体显示器的制作方法

专利名称：体显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维图像显示装置，并且具体来说涉及产生在限定成像容积内的虚像的三维图像显示装置。
可以以数种方式创建三维图像。例如，在立体视觉显示器中，可以同时或分时地显示可由观察者的各只眼睛唯一观察到的两个图像。这些图像是借助观众所佩戴的专用眼镜或护目镜来加以选择的。在前一种情况下，可以为这种眼镜装配偏振片透镜。在后一种情况下，可以为这种眼镜装配电子控制的遮光器。这些类型的显示器构造起来相对简单并且具有较低的数据速率。不过，专用观看眼镜使用起来不太方便，并且缺乏远景(perspective)可能会在观众当中造成不适。
使用自动立体视觉显示器可以创建更逼真的三维印象。在这些类型的显示器中，每个像素在不同的观看方向上发出不同亮度的光。观看方向的数量应当大得足以使观察者的各只眼睛要看到不同的画面。这些类型的显示器呈现出逼真的远景；如果观察者的头运动，视图随之改变。
在实践中，大多数这些类型的显示器在技术上难以实现。在文献中可以找到数种建议，参见例如US 5,969850。这些显示器的优点是，许多观察者能够观看例如单独一个3D电视显示器，而不需要专用观看眼镜，并且各个观察者能够看到包括视差和远景的逼真三维画面。
另一种类型的3D显示器是体显示器，如在http://www.cs.berkley.edu/jfc/MURI/LC-display上介绍的体显示。在体显示器中，图像显示容积内的点发射光线。这样，能够创建三维物体的图像。这种技术的缺点是遮挡，即，不能遮住被其它物体挡住的点的光线。因此，所显示的每个物体都是透明的。在原理上，这个问题可以借助视频处理和可能跟踪观察者头部或眼睛的位置来加以解决。
附图1中示出了体显示器的一种已知实施方式。该显示器由透明晶体10构成，两个激光器11、12(或者更多)在该透明晶体内进行扫描。在激光束13、14的交叉点位置15上，可以通过上转换产生光16，其中，通过吸收多个低能量的光子(即从合成的激光束中)产生高能量的光子发射。这种类型的显示器昂贵并且复杂。需要特殊的晶体10和两个扫描激光器11、12。此外，上转换不是非常有效的处理过程。
附图2中示出了体显示器20的另一种可选实施方式。这种方案使用一种能够在透明和扩散之间切换的材料，例如散布有聚合物的液晶(PDLC)或液晶凝胶(LC凝胶)。在三维栅格容积21中，单元22能够在这两种状态之间切换。典型地，是从一个方向对容积21进行照射的。在本图例中，照射源23位于栅格容积下方。如果使单元22切换到漫射状态，则光24就在所有的方向上散射。
在WO 01/44858中介绍了再另一种类型的显示器。该文件介绍了这样一种三维体图像显示装置在该装置中，使来自照射源的准直光入射在叠置有液晶微透镜阵列的液晶显示屏上。该阵列中的各个微透镜与LCD屏上的相应像素对准以从其接收光。各个液晶微透镜具有可调的焦距，从而可以将来自相应像素光投射到体图像空间内的选定点上。这样，可以对到达阵列中各个微透镜的光的强度和/或颜色加以控制，以便在体图像空间内产生多种相应的光强度和颜色。
这种解决途径的潜在问题是，各个LCD像素必须与相应的微透镜对准，并且为确定体图像空间的深度，要使LCD板与微透镜阵列之间的间隔固定。这导致观看角度非常有限。此外，需要使用复杂的微透镜阵列，同时还要使用复杂的控制系统来独立地控制阵列中各个独立微透镜元件的焦距。

发明内容
本发明的一个目标是提供体三维图像显示装置，克服与现有技术设备有关的一些或全部问题。
根据一方面，本发明提供一种用于产生三维体图像的显示设备，包括用于产生二维图像的二维图像显示屏；用于将二维图像投射为成像容积(44、49)内的虚像(40、45)的第一聚焦元件(42、47)；和用于改变显示屏与投影第一聚焦元件之间有效光学路径长度、从而改变虚像在成像容积内的位置的构件(43、48、50、51、60)。
