專利名稱：一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立體影視光學(xué)系統(tǒng)。
立體影視系統(tǒng)可分為有鏡(特殊眼鏡)式和無鏡式兩大類型。有鏡式是大家最熟悉的，一般包括偏振分光法、分色法、時(shí)分法和空分法，它們必須依靠佩戴特制的眼鏡并與顯示裝置相配合才能使影像產(chǎn)生雙眼視差而形成立體感，因其使用不太方便而不易被大眾普遍接受，而無鏡式立體影視裝置因使用自然、方便、有強(qiáng)烈的真實(shí)感、適合集體觀看而受到人們的廣泛關(guān)注。目前無鏡式立體影視技術(shù)發(fā)展情況主要有柵條法、激光投射法和全息法等幾種。柵條法所提供的立體影像觀看范圍窄小、遮光的柵條使光能利用效率降低，無多大實(shí)用價(jià)值；全息法雖然可以顯示較好的立體影像，但本身的特性使之在電視領(lǐng)域暴露出許多缺點(diǎn)應(yīng)說明的是全息(平面全息)成像與立體影視在技術(shù)上有著較大的差別，一般來說全息術(shù)包括波前記錄和再現(xiàn)兩個(gè)方面；波前記錄是由物光波(透射光或散射光)和參考光波(激光)相干涉而在平面記錄材料上形成干涉條紋，它包括了物光波的振幅和相位信息，這種條紋非常精細(xì)，不容易被實(shí)時(shí)、快速和直接地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，另外，由于其對(duì)相干光光程差的敏感性，為防止記錄過程中干涉條紋的運(yùn)動(dòng)，避免全息圖條紋對(duì)比度下降，全息記錄裝置必須固定在防震臺(tái)上，這對(duì)電視攝像的實(shí)時(shí)性和移動(dòng)靈活性顯然不太合適，即使是使用很高速度的快門，當(dāng)然在這里并不排除用攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集而形成計(jì)算機(jī)全息圖。而全息圖的再現(xiàn)一般是指計(jì)算機(jī)全息圖，其復(fù)雜的算法和慢速的輸出設(shè)備極大地制約了信息的傳遞和成像的實(shí)時(shí)性，且用大尺寸的液晶板作屏幕成本高、再現(xiàn)光能的利用效率低。還有一種就是激光投射立體圖，可在高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉面所形成的空間中顯示簡單的立體圖形，優(yōu)點(diǎn)是主觀亮度高，其缺點(diǎn)是成像速度慢，圖像呈線條狀，影像有透明感，不能呈現(xiàn)廣闊的影視場景，激光對(duì)眼睛直接構(gòu)成傷害，設(shè)備復(fù)雜、機(jī)械磨損大，壽命短。其它還有一些三維成像技術(shù)，一般用于商品、文物的展示，適合顯示一些單個(gè)物體及窄場景的立體圖像，屬于實(shí)物顯示的范疇，無法真正實(shí)現(xiàn)寬場景的立體影視效果特別是異地傳送的實(shí)時(shí)立體影像。縱觀這些立體影視系統(tǒng)之所以未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，其重要原因之一是試圖使用少量的圖像信息和簡單的方法去構(gòu)成復(fù)雜的立體畫面，而回避立體影像龐大的信息量給系統(tǒng)帶來的巨大壓力，沒有形成一套切實(shí)可行的系統(tǒng)解決方案。如今要制作不戴眼鏡的立體影視系統(tǒng)，必須正視自然規(guī)律，正視巨大的立體影像信息量給系統(tǒng)制作帶來的困難。對(duì)于今后的立體影視系統(tǒng)來說，既要有別于現(xiàn)今的雙眼視差成像的簡單方法，又要有技術(shù)的延展性(運(yùn)用成熟的圖像處理技術(shù)并與其發(fā)展方向相適應(yīng))和成像的實(shí)時(shí)性，兼容現(xiàn)今的平面顯示模式，成本適中，容易商品化。這種影視系統(tǒng)從不同的觀察角度可看到景物不同的層面，正是因?yàn)橛芯薮蟮牧Ⅲw圖像信息量作為保證。
