CN208984944U - 空间投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种空间投影显示装置。该空间投影显示装置包括微振镜阵列、光源阵列模组、光反射板、调控模组和光调制面板，通过光反射板和调控模组将光源阵列模组发出的光线耦合进微振镜阵列，并控制微振镜阵列向空间中的多个虚拟物点投射细光束，以使投射到每个虚拟物点上的多束细光束形成发射光束。当用户在特定的观察区观接收微振镜阵列投射的光束合集时，视觉上等效于由虚拟物点向人眼发射光束，如果向空间中的不同虚拟物点高速扫描光束，由于人眼的视觉暂留现象，人眼会将高速扫描的光束识别为连续光束。因此，在空间投影显示装置向空间中的多个虚拟物点高速扫描光束时，看起来像将虚拟场景显示在真实空间中，从而实现裸眼3D显示。

Description

空间投影显示装置

技术领域

本实用新型涉及三维立体显示技术领域，具体而言，涉及一种空间投影显示装置。

背景技术

传统三维投影显示采用的方法主要有视差屏障法、柱状透镜法和指向性光源法。视差屏障法是在屏幕表面设置称为视差屏障的纵向栅栏状光学屏障来控制光线行进方向，让左右两眼接受不同影像产生视差达成立体显示效果；视差屏障后期发展为液晶薄膜，通过液晶薄膜的液晶分子的翻转实现光的开与关，达到栅栏状光学屏障相同的实现效果，缺点是部分方向光线被遮挡，亮度低，观看角度要求严格，分辨率损失严重。柱状透镜法是在显示屏前设置一细长的半圆柱透镜阵列，显示像素的光线通过柱透镜的折射，将视差图像分别投射至左右眼，经视觉中枢的立体融合获得立体感，缺点是观看角度严格，分辨率损失严重。指向性光源法是在LCD的像素后使用并排的宽度极小的线状光源提供背光照明，使得奇偶列像素的图像传输路径分离，从而使得左右眼看到对应的画面，缺点是观看角度要求严格。上述的三种传统的三维投影显示技术均是基于双目立体视差原理，通过分别向左右眼输送具有略微差异的2D视差图像，在大脑中融像，从而产生立体视觉感，故造成视觉辐辏冲突，进而导致头痛、眩晕等症状的产生，同时运动视差的缺失会导致视觉转换的突兀，从而降低了视觉体验的真实度。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种空间投影显示装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种空间投影显示装置，包括：

微振镜阵列，由多个微振镜单元构成；

光源阵列模组，位于所述微振镜阵列的入射光路上，为所述微振镜阵列提供阵列细光束；

光反射板，为集成有多个微反射衍射单元的平板，位于所述微振镜阵列远离所述光源阵列模组的一侧，用于将所述光源阵列模组输出的细光束导入到所述微振镜阵列的微振镜单元，所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组输出的每束细光束具有至少两级有效的衍射功能；

调控模组，用于根据所述待显示虚拟场景对应的多个虚拟物点的空间位置信息和扫描信息的映射关系控制所述微振镜阵列向空间中的多个所述虚拟物点投射细光束，以使投射到每个所述虚拟物点上的多束细光束构成虚拟物点的发射光束锥；

其中，所述空间位置信息包括所述虚拟物点相对于所述微振镜阵列的方位信息和深度信息，所述扫描信息至少包括所述微振镜阵列中与每个所述虚拟物点对应的多个微振镜单元的扫描时刻和扫描角；

