CN102411208A - 裸眼立体视觉显示器 - Google Patents

Abstract

裸眼立体视觉显示器。在不使用屏幕而使用多个投影仪组和透镜单元制造光线空间的立体视觉显示器中，由于人感觉到的像素的大小较小、像素间的间隙较大，所以存在有图像的平滑度损失、感觉立体感较差的技术问题。本发明通过提供一种裸眼立体视觉显示器，裸眼立体视觉显示器中在投影仪组和透镜单元之间设置扩散板，扩散来自投影仪组的光线，由此使光线变成感觉像素彼此之间邻接那样的程度的大小。从而能够实现图像的平滑的表现和具有较高的立体感的影像显示。

Description

裸眼立体视觉显示器

技术领域

本发明涉及显示影像的显示器装置，人在不佩戴特别的眼镜等用于得到立体视觉的设备的情况下就能够立体观察该影像。

背景技术

通过使用挡板式眼镜能够显示立体影像的三维电视机已投入市场，从而立体显示器的市场被激活。作为下一代立体视觉显示器，正在研究在不佩戴如挡板式那样的特殊的眼镜等用于得到立体视觉的设备(在本说明书中将该情况称作裸眼)的情况下就能够感觉到立体影像的裸眼立体视觉显示器的技术。作为实现裸眼立体视觉的技术，有在M.G.Lippmann“Epreuvesreversibles donnant la sensation du relief，”J.de Phys.，vol.7，4^th series，pp.821-825，November 1908.(称作文献1)中记载的立体照相方式(以下称作IP方式)。IP方式是在纵向和横向上均再现立体感的技术。

在基于IP方式的立体视觉显示器中，在液晶显示器等显示器上重叠微透镜阵列，来作成指向性的光线空间，由此实现在上下左右的所有方向上具有视差的全视差。在该方式中，通过微透镜来放大构成液晶显示器的像素的红、绿、蓝(RGB)的子像素，在进行立体视觉时，存在所看到的颜色分离的问题。与此相对，在日本特开2002-228974号公报(图1，段落0024～0030)(称作文献2)中，公开了通过在液晶显示器和微透镜阵列之间设置扩散板，来对子像素的颜色进行混色的方法。

此外，在IP方式中，如何增加光线信息成为提高立体感的关键，但是在日本特开2008-139524号公报(图1，段落0006～0009)(称作文献3)中，公开了通过将多个投影仪的影像重叠投影来增加光线信息量的技术。

在文献3的方法中，从投影仪投影的光线通过微透镜之后，聚光到非常小的区域(下面，将该区域称作偏向支点)，以该区域作为支点，作为指向性的光线进行扩散，所以在人观察立体视觉显示器时，能够识别为非常小的像素。

若充分紧密地排列投影仪从而相邻的上述偏向支点彼此充分近，则没有问题，但是在现实中，其间隔较宽，存在人在观察画面时感觉到不平滑且有间隙的影像的问题。若这样感觉到像素间的间隙，则即使存在有很多像素数，也存在会导致立体感或画质感受损的结果的问题。

发明内容

因此，在本说明书中，公开了如下的结构：通过在聚光光学单元和投影仪等出射单元之间设置扩散单元，由此使入射到聚光光学单元中的来自出射单元的光线扩散，加大偏向支点的面积。

更具体而言，公开了一种裸眼立体视觉显示器，其特征在于，具备：出射单元；聚光光学单元，排列有多个对来自该出射单元的光线进行聚光的光学单元；以及扩散光学单元，在该聚光光学单元和多个出射单元之间，使来自该出射单元的光线的扩散变大，

