专利名称：真三维图像显示系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及真三维显示技术，尤其涉及一种真三维图像显示系统。
背景技术：
真三维(True3D Volumetric Display Technique)是一种立体显不技术，被显不图像每个三维像点(voxel)具有真实的表面特性和物理深度，观察者不需要任何辅助设备，就可以从多个方向观察被显示物体，呈现立体效果。光场是描述物体在某一区域发光特性的一个函数，一般来说，光场函数G(x，y，z，a，i3，t)，其为六维函数，其中(x，y，z)描述发光点三维位置，(α，β )描述发光方向，t是时间。如果考虑到光线的各种特性(比如极性，相位等)，光场函数还会更复杂。从光场理论出发，真三维显示系统的目标，就是尽可能真实地重构并再现真实物体所生成的光场，从而使观察者得到与看到真实物体相似的三维感知。参考图1，由于真实物体生成的光场函数是空间和角度的连续函数，如果用多个视场(multiview)来模拟 ，则需要无限个数的视场，无限个的视场无法进行工程实现。光场三维显示系统的工作原理是，用有限个视场(如视场a-Ι)来近似连续分布的光场。由于人眼对空间和角度的分辨率是有限的，从感知和显示效果的角度来说，无需重构连续分布的光场函数。对连续分布的光场函数分别沿空间、角度和时间轴进行离散采样，用有限个数的视场来模拟光场函数，是光场三维显不技术的出发点。图2a和图2b为现有技术中采用多个投影仪来产生立体显示效果的原理图。参考图2a，图2a为一种采用多个投影仪进行正投影来生成三维显示效果的系统示意图，每个投影仪Ia对应每个视场生成相应的图像并投射到柱面镜阵列2a上，根据柱面镜的光学特性，在水平方向上，光线被聚焦到反射散射屏(即平板显示屏幕)3a上，然后向对应的投影仪Ia的方向反射回去。实际上光线透过柱面镜两次，第一次柱面镜将光线聚焦在反射散射屏3a上，第二次同一柱面镜则将光线原路反射回去。这样，观察者在不同的水平视场就可以看到与其位置相应的投影仪投射的图像，获得三维显示的视觉效果，达到真三维显示的目的。参考图2b，与图2a中的系统原理基本相似，图2b中的三维显示系统采用双柱面镜阵列2b设置在反射散射屏3b的两侧，采用多个投影仪Ib对应多个视场生成相应的图像并投射在一侧的柱面镜阵列2b上，光束被聚焦到反射散射屏(即平板显示屏幕)3b上，然后通过另一侧的柱面镜阵列2b的扩散，观众可从投影仪Ib的对面观察到图像，实现了背投影。上述的三维显示系统主要存在两个问题:第一，成本较高，因为需要采用多个投影仪，无论采用正投影还是背投影，价格都比较昂贵；第二，校准困难，因为这样的显示系统要求每个投影仪的图像都准确校准，难度较大。
实用新型内容本实用新型的一个主要目的在于提供一种成本较低、校准难度低的真三维图像显示系统。为实现上述目的，本实用新型提供了一种真三维图像显示系统，包括:光源，用于生成照明光束；声光调制器，用于使照明光束产生偏转；显示屏幕；成像装置，具有对应于多个视场的多个成像区域，成像装置的多个成像区域用于接收对应的图像光束并从不同的角度将接收的图像光束成像到显示屏幕；数字光处理装置，用于接收经声光调制器偏转后的照明光束并对照明光束进行调制生成图像光束，将图像光束反射到成像装置的成像区域。本实用新型提供的真三维图像显示系统，通过光源生成照明光束经声光调制器产生偏转，之后经数字光处理装置调制生成图像光束，并由成像装置将图像光束投影到显示屏幕上，由于投射到显示屏幕的光线的虚拟光学中心都不一样，因此可以生成类似于多个投影仪系统生成的多视场三维图像显示，只需单个光源即可实现三维显示，校准方便、结构简单，成本低。
