專利名稱：基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
由于二維顯示難以清楚準確表達第三維的深度信息，人們一直在致力于研究可顯示立體場景的顯示技術(shù)——三維圖像顯示技術(shù)。目前比主要的三維技術(shù)為體視三維圖像顯示技術(shù)，通過給觀察者的雙目提供不同視角的平面圖像，由人腦合成獲取三維顯示效果，存在雙眼視圖聚焦距離和匯聚距離不一致的問題，容易造成觀察者視覺疲勞，且受顯示系統(tǒng)所能提供視差圖像數(shù)量的限制，現(xiàn)有體視技術(shù)所能實現(xiàn)的顯示視角往往時有限的。全息顯示技術(shù)可以同時復(fù)現(xiàn)位相和振幅信息，從理論上來講，是最理想的三維顯示技術(shù)，但受現(xiàn)有光調(diào)制器件技術(shù)的限制，其顯示圖像的空間帶寬積往往是有限的，還達不到實際應(yīng)用對該技術(shù)的要求。另外一方面，就像在電腦屏幕可以使用鼠標對顯示的二維視圖進行鼠標指示和菜單操作一樣，人們希望在顯示的三維圖像也可以通過一個三維鼠標對顯示內(nèi)容進行像點指示和菜單操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷，提供基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)和方法，其采用一定刷新頻率的微顯示芯片陣列，通過空間復(fù)用或空間復(fù)用和時間復(fù)用的結(jié)合，實現(xiàn)大視角，甚至是全視角真實三維圖像顯示。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其中，包括
一窄帶寬譜陣列生成單元，數(shù)量為至少一個，其包括具有相同分布結(jié)構(gòu)的微顯示芯片陣列、小透鏡陣列和濾波孔徑陣列，微顯示芯片陣列各微顯示芯片和濾波孔徑陣列中對應(yīng)濾波孔徑分別處于小透鏡陣列對應(yīng)小透鏡的前焦面和后焦面上，各微顯示芯片投影的二維視圖經(jīng)對應(yīng)小透鏡轉(zhuǎn)換，由對應(yīng)濾波孔徑濾波獲得投影圖像的窄帶寬頻譜信息；
一多方向視圖生成單元，數(shù)量為至少一個，包括一個窄帶寬譜陣列生成單元和一個投影透鏡，該窄帶寬譜陣列生成單元投影光信息入射該投影透鏡；
一復(fù)合多方向視圖生成單元，數(shù)量為至少一個，其包括至少兩個窄帶寬譜陣列生成單元、至少一個半反鏡和一個投影透鏡，該至少兩個窄帶寬譜陣列生成單元投影光信息經(jīng)各半反鏡透射或反射入射該投影透鏡，各窄帶寬譜陣列生成單元關(guān)于其對應(yīng)透射面或反射面的像在空間上重合分布或在該投影透鏡光軸的垂面內(nèi)錯位排列分布；
一合成半反鏡，數(shù)量為至少一個，透射或反射多個多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影的光信息；
一旋轉(zhuǎn)平臺，繞軸旋轉(zhuǎn)；
一旋轉(zhuǎn)反射鏡，隨旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)，數(shù)量為至少一個，旋轉(zhuǎn)反射鏡為單面反射鏡或雙面反射鏡，反射多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影的光學(xué)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；
一光路折轉(zhuǎn)單元，由至少一個反射或折射器件組成，各組成器件隨旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動，該光路折轉(zhuǎn)單元的數(shù)量為至少一個，折轉(zhuǎn)多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影光信息的傳輸路徑；
一光路延伸單元，由至少一個光學(xué)透鏡組成，各組成器件可以固定也可以隨旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動，其在空間分布上可以單獨放置也可以和光路折轉(zhuǎn)單元各組成器件穿插放置，該光路延伸單元的數(shù)量為至少一個，延長多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影光路的長度或二次成像上述多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影光信息；一空間鼠標單元，其包括，操縱手柄、三維位移平臺、置于該平臺上的光標單元和置于上述操縱手柄上的左右兩個功能鍵，該光標單元在復(fù)現(xiàn)三維圖像的分布區(qū)域內(nèi)引入一個光標作為空間鼠標對顯示圖像的空間內(nèi)容進行指示；
