CN101846809B - 产生3d图像的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生3D图像的系统，它沿光路依次包含设置有显示芯片，显示芯片具有分别显示左右眼图像的左右两部分区域、可以分别对左右眼图像的光施加不同偏转的并最终使得左右眼图像在投影屏幕或人眼中重合在一起的偏转元件；它还包括有把左右眼图像以不同偏振态编码的偏振态编码系统，以及与偏转元件配合的投影光学系统。本发明产生3D图像的系统，其成本低，观众利用一个简单便宜的偏振眼镜，就可以实现3D图像显示；并且，没有偏振光的损耗，图像质量好。

Description

产生3D图像的系统

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种产生3D图像的系统。

背景技术

目前比较常见的3D技术包括，彩色立体三维、偏振三维、分时立体三维技术。

1、彩色立体三维技术，这种技术的原理比较简单。由于它利用彩色进行画面滤光，画面的边缘部分可以明显看出色彩分离现象，画质的效果很差，因此目前该技术主要应用于比较低廉的3D显示玩具中。

2、偏振三维投影技术，该技术把3D信号同时输出到两台投影机中，分别显示不同偏振态的左右眼图像，观众利用一个偏振眼镜看水平和垂直方向上的影像，从而在人眼中形成影像叠加，实现3D效果。其大优势为：偏光眼镜的成本也相对低廉，最低十元就能购买到。其缺点是，需要两台投影机，成本增加，另外需要对两台投影机的位置进行准确调校，并且不能随意移动，因此后期维护比较麻烦。

3、分时3D投影，分时3D技术主要是通过采用帧序列的方式来产生立体图像。立体图像以帧序列的格式实现左右帧交替产生，负责接收的3D眼镜与左右帧图像进行同步交替开关。从而观看到立体影像。其主要缺点是：1)需要有源开关眼镜，成本高，一付眼镜在美国售价高达150美元。2)基于液晶开关的眼镜损失了50％的亮度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种产生3D图像的系统，其成本低，观众利用一个简单便宜的偏振眼镜，就可以实现3D图像显示；并且，没有偏振光的损耗，图像质量好。

本发明的技术方案是：一种产生3D图像的系统，它沿光路依次包含设置有显示芯片，显示芯片具有分别显示左右眼图像的左右两部分区域、可以分别对左右眼图像的光施加不同偏转的，并最终使得左右眼图像在投影屏幕或人眼中重合在一起的偏转元件；它还包括有把左右眼图像以不同偏振态编码的偏振态编码系统，以及与偏转元件配合的投影光学系统。

下面对上述技术方案进行进一步解释：

上述方案中给出了一种单色3D图像显示的解决方案。为了实现彩色3D图像显示，可以利用众所周知的时序彩色或空间彩色的方法。

1、利用时序彩色方法时，显示芯片需要在红绿蓝图像之间高速切换，在不同时刻显示不同颜色的图像，与此同时，照明系统需要同步地产生和显示芯片相应的单色光。人眼利用视觉暂留现象，看到彩色3D图像。

2、利用空间彩色方法时，需要三个显示芯片来分别显示红绿蓝的图像，即显示芯片包括红显示芯片、绿显示芯片、蓝显示芯片，红显示芯片具有分别显示左右眼图像的两部分区域，绿显示芯片具有分别显示左右眼图像的两部分区域，蓝显示芯片具有分别显示左右眼图像的两部分区域。通过系统中的合色装置把红绿蓝的图像合成为彩色图像，与此同时，系统中的偏转元件把左右眼图像合成为3D图像。

3、利用空间彩色方法时，另外一种方法是：单一显示芯片的每一个像素被分为红绿蓝三个子像素，分别显示用来显示红绿蓝的信息，每一显示芯片的不同部分用来显示左右眼的图像，由于子像素间隔很小，人眼不能分辨，合成为一个彩色像素，与此同时，系统中的偏转元件把左右眼图像合成为3D图像。

在一种技术方案中，显示芯片的左右两部分区域分别出射两个不同偏振态的光。对于使用液晶的显示芯片，显示芯片的左右两部分可以放置不同方向的偏振片和与之相对应的检偏片。对于微机械MEMS显示芯片有两种方式实现出射不同偏振态的光：1)显示芯片的左右两部分可以放置不同方向的偏振片。2)在系统的光源部分，可以有相应的偏振分光机构，把相应的偏振光照射到显示芯片的左右两部分，这样偏振光的损失会降到最小。

在另外一种技术方案中，显示芯片的左右两部分区域出射的左右眼图像具有相同的偏振；偏振转换器件位于显示芯片左右两部分区域出射的光完全分开的位置上。比如，在投影透镜中的某一个位置，显示芯片左右两部分的光完全分开，一个波带片放置在光路中，调制左右两部分的光的偏振方向，使之不同。

