本發(fā)明涉及信息顯示技術(shù)領(lǐng)域，是一種多維度自由立體顯示裝置。

二、

背景技術(shù)：

雙眼視物時，主觀上可產(chǎn)生被視物體的厚度以及空間的深度或者距離等感覺，稱為立體視覺。同一被視物體在兩眼視網(wǎng)膜上的像并不完全相同，左眼從左方看到物體的左側(cè)面較多，而右眼從右方看到物體的右側(cè)面較多，來自兩眼的圖像信息經(jīng)過視覺高級中樞處理以后，產(chǎn)生一個有立體感的物體形象。然而，在單眼視物的時候，有時也能產(chǎn)生一定程度的立體感覺，這主要是通過調(diào)節(jié)和單眼運動而獲得，而這種立體感覺的產(chǎn)生和生活經(jīng)驗、物體表面的陰影、前后遮擋等有關(guān)。但是，良好的立體視覺只有在雙眼同時觀察室才有可能。3D感知在人的信息獲取中，占有極其重要地位，吸引了科學、工程和企業(yè)界相當大的關(guān)注，并且各種不同的3D顯示方法都得到研究。大多數(shù)的3D顯示至少都可以劃歸于三大類中的某一類：雙眼立體(Stereosis)、空間體(Volumetric)或全息術(shù)(Holography)顯示。在雙眼立體顯示中，離散的2D圖像被分別呈送給觀察者的左右眼；在空間體顯示中，圖像被顯示在一個3D的空間內(nèi)；而在全息術(shù)中，圖像由波陣面重構(gòu)并為觀察者提供一個完全舒適和逼真的體驗。雙眼立體又可以分為輔助立體和自由立體。輔助立體需要佩戴相應的輔助設(shè)備，限制了其應用，而自由立體不需要佩戴其他設(shè)備，觀看方式靈活。因此或得了很大的發(fā)展。

輔助立體技術(shù)相對成熟，主要特征為佩戴眼鏡、頭盔等設(shè)備。主要原理始保證左右圖像分別進入觀看者的左右眼，在人腦的視覺中樞合成立體圖像。具體實現(xiàn)方式有偏振眼鏡，主動快門式眼鏡，互補色眼鏡等。

輔助立體需要佩戴一定的設(shè)備觀看立體效果。通過輔助設(shè)備，使具有一定視差的左右圖進入觀看者的左右眼。常見有色差方法、偏光方法和快門方法。

對于已經(jīng)是近視的朋友來說，再戴一副3D眼鏡真的非常痛苦，而最理想的解決方式為裸眼3D，又可成為自由立體。目前主流的裸眼3D技術(shù)手段有：狹縫式光柵、柱狀棱鏡、指向光源、多層顯示。狹縫光柵的原理是在屏幕前加了一個狹縫式光柵之后，應該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋右眼；同理，應該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋左眼，通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀者看到3D影像。柱狀棱鏡的原理是通過透鏡的折射原理，將左右眼對應的像素點分別投射在左右眼中，實現(xiàn)圖像分離。對比狹縫光柵技術(shù)最大的優(yōu)點是透鏡不會遮擋光線，所以亮度有了很大改善，指向光源的原理是精確控制兩組屏幕分別向左右眼投射圖像。多層顯示的原理是采用兩塊液晶顯示器進行立體圖像顯示。這種技術(shù)的好處是不會讓觀眾產(chǎn)生觀看的不良反應，如惡心，眩暈等。同時這種技術(shù)還突破了視野以及角度的限制，使得觀看場所可以進一步的擴大。

但是，目前的裸眼立體顯示器都必須在距離立體顯示器適當?shù)奈恢貌趴梢钥吹胶芎玫男Ч?，超過了觀看范圍就會有重影現(xiàn)象，因此限制了觀看者的體驗范圍。盡管很多設(shè)備采用了人眼跟蹤裝置增強立體感，減少串影，但是區(qū)域仍然限制在與立體顯示器平行的一定范圍內(nèi)。

