CN106980183A - 一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维显示装置领域，并公开了一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，包括上位机、投影模组、合色棱镜、机架、微控制器、反射式光栅屏幕、电机、屏幕旋转架和绝对式编码器，投影模组设置有三组；每组投影模组均包括投影仪、直角棱镜及偏振棱镜；屏幕旋转架上固定安装反射式光栅屏幕；绝对式编码器与电机的转轴连接。本发明的单个投影模组中，通过两台投影仪、一块直角棱镜和一块偏振棱镜，可以将两路LED投影光分别拆分成两路偏振光，在偏振棱镜的一个出口得到可视图像性质相同的两路重合投影光，这样可通过交替投影来提高投影频率，且通过三组投影模组的红、绿、蓝三色的颜色叠加，还可以在反射式光栅屏幕上显示彩色的三维模型。

Description

一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统及方法

技术领域

本发明属于体三维显示设备领域，更具体地，涉及一种彩色三维显示系统及方法。

背景技术

传统显示技术无法真实重现客观世界,二维图像无法满足人类大脑信息处理的习惯,人脑更需要获取与现实事物完全一致的三维信息，而三维显示技术却能将物体的深度感、层次感、空间位置等一一展现。于是三维显示技术成为显示发展的热门方向之一，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彩色三维显示系统。

三维显示一半需要高达10000FPS/S以上的刷新率，而在现代平面显示器材当中，LCD显示器的刷新率一般为60Hz/s，Lcos显示器和普通DLP投影仪的刷新率一般为最高200Hz/s，因此想达到如此高的瞬时图像刷新率，只依靠单一平面显示器材是难以胜任的。

目前主要的三维立体显示技术共可以分为视差型三维显示、全息三维显示、体三维显示和光场重建显示四大类技术。

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。其缺点在于目前的全息术一般只能生成静态的三维光学场景并且仍无法提供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，但是现有技术中存在的缺点在于靠观看者的想象重构能力实现三维空间立体感，难以直观表达深度信息。

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，但是其很难做到LED拼接屏或者DLP投影仪那种的上百寸的显示尺寸和全息术相比，缺失了光线相位和振幅信息，难以产生三维立体深度感，而且其采用运动式的光场重建体三维，噪音比较大，一定程度上影响观看体验，另外刷新频率也难以满足高频率的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统及方法，基于多投影仪可实现光场重建并提供真正水平方向全视角三维场景的显示器装置，使多个观察者可同时在连续裸眼观看到彩色三维模型，稳定性高。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，其特征在于，包括上位机、投影模组、合色棱镜、机架以及共同安装在所述机架上的微控制器、反射式光栅屏幕、电机、屏幕旋转架和绝对式编码器，其中，

所述上位机用于对三模模型进行图像处理并获得多幅切片图，并通过所述微控制器将处理后的这些切片图导入到所述投影模组中；

所述投影模组设置有三组，并且这三组投影模组分别用于投射红色、蓝色和绿色的光束到所述合色棱镜上；

每组所述投影模组均包括两个投影仪、一块直角棱镜及一块偏振棱镜，其中的一个所述投影仪发射的光束经过所述直角棱镜反射后进入所述偏振棱镜，且从所述偏振棱镜出来的光为P偏振光，另一个所述投影仪发射的光束进入所述偏振棱镜且从所述偏振棱镜使用出口出来的光为S偏振光，所述P偏振光和所述S偏振光共同进入所述合色棱镜；

三个所述投影模组分别从三个方向朝所述合色棱镜发射光束，三条光束经过合色棱镜合色形成的彩色图像再被投射到所述的反射式光栅屏幕上；

所述电机的转轴朝上设置并且其转轴上固定连接所述屏幕旋转架，所述屏幕旋转架上固定安装所述反射式光栅屏幕；

所述绝对式编码器与所述电机的转轴连接，以用于检测所述电机的转轴的角度位置，并将检测到的角度位置信号发送给所述微控制器；

所述微控制器用于根据接收到的所述角度位置信号来控制所述投影模组，使所述投影模组在所述电机的转轴转到设定角度时发射光束，从而在所述反射式光栅屏幕上显示所述三模模型的切片图，进而实现所述三维模型的彩色三维显示。