光调制面板，为像素级高速空间光调制器，位于所述光反射板远离所述微振镜阵列的一侧，用于调制所述微振镜阵列输出的光束能量。

可选地，所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组输出的每束细光束具有两级有效的衍射功能。

可选地，所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组输出的每束细光束具有三级有效的衍射功能。

可选地，所述微振镜阵列包括的多个微振镜单元布置在同一平面。

可选地，所述微振镜阵列包括的多个微振镜单元布置在相互平行的不同平面。

可选地，所述光源阵列模组由多个光源单元构成，每个光源单元包括照明光源和光准直合束单元；

所述光源阵列模组包括的光源单元的数量与所述光反射板包括的微反射衍射单元的数量相等。

可选地，所述光源阵列模组包括光纤耦合光源和光分束调制单元，所述光纤耦合光源包括光源单元和带第一输出光纤的耦合准直器，所述光源单元包括照明光源和光准直合束单元；

所述光源单元输出光准直合束光束，由带所述第一输出光纤的耦合准直器耦入所述光分束调制单元；

所述光分束调制单元的输出端耦接有第二输出光纤，用于将所述光纤耦合光源输出的光束分成在数值上与所述光反射板的微反射衍射单元的数量相等的多束细光束。

可选地，所述光调制面板为透射式LCOS空间光调制器或LCD空间光调制器。

可选地，所述光源阵列模组还包括角度调整阵列模组，用于对所述光源阵列模组输出的光束进行角度调整。

本实用新型提供的空间投影显示装置包括微振镜阵列、光源阵列模组、光反射板和调控模组，通过光反射板和调控模组将光源阵列模组发出的光线耦合进微振镜阵列，并控制微振镜阵列向空间中的多个虚拟物点投射细光束，以使投射到每个虚拟物点上的多束细光束形成发射光束。当用户在特定的观察区观接收微振镜阵列投射的光束合集时，视觉上等效于由虚拟物点向人眼发射光束，如果向空间中的不同虚拟物点高速扫描光束，由于人眼的视觉暂留现象，人眼会将高速扫描的光束识别为连续光束。因此，在空间投影显示装置向空间中的多个虚拟物点高速扫描光束时，看起来像将虚拟场景显示在真实空间中。从而，本实用新型提供了一种新的能够实现裸眼3D显示的空间投影显示装置。显而易见，该空间投影显示装置也可以实现2D显示。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种空间投影显示装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的一种光源单元的结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的一种光源阵列模组的结构示意图。

图4为图3中的一种光分束调制单元的结构示意图。

图5为图3中的另一种光分束调制单元的结构示意图。

图6为本实用新型实施例提供的另一种空间投影显示装置的结构示意图。

图7为本实用新型实施例提供的另一种空间投影显示装置的结构示意图。

图8为本实用新型实施例提供的另一种空间投影显示装置的结构示意图。

图9为空间投影成像的原理示意图。

图标：1-空间投影显示装置；10-光源阵列模组；30-微振镜阵列；50-光反射板；70-调控模组；90-光调制面板；31-第一微振镜单元；32-第二微振镜单元；33-第三微振镜单元；34-第四微振镜单元；35-第五微振镜单元；36-第六微振镜单元；11-第一光源单元；12-第二光源单元；13-第三光源单元；51-第一微反射衍射单元；52-第二微反射衍射单元；53-第三微反射衍射单元；111-照明光源；113-光准直合束单元；115-光纤耦合光源；117-光分束调制单元；1153-耦合准直器；11531-第一输出光纤；1171-第二输出光纤。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

图1示出了本实用新型较佳实施例提供的一种空间投影显示装置1的结构示意图。如图1所示，该空间投影显示装置1包括光源阵列模组10、微振镜阵列30、光反射板50、调控模组70及光调制面板90。为更好的对本实用新型实施例清晰说明，定义与光反射板50平行的平面为XOY平面，定义垂直于XOY平面且从微振镜阵列30指向光反射板50的方向为Z方向，定义垂直于纸面向外的方向为Y方向。

光源阵列模组10位于所述微振镜阵列30的入射光路上，为所述微振镜阵列30提供阵列细光束。光反射板50位于所述微振镜阵列30远离所述光源阵列模组10的一侧，用于将所述光源阵列模组10输出的阵列细光束导入到所述微振镜阵列30。光反射板50为集成有多个微反射衍射单元的平板，所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组10输出的每一单元光束具有至少两级有效的衍射功能。光源阵列模组10提供的阵列细光束的光束数量在数值上与光反射板50所包含的微反射衍射单元的数量是一致的。如图2所示，光源阵列模组10可以是由多个光源单元构成。每个光源单元包括照明光源111和光准直合束单元113组成。照明光源111可以是单色或多色的激光LD发光装置，也可以是LED光源。本实施例中照明光源111为包括R、G、B三种波长的激光LD发光装置。光准直合束单元113可以采用常规技术中的准直透镜组与空间光耦合器来实现对激光LD发光装置发出的光束的准直及三种波长的准直后的光束的合束，在此不做限制。光源阵列模组10中的多个光源单元可以等间隔排布，即任意相邻两个光源单元的间隔都是一样的，也可以不等间隔排布，即任意相邻两个光源单元的间隔并不都是一样的。当等间隔排布时，光反射板50中的多个微反射衍射单元与多个光源单元一一对应等间隔排布，此举有利于生产、加工、装配。

