专利名称：基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统和方法
技术领域：
本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统和方法。
背景技术：
由于二维显示难以清楚准确表达第三维的深度信息，人们一直在致力于研究可显示立体场景的显示技术——三维图像显示技术。目前比主要的三维技术为体视三维图像显示技术，通过给观察者的双目提供不同视角的平面图像，由人脑合成获取三维显示效果，存在双眼视图聚焦距离和汇聚距离不一致的问题，容易造成观察者视觉疲劳，且受显示系统所能提供视差图像数量的限制，现有体视技术所能实现的显示视角往往时有限的。全息显示技术可以同时复现位相和振幅信息，从理论上来讲，是最理想的三维显示技术，但受现有光调制器件技术的限制，其显示图像的空间带宽积往往是有限的，还达不到实际应用对该技术的要求。另外一方面，就像在电脑屏幕可以使用鼠标对显示的二维视图进行鼠标指示和菜单操作一样，人们希望在显示的三维图像也可以通过一个三维鼠标对显示内容进行像点指示和菜单操作。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统和方法，其采用一定刷新频率的微显示芯片阵列，通过空间复用或空间复用和时间复用的结合，实现大视角，甚至是全视角真实三维图像显示。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其中，包括
一窄带宽谱阵列生成单元，数量为至少一个，其包括具有相同分布结构的微显示芯片阵列、小透镜阵列和滤波孔径阵列，微显示芯片阵列各微显示芯片和滤波孔径阵列中对应滤波孔径分别处于小透镜阵列对应小透镜的前焦面和后焦面上，各微显示芯片投影的二维视图经对应小透镜转换，由对应滤波孔径滤波获得投影图像的窄带宽频谱信息；
一多方向视图生成单元，数量为至少一个，包括一个窄带宽谱阵列生成单元和一个投影透镜，该窄带宽谱阵列生成单元投影光信息入射该投影透镜；
一复合多方向视图生成单元，数量为至少一个，其包括至少两个窄带宽谱阵列生成单元、至少一个半反镜和一个投影透镜，该至少两个窄带宽谱阵列生成单元投影光信息经各半反镜透射或反射入射该投影透镜，各窄带宽谱阵列生成单元关于其对应透射面或反射面的像在空间上重合分布或在该投影透镜光轴的垂面内错位排列分布；
一合成半反镜，数量为至少一个，透射或反射多个多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影的光信息；
一旋转平台，绕轴旋转；
一旋转反射镜，随旋转平台旋转，数量为至少一个，旋转反射镜为单面反射镜或双面反射镜，反射多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影的光学信息；
一衍射膜，控制入射光束透射光或反射光衍射角的大小；
一光路折转单元，由至少一个反射或折射器件组成，各组成器件随旋转平台转动，该光路折转单元的数量为至少一个，折转多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影光信息的传输路径；
一光路延伸单元，由至少一个光学透镜组成，各组成器件可以固定也可以随旋转平台转动，其在空间分布上可以单独放置也可以和光路折转单元各组成器件穿插放置，该光路延伸单元的数量为至少一个，延长多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影光路的长度或二次成像上述多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影光信息；一空间鼠标单元，其包括，操纵手柄、三维位移平台、置于该平台上的光标单元和置于上述操纵手柄上的左右两个功能键，该光标单元在复现三维图像的分布区域内引入一个光标作为空间鼠标对显示图像的空间内容进行指示；
