CN110989196A - 三维立体成像显示仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维立体成像显示仪，它包括高速旋转的投影显示屏；驱动投影显示屏旋转的机械单元；MICROLED显示芯片；投影光路合成单元和控制单元。控制单元接收被显示的三维图像数据，将被显示的三维立体图像分解为多幅高分辨率、高色彩率的二维平面图像,通过MICROLED显示芯片依次将二维平面图像投影到投影显示屏上；同时，控制单元根据位置传感器检测到的投影显示屏的位置，输出与二维投影图像同步的电机驱动信号，驱动电机带动投影显示屏与要投影的二维投影图像同步旋转，使二维平面图像投影到与之同步高速旋转的投影显示屏上；投影到投影显示屏上的多福二维平面图像快速叠加合成三维立体图像。

Description

三维立体成像显示仪

技术领域

本发明涉及一种三维立体成像显示仪，具体地说，本发明涉及一种将三维立体图像分解成若干幅二维图像，通过MICROLED显示芯片将二维图像投影到与之同步高速旋转的投影显示屏上，再将多幅高速旋转的二维平面投影图像快速叠加合成三维图像的三维立体成像显示仪。

背景技术

专利号为2015105157136，发明名称为《三维立体成像显示仪》专利文献中公开了一种利用多个DLP投影模块将二维图像投影到做高速直线往返运动的投影屏上，再将多幅运动的二维图像叠加合成三维图像的技术方案。申请号为2016105658257的专利申请也公开了一种利用高速旋转的LED显示屏，将多幅运动的二维图像叠加合成三维图像的技术方案。

上述两种技术方案都可以实现高分辨率、高色彩深度三维图像的显示，但都存在一个技术实现成本高、结构复杂、大批量产品化难的问题。特别是，如果要实现高分辨率，采用分辨率小于0.3mm的LED显示屏其成本非常高。

随着近两年MICROLED显示芯片的出现，其最小LED像素点可达到2.5um，技术实现成本低于上述两种技术方案的1/10，且MICROLED显示芯片与DLP投影模组相比具有更高的频响，可以更流畅、更逼真地显示三维图像。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种新型的三维立体成像显示仪。该三维立体成像显示仪先将被显示的三维立体图像分解成若干幅二维图像，然后通过MICROLED显示芯片将二维图像投影到与之同步高速旋转的投影显示屏上，再将多幅高速旋转的二维平面投影图像叠加合成三维立体图像。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种三维立体成像显示仪，它包括：高速旋转的投影显示屏、驱动投影显示屏旋转的机械单元、MICROLED显示芯片、投影光路合成单元和控制单元；

所述控制单元包括控制芯片、显示内存、MICROLED显示芯片驱动电路、电机驱动电路和感测投影显示屏位置的位置传感器；

所述控制芯片接收被显示的三维图像数据，将三维图像数据分解成若干幅二维平面图像数据存储到所述显示内存中；控制芯片输出控制信号依序将存储在所述显示内存中的二维平面图像数据通过所述MICROLED显示芯片驱动电路，传输给所述MICROLED显示芯片；在所述MICROLED显示芯片上形成发光的二维图像，所述MICROLED显示芯片将包含有二维平面图像数据的光发送到所述投影光路合成单元，经所述投影光路合成单元投影到旋转的所述投影显示屏上；

同时，所述控制芯片根据所述位置传感器检测的所述投影显示屏的位置，输出与二维投影图像同步的电机驱动信号，驱动电机带动所述投影显示屏同步旋转，使二维平面图像投影到与之同步高速旋转的所述投影显示屏上；所述投影到投影显示屏上的多福二维平面图像快速叠加合成三维立体图像。

在本发明较佳实施例中，所述投影显示屏的旋转速度大于等于3000转/分钟，即旋转频率大于等于50Hz。

在本发明较佳实施例中，所述投影显示屏为不透明的显示屏；所述MICROLED显示芯片的驱动帧频大于等于D*∏*50Hz，其中，D为投影显示屏X方向显示像素点数，驱动低占空比采用小于等于1/8占空比的驱动方式。

在本发明较佳实施例中，所述投影显示屏为透明的显示屏；所述MICROLED显示芯片的驱动帧频大于等于D*∏*50Hz/2，其中，D为投影显示屏X方向显示像素点数，驱动低占空比采用小于等于1/8占空比的驱动方式。

