专利名称：同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及显示装置，尤其涉及一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维
显示装置。
背景技术：
人们对物体的三维立体感知是通过多种深度暗示产生的，主要包括双目视差、运 动视差、调节等。能产生双目视差的光学装置或结构都能让观察者产生三维立体视觉。随 着科技的进步，显示技术由传统的二维显示逐步向新型的立体三维显示方向发展。目前三 维显示技术主要包括体视三维显示、自动体视三维显示、全息三维显示和体三维显示。三维 显示技术的应用范围也十分广泛，在虚拟现实、医学成像、勘探、建筑、影视娱乐、视频通信、 科学展示和商品广告等许多方面都有不错的前景。目前，基于平板显示与视差光栅或阵列 柱面镜组合的视差显示已经逐步进入实用阶段，这种显示技术可以实现自动的多视角视差 立体显示， 一般为个位数视角个数的体视三维显示，由于视角以及显示原理的限制，该技术 无法实现立体场景的空间360°的环绕三维显示。近年来，360°空间三维显示成为发展热 点，这种显示方式是一种更加接近人们观看实际物理空间三维物体的显示技术。人们提出 了各种方法，其中体三维显示技术是一种最为有代表性的技术。传统的体三维显示包括体 积静止型显示和体积扫掠型显示两类。两种体三维显示的方法均是通过控制体空间内分布 的各个体素的亮度来实现体空间物体的三维显示。这种方法将三维场景轮廓的切片信息通 过扫描的方式在体空间内显示出来。这种方法具有水平视差和垂直视差，可供360。环视， 适合多人裸眼观看，但显示的三维场景是透视的，不能实现空间遮挡效应。为了克服传统的 体三维显示不可消隐与观看实际三维景象时有很大不同的缺点，许多科研机构进行了相关 的研究，结合体三维显示和自体视三维显示的原理及方法，提出了很多新的方法。其中多数 采用对旋转屏幕的特性进行限制，控制出射光的发光方向，实现可供多人360。裸眼环视并 能空间消隐的三维显示。但这些目前提出的方法有一个共同的特点是，虽然这些方法均能 提供与实际空间三维显示所需要的空间遮拦(消隐)效应，但是仅能在水平360。方向提供 视差的空间三维显示，而无法提供更多俯仰视场的空间三维显示信息。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同时具有水平与俯仰多视场的全 景空间三维显示装置。 —种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，包括第一高速投影机 1、第一反射镜系统2、转动装置3和选择性透射式定向散射屏4 ;选择性透射式定向散射屏 4中心设有转动装置3，转动装置3上端设有第一反射镜系统2，在第一反射镜系统2的对 应处设有第一高速投影机1。所述的第一反射镜系统2为单层结构，由1块或多块第一反 射镜5组成，每块第一反射镜5与水平面成不同角度。所述的第一反射镜系统2也可为多 层结构，每一层由1块或多块第一反射镜5组成，同一层的第一反射镜5与水平面成相同角度，不同层的第一反射镜5与水平面成不同角度。所述的第一反射镜系统2为多层结构，每 一层由1块或多块第一反射镜5组成，同一层的第一反射镜5与水平面成不同角度。
另一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，包括第一高速投影 机1、第二反射镜系统6、转动装置3和选择性透射式定向散射屏4。转动装置3上设有第二 反射镜系统6，在第二反射镜系统6的上下设有选择性透射式定向散射屏4和第一高速投影 机l。所述的第二反射镜系统6包括第一反射镜镜组7、第二反射镜镜组8。第一反射镜镜 组7位于第二反射镜系统6的中心处，第二反射镜镜组8位于第二反射镜系统6的外侧；第 一反射镜镜组7或第二反射镜镜组8为一块以上的反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜 的组合。所述的第一反射镜镜组7或第二反射镜镜组8为单层或多层结构。
