基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3d显示装置
阅读说明：本技术 基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3d显示装置 (3D display device based on step gradual change aperture polarization slit grating ) 是由 吴非 樊为 高燕 范钧 陈章达 谢了尖 徐雯 任洪娇 曾星 于 2021-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3D显示装置,包括显示屏、阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I和阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II；位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的连续多个图像元的节距均相同；阶梯渐变节距图像元阵列中图像元的节距从中间到两边阶梯式增大；每个图像元发出的一部分光线经过阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I,且被阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I调制成具有相同偏振方向的偏振光I,偏振光I通过与该图像元对应的透光狭缝II投射到成像空间；每个图像元发出的一部分光线通过与该图像元对应的透光狭缝I,经过阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II投射到成像空间；在观看区域形成一个高成像效率和宽视角的3D图像。(The invention discloses a 3D display device based on a stepped gradient aperture polarization slit grating, which comprises a display screen, a stepped gradient aperture polarization slit grating I and a stepped gradient aperture polarization slit grating II, wherein the display screen is provided with a plurality of display screens; the pitches of a plurality of image elements located in the middle of the image element array with the step gradual change pitch are the same; the pitch of the image elements in the array of step-wise gradient pitch image elements increases stepwise from the middle to both sides; part of light rays emitted by each image element pass through the stepped gradient aperture polarization slit grating I and are modulated into polarized light I with the same polarization direction by the stepped gradient aperture polarization slit grating I, and the polarized light I is projected to an imaging space through a light-transmitting slit II corresponding to the image element; a part of light emitted by each image element passes through a light-transmitting slit I corresponding to the image element and is projected to an imaging space through a stepped gradient aperture polarization slit grating II; A3D image with high imaging efficiency and wide viewing angle is formed in a viewing area.)
技术领域
本发明涉及3D显示，更具体地说，本发明涉及基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的集成成像3D显示装置。
背景技术
集成成像将3D场景的信息记录到感光胶片，利用光路可逆原理，再将感光胶片上的信息投射到成像空间，从而重建3D场景。与其他3D显示相比，集成成像3D显示具有连续观看视点、无需助视设备和相干光等优点。现有技术方案采用阶梯渐变节距针孔阵列减小节距变化次数，从而降低传统渐变节距针孔阵列的制造难度和成本。阶梯渐变节距针孔阵列中同一列针孔的水平节距均相同；阶梯渐变节距针孔阵列中针孔的垂直节距均相同；位于阶梯渐变节距针孔阵列中间的连续多列针孔的水平节距相同；阶梯渐变节距针孔阵列的水平节距从中心到左右两边逐渐增大。基于阶梯渐变节距针孔阵列的集成成像3D显示中存在遮挡。成像效率是衡量遮挡对观看效果的影响的参数。针孔的水平和垂直孔径宽度一般不超过对应图像元水平和垂直节距的20%。因此，现有技术方案的成像效率不超过4%。
发明内容
本发明提出了基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3D显示装置，如附图1所示，其特征在于，包括显示屏、阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I和阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II；显示屏、阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I和阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II依次平行放置；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II紧密贴合；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的偏振方向正交；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I带有透光狭缝I，如附图2所示；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II带有透光狭缝II，如附图3所示；显示屏用于显示阶梯渐变节距图像元阵列；位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的连续多个图像元的节距均相同；阶梯渐变节距图像元阵列中图像元的节距从中间到两边阶梯式增大；每个图像元发出的一部分光线经过阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I，且被阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I调制成具有相同偏振方向的偏振光I，偏振光I通过与该图像元对应的透光狭缝II投射到成像空间；每个图像元发出的一部分光线通过与该图像元对应的透光狭缝I，经过阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II投射到成像空间；在观看区域形成一个高成像效率和宽视角的3D图像。
优选的，与单个图像元对应的透光狭缝I的数目均相同，与单个图像元对应的透光狭缝II的数目均相同。
优选的，与单个图像元对应的透光狭缝I的数目比透光狭缝II的数目多一个；与同一个图像元对应的透光狭缝I与透光狭缝II交替相间，与同一个图像元对应的相邻透光狭缝I的间隔宽度等于与该图像元对应的透光狭缝II的孔径宽度；与同一个图像元对应的透光狭缝I和透光狭缝II以该图像元的中心为中心对称排列；与第i个图像元对应的透光狭缝I的孔径宽度w i 、与第i个图像元对应的透光狭缝II的孔径宽度v i 满足下式
（1）
（2）
其中，p i 是第i个图像元的节距，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
