一种全视差自由立体显示系统的制作方法

本实用新型实施例涉及三维显示技术领域，更具体地，涉及一种全视差自由立体显示系统。

背景技术：

随着科学技术的高速发展，医学成像、军事指挥、政府应急调度和通讯传媒等越来越多的领域，不再满足于平面显示提供的2D信息，可以实现全视差、高清晰度、大视角真实再现的3D显示已经成为追求的目标。

集成成像显示技术是最为人们所熟知的光场显示技术。该技术与全息显示技术不同，集成成像利用透镜阵列对2D显示器的调制作用进行显示，可以轻易的实现具有真彩色的3D效果。集成成像3D显示技术可以同时为观看者提供水平与竖直方向的视差和连续平滑的视点信息。随着科技与硬件设备的发展，集成成像技术不仅可以显示静态图片，还可以对动态影像进行采集与重建。

集成成像显示系统是目前可以实现全视差真三维显示的，一般都需要有控光结构实现对二维的显示器发出的光线方向进行控制，形成空间视点，达到左右眼分别接受不同视差图的目的，再经大脑融合即可形成立体感。所以自由立体显示系统一般都由2D显示器和控光结构组成，根据控光结构具体的参数对3D内容进行图像编码，实现3D显示。

目前的集成成像技术还存在以下几个有待完善的问题：

(1)分辨率不足：在传统的集成成像技术中，3D图像的分辨率依赖于透镜元的节距，为了增大分辨率，需要减少透镜元的节距。当透镜元的节距减小时，显示屏上的每个透镜元下面的像素数量也会减小，这样，来自透镜元的可控光线数量就会减少，因此3D图像的质量也会下降。基于显示屏的集成成像3D显示需要更高分辨率的显示屏来弥补小节距透镜元的影响，但更高分辨率的2D显示屏目前还难以得到。

(2)视角不足：透镜焦距f的表达式为：其中r为曲率半径。根据透镜控光的原理与三角几何关系，可得出目前的集成成像技术3D立体显示系统在理想状况下的观看视为：目前的自由立体显示器，由于透镜截距p小于等于两倍的曲率半径，折射率n一般取值为1.5，根据上述两公式可得，θ的取值范围θ≤52°，即立体视角较小。

(3)像差影响大：集成成像技术中使用透镜阵列对光线调制，当透镜阵列在调制光线时会由透镜自身产生像差现象，这会引入视点间的串扰，即本该进入某一只眼的光线进入另一只眼睛，从而会造成重影现象和影像的模糊，进而会降低三维立体显示的质量。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的全视差自由立体显示系统

本实用新型实施例提供了一种全视差自由立体显示系统，所述自由立体显示系统包括：显示源、光学准直模组、折光模组及扩散结构；其中，

所述显示源包括多个像素点，所述光学准直模组包括多个光学准直单元，所述折光模组包括多个折光单元，且所述多个像素点、所述多个光学准直单元及所述多个折光单元三者一一对应设置；

所述光学准直单元包括挡光圈和光线准直结构，所述挡光圈为腔体结构，所述光线准直结构为在水平方向和竖直方向都有曲率的正光焦度透镜结构，所述光线准直结构嵌套在所述挡光圈腔体内，且所述显示源设置在所述光线准直结构的焦平面处；

所述折光单元为对光线具有水平方向和竖直方向偏折作用且不改变光束聚散性的光学结构；

所述扩散结构为对光线具有水平方向和竖直方向扩散作用的光学结构。

进一步地，所述光学准直单元中所述挡光圈的内框的内接圆直径大于对应的像素点的外接圆直径，且小于所述对应的像素点的中心与相邻像素点的中心之间的距离。

进一步地，所述光学准直单元中所述光线准直结构为正光焦度传统透镜、正光焦度线性菲涅尔透镜、由多个传统透镜复合而成的正光焦度透镜结构或由多个线性菲涅尔透镜复合而成的正光焦度透镜结构。

