CN104704419B - 用于从可变观看角度观看来自显示器的三维图像的背光 - Google Patents

Abstract

显示系统产生三维图像。显示系统包括波导，以及将光注入波导的光源。可开关光栅允许二维阵列中的光栅中的各个位置被打开和关闭。控制器被配置成在空间上调制可开关光栅以控制光在何处离开波导。眼睛跟踪模块跟踪观看者的眼睛位置。控制器使用眼睛位置来控制光栅的开关。

Description

用于从可变观看角度观看来自显示器的三维图像的背光

背景

诸如在运动图片中看到的三维图像通常由于每一个观看者所佩戴的眼镜而可见。三维显示器产生三维图像的左眼和右眼视图。观看者佩戴在显示针对一只眼睛的视图时阻挡到另一只眼睛的光的眼镜。

概述

提供本概述以便以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述既非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用于限定要求保护的主题的范围。

对眼镜的使用可通过提供具有波导和可开关光栅的显示器来避免。波导和可开关光栅的组合以快速的相继交替将光线集中到左眼，然后右眼，以避免闪烁。

在一个实现中，来自激光器的光经由扫描仪注入到波导板的边缘。可开关光栅的空间阵列可控地将光从波导中射出。在一个实现中，光栅可通过使用电场将折射率匹配的流体汲取到光栅和波导之间的间隙中来变得可开关。

由此，为了提供三维显示器，激光束注入到波导板的角度被控制，并且光栅在波导表面上的衍射效率被在空间上调制。光栅可通过使用电场将折射率匹配的流体汲取到光栅和波导之间来打开和关闭。在每一个像素处引入的光栅的一部分可被用来创建图像，或者波导可被用作用于液晶显示器的背光。

通过使用扫描镜来设置光线在波导边缘的发射角并且通过在所需位置打开光栅以露出光线，能够控制光线在设备表面上的任何地方的位置、角度和强度。该配置允许三维图像被时间复用。

在以下描述中，对附图进行了参考，附图构成了实施方式的一部分且在其中作为示例示出了本发明技术的具体示例实现。可以理解，可以使用其它实施例并且可以做出结构上的改变而不背离本发明的范围。

附图简述

图1是用于三维显示器的示例性操作环境的框图。

图2是示出显示设备的示例实现的图示。

图3是示出显示设备的示例实现的更详细示意图。

图4是示出显示设备的另一示例实现的更详细示意图。

图5是如何在观看者的眼睛处引导光的图示。

图6是结合眼睛跟踪的系统的图示。

图7是在其中可以实现这一系统的示例计算设备的框图。

图8是描述用于控制显示系统的过程的流程图。

详细描述

以下章节提供了其中能够实现包括波导和可开关光栅的组合的显示系统的示例操作环境。

参考图1，一个或多个源100向显示系统104提供图像数据102以供显示。源可以是生成供三维观看的图像数据的任何图像生成装置。作为示例，源100可包括但不限于诸如以下结合图7描述的正在呈现三维图像的计算设备上的应用。作为另一示例，源100可包括诸如DVD播放器等将来自存储介质的视频数据回放到显示器的回放设备。

图像数据102可包括一个或多个图像，包括旨在作为运动视频回放的图像序列。每一个图像都具有要呈现给左眼和右眼以提供三维观看环境的数据，并且每一个图像可使用双通道数据(即，左和右)来表示。

显示系统104包括控制器106，该控制器在给定图像数据102的情况下控制来自激光器108的光114如何被注入到波导112中以及如何开关光栅110，以使得向用户显示的图像看上去具有三个维度。

应理解，控制器106可以在连接到显示器的计算设备(诸如以下结合图7描述的)上实现，或者可被结合到显示器中。显示系统104可采取各种形式，包括但不限于诸如移动电话或膝上型计算机显示器等计算设备上的显示器、或者诸如台式显示器、壁挂式显示器或平铺式显示器等独立显示器、或者连接到各种图像生成装置中的任一种的任何其他设备。显示器的外壳可包括控制器或者控制器可以在连接到显示器的独立计算设备中提供。

现在参考图2，现在将描述显示设备的更多细节。显示设备包括诸如波导板之类的可由其上能够形成晶体管的玻璃或其他材料制成的波导200。扫描镜202将来自激光器210的光204引导至波导200。可开关光栅206控制光204的反射以使得光离开波导。在一个实现中，光栅可压印在波导上。光栅被构造成在任何时间点在一个方向上衍射光。可开关光栅是多个部分212上包括的光栅，每一个部分可以在沿波导的一位置处单独寻址并且可以是打开或关闭的。当光栅在沿波导的一个位置处关闭时，光仍然在该位置引导穿过波导。当光栅在沿波导的一个位置处打开时，光在该位置衍射到波导之外。由此，波导和可开关光栅组合以提供能够控制光在何处衍射到波导之外的可线性寻址的设备。这些设备的阵列可用于提供二维显示器。