如图3所示，在另一种可能实现的方式中，光源阵列模组10包括光纤耦合光源115和光分束调制单元117。光纤耦合光源115可以是由一个图2所示的光源单元和带第一输出光纤11531的耦合准直器1153构成。光源单元输出R、G、B三种波长的光准直合束光束，由带第一输出光纤11531的耦合准直器1153耦入光分束调制单元117。光分束调制单元117的输出端耦接有第二输出光纤1171，用于将光纤耦合光源115输出的光束分成N束光束，且每一束光束的输出能量可以独立控制，其中N的数值与光反射板50所包含的微反射衍射单元的数量是一致的。

如图4所示，光分束调制单元117可以是在硅基底上集成了一个1-1*N型PLC平面波导分路器(图中A1所示)、N个M-Z型光调制器(图中A2所示)和N束第二输出光纤1171(图中A3所示)的器件。1-1*N型PLC平面波导分路器是能够将1束输入光束均匀分成N束输出光束的光学器件。M-Z型光调制器是一种电光调制器，输入光波经过一段光路后在一个Y分支处被分成相等的两束，分别通过由电光材料制成的两光波导传输，此电光材料其折射率随外加电压的大小而变化，能够使两束光波到达第2个Y分支处产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的1/2，两束光相干抵消，调制器输出很小，因此通过控制电压就能对光波进行调制。具体实施过程中，光源单元输出的光束通过常规的光纤耦合准直器1153器耦合入光分束调制单元117，光分束调制单元117的1-1*N型PLC平面波导分路器将耦入的光束均等分为N束光后依据待显示虚拟场景的灰度信息分别被M-Z型光调制器进行能量调制，调制后的N束光束通过第二输出光纤1171输出。第二输出光纤1171的输出端可以熔接有自准直透镜，或是物理上连接有光束准直微透镜，使得第二输出光纤1171输出后的光束为准直光束，或是第二输出光纤1171自身具有极度小的数值孔径NA值，输出光束近似准直光束。

如图5所示，在另一种可能实现的方式中，光分束调制单元117包括1个1-1*m型PLC平面波导分路器(图中E所示)、m个带耦出光纤的1-1*n型PLC平面波导分路器(图中A5所示)、m*n个M-Z型光调制器(图中A6所示)和m*n束第二输出光纤1171(图中A7所示)，m*n在数值上与光反射板50所包含的微反射衍射单元的数量是一致的，即在本实施例中等于N。。光源单元输出的光束通过常规的光纤耦合器耦合入光分束调制单元117，光分束调制单元117中的1-1*m型PLC平面波导分路器将耦入的光束均等分为m束光束，m束光束的每一束光束再次耦入1-1*n型PLC平面波导分路器后被分成n束光束输出，m束光束共被分成m*n束光束，依据待显示虚拟场景的灰度信息m*n束光分别被m*n个M-Z型光调制器进行能量调制，调制后的光束由光分束调制单元117自带的第二输出光纤1171导出。

可选地，所述光源阵列模组10还包括角度调整阵列模组，用于对所述光源阵列模组10输出的光束进行角度调整。

请继续参考图1，微振镜阵列30包含多个微振镜单元。优选地，在本实施例中，每个微振镜单元是一种可实现精确控制的二维微机电扫描器件。显而易见，每个微振镜单元也可以是两个微机电一维扫描器件，其相比于微机电二维扫描器件，能够实现相同的功能，但结构会复杂。所述微振镜单元的数量是所述光反射板50上的微反射衍射单元数量的R倍，R为大于1的整数。例如，当所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组10输出的每一单元光束具有两级有效的衍射功能时，R＝2，如图1所示。当所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组10输出的每一单元光束具有三级有效的衍射功能时，R＝3，如图6所示。显而易见，R的数值与所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组10输出的每一单元光束具有的有效的衍射功能的级数有关。为了便于描述，将光源阵列模组10包含多个光源单元记为第一光源单元11、第二光源单元12、第三光源单元13……。将光反射板50包含多个微反射衍射单元记为第一微反射衍射单元51、第二微反射衍射单元52、第三微反射衍射单元53……。将微振镜阵列30包含多个微振镜单元记为第一微振镜单元31、第二微振镜单元32、第三微振镜单元33、第四微振镜单元34、第五微振镜单元35、第六微振镜单元36……。

