一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置
一、技术领域
本发明属于三维显示技术领域，特别涉及一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置。
二、背景技术
传统的2D显示通过平面显示屏来重构3D世界，丢失了非常重要的深度信息。3D立体显示因其显示效果良好、深度信息完整以及符合人眼观看等优势，成为了研究的前沿，并逐渐走进了人们的日常生活。被广泛应用在医疗、影视、教学以及军事等各个方面，在计算机视觉、深度学习、机器学习等新兴领域也有着广阔的应用市场和极大的挖掘价值。3D图像包含复杂的角度信息，但对于信息量固定的显示屏，角度信息的增加必然引起3D图像空间分辨率的下降。2D/3D融合将图像中具有深度信息的3D前景，进行3D再现，对于没有深度信息的2D场景，进行高分辨2D再现，从而有效的利用显示屏的信息带宽。2D/3D融合显示一方面增加了3D图像的深度信息，另一方面保持了2D图像的分辨率，受到广泛关注。
2D图像和3D图像的显示方式不同，因而2D/3D显示的核心在于如何将2D图像和3D图像以不同的方式显示。变焦透镜阵列具有透射和聚焦的功能，通常被用作为2D/3D融合显示的主要器件，通过控制变焦透镜阵列，使其在透过状态下实现2D显示；在聚焦状态下，实现3D信息的方向性调制，重构出3D图像。2D/3D融合显示可采用时分或空分复用方式来实现。时分复用是通过显示屏时序快速切换2D图像和3D图像，同时控制变焦透镜阵列的透射或聚焦状态与显示片源保持同步，利用人眼的视觉暂留效应达到2D/3D融合显示效果。时分复用方式对显示屏的刷新率要求较高，同时变焦透镜阵列的状态切换需要与显示片源高度同步。空分复用方式将2D信息和3D信息通过空间交叠融合在一张显示片源上，局部控制变焦透镜阵列的透射或聚焦状态，与2D信息对应的变焦透镜单元为透过状态，显示2D图像；与3D信息对应的变焦透镜单元为聚焦状态，对3D信息进行方向性调制，重构出3D场景。此方法通过牺牲空间分辨率来实现2D/3D融合显示，没有时序刷新和同步的问题，但是图像的均匀性受制于变焦透镜阵列的最小可控单元。
三、发明内容
本发明提出一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置，如附图1所示，该装置由投影机、起偏器、偏振依赖液晶透镜阵列、高精度相位延迟模组和保偏屏组成。
所述投影机投影2D/3D融合片源，所述2D/3D融合片源是由2D图像单元和3D图像单元成棋盘格状交错排布组成，如附图2所示，所述2D图像单元和所述3D图像单元的水平和垂直节距分别与高精度相位延迟模组中相位延迟单元的水平和垂直节距对应相等。
所述起偏器用于将所述投影机发出的光线调制为线偏振光，所述线偏振光的偏振方向为α，与偏振方向α正交的线偏振光的偏振方向为β。
所述偏振依赖液晶透镜阵列对所述偏振方向α的线偏振光直接透过，不改变光线的传播方向，如附图3所示；所述偏振依赖液晶透镜阵列对偏振方向β的线偏振光具有聚焦作用，如附图4所示。偏振依赖液晶透镜阵列的单元形状有附图5所示的一维柱透镜形状、附图6所示的矩形、附图7所示的六边形。
所述高精度相位延迟模组由n层棋盘格相位延迟片错位叠加组成，n为正整数，如附图8所示。所述棋盘格相位延迟片由π/2相位延迟单元和0相位延迟单元成棋盘格状交替排列构成，如附图9所示，π/2相位延迟单元和0相位延迟单元的水平节距均为x，垂直节距均为y。所述π/2相位延迟单元对入射偏振光产生的π/2相位延迟，所述0相位延迟单元对入射光不产生相位延迟。所述高精度相位延迟模组由n层棋盘格相位延迟片依次在水平方向错位x/n垂直方向上错位y/n叠加构成，具体地，如附图8所示，第i层棋盘格相位延迟片相对于第(i-1)层棋盘格相位延迟片在水平方向上相对移动x/n，垂直方向上相对移动y/n，以此方式错位叠加至n层。
所述高精度相位延迟模组包含三种相位延迟单元，0相位延迟单元、奇数倍π/2相位延迟单元和偶数倍π/2相位延迟单元。所述高精度相位延迟模组中的三种相位延迟单元呈棋盘格状排列，如附图10所示，三种相位延迟单元的水平节距均为x/n，垂直节距均为y/n。
所述高精度相位延迟模组的三种相位延迟单元对入射偏振光的偏振状态调制如下：
