專利名稱：體顯示器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及三維圖像顯示裝置，并且具體來說涉及產(chǎn)生在限定成像容積內的虛像的三維圖像顯示裝置。
可以以數(shù)種方式創(chuàng)建三維圖像。例如，在立體視覺顯示器中，可以同時或分時地顯示可由觀察者的各只眼睛唯一觀察到的兩個圖像。這些圖像是借助觀眾所佩戴的專用眼鏡或護目鏡來加以選擇的。在前一種情況下，可以為這種眼鏡裝配偏振片透鏡。在后一種情況下，可以為這種眼鏡裝配電子控制的遮光器。這些類型的顯示器構造起來相對簡單并且具有較低的數(shù)據(jù)速率。不過，專用觀看眼鏡使用起來不太方便，并且缺乏遠景(perspective)可能會在觀眾當中造成不適。
使用自動立體視覺顯示器可以創(chuàng)建更逼真的三維印象。在這些類型的顯示器中，每個像素在不同的觀看方向上發(fā)出不同亮度的光。觀看方向的數(shù)量應當大得足以使觀察者的各只眼睛要看到不同的畫面。這些類型的顯示器呈現(xiàn)出逼真的遠景；如果觀察者的頭運動，視圖隨之改變。
在實踐中，大多數(shù)這些類型的顯示器在技術上難以實現(xiàn)。在文獻中可以找到數(shù)種建議，參見例如US 5,969850。這些顯示器的優(yōu)點是，許多觀察者能夠觀看例如單獨一個3D電視顯示器，而不需要專用觀看眼鏡，并且各個觀察者能夠看到包括視差和遠景的逼真三維畫面。
另一種類型的3D顯示器是體顯示器，如在http://www.cs.berkley.edu/jfc/MURI/LC-display上介紹的體顯示。在體顯示器中，圖像顯示容積內的點發(fā)射光線。這樣，能夠創(chuàng)建三維物體的圖像。這種技術的缺點是遮擋，即，不能遮住被其它物體擋住的點的光線。因此，所顯示的每個物體都是透明的。在原理上，這個問題可以借助視頻處理和可能跟蹤觀察者頭部或眼睛的位置來加以解決。
附圖1中示出了體顯示器的一種已知實施方式。該顯示器由透明晶體10構成，兩個激光器11、12(或者更多)在該透明晶體內進行掃描。在激光束13、14的交叉點位置15上，可以通過上轉換產(chǎn)生光16，其中，通過吸收多個低能量的光子(即從合成的激光束中)產(chǎn)生高能量的光子發(fā)射。這種類型的顯示器昂貴并且復雜。需要特殊的晶體10和兩個掃描激光器11、12。此外，上轉換不是非常有效的處理過程。
附圖2中示出了體顯示器20的另一種可選實施方式。這種方案使用一種能夠在透明和擴散之間切換的材料，例如散布有聚合物的液晶(PDLC)或液晶凝膠(LC凝膠)。在三維柵格容積21中，單元22能夠在這兩種狀態(tài)之間切換。典型地，是從一個方向對容積21進行照射的。在本圖例中，照射源23位于柵格容積下方。如果使單元22切換到漫射狀態(tài)，則光24就在所有的方向上散射。
在WO 01/44858中介紹了再另一種類型的顯示器。該文件介紹了這樣一種三維體圖像顯示裝置在該裝置中，使來自照射源的準直光入射在疊置有液晶微透鏡陣列的液晶顯示屏上。該陣列中的各個微透鏡與LCD屏上的相應像素對準以從其接收光。各個液晶微透鏡具有可調的焦距，從而可以將來自相應像素光投射到體圖像空間內的選定點上。這樣，可以對到達陣列中各個微透鏡的光的強度和/或顏色加以控制，以便在體圖像空間內產(chǎn)生多種相應的光強度和顏色。
這種解決途徑的潛在問題是，各個LCD像素必須與相應的微透鏡對準，并且為確定體圖像空間的深度，要使LCD板與微透鏡陣列之間的間隔固定。這導致觀看角度非常有限。此外，需要使用復雜的微透鏡陣列，同時還要使用復雜的控制系統(tǒng)來獨立地控制陣列中各個獨立微透鏡元件的焦距。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目標是提供體三維圖像顯示裝置，克服與現(xiàn)有技術設備有關的一些或全部問題。