一 I型控制單元，應(yīng)用于不采用旋轉(zhuǎn)反射鏡的顯示系統(tǒng)，由虛置目標三維圖像通過光線反向追蹤，獲取各微顯示芯片對應(yīng)的二維視圖；控制各微顯示芯片同時投影對應(yīng)二維視圖，通過各二維視圖傳輸光場的空間疊加生成真實分布于三維空間的目標三維圖像；在系統(tǒng)引入空間鼠標單元且觀察者單擊右功能鍵時，反饋光標單元的空間位置，記錄光標單元當前空間位置對應(yīng)三維圖像的像點，控制系統(tǒng)顯示嵌入菜單的目標三維圖像；觀察者移動光標單元到顯示的菜單選項并單擊左功能鍵時，控制單元判定該選項被選定，根據(jù)選定選項的要求對目標三維圖像進行后臺圖像處理，得到處理后的圖像作為新的目標三維圖像并控制系統(tǒng)顯不;
一 II型控制單元，應(yīng)用于采用了旋轉(zhuǎn)反射鏡的顯示系統(tǒng)，對處于任意角位置的旋轉(zhuǎn)反射鏡，獲取虛置目標三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)反射鏡的鏡像，由該鏡像通過光線反向追蹤，獲取旋轉(zhuǎn)反射鏡處于此角位置時各微顯示芯片對應(yīng)的二維視圖；當旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)到不同角位置時，控制各微顯示芯片同步投影對應(yīng)的二維視圖，通過各二維視圖傳輸光場的空間疊加，并經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡反射生成分布于三維空間的目標三維圖像；在系統(tǒng)引入空間鼠標單元且觀察者單擊右功能鍵時，反饋光標單元的空間位置，記錄光標單元當前空間位置對應(yīng)三維圖像的像點，控制系統(tǒng)顯示嵌入菜單的目標三維圖像；觀察者移動光標單元到顯示的菜單選項并單擊左功能鍵時，控制單元判定該選項被選定，根據(jù)選定選項的要求對目標三維圖像進行后臺圖像處理，得到處理后的圖像作為新的目標三維圖像并控制系統(tǒng)顯示；
一場鏡，置于上述投影透鏡后焦面上，調(diào)整各微顯芯片投影光束的傳播方向。進一步的，所述的投影透鏡為單個透鏡或多個透鏡組合而成的透鏡組。進一步的，所述的投影透鏡可用衍射光學(xué)元件代替。進一步的，所述的光標單元為粗糙切割的光纖，耦合進光纖的光束出射時在光纖斷面處形成一個發(fā)散光點，以該光點作為空間鼠標對該光點所在位置圖像內(nèi)容進行指示?？蛇x的，所述的光標單元為自行發(fā)光或反射外部投影光的物點或具有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)物。進一步的，所述的自行發(fā)光的物點為LED或0LED。所述的反射外部投影光的物點為粗糙熒光球?；谖@示芯片陣列的三維圖像顯示方法，包括以下步驟: 51.建立xyz軸坐標，虛擬放置目標三維圖像于以坐標系原點為中心的區(qū)域內(nèi)；
52.構(gòu)建顯示系統(tǒng)的投影機構(gòu)，該投影機構(gòu)為單個多方向視圖生成單元或單個復(fù)合多方向視圖生成單元，或若干個兩種生成單元通過合成半反鏡組合而成的結(jié)構(gòu)體；投影機構(gòu)投射光信息可以直接顯示目標三維圖像，或入射場鏡后直接顯示目標三維圖像；以目標三維圖像為源，基于逆向光線追蹤，獲得投影機構(gòu)各微顯示芯片需要投影的二維視圖；控制各微顯示芯片同時投影各自對應(yīng)的二維視圖，復(fù)現(xiàn)顯示大可視角虛置目標三維圖像；
53.引入繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)反射鏡，確定其N個角位置:角位置1、角位置2...角位置N;在任意角位置n，獲取虛置目標三維圖像關(guān)于該位置旋轉(zhuǎn)反射鏡的鏡像，定義為鏡像η ;，投影機構(gòu)投射光信息直接入射旋轉(zhuǎn)反射鏡后經(jīng)反射顯示目標三維圖像，或入射場鏡后經(jīng)光路延伸單元轉(zhuǎn)換再入射旋轉(zhuǎn)反射鏡顯示目標三維圖像；以鏡像η為源，基于逆向光線追蹤，獲取旋轉(zhuǎn)反射鏡處于角位置η時投影機構(gòu)各微顯示芯片需要投影的二維視圖；旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)到任意角位置時，各微顯示芯片同步投影各自對應(yīng)的二維視圖，經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡反射，基于人眼的視覺滯留，在真實的三維空間中，實現(xiàn)全視角虛置目標三維圖像的復(fù)現(xiàn)顯示；
54.在顯示三維圖像中，引入空間鼠標，觀察者通過三維位移平臺移動空間鼠標移動到顯示圖像的任意位置，實現(xiàn)顯示三維圖像空間內(nèi)容的三維鼠標指示；對采用旋轉(zhuǎn)反射鏡的顯示系統(tǒng)，在投影透鏡和旋轉(zhuǎn)反射鏡之間引入光路折轉(zhuǎn)單元或光路延伸單元，或同時引入光路折轉(zhuǎn)單元和光路延伸單元，空間分離虛置目標三維圖像和旋轉(zhuǎn)反射鏡后再引入空間鼠標；
