CN103048869B - 高视角分辨率的360°视场三维显示装置和显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高视角分辨率的360°视场三维显示装置，包括：LED光源、照明光学系统、空间光调制器、投影光学系统、组合式定向散射屏、转动装置、图像存储控制模块、转动检测模块和光源脉冲驱动控制模块。本发明还公开了实现高视角分辨率的360°视场三维显示方法。本发明通过光源脉冲驱动控制模块对LED光源进行脉冲点亮的方式与组合式定向散射屏的旋转相配合，利用了每个定向散射子屏散射方向的微小偏差实现高密度的视角扫描，实现了具有高视角分辨率的360°视场三维显示，提高了三维显示图像的质量，更加符合人眼自然观察的习惯。

Description

高视角分辨率的360°视场三维显示装置和显示方法

技术领域

本发明属于三维显示技术领域，具体涉及一种高视角分辨率的360°视场三维显示装置和显示方法。

背景技术

双目视差、运动视差、调节等多种深度暗示使得人们对物体产生了三维感知。三维显示技术在生物医学、建筑设计、科学展示、影视娱乐、视频通信和商品广告等许多领域都有不错的应用前景。人的两只眼睛由于其空间位置的微小差别，导致两只眼睛所能看到的景象存在着一定的差别，正是因为这种微小的差别使人的大脑对其进行处理，产生深度感知，也即立体感知。目前，三维显示技术主要分为四类：体视三维显示技术、自体视三维显示技术、体三维显示技术、光场三维显示技术以及全息三维显示技术等。

空间三维显示是一种能够在具有宽度、高度和深度的真实三维空间内进行图像信息再现的技术，可供多个观察者同时环绕观看，是目前的研究热点。体三维显示是通过控制体空间内分布的各个体素的亮度来实现体空间物体的三维显示，多数采用体扫描的方式。这种方法具有水平视差和垂直视差，适合多人裸眼环绕观看。但体三维显示仅能显示透明的三维物体，不能实现空间物体的透视遮挡。

光场三维显示技术通过再现三维物体向各个方向发射的光线的方式将要显示三维场景的各个侧面的图像准确地成像到相应的方位。周围的众多观看者能自然地同时观看到空间三维场景各方位的各个侧面，犹如在现实空间的三维物体一样，能自动满足多种生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同时、裸眼观察。而光场三维显示中的视角分辨率是一个重要的系统设计参数，直接决定了显示三维图像的质量和效果以及深度感知。

发明内容

本发明提供了一种高视角分辨率的360°视场三维显示装置，利用了LED的快速响应特性和每个定向散射子屏散射方向的微小偏差，在相同高速投影机帧频的条件下通过对LED的脉冲时序点亮提高了360°视场三维显示的视角分辨率，降低了实现高视角分辨率的360°视场三维显示所需要高速投影机投影图像的帧频，实现了可供多人多视角裸眼同时观看的高视角分辨率的360°视场三维显示，提高了三维显示的图像质量，从而克服现有技术的不足。

一种高视角分辨率的360°视场三维显示装置，包括LED光源、照明光学系统、高速空间光调制器、投影光学系统、组合式定向散射屏、转动装置、转动检测模块、图像存储控制模块、光源驱动脉冲控制模块；

其中：

LED光源，作为照明光学系统的照明光源，与光源脉冲驱动控制模块连接；

照明光学系统，将LED光源发出的光线进行收集并会聚到高速空间光调制器上；

高速空间光调制器，将需要显示的图像加载其上并按顺序高速显示出来；

投影光学系统，将高速空间光调制器上的图像投影到组合式定向散射屏上；

组合式定向散射屏，由多个定向散射子屏组合拼接而成，每个定向散射子屏均对投影其上的图像的出射角度进行控制，保证观察区域的观察者的双眼看到具有视差的图像；

转动装置，与组合式定向散射屏连接，并带动组合式定向散射屏转动；

转动检测模块，检测所述的组合式定向散射屏的旋转角度位置及每个定向散射子屏的起始位置，并将其探测的旋转角度位置和起始位置的信号传给图像存储控制模块和光源驱动脉冲控制模块；

图像存储控制模块，存储供高速空间光调制器显示的图像序列，并根据接收到的信号控制所述的图像序列的初始位置及所述的高速空间光调制器的帧频，实现所述的高速空间光调制器显示的图像序列与所述的组合式定向散射屏转动的同步；

