一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種激光立體成像和裸眼立體顯示方法及裝置，包括激光投影機和微球面屏幕兩部分。該激光投影機的原色激光束經過混合器混合后成為一束激光束，使用擴束器對激光束的直徑和散射角進行調整，然后通過一個光束整形器和掃描器投射到微球面屏幕上。微球面屏幕由均布且排列整齊，尺寸一致，表面光滑的微球面單元組成，每一個單獨的微球面單元四周邊緣形狀為正方形狀，微球面單元表面是球面或是水平截面為圓外接多邊型的表面組成。立體影像經微球面屏幕反射或穿透屏幕后直接投射到觀眾的視網膜上，觀眾無須使用立體眼鏡即可看到質量佳的立體影像。本實用新型具有立體影像質量佳，制作和維護成本低，使用壽命長，應用范圍廣等優(yōu)點。
【專利說明】—種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種激光立體成像和裸眼立體顯示技術。
【背景技術】
[0002]激光電視機與目前市場主流投影技術和平板電視機技術相比，無論在影像質量，色彩，亮度，表現(xiàn)力等方面都有著更好的表現(xiàn)，成為第四代電視機技術的新時代。到目前為止，所有激光電視機和以激光投影技術為基礎的影像顯示技術都是以傳統(tǒng)平面影像顯示為主，市場中還沒有激光投影立體顯示技術應用產品。

【發(fā)明內容】

[0003]本實用新型的目的是提供一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，解決以激光投影技術為基礎和無需借助于任何輔助工具就能夠直接觀看到立體影像的技術問題。
[0004]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實用新型所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置如下:
[0005]一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，包括激光投影機和微球面屏幕兩部分，所述激光投影機是采用彼此相互獨立的紅綠藍三原色激光作為光源的三原色激光投影機，或采用彼此相互獨立的紅綠藍和第四種用做于原色激光作為光源的四原色激光投影機；該激光投影機所有不同顏色的原色激光束經過混合器混合后成為一束激光束，如果需要對經過混合器混合后的激光束的直徑或發(fā)散角進行調整，則在混合器之后設置擴束器，調整后的激光束可以直接通過掃描器投射到微球面屏幕上或通過一個整形器后再通過掃描器投射到微球面屏幕上；微球面屏幕由均布且排列整齊，尺寸一致，表面光滑的微球面單元組成，每一個獨立的微球面單元背面平面中心點處或曲面中心點處切平面上通過該中心點處與平面或切平面相垂直的中心線方向的投影為正方形，正方形的四個單邊長度相等并代表了微球面單元單邊長度，微球面屏幕背面是平面或曲面，微球面單元分為球面型和多邊型；對于球面型微球面單元表面是球面的一部分；對于多邊型微球面單元表面是由一組與同一個內接球面相切的平面表面組成，其水平方向橫截面為圓外接多邊形狀，垂直方向截面則是圓弧形狀；每一個獨立的微球面單元表面球面或多邊形狀的內接球面中心點處與球面或多邊形的內接球面半徑重合的直線與單元背面平面中心點處或曲面中心點處切平面上通過該中心點處與平面或切平面相垂直的中心線之間形成0至45度的夾角，該夾角度數(shù)由成像要求決定；微球面屏幕的形狀是平面或曲面屏幕；微球面屏幕為反射或穿透影像的結構形式。