根據(jù)一方面，本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生三維體圖像的顯示設備，包括用于產(chǎn)生二維圖像的二維圖像顯示屏；用于將二維圖像投射為成像容積(44、49)內的虛像(40、45)的第一聚焦元件(42、47)；和用于改變顯示屏與投影第一聚焦元件之間有效光學路徑長度、從而改變虛像在成像容積內的位置的構件(43、48、50、51、60)。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種產(chǎn)生三維體圖像的方法，包括以下步驟
在二維圖像顯示屏(41、46)上產(chǎn)生二維圖像；用第一聚焦元件(42、47)將二維圖像投射為成像容積(44、49)內的虛像(40、45)；和改變在顯示屏與投影聚焦元件之間的有效光學路徑長度，從而改變虛像在成像容積內的位置。


現(xiàn)在將以舉例的方式并且參照附圖介紹本發(fā)明的實施方式，其中圖1示出了基于兩個掃描激光器和上轉換晶體的體顯示器的透視示意圖；圖2示出了基于散布有聚合物的液晶或液晶凝膠的可轉換單元的體顯示器的透視示意圖；圖3示出了有利于說明本發(fā)明原理的示意圖；圖4是圖解根據(jù)本發(fā)明實施例包括顯示屏和聚焦元件的體三維圖像顯示裝置的示意圖；圖5是以兩個旋轉立方體的形式來改變顯示屏與聚焦元件之間有效光學路徑長度的構造的示意圖；圖6是以反射旋轉輪的形式來改變顯示屏與聚焦元件之間有效光學路徑長度的構造的示意圖；和圖7是用于圖4的顯示裝置的控制系統(tǒng)的示意原理框圖。
具體實施例方式
圖3a和3b圖解說明本發(fā)明中使用的一些基本原理。在圖3a中，由菲涅爾反射鏡32給出了小顯示屏31的相對較大的虛像30。在圖3b中，由菲涅爾透鏡37給出了小顯示屏36的相對較大的虛像35。虛像30或35出現(xiàn)在透鏡前方的空氣中。觀眾可以將目光集中在這個圖像30或35上并且觀察到它是‘浮’在空氣中的。
圖4a和4b圖解說明按照本發(fā)明對圖3a和3b中的方案的改造。如圖4a中所示，顯示屏41與菲涅爾反射鏡42之間的有效光學路徑長度是通過設置動態(tài)透鏡43來加以改變的。類似地，如圖4b中所示，顯示屏46與菲涅爾透鏡47之間的有效光學路徑長度是通過設置動態(tài)透鏡48來加以改變的。
動態(tài)透鏡43或48具有動態(tài)可調的光學強度。通過減弱該透鏡的光學強度，虛像40或45會移動得遠離菲涅爾透鏡或反射鏡42或47。如果使可調透鏡43或48更強，則虛像40或45會移向菲涅爾透鏡或反射鏡。注意，增加或降低動態(tài)可調的透鏡43或48的光功率的作用是為了依靠光路中折射率的局部變化來改變顯示屏41或46與菲涅爾透鏡或反射鏡之間的有效光學路徑長度。
在一般性的意義上，將會注意到，反射鏡42或透鏡47可一般地由用于將顯示屏41、46的二維圖像投射為位于成像容積44或49內的虛像40或45的任何光學聚焦元件來替換或實現(xiàn)。最好，反射鏡42或透鏡47是具有單一焦距的單一或復合的光學聚焦元件，從而使得平面顯示屏成像到成像容積的單一平面上。
在操作中，可調透鏡43、48的光學強度或者，更加一般地講，二維顯示屏41或46與聚焦元件42或47之間的有效光學路徑長度，是以3D圖像顯示幀頻周期性地調整的。典型地這會是50或60Hz。因此，在一個3D圖像幀周期(如1/50秒)中，顯示屏41或46的虛像充滿成像容積44或49。在同樣的幀周期內，可以驅動顯示屏來改變所投射的圖像，以使成像容積44或49內不同的深度接收到不同的虛像。
將會理解，按照優(yōu)選的方面，用于改變2D顯示屏41或46與聚焦元件42或47之間的有效光學路徑長度的構件有效地以3D幀頻將基本上為平面的二維顯示屏的基本上為平面的虛像周期性地順利通過成像容積44或49。在該3D幀周期內，2D圖像顯示屏以基本高于3D幀頻的2D幀頻顯示一連串2D圖像。
因此，在成像容積40、45中的不同的平面40a、40b或45a、45b上，獲得了不同的圖像，從而能夠構造任何物體的三維圖像。
二維顯示屏可以是用于創(chuàng)建二維圖像的任何適當顯示裝置。例如，可以是多LED顯示器或者是基于數(shù)字微反射鏡器件(DMD)的投影顯示器。
