CN103823328B

CN103823328B - 一种裸眼立体投影系统

Info

Publication number: CN103823328B
Application number: CN201410084618.0A
Authority: CN
Inventors: 张永兵; 石磊; 苏萍; 戴琼海
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: CN103823328A

Abstract

本发明公开了一种裸眼立体投影系统，包括n组投影仪组，前侧光栅，散射屏和后侧光栅，前侧光栅和后侧光栅均为狭缝光栅或者均为柱状光栅，各组投影仪组包括左视角投影仪和右视角投影仪；各组投影仪组分别投影覆盖所述散射屏的的宽度区域；相邻两组投影仪组中，一组的左视角投影仪和另一组的左视角投影仪之间的距离为X，，其中W为所述散射屏的宽度；各组投影仪组中，根据间隔距离X和前侧光栅参数，按照一定关系式，设置前侧光栅、投影仪相对于散射屏的距离；各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元。本发明的裸眼立体投影系统，可提高投影到散射屏上的图像的分辨率，改善观看者的观看感受。

Description

一种裸眼立体投影系统

【技术领域】

本发明涉及立体投影系统，特别是涉及一种裸眼立体投影系统。

【背景技术】

随着电视电影行业的快速发展，平面视频的技术已经很成熟，科研人员将注意力转向视频的更高层次领域——3D视频显示，随着几十年的发展，有不少富有创意的思路和成果。

目前3D视频显示技术中比较成熟的方法包括两种，一种是通过佩戴特殊眼镜等设备来实现3D观看效果；另一种是通过投影仪和光栅的设置实现裸眼3D观看效果。裸眼3D技术无需佩戴眼镜，是3D显示的发展方向。目前较成熟的裸眼3D技术包括采用狭缝光栅构成的立体投影装置和采用柱状光栅构成的立体投影装置。

采用狭缝光栅构成的立体投影装置的结构示意图如图1所示，包括左视角投影仪A1、右视角投影仪B1，前狭缝光栅1，散射屏3和后狭缝光栅2。该投影装置中，左视角投影仪A1仅投射左眼图像，右视角投影仪B1仅投射右眼图像，利用狭缝对光线的遮挡作用，使得左眼图像仅传递到左眼U1L，右眼图像仅传递到右眼U1R。根据人眼的视觉原理，即在人脑中合成立体影像。采用柱状光栅构成的立体投影装置的结构示意图如图2所示，包括左视角投影仪A1、右视角投影仪B1，前柱状光栅4，散射屏3和后柱状光栅5。该投影装置中，左视角投影仪A1仅投射左眼图像，右视角投影仪B1仅投射右眼图像，利用柱状光栅对光线的聚焦特性，使得不同投影仪投射的光线在散射屏上的投影保持独立性，进而左眼图像仅传递到左眼U1L，右眼图像仅传递到右眼U1R，最终在人脑中合成立体影像。

目前拍摄的图像和视频的分辨率可以很高，然而上述投影装置中，受到投影仪A1和B1分辨率的制约，使得投影到散射屏上的图像的分辨率较低，观看者在观看侧无法获得高分辨率的图像，观看感受不佳。

【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，提出一种裸眼立体投影系统，可提高投影到散射屏上的图像的分辨率，改善观看者的观看感受。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种裸眼立体投影系统，包括n组投影仪组，前侧狭缝光栅，散射屏和后侧狭缝光栅，各组投影仪组包括左视角投影仪和右视角投影仪；各组投影仪组分别投影覆盖所述散射屏的的宽度区域；相邻两组投影仪组中，一组的左视角投影仪和另一组的左视角投影仪之间的距离为X，其中W为所述散射屏的宽度；各组投影仪组中，满足如下关系式：其中，d表示所述前侧狭缝光栅与所述散射屏之间的距离；D表示投影仪与所述散射屏之间的距离；k为正整数，由用户根据安装空间大小确定；Ws表示前侧狭缝光栅的不透光栅距，Wb表示前侧狭缝光栅的透光栅距；各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元。