本發(fā)明的目的即在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種立體影像效果好，臨場感強(qiáng)，觀看時(shí)不需佩戴特制眼鏡的準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，它光能利用效率高，可做成背投、反射式正面投影和大屏幕、寬場景，外型可與普通電視相似；兼容性好，用軟件控制的方法可以方便地兼容現(xiàn)今的平面顯示模式和產(chǎn)生一些特殊的顯示效果；屏幕結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易制作；投影系統(tǒng)隨著技術(shù)的進(jìn)步有很強(qiáng)的可升級(jí)性，還要便于信息的采集、存儲(chǔ)、壓縮和傳輸。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，由立體成像屏幕和立體成像投影器兩大部分組成，立體成像屏幕主要包括垂直擴(kuò)散屏和二次傅里葉變換透鏡；垂直擴(kuò)散屏，它是將許多長條形凹或凸半柱狀微透鏡按水平方向均勻、緊密排列于一張光學(xué)塑料板上構(gòu)成，也可以用許多細(xì)棒(圓柱)狀透明材料單層緊密平鋪于兩片玻璃板中而成，也可為塑料薄膜光柵，使用時(shí)其柱狀鏡軸線呈水平狀態(tài)，齒紋可為凹、凸半圓柱面狀或棒狀，亦可為非半圓柱面狀(如雙曲面或橢圓曲面狀)，使立體投影器從各個(gè)角度投射來的光線在通過屏幕時(shí)產(chǎn)生垂直方向的均勻散射，而不改變光的水平傳播方向(光束的定向擴(kuò)散)，讓屏上像素點(diǎn)的光上下方向均勻散射，使觀察者在觀察區(qū)域不同高度處均能見到屏上的圖像；二次傅里葉變換透鏡，它使用了一張菲涅耳凸透鏡，其大小與垂直擴(kuò)散屏相同，垂直擴(kuò)散屏的凹凸面(齒面)應(yīng)與菲涅耳透鏡齒面緊密貼合；根據(jù)屏幕大小的不同，適當(dāng)選擇菲涅耳凸透鏡的焦距，使之產(chǎn)生一個(gè)合理的放大倍數(shù)，就可以用口徑較小的立體投影器獲得更大觀看范圍的立體場景；
立體投影器，使用了多個(gè)普通投影器，將每個(gè)投影鏡頭的有效出射光瞳均做成垂直線狀，且使它們?cè)谒椒较蚓o密排列為一列或等效水平排列為一列，對(duì)立體成像屏幕同時(shí)進(jìn)行投影，并且所有投影均成像于屏幕相同矩形區(qū)域，做到上下左右和邊緣對(duì)齊、中心重疊；驅(qū)動(dòng)各投影器的圖像信號(hào)分別是按抽樣定理對(duì)景物(或計(jì)算機(jī)虛擬3D圖形)攝取的空間位置相鄰的立體相關(guān)圖像序列，并使每個(gè)投影器投射到屏幕上的像都為正立的實(shí)像，投影器陣列中的圖像排列順序與實(shí)際拍攝時(shí)的左右順序相反。
所述的立體投影器為多目式虛擬線狀光瞳立體投影器電光變換器件用普通透射式光閥，也可以用反射式光閥，將任一單目投影器的投影鏡頭之有效出射光瞳敞露開來(先假設(shè)光閥有理想的光調(diào)制特性，即無光的散射現(xiàn)象)，由線狀發(fā)光源發(fā)出的光線通過旋轉(zhuǎn)光盒、導(dǎo)光組件、照明校正器、聚光鏡等的處理后在投影鏡頭處形成線狀光斑(虛擬線狀光瞳)，這個(gè)光斑在旋轉(zhuǎn)光盒、導(dǎo)光組件的協(xié)同作用下在投影鏡頭最外端作水平方向的不斷掃描移動(dòng)，當(dāng)掃描頻率足夠快時(shí)，其一個(gè)敞開出射光瞳的投影器等效為由許多垂直線狀光瞳投影器所組成。
因立體影像信息量很大，在本裝置中使用的光閥必需要有很高的速度和較小的光散射，采用多組投影器同時(shí)工作將有效降低對(duì)光閥速度的要求。
