CN1011088B - 立体影象显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括下列各部分的立体显示装置；

甲)多个离散的并可独立控制的光源(4)，配置在表面(6)上，和

乙)一个或多个光调整元件(3)，配置成与表面(6)有固定的关系，以便能够形成三维图象。本发明能形成用裸眼即可观看到的活动立体显示。

Description

本发明涉及一种能形成至少一对其间具有视差的图象的立体显示装置。

众所周知，通过给观众提供从相隔一段短距离的观察点摄取的一对分开的图象，而且安排使每个图象只被观众的一只眼睛所观察到，则可使观众产生深度或视差的幻觉。

为达到此目的，以前的立体显示装置是采用简单的遮眼罩之类的屏蔽物和/或双目镜连同成对的照相或显示屏幕的。

作为分开图象的另一种选择方案，也可以在单个屏幕上显示重叠的影象。在采用红青两色立体图片系统时，这些图象具有不同颜色，可在眼上配载适当的彩色滤光镜将图象予以分开，类似的系统则采用戴在眼上的偏振滤光镜。

另一种选择方案是在单个屏幕上将一对交替的图象显示出来，以与图象同时协调的方式交替地遮住观众的眼睛，来达到分离图象的目的。

也已知道，全息照相和全景视差照相可提供静止的三维度。

除全息照相和全景照相外，上述各系统都能立体显示活动的图象，但观众眼上需要戴上诸如遮眼罩、透镜、偏振滤光镜或彩色滤光镜等光学器件。全息照相和全景照相虽然无需使用这类光学器件，但它们通常不适宜显示活动图象。

本发明的一个目的是提供一种能方便地提供活动图象并能用裸眼观看到的立体显示装置。

本发明所提供的立体显示装置包括：

甲）多个配置在一表面上离散和可独立控制的光源，和

乙）一个或多个光调整元件，与该表面按固定关系配置，以便能形成三维图象。

通过配置光源使得产生至少一对活动的交错图象，并采用相对于该表面固定的一个或多个是光调整光件将该对交错图象分离成彼此相距一段距离的图象，就可能产生用裸眼就能观看到的活动立体显示。

一般说来，光源包括发光液晶元件、可见光发光二极管、气体等离子体元件或表面的离散涂敷荧光区。还可以采用其它替代物。

光源最好采用适当导线硬连接到开关装置和电源。

光调整元件最好是一个具有以平行构形配置的多个且具有公共焦距的柱面透镜的透光的双面凸状屏幕。也可以采用包含复眼微透镜的屏幕、包含玻璃棒的屏幕和包含玻璃球的屏幕。各个独立透镜、玻璃棒或玻璃球等，此后简称为“透镜体”。

在各透镜体的焦平面内配置一组光源则更为理想。每组光源包括至少两个光源。每组光源中的独立光源彼此相隔一段距离，使其相应的图象也彼此相隔一段距离。最理想的情况是，透镜体都呈柱状或棒状，且每组光源包括一对光源，组成各对光源的光源在透镜体纵向轴线相隔一段距离横向配置。使用时，成对光源中的一个光源显示属于其中一个交错图象的象素，同时成对光源的另一个光源显示属于另一交错图象的象素。

可在各透镜体的焦平面内配置具有任意数目的光源的光源组，以提供随观众的位置的变化而变化的全景图象。但每组光源则须包括至少两个光源。

作为透镜体的替代物，也可采用多缝遮光板或照相的等效物也被设想可构成有效的光调整元件。

可用好几种方法产生交错图象。例如，各图象可单独地并顺次地产 生，或同时产生两个图象。在本发明的一个实施例中，各交错图象的象素是交替产生的。图象可以从一对彼此相隔一段距离的摄影机获得，也可以由计算装置产生。

为进一步陈述本发明的内容，下面参照附图以实例的方式进行叙述。

图1是本发明显示装置的水平剖视图;

图2是一个间距相对于屏幕厚度为小的双面凸状屏幕的示意图;

图3是一个间距相对于屏幕厚度为大的双面凸状屏幕的示意图;

图4说明在该条件下会产生非立体图象的示意图;而

图5是将4个光源安置在每个透镜体底下的显示装置示意图。

参照图1。该图示出显示装置（1）的一个剖视图。该显示装置（1）包括一光源排2和一双面凸状屏幕（3）。该光源排和双面凸状屏幕均向纸平面内和外延伸。

该光源排（2）由多个独立元件（4）组成，每个元件（4）分别由导线（7a，7b）连接到开关单元和未在图中示出的电源上。在本实施例中，光源（4a，4b）采用如在所谓“平面屏幕电视机”上已知的那种二维排列方式进行配置的液晶器件。

