CN103207513A - 真三维显示器 - Google Patents

Abstract

该发明是一种真三维显示器，产生和显示出体三维图形图像，或真三维图形图像。通过投影连续的二维图像到一个快速旋转的投影屏幕来产生一个体三维图像。原理是利用人类视觉系统的视觉暂留，整合这些二维图像，填充体三维空间，形成真三维图像的视觉。该发明的特点有双面旋转屏幕和V-型双面反射镜技术；十字旋转屏幕和P-型金字塔四面反射镜技术；显示器密封玻璃壳和轻质气体充填技术；多路合束投影系统和比特层面设置技术等；融合半透明反射和镜幻影成像的混合真三维显示器技术。

Description

真三维显示器

技术领域

本发明主要涉及三维（3D）显示领域。 更具体地，本发明涉及基于多投影机旋转屏的真三维（Real 3D 或 True 3D）显示的系统和方法，其中真三维也被称之为体三维（Volumetric 3D）。　适合于真三维显示器应用有：图形处理中的粒子系统计算和显示，有限元计算和显示，空气动力学和流体力学等物理模拟和显示，气象分析、地球系统模拟和显示，太空模拟和显示，医学成像中的层析图像处理（CT 或MR）和显示，分子动力学模拟和显示，空中交通控制和显示等领域。 

背景技术

    目前三维（3D）显示技术主要三种：立体三维显示（Stereo 3D）, 体三维显示（Volumetric 3D）, 全息三维显示（Holographic 3D）。 

　　全息显示技术能够完整地再现物体的波光场的振幅和位相信息，所以再现影像与原物体有着完全相同的三维特性。从这种意义上来说，全息像才是真正的三维像。其代表了立体显示技术的未来发展方向。但由于太大的海量数据传输和存储，全息动态显示在目前的技术水平上还不现实。 

　　类似于立体声是基于人的双耳双声道立体听觉原理，立体三维显示是基于人的双目双画面的立体视觉原理。借助于眼镜或者斜光栅屏幕的立体三维显示能提供有限的三维视觉，但人眼在观察时，画面没有真实的景深，聚焦和调节不能匹配，长时间观看容易疲劳。立体三维显示在技术实现和显示效果上都有实际意义，目前已经开始了市场推广，用于立体电视和计算机立体显示器。 

　　体三维显示技术在真实的三维空间显示，也被称之为一种真三维，是一种直接可视、全角度可视、真实景深可视和多人可视的三维空间显示技术。在技术实现和显示效果上都比较有优势。但是，目前基于旋转屏的真三维显示技术也有局限性，主要是由于需要高速旋转，屏幕尺寸和重量不能太大；另外由于是空间显示，效果是一种透明的或半透明的图像，不适合通用显示场合。因此，真三维显示技术比较适合于一些专用场合，例如透视图像的显示，气体和液体图像的显示。这些专用场合应用最好是：图形处理中的粒子系统计算，空气动力学和流体力学等物理模拟，气象分析、地球系统模拟，太空模拟，医学成像中的三维透视图像处理，空中交通控制等领域。 

　　 

　　自上世纪40年代起，发明家们在真三维显示方面已经做出了重大的努力。如以下部分基于旋转屏的真三维显示技术的相关专利记录：

　　1940, usa2189374, Apparatus For Forming Three Dimensional Images

　　1961, usa2967905, Three Dimensional Display Apparatus

　　1964, usa3140415, Three-Dimensional Display Cathode Ray Tube 

　　1965, usa3204238, Cathode Ray Tube For Three-Dimensional Presentations

　　1997, usa5703606，Three dimensional display system 

　　2003，usa6554430， Volumetric three-dimensional display system

　　2007，cn200710107887，基于多投影机旋转屏的体三维显示系统

2008，cn200810114457，基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法

2007， 200710097985.4 ，   幻影成像装置

2006，200620173196.5，全息幻影成像装置

2012，201220098480.6，一种全息幻影成像装置

现有比较成熟的真三维显示技术包括：基于美国德州仪器的数字微镜器件（DMD）的投影机，投影到旋转盘屏幕上实现一种球体或圆柱体的真三维显示(现实系统公司，Actuality System Inc.)。该技术已经形成商用产品，有了市场和销售。该技术和系统如图16和图17现实系统公司的专利示意图所示。

  

 　　现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置。所使用的基于DMD技术的三片式投影机的帧频可以达到5KHz，体像素达到100M（一亿多体像素），体刷新率25Hz。体分辨率目前达到768×768×198，是其中二维分辨率是768×768，旋转角度分辨率是198。单投影机帧频与旋转角度分辨率和体刷新率关系是：

　　          单投影机帧频= 旋转角度分辨率x体刷新率

由于受到投影机帧频5KHz的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率很难进一步提高。单投影机的DMD芯片长时间处于强光照射下的发热问题导致照明光源的功率受到限制，显示图像的亮度也受到了限制。更严重的是数据量和处理器的运算量都成三次方或更高地增长，而且芯片处理器过于集中，难以实现实时动态处理和实时动态的真三维显示。

