集成成像三维显示系统视场角扩大方法和系统[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112305778 A(43)申请公布日 2021.02.02

(21)申请号 202011238117.5(22)申请日 2020.11.09

(71)申请人 北京理工大学

地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5

号(72)发明人 刘娟　赵紫峰　(51)Int.Cl.

G02B 30/25(2020.01)G02B 30/30(2020.01)G02B 30/27(2020.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图4页

(54)发明名称

集成成像三维显示系统视场角扩大方法和系统

(57)摘要

提供一种集成成像三维显示系统视场角扩大方法以及系统，其中将视场角扩大单元设置于集成成像三维显示系统，所述视场角扩大单元包括偏振控制器和偏振光栅；利用所述视场角扩大单元扩大所述集成成像三维显示系统的视场角。该系统不影响其他显示性能，不引入复杂机械结构，扩大了观看视角。

CN 112305778 ACN 112305778 A

权　利　要　求　书

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1.一种集成成像三维显示系统视场角扩大方法，其特征在于包括以下步骤：将视场角扩大单元设置于集成成像三维显示系统，所述视场角扩大单元包括偏振控制器和偏振光栅；

利用所述视场角扩大单元扩大所述集成成像三维显示系统的视场角。2.根据权利要求1所述的集成成像三维显示系统视场角扩大方法，其特征在于所述集成成像三维显示系统包括光线方向调制单元以及显示器，所述显示器包括基础二维显示器，如液晶显示器、发光二极管显示器，或具有点光源阵列背光的显示器。

3.根据权利要求2所述的集成成像三维显示系统视场角扩大方法，其特征在于所述偏振控制器设置于集成二维显示器上或上方，或者设置于具有点光源阵列背光的显示器的点光源阵列背光上或上方。

4.根据权利要求3所述的集成成像三维显示系统视场角扩大方法，其特征在于所述偏振光栅设置于光线方向调制单元上，或者设置于光线方向调制单元下，或者设置于所述偏振控制器上。

5.根据权利要求2-4任一项所述的集成成像三维显示系统视场角扩大方法，其特征在于所述光线方向调制单元包括微透镜阵列。

6.一种具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统，其特征在于包括：显示器；

光线方向调制单元；以及视场角扩大单元，包括偏振控制器和偏振光栅。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述显示器包括液晶显示器、发光二极管显示器或具有点光源阵列背光的显示器。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述偏振控制器设置于集成二维显示器上或上方，或者设置于具有点光源阵列背光的显示器的点光源阵列背光上或上方。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述偏振光栅设置于光线方向调制单元上，或者设置于光线方向调制单元下，或者设置于所述偏振控制器上。

10.根据权利要求7-9任一项所述的系统，其特征在于所述光线方向调制单元包括微透镜阵列。

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集成成像三维显示系统视场角扩大方法和系统

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技术领域

[0001]本发明涉及一种集成成像三维显示系统视场角扩大方法和系统，属于三维显示领域。

背景技术

[0002]二维平板显示发展至今，在空间分辨率、视场角、亮度和色彩等方面已具有优秀的性能表现。但二维显示往往只能通过透视关系和遮挡阴影反应空间位置，容易造成视觉和认知错误，三维显示特别是主动立体三维显示技术的产生和发展为这一问题的解决提供了方案。在诸多三维显示技术中，集成成像技术对三维光场进行离散化的采样和重建，在三维海量数据和人眼视觉要求中进行平衡，因结构简单、非相干照明、全视差全彩色、物理深度提示等优点吸引了广泛的研究兴趣，具有较大的发展潜力和商业化应用前景。

[0003]集成成像三维显示系统的一个主要制约因素为有限的视场角或观看视角。根据视场角的定义及计算公式，常规的方法是增大重建过程微透镜阵列的节距(或透镜口径)和减小物距。但上述方法通常会导致采样间隔的增大从而造成图像模糊和景深降低，或导致采样数变化影响空间分辨率和三维效果间的平衡关系等等。近年来，一些基于高速震动微透镜阵列或合成孔径集成成像的非平稳光学方法、增加中继光学系统的方法、以及曲面微透镜阵列的方法被相继提出。这些方案虽然有效扩大了视场角，但会通常引入机械结构使系统复杂性大幅提升或引入图像畸变影响显示效果。[0004]鉴于上述，本发明旨在提供一种集成成像三维显示系统视场角扩大方法和系统，来解决上述的一个或多个技术问题。

