CN102200685A - 空中三维图像显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空中三维图像显示系统。本发明的方面涉及新颖的三维显示系统。使用基于多观看窗口的显示系统来生成浮动三维显示。在实施例中，光学聚焦元件被定位在与该观看窗口相距大于或等于光学聚焦元件的焦距的距离处以形成投影观看窗口，用户可以通过该投影观看窗口看到浮动三维图像。在替代性实施例中，光学聚焦元件被定位在与该观看窗口相距大于光学聚焦元件的焦距的距离处，以形成背投影状三维显示系统。在实施例中，在基于多观看窗口的显示系统中使用回射光漫射屏幕。

Description

空中三维图像显示系统

相关申请的交叉引用

本申请是2009年10月28日提交的发明名称为“RETRO-REFLECTIVE LIGHT DIFFUSING DISPLAY SYSTEMS”的共同未决且共同转让的美国专利申请12/607,840的部分继续申请，并要求该美国专利申请12/607,840的优先权权益，该美国专利申请12/607,840是2009年4月3日提交的发明名称为“RETRO-REFLECTIVE LIGHT DIFFUSING DISPLAY SYSTEMS”的共同未决且共同转让的美国专利申请12/418,137的部分继续申请，并要求该美国专利申请12/418,137的优先权权益。前述申请中的每个申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及显示器，更具体地，涉及自动立体感三维(3D)显示器。

背景技术

三维电影和电视正变得越来越受欢迎。随着诸如高清(HD)电视之类的技术的发展，消费者希望更多且更好的特征。根据Insight Media于2008年5月发布的“2008 3D Television Report”，三维可能很快成为高清电视的附加特征。许多显示器制造商正在开发他们自己的三维显示器技术，以满足这些市场需求。

在当前三维市场中，传统的标准双视图立体声系统保持为占优势的实施方式。例如，在军事训练和研究机构中广泛使用头戴式显示器，基于眼镜的投影显示器在诸如Mechdyne Corporation的CAVE系统和PowerWall系统之类的大型三维显示器以及三维影院中起到关键作用。然而，对佩戴头盔或者眼镜的需要限制了三维技术的使用。作为替代性的解决方案，自动立体感显示器技术吸引了越来越多的关注。自动立体感显示器使用专用的光引导装置，以在用户空间中产生分离的观看窗口，这允许用户在不使用眼镜的情况下看到三维图像。由于指定的观看窗口形成比人眼的尺寸显著更大的观看空间，因此用户就可以自由地移动其头部，只要用户的眼睛在观看空间内即可。

当前用于生成观看窗口的立体感方法包括基于平行栅栏(parallel barrier)的显示器和基于透镜的显示器。然而，这些自动立体感显示器技术具有显著的限制。

例如，基于平行栅栏的显示器受到若干限制。首先，由于平行栅栏显示器使用光阻隔来生成观看窗口，因此只有从每个像素发射的小量光通过栅栏窗口。第二，视图之间的串扰可能显著。串扰是指观看区域的重叠，这在一只眼睛看到旨在针对另一只眼睛的图像时产生。当串扰显著时，大脑不能感知到立体效果或不能正确地感知到立体效果。第三，在基于平行栅栏的显示器中使用小孔径可能导致衍射。随着显示器分辨率提高，该问题变得更严重。随着显示器分辨率的提高，必须减小栅栏孔径尺寸，这导致更严重的衍射效应。第四，基于平行栅栏的显示器通常具有有限的分辨率。对于具有n个视图的显示器，各个视图的分辨率基本上是原始显示器分辨率的1/n。因为视图必须分割原始显示器的分辨率，因此基于平行栅栏的显示器的分辨率受到显示器的原始分辨率的限制，这也受到衍射以及显示器制造商的能力的限制。第五，由于每个视图仅看到与一个栅栏窗口相关联的n个像素列中的一个像素列，因此在每个视图中存在许多暗像素线，这在单眼图像中产生“栅篱(picket fence)效应”。最后，基于平行栅栏的显示器通常具有数量有限的观看窗口。为了产生更多观看窗口，在狭缝窗口保持不变的同时，暗狭缝必须更宽。显然，不可能无限地增加观看窗口的数量而不聚集诸如减小的亮度和栅篱效应之类的伪像。

虽然基于透镜的显示器相对于基于平行栅栏的显示器而言提供了一些改进，但是透镜片材的使用也具有重要的缺点。与栅栏狭缝相比，基于透镜的显示器提供更高的分辨率；然而，与制造简单的黑白栅栏相比，制造高质量的透镜片材更难并且更昂贵。实际上，显示器的质量与在显示器中使用的透镜片材的质量直接相关。使透镜片材与显示器相配合也需要显著的努力。此外，基于透镜的显示器也遭受了困扰基于平行栅栏的显示器的问题，例如观看窗口之间的串扰、暗线问题、有限的分辨率和数量有限的观看窗口。

发明内容

因此，需要提供更好的显示器的系统和方法，尤其是提供能够用于自动立体感显示器的更好的显示器的系统和方法。

本发明的方面涉及使用光漫射和回射(retro-reflectivity)来产生新颖的显示屏幕。在实施例中，可以使用回射光漫射屏幕通过产生多个观看窗口来产生自动立体感显示器。在实施例中，每个观看窗口描绘透视图像视图，并且可以通过使用一只眼从一个观看窗口观看一个透视图像视图且使用另一只眼从另一观看窗口观看另一透视图像视图来观看三维图像。

在实施例中，显示屏幕系统包括具有二维回射表面和漫射表面的屏幕。在第一方向上以大漫射角且在第二方向上以小漫射角配置该漫射表面。对于该显示屏幕，第一方向优选地是垂直方向，第二方向优选地是水平方向。漫射表面还被配置用于接收从二维回射表面反射的图像并漫射该图像，以形成与该图像相对应的观看窗口。

在实施例中，显示屏幕系统包括回射器漫射器屏幕和至少一个附加层。在实施例中，附加层可以是在二维回射器和光整形漫射器之间的透明层。在实施例中，附加层可以是位于光整形漫射器前面的透镜层。在另外的实施例中，回射器漫射器屏幕包括透镜层、光整形漫射器、透明介质层和二维回射器。

显示屏幕系统还可以包括多个投影器。每个投影器具有独特的位置，并被配置用于将具有独特透视视图的图像投影到屏幕上，以形成与投影图像相对应的独特观看窗口。因此，显示系统形成与由多个投影器投影的多个图像相对应的多个观看窗口。用户可以通过在从多个观看窗口中选择的第一观看窗口处用一只眼观看第一透视图像并在从多个观看窗口中选择的第二观看窗口处用另一只眼观看第二透视图像来观看三维图像。

在实施例中，显示屏幕系统还包括位于多个投影器中的至少一个投影器与屏幕之间的光路中的分束器，以将投影图像引导到屏幕以及将从该屏幕反射的投影图像引导到用于形成在空间上与所述多个投影器中的至少一个投影器相分离的观看窗口的位置。这种配置去除了作为观看窗口中的障碍物的投影器。

在实施例中，显示系统还包括相对于第一屏幕位于光学镜像共轭位置处的第二屏幕回射光漫射屏幕，以提高在观看窗口处的图像的亮度。

在实施例中，显示系统包括位于多个投影器中的至少一个投影器与屏幕之间的光路中的偏振敏感分束器，以将投影图像引导到屏幕和位于屏幕与分束器之间的光路中的四分之一波片(quarter-wave plate)。

在实施例中，显示系统包括可通信地耦合到多个投影器的计算装置，以调整图像的投影。计算装置还可以包括用于存储要投影的图像的一个或更多个数据存储装置。应当注意，要投影的图像可以是静止图像、视频图像或者这两者。

本发明的实施例还包括用于根据这里提供的教导来制造自动立体感显示系统的方法。例如，在实施例中，可以通过定位回射光漫射屏幕以接收来自多个投影器的投影图像来形成自动立体感显示系统。每个投影器具有独特的位置，并被配置用于将具有独特透视视图的图像投影到屏幕上，以形成与投影图像相对应的独特观看窗口。与由多个投影器投影的多个图像相对应地形成多个观看窗口。多个观看窗口被定位成使得用户可以通过在从多个观看窗口中选择的第一观看窗口处用一只眼观看第一透视图像且在第二观看窗口处用另一只眼观看第二透视图像来观看三维图像。

本发明的方面还包括用于生成浮动三维显示的系统和方法。在实施例中，光学聚焦元件被定位在与多观看窗口三维显示系统的观看窗口相距大于或等于该光学聚焦元件的焦距的距离处，以形成用户可以从中看到浮动三维图像的投影观看窗口。在替代性实施例中，光学聚焦元件被定位在与所述观看窗口相距大于该光学聚焦元件的焦距的距离处，以形成背投影状/光场三维显示系统。在空中三维显示的实施例中，在基于多观看窗口的显示系统中使用这里提供的回射光漫射屏幕的实施例之一。

在该发明内容部分中主要描述了本发明的一些特征和优点；然而，这里提供了附加的特征、优点和实施例，并且该附加的特征、优点和实施例对于本领域技术人员而言在考虑附图、说明书及其权利要求的情况下是明显的。因此，应当理解，本发明的范围不应受到在该发明内容部分中公开的特定实施例的限制。

附图说明

参考本发明的实施例，在附图中示出了这些实施例的示例。这些图旨在是说明性的，而不是限制性的，并且也没有按比例绘制。虽然主要在这些实施例的上下文中描述了本发明，但是应当理解，并不旨在将本发明的范围限制到这些特定实施例。

