CN106383431A - 具有2π球面度的立体角三维显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有2π球面度的立体角三维显示器，同时拥有垂直与水平双向视差，可视区域包含屏幕旋转区域上半部分的2π个球面度。包括投影仪模块，双面反射式光栅屏幕，屏幕固定架，传动轴杆二，锥齿轮模组，传动杆，水平旋转底盘，平面齿轮一，平面齿轮二，运动检测传感器，传动轴杆一，电机，嵌入式处理器。高速投影机将三维物体在水平360度和垂直180度方向不同角度组合的投影图像投影到进行双向正交旋转运动的双面反射式光栅屏上。使观察者能环绕该显示装置观察到三维物体不同水平和垂直角度的对应图像。具有2π球面度的立体角三维显示器可供多人，多角度，裸眼同时观看显示的三维物体内容。

Description

具有2π球面度的立体角三维显示器

技术领域

本发明属于体三维显示技术领域，具体涉及一种同时具有2π球面度的立体角三维显示器。

背景技术

作为未来显示技术重要发展方向之一的三维显示技术,越来越受到人们的青睐。但是目前的三维显示技术大多是基于平面的视差型三维显示系统，很少出现真正意义上的三维显示器。

目前主要的三维显示技术主要有：视差型三维显示，全息三维显示，体三维显示与光场重建式三维显示。

视差型三维显示一般使观察者通过佩戴眼镜等辅助工具使观察者的左右两眼观察到略有区别的左右视图，利用双目视差来产生立体视觉感知。但是该方法无法真正为观看者提供真正的三维场景。

全息三维显示。全息术又称全息照相术，利用光的干涉和衍射原理，在照相胶片或干板上通过记录光波的振幅和位相分布并再现物体三维图像的技术。保留了物光的所有信息。但是受制于冗余信息量和显示介质的原因，目前全息三维同样无法提供360度连续视角显示。

体三维显示是模拟三维物体在物理空间上分布，在三维空间内显示物体各个体素点信息，扫描显示物体的体素的色彩和亮度，实现三维图像的显示。但是其根本弱点在于无法正确显示物体的遮挡关系。

光场重建技术是在空间中的各个方向上记录并再现三维物体相应方位图像的一种三维显示技术。此种显示技术可以围绕物体实现360度连续视差显示，并且不需要佩戴任何辅助工具，实现多人观看。同时正确的反映物象的空间遮挡关系。

受制于整体结构设计，常见的光场重建技术的屏幕只拥有水平方向旋转能力，无法将垂直方向的三维图像进行视场分割，因此目前的光场重建技术只能在水平角度实现物体的360度视场图像序列显示，因此只能提供单一水平方向的360°环绕可视功能，无法实现真正的立体角显示。

发明内容

本发明提出了一种具有2π球面度的立体角三维显示器，可视区域包含上方2π个立体角。使观察者在水平方向和垂直方向均能看到对应角度三维物体的对应图像，实现真正的空间自由角度三维显示。

具有2π球面度的立体角三维显示器，包括：投影仪模块，双面反射式光栅屏幕，屏幕固定架，传动轴杆二，锥齿轮模组，传动杆，水平旋转底盘，平面齿轮一，平面齿轮二，运动检测传感器，传动轴杆一，电机，嵌入式处理器。所述的双面反射式光栅屏幕与所述的旋转传动系统相连接，并由所述的旋转传动机构带动其做双向正交旋转运动。所述的投影仪模块位于所述的双面反射式光栅屏幕上方，依次连接所描述的检测模块和上位机系统。投影仪根据接收到的相应方位信息投影出对应的图像，实现三维显示功能。

所述的屏幕固定架，传动轴杆二，锥齿轮模组，传动杆，水平旋转底盘，平面齿轮一，平面齿轮二，传动轴杆一，电机。其特征在于屏幕固定架与双面反射式光栅屏幕相连接，并带动其做垂直双向正交旋转运动。所述的电机系统做水平方向高速旋转，带动传动轴杆一做高速旋转运动。传动轴杆一将带动平面齿轮一，平面齿轮二，传动杆做高速旋转运动。在锥齿轮模组位置改变旋转方向。在水平旋转架的带动下，屏幕固定架与双面反射式光栅屏幕进行高速的双向正交旋转运动。所述的垂直双向正交旋转运动指围绕着两个正交垂直的轴同时做水平方向旋转运动与垂直方向旋转运动。

所述的双面反射式光栅屏幕是由光栅方向相同的柱面光栅构成，其中柱面光栅表面喷涂具有高反射率金属粉末材料，使其具有反射作用。

由于双面反射式光栅屏幕在机械运动系统带动下做双向正交旋转运动，因此投射在屏幕上的重建图像可以覆盖到显示器上半部分2π个立体角，使其不仅在水平上而且在垂直方向上均能形成连续三维图像。