优选地，所述投影模组还包括投影模组外壳和XY轴调整架，所述XY轴调整架安装在投影模组外壳内，并且所述XY轴调整架上安装所述直角棱镜，以用于带动所述直角棱镜旋转，从而调整所述直角棱镜的位置。

优选地，所述投影模组还包括投影模组外壳和XY轴调整架，所述XY轴调整架安装在投影模组外壳内，并且所述XY轴调整架上安装所述偏振棱镜，以用于带动所述偏振棱镜旋转，从而调整所述偏振棱镜的位置。

优选地，每组所述投影模组的两台投影仪交替进行投影，此外，在三组不同投影模组中的三台投影仪同时进行投影。

优选地，所述反射式光栅屏幕设置有两个，每个反射式光栅屏幕分别与水平面的夹角为45°，所述反射式光栅屏幕由表面镀有金属膜的光栅薄片拼接而成。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种采用所述旋镜式彩色三维显示系统进行彩色立体显示的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)所述电机通过所述屏幕固定架带动所述反射式光栅屏幕旋转，同时微控制器连续读取绝对式编码器检测的角度位置信息，等待电机转到设定的初始位置时，电机暂停转动；

2)所述微控制器控制投影模组向所述反射式光栅屏幕投射第1幅图像，然后电机开始旋转，带动反射式光栅屏幕旋转，所述微控制器通过所述绝对式编码器获得所述电机的角度位置，并控制所述投影模组在所述电机达到设定的角度位置时朝所述反射式光栅屏幕投影，则投影模组在反射式光栅屏幕每转到一个设定的角度位置时就投影出一帧三维模型的切片图，从而实现所述三维模型的彩色三维显示。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的投影模组中，通过两台投影仪、一块直角棱镜和一块偏振棱镜，可以使得投影到合色棱镜上的光束依然是P偏振光+S偏振光，这样可以通过两台投影仪的交替投影来提高投影频率，而且通过三组投影模组的红、绿、蓝三色的颜色叠加，还可以在反射式光栅屏幕上显示彩色的三维模型。

2)本发明结构紧凑，基于多投影仪可实现光场重建并提供真正水平方向全视角三维场景的显示器装置。使多个观察者可同时在水平连续360度裸眼观看到彩色三维物体图像，稳定性高。

附图说明

图1是按照本发明构建的旋镜式彩色三维显示系的示意简图；

图2是本发明中反射式光栅屏的结构示意图；

图3a是偏振棱镜的分光示意图；

图3b是两条光束通过偏振棱镜时的示意图；

图3c是两条红色光束穿过偏振棱镜时的示意图；

图4是本发明的光路示意图；

图5是本发明中投影模组及其支架的正视图；

图6是本发明中投影模组及其支架的侧视图；

图7是本发明中投影模组的内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照各附图，一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，包括上位机、投影模组、合色棱镜2、机架12以及共同安装在所述机架12上的反射式光栅屏幕7、电机16、屏幕旋转架8、绝对式编码器13、和微控制器18，其中，

所述上位机用于对其内部存储的三模模型进行图像处理并获得多幅切片图，并通过所述微控制器将处理后的这些切片图导入到所述投影模组中；

所述投影模组设置有三组，并且这三组投影模组分别用于投射红色、蓝色和绿色的光束到所述合色棱镜2上；

每组所述投影模组均包括两个投影仪1、一块直角棱镜3及一块偏振棱镜4，其中的一个所述投影仪1发射的光束经过所述直角棱镜3反射后进入所述偏振棱镜4且从所述偏振棱镜4出来的光为P偏振光，另一个所述投影仪1发射的光束直接进入所述偏振棱镜4且从所述偏振棱镜4出来的光为S偏振光，所述P偏振光和所述S偏振光共同进入所述合色棱镜2；

