CN111105735A - 一种全固态全息投影器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D显示领域，公开了一种全固态全息投影器，包括设置于全息投影器内部的成像模组和投影镜组；成像模组用于提供多个不重合或者相互平行的等效像面，任意相邻两个等效像面之间的距离为L(mm)，单个等效像面上相邻的像素间距为d(mm)，满足：L≥2d；投影镜组用于把成像模组所形成的像面组投影出去，在空间形成深度信息的3D投影画面。通过引入多个等效像面的方案实现了真实的3D图像投影的功能。由于等效像面本身分布在空间不同深度，因此投射出去的画面也附带了深度信息，配合全息屏幕就可以为用户提供真实的3D显示内容。本发明的工作过程中无需运动部件，大大提高可靠性和画质，同时降低生产成本和控制难度。

Description

一种全固态全息投影器

技术领域

本发明涉及3D显示领域，尤其是涉及一种全固态全息投影器。

背景技术

3D显示技术可以在传统的二维显示基础上提供额外的深度信息，因此被认为是下一代显示技术的发展方向。但是目前还没有比较有效的实现3D显示的方案，商用比较成功的案例大多是基于立体图像对的伪3D技术，不能够为用户提供真正有深度信息的3D画面。比如电影院的3D电影，其原理是使用投影仪在屏幕上投射两个二维的左右眼图像对，通过佩戴选择性滤光眼睛，使两只眼睛接收到不同的画面，从而给人造成一种看到3D画面的假象，但其实投射出去的画面只是2D画面。长时间观看还会引起眼睛不适。

授权号为CN106773469B、CN 207114903 U和CN 206431409 U的专利公开了一种可以实现真实3D显示的方案。其关键部件为一个立体显示模块，立体显示模块通过景深扫描可以实现真实的3D画面重现。但是内部设置有运动部件，工作过程需要依靠内部运动实现景深扫描。这种方式，虽然可以实现3D画面的投射，但是由于存在扫描运动部件，系统的可靠性无法保证，对于画面的刷新速度要求极高，这样就造成运算和控制系统及其复杂，难以实现稳定的画面显示，制造成本极高。

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，提供一种全固态全息投影器，通过引入多个等效投射像面的方案实现了真实的3D图像投影的功能，同时发明工作过程中无需运动部件，大大提高可靠性和画质，同时降低生产成本和控制难度。

为解决上述技术问题，本发明提出一种全固态全息投影器，包括设置于全息投影器内部的成像模组和投影镜组；

所述成像模组用于提供多个不重合或者相互平行的等效像面，任意相邻两个等效像面之间的距离为L(mm)，单个等效像面上相邻的像素间距为d(mm)，满足：L≥2d；

所述投影镜组用于把成像模组所提供的多个等效像面投影出去，并在空间形成具有深度信息的3D影像画面。

进一步地，所述成像模组包括多个投射单元、像面整合镜组以及与多个投射单元电连接的控制芯片；

所述投射单元用于向像面整合镜组投射画面；

所述像面整合镜组用于将投射单元的投射光经过光学转换后输出给投影镜组；

所述控制芯片用于控制投射单元的投射画面内容；

所述投射单元的投射光经过像面整合镜组光学转换，实际效果等效于在投影镜组一侧形成有多个不重合或者相互平行的等效像面，所述等效像面经过投影镜组的光路转化在空间形成有影像面，多个所述影像面构成具有深度信息的3D影像画面。

进一步地，所述像面整合镜组为多个子棱镜拼接形成的立方体棱镜，单个所述投射单元分别与像面整合镜组的一个侧面相对应，且每个投射单元与像面整合镜组相对应的侧面之间距离均不相同。