另一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，包括第一高速投影 机1、第二高速投影机9、第二反射镜系统6、第三反射镜系统10、两个转动装置3和选择性 透射式定向散射屏4 ;在两个转动装置3上分别设有第二反射镜系统6和第三反射镜系统 10，在第二反射镜系统6和第三反射镜系统10之间设有选择性透射式定向散射屏4，在两个 转动装置3的对应处分别设有第一高速投影机1和第二高速投影机9。所述的第二反射镜 系统6包括第一反射镜镜组7和第二反射镜镜组8 ;所述的第三反射镜系统10包括第三反 射镜镜组11和第四反射镜镜组12，第一反射镜镜组7、第二反射镜镜组8、第三反射镜镜组 11或第四反射镜镜组12为一块以上的反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。所述 的第一反射镜镜组7、第二反射镜镜组8、第三反射镜镜组11或第四反射镜镜组12为单层 或多层结构。 所述的选择性透射式定向散射屏4为透射式全息定向散射屏、二元光学元件或光 栅结构的光学元件；所述的选择性透射式定向散射屏4的结构为圆柱面或多棱柱面。
本发明提出的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，主要利 用了选择性透射式定向散射屏在不同方向上的选择透过性，在水平方向360°环绕视场可 视的基础上，通过改变旋转反射镜的倾斜角度，在垂直方向上加入了多个环带视场。本发明 对选择性透射式定向散射屏的形状提出了更为一般的结构，为圆柱面或多棱柱面。本发明 提出的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，主要采用了三种方式来 实现全景空间三维显示，高速投影机和选择性透射式定向散射屏均为固定部分，旋转部分 仅为反射镜系统，系统结构相对简单，能很好的满足处于不同位置不同高度的多人同时环 绕观察。
图1是-
示意图；
4中同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置I型的结构三维
图2是单层第一反射镜系统的结构示意图； 图3是多层第一反射镜系统的结构例一示意图
图4是多层第一反射镜系统的结构例二示意图 图5是多层第一反射镜系统的结构例三示意图
图6是一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置II型的结构示
图7是一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置III型的结构示 意图； 图8(a)是圆柱面的选择性透射式定向散射屏的结构示意图；
图8(b)是四棱柱面的选择性透射式定向散射屏的结构示意图；
图8(C)是六棱柱面的选择性透射式定向散射屏的结构示意图； 图中第一高速投影机1、第一反射镜系统2、转动装置3、选择性透射式定向散射 屏4、第一反射镜5、第二反射镜系统6、第一反射镜镜组7、第二反射镜镜组8、第二高速投影 机9、第三反射镜系统10、第三反射镜镜组11、第四反射镜镜组12。
具体实施例方式
—种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，主要利用了选择性透 射式定向散射屏在不同方向上的选择透过性，在水平方向360°环绕视场可视的基础上，通 过改变旋转反射镜的倾斜角度，在垂直方向上加入了多个环带视场，实现了多个俯仰视场 的三维显示。这种三维显示装置可以同时显示出三维场景的360。水平周视同时在俯仰方 向也提供多环带视场的显示，实现真实的带空间消隐功能的空间三维的完美显示，可供多 人水平36(T且俯仰多视角观察。 如图1所示，同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置I型主要包括 固定的第一高速投影机1和选择性透射式定向散射屏4，旋转部分为第一反射镜系统2，其 安装在转动装置3上并随之一起转动。第一高速投影机1位于装置上方，其下方对应设有 转动的第一反射镜系统2，固定的选择性透射式定向散射屏4位于第一反射镜系统2的外 侧。固定的选择性透射式定向散射屏4作为显示屏幕对不同方向入射后的出射光线的发散 角进行了限制，以实现同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示。计算机事先将需 要显示的三维场景不同高度视点的水平360°各个视角的图像进行处理组合并传入第一高 速投影机1中以供显示。