最好，顯示屏快得足以能夠實現(xiàn)在例如1/50秒的一個幀周期內產(chǎn)生多個2D圖像。例如，可采用商業(yè)手段得到的DMD能夠達到每秒10,000幀的速度。如果使用24個二維幀來創(chuàng)建彩色和灰度級效果，并且要求50Hz的3D圖像刷新率，能夠在成像容積44、49中創(chuàng)造八個不同的圖像平面40a、40b、45a、45b。
動態(tài)可調的透鏡可以是任何適當?shù)难b置，比如液晶自適應透鏡、可變形透鏡(如電可變形、熱可變形或機械可變形)，或者可以由可變形反射鏡系統(tǒng)所替代。最好，動態(tài)可調透鏡是單一或復合的透鏡，盡管焦距可調，但在它的整個工作區(qū)域內具有基本上恒定的焦距。聚焦元件的工作區(qū)域應當大得足以對顯示屏的整個工作顯示區(qū)域進行成像。
在液晶自適應透鏡的情況下，這可以用折射率性質可以作為所施加電場的函數(shù)發(fā)生變化的材料的薄片來實現(xiàn)。緊鄰著該薄片的表面設置透明電極陣列，并且使用這些透明電極來局部地控制折射率，使得折射率在整個薄片上發(fā)生空間上的變化，從而形成選定焦距的聚焦透鏡。按照這種實施方式，將會理解，有效焦距是借助電-光控制來加以改變的。
在可變形透鏡或反射鏡的情況下，這可以通過適當折射率的彈性或塑性材料來實現(xiàn)，可以使這種材料的形狀發(fā)生變形，以便提供選定焦距的透鏡或反射鏡。按照這些實施方式，將會理解，聚焦元件的有效焦距是借助機械構件來加以改變的，例如，借助電-機械、磁-機械的或聲換能器的機械構件。
按照另一種實施方式，顯示屏41、46和聚焦元件42、47之間光路的有效長度的改變是通過改變物理路徑長度，以及或者用已經(jīng)討論過的折射率調整來替代有效光學路徑長度的變化來實現(xiàn)的。
顯示屏41、46和聚焦元件42、47之間物理距離的調整可以采用機械手段來實現(xiàn)，可以簡單地通過顯示屏和聚焦元件中的一個或另一個(或兩者)的物理移動(即通過它們相對位置的改變)來實現(xiàn)。這可以借助適當?shù)鸟R達驅動器或震動機構來實現(xiàn)。
圖5表示另一種可替換的用于改變物理路徑長度的技術。在圖5a中，將兩個旋轉的立方體50、51放置于顯示屏46和聚焦元件47之間的光路中。當兩個立方體50、51使面垂直于光路52時，光路不發(fā)生偏轉。當兩個立方體50、51如圖5b所示輕微相反地轉動時，光路52的一部分53如圖所示向下輕微偏轉。這兩個立方體是同步地相反轉動的，從而光線是沿著同樣的路徑離開系統(tǒng)的。由于兩個立方體之間光路52的部分53發(fā)生平行位移，因此顯示器與透鏡之間的光學距離能夠得到改變。
在一般性的意義上，將會理解，兩個旋轉立方體像起到了一對可位移折射元件的作用，用來進行位移并且從而改變光路的一部分的長度。
結合圖6介紹另一種可供選擇的方案。分段輪60具有逐段改變的厚度，例如，段61-64。如果二維顯示器是經(jīng)由或穿過輪60成像的，則有效光學路徑長度隨著分段輪的旋轉而改變。使2D顯示屏46位于主光路隊列的一端，并且借助半反射鏡65將來自2D顯示屏的光偏轉到反射旋轉輪60上。旋轉輪由馬達66驅動，并且可以以數(shù)種不同的方式構成旋轉輪，以實現(xiàn)有效路徑長度作為旋轉的函數(shù)發(fā)生改變。
按照第一種構造，旋轉輪具有反射的上表面。這樣，入射到輪上的光反射離開上表面，該上表面隨著輪的轉動高度發(fā)生有效改變，從而縮短了光學路徑段67。這同時影響了入射和反射的光束。光反射回到半反射鏡65并隨后繼續(xù)到達聚焦元件47來形成虛像45。
按照第二種構造，旋轉輪具有反射的下表面。這樣，入射到輪60上的光要經(jīng)過它所入射于其上的段61-64的厚度，然后反射回到半反射鏡65。光隨后繼續(xù)到達聚焦元件47來形成虛像45。在這種情況下，光學路徑長度的有效變化是通過引入與各個段61-64對應的光學材料的變化厚度來改變的，其中每個段具有比自由空間路徑要高的折射率。
按照第三種構造，借助具有恒定厚度但各段折射率不同的分段輪可以實現(xiàn)同樣的效果。
