CN103399409B

CN103399409B - 一种立体投影显示装置

Info

Publication number: CN103399409B
Application number: CN201310330448.5A
Authority: CN
Inventors: 张磊; 张永兵; 唐邵
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: CN103399409A

Abstract

本发明公开了一种立体投影显示装置，包括立体投影仪、全息投影膜屏幕和眼镜；所述立体投影仪用于投射立体显示的图像帧序列，所述立体投影仪的位置使得立体投影仪投射出的光线能投射到所述全息投影膜屏幕上，所述眼镜与所述立体投影仪相匹配，用于供用户配带后观看所述全息投影膜屏幕出射的画面。本发明中的立体投影显示装置，采用全息投影膜屏幕作为屏幕，可有效降低主动式立体投影系统光损，提高光线的利用率。同时，采用全息投影膜，其反射的光线或者透射出来的光线对于人眼的伤害较小。本发明的立体投影显示装置，屏幕即使被制成大尺寸，观影效果也较好。而由于全息投影膜为透明状，因此本发明的立体投影显示装置也可增强物体景象的立体性。

Description

一种立体投影显示装置

【技术领域】

本发明涉及立体视频领域，特别是涉及一种立体投影显示装置。

【背景技术】

立体投影是一种通过在人左右眼中分别投射出不同的画面进而虚拟出画面中物体的深度信息，最终实现景象的立体显示的一种技术。立体投影主要分为两类：主动式立体投影和被动式立体投影。主动立体投影成像清晰，效果良好。且由于设计技术的进步，新型的主动立体投影技术所使用的眼镜已经变得越来越便宜，耐磨，轻便且可充电，优势越来越明显。而被动式立体投影的优点则是：质轻价廉，眼镜不耗电不需同步，对人体无闪烁不适。

但是，无论是主动式立体投影，还是被动式立体投影都存在着以下缺点：光损大，投影机输出光线的利用率较低；立体投影在一般成像平台上的光线对于人眼损伤较大。尤其是主动式立体投影，上述两个问题较为突出。另外，普通投影平台尺寸有限，不能无限制的增大。如金属屏幕，首先难以做到无限大，较大尺寸的金属屏幕通常是通过拼接来完成；其次在通过拼接实现尺寸增大时，其整体性能将会由于生产工艺以及安装工艺而有所下降，导致观影效果，立体显示效果变差。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种立体投影显示装置，可以有效降低投影系统的光损，且有效降低立体投影光线对人眼的损伤。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种立体投影显示装置，其特征在于：包括立体投影仪、全息投影膜屏幕和眼镜；所述立体投影仪用于投射立体显示的图像帧序列，所述立体投影仪的位置使得立体投影仪投射出的光线能投射到所述全息投影膜屏幕上，所述眼镜与所述立体投影仪相匹配，用于供用户配带后观看所述全息投影膜屏幕出射的画面。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的立体投影显示装置，采用全息投影膜屏幕作为屏幕，可有效降低主动式立体投影系统光损，提高光线的利用率。同时，采用全息投影膜，其反射的光线或者透射出来的光线对于人眼的无害或者低害性，可有效降低立体投影光线对于人眼的伤害作用。另外，采用全息投影膜作为投影屏幕，可制成任意大小的尺寸，且屏幕整体的性能不会下降，不会影响到观影效果。全息投影膜为透明状，膜前后的光线可不受阻碍的穿透全息投影膜，从而实现立体图像在投影膜上的悬空显示，增强物体景象的立体性。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式一的立体投影显示装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一的用户观看立体投影显示装置的水平俯视图；

图3是本发明具体实施方式一的用户观看立体投影显示装置的垂直侧视图；

图4是本发明具体实施方式二的立体投影显示装置的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一

如图1所示，为本具体实施方式中的立体投影显示装置的结构示意图。立体投影显示装置包括立体投影仪1、全息投影膜屏幕3和眼镜5。立体投影仪1用于投射可用于立体显示的图像帧序列，立体投影仪1的位置使得立体投影仪投射出的光线能投射到所述全息投影膜屏幕3上，眼镜5与所述立体投影仪1相匹配，用于供用户配带后观看全息投影膜屏幕3出射的画面。

