一种激光立体成像和裸眼立体显示装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种激光立体成像和裸眼立体显示方法及装置，包括激光投影机和微球面屏幕两部分。该激光投影机的原色激光束经过混合器混合后成为一束激光束，使用扩束器对激光束的直径和散射角进行调整，然后通过一个光束整形器和扫描器投射到微球面屏幕上。微球面屏幕由均布且排列整齐，尺寸一致，表面光滑的微球面单元组成，每一个单独的微球面单元四周边缘形状为正方形状，微球面单元表面是球面或是水平截面为圆外接多边型的表面组成。立体影像经微球面屏幕反射或穿透屏幕后直接投射到观众的视网膜上，观众无须使用立体眼镜即可看到质量佳的立体影像。本实用新型具有立体影像质量佳，制作和维护成本低，使用寿命长，应用范围广等优点。
【专利说明】—种激光立体成像和裸眼立体显示装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种激光立体成像和裸眼立体显示技术。
【背景技术】
[0002]激光电视机与目前市场主流投影技术和平板电视机技术相比，无论在影像质量，色彩，亮度，表现力等方面都有着更好的表现，成为第四代电视机技术的新时代。到目前为止，所有激光电视机和以激光投影技术为基础的影像显示技术都是以传统平面影像显示为主，市场中还没有激光投影立体显示技术应用产品。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是提供一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，解决以激光投影技术为基础和无需借助于任何辅助工具就能够直接观看到立体影像的技术问题。
[0004]为了实现上述发明目的，本实用新型所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置如下:
[0005]一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，包括激光投影机和微球面屏幕两部分，所述激光投影机是采用彼此相互独立的红绿蓝三原色激光作为光源的三原色激光投影机，或采用彼此相互独立的红绿蓝和第四种用做于原色激光作为光源的四原色激光投影机；该激光投影机所有不同颜色的原色激光束经过混合器混合后成为一束激光束，如果需要对经过混合器混合后的激光束的直径或发散角进行调整，则在混合器之后设置扩束器，调整后的激光束可以直接通过扫描器投射到微球面屏幕上或通过一个整形器后再通过扫描器投射到微球面屏幕上；微球面屏幕由均布且排列整齐，尺寸一致，表面光滑的微球面单元组成，每一个独立的微球面单元背面平面中心点处或曲面中心点处切平面上通过该中心点处与平面或切平面相垂直的中心线方向的投影为正方形，正方形的四个单边长度相等并代表了微球面单元单边长度，微球面屏幕背面是平面或曲面，微球面单元分为球面型和多边型；对于球面型微球面单元表面是球面的一部分；对于多边型微球面单元表面是由一组与同一个内接球面相切的平面表面组成，其水平方向横截面为圆外接多边形状，垂直方向截面则是圆弧形状；每一个独立的微球面单元表面球面或多边形状的内接球面中心点处与球面或多边形的内接球面半径重合的直线与单元背面平面中心点处或曲面中心点处切平面上通过该中心点处与平面或切平面相垂直的中心线之间形成0至45度的夹角，该夹角度数由成像要求决定；微球面屏幕的形状是平面或曲面屏幕；微球面屏幕为反射或穿透影像的结构形式。
[0006]所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，如果需要对经过混合器混合后的激光束进行调整，使用扩束器对激光束的直径或发散角进行调整；在扩束器后面增设一个光束整形器，整形器中间开口是截面为圆形光束投射到整形器表面时的最大内接正方形，截面为圆形光束通过整形器后变成为截面为正方形光束；调整或整形后的激光束直径或发散角或正方形边长需要同时满足下面两个条件，第一，小于激光投影机扫描器扫描镜面的直径或最小宽度；第二，投射到微球面屏幕上的光斑的直径或椭圆长轴长度不大于微球面单元单边长度W或投射到微球面屏幕上的正方形光束的边长与微球面单元单边长度W相
