CN102014290A - 一种真三维立体成像显示屏 - Google Patents

Abstract

本发明是一种真三维立体成像显示屏，由第一屏幕、第二屏幕、工字形梁及连接轴套组成；第一、二屏幕分别具有上、下端线、一个单导程螺旋面，单导程螺旋面具有内、外螺线；工字形梁由上、下边缘部、中轴组成；中轴含中轴顶面、中轴底面，上、下边缘部分别设有第一、二上边缘；工字形梁的上、下边缘部对称于中轴，并与中轴的中心线垂直，且上边缘部与中轴顶面固接；连接轴套与中轴底部转动连接；中轴两个半圆周上分别沿中轴轴长固设单导程螺旋面，且中轴的圆周分别与第一、二内螺线固接组成双螺旋曲面屏幕；第一、二屏幕之间相对中轴中心对称；第一上、下端线分别与第一上边缘、第二下边缘固接；第二上、下端线分别与第二上边缘、第一下边缘固接。

Description

一种真三维立体成像显示屏

技术领域

本发明属于立体显示技术领域，涉及真三维立体成像所用的显示屏。

背景技术

利用旋转螺旋面作为显示屏产生真三维图像在国外已经得到过实施，德州仪器公司的研究人员对激光扫描旋转曲面产生真三维图像的技术进行了广泛的研究，在螺旋屏加激光扫描技术的组合三维显示上进行了尝试；德国D.Bahr等则利用三色激光器扫描一个快速旋转的单螺旋曲面显示屏，形成了彩色的真三维图像。这类真三维显示方法的优点是使用了单导程或带有支撑结构的双面螺旋状结构的曲面作为显示面，可见光点所在的三维空间得到充分利用。但也有不少问题：最突出的是单面螺旋屏的屏幕重心与旋转重心不重合，高速旋转时图像的稳定性不够；另外一些双面螺旋状结构的曲面为了保证整个螺旋屏的强度，会加入一些支撑结构，这些结构有可能会对阻挡一部分的观察视角。

发明内容

为了解决现有技术双面屏支撑结构阻挡视角的问题，本发明的目的是设计一个不阻挡视角的真三维立体成像显示屏。

为了达成所述目的，本发明提出一种真三维立体图像的显示屏，由第一屏幕、第二屏幕、工字形梁以及连接轴套组成；所述第一屏幕和第二屏幕分别具有一个单导程螺旋面，每个单导程螺旋面具有第一内螺线、第二内螺线、第一外螺线和第二外螺线；第一屏幕具有第一上端线和第一下端线；第二屏幕具有第二上端线和第二下端线；所述工字形梁由上边缘部、下边缘部和一个中轴组成，所述中轴含有中轴顶面和中轴底面，所述上边缘部设有第一上边缘和第二上边缘，所述下边缘部设有第一下边缘和第二下边缘，所述工字形梁位于上边缘部、下边缘部分别与中轴)对称分布；上边缘部、下边缘部分别与中轴的中心线垂直，且上边缘部与中轴顶面固接；所述连接轴套嵌入中轴底部转动连接；在中轴两个度的圆周上，分别沿中轴轴长各固设有一单导程螺旋面，且中轴的圆周分别与第一内螺线和第二内螺线固接组合成双螺旋曲面型屏幕；第一屏幕和第二屏幕之间相对中轴中心对称；第一上端线与第一上边缘固定连接，第一下端线与第二下边缘固定连接；第二上端线与第二上边缘固定连接，第二下端线与第一下边缘固定连接。

