CN100498923C - 具有三维凸形显示面的显示系统 - Google Patents

Abstract

一种显示系统，具有三维凸形的显示面(5)。一种投影系统(7)将一个物场投射到位于显示面(5)内侧的一个连续像场上。显示面(5)在其有效范围方面是大范围的，例如对向一个至少240度的角，以提供比半球面更大的有效区域。

Description

具有三维凸形显示面的显示系统

技术领域

本发明总的来说涉及投影显示系统，并且更具体而言涉及能够将图像投射到一个比半球面更大的三维凸形显示面上的投影显示系统。

背景技术

在许多领域中，一个长期以来努力渴望探寻的目标是提供一种能够产生覆盖整个球面的图像的显示系统，或者更一般的，所述图像覆盖某些凸形的整个表面。这种显示系统将具有多种不同的用途。例如，在行星科学中，该显示系统能够用于显示例如行星气象和温度的信息。制药应用包括直观化的分子。建筑应用包括直观化的建筑物。其它的应用也将是显而易见的。

其他人已经尝试构造这种显示系统，并且他们的成果可以分为几个不同的种类。在一个种类中，显示系统包括多个元件，这些元件单独地传导和发射光，例如在美国专利5,030,100“Environmental DisplaySystem(环境显示系统)”中所示。然而，这些系统通常是昂贵的，并且难于制造。它们通常需要数千个微小元件，典型的是LED或光纤导线，并且一般必须非常精确地设置这些元件的显示端以达到高品质的显示。在光纤导线的情况下，一般必须精确设置导线的两端。作为例子，用于现代计算机显示系统的典型的分辨率是1024×768像素。将需要超过750,000个元件来实现具有类似分辨率的一个显示系统。此外，如果将从显示器的外侧观看显示器，那么这些元件的非显示部分(例如LED的配线或光纤的线段)一般穿过显示器的内侧进行布线。由于众多的元件穿过显示器内侧布线，所以显示器一般必须用相继连接在一起的多个块构建。然而，这样导致观看者经常能够容易地察觉到多个接缝。

在另一种方法中，显示系统由多个单独的显示器构造，它们拼接在一起以形成一个分块的显示。这种方法的例子包括美国专利5,023,725“Method and Apparatus for Dodecahedral Imaging System(用于十二面体成像系统的方法和装置)”和美国专利5,703,604“ImmersiveDodecahedral Video Viewing System(沉浸式十二面体视频观测系统)”。然而，这种方法要求多个图像源(每个显示器对应一个)，每个图像源投射到整体显示的一部分上。这些系统试图在得到的合成图像中修正任何接缝、重叠和配准误差。与仅使用一个单独的投影仪相比，它们实际更加昂贵的制造、组装和校准。另外，这些系统最常用于观看者位于显示面内侧的情况下，例如用于行星显示或在飞行模拟器中的穹顶结构。这是因为多个图像源和投影光学器件能够位于该显示面的外侧，那里有更多的空间。由于尺寸以及设置图像源和投影光学器件的复杂性，所以这种类型的显示系统不能很好的适用于透射显示(即，从外侧观看的显示)或不能很好的适用于较小尺寸的显示面，例如直径在几英尺以下的显示面。

凸面反射器构成了另一个种类的基础，例如在美国专利6,327,020“Full-Surround Spherical Screen Projection System And RecordingApparatus Therefor(全环绕球面屏幕投影系统及为此的记录装置)”中举例说明的。然而，这些系统也受到多种限制。一个显著的缺陷是，这些系统一般具有多个没有可见光的死区。例如，在一种常用的设计中，一个投影仪伸出到显示面的内侧。投射的图像从投影仪到一个凸面镜，到一个反射镜，再到显示面。凸面镜深深地位于显示面的内侧。在这种几何结构中，死区可能出现在投影仪的位置、凸面镜之前或之后、反射镜之后和/或这些镜子的支撑物之后。在许多情况下，这些死区将是容易看到的，例如在从外侧观看的显示器中，其中观看者能够从不同的角度接近和观看该显示器，或在从内侧观看的显示器中，其中观看者自由的并且期望以任一方向观看，如在观看者由宇宙围绕的一个天文馆中。另外，凸面镜实际大于投影仪，导致比投影仪单独产生的死区更大的死区。

立体显示是另一类途径，例如在美国专利6,183,088“Three-dimensional Display System(三维显示系统)”所示。在这种途径中，某种复合机构用于产生一个显示，该显示可描述为多个体素(与到一个非平面上的多个像素的投射相对)的集合。然而，这些显示一般限于外部观看。此外，由于它们需要相当大量的常用电子设备和复合机械装置，所以它们通常是昂贵的。这些也能够导致可靠性问题。这种普通的类别作为一项技术或一种产业也不是非常成熟的。因此，它们一般具有低分辨率以及有限的颜色范围。

