用于會聚角切片真3d顯示器的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于會聚角切片真3D顯示器的系統(tǒng)和方法
[0001]發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明實施例總體上涉及三維(3D)顯示器領(lǐng)域，并且更確切地講涉及用于適合于多個觀看者而不需要使用眼鏡或跟蹤觀看者位置的真3D顯示器的系統(tǒng)和方法，其中觀看者的每只眼睛看見稍微不同的場景(立體觀測)，并且其中隨著眼睛改變位置每只眼睛所觀看到的場景發(fā)生變化(視差)。
[0003]相關(guān)技術(shù)。
[0004]在過去的一百年中，在開發(fā)三維(3D)顯示器方面已經(jīng)做出了重大的努力。現(xiàn)有的3D顯示器技術(shù)包括:DMD(數(shù)字微鏡器件，德州儀器)投影，其照射到球體內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)盤上(現(xiàn)實系統(tǒng))；由多個IXD散射面板組成的另一種立體顯示，這些散射面板被可替代地制成透明的或散射的以便對3D體進行成像(LightSpaCe/Vizta3D);立體系統(tǒng)，其要求使用者佩戴護目鏡(“晶體眼”及其他)；雙面立體系統(tǒng)(實際上是具有視差柵欄的雙2D顯示器，例如Sharp Actius RD3D);和透鏡立體陣列(指向不同方向的許多微透鏡，例如飛利浦九角度(nine-angle)顯示器,SID, 2005年春天)。正如讀者可能將不會在他/她的辦公室找到一個上述系統(tǒng)的事實所證實的，這些系統(tǒng)中的大多數(shù)在使用者眼睛中產(chǎn)生真3D透視方面不是特別成功，或者不方便使用。夏普筆記本僅僅提供兩個畫面(左眼和右眼，每只眼睛具有單一角度)，并且LightSpace顯示器似乎產(chǎn)生非常好的圖像，但是其位于受限的體積內(nèi)(全部都位于監(jiān)視器內(nèi))，并且作為投影顯示器使用起來非常麻煩。
[0005]除了這些技術(shù)以外，在英國和日本已經(jīng)做出努力來產(chǎn)生真全息顯示器。全息術(shù)在二十世紀四十年代后期由伽柏(Gabor)發(fā)明并隨著激光器和離軸全息術(shù)的發(fā)明而開始盛行。英國的工作實際上已經(jīng)產(chǎn)生了具有大約7cm廣度和8度視場(FOV)的顯示器。雖然這令人印象深刻，但在單色下，產(chǎn)生這個7cm視場需要100百萬像素(兆像素(Mpixel))，并且由于物理定律，其顯示遠多于人眼能夠從工作視距中分辨出的數(shù)據(jù)。具有60度FOV的工作50cm (20英寸)彩色全息顯示器將需要500納米(nm)像素(如果不是物理地，則至少是在光學(xué)縮小之后)和超過萬億像素(Terapixel) (10，000億像素)顯示器。這些數(shù)目在不遠的將來的任何時候都是完全不可行的，并且即使達到僅水平視差(ΗΡ0，或僅水平面上的三維)也只是使需求下降到3吉像素(Gpixel)(三十億像素)。即使每幀3吉像素仍然是非常不可行的數(shù)目，而且提供的數(shù)量級比正常工作距離下人眼對這個顯示器尺寸所需要的數(shù)據(jù)更多。典型的高分辨率顯示器具有250微米像素一具有500nm像素的全息顯示器將比這個高分辨率顯示器密集500倍多一顯然，與在正常視距處人眼所需要的或甚至能夠使用的數(shù)據(jù)相比，更多的數(shù)據(jù)將包含在全息顯示器中。在真全息顯示器中，這么驚人的數(shù)據(jù)密度將只會被浪費掉。
