專利名稱：三維顯示方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維顯示方法及其裝置，具體涉及這樣的三維顯示方法及其裝置，其中沿水平和垂直方向產(chǎn)生不同顯示方向的多個(gè)圖像，因此，利用垂直漫射體(一維漫射體)僅沿垂直方向擴(kuò)大每個(gè)圖像的顯示角范圍，從而產(chǎn)生沿不同水平顯示方向的多個(gè)圖像。
背景技術(shù)：
三維視覺(jué)的人體生理因素包括雙目視差，調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)向，和運(yùn)動(dòng)視差。通過(guò)滿足這些全部因素，能夠?qū)崿F(xiàn)自然的三維顯示。
眾所周知，人體有一對(duì)眼睛，在三維視覺(jué)的生理因素中，三維感覺(jué)中最重要的因素是雙目視差，其中根據(jù)一對(duì)眼睛觀看到水平方向上兩個(gè)圖像的差別而得到三維信息。
所以，作為一種三維顯示系統(tǒng)，長(zhǎng)久以來(lái)一直使用圖1所示的雙目立體顯示系統(tǒng)。在圖1中，參考數(shù)字1001a和1001b表示左眼和右眼；數(shù)字1002a和1002b表示左眼和右眼的反射鏡；和數(shù)字1003a和1003b表示左眼和右眼的二維顯示裝置。二維顯示裝置1003a和1003b顯示對(duì)應(yīng)于左眼1001a和右眼1001b的圖像。
這種立體顯示系統(tǒng)存在以下的問(wèn)題。為了使左眼1001a和右眼1001b能夠看到各自不同的圖像，需要戴一付特殊的眼鏡。此外，當(dāng)頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的圖像并沒(méi)有變化，即，不能得到所謂的運(yùn)動(dòng)視差。人眼不是聚焦到三維物體的有效位置，而是聚焦到二維顯示裝置1003a和1003b的表面，因此，這種位置的差異引起疲勞。
能夠解決上述雙目立體顯示系統(tǒng)問(wèn)題的三維顯示系統(tǒng)是多視圖三維顯示系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是，沿對(duì)應(yīng)的方向同時(shí)顯示從多個(gè)方向觀看到的多個(gè)圖像，而不需要戴一付特殊的眼鏡。當(dāng)頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的圖像發(fā)生變化，因此得到運(yùn)動(dòng)視差。多個(gè)人能夠同時(shí)觀看。此外，若觀察點(diǎn)的數(shù)目增大到50至100時(shí)，物體的圖像是平滑地切換，從而實(shí)現(xiàn)平滑的運(yùn)動(dòng)視差。而且，由于光線會(huì)聚到三維物體的有效位置，眾所周知，人眼可以聚焦到三維物體的有效位置，因此，避免了立體顯示系統(tǒng)中出現(xiàn)的疲勞。
在多視圖三維顯示系統(tǒng)中，使用一種圖像僅沿水平方向發(fā)生變化的配置。這是基于這樣的事實(shí)，由于人眼是沿水平方向排列，沿水平方向的圖像變化在人體的三維感覺(jué)中是特別重要。若圖像變化局限于水平方向，則可以減少被顯示的圖像數(shù)目，從而使裝置簡(jiǎn)化。
所以，它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以減少三維圖像傳輸和記錄時(shí)的數(shù)據(jù)量。
圖2是實(shí)現(xiàn)多視圖三維顯示系統(tǒng)的常規(guī)裝置示意圖。在這個(gè)示意圖中，參考數(shù)字1101表示眼睛；數(shù)字1102表示雙凸透鏡狀膠片；數(shù)字1103表示構(gòu)成雙凸透鏡狀膠片的柱面透鏡；數(shù)字1104表示二維顯示裝置；和數(shù)字1105表示視差圖像。
圖3是實(shí)現(xiàn)多視圖三維顯示系統(tǒng)的裝置示意圖，它的配置不同于圖2中的配置。在這個(gè)示意圖中，參考數(shù)字1201表示反射型漫射體；數(shù)字1202表示雙凸透鏡狀膠片；和數(shù)字1203表示二維顯示裝置。
在以下的描述中，提到的二維顯示裝置是自發(fā)射顯示裝置，例如，有后照光的液晶顯示板。以下提到的透射型二維顯示裝置是借助于光的二維調(diào)制透射率顯示圖像的裝置，它要求有外部光源，例如，沒(méi)有后照光的液晶顯示板。以下提到的二維圖像投影儀是形成圖像在裝置以外的空中或屏幕上的裝置，該裝置內(nèi)沒(méi)有顯示平面，例如，視頻投影儀。
如圖2和3所示，作為多視圖三維顯示系統(tǒng)，利用雙凸透鏡狀膠片1102和1202的一種方法是已知的，其中柱面透鏡1103是一維透鏡，它是沿一個(gè)方向排列。以下描述這個(gè)雙凸透鏡方法的原理。
如圖2所示，從各個(gè)水平方向觀看到物體的多個(gè)視差圖像1105分別被分成縱向長(zhǎng)條，這些縱向長(zhǎng)條被交叉和重新組合，使它們顯示在二維顯示裝置1104上。當(dāng)一組條形圖像排列成對(duì)應(yīng)于一個(gè)柱面透鏡，各個(gè)視差圖像1105是沿不同的水平方向顯示，因此，從左眼到右眼可以看到不同的視差圖像。此外，當(dāng)眼睛運(yùn)動(dòng)時(shí)，看到的視差圖像被切換。
作為顯示運(yùn)動(dòng)和彩色圖像的三維圖像方法，例如，已知的一種方法是利用常規(guī)的二維圖像顯示裝置1104，例如，液晶顯示板。
如圖3所示，在雙凸透鏡狀膠片1202的背面粘貼反射型漫射體1201，因此，利用多個(gè)二維顯示裝置1203從不同的水平方向投影圖像，也可以沿不同的水平方向顯示不同的圖像。當(dāng)常規(guī)的視頻投影儀用作二維顯示裝置1203時(shí)，可以顯示運(yùn)動(dòng)和彩色圖像的三維圖像。
如上所述，在雙凸透鏡方法中，雙凸透鏡狀膠片1102和1202是這樣排列的，使柱面透鏡沿水平方向排列。
