CN100595669C - 一种双面显示屏及其三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面显示屏及其三维显示装置。该双面显示屏，一面是漫射屏，一面是定向散射屏。基于上述双面显示屏，本发明提出了四种三维显示装置，它们在光路结构上有所区别，都包括双面显示屏、反射镜系统、高速投影机。该三维显示装置能变换实现空间体三维显示和空间全景视差三维显示。当图像投影到漫射屏时实现体三维显示；当图像投影到定向散射屏时实现全景视差三维显示。

Description

一种双面显示屏及其三维显示装置

技术领域

本发明涉及光学装置，尤其涉及一种双面显示屏及其三维显示装置。

背景技术

三维显示应用于军事指挥、空中导航、医学成像、教学培训方面。三维显示技术主要有全息三维显示、体三维显示、体视三维显示。全息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。体三维显示技术是在立体空间进行寻址，控制相应体素的亮度，最终在三维空间扫描出立体物体。体三维显示具有水平和垂直视差，水平360°，垂直180°可见，适合多人同时环绕观察。由于在立体空间扫描时，不能控制每一个体像素的发光方向和发光立体角，因此必然存在着空间显示的透视消隐问题，即存在三维物体的前后面同时可见。这与我们平常视觉效果不一致，而且会引起前后视图的重叠从而导致混乱。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。体视三维从当初的需要戴偏振眼镜的视差型三维显示发展到今天的空间全景视差三维显示。360°全视场的空间全景视差三维显示很好地满足了人们视觉的要求。不同的三维显示方式要求不同的三维显示屏。体三维的显示屏有垂直平面和螺旋面两种漫射屏；空间全景视差三维显示屏是定向散射屏。由于各种三维显示都有自身的优缺点，人们希望能实现不同三维显示方式，这就要求能实现不同三维显示的组合屏。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双面显示屏及其三维显示装置。

双面显示屏包括漫射屏和定向散射屏；其中一侧为漫射屏，另一侧为定向散射屏。

所述的定向散射屏为反射型定向散射屏或反射镜和透射型定向散射屏的组合，定向散射屏为全息散射屏或二元光学元件。

一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏、第一反射镜系统、第二反射镜系统、第一高速投影机、第二高速投影机，双面显示屏、第一反射镜系统、第二反射镜系统为转动部分，第一高速投影机、第二高速投影机为固定部分，第一高速投影机投影出来的图像从下端转轴中心进入第一反射镜系统，再投影到旋转的双面显示屏的一侧；第二高速投影机投影出来的图像从上端转轴中心进入第二反射镜系统，再投影到旋转的双面显示屏的另一侧。

第一反射镜系统、第二反射镜系统均由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏、反射镜系统、偏振分束棱镜、分束棱镜、旋转偏振器系统、第一高速投影机、第二高速投影机，双面显示屏、反射镜系统和偏振分束棱镜为转动部分，分束棱镜、第一高速投影机和第二高速投影机为固定部分，第一高速投影机投影出来经过第一旋转偏振器的光束与第二高速投影机投影出来经过第二旋转偏振器的光束，通过分束棱镜两束光路合并，然后转轴中心进入偏振分束棱镜进行分束，经过反射镜系统，最后将第一高速投影机和第二高速投影机投出来的图像分别投影到旋转的双面显示屏的两侧。

偏振分束棱镜为透射光与反射光的偏振方向互为垂直的棱镜或偏振分束镜，分束棱镜为部分透光部分反射的消偏振分束棱镜或消偏振分束镜，旋转偏振器系统包括两个偏振方向相互垂直且与偏振分束棱镜同步转动的第一旋转偏振器、第二旋转偏振器，反射镜系统由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏、反射镜系统、光阑控制系统、分束棱镜、第一高速投影机，双面显示屏、反射镜系统、光阑控制系统、分束棱镜为转动部分，第一高速投影机为固定部分，第一高速投影机投影出来的图像从转轴中心进入分束棱镜、经过光阑控制系统、再通过反射镜系统投影到旋转的双面显示屏。

光阑控制系统包括第一光阑、第二光阑和控制电源，当控制电源给第一光阑通电时第一光阑打开，不通电时第一光阑关闭，当控制电源给第二光阑通电时第二光阑打开，不通电时第二光阑关闭；分束棱镜为部分透光部分反射的消偏振分束棱镜；反射镜系统由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏、反射镜系统、可控反射镜、第一高速投影机，双面显示屏、反射镜系统、可控反射镜为转动部分，第一高速投影机为固定部分，第一高速投影机投影出来的图像从转轴中心进入，经过可控反射镜反射、再通过反射镜系统投影至旋转的双面显示屏。