扩散光学单元的设置位置在包含了多个出射单元的焦深的成像范围与聚光光学单元的焦深范围之间共同的范围内。

作为聚光光学单元，例如对应微透镜阵列或双凸透镜片等设备。

扩散单元具有使出射的光线的角度比入射的光线大的功能。所以，例如对应于被称为扩散板或扩散片的设备。

投影仪等影像投影装置对应于出射单元。

通过上述方式，人感觉为像素的区域变宽，很难识别到像素间的间隙。

发明效果：

根据公开的技术，能够得到所显示的立体影像变平滑且提高立体感和画质感的效果。

附图说明

图1是示出在聚光光学设备上使用了微透镜阵列的实施方式的结构的模式图。

图2是示出在聚光光学设备上使用了两片双凸透镜片的实施方式的结构的模式图。

图3是示出关注一个透镜时的以往的光线的模式图。

图4是示出关注一个透镜时的实施方式的光线的模式图。

图5是示出使用了9台投影仪的实施方式的结构和偏向支点的样子的模式图。

图6是示出在视点与微透镜阵列之间设置了扩散板的实施例的模式图。

具体实施方式

<实施例1>

关于将微透镜阵列用作聚光光学设备、将扩散板用作扩散设备、将投影仪用作影像投影装置的情况下的实施例，使用图1来进行说明。

从投影仪组1向微透镜阵列2进行重叠投影。人在图1的右侧，从右眼3、左眼4的位置观看微透镜阵列方向。从投影仪组1出射的光线在扩散板7扩散了光线之后，入射到微透镜阵列2中，暂时聚光之后，作为指向性的光线而扩散。在人的左右眼中，根据其位置，有选择地入射从投影仪出射的光线的一部分(图中的5、6)，通过输出具有视差的信息来作为光线信息，能够用裸眼进行立体观察。

使用图3和图4，进一步对扩散板7的效果进行说明。

图3示出没有扩散板7的现有例子。在图3中，示出了投影仪1位于下侧、光线朝向上侧出射的状态，关注来自1台投影仪的三个像素(图中的33、34、35)，为了便于说明，1个像素设为1个光线，示出了各个光线。

来自投影仪的光线在投影仪的位置32成像，所以通过在该位置设置屏幕，能够显示影像。其中，如后所述，屏幕的设置位置只要在包含位置32的投影仪的焦深范围之内就可以。

但是，若不设置屏幕，而将微透镜阵列2设置在从位置32离开微透镜的焦距f的位置，则当关注微透镜阵列2的一个透镜31时，从投影仪的像素33、34、35入射到透镜31的光在位于离开透镜的焦距f的位置上的区域，即偏向支点36上聚光并交叉之后，向各个方向扩散。

于是，在人从图3的上侧观察下侧时，图中38所示的范围成为视域，只要是在该角度范围内，则指向性的光线进入眼中，能够作为偏向支点36的大小的像素而被感觉。此外，在该图中，虽然为了便于说明，将来自投影仪的像素作为非常小的点来示出，但是实际上具有某种程度的大小，从透镜31出射的光线并不是如图中那样平行的光线，而是逐渐扩散的光线，所以，在视域38的范围内，能够作为连续的光线被感觉，而不是作为离散的光线。

此时，由于与从投影仪到位置32的距离相比，微透镜阵列2的焦距f非常短，所以偏向支点36成为很小的区域。

接着，使用图4，对实施方式的扩散板的效果进行说明。在图4中，将扩散板7设在作为投影仪的成像位置且作为微透镜阵列2的焦点位置的位置32。该扩散板7使来自投影仪的光线稍微扩散(+δ)，与图3相比，使像素33、34、35的光线稍微变宽。于是，来自投影仪的光线与图3相比，成为粗光线之后，从透镜31出射，偏向支点36与图3相比，感觉为较大的像素。

使用图5，说明偏向支点感觉为较大的像素这样情况对立体影像的画质或立体感带来的影响。图5(a)是将9台投影仪用作投影仪组1的例子，示出了朝向扩散板7、微透镜阵列2重叠投影的状态。图5(b)是关注图5(a)的一个透镜时的图，示出只取3台的投影仪来示出光线的状态。图5(b)中的实线、点线、虚线的箭头分别示出来自各自不同的投影仪的光线，示出来自各投影仪的光线分别被聚光到偏向支点51、52、53的情况。图5(c)是示出在图5(a)的图从上向下方看时的透镜阵列和偏向视点的状态的一部分的图。当微透镜阵列2作为四边形的透镜铺满时，在一个透镜内可看见9台投影仪的9个偏向视点。此时，示出以横向为x，纵向为y，偏向支点的直径为Dx、Dy，偏向支点的中心之间的距离为Px、Py，偏向支点之间的间隙为Sx、Sy。