一种裸眼立体投影系统，包括n组投影仪组，前侧柱状光栅，散射屏和后侧柱状光栅，各组投影仪组包括左视角投影仪和右视角投影仪；各组投影仪组分别投影覆盖所述散射屏的的宽度区域；相邻两组投影仪组中，一组的左视角投影仪和另一组的左视角投影仪之间的距离为X，其中W为所述散射屏的宽度；各组投影仪组中，满足如下关系式：其中，d表示所述前侧柱状光栅的厚度；D表示投影仪与所述散射屏之间的距离；k为正整数，由用户根据安装空间大小确定；p表示前侧柱状光栅的光栅间距；各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的裸眼立体投影系统，设置n组投影仪组，分别投影覆盖散射屏的的宽度区域，且相邻两组投影仪组之间按照的间隔设置，使得相邻投影仪组中相应视角的投影仪投影的光线紧密相邻，n组投影仪组正好覆盖整个散射屏宽度区域，同时根据间隔距离X和前侧光栅参数按照一定关系式设置前侧光栅、投影仪相对于散射屏的距离，使得各组投影仪透过光栅在散射屏上的投影的多组可视点重合，则在观察侧观看散射屏上的投影时，即为n组投影仪投影的重合加强，分辨率相当于单个投影仪组的n倍，即可提高投影到散射屏上的图像的分辨率，改善观看者的观看感受。

【附图说明】

图1是现有技术中采用狭缝光栅构成的立体投影装置的结构示意图；

图2是现有技术中采用柱状光栅构成的立体投影装置的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式一的裸眼立体投影系统的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式二的。

【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3所示，为本具体实施方式的裸眼立体投影系统，包括n组投影仪组（图中仅示意出了3组），前侧狭缝光栅10，散射屏30和后侧狭缝光栅20。各组投影仪组包括左视角投影仪（A1，A2，A3……An）和右视角投影仪（B1，B2，B3……Bn）。

其中，各组投影仪组分别投影覆盖散射屏30的的宽度区域。相邻两组投影仪组中，一组的左视角投影仪和另一组的左视角投影仪之间的距离为X，图3所示，宽度为W的散射屏30可视为划分为n等份子散射屏，n组投影仪组与n份子散射屏一一对应设置，各组投影仪组中左视角投影仪和右视角投影仪相对于子散射屏的中轴线水平地对称设置，由此，第一组投影仪组（A1，B1）投影覆盖第一个区域，第二组投影仪组（A2，B2）投影覆盖第二个区域，依次类推。当第一组左视角投影仪A1和第二组左视角投影仪A2之间的距离为时，则第一组投影仪组和第二组投影仪组在散射屏上的投影区域分隔开来，使得第一左视角投影仪A1和第二左视角投影仪A2在散射屏的投射光线仅在各自投影边界上相邻，不会交叉。因此，n组投影仪组均匀不交叉地投影覆盖整个散射屏宽度范围。

各组投影仪组中，满足如下关系式：其中，d表示前侧狭缝光栅10与散射屏30之间的距离；D表示投影仪（A1或者B1）与散射屏30之间的距离；k为正整数，由用户根据安装空间大小确定；Ws表示前侧狭缝光栅10的不透光栅距，Wb表示前侧狭缝光栅10的透光栅距。例如，在确定的W和n值下，前述计算得到X=130mm。如前侧狭缝光栅10的Ws和Wb分别为129/128mm，则带入关系式中可知d/D=k/65。如取k=1，则d/D=1/65，则结合安装空间大小，d可取2cm，D=130cm；D也可去1cm，D=65cm。当安装空间较小时，可增大k的取值进行调节，例如取k=5，则d/D=1/13，d可取0.5cm，D=26cm即可。

结合上述关系式，按照单组立体投影显示时的参数要求，使各组投影仪组和对应的子散射屏（即对应的所述散射屏的的宽度区域的散射屏范围）构成立体投影子单元。由此，即完成多组投影仪组组成的大屏幕立体投影系统。

本具体实施方式的立体投影系统，如图3所示，其中第一组投影仪组A1投影的边界光线CA1与第二组投影仪组A2投影的边界光线CA2在散射屏的C点相交临界，边界光线CA1，CA2与前侧狭缝光栅分别相交于点G和H，可知△CGH与△CA1A2是相似三角形。当各组投影仪组中距离d和D满足上述关系式时，可得到

GH = \frac{d}{D} A 1 A 2 = k \frac{(W_{s} + W_{b})}{X} \times X = k (W_{s} + W_{b}),