第一高速投影机1将处理好的组合图像依次投影出来，经第一反 射镜系统2将光线转折后投影到不同高度的环带视场上以适应不同俯仰视角的全景空间 三维显示。当第一反射镜系统2由转动装置3带动旋转后，实现对水平方向360。不同视角 的刷新。假设第一反射镜系统2由2块第一反射镜5组成，那么2块第一反射镜5与水平 面的夹角不同以适应2个不同高度的环带视场。当第一反射镜系统2旋转一周，三维图像 才完成2个俯仰视角水平360°全视角的全景空间视场的一次刷新，所以第一反射镜系统2 的转速越快，所获得的三维图像会更加稳定。 一般当转动装置达到15转以上，刷新频率也 在15Hz以上，显示的三维图像会减小闪烁感，相对稳定。在整个装置中，第一高速投影机1 的投影帧速要与系统的转速相匹配。假设在水平方向一周共有n(n〉 IO为整数)个视角， 第一高速投影机1的投影帧速为v帧/秒，转动装置3的转速为"转/秒，那么三者满足 关系￥= " *n。只有满足上述关系，系统才能实现转动与投影的同步并确定显示三维场景 的方向，整个装置显示出的三维图像才能稳定。当然，系统也可以上下翻转过来，第一高速 投影机1从下向上投影，仍可实现同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示。不同 的安装方式对于全景空间三维显示装置适应不同环境及场景带来了便捷。
如图2所示，所述的第一反射镜系统2为单层结构，由1块或多块第一反射镜5组 成。第一反射镜5与水平面成不同角度，第一高速投影机1投影出的图像经不同角度的第
6一反射镜5反射后投影到选择性透射式定向散射屏4的不同高度的环带视场上。第一反射 镜系统安装在转动装置3上并随之一起转动。转动装置3的转轴与第一反射镜系统的中心 不一定重合。假设第一反射镜系统2由n (n > 2为整数)块第一反射镜5组成且每一块与 水平面的夹角都不同，那么则对应着n个不同的俯仰视场，三维图像的刷新频率与转动装 置3的转动频率相同。当第一反射镜系统2中的某些第一反射镜5与水平面成相同角度的 时候，通过这些第一反射镜5所投影到选择性透射式定向散射屏4的图像对应于同一个环 带视场；与水平面成不同角度的第一反射镜5对应于不同高度的环带视场，通过这些第一 反射镜5所投影到选择性透射式定向散射屏4的图像位于屏幕不同的高度上，以实现具有 水平方向360°全景视场的同时也实现了多个俯仰视场的空间显示。 如图3所示，所述的第一反射镜系统2为多层结构，每一层由1块或多块第一反射 镜5组成，同一层的第一反射镜5与水平面成相同角度，不同层对应不同的环带视场。这种 结构的第一反射镜系统2是一种对称结构，每一层均对应于同一个环带视场。第一高速投 影机1将图像投影出来，经同一层第一反射镜系统2反射的图像对应于同一个俯仰环带视 场。俯仰视场通过每一层第一反射镜5与水平面成的角度不同来实现。如图4所示，所述 的第一反射镜系统2为多层结构，每一层由1块第一反射镜5组成，每一块第一反射镜5与 水平面均成不同角度，也可实现多个俯仰视场的全景视场空间三维显示，转动装置3的转 动频率即为三维图像的刷新频率。假设第一反射镜系统2为m(m^2为整数)层结构，每 一层由n(n > 1为整数)块第一反射镜5组成，那么则对应着m个不同的俯仰视场，而三维 图像的刷新频率为转动装置3的转动频率的n倍。在转速相同的情况下，这种对称结构提 高了三维图像的刷新频率。同时由于结构的对称性，对于装置的转动来说也更加的平衡、稳 定。 如图5所示，所述的第一反射镜系统2为多层结构，每一层由1块或多块第一反射 镜5组成，同一层的第一反射镜5与水平面成不同角度，与水平面成不同角度的反射镜对应 不同的环带视场。这种结构是一种不对称的结构，与水平面成相同角度的第一反射镜5对 应于同一方向的环带视场，可以对不同的高度的观察者均有俯仰多个视场的图像与其相对应。 如图6所示，同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置II型，包括第 一高速投影机1、第二反射镜系统6、转动装置3和选择性透射式定向散射屏4。第二反射镜 系统6安装在转动装置3上并随之一起转动，在第二反射镜系统6的两侧对应设有第一高 速投影机1和选择性透射式定向散射屏4。所述的第二反射镜系统6包括第一反射镜镜组 7、第二反射镜镜组8 ;第一反射镜镜组7位于第二反射镜系统6的中心处，第二反射镜镜组 8位于第二反射镜系统6的外侧。