[发明专利]基于光场扫描的全视差360°三维显示装置和方法

说明书

本发明公开一种基于光场扫描的全视差360°三维显示装置，包括偏折型定向散射屏幕、柱面透镜阵列屏幕、高速投影机、转动装置、转动检测装置。本发明还公开一种基于光场扫描的全视差360°三维显示方法，通过对各视点对应的视角图像进行的光场重构处理以及集成处理，实现全视差三维显示。本发明通过结合扫描型光场重构和集成成像显示方案，实现显示空间内自由的全视差三维显示体验；其中扫描型光场重构解决方案与基于柱面透镜阵列的集成成像技术分别对水平光场与竖直光场进行重构，实现不同水平位置和竖直位置都视点正确的全视差三维显示。

技术领域

本发明属于三维显示技术领域，具体涉及一种基于光场扫描的全视差360°三维显示装置和方法。

背景技术

近年来，随着光电技术以及计算机绘制技术的快速发展，三维显示技术正在经历前所未有的发展，对构建大可视角度甚至360°的裸眼三维显示的研究与应用也受到越来越多的重视。现有的三维显示技术包括全息三维显示技术、体三维显示技术、集成成像三维显示技术以及光场三维显示技术等。

全息三维显示利用干涉记录衍射再现的方法，记录并复现了目标光线的强度、相位以及波长等全部波前信息，所以理论上观看真实物体和观看其全息图像没有任何差别。但是受制于感光胶片的分辨率和再现光线的波长，实际显示场景的清晰度和颜色还原度都大幅下降，并且较难应用于动态显示。体三维显示通过LED阵列或激光扫描的方式重构全角度发光的体素点云，便于集成并实现较大尺度的三维显示，但是无法控制光线方向，导致重构的三维场景是透明的，使其不具备遮挡效应并且无法实现纹理显示。集成成像三维显示通过液晶面板与柱面光栅(或柱面透镜阵列)组合实现，引导包含具体信息的光线进入特定观察区，产生与各视点相对应的图像，实现三维显示。但是液晶面板的分辨率以及柱面光栅的折射能力，限制了系统的正确视角数以及可观察角度。光场三维显示通过投影技术和定向屏幕控制光线的信息和出射方向，实现目标物体的光场重构，相较于全息显示，依赖于计算机渲染技术的光场三维显示可以实现高分辨率动态且具有复杂纹理的三维场景。光场三维显示的实现方式包括扫描型和拼接型。扫描型光场三维显示通过高速投影机和偏折型定向散射屏实现光场的360度扫描重构，拼接型光场三维显示通过投影机阵列和定向散射屏实现光场的拼接重构。

随着各类显示器件的分辨率和调制度等性能不断提升，集成成像三维显示与光场三维显示的实现效果越来越逼真，但受制于实际机构，为同时实现水平视差与竖直视差，显示系统需要使用数量庞大的投影机以及微透镜阵列，或增加人眼跟踪模块，这将使得整套系统变得庞大不易于维护。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于光场扫描的全视差360°三维显示装置和方法，将基于光场扫描技术，通过结合扫描型光场重构和集成成像显示方案，实现显示空间内自由的全视差三维显示体验。其中水平视差通过扫描型光场重构解决方案实现，即将根据映射算法得到的图像序列同步投影到旋转的透射式定向散射屏幕上，得益于偏折型定向散射屏的光线调制特性，系统通过旋转扫描实现了水平方向的光场重构，用户可以围绕显示系统观察到相应视角的场景。但是由于屏幕的竖直方向具有较大散射角，该种扫描型光场系统无法实现竖直视差。通过将柱面透镜阵列叠加在偏折型定向散射屏之上的方式，可以实现对竖直方向光线的二次调制，因此实现竖直方向的光场重构，实现全视差三维显示。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于光场扫描的全视差360°三维显示装置，包括偏折型定向散射屏幕、柱面透镜阵列屏幕、高速投影机、转动装置、转动检测装置。

偏折型定向散射屏幕：对入射光线的出射方向进行水平调制；

柱面透镜阵列屏幕：对入射光线的出射方向进行竖直调制；

高速投影机：根据屏幕的光学特性得到二维图像序列，并将其投影到屏幕的相应位置，配合屏幕的转动实现三维图像显示；

转动装置：与定向散射屏连接，并带动定向散射屏转动；