CN103547958A

CN103547958A - 准三维的显示器设备

Info

Publication number: CN103547958A
Application number: CN201280020828.2A
Authority: CN
Inventors: 马克·拉利; 马修·拉利
Original assignee: Ai Geluobai Inc Co
Current assignee: Ai Geluobai Inc Co
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN103547958B; WO2012149279A1; US8860783B2; US20120274640A1

Abstract

受益于三维或准三维的显示器的用于示出场景的系统。在某些实施方案中，折射材料的大体上为球形的部分被提供在具有有限厚度的光发散层中，所述光发散层可以被放置在基板显示器装置（比如，LCD或类似的平坦监视器或显示器屏幕）之上，并且折射单元和光发散层然后以三维或准三维方式将场景的至少一部分从系统向外散开。结果是显示器示出具有三维特征（例如，球、球体、行星、其他物体）的场景的更准确、更具娱乐性、更有趣且更真实的描绘。图像可以是静态的或动态的。

Description

准三维的显示器设备

技术领域

本发明涉及显示器系统和使用显示器系统的方法。更具体地，本发明涉及包括折射特征件（feature）的显示器，所述折射特征件用作透镜来使图像或图像的部分散开，从而呈现被显示的场景或物体的三维或准三维的可视表征。

背景技术

人们通常发现观看真实或虚构事物的视觉表征的图像或投影是有用或者具有娱乐性的。因此，已经开发了使我们能够将视觉表征（例如静止图像和运动图像）置于表面或屏幕上从而我们可以享受或受益于这样的视觉显示的技术。显示器屏幕上所表征的这样的信息的内容一般是由计算机或者由记录装置和所述记录装置的播放生成的。

常用的屏幕和显示器包括电视（TV）屏幕和计算机监视器（统称“显示器”）。随着技术改进，这些类型的显示器也已发展。早期的类型由来自电子枪的电子束照射，电子束跨覆有磷光材料的一般为矩形的显示器屏幕扫掠（sweep）带电粒子。材料则将会发出或者发射对应于由电子源和在显示器屏幕的正交维度中的磁场导致的图像的可见光。结果是可见的强度图（黑和白）的可视的图像。进一步的改进带来彩色显示器，彩色显示器本身在后来发展为包括阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子体显示器、发光二极管（LED）显示器以及其他。

这些显示器就它们的可视表面设计而言一般为二维的。换言之，目前这种类型的显示器主要为平坦的（flat）或者几乎为平坦的。因此，无论观看者相对于二维的显示器位于什么位置，观看这些显示器的人看到的都基本上是正被显示的物体的相同的视图。这使得观看这样的显示器等同于观看平坦的二维照片、图片或者类似的物体，其中在某些情况下增加动态影像（视频）。因此，即使是在描绘现实中为三维的物体（例如，足球或行星）时，这些显示器使三维的物体完全平坦化以在二维的显示器上进行表征。大多数人对此已经习以为常，但这是非自然的抽象表示。某些显示器其面具有平缓曲率的事实没有改善这种简化表示或抽象表示。

因此，有趣的和/或有用的是考虑可替换的显示器，所述显示器提供观看二维或三维场景的更自然的感觉。

发明内容

本发明的各种实施方案涉及显示器系统，所述显示器系统包括基板显示器装置，所述基板显示器装置生成包括可见光的场景，所述基板显示器具有前面，所述可见光从所述前面发射出；光发散层，所述光发散层被设置在所述基板显示器装置之上，所述光发散层具有靠近所述基板显示器放置的背面以及向外朝向所述系统的观看者的前面，以至于所述可见光基本上从所述基板显示器装置的所述前面向外传播，进入所述光发散层的所述背面，然后离开所述光发散层的所述前面；所述光发散层具有所述光发散层的至少一个折射部分，所述折射部分向外将所述可见光的部分折射偏离法线方向，以至于所述可见光的被折射部分散开，以产生入射到所述光发散层的所述折射部分的所述背面上的场景的三维视图。

其他实施方案涉及从基本上二维的显示器设备投射场景的三维类似视图的方法，所述方法包括：在光发散层形成折射单元，所述光发散层被设置在所述基本上二维的显示器设备的面之上；输送可见光图像到所述基本上二维的设备；使所述图像的可见光从所述基本上二维的设备通过进入所述光发散层并且进入所述光发散层的所述折射单元；利用所述折射单元折射所述图像的所述可见光的部分，以至于所述可见光的被折射部分针对相对于所述光发散层的面的法线向外散开，以产生所述场景的三维视图。