一 I型控制单元，应用于不采用旋转反射镜的显示系统，由虚置目标三维图像通过光线反向追踪，获取各微显示芯片对应的二维视图；控制各微显示芯片同时投影对应二维视图，通过各二维视图传输光场的空间叠加生成真实分布于三维空间的目标三维图像；在系统引入空间鼠标单元且观察者单击右功能键时，反馈光标单元的空间位置，记录光标单元当前空间位置对应三维图像的像点，控制系统显示嵌入菜单的目标三维图像；观察者移动光标单元到显示的菜单选项并单击左功能键时，控制单元判定该选项被选定，根据选定选项的要求对目标三维图像进行后台图像处理，得到处理后的图像作为新的目标三维图像并控制系统显不;
一 II型控制单元，应用于采用了旋转反射镜的显示系统，对处于任意角位置的旋转反射镜，获取虚置目标三维图像关于该旋转反射镜的镜像，由该镜像通过光线反向追踪，获取旋转反射镜处于此角位置时各微显示芯片对应的二维视图；当旋转反射镜旋转到不同角位置时，控制各微显示芯片同步投影对应的二维视图，通过各二维视图传输光场的空间叠加，并经旋转反射镜反射生成分布于三维空间的目标三维图像；在系统引入空间鼠标单元且观察者单击右功能键时，反馈光标单元的空间位置，记录光标单元当前空间位置对应三维图像的像点，控制系统显示嵌入菜单的目标三维图像；观察者移动光标单元到显示的菜单选项并单击左功能键时，控制单元判定该选项被选定，根据选定选项的要求对目标三维图像进行后台图像处理，得到处理后的图像作为新的目标三维图像并控制系统显示；
一场镜，置于上述投影透镜后焦面上，调整各微显芯片投影光束的传播方向。进一步的，所述的投影透镜为单个透镜或多个透镜组合而成的透镜组。进一步的，所述的投影透镜可用衍射光学元件代替。进一步的，所述的光标单元为粗糙切割的光纤，耦合进光纤的光束出射时在光纤断面处形成一个发散光点，以该光点作为空间鼠标对该光点所在位置图像内容进行指示。可选的，所述的光标单元为自行发光或反射外部投影光的物点或具有一定几何形状的结构物。进一步的，所述的自行发光的物点为LED或0LED。所述的反射外部投影光的物点为粗糙荧光球。基于微显示芯片阵列的三维图像显示方法，包括以下步骤: 51.建立xyz轴坐标，虚拟放置目标三维图像于以坐标系原点为中心的区域内；
52.构建显示系统的投影机构，该投影机构为单个多方向视图生成单元或单个复合多方向视图生成单元，或若干个两种生成单元通过合成半反镜组合而成的结构体；投影机构投射光信息可以直接显示目标三维图像，或入射场镜后直接显示目标三维图像；以目标三维图像为源，基于逆向光线追踪，获得投影机构各微显示芯片需要投影的二维视图；控制各微显示芯片同时投影各自对应的二维视图，复现显示大可视角虚置目标三维图像；
53.引入绕z轴旋转的旋转反射镜，确定其N个角位置:角位置1、角位置2...角位置N;在任意角位置n，获取虚置目标三维图像关于该位置旋转反射镜的镜像，定义为镜像η ;，投影机构投射光信息直接入射旋转反射镜后经反射显示目标三维图像，或入射场镜后经光路延伸单元转换再入射旋转反射镜显示目标三维图像；以镜像η为源，基于逆向光线追踪，获取旋转反射镜处于角位置η时投影机构各微显示芯片需要投影的二维视图；旋转反射镜旋转到任意角位置时，各微显示芯片同步投影各自对应的二维视图，经旋转反射镜反射，基于人眼的视觉滞留，在真实的三维空间中，实现全视角虚置目标三维图像的复现显示；
54.在显示三维图像中，引入空间鼠标，观察者通过三维位移平台移动空间鼠标移动到显示图像的任意位置，实现显示三维图像空间内容的三维鼠标指示；对采用旋转反射镜的显示系统，在投影透镜和旋转反射镜之间引入光路折转单元或光路延伸单元，或同时引入光路折转单元和光路延伸单元，空间分离虚置目标三维图像和旋转反射镜后再引入空间鼠标；
55.当右功能键被单击时，系统记录空间鼠标单元的光标当前所指示像点，并采用上述步骤S2或S3显示嵌入菜单的目标三维图像；