所述的高速投影机向下方投影，投影图像落在所述的双面反射式光栅屏幕上，所述的运动检测模块检测双面反射式光栅屏幕初始位置和转动速度。并将其探测到的双面反射式光栅屏转动速度和初始位置的信号发给所述的嵌入式处理器，所述的嵌入式处理器根据接收到的所述信号来控制所述的高速投影机的投影帧频，使得所述的高速投影机的投影图像序列与所述的双面反射式光栅屏幕运动保持同步。

本发明中，所述的嵌入式模块为基于现场可编程门阵列的的控制模块，基于STM32为主的控制模块或者上位机。

本发明中，所述的运动检测模块为光电编码器。

本发明中，所述的投影仪模块主要为基于DLP（Digital Light Processing，数字光处理系统）或者LCD（Liquid Crystal Display，固态液晶显示）的液晶显示技术。

附图说明

图1是本发明具有2π球面度的立体角三维显示器的一种实施方式的示意图(整体结构图如图1所示)。

图2是图1中双面反射式光栅屏的结构示意图

图3是图1中机械运动系统的结构示意图

图中：投影仪模块1，双面反射式光栅屏幕2，屏幕固定架3，传动轴杆二4，锥齿轮模组5，传动杆6，水平旋转底盘7，平面齿轮一8，平面齿轮二9，运动检测传感器10，传动轴杆一11，电机12，嵌入式处理器13。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，一种具有2π球面度的立体角三维显示器，包括：投影仪模块1，双面反射式光栅屏幕2，屏幕固定架3，传动轴杆二4，锥齿轮模组5，传动杆6，水平旋转底盘7，平面齿轮一8，平面齿轮二9，运动检测传感器10，传动轴杆一11，电机12，嵌入式处理器13。

双面反射式光栅屏幕的结构如图2所示，由平行并列的柱面光栅构成。在其上方镀有一层反射膜来实现对光线的反射。

系统整体的运动方式为所述的电机做水平方向高速旋转，带动平面齿轮一与水平旋转底盘做高速水平旋转运动，平面齿轮一将水平旋转运动传递给平面齿轮二与传动杆，传动杆带动锥齿轮模组转动使其水平方向旋转变为垂直方向旋转。通过传动轴杆二带动屏幕固定架与屏幕进行高速的垂直方向旋转运动。水平旋转底盘的水平旋转运动与屏幕固定架的垂直旋转运动共同合成双向正交旋转运动。所述的垂直双向正交旋转运动指围绕着两个相互垂直的轴同时做水平方向旋转运动与垂直方向旋转运动。

投影仪模块1位于双面反射式光栅屏幕2上方，将需要显示的二维图像序列向下投影，图像将落到双面反射式光栅屏幕2所在位置，投影仪模块1的出光轴与双面反射式光栅屏幕2的水平转轴相重合。

投影仪模块1依次连接运动检测传感器10，嵌入式处理器13，运动检测传感器10探测双面反射式光栅屏幕2的初始位置，转动速度及具体位置，并将探测到的双面反射式光栅屏幕2的初始位置，转动速度及具体位置的信号发送给嵌入式处理器11，由嵌入式处理器13根据接受到的信号来控制投影仪模块1投影初始时间和投影频率。以此来实现投影仪模块1所投射的图像与双面反射式光栅屏幕2运动位置的同步。

本实施例中，检测模块为光电编码器，嵌入式处理器为基于数字信号为核心的控制模块。

投影仪模块1所投射的图像到达双面反射式光栅屏幕2上时，首先在其表面发生反射从而使观察者观看到图像信息。其次在平行光栅的垂直方向进行大角度散射和水平平行方向的小角度限制出射，实现对每一幅图像观察位置的控制。

当投影图像投射到双面反射式光栅屏幕上时，反射式光栅屏幕对出射图像发散角度进行限制，最大发散角小于等于360/NIH（Number of Images in Horizontal View，水平视角重建图像数量）。

双面反射式光栅屏幕在水平方向每旋转X周，则在垂直方向对应旋转当前FPS*X/2周，此处FPS为当前设计显示的每秒图像刷新率。

令双面反射式光栅屏幕旋转一周，高速投影机投射出图像数量=水平角度重建图像数量*垂直角度重建图像数量*设计刷新率，每转动360/NIH度，投射出垂直视角重建图像数量的图像（Number of Images in Vertical View）。为了满足人言视觉暂留效应的最小停留时间，需要至少20Hz的刷新率。若设计系统刷新率为40HZ，一般投影机每秒图像刷新率需要达到16000FPS。所以此处投影机需要是一种具有超高速刷新率的投影机类型。多采用数字微镜芯片为主的数字光处理系统。

