CN100595631C - 实现全视场空间三维显示的屏幕装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置，包括显示屏、显示屏转动装置以及设置在显示屏前面的光学装置，所述的光学装置是倾斜开孔的光阑二维阵列、竖直柱面镜阵列、垂直开孔的光阑二维阵列与透镜的组合或者小透镜二维阵列与竖直散射屏及柱面镜的组合。本发明能约束图像显示所发出的光，实现当屏幕装置按照视场次序边旋转边逐一显示三维空间场景按照环绕其观看视点逐个分解而成的一系列视场的二维图像时，某一瞬间某一视场的图像只能被相应视场的观看者看到，并且其双眼所看到的是不同的具有正确视差的双目视场图像以形成正确的立体视差效果。基于本发明的全视场空间三维显示可供多人360°环绕裸眼观看并能实现空间三维场景消隐。

Description

实现全视场空间三维显示的屏幕装置
技术领域
本发明涉及光学装置，尤其涉及一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置。
背景技术
真实空间三维显示技术主要有全息空间三维显示和体空间三维显示技术等，与视差型三维显示技术不同，这两种三维显示是一种真实空间的三维显示，并且可以在多个角度裸眼观看。但是全息空间三维显示在动态显示方面需要高分辨的、高速的空间光调制器，目前尚无法满足动态全息三维图像的再现要求，而体空间三维显示技术中，由于是在显示实空间进行寻址显示，因此存在着空间显示的透视消隐问题。如何实现一种利用现有技术就能够实现的具有真实空间感的三维显示技术，并且能够克服体空间三维显示的透视消隐问题成为技术关键。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置。
实现全视场空间三维显示的屏幕装置包括显示屏、显示屏转动装置以及设置在显示屏前面的光学装置，所述的光学装置是倾斜开孔的光阑二维阵列、竖直柱面镜阵列、垂直开孔的光阑二维阵列与透镜的组合或者小透镜二维阵列与竖直散射屏及柱面镜的组合。
所述的倾斜开孔的光阑二维阵列是：倾斜开孔的光阑二维阵列的每个光阑的每一个光阑与显示屏的每一个像素位置相对应，像素在水平方向上的光束经光阑约束后成为小角度发散的光束，所有光阑的开孔方向与它们各自所对应的像素位置的连线在空间中交汇形成观看区域。
竖直柱面镜阵列是：竖直柱面镜阵列的每一个竖直柱面镜与显示屏的每一个像素所在的列位置相对应，所有列像素在水平方向上的光束经它们各自所对应的竖直柱面镜约束后成为小角度发散的光束，在空间中交汇形成观看区域。
垂直开孔的光阑二维阵列与透镜的组合是：垂直开孔的光阑二维阵列的每一个光阑与显示屏的每一个像素位置相对应，像素在水平方向上的光束经光阑约束后成为小角度发散的光束，所有小角度发散的光束被透镜进一步约束后在空间中交汇形成观看区域。
小透镜二维阵列与竖直散射屏及柱面镜的组合是：小透镜二维阵列的每一个小透镜与显示屏的每一个像素位置相对应，且显示屏位于小透镜二维阵列的焦点面，像素在水平方向上的光束经小透镜约束后成为准直光束，所有准直光束经竖直散射屏和柱面镜进一步约束后成为小角度发散的光束，在空间中交汇形成观看区域。
显示屏是LED显示屏、高帧频的液晶屏、高帧频的等离子显示屏或有机发光屏。透镜是球面透镜或柱面透镜。小透镜是常规透镜、用二元光学方法产生的透镜或用全息方法产生的透镜。竖直散射屏是竖直方向上的条状光栅。
本发明能约束图像显示所发出的光，实现当屏幕装置按照视场次序边旋转边逐一显示三维空间场景按照环绕其观看视点逐个分解而成的一系列视场的二维图像时，某一瞬间某一视场的图像只能被相应视场的观看者看到，并且其双眼所看到的是不同的具有正确视差的双目视场图像以形成正确的立体视差效果。基于本发明的全视场空间三维显示可供多人360°环绕裸眼观看并能实现空间三维场景消隐。