光源驱动脉冲控制模块，根据转动装置的旋转角度位置信号控制驱动LED光源的脉冲电流。

所述的LED光源包括红色、绿色和蓝色三色分离的三块高亮度LED芯片或LED芯片阵列，或红色、绿色和蓝色三色集成的一块高亮度LED芯片或LED芯片阵列。

所述的高速空间光调制器为反射型的高速数字微镜器件。

所述的组合式定向散射屏由N个定向散射子屏拼接组成，其中N为大于等于2的自然数，每个定向散射子屏对应的圆心角为360/N°。每个定向散射子屏为反射式偏折型散射屏，由光栅方向互相平行的反射式锯齿型光栅和柱面光栅构成；第i个定向散射子屏(i为自然数，且满足1≤i≤N)的光栅方向与其对应圆心角的角平分线成α_i°角，满足：α_i＝90+360/(MN)·[i-(N+1)/2]；其中，M为组合式定向散射屏旋转一周投影光学系统投影的图像数。

所述的转动检测模块包括电路处理控制模块、以及对电路处理控制模块提供电信号的传感器，所述电路处理控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块；所述传感器为光电传感器、机械位置开关或旋转脉冲编码器。

所述的光源驱动脉冲控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的恒流源脉冲控制模块或基于单片机为核心的恒流源脉冲控制模块，用于控制脉冲点亮LED光源的电流。

本发明还提供了一种高视角分辨率的360°视场三维显示方法，包括：

(1)计算机根据三维模型、投影光学系统的视场角、投影光学系统距离组合式定向散射屏的距离、组合式定向散射屏的尺寸、观察者位置、组合式定向散射屏旋转一周投影光学系统投影的图像数M和定向散射子屏数N等参数计算需要投影的图像序列信息；

(2)计算机将需要显示的图像序列传入图像存储控制模块以供显示；

(3)组合式定向散射屏安装在转动装置上并由其带动旋转，转动检测模块检测所述的组合式定向散射屏的旋转角度位置信号及每个定向散射子屏的起始位置的信号并传输给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块，具体为：

(i)组合式定向散射屏每旋转360/M°，转动检测模块发出一个脉冲信号S₁给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块；

(ii)组合式定向散射屏每转过一个定向散射子屏，转动检测模块发出一个信号S₂给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块；

(4)光源驱动脉冲控制模块将根据接收到的脉冲信号S₁对脉冲周期进行处理，输出以供LED光源脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I，频率为Mω，其中ω为组合式定向散射屏的转速(r/s)，占空比为1/N；

(5)光源驱动脉冲控制模块再根据接收到的信号S₂确定每一个定向散射子屏的位置，调节输出对应时刻供LED光源脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I中的有效脉冲位置，与每个定向散射子屏的光栅方向相对应；

(6)图像存储控制模块存储供高速空间光调制器显示的序列信息，并根据接收到的信号S₁和S₂控制所述的高速空间光调制器显示图像序列的初始位置及所述的高速空间光调制器的帧频，实现所述的投影图像与所述的组合式定向散射屏转动的同步；

(7)组合式定向散射屏旋转1圈，高速空间光调制器通过投影光学系统投影出M幅组合的图像，通过每一个定向散射子屏对出射光线的限制，将视角分辨率提高了N倍，位于周围的观察者均可以观察到具有高视角分辨率的空间三维场景。

所述的M为100-2000，所述的N为2-50。

本发明将LED的时序脉冲驱动和现有帧频的高速空间光调制器结合起来，并采用每个定向散射子屏散射方向具有微小偏差的组合式定向散射屏旋转来扫描360°视场，实现了360°视场空间三维显示，提高了空间三维显示的视角分辨率和刷新频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明通过光源脉冲驱动控制模块对LED光源进行脉冲点亮的方式与组合式定向散射屏的旋转相配合，利用了每个定向散射子屏散射方向的微小偏差实现高密度的视角扫描，实现了具有高视角分辨率的360°视场三维显示，提高了三维显示图像的质量，更加符合人眼自然观察的习惯。

