CN101511036A - 一种基于led的彩色全景视场三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置，该装置包括LED光源、照明系统、空间光调制器、投影镜头、定向散射屏、旋转装置、控制器、电脑和传感器；光源由红、绿、蓝三色LED组成。彩色图像由三色LED分时点亮照射单片空间光调制器产生，或三色LED同时照射三片空间光调制器产生。该装置投射出三维物体水平360°视场的组合图像到高速旋转的定向散射屏，而定向散射屏可以控制图像的发光角度，使得左右眼看到不同视场图像，从而实现彩色全景视场三维显示。控制器控制LED颜色、视场图像和定向散射屏的位置三者同步性。采用多片式定向散射屏将提高三维图像刷新频率，显示的彩色三维图像也更加稳定。

Description

一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置

技术领域

本发明涉及一种三维显示装置，尤其涉及一种彩色全景视场三维显示装置。

背景技术

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。由于技术的限制，目前尚无法实现满足人们观看要求的动态全息三维显示。

体三维显示按显示载体不同可分为静态体三维显示和扫描体三维显示。静态体三维显示采用静态的显示载体，在显示的三维物理空间内不存在运动物体，因此显示的介质必须填充三维物理空间，例如：铷蒸汽、多层LCD面板、多平面光学元件。这种静态体三维显示没有运动物体，系统稳定可靠，而且各种静态体三维显示方式，也都有缺点。采用激光激发铷蒸汽发光的体三维显示由于采用逐点扫描，无法提高三维体素的数量；多层LCD面板进行逐一LCD屏来回扫描显示，每一时刻只有一个LCD屏显示，其余的LCD虽为透明状，但是从最后一层发出的光线经过透明的LCD屏后能量还是损失较大，还有就是无法进行连续空间的扫描；采用高速投影仪投影多平面光学元件也同样存在多屏的问题。在扫描体三维显示方面，采用一个平面或曲面进行360°的旋转，在物理三维空间逐个平面分时扫描，从而扫描三维空间的所有体素，控制相应体素的亮度，最终在三维空间扫描出立体物体。体三维的显示屏有垂直平面和螺旋面两种。采用红、绿、蓝三色激光高速扫描螺旋面，可以实现简单的条状三维图像，每秒扫描的体素数量有限；采用高速投影机投影到高速旋转的垂直平面，实现三维显示，且效果较好，便于人眼观看，并应用于医学图像的三维显示。扫描体三维显示具有水平和垂直视差，水平360°，适合多人同时环绕观察。但是体三维显示存在最大的缺点，就是三维图像不可消隐，即，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。

为了实现具有真实空间感且可消隐的三维显示技术，人们逐步发展了体视三维显示。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裸眼观看的自体视三维显示。自体视三维显示又从只有两个视角图像到多视角平面三维显示屏，再发展今天的空间全景视场三维显示，一周视角可达到200个以上。空间视角的增加也大大地改善了三维显示的效果，更适合人眼观看。

空间全景视场三维的核心是定向散射的显示屏。它能控制每个视场图像的发光角度，从而使得人的左右眼看到不同视场的图像，形成有立体感的三维图像。为了实现彩色的全景视场三维显示，有人提出了采用高速投影仪投影到2-3块具有滤色镜定向散射显示屏。每一块定向散射屏负责一种颜色的显示。如果要实现红、绿、蓝三色显示时，必须要三块分别带有红、绿、蓝滤色镜定向散射屏，这样就大大降低了图像的分辨率，即原来一张的图像要被拆分成3幅图像，而且再现的三维图像的空间尺寸也要小很多。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置包括LED光源、照明系统、空间光调制器、投影镜头、定向散射屏、旋转装置、第一控制器、电脑和传感器；其中第一控制器连接传感器、LED光源和电脑，空间光调制器连接电脑。

进一步地，所述的LED光源为红、绿、蓝三色高亮度合成的LED；照明系统将LED光源的光线会聚到空间光调制器上；投影镜头将空间光调制器上的图像投影到定向散射屏上。

一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置包括红色LED、第一照明系统、第一空间光调制器、绿色LED、第二照明系统、第二空间光调制器、蓝色LED、第三照明系统、第三空间光调制器、光学合成系统、投影镜头、定向散射屏、旋转装置、第二控制器、电脑和传感器；其中第二控制器连接传感器和电脑，电脑连接第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器。

进一步地，第一照明系统将红色LED的光线会聚到第一空间光调制器上，第二照明系统将绿色LED的光线会聚到第二空间光调制器上，第三照明系统将蓝色LED的光线会聚到第三空间光调制器上；光学合成系统将第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器显示的三幅图像合成一幅彩色图像，经投影镜头投影到定向散射屏上。

