一种基于全息光学元件的裸眼3d显示装置及显示方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及3D显示技术，具体涉及一种基于全息光学元件的裸眼3D显示装置及显 示方法。
【背景技术】
[0002] 人类生活在一个3D世界里，但目前通常的显示器却只能实现2D显示。为了能更真 实地还原所见世界，裸眼3D显示已成为显示领域的新发展方向。目前，光栅式裸眼3D显示技 术被认为是最可能商业化的裸眼3D显示技术，常用的光栅式裸眼3D显示技术有两种:狭缝 光栅和柱镜光栅，这两种技术都是空间复用技术，狭缝光栅是通过黑色部分的遮挡作用来 控制不同视点的光线方向，而柱栅则是利用折射作用改变空间中的光场分布。但是这两种 方式的光栅都需与2D显示屏之间需保持一定距离(这里称之为屏栅距），当观看距离越远， 屏栅距则越大。对于大尺寸、远距离观看的裸眼3D屏而言，其屏栅距常高达十几个厘米，显 示屏面积常高达十几个平方，若要在2D显示屏前方安装如此大尺寸的光栅板，这对于光栅 的加工、运输安装，和机械结构的设计、精度都提出了很高的要求。并且，受限于目前的光栅 加工尺寸，对于大尺寸的光栅，通常需要进行拼接处理，更是增加了很多困难。
【发明内容】
[0003] 针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于全息光学元件的裸眼3D 显示装置及显示方法。
[0004] 本发明的一个目的在于提出一种基于全息光学元件的裸眼3D显示装置。
[0005] 2D显示屏由排列成阵列的像素构成，每个像素包括红R、绿G和蓝B三个子像素;K张 视点图像分别由不同的像素显示。
[0006] 本发明的基于全息光学元件的裸眼3D显示装置包括：2D显示屏以及全息光学元 件;在每一个子像素前平行设置一个独立的全息光学元件;在子像素与全息光学元件之间 设置预处理元件;从子像素发出的光，经预处理元件整形为平行光或球面光;预处理后的光 束入射到对应的全息光学元件上，经过全息光学元件调制，分成T束出射光束，分别成像至 最佳观看距离平面上的T个子视区，形成光斑，这T个子视区均显示同一个视点图像;通过全 息光学元件调制出射光束的数量和夹角，使得不同的视点图像成像在最佳观看距离平面上 的不同子视区，相邻的视点图像在最佳观看距离平面上成像形成的光斑紧贴且不重叠，并 且通过全息光学元件控制从每个子像素相对应的全息光学元件出射光束的夹角，使得显示 同一个视点图像的光束在最佳观看距离平面汇聚于一处;相邻的两个子视区的中点之间的 距离为左右眼之间的距离;实现观察者的左右眼能够落在两个相邻的子视区，分别看到两 个不同的视点图像的成像，左右眼信息传到大脑后融合成立体图像，其中，T为2 2的自然 数。
[0007] 预处理后的光束入射到对应的全息光学元件上的光斑，水平宽度与子像素的水平 间距Ph相等，竖直宽度与子像素的竖直间距pv相等;每个全息光学元件的水平和竖直尺寸分 别为Ph和pv。
[0008] 从每个全息光学元件出射T条光束，每条光束成像至最佳观看距离Η平面上的光斑 的水平宽度为Sh，竖直宽度为Sv，分别打到最佳观看距离Η平面上的Τ个子视区，这Τ个子视区 均显示同一个视点图像，即第i幅视点图像。第i-Ι幅视点图像和第i+Ι幅视点图像在Η平面 上的光斑分布为：与第i幅视点图像的光斑正好紧贴且不重叠，即相邻两幅视点图像在Η平 面上的光斑间距也为S h。对于有Κ个视点图像，则Κ个视点图像所成像的光斑宽度之和，称之 为一个总视区宽度A X2,即每个总视区中具有K个子视区，总视区的个数即是光束的条数T， 而每个视点图像对应的光斑宽度为一个子视区的宽度Sh，A X2 = ShXK，则第i幅视点图像在 Η平面上的相邻两个光斑间距也为ΔΧ2,其中，i = l，…….，K。不同的视点图像具有视差，分 别记录了同一物体不同视角信息，子视区的宽度Sh即是相邻的两个子视区的中点之间的距 离，亦即为左右眼之间的距离，从而当左右眼看到不同视点图像的成像时，就分别看到了物 体的两个不同视角信息的图像，左右眼信息传到大脑后可融合成立体图像。最佳观看距离Η 由裸眼3D显示装置的设计参数决定，Η>0。