即投影仪组A1和A2发出的边界光线整好跨越（Ws+Wb）的k倍（图中所示整好跨越2倍），从而边界光线可无遮挡地透过狭缝相交于C点。而对于单个的立体投影子单元，不同视角的投影仪投射出的光线经过均匀的狭缝光栅在散射屏上会形成能均匀的条纹状投影，不同视角的投影正好彼此交替，具有规律性。当满足上述关系式时，边界光线无遮挡地透过狭缝相交于C点，不同视角之间的投影正好紧靠又不重叠，在C点实现完好拼接。此时，在散射屏30上，两组投影仪组交接处（交点C）两边相邻的两块投影分别对应着第一组右视角投影仪B1透过狭缝投射到散射屏的投影（虚线填充的方框所示，由B1发出的虚线所示的投影光线投影得到）和第二组左视角投影仪A2透过狭缝投射到散射屏的投影（交叉线填充的方框所示，由A2发出的实现所示的投影光线投影得到），这两个投影会相邻不重叠（在Ws等于Wb时，紧密相邻；在Ws不等于Wb时，会存在狭小的间隔而相邻）。这样，交接处投影规律与投影子单元内部的左右视角投影的交替规律（一个左视角投影相邻的必然是右视角投影，一个右视角投影相邻的必然是左视角投影）保持了一致。这样，以交点C为例，C点左侧分布的是第一组投影仪组在散射屏30的投影，C点右侧分布的是第二组投影仪组在散射屏30上的投影，在图中的位置透过后侧狭缝光栅20，则左眼L1看到交叉线方框投影（左视角投影），右眼R1看到虚线框投影（右视角投影）。这样对于第一组投影仪组的投影子单元，位置（L1，R1）是多个视点中的一个。同样的，对于第二组投影仪组的投影子单元，该位置（L1，R1）也是一个视点。因此，第一组投影仪组和第二组投影仪组的视点是共同的。依此类推，n组投影仪组的视点均是共同重合的。那么在位置（L1，R1）即可获取到n倍的单组投影仪组的投影信息，相当于提高了单位面积上的像素信息量，从而可获得高分辨率的投影图像。举例来说，当投影仪组的分辨率为1024×512时，现有技术中投影分辨率为2048×1024的图像时，受到投影仪的分辨率的限制，投影的图像的分辨率仅为1024×512，而本具体实施方式中投影的图像的分辨率则为（1024×n）×（512×n），可获得高分辨率的投影图像，提高观看者的观看感受。本具体实施方式的立体投影系统的屏幕宽度W可随投影仪组组数的变化而变化，即当投影仪组的组数越多时，W可越大。优选在0.5n～3n米的范围内变化，例如当n为10组时，W在5～30米的范围内变化，可兼顾空间利用率以及投影效果较好。

本具体实施方式中，各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元。构成时，D和d的取值，可以根据安装空间大小来设定，只要保证两者比值满足上述关系式即可。当确定D和d的值后，按照已有的方式设置单个立体投影子单元中的相应参数即可构成宽度为W的整个大屏的立体投影系统。如下，仅举例说明其中一种构建单个立体投影子单元时的参数设置。

各组投影仪组中，左视角投影仪和右视角投影仪之间的距离由于D和d的比值受k的影响，因此设定k的取值时也可参考E，看E的大小是否合适安装。后侧狭缝光栅20与散射屏30之间的距离d’，满足如下关系式上述公式的限定可使投影仪透过前侧狭缝投射到散射屏上的投影在观察侧可以完全透过后侧狭缝被人眼接受。其中，Ws’表示后侧狭缝光栅的不透光栅距，E’表示人体两眼之间的距离，一般取65mm；D’表示观看位置与散射屏之间的距离。上述两个关系式相当于两个方程，未知数仅为d’和D’，因此可确定得到d’的值，进而设置后侧狭缝光栅20与散射屏30之间的距离构成子单元。当按照公式中的E、d’设置相应组件之间的距离时，即可构成各个投影子单元，投影出具有立体效果的图像。

本具体实施方式中按照上述方式设置各个子单元，其中，散射屏宽度W=2600mm，前侧狭缝光栅中Ws=129/128mm，Wb=129/128mm，后侧狭缝光栅中Ws’=1mm，取n=2，得到X=1300mm，设定k=5，d=1cm，D=130cm，E=131mm，d’=2cm，构成整个大屏幕裸眼立体投影系统，在观看侧D’=130cm处可以看到立体的图像，且图像的分辨率较高。

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：本具体实施方式中光栅采用柱状光栅。

如图4所示，为本具体实施方式的裸眼立体投影系统，包括n组投影仪组（图中仅示意出了3组），前侧柱状光栅40，散射屏30和后侧柱状光栅50。各组投影仪组包括左视角投影仪（A1，A2，A3……An）和右视角投影仪（B1，B2，B3……Bn）。

