CN104280988A - 立体显示器基本架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种立体显示器基本架构，包括定向屏部分、连接部分和投影部分构成，其特征在于：所述定向屏部分由多个定向屏(5)构成，通过连接部分与投影部分连接，投影部分包括底座和多个投影机。本发明提供的立体显示器基本架构，改善其在高速旋转过程中的巨大空气阻力，优化了对光阑的设计，使用两个M3螺钉调节投影机的俯仰，结构简单，可调性好。

Description

立体显示器基本架构
技术领域
本发明涉及一种立体显示器基本架构，尤其涉及一种裸眼悬浮立体显示器的基本架构，属于裸眼立体显示设备领域。
背景技术
三维显示技术受到了国内外的广泛关注，从早期的立体电影到近期出现的立体电视、立体显示器等，都体现了人类对立体视觉的追求。按照工作原理，三维显示可以分为以下三大类：全息显示、体三维显示和视差立体显示。下面将分别介绍上述三种三维显示方式的工作原理并分析它们的优缺点。
早在1948年，为了提高电子显微镜的分辨本领，英籍匈牙利物理学家D.Gabor提出了全息原理，并开始了全息照相的研究工作。但由于汞灯光源的相干性较差，使全息图的质量受到很大的影响。这方面的工作直到1960年激光发明后才有突破性的进展。根据全息学的基本原理，全息技术可分为记录和再现两个相对独立的环节。
它是用干涉和衍射原理记录并再现物体真实3D图像的手段。它利用干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，形成“全息图”，全息图中包含了物光波前的振幅及位相信息。当用相干光源照射全息图时，基于衍射原理重现原始物光波，从而形成原物体逼真三维图像。
从发展过程来看，全息技术基本上可分为四代。第一代全息技术采用汞灯作为光源进行同轴记录。第二代全息技术采用激光作为记录和再现光源，并产生了离轴全息技术。第三代则是激光记录、白光再现的全息技术。第四代，用白光记录和白光再现全息图，这是全息技术发展的终极目标，但目前还无法实现。在记录材料方面，传统光学全息记录材料记录的全息图，后续处理十分繁琐。近年来随着技术的发展，新的全息记录材料虽然避免了传统全息记录中复杂的后续处理，但是仍然难以对记录对象进行精确的定量分析，从而限制了全息技术的实际应用。
近年来，随着计算机技术的发展和高分辨率电荷耦合成像器件(ChargeCouple Device，CCD)的出现，数字全息技术得到迅速发展。与传统全息不同的是，数字全息用CCD代替普通全息记录材料记录全息图，用计算机模拟取代光学衍射来实现物体再现，实现了全息图记录、存储、处理和再现过程的数字化。全息技术能提供更多的、成百上千的视图，带来如真实世界般的全视角感受，被认为是立体显示技术的最终解决方案。但现在全息技术仍然有其缺点：一是数字全息采用CCD记录相干光波，分辨率与全息干板是无法相提并论的，因此全息图分辨率难以达到很高的水平，从而影响图像清晰度；二是图像的色散问题使得难以做出一幅全彩色的立体图像；三是由于大量的像素点和庞大的数据处理量需求，无法实现实时显示；四是受空间调制器带宽积所限，全息技术再现的立体影像尺寸和观看范围还不够理想。因此预计该技术的发展将在基于视差原理的立体显示技术和体三维显示技术发展的数年之后。
随着显示技术的发展，人们对立体显示器提出了新的需求，要求其实现眼360°周视观看，图像悬浮且具有较好的人机交互性。这种显示器具有独特的优势，可以提供多组视差图，较好的还原物体原貌，且可多人同时观看，其图像悬浮可触摸，提高了观看者的观看乐趣。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供立体显示器基本架构，提供一种最佳选择的裸眼悬浮立体显示器。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
