CN103995426A - 一种立体投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体投影显示装置，包括显示屏和投影仪阵列，所述显示屏包括离所述投影仪阵列由近及远依次紧贴设置的菲涅尔透镜、纵向散射层和镜面反射层，且所述菲涅尔透镜以平的一面与所述纵向散射层接触，所述菲涅尔透镜水平方向的焦距小于垂直方向的焦距；所述纵向散射层用于对光线进行垂直方向上的散射；所述投影仪阵列包括放置于所述菲涅尔透镜垂直方向的焦平面上的至少两台投影仪；所述菲涅尔透镜的参数可依据不同的观看指标进行调整，以形成不同的观看区域，其中所述观看指标包括观角看距离和观看度，所述菲涅尔透镜的参数包括水平方向的焦距和垂直方向的焦距。本发明的投影显示画面高清、高亮度，且装置布置灵活，可2D/3D切换。

Description

一种立体投影显示装置

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术和立体视频领域，尤其涉及一种立体投影显示装置。

背景技术

基于投影的多视角裸眼立体显示是一种通过在左右眼中分别投射不同的画面进而虚拟出画面中物体的深度信息，最终实现景象的立体显示的一种技术，同时，通过移动观察位置还能看到不同视角的立体画面。这种技术是一种准3D显示技术，因为所展示的视角画面是断续的，与自然场景的连续视角显示存在区别。

多视角裸眼立体显示技术主要可以分为两类：平板式立体显示技术和投影式立体显示技术。

平板式立体显示技术通过在传统的平板显示器如LCD上增加一层光栅，而在显示的时候提供的是交织分隔的视图图像，经过光栅的分光作用就能实现不同位置观看到不同视角从而得到立体显示的效果。这种方式能与传统的显示系统兼容，但是最大的缺点是会造成分辨率的损失，且视角数越多，分辨率损失越严重。

现有的投影式立体显示技术则大多是通过投影仪阵列与菲涅尔透镜或者柱透镜光栅配合实现立体显示。这种投影仪立体显示技术依然存在一些弊端：如投影仪布置需要满足一定的条件如投影仪到显示屏之间的距离要大于一定值，且观看者无法在投影仪和屏幕之间看到图像，而是屏幕位于观看者和投影仪之间，这使得整个投影显示装置的使用受到空间的限制，不能进行自由布置；其次，由于投影仪和显示屏之间存在较大空间距离，所得到的图像的光线四向散开，光损较大，造成图像亮度低；再次，空间的其他外来光线容易干扰成像质量。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种立体投影显示装置，以解决现有的投影式立体显示技术存在的成像亮度低、质量低以及布置方式占空间的技术问题。

本发明通过以下技术方案来解决前述的技术问题：

一种立体投影显示装置，包括显示屏和投影仪阵列，所述显示屏包括离所述投影仪阵列由近及远依次紧贴设置的菲涅尔透镜、纵向散射层和镜面反射层，且所述菲涅尔透镜以平的一面与所述纵向散射层接触，所述菲涅尔透镜水平方向的焦距小于垂直方向的焦距；所述纵向散射层用于对光线进行垂直方向上的散射；所述投影仪阵列包括放置于所述菲涅尔透镜垂直方向的焦平面上的至少两台投影仪；所述菲涅尔透镜的参数可依据不同的观看指标进行调整，以形成不同的观看区域，其中所述观看指标包括观看距离和观看角度，所述菲涅尔透镜的参数包括水平方向的焦距和垂直方向的焦距。

优选地，所述投影仪为短焦距激光投影仪。

优选地，各所述投影仪位于同一条平行于地面的水平线上。

本发明提供的立体投影显示装置，与现有技术相比，至少具有以下有益效果：由于菲涅尔透镜的垂直方向焦距大于水平方向焦距，且投影仪不至于透镜垂直方向的焦平面上，所以垂直方向光线两次经菲涅尔透镜且在纵向散射膜的作用下，最终出射时是平行且水平射出(光线之间相互平行且光线与地面平行)，而在水平方向(与地面平行的方向)，上最终出射时是汇聚的。从而投影仪出射的光线在第一次经过菲涅尔透镜，经反射镜反射后经纵向散射，第二次经过菲涅尔透镜后汇聚成一条竖直窄带(但人眼看到的是完整的画面)，又因为纵向散射层的作用，不同的高度均能看到完整的画面。当某两台投影仪将不同视角的图像分别投入人的左右眼时，两个不同视角的竖直窄带分别形成于左右眼处，人眼感受到立体效果，从而实现裸眼立体显示。

