一种全分辨率裸眼3D信息显示系统

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一种全分辨率裸眼3d信息显示系统
技术领域
1.本发明涉及3d显示技术领域，特别是涉及一种全分辨率裸眼3d信息显示系统。

背景技术：

2.视觉作为人们获取世界认知的主要信息来源，特瑞东拉(法)于1967年的研究提出：人对这个世界的83％认识来源于视觉信息。围绕在现实世界的一切物体是三维、立体的，而传统的显示器只能显示2d平面图像，缺乏深度感的平面信息很大程度上制约了我们观察和认识这个复杂的真实物理空间。同时，我们大脑的将近50％功能用于处理视觉信息，2d显示器显示的平面信息图像很大程度上降低了大脑的利用率，因此，三维显示便成为了人们更高的显示追求。
3.3d显示能够提供全方位的、立体的视觉冲击感，被认为是信息显示技术的终极目标之一。而裸眼3d显示由于其不需要佩戴任何的助视设备，具有更广的应用前景，可被广泛应用于医疗、军事、广告、游戏娱乐等领域。而现今裸眼3d显示技术由于辐辏调节矛盾问题，导致人长期观看时会产生眼胀、头晕、恶心等症状，严重影响3d立体视觉体验效果，阻碍了裸眼3d显示技术的市场推广。此外，目前主流的裸眼3d显示技术都是通过图像分辨率空间分割的方式来实现多视角显示，且视角越多，得到的3d图像分辨率越低，难以实现全分辨率(full-resolution)3d显示效果。因此，辐辏调节矛盾和低分辨率图像是困扰裸眼3d显示技术市场推广应用的几个关键因素。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多焦面成像原理的全分辨率3d信息显示系统，不仅能够在视场范围内形成多焦面成像，实现单眼多焦面调节效果，大幅度缓解由于辐辏调节矛盾引起的视觉疲劳问题，而且能够通过时序投射或阵列投射的方式，在无需像素对准情况下，便能获得全分辨率3d显示效果，解决了裸眼3d显示中的辐辏调节矛盾和低分辨率图像等问题。
5.根据本发明的目的提出了一种全分辨率裸眼3d信息显示系统，包括激光投影仪，层叠式像素化结构光调制器和成像透镜。所述激光投影仪一方面用于提供显示系统所需的照明光源，另一方面通过时序投射或阵列投射的方式提供显示系统所需图像源；所述层叠式像素化结构光调制器用于对时序投射或阵列投射的图像信息分别进行空间调制，且无需像素对准，在其前方形成多焦面成像，实现立体图像信息的再现；所述成像透镜用于人眼成像，实现全分辨率裸眼3d视觉效果。
6.进一步地，所述激光投影仪由一个激光投影仪或者激光投影仪阵列组成。当为一个激光投影仪时，输入图像的方式为时序式输入，即激光投影仪投射图像的时间有先后顺序，且时序输入的频率为高频输入，满足人眼视觉暂留效果，每时刻投射的图像为一幅3d物体的景深图像信息，不同时刻投射的图像为3d物体的不同景深图像信息；当为激光投影仪阵列时，每个激光投影仪投射一幅3d物体的景深图像信息，不同激光投影仪投射3d物体的
不同景深图像信息。激光投影仪投射的3d物体的不同景深图像可由计算机根据图像信息提取而成，也可由相机拍摄而成。
7.进一步地，所述层叠式像素化结构光调制器由多层像素化结构光调制器组成，每层像素化结构光调制器由一组像素单元组成，各像素单元均匀地分布在像素化结构光调制器的出光面上。每层像素化结构光调制器均能够对入射光进行调制，并在其前方形成一定景深的焦平面，不同层像素化结构光调制器能够在其前方形成不同景深的焦平面。因此，所述层叠式像素化结构光调制器能够对激光投影仪投射的图像信息进行调制，形成多焦面成像，且无需像素对准，便能再现立体的三维图像信息。
8.进一步地，所述层叠式像素化结构光调制器中的每个像素单元由像素化光栅填充而成，像素化光栅的周期和取向角满足特定的计算公式，每个像素化光栅的参数能够根据入射光角度、成像焦面位置进行计算。
9.具体的，像素化光栅的周期λ和取向角满足以下关系式，其中，取向角指光栅槽方向与y轴的夹角：
[0010][0011][0012][0013][0014]
其中，c2＝a2+b2+2abcos(θ
1-θ2),θ1＝tan-1