对于所述0相位延迟单元，如附图11所示，偏振方向α的线偏振光和与之正交的偏振方向β的线偏振光经过0相位延迟单元均不改变偏振方向；
对于所述奇数倍π/2相位延迟单元，如附图12所示，偏振方向α的线偏振光经过奇数倍π/2相位延迟单元变为旋转方向A的圆偏振光，与旋转方向A正交的旋转方向B的圆偏振光经过奇数倍π/2相位延迟单元变为偏振方向β的线偏振光；
对于所述偶数倍π/2相位延迟单元，如附图13所示，偏振方向α的线偏振光经过偶数倍π/2相位延迟单元变为偏振方向β的线偏振光，偏振方向β的线偏振光经过偶数倍π/2相位延迟单元变为偏振方向α的线偏振光。
所述保偏屏用于反射入射光。线偏振光经过所述保偏屏反射后，仍为相同偏振方向的线偏振光；圆偏振光经过所述保偏屏反射后变为与入射圆偏振光的旋转方向正交的圆偏振光，具体地，旋转方向A的圆偏振光经过所述保偏屏反射后，变为与之正交的旋转方向B的圆偏振光，如附图14所示。
所述一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置，其入射光路，如附图15所示。所述投影机投影2D/3D融合片源，且2D/3D融合片源的2D图像单元与所述高精度相位延迟模组的0相位延迟单元和偶数倍π/2相位延迟单元对应对齐，所述2D/3D融合片源中3D图像单元与所述高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元对应对齐。所述起偏器将2D/3D融合片源的光线调制为偏振状态α的线偏振光，所述偏振依赖液晶透镜阵列对偏振方向α的线偏振光透射。对应于2D图像单元的光线，线偏振光通过所述高精度相位延迟模组的0相位延迟单元和偶数倍π/2相位延迟单元，分别被调制成偏振方向α和偏振方向β的线偏振光，所述保偏屏反射偏振方向α和偏振方向β的线偏振光，并保持他们的偏振方向不变；对应于3D图像单元的光线，线偏振光通过所述高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元，被调制为旋转方向A的圆偏振光，所述保偏屏将旋转方向A的圆偏振光反射变为旋转方向B的圆偏振光。通过所述保偏屏反射后，2D图像光线包含偏振方向α和偏振方向β的线偏振光，3D图像光线为旋转方向B的圆偏振光。
所述一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置的反射光路，如附图16所示。对应于2D图像单元的光线，偏振方向α的线偏振光再次经过所述高精度相位延迟模组的0相位延迟单元，仍为偏振方向α的线偏振光，偏振方向β的线偏振光再次经过所述高精度相位延迟模组的偶数倍π/2相位延迟单元，也变为偏振方向α的线偏振光，包含2D图像信息的偏振方向α的线偏振光直接透射通过所述偏振依赖液晶透镜阵列，实现2D图像显示；对应于3D图像单元的光线，旋转方向B的圆偏振光再次经过所述高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元，被调制为偏振方向β的线偏振光，包含3D图像信息的偏振方向β的线偏振光被所述偏振依赖液晶透镜阵列聚焦成像，实现3D立体显示。
所述一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置，通过2D图像单元和3D图像单元的独立控制，实现全屏2D显示、全屏3D显示和2D/3D融合显示。所述高精度相位延迟模组通过错位叠加n层棋盘格相位延迟片，将相位延迟单元的节距减小到了单层棋盘格相位延迟片单元节距的1/n，有效提升了2D图像和3D图像的均匀性，极大地减弱了由相位延迟单元的大节距造成的图像切割感，图像的均匀性提高n2倍。
四、附图说明
附图1为本发明的一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置示意图
附图2为2D/3D融合片源的组成示意图
附图3为偏振依赖液晶透镜阵列对偏振方向α的线偏振光的透射效果示意图
附图4为偏振依赖液晶透镜阵列对偏振方向β的线偏振光的聚焦效果示意图
附图5为呈一维柱状排列的偏振依赖液晶透镜阵列示意图
附图6为呈二维矩阵排列的偏振依赖液晶透镜阵列示意图
附图7为呈六边形排列的偏振依赖液晶透镜阵列示意图
附图8为本发明的高精度相位延迟模组结构示意图