进一步地，所述的第一控制器和第二控制器为单片机、CPLD、FPGA或其他可编程控制器；传感器为光电传感器或机械位置开关；所述的定向散射屏为全息定向散射屏、二元光学元件或其他光栅结构的光学元件；定向散射屏为由1-9块定向散射屏组成；定向散射屏安装在旋转装置上，两者一起转动。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置，采用两种方式实现了彩色的全景视场三维显示。采用三色LED光源红、绿、蓝分时照射空间光调制器，或者采用三色红、绿、蓝LED同时照射三片空间光调制器。两种方法操作简单，且能很好地实现彩色的全景视场三维显示，满足人们观察的要求。LED光源响应时间快，便于实时控制。

附图说明

图1是本发明基于LED的彩色全景视场三维显示装置实施例1的结构示意图；

图2是本发明基于LED的彩色全景视场三维显示装置实施例2的结构示意图；

图3是单面式定向散射屏结构示意图；

图4是双面式定向散射屏结构示意图；

图中：1、LED光源，2、照明系统，3、空间光调制器，4、投影镜头，5、定向散射屏，6、旋转装置，7、第一控制器，8、电脑，9、传感器，10、第二控制器，11、红色LED，12、第一照明系统，13、第一空间光调制器，14、绿色LED，15、第二照明系统，16、第二空间光调制器，17、蓝色LED，18、第三照明系统，19、第三空间光调制器，20、光学合成系统。

具体实施方式

人们观看三维空间物体，当观看者围绕一个物体观看的时候能够观察到一周连续的视场图像，每一幅视场图像对应于一个观察点。由于人的左、右眼相隔6-7cm，所以左、右眼分别看到不同视点的视场图像。本发明的全景视场三维显示原理就是模拟人们对一个三维物体的实际观看。全景视场三维显示装置在水平360°方向投射出一周离散的视场图像，且每一幅图像对应一个视点。只要离散的视场图像数量足够多，我们围绕物体移动时就可以观察到不同的视场图像。由于视场图像投影到定向散射屏上，图像的发光角度受到它的限制，所以每一幅图像只能在其视点的水平小范围内可见。这样，观看者的双眼就看到了不同的视场图像，从而形成立体感。令一周360°显示M个视图，故而一周需要投射出M幅图像。当定向散射屏沿中心轴旋转时，每隔一定角度(360/M)显示一幅图像。由于定向散射屏是旋转的，所以投影的图像也是随之旋转的，这样才能在每一个方向观察到正立图像。为了满足人眼的视觉暂留，定向散射屏旋转速度要非常快，每秒15转以上更佳，故而可以在三维空间再现出三维场景。因此在全景视场三维显示装置中，需要高帧频的投影机。每秒投影帧数N为

N＝M·ω

其中ω为转速。为了人们围绕观看视图比较连续，故而每周的视图数量M≥200。令M＝200，ω＝15，则投影机至少每秒要投影N＝3000帧。一般要求每秒投影4000-8000帧，因此需要高速的空间光调制器。空间光调制器一般为LCD、LCOS、DMD，其中DMD可以达到每秒上万帧，是比较理想的高速空间光调制器。

本发明涉及的基于LED的彩色全景视场三维显示装置采用LED作为光源，响应时间快、光路简单、便于控制。利用红、绿、蓝三色LED光源，每种颜色一周投影出M个视图，再现出一种颜色的三维图像。三种颜色的三维图像快速切换或同时混合，由于人眼的视觉暂留，在空间真实全视场地再现三维图像，而且是一幅很好的彩色三维图像。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彩色空间三维物体，而且能够实现空间三维场景消隐的三维显示效果。

实施例1

如图1所示，一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置，包括：LED光源1、照明系统2、空间光调制器3、投影镜头4、定向散射屏5、旋转装置6、第一控制器7、电脑8和传感器9。

其中，传感器9、LED光源1和电脑8均与第一控制器7连接，空间光调制器3连接电脑8，定向散射屏5固定在旋转装置6上。LED光源1为红、绿、蓝三色高亮度合成的LED；照明系统2将LED光源1的光线会聚到空间光调制器3上；投影镜头4将空间光调制器3上的图像投影到定向散射屏5上。

LED光源1是一个三色光源，与第一控制器7相连，由第一控制器7控制，分时点亮红、绿、蓝三色高亮度LED。当点亮红色LED时，红光经照明系统2会聚到空间光调制器3上。由空间光调制器3显示红色对应的图像，在经过投影镜头4将红色图像成像到定向散射屏5上，定向散射屏5将图像反射向观看区。同样，LED光源1的绿色LED对应空间光调制器3的图绿色图像；LED光源1的蓝色LED对应空间光调制器3的图蓝色图像。因为定向散射屏5随旋转装置6，而投影到定向散射屏5上的图像必须是正立的，故而投影的图像也要随旋转装置6一同旋转。所以，定向散射屏5旋转的位置对应一定倾角的图像，而这个图像由对应的三种颜色图像。在同步控制方面，采用第一控制器7连接传感器9，当定向散射屏5经过传感器9位置时，第一控制器7接收到位置信号，然后给LED光源1和电脑8发出同步信号，点亮LED光源1所需要的颜色，另外，电脑8连接空间光调制器3，控制空间光调制器3显示的图像。