作為類似于雙凸透鏡方法的一種方法，圖4所示的視差屏障方法是已知的。在該圖中，參考數(shù)字1301表示稱之為視差屏障的狹縫陣列；數(shù)字1302表示單個(gè)狹縫；數(shù)字1303表示二維圖像顯示裝置；和數(shù)字1304表示透射型二維顯示裝置。
圖4(a)表示水平部分的示意圖，構(gòu)成視差屏障1302的各個(gè)狹縫1302有改變光線方向的功能，它如同雙凸透鏡方法中構(gòu)成雙凸透鏡狀膠片的各個(gè)柱面透鏡。
圖4(b)表示利用透射型二維顯示裝置1304時(shí)的水平部分示意圖，在光傳輸通過(guò)視差屏障1301之后利用沿水平方向發(fā)散的光照明透射型二維顯示裝置1304。利用透射型液晶顯示板作為透射型二維顯示裝置，可以顯示運(yùn)動(dòng)和彩色圖像的三維圖像。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，在多視圖三維顯示系統(tǒng)中，若沿不同水平方向顯示的圖像數(shù)目足夠大(約50至100個(gè))，則可以完全滿足三維感覺(jué)的四個(gè)人體生理學(xué)因素，為的是顯示自然的三維圖像。
然而，在顯示運(yùn)動(dòng)和彩色圖像時(shí)，在雙凸透鏡狀膠片粘貼到二維顯示裝置的方法中，能夠被顯示的圖像數(shù)目受到二維顯示裝置水平分辨率的限制。所以，由于眼睛聚焦位置與三維物體顯示位置之間差異引起疲勞問(wèn)題的同時(shí)，還因不能得到平滑的運(yùn)動(dòng)視差而產(chǎn)生圖像不連續(xù)性。為了增大圖像的數(shù)目，要求二維顯示裝置在水平方向比垂直方向有非常高的分辨率，這是很難實(shí)現(xiàn)的。在利用投影儀投影圖像到反射型雙凸透鏡狀屏幕的方法中，需要大量的投影儀，從而產(chǎn)生裝置過(guò)于龐大的問(wèn)題。
為了解決上述的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種三維顯示方法及其裝置，它能夠沿水平方向顯示更多個(gè)圖像，并通過(guò)產(chǎn)生圖像之間水平顯示角范圍的重疊，它能夠避免圖像的不連續(xù)性，這些圖像有相鄰的水平顯示方向。
按照本發(fā)明，為了實(shí)現(xiàn)上述的目的(1)一種三維顯示方法，包括以下步驟沿水平和垂直方向二維排列多個(gè)圖像源，為的是區(qū)分它們的水平顯示方向；利用垂直漫射體僅沿垂直方向擴(kuò)大顯示角范圍，產(chǎn)生全部圖像公共的垂直顯示角范圍，為的是消除沿垂直顯示方向的差別，并能沿不同的水平顯示方向顯示多個(gè)圖像；和使相鄰圖像之間的顯示角范圍重疊，為的是能平滑地切換圖像。
(2)一種三維顯示方法，包括以下步驟沿水平和垂直方向二維排列多個(gè)成像系統(tǒng)，為的是沿不同的水平和垂直顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像；和利用垂直漫射體僅沿垂直方向擴(kuò)大顯示角范圍，從而沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生成像系統(tǒng)數(shù)目的圖像。
(3)一種三維顯示方法，包括以下步驟利用二維透鏡陣列中的每個(gè)透鏡作為三維顯示裝置中的一個(gè)像素，與二維光源陣列對(duì)應(yīng)的每個(gè)透鏡產(chǎn)生沿不同水平和垂直方向前進(jìn)的多條光線；和利用垂直漫射體僅沿垂直方向擴(kuò)大顯示角范圍，使全部二維透鏡陣列沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生二維光源陣列中光源數(shù)目的圖像。
(4)一種三維顯示裝置，包括沿水平和垂直方向二維排列的二維圖像投影儀陣列；二維圖像投影儀陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的孔徑陣列；孔徑陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
(5)一種三維顯示裝置，包括沿水平和垂直方向二維排列的二維顯示裝置陣列；二維顯示裝置陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透鏡陣列；透鏡陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的孔徑陣列；孔徑陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
(6)一種三維顯示裝置，包括沿水平和垂直方向二維排列的照明光學(xué)系統(tǒng)陣列；照明光學(xué)系統(tǒng)陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透射型二維顯示裝置陣列；透射型二維顯示裝置陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透鏡陣列；透鏡陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和圖像產(chǎn)生側(cè)上垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
(7)一種三維顯示裝置，包括沿水平和垂直方向二維排列的照明光學(xué)系統(tǒng)陣列；照明光學(xué)系統(tǒng)陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透射型二維顯示裝置陣列；透射型二維顯示裝置陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透鏡陣列；透鏡陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的孔徑陣列；孔徑陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和圖像產(chǎn)生側(cè)上垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
