CN1910936A - 三维显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维自动立体显示器，针对家用电视应用，但不受其限制。在该显示器中，通过双凸透镜将图象投影在2D显示器以及3D屏幕的水平线上，产生在水平平面中不同的观察方向。利用单独的旋转反射镜沿着显示器对这些线进行扫描。建议的实施例具有大视角，并表示出具有逼真视差和透视图的图象。与其他公知的三维显示器相比，其利用了现有部件，具有简单的结构并且光效率高。

Description

三维显示器

本发明涉及一种三维(3D)自动立体显示器，更特别的，其涉及一种可用于家用电视应用的3D自动立体显示器。

利用立体显示器的第一代三维电视应用显示出两幅图象，这两幅图象是通过利用特殊的眼镜由观看者的每只眼睛仅可观察到的二幅图象，其中该特殊眼镜选择出适合于每只眼睛的光。一种方法是利用偏振玻璃，其仅使特定的偏振光通过。另一种方法是在显示器上按时间顺序显示左眼图象和右眼图象，并利用用于眼睛的快门，当显示器上显示适合图象时才使光进入。然而，利用眼镜并不方便，并且缺乏透视图(perspective)使观看者感觉不舒适。

在自动立体显示器中，无需眼镜就可由适合的眼睛观看到提供给左眼和右眼的图象，因为穿过包含有提供给右眼信息的像素的光束直接射向右眼，而穿过包含有提供给左眼信息的像素的光束直接射向左眼。然而，通常仅在一个有限区域内观看者能看到3D图象，因为眼睛需要处于不同区域内的光。在3D图象中增加像源视图的数目会使透视图(perspective)具有逼真感，因为每次观看者移动他的头时就将看到像源的新视图。此外，利用足够大量的观察方向，可使一个以上的观看者同时看到显示器，并看到物体稍有不同的视图。然而，为了产生视图之间的平滑转换，需要大量的视图，并由此为了不牺牲各个个别图象的分辨率，需要非常高分辨率的屏幕。

美国专利US5969850(夏普)中公开了一种利用2D显示器的显示器，在具有垂直的槽的隔板后面，可将其做成是透明的。每个子帧与垂直线相对应。当在2D显示器上显示出新的子帧时，同时在隔板中打开新的垂直槽。使来自于组成子帧的像素中的光沿不同方向穿过垂直槽，为每个视图提供一个方向，并且在2D显示器上水平像素的数量限制了观察方向的数量。然而，这种显示器光效率很低，因为实际上由像素发射出的光中仅有非常小部分达到了观察者处。因此，对于电视机来说，需要非常亮的光源来得到充足的光图象。

在向Holografika提交的WO 98/34411中公开了另一种自动立体显示器，其中使用由激光器二极管照明的多个2D显示器来产生用于3D图象的像素，并利用特殊屏幕来增加视角。3D显示器所需的2D显示器数量可与3D图象的视图数量匹敌，并将独立的投影光学系统用于每个2D显示器，从而生产出昂贵的3D显示器。

本发明设法克服这些问题并改进现有的产品。

本发明的一个目的在于提供一种设备和方法，用于产生3D显示器，其可在家用电视和视频应用中使用，利用了活动元件以及相对低光质量(大etendu)的光源。

根据本发明，提供一种用于提供3D图象显示器的设备，该3D图象显示器包括一帧的像素行，该设备包括至少一个显示单元，显示单元包括有至少一行显示像素，每个显示像素包括用于在不同观察方向显示图象基本区域的子像素，光学透镜装置，构造成将光辐射从不同基本区域导向到与观察方向一致的相应的发散光束中，用于驱动显示单元像素的驱动器，以便依次显示图象行的基本区域，以及光学扫描系统，对于行依次接收来自于透镜装置的发散光束，并以图象帧的行的形式对其进行显示。

可用相对低质量(大etendu)的光源来操作显示单元，并且屏幕的光效率高。

此外，根据本发明的显示设备可包括显示屏幕，并且可操作扫描装置将与图象帧的依次行相对应的光束引导到屏幕上。此外，本发明无需使显示屏幕配置成能在水平方向中增加发散光束的视角。适当的方向以及包含有不同观察方向的信息的光束强度在光束到达显示屏幕之前就已故定下来。此外，屏幕还可包括用于将光束在与行方向横切的方向中进行扩展的竖式扩散器。

