CN116996660A - 实现空中三维成像设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种实现空中三维成像设备和方法，涉及无介质空中成像应用领域，首先通过体三维显示系统漫反射高速投影机投影，形成一个空间发光体素(即三维的空间成像，但是被实现在该空间发光体素上)，然后通过光波导板将该空间发光体素成像于空中形成三维裸眼成像，在最后成像时无需介质承载即可实现裸眼三维效果。

Description

实现空中三维成像设备和方法

技术领域

本发明涉及无介质空中成像应用领域，尤其提供了一种实现空中三维成像设备和方法。

背景技术

视觉暂留效应，又称余晖效应，1824年由英国伦敦大学教授皮特.马克.罗葛特在他的研究报告《移动物体的视觉暂留现象》中最先提出。人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”，而这种残留的视觉通常会在人脑中停留0.1-0.4秒。

借助视觉残留效应，很多商店、景区等地均设计或购买了一种装置，该装置的大体结构类似于美国专利US20230018982A1，通过将LED灯条高速转动，在其发光侧能够形成一个圆盘状的图像，图像可进行时间、文字甚至视频的显示，用以吸引顾客和游客；现阶段，这种技术被广泛应用在展览展示、飞行、文旅等领域。

众所周知，二维显示在视觉效果上只显示为“长和宽”，而三维显示在视觉效果上多了“深度”这一范畴，即让图像有了“厚度”，才能够让观众使用裸眼看到完整的3D图像，3D成像其实在现有技术中早已有实际应用，现阶段基于双目视差原理的3D成像技术有眼镜/头盔式、光栅式等。眼镜/头盔式存在单用户、显示分辨率低、辅助附件较重等缺点。狭缝光栅式是通过狭缝光栅的透光部分只能看到对应的视差图形，从而产生3D视觉。柱透镜光栅式是利用柱透镜阵列对光线的折射作用，将左右视差图像提供给左右眼，经过大脑融合，形成立体视觉。针对静止式3D成像，通过高速DLP将图像高速投影到透明的多层屏幕上，也能形成3D成像。

这些三维成像目前都具备同样的痛点——需要实体介质进行成像，哪怕是AR成像也需要眼镜作为成像介质进行观看，3D电影同样需要人眼戴眼镜后观看成像在幕布上的影像才能形成3D成像，这些视像的形成都需依赖实体介质才能看到3D影像，裸眼3D作为新兴领域，亟需有一种设备能够让用户完全脱离实体介质，使用裸眼即可观看到3D影像的设备。

而如何提供一种裸眼3D成像的设备和方法，是本发明中结合无介质全息技术所要给出的方案，为此，本发明应运而生。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，通过一个或多个实施例来解决现有3D成像技术不能完全脱离实体介质等问题，本发明首要提出了一种实现空中三维成像设备，其特征在于，包括：

高速投影机；

体三维显示系统，所述体三维显示系统形成有一面向所述高速投影机的漫反射三维成像空间，并被所述高速投影机投影像源激活形成空间发光体素；

光波导板，所述光波导板与所述空间发光体素以一成像角度设置，并将所述空间发光体素三维成像于空中；

控制系统，至少控制连接于所述高速投影机和体三维显示系统。

较佳的，所述体三维显示系统包括一螺旋漫反射屏，所述螺旋漫反射屏面向所述高速投影机设置，并漫反射形成三维图像。

较佳的，还包括一设备壳体，所述设备壳体内部具有空腔，顶部形成开口；所述高速投影机、所述体三维显示系统和所述控制系统设于所述设备壳体内，所述光波导板安装于所述开口，所述空间发光体素被所述光波导板空中成像于所述设备壳体上方。

较佳的，还包括透光保护组件，所述透光保护组件包括固定安装框和透光保护盖板；所述固定安装框安装于所述开口，所述透光保护盖板安装于所述固定安装框并位于所述光波导板上方。

以上技术方案的有益效果可以来自以下一种或几种的组合：

首先通过体三维显示系统漫反射高速投影机投影，形成一个空间发光体素(即三维的空间成像，但是被实现在该空间发光体素上)，然后通过光波导板将该空间发光体素成像于空中形成三维裸眼成像，在最后成像时无需介质承载即可实现裸眼三维效果。

