一種光開關陣列及可交互裸眼3D系統的制作方法

本發明涉及3D顯示技術領域，特別是涉及一種光開關陣列及可交互裸眼3D系統。

背景技術：

跟傳統的平面顯示技術相比，3D顯示技術是一種可以把景深信息也直觀的表示出來的新一代顯示技術。由于3D顯示技術相對于平面顯示器在視覺效果上有很多明顯優勢，3D顯示技術越來越受到人們的追捧，可以預見未來3D顯示技術會取代平面顯示技術，成為主流的顯示技術。

雖然現階段已經有很多影院可以觀看3D電影，但是其實現3D畫面的原理本質上還是平面顯示技術，并不是真正提供真實的立體畫面。影院里的3D顯示通常是利用雙眼視差原理依靠偏光片眼鏡使用戶的雙眼接收到不同的畫面來實現的偽3D圖畫。這種方式雖然也能夠實現一定的3D效果，但是用戶的觀影體驗卻會大打折扣。由于這種3D實際上是向用戶提供了兩個畫面，而且這兩個畫面的空間位置就是在屏幕上的，而用戶觀察時形成的偽3D畫面卻好像是脫離屏幕的，這樣就會引入一個視覺調焦矛盾。一方面真實的畫面在屏幕上用戶需要把眼睛焦點調整到屏幕上，但是另一方面偽3D效果圖去好像是脫離屏幕的這樣用戶就會不自覺的重新調焦使眼睛的焦點聚焦到偽3D圖上，而一旦用戶進行了重新聚焦，畫面就會變模糊，這時候又需要重新調焦。這樣一個矛盾的過程會在整個觀影過程中一直持續，所以長時間觀看這種偽3D電影的話，眼睛會特別累，對眼睛傷害也非常大。正是由于這個原因，人們一直在探索能夠替代這種對人體有副作用的偽3D顯示技術的全新的可實用的3D顯示解決方案。

在眾多的3D顯示方案中，全息技術（尤其是計算全息技術）一直被認為是最理想的3D顯示解決方案。但遺憾的是到目前為止，全息技術還很難真正實現商業化，走進普通用戶家庭。主要是因為全息技術對于設備和環境的要求非常苛刻。比如計算全息技術原理上可以顯示大尺寸的3D畫面，但是卻需要在很大的屏幕上制備亞微米量級的像素才能夠實現，這不僅對加工工藝提出了很高的挑戰，而且還涉及到大量的數據處理，加大了設備的生產成本。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種光開關陣列及可交互裸眼3D系統，解決3D顯示技術對設備要求高、生產成本高的問題，具有可以裸眼觀看3D畫面、設備要求低、生產成本低、無需輔助設備實現人機交互的特點。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種光開關陣列，在三維直角坐標系下沿y 軸并排放置長度方向沿z軸一條以上的光開關鏈；光開關鏈由具有三個端口且具有光路轉換功能的“T”形光開關依次相連構成，其中“T”形光開關端口A 和端口B 處于同一直線上，端口C 位于端口A 和端口B 之間垂直于端口A 和端口B 所在的直線，從端口A 進入的光在控制端的控制下能夠選擇從端口B 或者從端口C 出來，每個“T”形光開關的端口B 與其后相鄰的“T”形光開關的端口A 相連，每條光開關鏈上所有“T”形光開關的端口C 指向x軸方向，每條沿y軸放置的光開關鏈的第一個“T”形光開關的端口A為光開關陣列的主端口。

一種權利要求1所述的光開關陣列構成的可交互裸眼3D系統，包括處理器、懸空掃描交互模塊、運動探測模塊、位置跟隨驅動模塊、相干參考光源和承接屏幕；相干參考光源、懸空掃描交互模塊、運動探測模塊和位置跟隨驅動模塊均和處理器連接，懸空掃描交互模塊和人眼相對于承接屏幕呈鏡像位置，位置跟隨驅動模塊與懸空掃描交互模塊或承接屏幕連接，控制懸空掃描交互模塊和承接屏幕位置相對運動。