进一步地，所述折光单元为棱镜、反射镜、由多个棱镜组成的复合结构或由多个反射镜组成的复合结构。

进一步地，所述扩散结构为定向扩散膜。

进一步地，所述自由立体显示系统包括：显示源、光学准直模组、折光模组及扩散结构；其中，

所述显示源包括多个像素点，所述光学准直模组包括多个光学准直单元，所述折光模组包括多个折光单元，且所述多个像素点、所述多个光学准直单元及所述多个折光单元三者一一对应设置；

所述光学准直单元包括挡光圈和光线准直结构，所述挡光圈为腔体结构，所述光线准直结构为在水平方向和竖直方向都有曲率的正光焦度透镜结构，所述光线准直结构嵌套在所述挡光圈腔体内，且所述显示源设置在所述光线准直结构的焦平面处；所述光学准直单元中所述挡光圈内框的内接圆的直径大于对应的像素点的外接圆的直径，且小于所述对应的像素点的中心与相邻的像素点的中心之间的距离；所述光线准直结构为正光焦度传统透镜、正光焦度线性菲涅尔透镜、由多个传统透镜复合而成的正光焦度透镜结构或由多个线性菲涅尔透镜复合而成的正光焦度透镜结构；

所述折光单元为对光线具有水平方向偏折作用且不改变光束聚散性的光学结构；所述折光单元为棱镜、反射镜、由多个棱镜组成的复合结构或由多个反射镜组成的复合结构；

所述水平扩散结构为对光线具有水平方向扩散作用的光学结构；所述扩散结构为定向扩散膜。

本实用新型实施例提供的全视差一种自由立体显示系统，包括显示源、光学准直模组、折光模组及扩散结构；其中，所述显示源包括多个像素点，所述光学准直模组包括多个光学准直单元，所述折光模组包括多个折光单元，且所述多个像素点、所述多个光学准直单元及所述多个折光单元三者一一对应设置；所述光学准直单元包括挡光圈和光线准直结构，所述挡光圈为腔体结构，所述光线准直结构为在水平方向和竖直方向都有曲率的正光焦度透镜结构，所述光线准直结构嵌套在所述挡光圈腔体内，且所述显示源设置在所述光线准直结构的焦平面处；所述折光单元为对光线具有水平方向和竖直方向偏折作用且不改变光束聚散性的光学结构；所述扩散结构为对光线具有水平方向和竖直方向扩散作用的光学结构。显示源发射的光线经准直模组、折光模组及扩散结构处理后实现自由立体显示，且成像分辨率高，视角大，像差影响小，观看体验好。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种全视差自由立体显示系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中显示源的示意图；

图3为本实用新型实施例中挡光圈截面图；

图4为本实用新型实施例中四种种正光焦度传统透镜的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中一种正光焦度透镜结构的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中两种种正光焦度线性菲涅尔透镜和三种正光焦度透镜结构的结构示意图；

图7为本实用新型实施例中折光单元中的光路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例提供的一种全视差自由立体显示系统的结构示意图，如图所示，自由立体显示系统包括：显示源E、光学准直模组M1、折光模组M2及扩散结构K1。其中：

显示源E包括多个像素点，光学准直模组M1包括多个光学准直单元，折光模组M2包括多个折光单元，且多个像素点、多个光学准直单元及多个折光单元三者一一对应设置；

光学准直单元包括挡光圈和光线准直结构，挡光圈为腔体结构，光线准直结构为在水平方向和竖直方向都有曲率的正光焦度透镜结构，光线准直结构嵌套在挡光圈腔体内，且显示源设置在光线准直结构的焦平面处；

折光单元为对光线具有水平方向和竖直方向偏折作用且不改变光束聚散性的光学结构；

扩散结构为对光线具有水平方向和竖直方向扩散作用的光学结构。

其中，多个像素点、多个光学准直单元及多个折光单元三者一一对应设置，任意一个像素点发出的光线依次经过对应的光学准直单元和对应的折光单元。D1是显示源E与光线准直模组M1之间的距离，D2是光线准直模组M1与折光模组M2之间的距离，D3是折光模组M2与扩散结构K1之间的距离，其范围是：5000mm≥D3＞0mm。优选地，E、M1和M2紧贴设置，即D1、D2都取0。