该体三维显示系统为螺旋漫反射屏，通过控制螺旋转动的转速与高速投影机配合投影，实现将高速投影成像，形成一个三维的漫反射发光体，然后通过光波导板成像于空中，实现裸眼3D成像。

整体设备隐藏设于设备壳体内，真正实现裸眼视觉，可以应用于医疗、卫生、文娱等领域。

本发明还提供了一种实现空中三维成像方法，其特征在于，包括：

控制一高速投影机，所述高速投影机高速投影像源图像；

控制一体三维显示系统，所述体三维显示系统被控制形成有一面向所述高速投影机的漫反射三维成像空间，并被所述高速投影机投影像源激活形成空间发光体素；

布置一光波导板，将所述光波导板与所述空间发光体素以一成像角度设置，所述光波导板将所述空间发光体素三维成像于空中。

较佳的，所述体三维显示系统包括一螺旋漫反射屏，所述螺旋漫反射屏面向所述高速投影机设置，并漫反射形成三维图像。

较佳的，所述高速投影机的投影面积最大为所述螺旋漫反射屏正投影主视视角的最大圆形面积。

较佳的，所述螺旋漫反射屏为半透明漫反射材质。

以上技术方案的有益效果可以来自以下一种或几种的组合：

首先通过体三维显示系统漫反射高速投影机投影，形成一个空间发光体素(即三维的空间成像，但是被实现在该空间发光体素上)，然后通过光波导板将该空间发光体素成像于空中形成三维裸眼成像，在最后成像时无需介质承载即可实现裸眼三维效果。

该体三维显示系统为螺旋漫反射屏，通过控制螺旋转动的转速与高速投影机配合投影，实现将高速投影成像，形成一个三维的漫反射发光体，然后通过光波导板成像于空中，实现裸眼3D成像。

整体设备隐藏设于设备壳体内，真正实现裸眼视觉，可以应用于医疗、卫生、文娱等领域。

附图说明

图1为本发明中实现空中三维成像设备的结构爆炸图。

图2为本发明中实现空中三维成像设备的装配图。

图3为本发明中实现空中三维成像设备的内部结构示意图。

具体实施方式

以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

无介质全息技术(Free-medium holographic technology)是一种不需要载体或者介质承接便能在空中再现图像信息的技术。无介质全息技术通过光学微镜结构来复制光场，在三维空间重现一个100％三维立体实像。光学微镜结构记录来自“物空间”实物光源射向成像单元的每一条光线的强度、角度、波长等信息，并在阵列另一侧“像空间”复制出与记录光线完全镜像的光线，这些复制光线通过再聚焦过程，在“像空间”对称位置处形成与“物空间”物体完全镜像的实像，这个实像不依赖任何介质，可以在特定的角度范围内直接裸眼观察。此为本发明实施之必要前提理解。

实施例1：

请查阅图1～图3，本实施例记载了一种实现空中三维成像设备，其包括高速投影机1、体三维显示系统2、光波导板3和控制系统5。其中，体三维显示系统2形成有一面向高速投影机1的漫反射三维成像空间，并被高速投影机1投影像源激活形成空间发光体素。而光波导板3与该空间发光体素以一成像角度设置，并将该空间发光体素三维成像于空中。在控制方面控制系统5至少控制连接于高速投影机1和体三维显示系统2。实施中，首先通过体三维显示系统2漫反射高速投影机1投影，形成一个空间发光体素(即三维的空间成像，但是被实现在该空间发光体素上)，然后通过光波导板3将该空间发光体素成像于空中形成三维裸眼成像，在最后成像时无需介质承载即可实现裸眼三维效果。

以上技术方案为实现本实施例基础之必要，以下结合附图进行详细描述：

本实施例中的光波导板3选自像航(上海)科技有限公司的微通道矩阵光波导平板此为现有构件故不作原理展开。

进一步的，体三维显示系统2包括一螺旋漫反射屏21，该螺旋漫反射屏21面向高速投影机1设置，并漫反射形成三维图像。当高速投影机1投影与转动的螺旋漫反射屏21上，螺旋漫反射屏21自转形成一个空间圆柱体，该空间圆柱体被定义为一个空间发光体素。

本实施例中对于高速投影机1的原理不做解释，高速投影仪投射到旋转屏上形成三维成像是一种基于切片投影原理的三维显示方式，其原理是将所需要显示的三维图像分割为三维螺旋切片，高速投影仪将按照一定时序将这些螺旋切片投影到旋转屏上。根据确定的体三维图像的刷新率等参数和旋转屏的转速进行适配，得到流畅的三维图像。其属于现有技术的应用。

