CN101762881A - 基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置，包括柱面LED扫描屏、光阑阵列或柱透镜阵列、限光光学元件、转动装置。由内至外依次放置柱面LED扫描屏、光阑阵列或柱透镜阵列、限光光学元件三层结构。柱面LED扫描屏由多块LED阵列组成，由转动装置带动LED阵列旋转，显示整个柱面图像。柱面LED扫描屏的所有像素的光线经过光阑阵列或柱透镜阵列在垂直方向分成俯仰多个视区，所有像素水平方向的光线经过旋转的限光光学元件进行不同发光方向的扫描。本发明控制所有LED的水平方向和垂直方向的发光，经过一周360°的扫描，实现垂直方向俯仰多视角的三维图像，便于人们在不同高度位置、360°环绕多人观看。

Description

基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置

技术领域

本发明涉及三维显示装置，尤其涉及一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置。

背景技术

三维显示区别于二维显示就是要通过各种方法给观看者带来视觉上的深度感知，使其自然或不自然地获得画面中第三维度的信息，这种获取方式的自然与不自然对于观看者来说就有真三维与假三维(或者说准三维)的区别。三维显示技术发展到今天已经产生大量的成果，这些成果大致可以分为全息三维显示、体三维显示、体视三维显示等。全息技术能够产生非常逼真的空间效果，但是在动态显示方面它需要高分辨的空间光调制器以及超高速的数据处理系统，这两个因素极大地限制了这使这种技术的进步，使它目前还不能很好地进入实际应用。体三维显示按显示载体不同可以分为静态体三维显示和扫描体三维显示。静态体三维显示要求采用静态的显示载体且显示介质需要填充显示空间。这种显示方法中没有采用运动部件，系统稳定可靠，噪声很小。但是由于始终没有找到一种良好的显示介质，仍然存在三维体素数量小，能量损失大，无法进行连续空间扫描等问题。扫描体三维显示采用一个平面或者曲面进行360°的旋转。先将待显示的三维物体解析成二维图像，当屏幕运动到指定的位置时，显示相应的二维图像，利用人眼的视觉暂留效应构建出三维图像。目前已经出现了若干种基于此原理的装置，其中一些装置已经可以显示动态图像，具有水平和垂直视差，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。基于柱面扫描视角的三维显示装置，采用柱面光栅对柱面LED阵列进行空间的视角扫描，使得人们在水平方向上获得了准确的三维信息，同时在分辨率，刷新率和彩色范围上还具有很大的发展潜力。但是和大多数体视三维显示技术一样，它无法提供垂直方向上的三维信息，也就是说当人眼上下移动时，看到的内容是一样的，这就极大地限制了体视三维显示的应用，本发明很好地解决了这个问题，实现垂直不同高度视点的正确视图的三维显示。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置。

基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置包括柱面LED扫描屏、光阑阵列、限光光学元件和转动装置；在转动装置上从里到外依次设有柱面LED扫描屏、光阑阵列、限光光学元件，并由转动装置控制转动，柱面LED扫描屏、光阑阵列的转动方向与限光光学元件的转动方向相反，柱面LED扫描屏表面设有LED阵列，光阑阵列为狭缝光栅阵列或可控液晶的狭缝光栅阵列。

另一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置包括柱面LED扫描屏、柱透镜阵列、限光光学元件和转动装置；在转动装置上从里到外依次设有柱面LED扫描屏、柱透镜阵列、限光光学元件，并由转动装置控制转动，柱面LED扫描屏、柱透镜阵列的转动方向与限光光学元件的转动方向相反，柱面LED扫描屏表面设有LED阵列，柱透镜阵列为由柱透镜、二元光学柱透镜或全息柱透镜组成的阵列。

所述的可控液晶的狭缝光栅阵列为液晶显示屏。所述的限光光学元件为垂直方向分布的狭缝光栅或柱透镜阵列。

本发明提出的一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置，此三维显示装置不仅可以实现水平方向一周360°可观看的三维图像，并且在垂直方向可以实现多个视角方向。本发明结构简单，实现难度低，且能很好地实现彩色的全景视场三维显示，能很好地满足人们观察的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置实施例1的结构示意图；