  

北京理工大学的发明提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，包括：一旋转屏；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；多台投影机沿旋转屏周围固定摆放，将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。如图18北京理工大学专利示意图所示。

基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，投影机的帧频等于体刷新频率，如25Hz。对于双面投影的单屏幕，投影机的帧频两倍于体刷新频率，如50Hz。 目前体像素可以达到100M（一亿多体像素）以上。 体分辨率可以达到1024×768×150或更高，是其中二维分辨率是1024×768，旋转角度分辨率是150或更高。多投影机帧频与旋转角度分辨率可以没有关系： 

　　          多投影机帧频= 体刷新率

由于不受投影机帧频（很小）的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率可以进一步提高。多投影机可以采用一般投影芯片，平均功耗和亮度等性能上都具有潜力。特别是数据量和处理器的运算量都可以分布在多模块上，比较容易实现实时动态处理和实时动态的真三维显示。所以，基于多投影机旋转屏的真三维显示的系统和方法在性能上将具有明显优势。

基于多投影机旋转屏的体三维显示系统还可以分为两类：采用旋转式集中光源的和采用分布式脉冲光源。采用旋转式集中光源时，多投影机依靠机械运动和光的传导共享一个光源分时曝光。 北京理工大学的发明采用了旋转式集中光源，特点是有利于提高光的效率和强度，但是旋转式集中光源增加了旋转部件的体积和重量，影响屏幕的高速旋转。采用分布式脉冲光源时，可以应用LED光源，利用脉冲电路电源控制LED光源曝光。   体三维显示是三维显示技术的一类，它产生空间体积填实的图像。通常情况下，不需要额外的眼镜，它们产生的图像就是三维的。应用视觉暂留原理，集合旋转表面扫描体在不同时空位置形成的图像片，可以让观众看看到一个体积填充的三维图像，就是体三维显示技术，也叫“真三维”显示技术。　          

还有一种幻影成像装置。包括倒锥形半透明玻璃反射装置； 位置在倒锥体下方的水平银幕或显示屏；位置在倒锥体底部的投影机组；由水平成像面成像后经玻璃面反射镜像到倒锥形玻璃体内交汇成像的悬浮幻影图像。 

发明内容

  

概要

       该发明的系统和方法是为了产生和显示出体三维图形图像，或真三维图形图像。该系统称之为真三维显示器。通过投影连续的二维图像到一个快速旋转的投影屏幕来产生一个体三维图像。原理是利用人类视觉系统的视觉暂留，整合这些二维图像，填充体三维空间，形成真三维图像的视觉。 该发明关键技术有双面旋转屏幕和V-型双面反射镜技术；十字旋转屏幕和P-型金字塔四面反射镜技术；显示器密封玻璃壳和轻质气体充填技术；多路合束投影系统和比特层面设置技术等；融合半透明反射和镜幻影成像的混合真三维显示器技术。

  

一般来说，该发明的系统包括：多个投影机、多路合束器、光中继透镜或反射镜、电动机、支持结构、投影旋转屏幕、透明的玻璃壳、和一个系统控制器。在操作过程中，电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的支持结构、投影屏幕、投影镜头和反射镜；系统控制器控制多个投影机形成一系列光栅化矫正的二维图像；多路合束器收到来自多个投影机分时光源的光束并传送该光束到场镜，场镜传送光束到投影镜头，将光束经过多次反射最后投影到屏幕上。其中多个投影机分别具有脉冲曝光光源并且受到分时同步控制，其特点是每一投影机的分时曝光的光束被同步传送到多路合束器，集中后再经过投影镜头分时投射到屏幕上，形成多个投影机交替投影效果。

  

该真三维显示器可进一步包括投影镜头或反射镜装在旋转轴上。该显示器可包括单面或双面的投影旋转屏幕，固定在支持结构上，使旋转轴的在该屏幕的垂直中心。 该投影平面可以接收投影光线而产生漫反射或部分穿透平面后的漫反射。该投影平面也可以双面投影屏幕，正反两面都可以接收投影光线而产生漫反射。 

    

该真三维显示器可包括在支持结构上的第一个和第二个反射镜。在操作过程中，电动机绕旋转轴转动第一和第二镜反射镜。此外，第一个反射镜接收来自投影镜片的光束投射到第二个反射镜，第二个反射镜投射光束到投影屏幕。第二个反射镜可以是一种带状反射镜，这时，该反射镜不随电动机旋转。带状反射镜不旋转，可以减少旋转体的动量。

一般来说，在另一个方面，发明包括了产生体积填充图像的方法。该方法包括：（一）绕旋转轴旋转的投影镜片和一个单面或双面的投影屏幕;（二）具有多投影机交替曝光经过光学合束器形成的光束;（三）通过投射镜片把光束经过多次反射投影到投影屏幕。 