(8)一種三維顯示裝置，包括沿水平和垂直方向二維排列的光源陣列；光源陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的微透鏡；和微透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體以構(gòu)造一個(gè)像素，且顯示平面是由像素的二維陣列構(gòu)成，其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
(9)一種三維顯示裝置，包括沿水平和垂直方向二維排列的光源陣列；光源陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的針孔；和針孔的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體以構(gòu)造一個(gè)像素，且顯示平面是由像素的二維陣列構(gòu)成，其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
(10)一種三維顯示裝置，包括發(fā)散光源；發(fā)散光源的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透射型光調(diào)制器陣列；和透射型光調(diào)制器陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體以構(gòu)造一個(gè)像素，且顯示平面是由像素的二維陣列構(gòu)成，其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。


圖1是常規(guī)雙目立體顯示系統(tǒng)的說(shuō)明圖。
圖2是利用雙凸透鏡狀膠片實(shí)現(xiàn)多視圖三維顯示系統(tǒng)的常規(guī)裝置方框圖。
圖3是利用反射型雙凸透鏡狀膠片實(shí)現(xiàn)多視圖三維顯示系統(tǒng)的常規(guī)裝置方框圖。
圖4是是利用視差擋板實(shí)現(xiàn)多視圖三維顯示系統(tǒng)的常規(guī)裝置方框圖。
圖5是圖像源顯示角范圍的二維排列和通過(guò)擴(kuò)大垂直顯示角范圍實(shí)現(xiàn)沿水平方向產(chǎn)生高密度圖像的說(shuō)明圖，它說(shuō)明本發(fā)明的原理。
圖6是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的三維顯示裝置方框圖(No.1)。
圖7是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的三維顯示裝置方框圖(No.2)。
圖8是按照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的多重成像系統(tǒng)中的顯示方向說(shuō)明圖。
圖9是按照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的顯示角范圍說(shuō)明圖。
圖10是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例中二維顯示裝置附近的改進(jìn)三維顯示裝置的方框圖。
圖11是雙凸透鏡狀膠片的功能說(shuō)明圖。
圖12是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的三維顯示裝置方框圖。
圖13是按照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例具有微透鏡的顯示方向說(shuō)明圖。
圖14是按照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的顯示角范圍說(shuō)明圖。
圖15是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例中二維顯示裝置附近的改進(jìn)三維顯示裝置的方框圖。
具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。
首先，描述本說(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)。從圖像顯示平面發(fā)射的光線發(fā)射角稱之為顯示角；當(dāng)光線發(fā)射角局限于某個(gè)角度范圍內(nèi)時(shí)，這個(gè)角度范圍稱之為顯示角范圍；其中發(fā)射角是從像平面的法線測(cè)量的。就是說(shuō)，在觀察像平面時(shí)，僅僅在顯示角范圍內(nèi)可以觀看到圖像。顯示角范圍的中心方向稱之為顯示方向。此外，用于圖像顯示的二維顯示裝置和光源陣列統(tǒng)稱為圖像源。
圖5是多個(gè)圖像源顯示角范圍的二維排列和通過(guò)擴(kuò)大垂直顯示角范圍實(shí)現(xiàn)沿水平方向產(chǎn)生高密度圖像的說(shuō)明圖，它說(shuō)明本發(fā)明的原理；圖5(a)表示圖像源顯示角范圍的二維排列；而圖5(b)表示通過(guò)擴(kuò)大垂直顯示角范圍產(chǎn)生公共的垂直顯示角范圍。
在這些附圖中，參考數(shù)字1表示圖像的顯示角范圍；數(shù)字2表示水平顯示角；數(shù)字3表示垂直顯示角；數(shù)字4表示沿垂直方向擴(kuò)大的每個(gè)圖像的顯示角范圍；和數(shù)字5表示公共的垂直顯示角范圍。
在過(guò)去，為了顯示沿不同水平顯示方向的圖像，圖像源僅沿水平方向排列。按照本發(fā)明，通過(guò)沿水平方向和垂直方向排列圖像源，就可以排列多個(gè)圖像源。當(dāng)圖像源是沿二維方向排列時(shí)，以下的實(shí)施例中要描述這種情況，圖像的顯示角范圍也是沿二維方向分布。其中全部圖像排列成沿不同的水平顯示方向。