具体地，立体投影仪1可为主动式立体投影仪或被动式立体投影仪。

当为主动式立体投影仪时，投射的图像帧序列为左右眼图像序列交替显示的图像帧序列。相应地，匹配的眼镜为主动快门式立体眼镜。此时显示装置即采用主动式立体投影的方式，通过将左右眼图像序列快速交替投射到屏幕，并配合一个同步装置使得投射左眼图像的同时阻隔右眼接收光线，投射右眼图像的同时阻隔左眼接收光线，利用人眼的视觉残留效应，从而使得左右眼图像能分别到达人的左右眼，最终实现立体显示。

当为被动式立体投影仪时，投射的图像帧序列为左右眼图像序列叠加形成的图像帧序列。相应地，匹配的眼镜为偏振立体眼镜。此时显示装置即采用被动式立体投影的方式。被动式立体投影与主动式立体投影的原理不同，被动式将左右眼图像同时投射到屏幕上，通过接收装置(眼镜)实现左右眼图像的区分，最常见的接收方式是采用偏振原理实现的：左右眼图像分别使用不同偏振方向的偏振光显示，接收装置(眼镜)则在左眼和右眼分别加置与左右眼图像偏振方向一致的偏振片，从而实现左右眼图像的分离接收。左右眼分别接收不同偏振方向的图像，叠加后即在人体视网膜上形成立体的显示效果。

从图1中可知，本具体实施方式中，立体投影仪1位于所述全息投影膜屏幕3的正面一侧，立体投影仪1投射出的光线经所述全息投影膜屏幕3反射后到达观看的用户处。该投影仪1与投影膜3的位置关系构成正投式的位置关系。此时，投影仪1的安装位置与观看的用户处于全息投影膜3的同一侧。观看时，需要保证投影仪1投射出来的光线能完整的打在投影膜3上即可，光路不被物体遮挡。图中，带箭头虚线简单地示意了光路。具体工作原理为：光线经投影仪1发出投射在全息投影膜3上，在全息投影膜3上经过反射以及散射后，最终经过立体眼镜5投影在观看的用户的视网膜上，从而呈现立体效果。本具体实施方式的正投式投影适合于空间有限的观看环境中。

本具体实施方式中，投影膜为全息投影膜，第一，由于全息投影膜的组成结构较为特殊，为包括基质层和珠面层的多层结构，而基质层和珠面层可以起到增强光线的反射和漫反射，以及补强光损的作用，最终使入射到用户处的光线的亮度增强，有效降低主动式立体投影系统光损，提高光线的利用率。相对于现有技术中主要通过增大输出光强来应对光损大的问题，本具体实施方式中采用全息投影膜替代普通屏幕解决光损大的问题，则不会导致成本的增加以及对投影仪的损伤，是较为可行的一种方案。第二，由于全息投影膜的高刷新频率以及无闪光特性，使得其反射的光线或者透射出来的光线对人眼具有无害或者低害性，可有效降低立体投影光线对于人眼的伤害作用。第三，由于全息投影膜各处的折射、反射性能较均匀，且其尺寸不受生产工艺限制，因此可作为任意大小尺寸的屏幕使用，且各处性能均匀，屏幕整体的性能不会下降，不会影响到观影效果。第四，全息投影膜为透明状，膜前后的光线可不受阻碍的穿透全息投影膜，从而实现立体图像在投影膜上的悬空显示，增强物体景象的立体性。即本具体实施方式中，立体投影显示装置可以有效降低投影系统的光损，且有效降低立体投影光线对人眼的损伤，立体显示时立体性更强。

优选地，全息投影膜屏幕在水平方向和垂直方向同时对入射光线进行散射，沿水平方向的散射角度为15°～72°，沿垂直方向的散射角度为10°～20°，全息投影膜的透明度为55％～90％。当同时对光线进行散射，且水平散射角度为15°～72°，垂直散射角度为10°～20°，透明度为55％～90％时，全息投影膜屏幕呈现的立体效果较好。这是因为：

