专利名称：真三维显示器旋转屏幕和系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及旋转屏幕和三维(3D)显示领域。更具体地，本发明涉及基于旋转屏幕的真三维(Real 3D)显示的系统和方法，其中真三维也被称之为体三维(Volumetric 3D)。适合于真三维显示系统应用有图形处理中的粒子系统计算和显示，有限元计算和显示，空气动力学和流体力学等物理模拟和显示，气象分析、地球系统模拟和显示，太空模拟和显示，医学成像中的层析图像处理(CT或MR)和显示，分子动力学模拟和显示，空中交通控制和显示等领域。
背景技术：
目前三维(3D)显示技术主要三种立体三维显示(Stereo 3D)，体三维显示 (Volumetric 3D),全息三维显示(Holographic 3D)。本发明涉及体三维显示器，也称真
三维显示器。体三维显示技术在真实的三维空间显示，也被称之为一种真三维，是一种直接可视、全角度可视、真实景深可视和多人可视的三维空间显示技术。在技术实现和显示效果上都比较有优势。但是，目前基于旋转屏的真三维显示技术也有局限性，主要是由于需要高速旋转，屏幕尺寸和重量不能太大；另外由于是空间显示，效果是一种透明的或半透明的图像，不适合通用显示场合。因此，真三维显示技术比较适合于一些专用场合，例如透视图像的显示，气体和液体图像的显示。这些专用场合应用最好是图形处理中的粒子系统计算， 空气动力学和流体力学等物理模拟，气象分析、地球系统模拟，太空模拟，医学成像中的三维透视图像处理，空中交通控制等领域。自上世纪40年代起，发明家们在真三维显示方面已经做出了重大的努力。如以下部分基于旋转屏的真三维显示技术的相关专利记录1940, usa2189374, Apparatus For Forming Three Dimensional Images1961, usa2967905, Three Dimensional Display Apparatus1964, usa3140415, Three-Dimensional Display Cathode Ray Tube1965, usa3204238, Cathode Ray Tube For Three-Dimensional Presentations1997, usa5703606, Three dimensional display system2003, usa6554430, Volumetric three-dimensional display system2005, cn200510095753. 6,真三维高清晰度显示方法和装置2007，cn200710107887，基于多投影机旋转屏的体三维显示系统2008，cn200810114457，基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法2008, cn200810162812. 0, 一种基于透明罩体的三维显示装置现有比较成熟的真三维显示技术有基于美国德州仪器的数字微镜器件(DMD) 的投影机，投影到旋转盘屏幕上实现一种球体或圆柱体的真三维显示(US65M430， Actuality System Inc.现实系统公司)。该技术已经形成商用产品，有了市场和销售。 现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置。所使用的基于DMD技术的三片式投影机的帧频可以达到5KHz，体像素达到100M (—亿多体像素)，体刷新率 25Hz。体分辨率目前达到768 X 768 X 198，是其中二维分辨率是768 X 768，旋转角度分辨率是 198。