專利名稱：具有三維凸形顯示面的顯示系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及投影顯示系統(tǒng)，并且更具體而言涉及能夠將圖像投射到一個比半球面更大的三維凸形顯示面上的投影顯示系統(tǒng)。
背景技術：
在許多領域中，一個長期以來努力渴望探尋的目標是提供一種能夠產生覆蓋整個球面的圖像的顯示系統(tǒng)，或者更一般的，所述圖像覆蓋某些凸形的整個表面。這種顯示系統(tǒng)將具有多種不同的用途。例如，在行星科學中，該顯示系統(tǒng)能夠用于顯示例如行星氣象和溫度的信息。制藥應用包括直觀化的分子。建筑應用包括直觀化的建筑物。其它的應用也將是顯而易見的。
其他人已經嘗試構造這種顯示系統(tǒng)，并且他們的成果可以分為幾個不同的種類。在一個種類中，顯示系統(tǒng)包括多個元件，這些元件單獨地傳導和發(fā)射光，例如在美國專利5,030,100“Environmental DisplaySystem(環(huán)境顯示系統(tǒng))”中所示。然而，這些系統(tǒng)通常是昂貴的，并且難于制造。它們通常需要數千個微小元件，典型的是LED或光纖導線，并且一般必須非常精確地設置這些元件的顯示端以達到高品質的顯示。在光纖導線的情況下，一般必須精確設置導線的兩端。作為例子，用于現(xiàn)代計算機顯示系統(tǒng)的典型的分辨率是1024×768像素。將需要超過750,000個元件來實現(xiàn)具有類似分辨率的一個顯示系統(tǒng)。此外，如果將從顯示器的外側觀看顯示器，那么這些元件的非顯示部分(例如LED的配線或光纖的線段)一般穿過顯示器的內側進行布線。由于眾多的元件穿過顯示器內側布線，所以顯示器一般必須用相繼連接在一起的多個塊構建。然而，這樣導致觀看者經常能夠容易地察覺到多個接縫。
在另一種方法中，顯示系統(tǒng)由多個單獨的顯示器構造，它們拼接在一起以形成一個分塊的顯示。這種方法的例子包括美國專利5,023,725“Method and Apparatus for Dodecahedral Imaging System(用于十二面體成像系統(tǒng)的方法和裝置)”和美國專利5,703,604“ImmersiveDodecahedral Video Viewing System(沉浸式十二面體視頻觀測系統(tǒng))”。然而，這種方法要求多個圖像源(每個顯示器對應一個)，每個圖像源投射到整體顯示的一部分上。這些系統(tǒng)試圖在得到的合成圖像中修正任何接縫、重疊和配準誤差。與僅使用一個單獨的投影儀相比，它們實際更加昂貴的制造、組裝和校準。另外，這些系統(tǒng)最常用于觀看者位于顯示面內側的情況下，例如用于行星顯示或在飛行模擬器中的穹頂結構。這是因為多個圖像源和投影光學器件能夠位于該顯示面的外側，那里有更多的空間。由于尺寸以及設置圖像源和投影光學器件的復雜性，所以這種類型的顯示系統(tǒng)不能很好的適用于透射顯示(即，從外側觀看的顯示)或不能很好的適用于較小尺寸的顯示面，例如直徑在幾英尺以下的顯示面。
凸面反射器構成了另一個種類的基礎，例如在美國專利6,327,020“Full-Surround Spherical Screen Proj ection System And RecordingApparatus Therefor(全環(huán)繞球面屏幕投影系統(tǒng)及為此的記錄裝置)”中舉例說明的。然而，這些系統(tǒng)也受到多種限制。一個顯著的缺陷是，這些系統(tǒng)一般具有多個沒有可見光的死區(qū)。例如，在一種常用的設計中，一個投影儀伸出到顯示面的內側。投射的圖像從投影儀到一個凸面鏡，到一個反射鏡，再到顯示面。凸面鏡深深地位于顯示面的內側。在這種幾何結構中，死區(qū)可能出現(xiàn)在投影儀的位置、凸面鏡之前或之后、反射鏡之后和/或這些鏡子的支撐物之后。在許多情況下，這些死區(qū)將是容易看到的，例如在從外側觀看的顯示器中，其中觀看者能夠從不同的角度接近和觀看該顯示器，或在從內側觀看的顯示器中，其中觀看者自由的并且期望以任一方向觀看，如在觀看者由宇宙圍繞的一個天文館中。另外，凸面鏡實際大于投影儀，導致比投影儀單獨產生的死區(qū)更大的死區(qū)。
立體顯示是另一類途徑，例如在美國專利6,183,088“Three-dimensional Display System(三維顯示系統(tǒng))”所示。在這種途徑中，某種復合機構用于產生一個顯示，該顯示可描述為多個體素(與到一個非平面上的多個像素的投射相對)的集合。然而，這些顯示一般限于外部觀看。此外，由于它們需要相當大量的常用電子設備和復合機械裝置，所以它們通常是昂貴的。這些也能夠導致可靠性問題。這種普通的類別作為一項技術或一種產業(yè)也不是非常成熟的。因此，它們一般具有低分辨率以及有限的顏色范圍。
從而，需要一種顯示系統(tǒng)，能夠在三維(即，非平面)顯示面上產生圖像，并且克服了上述缺陷中的一些或全部。

發(fā)明內容
