專利名稱：多視點(diǎn)三維圖像系統(tǒng)的圖像顯示單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維圖像顯示系統(tǒng)，特別是一種具有多視點(diǎn)的三維圖像系統(tǒng)的圖像顯示單元，其中二維和三維圖像是可互換的。
背景技術(shù)：
三維(3D)顯示器可以根據(jù)三維顯示方法、視點(diǎn)、視域條件、觀測條件、觀察者是否配戴輔助眼鏡等等來進(jìn)行分類。雙眼視差廣泛用于讓觀察者識(shí)別立體顯示的圖像。如果觀察者的雙眼接收到從不同角度觀察的圖像，那么觀察者通過大腦的運(yùn)轉(zhuǎn)可以感知到空間感?；诹Ⅲw視覺的識(shí)別，顯示三維圖像的方法一般分為立體顯示和容積顯示。
在立體顯示中，具有雙眼視差的兩個(gè)二維圖像(2D)提供給右眼和左眼，從而立體地識(shí)別到整個(gè)圖像。在立體顯示中，因?yàn)轱@示從雙眼取得的右、左圖像，所以該種立體顯示具有僅能從單一方向上識(shí)別三維圖像的缺點(diǎn)。
在容積顯示中，顯示的立體圖像中的物體是從多個(gè)角度獲取的，從而該容積顯示具有從多個(gè)方向上識(shí)別三維圖像的優(yōu)點(diǎn)。
復(fù)眼圖像顯示法是一種三維圖像顯示方法，該方法是一種顯示從不同方向上獲取的雙眼視差圖像的技術(shù)，并且包括視差全景圖法，凸透鏡法，全影攝影術(shù)或容積圖表(integral photography or volumetric-graph)(IP)法及狹縫掃描法。
其中，IP法不需要額外的用于觀察的眼鏡。同時(shí)，IP法有利于創(chuàng)建三維影像，這是因?yàn)樗梢宰詣?dòng)在期望的位置上獲得立體的影像。使用IP法的顯示器包括一個(gè)微透鏡陣列或針孔透鏡陣列，并廣泛用于多種應(yīng)用系統(tǒng)中，例如醫(yī)療科學(xué)、工程技術(shù)和模擬仿真。
圖1是一個(gè)使用IP法的傳統(tǒng)三維圖像系統(tǒng)(以下，稱為常用系統(tǒng))的示意圖。
參照圖1，該傳統(tǒng)系統(tǒng)包括第一到第三微透鏡陣列111、113、114，以及一個(gè)電視攝像管116。微透鏡陣列將由相機(jī)獲取的圖像轉(zhuǎn)換為三維視頻信號。一個(gè)光學(xué)漫射層112插入到第一和第二微透鏡陣列111和113之間，并連接到那里。第二和第三微透鏡陣列113和114相互隔開一預(yù)定的距離。第一到第三微透鏡陣列111、113、114是蠅眼透鏡。在第三微透鏡陣列114和電視攝像管116之間插入一個(gè)感光層115。
穿過第一到第三微透鏡陣列111、113、114和電視攝像管116的三維視頻信號通過一個(gè)傳輸單元117傳輸?shù)浇邮諉卧?18。從傳輸單元117中傳輸?shù)娜S視頻信號由接收單元118接收，然后傳送到顯示單元120。顯示單元120配置成顯示被傳輸?shù)娜S視頻信號。顯示單元120包括一個(gè)顯示器120a，一個(gè)熒光屏120b和一個(gè)連接到熒光屏120b的第四微透鏡陣列120c。熒光屏120b插入到顯示器120a和第四微透鏡陣列120c之間，并連接在那里。熒光屏120b顯示對應(yīng)于三維視頻信號的圖像。觀察者通過第四微透鏡陣列120c立體觀看顯示的圖像。在熒光屏120b上形成的圖像與通過第一到第三微透鏡陣列111、113、114在電視攝像管116的感光層115上形成的圖像是相同的。第四微透鏡陣列120c具有同第三微透鏡陣列114相同的結(jié)構(gòu)。顯示器120a和第四微透鏡陣列120c的關(guān)系與電視攝像管116和第三微透鏡陣列114的關(guān)系相同。然而，當(dāng)在第四微透鏡陣列120c前觀看熒光屏120b上顯示的圖像時(shí)，觀察者看到了一個(gè)真實(shí)物體的虛擬立體影像。
同時(shí)，模擬或醫(yī)療分析系統(tǒng)需要二維和三維圖像。
但是，上述的傳統(tǒng)系統(tǒng)專門用于實(shí)現(xiàn)三維圖像，以致于不可能選擇實(shí)現(xiàn)二維和三維圖像。因此，傳統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用是非常有限的。
另外，微透鏡陣列提供在同一時(shí)刻的垂直和水平視差，并顯示體積圖像，但必須在一個(gè)微透鏡上記錄一個(gè)物體的完整圖像。因此，就需要研制一種能在一定區(qū)域以標(biāo)準(zhǔn)分辨率顯示一個(gè)物體的完整圖像的顯示裝置，上述區(qū)域?qū)?yīng)于微透鏡的直徑。但是，使微透鏡陣列具有高分辨率是很困難的。
此外，由于微透鏡的間隙可能引起圖像中斷。
而且，在三維圖像實(shí)現(xiàn)過程中，在兩個(gè)微透鏡之間的邊緣處可能會(huì)發(fā)生失真或偏斜，導(dǎo)致三維圖像相互交迭引起重影。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種三維圖像顯示單元，其中使用一種已有的二維圖像顯示系統(tǒng)，并且如果需要，可以顯示二維和三維圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種三維圖像顯示單元，其中二維和三維圖像可相互轉(zhuǎn)換。該三維圖像顯示單元包括一圖像顯示面板，為觀察者顯示二維和三維圖像；和一光學(xué)平板，其設(shè)置在圖像顯示面板之后，并將入射光折射到圖像顯示面板上。