如图3所示的例子那样，在为不放入扩散板的现有技术的情况下，从人的视点观察偏向支点51、52、53时的直径(Dx、Dy)变小，偏向支点之间的间隙(Sx、Sy)变大。于是，观察者感觉到间隙，像素被看成较粗而感觉为粗糙的画质，损害立体感。因此，通过设置扩散板7，使偏向支点的直径变大，偏向支点间的间隙变小，能够感觉为光滑的图像，能够提高立体感。

此时，只要将偏向支点间的间隙(Sx、Sy)设为观察者的知觉分辨能力以下就可以。观察者的知觉分辨能力取决于视力，例如，视力为1.0的人具有1/60的角度分辨能力。偏向支点之间的间隙的最大值只要根据所假定的视力和显示器的视距来规定就可以。

对用于实现这样的偏向支点之间的间隙的、扩散板的扩散角度进行说明。此外，下面，假定纵横同性的情况，但是在各向异性的情况下，只要在纵横方向上独立考虑就可以，作为扩散板，使用作为公知的各向异性扩散板的Light Shaping Diffuser(http://www.osc-japan.com/solution/lsd08)等，只要由此控制纵横的扩散角度就可以。

首先，在设扩散板的扩散角度为δ时，定义计算所需要的要素。设立体显示器的视距为L，假定的观察者的角度分辨能力为α，投影仪的像素成像时，设1个像素的大小为d，成像为像素的光线的成像角度为θ(参照图4)，偏向支点之间的距离为P，微透镜的焦距为f。此外，在像素的形状为正方形或长方形的情况下，D、d成为横向(或纵向)的像素宽度。

首先，能够用以下的式(1)，求出偏向支点的大小D。

数学式1

D＝d+2×f×tan(θ/2)    (1)

接着，为了将偏向支点之间的间隙S设为观察者的角度分辨能力α以下，需要满足以下的式(2)。

数学式2

S＜＝L×tan(α)       (2)

例如，假设观察者的视力为1.0(角度分辨能力为1/60度)，视距为2m，则根据上式(2)，间隙S的最大距离成为大约0.58mm。

偏向支点之间的距离P根据投影仪配置、微透镜的透镜间距来决定，若使用P，则偏向支点之间的间隙S由下式(3)表示。

数学式3

S＝P-D    (3)

因此，只要把扩散板的扩散角度δ决定为满足下式(4)就可以。

数学式4

δ＞＝2×tan^-1{(P-d-L×tan(α))/(2×f)}-θ        (4)

此外，在本实施例中，投影仪的成像范围比微透镜阵列2的焦深宽，所以设置扩散板7的位置只要是在包含来自投影仪的光线的成像位置在内的投影仪的焦深范围之内并且在包含微透镜阵列2的焦点位置在内的焦深范围内就可以。

此外，本实施例中的来自投影仪的光线能够出射混色后的真彩色光线。

<实施例2>

接着，使用图2，对使用双凸透镜作为聚光光学设备的实施例进行说明。在图2中，代替图1的微透镜阵列，使用2片双凸透镜片(图中20、21)。使用两片扩散板，在双凸透镜片20的焦点位置设置扩散板22，在双凸透镜片21的焦点位置设置扩散板23。投影仪的成像范围(包含来自投影仪的光线的成像位置在内的投影仪的焦深范围)与双凸透镜的焦距相比充分宽，所以只要在投影仪成像范围内设置双凸透镜片20、21、扩散板22、23就可以。

如本实施例所示，通过使用双凸透镜，能够将上下方向和左右方向的透镜间隔单独设置，根据立体视觉显示器的用途，能够单独地控制偏向支点的纵横像素数、以及从偏向支点出射的光线的纵横数量。此时，在纵向或横向的偏向支点的像素数足够多、如上述式(4)的δ的最小值为0以下的情况下，不需要在该方向上进行扩散。

此外，还存在能够以比微透镜阵列低的成本制造双凸透镜的可能性。

<实施例3>

作为其他实施例，也可以使用利用了衍射效果的全息光学元件作为聚光光学设备。全息光学元件也能够如上所述的双凸透镜那样使用，也可以组合双向的聚光光学设备来制作成一个薄板。因此，扩散板成为一片，只要设置在全息光学元件的焦点位置就可以。

