本發(fā)明涉及3d顯示，尤其涉及一種光場(chǎng)3d顯示器和一種光場(chǎng)3d顯示方法。
背景技術(shù)：
1、光場(chǎng)3d顯示是一種通過(guò)重構(gòu)自由空間中物體的發(fā)光分布來(lái)呈現(xiàn)3d影像的顯示技術(shù)，能夠重構(gòu)高維光線數(shù)據(jù)，滿足人眼的立體視覺(jué)特性，正確呈現(xiàn)不同物體間的相互遮擋關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自然舒適的立體感知效果。分辨率、視角和深度是光場(chǎng)3d顯示器的三個(gè)重要性能參數(shù)，但已公開(kāi)的光場(chǎng)3d顯示器無(wú)法在較大的視角范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和大深度范圍。受這三個(gè)性能參數(shù)互相制約的限制，已公開(kāi)的技術(shù)方案通常選擇單一提升某一個(gè)性能參數(shù)，其余的性能參數(shù)被嚴(yán)重犧牲，難以很好地滿足觀看和使用需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是提供一種光場(chǎng)3d顯示器和一種光場(chǎng)3d顯示方法，使得光場(chǎng)3d顯示器在較大視角范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和大深度范圍。
2、本發(fā)明的第一方面提供了一種光場(chǎng)3d顯示器，其包括：布置在所述光場(chǎng)3d顯示器的底層的指向性發(fā)光2d顯示屏，所述指向性發(fā)光2d顯示屏配置為發(fā)射多條第一光線，其中所述多條第一光線攜帶有光場(chǎng)位置和方向信息，并且形成具有第一發(fā)散角的光束；柱透鏡陣列，所述柱透鏡陣列的一側(cè)附接所述指向性發(fā)光2d顯示屏的表面，并且布置成相對(duì)于所述指向性發(fā)光2d顯示屏傾斜放置，其中所述柱透鏡陣列配置為對(duì)所述指向性發(fā)光2d顯示屏發(fā)出的所述多條第一光線進(jìn)行方向調(diào)制，以形成重構(gòu)出離散光場(chǎng)的多條第二光線；布置在所述柱透鏡陣列的另一側(cè)的光學(xué)擴(kuò)散屏，所述光學(xué)擴(kuò)散屏配置成將所述多條第二光線沿一維方向擴(kuò)散成具有第二發(fā)散角的光束，使得所述離散光場(chǎng)在空間中對(duì)應(yīng)的3d圖像變得連續(xù)。
3、在一些示例中，所述第一發(fā)散角選自±2°、±3°、±5°中的任一角度，以及所述第二發(fā)散角選自3.5°、5°、6.5°中的任一角度。
4、在一些示例中，所述指向性發(fā)光2d顯示屏的發(fā)光類型為被動(dòng)發(fā)光型，所述被動(dòng)發(fā)光型的指向性發(fā)光2d顯示屏包括：背光模組，所述背光模組包括依次布置的光源層、微透鏡陣列和自由曲面透鏡陣列，其中所述微透鏡陣列中的透鏡單元具有選自自由曲面和非球面中任意一種的面型，所述自由曲面透鏡陣列中的透鏡單元選自自由曲面透鏡和自由曲面菲涅爾透鏡中的任意一種；液晶面板，所述液晶面板包括呈矩形條狀地排布的多個(gè)子像素，所述多個(gè)子像素中的每個(gè)子像素具有選自紅色、綠色、藍(lán)色和白色中的任意一種顏色，其中多個(gè)不同顏色的子像素構(gòu)成所述液晶面板的單個(gè)彩色像素。
5、在一些示例中，所述指向性發(fā)光2d顯示屏的發(fā)光類型為主動(dòng)發(fā)光型，所述主動(dòng)發(fā)光型的指向性發(fā)光2d顯示屏包括：顯示層，所述顯示層布置有多個(gè)子像素，所述子像素由電致發(fā)光或無(wú)機(jī)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)主動(dòng)發(fā)光，其中所述多個(gè)子像素中的每個(gè)子像素具有選自紅色、綠色、藍(lán)色和白色中的任意一種顏色，其中多個(gè)不同顏色的子像素構(gòu)成所述顯示層的單個(gè)彩色像素；光束指向?qū)?，所述光束指向?qū)蛹稍陲@示層的出光面一側(cè)，包括依次布置的微透鏡陣列和自由曲面透鏡陣列，其中所述微透鏡陣列和所述自由曲面透鏡陣列中的透鏡單元排布成對(duì)應(yīng)于所述顯示層的多個(gè)像素或單個(gè)像素。
6、在一些示例中，所述柱透鏡陣列由多個(gè)柱透鏡單元在一維方向等間距地排列而成，其中，所述柱透鏡單元的截面面型為自由曲面或非球面。
7、在一些示例中，所述光學(xué)擴(kuò)散屏對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制函數(shù)分布為高斯分布或平頂分布，其中所述光學(xué)擴(kuò)散屏對(duì)所述多條第二光線進(jìn)行擴(kuò)散的擴(kuò)散方向與所述柱透鏡單元在柱透鏡陣列上的排列方向一致。
