CN103984089A - 一种光开关阵列及其构成的非全息真实裸眼3d显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光开关阵列以及由其构成的非全息真实裸眼3D显示系统。光开关阵列包括一条在三维直角坐标系下沿y轴放置的光开关链和多条平行于z轴放置的“T”形光开关链。非全息真实裸眼3D显示系统结构包括由立体显示单元拼接成的显示阵列(1)、驱动模块(2)和处理器(3)；立体显示单元中的每个“T”形光开关的控制端和驱动模块(2)相连，驱动模块(2)和立体显示单元中的平移驱动器(11)、显示光源(14)均和处理器(3)相连，通过扫描的方式在空间形成立体的图像，实现真实地裸眼3D显示。本发明结构简单、运行功耗低、寿命长、显示色域与激光电视相当，裸眼观看；屏幕尺寸灵活可满足不同场合的需求；2D和3D兼容。

Description

一种光开关阵列及其构成的非全息真实裸眼3D显示系统

技术领域

本发明属于3D显示的技术领域，涉及到一种3D显示方法，尤其是涉及一种光开关阵列及其构成的非全息真实裸眼3D显示系统。

背景技术

3D显示技术是一种可以表现景深的新一代显示技术。目前，主要的3D显示技术就是利用一系列的光学方法使人左右眼产生视差从而接受到不同的画面，在大脑形成3D（3Dimensions）立体效果的技术。实现3D显示的技术方案有很多种，按显示原理总体上可以分为两类：全息式和非全息式。其中全息式是一种在3维空间形成真实3D画面的技术，这种方法技术难度很大，还有一系列问题没有解决，很难在短时间内达到商业化应用水平。非全息又可以细分为需要辅助设备式和裸眼式。前者依靠辅助设备使两眼分别接收到相应的立体图像对，利用视差原理来实现3D效果，后者在屏幕上设置有分光元件使两幅图的光线分别到达两只眼睛。辅助设备式大多要佩戴眼睛，所以带来很大不便，成本也会较高，光利用率较低，另外裸眼式往往有容易引起眼睛疲劳、成像质量差、画面清晰度和亮度差、视角受限等问题。此外，还有一种体积式3D显示方法，这种方法是在高速旋转的屏上投影，会有散射效应，靠近中心处影像不清晰，高速旋转部件有噪音、损耗等问题还容易带来危险。

综上，目前的3D显示方式都存在很大的缺陷，不能代表3D显示技术的成熟水平。

发明内容

本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种非全息真实裸眼3D显示方法。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种光开关阵列，其结构有：在三维直角坐标系下沿y轴放置的一条光开关链和平行于z轴放置的光开关链；所述的光开关链是由具有三个端口且具有光路转换功能的“T”形光开关依次相连构成，其中“T”形光开关端口A和端口B处于同一直线上，端口C位于端口A和端口B之间垂直于端口A和端口B所在的直线，从端口A进入的光在控制端的控制下能够选择从端口B或者从端口C出来，每个“T”形光开关的端口B与其后相邻的“T”形光开关的端口A相连，一条光开关链上所有“T”形光开关的端口C指向相同的方向；每条平行于z轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A与沿y轴放置的光开关链的一个“T”形光开关的端口C相连，所有平行于z轴放置的光开关链上的所有“T”形光开关的端口C的指向均与x轴平行，沿y轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A记为所述光开关阵列的主端口。

本发明一种光开关阵列中所述的“T”形光开关可以由可伸缩基底和平面反射镜组成，可伸缩基底由电磁铁和衔铁夹着弹性材料构成或由电致伸缩材料构成，可伸缩基底的电信号端作为“T”形光开关的控制端，平面反射镜的镜面朝向端口A和端口C且与端口A和端口B所在的直线成45度的夹角，平面反射镜固定在可伸缩基底上。

本发明一种光开关阵列中所述的“T”形光开关还可以由上电极、下电极、上棱镜和下棱镜组成；上电极和下电极均为透明平板电极，作为“T”形光开关的控制端；上棱镜和下棱镜均为截面是等腰直角三角形的棱镜；下电极作为“T”形光开关的端口C；两个棱镜的截面三角形斜边所在的侧面相互平行且对齐；上棱镜的截面三角形的上直角边所在的侧面与上电极相连，左直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口B；下棱镜的截面三角形的下直角边所在的侧面与下电极相连，右直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口A。

