[發明專利]基于光場掃描的全視差360°三維顯示裝置和方法

有效

• 申請號: 201610213413.7
• 申請日: 2016-04-07
• 公開（公告）號: CN105700162B
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 李海峰;蘇忱;劉瑪麗;徐良;劉旭
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B27/22
• 分類號: G02B27/22;G03B21/602
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開一種基于光場掃描的全視差360°三維顯示裝置，包括偏折型定向散射屏幕、柱面透鏡陣列屏幕、高速投影機、轉動裝置、轉動檢測裝置。本發明還公開一種基于光場掃描的全視差360°三維顯示方法，通過對各視點對應的視角圖像進行的光場重構處理以及集成處理，實現全視差三維顯示。本發明通過結合掃描型光場重構和集成成像顯示方案，實現顯示空間內自由的全視差三維顯示體驗；其中掃描型光場重構解決方案與基于柱面透鏡陣列的集成成像技術分別對水平光場與豎直光場進行重構，實現不同水平位置和豎直位置都視點正確的全視差三維顯示。

技術領域

本發明屬于三維顯示技術領域，具體涉及一種基于光場掃描的全視差360°三維顯示裝置和方法。

背景技術

近年來，隨著光電技術以及計算機繪制技術的快速發展，三維顯示技術正在經歷前所未有的發展，對構建大可視角度甚至360°的裸眼三維顯示的研究與應用也受到越來越多的重視。現有的三維顯示技術包括全息三維顯示技術、體三維顯示技術、集成成像三維顯示技術以及光場三維顯示技術等。

全息三維顯示利用干涉記錄衍射再現的方法，記錄并復現了目標光線的強度、相位以及波長等全部波前信息，所以理論上觀看真實物體和觀看其全息圖像沒有任何差別。但是受制于感光膠片的分辨率和再現光線的波長，實際顯示場景的清晰度和顏色還原度都大幅下降，并且較難應用于動態顯示。體三維顯示通過LED陣列或激光掃描的方式重構全角度發光的體素點云，便于集成并實現較大尺度的三維顯示，但是無法控制光線方向，導致重構的三維場景是透明的，使其不具備遮擋效應并且無法實現紋理顯示。集成成像三維顯示通過液晶面板與柱面光柵(或柱面透鏡陣列)組合實現，引導包含具體信息的光線進入特定觀察區，產生與各視點相對應的圖像，實現三維顯示。但是液晶面板的分辨率以及柱面光柵的折射能力，限制了系統的正確視角數以及可觀察角度。光場三維顯示通過投影技術和定向屏幕控制光線的信息和出射方向，實現目標物體的光場重構，相較于全息顯示，依賴于計算機渲染技術的光場三維顯示可以實現高分辨率動態且具有復雜紋理的三維場景。光場三維顯示的實現方式包括掃描型和拼接型。掃描型光場三維顯示通過高速投影機和偏折型定向散射屏實現光場的360度掃描重構，拼接型光場三維顯示通過投影機陣列和定向散射屏實現光場的拼接重構。

隨著各類顯示器件的分辨率和調制度等性能不斷提升，集成成像三維顯示與光場三維顯示的實現效果越來越逼真，但受制于實際機構，為同時實現水平視差與豎直視差，顯示系統需要使用數量龐大的投影機以及微透鏡陣列，或增加人眼跟蹤模塊，這將使得整套系統變得龐大不易于維護。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明提供了一種基于光場掃描的全視差360°三維顯示裝置和方法，將基于光場掃描技術，通過結合掃描型光場重構和集成成像顯示方案，實現顯示空間內自由的全視差三維顯示體驗。其中水平視差通過掃描型光場重構解決方案實現，即將根據映射算法得到的圖像序列同步投影到旋轉的透射式定向散射屏幕上，得益于偏折型定向散射屏的光線調制特性，系統通過旋轉掃描實現了水平方向的光場重構，用戶可以圍繞顯示系統觀察到相應視角的場景。但是由于屏幕的豎直方向具有較大散射角，該種掃描型光場系統無法實現豎直視差。通過將柱面透鏡陣列疊加在偏折型定向散射屏之上的方式，可以實現對豎直方向光線的二次調制，因此實現豎直方向的光場重構，實現全視差三維顯示。

本發明的具體技術方案如下：

一種基于光場掃描的全視差360°三維顯示裝置，包括偏折型定向散射屏幕、柱面透鏡陣列屏幕、高速投影機、轉動裝置、轉動檢測裝置。

偏折型定向散射屏幕：對入射光線的出射方向進行水平調制；

柱面透鏡陣列屏幕：對入射光線的出射方向進行豎直調制；

高速投影機：根據屏幕的光學特性得到二維圖像序列，并將其投影到屏幕的相應位置，配合屏幕的轉動實現三維圖像顯示；

轉動裝置：與定向散射屏連接，并帶動定向散射屏轉動；