CN103809367B - 真三维显示***及真三维显示方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种真三维显示***和真三维显示方法，用于将K个视场图像光束对应射向K个视场，各视场图像光束包括多列光束。该***包括：成像屏幕，具有M组区域，每组区域包括H个小区域；M个投射装置，放置在成像屏幕的一侧，分别生成H套三维图像光束集，每套三维图像光束集包括K个视场图像光束的其中一列光束；以及M个光学压缩装置，每个光学压缩装置设于一个投射装置和成像屏幕的对应的一组区域之间；以及光学器件，设置在成像屏幕的另一侧，包括M＊H个组成部分，每个组成部分对应成像屏幕的一个小区域。M、N、H、K均为大于1的整数。本发明的真三维显示***和方法可形成分辨率高的图像并避免了由于视场图像交叉产生的图像模糊的问题。

Description

真三维显示***及真三维显示方法

技术领域

本发明涉及图像显示技术，尤其涉及一种真三维显示***以及真三维显示方法。

背景技术

所谓“真三维显示”是指被显示的三维物体之间的相对位置关系也被真实地体现，构成真正意义上的三维空间图像，具有真实物理深度和图像质量的表面特性，观察者不需要任何辅助设备就可以从多个方向任意观察被显示物体，感知最真实、完整的三维信息。真三维显示技术从根本上更新了图像显示的概念，使显示的图像栩栩如生，向观看者提供了完备的心理和生理上的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。

光场是描述物体在某一区域发光特性的一个函数。一般说来,光场函数G(x,y,z,a,b,t)，其为六维函数,其中(x,y,z)描述发光点三维位置,(a,b)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)，光场函数还会更为复杂。从光场理论出发，真三维显示***的目标,就是尽可能真实地重构并再现真实物体所产生的光场，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5，由于真实物体产生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。无限个数的视场无法进行工程实现。光场三维显示***的工作原理是,用有限个视场(如视场a-l)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，是光场三维显示技术的出发点。

现有技术中提出了一种应用多投影仪的多视场三维图像显示技术。

参考图6a，图6a为一种现有的采用多个投影仪进行正投影来产生三维显示效果的***示意图。每个投影仪61a对应每个视场产生相应的图像并投射在光学器件62a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)63a上，然后向对应的投影仪61a的方向反射回去。实际上光线透过光学器件两次,第一次光学器件将光线聚焦在反射散射屏63a上,第二次光学器件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不同的投影仪投射出的图像。如果这些投影仪分别投射出三维物体相应于该视场的图像，观察者便可以获得三维显示的视觉效果，到达真三维显示的目的。

参考图6b，与图6a中的***的原理基本相似，图6b中的三维显示***采用两个光学器件62b设置在反射散射屏63b的两侧，采用多个投影仪63b对应多个视场产生相应的图像并投射在一侧的光学器件62b上，光束被聚焦到反射散射屏(即平板显示屏幕)63b上，然后通过另一侧的光学器件62b的扩散，观众可从投影仪61b的对面观察到图像，实现了背投影。

图6a和6b所示的***采用多个投影仪，可以保留每个视场的分辨率,无需被视场个数来进行分割。然而这种技术也有其缺点：各个视场的投影图像很容易交叉干扰，致使图像模糊。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种图像清晰的真三维显示***及真三维显示方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种真三维显示***，用于将K个视场图像光束对应射向K个视场，各视场图像光束包括多列光束，包括：

成像屏幕，具有M组区域，每组区域包括H个小区域；

M个投射装置，放置在成像屏幕的一侧，每个投射装置用于生成H套三维图像光束集，M个投射装置生成的每套三维图像光束集包括K个视场图像光束的其中一列光束；

M个光学压缩装置，每个光学压缩装置设于M个投射装置中的对应的一个投射装置和成像屏幕的对应的一组区域之间，用于对对应的投射装置投射的H套三维图像光束集进行压缩并将压缩后的H套三维图像光束集输出至成像屏幕的对应的H个小区域；以及

光学器件，设置在成像屏幕的另一侧，所述光学器件包括M×H个组成部分，每个组成部分对应所述成像屏幕的一个小区域，所述光学器件每个组成部分用于对应地将投射至所述成像屏幕的各小区域中的三维图像光束集中的K列光束分别射向K个视场中。上述M、N、H、K均为大于1的整数。

