基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，包括定向屏、投影機組和電機，定向屏由菲涅爾透鏡組和光柵構(gòu)成，所述菲涅爾透鏡組包括兩片菲涅爾透鏡，所述菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，所述投影機組包括多個微型投影機，所述投影機組設(shè)置在定向屏下方，所述投影機的鏡頭朝向定向屏，多個微型投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列且正對定向屏投影，所述電機設(shè)置在投影機組的下方。本發(fā)明提供的基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)可供多人在任意角度裸眼觀看，所在位置不同，觀察到的立體圖像也不同，并且圖像出屏，觀察者可用手觸摸圖像，體現(xiàn)了較好的人機互動性。
【專利說明】基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，尤其涉及一種基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，屬于裸眼立體顯示領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]人們對客觀世界的感知方式有多種，眼睛承載著人類90%以上的信息獲取能力，借助視覺能獲得的信息量遠遠超過了聽覺、觸覺、嗅覺及味覺等其他方式所能獲得的信息量?，F(xiàn)實中的物體都是立體的、三維的，人眼的視覺系統(tǒng)能夠很好的適應現(xiàn)實中的三維世界，準確的把圖像信息傳遞給人們。但是由于技術(shù)的原因，目前的絕大多數(shù)顯示裝置只能顯示二維的圖像，雖然也能給人們展示大千世界的多姿多彩，但遠不能提供與真實世界相比的視覺信息，不能讓人們感知立體的世界。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對于顯示裝置的要求已經(jīng)不僅僅局限于簡單的傳遞二維平面信息，而是希望它可以提供更加真實、富有立體感，更接近人眼實際感受的三維立體圖像信息，由此三維立體顯示技術(shù)應運而生。
[0003]圖像顯示器是人類接受外部信息的重要手段之一。而立體顯示器則能再現(xiàn)物體的三維信息，提供物體更為全面、詳實的信息，在醫(yī)學、軍事、廣告藝術(shù)以及立體電視等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。目前的立體顯示器無法同時實現(xiàn)裸眼、寬視域觀看，以及立體圖像的懸浮和可觸摸。隨著立體顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對立體顯示器的觀看效果提出了更高的要求，要求其實現(xiàn)裸眼360°周視觀看，圖像懸浮且具有較好的人機交互性。
[0004]雖然該技術(shù)發(fā)展了很長一段時間，但是現(xiàn)有立體顯示器大都無法同時實現(xiàn)裸眼觀看、周視和圖像懸浮可觸摸的特點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種可以實現(xiàn)裸眼3D，可供多人在任意角度裸眼觀看的立體顯示系統(tǒng)。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案:
[0007]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，采用多個微型投影機提供視差圖，定向屏由電機帶動高速旋轉(zhuǎn)，多投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列，當定向屏正對其中一個投影機時，將投影機出瞳成像，在顯示器上方形成一條觀察帶，電機旋轉(zhuǎn)一周，形成的觀察帶圍成整圈，實現(xiàn)周視，當人眼位于任意兩條不同觀察帶時，將分時接收到對應視差圖，形成立體視覺，且位于不同的位置，將觀察到立體圖像不同的側(cè)面。
[0008]本發(fā)明提供的另一種基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)，包括定向屏、投影機組和電機，定向屏由菲涅爾透鏡組和光柵構(gòu)成，所述菲涅爾透鏡組包括兩片菲涅爾透鏡，所述菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，所述投影機組包括多個微型投影機，所述投影機組設(shè)置在定向屏下方，所述投影機的鏡頭朝向定向屏，多個微型投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列且正對定向屏投影，所述電機設(shè)置在投影機組的下方。
[0009]一種使用上述的基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟:
