CN115185102B - 多级镜三维显示装置 - Google Patents

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CN115185102B CN202210917291.5A CN202210917291A CN115185102B CN 115185102 B CN115185102 B CN 115185102B CN 202210917291 A CN202210917291 A CN 202210917291A CN 115185102 B CN115185102 B CN 115185102B
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Abstract

本申请涉及三维显示技术领域，特别涉及一种多级镜三维显示装置，其中，包括：首先，通过多激光投影仪阵列提供像素源，其次，通过折转光路元件将像素源发出的光方向折转至目标方向，最后，通过多级平面镜反射阵列在水平方向分割折转光路元件折转的光线，形成汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，以显示三维图像，基于多级平面镜的超远距离长纵深三维显示装置，以实现对激光投影仪的光场分割与视点定向汇聚。由此，解决了现有技术难以实现远距离显示，其显示内容往往浮于屏幕，深度感不强，且分辨率受显示装置限制，难以实现像素数倍增，从而降低三维显示效果，影响显示质量的的问题。

Description

多级镜三维显示装置
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，特别涉及一种多级镜三维显示装置。
背景技术
传统的2D显示设备，如阴极射线管(CRTs)、液晶设备(Liquid Crystal Display，LCD)或等离子屏幕等，由于其缺乏真正的深度线索，在高维数据或图形显示中往往效果不理想或产生歧义。即使通过3D渲染技术的帮助，复杂的数据模式或3D物体在2D屏幕上显示仍然无法正确地表现空间关系及深度信息。由于人们生活的真实世界是三维的，所以对于三维显示的需求是迫切的。
在实际生活中，人们能感知三维是因为左右眼分别接收到了含有视差的同一场景的两幅图像，经过人脑的融像产生立体知觉。同理，三维显示设备如果能将具有视差的两幅图像分别提供给左右眼，观察者就会产生同样的立体知觉。目前市场上成型的三维显示技术产品，可以分为两大类：一是以头戴式三维显示设备，如眼镜或助视设备，以及裸眼三维显示设备，如三维显示屏，都是基于以上原理实现三维显示效果，以智能眼镜为代表的头戴设备通过在两个镜片屏上显示视差图像体现效果；二是以柱透镜阵列显示器为代表的三维显示屏在空间中实现光路分割，最终将不同视差图像在空间中汇聚为多个视点，会使观察者的左右眼分别接受不同视点的信息，从而产生立体知觉。
然而，目前的三维显示技术难以实现远距离显示，景深较小，其显示内容往往浮于屏幕，深度感不强且存在像差，大大降低三维显示效果，从而影响显示质量，此外，三维显示技术的分辨率受显示装置限制，难以实现像素数倍增。
发明内容
本申请提供一种多级镜三维显示装置，以解决现有三维显示技术难以实现远距离显示，景深较小，其显示内容往往浮于屏幕，深度感不强，存在像差，且分辨率受显示装置限制，难以实现像素数倍增，从而降低三维显示效果，影响显示质量的问题。
本申请第一方面实施例提供一种多级镜三维显示装置，包括：
按照第一预设排列方式排列的多激光投影仪阵列，以提供像素源；
按照预设角度倾斜的折转光路元件，以将所述像素源发出的光方向折转至目标方向；
按照第二预设排列方式排列的多级平面镜反射阵列，以在水平方向分割所述折转光路元件折转的光线，得到汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，并通过所述多个视点位置的像素矩阵光场显示三维图像。
可选地，所述多激光投影仪阵列，包括：
第一至第n投影仪，所述第一至第n投影仪按照预设排列密度纵向排列。
可选地，所述多级平面镜反射阵列，包括：
第一至第N级平面镜，所述第一至N五平面镜按照预设弧度排列，且被等角度光场照射，其中，N＝2k+1，k为整数。
可选地，所述等角度光场为：
可选地，所述第一至第N级平面镜中每级平面镜中心位置(以中心级镜片为参考原点)为：
