CN103809293B - 基于子像素的3d集成成像显示设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种基于子像素的3D集成成像显示设备，包括普通2D薄显示面板和微透镜阵列，微透镜阵列覆盖该普通2D薄显示面板，通过微透镜的阵列来观看子像素，其中，微透镜阵列中的三个相邻微透镜以三角形形状排列或以斜线形状排列，并且通过三个微透镜观看的子像素颜色分别具有三个原色。

Description

基于子像素的3D集成成像显示设备

技术领域

本发明涉及三维(3D)显示，更具体地讲，涉及基于子像素集成成像的3D显示。

背景技术

3D显示已经在许多领域(诸如消费电子、医学成像、工业测量仪表等)显示出很大的发展潜力。存在几种3D显示技术，其中，由于佩戴眼镜的3D显示技术的不方便以及容易引起视觉疲劳，因此裸眼3D显示技术已经吸引了很多人的注意。

裸眼3D显示技术包括：全息术、自动立体视法、集成成像等。在这些裸眼3D显示技术之中，全息术和集成成像技术具有无视疲劳的显著特点，均是裸眼真三维立体显示技术。而较之全息术，集成成像技术具有无需相干光源、无需暗室、对环境无苛刻条件、结构简单紧凑，显示全真彩色图像等优点，而且由于其具有相对较小的数据量，它不仅可用于静态图像的记录再现，而且还可用于视频通讯领域中动态场景的捕获和显示。因此，集成成像方法被认为是下一代3D显示的最具潜力的候选。

集成成像技术是一种利用微透镜阵列对三维场景进行记录和再现的真三维裸视自由立体显示技术。它包含了记录和再现两个过程。记录过程就是通过记录微透镜阵列对物空间场景成像，从而获取物空间场景多方位视角的图像元阵列。在此过程中，场景任意一点的视差信息都被与微透镜个数相同的图像元扩散记录与整个记录介质上。而再现过程就是把记录所得到的图像元阵列放在具有同样参数的再现微透镜阵列的相同位置处，根据光路可逆原理，再现微透镜阵列把许许多多图像元透射出来的光线聚集还原，则在再现微透镜阵列的前方重建出物空间场景的光学模型，并可在一个有限的视角内从任意方向观看到这个重建像。

集成成像显示系统的观看特性根据显示模式而不同。当系统的其他条件相同时，实际模式的视角比虚拟模式的视角窄。然而，由于实际模式的重建3D图像更接近于观看者，因此实际模式的深度的感觉当然高于虚拟模式的深度的感觉。在聚焦模式下，集成图像的深度可被表达为比其他模式更深，而由于图像的像素尺寸被固定为基本镜头的尺寸，因此集成图像的分辨率被降低。

为了构建紧凑的集成成像显示器，LCD面板和微透镜阵列通常被使用。然而，当普通LCD面板被使用时，由于会存在明显的莫尔条纹(moiréstripe)，并且通过相应的微透镜仅看到子像素，因此集成成像显示器不能工作在聚焦模式下。

尽管3D显示的大深度范围是优选的，但是由于3D图像的像素尺寸固定为基本镜头的尺寸，因此聚焦模式下的集成成像显示的分辨率被降低。

美国专利申请US 2000/6064424提出了一种由薄显示面板和并行透镜薄片构成的自动立体显示设备。透镜薄片相对于显示像素栏倾斜以便共享水平方向与垂直方向上的分辨率减小，并且消除由于显示元件的相邻栏之间的黑色掩盖材料引起的黑色条纹的可视性。然而，该设备可仅提供水平视差，但是不能重建对象的真实3D图像，也就是，不是真的3D显示。

美国专利申请US 2006/0170616A1提出一种3D图像显示装置，其中，薄显示面板具有特殊的子像素布局，从而相邻子像素在颜色上有差别。由于该特殊子像素布局，显示面板可工作在2D模式和3D模式下，而且通过垂直排列的透镜薄片或障碍物，可在3D模式下提供更高的水平分辨率。尽管还可以使用微透镜阵列工作在集成成像模式下，但是在此模式下不能提高分辨率。

美国专利申请US 2009/7511716B2提出了一种改进分辨率的3D显示器和渲染方法。显示面板具有特殊子像素排列，该特殊子像素排列具有共享的子像素颜色信号。相应的光调制解调器装置必须被设计为适合子像素布局。

论文“TransCAIP-A Live 3D TV System Using a Camera Array andanIntegral Photography Display with Interactive Control of ViewingParameters”描述了一种实时3D捕获和显示系统。根据基于图像的渲染技术从64个视频相机产生内容。用于集成成像显示器的显示面板具有定制的滤色器，由微透镜覆盖的所有的子像素具有相同的原色。