光屏障式3D顯示技術(shù)是由夏普公司歐洲研發(fā)部的幾位工程師共同研發(fā)出來的新型顯示技術(shù)，該技術(shù)是通過在LCD液晶面板和內(nèi)部發(fā)光器件之間增設(shè)偏振模和高分子層，當圖像通過液晶面板顯示在觀眾面前時，偏振?？梢詫⒆笥已劢邮艿漠嬅鎱^(qū)分開來，從而在觀眾大腦中形成立體的顯示畫面。這種技術(shù)是將偏振模和高分子層集成在了顯示器的內(nèi)部，在一定程度上控制了成本。但是在圖像的顯示方面難以提高亮度，同時難以達到高清顯示效果。因此也不算是一種成熟的裸眼3D顯示技術(shù)。在實施過程中，將光屏障傾斜放置來平衡立體圖像分辨率在水平和豎直方向的損失，并同時減小莫爾條紋的影響.但是，卻因此造成了相鄰視點圖像間的串擾。串擾的存在降低了立體圖像質(zhì)量，且易引起觀看者的視覺疲勞。

柱狀透鏡式顧名思義就是要使用到柱狀的透鏡。在液晶顯示屏幕前加裝一排柱狀的透鏡，這樣圖像就會呈現(xiàn)在透鏡的焦平面上。從而將圖像中的各個像素點通過透鏡呈現(xiàn)在人的兩個眼睛中，一旦像素點的光通過不同的角度進入左右眼后，人就會在大腦中將雙眼所接收到的圖像進行疊加形成3D圖像。柱狀透鏡式3D顯示技術(shù)與其他的顯示技術(shù)相比，主要優(yōu)勢就是在于能夠達到圖像的亮度要求，但是圖像畢竟是通過了一層透鏡呈現(xiàn)在觀眾眼前，所以在圖像的分辨率上很難有更大的突破。而且在液晶屏幕前加裝透鏡需要更大的制造成本，后期維護成本也很高，不利于推廣使用。

美國的Pure Depth公司研究開發(fā)出來的多層顯示技術(shù)(MLD-Multi Layer Display)就是一種裸眼3D顯示技術(shù)，這種技術(shù)的好處是不會讓觀眾產(chǎn)生觀看的不良反應，如惡心，眩暈等。同時這種技術(shù)還突破了視野以及角度的限制，使得觀看場所可以進一步的擴大，但是存在視差不宜控制的問題。

方向性光源3D技術(shù)在顯示原理上和上述顯示技術(shù)基本類似，不同的是該技術(shù)在呈現(xiàn)3D畫面時需要兩塊背景光源。在觀眾的左右眼同時接收畫面時，處在不同方向上的背景光源依次交替點亮，透過3M反射膜交替在觀眾面前呈現(xiàn)左右眼畫面。由于人眼具有一定的視覺暫停時間，所以交替出現(xiàn)的畫面就能夠在人腦中形成3D畫面。該技術(shù)需要輔助人眼跟蹤，同時為了獲得很好的立體效果，需要嚴格控制光源尺寸，因此顯示器亮度普遍不高。具體可參考中國專利：平板化無輔助立體顯示裝置及方法-103605211A。

而本發(fā)明提供采用空間光調(diào)制器的無輔助立體顯示裝置，克服了傳統(tǒng)立體顯示器的缺點。本發(fā)明的凸出特點為可在多個距離觀看、串擾率低、平面立體兼容、便攜、可用于各尺寸顯示器。