本发明的有益效果：本发明提出了设计结构对称、质量对称、降低了对转速要求的真三维立体成像显示屏，不必过多考虑动平衡问题，易于克服单面螺旋显示屏动态旋转失衡的缺点；同时去除了阻碍视线的中间支撑结构，使得观察视角进一步扩大。它是立体显示屏的一种突破性发展，既充分利用了显示空间，又属于稳定结构，同时基本不遮挡视角。具有该特征的真三维立体成像显示屏创新性的把两个单导程螺旋面组合成一个双螺旋曲面型屏幕；较之单螺旋屏，对称设计提高了双螺旋曲面型屏幕自身在快速旋转条件下的稳定性。在实现相同真三维显示效果的情况下，相比较使用单一单导程螺旋面的系统，降低了真三维立体成像显示屏一半的转速；同时双螺旋曲面型屏幕本身的中心对称性，保持了整个屏幕高速旋转下的动态平衡，使得整个双螺旋曲面型屏幕稳定的显示真三维图像，另外所采用的支撑结构扩大了观察视角。由于本发明稳定性好，产生的图像清晰，观察视角提高，在高速旋转时优势更加显著，可以获得一个高保真的图像质量。

附图说明

图1a、图1b是本发明真三维立体成像显示屏立体结构图；

图1c是本发明真三维立体成像显示屏采用两个基于单导程螺旋形式构成屏幕的立体结构图；

图1d是本发明真三维立体成像显示屏的工字形梁结构图；

图1e是图1a、图1b的正视图；

图1f是图1a、图1b的俯视图；

图1g是本发明真三维立体成像显示屏的显示区域图，同时也为图1a、图1b的俯视简图；

图1h是图1a、图1b的侧视图；

图1i是图1a、图1b中第一外螺线11包覆圈的侧视图；

图1j是图1a、图1b中第二外螺线21包覆圈的侧视图；

图2是本发明真三维立体成像显示屏的连接轴套的结构图。

主要部件说明：

第一屏幕1

第一外螺线11    第一上端线12    第一下端线13

第一内螺线14

第二屏幕2

第二外螺线21    第二上端线22    第二下端线23

第二内螺线24

工字形梁3

第一上边缘31    第二上边缘32    第一下边缘33

第二下边缘34    中轴35          中轴顶面351

中轴顶面352

连接轴套4

轴套顶面41      轴套底面42

连接孔5         键槽6           包覆圈7

中央成像区域8

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

一、真三维立体成像显示屏主体

真三维立体成像显示屏的架构如图1a以及图1b所示。真三维立体成像显示屏选择半透明高强度光敏树脂材料，以快速成型(RP)直接加工制造，在保证整个真三维立体成像显示屏强度的基础上，使其在快速旋转情况下保持稳定，降低磨损。真三维立体成像显示屏由第一屏幕1、第二屏幕2、工字形梁3以及连接轴套4组成；所述第一屏幕1和第二屏幕2分别具有一个单导程螺旋面，每个单导程螺旋面具有第一内螺线14、第二内螺线24、第一外螺线11和第二外螺线21；第一屏幕1具有第一上端线12和第一下端线13；第二屏幕2具有第二上端线22和第二下端线23；所述工字形梁3由上边缘部、下边缘部和一个中轴35组成，所述中轴35含有中轴顶面351和中轴底面352，所述上边缘部设有第一上边缘31和第二上边缘32，所述下边缘部设有第一下边缘33和第二下边缘34，所述工字形梁3位于上边缘部、下边缘部分别与中轴35对称分布；上边缘部、下边缘部分别与中轴35的中心线垂直，且上边缘部与中轴顶面351固接；所述连接轴套4嵌入中轴底部352转动连接；在中轴35两个180度的圆周上，分别沿中轴35轴长各固设有一单导程螺旋面，且中轴35的圆周分别与第一内螺线14和第二内螺线24固接组合成双螺旋曲面型屏幕；第一屏幕1和第二屏幕2之间相对中轴35中心对称；第一上端线12与第一上边缘31固定连接，第一下端线13与第二下边缘34固定连接；第二上端线22与第二上边缘32固定连接，第二下端线23与第一下边缘33固定连接。