本發(fā)明通過提供一種具有三維凸形顯示面的顯示系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有技術的局限性。一個投影系統(tǒng)投射一個物場到一個連續(xù)的像場上，所述像場具有與顯示面相同的形狀。最長像距與最短像距之比至少是1.75。另外，像場能夠對向一個至少240度的角，以提供比半球面更大的有效區(qū)域；或對向至少300度的角，以提供幾乎整個球形有效區(qū)域。在替換實施例中，顯示面能夠是不同的形狀，例如包括球面、類球面和近似的矩形實體。
在一種途徑中，投影系統(tǒng)包括一個投影儀，光學連接到一個透鏡系統(tǒng)。由投影儀產生的像場用于透鏡系統(tǒng)的虛擬物場。透鏡系統(tǒng)將其投射到顯示面的內側。投影儀的例子包括數字視頻投影儀、幻燈機、電影投影儀和投影電視。在一些設計中，通過改變投影儀的焦距，投影系統(tǒng)能夠適應不同尺寸的顯示面。在一種不同途徑中，投影系統(tǒng)包括一個積分投影透鏡系統(tǒng)。
在一些應用中，從其外部觀看顯示面。在這些情況中，顯示面優(yōu)選是半透明的或否則是透射的。在其它的應用中，從其內部觀看顯示面，這種情況下顯示面優(yōu)選是反射的。
在一種設計中，顯示面包括一個孔徑，并且除該孔徑外像場基本覆蓋了顯示面的整個內側。例如，顯示面的物理支撐能夠用于隱藏該孔徑而使該孔徑不被看到，給出圖像投射到整個顯示面上的錯覺。
本發(fā)明其它的方面包括適用于這些投影系統(tǒng)中的透鏡的設計、投影系統(tǒng)的應用以及相應的方法。


本發(fā)明具有其他優(yōu)點和特征，通過下面對本發(fā)明的詳細說明和所附的權利要求，結合附圖，這些將更加明顯，附圖中圖1是根據本發(fā)明的一個示例性顯示系統(tǒng)的橫截面圖。
圖2A～2B是一個示例性顯示系統(tǒng)的透視圖和剖視圖。
圖3A～3B是適于用在圖1～2的顯示系統(tǒng)中的透鏡系統(tǒng)的橫截面圖。
圖3C是用于圖3A～3B中所示的透鏡系統(tǒng)的透鏡數據圖表。
圖4A～4C是對于不同直徑的顯示面，作為分級物體高度的函數的RMS光點半徑的圖。
圖5是一個顯示面的橫截面圖。
圖6A～6C示出了投影系統(tǒng)的物場與像場之間的關系。
圖7示出了物場不是矩形時，在矩形顯示上的像素的使用的示意圖。
圖8是描述光學坐標變換的圖。
圖9A～9C是描述投影系統(tǒng)的另一個實施例的圖。
圖10是描述根據本發(fā)明的投影系統(tǒng)的立體模型的圖。
圖11A～11F是描述顯示面的替代形狀的圖。
圖12A～12C是描述顯示系統(tǒng)的替代實施例的圖。
具體實施例方式
圖1是根據本發(fā)明的一個示例性顯示系統(tǒng)的橫截面圖。包括一個具有三維凸形的顯示面5，和一個投影系統(tǒng)7。投影系統(tǒng)投射一個物場到到一個連續(xù)的像場上，從而形成一個顯示圖像，所述像場具有與顯示面5相同的形狀。
圖1的例子中，還包括一個計算機系統(tǒng)1，它通過計算機視頻電纜2連接到投影系統(tǒng)7。投影系統(tǒng)7包括一個投影儀3(在該例中，是數字視頻投影儀)和一個透鏡系統(tǒng)4。計算機系統(tǒng)1的輸出端口通過電纜2連接到數字視頻投影儀3。數字視頻投影儀3將來自計算機系統(tǒng)1的視頻信號作為輸入，并且將視頻信號顯示到一個電控制的顯示器上，例如液晶顯示器上。在沒有系統(tǒng)其余部分的情況下，投影儀3中的光學器件將平面物體(即，電控制的顯示)投射到平面像場，例如屏幕。投影儀3一般具有焦距調節(jié)機構，允許改變到屏幕的距離。
然而，在投影系統(tǒng)7中，投影儀3光學地連接6到透鏡系統(tǒng)4。因此，來自投影儀3的平面像場不是用于整個投影系統(tǒng)7的最終像場。而是作為透鏡系統(tǒng)4的物場。由于透鏡系統(tǒng)4的位置，這個中間物場是虛擬的物場。透鏡系統(tǒng)4將中間物場投射到球形顯示面5的內側。換句話說，透鏡系統(tǒng)4(和整個投射系統(tǒng)7)的像場具有設計成與顯示面5的凸形相匹配的凸形。在這個例子中，顯示面5是半透明的。當從顯示面5的外部觀看時，如圖2B所示，投射的圖像看起來連續(xù)的覆蓋整個顯示面5的相當大的部分。如果投影儀3的圖像實時變化，那么在顯示面5上顯示的圖像可以是動態(tài)的。
雖然這個特定的實施例使用了數字視頻投影儀3，但是其它的實施例為了滿足不同的應用，可以使用其它的投影儀，包括例如幻燈機、電影投影儀和投影電視。此外，雖然這個實施例使用了球形的顯示面5，但是其它的實施例能夠使用不同形狀和尺寸的顯示面，例如包括類球形顯示面和制作成與一物理形狀相匹配的多個顯示面。
所述顯示系統(tǒng)也能夠設計為用于不同的應用。在一種應用中，顯示系統(tǒng)設計為用于行星科學，其目的是顯示行星的圖像，例如地球的圖像。這些圖像能夠說明許多內容，例如地形、地勢、生物圈、板塊構造和氣候。在這種應用中，顯示面5一般是球形形狀，以給觀看者提供一個印象，即它是行星的比例模型。顯示面5能夠是不同的尺寸，例如如果將其放置在桌面上或放置在教室或實驗室中，那么尺寸較小，如果將其放置在公司大廳，那么尺寸較大，如果將其用于博物館展示，那么尺寸甚至會非常大。