56.观察者移动空间鼠标到显示菜单的某选项处，单击左功能键，控制单元判定该选项被选定，并根据选定选项的要求对目标三维图像进行图像处理后得到新图像，以该处理后图像作为新的目标三维图像，采用上述步骤S2或S3，复现显示新的目标三维图像，实现互动的三维图像显示。与现有技术相比，有益效果是:本发明通过微显示芯片的合成阵列，空间非相干叠加其同步投影二维视图的传输光场，生成分布于三维空间的真实三维图像；借助于高速旋转反射镜的空间扫描，基于人眼的视觉滞留，实现360度可视的真三维图像显示。以市场上现有的OLED微显示芯片，在目标图像显示区域引入可以对显示三维图像进行指示和菜单操作的空间鼠标，采用本技术即可实现互动式的三维图像显示。
图1是本发明实施例1互动式基于单个多方向视图生成单元的三维图像显示系统结构图。图2是本发明实施例1基于单个多方向视图生成单元的三维图像显示系统光路示意图。图3是本发明实施例1引入场镜的基于单个多方向视图生成单元的三维图像显示系统结构图。图4是本发明实施例1窄带宽谱阵列生成单元所采用的矩形点阵排列示意图。图5是本发明实施例1窄带宽谱阵列生成单元所采用的正六边形点阵排列示意图。图6是本发明实施例1矩形点阵排列的窄带宽谱阵列生成单元对应可视角范围示意图。图7是本发明实施例1含选项图标的嵌入菜单。图8是本发明实施例2基于单个复合多方向视图生成单元的三维图像显示系统结构示意图。图9是本发明实施例3复合多方向视图生成单元所含各个窄带宽谱阵列点阵分布示意图。图10是本发明实施例3基于多个多方向视图生成单元的三维图像显示系统结构简示图。图11是本发明实施例4视角扩展的基于多个多方向视图生成单元的三维图像显示系统结构图。图12是本发明实施例5引入旋转反射镜的基于单个多方向视图生成单元的三维图像显示系统结构图。图13是本发明实施例5引入空间鼠标的基于单个多方向视图生成单元的三维图像显示系统结构图。10、10’、10’’:窄带宽谱阵列生成单元11:微显示芯片阵列 12:小透镜阵列13:滤波孔径阵列
20、20’、20’’、20’’’:多方向视图生成单元
21、21’、21’’、21’’’:投影透镜
30:复合多方向视图生成单元31、31’:半反镜
40,40':合成半反镜 50:旋转平台 60:旋转反射镜 70:衍射膜
80:光路折转单元81:反射镜
90:光路延伸单元
100:空间鼠标单元101:三维位移平台
102:光标单元103:操纵手柄
104:功能键
110:1型控制单元
120:11型控制单元
130:场镜
具体实施例方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本发明采用单个或多个微显示芯片阵列，基于空间复用和时分复用技术，实现互动式大视角甚至全视角真实三维图像显示系统。实施例1
基于单个多方向视图生成单元的三维图像显示系统，采用单个多方向视图生成单元20的三维图像显示系统结构如图1所示:窄带宽谱阵列生成单元10由相同面点阵结构的微显示芯片阵列11、小透镜阵列12和滤波孔径阵列13组成，其中矩形微显芯片的分辨率为mXn，像素间距为Sd，小透镜的焦距为f〃，滤波孔径直径为δ Φ，微显示芯片阵列11和滤波孔径阵列13分别置于小透镜的前后焦平面上，阵列节点沿X和y向的间距均为Λ d ;一个窄带宽谱阵列生成单元10和一个焦距为f的投影透镜21组合为一个多方向视图生成单元20，其中窄带宽谱阵列生成单元10的滤波孔径阵列13所处平面和投影透镜21的距离为U，投影透镜后焦面和z轴的交点为系统坐标原点O ;空间鼠标单元100由三维位移平台101、置于该平台上的光标单元102、操纵手柄103和置于其上的左右两个功能键104，其中置于三维位移平台101上的光标单元102可以由观察者控制在系统坐标原点附近空间进行自由移动型控制单元110通过信号线连接微显示芯片阵列11和空间鼠标单元100。图2是基于单个多方向视图生成单元20的显示系统的光路示意图。单个微显芯片投影的图像经对应小透镜变换，在滤波孔径阵列面上得到其频谱分布；小尺寸的滤波孔径会滤除其高频信息，仅允许窄带宽的低频信息通过，其带宽取决于小透镜焦距f"和滤波孔径直径δ Φ ;滤波孔径阵列11距离投影透镜21的物距为U，其关于投影透镜21的像面距离投影透镜21为V。假设滤波孔径直径δ Φ为理想的小，只允许零频光通过，则各滤波孔径发出的光经投影透镜21，与其后焦面相交于同一矩形区域，图2的ΡΡ’即为此区域与Xz面相交线段；在该区域等间距确定一恰好覆盖该区域的mXn点阵列，本专利定义此点阵列为基准点阵列，其分布的区域为基准点阵列分布区域。