根据另一方面，本发明提供一种产生三维体图像的方法，包括以下步骤
在二维图像显示屏(41、46)上产生二维图像；用第一聚焦元件(42、47)将二维图像投射为成像容积(44、49)内的虚像(40、45)；和改变在显示屏与投影聚焦元件之间的有效光学路径长度，从而改变虚像在成像容积内的位置。


现在将以举例的方式并且参照附图介绍本发明的实施方式，其中图1示出了基于两个扫描激光器和上转换晶体的体显示器的透视示意图；图2示出了基于散布有聚合物的液晶或液晶凝胶的可转换单元的体显示器的透视示意图；图3示出了有利于说明本发明原理的示意图；图4是图解根据本发明实施例包括显示屏和聚焦元件的体三维图像显示装置的示意图；图5是以两个旋转立方体的形式来改变显示屏与聚焦元件之间有效光学路径长度的构造的示意图；图6是以反射旋转轮的形式来改变显示屏与聚焦元件之间有效光学路径长度的构造的示意图；和图7是用于图4的显示装置的控制系统的示意原理框图。
具体实施例方式
图3a和3b图解说明本发明中使用的一些基本原理。在图3a中，由菲涅尔反射镜32给出了小显示屏31的相对较大的虚像30。在图3b中，由菲涅尔透镜37给出了小显示屏36的相对较大的虚像35。虚像30或35出现在透镜前方的空气中。观众可以将目光集中在这个图像30或35上并且观察到它是‘浮’在空气中的。
图4a和4b图解说明按照本发明对图3a和3b中的方案的改造。如图4a中所示，显示屏41与菲涅尔反射镜42之间的有效光学路径长度是通过设置动态透镜43来加以改变的。类似地，如图4b中所示，显示屏46与菲涅尔透镜47之间的有效光学路径长度是通过设置动态透镜48来加以改变的。
动态透镜43或48具有动态可调的光学强度。通过减弱该透镜的光学强度，虚像40或45会移动得远离菲涅尔透镜或反射镜42或47。如果使可调透镜43或48更强，则虚像40或45会移向菲涅尔透镜或反射镜。注意，增加或降低动态可调的透镜43或48的光功率的作用是为了依靠光路中折射率的局部变化来改变显示屏41或46与菲涅尔透镜或反射镜之间的有效光学路径长度。
在一般性的意义上，将会注意到，反射镜42或透镜47可一般地由用于将显示屏41、46的二维图像投射为位于成像容积44或49内的虚像40或45的任何光学聚焦元件来替换或实现。最好，反射镜42或透镜47是具有单一焦距的单一或复合的光学聚焦元件，从而使得平面显示屏成像到成像容积的单一平面上。
在操作中，可调透镜43、48的光学强度或者，更加一般地讲，二维显示屏41或46与聚焦元件42或47之间的有效光学路径长度，是以3D图像显示帧频周期性地调整的。典型地这会是50或60Hz。因此，在一个3D图像帧周期(如1/50秒)中，显示屏41或46的虚像充满成像容积44或49。在同样的帧周期内，可以驱动显示屏来改变所投射的图像，以使成像容积44或49内不同的深度接收到不同的虚像。
将会理解，按照优选的方面，用于改变2D显示屏41或46与聚焦元件42或47之间的有效光学路径长度的构件有效地以3D帧频将基本上为平面的二维显示屏的基本上为平面的虚像周期性地顺利通过成像容积44或49。在该3D帧周期内，2D图像显示屏以基本高于3D帧频的2D帧频显示一连串2D图像。
因此，在成像容积40、45中的不同的平面40a、40b或45a、45b上，获得了不同的图像，从而能够构造任何物体的三维图像。
二维显示屏可以是用于创建二维图像的任何适当显示装置。例如，可以是多LED显示器或者是基于数字微反射镜器件(DMD)的投影显示器。
最好，显示屏快得足以能够实现在例如1/50秒的一个帧周期内产生多个2D图像。例如，可采用商业手段得到的DMD能够达到每秒10,000帧的速度。如果使用24个二维帧来创建彩色和灰度级效果，并且要求50Hz的3D图像刷新率，能够在成像容积44、49中创造八个不同的图像平面40a、40b、45a、45b。