图1为现有技术中以有限个视场来近似连续分布的光场的示意图。图2a为现有技术中采用多个投影仪进行正投影的三维显示系统的结构示意图。图2b为现有技术中采用多个投影仪进行背投影的三维显示系统的结构示意图。图3为本实用新型提供的真三维图像显示系统第一种实施例的结构示意图。图4为本实用新型提供的真三维图像显示系统中数字处理装置的结构原理图。图5为本实用新型提供的真三维图像显示系统第二种实施例的结构示意图。图6为本实用新型提供的真三维图像显示系统第三种实施例的结构示意图。图7为本实用新型提供的真三维图像显示系统第四种实施例的结构示意图。图8为本实用新型提供的真三维图像显示系统第五种实施例的结构示意图。图9为本实用新型提供的真三维图像显示系统第六种实施例的结构示意图。图10为本实用新型提供的真三维图像显示方法第一种实施例的流程图。图11为本实用新型提供的真三维图像显示方法第二种实施例的流程图。图12为本实用新型提供的真三维图像显示方法第三种实施例的流程图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。本实用新型提供一种真三维图像显示系统，包括:光源，用于生成照明光束；声光调制器，用于使照明光束产生偏转；显示屏幕；[0035]成像装置，具有对应于所述多个视场的多个成像区域，该成像装置的多个成像区域用于接收对应的图像光束并从不同的角度将接收的图像光束成像到所述显示屏幕；数字光处理装置，用于接收经声光调制器偏转后的照明光束并对照明光束进行调制生成图像光束，将图像光束反射到成像装置的成像区域。本实用新型提供的真三维图像显示系统及方法，光源生成照明光束经声光调制器产生偏转，之后经数字光处理装置调制生成图像光束，并由成像装置将图像投影到显示屏幕上，由于投射到显示屏幕的光线的虚拟光学中心都不一样，因此可以生成类似于多个投影仪系统生成的多视场三维图像显示，只需单个光源即可实现三维显示，校准方便、结构简单，成本低。可选地,光源为激光光源。可选地，还包括光束调整组件，光束调整组件包括光扩展元件和光学元件，光源生成的照明光束经过声光调制器产生偏转，受偏转的照明光束经光扩展元件将偏转量放大并投射至光学元件，光学元件将接收到的不同部位的照明光束以不同的入射角投射到数字光
处理装置。可选地，本实用新型的真三维图像显示系统还包括投射角度调整装置，用于对数字光处理装置反射出的图像光束的偏转量进行调整，并对图像光束向成像装置的投射角进行调整以使图像光束投射到成像装置对应的成像区域。可选地，成像装置包括多个平面反射镜或多个曲面反射镜，多个平面反射镜的反射面或多个曲面反射镜的反射面对应地形成成像装置的多个成像区域，成像装置的多个成像区域从不同角度接收的图像光束反射到显示屏幕上进行显示。可选地，成像装置为分段透镜阵列，包括透镜或透镜组合，透镜或透镜组合为成像装置的多个成像区域，透镜或透镜组合用于将接收到的图像光束投射至所述显示屏幕进行显不O真三维图像显示系统的实施例1参考图3，在实施例1中，本实用新型的真三维图像显示系统的实施例1包括光源101、成像装置102、数字光处理装置103、显示屏幕104以及声光调制器105。光源101可以为激光光源,该激光光源用于生成照明光束。声光调制器105对照明光束产生偏转。本实施例中的成像装置102包括多个平面反射镜102a，该多个平面反射镜102a的反射面对应的形成成像装置的多个区域，该多个平面反射镜102a可首尾相接成圆弧状，或者其他任意空间曲线形状。多个成像区域之间可首尾相接，部分连接，也可以互不关联。如图4所示，数字光处理装置103包括多个微镜片103a组成的阵列，微镜片为精密的、微型的反射镜，每一个微镜片控制投影图像中的一个像素，这些微镜片在数字驱动信号的控制下能迅速的改变角度，一旦接收到相应的信号，微镜片就会倾斜± 12度，从而使入射光的反射方向改变，处于投影状态的微镜片被视为“0N”(开)，并随数字驱动信号倾斜-12度；如果微镜片103a处于非投影状态，则被示为“OFF”(关)，并倾斜+12度；假设入射光为24度，如果微镜片处于投影状态，即微镜片处于-12度，则入射光被反射到O度的方向，将图像投射到显示屏幕104上，；如果微镜片处于非投影状态，即微镜片处于+12度，则入射光被反射到48度方向，被光吸收器吸收，即借助微镜片反射需要的光，同时吸收不需要的光生成图像光束。