(cosβ1/cosα1)+π/2,θ2＝tan-1
(cosβ2/cosα2)+π/2；a、b、c为中间值，θ1、θ2为中间角度；λ为入射光波长；α1、β1和γ1分别为入射光与x轴、y轴和z轴的夹角；α2、β2和γ2分别为衍射光与x轴、y轴和z轴的夹角，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线角度之后，通过上述4个公式计算出所需的像素化光栅的周期和取向角。
[0015]
进一步地，所述成像透镜用于对焦平面图像信息进行人眼成像，所述成像透镜原理为透镜成像原理，经所述成像透镜后，用户便能够在层叠式像素化结构光调制器的前方观看到3d图像。
[0016]
进一步地，本发明提出采用多焦面成像原理和时序投射或阵列投射的显示方式，通过激光投影仪和层叠式像素化结构光调制器相结合，形成无视觉疲劳的全分辨率裸眼3d显示效果。
[0017]
本发明的优势在于：第一，层叠式像素化结构光调制器能够将激光投影仪时序投射或阵列投射的不同景深图像信息进行空间调制，在其前方不同焦面处再现3d物体的深度信息，形成多焦面裸眼3d显示效果，是一种真3d显示技术，解决了3d显示中的辐辏调节矛盾问题，大大缓解了视觉疲劳；第二，该技术主要通过激光投影仪时序投射或阵列投射所需图像信息，并采用多层像素化结构光调制器分别调制输入的每一幅图像，且无需像素对准，再现的图像分辨率与2d显示相同，真正实现了全分辨率的3d显示，大幅度提高了裸眼3d显示的图像分辨率，特别适合大幅面显示应用领域，像医疗、军事、广告、游戏娱乐等。
附图说明
[0018]
本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0019]
图1是像素化光栅在xy平面下的结构图；
[0020]
图2是图1中的像素化光栅在xz平面下的结构图；
[0021]
图3是本发明实施方式下的一种像素化结构光调制器的工作原理图；
[0022]
图4是本发明实施方式下的一种层叠式像素化结构光调制器的工作原理图；
[0023]
图5是本发明实施方式下一种时序刷新投射式多焦面显示系统原理图；
[0024]
图6是本发明实施方式下一种阵列投射式多焦面显示系统原理图；
[0025]
图7是本发明实施方式下的一种时序刷新投射式全分辨率裸眼3d信息显示系统原理图；
[0026]
图8是本发明实施方式下的一种阵列投射式全分辨率裸眼3d信息显示系统原理图。
具体实施方式
[0027]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
正如背景技术中所述，辐辏调节矛盾和低分辨率图像等问题一直阻碍着裸眼3d显示技术的发展和市场应用的推广，采用多焦面显示技术和时序投射或阵列投射的显示方式，可以很好的解决辐辏调节矛盾和低分辨率图像这两个核心问题，能够得到本领域技术人员的青睐，成为未来最有可能大规模应用在裸眼3d显示系统中的技术之一。本发明采用衍射光学理论、多焦面成像技术与激光投影显示技术相结合，形成一种大幅面、无视觉疲劳的全分辨率裸眼3d显示效果。
[0029]
请先参见图1和图2，图1和图2是一个像素化光栅在xy平面和xz平面下的结构示意图。根据衍射光学理论，像素化光栅101的取向角(光栅槽方向与y轴的夹角)和周期λ满足以下关系：
[0030][0031][0032][0033][0034]
其中：
[0035]
c2＝a2+b2+2abcos(θ
1-θ2)；
[0036]
θ1＝tan-1
(cosβ1/cosα1)+π/2；
[0037]
θ2＝tan-1
(cosβ2/cosα2)+π/2；
[0038]
a、b、c为中间值，θ1、θ2为中间角度；λ为入射光波长；α1,β1,和γ1分别为入射光201与x轴，y轴和z轴的夹角；α2,β2,和γ2分别为衍射光202与x轴，y轴和z轴的夹角。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线角度之后，就可以通过上述4个公式计算出所需的像素化光栅的周期和取向角。