例如，圖像源是沿二維方向排列的，每個(gè)圖像的顯示角范圍如圖5(a)所示。因?yàn)閳D像源還沿垂直方向排列，圖像的垂直顯示方向之間的差異是個(gè)問(wèn)題；然而，利用僅沿垂直方向漫射光的垂直漫射體(未畫(huà)出)，每個(gè)圖像的垂直顯示角范圍被擴(kuò)大以產(chǎn)生全部圖像公共的垂直顯示角范圍(公共垂直顯示角范圍)5，如圖5(b)所示。在這個(gè)范圍內(nèi)，全部圖像是沿不同的水平方向顯示，因此，可以得到與全部圖像沿水平方向排列的相同效應(yīng)。就是說(shuō)，在這個(gè)垂直顯示角范圍內(nèi)，當(dāng)觀察點(diǎn)沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以觀察到全部圖像，此外，每個(gè)圖像有不同的水平顯示方向。
以下詳細(xì)地描述幾個(gè)具體例子。
首先，描述復(fù)用像平面的配置。
圖6是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的三維顯示裝置方框圖(No.1)；圖6(a)是整體的示意圖；圖6(b)是它的二維顯示裝置陣列平面圖；圖6(c)是它的透鏡陣列平面圖；和圖6(d)是它的孔徑陣列平面圖。此外，圖7是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的三維顯示裝置方框圖(No.2)；圖7(a)是它的水平部分示意圖；和圖7(b)是它的垂直部分示意圖。
在這些附圖中，參考數(shù)字10表示二維顯示裝置陣列；數(shù)字11表示每個(gè)二維顯示裝置；數(shù)字12表示透鏡陣列；數(shù)字13表示每個(gè)孔徑；數(shù)字14表示孔徑陣列；數(shù)字15表示每個(gè)孔徑；數(shù)字16表示公共透鏡；數(shù)字17表示垂直漫射體；數(shù)字18表示公共像平面；和數(shù)字19表示光軸。
按照該實(shí)施例，像平面被復(fù)用。就是說(shuō)，成像系統(tǒng)是沿二維方向排列，因此產(chǎn)生沿不同水平和垂直顯示方向的多個(gè)圖像和利用垂直漫射體17消除沿垂直顯示方向的差別。通過(guò)排列成像系統(tǒng)使全部圖像有不同的水平顯示方向，可以沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生成像系統(tǒng)數(shù)目的圖像。
詳細(xì)地說(shuō)，如圖7(a)和圖7(b)所示，多個(gè)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)被復(fù)用。一般地說(shuō)，無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)是由兩個(gè)透鏡構(gòu)成；然而，按照該實(shí)施例，利用一個(gè)公共透鏡16作為圖像側(cè)上的公共透鏡使光學(xué)系統(tǒng)被復(fù)用。二維顯示裝置11排列在各自無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)的物平面上以顯示各自的圖像。全部無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)的圖像成像在公共像平面18的相同位置。公共像平面18上的圖像是沿水平和垂直方向顯示，不同地對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)焦成像系統(tǒng)相對(duì)光軸19的位置。
參照?qǐng)D8對(duì)此給予描述。在這個(gè)附圖中，參考數(shù)字21表示二維圖像顯示裝置；數(shù)字22表示透鏡；數(shù)字23表示孔徑陣列；數(shù)字24表示公共透鏡；數(shù)字25表示公共像平面；和數(shù)字26表示光軸。圖8(a)是多重成像系統(tǒng)的水平剖面示意圖，它說(shuō)明二維顯示裝置21與透鏡22的組合相對(duì)光軸26的位置確定公共像平面25上圖像的水平顯示方向。
圖8(b)是沿不同于圖8(a)中垂直方向的水平剖面示意圖，它說(shuō)明由于二維顯示裝置21與透鏡22的組合相對(duì)光軸26的位置與圖8(a)中的位置不同，沿水平方向顯示的圖像與圖8(a)中顯示的圖像不同。
圖8(c)是多重成像系統(tǒng)的垂直剖面示意圖，它說(shuō)明對(duì)應(yīng)于二維顯示裝置21與透鏡22的組合相對(duì)光軸26的位置確定垂直顯示方向。
其中，構(gòu)成無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)的二維圖像產(chǎn)生裝置11，透鏡13和孔徑15是沿二維方向排列，因此，全部圖像有不同的水平顯示方向。例如，這些元件沿二維方向的排列如圖6(b)至6(d)所示。此外，在多重成像系統(tǒng)的公共像平面18附近，用于擴(kuò)展光的垂直漫射體17僅沿垂直方向排列。
這樣一來(lái)，雖然水平顯示角范圍沒(méi)有變化，如圖7(a)所示，而全部圖像的垂直顯示角范圍擴(kuò)大成圖7(b)所示，因此，沿垂直方向產(chǎn)生全部圖像公共的顯示角范圍。這對(duì)應(yīng)于圖5(b)所示的公共垂直顯示角范圍5，而在這個(gè)顯示角范圍內(nèi)，當(dāng)觀察點(diǎn)沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以觀看到全部圖像。此外，每個(gè)圖像沿水平方向有不同的顯示方向。
如圖9所示，排列在透鏡陣列32與公共透鏡36之間的孔徑陣列34有用于確定多重成像系統(tǒng)產(chǎn)生的每個(gè)圖像顯示角范圍的功能。如圖9(a)所示，在孔徑陣列34中每個(gè)孔徑35是很小的情況下，每個(gè)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像顯示角范圍38是很小的。
