单人球幕的投影光路设计和研究

摘要

单人球幕系统是近年来兴起的一种投影技术，基于大空间立体角的观影球幕与多媒体技术，可实现画面视角大、分辨率高、沉浸感强等特点，给使用者带来印象深刻的观影体验，可应用在科教、娱乐、模拟仿真、远程控制、城市规划等领域。此外单人投影球幕系统具备系统成本低廉、结构简单、移植性好的特点，具备广阔的商业前景。国内在该领域的研究较少。相较大型球幕系统，单人球幕投影系统有两大设计难点：小型球幕的近距离投影显示成像和水平180°的大视场。
　　本文通过研究单人球幕投影系统的相关理论，提出从光路优化方面实现球幕投影系统的小型化。根据拟定的设计目标（水平180°视域，竖直100°视域，平均像素分辨率不高于3arcmin/pixels，像素分布均匀），本文分别对正投和背投两种球幕系统进行了分析研究。对于背投球幕系统，先根据设计目标明确以柱幕为基础的异形幕参数，并合理设定通道数量和投影仪的位置。据此，采用二维几何构造法计算得到投影反射镜面的参数。根据已有参数，利用三维建模软件和 TracePro通过建模仿真验证方案设计的合理性。对于普通正投系统（竖直视域50°），重新设计了结构模型，经与背投系统相同的方法进行了光路设计和仿真验证，初步固定了系统参数。根据计算仿真得到的参数加工了自由曲面反射镜和接收屏幕，搭建了正投球幕测试系统并进行性能测试。分别从图像清晰度、亮度和对比度三个方面对系统投影性能进行了评价，对于成像质量采用客观评价和主观评价两种方式，客观评价得到光学系统传递函数的截止频率为37lp/mm，并进行了基于人眼特性的主观成像质量评价，经测试投影成像屏幕照度可到达746.44lux，对比度达到382:1。对于沉浸感更强的大视角情形（水平180°视域，竖直100°视域）。通过计算仿真给出了双自由曲面反射系统的结构方案。针对单人球幕系统中典型的两种投影方式给出了系统设计方案，并搭建测试了反射式系统。结果表明，单人球幕采用投影反射方式完成了近距离成像的同时，对成像范围进行了均匀放大，并简化了系统结构，降低了系统成本，完成了设计目标、达到了设计要求。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 发展现状及需求

1.3 本文研究内容概述

第二章 理论基础

2.1 球幕投影

2.2 投影仪工作原理

2.3 图像的评价

2.4 自由曲面设计方法介绍

2.5 几何光学基本定理

2.6 本章小结

第三章 背投球幕系统的系统设计与仿真

3.1 投影仪的选择与测试

3.2 建立初始结构

3.3 反射镜的设计

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

第四章 小型正投球幕系统的系统设计与实验

4.1 小型正投球幕系统的设计与仿真分析

4.2 实验与测试

4.3 本章小结

第五章 大视角正投球幕系统设计与仿真

5.1 系统结构

5.2 反射镜的设计

5.3 仿真分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

附录