[0039]
按照上述原理，在层叠式像素化结构光调制器的每一层出光面上制作出一组按需设定的像素化光栅的结构，可以对激光投影仪投射的每幅图像信息分别进行空间调制，在其前方再现出立体的三维图像信息。
[0040]
本发明的技术原理是：激光投影仪分时序投射或阵列投射多幅连续景深图像，分别经对应层的像素化结构光调制器空间调制，将连续景深图像进行空间重建，并在其前方形成3d物体信息的再现。像素化结构光调制器中包含的像素化光栅的参数满足上述求出的方程(1)-(4)。像素化光栅是对投射的图像进行空间重建，每层像素化结构光调制器中的像素化光栅能够将特定景深的图像投射到与其特定距离的焦平面上成像，多层像素化结构光调制器能够将不同景深的图像投射到与其不同距离的焦平面上成像，连续的焦平面形成了连续景深的图像，经成像透镜，人眼便能够观察到3d立体图像。由于本发明采用的是多焦面成像原理和时序投射或阵列投射的图像输入方式，图像分辨率无分割，结合层叠式像素化结构光调制器，可解决3d显示中辐辏调节矛盾和低分辨率等问题，实现无视觉疲劳的全分辨真3d显示效果。
[0041]
下面，将对本发明的技术方案进行具体实施方式的详细介绍。
[0042]
请参照图3，图3是本发明实施方式下的一种像素化结构光调制器的工作原理图。该像素化结构光调制器301的出光面由像素化光栅单元组成(例如301(a)-301(i))，该像素化结构光调制器中每个光栅单元均能够对出射光进行调制，并会聚形成相同的焦平面(例如焦平面a)，焦平面上的像点都是由每个像素化光栅单元调制而成，例如焦平面a上的像素点a1-a9分别由像素化结构光调制器301上的像素化光栅301(a)-301(i)所成。为了实现这种精准投射成像，像素化结构光调制器301上的像素化光栅的参数(周期和取向角)都不相同，首先需根据像素化光栅的位置坐标和成像点的位置坐标确定衍射角度，再结合入射光波长和入射角度，通过方程(1)-(4)进行精确计算而得，具体的成像点坐标将由实际所需呈现的3d物体的图像信息所决定。
[0043]
请参照图4，图4是本发明实施方式下的一种层叠式像素化结构光调制器的工作原理图。层叠式像素化结构光调制器由多层像素化结构光调制器组成(例如由像素化结构光调制器401-403组成)，每层像素化结构光调制器调制形成不同的焦平面，例如像素化结构光调制器401形成焦平面1，像素化结构光调制器402形成焦平面2，像素化结构光调制器403形成焦平面3。具体而言，每层像素化结构光调制器中的每个子像素可以通过衍射的方式形成焦平面上的像点，例如像素化结构光调制器401中的子像素401(a)-401(c)分别形成焦平面1中的像点a1-a3，像素化结构光调制器402中的子像素402(a)-402(c)分别形成焦平面2中的像点b1-b3,像素化结构光调制器403中的子像素403(a)-403(c)分别形成焦平面3中的像点c1-c3。为了实现这种精准投射成像，层叠式像素化结构光调制器上的像素化光栅的参数(周期和取向角)都不相同，首先需根据像素化光栅的位置坐标和成像点的位置坐标确定
衍射角度，再结合入射光波长和入射角度，通过方程(1)-(4)进行精确计算而得，具体的成像点坐标将由实际所需呈现的3d物体的图像信息所决定。
[0044]
请参照图5，图5是本发明实施方式下一种时序刷新投射式多焦面显示系统原理图。该显示系统包括激光投影仪501，层叠式像素化结构光调制器(例如包括三层像素化结构光调制器502-504)和成像透镜505。其中激光投影仪501一方面用于提供照明光，另一方面用于分时序投射不同图像信息于不同的像素化结构光调制器上，例如字母a图像投射到像素化结构光调制器502上；字母b图像投射到像素化结构光调制器503上；字母c图像投射到像素化结构光调制器504上。图像经对应的像素化结构光调制器中的像素化光栅单元调制后，能够成像于不同焦平面上,且无需像素对准，例如像素化光栅单元502(a)和502(b)成像于焦平面1上，像素化光栅单元503(a)和503(b)成像于焦平面2上，像素化光栅单元504(a)和504(b)成像于焦平面3上。最后，经过成像透镜505，人眼能够在不同焦平面上观看到不同的图像信息(例如，在焦平面1上观看到字母a图像，在焦平面2上观看到字母b图像，在焦平面3上观看到字母c图像)，实现多焦面成像显示效果。因此，激光投影仪分时序投射的图像越多，像素化结构光调制器层数越多，得到的焦平面将会越多。