[0006]立體3D顯示器由巴洛格(Balogh)提出，并且由Holografika開發(fā)。這種系統(tǒng)不在觀看屏上產(chǎn)生圖像，而是從觀看屏投影光束，以通過使光束在空間中的像素點處交叉而形成圖像(或者是實像一光束在屏幕和觀看者之間交叉，或者是虛像一如由觀看者所看到的，光束顯然在屏幕后面交叉)。這種類型設(shè)備的分辨率由于離開屏幕的光束的發(fā)散而大大地受限制，并且所要求的分辨率(像素尺寸和像素總數(shù))對于相當(dāng)數(shù)量的視體來說開始變得非常高。
[0007]埃辛勞布(Eichenlaub)教導(dǎo)了一種用于使用高速光閥和光束控制裝置來產(chǎn)生多個裸眼立體(無眼鏡3D)觀看區(qū)域(通常提到的是八個)的方法。這種系統(tǒng)不具有真3D顯示器所期望的連續(xù)變化的觀看區(qū)域，并且具有大量非常復(fù)雜的光學(xué)元件。該系統(tǒng)并不講述怎樣在多個水平線(被小垂直角隔開)上放置光學(xué)元件，這樣使得實現(xiàn)可連續(xù)變化的裸眼立體觀看。該系統(tǒng)還具有從單個光閥產(chǎn)生所有圖像的缺點(因此要求非常復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng))，這使其無法實現(xiàn)可連續(xù)變化觀看區(qū)域所需要的帶寬。
[0008]納卡穆拉(Nakamuna)等人已經(jīng)提出帶有投影光學(xué)元件、小光闌和大菲涅耳透鏡的微LCD顯示器陣列。光闌使圖像的方向分開，并而大菲涅耳透鏡將這些圖像聚焦到垂直漫射屏上。這個系統(tǒng)具有多個問題，包括:1)極少地使用光(由于光闌導(dǎo)致大部分的光都被拋棄)；2)極度昂貴的光學(xué)元件和大量的光學(xué)元件，或可替代地非常差的圖像質(zhì)量；3)非常昂貴的電子器件，其用于提供微LCD顯示器的2D陣列。
[0009]托馬斯(Thomas)已經(jīng)描述了一種具有全水平視差和較大視角與視場的角切片真3D顯示器。然而，該顯示器要求操作大量的投影儀，并且因此是相對昂貴的。
[0010]發(fā)明概沭
[0011]本發(fā)明實施例包括3D顯示器。一個實施例具有一個包括一個會聚反射器和一個窄角型漫射器的顯示屏。該3D顯示器具有一個將多個2D圖像投影到該顯示屏上以形成一個觀看者所看到的3D影像的2D圖像投影儀陣列。該顯示屏的該會聚反射器使得僅使用幾個投影儀(至少一個，但是對于3D觀看來說標定為兩個或更多個)就可以實現(xiàn)對于該觀看者來說的多個全屏視場。該顯示屏的該窄角型漫射器提供對3D影像中的角度信息的控制，從而使得該觀看者用每只眼睛看見一個不同的圖像(立體觀測)，并且隨著該觀看者移動她的頭部，她同樣看見多個不同的圖像(視差)。相應(yīng)地，一個或多個方面中的若干個優(yōu)點如下:無需頭部跟蹤或其他笨重的設(shè)備而向該觀看者提供無需眼鏡的3D影像；呈現(xiàn)深度和視差兩者，其不需要外來渲染幾何形狀或照相機光學(xué)元件來產(chǎn)生3D內(nèi)容；以及只需要幾個投影儀來為兩眼產(chǎn)生多個全屏視場。一個或多個方面中的其他優(yōu)點將從附圖和隨后的描述的考慮中變得清楚。
