专利名称：自动立体显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动立体显示设备领域，其中，观察者无需佩戴特殊的眼镜即可观看三维(“3D”)图像。具体而言，但不排除其它情况，本发明涉及向具有较高活动自由度的多个观察者提供立体图像。
背景技术：
传统的3D显示已经在大量出版物中进行了描述，包括″NewAutostereoscopic Display System″，Ezra，Woodgate，Omar，Holliman，Harrold和SHAPIRO(1995)，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays andVirtual Reality Systems II″Vol.2409，pp31-40；″Retroreflective Screens andtheir Application to Autostereoscopic Displays″Harman，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems IV″，VOL.3012，pp145-153；″Stereoscopic Display Employing Head-Position Tracking UsingLarge Format Lenses″，Hattori，(1993)，SPIE Proceedings″StereoscopicDisplays and Applications IV″Vol.1915，pp2-5；″Three-Dimensional Displaywith Focused Light Array″KAJIKI，Yoshikawa，和Honda(1996)，SPIEProceedings″Practical Holography X″Vol.2652，pp106-116；″Perfect3-Dimensional Movies and Stereoscopic Movies on TV and ProjectionScreens；An Appraisement″，Klein和Dultz(1990)，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays and Applications″Vol.1256，pp289-295；″Stereoscopic Liquid Crystal Display II(Practical Application)″，Nishida，Hattori，Sakuma，Katayama，Omori和Fukyo(1994)，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems″，Vol.2177，pp150-155；″Lenticular Stereoscopic Display System with Eye-Position Tracking andWithout Special-Equipment Needs″，Omura，Tetsutani和KISHINO(1994)，SID 94 Digest，pp187-190；″Head-Tracking Stereo DisplayExperiments andApplications″，Paley(1992)，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays andApplications III″，VOL.1669，P88；″Head Tracking Stereoscopic Display″，Schwartz(1985)，Proceedings of IEEE International Display ResearchConference，pp141-144；″Parallax Barrier Display Systems″Sexton(1992)，IEE Colloquium″Stereoscopic Television″Digest No1992/173，pp5/1-5/5；美国专利5712732；″3D-TV Projection Display System with Head Tracking″，Tetsutani，Ichinose和Ishibashi(1989)，Japan Display′89，pp56-59；″AStudy on a Stereoscopic Display System Employing Eye-position Trackingfor Multi-viewers″，Tetsutani，Omura和Kishino(1994)，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems″，Vol.2177，pp135-142；″Autostereoscopic Display using Holographic Optical