xk＝-D+Lksin(βk)；
yk＝Lkcos(βk)；
其中，D为投影仪到0级镜片(中心级)中心距离，Lk为投影仪到各级平镜片中心位置的距离，βk为各级镜片与0级镜片中垂线交角。
可选地，所述投影仪到每级平面镜中心位置的距离为：
Lk＝Dcos(kθ)；
其中，θ为每级镜片对应等角度光场。
所述每级平面镜与中心级平面镜中垂线交角为：
可选地，每级平面镜的宽度为：
可选地，视点位置个数满足如下公式：
M×n＝P×N；
其中，M为预设方向上单个投影仪提供的像素数，n为投影仪个数，N为镜片级数，P为被每级镜片分割的光场数。
可选地，所述折转光路元件为半透半反镜。
可选地，所述预设角度为45°。
根据本申请实施例的多级镜三维显示装置，分别通过多激光投影仪阵列提供像素源，折转光路元件将像素源发出的光方向折转至目标方向，多级平面镜反射阵列在水平方向分割折转光路元件折转的光线，得到汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，并显示三维图像，基于多级平面镜的超远距离长纵深三维显示装置，以实现对激光投影仪的光场分割与视点定向汇聚。由此，解决了现有技术难以实现远距离显示，其显示内容往往浮于屏幕，深度感不强，且分辨率受显示装置限制，难以实现像素数倍增，从而降低三维显示效果，影响显示质量的问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种多级镜三维显示装置示意图；
图2为根据本申请一个实施例提供的单片平面镜光场传播示意图；
图3为根据本申请一个实施例提供的多级镜光场分割作用结果示意图；
图4为根据本申请一个实施例提供的多级镜视点汇聚作用示意图；
图5为根据本申请一个实施例提供的多级镜的尺寸及排列规律示意图；
图6为根据本申请一个实施例提供的多级镜三维显示装置视点汇聚示意图；
图7为根据本申请一个实施例提供的多级镜三维显示装置离轴结构示意图；
图8为根据本申请一个实施例提供的离轴多级镜的尺寸及排列规律示意图；
图9为根据本申请一个实施例提供的二维多级镜三维显示装置示意图；
图10为根据本申请一个实施例提供的双投影仪生成的像素矩阵(观察者视图)示意图；
图11为根据本申请一个实施例提供的观察者不同视点的示意图(立体视觉)。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多级镜三维显示装置，针对上述背景技术中提到的现有三维显示技术难以实现远距离显示，景深较小，其显示内容往往浮于屏幕，深度感不强，存在像差，且分辨率受显示装置限制，难以实现像素数倍增，从而降低三维显示效果，影响显示质量的等问题，本申请提供了一种多级镜三维显示装置，分别通过多激光投影仪阵列提供像素源，折转光路元件将像素源发出的光方向折转至目标方向，多级平面镜反射阵列在水平方向分割折转光路元件折转的光线，得到汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，并显示三维图像，基于多级平面镜的超远距离长纵深三维显示装置，以实现对激光投影仪的光场分割与视点定向汇聚。由此，解决了现有技术难以实现远距离显示，其显示内容往往浮于屏幕，深度感不强，且分辨率受显示装置限制，难以实现像素数倍增，从而降低三维显示效果，影响显示质量的问题。
在介绍本申请实施例之前，首先介绍一下相关技术中的几种三维显示技术的实现方案，分别为柱透镜阵列裸眼三维显示屏、基于多投影技术的三维显示技术以及基于反射式凹面镜阵列的三维显示以实现图像的三维显示。下面将根据其技术方案分别说明。
其一，柱透镜阵列裸眼三维显示屏，通常是在液晶显示屏前引入柱透镜阵列掩板，将液晶显示屏的图像赋予空间方向性。在显示部分，液晶显示屏位于柱透镜阵列板的焦平面处，其显示内容通常为基元图像；在基元图像中，属于不同视点的同一物体的像素值会排列在一起，为一个“像素组”，每一个像素组都会受柱透镜阵列分光作用使得不同视点的像素光在空间分开；属于不同像素组的同一视点的像素信息则会受透镜阵列分光作用聚合在同一位置，即对应所属视点的位置，这样在空间中，柱透镜阵列将基元图像定向解离为几个视点下的子图像。基于柱透镜阵列的三维显示屏是目前业界三维显示屏的最经典方法，技术成熟，绝大多数三维显示屏都是基于该原理生产制造。其局限性主要表现为：
(1)该显示技术仅能还原水平方向的视差。