最好，包括聚焦元件47的光學系統(tǒng)對2D顯示裝置的圖像進行放大。在這種情況下，在2D顯示器與透鏡之間距離的僅僅很小的調整就會造成很大的虛像位移。我們用o表示2D顯示器與透鏡之間的距離，并用b表示透鏡與虛像之間的距離。那么，透鏡強度f[m]與o[m]和b[m]之間存在以下關系1/f＝1/o+1/b物距增加Δo會導致距離b增加ΔbΔb＝-M2ΔoM＝b/o是放大倍數(shù)。由于M大于1，典型地在5至10之間，所以o的小量增加就會導致虛像的很大位移。
這里介紹的體顯示器總體來說構造起來很簡單并能夠用公知的部件裝配。這種體顯示器的應用是很廣泛的，包括在專業(yè)市場中的應用，例如，CAD/CAM和醫(yī)學應用，并且可以應用于家用市場，例如用于娛樂裝置。
參考圖7a，示出了具有控制系統(tǒng)的整個體圖像顯示設備的示意圖。插在2D顯示屏46和聚焦元件47之間的有效光學路徑長度調節(jié)器70a(諸如自適應透鏡43、48，旋轉立方體50、51或分段輪60)是由路徑長度控制電路73來控制的。按照另一種可選方案，由路徑長度控制電路控制用于改變2D顯示屏46位置的機動臺70b。顯示驅動器72從圖像生成器71接收2D幀圖像數(shù)據(jù)。一連串2D圖像的顯示是借助同步電路74得以與路徑長度控制器的操作同步的。
有意識地使其它的實施方式處于所附的權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種產(chǎn)生三維體圖像的顯示裝置，包括二維圖像顯示屏(41、46)，用于產(chǎn)生二維圖像；第一聚焦元件(42、47)，用于將二維圖像投射為成像容積(44、49)內的虛像(40、45)；和用于改變顯示屏與投射第一聚焦元件之間的有效光學路徑長度、從而改變虛像在成像容積內的位置的構件(43、48、50、51、60)。
2.如權利要求1的顯示裝置，其中用于改變有效光學路徑長度的構件(43、48、50、51、60)適用于操作以使虛像周期性地通過成像容積移動。
3.如權利要求2的顯示裝置，還包括顯示驅動器(72)，用于控制顯示屏，以在與顯示屏的圖像相應的虛像通過成像容積移動的時候產(chǎn)生一連串不同的圖像；和控制構件(73、74)，用于使顯示驅動器與改變有效光學路徑長度的構件(70)同步。
4.如權利要求1的顯示裝置，其中用于改變有效光學路徑長度的構件包括具有可調光學強度的第二聚焦元件(43、48)。
5.如權利要求4的顯示裝置，其中第二聚焦元件(43、48)是液晶自適應透鏡。
6.如權利要求4的顯示裝置，其中第二聚焦元件(43、48)是可變形透鏡。
7.如權利要求4的顯示裝置，其中第二聚焦元件(43、48)是可變形反射鏡。
8.如權利要求1的顯示裝置，其中用于改變有效光學路徑長度的構件包括用于改變顯示屏(46)和第一聚焦元件(42、47)的相對位置的物理位移構件(70b)。
9.如權利要求1的顯示裝置，其中用于改變有效光學路徑長度的構件包括用于改變顯示屏(46)與第一聚焦元件(42、47)之間光路的至少一部分的光路調節(jié)器(50、51、60)。
10.如權利要求9的顯示裝置，其中光路調節(jié)器(50、51)適用于改變光從顯示屏(46)到聚焦元件(42、47)所經(jīng)過的距離。
11.如權利要求9的顯示裝置，其中光路調節(jié)器(50、51、60)適用于改變光路的至少一部分的折射率。
12.如權利要求10或權利要求11的顯示裝置，其中光路調節(jié)器包括多個用于進行位移并從而改變光路的一部分(53)的長度的可位移的折射元件(50、51)。
13.如權利要求10的顯示裝置，其中光路調節(jié)器是具有多個不同高度部分的反射元件(60)，可以選用這些不同的高度從不同的物理位置將來自顯示屏的光反射到聚焦元件；和選擇構件(66)，用于改變光學元件處于光路中的部分。
14.如權利要求11的顯示裝置，其中光路調節(jié)器(60)包括在顯示屏(46)與第一聚焦元件(47)之間的光學元件(60)，具有與顯示屏和第一聚焦元件之間光路的其它部分不同的折射率，該光學元件具有變化的厚度和/或折射率的部分(60-64)；和選擇構件(66)，用于改變光學元件處于光路中的部分。