进一步地，所述投射单元数量为3个，所述像面整合镜组为一个X型合路棱镜，所述X合路棱镜由4个横截面为等腰直角三角形的子棱镜拼接而成且横截面为正方形，所述3个投射单元分别位于X合路立方体棱镜的三个与其横截面垂直的外表面一侧，且所述3个投射单元距离X合路立方体棱镜相应的侧面间距各不相同，所述X合路立方体棱镜的第四个与其横截面垂直的外表面为出射面，出射面正对投影镜组。

进一步地，所述投射单元数量为5个，所述像面整合镜组为由若干子棱镜拼合成的立方体棱镜，且所述子棱镜是由立方体任意一个面上，取两个相邻顶点和面心以及立方体的几何中心，四个点构成的四面体棱镜，5个投射单元分别正对立方体的棱柱镜的5个外表面，且距离表面的距离各不相同，所述立方体棱柱镜的第六个面为出射面，出射面正对投影镜组。

进一步地，拼接成立方体棱镜的每个子棱镜的拼合缝均设有半透半反膜。

进一步地，还包括设置于成像模组和投影镜组之间的光路调整镜组，用于转换和移动等效像面的空间位置。

进一步地，所述光路调整镜组为含有凸透镜的镜组。

进一步地，所述成像模组和投影镜组之间和/或投射单元与像面整合镜组之间的相对位置可调。

进一步地，所述成像模组为多个透明显示屏幕逐层排列形成。

进一步地，所述成像模组包括若干沿一条直线设置的半透半反镜，所述每个半透半反镜对应设有一个与其成锐角θ布置的投射单元，且每组投射单元和半透半反镜之间的距离各不相同。

进一步地，所述的成像模组内的多个投射单元可以用感光单元进行部分取代，形成既可以投影又可以拍摄的双功能全固态全息投影器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过引入多个等效像面的方案实现了真实的3D图像投影的功能。由于等效像面本身分布在空间不同深度，因此投射出去的画面也附带了深度信息，配合全息屏幕就可以为用户提供真实的3D显示内容；

2、本发明的工作过程中无需运动部件，大大提高了可靠性和画质，同时降低生产成本和控制难度，而且，本发明还可以通过调节实现显示景深范围的整体移动；

3、本发明应用时，眼睛需要与观看真实事物一样进行焦深的动态调整，而不是普通2D显示画面的固定焦深，所以不会造成视觉疲劳，有助于保护视力。

4、本发明可以同时实现投影和拍摄功能，方便实际应用时的同时输出图片信息和实时接收外界图像信息，如用显示的同时可以识别户交互动作、表情信息。

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为本发明的内部结构示意图，

图2为带有光路调整镜组5的本发明实施例的结构示意图

图3为光路调整镜组5转换等效像面3的空间位置示意图，

图4为投射单元11数量为2个的实施例1中成像模组1的组合示意图，

图5为投射单元11数量为3个的实施例2中成像模组1的组合示意图，

图6为实施例1和实施例2中六面体X合路棱镜结构示意图，

图7为投射单元11数量为5个的实施例3中成像模组1的组合示意图，

图8为实施例3组成像面整合镜组12的子棱镜结构图，

图9为实施例4中所述的成像模组1组合示意图，

图10为实施例5中所述的成像模组1一种组合示意图，

图11为实施例5中所述的成像模组1另一种组合示意图，附图标记如下：

成像模组1，投射单元11，像面整合镜组12，控制芯片13，投影镜组2，等效像面3，影像面4，光路调整镜组5，半透半反镜6。

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。

参照图1至图11，本发明提供一种全固态全息投影器，包括设置于全息投影器内部的成像模组1和投影镜组2；

其中成像模组1用于提供多个不重合或者相互平行的等效像面3，等效像面3可以是物理真实像面也可以是通过光学转化得到的虚像面或者实像面等，任意相邻两个等效像面3之间的距离为L(mm)，单个等效像面3上相邻的像素间距为d(mm)，满足：L≥2d；