[0006]所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，如果需要對經過混合器混合后的激光束進行調整，使用擴束器對激光束的直徑或發(fā)散角進行調整；在擴束器后面增設一個光束整形器，整形器中間開口是截面為圓形光束投射到整形器表面時的最大內接正方形，截面為圓形光束通過整形器后變成為截面為正方形光束；調整或整形后的激光束直徑或發(fā)散角或正方形邊長需要同時滿足下面兩個條件，第一，小于激光投影機掃描器掃描鏡面的直徑或最小寬度；第二，投射到微球面屏幕上的光斑的直徑或橢圓長軸長度不大于微球面單元單邊長度W或投射到微球面屏幕上的正方形光束的邊長與微球面單元單邊長度W相
坐寸O
[0007]所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，對于球面型微球面單元屏幕，屏幕的水平和垂直可視角相等；對于多邊型微球面屏幕，屏幕的水平可視角和垂直可視角可以相等或不相等；對于多邊型微球面單元表面是由m個寬度分別為tm的多邊形平面表面組
成；這里m=l、2、3、4......;每一個多邊型平面表面的寬度tm可以相等或不相等；水平方向
截面上多邊形內接球面半徑通過每一個平面表面中點，平面表面與多邊形內接球面在平面表面中點處相切；多邊形平面表面數(shù)目m將大于或等于前排觀眾的人數(shù)。
[0008]所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，每一個微球面單元代表著屏幕的一個像素，屏幕像素的大小等于微球面單元單邊長度w ;微球面單元單邊長度須滿足關系式w=p/n，這里p是設定的左右影像在微球面屏幕上的水平視差，n是一個整數(shù)，根據不同應用，w數(shù)值從10微米到10毫米不等，水平方向微球面單元數(shù)目代表了屏幕的水平解析度，垂直方向微球面單元數(shù)目代表了屏幕的垂直解析度，微球面屏幕解析度是屏幕水平解析度和垂直解析度的乘積。
[0009]所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，對于直投式立體投影系統(tǒng)，微球面屏幕表面鍍有涂層，涂層的反射系數(shù)從1.0到3.0不等，需要根據不同的應用來確定。
[0010]所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，對于背投式立體投影系統(tǒng)，微球面屏幕材料需要具有極好的透光性，屏幕厚度h與屏幕表面球面半徑r相等，屏幕背面是像平面同時也是微球面的焦平面，屏幕表面鍍有涂層。
[0011]所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，對于背投式立體電視機，微球面屏幕表面鍍有涂層，涂層的反射系數(shù)從1.0到3.0不等，需要根據不同應用來確定；激光投影機將影像投射到鍍有涂層的微球面屏幕表面上，經反射后直接投射或穿透另一個鍍有涂層的單方向透明屏幕后再投射到觀眾的視網膜上。
[0012]所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，理想系統(tǒng)是激光投影機投射激光束到微球面屏幕相同水平線上的不同像素時具有相同入射角；理想系統(tǒng)使用兩臺投影機，兩個鏡頭中心聯(lián)線的中點處沿水平方向到屏幕中心點處為半徑的一個圓弧形狀屏幕。
[0013]本實用新型具有如下積極效果:激光投影機結合微球面屏幕技術解決了目前主流裸眼立體顯示技術存在的觀看立體盲區(qū)，解析度和亮度損失等問題；激光投影機將影像投射到微球面屏幕表面上，經反射或穿透屏幕后直接將影像投射到觀眾的視網膜上，觀眾毋須佩帶立體眼鏡就可以在視覺上感受到了立體影像；本實用新型適用范圍廣泛，能夠適用于直投式立體投影系統(tǒng)、背投式立體投影系統(tǒng)、背投式立體電視機和立體電影院，以及戶外和室內立體大屏眷顯不系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是二原色激光投影機原理不意圖。