而控制系统5即为控制主板，其控制连接于高速投影机1和体三维显示系统2。具体的，其控制螺旋漫反射屏21的自转来配合高速投影机1的高速投影成像，使得螺旋漫反射屏21自转时漫反射形成一个三维图形。其转速和高速投影机1的视频帧数的适配对应。例如，当需要进行三维投影时，高速投影机1启动，对螺旋漫反射屏21进行投影，随后螺旋漫反射屏21做高速转动，转速不得低于视频帧率(例如视频帧率为30fps，则转速不得低于1800rpm，视频帧率为Xfps，则转速不得低于60Xrpm，由于人眼能够看到连贯视频的最低帧率为24fps，故转速最低不得低于1440rpm)。螺旋屏上的投影会反射并通过光波导板3的二次成像在空气中呈现一个三维的实像，该实像能被裸眼直接观察。

进一步的，本设备还包括一设备壳体6，来实现结构上的一体化。具体的，设备壳体6内部具有空腔，顶部形成开口。其中，高速投影机1、体三维显示系统2和控制系统5设于设备壳体6内，光波导板3安装于开口，空间发光体素被光波导板3空中成像于设备壳体6上方。设备壳体6内部为封闭空间形成空间保护，内置散热组件等元器件进行功能性结构布置，此为常规技术，故此不做多余解释。

更进一步的，为了保护光波导板3，本设备还包括透光保护组件，该透光保护组件包括固定安装框41和透光保护盖板42。其中，固定安装框41安装于设备壳体6的开口，透光保护盖板42安装于固定安装框41并位于光波导板3上方即可。

本实施例的有益效果为：

首先通过体三维显示系统2漫反射高速投影机1投影，形成一个空间发光体素(即三维的空间成像，但是被实现在该空间发光体素上)，然后通过光波导板3将该空间发光体素成像于空中形成三维裸眼成像，在最后成像时无需介质承载即可实现裸眼三维效果。

该体三维显示系统2为螺旋漫反射屏21，通过控制螺旋转动的转速与高速投影机1配合投影，实现将高速投影成像，形成一个三维的漫反射发光体，然后通过光波导板3成像于空中，实现裸眼3D成像。

整体设备隐藏设于设备壳体6内，真正实现裸眼视觉，可以应用于医疗、卫生、文娱等领域。

实施例2：

请查阅图1～图3，本实施例提供了一种实现空中三维成像方法，该方法应用于实施例1所记载的实现空中三维成像设备，该方法包括以下步骤：

S1：控制一高速投影机1，让高速投影机1高速投影像源图像。

具体的，高速投影机1为现有技术在本实施例的应用，其结构原理不在本实施例做具体介绍。

S2：控制一体三维显示系统2，该体三维显示系统2被控制形成有一面向高速投影机1的漫反射三维成像空间，并被高速投影机1投影像源激活形成空间发光体素。

具体的，体三维显示系统2包括一螺旋漫反射屏21，该螺旋漫反射屏21面向高速投影机1设置，并漫反射形成三维图像。当高速投影机1投影与转动的螺旋漫反射屏21上，螺旋漫反射屏21自转形成一个空间圆柱体，该空间圆柱体被定义为一个空间发光体素。

S3：布置一光波导板3，将光波导板3与空间发光体素以一成像角度设置，光波导板3将空间发光体素三维成像于空中。

具体的，本实施例中的光波导板3选自像航(上海)科技有限公司型的微通道矩阵光波导平板，此为现有构件故不作原理展开。

而控制以上高速投影机1和体三维显示系统2的系统为控制系统5，该控制系统5即为控制主板，其控制连接于高速投影机1和体三维显示系统2。具体的，其控制螺旋漫反射屏21的自转来配合高速投影机1的高速投影成像，使得螺旋漫反射屏21自转时漫反射形成一个三维图形。其转速和高速投影机1的视频帧数的适配对应。例如，当需要进行三维投影时，高速投影机1启动，对螺旋漫反射屏21进行投影，随后螺旋漫反射屏21做高速转动，转速不得低于视频帧率(例如视频帧率为30fps，则转速不得低于1800rpm，视频帧率为Xfps，则转速不得低于60Xrpm，由于人眼能够看到连贯视频的最低帧率为24fps，故转速最低不得低于1440rpm)。螺旋屏上的投影会反射并通过光波导板3的二次成像在空气中呈现一个三维的实像，该实像能被裸眼直接观察。