双面凸状屏幕（3）由多个平行的柱面透镜或透镜体（5）组成。每个透镜体具呈弯曲状的外表面，内表面（6）则呈扁平状，即该扁平的内表面（6）支撑光源排（2）。每个透镜体的外表面曲率半径为常值。每个光源（4）的横向宽度（P′）等于双面凸状间距P的一半。双面凸状屏幕（3）前面可设置一透明的保护屏幕（9）。

光源（4）分为两组：（4a）和（4b）。每组的至少一个光源安置在每个透镜体（5）底下，如图中用在光源（4a，4b）上的阴影线的交替反向倾斜线来表示。光源在透镜体上纵向的宽度最好为（P′）的数量级，但也可以大于或小于（P′），这取决于光源设计的实际情况而定。

图1中，两组光源（4a）和（4b）沿相应的导线组（7a）和（7b）分离地连 接到开关单元和电源上。现在我们只考虑元件（4a）和相应的导线（7a）。当光源（4a）起作用时，表面（6）上就会显示出由多个独立象素组成的复合图象。另一组光源（4b）连同相应的导线（7b）一起使同一表面（6）上可以显示出与第一图象交错在一起的第二图象。

透镜体的长轴线或任何其它光调整元件的等效轴线被观看时最好能处于垂直方向，即处在垂直于连接观众两瞳孔的连线。此外，更新任一组光源（例如4a）所映出的图象的次序，最好为一种沿着而不是横跨透镜体（5）的纵向轴线的更新次序。

当距表面（6）一段距离透过双面凸状屏幕（3）看表面（6）时透镜体（5）所产生的两交错图象的间距约等于人眼瞳孔的间距（h）。因此，观众的眼睛（8a，8b）看到不同的图象，一只眼睛（8a）看到光源（4a）所形成的图象，另一只眼睛（8b）看到光源（4b）所形成的图象。由于图象是成对形成的只是随观众的假定的观测点而异，于是就产生了视差和三维度的幻觉。

可以设想将该显示装置与一能对一对屏幕存储器陈列进行编址的微处理机配合使用，且每个屏幕存储器阵列对应于交错图象的一个图象或另一个图象。

为提供彩色图象时，每个光源可作为三个水平条带的一个单元而进行实施，每条条带取一种基色。在这种情况下，每个条带当然会有一阵列编址相当于光源本身的阵列编址的子集。

如上所述，双面凸状间距（P）等于每个光源横向宽度的两倍。这对较小的显示装置来说完全可以取得令人满意的效果。但对较大的显示装置来说，每个光源的横向宽度最好略大于双面凸状间距（P）的一半。显示器宽度为0.5米时，差值以1%左右为宜。例如，对这种规格的显示器，透镜体间距可取0.5毫米，每个光源的横向宽度可取0.275毫米。间距（P）与光源横向宽度（P′）之间的这种差别可以补偿在较大的显示器中否 则就会产生有害的光学效应。透镜体采用非线性间距且/或光源的横向宽度或使光源之间彼此间隔的一段距离采用非线性也同样可以达到同样的补偿效果。但这些可供选择的方案给制造带来了困难。

应该指出的是，当（P）和（P′）之间有差值时，透镜体与其光源之间的配准就变为相对的。即，配准时不能严格考虑成哪一个光源应置于哪一个透镜体“后面”。

上面的叙述主要关于光源的安排是取硬接线元件形式的情况。但本发明也涉及使用离散涂敷荧光区的可能性。应该强调的是，本发明不可能单凭在普通阴极射线管（CRT）电视接收机上加一个双面凸状屏幕付诸实施的。

周知的单色设计的CRT屏幕有一层连续的荧光涂层，与离散的荧光区成强烈对比。周知的彩色CRT采用荫罩限定屏幕上的象素。名义上荫罩限定屏幕上象素的光点尺寸，但实际上电子束的散射通常超出荫罩的光点间距。因此，光点大小的象素通常边缘轮廓不清晰，而用于本发明时则需要轮廓清晰的离散象素。