在一些实施方案中，多路合束器是一组光学器件，能够集中多个投影机的光束。多路合束器的方法可以采用：基于光谱的多路合色器；基于正交偏振光的双路合束器（PBS）或偏振光的多路合束器；基于五角棱镜的白光合束器或基于多个五角棱镜的白光多路合束器；基于旋转反射镜或反射棱镜的机械扫描多路合束装置。多路合束器还可以是由以上多路合色器，正交偏振光的双路合束器（PBS）或偏振光的多路合束器，五角棱镜的白光合束器和机械扫描多路合束器等多种合束器集成组合的多路合束装置。 

  

一个或多个发明的实施方案，详情载于所附的图纸规定和下面的详细说明。其他特点，对象和发明优势将从权利要求和说明书和附图中得到阐述。 

  

详细描述

本发明的体三维显示投影系统，或称为真三维显示器，包括两个基本部分：提供图像和中继的前端和把图像提供给观众的后端。前端是固定的，安装在显示体下面。它接收和处理来自计算机的数据和指令，并生成图像。该计算机也是一个用户界面。后端安装或耦合在一个位于前端上面的显示平台上，并在操作期间转动。后端把前端提供的图像传到前端的旋转屏幕上。 

如图1所示，一个真三维显示器的示意图表示其外部结构。该图的显示器10由上盖12、旋转屏幕11、玻璃壳14、该密封玻璃壳中充填的气体15、下盖13等几部分组成。上盖12是安装电动机的箱体；旋转屏幕11是一种透明或不透明的、具有漫反射双面投影的旋转屏幕，该屏幕连接电动机获得驱动而旋转；玻璃壳14位于上盖12和下盖13之间，并围绕旋转屏幕11形成一种封闭的空间；该密封玻璃壳14中充填气体15，该气体在玻璃壳14内通过压缩机形成近于真空的稀薄空间或被充填为较轻成分的气体，如氢气或氦气等，目的是形成空气阻力很小的空间使得旋转屏幕11能高速旋转；下盖13的箱体中放置投影机设备，投影机发出的图像光源通过反射镜投影到旋转屏幕11上。

  

 如图2所示，一个真三维显示器的示意图表示内部结构。 该图中的真三维显示器20 内部结构由电动机 21、中轴线 22、上盖板23、上轴承24、玻璃壳14、旋转屏幕11、下轴承25、下盖板26、反射镜27、 反射镜27、V-形反射镜28、投影机系统 29等组成。电动机 21连接上轴承24、旋转屏幕11、下轴承25和V-形反射镜28，以中轴线 22为基准，由系统控制器控制而整体旋转；玻璃壳14、上盖板23和下盖板26形成密闭的空间，同时支撑中轴线22上的上轴承24和下轴承25；东西两侧的反射镜27与V-形反射镜28固定一起也同时围绕中轴线22旋转；投影机系统 29投射出的光线经过V-形反射镜28的两面分别又经过东西两侧的反射镜27最后分别投影到旋转屏幕11的正反两面。

  

如图3所示，一个真三维显示器的示意图表示投影侧面。该图中的真三维显示器30（投影侧面）由V-形反射镜28、投影机系统 29、旋转屏幕11和两个反射镜27体现投影原理。旋转屏幕11在图中显示为侧面（即显示为一条线）；投影机系统 29投射出的光线经过V-形反射镜28的两侧面分别又经过东西两侧的反射镜27最后分别投影到旋转屏幕11的正反两面。

   

如图4所示，一个真三维显示器芯片投影布局示意图表示投影显示平面的关系。在该图中的真三维显示器芯片投影布局40上有芯片总平面 41、芯片旋转平面 42、芯片显示平面一 43、芯片显示平面二 44。芯片总平面 41是投影机显示芯片的像素显示平面，其面积大小为 2R x 2R（假设为正方形）；芯片旋转平面 42的面积为R x R x 3.14；芯片显示平面一 43是投影到旋转屏幕上之一平面，其面积为 2a x b；芯片显示平面二 44是投影到旋转屏幕上另外一平面，其面积同样为 2a x b。该示意图表示，当充分利用旋转屏幕显示面积时（芯片显示平面一 43或芯片显示平面二 44），只能利用部分芯片总平面 41的像素，即芯片旋转平面 42中的像素，然而芯片总平面 41上的四个角边部分像素则不能利用。

  

如图5所示，一个真三维显示器芯片投影布局示意图表示投影显示平面旋转90度的情形。在该图中的真三维显示器芯片投影布局50包括芯片总平面 41、芯片旋转平面 42、芯片显示平面一 43、芯片显示平面二 44。芯片总平面 41是投影机显示芯片的像素显示平面，其面积大小为 2R x 2R（假设为正方形）；芯片旋转平面 42的面积为R x R x 3.14；芯片显示平面一 43是投影到旋转屏幕上之一平面，其面积为 2a x b；芯片显示平面二 44是投影到旋转屏幕上另外一平面，其面积同样为 2a x b。该示意图表示，当充分利用旋转屏幕显示面积时（芯片显示平面一 43或芯片显示平面二 44），只能利用部分芯片总平面 41的像素，即芯片旋转平面 42中的像素，然而芯片总平面 41上的四个角边部分像素则不能利用。  

