用于会聚角切片真3d显示器的系统和方法
【专利说明】用于会聚角切片真3D显示器的系统和方法
[0001]发明背景发明领域
[0002]本发明实施例总体上涉及三维(3D)显示器领域，并且更确切地讲涉及用于适合于多个观看者而不需要使用眼镜或跟踪观看者位置的真3D显示器的系统和方法，其中观看者的每只眼睛看见稍微不同的场景(立体观测)，并且其中随着眼睛改变位置每只眼睛所观看到的场景发生变化(视差)。
[0003]相关技术。
[0004]在过去的一百年中，在开发三维(3D)显示器方面已经做出了重大的努力。现有的3D显示器技术包括:DMD(数字微镜器件，德州仪器)投影，其照射到球体内部的旋转盘上(现实系统)；由多个IXD散射面板组成的另一种立体显示，这些散射面板被可替代地制成透明的或散射的以便对3D体进行成像(LightSpaCe/Vizta3D);立体系统，其要求使用者佩戴护目镜(“晶体眼”及其他)；双面立体系统(实际上是具有视差栅栏的双2D显示器，例如Sharp Actius RD3D);和透镜立体阵列(指向不同方向的许多微透镜，例如飞利浦九角度(nine-angle)显示器,SID, 2005年春天)。正如读者可能将不会在他/她的办公室找到一个上述系统的事实所证实的，这些系统中的大多数在使用者眼睛中产生真3D透视方面不是特别成功，或者不方便使用。夏普笔记本仅仅提供两个画面(左眼和右眼，每只眼睛具有单一角度)，并且LightSpace显示器似乎产生非常好的图像，但是其位于受限的体积内(全部都位于监视器内)，并且作为投影显示器使用起来非常麻烦。
[0005]除了这些技术以外，在英国和日本已经做出努力来产生真全息显示器。全息术在二十世纪四十年代后期由伽柏(Gabor)发明并随着激光器和离轴全息术的发明而开始盛行。英国的工作实际上已经产生了具有大约7cm广度和8度视场(FOV)的显示器。虽然这令人印象深刻，但在单色下，产生这个7cm视场需要100百万像素(兆像素(Mpixel))，并且由于物理定律，其显示远多于人眼能够从工作视距中分辨出的数据。具有60度FOV的工作50cm (20英寸)彩色全息显示器将需要500纳米(nm)像素(如果不是物理地，则至少是在光学缩小之后)和超过万亿像素(Terapixel) (10，000亿像素)显示器。这些数目在不远的将来的任何时候都是完全不可行的，并且即使达到仅水平视差(ΗΡ0，或仅水平面上的三维)也只是使需求下降到3吉像素(Gpixel)(三十亿像素)。即使每帧3吉像素仍然是非常不可行的数目，而且提供的数量级比正常工作距离下人眼对这个显示器尺寸所需要的数据更多。典型的高分辨率显示器具有250微米像素一具有500nm像素的全息显示器将比这个高分辨率显示器密集500倍多一显然，与在正常视距处人眼所需要的或甚至能够使用的数据相比，更多的数据将包含在全息显示器中。在真全息显示器中，这么惊人的数据密度将只会被浪费掉。
[0006]立体3D显示器由巴洛格(Balogh)提出，并且由Holografika开发。这种系统不在观看屏上产生图像，而是从观看屏投影光束，以通过使光束在空间中的像素点处交叉而形成图像(或者是实像一光束在屏幕和观看者之间交叉，或者是虚像一如由观看者所看到的，光束显然在屏幕后面交叉)。这种类型设备的分辨率由于离开屏幕的光束的发散而大大地受限制，并且所要求的分辨率(像素尺寸和像素总数)对于相当数量的视体来说开始变得非常高。
[0007]埃辛劳布(Eichenlaub)教导了一种用于使用高速光阀和光束控制装置来产生多个裸眼立体(无眼镜3D)观看区域(通常提到的是八个)的方法。这种系统不具有真3D显示器所期望的连续变化的观看区域，并且具有大量非常复杂的光学元件。该系统并不讲述怎样在多个水平线(被小垂直角隔开)上放置光学元件，这样使得实现可连续变化的裸眼立体观看。该系统还具有从单个光阀产生所有图像的缺点(因此要求非常复杂的光学系统)，这使其无法实现可连续变化观看区域所需要的带宽。
[0008]纳卡穆拉(Nakamuna)等人已经提出带有投影光学元件、小光阑和大菲涅耳透镜的微LCD显示器阵列。光阑使图像的方向分开，并而大菲涅耳透镜将这些图像聚焦到垂直漫射屏上。这个系统具有多个问题，包括:1)极少地使用光(由于光阑导致大部分的光都被抛弃)；2)极度昂贵的光学元件和大量的光学元件，或可替代地非常差的图像质量；3)非常昂贵的电子器件，其用于提供微LCD显示器的2D阵列。
