生成3d图像的方法与设备的制作方法

专利名称：生成3d图像的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于显示3D图像的设备。本发明的目的旨在改进已知的3D生成设备，例如从WO 01/88598中所获知的3D生成设备。
具体地讲，本发明涉及这样的一种设备其包括一个屏幕，该屏幕具有一个依赖于角度的散射特征，用于可选向地转递光； 以及一个屏幕照射系统。在本发明的这一设备中，屏幕照射系统包括多个模块，这些模块用于生成入射于屏幕的各点的多个光束。对这些模块进行布置，以致屏幕的每一个点均由多个模块加以照射，并且把一个模块所生成的光束从该模块朝屏幕的多个不同的点投影于多个不同的方向。把由一个模块所生成的、入射在屏幕上的不同的光束从屏幕朝不同发射方向转递。该设备还包括用于使用模块中一个单一图像点的图像信息对每一入射光束进行编码的装置，其中，观察者所看到的3D图像由多个模块所生成。该设备还包括一个用于控制模块的控制系统，专门用于把相应的二维图像分布于模块中的二维显示器。
背景技术：
出于以上所引用的文献WO 01/88598中所解释的原因，所述设备还包括用于把一个出射辐散赋予通过屏幕所透射的或者从屏幕所反射的出射光束的装置。出射辐散的测量基本上相应于与光学相邻模块相关的相邻发射方向之间的角度。出射辐散旨在提供观察者所看到的3D图像中的一个基本上连续的运动视差，即旨在确保一个所看到的3D图像的基本上连续的变化。
使用本发明的这一设备生成3D图像的原理，类似于WO 01/88598中所描述的生成3D图像的原理，就对本发明的理解而言，假设生成3D图像的原理是人们所熟悉的。然而，以下，仍将参照图1～7，给出一个简要的解释。
所述设备旨在向观察者提供三维图像，即，具有空间感的图像。当从不同方向观察一个物体时，如果观察者看到该物体的不同的视图，则可以获得空间感。因此，存在着对一种能够依据发射光束的角度，发射不同光束的设备的需求。可以通过一种具有图1和2中所示工作原理的设备满足这一需求。这一设备确实能够沿不同发射方向发射不同光束，如以下参照图3详细加以解释的。
为此，所述设备具有一个可选向地透射与/或反射光的屏幕20。屏幕20的方向选择性，意味着出射光束Lc依据到达屏幕20处的所投射光束Ld的入射角出射屏幕20，即把一个定义好的出射角与一个给定的入射角相关联。换句话说，入射光束Ld的方向明确地决定了出射光束Le的方向，与散射屏幕相反，其中，在一个光束的入射之后，其它光束按一个相当宽的空间角出射，而且不能根据沿某一给定方向出射的一个光束确定入射激发光束的方向。
屏幕20中存在屏幕点P，不必物理地对它们加以区分，即由某一给定情况下的入射与出射光光束确定它们的位置。然而，例如，也把屏幕点P的位置物理地固定在具有适当光圈的屏幕20中，也是可行的。在这样的情况下，也可以通过屏幕点P之间的一条边界线21物理地分隔屏幕点P，如图3中所说明的。在大多数情况下，例如在图1～6中所描述的例子中，实现屏幕20的方向选择性，可使屏幕20在无需改变到达屏幕点P的光束Ld的方向的情况下，透射这些光束，然而，其它实现也是可行的。例如，屏幕20可以像镜子或回射器那样反射光束Ld。WO 01/88598中也描述了这样的实施例。
屏幕20的屏幕点P可以沿不同方向发射不同强度与/或颜色的光束。屏幕20的这一特性有助于作为三维显示器的设备的操作。图1～3说明了这样的一个实施例其中，当透过屏幕20，并且作为发射角范围α中的光束Le出射时，光束Ld实际上不改变它们的方向。
把下列注释约定用于对图1～7，特别是对图3的内容的解释。我们假定所述设备中存在q个模块，其中，我们使用1～q个模块之中的一个模块的中间索引j标记任意一个模块。一个模块可以沿n个不同方向发射光束，对任意中间方向的注释为i、m或g。屏幕20中存在P个屏幕点P，中间索引为k。光可以沿n*个发方向从一个屏幕点P射出，因此，可以把n*个发射方向与一个屏幕点P相关联，而且，在这一方式下，也与整个屏幕20相关联。此处所使用的中间索引为i*、m*或g*。在光束的情况下，下标(s，c，d，e)指的是光学系统中光束的功能，其中，Ls表示光源所发射的光束，Lc表示所准直的光束，Ld表示所偏转光束，以及Le表示最终从屏幕20朝观察者所发射的光束。上标指的是在同一条线上的模块、与该模块相关的发射方向以及屏幕的相关的屏幕点P。因此，光束Lcj，g，k+1表示从模块j沿方向g所发射的光束从屏幕20出射，接触第k+1个屏幕点P(在这一情况下从第k+1个屏幕点P射出)。
由所述设备中的一个照射系统生成光束。这一系统包括用于生成所偏转光束Ld、并且间接地生成所发射光束Le的模块。把光束Le与屏幕20的多个不同的点相关联，并且还把它们与屏幕点P的不同的发射方向相关联。例如，在图3中的实施例中，一个模块45包括光源70，以及透过屏幕20的不同屏幕点Pk-2，...，Pk+2的第j个模块45j所发射的光束Ld’-Ld”。还可以看出，作为每一个所偏转光束Ld’-Ld”的一个延续，所发射光束Lej，1，k-2、Lej，i，k-1、Lej，m，k、Lej，g，k+1、Lej，n，k+2从屏幕20出射，并且沿不同E1-En*发射方向传播。与此同时，光从其它模块到达同一屏幕点P。例如，在图3中可以看出，从第j-1个模块45j-1射出的光束Ld1也到达屏幕点Pk+1，并且沿一个不同于来自第j个模块45j的光束Ldg的方向E射出。也可以通过一个单一的灯泡80实现光源70，通过具有一个公共端点76的光导管75，把它的光分布于光源。模块45可以包含适当的准直光学器件60和聚焦光学器件40。
由一个适当的控制系统，根据以下所解释的原理，控制各个模块。模块45的功能旨在沿不同发射方向，在发射角范围α内，以适当的强度与/或颜色，从给定的屏幕点P朝不同的发射方向，把光投射于屏幕20的屏幕点P，从而实现了在某一角范围β内发射光的一个光源S(参见图1和2)。这一角范围β实质上相应于屏幕20的发射角范围α。从图1中可以看出，光源S1、S2、S3、...、Sn向一个屏幕点P3发射一个光束Ld，而且将由各光源S1～Sn的相互位置和屏幕点P3确定从屏幕点P3射出的光束Le的方向。
WO 01/88598中所描述的设备旨在提供这样一种光学设备其能够模拟光源S，具有一个理想的零宽度，以生成可以精确导向一个屏幕点P的所偏转的光束Ld，屏幕点P也可以具有一个理想的零宽度。
使用WO 01/88598中所描述的设备，按下列方式生成用于创建与从各屏幕点P的不同E1～En*发射方向相关联以及与屏幕20的多个不同屏幕点P相关联的视图的光束Le各模块45中存在若干二维显示器，即50个微显示器。一个透镜把一个图像的像素Cd同时成像于屏幕20。由显示器50显示该图像。在两维显示器50中，把像素Cd与所述不同屏幕点P相关联，并且把它们与屏幕20的不同发射方向E1-En*相关联。从模块45射出的光束Ld的不同的偏转方向D实际决定各发射方向E。
光学系统把具有光束Lc的显示器50投影于一个光学透镜40。根据一个合成图像的像素Cd中编码的信息对光束Lc进行调制，其中，由显示器50产生这一合成图像。于是，通过使用显示器50所生成的图像的各像素所编码的信息(即通过所述像素所载有的信息)对光束Ld进行调制。按互相相对以及相对屏幕20的光相等或光对称位置，周期性偏移地确定模块45的位置。
可以看出，光学透镜40依据入射角的坐标，偏转入射的、基本上准直的、具有一个给定角度的光束Lc。例如，如图3中所说明的，将把透过显示器50jSLM左边缘处的像素Cdj，1的光束Lc1偏转至一个偏转方向D1，偏转方向D1不同于透过显示器50j SLM的中间部分中的像素Cdj，m的光束Lcm的偏转方向Dm。根据Dm偏转方向确定了Em发射方向这一事实，光束Ldm沿Em发射方向透过屏幕20。从图3也可以清楚地看出(也参见图1和2)，由于不同偏转方向，由公共40j光学透镜偏转于不同偏转方向D1～Dn的光束Ld透过不同屏幕点P。
在由发射方向E所确定的发射角范围α内，实际上沿所有方向发射光。因此，当从这一区域观看屏幕20时，光束从所有屏幕点P到达观察者的眼睛(也参见图5)。于是，发射角范围α实际上与完整的视角区一致，即与其中来自屏幕点P的光束到达正在观看屏幕20的观察者的眼睛的角区域一致，或者更简单地讲，这是一个观察者从其中能够看到屏幕20上的某种类型的图像的区域。
以下，将更详细地解释3D成像的原理在发射角范围α中，各光束Lc沿确定好的发射方向E传播。从一个与发射方向E相反的方向观看屏幕20时，可以看到离开各屏幕点P的光束，因此可以在整个屏幕20上看到一个完整的图像，这一完整的图像由屏幕点P构成。必须加以注意的是，对于观察者来说，在出现屏幕20的表面上的图像中，可能不一定能看到屏幕点P本身，以及因为视图的二维投影，观察者将不能看到所要看的图像，但观察者将会体验到真实的空间感。
图4中说明了屏幕20之后可能存在大量模块45。由于屏幕20的辐散，可以确保光束从每一屏幕点P沿所有方向到达观察者的眼睛，从而允许观察者看到角区域内的一个连续的图像。如在图4的右手侧单独加以描述的，光束Leg-1、Leg、Leg+1(它们作为准直的非辐散束到达屏幕20)沿不同方向离开屏幕点P。屏幕20使用角度δx分散这些束，使它们稍加辐散。图5中详细地描述了这一效果。因此，光到达观察者的眼睛E2L，尽管两个光束Leg-1、Leg的方向最初从观察者的眼睛消失。从图4中可以看出，到达观察者的眼睛E2L的光束Leδg似乎是虚光束Leδg’的延续，虚光束Leδg’本身似乎从两个模块45之间开始，并且透过屏幕点P。因此，光束Leg-1、Leg、Leg+1之间不存在“间隙”，视觉上感知的图像无瑕疵，即不具有未被照射的部分，视区得以连续地覆盖，即实现了一个连续的运动视差。
在WO 01/88598中所公开的设备中，通过一个散射体屏幕实现所发射光束Le的辐散。本发明建议了使用或不使用这样的散射屏幕提高3D图像的质量的一种方法与一种设备。