55.當右功能鍵被單擊時，系統(tǒng)記錄空間鼠標單元的光標當前所指示像點，并采用上述步驟S2或S3顯示嵌入菜單的目標三維圖像；
56.觀察者移動空間鼠標到顯示菜單的某選項處，單擊左功能鍵，控制單元判定該選項被選定，并根據(jù)選定選項的要求對目標三維圖像進行圖像處理后得到新圖像，以該處理后圖像作為新的目標三維圖像，采用上述步驟S2或S3，復(fù)現(xiàn)顯示新的目標三維圖像，實現(xiàn)互動的三維圖像顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:本發(fā)明通過微顯示芯片的合成陣列，空間非相干疊加其同步投影二維視圖的傳輸光場，生成分布于三維空間的真實三維圖像；借助于高速旋轉(zhuǎn)反射鏡的空間掃描，基于人眼的視覺滯留，實現(xiàn)360度可視的真三維圖像顯示。以市場上現(xiàn)有的OLED微顯示芯片，在目標圖像顯示區(qū)域引入可以對顯示三維圖像進行指示和菜單操作的空間鼠標，采用本技術(shù)即可實現(xiàn)互動式的三維圖像顯示。


圖1是本發(fā)明實施例1互動式基于單個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明實施例1基于單個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)光路示意圖。圖3是本發(fā)明實施例1引入場鏡的基于單個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明實施例1窄帶寬譜陣列生成單元所采用的矩形點陣排列示意圖。圖5是本發(fā)明實施例1窄帶寬譜陣列生成單元所采用的正六邊形點陣排列示意圖。圖6是本發(fā)明實施例1矩形點陣排列的窄帶寬譜陣列生成單元對應(yīng)可視角范圍示意圖。圖7是本發(fā)明實施例1含選項圖標的嵌入菜單。圖8是本發(fā)明實施例2基于單個復(fù)合多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本發(fā)明實施例3復(fù)合多方向視圖生成單元所含各個窄帶寬譜陣列點陣分布示意圖。圖10是本發(fā)明實施例3基于多個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡示圖。圖11是本發(fā)明實施例4視角擴展的基于多個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖12是本發(fā)明實施例5引入旋轉(zhuǎn)反射鏡的基于單個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖13是本發(fā)明實施例5引入空間鼠標的基于單個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。10、10’、10’’:窄帶寬譜陣列生成單元11:微顯示芯片陣列 12:小透鏡陣列13:濾波孔徑陣列
20、20’、20’’、20’’’:多方向視圖生成單元
21、21’、21’’、21’’’:投影透鏡
30:復(fù)合多方向視圖生成單元31、31’:半反鏡
40,40':合成半反鏡 50:旋轉(zhuǎn)平臺 60:旋轉(zhuǎn)反射鏡 70:衍射膜
80:光路折轉(zhuǎn)單元81:反射鏡
90:光路延伸單元
100:空間鼠標單元101:三維位移平臺
102:光標單元103:操縱手柄
104:功能鍵
110:1型控制單元
120:11型控制單元
130:場鏡
具體實施例方式附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。本發(fā)明采用單個或多個微顯示芯片陣列，基于空間復(fù)用和時分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)互動式大視角甚至全視角真實三維圖像顯示系統(tǒng)。實施例1
基于單個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)，采用單個多方向視圖生成單元20的三維圖像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:窄帶寬譜陣列生成單元10由相同面點陣結(jié)構(gòu)的微顯示芯片陣列11、小透鏡陣列12和濾波孔徑陣列13組成，其中矩形微顯芯片的分辨率為mXn，像素間距為Sd，小透鏡的焦距為f〃，濾波孔徑直徑為δ Φ，微顯示芯片陣列11和濾波孔徑陣列13分別置于小透鏡的前后焦平面上，陣列節(jié)點沿X和y向的間距均為Λ d ;一個窄帶寬譜陣列生成單元10和一個焦距為f的投影透鏡21組合為一個多方向視圖生成單元20，其中窄帶寬譜陣列生成單元10的濾波孔徑陣列13所處平面和投影透鏡21的距離為U，投影透鏡后焦面和z軸的交點為系統(tǒng)坐標原點O ;空間鼠標單元100由三維位移平臺101、置于該平臺上的光標單元102、操縱手柄103和置于其上的左右兩個功能鍵104，其中置于三維位移平臺101上的光標單元102可以由觀察者控制在系統(tǒng)坐標原點附近空間進行自由移動型控制單元110通過信號線連接微顯示芯片陣列11和空間鼠標單元100。