專利名稱：一種裸眼3d投影屏幕及裸眼3d投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及3D投影屏技術(shù)，尤其是涉及一種裸眼3D前投影屏幕及一種裸眼3D背投影屏幕，以及采用上述屏幕的裸眼3D投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
正常的人都是用雙眼來(lái)辨認(rèn)三維空間的物體的，在觀看空間某個(gè)對(duì)象時(shí)，人的雙眼就從左右兩邊稍有差別的角度進(jìn)行觀察，由于存在角度上的偏差，反映在大腦中就會(huì)產(chǎn)生“立體視覺(jué)”，兩個(gè)畫面組合在一起，便產(chǎn)生立體感，從而能夠判斷物體的前后關(guān)系，這種被觀察的物體在人的左右眼視網(wǎng)膜上所形成的像的差異就是雙眼視差。視差的產(chǎn)生對(duì)立體視覺(jué)的形成起著非常重要的作用。目前實(shí)現(xiàn)視差式3D顯示的主流方法有兩種眼鏡式和裸眼式。眼鏡式的3D顯示技術(shù)發(fā)展的已經(jīng)很成熟，但是佩戴眼鏡不方便，不能模擬真實(shí)的立體觀察場(chǎng)景，因而裸眼式的3D顯示技術(shù)成為科學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)。本領(lǐng)域中熟知的裸眼3D投影屏幕技術(shù)主要基于視差屏障技術(shù)或柱面透鏡光柵技術(shù)。中國(guó)專利CN 101013201A提到了一種利用單面柱透鏡實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示的技術(shù)， 見(jiàn)

圖1。此專利中提出了實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示的柱面透鏡的特征柱面鏡的節(jié)距與待顯示圖像的像素尺寸有關(guān)，節(jié)距是待顯示圖像像素尺寸的整數(shù)倍；待顯示圖像位于柱面鏡的后焦面上。在投影系統(tǒng)中，由于投影距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致投影到屏幕上的像素大，對(duì)應(yīng)的柱透鏡101的寬度和曲率半徑也變大，厚度102也相應(yīng)增大。另一方面，由于該微柱透鏡板一面是平面，另一面是圓柱形面，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使立體觀察視區(qū)連續(xù)，必須加大透鏡的厚度102，見(jiàn)圖 2，其原因是在相同的曲率半徑下，對(duì)于同一軸外物點(diǎn)205，較小的微柱透鏡厚度201比較大的厚度202分開(kāi)光線的偏折角要大，對(duì)于軸外物點(diǎn)205和軸上點(diǎn)206，較小厚度微柱透鏡 201在接收屏幕上兩主光線之間的距離203要比較大厚度透鏡間距204的大，其子視區(qū)距主視區(qū)較遠(yuǎn)。柱透鏡板一般通過(guò)注塑或熱壓印等方法加工而成，厚度的增加加大了加工難度。另外，為了分開(kāi)不同像素的光線，單曲面微柱透鏡必須減小透鏡的曲率半徑，這就加大了微柱透鏡間清根的難度。圖3是柱透鏡間的理想清根001和實(shí)際清根002比較圖。 清根的難易程度與柱透鏡表面301曲率半徑有關(guān)，當(dāng)柱透鏡的曲率半徑較小時(shí)，不容易徹底清根，這樣就容易增加圖像的串?dāng)_，影響立體顯示質(zhì)量。單曲面微柱透鏡僅僅依靠單個(gè)曲面起到折光的作用，它的曲率半徑比達(dá)到同樣折射效果的雙曲面微柱透鏡的曲率半徑要小。此外，單個(gè)曲面不易控制圖像的球差和畸變等像差，影響了成像質(zhì)量。中國(guó)專利CN 101702057A提到了一種帶聚光柱面光柵的自由立體顯示器，見(jiàn)圖4。 它包括平板顯示器501、聚光柱面光柵502和分光柱面光柵屏503三部分。聚光柱面光柵 502位于平板顯示器501和分光柱面光柵屏503之間，用來(lái)聚集子像素發(fā)出的光，分光柱面光柵503用來(lái)將不同視差圖發(fā)出的光線分離開(kāi)。由于加了聚光柱面透鏡，該發(fā)明明顯提高了可視角度和光能利用率。