双全息三维显示装置

技术领域

[0001] 本公开涉及一种双全息三维显示装置。具体地，本公开涉及一种非眼镜型3D显示装置，其中全息图像被划分成左眼3D图像和右眼3D图像以呈现真实的3D图像。

背景技术

[0002] 近来，正在对用于制作和再现3D (三维)图像/视频的多种技术和研究进行积极开发。因为与3D图像/视频相关的媒体是虚拟现实的新概念媒体，所以该媒体可更好地改善视觉信息，并且将引领下一代显示装置。常规的2D图像系统仅提出投影到平面图的图像和视频数据，而3D图像系统可向观看者提供完全真实的图像数据。因此，3D图像/视频技术是真正的图像视频技术。

[0003] 通常，存在三种再现3D图像/视频的方法:立体观测法（stereoscopy）、全息观测法（holography）和全景成像(integral imaging)法。在这三种方法中，全息法使用激光束（laser beam）,使得可裸眼地观看3D图像/视频。因为全息法在不给观看者带来任何疲劳的情况下具有出色的视觉立体感，所以全息法是最理想的方法。

[0004] 为了在图像的每一个点产生对光波的相位的记录，全息法使用与来自场景或物体的光(物体光束，object beam)组合在一起的基准光束（reference beam）。如果这两个光束是相干的，则由于光波的叠加（superposition），基准光束与物体光束之间的光干涉（optical interference）产生可记录在标准胶片上的一系列强度条纹（intensity fringes）。这些条纹在胶片上形成一种衍射光栅（diffraction grating），这称为全息图（hologram）。全息法的中心目标是，当稍后使用替代基准光束照亮所记录的光栅时，原始物体光栅被重构(或再现)，由此产生3D图像/视频。

[0005] 作为以数字方式产生全息干涉图案（digitally generating holographic interference patterns）的方法的计算机产生全息图(或CGH: Computer Generated Hologram)有了新的发展。例如，通过以数字方式计算全息干涉图案并使用合适的相干光源将全息干涉图案印刷在掩模或胶片上以用于随后照亮，可以产生全息图像。通过避开每次必须制造全息干涉图案的"硬拷贝"的需要，全息3D显示器可以再现全息图像。

[0006] 计算机产生的全息图具有如下优点:想要显示的物体根本不必具有任何物理实体。如果以光学的方式产生现有的物体的全息数据，但以数字方式记录和处理该数据，并随后将其输入到显示器中，则这也称为CGH。例如，计算机系统产生全息干涉图案，并将该全息干涉图案发送到诸如液晶空间光调制器(LCSML: Liquid Crystal Spatial Light Modulator)的空间光调制器，然后通过向空间光调制器发射基准光束来重建/再现与全息干涉图案相对应的3D图像/视频。图1是示出根据相关技术的使用计算机产生的全息图的数字全息图像/视频显示装置的结构图。

[0007] 参照图1，计算机10产生要显示的图像/视频的全息干涉图案。产生的全息干涉图案被发送到SLM 20。作为透射式液晶显示（transmittive liquid crystal display ）装置的SLM 20可呈现全息干涉图案。在SLM20的一侧，设置有用于产生基准光束的激光源30。为了将基准光束90从激光源30照射在SLM 20的整个表面上，可顺序地设置扩张器(expander)40和透镜系统50。从激光源30输出的基准光束90经过扩张器40和透镜系统50照射到SLM 20的一侧。由于SLM 20是透射式液晶显示装置，所以在SLM 20的另一侧将重建/再现与全息干涉图案相对应的3D图像/视频。

[0008] 根据图1的全息型3D显示系统包括用于产生基准光90的光源30以及具有相对大的体积的扩张器40和透镜系统50。在构造了这种3D显示系统的情况下，这种3D显示系统可具有大的体积和大的重量。即，用于全息型3D显示系统的常规技术不适合应用于近来需求的薄、轻和便携性的显示系统。因此，需要开发一种可裸眼地呈现真实3D图像的薄的平板型全息3D显示系统。