图1示出了根据本发明的各个实施例的光漫射屏幕的操作。

图2示出了根据本发明的各个实施例的回射屏幕的操作。

图3示出了根据本发明的各个实施例的回射垂直光漫射屏幕的操作。

图4示出了根据本发明的各个实施例的具有回射垂直光漫射屏幕的显示系统。

图5示出了根据本发明的各个实施例的具有回射垂直光漫射屏幕的多投影器显示系统。

图6示出了根据本发明的各个实施例的具有回射垂直光漫射屏幕的显示系统的替代性实施例。

图7示出了根据本发明的各个实施例的具有至少一个回射垂直光漫射屏幕的显示系统的另一实施例。

图8示出了根据本发明的各个实施例的具有回射垂直光漫射屏幕的显示系统的又一实施例。

图9示出了根据本发明的各个实施例的回射光漫射屏幕的另一实施例。

图10示出了根据本发明的各个实施例的图9的回射光漫射屏幕。

图11示出了透镜反射屏幕的示例。

图12示出了根据本发明的各个实施例的具有透镜层的回射光漫射屏幕的另一实施例。

图13描绘了来自根据本发明的各个实施例的回射光漫射屏幕的实施例的观看窗口的光分布。

图14描绘了来自根据本发明的各个实施例的回射光漫射屏幕的实施例的两个相邻观看窗口的交叉部分。

图15示出了根据本发明的各个实施例的回射光漫射屏幕的又一实施例。

图16示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的实施例。

图17示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的实施例的光线追踪。

图18示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的虚拟屏幕和投影观看窗口的位置和尺寸。

图19示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统。

图20示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的另一实施例。

图21示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的又一实施例。

图22示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的另一实施例。

图23示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的另一实施例。

图24示出了在观察者从不同位置观看图像的情况下的背投影器图像显示器的操作。

图25示出了根据本发明的各个实施例的形成背投影/光场型显示系统的空中三维图像显示系统的实施例。

图26示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的实施例中的单个投影器的光线追踪。

图27示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的操作。

图28示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的实施例。

图29A-29C示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的投影器和光学元件布置的不同实施例。

图30示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的另一实施例。

图31示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的又一实施例。

图32示出了根据本发明的各个实施例的多投影器显示系统。

图33描绘了根据本发明的实施例的计算系统的示例的框图。

具体实施方式

在下面的描述中，为了进行说明，描述了具体细节以提供对本发明的理解。然而，对于本领域技术人员，显然可以在没有这些细节的情况下实施本发明。此外，本领域技术人员将认识到可以以各种方式实现下面描述的本发明的实施例。因此，下面描述的实施例用于对本发明的特定实施例进行说明，并且旨在避免模糊本发明。

框图中示出的部件或模块用于对本发明的示例性实施例进行说明，并且旨在避免模糊本发明。还应当理解，在本讨论中，部件可以被描述为可包括子单元的分离的功能单元，但是本领域技术人员将认识到可以将其各个部件或部分划分为分离的部件，或者可以将其集成到一起，包括将其集成在单个系统或部件内。

此外，图中的部件之间的连接并不旨在局限于直接连接。而是可以由中间部件修改这些部件之间的数据、重新定义这些部件之间的数据的格式、或另外地改变这些部件之间的数据。此外，可以使用附加的或较少的连接。还应当注意，术语“耦合”或者“可通信地耦合”应理解为包括直接连接、通过一个或更多个中间装置的间接连接和无线连接。

说明书中对“一个实施例”、“优选实施例”、“实施例”或“多个实施例”的引用意为结合实施例描述的特定特征、结构、特性或功能被包含在本发明的至少一个实施例中，并且可以被包含在多于一个实施例中。术语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在多个实施例中”在说明书中的各个位置的出现不一定全部是指相同的实施例。还应当理解，这里使用的术语“图像”或“多个图像”意为静止图像、视频图像或者这二者。

A.概述

大多数立体感观看技术依赖于双眼视差提示，以生成三维(3D)图像。双眼视差是指看到了相同的三维对象的立体图像对(即，两个不同的透视图)。头戴式显示器是这种观看装置之一，其中用户通过两个分离的光路看到两个分离的立体图像。补色立体眼镜、快门式眼镜和偏光式眼镜广泛地用于分离在单个屏幕上显示的或在纸上打印的立体图像。

自动立体感显示器技术还依赖于视差深度提示。然而，作为对使用在用户眼睛前面的眼镜分离立体视图的替代，大多数自动立体感显示器尝试控制显示空间中的光路径，以在用户空间中生成观看窗口。在每个观看窗口中，可以仅观察到一个单眼图像。观看窗口进一步形成观看区。由于观看区的尺寸显著大于人眼的尺寸，因此用户可以在观看区内自由地移动他/她的头部。大多数现有的自动立体感显示系统基于平行栅栏技术或透镜技术。

1.基于平行栅栏的显示器

使用平行栅栏的基本设计是放置条带以阻隔从显示器发射的光。一般在显示器前面放置黑白屏蔽栅格(mask grid)。每个小白色栅格用作将像素映射到观看空间中并允许用户从一定视角看到该像素(即，产生观看窗口)的针孔，而黑色栅格将相邻像素与该视角相阻隔。结果，在左观看窗口中，用户看到显示器上的一组像素，而在右观看窗口中，用户看到显示器上的另一组像素。左观看窗口和右观看窗口一起形成一个观看区。可以形成多于一个观看区。此外，通过提高显示器的分辨率并将更多像素与每个栅栏狭缝相关联，可以在单个观看区内产生多个观看窗口。

如前面所指出的，基于平行栅栏的显示器具有若干缺点。这些缺点包括：降低的亮度、视图之间的串扰、由小窗口引起的衍射效应、有限的分辨率、单眼图像中的栅篱效应、当观看区交叉时的图像翻转伪像、以及数量有限的观看窗口。

首先，因为基于平行栅栏的显示器使用光阻隔策略，因此仅有少量的从每个像素发射的光通过栅栏窗口。因此，观看的图像的亮度降低。减少该亮度问题的尝试包括在显示器后面放置栅栏屏蔽。光在到达显示器像素之前被该栅栏进行调制。

第二，视图之间的串扰可能是显著的。串扰是指观看区域的重叠，这可能导致一只眼看到旨在针对另一只眼的图像。当串扰显著时，大脑无法感知到立体效果，或者无法正确地感知到立体效果。最小化串扰现象的尝试涉及针对栅栏屏蔽选择栅栏间距或者在显示器后面放置栅栏。

第三，小孔径在基于平行栅栏的显示器中的使用可能导致衍射。随着显示器分辨率提高，该问题变得更严重。随着显示器分辨率的提高，必须减小栅栏孔径尺寸，这导致更严重的衍射效应。因此，栅栏的孔径尺寸受到衍射限制的限制。

第四，基于平行栅栏的显示器一般具有有限的分辨率。对于具有n个视图的显示器，各个视图的分辨率基本上是原始显示器分辨率的1/n。因为这些视图必须分割原始显示器的分辨率，因此基于平行栅栏的显示器的分辨率受到显示器的原始分辨率的限制，这也受到衍射以及显示器制造商能够实现的分辨率的限制。

第五，由于每个视图仅看到与一个栅栏窗口相关联的n个像素列中的一个像素列，因此在每个视图中存在许多暗像素线。对于双视图情况，该暗线是单个像素宽度，并在这些亮像素中交错。暗像素线在单眼图像中产生“栅篱效应”。减小栅篱现象的尝试涉及以相对于显示器的像素列的角度放置栅栏线。

第六，这些显示器可能遭受图像翻转伪像。成像翻转伪像由用户的眼睛与观看窗口之间的不准确对齐而导致。在双视图显示系统中，如果用户的左眼在右观看窗口中，而用户的右眼在左观看窗口中，则用户将看到翻转的立体图像组。对于多视图显示系统，当用户跨越观看区时，发生这种翻转伪像。

最后，基于平行栅栏的显示器一般具有数量有限的观看窗口。为了产生更多观看窗口，在狭缝窗口保持不变的同时，暗狭缝必须更宽。不可能增加观看窗口的数量而不增加诸如减小的亮度和栅篱效应之类的伪像。

2.基于透镜的显示器

如上面所指出的，基于平行栅栏的显示器的一个缺点是由于栅栏窄的垂直狭缝而导致低亮度。对该问题的一个解决方案是使用透镜来改善光聚集。使用的一种形式的透镜是包含并排放置的圆柱状透镜组的透镜片材。为了使用透镜片材来显示三维图像，将片材与2D显示器垂直对齐。与平行栅栏显示器相类似地，如果对齐两组像素(例如左眼像素和右眼像素)，则可以产生两个观看窗口，以形成一个观看区。还可以产生多个观看区(具有左观看窗口和右观看窗口)。如果将多个像素与每个透镜对齐，则可以在一个观看区中产生多个观看窗口。由于透镜片材中的透镜是圆柱状的，因此仅产生水平视差。除了相对于基于平行栅栏的显示器在光聚集能力方面的改善之外，与栅栏狭缝相比，透镜片材还可以提供更高的分辨率。

虽然与基于平行栅栏的显示器相比，基于透镜的显示器具有更好的亮度和分辨率，但是基于透镜的显示器呈现其自身的不足。首先，显示器的质量取决于具有高质量的透镜片材。然而，尤其与栅栏屏蔽相比，制造高质量的透镜片材显然更加困难且更加昂贵。因此，将透镜片材与显示器对齐也需要显著的努力。此外，基于透镜的显示器也遭受困扰基于平行栅栏的显示器的问题，例如观看窗口之间的串扰、栅篱问题、有限的分辨率和数量有限的观看窗口。