为实现上述目的，本发明还提供了一种真三维显示方法，利用上述的真三维显示***将K个视场图像对应投射至K个视场，其特征在于，包括：

步骤一：M个投射装置同时投射各自生成的H套三维图像光束集；

步骤二：各光学压缩装置对对应的投射装置投射的H套三维图像光束集进行压缩，并将压缩后的H套三维图像光束集输出至成像屏幕的对应的H个小区域；

步骤三：光学器件的每个组成部分对应地将投射至成像屏幕的各小区域中的三维图像光束集中的K列光束分别射向K个视场中。

本发明的真三维显示***及方法采用M个投射装置生成多套三维图像光束集，采用光学压缩装置对生成的三维图像光束集进行压缩，每套所三维图像光束集包括K个视场图像光束的其中一列，则当每个投射装置生成多套三维图像光束集时，可在成像屏幕上产生分辨率较高的图像，而且，由于各视场之间没有图像交叉干扰，避免了图像模糊的问题。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明的真三维显示***的实施例1的结构示意图。

图2为位图1中的投射装置生成三维图像光束集以及对该三维图像光束集进行压缩的示意图。

图3为本发明的真三维显示***的实施例2的结构示意图。

图4为本发明的真三维显示方法的一种实施例的流程图。

图5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6a为现有技术中采用多个投影仪进行正投影的三维显示***的结构示意图。

图6b为现有技术中采用多个投影仪进行背投影的三维显示***的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明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更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本发明提供了一种真三维显示***，用于将K个视场图像光束对应射向K个视场，各视场图像光束包括多列光束，包括：

成像屏幕，具有M组区域，每组区域包括H个小区域；

M个投射装置，放置在成像屏幕的一侧，每个投射装置用于生成H套三维图像光束集，M个投射装置生成的每套三维图像光束集包括K个视场图像光束的其中一列光束；

M个光学压缩装置，每个光学压缩装置设于所述M个投射装置中的对应的一个投射装置和成像屏幕的对应的一组区域之间，用于对对应的投射装置投射的H套三维图像光束集进行压缩并将压缩后的H套三维图像光束集输出至成像屏幕的对应的一组区域；以及

光学器件，设置在成像屏幕的另一侧，光学器件包括M×H个组成部分，每个组成部分对应成像屏幕的一个小区域，光学器件每个组成部分用于对应地将投射至成像屏幕的各小区域中的三维图像光束集中的K列光束分别射向K个视场中。上述M、N、H、K均为大于1的整数。

可选地，光学器件为柱面镜阵列，柱面镜阵列包括多个柱面镜，各柱面镜作为光学器件的各组成部分。

可选地，光学器件为光栅，光栅的各栅孔作为光学器件的各组成部分。

可选地，光学压缩装置包括折射镜组件、反射镜组件或衍射元件组件。

可选地，M个投射装置生成的不同三维图像光束集中的对应列为相同视场图像光束的不同列光束。

真三维显示***的实施例1

参考图1，本发明的真三维显示***的实施例1包括M个投射装置010、M个光学压缩装置012、成像屏幕014、以及光学器件016。

成像屏幕014被划分为对应该M个投射装置010的M个大区域，如图1中的大区域R，每个大区域R被划分为H个小区域。

M个投射装置010放置在成像屏幕014的一侧，各投射装置010可为，例如投影仪。各投射装置010对应该成像屏幕014的一个大区域R。

光学器件016设于成像屏幕014的另一侧，本实施例中，光学器件016为柱面镜阵列，该柱面镜阵列包括M×H个柱面镜，每个柱面镜作为光学器件016的组成部分，且与成像屏幕014的一个小区域相对应。

也就是说，每个投射装置覆盖光学器件016的H个组成部分，即H个柱面镜。

各投射装置010生成H套图像光束集，每个图像光束集中具有K个视场图像光束的其中一列光束，即，各投射装置010生成H套图像光束集，每套图像光束集的第一列为对应第一视场的图像，第二列为对应第二视场的图像，以此类推，第K列为对应第K个视场的图像。

各投射装置010生成的各套图像光束集经对应的光学压缩装置进行压缩后投射至成像屏幕014上对应的小区域中，图像光束集中的各图像光束经对应的柱面镜折射至对应的视场中，处于该视场中的观众即可观察到三维图像。