北京理工大学的发明(cn200710107887)提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，包括一旋转屏；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；多台投影机沿旋转屏周围固定摆放，将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。国内还有一个有关旋转螺旋面投影技术的专利cn200510095753. 6，真三维高清晰度显示方法。光源通过光学整直透镜投射到极性化分光器，极性化的光线被其反射，投射到空间光调制器(SLM)上；由控制计算机产生高速变换的图像流调制SLM，通过调制SLM上象素的开启和关闭，控制由其反射的光线，从而调制出高速变换的图像；投射到旋转螺旋面上的光束被螺旋面截获，螺旋面在旋转，旋转螺旋面符合专门的数学方程，在螺旋面旋转出的整个空间产生真三维体元分布；该发明提供了可以显示高清晰度三维图像的方法。另外一个国内的发明(cn200810162812.0)公开了一种基于透明罩体的三维显示装置。该装置包括第一透明罩体、显示屏和转动装置，显示屏位于第一透明罩体的内侧，并随转动装置一起转动。第一透明罩体为柱体、球冠或柱体和球冠的组合，其中柱体为圆柱体、多边形柱体或多片柱面的组合。第一透明罩体在显示屏的光线出射区域为透明状的有机玻璃或玻璃。显示屏为垂直平面、倾斜平面或螺旋面。该发明提出的三维显示装置在转动时可以降低风速、风噪、风阻。
发明内容本发明的系统提供了一种新型旋转屏幕，应用到体三维显示系统或称为真三维图像显示系统中。本发明的关键技术方案是屏幕表面设计成条形或蜂窝孔状或网状，即屏幕表面有空隙穿过屏幕，空气可以自由流过孔隙或网中的空隙，目的是减小了屏幕旋转时的空气阻力。因此本发明的新型旋转屏幕不需要真空环境也能快速运转，而且有利于超大屏幕的实现。W011]该发明的系统包括单个或多个投影机；一套光中继；一个电动机；一个耦合电动机上的旋转轴；一个连接该旋转轴的旋转屏幕。在操作过程中，电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的旋转屏幕；投影机形成一系列光栅化矫正的二维图像；单个或多个投影机分时曝光的光束并传送该光束，将光束直接或经过多次反射最后投影到屏幕上。真三维显示系统通过投影连续的二维图像到一个快速旋转的旋转屏幕来产生一个体三维图像。原理是利用人类视觉系统的视觉暂留，整合这些二维图像，填充体三维空间，形成真三维图像的视觉。该旋转屏幕可以是叶片式，或叶片蜂窝式，或蜂窝式，或叶片螺旋式，或蜂窝螺旋式的旋转屏幕。其中叶片的横断面呈流线形，叶片之间可以设计有空气间隙或蜂窝空气间隙，用以减小空气阻力。螺旋式旋转屏幕是一种由叶片或蜂窝条形片叠加组成一个螺旋式平面，两片之间有一个旋转夹角，多片依次旋转排列后形成螺旋面。当旋转夹角为零时，该旋转屏幕就是一种可以旋转的普通的平板屏幕。[0022]该旋转屏幕上，蜂窝空气间隙通道方向与旋转面的切线相同或呈弧形，弧形靠外侧弧度小，弧形靠内侧弧度较大，以减小空气阻力。弧形出气孔通道尾侧略向内侧引导气流，减轻或抑制屏幕旋转时的空气离心作用。投影光线不对准直接穿过该蜂窝空气间隙的通道。蜂窝空气间隙的通道可以接收来自旋转轴侧面一定角度的投影光线而产生漫反射或部分以一定角度折射穿过蜂窝空气间隙后的产生漫反射。体三维显示器，或称为真三维显示器，包括两个基本部分提供图像数据和投影机前端和把图像提供给观众的后端。前端接收和处理来自计算机数据和指令，并生成图像。后端主要有投影机和旋转屏幕，并在操作期间转动。后端把前端提供的图像传到旋转屏幕。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果1.该新型发明中的真三维显示器旋转屏幕具有空气阻力小和质量轻的特点，可以形成较大的显示屏幕，同时减少或免除特殊的防护外壳和真空环境。2.该新型发明中的真三维显示器系统具有较简单的结构，可以降低系统的成本。[0028]