从而，需要一种显示系统，能够在三维(即，非平面)显示面上产生图像，并且克服了上述缺陷中的一些或全部。

发明内容

本发明通过提供一种具有三维凸形显示面的显示系统，克服了现有技术的局限性。其中一个投影系统投射一个物场处的中间图像到一个连续的像场上，所述像场位于显示面内侧，具有与显示面相同的形状，所述中间图像要透过透镜系统。其中连续像场上的中间图像的投影基本聚焦在显示面的内侧，最长像距与最短像距之比至少是1.75，并且顶端像点处的像距长于满场像点处的像距。另外，像场能够对向一个至少240度的角，以提供比半球面更大的有效区域；或对向至少300度的角，以提供几乎整个球形有效区域。在替换实施例中，显示面能够是不同的形状，例如包括球面、类球面和近似的矩形实体。

在一种途径中，投影系统包括一个投影仪，光学连接到一个透镜系统。由投影仪产生的像场用于透镜系统的虚拟物场。透镜系统将其投射到显示面的内侧。投影仪的例子包括数字视频投影仪、幻灯机、电影投影仪和投影电视。在一些设计中，通过改变投影仪的焦距，投影系统能够适应不同尺寸的显示面。在一种不同途径中，投影系统包括一个积分投影透镜系统。

在一些应用中，从其外部观看显示面。在这些情况中，显示面优选是半透明的或否则是透射的。在其它的应用中，从其内部观看显示面，这种情况下显示面优选是反射的。

在一种设计中，显示面包括一个孔径，并且除该孔径外像场基本覆盖了显示面的整个内侧。例如，显示面的物理支撑能够用于隐藏该孔径而使该孔径不被看到，给出图像投射到整个显示面上的错觉。

本发明其它的方面包括适用于这些投影系统中的透镜的设计、投影系统的应用以及相应的方法。

附图说明

本发明具有其他优点和特征，通过下面对本发明的详细说明和所附的权利要求，结合附图，这些将更加明显，附图中：

图1是根据本发明的一个示例性显示系统的横截面图。

图2A～2B是一个示例性显示系统的透视图和剖视图。

图3A～3B是适于用在图1～2的显示系统中的透镜系统的横截面图。

图3C是用于图3A～3B中所示的透镜系统的透镜数据图表。

图4A～4C是对于不同直径的显示面，作为分级物体高度的函数的RMS光点半径的图。

图5是一个显示面的横截面图。

图6A～6C示出了投影系统的物场与像场之间的关系。

图7示出了物场不是矩形时，在矩形显示上的像素的使用的示意图。

图8是描述光学坐标变换的图。

图9A～9C是描述投影系统的另一个实施例的图。

图10是描述根据本发明的投影系统的立体模型的图。

图11A～11F是描述显示面的替代形状的图。

图12A～12C是描述显示系统的替代实施例的图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个示例性显示系统的横截面图。包括一个具有三维凸形的显示面5，和一个投影系统7。投影系统投射一个物场到到一个连续的像场上，从而形成一个显示图像，所述像场具有与显示面5相同的形状。

图1的例子中，还包括一个计算机系统1，它通过计算机视频电缆2连接到投影系统7。投影系统7包括一个投影仪3(在该例中，是数字视频投影仪)和一个透镜系统4。计算机系统1的输出端口通过电缆2连接到数字视频投影仪3。数字视频投影仪3将来自计算机系统1的视频信号作为输入，并且将视频信号显示到一个电控制的显示器上，例如液晶显示器上。在没有系统其余部分的情况下，投影仪3中的光学器件将平面物体(即，电控制的显示)投射到平面像场，例如屏幕。投影仪3一般具有焦距调节机构，允许改变到屏幕的距离。

然而，在投影系统7中，投影仪3光学地连接6到透镜系统4。因此，来自投影仪3的平面像场不是用于整个投影系统7的最终像场。而是作为透镜系统4的物场。由于透镜系统4的位置，这个中间物场是虚拟的物场。透镜系统4将中间物场投射到球形显示面5的内侧。换句话说，透镜系统4(和整个投射系统7)的像场具有设计成与显示面5的凸形相匹配的凸形。在这个例子中，显示面5是半透明的。当从显示面5的外部观看时，如图2B所示，投射的图像看起来连续的覆盖整个显示面5的相当大的部分。如果投影仪3的图像实时变化，那么在显示面5上显示的图像可以是动态的。

虽然这个特定的实施例使用了数字视频投影仪3，但是其它的实施例为了满足不同的应用，可以使用其它的投影仪，包括例如幻灯机、电影投影仪和投影电视。此外，虽然这个实施例使用了球形的显示面5，但是其它的实施例能够使用不同形状和尺寸的显示面，例如包括类球形显示面和制作成与一物理形状相匹配的多个显示面。