不過(guò)，該發(fā)明中需要兩組透鏡板，結(jié)構(gòu)重復(fù)，增加了加工、裝配工藝流程和成本。。此外，此發(fā)明是針對(duì)平板顯示領(lǐng)域，光線從平板顯示器入射，穿過(guò)光柵一次，不屬于投影顯示領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于表面雙凸微柱透鏡板的裸眼3D投影屏幕以及一種裸眼3D投影系統(tǒng)。所述立體投影屏幕主要分為兩個(gè)部分第一表面雙凸微柱透鏡板，漫射層和第二表面雙凸微柱透鏡板。第一表面雙凸微柱透鏡板用于將投影儀投出的帶有水平視差的圖像像素分開(kāi)折射到漫反射層上，經(jīng)過(guò)漫射層的漫射和第二表面雙凸微柱透鏡板的折射分別進(jìn)入人的左右眼。漫射層在第一表面雙凸微柱透鏡板與第二表面雙凸微柱透鏡板之間，具體地，位于第一表面雙凸微柱透鏡板的后焦面，位于第二表面雙凸微柱透鏡板的前焦面上。本發(fā)明表面雙凸微柱透鏡板的兩側(cè)均是由多列微凸柱透鏡組成，各微凸柱透鏡呈垂直狀，并緊密水平排列，每個(gè)微柱透鏡對(duì)每臺(tái)投影機(jī)的對(duì)應(yīng)的幾列像素起作用。表面雙凸微柱透鏡兩側(cè)表面可以分別采用球面設(shè)計(jì)，也可以采用非球面設(shè)計(jì)，或者是兩者的結(jié)合，具體形式依據(jù)實(shí)際約束條件而定。考慮到校正像差等因素，表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)微凸柱透鏡的曲率半徑不一定完全對(duì)稱，但兩側(cè)微凸柱透鏡的節(jié)距是相同的，并且是一一對(duì)應(yīng)的， 一側(cè)微凸柱透鏡的正后背側(cè)是對(duì)應(yīng)的另一個(gè)微凸柱透鏡，這樣投影儀投射來(lái)的對(duì)應(yīng)像素的光線經(jīng)過(guò)一對(duì)微凸柱透鏡的作用后再返回到觀察者的位置。微凸柱透鏡的節(jié)距是投影像素大小的整數(shù)倍，本文所述的節(jié)距是指單個(gè)微凸柱透鏡的水平寬度。漫射層用于將入射光向各個(gè)方向透射或反射。從投影機(jī)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)前面所述的第一表面雙凸微柱透鏡折射后入射到所述的漫射層上，在漫射層上成像，成為所述的第二表面雙凸微柱透鏡板的“物點(diǎn)”，由于漫射層的漫射作用，該“物點(diǎn)，，發(fā)出的光束的擴(kuò)散角變大，所述的光束可以入射到幾個(gè)相鄰的微凸柱透鏡上，從而形成幾個(gè)相鄰的視區(qū)，人在屏幕前適當(dāng)?shù)木嚯x就能觀察到立體圖像。本發(fā)明既可以是前投影屏幕，又可以是背投影屏幕。在前投影屏幕中，漫射層是漫反射層，而在背投影屏幕中，漫射層是漫透射層。在前投影屏幕中，第一表面雙凸微柱透鏡板與第二表面雙凸微柱透鏡板的結(jié)構(gòu)形式完全相同，實(shí)質(zhì)上是同一塊表面雙凸微柱透鏡板；但是由于光線穿過(guò)其的方向不同，第一表面雙凸微柱透鏡板的后焦距是第二表面雙凸微柱透鏡板的前焦距。即該裸眼3D前投影屏幕僅包括一塊表面雙凸微柱透鏡板和一個(gè)漫反射層，漫反射層位于所述表面雙凸微柱透鏡板的后焦平面上。在背投影屏幕的情況下，根據(jù)投影機(jī)陣列的位置擺放關(guān)系，第一表面雙凸微柱透鏡板與第二表面雙凸微柱透鏡板的結(jié)構(gòu)形式可以是對(duì)稱的，也可以是不對(duì)稱的，但第一表面雙凸微柱透鏡板與第二表面雙凸微柱透鏡板的節(jié)距相等。所述的對(duì)稱的含義是，第一表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面的曲率半徑是第二表面雙凸微柱透鏡板第二個(gè)面的曲率半徑的相反數(shù)，第二表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面的曲率半徑是第一表面雙凸微柱透鏡板第二個(gè)面的曲率半徑的相反數(shù)，所述第一表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面和第二表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面均是指投影光線的入射面、第二個(gè)面均是指投影光線的出射面；第一表面雙凸微柱透鏡板和第二表面雙凸微柱透鏡板上的非球面的厚度相同，微凸柱透鏡的圓錐系數(shù)系數(shù)、節(jié)距也相同。所述的不對(duì)稱的含義是，第一表面雙凸微柱透鏡板與第二表面
