大于180度投影图像的方法和系统 对临时申请的交叉引用
本申请要求2001年3月29日提交的、题目为Methods and Systemsfor Projecting Images at Greater than 180 degrees、系列号60/279912的临时申请的优先权，所述申请的公开内容通过引用被包括在本文中。
【发明背景】
本发明涉及光学投影系统和方法，更详细地说，涉及半球形光学投影系统和方法。
浸没式虚拟环境在诸如模拟、显像和空间设计等领域具有多种应用。许多这类系统的目的就是为观众提供一个完整的球形(180°×360°)图像。为达到这个目的，通常在复杂性和成本之间需权衡取舍。利用后投影的全浸没式系统通常采用围绕显示表面设置的多个投影器。但这些系统需要有效的对准和维护，包括边缘混合和色彩匹配。这些系统也很昂贵，而且需要比显示表面平均大一倍的空间。多投影器前投影环境一般不需要后投影环境的额外空间，但通常不能获得相同的浸没水平，而且仍会有同样的成本和对准问题。单投影器前投影环境可能成本较低，也更易对准，但这些系统不能向观众提供大于170°的视野(FOV)，因为观众需位于投影器地后面。例如，如图1所示，处于具有大约170°投影角的投影器后面的观众所获得的有效FOV大约为125°。
发明概述
根据本发明的一些实施例，光学投影系统包括配置成产生图像像素阵列的图像源。透镜组件配置成将所述图像像素阵列以大于180°的投影角投影到表面上。这使位于光学投影系统后面的观众可以获得全半球视野，即至少180°的视野。
透镜组件还可以配置成将所述图像像素阵列这样投影到表面上、使得相邻的投影像素之间有恒定的角距。此外，透镜组件可将图像像素阵列投影到不同半径的半球表面等上。
在本发明的各种实施例中，图像源可以包括阴极射线管，场致发射器阵列和/或任何其它二维图像阵列。图像源也可以包括数字光处理(DLP)单元、液晶显示(LCD)单元和/或硅上液晶(LCOS)单元。
在本发明的一些其它实施例中，透镜组件可以包括广角透镜组件和图像中继组件，所述图像中继组件配置成在图像源和广角透镜组件之间对图像像素阵列进行光学中继。在本发明的特殊实施例中，广角透镜组件可以包括衍射光学元件，所述衍射光学元件配置成既提供色彩校正又提供更高次波前成形。
在本发明的另外一些实施例中，光学投影系统可以包括具有内表面的圆拱顶。透镜组件可以配置成将图像像素阵列以大于180°的投影角投影到圆拱顶的内表面上。
例如，为了提供浸没效果，本发明的其它实施例可以包括：两个图像源，它们配置成产生第一和第二图像像素阵列；以及两个透镜组件，它们配置成分别将第一和第二图像像素阵列以大于180°的投影角且彼此相反的方向投影到表面上。第一和第二图像像素阵列的组合可以覆盖半球表面的连续的360°部分。
虽然以上主要是对本发明的系统和/或装置的实施例作了说明，但应理解本发明可以以光学投影方法的形式来实现。
附图的简要说明
当结合附图阅读对本发明具体实施例的详细说明后，就可更容易地理解本发明的其它特征，附图中：
图1是说明以小于180°的投影角投影图像像素阵列的传统光学投影系统的简图；
图2A和2B是说明按照本发明以大于180°的投影角投影图像像素阵列的光学投影系统和方法的方框图；
图3是可以用于按照本发明的一些实施例的以大于180°的投影角投影图像像素阵列的光学投影系统和方法中的图像源和透镜组件实施例的示意图；
图4是说明按照本发明一些实施例的、以240°的投影角投影图像像素阵列以便为观众提供全半球视野的光学投影系统的简图；以及
图5是说明按照本发明一些实施例的、包括双图像源和透镜组件的、以240°的投影角投影图像像素阵列以便为观众提供360°的视野的光学投影系统的简图。
最佳实施例的详细说明
虽然本发明可以有各种修改和变化形式，但是以下将通过附图中实例的示出本发明的具体实施例并且对其进行详细说明。但应理解，决不应将本发明限制于所公开的特定形式，相反，本发明应覆盖符合权利要求书所定义的本发明的精神和范围的所有修改、等效物和供选择的方案。在所有附图说明中，相同的标号代表相同的元件。
现参考图2A和2B，说明按本发明一些实施例的具有投影像素恒定角距的可倾斜光学投影系统。光学投影系统10投影图像像素阵列12，所述图像像素阵列在相邻像素之间有恒定的角距(如角θ所示)，角距θ在相邻像素12a到12n之间是恒定的。此外，光学投影系统10配置成以大于180°的投影角投影图像像素阵列12。如图2A和2B所示，光学投影系统10将具有恒定角距的图像像素阵列12投影到截头半球圆拱顶20的内表面20a上。大于180°的投影系统10可以称为F-θ逆远距照相透镜，其中f为透镜的焦距，θ为投影角。虽然此处用将图像像素投影到半球表面来说明本发明的实施例，但是应理解可以使用任何屏幕表面，包括(但不限于)超半球表面和椭圆表面。