通過上面的敘述可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)它可以將演出現(xiàn)場的物光波場“搬移”到觀眾家中，準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎與信息處理系統(tǒng)配合可以構(gòu)成完整的無鏡式立體影視顯示終端，適合制作立體PC顯示器和立體影視顯示裝置(如立體電視)，該光學(xué)引擎方案簡單，制作較為容易，繼承了現(xiàn)今圖像處理的成熟技術(shù)，能很好的適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展，立體影像效果好，臨場感強(qiáng)，可以有大的視場角和無限遠(yuǎn)的景深，觀看時(shí)不需佩戴特制眼鏡，偏移頭部使眼睛一高一低時(shí)不會(huì)看到雙影而產(chǎn)生眩目感，適合進(jìn)入家庭；光能利用效率高，可做成背投、反射式正面投影和大屏幕、寬場景，外型可與普通電視相似；兼容性好，用軟件控制的方法可以方便地兼容現(xiàn)今的平面顯示模式和產(chǎn)生一些特殊的顯示效果(只需要將送到各個(gè)投影位置上的像全部由相同的像替代即可，這只與軟件有關(guān)，光學(xué)系統(tǒng)本身不需作任何變換)；屏幕結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易制作；投影系統(tǒng)隨著技術(shù)的進(jìn)步有很強(qiáng)的可升級(jí)性。因采用對(duì)立體信息垂直視差分量的最小化(由垂直擴(kuò)散屏實(shí)現(xiàn))，成像端所再現(xiàn)的物光波場變?yōu)闇?zhǔn)物光波場，系統(tǒng)信息量大幅下降，便于信息的采集、存儲(chǔ)、壓縮和傳輸。


圖1a為垂直擴(kuò)散屏正視圖，圖1b為垂直擴(kuò)散屏側(cè)視2為光線通過垂直擴(kuò)散屏示意3為立體成像屏幕結(jié)構(gòu)4為多目式虛擬線狀光瞳立體投影系統(tǒng)俯視5為反射式光閥投影系統(tǒng)側(cè)視6為光路俯視圖下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述在幾何光學(xué)中，主要考慮光的振幅分布情況，物體所在空間參考平面上任意一點(diǎn)的光波場分布可以由理想小孔和小孔后面的像的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系來等效，即參考平面上任一點(diǎn)的光出射具有水平和垂直各向異性；而因雙眼的水平分布特性，可以舍去垂直方向的圖像視差，立體影像則可以由許多連續(xù)的小孔所組成的一水平窄縫和各小孔后面對(duì)應(yīng)的像來近似，在成像端則由這些小孔投影圖像與屏幕的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系經(jīng)空域變換后還原為物體空間的準(zhǔn)物光波場分布，此時(shí)所看到的影像與物體所在空間相似，有真實(shí)立體感，只是因屏幕尺寸大小不同而比例不同(將物空間的光波場“搬”到了觀察者家中)。從以上敘述可以看出立體影像可以由一列組成水平窄縫的連續(xù)小孔與這些小孔投射圖像的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系來構(gòu)成?；谏鲜鏊悸罚O(shè)計(jì)出了由水平投影陣列和垂直擴(kuò)散屏及二次傅里葉變換器組成的立體影視光學(xué)引擎，即將一組空間相關(guān)圖像序列用多個(gè)水平連續(xù)排列的水平空間域受限的垂直窄縫式光瞳投影器從不同角度同時(shí)或分時(shí)對(duì)立體成像屏幕進(jìn)行投影而合成物空間的光波場或虛擬物景波場，由單個(gè)投影器(普通投影器)投射出的寬度等于投影器投影鏡頭出射光瞳水平尺寸的光線會(huì)聚(成像)于垂直擴(kuò)散屏(本制作運(yùn)用投影器的重要原因是其擁有出射光的矢量屬性)，光在垂直方向上被屏幕上水平排列的柱狀透鏡均勻散射后出射，而水平方向并不改變傳播方向。此時(shí)垂直擴(kuò)散屏上任意一點(diǎn)的出射光在水平方向上由所有投影器從各自的方位投射來并自然交會(huì)后發(fā)出，若各投影器投向屏上任一點(diǎn)的光的強(qiáng)弱、色彩各不相同，則垂直擴(kuò)散屏上任意一點(diǎn)的出射光具有水平各向異性和垂直各向同性。水平各向異性是攜帶立體信息的基礎(chǔ)，而垂直各向同性使立體信息量大幅度降低，且不影響觀看的立體效果。最后，所有投影圖像還要經(jīng)過菲涅耳透鏡進(jìn)行第二次傅里葉變換(簡稱二次傅里葉變換，投影鏡頭為第一次圖像分組傅里葉變換)，使從各投影器發(fā)出的光線分別會(huì)聚在觀察參考平面之水平方向?qū)?yīng)位置的規(guī)定寬度內(nèi)，形成多條緊密排列的垂直亮帶(波場)，亮帶的寬度越窄，合成波場的精度越高，但在一定的水平尺度內(nèi)所使用的投影器數(shù)量也需要越多，這時(shí)屏幕上的出射光在觀察參考平面近域空間合成了物空間的光波場分布，其觀看可用區(qū)域?qū)挾仍酱?，投影?shù)亦應(yīng)越多。
