CN101432652B - 三维图像显示装置 - Google Patents

Abstract

现有的三维图像显示装置牺牲了眼睛的生理特性中的调节及收缩，形成不自然的三维图像。存在例如：即使移动眼睛，画面也不产生变化、布景效果、缩影效果等问题，增大了眼睛的疲劳度。本发明的三维图像显示装置包括，发射光源(1R)、(1G)、(1I)、全息图(3R)、(3G)、(3I)及透明的显示体(4)；在显示体(4)的内部形成有多个反射体(6)，配置于立体格子的交点位置；由发射光源(1R)、(1G)、(1I)射出的光(2R)、(2G)、(2I)入射到全息图(3R)、(3G)、(3I)，并通过全息图(3R)、(3G)、(3I)，在反射体(6)的附近产生多束形成聚光点的衍射会聚光(5G)、(5B)、(5I)；衍射会聚光(5G)、(5B)、(5I)经反射体(6)反射后，经过所述透明体(4)的出射面(7s)，被发射到外部。

Description

三维图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种立体地显示图像信息的三维图像显示装置。

背景技术

作为现有技术，例如非专利文献1中作有记载。在此，基于该先例，结合图6进行说明。图6是现有技术的例子中的三维图像显示装置的构成原理示意图。图6中，观察者戴着左右眼的偏振方向不同的偏光镜12a、12b，通过半反光镜13，看到左画面的图形14a以及右画面的图形14b。通过偏光镜12a、12b，左眼看到的是上下偏振光15a的像16a，右眼看到的是水平偏振光15b的像16b，由于两眼的视差，所观察到的图像产生立体感。

上述现有技术的三维图像显示装置存在下述问题。即，一般认为，立体视觉机制(眼睛的三维图像的形成)是由于眼睛的生理特性上加上学习效果而产生的，眼睛的生理特性如调节(根据调节眼睛焦点的睫状肌或/和附着于眼球的肌肉的紧张度，来获得物体的远近信息)、收缩(根据两眼球看同一点时眼球内向的程度，来获得距离物体的远近信息)，以及两眼视差(由于两眼的位置不同使左右视网膜上的成像产生差异，根据该差异来获得距离物体的远近信息)等。其中，现有技术的三维图像显示装置牺牲了眼睛的生理特性中的调节及收缩，形成不自然的三维图像。存在例如，即使移动眼睛，画面也不产生变化(无运动视差)、布景效果(显示图像的平面化)、盆景效果(miniature garden effect)等问题，并增大了眼睛的疲劳度。

非专利文献1：应用电子技术手册编撰委员会编辑，野田健一、大越孝敬主编，《应用光电子技术手册》，初版1印刷发行，株式会社昭晃堂，1989年4月10日、p861页。

发明内容

鉴于相关技术问题，本发明的目的在于提供一种不牺牲调节、收缩便能够显示自然的三维图像的三维图像显示装置。

本发明的三维图像显示装置的特征在于：具备，发射光源、全息图及透明体；在所述透明体的内部形成多个反射体，该多个反射体配置于立体格子的交点位置；由所述发射光源所射出的光入射到所述全息图，通过该全息图产生多束衍射光，所述多束衍射光在所述反射体的附近形成聚光点；该会聚光经所述反射体的反射后，经过所述透明体的出射面，被发射到外部。

本发明的三维图像显示装置的特征在于：所述透明体的表面至少具有4个平面，其中的3个平面分别具有发射光源及全息图，剩余的1个平面与所述出射面对应，所述3个发射光源分别发射红色、绿色、蓝色的光。此外，本发明的三维图像显示装置的特征在于：所述透明体的表面至少具有5个平面，其中的4个平面分别具有发射光源及全息图，剩余的1个平面与所述出射面对应，所述4个发射光源分别发射红外、红色、绿色、蓝色的光。

