CN101461251B - 立体投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及立体投影系统,其用于在镜球面或抛物线屏幕上显示立体像对图像,并在不使用立体眼镜情况下共同观看立体效果。所述发明可以连续动态地将立体像对的左右画面的投影分别叠加到用户的左右眼上。对于每个观看者同时独立实施这种设置。所述立体投影系统包括:单独分配给每个用户并串联连接的立体投影器,用于连续并准确地确定观看者眼睛位置的监测系统,用于对立体投影器和系统光学元件进行机械自校正的自校正装置、视频校正装置、自动驱动器,用于在立体投影器中形成立体像对投影图像并与用于视频校正屏幕图像的最佳参数的视频校正装置耦接的单元。该系统可以以整体方式执行自校正和视频校正,从而最大限度地满足立体效果的舒适性。

Description

立体投影系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种立体视觉投影系统,该系统旨在通过将立体像对图像投影到球面、椭圆或抛物线的屏幕上来显示三维视觉信息,用于在不使用立体眼镜情况下实现具有立体视觉效果的单独或共同观看。本发明主要用于电影院、电视机、计算机以及视频训练的立体视觉系统中的大规模使用。此外,本发明可广泛用于视觉通信和视频训练仿真装置、电子计算机游戏和游戏机,用在医学、科学、工程、艺术中,用于工业中以及其它领域中的视觉广告O

背景技术

[0002] 除了在反射球面立体屏上的投影系统之外,立体视觉投影系统的已知等同系统 (全息照相术、光栅、带有立体视觉眼镜、回射型以及其它)对于长时间观看立体图像来说不舒适并且不合适。

[0003] 这些等同系统的共同缺点在于单独为每个观看者进行立体视觉系统的自动校正和视频校正的技术问题。

[0004] 对于设计和达到的效果来说最接近的模型是在S. I. Arsenich的发明“A Stereoscopic System( 一种立体视觉系统)” (2004年10月公开的RF No. 2221350)中描述的在反射球面立体屏上进行立体投影的系统。立体视觉投影系统包括:反射球面立体屏; 用于每个观看者(用于投影立体像对图像)的个体立体投影器,该投影器具有用于使立体视觉透镜平行于立体屏移位的自动驱动器;传感器(摄影机),其用于独立地定义每个观看者的双眼位置关于公共的立体屏及其自身的立体投影器的三维坐标。该系统包含与传感器连接的自动校正器和立体视觉透镜的自动驱动器。传感器产生控制信号,该控制信号被发送到自动校正器,用于使自动校正器执行自动驱动控制的信号。自动驱动器自动连续且动态地使立体视觉透镜移位并且使该立体视觉透镜与立体屏平行,以使立体像对左右屏图像的立体视觉聚焦区分别与观看者的左右眼恒定匹配。

[0005] 由于观看者的调节努力和眼睛的会聚状态的平衡,该模型提供立体观看的视觉舒适性(更少的眼睛疲劳和实验证明了的当观看者位于距立体屏3m处时高达Ikm以上的真实深度的立体效果),并且提供对在观看者可能在立体视觉区的空间中移动及倾斜其头部情况下的身体舒适性的部分改进(由于立体投影器的投影透镜的移位)。

[0006] 该模型的缺点在于对立体视觉舒适性的改善小并且有限。这是由立体视觉透镜仅平行于立体屏移位的结构性限制决定的,该平行于立体屏的移位允许观看者的头部沿着立体屏半径进行约100-200mm的小范围移位(在立体视觉的聚焦区长度的限制中以确保看到全屏立体图像)。屏幕立体图像视场被观看全屏立体图像的聚焦区的小空间所限制,该小空间限制了与视场角度成比例的立体效果平面的数量和深度。立体像对图像的左右画面的不同曲率增加了立体视觉的不舒适感觉、眼睛的紧张及疲劳,这是因为随着眼焦点向立体屏边界移动而增加了共轭点(立体像对左右画面的被观察为立体图像的单个点的任何两点) 的视觉分歧。此外,适应(眼睛聚焦)和眼睛会聚(眼睛视轴的倾斜)的协调并不对应于双眼自然地看到真实物体。

[0007] 模型的缺点是由如下事实导致的:仅使用自动校正器和自动驱动器来自动校正立体视觉投影透镜相对于立体屏的移位。没有提供用来监测观看者的眼睛会聚的系统、用来对投影的画面的几何变形和立体屏球度进行视频校正的系统,也没有提供长时间的完全舒适观看的宽画面立体视觉投影系统(其中由于共轭点的视觉动态会聚与观看者的眼睛会聚和眼睛焦点的变化同步而产生长时间的完全舒适观看)。

发明内容

[0008] 本发明的主要目的是提供一种在没有传统的立体视觉眼镜的情况下用于个体和共同立体视觉观看的完全舒适的立体投影系统。本发明的另一目的是创造一种具有立体视觉眼镜的、允许眼睛自由适应的完全舒适的投影系统,该系统没有在靠近眼睛的立体屏上和在投影反射球面立体视觉眼镜(立体屏)中的辅助光学立体视觉系统。完全舒适的立体视觉是观看者的物理、生理和视觉舒适的结合,对立体屏上有外部眩光的情况下的立体视觉观看时间没有限制。物理舒适的设想是:观看者在开阔的观看区中自由移动,观看者的头部和身体倾斜和转动,眼睛和瞳孔运动(视轴线会聚到眼焦点)。生理舒适导致心理反应: 感觉视觉深度和现场效果一观看者感知物体图像的真实的空间深度和运动。同时,避免了导致心理失调的眼睛和头脑的受刺激和疲劳。视觉舒适一提供标准品质的屏幕立体图像的立体观看(在直接阳光照射的情况下具有高达3000cd/m2的高亮度和约1000单位的高对比度,在没有几何变形的情况下具有高分辨率和清晰度),具有立体效果的高深度感觉, 接近于对真实物体的双眼观察。立体图像应当是宽画面的,具有70°的水平视场角和50° 的垂直视场角;这增加了立体效果的深度并且当屏幕边界切掉了图像一部分时推压边界效果(pushing border effect)减少。

[0009] 通过实施本发明达到的主要技术效果是通过立体视觉投影系统的设计特征提供对投影的立体像对画面的最佳选择性或综合性的自动校正。对于所要求保护的立体视觉投影系统的各种实施例和工作条件以及新的变革性参数,这都将确保完全舒适的立体观看。 自动校正器和视频校正器确保对立体投影器的光学元件的立体基准的自动校正以及对立体画面的视频校正,该视频校正用于眼睛立体基准、离立体屏的距离、观看者头部的倾斜和转动等变化以及眼睛会聚角或眼睛焦点的改变。由不同的观看者在共同的立体屏上同时观看不同的全屏图像时,对于近视或远视的观看者以及具有其它视力缺陷的观看者,在没有眼镜的情况下提供了清晰和舒适的立体视觉。这些特征对于大规模和长期地观看立体视觉信息来说是至关重要的,这些立体视觉信息包括:电视、电脑、视频播放和训练立体节目、微型组装的立体监控、珠宝加工、外科手术和视频诊断、科研中的运转监督、遥控及“盲”航和飞行控制、太空和水下机器,还用于许多其它领域。

[0010] 由于该立体视觉投影系统用于在没有眼镜情况下观看立体屏上的水平立体像对图像(没有传统的立体视觉眼镜:黄道、偏振、补色、目镜),所以实现了上述技术效果。该立体视觉投影系统包括反射聚焦立体屏,例如,球面、椭圆、抛物线或光栅反射屏。一个或几个立体投影器(一个观看者一个)位于立体屏的前方或在立体屏上(平面反射镜位于屏幕前方)。

[0011] 所要求保护的系统的主要特征在于以下事实:该系统包括用于跟踪各观看者眼睛和/或瞳孔和/或面部要素的位置数据的跟踪系统。例如,用于视频记录观看者面部的两个摄影机用作跟踪系统的传感器。该跟踪系统包括用于处理控制信号的电子处理器,该控制信号用于校正光学立体视觉投影系统。当摄影机看不到观看者眼睛时,跟踪系统基于面部要素间接地确定观看者眼睛的坐标。

[0012] 技术效果-确保了对眼睛或瞳孔位置数据的连续跟踪,从而对于眼睛的开和闭的情况(在眨眼和用屈光眼镜及太阳镜观看期间),精确地自动校正和视频校正立体视觉系统。

