CN108769655A - 投影式电子沙盘三维显示系统 - Google Patents

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颜玢玢
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Abstract

本发明提供一种投影式电子沙盘三维显示系统，包括：投影仪阵列和柱透镜光栅；所述投影仪阵列用于向所述柱透镜光栅投射带有影像信息的光线；所述柱透镜光栅用于对所述带有影像信息的光线进行空间分光，获得具有立体效果的光场。本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。

Description

投影式电子沙盘三维显示系统
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种投影式电子沙盘三维显示系统。
背景技术
电子沙盘显示技术目前在军事指挥、城市规划、房地开发等领域发挥着重要的作用。
现有技术中，三维电子沙盘的显示方式主要包括助镜式显示和全息显示。助镜式显示技术由于需要佩戴特殊设配，导致用户使用时非常不方便。全息显示技术虽然可以逼真的还原三维场景，但是仍然存在角度小、颜色单一、数据量过大等缺点。自由立体显示技术是一种无需佩戴辅助设备，直接为人眼提供三维信息的显示方式，由柱透镜光栅与液晶显示面板组成。柱透镜光栅是该技术中的核心部分，其具有空间分光能力，控制来自液晶上的不同的视差图像光线形成空间视点，分别进入左右眼，形成立体感。
但是，现有技术中的自由立体显示系统，背光源发出的漫射光经过其对应的柱透镜光栅会形成正确的观看视区。由于背光源发出的是朝向各个方向的光线，所以会有相当一部分光线溢出进入相邻的透镜构建下一个显示周期中的视点，这样会导致最终显示效果一个显示周期的角度较小，人眼左右移动的时候会感觉到明显的内容周期跳变，影响观看质量。另外，由于人眼观看的分辨率与视点数目成反比，所以为了提高显示效果的视差平滑度而增加视点数目，会造成分辨率的严重下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种投影式电子沙盘三维显示系统，解决了现有技术中自由立体显示系统存在内容周期跳变，以及分辨率低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种投影式电子沙盘三维显示系统，包括：投影仪阵列和柱透镜光栅；
所述投影仪阵列用于向所述柱透镜光栅投射带有影像信息的光线；
所述柱透镜光栅用于对所述带有影像信息的光线进行空间分光，获得具有立体效果的光场。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。
附图说明
图1为依照本发明实施例的投影式电子沙盘三维显示系统示意图；
图2为依照本发明实施例的x轴向上定向光线形成视点原理图；
图3为依照本发明实施例的光线经过水平扩散的结构示意图；
图4为依照本发明实施例的光线经过竖直扩散的结构示意图；
图5为依照本发明实施例的定向偏折膜对光线进行偏折的示意图；
图6为依照本发明实施例的全息功能屏和定向偏折膜在系统中的控光作用示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为依照本发明实施例的投影式电子沙盘三维显示系统示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种投影式电子沙盘三维显示系统，包括投影仪阵列101和柱透镜光栅102；其中，所述投影仪阵列101用于向所述柱透镜光栅投射带有影像信息的光线；所述柱透镜光栅102用于对所述带有影像信息的光线进行空间分光，获得具有立体效果的光场。
具体的，投影仪阵列101中至少包含一个投影仪，每一投影仪均向柱透镜光栅102定向透射带有影像信息的光线，不同投影仪透射的影像信息经过柱透镜光栅102后，在柱透镜光栅102的另一侧显示具有立体效果的光场。
图2为依照本发明实施例的x轴向上定向光线形成视点原理图，如图2所示，投影仪阵列101中每个投影仪射向柱透镜光栅102的光束均为定向发散光，定向发散光线通过柱透镜光栅102时，会发生定向偏折，即每个投影仪出射的若干光线落在每个柱透镜时，会偏折向空间中不同的位置，所以落在不同柱透镜后偏折的光线存在交点，即可形成视点。多个投影仪同时投向柱透镜光栅102时，将增加光线密度，提高显示分辨率。而且由于定向发散光线只会经过其对应的柱透镜，并形成正确的观看视区，从而不会经过其它旁边的透镜而形成跳变视区，进而不会影响观看结果。根据每条出射光线形成视点的位置关系，即可确定出每个投影仪加载的视差图像。
此时光线将在x轴方向(即水平方向)形成视点，从z轴正向下可以观看到立体效果。
每个投影仪透射的影像信息可以相同，也可不同，可视待显示光场的具体情况而定，此处不做限定。
本发明实施例中所述的影像信息可以是视频信息，也可是图像信息，可视具体的应用场景而定，此处不做限定。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述柱透镜光栅所在的平面与所述投影仪阵列所在的平面平行。