[0045]
请参照图6，图6是本发明实施方式下一种阵列投射式多焦面显示系统原理图。该显示系统包括激光投影仪阵列(例如由激光投影仪601(a)-601(c)等呈圆形排列组成)，层叠式像素化结构光调制器(例如包括三层像素化结构光调制器602-604)和成像透镜605。其中激光投影仪阵列一方面用于提供照明光，另一方面用于投射不同图像信息于不同的像素化结构光调制器层上，例如激光投影仪601(a)将字母a图像投射到像素化结构光调制器602上；激光投影仪601(b)将字母b图像投射到像素化结构光调制器603上；激光投影仪601(c)将字母c图像投射到像素化结构光调制器604上。图像经对应的像素化结构光调制器中的像素化光栅单元调制后，能够成像于不同焦平面上,且无需像素对准，例如像素化光栅单元602(a)和602(b)成像于焦平面1上，像素化光栅单元603(a)和603(b)成像于焦平面2上，像素化光栅单元604(a)和604(b)成像于焦平面3上。最后，经过成像透镜605，人眼能够在不同焦平面上观看到不同的图像信息(例如，在焦平面1上观看到字母a图像，在焦平面2上观看到字母b图像，在焦平面3上观看到字母c图像)，实现多焦面成像显示效果。因此，激光投影仪越多，投射的图像越多，像素化结构光调制器层数越多，得到的焦平面将会越多。
[0046]
请参照图7，图7是本发明实施方式下的一种时序刷新投射式全分辨率裸眼3d信息显示系统原理图。该显示系统包括激光投影仪701，层叠式像素化结构光调制器(例如包括三层像素化结构光调制器702-704)和成像透镜705。其中激光投影仪701一方面用于提供照明光，另一方面用于分时序投射3d物体的不同景深图像信息于不同的像素化结构光调制器上，例如3d物体的景深图像1(例如：显示圆柱体后部分)投射到像素化结构光调制器702上；3d物体的景深图像2(例如：显示圆柱体与正方体交叉部分)投射到像素化结构光调制器703上；3d物体的景深图像3(例如：显示正方体前部分)投射到像素化结构光调制器704上。不同景深图像经对应的像素化结构光调制器中的像素化光栅单元调制后，能够再现成像于不同焦平面(景深)处,且无需像素对准，例如像素化光栅单元702(a)和702(b)成像于焦平面1上，像素化光栅单元703(a)和703(b)成像于焦平面2上，像素化光栅单元704(a)和704(b)成像于焦平面3上。因此，3d图像信息能够在不同焦深(景深)处再现，经过成像透镜705，人眼能够在其前方观看到3d立体图像(例如：观看到圆柱体和正方体组合立体图像)。由于显示
的图像像素没有被分割，因此，只要激光投影仪时序投射频率足够高，并经足够多层像素化结构光调制器，形成连续的焦平面分布，便能观看到全分辨率的真3d显示效果。
[0047]
请参照图8，图8是本发明实施方式下的一种阵列投射式全分辨率裸眼3d信息显示系统原理图。该显示系统包括激光投影仪阵列(例如由激光投影仪801(a)-801(c)等呈圆形排列组成)，层叠式像素化结构光调制器(例如包括三层像素化结构光调制器802-804)和成像透镜805。其中激光投影仪阵列一方面用于提供照明光，另一方面用于投射3d物体的不同景深图像信息于不同的像素化结构光调制器上，例如激光投影仪801(a)将3d物体的景深图像1(例如：显示圆柱体后部分)投射到像素化结构光调制器802上；激光投影仪801(b)将3d物体的景深图像2(例如：显示圆柱体与正方体交叉部分)投射到像素化结构光调制器803上；激光投影仪801(c)将3d物体的景深图像3(例如：显示正方体前部分)投射到像素化结构光调制器804上。不同景深图像经对应的像素化结构光调制器中的像素化光栅单元调制后，能够再现成像于不同焦平面(景深)处,且无需像素对准，例如像素化光栅单元802(a)和802(b)成像于焦平面1上，像素化光栅单元803(a)和803(b)成像于焦平面2上，像素化光栅单元804(a)和804(b)成像于焦平面3上。因此，3d图像信息能够在不同焦深(景深)处再现，经过成像透镜805，人眼能够在其前方观看到3d立体图像(例如：观看到圆柱体和正方体组合立体图像)。由于显示的图像像素没有被分割，因此，只要足够多激光投影仪，经足够多层像素化结构光调制器，形成连续的焦平面分布，便能观看到全分辨率的真3d显示效果。