三維圖像顯示單元還可以包括一個(gè)視差障礙平板(parallax barrierplate)，其設(shè)置在圖像顯示面板和光學(xué)平板之間，以便防止光學(xué)平板的圖像顯示到圖像顯示面板上。該視差障礙平板和光學(xué)平板相接觸。
該光學(xué)平板可以按照預(yù)定的角度旋轉(zhuǎn)。
圖像顯示面板可以設(shè)置在一個(gè)虛擬表面，該表面包括一些點(diǎn)，這些點(diǎn)是通過光學(xué)平板的焦點(diǎn)并發(fā)散的光線第一次相互交叉的點(diǎn)。
視差障礙平板可設(shè)置在入射到光學(xué)平板上的光線會(huì)聚的位置上。
圖像顯示面板可能是一塊平的顯示面板。
光學(xué)平板可以是兩個(gè)微透鏡板或一個(gè)微透鏡陣列。這兩個(gè)微透鏡板相互接觸，且微透鏡板的透鏡是相互垂直交叉的。
視差障礙平板可以是LCD面板，柵格陣列平板，或者針孔陣列面板。LCD面板僅在光線會(huì)聚的區(qū)域是透明的。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種三維圖像顯示單元，其中二維和三維圖像可相互轉(zhuǎn)換。該三維圖像顯示單元包括一第一平板顯示裝置，當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，第一平板顯示裝置顯示多視點(diǎn)圖像，并且當(dāng)顯示二維圖像時(shí)，它是透明的；一光學(xué)平板，它折射從第一平板顯示面板入射的光線，且在預(yù)定的方向上提供視差；和一個(gè)顯示單元，當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，它提供一個(gè)視差，這個(gè)視差垂直于由光學(xué)平板使用穿過該光學(xué)平板的光線提供的視差，并且當(dāng)顯示二維圖像時(shí)，顯示相應(yīng)的二維圖像。
第一平板顯示裝置可以是LCD面板，它包括第一和第二偏光鏡及在第一和第二偏光鏡之間設(shè)置的一個(gè)液晶層。第一和第二偏光鏡的偏振狀態(tài)是彼此相反的。
光學(xué)平板是一個(gè)微透鏡板。
顯示單元是第二平板顯示裝置。該顯示單元是LCD面板，它包括第三和第四偏光鏡及在第三和第四偏光鏡之間設(shè)置的一個(gè)液晶層。第三和第四偏光鏡的偏振狀態(tài)是彼此相同的。
顯示單元是LCD面板，該LCD面板與光學(xué)平板相連。該LCD面板包括一個(gè)液晶層和一個(gè)偏光鏡，該偏光鏡在發(fā)光表面具有與第一偏光鏡相同的偏光狀態(tài)。
顯示單元是LCD面板，包括兩個(gè)偏光鏡和一個(gè)液晶層。兩個(gè)偏光鏡的偏光狀態(tài)是彼此相同的。
本發(fā)明能夠使用二維圖像顯示系統(tǒng)選擇性顯示二維和三維圖像。此外，本發(fā)明可以解決顯示用于三維圖像顯示中的特定光學(xué)平板的圖像的傳統(tǒng)問題。從而，本發(fā)明能夠應(yīng)用于各種需要選擇顯示二維和三維圖像的圖像顯示裝置。


參照附圖，通過對示例性的本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他特征及優(yōu)點(diǎn)將更為明顯，圖中圖1是一個(gè)傳統(tǒng)三維圖像系統(tǒng)的截面圖；圖2至圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多視點(diǎn)三維圖像顯示單元的平面圖，其中二維和三維圖像可互換；圖5和圖6是當(dāng)在圖3和圖4的三維圖像顯示單元中設(shè)置了一個(gè)第一光學(xué)平板時(shí)的平面圖，該光學(xué)平板僅在某些區(qū)域中透射入射光線；圖7是當(dāng)點(diǎn)光源發(fā)射的漫射光線入射到圖3的三維圖像顯示單元時(shí)的平面圖；圖8是當(dāng)用一個(gè)交叉微透鏡板(intersection lenticular plate)代替圖3中的微透鏡板時(shí)的平面圖；圖9是當(dāng)用一個(gè)微透鏡陣列代替圖3中的微透鏡板和在微透鏡陣列的焦點(diǎn)處提供一個(gè)第一光學(xué)平板時(shí)的平面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的多視點(diǎn)三維圖像顯示單元的平面圖，其中二維和三維圖像可互換；圖11是當(dāng)?shù)谝豢p隙形成在圖10的視差障礙平板上(LCD面板)時(shí)的正視圖；圖12是當(dāng)?shù)诙p隙形成在圖10的視差障礙平板上(LCD面板)時(shí)的正視圖；圖13是設(shè)置在圖10中的圖像顯示平板(LCD面板)上的第一和第二偏光鏡的偏振方向的截面圖；圖14是設(shè)置在圖10中的視差障礙平板(LCD面板)上的第三和第四偏光鏡的偏振方向的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖，更為全面地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性的實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以表現(xiàn)為多種不同的形式，并且不應(yīng)該看作是限制為這里所提出的實(shí)施例；相反地，提供這些實(shí)施例是為了使所披露的內(nèi)容更為詳盡、完整，同時(shí)將本發(fā)明的原理充分告知本領(lǐng)域技術(shù)人員。附圖中，放大了區(qū)域和層的厚度，使其更為清楚。附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且因此省略了它們的描述。