在本发明较佳实施例中，所述驱动投影显示屏旋转的机械单元包括电机、传动机构和旋转轴；所述投影显示屏固定在所述旋转轴上，所述电机输出轴通过所述传动机构与所述旋转轴相连，带动所述旋转轴旋转，进而带动所述投影显示屏旋转。

在本发明较佳实施例中，所述旋转轴为一透明的旋转光轴，光线可通过该透明的旋转光轴传输。

在本发明较佳实施例中，所述MICROLED显示芯片为一全色的MICROLED显示芯片；所述MICROLED显示芯片通过机械部件固定在所述旋转光轴上，与所述旋转轴同轴；或，所述MICROLED显示芯片通过机械部件固定在所述旋转光轴下方、显示仪壳体内。

在本发明较佳实施例中，所述MICROLED显示芯片为红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片；所述红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片输出的红、绿、蓝三种单色光经一个分光棱镜混合成彩色光；所述红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片和所述分光棱镜通过机械部件固定在所述旋转光轴上，三个单色MICROLED显示芯片的显示中心与所述旋转光轴同轴；或，所述红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片和所述分光棱镜通过机械部件固定在所述旋转光轴下方、显示仪壳体内。

在本发明较佳实施例中，所述投影光路合成单元包括反射棱镜、短焦投影透镜和反射镜；所述MICROLED显示芯片输出的包含有二维平面图像的光，经所述反射棱镜反射后，再经所述短焦投影透镜、反射镜反射到所述投影显示屏上，调整所述短焦投影透镜的位置，使MICROLED显示芯片输出的二维平面图像清晰地投影到投影显示屏上，不虚焦。

在本发明较佳实施例中，所述反射棱镜通过机械部件固定在所述旋转光轴上，所述短焦投影透镜和反射镜通过机械部件固定在用于固定投影显示屏的安装平台上，与所述投影显示屏同步旋转。

本发明三维立体成像显示仪还包括一光电传输单元，该光电传输单元包括套在所述旋转轴上的两个滑环和两个高导电率碳刷；所述滑环与所述高导电率碳刷滑动接触，所述两个高导电率碳刷分别与直流电源的正负极相连，直流电源通过所述高导电率碳刷、滑环为所述控制单元和所述投影显示屏提供直流电源；

所述光电传输单元还包括光电发送模块、透明光轴和光电接收模块；所述光电发送模块、透明光轴和光电接收模块与所述旋转轴同轴；所述光电发送模块通过机械部件固定在显示仪壳体内，所述透明光轴和光电接收模块通过机械部件固定在所述旋转轴上；

所述三维图像数据通过光电发送模块转换为光信号通过旋转的所述透明光轴照射到所述光电接收模块，光电接收模块将光信号还原为电信号传输给所述控制单元，控制单元接收到要显示的三维图像数据后，对其进行处理。

本发明实现三维立体成像原理为：将被显示的三维立体图像分解为多幅高分辨率、高色彩率的二维平面图像,通过MICROLED显示芯片依次将二维平面图像投影到与之同步旋转的投影显示屏上；投影到投影显示屏上的多幅二维平面图像叠加合成被显示的三维立体图像。

由于本发明采用了MICROLED显示芯片，使产品结构更简单，大大降低了成本，且与LED显示屏相比具有更高的分辨率和低成本优势，易于三维立体成像显示仪的大批量生产、推广。

附图说明

图1A为一幅二维平面图像投影到与之同步旋转的投影显示屏上的示意图；

图1B为多幅高速旋转的二维平面图像投影到与之同步旋转的投影显示屏上快速叠加合成一幅三维立体图像的示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明MICROLED显示芯片的内部结构示意图；

图4为本发明红蓝绿三个单色MICROLED显示芯片与混色用分光棱镜彼此位置关系图；

图5为本发明投影光路合成单元结构示意图；

图6为本发明控制单元原理框图；

图7为本发明光电传输单元结构示意图。

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的详细说明。

如图1A、图1B所示，本发明实现三维立体成像原理为：将被显示的三维立体图像分解为多幅高分辨率、高色彩率的二维平面图像,通过MICROLED显示芯片依次将二维平面图像投影到与之同步旋转的投影显示屏上；投影到投影显示屏上的多幅二维平面图像叠加合成被显示的三维立体图像。

如图2所示，本发明公开的三维立体成像显示仪包括高速旋转的投影显示屏、驱动投影显示屏旋转的机械单元、MICROLED显示芯片、投影光路合成单元、光电传输单元和控制单元。

