CN113741056A - 三维显示系统 - Google Patents

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CN113741056A
CN113741056A CN202110833282.3A CN202110833282A CN113741056A CN 113741056 A CN113741056 A CN 113741056A CN 202110833282 A CN202110833282 A CN 202110833282A CN 113741056 A CN113741056 A CN 113741056A
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卢增祥
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Yixin Technology Development Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种三维显示系统。三维显示系统包括:盘体,盘体具有一个旋转中心,盘体绕过旋转中心的旋转中心线可转动地设置,旋转中心线垂直于三维显示系统的显示面;显示单元,显示单元包括第一显示单元,第一显示单元为多个,多个第一显示单元分为多组,每组至少包括两个第一显示单元,每组中的部分第一显示单元由盘体的几何中心位置向盘体的边缘沿一预定轨迹顺次设置,第一显示单元为矢量像素或张量像素。本发明解决了现有技术中的三维显示系统存在分辨率及亮度不够高,体积大和成本高的问题。

Description

三维显示系统
技术领域
本发明涉及光学显示设备技术领域,具体而言,涉及一种三维显示系统。
背景技术
现有的三维显示系统包括体三维显示、多视投影阵列、集成成像、数字全息和多层液晶张量显示。体三维显示是通过适当方式来激励位于透明显示基体内的物质,利用可见辐射的产生、吸收或散射而形成体素,当基体内许多方位的物质都被激励之后,便能形成由许多分散的体素在三维空间内构成的三维图像。体三维显示技术的显示器件不是一个平面,而是一个立体空间,因此占地面积大,单位时间内形成的体素数量有限,视点分辨率有限。
多视投影阵列三维显示技术通过多个投影仪组成的阵列向空间中在一定角度范围内的不同方向投射不同图像。现有一些厂家提供了一种多视投影光场显示系统,但该系统包括216个投影仪和6台PC主机,成本高昂、占地空间大。
集成成像光场显示采用微透镜阵列重现包含深度的视觉信息,其目前其主要缺点是分辨率不够高。
数字全息,也称虚拟成像技术,是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。但全息的信息量巨大,无法实时动态显示是限制其应用的主要问题。
多层液晶张量显示,假设背光是均匀的,所有从背光发出并达到第一层液晶的光线的亮度一致,多层液晶上不同像素的连线就形成了一条不同亮度和颜色的光线。通过不同像素的组合,多层液晶可以在一定空间范围内的任意位置重建出发光点,且重建的发光点可以发出各向异性的光线。本质上是利用多层液晶进行空间复用,形成空间光调制器。该方案不会损失视点图像分辨率,但存在一个明显的缺点:液晶和偏振膜的透光率较低,当背光穿过多层液晶后光强损失严重;因此基于多层液晶的光场显示往往亮度比较低。液晶层数越多,光场显示亮度损失越严重。
也就是说,现有技术中的三维显示系统存在分辨率及亮度不够高,体积大和成本高的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种三维显示系统,以解决现有技术中的三维显示系统存在分辨率及亮度不够高,体积大和成本高的问题。
为了实现上述目的,本发明提供了一种三维显示系统,包括:盘体,盘体具有一个旋转中心,盘体绕过旋转中心的旋转中心线可转动地设置,旋转中心线垂直于三维显示系统的显示面;显示单元,显示单元包括第一显示单元,第一显示单元为多个,多个第一显示单元分为多组,每组至少包括两个第一显示单元,每组中的部分第一显示单元由盘体的几何中心位置向盘体的边缘沿一预定轨迹顺次设置,第一显示单元为矢量像素或张量像素。
进一步地,预定轨迹呈曲线。
进一步地,多个第一显示单元中至少一个第一显示单元设置在盘体的几何中心位置处,多组中位于盘体的几何中心位置处的第一显示单元是共用的。
进一步地,多个第一显示单元至少包括两组,两组多个第一显示单元呈中心对称设置。
进一步地,盘体为圆盘、椭圆盘或多边形的盘体中的一种。
进一步地,盘体呈圆盘状,三维显示系统还包括环体,环体为一个或多个,当环体为一个时,环体设置在盘体的外周侧并与盘体拼接;当环体为多个时,多个环体由盘体的外周侧向远离盘体的方向依次拼接。
进一步地,显示单元还包括第二显示单元,环体上设置有第二显示单元,第二显示单元为多个,多个第二显示单元分为多组,每组中的部分第二显示单元由环体的内环侧向环体的外环侧沿一曲线顺次设置。
进一步地,盘体与环体的转速不同,环体上第二显示单元的组数量大于盘体上第一显示单元的组数量。
进一步地,显示单元还包括第三显示单元和第四显示单元,盘体上设置有第三显示单元,第三显示单元位于盘体靠近环体的一侧,且第三显示单元向环体的方向倾斜;和/或环体上设置有第四显示单元,第四显示单元位于环体靠近盘体的一侧,且第四显示单元向盘体的方向倾斜。