以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是实现全视场空间三维显示的屏幕装置示意图；
图2以俯视方式给出了利用屏幕装置旋转以及利用光学装置对显示屏水平方向的发光进行约束而实现体视效果的原理示意图；
图3以俯视方式给出了利用倾斜开孔的光阑二维阵列对显示屏像素水平方向的发光进行约束而形成观看区域的原理示意图；
图4以俯视方式给出了利用柱面镜阵列对显示屏像素水平方向的发光进行约束而形成观看区域的原理示意图；
图5以俯视方式给出了利用垂直开孔的光阑二维阵列及透镜的组合对显示屏像素水平方向的发光进行约束而形成观看区域的原理示意图；
图6以俯视方式给出了利用小透镜二维阵列与竖直散射屏及柱面镜的组合对显示屏像素水平方向的发光进行约束而形成观看区域的原理示意图。
具体实施方式
本发明的物体空间场景三维显示原理主要基于三维空间的全视场显示原理。三维空间的全视场显示原理，简单地说，就是模拟人们对一个三维物体的实际观看，当观看者围绕一个物体观看的时候能够感知到它的空间位置与关系，这是因为观看者的双眼看到了不同的视场景象，当观看者围绕物体移动时，所看到的物体的视场角度随之变化，因此如果我们能够将一个物体从围绕它的各个方向的各个视场图像逐一按照视场的次序展示出来，则对于观看者来说，他看到的图像将与直接看相应三维物体的视场一模一样，这样就将物体空间场景三维显示问题变成了如何获得物体的全视场图像、将全视场图像按照环绕其观看视点逐个分解成一系列视场的二维图像的组合，并按照视场次序边旋转边逐一显示相应视场二维图像的问题，这些视场二维图像的集合正好构成物体的360°环绕视场。这样，只要再现的物体视场角图像足够多，我们就可以十分真实地再现出空间三维场景。一般为了使三维显示逼真，360°视场至少需要取300个视场角的图像。
本发明涉及的全视场空间三维显示技术是解决空间三维显示的真实性与消隐性这一矛盾的关键，是一种能够实现多人360°环绕观看，具有空间三维显示特性的空间三维显示技术。它应用人眼观看真实空间三维物体的特征，利用人眼的视觉时间残余特性，在空间真实全视场地再现三维场景，可以供人们不用借助任何工具，就可以在围绕该显示装置的360°任意位置用裸眼观看到空间三维场景，而且能够实现空间三维场景消隐的三维显示效果。全视场空间三维场景消隐技术的关键是每个视场的二维图像显示只能在相应的视场角被相应的观看者看到，其他视场的观看者应当看不到这个视场的二维图像，而只能看到其相应视场的二维图像。
如图1所示，实现全视场空间三维显示的屏幕装置包括显示屏2、显示屏转动装置3以及设置在显示屏前面的光学装置1。显示屏2的作用是按照视场次序边旋转边逐一显示空间三维场景每个视场角的二维图像。要实现某一瞬间某一视场的二维图像仅仅被位于该视场的观看者看到，而不让其他位置的观看者看到，需要满足以下两个特性：
其一，显示屏2具有足够高的显示帧频，以保证不同视场角二维图像的显示更替速度足够快，使人眼没有停顿感。设，显示屏2每转显示360幅图像，为了保证人眼感觉不到屏幕装置的转动，其转动速度要保持在30转/秒以上，则显示屏2的帧频应该为10800帧/秒。常规的显示器是无法满足这样的帧频要求的，但是LED的相应速度(纳秒量级)很快，完全可以满足这样的显示速度，所以显示屏2可以选择LED显示屏。另外显示屏2也可以是高帧频的液晶屏、高帧频的等离子显示屏或有机发光屏。