即使有可能将双面凸状屏幕结合到CRT屏幕中，但由于电子束偏转线路要求高度精确，因而要保持透镜体与象素之间精确配准特别困难。本发明还特别要求确保图象在水平方向上高度稳定性。CRT的图象稳定性不好，图象亮度变化时，图象的宽度和高度略有变化，因此图象的宽度几乎没有稳定过。此外，CRT及有关线路在较大的温度范围内图象稳定度不太高。当然，众所周知，可以在某些形式的彩色电视接收机屏幕上配以离散的荧光光点群。但与一独立的双面凸状屏幕的透镜体的配准问题仍然存在。上述问题说明要将本发明应用到CRT类的装置有困难。

阴极射线管靠电子来激活荧光层。本发明所用的具有离散涂敷荧光区的屏幕可用激光激活。

本申请人发现，采用了双面凸状屏幕，视野角随屏幕的厚度/间距 比的变化而变化。深度和间距的大小如图2所示。图2中，间距比屏幕厚度较小。图2举例说明了观众从中心位置的位置1移到稍微偏离中心位置的位置2时较小间距的影响。在偏离中心的位置，观众用其左眼透过毗邻的透镜体观看，并看到在原透镜体下面不正确的图象（图象“B”），同时用其右眼透过毗邻的透镜体看到图象“A”。这种由一只眼看到不正确图象的效应叫做幻视效应。

沿左、右眼看图象的视线之间的夹角随着观看距离的减小而增加。因此若想在缩短观看距离的情况下使用显示器，最好是增加显示器的视野角。本申请人发现，通过相对于透镜体的厚度增加透镜体的间距可以增大发生幻视效应的角度。这一来增加了屏幕的视野角，如图3所示。

图3也突出了令象素大小随间距增加的重要性。即，不管透镜体的间距如何变化，应使光源保持与透镜体配准。因此增加透镜体的间距可以扩大视野角而无需从一个象素移到下一个象素上。

图3除表示视野角随间距而扩大的情况，还通过说明了立体显示与开始出现幻视效应的中间阶段。图3中，在位置2，右眼透过毗邻的透镜体看到图象“A”，同时左眼透过毗邻的透镜体看到同一个图象“A”。但由于透镜体的间距较大，左眼看到“正确的”图象（图象“A”），即整个图象的毗邻象素。这样，两只眼看图象“A”其结果为看到两维的图象。这也可从图4中看到，在各种不同条件下产生相同的效果。在图4的位置2上，观众的左和右眼都通过同一个透镜体看单个光源。于是产生非立体图象。

本发明提供一种扩大显示器三维视野角的方法。这主要在于增加位于每个透镜体底下光源的数目。图1是基于这样的布局：每个透镜体每排横过显示器配置有一组两个光源组成的光源。这是最起码的配置。各组光源也可以由两个以上的光源组成，图5展示了每组具有四个光源的布局。此外，还可采用光源数为奇数的光源组。在每种情况下，观众是 在第一位置看到一对光源，在他通过一小段距离有效移到第二位置时看到另一对光源。一个光源为两对光源的公共光源。

图5说明了每个透镜体使用一组有四个光源的情况。这样，每个透镜体就有三对图象。在最佳的厚度/间距比的情况下将每组光源的光源数增加到四能使三维视野角扩大三倍。图5中所示的三个观看位置表示了这种全景效应。

现在叙述图5描述的显示装置及其光源的一种控制方法。不言而喻，下面的叙述只代表本申请人对本发明的现有理解，本说明书所作理论上的任何论述并不限制所附权利要求书的有效性。

从图5中可以看到，三个透镜体每个都有相应的四个光源组成的光源组与每个透镜体配准。图中所示处于中心位置的光源标以A、B、C、D。图中还示出表示一观众从三个不同位置看该中心透镜体的视线的线。可以认为，该透镜体具有遮住其它光源只让各眼看到光源组中之一个光源的作用。在中心观看位置的位置2处，观众左眼看到光源A，观众右眼看到光源B。这样，中心观看位置的图象对即由光源A和B提供。若观众的观看位置稍微偏离中心而移到位置1时，则观众左眼看到光源B，观众右眼看到光源D。这样，位置1看到的图象对为B和D。同样，若观众的观看位置稍微偏离中心反向而移到位置3，则观众左眼看到光源C，同时观众右眼看到光源A。于是位置3看到的图象对为A和C。因此，每组有四个光源的光源组可提供三对图象，同时，可提供扩大的视野角。

要产生三维全景效应，在观众观看位置相对屏幕横向移动时应使观众看到的图象是横贯屏幕移动的。现叙述要达到这种效果时如何确定应使哪一个光源起作用的一种方法。人脑是具有某种生理反应的，因此一般认为这种方法是有效的。特别是，一般认为人脑具有把左右眼看到的彼此分开的毗邻图象加在一起的倾向。而且认为这种相加作用是在单一的次层上存在的，即在把观众只是相应的眼看到的相邻象素相加，就不 再把相加得出的合成象与其它这类合成象相加起来。