进一步的，本实施例所实施的方法被实现于实施例1所记载的设备，该设备还包括一设备壳体6，来实现结构上的一体化。具体的，设备壳体6内部具有空腔，顶部形成开口。其中，高速投影机1、体三维显示系统2和控制系统5设于设备壳体6内，光波导板3安装于开口，空间发光体素被光波导板3空中成像于设备壳体6上方。设备壳体6内部为封闭空间形成空间保护，内置散热组件等元器件进行功能性结构布置，此为常规技术，故此不做多余解释。

更进一步的，为了保护光波导板3，本设备还包括透光保护组件，该透光保护组件包括固定安装框41和透光保护盖板42。其中，固定安装框41安装于设备壳体6的开口，透光保护盖板42安装于固定安装框41并位于光波导板3上方即可。

需要表明的是，以上所描述的步骤是一个完整技术方案的表达，其内容不必然僵硬地按照每一步骤实施，应该以整体方案结合实施表达为准，每一步骤的内容描述也不必要构成本发明保护范围的限制。

以上技术方案的有益效果可以来自以下一种或几种的组合：

首先通过体三维显示系统2漫反射高速投影机1投影，形成一个空间发光体素(即三维的空间成像，但是被实现在该空间发光体素上)，然后通过光波导板3将该空间发光体素成像于空中形成三维裸眼成像，在最后成像时无需介质承载即可实现裸眼三维效果。

该体三维显示系统2为螺旋漫反射屏21，通过控制螺旋转动的转速与高速投影机1配合投影，实现将高速投影成像，形成一个三维的漫反射发光体，然后通过光波导板3成像于空中，实现裸眼3D成像。

整体设备隐藏设于设备壳体6内，真正实现裸眼视觉，可以应用于医疗、卫生、文娱等领域。

本领域的技术人员应理解，上述描述所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (8)

1.实现空中三维成像设备，其特征在于，包括：

高速投影机；

体三维显示系统，所述体三维显示系统形成有一面向所述高速投影机的漫反射三维成像空间，并被所述高速投影机投影像源激活形成空间发光体素；

光波导板，所述光波导板与所述空间发光体素以一成像角度设置，并将所述空间发光体素三维成像于空中；

控制系统，至少控制连接于所述高速投影机和体三维显示系统。

2.根据权利要求1所述的实现空中三维成像设备，其特征在于，所述体三维显示系统包括一螺旋漫反射屏，所述螺旋漫反射屏面向所述高速投影机设置，并漫反射形成三维图像。

3.根据权利要求1所述的实现空中三维成像设备，其特征在于，还包括一设备壳体，所述设备壳体内部具有空腔，顶部形成开口；所述高速投影机、所述体三维显示系统和所述控制系统设于所述设备壳体内，所述光波导板安装于所述开口，所述空间发光体素被所述光波导板空中成像于所述设备壳体上方。

4.根据权利要求3所述的实现空中三维成像设备，其特征在于，还包括透光保护组件，所述透光保护组件包括固定安装框和透光保护盖板；所述固定安装框安装于所述开口，所述透光保护盖板安装于所述固定安装框并位于所述光波导板上方。

5.实现空中三维成像方法，其特征在于，包括：

控制一高速投影机，所述高速投影机高速投影像源图像；

控制一体三维显示系统，所述体三维显示系统被控制形成有一面向所述高速投影机的漫反射三维成像空间，并被所述高速投影机投影像源激活形成空间发光体素；

布置一光波导板，将所述光波导板与所述空间发光体素以一成像角度设置，所述光波导板将所述空间发光体素三维成像于空中。

6.根据权利要求5所述的实现空中三维成像方法，其特征在于，所述体三维显示系统包括一螺旋漫反射屏，所述螺旋漫反射屏面向所述高速投影机设置，并漫反射形成三维图像。

7.根据权利要求6所述的实现空中三维成像方法，其特征在于，所述高速投影机的投影面积最大为所述螺旋漫反射屏正投影主视视角的最大圆形面积。

8.根据权利要求6所述的实现空中三维成像方法，其特征在于，所述螺旋漫反射屏为半透明漫反射材质。