以上两种技术方案的核心是最终投影在屏幕上的左右眼图像具有不同偏振，观众佩戴一个偏振眼镜，就可以使得左右眼分别看到左右眼的图像，实现3D图像显示。

本发明的产生3D图像的系统，包括照明系统，其照明系统的光源可以采用高亮度光源技术的任一种，包括但并不限于高亮度投影光源、白炽灯、弧光灯、LED、激光。

所述显示芯片可以采用现有微型显示器技术的任一种，包括但并不限于液晶芯片LCD、微机械MEMS、硅上液晶LCOS器件、有机电致发光(OLED)。所述显示芯片可以是反射式、透射式或是自发光式的。上述技术方案中的显示芯片也可以由LED或是OLED等自发光显芯片组成，这样照明系统和显示芯片将合为一个整体。

本发明的显示芯片可以是单芯片，也可以是由两片芯片相互紧密排列构成的芯片阵列。该两片芯片分别显示左右眼的图像信息，以替代在单个芯片上显示两个区域的单芯片结构。这是明显的等价结构，因此，以上所有的技术方案中都可以用两片芯片相互紧密排列构成的芯片阵列代替单芯片作为显示芯片。由于本发明具有广泛的结构形式，这些等价结构并没有脱离本发明的范畴。

投影光学系统的设计使得左右眼图像的光线在某个位置基本分开，偏转元件放置在此位置，对左右眼的图像施加不同的偏转，使得左右眼图像在屏幕上或人眼中重叠在一起。该偏转元件的一个实施例为两面不同角度的金属反射镜，它们的一边相接。反射镜位于显示芯片左右两部分区域出射的光完全分开的位置上。

所述产生3D图像的系统还包含一个电子图像处理系统，所述电子图像处理系统依次包括有输入数字或模拟视频3D信号的单元、利用软件或硬件把左右眼的信号提取出来的单元、对左右眼图像进行预畸变以补偿光学系统畸变的单元、把左右眼的信号分别送到显示屏的不同特定部分的单元。

所述产生3D图像的系统还包含一副与观众眼睛配合的左右眼不同偏振的偏振眼镜。

所述偏振态编码系统为设置在偏转元件处的使偏转元件左右两部分区域的出射光线具有不同偏振态的偏振转换器件。

本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、仅有一个投影机，成本低，体积小，调试方便；

2、观众仅需要一个极其便宜的偏振眼镜；

3、左右眼图像能够同时显示，没有偏振光的损耗，图像质量好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述：

图1为本发明的的结构示意图(产生单色3D图像)；

图2为本发明的利用三个显示芯片产生彩色3D图像的结构示意图；

图3为本发明的电子图像处理系统的一个实施例的处理功能框图；

图4为本发明的另一个实施例，基于反射式显示芯片；

图5为在显示芯片处改变偏振态的结构示意图；

图6为在反射镜处改变偏振态的结构示意图。

其中：101照明系统；103显示芯片左区域；105显示芯片右区域；111投影光学系统第一透镜组；118投影光学系统第二透镜组；113反射镜；117反射镜；119投影屏幕；201照明系统入射光；203红显示芯片左区域；205红显示芯片右区域；211绿显示芯片右区域；213绿显示芯片左区域；207蓝显示芯片右区域；209蓝显示芯片左区域；215合光装置；217投影镜头系统；219显示屏幕；401照明系统入射光，403全反棱镜；405MEMS芯片；407MEMS芯片左区域；409MEMS芯片右区域；411投影镜头；413显示屏幕；501显示芯片；507显示芯片左区域；509显示芯片右区域；511来自左眼图像的光线；513来自右眼图像的光线；503波带片；601来自左眼图像的光线；603来自右眼图像的光线；605反射镜；607反射镜；609波带片；611出射光线；613出射光线。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例是产生3D图像的系统的一个单色通道。照明系统101，用以照亮显示芯片。在显示芯片上有显示芯片左区域103和显示芯片右区域105两个区域，同时显示两幅与左右眼相对应的图像，该图像内容为一幅3D图像的左右眼两个分量，不同眼的图像在不同的高度，高度差为d，也就是3D的信息在高度上被编码。从显示芯片发出的光穿过有效焦距为f的投影光学系统第一透镜组111，该透镜组包含至少一个镜片。显示芯片左区域103和显示芯片右区域105上面不同眼睛的间隔为d。在投影光学系统第一透镜组111的焦平面处，不同眼睛的光以一个角度彼此分离，这两个图象将在角度上进行编码。反射镜113和反射镜117为两面不同角度的金属反射镜，它们的一边相接。投影光学系统第一透镜组111的设计使得显示芯片左区域103发出光线照射在反射镜113上，显示芯片右区域105发出的光线照射在反射镜117上，二者基本分开，没有交叠。反射镜113和反射镜117的偏转角度不同，对左右眼的图像施加不同的偏转，使得左右眼图像在屏幕上或人眼中重叠在一起。