进一步地,三维显示系统还包括追踪摄像头,追踪摄像头用于对人眼的追踪识别,追踪摄像头设置在盘体的外周侧;或者追踪摄像头设置在环体的外周侧。
进一步地,盘体和环体朝向用户的一侧表面均呈平面;或者盘体和环体朝向用户的一侧表面均呈弧面;或者盘体朝向用户的一侧表面呈平面,环体朝向用户的一侧表明呈弧面。
进一步地,盘体呈圆盘状,盘体还包括支撑杆,支撑杆为多个,多个支撑杆绕盘体的周向间隔设置在盘体的外周侧并与盘体拼接。
进一步地,显示单元包括:密集显示器件;镜头,镜头设置在密集显示器件的一侧;扩束光学膜,扩束光学膜设置在镜头远离密集显示器件的一侧;其中,扩束光学膜包括多焦点膜层和/或光栅膜层。
进一步地,光栅膜层包括:第一光栅膜层,第一光栅膜层具有沿第一方向顺次排列的多个第一棱镜;第二光栅膜层,第二光栅膜层具有沿第二方向排列的多个第二棱镜,第一方向与第二方向之间具有夹角,夹角为锐角或直角。
进一步地,多个第一棱镜间隔设置,以在相邻两个第一棱镜之间形成第一平面区域,第一棱镜至少包括一个与第一平面区域倾斜设置的第一扩束面;多个第二棱镜间隔设置,以在相邻两个第二棱镜之间形成第二平面区域,第二棱镜至少包括一个与第二平面区域倾斜设置的第二扩束面。
进一步地,第一棱镜的截面呈梯形;和/或第二棱镜的截面呈梯形。
进一步地,第一棱镜具有沿第一方向连续设置的至少五个第一面段,相邻两个第一面段之间呈角度设置,至少五个第一面段中具有至少一个第一平面段,至少五个第一面段中还具有相对于第一平面段倾斜设置的第一扩束面段;和/或第二棱镜具有沿第二方向连续设置的至少五个第二面段,相邻两个第二面段之间呈角度设置,至少五个第二面段中具有至少一个第二平面段,至少五个第二面段中还具有相对于第二平面段倾斜设置的第二扩束面段。
进一步地,当扩束光学膜包括多焦点膜层和光栅膜层时,多焦点膜层位于光栅膜层与镜头之间。
进一步地,多焦点膜层的出光侧的表面上至少具有平面结构和齿状结构,以使多焦点膜层可以在多个显示面进行成像。
应用本发明的技术方案,三维显示系统包括盘体和显示单元,盘体具有一个旋转中心,盘体绕过旋转中心的旋转中心线可转动地设置,旋转中心线垂直于三维显示系统的显示面;显示单元包括第一显示单元,第一显示单元为多个,多个第一显示单元分为多组,每组至少包括两个第一显示单元,每组中的部分第一显示单元由盘体的几何中心位置向盘体的边缘沿一预定轨迹顺次设置,第一显示单元为矢量像素或张量像素。
盘体具有一个旋转中心,这样设置规划了盘体的旋转方式,使得盘体是绕过旋转中心的旋转中心线可转动地设置的。旋转中心线垂直于三维显示系统的显示面,这样使得显示面为平面,使得在盘体旋转时,用户在盘体的一侧即可观察到显示面所展示的完整的图像。显示单元包括第一显示单元,第一显示单元为多个,多个第一显示单元分为多组,每组至少包括两个第一显示单元,每组中的部分第一显示单元由盘体的几何中心位置向盘体的边缘沿一预定轨迹顺次设置,这样设置规划了盘体上第一显示单元的排布方式,提高了第一显示单元的使用可靠性,使得沿预设轨迹顺次设置的多个第一显示单元之间是没有间隙的,使得在盘体转动过程中显示画面不会存在缝隙,盘体上的区域都能够用于显示成像,避免了图像的丢失,保证了成像的完整性和稳定性。
另外,每组中的部分第一显示单元由盘体的几何中心位置向盘体的边缘沿一预定轨迹顺次设置,这样设置使得第一显示单元不是铺满整个盘体的,减少了第一显示单元的设置数量,大大节约了成本,通过控制盘体旋转利用视觉暂留效应实现平面显示功能。第一显示单元为矢量像素或张量像素。当第一显示单元为张量像素时,三维显示系统可以在多个深度显示面进行显示,以实现三维显示功能。当第一显示单元为矢量像素时,三维显示系统只能在一个深度显示面进行显示,以实现二维显示的功能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了本发明的一个可选实施例的三维显示系统的第一显示单元排布示意图;
图2示出了本发明的另一个可选实施例的三维显示系统的第一显示单元和第二显示单元的排布示意图;
图3示出了图2中拼接缝隙处的成像效果图;
图4示出了设置第三显示单元和第四显示单元的三维显示系统的示意图;
图5示出了图4中的三维显示系统的另一个角度的示意图;
图6示出了平面的盘体与弧面的环体进行拼接的示意图;
图7示出了正方形的镜头在盘体上的排布示意图;
图8示出了具有多焦点膜层的显示单元的示意图;
图9示出了图8中的显示单元的另一个角度的示意图;
图10示出了另一个实施例的第一光栅膜层的结构示意图;
图11示出了两个子区域进行拼接的多焦点膜层的示意图;
图12示出了盘体上矢量像素的排布示意图;
图13示出了盘体和环体上矢量像素的排布示意图;
图14示出了本发明的三维显示系统的光阑的排布示意图;
图15示出了本发明的三维显示系统的扩束光学膜的装配示意图。
其中,上述附图包括以下附图标记:
10、盘体;11、第一显示单元;12、第三显示单元;20、环体;21、第二显示单元;22、第四显示单元;30、追踪摄像头;40、镜头;50、多焦点膜层;51、平面结构;52、齿状结构;53、子区域;60、第一光栅膜层;61、第一棱镜;611、第一扩束面;612、第一平面段;613、第一扩束面段;62、第一平面区域;70、第二光栅膜层;71、第二棱镜。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是,除非另有指明,本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中,在未作相反说明的情况下,使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的,或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的;同样地,为便于理解和描述,“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外,但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中的三维显示系统存在分辨率及亮度不够高,体积大和成本高的问题,本发明提供了一种三维显示系统。
如图1至图15所示,三维显示系统包括盘体10和显示单元,盘体10具有一个旋转中心,盘体10绕过旋转中心的旋转中心线可转动地设置,旋转中心线垂直于三维显示系统的显示面;显示单元包括第一显示单元11,第一显示单元11为多个,多个第一显示单元11分为多组,每组至少包括两个第一显示单元11,每组中的部分第一显示单元11由盘体10的几何中心位置向盘体10的边缘沿一预定轨迹顺次设置,第一显示单元11为矢量像素或张量像素。
盘体10具有一个旋转中心,这样设置规划了盘体10的旋转方式,使得盘体10是绕过旋转中心的旋转中心线可转动地设置的。旋转中心线垂直于三维显示系统的显示面,这样使得显示面为平面,使得在盘体10旋转时,用户在盘体10的一侧即可观察到显示面所展示的完整的图像。显示单元包括第一显示单元11,第一显示单元11为多个,多个第一显示单元11分为多组,每组至少包括两个第一显示单元11,每组中的部分第一显示单元11由盘体10的几何中心位置向盘体10的边缘沿一预定轨迹顺次设置,这样设置规划了盘体10上第一显示单元11的排布方式,提高了第一显示单元11的使用可靠性,使得沿预设轨迹顺次设置的多个第一显示单元11之间是没有间隙的,使得在盘体10转动过程中显示画面不会存在缝隙,盘体10上的区域都能够用于显示成像,避免了图像的丢失,保证了成像的完整性和稳定性。
另外,每组中的部分第一显示单元11由盘体10的几何中心位置向盘体10的边缘沿一预定轨迹顺次设置,这样设置使得第一显示单元11不是铺满整个盘体10的,减少了第一显示单元11的设置数量,大大节约了成本,通过控制盘体10旋转利用视觉暂留效应实现平面显示功能。第一显示单元11为矢量像素或张量像素。当第一显示单元11为张量像素时,三维显示系统可以在多个深度显示面进行视差图像显示,以实现三维显示功能。当第一显示单元11为矢量像素时,三维显示系统只能在一个深度显示面进行视差图像显示,以实现三维显示的功能。
具体的,预定轨迹呈曲线。
需要说明的是,图1中虚线表示的盘体10旋转时是第一显示单元11的运动轨迹,图2中虚线表示的是盘体10和环体20旋转时第一显示单元11和第二显示单元21的运动轨迹。如图1所示,多个第一显示单元11中至少一个第一显示单元11设置在盘体10的几何中心位置处,多组中位于盘体10的几何中心位置处的第一显示单元11是共用的。这样设置使得位于盘体10的几何中心位置处的第一显示单元11同时也是位于盘体10的旋转中心的,这样在盘体10转动的过程中,位于几何中心位置处的第一显示单元11是进行自转的,也就是绕自身的旋转中心线进行转动的。
如图1所示,多个第一显示单元11至少包括两组,两组多个第一显示单元11呈中心对称设置。这样设置规划了两组多个第一显示单元11的相对位置关系,使得盘体10上的两组多个第一显示单元11的排布更加合理,以保证盘体10在转动的过程中,利用视觉暂留效应实现三维显示功能,保证了成像的稳定性。
在实际应用中,图中圆形可表示为第一显示单元11的镜头40的所在位置,长方形可表示为镜头40的光阑,长方形的短边宽度满足镜头40的光阑宽度,位于盘体10的几何中心位置处的第一显示单元11的镜头40的长方形光阑的长边的一半等于该第一显示单元11两侧的第一显示单元11的边缘与盘体10的旋转中心之间的距离,当盘体10在旋转时,为了保证盘体10的旋转中心的第一显示单元11与两组中与该第一显示单元11连接的两个第一显示单元11之间是顺次连接且不留缝隙的,需要将盘体10的旋转中心处的第一显示单元11的边缘处非有效出光区域切割掉,以为两侧的两组中与中心的第一显示单元11连接的两个第一显示单元11留出排布位置,以实现无缝连接。同时,除位于盘体10的旋转中心的第一显示单元11外,两组中的多个第一显示单元11中相邻两个第一显示单元11之间也是无缝连接的,以保证圆形显示区域都能被第一显示单元11扫描覆盖。
如图1所示,位于盘体10的旋转中心的第一显示单元11两侧的呈中心对称的两组多个第一显示单元11分别包括三个第一显示单元11,当然,也可根据实际情况设置不同数量的第一显示单元11。一组中的三个第一显示单元11沿图中所示曲线由盘体10的几何中心位置向盘体10的边缘顺次设置,当然,不限于沿图1中的曲线进行排布,可根据实际情况沿不同的曲线进行排布。
当然,多个第一显示单元11也可设置两组以上,可根据实际情况进行选择。
具体的,盘体10为圆盘、椭圆盘或多边形的盘体10中的一种。可根据实际情况和显示需要进行选择。在本申请中,盘体10呈圆盘状,通过在圆盘状的盘体10上合理布置第一显示单元11,以使得最终显示面也是呈圆形的,以实现圆窗的显示效果。
