CN103616769B - 基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，属于三维显示领域。包括：透射散射屏幕与投影装置；投影装置投影到透射散射屏幕；需确保投影装置在透射散射屏幕的垂面上；所述的透射散射屏幕包括凸透镜组和柱面光栅组；二者任意排列组合，但需保证高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；本装置利用了透射散射屏幕的旋转和高速投影图像高速刷新，使得人的左右眼的图像来自不同的图像源形成的带状的观察区域中，这样使得左右眼分别看到不同的图像，可以通过人脑合成出三维图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，属于三维显示领域。
背景技术
三维显示装置是近些年来显示领域中的热门产品，广泛应用在娱乐、科学研究、医疗、军事、教育等诸多领域，由于基于视差原理的裸眼三维显示技术具有观察方便、自然等优点，现在是商用的三维显示的主要技术。现在广泛应用的基于视差原理的裸眼三维显示设备大多是平面屏的三维显示。由于视差图数目较少以及平面屏自身的形状所限，观察范围有限。而目前的周视的三维显示设备大多系统复杂，而且往往显示系统和显示的三维物体之间有遮挡和背景的关系，就是说，观察者在看到三维物体的同时可以看到显示系统影响三维立体显示的真实感。本发明利用高速投影机和旋转的透射式散射屏幕提供的一种周视裸眼的三维显示装置。这种三维显示装置可靠性高，所显示的三维物体可以让用户进行周视裸眼观看，显示的三维物体可以悬浮在系统上，没有显示系统的遮挡，可进行触摸交互，真实感强。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有设备系统复杂、系统与物体之间有遮挡和背景的问题，提供基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于单投影机和透射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，包括：透射散射屏幕与投影装置；
连接关系：投影装置投影到透射散射屏幕；需确保投影装置在透射散射屏幕的垂面上；
所述的透射散射屏幕包括凸透镜组和柱面光栅组；二者任意排列组合，但需保证高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；
所述投影装置为高速投影装置；高速投影机是指投影机的图像刷新速率远超过人眼视觉暂留频率的投影机，特殊的指的图像刷新速率超过120Hz；
工作过程：透射散射屏幕在水平和竖直方向呈现出不同的散射特性，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳，在装置工作时候，透射散射屏幕进行高速旋转。所述的投影装置在三维物体进行显示的时候，可以随着透射散射屏幕一同进行高速旋转，也可以通过旋转的反射镜组的反射等效于高速投影机的高速旋转。同时，高速投影装置随着透射散射屏幕的旋转，针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染，高速投影机进行高速的图像刷新。
装置包括以下四种：
壹、基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置，固定反射镜，第一个旋转反射镜，第二个旋转反射镜，旋转支撑架，透射散射屏幕，透射散射屏幕支撑架；
连接关系：将多个透射散射屏幕组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架固定；仅留下一个透射散射屏幕透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架固连；旋转支撑架的另一端与第一个旋转反射镜固连；第一个旋转反射镜与第二个旋转反射镜固连；投影装置安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置投射出的图像，依次经过固定反射镜、第一个旋转反射镜以及第二个旋转反射镜的三次反射投影到透明的透射散射屏幕上。
贰、基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置，旋转支撑架，透射散射屏幕，透射散射屏幕支撑架；
连接关系：将多个透射散射屏幕组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架固定；仅留下一个透射散射屏幕透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架固连；投影装置安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置投射出的图像直接投影到透明的透射散射屏幕上。
叁、基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置，固定反射镜，第一个旋转反射镜，第二个旋转反射镜，旋转支撑架，透射散射屏幕；
连接关系：将透射散射屏幕竖直放置并且与旋转支撑架固连；旋转支撑架的另一端与第一个旋转反射镜固连；第一个旋转反射镜与第二个旋转反射镜固连；投影装置安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置投射出的图像，依次经过固定反射镜、第一个旋转反射镜以及第二个旋转反射镜的三次反射投影到透射散射屏幕上。