显示源E能够向观看者提供视觉内容信息，它可以是自发光的显示源，也可以是背光为漫射光的显示源。漫射光线呈散射型，无序的，如图2所示。可以是液晶显示器(LCD)、LED显示器、OLED显示器、量子点显示器等。它用来显示静态的、动态的以及任意能够被显示或者看到的内容。静态的内容指显示的内容不随时间的变化而改变，它包括但不限于图片、静态影像、静态文本及图表数据等。动态内容指随时间的变化而改变的内容，它包括但不限于录制视频、实时视频、变化的图像、动态的文本及图表数据等。它的表面具有密集的像素点。像素点之间存在间隔。像素点的形状可以是矩形、圆形、平行四边形等任意形状，因此用每个光学镜片外接圆直径的尺寸P表示像素点的大小，其变化范围是5mm≥P＞0mm。像素点的形状可以全部相同，可以部分相同，也可以全部不同。

光学准直单元中的挡光圈为立体结构，挡光圈的材料可以为任何不透明的材料，其上的腔体即为透光孔，挡光圈对对应的像素点发出的漫射光具有约束作用，光线从挡光圈的透光孔一端入射后，在挡光圈的约束下从透光孔另一端出射，从而实现阻隔光线进入其他相邻光学准直单元。优选地，如图3所示，挡光圈包括外框、内框及透光孔，通光孔的截面形状可以选择矩形，其外圈形状可以根据实际需求选择，例如可以为圆形、椭圆形、多边形等形状。

挡光圈的通光孔内嵌套光线准直结构，光线准直结构为在水平方向和竖直方向都有曲率的正光焦度透镜结构，且显示源设置在光线准直结构的焦平面处，当其对应的像素点发射的光线经过光线准直结构之后，使水平方向和竖直方向都为平行光出射。即该光线准直结构对像素点发出的光线在水平方向和竖直方向都进行准直。

折光模单元的作用在于将对应的光学准直单元的平行光束在水平方向和竖直方向上进行偏折，每个折光模单元实现特定角度偏折出射，从而在空间中水平方向和竖直方向上形成视点。

扩散结构K1为水平方向和竖直方向扩散的结构，作用在于将来自折光模组M2的光线在水平方向和竖直方向扩散，从而增加水平方向和竖直方向的观看范围。

具体地，该自由立体显示在工作时，显示源E发出的光线进入光学准直模组M1，光线在光学准直模组M1中经水平方向和竖直方向的准直后进入折光模组M2，光线在折光模组M2经水平方向和竖直方向的折光后在水平方向和竖直方向上形成视点，再经扩散结构K1在水平方向和竖直方向扩散后实现自由立体显示。

本实用新型实施例提供的一种全视差自由立体显示系统，包括显示源、光学准直模组、折光模组及扩散结构；其中，所述显示源包括多个像素点，所述光学准直模组包括多个光学准直单元，所述折光模组包括多个折光单元，且所述多个像素点、所述多个光学准直单元及所述多个折光单元三者一一对应设置；所述光学准直单元包括挡光圈和光线准直结构，所述挡光圈为腔体结构，所述光线准直结构为在水平方向和竖直方向都有曲率的正光焦度透镜结构，所述光线准直结构嵌套在所述挡光圈腔体内，且所述显示源设置在所述光线准直结构的焦平面处；所述折光单元为对光线具有水平方向和竖直方向偏折作用且不改变光束聚散性的光学结构；所述扩散结构为对光线具有水平方向和竖直方向扩散作用的光学结构。显示源发射的光线经准直模组、折光模组及扩散结构处理后实现自由立体显示，且成像分辨率高，视角大，像差影响小，观看体验好。

在上述实施例中，光学准直单元中挡光圈内框的内接圆的直径大于对应的像素点的外接圆的直径，且小于对应的像素点的中心与相邻的像素点的中心之间的距离。

具体地，为了防止显示源像素点的光线进入其它挡光圈内，需要每个挡光圈的内框完全包围住对应的显示源发光点，挡光圈内框的内接圆的直径大于对应的像素点的外接圆的直径，且小于对应的像素点的中心与相邻的像素点的中心之间的距离。挡光圈的厚度根据实际情况确定。

在上述实施例中，光学准直单元中光线准直结构为正光焦度传统透镜、正光焦度线性菲涅尔透镜、由多个传统透镜复合而成的正光焦度透镜结构或由多个线性菲涅尔透镜复合而成的正光焦度透镜结构。