也可以清楚地看出，特别是从图4的左侧可以看出，不是由一个模块，而是由多个模块产生与各观看方向相关联的视图。这一图像设备可以确保如果观察者改变位置，而且其视点改变，例如通过沿箭头F的方向移动，则也连续改变光束Lcg-1、Leg、Lcg+1和所看到的模块45所发射的光束Ldg-1、Ldg、Ldg+1，从而创建了E2L眼睛所看到的连续地改变其位置的图像(参见图4的右侧)。在这一方式下，根据由不同模块45创建Ldg-1、Ldg、Ldg+1光束这一事实，创建一个连续变化的图像(参见图4)。也可以清楚地看出，来自不同模块45的光束从各屏幕点Pk-1、Pk、Pk+1、Pk+2等到达观察者的右眼ER和左眼EL。这实质上意味着同样的屏幕点P能够向左右眼传输不同的信息。
图5中以更加详细的方式表述了这一效果。在这一图中，我们介绍了根据本发明的设备如何显示不同三维对象的空间点。例如，在图5中，该设备显示了两个暗点对象O1和O2，以及两个亮点对象O3和O4，把它们视为针对两个不同位置中的两个观察者的悬挂在三维空间中。为了更好地加以理解，我们主要表示了那些实际到达观察者眼睛的模块45的光束，而不必强调存在沿所有发射方向离开所有模块的光束。因此，该设备独立于观察者的位置，并且当从视野内的任何方向观看时，提供了一个真实的3D图像，而不必使用特殊的眼镜或者观察者所佩戴的任何其它硬件。例如，在图5中，可以看出，第一观察者将通过双眼E1R和E1L看到暗对象O1，但为了实现这一点，模块45i-8向右眼E1R传输一个光束，同时由模块45i向左眼E1L传输所述光束。因此，观察者将会清楚地感知，来自所述对象的光从不同角度到达他/她的双眼，他/她也将会感知与对象O1的距离。第一观察者不仅同样看到O2，而且他/她还可感觉到，对于他/她而言，对象O2在对象O1之后，因为观察者通过他/她的E1L左眼，通过模块45i-2沿左眼E1L的方向所传输的光，仅接收到关于对象O2的信息。与此同时，对于第二观察者而言，根据从模块45i+17和模块45i+16以及模块45i+8到达他/她的眼睛E2R和E2L的光束，对象O1和O2将作为两个不同的对象出现。第二观察者的左眼E2L不能够看到对象O1，因为从其方向到达的光束不能由这些模块中的任何一个模块产生。另一方面，根据同样的原理，两个观察者将看到点对象O3和O4。例如，第一观察者的双眼将根据出射模块45i+3和45i以及模块45j-8和45i-11的光，看到光对象O4。注意，由于光束的原因，即由于可能沿不同方向发射光束，而且光束具有不同强度，所以，例如，同样的模块45i能够向第一观察者的右眼E1R和左眼E1L显示一个不同颜色的对象。第二观察者的右眼E2R不能看到对象O4，因为其被对象O2所遮蔽。第二观察者仅可通过他/她的左眼E2L看到对象O4。显然，该设备能够显示任何数目的这种类型的点对象。从而，该设备也适用于显示有限维度的对象，因为这些对象均可作为点的集合加以显示。我们还可以看出，可以借助该设备，同样地显示屏幕20之前和之后的对象。该设备所产生的光束完全相同，好象它们源自将加以显示的对象，而且投影布置不必考虑观察者的位置。沿所有方向，在发射角范围内显示一个逼真的图像，而不管观察者的位置如何。此处，需要再次加以强调的是，该设备沿那些其中根本无观看者的方向连续地发射光束。图5中把这样的光束表示为光束Le。
如以上提到的，对具有好的视频质量的3D对象的感知，要求在出射光束Lc离开屏幕20时，它们具有一定的辐散。例如，可以使用一个全息散射屏幕实现这一点。屏幕20的散射特性可以确保基本上准直的输出光束将以最大为几度的辐散δx离开屏幕点P，因此，在从模块45到达的光束Ldi、Ldi+1之间存在一个重叠。在图7A中所示的情况下，所偏转光束Ldi、Ldi+1的方向实际上与所发射光束Lei、Lei+1的方向相同，这些方向也代表了相邻的发射方向。显然，当辐散角δx与所发射光束之间的角γ相同时，重叠，即相邻光束Ldi、Ldi+1的紧密接触，是适当的。
然而，使用其中通过一个散射屏幕实现所发射光束Le的必要辐散δx的方案，存在着一个问题，如图6A中针对一个单一的模块45和一个单一的所偏转光束Ld所进行的描述。在这一情况下，所发射光束Le的强度分布类似于图6C中所示的角强度分布，即其主要为高斯型的(Gaussian)，具有一个强的中心区域，以及朝边缘降低的强度。因此，多个相邻所发射光束Le的组合的强度分布将遵循图7C中的曲线。图像中出现干扰副效应取决于辐散δx的角度。在辐散的角度δx很小情况下，观察者将会感知强度的一个波动，即图像中将出现不均匀性。在辐散δx的角度足以补偿强度不均匀性的情况下，观察者将会感知到其中相邻光束重叠的区域5中的串扰所导致的视频噪音。对于观察者而言，这意味着所看到的图像将变得模糊，相邻视图将同时出现在三维图像中，而且该设备不能够以明显的轮廓显示图像。
屏幕散射特征是这样的系统中的一个关键因素，然而，令人感到遗憾的是，在所有实际的散射体中，甚至是在全息散射屏幕中，这一高斯强度分布是固有的特性。图7C中所示的非均匀总强度或者不希望的串扰，实际上是不可避免的，因为这些要求是相互冲突的要求。这极大程度地限制了这样的系统的性能，从而使制造高质量3D显示器不可能。对于具有消色差的全息散射屏幕的系统，或者如果不使用全息散射屏幕而使用其它散射部件的系统，例如双凸透镜系统，难以实现理想的散射特征(参见图6B、7B)，并且会产生严重的对准、色散问题。这再次导致所看到的图像的劣化。

发明内容
为了避免这些障碍，以及为了允许实际建造能够显示具有适当深度的真实的三维图像的系统，取代使用仅针对此目的的屏幕，本发明建议了一种直接生成具有适当辐散的光束的设备。该系统包括成像装置，用于生成具有一个基本上朝屏幕的一个点收敛的收敛部分的入射光束。建议入射光束的收敛基本上等于出射屏幕的光束的出射辐散。该系统的另一个优点在于，可以结合模块所生成的收敛光束的强度分布和屏幕散射特征，精确地设置所发射光束的理想的强度分布特性。
根据本发明，还公开了一种用于校准以上所描述的设备的方法，其中，该方法包括使用所述模块中的每一模块生成一个二维测试图像，以及使用一个图像检测设备检测所生成的测试图像的步骤。在该方法中，对所检测图像进行估计，并且根据对所检测图像的估计，生成针对相关模块的校准数据。针对每一模块，存储校准数据。根据校准数据修改各模块的输入数据，并且把所修改的图像数据发送至模块的2D显示器。


以下，将参照附图，解释本发明自身以及3D图像生成技术领域中其它相关的改进。
图1和2，说明了用于本发明的3D图像显示的设备与方法的某些基本原理；图3为一个现有技术成像系统的基本元件方案，以及说明一个现有技术光透镜系统的基本原理的一个功能方案；图4描述了在观察者从某一给定位置观察具有图3的模块的设备的情况下，所述设备产生光束的方式；图5为另一个解释性示意图，说明了用于根据本发明的设备中的某些图像显示原理，但未说明人们本来就十分熟悉的内容；图6A说明了现有技术中所使用的散射体屏幕的原理；图6B说明了针对图6A中所示类型的3D显示系统的出射光束的所希望的理想强度分布；图6C描述了根据图6A的一个现有技术系统所生成的光束的实际强度分布；图7A说明了具有两个相邻模块的现有技术系统中所使用的散射体屏幕的原理；图7B描述了根据图7A的所有相邻光束的理想的强度分布；图7C描述了观察者所看到的图7A的多个光束的实际总强度分布；图8A和8B说明了现有技术和根据本发明的方案的不同的原理；图9为根据本发明的、沿多个发射方向和朝不同屏幕点发射多个光束的一个单一模块的明显放大的图；图10描述了类似图9的、朝相同屏幕点发射光束的多个相邻模块的多个相邻模块；图11说明了一个模块的光学系统的一个可行的实施例；图12A说明了具有在边缘处相接触的光圈的一个理想的模块布置；图12B描述了图12A的光学系统中所发射光束的强度分布；图12C说明了图12A的相邻所发射光束的总强度；图13A说明了模块之间具有小重叠的又一个模块布置，其中模块配备有一个图17中所示的出射光圈；图13B描述了在透过图13A的屏幕之后一个所发射光束的强度分布；图13C说明了图13A的相邻所发射光束的总强度；图14A说明了从根据现有技术和本发明的模块所发射的光束上的一个散射屏幕的效果；图14B描述了在透过图14A的屏幕之后一个弱准直的和一个收敛光束的强度分布；图15A说明了模块之间具有小间隙的另一个模块布置；图15B描述了在透过图15A的屏幕之后，一个弱准直的光束的总强度；图15C说明了图15A的相邻所发射光束的总强度；图16为所建议设备的例子的具有不同重叠的多个模块的一个前视图；图17为所建议设备的优选实施例中具有成形光圈的多个模块的一个的一个前视图；图18为针对本发明的3D显示系统中基本元件的一个透视图；
图19为本发明的3D显示系统的一个实施例中所使用的若干模块的一个前视图；图20为本发明的3D设备的另一个实施例的透视图；图21描述了一个独立于图21中所示设备的单一模块；图22为一个模块的另一个实施例的一个截面图；图23为图27的模块中所使用的LED阵列的一个俯视图；图24为一个模块的一个部分照射的出射光圈的一个放大了的前视图；图25说明了所建议设备中所使用的屏幕的散射特征；图26说明了定义了一个较窄所发射光束，从而提高了本发明的3D设备的角分辨率的原理；图27为一种可行模块布设的一个示意性透视图；图28为图27中所示模块布设的一个示意性俯视图；图29为用于本发明的显示设备中的一个单一单元3D光引擎的透视图；图30为图29的3D光引擎的一个截面图；图31为具有一个折叠投影系统的平板3D显示设备的一个示意性截面图；图32为具有一个光导型投影系统的另一个平板3D显示设备的一个示意性截面图；图33为另一个3D显示设备的一个示意性侧视图，其中，所述3D显示设备具有用于把一个所生成的3D图像转置于一个远离屏幕的位置的装置；图34为类似于图33中所示的、具有3D输入装置的3D工作站的一个3D工作站示意性侧面图；图35说明了用于在一个可透屏幕上产生3D图像的模块的另一个可行的布置；图36A为图35中所示光布置的一个侧视图；图36B描述了与图36A中所示相类似的光布置，其具有一个模糊屏幕类型的散射体屏幕；图37为使用了一个产生多等级所反射光束的折射屏幕的另一个光布设的一个俯视图；图38为一个示意图，说明了由具有与图37的光布置中相同的一个周期性衍射或折射特征的屏幕所生成的光束；图39说明了呈投影表形式的本发明的一个实际的实施例；图40～43以俯视图形式说明了各种屏幕配置以及它们的特征束路径；图44为执行偏转的一个折射屏幕和特征束路径的一个侧视图；图45描述了呈平板3D显示器形式的本发明的另一个实际的实施例；图46说明了呈汽车中所用于的挡风玻璃投影设备形式的本发明的又一个有利的实施例；图47是一个示意性透视图，说明了所建议的3D设备的一个可行几何校准功能；图48说明了一个模块的初始光失真；图49说明了图48中所示失真的校正。
