一種基于超大視場(chǎng)角魚眼鏡頭的球型顯示系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種球面幕投影顯示系統(tǒng)，具體說(shuō)是一種基于超大視場(chǎng)角魚眼鏡頭的 球型顯示系統(tǒng)。能夠?qū)D像投射到具有一定球屯、角范圍的球面幕上的投影顯示系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在數(shù)字投影領(lǐng)域中，長(zhǎng)期W來(lái)都在試圖提供一種能夠使畫面覆蓋整個(gè)球面銀幕或 球面屏幕下均簡(jiǎn)稱為"幕"）的數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)，或者，更進(jìn)一步講，該球面幕的形狀可 W拓展至具有對(duì)稱軸的空間Ξ維凸形特點(diǎn)的更一般化形狀。例如，楠球面、拋物面、二次曲 面等等。運(yùn)種顯示系統(tǒng)將具有多種不同的用途。例如，背投影形式可用在行星科學(xué)中，該顯 示系統(tǒng)能夠用于顯示行星氣象和溫度等信息；在地理教學(xué)中，該顯示系統(tǒng)可用于顯示基本 地理地貌信息，包括，地球表面大氣環(huán)流、海流運(yùn)動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)等效果;而正投影形式可在游 戲娛樂(lè)、模擬駕駛、運(yùn)動(dòng)建身、體育訓(xùn)練等領(lǐng)域。
[0003] 目前已有專利公開(kāi)了類似但不同的球面幕顯示系統(tǒng)，并且公開(kāi)的技術(shù)可W分為幾 個(gè)不同的種類。美國(guó)環(huán)球影像公司的專利號(hào)為200380109868，"具有Ξ維凸形顯示面的顯示 系統(tǒng)"的專利中，只是籠統(tǒng)地給出了鏡頭和幕之間的位置關(guān)系為"最長(zhǎng)像距與最短像距之比 至少1.75:1"，而不能完成像距比在1.74:1?下的投影。另外，上述技術(shù)中，幕安裝在一個(gè)基 座上，且該基座安裝在投影機(jī)機(jī)身上，運(yùn)種結(jié)構(gòu)方式對(duì)于小尺寸幕的投影顯示系統(tǒng)適用，但 對(duì)于直徑較大的球面幕來(lái)說(shuō)，物理支撐面積過(guò)小，整個(gè)顯示幕的重量集中于很小的截面之 上，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。在需要投射更大幕面的場(chǎng)合下，希望將投影機(jī)構(gòu)隱 藏到球面幕內(nèi)部，觀看者只能看到幕上的內(nèi)容，而不希望看到支撐部分和投影機(jī)構(gòu)，上述顯 示系統(tǒng)顯然不能滿足要求。
[0004] 另一種實(shí)現(xiàn)方式是美國(guó)Garry M.Hilderman的專利號(hào)US5030100A巧nvironmental Display System"，該系統(tǒng)包括多個(gè)元件，運(yùn)些元件單獨(dú)地傳導(dǎo)和發(fā)射光，然而，運(yùn)些系統(tǒng)通 常是昂貴的，并且難于制造。它們通常需要數(shù)千個(gè)微小元件，典型的是Lm)或光導(dǎo)纖維。在另 一種方法中，顯示系統(tǒng)由多個(gè)單獨(dú)的顯示器構(gòu)造，它們拼接在一起W形成一個(gè)分塊的顯示。 由于尺寸W及設(shè)置圖像源和投影光學(xué)器件的復(fù)雜性，所W運(yùn)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(cè)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W下的顯示面。