动态可调的透镜可以是任何适当的装置，比如液晶自适应透镜、可变形透镜(如电可变形、热可变形或机械可变形)，或者可以由可变形反射镜系统所替代。最好，动态可调透镜是单一或复合的透镜，尽管焦距可调，但在它的整个工作区域内具有基本上恒定的焦距。聚焦元件的工作区域应当大得足以对显示屏的整个工作显示区域进行成像。
在液晶自适应透镜的情况下，这可以用折射率性质可以作为所施加电场的函数发生变化的材料的薄片来实现。紧邻着该薄片的表面设置透明电极阵列，并且使用这些透明电极来局部地控制折射率，使得折射率在整个薄片上发生空间上的变化，从而形成选定焦距的聚焦透镜。按照这种实施方式，将会理解，有效焦距是借助电-光控制来加以改变的。
在可变形透镜或反射镜的情况下，这可以通过适当折射率的弹性或塑性材料来实现，可以使这种材料的形状发生变形，以便提供选定焦距的透镜或反射镜。按照这些实施方式，将会理解，聚焦元件的有效焦距是借助机械构件来加以改变的，例如，借助电-机械、磁-机械的或声换能器的机械构件。
按照另一种实施方式，显示屏41、46和聚焦元件42、47之间光路的有效长度的改变是通过改变物理路径长度，以及或者用已经讨论过的折射率调整来替代有效光学路径长度的变化来实现的。
显示屏41、46和聚焦元件42、47之间物理距离的调整可以采用机械手段来实现，可以简单地通过显示屏和聚焦元件中的一个或另一个(或两者)的物理移动(即通过它们相对位置的改变)来实现。这可以借助适当的马达驱动器或震动机构来实现。
图5表示另一种可替换的用于改变物理路径长度的技术。在图5a中，将两个旋转的立方体50、51放置于显示屏46和聚焦元件47之间的光路中。当两个立方体50、51使面垂直于光路52时，光路不发生偏转。当两个立方体50、51如图5b所示轻微相反地转动时，光路52的一部分53如图所示向下轻微偏转。这两个立方体是同步地相反转动的，从而光线是沿着同样的路径离开系统的。由于两个立方体之间光路52的部分53发生平行位移，因此显示器与透镜之间的光学距离能够得到改变。
在一般性的意义上，将会理解，两个旋转立方体像起到了一对可位移折射元件的作用，用来进行位移并且从而改变光路的一部分的长度。
结合图6介绍另一种可供选择的方案。分段轮60具有逐段改变的厚度，例如，段61-64。如果二维显示器是经由或穿过轮60成像的，则有效光学路径长度随着分段轮的旋转而改变。使2D显示屏46位于主光路队列的一端，并且借助半反射镜65将来自2D显示屏的光偏转到反射旋转轮60上。旋转轮由马达66驱动，并且可以以数种不同的方式构成旋转轮，以实现有效路径长度作为旋转的函数发生改变。
按照第一种构造，旋转轮具有反射的上表面。这样，入射到轮上的光反射离开上表面，该上表面随着轮的转动高度发生有效改变，从而缩短了光学路径段67。这同时影响了入射和反射的光束。光反射回到半反射镜65并随后继续到达聚焦元件47来形成虚像45。
按照第二种构造，旋转轮具有反射的下表面。这样，入射到轮60上的光要经过它所入射于其上的段61-64的厚度，然后反射回到半反射镜65。光随后继续到达聚焦元件47来形成虚像45。在这种情况下，光学路径长度的有效变化是通过引入与各个段61-64对应的光学材料的变化厚度来改变的，其中每个段具有比自由空间路径要高的折射率。
按照第三种构造，借助具有恒定厚度但各段折射率不同的分段轮可以实现同样的效果。
最好，包括聚焦元件47的光学系统对2D显示装置的图像进行放大。在这种情况下，在2D显示器与透镜之间距离的仅仅很小的调整就会造成很大的虚像位移。我们用o表示2D显示器与透镜之间的距离，并用b表示透镜与虚像之间的距离。那么，透镜强度f[m]与o[m]和b[m]之间存在以下关系1/f＝1/o+1/b物距增加Δo会导致距离b增加ΔbΔb＝-M2ΔoM＝b/o是放大倍数。由于M大于1，典型地在5至10之间，所以o的小量增加就会导致虚像的很大位移。