在盘体10扫描运动时,处于旋转中心的第一显示单元11正好位于旋转轴上,此时该第一显示单元11不发生扫描运动,其所显示的画面会有一个点一直为该第一显示单元11的像构成,该点显示像素分辨率不能因旋转速度的不同而有所改变,且该点仅为单一的第一显示单元11扫描,其色度也会出现偏差,显示颜色仅为第一显示单元11的单一颜色,当人眼所在的空间位置正好处于盘体10的旋转轴所在的直线上时,就会看到显示面中心的点分辨率较周围变大且显示颜色为单色,一般称之为显示坏点,该显示坏点仅出现在第一显示单元11处于盘体10的旋转中心且观看者眼睛处于盘体10的旋转轴线上时的情况。
当人眼不是处于盘体10的旋转轴线上时则看不到上述坏点,以镜头40的视角为70度为例,第一显示单元11的发散角为1度,在距离盘体101m处观看时,人眼可移动的区域约为1.96m2,坏点第一显示单元11的发散角在1m处对应的区域面积约为S=7.6*10-5m2,即当人眼位于S所在的区域时才能看到坏点,假设观看者为随机站位观看,那么观看者正好处于旋转轴线上看到坏点的几率为1/200000,也就是说,观看者看到有一个坏点的显示面的几率很小。当镜头40视角不是足够大,需要用具有扩束功能的光栅膜层实现大视角时,坏点也会被扩束到空间上,假设光栅膜层上的棱镜的截面呈梯形,此时一个点会被扩束,进而分为9个点,其坏点也会变为9个,此时处于空间9个位置都可以看到显示中心有一个坏点的显示画面,根据全球显示厂商定义,具有一个坏点的显示屏仍为品质较高的A级显示屏。
当第一显示单元11为张量像素时,其静态显示分辨率一般小于转动实现的动态显示分辨率,在盘体10转动过程中,处于盘体10的旋转中心的张量像素的分辨率下降为静态显示分辨率,称为“不动点区”。只有当人眼落在盘体10的旋转中心法线方向的一个比较小的视锥内可以看见该不动点区。可以通过调整盘体10的放置位置,尽量使观看者眼睛不落在这个视锥内,也可选择静态分辨率较高的张量像素设置在盘体10的旋转中心处来弥补。
在实际应用时,当需要小屏显示时,可仅选用一个盘体10进行显示;当需要大屏显示时,可选用一个盘体10和一个环体20进行拼接的方式进行显示,下面针对个一个盘体10和一个环体20进行拼接方式进行具体说明。
如图2所示,盘体10呈圆盘状,三维显示系统还包括环体20,环体20为一个或多个,当环体20为一个时,环体20设置在盘体10的外周侧并与盘体10拼接。当环体20为多个时,多个环体20由盘体10的外周侧向远离盘体10的方向依次拼接。这样设置通过采用将盘体10与环体20进行拼接的方式,以实现大显示面的成像效果,避免了设计大尺寸盘体10的情况,降低了加工难度,进一步避免大尺寸盘体10自身重量较大而增加驱动难度的情况。盘体10和环体20的旋转中心相同且在同一平面上,以保证盘体10和环体20都是围绕一个旋转中心线进行旋转的,且二者的显示面位于同一平面上,以保证成像的一致性和稳定性。将盘体10设置成圆盘状,环体20设置成环状,使得三维显示系统最终的显示面为圆形,以实现圆窗的显示效果。
需要说明的是,在本申请的具体实施例中,环体20为一个。当然,可根据实际需求设置不同数量的环体20。
具体的,显示单元还包括第二显示单元21,环体20上设置有第二显示单元21,第二显示单元21为多个,多个第二显示单元21分为多组,每组中的部分第二显示单元21由环体20的内环侧向环体20的外环侧沿一曲线顺次设置。这样设置规划了环体20上第二显示单元21的排布方式,提高了第二显示单元21的使用可靠性,使得每组沿曲线顺次设置的多个第二显示单元21之间是没有间隙的,使得环体20在转动过程中,显示画面不会存在缝隙,环体20上的区域都能够用于显示成像,避免了图像的丢失,保证了成像的完整性和稳定性。
如图2所示,盘体10与环体20的转速不同,环体20上第二显示单元21的组数量大于盘体10上第一显示单元11的组数量。这样设置使得环体20上增加了第二显示单元21的组数量,这样就可以降低环体20的旋转速度从而达到显示的效果。以图中所示为例,环体20上的第二显示单元21的组数量为六组,环体20的速度就可以降低到与盘体10速度相同或低于盘体10的旋转速度,这样以保证环体20与盘体10成像的一致性。当然图中环体20上第二显示单元21的位置可以变化,只要保证只要保持其中心及光阑角点处于对应的圆上即可。
如图3所示,当上述第一显示单元11和第二显示单元21均为张量像素时,由于张量像素的镜头40通常有外壳,外壳的壁厚通常在1-2mm,因此在盘体10与环体20拼接时会存在缝隙,以保证转动过程中盘体10和环体20不会发生碰撞,从转动径向上看去,其缝隙可如图中所示,T1与T2分别为盘体10和环体20拼接位置处的两个张量像素,当人眼正视缝隙时,T1与T2分别为人眼成像,且二者在缝隙正对处一定会有重合像素,Q1为T1的成像光束的发散角,Q2为T2的成像光束的发散角,当成像距离较远时,Q1与Q2都比较小,二者之间的夹角也会比较小,当二者分别入射到人眼时,其光斑只能覆盖人眼的部分区域,此时缝隙对张量像素的影响只有亮度,当P点足够亮时,P点前的缝隙就会被忽略,即人眼会感受不到缝隙的存在,因此只要在驱动张量像素时,对张量像素的亮度进行调节,使其与周围的张量像素亮度一致,缝隙的影响则可以消除,张量像素亮度的调整可以根据其光斑覆盖瞳孔面积占比进行补偿调整。图中s1与s2的面积可以不等。这样只解决了正视缝隙时的解决方案,当斜视缝隙时,解决方法是在缝隙边缘安装倾斜的张量像素,倾斜的张量像素为斜视提供光束。