通常，屏幕高度为2m，水平宽度为3m，视频画质为1080p分辨率，在此种情形下，

如图2所示，为用户观看投影显示装置的水平俯视图。当水平散射角度为15°(图2中所示角度a)时，6.3×tan15°＝1.69m＞水平方向半径1.5m，即表明屏幕边缘端点L₁散射的光线可到达A点(A点对应的水平距离BL₁为1.69m)，故而可以保证，当观察者处于正中间的位置P点时候可以看到屏幕边缘L₁发射出来的光线，从而能接收到整幅画面的内容，获得良好的观看效果。

当水平散射角度为72°(图2中所示角度b)时，首先，当用户处于边缘位置c观看屏幕时，要求由于人眼的理论角分辨率为20角秒，可以计算得出为了能够正确分辨横向分辨率为1920的图像，就需要保证人眼的最低张角为1920×20/60/60＝10°。而由于位置C处于边缘，因此L₂C＝L₂C’＝6.3-1.5＝4.8(m)。根据正弦定理，此时针对三角形C L₁L₂，有从而得到角度c≈11°＞人眼的最低张角10°，即能保证当用户处于边缘位置C观看时，人眼对于整幅图像观看视角要求，从而确保人眼能分辨水平方向的图像，获得良好的观看效果。

如图3所示，为用户观看投影显示装置的垂直侧视图。当垂直散射角度为10°时，6.3×tan(10°)＝1.11(m)(图中H点对应的高度)，表明当屏幕底端H2散射时，高度范围为[0，1.11]内的观看位置可接收到底端H2散射的光线，高度范围为[2-1.11，2]内的观看位置可接收到底端H2散射的光线，因此取交集，此时对于高度范围[2-1.11，1.11]之间的观察者都能将整个屏幕高度上的光线收入眼底。当垂直散射角度为20°时，6.3×tan(20°)＝2.29(m)(图中H’点对应的高度)，表明身高范围在[0，2.29]的观看者都能观看到整个屏幕高度的完整画面。即当垂直散射角度为10°～20°范围内一个值时，均存在一个对应的观看位置，该观看位置能将整个屏幕高度上的光线收入眼底，确保良好的观看效果，同时由于垂直散射角度在上述范围内，对全息投影膜的生产工艺要求不严格，生产成本也较低，使得投影显示装置整体的成本也较低。

当全息投影膜的透明度在55％～90％时，对于透明度小于55％的全息投影膜，虽然可以保证较好的图像显示效果，但是其透光效果已经不很明显，离得稍远的物体(＞10cm)所发出的光线将不能穿透膜，此时立体增强效果已不明显。而对于透明度大于90％的全息投影膜，其立体感较强(透明能让人产生悬空的感觉，有助于增强立体感)，但是由于透明度较高，屏幕所能截留的图像光线较少，所呈现的画面亮度较低，且受外界光线干扰较大。因此，将透明度控制在55％～90％的范围内，可以既保证屏幕的透明立体效果，又能确保画面的正常呈现和观看。根据上述透明度与画面的效果的关系，在外界光线干扰比较大，观看环境较差的情况下，可以选择透明度较低的全息投影膜，这样可以确保膜的观看效果。在外界光线干扰较小，观看环境良好的情况下，可以适当选择透明度较好的全息投影膜，确保较好的立体感。

综上，优选方案中，全息投影膜的水平方向的散射角度为15°～72°，沿垂直方向的散射角度为10°～20°，透明度为55％～90％时，可以确保屏幕前方各处的用户观看效果较好，同时显示图像时，有较好的立体显示效果以及画面呈现效果。全息投影膜散射角度、透明度等参数的控制和立体投影系统的显示效果直接相关，各参数的具体取值根据实际工作环境的亮度、观看距离、观看角度、投影方式(正投或背投)等影响因素计算和调整得到。