如图6所示，一个真三维显示器芯片投影布局示意图表示投影显示平面不确定的情形。在该图中的真三维显示器芯片投影布局60中包括芯片总平面 41、芯片显示平面一 63、芯片显示平面二 64。芯片总平面 41是投影机显示芯片的总像素显示平面，芯片显示平面一 43是投影到旋转屏幕上之一平面，芯片显示平面二 44是投影到旋转屏幕上另外一平面。该示意图表示，当充分利用芯片总平面 41的显示面积时（等于芯片显示平面一 43与芯片显示平面二 44之和），只能利用部分芯片显示平面一 43与芯片显示平面二 44上的显示面积，因为某一时刻有一部分芯片显示平面的面积不能利用，既一些边角没有图像信息显示。

   

如图7所示，一个真三维显示器的示意图表示投影正面的情形。在该图中的真三维显示器70包括旋转屏幕11、V-形反射镜28、投影机系统 29、反射镜27。旋转屏幕11、V-形反射镜28和反射镜27固定在一起并且一起围绕中心轴旋转，但是投影机系统 29固定在机体上而不旋转。投影机系统 29发出的光线投射到V-形反射镜28上，然后通过反射镜27再投影到旋转屏幕11上。

   

如图8所示，一个真三维显示器的示意图表示装备十字投影屏幕时的情形。在该图中的真三维显示器80包括旋转屏幕11、旋转屏幕81、P-形反射镜82、反射镜27、投影机系统 29。旋转屏幕11和旋转屏幕81成直角固定，还有P-形反射镜82和反射镜27也固定在一起，围绕中心轴转动；P-形反射镜82是一种金字塔形的反射镜，有东南西北四面反射镜形成一体，光线从金字塔顶端垂直入射；投影机系统 29发出的光线投射到P-形反射镜82上分解成四束子光线，再经过东南西北四个反射镜27分别投影到旋转屏幕11和旋转屏幕81各自的正面和反面（共四面）。

  

如图9所示，一个真三维显示器的示意图表示V-形反射镜和P-形反射镜两种装置。在该图中的真三维显示器99的P-形反射镜，或称为金字塔反射镜，包括东镜面95、西镜面96、南镜面98、北镜面97。四面镜子固定在一起，各镜面与水平面夹角均为45度；投影机系统 29发出的光线垂直投射到东镜面95、北镜面97、西镜面96和南镜面98的镜面上， 然后再分别反射到东、北、西、南各水平方向。在该图中的真三维显示器90表示V-形反射镜，或称为双面反射镜，包括东镜面91、西镜面92。东镜面91和西镜面92两面镜子互相成90度夹角固定在一起，各镜面与水平面夹角均为45度；投影机系统 29发出的光线垂直投射到东镜面91和西镜面92的镜面上， 然后再分别反射到东、西各水平方向。

  

如图10所示，一个真三维显示器的示意图表示装备带状反射镜时的投影正面。在该图中的真三维显示器100包括旋转屏幕11、V-形反射镜28、投影机系统 29、带状反射镜101。带状反射镜101不与旋转屏幕11固定在一起，即带状反射镜101不旋转，投影机系统 29发出的光线投射到V-形反射镜28上，然后通过带状反射镜101再投影到旋转屏幕11上。

  

 如图11所示，一个真三维显示器的示意图表示投影机系统29的内部方框原理图。在该图中的真三维显示器的投影机系统110包括多投影机115、多路合束器114、控制器116、反射镜117。控制器116具有分时脉冲、曝光控制、光栅矫正、数据处理等功能。由控制器116控制和进行三维图形图像处理，多投影机115的投影光线经过多路合束器114后通过反射镜117分别发射光线出去。

  

如图12所示，一个真三维显示器的示意图表示其内部结构图。在该图中的真三维显示器120（内部结构图）包括旋转屏幕11、上盖板23、下盖板26、投影机系统 29、中轴线 22、玻璃壳14、下轴承25、上轴承24、电动机21、V-形反射镜28、反射镜122、电机轴121、反射镜27。电动机 21通过电机轴121连接V-形反射镜28、下轴承25、上轴承24、和旋转屏幕11，以中轴线 22为基准，由系统控制器控制而旋转；玻璃壳14、上盖板23和下盖板26形成密闭的空间，同时支撑中轴线22上的上轴承24和下轴承25；东西两侧的反射镜27与V-形反射镜28固定一起也同时围绕中轴线22旋转；投影机系统 29投影出的光线经过反射镜122的两侧镜面投射到V-形反射镜28上，分别又经过东西两侧的反射镜27最后分别投影到旋转屏幕11的两面。