本发明可在家用视频应用中使用，其中观察者可水平和垂直地移动它们的眼睛，并仍能够看到3D图象。

参照附图，将以实例的方式对本发明的实施例进行说明，其中：

图1是根据本发明的设备的透视图；

图2示意性说明用于产生3D图象的像素排布的实例；

图3示意性说明为了产生3D图象，如何使来自于双凸透镜的光发生偏转；

图4是在另一个实例中用于产生3D图象的像素结构的局部视图；

图5a和图5b说明对于在旋转元件的两个位置在垂直方向中的光路；

图6说明在垂直方向中来自于物点的光路；

图7说明水平方向中的光路；

图8详细说明由双凸透镜发射出光线的水平光路；

图9a和9b示意性概述利用两个显示器来提高3D图象的质量；和

图10是在其中可使用本发明的环境的示意图。

图1说明根据本发明的设备1的装配。该设备包括显示单元2，其具有光调制器和光源，用于产生出光束3，该光束3中包含有与像素阵列相对应的信息，相当于显示器上一个2D帧4。设备进一步还包括两个会聚透镜5，6，它们产生聚焦在柱状双凸透镜8上的2D帧4的中间图象7。双凸透镜的目的在于使包含有用于具体眼睛的信息的光在该眼的方向中发生偏转，从而实现三维效果。此外，设备包括扫描系统，具有会聚透镜9，绕着轴11旋转的旋转式反射镜元件10，和凹面后镜1 2。从双凸透镜发射出的光穿过会聚透镜9，并由旋转元件10将其反射到凹面后镜12上，凹面后镜12将光束聚焦在显示屏幕14的水平线上或行13上。显示屏幕14上的3D图象由一帧的依次行13组成，该帧是由显示单元2所显示的2D数据的依次帧产生的，通过扫描系统在屏幕14中以3D帧按照间隔的平行位置显示行13。如果在一具体时间内需要由N个行13组成3D图象，侧显示单元2具有的2D帧刷新率是3D帧刷新率的N倍。可替换的，可利用不止一个显示单元2来减少显示单元4所需的2D帧刷新率，这将在以下进行进一步描述。

显示驱动器15与显示单元2相连，用于驱动显示单元的像素，从而使在显示单元2上显示的2D帧4得到刷新，并且该显示驱动器15与电动机16相连，该电动机16用于改变旋转式反射镜元件10的倾角。显示驱动器15和电动机16还与控制单元17相连，从而使显示驱动器15与电动机16同步。以此方式，显示单元4显示连续的2D帧，反射镜元件10通过在每个2D帧显示之间的增加角度量连续地被倾斜，从而在屏幕13上提供3D显示的一帧的连续行。所使用的典型的显示单元2的实例是动态微型反射镜装置(DMD)，动态微型反射镜装置可以由德克萨斯州的达拉斯的Texas Instruments获得，作为他们的Digital Light Processing^TM(DLP)解决方案的部分。DMD装置包括光源(未示出)，其输出是由该装置的反射镜以pixelated方式调制的。

图2表示2D帧的二维像素结构的实例。每个2D帧4实际上是整幅图象18的水平分层，图象18将由设备以3D方式显示。原始图象18的每个2D帧4包括一行或多行像素19，每个像素19包含若干个子像素20，其中每个子像素与像源的不同透视图有关。两个连续图象的差异量小于或等于导致(account for)双眼之间视差所需的量。将表现出独立视图的子像素20散布在图象18的行和行中。在以下的实例中，3D图象包括五个不同的视图。然而，对于本领域的阅读者来说，很显然可利用任意数量的视图，并且五个图象可能对于为家庭电视应用产生充分大的视觉区域来说是不够的。因此，利用五个视图的系统仅仅出于说明目的，实际上可利用更多的视图。

图3表示双凸透镜的用途。这里为每个像素19提供一个微型透镜8，从而将来自于独立的子像素20的光以不同方向对其进行传输。每个微型透镜产生光锥，该光锥包含有若干个以不同角度发射的角向分离的光束21a-21e。两个相邻的光束包含有与两个相邻基本区域相对应的信息。当观看者22将每只眼睛处于由于视差而分离开的两个图象中相对应的一个时，观看者看到了3D图象。此外，当观看者移动他的头时，眼睛将移动到来自于不同视图的光束中，从而观看者得到透视图的感觉。其表现出好像观看者通过窗口正在观看着一个3D物体。为了避免视图间的不连续转换，可以利用大量在视图间具有极少差异的视图。在此情况中，将以少于导致视差所需的量来分离开两幅连续视图，并因此会实现视图间的平滑转换。此外，以不同光强度发射出角向分离的光束，以便进一步增强观看者通过窗口观看到3D物体的感觉。