肆、基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置，旋转支撑架，透射散射屏幕；
连接关系：将透射散射屏幕竖直放置并且与旋转支撑架固连；投影装置安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置投射出的图像直接投影到透射散射屏幕上。
有益效果
1、本发明的基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，利用了透射散射屏幕的旋转和高速投影图像高速刷新，使得人的左右眼的图像来自不同的图像源形成的带状的观察区域中，这样使得左右眼分别看到不同的图像，可以通过人脑合成出三维图像。
2、本发明的基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，结构简单，仅利用透射散射屏幕与装置，便实现了三维成像；
3、本发明的基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，可靠性高，所显示的三维物体可以让用户进行周视裸眼观看，显示的三维物体可以悬浮在系统上，没有显示系统的遮挡，可进行触摸交互，真实感强。
附图说明
图1为实施例一基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图；
图2是透射散射屏幕的构成和竖直方向光路示意图；
图3是透射散射屏幕的构成和水平方向光路示意图；
图4是透射散射屏幕中的柱面透镜光栅散射特性的原理示意图；
图5是透射散射屏幕中的柱面透镜光栅单层单面结构的示意图；
图6是透射散射屏幕中的柱面透镜光栅双层单面结构的示意图；
图7是透射散射屏幕中的柱面透镜光栅单层双面结构的示意图；
图8是透射散射屏幕中的柱面透镜光栅双层双面结构的示意图；
图9是透射散射屏幕中的凸透镜组汇聚原理示意图；
图10是实施例二基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图；
图11是实施例三基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图；
图12是实施例四基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图。
其中，1—投影装置，2—固定反射镜，3—第一个旋转反射镜，4—第二个旋转反射镜，5—旋转支撑架，6—透射散射屏幕，7—透射散射屏幕支撑架。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1示，基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置1，固定反射镜2，第一个旋转反射镜3，第二个旋转反射镜4，旋转支撑架5，透射散射屏幕6，透射散射屏幕支撑架7；
连接关系：将多个透射散射屏幕6组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架7固定；仅留下一个透射散射屏幕6透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架5固连；旋转支撑架5的另一端与第一个旋转反射镜3固连；第一个旋转反射镜3与第二个旋转反射镜4固连；投影装置1安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置1投射出的图像，依次经过固定反射镜2、第一个旋转反射镜3以及第二个旋转反射镜4的三次反射投影到透明的透射散射屏幕6上。
工作过程：在装置工作的时候，旋转支撑架5由电机驱动进行旋转，通过传动装置使得第二个旋转反射镜4也随着透射散射屏幕6绕中轴进行旋转。透射散射屏幕6在装置工作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，在空间中，所形成的条状出瞳绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，旋转的速度大于人眼的刷新频率，从而形成了一个周视的可见区域。由于固定反射镜2，第一个旋转反射镜3和第二个旋转反射镜4的存在，装置等效于高速投影装置1随着透射散射屏幕6的旋转，针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染，高速投影装置1进行高速的图像刷新。人的左右眼的处在不同的带状出瞳区域中，可以观察到高速投影装置1投影到透射散射屏幕6的不同图像，当旋转的速度和高速投影装置的图像刷新速率超过人眼视觉暂留的频率，就可以使得左右眼分别看到不同的图像，可以通过人脑合成出三维图像。本实施案例中的显示装置可靠性高，所显示的三维物体可以让用户进行周视裸眼观看，另外，由于透射散射屏幕6倾斜于旋转轴，所显示的三维物体可以悬浮在系统上，没有显示系统的遮挡，可进行触摸交互，真实感强。
透射散射屏幕的工作原理：如图3和4所示，透射散射屏幕由凸透镜组和柱面光栅组组成，，柱面透镜光栅组沿着一个方向进行散射，其在竖直方向上的散射特性如图5所示，由于每个柱面镜的特征长度很小，而且焦距很短，所以光线会在每一个柱面镜上发生聚焦和发散，形式一定角度的发散光束，而在另一个方向上等价于经过一个光平板，光线的传输性质不发生改变。柱面透镜光栅组可以放置在凸透镜组前，可以放置于凸透镜组之间，也可以放置于凸透镜组后。光栅可以是如图6所示的单层单面结构，可以是如图7所示的双层单面结构，可以是图8所示的单层双面，也可以是图9所示的双层双面结构。