附图说明

图1图示说明根据某些本实施方案的显示器装置的截面；

图2图示说明示例性的光发散元件；

图3图示说明示例性的显示器系统的前视图；

图4图示说明本显示器系统的某些特征的方面；以及

图5图示说明本显示器的另一示例性特征。

具体实施方式

如上所述的，现有的显示器系统在其产生三维场景的图像能力上受限，并且一般留给人们的仅仅是这些场景的二维表征，类似于在屏幕上移动平面图片。下面描述如何形成并且操作有趣的且有用的新型的显示器，所述显示器具有这样的特征，所述特征模仿或者产生三维场景和对象的良好呈现。在某些实施例中，这些显示器是由基本上二维的显示器改进的。在某些实施例中，这些显示器具有中央三维延伸部分，所述中央三维延伸部分允许三维场景以更忠实表征三维场景或对象的方式向显示器的一个观看者或者多个观看者进行呈现。

本系统主要旨在产生表征真实或抽象物体的可视的可理解图像。图像可以具有彩色或单色的性质。彩色光以各自的特性波长成分产生对应的彩色图像。光波长表征电磁能量的振荡，已知其涵盖“电磁频谱”中的一波长范围。不同颜色的光一般包括对应于不同颜色的特性波长，其中，与具有较长的特性波长（以及较低的电磁场振荡频率）的橙色和红色相比，紫色和蓝色具有较短的波长（以及较高的电磁场振荡频率）。在这一方面，本系统包括产生和投射可见光的能力。可见光是具有处于电磁频谱的可见部分中的特性波长的光（以及其组合），并且包括波长在约380nm和780nm之间，甚至可以说在约400nm和700nm之间的光。

图1图示说明本显示器系统10的示例性实施方案的截面，显示器系统10包括基本上平坦的或者平坦的显示器基板120以及设置在基板显示器120上的折射层110。正如在电视或计算机监视器技术领域中已知的，折射层110和基板120可以被彼此粘结或附接或耦合，以形成能够接收从显示器的后侧输入的光的完整的显示器单元。

在某些实施方案中，显示器120可以包括标准平板显示器120，比如LCD监视器（或者类似的LED、等离子体、CRT或其他平坦的显示装置）。显示器120可以与常规用在电视或计算机监视器中的显示器相同或类似，具有或不具有本领域的技术人员已知的有用的滤光器或覆层。光发散层110导致平行光线束130在折射后发散并且具有负焦距。光发散层110导致从平板显示器发射出的光在通过光发散层110时发散，当观看者140通过观看显示器100观察显示器100时创建三维场景。

在某些实施方案中，光发散层110包括至少两个部分。第一折射部分114被设置在层的第二部分112中或者在第二部分112上。第一部分114可以包括具有与第二部分112不同的光学指数（optical index）的材料，以至于光被第一部分114弯曲或者折射来使平行光线130以发散方式132向外散开。这一散开将导致观看者140看到准三维图像，就好像它从距显示器系统10一深度处或者多个深度处发射出。

折射部分110在优选实施方案中可以包括几何上为球形部分的单个单元（114）。换言之，折射部分114包括基本上是原始为球体或类球形的一外部切割部分（outer slice）的体积。注意的是，其他球形、类球形或者椭球形体积可以被用来获得折射部分114的期望的形状、体积和尺寸。折射部分114的截面因此不限于圆形或弧形部分。

折射部分114可以被埋置或者形成于光发散层110的剩余的第二部分112中，所述剩余的第二部分112可以具有支持该特征件的光发散功能所需的任何厚度。在某些实施方案中，该光发散层可以包括玻璃、石英、塑料、聚碳酸酯（Lexan）、具有各种光折射率、密度的聚合物等等的组合。光发散层110可以如上所描述的是薄的或厚的，并且可以为跨其宽度为单一厚度，或者在厚度上可以成锥形或是根据其在显示器10的表面上的位置而变化的。

在某些实施方案中，多于一个比如或类似于折射部分114的特征件可以被包括在光发散层110中，包括多个这样的部分114，多个这样的部分114可以以预先确定的布置方式跨显示器10的面来放置。折射部分110可以包括如图1中的114所示的单块或结构，但也可以具有其他机械和光学构造。例如，菲涅耳透镜方案可以用来减少折射部分114的厚度。

图2图示说明光发散层部件20的截面的示例性示图，其中描绘内部构造和外部构造。光发散层200可以由透明的实心玻璃、丙烯酸或适于承载在电磁频谱的有用（例如，可见）范围内的光束的其他光学材料制成。球形部分210从发散层200的其余部分被去除。这样的切除部分（cutout）使得入射光发散并且当光传播通过显示器系统时使光“球形化”。注意的是，如上面所提到的，切除部分在所有实施方案中并不是必须要以球形方式成形，而是可以包括类球形轮廓、椭球形、椭圆形或者适合给定需要的其他形状。