(2)柱透镜成像存在像差，显示内容质量受损。
(3)观看角度受限，观看者仅能从部分区域感受立体效果。
(4)显示图像的分辨率受限于液晶显示屏的分辨率，及柱透镜阵列的加工工艺。
其二，基于多投影技术的三维显示技术，整个系统采用定向散射屏技术，在系统工作时，每个投影仪发射的光，呈现为对应定向散射屏的线像素，并将整个屏幕上的线像素拼接，观察者从而接收到含有视差的连续图像，进而产生立体视觉。其局限性性表现为：
(1)为了填充暗线，增加屏幕散射角度使得图像显示质量受损。
(2)图像出屏太小，基本依托屏幕显示，显示内容不自然。
其三，基于反射式凹面镜阵列的三维显示，通过凹面镜的成像模式系，替代了传统的透镜成像模式，实现了反射式自由立体显示，提高了光学利用率，但基于凹面镜阵列的显示其每个单元结构均为凹面镜，且成像面板同传统柱透镜显示一样，需覆盖全透镜阵列，成本较高。其局限性主要表现为：
(1)基于凹面镜结构的三维成像，其球差及色球差非常明显，即使通过计算机图形学校准也大大降低显示质量。
(2)光的利用率低，显示面板发出的一部分光在凹面镜基元边框，而无法用于显示，透过面板也有一部分光损伤。
基于上述的各种三维显示技术的局限性，本申请实施例将采用多级镜三维显示装置以实现对激光投影仪的光场分割与视点定向汇聚，本申请实施例分别提供了三种不同的方案进行实施，下面将通过具体实施例详细论述。
具体而言，图1是为本申请实施例所提供的一种多级镜三维显示装置的方框示意图。
如图1所示，该多级镜三维显示装置10，包括：多激光投影仪阵列100、折转光路元件200和多级平面镜反射阵列300。
其中，多激光投影仪阵列100按照第一预设排列方式排列，以提供像素源；折转光路元件200按照预设角度倾斜，以将像素源发出的光方向折转至目标方向；多级平面镜反射阵列300按照第二预设排列方式排列，以在水平方向分割折转光路元件折转的光线，得到汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，并通过多个视点位置的像素矩阵光场显示三维图像。
进一步地，在一些实施例中，多激光投影仪阵列100，包括：第一至第n投影仪，第一至第n投影仪按照预设排列密度纵向排列。
进一步地，在一些实施例中，多级平面镜反射阵列300，包括：第一至第N级平面镜，第一至N五平面镜按照预设弧度排列，且被等角度光场照射，其中，N＝2k+1，k为整数。其中，第一预设排列方式为纵向紧密排列，预设角度为45°，第二预设排列方式为一定的弧度排列。
具体而言，作为一种可实现的方式，如图1所示，本申请实施例的多激光投影仪阵列100包含多个单投影仪，如第一至第n投影仪，这些投影仪呈纵向紧密排列，以提供像素源；折转光路元件200呈45°角度倾斜，以将像素源发出的光方向折转至目标方向；多级平面镜反射阵列300包含多个单级平面镜，这些单级平面镜关于中心级呈对称分布，如第一至第N级平面镜(N＝2k+1，k为整数)，分别沿水平方向按一定弧度排列，以在水平方向分割折转光路元件折转的光线，得到汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，并通过多个视点位置的像素矩阵光场显示三维图像。
优选地，本申请实施例的折转光路元件200可以选用半透半反玻璃，以自适应反射光强度，增强对比度。
进一步地，多激光投影仪阵列100在进行光场传播时，每个投影仪发出的光，首先经过半透半反玻璃发生发射，反射至多级平面镜反射阵列300的光被多级平面镜水平分割，倍增为行像素。由于多激光投影仪阵列100呈纵向按列紧密排列，因而整个阵列经过多级平面镜分割，倍增为多行多列的像素矩阵。应当注意的是，经过多级平面镜分割的像素由于平面镜的成像特性而带有方向性，按排列的几何规律和光场特性设计，使得不同级间同一位置像素，将汇聚到同一位置(对应视点)。因此，本申请实施例使用多级平面镜反射阵列300将多激光投影仪阵列100的单列像素倍增为汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，当观察者双眼处于不同的视点位置时，会接收到含有视差的像素矩阵，从而会感知立体效果。
举例而言，图2展示了单片平面镜的光场传播图像，根据平面镜成像原理，投影仪发出的光场经过平面镜反射后等价于其关于平面镜所成虚像的出射光场。图2中五条光线示意性地代表了五个方向的光场，其中，可以将光线代表一个方向的光场。