[0029][0030]图1是叶片的俯视图。[0031]图2是叶片式旋转屏幕的投影面示意图。[0032]图3是叶片式旋转屏幕的斜侧面立体图。[0033]图4是叶片蜂窝式旋转屏幕的投影面示意图。[0034]图5是叶片蜂窝式圆形旋转屏幕的投影面示意图。[0035]图6是蜂窝式旋转屏幕的投影面示意图。[0036]图7是蜂窝式圆形旋转屏幕的投影面示意图。[0037]图8是叶片式螺旋面旋转屏幕的俯视图。[0038]图9是叶片式螺旋面旋转屏幕的斜侧面立体图。[0039]图10是蜂窝式螺旋面旋转屏幕的斜侧面示意图。[0040]图11是单投影机叶片式旋转屏幕真三维显示器系统的投影面示意图。[0041]图12是单投影机叶片式旋转屏幕真三维显示器系统的侧面示意图。[0042]图13是多投影机旋转屏幕真三维显示器示意图。[0043]图14是真三维显示器系统-机箱式叶片式螺旋面旋转屏幕的侧面示意图。[0044]图15是真三维显示器系统-悬挂式叶片式螺旋面旋转屏幕的侧面示意图。[0045]图16是真三维显示器系统-落地式叶片式螺旋面旋转屏幕的侧面示意图。[0046]图17是螺旋面叶片分布的示意图。[0047]图18是改善螺旋面叶片分布的示意图。
具体实施方式如图1所示，叶片2是旋转屏幕的主要部件。该图中的叶片2连接旋转轴3，使得旋转轴3穿过叶片2中心。叶片2的横断面呈流线形，有利于加强机械强度和旋转时减小空气阻力。叶片2与叶片2之间留有空气间隙或蜂窝4空气间隙。设计较厚的叶片2内留有孔状空气间隙形成蜂窝4状，用以减小空气阻力。当叶片2旋转时，气流进入蜂窝4的入孔，该蜂窝4空气间隙通道方向与旋转面的切线相同或呈弧形，弧形靠外侧弧度小，弧形靠内侧弧度较大，以减小空气阻力。弧形出气孔通道尾侧略向内侧引导气流，减轻或抑制叶片 2旋转时的空气离心作用。如图2和图3所示，该图中的叶片式旋转屏幕1是一种由多片叶片2沿旋转轴3 方向叠加组成一个矩形平面，旋转屏幕1连接旋转轴3，使得旋转轴3在这个旋转屏幕1平面中心，叶片2的横断面呈流线形，叶片2与叶片2之间留有空气间隙，用以减小空气阻力。如图4所示，该图中的叶片蜂窝式旋转屏幕5是一种由多片叶片2叠加组成一个矩形平面，旋转屏幕5连接旋转轴3，使得旋转轴3在这个旋转屏幕5平面的中心，旋转屏幕 5绕旋转轴3快速旋转，叶片2与叶片2之间留有孔状空气间隙形成蜂窝4，用以减小空气阻力。如图5所示，该图中的叶片蜂窝式圆形旋转屏幕6是一种由多片叶片2叠加组成一个圆形平面，旋转屏幕6连接旋转轴3，使得旋转轴3在这个旋转屏幕6的平面中心，旋转屏幕6绕旋转轴3快速旋转，叶片2与叶片2之间留有孔状空气间隙形成蜂窝4，用以减小空气阻力。如图6所示，该图中的蜂窝式旋转屏幕7是一种由蜂窝4叠加组成一个矩形平面， 旋转屏幕7连接旋转轴3，使得旋转轴3在这个旋转屏幕7的平面中心，旋转屏幕7绕旋转轴3快速旋转，空气间隙形成蜂窝4，用以减小空气阻力。如图7所示，该图中的蜂窝式圆形旋转屏幕8是一种由蜂窝4叠加组成一个圆形平面，旋转屏幕8连接旋转轴3，使得旋转轴3在这个旋转屏幕8的平面中心，旋转屏幕8绕旋转轴3快速旋转，空气间隙形成蜂窝4状，用以减小空气阻力。如图8和图9所示，该图中的叶片式螺旋面旋转屏幕9是一种由叶片2叠加组成一个螺旋式曲面，旋转屏幕9连接旋转轴3，使得旋转轴3在这个旋转屏幕9平面的中心，叶片2的横断面呈流线形，用以减小空气阻力，叶片2与叶片2之间有一个旋转叶片夹角29， 多个叶片2依次旋转排列后形成螺旋面。当叶片夹角四为0度时，叶片式螺旋面旋转屏幕 9就相当于叶片式旋转屏幕1，或叶片蜂窝式旋转屏幕5。当叶片夹角四为小角度时，叶片式螺旋面旋转屏幕9可以具有校正旋转扫描带来的图像扭曲的效果。当叶片夹角四为较大角度时，叶片式螺旋面旋转屏幕9就具有螺旋面扫描形成的圆柱体体显示效果。当N等于叶片数，叶片夹角四为180/N的角度时，叶片式螺旋面旋转屏幕9就是一个360度全圆周覆盖的螺旋面，如图8和图9所示。叶片2与叶片2之间留有空气间隙，用来减小空气阻力。