一種基于全息光學元件的裸眼3d顯示裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置。本實用新型在每一個子像素前平行設置一個獨立的全息光學元件；從子像素發出的光經過全息光學元件調制分別成像至最佳觀看距離H平面上的T個子視區，相鄰的視點圖像在最佳觀看距離H平面上成像形成的光斑緊貼且不重疊，實現觀察者的左右眼落在兩個子視區，能分別看到兩個不同的視點圖像的成像，左右眼信息傳到大腦后融合成立體圖像；本實用新型簡化了裸眼3D顯示屏結構，實現幾乎任意尺寸、無縫銜接的裸眼3D顯示；避免大距離屏柵距的產生和控制，降低產品的裝配難度；對現有市面上的LED顯示屏進行改裝成裸眼3D?LED顯示屏，并且無需大改現有的LED屏體結構，降低改裝成本。
【專利說明】
一種基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及3D顯示技術，具體涉及一種基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝 置。
【背景技術】
[0002] 人類生活在一個3D世界里，但目前通常的顯示器卻只能實現2D顯示。為了能更真 實地還原所見世界，裸眼3D顯示已成為顯示領域的新發展方向。目前，光柵式裸眼3D顯示技 術被認為是最可能商業化的裸眼3D顯示技術，常用的光柵式裸眼3D顯示技術有兩種:狹縫 光柵和柱鏡光柵，這兩種技術都是空間復用技術，狹縫光柵是通過黑色部分的遮擋作用來 控制不同視點的光線方向，而柱柵則是利用折射作用改變空間中的光場分布。但是這兩種 方式的光柵都需與2D顯示屏之間需保持一定距離(這里稱之為屏柵距），當觀看距離越遠， 屏柵距則越大。對于大尺寸、遠距離觀看的裸眼3D屏而言，其屏柵距常高達十幾個厘米，顯 示屏面積常高達十幾個平方，若要在2D顯示屏前方安裝如此大尺寸的光柵板，這對于光柵 的加工、運輸安裝，和機械結構的設計、精度都提出了很高的要求。并且，受限于目前的光柵 加工尺寸，對于大尺寸的光柵，通常需要進行拼接處理，更是增加了很多困難。 【實用新型內容】
[0003] 針對以上現有技術中存在的問題，本實用新型提出了一種基于全息光學元件的裸 眼3D顯示裝置及顯示方法。
[0004] 2D顯示屏由排列成陣列的像素構成，每個像素包括紅R、綠G和藍B三個子像素;K張 視點圖像分別由不同的像素顯示。
[0005] 本實用新型的基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置包括:2D顯示屏以及全息光學 元件;在每一個子像素前平行設置一個獨立的全息光學元件;在子像素與全息光學元件之 間設置預處理元件;從子像素發出的光，經預處理元件整形為平行光或球面光;預處理后的 光束入射到對應的全息光學元件上，經過全息光學元件調制，分成T束出射光束，分別成像 至最佳觀看距離平面上的T個子視區，形成光斑，這T個子視區均顯示同一個視點圖像;不同 的視點圖像成像在最佳觀看距離平面上的不同子視區，相鄰的視點圖像在最佳觀看距離平 面上成像形成的光斑緊貼且不重疊，并且顯示同一個視點圖像的光束在最佳觀看距離平面 匯聚于一處;相鄰的兩個子視區的中點之間的距離為左右眼之間的距離，其中，T為2 2的自 然數。
[0006] 預處理后的光束入射到對應的全息光學元件上的光斑，水平寬度與子像素的水平 間距Ph相等，豎直寬度與子像素的豎直間距Pv相等;每個全息光學元件的水平和豎直尺寸分 別為Ph和Pv。