3.基于光漫射的显示器

第三种类型的多视图三维显示器使用光整形漫射器技术(LSD)。使用光整形漫射器的装置的示例包括由匈牙利的Budapest的Holografika开发的被称为Holo Vizo^TM的光场显示器和在University of Southern California的Institute for Creative Technologies开发的三维光场显示器。光整形漫射器是用于光学通信装置和LCD显示背光的一维光漫射器。当由投影器照射时，光整形漫射器在水平方向上具有小的漫射，而在垂直方向上具有大的漫射。

Holografika在Holo Vizo^TM显示器中利用了一维漫射性质。该显示器使用多个投影器照射LSD屏幕。假定屏幕仅在垂直方向上漫射光，则在水平横截面视图中，观看者仅可以看到来自每个投影器的图像的一个非常细的狭缝。为了生成一个观看透视图，必须将来自不同的投影器的这些细狭缝拼接(mosaic)在一起。因此，该显示器需要许多投影器一起工作。对于Holo Vizo^TM显示系统，对于样品使用多至50个投影器。假定水平漫射角为1度，则需要大约60个投影器来生成60度的视场多视图显示器。

由在University of Southern California的Institute for Creative Technologies开发的光场显示器由高速视频投影器、由全息漫射器覆盖的旋转镜和用于对特殊渲染的数字视觉界面(DVI)视频信号进行解码的现场可编程门阵列电路构成。高速视频投影器和由全息漫射器覆盖的旋转镜产生360度视图。由在University of Southern California的Institute for Creative Technologies开发的光场显示器具有与Holo Vizo^TM显示器相类似的性质。

虽然这些显示器并不共有基于平行栅栏的显示器和基于透镜的显示器的全部缺点，但是对于这些方法存在一些固有问题。例如，可能存在串扰问题、难以进行系统校准和用于渲染的额外成本。

首先，对于Holo Vizo^TM显示器，可能存在串扰问题。串扰伪像可能由光漫射器引入。理想的漫射器应当是完美的低通滤波器(即，完美的矩形)。然而，实际材料具有高斯状漫射图案。结果，在两个相邻的细狭缝之间可能存在串扰，这可能使图像显著模糊或产生z字形图像。

第二，两个系统需要极其专用且复杂的部件，并且需要进行复杂的系统校准。例如，由于Holo Vizo^TM显示器中的图像是由许多投影器的图像片段拼接而成的，因此必须对这些投影器进行正确地对齐和校准。由在University of Southern California的Institute for Creative Technologies开发的光场显示器也需要专用设备和专用设定。

最后，存在用于图像渲染的额外成本。对于Holo Vizo^TM显示器，渲染成本至少部分地由其特殊的图像拼接需要而导致。在投影器上显示的图像不是常规三维电影的透视图像或由标准OpenGL软件渲染的图像。因此，必须进行额外的步骤，以针对每个投影器生成正确的图像。此外，对于由在University of Southern California的Institute for Creative Technologies开发的光场显示器，该系统需要特殊渲染的DVI视频信号。

B.自动立体感显示器的实施例

本发明的实施例包括与回射一起使用光整形漫射。这种配置相对于现有的自动立体感显示器而言具有若干好处。首先，这种系统可以使用投影器的全分辨率，并且可以显示亮图像。本发明的系统仅使用一个投影器生成每个视图图像，并且在用户在指定观看位置观看图像时，不需要拼接来自多个投影器的视图。另外，图像不需要特殊渲染的视频信号。其结果是，不必要进行上述的特殊的后渲染处理。与基于平行栅栏的显示器和基于透镜的显示器相比，本系统不受到相同的分辨率限制，通常亮得多，并且理论上能够产生大量观看窗口。附加的好处对于本领域技术人员而言应当是明显的。

C.回射垂直光漫射屏幕(RRVLD)

在实施例中，本发明的自动立体感显示器包括两个层。第一层包括在一个方向上具有小漫射角且在另一方向上具有大漫射角的一维(1D)光漫射材料。图1描绘了根据本发明的实施例的光漫射材料的示例。

如图1所示，通过光漫射材料110的入射光线105在水平方向上以小角度115被漫射，而在垂直方向上以大角度120被漫射。对于三维显示器应用，在水平方向上优选小漫射，同时在垂直方向上优选大漫射。因此，可以将这种类型的漫射屏幕称为垂直光漫射屏幕。

屏幕的第二层是回射材料，其使光线在入射方向上被反射回去。图2描绘了回射材料的示例和与光线的交互。入射光线210或220击中回射材料205并被反射。反射光线以与入射光线相同或几乎相同的角度被反射回去。因此，入射光线210具有沿着入射光线210的方向被反射回去的回射光线215。此外，入射光线220具有沿着入射光线220的方向被反射回去的回射光线225。

图3描绘了根据本发明的各个实施例的回射垂直光漫射屏幕300。图3所示的屏幕305由与回射材料315组合的光漫射材料310形成。在实施例中，可以使用诸如由Torrence，California的Luminit LLC制造的光整形漫射器(LSD

)之类的一维光漫射材料。虽然本领域技术人员应当认识到可以使用其它漫射角，但是光整形漫射材料可以具有60°×1°的漫射角。在三维显示系统的实施例中，光整形漫射材料被定向为在垂直方向上具有60°的漫射角，而在水平方向上具有1°的漫射角。在实施例中，可以使用诸如由St.Paul，Minnesota的3M Corporation制造的3M^TMScotchlite^TM Reflective Material之类的回射材料、或者诸如由New Britain，Connecticut的Reflexite Americas制造的具有金属化背部的其P66和AC100之类的光电控制产品。

如图3所示，朝向回射垂直光漫射屏幕305引导的光320通过漫射材料，并且沿着其入射方向325(或者基本上沿着该入射方向)被回射回去。然后，该回射光被光漫射材料310漫射。光漫射材料310被配置为在水平方向330上小量地漫射回射光，并且在垂直方向335上大量漫射回射光。因此，所得到的漫射光在其通过漫射材料之后是扇形的。

D.显示系统的实施例

1.通常的显示系统实施例

图4描述了根据本发明的各个实施例的显示系统400。图4中示出了回射垂直光漫射屏幕405和投影器410。回射垂直光漫射屏幕405用作显示屏幕。从投影器发射的光线415被回射回至投影器410，并产生与投影器重叠的观看窗口425。屏幕405被配置为使得反射光在垂直方向以大漫射角被漫射且在水平方向上以小漫射角被漫射。由于垂直漫射效果，观看窗口是以投影透镜的孔径为中心的垂直狭缝。狭缝425的宽度是屏幕的水平漫射角、距投影器的距离和投影透镜的孔径尺寸的函数。以下方程式提供了对垂直狭缝的宽度的计算：

其中

W是狭缝的宽度；

D_a是投影透镜的孔径尺寸；

Z_p是从投影器到屏幕的距离；以及

是屏幕的水平漫射角。

应当注意，具有大的垂直漫射角的优点是扩展了观看窗口。在没有扩展观看窗口的情况下，观看窗口将与投影器透镜相一致，由此使得个人不能观看反射图像。通过在垂直方向上扩展观看窗口，用户可以在投影器140上方或者下方的观看窗口中观看图像。

图5描述了根据本发明的各个实施例的三维显示系统500。图5中示出了回射垂直光漫射屏幕505和投影器组510A-510F。应当注意，虽然图5描绘了6个投影器，但是可以使用附加的或者更少的投影器。回射垂直光漫射屏幕505以与参考图4描述的类似的方式用作显示屏幕。即，从投影器510x发射的光线515被反射回至投影器510x，并产生与该投影器重叠的观看窗口525x。例如，来自投影器510A的光被屏幕505反射并漫射，以形成观看窗口525A。该结果与对于显示系统500中的每个投影器是相同的，其中每个投影器510A-F分别生成相应的观看窗口525A-525F。因此，通过增加更多的投影器，产生更多这种观看窗口。

图5所示的显示系统生成了6个不同的观看窗口。每个观看窗口显示来自相应的投影器的图像。通过经由投影器在屏幕上显示从多个透视图捕获的图像组，用户可以通过这些观看狭缝或窗口看到三维。例如，如果用户用一只眼在一个观看窗口中观看一个图像且用另一只眼在另一观看窗口中观看另一透视图像，则用户将感知到三维图像。在实施例中，狭槽的宽度可以足够小以使得用户通过用两只眼在相同的观看窗口中观看相同的图像而不会感知到单眼图像。

本领域技术人员应当认识到，图5所示的种类的显示系统存在若干优点。首先，图像亮。由于一维光漫射，用户将看到与常规漫射屏幕上的图像或者使用类似基于平行栅栏的显示器的其它立体感方法的图像相比亮得多的图像。

第二，该显示屏幕可以被配置为不同的形状。由于材料的回射性质，屏幕形状可以采用任意形式，例如常规平面、圆柱形状、球状或者几乎任何不规则的形状。这些形状变化不影响回射平面的重聚焦特性。

第三，可以容易地调整该显示系统的规模。例如，通过简单地添加更多投影器，可以生成更多观看窗口。

第四，该显示系统不具有现有解决方案的分辨率限制。即使将所有图像都投影在相同的屏幕上，在指定的观看窗口中也仅看到每个图像；因此分辨率可以与投影器的分辨率一样高。

第五，该显示系统不受到栅篱效应。因为用户在每个观看窗口处感知到来自单个投影器的一个全分辨率图像，因此在图像中不存在栅篱效应。

第六，该显示系统不受到图像翻转效应。当用户跨观看区地移动其头部并在其左眼中感知到右图像且在其右眼中感知到左图像时，出现翻转效应。显示系统不具有具备特定立体对图像的重复观看区，因此不具有图像翻转问题。相反地，每个观看窗口显示透视视图图像，并且任意图像对形成三维视图。例如，在实施例中，观看窗口可以具有一系列透视视图图像，其中任意两个图像形成三维视图。