因此，在现有技术的裸眼3D显示中，基于多视点的3D显示器使用普通显示面板改进了3D分辨率，但是仅能够提供水平视差，而基于集成成像的3D显示器使用定制的滤色器来改进3D分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用普通显示面板改进3D分辨率的基于集成成像的3D显示器系统。

为了实现上述目的，提供了一种基于子像素的3D集成成像显示设备，包括普通2D薄显示面板和微透镜阵列，微透镜阵列覆盖该普通2D薄显示面板，通过微透镜的阵列来观看子像素，其中，微透镜阵列中的三个相邻微透镜以三角形形状排列或以斜线形状排列，并且通过三个微透镜观看的子像素颜色分别具有三个原色。

优选地，当微透镜阵列中的三个相邻微透镜以三角形形状排列时，如果微透镜具有六边形形状，则微透镜的水平间距是子像素的水平间距的2n倍，其中n＝3k+1或3k+2，k是大于等于0的整数。

优选地，当微透镜阵列中的三个相邻微透镜以三角形形状排列时，如果微透镜具有长方形形状，则微透镜的水平间距是子像素的水平间距的3n+1或3n+2倍，其中，n＝2k+1，k是大于等于0的整数。

优选地，当微透镜阵列中的三个相邻微透镜以斜线形状排列时，如果微透镜具有长方形形状，则微透镜的水平间距是子像素的水平间距的n倍，其中，n是大于等于0的整数。

优选地，普通2D薄显示面板是矩阵显示面板，矩阵显示面板具有排列在行和列上的显示元件的阵列，并且每个显示元件产生像素，普通2D薄显示面板产生的像素包括颜色不同的三种子像素，并且在同一列上的子像素具有相同颜色。

优选地，微透镜阵列被布置为通过一个微透镜仅看到一个子像素，通过相应微透镜看到的相邻的三个子像素分别是红色、绿色和蓝色。

优选地，在基于光栅化的方法中，使用平行投影来渲染全彩色方向图像，全彩色图像像素的每个分量根据预定子像素映射矩阵被划分为相应的子像素。

优选地，在基于光线追踪的方法中，对每个子像素执行光线追踪以得到相应的主要彩色值。

将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的基于子像素的3D集成成像显示设备的结构的示图；

图2中示出根据本发明实施例的微透镜阵列排列的示例的示图；

图3是根据本发明实施例的关于具有平衡分辨率的六边形微透镜阵列的示图；

图4是根据本发明实施例的关于具有不平衡分辨率的六边形微透镜阵列的示图；

图5是根据本发明实施例的关于具有平衡分辨率的长方形微透镜阵列的示图；

图6是根据本发明实施例的关于具有不平衡分辨率的长方形微透镜阵列的示图；

图7是根据本发明实施例的关于具有不平衡分辨率的不对称长方形微透镜阵列的示图；

图8中的(a)示出基于光栅化的方法的实施例的示图，图8中的(b)示出基于光线追踪的方法的实施例的示图。

具体实施方式

现在，详细描述本发明的实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。以下通过参考附图描述实施例以解释本发明。

图1是示出根据本发明实施例的基于子像素的3D集成成像显示设备的结构的示图。

如图1所示，根据本发明的基于子像素的3D集成成像显示设备包括普通2D薄显示面板和微透镜阵列，其中，微透镜阵列覆盖该普通2D薄显示面板并且微透镜阵列布置在显示面板的输出侧。

该普通2D薄显示面板可以是矩阵显示面板，矩阵显示面板具有排列在行和列上的显示元件的阵列，并且每个显示元件产生像素。普通2D薄显示面板产生的像素包括颜色不同的三种子像素，并且在同一列上的子像素具有相同颜色。微透镜阵列被布置为通过一个微透镜仅看到一个子像素。通过相应微透镜看到的相邻的三个子像素分别是红色、绿色和蓝色(R、G、B)，从而它们可被融合为一个颜色像素。

图2中示出根据本发明实施例的微透镜阵列排列的示例的示图。

如图2中的(a)所示，三个相邻的六边形微透镜以delta(三角形)形状排列。从图2中的(a)可以看出，通过三个相邻微透镜看到的三个子像素分别是红色、绿色和蓝色，并且由观看者看到的红色、绿色和蓝色的子像素同样被排列为delta形状。