本發(fā)明提供了一種用于實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)三維圖像系統(tǒng)的圖像顯示單元，該圖象顯示單元通過利用一個(gè)定向照明光源、一或兩個(gè)圖像顯示面板、一個(gè)IP平板、一個(gè)微透鏡板或者一個(gè)視差障礙平板，選擇性顯示二維圖像，即能夠?qū)⒍S圖像與三維圖像互換，反之亦然。
三維圖像系統(tǒng)是下一代的圖像顯示系統(tǒng)，將代替現(xiàn)有的二維圖像系統(tǒng)。目前，大多數(shù)使用者使用二維圖像系統(tǒng)，并且因此，與二維圖像系統(tǒng)不兼容的三維圖像系統(tǒng)投入使用的可能性很小。
考慮到二維圖像系統(tǒng)和三維圖像系統(tǒng)的兼容，三維圖像系統(tǒng)必須能夠使用二維圖像系統(tǒng)的構(gòu)件，例如，攝影系統(tǒng)和圖像顯示面板。三維圖像系統(tǒng)必須能夠?qū)嶋H使用二維圖像系統(tǒng)傳輸方法。并且，圖像顯示面板本身必須能夠?qū)⒍S圖像顯示為三維圖像，反之亦然。
在這些兼容性中，最優(yōu)化的三維成像方式是多視點(diǎn)成像方法，該方法是通過利用特定的光學(xué)平板形成觀看區(qū)域來顯示三維圖像。
在一個(gè)利用液晶顯示器LCD面板作為視差障礙平板的水平視差多視點(diǎn)三維圖像系統(tǒng)情況下，為了二維和三維圖像的兼容，一個(gè)視差障礙平板用作二維圖像顯示面板，并且顯示多視點(diǎn)的最初的顯示屏用作照明光源平板。倘若反復(fù)地用單視點(diǎn)圖像代替多視點(diǎn)圖像來顯示，就能夠顯示二維圖像，但分辨率會(huì)稍微降低。
與此同時(shí)，提供右、左、垂直和水平視差的全視差方法與水平視差方法并非不同。但這種全視差方法必須提供左、右方向與水平、垂直方向的視差。因此，使用二維針孔陣列平板來替代視差障礙平板。二維針孔陣列平板可以由平板LCD制成。因而，二維針孔陣列平板也可以用作圖像顯示面板。但是，在這種情況下，僅有少量的照明光穿過針孔，并且因此使三維圖像變暗。因?yàn)檫@個(gè)原因，當(dāng)使用LCD代替二維針孔陣列平板時(shí)，需要一種非常亮的照明光源。
全視差方法能夠使用一個(gè)微透鏡陣列或兩個(gè)相互垂直的微透鏡板。此時(shí)，通過反復(fù)地顯示單視點(diǎn)圖像就能夠相互轉(zhuǎn)換三維圖像和二維圖像。然而，由于這些平板的存在，圖像顯示面板的分辨率會(huì)下降，視覺效果也會(huì)惡化。然而，可以通過在圖像顯示面板和微透鏡陣列之間或兩個(gè)相互垂直的微透鏡板之間放置視差障礙平板，來解決這個(gè)問題。
為了實(shí)現(xiàn)兼容二維和三維圖像的圖像顯示單元，本發(fā)明提供了一個(gè)圖像顯示單元，其中組合了微透鏡板、視差障礙平板或IP平板，和平行光源或準(zhǔn)平行方向的照明光源。
在使用平板顯示面板的多視點(diǎn)三維圖像系統(tǒng)的情況下，一塊用于形成觀看區(qū)域的特定的光學(xué)平板設(shè)置成與平板顯示面板的前面相接觸。此外，要在一個(gè)間距上顯示的用于多視點(diǎn)圖像的等距定位的像素線設(shè)置成等于攝影機(jī)對應(yīng)于各自多視點(diǎn)圖像的相對位置。在全視差圖象的情況下，一個(gè)微透鏡的等距設(shè)置的多個(gè)像素被收集并設(shè)置成等于攝影機(jī)在一個(gè)像素單元中的相對位置。通過這樣，設(shè)置在各自間距內(nèi)的像素線中的像素或設(shè)置在各個(gè)微透鏡內(nèi)的像素單元中的像素，根據(jù)多個(gè)視點(diǎn)進(jìn)行劃分，從而能夠在觀看區(qū)域中觀察到。
為了兼容二維和三維圖像，圖像顯示面板必須與觀察者相對，用于防止特定的光學(xué)平板導(dǎo)致的分辨率降低。因此，最好在圖像顯示面板之后設(shè)置特定的光學(xué)平板。這樣，二維圖像可以在圖像顯示面板實(shí)際顯示，并且通過像素單元設(shè)置多視點(diǎn)圖像以顯示三維圖像。
如一般的三維圖像系統(tǒng)，即使在圖像顯示面板后提供了特定的光學(xué)平板，由像素單元?jiǎng)澐值亩嘁朁c(diǎn)圖像需要通過在一預(yù)定方向上傳輸對應(yīng)于特定的光學(xué)平板的每個(gè)間距的圖像顯示面板的圖像，根據(jù)多個(gè)視點(diǎn)進(jìn)行分離，從而，最好使用平行光源或準(zhǔn)平行光源代替漫射光源作為照明光源。
圖像顯示面板的位置可以根據(jù)特定的光學(xué)平板的種類和位置而變化。
