采用双棱镜阵列扩展集成成像3D显示视角的方法和系统

本发明涉及一种采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法和系统，属于显示。

背景技术：

1、集成成像(integral imaging)3d显示是一种具有广泛应用前景的裸眼光场3d显示技术，可以提供真实的物理深度线索和正确的遮挡关系，从而实现全视差、全彩色和更高观看舒适性的3d显示。传统集成成像主要依靠透镜阵列作为调制器件完成对3d物体的记录和再现。在记录阶段，通常使用虚拟相机阵列拍摄目标，得到基元图像阵列(element imagearray，eia)。再现阶段，基元图像阵列被加载于显示屏，通过透镜阵列再现出3d物体的光场信息，从而实现3d显示。

2、由于空间带宽积有限，集成成像3d显示的观看视角、显示分辨率和显示深度之间存在制约关系，单一地提高某一项显示性能，可能会导致其他显示性能的下降。同时，集成成像还存在图像串扰的现象，这些问题影响了集成成像3d显示技术的产品化和进一步推广。目前，集成成像3d显示的研究热点集中在提高显示性能上。

3、例如专利cn114815293a公开了一种消串扰集成成像3d显示装置。该装置包含2d显示面板、掩膜板阵列和针孔阵列。2d显示面板上显示微图像阵列，微图像阵列由许多图像元在水平和垂直方向上矩阵式排列而成。每个图像元对应一个针孔，图像元节距与针孔节距相同，且两者中心对齐。掩膜板阵列平行放置于显示面板与针孔阵列之间，掩膜板阵列用于阻挡图像元的像素光线向相邻的针孔透射，同时完全透射对应图像元光线。该方法可以消除相邻图像元之间的串扰，但是由于掩模版阵列对光线的遮挡，会降低3d显示的亮度。

4、例如专利cn110515214a公开了一种具有高景深的集成成像3d显示装置，包括变焦集成成像装置和浮空显示装置。其中变焦集成成像装置由显示屏、电动变焦透镜、微透镜阵列构成，用于产生具有高景深的立体图像。显示屏上的图像元经高频变化的电动变焦透镜产生不同深度的图像元阵列，再经微透镜阵列的光线会聚还原作用产生立体图像。浮空显示装置由半透半反镜和微角锥棱镜阵列构成，用于立体图像在关于半透半反镜镜像对称的位置产生浮空立体图像，与真实立体物体相融合，达到增强现实的效果。该方法可以增强了集成成像3d显示的景深，但是需要电动变焦透镜高频变化，装置较为复杂且不利于系统的轻量化。

5、鉴于上述，本发明旨在提供一种采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法和系统，来解决上述的一个或多个技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于包括以下步骤：

2、在传统集成成像3d显示的结构中加入一层双棱镜阵列；

3、2d显示屏上加载组合基元图像阵列；

4、通过双棱镜阵列对光线的偏折和透镜阵列的调制，实现所述集成成像3d显示的视角扩展。

5、根据本发明又一方面，所述双棱镜阵列为光线偏折器件，由多个棱镜单元组成；优选地，所述棱镜单元可以为三角棱镜、直角棱镜；优选地，所述双棱镜阵列还可以为可实现光线偏折作用的衍射光学元件、超构表面；可选的，所述双棱镜阵列可以为曲面结构；可选的，所述双棱镜阵列的棱镜单元可以规格相同，组成周期排布的双棱镜阵列，也可以规格不同，组成非周期排布的双棱镜阵列。

6、根据本发明又一方面，所述透镜阵列为光线调制器件，包括宏透镜阵列和微透镜阵列；优选地，单个透镜的结构可为单透镜、复合透镜，单个透镜的形状可为方形、圆形、矩形或正六边形；优选地，所述透镜阵列还可以为可实现光线调制的衍射光学元件、超构表面；可选的，所述透镜阵列可以为曲面结构；可选的，所述透镜阵列可以为周期排布的透镜阵列，也可以为非周期排布的透镜阵列。

7、根据本发明又一方面，所述2d显示屏包括lcd显示屏，oled显示屏；优选地，所述lcd显示屏包括但不限于常规背光的lcd显示屏，点光源准直背光的lcd显示屏，点光源阵列准直背光的lcd显示屏；可选的，所述2d显示屏可以为曲面结构。

8、根据本发明又一方面，所述双棱镜阵列可置于2d显示屏和透镜阵列的中央，也可置于2d显示屏和透镜阵列外侧。

9、根据本发明又一方面，所述2d显示屏上加载的组合基元图像阵列由两组或者多组基元图像阵列融合而成，且基元图像的分布与双棱镜阵列、透镜阵列的结构相对应，可以为周期排布的基元图像阵列，也可以为非周期排布的基元图像阵列。

10、根据本发明又一方面，所述双棱镜阵列、透镜阵列、2d显示屏的结构参数以及组合基元图像阵列的尺寸集成在一起设计。

11、根据本发明又一方面，还提供了一种采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的系统，其特征在于包括：