叶片2与叶片2之间还可以嵌入蜂窝4空气间隙，用来加强机械应力和减小空气阻力。如图10所示，该图中的蜂窝式螺旋面旋转屏幕10是一种由蜂窝4条形片叠加组成一个螺旋式平面，旋转屏幕10连接旋转轴3，使得旋转轴3在这个旋转屏幕10平面的中心，蜂窝4条形片留有蜂窝状空气间隙，用以减小空气阻力，蜂窝4条形片之间有一个旋转夹角，多个蜂窝条形片依次旋转排列后形成螺旋面。蜂窝4条形片之间的旋转夹角的原理与图8中所示的叶片夹角四类似或相同。当夹角为0度时，蜂窝式螺旋面旋转屏幕10就相当于蜂窝式旋转屏幕7。当夹角为小角度时，蜂窝式螺旋面旋转屏幕10可以具有校正旋转扫描带来的图像扭曲的效果。当夹角为较大角度时，蜂窝式螺旋面旋转屏幕10就具有螺旋面扫描形成的圆柱体体显示效果。当N等于蜂窝片数，夹角为180/N的角度时，蜂窝式螺旋面旋转屏幕10就是一个360度全圆周覆盖的螺旋面。[0056]如图17所示，该图中的叶片螺旋M中有叶片或蜂窝条形片，实现简单旋转分布。 其中处理后的交替的二维图像输出的投影可以定义为旋转屏幕同等面积覆盖，如图中圆柱体25的剖面所示。图18中的插入叶片螺旋沈分段靠螺旋面外侧插入更多的叶片或蜂窝条形片而形成多层分布，如图中多圆柱体27的剖面。多层分布的效果是在一定的数据传输和处理能力的条件下，尽可能提高显示器图像的分辨率，而且图像显示更均勻。如图11和图12所示，该系统是一个单投影机真三维显示器的实施方案，包括单个高速投影机12 ；—套包括多个反射镜11的光中继；一个电动机；一个耦合电动机上的旋转轴3 ；—个连接该旋转轴3的叶片式旋转屏幕1。多个反射镜11和旋转轴和叶片式旋转屏幕1都固定在旋转平台13上，平台13的中心有一个孔16。在操作过程中，电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴3的旋转屏幕1和多个反射镜11 ；投影机12分时曝光并通过孔16传送光束，将光束经过多次反射投影到旋转屏幕1上。如图12侧面示意图所示，入射光14不水平对准直接穿过叶片2中的空气间隙通道，来自旋转轴3侧面一定角度的入射光14在旋转屏幕1入射面产生漫反射，或部分入射光14以一定角度折射穿过空气间隙后的产生漫反射15。图11和图12中真三维显示器系统的叶片式旋转屏幕1可以由普通的矩形或圆形屏幕，或图4中的叶片蜂窝式旋转屏幕5，或图5中的叶片蜂窝式圆形旋转屏幕6， 或图6中的蜂窝式旋转屏幕7，或图7中的蜂窝式圆形旋转屏幕8等替代，构成各种不同特点的真三维显示器系统的实施方案。如图13所示，该系统是一个多投影机真三维显示器的实施方案，包括多个投影机17 ；—个电动机；一个耦合电动机上的旋转轴；一个连接该旋转轴的旋转屏幕19。在操作过程中，电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的旋转屏幕19 ；多个投影机17接受脉冲光源18分时依次曝光的光束直接投影到旋转屏幕19上。旋转屏幕19可以是普通的矩形或圆形屏幕，或图4中的叶片蜂窝式旋转屏幕5，或图5中的叶片蜂窝式圆形旋转屏幕6，或图6中的蜂窝式旋转屏幕7，或图7中的蜂窝式圆形旋转屏幕8。如图14所示，该系统是一个单投影机真三维显示器的固定机箱实施方案，包括 单个高速投影机12 ；—个电动机22 ；—个连接电动机22且安装在固定机箱20上的固定轴 21 ；一个连接电动机22的叶片式螺旋面旋转屏幕9。在操作过程中，电动机22受系统控制旋转，驱动旋转屏幕9 ；投影机12分时曝光的光束直接投影到旋转屏幕9上。投影机12分时曝光控制和旋转屏幕9的旋转同步可以通过有线或无线或光通讯传输同步信号来实现。 旋转屏幕9可以由图10中的蜂窝式螺旋面旋转屏幕10来替代。如图15所示，该系统是一个单投影机真三维显示器的天花板固定旋转屏幕的实施方案，包括单个高速投影机12 ；—个电动机22 ；—个连接电动机22的固定轴21 ；固定轴21安装固定在天花板23上；一个连接电动机22的叶片式螺旋面旋转屏幕9。