参考图1c与图1a、图1b所示的真三维立体成像显示屏立体结构图区别在于，参考图1c中抽去了工字形梁3。本发明中，这两个单导程螺旋面与工字形梁3以如下方式连接：第一外螺线11上的两个端点w、x分别与工字形梁3上的端点a、d重合；第二外螺线21上的两个端点u、z分别与工字形梁3上的另外两个端点b、c重合。

再如参考图1a和图1b中所示，本发明中第一上端线12和工字形梁3的第一上边缘31长度相同，第一下端线13和工字形梁3的第二下边缘34长度相同；第二上端线22和工字形梁3的第一上边缘31长度相同，第二下端线23和工字形梁3的第一下边缘33长度相同。

真三维立体成像显示屏的单导程螺旋面的螺线可以用下面的数学方程来描述：

y＝x tanγ， $z=\frac{\mathrm{H\γ}}{180}=\mathrm{p\γ},$ γ∈[0，180]，x∈[0，R]

(1)

式中，x、y、z为单导程螺旋面立体显示屏上任一点的笛卡尔坐标系，单位：mm；

γ是单导程螺旋面立体显示屏上任意一条径向线与x轴正向所成的角度，单位：度；

H、R分别为单导程螺旋面立体显示屏z向高度与z向投影圆周半径，单位：mm；

p为H与180之比值数；

考虑到一般的由两组单导程螺旋面组合而成的双螺旋曲面型屏幕显示屏的不足：中间的支撑结构阻挡了观察视角，以及为了弥补所选用的材料本身所可能具有的长期暴露在空气中吸水变形等缺陷，本发明从三个方面对由两组单导程螺旋面组合而成的双螺旋曲面型屏幕进行了结构优化，以期通过具有支撑功能工字形梁3的结构和更改加工方式的方式增加旋转时第一屏幕1和第二屏幕2的强度和韧性。

1、具有防塌和支撑功能而扩大观察视角的工字形梁

如参考图1g示出，从顶部俯视整个真三维立体成像显示屏，在第一屏幕1与第二屏幕2上，8为成像区域。

如图1a、1b示出的具有支撑功能的工字形梁3的结构，在第一屏幕1与第二屏幕2间插入一工字形梁3(分别如图1c、图1d、图1f)，并按照之前叙述的那样将第一屏幕1与第二屏幕2直接与工字形梁3固定连接，由于第一屏幕1、第二屏幕2所用供电光敏树脂材料与空气长时间接触会因吸收水气而逐渐软化，故选取真空注型聚氨酯树脂材料加工字形梁3的结构。

其中工字形梁3的中轴35的直径为25mm-30mm，可选为25mm、26mm、27mm、28mm、29mm、30mm；所述第一上边缘31、第二上边缘32、第一下边缘33和第二下边缘34皆为圆管形，其直径的选择范围为1mm-5mm，可选为1mm、2mm、3mm、4mm或5mm；利用工字形梁3帮助支撑，能防止本发明的真三维立体成像显示屏中央成像区域1的凹陷、坍塌、因硬化导致的破损和整个材料的变色、扩大观察视角。

参考图1h示出为图1a、图1b的侧视图，其中包含的第一屏幕1、第二屏幕2和工字形梁3之间的连接方式同参考图1c中的描述。

2、具有强化功能的边界包覆圈

所述第一外螺线11和第二外螺线21的外边缘嵌入包覆圈7内。从本发明图1a、图1b的正视图1e观察，在第一屏幕1的第一外螺线11与第二屏幕2的第二外螺线21的外边缘上的设计了强化性能的边界包覆圈7；如参考图1i和图1j示出：假设第一屏幕1和第二屏幕2厚度均为L，第一外螺线11、第二外螺线21分别沿着第一外螺线11和第二外螺线21，以直径为2L的圆扫描而成一根螺旋形的包覆圈，此包覆圈即为边界包覆圈7；包覆圈7对第一屏幕1和第二屏幕2起到边界条件的加强作用。由于包覆圈7和第一屏幕1和第二屏幕2为一体加工制成，强度也能较好保证。