圖2是基于單個多方向視圖生成單元20的顯示系統(tǒng)的光路示意圖。單個微顯芯片投影的圖像經(jīng)對應(yīng)小透鏡變換，在濾波孔徑陣列面上得到其頻譜分布；小尺寸的濾波孔徑會濾除其高頻信息，僅允許窄帶寬的低頻信息通過，其帶寬取決于小透鏡焦距f"和濾波孔徑直徑δ Φ ;濾波孔徑陣列11距離投影透鏡21的物距為U，其關(guān)于投影透鏡21的像面距離投影透鏡21為V。假設(shè)濾波孔徑直徑δ Φ為理想的小，只允許零頻光通過，則各濾波孔徑發(fā)出的光經(jīng)投影透鏡21，與其后焦面相交于同一矩形區(qū)域，圖2的ΡΡ’即為此區(qū)域與Xz面相交線段；在該區(qū)域等間距確定一恰好覆蓋該區(qū)域的mXn點陣列，本專利定義此點陣列為基準點陣列，其分布的區(qū)域為基準點陣列分布區(qū)域。對任一微顯示芯片，沿主光線傳輸路徑的逆向，連接基準點陣列的mXn個點和其對應(yīng)濾波孔徑中心點，得到mX η個過基準點的直線，在本實施例中即為直接連接基準點陣列的mXn個點和其對應(yīng)濾波孔徑關(guān)于投影透鏡21的像的中心點得到的mXn個連線。這些直線和虛置于系統(tǒng)原點附近區(qū)域的目標三維圖像相交得到mXn個交點，其對應(yīng)的mXn個光強值即為該微顯芯片需要投影二維視圖mXn個像素點的灰度值。當連線和目標三維圖像有兩個或多個交點時，對于非透明目標圖像，沿光傳輸方向取最后一個交點的光強值作為對應(yīng)像素點的灰度值；對于透明或半透明的目標圖像，取各個交點等效光強值的和作為對應(yīng)像素點的灰度值，該等效光強值為交點本身物理光強值乘以考慮遮擋對其光強的吸收而引入的等效系數(shù)。當連線和目標三維圖像沒有相交時，對應(yīng)像素點的值取背景灰度值。這樣，可以獲得各微顯芯片需要顯示的二維視圖信息。在圖1中，當濾波孔徑陣列11距離投影透鏡21的物距為u不等于投影透鏡21的焦距f時，可以在投影透鏡21的后焦面上引入一個焦距為u+v的場鏡130，如圖3所示。受場鏡130作用，投影透鏡21的后焦面上各基準點來自于同一微顯芯片的主光線相互平行，也就是說，引入場鏡130后，顯示各物點的可視角具有完全相同的方向和分布范圍。此時采用上述光線逆向追蹤的方法，可知各微顯芯片投影視圖為目標三維圖像的一個特定方向視圖，其方向為該微顯芯片對應(yīng)濾波孔徑關(guān)于投影透鏡21的像的中心點與場鏡中心連線方向。本專利以下實施例中，不再引入場鏡，但均可根據(jù)需要引入場鏡，均基于上述光線逆向追蹤方法獲得各微顯芯片需要顯示的二維視圖信息。
不考慮小透鏡有效孔徑的限制，各微顯芯片投影的物點具有約arcsinO Φ/f〃)大小的視角；而該物點來自相鄰微顯示芯片投影光束的夾角為該相鄰微顯示芯片間距和投影透鏡21焦距f比值的反正弦角，如圖2，在XZ面內(nèi)，系統(tǒng)顯示物點來自相鄰微顯示芯片投影光束的夾角約為arcsin(Ad/ f)。選擇合適的δ Φ，令arcsin ( δ Φ/ f〃) =arcsin(Ad/ f),當arcsin ( Δ d/ f)比較小時，系統(tǒng)各微顯示芯片同時投影相應(yīng)二維視圖，觀察者迎著投影光束觀察，可以在一個大的視角范圍內(nèi)看到連續(xù)真實的三維空間圖像，其角分辨率由arCsin(Ad/ f)確定。若Λ d/ f本身較小，對于相距D距離的觀察者來說，當arCsin(Ad/ f)小于觀察者單眼瞳孔孔徑時，δ Φ可以取非常小的值，此時雖然arcsin ( δ Φ/ f〃)〈arcsin ( Δ d/ f),但基于光束非相干相交，同樣可以在一個大的視角范圍內(nèi)觀察到連續(xù)真實的三維空間圖像。微顯示芯片陣列11、小透鏡陣列12和濾波孔徑陣列13所共有的點陣結(jié)構(gòu)可以為圖4所示矩形陣列或圖5所示正六邊形陣列。此處僅分別選用了 64和62個微顯示芯片，在需要時可以以相同的排列規(guī)則采用更少或更多的微顯芯片。對于采用不同點陣結(jié)構(gòu)的窄帶寬譜陣列生成單元10，顯示圖像各物點的可視角范圍是不同的，其范圍為該點和像面上各濾波孔徑像點連線所構(gòu)成的立體角。以采用矩形點陣結(jié)構(gòu)的窄帶寬譜陣列生成單元10為例，任意顯示物點P’’的可視范圍為圖6所示以P’’為頂角的四棱錐P’’abed的錐尖對應(yīng)的立體角，其中P’’’為P’’在底面上的垂足。若在系統(tǒng)中按圖3所示引入引入焦距為u+v的場鏡130，則任意顯示物點的視角范圍為四棱錐Oabcd的錐尖對應(yīng)的立體角。在無實物存在的目標圖像顯示區(qū)域，可以引入一個耦合了光束的光纖頭。該光纖頭作為光標單元102由三維位移平臺101承載在目標圖像顯示區(qū)的三維空間內(nèi)自由移動。光標單元102的出射光形成一個向四周散射的光點，可以對顯示的三維圖像進行空間內(nèi)容的三維指示，就像我們在電腦屏幕上用二維鼠標對二維顯示內(nèi)容進行指示一樣。