權(quán)利要求
1.一種裸眼3D前投影屏幕，其特征在于，包括一表面雙凸微柱透鏡板和一漫反射層；所述表面雙凸微柱透鏡板的兩側(cè)均是由多列微凸柱透鏡水平緊密排列組成，所述表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)的微凸柱透鏡數(shù)量相等且一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)微凸柱透鏡均呈豎直條狀且節(jié)距相等，所述節(jié)距的長(zhǎng)度是投影儀透射到投影屏幕上的圖像像素寬度的正整數(shù)倍； 所述漫反射層位于所述表面雙凸微柱透鏡板的后焦面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于，所述表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)的微凸柱透的曲率半徑分別為Α和r2，且Γι和r2的長(zhǎng)度均大于所述節(jié)距的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于所述表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)的微凸柱透的面型均通過(guò)下述公式確定
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于所述表面雙凸微柱透鏡板的厚度
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于還包括位于所述表面雙凸微柱透鏡板和漫反射層之間的墊圈或透明層，所述墊圈或所述透明層的厚度使得所述漫反射層位于所述表面雙凸微柱透鏡板的后焦面上。
6.一種裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，包括第一表面雙凸微柱透鏡板、漫透射層、以及第二表面雙凸微柱透鏡板；所述第一表面雙凸微柱透鏡板和第二表面雙凸微柱透鏡板的兩側(cè)均是由多列微凸柱透鏡水平緊密排列組成，且兩側(cè)的微凸柱透鏡數(shù)量相等并一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)微凸柱透鏡均呈豎直條狀且節(jié)距相等，所述節(jié)距是投影儀透射到投影屏幕上的圖像像素寬度的正整數(shù)倍；所述第一表面雙凸微柱透鏡板用于將投影儀投出的帶有水平視差的圖像像素分開(kāi)折射到漫反射層上，然后經(jīng)過(guò)漫透射層的漫射和第二表面雙凸微柱透鏡板的折射分別進(jìn)入人的左右眼；所述第一表面雙凸微柱透鏡板的后焦面和所述第二表面雙凸微柱透鏡板的前焦面均位于所述漫透射層上，所述后焦面是指遠(yuǎn)離投影儀的焦面，所述前焦面是指靠近投影儀的焦面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面雙凸微柱透鏡板和第二表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)的微凸柱透鏡的曲率半徑均大于所述節(jié)距的一半。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面雙凸微柱透鏡板和第二表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)的微凸柱透鏡的面型均通過(guò)以下公式確定L ^ ” 2 2 ,其中c為微凸柱透鏡的頂點(diǎn)曲率，r是以透鏡長(zhǎng)度單位為單位的徑向坐標(biāo)，左為圓錐系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面雙凸微柱透鏡板和第二表面雙凸微柱透鏡板的厚度J均需滿足下述條件de^;、22+,,Lci ,、32'/]，其中，^和。