三个所述投影模组分别从三个方向朝所述合色棱镜2发射光束，三条光束经过合色棱镜2合色形成的彩色图像再被投射到所述的反射式光栅屏幕7上；

所述电机16的转轴朝上设置并且其转轴上固定连接所述屏幕旋转架8，所述屏幕旋转架8上固定安装所述反射式光栅屏幕7；

所述绝对式编码器13与所述电机16的转轴连接，以用于检测所述电机16的转轴的角度位置，并将检测到的角度位置信号发送给所述微控制器18；

所述微控制器18用于根据接收到的所述角度位置信号来控制所述投影模组，使所述投影模组在所述电机16的转轴转到设定角度时发射光束，从而在所述反射式光栅屏幕7上显示所述三模模型的切片图，进而实现所述三维模型的彩色三维显示。

进一步，采用所述旋镜式彩色三维显示系统进行彩色立体显示的方法如下：

1)所述电机16通过所述屏幕固定架带动所述反射式光栅屏幕7旋转，同时微控制器连续读取绝对式编码器13检测的角度位置信息，等待电机16转到设定的初始位置时，电机16暂停转动；

2)所述微控制器控制投影模组向所述反射式光栅屏幕7投射第1幅图像，然后电机16开始旋转，带动反射式光栅屏幕7旋转，所述微控制器通过所述绝对式编码器13获得所述电机16的角度位置，并控制所述投影模组在所述电机16达到设定的角度位置时朝所述反射式光栅屏幕7投影，则投影模组在反射式光栅屏幕7每转到一个设定的角度位置时就投影出一帧三维模型的切片图，从而实现所述三维模型的彩色三维显示。

进一步，所述反射式光栅屏幕7设置有两个，每个反射式光栅屏幕7分别与水平面的夹角为45°。

进一步，所述反射式光栅屏幕7由表面镀有金属膜的光栅薄片拼接而成。

进一步，所述投影模组还包括投影模组外壳5和第一XY轴调整架21，所述第一XY轴调整架21安装在投影模组外壳5内，并且所述第一XY轴调整架21上安装所述直角棱镜3，以用于带动所述直角棱镜3旋转，从而调整所述直角棱镜3的位置。

进一步，所述投影模组还包括投影模组外壳5和XY轴调整架，所述第二XY轴调整架22安装在投影模组外壳5内，并且所述第二XY轴调整架22上安装所述偏振棱镜4，以用于带动所述偏振棱镜4旋转，从而调整所述偏振棱镜4的位置。

进一步，每组所述投影模组的两台投影仪1交替进行投影，此外，在三组不同投影模组中的三台投影仪1同时进行投影。

参照图1、图5～图7，多投影复用式旋镜彩色三维显示系统具有三组投影模组、合色棱镜2、投影模组外壳5、投影模组支架6、反射式光栅屏幕7、屏幕旋转架8、固定螺帽9、轴承10、轴承座11、机架12、绝对式编码器13、联轴器14、电源15、电机16、电机驱动器17、微控制器18、防震橡胶脚座19、投影仪支架脚座20、第一XY轴调整架21、第二XY轴调整架22和传动机构23，投影模组具有投影仪1、直角棱镜3、偏振棱镜4、投影模组外壳5、投影模组支架6、第一XY轴调整架21和第二XY轴调整架22等，投影仪1、直角棱镜3、偏振棱镜4、第一XY轴调整架21和第二XY轴调整架22均设置在投影模组外壳5内，投影模组外壳5通过投影模组支架6支撑，投影模组支架6的底部安装投影仪支架脚座20；固定螺帽9将屏幕旋转架8固定在传动轴上，传动轴通过联轴器14连接在电机16的转轴上，轴承座11安装在机架12上，轴承10安装在轴承座11上，传动轴穿过轴承10，电源15用于给电机16、微控制器18等用电器件供电，微控制器18通过电机驱动器17来控制电机16旋转；机架12的底部安装防震橡胶脚座19，绝对式编码器13优选通过传动机构23与电机16的转轴连接，第一XY轴调整架21和第二XY轴调整架22均安装在投影模组外壳5内。