[0013] 立体投影器(用于共同观看公共屏幕)被牢固地悬挂在公共的立体屏上或在立体屏前方的支座上(在反射球面头显示中),或者被牢固地悬挂在具有靠近观看者眼睛的立体屏的立体视觉系统前方的支座上。在另一实施例中,立体投影器被牢固地悬挂在具有机械自动校正器的自动驱动器上。自动校正器与跟踪系统连接并且借助于自动驱动器使这些立体投影器沿三维空间的任何坐标轴动态地自动移位和/或使这些立体投影器绕这些坐标轴的转动。立体投影器包括具有自动校正器的自动驱动器,以用于投影放大光学系统或投影透镜沿着任何坐标轴的移位或绕这些坐标轴的转动。在另一实施例中,投影放大光学系统的自动驱动器用于自动聚焦和/或自动孔径和/或自动校正立体投影光轴之间的立体基准宽度和/或这些轴到立体屏中心和观看者眼睛焦点的取向。

[0014] 技术效果-提供了立体投影放大光学系统的自动校正,特别地,对立体视觉透镜组件的投影透镜的自动校正,当观看者相对于立体屏移动时,这确保了光学系统的动态光学定位。

[0015] 在另一实施例中,立体投影器包括可动阵列或可动投影单元,以用于形成投影的立体像对画面,并确定投影的立体像对画面相对于投影透镜的最初取向。这些单元或阵列设置有具有自动校正器的自动驱动器,以使这些阵列沿着其水平轴和垂直轴移位和/或使这些阵列绕着垂直轴转动或者使投影单元绕着其垂直轴移位(反射屏位于立体投影器的内部)和/或使立体投影器内的这些投影单元的自动聚焦。在另一实施例中,立体视觉系统包括电子光学视频校正器,以用于校正立体投影器内的投影的立体像对画面的立体基准、 比例和几何参数。视频校正器与自动校正器和/或形成立体投影器内的投影的立体像对画面的单元连接和/或与跟踪系统连接。

[0016] 技术效果-可以对立体投影器内的立体像对画面中心的移位进行自动水平机械校正(借助于自动校正器)或进行电子校正(借助于视频校正器),以用于优化投影的立体像对的立体基准,以及在以不同角度观看投影的情况下用于消除立体屏上的垂直视差和视觉几何(球面、比例和立体)变形。这提供了共轭点在整个屏幕表面上的准确会聚、水平视差关于单个眼睛立体基准的最佳协调、用于每个观看者的会聚角和眼睛焦点。

[0017] 在另一实施例中,立体屏被制成为单个元件或由组装的部分组成。该屏幕或其部分被牢固地安装(立体屏靠近观看者眼睛)。大的立体屏或其部分(立体屏远离观看者眼睛)被牢固地安装在连接有自动校正器的其自动驱动器上,以用于该屏幕或其部分借助于这些自动驱动器沿着任何坐标轴移位和/或绕这些坐标轴转动。由位于立体屏前方的自动准直器(用于光学扫描立体屏或其部分的基准元件)确保对立体屏及其部分的取向和球度的自动监测、及其相对于观看者和立体投影器的自动校正。自动准直器用于定义屏幕镜中心的实际位置并且执行被发送到自动校正器的控制信号。屏幕自动驱动器确保了该屏幕的镜球面中心到设定的屏幕中心的自动动态或静态会聚、或者所有部分的所有镜球面中心到单个设定的中心的会聚。

[0018] 技术效果-在立体屏的安装或操作期间自动定位立体屏。在屏幕部分的屏幕球面中心或镜球面的变形或移位的情况下,补偿屏幕非球度和/或移位立体屏球面中心。存在高精度地定位大屏幕的球度的技术可能性,该大屏幕由精确的小直径部分组成,用于增加观看者的数量。

[0019] 自动校正器和视频校正器包括用于执行控制信号的编程处理器,该控制信号被发送到立体视觉投影系统的视频校正器和自动驱动器,其中,可以选择性或综合性地动态自动校正和视频校正立体视觉投影系统的光学元件,以确保完全舒适的立体视觉。

[0020] 共同的技术效果_存在立体视觉投影系统整体及其光学构件的动态连续调整和自动定位的可能性,以使每个观看者一个的立体视觉的聚焦区与观看者眼睛连续对准。确保形成几何上正确的投影参数,以用于眼睛会聚角和适应性的连续而精确地协调。这允许观看者在开阔的立体视觉区中自由运动,头部倾斜和转动,眼睛立体基准和焦点改变,以及立体图像观看的角度变化。各投影透镜的个体编程自动聚焦确保了具有视力缺陷的观看者在没有屈光眼镜的情况下的清晰立体视觉。

[0021] 主要特征的另一选择确保了在各种个体工作条件下各种设计的立体视觉系统的最佳操作,提供最佳的立体舒适性,例如:

[0022] 1.头戴式立体显示器_反射球面眼镜不需要自动校正,因为投影焦点中心与可动的眼睛瞳孔中心的对准是通过可动透镜的立体基准的单次定位和立体像对画面的立体基准和预先几何变形的动态视频校正来实现的。当立体视觉眼镜的球面镜相对于眼睛牢固地固定时,对投影视频孔和微镜进行视频校正。

[0023] 2.具有用于移位立体投影器的自动校正器和自动驱动器的立体视觉投影系统仅对具有最高15°的小视场并且观看者位置靠近立体屏球面中心的立体屏是最佳的。因为小角度视场视频校正不是必要的,但是减少了立体效果并且观察到推压边界效果。这减少了视觉舒适性(立体效果的深度),并且由于(由可视的球面变形导致的)观看者眼睛的疲劳,立体观看时间也限于3个小时。

[0024] 3. 一种立体视觉投影系统,其具有监测观看者眼睛和可动立体屏的球面中心的位置的系统,该系统与观看者的运动同步移动和转动,并且被放置成靠近观看者眼睛,距离为约20-1000mm。该系统仅包括对该立体屏的移位和转动的自动校正器,以用于相对于观看者眼睛进行精确的动态定位。立体投影器牢固地固定到立体屏,消除了对自动校正器和立体投影器自动驱动器的需要。仅视频校正器用于球面、几何、动态预先变形的视频校正以及点视频孔或微镜(而不是投影透镜)的移位的视频校正,以用于投影聚焦中心到在会聚状态下观看者的眼睛瞳孔中的动态对准。

[0025] 4. 一种立体视觉投影系统,用于在大的反射球面立体屏上和在由组装的反射球面部分组成的立体屏上共同观看(用于50-1000或以上的观看者)。立体屏部分必须借助于用于光学扫描和监测立体屏球度的自动准直器和立体屏部分或整个立体屏的自动驱动器而会聚到整个立体屏的共同球面中心,该自动驱动器与自动准直器连接,用于自动校正这些部分或整个立体屏的球度和取向。

[0026] 5.用于座椅中的许多观看者的立体视觉投影要求对每个观看者单独进行立体画面的视频校正,其中该座椅的头枕限制了头部(或眼睛)在眼睛立体基准宽度范围中(水平面中65-75mm)的侧向运动和在立体投影器的投影透镜的直径范围中(65mm)的垂直运动,该头枕移动离开座椅靠背的距离达到65-100mm,具有头部倾斜和宽画面观看的可能性。 不需要立体投影器和立体透镜的自动校正,这是因为可以借助于视频移位、立体画面相对于立体投影器的投影透镜的光轴的倾斜或转动来实现在平面上的立体投影会聚。视频校正确保对投影会聚到立体屏中心的动态校正(与观看者头部的倾斜同步)、几何参数、立体画面的透视和比例的视频校正(与投影立体视觉透镜和立体屏球面的透镜曲率联系),用于在考虑到眼睛会聚和焦点的情况下提高观看屏幕立体投影的视觉舒适性。这允许很多小时的长时间观看而不会发生眼睛疲劳,但是由于观看者头部的可能的小移位而限制了观看舒适性。该系统对于球面镜立体视觉眼镜和可动和便携式立体显示器是最佳的。

[0027] 6. 一种用于大量观看者和立体投影观看时间不受限制的具有宽画面和大立体屏的完全舒适的系统需要一套以下的系统,该系统用于:监测观看者眼睛和面部,监测并且自动校正立体屏部分或整个立体屏的球面中心的会聚,自动校正立体投影器的坐标和转动, 自动聚焦和自动校正立体视觉透镜组件的投影透镜的移位以用于这些透镜的立体基准的自动校正和光轴的会聚,对立体投影器中的立体画面形成系统进行光学机械校正和视频校正,对立体屏的设定的球面中心的位置或立体屏的所有部分的球面中心到单个设定的中心的会聚进行自动校正。该系统对于家庭视频中心、大电影院大厅、会议室和演讲厅是最佳的。该套系统确保对形成立体画面投影的光学系统的所有必需的校正,该立体画面投影用于:没有时间限制的完全舒适的立体观看、在屏幕前方观看者的自由运动、与立体屏的主光轴成大角度并且具有宽阔视场(超过60° )的观看、用屈光眼镜或太阳镜以及在不用眼镜情况下的观看、在大的组装立体屏的部分或整个屏幕的球面中心偏移或错取向的情况下的观看。