根據應用，也可以改變圖像的分辨率和圖像源。例如，如果顯示系統(tǒng)確定用于顯示地球的高分辨率衛(wèi)星圖像，投影系統(tǒng)7就可以是能夠顯示相當高分辨率圖像的幻燈片或電影投影系統(tǒng)。如果目的是顯示較低分辨率的地球的(或其它行星的)氣候動畫，例如投影系統(tǒng)7就可以是低分辨率的數字視頻投影儀3。投影系統(tǒng)7能夠投射少量的光用在已經關燈的教室中，或投射大量的光用在天文館中。
在另一類應用中，顯示系統(tǒng)設計為顯示面制成與一個物理對象相匹配的形狀。例如，能夠是用于航空應用的近似的座艙形，用于建筑應用的近似的矩形(即，建筑形狀)，或用于汽車應用的與汽車車身近似的形狀。顯示面不需要完全匹配該物理對象的形狀。此外，顯示面可以是不同的尺寸，范圍為用于表示與實物一樣大小的較小顯示面到用于更逼真的或顯示更多細節(jié)的較大顯示面。
在虛擬現(xiàn)實應用中，顯示系統(tǒng)能夠設計成觀看者從其內部觀看顯示面，而不是從其外部觀看。根據觀看者的位置可以改變顯示面的結構。例如，半透明顯示面更適合于從外部觀看，而反射顯示面適于從內部觀看。另外，可以使用不同類型的漫射片將來自顯示面的光線集中(或發(fā)散)到觀看者的位置。根據觀看者相對于顯示面位于什么位置，投影系統(tǒng)的光軸可以在觀看者之上、之下或與觀看者成一定的角度。例如，在一個實施例中，投影系統(tǒng)在觀看者頭部之上或之后，并且因此，當觀看者徑直向前看時隱藏投影系統(tǒng)而不被看到。
該顯示系統(tǒng)也能夠設計成用于娛樂業(yè)，例如用于顯示特殊效果。這樣可以要求顯示面是任何形式的設想形狀。例如，顯示面可以是一個完整的頭部(或幾乎完整的頭部)的形狀，以顯示面部或頭部特征的構成。
在生命科學領域，期望顯示看得到的三維圖像，顯示系統(tǒng)能夠使用立體投影系統(tǒng)。此外，如果顯示系統(tǒng)設計成實現(xiàn)立體DNA顯像，那么可以使用類球體顯示面，而不是球體顯示面，因為要顯像的分子往往是細長的。
顯示系統(tǒng)也能夠設計成用于消費者市場。在這種情況下，產品產量可能很大，而制造成本必須較低。結果，顯示系統(tǒng)能夠設計成使用較少數量的部件，并且用塑料、聚丙烯或其它低成本材料制成。
圖2A～2B是一個示例性顯示系統(tǒng)的透視圖和剖視圖。在這個例子中，投影儀3安裝在外殼21中。透鏡系統(tǒng)4直接安裝在投影儀3的上方。在一些實施方案中，它被設計成機械連接到投影儀3。透鏡系統(tǒng)4通過外殼中的匹配孔22投射光。透鏡系統(tǒng)4的最后的光學表面與外殼21的頂部是大致平齊的。顯示面5直接安裝在外殼21的頂部上。顯示面5具有一個孔徑，該孔徑匹配于透鏡系統(tǒng)4的最后光學表面23的尺寸。在替代實施例中，顯示面5機械安裝在透鏡系統(tǒng)4上。
投影儀3垂直的投射到透鏡系統(tǒng)4，透鏡系統(tǒng)4也是垂直的。投影儀的光軸與透鏡系統(tǒng)4的光軸對準，透鏡系統(tǒng)4的光軸又與顯示面5的軸對準。投影系統(tǒng)7產生的圖像基本覆蓋了除顯示面5的孔徑之外的整個顯示面5。像場基本圍繞透鏡系統(tǒng)4的最后的通光表面(clearsurface)。外殼21物理地支撐顯示面5。它還隱藏了顯示面5中的孔徑和透鏡系統(tǒng)4。
這種構造對于設計和制造也更加簡單。對于一個觀看者，它是有吸引力的，因為看不到透鏡，并且顯示面中僅有一小部分用于安裝。它給觀看者的印象是所投射的圖像跨越了整個360°的顯示面。
在其他實施例中，為了適應不同的應用，投影儀能夠水平的對準或沿著一些其它的方向對準。它可以不共享與透鏡系統(tǒng)相同的光軸，其要求之間另外的光學器件。同樣的，透鏡系統(tǒng)的光軸不需要是垂直的。例如，在一種變化中，投影儀3水平設置，使得外殼可以是扁平的且是寬的，而不是高而瘦的，使其更好的適于桌面使用。此外，透鏡系統(tǒng)4的光軸從垂線方向傾斜23.5°，使得當顯示地球的圖像時，地球看來是在相對于太陽的固有的角度上。鏡子或其它的光學器件用于將來自水平投影儀3的光耦合到傾斜的透鏡系統(tǒng)4。
圖3A～3B是適于用在圖1～2的顯示系統(tǒng)中的透鏡系統(tǒng)4的橫截面圖。圖3C是用于透鏡系統(tǒng)4的設計參數信息圖表。第一圖表331“透鏡數據”限定了元件的曲率、厚度、空氣間隙、孔徑半徑和玻璃類型。第二圖表332“非球面數據”記錄了非球面的球面和二次系數。第三圖表333“折射指標”給出了透鏡材料的指標。第五圖表334“透鏡的旁軸設置”提供了另外的相關數據。
圖3A是一個橫截面圖，示出了穿過透鏡系統(tǒng)4到顯示面5上的光線軌跡。示出了不同的光線束，包括到達頂端像點312A的光線束310A，和到達滿場像點的光線束310J。在這個示例的顯示系統(tǒng)中，位于透鏡系統(tǒng)4上游的數字投影儀3是標準的。標準商用投影儀將光投射到在它們前面幾英尺的一個圖像平面上，在那里通常設置一個平面的顯示面。結果，來自投影儀3的圖像用作透鏡系統(tǒng)4的虛擬物體。透鏡系統(tǒng)4將虛擬的平面物場投射到一個三維連續(xù)像場上，所述三維連續(xù)像場與顯示面5的形狀相匹配。
