专利名称：一种裸眼3d投影屏幕及裸眼3d投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及3D投影屏技术，尤其是涉及一种裸眼3D前投影屏幕及一种裸眼3D背投影屏幕，以及采用上述屏幕的裸眼3D投影系统。
背景技术：
正常的人都是用双眼来辨认三维空间的物体的，在观看空间某个对象时，人的双眼就从左右两边稍有差别的角度进行观察，由于存在角度上的偏差，反映在大脑中就会产生“立体视觉”，两个画面组合在一起，便产生立体感，从而能够判断物体的前后关系，这种被观察的物体在人的左右眼视网膜上所形成的像的差异就是双眼视差。视差的产生对立体视觉的形成起着非常重要的作用。目前实现视差式3D显示的主流方法有两种眼镜式和裸眼式。眼镜式的3D显示技术发展的已经很成熟，但是佩戴眼镜不方便，不能模拟真实的立体观察场景，因而裸眼式的3D显示技术成为科学工作者研究的热点。本领域中熟知的裸眼3D投影屏幕技术主要基于视差屏障技术或柱面透镜光栅技术。中国专利CN 101013201A提到了一种利用单面柱透镜实现裸眼3D显示的技术， 见
图1。此专利中提出了实现裸眼3D显示的柱面透镜的特征柱面镜的节距与待显示图像的像素尺寸有关，节距是待显示图像像素尺寸的整数倍；待显示图像位于柱面镜的后焦面上。在投影系统中，由于投影距离远，导致投影到屏幕上的像素大，对应的柱透镜101的宽度和曲率半径也变大，厚度102也相应增大。另一方面，由于该微柱透镜板一面是平面，另一面是圆柱形面，在设计过程中，为了使立体观察视区连续，必须加大透镜的厚度102，见图 2，其原因是在相同的曲率半径下，对于同一轴外物点205，较小的微柱透镜厚度201比较大的厚度202分开光线的偏折角要大，对于轴外物点205和轴上点206，较小厚度微柱透镜 201在接收屏幕上两主光线之间的距离203要比较大厚度透镜间距204的大，其子视区距主视区较远。柱透镜板一般通过注塑或热压印等方法加工而成，厚度的增加加大了加工难度。另外，为了分开不同像素的光线，单曲面微柱透镜必须减小透镜的曲率半径，这就加大了微柱透镜间清根的难度。图3是柱透镜间的理想清根001和实际清根002比较图。 清根的难易程度与柱透镜表面301曲率半径有关，当柱透镜的曲率半径较小时，不容易彻底清根，这样就容易增加图像的串扰，影响立体显示质量。单曲面微柱透镜仅仅依靠单个曲面起到折光的作用，它的曲率半径比达到同样折射效果的双曲面微柱透镜的曲率半径要小。此外，单个曲面不易控制图像的球差和畸变等像差，影响了成像质量。中国专利CN 101702057A提到了一种带聚光柱面光栅的自由立体显示器，见图4。 它包括平板显示器501、聚光柱面光栅502和分光柱面光栅屏503三部分。聚光柱面光栅 502位于平板显示器501和分光柱面光栅屏503之间，用来聚集子像素发出的光，分光柱面光栅503用来将不同视差图发出的光线分离开。由于加了聚光柱面透镜，该发明明显提高了可视角度和光能利用率。不过，该发明中需要两组透镜板，结构重复，增加了加工、装配工艺流程和成本。。此外，此发明是针对平板显示领域，光线从平板显示器入射，穿过光栅一次，不属于投影显示领域。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于表面双凸微柱透镜板的裸眼3D投影屏幕以及一种裸眼3D投影系统。所述立体投影屏幕主要分为两个部分第一表面双凸微柱透镜板，漫射层和第二表面双凸微柱透镜板。第一表面双凸微柱透镜板用于将投影仪投出的带有水平视差的图像像素分开折射到漫反射层上，经过漫射层的漫射和第二表面双凸微柱透镜板的折射分别进入人的左右眼。漫射层在第一表面双凸微柱透镜板与第二表面双凸微柱透镜板之间，具体地，位于第一表面双凸微柱透镜板的后焦面，位于第二表面双凸微柱透镜板的前焦面上。本发明表面双凸微柱透镜板的两侧均是由多列微凸柱透镜组成，各微凸柱透镜呈垂直状，并紧密水平排列，每个微柱透镜对每台投影机的对应的几列像素起作用。表面双凸微柱透镜两侧表面可以分别采用球面设计，也可以采用非球面设计，或者是两者的结合，具体形式依据实际约束条件而定。