由于人眼的视觉暂留现象，每一幅三维平面图像的刷新频率要大于等于50Hz，才不会看到图像的闪烁，故构成本发明的投影显示屏1的旋转速度大于等于3000转/分钟，即旋转频率大于等于50Hz。由于投影显示屏最外端旋转的线速度最高，最外端圆周的显示点也最多，故，构成本发明的MICROLED显示芯片的驱动帧频要大于等于投影显示屏最外端显示刷新率：D*∏*50Hz，其中，D为投影显示屏X方向显示像素点数。例如，一个500x500像素的单面投影显示屏最外端(最远端)帧频为：500*3.14*50＝78.5Khz，则MICROLED显示芯片的驱动帧频要大于等于78.5Khz，如果是一个透明的500x500投影显示屏，则MICROLED显示芯片的驱动帧频要大于等于39.25Khz。

为使构成本发明的投影显示屏1能够高速旋转，本发明设计了驱动投影显示屏旋转的机械单元。该机械单元包括电机、传动机构和旋转轴。投影显示屏通过一安装平台固定在旋转轴上，电机输出轴通过传动机构与旋转轴相连，带动旋转轴旋转，进而带动投影显示屏旋转。

如图2所示，本发明驱动投影显示屏旋转的机械单元包括电机2、传动齿轮3和旋转轴4。投影显示屏1通过法兰盘5与旋转轴4相连，旋转轴4通过传动齿轮3与电机2的输出轴相连。电机通过传动机构带动旋转轴旋转，进而带动与之相连的投影显示屏旋转。在本发明具体实施例中，为简化结构，所述旋转轴4为一透明的旋转光轴，光线可通过该透明的旋转光轴传输。

本发明的核心部件是MICROLED显示芯片，如图3所示，MICROLED显示芯片是一款将GaN层做在Si-CMOS基层上的芯片，Si-CMOS基层上还包括有一层LED晶片，其LED像素点可做到20um以下。一片MICROLED芯片可容纳上百万的LED像素点，且其LED驱动帧频一般要大于20Khz、驱动低占空比采用小于等于1/8占空比的驱动方式，1/1占空比为最佳驱动方式，否则，旋转像素点之间的黑区太大，难以形成三维显示效果。

为实现将多幅高速旋转的高清晰度和高色彩深度的二维平面投影图像快速叠加合成一个高清晰度和高色彩深度的三维立体图像，可以选用一个全色(包括红蓝绿)的MICROLED显示芯片，也可以选用红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片。目前PLESSEY生产商和JBD生产商已生产出红、绿、蓝单色1920X1080解析度的MICROLED显示芯片，其最小LED像素点达到2.5um，完全可以满足本发明的需要。

如图2所示，本发明选用红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片6，其通过机械部件固定在旋转轴4上，与投影显示屏1同步旋转，使通过MICROLED显示芯片输出的二维平面图像投影到与之同步旋转的投影显示屏1上；同时，红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片6的显示中心与旋转轴(即旋转光轴)同轴。如图4、图5所示，本发明还包括一分光棱镜7，该分光棱镜7通过机械部件固定在旋转轴4上，红、蓝、绿三个单色MICROLED显示芯片6发出的三种单色光经分光棱镜7混合成彩色光。

在本发明具体实施例中，本发明选用三个单色的MICROLED显示芯片，当然也可以选用一个全色的MICROLED显示芯片。该全色MICROLED显示芯片通过机械部件固定在旋转轴上。当选用一个全色的MICROLED显示芯片时，可以省去分光棱镜7。

在本发明具体实施例中，MICROLED显示芯片固定在旋转轴上，并与投影显示屏同步旋转，当然，MICROLED芯片也可以不与投影屏同步旋转，而是通过机械部件固定在透明旋转光轴的正下方。当MICROLED显示芯片采用固定方式安装时，MICROLED显示芯片的显示平面要与旋转轴线垂直相交于MICROLED芯片显示平面的中点，且MICROLED芯片显示的图像须与旋转的投影显示屏做同步的角度偏转，此方案可由软件实现。