具体地，光线准直结构可以为正光焦度传统透镜，例如，如图4所示的平凸透镜、双凸透镜、凸屏透镜，正弯月透镜等，其中R1、R2分别是其两个面的曲率，lE是光学透镜的边缘厚度，其取值范围是：h≥lE＞0mm。光线准直结构可以为由多个传统透镜复合而成的正光焦度透镜结构，例如，如图5所示，平凸透镜与双凹透镜以及双凸透镜复合而成的正光焦度透镜结构，也可以作为光线准直结构，lE是正光焦度透镜结构的边缘厚度，取值范围是：h≥lE＞0mm。正光焦度透镜结构的形状、大小与挡光圈的内框完全相同，以保证光线准直结构可以嵌套在挡光圈内。光线准直结构还可以为正光焦度线性菲涅尔透镜或由多个线性菲涅尔透镜复合而成的正光焦度透镜结构，例如，如图6所示，线性菲涅尔透镜或复合结构的厚度为d，取值范围是：h＞d＞0mm。线性菲涅尔透镜的环距的取值范围是0.001mm～1mm。实际上，线性菲涅尔透镜的每个齿的齿深、倾斜角、拔模角都可以根据实际生产工艺和要求在保证光焦度不变的情况下做出调整。线性菲涅尔透镜的每个齿既可以是直线三角锯齿，也可以是与其相应透镜等效的弧线型。

需要说明的是，每个光学透镜所采用的材料可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃、火石玻璃、重冕玻璃、重火石玻璃或者LA系玻璃等)，可以是塑料树脂材料(如PMMA、PC、COC、POLYCARB等)。

在上述实施例中，折光单元为棱镜、对光线具有水平方向偏折作用且不改变光束聚散性的反射镜、由多个棱镜组成的复合结构或由多个反射镜组成的复合结构。

具体地，折光模组可以是棱镜、反射镜等具有偏折光线且不改变光束散性的元件。如图7所示，H代表折光模组的高度，取值范围是：0.5mm≥H＞0mm。W代表折光模组的宽度，大小等于挡光圈内框的内接圆的直径。通过控制棱镜和反射镜的倾斜角度θ，以及摆放姿态，可以使光束实现角度为α的偏折，α的取值范围是90°＞α＞-90°。折光模组也可以多个棱镜组成的复合结构、多个反射镜组成的复合结构，棱镜和反射镜组成的复合结构。

棱镜所采用的材料可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃、火石玻璃、重冕玻璃、重火石玻璃或者LA系玻璃等)，可以是塑料树脂材料(如PMMA、PC、COC、POLYCARB等)。反射镜为具有反射能力的平面镜，如玻璃反射镜、树脂反射镜、光滑的金属表面等具有反射能力的平面元件，反射镜的厚度根据实际情况选择。

一种自由立体显示系统，自由立体显示系统包括：显示源、光学准直模组、折光模组及扩散结构；其中，

显示源包括多个像素点，光学准直模组包括多个光学准直单元，折光模组包括多个折光单元，且多个像素点、多个光学准直单元及多个折光单元三者一一对应设置；

光学准直单元包括挡光圈和光线准直结构，挡光圈为腔体结构，光线准直结构为仅在水平方向有曲率的正光焦度透镜结构，光线准直结构嵌套在挡光圈腔体内，且显示源设置在光线准直结构的焦平面处；光学准直单元中挡光圈内框的内接圆的直径大于对应的像素点的外接圆的直径，且小于对应的像素点的中心与相邻的像素点的中心之间的距离；光线准直结构为正光焦度传统透镜、正光焦度线性菲涅尔透镜、由多个传统透镜复合而成的正光焦度透镜结构或由多个线性菲涅尔透镜复合而成的正光焦度透镜结构；

折光单元为对光线具有水平方向偏折作用且不改变光束聚散性的光学结构；折光单元为棱镜、反射镜、由多个棱镜组成的复合结构或由多个反射镜组成的复合结构；

水平扩散结构为对光线具有水平方向扩散作用的光学结构；水平扩散结构为柱面透镜阵列或定向扩散膜。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。