如图13所示，一个真三维显示器的示意图表示投影机显示比特层面。在该图中的真三维显示器130（投影机显示比特层面）包括多投影机115、多路合束器114、控制器116、反射镜117和多个比特层面 （bp1 131， bp2 132，bp3 133，bp4 134， ，，，）。控制器116包括分时脉冲、曝光控制、光栅矫正、数据处理等功能。每一个比特层面设置真三维图形图像的各像素的比特属性，包括色彩和亮度等。例如：bp1 131表示每一个像素一个比特，显示蓝色并且亮度值为1； bp2 132表示每一个像素两个比特，显示红色并且亮度值为2，4，6，8等；bp2 134表示每一个像素两个比特，显示绿色并且亮度值为32，64，96，128等。亮度值较小的比特层面应该设置在投影多路合束器的前端，有利于细微分辨率的增强。 

如图14所示，一个真三维显示器的示意图表示其外部结构。该图的显示器140由上盖板141、旋转屏幕11、玻璃壳14、该密封玻璃壳中充填的气体15、下盖13等几部分组成。上盖板141可以是透明的或者不透明的，能够支撑旋转屏幕11上的轴承；旋转屏幕11连接电动机获得驱动而旋转；玻璃壳14位于上盖板141和下盖13之间，并围绕旋转屏幕11形成一种封闭的空间；该密封玻璃壳14中充填气体15或真空；下盖13的箱体中放置驱动旋转屏幕11的电动机和投影机设备，投影机发出的图像光源通过反射镜投影到旋转屏幕11上。 

如图15所示，一个混合真三维显示器的示意图表示其外部结构图。在该图中的混合真三维显示器150包括半透玻璃壳153、三角旋转屏幕152、上盖箱151、下盖箱154等部件。倒立的三角旋转屏幕152在充满气体15的倒锥形的半透玻璃壳153内旋转。倒锥形的半透玻璃壳153有四面半透明反射镜面，或更多面的半透明反射镜面，每一反射镜面与水平方向形成45度左右的夹角。下盖箱154上面有四幅影像通过倒锥形的半透玻璃壳153的四面半透明反射镜面形成三维图像。有两种投影机构：一种是真三维投影机构，位于上盖箱151内，真三维投影机构形成的真三维图像投影到旋转的三角旋转屏幕152上；另外一种是幻影成像投影机构，在倒锥体底部的投影机组位于下盖箱154内， 投射在倒锥体下方的下盖箱154上表面的水平银幕上，由水平成像面成像后经玻璃面反射镜像到倒锥形玻璃体内交汇成像的悬浮幻影图像。 当两种投影机构同时工作时，就形成一种一个混合真三维显示器。 

  

具体实施方式

  

具体实施方式之一如图1所示，一个真三维显示器的外部结构10由上盖12、旋转屏幕11、玻璃壳14、该密封玻璃壳中充填的气体15、下盖13等几部分组成。在上盖12的箱体内安装电动机；旋转屏幕11连接电动机获得驱动而旋转；玻璃壳14与上盖12和下盖13一起围绕旋转屏幕11形成一种封闭的空间；该封闭的空间中被充填较轻成分的气体15，如氢气或氦气等，或被抽成真空，目的是形成空气阻力很小的空间使得旋转屏幕11能高速旋转；下盖13的箱体中放置投影机设备，投影机发出的图像光源通过反射镜投影到旋转屏幕11上。 具体实施方式之一详细的内部结构如图2所示，该图中的真三维显示器20由电动机 21、中轴线 22、上盖板23、上轴承24、玻璃壳14、旋转屏幕11、下轴承25、下盖板26、反射镜27、 反射镜27、V-形反射镜28、投影机系统 29等组成。电动机 21连接上轴承24、旋转屏幕11、下轴承25和V-形反射镜28，以中轴线 22为基准，由系统控制器控制而整体旋转；玻璃壳14、上盖板23和下盖板26形成密闭的空间，同时支撑中轴线22上的上轴承24和下轴承25；东西两侧的反射镜27与V-形反射镜28固定一起也同时围绕中轴线22旋转；投影机系统 29投射出的光线经过V-形反射镜28的两面分别又经过东西两侧的反射镜27最后分别投影到旋转屏幕11的正反两面。