当将每个像素16的子像素17以行方式并排排布时，如图2中所示，对于包含有N个视图的图象来说，水平方向中的分辨率比垂直方向中分辨率糟糕N倍。图4说明了本发明的一个特征，其包括子像素布置以及双凸透镜，该特征使垂直和水平方向中的分辨率相类似。在美国专利US 6,064,424(菲利浦)文献中已公开了关于这种布置的基本思想。代替如图2所示的将所有子像素排成一行，在图4中还可将子像素排布成多于两行。视图的数量涉及到视图的位置。视图0是观察者直线观看像源时所看到的视图。视图1和-1是当观察者向右和向左分别移动了距离d时所看到的视图，其中该距离d等于导致视差量所需的间隔。视图-2和2是当观察者向右和向左分别移动了距离2*d时所看到的视图。在该像素结构前具有垂直设置的双凸透镜可得到以下结果，即通过子像素2和子像素1传输的光会以相同的角度被偏转。然而，通过子像素2传输的光应以比通过子像素1传输的光以更大的角度被偏转。倾斜双凸透镜8以产生适当的偏转角。因此，本发明中可供选择的特征是具有倾斜的双凸透镜。

现在参考附图5到8，将对在垂直和水平方向中光学元件的效应进行详细说明。图5a和5b说明了如何在垂直方向中移动光线。利用凸透镜5和6将由显示单元2所产生的光线3a，3b，3c和3d聚焦在双凸透镜8上。透镜5和透镜6的焦距能够使由显示器2所产生的图象帧4的尺寸大小在垂直方向中减小到3D图象投影行的高度。此外，倒置中间图象7。双凸透镜8无需改变垂直方向来传输光，如此设置透镜9以便其焦距位于双凸透镜的位置上。从而彼此平行地将光线从透镜9处发射到旋转元件10上，该旋转元件10将光反射到凹面后镜上，该凹面后镜将光束聚焦到水平线上。屏幕14可在行平面上具有垂直扩散器，以便在垂直方向中增加视角，从而使观察者19的眼睛高度发生改变时仍能看到同一图象。因此，整个家庭可同时观看到图象，即使父母的眼睛位置高于孩子的眼睛位置。可将高度低于各个行13的水平柱面透镜23当作垂直扩散器使用。对于旋转式反射镜元件10，可使用平行于3D投影屏幕、绕轴11旋转的旋转平面反射镜。可替换的，可使用具有反射面的多面体。与图5a相比，在图5b中旋转反射镜的角度发生了改变。将图5b中所产生的图象帧4投影到屏幕14中与图5a中图象帧4所投影的不同的水平线13上。因此，由于旋转反射镜的倾角与显示在显示器2上图象帧4的刷新率相一致地进行改变，而将整幅图象18的所有分层投影到屏幕14上，从而形成完整的3D图象。当对所有帧4均已扫描过并以3D图象形式投影出来时，具有新图象的周期再次重新开始一遍，并且帧的刷新率足够快，从而为观看者产生出移动的3D图象。

图6表示出如何将来自于中间图象的像点的光聚焦在屏幕上，并表示出如何设置光学元件，从而使光束的聚焦不受旋转反射镜元件10的影响。如此设置透镜9，使中间图象和双凸透镜8位于其焦点上。另一方面，将旋转反射镜10设置在与凹面后镜12焦点相对应的平面中。这种设置导致在透镜9和凹面后镜12之间的平行光束。考虑到在屏幕上能得到的图象，从凹面后镜12到屏幕的距离也等于凹面后镜12的焦距。由此，反射镜10的旋转不会干扰光束在屏幕14垂直方向上的聚焦。

