CN109960103B - 一种3d成像系统及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及3D投影技术领域，特别是涉及一种3D成像系统及其装置，所述3D成像显示装置，通过显示源发出主光束，经过半透半反镜的透射与反射，主光束分成第一子光束和第二子光束，第一子光束经反射射至观察区被人眼观察，形成第一图像，第二子光束经透射射至逆反射镜，第二子光束经逆反射镜反向射出，且位置偏移，通过半透半反镜的透射或反射至显示屏，再通过显示屏的反射至半透半反镜，最后通过半透半反镜的透射或反射至观察区被人眼观察，形成第二图像，第一图像和第二图像叠加形成三维图像，3D成像系统只需要一个显示源即可以实现投影3D成像，第一图像和第二图像的位置相对精确。

Description

一种3D成像系统及其装置
技术领域
本发明实施方式涉及3D投影技术领域，特别是涉及一种3D成像系统及其装置。
背景技术
3D是three-dimensional的缩写，就是三维图形。人眼之所以能观察到世界具有立体感，是因为人长有两只眼睛，当我们观察事物的时候，两只眼睛所造成的视差位移经过大脑的分析，就会区别分出物体距离的远近，因而产生出强烈的立体感。
传统的3D成像系统一般采用两个摄像装置，通过两个摄像装置投射相互错位的显示第一图像的第一光束显示第二图像的第二光束，第一光束和第二光束透过光栅或者3D眼镜分别射入观察者的左眼和右眼，第一图像和第二图像经过大脑的分析，生成3D图像。
但是发明人在实现本申请的过程中，发现传统的3D成像系统需要两个摄像装置，所述两个摄像装置很难精确的定位，两个摄像装置定位不精确会导致图像模糊，像素分离等问题，影响用户体验。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种只需要一个摄像装置即可实现3D投影的3D成像显示系统。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种3D成像显示系统，包括：显示源、显示屏、观察区、半透半反镜、逆反射镜以及调距装置；所述显示源与所述逆反射镜相对设置，所述半透半反镜设置于所述显示源和所述逆反射镜之间，且所述半透半反镜与所述逆反射镜呈夹角设置，所述观察区设置于所述半透半反镜的前方，所述调距装置连接所述逆反镜，所述调距装置用于调整所述逆反射镜与显示源的距离；所述显示源用于射出显示图像的主光束，所述主光束通过所述半透半反镜发生透射和反射，主光束分成第一子光束和第二子光束，所述第一子光束被所述半透半反镜反射至观察区，以形成第一图像；所述第二子光束透过所述半透半反镜至所述逆反射镜，所述逆反射镜使所述第二子光束偏移且反向射出，所述第二子光束射至所述半透半反镜发生透射或反射，使所述第二子光束射至所述显示屏，所述显示屏使所述第二子光束反射回至半透半反镜，半透半反镜将第二子光束反射或透射至所述观察区，以形成第二图像；所述第一图像和第二图像叠加形成三维图像。
在一些实施例中，所述显示屏设置于所述半透半反镜与所述显示源之间；当所述第二子光束从逆反射镜一侧射至所述半透半反镜时，所述第二子光束将透过所述半透半反镜；当所述主光束或第二子光束从所述显示屏一侧射至所述半透半反镜时，所述主光束或第二子光束将同时发生透射与反射。
在一些实施例中，所述半透半反镜背离显示源的一面镀有预设光反射和透射比例的材料。
在一些实施例中，所述显示屏还用于，将从所述显示源一侧射向所述显示屏的所述主光束透过所述显示屏。
在一些实施例中，所述显示屏靠近显示源的一面镀有镜面反光膜。
在一些实施例中，所述显示屏、所述半透半反镜以及所述逆反射镜呈三角形分布；当所述第二子光束从逆反射镜一侧射至所述半透半反镜时，所述第二子光束将反射至所述显示屏；当所述第二子光束从显示屏一侧射至所述半透半反镜时，所述第二子光束透射至观察区。
在一些实施例中，所述半透半反镜两面均镀有预设光反射和透射比例的材料。