具体的，在构建投影式电子沙盘三维显示系统时，投影仪阵列位于柱透镜光栅的正下方，柱透镜光栅所在的平面与投影仪阵列所在的平面平行，这样设计可以使在柱透镜光栅102的另一侧显示具有立体效果的光场更加清晰，并且便于调节投影仪的焦距。
应当注意的是，本发明实施例中的术语“正上方”或者“正下方”等词，仅表示了图1所示的投影式电子沙盘三维显示系统各部件之间的相对位置关系，而不代表其在最终部件中的位置形态，因此当对投影式电子沙盘三维显示系统进行位移、翻转或者颠倒时，这一相对位置关系会发生变化。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述投影仪阵列中行或列的延伸方向，与所述柱透镜光栅周期结构方向平行。
具体的，投影仪阵列中行或列的延伸方向，与柱透镜光栅周期结构方向平行。如图1所示，柱透镜光栅周期结构方向是沿x轴，投影仪阵列中行或列的延伸方向也是沿x轴，这样设计可以使在柱透镜光栅102的另一侧显示具有立体效果的光场更加清晰，并且便于调节投影仪的焦距。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述柱透镜光栅所在的平面与所述投影仪阵列所在的平面之间的距离等于所述投影仪阵列中每一投影仪镜头的焦距。
具体的，投影仪阵列101中每一投影仪的镜头焦距都可以设置为相等，柱透镜光栅102所在的平面与投影仪阵列101所在的平面之间的距离D1等于投影仪阵列中每一投影仪镜头的焦距，这样设计可以使在柱透镜光栅102的另一侧显示具有立体效果的光场更加清晰，并且便于调节投影仪的焦距。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述投影仪阵列中任意两个相邻投影仪之间的距离都相等。
具体的，投影仪阵列101水平于柱透镜光栅102周期结构方向摆开，即投影仪阵列101中行或列的延伸方向，与柱透镜光栅102周期结构方向平行，投影仪之间的间距相等，D1为投影仪阵列101镜头中心到柱透镜102光中心的距离，大小等于投影仪镜头的焦距，这样设计可以使在柱透镜光栅102的另一侧显示具有立体效果的光场更加清晰，并且便于调节投影仪的焦距。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述投影仪阵列中每一投影仪的镜头光轴都朝向所述柱透镜光栅的中心点，且每一投影仪投射的影像信息正好覆盖所述柱透镜光栅。
具体的，投影仪阵列101中每个投影仪镜头光轴朝向柱透镜光栅中心点，投影在柱透镜光栅102的面积正好覆盖整个柱透镜光栅，这样设计可以使在柱透镜光栅102的另一侧显示具有立体效果的光场更加完整和清晰，并且便于调节投影仪的焦距。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。
在以上各实施例的基础上，进一步地，投影式电子沙盘三维显示系统还包括全息功能屏；
所述投影仪阵列的出射光路上依次设置所述柱透镜光栅和所述全息功能屏；
所述全息功能屏平行于所述柱透镜光栅所在的平面，用于发散所述柱透镜光栅提供的光场，使观察者从不同的角度都能看到所述柱透镜光栅提供的光场。
具体的，图3为依照本发明实施例的光线经过水平扩散的结构示意图，图4为依照本发明实施例的光线经过竖直扩散的结构示意图，如图3和4所示，全息功能屏具有扩散光线的作用，即光线在其表面会发生柔和均匀的散射，且发散角度可控。投影仪透射的影像信息携带了像素颜色信息，经扩散后的所有散射光线将全部携带相同的信息并射向不同的方向，只是光强会发生减弱。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。并且，利用全息功能屏使观察者从不同的角度都能看到光场。
在以上各实施例的基础上，进一步地，投影式电子沙盘三维显示系统还包括定向偏折膜；
所述投影仪阵列的出射光路上依次设置所述柱透镜光栅和所述定向偏折膜；
所述定向偏折膜平行于所述柱透镜光栅所在的平面，所述定向偏折膜用于定向偏折所述柱透镜光栅提供的光场，增加所述柱透镜光栅提供的光场的亮度。
具体的，图5为依照本发明实施例的定向偏折膜对光线进行偏折的示意图，如图5所示，定向偏折膜104具有对经过的光线进行特定角度偏折的作用，偏折过程不损失光强。如图5中定向偏折膜对经过的光线进行角度为θ的偏折。
本发明提供的投影式电子沙盘三维显示系统，通过投影仪阵列定向地透射带有影像信息的光线，使柱透镜光栅提供的具有立体效果的光场避免了内容周期跳变，提高了分辨率。并且，利用定向偏折膜使观察者从特定的角度进行观察，增加光场的亮度。
由于仅包含投影仪阵列和柱透镜光栅的投影式电子沙盘三维显示系统只能在一个方向形成视点，即单视差而不是全视差，所示无法保证桌面式沙盘四周都可以看到正确的立体效果，但是在沙盘的单侧可以看到逼真的三维效果，方法如下。
图6为依照本发明实施例的全息功能屏和定向偏折膜在系统中的控光作用示意图，如图1和6所示，柱透镜光栅102到全息功能屏103的距离D2大于等于零，全息功能屏103到定向偏折膜104的距离D3大于等于零，柱透镜光栅102周期性结构水平于x轴，全息功能屏103位于柱透镜光栅104上方，在x方向不扩散，在y轴方向扩散。
