖像之間 的距離s可以通過(guò)移動(dòng)近似球面波光源的位置實(shí)現(xiàn)調(diào)制，還可以通過(guò)點(diǎn)亮設(shè)置在距離基元 圖像不同距離處的近似球面波光源實(shí)現(xiàn)調(diào)制。距離s的大小選自大于零小于無(wú)窮遠(yuǎn)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，近似球面波光源可以由準(zhǔn)直光源與變焦透鏡構(gòu)成，從而 構(gòu)成球面波照明裝置；或者由近似球面波光源與變焦透鏡構(gòu)成球面波照明裝置。用于照明 的近似球面光波的曲率半徑通過(guò)改變變焦透鏡的焦距實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)制；從而實(shí)現(xiàn)近似球面波 照明裝置可調(diào)制。
[0018] 本發(fā)明還公開(kāi)了上述基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像動(dòng)態(tài)三 維顯示的方法，包括以下步驟：打開(kāi)近似球面波照明裝置的近似球面波光源；近似球面波 光源發(fā)射近似球面光波照明基元圖像與透鏡陣列，基元圖像通過(guò)透鏡陣列形成三維圖像； 然后調(diào)節(jié)用于照明的近似球面光波的曲率半徑，實(shí)現(xiàn)三維圖像的位置以及放大率的實(shí)時(shí)調(diào) 制；從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)二維顯不。
[0019] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)： 1.本發(fā)明首次公開(kāi)了基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)，其三維成像機(jī)理與 現(xiàn)有的基于均勻擴(kuò)散光源照明的三維成像機(jī)理不同；克服了現(xiàn)有基于均勻擴(kuò)散光源照明的 三維顯示系統(tǒng)中基元圖像需嚴(yán)格對(duì)位于透鏡陣列焦平面上的缺陷，大幅減輕了三維顯示系 統(tǒng)的裝配難度，大幅節(jié)省了系統(tǒng)部件所占據(jù)的空間。
[0020] 2.本發(fā)明公開(kāi)了的基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了基于 近似球面波光源可調(diào)制照明的三維顯示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示，不需要圖像刷新即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響 應(yīng)的動(dòng)態(tài)三維顯示；取得了意想不到的技術(shù)效果。
[0021] 3.本發(fā)明公開(kāi)的基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)，其基元圖像與透鏡 陣列之間的距離、位置都可以作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度；大幅增加了三維顯示系統(tǒng)與顯示效 果的設(shè)計(jì)靈活性；通過(guò)改變用于照明的近似球面光波可以獲得現(xiàn)有三維顯示技術(shù)難以獲得 的三維藝術(shù)效果。
[0022] 4.本發(fā)明所公開(kāi)的基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、易于制 作，近似球面波光源可調(diào)；克服了現(xiàn)有三維顯示系統(tǒng)的光源不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)制的缺陷，解 決了現(xiàn)有技術(shù)只能通過(guò)基于大量計(jì)算基礎(chǔ)上的圖像刷新才能調(diào)制三維圖像大小、位置的問(wèn) 題；大幅提高了三維顯示系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加裸眼三維顯示的體驗(yàn)舒適度。
[0023] 5.本發(fā)明公開(kāi)的基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)顯示性能優(yōu)異，對(duì)于 靜態(tài)的三維打印或者印刷圖像也可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維變換與顯示，增加裸眼三維顯示的可操 控性，增加樂(lè)趣。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為實(shí)施例一中均勻散射光照明三維顯示系統(tǒng)與基于近似球面波照明的裸眼 三維顯示系統(tǒng)以及透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為實(shí)施例二中基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為實(shí)施例三中基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)以及透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖4為實(shí)施例四中基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)以及透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖5為實(shí)施例五中基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為實(shí)施例六中基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為實(shí)施例七中基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為實(shí)施例八中基于近似球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中：1、球面波照明裝置；2、基元圖像；3、透鏡陣列；4、三維圖像；5、均勻散射背光源； 6、三維圖像；7、變焦透鏡；8、準(zhǔn)直光源；91、球面波光源；92、球面波光源；93、球面波光源。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述： 實(shí)施例一 參見(jiàn)附圖1A，本實(shí)施例中基于球面波照明的裸眼三維顯示系統(tǒng)由球面波照明裝置1、 基元圖像2、透鏡陣列3構(gòu)成。球面波照明裝置為單個(gè)球面波光源；球面波照明裝置的球面 波光源設(shè)置在距離基元圖像2的距離為s處，發(fā)射出發(fā)散的近似球面光波?；獔D像2位 于透鏡陣列3的物方一倍焦距以?xún)?nèi)，距離微透鏡陣列g(shù)處?；獔D像2在球面波照明裝置 5的照明下通過(guò)透鏡陣列3在距離微透鏡陣列為d處形成一個(gè)三維圖像4。
[0026] 參見(jiàn)附圖1B，將上述裸眼三維顯示系統(tǒng)中單個(gè)球面波光源換為單個(gè)均勻散射背光 源5,即為現(xiàn)有均勻散射光照明三維顯示系統(tǒng)，基元圖像在均勻散射背光源的照明下通過(guò)透 鏡陣列在距離微透鏡陣列為d。處形成一個(gè)三維圖像。
[0027] 參見(jiàn)附圖1C，本實(shí)施例的透鏡陣列3由柱面透鏡單元周期性排列構(gòu)成。
[0028] 本實(shí)施例中基于球面波照明