第一反射镜镜组7和第二反射镜镜组8为单层或多层结 构，为多块反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。计算机事先将需要显示的三维场 景不同高度视点的水平360。各个视角的图像进行处理组合并传入第一高速投影机l中以 供显示。第一高速投影机1将处理好的组合图像依次投影出来，经第二反射镜系统6中的 第一反射镜镜组7和第二反射镜镜组8将光线转折后投影到相差180°的不同高度的环带 视场上以适应不同俯仰视角的全景空间三维显示。通过转动装置3带动第二反射镜系统6 旋转实现水平方向360°全景视场的刷新。第二反射镜系统6的转速越快，所获得的三维图 像会愈加稳定。同样这种结构也需要保证转动与投影的同步，才能使得显示的三维图像保持稳定。第一高速投影机1可以位于装置下方，从下往上投影；也可位于装置上方，从上往 下投影。这种结构转动部分与投影屏幕分离，选择性透射式定向散射屏4内部没有任何转 动部分，安装简单，可适应多种不同场景的应用。 如图7所示，同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置III型，包括第 一高速投影机1、第二高速投影机9、第二反射镜系统6、第三反射镜系统10、转动装置3和 选择性透射式定向散射屏4 ;在两个转动装置3上分别设有第二反射镜系统6和第三反射 镜系统IO，在第二反射镜系统6和第三反射镜系统10之间设有选择性透射式定向散射屏 4，在两个转动装置3的对应处分别设有第一高速投影机1和第二高速投影机9。所述的第 二反射镜系统6包括第一反射镜镜组7和第二反射镜镜组8 ;所述的第三反射镜系统10包 括第三反射镜镜组11和第四反射镜镜组12。第一反射镜镜组7、第二反射镜镜组8、第三反 射镜镜组11和第四反射镜镜组12为单层或多层结构，为多块反射镜、反射棱镜或反射镜与 反射棱镜的组合。第一高速投影机1位于装置下方，从下往上投影；第二高速投影机9位于 装置上方，从上往下投影。第一高速投影机1将已由计算机处理好的组合图像从下方转轴 中心投影出来，图像经第二反射镜系统6中的第一反射镜镜组7后，再经第二反射镜镜组8 转折投影到选择性透射式定向散射屏4上；第二高速投影机9将已由计算机处理好的组合 图像从上方转轴中心投影出来，图像经第三反射镜系统10中的第三反射镜镜组11后，再经 第四反射镜镜组12转折投影到选择性透射式定向散射屏4上。第一高速投影机1和第二 高速投影机9投出的图像被投到屏幕不同高度的环带上，以适应不同的俯仰视角。通过转 动装置3带动第二反射镜系统6和第三反射镜系统10旋转实现水平方向360。全景视场的 刷新。在相同转速条件下，采用双高速投影机的方式与采用单高速投影机的方式，其三维图 像的刷新频率提高一倍。这样无疑提高了显示图像的刷新频率和稳定程度。当然，这种方 式也要保证其系统转动与投影机帧频之间的匹配，来确定三维图像显示方位以及保证三维 图像的稳定性。 如图8所示，所述的选择性透射式定向散射屏4，屏幕为透射式全息定向散射屏、 二元光学元件或其他光栅结构的光学元件；所述的选择性透射式定向散射屏4的结构为圆 柱面或多棱柱面。屏幕对透射光线的发光角度进行了限制，在竖直方向透过并一定角度出 射，在水平方向直接小角度透射。这样在水平方向小角度出射保证不同的视角位置上只能 看到供这一视角上可以观看的图像，而在垂直方向由于光线透过并以一定角度出射保证不 同俯仰视场观看到的不同的图像。
8
权利要求
一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，其特性在于包括第一高速投影机(1)、第一反射镜系统(2)、转动装置(3)和选择性透射式定向散射屏(4)；选择性透射式定向散射屏(4)中心设有转动装置(3)，转动装置(3)上端设有第一反射镜系统(2)，在第一反射镜系统(2)的对应处设有第一高速投影机(1)。
2. 根据权利要求1所述的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置， 其特性在于所述的第一反射镜系统(2)为单层结构，由1块或多块第一反射镜(5)组成，每 块第一反射镜(5)与水平面成不同角度。
3. 根据权利要求1所述的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置， 其特性在于所述的第一反射镜系统(2)为多层结构，每一层由l块或多块第一反射镜(5) 组成，同一层的第一反射镜(5)与水平面成相同角度，不同层的第一反射镜(5)与水平面成 不同角度。