图50A和50B说明了本发明的3D设备中不同模块的相互间的强度校准；图51为本发明的设备的一个实施例的控制系统的示意性方框图；图52为基于多个PC的控制系统的另一个可行的版本。
具体实施例方式
如以上所解释的，图1～7说明了WO 01/88598中所公开的3D生成的原理，以及其它内容。此处，入射光束Ld基本上为一维(准直的和弱的)光束，实际上具有比光束更多的射线。这些准直的光束从屏幕20接收适当的辐散。辐散角δx基本上相应于入射光束Ldi-Li+1之间的角度γi。此处，索引x表示基本上沿水平方向的一个辐散，这是当观察者垂直于屏幕20观察时所看到的。图8A中也对此进行说明。图8A和8B给出了当观察者观察一个根据现有技术和本发明的一个显示器时，现有技术和本发明的一个比较，尽管生成光束的方式不同以及屏幕20和120的类型不同，但理论上讲，他将会观察到形成一个3D图像的相同的出射光束。
现在，转向图9～11，图9～11描述了根据本发明的3D显示设备的一个实施例的基本特性。从对所推荐设备的功能的解释，可以清楚地了解本发明的所建议的方法。
从图18中可以清楚地看出，3D显示设备包括一个屏幕120，由一个屏幕照射系统150照射屏幕120。如图18中所示，屏幕照射系统150包括多个模块，在图18中所示的实施例中，为模块1451～145k。
实质上，把产生入射光束Ld的模块145建造为数字视频投影仪(也称为数据投影仪)，因此，它们的主要功能是向屏幕投影一个静止或移动图像，其中，人们希望向屏幕的一个定义好的点投影一个定义好的图像点。然而，对于其目的仅仅是产生一个定义好的图像点的传统的视频投影来说，因(通常为白色)投影仪屏幕的散射反射特性，这些定义好的图像点从任何方向都将是可见的。相反，出于所解释的原因，根据本发明，在视频投影仪(模块145)处，生成一个图像点的光束的、与投影仪布置和具体屏幕散射特征相关的其它参数，也是重要的。
例如，如图18和19中所示，互相相对地布置模块145。模块145之间的偏移d(位移)考虑到这样一种事实通常情况下，模块145的出射光瞳或物理出射光圈140小于一个模块145的物理总宽度w数倍。为了更容易地加以理解，在附图中，我们以全光圈170，即以全物镜尺寸，对此加以说明，全光圈170不必等于出射光圈140。
一个单一的模块145生成多个光束Ld。在图9和11中可以清楚地看到这一点，图9和11描述了一个具有一个简化射线结构的单一的模块145j(图15)以及其光学系统的一个可行的实施例(图11)。把不同的光束Ld转递于屏幕120的不同的点P。把模块145布置成可由模块145照射屏幕120的每一点P。在图10中可以清楚地看到这一点，图10描述了屏幕点Pk，由模块145j-1、145j以及145j+1加以照射。同时，把一个模块145所生成的入射光束Ld从该模块145朝多个不同的屏幕点P，投影于多个不同方向。例如，参见图9和图10，图9和10说明的是把光束Ldi-1、Ldi、Ldi+1分别发射于屏幕点Pk-1、Pk、以及Pk+1。相反，把一个模块(此处为模块145j)所生成的不同的入射光束Ldi-1、Ldi、Ldi+1从屏幕120朝不同发射方向转递，因为光束Ldi-1、Ldi、Ldi+1作为所转递的光束Lei-1、Lei、Lei+1从屏幕120射出。
在本说明书中，术语从屏幕朝一个发射方向“转递(forwarding)”一个光束，旨在包括从屏幕射出的所有模式，例如，由屏幕以任何方式重新导向或不重新导向。于是，转递可意指通过屏幕进行透射或从屏幕加以反射，其中的透射或反射均呈类似镜子的或回射的方式，其也可意指屏幕的偏转等。图40～44中还描述了各种屏幕光束的交互。
就以上所解释的而言，屏幕120具有可选向转递光的依赖于角度的散射特征，即，所转递光束Lei的方向很大程度地依赖于流入光束Ldi的方向(参见图8B)。以下，还将参照图40～44对此更详细地加以解释。
类似于WO 01/88598中所公开的设备，本发明所公开的设备包括用于使用一个单一图像点的图像信息对入射在屏幕120上的每一光束Ld进行编码的装置，在模块145中生成图像点，通常使用一个二维显示器，例如LCD或其它微显示器，例如，如图22中所示。然而，本发明中的显示器面板252具有广角(大数值光圈)照射，而在现有技术中，使用基本上准直的光束照射显示器50，如图3中所示。按与WO 01/88598中相同的方式，在观察者的眼睛中建立观察者所看到的3D图像。这意味着观察者所看到的3D图像实际上由多个模块145生成。这也如上所述，也参见提供于图5和6的解释。由一个适当的控制系统控制本实施例中的模块145，在图18中，由模块驱动器单元160象征性地表示了这一控制系统。
为了在无强度不均匀的情况下实现一个连续3D图像的感觉，必须把一个出射辐散赋予所转递的出射光束Le，即从屏幕120朝观察者射出出射光束Le。如果出射辐散的测度，即角δx，基本上相应于相邻发射方向E(例如图8B中所示的发射方向Ei和Ei+1)之间的角度γ，则可以看到一个适当的连续3D图像。在出射辐散角度δx小于相邻发射方向E之间的角度γ的情况下，3D图像中将出现周期性的不均匀。在当出射辐散角度δx大于相邻发射方向E之间的角度γ时的相反的情况下，相邻光束将重叠，邻接的视图将同时出现在3D视图中，从而导致了一个在很大程度上限制了3D显示器的深度场(FOD)的模糊现象。视图之间的过渡是3D显示器上一个普遍存在的问题，不是类莫尔条纹的图案就是斑点。这些副效应中的任何一种副效应都是令人烦恼的、并且清晰可见，在高质量的显示过程中，这是不可接受的。
相邻发射方向E之间的角度γ越小，可以显示的3D视图越深，换句话说，3D显示器将具有大的深度场(FOD)。把相邻发射方向E与光学相邻模块145相关联，因此，发射方向E基本上是由不同屏幕点P的相对位置和模块145的位置所确定的，相邻模块145将生成相邻发射方向E。在一个实际的实施例中，这意味着，应密集地堆叠模块145。术语“光学相邻”模块表示模块不需要物理上相邻，如果从一个屏幕点屏幕点P观看，则它们光学地互相左右相邻足以。
图8B说明了本发明的基本原理，其中仅示意性地把模块145说明为具有一个相当大的出射光圈140的单元。出射光圈140的有效宽度wa与这些模块的物理宽度wa相匹配，对于某些实施例，后者甚至可能数倍于有效光圈宽度wa。在实际情况下，例如在视频投影仪的情况下，物理维度，首先是模块145的宽度wm，总是大于出射光圈140的有效宽度wa。在这一情况下，可以按更多的行布置模块145。模块145投影相应于它们的不同水平位置的2D(合成)图像，从而在最终的3D图像中提供了水平视差，而每一2D(合成)图像上的视图相应于相同垂直位置，即2D图像不包含垂直视差信息。作为一条经验法则，在模块的宽度wm为出射光圈140的有效宽度wa的2、3、4倍的情况下，应该按2、3或4行分别布置模块145。图19中说明了这一点，其中，视频投影仪，即模块1451和1452实际上互相上下相邻，但把它们的光圈1701和1702对准为互相左右相邻地出现，使用补充光装置补偿光圈170之间的高度差，例如使用一个大的垂直散射，如参照图27所解释的，WO 01/88598中也对此进行了解释。熟练技术人员将会意识到，使模块145沿某一特定方向，通常沿水平方向相邻出现，即互相左右相邻地出现的其它空间和光布设，也是可行的。
为了向所转递的光束Le提供必需的出射辐散，所建议的设备包括用于生成具有一个收敛部分的入射光束Ld的成像装置。在图8中所示的实施例中，入射光束Ld的总长度是收敛的，即当光束Ld离开模块145的出射光圈140时，它们已是收敛的。换句话说，光束Ld的收敛部分为出射光圈140和屏幕120之间的部分。这一收敛部分基本上朝一个屏幕点P收敛。入射光束Ld的这一收敛基本上等于出射屏幕120的光束Lc的出射辐散。如图8B中所示，到达屏幕120的光束Ldi、Ldi+1是收敛的。这一收敛的角度δc基本上与它们的辐散角度δx相同。如以上所述，辐散角度δx大体上相应于入射光束Ldi、Ldi+1之间的角度γi。在图8中所示的实施例中，由于入射光束Ld的方向也确定了所发射的光束Le的发射方向E，所以入射光束的收敛部分的收敛角度δc也相应于相邻发射方向Ei-Ei+1之间的角度γ。更适当的做法是，把该设备的光学系统设计成δc≈γ。如以上所解释的，把相邻发射方向Ei-Ei+1与相邻模块145j-145j+1相关联，因此，对于任何单一的屏幕点Pk，从该屏幕点Pk放射的不同光束Lc的不同的发射方向E由这些模块145加以确定，模块145把一个入射光束Ld导向所讨论的屏幕点Pk。按照这一方式，由受到影响的屏幕点Pk和这些模块145j、145j-1的相互位置确定了相邻发射方向Ei-Ei+1，模块145j、145j-1用作入射光束Ldi、Ldi+1的源。
所建议的系统的一个主要优点在于，不需要WO 01/88598中所描述的一个全息屏幕，或者至少屏幕120的参数或辐散特性不是十分重要的。而且，另一个优点在于，可以较好地控制一个辐散的所发射光束Lc中的光强度分布，以下将参照图20～21、12～13、16～17更详细地对此加以解释。具体地讲，达到或至少近似一个基本上均匀的强度分布是可能的。如图12B中所示，图12B说明了作为一个所发射光束Lc中的角度δ的函数的光强度。处于角0°的光束Lc的中心(与发射方向E的向量相重合)。图12C说明了具有一个基本上呈方形强度分布函数的相邻所发射光束Le的所附加的强度I1提供了位于屏幕120前方、并且沿x方向，即沿基本上垂直于光束Le的方向移动的观察者所看到的一个明显更均匀的总强度。