对任一微显示芯片，沿主光线传输路径的逆向，连接基准点阵列的mXn个点和其对应滤波孔径中心点，得到mX η个过基准点的直线，在本实施例中即为直接连接基准点阵列的mXn个点和其对应滤波孔径关于投影透镜21的像的中心点得到的mXn个连线。这些直线和虚置于系统原点附近区域的目标三维图像相交得到mXn个交点，其对应的mXn个光强值即为该微显芯片需要投影二维视图mXn个像素点的灰度值。当连线和目标三维图像有两个或多个交点时，对于非透明目标图像，沿光传输方向取最后一个交点的光强值作为对应像素点的灰度值；对于透明或半透明的目标图像，取各个交点等效光强值的和作为对应像素点的灰度值，该等效光强值为交点本身物理光强值乘以考虑遮挡对其光强的吸收而引入的等效系数。当连线和目标三维图像没有相交时，对应像素点的值取背景灰度值。这样，可以获得各微显芯片需要显示的二维视图信息。在图1中，当滤波孔径阵列11距离投影透镜21的物距为u不等于投影透镜21的焦距f时，可以在投影透镜21的后焦面上引入一个焦距为u+v的场镜130，如图3所示。受场镜130作用，投影透镜21的后焦面上各基准点来自于同一微显芯片的主光线相互平行，也就是说，引入场镜130后，显示各物点的可视角具有完全相同的方向和分布范围。此时采用上述光线逆向追踪的方法，可知各微显芯片投影视图为目标三维图像的一个特定方向视图，其方向为该微显芯片对应滤波孔径关于投影透镜21的像的中心点与场镜中心连线方向。本专利以下实施例中，不再引入场镜，但均可根据需要引入场镜，均基于上述光线逆向追踪方法获得各微显芯片需要显示的二维视图信息。
不考虑小透镜有效孔径的限制，各微显芯片投影的物点具有约arcsinO Φ/f〃)大小的视角；而该物点来自相邻微显示芯片投影光束的夹角为该相邻微显示芯片间距和投影透镜21焦距f比值的反正弦角，如图2，在XZ面内，系统显示物点来自相邻微显示芯片投影光束的夹角约为arcsin(Ad/ f)。选择合适的δ Φ，令arcsin ( δ Φ/ f〃) =arcsin(Ad/ f),当arcsin ( Δ d/ f)比较小时，系统各微显示芯片同时投影相应二维视图，观察者迎着投影光束观察，可以在一个大的视角范围内看到连续真实的三维空间图像，其角分辨率由arCsin(Ad/ f)确定。若Λ d/ f本身较小，对于相距D距离的观察者来说，当arCsin(Ad/ f)小于观察者单眼瞳孔孔径时，δ Φ可以取非常小的值，此时虽然arcsin ( δ Φ/ f〃)〈arcsin ( Δ d/ f),但基于光束非相干相交，同样可以在一个大的视角范围内观察到连续真实的三维空间图像。微显示芯片阵列11、小透镜阵列12和滤波孔径阵列13所共有的点阵结构可以为图4所示矩形阵列或图5所示正六边形阵列。此处仅分别选用了 64和62个微显示芯片，在需要时可以以相同的排列规则采用更少或更多的微显芯片。对于采用不同点阵结构的窄带宽谱阵列生成单元10，显示图像各物点的可视角范围是不同的，其范围为该点和像面上各滤波孔径像点连线所构成的立体角。以采用矩形点阵结构的窄带宽谱阵列生成单元10为例，任意显示物点P’’的可视范围为图6所示以P’’为顶角的四棱锥P’’abed的锥尖对应的立体角，其中P’’’为P’’在底面上的垂足。若在系统中按图3所示引入引入焦距为u+v的场镜130，则任意显示物点的视角范围为四棱锥Oabcd的锥尖对应的立体角。在无实物存在的目标图像显示区域，可以引入一个耦合了光束的光纤头。该光纤头作为光标单元102由三维位移平台101承载在目标图像显示区的三维空间内自由移动。光标单元102的出射光形成一个向四周散射的光点，可以对显示的三维图像进行空间内容的三维指示，就像我们在电脑屏幕上用二维鼠标对二维显示内容进行指示一样。观察者单击右功能键104时，I型控制单元110记录光标单元102当前空间位置对应的生成三维图像的像点，并控制系统显示嵌入菜单的目标三维图像。嵌入菜单的目标三维图像，采用如下方法获得:在投影透镜21后焦面上插入一个含二维菜单选项图标的平面。