一种立体显示单元，其特征在于：结构包括平移驱动器11、光开关阵列12、发散单元13、显示光源模块14和镜头模块15；光开关阵列12固定在平移驱动器11上，发散单元13是由数量和沿z轴放置的“T”形光开关的数量相等的微凹透镜或微凸透镜构成的，每个微凹透镜或微凸透镜放在一个沿z轴放置的“T”形光开关的端口C的外侧，显示光源模块14与光开关阵列12的主端口相连，光开关阵列12在平移驱动器11的带动下能够在镜头模块15的一倍焦距和二倍焦距之间平移。

本发明一种立体显示单元中所述的显示光源模块4由三基色光源和混光单元构成，所述的三基色光源是可以发红、绿、蓝三种色光的LED光源或激光光源。

一种非全息真实裸眼3D显示系统，其特征在于：结构包括由立体显示单元拼接成的显示阵列1、驱动模块2和处理器3；立体显示单元中的每个“T”形光开关的控制端和驱动模块2相连，驱动模块2和立体显示单元中的平移驱动器11、显示光源14均和处理器3相连。

本发明一种非全息裸眼3D显示系统中所述的处理器3可以是单片机或计算机；所述的驱动模块2是能接收处理器3的指令并控制光开关阵列12中“T”形光开关状态的驱动器。

本发明一种非全息裸眼3D显示系统中所述的显示阵列1是由1个或多个立体显示单元拼接成的，用多个立体显示单元拼接时可以拼接成平面矩形结构或弧面结构。

本发明与现有技术相比有以下有益效果：

1、本发明的3D实现方法是在自由空间形成真实的3D画面，而不是使用立体图像对利用视差原理进行3D显示，所以无需佩戴眼睛，可以直接观看。

2、本发明的光显示方法中采用的是直接光显示，光源利用率高、画面更清晰真实、色彩更丰富。

3、本发明的显示屏是由显示单元镶嵌而成，所以屏幕尺寸可以灵活设置，以满足不同场合需要。

4、2D显示和3D显示兼容。

5、方便功能拓展，稍加改进可以实现手势交互等功能。

6、本发明虽然没有采用全息术但是同样可以真实再现物体的光波波前，观看时犹如置身真实的物理世界。

附图说明

图1为“T”形光开关功能示意图。

图2为一种“T”形光开关实施例示意图。

图3为一种“T”形光开关实施例示意图。

图4为本发明光开关阵列的一种实施例的结构示意图。

图5为本发明立体显示单元的原理示意图。

图6为本发明一种非全息真实裸眼3D的实现原理示意图。

图7为本发明所述的驱动模块2的一种原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

实施例1“T”形光开关实施例

请参考图1、2、3，图1示意了“T”形光开关的结构和功能，它有三个端口，端口A和端口B处于同一直线上，端口C的方向与端口A、端口B所在的直线垂直，这种光开关有光路转换功能，从端口A进入的光可以受控选择从端口B或者端口C出来；图2、3是两种微机械“T”形光开关的具体实施例。

图2中的“T”形光开关主要由可伸缩基底和反射镜组成，可伸缩基底可以由电磁铁和衔铁夹着弹性材料构成，反射镜固定在衔铁上，从而通过控制施加在基底上的电信号就可以控制光开关的状态：当电磁铁的线圈有电流时，将产生磁力，向下拉动衔铁，同时固定在衔铁上的反射镜也会被向下拉，此时端口A与端口B之间没有阻碍，从端口A进入的光会直接从端口B射出来；当电磁铁的线圈没有电流时，磁力消失，衔铁及固定在其上的反射镜会被衔铁和电磁铁中间的弹性材料弹回原位置，从端口A进入的光线会射到反射镜上，由于反射镜与入射光线呈45度夹角，因此光线反射后方向会与入射光线发生90度的偏转从而从端口C射出来；可伸缩基底也可以是电致伸缩材料（如压电陶瓷等），工作原理类似。

图3中利用了全反射原理，当下电极和上电极带同种电荷时二者彼此排斥，与电极相连的等腰直角三角形棱镜之间形成微小间隙，光线从端口A进入时会在棱镜的斜面发生全反射，从而从端口C出射，当透明电极和上电极带异种电荷时二者彼此相吸，两棱镜的斜面会紧贴在一起，从端口A进入的光线就会从端口B直接出射。