进一步地，结合图2和图3所示，如果一个投影仪关于多级平面镜成像，则同一投影仪成五个虚像。那么，投影仪发出的光会被多级镜在空间上分割为五等份，这就是多级镜的光场分割作用。
具体而言，如图3所示，每一级单片平面镜出射光场都遵循图2的规律，那么通过设计多级平面镜反射阵列300的位置及角度，可以使每一个平面镜出射的五条光线，分别汇聚在五个不同点处，即视点。多级平面镜反射阵列300将出射的不同光线重新汇聚在各自的视点处，称为多级镜的视点汇聚作用，如图4所示。
进一步地，为了实现上述汇聚，本申请实施例需将投影仪放置圆周上一点，并取合适距离为半径，例如，可以将图4中五片平面镜的中点放置于正对投影仪光场的圆周部分，设计镜片尺寸使得各镜片被等角度光场照射，则一个投影仪光场被分割为五个虚像光场，且每个虚像出射光线数相同。理论上，每一级单片平面镜出射相同方向数的光场，则同一位置的各级镜片出射光场汇聚在同一视点，视点数等于方向数。如图5的(a)所示，表示了符合光场特性和几何规律的镜片尺寸大小及排布规律，且将图4出射的五条光线简化为两边缘光线。为了方便讨论，本申请实施例将图5的(b)进一步简化，对镜片的大小、方向以及倾斜角度进行具体讨论：
具体而言，如图5的(b)所示，实际上单个投影仪的发散角为40°，设有N＝2k+1级平面镜并等分单个投影仪光场，记录各级单片平面镜顺次为第-k级,第-k+1级…,第0级,…第k级，则每级镜片对应等角度光场为投影仪到0级镜片(中心级)中心距离为D，投影仪距离半透半反镜距离为H，半透半反镜中心距0级镜片中心距离为S，即D＝S+H，投影仪到各级镜片中心的距离为Lk，各级镜片的宽度为ak，各级镜片与0级镜片中垂线(中心线)交角为βk，通过上述参数的定义，以0级镜片中心为原点，各级镜片中心位置(xk，yk)，存在如下几何关系：
第一至第N级平面镜中每级平面镜中心位置为：
xk＝-D+Lksin(βk)； (1)
yk＝Lkcos(βk)； (2)
其中，D为投影仪到0级镜片(中心级)中心距离，Lk为投影仪到各级镜片中心的距离，βk为各级镜片与0级镜片中垂线(中心线)交角，因此，
投影仪到每级平面镜中心位置的距离为：
Lk＝Dcos(kθ)； (3)
每级平面镜与中心级平面镜中垂线交角为：
进一步地，在一些实施例中，每级平面镜的宽度为：
具体地，如图6所示，对于单个投影仪，其在两级镜片的出射光场，表示了各级镜片出射5个方向光场时的视点汇聚示意图，各级平面镜出射光线汇聚在半透半反镜前方的五个视点处。
进一步地，不同视点处的光场信息可以通过设置投影仪的光场实现调控，当观察双目位于不同的视点处观察到的两光场信息恰好是含有双目视差的，则通过人脑融像会产生立体视觉。本申请实施例提供多个视点，观察者移动经过多个视点会接受到多个含有视差的光场信息，视点越连续，视差也越连续，立体效果更生动真实。
举例而言，单个投影仪经过多级镜将在横向上被扩增为一行像素，以上述示例为例，观察者在特定视点位置可以看到8个像素，而多个投影仪按列排列，则其在像素空间中形成像素矩阵，如上述示例为5行8列的像素矩阵，同时视点空间的视点位置也在纵向有一定展宽，拓宽了可视范围。
进一步地，作为另一种实现的方式，图7展示了多级镜三维显示的离轴结构，其0级镜片中心与投影仪的连线不再过圆心，而是一条弦。如图8所示，该结构中，单片镜的光场传播与多级镜光场分割与上述的第一种实现方式完全一致，镜片尺寸、倾角与中心位置也满足与示例一相同的几何原理，这里不再赘述。值得注意的是，通过离轴的巧妙设计，光路不会重叠，消除了光场串扰，观察者无需通过半透半反镜即可直接观察到三维效果，显示更加自由。
进一步地，作为再一种可实现的方式，图9展示了二维多级镜的三维显示装置。二维结构的多级镜可以对单个投影仪的像素在水平和竖直两个方向扩增，每个投影仪经过二维多级镜都会被扩增为一个视点矩阵，以本实现方式为例，如图10所示，将单个投影仪拓展为5行5列的像素矩阵，其中，每一个投影仪中上面的点为红色像素点，下面的像素点为另一种颜色，观察者看到每一个镜片上观察到红色的像素点，而列方向排列的多个投影仪会使得像素矩阵在列向填充，则图10中同一颜色为同一投影仪产生的像素矩阵，因此大大提高了显示分辨率。
进一步地，多级镜在各方向上的倍增原理是相同的，假设在预设方向上单个投影仪提供的像素数为M，有n个投影仪，N级镜片会在该方向将各投影仪像素扩增为N个，被每级镜片分割的光场数为P，那么根据上述实施例规律，视点数也为P，即视点位置个数满足如下公式：