分別為表面雙凸微柱透 4 + 2^4-(1 + ) r 4 + 2-,/4-(1 + . ) Γ鏡板兩側(cè)的微凸柱透鏡的頂點(diǎn)曲率，K和&分別為表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)的微凸柱透鏡的圓錐系數(shù)，/為第一表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面的后焦距或者第二表面雙凸微柱透鏡板的第二個(gè)面的前焦距，所述第一表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面和第二表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面均是指投影圖像的入射面、第二個(gè)面均是指投影圖像的出射面。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面雙凸微柱透鏡板與所述第二表面雙凸微柱透鏡板對(duì)稱，所述對(duì)稱是指所述第二表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面與第一表面雙凸微柱透鏡板第二個(gè)面的微凸柱透鏡的曲率半徑互為相反數(shù)、圓錐系數(shù)相等、節(jié)距相等、厚度相等，第二表面雙凸微柱透鏡板的第二個(gè)面與第一表面雙凸微柱透鏡板第一個(gè)面的微凸柱透鏡的曲率半徑互為相反數(shù)、圓錐系數(shù)相等、節(jié)距相等、厚度相等；所述第一表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面和第二表面雙凸微柱透鏡板的第一個(gè)面均是指投影光線的入射面、第二個(gè)面均是指投影圖像的出射面。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于所述的第一表面雙凸微柱透鏡板與第二表面雙凸微柱透鏡板的曲率半徑和圓錐系數(shù)沒(méi)有聯(lián)系，但其節(jié)距相等。
12.—種裸眼3D投影系統(tǒng)，包括投影儀陣列和投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕為權(quán)利要求1-11中任意一項(xiàng)所述的投影屏幕，并且當(dāng)投影屏幕為權(quán)利要求10所述的投影屏幕時(shí)，相鄰?fù)队皺C(jī)鏡頭中心的橫向間距為人眼的雙目間距；當(dāng)投影屏幕為權(quán)利要求11所述的投影屏幕時(shí)，相鄰?fù)队皺C(jī)鏡頭中心的橫向間距χ滿足公式叉=fTJ-，其中，Cll為投影距離，d2為觀察距離，Λ為第一表面雙凸透鏡板的第一個(gè)面到后焦面的距離，/2為第二表面雙凸透鏡板的前焦面到第二個(gè)面的距離，e為人眼雙目間距。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裸眼3D投影系統(tǒng)，其特征在于，所述投影儀陣列為《行Xn 列，其中 為大于等于1的整數(shù)，《為大于等于2的偶數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種裸眼3D前投影屏幕、一種裸眼3D背投影屏幕及一種裸眼3D投影系統(tǒng)，所述前投影屏幕包括一表面雙凸微柱透鏡板和一漫反射層；所述表面雙凸微柱透鏡板的兩側(cè)均是由多列微凸柱透鏡水平緊密排列組成，所述表面雙凸微柱透鏡板兩側(cè)的微凸柱透鏡數(shù)量相等且一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)微凸柱透鏡均呈豎直條狀且節(jié)距相等，所述的節(jié)距是投影儀透射到投影屏幕上的圖像像素寬度的正整數(shù)倍；所述漫反射層位于所述表面雙凸微柱透鏡板的后焦平面上。所述背投影屏幕與所述前投影屏幕原理相同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工和裝配、立體顯示效果好的有益效果。
文檔編號(hào)G02B27/22GK102445762SQ20121000311
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者夏飛鵬, 張波常, 程雪岷, 蘇萍, 趙雪江, 馬建設(shè) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院