12、双棱镜阵列，用于偏折光线，通过设置棱镜单元的顶角将特定区域的光线向某方向偏转目标角度；

13、2d显示屏，加载用于3d显示的组合基元图像阵列；

14、透镜阵列，用于调制光线，将来自2d显示屏的光线重建为3d图像。

15、根据本发明又一方面，双棱镜阵列、2d显示屏和透镜阵列的组合，可以扩展所述集成成像3d显示的视角。

16、根据本发明又一方面，双棱镜阵列、透镜阵列、2d显示屏均可为曲面结构，曲面结构可用于进一步扩展集成成像3d显示的视角。

17、根据本发明又一方面，双棱镜阵列、透镜阵列、基元图像阵列均可以为周期排布，也可以为非周期排布，非周期的排布方式可用于优化集成成像3d显示的视点分布。

18、根据本发明又一方面，所述2d显示屏的显示区域划分为左视区片源和右视区片源。左视区片源的光线经过双棱镜阵列将向左偏转，生成左视区的3d图像；右视区片源的光线经过双棱镜阵列将向右偏转，生成右视区的3d图像。左视区与右视区的组合，实现了所述集成成像3d显示的视角扩展。

19、与现有技术相比，本发明具有一下一个或多个技术效果：

20、首先，该方法由双棱镜阵列、2d显示屏和透镜阵列组成，不引入复杂的结构，有利于系统的轻便化、小型化、集成化，能够应用于诸多场景。

21、其次，该方法可扩展集成成像3d显示的视角，且可与曲面结构和非周期排布方式相结合，进一步提高集成成像3d显示的显示性能。

22、第三，该方法提高了2d显示屏的屏幕利用率，增加了可用于3d显示的信息总量，突破了传统集成成像3d显示性能之间的制约关系。

技术特征：

1.一种采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于所述双棱镜阵列为光线偏折器件，由多个棱镜单元组成；优选地，所述棱镜单元可以为三角棱镜、直角棱镜；优选地，所述双棱镜阵列还可以为可实现光线偏折作用的衍射光学元件、超构表面；可选的，所述双棱镜阵列可以为曲面结构；可选的，所述双棱镜阵列的棱镜单元可以规格相同，组成周期排布的双棱镜阵列，也可以规格不同，组成非周期排布的双棱镜阵列。

3.根据权利要求1所述的采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于所述透镜阵列为光线调制器件，包括宏透镜阵列和微透镜阵列；优选地，单个透镜的结构可为单透镜、复合透镜，单个透镜的形状可为方形、圆形、矩形或正六边形；优选地，所述透镜阵列还可以为可实现光线调制的衍射光学元件、超构表面；可选的，所述透镜阵列可以为曲面结构；可选的，所述透镜阵列可以为周期排布的透镜阵列，也可以为非周期排布的透镜阵列。

4.根据权利要求1所述的采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于所述2d显示屏包括lcd显示屏，oled显示屏；优选地，所述lcd显示屏包括但不限于常规背光的lcd显示屏，点光源准直背光的lcd显示屏，点光源阵列准直背光的lcd显示屏；可选的，所述2d显示屏可以为曲面结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于所述双棱镜阵列可置于2d显示屏和透镜阵列的中央，也可置于2d显示屏和透镜阵列外侧。

6.根据权利要求1-4任一项所述的采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于所述2d显示屏上加载的组合基元图像阵列由两组或者多组基元图像阵列融合而成，且基元图像的分布与双棱镜阵列、透镜阵列的结构相对应，可以为周期排布的基元图像阵列，也可以为非周期排布的基元图像阵列。

7.根据权利要求1-4任一项所述的采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的方法，其特征在于所述双棱镜阵列、透镜阵列、2d显示屏的结构参数以及组合基元图像阵列的尺寸集成在一起设计。

8.利用权利要求1-7任一项所述的采用双棱镜阵列扩展集成成像3d显示视角的系统，其特征在于包括：

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述双棱镜阵列、透镜阵列、2d显示屏均可为曲面结构，曲面结构可用于进一步扩展集成成像3d显示的视角；双棱镜阵列、透镜阵列、基元图像阵列均可以为周期排布，也可以为非周期排布，非周期的排布方式可用于优化集成成像3d显示的视点分布。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述2d显示屏的显示区域划分为左视区片源和右视区片源。左视区片源的光线经过双棱镜阵列将向左偏转，生成左视区的3d图像；右视区片源的光线经过双棱镜阵列将向右偏转，生成右视区的3d图像。左视区与右视区的组合，实现了所述集成成像3d显示的视角扩展。

技术总结
提供一种采用双棱镜阵列扩展集成成像3D显示视角的方法和系统，由2D显示屏、双棱镜阵列和透镜阵列组成。2D显示屏上加载组合基元图像阵列，携带了用于3D显示的光场信息；双棱镜阵列用于偏折光线，通过设置棱镜单元的顶角，实现对2D显示屏上特定区域光线的偏折；透镜阵列用于调制光线，将光场信息重建为两个视区的3D图像。两个视区拼接，实现集成成像3D显示的视角扩展。提供了一种采用双棱镜阵列扩展集成成像3D显示视角的系统，可将集成成像3D显示的视角扩展为原来的2倍。

技术研发人员：刘娟,李超,马皓文
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6