8、本發(fā)明的第二方面提供了一種光場(chǎng)3d顯示方法，包括：通過(guò)指向性發(fā)光2d顯示屏發(fā)射多條第一光線，其中所述多條第一光線形成具有第一發(fā)散角的光束，所述第一發(fā)散角選自±2°、±3°、±5°中的任一角度；通過(guò)柱透鏡陣列對(duì)所述指向性發(fā)光2d顯示屏發(fā)出的所述多條第一光線進(jìn)行方向調(diào)制，將所述多條第一光線匯聚到組成所述柱透鏡陣列的每個(gè)柱透鏡單元的焦點(diǎn)位置，以形成重構(gòu)出離散光場(chǎng)的多條第二光線，其中所述柱透鏡陣列相對(duì)于所述指向性發(fā)光2d顯示屏傾斜放置，并且所述柱透鏡陣列由多個(gè)柱透鏡單元在一維方向等間距地排列而成；通過(guò)光學(xué)擴(kuò)散屏將多條第二光線沿一維方向擴(kuò)散成具有第二發(fā)散角的光束，使得離散光場(chǎng)在空間中對(duì)應(yīng)的3d圖像變得連續(xù)，其中所述光學(xué)擴(kuò)散屏對(duì)所述多條第二光線進(jìn)行擴(kuò)散的擴(kuò)散方向與所述柱透鏡單元在柱透鏡陣列上的排列方向一致。
9、在一些示例中，所述光學(xué)擴(kuò)散屏的入光面上的像斑寬度小于所述指向性發(fā)光2d顯示屏的子像素寬度，所述光學(xué)擴(kuò)散屏的入光面上的像斑寬度方向與所述柱透鏡陣列的陣列方向相同；所述光學(xué)擴(kuò)散屏的出光面上的像斑寬度小于等于所述柱透鏡陣列的節(jié)距，所述光學(xué)擴(kuò)散屏的出光面的像斑寬度方向與所述柱透鏡陣列的陣列方向相同。
10、在一些示例中，所述指向性發(fā)光2d顯示屏加載3d片源，所述3d片源的分辨率與所述指向性發(fā)光2d顯示屏的分辨率相同，所述3d片源包括若干個(gè)具有不同強(qiáng)度值的子像素組合，若干個(gè)所述子像素組合形成的光線在預(yù)設(shè)的指定距離處分別匯聚構(gòu)成若干個(gè)視點(diǎn)，所述視點(diǎn)等間距陣列設(shè)置；相鄰所述視點(diǎn)的間距小于瞳孔的平均孔徑，以使瞳孔因同時(shí)接收不少于兩個(gè)所述視點(diǎn)的信息而獲得單眼焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的深度線索。
11、在一些示例中，每個(gè)所述視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單條遍歷全部所述視點(diǎn)的光線，共同將所述子像素劃分出若干個(gè)圖像元；每個(gè)所述圖像元在所述柱透鏡陣列的陣列方向與至少兩個(gè)所述柱透鏡單元對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)所述圖像元在所述柱透鏡陣列的陣列垂直方向與所述指向性發(fā)光2d顯示屏的至少兩行的像素或至少兩列的子像素對(duì)應(yīng)設(shè)置；所述圖像元的每個(gè)子像素被布置為與對(duì)應(yīng)的所述柱透鏡單元的同一邊緣有不同的距離。
12、在本發(fā)明的光場(chǎng)3d顯示器中，最底層的指向性發(fā)光2d顯示屏發(fā)出具有極小發(fā)散角、高指向性、高均勻度的光線，光線攜帶有光場(chǎng)的位置和方向信息。光線經(jīng)過(guò)柱透鏡陣列的每個(gè)柱透鏡單元調(diào)制方向后，匯聚到各柱透鏡單元的焦點(diǎn)位置，隨后經(jīng)光學(xué)擴(kuò)散屏進(jìn)行一維方向的小角度擴(kuò)散。來(lái)自不同方向并攜帶同一3d像點(diǎn)信息的光線，在該3d像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的再現(xiàn)位置處匯聚，重構(gòu)出完整的離散光場(chǎng)。最終，光線繼續(xù)向前傳播，形成大視角、高分辨率和大深度范圍的3d顯示效果。其中，柱透鏡陣列能夠?qū)⒐饩€大范圍偏折到空間中的指定位置，從而實(shí)現(xiàn)較大的視角范圍；并且柱透鏡陣列通過(guò)精確調(diào)制光線的方向，使得3d像點(diǎn)沿柱透鏡單元陣列方向的一維尺寸小于等于柱透鏡陣列的節(jié)距，保證分辨率高、深度范圍大。其中，光學(xué)擴(kuò)散屏對(duì)經(jīng)過(guò)柱透鏡陣列調(diào)制的光線進(jìn)行一維方向的小角度擴(kuò)散，從而使得3d圖像在視覺(jué)上是連續(xù)的，沒(méi)有明顯的斷裂或不連續(xù)感。本發(fā)明的光場(chǎng)3d顯示器構(gòu)建的視點(diǎn)數(shù)多且密集，單眼可同時(shí)接收到不少于兩個(gè)視點(diǎn)的信息，保證人眼在視角范圍內(nèi)，借助單眼焦點(diǎn)調(diào)節(jié)、單眼移動(dòng)視差和雙目視差線索，正確感知到立體。本發(fā)明的光場(chǎng)3d顯示器通過(guò)指向性發(fā)光2d顯示屏、柱透鏡陣列和光學(xué)擴(kuò)散屏的配合布置，在較大視角范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高分辨率和大深度范圍效果，緩解了傳統(tǒng)光場(chǎng)3d顯示器中性能參數(shù)分辨率-視角-深度的相互制約。
