一種立體投影顯示裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種立體投影顯示裝置，包括顯示屏和投影儀陣列，所述顯示屏包括離所述投影儀陣列由近及遠依次緊貼設置的菲涅爾透鏡、縱向散射層和鏡面反射層，且所述菲涅爾透鏡以平的一面與所述縱向散射層接觸，所述菲涅爾透鏡水平方向的焦距小于垂直方向的焦距；所述縱向散射層用于對光線進行垂直方向上的散射；所述投影儀陣列包括放置于所述菲涅爾透鏡垂直方向的焦平面上的至少兩臺投影儀；所述菲涅爾透鏡的參數可依據不同的觀看指標進行調整，以形成不同的觀看區(qū)域，其中所述觀看指標包括觀角看距離和觀看度，所述菲涅爾透鏡的參數包括水平方向的焦距和垂直方向的焦距。本發(fā)明的投影顯示畫面高清、高亮度，且裝置布置靈活，可2D/3D切換。
【專利說明】—種立體投影顯示裝置【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機視覺技術和立體視頻領域，尤其涉及一種立體投影顯示裝置。【背景技術】
[0002]基于投影的多視角裸眼立體顯示是一種通過在左右眼中分別投射不同的畫面進而虛擬出畫面中物體的深度信息，最終實現景象的立體顯示的一種技術，同時，通過移動觀察位置還能看到不同視角的立體畫面。這種技術是一種準3D顯示技術，因為所展示的視角畫面是斷續(xù)的，與自然場景的連續(xù)視角顯示存在區(qū)別。
[0003]多視角裸眼立體顯示技術主要可以分為兩類:平板式立體顯示技術和投影式立體顯示技術。
[0004] 平板式立體顯示技術通過在傳統的平板顯示器如IXD上增加一層光柵，而在顯示的時候提供的是交織分隔的視圖圖像，經過光柵的分光作用就能實現不同位置觀看到不同視角從而得到立體顯示的效果。這種方式能與傳統的顯示系統兼容，但是最大的缺點是會造成分辨率的損失，且視角數越多，分辨率損失越嚴重。
[0005]現有的投影式立體顯示技術則大多是通過投影儀陣列與菲涅爾透鏡或者柱透鏡光柵配合實現立體顯示。這種投影儀立體顯示技術依然存在一些弊端:如投影儀布置需要滿足一定的條件如投影儀到顯示屏之間的距離要大于一定值，且觀看者無法在投影儀和屏幕之間看到圖像，而是屏幕位于觀看者和投影儀之間，這使得整個投影顯示裝置的使用受到空間的限制，不能進行自由布置；其次，由于投影儀和顯示屏之間存在較大空間距離，所得到的圖像的光線四向散開，光損較大，造成圖像亮度低；再次，空間的其他外來光線容易干擾成像質量。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于提供一種立體投影顯示裝置，以解決現有的投影式立體顯示技術存在的成像亮度低、質量低以及布置方式占空間的技術問題。
[0007]本發(fā)明通過以下技術方案來解決前述的技術問題:
[0008]一種立體投影顯示裝置，包括顯示屏和投影儀陣列，所述顯示屏包括離所述投影儀陣列由近及遠依次緊貼設置的菲涅爾透鏡、縱向散射層和鏡面反射層，且所述菲涅爾透鏡以平的一面與所述縱向散射層接觸，所述菲涅爾透鏡水平方向的焦距小于垂直方向的焦距；所述縱向散射層用于對光線進行垂直方向上的散射；所述投影儀陣列包括放置于所述菲涅爾透鏡垂直方向的焦平面上的至少兩臺投影儀；所述菲涅爾透鏡的參數可依據不同的觀看指標進行調整，以形成不同的觀看區(qū)域，其中所述觀看指標包括觀看距離和觀看角度，所述菲涅爾透鏡的參數包括水平方向的焦距和垂直方向的焦距。
