CN105629639A - 一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，包括硬件子系统和软件子系统；硬件子系统具有内置式服务器或电脑主机、安装有超大视场角鱼眼镜头的数字投影机、和球面幕及其他功能性辅助设施；软件子系统，包括系统控制单元和特定音视频文件单元；所述系统控制单元通过有线或无线通信控制；所述特定音视频文件单元为符合要求的音视频源文件；其投影方式为单通道背投影或单通道正投影方式；利用超大视场角鱼眼镜头将虚拟物场映射到一个承载连续像场的大球心角球面幕或近似球面幕上，使画面立体感、空间感更强，投影机等设施可隐蔽于球面幕内部。

Description

一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统

技术领域

本发明涉及一种球面幕投影显示系统，具体说是一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统。能够将图像投射到具有一定球心角范围的球面幕上的投影显示系统。

背景技术

在数字投影领域中，长期以来都在试图提供一种能够使画面覆盖整个球面银幕或球面屏幕(以下均简称为“幕”)的数字图像显示系统，或者，更进一步讲，该球面幕的形状可以拓展至具有对称轴的空间三维凸形特点的更一般化形状。例如，椭球面、抛物面、二次曲面等等。这种显示系统将具有多种不同的用途。例如，背投影形式可用在行星科学中，该显示系统能够用于显示行星气象和温度等信息；在地理教学中，该显示系统可用于显示基本地理地貌信息，包括，地球表面大气环流、海流运动、地壳运动等效果；而正投影形式可在游戏娱乐、模拟驾驶、运动建身、体育训练等领域。

目前已有专利公开了类似但不同的球面幕显示系统，并且公开的技术可以分为几个不同的种类。美国环球影像公司的专利号为200380109868，“具有三维凸形显示面的显示系统”的专利中，只是笼统地给出了镜头和幕之间的位置关系为“最长像距与最短像距之比至少1.75∶1”，而不能完成像距比在1.74∶1以下的投影。另外，上述技术中，幕安装在一个基座上，且该基座安装在投影机机身上，这种结构方式对于小尺寸幕的投影显示系统适用，但对于直径较大的球面幕来说，物理支撑面积过小，整个显示幕的重量集中于很小的截面之上，会导致整个系统结构出现严重问题。在需要投射更大幕面的场合下，希望将投影机构隐藏到球面幕内部，观看者只能看到幕上的内容，而不希望看到支撑部分和投影机构，上述显示系统显然不能满足要求。

另一种实现方式是美国GarryM.Hilderman的专利号US5030100A“EnvironmentalDisplaySystem”，该系统包括多个元件，这些元件单独地传导和发射光，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或光导纤维。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。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。

另外，还有类似的显示系统如中国专利CN201210502120.2，“一种小型多媒体投影演示系统”，一般包含球面幕，投影机，鱼眼镜头，平板电脑等。该类设备普遍存在操作不便的问题，操作人员需要距离显示系统很近才可以操作，操作过程中画面存在遮挡的现象。另外，球幕表面发光与显示设备之间相互造成杂光干扰。

为此，在所有投影系统中，根据观众和投影镜头所处投影幕同侧和异侧投影方式分为正投影和背投影两种形式。根据行业惯例，在单通道球面幕显示系统中，显示系统均具有以下基本特征或对球面幕采用如下通行描述方式：即，显示系统只含有一个球面幕、一台投影机和一只鱼眼镜头，所输入的视频文件需要进行特别预置变形处理。球面幕具有一个圆形开孔，该圆形开孔的圆心和球面幕球心的连线为球面幕的对称轴，镜头的光轴和球面幕的对称轴重合，圆形开孔至少可以保证镜头能进入球面幕内部，并能保证镜头所投射光束能够覆盖球面幕内表面。而球面幕的有效投影区域以球心角描述，该球心角为球面幕圆形开孔圆上两点分别与球面幕球心连线形成的钝角夹角，所述两点其连接线经过圆形开孔的圆心。在球形显示系统中，球面幕直径大小系指系统中球面幕的实际几何直径。系统中所用鱼眼镜头正对球面幕的一方为“前”，镜头正对投影机的一方为“后”；镜头最前端镜片到球幕不同区域的实际光路距离为“像距”。