凸透镜组将高速投影装置的出瞳成像在人眼进行观察位置附近，如图10所示，如果只有凸透镜组，那么投影机加载图像信息的光束在凸透镜组作用下进行汇聚形成的一个圆斑，人眼只有在这个圆斑范围内可以看到投影机的图像，凸透镜组可以是光学玻璃或者光学塑料透镜组，也可以是通过光刻技术或者其他技术而形成表面可以实现场镜功能的微结构表面。
由于凸透镜组的汇聚以及柱面光栅组的竖直方向（单一方向上）的发散，可以形成一个竖直方向上发散，水平方向上压缩的一个带状光瞳。如图3和图4所示，透射散射屏幕可以由两个透镜组和一个柱面透镜光栅组成。投影机发出的光波被第一个透镜组进行光束压缩后，经过柱面透镜光栅在竖直方向上进行光线的散射，光束在竖直方向上发生扩束，而在水平方向上柱面透镜光栅并没有对于光束的传播路径进行改变，光束经过柱面透镜光栅发生竖直方向和水平方向两个不同性质的透射传播后，经过第二个透镜组，将光束进行进一步压缩。，如图3所示，在竖直方向上投影机发出的光波形成了一个发散的光束，如图4所示，在水平方向上投影机发出的光波形成了一个汇聚的实像，综合看来，透射散射屏幕将投影机物镜的出瞳进行成像，由于水平方向和竖直上的散射角度不同，可以在空间中形成一个带状的观察区域。人眼在这个带状区域中进行观察，可以观察到这个视角的图像。
实施例2
如图10所示，基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置1，旋转支撑架5，透射散射屏幕6，透射散射屏幕支撑架7；
连接关系：将多个透射散射屏幕6组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架7固定；仅留下一个透射散射屏幕6透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架5固连；投影装置1安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置1投射出的图像直接投影到透射散射屏幕6上；
工作过程：在装置工作的时候，旋转支撑架5由电机驱动进行旋转，通过传动装置使得高速的投影装置1也绕中轴进行旋转。透射散射屏幕6在装置工作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，在空间中，所形成的条状出瞳绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，旋转的速度大于人眼的刷新频率，从而形成了一个周视的可见区域。高速投影装置1随着透射散射屏幕6的旋转，针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染，高速投影装置1进行高速的图像刷新。人的左右眼的处在不同的带状出瞳区域中，可以观察到高速投影装置1投影到透射散射屏幕6的不同图像，当旋转的速度和高速投影装置的图像刷新速率超过人眼视觉暂留的频率，就可以使得左右眼分别看到不同的图像，可以通过人脑合成出三维图像。本实施案例中的显示装置可靠性高，所显示的三维物体可以让用户进行周视裸眼观看，另外，由于透射散射屏幕6倾斜于旋转轴，所显示的三维物体可以悬浮在系统上，没有显示系统的遮挡，可进行触摸交互，真实感强。
实施例3
如图11所示，基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置1，固定反射镜2，第一个旋转反射镜3，第二个旋转反射镜4，旋转支撑架5，透射散射屏幕6；
连接关系：将一块透射散射屏幕6竖直放置并且与旋转支撑架5固连；旋转支撑架5的另一端与第一个旋转反射镜3固连；第一个旋转反射镜3与第二个旋转反射镜4固连；投影装置1安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置1投射出的图像，经过固定反射镜2、第一个旋转反射镜3以及第二个旋转反射镜4的三次反射投影到透射散射屏幕6上。
工作过程：在装置工作的时候，旋转支撑架5由电机驱动进行旋转，通过传动装置使得第二个旋转反射镜4也随着透射散射屏幕6绕中轴进行旋转。透射散射屏幕6在装置工作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，在空间中，所形成的条状出瞳绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，旋转的速度大于人眼的刷新频率，从而形成了一个周视的可见区域。由于固定反射镜2，第一个旋转反射镜3和第二个旋转反射镜4的存在，装置等效于高速投影装置1随着透射散射屏幕6的旋转，针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染，高速投影装置1进行高速的图像刷新。人的左右眼的处在不同的带状出瞳区域中，可以观察到高速投影装置1投影到透射散射屏幕6的不同图像，当旋转的速度和高速投影装置的图像刷新速率超过人眼视觉暂留的频率，就可以使得左右眼分别看到不同的图像，可以通过人脑合成出三维图像。本实施案例中的显示装置可靠性高，所显示的三维物体可以让用户进行周视裸眼观看。
实施例4
基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，包括：投影装置1，旋转支撑架5，透射散射屏幕6；