例如，如圖2所示，當(dāng)該特定的光學(xué)平板是一個(gè)微透鏡陣列時(shí)，優(yōu)選將圖像顯示面板130放置在包含了點(diǎn)90的位置上，在該位置處，在微透鏡陣列132的焦點(diǎn)F會(huì)聚的光線發(fā)散，并且隨后第一次相交。
如圖3和圖4中所示，當(dāng)設(shè)置在圖像顯示面板的后面的特定光學(xué)平板是微透鏡板時(shí)，圖像顯示面板的位置會(huì)關(guān)于光線入射到特定的光學(xué)平板的那個(gè)面而改變。
圖3示出了第一微透鏡板140的透鏡方向與平行光線142相對的情形。
參照圖3，當(dāng)平行光線142入射到第一微透鏡板140的透鏡表面時(shí)，如果構(gòu)成了透鏡表面的每一個(gè)透鏡144的第一焦距f1，即，在每一個(gè)透鏡144的頂點(diǎn)146和該第一微透鏡板140的背面148(即，平行光線142發(fā)射到的表面)之間的距離，是彼此相等的，則平行光線142由每一個(gè)透鏡144折射并會(huì)聚在第一焦點(diǎn)F1，第一焦點(diǎn)F1出現(xiàn)在第一微透鏡板140的背面148上。因?yàn)槠叫泄饩€142會(huì)聚在第一焦點(diǎn)F1，所以平行光線142入射到第一微透鏡板140，并且與構(gòu)成第一微透鏡板140的透鏡144數(shù)量相同的光點(diǎn)出現(xiàn)在第一微透鏡板140的背面148上。在第一微透鏡板140的第一焦點(diǎn)F1會(huì)聚的光線穿過第一焦點(diǎn)F1，又發(fā)散。發(fā)散的光線又相互交叉。包括了發(fā)散的光線第一次交叉的位置P1的第一表面S1以及包括了發(fā)散的光線第二次交叉的位置P2的第二表面S2平行于第一微透鏡板140的背面148。當(dāng)在第一表面S1處布置圖像顯示面板152時(shí)，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以看到整個(gè)圖像顯示面板152，該區(qū)域由在發(fā)散光線的邊界線中最內(nèi)側(cè)的邊界線形成。從而這個(gè)區(qū)域成為一個(gè)觀看區(qū)域。
圖4示出了平行光線142穿過第一微透鏡板140的背面148的情形。
參照圖4，考慮到第一微透鏡板140的配置，平行光線142入射到第一微透鏡板140的情況與其入射到一平面凸透鏡相似。于是，入射到第一微透鏡板140的平行光線142在第二焦點(diǎn)F2會(huì)聚，第二焦點(diǎn)F2與每個(gè)透鏡144的頂點(diǎn)146相隔第二焦距f2。在第二焦點(diǎn)F2處會(huì)聚的光線在穿過第二焦點(diǎn)F2之后再發(fā)散。優(yōu)選的是，在包含了第三點(diǎn)P3的第三表面S3處設(shè)置圖像顯示面板152，在該第三點(diǎn)處，從第二焦點(diǎn)F2發(fā)散的光線第一次交叉。
在圖3和圖4中所示的圖像顯示單元的情況下，第一微透鏡板140的圖像通過圖像顯示面板152與最初的顯示圖像同時(shí)一起顯示。這樣，最初的顯示圖像的質(zhì)量可能會(huì)降低。因此，可以在圖3和圖4的圖像顯示單元中設(shè)置一個(gè)預(yù)定裝置，從而不能看到第一微透鏡板140的圖像。優(yōu)選的是，在圖像顯示面板152和第一微透鏡板140之間設(shè)置該裝置。
該裝置設(shè)置在包含第一微透鏡板140的焦點(diǎn)的表面上。該裝置優(yōu)選地是平的，能夠透射穿過第一微透鏡板140的焦點(diǎn)的光線，并且能屏蔽穿過除了焦點(diǎn)外的其他點(diǎn)的光線。
這樣，可以改變該裝置在圖3和圖4的圖像顯示單元中的位置。
圖5示出了圖3的圖像顯示單元設(shè)置了該裝置的情形，圖6示出了圖4的圖像顯示單元設(shè)置了該裝置的情形。
參照圖5，透射某些入射光線且屏蔽某些入射光線的第一光學(xué)面板154設(shè)置在第一微透鏡板140的背面148上。第一光學(xué)面板154透射穿過第一微透鏡板140的第一焦點(diǎn)F1的光線，而屏蔽除了穿過第一焦點(diǎn)F1以外區(qū)域的入射光線。為了這個(gè)目的，在第一光學(xué)面板154上提供了多個(gè)對應(yīng)于第一焦點(diǎn)F1的光線透射區(qū)域154a。第一光學(xué)面板中除了光線透射區(qū)域154a而剩余區(qū)域154b是光線屏蔽區(qū)域。
當(dāng)?shù)谝晃⑼哥R板140的背面148與平行光線142相對時(shí)，構(gòu)成第一微透鏡板140的每一透鏡144的第二焦點(diǎn)F2與第一微透鏡板140的透鏡表面隔開第二焦距。因此，如圖6所示，優(yōu)選的是，在第一微透鏡板140和圖像顯示面板152之間的包含了第二焦點(diǎn)F2的第四表面S4處設(shè)置第一光學(xué)平板154。在這種情況下，優(yōu)選的是，在第二焦點(diǎn)F2的位置上形成光線透射區(qū)域154a。