另外，利用电光、声光等其他物理原理制作的“T”形光开关也能用于本发明的光开关阵列。

实施例2“T”形光开关阵列实施例

请参考图1和图4，光开关阵列是由多个图1所示的“T”形光开关通过组合连接形成的。图1中的多个（下限为1上限不限）这样的“T”形光开关依次连接，并使第一个“T”形光开关的端口B与第二个“T”形光开关的端口A相连，第二个“T”形光开关的端口B与第三个“T”形光开关的端口A相连，以此类推，所有“T”形光开关的端口C指向相同的方向，这样就形成一个光开关链。在三维直角空间坐标中使一条光开关链沿着y轴放置，为方便表述称其为y链，任意多条光开关链沿着z轴放置，为表述方便称第n条沿着z轴放置的光开关为z_n链，并使z_n链中第一个“T”形光开关的端口A与y链上第n个“T”形光开关的端口C相连，所有沿着z轴放置的“T”形光开关的端口C的指向均与x轴平行，所有沿着y轴放置的“T”形光开关的端口C的指向均与z轴平行，这样便形成一种光开关阵列。图4为光开关阵列的示意图，图中为了清楚的展示光开关阵列的结构而使相邻沿着z轴放置的光开关链有一段距离，实际在制作时可以使相邻沿着z轴放置的光开关链彼此紧挨着，光开关链还可以集成在一根横截面为矩形的光纤上。

实施例3立体显示单元实施例

请参考图5，图5展示了立体显示单元的原理图，根据凸透镜成像公式，光开关阵列12上的光点作为物点，通过镜头模块15后可以形成一个像点。当光开关阵列12处于某一固定位置时，通过光开关阵列12上光开关的行扫描和列扫描可以使像点在一个固定的像平面上进行二维扫描；现在使平移驱动器11带动光开关阵列12在垂直于光开关阵列的方向上进行运动（景深扫描），结合光开关阵列12本身的二维扫描就可以实现像点在三维空间扫描，从而达到3D显示的效果。需要说明的是，为实现景深扫描，光开关阵列12的运动范围要限制在镜头模块15的1倍焦距到2倍焦距之间。平移驱动器的具体实施例可以采用实施例中1中所述的可伸缩基底相同的方法。

实施例4非全息真实裸眼3D显示系统实施例

请参考图5和图6，三基色光源发出的色光被混光单元整合成一束色光，通过光开关阵列12后，在光开关阵列12上一点出射，被发散单元13发散开，通过镜头模块15的成像作用在空间形成一个像点。从图5显示原理不难看出，用一个立体显示单元来实现立体显示，像点的可视角会比较小，而且不同的像点可视角区也不一样，这样的话，对于处在某一固定位置的观众来说，有一些像点是不能被看到的。为了使像点的可视角区变大，同时让所有的观察位置都可以看到所有像点，应该把立体显示单元镶嵌成一个大的立体显示屏，通过处理器3来统一控制所有立体显示单元。立体显示单元并不局限于镶嵌成一个平面结构，事实上，镶嵌成一个包围观察区的弧面结构可以更加节省立体显示单元。

实施例5驱动模块实施例

图6中的驱动模块2可以用现有技术，如驱动显示器的显卡等，也可以采用图7所示的电路结构，图7示意了一个8行×8列的光开关阵列的驱动原理，y链上有8个“T”形光开关，有8条z链，每个z链上有8个“T”形光开关。从处理器1输出的行坐标和列坐标信号分别进入两个串入并出芯片（如74HC595），与列地址信号相连的串入并出芯片的8个输出端分别用于控制y链上的8个“T”形光开关，与行信号线相连的串入并出芯片的8个输出端分别用于控制z链上的8个“T”形光开关，为了简化控制可以对所有z链进行统一控制，即具有相同z坐标的“T”形光开关用同一信号控制，这样在行、列地址信号的共同作用下便可以控制从主端口进入的光从指定坐标的“T”形光开关的端口C输出，相当于把指定的坐标点点亮。