简单以含有放大、缩小、前进到下一项操作和返回到前一项操作四个选项的菜单为例，如图7。考虑遮掩效应，目标三维图像中对嵌入 菜单的选项图案有遮掩作用的部分需要去除，即得到位置η对应的嵌入菜单的目标三维图像η。采用上述方法方法，控制系统显示带嵌入菜单的目标三维图像。对每个菜单选项，其绕γ轴旋转扫描过的空间作为该选项的有效空间。移动光标单元102到某菜单选项的有效空间并单击左功能键104时，I型控制单元110判定该选项被选定，并以I型控制单元110上次记录的光标单元102所指示像点为中心,后台按选定选项的要求对目标三维图像做电子图像处理。处理后得到三维图像作为新的三维图像，由系统采用同样方法显示，完成互动式的三维图像显示。若系统中按图3所示引入焦距为u+v的场镜130后，若需要引入空间鼠标单元100，则需要在场镜130后加入一个焦距为f的光路延伸单元90，二次成像和场镜130空间重合的显示图像，得到不和其它光学器件空间重合的显示图像后，再按上述方法引入空间鼠标单元100来实现互动式三维图像显示。本专利以下所有实施例中没有引入场镜130，若根据需要引入了场镜130，都可采用此种方法引入光路延伸单元90对场镜处显示图像二次成像后再引入空间鼠标单元100。实施例2
基于单个复合多方向视图生成单元的三维图像显示系统，在基于单个多方向视图生成单元的显示系统中，当系统选用微显示芯片的像素间距Sd较大时，相同分辨率微显示芯片的尺寸变大，加上芯片外框所占用空间，在平面上阵列排布时芯片间距Ad也较大，则角分辨率arCsin(Ad/ f)较大，系统显示的图像会有明显失真，影响显示效果。为了得到大视角范围的三维显示，要求微显示芯片阵列所分布的平面尺寸相对于投影透镜21焦距f的比值尽量大；当Ad增大时，虽然可以通过选用更长焦距的投影透镜21来维持arCsin(Ad/f)不变，但随着焦距的增加，大数值孔径时透镜的加工愈困难，且像差也会显著增加，所以，不能单纯依靠增加投影透镜21的焦距f来改善这种情况。此时，采用具有多个窄带宽谱阵列生成单元10的复合多方向视图生成单元30，可以通过空间复用，降低对微显示芯片像素间距的要求，以采用三个微显示芯片为例，未画出I型控制单元110的简单结构示意如图8。其中窄带宽谱阵列生成单元10、10’、10’’分布采用图9 (a)、8 (b)、8 (c)所示的点阵结构，它们就有相同的面排列几何参数，其相邻节点间
距为Sm。这里假设半反镜31和31’很薄，忽略其对透射光的折射，则设计各自空间位
置，保证窄带宽谱阵列生成单元10’关于半反镜31的镜像、窄带宽谱阵列生成单元10’’关于半反镜31’的镜像和窄带宽谱阵列生成单元10沿z向完全重合，在xy面内错位排列，一起组合成图5所示阵列结构，合成阵列结构的相邻节点间距缩短为Ad，可以解决由于像素间隔较大带来的微显示芯片排列间距较大而引入的问题。同理，可以进一步地采用含有9个甚至更多各窄带宽谱阵列生成单元10的复合多方向视图生成单元30，进一步地减低系统对微显芯片尺寸的要求。对于图4所示矩形阵列，则同样方法，需要含有4个点阵间距为2Ad的窄带宽谱生成单元10，甚至更多个窄带宽谱生成单元10的复合多方向视图生成单元30。采用实施例1所述方法，可以实现真实三维图像的复现显示。在本实施例中，也可以像实施例一一样引入空间鼠标单元100，同样实现互动式的三维图像显示。实施例3
基于多个多方向视图生成单元的三维图像显示系统，基于复合多方向视图生成单元30的三维图像显示系统用来解决微显示芯片尺寸过大的问题，也可以采用多个多方向视图生成单元20通过合成半反镜40进行组合来解决。以采用三个多方向视图生成单元20、20’、20’ ’为例，未画出I型控制单元110的结构示意如图10。20’、20’ ’的投影透镜21分别关于合成半反镜40和40’的镜像和20的投影透镜21完全重合，但20’、20’’的窄带宽谱阵列单元10分别关于合成半反镜40和40’的镜像和20的窄带宽谱阵列单元10沿z向完全重合，在xy面内错位排列，其排列点阵如图9(a)、8(b)、8(c)所示。采用实施例1所述方法原理，可以实现真实三维图像的复现显示。在本实施例中，也可以像实施例一一样引入空间鼠标单元100，同样实现互动式的三维图像显示。同时，该实施例中的多个多方位试图生产单元可以由多个复合多方向视图生成单元代替，同样原理，达到该实施例效果。实施例4