相邻的等效像面3之间的间距L决定了全息投影器的的投影画面在深度方向的分辨率，而任意一个等效像面3上的像素间距d决定了画面的横向分辨率即平面分辨能力。

通常人眼的深度分辨率远低于横向分辨率，所以即使深度方向上像素间距较大也不会造成分辨失真，因此投影画面在深度方向上的像素间距可以设置大一些，从而可以在有效降低设备和工艺成本的条件下，投射出非常真实的3D画面。

为了尽可能减少深度方向上的像面数量，降低系统复杂度，可以尽可能拉大深度方向上的像素间距与横向像素间距的比值，即L与d的比值，具体效果如下：

10d≥L≥2d时，可以有效降低系统复杂度，同时保证了深度方向上画质的细腻；

20d≥L＞10d时，可以进一步降低系统复杂度，同时保证了深度方向上画质依然比较细腻；

30d≥L＞20d时，系统复杂度中等，同时深度方向上画质稍微粗糙一些，但依然可以有较好的深度信息展示效果；

40d≥L＞30d时，系统复杂度较低，但是深度方向上画质粗糙，但依然可以实现深度信息展示效果；

L＞40d时，可以极大简化系统复杂度，同时提供必要的深度信息；

当两者比值进一步变大时，可以有效的降低深度方向上的像面数量，同时依然保持3D画面在深度方向上具有可见的分辨率，比值越大，深度方向上的细节表达能力越差，实际应用时可以根据情况进行调整。

投影镜组2用于把成像模组1所提供的多个等效像面3投影出去，并在空间形成具有深度信息的3D影像画面。

作为一种优选方案，成像模组1包括多个投射单元11、像面整合镜组12以及与多个投射单元11电连接的控制芯片13；

投射单元11用于向像面整合镜组12投射画面，本身相当于现有技术中的普通投影仪器的成像结构，包含光源、液晶芯片等；

像面整合镜组12用于将投射单元11的投射光经过光学转换给投影镜组2；

控制芯片13用于控制投射单元11的投射画面内容；

其中像面整合镜组12优选多个子棱镜拼接形成的立方体棱镜，单个投射单元11分别与像面整合镜组12的一个侧面相对应，且每个投射单元11与像面整合镜组12相对应的侧面之间距离均不相同；

为了优化像面整合镜组12的光路转换效果，在拼接成立方体棱镜的每个子棱镜的拼合缝均设有半透半反膜；

每个投射单元11的投射光经过像面整合镜组12的多个子棱镜拼合缝处的半透半反膜的反射，实际效果等效于在投影镜组2一侧形成有多个不重合或者相互平行的等效像面3，等效像面3经过投影镜组2的光路转化在空间形成有影像面4，多个影像面4构成具有深度信息的3D影像画面。

成像模组1可以直接使用多个透明显示器件逐层排列形成，如可以使用多个透明的OLED(或者LCD)显示屏幕，彼此平行排列形成，这样每一层透明显示器都可以在空间形成各自的成像面，同时又可以彼此穿透，在空间形成不同景深的3D画面切片，实现3D显示效果，每个透明显示器件均可以等效看作一个等效像面3；

使用像面整合镜组12对投射单元11的投射光进行光路转化时，可能造成等效像面3与投影镜组2之间的距离偏离理想成像区间，那么可以通过引入一个光路调整镜组5把等效像面3转换到投影镜组2的理想成像区间，因此在成像模组1和投影镜组2之间设置一个用于转换和移动等效像面3的空间位置的光路调整镜组5，最简单的形式可以使用一个含有凸透镜的镜组，利用其光学成像规律把位于凸透镜一侧的像面转换到另一侧。实际应用时，单个凸透镜的成像质量相对较差，此时可以增加一系列用于矫正像差的光学元件，如凹透镜等，具体实现方式可以借鉴业内较成熟的解决方案(如参考相机多片式镜头设计)，这里不做赘述。