实施例6本发明非全息真实裸眼3D显示系统功能拓展实施例

请参考图5，根据光路可逆原理，如果图5中的像点为真实空间内某一物体上的一点，那么通过镜头模块15的成像作用它会在光开关阵列上的一点成清晰地像，跟传统相机相比，此时由于这里增加了平移驱动器11（可以取代传统相机的对焦系统），所以可以实现对像点位置信息的三维记录（第三维信息光开关阵列的位置给出），从而实现3D拍摄。所以只需把立体显示单元中的显示光源模块14换为一个分光模块（用于把色光分离成三基色光）、感光单元并增加存储器就可以变成一个立体拍摄相机，拍摄时处理器1控制光开关阵列12和平移驱动器11进行三维扫描拍摄。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光开关阵列，其结构有：在三维直角坐标系下沿y轴放置的一条光开关链和平行于z轴放置的光开关链；所述的光开关链是由具有三个端口且具有光路转换功能的“T”形光开关依次相连构成，其中“T”形光开关端口A和端口B处于同一直线上，端口C位于端口A和端口B之间垂直于端口A和端口B所在的直线，从端口A进入的光在控制端的控制下能够选择从端口B或者从端口C出来，每个“T”形光开关的端口B与其后相邻的“T”形光开关的端口A相连，一条光开关链上所有“T”形光开关的端口C指向相同的方向；每条平行于z轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A与沿y轴放置的光开关链的一个“T”形光开关的端口C相连，所有平行于z轴放置的光开关链上的所有“T”形光开关的端口C的指向均与x轴平行，沿y轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A为所述光开关阵列的主端口。

2.根据权利要求1所述的一种光开关阵列，其特征在于：所述的“T”形光开关由可伸缩基底和平面反射镜组成，可伸缩基底由电磁铁和衔铁夹着弹性材料构成或由电致伸缩材料构成，可伸缩基底的电信号端作为“T”形光开关的控制端，平面反射镜的镜面朝向端口A和端口C且与端口A和端口B所在的直线成45度的夹角，平面反射镜固定在可伸缩基底上。

3.根据权利要求1所述的一种光开关阵列，其特征在于：所述的“T”形光开关由上电极、下电极、上棱镜和下棱镜组成；上电极和下电极均为透明平板电极，作为“T”形光开关的控制端；上棱镜和下棱镜均为截面是等腰直角三角形的棱镜；下电极作为“T”形光开关的端口C；两个棱镜的截面三角形斜边所在的侧面相互平行且对齐；上棱镜的截面三角形的上直角边所在的侧面与上电极相连，左直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口B；下棱镜的截面三角形的下直角边所在的侧面与下电极相连，右直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口A。

4.一种立体显示单元，其特征在于：结构包括平移驱动器(11)、一种权利要求1所述的光开关阵列(12)、发散单元(13)、显示光源模块(14)和镜头模块(15)；光开关阵列(12)固定在平移驱动器(11)上，发散单元(13)是由数量和沿z轴放置的“T”形光开关的数量相等的微凹透镜或微凸透镜构成的，每个微凹透镜或微凸透镜放在一个沿z轴放置的“T”形光开关的端口C的外侧，显示光源模块(14)与光开关阵列(12)的主端口相连，光开关阵列(12)在平移驱动器(11)的带动下能够在镜头模块(15)的一倍焦距和二倍焦距之间平移。

5.根据权利要求4所述的一种立体显示单元，其特征在于：所述的显示光源模块4由三基色光源和混光单元构成，所述的三基色光源是可以发红、绿、蓝三种色光的LED光源或激光光源。

6.一种非全息真实裸眼3D显示系统，其特征在于：结构包括由权利要求5所述的立体显示单元拼接成的显示阵列(1)、驱动模块(2)和处理器(3)；立体显示单元中的每个“T”形光开关的控制端和驱动模块(2)相连，驱动模块(2)和立体显示单元中的平移驱动器(11)、显示光源(14)均和处理器(3)相连。

7.根据权利要求6所述的一种非全息裸眼3D显示系统，其特征在于：所述的处理器(3)是单片机或计算机；所述的驱动模块(2)是能接收处理器(3)的指令并控制光开关阵列(12)中“T”形光开关状态的驱动器。

8.根据权利要求7或8所述的一种非全息裸眼3D显示系统，其特征在于：所述的显示阵列1是由1个或多个权利要求5所述的立体显示单元拼接成的，用多个立体显示单元拼接时拼接成平面矩形结构或弧面结构。