发明内容

鉴于上述现状，为解决现有球型显示系统背投影形式中数字投影机暴露于球面幕之外，以及球型显示系统正投影形式球面幕有效区域球心角较小的局限性，而提供了一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统方案。

本发明的具体技术解决方案是：一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，所述投影方式可构造为单通道背投影形式也可构造为单通道正投影形式；本系统使用超大视场角的鱼眼镜头，所述鱼眼镜头的全视场角α的范围为220°≤α≤300°，可将一个特定物场投射到一个连续的像场上，像场具有与球面幕相同的形状，像场能够有效覆盖球面幕球心角β为270°±30°的范围，且能够在除去预留圆形开孔之外的全部球面幕区域范围形成清晰影像；所述鱼眼镜头幕方零视场像距与最大视场像距称最短像距与最长像距，则最长像距与最短像距之比值为Γ，Γ具有取值区间，Γ的取值区间是1≤Γ≤1.74；球型显示系统，包括硬件子系统A和软件子系统B。

本发明中，所述球型显示系统的投影方式为单通道背投影形式时，观众在球面幕外部观看；球型显示系统的投影方式为单通道正投影形式时，观众在球面幕内部观看。

本发明中，所述球面幕是一种具有银幕光学特性的球面，球面幕所具有的球心角β的范围为270°±30°，且球面上具有一圆形开孔，该球面可以是拼接组合而成的，也可以是经浇注成型无缝的，所述球面幕置于物理支撑基座上；为单通道背投影方式时，球面幕采用透射幕或其他复合有机透明材料构成球幕基材，在基材内表面喷涂有与透射幕具有相同光学特性的介质，球面幕直径范围在0.4m-3m；为单通道正投影方式时，球幕上的圆形开孔，可在该开孔基础上平滑连接观众或其他辅助设施进入的更一般形状的开孔，所述球面幕可采用辅助龙骨结构挂载软质反射幕，反射幕也可采用其他硬质基材，再在该球面内部喷涂与反射幕具有同等光学特性的介质，球面幕直径范围在3m-20m。

本发明中，选择正投影或是背投影任一投影方式时，所述鱼眼镜头均按照“物”--“像”非相似原理和有限距离共轭成像原则进行设计，使球面幕面构成的“像面”和投影机芯片上之有效区域构成的“物面”形成完整光学共轭映射，根据球面幕实际尺寸和有效区域、球面幕与鱼眼镜头之间的特定位置关系、投影机引擎数据、投影机芯片数据信息，设置畸变规律，合理设置包括视场角在内的各种光学技术指标，并合理控制镜头其他像差，满足球面幕上像质的要求；

所述鱼眼镜头全视场角α的范围是220°≤α≤300°，鱼眼镜头全视场角α＝220°可满足最长像距和最短像距之比值Γ＝1.74的系统需要，鱼眼镜头全视场角α＝300°可满足Γ＝1的系统需要；而在1＜Γ＜1.74范围内，根据系统需要计算鱼眼镜头的视场角度值α；所述球面幕球心角β、鱼眼镜头全视场角α、最长像距和最短像距之比值Γ三者满足如下数学关系：

$\mathrm{\Γ}=\sin (180-\frac{\mathrm{\α}}{2})\[\frac{1+\cos (180-\frac{\mathrm{\β}}{2})}{\sin (180-\frac{\mathrm{\β}}{2})}-ctg(180-\frac{\mathrm{\α}}{2})\]$