本发明的全息投影器还具有调焦功能，通过调整成像模组1和投影镜组2之间或者投射单元11与像面整合镜组12之间的相对位置来实现，也可以通过调整成像模组1、投影镜组2和像面整合镜组12三者之间的相对位置来实现，可以在成像模组1与投影镜组2之间和/或者投射单元11与像面整合镜组12之间分别增加部分调节机构来实现上述的调节功能，调节机构可以是多样的，这里不加以限制，具体的可以根据实际情况来定。

实际使用时可以通过变焦来调整基准焦平面的位置，如针对桌面办公场景可以把基准焦平面(如最近的投影平面)设置在距离用户50cm～1m之间，针对客厅影音可以把基准焦平面设置在10m～20m之间等。

成像模组1还可以采用如下组合：包括若干沿一条直线设置的半透半反镜6，每个半透半反镜6对应设有一个与其成锐角θ布置的投射单元11，且每组投射单元11和半透半反镜6之间的距离各不相同，半透半反镜6与投射单元11的夹角为θ，具体设置时，投射单元11可以位于半透半反镜6的上方，也可以位于半透半反镜6的下方，θ范围为30°～60°，优选45°。

下面结合实施例对本发明进行进一步详细说明：

实施例1

投射单元11数量为2个，像面整合镜组12为一个六面体的X合路棱镜，由4个横截面为等腰直角三角形的棱柱镜拼接而成且横截面为正方形，X合路棱镜内部拼合缝处设有半透半反膜，2个投射单元11分别位于X合路棱镜的两个相对的、与其横截面垂直的外表面一侧，且2个投射单元11距离X合路棱镜相应的侧面间距各不相同，X合路棱镜其余两个与其横截面垂直的外表面的其中一个为出射面，且出射面正对投影镜组2。实际效果上就像是在出射面后面布置有两个平行的等效像面3一样，两个平行的等效像面3直接经过投影镜组2的光路转化后，在空间形成分别与两个等效像面3对应的两个影像面4,两个影像面4即构成了具有深度信息的3D影像画面。

由于投射单元11与X合路棱镜的表面间距不同所形成的等效像面3均不重合，该结构跟传统投影仪的合色棱镜相似，但是有明显区别，合色镜的拼缝处涂膜是选择性反射膜，如只反射红光或者绿光，而本发明采用的是半透半反膜，无光线选择性，合色镜三个颜色的画面需要重合形成一个彩色画面，而本发明每个像面彼此不重合，形成具有深度信息的多幅画面。

实施例2

投射单元11数量为3个，像面整合镜组12为一个六面体的X合路棱镜由4个横截面为等腰直角三角形的棱柱镜拼接而成且横截面为正方形，X合路棱镜内部拼合缝处设有半透半反膜，3个投射单元11分别位于X合路棱镜的三个与其横截面垂直的外表面一侧，且3个投射单元11距离X合路棱镜相应的侧面间距各不相同，X合路棱镜的第四个与其横截面垂直的外表面为出射面，且出射面正对投影镜组2。实际效果上就像是出射面后面布置有3个平行的等效像面3一样，3个平行的等效像面3直接经过投影镜组2的光路转化后，在空间形成分别与3个等效像面3对应的3个影像面4,由于投射单元11与X合路棱镜的表面间距不同，所以形成的影像面4均不重合，等效于3个等效像面3也均不重合，3个影像面4即构成了具有深度信息的3D影像画面。

实施例3

投射单元11数量为5个，像面整合镜组12为由若干子棱镜拼合成的正方体棱镜，且子棱镜是由正方体任意一个面上，取两个相邻顶点和面心以及立方体的几何中心，四个点构成的四面体棱镜，正方体棱镜内部拼合缝处均设有半透半反膜，5个投射单元11分别正对正方体棱镜的5个面，且与各表面的距离各不相同，正方体棱镜的第六个面为出射面，且出射面正对投影镜组2。实际效果上就像是在出射面后面布置有5个彼此平行的等效像面3一样，5个平行的等效像面3直接经过投影镜组2的光路转化后，在空间形成分别与5个等效像面3对应的5个影像面4,由于投射单元11与X合路棱镜的表面间距不同，所以形成的影像面4均不重合，等效于5个等效像面3也均不重合，5个影像面4即构成了具有深度信息的3D影像画面。