[0028] 在另一比较例中,在立体投影器内部包含用于利用一画面或两画面反射屏形成基本立体像对图像的可动投影单元。该屏幕位于投影物体(立体像对的左右画面)平面中立体视觉透镜组件的投影透镜前方,用于由立体视觉透镜组件将这些立体像对画面立体清晰地投影到立体屏上。该组件包括用于该组件的水平和纵向(沿着组件透镜的光轴)移位以及将单元透镜自动聚焦到单元中的反射屏上的自动驱动器。根据本发明的另一方面,该反射屏具有球面微镜的光栅,用于将左右立体像对画面的投影流的取向分开到立体视觉透镜组件的对应的投影透镜的入瞳中。反射屏在立体屏上清楚地表示的物体的平面中位于投影透镜前方。

[0029] 在另一比较例中,在立体投影器内部的反射屏具有微球面镜的光栅。选择这些微镜的球度和取向,以将立体像对的左右画面的投影光束集中和定向在立体视觉透镜组件的对应的投影透镜的入瞳中。于是,在该屏幕上的立体像对画面的相互叠加提供了 :各画面仅在立体视觉透镜组件的投影透镜中由该屏幕反射。透镜光栅位于在立体屏上清楚地表示的物体的平面中的立体视觉透镜组件的投影透镜前方。

[0030] 另一替换实施例是形成立体投影器中的立体画面的另一单元,具有宽画面发光二极管或OLED阵列或照明的LCD阵列。在该阵列的表面上,从投影透镜侧安装透镜光栅。阵列具有水平和垂直交替线,用于形成立体像对的左右画面。各光栅透镜被制成并且定位成在立体视觉透镜组件的对应投影透镜的入瞳中可以分开立体像对的左右画面的水平相邻像素的投影光束方向。透镜光栅位于在立体屏上清楚地表示的物体的平面中的立体视觉透镜组件的投影透镜的前方。

[0031] 在另一可选实施例中,用于形成立体投影器中的立体像对画面的单元包括DPL阵列。该阵列被安装在立体画面形成的平面中。在该阵列前方,在水平面中的两个计算区中从投影透镜侧安装两个基于红色R、蓝色B和绿色G的发光二极管的RGB-照明器。这些照明器以红色R、蓝色B和绿色G的交替频率响应变化(照明频率形成立体图像的颜色和亮度半色调)从不同的方向交替照明DLP阵列。在DLP阵列的微镜上来自照明器的不同入射角提供来自微镜的投影光束在立体视觉透镜组件的对应投影透镜中的反射,该公共的DLP阵列形成立体像对的交替的左右颜色画面。为此,阵列微镜在垂直平面中在“接通”和“断开” 状态时进行取向,以用于工作偏转。阵列镜面位于在立体屏上清楚地表示的物体的平面中。

[0032] 实施例3、4和5的类似的技术效果是提供了对立体像对画面的宽画面投影。对于在投影单元的公共屏幕上和在公共阵列上的立体投影器中具有高达70°的水平面中的视场角和高达60°的垂直面中的视场角的宽画面投影,该立体像对画面局部叠加在投影的立体像对画面产生的共同区域中,这简化了设计,减轻了立体投影器的质量和尺寸,并且使屏幕上的像素结构较不可见。于是,视频校正器以零垂直视差进行对投影立体像对的立体基准的视频校正(该立体像对的画面中心沿着画面中心之间的轴线的移位)。准备好的投影立体像对画面沿着光轴沿垂直于这些轴线的线的移位以及立体视觉透镜组件的这些阵列或投影单元的这些反射屏的平面的转动(绕着立体视觉透镜组件的投影轴线的光轴平面的法线),在考虑到观看者相对于立体屏的位置和眼睛会聚角的情况下借助于自动驱动器通过立体投影器中的自动校正所确保。

[0033] 在另一比较例中,立体投影器可以逐渐减少在沿着形成的立体像对画面的边界的边缘处的分辨率。该视频效果通过视频控制器实现,在该视频控制器中,提供减少边界分辨率的视频校正程序。在用于减少沿着边界的分辨率的另一实施例中,在立体像对画面产生的平面中安装使立体屏边界上的图像边缘变形的光掩膜。在另一实施例中,预先使形成投影立体像对的阵列朝向画面边界逐渐减少像素密度或设定的视频分辨率。

[0034] 技术效果-推压边界效果(视觉感知图像朝向立体屏的平面移位,被立体屏边界切断)显著减少,这显著提高了立体效果。

[0035] 在另一比较例中,反射球面立体屏被水平或倾斜地悬挂在天花板上。具有半透明镜的倾斜的平坦屏幕位于观看者前方。立体投影器位于平坦屏幕的后面。立体投影器取向到平坦屏幕上,以在孔径中投影(通过该平坦屏幕到反射球面屏幕)。平坦屏幕向立体屏的主光轴倾斜并且相对于观看者眼睛取向,使得投影(由球面立体屏聚焦)从该平坦屏幕反射到观看者眼睛中。

[0036] 由该实施例实现的技术效果是接近投影中心的最大角度的立体观看的最大视觉舒适性(具有主视觉线到立体投影器的主光轴的最小取向角),这显著减少了立体投影的几何变形和所需的自动驱动器、自动校正程序和/或视频校正的数量。这是通过视频对准的中心点的视角(空间点)、投影角和观看角的最佳匹配而实现的。该设计极大地减小了水平面中的投影空间,将空间限制到观看者和平面镜屏幕之间的距离,这便于围绕人并且使观看者舒适。

[0037] 在另一比较例中,跟踪系统被设计用于睁开的眼睛、瞳孔、面部轮廓、鼻子、眉毛、嘴部的坐标的预先测量以及这些参数在自动校正器和/或视频校正器存储器中的随后的记录。自动校正器和/或视频校正器被编程用于执行用于闭眼的观看者的自动校正的控制信号。为此,自动校正器和/或视频校正器设置有基于记录在电子存储器中的面部、眉毛、 鼻子和嘴部的坐标的自动校正程序,用于随后的自动校正或视频校正。

[0038] 技术效果_在眨眼、眼睛瞳孔相对于摄影机的可见性低(在跟踪系统中)以及眼睛在眼镜后面情况下的立体投影的自动校正的可靠性。

[0039] 在另一比较例中,具有对于其聚焦的自动校正器的投影透镜为观看者提供了选择自动聚焦自动校正的个体程序的可能性。自动校正器的程序用于个体自动校正补偿近视或远视的观看者的不同眼镜屈光度。

[0040] 技术效果-用于不使用屈光眼镜而使近视或远视的观看者清楚和舒适地观看立体节目的立体透镜的最佳自动聚焦。此外,通过更长时间地观看立体节目而提供对眼睛肌肉的物理训练的可能性,其中创造该立体节目以利用个体编程方式逐渐减少眼镜屈光度而治疗眼睛缺陷。

[0041] 在另一比较例中,在每个立体视觉透镜组件的投影透镜的出瞳(在出射透镜)上, 安装多孔光栅滤光器。滤光器的两侧制有黑色防眩涂层。滤光器孔是圆形、方形或狭缝形, 并且透射投影光束的一部分。以如下观点来选择滤光器厚度、孔的数量和直径、共轭孔之间的光栅间隔以及滤光器和立体屏之间的距离:使滤光器相对于被观看的立体图像的背景几乎看不见,极大地吸收了投影和寄生光束,并且有效地在立体屏上透射投影光束直到视觉感知、图像对比度、清晰度以及立体效果深度增加的程度。

[0042] 技术效果-可视性、立体图像的对比度和清晰度、立体效果的深度(立体投影的最佳亮度)的视觉提高。通过对投影光束的某部分、透射到立体屏和投影透镜的外部透镜的外部寄生光(导致透镜和屏幕上的眩光)的有效的光吸收(通过多孔滤光器的黑色防眩涂层)来实现该效果。

[0043] 在另一比较例中,在监测眼睛位置数据的立体视觉投影系统中的跟踪系统允许精确测量眼睛瞳孔中心的坐标。在立体投影器中,代替立体视觉投影透镜,在立体屏上安装投影放大的光学系统,以形成立体投影(被立体屏反射并且聚焦),其中立体视觉焦点聚焦于眼睛瞳孔上。于是,投影光束在眼睛瞳孔上的孔径被系统形成为比瞳孔直径小得多。光学放大系统被制成为与视频校正器连接的孔径IXD阵列,用于两点透明视频孔(透明视频孔) 的电子和光学形成及移位(在投影光束领域上)。通过这些视频孔径,投影光束从立体投影器行进到立体屏上(从立体投影器光学系统中的焦点出射)。在另一个实施例中,投影放大光学系统具有用于两点微镜的电子和光学形成和移位的LCD透反射(transreflecting)阵列或微镜DLP-阵列。立体屏的投影光束从这些微镜被反射到立体屏上,该立体屏将立体像对的左右画面的投影分别聚焦到左右眼睛的瞳孔中的点聚焦立体视觉区域中。因此,考虑到视觉和舒适性的提高,将眼睛瞳孔中聚焦的投影的焦点孔径选择为比瞳孔表面小得多。