图2是基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置实施例2的结构示意图；

图3是基于采用光阑阵列实现俯仰多视角方式1的原理示意图；

图4是基于采用光阑阵列实现俯仰多视角方式2的原理示意图；

图5是基于采用光阑阵列实现俯仰多视角方式3的原理示意图；

图6是基于采用光阑阵列实现俯仰多视角1的方式4的原理示意图；

图7是基于采用光阑阵列实现俯仰多视角2的方式4的原理示意图；

图8是基于采用柱透镜阵列实现俯仰多视角方式1的原理示意图；

图9是基于采用柱透镜阵列实现俯仰多视角方式2的原理示意图；

图10是基于采用柱透镜阵列实现俯仰多视角方式3的原理示意图；

图中，柱面LED扫描屏1、光阑阵列2、限光光学元件3、转动装置4、柱透镜阵列5、LED阵列6。

具体实施方式

本发明公开了一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置，包括柱面LED扫描屏、光阑阵列或柱透镜阵列、限光光学元件和转动装置。由内至外依次放置柱面LED扫描屏、光阑阵列或柱透镜阵列、限光光学元件三层结构。柱面LED扫描屏由多块LED阵列组成，所有LED阵列均匀分布于柱体的一周，由转动装置带动LED阵列旋转，显示整个柱面图像。每块LED阵列由多条线阵LED组成。柱面LED扫描屏的所有像素的光线经过光阑阵列或柱透镜阵列在垂直方向分成俯仰多个视区，所有像素水平方向的光线经过旋转的限光光学元件进行不同发光方向的扫描。本发明控制所有LED的水平方向和垂直方向的发光，经过一周360°的扫描，实现垂直方向俯仰多视角的三维图像，便于人们在不同高度位置、360°环绕多人观看。本发明在垂直方向可以实现多个视角方向。结构简单，实现难度低，且能很好地实现彩色的全景视场三维显示，能很好地满足人们观察的要求。

如图1所示，基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置包括柱面LED扫描屏1、光阑阵列2、限光光学元件3和转动装置4；在转动装置4上从里到外依次设有柱面LED扫描屏1、光阑阵列2、限光光学元件3，并由转动装置4控制转动，柱面LED扫描屏1、光阑阵列2的转动方向与限光光学元件3的转动方向相反，柱面LED扫描屏1表面设有LED阵列6，光阑阵列2为狭缝光栅阵列或可控液晶的狭缝光栅阵列。可控液晶的狭缝光栅阵列为液晶显示屏。限光光学元件(3)为垂直方向分布的狭缝光栅或柱透镜阵列。

令LED阵列6的数量为m，每秒的转速为n转/秒，则一周图像频率为m*n。每块LED阵列6由多条线阵LED组成。限光光学元件3为垂直方向分布的狭缝光栅或柱透镜阵列，对柱面LED扫描屏1进行每个LED水平发光角度的限制。采用狭缝光栅作为限光光学元件3，通过狭缝光栅控制水平发光角，而旋转的狭缝光栅可以扫描多个水平视角，可以实现水平方向360°视场的三维显示。采用柱透镜阵列作为限光光学元件3，当LED光源为小角度发光时，只需要一个柱透镜阵列作为限光光学元件3；当LED光源为大角度发光时，一般都要配置光阑阵列，采用光阑阵列与柱透镜阵列相组合作为限光光学元件3。每个LED发射的光线通过柱透镜阵列或光阑阵列与柱透镜阵列组合控制其水平发光角，而旋转的柱透镜阵列或光阑阵列与柱透镜阵列组合可以扫描多个水平视角，可以实现水平方向360°视场的三维显示。

采用光阑阵列2实现俯仰多视角的全景视场三维显示有4种方式。柱面LED扫描屏1由多块LED阵列6组成，所有LED阵列6均匀分布于柱体的一周，显示一周的图像，每块LED阵列6由多条线阵LED组成。令每块LED阵列6上的线阵LED的条数为k，实现俯仰视角个数为t。实际上线阵LED的条数k只受LED阵列6面积的限制，俯仰视角个数t＝(LED阵列6的LED个数/每个视角图像的垂直方向分辨率)，俯仰视角个数t可以做到2个到上百个。

采用光阑阵列2实现俯仰多视角的全景视场三维显示方式1，为了方便阐述原理，我们令线阵LED的条数k＝2，俯仰视角个数t＝2。如图3所示，LED阵列6的每一条线阵LED分为每两个LED一组，每个LED对应光阑阵列2中的一个狭缝光阑，两个LED发射的光线经光阑阵列2的两个不同高度位置的狭缝光阑，往垂直方向两个不同高度位置的视点发射，然后又经过限光光学元件3，光线在水平方向受到了限制，实现了俯仰两个视角的水平方向360°视场的三维显示。同理，当令线阵LED的条数k和俯仰视角个数t大于2时，也同样可以实现t个俯仰视角的三维显示。因此，方式1中每一条线阵LED都可以完成所有俯仰视角，而线阵LED的条数k可以将多个视角的图像刷新频率提高k倍。

