CN110471249A - 现场全息显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D显示领域，公开了一种现场全息显示系统，包括全息投影器、投影屏、交互响应单元和处理器，所述全息投影器与投影屏位置相互对应，所述全息投影器和/或投影屏上设有与处理器连接的运动执行机构，所述处理器分别与全息投影器、交互响应单元和运动执行机构电连接，全息投影器在空中投影出发散的3D图像，无需另外的参考光源辅助，经过等效负折射率平面透镜的投影屏转换后，就可以得到一个悬浮在空中的、可以被观察的3D图像，降低了成本，同时该3D图像可以在投影屏的前方或者后方显示，显示空间无限大，而且在极小的设备空间内，也可以显示超大画面和超深景深。

Description

现场全息显示系统
技术领域
本发明涉及3D显示领域，尤其是涉及一种现场全息显示系统。
背景技术
3D显示技术可以提供深度信息，从而展示出更加逼真的显示场景。目前主流的3D显示解决方案(比如影院的3D电影)都是基于视差图像对的伪3D显示图，并不能够显示真实的3D图像。虽然，现在已经有很多3D的显示技术被提出，但是还没有一种技术可以真正能够显示大尺度、稳定、高品质3D图像。全息显示被认为是显示领域的终极解决方案，但是由于其对设备、环境等的要求极为苛刻，所以短期内很难实现商业化应用。
授权公告号为CN106773469B的专利提供了一种全新的现场再现全息方案，为了人眼能够观察到显示大尺度、稳定、高品质3D图像，其光路布置时，需要采用投射面积与投影屏面积一样大的平行光，来作为参考光源(参考光源为非平行光时人眼观察到的3D图像带有畸变)，其光路布置要求比较苛刻，实现难度较大。
申请号为CN107831558A的专利提供了一种等效负折射率平面透镜，并设计了一种空气投影，但是需要使用大面积的平面显示设备，而且只能在屏幕前方显示，设备非常笨重，显示空间有限，显示位置固定，使得观察角度受限，偏移一定角度就无法观察，而且要想实现真实的3D显示，还非常困难，只能实现类似佩帕尔幻象的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对上述现有技术的不足，提供一种现场全息显示系统，可以实现在屏幕前方或者后方显示，显示空间无限大，观察角度灵活，而且可以在极小的设备空间显示超大画面，超深景深，实现低成本、高质量3D图像显示的目的。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
现场全息显示系统，包括全息投影器、投影屏、交互响应单元和处理器；
所述全息投影器与投影屏位置相互对应，所述全息投影器用于在空间投影出具有深度信息的3D图像；
所述投影屏是具有把投影屏一侧的像点汇聚到屏幕的另一侧形成共轭像点的屏幕，其用于把全息投影器投影出的具有深度信息的3D图像转化到其共轭位置；
所述全息投影器和/或投影屏上设有与处理器连接的运动执行机构，所述运动执行机构用于控制全息投影器和投影屏之间的相对运动，来调节两者之间的相对位置；
全息投影器的镜头直径(透光部分)为Dmm，投影屏的水平方向最大长度为L cm，全息投影器的重量(不包含线束等辅助部件的质量)为W g，满足：
所述交互响应单元包括人眼跟踪单元和交互动作捕捉单元或只包括交互动作捕捉单元，所述人眼跟踪单元用于跟踪人眼的位置并将人眼的定位信息发送给处理器，所述交互动作捕捉单元用于识别用户的交互动作并将用户交互动作信息发送给处理器，所述处理器根据人眼的定位信息或用户交互动作信息来控制系统做出相应的响应；
所述处理器分别与全息投影器、交互响应单元和运动执行机构电连接，所述处理器发送投影数据信息给到全息投影器，来控制全息投影器的投影画面和画面深度，并根据接收到的交互响应单元获取的人眼的定位信息和用户交互动作信息，来控制运动执行机构调整全息投影器相对于投影屏的位置，使用户可以正常观看3D画面。
进一步地，所述投影屏为负折射率平面透镜或等效负折射率平面透镜。
进一步地，所述人眼跟踪单元包括摄像机和红外距离探测器，所述摄像机利用图像识别技术识别人脸并且定位出人眼的位置，所述红外距离探测器探测人眼和投影屏之间的距离。