[0015]圖2是四原色激光投影機原理示意圖。
[0016]圖3是激光光束整形器原理示意圖。
[0017]圖4是微球面屏幕示意圖。[0018]圖5是球面型微球面單元結構示意圖。
[0019]圖6是球面型微球面單元截面示意圖。
[0020]圖7是多邊型微球面單元結構示意圖。
[0021]圖8是多邊型微球面單元截面示意圖。
[0022]圖9是多邊型微球面單元多邊形平面表面示意圖。
[0023]圖10是微球面屏幕直投式視角幾何關系示意圖。
[0024]圖11是微球面屏幕背投式視角幾何關系示意圖。
[0025]圖12是多邊型微球面單元示意圖。
[0026]圖13是投影系統(tǒng)中入射角和反射角與X關系式示意圖。
[0027]圖14是理想系統(tǒng)示意圖。
[0028]圖15是直投式裸眼立體顯示示意圖。
[0029]圖16是直投式立體投影系統(tǒng)和屏幕示意圖。
[0030]圖17是背投式裸眼立體顯示示意圖。
[0031]圖18是背投式立體投影系統(tǒng)和屏幕示意圖。
[0032]圖19是背投式立體電視機裸眼現(xiàn)實示意圖。
[0033]圖20是背投式立體電視機配置有半透明屏幕示意圖。
[0034]圖21是背投式立體電視機無配置有半透明屏幕示意圖。
[0035]圖22是投影影像在微球面屏幕上的視差示意圖。
[0036]圖23是二臺投影機系統(tǒng)投影機設置示意圖。
【具體實施方式】
[0037]下面，對于實施本實用新型的方式進行說明。本實施技術方案中的每一個激光投影機，擴束器，整形器，微球面屏幕，微球面單元，計算方法，各種顯示系統(tǒng)等都是所述的可實施技術方案中的一個例子。
[0038]圖1，三原色激光投影機的光源分別來自于紅色1，綠色2和藍色3三個不同顏色的獨立激光器。圖2，四原色激光投影機的光源分別來自于紅色1，綠色2，藍色3和第四種用做于原色4的四個不同顏色的獨立激光器。所有不同顏色的原色激光束經過混合器5，混合后成為一束激光束。如果需要對混合后的激光束進行調整，使用擴束器6對激光束的直徑或發(fā)散角進行調整，調整后的激光束7通過整形器8后變成位截面為正方形的激光束9，通過反光鏡10和掃描器11后，直接投射到微球面屏幕12上。
[0039]圖3，激光光束7投射到整形器8的表面時的直徑最大內接正方形就是整形器8中間的正方形開口，邊長g的大小保證正方形激光光束9經掃描器11投射到屏幕12上的影像大小與微球面屏幕單元15或17的單邊長度w相等，實現(xiàn)影像對微球面單元表面的完全覆蓋。
[0040]圖4，微球面屏幕12由眾多個排列整齊，尺寸一致，表面光滑的微球面單元組成，微球面單元分為球面型15和多邊型17。屏幕的背面是平面13或曲面14。對于球面型微球面單元15的表面16是球面的一部分，見圖5、6。對于多邊型微球面單元17的表面18是由一組與同一個內接球面19相切的多邊形平面表面組成，其水平方向橫截面為圓外接多邊形，垂直方向截面則是球面的一部分，見圖7、8、9。[0041]圖5、7，每一個微球面單元15或17代表著屏幕的一個像素，屏幕像素的大小等于微球面單元的單邊長度《，微球面單元的單邊長度須滿足關系式w=p/n，這里p是設定的左右影像在微球面屏幕上的視差，n是一個整數(shù)，根據不同應用，w數(shù)值從10微米到10毫米不
坐寸o
[0042]微球面屏幕的水平可視角和垂直可視角度A可以通過下面的關系式獲得；
[0043]對于直投式立體投影系統(tǒng)和背投式立體電視機，圖10，切線20:
[0044]I=Pi/2 - k (I)
[0045]K=arccos (x/r)(2)
[0046]邊界條件:
[0047]Kmin=arccos (w/2r)(3)
[0048]Kmax=Pi/2
