CN103616770A - 基于多投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于多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：透射散射屏幕与多个投影装置；连接关系：多个投影装置在空间上沿圆周排列，每个时刻工作的投影装置投影到透射散射屏幕；需要保证多个投影装置在工作的过程中，只在透射散射屏幕的垂面上进行投影；该装置，利用了透射散射屏幕的旋转和多投影装置的同步交替工作，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

基于多投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置

技术领域

本发明涉及基于多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

在娱乐、科学研究、医疗、军事、教育等诸多领域，三维显示装置由于提供显示物体相对于二维图像的诸多优势得到了广泛的应用。现在大多数的商用三维显示的主要基于眼镜式视差显示技术，包括快门式和偏振式。由于眼镜佩戴的不方便以及不自然性，裸眼的三维显示设备得到了广泛的发展。现在广泛应用的光栅式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。本发明提供的显示装置基于旋转的透射散射屏幕和多投影机，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，另外，装置工作显示三维图像的时候，旋转的部件质量小，同时装置形成的光场信息的数目不受投影设备内部的空间光调制器的刷新频率的限制，即便是低速的显示器件也可以实现周视裸眼显示的效果。 

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以及周视的系统分辨率依赖高速的投影装置的问题，提供基于多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。 

基于多投影机和透射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，包括：透射散射屏幕与多个投影装置； 

连接关系：多个投影装置在空间上沿圆周排列，每个时刻工作的投影装置投影到透射散射屏幕；需要保证多个投影装置在工作的过程中，只在透射散射屏幕的垂面上进行投影； 

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，但需保证投影装置的出瞳形成一个条状出瞳； 

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，多个投影装置固定不动，确保只有在透射散射屏幕的垂面上的投影装置工作；相应的投影装置针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染。 

装置包括以下三种： 

壹、基于多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，光阑支架，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；碗底与旋转支撑架固连；旋转支撑架的另一端与光阑支架固连；光阑支架上包含着与透光的透射散射屏幕数量相同的光阑，且每个光阑处在透射散射屏幕的垂面上，投影装置投射出的图像，透过对应的光阑支架上的光阑投影到透射散射屏幕上； 

贰、基于多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，光阑支架，旋转支撑架、透射散射屏幕、透射散射屏幕支撑架、光源、反光杯、导光棒、反射镜； 

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；旋转支撑架与反射镜固连，反射镜和导光棒固连；光阑支架上包含着与投影装置数量相同的光阑，投影装置是被动通过光源提供照明，光源发出的光经过反光杯的反射，随后经过反射镜的反射和导光棒的传导给投影装置提供照明，投影装置投射出的图像，透过对应的光阑支架上的光阑投影到透射散射屏幕上； 

叁、基于多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，光阑支架，旋转支撑架、透射散射屏幕； 

连接关系：将一块透射散射屏幕竖直放置并且与旋转支撑架固连；旋转支 撑架的另一端与与光阑支架固连；光阑支架上包含着一个通光的光阑，且该光阑处在透射散射屏幕的垂面上，投影装置投射出的图像，透过对应的光阑支架上的光阑投影到透射散射屏幕上； 

有益效果 

1、本发明的基于多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多投影装置的同步交替工作，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、本发明的基于多投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置，利用了多投影装置的同步交替工作，旋转的部件质量小，同时装置形成的光场信息的数目不受投影设备内部的空间光调制器的刷新频率的限制，利用低速的显示装置实现高分辨率真彩色的周视三维显示的效果。 

3、本发明的基于多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为实施例一基于多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是碗状支撑结构包含四块透射散射屏幕俯视示意图； 

图3是碗状支撑结构包含六块透射散射屏幕俯视示意图； 

图4是透射散射屏幕的构成和竖直方向光路示意图； 

图5是透射散射屏幕的构成和水平方向光路示意图； 

图6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7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8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9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10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11是透射散射屏幕中的凸透镜组汇聚原理示意图； 

图12是实施例二基于多投影机和透射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图； 

图13是实施例三基于多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—光阑支架，3—旋转支撑架，4—透射散射屏幕，5—透射散射屏幕支撑架，6—光源，7—反光杯，8—导光棒，9—反射镜； 