该关系式和球面幕半径无关，确定了β、α、Γ三者中任两个量值，则可求解出第三个量值。

选择正投影或是背投影任一方式，所述鱼眼镜头的光学结构具有以下基本特征，沿着光轴的方向，由数字投影机芯片的后端到球面幕的前端，依次排列设置第一透镜组、孔径光栏、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组；其中，第一透镜组，含有1-5片透镜，含有至少一个胶合透镜对，具有正光焦度，用于平衡其余各透镜组的像差，增加后工作距离，提高整个像场的照度均匀性；第二透镜组，含有0-3片透镜，可含有一个胶合透镜对，主要用于平衡光阑球差；第三透镜组，含有1-3片透镜，可含有一个胶合透镜对，主要用来平衡象散、场曲及色差，并控制最大透镜的口径；第四透镜组含有3-5片透镜，可含有一个胶合透镜对，具有极负光焦度，用以增加镜头在像场方向的出射角，制造足够大负畸变和足够大的光阑慧差；所述孔径光栏设置在靠近第一透镜组和第二透镜之间；光学结构中的所有透镜通光工作面均为标准球面；各个透镜组的具体透镜数量及是否引入胶合透镜对，可以根据所采用的数字投影机类型及规格的不同、工程的实际性能指标要求和像差平衡要求而确定。

本发明中，所述硬件子系统A，包括内置式服务器或电脑主机A1，该内置式服务器或电脑主机A1与数字投影机A2建立数字信号连接，以及与扬声器A3连接，在所述数字投影机A2上安装鱼眼镜头A4，对应鱼眼镜头A4的上方设置球面幕A5，所述球面幕A5、内置式服务器或电脑主机A1与数字投影机A2均安装在物理支撑基座A6上，所述扬声器A3置于物理支撑基座A6内部，以及其他功能性辅助设施。

本发明中，所述软件子系统B，包括系统控制单元B1和特定音视频文件单元B2；所述系统控制单元B1通过有线或无线通信方式与内置式服务器或电脑主机A1连接，用于控制系统播放的影像内容和音频内容；所述特定音视频文件单元B2为符合要求的音视频源文件。

本发明中，所述硬件子系统A中的物理支撑基座，其材料为金属或非金属制成，用来支撑球幕、数字投影机及其他功能性辅助设施。

本发明中，所述硬件子系统A中的其他功能性辅助设施，可选择升降平台、移动平台、互动控制器件、互联网功能组件、动感座椅、健身器材、模拟座舱、娱乐设施、风雨环境模拟装置中之一种或几种，应根据投影方式及实际需求的不同进行配置。

本发明中，所述软件子系统B中，选择单通道正投影或是单通道背投影任一方式，音视频文件单元的视频文件需要进行预置变形处理，即，把正常不变形的原始图像的像素排列方式按特定畸变规律进行二维坐标转换，使球面幕上能显示符合人眼观看习惯的图像，所输入的视频文件原始图像像素坐标系为直角坐标系，其中横轴为x轴，纵轴为y轴，直角坐标系上任一个点的坐标为(x，y)，转换后的坐标系为极坐标系ρ-径坐标和θ-极角，ρ-径坐标表示与极点的距离，θ-极坐标表示按逆时针方向坐标距离0°极轴的角度，极轴就是在平面直角坐标系中的x轴正方向，片源制作考虑镜头畸变的影响，θ-极坐标不同的点所对应的畸变因子τ_θ也不尽相同，两个坐标系之间的关系应为：ρ＝x²+y²，x＝τ_θρcosθ，y＝τ_θρsinθ。

本发明中，所述软件子系统B中的有线控制方式，包括有线键盘控制、有线鼠标控制、触摸屏控制，所述的无线控制的无线频率在200MHz-6000MHz范围内。

本发明中，选择单通道正投影方式或是单通道背投影任一方式，硬件子系统A中，均通过少量调节所述鱼眼镜头的轴向位置，改变镜头共轭距离，使显示系统能够适应直径尺寸不同的球面幕显示面，并通过改变鱼眼镜头的视场角及镜头距离球面幕球心的距离，可产生不同的“最长像距和最短像距之比值”Γ，而维持该比值始终保持在1≤Γ≤1.74范围内。

本发明中，选择单通道正投影方式或是单通道背投影任一方式，硬件子系统A中，其球面幕的球面形状可以替换为近似球面的其他面型，如椭球面、抛物面；所述球面幕的对称轴可根据不同使用情况而与水平方向保持不同的夹角。