考虑到校正像差等因素，表面双凸微柱透镜板两侧微凸柱透镜的曲率半径不一定完全对称，但两侧微凸柱透镜的节距是相同的，并且是一一对应的， 一侧微凸柱透镜的正后背侧是对应的另一个微凸柱透镜，这样投影仪投射来的对应像素的光线经过一对微凸柱透镜的作用后再返回到观察者的位置。微凸柱透镜的节距是投影像素大小的整数倍，本文所述的节距是指单个微凸柱透镜的水平宽度。漫射层用于将入射光向各个方向透射或反射。从投影机发出的光线经过前面所述的第一表面双凸微柱透镜折射后入射到所述的漫射层上，在漫射层上成像，成为所述的第二表面双凸微柱透镜板的“物点”，由于漫射层的漫射作用，该“物点，，发出的光束的扩散角变大，所述的光束可以入射到几个相邻的微凸柱透镜上，从而形成几个相邻的视区，人在屏幕前适当的距离就能观察到立体图像。本发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，漫射层是漫反射层，而在背投影屏幕中，漫射层是漫透射层。在前投影屏幕中，第一表面双凸微柱透镜板与第二表面双凸微柱透镜板的结构形式完全相同，实质上是同一块表面双凸微柱透镜板；但是由于光线穿过其的方向不同，第一表面双凸微柱透镜板的后焦距是第二表面双凸微柱透镜板的前焦距。即该裸眼3D前投影屏幕仅包括一块表面双凸微柱透镜板和一个漫反射层，漫反射层位于所述表面双凸微柱透镜板的后焦平面上。在背投影屏幕的情况下，根据投影机阵列的位置摆放关系，第一表面双凸微柱透镜板与第二表面双凸微柱透镜板的结构形式可以是对称的，也可以是不对称的，但第一表面双凸微柱透镜板与第二表面双凸微柱透镜板的节距相等。所述的对称的含义是，第一表面双凸微柱透镜板的第一个面的曲率半径是第二表面双凸微柱透镜板第二个面的曲率半径的相反数，第二表面双凸微柱透镜板的第一个面的曲率半径是第一表面双凸微柱透镜板第二个面的曲率半径的相反数，所述第一表面双凸微柱透镜板的第一个面和第二表面双凸微柱透镜板的第一个面均是指投影光线的入射面、第二个面均是指投影光线的出射面；第一表面双凸微柱透镜板和第二表面双凸微柱透镜板上的非球面的厚度相同，微凸柱透镜的圆锥系数系数、节距也相同。所述的不对称的含义是，第一表面双凸微柱透镜板与第二表面
权利要求
1.一种裸眼3D前投影屏幕，其特征在于，包括一表面双凸微柱透镜板和一漫反射层；所述表面双凸微柱透镜板的两侧均是由多列微凸柱透镜水平紧密排列组成，所述表面双凸微柱透镜板两侧的微凸柱透镜数量相等且一一对应，各个微凸柱透镜均呈竖直条状且节距相等，所述节距的长度是投影仪透射到投影屏幕上的图像像素宽度的正整数倍； 所述漫反射层位于所述表面双凸微柱透镜板的后焦面上。
2.根据权利要求1所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于，所述表面双凸微柱透镜板两侧的微凸柱透的曲率半径分别为Α和r2，且Γι和r2的长度均大于所述节距的一半。
3.根据权利要求1所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于所述表面双凸微柱透镜板两侧的微凸柱透的面型均通过下述公式确定
4.根据权利要求3所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于所述表面双凸微柱透镜板的厚度
5.根据权利要求1所述的裸眼3D前投影屏幕，其特征在于还包括位于所述表面双凸微柱透镜板和漫反射层之间的垫圈或透明层，所述垫圈或所述透明层的厚度使得所述漫反射层位于所述表面双凸微柱透镜板的后焦面上。
6.一种裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，包括第一表面双凸微柱透镜板、漫透射层、以及第二表面双凸微柱透镜板；所述第一表面双凸微柱透镜板和第二表面双凸微柱透镜板的两侧均是由多列微凸柱透镜水平紧密排列组成，且两侧的微凸柱透镜数量相等并一一对应，各个微凸柱透镜均呈竖直条状且节距相等，所述节距是投影仪透射到投影屏幕上的图像像素宽度的正整数倍；所述第一表面双凸微柱透镜板用于将投影仪投出的带有水平视差的图像像素分开折射到漫反射层上，然后经过漫透射层的漫射和第二表面双凸微柱透镜板的折射分别进入人的左右眼；所述第一表面双凸微柱透镜板的后焦面和所述第二表面双凸微柱透镜板的前焦面均位于所述漫透射层上，所述后焦面是指远离投影仪的焦面，所述前焦面是指靠近投影仪的焦面。