如图4和图5所示,显示单元还包括第三显示单元12和第四显示单元22,盘体10上设置有第三显示单元12,第三显示单元12位于盘体10靠近环体20的一侧,且第三显示单元12向环体20的方向倾斜,也就是说,第三显示单元12设置在盘体10靠近缝隙的一侧且向缝隙的方向倾斜。环体20上设置有第四显示单元22,第四显示单元22位于环体20靠近盘体10的一侧,且第四显示单元22向盘体10的方向倾斜,也就是说,第四显示单元22设置在环体20靠近缝隙的一侧且向缝隙的方向倾斜。这样通过设置倾斜的第三显示单元12和第四显示单元22,使得第三显示单元12和第四显示单元22为斜视提供了成像光束,使得用户在斜视缝隙时看不到该缝隙,以保证显示的完整性。同时这样设置不会增加三维显示装置的整体厚度,有利于保证小型化。
在一个图中未示出的实施例中,也可在缝隙的底部安装第五显示单元,并调整第五显示单元的成像距离,使得第五显示单元与第一显示单元11和第二显示单元21的成像面在同一平面,这样不管人眼从任何位置观看都看不到拼接缝隙的存在,第五显示单元可固定连接在盘体10远离第一显示单元11的一侧,或者第五显示单元固定连接在环体20远离第二显示单元21的一侧。这样虽然能够解决拼接缝隙的问题,但是无疑会增加三维显示系统的整体厚度,增加了体积,当在实际应用中对三维显示系统的厚度显示不大时可采用此方案。
需要说明的是,在实际应用中,盘体10和环体20上的显示单元均为张量像素或均为矢量像素,以保证盘体10和环体20成像的一致性。
具体的,三维显示系统还包括追踪摄像头30,追踪摄像头30用于对人眼的追踪识别。当三维显示系统仅采用一个盘体10时,追踪摄像头30设置在盘体10的外周侧;当三维显示系统采用一个盘体10和一个环体20进行拼接的方案时,追踪摄像头30设置在环体20的外周侧。
当三维显示系统采用一个盘体10和一个环体20进行拼接的方案时,在安装时可以做抽真空操作,以降低盘体10的风阻,外壳上安装追踪摄像头30,以确定最终观看者眼睛位置,并将信息传递给控制芯片,控制芯片根据位置信息计算出张量像素旋转到何处时应该点亮的张量像素,实现张量光场显示。通过追踪摄像头30能够动态追踪校正三维显示系统所形成的不均匀分布的光场,保证观看者看到均匀亮度的显示画面。
具体的,盘体10和环体20朝向用户的一侧表面均呈平面。
在图中未示出的一个实施例中,盘体10和环体20朝向用户的一侧表面均呈弧面。
如图6所示,盘体10朝向用户的一侧表面呈平面,环体20朝向用户的一侧表明呈弧面。将环体20朝向用户的一侧表面设计成具有适当曲率的弧面,能够保证用户在较近处观看全屏时的FOV。盘体10和环体20的面型可根据具体情况进行选择。
在图中未示出的一个实施例中,盘体10呈圆盘状,盘体10还包括支撑杆,支撑杆为多个,多个支撑杆绕盘体10的周向间隔设置在盘体10的外周侧并与盘体10拼接。支撑杆的一端与盘体10的外周侧拼接,支撑杆的另一端向远离盘体10的方向延伸。这样设置使得盘体10是实体的,而支撑杆所围成的架体是镂空的,这样使得支撑杆所围成的架体代替了上述的环体20,这样同样能够实现在支撑杆上沿一曲线设置多个第二显示单元21,以保证三维显示系统能够稳定成像。
如图7所示,在上文中,镜头40的光阑是长方形的,目的是为了减少径向排列显示单元个数,当盘体10的旋转中心的第一显示单元11设置成正方形、三角形或者多边形时,其排列方式可由图中所示,处于旋转中心的第一显示单元11为正方形,可以在其四边拼接四个第一显示单元11,在第二层拼接时可以按照原来的方向拼接四个正方形的第一显示单元11,也可以按照如图所示设置圆形的显示单元。
如图8和图9所示,显示单元包括密集显示器件、镜头40和扩束光学膜,镜头40设置在密集显示器件的一侧;扩束光学膜设置在镜头40远离密集显示器件的一侧;其中,扩束光学膜包括多焦点膜层50和光栅膜层。
通过设置多焦点膜层50,使得多焦点膜层50具有多个焦距,以使多焦点膜层50能够实现多个焦面的显示,使得用户至少能在两个平面观察到有视差的图像,以达到解决双眼辐辏聚焦的三维显示效果。同时,多焦点膜层50具有轻薄化的优点,有效减轻了多焦点膜层50的整体重量,保证了扩束光学膜的小型化。通过设置光栅膜层,使得光栅膜层起到了扩束的作用,使得光栅膜层能够将一束光扩束成多束光,进而使得多束光能够朝向多个方向进行传输,从而使得多束光能够指向更多的空间,以达到增大视角的功能,增大了用户的观看范围,提高了用户体验。扩束光学膜通过将多焦点膜层50和光栅膜层结合的方式,使得像素发出的光依次经由多焦点膜层50和光栅膜层后能够在多个平面进成像,且在多个方向能够看到该像素的像,以达到大视角和多维的显示效果。
另外,通过设置多焦点膜层50,能够解决人眼在深度方向的辐辏聚焦的问题,避免在观看过程中出现视觉疲劳的风险,保证了用户的使用满意度,同时保证了显示效果和成像质量。
需要说明的是,当上述扩束光学膜包括多焦点膜层50和光栅膜层时,该显示单元为张量像素。上述扩束光学膜仅包括光栅膜层时,该显示单元为矢量像素。张量像素的显示单元能够实现多层成像面的显示,实现包含辐辏聚焦信息、双眼视差信息、移动视差信息的光场显示效果。矢量像素的显示单元能够实现单层成像面的显示,在空间上只有一个显示层,仍能为观看者提供双眼视差及移动视差的光场显示。