视角扩展的基于多个多方向视图生成单元的三维图像显示系统，对于显示芯片不存在尺寸过大问题时，多个多方向视图生产单元30也可以通过合成半反镜的合成，实现更大视角的三维图像显示，本专利称之为视角扩展的基于多个多方向视图生成单元的三维图像显示系统，以采用4个结构参数一样的采用矩形阵列结构的多方向视图生成单元20、20’、20’’和20’’’为例，其简单结构示意图如图11，各多方向视图生成单元20投影透镜21、21’、21’’和21’’’的轴21、22、23和24在同一平面内排列分布，其中2 0为单个多方向视图生成单元20生成图像各点在该面内最小可视角的值；被反射的多方向视图生成单元20’ ’和20’ ’ ’以目标三维图像关于合成反射镜40的像为要显示三维图像，透射多方向视图生成单元20和20’以目标三维图像要显示三维图像；该四个视图生成单元错位等角间隔排列，相对于图1所示系统，最终可以实现4倍视角范围的扩展。若采用η个多方向视图生成单元，采用同样规律设计，可以获得η倍视角范围。在本实施例中，也可以像实施例一一样引入空间鼠标单元100，同样实现互动式的三维图像显示。同时，该实施例中的多个多方位试图生产单元可以由多个复合多方向视图生成单元代替，同样设计原理，达到该实施例效果。实施例5
引入旋转反射镜的三维图像显示系统，上述实施例，受器件限制，均不能实现全视角的三维图像显示。在图1所示基于单个多方向视图生成单元的三维图像显示系统中，引入一个绕投影透镜21光轴旋转的旋转反射镜60，基于时分复用，可以实现360°全视角的三维图像显示，如图12所示。置于旋转平台50上的旋转反射镜60绕投影透镜21光轴高速旋转，确定其N个角位置:角位置1、角位置2…角位置N;在任意角位置η，获取虚置目标三维图像关于该位置旋转反射镜的镜像，定义为镜像η ；以镜像η为源，基于实施例1所述逆向光线追踪的方法，获取旋转反射镜处于角位置η时投影机构各微显示芯片需要投影的二维视图；旋转反射镜旋转到任意角位置时，各微显示芯片同步投影各自对应的二维视图，经旋转反射镜反射，基于人眼的视觉滞留，在真实的三维空间中，实现全视角虚置目标三维图像的复现显示。衍射膜70覆盖于旋转反射镜60的反射面上，对反射显示视图的衍射角进行更好的控制，在通过滤波孔径对衍射角进行控制的情况下，可以不使用衍射膜70。
该反射镜60为单面反射镜，其也可以采用双面反射镜代替，可以用两个多方向视图生成单元20从两个方向入射两个反射面，同时在相反两个方向的两个宽视角范围显示目标三维图像，降低对微显示芯片刷新频率的要求。若多方向视图生成单元20由实施例2、3、4所述复合多方向视图生成单元30或由它们经合成半反镜40组合形成的结构体代替，同样可以获得本实施例所述效果。由于旋转反射镜的阻挡，无法在图像生成空间引入空间鼠标。可以在投影透镜21和旋转反射镜60之间引入光路折转单元80和光路延伸单元90，空间分离显示三维图像和旋转反射镜60，如同实施例1 一样，引入空间空间鼠标单元，实现互动式的全视角三维显示,如图13所示。光路折转单元80由两个反射镜81构成,光路延伸单元90为一个焦距为f:的透镜，它们均随旋转平台一起和旋转反射镜同步旋转。采用上述方法，并引入图1所示鼠标单元，同理可以实现互动式的全视角三维图像显示。