[0049]根據式(I)和式(3)得到
[0050]Imax=Pi/2 - k min (4)
[0051]將式(3)代入式(4)，并且A=4Imax
[0052]A=4[Pi/2-arccos(w/2r)] (5)
[0053]對于背投式立體投影系統(tǒng)，圖11:
[0054]A=2kmax
[0055]=2arcsin(w/2r)(6)
[0056]上式中:w-微球面單元的單邊長度
[0057]r—微球面單元表面球球面半徑
[0058]P1-3.141
[0059]圖12，對于多邊型微球面單元17的表面18是由m個寬度分別為^的多邊形平面
組成；這里m=l、2、3、4.......每一個多邊型平面表面18的寬度tm可以相等或不相等；水
平截面上多邊形內接球面半徑通過每一個平面表面18中點處，平面表面18與多邊形內接球面19在平面表面中點處相切20。多邊形平面表面18的多邊形平面表面數(shù)目m將大于或等于前排觀眾的人數(shù)。
[0060]圖13，從交點沿水平方向向左畫一個輔助線ab=x ;切線20 ；
[0061]i=j+k=arctan(x/L)+arcsin(x/r)(I)
[0062]求i對x的導數(shù)，得到；
[0063]di/dx=l/L[l+ (x/L)2]-l/r[l-(x/r)2]1/2
[0064]因為L?x;
[0065]=l/L-l/(r2 - X2)172 (2)
[0066]式(2)表明對于球面型微球面屏幕，除去x=w/2點之外，激光束反射光束沿著微球面表面連續(xù)變化。
[0067]多邊型微球面單元將入射激光束分割成沿著微球面表面不連續(xù)變化的多束反射激光束，同時投射到不同觀眾的眼睛，根據理想系統(tǒng)和立體電影院中的固定座位位置計算出多邊形平面的分布方式，m和tm的數(shù)值，保證了每一位觀眾的雙眼都能夠獲得對應的影像光束，從而獲得立體感覺。微球面單元垂直方向球面形狀保證了每一排的觀眾都能夠獲得與第一排觀眾同樣的立體感覺和效果。[0068]圖14，理想系統(tǒng)使用兩臺激光投影機21為中心，以兩個鏡頭水平中心線的中點處水平方向到屏幕中心點處為半徑的一個圓弧形狀屏幕12，觀眾22在理想系統(tǒng)中屏幕12的共享可視角度范圍內的任何位置時，圖14中斜線區(qū)域內，觀眾22的左眼和右眼分別只看到對應的左影像和右影像，在視覺上感受到了立體影像。對于球型或圓拱型環(huán)繞屏幕，只要將激光投影機放置于球型或圓拱型環(huán)繞屏幕的中心點處，就成為一個理想系統(tǒng)；對于平面屏幕，采用計算機程序設計和計算平面屏幕上每一個微球面單元表面的方向角度e，同樣可以獲得理想系統(tǒng)的效果。
[0069]圖15、16，直投式立體投影系統(tǒng)是投影機21和觀眾22都位于微球面屏幕12的同一邊，微球面屏幕12的表面鍍有涂層，涂層的反射系數(shù)從1.0到3.0不等，需要根據不同應用來確定，激光投影機21將影像投射到鍍有涂層的微球面屏幕12的表面上，經反射后直接投射到觀眾22的視網膜上，微球面屏幕的形狀是平面或曲面屏幕。
[0070]圖17、18，背投式立體投影系統(tǒng)是投影機21和觀眾22分別在微球面屏幕12的兩邊，微球面屏幕材料具有極好的透光性，屏幕厚度h與屏幕表面球面半徑r相等，屏幕背面是像平面同時也是微球面的焦平面，屏幕表面鍍有涂層，提高屏幕對投射到屏幕表面的影像折射進入到屏幕中的折射率，激光投影機21將影像投射到微球面屏幕12表面上，影像折射進入到屏幕中并經過微球面中心，即焦點后直接投射到觀眾22的視網膜上，屏幕的形狀是平面或曲面屏幕。