觀察者單擊右功能鍵104時，I型控制單元110記錄光標單元102當前空間位置對應(yīng)的生成三維圖像的像點，并控制系統(tǒng)顯示嵌入菜單的目標三維圖像。嵌入菜單的目標三維圖像，采用如下方法獲得:在投影透鏡21后焦面上插入一個含二維菜單選項圖標的平面。簡單以含有放大、縮小、前進到下一項操作和返回到前一項操作四個選項的菜單為例，如圖7?？紤]遮掩效應(yīng)，目標三維圖像中對嵌入 菜單的選項圖案有遮掩作用的部分需要去除，即得到位置η對應(yīng)的嵌入菜單的目標三維圖像η。采用上述方法方法，控制系統(tǒng)顯示帶嵌入菜單的目標三維圖像。對每個菜單選項，其繞γ軸旋轉(zhuǎn)掃描過的空間作為該選項的有效空間。移動光標單元102到某菜單選項的有效空間并單擊左功能鍵104時，I型控制單元110判定該選項被選定，并以I型控制單元110上次記錄的光標單元102所指示像點為中心,后臺按選定選項的要求對目標三維圖像做電子圖像處理。處理后得到三維圖像作為新的三維圖像，由系統(tǒng)采用同樣方法顯示，完成互動式的三維圖像顯示。若系統(tǒng)中按圖3所示引入焦距為u+v的場鏡130后，若需要引入空間鼠標單元100，則需要在場鏡130后加入一個焦距為f的光路延伸單元90，二次成像和場鏡130空間重合的顯示圖像，得到不和其它光學(xué)器件空間重合的顯示圖像后，再按上述方法引入空間鼠標單元100來實現(xiàn)互動式三維圖像顯示。本專利以下所有實施例中沒有引入場鏡130，若根據(jù)需要引入了場鏡130，都可采用此種方法引入光路延伸單元90對場鏡處顯示圖像二次成像后再引入空間鼠標單元100。實施例2
基于單個復(fù)合多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)，在基于單個多方向視圖生成單元的顯示系統(tǒng)中，當系統(tǒng)選用微顯示芯片的像素間距Sd較大時，相同分辨率微顯示芯片的尺寸變大，加上芯片外框所占用空間，在平面上陣列排布時芯片間距Ad也較大，則角分辨率arCsin(Ad/ f)較大，系統(tǒng)顯示的圖像會有明顯失真，影響顯示效果。為了得到大視角范圍的三維顯示，要求微顯示芯片陣列所分布的平面尺寸相對于投影透鏡21焦距f的比值盡量大；當Ad增大時，雖然可以通過選用更長焦距的投影透鏡21來維持arCsin(Ad/f)不變，但隨著焦距的增加，大數(shù)值孔徑時透鏡的加工愈困難，且像差也會顯著增加，所以，不能單純依靠增加投影透鏡21的焦距f來改善這種情況。此時，采用具有多個窄帶寬譜陣列生成單元10的復(fù)合多方向視圖生成單元30，可以通過空間復(fù)用，降低對微顯示芯片像素間距的要求，以采用三個微顯示芯片為例，未畫出I型控制單元110的簡單結(jié)構(gòu)示意如圖8。其中窄帶寬譜陣列生成單元10、10’、10’’分布采用圖9 (a)、8 (b)、8 (c)所示的點陣結(jié)構(gòu)，它們就有相同的面排列幾何參數(shù)，其相鄰節(jié)點間
距為Sm。這里假設(shè)半反鏡31和31’很薄，忽略其對透射光的折射，則設(shè)計各自空間位
置，保證窄帶寬譜陣列生成單元10’關(guān)于半反鏡31的鏡像、窄帶寬譜陣列生成單元10’’關(guān)于半反鏡31’的鏡像和窄帶寬譜陣列生成單元10沿z向完全重合，在xy面內(nèi)錯位排列，一起組合成圖5所示陣列結(jié)構(gòu)，合成陣列結(jié)構(gòu)的相鄰節(jié)點間距縮短為Ad，可以解決由于像素間隔較大帶來的微顯示芯片排列間距較大而引入的問題。同理，可以進一步地采用含有9個甚至更多各窄帶寬譜陣列生成單元10的復(fù)合多方向視圖生成單元30，進一步地減低系統(tǒng)對微顯芯片尺寸的要求。對于圖4所示矩形陣列，則同樣方法，需要含有4個點陣間距為2Ad的窄帶寬譜生成單元10，甚至更多個窄帶寬譜生成單元10的復(fù)合多方向視圖生成單元30。采用實施例1所述方法，可以實現(xiàn)真實三維圖像的復(fù)現(xiàn)顯示。在本實施例中，也可以像實施例一一樣引入空間鼠標單元100，同樣實現(xiàn)互動式的三維圖像顯示。實施例3
基于多個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)，基于復(fù)合多方向視圖生成單元30的三維圖像顯示系統(tǒng)用來解決微顯示芯片尺寸過大的問題，也可以采用多個多方向視圖生成單元20通過合成半反鏡40進行組合來解決。以采用三個多方向視圖生成單元20、20’、20’ ’為例，未畫出I型控制單元110的結(jié)構(gòu)示意如圖10。20’、20’ ’的投影透鏡21分別關(guān)于合成半反鏡40和40’的鏡像和20的投影透鏡21完全重合，但20’、20’’的窄帶寬譜陣列單元10分別關(guān)于合成半反鏡40和40’的鏡像和20的窄帶寬譜陣列單元10沿z向完全重合，在xy面內(nèi)錯位排列，其排列點陣如圖9(a)、8(b)、8(c)所示。采用實施例1所述方法原理，可以實現(xiàn)真實三維圖像的復(fù)現(xiàn)顯示。在本實施例中，也可以像實施例一一樣引入空間鼠標單元100，同樣實現(xiàn)互動式的三維圖像顯示。同時，該實施例中的多個多方位試圖生產(chǎn)單元可以由多個復(fù)合多方向視圖生成單元代替，同樣原理，達到該實施例效果。實施例4