[0048]
本发明上述的层叠式像素化结构光调制器，其出光面上的像素化光栅可以采用光刻技术以及纳米压印进行制作。需要指出的是，在本发明中，既可以采用光刻方法在层叠式像素化结构光调制器表面刻蚀制作出各个不同参数的像素化光栅，也可以通过该光刻方法先制作出能够用于压印的掩模，然后通过纳米压印技术大批量的在层叠式像素化结构光调制器上压印出上述像素化光栅的图案。
[0049]
综上所述，本发明公开了一种全分辨率裸眼3d信息显示系统。在本发明中，激光投影仪可由其他投影显示设备替代，例如led投影仪等，其排列方式可呈圆形排列，也可呈其他形状排列，例如矩形，椭圆形等。层叠式像素化结构光调制器衍射方式可为透射式衍射和反射式衍射两种。
[0050]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0051]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种全分辨率裸眼3d信息显示系统，包括激光投影仪，层叠式像素化结构光调制器和成像透镜，所述激光投影仪一方面用于提供显示系统所需的照明光源，另一方面通过时序投射或阵列投射的方式提供显示系统所需图像源；所述层叠式像素化结构光调制器用于对时序投射或阵列投射的图像信息分别进行空间调制，且无需像素对准，在其前方形成多焦面成像，实现立体图像信息的再现；所述成像透镜用于人眼成像，形成3d视觉效果；所述激光投影仪由一个激光投影仪或者激光投影仪阵列组成，当激光投影仪为一个激光投影仪时，输入图像的方式为高频时序式输入，每时刻投射的图像为一幅3d物体的景深图像信息，不同时刻投射的图像为3d物体的不同景深图像信息；当激光投影仪为激光投影仪阵列时，每个激光投影仪投射一幅3d物体的景深图像信息，不同激光投影仪投射3d物体的不同景深图像信息；所述层叠式像素化结构光调制器由多层像素化结构光调制器组成，每层像素化结构光调制器由一组像素单元组成，各像素单元均匀地分布在像素化结构光调制器的出光面上，每个像素单元由像素化光栅填充而成，像素化光栅的周期λ和取向角满足以下关系式，其中，取向角指光栅槽方向与y轴的夹角：指光栅槽方向与y轴的夹角：指光栅槽方向与y轴的夹角：指光栅槽方向与y轴的夹角：其中，c2＝a2+b2+2abcos(θ
1-θ2),θ1＝tan-1
(cosβ1/cosα1)+π/2,θ2＝tan-1
(cosβ2/cosα2)+π/2；a、b、c为中间值，θ1、θ2为中间角度；λ为入射光波长；α1、β1和γ1分别为入射光与x轴、y轴和z轴的夹角；α2、β2和γ2分别为衍射光与x轴、y轴和z轴的夹角，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线角度之后，通过上述4个公式计算出所需的像素化光栅的周期和取向角。

技术总结

一种全分辨率裸眼3D信息显示系统，包括激光投影仪，层叠式像素化结构光调制器和成像透镜。激光投影仪用于提供显示系统所需的照明光源、以及用于通过时序投射或阵列投射的方式提供显示系统所需图像源；层叠式像素化结构光调制器用于对时序投射或阵列投射的图像信息分别进行空间调制，且无需像素对准，在其前方形成多焦面成像，实现立体图像信息的再现；成像透镜用于人眼成像，形成裸眼3D显示效果。激光投影仪投射的图像为3D物体在不同景深处的图像，分别经对应的像素化结构光调制器中的像素化光栅调制后，在其前方多个焦平面重建图像，由于没有图像分辨率的分割，因此形成的3D图像分辨率与2D显示器分辨率相同，即可实现全分辨率裸眼3D显示效果。率裸眼3D显示效果。率裸眼3D显示效果。