[发明专利]带聚光柱面光栅的自由立体显示器

说明书

一、技术领域

本发明涉及自由立体显示领域中的柱面光栅自由立体显示器。

二、背景技术

柱面光栅自由立体显示器由于其结构简单、易于实现且立体显示效果良好等优点成为目前主流的立体显示器之一，其主要结构为平板显示器加装柱面光栅。多幅视差图像以子像素为单元按一定规律合成为一幅立体图像并显示在平板显示器上，利用柱面光栅的分光作用使得来源于不同视差图像的光线向不同方向传播，当观看者位于合适的观看区域时其左右眼观看到不同的视差图像，如图1所示，根据双目视差原理，观看者便可观看到具有立体感的图像。

普通柱面光栅由多个柱面透镜组成，柱面透镜的横截面为圆弧，其聚焦原理如图2所示，近轴和离轴的平行入射光线所聚焦的焦点差异明显，这种较差的聚焦决定了单个柱面透镜成像的像差大。大像差影响了柱面光栅自由立体显示器的以下性能：

(1)立体可视角度比较小。用来显示立体图像的平板显示器位于柱面光栅的近轴焦平面，当观看角度较大时，大像差的存在导致柱面光栅的焦平面明显偏离近轴焦平面，因此观看者透过光栅只能看到模糊的图像。

(2)观看的左右眼视差图像的串扰随观看角度增大剧烈增大，从而失去立体感。

(3)光源利用率降低。平板显示器的显示角度为170度左右，而普通柱面光栅自由立体显示器的立体观看角度为50度左右，因此平板显示器大角度所出射的光线被浪费掉。

三、发明内容

本发明提出一种带聚光柱面光栅的自由立体显示器，其主要结构为平板显示器与光栅组精密耦合，其中光栅组由分光柱面光栅和聚光柱面光栅组成。分光柱面光栅用来将不同视差图发出的光线方向分离开，聚光柱面光栅用来聚集子像素发出的光线。

分光柱面光栅和聚光柱面光栅的基本单元分别为分光柱面透镜和聚光柱面透镜，两者组成一个光学系统，其聚焦原理如图3所示。图3与图2相比较，可见加入聚光柱面透镜后的光学系统使得光线能更好地聚焦，从而减小了像差。由分光柱面光栅和聚光柱面光栅构成的光栅组使得聚焦效果明显改善，像差减小，这样就提升了柱面光栅自由立体显示器的分光性能，从而增加了立体可视角度并使得左右眼视差图像串扰降低。此外，如图4所示，在子像素表面加上聚光柱面透镜后，与不加聚光柱面透镜时相比较，子像素发出光线的出射角范围减小，出射光更集中，从而减少大角度出射的无用光，进一步提高了光源的利用率。

本发明所涉及的主要相关参数及技术方案如下所述：

首先，确定带聚光柱面光栅的自由立体显示器的视点数N、子像素宽度w以及所采用的分光柱面光栅的相关参数。分光柱面光栅的水平周期为t₁，曲率半径为r₁，折射率为n₁，厚度为d₁，分光柱面光栅后表面与聚光柱面光栅焦平面的距离为s。

其次，设计聚光柱面光栅的相关参数。聚光柱面光栅的水平周期t₂为子像素宽度的整数倍，即t₂＝kw，其中k为正整数，当k＝1时能实现最佳立体显示器分光效果。聚光柱面光栅的折射率为n₂，一般选取高透过率的透明材料，曲率半径r₂＞kw/2，厚度d2∈[r2-r22-(kw/2)2,s].]]>图3中分光柱面透镜和聚光柱面透镜组成的光学系统，光学系统焦平面与聚光柱面透镜的后表面重合，分光柱面透镜后表面与聚光柱面透镜前表面之间的距离v值由式(1)计算得到：