可控反射镜为旋转的反射镜或反射棱镜，第一高速投影机投影出来的图像经可控反射镜反射，进入反射镜系统，投影到双面显示屏的一侧；当可控反射镜转动90°时，投影到双面显示屏的另一侧，反射镜系统由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

本发明公开的双面显示屏，一面为漫射屏，一面为定向散射屏。不同的三维显示方式采用双面屏的不同侧面显示。基于上述双面显示屏，本发明提供了四种三维显示装置，都能实现空间体三维显示和空间全景视差三维显示，而且显示方式变换简单、方便。此外，前两种三维显示装置可以同时组合实现空间体三维显示和空间全景视差三维显示；后两种三维显示装置可以分时组合实现空间体三维显示和空间全景视差三维显示。

附图说明

图1是双面显示屏幕结构示意图；

图2是基于上下双光路的三维显示装置原理示意图；

图3是基于偏振分束的三维显示装置原理示意图；

图4是基于可控光阑的三维显示装置原理示意图；

图5是基于可控反射镜的三维显示装置原理示意图；

图中：双面显示屏(1)、漫射屏(11)、定向散射屏(12)、第一反射镜系统(21)、第二反射镜系统(22)、第一高速投影机(23)、第二高速投影机(24)、反射镜系统(31)、偏振分束棱镜(32)、分束棱镜(33)、旋转偏振器系统(34)、第一旋转偏振器(341)、第二旋转偏振器(342)、反射镜系统(41)、光阑控制系统(42)、第一光阑(421)、第二光阑(422)、分束棱镜(43)、反射镜系统(51)、可控反射镜(52)。

具体实施方式

如图1所示，双面显示屏1包括漫射屏11和定向散射屏12；其中一侧为漫射屏11，另一侧为定向散射屏12。双面显示屏1的两面都是反射面，即将入射图像都向外侧反射。两面有着不同的功能，漫射屏11充当漫射投影屏，用以实现体三维显示；定向散射屏12能限制光线小角度发光，用以实现空间全景视差三维显示。

所述的定向散射屏12为反射型定向散射屏或反射镜和透射型定向散射屏的组合，定向散射屏12为全息散射屏或二元光学元件。

基于双面显示屏1的三维显示装置是通过控制投影光路，让图像投影到双面显示屏1的漫射屏11实现空间体三维显示；让图像投影到定向散射屏12实现空间全景视差三维显示。体三维显示原理是将三维场景沿中心轴截面依次截取一系列图像每隔一定的角度截取一幅图像，通过旋转双面显示屏1时，每隔相同的一定角度投影一幅图像到漫射屏11，依次在相应的位置上显示截取的一系列图像，由于每秒刷新16次以上以及人眼的视觉暂留效果，便可扫描出一个360°可见的空间三维场景。体三维显示具有水平和垂直视差，但是存在着空间显示的透视消隐问题，即存在三维物体的前后面同时可见。空间全景视差三维显示原理与体三维显示不同。它先是摄像机绕某中心轴拍摄空间三维场景的各个方向的视图，并对图像进行处理，然后随着双面显示屏1旋转，每隔相同的一定角度投影一幅图像到定向散射屏12，使得不同视角的图像沿相应的方向出射，从而在不同位置看到三维场景的不同视角的图像，再现出了空间全景视差三维图像。这种三维显示可以很好的消隐，但是只有水平视差。

如图2所示，一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏1、第一反射镜系统21、第二反射镜系统22、第一高速投影机23、第二高速投影机24，双面显示屏1、第一反射镜系统21、第二反射镜系统22为转动部分，第一高速投影机23、第二高速投影机24为固定部分，第一高速投影机23投影出来的图像从下端转轴中心进入第一反射镜系统21，再投影到旋转的双面显示屏1的一侧；第二高速投影机24投影出来的图像从上端转轴中心进入第二反射镜系统22，再投影到旋转的双面显示屏1的另一侧。第一反射镜系统21、第二反射镜系统22均由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。此三维显示装置采用上、下双光路，两个光路不会叠加。第一、二高速投影机23、24分别投影到双面显示屏1的两侧，一台高速投影机将体三维的截面图投影到漫射屏11，实现体三维显示；另一台高速投影机将三维场景不同视角的图像投影到定向散射屏12，实现空间全景视差三维显示。选择不同的投影机工作，就可以实现不同的三维显示，也可以两台投影仪同时工作，实现一种组合的三维显示。