由于左右眼的图像在显示芯片左区域103和显示芯片右区域105处，以及反射镜113和反射镜117处完全分开，在这两个位置，可以放置偏振调制元件，比如波带片，使得显示芯片左区域103和显示芯片右区域105发出的光具有不同的偏振。观众佩戴一副左右眼不同偏振的偏振眼镜就可以使得左右眼分别看到各自的图像，实现3D图像显示。

对于上述实施例中的照明系统光源，可从以下种类中选取其中之一：白炽灯，弧光灯，LED光源，激光光源，但并不限定于上述某种光源技术。上述显示芯片109可以为现有微型显示器技术的任一种，包括但并不限于液晶芯片LCD，微机械MEMS(Micro Electromechanical System微机电系统)，和硅上液晶LCOS器件(Liguid Crystal on Silicon，硅基液晶显示装置)。上述实施例中的显示芯片可以是反射式、透射式或自发光式的。上述实施例中的显示芯片也可以由LED或是OLED等自发光显芯片组成，这样照明系统和显示芯片将合为一个整体。

上述实施例中的显示芯片可为由两片芯片相互紧密排列构成的芯片阵列，以替代在单个芯片上显示两个区域的单芯片结构。也就是说，显片芯片可以是显示两个区域的单芯片结构，也可以是两个相互充分接近组成一平面的芯片阵列，每一芯片阵列各显示一个眼睛的图像。由于本发明具有广泛的结构形式，这些等价结构并没有脱离本发明的范畴。

上述技术方案给出了依据本发明构建的系统的主要光学结构。一个完整的3D显示系统还包括电子驱动系统，为了实现本发明，电子驱动系统还包括一个图像处理系统来完成图像处理功能。该图像处理系统可以用软件来实现，也可以配合硬件来实现。图3为本发明电子图像处理系统的一个实施实例的处理功能框图。输入视频3D信号为通行的数字或模拟视频信号，其中包含了3D的信号，这一信号首先被存储在一个视频寄存器中，然后其中左右眼的信息被分离出来，分离出来的图像可以按照预定的方式进行预畸变处理，预畸变的方式按照实际光学系统产生的畸变确定。然后左右眼的信息被分别送到显示器的不同部分显示。处理功能框图仅为一个实现此处理功能的实例，其它的处理顺序，只要功能相同，仍在本发明的范围以内。

实施例二：

实施例一给出了显示一种颜色的3D图像显示方案。为了显示彩色3D，可以采用众所周知的时序彩色、微型滤光片、和三片式彩色的方法。

本实施例采用时序彩色方式来显示彩色3D图像。即在实施例一的技术方案基础上，将其中的显示芯片以三倍速度显示，在不同时刻分别显示红、绿、蓝的图像，依靠人眼的视觉暂留形成全彩色的3D立体图像。

实施例三：

本实施例采用微型滤光片方式来显示彩色3D图像。即在实施例一的技术方案基础上，将其中的显示芯片的每一个像素被分成三个红绿蓝子像素，每个子像素的间隔佷小，人眼不能分辨单个子像素，形成彩色3D图像。

实施例四：

如图2所示，本实施例采用了三片式彩色实现3D显示的方案。照明系统入射光201被分成红、绿、蓝三部分，分别照射到三个显示芯片(即红显示芯片左区域203和红显示芯片右区域205、绿显示芯片右区域211和绿显示芯片左区域213、蓝显示芯片右区域207和蓝显示芯片左区域209)上，三个显示芯片分别显示红、绿、蓝的信息。每一个显示芯片左右两部分区域又按照实施例一的方法分别显示左右眼图像，通过合光装置215，把红、绿、蓝的图像合成为一个彩色图像。投影镜头217可参照实施例一的结构设计，即包括投影光学系统第一透镜组111、投影光学系统第二透镜组118、反射镜113、反射镜117等元件。投影镜头217把三个显示芯片的两部分在显示屏幕219上重叠在一起，合成为一个3D彩色图像。合光装置215可以用多层镀膜的方式实现，其设计需要考虑到彩色和偏振两方面的要求。

实施例五：

图4为本发明的另一种基于反射式显示芯片的实施方案示意图。反射式显示芯片包括以TI的DLP为代表的MEMS和LCOS。以下以DLP为例讲述本实施例，采用LCOS反射芯片的系统，仍在本发明的范围以内。照明系统入射光401经过全反棱镜403，照射到MEMS芯片405上。MEMS芯片405上分为MEMS芯片左区域407和MEMS芯片右区域409分别显示左右眼的信息。全反棱镜403为DLP系统中通常使用的全内反射棱镜或反射镜，投影镜头411可参照实施例一的结构设计，即包括投影光学系统第一透镜组111、投影光学系统第二透镜组118、反射镜113、反射镜117等元件。其中的偏转反射镜分别偏转左右眼的光线，使得左右眼图像在显示屏幕413上重合在一起。观众通过佩戴一副偏振眼镜，看到3D图像。