7.根据权利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面双凸微柱透镜板和第二表面双凸微柱透镜板两侧的微凸柱透镜的曲率半径均大于所述节距的一半。
8.根据权利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面双凸微柱透镜板和第二表面双凸微柱透镜板两侧的微凸柱透镜的面型均通过以下公式确定L ^ ” 2 2 ,其中c为微凸柱透镜的顶点曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，左为圆锥系数。
9.根据权利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面双凸微柱透镜板和第二表面双凸微柱透镜板的厚度J均需满足下述条件de^;、22+,,Lci ,、32'/]，其中，^和。分别为表面双凸微柱透 4 + 2^4-(1 + ) r 4 + 2-,/4-(1 + . ) Γ镜板两侧的微凸柱透镜的顶点曲率，K和&分别为表面双凸微柱透镜板两侧的微凸柱透镜的圆锥系数，/为第一表面双凸微柱透镜板的第一个面的后焦距或者第二表面双凸微柱透镜板的第二个面的前焦距，所述第一表面双凸微柱透镜板的第一个面和第二表面双凸微柱透镜板的第一个面均是指投影图像的入射面、第二个面均是指投影图像的出射面。
10.根据权利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于，所述第一表面双凸微柱透镜板与所述第二表面双凸微柱透镜板对称，所述对称是指所述第二表面双凸微柱透镜板的第一个面与第一表面双凸微柱透镜板第二个面的微凸柱透镜的曲率半径互为相反数、圆锥系数相等、节距相等、厚度相等，第二表面双凸微柱透镜板的第二个面与第一表面双凸微柱透镜板第一个面的微凸柱透镜的曲率半径互为相反数、圆锥系数相等、节距相等、厚度相等；所述第一表面双凸微柱透镜板的第一个面和第二表面双凸微柱透镜板的第一个面均是指投影光线的入射面、第二个面均是指投影图像的出射面。
11.根据权利要求6所述的裸眼3D背投影屏幕，其特征在于所述的第一表面双凸微柱透镜板与第二表面双凸微柱透镜板的曲率半径和圆锥系数没有联系，但其节距相等。
12.—种裸眼3D投影系统，包括投影仪阵列和投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕为权利要求1-11中任意一项所述的投影屏幕，并且当投影屏幕为权利要求10所述的投影屏幕时，相邻投影机镜头中心的横向间距为人眼的双目间距；当投影屏幕为权利要求11所述的投影屏幕时，相邻投影机镜头中心的横向间距χ满足公式叉=fTJ-，其中，Cll为投影距离，d2为观察距离，Λ为第一表面双凸透镜板的第一个面到后焦面的距离，/2为第二表面双凸透镜板的前焦面到第二个面的距离，e为人眼双目间距。
13.根据权利要求12所述的裸眼3D投影系统，其特征在于，所述投影仪阵列为《行Xn 列，其中 为大于等于1的整数，《为大于等于2的偶数。
全文摘要
本发明公开了一种裸眼3D前投影屏幕、一种裸眼3D背投影屏幕及一种裸眼3D投影系统，所述前投影屏幕包括一表面双凸微柱透镜板和一漫反射层；所述表面双凸微柱透镜板的两侧均是由多列微凸柱透镜水平紧密排列组成，所述表面双凸微柱透镜板两侧的微凸柱透镜数量相等且一一对应，各个微凸柱透镜均呈竖直条状且节距相等，所述的节距是投影仪透射到投影屏幕上的图像像素宽度的正整数倍；所述漫反射层位于所述表面双凸微柱透镜板的后焦平面上。所述背投影屏幕与所述前投影屏幕原理相同。与现有技术相比，本发明具有结构简单、易于加工和装配、立体显示效果好的有益效果。
文档编号G02B27/22GK102445762SQ20121000311
公开日2012年5月9日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者夏飞鹏, 张波常, 程雪岷, 苏萍, 赵雪江, 马建设 申请人:清华大学深圳研究生院