可以由一个适当的光学系统生成收敛的入射光束Ld，该光学系统具有一个广角、大入口以及出射光瞳，例如图11中所示的光学系统100。这一光学系统100用作一种把独立的入射光束Ld聚焦于与各入射光束Ld相关联的屏幕点P上的装置。从以上的描述中可以清楚地看出，当入射光束Ld将透过一个屏幕点P时，把该屏幕点P与一个入射光束Ld相关联，从而，对于观察者来说，好像是由所讨论的屏幕点P朝观察者发射光束Le，但出射光束Le的属性实际上由入射光束Ld确定，如上所述。图11中所示的示范性光学系统100包括4个透镜101～104。从图中可以看到出，从最后一个透镜104放射的入射光束Ld以虚光束107的延续的形式出现，并且透过一个虚光圈105。基本上讲，虚光圈105的大小相应于有效光圈宽度wa，在根据本发明的光学系统中，对有效光圈宽度wa和最大透镜的物理大小的比率进行了优化，以达到最大值，其中，最大透镜的物理大小为模块145的大小wm的物理底限。根据LCD、DMD等、具有广角、大数值光圈照射的微显示器面板252、或者具有自己的光发射的LED(OLED、PLED等)微显示器的像素，分别对光学系统100的光束Ldj-1、Ldj、Ldj+1进行调制。
然而，如已经解释过的，大多数情况下，出射光圈140的有效宽度小于模块145的有效宽度，而且把模块的出射光圈紧紧地互相左右相邻地放置，也是复杂的。这意味着图12C中所示的具有严格对齐的流入和出射光束，并且具有一个基本上呈方形(矩形)强度轮廓的所希望的理想状况，很难加以实现。在实践中，添加某些重叠总是必要的，本发明的一个优点在于可以独立于相邻发射方向之间的角度γ设置这一重叠，而且重叠区域的大小的量级小于γ。图12说明了具有方形功能强度轮廓的相邻收敛光束Ld在一个边缘区域中接触时的理想情况。图13A、B、C说明了相邻收敛光束Ld重叠，而且它们的强度轮廓在重叠区域中变圆时的情况。图14～15说明了相邻收敛光束Ld之间存在一个间隙时的情况。
对于后面一种情况，即一种模块为大型视频投影仪，而且在光学相邻投影仪之间的物镜的出射光圈140之间不存在间隙的情况下难以布置它们时的情况，建议为所述设备配备一个散射体屏幕220。这样的一个散射体屏幕220(参见图14A和15A)能够使一个附加的水平辐散赋予另外的辐散的所发射光束Le。借助图14A可充分感知散射体屏幕220的效果，在图14A中，左侧描述了一个发射一个准直的、弱的以及类似射线的入射光束Ldcoll的模块45，然后，按角范围δd，作为所发射的光束Lespread，由散射体屏幕220加以扩展。图14B描述了所散射光束Lespread的强度分布。图14A的右侧描述了散射体屏幕220对收敛入射光束Ldconv的影响，说明了所发射的光束Lediv将会略多地辐散，基本上讲，最终所得到的辐散将为δconv+δd，与此同时，其基本上呈方形的强度分布将在其边缘处显示一个较小的陡坡。图14C中描述了如此修改的强度分布。较小陡坡的优点在于，最终所得到的总强度将对相邻光束的微小的定位误差不太敏感，因此，如果不严格地把相邻光束互相左右相邻地定位，则总强度的一致性将改变较小。而且，方形强度分布的这一扩展还准许相邻入射光束Ld之间的间隙，如图15A～15C中所说明的。与图14B相类似，图15B说明了散射屏幕220的散射效果，其旨在“伸延”从模块145j-1、145j以及145j+1到达的所发射的光束Le，以致最终所得到的总强度再次或多或少地变得平滑，如图15C中所说明的。注意，这一“伸延的”强度轮廓远优于高斯轮廓，因为其具有一个宽的、相当平的 (稳定的)中心区域和一个窄的重叠区域，而高斯型的轮廓在任何地方都不稳定，或最理想的情况也只是被视为在非常小的中心区域中相当稳定。从图15A可以充分看出，散射体屏幕220的散射角δd基本上等于入射光束的相邻发射方向E和收敛角δconv之间的角度γ的差，换句话说，δd≈γ-δconv。
使用FWHM(全宽度半最大--Full Width Half Maximum)的角度定义散射体的散射角，这意味着按FWHM针对分散的强度轮廓所测的角度，如图20B中所示。
由于在图15A中所示的布置中入射光束Ld不重叠，所以相邻入射光束Ld之间存在着未被照射的间隙。因此，出射光束Le也将不重叠。当观察者的眼睛从一个出射光束转向另一个出射光束时，这将导致所看到的图像中的小的间隙或空隙。为了补偿这一间隙，屏幕220提供了少量的辐散δd，辐散δd可约等于差角，或间隙角δd，如图15A中所示。于是，这将导致出射光束Le的接触或受控的重叠，如图15C中所示。
图20描述了屏幕照射系统250中一个具有优化后的模块的3D显示器，在许多方面屏幕照射系统250类似于图18中所示的屏幕照射系统150。此外，在屏幕120之后还布置了多行模块245，而且还配备有具有相同功能的侧面镜130。由一个未更详细加以描述的控制系统的模块驱动器单元160控制这些模块。由于针对所述任务优化了模块245中的一个不同的光学系统200，所以主要的差别在于模块245的实现，模块245基本上呈杆状。为了获得具有适当深度的3D图像，相邻发射方向E之间的角γ应该较小。换句话说，角分辨率应该较高，所述多个独立的出射光束Le基本上都出现在视野中。这要求密集地堆叠模块，从而允许高角分辨率。问题在于，通常的视频投影仪不具有优化的形状甚至紧致的投影仪在水平方向上也过宽，而且也难以按行布置直立形式的投影仪。形成最佳的模块结构，旨在使模块的宽度沿堆叠方向为最小可能的宽度，即实际上等于光学系统200中最大透镜的尺寸，同时把其它部件布置在实际上不太重要的物理维度的长度方向上。由于一般情况下模块245的光学系统200的出射光瞳或出射光圈140比模块245的总宽度wm小2～3倍，所以必须分别按两三行布置模块245，如图20中所示。可以通过适当的光学设计，精确地设置模块的出射光瞳和总宽度wm的相对比率，然而，在其非为整数的情况下，如所解释的，可以使用屏幕200引入额外的辐散。图21中描述了一个单一的杆状模块245。图22中更详细地描述了光学系统200。另一个差别是，在模块245的全光圈270上采用专门形成的光圈240。
专门形成的光圈240的意义在于，可以通过使用模块245的光学系统中适当形成的光圈，校正或至少部分地补偿辐散出射光束Lc的强度分布。光圈240具有一个预先确定的形状，用于补偿入射光束Ld的收敛部分的一个非均匀的光强度分布。一旦得以补偿，所发射的光束Le也将具有一个均匀的或稳定的(平的)强度分布轮廓。
如人们所知，实质上，光圈240的形状有助于强度分布中一个平中心区域的形成，如图15C和13C中所示。即，从一个圆形光圈沿x方向的强度分布与圆形区域的x投影(相对x的圆的一个整数函数)成比例，其为一个连续变化的函数。为了获得一个平的强度分布轮廓，光圈240将切掉全光圈270的上、下周界，从而形成一个产生目标强度轮廓的矩形光圈形状。另外，光圈240的相对窄的中心区域将某种程度地抑制中心强度，从而对非均匀照射的补偿(即，降低朝中心的强度)总是出现在光学系统处，并将有助于所希望的平强度轮廓的实现，如图13A中所示。这意味着入射光束Ld的收敛部分的收敛角δconv由模块245的成像装置的最终出射光圈240的宽度wa加以确定，成像装置的焦距，即第j个模块245j和一个屏幕点Pk之间的有效距离da由相应模块245j加以照射。图13B和C中也描述了这一点。与图7B和12C中所示的情况相类似，但实现了总强度的一个平滑的过渡。需要加以注意的重要的一点是，不必令物理出射光圈240处于成像或投影光装置的最终表面，而可以处于这些光学设备的内部，处于两个透镜之间，甚至是处于一个透镜的内部，例如一个着色的内表面，如图11中所示。
而且，这样的光圈240还将影响入射光束的净宽度w，因此，在不使用附加的辐散或散射屏幕的情况下，必须考虑出射光圈240的有效宽度wa，而不是全光圈270本身的有效宽度，计算图18中所示的偏移或位移。
与一个提供附加的辐散或散射的屏幕220相组合，也可以形成光圈240，因此可把入射光束Ld的强度分布选择为屏幕220的角散射特征的一个相反的或相关的函数。在这一方式下，在属于相邻发射方向E的出射光束Le之间提供一个基本上连续的强度过渡，也是可能的。
出射光束Le还可以具有一个基本上呈梯形的强度分布轮廓，即由半高斯轮廓(而不是理论上的全矩形轮廓)环绕在边缘处的一个基本上呈矩形的轮廓，参见图13B和13C。这还将允许入射光束Ld的各方向之间的微小变化，而且不会在所看到的图像中留下可见的空隙。在这一情况下，流入光束Ld可以稍微重叠，可以通过在光圈240之间提供一个水平的重叠，实现这一点(参见图16中的重叠区域242)。结果与可使用散射屏幕220所实现的基本相同，参见图14C和15C。
图22中描述了一个杆状模块245及其内部结构、其部件的空间布置。模块245包括一个二维显示器、例如一个小规格LCD显示器252，由一个LED阵列254通过一个极化板(例如，MOXTEK)或极化立方体256对其加以照射；以及一个投影光学设备258，类似于图11中所示的成像光学设备。所述二维显示器可以为透射或反射模式LC、LCOS、FLCOS微显示器、LED或OLED显示器、DMD芯片、微机械光栅(GEMS、GLV)或者其它光阀矩阵。在图22的实施例中，描述了一个反射模式的LCD显示器。
LED阵列254用作用于照射二维显示器252的照射装置。也可以使用其它类型的光源，例如投影仪灯、或高亮度LED、或LED芯片阵列。它们可以按不同的颜色操作，也可以发射白光。模块145或245还将包括用于把光源的光投影在所述二维显示器上的适当的光学装置257。除了所描述的元件外，照射装置的光学系统还可以包括不同的光元件，例如光学透镜阵列、折射或衍射板、极化板、TIR棱镜、颜色组合立方体以及颜色分离滤色器、或颜色轮盘或电可转换光学元件。这样的光元件是熟练技术人员所熟悉的，因此不必在此处加以讨论。