15.如權利要求1的顯示裝置，其中第一聚焦元件(42、47)對顯示屏(41、46)的虛像(40、45)進行放大。
16.如權利要求1的顯示裝置，其中第一聚焦元件(42、47)將二維圖像投射為成像容積(44、49)內相應的平面虛像(40、45)，用于改變有效路徑長度的構件改變平面虛像距第一聚焦元件(42、47)的光學輸出端的距離。
17.如權利要求1的顯示裝置，其中顯示屏(41、46)適合于具有基本上大于每秒50幀的圖像刷新率。
18.如權利要求1的顯示裝置，其中顯示屏(41、46)適合于具有基本上大于每秒200幀的圖像刷新率。
19.如權利要求1、權利要求2或權利要求3的顯示裝置，其中用于改變有效光學路徑長度的構件包括機械構件。
20.如權利要求1、權利要求2或權利要求3的顯示裝置，其中用于改變有效光學路徑長度的構件包括電-光構件。
21.如權利要求1的顯示裝置，其中第一聚焦元件是基本上具有單一焦距的單一或復合元件。
22.如權利要求4至6任何之一的顯示裝置，其中第二聚焦元件是在其整個工作區(qū)域內基本上具有恒定的焦距的可調的、單一或復合的透鏡。
23.一種產(chǎn)生三維體圖像的方法，包括以下步驟在二維圖像顯示屏(41、46)上產(chǎn)生二維圖像；用第一聚焦元件(42，47)將二維圖像投射為成像容積(44，49)內的虛像(40、45)；和改變顯示屏與投射聚焦元件之間的有效光學路徑長度，從而改變虛像在成像容積內的位置。
24.如權利要求23的方法，包括使虛像周期性地通過成像容積移動。
25.如權利要求24的方法，進一步包括以下步驟控制顯示屏，以在與其相應的虛像通過成像容積移動的時候產(chǎn)生一連串不同的圖像；和使顯示屏的圖像與虛像穿過顯示容積的周期性移動同步。
26.如權利要求23的方法，其中改變有效光學路徑長度的步驟包括改變第二聚焦元件(43、48)的光學強度。
27.如權利要求23的方法，其中改變有效光學路徑長度的步驟包括改變顯示屏(46)與第一聚焦元件(42、47)的相對位置。
28.如權利要求23的方法，其中改變有效光學路徑長度的步驟包括改變顯示屏(46)與第一聚焦元件(42、47)之間光路的至少一部分。
29.如權利要求28的方法，進一步包括改變光從顯示屏(46)到聚焦元件(42、47)所經(jīng)過的距離。
30.如權利要求28的方法，進一步包括改變光路的至少一部分的折射率。
31.如權利要求29或權利要求30的方法，進一步包括改變多個用于進行位移并且從而改變光路的一部分(53)的長度的可位移折射元件(50、51)的位置。
32.如權利要求29的方法，進一步包括在光路中引入一連串反射鏡的步驟，每個反射鏡相對于入射光束具有不同的位置。
33.如權利要求30的方法，進一步包括改變顯示屏(46)與第一聚焦元件(47)之間光學元件(60)的位置，該光學元件具有不同于顯示屏與第一聚焦元件之間光路的其它部分的折射率，該光學元件具有變化的厚度和/或折射率的部分(60-64)。
34.如權利要求23的方法，進一步包括以基本上高于每秒50幀的刷新率來刷新顯示屏的圖像的步驟。
35.如權利要求34的方法，其中刷新顯示屏圖像的步驟是以基本上高于每秒200幀的刷新率。
全文摘要
一種三維圖像顯示裝置產(chǎn)生在限定的成像體內的虛擬圖像。該裝置包括用于產(chǎn)生二維圖像的二維圖像顯示屏；用于將二維圖像投射為成像體內的虛擬圖像的第一聚焦元件；和用于改變顯示屏與投射第一聚焦元件之間的有效光學路徑長度從而改變虛擬圖像在成像體內的位置的構件。有效光學路徑長度可以借助可變焦距的透鏡、借助2D顯示屏與第一聚焦元件的相對運動或借助將改變有效光學路徑長度的其它光學元件引入到光路中來改變。
文檔編號H04N13/00GK1910937SQ200580002209
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月6日 優(yōu)先權日2004年1月9日
發(fā)明者W·L·伊澤爾曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司