相较于现有技术，本发明提供的立体显示器基本架构，包括定向屏部分、连接部分和投影部分构成，定向屏部分由多个定向屏构成，通过连接部分与投影部分连接，投影部分包括底座和多个投影机。
一种立体显示器基本架构，包括定向屏部分、连接部分和投影部分构成，
所述定向屏部分包括定向屏支撑机构和多个定向屏，定向屏支撑机构由支撑架、定向屏外侧的定向屏压片、定向屏之间的连接板和定向屏下部拼接形成的下底面，下底面的下端连接有转轴，多个连接板之间通过连接板压片固定连接，所述支撑架是倾斜设置；
所述连接部分由多根连接条构成，连接条上端与所述转轴连接；
所述投影部分包括多个投影机和光阑，光阑与连接条连接，光阑为直筒状的光阑圈，光阑圈开孔处加一光阑挡板，其切割投影机光束的一面与投影机出瞳所在平面平行，所述投影机采用微型投影机，一侧有M的用于固定三脚架的螺孔，通过投影机架背面的孔来固定投影机，所述螺孔对应设置的第一螺钉和第二螺钉可以用来调节投影机的俯仰角度，在投影机装调过程中对投影机的俯仰角度进行调节，第一螺钉和第二螺钉用于投影机俯仰调节，将投影机俯仰角定义为投影机与水平方向的夹角，当第一螺钉向里拧，第二螺钉向外拧时，投影机俯仰角减小；当第一螺钉向外拧，第二螺钉向里拧时，投影机俯仰角增大。
优选地，将支撑架四面均开一个与定向屏形状相同，但尺寸稍小的框，四周用定向屏压片固定屏幕，所述支撑结构的上边设计为八边结构，八边结构中的连接板用相应的连接板压片。
优选地，上述光阑挡板上方孔宽度为26mm，长度不遮挡投影机光线即可。
优选地，上述显示器采用光阑与定向屏同步旋转的结构，使用四根连接条将其连为一体，达到同步旋转的目的。
本发明提供的立体显示器基本架构，改善其在高速旋转过程中的巨大空气阻力，优化了对光阑的设计，使用两个M3螺钉调节投影机的俯仰，结构简单，可调性好。
附图说明
图1为斗型定向屏支撑结构示意图；
图2为八边形定向屏支撑结构示意图；
图3为理想光阑结构示意图；
图4为观察带分布图；
图5为光阑圈上开梯形孔原理图；
图6为实际光阑结构示意图；
图7为光阑与定向屏同步旋转结构示意图；
图8为投影机架结构示意图；
图9为可调俯仰投影机架示意图；
图10为投影机与底架之间的连接板结构示意图；
图11为多微型投影机排列图。
附图标记：1-定向屏支撑机构；2-连接条；3-光阑；4-定向屏压片；5-定向屏；6-连接板压片；7-连接板；8-下底面；9-转轴；10-光阑挡板；11-光阑圈；12-第一螺钉；13-第二螺钉；14-M3螺纹孔；15-长孔。
具体实施方式
本发明提供一种立体显示器基本架构，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例公开的立体显示器基本架构，其具体为一种裸眼悬浮立体显示器，设计和制作的主要问题和解决方案如下：
显示器定向屏的作用是将投影机出瞳的像成像在指定的观察区域，根据此原理，一块定向屏就可以实现要求，电机旋转一圈，投影机可以投影一次图像。根据上述人眼视觉暂留的原理，当人眼位于其中一个投影机形成的观察带时，定向屏将投影机图像成像在人眼中，当光阑3转动到下一个投影机，此投影机形成的观察带消失，但由于人眼可保持其影像0.1-0.4秒左右，当电机转速足够快，在人眼保留的影像消失之前，再一次形成观察带，将图像投入人眼中，此时观察者将观察到静止的图像；但当电机转速较慢时，在下一次形成观察带前人眼保持的影像已经消失，此时观察者将观察到一闪一闪的图像，这种现象称为屏闪。因此为了彻底消除屏闪，电机需要足够高的转速。电影胶片的放映速度是每秒24帧，在此速度下不会产生屏闪，以此为基准，单个投影机需1s向定向屏投影24次，即电机需1s转动24转，也即需要的电机转速是1440rpm，如此高的电机转速将给显示器带来很多不利因素，高转速将带来巨大的震动和噪声，同时也增大了显示器的危险系数。由于显示器中存在多投影机，如果其长时间工作在高震动条件下，投影机的固定位置可能会发生移动，严重影响立体显示效果。