[0071]圖19、20、21，背投式立體電視機是投影機21和觀眾22都位于微球面屏幕12的同一邊，在投影機21和觀眾22之間可以根據需要放置另一個單方向透明屏幕23，微球面屏幕表面鍍有涂層，涂層的反射系數(shù)從1.0到3.0不等，需要根據不同應用來確定，微球面屏幕的形狀是平面或曲面屏幕；激光投影機21將影像投射到鍍有涂層的微球面屏幕12表面上，經反射后直接投射或穿透另一個鍍有涂層的單方向透明屏幕23后直接投射到觀眾22的視網膜上，單方向透明屏幕涂層是為了提高影像的穿透率和單方向透明，單方向透明屏幕23的形狀是平面或曲面屏幕。
[0072]圖22，對于一臺激光投影機21的立體投影系統(tǒng)，輸入信號為左右格式或插圖格式時，設定左右影像在微球面屏幕上的視差P為使用地區(qū)或國家人民的平均視間距(中國人視間距平均值為65毫米或2.56英寸)，觀眾在微球面屏幕上看到的影像經過大腦融合后在視覺上感受到了立體影像。如果左右格式采取非插圖格式時，使用插圖轉換器將左右格式信號轉換成為插圖格式信號。
[0073]圖23，對于二臺激光投影機21系統(tǒng)，二臺投影機需要具有相同參數(shù)，相同制造商和品牌，二臺投影機分別以左右平行的方式固定在機架上，投影機彼此水平高度一致，中心線之間水平距離等于P為使用地區(qū)或國家人民的平均視間距，二臺投影機之間水平距離可以水平調整。將立體影像信號中的左影像信號24輸入到左投影機27，右影像信號25輸入到右投影機26，二臺投影機同步播放，觀眾在微球面屏幕上看到的影像經過大腦融合后在視覺上感受到了立體影像，其解析度，色彩和亮度與投射到微球面屏幕上的原左右影像解析度，色彩和亮度一致，不會產生任何的損失；如果需要播放平面影像內容或輸入信號為左右或插圖格式時，關掉其中一臺投影機，成為一臺投影機立體投影系統(tǒng)。
[0074]立體投影大屏幕顯示系統(tǒng)可以由多個直投式立體投影系統(tǒng)，或多個背投式立體投影系統(tǒng)，或多個背投式立體電視機組合在一起組成，通過調節(jié)每一個獨立的立體投影系統(tǒng)保持每個拼接立體投影系統(tǒng)影像在色彩和亮度的一致性，實現(xiàn)多屏幕的無縫拼接。
[0075]本實用新型的實施方式表示本實用新型具體化的一個例子，與權利要求書中的特定事項具有對應關系。本實用新型不限定實施方式，在不脫離本實用新型主旨的范圍內，能夠通過對各種不同的實施方式來實現(xiàn)具體化。
【權利要求】
1.一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，包括激光投影機和微球面屏幕兩部分，所述激光投影機是采用彼此相互獨立的紅綠藍三原色激光作為光源的三原色激光投影機，或采用彼此相互獨立的紅綠藍和第四種用做于原色激光作為光源的四原色激光投影機；該激光投影機所有不同顏色的原色激光束經過混合器混合后成為一束激光束，如果需要對經過混合器混合后的激光束的直徑或發(fā)散角進行調整，則在混合器之后設置擴束器，調整后的激光束可以直接通過掃描器投射到微球面屏幕上或通過一個整形器后再通過掃描器投射到微球面屏幕上；其特征在于，微球面屏幕由均布且排列整齊，尺寸一致，表面光滑的微球面單元組成，每一個獨立的微球面單元背面平面中心點處或曲面中心點處切平面上通過該中心點處與平面或切平面相垂直的中心線方向的投影為正方形，正方形的四個單邊長度相等并代表了微球面單元單邊長度，微球面屏幕背面是平面或曲面，微球面單元分為球面型和多邊型；對于球面型微球面單元表面是球面的一部分；對于多邊型微球面單元表面是由一組與同一個內接球面相切的平面表面組成，其水平方向橫截面為圓外接多邊形狀，垂直方向截面則是圓弧形狀；每一個獨立的微球面單元表面球面或多邊形狀的內接球面中心點處與球面或多邊形的內接球面半徑重合的直線與單元背面平面中心點處或曲面中心點處切平面上通過該中心點處與平面或切平面相垂直的中心線之間形成O至45度的夾角，該夾角度數(shù)由成像要求決定；微球面屏幕的形狀是平面或曲面屏幕；微球面屏幕為反射或穿透影像的結構形式。
