一种周期性光场立体显示装置

1.本发明属于光场立体显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种周期性光场立体显示装置。


背景技术：

2.以一种投影光场立体显示装置（专利号2021115193543）为例，基于非共轴光学系统的投影光场立体显示中，立体图像的法线与分光元件的法线不再平行，从而使得观看者沿特定方向远离投影屏幕时，其观看到的光场不再发生变化，因此可使前后不同的观看者都能看到一致的立体图像。然而因分光元件形成的视点间距与分光元件到投影机阵列的距离有关，且因投影屏幕上不同位置的分光元件到投影机阵列的距离不同，故采用相同参数的分光元件无法获得相同的视点间距，因此其无法产生周期性光场，最终观看者仅能从主视区内看到立体图像。而周期性光场可以在主视区外形成与主视区一致的空间光场，从而有效拓宽显示装置的观看范围。
3.为解决传统的基于非共轴光学系统的投影光场立体显示难以形成周期性光场的问题，本发明提出了一种周期性光场立体显示装置，该周期性光场立体显示装置采用不同参数的光学元件构建投影屏幕，且各光学元件的参数按其所在空间位置进行耦合，从而可以使得这些分光元件可生成一致的视点间距，并构建出周期性光场。


技术实现要素：

4.为解决传统的基于非共轴光学系统的投影光场立体显示难以形成周期性光场的问题，本发明提出了一种周期性光场立体显示装置。
5.该周期性光场立体显示装置由投影机阵列及一维逆反射片阵列构成。一维逆反射片阵列为投影屏幕，投影机阵列中各个投影机投射视差图像于一维逆反射片阵列之上，形成图像平面。
6.一维逆反射片阵列由多个一维逆反射片构成。一维逆反射片作为分光元件能在某方向上形成一维逆反射，即在该方向上不同位置的投影机，其发射的光线能经一维逆反射片逆反射后在该方向上分别再次汇聚于各自位置。上述一维逆反射片的法线方向一致且不与图像平面的法线平行。上述一维逆反射片的法线方向与其实现一维逆反射的方向垂直。
7.投影机阵列中的投影机以任意形式进行密集排列，每一投影机分别投射一幅视差图像。
8.一维逆反射片由柱透镜光栅及漫反射层形成的复合结构构成。设沿一维逆反射片的法线方向柱透镜光栅到投影机的距离为l1，柱透镜光栅焦距为f，其所构成的周期性光场节距为p1，则柱透镜光栅节距p2及柱透镜光栅到漫反射层的距离l2应满足p2=p1×
l2/(l1+l2)，且l2应大于等于f并小于2f。
9.可选的，一维逆反射片由狭缝光栅替换柱透镜光栅。狭缝光栅除无焦距限制条件外，其狭缝节距p2及柱透镜光栅到漫反射层的距离l2满足同样条件，即p2=p1×
l2/(l1+l2)。
10.本发明实现立体显示的技术原理为：投影机阵列中的投影机以任意形式进行密集排列。各投影机将图像投射至一维逆反射片阵列之上，形成图像平面。这些光线分别达到一维逆反射片阵列上的各个一维逆反射片上，并经由一维逆反射片进行逆反射。任意一台投影机发射的光线经逆反射后，光线汇聚于一条直线上，该直线方向垂直于一维逆反射片的法线方向及其一维逆反射方向。可以理解到，该直线上看到的信息均来自于同一投影机，因此该直线上应具有完成一致的信息。对于任意投影机均具有上述性质，则不同投影机所投射光线汇聚至的直线形成平行排列，从而构建了立体视觉光场。人眼处于立体视觉光场中时，可以产生立体视觉。
11.本发明实现周期性光场的技术原理为：若形成周期性光场，则任一投影机所投射光线经相邻的两条柱透镜出射后，应形成相同的视点间距，即周期性光场节距p1。根据相似三角形原理，p1=p2×
(l1+l2)/l2。而投影屏幕上不同位置的一维逆反射片沿其法线方向其柱透镜光栅到投影机的距离l1不同，若采用参数一致的一维逆反射片，即柱透镜光栅节距p2及柱透镜光栅到漫反射层的距离l2完全相同时，因l1不同，那么对不同位置的一维逆反射片其形成视点间距，即周期性光场节距p1一定不同，故其无法形成周期性光场。
12.而本发明中，对不同位置的一维逆反射片，设置不同的柱透镜光栅节距p2及柱透镜光栅到漫反射层的距离l2，且其满足p2=p1×
l2/(l1+l2)。将该式代入p1=p2×
(l1+l2)/l2后可得p1=p1，即对不同位置的一维逆反射片其可以形成完全一致的周期性光场节距。
13.综上所述，本发明中，因对不同位置的一维逆反射片，设置不同的柱透镜光栅节距p2及柱透镜光栅到漫反射层的距离l2，则对不同位置的一维逆反射片其可以形成完全一致的周期性光场节距，从而构建出周期性光场。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图。
15.图2为本发明的原理示意图。