當(dāng)?shù)谝还鈱W(xué)平板154僅在一個(gè)方向上提供視差時(shí)，即，當(dāng)?shù)谝还鈱W(xué)平板154的光線透射區(qū)域154a形成為一個(gè)縫隙形狀時(shí)，那么第一光學(xué)平板154就相當(dāng)于上述的視差障礙平板。然而，當(dāng)?shù)谝还鈱W(xué)平板154在水平和垂直方向上提供視差時(shí)，即，當(dāng)?shù)谝还鈱W(xué)平板154提供全視差時(shí)，第一光學(xué)平板154可以相當(dāng)于二維針孔陣列平板或柵格陣列平板。
圖7中示出了在用點(diǎn)光源代替平行光源作為照明光源的情況下微透鏡板和圖像顯示面板的相關(guān)位置。
參考圖7，點(diǎn)光源160設(shè)置成與第一微透鏡板140隔開預(yù)定距離d。關(guān)于從點(diǎn)光源160發(fā)射出來的光線162，透鏡144的第三焦點(diǎn)F3形成為與第一微透鏡板140的背面148隔開預(yù)定的距離d1。于是，在用點(diǎn)光源160作為照明光源的情況下，優(yōu)選地，第一光學(xué)平板154的光線透射區(qū)域154a形成在第三焦點(diǎn)F3處。圖像顯示面板152設(shè)置在通過第三焦點(diǎn)F3發(fā)散的光線彼此第一次交叉的位置上。
在圖3和圖4的圖像顯示單元中，圖像能夠通過交叉、最好是垂直交叉兩個(gè)具有相同光學(xué)特征的微透鏡板的透鏡表面、以全視差方法來顯示。這將在以后描述。
因?yàn)閳D3和圖4的圖像顯示單元具有一個(gè)觀看區(qū)域，不存在與深度感知相反的幻視區(qū)域，但是觀看區(qū)域在遠(yuǎn)離圖像顯示面板152處形成。因而，這在多個(gè)人觀看顯示圖像時(shí)可能不方便。
這種不方便可以通過將平行光線142傾斜地照射在第一微透鏡板140上來解決。即，在平行光線142以預(yù)定的入射角度入射到第一微透鏡板140上的情況下，將透鏡144的焦點(diǎn)與平行光線142的入射角度成比例地向透鏡144移動(dòng)。于是，能夠控制平行光線142傾斜的入射角(或入射角)，使得一個(gè)透鏡114的焦點(diǎn)設(shè)置在相鄰?fù)哥R的中心上。以這種方式，就能夠獲得一個(gè)觀看區(qū)域，該區(qū)域鄰近于由平行光線142提供的觀看區(qū)域。。
在點(diǎn)光源作為照明光源的情況下，通過從多個(gè)方向照射點(diǎn)光源就能夠形成多個(gè)觀看區(qū)域。
將在下面介紹二維圖像和全視差三維圖像通過使用定向照明光源可互換的圖像顯示單元。
參照圖8，圖像顯示單元包括一個(gè)第一微透鏡板140、一個(gè)第二微透鏡板172和一個(gè)圖像顯示面板152。一個(gè)定向照明光170入射到第一微透鏡板140的背面148上。第二微透鏡板172的透鏡表面和第一微透鏡板140相接觸。優(yōu)選的是，第一和第二微透鏡板140和172的透鏡144和174具有相同的物理特性，例如，材料、曲率、焦距、寬度等等。于是，第一和第二微透鏡板140和174表現(xiàn)出除透鏡的不同排列方向以外的相同的光學(xué)特性。第一微透鏡板140的透鏡144優(yōu)選設(shè)置成垂直于第二微透鏡板172的透鏡174。
在圖8的圖像顯示單元中，第一微透鏡板140的透鏡144能夠設(shè)置成水平方向，而第二微透鏡板172的透鏡174設(shè)置成垂直方向，反之亦然。
第一和第二微透鏡板140和172相互交叉的情形等同于具有與第一或第二微透鏡板140或172的透鏡相同長度和寬度的正方形透鏡相互接觸的情形。因此，定向照明光170在第二微透鏡板172的背面或者與第二微透鏡板172背面間隔一點(diǎn)距離的位置形成第四焦點(diǎn)F4。定向照明光170穿過第四焦點(diǎn)F4并發(fā)散。在包括了發(fā)散光線第一次相互交叉的點(diǎn)的平面(未示出)上，設(shè)置圖像顯示面板152。
圖9示出了使用一個(gè)微透鏡陣列代替第一和第二微透鏡板140和172的情形。
參照圖9，這個(gè)情形等同于第一和第二微透鏡板140和172的情形，除了定向照明光線170的第五焦點(diǎn)F5形成在與微透鏡陣列180間隔每個(gè)微透鏡180a的第三焦距f3的位置處之外。
在圖8和圖9中，為了防止第一和第二微透鏡板140和172與微透鏡陣列180顯示到顯示面板152上，可以將一塊光學(xué)平板設(shè)置在包括第四焦點(diǎn)F4的平面上和包括第五焦點(diǎn)F5的平面上，該平板起到與第一光學(xué)平板154同樣的功能。
與此同時(shí)，為了形成多個(gè)的觀看區(qū)域，可以使用多個(gè)照明光源來改變?nèi)肷涞焦鈱W(xué)平板的光線的入射角度，該光學(xué)平板是由第一和第二微透鏡板140和172或微透鏡陣列180構(gòu)成的。
例如，第一和第二微透鏡板140和172在交叉的狀態(tài)旋轉(zhuǎn)預(yù)定的角度。在這時(shí)候，入射到第一和第二微透鏡板140和172上的光線，即，圖像，以相同的方向和相同的角度旋轉(zhuǎn)，并且入射到交叉的微透鏡板上。使用微透鏡陣列180代替第一和第二微透鏡板140和172的情形也是相同的。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的圖像顯示單元的平面圖。從LCD的背光產(chǎn)生的光線用作照明光源，并且使用微透鏡板和視差障礙平板選擇性實(shí)現(xiàn)二維圖像和全視差三維圖像。
