专利名称：一种可调孔阑三维显示装置及方法
技术领域：
本发明涉及三维显示技术领域，特别是一种液晶显示面板作为可调孔阑的三维显示装置和方法。
背景技术：
鉴于三维显示带来的视觉上的深度感知，使观看者自然与不自然地获得画面中的第三维度信息，具备商业应用前景的三维显示方案成为国内外产业界的讨论热点。国内外众多三维显示技术一般可分为全息三维显示和非全息三维显示两种。全息三维显示因其是真三维的信息记录和显示而被誉为未来理想的三维显示方式，但在动态显示方面需要高分辨的空间光调制器以及超高速的数据处理系统，这两个因素极大地限制了这种技术的进步使其不能很好地进入实际应用，目前仅适用于静态图像的摄取和显示。因此非全息三维显示是目前的主流显示技术，而实现非全息三维显示技术一般又可分为体三维显示、集成成像三维显示、体视三维显示等。体三维显示和体视三维显示目前都已有较好的显示设备出现，然而基于体三维显示的显示装置大都依靠转动屏幕来满足全视角观看的需求，所以显示装置结构相对复杂造价也较高；裸眼自体视三维显示虽然具有可观的商业前景，但大多仅提供在有限视角范围内实现高分辨三维显示。传统的集成成像三维显示技术则在视角数目、图像串扰、显示区域深度和大小等方面存在很多需要解决的问题。投影式三维显示以其较集成化的装置结构产生较大视场和较大观看图像的特性得到广泛关注。目前已经投入产业化的投影式裸眼三维显示装置大多结构复杂，需要大量的投影机和控制电路。另外，大多数的组合投影式视差型显示装置虽然采用了二维显示器和自组装透镜构造投影显示单元，但需要设置孔阑阵列作为投影显示单元的出瞳，如专利号为ZL201110178701，专利名称为“基于多屏拼接的体视三维显示装置”的专利，其采用二维显示器像素区域分割的方式并保证显示器阵列的每一块显示区域都与正前方的一个投影镜头和孔阑构成一台投影机，所有投影机在纵向上错位排列并把其对应显示区域的预想投影到定向散射屏同一位置以在弧形屏幕前方成像，该发明能在很大市场范围内实现横向视差的三维立体。其中所述的孔阑为整个投影机的出瞳，这样的孔阑往往事先设计并加工为固定的结构，大小和排布方式都不具备可调节性，也无法保证与透镜中心的对准精度，对系统整体参数的要求较高。并且显示装置和参数一旦确定，将只能作为一种特定三维显示方案的应用，具体应用场合有限。而诸多研究和文献也表明，在投影式三维显示中，出瞳的参数和设计往往对最终成像效果产生重要影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术调节灵活性差，应用场合有限等技术问题，提供一种可调孔阑的三维显示装置和方法。一种可调孔阑三维显示装置，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的二维显示器、透镜阵列、和定向散射屏，所述三维显示装置设置有位于所述透镜阵列与所述散射屏之间的液晶显示面板；以及分别与所述液晶显示面板与所述二维显示器相连的显示单元控制部件；所述液晶显示面板中设置有孔阑图样，所述显示单元控制部件还包括根据二维显示器显示图像源的要求输入不同的孔阑图样到所述液晶显示面板的装置，调节二维显示器上各投影图像源的中心偏移的装置；以及调节所述输入液晶显示面板孔阑尺寸的装置。一种可调孔阑三维显示方法，其特征在于，包含如下步骤(I)将三维场景解析成显示所需的二维投影图像；(2)根据所需实现的视差类型确定二维投影图像的排布方式；(3)根据设计的排布方式将二维投影图像组合成显示图像送入二维显示器；(4)根据透镜阵列的排布方式设计相应的孔阑图样，输入液晶显示面板，液晶显示面板设置于透镜阵列前并紧贴透镜阵列，作为投影显示单元的出瞳；(5)将二维显示器中的每个子显示区域都与正前方透镜阵列中的每一个投影透镜及液晶显示面板中的每一个通光孔阑图样一一对应构成投影显示单元，二维显示器上的二维投影图像、透镜阵列对应的透镜和液晶显示面板上的孔阑图样构成投影显示单元阵列；(6)投影显示单元阵列对定向散射屏汇聚投影或平行投影，并成像于空间指定位置，形成一系列拼接的影像，实现三维显示。若所述步骤(2)中所述的视差类型为横向视差，所述的排布方式为错位排列；若所述的视差类型为全视差，所述的排布方式为矩阵排列。