作为单侧观看的桌面式电子沙盘，观察者的眼睛位置通常位于斜上方，且为了保证观察者前后(y轴方向)移动时较大范围都能观看到立体效果，所以本发明采用全息功能屏和定向偏折膜来实现在桌面式沙盘单侧斜上方观看到立体效果。
图6中虚线所包括的部分即为投影式电子沙盘三维显示系统，根据观看者的身高选取合适的桌面高度后，再根据人眼的观看视角确定全息功能屏和定向偏折膜的参数。来自柱透镜的光线将在x轴上形成视点。光线进入全息功能屏后，将会在y轴上方向上扩散，扩散角为ψ，作用是将视点信息在y轴上方向上扩散开，增大观看范围，在x轴方向不扩散。扩束后的光线再进入定向偏折膜后，所有光线会向人眼所在的方向偏折，偏折角度为θ，作用是将视点信息偏折到此时人眼视角所在范围内，实现观看者站在沙盘一侧就可以看到三维效果。ψ和θ的大小根据人眼的位置确定。
并且，实际应用中全息功能屏和定向偏折膜的位置可互换。
本发明实施例中的技术名词的含义如下：
1、自由立体显示：不用佩戴任何辅助设备，可以直接为观看者提供立体视觉的显示方式。
2、柱透镜光栅：以精确的周期排列的柱透镜阵列，通常用于实现裸眼3D功能。
3、全息功能屏：利用散斑全息制作的对入射光线具有特定角度扩展作用的光学薄膜。
4、扩散角：光线经过全息功能屏后在水平或竖直方向上的发散角度。
5、偏折膜：对经过的光线具有特定角度偏折作用的光学薄膜。
6、视点：视差图像在空间中形成的可正确观看的位置。
7、光场：光场是某一空间中所有方向光线的集合，它可以描述其中任意一条光线的状态。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种投影式电子沙盘三维显示系统，其特征在于，包括：投影仪阵列和柱透镜光栅；
所述投影仪阵列用于向所述柱透镜光栅投射带有影像信息的光线；
所述柱透镜光栅用于对所述带有影像信息的光线进行空间分光，获得具有立体效果的光场。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述柱透镜光栅所在的平面与所述投影仪阵列所在的平面平行。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述投影仪阵列中行或列的延伸方向，与所述柱透镜光栅周期结构方向平行。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述柱透镜光栅所在的平面与所述投影仪阵列所在的平面之间的距离等于所述投影仪阵列中每一投影仪镜头的焦距。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述投影仪阵列中任意两个相邻投影仪之间的距离都相等。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述投影仪阵列中每一投影仪的镜头光轴都朝向所述柱透镜光栅的中心点，且每一投影仪投射的影像信息正好覆盖所述柱透镜光栅。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括全息功能屏；
所述投影仪阵列的出射光路上依次设置所述柱透镜光栅和所述全息功能屏；
所述全息功能屏平行于所述柱透镜光栅所在的平面，用于发散所述柱透镜光栅提供的光场，使观察者从不同的角度都能看到所述柱透镜光栅提供的光场。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括定向偏折膜；
所述投影仪阵列的出射光路上依次设置所述柱透镜光栅和所述定向偏折膜；
所述定向偏折膜平行于所述柱透镜光栅所在的平面，所述定向偏折膜用于定向偏折所述柱透镜光栅提供的光场，增加所述柱透镜光栅提供的光场的亮度。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括全息功能屏和定向偏折膜；
所述投影仪阵列的出射光路上依次设置所述柱透镜光栅、所述全息功能屏和所述定向偏折膜；
所述全息功能屏平行于所述柱透镜光栅所在的平面，用于发散所述柱透镜光栅提供的光场，使观察者从不同的角度都能看到所述柱透镜光栅提供的光场；
所述定向偏折膜平行于所述柱透镜光栅所在的平面，所述定向偏折膜用于定向偏折所述柱透镜光栅提供的光场，增加所述柱透镜光栅提供的光场的亮度。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括定向偏折膜和全息功能屏；
所述投影仪阵列的出射光路上依次设置所述柱透镜光栅、所述定向偏折膜和所述全息功能屏；
所述定向偏折膜平行于所述柱透镜光栅所在的平面，所述定向偏折膜用于定向偏折所述柱透镜光栅提供的光场，增加所述柱透镜光栅提供的光场的亮度；
所述全息功能屏平行于所述柱透镜光栅所在的平面，用于发散所述柱透镜光栅提供的光场，使观察者从不同的角度都能看到所述柱透镜光栅提供的光场。
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