发明内容

[0005]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，提供一种集成成像三维显示系统视场角扩大方法。该方法利用偏振光栅(Polarization Grating,PG)对不同偏振态入射光具有不同衍射角的特性，在不显著增加系统体积的情况下，使用偏振复用和时空复用的方法实现视场角的扩大。

[0006]该集成成像三维显示系统视场角扩大方法，其特征在于包括以下步骤：[0007]将视场角扩大单元设置于集成成像三维显示系统，所述视场角扩大单元包括偏振控制器和偏振光栅；[0008]利用所述视场角扩大单元扩大所述集成成像三维显示系统的视场角。[0009]根据本发明又一方面，所述集成成像三维显示系统包括光线方向调制单元以及显示器，所述显示器包括集成二维显示器(如液晶显示器、发光二极管显示器等)或具有点光源阵列背光的二维显示器。

[0010]根据本发明又一方面，所述偏振控制器设置于液晶显示器或发光二极管显示器上或上方，或者设置于具有点光源阵列背光的显示器的点光源阵列背光上或上方。[0011]根据本发明又一方面，所述偏振光栅设置于光线方向调制单元上，或者设置于光

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线方向调制单元下，或者设置于所述偏振控制器上。[0012]根据本发明又一方面，所述光线方向调制单元包括微透镜阵列。[0013]根据本发明又一方面，还提供了一种具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统，其特征在于包括：[0014]显示器；

[0015]光线方向调制单元；以及[0016]视场角扩大单元，包括偏振控制器和偏振光栅。[0017]根据本发明又一方面，所述显示器包括集成二维显示器(如液晶显示器、发光二极管显示器)或具有点光源阵列背光的显示器。[0018]根据本发明又一方面，所述偏振控制器设置于液晶显示器或发光二极管显示器上或上方，或者设置于具有点光源阵列背光的显示器的点光源阵列背光上或上方。[0019]根据本发明又一方面，所述偏振光栅设置于光线方向调制单元上，或者设置于光线方向调制单元下，或者设置于所述偏振控制器上。[0020]根据本发明又一方面，所述光线方向调制单元包括微透镜阵列。[0021]与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：[0022]该方法和系统不影响其他显示性能；不引入复杂机械结构；扩大了观看视角。附图说明

[0023]为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：[0024]图1a为偏振光栅的工作原理图，其中显示了右旋圆偏光入射的情况；[0025]图1b为偏振光栅的工作原理图，其中显示了左旋圆偏光入射的情况；[0026]图2a为根据本发明第一种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统的结构图；

[0027]图2b为根据本发明第二种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统的结构图；

[0028]图2c为根据本发明第三种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统的结构图；

[0029]图3a为现有技术的基于常规背光的集成成像三维显示系统的工作原理图；[0030]图3b为根据本发明第一种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统使用PG扩大视场角的原理图；

[0031]图3c为根据本发明第一种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统使用PG扩大视场角(当PG偏转角较小时的工作情况)的原理图；[0032]图3d为根据本发明第一种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统使用PG扩大视场角(当PG偏转角较大时的工作情况)的原理图；[0033]图4a为根据本发明第三种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统(使用相邻两个微透镜复用)的工作原理图；[0034]图4b为根据本发明第三种优选实施例的基于常规背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统(使用相邻三个微透镜复用)的工作原理图；

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图5为根据本发明第四种优选实施例的基于点光源阵列背光的、具有扩大的视场

角的集成成像三维显示系统的结构图；

[0036]图6a为现有技术的基于点光源阵列背光的集成成像三维显示系统的工作原理图；[0037]图6b为根据本发明第四种优选实施例的基于点光源阵列背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统的第一种工作原理图；

[0038]图6c为根据本发明第四种优选实施例的基于点光源阵列背光的、具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统的第二种工作原理图。