[0010]步驟一、采用多投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列且正對定向屏投影，當定向屏正對投影機時，投影機將圖像投影到定向屏上，圖像出屏且位于人眼與定向屏之間，此時形成負視差，；
[0011]步驟二、定向屏由電機帶動高速旋轉(zhuǎn),多投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列，當定向屏正對其中一個投影機時，將投影機出瞳成像，在顯示器上方形成一條觀察帶；
[0012]步驟三、電機旋轉(zhuǎn)一周，形成的觀察帶圍成整圈，實現(xiàn)周視，當人眼位于任意兩條不同觀察帶時，將分時接收到對應視差圖，形成立體視覺，且位于不同的位置，將觀察到立體圖像不同的側(cè)面。
[0013]本發(fā)明提供的基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，可供多人在任意角度裸眼觀看，所在位置不同，觀察到的立體圖像也不同，并且圖像出屏，觀察者可用手觸摸圖像，體現(xiàn)了較好的人機互動性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為雙目視差原理圖；
[0015]圖2為各種視差類型示意圖；
[0016]圖3為基于雙飛涅爾透鏡成像原理圖
[0017]圖4為光柵定向散射原理不意圖；
[0018]圖5為定向屏成像原理示意圖
[0019]圖6為定向屏旋轉(zhuǎn)成像原理圖；
[0020]圖7為本實施例新型裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)原理示意圖。

【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明提供一種基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0022]實施例
[0023]本實施例公開的基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，一系列研究表明，人類的眼睛對于現(xiàn)實世界的深度感覺主要是來自于以下幾種方式，分別是:單眼的移動視差、兩眼的視差、調(diào)節(jié)效應、匯聚效應。其中兩眼的視差是看物體產(chǎn)生立體感和深度感的最主要的原因。由于本立體顯示器是基于雙目視差原理，所以下面著重介紹雙目視差原理:
[0024]一、立體視覺的原理
[0025]人類的兩眼之間有大約65毫米左右的距離，右眼和左眼分別去看同一個物體之間是有小小的差別的，相當于是用不一樣的角度去看世界的。而雙眼對空間的定位是這樣的過程:如圖1所示，當雙眼把看到有細微差別的兩幅圖像或場景反映給了大腦的時候，大腦把接收到的兩幅圖像綜合處理成為一副非常完整的圖像，產(chǎn)生了精確的立體狀態(tài)的物體和這個物體在真實場景中的位置。這樣使觀察者有立體和深度的感覺也就形成了。
[0026]任何取在立體空間中相同的一點，按投影在立體圖像對中的像點位置偏差的方向不同，分為垂直視差和水平視差。其中，垂直視差指的是在豎直方向上像點位置的偏移，水平視差指的是在水平方向上像點位置的偏移。但是垂直視差會讓雙眼觀察物體的時候感覺極度的不適，因為雙眼是水平分布而不是垂直分布的。所以水平視差常常用在實現(xiàn)立體顯示的過程中，而垂直視差是立體顯示中盡量要避免出現(xiàn)的。視差也是分類別的，下面就進一步來介紹視差的分類。
[0027]如圖2所示，水平視差分別有零時差，正視差，負視差，發(fā)散視察四種類型。
[0028]1.零視差
[0029]雙眼中目標物體的成像點和立體空間中的一點所形成的連線在顯示屏上交于同一點的時候，雙目視差是零，也就是上面所說的零視差。觀看這一點的時候，會感覺這一點就在屏幕之上，那是因為左右眼的視線恰好交匯于顯示屏上的同一點。
[0030]2.正視差
[0031]雙眼中目標物體的成像點和立體空間中的一點所形成的兩條連線和顯示屏相交，并且兩個交點之間的間隔小于人類瞳距的規(guī)定值，此刻產(chǎn)生的視差也就是正視差，在呈現(xiàn)正視差的情況下，當觀察者的目光投射到這點上時，產(chǎn)生大腦的融合之后，會感覺到這一點深于顯示屏，有一種深度感。
[0032]3.負視差
[0033]雙眼中成像點和立體空間中的一點所形成的兩條連線在顯示屏前相交，此刻產(chǎn)生的視差稱為負視差。在呈現(xiàn)負視差的情況下，觀察者會感覺目標點處于顯示屏以及雙眼之間。
[0034]4.發(fā)散視差
[0035]雙眼中成像點和立體空間中的一點所形成的兩條連線和顯示屏相交(在顯示屏前沒有相交)，且兩個交點之間的間隔大于人類瞳距的規(guī)定值，此刻產(chǎn)生的視差稱為發(fā)散視差。但在處于發(fā)散視差的情況下，觀察者的目光投射到這一點時將感到視覺疲勞，因為這兩點超過了融合范圍無法融合到一起?，F(xiàn)實生活之中，并不會產(chǎn)生這種情況，所以在制作立體顯示器的時候，也要盡量避免產(chǎn)生這種情況。
[0036]為了使立體圖像懸浮可觸摸，所以圖像必須出屏且位于屏幕與人眼之間，根據(jù)以上四種視差類型的特點，本立體顯示器選擇負視差。
[0037]二、基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示原理
