基于非对称双柱面镜阵列的立体显示装置及其方法

摘要

本发明公开了基于非对称双柱面镜结构的立体显示方法，采用非对称双柱面镜单元排列成阵列，每根非对称双柱面镜单元在长度方向上与显示屏尺寸的高度近似，所述双柱面镜单元是一对焦距不同的柱面镜，两柱面镜的成像面相互重合，成像面处放置转像元件；显示屏处于非对称双柱面镜阵列照明方向的正前方，在非对称双柱面镜阵列形成左眼照明的状态下显示左图像，在非对称双柱面镜阵列形成右眼照明的状态下显示右图像。从而可以实现立体图像的显示。图像显示单元可以是液晶显示器、透明胶片图像、透明印刷图片，用于提供左右图像对。

说明书

技术领域

本发明涉及不带任何辅助工具、肉眼可直接观看的自有立体显示(Auto-stereoscoopic  display)方法，尤其是一对立体图像对、同时供多人观看的自由立体显示方法。

背景技术

在以显示器件为主要人机互结构的信息技术时代，显示器是人机交互中不可或缺的 器件。另一方面，人的一对眼睛能看到的立体的影像，双眼获得的图像可以使人类感知 景象的纵深信息，大脑借助于这些立体信息获得客观世界的三维空间分布，从而能够进 行准确的运动、定位、操作等各种复杂的活动。立体显示技术是满足上述需求的主要手 段。

目前，实现立体显示的方法有多种，各种立体显示方式及各自的特点如下表：

表1、立体显示方式分类

从技术性能以及可行性角度分析，综合考虑工艺性和可预期的未来市场需求，基于 视差原理的立体显示方式是相对现实可行的办法。按照实现立体显示所需要的图像源数 量，这种立体显示方式可以分成两大类——两视图和多视图。共有三种，如下表：

表2、视差立体显示方式技术特点

类型 所需图像 所需带宽 用户 视角 分辨率 单视点立体 2 窄 单用户 窄 高 头跟踪立体 2 窄 单用户 宽 高 多视点立体 ≥3 宽 多用户 宽 低

从现有的立体显示方式来看，立体现实器的观看角度与显示器的立体图像个数成比 例。为了扩大立体观看角度，通常采用同屏显示多视点立体图像的办法。例如，采用3 视点以上的“多视点”立体显示方案。但是，多视点立体显示需要的视频图像信息量惊 人，特别是在面向远程或无线传输的应用领域，多视点立体显示方式将受到信道带宽的 限制而变得难以实现。另外，由于需要3台以上的摄像装置同时拍摄，使得图像获取环 节的成本提高，体积和重量都会不尽如人意，操作也会复杂化。

发明内容

本发明的目的是：提出一种基于非对称双柱面镜结构的立体显示方式。该方法犹如 单视点立体显示技术那样只需要一对立体图像信号，又能够实现多人同时独立观看。这 样，本发明自由立体图像显示技术将使得立体视频图像的信号传输带宽降低到最小水平， 又可以保证多用户、宽视角地同时观看立体图像。

本发明的自由立体显示装置采取以下的技术方案实现：基于非对称双柱面镜结构的 立体显示方法和装置，由非对称双柱面镜单元排列成阵列构成，每根非对称双柱面镜单 元在长度方向上与实用的显示屏尺寸的高度近似，所述双柱面镜单元在垂直于长度方向 的纵截面是胶囊形，纵截面两端是一对焦距不同的柱面镜的弧线曲线，其中较短焦距为 3±1.5mm，长焦距大于6±1.5mm，两柱面镜的成像面相互重合，成像面之间设置转像 元件；显示屏处于非对称双柱面镜阵列照明方向的正前方，在非对称双柱面镜阵列形成 左眼照明的状态下显示左图像，在非对称双柱面镜阵列形成右眼照明的状态下显示右图 像。转像元件将一只柱面镜的像面转换成另一只柱面镜的物面，转像元件是全息薄膜、 漫射面、导光板，结构上可以是平面形态、曲面形态、平面加曲面形态。

非对称双柱面镜阵列构成中，各非对称双柱面镜单元的光轴相互平行布局，也可以 相互汇聚布局；阵列构成中，设置非对称双柱面镜单元光轴承像面与其光轴的交点称作 “主点”处于同一圆弧上，也可以设置成处于同一平面上。

短焦距柱镜的焦距为3±1.5mm，长焦距柱镜的焦距为大于6±1.5mm，本发明非对 称双柱面镜单元阵列处于菲涅尔透镜一方，在菲涅尔透镜的另一方，安置了两排照明光 源阵列，照明光源构成阵列，用于改变平行于液晶面板方向的立体显示视窗位置，扩展 立体显示器的水平视角；光源阵列沿液晶面板法线方向排成两排，用于改变垂直于液晶 面板方向的立体显示视窗位置，扩展立体显示器的纵向显示区。通过这样的设计，可以 扩大清晰显示立体图像的空间区域，也可以为多用户同时显示立体图像。菲涅尔透镜的 焦距为550±50mm，