具体实施例

[0039]现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。

[0040]在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。[0041]实施例1

[0042]本发明提出了一种基于偏振光栅(Polarization Grating，PG)和时空复用的视场角扩大方法，并分别给出了基于常规背光和点光源阵列(Point Light Source Array,PLSA)背光的两种解决方案和五种系统结构示例。本发明具有在不影响其他显示性能、不引入复杂机械结构的前提下扩大观看视角的优点。[0043]根据本发明一种优选实施方式，参见图2a-2c和图5，提供一种集成成像三维显示系统视场角扩大方法。该集成成像三维显示系统视场角扩大方法，其特征在于包括以下步骤：

[0044]将视场角扩大单元设置于集成成像三维显示系统，所述视场角扩大单元包括偏振控制器2和偏振光栅4；[0045]利用所述视场角扩大单元扩大所述集成成像三维显示系统的视场角。[0046]根据本发明又一优选实施方式，所述集成成像三维显示系统包括光线方向调制单元3以及显示器，所述显示器包括集成二维显示器1或具有点光源阵列背光8的显示器。[0047]优选地，参见图5，具有点光源阵列背光8的显示器包括点光源阵列背光8和集成液晶调制面板9(不含背光)。

[0048]根据本发明又一优选实施方式，所述偏振控制器2设置于集成二维显示器1上或上方，或者设置于具有点光源阵列背光8的显示器的点光源阵列背光8上或上方。[0049]根据本发明又一优选实施方式，所述偏振光栅4设置于光线方向调制单元3上，或者设置于光线方向调制单元3下，或者设置于所述偏振控制器2上。[0050]根据本发明又一优选实施方式，所述光线方向调制单元3包括微透镜阵列。[0051]根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种具有扩大的视场角的集成成像三维显示系统，其特征在于包括：[0052]显示器；

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光线方向调制单元3；以及

[0054]视场角扩大单元，包括偏振控制器2和偏振光栅4。[0055]根据本发明又一优选实施方式，所述显示器包括集成二维显示器1或具有点光源阵列背光8的显示器。

[0056]根据本发明又一优选实施方式，所述偏振控制器2设置于集成二维显示器1或上或上方，或者设置于具有点光源阵列背光8的显示器的点光源阵列背光8上或上方。[0057]根据本发明又一优选实施方式，所述偏振光栅4设置于光线方向调制单元3上，或者设置于光线方向调制单元3下，或者设置于所述偏振控制器2上。[0058]根据本发明又一优选实施方式，所述光线方向调制单元3包括微透镜阵列。[0059]根据本发明又一优选实施方式，下面进一步详细说明本发明的原理。[0060]常规PG的工作原理如图1a-1b所示，其对于不同偏振态的入射光具有不同的衍射角，其中011为右旋圆偏振(RCP)入射光，012为左旋圆偏振(LCP)入射光，02为PG，031为LCP出射光，032为RCP出射光。规定衍射角的符号规则为从光轴起到光线止，一律取锐角，顺时针方向为正，逆时针方向为负，图中一律标注正值。以图1a-1b中所示的一种透射型PG为例，对于RCP入射光011，经02调制得到衍射角为-|α|的LCP出射光031，如图1a所示；对于LCP入射光012，经02调制得到衍射角为|α|的RCP出射光032，如图1b所示。[0061]本发明以具有上述特征的PG进行技术方案的详细论述，包括但并不局限于此种PG，保护重点在于基于PG扩大视场角的方法。反射型PG、非对称衍射角PG、液晶可调PG等都在本发明保护范围内，由于应用原理相似，不再做单独说明。基于PG的偏振衍射特性和集成成像三维显示系统的结构特点，本发明给出如下两种解决方案。[0062]优选地，方案一为基于常规背光的系统示例，如图2a-2c所示，其中集成二维显示器1(如液晶显示器或发光二极管显示器)，用于显示元素图像阵列；偏振控制器2，用于动态控制出射光的偏振态；光线方向调制单元3，如微透镜阵列(Micro-lens Array,MLA)或等效器件，用于调制光线方向，下以MLA为例说明；31为3中任意一个微透镜或等效结构；PG 4和偏振控制器2配合共同光线偏转角。