如圖9(b)所示，若擴(kuò)大孔徑35，則顯示角范圍38就變得較大。按照這種方式，由于孔徑35的尺寸確定圖像的顯示角范圍38，孔徑陣列34中的孔徑分布與圖5(a)所示顯示角范圍的分布近似地一致。此外，參考數(shù)字31表示二維顯示裝置；數(shù)字33表示每個(gè)透鏡；和數(shù)字37表示公共像平面。
就是說(shuō)，圖6(d)與圖5(a)一致。所以，當(dāng)孔徑很小時(shí)，在有相鄰水平顯示方向的圖像顯示角范圍之間出現(xiàn)不連續(xù)性，因此，當(dāng)眼睛沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生圖像不能觀看到的范圍。這種情況稱之為圖像不連續(xù)性。當(dāng)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)僅沿水平方向排列時(shí)，不管孔徑擴(kuò)展到多大，使圖像的顯示角范圍與相鄰圖像的顯示角范圍發(fā)生接觸受到限制，在它們之間不能產(chǎn)生重疊。
然而，當(dāng)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)是沿二維方向排列時(shí)，如圖5(b)所示，在有相鄰水平顯示方向的圖像顯示角范圍之間可以產(chǎn)生重疊，因此，可以避免圖像不連續(xù)性，從而實(shí)現(xiàn)平滑的運(yùn)動(dòng)視差。
代替在透鏡陣列32與公共透鏡36之間排列孔徑陣列34，通過(guò)控制從二維顯示裝置31發(fā)射的光發(fā)射角，可以獲得與設(shè)置孔徑陣列34相同的效應(yīng)。
圖10(a)表示利用表面發(fā)射光源40，照明透鏡41，透射型二維顯示裝置42的構(gòu)成方法。在包含照明透鏡41和透鏡43的成像系統(tǒng)中，在相同位置形成表面發(fā)射光源40的圖像44以及具有與孔徑陣列34(見(jiàn)圖9)中孔徑35(見(jiàn)圖9)相同的尺寸，可以控制從透射型二維顯示裝置42發(fā)射的光發(fā)射角。表面發(fā)射光源40還可以利用其組合中的孔徑代替。
圖10(b)表示利用點(diǎn)光源46，照明透鏡41，透射型二維顯示裝置42的構(gòu)成方法。點(diǎn)光源46排列在與照明透鏡41相鄰的位置，它接近照明透鏡41的焦點(diǎn)45，以便利用發(fā)散光照明透射型二維顯示裝置42，可以控制從透射型二維顯示裝置42發(fā)射的光發(fā)射角。點(diǎn)光源46也可以利用其組合中的針孔代替?？梢越M合以上描述的兩種構(gòu)成方法。
此外，這些構(gòu)成方法顯然可以與孔徑陣列結(jié)合。除了這些方法以外，只要可以限制從二維顯示裝置發(fā)射的光發(fā)射角，可以利用任何其他的方法。
作為多重成像系統(tǒng)中的公共透鏡，要求該透鏡至少大于透鏡陣列。因此，可以利用費(fèi)涅耳透鏡。與球面透鏡比較，費(fèi)涅耳透鏡是又薄和重量又輕。除了這些透鏡之外，可以利用球面反射鏡，而且在這種情況下，可以利用球面反射鏡使光學(xué)系統(tǒng)中的光程折疊，從而使整個(gè)裝置小型化。
作為二維顯示裝置，可以利用常規(guī)的二維顯示裝置，例如，液晶顯示板。若利用小尺寸的液晶顯示板，則可以沿二維方向排列多個(gè)圖像，并可以顯示運(yùn)動(dòng)和彩色圖像。除此以外，可以利用任何的二維顯示裝置，只要它能夠產(chǎn)生二維圖像。
小尺寸液晶顯示板的尺寸可以是，例如，20mm×20mm。在這種情況下，若按照該實(shí)施例沿二維方向排列時(shí)，甚至可以排列50至100個(gè)顯示板，這些顯示板的面積約為140mm×140mm至200mm×200mm。然而，若按照常規(guī)方式僅沿水平方向排列時(shí)，則需要約1000mm至2000mm的寬度放置顯示板。
作為垂直漫射體，可以利用雙凸透鏡狀膠片。如圖11(a)所示，若光入射到有柱面透鏡50的雙凸透鏡狀膠片51，柱面透鏡50是排列在其上面的一維透鏡，則光僅沿柱面透鏡的排列方向52漫射，而不沿與此垂直的方向漫射。
如圖11(b)所示，雙凸透鏡狀膠片51圍繞光傾斜的中心沿一維方向漫射傾斜的入射光。所以，如圖5所示，顯示角范圍僅沿垂直方向擴(kuò)大，而保持入射圖像的顯示角范圍中心。除了雙凸透鏡狀膠片以外，可以利用全息光學(xué)元件作為垂直漫射體。除了這些以外，只要它僅沿垂直方向(一個(gè)方向)漫射光，可以利用任何的裝置作為垂直漫射體。
本發(fā)明的特征是，雙凸透鏡狀膠片排列成使柱面透鏡沿垂直方向排齊，它不同于常規(guī)的雙凸透鏡方法。
由于多重成像系統(tǒng)是離軸光學(xué)系統(tǒng)，可以產(chǎn)生因像差引起的圖像畸變。通過(guò)最佳設(shè)計(jì)諸如透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，使像差減小以抑制圖像畸變。此外，利用電路技術(shù)反向畸變二維顯示裝置上顯示的二維圖像，也可以校正圖像畸變。
在兩個(gè)透鏡構(gòu)成的無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)中，這兩個(gè)透鏡一般是這樣排列的，使兩個(gè)透鏡的焦平面互相一致，而物體和像平面排列在這兩個(gè)透鏡的其他焦平面上。
在參照?qǐng)D6和圖7對(duì)此給予描述時(shí)，構(gòu)成透鏡陣列12的透鏡13焦平面與公共透鏡16的焦平面互相一致。在透鏡13的另一個(gè)焦平面上，排列二維顯示裝置陣列11，而在公共透鏡16的另一個(gè)焦平面，排列公共像平面18。按照該實(shí)施例，還可以利用實(shí)現(xiàn)二維圖像顯示裝置與像平面之間成像關(guān)系的各種成像系統(tǒng)。