[0044] 技术效果-当眼睛通过晶体微孔观看时,消除小于250mm的眼睛和立体屏之间的距离的目镜,其中晶体微孔显著地提高视觉并不管眼睛和屏幕之间的距离如何允许用于清楚观看立体画面的自由视觉聚焦。这允许在反射球面眼镜中和在位于距离眼睛20-1000mm 的距离处的立体屏上无限制地立体观看立体节目,提供了使用具有开阔的视场并且立体屏和整个系统的尺寸和重量最小的立体系统的可能性。由于被观察的立体图像的视觉清晰度和对比度的提高和视觉的改善,实现了立体观看的视觉舒适度的改善。由于眼睛的瞳孔最大程度地缩小,甚至不带眼镜的近视或远视的人在屏幕立体图像上比观察真实物体看到更多细节。因此,适应性调节最大程度地与会聚相一致,大脑更好地感知立体效果的深度。即使在以下情况下,即对于无限制的立体观看和在治疗近视或远视过程中对眼睛肌肉的视觉保护和程序化训练非常有效的立体图像的长期观看,这样的立体系统也不会导致近视或远视。额外的效果-由于透镜去除(导致光学变形和眩光)使得立体透镜设计的最大简化。 具有微镜光栅的平坦立体屏是薄且轻的。具有靠近屏幕边界固定的平坦立体屏和立体投影器的立体系统比具有球面屏幕的立体系统小得多并轻得多。

[0045] 在另一比较例中,立体屏被安装到自动驱动器上,并可沿着所有的坐标轴移动并且能够绕着这些轴转动。立体屏被制成桌面可动监测器或笔记本显示器。具有自动驱动器的立体投影器可动,并且包括可动的投影透镜。立体投影器被安装在支座上的立体屏的前方或被挂在观看者的胸部。在该立体屏上,跟踪系统被布置成用于监测观看者的眼睛瞳孔。 自动准直器被安装在立体投影器上以用于监测立体屏球面的曲率中心。自动校正器与监测观看者的眼睛或瞳孔的跟踪系统、立体屏和立体投影器的视频校正器和自动驱动器相连接。视频校正器与形成立体像对画面的单元相连接。所有的系统元件被设计成:在立体投影器相对于立体屏移位的情况下,可以提供立体视觉投影系统的软件动态连续自动校正或视频校正。该自动校正和视频校正与观看者的运动或者观看者的眼睛或瞳孔的运动同步。 在从眼睛到立体屏小于Imm的距离时,立体投影被聚焦在眼睛瞳孔上的立体视觉的点聚焦区中。因此,立体屏可以是球面或平坦的,其中,微镜光栅将立体画面投影聚焦在眼睛瞳孔中的点聚焦区中,就像反射球面屏一样。

[0046] 技术效果-聚焦点投影确保了在没有屈光眼镜的情况下靠近近视或远视者的眼睛的立体屏上的完全舒适的立体视觉。额外的效果-立体投影系统设计的最大程度简化, 减少了重量和尺寸(对于桌面和便携式实施例)。

[0047] 在另一比较例中,立体视觉投影系统是头戴式的,如头盔显示器或普通眼镜。该系统包含具有自动驱动器的立体投影器、具有监测眼睛瞳孔的跟踪系统的立体屏、自动校正器和视频校正器。立体屏被制成其曲率中心靠近观看者的眼睛的球面或抛物线型反射眼镜。该立体屏被用于在眼睛瞳孔中的点聚焦投影。自动校正器与视频校正器、眼睛瞳孔跟踪系统和立体屏自动驱动器连接。两个小投影器(一个用于左画面的投影,另一个用于右画面)被安装在观看者的眼睛上方,使得立体像对的左画面投影被立体屏镜球面(镜式眼镜)聚焦在左眼的瞳孔中,右画面投影聚焦在右眼的瞳孔中。在立体屏、观看者的眼睛瞳孔的位置或取向改变(对于眼睛立体基准或从瞳孔到立体屏的距离的改变或光学会聚)的情况下,系统的所有光学部分的配合允许立体投影器的自动校正或视频校正。可以关闭自动校正器,从而相对于眼睛和眼睛立体基准的立体投影器立体基准手动精确定位立体屏。

[0048] 技术效果-提供立体观看的最大视觉舒适,该立体观看具有最大垂直和水平角度的视场和非常简单、轻和可动的立体视觉投影系统的设计。聚焦的立体投影确保自由眼睛聚焦,眼睛会聚与可变的眼睛焦点的最大一致导致在没有屈光眼镜、眩光和光学目镜(在立体镜和头盔立体显示器中)的情况下对立体图像的完全舒适的立体观看。与观察真实物体相比,得到用于立体观看的改善的视觉和图像清晰度以及立体平面的更大范围。额外的效果-立体投影系统设计的最大简化,最小的重量和尺寸。[0049] 在另一比较例中,可动的立体屏被悬挂在自动驱动器上,该自动驱动器用于该立体屏沿着任何坐标轴的移位和/或该立体屏绕着这些轴的转动的自动校正。监测观看者的眼睛或眼睛的瞳孔和/或面部要素的位置数据的跟踪系统位于立体屏上。跟踪系统与自动校正器、视频校正器以及立体投影器和立体屏的自动驱动器连接。视频校正器与形成立体像对画面的单元相连接,可以进行立体视觉投影系统的软件动态自动校正和/或视频校正。软件自动校正是动态的,并且与由跟踪系统控制的观看者视频的移位和/或转动和/ 或倾斜同步。程序考虑到最佳立体屏位置,其相对于观看者面部的取向和离观看者眼睛的距离、眼睛会聚和眼睛焦点的改变。

[0050] 技术效果-如果立体视觉系统能被自动地或手动地稍微向天花板提升,在闲置的立体视觉系统下,观看者运动完全自由、立体视觉投影系统的使用舒适而且不打扰其它人。

[0051] 在另一比较例中,立体视觉投影系统的立体屏被制成平坦的,微镜光栅在眼睛瞳孔的点聚焦区中聚焦立体投影。立体像对的左右画面的投影器更靠近立体屏的边缘。立体屏包括两个具有自动驱动器、自动校正器和视频校正器的可动部件。屏幕部件中的一个可相对于该屏幕的另一个部件移动。用于立体像对的左画面的投影器被固定和聚焦在一个屏幕部件上,用于立体像对的右画面的投影器则固定和聚焦在另一个屏幕部件上。立体屏及其部件被安装到自动驱动器上,该自动驱动器与用于该立体屏沿着坐标轴移动和该立体屏绕着这些轴转动的自动校正器连接。立体屏的可动部件被安装在自动驱动器上,该自动驱动器具有用于校正该屏幕部件相对于另一部件的水平移位的自动校正器,以在观看者头部移位和倾斜或眼睛会聚变化的情况下,使立体像对的左右画面的聚焦区与对应的眼睛的瞳孔对于不同立体基准动态对准。

[0052] 技术效果-在系统中具有眼睛瞳孔中心的立体视觉聚焦区与具有微镜光栅的平坦立体屏动态对准。创造紧凑的便携式和可动的立体系统、具有靠近观看者眼睛的立体屏的笔记本。

[0053] 立体投影的使用对于立体视觉投影系统本身、观看者面部和眼睛的预先程序测试是最佳的。为此,在观看节目之前,为每个观看者自动演示视频立体视觉测试。小尺寸的立体视觉测试图像以不同的视差(负的,中性的和正的)在立体屏上的多个观看点中在黑色背景上呈现给观看者。与每个测试要素的演示同步地,通过屏幕上的可视文字或声音消息, 要求观看者转动或倾斜他的头部以利用眼睛会聚观察这些图片。同时,跟踪观看者的眼睛 (没有眼镜)和面部的系统记录观看者眼睛相对于面部和立体屏的精确坐标。对于各观看者该数据独立地存储在处理器存储器中,以用于立体投影器的个体自动校正和立体画面的视频校正。观看者本人必须输入关于其眼睛参数的附加信息(眼睛度数差、眼镜屈光度、眼睛的立体基准)。此后,演示测试立体节目,以用于对立体投影的所有要素和系统的正确的编程功能进行视觉检查。完成这些步骤的立体节目可被演示。