在保证不出现屏闪的前提下，为了降低电机转速，显示器采用多定向屏的结构，每增加一块定向屏，电机旋转一周，投影机就多投影一次。增加定向屏屏数可以大大降低电机转速，但是定向屏屏数太多，如果为了保证立体图像大小不变，则应保持单个定向屏尺寸不变，则其整个支撑结构变大，增大了转动惯量；如果为了保证支撑结构尺寸一定，则应该减小单个定向屏尺寸，则立体图像会减小。通过优化，显示器采用四定向屏结构，在有效消除屏闪的前提下，大大降低了电机的转速。
为了实现周视与图像悬浮，定向屏倾斜放置，为了降低电机转速和消除屏闪，显示器采用四屏结构，因此可用斗型支撑结构来安装定向屏，如图1所示。
在最大程度的增大屏幕的前提下，根据显示器原理及计算，屏幕设计具有一定的尺寸结构，为了将定向屏固定在定向屏支撑架的斜面上，将支撑架四面均开一个与定向屏形状相同，但尺寸稍小的框，四周用定向屏压片4固定屏幕。图1中所示结构由于存在明显的棱角，所以空气阻力较大，在转速较高的情况下，将会出现明显的空气噪声。为了减小高速转动过程中的空气阻力，需要将此支撑结构设计的更具流线型，将上边的四边结构改为八边结构，这样使的整个支撑结构更加圆润，流线型更强，空气阻力更小，如图2所示结构。其中八边结构中的连接板7用相应的连接板压片6连接，下底面8与转轴9相连，电机带动转轴9转动，即定向屏5由转轴9带动旋转。
为了消除图像间串扰，引入与定向屏同步旋转的光阑3，其只允许正对定向屏的投影机将图像投影到屏上。由于投影机出瞳位于其镜头处，为了尽可能的使投影在定向屏上的光束一致，光阑3应尽量靠近投影机的出瞳，由于投影机倾斜放置，光阑3孔径应平行投影机镜头，结构如图3所示。
图3所示的光阑3形状会带来加工上的难度且在显示器运行过程中其刚度无法保证，所以以直筒状的光阑圈11代替，为了具有如图3所示的理想光阑3的挡光效果，在光阑圈11开孔处加一光阑挡板10，其切割投影机光束的一面与投影机出瞳所在平面平行。为了使指定区域不同投影机所形成的观察带连续，如图4所示，对外加光阑挡板10所开方孔的大小有一定的要求，太大，相邻观察带将会重叠，影响立体显示效果；太小时，相邻观察带之间无法实现拼接，观察图像时，人眼需要去对准，给观察者带来极大的不便性。通过计算以及实验的确认，光阑挡板10上方孔宽度为26mm，长度不遮挡投影机光线即可。
根据结构要求，需要在光阑圈11对应光阑挡板10开孔处的位置开相应的孔，使投影机光束投影到定向屏上，不遮挡。由于投影机倾斜投影，所以投影到光阑圈11上的图像应该成梯形，如图5所示，为了使光阑圈11不遮挡光线，在光阑圈11上开梯形孔。图中，实线表示投影机投影光线，虚线表示投影到光阑圈11上图像形状，也即开孔的大小。
根据以上分析进行设计的实际光阑11结构如图6所示。由以上分析可知，为了使正对定向屏的投影机可以将图像投影到屏上，显示器采用光阑11与定向屏5同步旋转的结构，使用四根连接条2将其连为一体，达到同步旋转的目的，其结构如图7所示。微型投影机是立体图像的来源，需要设计合适的投影机架对投影机进行安装，根据投影机的外形尺寸及特点，投影机架如图8所示。所选投影机一侧有M6的用于固定三脚架的螺孔，通过投影机架背面的孔来固定投影机，且本投影机架设计有利于投影机散热。由以上分析计算可知，投影机出瞳间距是37.5mm，且出瞳位于投影机镜头处，投影机夹角为6°。根据投影机尺寸可知，水平放置投影机，出瞳间距远远大于37.5mm，所以投影机需竖直固定。同时投影机正对定向屏投影，所以其与竖直方向有一定的夹角，为了实现这一目的，设计一倾斜支撑架使投影机倾斜。为了具有更好的立体显示效果，希望投影机架具有较好的可调性，在投影机装调过程中对投影机的俯仰角度进行调节，提高图像的精确度，其调节机制如图9所示。其中第一螺钉12和第二螺钉13用于投影机俯仰调节，将投影机俯仰角定义为投影机与水平方向的夹角，当第一螺钉12向里拧，第二螺钉13向外拧时，投影机俯仰角减小；当第一螺钉12向外拧，第二螺钉13向里拧时，投影机俯仰角增大。为了使投影机与显示器的底架相连，需要一块连接板，如图10所示。由于投影机环绕转轴9排列，成弧形，所以连接板成弧形，其中M3螺纹孔14用于连接投影机，其位置由投影机架结构、相邻两投影机出瞳间距和投影机夹角决定；长孔15用于连接板和底架相连，使得投影机在前后方向上整体具有一定的可调性。多投影机排列图如图11所示。