所述显示系统也能够设计为用于不同的应用。在一种应用中，显示系统设计为用于行星科学，其目的是显示行星的图像，例如地球的图像。这些图像能够说明许多内容，例如地形、地势、生物圈、板块构造和气候。在这种应用中，显示面5一般是球形形状，以给观看者提供一个印象，即它是行星的比例模型。显示面5能够是不同的尺寸，例如如果将其放置在桌面上或放置在教室或实验室中，那么尺寸较小，如果将其放置在公司大厅，那么尺寸较大，如果将其用于博物馆展示，那么尺寸甚至会非常大。

根据应用，也可以改变图像的分辨率和图像源。例如，如果显示系统确定用于显示地球的高分辨率卫星图像，投影系统7就可以是能够显示相当高分辨率图像的幻灯片或电影投影系统。如果目的是显示较低分辨率的地球的(或其它行星的)气候动画，例如投影系统7就可以是低分辨率的数字视频投影仪3。投影系统7能够投射少量的光用在已经关灯的教室中，或投射大量的光用在天文馆中。

在另一类应用中，显示系统设计为显示面制成与一个物理对象相匹配的形状。例如，能够是用于航空应用的近似的座舱形，用于建筑应用的近似的矩形(即，建筑形状)，或用于汽车应用的与汽车车身近似的形状。显示面不需要完全匹配该物理对象的形状。此外，显示面可以是不同的尺寸，范围为用于表示与实物一样大小的较小显示面到用于更逼真的或显示更多细节的较大显示面。

在虚拟现实应用中，显示系统能够设计成观看者从其内部观看显示面，而不是从其外部观看。根据观看者的位置可以改变显示面的结构。例如，半透明显示面更适合于从外部观看，而反射显示面适于从内部观看。另外，可以使用不同类型的漫射片将来自显示面的光线集中(或发散)到观看者的位置。根据观看者相对于显示面位于什么位置，投影系统的光轴可以在观看者之上、之下或与观看者成一定的角度。例如，在一个实施例中，投影系统在观看者头部之上或之后，并且因此，当观看者径直向前看时隐藏投影系统而不被看到。

该显示系统也能够设计成用于娱乐业，例如用于显示特殊效果。这样可以要求显示面是任何形式的设想形状。例如，显示面可以是一个完整的头部(或几乎完整的头部)的形状，以显示面部或头部特征的构成。

在生命科学领域，期望显示看得到的三维图像，显示系统能够使用立体投影系统。此外，如果显示系统设计成实现立体DNA显像，那么可以使用类球体显示面，而不是球体显示面，因为要显像的分子往往是细长的。

显示系统也能够设计成用于消费者市场。在这种情况下，产品产量可能很大，而制造成本必须较低。结果，显示系统能够设计成使用较少数量的部件，并且用塑料、聚丙烯或其它低成本材料制成。

图2A～2B是一个示例性显示系统的透视图和剖视图。在这个例子中，投影仪3安装在外壳21中。透镜系统4直接安装在投影仪3的上方。在一些实施方案中，它被设计成机械连接到投影仪3。透镜系统4通过外壳中的匹配孔22投射光。透镜系统4的最后的光学表面与外壳21的顶部是大致平齐的。显示面5直接安装在外壳21的顶部上。显示面5具有一个孔径，该孔径匹配于透镜系统4的最后光学表面23的尺寸。在替代实施例中，显示面5机械安装在透镜系统4上。

投影仪3垂直的投射到透镜系统4，透镜系统4也是垂直的。投影仪的光轴与透镜系统4的光轴对准，透镜系统4的光轴又与显示面5的轴对准。投影系统7产生的图像基本覆盖了除显示面5的孔径之外的整个显示面5。像场基本围绕透镜系统4的最后的通光表面(clearsurface)。外壳21物理地支撑显示面5。它还隐藏了显示面5中的孔径和透镜系统4。

这种构造对于设计和制造也更加简单。对于一个观看者，它是有吸引力的，因为看不到透镜，并且显示面中仅有一小部分用于安装。它给观看者的印象是所投射的图像跨越了整个360°的显示面。

在其他实施例中，为了适应不同的应用，投影仪能够水平的对准或沿着一些其它的方向对准。它可以不共享与透镜系统相同的光轴，其要求之间另外的光学器件。同样的，透镜系统的光轴不需要是垂直的。例如，在一种变化中，投影仪3水平设置，使得外壳可以是扁平的且是宽的，而不是高而瘦的，使其更好的适于桌面使用。此外，透镜系统4的光轴从垂线方向倾斜23.5°，使得当显示地球的图像时，地球看来是在相对于太阳的固有的角度上。镜子或其它的光学器件用于将来自水平投影仪3的光耦合到倾斜的透镜系统4。