作為構(gòu)成多重成像系統(tǒng)的無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)的二維排列，除了圖6(b)至6(d)所示的二維排列以外，還可以有各種排列，其中各個(gè)成像系統(tǒng)的水平位置互相不一致。圖6(b)至6(d)所示的二維排列是這樣設(shè)計(jì)的，它考慮到在多重成像系統(tǒng)的光軸19與每個(gè)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)之間的距離增大時(shí)，像差引起的圖像畸變會(huì)增大。在圖6(b)至6(d)中，雖然為了簡(jiǎn)單化使無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)排列成有相等的間隔，但是它們不一定要排列成相等的間隔。具體地說(shuō)，為了保持有相鄰水平顯示方向的圖像角變化沿水平方向是恒定的，最好是，水平方向的間隔是隨從中心到周邊距離的增大而增大。
以下，描述本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。
圖12是按照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的方框圖；圖12(a)是顯示平面的示意圖；圖12(b)是顯示平面上一個(gè)像素的結(jié)構(gòu)示意圖；和圖12(c)是光源陣列的平面圖。在這些附圖中，參考數(shù)字60表示顯示平面；數(shù)字61表示顯示平面60上的一個(gè)像素；數(shù)字62表示光源陣列；數(shù)字63表示微透鏡；數(shù)字64表示垂直漫射體；和數(shù)字65表示光源。
在這個(gè)實(shí)施例中，描述像素級(jí)復(fù)用的配置。
其中利用微透鏡陣列，每個(gè)微透鏡63用作三維顯示裝置中的一個(gè)像素。在每個(gè)微透鏡63的焦平面上，設(shè)置沿二維方向排列的光源陣列62。從構(gòu)成光源陣列62的每個(gè)光源65發(fā)射的光線在傳輸通過(guò)微透鏡63之后有前進(jìn)的垂直方向和水平方向，它們對(duì)應(yīng)于光源65相對(duì)微透鏡63的位置。參照?qǐng)D13對(duì)此給予描述。
圖13(a)是說(shuō)明一個(gè)像素水平剖面圖的示意圖，它說(shuō)明光源71相對(duì)于微透鏡72光軸73的位置確定光傳輸通過(guò)該透鏡之后的水平前進(jìn)方向。13(b)是垂直位置與圖13(a)不同的水平剖面圖，它說(shuō)明由于光源71相對(duì)于光軸73的位置不同于圖13a)中的位置，光的水平前進(jìn)方向不同于圖13(a)中的水平前進(jìn)方向。13(c)是垂直剖面圖，它說(shuō)明光源71相對(duì)于光軸73的位置確定光的垂直前進(jìn)方向。
其中，確定光源陣列70中光源71的二維裝置，使來(lái)自全部光源的光線有不同的水平方向。例如，光源排列成如圖12(c)所示。于是，當(dāng)利用垂直漫射體64僅沿垂直方向擴(kuò)大光前進(jìn)方向時(shí)，產(chǎn)生來(lái)自全部光源的光線公共的垂直前進(jìn)方向范圍。
在這個(gè)公共垂直前進(jìn)方向范圍內(nèi)，來(lái)自光源的光線有各不相同的水平前進(jìn)方向。就是說(shuō)，可以控制從微透鏡發(fā)射的光線，對(duì)應(yīng)于它們的水平前進(jìn)方向。當(dāng)每個(gè)單獨(dú)微透鏡用作三維顯示裝置中一個(gè)像素時(shí)，為的是利用全部微透鏡陣列顯示整個(gè)屏幕，可以顯示對(duì)應(yīng)于不同光水平前進(jìn)方向的圖像。就是說(shuō)，在整個(gè)顯示平面60上，所有光源陣列62內(nèi)處在相同相對(duì)位置的光源組沿一個(gè)水平顯示方向產(chǎn)生圖像。就是說(shuō)，可以顯示構(gòu)成光源陣列62中光源數(shù)目的圖像。
構(gòu)成光源陣列62中光源65的水平寬度確定對(duì)應(yīng)圖像的顯示角范圍。參照?qǐng)D14對(duì)此給予描述。
如圖14(a)所示，若光源80的水平寬度81很小，則每個(gè)圖像的顯示角范圍83就很小。如圖14(b)所示，若光源80的水平寬度81增大，則每個(gè)圖像的顯示角范圍83就增大。在這些附圖中，參考數(shù)字82表示微透鏡。
按照這種方式，光源80的尺寸確定每個(gè)圖像的顯示角范圍83，因此，光源陣列62中光源的分布近似地確定顯示角范圍的分布，如圖5(a)所示。就是說(shuō)，圖12(c)與圖5(a)一致。所以，若每個(gè)水平寬度81很小，則在有相鄰水平方向的圖像顯示角范圍之間出現(xiàn)圖像不連續(xù)性。因此，當(dāng)觀察點(diǎn)沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生圖像不能觀看到的范圍。
如同在雙凸透鏡方法中，當(dāng)光源陣列中的光源僅沿水平方向排列時(shí)，圖像的顯示角范圍與相鄰圖像的顯示角范圍的接觸受到限制，因此，不能在它們之間產(chǎn)生重疊。然而，按照該實(shí)施例，當(dāng)光源陣列是沿二維方向排列時(shí)，如圖5(b)所示，在有相鄰水平顯示方向的圖像顯示角范圍之間可以產(chǎn)生重疊，因此，可以避免圖像的不連續(xù)性，從而實(shí)現(xiàn)平滑的運(yùn)動(dòng)視差。
在參照?qǐng)D12描述時(shí)，光源陣列62位于微透鏡63的焦平面上。然而，由于微透鏡63的功能是改變光前進(jìn)方向，即使光源陣列62不是在焦平面的位置上，光前進(jìn)方向發(fā)生變化，因此，給光源陣列62排列的位置不局限于微透鏡63的焦平面。
此外，除了微透鏡以外，如圖15所示，利用針孔92可以改變光前進(jìn)方向。如圖15(a)所示，針孔92排列在光源陣列90的發(fā)射側(cè)位置上，確定發(fā)射光在傳輸通過(guò)針孔92之后的前進(jìn)方向，它對(duì)應(yīng)于光源陣列90中光源91的相對(duì)位置。