本系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可將其分為立體成像屏幕1和立體投影器兩大部分，立體成像屏幕由垂直擴(kuò)散屏2和二次傅理葉變換透鏡所組成。
如圖1所示，圖1a為垂直擴(kuò)散屏正視圖，圖1b為垂直擴(kuò)散屏側(cè)視圖，垂直擴(kuò)散屏2是將許多長條形凹或凸半柱狀微透鏡按水平方向均勻、緊密排列于一張光學(xué)塑料板上構(gòu)成，它的加工方法亦很簡單，如用透明光學(xué)塑料(PMMA等)板或薄膜經(jīng)熱模壓后成型，也可由光學(xué)塑料直接熱擠壓產(chǎn)生，成本低，可根據(jù)實(shí)際需要(屏幕尺寸、形狀)裁剪成不同大小供使用。亦可用許多細(xì)棒(圓柱)狀透明材料單層緊密平鋪于兩片玻璃板中而成?？墒褂矛F(xiàn)有的塑料薄膜光柵，但與普通薄膜光柵有所區(qū)別(1)使用時(shí)齒紋軸線呈水平狀態(tài)；(2)作為屏幕使用；(3)齒紋可制成凹、凸半圓柱面狀或棒狀，亦可制成非半圓柱面狀(如雙曲面或橢圓曲面狀)，且對(duì)齒紋寬度無嚴(yán)格限制；(4)載體厚薄不限；(5)可應(yīng)用于透射型和反射型立體成像屏幕。其作用是使立體投影器從各個(gè)角度投射來的光線在通過屏幕時(shí)產(chǎn)生垂直方向的均勻散射，如圖2所示，而不改變光的水平傳播方向(光束的定向擴(kuò)散)，讓屏上像素點(diǎn)的光上下方向均勻散射，使觀察者在觀察區(qū)域不同高度處均能見到屏上的圖像。從各個(gè)方向投射過來的光線在垂直方向上的擴(kuò)散角大小由影響柱狀透鏡焦距的材料折射率、柱狀透鏡的曲率半經(jīng)和曲面弧長來決定。而擴(kuò)散角的大小決定著光能的利用效率即影像的主觀亮度和觀看區(qū)域的上下觀看范圍，擴(kuò)散角大則主觀亮度低但上下觀看范圍寬，擴(kuò)散角小主觀亮度高而上下觀看范圍窄，應(yīng)合理選取。當(dāng)擴(kuò)散角足夠大時(shí)，投影器在垂直方向上的安裝位置可任意確定，即投影器具有垂直方向安裝位置的無關(guān)性(投影器可等效水平排列)，一般光學(xué)塑料薄板的折射率約為1.5左右，由此可見要改變擴(kuò)散角的大小，應(yīng)主要采用加工不同曲率半經(jīng)和弧長的柱狀鏡的方法來解決。條形柱狀鏡在屏上應(yīng)制作得多一些、細(xì)一些為好，這樣，不僅可以使柱狀鏡本身的尺寸不影響投影影像的像素尺寸，還可以分割像素，使圖像更細(xì)膩，但也并不是越多越好，一是制造難度增加，二是太細(xì)的柱狀鏡會(huì)有光的干涉現(xiàn)像產(chǎn)生(由米氏散射可知，只有當(dāng)散射條半經(jīng)r遠(yuǎn)大于入射光波長λ時(shí)，散射現(xiàn)象才與波長無關(guān))。實(shí)驗(yàn)中采用了多條直徑為0.31毫米的棒狀透明材料緊密平鋪在玻璃板上制成的屏幕即已獲得了很好的影像質(zhì)量。從任意角度觀看普通平面圖像，像總在平面上的固定位置處，不管在任何方向觀察其像素的主觀亮度不變，無立體感可言，這是因?yàn)槠辽系拿恳粋€(gè)像素點(diǎn)的出射光，遵從余弦發(fā)射規(guī)律以球面立體角向外均勻散射，為光發(fā)射各向同性，甚至連屏幕的后面光強(qiáng)亦同樣高，不僅無法形成立體圖像，且屏幕后方和側(cè)面的光能全部浪費(fèi)而得不到充分利用。而本系統(tǒng)投射到屏上的光線被有效地控制在規(guī)定角度范圍內(nèi)，屏幕側(cè)面和后方?jīng)]有光線射出，一是能源利用效率高、電源消耗省，影像亮度提高；二是機(jī)內(nèi)無雜散光干擾(指背投)，圖像背景更加干凈。