在一些实施例中，所述3D成像显示装置还包括高速转镜；所述高速转镜设置于观察区与半透半反镜之间；所述高速转镜绕其自身转轴高速旋转，其自身转轴同时平行于所述显示屏与所述半透半反镜，所述高速转镜用于将从所述半透半反镜一侧射至所述高速转镜的所述第二子光束沿不同角度反射至所述观察区。
本发明还提供一种3D成像显示装置，包括如上所述的3D成像显示系统。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术，本发明实施例提供的一种3D成像显示系统，包括：显示源、显示屏、半透半反镜以及逆反射镜；所述显示源与所述逆反射镜相对设置，所述半透半反镜设置于所述显示源和所述逆反射镜之间，且所述半透半反镜与所述逆反射镜呈夹角设置，所述观察区设置于所述半透半反镜的前方；所述显示源用于射出显示图像的主光束，所述主光束通过所述半透半反镜发生透射和反射，主光束分成第一子光束和第二子光束，所述第一子光束被所述半透半反镜反射至观察区，以形成第一图像；所述第二子光束透过所述半透半反镜至所述逆反射镜，所述逆反射镜使所述第二子光束偏移且反向射出，所述第二子光束射至所述半透半反镜发生透射或反射，使所述第二子光束射至所述显示屏，所述显示屏使所述第二子光束反射回至半透半反镜，半透半反镜将第二子光束反射或透射至所述观察区，以形成第二图像；所述第一图像和第二图像可叠加形成三维图像。通过上述方式，只需要一个显示源即可以实现投影3D成像，第一图像和第二图像的位置相对精确。
附图说明
一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施方式的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明第一实施例提供的3D成像显示系统的原理图；
图2是图1所示的3D成像显示系统的逆反射镜的结构示意图；
图3是图1所示的3D成像显示系统的另一逆反射镜的结构示意图；
图4是图1所示的3D成像显示系统的光栅的原理图；
图5是本发明第二实施例提供的3D成像显示系统的原理图；
图6是本发明第三实施例提供的3D成像显示系统的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“法向的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明不同实施例中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例提供一种3D成像显示系统100的原理示意图，3D投影模组100包括显示源10、反射镜40、半透半反镜30以及逆反射镜40，显示屏20与逆反射镜40相对平行设置，半透半反镜30位于显示屏20与逆反射镜40之间，显示源10设于显示屏20背离逆反射镜40的一侧。
上述显示源10用于发出显示虚拟场景图像的主光束，显示源10比如，投影设备的镜头、智能移动终端的屏幕等，显示源10发出的主光束的集合可以为发散的，平行的，聚集的，此处以显示源10发出的光束的集合为平行的为例，即显示源10射出的主光束均法向于显示源10的镜头或屏幕。
上述显示屏20用于，一方面，由靠近显示源10一侧的光束经过显示屏20将发生透射，另一方面，由靠近半透半反镜30一侧的光束经过显示屏20将发生反射。显示屏20比如，在玻璃其中一面设置镜面反光膜，而镜面反光膜，正面看是镜子，而背面看能看穿镜子，是透明的玻璃，设置有镜面反光膜的一面朝向显示源10。
上述半透半反镜30用于，一方面，由靠近显示屏20一侧的光束经过半透半反镜30将发生同时反射和透射，另一方面，由靠近逆反射镜40一侧的光束经过半透半反镜30将发生透射。半透半反镜30比如，在玻璃其中一面设置预设光反射和光透射比例的材料涂层，且该面朝向显示屏20。
为了简化说明，光束在半透半反镜30内会发生折射，使入射光束与出射光束偏移，由于半透半反镜30较薄，所以此处偏移误差可以忽略不计，附图中省略该部分，在下文中也不再赘述。