该实施例装置中，只有一片空间光调制器3，采用空间光调制器3分时显示红、绿、蓝三色图像。分时显示的方式有两种。方式一：先显示一周红色视图，再显示一周绿色视图，最后显示一周蓝色视图，完成一周彩色视图的扫描。当然，红、绿、蓝三色的顺序可以互相调换。这种方式比较简单。方式二：先显示K(1≤K<M)幅红色视图，再显示K幅绿色视图，再显示K幅蓝色视图，依次循环。要实现彩色的图像，必须在三周内一共显示M幅红色视图、M幅绿色视图、M幅蓝色视图，并且保证每一个视点的视图必须有红、绿、蓝三色。当K＝1时，此方式就是每隔一张图像变换一种颜色，即第一周红、绿、蓝图像依次循环直至一周结束，第二周的显示顺序为绿、蓝、红图像依次循环直至一周结束，第三周的显示顺序为蓝、红、绿图像依次循环直至一周结束。当然，每周颜色的显示顺序可以互换。

该实施例装置中，LED光源1可以是红、绿、蓝三色LED集成于一块芯片的LED阵列，也可以时三块红、绿、蓝LED芯片由光学系统合成的LED，甚至是更多的LED芯片合成的。同样，LED光源1也可以由三色的OLED或激光合成的光源。采用LED作为光源便于控制，由于LED响应时间快，可以实现不同颜色LED的快速切换；又由于LED光源三色分离无需滤色或分色元件，所以可以使得彩色全景视场三维显示装置的投影部分简便且体积小；由于此装置中采用单片式的空间光调制器，成本相对较低。当然，分时显示降低了彩色三维图像的刷新频率。

实施例2

如图2所示，一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置，包括：红色LED11、第一照明系统12、第一空间光调制器13、绿色LED14、第二照明系统15、第二空间光调制器16、蓝色LED17、第三照明系统18、第三空间光调制器19、光学合成系统20、投影镜头4、定向散射屏5、旋转装置6、第二控制器10、电脑8和传感器9。

其中，传感器9和电脑8均与第二控制器10连接，电脑8分别连接第一空间光调制器13、第二空间光调制器16、第三空间光调制器19，定向散射屏5固定在旋转装置6上。第一照明系统12将红色LED11的光线会聚到第一空间光调制器13上，第二照明系统15将绿色LED14的光线会聚到第二空间光调制器16上，第三照明系统18将蓝色LED17的光线会聚到第三空间光调制器19上；光学合成系统20将第一空间光调制器13、第二空间光调制器16、第三空间光调制器19显示的三幅图像合成一幅彩色图像，经投影镜头4投影到定向散射屏5上。

跟实施例1的装置不同，实施例2的装置是采用三片空间光调制器同时显示红、绿、蓝三色图像，因此，它采用三个单色的LED，分别为红色LED11、绿色LED14、蓝色LED17；三路照明系统：第一照明系统12、第二照明系统15、第三照明系统18；三块空间光调制器：第一空间光调制器13、第二空间光调制器16、第三空间光调制器19。三个三色的LED分别照射三块空间光调制器，所以在实施例二装置处于工作状态时，只需要一直点亮红色LED11、绿色LED14、蓝色LED17即可，并不需要对红色LED11、绿色LED14、蓝色LED17进行同步控制。但是合成的彩色图像还是需要随定向散射屏5一同旋转的。在同步控制方面，采用第二控制器10连接传感器9，当定向散射屏5经过传感器9位置时，第二控制器10接收到位置信号，然后给电脑8发出同步信号。电脑8连接三块空间光调制器，第一空间光调制器13、第二空间光调制器16、第三空间光调制器19，控制三块空间光调制器显示的图像。三片空间光调制器同时显示红、绿、蓝三色图像，合成彩色图像。所以只要定向散射屏5旋转一周，便可以将彩色三维图像刷新一次，比实施例一装置三周刷新一次，提高了3倍的刷新率。