发明内容

[0009] 为了克服上述缺点，本公开的目的在于提供一种薄的平板型全息3D显示装置。本公开的另一目的在于提供一种通过向观看者的左眼和右眼分别提供全息3D图像来呈现高质量3D图像的薄的平板型全息3D显示器。

[0010] 为了实现以上目的，本公开提供了一种双全息3D显示装置，该双全息3D显示装置包括:左眼显示面板，其用于呈现左眼3D图像；以及右眼显示面板，其设置在所述左眼显示面板的一侧，并且用于呈现右眼3D图像。

[0011] 该装置还包括:控制器，其向所述左眼显示面板提供与所述左眼3D图像相对应的左眼全息数据，并且向所述右眼显示面板提供与所述右眼3D图像相对应的右眼全息数据。

[0012] 所述左眼显示面板包括:左眼空间光调制器，其用于呈现与所述左眼3D图像相对应的全息图案；左眼背光单元，其设置在所述左眼空间光调制器的后侧；左眼平坦透镜，其设置在所述左眼空间光调制器的前面；左眼眼动仪，其设置在所述左眼平坦透镜的前面。

[0013] 所述右眼显示面板包括:右眼空间光调制器，其用于呈现与所述右眼3D图像相对应的全息图案；右眼背光单元，其设置在所述右眼空间光调制器的后侧；右眼平坦透镜，其设置在所述右眼空间光调制器的前面；右眼眼动仪，其设置在所述右眼平坦透镜的前面。

[0014] 所述左眼显示面板将所述左眼3D图像的焦点设置到观看者的左眼，并且所述右眼显示面板将所述右眼3D图像的焦点设置到所述观看者的右眼。

[0015] 根据本公开的全息3D显示装置包括薄的平板型背光单元、空间光调制器、平坦透镜和平板型眼动仪。本公开提供了通过向观看者的左眼呈现左眼全息3D图像并且向观看者的右眼呈现右眼全息3D图像来提供高质量全息3D显示装置。此外，通过将左眼全息显示面板和右眼全息显示面板组合在一起，可在不使用昂贵的高速处理显示面板的情况下提供高质量和高速处理的全息3D图像/视频。

具体实施方式

[0023] 参照附图，将解释本公开的优选实施方式。在整个详细描述中，相同的标号始终表示相同的元件。然而，本发明不受这些实施方式所限制，而是在不改变技术精神的情况下可应用于各种改变或变型，在下面的实施方式中，为了便于说明而选择了元件的名称，元件的名称可能与实际名称不同。

[0024] 参照图2，将解释根据本公开第一实施方式的使用透射式液晶显示器作为空间光调制器的薄的平板型全息3D显示装置。图2是示出根据本公开的第一实施方式的使用透射式液晶显示装置的数字全息图像/视频显示装置的结构图。

[0025] 根据本公开的第一实施方式的全息3D显示装置包括由透射式液晶显示面板制成的SLM 200。SLM 200包括上基板SU和下基板SD以及夹在上基板SU与下基板SD之间的液晶层LC，上基板SU和下基板SD由透明玻璃基板制成并彼此相对。SLM 200可通过从计算机或视频处理器(图中未示出)接收与干涉条纹图案相关的数据来呈现干涉条纹图案。上基板SU和下基板可分别具有薄膜晶体管和滤色器以包含液晶显示面板。

[0026] 在SLM 200的后侧，可设置包括光源300和光纤OF的背光单元BLU。光源300可以是包括红色激光二极管R、绿色激光二极管G和蓝色激光二极管B的一组激光二极管，或者是包括红色LED、绿色LED和蓝色LED的一组准直LED。另外，光源300除了可包括红色光源、绿色光源和蓝色光源之外，还可包括其它颜色光源。或者，光源300可具有例如白色激光二极管或白色准直LED的一个光源。可存在多种类型的光源300。在这些实施方式中，为了方便起见，将光源300解释为包括红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管。