見圖3所示，二次傅里葉變換透鏡使用了一張菲涅耳凸透鏡3，其大小與垂直擴(kuò)散屏2相同，一般有塑料薄片和薄膜兩種。根據(jù)屏幕大小的不同，適當(dāng)選擇菲涅耳鏡的焦距，使之產(chǎn)生一個(gè)合理的放大倍數(shù)，就可以用口徑較小的立體投影器獲得更大觀看范圍的立體場景，這可以使立體投影器的體積小型化，有利于生產(chǎn)、安裝和降低成本。垂直擴(kuò)散屏凹凸面(齒面)應(yīng)與菲涅耳透鏡齒面緊密貼合，并將四周粘固密封，防止灰塵進(jìn)入，大尺寸的屏幕應(yīng)裝入堅(jiān)固的框架內(nèi)以防走樣。在背投式立體影視系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，屏幕的放置方向應(yīng)是菲涅耳透鏡在內(nèi)垂直擴(kuò)散器在外，這樣做的效果一是美觀，二是合成波面的失真最??；若放反了位置，則合成波面將產(chǎn)生一定的枕形畸變。
值得一提的是，普通大屏幕背投電視機(jī)的屏幕部位亦采用了菲涅耳透鏡，其作用是為提高光能的利用效率而使投射到屏幕上的光線聚積到屏幕前方較大的觀看區(qū)域，從理論上講出射光線為平行光，投影鏡頭位于菲涅耳透鏡的物方焦平面上。而本系統(tǒng)中菲涅耳透鏡與上述屏幕中的菲涅耳透鏡在作用上有著本質(zhì)的區(qū)別第一、作二次傅里葉變換，投影器投影鏡頭位于菲涅耳透鏡物平面上，出射光線將精確會(huì)聚于觀察參考平面上之指定位置處，當(dāng)只有一個(gè)投影器發(fā)光時(shí)(可以用一個(gè)燈泡演示)，用一普通屏幕置于觀察參考平面處可形成一條預(yù)定寬度的清晰的垂直亮帶或亮線，眼睛只有在這個(gè)亮帶內(nèi)才能看到立體屏幕上滿屏的圖像。第二、有效的利用了菲涅耳透鏡的放大作用，從而減小了投影陣列的水平總尺寸，使立體投影器體積的小型化得以實(shí)現(xiàn)。第三、在觀察區(qū)域內(nèi)主觀亮度分布均勻。上述是透射式背面投影立體成像屏幕的結(jié)構(gòu)；若制作反射式正面投影立體成像屏幕時(shí)，應(yīng)在垂直擴(kuò)散屏2齒面部位鍍一層反光膜再與菲涅耳凸透鏡3貼合。要特別說明的是反射式投影系統(tǒng)對(duì)觀看環(huán)境中其它雜散光源有嚴(yán)格的限制，否則會(huì)在屏幕上產(chǎn)生豎條形光斑而干擾正常畫面；本制作將主要圍繞透射式背面投影立體影視屏幕和系統(tǒng)進(jìn)行。理論和實(shí)踐證明，在犬視角的影視系統(tǒng)中能得到更好的立體影像效果，故應(yīng)優(yōu)先采用水平尺寸寬大的屏幕。屏幕立體成像性能的驗(yàn)證用一水平透光窄縫(等效為立體投影器)與屏幕拉開一定距離后將自然景物成像于屏幕處(其距離決定像的大小)，或用一孔徑稍大的凸透鏡將自然景物投射到屏幕上成像，此時(shí)可在屏幕的另一端觀察到清晰、縮小的景物立體倒像，并且感覺不到屏幕的存在。
如圖4所示，圖4用普通透射式光閥(已包括起偏器和驗(yàn)偏器)作電光變換器件，立體投影器使用了多個(gè)普通投影器，將每個(gè)投影鏡頭12的有效出射光瞳13均做成垂直線狀(設(shè)垂直線狀光闌)，且使它們?cè)谒椒较蚓o密排列為一列或等效水平排列為一列，對(duì)立體成像屏幕1同時(shí)進(jìn)行投影，并且所有投影均成像于屏幕相同矩形區(qū)域，做到上下左右和邊緣對(duì)齊、中心重疊；驅(qū)動(dòng)各投影器的圖像信號(hào)分別是按抽樣定理對(duì)景物(或計(jì)算機(jī)虛擬3D圖形)攝取的空間位置相鄰的立體相關(guān)圖像序列，并使每個(gè)投影器投射到屏幕上的像都為正立的實(shí)像，投影器陣列中的圖像排列順序與實(shí)際拍攝時(shí)的左右順序相反。