此外，本发明的三维图像显示装置的特征在于：透明体的表面至少具有2个平面，其中1个平面具有发射光源及全息图，剩余的1个平面与出射面对应；所述发射光源在每个规定的单位时间，依次发射红色、绿色、蓝色的光；所述全息图在每个规定的单位时间，变化成分别与所述发射光源所发射的红色、绿色、蓝色的光相应的图案。另外，本发明的三维图像显示装置的特征在于：发射光源在每个规定的单位时间，依次发射红外、红色、绿色、蓝色的光；根据所输入的电信号，全息图的图案变化成分别与发射光源所发射的红外、红色、绿色、蓝色的光相应的图案。

此外，本发明的三维图像显示装置的特征在于：入射到所述透明体的光是线偏振光，在透明体的出射面形成有遮住该线偏振光成分的线偏光镜；根据所输入的电信号，所述全息图的图案产生变化；在所述全息图衍射的光的一部分被透明体的与所述全息图相对的一侧表面上所设置的光检测器检测出，通过反馈改变所述全息图的图案，使所述光检测器的检测输出达到一定从而产生变化。

此外，本发明的三维图像显示装置的特征在于：本发明的三维图像显示装置的制造方法中，所述透明体是通过将多个平行平板重叠而构成，所述平行平板的之间夹有透明粘接层，其中，在所述平行平板的表面的格子交点位置处嵌入有微小部件；从所述透明体的外部对着所述微小部件，照射高能量的会聚光，来对所述微小部件及其周边进行加热，通过微小部件成分的膨胀，使微小部件形状变形为球形。并且，所述微小部件含有金属成分，在经加热而形成的球表面附着有金属成分，所述微小部件所含有的金属成分是Ag或Al；所述透明粘接层中包含有通过加热变白浊的热致变成分；所述透明粘接层与所述透明体的出射面平行。

根据上述本发明的三维图像显示装置，由于反射体位于三维空间内，所以能够在不牺牲调节、收缩或两眼视差的情况下，实现自然的三维图像的显示。此外，由于能够很好地遮住来自位于里侧的反射体的光，从而能够显示无负像、并与实际完全相同的立体像。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式中的三维图像显示装置的整体结构的概念图。

图2是上述三维图像显示装置的全息图板的原理说明图。

图3是说明上述三维图像显示装置的显示体的制造方法的图。

图4是上述三维图像显示装置所显示的三维图像的说明图。

图5是说明上述三维图像显示装置的调整方法的图。

图6是现有技术的实例中的三维图像显示装置的原理构成图。

符号说明

1R、1G、1I  发射光源

2R、2G、2I  激光

2r、2g、2i  偏振方向

3R、3G、3I  全息图板

4    显示体

5G、5B、5I  衍射会聚光

6    反射体

7    线偏光镜

7s   出射面

8    反射光

8a、8b     反射光的偏振态

具体实施方式

以下，结合附图，对本发明的实施方式所涉及的三维图像显示装置进行说明。

(实施方式1)

图1是示出本发明的实施方式中的三维图像显示装置的整体结构的概念图。图1中，由半导体激光器等发射光源1R沿+z轴方向发射的光2R成为y轴方向的偏振态2r，并入射到全息图板3R，然后在其全息图面衍射并分离为多束会聚光，各会聚光5R以偏振态2r入射到长方体形状的显示体4，并会聚于显示体4内部的不同位置。同样地，由半导体激光器等发射光源1G、1B(图未示)、1I分别沿-z、+x、-y轴方向发射的光2G、2B(图未示)、2I分别成为y、y、z轴方向的偏振态2g、2b(图未示)、2i，并分别入射到全息图板3G、3B(图未示)、3I，然后在各自的全息图面衍射并分离为多束会聚光，各会聚光5G、5B(图未示)、5I入射到显示体4，并会聚于显示体4内部的不同位置。

此外，发射光源1B或全息图3B位于图1中显示体4的背面，由于若示出发射光源1B或/及与之对应的要素示于图中则会变得很复杂，所以图1中省略其图示。另外，在以下的说明中，以发射光源1R及与其对应的要素为代表进行说明，但关于其他的光源及与其对应的要素也同样。在发射光源的偏振性能不充分的情况下，也可以在全息图面的跟前或/及全息图面与显示体4之间设置用于调整偏振态的线偏光镜。