本实施例中，光学压缩装置012将对应的投射装置010投射出的各三维图像光束集的水平宽度压缩至对应的柱面镜的宽度。

本实施例中，如果柱面镜宽度为w，投射装置010投射出的图像在水平方向的光束个数为N，则每个投射装置010覆盖的光学器件的组成部分的个数(即柱面镜)为N/K，投射装置010所投影的图像的宽度为L＝H×w。如果N＝800，K＝32，则柱面镜的个数为800/32＝25个，各投射装置010的投影图像的宽度L为25×1＝25mm。在这个例子中，每个投影装置010生成25套图像光束集，每套图像光束集具有32列视场图像，分别为32个视场图像的第i^th列。因此，每个视场的图像分辨率为25列。

参考图2，本实施例中，不同三维图像光束集的对应列为相同视场图像光束中的不同列光束，例如：

第一个投射装置010生成的第一图像光束集至第二十五图像光束集，第一图像光束集依次包括第一个视场图像的第一列、第二个视场图像的第一列……第K个视场图像的第一列；第二图像光束集依次包括第一个视场图像的第二列、第二个视场图像的第二列……第K个视场图像的第二列……；第二十五图像光束集依次包括第一个视场图像的第二十五列、第二个视场图像的第二十五列……第K个视场图像的第二十五列；

第二个投射装置010生成的第二十六至第五十图像光束集，第二十六图像光束集依次包括第一个视场图像的第二十六列、第二个视场图像的第二十六列……第K个视场图像的第二十六列；第二十七图像光束集依次包括第一个视场图像的第二十六、第二个视场图像的第二十六列……第K个视场图像的第二十六列……；第五十图像光束集依次包括第一个视场图像的第五十列、第二个视场图像的第五十列……第K个视场图像的第五十列。

……

第M个投射装置010生成的第M×25+1至(M+1)×25图像光束集，第M×25+1图像光束集中，依次包括第一个视场图像的第M×25+1列、第二个视场图像的第M×25+1列……第K个视场图像的第M×25+1列；……，第(M+1)×25图像光束集中，依次包括第一个视场图像的第(M+1)×25列、第二个视场图像的第(M+1)×25列……第k个视场图像的第(M+1)×25列。

也就是说，所有图像光束集中，各视场图像的第一列可通过第一个柱面镜折射到该K个视场(#1-#k)中，各视场图像的第二列通过可通过第二个柱面镜折射到该k个视场中，以此类推，各视场图像的第M×H列可通过第M×H个柱面镜折射到该K个视场中。

本实施例中，光学压缩装置012可包括折射镜组件，如图1中的凸透镜和凹透镜组成的折射镜组件。光学压缩装置012也可包括其它光学组件，例如反射镜组件或衍射元件组件，只要能对光束进行压缩即可。

本实施例中，M、N、H、K均为大于1的正整数。

真三维显示***的实施例2

参考图3，本发明的真三维显示***的实施例2包括M个投射装置030、M个光学压缩装置032、成像屏幕034、以及光学器件036。

本发明真三维显示***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，光学器件036为光栅，该光栅上设有多个栅孔，光栅的各栅孔作为该光学器件036的各组成部分，用于通过衍射的方式将对应的三维图像光束集中的K列光束射向对应的视场中。

真三维显示方法的实施例

参考图4，本发明还公开了一种真三维显示方法，利用上述真三维显示***，以将K个视场图像光束对应射向K个视场，其一种实施例包括以下步骤：

步骤S041：该M个投射装置同时投射各自生成的H套三维图像光束集；

步骤S043：各光学压缩装置对对应的投射装置投射的H套三维图像光束集进行压缩，并将压缩后的H套三维图像光束集输出至成像屏幕的对应的H个小区域；以及

步骤S045：光学器件的每个组成部分对应地将投射至成像屏幕的各小区域中的三维图像光束集中的K列光束分别射向K个视场中。

可选地，步骤S045包括：光学器件的各组成部分将对应的三维图像光束集中的K列光束折射至对应的视场。

可选地，步骤S045包括:光学器件的各组成部分将对应的三维图像光束集中的K列光束衍射至对应的视场。

可选地，在步骤S041中，M个投射装置生成的不同三维图像光束集中的对应列为相同视场图像光束的不同列光束。

例如，在步骤S045中，可通过例如柱面镜阵列或其它折射器件将各三维图像光束集中的K列光束分别折射至K个视场中，也可通过例如光栅或其它衍射器件将各三维图像光束集中的K列光束分别衍射至K个视场中。

可选地，在步骤S043中，各光学压缩装置可通过折射、反射或衍射的方式对对应的投射装置生成的H套三维图像光束集进行压缩。

本实施例中，M、N、H、K均为大于1的正整数.