非对称双柱面镜阵列与照明光源之间还添加了菲涅尔透镜等构成的场镜，照明光源 经场镜成像之后，再经过非对称双柱面镜阵列折向。

非对称双柱面镜阵列中的各非对称双柱面镜单元之间相互独立，不同双柱面镜单元 没有光线的相互进出。

与本发明方案最相接近的技术方案是基于对称双柱面镜的背投式立体显示器。在这 种结构中，其前后双柱面镜具有完全相同的光学参数，而不像本发明的前后双柱面镜具 有不同的光学焦距；此外，本发明的双柱面镜单元之间相互独立成像，也就是说，两个 双柱面镜单元之间没有光线的相互进出。而从器件在形成立体图像的作用上讲，对称双 柱面镜阵列用于图像投影屏幕，即左右图像直接投影与双柱面镜阵列上；而本发明的非 对称双柱面镜阵列则是用于照明模块，图像是由液晶屏来显示的。正因为如此，非对称 双柱面镜在排列形成阵列的方式上具有灵活性，如图2和图3的平行式和汇聚式结构。 由于非对称双柱面镜的视场角放大作用，可以用小视场角分布的照明光源得到大视场角 的照明。

本发明构成的立体显示器具有以下特点：使用两幅立体图像对，可为多用户提供立 体图像。这一性能，是目前的立体显示器(见表2)所无法做到的。

附图说明

图1是本发明方法的非对称双柱面镜结构示意图,其中(a)平场对称双柱面镜(b)场曲 非对称双柱面镜；

图2是本发明的平行式非对称双柱镜阵列(a)阵列结构三维示意图；(b)阵列结构 端面示意图；

图3是本发明的汇聚式非对称双柱镜阵列；

图4是本发明的基于非对称双柱镜阵列的立体液晶显示器；

图5是本发明的立体液晶显示器实施例结构示意图；

图6是投影式立体显示实施例结构示意图。

具体实施方式

显示装置的核心元件是非对称双柱面镜，如图1所示，由一对焦距互不相同的柱面 镜构成，两柱面镜(包括柱镜1和柱镜2)的光轴相互平行或者重合布置。柱面镜的成 像面相互重合，在成像面处设置转像元件，如图1(a)所示。转像元件3的作用是将柱 镜1的成像点转换成柱镜2的照明光点，结构上，转像元件可以是平面形态、曲面形态、 平面加曲面形态。平面形态的转像元件则实现同一平面之间的转换、不同平面之间的转 换，曲面形态则实现同一曲面的转换、不同曲面之间的转换，平面加曲面形态则实现平 面与曲面之间的转换。几何构造上，转像元件可以是薄膜元件，例如漫射层、全息层， 也可以是具有不同结构的三维元件，例如导光元件等。柱镜2的另一端(下表面)可以 是球面，也可以设计成近球面的非球面，即截面的曲线可以是圆锥曲线或卵形线等。外 界光线经由柱镜1汇聚于转像元件表面，并被漫射后形成大散射角的二次光源，形成二 次光源的转像元件表面可称作“承像面”，非对称双柱面镜成像面与其光轴的交点称作“主 点”。经柱镜1汇聚的光线在承像面形成细长的光带，光带经柱镜2成像，在柱镜2的像 方空间形成带状光照。为了使柱镜2获得大视场角成像，采用图1(a)所示的场曲结构。 柱镜1与柱镜2之间，设置导光板，用于像面转换，将柱镜1的像面转换成柱镜2的场 曲面。导光板4可以用柱状光导纤维，也可以采用片状光导纤维构成。非对称双柱面镜 中，参与成像的表面是两个柱镜的曲面以及承像面，其他表面涂黑，不透光。

与通常的对称双柱面镜相比，非对称双柱面镜的特点在于：两个柱面镜具有不同的 焦距，具有视场缩放的作用。如果光束由大焦距的透镜入射，从小焦距的透镜出射，则 光线的视场角被放大，反之，则被缩小。

将非对称双柱面镜组合排列，构成非对称双柱镜阵列，如图2、图3所示。阵列结 构可以构成按照图2(a)所示的平行方式布局，也可以按照图3所示的汇聚布局。平行 方式布局的特点在于：阵列中的非对称双柱面镜的光轴相互平行，如图2(b)所示，承 像面处于同一平面。汇聚方式布局的特点在于：阵列中的非对称双柱面镜的光轴指向同 一空间点，非对称双柱面镜的主点处于同一圆弧上，根据显示器结构设计的需要，也可 以设置成处于同一平面上。