參照圖3B，透鏡系統(tǒng)4如下操作。前兩個透鏡元件322和323形成了一個消色差雙合透鏡。這個透鏡組臨近于透鏡系統(tǒng)的孔徑設置，并且用于提供對橫向色差的校正。
第三透鏡元件324具有一個非球面，并且用于兩個目的。第一，它提供一定的正光焦度(power)，并且作為在第一透鏡組322-323和最后透鏡組325-326-327之間的一個部分場透鏡。第二，當場高度增加時非球面顯著降低了像距，使得在頂端像點處的像距實際上長于在滿場像點處的像距。這部分上是由于不同的光線束在非球面處被物理分離而實現(xiàn)的。例如，到達頂端像點的光線束310A具有一個覆蓋區(qū)314A，覆蓋區(qū)314A是非球面的全部通光孔徑的一部分。到達滿場像點的光線束310J也有一個小覆蓋區(qū)314J。兩個覆蓋區(qū)314A和314J不重疊。因此，在覆蓋區(qū)314J附近的非球面能夠設計成縮短光線束310J的像距，而不影響光線束310A。
如果顯示面具有不同的形狀，那么非球面可以設計成適應這種特定的形狀。在某些情況中，當場高度增加時像距將增加(而不是減少)。一般而言，像距將作為場高度的函數而顯著變化。作為一種通用的經驗規(guī)律，最長像距與最短像距的比值至少將是1.75。
另一種顯示面區(qū)域的測量是它的視場。作為一種通用的經驗規(guī)律，顯示面將對向一個至少240°的角，其中半球對向180°，而整個球體對向360°。優(yōu)選的是300°或更多的有效區(qū)域。
第三透鏡組包括三個球形元件325、326和327。它具有負的光焦度，并且用于當場高度增加時增加光線束的出射角。例如，到達頂端像點的光線束310A以相對于光軸的0°角進入到第三透鏡組，并且以同樣的角度離開第三透鏡組。相反的，到達滿場像點的光線束310J以同樣的角度進入第三透鏡組，但是以一個基本垂直于光軸的出射角離開第三透鏡組。這樣，透鏡系統(tǒng)4能夠產生一個像場，該像場基本覆蓋全部凸形顯示面5。第三透鏡組獲得這樣的效果，部分是由于不同光線束的覆蓋區(qū)是物理分離的。因此，不同的光學效應可以施加到光線束310J，而不影響光線束310A。
在這個實施方案中，第三透鏡組325、326和327的元件具有圍繞它們邊緣的平的地表面(例如316和317)，并且直接堆疊在一起。這用于在這種特殊的設計中通過削減對隔板的需要來減少透鏡328鏡桶的成本，這些將要求相當精密的制造。由于透鏡系統(tǒng)4沒有聚焦機構，所以成本也降低了。投影儀3提供了包括梯形失真校正的聚焦機構。替代實施例可以在透鏡系統(tǒng)4內提供聚焦機構。
透鏡系統(tǒng)4具有可變像距，以匹配到顯示面的距離。傳統(tǒng)的魚眼透鏡一般與照相機一起使用，并且因而假定一個無窮大的共軛距離，使它們不能用在這種應用中。透鏡系統(tǒng)4提供了很好的光點尺寸的均勻性作為場位置的一個函數，使得在所有的場高度處都有很好的聚焦，如圖4A～4C所示。
圖4A～4C是RMS光點半徑41和RMS OPD 42對分級物體高度的圖表。圖4A對應于12英寸直徑的顯示面，圖4B對應于14英寸直徑，而圖4C對應于18英寸直徑。分級物體高度在圖像頂端是0.0，在赤道線處近似是0.4，并且在接近南緯75°處是1.0。在這個特定的實施例中，像場對向一個近似330°的角。這些圖表明，在投影儀的焦距沒有變化的情況下，對于不同直徑的顯示面在所有場高度處都有可接受的RMS光點半徑41。改變投影儀的焦距并且潛在的執(zhí)行梯形失真校正以適應特定的顯示面直徑，能夠進一步改善RMS光點半徑曲線。
如圖3～4所示的示例的透鏡系統(tǒng)4設計成工作在直徑12英寸到22英寸的球形顯示面5的范圍內。然而，僅通過調整數字投影儀3的焦距，調節(jié)透鏡系統(tǒng)4來聚焦在直徑20英寸的顯示面5之外，而適于不同的應用。
在一個優(yōu)選的實施例中，充分優(yōu)化RMS光點半徑41，用于數字視頻投影儀的顯示分辨率?？梢赃M一步優(yōu)化透鏡設計來適應更高分辨率的投影系統(tǒng)，例如幻燈機。此外，通過利用使用較少數量的全部為非球面透鏡的透鏡設計，能夠獲得相當的透鏡性能。例如，4個(或更少的)非球面透鏡能夠獲得與圖3～4所示6個元件設計相似的性能。
圖5是一個顯示面5的橫截面圖。在這個特定的實施例中，顯示面5由一單塊透明聚丙稀材料51構成，多層通光聚丙烯涂料52覆蓋在透明聚丙稀材料51的內側，通光聚丙烯涂料52包括懸浮的玻璃微珠，所以是半透明的。防眩目涂層53涂到外側。其它的實施例可以使用不同的材料，包括玻璃、聚乙烯、橡膠或各種塑料，用于材料51；可以使用或不使用涂層，涂層包括在內側和外側表面中的一側上或兩側上的清漆和染料；以及可以使用多種表面處理。
這種顯示面5的一個優(yōu)點在于，能夠將其制造為一個單獨的塊，而沒有必須對準和連接的接縫。例如，它可以是吹塑聚丙烯，或甚至是一個氣球。這種相對簡單的制造降低了生產成本，并且改善了顯示質量。