二、真三维立体成像显示屏约束结构

除上述本体结构外，还对真三维立体成像显示屏进行机械约束。约束结构的作用是对第一屏幕1与第二屏幕2径向和轴向的位移进行制约，通过机械传动来实现。主要包括连接轴套4(如图2示出)的结构设计和轴向连接。在保证足够的强度、刚度、稳定高速旋转的前提下，中轴35最大负载时变形不大于0.05mm。

所述连接轴套4具有顶部端面41和底部端面42；顶部端面41位于连接轴套4的上端部，该底部端面42位于连接轴套4的下端部；连接轴套4通过底部端面42上的连接孔5和键槽6与驱动装置连接。

本发明用于立式电机直接传动，即将所述连接轴套4固定在电机的转轴上；同时中轴35作为传动元件，将高速旋转的动作传递给本发明的真三维立体成像显示屏；同时使所述第一屏幕1、第二屏幕2、工字形梁3合成一体结构的重心与传动旋力的连接轴套4重合，让整个屏幕对称的围绕其重心稳定的旋转。

由受力分析可知，若连接轴套4截面为圆，连接轴套4变形以扭转为主。在工程中，作用于圆截面的连接轴套4上的外力偶矩一般不是直接给出的，通常给出的是圆截面的连接轴套4所需传递的功率和转速。因此，需要由功率、转速和外力偶矩三者之间的关系求得外力偶矩M，即

$M=9549\frac{P}{n}---\left(2\right)$

式中，M——作用于连接轴套4上的外力偶矩，单位：N·m；P-连接轴套4所传递的功率，单位：kW；n——连接轴套4的转速，单位：r/min。说明：连接轴套4上输入力偶矩是主动力偶矩，其转向与连接轴套4的转向相同；连接轴套4上输出力偶矩是阻力偶矩，其转向与轴转向相反。

由于真三维立体成像显示屏旋转的连接轴套4的使用常态为恒定转动，可近似为常见的转轴。对于转轴，常用扭矩估算轴的最小直径，然后进行连接轴套4的结构设计。对于圆截面的连接轴套4，扭转强度条件为

$\mathrm{\τ}=\frac{T}{W_P}=\frac{{9.55\×10}^{6}P}{{0.2d}^{3}n}\≤\left[\mathrm{\τ}\right]---\left(3\right)$

式中，τ为连接轴套4的扭转剪应力，单位MPa；T为连接轴套4传递的扭矩，单位N·mm；P为连接轴套4传递的功率，单位kW；n为连接轴套4的转速，单位r/min；d为中轴的直径，单位mm；[τ]为许用扭转剪应力，单位MPa，其值查表1选取；W_p为连接轴套4抗扭截面系数，单位mm³，连接轴套4为圆截面时W_p≈0.2d³。由式(3)，推出连接轴套4的设计公式为：

$d\≥\sqrt[3]{\frac{{9.55\×10}^6}{0.2\left[\mathrm{\τ}\right]}}\·\sqrt[3]{\frac{P}{n}}=C\sqrt[3]{\frac{P}{n}}---\left(4\right)$

式中，C为由中轴35的材料和承载情况确定的常数，见表1。采用45钢作为设计连接轴套4的材料，查表1得[τ]＝30～40MPa，C＝118～107，分别取[τ]＝30MPa，C＝110且要求连接轴套4所传递的功率P＝8.17×10^-3kW，转速n＝600r/min。

表1常用材料的[τ]和C值

由上式得

$d\≥\sqrt[3]{\frac{{9.55\×10}^6}{0.2\left[\mathrm{\τ}\right]}}\·\sqrt[3]{\frac{P}{n}}=C\sqrt[3]{\frac{P}{n}}=110\×\sqrt[3]{\frac{{8.17\×10}^{-3}}{600}}\mathrm{mm}=2.6268\mathrm{mm}---\left(5\right)$