该显示设备的示例实现将结合图3-4更详细地描述。

在一个实现中，可开关光栅使用通过对电容器板施加电压来移动电容器板之间的流体的技术。在另一实现中，可使用被称为“电润湿”的移动流体的技术。使用染料的电润湿的实现在M.G.Pollack,R.B.Fair和A.D.Shenderov的“Electrowetting-based actuationof liquid droplets for microfluidic applications”,Applied Physics Letters,Vol.77,pp.1725-6,2000中描述。可通过导致或不导致光通过光栅衍射的流体存在或不存在来引起折射率的变化，而不是使用染料。

如图3所示，这一可开关光栅对于该光栅中的每一个可寻址位置包括包含流体302的储液器300。在左侧，流体302在储液器300中；在右侧，流体302在间隙中。流体是折射率匹配的，因为流体具有与波导的折射率匹配的折射率。流体可以是例如在这些电润湿应用中通常使用的材料，诸如油、水或折射率非常高的流体。在不存在流体的情况下，间隙可以用空气或油或具有与该流体不同的折射率的液体来填充。示例流体是具有1.47的折射率的GE/Bayer SF1555硅脂。在光栅310和波导312之间提供间隙。光栅可以是紫外光固化丙烯酸脂，其使用模具来压印在波导(可以是玻璃)上并在移除模具之前用紫外光来照射。光栅被构造成在任何时间点在一个方向上衍射引导的光线。扫描镜314将光注入到波导的边缘，并且控制注入的角度。透光导体304和306位于间隙的任一侧上。作为示例，导体可以由铟锡氧化物制成，厚度大约为十微米且宽度为一毫米。

导体304和306连接到电压源308。根据电压源向透光导体施加的电压，光栅被打开或关闭。

图3示出了其中通过将流体汲取到间隙中来打开光栅的一个实现。具体而言，当光栅关闭时，流体保持在储液器中的间隙之外。光然后沿着波导向下引导。当光栅打开时，流体被汲取到间隙中。光离开波导，穿过流体并从光栅反射，并且被引导至显示器之外，如320所示。

在图4中，可开关光栅对于该光栅中的每一个可寻址位置包括包含流体402的储液器400。透光导体404和406位于间隙的任一侧上。光栅410和波导412位于间隙的一侧上。扫描镜414将光注入到波导的边缘，并且控制注入的角度。导体404和406连接到电压源408。

图4示出了其中通过将流体汲取到间隙外来打开光栅的另一个实现。在该实现中，流体是折射率匹配的，因为流体具有与光栅的折射率匹配的折射率。具体而言，当光栅关闭时，流体被汲取到间隙中。光可离开波导，穿过光栅和流体，并反射回到波导中。光沿着波导向下引导。当光栅打开时，流体被汲取到间隙外。光离开波导，并且从光栅反射，以便被引导至显示器之外，如420所示。

在这些实现中，扫描镜(例如314、414)允许设置光线在波导边缘的发射角。可开关光栅允许设置将露出光线的位置。由此，扫描镜和可开关光栅允许控制光线在该设备的表面上的任何地方的位置、角度和强度。控制这些参数允许在该设备上对三维图像进行时间复用。

因此，给定包括用于左和右图像的数据的图像数据，可控制扫描镜和可开关光栅以呈现图像。基于电润湿的可开关光栅可允许每1到2毫秒改变光栅状态。为了减少用于显示图像的数据量，只调制诸如在图5中的500和502所示的很有可能进入观看者504的每一只眼睛的瞳孔的光线是可能的。具体而言，如果光线平行地离开光导，则只由来自波导的小区域的光线500和502将在任何时刻进入观看者504的瞳孔。如果该小区域中的光栅此刻是打开的，则观看者将看见相应的图像。光线的强度可以在其角度被扫描时调制，并且图像将看上去是虚拟的，在此意义上在任何时刻离开显示器表面的光线将会是平行的。或者，激光可保持在恒定强度，并且每一个光栅在对眼睛可见时打开的程度可被改变。由此，可显示看上去是三维的图像。