光发散层的内（或者如在附图中所示的下）表面具有两个面，球形切除部分210和平面部分220。球形切除部分被圆化来匹配和改变正交投影的形状。正交投影和球形切除部分210之外的图像的任一部分传播通过未改变的平面表面220。该表面可以被用来显示星星或者由平板显示器显现作为背景的其他图像。该表面还可以通过使用部分或者完整的遮光层230而被选择性地遮挡。该层可以被定制，例如，其可以被形成为乌黑的、印刷的3-D全息图或者在表面中具有微小的针孔来允许光通过。该层的使用大大提高正交投影与其周围区域之间的对比度，这改善在某些实施方案中的整体感知。

显示器20的顶（或者前或正）表面240可以为平坦的或者弯曲的、倾斜的等。在某些实施方案中，如果光发散层200整体上中间比侧边薄，则其使得传播通过其中的光发散。在某些实施方案中使发散层和平板显示器层分离可以增加其分辨率。当光发散层被移动远离平板基板显示器（例如，LCD显示器）时，图像表现得更小而没有任何信息损失；因此，有效或表观分辨率增加。可能的是，创建这样的超高清晰度显示器，该超高清晰度显示器使利用人眼辨别各个图像像素是不可能的。

图3图示说明如由显示器的观看者可以看见的光发散层30的正或顶视图的示例性表征。球形切除部分300被示出，具有某种形状和直径302并且设置在其他平坦或基本上二维的层310中。

图4图示说明光发散层的光学或视觉效果。在左侧示出平板显示器400。在这种情况下，平板显示器400被集成到计算机显示器装置中或者安置在计算机显示器装置之上或者配接到计算机显示器装置（例如，如在来自加州的库比蒂诺的苹果计算机公司的苹果一体机（Apple iMac）上可见的）。等距网格410和行星地球420的正交投影被显示在计算机屏幕上。这与同样显示类似的场景442的右侧计算机屏幕上的图像444形成比较。

缺少光发散层430，正交投影的网格的线条和形状表现为平坦的。相反地，在将光发散层430增加到显示相同网格和正交投影的同一平板显示器440时，通过使图像的中心向外凸出远离下面的基板平板显示器并且逐渐过渡到（taper down）大部分为未受影响的水平部分，图像在图像的中心好像是离开屏幕的，为正交投影提供在空间中漂浮的三维效果，该三维效果具有改善得多的透视表现和更少变形。

图5图示说明在受益于本准三维显示器50的场景中行星地球和其他天体的图像的概念上的示例性外观。场景被示出为好像是在观看用于在此使用的光发散层512。平板基板显示器500被设置在具有类球形部分510的光发散层之下以将来自如上所描述的地球的图像的光线散开。星星的背景图像520以选择性的遮挡掩膜、介于光发散层和基板显示器之间的屏幕中的针孔孔径或者某一其他方法的方式被可选地施用。

如上面所论述的，可以是有用的是，通过光发散层观看球形物体的正交表征，从而其显示或为静止的或为运动的物体的更为真实的可视图像。所以例如，图5中地球的表征可以为地球是运动的视频表征，从而在观看场景期间它绕其轴转动。显然地，其他物体的其他场景也可以由本系统显示。可以理解的是，当与普通的二维（平坦的）显示器相比时，物理上绕显示器系统50的运动（例如，位于稍靠屏幕500的左侧，然后运动起来并且位于稍靠屏幕500的右侧）可以提供针对发散的准三维场景的有趣透视。由于变形和其他限制，单单是目前的平板显示器无法有效地将这样的图像描绘为三维的。

下面的基板或者上面所使用的平板显示器可以以远程方式或合并为一个整体单元的方式被耦合到用于处理和储存静态或活动图像的设备，或者图像可以从另一储存源或图像传感器（比如，静态或动态摄像机）下载。图像还可以通过网络（比如，LAN或WAN或者因特网本身）从源被传输到目的地。因此，在终端，显示器50的观看者可以看到如从具有摄像机的卫星或其他系统所见的地球的实时图像或者真实的或模拟的数据。

所描述的系统以及本文不受与常规正交图像投影相关联的问题的影响，原因至少在于它们采用使平板显示器上的图像发散的光发散层。在某些实施方案中，处理器预处理正在上面所描述的屏幕上显示的图像或图像数据，从而如果适当的话，场景以这样的方式变形，即由发散层补偿光学畸变并且对观看者表现为正确的。