附图说明

图1是本发明的高视角分辨率的360°视场三维显示装置的实施例1的示意图。

图2是本发明的高视角分辨率的360°视场三维显示装置的实施例1中组合式定向散射屏(N＝4)的结构示意图。

图3是本发明的高视角分辨率的360°视场三维显示装置的实施例1的反射式定向散射子屏示意图。

图4是本发明的高视角分辨率的360°视场三维显示装置的实施例2的示意图。

图5是本发明的高视角分辨率的360°视场三维显示装置的实施例2中组合式定向散射屏(N＝4)的结构示意图。

图6是本发明的高视角分辨率的360°视场三维显示装置的实施例2的透射式定向散射子屏示意图。

图7是本发明的高视角分辨率的360°视场三维显示方法中的信号处理示意图。

图中：1为LED光源、2为照明光学系统、3为高速空间光调制器、4为投影光学系统、5为组合定向散射屏、6为转动装置、7为转动检测模块、8为图像存储控制模块、9为光源驱动脉冲控制模块、51为反射式定向散射子屏、52为透射式定向散射子屏、511为反射式锯齿型光栅、512为柱面光栅、521为透射式锯齿型光栅、522为柱面光栅。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

如图1所示，一种高视角分辨率的360°视场三维显示装置，包括：LED光源1、照明光学系统2、高速空间光调制器3、投影光学系统4、组合定向散射屏5、转动装置6、转动检测模块7、图像存储控制模块8和光源驱动脉冲控制模块9。LED光源1、照明光学系统2、高速空间光调制器3、投影光学系统4组成了高速投影机。

LED光源1作为高速投影机的照明光源，与光源驱动脉冲控制模块9连接。LED光源1包括红色、绿色和蓝色三色分离的三块高亮度LED芯片或LED芯片阵列，或红色、绿色和蓝色三色集成的一块高亮度LED芯片或LED芯片阵列。LED光源的亮度由驱动LED的电流所决定，其驱动方式在系统中由光源驱动脉冲控制模块9控制。

照明光学系统21，将LED光源发出的光线进行收集并会聚到高速空间光调制器3上。照明光学系统2一般为方棒积分器件和透镜的组合、复眼透镜和透镜的组合等，其目标都是获取与空间光调制器的尺寸相匹配的均匀光斑，提高光源的能量利用率。

高速空间光调制器3将需要显示的对应二值图像加载其上并顺序同步地高速显示出来。由于目前液晶(LCD)空间光调制器、硅基液晶(LCOS)空间光调制器的刷新频率不能太高，本发明中的高速空间光调制器3一般采用反射型的高速数字微镜器件(DMD)。

投影光学系统4将显示在高速空间光调制器3上的图像投影到组合式定向散射屏5上。这里的高速投影机可以为单片式高速投影机，也可以为三片式高速投影机。单片式高速投影机采用了单个空间光调制器，通过时序照明红、绿、蓝三色照明光来实现彩色投影显示。三片式高速投影机采用了三个空间光调制器，红、绿、蓝三色照明光分别对应了三个空间光调制器，然后再通过合色棱镜合成后通过投影光学系统4投影出来。

高速投影机位于系统上方，向下投影图像到组合定向散射屏5上。一般为了系统构造的简捷，投影光学系统4的输出光轴与组合定向散射屏5的转轴相重合。组合定向散射屏5安装在转动装置6上，并由转动装置6带动旋转，组合定向散射屏5的底面与转动装置6中的电机转轴垂直。一般来说，我们将组合定向散射屏5的形状设计为圆形、正多边形等对称性结构，通常为了降低机械旋转带来的装置不稳定、噪声大等因素设计为圆形。

组合定向散射屏5由多个由N个定向散射子屏拼接组成(N≥2)，每个定向散射子屏对应的圆心角为360/N°。每个定向散射子屏为反射式偏折型散射屏51，由光栅方向互相平行的反射式锯齿型光栅511和柱面光栅512构成。每个反射式偏折型散射屏51都将高速投影机的投影光线往一侧偏折。以偏折方向为主方向，在与主方向垂直的竖直方向上发生散射，而和主方向垂直的水平方向小角度反射。而每个反射式偏折型散射屏51的光栅方向都有微小的差别来实现高密度视角的扫描。