在图5中，设想将左边透镜体底下的光源从最左端分别命名为C1、A1、B1和D1。同样，设想将右边透镜体底下的光源从透镜体的最右端分别命名为C3、A3、B3和D3。此外，设想中心光源为A2、B2、C2、D2-而不是如图所示的A、B、C、D那样。

若光源A1和B2起作用时，从位置2观众会“看到”单一“光点”。此“光点”看起来处在左边和中心透镜体之间的边界上，在光源排前面相当于透镜体间距的距离处。若光源D3也起作用，则观众移到位置1时产生这样的效果：该“光点”看起来移到中心和右边透镜体之间的边界，而且也处在光源排前面相当于透镜体间距的距离处。即当观众往右移时，该“光点”看起来往左移。

在位置2，观众的脑看来似乎是把图象A1和B2相加起来，在位置1中，观众的脑看来似乎是把图象B2和D3相加起来。这些图象对（A1、B2和B2、D3）与上述参照图5中所示视线说明的图象对（A、B和B、D）一致。每对图象（A1、D3）中的一个成员是来自毗邻光源组的，因为合成象要求处在光源排前面一个间距长度的地方。在位置2在只有光源A1和B3起作用的情况下，观众将会在中心透镜体前面距光源排相当于两倍透镜体间距的距离处“看到”一个“光点”。

从上所述可知，产生单一“光点”所需的透镜体数目取决于该“光点”相应于光源排平面而言处在所希望的位置。假设需要从各位置1、2和3正确观看;若想使该“光点”处在光源排平面内，应使与一透镜体相关的四个光源都起作用;若想使该“光点”从光源排移位一间距长的距离，应使与四个毗邻的透镜体组的每一个不同的光源起作用（例如，在位置1、2、3来自四个毗邻透镜体的图象对分别为D4B3、B3A2和A2C1）。应该指出，要获得一个“光点”在光源排后面的位移是和要获得一个“光点”在光源排前面位移一样容易。（即位置1、2和3的 图象对分别变为D1B2、B2A3和A3C4）。

因此，只要知道最终三维图象各“光点”需要出现的位置，就可确定产生每个“光点”所必须启动的光源。这项工作不难用适当编程了的普通计算机进行。计算机的输入可以是例如两摄影机从稍微不同的位置拍摄同一物体以数字形式表示的图象。因此，本发明的显示装置可用于所接收的广播信号呈若干数字图象形式的电视接收机。（每光源组的每个光源应提供以一数字图象。即在四象素配置中最好应提供四个独立的数字图象。这些图象从一个摄影机观看时可具有不同的景象，或可由相应的摄影机提供）。下一步对广播信号的处理是在电视接收机中进行的。目前已成功地实现数字电视图象（一景物的单个或“一个摄影机”的景象）的广播。当然，作为另一种选择方案，也可将完全处理过的数据在例如电缆分布式网络上进行传输。

本发明的应用包括它在广告、娱乐事业和教育方面的应用。

Claims (10)

1、一种立体显示装置，包括：

一个显示表面(6)；和

一个透光的双面凸状屏幕(3)，具有两个或多个透镜体，透镜体与所述表面相对固定配置，以形成三维图象；其特征在于还包括

多个离散的光源(4)，配置在所述显示表面上，其中至少以两个光源配置成一组；

用于独立控制每个光源的装置；并且

各光源组被配置成与各透镜体配准，以显示一对交错的图象，且所述三维图象包括一对其间具有视差的彼此相隔一段距离的图象。

2、如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述透光的双面凸状屏幕（3）包括多个平行配置的柱面透镜（5）。

3、如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述光源组（4）配置在每个柱面透镜（5）的焦平面中。

4、如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，每组光源包括四个光源（4）。

5、如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，各组光源的横向宽度（P′）大于柱面透镜（5）的间距（P）的一半。

6、如以上任意一项权利要求所述的显示装置，其特征在于，所述光源（4）包括发光液晶元件。

7、如权利要求1至5中任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述光源（4）包括可见光发光二极管。

8、如权利要求1至5中任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述光源（4）包括气体等离子体元件。

9、如权利要求1至5中任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述光源（4）包括表面（6）的涂敷荧光区。

10、如权利要求1至5中任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述光源（4）用适当的导线（7a，7b）硬连接到开关装置和电源上。

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