優選地，懸空掃描交互模塊包括光開關陣列、光路分離單元、鏡頭、顯示光源、感光模塊；感光模塊和處理器連接，光開關陣列的主端口經光路分離單元分別和顯示光源和感光模塊連接，光開關陣列和鏡頭可相對運動，從而實現景深掃描。

優選地，鏡頭為焦距可調的透鏡，通過調整焦距可以實現景深掃描。

優選地，運動探測模塊包括攝像機和紅外距離探測器，攝像機利用圖像識別技術識別人臉定位人眼位置，紅外距離探測器探測人體和承接屏幕之間的距離。

優選地，承接屏幕選用透明材質制作而成。

優選地，光路分離單元為 “T”形光開關，光路分離單元的端口B與對應光開關鏈的端口A連接。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明通過設計一種開關陣列實現高速掃描功能，通過設計可交互裸眼3D系統，可以實現裸眼觀看3D影像，不需要其他輔助設備實現人機交互功能，降低了顯示數據的處理難度從而降低對設備的要求，降低了設備的生產成本。

附圖說明

圖1是“T”形光開關結構示意圖。

圖2是“T”形光開關工作原理圖。

圖3是本發明的原理框圖。

圖4是本發明的整體結構示意圖。

圖5是光路調制原理圖。

圖中：1、處理器；2、位置跟隨驅動模塊；3、運動探測模塊；4、感光模塊；5、顯示光源；6、光路分離單元；7、光開關陣列；8、鏡頭；9、承接屏幕；10、人眼；11、相干參考光源。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。

如圖1和圖2所示，為“T”形光開關的結構示意圖和工作原理圖，在三維直角坐標系下沿y 軸并排放置長度方向沿z軸一條以上的光開關鏈；光開關鏈由具有三個端口且具有光路轉換功能的“T”形光開關依次相連構成，其中“T”形光開關端口A 和端口B 處于同一直線上，端口C 位于端口A 和端口B 之間垂直于端口A 和端口B 所在的直線，從端口A 進入的光在控制端的控制下能夠選擇從端口B 或者從端口C 出來，每個“T”形光開關的端口B 與其后相鄰的“T”形光開關的端口A 相連，每條光開關鏈上所有“T”形光開關的端口C 指向x軸方向，每條沿y軸放置的光開關鏈的第一個“T”形光開關的端口A為光開關陣列7的主端口。

如圖3和圖4所示，分別為整體系統的原理框圖和結構示意圖，懸空掃描成像式可交互裸眼3D系統包括處理器1、懸空掃描交互模塊、運動探測模塊3、位置跟隨驅動模塊2、相干參考光源11和承接屏幕9；相干參考光源11、懸空掃描交互模塊、運動探測模塊3和位置跟隨驅動模塊2均和處理器1連接，懸空掃描交互模塊和人眼10相對于承接屏幕9呈鏡像位置，位置跟隨驅動模塊2與懸空掃描交互模塊或承接屏幕9連接，控制懸空掃描交互模塊和承接屏幕9位置相對運動，懸空掃描交互模塊和承接屏幕9位置發生相對運動可以是二者之一運動，也可以是同時運動。

光路分離單元可以選用 “T”形光開關，光路分離單元6的端口B與對應光開關鏈的端口A連接。

懸空掃描交互模塊包括光開關陣列7、光路分離單元6、鏡頭8、顯示光源5、感光模塊4；感光模塊4和處理器1連接，光開關陣列7的主端口經光路分離單元6分別和顯示光源5和感光模塊4連接。

工作時，處理器1根據要投影的視頻信號信息控制顯示光源5發出特定顏色的光，顯示光源5發出的光經過光路分離單元6進入光開關陣列7，經過處理后的光從光開關陣列7發出經過鏡頭8后打到承接屏幕9上，處理器1可以控制顯示光源5對要顯示圖像的所有像點進行掃描，經過光開關陣列7在承接屏幕9上顯示完成畫面。