半透半反镜30与显示屏20呈角度设置，比如45°。上述逆反射镜40，用于，由靠近第二半反射透镜30一侧的光束经过逆反射镜40将发生折射和反射，防止造成色斑等不良影响，比如，当法向于逆反射镜40射入的光束，光束将发生偏移，然后法向于逆反射镜40射出。逆反射镜40的前方设置观察区50。
请参阅图2，在本实施例中，逆反射镜40包括反射膜402和多个折射结构404。其中，反射膜402为平面结构，用于将射至反射膜402的光束反射，多个折射结构404平铺于反射膜靠近反射膜靠近半透半反镜30的一侧，折射结构404比如玻璃珠，三棱镜。
光束射至逆反射镜40且从逆反射镜40射出的过程如下：
光束沿第一直线D1射至折射结构404发生折射，光束沿第二直线D2在折射结构404内部射至反射膜402，光束经过反射膜402沿第三直线D3反射，光束射出折射结构404发生折射，沿第四直线D4射出。其中，第一直线D1与第二直线D2的夹角等于第三直线D3与第四直线D4的夹角，第一直线D1平行于第二直线D2。
请参阅图3，在一些实施例中，逆反射镜40包括多个并列设置反射面单元406。其中，多个反射面单元406包括第一反射面4062与第二反射面4064，每一反射面单元406的第一反射面4062与该反射面单元406的第二反射面4064的夹角为90°，且该反射面单元406的第一反射面4062与第二反射面4064为内凹的结构。每一反射面单元406的第一反射面4062与一相邻的反射面单元406的第二反射面4064呈90°夹角设置，每一反射面单元406的第二反射面4064与一相邻的反射面单元406的第一反射面4062呈90°夹角设置。
光束射至逆反射镜40且从逆反射镜40射出的过程如下：
光束沿第五直线D5射至一反射面单元406的第一反射面4062发生反射，沿第六直线D6反射至该反射面单元406的第二反射面4064发生反射，沿第七直线D7射出。其中，第五直线D5相对于第七直线D7平行，第五直线D5垂直于第六直线D6，第七直线D7垂直于第六直线D6。上述观察区50为双目观察位置，观察区50位于半透半反镜30的反射面的一侧，当入射光束经过半透半反镜30反射时，反射光束射至观察区50。
请参阅图4，在本实施例中，3D成像显示系统还包括光栅502，光栅502位于半透半反镜30与观察区50之间，光栅502比如条状透镜。
在另一个实施例中，3D成像显示系统还包括3D眼镜。
使用时，显示源10发出显示虚拟场景图像的主光束，主光束沿第一光路A1垂直于显示源10的屏幕射出。主光束经过显示屏20发生透射，射向半透半反镜30。主光束A1经过半透半反镜30时同时发生透射和反射，主光束A1分成第一子光束和第二子光束，一方面，第一子光束经过半透半反镜30发生反射，第一子光束沿第二光路A2射向观察区50，第二光路A2与第一光路A1呈夹角设置，比如90°。用户的双目位于观察区50，第一子光束透过光栅(图未示)或者用户通过佩戴3D眼镜，使第一子光束被用户的左眼或右眼中的其中一者接收，在用户的大脑形成第一图像S1
；另一方面，第二子光束经过半透半反镜30发生透射，沿第三光路A3射向逆反射镜40，第三光路A3与第一光路A1大致同轴。第二子光束垂直射入逆反射镜40，经过逆反射镜40的折射或反射，从逆反射镜40一侧射出，第二子光束沿第四光路A4射向半透半反镜30，第四光路A4平行于第三光路A3，且第四光路A4的位置与第三光路A3的位置相对偏移不重合。第二子光束经过半透半反镜30发生透射，沿第四光路A4射向显示屏20。第二子光束沿第四光路A4垂直射入显示屏20，经过显示屏20的反射，沿第五光路A5射出第二子光束，第五光路A5的方向与第四光路A4的方向相反，第二子光束射向半透半反镜30。第二子光束经过半透半反透镜30反射，沿第六光路A6射向观察区50，第六光路A6与第二光路A5呈夹角设置，比如90°，且第六光路A6相对于第二光路A2平行，位置发生偏移，第二子光束径第六光路A6射至观察区50。第二子光束透过光栅502或者用户通过佩戴3D眼镜，使第一子光束被用户的左眼或右眼中的另一者接收，在用户的大脑形成第二图像S2；第一图像S1与第二图像S2有视差位移，在人脑中叠加形成三维图像，三维图像为虚拟场景的图像。