采用维持相邻像素之间恒定角距的方法，光学投影系统10可以将低失真图像投影到不同半径的圆拱顶上，如表面20’所示。按照本发明的一些实施例，半径为4到8米的圆拱顶都是适应的。为了用恒定角距来维持低失真，光学投影系统10可以安装在圆拱顶内表面20a的中心，以便辐射式地将图像像素阵列12投影到圆拱顶内表面上。
仍参考图2A和2B，光学投影系统10的一些实施例还包括用于使图像像素阵列12倾斜或瞄准的装置、以便光学投影系统10把像素阵列投影到圆拱顶内表面20a的多个可选择的位置上。例如，如图2A和2B所示，投影光学元件14可以利用枢轴18作为旋转轴安装在底座16上。底座16位于圆拱顶20的地面24上。枢轴18可以提供在一个平面内或在多个平面内的以枢轴为中心的旋转。本专业的技术人员通常已熟知枢轴18的设计，不需赘述。
借助于包括倾斜或瞄准装置，光学投影系统10可以以天象仪的投影方式垂直向上投影，如图2A所示，或者在影剧院的投影位置上以不垂直的角度(例如45°)投影，如图2B所示。通常，以图2A所示的天象仪方式投影时，观众区22在投影系统10四周。而以影剧院方式投影时，观众区22’通常在光学投影系统10的后面，而且将观众区22’抬高，以使观众能看到在他们前面的全部视野。这样，可以提过不同的观众布置。
圆拱顶20可以建造成便携式并易于组装和拆卸。圆拱顶20的示范实施例在转让给本申请的受让人的、题目为“Multi-pieced，Portable Projection Dome and Method of Assembling the Same”的美国专利5724775中作了说明，所述专利公开的内容已作为参考包括在本文中。
下面参考图3说明按照本发明一些实施例的可用在以大于180°投影角投影图像像素阵列的光学投影系统10中的透镜组件30。透镜组件30包括图像中继透镜组件32和广角透镜组件34，二者均设置在图像像素阵列的通路中。这样配置透镜组件30、以便以大于180°投影角投影图像像素阵列。图像像素阵列由图像源36产生。根据本发明的各种实施例，图像源36可以是阴极射线管、场致发射器阵列或任何其它二维图像阵列。图像源还可以包括数字光处理(DLP)单元、液晶显示(LCD)单元和/或硅上液晶(LCOS)单元。图像像素阵列可以由供投影灰度图像的单光路形成、由供投影彩色图像的单光路形成或通过组合单独的红、绿和蓝光路而形成，如转让给本申请的受让人的、题目为“Tiltable Hemisphere Optical Projection Systems andMethods Having Constant Angular Separation of Projected Pixels”的美国专利号5762413(以下称为“413专利”)中所说明的，所述专利公开的内容已作为参考包括在本文中。
广角透镜组件34包括透镜组件38、波前成形透镜组件42和弯月形透镜组件44。波前成形透镜组件42可以包括衍射光学元件46，后者根据要提供的视野进行色彩校正和/或更高次的波前成形。波前成形透镜组件42和弯月形透镜组件44的示范实施例在413专利中作了详细说明。
传统的逆远距照相投影系统可呈现通用特性，即：由于光学和机械元件所占用的空间，后焦距(即透镜组件中的透镜和图像源之间的最远距离)比有效焦距(即具有与透镜组件相同的光学特性的理论单元件透镜的焦距)要长。有利的是，按照本发明的一些实施例，图像中继透镜组件32(包括透镜48和52)在图像源36和广角透镜组件34之间中继图像像素阵列。在靠近广角透镜组件34的中间图像平面上图像像素阵列的色散类似于图像源36附近的图像像素阵列中的色散。有利的是，这样可以使后焦距和有效焦距间的矛盾减少。
参考图4，图中示出按照本发明一些实施例的光学投影系统60，它以大于180°的投影角将图像像素阵列投影到半球形圆拱顶结构62的内表面上。光学投影系统60可以按照以上根据图2和图3所说明的实现。如图4所示，光学投影系统60以大约240°的投影角投影图像像素阵列。有利的是，这样可以使位于光学投影系统60后面的观众获得全半球视野，即至少180°的视野。
在图5所示的本发明其它实施例中，光学投影系统70和72(它们中的每一个可以按照以上根据图2和图3所说明的实现)配置成分别以大于180°的投影角将第一和第二图像像素阵列投影到半球形圆拱顶结构74的内表面上。如图5所示，光学投影系统70和72各自以大约240°的投影角分别投影图像像素阵列。光学投影系统70和72所投影的第一和第二图像像素阵列的组合覆盖了连续的360°的半球形圆拱顶结构74的内表面。有利的是，这可使位于两个光学投影系统70和72之间的观众获得无阴影的全360°的视野。
在图4和图5所示的本发明一些实施例中，一个或多个光学投影系统60、70和72可以以大于180°的水平投影角和大约165°的垂直投影角分别投影图像像素阵列。这样的投影可以有效地利用视频显示中常用的4∶3图像纵横比。
可以对最佳实施例作许多变化和修改而基本上不背离本发明的原则。所有这些变化和修改应包括在以下权利要求书所提出的本发明的范围之内。