視角擴展的基于多個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)，對于顯示芯片不存在尺寸過大問題時，多個多方向視圖生產(chǎn)單元30也可以通過合成半反鏡的合成，實現(xiàn)更大視角的三維圖像顯示，本專利稱之為視角擴展的基于多個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)，以采用4個結(jié)構(gòu)參數(shù)一樣的采用矩形陣列結(jié)構(gòu)的多方向視圖生成單元20、20’、20’’和20’’’為例，其簡單結(jié)構(gòu)示意圖如圖11，各多方向視圖生成單元20投影透鏡21、21’、21’’和21’’’的軸21、22、23和24在同一平面內(nèi)排列分布，其中2 0為單個多方向視圖生成單元20生成圖像各點在該面內(nèi)最小可視角的值；被反射的多方向視圖生成單元20’ ’和20’ ’ ’以目標三維圖像關(guān)于合成反射鏡40的像為要顯示三維圖像，透射多方向視圖生成單元20和20’以目標三維圖像要顯示三維圖像；該四個視圖生成單元錯位等角間隔排列，相對于圖1所示系統(tǒng)，最終可以實現(xiàn)4倍視角范圍的擴展。若采用η個多方向視圖生成單元，采用同樣規(guī)律設(shè)計，可以獲得η倍視角范圍。在本實施例中，也可以像實施例一一樣引入空間鼠標單元100，同樣實現(xiàn)互動式的三維圖像顯示。同時，該實施例中的多個多方位試圖生產(chǎn)單元可以由多個復(fù)合多方向視圖生成單元代替，同樣設(shè)計原理，達到該實施例效果。實施例5
引入旋轉(zhuǎn)反射鏡的三維圖像顯示系統(tǒng)，上述實施例，受器件限制，均不能實現(xiàn)全視角的三維圖像顯示。在圖1所示基于單個多方向視圖生成單元的三維圖像顯示系統(tǒng)中，引入一個繞投影透鏡21光軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)反射鏡60，基于時分復(fù)用，可以實現(xiàn)360°全視角的三維圖像顯示，如圖12所示。置于旋轉(zhuǎn)平臺50上的旋轉(zhuǎn)反射鏡60繞投影透鏡21光軸高速旋轉(zhuǎn)，確定其N個角位置:角位置1、角位置2…角位置N;在任意角位置η，獲取虛置目標三維圖像關(guān)于該位置旋轉(zhuǎn)反射鏡的鏡像，定義為鏡像η ；以鏡像η為源，基于實施例1所述逆向光線追蹤的方法，獲取旋轉(zhuǎn)反射鏡處于角位置η時投影機構(gòu)各微顯示芯片需要投影的二維視圖；旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)到任意角位置時，各微顯示芯片同步投影各自對應(yīng)的二維視圖，經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡反射，基于人眼的視覺滯留，在真實的三維空間中，實現(xiàn)全視角虛置目標三維圖像的復(fù)現(xiàn)顯示。衍射膜70覆蓋于旋轉(zhuǎn)反射鏡60的反射面上，對反射顯示視圖的衍射角進行更好的控制，在通過濾波孔徑對衍射角進行控制的情況下，可以不使用衍射膜70。

該反射鏡60為單面反射鏡，其也可以采用雙面反射鏡代替，可以用兩個多方向視圖生成單元20從兩個方向入射兩個反射面，同時在相反兩個方向的兩個寬視角范圍顯示目標三維圖像，降低對微顯示芯片刷新頻率的要求。若多方向視圖生成單元20由實施例2、3、4所述復(fù)合多方向視圖生成單元30或由它們經(jīng)合成半反鏡40組合形成的結(jié)構(gòu)體代替，同樣可以獲得本實施例所述效果。由于旋轉(zhuǎn)反射鏡的阻擋，無法在圖像生成空間引入空間鼠標?？梢栽谕队巴哥R21和旋轉(zhuǎn)反射鏡60之間引入光路折轉(zhuǎn)單元80和光路延伸單元90，空間分離顯示三維圖像和旋轉(zhuǎn)反射鏡60，如同實施例1 一樣，引入空間空間鼠標單元，實現(xiàn)互動式的全視角三維顯示,如圖13所示。光路折轉(zhuǎn)單元80由兩個反射鏡81構(gòu)成,光路延伸單元90為一個焦距為f:的透鏡，它們均隨旋轉(zhuǎn)平臺一起和旋轉(zhuǎn)反射鏡同步旋轉(zhuǎn)。采用上述方法，并引入圖1所示鼠標單元，同理可以實現(xiàn)互動式的全視角三維圖像顯示。