采用光阑阵列2实现俯仰多视角的全景视场三维显示方式2，为了方便阐述原理，我们令线阵LED的条数k＝2，俯仰视角个数t＝2。如图4所示，LED阵列6的每一条线阵LED分为每两个LED一组，两条线阵LED的分组不相同，一条线阵LED采用两个一组分组，另一条线阵LED与第一条线阵LED相比，错开一个LED位置进行分组。采用每个LED对应光阑阵列2中的一个狭缝光阑，同条线阵LED的两个LED发射的光线经光阑阵列2的两个不同高度位置的狭缝光阑，往垂直方向两个不同高度位置的视点发射，不同条线阵LED的同一高度位置的LED通过不同位置的光阑阵列2实现不同视角的显示。经过同一高度的LED在垂直方向上实现不同高度视点的投射，然后又经过限光光学元件3，光线在水平方向受到了限制，实现了俯仰两个视角的水平方向360°视场的三维显示。同理，当令线阵LED的条数k和俯仰视角个数t都大于2时，也同样可以实现t个俯仰视角的三维显示。方式2中，每一条线阵LED都可以完成所有俯仰视角投射，同时同一水平高度的LED完成所有俯仰视角投射，故而线阵LED的条数k必须不小于俯仰视角个数t，要实现t个视角至少要有t条线阵LED。方式2与方式1相比，每个视角的图像在垂直方向的分辨率更高，一条线阵LED中LED个数等于一个俯仰视角视图垂直方向的分辨率。

采用光阑阵列2实现俯仰多视角的全景视场三维显示方式3，为了方便阐述原理，我们令线阵LED的条数k＝2，俯仰视角个数t＝2。如图5所示，LED阵列6的一条线阵LED都往一个俯仰视角方向投射，两条线阵LED的就可以实现两个俯仰方向视角的投射。采用每个LED对应光阑阵列2中的一个狭缝光阑，同条线阵LED的每个LED发射的光线经光阑阵列2的分别对应不同高度位置的狭缝光阑，往垂直方向同一高度位置的视点发射，不同条线阵LED的通过不同位置的光阑阵列2实现不同视角的显示。经过不同条线阵LED在垂直方向上实现不同高度视点的投射，然后又经过限光光学元件3，光线在水平方向受到了限制，实现了俯仰两个视角的水平方向360°视场的三维显示。同理，当令线阵LED的条数k和俯仰视角个数t都大于2时，也同样可以实现t个俯仰视角的三维显示。方式3中，每一条线阵LED都完成一个俯仰视角投射，同时不同线阵LED完成不同俯仰视角投射，故而线阵LED的条数k必须等于俯仰视角个数t，要实现t个视角就要有t条线阵LED。方式3与方式1相比，每个视角的图像在垂直方向的分辨率更高，一条线阵LED中LED个数等于一个俯仰视角视图垂直方向的分辨率。与方式2相比，一列线阵LED负责一个俯仰视角的图像，显示图像数据预处理更为简单。

采用光阑阵列2实现俯仰多视角的全景视场三维显示方式4，光阑阵列2为可控液晶的狭缝光栅阵列为液晶显示屏，显示的图像为狭缝光栅阵列。采用可控的液晶显示屏显示光阑阵列2，就可以通过液晶图像变换，即显示不同分布的图像，来实现分时的俯仰视角扫描。为了方便阐述原理，我们令线阵LED的条数k＝2，俯仰视角个数t＝2。如图6所示，液晶显示屏显示一个狭缝光栅时，LED阵列6的每条线阵LED往一个俯仰视角方向投射，当完成第一个俯仰视角方向的三维显示。如图7所示，改变液晶显示屏显示的光阑阵列2，液晶显示屏显示另一个狭缝光栅时，使得LED阵列6的每条线阵LED往另一个俯仰视角方向投射，完成第二个俯仰视角的三维显示。LED阵列6的每一个LED经过可控液晶狭缝光栅在垂直方向上分时实现不同高度视点的投射，然后又经过限光光学元件3，光线在水平方向受到了限制，实现了俯仰两个视角的水平方向360°视场的三维显示。同理，当令线阵LED的条数k和俯仰视角个数t都大于2时，也同样可以实现t个俯仰视角的三维显示，所以方式4中俯仰视角个数t就等于可控液晶狭缝光栅变换的次数。方式4与方式1、2、3相比，同样也是一条线阵LED中LED个数等于一个俯仰视角视图垂直方向的分辨率，但只是分时显示每一个俯仰视角，而方式1、2、3是采用分空间显示每一个俯仰视角的三维图像。