運動探測模塊3包括攝像機和紅外距離探測器，攝像機利用圖像識別技術識別人臉定位人眼10位置，紅外距離探測器探測人體和承接屏幕9之間的距離，在確定人眼10位置后處理器1發出指令，位置跟隨驅動模塊2控制懸空掃描交互模塊或承接屏幕9位置移動，使人眼10和懸空掃描交互模塊始終相對于承接屏幕9呈鏡像位置，使人眼10隨時觀看到承接屏幕9上的影像。

顯示時，光開關陣列7上某一點，通過鏡頭8后會在空間的一個位置處形成匯聚的光點，即像點，但是這個像點的可視角很小，不能夠保證始終能夠被用戶觀察到，為了使用戶始終能夠觀察到光開關陣列7上任意點的空間像點，需要對這些空間像點進行調制。

如圖5所示，為光路原理調制原理圖，當顯示光源5發出的光和相干參考光源11發出的光為相干光時，相干參考光源11就可以對顯示光源5進行調制。以光開陣列上某一點a的空間像點b不在承接屏幕9上為例，那么從光開關陣列7上這一點發出的光打到承接屏幕9上時會形成有一定面積的光斑，現在使相干參考光源11也照射到這個光斑上，那么兩者就會形成一張干涉圖(全息圖)，這張干涉圖就是空間像點b的全息圖。當處理器1控制光開關陣列7上的光點進行掃描時，就可以在空間形成一幅畫面。由于光開關陣列7上每一條光開關鏈都有一個對應的光源，所以這些光開關鏈可以同時掃描，從而大大降低對掃描速度的要求。本發明提供3D方案原理上跟全息技術相似，但是回避了全息涉及到大量的數據處理問題。通常用計算全息技術來實現3D顯示時為了增大可視角都需要構建很大的屏幕，這樣就涉及到大量的信息處理，而本發明中并不需要構建大面積的顯示畫面，顯示畫面只要能夠覆蓋人的雙眼就可以了，從而可以大大節約顯示成本。

由于光路可逆，當人手觸碰到空間像點后，一部反射光線會原路返回，在經過跟光開關陣列7相連的光路分離單元6時，這部分光被分離出來，被感光模塊4接收到，感光模塊4將接收到的信息傳送至處理器1，處理器1對信息進行分析處理確定并執行接收的指令，這樣就可以知道用戶對3D畫面的操作信息，從而可以在沒有其他輔助設備的情況下實現3D交互。

為了在空間不同景深位置形成像點，可以通過改變鏡頭8的焦距來實現。因此鏡頭8為焦距可調的透鏡，比如采用一個自適應透鏡，或者使用類似于人眼10晶狀體的軟透鏡，通過改變施加在軟透鏡邊緣的張力來調節其焦距，進而控制空間像點的深度，進行景深掃描，把景深信息也表現出來。

除了采用改變鏡頭8焦距的方式外，還可以通過調控鏡頭8和光開關陣列7之間的相對位置的方式來實現景深信息的呈現。

承接屏幕9選用透明材質制作而成，本系統為投射成像方式，懸空掃描模塊將畫面投射到屏幕上，人眼10在承接屏幕9的另一側觀看畫面。

承接屏幕9的表面具有磨砂或者霧面效果，使顯示的畫面更加清晰。

本發明除了可以實現可交互裸眼3D外，還具有三維掃描拍攝功能。

拍攝時，通過控制鏡頭8的焦距就可以使不同景深的物體依次在光開關整列平面上成像，通過光開關陣列7的光路傳導作用，這些攜帶景物信息的光被感光模塊4接收并傳送至處理器1，經過處理器1的處理形成成品影像。當需要使用投影功能時，只需要控制光路分離單元6，使顯示光源5與光開關陣列7連接并按照顯示信息輸出光線就可以了。由于本發明的光開關陣列7本身具有高速掃描能力，加上全固態運行的焦距可調的自適應透鏡也具備高速掃描能力，所以能夠快速的對復雜的3D景物進行拍攝。

采用上述技術方案后，本發明通過設計一種開關陣列實現高速掃描功能，通過設計可交互裸眼3D系統，可以實現裸眼觀看3D影像，不需要其他輔助設備實現人機交互功能，降低了顯示數據的處理難度從而降低對設備的要求，降低了設備的生產成本。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。