CN104536254A - 一种裸眼立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种裸眼立体显示装置，包括定向屏、投影机及旋转电机，其中，所述定向屏由菲涅尔透镜和光栅组成，所述投影机正对定向屏投射图像，旋转电机驱动定向屏绕定向屏外一垂直旋转轴进行旋转，所述定向屏倾斜放置使图像画面形成负视差。所述裸眼立体显示装置，一方面通过将定向屏倾斜设置，使图像画面形成负视差，在定向屏前方形成图像，实现了图像悬浮可触摸，实现良好的人机互动性。并且可以由定向屏提供多组视差图，较好的还原物体原貌，另一方面则由旋转电机带动定向屏旋转实现了图像画面的可周视化，使多人同时观看。

Description

一种裸眼立体显示装置

技术领域

本发明涉及立体显示领域，尤其涉及一种裸眼立体显示装置。

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，现有的三维显示技术可以分为全息显示、体三维显示和视差立体显示三大类。

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(Charge Couple 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。因此全息技术暂时还无法成熟的应用于大规模实践当中。

而基于视差原理的立体显示技术及体三维显示技术是现有比较成熟的三维显示技术。但上述两种立体显示技术都存在无法同时实现360°周视观看、图像悬浮以及具备良好人机交互性。

因此，现有技术还有待发展。

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一种裸眼立体显示装置，旨在解决现有三维显示器无法同时实现360°周视观看、图像悬浮以及具备良好人机交互性的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种裸眼立体显示装置，包括定向屏、投影机及旋转电机，其中，所述定向屏由菲涅尔透镜和光栅组成，所述投影机正对定向屏投射图像，旋转电机驱动定向屏绕定向屏外一垂直旋转轴进行旋转，所述定向屏倾斜放置使图像画面形成负视差。

所述的裸眼立体显示装置，其中，所述定向屏前设置一防护玻璃。

所述的裸眼立体显示装置，其中，所述倾斜放置的定向屏与所述垂直旋转轴形成一60度的锐角夹角。

所述的裸眼立体显示装置，其中，所述立体显示装置还包括一光阑，所述光阑与定向屏同步旋转以遮挡非正对定向屏投影机投射的图像。

所述的裸眼立体显示装置，其中，所述定向屏设置为多个，多个定向屏绕旋转轴围成一圈，由旋转电机驱动绕所述旋转轴进行旋转。

所述的裸眼立体显示装置，其中，所述定向屏设置为4个。

所述的裸眼立体显示装置，其中，所述旋转电机的转速为360转/每分钟。

所述的裸眼立体显示装置，其中，所述投影机为白光微型投影机。

有益效果：本发明提供的裸眼立体显示装置，一方面通过将定向屏倾斜设置，使图像画面形成负视差，在定向屏前方形成图像，实现了图像悬浮可触摸，实现良好的人机互动性。并且可以由定向屏提供多组视差图，较好的还原物体原貌，另一方面则由旋转电机带动定向屏旋转实现了图像画面的可周视化，使多人同时观看。

附图说明

图1为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置立体结构示意图。

图2a为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置的定向屏倾斜角度较大的横截面结构示意图。

图2b为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置的定向屏倾斜角度较小横截面结构示意图。

图2c为本发明较佳具体实施例的裸眼立体显示装置的定向屏倾斜角度为30°的横截面结构示意图。

图3为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置未增设光阑的结构示意图。

图4为本发明较佳具体实施例的裸眼立体显示装置增设光阑的结构示意图。

图5a为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置使用RGB微型投影机时投影红色时的示意图。

图5b为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置使用RGB微型投影机时投影绿色时的示意图。

图5c为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置使用RGB微型投影机时投影蓝色时的示意图。

图5d为本发明具体实施例的裸眼立体显示装置使用RGB微型投影机时投影图像整合示意图。

具体实施方式

本发明提供一种裸眼立体显示装置。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。

如图1所示，为本发明裸眼立体显示装置的具体实施例。所述裸眼立体显示装置包括：定向屏100、投影机200及旋转电机300。

所述定向屏100由菲涅尔透镜和光栅组成，具体的，可以由两片菲涅尔透镜和一片光栅组成。所述投影机200正对定向屏100垂直投影。当投影机200向定向屏投影图像时，由于观众两眼对光栅10的观察角度不同，因而两眼会看到两个不同的图像，从而产生具有立体感的图像画面20。较佳的是，投影机输出的是一组序列图像，根据观众观察的位置不同，只要同时看到这个序列中的两副图像，即可感受到三维立体效果。

