一種裸眼3d顯示裝置及實現裸眼3d顯示的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于周視裸眼3D顯示領域，特別涉及一種像素化指向投影屏幕和基于該屏 幕的周視裸眼3D顯示裝置實現裸眼3D顯示的方法。
【背景技術】
[0002] 為了提高圖像及視頻等的顯示質量，3D顯示技術快速發展，廣泛應用于日常娛樂、 醫療及軍事等多個方面。3D顯示技術主要包含眼鏡式3D技術以及裸眼式3D技術，隨著新技 術的不斷涌現，未來將給觀察者帶來更加舒適和身臨其境的感受。在上述顯示模式之外，研 究者還在積極研究4D顯示及全息影像，4D顯示除了視覺、聽覺外還能提供觸覺、嗅覺等全方 位的感受，全息影像可以讓觀察者看到更佳的立體效果。
[0003]全息圖是一種攜帶振幅與位相信息的圖像，能真實再現三維信息，不產生視覺疲 勞，立體效果與觀察者的距離無關。全息顯示的原理可概括為:全息圖可在空間再現三維虛 像或者三維實像，全息圖上的每一點均在向空間各個方向傳輸信息，空間中的每一觀察點 均可看到整幅的圖像。或者說，圖像信息通過光場傳輸會聚在觀察點上。因此，在空間不同 觀察點，應看到不同視角的整幅圖像，相互不干擾。但是，數十年來，受到全息記錄材料、信 息量和技術工藝的限制，全息顯示未能成為裸眼3D顯示的主流。
[0004] 基于視差原理發明的3D顯示技術已100多年，雖然國內外企業不斷有3D顯示的樣 機展示，但由于圖像分辨率和視覺疲勞等問題的限制，裸眼3D顯示一直未能真正進入消費 領域。
[0005] 基于視差原理有視障法與微柱透鏡法的3D顯示裝置，設有指向性背光源，將視障 屏或微柱透鏡板覆蓋在液晶顯示LCD表面。視障屏或柱透鏡陣列將不同視角圖像實現空間 角度分離，光學原理上，由于光源的擴散作用，在空間不同角度上圖像并不唯一，因此，在人 眼觀察3D圖像時，易引起視覺疲勞。同時由于上述方法對光線不能實現任意的調控，因此也 無法實現周視的裸眼3D顯示效果。
[0006] 體3D顯示技術是一種很好的周視裸眼3D顯示方法，其顯示方式多借助裝置的高速 旋轉或者高速掃描的方式，對運行設備要求高，成本大，目前難以實現產業化，面向大眾的 消費。
[0007] 點陣全息技術能夠提供大視角，減小信息量，且其中的納米結構能夠任意的調控 光線的方向，中國專利CN201510778086.5公布了一種基于納米光柵像素的指向投影屏幕， 可以實現多視角裸眼3D顯示。專利US20140300960A1提出一種指向性背光結構，采用像素化 光柵調制出射光場分布，同時提出采用六邊形或者三角形波導結構耦合R、G、B三色光，實現 彩色光的定向調制。專利US20140293759A1提出一種多視角3D手腕手表結構，采用像素化光 柵結構調制光場，配合LCD圖像的刷新，實現3D效果顯示，然而結構同樣采用的是六邊形或 者三角形波導結構耦合R、G、B三色光，實現彩色顯示。惠普公司在國際專利W02014/051624 A1上公開了利用集成混合激光波導陣列指向性背光來實現多視角顯示，用波導陣列來耦合 紅、綠、藍三色光，通過像素型光柵實現光線的定向導出，這種方法可實現彩色3D顯示。上述 專利雖然可以實現多視角裸眼3D顯示，但仍沒有實現周視效果。
[0008] 如果能提供一種無視覺疲勞、周視的裸眼3D顯示裝置，將是一項極具價值的發明 創造。
【發明內容】
[0009] 鑒于此，本發明旨在基于全息原理，通過納米結構的指向投影屏幕與顯示技術相 結合，提供一種無視覺疲勞、周視的裸眼3D顯示裝置。
[0010] 為達到上述目的，本發明的技術方案如下：
[0011] -種裸眼3D顯示裝置，包括：
[0012] 光源，所述光源位于視窗生成裝置的下方；
[0013] 視窗生成裝置，包括：
[0014] 位相信息調制裝置，用于位相調制，即將光源照射來的光改變角度，并在視窗生成 裝置上方空間中匯聚到不同的視點；
[0015] 視角圖像信息調制裝置，用于振幅調制，即加載多視角圖像信息；
[0016] 其中視角圖像調制裝置上的像素與位相信息調制裝置上的像素匹配對準；
[0017]光源的光經過視角圖像信息調制裝置時，加載視角圖像信息調制裝置上加載的多 視角圖像信息，位相信息調制裝置將光以及光投影而來的各視角圖像分別會聚到視窗生成 裝置上方空間中，并在空間產生實現圓環形分離的視點，形成周視觀察光場，即視窗，實現 裸眼3D顯示。當加載的多視角圖像信息按照適當的頻率刷新，就可以實現視頻顯示。
