CN103631080A - 基于单投影机和反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反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：反射散射屏幕与投影装置；投影装置投影到反射散射屏幕；所述的反射式散射屏幕的工作表面是在基底表面上形成微结构阵列，阵列单元由两个互成直角的反射表面构成，水平平面剖面为直角反射面，且阵列单元的特征尺寸小于投影装置的一个像素，反射式散射屏幕保证投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；本发明利用了反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反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反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反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。
基于单投影机和反射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，包括：反射散射屏幕与投影装置；
连接关系：投影装置投影到反射散射屏幕；所述的反射式散射屏幕的工作表面是在基底表面上形成微结构阵列，阵列单元由两个互成直角的反射表面构成，水平平面剖面为直角反射面，且阵列单元的特征尺寸小于投影装置的一个像素，反射式散射屏幕保证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：反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，反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，可以随着反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，高速投影装置随着反射散射屏幕的旋转，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、基于单投影机和反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，反射散射屏幕，反射散射屏幕支撑架；
连接关系：将多个屏幕组成碗状结构，碗口通过反射散射屏幕支撑架固定；仅留下一个屏幕是反射散射屏幕；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；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；投影装置投射出的图像，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反射散射屏幕上;
贰、基于单投影机和反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，反射散射屏幕，反射散射屏幕支撑架；
连接关系：将多个屏幕组成碗状结构，碗口通过反射散射屏幕支撑架固定；仅留下一个屏幕是反射散射屏幕；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；碗底与旋转支撑架固连；投影装置正对反射散射屏幕安装，投影装置投射出的图像直接投影到反射散射屏幕上；
叁、基于单投影机和反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，反射散射屏幕；
连接关系：将一块反射散射屏幕竖直放置并且与旋转支撑架固连；反射散 射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；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；投影装置正对反射散射屏幕安装，投影装置投射出的图像，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反射散射屏幕上。
肆、基于单投影机和反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，反射散射屏幕；
连接关系：将一块反射散射屏幕竖直放置并且与旋转支撑架固连；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；投影装置正对反射散射屏幕安装，投影装置投射出的图像直接投影到反射散射屏幕上；
有益效果
1、本发明的基于单投影机和反射式散射屏幕的周视三维显示装置，利用了反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、反射式散射屏幕表面有且只有一层特殊设计的反射微结构，可以实现反射式散射屏幕可以实现竖直和水平方向上不同的散射特性，使得大尺寸轻型的屏幕的实现成为可能，另外，使用反射结构，光能利用率较高。
3、本发明的基于单投影机和反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反射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图；
图2是反射散射屏幕的表面微结构构成的一种实施例示意图；
图3是微结构单元两个凹柱面反射面组合示意图；
图4是微结构单元一个凹柱面反射面和一个凸柱面反射面组合示意图；
图5是微结构单元两个凸柱面反射面组合示意图；
图6是微结构单元一个凹柱面反射面和一个平面反射面组合示意图；
图7是微结构单元一个凸柱面反射面和一个平面反射面组合示意图；
图8是反射散射屏幕的表面微结构构成的一种实施例示意图；
图9是图8所示的实施例的一种微结构单元示意图；
图10是图8所示的实施例的一种微结构单元示意图；
图11是一种实施例微结构单位构成的反射散射屏幕表面光线反射示意图；
图12是一种实施例微结构单位构成的反射散射屏幕表面光线反射示意图；
图13是反射散射屏幕表面水平剖面的光线反射示意图；
图14为实施例二基于单投影机和反射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图；
图15为实施例三基于单投影机和反射式散射屏幕的周视三维显示装置结构图；
图16为实施例四基于单投影机和反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—反射散射屏幕，7—反射散射屏幕支撑架；
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，基于单投影机和反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，反射散射屏幕6，反射散射屏幕支撑架7；
连接关系：将多个屏幕组成碗状结构，碗口通过反射散射屏幕支撑架7固定；仅留下一个屏幕是反射散射屏幕6；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；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的三次反射投影到反射散射屏幕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也随着反射散射屏幕6绕中轴进行旋转。反射散射屏幕6在装置工作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转；投影装置出射光线投射到反射散射屏幕6在水平方向上和其他方向上形成有不同的散射特性，在空间中形成条状出瞳；该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随着反射散射屏幕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投影到反射散射屏幕6上反射到人眼的不同图像，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，由于反射散射屏幕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。
反射式散射屏幕的工作原理
反射散射屏幕的表面结构可以有多种结构形式如图2和图8所示，如图2所示，组成反射式散射屏幕表面微结构阵列的微结构单元可以都是同样的结构形式，即是说两个互成直角的反射表面构成，构成的形式也可以是多种多样的，可以是如图3所示，两个反射表面均为凹柱面反射面，可以如图4所示，两个反射表面一个是凹柱面反射面，另一个是凸柱面反射面，可以如图5所示，两个反射表面均为凸柱面反射面，可以是如图6所示，两个反射表面一个是平面反射面，另一个是凸柱面反射面，可以是如图7所示，两个反射表面一个是平面反射面，另一个是凹柱面反射面。反射散射屏幕的表面结构如图8所示，组成反射式散射屏幕表面微结构阵列的微结构单元可以都是不样的结构形式，虽然微结构单元仍然是由两个互成直角的反射表面构成，然而，可以是图3-7中的任意一种形式，如图8所示，组成反射式散射屏幕表面微结构阵列的微结构单元是由图9所示的凹凸柱面反射面和图10所示的凹凸柱面反射面两中表面交替排列形成的。微结构单元的特征尺寸需要小于投影机一个像素单元的尺寸，光线在反射散射表面发生的反射光路示意图如图11-13所示，在具体实施方式中，只给出两个反射表面一个是平面反射面，另一个是凹柱面反射面和两个反射表 面一个是平面反射面，另一个是凸柱面反射面的这两种形式，但是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，这样阐述只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，在具体实施过程中，进行合适的面型控制也可以达到相应的光线反射的效果。如图11所示，竖直方向上的一束平行光入射到反射屏上，经过平面反射镜的反射，由于两个反射表面互成直角，该束光线会在凸面反射面上进行反射，会在凸柱面反射面的作用在竖直方向上进行发散；如图12所示，和图13类似，竖直方向上的一束平行光入射到反射屏上，经过平面反射镜的反射，由于两个反射表面互成直角，该束光线会在凹柱面反射面上进行反射，会在凹柱面反射面的作用下在竖直方向上迅速汇聚后迅速进行发散。在微结构单元的水平面上，如图13所示，由于两个反射表面互成直角，所以在水平面上，光束会有回反射的效果，水平平面上各个方向上的光束都会沿着原路返回。
