一种三维光场显示系统及显示参数确定方法与流程

本发明涉及三维光场显示技术领域，特别涉及一种三维光场显示系统及显示参数确定方法。

背景技术：

随着当今科学技术的飞速发展，传统的二维平面显示技术已经远远无法满足目前各个行业领域对于深度数据与空间立体感的需求。越来越多的应用领域，如医学成像、科学研究、外太空探索、重要远程会议和军事等，要求能够实现三维场景的真实重建，从而使得观看者可以更加精确的捕获相关信息，准确的进行现场判断。自由立体显示技术可以使观看者通过肉眼直接体验三维视觉，使三维图像更加逼真显示真实图像。

光场显示作为自由立体显示技术的一种，其代表是集成成像三维显示，由Lippmann提出的IP(integral photography，集成摄影)技术发展而来，该技术可以为观众提供全视差的自由立体效果。现有的集成成像三维显示技术主要是基于透镜阵列的集成成像三维显示，光场显示还包括基于投影机阵列的光场显示。

由于真实的透镜相对于理想透镜而言存在成像内容的畸变问题，因此基于透镜阵列的集成成像三维显示再现的光场存在极大的误差，如图1所示，图1为现有技术的基于透镜阵列的集成成像三维显示的成像示意图，图中包括二维凸透镜阵列101。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种三维光场显示系统及显示参数确定方法，以矫正集成成像三维显示内容存在的畸变问题。

为达到上述目的，第一方面，本发明实施例公开了一种三维光场显示系统，包括：液晶显示面板、二维凸透镜阵列和全息功能屏；

所述二维凸透镜阵列设置在所述液晶显示面板和所述全息功能屏之间；

所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离为l，所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离为L，所述二维凸透镜阵列中的每个凸透镜的直径为P，所述凸透镜的焦距为f，相邻所述凸透镜的中心间距为g；

所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l、所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L和所述凸透镜的焦距f满足高斯成像公式：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f};$

所述全息功能屏的发散角α为：

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)。

较佳的，所述凸透镜的形状为圆形或正多边形。

较佳的，所述凸透镜的形状为圆形，所述直径P为所述凸透镜的直径。

较佳的，所述凸透镜的形状为正多边形，所述直径P为所述凸透镜的外接圆直径。

较佳的，所述二维凸透镜阵列呈正方形排布或蜂窝状排布。

第二方面，本发明实施例还公开了一种三维光场显示系统的显示参数确定方法，应用于第一方面所述的三维光场显示系统，包括：

根据预设的系统可观看视角θ及公式

$\mathrm{\θ}=2arctan\left(\frac{g}{2l}\right),$

确定所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l、和相邻所述凸透镜的中心间距g之间的第一关系；

根据预设的单目分辨率R_single、所述液晶显示面板的总分辨率R_total、观看者到所述全息功能屏的距离D及公式

$R_{\sin gle}=R_{total}\frac{l}{L}\frac{D}{D+L},$

确定所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L、和所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l之间的第二关系；

根据预设所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L的值、所述第一关系及所述第二关系，计算得出相邻所述凸透镜的中心间距g、和所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l的值；

根据所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L的值、所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l的值及公式

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f},$

确定所述二维凸透镜阵列中的每个凸透镜的焦距f和直径P的值；

根据所述直径P的值、相邻所述凸透镜的中心间距g的值、所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L的值及公式

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)，

确定所述全息功能屏的发散角α。

较佳的，所述预设的系统可观看视角θ范围为：30度≤θ≤60度。

较佳的，所述第一关系为：

$l=\frac{g}{2\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)};$

所述第二关系为：

$l=L\frac{R_{\sin gle}}{R_{total}}\frac{D+L}{D}.$

较佳的，所述二维凸透镜阵列呈正方形排布或蜂窝状排布。

由上述的技术方案可见，本发明实施例提供的三维光场显示系统及显示参数确定方法，通过全息功能屏的发散角α将二维凸透镜阵列所成的三维图像进行扩散成像，有效的矫正了实际透镜成像内容的畸变；得到的三维光场显示系统的显示参数，包括：所述二维凸透镜阵列中的每个凸透镜的直径P、相邻所述凸透镜的中心间距g、所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L、所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l、和所述全息功能屏的发散角α，可以使观看者从不同角度与不同距离进行观看；此外，从系统结构可以得到，本发明实施例提供的三维光场显示系统相较于基于投影机阵列的光场显示，具有体积小、易调节的优点。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有技术的基于透镜阵列的集成成像三维显示的成像示意图；

图2为本发明实施例的三维光场显示系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的三维光场显示系统成像效果图；

图4为本发明实施例的二维凸透镜阵列呈正方形排布的示意图；

图5为本发明实施例的二维凸透镜阵列呈蜂窝状排布的示意图；

图6为本发明实施例的体像素映射实现二维图像的编码原理示意图；

图7为本发明实施例的三维光场显示系统的显示参数确定方法的流程示意图；

图8为本发明实施例的应用场景示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

图2为本发明实施例的三维光场显示系统的结构示意图，所述三维光场显示系统包括：液晶显示面板201、二维凸透镜阵列101和全息功能屏202；

所述二维凸透镜阵列101设置在所述液晶显示面板201和所述全息功能屏202之间；

所述二维凸透镜阵列101与所述液晶显示面板201的距离为l，所述二维凸透镜阵列101与所述全息功能屏202之间的距离为L，所述二维凸透镜阵列101中的每个凸透镜的直径为P，所述凸透镜的焦距为f，相邻所述凸透镜的中心间距为g；

所述二维凸透镜阵列101与所述液晶显示面板201的距离l、所述二维凸透镜阵列101与所述全息功能屏202之间的距离L和所述凸透镜的焦距f满足高斯成像公式：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f};$