为了只调制很有可能被引导至观看者的眼睛的那些光线，可使用眼睛跟踪技术来确定观看者的眼睛的位置。如图6所示，眼睛跟踪模块600处理观看者的图像606以便向控制器106提供指示观看者604的眼睛位置的数据602。给定眼睛位置的知识，可控制发射角、强度和光栅以便将光608引导至所需眼睛位置。可以为每一只眼睛(左和右)的每一个数据通道(左和右)提供该控制。注意，只有对于其需要三维模拟的图像部分是以此方式控制的。图像的其余部分(诸如背景)能够以常规方式显示。

现在将结合图8描述流程图，该流程图描述控制器如何能够根据所跟踪的观看者位置来呈现图像序列。

控制器接收800要显示的下一图像数据。该图像可包括左和右通道。显示802在不参照眼睛位置的情况下简单地显示的任何背景图像数据。然后获取804观看者的当前位置。使用观看者的位置，显示806用于一只眼睛的第一数据通道。然后显示808用于另一眼睛的第二数据通道。该过程可以对多个观看者重复(如810所示)，并且对多个图像(如812所示)重复。

在另一实现中，具有在那里图像看上去既不是来自显示器也不是来自显示器后无穷远、而是其间的某处的显示器可以是有用的。这种显示器可通过使用在PCT公开WO9900993中描述的视频全息图来提供。具体而言，全息图可通过在液晶显示器上显示一系列狭角全息图并用平行但对于每一个狭角全息图在稍微不同的方向上的光线来照亮该显示器来合成。通过在本文描述的波导的前方放置LCD，并且在该LCD上显示狭角全息图以改变距任何图像部分看上去源自的点的距离，能够创建这样的显示器。

现在已经描述了示例实现，将描述这一系统被设计成在其中操作的计算环境。这一计算环境可用于实现用于显示器的控制器和/或眼睛跟踪模块和/或图像数据源。

以下描述旨在提供对其中可实现该系统的合适的计算环境的简要概括描述。该系统可以用众多通用或专用计算硬件配置来实现。适合的公知计算设备的示例包括但不限于：个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型设备(例如，媒体播放器、笔记本计算机、蜂窝电话、个人数据助理、语音记录器)、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络PC、小型机、大型计算机、包括以上系统或设备的任一个的分布式计算环境等等。

图7示出了合适的计算系统环境的示例。该计算系统环境只是合适的计算环境的一个示例，并且不旨在对这一计算环境的使用范围或功能提出任何限制。也不应将该计算环境解释为对示例性操作环境中示出的任一组件或其组合有任何依赖性或要求。

参考图7，示例计算环境包括计算机器，诸如计算机器700。在其最基本的配置中，计算机器700通常包括至少一个处理单元702和存储器704。计算设备可包括多个处理单元和/或附加共同处理单元，诸如图形处理单元720。取决于计算设备的确切配置和类型，存储器704可以是易失性的(如RAM)、非易失性的(如ROM、闪存等)或是两者的某种组合。该最基本配置在图7中由虚线706来示出。另外，计算机器700还可具有附加的特征/功能。例如，计算机器700还可包括附加存储(可移动和/或不可移动)，包括但不限于磁盘、光盘或磁带。在图7中通过可移动存储708和不可移动存储710示出这样的附加存储。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机程序指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。存储器704、可移动存储708和不可移动存储710都是计算机存储介质的示例。计算机存储介质包括但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并且可由计算机器700访问的任何其它介质。任何这样的计算机存储介质都可以是计算机器700的一部分。

计算机器700还可包含使该设备能与其它设备进行通信的通信连接712。通信连接712是通信介质的一个示例。通信介质通常携带诸如载波或其他传输机制等已调制数据信号中的计算机程序指令、数据结构、程序模块或其他数据，并包括任何信息传递介质。术语“已调制数据信号”是指以在信号中对信息进行编码的方式来设置或改变其一个或多个特征、由此改变该信号的接收设备的配置或状态的信号。作为示例而非限制，通信介质包括诸如有线网络或直接线连接之类的有线介质，以及诸如声学、RF、红外及其他无线介质之类的无线介质。

计算机器700可具有各种输入设备714，诸如键盘、鼠标、笔、照相机、触摸输入设备等。还可包括诸如显示器、扬声器、打印机等输出设备716。所有这些设备在本领域中是公知的并且不必在此详细讨论。

输入和输出设备可以是自然用户接口(NUI)的一部分。NUI可被定义为使得用户能够以“自然”方式与设备交互而无需由诸如鼠标、键盘、遥控等输入设备强加的人为约束的任何接口技术。