1.一種光場(chǎng)3d顯示器，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光場(chǎng)3d顯示器，其特征在于，所述第一發(fā)散角選自±2°、±3°、±5°中的任一角度，以及所述第二發(fā)散角選自3.5°、5°、6.5°中的任一角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光場(chǎng)3d顯示器，其特征在于，所述指向性發(fā)光2d顯示屏的發(fā)光類型為被動(dòng)發(fā)光型，所述被動(dòng)發(fā)光型的指向性發(fā)光2d顯示屏包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光場(chǎng)3d顯示器，其特征在于，所述指向性發(fā)光2d顯示屏的發(fā)光類型為主動(dòng)發(fā)光型，所述主動(dòng)發(fā)光型的指向性發(fā)光2d顯示屏包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光場(chǎng)3d顯示器，其特征在于，所述柱透鏡陣列由多個(gè)柱透鏡單元在一維方向等間距地排列而成，其中，所述柱透鏡單元的截面面型為自由曲面或非球面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光場(chǎng)3d顯示器，其特征在于，所述光學(xué)擴(kuò)散屏對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制函數(shù)分布為高斯分布或平頂分布，其中所述光學(xué)擴(kuò)散屏對(duì)所述多條第二光線進(jìn)行擴(kuò)散的擴(kuò)散方向與所述柱透鏡單元在柱透鏡陣列上的排列方向一致。
7.一種光場(chǎng)3d顯示方法，其特征在于，包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光場(chǎng)3d顯示方法，其特征在于，所述光學(xué)擴(kuò)散屏的入光面上的像斑寬度小于所述指向性發(fā)光2d顯示屏的子像素寬度，所述光學(xué)擴(kuò)散屏的入光面上的像斑寬度方向與所述柱透鏡陣列的陣列方向相同；所述光學(xué)擴(kuò)散屏的出光面上的像斑寬度小于等于所述柱透鏡陣列的節(jié)距，所述光學(xué)擴(kuò)散屏的出光面的像斑寬度方向與所述柱透鏡陣列的陣列方向相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光場(chǎng)3d顯示方法，其特征在于，所述指向性發(fā)光2d顯示屏加載3d片源，所述3d片源的分辨率與所述指向性發(fā)光2d顯示屏的分辨率相同，所述3d片源包括若干個(gè)具有不同強(qiáng)度值的子像素組合，若干個(gè)所述子像素組合形成的光線在預(yù)設(shè)的指定距離處分別匯聚構(gòu)成若干個(gè)視點(diǎn)，所述視點(diǎn)等間距陣列設(shè)置；相鄰所述視點(diǎn)的間距小于瞳孔的平均孔徑，以使瞳孔因同時(shí)接收不少于兩個(gè)所述視點(diǎn)的信息而獲得單眼焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的深度線索。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光場(chǎng)3d顯示方法，其特征在于，每個(gè)所述視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單條遍歷全部所述視點(diǎn)的光線，共同將所述子像素劃分出若干個(gè)圖像元；每個(gè)所述圖像元在所述柱透鏡陣列的陣列方向與至少兩個(gè)所述柱透鏡單元對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)所述圖像元在所述柱透鏡陣列的陣列垂直方向與所述指向性發(fā)光2d顯示屏的至少兩行的像素或至少兩列的子像素對(duì)應(yīng)設(shè)置；所述圖像元的每個(gè)子像素被布置為與對(duì)應(yīng)的所述柱透鏡單元的同一邊緣有不同的距離。