圖6A～6C示出了在一個優(yōu)選實施例中的投影系統(tǒng)7的物場與像場之間的關系。在圖6A中，投影系統(tǒng)7(為了簡化僅示出了透鏡系統(tǒng)4)將由物點產生的光線614投射到它們在顯示面5上的相應位置615處?？梢杂冒霃絉和經度角λ限定物點的位置。在顯示面上的相應位置615可以用緯度角θ616和經度角λ限定。在一個優(yōu)選實施例中，投影系統(tǒng)7和顯示面5關于光軸是軸向對稱的。從而，在一個給定半徑R處的所有物點都以相同的緯度角θ投射到顯示面5。經度角λ保持不變。存在一個連續(xù)的函數表示投影系統(tǒng)的特征，該函數在半徑R和緯度θ之間映射。例如，在圖6A中，R1映射到θ1，R2映射到θ2。在一個(R，θ)坐標系中，它是一個連續(xù)的曲線，如圖6B中所示。通過計算機仿真(例如，光線追蹤)或通過實驗測量能夠確定該函數。
在替換實施例中，投影系統(tǒng)7和顯示面5不是關于光軸軸向對稱的，例如當顯示面在一個垂直于光軸的方向上是長方形時。因此，映射物點到像點的函數也包括一個經度角λ。它是一個在(R，λ0)和(R，λ1)之間映射的連續(xù)的函數，其中λ0不必等于λ1。
轉到圖6C，在輸入到投影儀的二維源圖像632與顯示在顯示面5上的圖像631之間存在一一對應。因而，一旦如上所述投影系統(tǒng)7由一個連續(xù)的函數限定，如果期望投射某個圖像631到顯示面上，那么對應的源圖像632能夠通過將反函數施加到圖像631來確定。
在軸向對稱的例子中，從在(θ，λ)坐標系中的圖像信息中，利用前面描述的在圖6B中的連續(xù)函數，得出在源圖像的(R，λ)坐標空間內的對應的圖像信息。在圖6C中，所示的圖像631是緯度和經度線的網格圖。緯度線在源圖像632中成為同心圓，而經度線成為徑向輻。在圖像頂端的北極映射到源圖像632的中央。
根據多種因素，能夠使用多種操作來創(chuàng)建源圖像632用于在投影儀3上的隨后的顯示。所述因素包括有圖像的格式、坐標系、原始圖像的分辨率信息，以及顯示坐標系、源圖像的格式和分辨率要求，所述操作包括有圖像信息變換、圖像采樣、圖像插值和紋理映射或其它的計算機圖形操作。
圖7示出了當投影系統(tǒng)的物場不是矩形時，在PC投影儀顯示71上的像素的使用。數字視頻投影儀通常使用這種矩形顯示，一般具有不同的水平和垂直分辨率，例如1024×768像素。另一方面，如果顯示面5是軸向對稱的，那么理想的物場是圓形的，在x方向和y方向具有相同的分辨率。從而，在輸入顯示71和理想物場之間存在不匹配。在一種方法中，設計該系統(tǒng)使得物場72等于顯示71的較小的尺寸，雖然在這種方法中，顯示71的很大一部分沒有使用。作為替換，物場73可以大于顯示尺寸。使用了更多的顯示71，導致了更高的分辨率。然而，物場73的部分位于顯示區(qū)域71之外，并且顯示面的相應部分將沒有圖像。在某些應用中，這可能是有益的。例如，在顯示面的下側不能讓觀看者看到的部分，與物場72的情況相比可見圖像將具有更大的有效分辨率。
圖8是描述光學坐標變換的圖。它說明了一個簡單的例子，即如何能夠利用光學技術來利用投影儀輸入顯示83的更大的部分。例如，在數字視頻投影儀顯示83內的一個橢圓82，包括比例如圖7中72的一個圓更多的信息。從而，如果橢圓82能夠映射成一個圓形84，用于輸入到透鏡系統(tǒng)4，所得到的顯示也將具有更高的分辨率。這能夠通過使用一個不是與光路成45°角的反射鏡86在透鏡系統(tǒng)的孔徑85處獲得。其它的光學設計也是可能的，以更多的利用在一個電控矩形顯示中可用的像素。
這種技術也能夠用于在顯示面上產生圖像，穿過經線與穿過緯線相比顯示面具有不同的線性顯示密度，這樣可能在某些應用中是有利的。例如，在回轉橢球體顯示面的情況下，它可能有利于沿著它的長尺寸的軸具有更高的像素分辨率。
圖9A～9C是描述投影系統(tǒng)的另一個實施例的圖。在這種方法中，投影系統(tǒng)的光具組(optical train)不具有透鏡系統(tǒng)4，透鏡系統(tǒng)4加入到一個先前存在的投影儀3中。相反，在投影系統(tǒng)中的投影透鏡系統(tǒng)91設計為一個單獨的完整單元。它將一個平面的物場成像到三維顯示面上。
圖9A是透鏡系統(tǒng)91的橫截面圖。在左側的垂直線92代表物體，例如一個LCD顯示、幻燈片或類似物。元件911和912接合形成一個雙合透鏡。類似的，元件913和914形成一個第二接合的雙合透鏡；元件915和916形成一個第三接合的雙合透鏡；元件917和918形成一個第四接合的雙合透鏡。透鏡系統(tǒng)91的孔徑光闌略微位于元件916的右側。
根據功能，這些透鏡元件能夠大致的分為三個透鏡組元件911-912、元件913-918、和元件919-921。中間透鏡組，元件913-918，形成一個幾乎對稱的通用成像透鏡。即，缺少左邊的透鏡組911-912和右邊的透鏡組919-921時，透鏡組913-918對曲率、厚度和間距有很小的變化，將能夠對它們左邊的物面建立一個校正良好的圖像到它們的右邊。這是因為幾乎對稱的布置，具有對稱使用在孔徑光闌的每側上的常用的正元件。