按照以上的叙述做出的连接轴套4及相应的连接方案这种设计合理，减少了因额外增加固定结构器件而造成的装配精度、定位精度的误差以及强度上的损失。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种真三维立体成像显示屏，其特征在于：由第一屏幕(1)、第二屏幕(2)、工字形梁(3)以及连接轴套(4)组成；所述第一屏幕(1)和第二屏幕(2)分别具有一个单导程螺旋面，每个单导程螺旋面具有第一内螺线(14)、第二内螺线(24)、第一外螺线(11)和第二外螺线(21)；第一屏幕(1)具有第一上端线(12)和第一下端线(13)；第二屏幕(2)具有第二上端线(22)和第二下端线(23)；所述工字形梁(3)由上边缘部、下边缘部和一个中轴(35)组成，所述中轴(35)含有中轴顶面(351)和中轴底面(352)，所述上边缘部设有第一上边缘(31)和第二上边缘(32)，所述下边缘部设有第一下边缘(33)和第二下边缘(34)，所述工字形梁(3)位于上边缘部、下边缘部分别与中轴(35)对称分布；上边缘部、下边缘部分别与中轴(35)的中心线垂直，且上边缘部与中轴顶面(351)固接；所述连接轴套(4)嵌入中轴底部(352)转动连接；在中轴(35)两个180度的圆周上，分别沿中轴(35)轴长各固设有一单导程螺旋面，且中轴(35)的圆周分别与第一内螺线(14)和第二内螺线(24)固接组合成双螺旋曲面型屏幕；第一屏幕(1)和第二屏幕(2)之间相对中轴(35)中心对称；第一上端线(12)与第一上边缘(31)固定连接，第一下端线(13)与第二下边缘(34)固定连接；第二上端线(22)与第二上边缘(32)固定连接，第二下端线(23)与第一下边缘(33)固定连接。

2.根据权利要求1所述的真三维立体成像显示屏，其特征是，所述中轴(35)的直径的选择范围为25mm-30mm。

3.根据权利要求1所述的真三维立体成像显示屏，其特征是，所述第一上边缘(31)、第二上边缘(32)、第一下边缘(33)和第二下边缘(34)为圆管形，其直径的选择范围为1mm-5mm。

4.根据权利要求1所述的真三维立体成像显示屏，其特征是，所述连接轴套(4)具有顶部端面(41)和底部端面(42)；顶部端面(41)位于连接轴套(4)的上端部，该底部端面(42)位于连接轴套(4)的下端部；连接轴套(4)通过底部端面(42)上的连接孔(5)和键槽(6)与驱动装置连接。

5.根据权利要求1所述的真三维立体成像显示屏，其特征是，所述第一外螺线(11)和第二外螺线(21)的外边缘嵌入包覆圈(7)内。

6.根据权利要求1所述的真三维立体成像显示屏，其特征是，所述第一屏幕(1)、第二屏幕(2)、工字形梁(3)合成一体结构的重心与传动旋力的连接轴套(4)重合，使整个屏幕对称的围绕其重心稳定的旋转。

7.根据权利要求1所述的真三维立体成像显示屏，其特征是，所述连接轴套(4)如下所述：

$d\≥\sqrt[3]{\frac{{9.55\×10}^6}{0.2\left[\mathrm{\τ}\right]}}\·\sqrt[3]{\frac{P}{n}}=C\sqrt[3]{\frac{P}{n}}$

式中，d为中轴(5)的直径；为连接轴套(4)的扭转剪应力；其中T为连接轴套(4)传递的扭矩；P为连接轴套(4)传递的功率；n为连接轴套(4)的转速；[τ]为许用扭转剪应力；W_p为连接轴套(4)抗扭截面系数，连接轴套(4)为圆截面时W_p≈0.2d³。

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