综上所述，本方案中，由于最终出射光线在垂直方向上极少有斜向上或斜向下射出的光线，水平方向也是水平射出且汇聚在某点，从而大大减少了光损，提高了成像的亮度，而环境中的外来干扰光，其光源极少处于菲涅尔透镜垂直方向的焦平面上，所以难以对成像造成干扰，从而成像质量得以提高；另外，当菲涅尔透镜的垂直方向的焦距变小时，投影仪便可以布置得离显示屏更近，增强了布置的灵活性。

另一方面，本方案的立体投影显示装置还能实现2D/3D切换，只要将所有投影仪投影同一视角的图像或同一路视频即可，也可以只用一台投影仪工作，而在菲涅尔透镜前再增加一层可控的水平散射层，通过开关控制其散射特性，当需要2D时，此膜为水平散射膜，能将光线水平散射开来，使得任意位置均能看到同样的二维画面。

在优选的采用短焦距激光投影仪的方案中，基于可调整参数的菲涅尔透镜，配合使用短焦距激光投影仪，可将投影仪布置得离屏幕更近，甚至可以置于屏幕跟前，实现了几乎全自由布置，而且人员的走动也不会阻挡光线。

附图说明

图1为本发明具体实施例的立体投影显示装置的结构布置侧视图；

图2为图1的立体投影显示装置的结构布置俯视图；

图3为图1的显示屏结构侧面剖视图；

图4为一台投影仪的成像示意图；

图5为本发明具体实施例的立体投影显示装置的具体布置俯视图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

概念定义：

水平方向：平行于地面的方向；

垂直方向：垂直于地面的方向；

本具体实施例部分提供一种如图1和图2所示的立体投影显示装置，包括投影仪阵列10和显示屏20，投影仪阵列10包括两台以上的投影仪，例如，在本实施例中投影仪阵列10包括五台投影仪：11、12、13、14、15；显示屏20包括离投影仪阵列10由近及远依次紧贴设置的菲涅尔透镜21、纵向散射层22和镜面反射层23。菲涅尔透镜的光学特性等同于相同参数的凸透镜，凸透镜有两个方向的光学特性，水平方向和垂直方向，垂直方向的光学特性控制出射光线在垂直方向的角度，而水平方向的光学特性控制出射光线在水平方向的角度，普通的透镜在水平和垂直方向上的特性是一样的，即各向同性的圆形透镜，但在本发明中，菲涅尔透镜21在水平方向的焦距f小于垂直方向的焦距f＇。投影仪阵列10布置于菲涅尔透镜21的垂直方向焦平面上，不仅如此，更优选的方案中还可以使所有投影仪处于同一水平线(平行于地面)上。在本方案中，可以根据观看指标(观看距离和观看角度等)，来设计显示屏的合适参数，主要是菲涅尔透镜的参数，使得菲涅尔透镜水平方向的焦距f小于垂直方向的焦距f＇，然后再根据投影仪阵列的位置和显示屏的参数，确定观看区域。

下面阐述本实施例的立体投影显示装置的布置原理和成像过程。

为了便于说明，先阐述一台投影仪的成像过程，以投影仪13为例：投影仪13相当于一个点光源，由于点光源位于菲涅尔透镜21的垂直方向的焦平面上，所以点光源距离菲涅尔透镜的距离(即物距u)刚好等于菲涅尔透镜21的垂直方向焦距f＇的一半(因为光线是两次通过菲涅尔透镜之后平行射出，故而只需半焦入射即可实现平行出射)。投影仪13发出的光线以发散的形式入射到菲涅尔透镜21，经过菲涅尔透镜21后(第一次经过)，光线水平射出，由于纵向散射层22紧贴镜面反射层23，所以光线第一次经过纵向散射层22时，纵向散射层22对光线的散射作用相当于没有，光线在经镜面反射层23反射后，第二次经过纵向散射层22，此次对光线起到了垂直方向上的散射作用，使得垂直方向上的光线上下散开(不会左右散开，因为是纵向散射)，而对光线在水平方向上的传播路径不受影响，然后，光线第二次经过菲涅尔透镜21，再次产生汇聚作用，使得垂直方向上的光线平行射出，就如图4中的(a)所示，(a)为侧视图；而水平方向上的光线汇聚到空间某点，见于图4中的(b)，(b)为俯视图，从而光线在两次经过菲涅尔透镜后形成竖直窄带，在该点的用户才能观看到完整的画面。该竖直窄带投射到人的某一只眼睛，即仅有一只眼睛能接收到画面，而另一只没有，为了能够得到立体效果，需要开启另一台投影仪进行投影，假如开启投影仪12，并使投影仪12投影不同视角的图像或另一路视频，依据前述的成像过程，人的另一只眼接收到了来自投影仪12的画面，从而双眼看到了具有深度信息的画面，产生立体感，即裸眼3D。