其二，显示屏2的图像所发出的光必须被约束在很小的发散角之内，以保证仅仅是位于该视场角的观看者看得到而其他位置的观看者看不到，同时还要保证观看者双眼看到的依然是不同的、具有正确视差的图像，才能形成正确的立体视差效果。实际上，这一特性就决定了观看的最佳距离。设，显示屏2每一转共显示M幅图像，也就是每(360°/M)视场角显示一幅对应图像，由于人眼的双目间距为7厘米左右，因此最远的具有体视感的观看距离d为：
d＝7/tan(360°/M)
由此可知，显示屏2每一转显示的图像幅数M越多，则同时具有体视感和不同视角立体感的观看距离d就越远。如果观看者在这个距离之外观看，则可能形成仅具有不同视角的立体显示效果，而不具备视差产生的体视效果。
为了保证显示屏2在每一个视场角位置显示的图像仅仅为处于该特定视场角方位的观看者观看，显示屏2上的像素所发出的光束就不能是以往常见的朗伯体，而是在水平方向上必须是在一定的发散角范围内(一般取2×(360°/M)角度)。为了达到这样的发散角度的显示，引入光学装置1以便在水平方向约束显示屏2所发出的光，使显示屏2上的图像在空间中形成一个竖直面状的观看区域，该观看区域最好与观看者的人眼瞳孔相重叠，以保证显示屏2上的每一幅图像仅仅为位于某一视角位置的观看者看到，但观看者在这个视角上下竖直方向移动中都能看到显示屏2的图像。
如图2所示，利用屏幕装置旋转以及利用光学装置1对显示屏2水平方向的发光进行约束而实现体视效果的原理是：光学装置1将显示屏2的像素水平方向的光束发散角限制在小的范围内，显示屏2所有像素发出的光被约束后将在空间中交汇形成观看区域，只有当观看者的眼睛位于观看区域内，才能够全部接收到来自显示屏2上所有像素发出的光束，看到显示屏2所显示的完整的图像信息，而一旦观看者的眼睛离开这一区域，就无法全部接收到来自显示屏2上所有像素发出的光束，导致观看者所看到的图像信息不完整，甚至会看不到。假设在实线所示位置处，显示屏2所有像素发出的光被光学装置1约束后，在空间中交汇形成以水平线形式填充的观看区域，此时显示屏2上显示的是左眼视场图像；屏幕装置转过一个角度后到达虚线所示的位置，显示屏2所有像素发出的光被光学装置1约束后，在空间中交汇形成以波浪线形式填充的观看区域，此时显示屏2上显示的是右眼视场图像，那么，当观看者的左眼41处于以水平线形式填充的观看区域内，并且右眼42处于以波浪线形式填充的观看区域内，他的左、右眼所分别看到的左、右眼视场图像信息将是正确而完整的，双目视场图像经大脑融像后能够产生体视感。一旦观看者的眼睛离开观看区域，将会影响他观看时的双目视场图像的准确性。比如，如果观看者的一只眼睛处于图中以棋盘格形式填充的菱形区域，则将同时看到部分左眼视场图像和部分右眼视场图像，进而导致图像信息混淆，无法实现正确的体视效果。
所述的光学装置1是倾斜开孔的光阑二维阵列、竖直柱面镜阵列、垂直开孔的光阑二维阵列与透镜的组合或者小透镜二维阵列与竖直散射屏及柱面镜的组合。
如图3所示，倾斜开孔的光阑二维阵列是：倾斜开孔的光阑二维阵列5的每一个光阑51与显示屏2的每一个像素21位置相对应，像素21在水平方向上的光束经光阑51约束后成为小角度发散的光束，所有光阑的开孔方向与它们各自所对应的像素位置的连线在空间中交汇形成观看区域。所述光阑51可以不是圆形的，而是在竖直方向上的口径大些，以保证观看者在竖直面内有较大的观看范围，在水平方向上的口径要严格限制大小，以保证观看者观看时的双目视场图像的准确性。
如图4所示，竖直柱面镜阵列是：竖直柱面镜阵列6的每一个竖直柱面镜61与显示屏2的每一个像素21所在的列位置相对应，通过设计柱面的曲率半径来实现只在水平方向约束光束，则所有列像素在水平方向上的光束经它们各自所对应的竖直柱面镜约束后成为小角度发散的光束，在空间中交汇形成观看区域。