显示正交投影的常规平坦显示器面板被用于半球体或部分球体或类球形物体的透视视图。区域和形状是变形的。沿赤道和其他平行圈（parallel）的距离是准确的（true）。相反地，通过包括光发散层，区域和形状变形基本上通过以互补方式使图像以光学方式变形来减少。由此提高具有增强的深度和透视性的三维效果。光发散层产生特定水平的桶形畸变（barrel distortion），其中在远离光轴的情况下图像放大倍数减少。明显的效果在于，已在球体或其他三维形状周围描绘（map）的图像的效果。光发散层还能够在同一观看距离处提供比单单是常规平板显示器更高的有效分辨率图像。

尽管通过光发散层观看图像是优选的，但可能的是通过光会聚层观看具有高度互补桶形畸变的正像（erect image）。这样的一种可能的缺点在于人们可以观察正像的距离和角度受限。通过从大于光会聚层的焦距的距离进行观察，图像变得倒转并且会引入与互补桶形畸变相对的不希望的枕形畸变影响（pincushion effect）。在特定情形下，可以是有益的是，如果观众处于更加受控的环境（例如影院）下，则通过正好以理想观看布置或“最有效点（sweet spot）”来安排光会聚层而使用光会聚层。

本公开并不意图受其优选实施方案的限制，并且其他实施方案也被包括并落入本公开的范围。例如，出于实用或新颖的目的图像散布（dispersion）层是具有一定轮廓的（contoured）或者以其他方式成形以支持图像中期望的效果的实施方案。

大量其他实施方案、对本公开的修改和扩展意图被本发明的范围覆盖。这包括在本文所描述的系统的机械、光学、逻辑或电子实现中本领域的技术人员将清楚的实现细节和特征。这还包括这样的系统的用途，无论是用于娱乐、教育、商业、军事、天文、导航、医药或是本系统能够被使用的其他目的。

本发明不应被认为限于上面描述的具体实施方案。在阅读本公开的基础上，本发明可以适用的各种修改、等同过程以及多种结构对本发明所涉及的领域中的技术人员来说将会是很明显的。

Claims

1.一种显示系统，所述显示系统包括：

基板显示器装置，所述基板显示器装置生成包括可见光的场景，所述基板显示器具有前面，所述可见光从所述前面发射出；

光发散层，所述光发散层被设置在所述基板显示器装置之上，所述光发散层具有靠近所述基板显示器放置的背面以及向外朝向所述系统的观看者的前面，以至于所述可见光基本上从所述基板显示器装置的所述前面向外传播，进入所述光发散层的所述背面，然后离开所述光发散层的所述前面；

所述光发散层具有所述光发散层的至少一个折射部分，所述折射部分向外将所述可见光的部分折射偏离法线方向，以至于所述可见光的被折射部分散开，以产生入射到所述光发散层的所述折射部分的所述背面上的场景的三维视图。

2.如权利要求1所述的系统，所述光发散层包括由具有第一折射率的透光材料制成的所述折射部分，所述折射部分埋置于具有第二折射率的透光材料的板之中，所述第二折射率与所述第一折射率不同。

3.如权利要求1所述的系统，所述折射部分包括球形或类球形几何体的弯曲的三维部分。

4.如权利要求1所述的系统，所述基板显示器包括平坦屏幕显示器，比如LCD、等离子体或者LED显示器屏幕。

5.如权利要求1所述的系统，所述基板显示器包括常规电视屏幕、平板投影屏幕或者计算机监视器。

6.如权利要求1所述的系统，还包括在所述光发散层中的多个折射部分。

7.如权利要求1所述的系统，还包括处理表征所述场景的数字图像的处理器。

8.如权利要求7所述的系统，还包括网络接口，以至于所述处理器能够接收数据，所述数字图像从所述数据导出。

9.一种从基本上二维的显示器设备投射场景的三维类似视图的方法，所述方法包括：

在光发散层形成折射单元，所述光发散层被设置在所述基本上二维的显示器设备的面之上；

输送可见光图像到所述基本上二维的设备；

使所述图像的可见光从所述基本上二维的设备通过进入所述光发散层并且进入所述光发散层的所述折射单元；

利用所述折射单元折射所述图像的所述可见光的部分，以至于所述可见光的被折射部分针对相对于所述光发散层的面的法线向外散开，以产生所述场景的三维视图。

10.如权利要求9所述的方法，还包括使所述图像的可见光通过在所述光发散层中的多个折射单元。

11.如权利要求9所述的方法，还包括使所述图像的可见光通过设置在所述光折射层中的菲涅耳透镜。

12.如权利要求9所述的方法，还包括在输送到所述基本上二维的设备之前，以数字方式变形所述场景。

13.如权利要求9所述的方法，还包括在输送到所述基本上二维的设备之前，以光学方式变形所述场景。

14.如权利要求9所述的方法，还包括接收数据，表征所述场景的图像能够从所述数据导出。