附圖中描述位置關(guān)系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括一窄帶寬譜陣列生成單元，數(shù)量為至少一個，其包括具有相同分布結(jié)構(gòu)的微顯示芯片陣列、小透鏡陣列和濾波孔徑陣列，微顯示芯片陣列各微顯示芯片和濾波孔徑陣列中對應(yīng)濾波孔徑分別處于小透鏡陣列對應(yīng)小透鏡的前焦面和后焦面上，各微顯示芯片投影的二維視圖經(jīng)對應(yīng)小透鏡轉(zhuǎn)換，由對應(yīng)濾波孔徑濾波獲得投影圖像的窄帶寬頻譜信息； 一多方向視圖生成單元，數(shù)量為至少一個，包括一個窄帶寬譜陣列生成單元和一個投影透鏡，該窄帶寬譜陣列生成單元投影光信息入射該投影透鏡； 一復(fù)合多方向視圖生成單元，數(shù)量為至少一個，其包括至少兩個窄帶寬譜陣列生成單元、至少一個半反鏡和一個投影透鏡，該至少兩個窄帶寬譜陣列生成單元投影光信息經(jīng)各半反鏡透射或反射入射該投影透鏡，各窄帶寬譜陣列生成單元關(guān)于其對應(yīng)透射面或反射面的像在空間上重合分布或在該投影透鏡光軸的垂面內(nèi)錯位排列分布； 一合成半反鏡，數(shù)量為至少一個，透射或反射多個多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影的光信息； 一旋轉(zhuǎn)平臺，繞軸旋轉(zhuǎn)； 一旋轉(zhuǎn)反射鏡，隨旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)，數(shù)量為至少一個，旋轉(zhuǎn)反射鏡為單面反射鏡或雙面反射鏡，反射多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影的光學(xué)信息； 一衍射膜，控制入射光束透射光或反射光衍射角的大?。? 一光路折轉(zhuǎn)單元，由至少一個反射或折射器件組成，各組成器件隨旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動，該光路折轉(zhuǎn)單元的數(shù)量為至少一個，折轉(zhuǎn)多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影光信息的傳輸路徑； 一光路延伸單元，由至少一個光學(xué)透鏡組成，各組成器件可以固定也可以隨旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動，其在空間分布上可以單獨放置也可以和光路折轉(zhuǎn)單元各組成器件穿插放置，該光路延伸單元的數(shù)量為至少一個，延長`多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影光路的長度或二次成像上述多方向視圖生成單元或復(fù)合多方向視圖生成單元投影光信息；一空間鼠標單元，其包括，操縱手柄、三維位移平臺、置于該平臺上的光標單元和置于上述操縱手柄上的左右兩個功能鍵，該光標單元在復(fù)現(xiàn)三維圖像的分布區(qū)域內(nèi)引入一個光標作為空間鼠標對顯示圖像的空間內(nèi)容進行指示； 一 I型控制單元，應(yīng)用于不采用旋轉(zhuǎn)反射鏡的顯示系統(tǒng)，由虛置目標三維圖像通過光線反向追蹤，獲取各微顯示芯片對應(yīng)的二維視圖；控制各微顯示芯片同時投影對應(yīng)二維視圖，通過各二維視圖傳輸光場的空間疊加生成真實分布于三維空間的目標三維圖像；在系統(tǒng)引入空間鼠標單元且觀察者單擊右功能鍵時，反饋光標單元的空間位置，記錄光標單元當前空間位置對應(yīng)三維圖像的像點，控制系統(tǒng)顯示嵌入菜單的目標三維圖像；觀察者移動光標單元到顯示的菜單選項并單擊左功能鍵時，控制單元判定該選項被選定，根據(jù)選定選項的要求對目標三維圖像進行后臺圖像處理，得到處理后的圖像作為新的目標三維圖像并控制系統(tǒng)顯不; 一 II型控制單元，應(yīng)用于采用了旋轉(zhuǎn)反射鏡的顯示系統(tǒng)，對處于任意角位置的旋轉(zhuǎn)反射鏡，獲取虛置目標三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)反射鏡的鏡像，由該鏡像通過光線反向追蹤，獲取旋轉(zhuǎn)反射鏡處于此角位置時各微顯示芯片對應(yīng)的二維視圖；當旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)到不同角位置時，控制各微顯示芯片同步投影對應(yīng)的二維視圖，通過各二維視圖傳輸光場的空間疊加，并經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡反射生成分布于三維空間的目標三維圖像；在系統(tǒng)引入空間鼠標單元且觀察者單擊右功能鍵時，反饋光標單元的空間位置，記錄光標單元當前空間位置對應(yīng)三維圖像的像點，控制系統(tǒng)顯示嵌入菜單的目標三維圖像；觀察者移動光標單元到顯示的菜單選項并單擊左功能鍵時，控制單元判定該選項被選定，根據(jù)選定選項的要求對目標三維圖像進行后臺圖像處理，得到處理后的圖像作為新的目標三維圖像并控制系統(tǒng)顯示； 一場鏡，置于上述投影透鏡后焦面上，調(diào)整各微顯芯片投影光束的傳播方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的投影透鏡為單個透鏡或多個透鏡組合而成的透鏡組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的投影透鏡可用衍射光學(xué)元件代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的光標單元為粗糙切割的光纖，耦合進光纖的光束出射時在光纖斷面處形成一個發(fā)散光點，以該光點作為空間鼠標對該光點所在位置圖像內(nèi)容進行指示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的光標單元為自行發(fā)光或反射外部投影光的物點或具有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的自行發(fā)光的物點為LED或 OLED。