此外，如圖15(b)所示，利用光調(diào)制器陣列93代替光源陣列90，在光調(diào)制器陣列93的入射側(cè)上設(shè)置針孔92也具有相同的功能。其中，光調(diào)制器是能夠控制光透射率的元件。光調(diào)制器陣列93中光調(diào)制器94的相對(duì)位置確定從每個(gè)光調(diào)制器94發(fā)射的光前進(jìn)方向。在這種情況下，也可以利用點(diǎn)光源代替針孔。除了微透鏡和針孔以外，可以利用任何的裝置，只要它能改變光前進(jìn)方向。
作為光源陣列中光源的二維排列，除了圖12(c)所示的排列以外，如果每個(gè)光源的水平位置互相不一致，則可以形成各種排列。在圖12(c)中，為了簡(jiǎn)單化，所示的光源在水平和垂直方向是有相等間隔的排列；然而，它不必是相等的間隔。具體地說(shuō)，為了保持有相鄰水平顯示方向的圖像角變化沿水平方向是恒定的，最好是，沿水平方向的間隔是隨從中心到周邊距離的增大而增大。按照該實(shí)施例，為了使三維圖像具有彩色，可以利用與常規(guī)二維顯示裝置中相同的技術(shù)?？梢岳眠@樣一些方法，例如，利用三個(gè)RGB基色的光源作為一個(gè)光源的方法，以及組合分別制備的三個(gè)光源組的方法，它對(duì)應(yīng)于有反半射鏡的三個(gè)RGB基色。
按照該實(shí)施例，光源陣列組可以代替二維顯示裝置。在這種情況下，可以容易地顯示運(yùn)動(dòng)和彩色圖像。二維顯示裝置中的一個(gè)像素對(duì)應(yīng)于一個(gè)光源。然而，要求二維顯示裝置有唯一的像素排列，如圖12(c)所示。在普通的二維顯示裝置中，利用正交的像素排列，可以使用這種像素排列，或利用光學(xué)元件進(jìn)行光轉(zhuǎn)換。按照該實(shí)施例，不要求僅沿水平方向高密度排列像素，如同常規(guī)的雙凸透鏡方法，而可以沿二維方向用相同密度排列像素。作為二維顯示裝置，可以利用高分辨率的液晶顯示板。
代替實(shí)際上沿二維方向排列光源陣列組，利用掃描光學(xué)系統(tǒng)空間掃描光源可以與二維光源排列實(shí)際相同的效應(yīng)。作為掃描方法，可以利用這樣一些方法，例如，沿水平和垂直方向二維掃描一個(gè)或多個(gè)光源的方法，沿垂直方向排列一維光源陣列的方法或二維光源陣列沿水平方向進(jìn)行一維掃描的方法，以及沿水平方向排列一維光源陣列的方法或二維光源陣列沿垂直方向進(jìn)行一維掃描的方法。
作為垂直漫射體(單方向漫射體)，可以利用雙凸透鏡狀膠片和全息光學(xué)元件。除此以外，可以利用任何其他的裝置，只要它能沿一個(gè)方向漫射光。
透鏡陣列和垂直漫射可用集成元件代替，該集成元件具有這兩個(gè)元件組合功能。
雖然本實(shí)施例與常規(guī)的雙凸透鏡方法或IP方法完全相同，它們都是利用透鏡陣列和光源陣列，它們之間明顯的不同是，構(gòu)成光源陣列的光源是沿二維方向排列的，因此，水平位置互相不一致，以及利用一維漫射體擴(kuò)大垂直顯示角范圍，從而使它們互相合并。
此外，本發(fā)明不局限于上述的實(shí)施例，基于本發(fā)明的精神可以作各種改動(dòng)，但這些改動(dòng)不能超出本發(fā)明的范圍。
如以上詳細(xì)描述的，常規(guī)的多視圖三維顯示裝置中的問(wèn)題是，不能沿水平方向顯示足夠數(shù)目的圖像。然而，按照本發(fā)明，可以大大增加沿水平方向顯示的圖像數(shù)目。所以，在解決調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)向之間不一致性問(wèn)題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)平滑的運(yùn)動(dòng)視差。
此外，有相鄰水平顯示方向的圖像顯示角范圍可以互相重疊，從而避免觀察點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的圖像不連續(xù)性。
此外，可以容易地顯示運(yùn)動(dòng)和彩色圖像。
工業(yè)應(yīng)用最好是，本發(fā)明結(jié)合能夠大大增加沿水平方向顯示圖像數(shù)目的三維顯示裝置。
權(quán)利要求
1.一種三維顯示方法，包括以下步驟沿水平和垂直方向二維排列多個(gè)圖像源，為的是區(qū)分它們的水平顯示方向；利用垂直漫射體僅沿垂直方向擴(kuò)大顯示角范圍，產(chǎn)生全部圖像公共的垂直顯示角范圍，為的是消除沿垂直顯示方向的差別，并能沿不同的水平顯示方向顯示多個(gè)圖像；和使相鄰圖像之間的顯示角范圍重疊，為的是能平滑地切換圖像。
2.一種三維顯示方法，包括以下步驟沿水平和垂直方向二維排列多個(gè)成像系統(tǒng)，為的是沿不同的水平和垂直顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像；和利用垂直漫射體僅沿垂直方向擴(kuò)大顯示角范圍，從而沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生成像系統(tǒng)數(shù)目的圖像。
3.一種三維顯示方法，包括以下步驟利用二維透鏡陣列中的每個(gè)透鏡作為三維顯示裝置中的一個(gè)像素，與二維光源陣列對(duì)應(yīng)的每個(gè)透鏡產(chǎn)生沿不同水平和垂直方向前進(jìn)的多條光線；和利用垂直漫射體僅沿垂直方向擴(kuò)大顯示角范圍，使全部二維透鏡陣列沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生二維光源陣列中光源數(shù)目的圖像。
4.一種三維顯示裝置，包括(a)沿水平和垂直方向二維排列的二維圖像投影儀陣列；(b)二維圖像投影儀陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的孔徑陣列；(c)孔徑陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；(d)公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和(e)垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，(f)其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