图3A～3B是适于用在图1～2的显示系统中的透镜系统4的横截面图。图3C是用于透镜系统4的设计参数信息图表。第一图表331“透镜数据”限定了元件的曲率、厚度、空气间隙、孔径半径和玻璃类型。第二图表332“非球面数据”记录了非球面的球面和二次系数。第三图表333“折射指标”给出了透镜材料的指标。第五图表334“透镜的旁轴设置”提供了另外的相关数据。

图3A是一个横截面图，示出了穿过透镜系统4到显示面5上的光线轨迹。示出了不同的光线束，包括到达顶端像点312A的光线束310A，和到达满场像点的光线束310J。在这个示例的显示系统中，位于透镜系统4上游的数字投影仪3是标准的。标准商用投影仪将光投射到在它们前面几英尺的一个图像平面上，在那里通常设置一个平面的显示面。结果，来自投影仪3的图像用作透镜系统4的虚拟物体。透镜系统4将虚拟的平面物场投射到一个三维连续像场上，所述三维连续像场与显示面5的形状相匹配。

参照图3B，透镜系统4如下操作。前两个透镜元件322和323形成了一个消色差双合透镜。这个透镜组临近于透镜系统的孔径设置，并且用于提供对横向色差的校正。

第三透镜元件324具有一个非球面，并且用于两个目的。第一，它提供一定的正光焦度(power)，并且作为在第一透镜组322-323和最后透镜组325-326-327之间的一个部分场透镜。第二，当场高度增加时非球面显著降低了像距，使得在顶端像点处的像距实际上长于在满场像点处的像距。这部分上是由于不同的光线束在非球面处被物理分离而实现的。例如，到达顶端像点的光线束310A具有一个覆盖区314A，覆盖区314A是非球面的全部通光孔径的一部分。到达满场像点的光线束310J也有一个小覆盖区314J。两个覆盖区314A和314J不重叠。因此，在覆盖区314J附近的非球面能够设计成缩短光线束310J的像距，而不影响光线束310A。

如果显示面具有不同的形状，那么非球面可以设计成适应这种特定的形状。在某些情况中，当场高度增加时像距将增加(而不是减少)。一般而言，像距将作为场高度的函数而显著变化。作为一种通用的经验规律，最长像距与最短像距的比值至少将是1.75。

另一种显示面区域的测量是它的视场。作为一种通用的经验规律，显示面将对向一个至少240°的角，其中半球对向180°，而整个球体对向360°。优选的是300°或更多的有效区域。

第三透镜组包括三个球形元件325、326和327。它具有负的光焦度，并且用于当场高度增加时增加光线束的出射角。例如，到达顶端像点的光线束310A以相对于光轴的0°角进入到第三透镜组，并且以同样的角度离开第三透镜组。相反的，到达满场像点的光线束310J以同样的角度进入第三透镜组，但是以一个基本垂直于光轴的出射角离开第三透镜组。这样，透镜系统4能够产生一个像场，该像场基本覆盖全部凸形显示面5。第三透镜组获得这样的效果，部分是由于不同光线束的覆盖区是物理分离的。因此，不同的光学效应可以施加到光线束310J，而不影响光线束310A。

在这个实施方案中，第三透镜组325、326和327的元件具有围绕它们边缘的平的地表面(例如316和317)，并且直接堆叠在一起。这用于在这种特殊的设计中通过削减对隔板的需要来减少透镜328镜桶的成本，这些将要求相当精密的制造。由于透镜系统4没有聚焦机构，所以成本也降低了。投影仪3提供了包括梯形失真校正的聚焦机构。替代实施例可以在透镜系统4内提供聚焦机构。

透镜系统4具有可变像距，以匹配到显示面的距离。传统的鱼眼透镜一般与照相机一起使用，并且因而假定一个无穷大的共轭距离，使它们不能用在这种应用中。透镜系统4提供了很好的光点尺寸的均匀性作为场位置的一个函数，使得在所有的场高度处都有很好的聚焦，如图4A～4C所示。

图4A～4C是RMS光点半径41和RMS OPD 42对分级物体高度的图表。图4A对应于12英寸直径的显示面，图4B对应于14英寸直径，而图4C对应于18英寸直径。分级物体高度在图像顶端是0.0，在赤道线处近似是0.4，并且在接近南纬75°处是1.0。在这个特定的实施例中，像场对向一个近似330°的角。这些图表明，在投影仪的焦距没有变化的情况下，对于不同直径的显示面在所有场高度处都有可接受的RMS光点半径41。改变投影仪的焦距并且潜在的执行梯形失真校正以适应特定的显示面直径，能够进一步改善RMS光点半径曲线。