进一步地，所述全息投影器的投射光包含红色、蓝色和绿色三元色光源。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、全息投影器在空中投影出发散的3D图像，无需另外的参考光源辅助，经过等效负折射率平面透镜的投影屏转换后，就可以得到一个悬浮在空中的、可以被观察的3D图像，降低了成本，同时该3D图像可以在投影屏的前方或者后方显示，显示空间无限大，而且在极小的设备空间内，也可以显示超大画面和超深景深；
2、相对于佩帕尔幻象方式由于受到可视角的影响，屏幕显示面积小于80％，本发明所述的系统整个屏幕都可以用来显示画面，做到真正的无边框，与环境完美融合；
3、通过处理器来控制全息投影器的投影画面和景深，由于焦深深度可调，可以有效避免用户长时间观看固定焦深画面造成的视觉疲劳，从而避免了近视的发生，可以改善用户视力水平；
4、通过人眼跟踪单元可以识别人眼位置，然后通过控制运动执行机构来实时调整全息投影器与屏幕的相对位置，使人眼和全息投影器始终相对于投影屏对称(互为光学共轭)，保证了3D图像可以准确地被用户观察到，实现了观察角度自由的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统图，
图2为本发明实施例的原理图，
附图标记如下：
全息投影器1，投影屏2，交互响应单元3，人眼跟踪单元31，交互动作捕捉单元32，处理器4，运动执行机构5，人眼6，交互动作捕捉单元7。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1至图2，本发明提供一种技术方案：
现场全息显示系统，包括全息投影器1、投影屏2、交互响应单元3和处理器4；
全息投影器1位于投影屏2的一侧，全息投影器1用于在空间投影出具有深度信息的3D图像，优选使用两个全息投影器2实现了双眼显示模式，此时单个全息投影器2的镜头只需要覆盖用户的单眼，所以适用双眼显示模式的单个全息投影器2的镜头直径(透光部分)无需太大，也可以只选用一个镜头直径(透光部分)D较大的全息投影器2来实现一个全息投影器2同时覆盖用户双眼；
投影屏2为具有把投影屏一侧的像点汇聚到投影屏另一侧形成共轭像点的屏幕，优选等效负折射率平面透镜，具有把投影屏2一侧的像点汇聚到投影屏2的另一侧形成共轭像点的作用，其用于将全息投影器1投影出的具有深度信息的3D图像转化到其共轭位置，供用户观察；
全息投影器1上设有与处理器4连接的运动执行机构5，运动执行机构5用于控制全息投影器1和投影屏2之间的相对运动，来调节投影距离，运动执行机构5具体实施方式多种多样，业内一般人员都可以根据本发明的工作原理自行设计机械结构来实现；
交互响应单元3设置在投影屏2上方，交互响应单元3包括人眼跟踪单元31和交互动作捕捉单元32，人眼跟踪单元31用于跟踪人眼6的位置并将人眼6的定位信息发送给处理器4，人眼跟踪单元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并且定位出人眼6的位置，红外距离探测器探测人眼6和投影屏2之间的距离；
交互动作捕捉单元32用于识别用户的交互动作并将用户交互动作信息发送给处理器4，可以采用红外摄像头作为交互动作捕捉单元32来捕捉用户的交互动作,处理器4根据人眼6的定位信息或用户交互动作信息来控制系统做出相应的响应，比如根据平移手势信号，处理器4控制画面进行平移，或者根据对应的其他交互动作控制画面的放大、拉近、推远、触碰等。
处理器4分别与全息投影器1、交互响应单元3和运动执行机构5电连接，用于控制各部份的工作，具体为：处理器4发送投影数据信息给到全息投影器1，来控制全息投影器1的投影画面和画面深度，并根据接收到的交互响应单元3获取的人眼6定位信息和用户交互动作信息，来控制运动执行机构5调整全息投影器1相对于投影屏2的位置，使用户可以正常观看3D画面，需要说明的是本发明所采用的处理器4的控制程序是常见的现有技术。
通过处理器4来控制全息投影器1的投影画面和景深，由于焦深深度可调，可以避免用户长时间观看固定焦深画面造成的视觉疲劳，从而避免了近视的发生，可以改善视力水平。
本发明可以用于固定显示，如办公、家厅影音、车载显示等，也可以实现小巧的移动显示和头戴显示等领域。