Elements″，Trayner和Orr(1996)，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays and Applications VII″，Vol.2653，pp65-74；″Developments in Autostereoscopic Displays usingHolographic Optical Elements″，Trayner和Orr(1997)，SPIE Proceedings；以及″Observer Tracking Autostereoscopic 3D Display Systems″，Woodgate，Ezra，Harrold，Holliman，Jones和Moseley(1997)，SPIE Proceedings″Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems IV″，Vol.3012，pp187-198。
多年来，3D显示器已经用于多种适当的用途，并且由于提高了显示系统的质量，从而也拓宽了其应用范围。广播电视也许是最大的潜在应用领域，然而电视系统的要求复杂，现有的显示系统很少能够满足这些要求。
对适用于广播电视系统的显示器而言，有多种期望的要求。很希望能够提供一种可以为占据典型“起居室”大小区域的多个观察者提供立体图像的显示器。这种系统比用于诸如电脑显示器或者游戏机用途的单观察者的系统更为复杂。
在某些系统中，诸如为每个观察者提供一对移动的放映机的情况下，显示器的整体尺寸不宜过大。室内电视显示器的基本要求是其能够从门中通过。所提出的显示器的尺寸和当前背投电视的尺寸相当。
一些现有技术的自动立体显示器的工作方式为在屏幕前面提供一些区域，在这些区域中在整个屏幕宽度范围内仅能看到左图像；以及邻近的一些仅能看到右图像的区域。将这些区域称为出射光瞳。根据头部位置跟踪器的输出，控制这些出射光瞳的位置使其跟随观察者的眼睛位置，其中头部位置跟踪器确定观察者的眼睛位于屏幕前面什么位置。头部跟踪的优点是其确保不会显示观察者实际上看不到的东西，从而使要显示的信息量最少。
参考图1，原理上，可以使用靠近LCD显示器的大型透镜9和位于其后面的光源8而形成出射光瞳。设想一只眼睛位于图1(a)中的出射光瞳10处；在该位置，可以在透镜的整个区域上观察到光亮。当离开该光瞳时，眼睛或者看不到光亮，或者只在透镜的一部分上看到光亮。
然而，这种显示器结构太大而不切实际。在图(b)中，可以使用透镜阵列12来代替单个的大型透镜，透镜阵列12中的每一个均具有自己的小光源11。光源11位于一个平面中。在此情况下，由从阵列12出来的一束大致平行的射线形成出射光瞳13，这与从透镜9出去的连续会聚射线相反。
当用于3D显示时，现有技术的使用柱面透镜阵列以形成垂直出射光瞳的系统具有一些缺点。首先，离轴像差限制了离轴性能，从而显示器无法在多用户应用中在足够宽的范围内提供出射光瞳。第二，很难使透镜之间的边界不可见。
发明内容
根据本发明，提供了一种自动立体显示系统，其具有一个视场，在该视场中，该系统能够对出射光瞳进行操纵，在各个出射光瞳中，观察者可以观察到针对选定眼睛的图像，其中，该系统包括通过对光线进行选择性衰减而形成图像的图像形成装置、用于向该图像形成装置投射光线的光学元件阵列，以及用于将光线输出到所述光学元件阵列中的光线输出位置阵列，
其中，提供了多组光线输出位置，每一组在与一组所述光学元件相关联的对应水平宽度上延伸，光线输出位置是可选择的，从而通过从所述多组光线输出位置中的各个组中选择至少一个光线输出位置，而在视场的选定部分中形成出射光瞳，其中，各个所述光线输出位置组具有相关的孔，用于限制从光线输出位置输出的光的水平宽度，所述的孔的水平宽度分别小于相关光线输出位置组的水平宽度。
通过使用本发明，可以制作自动立体显示器，由此可以在图像形成装置(例如可以是显示屏)上，向在视场内具有较高移动自由度的多个观察者提供3D图像。
下面结合附图对仅以示例方式给出的本发明优选实施例进行详细说明，从而可以更清楚地理解本发明的其他特征和优点。
图1显示的是可以使用一个大型透镜或者透镜紧凑阵列而形成出射光瞳的方式；图2显示的是根据本发明的3D显示系统；图3显示的是根据本发明一个实施例的光学元件的平面图；图4显示的是与图3所示光学元件相似的光学元件的透视图；图5显示的是根据本发明一个实施例的操纵阵列结构的平面图；图6显示的是图5所示阵列的正面图；图7显示的是根据本发明另一个实施例的操纵阵列结构的平面图；图8显示的是与图7的操纵阵列相似的一组两个操纵阵列的透视图；图9显示的是操纵阵列和屏幕组件之间的关系；图10显示的是显示系统的透视图，其中使用折叠式反射镜来缩短操纵阵列长度和降低壳体尺寸；图11显示的是示例性视场的平面图及其尺寸；图12显示的是示例视场及其观察者的平面图；图13(a)显示的是柱面透镜和共面光源阵列的透视图；
图13(b)显示的是二维矩阵的光输出位置；图14是侧视图，显示了两种可选静态空间复用方法的操作；图15是侧视图，显示了动态视差格栅复用方法的操作；图16显示的是孔图像宽度变化对由图像的垂直延伸所产生的感知强度的影响；图17显示的是由具有渐变孔边部的阵列所形成的孔图像的正面图；图18显示的是图像垂直扩展之后孔边部渐变的效果。
