CN102929089B - 一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置，能够提高真三维显示系统的角分辨率，并有效校正图像的畸变。多个投影机围绕着平面旋转屏分别分布于奇数投影区和偶数投影区中，将对应角度的二维图像同步投影在平面旋转屏上，直角反射镜将光源发出的光反射至相反的两个方向，所述的由直角反射镜反射出的第一光束依次经由第一导光棒、第一透镜、第一反射镜传输后提供给投影机，所述的由直角反射镜反射出的第二光束依次经由第二导光棒、第二透镜、第二反射镜传输后提供给投影机；第一照明镜组与第二照明镜组的光轴共面而不共轴，两光轴都在一个垂直于转轴的平面内，但两光轴含有夹角Δθ'，其与投影机数量之间满足公式：其中N为投影机数量，Δθ为角分辨率。

Description

一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置

技术领域

本发明属于三维显示中的照明领域，涉及一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置。

背景技术

三维显示能够提供直观、自然的交流模式，有助于人们在综合运用各种深度暗示之后，获得真实、丰富、可靠的感知体验，是显示技术的必然发展趋势。借助于眼镜或者斜光栅的体视三维显示只能提供有限的体视时，显示效果有限且人眼在观察时，会聚和调节不能匹配，长期观看对眼睛有害。全息动态显示海量的数据传输和存储在目前的技术水平上基本不现实。体三维显示技术能满足“直接可视、全角度可视及群视”等一系列要求，在技术实现和显示效果上都比较有优势，因而在气象分析、医学成像和空中交通控制以及军事模等领域中具有广阔的应用前景。

多投影机真三维显示能实现真彩色真三维显示，对投影机的帧频要求不高，可用廉价投影机，可实现局部并行数据传输，从而提高传输速率。但是，当对真三维影像的角分辨率要求较高时，所需投影机数量增多，二者之间的关系为：

其中N为投影机数量，Δθ为角分辨率。同时投影机数量的增多又带来造价上升和空间排布困难等问题。

中国专利CN101038421A中公开了一种基于双向散射屏的多投影机布局方案，将投影机曝光序号分成奇数和偶数两组，并分别排布在半个圆周上，旋转照明光路由两组照明镜组构成，两镜组的光轴同轴，照明方向相反，分别交替照明奇偶半区，照明光路转半圈，所有投影机分别曝光一次完成一次真三维所有截面图像的完整显示。这种照明光路所对应的角分辨率为：

其中N为投影机数量，Δθ为角分辨率。但是该系统无法有效校正图像的畸变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置，能够提高真三维显示系统的角分辨率，并有效校正图像的畸变。

该种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置，包括：平面旋转屏、光源、多个投影机、直角反射镜、第一照明镜组、第二照明镜组，其中第一照明镜组包括第一导光棒、第一透镜、第一反射镜，第二照明镜组包括第二导光棒、第二透镜、第二反射镜；平面旋转屏由电机带动旋转；多个投影机围绕着平面旋转屏分别分布于奇数投影区和偶数投影区中，将对应角度的二维图像同步投影在平面旋转屏上，重构出与真实物体相似的三维图像；直角反射镜将光源发出的光反射至相反的两个方向，所述的由直角反射镜反射出的第一光束依次经由第一导光棒、第一透镜、第一反射镜传输后提供给投影机，所述的由直角反射镜反射出的第二光束依次经由第二导光棒、第二透镜、第二反射镜传输后提供给投影机；第一照明镜组与第二照明镜组的光轴共面而不共轴，两光轴都在一个垂直于转轴的平面内，但两光轴含有夹角Δθ'，其与投影机数量之间满足公式：其中N为投影机数量，Δθ为角分辨率。

所述的照明装置对图像进行数字预校正，以校正图像的畸变，在预校正过程中，图像中的对应像元在行、列方向分别进行的平移，β为投影物镜的放大率，Δr、Δz由下面两式决定：Δr=Ltgαtg²ω_r，Δz=Ltgαtgω_r tgω_z；其中L为投影机到转轴的距离，为光线在水平面即垂直转轴平面的投影角，α为光线在垂直方向即平行转轴平面的投影角，ω_z为屏幕与投影机光轴的夹角，Δr为径向畸变，Δz为高度方向畸变。