进一步地，步骤(6)包括以下步骤在透镜阵列和液晶显示面板的孔阑图样排布方式均确定后，通过调节二维显示器上各投影图像源的中心偏移，以及调节输入孔阑图样中各孔阑的尺寸，实现投影显示单元对定向散射屏汇聚投影或平行投影。本发明可调孔阑三维显示装置及方法，相对于装置结构固定的显示设备或多投影机结构，二维显示器搭配液晶显示面板的结构，节约了成本，简化了系统结构，增加了投影对准精度和显示方案灵活性；使用基于液晶显示面板作可调节孔阑的三维显示方法，其投影距离、图像放大率、观看视角范围都具有很大灵活性，孔阑的大小和排布方式可根据具体显示方案和定向散射屏参数设计，实现同一装置应用多种投影方案。
图I为本发明的可调孔阑三维显示装置结构示意图；图2为本发明实现横向视差三维显示的孔阑图样示意图；图3为本发明实现全视差三维显示的孔阑图样示意图；图4为本发明的横向视差三维显示效果示意图；图5为本发明的全视差三维显示效果示意图；图6为本发明的可调孔阑三维显示方法的流程图。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明作进一步的阐述。图I为实现本实施例的一种液晶显示面板3作可调孔阑的三维显示装置，包括沿光路方向依次设置的二维显示器I、透镜阵列2、液晶显示面板3和定向散射屏4，显示单元
4控制部件5分别与二维显示器I和液晶显示面板3相连接。所述显示单元控制部件5还包括根据二维显示器I显示图像源的要求输入不同的孔阑图样到所述液晶显示面板3的装置，调节二维显示器I上各投影图像源的中心偏移的装置；以及调节所述输入液晶显示面板3孔阑尺寸的装置。基于液晶显示面板3作可调节孔阑的设计，其孔阑图样形状可以是圆形或矩形的，孔阑透过率可以是整体通光或渐变通光的。液晶显示面板3设置于透镜阵列2的前面并紧贴透镜阵列2，作为投影显示单元的出瞳。二维显示器I中的每个子显示区域都与正前方透镜阵列2中的每一个投影透镜及液晶显示面板3中的每一个通光孔阑图样一一对应并构成投影显示单元；二维显示器I上的二维投影图像、透镜阵列2对应的透镜和液晶显示面板3上的孔阑图样构成投影显示单元阵列。图2为本实施例实现横向视差三维显示的孔阑阵列图样示意图，该孔阑阵列中的每个孔阑为圆孔形，且该圆形孔阑呈纵向错位排列。图3为本实施例实现全视差三维显示的孔阑阵列图样示意图，该孔阑阵列中的每个孔阑为圆孔形，该圆形孔阑呈矩阵排列。图4为本实施例的横向视差三维显示效果示意图，投影显示图像经定向散射屏4 后在指定空间成像展开成一系列竖条图像，在横向拼接成完整视图。图5为本实施例的全视差三维显示效果示意图，投影显示图像经过定向散射屏4 在指定空间成像展开成一系列矩形方块图像，在横向和纵向拼接成完整视图。本实施例中定向散射屏4在横向具有很小散射角度或不散射，在纵向具有很大散射角度，所述定向散射屏4是在横向和纵向具有特定光束散射角度控制能力的全息屏幕或柱面光栅屏幕。所述的二维显示器I是LCD、LCOS, PDP、LED、CRT、OLED或投影机。图6为本发明可调孔阑的三维显示实现方法流程图，具体步骤如下SI、将被显示的三维场景进行三维立体空间描述，解析成一系列显示所需的投影图像；S2、根据需要显示的视差类型设计排布方式，包括二维显示器I的排布方式、透镜的排布方式和孔阑的排布方式；若所述的视差类型为横向视差，则所述的排布方式为错位排列；若所述的视差类型为全视差，则所述的排布方式为矩阵排列；S3、投影图像根据设计的排布方式组合成显示图像送入二维显示器1，作为投影显示单元的图像源；S4、根据透镜阵列2的排布方式设计相应的孔阑图样，输入液晶显示面板3，液晶显示面板3设置于透镜阵列2前并紧贴透镜阵列2，作为投影显示单元的出瞳；S5、将二维显示器I中的每个子显示区域都与正前方透镜阵列2中的每一个投影透镜及液晶显示面板3中的每一个通光孔阑图样一一对应构成投影显示单元，二维显示器 I上的二维投影图像、透镜阵列2对应的透镜和液晶显示面板3上的孔阑图样构成投影显示单元阵列；S6、所有投影显示单元阵列对定向散射屏4汇聚投影或平行投影，并成像于空间指定位置，形成一系列拼接的影像，实现三维显示。
在透镜阵列2和液晶显示面板3的孔阑图样排布方式均确定后，通过显示单元控制部件5调节二维显示器I上各投影图像源的中心偏移，调节输入孔阑图样中各孔阑的尺寸，实现投影显示单元对定向散射屏4汇聚投影或平行投影。