[0054] 为了确保自动校正和视频校正的所有系统的编程工作,自动校正器和视频校正器的电子存储器能基于调整和定位立体投影系统的基准和相对于观看者位置和眼睛焦点、立体投影器和立体屏的所有坐标的立体图像的视频校正的数据,被编程有包含自动校正和视频校正的统计参数的程序,以确保完全舒适的立体观看。在另一个实施例中,众所周知的和新编程的数学计算机算法可用于此目的。

[0055] 根据本发明的一个方面,提供一种立体视觉投影系统,其用于无需眼镜地观看屏幕上的水平立体像对图像,其包括反射和聚焦立体屏;对于各观看者来说一人一个的一个或多个立体投影器,其特征在于,还包括:跟踪系统,用于监测观看者眼睛和/或眼睛瞳孔和/或面部要素并且形成用于校正立体视觉投影光学系统的控制信号;立体投影器,由具有机械自动校正器的自动驱动器牢固或可动地安装在公共的立体屏上或者安装在立体屏前方的支架框上;自动校正器与跟踪系统连接并且用于以下各项中的至少一项:使立体投影器通过自动驱动器沿三维空间的任何坐标轴动态地自动移位,使立体投影器通过自动驱动器绕这些坐标轴转动,通过立体视觉透镜组件的投影透镜的自动驱动器或投影放大光学系统的自动驱动器移位所计算的立体基准宽度,自动聚焦,孔径调整,将立体投影器的光轴定向在立体屏中心,以及在考虑到观看者眼睛会聚和焦点的情况下会聚投影光轴,立体投影器包括可动阵列或可动投影单元,用于以下各项中的至少一项:形成投影的立体像对画面并使其相对于投影透镜最佳定向,自动驱动器用于使这些阵列沿着其垂直轴和水平轴移位;使这些阵列绕着其垂直轴转动或者投影单元与立体投影器内的反射屏绕着其垂直轴的移位;以及使立体投影器内的这些投影单元自动聚焦,立体视觉系统包括电子和光学视频校正器,以用于校正立体投影器内的投影的立体像对画面的立体基准、比例和几何参数,视频校正器与自动校正器、在立体投影器内形成投影的立体像对画面的单元、以及跟踪系统中的至少一个连接;立体屏被制成为单个部件或由多部分组装;该屏幕或其部分被牢固地固定或安装在具有自动校正器的自动驱动器上,以用于使该屏幕或其部件通过自动驱动器沿着坐标轴移位、绕坐标轴转动以及位于可动立体屏前方中的至少一种方式来确保该立体屏相对于观看者和立体投影器的自动校正,安装自动准直器,以便光学扫描立体屏或其部分的基准元件,确定屏幕镜的球面中心的实际位置并且形成发送到屏幕自动驱动器的自动校正器的控制信号,该信号用于使该屏幕镜的球面中心会聚在设定的屏幕中心或所有部分的镜球面中心会聚在单个设定的中心。

附图说明

[0056] 图1示出了用于电影院的立体视觉投影系统的功能性方案的前视图,其中,对该系统的光学元件进行自动校正。

[0057] 图2示出立体视觉投影系统的设计,其中在天花板上以倾斜姿态悬挂立体屏。

[0058] 图3示出立体视觉投影系统的设计,其中在天花板上以水平姿态悬挂立体屏。

[0059] 图4示出用于确定系统的光学元件的取向的动态自动校正的光学方案的平面图。

[0060] 图5示出带有对该系统的光学元件的自动校正的立体视觉投影系统的流程图。

[0061] 图6示出具有两个内投影器和定向的反射屏的立体投影器的设计。

[0062] 图7示出具有阵列显示和透镜光栅的立体投影器的设计。

[0063] 图8示出具有DLP (微镜)阵列和两个定向投影的照明装置的立体投影器的设计。

[0064] 图9示出具有准直光束的桌面立体投影器的立体视觉投影系统的流程图。

[0065] 图10示出具有桌面和反射球面镜的立体视觉投影系统的设计。

[0066] 图11示出具有反射球面笔记本监测器的立体视觉投影系统的设计。

[0067] 图12和13示出具有眼镜形式的反射球面屏的头戴式立体投影系统的设计。

[0068] 图14示出具有可动的平面镜光栅屏的立体视觉投影系统的设计。

[0069] 图15示出具有可动的反射球面立体屏的悬挂的立体视觉投影系统的设计。具体实施方式

[0070] 图1示出一种用于电影院、剧院、录像厅、音乐厅、演播室、体育馆、会议室以及其它具有大量观看者(50-500人)的视频大厅的立体视觉投影系统。具有IO-IOOm2的表面和镜球面半径&(10-40m)的大反射球面立体屏1被牢固地安装在自动驱动器2上。Ss-立体屏反射球面半径的顶点。Ms-立体屏反射球面的设定的中心,Rs-该球面的半径,Ss-该球面的极点。在立体屏上方的悬挂的支架上,跟踪系统3安装有用于监测观看者眼睛的位置的左摄影机I和右摄影机I。在点Ms,安装有用于检测立体屏反射球面的定向的自动准直器5。在立体屏的前面,观看者的上方,立体投影器6 (每个观看者一个)安装有可动投影透镜7、用于形成立体投影器中的投影立体像对画面的投影单元8以及用于自动校正立体投影器中的光学元件的自动驱动器9。可以由许多球面反射部分(0. 25-0. 5m2)组装成用于高精度的反射球面的具有大于0. 3m2的镜面的立体屏。系统包括自动校正器10,该自动校正器10与跟踪系统3、自动驱动器2和9、视频校正器11和自动准直器5连接。观看者、立体投影器及其元件、以及立体屏或其反射球面部分可通过自动驱动器沿着坐标轴χ、y和ζ移动并且可绕这些轴以角度ax、i3y* Yz转动。角度ω-由立体投影器发射的投影光束al、 a3到屏幕上的入射角以及由立体屏反射到观看者眼睛中的光束a2、a4的入射角。箭头Id1 示出了由跟踪系统3的左摄影机4记录的观看者图像的光束;箭头\示出由右摄影机记录的图像的光束。箭头c示出跟踪系统3发送到自动校正器10的控制信号。箭头d示出扫描立体屏的自动准直器光束,箭头e示出从自动准直器5到自动校正器10的控制信号,箭头f示出从自动校正器10到视频校正器11的控制信号。箭头g示出从自动校正器10到立体投影器6的自动驱动器9的控制信号,箭头h示出从视频校正器11到单元8 (形成投影画面)的控制信号。箭头i示出从自动校正器10到立体屏的自动驱动器2的控制信号。

[0071] 图2示出具有被安装在悬挂支架上的立体屏1的立体视觉投影系统。在悬挂支架上倾斜于投影光轴地安装半透明的平面镜12 (用作立体监测器),在该平面镜12上观察到由立体屏1聚焦到平面镜12上的图像。

[0072] 图3示出具有平面镜12 (立体监测器)的立体屏1 ;在平面镜12上悬挂辅助平面镜13。在立体屏1上悬挂立体投影器和跟踪系统3。在该投影系统下方安装工作台(或者在医院中用于病人的床)。通过自由工作区将该工作台与立体视觉投影系统分开。平面镜 12相对于立体投影器6的主投影轴线成45°地定位,而屏13相对于主投影轴线成45°地定位并且相对于立体屏12成90°地定位。屏13用于投影的垂直偏转,以清空工作台上方的工作区(用于在该工作台上进行不同的工作)。在具有悬挂在天花板上的立体屏的系统中,投影区的大部分为垂直定位,或者相对于垂直轴线成45°。这清空了平面屏12后面的区域,提供了自由空间或允许在该空间内安装更多的投影系统。

[0073] 图4示出右眼的位置r和左眼的位置1。Oe-这些眼睛的立体基准中心。Os-由自动校正器实现的立体投影器6的转动中心。8-用于形成水平投影的立体像对的左画面S1 和右画面民的具有阵列或反射镜的投影单元。Δχ-水平移位方向,Ay-由自动校正器或视频投影器实现的立体像对画面在立体投影器中的垂直移位方向。T1-立体视觉透镜组件的用于投影立体像对的左画面的投影透镜,以及7厂立体视觉透镜组件的用于投影该立体像对的右画面的投影透镜。立体投影的主(中心光)轴。%-投影透镜T1的投影光轴,ar-投影透镜乙的投影光轴0¾-在1-左眼中由立体屏1反射的来自透镜T1的投影光束, 以及a2r_在r-右眼中由立体屏1反射的来自透镜乙的投影光束。Δ ε-由自动调节器实现的可动投影透镜T1的水平移位的极限。Δφ-立体视觉透镜组件的投影透镜的会聚角,该会聚角等于透镜T1光学投影轴线绕垂直轴线y的转动角<Py。