因而，在通电状态下，微镜片的偏转角度有投影状态和非投影状态，在数字驱动信号的控制下微镜片在这两种状态的切换频率可达到每秒数万次。可选地，显示屏幕104可采用，例如柱面镜阵列、遮拦光栅，或全息材料来显示真三维图像。工作时，光源101生成照明光束，声光调制器105接收光源生成的照明光束并使照明光束产生生偏转，发生偏转后的照明光束以不同的入射角投射到数字光处理装置103的微镜片上。多个微镜片用于对照明光束进行调制生成图像光束，并在数字信号的控制下以预设频率发生偏转，以将图像光束反射到成像装置的成像区域。多个微镜片接收经声光调制器105偏转后的照明光束并对照明光束进行调制生成图像光束，微镜片在数字信号的控制下以预设频率发生偏转反射出不同角度的图像光束并投射到成像装置102的成像区域，即平面反射镜102a上，通过平面反射镜102a继续将图像光束反射至显示屏幕104上进行显示，由于每个平面反射镜102a设置的位置是与一个所需的视场对应，并且各平面反射镜从不同的角度将接收到的图像光束反射至显示屏幕104上进行显示，也就是说各个平面反射镜反射的图像光束具有不同的光学中心，因此可以生成类似于多个投影仪系统所生成的多视场三维图像显示，此时处于不同视场位置的观察者就可以从不同的角度观察到同一物体的真三维影像。采用声光调制器105改变照明光束的方向，这种光偏转方式没有用到运动部件，相比采用机械旋转镜实现光束偏转的方式，偏转角度不一定需要按照角度的递增或递减的顺序进行，可以随机指定顺序。如图3所示，作为本实施例的一种可选方案，声光调制器105与数字光处理装置103之间还设置有光束调整组件，光束调整组件包括光扩展元件105a以及光学元件105b，光源101生成的照明光束经过声光调制器105产生偏转，受偏转的照明光束经光扩展元件105a将偏转量放大并投射至光学元件105b，光学元件105b件将接收到的不同部位的照明光束以不同的入射角投射到数字光处理装置103，其中光扩展元件105a和光学元件105b可以由各种透镜组合而成，例如光扩展元件105a采用一个平凹透镜，光学元件105b采用一个凸透镜。如图3所示，作为本实施例的一种可选方案，本实用新型的真三维图像显示系统还可包括投射角度调整装置106，用于对数字光处理装置103反射出的图像光束向成像装置102的投射角进行调整以使图像光束投射到成像装置102对应的成像区域，由于数字光处理装置103对图像光束的反射角度范围的限制，可能难以获得较大的视场范围，因此，通过设置投射角度调整装置，可以放大反射角的角度，得到较大的视场范围，投射角度调整装置106可以为各种透镜的组合，在本实施例中采用一个凸透镜和一个平凹透镜。通过设置投射角度调整装置，可使得在控制成本、提高显示亮度、降低校准难度的基础上获得需要的视场范围。真三维图像显示系统的实施例2参考图5，在实施例2中，本实用新型的真三维图像显示系统的实施例2包括光源201、成像装置202、数字光处理装置203、显示屏幕204以及声光调制器205，还可包括光束调整组件(包括光扩展元件205a、光学元件205b)和投射角度调整装置206，本实用新型真三维图像显示系统的实施例2中的各部件及其结构关系与实施例1的对应部件及其结构关系基本相同，区别仅在于:在实施例2中，成像装置202包括多个曲面反射镜202a，该多个曲面反射镜202a的反射面对应地形成成像装置202的多个成像区域，曲面面形可选为凹面、凸面、非球面、自由曲面等，不受限制。