如图3所示，一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏1、反射镜系统31、偏振分束棱镜32、分束棱镜33、旋转偏振器系统34、第一高速投影机23、第二高速投影机24，双面显示屏1、反射镜系统31和偏振分束棱镜32为转动部分，分束棱镜33、第一高速投影机23和第二高速投影机24为固定部分，第一高速投影机23投影出来经过第一旋转偏振器341的光束与第二高速投影机24投影出来经过第二旋转偏振器342的光束，通过分束棱镜33两束光路合并，然后转轴中心进入偏振分束棱镜32进行分束，经过反射镜系统31，最后将第一高速投影机23和第二高速投影机24投出来的图像分别投影到旋转的双面显示屏1的两侧。偏振分束棱镜32为透射光与反射光的偏振方向互为垂直的棱镜或偏振分束镜，分束棱镜33为部分透光部分反射的消偏振分束棱镜或消偏振分束镜，旋转偏振器系统34包括两个偏振方向相互垂直且与偏振分束棱镜32同步转动的第一旋转偏振器341、第二旋转偏振器342，反射镜系统31由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。此三维显示装置采用两台高速投影机23、24分别经过第一旋转偏振器341、第二旋转偏振器342从而产生了两个偏振方向互相垂直的光路，经过消偏振分束棱镜33合并，在通过转轴中心进入旋转部分。因为两束光的偏振方向互相垂直，所以偏振分束棱镜32可以正确地将两束光分开，然后分别投影到双面显示屏1的两侧。在三维显示过程，偏振分束棱镜32是在不断旋转的，如果两束合成图像的偏振方向不随之同步旋转，那么偏振分束棱镜32就无法正确将两束图像重新分离，这样投影到显示屏的图像就会错乱。同样地，一台高速投影机将体三维的截面图投影到漫射屏11，实现体三维显示；另一台高速投影机将三维场景不同视角的图像投影到定向散射屏12，实现空间全景视差三维显示。选择不同的投影机工作，就可以实现不同的三维显示，也可以两台投影仪同时工作，实现一种组合的三维显示。

如图4所示，一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏1、反射镜系统41、光阑控制系统42、分束棱镜43、第一高速投影机23，双面显示屏1、反射镜系统41、光阑控制系统42、分束棱镜43为转动部分，第一高速投影机23为固定部分，第一高速投影机23投影出来的图像从转轴中心进入分束棱镜43、经过光阑控制系统42、再通过反射镜系统41投影到旋转的双面显示屏1。光阑控制系统42包括第一光阑421、第二光阑422和控制电源423，当控制电源423给第一光阑421通电时第一光阑421打开，不通电时第一光阑421关闭，当控制电源423给第二光阑422通电时第二光阑422打开，不通电时第二光阑422关闭；分束棱镜43为部分透光部分反射的消偏振分束棱镜；反射镜系统41由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。此三维显示装置采用一台高速投影机21通过光阑控制系统42选择不同的投影屏，从而实现不同的三维显示方式。此外，此三维显示装置还可以通过控制电源423分时给第一光阑421和第二光阑422通电，实现两个光阑开关的不断切换，实现组合的三维显示。

如图5所示，一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏1、反射镜系统51、可控反射镜52、第一高速投影机23，双面显示屏1、反射镜系统51、可控反射镜52为转动部分，第一高速投影机23为固定部分，第一高速投影机23投影出来的图像从转轴中心进入，经过可控反射镜52反射、再通过反射镜系统51投影至旋转的双面显示屏1。可控反射镜52为旋转的反射镜或反射棱镜，第一高速投影机23投影出来的图像经可控反射镜52反射，进入反射镜系统51，投影到双面显示屏1的一侧；当可控反射镜52转动90°时，投影到双面显示屏1的另一侧，反射镜系统51由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。此三维显示装置采用一台高速投影机21通过可控反射镜52从一个位置切换到另一个位置，让光路投影到双面显示屏1的一侧切换到另一侧，从而实现从一种三维显示方式到另外一种三维显示方式的切换。此外，此三维显示装置还可以高速旋转可控反射镜52，实现光路的不断切换，从而实现分时组合的三维显示。

Claims (9)