4. 根据权利要求1所述的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置， 其特性在于所述的第一反射镜系统(2)为多层结构，每一层由l块或多块第一反射镜(5) 组成，同一层的第一反射镜(5)与水平面成不同角度。
5. —种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，其特性在于包括第一高 速投影机(D、第二反射镜系统(6)、转动装置(3)和选择性透射式定向散射屏(4);转动装 置(3)上设有第二反射镜系统(6)，在第二反射镜系统(6)的上下设有选择性透射式定向散 射屏(4)和第一高速投影机(1)。
6. 根据权利要求5所述的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置， 其特性在于所述的第二反射镜系统(6)包括第一反射镜镜组(7)、第二反射镜镜组(8);第 一反射镜镜组(7)位于第二反射镜系统(6)的中心处，第二反射镜镜组(8)位于第二反射 镜系统(6)的外侧；第一反射镜镜组(7)或第二反射镜镜组(8)为一块以上的反射镜、反射 棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。
7. —种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置，其特性在于包括第一高 速投影机(1)、第二高速投影机(9)、第二反射镜系统(6)、第三反射镜系统(10)、两个转动 装置(3)和选择性透射式定向散射屏(4);在两个转动装置(3)上分别设有第二反射镜系 统(6)和第三反射镜系统(IO)，在第二反射镜系统(6)和第三反射镜系统(10)之间设有 选择性透射式定向散射屏(4)，在两个转动装置(3)的对应处分别设有第一高速投影机(1) 和第二高速投影机(9)。
8. 根据权利要求7所述的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置， 其特性在于所述的第二反射镜系统(6)包括第一反射镜镜组(7)和第二反射镜镜组(8); 所述的第三反射镜系统(10)包括第三反射镜镜组(11)和第四反射镜镜组(12)，第一反射 镜镜组(7)、第二反射镜镜组(8)、第三反射镜镜组(11)或第四反射镜镜组(12)为一块以 上的反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。
9. 根据权利要求6或8所述的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装 置，其特性在于所述的第一反射镜镜组(7)、第二反射镜镜组(8)、第三反射镜镜组(11)或 第四反射镜镜组(12)为单层或多层结构。
10. 根据权利要求1、5或7所述的一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显 示装置，其特性在于所述的选择性透射式定向散射屏(4)为透射式全息定向散射屏、二元光学元件或光栅结构的光学元件；所述的选择性透射式定向散射屏(4)的结构为圆柱面或 多棱柱面。
全文摘要
本发明公开了一种同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置。该装置包括高速投影机、选择性透射式定向散射屏、反射镜系统和转动装置。选择性透射式定向散射屏可控制出射光在不同方向上的发散角度，使得观察者在水平方向及垂直方向的不同位置均能看到不同视角的双目视差图像，实现三维物体在全景空间上的三维显示。本发明提出的同时具有水平与俯仰多视场的全景空间三维显示装置可显示出三维场景的360°水平周视图像，同时在俯仰方向也能提供多环带视场的图像，实现三维显示。基于本发明的三维显示系统，可以实现真实的供多人360°环绕裸眼观看且具有空间消隐功能的空间三维的完美显示。
文档编号G02B5/08GK101750868SQ20101003960
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者刘旭, 夏新星, 李海峰 申请人:浙江大学