图23中详细地描述了一个LED阵列254。从图23可以看出，LED阵列254包括按行与列布置于一个阵列中的LED或LED芯片，其中按列布置具有相同颜色的LED或LED芯片。对于一个可能的实际布置而言，所说明的LED阵列254包括12条线，每一条线由红、绿、蓝LED(由字母R1～R2、G1～G2以及B1～B2加以表示，指向三种以上主颜色的生成阴影)组成。在一条线中，存在12个具有相同颜色的可独立寻址的LED。LED阵列254朝向投影光学设备258，以致可以把布置于同一列中的LED或LED芯片与投影光学设备258的出射光瞳中基本相同的水平位置相关联，即从LED或LED芯片所发射的光束基本上在水平位置处离开出射光圈。例如，如果图22中所示的一个模块245处于其操作位置，则从侧视图看，图23的LED阵列254的各行将垂直于图22的平面，而LED阵列254的各列将平行于图11的平面。这也意味着把布置在各行中的具有相同颜色的LED或LED芯片与出射光瞳中不同的水平位置相关联。对于具有不同颜色的LED或LED芯片而言，当将它们垂直地布置在各列的不同位置中时，光学装置275沿列方向执行一个强的、一维的散射，类似于一个垂直散射器，从而补偿了各列中的不同位置，并且混合了颜色。
把LCD显示器252所生成的图像从极化板256朝投影光学设备258反射，后者通过专门形成的光圈240把图像朝屏幕120(图22中未示出)投影。投影光学设备258用作一种光学系统，用于把二维显示器(此处，为LCD显示器252)的各个像素成像在屏幕上。较佳的作法是令投影光学设备258具有一个广角、大入口和出射光瞳，以能够生成具有一个基本和可见收敛的投影光束Ld。
把针对LED阵列254和针对LCD显示器252的驱动器电子设备242定位在模块245的后部，并且通过一个输入接口244接收控制输入，后者可以为标准的接插件连接，例如DVI连接器。屏幕照射系统150或250的模块化结构有助于系统的服务。
参照图23～26，图23～26解释了对LED阵列254的使用允许对入射在屏幕120或220上的光束Ld的收敛角度的控制。通过控制光圈240的照射，更精确地讲，通过控制光圈240中的照射宽度，实现这一控制。可以通过适当地控制LED阵列254中的光发射位置，实现这一点。
例如，在一个正常的操作中，通过生成3个相继的子帧，在一个视频帧中显示彩色图像，其中，通过不同的颜色照射每一个相继的子帧。为了每秒生成30个彩色帧，LCD显示器252需要具有3×30＝90Hz的操作频率。在每一子帧期间，操作相应的LED的线，这意味着，在一个子帧中，将接通LED的4条线(十分相似的颜色，标记有相同字母R1+R2、G1+G2、B1+B2)，从而为LCD显示器252提供了基本上均匀的平面照射源，因此，在总数为4×12＝48个LED均匀地分布在大约25×25mm的一个区域上的本实施例中，LCD显示器252的所有像素都适当地得以照射。
然而，当希望提高系统的角分辨率时，为了显示具有极大深度的3D视图，在LED阵列254中，例如在图23中所示的子阵列255中，仅操作一个垂直条是可能的，其仅具有整个LED阵列254的四分之一的宽度。在这一情况下，LED阵列254将仅照射出射光圈240上的一个较窄条(也参见图24)，结果是，在全宽度所发射的光束Lelocal中仅照射一个窄区域(参见图26)，因此，实际上，所发射的光束Lenarrow的收敛角度将明显较小。这直接导致整个3D显示器设备的角分辨率提高，这意味着观察者将看到较小侧向运动之后视图的一个变化，或者所看到的图像可具有明显的轮廓，甚至是远在屏幕之外的细节处(高深度模式)。
当然，为了避免图像中的间隙，在一个帧中，必须照射所发射的光束Letotal的整个宽度，可以通过顺序地照射具有子阵列255、255’、255”以及255_的4个子帧，实现这一点。在一方式下，独立地控制收敛入射光束Letotal中的各部分是可能的。然而，必须按4倍于其先前的速度操作LCD面板，在这一具体情况下，4×90＝360Hz，对于较新一代LCOS或FLCOS(Ferroelectric Liquid Crystal on Silicon--硅上铁电液晶)面板来说，这是可行的。为了补偿所降低的光强度，使用不同的针对不同照射组合的填充因数是可行的。
显然，存在着能够针对不同内容或光照条件使不同显示模式得以优化的照射控制的多种组合。与“高深度模式”相类似，使用3种以上的主颜色增强显示器的颜色保真度是可行的。在下列序列R1、G1、B1、R2、G2、B2中，交换同一颜色的行(在这一具体例子中，成对儿地交换)、并且按双倍速度2×90＝180Hz操作LCD面板、显示更精确的颜色模型的子帧，能够通过整个调色板显示具有逼真颜色的精色调的3D视图(高保真颜色模式)。
例如，在需要极高亮度的情况下，可以为一个灰度图像牺牲颜色图像，从而可以同时操作LED阵列254中的所有LED。这将意味着12×12＝144个LED照射LCD 252(高亮度模式)。熟练技术人员将会明显意识到，针对LCD显示器252和LED阵列254的其它维度、参数以及比例也是可行的，以上的例子仅用于说明本发明的原理。
用LED或OLED颜色微显示器替代LED阵列254，也是可行的。控制模式可以是类似的，但具有明显高的分辨率。作为选择，也可以对光布置进行设计，例如，设计为使用一个白炽光源(未在图中示出)照射LCD显示器252，可以借助已知的具有3或3种以上不同滤色器节的颜色轮盘，实现颜色操作。
该系统的一个优点在于，由于在屏幕照射系统中具有大量的平行光通道，比如包含在数以百计的模块145中，显然，基于LED的照射(几乎在所有方面，其均具有诸多优点，但亮度除外，这乃是为什么不将其用于专业投影应用的原因所在)变得可行。尽管通过一个单一的模块145的合成图像不够亮，但最终所得到的3D图像将会百倍地亮。另一方面，在模块145为视频投影仪的情况下，进行极亮的3D投影是可能的，也可应用于直接暴露于阳光下的户外场合。
现在，转向图25，图25描述的是，为了生成一个可从相当大的垂直角范围看到的3D图像，需要预先知道出射光束Le沿垂直方向的辐散δy是否不同于沿水平方向的辐散δx。3D显示系统的这一特性本身是人们所熟悉的，并且在WO 01/88598中对其进行了详细的解释。使用一个适当的散射屏幕，例如使用能够不仅沿垂直方向，而且能够沿水平方向把一个辐散赋予出射光束的散射体屏幕220，能够最好地实现大的垂直散射。通常，屏幕220的垂直散射明显大于其水平散射。大的垂直散射还有助于补偿模块145和245之间的垂直位移dy(也参见图19、20以及17)。可以实现这些图中所示的屏幕120，以致仅把一个垂直辐散δy赋予于所透射的光束，即，屏幕120仅用作一个垂直散射体屏幕。
本发明的范围覆盖了所有这样的布置其中，沿水平方向周期性地布置多个投影模块，特别是视频投影仪，向屏幕投影具有不同水平视差的图像。所述屏幕具有大的垂直散射，几乎类似于一个消除了布置在多个行中的投影仪的垂直位置之间的垂直差的垂直散射器，同时水平散射明显偏小，从而水平地保持了入射光束的原始方向。在现有技术中，屏幕散射角度等于从屏幕上看到的模块之间的角度，由于模块-屏幕距离和模块周期的原因，实现必要的角度特征实际上是不可能的。本发明描述了用于显示3D图像的方法和所有这样的系统，其中屏幕水平散射角度小于光学相邻投影模块之间的角度，从而开创了高质量3D显示、以及根据标准的视频投影仪，实际建造大规格投影3D显示器，并且能够容易地大规模生产全息/衍射或折射散射屏幕的方式。
以下的图中，将描述本发明的实际的实施例。
所述设备的屏幕不必为平面的。图27和28说明了一种模块布置，其中，把直立形式的视频投影仪345沿圆弧线段或类似的曲线加以布置。屏幕320本身也为曲线形状。可用侧面镜130取代在观看区域的边缘处提供必要视图的投影仪345’，类似于WO 01/88598中所解释的原理。
图27和图28说明了在一条单一的线中、沿基本上水平平面的一条曲线周期性地布置模块345。然而，沿多条、垂直偏移的、基本上水平的曲线，类似于图18和20的布设，布置它们也是可行的，其中，模块145和245处于多条垂直偏移的、基本上水平的线中。在这些布置中，把模块345布置为可在无垂直视差信息的情况下投影2D图像，这意味着当观察者沿垂直方向移动时，他将不会看到图像中的变化。这一限制并非十分严重，因为在通常的观看条件下，观察者的视点仅水平地变化。而且，由于观察者的双眼处于一个水平平面中，所以人类观察者自然更敏感于水平视图中的变化。根据本发明的原理，引入垂直视差信息是可能的，但这将要求模块的更多的线组，并且将明显增加所述设备的成本。
图29和图30描述了用于本发明的设备中的光学系统的进一步的可能的细节与实施例。此处，把一个监视器类型的3D显示设备的模块集成于一个所谓的3D光引擎450中，因此，3D光引擎450包括一个作为单一的机械单元的多个模块445。否则，模块445的光学系统类似于图21和22中所示的光学系统，所不同的是把它们的驱动器改换为模块驱动器单元460。随3D光引擎一起使用的屏幕420可类似于屏幕120或屏幕220，即具有附加的水平辐散或不具有附加的水平辐散。这一结构设计恰好对应于当前的RPTV(后投影电视)制造链，其中，屏幕、光学系统、控制电路以及机壳代表着独立的单元，有时来自不同的提供商。以下的这一结构允许更容易地进行3D电视机的大规模的生产。
图31和32描述了平板3D显示设备的不同的实施例。在这些实施例中，通过一个镜子530(图31)或者通过一个光导结构535(图32)折叠光束Ld的路径。所述光导结构由具有高于环境大气的折射率的材料制造，而且在这一方式下，能够通过多个、几何上受控的总的内部反射，把所发射的光束Le导向屏幕520。这些光导投影仪的原理是人们所熟悉的，因此不需要在此详细的加以讨论。熟练技术人员将会明显意识到，存在着多种折叠光路径，以达到更平布置，从而减小整个系统规格的可能性。另外，在规模投影仪布置时，使用一个镜子折叠光束Ld的路径，基本上把所述设备的深度尺寸减半，或者使用两个镜子折叠两次，以达到更为紧凑的布置，也是可能的。在图31中，描述了一个具体的布置，其中，Ld光束在一个非常陡的角度下到达屏幕，屏幕220之后的一个棱镜光栅板或膜执行朝主观看方向的方向转变。也可以在一个步骤中，由不同类型的单一层全息或衍射光屏幕520执行这一方向转变和散射。