NUI方法的示例包括依赖于语音识别、触摸和指示笔识别、屏幕上和屏幕附近的姿势识别、空中姿势、头部和眼睛跟踪、嗓音和语音、视觉、触摸、姿势、以及机器智能的那些方法。NUI技术的示例类别包括但不限于触敏显示、话音和语音识别、意图和目的理解、使用深度相机(如立体相机系统、红外相机系统、RGB相机系统、以及这些的组合)的运动姿势检测、使用加速度计、陀螺仪的运动姿势检测、面部识别、3D显示、头部、眼睛和注视跟踪、浸入式增强现实和虚拟现实系统，所有这些都提供更自然的接口，以及用于使用电场传感电极(EEG和相关方法)的传感大脑活动的技术。

该种显示系统可以在包括诸如程序模块等由计算机器处理的计算机可执行指令和/或计算机解释的指令的软件的一般环境中实现。一般而言，程序模块包括在由处理单元处理时指令处理单元执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。该系统可以在任务由通过通信网络链接的远程处理设备来执行的分布式计算环境中实现。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质中。

作为替代或除此之外，本文所述的功能可至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件来执行。例如，但非限制，可被使用的硬件逻辑组件的说明性类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用的集成电路(ASIC)、程序专用的标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。

在所附权利要求的主题中的术语“制品”、“过程”、“机器”和“物质组成”旨在将权利要求限制到被认为落入35U.S.C.§101中的这些术语的使用所定义的可被专利保护的主题的范围内。

可以按所需的任何组合来使用此处所述的上述替换实施例的任一个或全部以形成另外的混合实施例。应理解，所附权利要求书中定义的主题不一定限于上述特定实现。上述特定实现仅仅作为示例公开。

Claims (8)

1.一种产生三维图像的显示系统，包括：

波导；

被配置成将光注入到所述波导中的光源；

可开关光栅，所述可开关光栅通过以下操作来打开和关闭：使用电场将具有与所述波导的折射率匹配的折射率的流体汲取到所述可开关光栅和所述波导之间；以及

被配置成在空间上调制所述可开关光栅以控制光在何处离开所述波导的控制器，

其中对于所述可开关光栅中的能单独寻址的多个位置中的每一个，所述可开关光栅包括：

包括所述流体的储液器；

第一导体和第二导体；

光栅；以及

与所述波导的表面邻接的所述第一导体和第二导体之间的间隙，并且

其中所述流体根据向所述第一导体和第二导体施加的电压而处在所述间隙或所述储液器中，并且所述光栅和所述波导位于所述间隙的同一侧上或相对侧上。

2.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成调制将所述光注入到所述波导中的角度。

3.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，进一步包括提供指示观看者的眼睛位置的输出的眼睛跟踪模块。

4.如权利要求3所述的显示系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成根据所述观看者的眼睛位置来控制所述可开关光栅。

5.如权利要求3所述的显示系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成根据所述观看者的眼睛位置来调制将光注入到所述波导中的角度。

6.一种用于控制产生三维图像的显示系统的方法，所述显示系统包括波导和可开关光栅，所述方法包括：

接收要显示的图像数据，所述图像数据包括关于左和右通道的数据；

根据要显示的关于所述左和右通道中的每一个的数据来控制所述可开关光栅，所述可开关光栅通过以下操作来打开和关闭：使用电场将具有与所述波导的折射率匹配的折射率的流体汲取到所述可开关光栅和所述波导之间，

其中对于所述可开关光栅中的能单独寻址的多个位置中的每一个，所述可开关光栅包括：

包括所述流体的储液器；

第一导体和第二导体；

光栅；以及

与所述波导的表面邻接的所述第一导体和第二导体之间的间隙，并且

其中所述流体根据向所述第一导体和第二导体施加的电压而处在所述间隙或所述储液器中，并且所述光栅和所述波导位于所述间隙的同一侧上或相对侧上。

7.一种用于控制产生三维图像的显示系统的计算机系统，所述显示系统包括波导和可开关光栅，所述计算机系统包括：

用于接收要显示的图像数据的装置，所述图像数据包括关于左和右通道的数据；

用于根据要显示的关于所述左和右通道中的每一个的数据来控制所述可开关光栅的装置，所述可开关光栅通过以下操作来打开和关闭：使用电场将具有与所述波导的折射率匹配的折射率的流体汲取到所述可开关光栅和所述波导之间，

其中对于所述可开关光栅中的能单独寻址的多个位置中的每一个，所述可开关光栅包括：

包括所述流体的储液器；

第一导体和第二导体；

光栅；以及

与所述波导的表面邻接的所述第一导体和第二导体之间的间隙，并且

其中所述流体根据向所述第一导体和第二导体施加的电压而处在所述间隙或所述储液器中，并且所述光栅和所述波导位于所述间隙的同一侧上或相对侧上。

8.一种具有指令的计算机可读存储介质，所述指令在被执行时使机器执行如权利要求6所述的方法。