连接关系：将一块透射散射屏幕6竖直放置并且与旋转支撑架5固连；透射散射屏幕包括凸透镜组和柱面光栅组；二者任意排列组合；投影装置1安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置1投射出的图像直接投影到透射散射屏幕6上；
工作过程：在装置工作的时候，旋转支撑架5由电机驱动进行旋转，通过传动装置使得高速的投影装置1也绕中轴进行旋转。透射散射屏幕6在装置工作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，在空间中，所形成的条状出瞳绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，旋转的速度大于人眼的刷新频率，从而形成了一个周视的可见区域。高速投影装置1随着透射散射屏幕6的旋转，针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染，高速投影装置1进行高速的图像刷新。人的左右眼的处在不同的带状出瞳区域中，可以观察到高速投影装置1投影到透射散射屏幕6的不同图像，当旋转的速度和高速投影装置的图像刷新速率超过人眼视觉暂留的频率，就可以使得左右眼分别看到不同的图像，可以通过人脑合成出三维图像。本实施案例中的显示装置可靠性高，所显示的三维物体可以让用户进行周视裸眼观看。
以上对于本发明所提供的基于单投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理以及实施方式进行阐述，以上实施案例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.基于单投影机和透射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，其特征在于：包括：透射散射屏幕与投影装置；所述投影装置为高速投影装置；连接关系为：投影装置投影到透射散射屏幕；需确保投影装置在透射散射屏幕的垂面上；所述的透射散射屏幕包括凸透镜组和柱面光栅组；凸透镜组和柱面光栅组任意排列组合，但需保证高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；
所述三维显示装置还包括：固定反射镜(2)，第一个旋转反射镜(3)，第二个旋转反射镜(4)，旋转支撑架(5)，透射散射屏幕支撑架(7)；将多个透射散射屏幕(6)组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架(7)固定；仅留下一个透射散射屏幕(6)透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架(5)固连；旋转支撑架(5)的另一端与第一个旋转反射镜(3)固连；第一个旋转反射镜(3)与第二个旋转反射镜(4)固连；投影装置(1)安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置(1)投射出的图像，依次经过固定反射镜(2)、第一个旋转反射镜(3)以及第二个旋转反射镜(4)的三次反射投影到透明的透射散射屏幕(6)上。
2.基于单投影机和透射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，其特征在于：包括：透射散射屏幕与投影装置；所述投影装置为高速投影装置；连接关系为：投影装置投影到透射散射屏幕；需确保投影装置在透射散射屏幕的垂面上；所述的透射散射屏幕包括凸透镜组和柱面光栅组；凸透镜组和柱面光栅组任意排列组合，但需保证高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；所述三维显示装置还包括：旋转支撑架(5)，透射散射屏幕支撑架(7)；将多个透射散射屏幕(6)组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架(7)固定；仅留下一个透射散射屏幕(6)透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架(5)固连；投影装置(1)安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置(1)投射出的图像直接投影到透明的透射散射屏幕(6)上。
3.基于单投影机和透射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，其特征在于：包括：透射散射屏幕与投影装置；所述投影装置为高速投影装置；连接关系为：投影装置投影到透射散射屏幕；需确保投影装置在透射散射屏幕的垂面上；所述的透射散射屏幕包括凸透镜组和柱面光栅组；凸透镜组和柱面光栅组任意排列组合，但需保证高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；所述三维显示装置还包括：固定反射镜(2)，第一个旋转反射镜(3)，第二个旋转反射镜(4)，旋转支撑架(5)；将透射散射屏幕(6)竖直放置并且与旋转支撑架(5)固连；旋转支撑架(5)的另一端与第一个旋转反射镜(3)固连；第一个旋转反射镜(3)与第二个旋转反射镜(4)固连；投影装置(1)安装在透射散射屏幕的垂面上，投影装置(1)投射出的图像，依次经过固定反射镜(2)、第一个旋转反射镜(3)以及第二个旋转反射镜(4)的三次反射投影到透射散射屏幕(6)上。
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