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[0007]所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，对于球面型微球面单元屏幕，屏幕的水平和垂直可视角相等；对于多边型微球面屏幕，屏幕的水平可视角和垂直可视角可以相等或不相等；对于多边型微球面单元表面是由m个宽度分别为tm的多边形平面表面组
成；这里m=l、2、3、4......;每一个多边型平面表面的宽度tm可以相等或不相等；水平方向
截面上多边形内接球面半径通过每一个平面表面中点，平面表面与多边形内接球面在平面表面中点处相切；多边形平面表面数目m将大于或等于前排观众的人数。
[0008]所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，每一个微球面单元代表着屏幕的一个像素，屏幕像素的大小等于微球面单元单边长度w ;微球面单元单边长度须满足关系式w=p/n，这里p是设定的左右影像在微球面屏幕上的水平视差，n是一个整数，根据不同应用，w数值从10微米到10毫米不等，水平方向微球面单元数目代表了屏幕的水平解析度，垂直方向微球面单元数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积。
[0009]所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，对于直投式立体投影系统，微球面屏幕表面镀有涂层，涂层的反射系数从1.0到3.0不等，需要根据不同的应用来确定。
[0010]所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，对于背投式立体投影系统，微球面屏幕材料需要具有极好的透光性，屏幕厚度h与屏幕表面球面半径r相等，屏幕背面是像平面同时也是微球面的焦平面，屏幕表面镀有涂层。
[0011]所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，对于背投式立体电视机，微球面屏幕表面镀有涂层，涂层的反射系数从1.0到3.0不等，需要根据不同应用来确定；激光投影机将影像投射到镀有涂层的微球面屏幕表面上，经反射后直接投射或穿透另一个镀有涂层的单方向透明屏幕后再投射到观众的视网膜上。
[0012]所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，理想系统是激光投影机投射激光束到微球面屏幕相同水平线上的不同像素时具有相同入射角；理想系统使用两台投影机，两个镜头中心联线的中点处沿水平方向到屏幕中心点处为半径的一个圆弧形状屏幕。
[0013]本实用新型具有如下积极效果:激光投影机结合微球面屏幕技术解决了目前主流裸眼立体显示技术存在的观看立体盲区，解析度和亮度损失等问题；激光投影机将影像投射到微球面屏幕表面上，经反射或穿透屏幕后直接将影像投射到观众的视网膜上，观众毋须佩带立体眼镜就可以在视觉上感受到了立体影像；本实用新型适用范围广泛，能够适用于直投式立体投影系统、背投式立体投影系统、背投式立体电视机和立体电影院，以及户外和室内立体大屏眷显不系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是二原色激光投影机原理不意图。
[0015]图2是四原色激光投影机原理示意图。
[0016]图3是激光光束整形器原理示意图。
[0017]图4是微球面屏幕示意图。[0018]图5是球面型微球面单元结构示意图。
[0019]图6是球面型微球面单元截面示意图。
[0020]图7是多边型微球面单元结构示意图。
[0021]图8是多边型微球面单元截面示意图。
[0022]图9是多边型微球面单元多边形平面表面示意图。
[0023]图10是微球面屏幕直投式视角几何关系示意图。
[0024]图11是微球面屏幕背投式视角几何关系示意图。
[0025]图12是多边型微球面单元示意图。
[0026]图13是投影系统中入射角和反射角与X关系式示意图。
[0027]图14是理想系统示意图。
[0028]图15是直投式裸眼立体显示示意图。
[0029]图16是直投式立体投影系统和屏幕示意图。
[0030]图17是背投式裸眼立体显示示意图。
[0031]图18是背投式立体投影系统和屏幕示意图。
[0032]图19是背投式立体电视机裸眼现实示意图。
[0033]图20是背投式立体电视机配置有半透明屏幕示意图。
[0034]图21是背投式立体电视机无配置有半透明屏幕示意图。
[0035]图22是投影影像在微球面屏幕上的视差示意图。