[0009]托马斯(Thomas)已经描述了一种具有全水平视差和较大视角与视场的角切片真3D显示器。然而，该显示器要求操作大量的投影仪，并且因此是相对昂贵的。
[0010]发明概沭
[0011]本发明实施例包括3D显示器。一个实施例具有一个包括一个会聚反射器和一个窄角型漫射器的显示屏。该3D显示器具有一个将多个2D图像投影到该显示屏上以形成一个观看者所看到的3D影像的2D图像投影仪阵列。该显示屏的该会聚反射器使得仅使用几个投影仪(至少一个，但是对于3D观看来说标定为两个或更多个)就可以实现对于该观看者来说的多个全屏视场。该显示屏的该窄角型漫射器提供对3D影像中的角度信息的控制，从而使得该观看者用每只眼睛看见一个不同的图像(立体观测)，并且随着该观看者移动她的头部，她同样看见多个不同的图像(视差)。相应地，一个或多个方面中的若干个优点如下:无需头部跟踪或其他笨重的设备而向该观看者提供无需眼镜的3D影像；呈现深度和视差两者，其不需要外来渲染几何形状或照相机光学元件来产生3D内容；以及只需要几个投影仪来为两眼产生多个全屏视场。一个或多个方面中的其他优点将从附图和随后的描述的考虑中变得清楚。
[0012]一个实施例是一个系统，该系统具有一个或多个2D图像投影仪以及一个光耦合到这些2D图像投影仪上的显示屏。这些2D图像投影仪被配置为用于将多个单独的2D图像基本上聚焦地投影到该显示屏上。该显示屏被配置为用于将来自相应的2D图像投影仪的所投影的每一个2D图像光学地会聚到一个相应的视点上，其中，这些视点的总体形成一个人眼窗口(eyebox)。来自这些2D图像中的每一个的每一个像素被从该显示屏投影到一个小的角切片中，从而使得在观察该显示屏的该人眼窗口内的一个观看者能够用每只眼睛看见一个不同的图像。随着该观看者相对于该显示屏移动他或她的头部，每只眼睛所看见的图像发生变化。
[0013]这些2D图像投影仪可以由多个激光器与光耦合到这些激光器上的多个扫描微镜所组成，从而使得这些2D图像投影仪无需透镜而将这些2D图像投影到该显示屏上。由多个激光源所驱动的这些2D图像投影仪可以允许将这些2D图像基本上在所有的位置上聚焦(即，在横向于系统的光轴的所有平面内)。该系统可以被配置为用于从该人眼窗口中的这些视点的视角来生成这些2D图像中的每一个，并且将这些2D图像中的每一个提供给相应的投影仪。该系统可以被配置为用于根据这些投影仪之间的一个角切片水平投影角□□来对这些2D图像进行抗锯齿处理。该系统可以通过对来自一个3D数据集或一个或多个静物或视频照相机(例如，来自3D照相机，如图像加深度图照相机)的3D数据进行渲染来获得这些2D图像中的一个或多个。该系统可以将多个视频流转换为该3D数据集并且然后从该3D数据集渲染这些2D图像。该系统可以通过从获得自这些照相机的这些2D图像中的其他图像进行移位或内插来获得这些2D图像中的某些，并且可以基本上成比例地将这些照相机的视场深度与该系统的视场深度进行匹配。这些2D图像投影仪可以形成多个单独的组以形成多个人眼窗口，多个观看者可以各自从这些人眼窗口中观看该显示器。每一个人眼窗口对于多个观看者来说可以是足够大的。该显示屏的形状可以从由柱面、球面、抛物面、椭圆和非球面形状所组成的组中进行选择。
[0014]很多替代性实施例也是可能的。
[0015]附图简要描述
[0016]通过阅读以下参照附图进行的详细描述，本发明的其他目的和优点可以变得更加清楚。
[0017]图1是具有会聚反射漫射器的一个实施例的透视图；
[0018]图2是具有人眼窗口的图1的俯视图；
[0019]图3是具有会聚投影仪光线的图1的透视图；
[0020]图4是具有全屏视场的图1的俯视图；
[0021]图5是具有视场深度的图1的俯视图；以及
[0022]图6是具有水平角漫射的图1的俯视图。
[0023]图7是操作图。
[0024]图8是具有堆叠阵列的另一个实施例的透视图。
[0025]图9是比较图1与图8中的投影仪间距的正视图。
[0026]图10是具有深度偏移观看者的另一个实施例的透视图。
[0027]图11是具有在头顶上的阵列的另一个实施例的透视图。
[0028]图12是具有多个观看者和在头顶上的阵列的另一个实施例的透视图。
[0029]图13是具有球面反射漫射器的另一个实施例的透视图。
[0030]图14是具有会聚前漫射的另一个实施例的透视图；以及
[0031]图15是具有光线投影的图14的俯视图。
[0032]图16是具有会聚后漫射的另一个实施例的透视图；以及
[0033]图17是