[0005] 另外，還有類似的顯示系統(tǒng)如中國(guó)專利CN201210502120.2，"一種小型多媒體投影 演示系統(tǒng)"，一般包含球面幕，投影機(jī)，魚眼鏡頭，平板電腦等。該類設(shè)備普遍存在操作不便 的問(wèn)題，操作人員需要距離顯示系統(tǒng)很近才可W操作，操作過(guò)程中畫面存在遮擋的現(xiàn)象。另 夕h球幕表面發(fā)光與顯示設(shè)備之間相互造成雜光干擾。
[0006] 為此，在所有投影系統(tǒng)中，根據(jù)觀眾和投影鏡頭所處投影幕同側(cè)和異側(cè)投影方式 分為正投影和背投影兩種形式。根據(jù)行業(yè)慣例，在單通道球面幕顯示系統(tǒng)中，顯示系統(tǒng)均具 有W下基本特征或?qū)η蛎婺徊捎萌缦峦ㄐ忻枋龇绞剑杭?，顯示系統(tǒng)只含有一個(gè)球面幕、一臺(tái) 投影機(jī)和一只魚眼鏡頭，所輸入的視頻文件需要進(jìn)行特別預(yù)置變形處理。球面幕具有一個(gè) 圓形開(kāi)孔，該圓形開(kāi)孔的圓屯、和球面幕球屯、的連線為球面幕的對(duì)稱軸，鏡頭的光軸和球面 幕的對(duì)稱軸重合，圓形開(kāi)孔至少可W保證鏡頭能進(jìn)入球面幕內(nèi)部，并能保證鏡頭所投射光 束能夠覆蓋球面幕內(nèi)表面。而球面幕的有效投影區(qū)域W球屯、角描述，該球屯、角為球面幕圓 形開(kāi)孔圓上兩點(diǎn)分別與球面幕球屯、連線形成的純角夾角，所述兩點(diǎn)其連接線經(jīng)過(guò)圓形開(kāi)孔 的圓屯、。在球形顯示系統(tǒng)中，球面幕直徑大小系指系統(tǒng)中球面幕的實(shí)際幾何直徑。系統(tǒng)中所 用魚眼鏡頭正對(duì)球面幕的一方為"前"，鏡頭正對(duì)投影機(jī)的一方為"后"；鏡頭最前端鏡片到 球幕不同區(qū)域的實(shí)際光路距離為"像距"。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于上述現(xiàn)狀，為解決現(xiàn)有球型顯示系統(tǒng)背投影形式中數(shù)字投影機(jī)暴露于球面幕 之外，W及球型顯示系統(tǒng)正投影形式球面幕有效區(qū)域球屯、角較小的局限性，而提供了一種 基于超大視場(chǎng)角魚眼鏡頭的球型顯示系統(tǒng)方案。
[000引本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案是:一種基于超大視場(chǎng)角魚眼鏡頭的球型顯示系統(tǒng)， 所述投影方式可構(gòu)造為單通道背投影形式也可構(gòu)造為單通道正投影形式;本系統(tǒng)使用超大 視場(chǎng)角的魚眼鏡頭，所述魚眼鏡頭的全視場(chǎng)角α的范圍為220°含α含300°，可將一個(gè)特定物 場(chǎng)投射到一個(gè)連續(xù)的像場(chǎng)上，像場(chǎng)具有與球面幕相同的形狀，像場(chǎng)能夠有效覆蓋球面幕球 屯、角β為270° ±30°的范圍，且能夠在除去預(yù)留圓形開(kāi)孔之外的全部球面幕區(qū)域范圍形成清 晰影像;所述魚眼鏡頭幕方零視場(chǎng)像距與最大視場(chǎng)像距稱最短像距與最長(zhǎng)像距，則最長(zhǎng)像 距與最短像距之比值為Γ，Γ具有取值區(qū)間，Γ的取值區(qū)間是1< Γ <1.74;球型顯示系統(tǒng)， 包括硬件子系統(tǒng)A和軟件子系統(tǒng)Β。
[0009] 本發(fā)明中，所述球型顯示系統(tǒng)的投影方式為單通道背投影形式時(shí)，觀眾在球面幕 外部觀看;球型顯示系統(tǒng)的投影方式為單通道正投影形式時(shí)，觀眾在球面幕內(nèi)部觀看。