[0074] 图5示出了自动校正器:9a-用于校正立体投影器6沿着坐标轴x、y和ζ的移位; 9b_用于校正立体投影器以角度ax、i3y* Yz(绕坐标轴)的转动;9c-用于借助于立体视觉透镜组件的投影透镜T1和在其光轴方向上的移位Δ f来自动聚焦投影透镜T1和乙; 9d_用于校正立体基准(该透镜沿立体基准线以Δ ε宽度的水平移位);9g_用于在投影单元8中自动聚焦透镜H1和;9f_用于校正投影单元S1和扎的移位或者用于移位IXD阵列S1和民(形成立体像对的投影画面);以及9e_用于校正立体视觉透镜组件的会聚角Δφ (投影光轴\ (透镜7J和投影光轴(透镜70的倾斜角)。视频校正器提供对由阵列S1, ,或16(RGB)u形成的立体像对的投影画面的比例和几何变形的电子和光学视频校正。自动准直器5借助于自动驱动器2和来自自动校正器10的信号k确保立体屏球面中心(或立体屏的球面反射部分的中心)会聚到单个设定的中心。

[0075] 图6表示用于形成立体像对画面的单元8的设计实施例。该单元包括:反射屏14 ; 投影光学单元M1-用于将立体像对左画面投影到屏幕14上;以及投影光学单元15,-用于将立体像对右画面投影到相同的屏幕上。该单元包含自动驱动器9e,该自动驱动器9e用于单元15垂直于屏幕14移位。单元M1和15,包含具有LCD RGB阵列16 (RGB) x和16 (RGB) r的光学单元,该IXD RGB阵列Ie(RGB)1和16(RGB),由其发光二极管以确定的投影缩减和确定的色彩:R-红色,G-绿色或者B-蓝色来照明确定的阵列。单元Ie1用于形成立体像对的左投影画面,而单元1民用于形成右画面。在屏幕14的前方,投影透镜H1和IA安装有用于自动聚焦这些透镜的自动驱动器9g。附图(视图A)示出具有包括球面微镜的光栅18 的反射屏14,该球面微镜用于将由(立体视觉透镜组件的)投影透镜T1*的单元151投影的立体像对左画面的投影光束的取向和由透镜乙中的单元仇投影的光束的取向分开。

[0076] 图7示出用于形成立体像对画面的单元8的另一实施例。该单元包括具有包含球面微透镜的透镜光栅20 (视图B)的IXD或OLED阵列19。该阵列形成作为RGB垂直水平交替线(用于立体像对的左画面的RGB1线和用于立体像对的右画面的RGBr线)的立体像对图像。每条线上的色彩子像素垂直交替。由该透镜光栅的透镜的垂直线投影每对共轭线 RGB1和RGBr,使得RGB1线的像素的图像投影到投影透镜7丄并且RGB^线的像素的图像投影到透镜A中。在投影透镜T1和的出射透镜上安装多孔或交叉光栅黑色滤光片2U和211; 用于保护投影透镜不受外界闪光照射,并且提高立体效果的视觉及深度。

[0077] 图8示出用于形成立体像对画面的单元8的另一实施例。该单元包含具有微镜23 的DPL阵列22 (根据色彩处理和形成的众所周知的DLP数字技术形成彩色半色调像素)。 微镜23的位置考虑到其在垂直于阵列的垂直平面中的工作偏转。从微镜前方水平面的两侧布置三色发光二极管Al(RGB)-用于形成左画面以及24^用于形成立体像对的右画面 (借助于红色、蓝色和绿色的交替切换,例如以30Hz的频率)。在投影透镜T1和7r上方安装黑色吸收器7a(用于吸收被阵列微镜偏转的投影光束)。

[0078] 关于图6、7和8的投影单元的全部三个实施例确保投影的立体像对在其在立体投影器中形成的共同平面中形成宽幅画面。这提供了具有改进的立体效果的宽幅投影和最小尺寸的立体投影器。

[0079] 图9示出包括投影的光学放大系统26i的投影器25i (立体像对的左画面),以及投影器25r(立体像对的右画面)。光学系统26i和26r从微隔或微镜的点孔的焦点发出投影,并且将其引导到立体屏上,该立体屏将投影聚焦到立体视觉的两个微点聚焦区中 (立体视觉的一个聚焦区由关于眼睛的左瞳孔的立体屏聚焦,立体视觉的另一个聚焦区由关于眼睛的右瞳孔的立体屏聚焦)。这些光学系统2¾和2民包括用于使投影光束从立体投影器传送到立体屏上的IXD后投影显示器^a。在另一实施例中,该光学系统由透反射 (transreflect)显示器2¾组成,该透反射显示器2¾具有在IXD阵列下方的镜反射显示器形式的镜底层,该镜底层的镜像素将来自立体投影器的所有投影光束引到立体屏上。后投影显示器包括视频校正器单元11a,该视频校正器单元Ila用于在后投影显示器平面中形成透明像素-视频孔27J用于左眼中的左画面的投影)和27^(用于右眼中的右画面的投影)以及用于在后投影显示器平面中在Δχ范围中的水平移位和在Ay范围中的垂直移位(借助于视频信号)。在另一实施例中,镜显示器包括视频校正器单元11a,该视频校正器单元Ila用于在显示器的平面中形成镜像素即微镜以及使微镜在显示器的平面中偏转(借助于视频信号)。在两个实施例中,这些像素的表面被形成为比眼睛瞳孔的表面小得多。立体视觉的聚焦区与观看者眼睛瞳孔的对准确保了改善的视觉以及可视屏幕立体图像的清晰度,这是因为仅眼睛晶状体的中央微区工作,并且眼睛的适应性调节无需会聚,并不依赖于离立体屏的距离。借助于自动校正器10的光学系统偏移的自动校正以及借助于视频校正器11的微孔或微镜27i和21的位置偏移的电子和光学视频校正被编程为与观看者眼睛瞳孔的坐标和运动同步。显示器26a和26b制有黑色防眩涂层。

[0080] 图10示出具有反射球面立体屏1的立体视觉投影系统(立体检测器)的桌面实施例。可动立体投影器6被安装在自动驱动器9上的立体屏1上。在立体屏的前方且在观看者和立体屏之间的中间布置平面镜12,这是方便的并且为桌面实施例提供紧凑的构造。 立体投影器的投影透镜7丄和朝向平面镜12以将投影引导到该平面镜上,然后将来自平面镜12的该投影反射到立体屏1上。自动校正器10确保对立体投影器及其投影透镜的移位及转动的自动校正,而视频校正器11确保根据观看者眼睛的参数和立体视觉系统的光学特性来视频校正立体画面。

[0081] 图11示出具有反射球面立体屏1和立体投影器6的便携式笔记本,该立体投影器 6被置于立体屏前方且在观看者胸部上,以用于在移动条件下的立体视觉。

[0082] 图12和13示出具有镜式眼镜形式的反射球面立体屏的头戴式立体投影器。该系统借助于弹性框架或带观被固定在头部上。在立体屏前方的前额上,固定两个微型投影器JS1-形成左画面的投影器以及25,-形成右画面的投影器。该投影器包括被安装在自动驱动器9上的可动微型投影器单元8。投影放大光学系统26i和2民用于形成对立体像对的左右画面进行立体观看的点聚焦区(由立体屏1在观看者的对应眼睛的瞳孔中聚焦)。在立体视觉眼镜上安装微型摄影机I和I,该微型摄影机4和I具有用于监测眼睛瞳孔的跟踪系统3,与自动校正器10和视频校正器11连接。立体屏1可动并且被安装在自动驱动器2上,这允许进行自动校正。

[0083] 图14示出包括两个带有微镜光栅的可动部件的立体屏。立体屏的第一部分I1包括平微镜光栅,其倾斜使得所有来自投影器25i的投影光束在左眼瞳孔中点聚焦。立体屏的第二部分^包括平微镜光栅,其倾斜使得所有来自投影器的投影光束在同一观看者的右眼瞳孔中点聚焦。投影器25i (形成立体像对的左画面的投影)被紧固在立体屏的第一部分I1上并且快速聚焦到不规则四边形镜27i上(被紧固在立体屏I1的右侧面上并且相对于立体屏平面倾斜以分散立体屏I1的整个表面上的投影)。投影器(形成立体像对的右画面的投影)被紧固在立体屏的第二部分^上并且快速聚焦到不规则四边形镜27r 上(被紧固在立体屏U的侧面上并且倾斜,以分散立体屏U的整个表面上的投影)。立体屏部分I1可动并且安装在立体屏的自动驱动器2上,以用来自动校正(通过自动驱动器9) 立体屏(立体屏的两部分I1和U共同)沿着所有坐标轴χ、y和ζ的移位和立体屏以角度 α χ、β y和Y z绕这些轴的转动。立体屏部分U相对于立体屏部分I1水平可动并且被安装在自动驱动器&上,用于与观看者眼睛瞳孔的运动同步且平行地在范围ΔΧ中(在立体屏的平面中)借助于该自动驱动器移位。

