[发明专利]可变焦透镜三维显示器

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维立体显示技术，尤其是涉及一种利用动态可变焦液体透镜阵列的图像集成立体显示器。

背景技术

目前基于双目视差方式(binocular parallax)的立体显示器主要采用二维平面显示器件加上柱状棱镜(lenticular lens)或视差隔条(parallax barrier)的方式将不同图像分别送至左右眼，由于两眼图像存在差异，从而感知到三维立体影像。此类立体显示器件的主要问题是：观测者必须在特定位置才能观看立体图像、观测者双眼的会聚点(convergence)和双眼调节角度(accommodation)不重合，长时间观看会产生视觉疲劳和不适感。

图像集成(integral imaging)立体显示技术可以克服上述缺点。图像集成立体显示原理最早是由Lippmann于1908年提出的(M.G.Lippmann，“Laphotographie integrale，”C.R.Acad.Sci.1908，146：446-451)。图1所示为图像集成立体显示技术的拍摄和显示原理。拍摄端包括拍摄透镜阵列2和图像传感器4，拍摄透镜阵列2将物体1的影像聚焦在图像传感器4，形成由许多独立的拍摄子图像3排列而成的二维图像。显示端由二维平面显示器5和显示透镜阵列7组成，二维平面显示器5显示由显示子图像6组成的二维图像，经过显示透镜阵列7的焦距，在空间重建三维物体的第一影像8。与全息图像类似，图像集成立体显示技术在三维空间重建了物体的真实影像，因此观测者不受位置限制，也不会产生视觉疲劳。但是由于图像集成立体显示器的透镜阵列通常采用玻璃或光敏树脂制成，其透镜焦距是固定的，因此无法正常显示二维平面显示器的二维图像信息，并且由于透镜焦距的固定，所显示三维图像的纵深立体感较差。

发明内容

技术问题：为了克服图像集成立体显示焦距固定、不能方便进行二维和三维显示模式的转换和显示图像纵深立体感较差的问题，本发明提供一种可变焦透镜三维显示器，即利用可变焦液体透镜阵列的图像集成立体显示器，利用该图像集成立体显示器可以方便得进行二维和三维显示模式的转换，并且能有效得提高显示图像纵深方向的立体感。

技术方案：本发明的技术方案是由二维平面显示器和可变焦液体透镜阵列组成的可变焦图像集成立体显示器。二维平面显示器可以是当前各类大屏幕平面显示器(例如，液晶显示器、等离子体显示、背投等)，可变焦液体透镜阵列则与显示屏幕平行放置且每个透镜单元与一个子图像对应。为了实现透镜的变焦，每个液体透镜单元包含一个腔体，里面充满两种互不混融的液体。两种液体折射率和导电性能都不相同。其中一个是导电液体，另外一个是非极性绝缘液体。两种混合液体密度相同，从而克服重力对两种液体接触面形状的影响。透镜单元包含两个电极，其中一个直接与导电液体接触，另外一个电极则覆盖绝缘层。腔体内壁由侧壁、前壁和后壁组成，在腔体的侧壁和前壁覆盖有疏水层(如有必要可以增加额外的绝缘层)。因此在不加外电场时，由于表面张力的作用，两种液体的接触表面呈自然的旋转对称曲面，即形成一个液体透镜单元。当在两个电极之间加不同电压时，由于电润湿(electrowetting)作用，两个液体接触曲面的曲率将发生变化。通过调整电压便可以实现改变液体透镜的焦距。

为了实现二维和三维显示模式的转换，本发明技术方案是通过调整液体透镜单元两个电极之间的外加电压，使两个液体的接触表面呈平面，此时可变焦液体透镜阵列对光线不产生折射，从而人眼能清楚的看到二维平面显示器所显示的二维图像信息。具体而言，二维显示模式时，液体透镜单元腔体内两种液体的接触面为第三液面21，即平面；三维显示模式时，液体透镜单元腔体内两种液体的接触面为焦距可调的曲面，即第一液面19或第二液面20。

为了增强纵深方向的立体感，本发明的技术方案是，根据显示的图像内容，可变焦液体透镜阵列焦距的变化与二维平面显示器的显示帧率同步，周期性得同步改变二维平面显示器显示的图像内容和液体透镜焦距，从而利用分时方式，在空间纵轴方向不同位置交替显示三维立体图像。具体原理如图2所示，当液体透镜焦距较大时，如图2中第一焦距11’，根据二维平面显示器5的显示内容，形成第三影像10；改变液体透镜的焦距，如图2中第二焦距11”，同时改变二维平面显示器5的显示内容，形成第二影像9。当连续交替显示第二影像9和第三影像10时，由于人眼的视觉暂留作用，人眼感知到一个三维纵深信息增加了的三维立体图像。