雙合透鏡911-912具有基本的功能確保輸入光的焦闌性。
最后的透鏡組919-921是強烈的負彎月透鏡元件。這些元件的作用是大大的偏轉所投射的光束，從而充滿球形顯示面的內側。它們發(fā)揮的作用與圖3B中透鏡325-327類似。存在三個這種負彎月元件，而不是比如說兩個或一個，因為使用較多的元件減少了在每個元件處所要求的光強度，并且這種在每個元件處減少的強度又減少了由元件導致的像差，特別是減小了球面像差。類似的，這些元件是深深的彎月面，因為它允許減小在不同表面的光線的折射角的數值，并且這種減小降低了相關的像差。
由這樣的三個強烈的負彎月透鏡元件系列所產生的一個嚴重的光學像差是，負球面像差。通過由其它元件911-918所提供的正光焦度，在很大程度上已經補償了這種負球面像差。在任一透鏡中所產生的另一個嚴重的問題是色差。為了降低作為一個整體的透鏡的色差，前面的八個元件設置成四個消色差雙合透鏡的形式，其中負的、高散射元件與正的、低散射元件組合，以在透鏡的整個色差上提供凈縮減。其結果是透鏡的色差整體上大大降低了。
這種透鏡設計僅使用了球面透鏡，因此透鏡的數量相對較大。通過使用一個或多個非球面，可以設計具有類似的光學性能的投影透鏡系統(tǒng)，而包括較少的透鏡。當產品產量大時這是有利的。
圖9B是用于投影透鏡系統(tǒng)91的透鏡數據的表。圖9C是RMS光點半徑41和RMS OPD 42作為用于投影透鏡91和18英寸直徑顯示面的部分物體高度的函數的圖表。
一個整體設計的實用性部分上是基于制造的經濟性。如果顯示系統(tǒng)的產品產量較小，使用分離的構造可能是有利的，以影響賣現(xiàn)貨投影儀的賣主的高的產品產量，以及影響投影儀市場的價格競爭能力。另一方面，當產品產量較大時，使用包括少量透鏡的整體設計可能是有利的，因為可能有少量的整體部分需要制造和組裝，并且成本可能較低。
圖10示出了另一個實施例，其中顯示投影儀103是立體的，以為觀看者創(chuàng)建立體圖像。在這種構造中，有一個或兩個視頻輸入101和102輸入到投影系統(tǒng)103，并且投影系統(tǒng)可以包括一個或兩個投影儀。如果觀看者在一個相對于顯示面5固定的位置，則有兩個固定的期望圖像，一個圖像對應一只眼。通過使用上述技術，兩個不同的平面源圖像從如由計算機系統(tǒng)存儲的兩個不同的期望圖像中創(chuàng)建。所得到平面源圖像由立體投影儀輸出用于顯示。觀看者佩戴適合于投影儀的視覺用具，例如用于偏振立體投影儀的偏振眼鏡。
如果觀看者不在固定位置，那么如果觀看者104也佩戴了視覺追蹤裝置105，就能夠建立三維效果。視覺追蹤裝置105用于分別貯存觀看者位置和觀看方向。已知的三維圖形技術用于為每只眼創(chuàng)建期望的圖像。如前所述，為每只眼創(chuàng)建一個平面源圖像，并且隨后由計算機系統(tǒng)1輸出用于立體投影儀103的顯示。
圖11A-11F是描述顯示面5的替代實施例的圖。在圖11A中，顯示面111是回轉橢球體，可以優(yōu)選這種形狀的顯示面的一個示例的應用是顯示分子112，分子112可能大大長于它們的寬度。在這種情況下，可以優(yōu)選大大長于它們的寬度的顯示面。在圖11A中，113是透鏡系統(tǒng)。
在圖11B和11C中，顯示面是穹頂形顯示面123，觀看者124在表面內側上的不同位置。在這個實施例中，顯示面123是反射的，而不是半透明的。顯示面的這種形狀和構造的示例應用可以優(yōu)選的包括行星科學、虛擬現(xiàn)實沉浸系統(tǒng)，等等。
在圖11D中，顯示面近似的是一個矩形實體145的形狀。顯示面的這種形狀和構造的示例應用優(yōu)選的是建筑應用，其中它可以在建造前期望的顯現(xiàn)建筑物146的變換的正面，或在建造后作為建筑物大廳中的顯示器。這種形狀和構造僅是顯示面與物理物體定形匹配的一個例子。
在圖11E中，顯示面是一個人頭部151的形狀。顯示面的這種形狀和構造的示例應用可以優(yōu)選的用于娛樂業(yè)中的特殊效果的目的。值得注意的是，可以對頭部形狀略微進行修改，使得顯示面保持凸形。
在圖11F中，顯示面是部分半透明的161和部分透明的163。另外，有一個第二半透明顯示面162。光穿過顯示面的透明部分163，并到達半透明顯示面162?？梢允褂眠@種構造的一個例子是在與土星相關的信息顯示中，其中顯示面162對應于土星的環(huán)。
值得注意的是，如圖4A～4C所示，投影系統(tǒng)能夠適應像距的寬的范圍，而不用重新調節(jié)系統(tǒng)的焦距。在圖4A～4C中，顯示面的直徑從12到18英寸變化，并且所有這些直徑保持在可以接受的焦距內，而不需要重新調節(jié)投影系統(tǒng)的焦距。進一步采取這一措施，可以想象設置于12英寸直徑球體和18英寸直徑球體之間的區(qū)域。設置在這個區(qū)域內的所有的點都在可接受的焦距內。從而，無需調焦距，圖3的投影系統(tǒng)能夠與落入到這個區(qū)域的任何凸形一起使用。此外，通過改變投影儀的焦距，“聚焦”區(qū)域可以進一步擴大，從而進一步增加可以使用的凸形的區(qū)域。因此，能夠設計出具有凸形顯示面的大范圍變形的顯示系統(tǒng)。