如图2所示，基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置包括柱面LED扫描屏1、柱透镜阵列5、限光光学元件3、转动装置4；在转动装置4上从里到外依次设有柱面LED扫描屏1、柱透镜阵列5、限光光学元件3，并由转动装置4控制转动，柱面LED扫描屏1、柱透镜阵列5的转动方向与限光光学元件3的转动方向相反，柱面LED扫描屏1表面设有LED阵列6，柱透镜阵列5为由柱透镜、二元光学柱透镜或全息柱透镜组成的阵列。限光光学元件3为垂直方向分布的狭缝光栅或柱透镜阵列。

令LED阵列6的数量为m，每秒的转速为n转/秒，则一周图像频率为m*n。每块LED阵列6由多条线阵LED组成。限光光学元件3为垂直方向分布的狭缝光栅或柱透镜阵列，对柱面LED扫描屏1进行每个LED水平发光角度的限制。采用狭缝光栅作为限光光学元件3，通过狭缝光栅控制水平发光角，而旋转的狭缝光栅可以扫描多个水平视角，可以实现水平方向360°视场的三维显示。采用柱透镜阵列作为限光光学元件3，当LED光源为小角度发光时，只需要一个柱透镜阵列作为限光光学元件3；当LED光源为大角度发光时，一般都要配置光阑阵列，采用光阑阵列与柱透镜阵列相组合作为限光光学元件3。每个LED发射的光线通过柱透镜阵列或光阑阵列与柱透镜阵列组合控制其水平发光角，而旋转的柱透镜阵列或光阑阵列与柱透镜阵列组合可以扫描多个水平视角，可以实现水平方向360°视场的三维显示。

采用柱透镜阵列5实现俯仰多视角的全景视场三维显示，当LED光源为小角度发光时，只需要一个柱透镜阵列5就可以实现垂直方向的不同俯仰角度投射；当LED光源为大角度发光时，一般都要配置光阑阵列，采用光阑阵列与柱透镜阵列5相组合实现垂直方向的不同俯仰角度投射。

采用柱透镜阵列5实现俯仰多视角的全景视场三维显示，有3种方式。柱面LED扫描屏1由多块LED阵列6组成，所有LED阵列6均匀分布于柱体的一周，显示一周的图像，每块LED阵列6由多条线阵LED组成。令每块LED阵列6上的线阵LED的条数为k，实现俯仰视角个数为t。实际上线阵LED的条数k只受LED阵列6面积的限制，俯仰视角个数t＝(LED阵列6的LED个数/每个视角图像的垂直方向分辨率)，俯仰视角个数t可以做到2个到上百个。

采用柱透镜阵列5实现俯仰多视角的全景视场三维显示方式1，为了方便阐述原理，我们令线阵LED的条数k＝2，俯仰视角个数t＝2。如图8所示，LED阵列6的每一条线阵LED分为每两个LED一组，每组LED对应柱透镜阵列5中的一个子柱透镜，两个LED发射的光线经柱透镜阵列5的子柱透镜，往垂直方向两个不同高度位置的视点发射，然后又经过限光光学元件3，光线在水平方向受到了限制，实现了俯仰两个视角的水平方向360°视场的三维显示。柱透镜阵列5要分别实现不同垂直高度的每组LED往两个不同高度的俯仰视角的投射，所以不同组的LED对应的子柱透镜的位置、形状和焦距各不相同。同理，当令线阵LED的条数k和俯仰视角个数t大于2时，也同样可以实现t个俯仰视角的三维显示。因此，方式1中每一条线阵LED都可以完成所有俯仰视角，而线阵LED的条数k可以将多个视角的图像刷新频率提高k倍。