在本发明中，菲涅尔透镜的参数设置必须保证垂直方向上的焦距f＇大于水平方向上的焦距f，即垂直方向上的曲率半径大于水平方向上的曲率半径，具体设置过程如下：

根据透镜成像公式：1/u+1/v＝1/f，为公式(1)，其中u为物距，在本发明中u也是菲涅尔透镜垂直方向的焦距，即u＝f＇，v为观察距离，可知：当v为正数，即观看者位于菲涅尔透镜与投影仪之间(即菲涅尔透镜凸面一侧)时(因为有反射层的存在，否则v为正数时，观察者应当是在透镜的另一侧)，u总是大于f的，所以，根据公式(1)，当已知其中两者时，可计算另一者的值，也就是前述描述的根据观看距离设置透镜参数，根据透镜参数和投影仪的位置也可以确定观察距离；

例如，如图5所示，首先假设一个观看距离v＝3m(米)，观看角度为与菲涅尔透镜主光轴成30°，垂直方向焦距u(f＇)已知，从而根据公式(1)计算出水平方向焦距f，从而完成菲涅尔透镜的参数设置，确定显示屏，然后：

如图5所示：假设相邻投影仪之间的距离为E，人双眼的间距为e，为了能够感受到立体效果，除了前述的设置外，还需要保证相邻投影仪投射的画面两次经菲涅尔透镜出来之后，在观察距离处成像的间距E＇满足：

e＝nE＇，n＝1,2,3...，此为公式(2)；

例如：当u＝2f时，根据公式(1)，可得v＝2f，即观察距离v＝u，即在投影仪处进行观看，此种情况E＝E＇。取n＝1时，人眼分别看到投影仪11和12投射的画面，当n＝2时，人眼分别看到投影仪11和13的画面。

此外，由于菲涅尔透镜成像为倒立实像，为了能够得到准确的显示画面，需要事先对视频或者图像源进行处理，使之左右翻转，才能得到的方向正确的画面。

假设在没有纵向散射层的情况下，经过透镜作用之后，整幅画面变成了竖直的长条，在某个位置只能看到部分画面，就必须要对光线进行散射，使得不同的身高的人都能观看到图像，为了避免不同投影仪之间的光线串扰，就需要进行纵向散射，使得光线只在垂直方向上进行散射。

投影仪常常布置于屏幕下方，投影到垂直显示屏上的画面并非矩形，此时就需要对图像进行扭曲校正，而通常的投影仪投影校正能力有效，故而对于投影距离有限制，这种情形下，整个系统将占用较大的空间，为了减轻这一限制，本发明优选方案中采用具有较强校正能力的短焦距激光投影仪(如LG HECTO投影仪)，如此，则可以更加灵活的布置投影仪，甚至可以将投影仪直接布置于显示屏幕跟前，从而实现几乎完全自由地布置本立体投影显示装置。

而为了实现2D/3D可切换播放，有两种实现方式：最简单的一种是所有投影仪投影相同的图像，这样得到的效果比传统的二维显示较差，而且成本也要高于传统的二维显示系统；另外一种是在菲涅尔透镜层前增添一层可控水平散射膜，通过开关控制其散射特性：当需要2D显示时，此膜为水平散射膜，能将光线水平散射开来，使得任意位置均能看到画面，此时只需要打开一台投影仪即可；当需要3D显示时，此膜为透射膜，不进行任何散射，相当于不存在，此时所有投影仪都需要处于工作状态。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种立体投影显示装置，包括显示屏和投影仪阵列，其特征在于：

所述显示屏包括离所述投影仪阵列由近及远依次紧贴设置的菲涅尔透镜、纵向散射层和镜面反射层，且所述菲涅尔透镜以平的一面与所述纵向散射层接触，所述菲涅尔透镜水平方向的焦距小于垂直方向的焦距；所述纵向散射层用于对光线进行垂直方向上的散射；所述投影仪阵列包括放置于所述菲涅尔透镜垂直方向的焦平面上的至少两台投影仪；

所述菲涅尔透镜的参数能够依据不同的观看指标进行调整，以形成不同的观看区域，其中所述观看指标包括观角看距离和观看度，所述菲涅尔透镜的参数包括水平方向的焦距和垂直方向的焦距。

2.如权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于：所述投影仪为短焦距激光投影仪。

3.如权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于：各所述投影仪位于同一条平行于地面的水平线上。