附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其特征在于，包括一窄带宽谱阵列生成单元，数量为至少一个，其包括具有相同分布结构的微显示芯片阵列、小透镜阵列和滤波孔径阵列，微显示芯片阵列各微显示芯片和滤波孔径阵列中对应滤波孔径分别处于小透镜阵列对应小透镜的前焦面和后焦面上，各微显示芯片投影的二维视图经对应小透镜转换，由对应滤波孔径滤波获得投影图像的窄带宽频谱信息； 一多方向视图生成单元，数量为至少一个，包括一个窄带宽谱阵列生成单元和一个投影透镜，该窄带宽谱阵列生成单元投影光信息入射该投影透镜； 一复合多方向视图生成单元，数量为至少一个，其包括至少两个窄带宽谱阵列生成单元、至少一个半反镜和一个投影透镜，该至少两个窄带宽谱阵列生成单元投影光信息经各半反镜透射或反射入射该投影透镜，各窄带宽谱阵列生成单元关于其对应透射面或反射面的像在空间上重合分布或在该投影透镜光轴的垂面内错位排列分布； 一合成半反镜，数量为至少一个，透射或反射多个多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影的光信息； 一旋转平台，绕轴旋转； 一旋转反射镜，随旋转平台旋转，数量为至少一个，旋转反射镜为单面反射镜或双面反射镜，反射多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影的光学信息； 一衍射膜，控制入射光束透射光或反射光衍射角的大小； 一光路折转单元，由至少一个反射或折射器件组成，各组成器件随旋转平台转动，该光路折转单元的数量为至少一个，折转多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影光信息的传输路径； 一光路延伸单元，由至少一个光学透镜组成，各组成器件可以固定也可以随旋转平台转动，其在空间分布上可以单独放置也可以和光路折转单元各组成器件穿插放置，该光路延伸单元的数量为至少一个，延长`多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影光路的长度或二次成像上述多方向视图生成单元或复合多方向视图生成单元投影光信息；一空间鼠标单元，其包括，操纵手柄、三维位移平台、置于该平台上的光标单元和置于上述操纵手柄上的左右两个功能键，该光标单元在复现三维图像的分布区域内引入一个光标作为空间鼠标对显示图像的空间内容进行指示； 一 I型控制单元，应用于不采用旋转反射镜的显示系统，由虚置目标三维图像通过光线反向追踪，获取各微显示芯片对应的二维视图；控制各微显示芯片同时投影对应二维视图，通过各二维视图传输光场的空间叠加生成真实分布于三维空间的目标三维图像；在系统引入空间鼠标单元且观察者单击右功能键时，反馈光标单元的空间位置，记录光标单元当前空间位置对应三维图像的像点，控制系统显示嵌入菜单的目标三维图像；观察者移动光标单元到显示的菜单选项并单击左功能键时，控制单元判定该选项被选定，根据选定选项的要求对目标三维图像进行后台图像处理，得到处理后的图像作为新的目标三维图像并控制系统显不; 一 II型控制单元，应用于采用了旋转反射镜的显示系统，对处于任意角位置的旋转反射镜，获取虚置目标三维图像关于该旋转反射镜的镜像，由该镜像通过光线反向追踪，获取旋转反射镜处于此角位置时各微显示芯片对应的二维视图；当旋转反射镜旋转到不同角位置时，控制各微显示芯片同步投影对应的二维视图，通过各二维视图传输光场的空间叠加，并经旋转反射镜反射生成分布于三维空间的目标三维图像；在系统引入空间鼠标单元且观察者单击右功能键时，反馈光标单元的空间位置，记录光标单元当前空间位置对应三维图像的像点，控制系统显示嵌入菜单的目标三维图像；观察者移动光标单元到显示的菜单选项并单击左功能键时，控制单元判定该选项被选定，根据选定选项的要求对目标三维图像进行后台图像处理，得到处理后的图像作为新的目标三维图像并控制系统显示； 一场镜，置于上述投影透镜后焦面上，调整各微显芯片投影光束的传播方向。
2.根据权利要求1所述的基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其特征在于:所述的投影透镜为单个透镜或多个透镜组合而成的透镜组。
3.根据权利要求1所述的基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其特征在于:所述的投影透镜可用衍射光学元件代替。