这里介绍的体显示器总体来说构造起来很简单并能够用公知的部件装配。这种体显示器的应用是很广泛的，包括在专业市场中的应用，例如，CAD/CAM和医学应用，并且可以应用于家用市场，例如用于娱乐装置。
参考图7a，示出了具有控制系统的整个体图像显示设备的示意图。插在2D显示屏46和聚焦元件47之间的有效光学路径长度调节器70a(诸如自适应透镜43、48，旋转立方体50、51或分段轮60)是由路径长度控制电路73来控制的。按照另一种可选方案，由路径长度控制电路控制用于改变2D显示屏46位置的机动台70b。显示驱动器72从图像生成器71接收2D帧图像数据。一连串2D图像的显示是借助同步电路74得以与路径长度控制器的操作同步的。
有意识地使其它的实施方式处于所附的权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种产生三维体图像的显示装置，包括二维图像显示屏(41、46)，用于产生二维图像；第一聚焦元件(42、47)，用于将二维图像投射为成像容积(44、49)内的虚像(40、45)；和用于改变显示屏与投射第一聚焦元件之间的有效光学路径长度、从而改变虚像在成像容积内的位置的构件(43、48、50、51、60)。
2.如权利要求1的显示装置，其中用于改变有效光学路径长度的构件(43、48、50、51、60)适用于操作以使虚像周期性地通过成像容积移动。
3.如权利要求2的显示装置，还包括显示驱动器(72)，用于控制显示屏，以在与显示屏的图像相应的虚像通过成像容积移动的时候产生一连串不同的图像；和控制构件(73、74)，用于使显示驱动器与改变有效光学路径长度的构件(70)同步。
4.如权利要求1的显示装置，其中用于改变有效光学路径长度的构件包括具有可调光学强度的第二聚焦元件(43、48)。
5.如权利要求4的显示装置，其中第二聚焦元件(43、48)是液晶自适应透镜。
6.如权利要求4的显示装置，其中第二聚焦元件(43、48)是可变形透镜。
7.如权利要求4的显示装置，其中第二聚焦元件(43、48)是可变形反射镜。
8.如权利要求1的显示装置，其中用于改变有效光学路径长度的构件包括用于改变显示屏(46)和第一聚焦元件(42、47)的相对位置的物理位移构件(70b)。
9.如权利要求1的显示装置，其中用于改变有效光学路径长度的构件包括用于改变显示屏(46)与第一聚焦元件(42、47)之间光路的至少一部分的光路调节器(50、51、60)。
10.如权利要求9的显示装置，其中光路调节器(50、51)适用于改变光从显示屏(46)到聚焦元件(42、47)所经过的距离。
11.如权利要求9的显示装置，其中光路调节器(50、51、60)适用于改变光路的至少一部分的折射率。
12.如权利要求10或权利要求11的显示装置，其中光路调节器包括多个用于进行位移并从而改变光路的一部分(53)的长度的可位移的折射元件(50、51)。
13.如权利要求10的显示装置，其中光路调节器是具有多个不同高度部分的反射元件(60)，可以选用这些不同的高度从不同的物理位置将来自显示屏的光反射到聚焦元件；和选择构件(66)，用于改变光学元件处于光路中的部分。
14.如权利要求11的显示装置，其中光路调节器(60)包括在显示屏(46)与第一聚焦元件(47)之间的光学元件(60)，具有与显示屏和第一聚焦元件之间光路的其它部分不同的折射率，该光学元件具有变化的厚度和/或折射率的部分(60-64)；和选择构件(66)，用于改变光学元件处于光路中的部分。
15.如权利要求1的显示装置，其中第一聚焦元件(42、47)对显示屏(41、46)的虚像(40、45)进行放大。