如图2中的(b)所示，三个相邻的长方形微透镜以斜线形状排列。从图2中的(b)可以看出，通过三个相邻微透镜看到的三个子像素分别是红色、绿色和蓝色，并且由观看者看到的红色、绿色和蓝色的子像素同样被排列为斜线形状。

虽然这里示出了长方形微透镜以斜线形状排列，但是应该理解，长方形微透镜也可以以delta(三角形)形状排列。

如上所述，六边形微透镜和长方形微透镜都可使用在本发明的实施例中。然而，对于六边形微透镜和长方形微透镜的间距尺寸的需求是不同的。

对于六边形微透镜，六边形微透镜的水平间距是子像素的水平间距的2n倍，其中n＝3k+1或3k+2，k＝0，1，2，……。

以图2(a)为例，六边形微透镜的水平间距就是水平方向上相邻两个六边形的距离。在本发明中，要求这个水平间距是子像素间距(也就是红色子像素和右边紧邻的绿色子像素的间距)的偶数倍，同时又不能是像素间距(也就是一个红色子像素与右边紧邻的下一个红色子像素的距离)的整数倍。用公式表示为：六边形微透镜的水平间距是子像素水平间距的2n倍，其中n＝3k+1或3k+2，k＝0，1，2，...

同样，对于长方形微透镜，如果被排列为三角形形状，则长方形微透镜的水平间距应该是子像素的水平间距的3n+1或3n+2倍，其中，n＝0，1，2，……，而如果被排列为斜线形状，则六边形微透镜的水平间距是子像素的水平间距的n倍。

下面将结合以下本发明的实施例分别描述六边形微透镜阵列和长方形微透镜阵列。

图3是根据本发明实施例的关于具有平衡分辨率的六边形微透镜阵列的示图。平衡分辨率是指水平和垂直方向的点距是一样的，好比显示器一个像素单元是一个正方形的。

如图3所示，六边形微透镜的宽度是子像素的宽度的8倍，其高度是子像素的3倍。相应3D集成成像显示器可工作在聚焦模式下或近聚焦模式下，并且显示红色、绿色和蓝色之一的相邻的三个微透镜包括由圆圈指示的全彩色点。现实世界中的大部分颜色都是由不同比例的红色、绿色和蓝色按照某种比例混合而成的颜色，称之为全彩色点。因此，必须通过三个分别显示红色、绿色和蓝色的子像素合成出全彩色点，以便显示现实世界中的实际颜色。

如图3所示，全彩色点的等效水平间距占据12个子像素(即4个像素)，因此该全彩色点的等效水平间距是像素的间距的4倍，而在具有相同角度水平分辨率的传统集成成像显示器中，微透镜的水平间距是像素的间距的8倍。因此，本发明的该实施例中的空间水平分辨率是具有相同角度水平分辨率的传统集成成像显示器的2倍。

另外，如图3所示，全彩色点的等效垂直间距占据4个像素，因此全彩色点的等效垂直间距也是像素的间距的4倍。也就是，3D集成成像显示器在水平方向和垂直方向上具有平衡的空间分辨率。

图4是根据本发明实施例的关于具有不平衡分辨率的六边形微透镜阵列的示图。不平衡分辨率是指水平和垂直方向的点距是不一样的，图4的效果相当于一个像素单元是竖着的长方形，这样看起来水平方向清晰度就会比垂直方向高些。

具体地讲，如图4所示，六边形微透镜的宽度是子像素的宽度的10倍，其高度是子像素的4倍。相应3D集成成像显示器可工作在聚焦模式下或近聚焦模式下，并且显示红色、绿色和蓝色之一的相邻的三个微透镜包括由圆圈指示的全彩色点。

如图4所示，全彩色点的等效水平间距占据15个子像素(即5个像素)，因此该全彩色点的等效水平间距是像素的间距的5倍，全彩色点的等效垂直间距占据6个像素，因此全彩色点的等效垂直间距是像素的间距的6倍。也就是，3D集成成像显示器在水平方向和垂直方向上具有不平衡的空间分辨率。因此，将图3的关于具有平衡分辨率的六边形微透镜阵列与图4的关于具有不平衡分辨率的六边形微透镜阵列相比，图3的六边形微透镜阵列的效果优于图4的六边形微透镜阵列的效果。

图5是根据本发明实施例的关于具有平衡分辨率的长方形微透镜阵列的示图。

如图5所示，长方形微透镜的长度是子像素的宽度的8倍，其高度是子像素的2倍。相应3D集成成像显示器可工作在聚焦模式下或近聚焦模式下，并且显示红色、绿色和蓝色之一的相邻的三个微透镜包括由圆圈指示的全彩色点。