非对称双柱镜阵列与图像显示单元构成立体显示器的结构，图像显示单元即显示图 像信号的显示器件，可以是液晶面板、透明印刷图片、胶片等，其位置处于非对称双柱 面镜阵列方向的正前方，即照明光束照射的方向，如图4所示。非对称双柱面镜阵列设 置在图像显示单元和照明光源之间，光源S1、S2经由非对称双柱镜阵列成像，分别形 成照明光带S'1、S'2。液晶面板的像素阵列分别显示左右图像，并且与光源S1、S2相互 配合，那么在照明光带S'1、S'2处，将分别只能观看到左或者右图像。按照这样的布局， 在非对称双柱面镜阵列形成左眼照明的状态下，图像显示单元显示左图像；而在非对称 双柱面镜阵列11形成右眼照明的状态下，图像显示单元显示右图像，用户从而可以观看 到立体的图像。由于非对称双柱镜阵列的视场角放大作用，使得视场角为ω1的光源S1 被成像于视场角ω2处，形成光带S'1。为了缩短照明光源的空间尺寸，在非对称双柱镜 阵列与光源之间，设置场镜，这样，光源经场镜5形成所希望的空间位置的虚拟像，再 作为非对称双柱镜阵列的照明光源。液晶面板6。

实施例1

图5所示的结构示意图，是本发明的立体液晶显示器实施例，显示器结构采用平行 式非对称双柱镜阵列11。其中，短焦距柱镜的焦距为2mm，其柱镜阵列处于液晶面板一 方；长焦距柱镜的焦距为5mm，在菲涅尔透镜后方。设置了两排照明光源阵列7、8， 照明光源构成阵列，用于改变平行于液晶面板方向的立体显示视窗位置，扩展立体显示 器的水平视角；光源阵列沿液晶面板法线方向排成两排，用于改变垂直于液晶面板方向 的立体显示视窗位置，扩展立体显示器的纵向显示区。通过这样的设计，可以扩大清晰 显示立体图像的空间区域，也可以为多用户同时显示立体图像。结构中，菲涅尔透镜的 焦距为550mm，根据系统预定的设计要求，两排照明光源阵列分别置于距离菲涅尔透镜 9的物方空间的两个不同位置，并经菲涅尔透镜形成设计所要求的空间像点。这样的布 局，可以缩小照明阵列结构的尺寸，同时也减小了立体显示器的体积。

照明光源阵列成对发光，其中一只发光时，液晶面板显示左图像，而另一只发光时， 液晶面板显示右图像。为了进一步扩展立体显示器的垂直视角，在液晶面板的面向观看 者的一面粘贴一层垂直扩散膜10，用来扩展非对称双柱面镜阵列所形成的照明光带的垂 直方向的张角。

实施例2

图6所示的结构示意图，是本发明的投影式立体显示实施例，显示器结构采用平行 式非对称双柱镜阵列。非对称双柱镜的小焦距一方布置投影机阵列P1、P2、P3……、PN， N台投影机12分别投影不同视角的图像，在非对称双柱面镜阵列11的转像元件表面形 成清晰的图像。不同视角的图像经长焦距柱面镜阵列再次成像，各视角的图像被投影到 对应的主窗口位置W1、W2、W3、……WN。观看者眼睛处于相邻主窗口及其附近一定 范围的区域，将分别观看到不同视角的图像，从而观看到立体图像。非对称双柱镜阵列 作为投影式立体显示的屏幕，将可以使系统以短的投影距离Lp，形成长的立体成像距离 Ls，从而缩小立体投影系统的体积和尺寸。

两柱面镜的第二柱镜(2)的另一端(下表面)可以是球面，也可以设计成近球面的 非球面，即截面的曲线可以是圆锥曲线或卵形线等。非对称双柱面镜阵列与照明光源之 间还添加了菲涅尔透镜等构成的场镜，照明光源经场镜成像之后，再为非对称双柱面镜 阵列提供照明。

非对称双柱面镜单元阵列与光源之间设有场镜，处于菲涅尔透镜一方，在菲涅尔透 镜后方。设置了两排照明光源阵列，照明光源构成阵列，用于改变平行于液晶面板方向 的立体显示视窗位置，扩展立体显示器的水平视角；光源阵列沿液晶面板法线方向排成 两排，用于改变垂直于液晶面板方向的立体显示视窗位置，扩展立体显示器的纵向显示 区。通过这样的设计，可以扩大清晰显示立体图像的空间区域，也可以为多用户同时显 示立体图像。菲涅尔透镜的焦距可为550±50mm。