需要说明的是,上述密集显示器件可以是microLED或者其他类型的显示器。
具体的,光栅膜层包括第一光栅膜层60和第二光栅膜层70,第一光栅膜层60具有沿第一方向顺次排列的多个第一棱镜61;第二光栅膜层70具有沿第二方向排列的多个第二棱镜71,第一方向与第二方向之间具有夹角,夹角为直角。多个第一棱镜61间隔设置,以在相邻两个第一棱镜61之间形成第一平面区域62,第一棱镜61至少包括一个与第一平面区域62倾斜设置的第一扩束面611;多个第二棱镜71间隔设置,以在相邻两个第二棱镜71之间形成第二平面区域,第二棱镜71至少包括一个与第二平面区域倾斜设置的第二扩束面。当扩束光学膜包括多焦点膜层50和光栅膜层时,多焦点膜层50位于光栅膜层与镜头40之间,第一光栅膜层60位于第二光栅膜层70与多焦点膜层50之间;当扩束光学膜仅包含光栅膜层时,第一光栅膜层60位于第二光栅膜层70与镜头40之间。
需要说明的是,上述第一方向与第二方向之间的夹角也可为锐角,可根据具体情况进行设置。
具体的,第一棱镜61的截面呈梯形;梯形的两个腰所形成的面就是第一扩束面611;第二棱镜71的截面呈梯形,梯形的两个腰所形成的面就是第二扩束面。第一棱镜61位于第一光栅膜层60远离多焦点膜层50的一侧表面上,第二棱镜71位于第二光栅膜层70远离第一光栅膜层60的一侧表面上。
第一光栅膜层60的功能是入射到其上的光束在垂直其线性的维度打开,第二光栅膜层70的功能是将第一光栅膜层60在在一个维度分束的光束在其垂直维度再次打开,如一个光束经过第一光栅膜层60在X轴被分为三束,三束光分别指向空间三个方向,当这三束光经过第二光栅膜层70时,三束光会分别再次被分为三束,也就是出射9束光,最终一束光被分为9束,向9个方向出射。也就是说,当点亮一个子像素时,在空间9个方向都可以看到该子像素,由于每束光的发散角很小,当配合人眼追踪时,非目标光束对观看者产生影响的概率很小。为使出射每束光亮度相同,本申请在设计第一光栅膜层60和第二光栅膜层70时,第一光栅膜层60中的多个第一扩束面611在第一平面区域62上的投影的尺寸是相等的,第一扩束面611在第一平面区域62上的投影与第一平面区域62的尺寸是相等的;当然,第二光栅膜层70中的多个第二扩束面在第二平面区域上的投影的尺寸是相等的,第二扩束面在第二平面区域上的投影与第二平面区域的尺寸是相等的。
需要说明的是,上述扩束光学膜在实际使用时,由于扩束光学膜中各层厚度较小,多焦点膜层50、第一光栅膜层60和第二光栅膜层70之间的位置可以进行调整,且不影响整体扩束光学膜性能。
需要说明的是,上述第一光栅膜层60和第二光栅膜层70的参数是相同的、尺寸是相适配的。
如图10所示,第一棱镜61的截面不是梯形;第二棱镜71的截面不是梯形。第一棱镜61具有沿第一方向连续设置的至少五个第一面段,相邻两个第一面段之间呈角度设置,至少五个第一面段中具有至少一个第一平面段612,至少五个第一面段中还具有相对于第一平面段612倾斜设置的第一扩束面段613,第一平面段612的两侧分别具有两个第一扩束面段613。第二棱镜71具有沿第二方向连续设置的至少五个第二面段,相邻两个第二面段之间呈角度设置,至少五个第二面段中具有至少一个第二平面段,至少五个第二面段中还具有相对于第二平面段倾斜设置的第二扩束面段,第二平面段的两侧分别具有两个第二扩束面段。由于第一棱镜61的具有五个面段,使得一束光经过该第一棱镜61后被分成五束光并向五个方向进行传输,从而有效增加光束的覆盖范围,满足大视角观看。
需要说明的是,上述第一棱镜61上的第一面段不限于五个,第二棱镜71上的第二面段不限于五个。可以是多个,具体个数可根据实际情况进行设计,以将一束光被分为更多的子光束,指向更多的空间,满足大视角观看。
具体的,多焦点膜层50的出光侧的表面上至少具有平面结构51和齿状结构52,以使多焦点膜层50可以在多个显示面进行成像。这样设置使得平面结构51与齿状结构52的焦距不同,以使多焦点膜层50能够具有多个焦距,使得多焦点膜层50具有多个焦面,实现多焦点膜层50在不同平面的显示。
具体的,多焦点膜层50为菲涅尔膜层,齿状结构52为多个,各齿状结构52均呈环形,多个呈环形的齿状结构52同心设置且内径不同,且至少一组相邻的两个呈环形的齿状结构52之间间隔设置,以在二者之间形成呈环形的平面结构51。这样设置使得环形的齿状结构52形成焦距为f1的透镜,该部分与镜头40的焦距f0组合成为新的焦距f,1/f=1/f1+1/f0,环形的平面结构51可以认为焦距为无穷远,该部分与镜头40的焦距f0组合后焦距仍为f0,因此菲涅尔膜层与镜头40组合能够形成双焦点镜头40,以实现双焦点镜头40在两个平面上的成像,以为用户提供具有视差的图像,从而实现三维显示的效果。当然,当菲涅尔膜层上的齿状结构52的种类有两种或两种以上时,就可以实现三个或三个以上焦面的显示,当需要把三个或三个以上焦面的像素进行融合时,需要较高的人眼追踪精度。
需要说明的是,上述菲涅尔膜层的多个环形的齿状结构52中的相邻两个齿状结构52均间隔设置。