在实施例2的装置中，红色LED11、绿色LED14、蓝色LED17可以是三块红、绿、蓝三色LED芯片或者三块相同颜色的LED阵列，例如：红色LED芯片上有2×2个红色LED；也可以是多块同色LED芯片合成一个同色LED，以增加光源亮度，例如：两块红色LED芯片合成一个红色LED11。同样，红色LED11、绿色LED14、蓝色LED17也可以由三色的OLED或激光等单色光源，甚至可以采用白光光源进行分色而得。采用LED作为光源便于控制；由于LED光源三色分离无需滤色或分色元件，所以可以使得彩色全景视场三维显示装置的投影部分简便且体积小；由于此装置中采用三片式的空间光调制器，提高了彩色三维图像的刷新频率，更有利于人们的观看。

在上述两个实施例装置中，第一控制器7和第二控制器10为单片机、CPLD、FPGA或其他可编程控制器；传感器9为光电传感器或机械位置开关。传感器9只是给出一个定向散射屏5的位置信息，可以采用光耦之类的光电传感器，也可以采用机械开关，每过一次，机械开关进行一次动作。

在上述两个实施例装置中，定向散射屏5为全息定向散射屏、二元光学元件或其他光栅结构的光学元件；定向散射屏5由1-9块定向散射屏组成；定向散射屏5安装在旋转装置6上，两者一起转动。定向散射屏5可以限制光线的发散角度，使其在很小角度内发光，所以能使投影在定向散射屏5的每个视图只能在其对应的小范围内可见。定向散射屏5有透射式和反射式两种，反射式定向散射屏可以将投影图像反射向观看区，而透射式定向散射屏可以和反射镜组成反射式，透射式定向散射屏也可以将将投影图像折射向观看区。如图3所示，单块的定向散射屏5安装在旋转装置6上，随着旋转装置6旋转一周，则刷新一周的视图。如图4所示，双面的定向散射屏5由两块定向散射屏组成，安装在旋转装置6上，随着旋转装置6旋转一周，则刷新两周的视图，刷新频率提高两倍，但是每一个定向散射屏的分辨率降低了一半。依次类推，定向散射屏5也可以由2块以上的定向散射屏组成。

在图1和图2中，图像是从上面投影下来，投影到定向散射屏5上的；也可以将图像从下面投影上来，经过旋转装置的空心转轴，再经过光学元件，将图像投影到定向散射屏5上的。

Claims (6)

1.一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置，其特征在于，它包括：LED光源(1)、照明系统(2)、空间光调制器(3)、投影镜头(4)、定向散射屏(5)、旋转装置(6)、第一控制器(7)、电脑(8)和传感器(9)。其中，所述第一控制器(7)分别与传感器(9)、LED光源(1)和电脑(8)相连，空间光调制器(3)连接电脑(8)，定向散射屏(5)固定在旋转装置(6)上。

2.根据权利要求1所述的基于LED的彩色全景视场三维显示装置，其特征在于，所述的LED光源(1)为红、绿、蓝三色高亮度合成的LED；照明系统(2)将LED光源(1)的光线会聚到空间光调制器(3)上；投影镜头(4)将空间光调制器(3)上的图像投影到定向散射屏(5)上。

3.一种基于LED的彩色全景视场三维显示装置，其特征在于，它包括：红色LED(11)、第一照明系统(12)、第一空间光调制器(13)、绿色LED(14)、第二照明系统(15)、第二空间光调制器(16)、蓝色LED(17)、第三照明系统(18)、第三空间光调制器(19)、光学合成系统(20)、投影镜头(4)、定向散射屏(5)、旋转装置(6)、第二控制器(10)、电脑(8)和传感器(9)。其中，所述第二控制器(10)连接传感器(9)和电脑(8)，电脑(8)分别与第一空间光调制器(13)、第二空间光调制器(16)、第三空间光调制器(19)相连，定向散射屏(5)固定在旋转装置(6)上。

4.根据权利要求3所述的基于LED的彩色全景视场三维显示装置，其特征在于，所述第一照明系统(12)将红色LED(11)的光线会聚到第一空间光调制器(13)上，第二照明系统(15)将绿色LED(14)的光线会聚到第二空间光调制器(16)上，第三照明系统(18)将蓝色LED(17)的光线会聚到第三空间光调制器(19)上。光学合成系统(20)将第一空间光调制器(13)、第二空间光调制器(16)、第三空间光调制器(19)显示的三幅图像合成一幅彩色图像，经投影镜头(4)投影到定向散射屏(5)上。

5.根据权利要求1、4所述的基于LED的彩色全景视场三维显示装置，其特征在于，所述第一控制器(7)和第二控制器(10)为单片机、CPLD、FPGA或其他可编程控制器；传感器(9)为光电传感器或机械位置开关。

6.根据权利要求1、4所述的基于LED的彩色全景视场三维显示装置，其特征在于，所述定向散射屏(5)为全息定向散射屏、二元光学元件或其他光栅结构的光学元件；定向散射屏(5)由1-9块定向散射屏组成；定向散射屏(5)安装在旋转装置(6)上，两者一起转动。

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