三、

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是，提出一種多維度無輔助立體顯示裝置，克服了裸眼立體顯示中觀看位置固定的弊端，觀看者不僅可以在與顯示器水平的位置移動，同時可以靠近或者遠離顯示器，實現(xiàn)了三個維度的自由移動。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，多維度自由立體顯示裝置，顯示裝置、多維度位置探測模塊、瞳孔隨動調(diào)整模塊、智能光學模組，瞳孔隨動調(diào)整模塊包括平面調(diào)整機構(gòu)和光線調(diào)制器，以顯示裝置平面作為空間三維的坐標基準，設(shè)有多維度位置探測模塊，獲得觀看者的空間三維位置，中央處理單元根據(jù)觀看者的空間三維位置實時控制瞳孔隨動調(diào)整模塊，智能光學模組發(fā)出的光線經(jīng)過光線調(diào)制器匯聚成左右觀看窗口，平面調(diào)整機構(gòu)位于智能光學模組和光線調(diào)制器之間用于調(diào)節(jié)光線調(diào)制器與智能光學模組之間的距離，實現(xiàn)在不同的距離形成左右觀看窗口，即左右觀看窗口在特定距離實現(xiàn)匯聚，并實時跟隨觀眾左右瞳孔。觀眾的左右瞳孔分別接收到帶有一定視差的左右視圖，在人腦視覺中樞形成立體畫面。

進一步，本發(fā)明方案采用智能光學模組為光線調(diào)制器提供光源。中央處理單元實時檢測播放內(nèi)容，當播放內(nèi)容為平面內(nèi)容時，智能光學模組發(fā)出平面顯示需要的光線，當播放內(nèi)容為立體內(nèi)容時，智能光學模組發(fā)出立體顯示所需要的光線。通過實時檢測播放內(nèi)容并改變智能光學模塊的方式，實現(xiàn)平面立體兼容的功能。

本發(fā)明方案采用多維度位置探測模塊，實現(xiàn)觀眾的高精度三維定位。該模塊實時檢測觀眾的空間位置信息。以顯示裝置為基準建立坐標系，x軸y軸平面為顯示平面，z軸為顯示裝置指向觀眾的方向。當觀眾在z軸方向變化，即靠近或者遠離顯示裝置時，中央處理單元根據(jù)觀眾在z軸的距離變化，控制瞳孔隨動調(diào)整模塊使光線匯聚在z軸特定的距離。當觀眾在z軸的特定距離，且在x軸y軸方向發(fā)生位置移動時，中央處理單元根據(jù)在x軸y軸的位置變化，控制在當前距離匯聚的左右觀看窗口匯聚到觀眾左右瞳孔，并隨觀眾左右瞳孔移動。

瞳孔隨動調(diào)整模塊采用平面調(diào)整機構(gòu)，平面調(diào)整機構(gòu)通過實時改變智能光學模組和光線調(diào)制器之間的距離s，實現(xiàn)左右觀看窗口在不同的位置實現(xiàn)匯聚；多維度位置探測模塊實時檢測觀眾位置，中央處理單元根據(jù)位置變化實時調(diào)整瞳孔隨動調(diào)整模塊，實現(xiàn)左右觀看窗口在不同位置匯聚。光線調(diào)制器最小單元長度t，視點間距q；

本發(fā)明方案采用瞳孔隨動調(diào)整模塊實現(xiàn)左右觀看窗口隨觀眾左右瞳孔實時隨動。多維度位置探測模塊在檢測到觀眾的三維位置發(fā)生變化以后，中央處理單元實時控制平面調(diào)整機構(gòu)和光線調(diào)制器做出相應的調(diào)整。當觀眾在z軸的距離發(fā)生變化以后，平面調(diào)整機構(gòu)改變光線調(diào)制器和智能光學模塊之間的距離，使光線在特定的距離實現(xiàn)匯聚形成左右觀看窗口。當觀眾在z軸的特定距離，且在x軸y軸方向發(fā)生位置移動時，光線調(diào)制器會根據(jù)觀眾的位置變化切換光線調(diào)制模式，使在該距離匯聚的左右觀看窗口在觀眾左右瞳孔匯聚，并實時跟隨左右瞳孔移動。光線調(diào)制器模式M，調(diào)節(jié)距離N，觀眾x,y,z空間位置，可以得到以下閉環(huán)控制系統(tǒng)。

(M,N)＝F(x,y,z)