显示体4由透明材料制成，在其内部的立体格子的交叉点的位置嵌入有球体形状的反射体6。立体格子包括，x轴方向的节距px，y轴方向的节距py、z轴方向的节距pz，各个节距的大小约为100～200μm。反射体6的直径d约为数μm。会聚光5R在反射体6的表面附近(最好是表面内的距离出射面7s近的一侧)会聚(其聚光点的大小最好小于反射体6)，经反射后，偏振态8a成为随机的反射光8，其中，沿-y轴方向前进的光经过显示体4的出射面7s(面向-y轴方向的面)而被发射到外部，由此便能观察到此光。显示体4的出射面7s上形成有线偏光镜7，只有x轴方向的偏振态8b的光被发射到外部。此外，虽然存在因全息图的衍射而没有成为会聚光的成分或会聚光中未经反射体6的反射而直接到达显示体4的出射面7s的光，但这些光都是与偏振态8b的光相垂直的偏振光，由于被线偏光镜7所截断，所以不会成为散射光。

当外部的观察者从-y轴方向观察显示体4时，显示体内部的反射体6就如发光点那样运动。由于反射体6位于三维空间内，所以反射体6所射出的反射光8b形成整体的立体像。因反射体6实际位于三维空间内，所以能够不牺牲调节、收缩、两眼视差，而显示出自然的三维图像。若将发射光源1R、1G、1B分别作为红色、绿色、蓝色的光源，则反射体6便作为彩色的发光点运动，通过调节各自的光量，能够显示出彩色的三维图像。

会聚光5R在到达其聚光点的过程中要通过多个反射体6。例如，在考虑聚光点的前一个反射体6的影响的情况下，设会聚光的NA为0.1，聚光点直径为40μm(其中，设pz＝200μm)。若设反射体6的直径d＝5μm，则面积比有100×(5/40)^2＝1.6％进行散射。位于影响最大的位置的反射体中也是此程度，距离更远的通过位置的反射体的影响度呈指数函数减弱。对距离较远的通过位置(会聚光的聚光点的直径足够大的区域)处的影响的考虑方法如下。

会聚光5R的情况下，每传播距离pz所产生的散射成分的比率ε通过下式可以获得。

ε＝∏/4×d^2/(px×py)        (式1)

假设会聚光5R传播了距离a后会聚于反射体，并经反射，传播了距离b后而被发射到显示体4的外部，则最后所剩余的光量比η可以通过下式获得。(其中，因反射体的反射率、散射成分或线偏光镜7的透射率等所导致的衰减忽略不计)。

η＝(1-ε)^(a+b)/pz            (式2)

因此，虽然光量比随着传播距离的增长而衰减，但由于传播距离根据反射体的位置而被统一设定，所以只要生成把该衰减结果估计在内的全息图案(在将光强度增大到与传播距离相应的大小的情况下，使n束由衍射聚光点射出的光与点S射出的光相干涉后获得的图案)便可。并且，若px＝py＝pz＝200μm、d＝5μm，则ε＝0.000491，若a+b＝400mm，则η＝0.37，光强度大约相差3倍左右。

图2是本发明的实施方式中的三维图像显示装置的全息图板的原理说明图。全息图板3用于通过使光透射全息图面3a，来使光的相位根据位置而产生变化，并使透射光产生衍射。图2为了便于说明，示出在全息图板3的表面形成有全息图面3a。由点S射出的光入射到全息图面3a，并通过在全息图面3a的衍射，而在显示体4的内部产生衍射光，且该衍射光会聚于空间内n个分散的点(P1、P2、......Pn)。全息图面3a上形成凹凸状的图案，该图案(全息图案)使点S发射的光2与n个点(P1、P2、......Pn)发射的光相干涉，并且，与其干涉光的相位成分所形成的图案(干涉图案)一致。若凹凸的深度能够照原样表现出干涉光的相位，则能够完全再现所要会聚的衍射光，但在2值(即2个级别)等不完全表现的情况下，衍射效率将会降低(即，除会聚的成分(1次衍射光)以外，还产生-1次衍射光等)。只要聚光点位置及光强度确定，就能够通过数值计算获得干涉图案以及将该干涉图案通过2值或n值来表现后的全息图案。若使用液晶等有源元件来代替凹凸面，运用根据位置来改变透射光的相位的方式，则利用预先计算的结果来切换全息图案，使聚光位置及其光强度按时序变化，从而还能够进行三维动画显示。