图7表示出水平方向中的光路。透镜5和6具有处于水平方向中的焦距，从而使所形成的中间图象具有与投影屏幕水平宽度相等的水平宽度。将中间图象7聚焦到双凸透镜上，从而使每个像素具有一个双凸透镜。双凸透镜发散光线，并产生光锥，其每个子像素包括一个光束。使光直接穿过透镜9，其留下水平方向中无扰动的光，并利用旋转反射镜10将光反射到凹面后镜12上，从而将光聚焦在3D屏幕14上。添加附加的侧镜24和25从而将发散光反射回到屏幕上。图8具体表示出如何将与五幅不同视图相对应的光束21a-21e从双凸透镜显现出来。表现出中间视图0，21c的光不受双凸透镜的影响，并向着屏幕连续直通。旋转反射镜10对分别与视图1和-1，21b和21d相对应的、以角度26偏转的光束进行反射，并在其聚焦在屏幕14上之间再次被凹面后视镜反射。在由凹面后镜12对其最终反射并聚焦在屏幕14上之前，由侧镜24，25和旋转反射镜10对分别与像素2和-2，光束21a和21e相对应的、以角度27偏转的光束进行反射。在屏幕14上，将对应于不同视图的光线聚焦在同一点28上，但这些光线具有不同的方向，并由此可在不同位置处看到不同的视图。点28形成3D像素，本领域中也将该点28称为三维像素，其以不同方向发射出与像源同一点的不同视图相对应的光。

商业上使用的DMD通常具有9700帧/每秒钟的帧刷新率，并具有1024×768像素的分辨率。假定在屏幕上需要具有50Hz刷新率的768个行，DMD就需要具有是通常的DMD帧刷新率的四倍的768*50＝38400Hz刷新率。此外，为了产生全色和灰度图象，需要按时间顺序改变从DMD所发射出的光的颜色，进一步提高DMD所需的帧刷新率。本发明还提供了一种产生全色图象的可替换方法，其中将颜色和灰度滤波器设置在中间图象7的位置处，由此通过激励适当的像素可产生出不同的颜色。例如，可以提供这样的滤光片，从而为每一列双凸透镜8均提供一个滤色器。在美国专利US6,064,424(菲利浦)文献中还公开了在像素和双凸透镜之间滤色器的适当设置。这种方法的优点在于降低了DMD所需的帧刷新率。然而，其缺点是进一步降低了屏幕的空间分辨率。如果用24行像素来产生颜色和灰度，在垂直方向要有768/24＝19个像素。类似的，利用64幅不同视图，在水平方向就要有1026/64＝16个像素。这使得在每个视图中图象帧4要有19*16＝304(RGB)个像素，而这将不能提供非常良好的分辨率。需要显著地增加屏幕上的行数量，其意味着刷新率要大大高于标准DMD的刷新率，或者需要用多于一个的DMD。因此，使用多个DMD来产生高质量的移动3D图象。图9a表示出如何利用两个相邻的DMD来实现双倍的水平分辨率。类似的，图9b表示出如何用彼此上下叠置的两个DMD来增加3D屏幕上的已扫描行的数量，而无需提高DMD的刷新率。每个DMD对屏幕高度的一半进行扫描。

图10示意性表示出典型的房间布置，其中将用于显示三维图象的设备1作为3D家用电视和视频器材的一部分。典型的观看者距离屏幕3m，观看距离大约是3m宽。为了能使每个人都能观看到三维图象，需要至少是2*tan^-1(1.5m/3m)≈60度的视角29。左眼和右眼的位置大约分开6.5cm，这使得需要至少3m/6.5cm≈50个观察方向。为了避免在移动头时所出现的不连续传输，需要至少100个观看方向。

虽然在本申请中针对具体特征组合已确定了权利要求，但是应该理解的是本发明公开的范围还包括任何这里明示或隐含公开的任何新特征或任何新的特征组合或对其的任何概括，无论其是否涉及与目前任意权利要求中已要求保护的相同的发明，以及是否缓解任何或所有与本发明所解决相同的技术问题。由此本申请告知在本申请进行或任何再进一步从本申请衍生出的申请的实施期间，可针对这些特征和/或这些特征的组合确定出新的权利要求。

Claims (23)

1、一种用于提供包括有一帧像素行的3D图象显示的设备(1)，该设备包括：

至少一个显示单元(2)，包括至少一行显示像素(19)，每个显示像素包括子像素(20)以用于在不同观察方向显示图象的基本区域，

光学透镜装置(8)，构造成能将光辐射从不同的基本区域引导到与观察方向对应的相应发散光束(21a-21e)中，

驱动器(15)，用于驱动显示单元的像素，从而连续地显示图象行的基本区域，和

光学扫描系统(9，10，12，24，25)，用于对于行连续地接收来自于透镜装置的发散光束(21a-21e)，并以图象帧的行(13)对其进行显示。

2、根据权利要求1的设备(1)，包括显示屏幕(14)，扫描系统(9，10，12，24，25)，扫描系统(9，10，12，24，25)操作将与图象帧的连续行(13)相对应的光束引导到屏幕上。