具体实施方式二

本具体实施方式与实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中投影仪与投影膜的位置关系构成背投式的位置关系，即投影仪位于所述全息投影膜屏幕的背面一侧，所述立体投影仪投射出的光线经所述全息投影膜屏幕折射和透射后到达观看的用户处。而具体实施方式一中，投影仪与投影膜的位置关系是正投式的位置关系。

如图4所示，为本具体实施方式中的立体投影显示装置的结构示意图。立体投影显示装置包括立体投影仪2、全息投影膜屏幕4和眼镜6。立体投影仪2投射用于立体显示的图像帧序列，立体投影仪2的位置使得立体投影仪投射出的光线能投射到所述全息投影膜屏幕4上，眼镜6与所述立体投影仪2相匹配，用于供用户配带后观看全息投影膜屏幕4出射的画面。

立体投影仪2、全息投影膜屏幕4和眼镜6的具体类型，参数选择同具体实施方式一中相同，在此不重复说明。如下仅针对三者位置关系这一不同之处进行重点说明。

从图4可知，本具体实施方式中，立体投影仪2位于所述全息投影膜屏幕4的背面一侧，立体投影仪2投射出的光线经所述全息投影膜屏幕4折射和透射后到达观看的用户处。该背投式的位置关系中，投影仪2的安装位置与观看的用户处于全息投影膜4的不同侧。观看时，需要保证投影仪2投射出来的光线能完整的打在投影膜4上即可，光路不被物体遮挡。图中，带箭头虚线简单地示意了光路。具体工作原理为：光线经投影仪2发出投射在全息投影膜4上，在全息投影膜4上经过透射以及折射后，最终经过立体眼镜6投影在观看的用户的视网膜上，从而呈现立体效果。本具体实施方式的背投式投影有较佳的投影效果，但要保证足够的后置空间用于安放投影仪2。

本具体实施方式中，同实施方式一中相同，都采用全息投影膜，因此可有效降低主动式立体投影系统光损，提高光线的利用率；有效降低立体投影光线对于人眼的伤害作用；可适应任意大小尺寸屏幕的应用需求，且屏幕整体的性能不会下降，不会影响观看效果；同时，可实现立体图像在投影膜上的悬空显示，增强物体景象的立体性。

同具体实施方式一中相同，本具体实施方式中，同样优选地，全息投影膜在水平方向和垂直方向同时对入射光线进行散射，沿水平方向的散射角度为15°～72°，沿垂直方向的散射角度为10°～20°，全息投影膜的透明度为55％～90％，同样可以确保屏幕前方各处的用户观看效果较好，同时显示图像时，有较好的立体显示效果以及画面呈现效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种立体投影显示装置，其特征在于：包括立体投影仪、全息投影膜屏幕和眼镜；所述立体投影仪用于投射立体显示的图像帧序列，所述立体投影仪的位置使得立体投影仪投射出的光线能投射到所述全息投影膜屏幕上，所述眼镜与所述立体投影仪相匹配，用于供用户配带后观看所述全息投影膜屏幕出射的画面；所述全息投影膜屏幕在水平方向和垂直方向同时对入射光线进行散射，沿水平方向的散射角度为15°～72°，沿垂直方向的散射角度为10°～20°；所述全息投影膜的透明度为55％～90％。

2.根据权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于：所述立体投影仪为主动式立体投影仪，投射的图像帧序列为左右眼图像序列交替显示的图像帧序列；所述眼镜为主动快门式立体眼镜。

3.根据权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于：所述立体投影仪为被动式立体投影仪，投射的图像帧序列为左右眼图像序列叠加形成的图像帧序列；所述眼镜为偏振立体眼镜。

4.根据权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于：所述立体投影仪位于所述全息投影膜屏幕的正面一侧，所述立体投影仪投射出的光线经所述全息投影膜屏幕反射和散射后到达观看的用户处。

5.根据权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于：所述立体投影仪位于所述全息投影膜屏幕的背面一侧，所述立体投影仪投射出的光线经所述全息投影膜屏幕折射、透射和散射后到达观看的用户处。