采用柱透镜阵列5实现俯仰多视角的全景视场三维显示方式2，为了方便阐述原理，我们令线阵LED的条数k＝2，俯仰视角个数t＝2。如图9所示，LED阵列6的每一条线阵LED分为每两个LED一组，每组LED对应一个子柱透镜。两条线阵LED的分组不相同，一条线阵LED采用两个一组分组，另一条线阵LED与第一条线阵LED相比，错开一个LED位置进行分组。采用每组LED对应柱透镜阵列5中的一个子柱透镜，同条线阵LED的两个LED发射的光线经柱透镜阵列5的子柱透镜，往垂直方向两个不同高度位置的视点发射，不同条线阵LED的同一高度位置的LED通过不同的柱透镜阵列5实现不同视角的显示。经过同一高度的LED在垂直方向上实现不同高度视点的投射，然后又经过限光光学元件3，光线在水平方向受到了限制，实现了俯仰两个视角的水平方向360°视场的三维显示。柱透镜阵列5要分别实现不同垂直高度的每组LED往两个不同高度的俯仰视角的投射，所以不同组的LED对应的子柱透镜的位置、形状和焦距各不相同。同理，当令线阵LED的条数k和俯仰视角个数t都大于2时，也同样可以实现t个俯仰视角的三维显示。方式2中，每一条线阵LED都可以完成所有俯仰视角投射，同时同一水平高度的LED完成所有俯仰视角投射，故而线阵LED的条数k必须不小于俯仰视角个数t，要实现t个视角至少要有t条线阵LED。方式2与方式1相比，每个视角的图像在垂直方向的分辨率更高，一条线阵LED中LED个数等于一个俯仰视角视图垂直方向的分辨率。

采用柱透镜阵列5实现俯仰多视角的全景视场三维显示方式3，为了方便阐述原理，我们令线阵LED的条数k＝2，俯仰视角个数t＝2。如图10所示，LED阵列6的一条线阵LED都往一个俯仰视角方向投射，两条线阵LED的就可以实现两个俯仰方向视角的投射。每条线阵LED对应柱透镜阵列5一个或多个的子透镜，所以，柱透镜阵列5可以包含一个或多个子柱透镜，但是不同条的线阵LED对应不同的柱透镜阵列5一个或多个的子透镜。同条线阵LED的每个LED发射的光线经柱透镜阵列5，往垂直方向同一高度位置的视点发射，不同条线阵LED的通过不同柱透镜阵列5实现不同视角的显示。经过不同条线阵LED在垂直方向上实现不同高度视点的投射，然后又经过限光光学元件3，光线在水平方向受到了限制，实现了俯仰两个视角的水平方向360°视场的三维显示。柱透镜阵列5要分别实现不同垂直高度的每组LED往两个不同高度的俯仰视角的投射，所以不同组的LED对应的子柱透镜的位置、形状和焦距各不相同。同理，当令线阵LED的条数k和俯仰视角个数t都大于2时，也同样可以实现t个俯仰视角的三维显示。方式3中，每一条线阵LED都完成一个俯仰视角投射，同时不同线阵LED完成不同俯仰视角投射，故而线阵LED的条数k必须等于俯仰视角个数t，要实现t个视角就要有t条线阵LED。方式3与方式1相比，每个视角的图像在垂直方向的分辨率更高，一条线阵LED中LED个数等于一个俯仰视角视图垂直方向的分辨率。与方式2相比，一列线阵LED负责一个俯仰视角图像的显示，显示图像数据预处理更为简单。

Claims (4)

1.一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置，其特征在于包括柱面LED扫描屏(1)、光阑阵列(2)、限光光学元件(3)和转动装置(4)；在转动装置(4)上从里到外依次设有柱面LED扫描屏(1)、光阑阵列(2)、限光光学元件(3)，并由转动装置(4)控制转动，柱面LED扫描屏(1)、光阑阵列(2)的转动方向与限光光学元件(3)的转动方向相反，柱面LED扫描屏(1)表面设有LED阵列(6)，光阑阵列(2)为狭缝光栅阵列或可控液晶的狭缝光栅阵列。

2.一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置，其特征在于包括柱面LED扫描屏(1)、柱透镜阵列(5)、限光光学元件(3)和转动装置(4)；在转动装置(4)上从里到外依次设有柱面LED扫描屏(1)、柱透镜阵列(5)、限光光学元件(3)，并由转动装置(4)控制转动，柱面LED扫描屏(1)、柱透镜阵列(5)的转动方向与限光光学元件(3)的转动方向相反，柱面LED扫描屏(1)表面设有LED阵列(6)，柱透镜阵列(5)为由柱透镜、二元光学柱透镜或全息柱透镜组成的阵列。

3.根据权利要求1所述的一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置，其特征在于所述的可控液晶的狭缝光栅阵列为液晶显示屏。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于俯仰多视角的全景视场三维显示装置，其特征在于所述的限光光学元件(3)为垂直方向分布的狭缝光栅或柱透镜阵列。

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