[0010] 本發(fā)明中，所述球面幕是一種具有銀幕光學(xué)特性的球面，球面幕所具有的球屯、角0 的范圍為270° ±30°，且球面上具有一圓形開(kāi)孔，該球面可W是拼接組合而成的，也可W是 經(jīng)誘注成型無(wú)縫的，所述球面幕置于物理支撐基座上;為單通道背投影方式時(shí)，球面幕采用 透射幕或其他復(fù)合有機(jī)透明材料構(gòu)成球幕基材，在基材內(nèi)表面噴涂有與透射幕具有相同光 學(xué)特性的介質(zhì)，球面幕直徑范圍在〇.4m-3m;為單通道正投影方式時(shí)，球幕上的圓形開(kāi)孔，可 在該開(kāi)孔基礎(chǔ)上平滑連接觀眾或其他輔助設(shè)施進(jìn)入的更一般形狀的開(kāi)孔，所述球面幕可采 用輔助龍骨結(jié)構(gòu)掛載軟質(zhì)反射幕，反射幕也可采用其他硬質(zhì)基材，再在該球面內(nèi)部噴涂與 反射幕具有同等光學(xué)特性的介質(zhì)，球面幕直徑范圍在3m-20m。
[0011] 本發(fā)明中，選擇正投影或是背投影任一投影方式時(shí)，所述魚眼鏡頭均按照"物 "像"非相似原理和有限距離共輛成像原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，使球面幕面構(gòu)成的"像面"和投影機(jī)忍 片上之有效區(qū)域構(gòu)成的"物面"形成完整光學(xué)共輛映射，根據(jù)球面幕實(shí)際尺寸和有效區(qū)域、 球面幕與魚眼鏡頭之間的特定位置關(guān)系、投影機(jī)引擎數(shù)據(jù)、投影機(jī)忍片數(shù)據(jù)信息，設(shè)置崎變 規(guī)律，合理設(shè)置包括視場(chǎng)角在內(nèi)的各種光學(xué)技術(shù)指標(biāo)，并合理控制鏡頭其他像差，滿足球面 幕上像質(zhì)的要求；
[0012] 所述魚眼鏡頭全視場(chǎng)角α的范圍是220° 300°，魚眼鏡頭全視場(chǎng)角α = 220°可 滿足最長(zhǎng)像距和最短像距之比值Γ =1.74的系統(tǒng)需要，魚眼鏡頭全視場(chǎng)角α = 300°可滿足 Γ =1的系統(tǒng)需要;而在1< Γ <1.74范圍內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)需要計(jì)算魚眼鏡頭的視場(chǎng)角度值α; 所述球面幕球屯、角0、魚眼鏡頭全視場(chǎng)角α、最長(zhǎng)像距和最短像距之比值Γ Ξ者滿足如下數(shù) 學(xué)關(guān)系：
[0013]
[0014] 該關(guān)系式和球面幕半徑無(wú)關(guān)，確定了β、α、ΓΞ者中任兩個(gè)量值，則可求解出第Ξ 個(gè)量值。
[0015] 選擇正投影或是背投影任一方式，所述魚眼鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)具有W下基本特征， 沿著光軸的方向，由數(shù)字投影機(jī)忍片的后端到球面幕的前端，依次排列設(shè)置第一透鏡組、孔 徑光欄、第二透鏡組、第Ξ透鏡組、第四透鏡組;其中，第一透鏡組，含有1-5片透鏡，含有至 少一個(gè)膠合透鏡對(duì)，具有正光焦度，用于平衡其余各透鏡組的像差，增加后工作距離，提高 整個(gè)像場(chǎng)的照度均勻性;第二透鏡組，含有0-3片透鏡，可含有一個(gè)膠合透鏡對(duì)，主要用于平 衡光闊球差;第Ξ透鏡組，含有1-3片透鏡，可含有一個(gè)膠合透鏡對(duì)，主要用來(lái)平衡象散、場(chǎng) 曲及色差，并控制最大透鏡的口徑;第四透鏡組含有3-5片透鏡，可含有一個(gè)膠合透鏡對(duì)，具 有極負(fù)光焦度，用W增加鏡頭在像場(chǎng)方向的出射角，制造足夠大負(fù)崎變和足夠大的光闊慧 差;所述孔徑光欄設(shè)置在靠近第一透鏡組和第二透鏡之間；光學(xué)結(jié)構(gòu)中的所有透鏡通光工 作面均為標(biāo)準(zhǔn)球面;各個(gè)透鏡組的具體透鏡數(shù)量及是否引入膠合透鏡對(duì)，可W根據(jù)所采用 的數(shù)字投影機(jī)類型及規(guī)格的不同、工程的實(shí)際性能指標(biāo)要求和像差平衡要求而確定。
[0016] 本發(fā)明中，所述硬件子系統(tǒng)Α，包括內(nèi)置式