一種基于全息光學元件的裸眼3d顯示裝置及顯示方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及3D顯示技術，具體涉及一種基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置及顯 示方法。
【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。

【發明內容】

[0003] 針對以上現有技術中存在的問題，本發明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] 本發明的一個目的在于提出一種基于全息光學元件的裸眼3D顯示裝置。
[0005] 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。
[0006] 本發明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;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相鄰的子視區，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為2 2的自然 數。
[0007] 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。
[0008] 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Η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Η平面上的Τ個子視區，這Τ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Η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Η平 面上的光斑間距也為S h。對于有Κ個視點圖像，則Κ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 = ShXK，則第i幅視點圖像在 Η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Η 由裸眼3D顯示裝置的設計參數決定，Η>0。
[0009] 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：
[0010]
[0011] 其中，η = 1，……，T，m=l，2,3，i = l，2……1(，31為20顯示屏上顯示第1幅視點圖像 的距離原點最近的子像素距原點的距離，為&第i幅視點圖像與y軸最近的子視區中心距y 軸的距離。
[0012] 經過全息光學元件調制，出射光束的數量T為：
[0013]
[0014]其中，Μ為2D顯示屏的水平像素數，floorO表示下取整。
[0015]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。
[0016]每個全息光學元件的中心點0g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Η平面，（Xci，y。)為球面物光的匯聚點所處平面，0〇點坐 標為(x〇，y〇，z。)。
[0017] 全息光學元件上的入射光斑的水平尺寸Ph，最佳觀看距離Η平面上的光斑的水平 寬度Sh，最佳觀看距離Η平面距全息光學元件的距離為Η。
[0018] 從全息光學元件出射后的光場分布為占(\,& )，滿足下式：
[0019]
[0020] 其中，δ,.(?)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：
[0021]
15 ' 5 / r *'
[0022] 其中
，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：
[0023]
[0024]其中，當物光方向指向Μ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。）。
[0025] 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：
[0026]
[0027]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，& (xs)為從全息光學元件出射后的光場分布。
[0028]本發明的另一個目的在于提供一種基于全息光學元件的裸眼3D顯示方法。
[0029]本發明的基于全息光學元件的裸眼3D顯示方法，包括以下步驟：
[0030] 1)在每一個子像素前平行設置一個獨立的全息光學元件；
[0031] 2)在子像素與全息光學元件之間設置預處理元件；
[0032] 3)從子像素發出的光，經預處理元件整形為平行光或球面光；
[0033] 4)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；
[0034] 5)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相鄰的子 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