本发明中，所述投影方式为单通道正投影方式时，为满足合理布置球面幕内各种功能性辅助设施、便于观看、防止阻挡光路的目的，可适当对所述数字投影机位置进行调整，数字投影机光轴可适量偏离球面幕对称轴，而且，相对于球面幕对称轴来说，数字投影机光轴可做平移或旋转调整。

本发明中，所述投影方式为单通道正投影方式时，通过结合单机立体技术，增加必要立体显示技术要素，而可以在球面幕上产生立体影像。

本发明所具有的有益效果是：利用超大视场角的鱼眼镜头将虚拟物场映射到一个承载连续像场的大球心角球面幕或近似球面幕上，使画面立体感、空间感、融入感更强，可视像场范围更大，用以布置功能性辅助设施的空间环境更宽松，投影机等设施均可隐蔽置于球面幕内部，观众既可在球幕内观看，也可在球幕外观看。

附图说明

图1是本发明背投影形式系统构成图；

图2是图1超大视场角鱼眼镜头的光学结构图；

图3是显示系统的视频文件图像坐标转换示意图；

图4是图1镜头视场角及位置对应变化示意图；

图5给出了本发明正投影形式的系统构成示意图；

具体实施方式

下面将结合附图实施例对本发明作进一步说明。

为解决现有球型显示系统背投影形式中数字投影机暴露于球面幕之外、功能性辅助设施布置空间紧张的局限性，以及解决球型显示系统正投影形式球面幕有效区域球心角较小的局限性，而设计了一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，该显示系统总体解决方案包括，所述球型显示系统，投影方式可构造为单通道背投影形式也可构造为单通道正投影形式；本系统使用超大视场角的鱼眼镜头，所述鱼眼镜头的全视场角α的范围为220°≤α≤300°，可将一个特定物场投射到一个连续的像场上，像场具有与球面幕相同的形状，像场能够有效覆盖球面幕球心角β为270°±30°的范围，且能够在除去预留圆形开孔之外的全部球面幕区域范围形成清晰影像；所述鱼眼镜头幕方零视场像距与最大视场像距称最短像距与最长像距，则最长像距与最短像距之比值为Γ，Γ具有取值区间，Γ的取值区间是1≤Γ≤1.74；为了更充分的说明本发明，可结合附图实施例对本发明作进一步说明。

见图1所示的一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统的背投影方式。该球型显示系统包括硬件子系统A和软件子系统B两部分。本实施例所述的硬件子系统A，具有电脑主机A1，该电脑主机A1与数字投影机A2建立数字信号连接，与扬声器A3建立连接，在所述的数字投影机A2上安装超大视场角鱼眼镜头A4，对应超大视场角鱼眼镜头A4的上方设置球面幕A5，所述球面幕A5、电脑主机A1与数字投影机A2均安装在物理支撑基座A6上，所述扬声器A3设置于物理支撑基座A6内部，以及其他功能性辅助设施(图中未给出)，构成硬件子系统A的配置。本实施例的软件子系统B，由系统控制单元B1和特定音视频文件单元B2构成。所述系统控制单元B1通过有线或无线通信与电脑主机A1连接，用于控制系统播放的影像内容和音频内容，也可根据具体需要控制“人机交互”内容，以实现最佳视听效果与诸多特定功能，其控制方式包括有线控制和无线控制；所述特定音视频文件单元B2是指符合要求的音视频源文件。本实施例中的球型显示系统，投影方式为单通道背投影形式，观众在球面幕A5外部观看。