1.一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏(1)、第一反射镜系统(21)、第二反射镜系统(22)、第一高速投影机(23)、第二高速投影机(24)，双面显示屏(1)、第一反射镜系统(21)、第二反射镜系统(22)为转动部分，第一高速投影机(23)、第二高速投影机(24)为固定部分，第一高速投影机(23)投影出来的图像从下端转轴中心进入第一反射镜系统(21)，再投影到旋转的双面显示屏(1)的一侧；第二高速投影机(24)投影出来的图像从上端转轴中心进入第二反射镜系统(22)，再投影到旋转的双面显示屏(1)的另一侧，所述的双面显示屏(1)包括漫射屏(11)和定向散射屏(12)；其中一侧为漫射屏(11)，另一侧为定向散射屏(12)。

2.根据权利要求1所述的一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于所述的第一反射镜系统(21)、第二反射镜系统(22)均由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

3.一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏(1)、反射镜系统(31)、偏振分束棱镜(32)、分束棱镜(33)、旋转偏振器系统(34)、第一高速投影机(23)、第二高速投影机(24)，双面显示屏(1)、反射镜系统(31)和偏振分束棱镜(32)为转动部分，分束棱镜(33)、第一高速投影机(23)和第二高速投影机(24)为固定部分，第一高速投影机(23)投影出来经过第一旋转偏振器(341)的光束与第二高速投影机(24)投影出来经过第二旋转偏振器(342)的光束，通过分束棱镜(33)两束光路合并，然后转轴中心进入偏振分束棱镜(32)进行分束，经过反射镜系统(31)，最后将第一高速投影机(23)和第二高速投影机(24)投出来的图像分别投影到旋转的双面显示屏(1)的两侧，所述的双面显示屏(1)包括漫射屏(11)和定向散射屏(12)；其中一侧为漫射屏(11)，另一侧为定向散射屏(12)。

4.根据权利要求3所述的一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于所述的偏振分束棱镜(32)为透射光与反射光的偏振方向互为垂直的棱镜或偏振分束镜，分束棱镜(33)为部分透光部分反射的消偏振分束棱镜或消偏振分束镜，旋转偏振器系统(34)包括两个偏振方向相互垂直且与偏振分束棱镜(32)同步转动的第一旋转偏振器(341)、第二旋转偏振器(342)，反射镜系统(31)由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

5.一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏(1)、反射镜系统(41)、光阑控制系统(42)、分束棱镜(43)、第一高速投影机(23)，双面显示屏(1)、反射镜系统(41)、光阑控制系统(42)、分束棱镜(43)为转动部分，第一高速投影机(23)为固定部分，第一高速投影机(23)投影出来的图像从转轴中心进入分束棱镜(43)、经过光阑控制系统(42)、再通过反射镜系统(41)投影到旋转的双面显示屏(1)，所述的双面显示屏(1)包括漫射屏(11)和定向散射屏(12)；其中一侧为漫射屏(11)，另一侧为定向散射屏(12)。

6.根据权利要5所述的一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于所述的光阑控制系统(42)包括第一光阑(421)、第二光阑(422)和控制电源(423)，当控制电源(423)给第一光阑(421)通电时第一光阑(421)打开，不通电时第一光阑(421)关闭，当控制电源(423)给第二光阑(422)通电时第二光阑(422)打开，不通电时第二光阑(422)关闭；分束棱镜(43)为部分透光部分反射的消偏振分束棱镜；反射镜系统(41)由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

7.一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于包括双面显示屏(1)、反射镜系统(51)、可控反射镜(52)、第一高速投影机(23)，双面显示屏(1)、反射镜系统(51)、可控反射镜(52)为转动部分，第一高速投影机(23)为固定部分，第一高速投影机(23)投影出来的图像从转轴中心进入，经过可控反射镜(52)反射、再通过反射镜系统(51)投影至旋转的双面显示屏(1)，所述的双面显示屏(1)包括漫射屏(11)和定向散射屏(12)；其中一侧为漫射屏(11)，另一侧为定向散射屏(12)。

8.根据权利要求7所述的一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于所述的可控反射镜(52)为旋转的反射镜或反射棱镜，第一高速投影机(23)投影出来的图像经可控反射镜(52)反射，进入反射镜系统(51)，投影到双面显示屏(1)的一侧；当可控反射镜(52)转动90°时，投影到双面显示屏(1)的另一侧，反射镜系统(51)由2～10块反射镜、反射棱镜或反射镜和反射棱镜组成。

9.根据权利要求1、3、5或7所述的一种采用双面显示屏的三维显示装置，其特性在于所述的定向散射屏(12)为反射型定向散射屏或反射镜和透射型定向散射屏的组合。

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