图33说明了可以使用菲涅耳透镜630或抛物面镜，通过一种人们所熟悉的方式，自动把所看到的3D图像610转置于离光学系统650更远的位置。
作为图33中所示原理的一个可能的应用，图34描述了一个实际的CAD设计站600，而且其中把所生成的图像610投影在观察者眼睛的前方，远离了相当大的光学系统650，从而提供了对整个3D模型的方便的存取，以及对那些将处于屏幕之后的部分的存取，从而加倍了可用的深度场(FOD)。为此，设计站600包括一个附加的成像光学设备，其把3D图像转置到远离光学系统650的屏幕的一个位置，例如，附加的成像光学设备可以包括与镜子635相组合的菲涅耳透镜630。设计站600还可以包括一个3D输入设备615，3D输入设备615类似一个力反馈触觉装置，其有助于设计人员迅速地精确确定所生成3D图像610上的一个位置，将把其作为具有已知坐标的一个虚拟3D对象加以对待，因此，通过移动3D输入设备615的末端616，用户将会感觉末端616好像实际接触到所投影的图像610。通过力反馈特性增强的感知性，可避免用户把末端616推“入”由图像610虚拟地体现的对象中，或者在试图进行这样的移动时，可能生成的增加的阻力。从所谓的“虚拟现实”应用中，可了解这样的设备。
图35描述了一个具有散射体屏幕720的一个可透版本的实施例。把视频投影仪沿一条线、水平地布置在一个与屏幕相对称的位置上，同时虚地位移投影仪，以致它们将超出3D显示域。可以把这样一个可透的分散的散射屏幕720作为一个全息薄膜加以实现，例如，全息薄膜具有与屏幕220相同角散射特征，而且还具有通常用于薄全息摄影的低于100％的衍射效率(衍射和透射级系数)。由于衍射效率远低于100％，所以观看者可以通过透过一个玻璃表面的屏幕加以观看，他将能够看到位于屏幕之后的真实的对象，同时，他还将能够看到来自投影仪的虚拟分散的Lc光束。把虚拟的3D对象与现实对象相组合，产生一个混合的现实情景，将是可能的，另外，对于具有光与气特征的商店橱窗和其它公共陈列设备来说，其还是一种功能非常强大的广告工具。
图36A描述了图35中所示布置的侧视图。屏幕720可以通过衍射向入射光束Ld的分散添加一个进一步的偏转，但观察者O将不能够看到从屏幕照射系统750，即从投影仪到达的直接出射光束Le(0级)，而仅看到所分散或所衍射的光束Lescatter。
就以上描述而言，也可以通过类似蒸汽或高速气流的某种物质的层流的一个延伸的表面创建散射体屏幕。例如，图36B描述了一种所谓的模糊屏幕820(其本身是人们所熟悉的)，可类似地用作分散散射屏幕720。这一布置的优点在于，可以把屏幕照射系统850放置在一个不引人注意的地方，例如直接放置在天花板下，当观察者不能确定其源，并且能走过图像时，使用3D图像可以达到更多意想不到的效果。
图45中把可透薄3D电视机或监视器型3D显示器描述为又一个可能的实施例。通过使用模块145在一个陡角度下从底部照射的可透屏幕720，实现壳体不太薄的3D显示器是可能的。
附接于档风玻璃的可透屏幕可用于汽车驾驶座中，用作驾驶员的仰视显示器(HUD)。图46中的实施例说明了屏幕720和模块145的一种可能的布置，以使驾驶员可以看到真实3D中的重要的交通与安全信息，从而可以提供比空间中所投影的仅2D平面图像更多的信息，如现有技术中人们所熟悉的。
图38说明了一个屏幕920’，屏幕920’具有一个角度周期性衍射或折射特征，类似于光栅的衍射图案。在这一方式下，屏幕920’把每一入射光束Ld划分成多个出射光束Le，参见图中的3个级-1、0、+1。根据这一衍射结构，把所划分的出射光束转递于多个出射方向。最好使用屏幕920’，其中，偏转的角度β基本上为相邻衍射级之间的角度，大于相邻入射光束Ld之间的(以及相邻出射光束Le之间的)角γ乘以模块145的数目。否则，相邻衍射级的所发射的光束Le，即，扎，将互相干扰。
图37描述了同样的效果，其中，取代透射屏幕920’，使用了一个反射屏幕920，然而，屏幕920也具有一个周期性衍射或折射特征，因此其能够把光按方向可选择方式转递于多个方向。模块145类似于先前所讨论版本中所描述的模块145。
根据这一点，图37描述了3D显示设备的又一个实施例。这一布置配备有一个屏幕920。如所描述的，屏幕920的特性在于，它提供了一个周期性的辐散，类似于光栅的衍射图案。在这一方式下，屏幕920把每一入射光束Ld分割成多个出射光束Le，在图37中的5个域中，可以看到5个所发射的光束Le-2、Le-1、Le0、Le+1以及Le+2。根据这一衍射结构，把所划分的出射光束转递于多个水平出射方向，以致坐在座椅925上的每一观察者将可从一个相当小的视角看到3D图像，而否则所有观察者将会看到同样的图像。在电影院中，把坐其座椅上的人们安置于一个相当小的区域中，他们的移动范围也受到限制，因此把所有的Le光束集中在该地方是可能的。基本上讲，这将分布给定数目的独立的Le光束，因此可在该地方中提供极高的角分辨率，从而允许极高的3D质量视图，但向较多的观看者提供了相同的3D视图。这也是家庭电影院或控制室应用的典型要求。
图40～44介绍了不同的模块屏幕布设或配置。例如，可以按后投影(参见图40和41)或者前投影(参见图42和43)配置布置这些模块。后投影配置意指屏幕120是可透射的，模块位于屏幕之后，Le光束从后侧击中屏幕，其优点为，观看者可以靠得很近，而且不会在图像中产生阴影。前投影配置意指模块145从观察者所处位置的同一侧朝屏幕进行投影(因此，这些模块通常在观察者之上，尽管在图42和43中它们比观察者更靠近屏幕)，从而要求较少的空间。在这一布置中，屏幕通常为反光的。例如，图42中的屏幕620为一个类似镜子的反射表面。采用一个后面具有镜子的可透射屏幕120，可以获得这样的一个屏幕620。图43中的屏幕620’为一个半回射镜子，其回射光束的水平分量，但正常反射垂直分量。
屏幕120’为一个可向后透射屏幕，根据Ld光束的入射角度，把它们对称地重新导向屏幕的相反侧上的对称点，参见图41。可以通过两个双凸透镜型光学表面实现这样的一个屏幕120’，其中，双凸透镜型光学表面使用通常的散射体确保所要求的散射特征。
熟练技术人员将会明显意识到，存在着多种可能性，并且可以按多种方式实现这样的具有特定角特征的折射、反射/可透射散射屏幕，例如全息屏幕、双凸透镜屏幕、回射屏幕、折射或衍射散射体板、菲涅耳透镜或它们的任何组合。
根据本发明的3D显示设备可以配备有这样的散射体屏幕，其进一步展示了一个修改所转递的光束的主方向的折射特征，。图44说明了屏幕120不仅可以沿水平方向，而且还可以沿垂直方向展示折射特征。在图44的实施例中，屏幕120与菲涅耳透镜122互补。
在一个较佳的选择中，按水平对称、垂直倾斜配置布置屏幕和模块。图35和36A中描述了这样一个配置，通过任何类似菲涅耳透镜的折射装置或者一个棱镜阵列，把光导入中心区域，可以提高效率，并且有助于均匀照射。
图39中针对离轴配置，描述了又一个实施例，其中，说明了一个水平布置。在桌子下的各侧成直线布置两组模块145，桌面本身为屏幕220。位于两处的观看者将可以在相反侧看到来自模块145的、导向他们的光束Le。他们在相反方所看到的3D视图可以与在同一屏幕表面上所看到的3D视图相同或者完全不同，因为他们中的每一个人将看到来自不同模块的不同光束。不仅可以按矩形，也可以按圆形形式实现这一水平布置。通过在某些步骤中把更多行的模块放置在屏幕之下，引入垂直视差，也是可行的，当然，应该把较大的屏幕散射角度与这一布置相关联。在处理水平特征3D数据的场合，例如在地质勘探、地貌模拟、3D游戏中，使用这样的3D工作台，最为理想。
图51和52描述了所述3D显示设备的一个实施例的数据控制系统的一个基本的方框图。该数据控制系统包括一个中心控制器741，中心控制器741位于一个总控制单元740中，总控制单元740通常为一个具有专用软件的功能强大的微处理器，其可通过输入接口754控制3D图像的输入，并且可以通过一个投影仪接口746监督其向模块145的馈送。中心控制器741还可以监督针对模块145和各种传感器744的冷却系统742的校正功能，例如，传感器744可以为以下参照图47～50所解释的温度传感器或图像捕获设备。总控制单元740可以配有一个UPS 756。
可以把馈送于模块中的投影仪或二维显示器单元的不同的图像从一个外部源馈送于模块中。其可能为这样一种情况例如，使用一个3D视频电影胶片。然而，在许多应用中，通常在CAD应用中，不预先存储图像(这将要求存储极大量数据以及对极大量数据进行多路传输)，而仅仅是把所示3D对象的定义馈送于控制系统740。然后，从控制单元740(或者直接从输入接口754)把定义数据(通常为标准的3D模型或OpenGL流)输入于一个翻译群748中，翻译群748实时地计算模块145中每一显示器的相应的图像数据。通过一个相应的翻译群接口752，把这些图像数据输入于模块145，翻译群接口752可以为类似来自ATI或nVidia的标准的高性能3D图形卡。于是，翻译群748根据对象定义生成将在模块145中的二维显示器上显示的图像。在数据生成期间，翻译群748可以根据校准数据考虑对图像数据的必要的修改，以下将对校准数据的生成进行解释。
由于翻译群748通常必须在极短的时间内进行大量的计算，所以应预见到要用一个计算机群补充总控制单元740。图52中示意性地描述了这样的一个群。由一个独立的群管理PC 840控制所述群中的个人翻译PC 842(个人计算机)。实际上，基于PC的群将执行图51所示翻译群748的功能。
在一个更具有优势的实施例中，所述3D显示设备配备有一个控制单元740，控制单元740包括用于对模块145的光学系统进行校准的装置。将参照图47～50解释的这一校准装置的特性。
除了以上所描述的硬件元件，所述3D显示设备还可以包括一个光图像检测器设备，例如一个照相机800，该光图像检测器设备能够检测一或多个模块145的光学系统所生成的图像。也把照相机800连接于控制系统740。控制系统740包括一个用于控制照相机800以及用于估计照相机800所捕获的图像的相应的软件。