上述的预校正过程由投影机中的光调制器件进行，该光调制器件是LCD、DMD或者是LCOS。

其中第一导光棒和第二导光棒是玻璃棒、塑料棒或者是导光管。

本发明的有益效果：本发明改进了照明装置，从而能在不增加投影机数量的条件下，将真三维显示器的角分辨率提高一倍，降低了高分辨真三维显示器的成本并解决了空间排布的困难等问题。同时，采用本发明的显示系统，还能有效校正图像的畸变。

附图说明

图1为本发明的实施例的真三维显示系统的结构；

图2为本发明的实施例的显示系统的投影过程；

图3为本发明的实施例的显示系统的双向投影截面关系；

图4为本发明的实施例的显示系统在工作过程中屏幕与照明镜组的角度关系；

图5（a）和图5（b）为畸变在不同的方向上的分解图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

本实施例中投影机的排布方式与中国专利CN101038421A相同，但是本实施例中的照明光路不同于CN101038421A中的照明光路。具体照明光路如图1所示。

图1a所示为真三维显示系统的结构图，图1b为投影过程图。该显示系统中具有平面旋转屏11，由电机12带动旋转；光源14，提供照明光；围绕着旋转屏11分布于两个投影区域（奇数投影区和偶数投影区）中的多个投影机（分布于奇数投影区中的投影机1、3、5、7、……、n，分布于偶数投影区中的投影机2、4、6、……、n－1，位于两个区域交界处的投影机0），将对应角度的二维图像同步投影在旋转屏11上，从而重构出与真实物体相似的三维图像；直角反射镜13，将光源14发出的光反射至相反的两个方向；第一照明镜组，具有第一导光棒15、第一透镜16、第一反射镜17，由直角反射镜反射出的第一光束经由第一导光棒15、第一透镜16、第一反射镜17传输后提供给投影机；第二照明镜组，具有第二导光棒18、第二透镜19、第二反射镜20，由直角反射镜反射出的第二光束经由第二导光棒18、第二透镜19、第二反射镜20传输后提供给投影机。

由图1b中可以看出，该光路的双向照明镜组的光轴共面而不共轴，即两光轴都在一个垂直于转轴的平面内，但两光轴有一个较小的夹角Δθ'，其与投影机数量之间满足公式：

其中，其中N为投影机数量，Δθ为角分辨率。

本实施例的显示器的立体影像由一系列二维截面图像绕转轴以一定角度间隔排列而形成。屏幕连续旋转，投影机瞬间曝光，使二维截面图像分别“显像”，截面图像的方位为投影机的曝光时刻屏幕所转到的位置。

在奇偶区内投影机之间角度2Δθ（偶数区最后一个投影机与投影机0的光轴之间的夹角），奇数区投影机相对于偶数区投影机错开角度Δθ。第一镜组转动一周依次照明奇偶区内的所有投影机，所显示的真三维影像截面2N个。

第一镜组与第二镜组的起始点不同，其中第一镜组在奇数区，第二镜组在偶数区，两镜组转一圈后都分别将所有投影机照明一次。第二镜组转动一周，也显示一个真三维影像，其分辨率与第一镜组产生的真三维影像完全相同。由于第一镜组和第二镜组光轴不重合，若屏幕转速为ω，则产生投影时间差Δt=Δθ'/ω,这两个真三维影像的时序不同，如图2所示。

图中实线表示第一镜组照明“显像”的系列截面，角度间隔Δθ，虚线表示第二镜组照明“显像”的系列截面，角度间隔Δθ。两组真三维影像的截面位置不重合，而是错开一个角度Δθ′，则合成的一个完整真三维影像中各截面的夹角Δθ/2，角分辨率提高一倍。

