[发明专利]一种裸眼3D投影屏幕及裸眼3D投影系统

说明书

技术领域

本发明涉及3D投影屏技术，尤其是涉及一种裸眼3D前投影屏幕及一种裸眼3D背投影屏幕，以及采用上述屏幕的裸眼3D投影系统。

背景技术

    正常的人都是用双眼来辨认三维空间的物体的，在观看空间某个对象时，人的双眼就从左右两边稍有差别的角度进行观察，由于存在角度上的偏差，反映在大脑中就会产生“立体视觉”，两个画面组合在一起，便产生立体感，从而能够判断物体的前后关系，这种被观察的物体在人的左右眼视网膜上所形成的像的差异就是双眼视差。视差的产生对立体视觉的形成起着非常重要的作用。

目前实现视差式3D显示的主流方法有两种：眼镜式和裸眼式。眼镜式的3D显示技术发展的已经很成熟，但是佩戴眼镜不方便，不能模拟真实的立体观察场景，因而裸眼式的3D显示技术成为科学工作者研究的热点。本领域中熟知的裸眼3D投影屏幕技术主要基于视差屏障技术或柱面透镜光栅技术。

    中国专利CN 101013201A提到了一种利用单面柱透镜实现裸眼3D显示的技术，见图1。此专利中提出了实现裸眼3D显示的柱面透镜的特征：柱面镜的节距与待显示图像的像素尺寸有关，节距是待显示图像像素尺寸的整数倍；待显示图像位于柱面镜的后焦面上。在投影系统中，由于投影距离远，导致投影到屏幕上的像素大，对应的柱透镜101的宽度和曲率半径也变大，厚度102也相应增大。另一方面，由于该微柱透镜板一面是平面，另一面是圆柱形面，在设计过程中，为了使立体观察视区连续，必须加大透镜的厚度102，见图2，其原因是：在相同的曲率半径下，对于同一轴外物点205，较小的微柱透镜厚度201比较大的厚度202分开光线的偏折角要大，对于轴外物点205和轴上点206，较小厚度微柱透镜201在接收屏幕上两主光线之间的距离203要比较大厚度透镜间距204的大，其子视区距主视区较远。柱透镜板一般通过注塑或热压印等方法加工而成，厚度的增加加大了加工难度。

另外，为了分开不同像素的光线，单曲面微柱透镜必须减小透镜的曲率半径，这就加大了微柱透镜间清根的难度。图3是柱透镜间的理想清根001和实际清根002比较图。清根的难易程度与柱透镜表面301曲率半径有关，当柱透镜的曲率半径较小时，不容易彻底清根，这样就容易增加图像的串扰，影响立体显示质量。单曲面微柱透镜仅仅依靠单个曲面起到折光的作用，它的曲率半径比达到同样折射效果的双曲面微柱透镜的曲率半径要小。此外，单个曲面不易控制图像的球差和畸变等像差，影响了成像质量。

中国专利CN 101702057A提到了一种带聚光柱面光栅的自由立体显示器，见图4。它包括平板显示器501、聚光柱面光栅502和分光柱面光栅屏503三部分。聚光柱面光栅502位于平板显示器501和分光柱面光栅屏503之间，用来聚集子像素发出的光，分光柱面光栅503用来将不同视差图发出的光线分离开。由于加了聚光柱面透镜，该发明明显提高了可视角度和光能利用率。不过，该发明中需要两组透镜板，结构重复，增加了加工、装配工艺流程和成本。。此外，此发明是针对平板显示领域，光线从平板显示器入射，穿过光栅一次，不属于投影显示领域。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于表面双凸微柱透镜板的裸眼3D投影屏幕以及一种裸眼3D投影系统。

所述立体投影屏幕主要分为两个部分：第一表面双凸微柱透镜板，漫射层和第二表面双凸微柱透镜板。第一表面双凸微柱透镜板用于将投影仪投出的带有水平视差的图像像素分开折射到漫反射层上，经过漫射层的漫射和第二表面双凸微柱透镜板的折射分别进入人的左右眼。漫射层在第一表面双凸微柱透镜板与第二表面双凸微柱透镜板之间，具体地，位于第一表面双凸微柱透镜板的后焦面，位于第二表面双凸微柱透镜板的前焦面上。

本发明表面双凸微柱透镜板的两侧均是由多列微凸柱透镜组成，各微凸柱透镜呈垂直状，并紧密水平排列，每个微柱透镜对每台投影机的对应的几列像素起作用。表面双凸微柱透镜两侧表面可以分别采用球面设计，也可以采用非球面设计，或者是两者的结合，具体形式依据实际约束条件而定。考虑到校正像差等因素，表面双凸微柱透镜板两侧微凸柱透镜的曲率半径不一定完全对称，但两侧微凸柱透镜的节距是相同的，并且是一一对应的，一侧微凸柱透镜的正后背侧是对应的另一个微凸柱透镜，这样投影仪投射来的对应像素的光线经过一对微凸柱透镜的作用后再返回到观察者的位置。微凸柱透镜的节距是投影像素大小的整数倍，本文所述的节距是指单个微凸柱透镜的水平宽度。