由于上述表面微结构阵列的作用，反射散射屏幕在水平面方向和竖直方向上产生了两种不同的散射特性，水平面方向上，反射散射屏幕具有回返射的特性，竖直方向上反射散射屏幕具有发散的特性，发散角度的大小由构成微结构单元的两个表面的曲率决定，反射散射屏幕可以将投影机的出瞳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，另外，还有基底表面的作用，可以调整带状出瞳的具体空间位置。
实施例2
如图14所示，基于单投影机和反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，反射散射屏幕6，反射散射屏幕支撑架7；
连接关系：将多个屏幕组成碗状结构，碗口通过反射散射屏幕支撑架7固定；仅留下一个屏幕是反射散射屏幕6；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；碗底与旋转支撑架5固连；投影装置1正对反射散射屏幕安装，投影装置1投射出的图像直接投影到反射散射屏幕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。反射散射屏幕6在装置工 作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，投影装置出射光线投射到反射散射屏幕6在水平方向上和其他方向上形成有不同的散射特性，在空间中形成条状出瞳；该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随着反射散射屏幕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投影到反射散射屏幕6反射到人眼的不同图像，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，由于反射散射屏幕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15所示，基于单投影机和反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，反射散射屏幕6；
连接关系：将一块反射散射屏幕6竖直放置并且与旋转支撑架5固连；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；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正对反射散射屏幕，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的三次反射投影到反射散射屏幕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也随着反射散射屏幕6绕中轴进行旋转。反射散射屏幕6在装置工作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，投影装置出射光线投射到反射散射屏幕6在水平方向上和其他方向上形成有不同的散射特性，在空间中形成条状出瞳；该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随着反射散射屏幕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投影到反射散射屏幕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
如图16所示，基于单投影机和反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，反射散射屏幕6；
连接关系：将一块反射散射屏幕6竖直放置并且与旋转支撑架5固连；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；投影装置1正对反射散射屏幕安装，投影装置1投射出的图像直接投影到反射散射屏幕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。反射散射屏幕6在装置工作时候绕旋转支撑架5的中轴进行高速旋转，投影装置出射光线投射到反射散射屏幕6在水平方向上和其他方向上形成有不同的散射特性，在空间中形成条状出瞳；该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随着反射散射屏幕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投影到反射散射屏幕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反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 (6)
1.基于单投影机和反射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，其特征在于：包括：反射散射屏幕与投影装置；投影装置投影到反射散射屏幕；
所述的反射式散射屏幕的工作表面是在基底表面上形成微结构阵列，阵列单元由两个互成直角的反射表面构成，水平平面剖面为直角反射面，且阵列单元的特征尺寸小于投影装置的一个像素，反射式散射屏幕保证投影装置的出瞳形成一个条状出瞳。
2.如权利要求1所述的基于单投影机和反射式散射屏幕的周视裸眼三维显示装置，其特征在于：所述投影装置为高速投影装置。
3.如权利要求1所述的基于单投影机和反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），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），反射散射屏幕（6），反射散射屏幕支撑架（7）；
连接关系：将多个屏幕组成碗状结构，碗口通过反射散射屏幕支撑架（7）固定；仅留下一个屏幕是反射散射屏幕（6）；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；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）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）的三次反射投影到反射散射屏幕（6）上。
4.如权利要求1所述的基于单投影机和反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），旋转支撑架（5），反射散射屏幕（6），反射散射屏幕支撑架（7）；
连接关系：将多个屏幕组成碗状结构，碗口通过反射散射屏幕支撑架（7）固定；仅留下一个屏幕是反射散射屏幕（6）；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；碗底与旋转支撑架（5）固连；投影装置（1）正对反射散射屏幕安装，投影装置（1）投射出的图像直接投影到反射散射屏幕（6）上。
5.如权利要求1所述的基于单投影机和反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），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），反射散射屏幕（6）；
连接关系：将一块反射散射屏幕（6）竖直放置并且与旋转支撑架（5）固连；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；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）正对反射散射屏幕安装，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）的三次反射投影到反射散射屏幕（6）上。
6.如权利要求1所述的基于单投影机和反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），旋转支撑架（5），反射散射屏幕（6）；
连接关系：将一块反射散射屏幕（6）竖直放置并且与旋转支撑架（5）固连；反射散射屏幕的表面有微结构阵列，在水平方向上能将投射到其表面的光线回返射，在其他方向将投射到其表面的光线进行散射，将高速投影装置的出瞳形成一个条状出瞳；投影装置（1）正对反射散射屏幕安装，投影装置（1）投射出的图像直接投影到反射散射屏幕（6）上。
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