<实施例4>

接着，用图5(a)，对根据位置来改变扩散板的扩散角度的实施例进行说明。在该图中，用50表现了从中央的三台投影仪出射光线的区域，但示出了被设置成投影仪的重叠数量根据场所而不同的情况。即，在区域55重叠了来自3台投影仪的光线，但是在区域56只存在来自2台投影仪的光线，在区域57只存在来自1台投影仪的光线。

作为理想的立体视觉显示器，希望在整个区域重叠数量相同，但是在现实中，由于各种制约条件而有时很难实现，或者根据使用立体视觉显示器的用途而有时没有问题，所以也允许这种设置方式。

在该情况下，图5(c)的每一个微透镜的偏向支点的数量变化，Px、Py根据投影仪的重叠数量而发生变化。因此，并不是扩散板的扩撒角度在整个扩散板上相同，而是以符合根据投影仪的重叠数量来求出上述扩散角度δ的式子的方式进行定义。

根据本实施例，即使在根据场所而投影仪的重叠数量变化的情况下，在整个画面上也能够实现光滑的画质。

实施例5

接着，使用图6，对将扩散板还设置在聚光光学设备和视点之间的方法进行说明。在本实施例中，在微透镜阵列2和视点之间也设置扩散板61。

扩散板7的扩散角度成为较小的角度。这样的扩散板根据制造方法，有时在面内的扩散角度上产生偏差。在该情况下，有时会感觉看起来不光滑或眩目。

因此，通过利用扩散板61再次进行扩散，使偏差接近均匀。

在此，若考虑不设置扩散板7、而只设置扩散板61的情况，则在扩散板61，具有偏向支点的大小不发生变化、而光线的扩散变大的效果。通过来自相邻的投影仪的光线相互混合来实现图像的光滑，从而作为立体影像感觉为模糊。

相对于此，通过并用扩散板7使扩散板61上扩散的角度较小就可以，所以能够使得立体影像的模糊止于最小限度。

Claims (13)

1.一种裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

具备：

出射单元；

聚光光学单元，排列有多个对来自上述出射单元的光线进行聚光的光学单元；以及

扩散光学单元，在上述聚光光学单元和上述多个出射单元之间，使来自该出射单元的光线的扩散变大，

上述扩散光学单元的设置位置在包含上述多个出射单元的焦深的成像范围与上述聚光光学单元的焦深范围之间共同的范围内。

2.根据权利要求1所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述扩散光学单元具有从该出射单元扩散出射光线的扩散角度，以使得在来自一个出射单元的多个像素的光线通过上述聚光光学单元聚光而交叉的区域被称作偏向支点时，从多个出射单元生成的偏向支点中的相邻的偏向支点的间隙成为人的知觉分辨能力以下。

3.根据权利要求2所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

设上述扩散单元的扩散角度为δ，该裸眼立体视觉显示器的视距为L，观察者的角度分辨能力为α，出射单元的已成像的1个像素的大小为d，成像为像素的光线的成像角度为θ，偏向支点之间的距离为P，聚光光学单元的焦距为f时，

上述扩撒角度δ满足下式：

δ＞＝2×tan^-1{(P-d-L×tan(α))/(2×f)}-θ。

4.根据权利要求1所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用微透镜阵列。

5.根据权利要求2所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用微透镜阵列。

6.根据权利要求3所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用微透镜阵列。

7.根据权利要求1所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用两个双凸透镜片，

对各个双凸透镜片设置扩散光学单元。

8.根据权利要求2所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用两个双凸透镜片，

对各个双凸透镜片设置扩散光学单元。

9.根据权利要求3所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用两个双凸透镜片，

对各个双凸透镜片设置扩散光学单元。

10.根据权利要求1所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用全息光学元件。

11.根据权利要求2所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

上述聚光光学单元使用全息光学元件。

12.根据权利要求1所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

在上述聚光光学单元和视点之间，设置第二扩散光学单元。

13.根据权利要求2所述的裸眼立体视觉显示器，其特征在于，

在上述聚光光学单元和视点之间，设置第二扩散光学单元。

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