如图5所示，垂直开孔的光阑二维阵列与透镜的组合是：垂直开孔的光阑二维阵列7的每一个光阑71与显示屏2的每一个像素21位置相对应，像素21在水平方向上的光束经光阑71约束后成为小角度发散的光束，所有小角度发散的光束被透镜8进一步约束后在空间中交汇形成观看区域。透镜8是球面透镜或柱面透镜。
如图6所示，小透镜二维阵列与竖直散射屏及柱面镜的组合是：小透镜二维阵列9的每一个小透镜91与显示屏2的每一个像素21位置相对应，且显示屏2位于小透镜二维阵列9的焦点面，像素21在水平方向上的光束经小透镜91约束后成为准直光束，所有准直光束经竖直散射屏10和柱面镜11进一步约束后成为小角度发散的光束，在空间中交汇形成观看区域。小透镜91是常规透镜、用二元光学方法产生的透镜或用全息方法产生的透镜。竖直散射屏10是竖直方向上的条状光栅。

Claims (5)

1.一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置，其特征在于包括显示屏(2)、显示屏转动装置(3)以及设置在显示屏前面的光学装置(1)，所述的光学装置(1)是倾斜开孔的光阑二维阵列(5)、竖直柱面镜阵列(6)、垂直开孔的光阑二维阵列(7)与透镜(8)的组合或者小透镜二维阵列(9)与竖直散射屏(10)及柱面镜(11)的组合；
所述的倾斜开孔的光阑二维阵列(5)是：倾斜开孔的光阑二维阵列(5)的每一个光阑(51)与显示屏(2)的每一个像素(21)位置相对应，像素(21)在水平方向上的光束经光阑(51)约束后成为小角度发散的光束，所有光阑的开孔方向与它们各自所对应的像素位置的连线在空间中交汇形成观看区域；
所述的竖直柱面镜阵列(6)是：竖直柱面镜阵列(6)的每一个竖直柱面镜(61)与显示屏(2)的每一个像素(21)所在的列位置相对应，所有列像素在水平方向上的光束经它们各自所对应的竖直柱面镜约束后成为小角度发散的光束，在空间中交汇形成观看区域；
所述的垂直开孔的光阑二维阵列(7)与透镜(8)的组合是：垂直开孔的光阑二维阵列(7)的每一个光阑(71)与显示屏(2)的每一个像素(21)位置相对应，像素(21)在水平方向上的光束经光阑(71)约束后成为小角度发散的光束，所有小角度发散的光束被透镜(8)进一步约束后在空间中交汇形成观看区域；
所述的小透镜二维阵列(9)与竖直散射屏(10)及柱面镜(11)的组合是：小透镜二维阵列(9)的每一个小透镜(91)与显示屏(2)的每一个像素(21)位置相对应，且显示屏(2)位于小透镜二维阵列(9)的焦点面，像素(21)在水平方向上的光束经小透镜(91)约束后成为准直光束，所有准直光束经竖直散射屏(10)和柱面镜(11)进一步约束后成为小角度发散的光束，在空间中交汇形成观看区域。
2.根据权利要求1所述的一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置，其特征在于，所述的显示屏是LED显示屏、高帧频的液晶屏、高帧频的等离子显示屏或有机发光屏。
3.根据权利要求1所述的一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置，其特征在于，所述的透镜(8)是球面透镜或柱面透镜。
4.根据权利要求1所述的一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置，其特征在于，所述的小透镜(91)是常规透镜、用二元光学方法产生的透镜或用全息方法产生的透镜。
5.根据权利要求1所述的一种实现全视场空间三维显示的屏幕装置，其特征在于，所述的竖直散射屏(10)是竖直方向上的条状光栅。
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