本实施例中，所述的硬件子系统A中的球面幕A5是一种具有银幕光学特性的球面，球面幕A5所具有的球心角β的范围为270°±30°，且球面幕A5上具有一圆形开孔，该球面幕A5可以是拼接组合而成的，也可以是经浇注成型无缝的，所述球面幕A5置于物理支撑基座A6上。因为投影方式为单通道背投影方式，所以，球面幕A5采用透射幕或其他复合有机透明材料构成球幕基材，在基材内表面喷涂有与透射幕具有相同光学特性的介质，球面幕A5直径为2m，则球面幕A5半径R＝1m，球面幕A5的对称轴与数字投影机A2的光轴、鱼眼镜头A4的光轴重合。进一步地，所述鱼眼镜头A4应按照“物”--“像”非相似原理和有限距离共轭成像原则进行设计，保证球面幕A5的面构成的“像面”和数字投影机A2芯片上之有效区域构成的“物面”形成完整光学共轭映射，根据球面幕A5的实际尺寸和有效区域、球面幕A5与鱼眼镜头A4之间的特定位置关系、数字投影机A2的引擎数据、数字投影机A2的芯片数据等信息，设定畸变规律，合理设置包括幕方视场角在内的各种光学技术指标，并合理控制镜头其他像差，确保球面幕A5面上的像质满足要求。

系统中鱼眼镜头A4的全视场角α的范围是220°≤α≤300°，鱼眼镜头全视场角α＝220°可满足最长像距和最短像距之比值Γ＝1.74的系统需要，鱼眼镜头全视场角α＝300°可满足Γ＝1的系统需要；而在1＜Γ＜1.74范围内，根据系统需要计算鱼眼镜头A4的视场角度值α；所述球面幕A5球心角β、鱼眼镜头A4全视场角α、最长像距和最短像距之比值Γ三者满足如下数学关系：

$\mathrm{\Γ}=\sin (180-\frac{\mathrm{\α}}{2})\[\frac{1+\cos (180-\frac{\mathrm{\β}}{2})}{\sin (180-\frac{\mathrm{\β}}{2})}-ctg(180-\frac{\mathrm{\α}}{2})\]$

该关系式和球面幕A5半径无关，确定了β、α、Γ三者中任两个量值，则可求解出第三个量值。

本实施例采用“等立体角投影”畸变模式，采用3lcd类型数字投影机，本实施例设定球面幕A5球心角β为280°，鱼眼镜头A4的出瞳位置位于球幕球心下0.2m处，则鱼眼镜头A4的视场角α为约263°，此时“最长像距和最短像距之比值”Γ约为1.40∶1。

图2给出了超大视场角鱼眼镜头的光学结构图。根据“物”--“像”非相似原理、有限距离共轭成像原则以及上述给定条件设计形成的满足系统像质要求的鱼眼镜头A4的一种光学结构示意图。该光学结构可以实现最大300°的超大视场角α，该结构沿着光轴的方向，由数字投影机芯片的后端到球面幕的前端，依次排列第一透镜组21、孔径光栏22、第二透镜组23、第三透镜组24、第四透镜组25；其中，第一透镜组21，由第一透镜211和第二透镜212经胶合构成胶合透镜对，具有正光焦度，用于平衡其余各透镜组的像差，增加后工作距离，提高整个像场的照度均匀性；第二透镜组23，主要用于平衡光阑球差，含有3片透镜，分别为第三透镜213、第四透镜214、第五透镜215，且第四透镜214和第五透镜215经胶合构成胶合透镜对；第三透镜组24，主要用来平衡象散、场曲及色差，并控制最大透镜的口径，由第六透镜216和第七透镜217两透镜经胶合构成胶合透镜对；第四透镜组25含有3片透镜，包括，第八透镜218、第九透镜219、第十透镜220，上述三片透镜皆具有负光焦度，则第四透镜组25具有极负光焦度，用以增加镜头在像场方向的出射角，制造足够大负畸变和足够大的光阑慧差；所述孔径光栏22设置在靠近第一透镜组21和第二透镜组23之间；光学结构中的所有透镜通光工作面均为标准球面。

图2所示光学结构还可以进行调整和变化，各个透镜组的具体透镜数量及是否引入胶合透镜对，可以根据所采用的数字投影机引擎类型及芯片规格的不同、工程的实际性能指标要求和像差平衡要求而确定。在本实施例中，所述物理支撑基座A6，可以采用金属或非金属材料，用来支撑球面幕A5、电脑主机A1、数字投影机A2、扬声器A3及其他功能性辅助设施等，在装有扬声器A3位置处开小孔阵列以利于声波透过。在本实施例中，其他功能性辅助设施可选择升降平台、移动平台、互动控制器件、互联网功能组件之一种或几种。