其中，各组投影仪组分别投影覆盖散射屏30的的宽度区域。相邻两组投影仪组中，一组的左视角投影仪和另一组的左视角投影仪之间的距离为X，图4所示，宽度为W的散射屏30可视为划分为n等份子散射屏，n组投影仪组与n份子散射屏一一对应设置，各组投影仪组中左视角投影仪和右视角投影仪相对于子散射屏的中轴线水平地对称设置，由此，第一组投影仪组（A1，B1）投影覆盖第一个区域，第二组投影仪组（A2，B2）投影覆盖第二个区域，依次类推。当第一组左视角投影仪A1和第二组左视角投影仪A2之间的距离为时，则第一组投影仪组和第二组投影仪组在散射屏上的投影区域分隔开来，使得第一左视角投影仪A1和第二左视角投影仪A2在散射屏的投射光线仅在各自投影边界上相邻，不会交叉。因此，n组投影仪组均匀不交叉地投影覆盖整个散射屏宽度范围。

各组投影仪组中，满足如下关系式：其中，d表示前侧柱状光栅40的厚度，对于确定的柱状光栅，参数d为确定的数值；D表示投影仪（A1或者B1）与散射屏30之间的距离；k为正整数，由用户根据安装空间大小确定；p表示前侧柱状光栅40的光栅间距。例如，在确定的W和n值下，前述计算得到X=130mm。如前侧柱状光栅40的厚度d为4cm，p为1mm，则带入关系式中可知4/D=k/130。如取k=1，则D=520cm。当安装空间较小时，可增大k的取值进行调节，例如取k=4，则D=130cm即可。

结合上述关系式，按照单组立体投影显示时的参数要求，使各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元。由此，即完成多组投影仪组组成的大屏幕立体投影系统。

本具体实施方式的立体投影系统，如图4所示，其中第一组投影仪组A1投影的边界光线CA1与第二组投影仪组A2投影的边界光线CA2在散射屏的C点相交临界，边界光线CA1，CA2与前侧狭缝光栅分别相交于点G和H，可知△CGH与△CA1A2是相似三角形。当各组投影仪组中距离d和D满足上述关系式时，可得到即投影仪组A1和A2发出的边界光线整好跨越p的k倍（图中所示整好跨越1倍），从而边界光线可整好透过当前光栅透镜的中心相交于C点，不同视角之间的投影正好紧靠又不重叠，在C点实现完好拼接。而对于单个的立体投影子单元，不同视角的投影仪投射出的光线经过均匀的柱状光栅在散射屏上形成一个个平行的细线条纹状投影，且不同视角的投影仍然是正好彼此交替，具有规律性。当满足上述关系式时，边界光线无遮挡地透过狭缝相交于C点，不同视角之间的投影正好紧靠又不重叠，在C点实现完好拼接。此时，在散射屏30上，在两组投影仪组交接处，第一组右视角投影仪B1透过柱状光栅投射到散射屏的投影（点M所在的细线状条纹投影），与第二组左视角投影仪A2透过柱状光栅投射到散射屏的投影（点C所在的细线状条纹投影），这两个投影相邻分布。这样，交接处投影规律与投影子单元内部的左右视角投影的交替规律（一个左视角投影相邻的必然是右视角投影，一个右视角投影相邻的必然是左视角投影）保持了一致。这样，以交接处为例，M点处分布的是第一组投影仪组在散射屏30的投影，C点处分布的是第二组投影仪组在散射屏30上的投影，在图中的位置透过后侧柱状光栅50，则左眼L1看到C点细线状条纹投影（左视角投影），右眼R1看到M点细线状条纹投影（右视角投影）。这样对于第一组投影仪组的投影子单元，位置（L1，R1）是多个视点中的一个。同样的，对于第二组投影仪组的投影子单元，该位置（L1，R1）也是一个视点。因此，第一组投影仪组和第二组投影仪组的视点是共同的。依此类推，n组投影仪组的视点均是共同重合的。那么在位置（L1，R1）即可获取到n倍的单组投影仪组的投影信息，相当于提高了单位面积上的像素信息量，从而可获得高分辨率的投影图像。举例来说，当投影仪组的分辨率为1024×512时，现有技术中投影分辨率为2048×1024的图像时，受到投影仪的分辨率的限制，投影的图像的分辨率仅为1024×512，而本具体实施方式中投影的图像的分辨率则为（1024×n）×（512×n），可获得高分辨率的投影图像，提高观看者的观看感受。同样地，本具体实施方式的立体投影系统的屏幕宽度W可随投影仪组组数的变化而变化，优选在0.5n～3n米的范围内变化，可兼顾空间利用率以及投影效果较好。