需要说明的，像面整合镜组12的形式应该与投射单元11的数量相匹配，在采用更多数量(大于6)的投射单元11进行投射成像时，像面整合镜组12可以是由若干子棱镜拼接成的多面立方体结构，多面立方体结构的外表面数量大于7。

上述实施例1～3中采用的立方体棱镜内部、各个子棱镜的拼接处均设有半透半反膜，这只是一种优选的实施方式，并不是对本发明的限制，在各个子棱镜的拼接处不设半透半反膜同样可以实现本发明的投影效果。

实施例4

成像模组1由多个透明的OLED显示屏幕逐层排列形成，每个OLED显示屏幕之间互不遮挡可以彼此穿透，单个OLED显示屏幕所显示的画面经过投影镜组2转化后，可以在空间形成各自的影像面4，影像面4相当于不同景深的3D画面切片，每个OLED显示屏幕对应形成有一个不同景深的影像面4，多个影像面4即构成了完整的3D影像画面。

其中OLED显示屏幕可以由其他的透明显示器件替代，比如LCD显示屏幕等。

该实施例的逐层排列的OLED显示屏幕相当于多个不重合或者相互平行的等效像面3。

实施例5

成像模组1包括5个沿一条直线设置的半透半反镜6，每个半透半反镜6对应设有一个与其成夹角45°布置的投射单元11，且每组投射单元11和半透半反镜6之间的距离各不相同。

投射单元11经过对应的半透半反镜6转换后在空间内形成有多个相互平行的影像面4，多个影像面4即构成具有深度信息的3D影像画面，实际效果等效于在半透半反镜组一侧设有多个平行的等效像面3，多个平行等效像面3直接经过投影镜组2的光路转化后在空间形成如上述的具有深度信息的3D影像画面。

半透半反镜6的透射率和反射率并不需要都严格的等于50％，可以根据实际需要灵活调整透射率和反射率的数值，如根据画面清晰度来确定二者的具体数值。

本发明的成像原理如下：

多个投射单元11的投射光经过像面整合镜组12和投影镜组2的光学转化，在空间内形成与投射单元11对应的多个相互平行的影像面4，多个相互平行的影像面4构成具有深度信息的3D投影画面，所形成的具有深度信息的3D投影画面等效于投影镜组2将一组平行的等效像面3直接光学转化形成。

本发明通过引入多个等效像面3实现了真实的3D图像投影的功能。由于等效像面本身分布在空间不同深度，因此投射出去的画面也附带了深度信息，配合全息屏幕就可以为用户提供真实的3D显示内容。本发明的工作过程中无需运动部件，大大提高其可靠性和画质，同时降低生产成本和控制难度。

本发明虽然是用来提供3D投影画面的，但是通过把部分投射单元11替换为感光成像单元，还可以实现投影摄像双功能系统，使其在投影的同时还具备拍摄功能，进一步拓宽系统的功能，如在显示的同时可以读取用户的交互动作信息。

还可以通过组合级联本发明提供的几种光路整合方式形成多级多像面成像模组，如把实施例子中5个像面的方式再次通过一个像面整合镜组，形成5*5＝25个像面的实施例。

本发明优选应用在现场全息显示系统中(可以参考申请号为2019108759751的专利)。在现场全息显示系统中，配合全息显示屏幕，可以把全息投影器投射的发散的3D画面重新汇聚成可以被人眼直接观察的汇聚3D画面，这种方式不仅可以实现真实的3D显示，而且可以完全实现裸眼显示效果，不需要穿戴特殊辅助设备，同时可以使全息投影器与人眼之间拉开一定距离(距离可以设置大于5cm，比如可以设置在10cm～30cm的舒适间距，或者更大的距离)，使用户可以非常舒适的观看3D画面。