如图11所示,多焦点膜层50也可不设计成菲涅尔膜层,多焦点膜层50也可由多个子区域53构成,各子区域53内均具有平面结构51和齿状结构52,且不同的子区域53内齿状结构52和平面结构51内的排列方向不同。各子区域53内具有多个齿状结构52,且至少一组相邻的两个齿状结构52之间间隔设置,以在二者之间形成平面结构51,其中,齿状结构52沿弧线延伸。由于菲涅尔膜层上不同区域可以将光束偏折到不同的方向,将具有多个子区域53的多焦点膜层50设置在镜头40前,当光束经过该多焦点膜层50后,会被分成多束光,分别指向空间的多个方向。
如图11所示,子区域53为两个,每个子区域53中的多个弧形的齿状结构52中的相邻两个弧形的齿状结构52均间隔设置,以在相邻两个齿状结构52之间形成弧形的平面结构51。
如图14所示,在本申请中进行旋转扫描,如上面所述需要保证其出光光阑边缘在扫描时完全拼接,此时完全依靠机械安装精度就很难保证扫描拼接完整,因此本申请提出制作光阑模板保证拼接,光阑模板的出光孔采用激光切割等工艺,能保证非常高的精确度,然后将密集显示器件与镜头对位安装在光阑下方,因有光阑模板的约束,镜头对位安装精度就要求不高。最后在光阑模板上贴装扩束光学膜实现张量像素。光阑模板如图14所示,图中A1、A2、B1、B2都为光阑模板出光孔。
在两个相邻的出光孔中因光线来自不同的张量像素,当眼睛直视相邻像素的拼接缝隙时,如图中的A2与A3的拼接缝隙,此时缝隙针对的显示像素的光线分别来之A2与A3两个张量像素,人眼不能分辨光束来至于A2还是A3,只能看到显示像素,即A2和A3的边缘会被忽略。
为保证张量像素近像平面的显示像素光束发散角不过大造成双眼视觉混淆,设计了在菲涅尔膜片上按照相位取不同子区域53进行拼接的方式,但当盘体10上关于圆心有对称像素时,旋转扫描时仍会有可能造成视觉混淆,如图14所示,A、B成为两个不同排布轨迹,其上像素A3与B3对称安装,观看时A3与B3的成像方式相同,通过此光阑出射的光束会被眼睛同时看到,为避免此问题,如图15所示,本申请提出将对称位置的扩束光学膜安装时旋转不同的角度,使得两个对称的光阑出光口的扩束光学膜有一定的旋转角度。
在本申请中,为最大化利用密集显示器件的显示功能且显示具有较高的分辨率,本申请中的镜头40满足以下特性。假设转动扫描显示时,三维显示系统可以将像素分度设为N(N>=2),分度是指显示时一个物理像素可以分为就是N分度,成像扫描显示为N个显示像素,即其显示分辨率可以增加N倍。以分度N=2为例,其运动扫描时需要同时看到两个彩色像素,也就是6个RGB单色像素,这就要求6个单色像素经过镜头40成像时,其通过镜头40出射光束发散角满足以下条件:近处观看时6束出射光重叠区域能覆盖区域大于眼睛瞳孔,当人眼追踪存在一定误差的情况下,重叠光斑仍能覆盖人眼瞳孔,且远处观看时能满足6束出射光的总发散区域不超过60mm(人眼瞳距)以保证远处双眼观看不混,能够提供视差信息,因此观看距离就对镜头40的焦距和Fno有一定限定,同时还要满足观看视角。
如图12所示,当仅采用一个盘体10,第一显示单元11为矢量像素时,盘体10上的多个矢量像素可呈“十字”排布在盘体10上。
如图13所示,当采用一个盘体10和一个环体20进行拼接,第一显示单元11和第二显示单元21均为矢量像素时,多组第二显示单元21呈放射状间隔排布在环体20上,且多组第二显示单元21的一侧与盘体10的外周侧拼接。如图中所示,盘体10上的第一显示单元11为四组,当环体20的外径是盘体10的外径的三倍时,环体20上的第二显示单元21的组数量可以是盘体10上的第一显示单元11的组数量的三倍,这样设置能够降低环体20的旋转速度同时还能够保证盘体10和环体20的显示帧刷新频率的一致性。
三维显示系统还包括电机,电机为一个或多个,当电机为一个时,盘体10和环体20同时连接在电机的输出轴上,以实现同步旋转,此时电机的输出轴上需要固定两个滑环分别对应盘体10和环体20,以为盘体10和环体20分别供电和传递信号。当电机为多个时,盘体10和环体20分别通过不同的电机进行驱动。
本申请中的盘体10为全封闭的圆柱状盘体10,与外界空气几乎没有对流,空气阻力很小,转动速度可以很快,因此本申请的三维显示系统的画面刷新率可以达到90至120帧,并且可以通过在盘体10或环体20外增加密闭的保护装置,补充氦气近一步减小风阻,增加刷新帧率。
显然,上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是,本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种三维显示系统,其特征在于,包括:
盘体(10),所述盘体(10)具有一个旋转中心,所述盘体(10)绕过所述旋转中心的旋转中心线可转动地设置,所述旋转中心线垂直于所述三维显示系统的显示面;
显示单元,所述显示单元包括第一显示单元(11),所述第一显示单元(11)为多个,多个所述第一显示单元(11)分为多组,每组至少包括两个所述第一显示单元(11),每组中的部分所述第一显示单元(11)由所述盘体(10)的几何中心位置向所述盘体(10)的边缘沿一预定轨迹顺次设置,所述第一显示单元(11)为矢量像素或张量像素。
2.根据权利要求1所述的三维显示系统,其特征在于,所述预定轨迹呈曲线。
3.根据权利要求1所述的三维显示系统,其特征在于,多个所述第一显示单元(11)中至少一个所述第一显示单元(11)设置在所述盘体(10)的几何中心位置处,多组中位于所述盘体(10)的几何中心位置处的所述第一显示单元(11)是共用的。