2.根據權利要求1所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，其特征在于，如果需要對經過混合器混合后的激光束進行調整，使用擴束器對激光束的直徑或發(fā)散角進行調整；在擴束器后面增設一個光束整形器，整形器中間開口是截面為圓形光束投射到整形器表面時的最大內接正方形，截面為圓形光束通過整形器后變成為截面為正方形光束；調整或整形后的激光束直徑或發(fā)散角或正方形邊長需要同時滿足下面兩個條件，第一，小于激光投影機掃描器掃描鏡面的直徑或最小寬度；第二，投射到微球面屏幕上的光斑的直徑或橢圓長軸長度不大于微球面單元單邊長度w或投射到微球面屏幕上的正方形光束的邊長與微球面單元單邊長度w相等。
3.根據權利要求1所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，其特征在于，對于球面型微球面單元屏幕， 屏幕的水平和垂直可視角相等；對于多邊型微球面屏幕，屏幕的水平可視角和垂直可視角可以相等或不相等；對于多邊型微球面單元表面是由m個寬度分別為tm的多邊形平面表面組成；這里m=l、2、3、4、…;每一個多邊型平面表面的寬度tm可以相等或不相等；水平方向截面上多邊形內接球面半徑通過每一個平面表面中點，平面表面與多邊形內接球面在平面表面中點處相切；多邊形平面表面數(shù)目m將大于或等于前排觀眾的人數(shù)。
4.根據權利要求1所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，其特征在于，每一個微球面單元代表著屏幕的一個像素，屏幕像素的大小等于微球面單元單邊長度w ;微球面單元單邊長度須滿足關系式w=p/n，這里p是設定的左右影像在微球面屏幕上的水平視差，n是一個整數(shù)，根據不同應用，w數(shù)值從10微米到10毫米不等，水平方向微球面單元數(shù)目代表了屏幕的水平解析度，垂直方向微球面單元數(shù)目代表了屏幕的垂直解析度，微球面屏幕解析度是屏幕水平解析度和垂直解析度的乘積。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，其特征在于，對于直投式立體投影系統(tǒng)，微球面屏幕表面鍍有涂層，涂層的反射系數(shù)從1.0到3.0不等，需要根據不同的應用來確定。
6.根據權利要求1、2、3或4所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，其特征在于，對于背投式立體投影系統(tǒng)，微球面屏幕材料需要具有極好的透光性，屏幕厚度h與屏幕表面球面半徑r相等，屏幕背面是像平面同時也是微球面的焦平面，屏幕表面鍍有涂層。
7.根據權利要求1、2、3或4所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，其特征在于，對于背投式立體電視機，微球面屏幕表面鍍有涂層，涂層的反射系數(shù)從1.0到3.0不等，需要根據不同應用來確定；激光投影機將影像投射到鍍有涂層的微球面屏幕表面上，經反射后直接投射或穿透另一個鍍有涂層的單方向透明屏幕后再投射到觀眾的視網膜上。
8.根據權利要求1所述的一種激光立體成像和裸眼立體顯示裝置，其特征在于，激光投影機投射激光束到微球面屏幕相同水平線上的不同像素時具有相同入射角；使用兩臺投影機，兩個鏡頭中心聯(lián)線的中點處沿水平方向到屏幕中心點處為半徑的一個圓弧形狀屏
【文檔編號】G02B27/22GK203519929SQ201320586246
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2013年6月18日
【發(fā)明者】彭波 申請人:彭波