转动检测模块7，包括电路处理控制模块、以及对电路处理控制模块提供电信号的传感器，电路处理控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块，传感器为光电传感器、机械位置开关或旋转脉冲编码器。转动检测模块7中传感器一般每当组合式定向散射屏5旋转一个小角度，就产生一个脉冲信号由电路处理控制模块接收并整形处理。在组合式定向散射屏5的旋转过程中，转动检测模块7检测组合式定向散射屏5的旋转角度位置及每个定向散射子屏的起始位置，并将其探测的旋转角度位置和起始位置的信号传给图像存储控制模块8以确定投影图像的帧频以及初始位置，同时也将探测的旋转角度位置和起始位置的信号传给光源驱动脉冲控制模块9来控制点亮LED光源1的需要电流脉冲周期以及占空比。

图像存储控制模块8，存储通过预算计算的供高速投影机投影的图像序列，并根据接收到的信号控制图像序列的初始位置及高速空间光调制器2的帧频，实现高速投影机的投影图像序列与组合式定向散射屏5转动的同步。

光源驱动脉冲控制模块9为基于现场可编程门阵列为核心的恒流源脉冲控制模块或基于单片机为核心的恒流源脉冲控制模块，通过转动检测模块7检测的组合式定向散射屏5的旋转角度位置信号对驱动LED光源1的电流进行时序脉冲控制，从而高速地对LED光源1进行脉冲点亮。假设组合式定向散射屏5旋转1圈，高速投影机投影出M幅组合的图像。组合式定向散射屏5的转速为ω(r/s)，那么高速投影机投影图像的帧频为Mω帧/秒(fps)。转动检测模块7检测组合式定向散射屏5每旋转360/M°就发出一个脉冲信号S₁给光源驱动脉冲控制模块9和图像存储控制模块8，因此脉冲信号S₁的频率为MωHz。在组合式定向散射屏5的旋转过程中，转动检测模块7检测到组合式定向散射屏5转过一个定向散射子屏，转动检测模块7就发出一个信号S₂给光源驱动脉冲控制模块9和图像存储控制模块8。光源驱动脉冲控制模块9将根据接收到的脉冲信号S₁的触发位置以及脉冲周期进行处理，输出以供LED脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I。输出的脉冲式电流I的频率为Mω，占空比为1/N。脉冲式电流I每个周期里输出电流脉冲的宽度决定了LED点亮的时间。每一个周期的起始点需要与高速空间光调制器3显示对应图像的起始点相同。而在每一个周期内部脉冲式电流I的输出电流起始时间需要与定向散射子屏的位置以及散射方向相对应。组合式定向散射屏5旋转一周，高速空间光调制器3高速地时序显示出对应的M幅组合图像并投影到组合式定向散射屏5上。通过每块定向散射子屏51，即反射式偏折型散射屏对出射光线的限制及其360°扫描，位于周围360°观察区域的观察者可以观察到高视角分辨率的空间三维场景，三维场景悬浮于组合式定向散射屏5的上方，显示图像真实细腻。

如图2所示，组合定向散射屏5由多个由N个定向散射子屏51拼接组成(N≥2)，每个定向散射子屏51对应的圆心角为360/N°。如图3所示，每个定向散射子屏51为反射式偏折型散射屏，由反射式锯齿型光栅511和柱面光栅512构成；并且两者的光栅方向互相平行。每个反射式偏折型散射屏把高速投影机的投影光线往一侧偏折，以偏折方向为主方向，在与主方向垂直的竖直方向上发生散射，而和主方向垂直的水平方向小角度反射，其角度大小一般小于360/(MN)°。反射式锯齿型光栅511将透射的高速投影机的投影主光线往一侧偏折，反射式锯齿型光栅511的锯齿楔角决定了主偏折角度的大小。假设第i个定向散射子屏(1≤i≤N)的主偏折方向在水平方向的投影方向为R_i，第1个定向散射子屏的主偏折方向在水平方向的投影为0°方向，那么第i个定向散射子屏的投影R_i的方向是在θ_i＝360(i-1)/N°附近，与360(i-1)/N°存在微小角度的偏差，偏差的角度为Δθ_i＝360[i-(N+1)/2]/(MN)°。那么，第i个定向散射子屏的投影R_i的方向可以表示为θ_i+Δθ_i。而每个定向散射子屏主偏折方向的微小偏差主要是通过反射式偏折型散射屏的光栅方向来进行调节的。第i个定向散射子屏(1≤i≤N)的光栅方向与其对应圆心角的角平分线成α_i°角，α_i满足：