[0063]图2a为优选的系统结构三维示意图和截面图；图2b为第二种系统结构截面图，与图2a的区别仅在MLA 3和PG 4的相对位置关系不同，工作原理相似，后文不再赘述。但由于光线先经PG 4偏转后再经MLA 3，使用了31的大视场成像，可能会因大视场像差较大导致像质下降，因此优选图2a所示结构。图2c为第三种系统结构截面图，与前两种工作原理有所差别，将在后文具体阐述。[00]优选地，图3a-3d为方案一前两种示例的工作原理示意图，其中11为液晶显示器1中显示任意一个完整元素图像的区域，21为偏振控制器2中与11对应的部分，31与11和21对应，41为PG中与11、21和31相对应的部分，5为常规集成成像系统的视场角θ61为经41出射0，的LCP光视场，62为经41出射的RCP光视场，7为扩大后的视场角θ。[0065]对于常规的集成成像三维显示系统，如图3a所示，由11发出的光直接被31调制，视场角5的大小由11(或31)的节距以及11与31的距离决定。出于对空间分辨率、景深和三维效果的综合考虑，视场角5通常不会很大。为此，可在系统中加入PG，在不影响其他参数的情况下通过时空复用的方法扩大视场角5。

[0066]图3b给出了一种较为理想的系统配置关系。11显示时序刷新的并经编码的元素图

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像阵列序列，21与11同步刷新将入射光按时序分别转化成与11同步变化的RCP和LCP光出射并进入31，经31进行方向调制后入射到41中，41将RCP入射光整体发生-|α|的角度偏转并转化为LCP光61，将LCP入射光整体发生|α|的角度偏转并转化为RCP光62。由于人眼对圆偏振光的旋向不敏感，因此当11和21高速同步刷新满足人眼视觉暂留条件时，会形成61和62同时存在的连续视觉。特别的，当满足|α|＝θ61和62相邻的边缘视场恰好重合，此时视0/2时，场角7扩大为2θα|。0或4|[0067]如图3c所示，如果|α|＜θ61和62视场会存在重叠影响观看效果，此时视场角70/2，的大小为θα|。如图3d所示，如果|α|＞θ则61和62不能拼接得到连续视场，此时视场0+2|0/2，角7的有效大小为2θ若间断视场较小，可使用定向散射屏对丢失的部分进行补偿，视场角0。7的大小变为为θα|。特别的，如果PG 4或41使用液晶或其他动态可调的PG，并与11和210+2|同步，可以在原有时序中增加一个41不调制区间，将视场角5直接透射，并使|α|＝θ0从而实现2θ此时视场角7的大小为3θ0的视场扩大，0。

[0068]图4为方案一第三种示例的两种工作方式。第一种系统配置如图4a所示，32和33为微透镜阵列3中两个相邻的微透镜，11、21和41均位于32和33连线的中心。基本原理为11显示的时序图像的偏振态经21同步调制得到时序变化的RCP和LCP光，分别经41进行-|α|或|α|的角度偏转后，再分别经过32和33成像，形成61和62两个视场。相似的，第二种系统配置如图4b所示，31与11、21和41相对应，34和35为与31相邻的两个微透镜。基本原理为11显示的时序图像的偏振态经21同步调制得到RCP和LCP光，经过41分别进行-|α|或|α|的角度偏转后，再分别经过34和35成像，形成61和62两个视场。同时如果在时序中增加能够使41不调制的状态，11发出的光直接经31成像，形成61、5和62共三个视场。需要说明的是，无论上述哪种系统配置，都不会像前两种示例一样得到连续视场，一定会存在视场重叠或不连续，具体形式与前两种示例相似，不再单独作图说明。视场无重叠的条件为|α|≥θ此时可以使0/2，用散射屏对丢失的视场进行一定的补偿。

[0069]方案二为基于PLSA背光的集成成像三维显示系统示例，如图5所示，分别为系统结构三维图和截面图，其中8为平行背光，9为集成液晶调制面板(不含背光)。相似的，微透镜阵列3和PG 4的位置可以互换，其与方案一的第二种结构类似，使用了微透镜阵列3或31的大视场成像，但与图示系统结构无原理差异，同样不再赘述。[0070]图6a-6c为工作原理示意图。其中81为平行背光8中与31对应的部分，91为液晶调制面板9中与31对应的部分。同样的，32和33为微透镜阵列3中两个相邻的微透镜；42和43为PG 4中两个相邻的PG区域，中心分别与32和33重合；22和23为偏振控制器2中的相邻区域，分别与42和43对应；82和83为平行背光8中与22和23对应的部分；92和93为液晶调制面板9中与上述子结构对应的部分。