真三维图像显示系统的实施例3参考图6，在实施例3中，本实用新型的真三维图像显示系统的实施例3包括光源301、成像装置302、数字光处理装置303、显示屏幕304以及声光调制器205，还可包括光束调整组件(包括光扩展元件305a、光学元件305b)和投射角度调整装置306，本实用新型真三维图像显示系统的实施例3中的各部件及其结构关系与实施例1和2的对应部件及其结构关系基本相同，区别仅在于:在实施例3中，成像装置302为分段透镜阵列，包括透镜或透镜组合，透镜可以为单片的透镜，透镜组合可以为多种或多个透镜的结合，透镜或透镜组合为成像装置302的多个成像区域，透镜或透镜组合从不同角度将接收的图像光束透射至显示屏幕304进行显示，由于经透镜或透镜组合透射至显示屏幕304的图像光束具有不同的光学中心，因此可以生成类似于多投影仪系统的多角度投影效果，此时，如图5所示，显示屏幕304设置在成像装置302的另一侧(即，非入射光束的一侧)。真三维图像显示系统的实施例4参考图7，在实施例4中，本实用新型的真三维图像显示系统的实施例4包括光源401、成像装置402、数字光处理装置403、显示屏幕404以及声光调制器405，还可包括光束调整组件(包括光扩展元件405a、光学元件405b)和投射角度调整装置406，本实用新型真三维图像显示系统的实施例3中的各部件及其结构关系与实施例1-3的对应部件及其结构关系基本相同，区别仅在于:投射角度调整组件406为一组光学镜头，经过数字光处理装置403反射的图像光束经光学镜头调整处理投像至成像装置402上，采用光学镜头调整反射光束，能够获得更高的图像质量。真三维图像显示系统实施例5参考图8，在实施例5中，本实用新型的真三维图像显示系统的实施例5包括红色激光光源501、蓝色激光光源502和绿色激光光源503，成像装置504、数字光处理装置505、显示屏幕506、投射角度调整装置508，此外还包括分光器组件，其中数字光处理装置505、成像装置504、显示屏幕506和投射角度调整装置508的结构关系与实施例1的基本相同，区别在于:实施例5中的光源包括红色激光光源501、蓝色激光光源502和绿色激光光源503，红色激光光源501、蓝色激光光源502和绿色激光光源503与分光器组件之间还分别设有红色声光调制器510、蓝色声光调制器511以及绿色声光调制器512，红色激光光源501发出的红色光、蓝色激光光源502发出的蓝色光以及绿色激光光源503发出的绿色光分别经过红色声光调制器510、蓝色声光调制器511以及绿色声光调制器512发生偏转，再经过分光器组件合成一组组合光，其中分光器组件包括第一分光器509a和第二分光器509b,分别对应蓝色激光光源502和绿色激光光源503，红色光、蓝色光和绿色光经过第一分光器509a和第二分光器509b合成一组组合光，经过光扩展兀件507a和光学兀件507b,产生具有不同入射角的三色照明光，投射至数字光处理装置505。本实用新型的真三维图像显示系统的实施例5，实现了多视场全彩色的显示，彩色投影可以为分时完成，通过控制各个激光光源的开关，使在每一个特定时刻，只有一个激光光源工作，颜色开关的时序可以任意。真三维图像显示系统实施例6参考图9，图9示出一种在与声光调制器偏转方向垂直平面上进行多色光路合成的实施例，其中红色激光光源、蓝色激光光源和绿色激光光源，红色声光调制器、蓝色声光调制器、绿色声光调制器、成像装置、数字光处理装置、显示屏幕，光束调整组件和投射角度调整装置(图中未示出)与实施例4的结构关系基本相同，区别在于:红色光、蓝色光和绿色光分别经过各个微镜片的调制，形成红色显示光束601、蓝色显不光束602和绿色显不光束603,显不光束经过一个X型的分光器604,可以将红色显不光束601、蓝色显不光束602和绿色显不光束603的光路合成一路同轴光束，合成后的同轴光束投影到成像装置605，可以用类似于实施例1-4的投影方法产生多视场红绿蓝全彩色三维图形显示。