本实施例根据图1软件子系统B中具有音视频文件单元B2，所述音视频文件单元B2的视频文件需要进行预置变形处理，即，把正常不变形的原始图像的像素排列方式按特定畸变规律进行二维坐标转换，使球面幕A5上能显示符合人眼观看习惯的图像，如所输入的视频文件原始图像像素坐标系为直角坐标系，其中横轴为x轴，纵轴为y轴，直角坐标系上某个点的坐标为(x，y)，转换后的坐标系为极坐标系ρ(半径坐标)和θ(极角)，ρ坐标表示与极点的距离，θ坐标表示按逆时针方向坐标距离0°极轴的角度，极轴就是在平面直角坐标系中的x轴正方向，片源的制作应考虑镜头畸变所带来的影响，θ不同的点所对应的畸变因子τ_θ也不尽相同，两个坐标系之间的关系应为：ρ＝x²+y²，x＝τ_θρcosθ，y＝τ_θρsinθ。

图3给出了显示系统的视频文件图像坐标转换示意图。显示面为球形时，通过极坐标变换，将原始图像上对应点进行极坐标变换，再将像素颜色信息进行映射。显示面为特殊图形时，利用异形面映射关系对原始画面进行处理，经投影后得到与显示面重合的画面。在本实施例中，软件子系统B中所涉及系统控制单元B1的有线控制方式包括有线键盘控制、有线鼠标控制和触摸屏控制，无线控制方式的无线频率在200MHz-6000MHz范围内。

本发明中，通过少量调节所述鱼眼镜头A4的轴向位置，便可改变镜头光学共轭距离，使显示系统能够适应直径尺寸范围是0.4m-3m的球面幕A5，通过改变鱼眼镜头A4的视场角及距离球面幕A5球心的距离，便可以产生不同的“最长像距和最短像距之比值”Γ，而维持该比值始终保持在1≤Γ≤1.74范围内。

图4给出了与图1不同的实施例，它与图1所不同的是，在图1超大视场角鱼眼镜头A4的基础上增加最大视场角α至300°。超大视场角鱼眼镜头A4的出瞳位置设置于球面幕A5的球心处，此时“最长像距和最短像距之比值”Γ＝1。当“最长像距和最短像距之比值”Γ＝1或接近1时，该球型显示系统的正投影方式特别适合用来构建球幕影院或游戏厅，可以为观众营造出大面积的观影区域。

图5给出了显示系统的投影方式为单通道正投影形式的结构示意图。球型显示系统以单通道正投时，观众在球面幕A5内部观看。球面幕A5采用反射幕，直径范围在3m-20m。该投影方式的球型显示系统中的其他功能性辅助设施(图中未给出)可选择动感座椅、健身器材、模拟座舱、娱乐设施、风雨环境模拟装置、互动控制器件、互联网功能组件中之一种或几种。为了合理布置球面幕A5内各种功能性辅助设施，便于观众观看以及防止阻挡光路，可适当对数字投影机A2位置进行调整，而使得数字投影机A2光轴适当偏离球面幕A5对称轴，包括，相对于球面幕A5对称轴来说数字投影机A2光轴的平移或旋转。当然，该方式的投影，还可以通过结合单机立体技术，在球面幕A5上产生立体影像。该系统的其他基础结构构成与背投影方式保持一致。本发明中，所涉及的一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统中的球面幕A5的球面形状可以替换为近似球面的其他面型，如椭球面、抛物面等等；所述球面幕A5的对称轴可根据不同使用情况而与水平方向保持不同的夹角。

本发明的显示系统能够设计为用于不同的应用。在一类应用中，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，球面幕A5给观看者提供一个印象，即它是行星的比例模型。球面幕A5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，如果将其放置在观看大厅，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。在另一类应用中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。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。另外，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。在显示系统设计成用于消费者市场的情况下，产品产量可能很大，而制造成本必须较低。