[0007] 從每個全息光學元件出射T條光束，每條光束成像至最佳觀看距離H平面上的光斑 的水平寬度為Sh，豎直寬度為S v，分別打到最佳觀看距離H平面上的T個子視區，這T個子視區 均顯示同一個視點圖像，即第i幅視點圖像。第i-Ι幅視點圖像和第i+Ι幅視點圖像在H平面 上的光斑分布為：與第i幅視點圖像的光斑正好緊貼且不重疊，即相鄰兩幅視點圖像在H平 面上的光斑間距也為Sh。對于有K個視點圖像，則K個視點圖像所成像的光斑寬度之和，稱之 為一個總視區寬度A X2,即每個總視區中具有K個子視區，總視區的個數即是光束的條數T， 而每個視點圖像對應的光斑寬度為一個子視區的寬度Sh，△ X2 = ShXK,則第i幅視點圖像在 H平面上的相鄰兩個光斑間距也為ΔΧ2,其中，i = l，.......，K。不同的視點圖像具有視差， 分別記錄了同一物體不同視角信息，子視區的寬度Sh即是相鄰的兩個子視區的中點之間的 距離，亦即為左右眼之間的距離，從而當左右眼看到不同視點圖像的成像時，就分別看到了 物體的兩個不同視角信息的圖像，左右眼信息傳到大腦后可融合成立體圖像。最佳觀看距 離H由裸眼3D顯示裝置的設計參數決定，Η>0。
[0008] 顯示第i幅視點圖像的像素中的第m個子像素發出的光經過預處理元件后，作為參 考光，經過全息光學元件調制，第η條出射光束，到達第η個子視區，與法線的夾角α為：
[0009]
[0010] 其中，η = ι，……，T，m=l，2,3，i = l，2……LS1SSD顯示屏上顯示第i幅視點圖像 的距離原點最近的子像素距原點的距離，為S2第i幅視點圖像與y軸最近的子視區中心距y 軸的距離。
[0011] 經過全息光學元件調制，出射光束的數量T為：
[0012]
[0013]其中，M為2D顯示屏的水平像素數，floorO表示下取整。
[0014]以上得到了從全息光學元件出射光束的數量和角度，那么就得到了從每個全息光 學元件出射的所有光束性質，繼而求得光場分布。這樣，以子像素經預處理后的光作為參考 光，經全息光學元件調制后出射的光為球面物光，就可以設計出滿足此要求的全息光學元 件。
[00?5]每個全息光學元件的中心點Og為原點，（X1，yi)為2D顯示屏平面，（Xg，y g)為全息光 學元件平面，（XH，yH)為最佳觀看距離H平面，（Xci，y。)為球面物光的匯聚點所處平面，Oo點坐 標為(x〇，y〇，z。)。
[0016] 全息光學元件上的入射光斑的水平尺寸Ph，最佳觀看距離H平面上的光斑的水平 寬度Sh，最佳觀看距離H平面距全息光學元件的距離為H。
[0017] 從全息光學元件出射后的光場分布為d(.V.v\ )，滿足下式：
[0018]
[0019] 其中，珠(.、，_>^)是從全息光學元件出射后的第i條光束的光場分布，是球面光，滿 足下式
[0020]
[0021] 其中 ：軸垂直于紙面向上，則根據幾何關系和三 角相似關系，可得：
[0022]
[0023]其中，當物光方向指向M軸的正方向時，α為正，反之為負。根據上式可以發現，所 有球面物光的匯聚點均在一個平面(x〇，y。）。
[0024] 根據從全息光學元件出射的光場分布，得到滿足此要求的全息光學元件，全息光 學元件上的條紋分布滿足下式：
[0025]
[0026] 其中，為從子像素光線發出經過預處理元件后的光場分布，為平行光或 球面光，）為從全息光學元件出射后的光場分布。
[0027]本實用新型的優點：
[0028] (1)全息光學元件可緊靠安裝在2D顯示屏表面，簡化了裸眼3D顯示屏結構，便于進 行大尺寸的裸眼屏拼接，尤其對于LED裸眼3D屏來說，因為LED屏的一大優勢是可以進行幾 乎任意尺寸的拼接顯示，基于全息光學元件的裸眼3D顯示，正好可利用LED屏的拼接特效， 將全息光學元件安裝到LED的單元板上，實現幾乎任意尺寸、無縫銜接的裸眼3D顯示；
[0029] (2)采用全息光學元件，取代現有的狹縫光柵或柱鏡光柵這兩種主流技術，可以避 免大距離屏柵距的產生和控制，降低產品的裝配難度，消除因光柵拼接或光柵基板拼接導 致的拼接縫，這種拼接縫會導致立體感的下降；
[0030] (3)利用全息光學元件技術，可以對現有市面上的2D顯示屏進行改裝成裸眼3D-LED顯示屏，并且無需大改現有的LED屏體結構，降低改裝成本。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本實用新型的基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置的經過全息光學元件后 的光場傳播的示意圖，其中，（a)為俯視圖，（b)為側視圖；