为了将MICROLED显示芯片6发送的包含有二维平面图像数据的光投影到同步旋转的投影显示屏1上，本发明还包括一投影光路合成单元。如图2、图5所示，该投影光路合成单元包括通过机械部件固定在旋转光轴4上反射棱镜8、通过机械部件固定在旋转的法兰盘(即固定投影显示屏的安装平台)的短焦投影透镜9和反射镜10。反射棱镜8、短焦投影透镜9和反射镜10与投影显示屏1同步旋转。MICROLED显示芯片6输出的包含有二维平面图像的光，经分光棱镜7混色后，经透明的旋转光轴4投射到反射棱镜8上，经反射棱镜8反射后，再经短焦投影透镜9、反射镜10反射到投影显示屏1上，调整短焦投影透镜9的位置，使MICROLED显示芯片输出的二维平面图像可清晰地投影到投影显示屏上，不虚焦。

如图6所示，本发明控制单元包括控制芯片、显示内存、MICROLED显示芯片驱动电路、电机驱动电路和感测投影显示屏位置的位置传感器。

控制芯片接收来自信号源的视频信号即被显示的三维图像数据，将三维图像数据分解成若干幅二维平面图像数据存储到显示内存中；控制芯片输出控制信号依序将存储在显示内存中的二维平面图像数据通过MICROLED显示芯片驱动电路，传输给MICROLED显示芯片；在MICROLED显示芯片上形成发光的二维图像，经MICROLED显示芯片将包含有二维平面图像数据的光发送到给投影光路合成单元，经投影光路合成单元投影到旋转的投影显示屏上；

同时，控制芯片根据位置传感器检测的投影显示屏的位置，输出与二维投影图像同步的电机驱动信号，通过电机驱动电路驱动电机带动投影显示屏同步旋转，使二维平面图像投影到与之同步高速旋转的投影显示屏上；投影到投影显示屏上的多福二维平面图像快速叠加合成三维立体图像。

如图6所示，本发明控制单元中的控制芯片(例如FPGA芯片)的I/O口分别与三维图像数据输入端、安装在投影显示屏上的位置传感器的信号输出端、显示内存数据输入端/输出端、电机驱动电路控制端、MICROLED显示芯片驱动电路控制端相连。

由于构成本发明的投影显示屏需要做同步的快速旋转运动，为避免电源线旋转时缠绕，如图7所示，本发明设计了光电传输单元，该光电传输单元包括套在旋转轴上的两个滑环12和两个高导电率碳刷11，滑环12与高导电率碳刷11滑动接触。两个高导电率碳刷11分别与外接的直流电源的正负极相连，外部电源通过高导电率碳刷11、滑环12为控制单元和投影显示屏提供直流电源。当然，本发明也可以采用无线充电电路为控制单元和投影显示屏提供直流电源。

由于被显示的三维立体图像数据量巨大，为快速、可靠地传输被显示的三维立体图像，只有高速光电传输才能满足其要求，故本发明通过光路传输数据，如图2、图7所示，本发明光电传输单元依次包括位于最下方的用于收发传输高速显示数据的光电发送模块13、位于中间的透明光轴14和位于最上方的光电接收模块15；光电发送模块13、透明光轴14和光电接收模块15与旋转轴4同轴。光电发送模块13通过机械部件固定在显示仪壳体内，透明光轴14和光电接收模块15通过机械部件固定在旋转轴4上。

三维图像数据通过光电发送模块10转换为光信号通过旋转的透明光轴14照射到光电接收模块09，光电接收模块09将光信号还原为电信号传输给控制芯片，控制芯片接收到要显示的三维图像数据后，对其进行处理。

在本发明实施例中，除所述高导电率碳刷，光电发送模块，驱动电机外，其他部件都做同步旋转运动，系统控制单元也随投影显示屏做同步旋转运动。当然，某些部件也可以采用固定不动的方案，不与投影显示屏同步旋转。

当MICROLED显示芯片采用固定方式安装时，MICROLED显示芯片的显示平面应与旋转轴线垂直相交于显示芯片平面的中点，且MICROLED芯片显示的图像须与旋转的投影显示屏做同步的角度偏转。如此旋转的光电传输单元可以省略掉，三维图像数据传输则可采用光纤或其他高速数据传输方式传输。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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范围。

Claims (10)

1.一种三维立体成像显示仪，其特征在于：其包括：

高速旋转的投影显示屏；

驱动投影显示屏旋转的机械单元；

MICROLED显示芯片；

投影光路合成单元；

控制单元，该控制单元包括控制芯片、显示内存、MICROLED显示芯片驱动电路、电机驱动电路和感测投影显示屏位置的位置传感器；

所述控制芯片接收被显示的三维图像数据，将三维图像数据分解成若干幅二维平面图像数据存储到所述显示内存中；控制芯片输出控制信号依序将存储在所述显示内存中的二维平面图像数据通过所述MICROLED显示芯片驱动电路，传输给所述MICROLED显示芯片；在所述MICROLED显示芯片上形成发光的二维图像，所述MICROLED显示芯片将包含有二维平面图像数据的光发送到所述投影光路合成单元，经所述投影光路合成单元投影到旋转的所述投影显示屏上；