本三维显示系统整体的运动方式为所述的电机16的转轴做高速旋转，通过联轴器14将水平旋转运动传递给传动轴及屏幕旋转支架8一同高速旋转。

参照图1，对于其中一组投影模组而言，一个投影仪射出的光线直接投射至偏振棱镜4，该组投影模组的另一个投影仪投射出的光线射向直角棱镜3后发生90度角度偏折，偏折后的光线投射至偏振棱镜4中心，则偏振棱镜4有两束相垂直的光线射入，每束光线在偏振棱镜4的偏振分光介质膜分为两个方向线偏光并以90度夹角射出，其中每组投影模组射向合色棱镜2的线偏光合并为单色复用图像，三组投影模组共投射的三种单色复用光路投影至合色棱镜2中心整合为彩色图像并竖直向下投影至反射式光栅屏幕7中心。

所述偏振棱镜4结构及光路原理如图3a～图3c所示，偏振棱镜4能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，其中P偏振光完全通过，而S偏振光以45度反射角射出，出射方向与P偏振光成90度角，两束出射光仍然保持原有的观察图像。一个投影模组的两个投影仪的光线在偏振棱镜中心分别被分为P偏振光和S偏振光，同时出射向合色棱镜2的两条光路合并重组成单色复用图像。

所述合色棱镜2利用单色光在媒介中的折射率不同，将R、G、B三种单色复用图像整合为彩色图像，并改变光的传播方向以降低装置的高度。

绝对式编码器11通过传动机构23检测电机16的转轴的角度位置，并将其中的一个位置设置为初始位置，从而得到反射式光栅屏幕7的初始位置、转动速度及运动方位的信号，并将这些信号发送给微控制器16，由微控制器16根据接收到的信号来控制投影模组投影初始时间和投影帧频，以此来实现投影模组所投射的图像与反射式光栅屏幕7运动位置的帧同步。

所述防震橡胶脚垫19可以有效吸收并且缓解电机高速旋转所带来的三维显示系统整体结构位移。

所述投影仪支架6采用铝质型材标准件可以在较小质量的前提下保证强度，同时采用标准件易于更换以及批量生产。

本系统采用投影装置与显示装置分离是为了降低电机高速旋转产生的抖动对投影装置的影响，避免显示图像出现重影及抖动而降低清晰度。

参照图3b，假设拥有光源属性完全相同的投影光引擎Ⅰ和投影光引擎Ⅱ，将两路投影光同时射入偏振棱镜，那么就在两个方向上得到A、B两路光线，这两路光线都具有S偏振光和P偏振光，那么当只考虑投影图像表现和刷新率时，假设投影光引擎Ⅰ和投影光引擎Ⅱ使用相同的红色光源投射相同的图像和刷新率的图像RⅠ和RⅡ，参照图3c,那么就可以在两个不同方向得到C、D两路光线，这两路光线也均具有S偏振光和P偏振光。

投影仪发射的LED光为为圆偏振光或椭圆偏振光，即光波电矢量随时间作有规则地改变,电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形，因此可以被偏振棱镜分解为振动方向只局限在一确定的平面内的平面偏振光。

虽然投射的光束包含S偏振光和P偏振光，经偏振棱镜合并的光束也包含了S偏振光和P偏振光，合并的过程在偏振态层面来看相当于没有改变本质，但是人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，需要的只是供显示使用的投影图像，因此可以通过合并不同偏振态的相同波长的投影光来达到合光目的。

投影仪1所投射的图像到达反射式光栅屏幕7上时，在其表面发生反射从而使观察者观看到图像信息。当投影图像投射到反射式光栅屏幕7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 HorizontalView，水平视角重建图像数量)。

为了满足人眼视觉暂留效应的最小停留时间，至少需要20Hz的刷新率，在水平视角重建图像数量较高情况下，图像刷新率越高视觉效果越好。为了有更好的视觉效果，此处投影仪可以采用具有高速刷新率的投影仪，即数字微镜芯片为主的数字光处理系统。