图1所示的空间投影显示装置1工作原理如下：第一光源单元11输出的光束传输到光反射板50上的第一微反射衍射单元51，第一微反射衍射单元51对光束进行两级衍射并分别导向第一微振镜单元31和第二微振镜单元32，第一微振镜单元31和第二微振镜单元32通过振镜的扫描运动分别对入射的光束进行角度扫描。第二光源单元12输出的光束传输到光反射板50的第二微反射衍射单元52，第二微反射衍射单元52对光束进行两级衍射并分别导向第三微振镜单元33和第四微振镜单元34，第三微振镜单元33和第四微振镜单元34通过振镜的扫描运动分别对入射的光束进行角度扫描。依此类推，……。

图6所示的空间投影显示装置1工作原理如下：第一光源单元11输出的光束传输到光反射板50上的第一微反射衍射单元51，第一微反射衍射单元51对光束进行三级衍射并分别导向第一微振镜单元31、第二微振镜单元32和第三微振镜单元33，第一微振镜单元31、第二微振镜单元32和第三微振镜单元33通过振镜的扫描运动分别对入射的光束进行角度扫描。第二光源单元12输出的光束传输到光反射板50的第二微反射衍射单元52，第二微反射衍射单元52对光束进行三级衍射并分别导向第四微振镜单元34、第五微振镜单元35和第六微振镜单元36，第四微振镜单元34、第五微振镜单元35和第六微振镜单元36通过振镜的扫描运动分别对入射的光束进行角度扫描。依此类推，……。

可选地，多个微振镜单元可以都布置在同一平面内，例如，如图1和图6所示。多个微振镜单元也可以布置在相互平行的不同平面，例如，如图7和图8所示。显而易见，多个微振镜单元也可以分别分布在四个或更多个相互平行的平面上，在此不做赘述。当多个微振镜单元布置在相互平行的不同平面时，可以通过设置不同平面间的间距，使得位于远离所述光源阵列模组10的平面的微振镜单元不会对靠近所述光源阵列模组10的平面的微振镜单元的扫描光线造成遮挡。

调控模组70，用于根据所述待显示虚拟场景对应的多个虚拟物点的空间位置信息和扫描信息的映射关系控制所述微振镜阵列30向空间中的多个所述虚拟物点投射细光束，以使投射到每个所述虚拟物点上的多束细光束构成虚拟物点的发射光束锥。其中，所述空间位置信息包括所述虚拟物点相对于所述微振镜阵列30的方位信息和深度信息，所述扫描信息至少包括所述微振镜阵列30中与每个所述虚拟物点对应的多个微振镜单元的扫描时刻和扫描角。

光调制面板90，为像素级高速空间光调制器，置于所述光反射板50远离所述微振镜阵列30的一侧，用于调制所述微振镜阵列30输出的光束能量。所述光调制面板90可以是透射式LCOS空间光调制器，也可以是LCD空间光调制器。

如图9所示，下面将简单介绍空间投影成像的原理。人眼之所以能够看到物体，本质上是人眼对照射到物体上的光波发生光的反射或折射或散射作用后的光束的接收，人眼的特性使得能够将由此物体发出的光转换为对应的图像信息并估算出此物相对于人自身的位置。根据Levoy的光场渲染理论，空间中携带强度和方向信息的任意光线人眼因此可以通过重构。学术上将空间中所有各向异性光线的光辐射函数总体称为光场，是空间中同时包含位置和方向信息的四维光辐射场的参数化表示。人眼的特性使其只需要具有光线的方向信息和能量信息就能够通过大脑的信息转换获得图像的空间位置信息。虚拟3D场景可以认为是由有限个并非真实存在的虚拟物点构成，可以通过重构每一个采样虚拟物点所具有的光线方向信息和能量信息来重构三维场景。本实用新型实施例通过控制微振镜阵列30以不同角度向空间中的同一位置E处扫描投射多束具有特定光能量的光束形成具有空间点光源分布特性的虚拟物点，当用户在特定的观察区观看时，视觉上这些光束都是由虚拟物点E向外发出的光束锥。根据待显示虚拟场景对应的有限个采样虚拟点的空间位置信息和各微振镜单元的扫描信息的映射关系，控制微振镜阵列30向空间高速扫描投射光束，从而在空间中形成有限个具有特定光束特性和空间位置关系的有限个虚拟发光点，由于人眼的视觉暂留现象，人眼接收后，视觉上犹如虚拟场景显示在真实空间中。