同时，所述控制芯片根据所述位置传感器检测的所述投影显示屏的位置，输出与二维投影图像同步的电机驱动信号，驱动电机带动所述投影显示屏同步旋转，使二维平面图像投影到与之同步高速旋转的所述投影显示屏上；所述投影到投影显示屏上的多福二维平面图像快速叠加合成三维立体图像。

2.根据权利要求1所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述投影显示屏为不透明的显示屏，所述投影显示屏的旋转速度大于等于3000转/分钟，即旋转频率大于等于50Hz；

所述MICROLED显示芯片的驱动帧频大于等于D*∏*50Hz，其中，D为投影显示屏X方向显示像素点数，驱动低占空比采用小于等于1/8占空比的驱动方式。

3.根据权利要求1所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述投影显示屏为透明的显示屏，所述投影显示屏的旋转速度大于等于3000转/分钟，即旋转频率大于等于50Hz；

所述MICROLED显示芯片的驱动帧频大于等于D*∏*50Hz/2，其中，D为投影显示屏X方向显示像素点数，驱动低占空比采用小于等于1/8占空比的驱动方式。

4.根据权利要求2或3所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述驱动投影显示屏旋转的机械单元包括电机、传动机构和旋转轴；

所述投影显示屏固定在所述旋转轴上，所述电机输出轴通过所述传动机构与所述旋转轴相连，带动所述旋转轴旋转，进而带动所述投影显示屏旋转。

5.根据权利要求4所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述旋转轴为一透明的旋转光轴，光线能通过该透明的旋转光轴传输。

6.根据权利要求5所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述MICROLED显示芯片为一全色的MICROLED显示芯片；

所述MICROLED显示芯片通过机械部件固定在所述旋转光轴上，与所述旋转轴同轴；或

所述MICROLED显示芯片通过机械部件固定在所述旋转光轴下方、显示仪壳体内。

7.根据权利要求5所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述MICROLED显示芯片为红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片；

所述红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片输出的红、绿、蓝三种单色光经一个分光棱镜混合成彩色光；

所述红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片和所述分光棱镜通过机械部件固定在所述旋转光轴上，三个单色MICROLED显示芯片的显示中心与所述旋转光轴同轴；或

所述红、绿、蓝三个单色MICROLED显示芯片和所述分光棱镜通过机械部件固定在所述旋转光轴下方、显示仪壳体内。

8.根据权利要求6或7所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述投影光路合成单元包括反射棱镜、短焦投影透镜和反射镜；

所述MICROLED显示芯片输出的包含有二维平面图像的光，经所述反射棱镜反射后，再经所述短焦投影透镜、反射镜反射到所述投影显示屏上，调整所述短焦投影透镜的位置，使MICROLED显示芯片输出的二维平面图像清晰地投影到投影显示屏上，不虚焦。

9.根据权利要求8所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述反射棱镜通过机械部件固定在所述旋转光轴上，所述短焦投影透镜和反射镜通过机械部件固定在用于固定投影显示屏的安装平台上，与所述投影显示屏同步旋转。

10.根据权利要求9所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：其还包括一光电传输单元，该光电传输单元包括套在所述旋转轴上的两个滑环和两个高导电率碳刷；

所述滑环与所述高导电率碳刷滑动接触，所述两个高导电率碳刷分别与直流电源的正负极相连，直流电源通过所述高导电率碳刷、滑环为所述控制单元和所述投影显示屏提供直流电源；

所述光电传输单元还包括光电发送模块、透明光轴和光电接收模块；

所述光电发送模块、透明光轴和光电接收模块与所述旋转轴同轴；所述光电发送模块通过机械部件固定在显示仪壳体内，所述透明光轴和光电接收模块通过机械部件固定在所述旋转轴上；

所述三维图像数据通过光电发送模块转换为光信号通过旋转的所述透明光轴照射到所述光电接收模块，光电接收模块将光信号还原为电信号传输给所述控制单元，控制单元接收到要显示的三维图像数据后，对其进行处理。

Images