反射式多路投影立体显示系统的研究

　　1　引　言

　　随着科学技术的发展和生活质量的提高,人们已不满足于现有显示器件的平面显示效果,能够显示立体图像的立体显示系统已成为各国争相研发的课题之一[1]。目前出现的立体显示系统大致可分为两大类,即体现显示系统和自体视显示系统[2—4]。体视显示系统借助于眼镜、头盔等设备可使人的双眼看到不同的视差图,形成立体视觉。自体视显示系统无需其它额外的设备,仅用肉眼就能看到立体图像。由于自体视显示系统的方便性,因此正成为立体显示系统研发的主要方向。

　　自体视显示把带有双眼视差、运动视差等三维视觉信息的图像直接通过眼睛送入人的大脑,经大脑合像形成立体视觉。前人设计出的单体视对的自体视显示系统就是将左右眼视图分别送入人的双眼,以形成立体视觉。该系统的水平和纵深视域太小,观察者只能固定其双眼位于在一个很小的范围内,前后或左右略微移动头部位置就看不到立体图像,不便于观察。此外,该系统不能提供运动视差,因而成像立体感较差。

　　基于单体视对的自体视显示原理,并考虑到大屏幕立体显示的需要,本文设计出了反射式多体视对投影立体显示系统。多体视对可扩大水平和纵深方向的视域范围,形成具有运动视差的立体图像,改善了立体显示的效果。投影方式可以使立体图像增大,立体感加强;反射式投影比透射式投影要节省空间,且屏幕简单。该系统原理较简单,技术性要求较低,可用于产品展示和3D科教等诸多领域。

　　2　柱面栅立体成像原理

　　本文研究的反射式多路投影立体显示系统采用柱面栅作为投影屏幕。现以两体视对投影来说明柱面栅立体成像原理及视域的形成。如图1所示,柱面栅由底板和柱面镜组成。底板位于柱面镜的焦平面上,m1,m2,m3,m4,m5和m6自上而下分别代表6个柱面镜,n1,n2,n3和n4分别代表四路投影单元中的投影物镜。由于柱面镜的尺寸比柱面栅到物镜的距离小得多,由物镜n1上的点A发出的到达柱面镜m2的光可近似认为是平行光,因而点A会成像在底板上的点A′。底板为一漫反射面,像A′会成为一点光源,再经柱面镜m2成像。如图2所示,柱面镜在y方向上使光线会聚,在z方向上不改变光线方向,因而A′发出的光在A处形成一系列的像点而成直线像。A点发出的光经其它柱面镜折射也会形成一条过A点的直线像。因此物镜n1上的任一点经柱面栅的折射都会形成一条平行于柱面栅条且过该点的垂直直线像,即物镜n1成像在包含n1的一条垂直带内。各物镜经柱面栅成像在并排的一列垂直带内。人眼在垂直带内都能看到对应物镜投到柱面栅上所成的像,而看不到相邻物镜所投出的像,因此这些物镜像带等效于虚拟的“体视眼镜”,只要双眼位于这些虚拟“眼镜”的后方,就会分别看到不同视差图的像,从而产生立体感,如图3所示。