參照圖10，圖像顯示平板192和第三微透鏡板190的背面相接觸。圖像顯示面板192是一塊平的顯示面板，例如，LCD面板(在下文中，稱作第一LCD面板)。漫射光線194照射在圖像顯示面板192上。漫射光線194從LCD背光產(chǎn)生。視差障礙平板196位于構(gòu)成第三微透鏡板190的每個(gè)透鏡198的透鏡表面附近。根據(jù)第三微透鏡板190具有的視差，視差障礙平板196的視差是不同的。
例如，如果第三微透鏡板190提供一個(gè)水平視差，那么優(yōu)選視差障礙平板196具有一個(gè)垂直視差。如果第三微透鏡板190提供一個(gè)垂直視差，那么優(yōu)選視差障礙平板196具有一個(gè)水平視差。
參照圖11，在第三微透鏡板190提供一個(gè)水平視差的情況下，視差障礙平板196構(gòu)造成具有多個(gè)第一縫隙200，第一縫隙200平行地形成在水平方向上，且相互間隔一預(yù)定的距離。
參照圖12，在第三微透鏡板190提供一個(gè)垂直視差的情況下，視差障礙平板196構(gòu)造成具有多個(gè)第二縫隙202，第二縫隙202平行地形成在垂直方向上，且在水平方向上相互間隔一預(yù)定的距離，從而，提供了水平視差。
在圖10中，為了顯示具有全視差的三維圖像，視差障礙平板196能夠由均勻厚度的薄玻璃平板構(gòu)成。另外，為了兼容二維和三維圖像，優(yōu)選地使用附加的平板顯示裝置，例如第二LCD面板來代替薄玻璃平板。
當(dāng)使用第二LCD面板作為視差障礙平板196時(shí)，多視點(diǎn)圖像顯示在第一LCD面板192上，第一LCD面板192與第三微透鏡板190的背面相接觸，且視差障礙平板196用作最初的視差障礙平板。
為了顯示二維圖像，第一LCD面板192是完全透明的，并且在視差障礙平板196上顯示二維圖像。
這樣，就需要兩個(gè)LCD面板，以顯示全視差三維圖像，圖像可以在二維圖像和三維圖像之間相互轉(zhuǎn)換。
普通的LCD面板包括兩個(gè)90℃到270℃相位差的偏光鏡，和一個(gè)置于兩個(gè)偏光鏡之間的液晶層。如果當(dāng)以一預(yù)定的方向偏振的光線穿過液晶層時(shí)，給液晶層加載預(yù)定的電壓，那么液晶層中的液晶旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)電壓發(fā)生變化，并且從而，穿過液晶層的光束的量根據(jù)光束的偏振狀態(tài)加以改變。因此，顯示在LCD面板上的圖像的亮度可以通過控制液晶層的加載電壓來調(diào)整。
當(dāng)設(shè)置至少兩個(gè)LCD面板時(shí)，由于LCD使用偏振光束，所以，考慮到在各個(gè)LCD面板中提供的偏光鏡的偏振方向，液晶顯示器面板最好設(shè)置成使得兩個(gè)LCD面板不能消除偏振光。
圖13示出了第一和第二偏光鏡210和212和它們的偏振方向，以及插入到第一和第二偏光鏡210和212之間的第一液晶層C1。圖14示出了在視差障礙平板196是第二LCD面板的情況下，第三和第四偏光鏡214和216和它們的偏振方向，以及插入到第三和第四偏光鏡214和216之間的第二液晶層C2。
參照圖13，第一偏光鏡210設(shè)置在第一LCD面板192的前部上，即，照射光線入射到的部分，并且具有垂直的偏振方向220。第二偏光鏡212設(shè)置在第一LCD面板192的后部上，即，與第三微透鏡板190相接觸的部分，并且具有水平的偏振方向222。因此，穿過第一LCD面板192的光線具有水平的偏振方向222。如果用作視差障礙平板的第二LCD面板的第三偏光鏡214具有垂直的偏振方向，在理想情況下，穿過第一LCD面板192的光線不出現(xiàn)在第二LCD面板上。因此，不能使用偏光鏡214具有垂直的偏振方向的第二LCD面板。
從而，優(yōu)選地是，第二LCD面板的第三偏光鏡214具有水平的偏振方向230，而第四偏光鏡216具有垂直的偏振方向232。
因?yàn)榈诙﨤CD面板用作視差障礙平板196，所以與第一縫隙200或第二縫隙202相對應(yīng)的區(qū)域必須按照第三微透鏡板190的視差方法，在第二LCD面板上形成。
在第二LCD面板中，與第一和第二縫隙200和202相對應(yīng)的區(qū)域是穿過第一LCD面板192的水平偏振光能夠不衰減地通過的區(qū)域，其余的區(qū)域是偏振光不能通過的區(qū)域。因此，通過僅施加電壓到與第二LCD面板上的第一或第二縫隙200和202相對應(yīng)區(qū)域的液晶層上，入射到第一或第二縫隙200或202的水平偏振光的偏振狀態(tài)改變?yōu)榇怪逼窆?，這相當(dāng)于第四偏光鏡216。除了第一或第二縫隙200或202以外，電壓不施加到剩余的液晶層上。因此，入射到第一或第二縫隙200或202以外的剩余區(qū)域的偏振光穿過液晶層以水平偏振狀態(tài)入射到垂直偏振的第四偏光鏡216上。結(jié)果，只有入射到第二LCD面板上與第一或第二縫隙200或202對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的光線穿過了第二LCD面板，即視差障礙平板196。第三微透鏡板190和第二LCD面板提供了全視差。
如圖13和圖14所示，第一LCD面板的第二偏光鏡212和第二LCD面板的第三偏光鏡214具有相同的偏振狀態(tài)。因此，穿過第一LCD面板192的第二偏光鏡212并在水平方向偏振的光線再次穿過第二LCD面板的第三偏光鏡214，第三偏光鏡的偏振狀態(tài)是水平的。因此，第三偏光鏡214可以從第二LCD面板上去除。