如图3～4所示的示例的透镜系统4设计成工作在直径12英寸到22英寸的球形显示面5的范围内。然而，仅通过调整数字投影仪3的焦距，调节透镜系统4来聚焦在直径20英寸的显示面5之外，而适于不同的应用。

在一个优选的实施例中，充分优化RMS光点半径41，用于数字视频投影仪的显示分辨率。可以进一步优化透镜设计来适应更高分辨率的投影系统，例如幻灯机。此外，通过利用使用较少数量的全部为非球面透镜的透镜设计，能够获得相当的透镜性能。例如，4个(或更少的)非球面透镜能够获得与图3～4所示6个元件设计相似的性能。

图5是一个显示面5的横截面图。在这个特定的实施例中，显示面5由一单块透明聚丙稀材料51构成，多层通光聚丙烯涂料52覆盖在透明聚丙稀材料51的内侧，通光聚丙烯涂料52包括悬浮的玻璃微珠，所以是半透明的。防眩目涂层53涂到外侧。其它的实施例可以使用不同的材料，包括玻璃、聚乙烯、橡胶或各种塑料，用于材料51；可以使用或不使用涂层，涂层包括在内侧和外侧表面中的一侧上或两侧上的清漆和染料；以及可以使用多种表面处理。

这种显示面5的一个优点在于，能够将其制造为一个单独的块，而没有必须对准和连接的接缝。例如，它可以是吹塑聚丙烯，或甚至是一个气球。这种相对简单的制造降低了生产成本，并且改善了显示质量。

图6A～6C示出了在一个优选实施例中的投影系统7的物场与像场之间的关系。在图6A中，投影系统7(为了简化仅示出了透镜系统4)将由物点产生的光线614投射到它们在显示面5上的相应位置615处。可以用半径R和经度角λ限定物点的位置。在显示面上的相应位置615可以用纬度角θ616和经度角λ限定。在一个优选实施例中，投影系统7和显示面5关于光轴是轴向对称的。从而，在一个给定半径R处的所有物点都以相同的纬度角θ投射到显示面5。经度角λ保持不变。存在一个连续的函数表示投影系统的特征，该函数在半径R和纬度θ之间映射。例如，在图6A中，R₁映射到θ₁，R₂映射到θ₂。在一个(R，θ)坐标系中，它是一个连续的曲线，如图6B中所示。通过计算机仿真(例如，光线追踪)或通过实验测量能够确定该函数。

在替换实施例中，投影系统7和显示面5不是关于光轴轴向对称的，例如当显示面在一个垂直于光轴的方向上是长方形时。因此，映射物点到像点的函数也包括一个经度角λ。它是一个在(R，λ₀)和(R，λ₁)之间映射的连续的函数，其中λ₀不必等于λ₁。

转到图6C，在输入到投影仪的二维源图像632与显示在显示面5上的图像631之间存在一一对应。因而，一旦如上所述投影系统7由一个连续的函数限定，如果期望投射某个图像631到显示面上，那么对应的源图像632能够通过将反函数施加到图像631来确定。

在轴向对称的例子中，从在(θ，λ)坐标系中的图像信息中，利用前面描述的在图6B中的连续函数，得出在源图像的(R，λ)坐标空间内的对应的图像信息。在图6C中，所示的图像631是纬度和经度线的网格图。纬度线在源图像632中成为同心圆，而经度线成为径向辐。在图像顶端的北极映射到源图像632的中央。

根据多种因素，能够使用多种操作来创建源图像632用于在投影仪3上的随后的显示。所述因素包括有图像的格式、坐标系、原始图像的分辨率信息，以及显示坐标系、源图像的格式和分辨率要求，所述操作包括有图像信息变换、图像采样、图像插值和纹理映射或其它的计算机图形操作。

图7示出了当投影系统的物场不是矩形时，在PC投影仪显示71上的像素的使用。数字视频投影仪通常使用这种矩形显示，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，如果显示面5是轴向对称的，那么理想的物场是圆形的，在x方向和y方向具有相同的分辨率。从而，在输入显示71和理想物场之间存在不匹配。在一种方法中，设计该系统使得物场72等于显示71的较小的尺寸，虽然在这种方法中，显示71的很大一部分没有使用。作为替换，物场73可以大于显示尺寸。使用了更多的显示71，导致了更高的分辨率。然而，物场73的部分位于显示区域71之外，并且显示面的相应部分将没有图像。在某些应用中，这可能是有益的。例如，在显示面的下侧不能让观看者看到的部分，与物场72的情况相比可见图像将具有更大的有效分辨率。

图8是描述光学坐标变换的图。它说明了一个简单的例子，即如何能够利用光学技术来利用投影仪输入显示83的更大的部分。例如，在数字视频投影仪显示83内的一个椭圆82，包括比例如图7中72的一个圆更多的信息。从而，如果椭圆82能够映射成一个圆形84，用于输入到透镜系统4，所得到的显示也将具有更高的分辨率。这能够通过使用一个不是与光路成45°角的反射镜86在透镜系统的孔径85处获得。其它的光学设计也是可能的，以更多的利用在一个电控矩形显示中可用的像素。