16.图3为本发明中不同一维逆反射片的位置关系示意图。
17.图标：100-图像平面；200-一维逆反射片阵列；300-投影机；400-一维逆反射片；410-第一一维逆反射片；420-第二一维逆反射片；301-相邻柱透镜出射位置；401-漫反射层；402-柱透镜光栅。
18.应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式实施例
19.图1为本实施例提供的一种周期性光场立体显示装置。该周期性光场立体显示装置由投影机阵列及一维逆反射片阵列200构成，投影机阵列由投影机300在x’方向上排列而成。一维逆反射片阵列200为投影屏幕，投影机阵列中各个投影机300投射视差图像于一维逆反射片阵列200之上，形成图像平面100。
20.一维逆反射片阵列200由多个一维逆反射片400构成。一维逆反射片400作为分光
元件能在x方向上形成一维逆反射，x与x’平行。即在x’方向上不同位置的投影机，其发射的光线能经一维逆反射片400逆反射后在x’方向上分别再次汇聚于各自位置。上述一维逆反射片400的法线方向为z方向，其方向一致且不与图像平面的法线k平行。上述一维逆反射片的法线方向z与其实现一维逆反射的方向x垂直。
21.投影机阵列中的投影机300以任意形式进行密集排列，每一投影机300分别投射一幅视差图像。
22.请参考图2，一维逆反射片400由柱透镜光栅402及漫反射层401形成的复合结构构成。沿一维逆反射片400的法线z方向柱透镜光栅402到投影机300的距离为l1，柱透镜光栅402焦距f为5 mm，其所构成的周期性光场节距p1为603 mm，则柱透镜光栅402节距p2及柱透镜光栅402到漫反射层401的距离l2应其满足p2=p1×
l2/(l1+l2)，其中l2=5 mm。
23.本发明实现立体显示的技术原理为：请参考图1，投影机阵列中的投影机300以任意形式进行密集排列。各投影机300将图像投射至一维逆反射片阵列200之上，形成图像平面100。这些光线分别达到一维逆反射片阵列200上的各个一维逆反射片400上，并经由一维逆反射片400进行逆反射。任意一台投影机300发射的光线经逆反射后，光线汇聚于一条直线上，该直线方向y垂直于一维逆反射片的法线方向z及其一维逆反射方向x。可以理解到，该直线上看到的信息均来自于同一投影机，因此该直线上应具有完成一致的信息。对于任意投影机300均具有上述性质，则不同投影机300所投射光线汇聚至的直线形成平行排列，从而构建了立体视觉光场。人眼处于立体视觉光场中时，可以产生立体视觉。
24.本发明实现周期性光场的技术原理为：请参考图2，若形成周期性光场，则任一投影机300所投射光线经相邻的两条柱透镜出射后，一条光路沿原柱透镜出射后返回至投影机300位置，另一条光路沿相邻柱透镜出射后到达相邻柱透镜出射位置301，从而应形成相同的视点间距，即周期性光场节距p1。根据相似三角形原理，p1=p2×
(l1+l2)/l2。
25.请参考图3，投影屏幕上不同位置的一维逆反射片沿其法线z方向其柱透镜光栅到投影机300的距离l1不同，第一一维逆反射片410沿其法线z方向其柱透镜光栅到投影机的距离l1为ovd1=1000 mm，而第二一维逆反射片420沿其法线z方向其柱透镜光栅到投影机的距离l1为ovd2=1200 mm。若采用参数一致的一维逆反射片，即第一一维逆反射片410与第二一维逆反射片420的柱透镜光栅402节距p2同为3 mm时，因l1不同，那么对第一一维逆反射片410，其相邻视点间距p1=p2×
(ovd1+l2)/l2=603 mm，而对第二一维逆反射片420，其相邻视点间距应等于p1=p2×
(ovd2+l2)/l2=723 mm，故其无法形成周期性光场。
26.而本发明中，对不同位置的一维逆反射片400，设置不同的柱透镜光栅402节距p2，且其满足p2=p1×
l2/(l1+l2)，即对第一一维逆反射片410具有p2=p1×
l2/(ovd1+l2)=3 mm，而对第二一维逆反射片420具有p2=p1×
l2/(ovd2+l2)= 2.502 mm。将第一一维逆反射片410的p2=3 mm代入p1=p2×
(ovd1+l2)/l2后可得p1=603 mm；而将第二一维逆反射片420的p2=2.502 mm代入p1=p2×
(ovd2+l2)/l2后，同样可得p1=603 mm，因此，本发明对不同位置的一维逆反射片400其可以形成完全一致的周期性光场节距。
27.综上所述，本发明中，因对不同位置的一维逆反射片400，设置不同的柱透镜光栅402节距p2，则对不同位置的一维逆反射片400其可以形成完全一致的周期性光场节距，从
而构建出周期性光场。