由于n个会聚光(5_1、5_2、……，5_n)都把整个光的入射区域2a作为孔径，所以其NA(数值孔径)增大、会聚光的直径变小、景深也变浅。此外，在全息图案的数值计算中，由于聚光位置的差所伴随的像差都被消除，所以在所有的聚光点都能够实现无像差的会聚光。并且，全息图的任何区域也都包含n个会聚光的所有相位信息，即使全息图缺损一部份，各束会聚光也只是减少相同的光量，对遮光具有补足作用。例如，不会存在由于全息图的缺损而仅使会聚光51缺损的情况。另外，在会聚光到达聚光点的过程中存在有遮光体9，即使会聚光被遮住一部分，只要该遮光体位于远离聚光点的位置，同样能够保持补足作用。也有仅通过物镜来聚光，并将之扫描的方法来形成多个聚光点，但却难以确保充分的NA，从而不能消除聚光位置所导致的像差(进深方向的差所产生的球面像差、斜入射所引起的彗形像差)。由此，通过全息图来形成会聚光具有许多优点，例如具有不产生像差、且高聚光的性能，并且由于对遮光具有补足作用而不会产生聚光点的欠缺等。

图3是说明本发明的实施方式中的三维图像显示装置的显示体的制造方法的图。如图3(a)所示，在具有精确厚度的透明树脂基板4a的表面的格子交点位置处形成凹陷部，并在该凹陷部中植入具有精确重量的种子6s。种子6s以橡胶或塑料为主要成分，包括银(Ag)、铝(A1)等金属成分以及其他的掺和剂，具有加热后分解，并产生氮气、二氧化碳、一氧化碳、氨气、氢气等的性质。如图3(b)、(c)所示，将透明树脂基板4a夹着紫外线固化性树脂等粘接剂4b来与其他透明树脂基板精确地重叠并贴合。粘接剂4b中掺有热致变性等热反应性的聚合物，具有通过加热后变白浊，但一冷却后恢复透明的性质。粘接后，对准透明树脂基板4a上的种子6s，从外部照射会聚激光，并移动会聚激光按顺序一个一个地对种子进行加热。如图3(d)、(e)、(f)所示，加热后的种子6s一方面使周围的树脂区域软化，另一方面在发泡而增加体积，使其外形形状成为完美的球形，同时，使加热后蒸汽化的金属成分附着于其表面，从而形成球面的反射体6。通过重复上述工序，按顺序层叠透明树脂基板4a，便能够制作出本发明的实施方式中的显示体4。并且，粘接层4b与图1中的、与y轴垂直的平面平行。此外，种子6s也可以只是发泡剂或/和低熔点的金属颗粒，种子6s是发泡剂的情况下，形成由球形的气泡构成的反射体6，在种子6s是金属颗粒的情况下，形成由金属球构成的反射体6。

图4是本发明的实施方式中的三维图像显示装置所显示的三维图像的说明图。将图1中的发射光源1I作为红外光的光源，在消除了来自该光源的光的状态下，外部的观察者从-y轴方向观察显示体4时，能够看到如图4(a)所示的立体像10a、10b。所看到的该立体像如幽灵那样地透明，并且连在实际立体像中应被遮住光线的轮廓线也能够看到。这是因为，在实际立体像的情况下，反射体的作用是遮住来自位于比该反射体更里面的反射体的光线，而对于实施方式中的立体像，该遮光的作用极小。