[0009] 显示第i幅视点图像的像素中的第m个子像素发出的光经过预处理元件后，作为参 考光，经过全息光学元件调制，第η条出射光束，到达第η个子视区，与法线的夹角α为：
[0010]
[0011] 其中，η = 1，……，T，m=l，2,3，i = l，2……1(，31为20显示屏上显示第1幅视点图像 的距离原点最近的子像素距原点的距离，为&第i幅视点图像与y轴最近的子视区中心距y 轴的距离。
[0012] 经过全息光学元件调制，出射光束的数量T为：
[0013]
[0014]其中，Μ为2D显示屏的水平像素数，floorO表示下取整。
[0015]以上得到了从全息光学元件出射光束的数量和角度，那么就得到了从每个全息光 学元件出射的所有光束性质，继而求得光场分布。这样，以子像素经预处理后的光作为参考 光，经全息光学元件调制后出射的光为球面物光，就可以设计出满足此要求的全息光学元 件。
[0016]每个全息光学元件的中心点0g为原点，（xi，yi)为2D显示屏平面，（Xg，yg)为全息光 学元件平面，（XH，yH)为最佳观看距离Η平面，（Xci，y。)为球面物光的汇聚点所处平面，0〇点坐 标为(x〇，y〇，z。)。
[0017] 全息光学元件上的入射光斑的水平尺寸Ph，最佳观看距离Η平面上的光斑的水平 宽度Sh，最佳观看距离Η平面距全息光学元件的距离为Η。
[0018] 从全息光学元件出射后的光场分布为占(\,& )，满足下式：
[0019]
[0020] 其中，δ,.(?)是从全息光学元件出射后的第i条光束的光场分布，是球面光，满 足下式：
[0021]
15 ' 5 / r *'
[0022] 其中
，yg轴垂直于纸面向上，则根据几何关系和三 角相似关系，可得：
[0023]
[0024]其中，当物光方向指向Μ轴的正方向时，α为正，反之为负。根据上式可以发现，所 有球面物光的汇聚点均在一个平面(x〇，y。）。
[0025] 根据从全息光学元件出射的光场分布，得到满足此要求的全息光学元件，全息光 学元件上的条纹分布满足下式：
[0026]
[0027]其中，为从子像素光线发出经过预处理元件后的光场分布，为平行光或 球面光，& (xs)为从全息光学元件出射后的光场分布。
[0028]本发明的另一个目的在于提供一种基于全息光学元件的裸眼3D显示方法。
[0029]本发明的基于全息光学元件的裸眼3D显示方法，包括以下步骤：
[0030] 1)在每一个子像素前平行设置一个独立的全息光学元件；
[0031] 2)在子像素与全息光学元件之间设置预处理元件；
[0032] 3)从子像素发出的光，经预处理元件整形为平行光或球面光；
[0033] 4)预处理后的光束入射到对应的全息光学元件上，经过全息光学元件调制，分成T 束出射光束，分别成像至最佳观看距离平面上的T个子视区，形成光斑，这T个子视区均显示 同一个视点图像；
[0034] 5)通过全息光学元件调制出射光束的数量和夹角，使得不同的视点图像成像在最 佳观看距离平面上的不同子视区，相邻的视点图像在最佳观看距离平面上成像形成的光斑 紧贴且不重叠，并且通过全息光学元件控制从每个子像素相对应的全息光学元件出射光束 的夹角，使得显示同一个视点图像的光束在最佳观看距离平面汇聚于一处;相邻的两个子 视区的中点之间的距离为左右眼之间的距离;实现观察者的左右眼能够落在两个相邻的子 视区，分别看到两个不同的视点图像的成像，左右眼信息传到大脑后融合成立体图像，其