在操作过程中，电动机22受系统控制旋转，驱动旋转屏幕9 ；投影机12分时曝光的光束直接投影到旋转屏幕9上。投影机12分时曝光控制和旋转屏幕9的旋转同步可以通过有线或无线或光通讯传输同步信号来实现。旋转屏幕9可以由图10中的蜂窝式螺旋面旋转屏幕10来替代。如图16所示，该系统是一个单投影机真三维显示器的天花板固定旋转屏幕的实施方案，包括单个高速投影机12 ；—个电动机22 ；—个连接电动机22的旋转轴3 ；—个连接旋转轴3的叶片式螺旋面旋转屏幕9，投影机12安装在天花板23上。在操作过程中，电动机22受系统控制旋转，驱动旋转屏幕9 ；投影机12分时曝光的光束直接投影到旋转屏幕 9上。投影机12分时曝光的光束直接投影到旋转屏幕9上。投影机12分时曝光控制和旋转屏幕9的旋转同步可以通过有线或无线或光通讯传输同步信号来实现。旋转屏幕9可以由图10中的蜂窝式螺旋面旋转屏幕10来替代。
权利要求1.一种真三维显示系统的旋转屏幕和系统包括单个或多个投影机、一套光中继、一个电动机、一个耦合电动机上的旋转轴、一个连接该旋转轴的旋转屏幕；电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的旋转屏幕；投影机形成一系列光栅化矫正的二维图像；单个或多个投影机分时曝光的光束并传送该光束，将光束直接或经过多次反射最后投影到屏幕上；其特征是该旋转屏幕有空气间隙，旋转屏幕旋转时空气穿过旋转屏幕面上的间隙。
2.如权利要求1所述的真三维显示系统的旋转屏幕，其特征是由多片叶片叠加组成一个矩形或圆形平面，旋转屏幕连接旋转轴，使得旋转轴在这个平面中心，叶片的横断面呈流线形，叶片之间留有用以减小空气阻力的空气间隙。
3.如权利要求1所述的真三维显示系统的旋转屏幕，其特征是由多片叶片叠加组成一个矩形或圆形平面，旋转屏幕连接旋转轴，使得旋转轴在这个平面中心，叶片的横断面呈流线形，叶片之间留有用以减小空气阻力的蜂窝状空气间隙。
4.如权利要求1所述的真三维显示系统的旋转屏幕，其特征是由大量蜂窝孔隙或网状结构组成一个矩形或圆形平面，旋转屏幕连接旋转轴，使得旋转轴在这个平面中心，孔状空气间隙排列成用以减小空气阻力的蜂窝状或网状。
5.如权利要求1所述的真三维显示系统的旋转屏幕，其特征是由叶片叠加组成一个螺旋式平面，旋转屏幕连接旋转轴，使得旋转轴在这个平面中心，叶片的横断面呈流线形； 叶片之间留有用以减小空气阻力的空气间隙或蜂窝状空气间隙；叶片之间有一个旋转夹角，多个叶片依次旋转排列后形成螺旋面。
6.如权利要求1所述的真三维显示系统的旋转屏幕，其特征是由蜂窝条形片叠加组成一个螺旋式平面，旋转屏幕连接旋转轴，使得旋转轴在这个平面中心，蜂窝条形片留有用以减小空气阻力的蜂窝状或网状结构空气间隙；蜂窝条形片之间有一个旋转夹角，多个蜂窝条形片依次旋转排列后形成螺旋面。
7.如权利要求3、权利要求4、权利要求5或权利要求6中所述的旋转屏幕，其特征是 屏幕上留有蜂窝空气间隙，该蜂窝空气间隙通道方向与旋转面的切线相同，呈用以减小空气阻力的弧形，弧形靠外侧弧度小，弧形靠内侧弧度较大；弧形出气孔通道尾侧略向内侧引导气流；投影光线不对准直接穿过该蜂窝空气间隙的通道。
专利摘要本实用新型公开了一种真三维显示系统的旋转屏幕和系统，包括单个或多个投影机；一套光中继；一个电动机；一个耦合电动机上的旋转轴；一个连接该旋转轴的旋转屏幕。在操作过程中，投影机分时曝光的光束并传送该光束到旋转屏幕上。该旋转屏幕有空气间隙，旋转屏幕旋转时空气自由穿过旋转屏幕面上的间隙。该实用新型中的旋转屏幕具有空气阻力小和质量轻的特点，可以形成较大的显示屏幕，同时减少或免除特殊的防护外壳和真空环境。该实用新型中的真三维显示系统具有较简单的结构，可以降低系统的成本。
文档编号G03B21/60GK202093312SQ201020525179
公开日2011年12月28日 申请日期2010年9月12日 优先权日2010年9月12日
发明者程亚奇 申请人:程亚奇