α_i＝90+360/(MN)·[i-(N+1)/2]。在实际操作过程中，为了保证比较高的图像质量以及系统结构的简捷，我们一般选取M为100-2000，N为2-50。

实施例2

如图4所示，一种高视角分辨率的360°视场三维显示装置，包括：LED光源1、照明光学系统2、高速空间光调制器3、投影光学系统4、组合定向散射屏5、转动装置6、转动检测模块7、图像存储控制模块8和光源驱动脉冲控制模块9。LED光源1、照明光学系统2、高速空间光调制器3、投影光学系统4组成了高速投影机。

LED光源1作为高速投影机的照明光源，与光源驱动脉冲控制模块9连接。LED光源1包括红色、绿色和蓝色三色分离的三块高亮度LED芯片或LED芯片阵列，或红色、绿色和蓝色三色集成的一块高亮度LED芯片或LED芯片阵列。LED光源的亮度由驱动LED的电流所决定，其驱动方式在系统中由光源驱动脉冲控制模块9控制。照明光学系统21，将LED光源发出的光线进行收集并会聚到高速空间光调制器3上。

照明光学系统2一般为方棒积分器件和透镜的组合、复眼透镜和透镜的组合等，其目标都是获取与空间光调制器的尺寸相匹配的均匀光斑，提高光源的能量利用率。高速空间光调制器3将需要显示的对应二值图像加载其上并顺序同步地高速显示出来。由于目前液晶(LCD)空间光调制器、硅基液晶(LCOS)空间光调制器的刷新频率不能太高，本发明中的高速空间光调制器3一般采用反射型的高速数字微镜器件(DMD)。

投影光学系统4将显示在高速空间光调制器3上的图像投影到组合式定向散射屏5上。这里的高速投影机可以为单片式高速投影机，也可以为三片式高速投影机。单片式高速投影机采用了单个空间光调制器，通过时序照明红、绿、蓝三色照明光来实现彩色投影显示。三片式高速投影机采用了三个空间光调制器，红、绿、蓝三色照明光分别对应了三个空间光调制器，然后再通过合色棱镜合成后通过投影光学系统4投影出来。

高速投影机位于系统下方，向上投影图像到组合定向散射屏5上。一般为了系统构造的简捷，投影光学系统4的输出光轴与组合定向散射屏5的转轴相重合。组合定向散射屏5安装在转动装置6上，并由转动装置6通过带动水平旋转，组合定向散射屏5的底面为水平面。一般来说，我们将组合定向散射屏5的形状设计为圆形、正多边形等对称性结构，通常为了降低机械旋转带来的装置不稳定、噪声大等因素设计为圆形。

组合定向散射屏5由多个由N个定向散射子屏拼接组成(N≥2)，每个定向散射子屏对应的圆心角为360/N°。每个定向散射子屏为透射式偏折型散射屏52，由光栅方向互相平行的透射式锯齿型光栅521和柱面光栅522构成。每个透射式偏折型散射屏52都将高速投影机的投影光线往一侧偏折。以偏折方向为主方向，在与主方向垂直的竖直方向上发生散射，而和主方向垂直的水平方向小角度反射。而每个透射式偏折型散射屏52的光栅方向都有微小的差别来实现高密度视角的扫描。

转动检测模块7，包括电路处理控制模块、以及对电路处理控制模块提供电信号的传感器，电路处理控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块，传感器为光电传感器、机械位置开关或旋转脉冲编码器。转动检测模块7中传感器一般每当组合式定向散射屏5旋转一个小角度，就产生一个脉冲信号由电路处理控制模块接收并整形处理。在组合式定向散射屏5的旋转过程中，转动检测模块7检测组合式定向散射屏5的旋转角度位置及每个定向散射子屏52的起始位置，并将其探测的旋转角度位置和起始位置的信号传给图像存储控制模块8以确定投影图像的帧频以及初始位置，同时也将探测的旋转角度位置和起始位置的信号传给光源驱动脉冲控制模块9来控制点亮LED光源1的需要电流脉冲周期以及占空比。