[0032]圖2為顯示本實用新型的基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置的全息光學元件光 場分布的俯視原理圖；
[0033]圖3為本實用新型的基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置的全息光學元件的設計 原理圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本實用新型。
[0035] 如圖1所示，本實施例的基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置包括：2D顯示屏2D screen以及全息光學元件HOE;在每一個子像素前平行設置一個獨立的全息光學元件;在子 像素與全息光學元件之間設置預處理元件；從子像素發出的光，經預處理元件整形為平行 光或球面光;預處理后的光束入射到對應的全息光學元件上，經過全息光學元件調制，分成 T束出射光束，分別成像至最佳觀看距離H平面上的T個子視區，形成光斑，這T個子視區均顯 示同一個視點圖像;通過全息光學元件調制出射光束的數量和夾角，使得不同的視點圖像 成像在最佳觀看距離H平面上的不同子視區，相鄰的視點圖像在最佳觀看距離H平面上成像 形成的光斑緊貼且不重疊，并且通過全息光學元件控制從每個子像素相對應的全息光學元 件出射光束的夾角，使得顯示同一個視點圖像的光束在最佳觀看距離平面匯聚于一處;相 鄰的兩個子視區的中點之間的距離為左右眼之間的距離;實現觀察者的左右眼能夠落在兩 個子視區，分別看到兩個不同的視點圖像的成像，左右眼信息傳到大腦后融合成立體圖像， 其中，T 2 2的自然數。
[0036]下面來詳細推導全息光學元件的光場控制作用及全息光學元件的制作方法。為了 便于分析和計算，先做幾點簡化：
[0037] 1、因雙目視差原理是基于水平方向的視差量，也就是重點關注在水平方向上的視 點圖像空間分布，因此為了便于計算，將二維的2D顯示屏簡化成一維，忽略豎向光場分布， 僅考慮水平方向的光場分布；
[0038] 2、為了簡化分析，下面僅討論一個視點圖像，如第i幅視點圖像；
[0039] 3、為了將注意力集中到我們關心的全息光學元件光場控制屬性上，下面的計算中 將子像素簡化為一個點，即忽略其水平寬度，并且重點分析從每個全息光學元件出射的不 同離散光束與法線的夾角。
[0040] 下面先計算全息光學元件應實現的光場控制作用，尤其對于光線方向的控制。然 后，再分析如何設計制作滿足此作用的全息光學元件。
[0041] 對于第一步，光場控制作用，為了分析，首先列出相關已知量及待求解量如下： [0042]已知：最佳觀看距離為H、沿俯視面看在水平方向上第i幅視點圖像所在的子像素 間距為Ax1，在最佳觀看距離處沿俯視面看第i幅視點圖像所在相鄰兩個子視區間距，即總 視區寬度為A X2,裸眼3D顯示屏的水平視角為Θ ;
[0043]求解:每個全息光學元件出射光束數量，及每條光束與法線的夾角。
[0044]首先，建立坐標系如圖2所示。圖2中，2D顯示屏在X軸上，此處全息光學元件已與2D 顯示屏平面重合，即忽略從2D顯示屏到全息光學元件之間的預處理過程，因為從全息光學 元件出射光束數量和角度是不因預處理過程的變化而變化的，而是受雙目視差原理確定 的。最佳觀看距離位于y=H平面上，設計觀看范圍的最左邊的坐標為(0，H)。對于第i幅視點 圖像，其在2D顯示屏上的子像素位置分布用小黑點標出，為了簡化計算并假設2D顯示屏最 左邊的子像素為第i幅視點圖像，則最左邊的子像素坐標為(S llO)，根據幾何關系可知，S1 = H tan(0/2)。那么對于從左邊數第m個子像素的坐標位置為(Sl+(m-l)Axl，〇)。
[0045] 再看最佳觀看距離H平面上，已知第i幅視點圖像的相鄰子視區間距為Δχ2,最左 邊的第i幅視點圖像的子視區中心距y軸的距離為&，那么，對于從左邊數第η個子視區的坐 標位置為(S2+(n_l) Δ Χ2，Η)。