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，包括投影机与超大视场角鱼眼镜头的组合是水平的、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，投影机是幻灯机、电影投影机或数字视频投影机，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机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，或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。

Claims (14)

1.一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征是，投影方式可构造为单通道背投影形式也可构造为单通道正投影形式；本系统使用超大视场角的鱼眼镜头，所述鱼眼镜头的全视场角α的范围为220°≤α≤300°，可将一个特定物场投射到一个连续的像场上，像场具有与球面幕相同的形状，像场能够有效覆盖球面幕球心角β为270°±30°的范围，且能够在除去预留圆形开孔之外的全部球面幕区域范围形成清晰影像；所述鱼眼镜头幕方零视场像距与最大视场像距称最短像距与最长像距，则最长像距与最短像距之比值为 具有取值区间，的取值区间是球型显示系统，包括硬件子系统A和软件子系统B。

2.根据权利要求1所述的一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述球型显示系统的投影方式为单通道背投影形式时，观众在球面幕外部观看；球型显示系统的投影方式为正投影形式时，观众在球面幕内部观看。

3.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述球面幕是一种具有银幕光学特性的球面，球面幕所具有的球心角β的范围为270°±30°，且球面上具有一圆形开孔，该球面可以是拼接组合而成的，也可以是经浇注成型无缝的，所述球面幕置于物理支撑基座上；为单通道背投影方式时，球面幕采用透射幕或其他复合有机透明材料构成球幕基材，在基材内表面喷涂有与透射幕具有相同光学特性的介质，球面幕直径范围在0.4m-3m；为单通道正投影方式时，球幕上的圆形开孔，可在该开孔基础上平滑连接观众或其他辅助设施进入的更一般形状的开孔，所述球面幕可采用辅助龙骨结构挂载软质反射幕，反射幕也可采用其他硬质基材，再在该球面内部喷涂与反射幕具有同等光学特性的介质，球面幕直径范围在3m-20m。

4.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，选择正投影或是背投影任一投影方式时，所述鱼眼镜头均按照″物″--″像″非相似原理和有限距离共轭成像原则进行设计，使球面幕面构成的″像面″和投影机芯片上之有效区域构成的″物面″形成完整光学共轭映射，根据球面幕实际尺寸和有效区域、球面幕与鱼眼镜头之间的特定位置关系、投影机引擎数据、投影机芯片数据信息，设置畸变规律，合理设置包括视场角在内的各种光学技术指标，并合理控制镜头其他像差，满足球面幕上像质的要求；

所述鱼眼镜头全视场角α的范围是220°≤α≤300°，鱼眼镜头全视场角α＝220°可满足最长像距和最短像距之比值的系统需要，鱼眼镜头全视场角α＝300°可满足的系统需要；而在范围内，根据系统需要计算鱼眼镜头的视场角度值α；所述球面幕球心角β、鱼眼镜头全视场角α、最长像距和最短像距之比值三者满足如下数学关系：

该关系式和球面幕半径无关，确定了β、α、三者中任两个量值，则可求解出第三个量值；

选择正投影或是背投影任一方式，所述鱼眼镜头的光学结构具有以下基本特征，沿着光轴的方向，由数字投影机芯片的后端到球面幕的前端，依次排列设置第一透镜组、孔径光栏、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组；其中，第一透镜组，含有1-5片透镜，含有至少一个胶合透镜对，具有正光焦度，用于平衡其余各透镜组的像差，增加后工作距离，提高整个像场的照度均匀性；第二透镜组，含有0-3片透镜，可含有一个胶合透镜对，主要用于平衡光阑球差；第三透镜组，含有1-3片透镜，可含有一个胶合透镜对，主要用来平衡象散、场曲及色差，并控制最大透镜的口径；第四透镜组含有3-5片透镜，可含有一个胶合透镜对，具有极负光焦度，用以增加镜头在像场方向的出射角，制造足够大负畸变和足够大的光阑慧差；所述孔径光栏设置在靠近第一透镜组和第二透镜之间；光学结构中的所有透镜通光工作面均为标准球面；各个透镜组的具体透镜数量及是否引入胶合透镜对，可以根据所采用的数字投影机类型及规格的不同、工程的实际性能指标要求和像差平衡要求而确定。