图像存储控制模块8，存储通过预算计算的供高速投影机投影的图像序列，并根据接收到的信号控制图像序列的初始位置及高速空间光调制器2的帧频，实现高速投影机的投影图像序列与组合式定向散射屏5转动的同步。

光源驱动脉冲控制模块9为基于现场可编程门阵列为核心的恒流源脉冲控制模块或基于单片机为核心的恒流源脉冲控制模块，通过转动检测模块7检测的组合式定向散射屏5的旋转角度位置信号对驱动LED光源1的电流进行时序脉冲控制，从而高速地对LED光源1进行脉冲点亮。假设组合式定向散射屏5旋转1圈，高速投影机投影出M幅组合的图像。组合式定向散射屏5的转速为ω(r/s)，那么高速投影机投影图像的帧频为Mω帧/秒(fps)。转动检测模块7检测组合式定向散射屏5每旋转360/M°就发出一个脉冲信号S₁给光源驱动脉冲控制模块9和图像存储控制模块8，因此脉冲信号S₁的频率为MωHz。在组合式定向散射屏5的旋转过程中，转动检测模块7检测到组合式定向散射屏5转过一个定向散射子屏，转动检测模块7就发出一个信号S₂给光源驱动脉冲控制模块9和图像存储控制模块8。光源驱动脉冲控制模块9将根据接收到的脉冲信号S₁的触发位置以及脉冲周期进行处理，输出以供LED脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I。输出的脉冲式电流I的频率为Mω，占空比为1/N。脉冲式电流I每个周期里输出电流脉冲的宽度决定了LED点亮的时间。每一个周期的起始点需要与高速空间光调制器3显示对应图像的起始点相同。而在每一个周期内部脉冲式电流I的输出电流起始时间需要与定向散射子屏的位置以及散射方向相对应。组合式定向散射屏5旋转一周，高速空间光调制器3高速地时序显示出对应的M幅组合图像并投影到组合式定向散射屏5上。通过每块定向散射子屏52，即透射式偏折型散射屏对出射光线的限制及其360°扫描，位于周围360°观察区域的观察者可以观察到高视角分辨率的空间三维场景，三维场景悬浮于组合式定向散射屏5的上方，显示图像真实细腻。

如图5所示，组合定向散射屏5由多个由N个定向散射子屏52拼接组成(N≥2)，每个定向散射子屏52对应的圆心角为360/N°。如图6所示，每个定向散射子屏52为透射式偏折型散射屏，由透射式锯齿型光栅521和柱面光栅522构成；并且两者的光栅方向互相平行。每个透射式偏折型散射屏把高速投影机的投影光线往一侧偏折，以偏折方向为主方向，在与主方向垂直的竖直方向上发生散射，而和主方向垂直的水平方向小角度反射，其角度大小一般小于360/(MN)°。透射式锯齿型光栅521将透射的高速投影机的投影主光线往一侧偏折，透射式锯齿型光栅511的锯齿楔角以及折射率决定了主偏折角度的大小。假设第i个定向散射子屏(1≤i≤N)的主偏折方向在水平方向的投影方向为R_i，第1个定向散射子屏的主偏折方向在水平方向的投影为0°方向，那么第i个定向散射子屏的投影R_i的方向是在θ_i＝360(i-1)/N°附近，与360(i-1)/N°存在微小角度的偏差，偏差的角度为Δθ_i＝360[i-(N+1)/2]/(MN)°。那么，第i个定向散射子屏的投影R_i的方向可以表示为θ_i+Δθ_i。而每个定向散射子屏主偏折方向的微小偏差主要是通过透射式偏折型散射屏的光栅方向来进行调节的。第i个定向散射子屏(1≤i≤N)的光栅方向与其对应圆心角的角平分线成α_i°角，α_i满足：α_i＝90+360/(MN)·[i-(N+1)/2]。在实际操作过程中，为了保证比较高的图像质量以及系统结构的简捷，我们一般选取M为100-2000，N为2-50。

如图1和图4所示，一种高视角分辨率的360°视场三维显示方法：

首先，计算机需要根据需要显示的空间三维模型数据、以及硬件系统的各项参数：高速投影机的视场角和距离组合式定向散射屏的距离、组合式定向散射屏和每个定向散射子屏的尺寸、观察者位置、一周投影图像数M和定向散射子屏数N等来计算需要投影的图像序列信息，得到图像序列的数量为M×N。