接着，使发射光源1I射出光，若使多束衍射光会聚于粘接层4b上的规定位置，则位于会聚位置的粘接层4b被加热，粘接层4b中所含有的热致成分变白浊，从而发挥遮光的作用。因此，若使来自发射光源1I的光会聚于立体像10a、10b的表面附近(观察者观察的方向的里侧的区域)，则能够在不影响来自跟前的反射体的光的情况下，很好地只将来自位于里部的反射体的光遮住，从而实现如图4(b)所示的、与实际相同的立体像。由于热致变成分的热固化性是可逆性的，若停止光的照射，并冷却就恢复透明状，所以对立体动画图像的负像消除也能够实时地实现。并且，由于含有热致变成分的粘接层4b与来自发射光源1I的光5I的方向垂直，所以容易接收该光，从而获得有效的白浊作用。此外，粘接层4b也与反射光8的方向垂直，因而在消除负像方面也很有利。相反地，由于粘接层4b与发射光源1R、1G、1B所发射的光(5R、5G、5B)的方向平行，所以能够轻易地逃避这些光，从而能够将对立体像的生成所产生的不良影响(白浊区域遮住会聚光的情况等)抑制到最小限度。

图5是说明本发明的实施方式中的三维图像显示装置的调整方法的图。在本发明的实施方式中，需要将多束会聚光很精确地照射到显示体内部的反射体6，若光源S或全息图板3的位置偏离，显示图像便会不鲜明。为此，在显示体表面中、与全息图3正对的面4a的周边位置处设置2分割的光检测器，通过一边监测检测器的差信号，一边对光源S或/和全息图板3的位置进行调整。此时，应用生成衍射光5a、5b、5c、5d的全息图案，其中，衍射光5a、5b、5c、5d会聚于正对面4a的基准位置，从而根据检测器17a、17b的输出来决定上下的位置，根据检测器17c、17d的输出来决定左右的位置。此外，衍射光的聚光位置也因光源的波长的变化而移动。因此，不仅在进行调整时，而且在显示立体像时，全息图时常生成衍射光5a、5b、5c、5d，并且衍射光5a、5b、5c、5d会聚于正对面4a的基准位置，从而通过监测检测器的差信号，对全息图案的校正进行反馈，能够防止显示像的劣化。

此外，上述实施方式中，如图1所示，发射光源应用的是3个发射光源1R、1G、1B。并且，将发射光源1R、1G、1B分别作为红色、绿色、蓝色的光源。本发明并不局限于此，也可以将红色、绿色、蓝色的光源集合为一个。如上所述，将发射光源分别设置于三处的情况下，就从该三处光源分别所发出的三束光的聚光位置而言，使之完全一致是最为理想的情况，但现实情况中，其聚光位置有可能产生少许的偏离。该聚光位置的偏离会对立体像的生成产生不良影响，例如不能显示所需要的颜色等。因此，将光源仅设在1处，能够防止聚光位置的偏离。即，通过将射出光的位置仅设置为1处，来固定聚光位置。该情况下，使一个发射光源，例如使图1的1R射出红色、绿色、蓝色的光。然后，使该发射光源1R作为红色、绿色、蓝色的光源，并在每个规定时间内按顺序切换便可。即，使发射光源1R例如按红色、绿色、蓝色的顺序重复地发射出光便可。一方面，对于来自该光源1R的光所要入射的全息图面3a的全息图案，也要分别预备与红、绿、蓝相对应的图案。或者，若将液晶等有源元件应用于全息图面3a，则通过数值计算事先求得分别与红、绿、蓝相对应的图案。然后，与上述光源切换为红色、绿色、蓝色的光源的时间同步，分别切换为与之相应的全息图案便可。由此，与上述使多处光源分别射出红色、绿色、蓝色的光的情况相比，由于发射光源仅有一处，所以能够防止聚光位置的偏离，获得更为鲜明的立体像。

