CN106772821A - 一种光开关阵列及可交互裸眼3d系统 - Google Patents

一种光开关阵列及可交互裸眼3d系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光开关阵列及可交互裸眼3D系统，涉及3D显示技术领域，具体为一种光开关阵列以及由光开关阵列构成的可交互裸眼3D系统。可交互裸眼3D系统包括处理器、悬空扫描交互模块、运动探测模块、位置跟随驱动模块、相干参考光源和承接屏幕；光开关阵列具有扫描速度快的特点，可交互裸眼3D系统可以实现裸眼呈现3D画面，降低了整体系统数据处理难度，从而降低对设备的要求，减少了设备的生产成本。

Description

一种光开关阵列及可交互裸眼3D系统
技术领域
本发明涉及3D显示技术领域，特别是涉及一种光开关阵列及可交互裸眼3D系统。
背景技术
跟传统的平面显示技术相比，3D显示技术是一种可以把景深信息也直观的表示出来的新一代显示技术。由于3D显示技术相对于平面显示器在视觉效果上有很多明显优势，3D显示技术越来越受到人们的追捧，可以预见未来3D显示技术会取代平面显示技术，成为主流的显示技术。
虽然现阶段已经有很多影院可以观看3D电影，但是其实现3D画面的原理本质上还是平面显示技术，并不是真正提供真实的立体画面。影院里的3D显示通常是利用双眼视差原理依靠偏光片眼镜使用户的双眼接收到不同的画面来实现的伪3D图画。这种方式虽然也能够实现一定的3D效果，但是用户的观影体验却会大打折扣。由于这种3D实际上是向用户提供了两个画面，而且这两个画面的空间位置就是在屏幕上的，而用户观察时形成的伪3D画面却好像是脱离屏幕的，这样就会引入一个视觉调焦矛盾。一方面真实的画面在屏幕上用户需要把眼睛焦点调整到屏幕上，但是另一方面伪3D效果图去好像是脱离屏幕的这样用户就会不自觉的重新调焦使眼睛的焦点聚焦到伪3D图上，而一旦用户进行了重新聚焦，画面就会变模糊，这时候又需要重新调焦。这样一个矛盾的过程会在整个观影过程中一直持续，所以长时间观看这种伪3D电影的话，眼睛会特别累，对眼睛伤害也非常大。正是由于这个原因，人们一直在探索能够替代这种对人体有副作用的伪3D显示技术的全新的可实用的3D显示解决方案。
在众多的3D显示方案中，全息技术（尤其是计算全息技术）一直被认为是最理想的3D显示解决方案。但遗憾的是到目前为止，全息技术还很难真正实现商业化，走进普通用户家庭。主要是因为全息技术对于设备和环境的要求非常苛刻。比如计算全息技术原理上可以显示大尺寸的3D画面，但是却需要在很大的屏幕上制备亚微米量级的像素才能够实现，这不仅对加工工艺提出了很高的挑战，而且还涉及到大量的数据处理，加大了设备的生产成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种光开关阵列及可交互裸眼3D系统，解决3D显示技术对设备要求高、生产成本高的问题，具有可以裸眼观看3D画面、设备要求低、生产成本低、无需辅助设备实现人机交互的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种光开关阵列，在三维直角坐标系下沿y 轴并排放置长度方向沿z轴一条以上的光开关链；光开关链由具有三个端口且具有光路转换功能的“T”形光开关依次相连构成，其中“T”形光开关端口A 和端口B 处于同一直线上，端口C 位于端口A 和端口B 之间垂直于端口A 和端口B 所在的直线，从端口A进入的光在控制端的控制下能够选择从端口B 或者从端口C 出来，每个“T”形光开关的端口B 与其后相邻的“T”形光开关的端口A 相连，每条光开关链上所有“T”形光开关的端口C指向x轴方向，每条沿y轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A为光开关阵列的主端口。
一种权利要求1所述的光开关阵列构成的可交互裸眼3D系统，包括处理器、悬空扫描交互模块、运动探测模块、位置跟随驱动模块、相干参考光源和承接屏幕；相干参考光源、悬空扫描交互模块、运动探测模块和位置跟随驱动模块均和处理器连接，悬空扫描交互模块和人眼相对于承接屏幕呈镜像位置，位置跟随驱动模块与悬空扫描交互模块或承接屏幕连接，控制悬空扫描交互模块和承接屏幕位置相对运动。
优选地，悬空扫描交互模块包括光开关阵列、光路分离单元、镜头、显示光源、感光模块；感光模块和处理器连接，光开关阵列的主端口经光路分离单元分别和显示光源和感光模块连接，光开关阵列和镜头可相对运动，从而实现景深扫描。
优选地，镜头为焦距可调的透镜，通过调整焦距可以实现景深扫描。