[0012]一個實施例是一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個或多個2D圖像投影儀以及一個光耦合到這些2D圖像投影儀上的顯示屏。這些2D圖像投影儀被配置為用于將多個單獨的2D圖像基本上聚焦地投影到該顯示屏上。該顯示屏被配置為用于將來自相應(yīng)的2D圖像投影儀的所投影的每一個2D圖像光學(xué)地會聚到一個相應(yīng)的視點上，其中，這些視點的總體形成一個人眼窗口(eyebox)。來自這些2D圖像中的每一個的每一個像素被從該顯示屏投影到一個小的角切片中，從而使得在觀察該顯示屏的該人眼窗口內(nèi)的一個觀看者能夠用每只眼睛看見一個不同的圖像。隨著該觀看者相對于該顯示屏移動他或她的頭部，每只眼睛所看見的圖像發(fā)生變化。
[0013]這些2D圖像投影儀可以由多個激光器與光耦合到這些激光器上的多個掃描微鏡所組成，從而使得這些2D圖像投影儀無需透鏡而將這些2D圖像投影到該顯示屏上。由多個激光源所驅(qū)動的這些2D圖像投影儀可以允許將這些2D圖像基本上在所有的位置上聚焦(即，在橫向于系統(tǒng)的光軸的所有平面內(nèi))。該系統(tǒng)可以被配置為用于從該人眼窗口中的這些視點的視角來生成這些2D圖像中的每一個，并且將這些2D圖像中的每一個提供給相應(yīng)的投影儀。該系統(tǒng)可以被配置為用于根據(jù)這些投影儀之間的一個角切片水平投影角□□來對這些2D圖像進行抗鋸齒處理。該系統(tǒng)可以通過對來自一個3D數(shù)據(jù)集或一個或多個靜物或視頻照相機(例如，來自3D照相機，如圖像加深度圖照相機)的3D數(shù)據(jù)進行渲染來獲得這些2D圖像中的一個或多個。該系統(tǒng)可以將多個視頻流轉(zhuǎn)換為該3D數(shù)據(jù)集并且然后從該3D數(shù)據(jù)集渲染這些2D圖像。該系統(tǒng)可以通過從獲得自這些照相機的這些2D圖像中的其他圖像進行移位或內(nèi)插來獲得這些2D圖像中的某些，并且可以基本上成比例地將這些照相機的視場深度與該系統(tǒng)的視場深度進行匹配。這些2D圖像投影儀可以形成多個單獨的組以形成多個人眼窗口，多個觀看者可以各自從這些人眼窗口中觀看該顯示器。每一個人眼窗口對于多個觀看者來說可以是足夠大的。該顯示屏的形狀可以從由柱面、球面、拋物面、橢圓和非球面形狀所組成的組中進行選擇。
[0014]很多替代性實施例也是可能的。
[0015]附圖簡要描述
[0016]通過閱讀以下參照附圖進行的詳細描述，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點可以變得更加清楚。
[0017]圖1是具有會聚反射漫射器的一個實施例的透視圖；
[0018]圖2是具有人眼窗口的圖1的俯視圖；
[0019]圖3是具有會聚投影儀光線的圖1的透視圖；
[0020]圖4是具有全屏視場的圖1的俯視圖；
[0021]圖5是具有視場深度的圖1的俯視圖；以及
[0022]圖6是具有水平角漫射的圖1的俯視圖。
[0023]圖7是操作圖。
[0024]圖8是具有堆疊陣列的另一個實施例的透視圖。
[0025]圖9是比較圖1與圖8中的投影儀間距的正視圖。
[0026]圖10是具有深度偏移觀看者的另一個實施例的透視圖。
[0027]圖11是具有在頭頂上的陣列的另一個實施例的透視圖。
[0028]圖12是具有多個觀看者和在頭頂上的陣列的另一個實施例的透視圖。
[0029]圖13是具有球面反射漫射器的另一個實施例的透視圖。
[0030]圖14是具有會聚前漫射的另一個實施例的透視圖；以及
[0031]圖15是具有光線投影的圖14的俯視圖。
[0032]圖16是具有會聚后漫射的另一個實施例的透視圖；以及
[0033]圖17是