根据排布方式的不同，实现在定向散射屏4的指定空间处形成一系列竖条图像， 在横向拼接成完整视图，或者在定向散射屏4的指定空间处形成一系列矩阵方块图像，同时在横向和纵向拼接形成全视差的完整视图。
本实施例的可调孔阑三维显示方法和实现该方法的装置中，孔阑图样形状是圆形，孔阑透过率是整体通光的，通过显示单元控制部件5根据二维显示器I显示图像源的要求实现对液晶显示面板3输入孔阑图样的轻易切换。使用基于液晶显示面板3作可调节孔阑的三维显示方法，其投影距离、图像放大率、观看视角范围都具有很大灵活性，可根据实际应用场合通过改变透镜阵列2的排布方式、二维显示器I输入各图像源的中心偏移、液晶显示面板3输入孔阑图样的排布方式和尺寸及定向散射屏4的散射特性，实现多种三维显示效果。
权利要求
1.一种可调孔阑三维显示装置，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的二维显示器、透镜阵列、和定向散射屏，其特征在于所述三维显示装置设置有位于所述透镜阵列与所述散射屏之间的液晶显示面板；以及分别与所述液晶显示面板与所述二维显示器相连的显示单元控制部件。
2.根据权利要求I所述的可调孔阑三维显示装置，其特征在于所述液晶显示面板中设置有孔阑图样。
3.根据权利要求2所述的可调孔阑三维显示装置，其特征在于所述显示单元控制部件还包括根据二维显示器显示图像源的要求输入不同的孔阑图样到所述液晶显示面板的装置；调节二维显示器上各投影图像源的中心偏移的装置；调节所述输入液晶显示面板孔阑尺寸的装置。
4.一种可调孔阑三维显示方法，其特征在于，包含如下步骤(1)将三维场景解析成显示所需的二维投影图像；(2)根据所需实现的视差类型确定二维投影图像的排布方式；(3)根据设计的排布方式将二维投影图像组合成显示图像送入二维显示器；(4)根据透镜阵列的排布方式设计相应的孔阑图样，输入液晶显示面板，液晶显示面板设置于透镜阵列前并紧贴透镜阵列，作为投影显示单元的出瞳；(5)将二维显示器中的每个子显示区域都与正前方透镜阵列中的每一个投影透镜及液晶显示面板中的每一个通光孔阑图样一一对应构成投影显示单元，二维显示器上的二维投影图像、透镜阵列对应的透镜和液晶显示面板上的孔阑图样构成投影显示单元阵列；(6)投影显示单元阵列对定向散射屏汇聚投影或平行投影，并成像于空间指定位置，形成一系列拼接的影像，实现三维显示。
5.根据权利要求4所述的可调孔阑三维显示方法，其特征在于，步骤(2)中所述的视差类型为横向视差，所述的排布方式为错位排列。
6.根据权利要求4所述的可调孔阑三维显示方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述的视差类型为全视差，所述的排布方式为矩阵排列。
7.根据权利要求4所述的可调孔阑三维显示方法，其特征在于，步骤(6)包括调节二维显示器上各投影图像源的中心偏移，实现投影显示单元对定向散射屏汇聚投影或平行投影。
8.根据权利要求7所述的可调孔阑三维显示方法，其特征在于，步骤(6)包括调节输入孔阑图样中各孔阑的尺寸，实现投影显示单元对定向散射屏汇聚投影或平行投影。
全文摘要
本发明公开了一种可调孔阑的三维显示装置及方法，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的二维显示器、透镜阵列、液晶显示面板和定向散射屏，以及分别与所述液晶显示面板与所述二维显示器相连的显示单元控制部件。将需要显示的三维场景解析成投影图像，根据所需显示的视差类型设计相应的排布方式，并根据排布方式将投影图像组合成显示图像送入二维显示器，作为投影显示单元的图像源；并将排布好的孔阑图样输入到液晶显示面板，所有投影显示单元阵列对定向散射屏汇聚投影或平行投影，并成像于空间指定位置，形成一系列拼接的影像，实现三维显示。本发明利用液晶显示面板作为孔阑，孔阑图样灵活可调，实现多种三维显示效果。
文档编号G02B27/22GK102540489SQ20121007967
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者刘旭, 彭祎帆, 李海峰, 钟擎 申请人:浙江大学