[0027] 为了将基准光从光源300引导至SLM 200并且为了使基准光分布在SLM 200的后表面的整个区域，优选使用光纤0F。例如，在背光单元BLU的一侧设置红色激光二极管R、绿色激光二极管G和蓝色激光二极管B。使用光纤0F，可以引导从红色激光二极管R、绿色激光二极管G和蓝色激光二极管B发射的激光束，使其达到SLM200的后表面。光纤OF可设置为覆盖作为液晶显示器的SLM 200的整个表面。具体地，通过去除包裹光纤OF的芯的金属保护层的某些部分以便于形成多个光点0UT，可使激光束照射在作为液晶显示面板的SLM 200的整个表面上。此外，为了在SLM200的整个表面上均匀地照射由光纤OF发射并扩张并且是准直光的基准光束，可在SLM 200与光纤OF之间设置多个光学片500。

[0028] 在第一实施方式中，背光单元BLU是一个示例性的使用光纤OF的示意结构。在包括SLM 200的颜色像素被设置为沿列排列的一种颜色的情况下，与一种颜色相对应的一个光纤OF可设置为与相同颜色列匹配。又例如，背光单元BLU可包括设置在各个颜色像素处的表面发射LED。因为本公开的主要构思不在于背光单元BLU，所以将不涉及背光单元BLU的详细解释。

[0029] 在SLM 200的前面，在观看者与SLM 200之间的空间中的合适位置处，还可包括用于聚集3D图像的平坦透镜FL。可按各种方式来设置平坦透镜FL的焦点。例如，焦点可设置在SLM 200与观看者之间的最佳位置处。又例如，焦点可直接设置在观看者的眼睛上。在这种情况下，左眼图像和右眼图像被分别发送到左眼和右眼。因为本公开的主要特征不在于平坦透镜FL，所以将不涉及平坦透镜的详细解释。

[0030] 此外，可在平坦透镜FL的前面包括眼动仪ET(eye-tracker)。当观看者的位置改变时，眼动仪可检测改变后的观看者的位置，针对移动后的观看者计算最佳观看角度，然后根据观看者的新的最佳观看角度偏转3D图像的焦点。例如，眼动仪ET可以是用于根据观看者的位置在水平方向上移动3D图像的焦点的偏转器。尽管图中没有示出，但眼动仪ET还可包括用于检测观看者的位置检测器。因为本公开的主要特征不在于眼动仪ET上，所以将不涉及眼动仪ET的详细解释。

[0031] 图3是示出当把3D图像的焦点设置在SLM与观看者之间时数字全息3D图像/视频显示装置呈现3D图像的示意图。参照图3，当SLM 200呈现用于全息型3D图像的干涉条纹图案时，因为从背光单元BLU照射的基准光穿过SLM 200的干涉条纹图案，所以会在焦点显示全息3D图像。平坦透镜FL将来自SLM 200的光聚焦在SLM200与观看者之间的焦点上。当观看者移动到左侧或右侧时，眼动仪可检测到该移动，然后将来自SLM 200的光偏转到观看者的移动后的位置，使得全息3D图像可重新聚焦到移动后的观看者的位置。

[0032] 图4是示出在根据本公开的第一实施方式的数字全息图像/视频显示装置中通过将左眼图像提供给左眼并且将右眼图像提供给右眼来呈现3D图像/视频的方法的示意图。根据图4的用于呈现3D图像的基本思想与图3的基本思想非常类似。差别在于，在图4中，左眼3D图像被发送到观看者的左眼，右眼图像被发送到观看者的右眼。

[0033] 例如，在显示的第一帧，可呈现左眼全息3D图像/视频。此时，平坦透镜FL的焦点可设置在观看者的左眼和右眼之间的中间点作为原点。并且，眼动仪ET可将焦点偏转到左眼。例如，因为人的左眼和右眼之间的平均距离是约65mm，当可呈现左眼全息3D图像时，眼动仪ET可设置偏转角，以将焦点从原点向左眼侧移动32mm。在显示的第二帧，可呈现右眼全息3D图像/视频。利用相同的方法，可将平坦透镜FL的焦点设置在原点上。并且，眼动仪ET可将焦点偏转到右眼侧。即，当呈现右眼全息3D图像时，眼动仪ET可设置偏转角，以将焦点从原点向右眼侧移动32mm。