5.一種三維顯示裝置，包括(a)沿水平和垂直方向二維排列的二維顯示裝置陣列；(b)二維顯示裝置陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透鏡陣列；(c)透鏡陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的孔徑陣列；(d)孔徑陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；(e)公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和(f)垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，(g)其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
6.一種三維顯示裝置，包括(a)沿水平和垂直方向二維排列的照明光學(xué)系統(tǒng)陣列；(b)照明光學(xué)系統(tǒng)陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透射型二維顯示裝置陣列；(c)透射型二維顯示裝置陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透鏡陣列；(d)透鏡陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；(e)公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和(f)圖像產(chǎn)生側(cè)上垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，(g)其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
7.一種三維顯示裝置，包括(a)沿水平和垂直方向二維排列的照明光學(xué)系統(tǒng)陣列；(b)照明光學(xué)系統(tǒng)陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透射型二維顯示裝置陣列；(c)透射型二維顯示裝置陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透鏡陣列；(d)透鏡陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的孔徑陣列；(e)孔徑陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的公共透鏡；(f)公共透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體；和(g)圖像產(chǎn)生側(cè)上垂直漫射體附近產(chǎn)生的像平面，(h)其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
8.一種三維顯示裝置，包括(a)沿水平和垂直方向二維排列的光源陣列；(b)光源陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的微透鏡；和(c)微透鏡的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體以構(gòu)造一個(gè)像素，且顯示平面是由像素的二維陣列構(gòu)成，(d)其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
9.一種三維顯示裝置，包括(a)沿水平和垂直方向二維排列的光源陣列；(b)光源陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的針孔；和(c)針孔的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體以構(gòu)造一個(gè)像素，且顯示平面是由像素的二維陣列構(gòu)成，(d)其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
10.一種三維顯示裝置，包括(a)發(fā)散光源；(b)發(fā)散光源的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的透射型光調(diào)制器陣列；和(c)透射型光調(diào)制器陣列的圖像產(chǎn)生側(cè)上排列的垂直漫射體以構(gòu)造一個(gè)像素，且顯示平面是由像素的二維陣列構(gòu)成，(d)其中沿不同的水平顯示方向產(chǎn)生多個(gè)圖像。
全文摘要
提供一種三維顯示方法及其裝置，通過(guò)有相鄰水平顯示方向圖像之間的顯示角范圍重疊，在避免圖像的不連續(xù)性的同時(shí)，可以沿水平方向顯示多個(gè)圖像。在水平和垂直方向上顯示多個(gè)圖像，其顯示方向互相不一致，以及利用垂直漫射體(17)擴(kuò)大全部圖像的垂直顯示角范圍，產(chǎn)生全部圖像公共的垂直顯示角范圍。在這個(gè)公共的垂直顯示角范圍內(nèi)，全部圖像有不同的水平顯示方向。所以，因?yàn)閳D像源既沿水平方向排列又沿垂直方向排列，從而可以顯示多個(gè)圖像。
文檔編號(hào)H04N13/04GK1596378SQ0282366
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2002年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月2日
發(fā)明者高木康博 申請(qǐng)人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)