立體投影器為多目式虛擬線狀光瞳立體投影器，電光變換器件用普通透射式光閥4，也可以用反射式光閥5，將任一單目投影器的投影鏡頭12之有效出射光瞳13敞露開來(不設(shè)垂直線狀光闌，先假設(shè)光閥有理想的光調(diào)制特性，即無光的散射現(xiàn)象)，由線狀掃描光源中的線狀發(fā)光源14發(fā)出的光線通過旋轉(zhuǎn)光盒11、導(dǎo)光組件6、照明校正器10、聚光鏡8等的處理后在投影鏡頭12處形成線狀光斑9(虛擬線狀光瞳)，這個(gè)光斑在旋轉(zhuǎn)光盒11、導(dǎo)光組件6的協(xié)同作用下在投影鏡頭12最外端作水平方向的不斷掃描移動(dòng)，當(dāng)掃描頻率足夠快時(shí)，其一個(gè)敞開出射光瞳的投影器等效為由許多垂直線狀光瞳投影器所組成，見圖6，其光路有兩套共軛系統(tǒng)，一套是由普通透射式光閥4、投影鏡頭12和屏幕組成，另一套由旋轉(zhuǎn)光盒11、導(dǎo)光組件6、聚光鏡8組成，線狀掃描光源由旋轉(zhuǎn)光盒11和導(dǎo)光組件6構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)光盒11內(nèi)部使用了數(shù)量與立體投影器目數(shù)相同的透鏡組，中心有線狀發(fā)光源14，在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以使光能聚焦在導(dǎo)光組件6輸入端圍成的光源共軛旋轉(zhuǎn)圓環(huán)7上，在導(dǎo)光組件輸出端可形成多組余輝時(shí)間非再常之短的高亮度線狀掃描光源，彎曲導(dǎo)光組件可使其輸出端與多種立體投影器相匹配。還可以在投影器與屏幕之間放入平面反射鏡來折疊光路以改變二者的相對(duì)位置，近一步縮小立體影視系統(tǒng)整機(jī)體積。上述的導(dǎo)光組件6由許多一定厚度的光學(xué)塑料或玻璃薄片鍍上反光膜(兩個(gè)端面不鍍)后疊合而成或用光纖組合而成。光輸入端分布于旋轉(zhuǎn)光盒11的共軛旋轉(zhuǎn)圓環(huán)7處，輸出端分組緊密排列在各投影器照明校正器10上，光源旋轉(zhuǎn)共軛圓環(huán)7上排列的導(dǎo)光片端面在相鄰導(dǎo)光組件之間留有一定的間隙即暗阱15，暗阱15使掃描的光源給光閥4提供一個(gè)照明間隔時(shí)間，用來使光閥上的圖像從本目(分組)最后一幀的最后一行刷新回到最前一幀的最后一行而完成光閥圖像的準(zhǔn)備過程，這是由構(gòu)成光閥材料的物理慣性所確定的，它應(yīng)等于或大于光閥的幀響應(yīng)時(shí)間，在這個(gè)準(zhǔn)備周期內(nèi)圖像是不會(huì)被傳遞到屏幕上的(這個(gè)位置可以用來制作夾持導(dǎo)光組件的固定裝置)。旋轉(zhuǎn)光盒11內(nèi)透鏡組的數(shù)量與投影器的目數(shù)是相同的，若使用多個(gè)凸透鏡為一組，則應(yīng)使靠近發(fā)光源的這只主凸透鏡離光源盡量近一些，這樣可以用小尺寸的透鏡和透鏡組得到最大的光能利用率，使旋轉(zhuǎn)光盒的體積小、重量輕；所有主凸透鏡應(yīng)切制成合適的方形或長方形，圍繞發(fā)光源緊靠成一圈，也可用內(nèi)部開有棱形通孔的玻璃圓球來替代以便減少光盒中元件數(shù)量并使其容易安裝定位。微調(diào)副凸透鏡的位置，可以使光能聚焦在導(dǎo)光片輸入端圍成的光源共軛旋轉(zhuǎn)圓環(huán)7上。采用多路透鏡組和線狀光源組成共軛旋轉(zhuǎn)光盒的原因有四點(diǎn)第一、高速掃描的圖像信息在每目投影鏡頭出射光瞳的不同位置隨掃描光斑的不斷運(yùn)動(dòng)相應(yīng)地變化，但位置不同的圖像不能相互疊加，否則會(huì)使立體影像產(chǎn)生重影(近景和遠(yuǎn)景部位的像差大重影亦大，中景部位的像差小重影亦小)，所以必需使照明光源在位置移動(dòng)后的余輝時(shí)間非常之短；第二、光源在某一位置處的停留時(shí)間很短，為獲得足夠的主觀亮度，線狀光源(此處指導(dǎo)光片光輸出端)自身的輸出光強(qiáng)必須很高。顯然，熒光粉類的光源因余輝時(shí)間不可能做得非常之短，LED類的亮度還無法滿足要求(若LED的亮度足夠，這種掃描光源的結(jié)構(gòu)將非常簡單，立體投影器結(jié)構(gòu)將大為簡化)；第三、考慮到光源的同一性；若用多個(gè)光源分別照射各組投影器，則各光源在使用中會(huì)因制造的差異和老化速度不同而有色溫和亮度的離散，勢(shì)必使合成波場不均勻而影響立體影像的整體質(zhì)量。第四、此方案的投影器位置固定、體積小，安裝和維護(hù)方便，并有利于將來光源的升級(jí)換代。