CN113382226B - 一种多投影拼接三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多投影拼接三维显示装置，所述多投影拼接三维显示装置包括定向投影屏、准直投影机阵列；所述的定向投影屏包括若干组微米光栅结构或纳米光栅结构，每组微米光栅结构或纳米光栅结构包含所有视点信息，每组微米光栅或纳米光栅结构中的微米光栅或纳米光栅有不同的方向和周期；所述的准直投影机阵列包括多个经准直透镜后阵列排布的投影机，每个投影机包含不同视点的信息，投射到定向投影屏上的信息分别传递到不同方向视点处，每个视点观察到的图像是由多个投影机的信息拼接而成的。本发明提供的多投影拼接三维显示装置通过使用光栅结构作为定向投射屏，可实现视场角更大，串扰更小的三维显示。

Description

一种多投影拼接三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示装置，尤其涉及一种多投影拼接三维显示装置。

背景技术

目前，随之平板显示技术的不断发展，人们越来越希望可以更加真实的显示这个世界，因此裸眼三维显示技术得到了快速的发展，逐渐进入我们的日常生活中。裸眼三维显示主要利用人眼的视觉感知来产生立体视觉感，从而获取物体的深度信息。裸眼三维显示的应用领域极其广泛，涉及医学、建筑、娱乐、广告等多个方面。

裸眼三维显示技术是一种无须配戴眼镜等助视工具即可使左右眼观看到具有视差图像的三维显示装置。为了实现裸眼三维显示，多采用视差栅栏、柱面光栅等折射光学器件，但其有视场角小，串扰大等不足。衍射光学器件可使光线偏折，产生不同的视点，将衍射光学元件应用到裸眼三维显示装置中，可解决折射光学元件产生的视场小，串扰大的问题。

随着光刻技术的不断发展，可实现大面积微纳器件的方法不断增多，紫外光刻、干涉光刻、纳米压印等技术均可实现高效制备大面积微纳器件，同时微纳器件的分辨率不断提高。利用光刻技术制备纳米像素级衍射光学元件，可实现单个纳米光栅结构控制每一个视角，精确调控光线方向，减少串扰的产生，光学特性有所提升，且其具有超薄、轻巧的特性，在便携式平板三维显示中有巨大的应用前景。

目前，已有基于定向散射屏和投影机阵列实现空间三维显示装置，但其定向散射屏为全息散射屏，水平和垂直扩散角度分别为定值，且是均一的，无法高效实现更大角度的桌面三维显示。因此，如何实现视场角更大和串扰更小的三维显示是目前本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多投影拼接三维显示装置，通过使用光栅结构作为定向投射屏，可实现视场角更大，串扰更小的三维显示。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多投影拼接三维显示装置，所述多投影拼接三维显示装置包括定向投影屏、准直投影机阵列；所述的定向投影屏包括若干组微米光栅结构或纳米光栅结构，每组微米光栅结构或纳米光栅结构包含所有视点信息，每组微米光栅或纳米光栅结构中的微米光栅或纳米光栅有不同的方向和周期；所述的准直投影机阵列包括多个经准直透镜后阵列排布的投影机，每个投影机包含不同视点的信息，投射到定向投影屏上的信息分别传递到不同方向视点处，每个视点观察到的图像是由多个投影机的信息拼接而成的。

进一步地，所述微米光栅或纳米光栅为普通光栅或扩散光栅。所述扩散光栅为水平和垂直方向均有扩散角的光栅，通常水平方向扩散角小，垂直方向扩散角大，且微米光栅或纳米光栅像素中心光线方向和扩散角的设置保证该方向上能量分布的连续。或所述扩散光栅为垂直方向扩散但水平方向不扩散的光栅。

每组微米光栅结构或纳米光栅结构的形状为矩形或六边形或圆形，每组微米光栅结构或纳米光栅结构的光线投射方向为二维阵列排列或圆周状等间距排列。

进一步地，所述定向投影屏由传统光刻直接刻蚀制备微纳光栅，或由纳米压印制备微纳光栅，或由光学全息术制备体光栅。

所述的准直投影机阵列的准直透镜可为普通光学透镜，或为菲涅尔透镜，或为全息透镜。

所述的准直投影机阵列可放置在定向投影屏的上方或下方。准直投影机阵列位于定向投影屏的上方时，定向投影屏的光栅为反射型，多准直投影机位于定向投影屏的下方时，定向投影屏的光栅为透射型。