旋转电机300驱动定向屏绕定向屏外一垂直旋转轴400进行旋转。定向屏旋转到某一角度时，则由相应的投影机将画面投影在定向屏100上。当定向屏以较高的速度旋转时，即可实现立体图像画面的可周视观看。

所述定向屏倾斜一定角度放置，使图像画面形成负视差。亦即令右眼的图像显示在左眼的之前，立体图像画面20显示在定向屏100的前方，从而使图像出屏，呈现悬浮状态，使观察者可实现用手触摸图像。具体立体图像画面与定向屏100的距离由定向屏100倾斜的角度所决定。

较佳的是，所述定向屏100前设置一防护玻璃。由于存在着不停旋转的定向屏100，在屏幕上方放置一块保护玻璃，可以有效的提高安全性，另外，还可以把保护玻璃作为图像的参考平面，为实现立体显示图像悬浮可触摸的效果，可以将图像画面保持在保护玻璃的前方。

如上所述，定向屏100倾斜设置的目的在于实现图像悬浮。其倾斜角度决定了显示器角分辨率、图像大小与图像悬浮高度等具体参数。如图2（a）所示，当α（根据图中几何关系可知，所述倾斜放置的定向屏100与所述垂直旋转轴400形成的锐角夹角与α互余）太大时，显示的立体图像120太小且一部分图像会沉到防护玻璃110之下，图像不是完全的可触摸，达不到理想的显示效果。如图2 (b) 所示，当α太小，观察位置则太靠近垂直转轴400。此时观察者不得不在靠近显示器中央弯腰观看图像120，这样给观察者观看图像时带来了极大的不便和不舒适性，同时α太小还会导致投影机排列周长的减小，使投影机200之间间距减少，增大了结构排布的难度，从而不得不减少投影机数量，降低显示器角分辨率，会使观看图像时产生跳跃感。只有当α大小合适，等于30°（即所述倾斜放置的定向屏100与所述垂直旋转轴400形成的锐角夹角为60°）时，如图2 (c)所示，既可以获得悬浮在保护玻璃110之上的理想立体图像120也可以带给观察者舒适的观看感受，可获得最佳的观看效果和观看舒适性，达到立体显示装置的设计要求。

在对定向屏的倾斜角度进行优化后，显示器可实现周视观看，且图像悬浮于保护玻璃之上，观察者可用手触摸图像，增强显示装置的人机互动性。

当在对高速旋转的定向屏投影过程中，假如不对投影机做任何处理，定向屏正对其中一个投影机的时候，正对的投影机将图像投向定向屏，但同时两侧的投影机也将部分图像投影到定向屏上，造成图像之间的串扰，严重影响立体显示效果。如图3所示，投影机2正对定向屏，将图像投影到屏上，同时投影机1和3将部分图像投影到定向屏上，这样造成了图像之间的串扰。

较佳的，如图4所示，所述立体显示装置还包括一光阑600，所述光阑600与定向屏同步旋转。当定向屏正对投影机 2 的时候，只有投影机 2 的图像能投影到定向屏上，投影机 1 和 3 上的光束均被遮挡；当定向屏正对投影机 1 时，投影机 2 和 3 图像均被遮挡。上述方法可以有效的消除图像之间的串扰，原理简单，无需采用电机旋转与投影机点亮时序精确同步等复杂操作，易于实现。

更具体的，所述定向屏设置100为多个，多个定向屏绕旋转轴围成一圈，由旋转电机驱动绕所述旋转轴进行旋转。

基于人眼的视觉暂留原理，以现有每秒24帧的电影播放速度为标准，旋转电机转速n与定向屏数量x之间可通过如下算式表示：

旋转电机的高转速将带来巨大的震动和噪声，同时也增大了整体显示装置的危险系数。由于显示装置中存在多投影机，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。而依据上述算式，可以通过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。