4.根据权利要求1所述的三维显示系统,其特征在于,多个所述第一显示单元(11)至少包括两组,两组多个所述第一显示单元(11)呈中心对称设置。
5.根据权利要求1所述的三维显示系统,其特征在于,所述盘体(10)为圆盘、椭圆盘或多边形的盘体(10)中的一种。
6.根据权利要求1所述的三维显示系统,其特征在于,所述盘体(10)呈圆盘状,所述三维显示系统还包括环体(20),所述环体(20)为一个或多个,
当所述环体(20)为一个时,所述环体(20)设置在所述盘体(10)的外周侧并与所述盘体(10)拼接;
当所述环体(20)为多个时,多个所述环体(20)由所述盘体(10)的外周侧向远离所述盘体(10)的方向依次拼接。
7.根据权利要求6的三维显示系统,其特征在于,所述显示单元还包括第二显示单元(21),所述环体(20)上设置有所述第二显示单元(21),所述第二显示单元(21)为多个,多个所述第二显示单元(21)分为多组,每组中的部分所述第二显示单元(21)由所述环体(20)的内环侧向所述环体(20)的外环侧沿一曲线顺次设置。
8.根据权利要求7所述的三维显示系统,其特征在于,所述盘体(10)与所述环体(20)的转速不同,所述环体(20)上所述第二显示单元(21)的组数量大于所述盘体(10)上所述第一显示单元(11)的组数量。
9.根据权利要求7所述的三维显示系统,其特征在于,所述显示单元还包括第三显示单元(12)和第四显示单元(22),
所述盘体(10)上设置有所述第三显示单元(12),所述第三显示单元(12)位于所述盘体(10)靠近所述环体(20)的一侧,且所述第三显示单元(12)向所述环体(20)的方向倾斜;和/或
所述环体(20)上设置有所述第四显示单元(22),所述第四显示单元(22)位于所述环体(20)靠近所述盘体(10)的一侧,且所述第四显示单元(22)向所述盘体(10)的方向倾斜。
10.根据权利要求6所述的三维显示系统,其特征在于,所述三维显示系统还包括追踪摄像头(30),所述追踪摄像头(30)用于对人眼的追踪识别,
所述追踪摄像头(30)设置在所述盘体(10)的外周侧;或者
所述追踪摄像头(30)设置在所述环体(20)的外周侧。
11.根据权利要求6所述的三维显示系统,其特征在于,
所述盘体(10)和所述环体(20)朝向用户的一侧表面均呈平面;或者
所述盘体(10)和所述环体(20)朝向用户的一侧表面均呈弧面;或者
所述盘体(10)朝向用户的一侧表面呈平面,所述环体(20)朝向所述用户的一侧表明呈弧面。
12.根据权利要求1所述的三维显示系统,其特征在于,所述盘体(10)呈圆盘状,所述盘体(10)还包括支撑杆,所述支撑杆为多个,多个所述支撑杆绕所述盘体(10)的周向间隔设置在所述盘体(10)的外周侧并与所述盘体(10)拼接。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的三维显示系统,其特征在于,所述显示单元包括:
密集显示器件;
镜头(40),所述镜头(40)设置在所述密集显示器件的一侧;
扩束光学膜,所述扩束光学膜设置在所述镜头(40)远离所述密集显示器件的一侧;
其中,所述扩束光学膜包括多焦点膜层(50)和/或光栅膜层。
14.根据权利要求13所述的三维显示系统,其特征在于,所述光栅膜层包括:
第一光栅膜层(60),所述第一光栅膜层(60)具有沿第一方向顺次排列的多个第一棱镜(61);
第二光栅膜层70,所述第二光栅膜层70具有沿第二方向排列的多个第二棱镜(71),所述第一方向与所述第二方向之间具有夹角,所述夹角为锐角或直角。
15.根据权利要求14所述的三维显示系统,其特征在于,
多个所述第一棱镜(61)间隔设置,以在相邻两个所述第一棱镜(61)之间形成第一平面区域(62),所述第一棱镜(61)至少包括一个与所述第一平面区域(62)倾斜设置的第一扩束面(611);
多个所述第二棱镜(71)间隔设置,以在相邻两个所述第二棱镜(71)之间形成第二平面区域,所述第二棱镜(71)至少包括一个与所述第二平面区域倾斜设置的第二扩束面。
16.根据权利要求15所述的三维显示系统,其特征在于,
所述第一棱镜(61)的截面呈梯形;和/或
所述第二棱镜(71)的截面呈梯形。
17.根据权利要求14所述的三维显示系统,其特征在于,
所述第一棱镜(61)具有沿所述第一方向连续设置的至少五个第一面段,相邻两个所述第一面段之间呈角度设置,所述至少五个第一面段中具有至少一个第一平面段(612),所述至少五个第一面段中还具有相对于所述第一平面段(612)倾斜设置的第一扩束面段(613);和/或
所述第二棱镜(71)具有沿所述第二方向连续设置的至少五个第二面段,相邻两个所述第二面段之间呈角度设置,所述至少五个第二面段中具有至少一个第二平面段,所述至少五个第二面段中还具有相对于所述第二平面段倾斜设置的第二扩束面段。
18.根据权利要求13所述的三维显示系统,其特征在于,当所述扩束光学膜包括所述多焦点膜层(50)和所述光栅膜层时,所述多焦点膜层(50)位于所述光栅膜层与所述镜头(40)之间。
19.根据权利要求13所述的三维显示系统,其特征在于,所述多焦点膜层(50)的出光侧的表面上至少具有平面结构(51)和齿状结构(52),以使所述多焦点膜层(50)可以在多个显示面进行成像。
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