最后，该显示系统潜在地可以具有无限数量的观看窗口。虽然该显示系统理论上可以生成无限数量的观看窗口，但是可以生成的观看窗口的数量取决于漫射材料的水平漫射角、从投影器到屏幕的距离和投影器的尺寸。

2.紧凑设计实施例

图6描述了根据本发明的各个实施例的显示系统的替代性实施例。图6中示出了显示系统600的更紧凑的设计。所示出的显示系统600包括回射垂直光漫射屏幕605和投影器610。作为对使投影器610直接在屏幕605上投影图像615的替代，投影器610将图像投影到分束器620上。光反射离开分束器620，或者被分束器620分离到回射垂直光漫射屏幕605上。回射光或者至少一部分回射光通过分束器620，以产生投影器的虚拟位置635所位于的观看窗口630。应当注意，使用分束器折叠光路具有至少两个好处。首先，由于观看窗口630移动到投影器的虚拟位置635，因此投影器不阻挡该观看窗口。第二，显示系统具有紧凑的设计。在实施例中，如果需要，可以在光路径中插入第一表面镜以进一步折叠光路。例如，可以使用镜来弯曲光路，并且允许投影器移动到更接近于屏幕。

3.双屏幕显示系统实施例

虽然图6所示的实施例产生了更紧凑的设计，但是在观看窗口中产生的图像由于作为分束的一部分的能量损失而被感知为更不亮。图7示出了根据本发明的各个实施例的具有两个回射垂直光漫射屏幕的显示系统的替代性实施例，以解决该光损失问题。

图7描述了与图6所示的显示系统600类似的配置700。所示出的显示系统700包括具有与图6所示的系统600相同或类似的配置的回射垂直光漫射屏幕705A和投影器710。如上所述，图6中的显示系统600的一个问题是每次在光通过分束器时损失约一半的能量。因此，实际上光的约25％到达用户观看窗口630。该问题的一个解决方案是在与原始屏幕705B光学镜像共轭的位置处放置辅助回射垂直光漫射屏幕705B。这使得从辅助回射垂直光漫射屏幕705B反射的光与形成观看窗口730的从主要回射垂直光漫射屏幕705A反射的光相加。因此，使用图7所示的显示系统700，可以相对于图6所示的显示系统600使图像亮度提高2倍。

4.偏振受管理的显示系统实施例

图8示出了根据本发明的各个实施例的具有回射垂直光漫射屏幕的显示系统的又一实施例。图8所示的显示系统800不仅是替代性显示系统，而且提供对针对图6所示的系统600指出的能量损失问题的另一解决方案。

图8描述了与图6所示的显示系统600的配置类似的配置800。所示出的显示系统800包括具有与图6所示的系统600相同或类似的配置的回射垂直光漫射屏幕805和投影器810。然而，如图8所示，使用偏振敏感分束器820。当光偏振方向与分束器的偏振方向相匹配时，该分束器对于偏振光具有接近100％的反射率，而如果光偏振方向与分束器的偏振方向正交，则该分束器对于偏振光具有接近100％的传递性。因此，在光815朝向屏幕805反射之后，使用四分之一波片840使光旋转45°。当光从屏幕805反射时，当其再次通过四分之一波片840时，其旋转另一45°。所得到的光的偏振与光815的偏振正交，并将通过偏振敏感分束器820。因此，接近100％的光到达观看窗口830中的用户空间。相对于图6所示的配置，该方法可以使观看窗口830中的图像亮度提高4倍。

应当注意，为了简化说明，使用单个投影器描绘了图6-8所示的配置。本领域技术人员应当认识到可以对公开的系统中的任意一个添加附加投影器。

5.附加层实施例

a)透明层实施例

当将图像投影到回射表面上时，大多数光被回射回至图像源。然而，因为回射器不完美，因此一些光被沿其它方向上漫射或反射。该漫射或误反射的光不产生已知为假像(ghost image)的不希望的图像。

反射表面上的防反射涂层将减少来自漫射的假像。然而，该解决方案可能非常昂贵。作为替代性解决方案，这里提供了在漫射器和回射材料之间的透明介质间隙。透明空间允许假像在回射材料上模糊，同时由于回射材料的聚焦能力而保持漫射器上的图像锐利。此外，前漫射器层漫射已被模糊的假像，这进一步使假像暗淡。结果，用户将看到更暗的模糊的假像(如果有的话)。

如上所述，当在回射材料前面放置光漫射材料时，光被回射层沿着入射方向反射回去，并被光漫射材料漫射为扇形形状。所得到的反射光线产生观看窗口。每个观看窗口显示投影器的图像。因此与回射光漫射屏幕组合的多投影器可以产生多观看窗口。如果这些窗口显示来自不同透视图的图像，则多投影器和屏幕系统形成三维显示系统。也就是说，通过使用投影器显示从多个透视图捕获的图像组，用户可以经由形成的观看窗口看到三维图像。然而，如果在屏幕中存在不完美，则可能形成假像。

在如上所述的光漫射器和回射屏幕系统的实施例中，图像聚焦在漫射器和回射材料上。漫射器上的回射图像和回射材料上的假像都是锐利的。漫射的或错误引导的假像的光聚焦。如果假像充分亮，则在观看窗口中可以看到假像，并且假像将干扰用户感知用于该观看窗口的正确图像的能力。当假像显著时，用户可能不能感知立体视图。

在实施例中，为了减少假像的影响，在回射材料和光整形漫射器之间引入第三层。该层允许漫射光进一步漫射，这使其暗淡且显著模糊，同时仍然使得回射图像保持锐利。

图9示出了根据本发明的各个实施例的三层回射光漫射屏幕905的实施例。图9所示的屏幕包括由透明介质920分离的光漫射器910和回射器915。在实施例中，虽然可以使用其它宽度值，但是透明间隙的宽度在10-30毫米之间。透明介质可以是玻璃、塑料、真空或接近真空的空间、或者透明的(或基本透明的)气体或多种气体，这些仅仅是示例，而不是限制性的。

在投影器系统中，投影器聚焦在第一层—漫射器910上。因此，漫射器上的图像是锐利的。然而，因为由于使得图像在到达回射器915之前漫射的透明介质920而导致存在空间，因此回射材料915上的图像显著模糊。如图9所示，漫射器910上的图像点930是回射器915上的模糊区域935。因此，回射器上的图像模糊。

虽然大多数光可以正确地被回射，但是一些光线(例如940-x)被不完美地反射或漫射并在各个方向上行进。这些光线在通过漫射器910时将被进一步漫射。因此，假像在通过漫射器910之后将被进一步模糊并变暗。例如，光线940-1行进通过漫射器910，并且进一步被漫射器910漫射，以产生甚至更为扩散的由此更为暗淡的光线945。

图10示出了根据本发明的各个实施例的用于回射光的图9的三层回射光漫射屏幕。大多数入射在回射器915上的光将被回射回去1005。因此，即使回射器915上的图像模糊，回射光也由于回射器915的回射特性而聚焦930在光漫射器910上。因此，不管由透明介质920形成的间隙的引入，回射图像保持锐利。

由于在图像被漫射器910正确地漫射并通过被垂直地漫射而在水平方向上仅被稍微漫射来形成观看窗口1010之后，图像被聚焦在光漫射器910上，因此用户将看到锐利的图像。此外，如果有假像的话，用户将看到更少的被大大漫射的假像。

应当注意，在上面针对双层屏幕讨论的实施例中，也可以使用三层屏幕实施例。

b)透镜层实施例

透镜片材包含并排布置的许多圆柱状透镜(一维透镜)。由于透镜是一维的，因此透镜片材仅在一个方向上具有聚焦能力。在透明型和反射型三维显示器中使用了透镜片材。例如，透镜反射屏幕(LRS)包含两层：透镜片材和常规漫射表面。在垂直方向上，光在所有方向上被漫射，而在水平方向上，光首先被漫射，然后被一维透镜重新聚焦回至投影器。

虽然在三维显示器中使用了透镜反射屏幕，但是透镜反射屏幕具有显著的限制。当将图像投影在透镜反射屏幕上时，与透明型配置投影系统相类似地，投影器组不仅形成主观看区，还形成侧观看区。如果在主观看区外部在侧观看区中放置附加的投影器，则可能出现投影图像之间的串扰，这限制了透镜片材系统的视场。图11示出了该透镜反射屏幕配置的示例。

图11示出了根据透镜反射屏幕系统1100的观看区的形成和在该系统中可能存在的串扰。图11中的透镜反射屏幕系统包括一般透镜反射屏幕1105和投影器组1135。透镜反射屏幕1105是透镜片材1110和常规漫射表面1115。透镜片材1110由多个平行的一维透镜1110-x形成。该投影器组1135将诸如多视图图像组之类的图像投影到屏幕1105上。来自投影器组1135的光形成包含多个观看窗口1140的相应的主观看区1120。在主观看区1120内形成的观看窗口1140的数量与放置在主观看区1120内的投影器的数量相同。可以放置在主观看区内的投影器的数量与观看窗口的宽度、从投影器到屏幕的距离、以及透镜的视场相关。作为在透镜反射屏幕1105中使用常规漫射器1115的大漫射角的结果，除了主观看区1120之外，还形成具有相应的观看窗口(例如1145L和1145R)组的若干侧观看区。