优选地，运动探测模块包括摄像机和红外距离探测器，摄像机利用图像识别技术识别人脸定位人眼位置，红外距离探测器探测人体和承接屏幕之间的距离。
优选地，承接屏幕选用透明材质制作而成。
优选地，光路分离单元为 “T”形光开关，光路分离单元的端口B与对应光开关链的端口A连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过设计一种开关阵列实现高速扫描功能，通过设计可交互裸眼3D系统，可以实现裸眼观看3D影像，不需要其他辅助设备实现人机交互功能，降低了显示数据的处理难度从而降低对设备的要求，降低了设备的生产成本。
附图说明
图1是“T”形光开关结构示意图。
图2是“T”形光开关工作原理图。
图3是本发明的原理框图。
图4是本发明的整体结构示意图。
图5是光路调制原理图。
图中：1、处理器；2、位置跟随驱动模块；3、运动探测模块；4、感光模块；5、显示光源；6、光路分离单元；7、光开关阵列；8、镜头；9、承接屏幕；10、人眼；11、相干参考光源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1和图2所示，为“T”形光开关的结构示意图和工作原理图，在三维直角坐标系下沿y 轴并排放置长度方向沿z轴一条以上的光开关链；光开关链由具有三个端口且具有光路转换功能的“T”形光开关依次相连构成，其中“T”形光开关端口A 和端口B 处于同一直线上，端口C 位于端口A 和端口B 之间垂直于端口A 和端口B 所在的直线，从端口A 进入的光在控制端的控制下能够选择从端口B 或者从端口C 出来，每个“T”形光开关的端口B与其后相邻的“T”形光开关的端口A 相连，每条光开关链上所有“T”形光开关的端口C 指向x轴方向，每条沿y轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A为光开关阵列7的主端口。
如图3和图4所示，分别为整体系统的原理框图和结构示意图，悬空扫描成像式可交互裸眼3D系统包括处理器1、悬空扫描交互模块、运动探测模块3、位置跟随驱动模块2、相干参考光源11和承接屏幕9；相干参考光源11、悬空扫描交互模块、运动探测模块3和位置跟随驱动模块2均和处理器1连接，悬空扫描交互模块和人眼10相对于承接屏幕9呈镜像位置，位置跟随驱动模块2与悬空扫描交互模块或承接屏幕9连接，控制悬空扫描交互模块和承接屏幕9位置相对运动，悬空扫描交互模块和承接屏幕9位置发生相对运动可以是二者之一运动，也可以是同时运动。
光路分离单元可以选用 “T”形光开关，光路分离单元6的端口B与对应光开关链的端口A连接。
悬空扫描交互模块包括光开关阵列7、光路分离单元6、镜头8、显示光源5、感光模块4；感光模块4和处理器1连接，光开关阵列7的主端口经光路分离单元6分别和显示光源5和感光模块4连接。
工作时，处理器1根据要投影的视频信号信息控制显示光源5发出特定颜色的光，显示光源5发出的光经过光路分离单元6进入光开关阵列7，经过处理后的光从光开关阵列7发出经过镜头8后打到承接屏幕9上，处理器1可以控制显示光源5对要显示图像的所有像点进行扫描，经过光开关阵列7在承接屏幕9上显示完成画面。
运动探测模块3包括摄像机和红外距离探测器，摄像机利用图像识别技术识别人脸定位人眼10位置，红外距离探测器探测人体和承接屏幕9之间的距离，在确定人眼10位置后处理器1发出指令，位置跟随驱动模块2控制悬空扫描交互模块或承接屏幕9位置移动，使人眼10和悬空扫描交互模块始终相对于承接屏幕9呈镜像位置，使人眼10随时观看到承接屏幕9上的影像。
显示时，光开关阵列7上某一点，通过镜头8后会在空间的一个位置处形成汇聚的光点，即像点，但是这个像点的可视角很小，不能够保证始终能够被用户观察到，为了使用户始终能够观察到光开关阵列7上任意点的空间像点，需要对这些空间像点进行调制。
如图5所示，为光路原理调制原理图，当显示光源5发出的光和相干参考光源11发出的光为相干光时，相干参考光源11就可以对显示光源5进行调制。以光开阵列上某一点a的空间像点b不在承接屏幕9上为例，那么从光开关阵列7上这一点发出的光打到承接屏幕9上时会形成有一定面积的光斑，现在使相干参考光源11也照射到这个光斑上，那么两者就会形成一张干涉图(全息图)，这张干涉图就是空间像点b的全息图。当处理器1控制光开关阵列7上的光点进行扫描时，就可以在空间形成一幅画面。由于光开关阵列7上每一条光开关链都有一个对应的光源，所以这些光开关链可以同时扫描，从而大大降低对扫描速度的要求。本发明提供3D方案原理上跟全息技术相似，但是回避了全息涉及到大量的数据处理问题。通常用计算全息技术来实现3D显示时为了增大可视角都需要构建很大的屏幕，这样就涉及到大量的信息处理，而本发明中并不需要构建大面积的显示画面，显示画面只要能够覆盖人的双眼就可以了，从而可以大大节约显示成本。