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所示，基于多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，光阑支架2，旋转支撑架3、透射散射屏幕4、透射散射屏幕支撑架5； 

连接关系：将多个透射散射屏幕4组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架5固定；实施例中可以仅留下一个或者几个透射散射屏幕4透光，其他透射散射屏均遮挡；也可以所有的所以透射散射屏幕4均透光；碗底与旋转支撑架3固连；旋转支撑架3的另一端与光阑支架2固连；光阑支架2上包含着与透光的透射散射屏幕4数量相同的光阑，且每个光阑处在透射散射屏幕的垂面上，投影装置1投射出的图像，透过对应的光阑支架2上的光阑投影到透射散射屏幕4上； 

工作过程： 

投影装置1绕旋转中轴排列一周，透过光阑支架2上的通光光瞳投影到透射散射屏幕4上；将多个透射散射屏幕4组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架5固定；多个透射散射屏幕的排列可以是如图2所示由4块透射散射屏幕组成，也可以是如图3所示由6块透射散射屏幕组成，也可以根据需要由任意数量的透射散射屏幕拼接而成；实施例中可以仅留下一个或者几个透射散射屏幕4透光，其他透射散射屏均遮挡；也可以所有的所以透射散射屏幕4均透光；在装置工作的时候，旋转支撑架3由电机驱动进行旋转，旋转支撑架3带动着光阑支架2和透射散射屏幕支撑架5随之绕中轴进行旋转；透射散射屏幕4在装置工作时候绕旋转支撑架3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3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。高速同步旋转的光瞳支架2和透射散射屏幕4保证了只有在透射散射屏幕的垂面上的投影装置工作，即是说投影装置工作的同步性；多个投影装置1针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染， 在装置进行工作的时候投影装置1不需要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，可以观察到不同的投影装置1投影到透射散射屏幕4的不同图像，当旋转的速度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，利用多投影装置的同步交替工作，旋转的部件质量小，同时装置形成的光场信息的数目不受投影设备内部的空间光调制器的刷新频率的限制，利用低速的显示装置实现高分辨率真彩色的周视三维显示的效果。另外，由于透射散射屏幕4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4和图5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6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7所示的单层单面结构，可以是如图8所示的双层单面结构，可以是图9所示的单层双面，也可以是图10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11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4和图5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4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5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12所示，基于多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，光阑支架2，旋转支撑架3、透射散射屏幕4、透射散射屏幕支撑架5、光源6、反光杯7、导光棒8、反射镜9； 

连接关系：将多个透射散射屏幕4组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架5固定；仅留下一个透射散射屏幕4透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架3固连；旋转支撑架3与反射镜9固连，反射镜9和导光棒8固连；光阑支架2上包含着与投影装置1数量相同的光阑，投影装置1是被动通过光源6提供照明，光源6发出的光经过反光杯7的反射，随后经过反射镜9的反射和导光棒8的传导给投影装置1提供照明，投影装置1投射出的图像，透过对应的光阑支架2上的光阑投影到透射散射屏幕4上； 

工作过程： 

投影装置1绕旋转中轴排列一周，投影装置1是被动通过光源6提供照明，光源6发出的光经过反光杯7的反射，随后经过反射镜9的反射和导光棒8的传导给投影装置1提供照明，投影装置1投射出的图像，透过对应的光阑支架2上的光阑投影到透射散射屏幕4上；在装置工作的时候，旋转支撑架3由电机驱动进行旋转，旋转支撑架3带动着反射镜9，导光棒8和透射散射屏幕支撑架5随之绕中轴进行旋转；由于投影装置1是被动的通过光源6提供照明，光源6发出的光经过反光杯7的反射，随后经过反射镜9的反射和导光棒8的传导给投影装置1提供照明，当装置进行工作的时候，由于反射镜9，导光棒8和透射散射屏幕支撑架5的同步旋转，对投影装置进行选通工作，保证了只有在透射散射屏幕的垂面上的投影装置工作，即是说投影装置工作的同步性；透射散射屏幕4在装置工作时候绕旋转支撑架3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3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；多个投影装置1针对移动的条状出 瞳的位置进行图像的渲染，在装置进行工作的时候投影装置1不需要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，可以观察到不同的投影装置1投影到透射散射屏幕4的不同图像，当旋转的速度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，利用多投影装置的同步交替工作，旋转的部件质量小，同时装置形成的光场信息的数目不受投影设备内部的空间光调制器的刷新频率的限制，利用低速的显示装置实现高分辨率真彩色的周视三维显示的效果。另外，由于透射散射屏幕4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13所示，基于多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，光阑支架2，旋转支撑架3、透射散射屏幕4； 