本实施例所依据的原理以及具体的工作方式在对真三维显示***的实施例1、2中已有记载，不再赘述。

本发明的真三维显示***及方法采用M个投射装置生成多套三维图像光束集，采用光学压缩装置对生成的三维图像光束集进行压缩，每套所三维图像光束集包括K个视场图像光束的其中一列，则当每个投射装置生成多套三维图像光束集时，可在成像屏幕上产生分辨率较高的图像，而且，在对应于单个组成部分的成像屏幕的各小区域中投射多个清晰的视场图像，各视场之间没有图像交叉干扰，避免了图像模糊的问题。

在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明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，本发明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发明的公开内容将容易理解，根据本发明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在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种真三维显示***，用于将K个视场图像光束对应射向K个视场，各视场图像光束包括多列光束，其特征在于，包括：

成像屏幕，具有M组区域，每组区域包括H个小区域；

M个投射装置，放置在所述成像屏幕的一侧，每个投射装置用于生成H套三维图像光束集，所述M个投射装置生成的每套三维图像光束集包括所述K个视场图像光束的其中一列光束；

M个光学压缩装置，每个光学压缩装置设于所述M个投射装置中的对应的一个投射装置和所述成像屏幕的对应的一组区域之间，用于对对应的投射装置投射的H套三维图像光束集进行压缩并将压缩后的H套三维图像光束集输出至所述成像屏幕的对应的一组区域；以及

光学器件，设置在所述成像屏幕的另一侧，所述光学器件包括M×H个组成部分，每个组成部分对应所述成像屏幕的一个小区域，所述光学器件每个组成部分用于对应地将投射至所述成像屏幕的各小区域中的三维图像光束集中的K列光束分别射向K个视场中，

其中，所述M、H、K均为大于1的整数。

2.根据权利要求1所述的真三维显示***，其特征在于，所述光学器件为柱面镜阵列，所述柱面镜阵列包括多个柱面镜，各所述柱面镜作为所述光学器件的各组成部分。

3.根据权利要求1所述的真三维显示***，其特征在于，所述光学器件为光栅，所述光栅的各栅孔作为所述光学器件的各组成部分。

4.根据权利要求1所述的真三维显示***，其特征在于，各所述光学压缩装置包括折射镜组件、反射镜组件或衍射元件组件。

5.根据权利要求1所述的真三维显示***，其特征在于，所述M个投射装置生成的不同三维图像光束集中的对应列为相同视场图像光束的不同列光束。

6.一种真三维显示方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的真三维显示***将K个视场图像对应投射至K个视场，其特征在于，包括：

步骤一：所述M个投射装置同时投射各自生成的H套三维图像光束集；

步骤二：各所述光学压缩装置对对应的投射装置投射的H套三维图像光束集进行压缩，并将压缩后的H套三维图像光束集输出至所述成像屏幕的对应的H个小区域；

步骤三：所述光学器件的每个组成部分对应地将投射至所述成像屏幕的各小区域中的三维图像光束集中的K列光束分别射向K个视场中。

7.根据权利要求6所述的真三维显示方法，其特征在于，所述步骤三包括：

所述光学器件的各组成部分将对应的三维图像光束集中的K列光束折射至对应的视场。

8.根据权利要求6所述的真三维显示方法，其特征在于，所述步骤三包括:

所述光学器件的各组成部分将对应的三维图像光束集中的K列光束衍射至对应的视场。

9.根据权利要求6所述的真三维显示方法，其特征在于，各所述光学压缩装置通过折射、反射或衍射的方式对对应的投射装置生成的H套三维图像光束集进行压缩。

10.根据权利要求6所述的真三维显示方法，其特征在于，所述M个投射装置生成的不同三维图像光束集中的对应列为相同视场图像光束的不同列光束。