如图11所示，通过透镜1110-1在点1155处对来自投影器1130的光进行成像。该光返回，并在主观看区1120中的观看窗口组1140中形成观看窗口1150。由于常规漫射器表面1115的大漫射角，点1155处的漫射光不仅到达透镜1110-1，而且还到达相邻透镜(例如1110-2、1110-3、1110-4、1110-5等)。结果，除了在主观看区1120中形成的观看窗口1140之外，还在侧观看区(例如分别为1125L和1125R)中形成多个观看窗口(例如1155L和1155R)——在每个侧观看区中形成一个观看窗口。为了简化图示，仅示出了两个侧观看区(1125L和1125R)中的两个观看窗口(1155L和1155R)。

当使用多个投影器1135在主观看区1120中形成多个观看窗口1140时，还在每个侧观看区中形成相应的观看窗口组(例如侧观看区1125L中的观看窗口组1145L和侧观看区1125R中的观看窗口组1145R)。

如果在侧观看区1125L内放置另一投影器1160以将图像投影到屏幕1105上，则来自投影器1160的光在侧观看区1125L中形成相应的主观看区，并在主观看区1120和侧观看区1125R中形成侧观看窗口，这些观看窗口可能与由投影器组1135形成的观看窗口相重叠。例如，侧观看区1125L中的来自投影器1160的光可能干扰主观看区1120中的来自投影器组1135中的投影器1130的光。因此，存在反射图像之间的串扰。如果串扰显著，则可能妨碍用户感知立体图像的能力。

因为不能在不产生串扰问题的情况下在主投影器组的主观看区的外部放置投影器或投影器组，因此由于通常的基于LRS的系统的针对主视图区域的视场是有限的，因而通常的基于LRS的系统可能是非常有限的。图12示出了扩展主观看区的根据本发明的各个实施例的具有透镜层的回射光漫射屏幕的实施例。

图12中描绘了回射光漫射屏幕1205，其包括透镜层1220、光漫射器1210和回射器1215。在实施例中，屏幕1205可以通过将透镜层1220与先前描述的双层回射光漫射屏幕组合而形成。透镜层1220被配置为使得光漫射器处于透镜层的圆柱状透镜的焦平面f处。通过透镜和光漫射器行进的入射光被回射材料1215在入射光的方向上反射回去。光漫射器1210在垂直方向上以大角度漫射回射光，而在水平方向上仅以小角度漫射回射光。更紧密的水平漫射角允许光仅行进回至一个透镜，因此仅形成更大的主视场而不形成侧观看区。结果，主视场1230大于通常的LRS的主观看区1235。

诸如在图12中描绘的屏幕的这种屏幕1205具有若干优点。首先，屏幕1205消除了侧观看区，因此减少了串扰。第二，屏幕1205具有增大的总体视场和扩展的主观看区。如图12所示，与诸如图11中的屏幕1105之类的常规透镜屏幕的主观看区1235相比，三分量屏幕1205具有更大的主观看区1230。最后，由于从透镜层增加的聚焦，屏幕1205可以产生提高的亮度。

除了减少与侧观看区相关的串扰问题以外，具有透镜层的回射光漫射屏幕解决了由于漫射器的漫射轮廓而产生的另一串扰问题。图13描绘了来自根据本发明的各个实施例的回射光漫射屏幕的实施例的观看窗口的光分布。如图13所示，漫射光的光分布1305遵循高斯分布。如在垂直方向上最佳地看到的，光在中心处最亮，并朝向顶部和底部减弱亮度。漫射光1305在水平方向上同样也具有高斯分布。图14描绘了漫射光1305的交叉部分的示例。

图14描绘了来自根据本发明的各个实施例的回射光漫射屏幕的实施例的两个相邻观看窗口1405-1和1405-2的交叉部分。如图14所示，两个相邻观看窗口1405-1和1405-2由来自回射光漫射屏幕的两个漫射光区域1410-1和1410-2形成。光区域1410-1和1410-2遵循高斯分布，因为光两次通过光漫射器，因此漫射角近似是比光整形漫射器的漫射角大2倍的平方根。

因为光遵循高斯分布，因此不存在良好定义的能量截止边界。在实施例中，可以将观看窗口定义为光强度在阈值或例如最大值的(仅仅为示例而不是限制性的)50％的百分比以上的区域。由于该分布，一些能量可能泄漏到相邻的观看窗口，如图14所示(区域1430)。通过对回射光漫射屏幕添加透镜层，透镜层聚焦漫射光，并产生更紧密分布的光区域。更紧密分布的光轮廓产生具有更良好定义的边界的观看窗口，并且由于能量泄漏而减少或消除串扰。对于具有非常小的水平漫射角的回射光漫射屏幕，透镜层不能提供显著的优点。然而，如果由屏幕形成的观看窗口显示显著的串扰，则透镜层的添加可以有助于使串扰最小化。

应当注意，还可以在上面针对双层屏幕讨论的实施例中，使用具有透镜层的回射光漫射屏幕。

c)透镜层和透明层实施例

图15示出了根据本发明的各个实施例的回射垂直光漫射屏幕的又一实施例。图15中描绘了回射光漫射屏幕1505，其包括透镜层1520、透明介质层1525、光漫射器1510和回射器1515。这种配置可以具有减少假像并减少串扰的好处。应当注意，还可以在上面针对双层屏幕讨论的实施例中使用这种屏幕。

E.空中三维图像显示器

本发明的方面包括产生图像的空中显示(即，看似浮动或悬挂在空中的图像)的实施例。该图像可以是静止图像或者视频图像。空中三维显示器的实施例包括基于多观看窗口的显示器和一个或更多个光学聚焦元件，以将来自基于多观看窗口的显示器的光聚焦到不同位置。

1.观看窗口空中三维图像显示器

以图示而非限制性的方式考虑图16中描绘的实施例。图16描绘了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统。如图16所示，显示系统1600包括基于多观看窗口的显示系统1615和光学聚焦元件1620。空中三维图像显示系统的基于多观看窗口的显示系统1615可以是任意的基于多观看窗口的显示系统。在实施例中，基于多观看窗口的显示系统1615可以使用上述回射光漫射屏幕显示系统的实施例中的任意一个。例如，基于多观看窗口的显示系统1615中的屏幕1605可以是先前讨论的回射漫射屏幕中的任意一个。成像元件1620可以是用作成像透镜的常规透镜、菲涅耳透镜、凹面镜或这些部件的组合。

光学聚焦元件1620相对于基于多观看窗口的显示系统1615被定位成使得由光学元件1620将显示器1615的多观看窗口1610聚焦到另一位置，以形成投影观看窗口1640。被正确地定位以观看投影观看窗口1640的观看者1645将看到三维对象1630。由于显示的图像1630看似呈现在虚拟屏幕1625上，因此三维图像1630看似在空气中浮动一样。

图17示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的实施例的光线追踪。为了简化光线追踪，仅示出了单个投影器1715和多个观看窗口中的相应的观看窗口1710以及其发射光。

如图17所示，投影器1715将图像或视频投影在屏幕1705上。来自投影器1715的光线(例如1745)被屏幕1705回射回至投影器，并且被以小漫射角漫射。结果，在投影器1715的投影点处形成观看窗口1710。反射光线(例如1750)继续传播并通过投影器，然后被成像元件1720聚焦，以在成像元件1720的另一侧的三维空间中形成虚拟屏幕1725和投影观看窗口1740。虚拟屏幕1725与物理屏幕1705光学共轭，投影观看窗口1740在投影点处与观看窗口1710光学共轭。通过添加更多的投影器，形成更多的观看窗口及其图像(投影观看窗口)。如果观看者通过这些投影观看窗口观察到虚拟屏幕1725，则他/她看到在空气中浮动的三维图像(静止图像或视频图像)。

图18示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的虚拟屏幕和投影观看窗口的位置和尺寸。在实施例中，虚拟屏幕1825的尺寸

取决于物理屏幕1805的尺寸h_scr和相对于成像透镜1820的屏幕位置S_scr以及成像元件1820的焦距f。投影观看窗口1840的尺寸

取决于投影点处的观看窗口1810的尺寸h_vw和观看窗口1810相对于成像透镜1820的的相对位置S_vw以及光学元件1820的焦距f。

根据透镜定律规定屏幕1805和虚拟屏幕1825的关系。可以根据以下方程式表示虚拟屏幕1825的位置和尺寸：

位置： $S_{\mathrm{scr}}^{\′}=\frac{S_{\mathrm{scr}}\·f}{S_{\mathrm{scr}}-f}$

尺寸： $h_{\mathrm{scr}}^{\′}=\frac{h_{\mathrm{scr}}\·f}{S_{\mathrm{scr}}-f}$

类似地，也根据透镜定律规定观看窗口1810和投影观看窗口1840的关系。

位置： $S_{\mathrm{vw}}^{\′}=\frac{S_{\mathrm{vw}}\·f}{S_{\mathrm{vw}}-f}$

尺寸： $h_{\mathrm{vw}}^{\′}=\frac{h_{\mathrm{vw}}\·f}{S_{\mathrm{vw}}-f}$

如图18所示，光学元件1820相对于基于多观看窗口的显示系统被定位成使得基于多观看窗口的显示系统位于超出透镜1820的焦距f(例如1815L)的距离处。

图19示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的示例。如图19所示，从屏幕1095到光学聚焦元件1920的距离是成像透镜1920的焦距f的3倍。从观看窗口1910到透镜的距离是成像元件1920的焦距f的1.5倍。虚拟屏幕1925位于1.5f图像平面，尺寸比物理屏幕1905的尺寸小2倍。投影观看窗口1940位于3f图像平面，尺寸比观看窗口1910的尺寸大2倍。本领域技术人员应当认识到可以使用其它配置。