具有水平偏振狀態(tài)的偏光鏡能夠用作第二LCD面板的第三和第四偏光鏡214和216。此時(shí)，加載的電壓與上面的情況相反。
具體地說，穿過第一LCD面板192的光線在水平方向上偏振，且第二LCD面板的第三和第四偏光鏡214和216也是在水平方向上偏振。因此，在電壓未加載到第二LCD面板的液晶層的情況下，穿過第一LCD面板192的光線按原樣穿過第二LCD面板。優(yōu)選的是，電壓加載到第二LCD面板上的除了對應(yīng)于第一或第二縫隙200或202的區(qū)域以外的其它液晶層上，而不加載到與第一或第二縫隙200或202相對應(yīng)的區(qū)域上的液晶層，使得穿過第一LCD面板192的光線只可以穿過與第一或第二縫隙200或202相對應(yīng)的區(qū)域。
在第二LCD面板中設(shè)置的第三偏光鏡214的偏振狀態(tài)是垂直方向的情況下，優(yōu)選的是，第一LCD面板192的第一和第二偏光鏡210和212的偏振狀態(tài)與上面情況相反，并且第二LCD面板的第四偏光鏡216的偏振狀態(tài)是水平方向。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示單元包括為觀察者顯示二維和三維圖像的圖像顯示面板。而且，預(yù)定的光學(xué)平板設(shè)置在圖像顯示面板后，與通過圖像顯示面板顯示的圖像相對應(yīng)的光線入射到該預(yù)定的光學(xué)平板上。根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示單元包括第一平板顯示面板、光學(xué)平板和第二平板顯示面板。當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，第一平板顯示面板顯示多視點(diǎn)圖像，而當(dāng)顯示二維圖像時(shí)第一平板顯示面板是透明的。光學(xué)平板折射從第一平板顯示面板入射的光線，且在一預(yù)定的方向上提供視差。當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，第二平板顯示面板提供一個(gè)視差，其垂直于光學(xué)平板為穿過光學(xué)平板的光線提供的視差，而當(dāng)顯示二維圖像時(shí)，顯示相應(yīng)的二維圖像。
根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示單元能夠顯示二維和三維圖像。于是，根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示單元能夠應(yīng)用到圖像顯示設(shè)備中的圖像顯示單元，用來顯示二維和三維圖像。
本發(fā)明可以應(yīng)用于廣告領(lǐng)域的三維圖像顯示、家庭三維多媒體視頻終端、模擬及教育培訓(xùn)的圖像顯示終端、用于多種精確測量和診斷的可視化視頻終端、三維視頻終端、用于監(jiān)視和交通控制的視頻終端、用于可視通信會(huì)議和廣告的三維視頻監(jiān)視器、三維廣播電視、用于教育和娛樂的視頻終端、用于多種特定環(huán)境創(chuàng)造的終端，三維游戲的視頻終端、多種飛機(jī)和交通工具的頭頂(head up)顯示器等等。
可以使用其它平板顯示裝置，例如，F(xiàn)ED或有機(jī)EL和PDP，來代替第一和/或第二LCD面板。
雖然這里參照示例性的實(shí)施例具體地表示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，能夠在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對其形式和細(xì)節(jié)可以進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種三維圖像顯示單元，其中二維和三維圖像可相互轉(zhuǎn)換，該三維圖像顯示單元包括圖像顯示面板，它為觀察者顯示二維和三維圖像；和光學(xué)平板，其設(shè)置在圖像顯示面板后，并將入射光折射到圖像顯示面板上。
2.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示單元，還包括一個(gè)視差障礙平板，其設(shè)置在圖像顯示面板和光學(xué)平板之間，以防止光學(xué)平板上的圖像顯示在圖像顯示面板上。
3.如權(quán)利要求2所述的三維圖像顯示單元，其中視差障礙平板與光學(xué)平板相接觸。
4.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示單元，其中光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)預(yù)定的角度。
5.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示單元，其中圖像顯示面板定位在一個(gè)虛擬表面內(nèi)，該表面包括這樣一些點(diǎn)，這些點(diǎn)是通過光學(xué)平板的焦點(diǎn)并發(fā)散的光線第一次相互交叉的點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求2所述的三維圖像顯示單元，其中視差障礙平板可設(shè)置在入射到光學(xué)平板上的光線會(huì)聚的位置上。