[0084] 图15示出安装在自动驱动器2上的可动的立体视觉投影系统。对于系统在天花板上的可动悬挂,自动驱动器提供使该系统沿着所有坐标轴χ、y和ζ移动以及借助于立体屏1的自动驱动器2使该系统以角度αχ、^^和γ 2绕这些坐标轴转动的可能性。该系统确保立体屏相对于观看者面部的同步最佳定位,该观看者可在天花板下的宽敞空间中(在立体视觉投影系统通过与自动校正器9连接的自动驱动器2移动的移动区域中)移动。

[0085] 该立体视觉投影系统如下工作:

[0086] 跟踪系统3的摄影机4和借助于(从观看者面部反射的)光束ID1和札进行对所有观看者的眼睛以及眼睛的瞳孔的位置数据的连续监测(眼睛和瞳孔的轮廓、眉毛、鼻子、面部、嘴部)。跟踪系统按照下载的程序处理这些数据并且确定眼睛以及眼睛的瞳孔的确切坐标,形成用于自动校正器的控制信号c,并且将这些信号发送到自动校正器10。自动准直器6用光束d扫描立体屏1的镜的基准点并且改变立体屏1的球面Ms的中心点或者组装后的立体屏的镜部分的曲率中心(从自动校正器的设定的坐标点的)的偏移。自动准直器5形成发送到自动校正器10的立体屏的球面中心的偏移的控制信号。自动校正器10 接收来自跟踪系统3的信号c和来自自动准直器5的信号e,并且形成发送到立体投影器6 的所有自动驱动器9(9a、9b、9C、9d、9e、9f、9g)的控制信号g以及用于视频校正器11的控制信号f。这些自动驱动器机械、连续且动态地(与观看者、眼睛、眼睛会聚和眼睛焦点的位置数据的变化同步地)校正沿着立体投影器的坐标轴的所有运动和绕这些坐标轴的转动、以及在这些单元中的投影透镜的自动聚焦。响应来自自动校正器的信号f的视频校正器11形成用于(形成在立体投影器的投影单元8中的)立体像对画面图像的编程视频校正的控制信号h。电子和光学视频校正器校正:通过最佳立体基准移位画面中心以使水平视差与立体基准、眼睛会聚和眼睛焦点协调,消除垂直视差,校正几何变形以及投影的立体像对画面的比例,以补偿立体屏的镜曲率以及提供与观看者的眼睛焦点一致的共轭点的会聚。这提供了在考虑到眼睛会聚角和眼睛焦点的改变的情况下在观察屏幕立体图像的各种角度下对立体观看的完全控制。为了使有视力缺陷的观看者(在观看者的不同眼睛的不同的线性眼睛倍率和不同的屈光度的情况下)无需屈光镜地观察立体图像,可由观看者选择用于自动校正器的个体自动校正程序和对投影透镜T1和的自动聚焦的视频校正。在闭上眼睛或有眼镜的情况下,眼睛及用于自动校正的参数由跟踪系统自动确定,该跟踪系统进行对各观看者的面部轮廓、眼睛、眉毛、鼻子和嘴部的参数的监测,并且考虑到眼镜的屈光度和视力缺陷(由观看者输入以用于个体校正)。为了对这种自动校正进行编程,观看者在观看之前先取下眼镜,以让跟踪系统记录眼睛相对于连续监测的面部要素(眉毛、鼻子或嘴部或耳机上的光点)的坐标。

[0087] 在图9所示的立体投影器的另一实施例(视图D)中,显示器AA由像素(视频孔或像素微镜-视频反射器)26x和2民形成薄的非分散投影光束。在显示器2¾和25b的平面中的坐标、移位和这些像素的尺寸响应来自监测眼睛瞳孔坐标的跟踪系统3的信号形成视频校正器11的视频信号。在观看者头部和眼睛快速运动的情况下,对于投影器2¾和 25r的粗的惯性移位确保同步自动校正(由视频校正器9c、9d和9e通过信号g),以及对于这些视频孔或视频反射器27i和21的动态惯性自由精确视频移位,由视频校正器Ila进行电子和光学视频校正,以用于立体像对视觉的点聚焦区与对应的眼睛瞳孔中心的同步及精确的对准。为此,反射球面立体屏必须被放置成更靠近观看者眼睛,距离20-1000mm,具有精确的镜球面,并且精确地定位在系统中以用于确保与立体屏球面的计算的中心点的精确的编程对准。观看精确地聚焦在观看者眼睛的瞳孔上的投影,提供了比双眼看真实物体更好的立体效果(在光束被眼睛瞳孔宽度分散的情况下)。确保了自由的眼睛适应(聚焦) 并且看到了比观看真实物体更深的立体效果和更多的立体面。这允许观看者眼睛聚焦的微调,以实现与真实物体的观察相对应的最佳地会聚。该光学系统提供了最大的且完全舒适的立体观看,而没有对观看时间的限制。对于近视或远视的观看者来说,系统确保了在没有屈光眼镜的情况下完全的视觉舒适性。额外效果-没有投影透镜(导致像差和眩光的问题)的立体视觉投影系统的最大设计简化。该立体视觉投影系统尺寸可以非常小(其立体投影器体积小于0. Oldm3),最小重量15g,并且具有立体投影系统的立体投影器和光学元件的低惯性精确自动驱动以及最小的能耗。这提高了具有最大和完全舒适性的立体视觉的立体视觉投影系统的可携带性(由于过大的立体视觉场、立体屏平面的不可见以及对于立体屏后面的远平面的舒适眼睛适应,并可以清楚地看到屏幕后面的立体效果)。该立体视觉投影系统可以以图12和13所示的立体视觉眼镜或者如图14和15所示的头戴式装置的形式使用。如在图1所示的立体视觉投影系统中,在立体屏和/或观看者眼睛瞳孔的移位的情况下,该系统确保对这些的自动校正或视频校正(考虑到用于一个立体投影器和一个观看者的立体视觉投影系统的程序和设计要素的修改)。这些实施例可提供水平角度高达140 度而垂直角度高达100度的最大视场(或者对于双眼所见的整个区域)。立体观看在用屈光眼镜和不用屈光眼镜二者的情况下都是可以的。该立体屏的设计和位置对于移动的观看者是最佳的(在工作、走路期间或在运输工具中);为此,立体屏必须位于所有视觉区中的水平线上方。在水平线下方,余下透明区,从而允许观看周边物体和空间。

Claims (16)