图20示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的另一实施例。图20所示的实施例包括基于多观看窗口的显示器2015，该基于多观看窗口的显示器2015包括屏幕2005和产生观看窗口2010的投影器(未示出)。系统2000还包括分束器2020和凹面镜2025，凹面镜2025可以是抛物面镜或球面镜。在实施例中，分束器2020允许光从基于多观看窗口的显示器2015通过而到达凹面镜2025，凹面镜2025反射光并使光聚焦。分束器2020接收来自凹面镜的反射光，并进一步反射该光。因为凹面镜2025使光聚焦，因此从凹面镜2025和分束器2020反射的光将产生投影观看窗口，并且将允许定位于投影观看窗口处的观看者2035看到浮动的图像或多个图像2030。在实施例中，分束器2020可以是部分反射的，这将允许观看者2035看到位于与观看者相对的分束器的另一侧的对象。这种配置对于将浮动图像显示器与其它显示器或呈现材料相组合而言是有利的。

图21示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的又一实施例。图21所示的实施例包括基于多观看窗口的显示器2115，该基于多观看窗口的显示器2115包括屏幕2105和产生观看窗口2110的投影器(未示出)。与图20所示的系统2000相似地，系统2100还包括分束器2120和凹面镜2125，凹面镜2125可以是抛物面镜或者球面镜。然而，注意，与图20中的系统不同，本系统2100以不同的配置具有分束器2120和凹面镜2125。在实施例中，分束器2120将光从基于多观看窗口的显示器2115反射到凹面镜2125，凹面镜2125反射光并使光聚焦。分束器2120接收来自凹面镜的反射光，并允许该光的至少一部分通过以形成观看窗口。因为凹面镜2125使来自基于多观看窗口的显示器2115的光聚焦，因此从凹面镜2125反射并通过分束器2120的光将产生投影观看窗口，并且将允许定位于投影观看窗口处的观看者2135看到浮动的图像或多个图像2130。应当注意，与图20所示的配置2000不同，图21所示的配置2100由于镜2125而不允许观看者2135看到位于分束器的另一侧的对象。这种配置在限制由光或者在另一配置2000中可见的图像导致的可能的干扰方面是有利的。

图22示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的另一实施例。图22所示的实施例包括基于多观看窗口的显示器2215，该基于多观看窗口的显示器2215包括屏幕2205和产生观看窗口2210的投影器(未示出)。系统2200还包括菲涅耳透镜2220，菲涅耳透镜2220使光聚焦以产生投影观看窗口。因此，定位于投影观看窗口处的观看者2235将看到浮动的图像或多个图像2230。本领域技术人员应当认识到，图22所示的配置还可以使用镜以折叠光路和/或使用分束器以使系统类似于先前考虑的系统。

2.平行投影观看窗口空中三维图像显示器

以图示而非限制性的方式考虑图23中描绘的实施例。图23描绘了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统。如图23所示，显示系统2300包括基于多观看窗口的显示系统和光学聚焦元件2320。空中三维图像显示系统的基于多观看窗口的显示系统可以是任意基于多观看窗口的显示系统。在实施例中，基于多观看窗口的显示系统可以使用上述回射光漫射屏幕显示系统的实施例中的任意一个。例如，基于多观看窗口的显示系统中的屏幕2305可以是先前讨论的回射漫射屏幕中的任意一个。成像元件2320可以是用作成像透镜的常规透镜、菲涅耳透镜、凹面镜或者这些部件的组合。

光学聚焦元件2320相对于基于多观看窗口的显示系统被定位成使得显示系统的观看窗口2310位于光学元件2320的焦平面处。当投影器/观看窗口2310被放置在成像元件2320的焦平面处时，投影观看窗口位于无限远，或者可以被认为实际位于无限远。在这种情况下，来自同一观看窗口的所有光线彼此平行。因此，在显示器上，显示的图像是平行投影图像组2340。在实施例中，屏幕2305的位置可以与上面针对其它实施例所讨论的相同。

对于基于观看窗口的显示器，当观看者将他/她的眼睛与观看窗口对齐时，他/她从两个观看窗口看到成对的立体图像。当他/她站在观看窗口前面或后面时，观察到的立体图像是来自多个图像源的拼接图像(mosaiced images)。对于上述平行投影实施例，观看窗口位于无限远，这意味着观看者总是在观看窗口前面。因此，他/她将看到来自多个投影器的成对的拼接图像。通过每只眼观看一个立体图像地观看成对的立体图像，观看者可以看到浮动三维图像。

3.光场空中三维图像显示器

现有部分的实施例使用具有一个或更多个光学聚焦元件的基于多观看窗口的显示系统以产生空中三维图像显示系统，即，允许用户看到好像在浮动的三维图像的系统。这些系统产生各自具有透视图像的观看窗口。当观看者用一只眼在一个观看窗口中观看一个图像并用他/她的另一只眼在另一观看窗口中观看另一图像时，对于观看者看似出现浮动三维图像。在本部分中提供的替代性实施例中，使用具有一个或更多个光学聚焦元件的基于多观看窗口的显示系统来形成空中三维图像显示系统。然而，本部分中描绘的实施例被配置为产生光场空中三维图像显示器，而不是观看窗口空中三维图像显示器。如将在下面更详细地说明的，本部分中的实施例实质上生成背投影系统，这样，观看者不是通过看各自具有透视图像的两个不同观看窗口，而是通过看到作为来自投影器/观看窗口组的拼接图(mosaic)而形成的图像，来看到浮动三维图像。有时也将这种背投影系统称为“光场”显示系统。图24示出了光场显示器的应用。

图24示出了观察者从不同位置观看图像时背投影图像显示器或者光场显示系统的操作。图24中描绘了将光投影通过屏幕2430的背投影器组2410。屏幕2430上的点根据角度而发射不同颜色和强度的光。光场显示器2400根据观看角度使用多个投影器2410产生每个视图(例如2440-A和2440-B)。相应地，通过将图像划分为图像带并使这些图像带形成作为三维显示器2400的透视图像的拼接图，来再现不同的透视图像。例如，处于位置2440-A处的观看者将看到形成第一透视图像的图像带的一个拼接图，而处于位置2440-B处的观看者(或同一观看者的另一只眼)将看到形成不同的第二透视图像的图像带的不同的拼接图。对光场显示器的替代性说明是对屏幕上的每个像素的说明，由于不同光线来自不同的图像源，因此不同方向上的光线是不同颜色的。

该背投影/光场显示器的原理可以应用于本发明的实施例以产生空中三维显示系统。以图示而非限制性的方式考虑图25中描绘的实施例。图25示出了根据本发明的各个实施例的形成背投影/光场型显示系统的空中三维图像显示系统的实施例。

如图25所示，显示系统2500包括基于多观看窗口的显示系统2515和聚焦元件2520。空中三维图像显示系统2500的基于多观看窗口的显示系统2515可以是任意基于多观看窗口的显示系统。在实施例中，基于多观看窗口的显示系统2515可以使用上述回射光漫射屏幕显示系统的实施例中的任意一个。例如，基于多观看窗口的显示系统2515中的屏幕2505可以是先前讨论的回射漫射屏幕中的任意一个。光学聚焦元件2520可以是用作光学聚焦元件的常规透镜、菲涅耳透镜、凹面镜或者这些部件的组合。

光学聚焦元件2520相对于基于多观看窗口的显示系统2515被定位成使得由基于多观看窗口的显示系统2515形成的多观看窗口2510实际上形成背投影器，其光由光学元件2520捕获以在另一位置处形成虚拟屏幕2525。被正确地定位以观看虚拟屏幕图像2525的观看者2545将看到浮动三维图像2530。由于显示的图像2530看似呈现在虚拟屏幕2525上，因此三维图像2530看似在空气中浮动一样。

除了将观看窗口型显示系统转换为背投影/光场型显示系统之外，本部分的实施例与前面部分的实施例的不同之处还在于，本部分的实施例可以生成在空间上更紧凑的系统。只有物理屏幕(例如2505)和虚拟屏幕(例如2525)在光学聚焦元件的焦点以外。物理屏幕和虚拟屏幕彼此光学共轭。观看窗口(例如2510)位于焦点以内。结果，浮动显示系统变为背投影/光场型显示系统，并且其可以比现有部分的实施例更紧凑。

应当注意，与现有部分的实施例类似，可以通过改变实际屏幕的位置和观看窗口来改变虚拟屏幕的尺寸和位置以及虚拟投影窗口。

图26示出了根据本发明的各个实施例的空中三维图像显示系统的实施例的光线追踪。为了简化光线追踪，仅示出了多个观看窗口的单个投影器2615及其发射的光。

图26示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的实施例中的单个投影器的光线追踪。如图26所示，投影器2615将图像或视频投影在屏幕2605上。来自投影器2615的光线(例如2645)被屏幕2605回射回至投影器并被以小漫射角漫射。结果，在投影器2615的投影点处形成观看窗口2610，并且观看窗口被定位在聚焦元件2620的焦点2660以内。反射光线(例如2650)继续传播并通过投影器，并且被光线聚焦元件2620聚焦以在成像元件2620的另一侧的三维空间中形成虚拟屏幕2625。与在与虚拟屏幕相同的一侧形成投影观看窗口的现有部分的实施例不同，在本部分的实施例中，观看窗口的图像与投影器(和观看窗口)位于同一侧。将观看窗口的图像称为虚拟投影窗口2640。

