CN104391424B - 一种全息立体投影装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息立体投影装置及方法，该装置包括：非线性晶体，非线性晶体包括多个子晶体区域；投影系统，投影系统用于产生多个一次投影图像，并将多个一次投影图像分别对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内，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第二次投影图像。通过上述方式，本发明能能够使用户不用佩戴其他装置，在各个方向上观察到逼真、清晰的三维全息图像。

Description

一种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全息立体投影装置及方法，能够使用户不用佩戴其他装置，在各个方向上观察到逼真、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：提供一种全息立体投影装置，该装置包括：非线性晶体，非线性晶体包括多个子晶体区域；投影系统，投影系统用于产生多个一次投影图像，并将多个一次投影图像分别对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内，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第二次投影图像。

其中，多个一次投影图像分别对应于目标物体的不同视角的图像。

其中，非线性晶体内部设置有反射元件，用于将各子晶体区域所产生的二次投影图像投影至不同角度。

其中，投影系统同时投影多个一次投影图像至非线性晶体的对应子晶体区域内。

其中，多个子晶体区域分别具有不同的波长转换性能，全息立体投影装置进一步设置有转动装置，转动装置用于非线性晶体和投影系统进行相对转动，以使每一一次投影图像在不同时刻依次投射至各子晶体区域内部，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。

其中，非线性晶体具有一中心轴线，多个子晶体区域绕中心轴线对称分布，投影系统具有一光轴，第二次投影图像绕光轴对称分布，中心轴线与光轴彼此重合设置。

其中，全息立体投影装置进一步包括第一曲面反射镜和第二曲面反射镜，非线性晶体设置于第一曲面反射镜和第二曲面反射镜的内部，投影装置设置于第一曲面反射镜和第二曲面反射镜的外部，且朝向第一曲面反射镜设置，第一曲面反射镜设置成透射一次投影图像且反射第二次投影图像，第二曲面反射镜设置成反射一次投影图像且透射第二次投影图像。

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，并根据交互动作将一次投影图像投射至不同的子晶体区域内。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种全息立体投影方法，该方法包括：将非线性晶体划分成多个子晶体区域；产生多个一次投影图像，并将一次投影图像分别对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内，以通过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第二次投影图像。

其中，多个一次投影图像分别对应于目标物体的不同视角的图像，或者多个子晶体区域分别具有不同的波长转换性能。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过投影系统产生多个一次投影图像，并将多个一次投影图像分别对应投影至非线性晶体的多个子晶体区域中的一子晶体区域内，各个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第二次投影图像，使得用户不用借助其他装置就能观察到具有三维全息立体效果的图像，并且具有多个子晶体区域的非线性晶体向各个方向投射图像，用户可以从不同的方向观察到三维全息立体图像，另外无需其他投影屏幕，使得显示的三维全息图像更加逼真、清晰。

附图说明

图1是本发明一种全息立体投影装置的第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明一种全息立体投影装置的第一实施方式中目标物体在不同视角的示意图；

图3是本发明一种全息立体投影装置的第一实施方式的子晶体区域与投影图像的对应关系示意图；

图4是本发明一种全息立体投影装置的第二实施方式的结构示意图；

图5是本发明一种全息立体投影装置的第三实施方式的结构示意图；

图6是本发明一种全息立体投影方法的第四实施方式的流程图。

具体实施方式

参阅图1，本发明一种全息立体投影装置的第一实施方式，该装置包括非线性晶体101和投影系统102；

其中，非线性晶体101包括多个子晶体区域；

投影系统102用于产生多个一次投影图像，并将多个一次投影图像分别对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内，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第二次投影图像。

非线性晶体101具有一中心轴线103，多个子晶体区域绕中心轴线103对称分布，投影系统102具有一光轴104，第二次投影图像绕光轴104对称分布，中心轴线103与光轴104彼此重合设置。