[0036]图23是二台投影机系统投影机设置示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面，对于实施本实用新型的方式进行说明。本实施技术方案中的每一个激光投影机，扩束器，整形器，微球面屏幕，微球面单元，计算方法，各种显示系统等都是所述的可实施技术方案中的一个例子。
[0038]图1，三原色激光投影机的光源分别来自于红色1，绿色2和蓝色3三个不同颜色的独立激光器。图2，四原色激光投影机的光源分别来自于红色1，绿色2，蓝色3和第四种用做于原色4的四个不同颜色的独立激光器。所有不同颜色的原色激光束经过混合器5，混合后成为一束激光束。如果需要对混合后的激光束进行调整，使用扩束器6对激光束的直径或发散角进行调整，调整后的激光束7通过整形器8后变成位截面为正方形的激光束9，通过反光镜10和扫描器11后，直接投射到微球面屏幕12上。
[0039]图3，激光光束7投射到整形器8的表面时的直径最大内接正方形就是整形器8中间的正方形开口，边长g的大小保证正方形激光光束9经扫描器11投射到屏幕12上的影像大小与微球面屏幕单元15或17的单边长度w相等，实现影像对微球面单元表面的完全覆盖。
[0040]图4，微球面屏幕12由众多个排列整齐，尺寸一致，表面光滑的微球面单元组成，微球面单元分为球面型15和多边型17。屏幕的背面是平面13或曲面14。对于球面型微球面单元15的表面16是球面的一部分，见图5、6。对于多边型微球面单元17的表面18是由一组与同一个内接球面19相切的多边形平面表面组成，其水平方向横截面为圆外接多边形，垂直方向截面则是球面的一部分，见图7、8、9。[0041]图5、7，每一个微球面单元15或17代表着屏幕的一个像素，屏幕像素的大小等于微球面单元的单边长度《，微球面单元的单边长度须满足关系式w=p/n，这里p是设定的左右影像在微球面屏幕上的视差，n是一个整数，根据不同应用，w数值从10微米到10毫米不
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[0042]微球面屏幕的水平可视角和垂直可视角度A可以通过下面的关系式获得；
[0043]对于直投式立体投影系统和背投式立体电视机，图10，切线20:
[0044]I=Pi/2 - k (I)
[0045]K=arccos (x/r)(2)
[0046]边界条件:
[0047]Kmin=arccos (w/2r)(3)
[0048]Kmax=Pi/2
[0049]根据式(I)和式(3)得到
[0050]Imax=Pi/2 - k min (4)
[0051]将式(3)代入式(4)，并且A=4Imax
[0052]A=4[Pi/2-arccos(w/2r)] (5)
[0053]对于背投式立体投影系统，图11:
[0054]A=2kmax
[0055]=2arcsin(w/2r)(6)
[0056]上式中:w-微球面单元的单边长度
[0057]r—微球面单元表面球球面半径
[0058]P1-3.141
[0059]图12，对于多边型微球面单元17的表面18是由m个宽度分别为^的多边形平面
组成；这里m=l、2、3、4.......每一个多边型平面表面18的宽度tm可以相等或不相等；水
平截面上多边形内接球面半径通过每一个平面表面18中点处，平面表面18与多边形内接球面19在平面表面中点处相切20。多边形平面表面18的多边形平面表面数目m将大于或等于前排观众的人数。
[0060]图13，从交点沿水平方向向左画一个辅助线ab=x ;切线20 ；
[0061]i=j+k=arctan(x/L)+arcsin(x/r)(I)
[0062]求i对x的导数，得到；
[0063]di/dx=l/L[l+ (x/L)2]-l/r[l-(x/r)2]1/2
[0064]因为L?x;
[0065]=l/L-l/(r2 - X2)172 (2)
[0066]式(2)表明对于球面型微球面屏幕，除去x=w/2点之外，激光束反射光束沿着微球面表面连续变化。