該方案采用平面調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)光線匯聚距離的調(diào)整。光線調(diào)制器和智能光學模組需要在靜止或者移動過程中保持相對平行，且在移動過程中相應速度要迅速。觀眾在z軸的距離發(fā)生變化以后，左右觀看窗口的匯聚位置需要在z軸方向?qū)崟r跟隨觀眾左右瞳孔，在此過程中，平面調(diào)整機構(gòu)根據(jù)多維度位置探測模塊發(fā)出的實時位置信息，迅速調(diào)整光線調(diào)制器和智能光學模組之間的距離，實現(xiàn)左右觀看窗口在z軸方向隨左右瞳孔移動。

多維度自由立體顯示方法，基于顯示裝置、多維度位置探測模塊、瞳孔隨動調(diào)整模塊、智能光學模組，瞳孔隨動調(diào)整模塊包括平面調(diào)整機構(gòu)和光線調(diào)制器，以顯示裝置平面作為空間三維的坐標基準，設(shè)有多維度位置探測模塊，獲得觀看者的空間三維位置，中央處理單元根據(jù)觀看者的空間三維位置實時控制瞳孔隨動調(diào)整模塊，智能光學模組發(fā)出的光線經(jīng)過光線調(diào)制器匯聚成左右觀看窗口，平面調(diào)整機構(gòu)位于智能光學模組和光線調(diào)制器之間用于調(diào)節(jié)光線調(diào)制器與智能光學模組之間的距離，實現(xiàn)在不同的距離形成左右觀看窗口，即左右觀看窗口在特定距離實現(xiàn)匯聚，并實時跟隨觀眾左右瞳孔。觀眾的左右瞳孔分別接收到帶有一定視差的左右視圖，在人腦視覺中樞形成立體畫面。觀看者多維度位置探測模塊實時檢測觀看者與裝置之間的距離，并實現(xiàn)高精度的瞳孔追蹤，調(diào)節(jié)瞳孔隨動調(diào)整模塊實現(xiàn)左右觀看窗口在觀看者左右瞳孔實現(xiàn)匯聚，將左右視圖分別投射到左右瞳孔；控制引擎通過位置信息和距離信息調(diào)整裝置，實現(xiàn)左右觀察窗口隨左右瞳孔移動，保證左右視圖分別進入到觀看者的左右瞳孔；在觀看者與裝置之間發(fā)生距離變化以后，瞳孔隨動調(diào)整模塊的控制引擎發(fā)出指令控制平面調(diào)整機構(gòu)，改變光線調(diào)制器和智能背光之間的距離，實現(xiàn)左右觀看窗口在不同的距離實現(xiàn)匯聚；

智能背光2控制引擎可根據(jù)顯示內(nèi)容的不同控制智能背光提供不同的光源，在立體模式下發(fā)出狹縫光，在平面模式下發(fā)出漫射光。觀看者空間位置探測模塊可實時檢測觀看者與裝置之間的距離，并實現(xiàn)高精度的瞳孔追蹤?？刂埔嫱ㄟ^位置信息和距離信息調(diào)整裝置，實現(xiàn)左右觀察窗口隨左右瞳孔移動，保證左右視圖分別進入到觀看者的左右瞳孔。