在本实施方式中，以将非线性晶体101分为四个子晶体区域、投影系统102产生四个一次投影图像为例，该四个子晶体区域分别为：第一子晶体区域1011、第二子晶体区域1012、第三子晶体区域1013及第四子晶体区域1014，四个一次投影图像分别为：第一一次投影图像、第二一次投影图像、第三一次投影图像及第四一次投影图像。

投影系统102可以是四台投影机(图未示)分别将第一一次投影图像、第二一次投影图像、第三一次投影图像及第四一次投影图像投射到第一子晶体区域1011、第二子晶体区域1012、第三子晶体区域1013及第四子晶体区域1014上，也可以是一台投影机分时依次将第一一次投影图像、第二一次投影图像、第三一次投影图像及第四一次投影图像投射到第一子晶体区域1011、第二子晶体区域1012、第三子晶体区域1013及第四子晶体区域1014上，另外，也可以是同一台投影机同时将第一一次投影图像、第二一次投影图像、第三一次投影图像及第四一次投影图像投射到第一子晶体区域1011、第二子晶体区域1012、第三子晶体区域1013及第四子晶体区域1014上。

其中，四个一次图像可以分别对应一个三维全息物体的各个部位，例如：第一一次投影图像对应三维全息物体的前部，第二一次投影图像对应三维全息物体的左边部位，第三一次投影图像对应三维全息物体的后部，第四一次投影图像对应三维全息物体的右边部位；或者四个一次投影图像分别对应同一个空间场景中不同的位置，例如一间房屋的前后左右四个位置的不同图像；当然，四个一次投影图像也可以是同一图像，但是四个一次投影图像的投射方向不同，因此可以供四个位于非线性晶体101四周不同方向的用户同时观看同一图像。

本实施方式中，投影系统102产生多个分别对应于目标物体的不同视角的一次投影图像(如图2所示)，并将多个分别对应于目标物体的不同视角一次投影图像分别同时对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内，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第二次投影图像，第二次图像再通过反射元件反射至人眼。

同时参阅图3，图3中101为非线性晶体的俯视图，以第一子晶体区域1011为例，第一子晶体区域1011内设置有第一反射元件1015，投影系统102产生四个一次投影图像并将对应于目标物体不同视角的一次投影图像投影至各子晶体区域内，其中，第一一次投影图像105投影至第一子晶体区域1011内，第一子晶体区域1011将该第一一次投影图像105转化成第一二次投影图像106，第一二次投影图像经过第一反射元件1015反射出去，投影至位于目标物体正面的观看者人眼；其他子晶体区域同理，这里不再赘述。

本实施方式将非线性晶体101分为四个子晶体区域，仅为举例，并非限制本实施方式的范围，并且应当可以预想，子晶体区域的数量越多，投影系统102产生的不同视角的图像越多，观看者在不同位置看到的图像就越逼真。

区别于现有技术，本实施方式通过投影系统产生多个分别对应于目标物体不同视角的一次投影图像，并将多个一次投影图像分别同时对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内，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第二次投影图像，子晶体区域内的反射元件再将第二次投影图像反射至人眼，能够将目标物体不同视角的图像通过不同的子晶体区域同时向不同的方向呈现，观看者在位于投影装置的不同方向的不同位置会观看到目标物体不同视角的画面，使得三维立体全息图像在不同的方向显示目标物体的不同视角，用户可以从不同的方向观察到三维全息立体图像，另外无需其他投影屏幕，使得显示的三维全息图像更加逼真、清晰。