1. 一种立体视觉投影系统,其用于无需眼镜地观看屏幕上的水平立体像对图像,其包括反射和聚焦立体屏;一个或多个立体投影器,所述立体投影器对于各观看者来说一人一个,其特征在于,还包括:跟踪系统,用于监测观看者眼睛和/或眼睛瞳孔和/或面部要素并且形成用于校正立体视觉投影光学系统的控制信号;立体投影器,由具有机械自动校正器的自动驱动器牢固或可动地安装在公共的立体屏上或者安装在立体屏前方的支架框上;自动校正器与跟踪系统连接并且用于以下各项中的至少一项:使立体投影器通过自动驱动器沿三维空间的任何坐标轴动态地自动移位,使立体投影器通过自动驱动器绕这些坐标轴转动,通过立体视觉透镜组件的投影透镜的自动驱动器或投影放大光学系统的自动驱动器移位所计算的立体基准宽度,自动聚焦,孔径调整,将立体投影器的光轴定向在立体屏中心,以及在考虑到观看者眼睛会聚和焦点的情况下会聚投影光轴,立体投影器包括可动阵列或可动投影单元,用于以下各项中的至少一项:形成投影的立体像对画面并使其相对于投影透镜最佳定向,自动驱动器用于使这些阵列沿着其垂直轴和水平轴移位;使这些阵列绕着其垂直轴转动或者投影单元与立体投影器内的反射屏绕着其垂直轴的移位;以及使立体投影器内的这些投影单元自动聚焦,立体视觉系统包括电子和光学视频校正器,以用于校正立体投影器内的投影的立体像对画面的立体基准、比例和几何参数,视频校正器与自动校正器、在立体投影器内形成投影的立体像对画面的单元、以及跟踪系统中的至少一个连接;立体屏被制成为单个部件或由多部分组装;该屏幕或其部分被牢固地固定或安装在具有自动校正器的自动驱动器上,以用于使该屏幕或其部件通过自动驱动器沿着坐标轴移位、绕坐标轴转动以及位于可动立体屏前方中的至少一种方式来确保该立体屏相对于观看者和立体投影器的自动校正,安装自动准直器,以便光学扫描立体屏或其部分的基准元件,确定屏幕镜的球面中心的实际位置并且形成发送到屏幕自动驱动器的自动校正器的控制信号,该信号用于使该屏幕镜的球面中心会聚在设定的屏幕中心或所有部分的镜球面中心会聚在单个设定的中心。
2.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,所述立体投影器包括用于形成基本立体像对图像的块,该块包括在形成投影的立体像对画面的平面中的反射屏和一个或两个具有用于自动聚焦和将其透镜相对于屏幕移位的自动驱动器的可动投影器,该屏幕设置有将所述左右立体像对画面的投影光束反射到所述立体视觉透镜组件的对应投影透镜上的表面。
3.根据权利要求2所述的立体视觉投影系统,其特征在于,在所述立体投影器内的反射屏由微球面镜的光栅制成,确保所述左右立体像对画面的投影光束定向到所述立体视觉透镜组件的对应投影透镜的入瞳中,特别地是在立体像对画面在该屏幕上相互叠加的情况下。
4.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,在所述立体投影器中包括用于形成立体像对图像的单元,该单元由发光二极管或照明的LCD阵列或OLED阵列构成, 在所述阵列上从投影透镜侧安装透镜光栅,所述阵列具有水平和垂直交替线以形成立体像对的左右画面;各光栅透镜被制成并且定位成:在考虑到所述阵列上的立体像对画面在相对于物体光轴的垂直平面中的移位的情况下,使立体像对的左右画面的水平相邻像素的投影光束的方向在立体视觉透镜组件的对应投影透镜的入瞳中能够分开。
5.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,在所述立体投影器中包括具有DPL阵列的投影单元,用于交替形成叠加在公共阵列表面上的投影立体像对的左右画面,为此,在水平面中的不同点处从透镜侧在该阵列前方布置两个发光二极管,该两个发光二极管交替发射红光、蓝光和绿光的左右光束以分别形成左右画面的彩色图像,这些光束被阵列微镜偏转到所述立体视觉透镜组件的投影透镜的对应入瞳中,为此,在垂直平面中在“接通”和“断开”状态下定向阵列微镜以用于工作偏转。
6.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,使所述立体投影器在沿着所形成的立体像对画面的边界的边缘处的分辨率逐渐减小,为此,在立体画面产生的视频控制器中,提供减小边界分辨率的视频校正程序,或者在立体像对画面产生的平面中安装光掩膜,或者预先使形成投影立体像对的阵列朝向画面边界逐渐减小像素密度或视频分辨率。
7.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,反射球面立体屏被水平或倾斜地悬挂在天花板上,具有半透明镜的倾斜的平坦屏幕位于观看者前方,而立体投影器位于平坦屏幕的后面以通过该平坦屏幕投影到反射球面屏幕上的孔径中,随后来自反射球面屏幕的该投影反射到相同的平坦屏幕上并且从该平坦屏幕反射到观看者眼睛中。
8.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,跟踪系统用于睁开的眼睛、 瞳孔、面部轮廓、鼻子、眉毛、嘴部的坐标的预先测量以及将这些参数记录在自动校正器的存储器中,自动校正器或视频校正器被设计为能够基于由跟踪系统连续测量的面部、眉毛、 鼻子和嘴部的实际坐标执行用于闭眼的观看者的自动校正的控制信号。
9.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,具有聚焦自动校正器的投影透镜使观看者能够选择对立体像对画面的比例的视频校正或个体自动校正程序,以补偿近视或远视的观看者的屈光度,允许在没有屈光眼镜的情况下清晰的视觉立体投影。
10.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,在每个立体视觉透镜组件的投影透镜的出射透镜上,安装多孔光栅滤光器,该滤光器的两侧具有黑色防眩涂层,以如下观点来选择滤光器厚度、孔的数量和直径、以及滤光器和立体屏之间的距离:使滤光器相对于被观看的立体图像的背景几乎看不见,极大地吸收了投影和寄生光束,并且在立体屏上透射投影光束直到图像对比度和清晰度改善的视觉感知程度以及在立体投影的最佳亮度下增加了立体效果的平面深度。
11.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,在立体投影器中,监测眼睛位置数据的跟踪系统允许测量眼睛瞳孔中心的坐标,并且代替立体视觉投影透镜安装位于立体屏上的投影放大光学系统,以形成聚焦于眼睛瞳孔上的点聚焦立体视觉区,眼睛瞳孔上的投影光束的孔径比瞳孔直径小得多,于是,光学放大系统被制成为与视频校正器连接的孔径LCD阵列,其用于两点透明视频孔径在投影光束轨迹上的电子和光学形成和移位,通过这些视频孔径,投影光束从立体投影器传送到立体屏上,或者投影放大光学系统具有用于两点微镜的电子和光学形成和移位的LCD透反射阵列或微镜DLP-阵列,用于将来自立体投影器的投影光束反射到立体屏上,并且通过立体屏将这些投影聚焦到立体像对的左右画面的立体视觉的点聚焦区中,这些区与观看者瞳孔的左右眼的对应瞳孔对准,其中,眼睛瞳孔上聚焦的投影的孔径比瞳孔表面小得多,并在考虑视觉清晰度的优化和立体视觉的舒适性的情况下进行选择。
12.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,立体屏是具有用于自动校正该立体屏的曲率中心的移位的自动驱动器的桌面可动监测器或笔记本显示器;具有自动驱动器的立体投影器被安装在支座上的立体屏的前方或悬挂在观看者的胸部上;在该立体屏上,跟踪系统被布置成用于监测观看者的眼睛瞳孔;自动准直器用于监测立体屏球面的曲率中心;自动校正器与跟踪系统、视频校正器和立体屏和立体投影器的自动驱动器相连接;视频校正器与形成立体像对画面的单元相连接;整个系统具有如下可能:在立体投影器或立体屏相对于运动的观看者的眼睛或其眼睛瞳孔移位的情况下,提供对立体视觉投影系统的软件动态连续自动校正或视频校正。
13.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,具有自动驱动器的可动立体投影器、具有监测眼睛瞳孔的跟踪系统的立体屏以及自动校正器和视频校正器被安装在观看者头部,自动校正器和视频校正与监测观看者眼睛瞳孔的位置数据的跟踪系统连接并且与移动投影器和立体屏中的至少一个的自动驱动器连接,立体屏被制成为镜式眼镜,其具有一个或两个曲率中心位于观看者的眼睛和投影器之间的球面或抛物线型立体屏,可对立体屏的左画面立体视觉区聚焦到左眼瞳孔中和右画面立体视觉区聚焦到右眼瞳孔中进行自动校正;立体投影器用于投影准直光束,在立体屏以及观看者眼睛瞳孔中的至少一个移位的情况下,同样可对立体投影器进行视频校正。
14.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,可动的立体屏悬挂在用于对该立体屏沿着任何坐标轴移位和/或该立体屏绕着这些轴转动进行自动校正的自动驱动器上,该立体投影器被固定在立体屏前方、在立体屏上,或者可动的立体投影器被固定在安装于该立体屏上的自动驱动器上;监测观看者的眼睛或眼睛瞳孔的位置数据的跟踪系统位于立体屏上,该跟踪系统与自动校正器和视频校正器、立体屏的自动驱动器和安装在立体屏上的立体投影器连接,视频校正器与形成立体像对画面的单元相连接,可以与观看者头部的移位、转动以及倾斜中的至少一个同步地进行立体视觉投影系统的软件动态自动校正和/或视频校正,从而确保以下各项中的至少一项:该立体屏在观看者面部前方以所计算的距离的最佳定位、该立体屏对于选定的距离相对于观看者眼睛的最佳取向、眼睛会聚以及眼睛焦点的改变。
15.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,其特征在于,立体屏被制成平坦的,微镜光栅将立体投影聚焦在眼睛瞳孔的点聚焦区中,左眼和右眼的投影器更靠近立体屏边缘,以便一个点聚焦立体视觉区移位,从而用于不同的立体基准和眼睛会聚,立体屏具有一个屏幕部件和相对于该屏幕部件的另一个水平可动的屏幕部件,用于立体像对的左画面的投影器被固定和聚焦在左区中,用于立体像对的右画面的投影器被固定和聚焦在右区中, 立体屏及其部件被安装到自动驱动器上,自动驱动器与用于该立体屏沿着坐标轴移动和该立体屏绕着这些轴转动的自动校正器连接,立体屏的可动部件被安装在自动驱动器上,该自动驱动器具有对该屏幕部件的水平移位的自动校正器,以使立体像对的左右画面的聚焦区与对应眼睛的瞳孔动态对准。
16.根据权利要求1所述的立体视觉投影系统,所述反射和聚焦立体屏是球面反射、椭圆反射、抛物线反射或光栅立体屏。
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