与现有技术相比，本发明提供的多投影拼接三维显示装置，通过使用光栅结构作为定向投射屏，可实现视场角更大，串扰更小的三维显示。

附图说明

图1是一种多投影拼接三维显示系统结构示意图；

图2是本发明透射式定向投影屏的结构图；

图3是本发明透射式垂直方向扩散的定向投影屏的结构图；

图4是本发明纳米光栅可能的形状；

图5是本发面纳米光栅可能的光线投射方向；

图6是一种反射式多投影拼接三维显示系统结构示意图；

图7是本发明反射式定向投影屏的结构图；

图8是本发明反射式垂直方向扩散的定向投影屏的结构图；

图9是本发明透射式和透射式中投影机、准直透镜、定向散射屏之间的位置关系；

图中：投影机阵列1、准直透镜阵列2、透射式定向投射屏3、反射式定向投射屏4、投影机5、准直透镜6、透射式定向投射屏7、反射式定向投射屏8。

具体实施方式

如技术背景中所言，基于衍射光学器件的裸眼三维显示具有视场角大，串扰小等优势。因此以下将对本发明的具体技术方案进行详细介绍。

一种多投影拼接三维显示装置，包括定向投影屏、准直投影机阵列。本三维显示装置通过投影机阵列将不同视角显示三维物体的各个视场图像投影到定向投影屏上，由于定向投影屏包括若干组微米或纳米级光栅结构，每组结构包含所有视点信息，每组结构中的光栅有不同的方向和周期，投射到定向投影屏上的信息分别传递到不同方向视点处，每个视点观察到的图像是由多个投影机的信息拼接而成的。

如图1所示，准直后的投影机阵列自下而上的投射图像到定向投影屏上，定向投射屏向不同的视点投射图像，观看者即可观察的三维图像。图1中以还原空间中任意两点A和B为例，在视点V1和V2处观看重构出的A和B物体，对于视点V1，物体A由投影机P 3经准直透镜和定向投射屏上对应光栅像素进行角度调制后产生，物体B由投影机P2经准直透镜和定向投射屏上对应光栅像素进行角度调制后产生，因此视点V1处观察到的图像是由这一系列投影机经准直透镜和定向投射屏上光栅像素角度调制后拼接而成的。

图2所示为本发明透射式定向投影屏在x-z平面和y-z平面的示意图，即为普通像素级纳米光栅，包含所有视点的光栅像素为一组，每组纳米光栅中各光栅像素的周期和方向不同，平行光入射到每组纳米光栅上，光线向各个视点方向投射。

图3所示为本发明透射式扩展定向投影屏的结构图，包含所有视点的像素为一组，每组纳米光栅中各光栅像素的周期和方向不同，平行光入射到每组纳米光栅上，每个纳米光栅像素的中心光线向各个视点方向投射，与图2中普通像素级纳米光栅不同的是，投射光线在水平方向有较小扩散角，在竖直方向上有大扩散角。按照水平和竖直方向上视点数目来分割扩散角度，并保证该方向上光线能量的连续性。以竖直方向上为例，当竖直方向上视点的数目为5个，整个装置竖直方向上发散角度为2θ时，竖直像素的竖直发散角度范围应分别为(-θ，-3θ/5)、(-3θ/5，-θ/5)、-(-θ/5，θ/5)、(θ/5，3θ/5)、(3θ/5，θ)对于人眼而言，水平视差比竖直视差更为重要，因此考虑到三维显示系统所需数据量巨大，可采用扩展光栅，减少竖直方向视点数目，节省定向投影屏上空间以增加水平视点数目，水平视点的增多，可减少辐辏效应导致的眩晕、视觉疲劳等不适感。

图4所示为本发明纳米光栅可能的形状，纳米光栅的形状可以是矩形、正六边型，圆形等结构，如图4中A、B、C所示。

图5所示为本发明纳米光栅可能的光线投射方向。每组中纳米光栅的光线投射方向可以是如图5A所示，水平光栅像素对应水平视点，竖直光栅对应竖直视点，形成阵列状的视点范围。每组中纳米光栅的光线投射方向也可如图5B所示，环圆周共有Q个视点，每组光栅数目设置为m×n，第一行n个像素可顺时针或逆时针对应第1个到第Q/m个视点，第二行n个像素对应第Q/m+1个到第2Q/m个，依次类推，实现Q个视点的显示。每组中纳米光栅的投射方向可以为，第一列m个像素顺时针或逆时针对应第1到第Q/n个视点，第二列m个像素对应第Q/n+1个到第2Q/n个视点，依次类推，实现Q个视点的显示。