[0034] 利用图3中示出的单目观测(monocular scopic)法，可呈现非眼镜型3D图像。根据如图4所示的立体法的全息3D图像/视频可呈现更详细和更清晰的3D图像质量。然而，在如图4所示的立体法中，同一帧图像应该被划分成左眼图像和右眼图像，然后左眼图像和右眼图像被处理以制作正确的全息3D图像/视频。因此，需要非常高速的处理和驱动方法以及装置。例如，包括SLM 200的液晶层LC应该被高速驱动。因为用于高速驱动的液晶材料及其驱动模式非常受限，这使得成本很高。

[0035] 因此，在本公开的第二实施方式中，将呈现不要求高速液晶材料和高速模式驱动方法的全息3D显示系统。图5是示出根据本发明第二实施方式的通过将左眼显示面板和右眼显示面板组合在一起的数字全息3D图像/视频显示装置的结构的示意图。[0036] 参照图5，根据本公开第二实施方式的全息3D显示器包括在图3中示出的单目观测全息3D显示器中使用的两个显示面板。即，该全息3D显示器包括左眼显示面板HL和右眼显示面板HR。因此，根据第二实施方式的立体全息3D显示装置包括两个单目观测全息3D显示面板。这两个全息3D显示面板彼此连接。例如，左眼显示面板HL可附接和/或设置在右眼显示面板HR的左侧。

[0037] 左眼显示面板HL包括左眼SLM 201，右眼显示面板HR包括右眼SLM 203。背光单元BLU包括设置在左眼SLM 201的后侧的左眼背光单元BLUL和设置在右眼SLM 203的后侧的右眼背光单元BLUR。平坦透镜FL还包括设置在左眼SLM 201的前面的左眼平坦透镜FLL和设置在右眼SLM 203的前面的右眼平坦透镜FLR。此外，眼动仪ET包括设置在左眼平坦透镜FLL的前面的左眼眼动仪ETL和设置在右眼平坦透镜FLR的前面的右眼眼动仪ETR。

[0038] 左眼显示面板HL的左眼平坦透镜FLL可将左眼3D图像的焦点设置到观看者的左眼，而右眼显示面板HR的右眼平坦透镜FLR可将右眼3D图像的焦点设置到观看者的右眼。因此，优选地，左眼平坦透镜FLL的焦点与右眼平坦透镜FLR的焦点分开约65mm。

[0039] 当观看者移动到左侧或右侧时，眼动仪ET可以检测到观看者的移动，根据观看者的移动所改变的视角，左眼眼动仪ETL可偏转左眼平坦透镜FLL的焦点并且右眼眼动仪ETR可偏转右眼平坦透镜FLR的焦点。

[0040] 下面，参照图6，将说明根据本公开的第二实施方式的立体全息3D显示装置的驱动算法。图6是示出根据本公开的第二实施方式的驱动数字全息3D图像/视频显示装置的算法的框图。

[0041] 形成3D图像/视频的控制器CONT可执行主要三个处理。首先，控制器CONT制作左眼3D图像和右眼3D图像。其次，控制器CONT分别将左眼3D图像转换成左眼全息数据并且将右眼3D图像转换成右眼全息数据。第三，控制器CONT将左眼全息数据和右眼全息数据彼此分开，并将它们发送到驱动器DR以在显示面板上呈现3D图像。然后，，驱动器DR根据左眼图像和右眼图像的同步信号分别将左眼全息数据发送到左眼SLM 201并且将右眼全息数据发送到右眼SLM 203。

[0042] 根据本公开的第二实施方式的立体全息3D图像装置包括用于仅呈现左眼3D图像/视频的左眼3D显示面板和用于仅呈现右眼3D图像/视频的右眼3D显示面板。因此，即使各3D显示面板不满足高速驱动条件，也能呈现高质量的3D全息图像/视频。例如，即使左眼3D显示面板和右眼3D显示面板包括满足60Hz驱动条件并且其液晶材料的反应速度为8ms的透射式液晶显示面板，也能提供高质量和高速度的全息3D图像/视频。由于不需要高速地处理全息3D显示数据，所以可减小全息数据的处理负载。

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