专利名称：具有真深度感知的3d自动立体视法显示器的制作方法
具有真深度感知的3D自动立体视法显示器
相关申请的交叉引用
本申请主张2009年8月7日提交的美国临时专利申请No. 61/273，743的权益，其全部内容通过参考合并于此。
背景技术：
通过人的视觉感知3D景象基本基于两个相互作用的视觉适应过程-立体视法和眼睛对于物体距离的焦点调适。因为通常眼睛分开大约60mm，对于不同距离的物体的定影给出了眼睛的轴之间的不同收敛角，已知为“立体视觉”效应或“立体偏移”。尽管通常是无意识的，该收敛角仅由脑记录并且有助于物体距离的感知。为了提供不同距离的物体的高精度成像，眼睛调节晶状体的形状并且由此调节光功率，使其能够精确地聚焦选定距离的物体，该现象被称作“调适”。这两个过程协作并且产生了精确的深度感知。对于物体的自然观看，观看者的眼睛的收敛和调适对于到物体的距离都是正确的。
存在一些类型的立体显示器，其使用立体效果来仿真3D视觉的感知。在美国专利 4，734，756中，立体视觉系统在平面上产生两个颜色的景象的立体偏移的图像。该观察者佩戴了具有两种不同颜色镜片的眼镜，并且使用一只眼尽可以看到两个图像中的一个。两个图像在脑中的混合产生了单色立体视觉感知。这个方法通常被称作立体影片技术。美国专利5，537，144,5, 594，843,5, 745，164公开了具有垂直对齐的偏光透镜的玻璃，用于分别将立体偏移的图像传递到左右眼。在美国专利5，821，989中，在时间顺序上重复生成用于左右眼的立体偏移的图像，并且液晶快门玻璃用于在各自图像的时间对每个眼曝光。美国专利5，886，675公开了一种自动立体视法显示器，其不需要使用特殊玻璃。两个投影仪在在全息平面上生成图像，将一个投影仪的出瞳与观察者的左眼的瞳孔结合，并且第二投影仪的出瞳与右眼的瞳孔结合。
然而，在所有的技术中，观察者观看的实际图像位于距观察者的固定单一距离上， 使得在假定不同距离的“物体”时间上均位于眼睛的水晶体的相同调适的焦点上。该产生了不自然的3D景象感知，该3D景象保护不同假定位置的多个物体，例如具有在风景背景签名的接近物体的景象。真正的3D显示不仅提供在不同假定位置立体偏移仿真的物体的成像， 而且还表示距观察者眼睛一定距离的物体的可视(通常视觉)图像，该距离充分地仿真至物体的假定距离，使得观察者的眼睛可以使用两个视觉适应过程-立体视觉和距离调适。
美国专利5，956，180公开了使用位于距观察者不同距离的若干屏幕，该屏幕具有用于3D景象仿真的光束组合器。问题是距离“片”的数目实际上被限制为2，并且这样的布置具有近和远景象组合在一起的仿真的问题。换句话说，距离仿真的动态范围非常有限。用于综合3D景象仿真的另一个方法可以在使用可变计算机生成的全息图的显示器中发现， 如在美国专利申请2006/0187297中公开的。该全息方法可以提供综合3D景象感知，但是由于其非常高的计算负担以及与RGB投影和图像精度相关的限制存在动态景象的问题。
本发明提高了自动立体视法动态景象投影，其与现有技术相比具有改善的深度感知。发明内容
当前提出的自动立体视法显示器的实施例将具有两个景象投影仪。一个投影仪的出瞳与观察者的左右的瞳孔配合，第二投影仪的出瞳和观察者的右眼的瞳孔配合。投影仪瞳孔直径超过眼睛瞳孔直径以提供合理尺寸的“眼框(eye box) ”，在眼框内，眼睛必须被定位以完全看到投影的图像。这提供了舒服的视觉，通过允许眼睛的某些移动而不丢失图像的视图。两个投影仪向观察者眼睛传送具有立体偏移的3D景象的2D “深度片段(depth slice)” 图像。
在一个实施例中，可变曲率的薄膜微型机械加工的镜被并入到投影机制中，从而通过对于3D景象的片段中的物体在距观察者正确距离处生成3D景象的每个“片段”的图像来提供恰当的实时图像距离仿真。可选实施例使用执行类似功能的多层眼睛透镜。片段图像对被生成以对于片段距离具有对应的立体偏移。观察者可以将其眼睛聚焦到选定的景象“片段”，并且聚焦适应可以与立体偏移引起的收敛一致。由此可以实现一致的距离感知。