这种技术也能够用于在显示面上产生图像，穿过经线与穿过纬线相比显示面具有不同的线性显示密度，这样可能在某些应用中是有利的。例如，在回转椭球体显示面的情况下，它可能有利于沿着它的长尺寸的轴具有更高的像素分辨率。

图9A～9C是描述投影系统的另一个实施例的图。在这种方法中，投影系统的光具组(optical train)不具有透镜系统4，透镜系统4加入到一个先前存在的投影仪3中。相反，在投影系统中的投影透镜系统91设计为一个单独的完整单元。它将一个平面的物场成像到三维显示面上。

图9A是透镜系统91的横截面图。在左侧的垂直线92代表物体，例如一个LCD显示、幻灯片或类似物。元件911和912接合形成一个双合透镜。类似的，元件913和914形成一个第二接合的双合透镜；元件915和916形成一个第三接合的双合透镜；元件917和918形成一个第四接合的双合透镜。透镜系统91的孔径光阑略微位于元件916的右侧。

根据功能，这些透镜元件能够大致的分为三个透镜组：元件911-912、元件913-918、和元件919-921。中间透镜组，元件913-918，形成一个几乎对称的通用成像透镜。即，缺少左边的透镜组911-912和右边的透镜组919-921时，透镜组913-918对曲率、厚度和间距有很小的变化，将能够对它们左边的物面建立一个校正良好的图像到它们的右边。这是因为几乎对称的布置，具有对称使用在孔径光阑的每侧上的常用的正元件。

双合透镜911-912具有基本的功能确保输入光的焦阑性。

最后的透镜组919-921是强烈的负弯月透镜元件。这些元件的作用是大大的偏转所投射的光束，从而充满球形显示面的内侧。它们发挥的作用与图3B中透镜325-327类似。存在三个这种负弯月元件，而不是比如说两个或一个，因为使用较多的元件减少了在每个元件处所要求的光强度，并且这种在每个元件处减少的强度又减少了由元件导致的像差，特别是减小了球面像差。类似的，这些元件是深深的弯月面，因为它允许减小在不同表面的光线的折射角的数值，并且这种减小降低了相关的像差。

由这样的三个强烈的负弯月透镜元件系列所产生的一个严重的光学像差是，负球面像差。通过由其它元件911-918所提供的正光焦度，在很大程度上已经补偿了这种负球面像差。在任一透镜中所产生的另一个严重的问题是色差。为了降低作为一个整体的透镜的色差，前面的八个元件设置成四个消色差双合透镜的形式，其中负的、高散射元件与正的、低散射元件组合，以在透镜的整个色差上提供净缩减。其结果是透镜的色差整体上大大降低了。

这种透镜设计仅使用了球面透镜，因此透镜的数量相对较大。通过使用一个或多个非球面，可以设计具有类似的光学性能的投影透镜系统，而包括较少的透镜。当产品产量大时这是有利的。

图9B是用于投影透镜系统91的透镜数据的表。图9C是RMS光点半径41和RMS OPD 42作为用于投影透镜91和18英寸直径显示面的部分物体高度的函数的图表。

一个整体设计的实用性部分上是基于制造的经济性。如果显示系统的产品产量较小，使用分离的构造可能是有利的，以影响卖现货投影仪的卖主的高的产品产量，以及影响投影仪市场的价格竞争能力。另一方面，当产品产量较大时，使用包括少量透镜的整体设计可能是有利的，因为可能有少量的整体部分需要制造和组装，并且成本可能较低。

图10示出了另一个实施例，其中显示投影仪103是立体的，以为观看者创建立体图像。在这种构造中，有一个或两个视频输入101和102输入到投影系统103，并且投影系统可以包括一个或两个投影仪。如果观看者在一个相对于显示面5固定的位置，则有两个固定的期望图像，一个图像对应一只眼。通过使用上述技术，两个不同的平面源图像从如由计算机系统存储的两个不同的期望图像中创建。所得到平面源图像由立体投影仪输出用于显示。观看者佩戴适合于投影仪的视觉用具，例如用于偏振立体投影仪的偏振眼镜。

如果观看者不在固定位置，那么如果观看者104也佩戴了视觉追踪装置105，就能够建立三维效果。视觉追踪装置105用于分别贮存观看者位置和观看方向。已知的三维图形技术用于为每只眼创建期望的图像。如前所述，为每只眼创建一个平面源图像，并且随后由计算机系统1输出用于立体投影仪103的显示。