16.如权利要求1的显示装置，其中第一聚焦元件(42、47)将二维图像投射为成像容积(44、49)内相应的平面虚像(40、45)，用于改变有效路径长度的构件改变平面虚像距第一聚焦元件(42、47)的光学输出端的距离。
17.如权利要求1的显示装置，其中显示屏(41、46)适合于具有基本上大于每秒50帧的图像刷新率。
18.如权利要求1的显示装置，其中显示屏(41、46)适合于具有基本上大于每秒200帧的图像刷新率。
19.如权利要求1、权利要求2或权利要求3的显示装置，其中用于改变有效光学路径长度的构件包括机械构件。
20.如权利要求1、权利要求2或权利要求3的显示装置，其中用于改变有效光学路径长度的构件包括电-光构件。
21.如权利要求1的显示装置，其中第一聚焦元件是基本上具有单一焦距的单一或复合元件。
22.如权利要求4至6任何之一的显示装置，其中第二聚焦元件是在其整个工作区域内基本上具有恒定的焦距的可调的、单一或复合的透镜。
23.一种产生三维体图像的方法，包括以下步骤在二维图像显示屏(41、46)上产生二维图像；用第一聚焦元件(42，47)将二维图像投射为成像容积(44，49)内的虚像(40、45)；和改变显示屏与投射聚焦元件之间的有效光学路径长度，从而改变虚像在成像容积内的位置。
24.如权利要求23的方法，包括使虚像周期性地通过成像容积移动。
25.如权利要求24的方法，进一步包括以下步骤控制显示屏，以在与其相应的虚像通过成像容积移动的时候产生一连串不同的图像；和使显示屏的图像与虚像穿过显示容积的周期性移动同步。
26.如权利要求23的方法，其中改变有效光学路径长度的步骤包括改变第二聚焦元件(43、48)的光学强度。
27.如权利要求23的方法，其中改变有效光学路径长度的步骤包括改变显示屏(46)与第一聚焦元件(42、47)的相对位置。
28.如权利要求23的方法，其中改变有效光学路径长度的步骤包括改变显示屏(46)与第一聚焦元件(42、47)之间光路的至少一部分。
29.如权利要求28的方法，进一步包括改变光从显示屏(46)到聚焦元件(42、47)所经过的距离。
30.如权利要求28的方法，进一步包括改变光路的至少一部分的折射率。
31.如权利要求29或权利要求30的方法，进一步包括改变多个用于进行位移并且从而改变光路的一部分(53)的长度的可位移折射元件(50、51)的位置。
32.如权利要求29的方法，进一步包括在光路中引入一连串反射镜的步骤，每个反射镜相对于入射光束具有不同的位置。
33.如权利要求30的方法，进一步包括改变显示屏(46)与第一聚焦元件(47)之间光学元件(60)的位置，该光学元件具有不同于显示屏与第一聚焦元件之间光路的其它部分的折射率，该光学元件具有变化的厚度和/或折射率的部分(60-64)。
34.如权利要求23的方法，进一步包括以基本上高于每秒50帧的刷新率来刷新显示屏的图像的步骤。
35.如权利要求34的方法，其中刷新显示屏图像的步骤是以基本上高于每秒200帧的刷新率。
全文摘要
一种三维图像显示装置产生在限定的成像体内的虚拟图像。该装置包括用于产生二维图像的二维图像显示屏；用于将二维图像投射为成像体内的虚拟图像的第一聚焦元件；和用于改变显示屏与投射第一聚焦元件之间的有效光学路径长度从而改变虚拟图像在成像体内的位置的构件。有效光学路径长度可以借助可变焦距的透镜、借助2D显示屏与第一聚焦元件的相对运动或借助将改变有效光学路径长度的其它光学元件引入到光路中来改变。
文档编号H04N13/00GK1910937SQ200580002209
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月6日 优先权日2004年1月9日
发明者W·L·伊泽尔曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司