实施例六：

在上述所有实施例中，左右眼的图像需要由不同偏振的光线产生，这样观众佩戴一副左右眼不同偏振的偏振眼镜就可以使得左右眼分别看到各自的图像，可以分别看到左右眼图像，产生立体视觉。由于左右眼的图像只有在显示芯片处和反射镜处完全分开，在这两个位置，可以放置偏振调制元件，比如波带片，使得左右眼的图像有不同的偏振状态。

如图5所示，给出一个在显示芯片处改变偏振态的实施例。采用了液晶显示芯片501，通过调节显示芯片左区域507和显示芯片右区域509两部分的偏振片方向，使得来自左眼图像的光线511和来自右眼图像的光线513具有不同偏振。

实施例七：

本实施例也是一个在显示芯片处改变偏振态的实施例，它和实施例六的区别在于：显示芯片采用和DLP类似的MEMS芯片，它们本身没有偏振态的要求。偏振光可以在光源照明部分产生，使得照射在显示芯片左区域和显示芯片右区域的光线本身就具有不同的偏振。偏振态的改变也可以由一个波带片产生。

实施例八：

如图6所示，给出一个在反射镜处改变偏振态的实施例。来自左眼图像的光线601和来自右眼图像的光线603具有相同的偏振态。反射镜607和反射镜605和左右眼图像相对应，在反射镜607上施加一个波带片609，改变来自左眼图像的光线601的偏振态，使得出射光线611和出射光线613具有不同偏振态。

本发明的实施例主要为了说明系统光学部分的主要功能性构成，对于系统中光源和显示芯片，都有众所周知的不同实现技术和改进，比如光源可以包括偏振光的重复利用装置，显示芯片的亮度改进，这些不同技术只要采用了本发明的光学结构，就仍属于本发明的保护范围。并且，鉴于光学元件的集成性和较容易的等价替代性，本发明的各组成结构单元包括但不局限是物理上分离的。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。本发明的实质是一种立体图像产生的方式，并不限定于特定的显示技术和光源技术。改变显示技术和光源技术的组合，仍在本发明的范围以内。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (6)

1.一种产生3D图像的系统，其特征在于：它沿光路依次包含设置有，

显示芯片，显示芯片具有分别显示左右眼图像的左右两部分区域、

分别对左右眼图像的光施加不同偏转的并最终使得左右眼图像在投影屏幕或人眼中重合在一起的偏转元件；

它还包括有把左右眼图像以不同偏振态编码的偏振态编码系统，以及与偏转元件配合的投影光学系统；

所述显示芯片的左右两部分区域出射的左右眼图像具有相同的偏振，

所述偏转元件是两个反射镜，反射镜位于显示芯片左右两部分区域出射的光完全分开的位置上；

所述偏振态编码系统为设置在偏转元件处的使偏转元件左右两部分区域的出射光线具有不同偏振态的波带片。

2.根据权利要求1所述的产生3D图像的系统，其特征在于：所述显示芯片在不同时刻显示不同颜色的图像，各种颜色的图像快速切换，依靠人眼的视觉暂留形成全彩色的3D立体图像。

3.根据权利要求1所述的产生3D图像的系统，其特征在于：所述显示芯片包括红显示芯片、绿显示芯片、蓝显示芯片，红显示芯片具有分别显示左右眼图像的两部分区域，绿显示芯片具有分别显示左右眼图像的两部分区域，蓝显示芯片具有分别显示左右眼图像的两部分区域；红、绿、蓝的图像通过一个合色装置形成全彩色的3D立体图像。

4.根据权利要求1所述的产生3D图像的系统，其特征在于：所述产生3D图像的系统还包含一个电子图像处理系统，所述电子图像处理系统依次包括有输入数字或模拟视频3D信号的单元、利用软件或硬件把左右眼的信号提取出来的单元、对左右眼图像进行预畸变以补偿光学系统畸变的单元、把左右眼的信号分别送到显示屏的不同特定部分的单元。

5.根据权利要求1所述的产生3D图像的系统，其特征在于：所述显示芯片为由两片芯片相互紧密排列构成的显示芯片阵列，所述两片芯片分别显示左右眼的图像信息。

6.根据权利要求1所述的产生3D图像的系统，其特征在于：所述产生3D图像的系统还包含一副与观众眼睛配合的左右眼不同偏振的偏振眼镜。