参阅图4，本发明一种全息立体投影装置的第二实施方式，该装置包括非线性晶体401、投影系统402和转动装置403；

其中，转动装置403连接非线性晶体401，用于控制非线性晶体401和投影系统402进行相对转动，以使每一一次投影图像在不同时刻依次投射至各子晶体区域内部；

在本实施方式中，将非线性晶体401分为三个子晶体区域：第一子晶体区域4011、第二子晶体区域4012及第三子晶体区域4013，三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402在不同时刻依次将代表红、绿、蓝三基色的一次图像投射出去，在第一时刻，将代表红色的一次图像投射至第一子晶体区域4011，在第二时刻，将代表绿色的一次图像投射至第二子晶体区域4012，在第三时刻，将代表蓝色的一次图像投射至第三子晶体区域4013；每个子晶体区域依次将各自的一次图像转化为不同基色的二次图像，当非线性晶体401在转动装置403的控制下转动时，在某个方向就会看到红、绿、蓝三基色的二次图像依次不停的转变，当非线性晶体401的转速足够高时，由于视觉惰性，观看者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，本实施方式通过将非线性晶体分位以中心轴线对称的多个子晶体区域，并由转动装置控制该非线性晶体围绕中心轴线转动，投影系统将代表不同基色的一次图像在不同时刻依次投射至各个子晶体区域内部，进而由各个子晶体区域分别形成不同基色的二次投影图像，某一子晶体区域转到一特定位置时，投射出代表某一基色的图像，另一子晶体区域转到该特定位置时，投射出代表另一基色的图像，当非线性晶体在特定速度下转动时，不同基色的二次投影图像就会融合形成彩色的三维全息图像，使得三维全息图像的显示更加立体，逼真。

参阅图5，本发明一种全息立体投影装置的第三实施方式，该装置包括非线性晶体501、投影系统502、第一曲面反射镜503、第二曲面反射镜504、传感器505及控制装置506；

其中，非线性晶体501设置于第一曲面反射镜503和第二曲面反射镜504的内部，投影系统502设置于第一曲面反射镜503和第二曲面反射镜504的外部，且朝向第一曲面反射镜503设置，第一曲面反射镜503设置成透射一次投影图像且反射第二次投影图像，第二曲面反射镜504设置成反射一次投影图像且透射第二次投影图像。

其中，传感器506连接传感器505及投影系统502，用于检测用户的交互动作，并根据交互动作将一次投影图像投射至不同的子晶体区域内。

当投影系统502产生一次图像并投射出去时，由于第一曲面反射镜503透射一次图像，第二曲面反射镜504反射一次图像，则一次图像穿过第一曲面反射镜进入非线性晶体501的各个子晶体区域，经过非线性晶体501的各个子晶体区域的转化成为二次图像，二次图像在第一曲面反射镜503的反射作用和第二曲面反射镜504的透射作用下到达该投影装置如图5所示的上方，形成三维全息图像。

另外，传感器505监控三维全息图像显示区域里或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506控制摄像系统502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505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。

例如，当用户位于该投影装置的左方时，传感器505则感知用户基于投影装置的方向，并通过控制装置506控制投影系统502将一次图像投射至与用户方向相对应的子晶体区域，当用户位置改变时，投影系统502会根据用户位置的改变而将一次图像投射到不同的子晶体区域。

区别于现有技术，本实施方式通过将非线性晶体设置于第一曲面反射镜与第二曲面反射镜之间，使得光线的利用率更高，显示的图像更加清晰逼真；另外通过传感器感知用户的位置与动作来判断用户的意图，控制摄像系统将一次图像投射至不同的子晶体区域，使得投影装置能根据用户的不同方位向不同的方向显示三维立体图像，实现了人机交互，更加考虑到用户的体验。

参阅图6，本发明一种全息立体投影方法的第四实施方式，该方法包括以下步骤：

步骤601：将非线性晶体划分成多个子晶体区域；

分成子晶体的数量可以根据投影系统的一次图像而定，如果多个一次图像分别对应目标物体的各个视角或者各个部位，则将非线性晶体分为与一次图像数量相同的子晶体区域；如果多个一次图像是同一图像的不同基色的子图像，则将非线性晶体分为与子图像数量相同并且具有与不同基色想对应波长转换性能的子晶体区域。