图11A-11F是描述显示面5的替代实施例的图。在图11A中，显示面111是回转椭球体，可以优选这种形状的显示面的一个示例的应用是显示分子112，分子112可能大大长于它们的宽度。在这种情况下，可以优选大大长于它们的宽度的显示面。在图11A中，113是透镜系统。

在图11B和11C中，显示面是穹顶形显示面123，观看者124在表面内侧上的不同位置。在这个实施例中，显示面123是反射的，而不是半透明的。显示面的这种形状和构造的示例应用可以优选的包括行星科学、虚拟现实沉浸系统，等等。

在图11D中，显示面近似的是一个矩形实体145的形状。显示面的这种形状和构造的示例应用优选的是建筑应用，其中它可以在建造前期望的显现建筑物146的变换的正面，或在建造后作为建筑物大厅中的显示器。这种形状和构造仅是显示面与物理物体定形匹配的一个例子。

在图11E中，显示面是一个人头部151的形状。显示面的这种形状和构造的示例应用可以优选的用于娱乐业中的特殊效果的目的。值得注意的是，可以对头部形状略微进行修改，使得显示面保持凸形。

在图11F中，显示面是部分半透明的161和部分透明的163。另外，有一个第二半透明显示面162。光穿过显示面的透明部分163，并到达半透明显示面162。可以使用这种构造的一个例子是在与土星相关的信息显示中，其中显示面162对应于土星的环。

值得注意的是，如图4A～4C所示，投影系统能够适应像距的宽的范围，而不用重新调节系统的焦距。在图4A～4C中，显示面的直径从12到18英寸变化，并且所有这些直径保持在可以接受的焦距内，而不需要重新调节投影系统的焦距。进一步采取这一措施，可以想象设置于12英寸直径球体和18英寸直径球体之间的区域。设置在这个区域内的所有的点都在可接受的焦距内。从而，无需调焦距，图3的投影系统能够与落入到这个区域的任何凸形一起使用。此外，通过改变投影仪的焦距，“聚焦”区域可以进一步扩大，从而进一步增加可以使用的凸形的区域。因此，能够设计出具有凸形显示面的大范围变形的显示系统。

图12A～12C是描述显示系统的替代实施例的图。在图12A中，投影仪3水平投射而非垂直投射，并且显示面5的轴211不是垂直的。这种构造的应用的一个简单的例子是用在桌面上，其中期望显示系统在较低的高度；或用在地球科学应用中，其中期望显示面的轴的角度与地球相对于太阳的角度相匹配。

在图12B中，投影仪3是在相对于显示面221不同的角度上，构造是沉浸式的(即，从其内侧观看显示面)，并且示出了多个潜在的观看者位置。观看者222在显示面221的内部，并且显示面221是反射的而不是半透明的。这种构造的一个示例应用是在虚拟现实模拟中。

在图12C中，投影系统是水平的而不是垂直的，这可以用于博物馆显示中。

本领域技术人员容易理解，能够混合和匹配可能的构造的多种元件，包括投影仪透镜系统组合是水平的、垂直的、在显示面之上或之下的、或相对于显示面成不同角度；投影仪是幻灯机、电影投影仪或数字视频投影仪，以及无论它是否是立体的；无论投影透镜系统实现为一个单独的投影仪加透镜系统还是实现为一个整体单元；无论显示球体的半径是大还是小；无论显示面是半透明的还是反射的，和由什么材料制成和涂覆；观看者是否在显示面内部；显示面是否是球形的；等等。

此外，根据上述教导，设计中许多其它的修改和变化也是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以实施为上述详细描述之外的其它方式。

Claims (43)

1.一种显示系统，其包括：

显示面，具有三维凸形；和

投影系统，用于投射物场处的中间图像到显示面内侧的连续像场上，所述中间图像要透过透镜系统，其中所述连续像场上的中间图像的投影基本聚焦在所述显示面的内侧，并且其中最长像距与最短像距之比至少是1.75，并且顶端像点处的像距长于满场像点处的像距。