此外，也可以使同一发射光源射出上述的红外光。即，一个发射光源在每个规定的时间按红色、绿色、蓝色、红外光的顺序射出。然后，与切换该射出的光的时间同步，将全息图案切换为与红色、绿色、蓝色、红外的光相应的图案便可。由此，能够防止上述聚光位置的偏离，进一步降低对生成立体像的不良影响，同时，还能够实现上述的负像消除。

(工业实用性)

由于本发明所涉及的三维图像显示装置的反射体位于三维空间内，所以本发明所涉及的三维图像显示装置能够在不牺牲调解、收缩及两眼视差的情况下，实现自然的三维图像的显示，并且，由于能够很好地遮住位于里侧的反射体所发出的光，所以能够实现消除了负像、且与实际完全相同的立体像的显示，因此，作为三维图像显示的各种机器、装置等很实用。

Claims (14)

1.一种三维图像显示装置，其特征在于：

具备，发射光源、全息图及透明体；

在所述透明体的内部形成多个反射体，该多个反射体配置于立体格子的交点位置；由所述发射光源所射出的光入射到所述全息图，通过该全息图产生多束衍射光，所述多束衍射光在所述反射体的附近形成聚光点；该会聚光经所述反射体反射后，经过所述透明体的出射面，被发射到外部。

2.根据权利要求1所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述透明体的表面至少具有4个平面，其中的3个平面分别具备发射光源及全息图，剩余的1个平面与所述出射面对应，所述3个发射光源分别发射红色、绿色、蓝色的光。

3.根据权利要求1所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述透明体的表面至少具有5个平面，其中的4个平面分别具备发射光源及全息图，剩余的1个平面与所述出射面对应，所述4个发射光源分别发射红外、红色、绿色、蓝色的光。

4.根据权利要求1所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述透明体的表面至少具有2个平面，其中1个平面具有发射光源及全息图，剩余的1个平面与所述出射面对应；

所述发射光源在每个规定的单位时间，依次发射红色、绿色、蓝色的光；

所述全息图在每个所述规定的单位时间，变化成分别与所述发射光源所发射的红色、绿色、蓝色的光相应的图案。

5.根据权利要求1所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述透明体的表面至少具有2个平面，其中1个平面具备发射光源及全息图，剩余的1个平面与所述出射面对应；

所述发射光源在每个规定的单位时间内，依次发射红外、红色、绿色、蓝色的光；

所述全息图在每个所述规定的单位时间内，变化成与所述发射光源所发射的红外、红色、绿色、蓝色的光相应的图案。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的三维图像显示装置，其特征在于：

入射到所述透明体的光是线偏振光，在透明体的出射面形成屏蔽该线偏振光成分的线偏光镜。

7.根据权利要求1～5中任意一项所述的三维图像显示装置，其特征在于：

根据所输入的电信号，所述全息图的图案产生变化。

8.根据权利要求7所述的三维图像显示装置，其特征在于：

在所述全息图衍射的光的一部分被透明体的与所述全息图相对的一侧表面上所设置的光检测器检测出，通过反馈而改变所述全息图的图案，以使所述光检测器的检测输出达到一定。

9.根据权利要求1所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述透明体是通过将多个平行平板重叠而构成，所述平行平板之间夹有透明粘接层，其中，在所述多个平行平板的表面的格子交点位置处嵌入有微小部件。

10.根据权利要求9所述的三维图像显示装置，其特征在于：

从透明体的外部对着所述微小部件，照射高能量的会聚光，来对所述微小部件及其周边进行加热，通过微小部件成分的膨胀，使微小部件形状变形为球形。

11.根据权利要求9所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述微小部件含有金属成分，在经加热而形成的球表面附着有金属成分。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述微小部件所含有的金属成分是Ag或Al。

13.根据权利要求9所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述透明粘接层中包含有通过加热变白浊的热致变成分。

14.根据权利要求9或权利要求13所述的三维图像显示装置，其特征在于：

所述透明粘接层与所述透明体的出射面平行。

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