圖12A～12C是描述顯示系統(tǒng)的替代實施例的圖。在圖12A中，投影儀3水平投射而非垂直投射，并且顯示面5的軸211不是垂直的。這種構造的應用的一個簡單的例子是用在桌面上，其中期望顯示系統(tǒng)在較低的高度；或用在地球科學應用中，其中期望顯示面的軸的角度與地球相對于太陽的角度相匹配。
在圖12B中，投影儀3是在相對于顯示面221不同的角度上，構造是沉浸式的(即，從其內側觀看顯示面)，并且示出了多個潛在的觀看者位置。觀看者222在顯示面221的內部，并且顯示面221是反射的而不是半透明的。這種構造的一個示例應用是在虛擬現(xiàn)實模擬中。
在圖12C中，投影系統(tǒng)是水平的而不是垂直的，這可以用于博物館顯示中。
本領域技術人員容易理解，能夠混合和匹配可能的構造的多種元件，包括投影儀透鏡系統(tǒng)組合是水平的、垂直的、在顯示面之上或之下的、或相對于顯示面成不同角度；投影儀是幻燈機、電影投影儀或數字視頻投影儀，以及無論它是否是立體的；無論投影透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)為一個單獨的投影儀加透鏡系統(tǒng)還是實現(xiàn)為一個整體單元；無論顯示球體的半徑是大還是小；無論顯示面是半透明的還是反射的，和由什么材料制成和涂覆；觀看者是否在顯示面內部；顯示面是否是球形的；等等。
此外，根據上述教導，設計中許多其它的修改和變化也是可能的。因此，應當理解，在所附權利要求的范圍內，本發(fā)明可以實施為上述詳細描述之外的其它方式。
權利要求
1.一種顯示系統(tǒng)，其包括顯示面，具有三維凸形；和投影系統(tǒng)，用于投射物場到顯示面內側的連續(xù)像場上，其中最長像距與最短像距之比至少是1.75。
2.如權利要求1所述的顯示系統(tǒng)，其中所述像場對向至少240°的角。
3.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述像場對向至少300°的角。
4.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述顯示面是近似的球面。
5.如權利要求4所述的顯示系統(tǒng)，其中所述顯示面是半透明的。
6.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中，所述顯示面包括孔徑，并且所述像場基本覆蓋了除該孔徑之外的顯示面的整個內側。
7.如權利要求6所述的顯示系統(tǒng)，進一步包括用于所述顯示面的物理支撐，其中所述物理支撐隱藏所述孔徑而使所述孔徑不被看到。
8.如權利要求6所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)具有光軸，所述光軸通過所述孔徑進入所述顯示面的內部。
9.如權利要求8所述的顯示系統(tǒng)，其中所述光軸相對于垂直方向傾斜。
10.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)包括透鏡系統(tǒng)，用于將虛擬物場投射到所述顯示面內側的連續(xù)像場上。
11.如權利要求10所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)進一步包括投影儀，光學連接到所述透鏡系統(tǒng)，所述投影儀用于投射物場到平面像場上，其中投影儀的物場是平面的，投影儀的平面像場作為透鏡系統(tǒng)的虛擬物場。
12.如權利要求11所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影儀包括數字視頻投影儀。
13.如權利要求11所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影儀包括幻燈機。
14.如權利要求11所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影儀包括電影投影儀。
15.如權利要求11所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影儀包括投影電視。
16.如權利要求10所述的顯示系統(tǒng)，其中，所述虛擬物場由投影儀產生，并且所述透鏡系統(tǒng)適于機械連接到所述投影儀。
17.如權利要求10所述的顯示系統(tǒng)，其中，通過改變投影儀的焦距，所述投影系統(tǒng)能夠適應變化尺寸的顯示面。
18.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述顯示面包括多種材料。
19.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述顯示面是無縫的。
20.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述像場關于光軸軸向對稱。