[0009]優(yōu)選地，所述投影儀為短焦距激光投影儀。
[0010]優(yōu)選地，各所述投影儀位于同一條平行于地面的水平線上。
[0011]本發(fā)明提供的立體投影顯示裝置，與現有技術相比，至少具有以下有益效果:由于菲涅爾透鏡的垂直方向焦距大于水平方向焦距，且投影儀不至于透鏡垂直方向的焦平面上，所以垂直方向光線兩次經菲涅爾透鏡且在縱向散射膜的作用下，最終出射時是平行且水平射出(光線之間相互平行且光線與地面平行)，而在水平方向(與地面平行的方向)，上最終出射時是匯聚的。從而投影儀出射的光線在第一次經過菲涅爾透鏡，經反射鏡反射后經縱向散射，第二次經過菲涅爾透鏡后匯聚成一條豎直窄帶(但人眼看到的是完整的畫面)，又因為縱向散射層的作用，不同的高度均能看到完整的畫面。當某兩臺投影儀將不同視角的圖像分別投入人的左右眼時，兩個不同視角的豎直窄帶分別形成于左右眼處，人眼感受到立體效果，從而實現裸眼立體顯示。
[0012]綜上所述，本方案中，由于最終出射光線在垂直方向上極少有斜向上或斜向下射出的光線，水平方向也是水平射出且匯聚在某點，從而大大減少了光損，提高了成像的亮度，而環(huán)境中的外來干擾光，其光源極少處于菲涅爾透鏡垂直方向的焦平面上，所以難以對成像造成干擾，從而成像質量得以提高；另外，當菲涅爾透鏡的垂直方向的焦距變小時，投影儀便可以布置得離顯示屏更近，增強了布置的靈活性。
[0013]另一方面，本方案的立體投影顯示裝置還能實現2D/3D切換，只要將所有投影儀投影同一視角的圖像或同一路視頻即可，也可以只用一臺投影儀工作，而在菲涅爾透鏡前再增加一層可控的水平散射層，通過開關控制其散射特性，當需要2D時，此膜為水平散射膜，能將光線水平散射開來，使得任意位置均能看到同樣的二維畫面。
[0014]在優(yōu)選的采用短焦距激光投影儀的方案中，基于可調整參數的菲涅爾透鏡，配合使用短焦距激光投影儀，可將投影儀布置得離屏幕更近，甚至可以置于屏幕跟前，實現了幾乎全自由布置，而且人員的走動也不會阻擋光線。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明具體實施例的立體投影顯示裝置的結構布置側視圖；
[0016]圖2為圖1的立體投影顯示裝置的結構布置俯視圖；
[0017]圖3為圖1的顯示屏結構側面剖視圖；
[0018]圖4為一臺投影儀的成像示意圖；
[0019]圖5為本發(fā)明具體實施例的立體投影顯示裝置的具體布置俯視圖。
【具體實施方式】
[0020]下面對照附圖并結合優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
[0021]概念定義:
[0022]水平方向:平行于地面的方向；
[0023]垂直方向:垂直于地面的方向；
[0024]本具體實施例部分提供一種如圖1和圖2所示的立體投影顯示裝置，包括投影儀陣列10和顯示屏20，投影儀陣列10包括兩臺以上的投影儀，例如，在本實施例中投影儀陣列10包括五臺投影儀:11、12、13、14、15 ;顯示屏20包括離投影儀陣列10由近及遠依次緊貼設置的菲涅爾透鏡21、縱向散射層22和鏡面反射層23。