具体实施方式之二如图14所示，一个真三维显示器140由上盖板141、旋转屏幕11、玻璃壳14、充填的气体15、下盖13等几部分组成。上盖板141可以是透明的或者不透明的，能够支撑旋转屏幕11上的轴承；下盖13的箱体中放置驱动旋转屏幕11的电动机和投影机设备，投影机发出的图像光源通过反射镜投影到旋转屏幕11上。具体实施方式之二的特点是电动机和投影机系统都放置于下方，即图14中下盖13箱体内，这样可以节省上盖12箱体的体积（或只有上盖板141，而没有如图1所示上盖12箱体），从而减小了整个真三维显示器140的体积。如图12所示，真三维显示器120（内部结构图）包括旋转屏幕11、上盖板23、下盖板26、投影机系统 29、中轴线 22、玻璃壳14、下轴承25、上轴承24、电动机21、V-形反射镜28、反射镜122、电机轴121、反射镜27。电动机 21通过电机轴121连接V-形反射镜28、下轴承25、上轴承24、和旋转屏幕11，以中轴线 22为基准，由系统控制器控制而旋转；玻璃壳14、上盖板23和下盖板26形成密闭的空间，同时支撑中轴线22上的上轴承24和下轴承25；东西两侧的反射镜27与V-形反射镜28固定一起也同时围绕中轴线22旋转；投影机系统 29投影出的光线经过反射镜122的两侧镜面投射到V-形反射镜28上，分别又经过东西两侧的反射镜27最后分别投影到旋转屏幕11的两面。 

  

具体实施方式之三如图15所示，一个混合真三维显示器150包括半透玻璃壳153、三角旋转屏幕152、上盖箱151、下盖箱154等部件。有两种投影机构：一种是真三维投影机构，位于上盖箱151内，真三维投影机构形成的真三维图像投影到旋转的三角旋转屏幕152上。真三维投影机构的原理和实施与上述具体实施方式之一（如图1所示）或具体实施方式之二（如图14所示）的实施方案相同，只是机构在垂直方向倒置。另外一种是幻影成像投影机构，投影机组位于下盖箱154内， 投射在下盖箱154上表面的水平银幕上，由水平成像面成像后经玻璃面反射镜像到倒锥形玻璃体内交汇成像的悬浮幻影图像。 当两种投影机构同时工作时，就形成一种一个混合真三维显示器。

在具体实施方式之一、具体实施方式之二和具体实施方式之三的三种具体实施方式中，可以利用带状反射镜101取代反射镜27。如图10所示，带状反射镜101不与旋转屏幕11固定在一起，即带状反射镜101不旋转，投影机系统 29发出的光线投射到V-形反射镜28上，然后通过带状反射镜101再投影到旋转屏幕11上。还可以应用十字投影屏幕和 P-形反射镜82，如图8所示，旋转屏幕11和旋转屏幕81成直角固定形成十字投影屏幕，还有P-形反射镜82和反射镜27也固定在一起，围绕中心轴转动；投影机系统 29发出的光线投射到P-形反射镜82上分解成四束子光线，再经过东南西北四个反射镜27分别投影到旋转屏幕11和旋转屏幕81各自的正面和反面（共四面）。 

  

如图11所示，图1，图2，图12，图14中所述的多种真三维显示器设置的工作过程如下：外接计算机通过接口发送图像数据和命令到控制器116。控制器116把这个信息处理成三维像素数据，并把该数据存储在图形内存中，直到它需要被显示。当需要时，控制器116把图像信息发送给多个投影机115，多投影机115通过空间调制光束把它转换成光学信息。光束离开单个投影机，前端投影光学引导光束到多路合束器114，集中多路二维图像光束后合成一束送入系统的光中继而进入显示器后端中心轴上的V-形反射镜28 或P-形反射镜82，最后经过反射镜27或者带状反射镜101投影到旋转屏幕11（如图7所示）或者与旋转屏幕81组合的十字旋转屏幕上（如图8所示）。

  

电动机以至少每分钟600转的转速带动旋转屏幕11、反射镜27和V-形反射镜28等组件旋转，以形成至少每秒10次的体刷新率，如果是双面投影，则可以达到每秒20次的体刷新率。电动机使所有这些组件以相同的角速度转动。控制器116和每个投影机115以至少每秒钟几千次的速度刷新二维图像。 每个二维图像形成三维体图像的一个“图像切片”。在这种投影和旋转速率中，人类视觉系统感知地融合“图像切片”，把它们转变成了体积填充的三维图像。 

  

需要用软件设计预失真该图像，以弥补在图像平面的梯形失真。该软件还要修正了图像数据反向旋转所造成的图像旋转。旋转屏幕11，这是旋转轴为中心，通常由一漫反射材料构成。这种材料反射入射光各向同性，在向前和向后两个方向。这确保了二维图像片中像素对应部分的光将能被几乎所有显示器周围的观察者收到，尽量减少三维图像的“视觉盲区”的黑暗带区。把投影屏幕设计得尽量薄也能减少视觉盲区。

  

 附图说明：

图1 是一个真三维显示器的示意图（外部结构图）。

该图的显示器10由上盖12、旋转屏幕11、玻璃壳14、该密封玻璃壳中充填的气体15、下盖13等几部分组成。 

图2 是一个真三维显示器的示意图（内部结构图）。

该图的显示器10的真三维显示器20 内部结构图由电动机 21、中轴线 22、上盖板23、上轴承24、玻璃壳14、旋转屏幕11、下轴承25、下盖板26、反射镜27、 反射镜27、V-形反射镜28、投影机系统 29等组成。 