由于光路可逆，当人手触碰到空间像点后，一部反射光线会原路返回，在经过跟光开关阵列7相连的光路分离单元6时，这部分光被分离出来，被感光模块4接收到，感光模块4将接收到的信息传送至处理器1，处理器1对信息进行分析处理确定并执行接收的指令，这样就可以知道用户对3D画面的操作信息，从而可以在没有其他辅助设备的情况下实现3D交互。
为了在空间不同景深位置形成像点，可以通过改变镜头8的焦距来实现。因此镜头8为焦距可调的透镜，比如采用一个自适应透镜，或者使用类似于人眼10晶状体的软透镜，通过改变施加在软透镜边缘的张力来调节其焦距，进而控制空间像点的深度，进行景深扫描，把景深信息也表现出来。
除了采用改变镜头8焦距的方式外，还可以通过调控镜头8和光开关阵列7之间的相对位置的方式来实现景深信息的呈现。
承接屏幕9选用透明材质制作而成，本系统为投射成像方式，悬空扫描模块将画面投射到屏幕上，人眼10在承接屏幕9的另一侧观看画面。
承接屏幕9的表面具有磨砂或者雾面效果，使显示的画面更加清晰。
本发明除了可以实现可交互裸眼3D外，还具有三维扫描拍摄功能。
拍摄时，通过控制镜头8的焦距就可以使不同景深的物体依次在光开关整列平面上成像，通过光开关阵列7的光路传导作用，这些携带景物信息的光被感光模块4接收并传送至处理器1，经过处理器1的处理形成成品影像。当需要使用投影功能时，只需要控制光路分离单元6，使显示光源5与光开关阵列7连接并按照显示信息输出光线就可以了。由于本发明的光开关阵列7本身具有高速扫描能力，加上全固态运行的焦距可调的自适应透镜也具备高速扫描能力，所以能够快速的对复杂的3D景物进行拍摄。
采用上述技术方案后，本发明通过设计一种开关阵列实现高速扫描功能，通过设计可交互裸眼3D系统，可以实现裸眼观看3D影像，不需要其他辅助设备实现人机交互功能，降低了显示数据的处理难度从而降低对设备的要求，降低了设备的生产成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光开关阵列，其特征在于：在三维直角坐标系下沿y 轴并排放置长度方向沿z轴一条以上的光开关链；光开关链由具有三个端口且具有光路转换功能的“T”形光开关依次相连构成，其中“T”形光开关端口A 和端口B 处于同一直线上，端口C 位于端口A 和端口B之间垂直于端口A 和端口B 所在的直线，从端口A 进入的光在控制端的控制下能够选择从端口B 或者从端口C 出来，每个“T”形光开关的端口B 与其后相邻的“T”形光开关的端口A相连，每条光开关链上所有“T”形光开关的端口C 指向x轴方向，每条沿y轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A为光开关阵列（7）的主端口。
2.一种权利要求1所述的光开关阵列构成的可交互裸眼3D系统，其特征在于：包括处理器（1）、悬空扫描交互模块、运动探测模块（3）、位置跟随驱动模块（2）、相干参考光源（11）和承接屏幕（9）；相干参考光源（11）、悬空扫描交互模块、运动探测模块（3）和位置跟随驱动模块（2）均和处理器（1）连接，悬空扫描交互模块和人眼（10）相对于承接屏幕（9）呈镜像位置，位置跟随驱动模块（2）与悬空扫描交互模块或承接屏幕（9）连接，控制悬空扫描交互模块和承接屏幕（9）位置相对运动。
3.根据权利要求2所述的可交互裸眼3D系统：其特征在于：所述悬空扫描交互模块包括光开关阵列、光路分离单元（6）、镜头（8）、显示光源（5）、感光模块（4）；感光模块（4）和处理器（1）连接，光开关阵列的主端口经光路分离单元（6）分别和显示光源（5）和感光模块（4）连接，光开关阵列和镜头（8）可相对运动，用于实现景深扫描。
4.根据权利要求2所述的可交互裸眼3D系统：其特征在于：所述镜头（8）为焦距可调的透镜。
5.根据权利要求2所述的可交互裸眼3D系统：其特征在于：所述运动探测模块（3）包括摄像机和红外距离探测器，摄像机利用图像识别技术识别人脸定位人眼（10）位置，红外距离探测器探测人体和承接屏幕（9）之间的距离。
6.根据权利要求2所述的可交互裸眼3D系统：其特征在于：所述承接屏幕（9）选用透明材质制作而成。
7.根据权利要求2所述的可交互裸眼3D系统：其特征在于：所述光路分离单元为 “T”形光开关，光路分离单元（6）的端口B与对应光开关链的端口A连接。
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