因此，为保证装置整体运行的稳定性及显示效果，较佳的，可以将定向屏设置为4个，即可保证装置运行的稳定及优秀的立体显示效果，相对应地，所述旋转电机的转速可以设置为360转/每分钟。当然，若采用不同的帧率标准，旋转电机的转速与定向屏数量之间的相互关系也会随之发生改变，可以依据实际情况，确定定向屏为4个的情况下，确定旋转电机的具体转速，或者依据旋转电机的最佳转速360转/每分钟确定定向屏的具体数量。

更佳的是，所述投影机为白光微型投影机。为了实现周视，显示装置需要采用多投影机，使用微型投影机可以减小排列间距，增加投影机数量，实现密排，提供更多的视差图，同时可以提高显示分辨率和减小图像的不连续性，从而消除图像的跳跃感。

而在微型投影机领域，主流的微型投影机都采用Lcos技术，其照明技术可分为RGB型和白光型，其中RGB型微型投影机通过红、绿、蓝三原色处理图像色彩，具有很好的光学特性，色彩表现优异；而白光微型投影机相对于RGB型而言，简化了光学引擎结构，将彩色滤光片内建在微型显示芯片上，以实现各种色彩，具备低成本、易量产等特性。虽然RGB三色微型投影机在色彩表现方面优于白光微型投影机，但是白光微型投影机具有低成本、易量产、亮度高等优势。更重要的是，使用 RGB 微型投影机对高速旋转的定向屏投影时，由于其 RGB 三色时序投影，会产生图像紊乱或色彩不全等问题。例如，当定向屏正对投影机时，投影机将红色R投影到屏上，如图5（a）所示，然后定向屏由电机带动转过一定的角度，此时投影机将绿色G投影到屏上，但定向屏上有一部分未被绿色G覆盖，为白色W，如图5（b）所示，定向屏继续转过一定的角度，此时投影机将蓝色B投影到屏上，但有更大一部分未被蓝色B覆盖，如图5（c）所示，当三色合在一起，会出现颜色紊乱，如图5（d）所示。当然，这只是图像紊乱中的一种情况。

而当使用白光微型投影机的时候，定向屏正对投影机时，投影机将三色图像同时投影到屏上，不会出现图像紊乱的情况。所述白光微型投影机的具体技术参数可以为：投影技术：Lcos-LCD 白光投影；光通量：50 流明；分辨率：800 *600；屏幕宽高比：4:3；图像大小：5~80 英寸有效清晰图像；调焦：手动调焦；尺寸：110*60*26；重量：210g；设置有内置内存卡，音频控制器和远程控制器。

综上所述，本发明提供的裸眼悬浮立体显示装置，通过将定向屏倾斜设置，增设同步光阑，设置多个定向屏以及选择白光投影机的方式，实现了图像的悬浮可触摸、有效的消除图像的串扰、实现旋转电机转速及定向屏数量的平衡，实现了最佳的立体显示效果以及较低的制造成本。

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本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 (1)

1.一种裸眼立体显示装置，包括定向屏、投影机及旋转电机，其特征在于，所述定向屏由菲涅尔透镜和光栅组成，所述投影机正对定向屏投射图像，旋转电机驱动定向屏绕定向屏外一垂直旋转轴进行旋转，所述定向屏倾斜放置使图像画面形成负视差；

所述定向屏前设置一防护玻璃；

所述倾斜放置的定向屏与所述垂直旋转轴形成一60度的锐角夹角；

所述立体显示装置还包括一光阑，所述光阑与定向屏同步旋转以遮挡非正对定向屏投影机投射的图像；

所述定向屏设置为多个，多个定向屏绕旋转轴围成一圈，由旋转电机驱动绕所述旋转轴进行旋转；

所述定向屏设置为4个；

所述旋转电机的转速为360转/每分钟；

所述投影机为白光微型投影机。