導(dǎo)光片起旋轉(zhuǎn)光盒光學(xué)共軛圓弧面到投影器照明位置的光能耦合(傳遞)作用，目的是將光源沿投影中心外緣運(yùn)動(dòng)的掃描方式通過導(dǎo)光片的連接過渡變換為光盒共軛光斑旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的循環(huán)掃描方式。顯然，單片導(dǎo)光片的厚度應(yīng)小于輸入端線狀光斑的水平尺度，薄一些的導(dǎo)光片組合好后在光輸出端形成的照明光斑更加精細(xì)。為什么要在其上鍍反光膜呢？因?yàn)閷?dǎo)光組件是層與層疊放在一起的，中間沒有空氣間隙，不能滿足n2＞n1的全反射臨界條件，所以采用了在薄片上鍍反光膜的方法，一是防止導(dǎo)光片之間的光線相互串?dāng)_，二是提高導(dǎo)光片的光能傳遞效率；薄片可使用軟或硬的透明光學(xué)材料制作，當(dāng)然軟性的材料容易彎制成合適的形狀。亦可以在導(dǎo)光片的輸入和輸出端面上鍍?cè)鐾改みM(jìn)一步提高光能的傳輸效率，實(shí)際上將光纖經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗罂商娲鷮?dǎo)光組件。導(dǎo)光片輸出端的輸出光可看成是輸入光在材料上激發(fā)的子波源經(jīng)多次反射傳遞后形成，其發(fā)散角較大，光能有所損失。在此處應(yīng)加入照明校正裝置，使通過其上不同位置處的掃描光源產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)，讓出射中心一直指向光閥中心，它可由半柱狀菲涅耳透鏡構(gòu)成，其目的是提高光源能量的利用效率。投影器盒內(nèi)部其它非光學(xué)部件則應(yīng)一律消雜光處理。發(fā)光源，從理想的情況來考慮光源的形狀應(yīng)是一條非常細(xì)的絲狀，但實(shí)際上這種高功率的光源是不存在的，一般成品的線狀光源有螺旋形的熱絲，也有氣體放電的高壓冷光源，當(dāng)它們豎直放置時(shí)，其發(fā)光部分在水平方向上總有一定的尺度，如果這個(gè)尺度太大將使投影鏡頭處的光斑水平尺寸增大，即是說虛擬線狀光瞳尺寸增大，它是立體影像產(chǎn)生重影的重要因素，故應(yīng)盡量地采用發(fā)光部分直徑細(xì)小一些的光源，以便將重影控制在眼睛能夠察覺到的限度以內(nèi)。光源共軛點(diǎn)處的能量密度較大，若光盒停止轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)光材料等可能帶來物理上的損害如變形、變質(zhì)、燃燒等，故需要設(shè)置光盒停轉(zhuǎn)和啟動(dòng)保護(hù)裝置，保證只有在光盒轉(zhuǎn)動(dòng)正常時(shí)光源才能開啟；還應(yīng)設(shè)置隔熱、散熱裝置和熱保護(hù)裝置等，選用阻燃材料制作光盒并考慮熱膨脹帶來的影響。
圖5則用反射式光閥(如LCOS，其對(duì)偏振光的利用效率高、彩色化容易、速度快)作電光變換器件，圖5是根據(jù)對(duì)稱性原理將圖4光路折疊后形成，在用LCOS(Liquid Crystal On Silicon)作光閥器件時(shí)，聚光鏡用一片短焦菲涅耳透鏡16貼在LCOS的ITO玻璃上，它對(duì)入射光線進(jìn)行了兩次會(huì)聚變換，其作用是雙倍的，但這種菲涅耳透鏡需要有較高的精細(xì)程度以保證對(duì)光閥圖像引起的失真最小。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，其特征在于由立體成像屏幕(1)和立體成像投影器兩大部分組成，立體成像屏幕主要包括垂直擴(kuò)散屏(2)和二次傅里葉變換透鏡；垂直擴(kuò)散屏它是將許多長條形凹或凸半柱狀微透鏡按水平方向均勻、緊密排列于一張光學(xué)塑料板上構(gòu)成，也可以用許多細(xì)棒(圓柱)狀透明材料單層緊密平鋪于兩片玻璃板中而成；也可為塑料薄膜光柵，使用時(shí)其柱狀鏡軸線呈水平狀態(tài)，齒紋可為凹、凸半圓柱面狀或棒狀，亦可為非半圓柱面狀(如雙曲面或橢圓曲面狀)；二次傅里葉變換透鏡它使用了一張菲涅耳凸透鏡(3)，其大小與垂直擴(kuò)散屏(2)相同，垂直擴(kuò)散屏(2)的凹凸面(齒面)應(yīng)與菲涅耳透鏡(3)齒面緊密貼合；立體成像投影器使用了多個(gè)普通投影器，每個(gè)投影鏡頭(12)的有效出射光瞳(13)均為垂直線狀，它們沿水平方向緊密排列為一列或等效水平排列為一列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，其特征在于所述的垂直擴(kuò)散屏(2)可用于透射型和反射型立體成像屏幕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，其特征在于所述的垂直擴(kuò)散屏(2)為塑料薄膜光柵時(shí)齒紋寬度無嚴(yán)格限制，載體厚薄也不用限制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，其特征在于所述的立體投影器為多目式虛擬線狀光瞳立體投影器電光變換器件用普通透射式光閥(4)，也可以用反射式光閥(5)，將任一單目投影器的投影鏡頭(12)之有效出射光瞳(13)敞露開來(先假設(shè)光閥有理想的光調(diào)制特性，即無光的散射現(xiàn)象)，由線狀掃描光源中的線狀發(fā)光源(14)發(fā)出的光線通過旋轉(zhuǎn)光盒(11)、導(dǎo)光組件(6)、照明校正器(10)、聚光鏡(8)等的處理后在投影鏡頭(12)處形成線狀光斑(9)(虛擬線狀光瞳)，這個(gè)光斑在旋轉(zhuǎn)光盒(11)、導(dǎo)光組件(6)的協(xié)同作用下在投影鏡頭(12)最外端作水平方向的不斷掃描移動(dòng)，當(dāng)掃描頻率足夠快時(shí)，其一個(gè)敞開出射光瞳的投影器等效為由許多垂直線狀光瞳投影器所組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，其特征在于所述的線狀掃描光源由旋轉(zhuǎn)光盒(11)和導(dǎo)光組件(6)構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)光盒內(nèi)部使用了數(shù)量與立體投影器目數(shù)相同的透鏡組，中心有線狀發(fā)光源(14)，在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以使光能聚焦在導(dǎo)光組件(6)輸入端圍成的光源共軛旋轉(zhuǎn)圓環(huán)(7)上，在導(dǎo)光組件輸出端可形成多組余輝時(shí)間非常之短的高亮度線狀掃描光源，彎曲導(dǎo)光組件可使其輸出端與多種立體投影器相匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，其特征在于所述的導(dǎo)光組件(6)由許多一定厚度的光學(xué)塑料或玻璃薄片鍍上反光膜(兩個(gè)端面不鍍)后疊合而成或用光纖組合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，其特征在于所述的立體成像屏幕(1)和立體投影器之間可以放入平面反射鏡來折疊光路以改變二者的相對(duì)位置，進(jìn)一步縮小立體影視系統(tǒng)整機(jī)體積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)波場合成無鏡式立體影視光學(xué)引擎，它與信息處理系統(tǒng)配合可構(gòu)成完整的無鏡式立體影視顯示終端，適于制作無鏡式立體PC顯示器和立體電視，該光學(xué)引擎由立體成像屏幕1和立體成像投影器兩大部分組成，本發(fā)明方案簡單，立體影像效果好，臨場感強(qiáng)，可以有大的視場角和無限遠(yuǎn)的景深，觀看時(shí)不需佩戴特制眼鏡，可兼容現(xiàn)有平面顯示模式，屏幕成本低，投影系統(tǒng)隨著技術(shù)的進(jìn)步有很強(qiáng)的可升級(jí)性。
文檔編號(hào)G03B35/00GK1405623SQ0213398
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2002年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月29日
發(fā)明者薛虎玲 申請(qǐng)人:薛虎玲