虚拟屏幕2625与物理屏幕2605光学共轭，虚拟投影窗口2640在投影点处与观看窗口2610光学共轭。通过添加更多投影器，形成更多观看窗口以及其图像(虚拟投影窗口)。

图27示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的操作。该图示出了系统如何使用多个观看窗口/投影器工作。图27中描绘了作为八(8)个虚拟投影窗口2740成像的八(8)个观看窗口2710。观看者2750在虚拟屏幕2725上看到拼接图像(mosaiced image)2755。例如，在观看点2750处观察时，观察到的图像的在二维上是垂直带的图像片段2760是原本来自图像源8(观看窗口8)的来自虚拟投影窗口8的图像的一部分。类似地，其它片段来自相应的虚拟投影窗口。

现在转到图28，描绘了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统2800的实施例。在所描绘的实施例中，投影器放置在光学聚焦元件2820的主平面处。结果，观看窗口2810与成像透镜2820的主平面相重叠，并且观看窗口2810的图像(虚拟投影窗口2840)在尺寸和位置上与观看窗口相同。可以通过改变实际物理屏幕2805的尺寸和位置来改变虚拟屏幕2825的尺寸和位置。应当注意，本实施例使用薄透镜型号；对于透镜组或厚透镜，存在主平面对，观看窗口和虚拟投影窗口将分别在主平面中的一个上。

图28中描绘的实施例具有若干优点。首先，如先前所指出的，这种配置具有紧凑的设计。因为投影器可以在光学聚焦元件的主平面中，因此所需要的空间尤其与先前部分中的实施例相比更小。第二，投影窗口几乎没有或没有失真。最后，因为仅需要针对单对图像平面优化透镜，因此更易于设计用于该实施例的高质量的成像透镜。

图29A-29C示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的投影器和光学聚焦元件布置的不同实施例。图29A-29C中描绘的实施例可以特别用于如在图28中描绘的光场空中三维图像显示系统。

图29A描绘了投影器和光学聚焦元件配置2900-A的实施例。在所描绘的实施例中，投影器组2910定位在聚焦元件2920-A下方，聚焦元件2920-A可以包括一个或更多个光学聚焦元件。

图29B描绘了投影器和光学聚焦元件配置2900-B的另一实施例。在所描绘的实施例中，投影器组2910定位在聚焦元件2920-B上方，聚焦元件2920-B可以包括一个或更多个光学聚焦元件。

图29C描绘了投影器和光学聚焦元件配置2900-C的又一实施例。在所描绘的实施例中，投影器组2910定位在两个聚焦元件2920-A和2900-B之间，聚焦元件2920-A和2900-B中的每个可以包括一个或更多个光学聚焦元件。

图30示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的另一实施例。在所描绘的实施例3000中，观看窗口3010与屏幕3005在光学聚焦元件3020的同一侧，但是仍然在光学元件的焦点3060-L内。与原始观看窗口3010的尺寸相比，虚拟投影窗口3040的尺寸被放大。

图31示出了根据本发明的各个实施例的光场空中三维图像显示系统的又一实施例。在所描绘的实施例3100中，观看窗口3110与屏幕3105在光学聚焦元件3120的相对侧，可以认为在光学聚焦元件3120的左焦点3160-L内。与原始观看窗口3110的尺寸相比，虚拟投影窗口3140的尺寸被放大。

在前述实施例中，观看窗口在理论上可以从左焦点到右无限远地定位。虚拟投影窗口的范围为从当观看窗口接近于左焦点时的左无限远到当观看窗口接近右无限远时的右焦点。

F.显示系统实施例

图32示出了根据本发明的各个实施例的多投影器显示系统。在实施例中，系统包括回射光漫射屏幕3205和多个投影器3210。在所描绘的系统3200中，投影器3210A-x受计算系统3220的控制。在实施例中，计算系统包含存储图像组的数据存储3230，或者替代性地，计算系统可通信地连接到存储图像组的数据存储3230。计算系统3220调整图像经由投影器3210A-x在屏幕3205上的显示，以生成自动立体感显示。

本领域技术人员应当认识到，可以以多个不同的方式(包括但不限于使用图5-10、12、15-22和24-31所示的配置中的一个或更多个)来构成图32中描绘的系统。没有对于本发明而言关键的特别配置。

应当注意，本发明可以使用能够处理数据的指令执行/计算装置或系统(包括但不限于诸如旨在用于数据或图像处理的通用计算机和特定计算机)来实现。本发明还可以使用其它计算装置和系统来实现。此外，本发明的方面可以以各种不同的方式(包括软件、硬件、固件或其组合)来实现。例如，用于实施本发明的各个方面的功能可以由以包括离散逻辑部件、一个或更多个专用集成电路(ASIC)和/或程序控制处理的各种不同的方式实现的部件执行。应当注意，实现这些项目的方式对于本发明来说不是关键的。

图33描绘了使用本发明的实施例实现的指令执行/计算装置3300的实施例的功能框图。如图33所示，处理器3302执行软件指令，并且与其它系统部件交互。在实施例中，处理器3302可以是诸如(以示例而不是限制性的方式)AMD处理器、INTEL处理器、SUN MICROSYSTEMS处理器或POWERPC兼容的CPU之类的通用处理器，或者该处理器可以是应用专用的处理器或多个处理器。耦合到存储器3302的存储装置3304提供数据和软件程序的长期存储。存储装置3304可以是硬盘驱动和/或能够存储数据的另一装置，例如磁介质或光介质(例如磁盘、带、压缩盘、DVD等)驱动或固态存储器装置。存储装置3304可以保持程序、指令和/或数据，用于与处理器3302一起使用。在实施例中，存储在存储装置3304上或者从存储装置3304加载的程序或者指令可以被加载到存储器3306中并由处理器3302执行。在实施例中，存储装置3304保持用于在处理器3302上实现操作系统的程序或指令。在实施例中，可能的操作系统包括、但不限于UNIX、AIX、LINUX、Microsoft Windows和Apple MAC OS。在实施例中，操作系统在计算系统3300上执行，并且控制计算系统3300的操作。在实施例中，数据存储器3330可以是存储部分3304。

耦合到处理器3302的可寻址存储器3306可以用于存储数据和要由处理器3302执行的软件指令。存储器3306例如可以是固件、只读存储器(ROM)、闪存、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、随机存取存储器(RAM)或其任意组合。在一个实施例中，存储器3306存储多个软件对象、或者已知为服务、实用程序、部件或者模块。本领域技术人员还将认识到，存储部分3304和存储器3306在两个能力方面可以是相同的项目和功能。在一实施例中，可以将软件部件或者模块中的一个或更多个存储在存储器3304、3306中，并且由处理器3302执行。

在一实施例中，计算系统3300提供与其它装置、其它网络或者两者进行通信的能力。计算系统3300可以包括一个或更多个网络接口或者适配器3312、3314，以将计算系统3300可通信地耦合到其它网络和装置。例如，计算系统3300可以包括网络接口3312、通信端口3314或两者，网络接口3312和通信端口3314中的每个可通信地耦合到存储器3304，网络接口3312和通信端口3314可以用于将计算系统3300耦合到其它计算机系统、网络和装置。

[177]在一实施例中，计算系统3300可以包括耦合到处理器3302的一个或更多个输出装置3308，以方便显示图形和文本。输出装置3308可以包括但不限于投影器、显示器、LCD屏幕、CRT监视器、打印机、触摸屏或用于显示信息的其它装置。计算系统3300还可以包括图形适配器(未示出)，以协助在输出装置3308上显示信息或图像。

[178]耦合到处理器3302的一个或更多个输入装置3310可以用于方便进行用户输入。输入装置3310可以包括但不限于诸如鼠标、追踪球或者触摸垫之类的指示装置，还可以包括用于将数据或指令输入到计算系统3300的键盘或小键盘。

[179]在实施例中，计算系统3300可以通过通信端口3314、网络接口3312、存储器3306/3304中的存储数据或通过输入装置3310从扫描器、复印机、传真机或其它计算装置接收输入。

[180]本领域技术人员将认识到，没有对于本发明的实施而言关键的计算系统。本领域技术人员还将认识到，可以将上述多个元素物理地和/或在功能上分离为子模块或组合到一起。

[181]应当注意，本发明的实施例还可以涉及具有计算机可读介质的计算机产品，在计算机可读介质上具有用于执行各种计算机实现的操作的计算机代码。介质和计算机代码可以是专门设计的且为了本发明构造的介质和计算机代码，或者其可以是已知种类的或可为相关领域技术人员所用的。计算机可读介质的示例包括但不限于：诸如硬盘、软盘和磁带之类的磁介质；诸如CD-ROM和全息装置之类的光介质；磁光介质；以及专门被配置为存储或存储并执行程序代码的硬件装置，例如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)、闪存装置以及ROM和RAM装置。计算机代码的示例包括诸如由编译器生成的机器代码和包含计算机使用解释器执行的高级代码的文件。本发明的实施例可以全部或部分地作为可以在由计算机执行的程序模块中的机器可执行指令来实现。程序模块的示例包括库、程序、例程、对象、部件和数据结构。在分布式计算环境中，程序模块可以物理地位于本地、远程或这两者的设置中。

[182]虽然易于对本发明进行各种变型和替代性形式，但是在附图中示出了并在这里详细描述了本发明的特定示例。然而应当理解，本发明不限于所公开的特定形式，相反地，本发明将覆盖落入所附权利要求的范围内的所有变型、等同内容和替代内容。

Claims (25)