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的反射外部投影光的物點為粗糙熒光球。
8.基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示方法，其特征在于包括權(quán)利要求1至7任一所述的基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，包括以下步驟: S1.建立xyz軸坐標，虛擬放置目標三維圖像于以坐標系原點為中心的區(qū)域內(nèi)； S2.構(gòu)建顯示系統(tǒng)的投影機構(gòu)，該投影機構(gòu)為單個多方向視圖生成單元或單個復(fù)合多方向視圖生成單元，或若干個兩種生成單元通過合成半反鏡組合而成的結(jié)構(gòu)體；投影機構(gòu)投射光信息可以直接顯示目標三維圖像，或入射場鏡后直接顯示目標三維圖像；以目標三維圖像為源，基于逆向光線追蹤，獲得投影機構(gòu)各微顯示芯片需要投影的二維視圖；控制各微顯示芯片同時投影各自對應(yīng)的二維視圖，復(fù)現(xiàn)顯示大可視角虛置目標三維圖像； S3.引入繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)反射鏡，確定其N個角位置:角位置1、角位置2...角位置N;在任意角位置n，獲取虛置目標三維圖像關(guān)于該位置旋轉(zhuǎn)反射鏡的鏡像，定義為鏡像η ;，投影機構(gòu)投射光信息直接入射旋轉(zhuǎn)反射鏡后經(jīng)反射顯示目標三維圖像，或入射場鏡后經(jīng)光路延伸單元轉(zhuǎn)換再入射旋轉(zhuǎn)反射鏡顯示目標三維圖像；以鏡像η為源，基于逆向光線追蹤，獲取旋轉(zhuǎn)反射鏡處于角位置η時投影機構(gòu)各微顯示芯片需要投影的二維視圖；旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)到任意角位置時，各微顯示芯片同步投影各自對應(yīng)的二維視圖，經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡反射，基于人眼的視覺滯留，在真實的三維空間中，實現(xiàn)全視角虛置目標三維圖像的復(fù)現(xiàn)顯示； S4.在顯示三維圖像中，引入空間鼠標，觀察者通過三維位移平臺移動空間鼠標移動到顯示圖像的任意位置，實現(xiàn)顯示三維圖像空間內(nèi)容的三維鼠標指示；對采用旋轉(zhuǎn)反射鏡的顯示系統(tǒng)，在投影透鏡和旋轉(zhuǎn)反射鏡之間引入光路折轉(zhuǎn)單元或光路延伸單元，或同時引入光路折轉(zhuǎn)單元和光路延伸單元，空間分離虛置目標三維圖像和旋轉(zhuǎn)反射鏡后再引入空間鼠標；. 55.當右功能鍵被單擊時，系統(tǒng)記錄空間鼠標單元的光標當前所指示像點，并采用上述步驟S2或S3顯示嵌入菜單的目標三維圖像；. 56.觀察者移動空間鼠標到顯示菜單的某選項處，單擊左功能鍵，控制單元判定該選項被選定，并根據(jù)選定選項的要求對目標三維圖像進行圖像處理后得到新圖像，以該處理后圖像作為新的目標三維圖像，采用上述步驟S2或S3，復(fù)現(xiàn)顯示新的目標三維圖像，實現(xiàn)互動的三維圖像顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)和方法。基于微顯示芯片陣列的三維圖像顯示系統(tǒng)，包括一旋轉(zhuǎn)平臺、至少一個窄帶寬譜陣列生成單元、至少一個多方向視圖生成單元、至少一個復(fù)合多方向視圖生成單元、一旋轉(zhuǎn)反射鏡、至少一個衍射膜、至少一個合成半反鏡、至少一個光路折轉(zhuǎn)單元、至少一個光路延伸單元、一空間鼠標單元、控制單元、一場鏡，通過合理設(shè)計圖像投影光路，將投影視差圖像的分布空間和目標圖像顯示區(qū)域進行空間上的分離，并在目標圖像顯示區(qū)域引入可以對顯示三維圖像進行指示和菜單操作的空間鼠標，實現(xiàn)互動式的三維圖像顯示。
文檔編號G02B27/22GK103163722SQ201310055578
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月21日
發(fā)明者滕東東, 劉立林 申請人:中山大學(xué)