与现有技术相比，3D成像显示系统只需要一个显示源即可以实现3D投影，第一图像和第二图像的位置相对精确。
请参阅图5，本发明第二实施例提供的3D成像显示系统200与第一实施例提供的3D成像显示系统100基本相同，区别在于3D成像显示系统200还包括调距装置60，且该调距装置60相对于显示源10固定设置。
上述调距装置60，用于使逆反射镜40能够在法向于逆反射镜40的方向上平移，调距装置60比如，线性电机，线性电机的输出轴连接逆反射镜40。
使用时，可以通过调距装置60调整逆反射镜40和显示源10之间的距离，用于调整第二图像S2的景深。
景深，是指在摄像机镜头或者其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。而镜头及拍摄物的距离是影响景深的重要因素。
与现有技术相比，通过调距装置适当调整逆反射镜和显示源之间的距离，使第二子光束的光路延长，进而调整第二图像的景深，与第一图像叠加形成三维图像，实现了更富有层次感的立体显示效果。
另外，虚拟场景图像显示的更真实自然，且不影响三维图像的亮度、对比度、色调等参数。
请参阅图6，本发明第三实施例提供的3D成像显示系统300与第一实施例的3D成像显示系统100基本相同，区别在于半透半反镜31的结构以及显示屏21的位置。
上述3D成像显示系统300包括显示源10，逆反射镜40，显示屏21、半透半反镜31，其中，逆反射镜40与显示源10相对平行设置，第二半透半反镜31设于显示源10与逆反射镜40之间，且半透半反镜31与逆反射镜40呈夹角设置，显示屏21、半透半反镜31以及逆反射镜40呈三角形设置，且显示屏21垂直逆反射镜40设置。
上述显示屏21用于，将半透半反镜31一侧射向显示屏21的光束反射，比如平面镜。
上述半透半反镜31，用于，任一侧射向半透半反镜31的光束将发生透射和反射。比如，在玻璃的两面均设置预设光反射和光透射比例的材料涂层。
使用时，显示源10发出显示虚拟场景的图像的主光束，主光束沿第一光路B1垂直于显示源10的屏幕射出。主光束经过半透半反镜31时同时发生透射和反射，主光束分成第一子光束和第二子光束，一方面，第一子光束经过半透半反镜31发生反射，沿第二光路B2射向观察区50，第二光路B2与第一光路B1呈夹角设置，比如90°。用户的双目位于观察区50，第一子光束透过光栅502或者用户通过佩戴3D眼镜，使第一子光束被用户的左眼或右眼中的其中一者接收，在用户的大脑形成第一图像S1；；另一方面，第二子光束经过半透半反镜31发生透射，沿第三光路B3射向逆反射镜40，第三光路B3与第一光路B1大致同轴。第二子光束垂直射入逆反射镜40，经过逆反射镜40的折射或反射，从逆反射镜40一侧射出，第二子光束沿第四光路B4射向半透半反镜31，第四光路A4平行于第三光路B3，且第四光路B4的位置与第三光路B3的位置相对偏移不重合。第二子光束经过半透半反镜31发生反射，沿第五光路B5射向显示屏21，第五光路B5与第四光路B4成夹角设置，比如90°。第二子光束沿第五光路B5垂直射入显示屏21，经过显示屏20的反射，沿第六光路B6射向半透半反镜31，第六光路B6的方向与第五光路B4的方向相反。第二子光束经过半透半反镜31发生透射，继续沿第六光路B6射向观察区50。第二子光束透过光栅502或者用户通过佩戴3D眼镜，使第一子光束被用户的左眼或右眼中的另一者接收，在用户的大脑形成第二图像S2；
；第一图像S1与第二图像S2有视差位移，在人脑中叠加形成三维图像，三维图像为虚拟场景的图像。
本发明实施例提供的3D成像显示系统300也能实现将主光束分成第一子光束和第二子光束，且第一子光束和第二子光束同向且位置相对偏移，实现第一图像S1与第二图像S2产生视差位移，叠加形成三维图像。
在本实施例中，3D成像装置100，200,300还包括高速转镜(图未示)，高速转镜(图未示)设置于观察区50。