1.一种用于生成空中三维图像的系统，包括：

多观看窗口三维显示系统，所述多观看窗口三维显示系统生成多个观看窗口；以及

光学聚焦元件，所述光学聚焦元件被定位在与所述多观看窗口三维显示系统的所述多个观看窗口相距大于所述光学聚焦元件的焦距的距离处，并且所述光学聚焦元件接收来自所述多观看窗口三维显示系统的光，并聚焦所述光以形成多个投影观看窗口，

所述多个投影观看窗口被定位成使得用户能够通过以下方式来观看空中三维图像：在从所述多个投影观看窗口中选择的第一投影观看窗口处用第一眼观看第一独特透视图像，且在从所述多个投影观看窗口中选择的第二投影观看窗口处用第二眼观看第二独特透视图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学聚焦元件是透镜或凹面镜。

3.根据权利要求2所述的系统，还包括被定位在所述多观看窗口三维显示系统和所述凹面镜之间的分束器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多观看窗口三维显示系统包括：

屏幕，所述屏幕包括：

二维回射表面，被配置用于对通过漫射层的图像进行回射以形成反射图像；以及

所述漫射层，所述漫射层接收来自所述二维回射表面的所述反射图像，并通过在第一方向上以大漫射角漫射所述反射图像且在第二方向上以小漫射角漫射所述反射图像而对所述反射图像进行漫射，以形成与所述图像相对应的观看窗口。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述屏幕还包括：

定位在所述二维回射表面和所述漫射层之间的透明介质，所述透明介质允许所述图像在所述二维回射表面处未对焦，其中未被所述二维回射表面进行回射的未对焦的所述图像的至少部分被所述漫射层漫射。

6.根据权利要求4所述的系统，其中所述多观看窗口三维显示系统还包括：

多个投影器，每个投影器具有独特的位置并被配置用于将具有透视视图的图像投影到所述屏幕上，以形成与所述投影图像相对应的观看窗口。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述多观看窗口三维显示系统包括：

屏幕，所述屏幕包括：

透镜层，所述透镜层接收图像并将所述图像聚焦到光漫射器层上，并且所述透镜层接收来自所述光漫射器层的漫射的反射图像并聚焦所述漫射的反射图像以形成观看窗口；

定位在所述透镜层的焦平面处的所述光漫射器层，所述光漫射器层接收来自所述透镜层的图像，并且所述光漫射器层接收来自二维回射表面的反射图像并漫射所述反射图像以形成所述漫射的反射图像；以及

所述二维回射表面，所述二维回射表面接收来自所述光漫射器层的图像，并将所述图像的至少部分回射回至所述光漫射器层，以形成所述反射图像。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述屏幕还包括：

定位在所述二维回射表面和所述光漫射器层之间的透明介质，所述透明介质允许所述图像在所述二维回射表面处未对焦，其中未被所述二维回射表面进行回射的未对焦的所述图像的至少部分被所述光漫射器层漫射。

9.一种用于生成空中三维图像的系统，包括：

多观看窗口三维显示系统，所述多观看窗口三维显示系统包括投影多个投影图像的多个投影器，所述多观看窗口三维显示系统生成多个观看窗口；以及

光学聚焦元件，所述光学聚焦元件被定位在与所述多观看窗口三维显示系统的所述多个观看窗口相距小于所述光学聚焦元件的焦距的距离处，并且所述光学聚焦元件接收来自所述多观看窗口三维显示系统的光，并聚焦所述光以形成多个合成图像，每个合成图像由所述多个投影图像中的多个图像部分形成，并且每个合成图像能够被从独特视点区域观看；

其中，在第一视点区域处用第一眼看到第一透视图像且在第二视点区域处用第二眼看到第二透视图像的观看者能够观看到空中三维图像。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述多个投影器被定位在所述光学聚焦元件的主平面处。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述多观看窗口三维显示系统还包括：

屏幕，所述屏幕包括：

二维回射表面，被配置用于对通过漫射层的图像进行回射以形成反射图像；以及

所述漫射层，所述漫射层接收来自所述二维回射表面的所述反射图像，并通过在第一方向上以大漫射角漫射所述反射图像且在第二方向上以小漫射角漫射所述反射图像而对所述反射图像进行漫射，以形成与所述图像相对应的观看窗口。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述光学聚焦元件被定位在所述多个观看窗口和所述屏幕之间。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述屏幕还包括：

定位在所述二维回射表面和所述漫射层之间的透明介质，所述透明介质允许所述图像在所述二维回射表面处未对焦，其中未被所述二维回射表面进行回射的未对焦的所述图像的至少部分被所述漫射层漫射。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述多观看窗口三维显示系统包括：

屏幕，所述屏幕包括：

透镜层，所述透镜层接收图像并将所述图像聚焦到光漫射器层上，并且所述透镜层接收来自所述光漫射器层的漫射的反射图像并聚焦所述漫射的反射图像以形成观看窗口；

定位在所述透镜层的焦平面处的所述光漫射器层，所述光漫射器层接收来自所述透镜层的图像，并且所述光漫射器层接收来自二维回射表面的反射图像并漫射所述反射图像以形成所述漫射的反射图像；以及

所述二维回射表面，所述二维回射表面接收来自所述光漫射器层的图像，并将所述图像的至少部分回射回至所述光漫射器层，以形成所述反射图像。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述屏幕还包括：

定位在所述二维回射表面和所述光漫射器层之间的透明介质，所述透明介质允许所述图像在所述二维回射表面处未对焦，其中未被所述二维回射表面进行回射的未对焦的所述图像的至少部分被所述光漫射器层漫射。

16.一种用于生成空中三维显示系统的方法，包括：

使用多观看窗口三维显示系统生成多个观看窗口；

使用被定位在与所述多观看窗口三维显示系统的所述多个观看窗口相距大于光学聚焦元件的焦距的距离处的光学聚焦元件，以接收来自所述多观看窗口三维显示系统的光，并聚焦所述光以形成多个投影观看窗口，所述多个投影观看窗口被定位成使得用户能够通过以下方式来观看空中三维图像：在从所述多个投影观看窗口中选择的第一投影观看窗口处用第一眼观看第一独特透视图像，且在从所述多个投影观看窗口中选择的第二投影观看窗口处用第二眼观看第二独特透视图像。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述光学聚焦元件是透镜或凹面镜。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述多观看窗口三维显示系统包括：

屏幕，所述屏幕包括：

二维回射表面，被配置用于对通过漫射层的图像进行回射以形成反射图像；以及

所述漫射层，所述漫射层接收来自所述二维回射表面的所述反射图像，并通过在第一方向上以大漫射角漫射所述反射图像且在第二方向上以小漫射角漫射所述反射图像而对所述反射图像进行漫射，以形成与所述图像相对应的观看窗口。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述屏幕还包括：

定位在所述二维回射表面和所述漫射层之间的透明介质，所述透明介质允许所述图像在所述二维回射表面处未对焦，其中未被所述二维回射表面进行回射的未对焦的所述图像的至少部分被所述漫射层漫射。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述多观看窗口三维显示系统包括：

屏幕，所述屏幕包括：

透镜层，所述透镜层接收图像并将所述图像聚焦到光漫射器层上，并且所述透镜层接收来自所述光漫射器层的漫射的反射图像并聚焦所述漫射的反射图像以形成观看窗口；

定位在所述透镜层的焦平面处的所述光漫射器层，所述光漫射器层接收来自所述透镜层的图像，并且所述光漫射器层接收来自二维回射表面的反射图像并漫射所述反射图像以形成所述漫射的反射图像；以及

所述二维回射表面，所述二维回射表面接收来自所述光漫射器层的图像，并将所述图像的至少部分回射回至所述光漫射器层，以形成所述反射图像。

21.一种用于生成空中三维图像的方法，包括：

通过使用包括对多个投影图像进行投影的多个投影器的多观看窗口三维显示系统来生成多个观看窗口；以及

使用被定位在与所述多观看窗口三维显示系统的所述多个观看窗口相距小于光学聚焦元件的焦距的距离处的光学聚焦元件，以接收来自所述多观看窗口三维显示系统的光，并聚焦所述光以形成多个合成图像，每个合成图像由所述多个投影图像中的多个图像部分形成，并且每个合成图像能够被从独特视点区域观看；

其中，在第一视点区域处用第一眼看到第一透视图像且在第二视点区域处用第二眼看到第二透视图像的观看者能够观看到空中三维图像。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述多个投影器被定位在所述光学聚焦元件的主平面处。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述多观看窗口三维显示系统还包括：

屏幕，所述屏幕包括：

二维回射表面，被配置用于对通过漫射层的图像进行回射以形成反射图像；以及

所述漫射层，所述漫射层接收来自所述二维回射表面的所述反射图像，并通过在第一方向上以大漫射角漫射所述反射图像且在第二方向上以小漫射角漫射所述反射图像而对所述反射图像进行漫射，以形成与所述图像相对应的观看窗口。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述光学聚焦元件被定位在所述多个观看窗口和所述屏幕之间。

25.一种用于生成空中三维图像的系统，包括：

多观看窗口三维显示系统，所述多观看窗口三维显示系统生成多个观看窗口；以及

光学聚焦元件，所述光学聚焦元件被定位在与所述多观看窗口三维显示系统的所述多个观看窗口相距等于所述光学聚焦元件的焦距的距离处，并且所述光学聚焦元件接收来自所述多观看窗口三维显示系统的光，并聚焦所述光，以在无限远处或实际上在无限远处形成多个投影观看窗口，

所述多个投影观看窗口被定位成使得用户能够通过用第一眼观看第一拼接图像且用第二眼观看第二拼接图像来观看空中三维图像，所述第一拼接图像和所述第二拼接图像由所述多个投影观看窗口中的至少一些投影观看窗口的至少部分形成。

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