CN104391423B - 一种基于非线性晶体的全息立体投影装置及方法 - Google Patents

一种基于非线性晶体的全息立体投影装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性晶体的全息立体投影装置及方法，该装置包括：眼镜，眼镜的预定区域设置有非线性晶体；投影系统，投影系统用于产生一次投影图像，并将一次投影图像投影至非线性晶体内，非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜的用户的眼睛。通过上述方式，本发明能够使用户在佩戴该装置的情况下，无论头部怎样移动，均能逼真、清晰地观看到三维全息图像。

Description

一种基于非线性晶体的全息立体投影装置及方法
技术领域
本发明涉及投影领域，特别是涉及一种基于非线性晶体的全息立体投影装置及方法。
背景技术
三维(3D)显示投影技术正不断的发展，而且应用于各个领域，比如教育、医疗、生物科学等等。
但是传统的3D显示投影技术通常需要观看者佩戴相关的观看设备，如眼镜、头盔、护目镜或其他辅助工具，例如我们在观看3D电影时，必须要佩戴上专门的3D眼镜，才能看到有立体效果的画面。
而现有的裸眼3D技术基本分为视差显示和空间显示，视差显示观看者往往只能在正面看到单个方向的3D图像，而在其他方向则不能看见，空间显示则是将图像投影到一个无形的表面，该表面就会像一层薄纱将投影至其上的图像反射至不同方向。这种方式容易导致投影图像的质量下降，图像不清晰。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于非线性晶体的全息立体投影装置及方法，能够使用户在佩戴该装置的情况下，无论头部怎样移动，都能看到逼真、清晰的三维全息图像。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种一种全息立体投影装置，该装置包括：眼镜，眼镜的预定区域设置有非线性晶体；投影系统，投影系统用于产生一次投影图像，并将一次投影图像投影至非线性晶体内，非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜的用户的眼睛。
其中，一次投影图像为非可见光图像，二次图像为可见光图像。
其中，一次投影图像为红外光图像。
其中，非线性晶体包括具有不同波长转换性能的多个子晶体区域，投影系统用于产生多个一次投影图像，并分别将每一一次投影图像投影到对应的子晶体区域，进而由各子晶体区域分别形成不同基色的第二次投影图像，不同基色的第二次投影图像进一步合成彩色图像。
其中，眼镜在非线性晶体以外的其他区域进一步设置有用于反射一次投影图像的相同波长光线的第一反射涂层。
其中，投影系统与眼镜分离设置，全息立体投影装置进一步包括用于根据反射涂层所反射的光线跟踪眼镜的跟踪系统以及用于传动投影系统，以跟踪眼镜的运动位置将一次投影图像投影至非线性晶体内的传动系统。
其中，投影系统设置于眼镜上。
其中，全息立体投影装置进一步设置有传感器和控制装置，传感器用于检测用户的交互动作，控制装置根据交互动作切换一次投影图像。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种一种基于非线性晶体的全息立体投影方法，该方法包括：在眼镜的预定区域设置有非线性晶体；产生一次投影图像，并将一次投影图像投影至非线性晶体内，进而由非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜的用户的眼睛。
其中，在眼镜的预定区域设置有非线性晶体的步骤包括：在非线性晶体内设置具有不同波长转换性能的多个子晶体区域；产生一次投影图像，并将一次投影图像投影至非线性晶体内的步骤包括：产生多个一次投影图像，并分别将每一一次投影图像投影到对应的子晶体区域，进而由各子晶体区域分别形成不同基色的第二次投影图像，不同基色的第二次投影图像进一步合成彩色图像。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过在眼镜的预定区域设置非线性晶体，投影系统产生一次图像并将一次图像投影至非线性晶体，非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜的用户的眼睛。由于非线性晶体设置于眼睛上，能跟着用户的头部运动而改变投影的位置，使投影画面准确的进入用户的眼睛，并且无需其他投影屏幕，使用户观看到的三维全息图像更加逼真、清晰。