优选的，基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3D显示装置的成像效率k为
（3）
其中，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
优选的，第i个图像元的节距p i 、与第i个图像元对应的透光狭缝I的孔径宽度w i 、与第i个图像元对应的透光狭缝II的孔径宽度v i 满足下式
（4）
其中，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目。
优选的，第i个图像元的节距p i 与第i+a个图像元的节距p i+a 满足下式：
（5）
其中，a是位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的节距相同的连续多个图像元的数目，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，m是图像元的数目，l是观看距离，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
优选的，基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3D显示装置的观看视角θ为
（6）
其中，a是位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的节距相同的连续多个图像元的数目，m是图像元的数目，是第个图像元的节距，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，l是观看距离，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
附图说明
附图1为本发明的示意图
附图2为本发明的阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的示意图
附图3为本发明的阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的示意图
上述附图中的图示标号为：
1. 显示屏，2. 阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I，3. 阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II，4. 透光狭缝I，5. 透光狭缝II。
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
下面详细说明本发明的一个典型实施例，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。
本发明提出了基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3D显示装置，如附图1所示，其特征在于，包括显示屏、阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I和阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II；显示屏、阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I和阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II依次平行放置；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II紧密贴合；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的偏振方向正交；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I带有透光狭缝I，如附图2所示；阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II带有透光狭缝II，如附图3所示；显示屏用于显示阶梯渐变节距图像元阵列；位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的连续多个图像元的节距均相同；阶梯渐变节距图像元阵列中图像元的节距从中间到两边阶梯式增大；每个图像元发出的一部分光线经过阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I，且被阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I调制成具有相同偏振方向的偏振光I，偏振光I通过与该图像元对应的透光狭缝II投射到成像空间；每个图像元发出的一部分光线通过与该图像元对应的透光狭缝I，经过阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II投射到成像空间；在观看区域形成一个高成像效率和宽视角的3D图像。
优选的，与单个图像元对应的透光狭缝I的数目均相同，与单个图像元对应的透光狭缝II的数目均相同。
优选的，与单个图像元对应的透光狭缝I的数目比透光狭缝II的数目多一个；与同一个图像元对应的透光狭缝I与透光狭缝II交替相间，与同一个图像元对应的相邻透光狭缝I的间隔宽度等于与该图像元对应的透光狭缝II的孔径宽度；与同一个图像元对应的透光狭缝I和透光狭缝II以该图像元的中心为中心对称排列；与第i个图像元对应的透光狭缝I的孔径宽度w i 、与第i个图像元对应的透光狭缝II的孔径宽度v i 满足下式
（1）
（2）
其中，p i 是第i个图像元的节距，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
优选的，基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3D显示装置的成像效率k为
（4）
其中，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
优选的，第i个图像元的节距p i 、与第i个图像元对应的透光狭缝I的孔径宽度w i 、与第i个图像元对应的透光狭缝II的孔径宽度v i 满足下式
（4）
其中，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目。
优选的，第i个图像元的节距p i 与第i+a个图像元的节距p i+a 满足下式：
（5）
其中，a是位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的节距相同的连续多个图像元的数目，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，m是图像元的数目，l是观看距离，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
优选的，基于阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅的3D显示装置的观看视角θ为
（6）
其中，a是位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的节距相同的连续多个图像元的数目，m是图像元的数目，是第个图像元的节距，n是单个图像元对应的透光狭缝I的数目，l是观看距离，g是显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距，s是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度，t是阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度。
图像元的数目是6，位于阶梯渐变节距图像元阵列中间的节距相同的连续多个图像元的数目是2，第3个图像元的节距是9mm，单个图像元对应的透光狭缝I的数目是2，单个图像元对应的透光狭缝II的数目是1，阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的厚度是2mm，阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅II的厚度是3mm，观看距离是271mm，则由式（1）、（2）、（4）和（5）计算得到显示屏与阶梯渐变孔径偏振狭缝光栅I的间距是4mm；阶梯渐变节距图像元阵列中第1~6个图像元的节距分别是10mm、10mm、9mm、9mm、10mm和10mm；与第1~6个图像元对应的透光狭缝I的孔径宽度分别是1.3mm、1.3mm、1.2mm、1.2mm、1.3mm和1.3mm；与第1~6个图像元对应的透光狭缝II的孔径宽度分别是2mm、2mm、1.8mm、1.8mm、2mm和2mm；由式（3）计算得到成像效率是46%；由式（6）计算得到观看视角是62%。
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