所述全息功能屏的发散角α为：

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)。

应用本发明实施例，根据全息功能屏的发散角，将二维凸透镜阵列所成的三维图像进行扩散成像，扩散后的三维图像能够减小基于透镜阵列的集成成像三维显示再现的光场存在的误差。

图3为本发明实施例的三维光场显示系统成像效果图。

本实施例公开的三维光场显示系统通过全息功能屏202将二维凸透镜阵列101所成的三维图像进行扩散成像，将二维凸透镜阵列101的成像多扩散了α角度，有效的矫正了实际透镜成像内容的畸变。

具体的，本发明实施例的所述凸透镜的形状为圆形或正多边形。所述凸透镜的形状为圆形，所述直径P为所述凸透镜的直径；所述凸透镜的形状为正多边形，所述直径P为所述凸透镜的外接圆直径。

图4为本发明实施例的二维凸透镜阵列呈正方形排布的示意图，图5为本发明实施例的二维凸透镜阵列呈蜂窝状排布的示意图。所述二维凸透镜阵列呈正方形排布时，每个二维凸透镜的大小、形状及参数完全相同并且行列对齐设置；所述二维凸透镜阵列呈蜂窝状排布时，每个二维凸透镜的大小、形状及参数完全相同并且行列按六边形设置。

当二维凸透镜阵列不同时，将改变液晶显示面板201上像素编码的方法，具体的所述液晶显示面板201上像素编码过程，参见图6，图6为本发明实施例的体像素映射实现二维图像的编码原理示意图，像素编码过程包括：

步骤1，确定三维光场中体像素点的信息：A位置处体像素点在B方向上发出的光强信息可以用I_AB表示。

步骤2，利用相邻所述凸透镜的中心间距g、所述二维凸透镜阵列101与所述液晶显示面板201的距离为l、所述二维凸透镜阵列101与所述全息功能屏202之间的距离为L、及体像素的位置信息A、方向信息B确定液晶显示面板201上像素的排布信息C。

步骤3，形成由所述A位置处体像素点在B方向上发出的光强信息I_AB到所述液晶显示面板201上像素的排布信息C的光强信息I_C的像素映射关系。

本发明实施例中，液晶显示面板201用于加载二维的编码图像，所述编码图像经过透镜阵列101与全息功能屏202的调制作用可以实现三维光场的重建。液晶显示面板201的分辨率越高，重建的信息就越完整，内容的精确度就越好。应用本发明实施例，全息功能屏成像通过映射关系得到液晶显示面板201上的对应像素的光强信息。

图7为本发明实施例的三维光场显示系统的显示参数确定方法的流程示意图，包括：

步骤701，根据预设的系统可观看视角θ及公式

$\mathrm{\θ}=2arctan\left(\frac{g}{2l}\right),$

确定所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l、和相邻所述凸透镜的中心间距g之间的第一关系。

步骤702，根据预设的单目分辨率R_single、所述液晶显示面板的总分辨率R_total、观看者到所述全息功能屏的距离D及公式

$R_{\sin gle}=R_{total}\frac{l}{L}\frac{D}{D+L},$

确定所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L、和所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l之间的第二关系。

步骤703，根据预设所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L的值、所述第一关系及所述第二关系，计算得出相邻所述凸透镜的中心间距g、和所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l的值。

步骤704，根据所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L的值、所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l的值及公式

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f},$

确定所述二维凸透镜阵列中的每个凸透镜的焦距f和直径P的值。

步骤705，根据所述直径P的值、相邻所述凸透镜的中心间距g的值、所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L的值及公式

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)，

确定所述全息功能屏的发散角α。

具体的，本发明实施例中，预设系统可观看视角θ范围为：30度≤θ≤60度。

具体的，本发明实施例中，所述第一关系为：

$l=\frac{g}{2\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)};$

所述第二关系为：

$l=L\frac{R_{\sin gle}}{R_{total}}\frac{D+L}{D}.$

应用本发明实施例，根据三维显示系统的系统参数，得到三维显示系统的显示参数，三维显示系统通过发散角α实现对二维凸透镜阵列成像的图像矫正，所成的三维图像更接近于实际图像，减小了二维凸透镜阵列成像所产生的误差。

图8为本发明实施例的应用场景示意图。

应用本发明实施例，液晶显示面板201上加载的二维图像通过二维凸透镜阵列101，进行三维成像，并经全息功能屏202的扩散成像，观看者站在X点处可以裸眼观看到三维显示系统所成的三维图像，由于全息功能屏的扩散作用，观看者观看到的三维图像能够接近于实际图像，具有较小的成像误差。

应用本发明实施例，通过预设的系统可观看视角θ得到了所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l、和所述凸透镜的中心间距g之间的第一关系；通过预设的单目分辨率R_single、所述液晶显示面板的总分辨率R_total、及观看者到所述全息功能屏的距离D，得到了所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L、和所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l之间的第二关系；通过得到的第一关系、第二关系及高斯公式推导出了三维光场显示系统的显示参数，包括：所述二维凸透镜阵列与所述液晶显示面板的距离l，所述二维凸透镜阵列与所述全息功能屏之间的距离L，所述二维凸透镜阵列中的每个凸透镜的直径P，所述凸透镜的焦距f，相邻所述凸透镜的中心间距g，以及所述全息功能屏的发散角α。通过上述方法得到的三维光场显示系统具有一定的发散角，可以使观看者从不同角度与不同距离进行观看，并且有效的矫正了实际透镜成像内容的畸变。此外，从系统结构可以得到，本发明实施例提供的三维光场显示系统相较于基于投影机阵列的光场显示，具有体积小、易调节的优点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。