若要使用单色投影仪实现彩色图像的三维显示，则需要至少6个投影仪才能实现同等预期效果，只采用简单图像叠加的结构将很大程度降低装置的紧凑度，而本发明采用偏振棱镜整合图像、合色棱镜同步合成彩色图像则能够提高集成度、节约空间，实现轻量化特点。

本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，其特征在于，包括上位机、投影模组、合色棱镜、机架以及共同安装在所述机架上的微控制器、反射式光栅屏幕、电机、屏幕旋转架和绝对式编码器，其中，

所述上位机用于对三模模型进行图像处理并获得多幅切片图，并通过所述微控制器将处理后的这些切片图导入到所述投影模组中；

所述投影模组设置有三组，并且这三组投影模组分别用于投射红色、蓝色和绿色的光束到所述合色棱镜上；

每组所述投影模组均包括两个投影仪、一块直角棱镜及一块偏振棱镜，其中的一个所述投影仪发射的光束经过所述直角棱镜反射后进入所述偏振棱镜，且从所述偏振棱镜出来的光为P偏振光，另一个所述投影仪发射的光束进入所述偏振棱镜且从所述偏振棱镜使用出口出来的光为S偏振光，所述P偏振光和所述S偏振光共同进入所述合色棱镜；

三个所述投影模组分别从三个方向朝所述合色棱镜发射光束，三条光束经过合色棱镜合色形成的彩色图像再被投射到所述的反射式光栅屏幕上；

所述电机的转轴朝上设置并且其转轴上固定连接所述屏幕旋转架，所述屏幕旋转架上固定安装所述反射式光栅屏幕；

所述绝对式编码器与所述电机的转轴连接，以用于检测所述电机的转轴的角度位置，并将检测到的角度位置信号发送给所述微控制器；

所述微控制器用于根据接收到的所述角度位置信号来控制所述投影模组，使所述投影模组在所述电机的转轴转到设定角度时发射光束，从而在所述反射式光栅屏幕上显示所述三模模型的切片图，进而实现所述三维模型的彩色三维显示。

2.根据权利要求1所述的一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，其特征在于，所述投影模组还包括投影模组外壳和XY轴调整架，所述XY轴调整架安装在投影模组外壳内，并且所述XY轴调整架上安装所述直角棱镜，以用于带动所述直角棱镜旋转，从而调整所述直角棱镜的位置。

3.根据权利要求1所述的一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，其特征在于，所述投影模组还包括投影模组外壳和XY轴调整架，所述XY轴调整架安装在投影模组外壳内，并且所述XY轴调整架上安装所述偏振棱镜，以用于带动所述偏振棱镜旋转，从而调整所述偏振棱镜的位置。

4.根据权利要求1所述的一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，其特征在于，每组所述投影模组的两台投影仪交替进行投影，此外，在三组不同投影模组中的三台投影仪同时进行投影。

5.根据权利要求1所述的一种复用投射光的旋镜式彩色三维显示系统，其特征在于，所述反射式光栅屏幕设置有两个，每个反射式光栅屏幕分别与水平面的夹角为45°，所述反射式光栅屏幕由表面镀有金属膜的光栅薄片拼接而成。

6.一种采用权利要求1～5中任一所述旋镜式彩色三维显示系统进行彩色立体显示的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)所述电机通过所述屏幕固定架带动所述反射式光栅屏幕旋转，同时微控制器连续读取绝对式编码器检测的角度位置信息，等待电机转到设定的初始位置时，电机暂停转动；

2)所述微控制器控制投影模组向所述反射式光栅屏幕投射第1幅图像，然后电机开始旋转，带动反射式光栅屏幕旋转，所述微控制器通过所述绝对式编码器获得所述电机的角度位置，并控制所述投影模组在所述电机达到设定的角度位置时朝所述反射式光栅屏幕投影，则投影模组在反射式光栅屏幕每转到一个设定的角度位置时就投影出一帧三维模型的切片图，从而实现所述三维模型的彩色三维显示。