[0046] 根據幾何關系可知，對于第i幅視點圖像中的第m個子像素經預處理元件后發出的 光，經全息光學元件后，發射出來的第η條光束，到達第η個子視區，與法線的夾角α為：
[0047] I)
[0048]
[0049]
[0050] 其中，M為2D顯示屏的水平像素的個數，floorO表示下取整。
[0051] 這樣的話，就得到了從每個全息光學元件出射的所有光線性質。下面來說明如何 設計滿足此要求的全息光學元件，首先建立如圖3所示的俯視圖坐標系，以每個全息光學元 件的中心點O g為原點，其中，（xi，yi)為2D顯示屏的平面，（xg，yg)為全息光學元件的平面， (XH，y H)為最佳觀看距離H平面，（Xci，y。)為球面物光的匯聚點所處平面，Oo點坐標為(Xci，y。， Zo ) O
[0052] 根據上面分析可知，全息光學元件上的入射光斑的水平尺寸AB = ph，最佳觀看距 離H平面上的光斑的水平寬度CD = Sh,最佳觀看距離H平面距全息光學元件的距離為H。
[0053]全息光學元件的設計思路是基于傳統的全息干涉和衍射理論，經預處理后的子像 素的光作為參考光在全息光學元件上的光場復振幅分布為參考光的數學表達式 取決于預處理過程，本實施例中預處理后的參考光為平行光，則有：
[0054]
[0055] 其中，Ar為常量振幅，波矢量
表不單位長度上產生的位相變化，λ為波長，aR 和^為傳播與X軸和y軸的夾角方向的方向余弦。
[0056] 經全息光學元件調制后的光為球面物光，球面物光可寫成多個球面光的組合，如 下形式：
[0057] (4)
[0058] 其中，每個球面光可寫成如下表達形式：
[0059]
(5)
[0060] 其中：
，假設yg軸垂直于紙面向上，則根據幾何關系 和三角相似關系，可得：
[0061]
(6)
[0062]其中，當物光方向指向M軸的正方向時，a為正，反之為負。根據上式可以發現，所 有球面物光的匯聚點均在一個平面(x〇，y。）。
[0063]這樣，我們就得到了物光和參考光的數學表達式，根據波動光學理論，兩者干涉后 所形成的全息光學元件上的條紋分布有如下表達式：
[0064]
[0065]將根據上述設計方法制成的全息光學元件裝配到2D顯示屏前方后，2D顯示屏中每 個子像素發出的光束經過預處理后，作為再現的參考光打到全息光學元件時，把全息圖復 位，即把記錄時的物光場復位，那么再現時的光場分布可以寫成如下表達式：
[0066]
[0067]上式中，第一項為零級常量，第二項為我們需要的球面物光組合，第三項為干擾 項，可通過調整物光和參考光的角度來消除干擾項的影響，使其不進入人眼。
[0068]下面給了一個具體實例，以三拼一LED顯示屏為例，為了便于理解全息光學元件的 光場分布，此處以5(K = 5)視點圖像為例，具體參數如表1所示。
[0069]表1以5視點圖像為例的系統參數
[0071] 根據表1，可計算出第i幅視點圖像在2D顯示屏上的水平子像素個數為200個，在最 佳觀看距離處的總視區個數為T = 3個，即從每個全息光學元件出射光束的條數為3束，每個 總視區中有5(Κ = 5)個子視區。
[0072] 根據公式（1)可計算出，每個全息光學元件出射的不同光束與法線的夾角，如表2 所示，這里僅給出了最左側六個全息光學元件分別出射的球面物光束與法線的夾角。
[0073] 表2六個最左側全息光學元件出射光束與法線夾角(單位:度）
[0076] 注:角度為正表示相對于法線逆時針傾斜，反之則為順時針傾斜。
[0077] 根據表2,再結合公式(4)~(6)，便可以計算出設計的物光復振幅，再根據公式(7) 可得到全息光學元件的條紋分布。