21.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述物場是非圓形的。
22.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)包括投影儀，該投影儀進一步包括整體的投影透鏡系統(tǒng)，該投影透鏡系統(tǒng)投射物場到顯示面內側的連續(xù)像場上，其中所述物場是平面的。
23.如權利要求22所述的顯示系統(tǒng)，其中所述物場是平面的，并且物場中的物體包括電控顯示。
24.如權利要求22所述的顯示系統(tǒng)，其中所述物場是平面的，并且物場中的物體包括基于薄膜的顯示。
25.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述顯示面是回轉橢球體的形狀。
26.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述顯示面的內側是反射的。
27.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述顯示面近似的在矩形實體的形狀內。
28.如權利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)產生適于立體顯示的圖像。
29.一種透鏡系統(tǒng)，用于投射虛擬、平面物場到具有三維凸形的連續(xù)像場上，其中最長像距與最短像距之比至少是1.75。
30.如權利要求29所述的透鏡系統(tǒng)，其中所述像場對向三維凸形的至少240°的角。
31.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其中所述像場對向三維凸形的至少300°的角。
32.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其中所述像場基本緊密圍繞透鏡系統(tǒng)的最后的通光表面。
33.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其中所述像場是近似的球面。
34.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其中到達滿場像點的光線束以基本垂直于所述透鏡系統(tǒng)的光軸的角度離開最后通光表面。
35.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其包括透鏡組，用于校正色差。
36.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其包括至少一個非球面。
37.如權利要求36所述的透鏡系統(tǒng)，其中所述至少一個非球面顯著的將到像點的像距作為所述像點的場高度的函數來變換。
38.如權利要求37所述的透鏡系統(tǒng)，其中，在所述非球面上，到達頂端像點的光線束的覆蓋區(qū)不與到達滿場像點的光線束的覆蓋區(qū)重疊。
39.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其包括具有負光焦度的透鏡組，用于在像點的場高度增加時，增加在所述透鏡系統(tǒng)的光軸與到達所述像點的光線之間的出射角。
40.如權利要求39所述的透鏡系統(tǒng)，其中，在所述透鏡組中，到達頂端像點的光線束的覆蓋區(qū)不與到達滿場像點的光線束的覆蓋區(qū)重疊。
41.如權利要求39所述的透鏡系統(tǒng)，其中，在所述透鏡組中的這些透鏡具有沿著它們邊緣的平面，使得當這些平面相互接觸時正確定位這些透鏡。
42.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，沿著光軸以下面的順序包括第一透鏡組，臨近于所述透鏡系統(tǒng)的孔徑設置，第一透鏡組校正色差；第二透鏡組，包括非球面，用于顯著的將到像點的像距作為所述像點的場高度的函數進行變換；和第三透鏡組，具有負光焦度，用于在像點的場高度增加時，增加在光軸與到達所述像點的光線之間的出射角，其中第二透鏡組作為第一透鏡組與第二透鏡組之間的部分場透鏡。
43.如權利要求30所述的透鏡系統(tǒng)，其中所述物場關于所述透鏡系統(tǒng)的光軸是不對稱的。
全文摘要
一種顯示系統(tǒng)，具有三維凸形的顯示面(5)。一種投影系統(tǒng)(7)將一個物場投射到位于顯示面(5)內側的一個連續(xù)像場上。顯示面(5)在其有效范圍方面是大范圍的，例如對向一個至少240度的角，以提供比半球面更大的有效區(qū)域。
文檔編號G03B21/00GK1754199SQ200380109868
公開日2006年3月29日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權日2002年12月20日
發(fā)明者史蒂文·W·厄特, 菲利普·C·魯貝辛, 邁克爾·A·福迪 申請人:環(huán)球影像公司