可以按下列方式执行对模块145的校准使用多个模块145，最好使用每一个模块145，生成所选择的测试图像。例如，一个测试图像802可以为一个简单的叉号，或者类似的人们所熟悉的、可由图案识别软件容易地加以标识的测试图像。控制系统740指示各模块把测试图像802投影于定义好的位置，例如，投影在一个测试网格803上。可以把测试网格803物理地附接于屏幕120，也可以根据照相机图像仅对其加以计算。然后，控制系统740可以使用一个图像检测设备检测所生成的测试图像802，在所描述的这一实施例中，图像检测设备为照相机800。控制系统包括一个适合于估计所检测的图像的合适的软件。这一软件还检测所投影测试图像802的真实位置，并且判断真实位置和标定位置之间的差别。基于这些差别，校准软件生成针对相关模块的校准数据。标定位置为测试图像的理论上正确的投影位置。根据校准数据，控制系统或翻译群将在投影位置中进行必要的修改，其将对将实时加以投影的图像数据进行预矫正。较佳的做法是，通过对模块中的二维显示器上的二维图像进行翻译，修改投影位置，然而机械地调整投影光学设备也是可行的，较佳的做法是采用软件方案。
也可以按类似的方式校正定位误差和成像失真。图48说明了在测试方式下，指示一个模块145把一个诸如网格的测试图案804投影在屏幕120上。也由照相机800检测测试图案804，然后，通过确定相对于一个理论上无错的测试图像806的预先确定的点的差Δ(Δx，Δy)，分析测试图案的形状。也可以使用适当的校准软件执行对该差的确定。
当已如此获得校准数据时，翻译群748或者中心控制器741通过投影仪接口修改输入于模块145的数据。这意味着令图像数据经历“反失真”变换，从而消除了光失真。因此，模块145将把一个附近的不失真的图像806投影于屏幕，如图49中所示。
针对每一模块145存储校准数据。在正常操作期间，翻译群148根据校准数据，修改模块145的输入数据，并且把所修改的图像数据发送至投影仪或模块145。
对于视频图像，使用相应的校准数据，实时地修改各模块的输入数据，以及实时地把所修改的图像数据发送至投影仪或各模块中的2D显示器。理论上讲，在执行实际的投影之前，预先执行对视频数据序列的校准也是可行的，但这要求存储大量数据，因此是不太实际的。
图50A和50B说明了一个十分类似的校准规程可以确保从不同模块145所发射的、以及入射在屏幕上的光束，按预先确定的强度击中模块145的一个预先确定的点。在图50A中，指示模块145把所照射的列808互相左右相邻地加以投影。照相机800检测列808，并且通过亮度校准软件进行分析。也可以把相对亮度或强度数据包括在校准数据中，此后可将它们存储在校准数据存诸器758中(参见图51)。较佳的做法是，分别针对每一模块生成和存储校准数据。熟练技术人员将会明显意识到，在这一方式下，校准软件能够补偿模块145的光学系统之间的光瑕疵、失真、几何上未对准、以及亮度/对比度差。一般情况下，校准将延伸至模块内的失真和模块间的差别。一个适当的校准将导致分辨率的显著提高，特别是对于3D图像中较深的细节，从而大大地改进了最终图像的均匀性。在按平行方式生成3D图像的情况下，当所有模块都同时参与整个3D图像的建造时，校准是使所有这样的系统得以正常运行的关键所在。本发明描述了如何提高这样的3D系统的质量、以及如何充分利用这样的3D系统的能力。
本发明并不局限于所描述的和所公开的实施例，其它元件、改进以及变化也属于本发明的范围。例如，这一技术领域中的熟练技术人员将会明显意识到，可以按多种方式实现模块中的光投影系统。另外，模块和屏幕布设也可以具有众多变化形式。
权利要求
1.一种用于显示3D图像的设备，该设备包括a，一个屏幕，具有依赖于角度的散射特征，用于可选向地转递光，b，一个屏幕照射系统，该屏幕照射系统包括用于生成入射到屏幕的各个点上的多个光束的多个模块，对这些模块进行布置，以致屏幕的每一个点均由多个模块加以照射，并且把一个模块所生成的入射光束投射于从该模块朝多个不同的屏幕点的多个不同的方向，而且还把一个模块所生成的不同的入射光束从屏幕朝不同的发射方向转递，用于使用所述模块中一个单一图像点的图像信息，对每一入射光束进行编码的装置，其中，观察者所看到的3D图像由多个模块生成，c，一个控制系统，用于控制各个模块，d，所述设备还包括用于把一个出射辐散赋予通过屏幕透射的或者通过屏幕反射的出射光束的装置，出射辐散的测量基本上对应于与光学相邻的模块相关的相邻发射方向之间的角度，以提供观察者所看到的3D图像中的一个基本上连续的运动视差，其特征在于，所述设备包括用于生成具有一个基本上朝一个屏幕点收敛的收敛部分的入射光束的成像装置，其中，入射光束的收敛基本上等于出射屏幕的光束的出射辐散。
2.一种用于显示3D图像的设备，该设备包括a，一个屏幕，具有依赖于角度的散射特征，用于可选向地转递光，b，一个屏幕照射系统，该屏幕照射系统包括用于生成入射到屏幕的各个点上的多个光束的多个模块，对这些模块进行布置，以使屏幕的每一个点均由多个模块加以照射，并且把一个模块所生成的入射光束投射于从该模块朝多个不同的屏幕点的多个不同的方向，而且还把一个模块所生成的不同的入射光束从屏幕朝不同的发射方向转递，用于使用所述模块中一个单一图像点的图像信息，对每一入射光束进行编码的装置，其中，观察者所看到的3D图像由多个模块所生成，c，一个控制系统，用于控制各个模块，d，所述设备还包括用于把一个出射辐散赋予通过屏幕透射的或者通过屏幕反射的出射光束的装置，出射辐散的测量基本上对应于与光学相邻的模块相关的相邻发射方向之间的角度，以提供观察者所看到的3D图像中的一个基本上连续的运动视差，其特征在于，所述设备包括用于生成具有一个基本上朝一个提供了一个附加辐散的屏幕点收敛的收敛部分的入射光束的成像装置，其中，屏幕所提供的辐散的角度小于与光学相邻的模块相关的相邻发射方向之间的角度。
3.根据权利要求1或2所述的设备，包括用于把单独的入射光束聚焦在与相应入射光束相关的一或多个屏幕点上。
4.根据权利要求1～3所述的设备，其中，入射光束的收敛部分的收敛角度基本上对应于与相邻模块相关的相邻发射方向之间的角度。
5.根据权利要求1～4所述的设备，其中，由一个模块的成像装置的一个出射光圈和一个模块的成像装置的一个焦距确定入射光束的收敛部分的收敛角度。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，出射光圈具有一个用于补偿光束的收敛部分的非均匀光强度分布的预先确定的形状。
7.根据权利要求1～6所述的设备，其中，相邻入射光束至少部分地重叠，每一光束的重叠区域具有一个低于中心处光束的角强度分布的一个标称值的强度，以使两个相邻光束的最终所得到的重叠的强度基本上相应于该标称值。
8.根据权利要求1～6所述的设备，其中，相邻入射光束修补一个边缘区域。
9.根据权利要求1～6所述的设备，其中，相邻入射光束之间存在一个未被照射的间隙。
10.根据权利要求1～9所述的设备，其中，出射光束具有一个不同于沿水平方向的辐散的沿垂直方向的辐散。
11.根据权利要求1～10所述的设备，包括一个用于沿至少一个方向把一个辐散赋予出射光束的散射体屏幕，最好是一个垂直散射体屏幕。
12.根据权利要求9～11所述的设备，包括一个用于赋予一个附加水平辐散的散射体屏幕，其中，散射体屏幕的散射角度基本上等于相邻发射方向之间的角度和入射光束的收敛的角度之间的差。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其中，屏幕的垂直散射大于其水平散射。
14.根据权利要求11～13所述的设备，其中，散射体屏幕具有周期性衍射或折射特征，其中，散射角度小于衍射或折射所生成的偏转角度。
15.根据权利要求11～14所述的设备，其中，散射体屏幕还展示一个修改所转递的光束的主方向的折射特征。
16.根据权利要求11～15所述的设备，其中，散射屏幕包括全息屏幕、微透镜屏幕、双凸透镜屏幕、回射屏幕、折射或衍射散射体板、菲涅尔透镜或它们的任何组合，或者由某种物质的层流所创建的表面中任何一种的散射屏幕。
17.根据权利要求11～15中任何一个权利要求所述的设备，其中，散射屏幕具有一个平面或曲面表面。
18.根据权利要求11～17所述的设备，其中，在一个基本上水平的平面中沿一条曲线，或者按多条、垂直偏移的、基本上水平的曲线周期性地布置模块，并且把各个模块布置为在没有垂直视差信息的情况下投影2D图像。
19.根据权利要求11～18所述的设备，其中，按前投影或后投影配置布置屏幕和各个模块。
20.根据权利要求11～19所述的设备，其中，按水平对称、垂直倾斜配置布置屏幕和各个模块。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，屏幕为一个具有部分散射特征的可透屏幕，无散射地透射部分的入射光束。
22.根据权利要求1～20所述的设备，其中，把每一模块作为视屏投影仪、数据投影仪、视频投影仪光引擎、RPTV(后投影电视)光引擎、LED投影仪、激光投影仪等加以实现。
23.根据权利要求1～22所述的设备，其中，模块还包括一个二维显示器，尤其是透射或反射模式的LC、LCOS、FLCOS微显示器、LED或OLED显示器、DMD芯片、微机械光栅(GEMS、GLV)或者其它光阀矩阵。一个光学系统，用于把二维显示器的各个像素成像在屏幕上，最好使用一个广角、大入口以及出射光瞳。
24.根据权利要求1～23所述的设备，其中，模块还包括用于向二维显示器提供一个广角照射的照射装置，该照射装置包括一个光源，最好是具有不同的颜色或发射白光的投影仪灯、或高亮度LED、或LED芯片阵列，光投影装置，用于把光源的光投影在二维显示器上。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，包括按行与列布置于一个阵列中的LED或LED芯片，其中按行布置具有相同颜色的LED或LED芯片，把每一个LED或LED芯片与出射光瞳中一个不同的水平位置相关联，同时把按列布置的不同颜色的LED或LED芯片与出射光瞳中基本相同的水平位置相关联。