步骤602：产生多个一次投影图像；

一次图像可以是分别对应目标物体的各个视角或者各个部位，也可以是同一图像的不同基色子图像。

步骤603：将一次投影图像分别对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内；

将对应于目标物体不同视角或者部位的各个一次图像分别投影至与之对应的子晶体区域，或者将对应于同一图像不同基色的一次图像分别投影至与之基色对应的子晶体区域。

步骤604：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第二次投影图像。

如果上述投影系统产生的是同一图像的不同基色的子图像，则非线性晶体应当围绕中心轴线高速转动，用户才能看见有多个基色组合的彩色三维立体全息图像。

本实施方式是基于前述各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，本实施方式通过将非线性晶体划分成多个子晶体区域，产生多个一次投影图像，并将一次投影图像分别对应投影至多个子晶体区域中的一子晶体区域内，以通过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第二次投影图像，能够将目标物体不同视角的图像通过不同的子晶体区域同时向不同的方向呈现，观看者在位于投影装置的不同方向的不同位置会观看到目标物体不同视角的画面，使得三维立体全息图像在不同的方向显示目标物体的不同视角，用户可以从不同的方向观察到三维全息立体图像，另外无需其他投影屏幕，使得显示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 (9)

1.一种全息立体投影装置，其特征在于，所述装置包括：

非线性晶体，所述非线性晶体包括多个子晶体区域；

投影系统，所述投影系统用于产生多个一次投影图像，并将所述多个一次投影图像分别对应投影至所述多个子晶体区域中的一子晶体区域内，所述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第二次投影图像；

所述全息立体投影装置进一步包括第一曲面反射镜和第二曲面反射镜，所述非线性晶体设置于所述第一曲面反射镜和第二曲面反射镜的内部，所述投影系统设置于所述第一曲面反射镜和第二曲面反射镜的外部，且朝向所述第一曲面反射镜设置，所述第一曲面反射镜设置成透射所述一次投影图像且反射所述第二次投影图像，所述第二曲面反射镜设置成反射所述一次投影图像且透射所述第二次投影图像。

2.如权利要求1所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述多个一次投影图像分别对应于目标物体的不同视角的图像。

3.如权利要求2所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述非线性晶体内部设置有反射元件，用于将各所述子晶体区域所产生的二次投影图像投影至不同角度。

4.如权利要求2所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述投影系统同时投影所述多个一次投影图像至所述非线性晶体的对应子晶体区域内。

5.如权利要求1所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述多个子晶体区域分别具有不同的波长转换性能，所述全息立体投影装置进一步设置有转动装置，所述转动装置用于所述非线性晶体和所述投影系统进行相对转动，以使每一所述一次投影图像在不同时刻依次投射至各所述子晶体区域内部，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。

6.如权利要求1所述的全息立体投影装置，其特征在于，所述非线性晶体具有一中心轴线，所述多个子晶体区域绕所述中心轴线对称分布，所述投影系统具有一光轴，所述第二次投影图像绕所述光轴对称分布，所述中心轴线与所述光轴彼此重合设置。

7.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，并根据所述交互动作将所述一次投影图像投射至不同的所述子晶体区域内。

8.一种全息立体投影方法，其特征在于，所述方法运用于如权利要求1-7任意一项所述的全息立体投影装置，所述全息立体投影装置包括第一曲面发射镜和第二曲面反射镜，所述非线性晶体设置于所述第一曲面发射镜和第二曲面反射镜的内部，所述投射系统设置于所述第一曲面反射镜和第二曲面发射镜的外部，且朝向所述第一曲面反射镜设置，所述第一曲面反射镜设置成透射所述一次投影图像且反射所述第二次投影图像，所述第二曲面反射镜设置成反射所述一次投影图像且透射所述第二次投影图像；

所述方法包括：

将非线性晶体划分成多个子晶体区域；

产生多个一次投影图像，并将所述一次投影图像分别对应投影至所述多个子晶体区域中的一子晶体区域内，以通过所述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第二次投影图像。

9.如权利要求8所述的全息立体投影方法，其特征在于，所述多个一次投影图像分别对应于目标物体的不同视角的图像，或者所述多个子晶体区域分别具有不同的波长转换性能。