[0067]多边型微球面单元将入射激光束分割成沿着微球面表面不连续变化的多束反射激光束，同时投射到不同观众的眼睛，根据理想系统和立体电影院中的固定座位位置计算出多边形平面的分布方式，m和tm的数值，保证了每一位观众的双眼都能够获得对应的影像光束，从而获得立体感觉。微球面单元垂直方向球面形状保证了每一排的观众都能够获得与第一排观众同样的立体感觉和效果。[0068]图14，理想系统使用两台激光投影机21为中心，以两个镜头水平中心线的中点处水平方向到屏幕中心点处为半径的一个圆弧形状屏幕12，观众22在理想系统中屏幕12的共享可视角度范围内的任何位置时，图14中斜线区域内，观众22的左眼和右眼分别只看到对应的左影像和右影像，在视觉上感受到了立体影像。对于球型或圆拱型环绕屏幕，只要将激光投影机放置于球型或圆拱型环绕屏幕的中心点处，就成为一个理想系统；对于平面屏幕，采用计算机程序设计和计算平面屏幕上每一个微球面单元表面的方向角度e，同样可以获得理想系统的效果。
[0069]图15、16，直投式立体投影系统是投影机21和观众22都位于微球面屏幕12的同一边，微球面屏幕12的表面镀有涂层，涂层的反射系数从1.0到3.0不等，需要根据不同应用来确定，激光投影机21将影像投射到镀有涂层的微球面屏幕12的表面上，经反射后直接投射到观众22的视网膜上，微球面屏幕的形状是平面或曲面屏幕。
[0070]图17、18，背投式立体投影系统是投影机21和观众22分别在微球面屏幕12的两边，微球面屏幕材料具有极好的透光性，屏幕厚度h与屏幕表面球面半径r相等，屏幕背面是像平面同时也是微球面的焦平面，屏幕表面镀有涂层，提高屏幕对投射到屏幕表面的影像折射进入到屏幕中的折射率，激光投影机21将影像投射到微球面屏幕12表面上，影像折射进入到屏幕中并经过微球面中心，即焦点后直接投射到观众22的视网膜上，屏幕的形状是平面或曲面屏幕。
[0071]图19、20、21，背投式立体电视机是投影机21和观众22都位于微球面屏幕12的同一边，在投影机21和观众22之间可以根据需要放置另一个单方向透明屏幕23，微球面屏幕表面镀有涂层，涂层的反射系数从1.0到3.0不等，需要根据不同应用来确定，微球面屏幕的形状是平面或曲面屏幕；激光投影机21将影像投射到镀有涂层的微球面屏幕12表面上，经反射后直接投射或穿透另一个镀有涂层的单方向透明屏幕23后直接投射到观众22的视网膜上，单方向透明屏幕涂层是为了提高影像的穿透率和单方向透明，单方向透明屏幕23的形状是平面或曲面屏幕。
[0072]图22，对于一台激光投影机21的立体投影系统，输入信号为左右格式或插图格式时，设定左右影像在微球面屏幕上的视差P为使用地区或国家人民的平均视间距(中国人视间距平均值为65毫米或2.56英寸)，观众在微球面屏幕上看到的影像经过大脑融合后在视觉上感受到了立体影像。如果左右格式采取非插图格式时，使用插图转换器将左右格式信号转换成为插图格式信号。
[0073]图23，对于二台激光投影机21系统，二台投影机需要具有相同参数，相同制造商和品牌，二台投影机分别以左右平行的方式固定在机架上，投影机彼此水平高度一致，中心线之间水平距离等于P为使用地区或国家人民的平均视间距，二台投影机之间水平距离可以水平调整。将立体影像信号中的左影像信号24输入到左投影机27，右影像信号25输入到右投影机26，二台投影机同步播放，观众在微球面屏幕上看到的影像经过大脑融合后在视觉上感受到了立体影像，其解析度，色彩和亮度与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，不会产生任何的损失；如果需要播放平面影像内容或输入信号为左右或插图格式时，关掉其中一台投影机，成为一台投影机立体投影系统。
[0074]立体投影大屏幕显示系统可以由多个直投式立体投影系统，或多个背投式立体投影系统，或多个背投式立体电视机组合在一起组成，通过调节每一个独立的立体投影系统保持每个拼接立体投影系统影像在色彩和亮度的一致性，实现多屏幕的无缝拼接。
[0075]本实用新型的实施方式表示本实用新型具体化的一个例子，与权利要求书中的特定事项具有对应关系。本实用新型不限定实施方式，在不脱离本实用新型主旨的范围内，能够通过对各种不同的实施方式来实现具体化。
【权利要求】
1.一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，包括激光投影机和微球面屏幕两部分，所述激光投影机是采用彼此相互独立的红绿蓝三原色激光作为光源的三原色激光投影机，或采用彼此相互独立的红绿蓝和第四种用做于原色激光作为光源的四原色激光投影机；该激光投影机所有不同颜色的原色激光束经过混合器混合后成为一束激光束，如果需要对经过混合器混合后的激光束的直径或发散角进行调整，则在混合器之后设置扩束器，调整后的激光束可以直接通过扫描器投射到微球面屏幕上或通过一个整形器后再通过扫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