7.如權(quán)利要求3所述的三維圖像顯示單元，其中視差障礙平板可設(shè)置在入射到光學(xué)平板上的光線會(huì)聚的位置上。
8.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示單元，其中圖像顯示面板是平的顯示面板。
9.如權(quán)利要求2所述的三維圖像顯示單元，其中顯示面板是平的顯示面板。
10.如權(quán)利要求1所述的三維圖像顯示單元，其中光學(xué)平板是微透鏡板，包括兩塊具有透鏡的微透鏡板的交叉微透鏡板或微透鏡陣列，包括在兩塊微透鏡板中的透鏡設(shè)置成相互垂直交叉并且接觸。
11.如權(quán)利要求2所述的三維圖像顯示單元，其中光學(xué)平板是微透鏡板，包括兩塊具有透鏡的微透鏡板的交叉微透鏡板或微透鏡陣列，包括在兩塊微透鏡板中的透鏡設(shè)置成相互垂直交叉并且接觸。
12.如權(quán)利要求4所述的三維圖像顯示單元，其中光學(xué)平板是微透鏡板，包括兩塊具有透鏡的微透鏡板的交叉微透鏡板或微透鏡陣列，包括在兩塊微透鏡板中的透鏡設(shè)置成相互垂直交叉并且接觸。
13.如權(quán)利要求2所述的三維圖像顯示單元，其中視差障礙平板可以是LCD面板，柵格陣列平板，或者針孔陣列面板，LCD面板僅在光線會(huì)聚的區(qū)域上是透明的。
14.如權(quán)利要求3所述的三維圖像顯示單元，其中視差障礙平板可以是LCD面板，柵格陣列平板，或者針孔陣列面板，LCD面板僅在光線會(huì)聚的區(qū)域上是透明的。
15.一種三維圖像顯示單元，其中二維和三維圖像可相互轉(zhuǎn)換，該三維圖像顯示單元包括第一平板顯示裝置，當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，該第一平板顯示裝置顯示多視點(diǎn)圖像，而當(dāng)顯示二維圖像時(shí)，它是透明的；光學(xué)平板，它折射從第一平板顯示裝置入射的光線，且在預(yù)定的方向上提供視差；和顯示單元，當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，該顯示單元在垂直于由光學(xué)平板提供的視差的方向上，給穿過該光學(xué)平板的光線提供一個(gè)視差，而當(dāng)顯示二維圖像時(shí)，顯示相應(yīng)的二維圖像。
16.如權(quán)利要求15所述的三維圖像顯示單元，其中第一平板顯示裝置可以是LCD面板，它包括第一和第二偏光鏡以及設(shè)置在第一和第二偏光鏡之間的一個(gè)液晶層，第一和第二偏光鏡的偏振狀態(tài)是彼此相反的。
17.如權(quán)利要求15所述的三維圖像顯示單元，其中光學(xué)平板是微透鏡板。
18.如權(quán)利要求15所述的三維圖像顯示單元，其中顯示單元是第二平板顯示裝置。
19.如權(quán)利要求16所述的三維圖像顯示單元，其中該顯示單元是LCD面板，它包括第三和第四偏光鏡以及設(shè)置在第三和第四偏光鏡之間的一個(gè)液晶層，第三和第四偏光鏡的偏振狀態(tài)是彼此相同的。
20.如權(quán)利要求16所述的三維圖像顯示單元，其中顯示單元是LCD面板，該LCD面板附接到光學(xué)平板上，該LCD面板包括一個(gè)液晶層和一個(gè)偏光鏡，該偏光鏡具有與發(fā)光表面上的第一偏光鏡相同的偏光狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求16所述的三維圖像顯示單元，其中顯示單元是LCD面板，它包括兩個(gè)偏光鏡和一個(gè)設(shè)置在兩個(gè)偏光鏡之間的液晶層，兩個(gè)偏光鏡的偏光狀態(tài)是彼此相同的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維圖像顯示單元，其中二維和三維圖像可相互轉(zhuǎn)換。該三維圖像顯示單元包括圖像顯示面板，為觀察者顯示二維和三維圖像；和光學(xué)平板，其設(shè)置在圖像顯示面板后，將入射光折射到圖像顯示面板上。此外，該三維圖像顯示單元包括第一平板顯示裝置，當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，該第一平板顯示裝置顯示多視點(diǎn)圖像，而當(dāng)顯示二維圖像時(shí)，它是透明的；光學(xué)平板，它折射從第一平板顯示裝置入射的光線，且在預(yù)定的方向上提供視差；和顯示單元，當(dāng)顯示三維圖像時(shí)，該顯示單元在垂直于由光學(xué)平板提供的視差的方向上，給穿過該光學(xué)平板的光線提供一個(gè)視差，而當(dāng)顯示二維圖像時(shí)，顯示相應(yīng)的二維圖像。
文檔編號G02F1/13GK1591089SQ20041008327
公開日2005年3月9日 申請日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者金成植, 孫廷榮, 洪昌完, 程泰洪 申請人:三星電子株式會(huì)社