通过现有技术，在每个图像帧过程中可投影至少五个深度“片段”。最小的帧刷新时间通常大约30毫秒，或者30cps，以避免可视闪烁，然而，可以提供多于五个深度片段，只要对于每个“图像”片段存在足够亮度以为每个片段提供足够的光通量，以及只要系统的图像生成和聚焦元件可以足够快地从片段到片段改变。对于典型的观察者能够处理的片段数目没有实际限制。这个新的方法可以具有许多应用，包括更现实的3D游戏、军事和民间仿真、眼科测试等。
在实施例中，消色差双合透镜位于往返所述可变形镜的光路上。选择双合透镜来对于期望的明显片段距离偏移可变形镜的光路的需要范围，使得在该镜的正常操作过程中该镜总是凹的，优选地包括在它的范围的一端的平坦位置。
本发明的方面还可以提供显示3D图像的方法，包括提供与距观察者不同距离的景象的部分相对应的片段图像；并且使用可变功率光学元件的不同设置依次显示每个片段图像，从而在距观察者位置的恰当明显距离处产生每个片段图像的明显图像。
在一个实施例中，该方法包括将不同图像显示给观察者的每只眼睛，并且立体偏移显示给不同眼睛的片段图像以给出与不同片段的明显距离一致的视差和眼睛汇聚。
根据结合下列附图以及以下更加特定描述，本发明的以上和其它方面、特征和优点将变得明显，其中
图1是投影仪的第一实施例的光学布局的示意性侧视图。
图2是图1所示的投影仪的实体模型的透视图。
图3是当显示无穷远处的物体时用于图1的投影仪的MTF图。
图4是用于与图3相同条件的点图。
图5是当显示距眼睛1. 1米处的物体时用于图1的投影仪的MTF图。
图6是与图5相同条件的点图。
图7是投影仪的第二实施例的光学布局的示意性侧视图。
图8是当显示处于无穷远处的物体时并且当观察者的眼睛位于眼框的中央时用于图7的投影仪的MTF图。
图9是当显示处于无穷远处的物体时并且当观察者的眼睛位于眼框的边缘时用于图7的投影仪的MTF图。
图10示出了整个双目系统。
图11是双目系统的实施例中电子处理的流程图。
具体实施方式
通过参照下列对本发明实施方式的详细描述以及阐述了运用本发明各种原则的示范性实施方式的附图，可以获得对本发明各种特征和优点的更好理解。
参考附图，并且初始地参考图1至6，用于具有两个眼的观察者的自动立体视法显示器的实施例具有两个景象投影仪。在图1中示出一个投影仪的光学布局，其显示了投影仪100的侧视图，包括液晶(LC)显示器101、偏振分光器102、四分之一波长板103、消色差双合透镜104、可变形薄膜镜105以及倒置远摄透镜列106。投影仪100的输出由眼睛107 观看。图2示出了相同投影仪100的透视图，其中单个光学表面通过光到达它的顺序进行编号。利用偏振分光器和四分之一波长板假定准直LC输出的典型线性偏振，并且它们减轻通常的50-50分光器的通常4 1的通量减少。
通过图10的例子所示，显示器可能包括并排的两个投影仪100。这些投影仪可以是相同结构，或者彼此镜像图像，并且为了简洁的目的仅示出和描述一个投影仪100。在使用中，一个投影仪的出瞳和观察者的左眼的瞳孔配合(conjugate)，而第二个投影仪的出瞳与观察者的右眼的同行配合。投影仪瞳孔的尺寸的直径超过了观察者的眼睛瞳孔直径，该观察者在本实施例中是有代表性的成年人。观察者看到3D景象的图像的2D“片断”。两个投影仪将片段展现给观察者的眼睛，该片段具有立体偏移并且距观察者具有可变的明显距1 O
表1使用图2的标签列出了用于图1和图2所示的优选实施例的光学处方表面列表。为了清楚起见，分别列出了眼睛瞳孔作为孔径光阑以及眼睛的晶体作为透镜，尽管它们实质上处于相同的位置。
表 权利要求