与图3类似，在图5中，全彩色点的等效水平间距占据12个子像素(即4个像素)，因此该全彩色点的等效水平间距是像素的间距的4倍。另外，全彩色点的等效垂直间距占据4个像素，因此全彩色点的等效垂直间距也是像素的间距的4倍。也就是，3D集成成像显示器在水平方向和垂直方向上具有平衡的空间分辨率。

图6是根据本发明实施例的关于具有不平衡分辨率的长方形微透镜阵列的示图。

如图6所示，长方形微透镜的宽度是子像素的宽度的10倍，其高度是子像素的3倍。相应3D集成成像显示器可工作在聚焦模式下或近聚焦模式下，并且显示红色、绿色和蓝色之一的相邻的三个微透镜包括由圆圈指示的全彩色点。

另外，与图4类似，在图6中，全彩色点的等效水平间距占据15个子像素(即5个像素)，因此该全彩色点的等效水平间距是像素的间距的5倍，全彩色点的等效垂直间距占据6个像素，因此全彩色点的等效垂直间距是像素的间距的6倍。也就是，3D集成成像显示器在水平方向和垂直方向上具有不平衡的空间分辨率。

在以上实施例中，微透镜的宽度是子像素的宽度的偶数倍，两个相邻微透镜对称。当使用长方形微透镜时，不对称微透镜也可被使用。图7示出在这种情况下的实施例。即，图7是根据本发明实施例的关于具有不平衡分辨率的不对称长方形微透镜阵列的示图。

如图7所示，微透镜的长度是子像素的宽度的7倍，全彩色点的等效水平间距是像素的间距的7/2倍。相等全色彩色点的垂直间距是像素的间距的4倍。

可通过计算机图形技术或实际捕获的图像来产生用于本发明的3D集成成像显示器的元素图像。对于计算机图形技术，两类方法可被利用，即，基于光栅化的方法和基于光线追踪的方法。

图8中的(a)示出基于光栅化的方法的实施例。在基于光栅化的方法中，使用平行投影来渲染16个全彩色方向图像。全彩色图像像素的每个分量根据预定子像素映射矩阵被划分为相应的子像素。图8中的(b)示出基于光线追踪的方法的实施例。此方法对每个子像素执行光线追踪以得到相应的主要彩色值。

根据本发明的基于集成成像的3D显示设备，能够提高3D图像的水平分辨率。

根据本发明的基于集成成像的3D显示设备可工作在真实模式、虚拟模式和聚焦模式下。当3D显示设备工作在聚焦模式下时，重建的3D图像的深度可比其他模式更深得表达。

根据本发明的基于集成成像的3D显示设备在保持平衡的3D显示分辨率的同时，对选择水平观看方向和垂直观看方向提供更大的自由度。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (5)

1.一种基于子像素的3D集成成像显示设备，包括普通2D薄显示面板和微透镜阵列，微透镜阵列覆盖该普通2D薄显示面板，通过微透镜的阵列来观看子像素，

其中，微透镜阵列中的三个相邻微透镜以三角形形状排列，并且通过三个微透镜观看的子像素颜色分别具有三个原色，

其中，微透镜具有六边形形状或长方形形状，当微透镜具有六边形形状时，微透镜的水平间距是子像素的水平间距的2n倍，其中n＝3k+1或3k+2,k是大于等于0的整数；当微透镜具有长方形形状时，微透镜的水平间距是子像素的水平间距的3n+1或3n+2倍，其中，n＝2k+1,k是大于等于0的整数。

2.如权利要求1所述的基于子像素的3D集成成像显示设备，其中，普通2D薄显示面板是矩阵显示面板，矩阵显示面板具有排列在行和列上的显示元件的阵列，并且每个显示元件产生像素，普通2D薄显示面板产生的像素包括颜色不同的三种子像素，并且在同一列上的子像素具有相同颜色。

3.如权利要求1所述的基于子像素的3D集成成像显示设备，其中，微透镜阵列被布置为通过一个微透镜仅看到一个子像素，通过相应微透镜看到的相邻的三个子像素分别是红色、绿色和蓝色。

4.如权利要求1所述的基于子像素的3D集成成像显示设备，其中，在基于光栅化的方法中，使用平行投影来渲染全彩色方向图像，全彩色图像像素的每个分量根据预定子像素映射矩阵被划分为相应的子像素。

5.如权利要求1所述的基于子像素的3D集成成像显示设备，其中，在基于光线追踪的方法中，对每个子像素执行光线追踪以得到相应的主要彩色值。