附图9为棋盘格相位延迟片的结构示意图
附图10为本发明的高精度相位模组的相位延迟单元排列示意图
附图11为本发明的高精度相位延迟模组的0相位延迟单元对偏振光的调制示意图
附图12为本发明的高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元对偏振光的调制示意图
附图13为本发明的高精度相位延迟模组的偶数倍π/2相位延迟单元对偏振光的调制示意图
附图14为偏振光经保偏屏反射后偏振状态的变化情况示意图
附图15为本发明的一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置的入射光路示意图
附图16为本发明的一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置的反射光路示意图
上述附图中的图示标号为：
100投影机，101 2D图像单元，102 3D图像单元，2起偏器，300偏振依赖液晶透镜阵列，301平凹形状的聚合物层，302平凸形状的液晶层,303取向层，304玻璃基板，400高精度相位延迟模组，410棋盘格相位延迟片，411棋盘格相位延迟片的相位延迟单元，412棋盘格相位延迟片的π/2相位延迟单元，413棋盘格相位延迟片的0相位延迟单元，414棋盘格相位延迟片在水平方向上相对移动单元，415棋盘格相位延迟片在竖直方向上相对移动单元，420高精度相位延迟模组的相位延迟单元，421高精度相位延迟模组的0相位延迟单元，422高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元，423高精度相位延迟模组的偶数倍π/2相位延迟单元，5保偏屏，6偏振方向α的线偏振光，7偏振方向β的线偏振光，8旋转方向A的圆偏振光，9旋转方向B的圆偏振光，10 2D图像，11 3D图像。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明的一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提出一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置，如附图1所示，所述装置由投影机100、起偏器2、偏振依赖液晶透镜阵列300、高精度相位延迟模组400和保偏屏5组成，该装置能够实现高均匀性的2D/3D融合显示。
在本实施例中，所述投影机100的分辨率为1280×800像素，用于投影由2D图像单元101和3D图像单元102成棋盘格状交错排布组成的2D/3D融合片源，如附图2所示，2D图像单元和3D图像单元的水平和垂直节距均为0.625mm。
所述起偏器2用于将所述投影机发出的光线调制为偏振方向为α线偏振光，与偏振方向正交的线偏振光的偏振方向为，在本实施例中，偏振方向的线偏振光6为垂直线偏振光，偏振方向β的线偏振光7为平行线偏振光。
在本实施例中，所述偏振依赖液晶透镜阵列300，由平凹形状的聚合物层301、平凸形状的液晶层302、取向层303以及玻璃基板304组成。所述偏振依赖液晶透镜阵列300对垂直线偏振光直接全透过，如附图3所示；所述偏振依赖液晶透镜阵列300对平行线偏振光具有聚焦作用，如附图4所示。偏振依赖液晶透镜阵列300的单元形状有附图5所示的一维柱透镜形状、附图6所示的矩形、附图7所示的六边形。
在本实施例中，所述高精度相位延迟模组400由4层棋盘格相位延迟片410错位叠加组成。所述棋盘格相位延迟片的相位延迟单元411包括π/2相位延迟单元和0相位延迟单元，且它们成棋盘格状交替排列构成，如附图9所示，棋盘格相位延迟片的π/2相位延迟单元412与棋盘格相位延迟片的0相位延迟单元413的水平和竖直节距均为2.5mm。所述π/2相位延迟单元对入射偏振光产生的π/2相位延迟，将线偏振光旋转90°，所述0相位延迟单元对入射光不产生相位延迟，不改变线偏振光的偏振方向。所述高精度相位延迟模组由4层棋盘格相位延迟片依次在水平方向和竖直方向上均错位0.625mm叠加构成，具体地，如附图8所示，第一层棋盘格相位延迟片放在最底面，将第二层棋盘格相位延迟片叠加在第一层上面，并且水平向右移动0.625mm，再竖直向下移动0.625mm，第三层和第四层重复上述错位叠加步骤，由此构成高精度相位延迟模组的相位延迟单元420的水平和竖直节距均为0.625mm的高精度相位延迟模组。