菲涅爾透鏡的光學特性等同于相同參數的凸透鏡，凸透鏡有兩個方向的光學特性，水平方向和垂直方向，垂直方向的光學特性控制出射光線在垂直方向的角度，而水平方向的光學特性控制出射光線在水平方向的角度，普通的透鏡在水平和垂直方向上的特性是一樣的，即各向同性的圓形透鏡，但在本發(fā)明中，菲涅爾透鏡21在水平方向的焦距f小于垂直方向的焦距f '。投影儀陣列10布置于菲涅爾透鏡21的垂直方向焦平面上，不僅如此，更優(yōu)選的方案中還可以使所有投影儀處于同一水平線(平行于地面)上。在本方案中，可以根據觀看指標(觀看距離和觀看角度等)，來設計顯示屏的合適參數，主要是菲涅爾透鏡的參數，使得菲涅爾透鏡水平方向的焦距f小于垂直方向的焦距f，然后再根據投影儀陣列的位置和顯示屏的參數，確定觀看區(qū)域。
[0025]下面闡述本實施例的立體投影顯示裝置的布置原理和成像過程。
[0026]為了便于說明，先闡述一臺投影儀的成像過程，以投影儀13為例:投影儀13相當于一個點光源，由于點光源位于菲涅爾透鏡21的垂直方向的焦平面上，所以點光源距離菲涅爾透鏡的距離(即物距u)剛好等于菲涅爾透鏡21的垂直方向焦距f '的一半(因為光線是兩次通過菲涅爾透鏡之后平行射出，故而只需半焦入射即可實現平行出射)。投影儀13發(fā)出的光線以發(fā)散的形式入射到菲涅爾透鏡21，經過菲涅爾透鏡21后(第一次經過)，光線水平射出，由于縱向散射層22緊貼鏡面反射層23，所以光線第一次經過縱向散射層22時，縱向散射層22對光線的散射作用相當于沒有，光線在經鏡面反射層23反射后，第二次經過縱向散射層22，此次對光線起到了垂直方向上的散射作用，使得垂直方向上的光線上下散開(不會左右散開，因為是縱向散射)，而對光線在水平方向上的傳播路徑不受影響，然后，光線第二次經過菲涅爾透鏡21，再次產生匯聚作用，使得垂直方向上的光線平行射出，就如圖4中的(a)所示，(a)為側視圖；而水平方向上的光線匯聚到空間某點，見于圖4中的(b)，(b)為俯視圖，從而光線在兩次經過菲涅爾透鏡后形成豎直窄帶，在該點的用戶才能觀看到完整的畫面。該豎直窄帶投射到人的某一只眼睛，即僅有一只眼睛能接收到畫面，而另一只沒有，為了能夠得到立體效果，需要開啟另一臺投影儀進行投影，假如開啟投影儀12，并使投影儀12投影不同視角的圖像或另一路視頻，依據前述的成像過程，人的另一只眼接收到了來自投影儀12的畫面，從而雙眼看到了具有深度信息的畫面，產生立體感，即裸眼3D。
[0027]在本發(fā)明中，菲涅爾透鏡的參數設置必須保證垂直方向上的焦距f '大于水平方向上的焦距f，即垂直方向上的曲率半徑大于水平方向上的曲率半徑，具體設置過程如下:
[0028]根據透鏡成像公式:l/u+l/v= Ι/f，為公式(I)，其中u為物距，在本發(fā)明中u也是菲涅爾透鏡垂直方向的焦距，即U = f ' , V為觀察距離，可知:當V為正數，即觀看者位于菲涅爾透鏡與投影儀之間(即菲涅爾透鏡凸面一側)時(因為有反射層的存在，否則V為正數時，觀察者應當是在透鏡的另一側)，U總是大于f的，所以，根據公式(I)，當已知其中兩者時，可計算另一者的值，也就是前述描述的根據觀看距離設置透鏡參數，根據透鏡參數和投影儀的位置也可以確定觀察距離；
[0029]例如，如圖5所示，首先假設一個觀看距離V = 3m(米)，觀看角度為與菲涅爾透鏡主光軸成30°，垂直方向焦距u(f')已知，從而根據公式(I)計算出水平方向焦距f，從而完成菲涅爾透鏡的參數設置，確定顯示屏，然后:
[0030]如圖5所示:假設相鄰投影儀之間的距離為E，人雙眼的間距為e，為了能夠感受到立體效果，除了前述的設置外，還需要保證相鄰投影儀投射的畫面兩次經菲涅爾透鏡出來之后，在觀察距離處成像的間距E '滿足:[0031]e = nE ;，η = 1，2，3...，此為公式(2);
[0032]例如:當u = 2f時,根據公式(I),可得V = 2f,即觀察距離v = u,即在投影儀處進行觀看，此種情況E = E'。取η = I時，人眼分別看到投影儀11和12投射的畫面，當η = 2時,人眼分別看到投影儀11和13的畫面。
[0033]此外，由于菲涅爾透鏡成像為倒立實像，為了能夠得到準確的顯示畫面，需要事先對視頻或者圖像源進行處理，使之左右翻轉，才能得到的方向正確的畫面。
[0034]假設在沒有縱向散射層的情況下，經過透鏡作用之后，整幅畫面變成了豎直的長條，在某個位置只能看到部分畫面，就必須要對光線進行散射，使得不同的身高的人都能觀看到圖像，為了避免不同投影儀之間的光線串擾，就需要進行縱向散射，使得光線只在垂直方向上進行散射。
[0035]投影儀常常布置于屏幕下方，投影到垂直顯示屏上的畫面并非矩形，此時就需要對圖像進行扭曲校正，而通常的投影儀投影校正能力有效，故而對于投影距離有限制，這種情形下，整個系統將占用較大的空間，為了減輕這一限制，本發(fā)明優(yōu)選方案中采用具有較強校正能力的短焦距激光投影儀(如LG HECTO投影儀)，如此，則可以更加靈活的布置投影儀，甚至可以將投影儀直接布置于顯示屏幕跟前，從而實現幾乎完全自由地布置本立體投影顯示裝置。
[0036]而為了實現2D/3D可切換播放，有兩種實現方式:最簡單的一種是所有投影儀投影相同的圖像，這樣得到的效果比傳統的二維顯示較差，而且成本也要高于傳統的二維顯示系統；另外一種是在菲涅爾透鏡層前增添一層可控水平散射膜，通過開關控制其散射特性:當需要2D顯示時，此膜為水平散射膜，能將光線水平散射開來，使得任意位置均能看到畫面，此時只需要打開一臺投影儀即可；當需要3D顯示時，此膜為透射膜，不進行任何散射，相當于不存在，此時所有投影儀都需要處于工作狀態(tài)。
[0037]以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種立體投影顯示裝置，包括顯示屏和投影儀陣列，其特征在于: 所述顯示屏包括離所述投影儀陣列由近及遠依次緊貼設置的菲涅爾透鏡、縱向散射層和鏡面反射層，且所述菲涅爾透鏡以平的一面與所述縱向散射層接觸，所述菲涅爾透鏡水平方向的焦距小于垂直方向的焦距；所述縱向散射層用于對光線進行垂直方向上的散射；所述投影儀陣列包括放置于所述菲涅爾透鏡垂直方向的焦平面上的至少兩臺投影儀； 所述菲涅爾透鏡的參數能夠依據不同的觀看指標進行調整，以形成不同的觀看區(qū)域，其中所述觀看指標包括觀角看距離和觀看度，所述菲涅爾透鏡的參數包括水平方向的焦距和垂直方向的焦距。
2.如權利要求1所述的立體投影顯示裝置，其特征在于:所述投影儀為短焦距激光投影儀。
3.如權利要求1所述的立體投影顯示裝置，其特征在于:各所述投影儀位于同一條平行于地面的水平線上。
【文檔編號】G03B21/56GK103995426SQ201410234678
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權日:2014年5月29日
【發(fā)明者】張磊, 唐邵, 張永兵, 李凱, 戴瓊海 申請人:清華大學深圳研究生院