真三维图像显示方法的实施例1参照图10，本实用新型还提供了一种真三维图像显示方法，利用上述真三维图像显示系统进行真三维图像的显示，其实施例1包括以下步骤:光束偏转步骤SlOl:光源发出的照明光束经声光调制器产生偏转；光束处理步骤S102:数字光处理装置接收经声光调制器偏转后的照明光束并对照明光束进行调制生成图像光束，将图像光束反射到成像装置的成像区域。成像步骤S103:成像装置的多个成像区域从不同角度将接收的图像光束成像到显示屏幕上进行显示。本实施例中，光源优选为激光光源。光束偏转步骤S102中采用声光调制器改变照明光束的方向，这种光偏转方式没有用到运动部件，相比采用机械旋转镜实现光束偏转的方式，照明光束的偏转角度不一定需要按照角度的递增或递减的顺序进行，可以随机指定顺序。光束处理步骤S102中，数字光处理装置包括多个微镜片组成的阵列，微镜片为精密的、微型的反射镜，每一个微镜片控制投影图像中的一个像素，这些微镜片在数字驱动信号的控制下能迅速的改变角度，通过数字光处理装置的调制，生成图像光束，通过微镜片的偏转将图像光束反射至成像装置的成像区域。成像步骤S103中，可通过对应于多个视场的多个平面反射镜、曲面反射镜将图像光束反射至显示屏幕，还可以通过分段透镜阵列透射至显示屏幕，具体请参照真三维图像显不系统实施例1-6的描述。本实施例提供的真三维图像显示方法，通过光源生成照明光束经声光调制器产生偏转，之后经数字光处理装置调制生成图像光束并反射到成像装置，并由成像装置将图像投影到显示屏幕上，由于投射到显示屏幕的光线的虚拟光学中心都不一样，因此可以生成类似于多个投影仪系统生成的多视场三维图像显示，只需单个光源即可实现三维显示，校准方便、结构简单，成本低。真三维图像显示方法的实施例2参考图11，本实用新型提供的真三维图像显示方法的实施例2与实施例1基本相同，在实施例2中，本实用新型的真三维图像显示方法包括光束偏转步骤S201，光束处理步骤S203、成像步骤S204，与实施例1的区别在于，在光束偏转步骤S201和光束处理步骤S203之间还包括:光束调整步骤S203:声光调制器产生偏转的照明光束经光扩展元件将偏转量放大并投射至光学元件，光学元件将接收到的不同部位的照明光束以不同的入射角投射到数
字光处理装置。真三维图像显示方法的实施例3参考图12，本实用新型的真三维图像显示方法的实施例3与实施例2基本相同，在实施例3中，本实用新型真三维图像显示方法包括光束偏转步骤S301、光束调整步骤S302、光束处理步骤S303、成像步骤S305，与实施例2基本相同，区别在于，在光束处理步骤S304和成像步骤S306之间还包括:投射角度调整步骤S304:投射角度调整装置将数字光处理装置反射出的图像光束的投射角度进行调整，将调整后的图像光束投射到成像装置对应的成像区域。通过投射角度调整步骤S305，可以放大反射角的角度，得到较大的视场范围。当前的双目立体眼镜技术、平行遮挡光栅技术、柱面镜技术以及集成显示技术都存在着各种缺陷，比如显示尺寸不大，视场数量少、分辨率低、亮度低、清晰度不足等。而多投影仪的光场真三维显示系统虽然有获得大视场的潜质，但其存在着多个投影仪之间校准困难以及价格昂贵等固有缺陷，与之对应，本实用新型提出的真三维显示系统具有一种或多种独具的优点:1、结构简单，可只用单台投影装置例如高速投影仪；2、高清分辨率，每一视场的图像均为高清图像；3、低成本，只用单台投影装置以及廉价的光学组件，其成本大大低于多投影仪；4、视场个数可达数百个，有效地提高了三维显示质量而不增加系统成本；5、高亮度，本设计实现多投影仪投影的效果而不损失亮度；6、校准方便，传统多投影仪系统的一个主要缺点是难以校准，本设计方案克服了这一缺陷；7、显示屏幕尺寸可灵活调整，便于不用的应用需求；8、本实用新型的真三维图像显示系统及显示方法可应用正投影或背投影方式进行显示均可；9、可以实现全真彩色三维显示，采用RGB三色光源，分别投射红、绿、蓝三原色(或其他可以生成逼真颜色的色彩组合)，合成后的显示器便可产生全真彩色真三维显示；10、在三维显示空间的数据表达模式、彩色三维数据的实时采集与数据生成技术、三维显示数据的高速传输和显示技术三维图像显示空间和显示分辨率的按比例扩展性等方面具有简单快捷的明显优势。虽然已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