光線調(diào)制器采用光柵實現(xiàn)分光原理，前置和后置光柵原理相同。

光線調(diào)制器是采用空間光調(diào)制器，實現(xiàn)左右觀看窗口跟隨觀看者左右瞳孔。狹縫光照射到空間光調(diào)制器以后，會在特定位置形成左右觀看窗口。在此觀看窗口范圍的觀看者可以看到兩幅具有視差的圖像，在大腦的視覺中樞合成立體場景。觀看者位置變化以后，觀看者空間位置探測模塊及時追蹤到瞳孔位置變化，并將位置信息傳遞給控制引擎?？臻g光調(diào)制器，根據(jù)控制引擎的相應指令改變光線調(diào)制模式，將左右觀看窗口匯聚到移動后的左右瞳孔位置。此過程動態(tài)響應，實時性高，完全避免了切換過程中的抖動問題?？刂埔嫱ㄟ^位置信息和距離信息調(diào)整裝置，實現(xiàn)左右觀察窗口隨左右瞳孔移動，保證左右視圖分別進入到觀看者的左右瞳孔。觀看者在不同的位置進行觀看時，空間光調(diào)制器控制引擎通過調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器進行模式切換，實現(xiàn)左右觀看窗口在觀看者左右瞳孔實現(xiàn)匯聚，將左右視圖分別投射到左右瞳孔?？臻g光調(diào)制器控制引擎可根據(jù)顯示內(nèi)容的不同控制智能背光提供不同的光源，在立體模式下發(fā)出狹縫光，在平面模式下發(fā)出漫射光。通過這種方式，實現(xiàn)平面立體的兼容，裝置緊湊，實用性強。

本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：

1、采用瞳孔隨動調(diào)整模塊，實現(xiàn)左右觀看窗口在任意位置實現(xiàn)匯聚，并可實時跟隨左右瞳孔移動；

2、采用智能光學模組，可在不同模式下提供針對性背光；

3、采用多維度位置探測模塊，以顯示裝置為基準，精準的探測觀眾的三維數(shù)據(jù)；

4、采用光線調(diào)制器，可根據(jù)觀眾的位置不同切換不同的調(diào)制模式；

5、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，實用性強；

四附圖說明

圖1為一個實施實例的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為任意位置觀看示意圖；

圖3為四視點前置光柵示意圖；

圖4為四視點出瞳交錯排列示意圖；

圖5為系統(tǒng)整體原理框圖。

五具體實施方式

圖中，智能光學模組1、平面調(diào)整機構(gòu)2、光線調(diào)制器3、位置A(x1,y1,z1)，位置B(x2,y2,z2)，光線調(diào)制器最小單元長度t，光線調(diào)制器與光柵間距s，光柵與觀看位置間距l(xiāng)，光柵透光部分寬度a，光柵遮光部分寬度b，視點間距q，view1表示視點1，view2表示視點2，view3表示視點3，view4表示視點4。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，本發(fā)明的基本思想是以顯示裝置作為坐標基準，多維度位置探測模塊獲得觀眾的空間三維位置，中央處理單元根據(jù)觀看者的空間三維位置實時控制瞳孔隨動調(diào)整模塊，智能光學模組發(fā)出的光線經(jīng)過光線調(diào)制器匯聚成左右觀看窗口，并實時跟隨觀眾左右瞳孔。觀眾的左右瞳孔分別接收到帶有一定視差的左右視圖，在人腦視覺中樞形成立體畫面，如圖1。有必要在此指出的是，以下實施實例只用于本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)成熟人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。

在本實施實例中，裝置由光線調(diào)制器、智能光學模組、瞳孔隨動調(diào)整模塊和多維度位置探測模塊構(gòu)成，如圖5。在本實施實例中，光線調(diào)制器采用了超高清液晶顯示器，在平面模式和立體模式下均能實現(xiàn)高清顯示。

在本實施實例中，裝置采用狹縫光柵實現(xiàn)視圖分離的效果。在此有必要指出，前置光柵和后置光柵從原理上沒有差別，因此本實施實例以前置光柵進行闡述。光線調(diào)制器最小單元長度t，光線調(diào)制器與光柵間距s，光柵與觀看位置間距l(xiāng)，光柵透光部分寬度a，光柵遮光部分寬度b，視點間距q，如圖3，根據(jù)幾何光學原理，可得以下公式。

根據(jù)上面的公式可知，改變光線調(diào)制器與光柵間距s可以改變光柵與觀看位置間距l(xiāng)。裝置通過實時改變智能光學模組和光線調(diào)制器之間的距離s，實現(xiàn)左右觀看窗口在不同的位置實現(xiàn)匯聚。多維度位置探測模塊實時檢測觀眾位置，中央處理單元根據(jù)位置變化實時調(diào)整瞳孔隨動調(diào)整模塊，實現(xiàn)左右觀看窗口在不同位置匯聚。如圖4，視點view1到view4成周期性排列，任意位置觀看時，總能看到兩個不同的視圖。例如同時看到view2和view3，此時呈現(xiàn)給觀眾的就是正常的立體。但是在某些位置看到的就是反立體，例如同時看到view4和view1，引起視覺不適。