本发明的显示系统可以有效校正图像畸变。照明镜组的光轴转到与投影机光轴重合时，光线全部照到投影机，这时图像最亮，因而可以将照明镜组的光轴作为投影机光轴。由同步照明原理，屏幕与照明镜组基本垂直并同步转动。由于第一镜组和第二镜组的光轴有一个夹角Δθ'，则屏幕必与其中一镜组的光轴不垂直，所投影的截面图像因此产生畸变。当第一镜组和第二镜组双向照明所投影的图像畸变量相同时，双向投影的图像最大畸变量最小并且各投影机校正量相同，有利于提高图像质量和图像处理速度。两镜组光轴的夹角Δθ'，当屏幕法线与镜组的光轴角度时，两镜组光轴与屏幕法线的夹角相同，如图3所示。

屏幕法线在水平面内基本垂直于投影机光轴，允许有一小的夹角α，这个角度使投影图像产生了一定的畸变，畸变与α角、投影机视场角ω有关。当这一畸变大于一个像元尺寸时，应进行数字图像校正。可以采用光调制器进行畸变校正。

畸变量可分解为r(径向)方向和z(高)方向两个方向的畸变，分别如图4（a）和4（b）所示：

L为投影机到转轴的距离，ω_r为光线在水平面(垂直转轴平面)的投影角，α为光线在垂直方向(平行转轴平面)的投影角，ω_z为屏幕与投影机光轴的夹角，Δr为径向畸变，Δz为高度方向畸变。分别用公式(4)、(5)计算Δr、Δz

Δr=Ltgαtg²ω_r    (4)

Δz=Ltgαtgω_rtgω_z(5)

根据ω_r、ω_z、L和α计算出Δr和Δz，将图像进行数字预校正，即将图像中对应像元在行、列方向进行的平移(β为投影物镜的放大率)。投影机中光调制器上产生一反向的畸变，与光学影像的畸变互补，从而实现屏幕不垂直投影机光轴时的畸变校正。

第一镜组和第二镜组转动一周分别照明投影机一次，每个投影机在屏幕转一圈的时间中被第一镜组和第二镜组各照明1次。若要进行高分辨率真三维显示，投影机两次投影的应是两个截面的图像，一般情况下这两个截面的图像不相同，即屏幕转半圈投影机的图像应被刷新一次。考虑到图像刷新速度有限，投影机完成曝光投影后，应立即进行刷新。每个投影机上安装一光电传感器探测照明光，有光照后产生一适当延时信号传输到计算机或图像分配模块，进行一次图像刷新。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置，包括：平面旋转屏、光源、多个投影机、直角反射镜、第一照明镜组、第二照明镜组，其中第一照明镜组包括第一导光棒、第一透镜、第一反射镜，第二照明镜组包括第二导光棒、第二透镜、第二反射镜；平面旋转屏由电机带动旋转；其特征在于：多个投影机围绕着平面旋转屏分别分布于奇数投影区和偶数投影区中，将对应角度的二维图像同步投影在平面旋转屏上，重构出与真实物体相似的三维图像；直角反射镜将光源发出的光反射至相反的两个方向，由直角反射镜反射出的第一光束依次经由第一导光棒、第一透镜、第一反射镜传输后提供给投影机，由直角反射镜反射出的第二光束依次经由第二导光棒、第二透镜、第二反射镜传输后提供给投影机；第一照明镜组与第二照明镜组的光轴共面而不共轴，两光轴都在一个垂直于转轴的平面内，但两光轴含有夹角Δθ'，其与投影机数量之间满足公式：其中N为投影机数量，Δθ为角分辨率；

所述的照明装置对图像进行数字预校正，以校正图像的畸变，在预校正过程中，图像中的对应像元在行、列方向分别进行的平移，β为投影物镜的放大率，Δr、Δz由下面两式决定：Δr＝Ltgαtg²ω_r，Δz＝Ltgαtgω_rtgω_z；其中L为投影机到转轴的距离，ω_r为光线在水平面即垂直转轴平面的投影角，α为光线在垂直方向即平行转轴平面的投影角，ω_z为屏幕与投影机光轴的夹角，Δr为径向畸变，Δz为高度方向畸变。

2.如权利要求1所述的一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置，其特征在于：上述的预校正过程由投影机中的光调制器件进行，该光调制器件是LCD、DMD或者是LCOS。

3.如权利要求1或2所述的一种提高多投影机式真三维显示器分辨率的照明装置，其特征在于：其中第一导光棒和第二导光棒是玻璃棒、塑料棒或者是导光管。