齐，尺寸一致，表面光滑的微球面单元组成，每一个独立的微球面单元背面平面中心点处或曲面中心点处切平面上通过该中心点处与平面或切平面相垂直的中心线方向的投影为正方形，正方形的四个单边长度相等并代表了微球面单元单边长度，微球面屏幕背面是平面或曲面，微球面单元分为球面型和多边型；对于球面型微球面单元表面是球面的一部分；对于多边型微球面单元表面是由一组与同一个内接球面相切的平面表面组成，其水平方向横截面为圆外接多边形状，垂直方向截面则是圆弧形状；每一个独立的微球面单元表面球面或多边形状的内接球面中心点处与球面或多边形的内接球面半径重合的直线与单元背面平面中心点处或曲面中心点处切平面上通过该中心点处与平面或切平面相垂直的中心线之间形成O至45度的夹角，该夹角度数由成像要求决定；微球面屏幕的形状是平面或曲面屏幕；微球面屏幕为反射或穿透影像的结构形式。
2.根据权利要求1所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，其特征在于，如果需要对经过混合器混合后的激光束进行调整，使用扩束器对激光束的直径或发散角进行调整；在扩束器后面增设一个光束整形器，整形器中间开口是截面为圆形光束投射到整形器表面时的最大内接正方形，截面为圆形光束通过整形器后变成为截面为正方形光束；调整或整形后的激光束直径或发散角或正方形边长需要同时满足下面两个条件，第一，小于激光投影机扫描器扫描镜面的直径或最小宽度；第二，投射到微球面屏幕上的光斑的直径或椭圆长轴长度不大于微球面单元单边长度w或投射到微球面屏幕上的正方形光束的边长与微球面单元单边长度w相等。
3.根据权利要求1所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，其特征在于，对于球面型微球面单元屏幕， 屏幕的水平和垂直可视角相等；对于多边型微球面屏幕，屏幕的水平可视角和垂直可视角可以相等或不相等；对于多边型微球面单元表面是由m个宽度分别为tm的多边形平面表面组成；这里m=l、2、3、4、…;每一个多边型平面表面的宽度tm可以相等或不相等；水平方向截面上多边形内接球面半径通过每一个平面表面中点，平面表面与多边形内接球面在平面表面中点处相切；多边形平面表面数目m将大于或等于前排观众的人数。
4.根据权利要求1所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，其特征在于，每一个微球面单元代表着屏幕的一个像素，屏幕像素的大小等于微球面单元单边长度w ;微球面单元单边长度须满足关系式w=p/n，这里p是设定的左右影像在微球面屏幕上的水平视差，n是一个整数，根据不同应用，w数值从10微米到10毫米不等，水平方向微球面单元数目代表了屏幕的水平解析度，垂直方向微球面单元数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积。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，其特征在于，对于直投式立体投影系统，微球面屏幕表面镀有涂层，涂层的反射系数从1.0到3.0不等，需要根据不同的应用来确定。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，其特征在于，对于背投式立体投影系统，微球面屏幕材料需要具有极好的透光性，屏幕厚度h与屏幕表面球面半径r相等，屏幕背面是像平面同时也是微球面的焦平面，屏幕表面镀有涂层。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，其特征在于，对于背投式立体电视机，微球面屏幕表面镀有涂层，涂层的反射系数从1.0到3.0不等，需要根据不同应用来确定；激光投影机将影像投射到镀有涂层的微球面屏幕表面上，经反射后直接投射或穿透另一个镀有涂层的单方向透明屏幕后再投射到观众的视网膜上。
8.根据权利要求1所述的一种激光立体成像和裸眼立体显示装置，其特征在于，激光投影机投射激光束到微球面屏幕相同水平线上的不同像素时具有相同入射角；使用两台投影机，两个镜头中心联线的中点处沿水平方向到屏幕中心点处为半径的一个圆弧形状屏
【文档编号】G02B27/22GK203519929SQ201320586246
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】彭波 申请人:彭波