  

图3 是一个真三维显示器的示意图（投影侧面）。

该图的真三维显示器30（投影侧面）由V-形反射镜28、投影机系统 29、旋转屏幕11和两个反射镜27体现投影原理。 

图4 是一个真三维显示器芯片投影布局示意图（投影显示平面为矩形或正方形）。

在该图的真三维显示器芯片投影布局40（投影显示平面为矩形）中包括芯片总平面 41、芯片旋转平面 42、芯片显示平面一 43、芯片显示平面二 44。芯片总平面 41是投影机显示芯片的显示平面，其面积大小为 2R x 2R（假设为正方形）；芯片旋转平面 42的面积为R x R x 3.14；芯片显示平面一 43是投影到旋转屏幕上之一平面，其面积为 2a x b；芯片显示平面二 44是投影到旋转屏幕上另外一平面，其面积为 2a x b。 

  

图5 是一个真三维显示器芯片投影布局示意图（投影显示平面旋转90度）。

在该图的真三维显示器芯片投影布局50（投影显示平面旋转90度，投影显示平面为矩形）中包括芯片总平面 41、芯片旋转平面 42、芯片显示平面一 43、芯片显示平面二 44。    

图6 是一个真三维显示器芯片投影布局示意图（投影显示平面不确定）。

在该图的真三维显示器芯片投影布局60（投影显示平面不确定）中包括芯片总平面 41、芯片显示平面一 63、芯片显示平面二 64。 

图7 是一个真三维显示器的示意图（投影正面）。

在该图中的真三维显示器70（投影正面）包括旋转屏幕11、V-形反射镜28、投影机系统 29、反射镜27。 

图8 是一个真三维显示器的示意图（十字投影屏幕）。

在该图中的真三维显示器80（十字投影屏幕）包括旋转屏幕11、旋转屏幕81、P-形反射镜82、反射镜27、投影机系统 29。旋转屏幕11和旋转屏幕81成直角固定围绕中心轴转动。 

图9 是一个真三维显示器的示意图（V-形/P-形反射镜）。

在该图中的真三维显示器99（P-形反射镜/金字塔四面反射镜）包括东镜面95、北镜面97、西镜面96、南镜面98、投影机系统 29。 

图10 是一个真三维显示器的示意图（投影正面，带状反射镜）。

在该图中的真三维显示器100（投影正面，带状反射镜）包括旋转屏幕11、V-形反射镜28、投影机系统 29、带状反射镜101。带状反射镜101不与旋转屏幕11固定在一起（不旋转）。 

图11 是一个真三维显示器的示意图（投影机系统）。

在该图中的真三维显示器110（投影机系统）包括多投影机115、多路合束器114、控制器116、反射镜117。控制器116包括分时脉冲、曝光控制、光栅矫正、数据处理等功能。 

图12 是一个真三维显示器的示意图（内部结构图）。

在该图中的真三维显示器120（内部结构图）包括旋转屏幕11、上盖板23、下盖板26、投影机系统 29、中轴线 22、玻璃壳14、下轴承25、上轴承24、投影机系统 29、电动机21、V-形反射镜28、反射镜122、电机轴121、反射镜27。 

图13 是一个真三维显示器的示意图（投影机显示比特层面）。

在该图中的真三维显示器130（投影机显示比特层面）包括多投影机115、多路合束器114、控制器116、反射镜117和多个比特层面 （bp1 131， bp2 132，bp3 133，bp4 134， ，，，）。控制器116包括分时脉冲、曝光控制、光栅矫正、数据处理等功能。 

图14 是一个真三维显示器的示意图（外部结构图）。

该图的显示器140由上盖板141、旋转屏幕11、玻璃壳14、该密封玻璃壳中充填的气体15、下盖13等几部分组成。 

  

图15 是一个混合真三维显示器的示意图（外部结构图）。

 在该图中的混合真三维显示器150（外部结构图）包括半透玻璃壳153、三角旋转屏幕152、上盖箱151、下盖箱154等部件。 

  

图16 现实系统公司的专利示意图

现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置。

  

图17现实系统公司的专利原理图

现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置，该侧面框图表示了这种显示技术的原理。

  

图18 北京理工大学的专利示意图

北京理工大学的发明提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，包括：一旋转屏；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；多台投影机沿旋转屏周围固定摆放，将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。

Claims (10)

1.一个真三维显示器系统外部结构包括：上盖12、旋转屏幕11、玻璃壳14、该密封玻璃壳中充填的气体15、下盖13等部件；该系统的内部结构包括：电动机 21、中轴线 22、上盖板23、上轴承24、玻璃壳14、旋转屏幕11、下轴承25、下盖板26、反射镜27、 反射镜27、V-形反射镜28、投影机系统 29等部件；其特点是玻璃壳14位于上盖12和下盖13之间，并围绕旋转屏幕11形成一种封闭的空间；旋转屏幕11和东西两侧的反射镜27与V-形反射镜28固定一起同时围绕中轴线22旋转；投影机系统 29投射出的光线经过V-形反射镜28的两面分别又经过东西两侧的反射镜27最后分别投影到旋转屏幕11的正反两面。