本发明的立体显示器的基本架构可以先用常用的机械设计软件AutoCAD和SolidWorks进行设计生成工程图再进行制作。
本发明主要包括以下几个方面的设计并具有相应的特点，达到了相应的技术效果：
1.定向屏支撑结构设计，定向屏作为本显示器的成像元件，其安装的位置、倾斜角度的正确性在很大程度上决定了显示器的成像质量，所以在机械结构设计过程中，始终以设计原理与计算为依据，保证定向屏安装位置、倾斜角度的精确度。同时为了改善其在高速旋转过程中的巨大空气阻力，对定向屏支撑结构进行了优化设计。
2.光阑结构设计。为了消除相邻投影机之间图像的串扰，经过分析，加入光阑以实现这一目的。在保证光阑与定向屏同步旋转的前提下和现有机械加工水平的基础上，优化了对光阑的设计，很好的满足了设计要求。
3.微型投影机固定架结构设计。微型投影机作为立体图像的来源，其排列的位置、角度、间距等都关系着显示器的成像效果。为了使本显示器具有理想的立体显示效果，在结构设计过程中，不仅要尽量满足计算要求，同时要考虑到后期的调试环节，使投影机固定架具有较好的可调节性。本结构设计中，使用两个M3螺钉调节投影机的俯仰，结构简单，可调性好。
本发明提供的立体显示器基本架构，改善其在高速旋转过程中的巨大空气阻力，优化了对光阑的设计，使用两个M3螺钉调节投影机的俯仰，结构简单，可调性好。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种立体显示器基本架构，包括定向屏部分、连接部分和投影部分构成，其特征在于：所述定向屏部分由多个定向屏(5)构成，通过连接部分与投影部分连接，投影部分包括底座和多个投影机。
2.一种立体显示器基本架构，包括定向屏部分、连接部分和投影部分构成，其特征在于：
所述定向屏部分包括定向屏支撑机构(1)和多个定向屏(5)，定向屏支撑机构(1)由支撑架、定向屏(5)外侧的定向屏压片(4)、定向屏(5)之间的连接板(7)和定向屏(5)下部拼接形成的下底面(8)，下底面(8)的下端连接有转轴(9)，多个连接板(7)之间通过连接板压片(6)固定连接，所述支撑架是倾斜设置；
所述连接部分由多根连接条(2)构成，连接条(2)上端与所述转轴(9)连接；
所述投影部分包括多个投影机和光阑(3)，光阑(3)与连接条(2)连接，光阑(3)为直筒状的光阑圈(11)，光阑圈(11)开孔处加一光阑挡板(10)，其切割投影机光束的一面与投影机出瞳所在平面平行，所述投影机采用微型投影机，一侧有M6的用于固定三脚架的螺孔，通过投影机架背面的孔来固定投影机，所述螺孔对应设置的第一螺钉(12)和第二螺钉(13)可以用来调节投影机的俯仰角度，在投影机装调过程中对投影机的俯仰角度进行调节，第一螺钉(12)和第二螺钉(13)用于投影机俯仰调节，将投影机俯仰角定义为投影机与水平方向的夹角，当第一螺钉(12)向里拧，第二螺钉(13)向外拧时，投影机俯仰角减小；当第一螺钉(12)向外拧，第二螺钉(13)向里拧时，投影机俯仰角增大。
3.根据权利要求2所述的立体显示器基本架构，其特征在于：将支撑架四面均开一个与定向屏(5)形状相同，但尺寸稍小的框，四周用定向屏压片(4)固定屏幕，所述支撑结构的上边设计为八边结构，八边结构中的连接板用相应的连接板压片(6)。
4.根据权利要求2所述的立体显示器基本架构，其特征在于：所述光阑挡板(10)上方孔宽度为26mm，长度不遮挡投影机光线即可。
5.根据权利要求2所述的立体显示器基本架构，其特征在于：所述显示器采用光阑(11)与定向屏(5)同步旋转的结构，使用四根连接条(2)将其连为一体，达到同步旋转的目的。
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