具体实施过程中，每个微振镜单元在每一个预设时刻可以投射一束光束，每一个待显示的虚拟物点由至少两个微振镜单元提供与之对应的发散光束锥，多个微振镜单元在预设时间内投射出的光束构成了此预设时间内须显示的虚拟物点的光束锥，如图9所示，三个微振镜单元分别为虚拟物点E和虚拟物点F各提供一束光束，构成虚拟物点E和虚拟物点F的部分发散光束锥，用户在观察区某一位置处，接收到虚拟物点E和虚拟物点F的后，视觉上认为在距其观察位置一定距离的待显示区存在虚拟物点E和虚拟物点F。

本实用新型提供的空间投影显示装置1包括微振镜阵列30、光源阵列模组10、光反射板50、调控模组70和光调制面板90，通过光反射板50和调控模组70将光源阵列模组10发出的光线耦合进微振镜阵列30，并控制微振镜阵列30向空间中的多个虚拟物点投射细光束，以使投射到每个虚拟物点上的多束细光束形成发射光束。当用户在特定的观察区观接收微振镜阵列30投射的光束合集时，视觉上等效于由虚拟物点向人眼发射光束，如果向空间中的不同虚拟物点高速扫描光束，由于人眼的视觉暂留现象，人眼会将高速扫描的光束识别为连续光束。因此，在空间投影显示装置1向空间中的多个虚拟物点高速扫描光束时，看起来像将虚拟场景显示在真实空间中。从而，本实用新型提供了一种新的能够实现裸眼3D显示的空间投影显示装置1。显而易见，该空间投影显示装置1也可以实现2D显示。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间投影显示装置，其特征在于，包括：

微振镜阵列，由多个微振镜单元构成；

光源阵列模组，位于所述微振镜阵列的入射光路上，为所述微振镜阵列提供阵列细光束；

光反射板，为集成有多个微反射衍射单元的平板，位于所述微振镜阵列远离所述光源阵列模组的一侧，用于将所述光源阵列模组输出的细光束导入到所述微振镜阵列的微振镜单元，所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组输出的每束细光束具有至少两级有效的衍射功能；

调控模组，用于根据待显示虚拟场景对应的多个虚拟物点的空间位置信息和扫描信息的映射关系控制所述微振镜阵列向空间中的多个所述虚拟物点投射细光束，以使投射到每个所述虚拟物点上的多束细光束构成虚拟物点的发射光束锥；

其中，所述空间位置信息包括所述虚拟物点相对于所述微振镜阵列的方位信息和深度信息，所述扫描信息至少包括所述微振镜阵列中与每个所述虚拟物点对应的多个微振镜单元的扫描时刻和扫描角；

光调制面板，为像素级高速空间光调制器，位于所述光反射板远离所述微振镜阵列的一侧，用于调制所述微振镜阵列输出的光束能量。

2.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组输出的每束细光束具有两级有效的衍射功能。

3.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述微反射衍射单元对所述光源阵列模组输出的每束细光束具有三级有效的衍射功能。

4.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述微振镜阵列包括的多个微振镜单元布置在同一平面。

5.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述微振镜阵列包括的多个微振镜单元布置在相互平行的不同平面。

6.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述光源阵列模组由多个光源单元构成，每个光源单元包括照明光源和光准直合束单元；

所述光源阵列模组包括的光源单元的数量与所述光反射板包括的微反射衍射单元的数量相等。

7.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述光源阵列模组包括光纤耦合光源和光分束调制单元，所述光纤耦合光源包括光源单元和带第一输出光纤的耦合准直器，所述光源单元包括照明光源和光准直合束单元；

所述光源单元输出光准直合束光束，由带所述第一输出光纤的耦合准直器耦入所述光分束调制单元；

所述光分束调制单元的输出端耦接有第二输出光纤，用于将所述光纤耦合光源输出的光束分成在数值上与所述光反射板的微反射衍射单元的数量相等的多束细光束。

8.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述光调制面板为透射式LCOS空间光调制器或LCD空间光调制器。

9.根据权利要求1所述的空间投影显示装置，其特征在于，所述光源阵列模组还包括角度调整阵列模组，用于对所述光源阵列模组输出的光束进行角度调整。