连接关系：将一块透射散射屏幕4竖直放置并且与旋转支撑架3固连；旋转支撑架3的另一端与与光阑支架2固连；光阑支架2上包含着一个通光的光阑，且该光阑处在透射散射屏幕的垂面上，投影装置1投射出的图像，透过对应的光阑支架2上的光阑投影到透射散射屏幕4上； 

工作过程：在装置工作的时候，旋转支撑架3由电机驱动进行旋转，旋转支撑架3带动着光阑支架2和透射散射屏幕4随之绕中轴进行旋转；透射散射屏幕4在装置工作时候绕旋转支撑架3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3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。高速同步旋转的光瞳支架2和透射散射屏幕4保证了只有在透射散射屏幕的垂面上的投影装置工作，即是说投影装置工作的同步性；多个投影装置1针对移动的条状出瞳的位置进行图像的渲染，在装置进行工作的时候投影装置1不需要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，可以观察到不同的投影装置1投影到透射散射屏幕4的不同图像，当旋转的速度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，利用多投影装置的同步交替工作，旋转的部件质量小，同时装置形成的光场信息的数目 不受投影设备内部的空间光调制器的刷新频率的限制，利用低速的显示装置实现高分辨率真彩色的周视三维显示的效果。 

以上对于本发明所提供的基于多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 (4)

1.基于多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：透射散射屏幕与多个投影装置；多个投影装置在空间上沿圆周排列，每个时刻工作的投影装置投影到透射散射屏幕；需要保证多个投影装置在工作的过程中，只在透射散射屏幕的垂面上进行投影；

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，但需保证投影装置的出瞳形成一个条状出瞳。

2.如权利要求1所述的基于多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：所述装置包括：投影装置（1），光阑支架（2），旋转支撑架（3）、透射散射屏幕（4）、透射散射屏幕支撑架（5）；

连接关系：将多个透射散射屏幕（4）组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架（5）固定；碗底与旋转支撑架（3）固连；旋转支撑架（3）的另一端与光阑支架（2）固连；光阑支架（2）上包含着与透光的透射散射屏幕（4）数量相同的光阑，且每个光阑处在透射散射屏幕的垂面上，投影装置（1）投射出的图像，透过对应的光阑支架（2）上的光阑投影到透射散射屏幕（4）上。

3.如权利要求1所述的基于多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：所述装置包括：投影装置（1），光阑支架（2），旋转支撑架（3）、透射散射屏幕（4）、透射散射屏幕支撑架（5）、光源（6）、反光杯（7）、导光棒（8）、反射镜（9）；

连接关系：将多个透射散射屏幕（4）组成碗状结构，碗口通过透射散射屏幕支撑架（5）固定；仅留下一个透射散射屏幕（4）透光，其他透射散射屏均遮挡；碗底与旋转支撑架（3）固连；旋转支撑架（3）与反射镜（9）固连，反射镜（9）和导光棒（8）固连；光阑支架（2）上包含着与投影装置（1）数量相同的光阑，投影装置（1）是被动通过光源（6）提供照明，光源（6）发出的光经过反光杯（7）的反射，随后经过反射镜（9）的反射和导光棒（8）的传导给投影装置（1）提供照明，投影装置（1）投射出的图像，透过对应的光阑支架（2）上的光阑投影到透射散射屏幕（4）上。

4.如权利要求1所述的基于多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：所述装置包括：投影装置（1），光阑支架（2），旋转支撑架（3）、透射散射屏幕（4）；

连接关系：将一块透射散射屏幕（4）竖直放置并且与旋转支撑架（3）固连；旋转支撑架（3）的另一端与与光阑支架（2）固连；光阑支架（2）上包含着一个通光的光阑，且该光阑处在透射散射屏幕的垂面上，投影装置（1）投射出的图像，透过对应的光阑支架（2）上的光阑投影到透射散射屏幕（4）上。

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