[0078]最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本實用新型，但是本 領域的技術人員可以理解:在不脫離本實用新型及所附的權利要求的精神和范圍內，各種 替換和修改都是可能的。因此，本實用新型不應局限于實施例所公開的內容，本實用新型要 求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置，其特征在于，所述裸眼3D顯示裝置包括： 2D顯示屏W及全息光學元件;在每一個子像素前平行設置一個獨立的全息光學元件;在子 像素與全息光學元件之間設置預處理元件；從子像素發出的光，經預處理元件整形為平行 光或球面光;預處理后的光束入射到對應的全息光學元件上，經過全息光學元件調制，分成 T束出射光束，分別成像至最佳觀看距離平面上的T個子視區，形成光斑，運T個子視區均顯 示同一個視點圖像;不同的視點圖像成像在最佳觀看距離平面上的不同子視區，相鄰的視 點圖像在最佳觀看距離平面上成像形成的光斑緊貼且不重疊，并且顯示同一個視點圖像的 光束在最佳觀看距離平面匯聚于一處;相鄰的兩個子視區的中點之間的距離為左右眼之間 的距離，其中，T為> 2的自然數。2. 如權利要求1所述的裸眼3D顯示裝置，其特征在于，預處理后的光束入射到對應的全 息光學元件上的光斑，水平寬度與子像素的水平間距Ph相等，豎直寬度與子像素的豎直間 距Pv相等;每個全息光學元件的水平和豎直尺寸分別為化和Pv。3. 如權利要求2所述的裸眼3D顯示裝置，其特征在于，從每個全息光學元件出射T條光 束，每條光束成像至最佳觀看距離H平面上的光斑的水平寬度為Sh,豎直寬度為Sv,分別打到 最佳觀看距離H平面上的T個子視區，運T個子視區均顯示同一個視點圖像，即第i幅視點圖 像;第i-1幅視點圖像和第i + 1幅視點圖像在H平面上的光斑分布為:與第i幅視點圖像的光 斑正好緊貼且不重疊，即相鄰兩幅視點圖像在H平面上的光斑間距也為Sh;對于有K個視點 圖像，貝化個視點圖像所成像的光斑寬度之和，稱之為一個總視區寬度A X2,即每個總視區 中具有K個子視區，總視區的個數即是光束的條數T，而每個視點圖像對應的光斑寬度為一 個子視區的寬度Sh，A X2 = Sh X K，則第i幅視點圖像在H平面上的相鄰兩個光斑間距也為A X2,其中，i = l,.......,K。4. 如權利要求3所述的裸眼3D顯示裝置，其特征在于，顯示第i幅視點圖像的像素中的 第m個子像素發出的光經過預處理元件后，作為參考光，經過全息光學元件調制，第n條出射 光束，到達第n個子視區，與法線的夾角a為；其中，n = l,......,T，m=l ,2,3，i = l ,2......K，Si為2D顯示屏上顯示第i幅視點圖像 的距離原點最近的子像素距原點的距離，為S2第i幅視點圖像與y軸最近的子視區中屯、距y 軸的距離。5. 如權利要求4所述的裸眼3D顯示裝置，其特征在于，經過全息光學元件調制，出射光 束的數量T為：其中，M為2D顯示屏的水平像素數，floorO表示下取整。6. 如權利要求5所述的裸眼3D顯示裝置，其特征在于，每個全息光學元件的中屯、點Og為 原點，（XI，yi)為2D顯示屏平面，（Xg，yg)為全息光學元件平面，（XH，yH)為最佳觀看距離H平 面，（XD，y。)為球面物光的匯聚點所處平面，Oo點坐標為(x。，y。，z。）；全息光學元件上的入射 光斑的水平尺寸Ph，最佳觀看距離H平面上的光斑的水平寬度Sh，最佳觀看距離H平面距全息 光學元件的距離為H，從全息光學元件出射后的光場分布為()(.、、,，_}/,)，滿足下式：其中，馬,?)是從金島^ ]勺光場分布，是球面光，滿足下 式： 其中yg軸垂直于紙面向上，則根據幾何關系和S角相 似關系得到：其中，當物光方向指向XH軸的正方向時，a為正，反之為負。7.如權利要求6所述的裸眼3D顯示裝置，其特征在于，根據從全息光學元件出射的光場 分布，得到滿足此要求的全息光學元件，全息光學元件上的條紋分布滿足下式：其中，哀為從子像素光線發出經過預處理元件后的光場分布，為平行光或球面 光，，..r.i,)為從全息光學元件出射后的光場分布。
【文檔編號】G09F9/33GK205539748SQ201620290505
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】周揚斌, 崔華坤, 何林, 張穎, 丁凌
【申請人】萬象三維視覺科技（北京）有限公司