[0038]定向屏的成像原理
[0039]本裸眼懸浮立體顯示器為了使投影機出瞳的像成像在指定的觀察區(qū)域，使用定向屏作為成像裝置，定向屏由兩片菲涅爾透鏡和一片光柵組成。菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，菲涅爾透鏡在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好。本定向屏中菲涅爾透鏡起聚焦作用，如圖3，菲涅爾透鏡組的作用是將放置于菲涅爾透鏡I焦平面處的投影機出瞳成像在菲涅爾透鏡2焦平面處。光柵作為定向散射屏的一種，它可以將入射的光線向某一方向散射，從而增大觀看范圍，其原理如圖4所示，水平光柵在豎直方向上具有散射性，散射角為β。因此在菲涅爾透鏡組后面加水平光柵擴大了豎直方向的觀察范圍，形成豎直的觀察帶。菲涅爾透鏡組和光柵組成了定向屏，當投影機位于定向屏中菲涅爾透鏡I的焦點時，定向屏對投影機出瞳成像，在菲涅爾透鏡2的焦平面上形成一條豎直的觀察帶，如圖5所示。
[0040]為了實現(xiàn)360°周視觀看，顯示器采用多投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列且正對定向屏投影，只有當定向屏正對投影機時，投影機才能將圖像投影到定向屏上，為了使圖像具有可觸摸性，提高立體顯示器的人機交互性，圖像必須出屏且位于人眼與定向屏之間，也即此時的視差類型為上面提到的負視差，以兩個投影機為例，如圖6所示，由圖可知，當定向屏(實線)正對投影機I時，形成觀察帶I;當定向屏(虛線)正對投影機2時，形成觀察帶2，當左眼位于觀察帶I且右眼位于觀察帶2時，可獲得出屏的立體影像。
[0041]顯示器原理顯示器采用多個微型投影機提供視差圖，由以上對定向屏的分析可知，定向屏分離視差圖并將投影機出瞳成像，形成顯示器上方的觀察帶，當觀看者左右眼位于不同觀察帶時，將接收到對應的視差圖，形成立體視覺，如圖7所示。定向屏由電機帶動高速旋轉(zhuǎn)，多投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列，當定向屏正對其中一個投影機時，將投影機出瞳成像，在顯示器上方形成一條觀察帶。因此，電機旋轉(zhuǎn)一周，形成的觀察帶圍成整圈，實現(xiàn)周視，當人眼位于任意兩條不同觀察帶時，將分時接收到對應視差圖，形成立體視覺，且位于不同的位置，將觀察到立體圖像不同的側(cè)面。
[0042]這種顯示器有效增大了觀看范圍，實現(xiàn)周視，同時可使多人多角度觀看立體圖像，且具有運動視差。顯示器中定向屏采用傾斜放置結(jié)構(gòu)，可使立體影像成像在屏幕之外且無遮擋，因此圖像具有懸浮感，且觀看者可觸摸到圖像，更好的體現(xiàn)了觀看者與圖像的互動性特點。
[0043]本發(fā)明提供的基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)及使用方法，可供多人在任意角度裸眼觀看，所在位置不同，觀察到的立體圖像也不同，并且圖像出屏，觀察者可用手觸摸圖像，體現(xiàn)了較好的人機互動性。
[0044]可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)，包括定向屏、投影機組和電機，其特征在于:所述定向屏由菲涅爾透鏡組和光柵構(gòu)成，所述菲涅爾透鏡組包括兩片菲涅爾透鏡，所述菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，所述投影機組包括多個微型投影機，所述投影機組設(shè)置在定向屏下方，所述投影機的鏡頭朝向定向屏，多個微型投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列且正對定向屏投影，所述電機設(shè)置在投影機組的下方。
2.一種使用如權(quán)利要求1所述的基于菲涅爾透鏡的裸眼懸浮立體顯示系統(tǒng)的使用方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、采用多投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列且正對定向屏投影，當定向屏正對投影機時，投影機將圖像投影到定向屏上，圖像出屏且位于人眼與定向屏之間，此時形成負視差，； 步驟二、定向屏由電機帶動高速旋轉(zhuǎn)，多投影機環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸排列，當定向屏正對其中一個投影機時，將投影機出瞳成像，在顯示器上方形成一條觀察帶； 步驟三、電機旋轉(zhuǎn)一周，形成的觀察帶圍成整圈，實現(xiàn)周視，當人眼位于任意兩條不同觀察帶時，將分時接收到對應視差圖，形成立體視覺，且位于不同的位置，將觀察到立體圖像不同的側(cè)面。
【文檔編號】H04N13/04GK104270628SQ201410538946
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月27日
【發(fā)明者】楊靈芝 申請人:楊靈芝