全息投影器1的镜头直径(透光部分)为Dmm、重量(不包含线束等辅助部件的质量)为Wg，投影屏2的水平方向最大长度为Lcm，实际应用时应满足：
其中全息投影器1的重量W对系统显示稳定性的影响较为突出，重量W过小，系统固有振动频率就会比较高，环境振动(如施工等)、用户身体运动或者空气对流(如风扇、空调气流)等都会使其产生振动，发生共振，从而容易产生噪音或者受外界噪音干扰，出现画面抖动情况，影响画质，使用户无法接收到稳定的画面；对于只在全息投影器1上设有与处理器4连接的运动执行机构5的情形，全息投影器1的重量W过大时，在调整全息投影器1和投影屏2的相对位置时，容易出现画面跟踪困难，同时用来调整全息投影器1位置的运动执行机构5本身的承重性、强度等各个方面要求较高，成本会相应增加。
全息投影器1的镜头直径(透光部分)D和投影屏2的水平方向最大长度L对系统的影响主要体现在显示画面的质量和视觉效果方面：
当D过小时，用户稍微运动一下就会脱离可见视窗，容易出现投影画面难以跟踪；D越大，其输出图像的立体角覆盖度越大，但D过大时，一方面光源功耗增加，容易造成器件产热增多，降低寿命和可靠性，另一方面又会造成光通量过大，有损伤视力风险；
投影屏2的水平方向最大长度L增加时相应的可视角度也会增加。投影屏2的水平方向最大长度L过大会造成跟踪困难，容易丢失画面，而且运动扫掠范围过大容易影响到用户活动，甚至造成一定危险；投影屏2的水平方向最大长度L过小时，显示的画面太小，无法营造沉浸式体验。
综上，为了保证不同的应用场景下(如桌面应用、商场展示应用、影院应用以及头戴式应用)，能够显示高质量的画面，同时又不会对用户活动范围造成影响，需要满足：
下面结合以下实施例对本发明作进一步说明：
1)固定显示
在固定显示应用时，全息投影器1的重量W取值范围200g～3000g，由于W过大和过小都存在如上述的弊端，在采用以下实施例进行说明时，全息投影器1的重量W(不包含线束等辅助部件的质量)取优选值500g，全息投影器1的镜头直径(透光部分)D为5mm～80mm，投影屏2的水平方向最大长度L为15cm～150cm，具体如下表：
实施例5为固定显示应用的最佳实施例，为了进一步说明全息投影器1的重量W对系统的影响，在实施例5基础上，以全息投影器1的重量W作为变量：
实施例10和实施例11进一步说明了固定显示应用时，全息投影器1的重量W对系统的影响仅限于稳定性的影响。
2)穿戴式显示
对于头戴式显示应用时，用户眼睛6与系统的相对位置是固定不变的，那么人眼跟踪单元31就可以取消掉。
实际应用时，如果全息投影器1质量W较大会造成穿戴不便，而且全息投影器1采用的是微型型号，质量W都相对较小，常规情况W为5g～15g。在采用以下实施例进行说明时，全息投影器1的重量W优选10g，全息投影器1的镜头直径(透光部分)D为1mm～15mm，投影屏2的水平方向最大长度L为0.8cm～5cm，具体如下表：
实施例16为穿戴式显示的最佳实施例。
基于以上实施例的数据，全息投影器1的镜头直径(透光部分)D取固定显示应用的最大值80mm、重量(不包含线束等辅助部件的质量)W取穿戴式显示应用的最小值5g，投影屏2的水平方向最大长度L取穿戴式显示应用的最小值0.8cm，可以得出所以在限定的范围时取
而通过上述实施例也表明，的范围内，都可以使本发明所述的系统实现全息显示的效果，但是只有当全息投影器1的镜头直径(透光部分)D、重量W和投影屏2的水平方向最大长度L均为最优时，才会达到好的显示效果，从而满足用户的需求。
为了显示彩色画面，全息投影器1的投射光可以包含红色、蓝色和绿色三元色光源。
本发明在实际应用时，投影屏2也可以采用等效负折射率平面透镜的屏幕；交互响应单元3是用来定位人眼6的位置和捕捉用户交互动作的，所以其位置也可以位于投影屏2的下方，或者其他位置，只要是能够实现准确定位人眼6位置和用户交互动作信息即可；运动执行机构5用于控制全息投影器1和投影屏2之间的相对运动，来调节投影距离，所以不单单是设置在全息投影器1上，也可以设置在投影屏2上或者是全息投影器1和投影屏2上都设有运动执行机构5，只要实现全息投影器1和投影屏2相对位置的调整即可。