本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所引用的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲均是指所引用值和围绕该值和围绕该值的功能上等同的范围。例如，所公开的量纲“20HZ”旨在表示“约20HZ”。

除非明确的排除或换句话讲有所限制，本文中引用的每一个文件，包括任何交叉引用或者相关专利或专利申请，均据此以引用方式全文并入本文。对任何文献的引用均不是承认其为本文公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术，或承认其独立地或以与任何其它一个或者多个参考文献的任何组合的方式提出，建议或公开任何此类发明。

如果此文献中术语的任何含义或定义与任何以引用方式并入本文的文献中相同术语的任何含义或定义相冲突，将以此文献中赋予的那个术语的含义定义为准。

尽管已举例说明和描述了本发明的特定实施方案，但对本领域的技术人员来讲显而易见的是，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可作出许多其他的改变和变型。因此，所附权利要求中旨在包括属于本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims (11)

1.具有2π球面度的立体角三维显示器，其特征在于，包括投影仪模块，双面反射式光栅屏幕，屏幕固定架，传动轴杆二，锥齿轮模组，传动杆，水平旋转底盘，平面齿轮一，平面齿轮二，运动检测传感器，传动轴杆一，电机，嵌入式处理器，所述的双面反射式光栅屏幕与所述的屏幕固定架相连接，并由所述的屏幕固定架，水平旋转底盘，带动其做双向正交旋转运动。

2.所述的高速投影机位于所述的双面反射式光栅屏幕上方，依次连接所描述的检测模块和上位机系统，根据检测模块和上位机系统将三维物体在水平360度和垂直180度方向不同角度组合的投影图像投影到进行双向正交旋转运动的双面反射式光栅屏上。

3.所述的双面反射式光栅屏幕是由光栅方向相同的柱面光栅构成，其中柱面光栅表面喷涂具有高反射率金属粉末材料，使其具有反射作用。

4.如权利要求2所述的双面反射式光栅屏幕，其主要特征是拥有双面反射可见光功能的镀金属膜薄片组成。

5.所述的双向正交旋转运动，其主要特征是双面反射式光栅屏幕绕两个互相垂直的轴同时进行旋转运动，此处的屏幕包括但不仅限于双面反射式光栅屏幕。

6.所述的屏幕固定架，锥齿轮模组，传动杆，水平旋转底盘，平面齿轮一，平面齿轮二，传动轴杆一，传动轴杆二，电机，其特征在于所述的电机做水平方向高速旋转，带动平面齿轮一与水平旋转底盘做高速水平旋转运动，平面齿轮一将水平旋转运动传递给平面齿轮二与传动杆，传动杆带动锥齿轮模组转动使其水平方向旋转变为垂直方向旋转，通过传动轴杆二带动屏幕固定架与屏幕进行高速的垂直方向旋转运动，水平旋转底盘的水平旋转运动与屏幕固定架的垂直旋转运动共同合成双向正交旋转运动。

7.所述的垂直双向正交旋转运动指围绕着两个相互垂直的轴同时做水平方向旋转运动与垂直方向旋转运动，所述传动杆顶部固定于传动轴杆二的外部壳体之上，传动轴杆二从其中通过，下端与平面齿轮2相连接。

8.所述的高速投影机向下方投影，投影图像落在所述的双面反射式光栅屏幕上，所述的运动检测模块检测双面反射式光栅屏幕初始位置和转动速度，并将其探测到的双面反射式光栅屏转动速度和初始位置的信号发给所述的嵌入式处理器，所述的嵌入式处理器根据接收到的所述信号来控制所述的高速投影机的投影帧频，使得所述的高速投影机的投影图像序列与所述的双面反射式光栅屏幕运动保持同步。

9.如权利要求1所述的圆锥齿轮模组，其中包括传动比相同的两个锥形齿轮，其一锥形齿轮平行于水平方形与所述的传动杆相连，进行水平方向旋转，其二锥形齿轮垂直与水平方向与所述的传动轴杆二相连并固定于水平旋转底盘，将水平方向旋转运动改变为垂直方向旋转运动。

10.投影仪图像序列对应了双面反射式光栅屏在转动中的每一个具体位置，该位置包含了水平方位角和垂直方位角两个具体方位信息，投影仪根据接收到的相应方位信息投影出对应的图像，实现三维显示功能。

11.立体角分辨率是所述的具有2π球面度的立体角三维显示器的重要评价指标，立体角分辨率=水平角度重建图像数量*垂直角度重建图像数量 。