图6为反射式多投影拼接三维显示系统结构示意图，包括自上而下的投影机阵列、定向投影屏。投影机阵列将不同视角显示三维物体的各个视场图像自上而下投影到定向投影屏上，定向投影屏包括多个反射式微米或纳米级光栅结构，每个光栅有不同的方向和周期，投射到定向投影屏上的信息分别反射衍射到不同方向视点处，每个视点观察到的图像是由多个投影机的信息拼接而成的，从而实现多视点三维显示。

如图6所示，准直后的投影机阵列自上而下的投射图像到定向投影屏上，定向投射屏为反射式定向投影屏，其向不同的视点投射图像，观看者即可观察的三维图像。图6中以还原空间中任意两点A和B为例，在视点V1和V2处观看重构出的A和B物体，对于视点V1，物体A由投影机P 3经准直透镜和定向投射屏上对应光栅像素进行反射式角度调制后产生，物体B由投影机P2经准直透镜和定向投射屏上对应光栅像素进行反射式角度调制后产生，因此视点V1处观察到的图像是由这一系列投影机经准直透镜和定向投射屏上光栅像素反射式角度调制后拼接而成的。

图7为本发明反射式定向投影屏在x-z平面和y-z平面的示意图，即为普通像素级纳米光栅，包含所有视点的光栅像素为一组，每组纳米光栅中各光栅像素的周期和方向不同，平行光自上而下入射到每组纳米光栅上，光线向各个视点方向反射式投射。

图8所示为本发明反射式扩展定向投影屏的结构图，包含所有视点的像素为一组，每组纳米光栅中各光栅像素的周期和方向不同，平行光入射到每组纳米光栅上，每个纳米光栅像素的中心光线向各个视点方向投射，与图7中普通反射式像素级纳米光栅不同的是，投射光线在水平方向有较小扩散角，在竖直方向上有大扩散角。按照水平和竖直方向上视点数目来分割扩散角度，并保证该方向上光线能量的连续性。

图9中A和B所示分别为本发明透射式和反射式中投影机、准直透镜、定向散射屏之间的位置关系。透射式装置中，投影机自下而上出射光线经准直透镜准直后，投射到定向散射屏上，透射式衍射到不同方向。反射式装置中，投影机自上而下出射光线经准直透镜准直后，投射到定向散射屏上，反射式衍射到不同方向。

Claims (6)

1.一种多投影拼接三维显示装置，其特征在于，所述多投影拼接三维显示装置包括定向投影屏、准直投影机阵列；所述的定向投影屏包括若干组微米光栅结构或纳米光栅结构，每组微米光栅结构或纳米光栅结构包含所有视点信息，每组微米光栅或纳米光栅结构中的微米光栅或纳米光栅有不同的方向和周期；所述的准直投影机阵列包括多个经准直透镜后阵列排布的投影机，每个投影机包含不同视点的信息，投射到定向投影屏上的信息分别传递到不同方向视点处，每个视点观察到的图像是由多个投影机的信息拼接而成的；

每组中光栅的光线投射方向为圆周状等间距排列，环圆周共有Q个视点，每组光栅数目设置为m×n，第一行n个像素可顺时针或逆时针对应第1个到第Q/m个视点，第二行n个像素对应第Q/m+1个到第2Q/m个，第一列m个像素顺时针或逆时针对应第1到第Q/n个视点，第二列m个像素对应第Q/n+1个到第2Q/n个视点，依次类推，实现Q个视点的显示。

2.如权利要求1所述的多投影拼接三维显示装置，其特征在于，所述微米光栅或纳米光栅为普通光栅或扩散光栅；所述扩散光栅为垂直方向扩散但水平方向不扩散的光栅，或为水平和垂直方向均有扩散角的光栅。

3.如权利要求1所述的多投影拼接三维显示装置，其特征在于，所述定向投影屏由传统光刻直接刻蚀制备微纳光栅，或由纳米压印制备微纳光栅，或由光学全息术制备体光栅。

4.如权利要求1所述的多投影拼接三维显示装置，其特征在于，所述的准直投影机阵列的准直透镜为普通光学透镜、菲涅尔透镜或全息透镜。

5.如权利要求1所述的多投影拼接三维显示装置，其特征在于，所述准直投影机阵列布置在定向投影屏的上方或下方。

6.如权利要求5所述的多投影拼接三维显示装置，其特征在于，所述准直投影机阵列位于定向投影屏的上方时，定向投影屏的光栅为反射型；所述准直投影机位于定向投影屏的下方时，定向投影屏的光栅为透射型。

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