在本實施實例中，裝置采用光線調(diào)制器即液晶顯示屏。光線調(diào)制器可以通過光線調(diào)制的方式任意切換視圖，從而保證正常的立體視角排列。觀眾在自由觀看的過程中位置發(fā)生了變化，如果移動到了view4和view1的視角范圍內(nèi)，看到的是反立體畫面，不僅不存在立體感，還會有一定的視覺不適。多維度位置探測模塊實時檢測到觀眾位置以后，中央處理單元根據(jù)相應的位置信息發(fā)出指令控制光線調(diào)制器，調(diào)整其調(diào)制模式，使view4和view1的視圖顛倒，此時觀眾看到的就是正常的立體畫面。

在本實施實例中，裝置采用平面調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)左右觀看窗口根據(jù)觀眾距離實時匯聚，如圖2。多維度位置探測模塊實時檢測觀眾的位置變化，中央處理單元接收到觀眾的實時空間數(shù)據(jù)以后，發(fā)出指令調(diào)整平面調(diào)整機構(gòu)和光線調(diào)制器，實現(xiàn)左右觀看窗口實時跟隨左右瞳孔。在平面調(diào)整機構(gòu)中，光線調(diào)制器和智能光學模組之間需要保持高度的平行性。兩者通過平行導軌連接，通過步進電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動控制相對距離的變化。兩者在靜止或者運動過程中均能保持良好的平行性。光線調(diào)制器模式M，調(diào)節(jié)距離N，觀眾x,y,z空間位置，可以得到以下閉環(huán)控制系統(tǒng)。

(M,N)＝F(x,y,z)

以裝置作為三維坐標原點，多維度位置探測模塊實時檢測到觀眾的三維位置(x,y,z)，中央處理器根據(jù)三維位置(x,y,z)實時調(diào)整瞳孔隨動調(diào)整模塊，調(diào)整該模塊中的參數(shù)M和N，使左右觀看窗口匯聚到觀眾左右瞳孔。同時，探測模塊可以檢測左右窗口匯聚到觀眾左右瞳孔的效果，即是否出現(xiàn)偏差。在出現(xiàn)偏差以后以極快的速度實時進行調(diào)整參數(shù)M和N，確保左右窗口準確的覆蓋到觀眾左右瞳孔。

該裝置采用該方案采用智能光學模組為光線調(diào)制器提供光源。中央處理單元實時檢測播放內(nèi)容，當播放內(nèi)容為平面內(nèi)容時，智能光學模組發(fā)出平面顯示需要的光線，當播放內(nèi)容為立體內(nèi)容時，智能光學模組發(fā)出立體顯示所需要的光線。通過實時檢測播放內(nèi)容并改變智能光學模塊的方式，實現(xiàn)平面立體兼容的功能。智能背光采用高亮LED作為光源，成陣列方式排列，整體結(jié)構(gòu)與普通直下式液晶背光類似。當播放內(nèi)容為平面內(nèi)容時，發(fā)出漫射光為光線調(diào)制器提供光源。當播放內(nèi)容為立體內(nèi)容時，調(diào)節(jié)其內(nèi)部的電控器件，發(fā)出立體顯示所需要的狹縫光源。

該裝置采用多維度位置探測模塊，多攝像頭不僅可以獲得清晰的視頻圖像，還能準確的測算出觀眾與顯示器之間的距離信息。中央處理單元根據(jù)觀眾的實時三維數(shù)據(jù)發(fā)出指令控制瞳孔隨動調(diào)整模塊，實現(xiàn)左右觀看窗口實時跟隨觀眾左右瞳孔。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。