本具体实施方式中，各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元。构成时，D的取值，可以根据安装空间大小来设定，只要保证两者D和d的比值满足上述关系式即可。当确定D的值后，按照已有的方式设置单个立体投影子单元中的相应参数即可构成宽度为W的整个大屏的立体投影系统。如下，仅举例说明其中一种构建单个立体投影子单元时的参数设置。

各组投影仪组中，观看位置与散射屏之间的距离D’满足如下关系式：其中，p’表示后侧柱状光栅的光栅间距，d’表示所述后侧柱状光栅的厚度。带入已知的d，p、p’和d’之后，可得到D’由D确定，而结合前述关系式D由k决定。因此k的取值，会影响D和D’的大小。因此可综合考虑安装空间中，D和D’是否合适安装后确定k的值，进而确定出最终的D和D’的具体取值。当D和D’满足上述关系式时，可使得投影仪透过前侧柱状光栅投射到散射屏的投影透过后侧柱状光栅之后恰好能够被人眼接收。

确定出D和D’之后，可确定左视角投影仪和右视角投影仪之间的距离E的大小。左视角投影仪和右视角投影仪之间的距离由于D和D’的取值受k的影响，因此设定k的取值时也可参考E，看E的大小是否合适安装。E’表示人体两眼之间的距离，一般取65mm。综上，d和d’根据前侧柱状光栅40和后侧柱状光栅50的固有参数，是已知的。D和D’根据前述关系式已确定，因此可确定左视角投影仪和右视角投影仪之间的距离E，进而设置后构成立体投影子单元。

本具体实施方式中按照上述方式设置各个子单元，其中，散射屏宽度W=3200mm，前侧柱状光栅中p=1mm，d=4mm，后侧柱状光栅中p’=401/400mm，d’=8mm，取n=2，得到X=1600mm，设定k=4，D=160cm，D’=160.4cm，E=130mm，构成整个大屏幕裸眼立体投影系统，在D’=160.4cm处可以看到立体的图像，且图像的分辨率较高。

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

1.一种裸眼立体投影系统，其特征在于：包括n组投影仪组，前侧狭缝光栅，散射屏和后侧狭缝光栅，各组投影仪组包括左视角投影仪和右视角投影仪；各组投影仪组分别投影覆盖所述散射屏的的宽度区域；相邻两组投影仪组中，一组的左视角投影仪和另一组的左视角投影仪之间的距离为X，其中W为所述散射屏的宽度；各组投影仪组中，满足如下关系式：其中，d表示所述前侧狭缝光栅与所述散射屏之间的距离；D表示投影仪与所述散射屏之间的距离；k为正整数，由用户根据安装空间大小确定；W_s表示前侧狭缝光栅的不透光栅距，W_b表示前侧狭缝光栅的透光栅距；各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元；各组投影仪组中，左视角投影仪和右视角投影仪之间的距离d和D的具体取值由用户根据安装空间大小确定；所述后侧狭缝光栅与所述散射屏之间的距离d’，满足如下关系式其中，W_s’表示后侧狭缝光栅的不透光栅距，E’表示人体两眼之间的距离；D’表示观看位置与散射屏之间的距离。

2.根据权利要求1所述的裸眼立体投影系统，其特征在于：所述散射屏的宽度W为0.5n～3n米。

3.一种裸眼立体投影系统，其特征在于：包括n组投影仪组，前侧柱状光栅，散射屏和后侧柱状光栅，各组投影仪组包括左视角投影仪和右视角投影仪；各组投影仪组分别投影覆盖所述散射屏的的宽度区域；相邻两组投影仪组中，一组的左视角投影仪和另一组的左视角投影仪之间的距离为X，其中W为所述散射屏的宽度；各组投影仪组中，满足如下关系式：其中，d表示所述前侧柱状光栅的厚度；D表示投影仪与所述散射屏之间的距离；k为正整数，由用户根据安装空间大小确定；p表示前侧柱状光栅的光栅间距；各组投影仪组和对应的子散射屏构成立体投影子单元；各组投影仪组中，观看位置与散射屏之间的距离D’满足如下关系式：其中，p’表示后侧柱状光栅的光栅间距，d’表示所述后侧柱状光栅的厚度；D和D’的具体取值由用户根据安装空间大小确定。

4.根据权利要求3所述的裸眼立体投影系统，其特征在于：所述散射屏的宽度W为0.5n～3n米。

5.根据权利要求3所述的裸眼立体投影系统，其特征在于：各组投影仪组中，左视角投影仪和右视角投影仪之间的距离其中，E’表示人体两眼之间的距离。