附图说明
图1是本发明基于非线性晶体的全息立体投影装置第一实施方式的结构示意图；
图2是本发明第一实施方式中投影图像与非线性晶体的对应关系示意图；
图3是本发明基于非线性晶体的全息立体投影装置第二实施方式的结构示意图；
图4是本发明基于非线性晶体的全息立体投影装置第三实施方式的结构示意图；
图5是本发明基于非线性晶体的全息立体投影方法第四实施方式的流程图；
图6是本发明基于非线性晶体的全息立体投影方法第五实施方式的流程图。
具体实施方式
参阅图1，本发明基于非线性晶体的全息立体投影装置的第一实施方式，该装置包括：眼镜101及投影系统102；
其中，眼镜101的预定区域设置有非线性晶体103；
该投影系统102用于产生一次投影图像，并将一次投影图像投影至非线性晶体103内，非线性晶体103将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜101的用户的眼睛(未标示)。
投影系统102设置于眼镜101上，在本实施方式中，投影系统102设置于眼镜101的中央，用以在产生一次投影图像后，投影至非线性晶体103；在其他实施方式中，投影系统102可以是安装在眼镜101的其他位置或者不安装在眼镜101上。
另外，在本实施方式中，一次投影图像为红外光图像，二次投影图像为可见光图像；在其他实施方式中，一次投影图像也可以是其他非可见光图像。
具体地，参阅图2，投影系统102产生一次投影图像104后，将该一次图像104投影至非线性晶体103的内部，非线性晶体103将一次图像104经过波长变化转换方式转换成二次投影图像105，并将该二次投影图像205投射至佩戴眼镜的用户的眼镜。
在其他实施方式中，非线性晶体103可以是分开两个独立的晶体，第一非线性晶体和第二非线性晶体，分别用以对应用户的左右眼；即投影系统102、第一非线性晶体和左眼呈一条直线，投影系统102、第二非线性晶体和右眼呈一条直线；或者将非线性晶体103分为两个结合在一起的子晶体区域，第一子晶体区域和第二子晶体区域，一次图像投影至非线性晶体103后通过两个子晶体区域的波长变化分别投影至用户的左右眼；其中，第一非线性晶体和第二非线性晶体，或者第一子晶体区域和第二子晶体区域，可以是波长转化性能相同的，即两个二次图像的波长相同，也可以是波长转化性能不同的，即两个二次图像的波长不相同；另外，也可以是将两个不同的一次图像分别投影至两个非线性晶体或者两个子晶体区域。
区别于现有技术，本实施方式通过在眼镜的预定区域设置非线性晶体，投影系统产生一次图像并将一次图像投影至非线性晶体，非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜的用户的眼睛。由于非线性晶体设置于眼睛上，能跟着用户的头部运动而改变投影的位置，使投影画面准确的进入用户的眼睛，并且无需其他投影屏幕，使用户观看到的三维全息图像更加逼真、清晰。
参阅图3，本发明基于非线性晶体的全息立体投影装置第二实施方式，该装置包括：眼镜301及投影系统302；
其中，眼镜301的预定区域设置有非线性晶体303；非线性晶体303包括具有不同波长转换性能的多个子晶体区域，投影系统用于产生多个一次投影图像，并分别将每一一次投影图像投影到对应的子晶体区域，进而由各子晶体区域分别形成不同基色的第二次投影图像，不同基色的第二次投影图像进一步合成彩色图像。
如图3(b)所示，图3(b)是图3(a)中非线性晶体的截面示意图，在本实施方式中，将非线性晶体303分为三个子晶体区域：第一子晶体区域3031、第二子晶体区域3032及第三子晶体区域3033，三个子晶体区域具有不同的波长转化性能；
以红、绿、蓝三基色为例，投影系统302同时将一次图像分别投射至不同的子晶体区域，不同的子晶体区域具有不同的波长转化性能，即第一子晶体区域3031将一次图像转化成红色的二次图像，第二子晶体区域3032将一次图像转化成绿色的二次图像，第三子晶体区域3033将一次图像转化成蓝色的二次图像；每个子晶体区域将各自的一次图像转化为不同基色的二次图像，不同基色的二次图像在空间合成，观看者就会看到彩色的二次图像。