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 (12)

1.一种全固态全息投影器，其特征在于：包括设置于全息投影器内部的成像模组(1)和投影镜组(2)；

所述成像模组(1)用于提供多个不重合或者相互平行的等效像面(3)，任意相邻两个等效像面(3)之间的距离为L(mm)，单个等效像面(3)上相邻的像素间距为d(mm)，满足：L≥2d；

所述投影镜组(2)用于把成像模组(1)所提供的多个等效像面(3)投影出去，并在空间形成具有深度信息的3D影像画面。

2.根据权利要求1所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述成像模组(1)包括多个投射单元(11)、像面整合镜组(12)以及与多个投射单元(11)电连接的控制芯片(13)；

所述投射单元(11)用于向像面整合镜组(12)投射画面；

所述像面整合镜组(12)用于将投射单元(11)的投射光经过光学转换后输出给投影镜组(2)；

所述控制芯片(13)用于控制投射单元(11)的投射画面内容；

所述投射单元(11)的投射光经过像面整合镜组(12)光学转换，实际效果等效于在投影镜组(2)一侧形成有多个不重合或者相互平行的等效像面(3)，所述等效像面(3)经过投影镜组(2)的光路转化在空间形成有影像面(4)，多个所述影像面(4)构成具有深度信息的3D影像画面。

3.根据权利要求2所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述像面整合镜组(12)为多个子棱镜拼接形成的立方体棱镜，单个所述投射单元(11)分别与像面整合镜组(12)的一个侧面相对应，且每个投射单元(11)与像面整合镜组(12)相对应的侧面之间距离均不相同。

4.根据权利要求2所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述投射单元(11)数量为3个，所述像面整合镜组(12)为一个X型合路棱镜，所述X合路棱镜由4个横截面为等腰直角三角形的子棱镜拼接而成且横截面为正方形，所述3个投射单元(11)分别位于X合路立方体棱镜的三个与其横截面垂直的外表面一侧，且所述3个投射单元(11)距离X合路立方体棱镜相应的侧面间距各不相同，所述X合路立方体棱镜的第四个与其横截面垂直的外表面为出射面，出射面正对投影镜组(2)。

5.根据权利要求2所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述投射单元(11)数量为5个，所述像面整合镜组(12)为由若干子棱镜拼合成的立方体棱镜，且所述子棱镜是由立方体任意一个面上，取两个相邻顶点和面心以及立方体的几何中心，四个点构成的四面体棱镜，5个投射单元(11)分别正对立方体的棱柱镜的5个外表面，且距离表面的距离各不相同，所述立方体棱柱镜的第六个面为出射面，出射面正对投影镜组(2)。

6.根据权利要求3～5任意一项所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：拼接成立方体棱镜的每个子棱镜的拼合缝均设有半透半反膜。

7.根据权利要求1或2所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：还包括设置于成像模组(1)和投影镜组(2)之间的光路调整镜组(5)，用于转换和移动等效像面(3)的空间位置。

8.根据权利要求7所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述光路调整镜组(5)为包含凸透镜的镜组。

9.根据权利要求1所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述成像模组(1)和投影镜组(2)之间和/或投射单元(11)与像面整合镜组(12)之间的相对位置可调。

10.根据权利要求1所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述成像模组(1)为多个透明显示屏幕逐层排列形成。

11.根据权利要求1所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述成像模组(1)包括若干沿一条直线设置的半透半反镜(6)，所述每个半透半反镜(6)对应设有一个与其成锐角θ布置的投射单元(11)，且每组投射单元(11)和半透半反镜(6)之间的距离各不相同。

12.根据权利要求2所述的一种全固态全息投影器，其特征在于：所述的成像模组(1)内的多个投射单元(11)可以用感光成像单元进行部分取代，形成既可以投影又可以拍摄的双功能全固态全息投影器。

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