其次，根据每个定向散射子屏的相对位置，将M×N幅图像重新组合为M幅图像，每幅图像里包含了与N个定向散射子屏相对应的子图像，每个子图像就是M×N幅图像中相对应位置的图像。由于考虑到高速投影机的帧频以及三维场景的刷新频率，我们一般选取M为100-2000，N为2-50。

然后，计算机将上述计算以供显示的M幅图像序列通过高速连接接口传入图像存储控制模块以供高速空间光调制器显示，高速连接接口一般为USB接口，千兆网接口，高清视频接口(DVI，HDMI)，PCI-E接口等。

在硬件上，转动装置由电机驱动并带动组合式定向散射屏旋转，一般情况下转动装置的转轴与高速投影机的光轴重合。转动检测模块通过与转动装置相连接的传感器(接触式、非接触式)检测组合式定向散射屏的转速及每个定向散射子屏的起始位置信号并传输给图像存储控制模块和图像存储控制模块。

组合式定向散射屏每旋转360/M°，转动检测模块发出一个脉冲信号S₁给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块。因此脉冲信号S₁的频率为MωHz。在组合式定向散射屏的旋转过程中，转动检测模块检测到组合式定向散射屏转过一个定向散射子屏，转动检测模块就发出一个信号S₂给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块。

如图7所示，光源驱动脉冲控制模块将根据接收到的脉冲信号S₁的触发位置以及脉冲周期进行处理，输出以供LED脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I，频率为MωHz，占空比为1/N。脉冲式电流I每个周期里输出电流脉冲的宽度决定了LED点亮的时间。每一个周期的起始点需要与高速空间光调制器3显示对应图像的起始点相同。而在每一个周期内部脉冲式电流I的输出电流起始时间与周期开始时刻相差ΔT，需要调节ΔT使LED光源的点亮时间与定向散射子屏的位置以及散射方向相对应。

光源驱动脉冲控制模块再根据接收到的信号S₂的触发位置确定每一个定向散射子屏的位置，信号S₂的频率为NωHz。光源驱动脉冲控制模块调节输出对应时刻供LED脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I中的有效脉冲位置，与每个定向散射子屏的光栅方向相对应。在实际装配调节的过程中，由于每个定向散射子屏的光栅方向的偏差没有特别精确，需要对在每个定向散射子屏内的输出脉冲电流进行一定的校正，一般通过调节在每个定向散射子屏内的输出脉冲电流在一个周期内的起始时间位置ΔT来实现。

图像存储控制模块存储供高速投影机投影的图像序列信息，并根据接收到的信号S₁和S₂以及一周投影图像数M来确定高速空间光调制器显示每幅图像所需要的时间以及开始显示的位置，实现每幅投影图像与组合式定向散射屏转动的同步。

组合式定向散射屏旋转1圈，高速投影机投影出M幅组合了N个定向散射子屏的图像，通过每一个定向散射子屏对出射光线的限制，将视角分辨率提高了N倍，位于周围的观察者均可以观察到具有高视角分辨率的空间三维场景。在实际操作过程中，为了保证比较高的图像质量以及系统结构的简捷，我们一般选取M为100-2000，N为2-50。

Claims (7)

1.一种高视角分辨率的360°视场三维显示装置，其特征在于，包括LED光源、照明光学系统、高速空间光调制器、投影光学系统、组合式定向散射屏、转动装置、转动检测模块、图像存储控制模块、光源驱动脉冲控制模块，其中：

LED光源，作为照明光学系统的照明光源，与光源脉冲驱动控制模块连接；

照明光学系统，将LED光源发出的光线进行收集并会聚到高速空间光调制器上；

高速空间光调制器，将需要显示的图像加载其上并按顺序高速显示出来；

投影光学系统，将高速空间光调制器上的图像投影到组合式定向散射屏上；

组合式定向散射屏，由多个定向散射子屏组合拼接而成，每个定向散射子屏均对投影其上的图像的出射角度进行控制，保证观察区域的观察者的双眼看到具有视差的图像；所述的组合式定向散射屏由N个定向散射子屏拼接组成，其中N为大于等于2的自然数，每个定向散射子屏对应的圆心角为360/N°；每个定向散射子屏为反射式偏折型散射屏或者透射式偏折型散射屏，其中反射式偏折型散射屏由光栅方向互相平行的反射式锯齿型光栅和柱面光栅构成，透射式偏折型散射屏由透射式锯齿型光栅和柱面光栅构成；第i个定向散射子屏的光栅方向与其对应圆心角的角平分线成α_i°角，α_i满足：