所述高精度相位延迟模组400包含的相位延迟单元有：0相位延迟单元、π/2相位延迟单元、2(π/2)相位延迟单元、3(π/2)相位延迟单元和4(π/2)相位延迟单元，根据其功能将其分为三类，第一类为0相位延迟单元，第二类为奇数倍π/2相位延迟单元，第三类为偶数倍π/2相位延迟单元。所述高精度相位延迟模组的相位延迟单元420仍呈棋盘格状排列，如附图10所示，所述高精度相位延迟模组的相位延迟单元420的水平和竖直节距均为0.625mm。
所述高精度相位延迟模组400的三类相位延迟单元对入射偏振光的偏振状态调制如下：
对于所述高精度相位延迟模组的0相位延迟单元421，如附图11所示，垂直线偏振光和平行线偏振光经过0相位延迟单元均不改变偏振方向；
对于所述高精度相位延迟模组奇数倍π/2相位延迟单元422，如附图12所示，垂直线偏振光经过奇数倍π/2相位延迟单元变为旋转方向A的圆偏振光8，与旋转方向A正交的旋转方向B的圆偏振光9经过奇数倍π/2相位延迟单元变为平行线偏振光，在本实施例中，旋转方向A的圆偏振光8为左旋圆偏振光，旋转方向B的圆偏振光9为右旋圆偏振光；
对于所述高精度相位延迟模组的偶数倍π/2相位延迟单元423，如附图13所示，垂直线偏振光经过偶数倍π/2相位延迟单元变为平行线偏振光，平行线偏振光经过偶数倍π/2相位延迟单元变为垂直线偏振光。
所述保偏屏5用于反射入射光。线偏振光经过所述保偏屏反射后，仍为相同偏振方向的线偏振光；左旋圆偏振光经过所述保偏屏反射后，由于半波损失，变为右旋圆偏振光，如附图14所示。
所述一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置，其入射光路，如附图15所示。所述投影机1投影2D/3D融合片源，且2D/3D融合片源的单元节和所述高精度相位延迟模组的单元节距均为0.625mm，所述2D/3D融合片源的2D图像单元101与所述高精度相位延迟模组的0相位延迟单元和偶数倍π/2相位延迟单元对应对齐，所述2D/3D融合片源中3D图像单元102与所述高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元对应对齐。所述起偏器2将2D/3D融合片源的光线调制为垂直线偏振光，所述偏振依赖液晶透镜阵列300对垂直线偏振光透射。对应于2D图像单元101的光线，垂直线偏振光通过所述高精度相位延迟模组的0相位延迟单元和偶数倍π/2相位延迟单元，分别被调制成垂直线偏振光和平行线偏振光，所述保偏屏5反射垂直线偏振光和平行线偏振光，并保持他们的偏振方向不变；对应于3D图像单元102的光线，垂直线偏振光通过所述高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元，被调制为左旋圆偏振光，所述保偏屏5将左旋圆偏振光反射为右旋圆偏振光。通过所述保偏屏5反射后，2D图像光线包含垂直线偏振光和水平线偏振光，3D图像光线为右旋圆偏振光。
所述一种提高图像均匀性的前投式2D/3D融合显示装置的反射光路，如附图16所示。对应于2D图像单元101的光线，垂直线偏振光再次经过所述高精度相位延迟模组的0相位延迟单元421，仍为垂直线偏振光，平行线偏振光再次经过所述高精度相位延迟模组的线偏振光偶数倍π/2相位延迟单元423，偏振方向旋转90°，变为垂直线偏振光，包含2D图像信息的垂直线偏振光直接透射通过所述偏振依赖液晶透镜阵列300，实现2D图像显示；对应于3D图像单元102的光线，右旋的圆偏振光再次经过所述高精度相位延迟模组的奇数倍π/2相位延迟单元422，被调制为平行线偏振光，包含3D图像信息的平行线偏振光被所述偏振依赖液晶透镜阵列300聚焦成像，实现3D立体显示。
在本实施例中，通过所述起偏器2和所述高精度相位延迟模组400对2D图像单元101和3D图像单元102独立调制，配合所述偏振依赖液晶透镜阵列300实现对垂直线偏振光透过，对平行线偏振光进行方向性调制，实现高均匀性的2D/3D融合显示，同时也能够实现全屏2D显示和全屏3D显示。该装置通过错位叠加4层棋盘格相位延迟片，使相位延迟单元缩小为原来的1/16，图像的均匀度提高16倍，有效的解决了显示图像的切割感问题，提升显示质量。