3、根据权利要求2的设备(1)，其中屏幕(14)包括扩散器，用于在与行方向横切的方向扩散光束。

4、根据权利要求3的设备(1)，其中扩散器包括通常与行方向平行的双凸透镜(23)。

5、根据权利要求1到4的设备(1)，进一步包括装置(5，6)，用于将图象行的基本区域聚焦到光学透镜装置(8)上。

6、根据权利要求5的设备(1)，其中用于将图象行的基本区域聚焦到光学透镜装置上的装置(5，6)，在水平方向和垂直方向包括多个具有不同焦距的会聚透镜(5，6)，用于使行的基本区域尺寸与光学透镜装置的尺寸相配合。

7、根据前述权利要求的任一权利要求的设备(1)，其中光学透镜装置包括双凸透镜(8)。

8、根据前述权利要求的任一权利要求的设备(1)，其中扫描装置(9，10，12，24，25)包括旋转反射镜元件(10)，用于反射发散光束(21a-21e)。

9、根据权利要求8的设备，其中旋转反射镜(10)是旋转反射镜或具有反射表面的旋转多面体。

10、根据权利要求8或9的设备(1)，其中扫描系统(9，10，12，24，25)进一步包括凹面镜(12)，用于接收来自于旋转反射镜元件(10)的发散光束(21)，并以图象帧的行(13)的形式对其进行显示。

11、根据权利要求10的设备(1)，其中扫描系统(9，10，12，24，25)包括与旋转反射镜元件(10)和凹面镜(10)相关设置的透镜(9)，以便旋转反射镜元件并不干扰图象在与行方向横切的方向的聚焦。

12、根据权利要求10或11的设备(1)，其中扫描系统(9，10，12，24，25)进一步包括侧镜(24，25)，并且其中侧镜和凹面镜(12)构造成能将包含有来自于一个像素(19)信息的发散光束(21a-21e)聚焦到像素帧的行(13)中的小区域(28)上。

13、根据前述权利要求的任一权利要求的设备(1)，其中像素(19)包括足够多的子像素(20)，以提供足够的基本区域，以便使多于一个的观察者(22a，22b)的每一个都能同时观察到3D图象，并且多于一个的观察者中的每一个看到稍有不同的视图。

14、根据前述权利要求的任一权利要求的设备(1)，其中对于每个3D图象至少具有50个基本区域。

15、根据前述权利要求的任一权利要求的设备(1)，其中对于每个基本区域来说都有另一个基本区域，从而以小于或等于两眼间视差的量来移动关于两个基本区域的图象。

16、根据前述权利要求的任一权利要求的设备(1)，其中在与行方向平行的方向中将多个显示单元(2)彼此相邻的设置，并且其中驱动器构造成用于在每个显示器上显示不同的信息，从而通过多个显示单元(2)来同时显示与一行3D图象相对应的所有信息。

17、根据前述权利要求的任一权利要求的设备(1)，其中在与行方向横切的方向将多个显示单元(2)彼此相邻的设置，驱动器构造成在多个显示器上显示关于3D图象帧的不同行的信息，并且扫描系统包括用于扫描信息到所述行上的多个旋转反射镜元件。

18、一种家用视频和电视显示器，包括根据前述权利要求的任一权利要求的设备。

19、一种用于提供具有一帧像素行的3D图象的方法，该方法包括：

提供连续的显示(4)，每一个显示(4)包括至少一行显示像素(19)，每个显示像素包括对应不同观察方向上的图象的基本区域的子像素(20)，

将光辐射从不同的基本区域引导到与观察方向对应的相应发散光束(21)，和

连续地接收发散光束(21)或行，并以3D图象帧的行(13)的形式显示发散光束(21)或行。

20、根据权利要求19中的方法，进一步包括在与行方向横切的方向上对包含有发散光束的光进行扩散，以在与行方向横切的方向上扩大视角。

21、根据权利要求19或20中的方法，进一步包括在显示屏幕(14)上显示3D图象，和

在将它们显示在显示屏幕(14)上之前，对来自于不同基本区域的光束(21)进行分离。

22、根据权利要求19中的方法，包括通过将与同一像素(19)中不同子像素(20)相对应的所有分离的光束引导到显示屏幕的相同小区域(28)上，来在显示屏幕(14)上产生3D像素(28)，从而3D像素在不同方向上发射出与像源的同一点的不同视图相对应的光。

23、当用于家用电视和视频投影时根据权利要求19到22中任一权利要求的方法。

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