α_i＝90+360(MN)·[i-(N+1)2]；其中：M为组合式定向散射屏旋转一周投影光学系统投影的图像数；i为自然数，且满足1≤i≤N；

转动装置，与组合式定向散射屏连接，并带动组合式定向散射屏转动；

转动检测模块，检测所述的组合式定向散射屏的旋转角度位置及每个定向散射子屏的起始位置，并将其探测的旋转角度位置和起始位置的信号传给图像存储控制模块和光源驱动脉冲控制模块；

图像存储控制模块，存储供高速空间光调制器显示的图像序列，并根据接收到的信号控制所述的图像序列的初始位置及所述的高速空间光调制器的帧频，实现所述的高速空间光调制器显示的图像序列与所述的组合式定向散射屏转动的同步；

光源驱动脉冲控制模块，根据转动装置的旋转角度位置信号控制驱动LED光源的脉冲电流。

2.根据权利要求1所述的高视角分辨率的360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的LED光源包括红色、绿色和蓝色三色分离的三块高亮度LED芯片或LED芯片阵列，或红色、绿色和蓝色三色集成的一块高亮度LED芯片或LED芯片阵列。

3.根据权利要求1所述的高视角分辨率的360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的高速空间光调制器为反射型的高速数字微镜器件。

4.根据权利要求1所述的高视角分辨率的360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的转动检测模块包括电路处理控制模块、以及对电路处理控制模块提供电信号的传感器，所述电路处理控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块；所述传感器为光电传感器、机械位置开关或旋转脉冲编码器。

5.根据权利要求1所述的高视角分辨率的360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的光源驱动脉冲控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的恒流源脉冲控制模块或基于单片机为核心的恒流源脉冲控制模块，用于控制脉冲点亮LED光源的电流。

6.一种高视角分辨率的360°视场三维显示方法，其特征在于，包括：

(1)计算机根据三维模型、投影光学系统的视场角、投影光学系统距离组合式定向散射屏的距离、组合式定向散射屏的尺寸、观察者位置、组合式定向散射屏旋转一周投影光学系统投影的图像数M和定向散射子屏数N计算需要显示的图像序列信息；

(2)计算机将需要显示的图像序列传入图像存储控制模块以供显示；

(3)组合式定向散射屏安装在转动装置上并由其带动旋转，转动检测模块检测所述的组合式定向散射屏的旋转角度位置信号及每个定向散射子屏的起始位置的信号并传输给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块，具体为：

(i)组合式定向散射屏每旋转360/M°，转动检测模块发出一个脉冲信号S₁给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块；

(ii)组合式定向散射屏每转过一个定向散射子屏，转动检测模块发出一个信号S₂给光源驱动脉冲控制模块和图像存储控制模块；

(4)光源驱动脉冲控制模块将根据接收到的脉冲信号S₁对脉冲周期进行处理，输出以供LED光源脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I，频率为Mω，其中ω为组合式定向散射屏的转速，占空比为1/N；

(5)光源驱动脉冲控制模块再根据接收到的信号S₂确定每一个定向散射子屏的位置，调节输出对应时刻供LED光源脉冲驱动点亮的脉冲式恒流源I中的有效脉冲位置，与每个定向散射子屏的光栅方向相对应；

(6)图像存储控制模块存储供高速空间光调制器显示的序列信息，并根据接收到的信号S₁和S₂控制所述的高速空间光调制器显示图像序列的初始位置及所述的高速空间光调制器的帧频，实现所述的投影图像与所述的组合式定向散射屏转动的同步；

(7)组合式定向散射屏旋转1圈，高速空间光调制器通过投影光学系统投影出M幅组合的图像，通过每一个定向散射子屏对出射光线的限制，将视角分辨率提高了N倍，位于周围的观察者均可以观察到具有高视角分辨率的空间三维场景。

7.根据权利要求6所述的高视角分辨率的360°视场三维显示方法，其特征在于，所述的M为100-2000，所述的N为2-50。