5.根据权利要求1所述的一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述硬件子系统A，包括内置式服务器或电脑主机A1，该内置式服务器或电脑主机A1与数字投影机A2建立数字信号连接，以及与扬声器A3连接，在所述数字投影机A2上安装鱼眼镜头A4，对应鱼眼镜头A4的上方设置球面幕A5，所述球面幕A5、内置式服务器或电脑主机A1与数字投影机A2均安装在物理支撑基座A6上，所述扬声器A3置于物理支撑基座A6内部，以及其他功能性辅助设施。

6.根据权利要求1所述的一种基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述软件子系统B，包括系统控制单元B1和特定音视频文件单元B2；所述系统控制单元B1通过有线或无线通信方式与内置式服务器或电脑主机A1连接，用于控制系统播放的影像内容和音频内容；所述特定音视频文件单元B2为符合要求的音视频源文件。

7.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述硬件子系统A中的物理支撑基座，其材料为金属或非金属制成，用来支撑球幕、数字投影机及其他功能性辅助设施。

8.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述硬件子系统A中的其他功能性辅助设施，可选择升降平台、移动平台、互动控制器件、互联网功能组件、动感座椅、健身器材、模拟座舱、娱乐设施、风雨环境模拟装置中之一种或几种，应根据投影方式及实际需求的不同进行配置。

9.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述软件子系统B中，选择单通道正投影或是单通道背投影任一方式，音视频文件单元的视频文件需要进行预置变形处理，即，把正常不变形的原始图像的像素排列方式按特定畸变规律进行二维坐标转换，使球面幕上能显示符合人眼观看习惯的图像，所输入的视频文件原始图像像素坐标系为直角坐标系，其中横轴为x轴，纵轴为y轴，直角坐标系上任一个点的坐标为(x，y)，转换后的坐标系为极坐标系ρ-径坐标和θ-极角，ρ-径坐标表示与极点的距离，θ-极坐标表示按逆时针方向坐标距离0°极轴的角度，极轴就是在平面直角坐标系中的x轴正方向，片源制作考虑镜头畸变的影响，θ-极坐标不同的点所对应的畸变因子τ_θ也不尽相同，两个坐标系之间的关系应为：ρ＝x²+y²，x＝τ_θρcosθ，y＝τ_θρsinθ。

10.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述软件子系统B中的有线控制方式，包括有线键盘控制、有线鼠标控制、触摸屏控制，所述的无线控制的无线频率在200MHz-6000MHz范围内。

11.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，选择单通道正投影方式或是单通道背投影任一方式，硬件子系统A中，均通过少量调节所述鱼眼镜头的轴向位置，改变镜头共轭距离，使显示系统能够适应直径尺寸不同的球面幕显示面，并通过改变鱼眼镜头的视场角及镜头距离球面幕球心的距离，可产生不同的″最长像距和最短像距之比值″而维持该比值始终保持在范围内。

12.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，选择单通道正投影方式或是单通道背投影任一方式，硬件子系统A中，其球面幕的球面形状可以替换为近似球面的其他面型，如椭球面、抛物面；所述球面幕的对称轴可根据不同使用情况而与水平方向保持不同的夹角。

13.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述投影方式为单通道正投影方式时，为满足合理布置球面幕内各种功能性辅助设施、便于观看、防止阻挡光路的目的，可适当对所述数字投影机位置进行调整，数字投影机光轴可适量偏离球面幕对称轴，而且，相对于球面幕对称轴来说，数字投影机光轴可做平移或旋转调整。

14.根据权利要求1所述的基于超大视场角鱼眼镜头的球型显示系统，其特征在于，所述投影方式为单通道正投影方式时，通过结合单机立体技术，增加必要立体显示技术要素，而可以在球面幕上产生立体影像。