技术特征：
1.一种周期性光场立体显示装置，其特征在于：该周期性光场立体显示装置由投影机阵列及一维逆反射片阵列构成；一维逆反射片阵列为投影屏幕，投影机阵列中各个投影机投射视差图像于一维逆反射片阵列之上，形成图像平面；一维逆反射片阵列由多个一维逆反射片构成；一维逆反射片作为分光元件能在某方向上形成一维逆反射，即在该方向上不同位置的投影机，其发射的光线能经一维逆反射片逆反射后在该方向上分别再次汇聚于各自位置；上述一维逆反射片的法线方向一致且不与图像平面的法线平行；上述一维逆反射片的法线方向与其实现一维逆反射的方向垂直；投影机阵列中的投影机以任意形式进行密集排列，每一投影机分别投射一幅视差图像；一维逆反射片由柱透镜光栅及漫反射层形成的复合结构构成；设沿一维逆反射片的法线方向柱透镜光栅到投影机的距离为l1，柱透镜光栅焦距为f，其所构成的周期性光场节距为p1，则柱透镜光栅节距p2及柱透镜光栅到漫反射层的距离l2应满足p2=p1×
l2/( l1+ l2)，且l2应大于等于f并小于2f。2.如权利要求1所述的一种周期性光场立体显示装置，其特征在于：一维逆反射片由狭缝光栅替换柱透镜光栅；狭缝光栅除无焦距限制条件外，其狭缝节距p2及柱透镜光栅到漫反射层的距离l2满足同样条件，即p2=p1×
l2/( l1+ l2)。

技术总结
为解决传统的基于非共轴光学系统的投影光场立体显示难以形成周期性光场的问题，本发明提出了一种周期性光场立体显示装置。该周期性光场立体显示装置由投影机阵列及一维逆反射片阵列构成。一维逆反射片阵列为投影屏幕，其由多个一维逆反射片构成。一维逆反射片由柱透镜光栅及漫反射层形成的复合结构构成，能在某方向上形成一维逆反射，柱透镜光栅节距及柱透镜光栅到漫反射层的距离随一维逆反射片到投影机阵列的距离进行设置，从而对不同位置的一维逆反射片其可以形成完全一致的周期性光场节距，因此本发明可以构建出周期性光场。因此本发明可以构建出周期性光场。因此本发明可以构建出周期性光场。


技术研发人员：吕国皎 赖莉萍 姜自莲
受保护的技术使用者：成都工业学院
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/10/11