上述高速转镜(图未示)绕其自身转轴高速旋转，其自身转轴同时平行于显示屏21与半透半反镜31，高速转镜(图未示)用于将从半透半反镜30,31一侧射至高速转镜(图未示)的第二子光束沿不同角度反射至观察区50。其中，高速转镜(图未示)的转速尽可能大，同时，高速转镜(图未示)的两侧均设置有反射面，比如，两面镜子的非反射面相贴合。
通过设置在显示屏设置高速转镜(图未示)，这样无论用户在观察区的哪个角度观察，由于视觉暂留作用，用户的双目都会接收到第一子光束和第二子光束，从而看到显示源10显示的虚拟场景的图像。
在本实施例中，半透半反透镜30可以转动，其转轴平行于半透半反透镜30以及逆反射镜40。
通过对半透半反镜30设置成可以转动，可以实现将第一子光束和第二子光束沿不同方向射向观察区50，这样无论用户在观察区50的哪个角度观察，由于视觉暂留作用，用户的双目都会接收到第一子光束和第二子光束，从而看到显示源10显示的虚拟场景的图像。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种3D成像显示系统，其特征在于，包括：显示源、显示屏、观察区、半透半反镜、逆反射镜以及调距装置；
所述显示源与所述逆反射镜相对设置，所述半透半反镜设置于所述显示源和所述逆反射镜之间，且所述半透半反镜与所述逆反射镜呈夹角设置，所述观察区设置于所述半透半反镜的前方，所述调距装置连接所述逆反镜，所述调距装置用于调整所述逆反射镜与显示源的距离；
所述显示源用于射出显示图像的主光束，所述主光束通过所述半透半反镜发生透射和反射，主光束分成第一子光束和第二子光束，所述第一子光束被所述半透半反镜反射至观察区，以形成第一图像；所述第二子光束透过所述半透半反镜至所述逆反射镜，所述逆反射镜使所述第二子光束偏移且反向射出，所述第二子光束射至所述半透半反镜发生透射或反射，使所述第二子光束射至所述显示屏，所述显示屏使所述第二子光束反射回至半透半反镜，半透半反镜将第二子光束反射或透射至所述观察区，以形成第二图像；所述第一图像和第二图像叠加形成三维图像。
2.根据权利要求1所述的3D成像显示系统，其特征在于，所述显示屏设置于所述半透半反镜与所述显示源之间；当所述第二子光束从逆反射镜一侧射至所述半透半反镜时，所述第二子光束将透过所述半透半反镜；当所述主光束或第二子光束从所述显示屏一侧射至所述半透半反镜时，所述主光束或第二子光束将同时发生透射与反射。
3.根据权利要求1所述的3D成像显示系统，其特征在于，所述半透半反镜背离显示源的一面镀有预设光反射和透射比例的材料。
4.根据权利要求1所述的3D成像显示系统，其特征在于，所述显示屏还用于，将从所述显示源一侧射向所述显示屏的所述主光束透过所述显示屏。
5.根据权利要求3所述的3D成像显示系统，其特征在于，所述显示屏靠近显示源的一面镀有镜面反光膜。
6.根据权利要求1所述的3D成像显示系统，其特征在于，所述显示屏、所述半透半反镜以及所述逆反射镜呈三角形分布；
当所述第二子光束从逆反射镜一侧射至所述半透半反镜时，所述第二子光束将反射至所述显示屏；
当所述第二子光束从显示屏一侧射至所述半透半反镜时，所述第二子光束透射至观察区。
7.根据权利要求5所述的3D成像显示系统，其特征在于，所述半透半反镜两面均镀有预设光反射和透射比例的材料。
8.根据权利要求1至6任一项所述的3D成像显示系统，其特征在于，所述3D成像显示装置还包括高速转镜；
所述高速转镜设置于观察区与半透半反镜之间；
所述高速转镜绕其自身转轴高速旋转，其自身转轴同时平行于所述显示屏与所述半透半反镜，所述高速转镜用于将从所述半透半反镜一侧射至所述高速转镜的所述第二子光束沿不同角度反射至所述观察区。
9.一种3D成像显示装置，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的3D成像显示系统。
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