权利要求1.一种真三维图像显示系统，其特征在于，包括: 光源，用于生成照明光束； 声光调制器，用于使所述照明光束产生偏转； 显示屏幕； 成像装置，具有对应于多个视场的多个成像区域，所述成像装置的多个成像区域用于接收对应的图像光束并从不同的角度将接收的图像光束成像到所述显示屏幕； 数字光处理装置，用于接收经声光调制器偏转后的照明光束并对照明光束进行调制生成图像光束，将所述图像光束反射到成像装置的成像区域。
2.根据权利要求1所述的真三维图像显示系统，其特征在于，还包括光束调整组件，所述光束调整组件包括光扩展元件和光学元件，所述照明光束经过所述声光调制器产生偏转，受偏转的照明光束经光扩展元件将偏转量放大并投射至光学元件，所述光学元件将接收到的不同部位的照明光束以不同的入射角投射到数字光处理装置。
3.根据权利要求1所述的真三维图像显示系统，其特征在于，数字光处理装置包括多个微镜片组成的阵列，所述多个微镜片用于对照明光束进行调制生成图像光束，并在数字信号的控制下以预设频率发生偏转，以将所述图像光束反射到成像装置的成像区域。
4.根据权利要求1所述的真三维图像显示系统，其特征在于，还包括投射角度调整装置，用于对所述数字光处理装置反射出的图像光束的偏转量进行调整，并对图像光束向成像装置的投射角度进行调整以使所述图像光束投射到所述成像装置对应的成像区域。
5.根据权利要求1所述的真三维图像显示系统，其特征在于，所述成像装置包括多个平面反射镜或多个曲面反射镜，所述多个平面反射镜的反射面或多个曲面反射镜的反射面对应地形成所述成像装置的多个成像区域，所述成像装置的多个成像区域从不同角度接收的图像光束反射到所述显示屏幕上进行显示。
6.根据权利要求1所述的真三维图像显示系统，其特征在于，所述成像装置为分段透镜阵列，包括透镜或透镜组合，所述透镜或透镜组合为所述成像装置的多个成像区域，所述透镜或透镜组合用于将接收到的图像光束投射至所述显示屏幕进行显示。
7.根据权利要求1所述的真三维图像显示系统，其特征在于，所述光源包括:红色激光光源、蓝色激光光源和绿色激光光源，所述真三维显示系统还包括分光器组件，所述红色激光光源、蓝色激光光源和绿色激光光源与所述分光器组件之间还分别设有红色声光调制器、蓝色声光调制器以及绿色声光调制器，所述红色激光光源发出的红色光、蓝色激光光源发出的蓝色光以及绿色激光光源发出的绿色光分别经过所述红色声光调制器、蓝色声光调制器以及绿色声光调制器产生偏转，再经过所述分光器组件合成组合光投射至数字光处理装置。
专利摘要本实用新型提供一种真三维图像显示系统，包括光源，用于生成照明光束；声光调制器，用于使照明光束发生偏转；显示屏幕；成像装置，具有对应于所述多个视场的多个成像区域，成像装置的多个成像区域用于接收对应的图像光束并从不同的角度将接收的图像光束成像到显示屏幕；数字光处理装置，用于接收照明光束并对照明光束进行调制生成图像光束，将图像光束反射到成像装置的成像区域，可以生成类似于多个投影仪系统生成的多视场三维图像显示，只需单个光源即可实现三维显示，校准方便、结构简单，成本低。
文档编号H04N13/04GK202975584SQ201220515529
公开日2013年6月5日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日
发明者耿征 申请人:耿征