4.根据权利要求1所述的基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其特征在于:所述的光标单元为粗糙切割的光纤，耦合进光纤的光束出射时在光纤断面处形成一个发散光点，以该光点作为空间鼠标对该光点所在位置图像内容进行指示。
5.根据权利要求1所述的基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其特征在于:所述的光标单元为自行发光或反射外部投影光的物点或具有一定几何形状的结构物。
6.根据权利要求5所述的基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其特征在于:所述的自行发光的物点为LED或 OLED。
7.根据权利要求5所述的基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，其特征在于:所述的反射外部投影光的物点为粗糙荧光球。
8.基于微显示芯片阵列的三维图像显示方法，其特征在于包括权利要求1至7任一所述的基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，包括以下步骤: S1.建立xyz轴坐标，虚拟放置目标三维图像于以坐标系原点为中心的区域内； S2.构建显示系统的投影机构，该投影机构为单个多方向视图生成单元或单个复合多方向视图生成单元，或若干个两种生成单元通过合成半反镜组合而成的结构体；投影机构投射光信息可以直接显示目标三维图像，或入射场镜后直接显示目标三维图像；以目标三维图像为源，基于逆向光线追踪，获得投影机构各微显示芯片需要投影的二维视图；控制各微显示芯片同时投影各自对应的二维视图，复现显示大可视角虚置目标三维图像； S3.引入绕z轴旋转的旋转反射镜，确定其N个角位置:角位置1、角位置2...角位置N;在任意角位置n，获取虚置目标三维图像关于该位置旋转反射镜的镜像，定义为镜像η ;，投影机构投射光信息直接入射旋转反射镜后经反射显示目标三维图像，或入射场镜后经光路延伸单元转换再入射旋转反射镜显示目标三维图像；以镜像η为源，基于逆向光线追踪，获取旋转反射镜处于角位置η时投影机构各微显示芯片需要投影的二维视图；旋转反射镜旋转到任意角位置时，各微显示芯片同步投影各自对应的二维视图，经旋转反射镜反射，基于人眼的视觉滞留，在真实的三维空间中，实现全视角虚置目标三维图像的复现显示； S4.在显示三维图像中，引入空间鼠标，观察者通过三维位移平台移动空间鼠标移动到显示图像的任意位置，实现显示三维图像空间内容的三维鼠标指示；对采用旋转反射镜的显示系统，在投影透镜和旋转反射镜之间引入光路折转单元或光路延伸单元，或同时引入光路折转单元和光路延伸单元，空间分离虚置目标三维图像和旋转反射镜后再引入空间鼠标；. 55.当右功能键被单击时，系统记录空间鼠标单元的光标当前所指示像点，并采用上述步骤S2或S3显示嵌入菜单的目标三维图像；. 56.观察者移动空间鼠标到显示菜单的某选项处，单击左功能键，控制单元判定该选项被选定，并根据选定选项的要求对目标三维图像进行图像处理后得到新图像，以该处理后图像作为新的目标三维图像，采用上述步骤S2或S3，复现显示新的目标三维图像，实现互动的三维图像显示。
全文摘要
本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统和方法。基于微显示芯片阵列的三维图像显示系统，包括一旋转平台、至少一个窄带宽谱阵列生成单元、至少一个多方向视图生成单元、至少一个复合多方向视图生成单元、一旋转反射镜、至少一个衍射膜、至少一个合成半反镜、至少一个光路折转单元、至少一个光路延伸单元、一空间鼠标单元、控制单元、一场镜，通过合理设计图像投影光路，将投影视差图像的分布空间和目标图像显示区域进行空间上的分离，并在目标图像显示区域引入可以对显示三维图像进行指示和菜单操作的空间鼠标，实现互动式的三维图像显示。
文档编号G02B27/22GK103163722SQ201310055578
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者滕东东, 刘立林 申请人:中山大学