26.根据权利要求24所述的设备，其中，照射装置包括三种以上不同主颜色的LED或LED芯片，或者一个具有三种以上不同颜色滤色器节的颜色轮盘。
27.根据权利要求1～26所述的设备，包括一个3D光引擎，该3D光引擎包括作为一个单一机械单元的多个模块。
28.根据权利要求1～27所述的设备，包括一个附加的成像光学设备，其把3D图像转置到离开屏幕的一个位置。
29.根据权利要求28所述的设备，包括一个光导管，该光导管由具有高于环境大气的折射率的材料制造，通过多个、几何上受控的总的内部反射，把光束导向屏幕。
30.根据权利要求1～26所述的设备，包括一个基本上水平的屏幕，以及交叉于屏幕的大角度散射的方向布置的光投影模块的至少一个行组。
31.根据权利要求1～30所述的设备，其中，控制系统包括一个计算机群。
32.根据权利要求1～31所述的设备，其中，控制系统包括用于对模块的光学系统进行校准的装置。
33.根据权利要求32所述的设备，其中，用于进行校准的装置适合于根据所存储的校准数据，修改输入于模块中的显示器的3D图像数据，其中，校准数据可用于补偿最终3D图像的几何上的失真、未对准与/或亮度不均匀，从而可用于把所投影的物理图像校正为符合理论上无误差的所投影的图像。
34.根据权利要求1～33所述的设备，包括用于针对每一模块的光学系统生成校准数据的装置，以及用于存储与每一模块的光学系统相关的校准数据的存储装置。
35.根据权利要求34所述的设备，包括用于估计所检测图像的软件装置，其中，所述软件装置适合于建立所检测图像和理论上无误差的图像之间的差。
36.根据权利要求34或35所述的设备，包括一个用于检测一或多个模块所生成的图像的光图像检测器设备。
37.一种用于显示3D图像的方法，该方法包括下列步骤a，由多个模块生成入射于用于可选向地透射或反射与/或偏转光的屏幕的多个光束，b，把所生成的光束从多个模块朝屏幕的多个不同的点加以投影，屏幕的每一个点均由从多个方向入射的多个光束加以照射，并且把光束从每一屏幕点朝不同的发射方向转递，同时使用一个单一图像点的图像信息，对每一入射光束进行编码，c，把一个出射辐散赋予通过屏幕透射的或者通过屏幕反射的入射光束，出射辐散的测量相应于相邻发射方向之间的角度，其特征在于，把辐散赋予至少一部分入射光束，其中，收敛基本上等于出射辐散。
38.根据权利要求37所述的方法，包括用于把一部分入射光束光聚焦在一个屏幕点上的步骤。
39.根据权利要求37或38所述的方法，其中，入射光束的收敛的角度小于出射光束的辐散角度，其中，该方法还包括下列步骤除了入射光束的收敛所导致的辐散之外，还把一个附加的辐散赋予出射光束，其中，附加的辐散由屏幕引入，因此，出射光束的辐散的角度基本上相应于屏幕散射的角度与入射光束的收敛的角度之和。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，把入射光束的角强度分布选择为屏幕的角散射特征的反相关函数，以提供出射光束的一个稳定强度分布，以及属于相邻发射方向的出射光束之间的一个平滑的强度过渡。
41.根据权利要求37～40所述的方法，还包括这样一个步骤把每一入射光束分割成多个出射光束，并且把所分割的出射光束转递于多个出射方向，而且为了进行分割，以及为了可选向地把每一光束转递于具有相应于相邻发射方向之间的角度的辐散的多个方向，使用了一个具有周期性衍射或折射特征的屏幕
42.根据权利要求37～41所述的方法，包括下列步骤生成仅具有水平视差的3D图像，其中，出射光束展示了不同于沿水平方向的辐散的沿垂直方向的辐散，并且使用了一个垂直方向的散射角度大于水平方向的散射角度的屏幕。
43.根据权利要求37～42所述的方法，包括下列步骤使用具有可控收敛角度和发射位置、以及收敛入射光束中独立控制部分的入射光束。
44.根据权利要求43所述的方法，包括下列步骤使用一个可控的延伸的光源，生成入射光束，具有按行与列布置于一个阵列中的各个LED源，其中，按行布置具有相同颜色的LED源，把每个LED源与入射光束的一个不同的水平位置相关联，同时按基本属于入射光束的相同的水平发射位置的列布置不同颜色的LED源，该方法还包括下列步骤接通LED阵列的相同列中的各个LED源，从而生成各种颜色，或者一种实质上单一的中性颜色，最好为白色，把不同的观看方向信息赋予LED阵列的不同的列，从而提高了所看到的3D图像的角分辨率，并且增强了观察者的深度感。
45.一种用于显示3D图像的设备，该设备包括a，一个屏幕，具有依赖于角度的散射特征，用于可选向地转递光，b，一个屏幕照射系统，该屏幕照射系统包括用于生成入射于屏幕的各个点上的多个光束的多个模块，对这些模块进行布置，以使屏幕的每一个点均由多个模块加以照射，并且把一个模块所生成的入射光束投射于从该模块朝多个不同的屏幕点的多个不同的方向，而且还把一个模块所生成的不同的入射光束从屏幕朝不同的发射方向转递，用于使用所述模块中一个单一图像点的图像信息，对每一入射光束进行编码的二维显示装置，其中，观察者所看到的3D图像由多个模块所生成，c，一个控制系统，用于控制各个模块，d，所述设备还包括用于把一个出射辐散赋予从屏幕所转递的出射光束的装置，出射辐散的测量基本上对应于与光学相邻的模块相关的相邻发射方向之间的角度，以提供观察者所看到的3D图像中的一个基本上连续的运动视差，其中，控制系统包括用于对模块的光学系统进行校准的装置。
46.根据权利要求45所述的设备，其中，进行校准的装置适合于修改构成3D图像数据的二维图像。
47.根据权利要求46所述的设备，还包括用于向各个模块输入二维图像的装置，用于进行校准的装置，即通过根据所存储的校准数据修改各个模块所投影的二维图像而进行校准的装置，其中，校准数据可用于补偿出现在最终3D图像的几何上的失真、未对准与/或亮度/强度误差，从而可用于把所投影的物理图像校正为符合理论上无误差的所投影的图像。
48.根据权利要求45～47所述的设备，包括用于针对每一模块的光学系统生成校准数据的装置，以及用于存储与每一模块的光学系统相关的校准数据的存储装置。
49.根据权利要求48所述的设备，包括一个用于检测一或多个模块的光学系统所生成的图像的光图像检测器设备，以及用于估计所检测图像的软件装置。
50.根据权利要求49所述的设备，其中所述软件装置适合于建立所检测图像和理论上无误差图像之间的差。
51.一种用于校准显示3D图像的设备的方法，其中，所述设备包括a，一个屏幕，具有依赖于角度的散射特征，用于可选向地转递光，b，一个屏幕照射系统，该屏幕照射系统包括用于生成入射于屏幕的各个点上的多个光束的多个模块，对这些模块进行布置，以使屏幕的每一个点均由多个模块加以照射，并且把一个模块所生成的入射光束投射于从该模块朝多个不同的屏幕点的多个不同的方向，而且还把一个模块所生成的不同的入射光束从屏幕朝不同的发射方向转递，用于使用所述模块中一个单一图像点的图像信息，对每一入射光束进行编码的二维显示装置，其中，观察者所看到的3D图像由多个模块所生成，c，一个控制系统，用于控制各个模块，d，所述设备还包括用于把一个出射辐散赋予从屏幕所转递的出射光束的装置，出射辐散的测量基本上对应于与光学相邻的模块相关的相邻发射方向之间的角度，以提供观察者所看到的3D图像中的一个基本上连续的运动视差，该方法包括下列步骤使用每一模块，生成一个二维测试图像，使用一个图像检测设备，检测所生成的测试图像，估计所检测的图像，并且根据对所检测的图像的估计，生成针对相关模块的校准数据，存储针对每一模块的校准数据，根据校准数据，修改模块的输入数据，并且把所修改的2D图像数据发送给各个模块。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，实时地执行使用相应校准数据对各个模块的输入数据的修改，以及把所修改的图像数据向各个模块中的2D显示器的发送。
53.根据权利要求51所述的方法，还包括下列步骤使用一个校准规程，以确保从不同模块发射的入射于屏幕的光束按预先确定的强度击中屏幕上的一个预先确定的点，从而可补偿各个模块的光学系统之间的光缺陷、失真、几何未对准、以及亮度/对比度误差。
全文摘要
本发明旨在提供一种用于显示3D图像的设备与方法。所述设备包括a)一个屏幕，具有依赖于角度的散射特征，用于可选向地转递光；b)一个屏幕照射系统，该屏幕照射系统包括用于生成入射于屏幕的各个点上的多个光束的多个模块，对这些模块进行布置，以致屏幕的每一个点均由多个模块加以照射，并且把一个模块所生成的入射光束投射于从该模块朝多个不同的屏幕点的多个不同的方向，而且还把一个模块所生成的不同的入射光束从屏幕朝不同的发射方向转递；用于使用所述模块中一个单一图像点的图像信息，对每一入射光束进行编码的装置，其中，观察者所看到的3D图像由多个模块所生成；c)一个控制系统，用于控制各个模块；以及d)用于把一个出射辐散赋予通过屏幕透射的或者通过屏幕反射的出射光束的装置，出射辐散的测度基本上相应于与光学相邻的模块相关的相邻发射方向之间的角度，以提供观察者所看到的3D图像中的一个基本上连续的运动视差。根据本发明的设备包括用于生成具有一个基本上朝一个屏幕点收敛的收敛部分的入射光束的成像装置，其中，入射光束的收敛基本上等于出射屏幕的光束的出射辐散。所述模块可以为视频投影仪、LED投影仪、这些投影仪的光引擎等，将它们按周期性地偏移的方式，最好沿水平方向加以布置，而且把散射体屏幕作为全息屏幕、衍射或折射元件的阵列、回射的表面、或者它们的任意的组合加以实现，用于沿至少一个方向的出射光束，最好赋予沿垂直方向把一个较大的辐散赋予出射光束，而沿其它方向，屏幕所提供的辐散角度小于与光学相邻的模块相关的相邻发射方向之间的角度。本发明还旨在提供一种通过根据本发明的设备所实现的方法。
文档编号G02B27/22GK1989773SQ200580025393
公开日2007年6月27日 申请日期2005年5月25日 优先权日2004年5月26日
发明者蒂博尔·包洛格 申请人:蒂博尔·包洛格