另外，投影系统302也可以分时分别投影一次图像至同一位置，非线性晶体302则围绕中心轴线告诉旋转，旋转速度与投影系统302的切换一次图像的速度向匹配，即当转到第一子晶体3031区域时，第一子晶体区域3031将一次图像转化成红色的二次图像并投影至人眼，以此类推，当旋转速度达到一定程度时，由于视觉惰性，用户就会看到彩色的二次图像。
另外，本实施方式不仅限于红、绿、蓝三基色，为了达到特殊的视觉效果或者显示特殊的图像，也可以采用其他基色。
区别于现有技术，本实施方式通过将设置于眼镜上的非线性晶体分为多个子晶体区域，投影系统将一次图像分别投影至具有不同波长转化性能的子晶体区域，多个子晶体区域进而将一次图像转化成不同基色的二次图像，不同基色的二次图像混合形成彩色图像。由于非线性晶体设置于眼睛上，能跟着用户的头部运动而改变投影的位置，使投影画面准确的进入用户的眼睛，并且无需其他投影屏幕，使用户观看到的三维全息图像更加逼真、清晰。
参阅图4，本发明基于非线性晶体的全息立体投影装置第三实施方式，该装置包括：眼镜401及投影系统402；
眼镜401上设置非线性晶体403，投影系统402与眼镜401分离设置，用于产生一次投影图像，并将一次投影图像投影至非线性晶体403内，非线性晶体403将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜401的用户的眼睛。
其中，眼镜401在非线性晶体403以外的其他区域进一步设置有用于反射一次投影图像的相同波长光线的第一反射涂层(图未示)，该第一反射涂层可以涂在眼镜401的镜框上或其他不影响投影的地方；投影系统402进一步包括跟踪系统(图未示)和传动系统(图未示)；
跟踪系统用于根据反射涂层所反射的光线跟踪眼镜401；传动系统用于传动投影系统402，以跟踪眼镜401的运动位置将一次投影图像投影至非线性晶体403内。
具体地，投影系统402可以先大面积的投射一次图像，然后通过获取经过第一反射涂层反射的一次图像获取眼镜401的精确位置，然后通过跟踪系统跟踪眼镜401的运动轨迹，再通过传动系统控制投影系统402将一次图像精准的投影至设置于眼镜401上的非线性晶体403。
在本实施方式中，全息立体投影装置还包括传感器404和控制装置405；
传感器404用于检测用户的交互动作，控制装置405根据交互动作控制投影系统402切换一次投影图像。
另外，传感器404监控用户操作区域里的用户操作动作，感知用户的意图，获取操作指令，从而通过控制装置405控制摄像系统402将一次图像投射至不同的子晶体区域或者控制三维全息图像的其他变化；传感器404可以是光敏、红外、声波或其他能判断用户位置及动作的传感器。
区别于现有技术，本实施方式通过在眼镜上设置第一反射涂层用于反射一次图像，将投影系统设置于眼镜外便于接收一次图像，从而能够判断眼镜的运动轨迹以将一次图像精准的投影至眼睛上的非线性晶体，使得用户观看到的三维全息图像更加精确、清晰和逼真，另外，通过增加传感器和控制装置检测用户的动作，实现了用户与三维图像的交互，更加增加了用户体验，方便用户操作。
参阅图5，本发明基于非线性晶体的全息立体投影方法第四实施方式，该方法包括：
步骤501：在眼镜的预定区域设置非线性晶体；
步骤502：产生一次投影图像；
步骤503：将一次投影图像投影至非线性晶体内；
步骤504：非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像；
步骤505：将二次投影图像投影至用户的眼镜。
本实施方式是基于前述全息立体投影装置的一种方法，其实施方式基本相同，这里不再赘述。
区别于现有技术，本实施方式通过在眼镜的预定区域设置非线性晶体，投影系统产生一次图像并将一次图像投影至非线性晶体，非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，第二次投影图像进一步投射至佩戴眼镜的用户的眼睛。由于非线性晶体设置于眼睛上，能跟着用户的头部运动而改变投影的位置，使投影画面准确的进入用户的眼睛，并且无需其他投影屏幕，使用户观看到的三维全息图像更加逼真、清晰。
参阅图6，本发明基于非线性晶体的全息立体投影方法第五实施方式，该方法包括：
步骤601：在眼镜的预定区域设置具有不同波长转换性能的多个子晶体区域非线性晶体；
步骤602：产生多个一次投影图像；
步骤603：将每个一次投影图像投影至非线性晶体的不同子晶体区域内；