2.   权利要求1系统，其中旋转屏幕11是一个投影平面，该平面可以是矩形或圆形或三角形；其特点是旋转屏幕11的正反两面通过东西两侧的反射镜27与V-形反射镜28都可以接收投影光线而产生漫反射。

3.   权利要求1系统， 其中V-形反射镜28包括东镜面91、西镜面92，其特点是东镜面91和西镜面92两面镜子互相成90度夹角，有支撑机构与旋转屏幕11固定在一起，各镜面与水平面夹角均为45度；投影机系统 29发出的光线垂直投射到东镜面91和西镜面92的镜面上，然后再分别反射到东、西各水平方向。

4.    权利要求1系统，其中旋转屏幕11两两相交成90度形成十字旋转屏幕并且配置P-形反射镜82，包括东镜面95、西镜面96、南镜面98、北镜面97，其特点是各镜面与水平面夹角均为45度；投影机系统 29发出的光线垂直投射到东镜面95、北镜面97、西镜面96和南镜面98的镜面上，并通过多面反射镜27从四方向的投影到十字旋转屏幕正反四面上。

5.   在权利要求1系统，其中投影机系统 29包括多个投影机115，由控制器116控制，分别具有脉冲曝光光源并且受到分时同步控制，每个多个投影机115分别有自己的比特层面131、132、133、134，其特点是每一投影机115的分时曝光的光束被同步传送到多路合束器114，其中较低亮度的或者重要色彩的比特层面的投影机115设置在多路合束器114的较前端，较高亮度的或者次要色彩的比特层面的投影机115设置在多路合束器114的较后端，集中后再经过投影镜头分时投射到屏幕上，形成多个投影机交替投影效果。

6.   权利要求1系统，其中反射镜27可以由带状反射镜101替代，其特点是带状反射镜101不与旋转屏幕11固定在一起，即带状反射镜101不参与旋转，投影机系统 29发出的光线投射到V-形反射镜28或P-形反射镜82上，然后通过带状反射镜101再投影到旋转屏幕11或由两块旋转屏幕11相交成90度形成十字旋转屏幕上。

7.   权利要求1系统，其中真三维显示器的外部结构140包括上盖板141、旋转屏幕11、玻璃壳14、该密封玻璃壳中充填的气体15、下盖13等几部分；该真三维显示器内部结构120包括旋转屏幕11、上盖板23、下盖板26、投影机系统 29、中轴线 22、玻璃壳14、下轴承25、上轴承24、电动机21、V-形反射镜28、反射镜122、电机轴121和反射镜27；其特点是电动机 21和投影机系统 29设置在同一下盖13的箱体中，投影机29发出的图像光源通过反射镜122、V-形反射镜28和反射镜27投影到旋转屏幕11上。

8.  权利要求1系统，其中玻璃壳14、上盖12箱体和下盖13箱体不局限于圆柱形，一个混合真三维显示器的外部结构图150包括半透玻璃壳153、三角旋转屏幕152、上盖箱151、下盖箱154等部件；该半透玻璃壳153有四面半透明反射镜面或更多面的半透明反射镜面，每一反射镜面与水平方向形成45度左右的夹角，下盖箱154上面有四幅影像或更多幅影像通过半透玻璃壳153的半透明反射镜面形成三维图像；其特点是三角旋转屏幕152在倒锥形的半透玻璃壳153内旋转；有两种投影机构：一种是真三维投影机构，位于上盖箱151内，真三维投影机构形成的真三维图像投影到旋转的三角旋转屏幕152上；另外一种是幻影成像投影机构，在倒锥体底部的投影机组位于下盖箱154内， 投射在倒锥体下方的下盖箱154上表面的水平银幕上，由水平成像面成像后经玻璃面反射镜像到倒锥形玻璃体内交汇成像的悬浮幻影图像； 当两种投影机构同时工作时，就形成一种混合真三维显示器。

9.   权利要求1系统中的玻璃壳14和上盖12和下盖13、权利要求7系统中的上盖板23和下盖板26和 玻璃壳14、权利要求8系统中的半透玻璃壳153和上盖箱151和下盖箱154等三种装置都形成密闭空间，并且被充填为较轻成分的气体，如氢气或氦气等。

10. 权利要求7系统，其中电机轴121穿过反射镜27和反射镜122传递电动机21的动力来驱动旋转屏幕11；其特点是电机轴121不要求较大的刚性，可以尽量的细小而只需要保持一定的扭曲力量用以驱动旋转屏幕11，同时使得被穿过的反射镜27和反射镜122上的轴孔最小或者投影影像的中心阴影面积最小。

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