[0018] 利用全息成像與波前轉換原理，巧妙利用位相信息調制裝置用于位相調制，同時 利用視角圖像信息調制裝置用于振幅調制，其中視角圖像信息調制裝置產生的視角圖像的 像素與位相信息調制裝置產生的視點像素匹配對準。意即將具有相位調制功能的組件與具 有振幅調制功能的顯示技術相結合，實現裸眼3D極光顯示，呈現3D圖像信息。
[0019] 進一步的，所述位相信息調制裝置為一指向投影屏幕，其上加工有納米尺寸的納 米光柵，單個納米光柵構成納米光柵像素，即指向投影屏幕的像素，所有納米光柵構成納米 光柵像素陣列，其作用是使指向投影屏幕具有周視功能。
[0020] 進一步的，所述視角圖像信息調制裝置為液晶顯示單元，其上的視角圖像像素組 合成多視角圖像，液晶顯示單元與所述指向投影屏幕貼合，液晶顯示單元上的像素與所述 指向投影屏幕上設有的納米光柵像素陣列對應匹配對準，光源通過一組納米光柵像素陣列 衍射后將多視角圖像中的每一幅視角圖像在裸眼3D顯示裝置上方空間中產生一個會聚光 場即視點，各不同視角圖像形成一組圓環形排列的會聚光場即多視點，共同組合成周視觀 察的視窗，各會聚光場相互不重疊，即使傳播一段距離后，各視角圖像也互不串擾。
[0021] 一般情形下，為了保證投影效果，光源盡可能是平行光或者點光源，在采用現有的 液晶面板時，因為現有的液晶面板上的LED背光是面光源，因此不能使用，需要將液晶面板 后面的LED光源去掉，貼上指向性投影屏幕（背面或者正面），組成視窗生成裝置，然后在視 窗生成裝置下面加上平行光源或點光源形成3D周視顯示，其他液晶部件如驅動電路，彩色 濾光片，封裝玻璃等等可以沿用，當然也可以根據需要，單獨生產符合要求的視角圖像信息 調制裝置。液晶顯示單元也可以采用LCD或者LC0S等器件，或者其他能實現圖像視角調制功 能的器件。
[0022]進一步的，所述指向投影屏幕為透過型指向投影屏幕，所述指向投影屏幕位于視 角圖形信息調制裝置的上方或下方，或者在所述視角圖形信息調制裝置的一面直接制備納 米光柵像素結構即納米像素陣列，而形成一體化的視窗生成裝置。
[0023]進一步的，所述納米光柵像素陣列按照全息原理設計，其納米光柵像素陣列的功 能是對入射的視角圖像進行波前轉換，將平行或點狀照明光場，在屏幕的四周上方空間形 成會聚視點。
[0024] 所述光源向指向投影屏幕垂直或近似垂直投影圖像的視角圖像信息，由所述指向 投影屏幕將垂直或近似垂直投影而來的各視角圖像分別會聚到裸眼3D顯示裝置上方的空 間中，并在空間產生實現圓環形分離的視點，形成周視觀察光場，或稱為視窗。
[0025] 進一步的，所述指向投影屏幕的出光面上設有多組納米光柵像素陣列，各組納米 光柵像素陣列之間根據全息成像原理將各自像素陣列互相嵌合，分布在所述指向投影屏幕 的出光面上；同組納米光柵像素陣列中的像素發出的光指向同一視角，將整體視角圖像成 像在屏幕上方的四周空間處形成會聚視點；不同組的納米光柵像素陣列具有不同的位置的 會聚視點，共同組成圓環形周視視點分布;其中，納米光柵像素內部含有納米光柵結構，納 米光柵像素內部的納米光柵的周期、取向的相互間關系滿足全息原理。
[0026] 納米光柵像素對應的納米光柵結構是一對一的關系。指向投影屏幕是由像素組成 的，和LCD是一樣的，只不過，指向投影屏幕中的像素內部有納米光柵結構，一個像素對應一 個納米光柵結構，每個像素中納米光柵的周期和取向都是根據全息的原理進行計算的（根 據像素的坐標，以及圖像投影的位置坐標進行確定）
[0027] 一般情況下，光源與顯示面板法線的夾角要小于視角與顯示面板法線的夾角：以 垂直角度入射為最佳。這里的視角是指人眼與法線的夾角。
[0028]進一步的，所述指向投影屏幕的出光面上設有多組納米光柵像素陣列，各組納米 光柵像素陣列之間根據全息成像原理將各自像素陣列互相嵌合，分布在所述指向投影屏幕 的出光面上；同組納米光柵像素陣列中的像素發出的光指向同一視角，將整體視角圖像成 像在屏幕上方的四周空間處形成會聚視點；不同組的納米光柵像素陣列具有不同的位置的 會聚視點，共同組成圓環形周視視點分布;其中納米光柵的周期、取向的相互間關系滿足全 息原理。
[0029]進一步的，所述光源包括設于指向投影屏幕的背后的紅、綠、藍三個基色點光源或 者平行光源，或者三色組成的白光點光源或者平行光源，光源發出的光從下而上入射到指 向投影屏幕與液晶面板上面，所述液晶顯示單元貼合在指向投影屏幕上面或者下面，通過 位相調制提供多視角圖像的位相信息，由液晶顯示單元提供多視角圖像的振幅信息，點光 源擴散或平行光照明指向投影屏幕與液晶顯示單元后，將多視角合成圖像的像素與指向投 影屏幕上的納米光柵像素對應，經指向投影屏幕及液晶顯示單元后，經過一段空間距離的 傳播，在視窗生成裝置的上方空間形成不同視