1.一种双目3D投影系统，包括两个投影仪，每个投影仪动态地创建完全包括3D景象的一系列深度片段，其中每对所述深度片段具有立体偏移，并且以一对图像的形式在距观察者选定的明显距离处显示，所述立体不同和明显距离的参数是要对观察者双目显示的物体距离的参数。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其中，每个投影仪包括液晶(LC)显示器、可变形薄膜镜、投影光学器件和深度片段驱动器电子设备。
3.根据权利要求2所述的投影系统，其中，每个所述投影仪的光学器件包括倒置远摄透镜，所述远摄透镜具有足够的后焦点释放以装配所述LC显示器和所述薄膜镜。
4.根据权利要求3所述的投影仪，具有长距离出瞳释放以配合所述观察者的眼瞳。
5.根据权利要求2所述的投影仪，其中出瞳直径足够大以形成直径最少为7mm的眼框。
6.根据权利要求2所述的投影仪，还包括在往返所述可变形镜的光路上的消色差双合透镜。
7.一种双目3D投影系统，包括双图像投影仪，每个所述投影仪包括图像显示器、可变功率的光学元件、电子驱动器、 所述驱动器连续地生成3D输入景象的图像段，每个所述图像段表示所述3D输入景象的深度片段，解析为深度片段距所述观察者的不同距离，并且操作所述驱动器使得可变功率的光学元件改变它的总功率，使得每个所述深度片段显示为具有距观察者恰当的明显距离的图像形式。
8.根据权利要求7所述的投影系统，还包括用于所述两个投影仪的3D图像输出的立体对的源，所述源产生与具有每个所述对的观察者位置明显距离一致的立体不同。
9.根据权利要求7所述的投影系统，其中，可变功率的光学元件是可变形的薄膜镜。
10.根据权利要求7所述的投影系统，其中，可变功率的光学元件是多个电可切换的液晶菲涅耳透镜。
11.根据权利要求7所述的投影系统，其中，可变功率的光学元件是多个电可切换的液晶菲涅尔波带片透镜。
12.根据权利要求7所述的投影系统，还包括以所述可变功率的光学元件合作的光学元件，用于对每个所述深度片段产生距观察者恰当的明显距离。
13.根据权利要求12所述的投影系统，其中光学器件包括在从可变功率的光学元件到观察者位置的光路上的倒置远摄透镜。
14.根据权利要求12所述的投影系统，其中，可变功率的光学元件是可变形凹镜，并且所述光学元件还包括所述可变形镜附近的消色差双合透镜。
15.根据权利要求7所述的投影系统，其中每个投影仪的出瞳直径大于观察者眼睛的瞳孔的直径。
16.一种3D投影系统，包括显不器；光学系统，包括可变光学功率的元件，该可变光学功率的元件被布置以形成距根据可变光学功率的元件的功率的观察点明显距离的观察点可见的显示器的图像；以及驱动器，可操作以控制显示器和可变光学功率的元件，从而以足够快能由正常人类的视觉感知为具有深度的单个图像的速率在距观察点不同的明显距离处产生多个所述可视图像。
17.根据权利要求16所述的3D投影系统，还包括第二显示器和第二光学系统，第一和第二光学系统被定位以形成在观察点的人类观察者的双眼可见的第一和第二显示器的各自图像，并且其中驱动器可操作以向显示器提供具有立体偏移的图像对，并且同步显示器和可变光学功率的元件的功率，使得每个图像在与它的立体偏移一致的距观察点的明显距离处可见。
18.根据权利要求17所述的3D投影系统，还包括具有立体偏移的所述图像对的集合的源，每个集合包括当在与立体偏移一致的距观察点的所述明显距离处显示时组合以形成自我一致的3D图像的图像对。
全文摘要
自动立体视法显示器通过投影位于不同距离的物体深度片段图像来提供对3D景象的真实自然的感知，所以在每个视频帧的过程中，景象被分为5个或更多不同深度并且通过对于每个深度正确的立体不同和明显的图像距离连续显示每个不同深度。
文档编号H04N13/04GK102549475SQ201080045632
公开日2012年7月4日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月7日
发明者伊利亚·阿古罗克 申请人:光处方革新有限公司