原理：本发明采用的投影屏2是一种可以将投影屏2一侧的像点汇聚到投影屏2的另一侧并形成共轭像点的负折射率平面透镜。因此，如果可以在空中投影出发散的3D图像，无需参考光源的辅助，经过负折射率平面透镜的投影屏2转换后，就可以得到一个悬浮在空中的、可以被观察的3D图像。
但是由于负折射率平面透镜的投影屏2只能把投影的3D图像转化到其(相对于负折射率平面透镜)光学共轭位置(也是对称位置)，一旦用户运动起来，比如左右前后移动，3D图像就无法准确被用户观察到。通过人眼跟踪单元31可以识别人眼6的位置，然后通过实时调整全息投影器1或者投影屏2的位置，使人眼6和全息投影器1相对于投影屏2互相对称(互为光学共轭)，就可以保证用户始终可以观察到画面。投影屏2只是把一侧的图像在其另一侧对称位置成像类似于佩珀耳成像原理，因此还需要使用其他辅助技术才可以实现3D成像，所以本发明使用了全息投影器1投影出3D图像，然后通过投影屏2转化到其对称位置供观察。
本发明所述的显示系统，全息投影器1在空中投影出发散的3D图像，无需另外的参考光源辅助，经过等效负折射率平面透镜的投影屏2转换后，就可以得到一个悬浮在空中的、可以被观察的3D图像，降低了成本，相对于似佩帕尔幻象方式由于受到可视角的影响，屏幕显示面积小于80％，本发明所述的系统整个屏幕都可以用来显示画面，做到真正的无边框，与环境完美融合，同时该3D图像可以在投影屏的前方或者后方显示，显示空间无限大，而且在极小的设备空间内，也可以显示超大画面和超深景深。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.现场全息显示系统，其特征在于：包括全息投影器(1)、投影屏(2)、交互响应单元(3)和处理器(4)；
所述全息投影器(1)与投影屏(2)位置相互对应，所述全息投影器(1)用于在空间投影出具有深度信息的3D图像；
所述投影屏(2)是具有把投影屏(2)一侧的像点汇聚到投影屏(2)另一侧形成共轭像点的屏幕，其用于把全息投影器(1)投影出的具有深度信息的3D图像转化到其共轭位置；
所述全息投影器(1)和/或投影屏(2)上设有与处理器(4)连接的运动执行机构(5)，所述运动执行机构(5)用于控制全息投影器(1)和投影屏(2)之间的相对运动，来调节两者之间的相对位置；
全息投影器(1)的镜头直径(透光部分)为Dmm，投影屏(2)的水平方向最大长度为L cm，全息投影器(1)的重量(不包含线束等辅助部件的质量)为W g，满足：
所述交互响应单元(3)包括人眼跟踪单元(31)和交互动作捕捉单元(32)或只包括交互动作捕捉单元(32)，所述人眼跟踪单元(31)用于跟踪人眼(6)的位置并将人眼(6)的定位信息发送给处理器(4)，所述交互动作捕捉单元(32)用于识别用户的交互动作并将用户交互动作信息发送给处理器(4)，所述处理器(4)根据人眼(6)的定位信息或用户交互动作信息来控制系统做出相应的响应；
所述处理器(4)分别与全息投影器(1)、交互响应单元(3)和运动执行机构(5)电连接，所述处理器(4)发送投影数据信息给到全息投影器(1)，来控制全息投影器(1)的投影画面和画面深度，并根据接收到的交互响应单元(3)获取的人眼(6)的定位信息和用户交互动作信息，来控制运动执行机构(5)调整全息投影器(1)相对于投影屏(2)的位置，使用户可以正常观看3D画面。
2.根据权利要求1所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述投影屏(2)为负折射率平面透镜或等效负折射率平面透镜。
3.根据权利要求1所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述人眼跟踪单元(31)包括摄像机和红外距离探测器，所述摄像机利用图像识别技术识别人脸并且定位出人眼(6)的位置，所述红外距离探测器探测人眼(6)和投影屏(2)之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述全息投影器(1)的投射光包含红色、蓝色和绿色三元色光源。
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