步骤604：各子晶体区域将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成不同基色的第二次投影图像；
步骤605：不同基色的二次图像合成为彩色图像并投影至人眼。
本实施方式是基于前述全息立体投影装置的一种方法，其实施方式基本相同，这里不再赘述。
区别于现有技术，本实施方式通过将设置于眼镜上的非线性晶体分为多个子晶体区域，投影系统将一次图像分别投影至具有不同波长转化性能的子晶体区域，多个子晶体区域进而将一次图像转化成不同基色的二次图像，不同基色的二次图像混合形成彩色图像。由于非线性晶体设置于眼睛上，能跟着用户的头部运动而改变投影的位置，使投影画面准确的进入用户的眼睛，并且无需其他投影屏幕，使用户观看到的三维全息图像更加逼真、清晰。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于非线性晶体的全息立体投影装置，其特征在于，所述装置包括：
眼镜，所述眼镜的预定区域设置有非线性晶体；
投影系统，所述投影系统用于产生一次投影图像，并将所述一次投影图像投影至所述非线性晶体内，所述非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，所述第二次投影图像进一步投射至佩戴所述眼镜的用户的眼睛；
所述眼镜在所述非线性晶体以外的其他区域进一步设置有用于反射所述一次投影图像的相同波长光线的第一反射涂层；
所述投影系统与所述眼镜分离设置，所述全息立体投影装置进一步包括用于根据所述反射涂层所反射的光线跟踪所述眼镜的跟踪系统以及用于传动所述投影系统，以跟踪所述眼镜的运动位置将所述一次投影图像投影至所述非线性晶体内的传动系统；或者，所述投影系统设置于所述眼镜上。
2.如权利要求1所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述一次投影图像为非可见光图像，所述二次图像为可见光图像。
3.如权利要求2所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述一次投影图像为红外光图像。
4.如权利要求1所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述非线性晶体包括具有不同波长转换性能的多个子晶体区域，所述投影系统用于产生多个一次投影图像，并分别将每一所述一次投影图像投影到对应的所述子晶体区域，进而由各所述子晶体区域分别形成不同基色的所述第二次投影图像，不同基色的所述第二次投影图像进一步合成彩色图像。
5.如权利要求1所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述全息立体投影装置进一步设置有传感器和控制装置，所述传感器用于检测用户的交互动作，所述控制装置根据所述交互动作切换所述一次投影图像。
6.一种基于非线性晶体的全息立体投影方法，其特征在于，所述方法包括：
在眼镜的预定区域设置有非线性晶体；
投影系统产生一次投影图像，并将所述一次投影图像投影至所述非线性晶体内，进而由所述非线性晶体将投影至其内部的一次投影图像通过波长转换方式转换成第二次投影图像，所述第二次投影图像进一步投射至佩戴所述眼镜的用户的眼睛；
所述眼镜在所述非线性晶体以外的其他区域进一步设置有用于反射所述一次投影图像的相同波长光线的第一反射涂层；
所述投影系统与所述眼镜分离设置，所述全息立体投影装置进一步包括用于根据所述反射涂层所反射的光线跟踪所述眼镜的跟踪系统以及用于传动所述投影系统，以跟踪所述眼镜的运动位置将所述一次投影图像投影至所述非线性晶体内的传动系统；或者，所述投影系统设置于所述眼镜上。
7.如权利要求6所述的全息立体投影方法，其特征在于，所述在眼镜的预定区域设置有非线性晶体的步骤包括：
在所述非线性晶体内设置具有不同波长转换性能的多个子晶体区域；
所述产生一次投影图像，并将所述一次投影图像投影至所述非线性晶体内的步骤包括：
产生多个一次投影图像，并分别将每一所述一次投影图像投影到对应的所述子晶体区域，进而由各所述子晶体区域分别形成不同基色的所述第二次投影图像，不同基色的所述第二次投影图像进一步合成彩色图像。
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