2.如权利要求1所述的显示系统，其中所述像场覆盖所述显示面的至少240°。

3.如权利要求2所述的显示系统，其中所述像场覆盖所述显示面的至少300°。

4.如权利要求2所述的显示系统，其中所述显示面是近似的球面。

5.如权利要求4所述的显示系统，其中所述显示面是半透明的。

6.如权利要求2所述的显示系统，其中，所述显示面包括孔径，并且所述像场基本覆盖了除该孔径之外的显示面的整个内侧。

7.如权利要求6所述的显示系统，进一步包括：

用于所述显示面的物理支撑，其中所述物理支撑隐藏所述孔径而使所述孔径不被看到。

8.如权利要求6所述的显示系统，其中所述投影系统具有光轴，所述光轴通过所述孔径进入所述显示面的内部。

9.如权利要求8所述的显示系统，其中所述光轴相对于垂直方向倾斜。

10.如权利要求2所述的显示系统，其中所述投影系统包括：

透镜系统，用于将虚拟物场投射到所述显示面内侧的连续像场上。

11.如权利要求10所述的显示系统，其中所述投影系统进一步包括：

投影仪，光学连接到所述透镜系统，所述投影仪用于投射物场到平面像场上，其中投影仪的物场是平面的，投影仪的平面像场作为透镜系统的虚拟物场。

12.如权利要求11所述的显示系统，其中所述投影仪包括数字视频投影仪。

13.如权利要求11所述的显示系统，其中所述投影仪包括幻灯机。

14.如权利要求11所述的显示系统，其中所述投影仪包括电影投影仪。

15.如权利要求11所述的显示系统，其中所述投影仪包括投影电视。

16.如权利要求10所述的显示系统，其中，所述虚拟物场由投影仪产生，并且所述透镜系统适于机械连接到所述投影仪。

17.如权利要求10所述的显示系统，其中，通过改变投影仪的焦距，所述投影系统能够适应变化尺寸的显示面。

18.如权利要求2所述的显示系统，其中所述显示面包括多种材料。

19.如权利要求2所述的显示系统，其中所述显示面是无缝的。

20.如权利要求2所述的显示系统，其中所述像场关于光轴轴向对称。

21.如权利要求2所述的显示系统，其中所述物场是非圆形的。

22.如权利要求2所述的显示系统，其中所述投影系统包括：

投影仪，该投影仪进一步包括整体的投影透镜系统，该投影透镜系统投射物场到显示面内侧的连续像场上，其中所述物场是平面的。

23.如权利要求22所述的显示系统，其中所述物场是平面的，并且物场中的物体包括电控显示。

24.如权利要求22所述的显示系统，其中所述物场是平面的，并且物场中的物体包括基于薄膜的显示。

25.如权利要求2所述的显示系统，其中所述显示面是回转椭球体的形状。

26.如权利要求2所述的显示系统，其中所述显示面的内侧是反射的。

27.如权利要求2所述的显示系统，其中所述显示面近似地为矩形实体的形状。

28.如权利要求2所述的显示系统，其中所述投影系统产生适于立体显示的图像。

29.如权利要求1所述的显示系统，其中所述投影系统包括：

透镜系统，用于投射物场到连续像场上，其中所述物场是虚拟、平面物场，所述像场是具有三维凸形的连续像场，其中最长像距与最短像距之比至少是1.75，并且顶端像点处的像距长于满场像点处的像距。

30.如权利要求29所述的显示系统，其中所述像场覆盖所述三维凸形的至少240°。

31.如权利要求30所述的显示系统，其中所述像场覆盖所述三维凸形的至少300°。

32.如权利要求30所述的显示系统，其中所述像场基本紧密围绕透镜系统的最后的通光表面。

33.如权利要求30所述的显示系统，其中所述像场是近似的球面。

34.如权利要求30所述的显示系统，其中到达满场像点的光线束以基本垂直于所述透镜系统的光轴的角度离开所述透镜系统的最后通光表面。

35.如权利要求30所述的显示系统，其中所述透镜系统包括：

透镜组，用于校正色差。

36.如权利要求30所述的显示系统，其中所述透镜系统包括：

至少一个非球面。

37.如权利要求36所述的显示系统，其中所述至少一个非球面将到像点的像距作为所述像点的场高度的函数来变换。

38.如权利要求37所述的显示系统，其中，在所述非球面上，到达顶端像点的光线束的覆盖区不与到达满场像点的光线束的覆盖区重叠。

39.如权利要求30所述的显示系统，其中所述透镜系统包括：

具有负光焦度的透镜组，用于在像点的场高度增加时，增加在所述透镜系统的光轴与到达所述像点的光线之间的出射角。

40.如权利要求39所述的显示系统，其中，在所述透镜组中，到达顶端像点的光线束的覆盖区不与到达满场像点的光线束的覆盖区重叠。

41.如权利要求39所述的显示系统，其中，在所述透镜组中的这些透镜具有沿着它们边缘的平面，使得当这些平面相互接触时正确定位这些透镜。

42.如权利要求30所述的显示系统，其中所述透镜系统沿着光轴以下面的顺序包括：

第一透镜组，临近于所述透镜系统的孔径设置，第一透镜组校正色差；

第二透镜组，包括非球面，用于将到像点的像距作为所述像点的场高度的函数进行变换；和

第三透镜组，具有负光焦度，用于在像点的场高度增加时，增加在光轴与到达所述像点的光线之间的出射角，其中第二透镜组作为第一透镜组与第二透镜组之间的部分场透镜。

43.如权利要求30所述的显示系统，其中所述物场关于所述透镜系统的光轴是不对称的。

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