M×n＝P×N； (6)
选定投影仪型号和数量后，则总像素数固定，此时镜片数N越大，像素越多，单视点下显示内容更丰富，但同时镜片出射光线数P减小，镜片变细，视点数越少，立体感下降。如图11所示，为观察者在不同视点观察到的立体图像，由图像可以看出在合理的范围内平衡视点数和像素数，可以使二维多级平面镜显示呈现更加清晰丰富的三维显示效果。
综上，通过上述对于多级平面镜以实现对激光投影仪的光场分割与视点定向汇聚的不同方法的论述中，本申请实施例带来的有益效果如下：
(1)显示内容出屏大，可实现距离屏幕数米远的显示，使得显示效果更真实而不依托于屏幕。
(2)显示内容景深大，深度距离可实现半米，深度线索增强。
(3)使用平面镜作为像素空间分割单元，无光学像差，是能成理想像的三维显示装置。
(4)通过设计多级平面镜实现显示内容的空间分割，倍增像素，提高分辨率。
(5)使用投影仪作为像素源，相较于传统显示屏具有准直性好，视场角大的优点，因而可观看区域广。
根据本申请实施例的多级镜三维显示装置，分别通过多激光投影仪阵列提供像素源，折转光路元件将像素源发出的光方向折转至目标方向，多级平面镜反射阵列在水平方向分割折转光路元件折转的光线，得到汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，并显示三维图像，基于多级平面镜的超远距离长纵深三维显示装置，以实现对激光投影仪的光场分割与视点定向汇聚。由此，解决了现有技术难以实现远距离显示，其显示内容往往浮于屏幕，深度感不强，且分辨率受显示装置限制，难以实现像素数倍增，从而降低三维显示效果，影响显示质量的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种多级镜三维显示装置，其特征在于，包括：
按照第一预设排列方式排列的多激光投影仪阵列，以提供像素源；
按照预设角度倾斜的折转光路元件，以将所述像素源发出的光方向折转至目标方向；
按照第二预设排列方式排列的多级平面镜反射阵列，以在水平方向分割所述折转光路元件折转的光线，得到汇聚在空间中多个视点位置的像素矩阵光场，并通过所述多个视点位置的像素矩阵光场显示三维图像；
其中，所述多激光投影仪阵列，包括：第一至第n投影仪，所述第一至第n投影仪按照预设排列密度纵向排列；
所述多级平面镜反射阵列，包括：第一至第N级平面镜，所述第一至第N级平面镜按照预设弧度排列，且被等角度光场照射，其中，N＝2k+1，k为整数；
以中心级平面镜为参考原点，所述第一至第N级平面镜中每级平面镜中心位置为：
xk＝-D+Lksin(βk)；
yk＝Lkcos(βk)；
其中，D为投影仪到所述中心级平面镜中心距离，Lk为投影仪到各级平面镜中心位置的距离，βk为各级镜片与0级镜片中垂线交角；
其中，将五片平面镜的中点放置于正对所述投影仪光场的圆周部分，设计镜片尺寸使得各镜片被等角度光场照射，则一个所述投影仪光场被分割为五个虚像光场，且每个虚像出射光线数相同。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等角度光场为：
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述投影仪到每级平面镜中心位置的距离为：
Lk＝Dcos(kθ)；
其中，θ为每级镜片对应等角度光场；
所述每级平面镜与所述中心级平面镜中垂线交角为：
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，每级平面镜的宽度为：
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，视点位置个数满足如下公式：
M×n＝P×N；
其中，M为预设方向上单个投影仪提供的像素数，n为投影仪个数，N为镜片级数，P为被每级镜片分割的光场数。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述折转光路元件为半透半反镜。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设角度为45°。
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