[0071]常规基于PLSA背光的集成成像系统工作原理如图6a所示，81发出平行光经31调制为发散球面波(无像差时)照明91，由91对入射光进行振幅调制后出射，从而使不同方向的光线被加载上与之相应的信息。视场角5由81(或31)的节距和31的焦距决定，出于对空间分辨率、景深和三维效果的综合考虑，视场角5通常不会很大。为此，可在系统中加入PG，在不影响其他参数的情况下通过时空复用的方法扩大视场角5。

[0072]图6b给出了方案二第一种示例的系统配置和工作原理，其中42和43对相同偏振态的入射光衍射角相同，大小相反(如相同的PG旋转180°放置)，但22和23对入射光的偏振态

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进行同步，出射光偏振态相同(如同一个偏振控制器)。在某一时刻，由82和83发出平行光，22和23将入射的平行光调制成具有相同偏振态的圆偏振光(如RCP光)出射，分别经32和33调制为球面波后，再分别由42和43进行-α|或|α|的角度偏转并被转化为LCP光，最后经92和93调制后形成62和63两个视场。实际上液晶调制面板9可以集成线偏光控制器，将入射光转化为了液晶可调制的偏振态，两个视场为偏振态相同的线偏光。将图示子结构进行周期排列，22和23同步刷新改变偏振态(偏振态实时相同，按时序同步出射RCP和LCP光)，并与92和93的时序同步时，就能得到扩大的视场角2θ0。

[0073]图6c给出了方案二第二种示例的系统配置和工作原理，其中42和43完全相同(如同一块PG的相邻区域)，但22和23可以分别对入射光的偏振态进行。在某一时刻，由82发出的平行光经22调制为LCP光，经32调制为球面波后，再由42进行|α|的角度偏转并被转化为RCP光，最后经92调制后形成62视场；与此同时，由83发出的平行光经23调制为RCP光，经33调制为球面波后，再由43进行-|α|的角度偏转并被转化为LCP光，最后经93调制后形成63视场，两个视场为偏振态相同的线偏光。如果92和93为相同的集成液晶调制器，则会有一半的光能损失；若采用不同的参数分别将圆偏光转化为与92和93中液晶匹配的线偏光，则可以避免光能损失。将图示子结构进行周期排列，22和23按时序同步刷新改变偏振态时(偏振实时相反，按时序同步出射RCP-LCP和LCP-LCP光对)，并与92和93的时序同步时，就能得到扩大的视场角2θ0。

[0074]方案二两种结构视场无重叠的条件为|α|≥θ|α|＞θ0/2，0/2时同样可以使用散射屏对丢失的视场进行一定的补偿。

[0075]方案二上述两种方案都是通过两个相邻的微透镜实现的，也可以使用一块微透镜时间复用实现视场角扩大。但这种实例并非优选方案，一定会造成两个视场的重叠或分开，其最终结果类似于方案一实例三，因此不再详细描述。[0076]对于方案一和方案二中所有满足无视场重叠(|α|≥θ除了可以实现0/2)的情况，视场角扩大外，还可以通过改变时序刷新的元素图像阵列的编码方式，实现由61和62两个视场所形成的两个视区的三维显示(或由61、视场角5和62形成三个视区)。不同视区的显示内容可以相同，也可以不同，由元素图像阵列的编码方式决定。[0077]本发明仅就一维视场角扩大的情况进行了详细说明。对于二维视场角扩大，只需再增加一层PG并相应改变元素图像阵列和偏振控制器的刷新时序即可，原理与一维情况完全一致，不再详细论述。[0078]与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：[0079]结构简单；全光控制、无需复杂驱动电路；能够应用于诸多场景。[0080]虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。[0081]上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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图1a

图1b

图2a

图2b

图2c

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说　明　书　附　图

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图3a

图3b

图3c

图3d

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图4a

图4b

图5

图6a

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图6b

图6c

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