具体实施例方式
参考图2，根据本发明实施例的3D自动立体显示器1形成区域2、3和4，其中，观察者5、6和7分别只能在屏幕的整个宽度上看到左图像。这些区域(称为出射光瞳)的位置由位于屏幕后面的操纵光学装置确定。头部位置跟踪器系统(未示出)对操纵光学装置进行控制，以确保这些出射光瞳始终位于观察者的左眼处。头部跟踪装置(例如，包括与眼睛位置识别处理装置组合在一起的摄像机)是公知的，在此不再详述。分别对各个观察者的眼睛位置进行跟踪。出射光瞳是具有如图所示菱形截面的垂直柱体，并且可以在视场V中进行横向和前后操纵。操纵光学装置为每个观察者形成两个出射光瞳。对于每个形成的左出射光瞳，在各个左出射光瞳的右侧形成图中未示出的右出射光瞳。优选地，对系统进行布置，使得在不影响屏幕视线的情况下，容纳足够多数目的观察者。优选地，该系统能够将出射光瞳投射到至少两个观察者的左眼和右眼，而更优选地是三个或者四个观察者。
显示器1包括屏幕组件，其后面有操纵光学装置。如图2所示，操纵光学装置在屏幕组件前面形成多个出射光瞳。为了便于解释，在图中仅显示了针对观察者左眼的左出射光瞳。在实际显示器中，同时形成左出射光瞳与右出射光瞳。
在一个实施例中，在屏幕组件的液晶显示器(LCD)上的交替像素行上，显示由操纵光学装置投射到出射光瞳中的左和右图像；这种结构称为空间复用，并且使各个图像的垂直空间分辨率减半。使用空间复用来显示左和右图像而不会有可察觉的闪烁。可选地，利用足够快的显示器，可以使用操纵光学装置在左右眼场序模式中工作，以提高垂直空间分辨率。可以利用显示系统中的LCD控制单元(未示出)来进行LCD的控制。LCD控制单元可以从诸如广播接收机的视频输入装置(未示出)和诸如DVD播放器的视频媒体播放器等接收立体图像信号。
操纵光学装置包括在下面进行详述的光学元件阵列，该操纵光学装置能够在距离屏幕组件相当范围的距离内形成出射光瞳；这与其它将观察者限制在接近最优观看距离的大多数其它系统不同。在视场内，该光学装置还能够在一个水平角度范围内形成出射光瞳。
通过使用开关光源和/或者空间光调制器(SLM)来实现操纵。光源或者空间光调制器为操纵阵列的各个光学元件形成一组光线输出位置，从该位置将光输出到相应的光学元件中。这些输出位置是可选择的，从而通过从各组光线输出位置(各个组在给定的水平宽度上延伸)中选择至少一个光线输出位置，在视场的选定区域中形成出射光瞳。通过显示器系统内与显示器系统的头部跟踪装置相连的操纵控制单元(未示出)来实现光输出位置的控制。
在一个实施例中，显示器为视场内的所有观察者提供相同的图像对。使用两个图像使得带宽需求相对低，并且降低了LCD的复杂性。然而，这种配置不能实现运动视差，即“巡视”物体的能力。可以通过下面所述的空间复用，或者分别将不同的图像投射到左和右出射光瞳中，同时把帧频提高为两倍，从而形成图像对。在另外一个实施例中，通过对不同的观察者显示各自的图像对而提供运动视差。如果在视场中有N个观察者，将要显示2N个画面。可以使用空间复用来显示这些不同的画面，即在LCD的不同行上形成单独的图像，并且将不同的图像投射到不同的出射光瞳中。与利用空间复用向所有观察者提供相同图像的结构相比，这会使显示器的垂直分辨率降低为1/N。可选地，与向所有观察者提供同一图像对的结构相比，把帧频提高为N倍，基于帧而在不同的帧中将不同图像复用到不同的出射光瞳中，从而在不损失垂直分辨率的情况下为N个观察者提供运动视差。本发明的操纵光学装置具有在这两种情况下进行工作的能力。
图3显示的是用于向LCD投射光线的操纵阵列的光学元件的平面图。该光学元件包括前部F和后部R，由部分不透明的表面A分开。该表面A形成了一个孔，光可以通过该孔区域从后部R投射到前部F。该光学元件为薄的平面元件，其后部和前部由诸如模制玻璃的透明材料制成。前部和后部由具有如图3所示水平轮廓的垂直薄材料制成。后部R具有圆柱形的后表面，该后表面的垂直轴线大致位于孔24的中心处。前部F具有圆柱形的前表面，该前表面的垂直轴线同样大致位于孔24的中心处。前表面25的曲率半径小于后表面22的曲率半径。后表面22具有一组作为光源的光输出位置，这些光输出位置贴着后表面22以相等的间距布置为弧面结构，以将光输出到光学元件中。这些光输出位置在宽度Ws上延伸，宽度Ws称为光源宽度，该宽度比孔宽度Wa和孔图像宽度WI都大。
如图3(a)所示，将发光表面22和折射表面25都做成具有共同垂直轴线的柱面，能够解决离轴像差的问题。尽管仍然会出现球面像差，但是由孔24限制了球面像差。优选地，孔宽度WA小于光源宽度Ws的1/4。也可以在孔处使用校正表面，其工作方式与施密特望远镜校正器相同。该孔的中心与公共轴线重合。23处的光输出位置产生近似平行的出射光束26，其宽度近似于孔24的宽度乘以折射率(通常处于1.4到1.6的范围内)。同样，孔27的虚像的宽度W1大约是孔宽度WA乘以折射率。孔图像宽度WI可以处于光源宽度WS的1/4左右。
在图3(b)中，极度离轴光源28形成较窄的出射光束30，然而，该光束看起来仍然是从虚像27(其约为孔宽度乘以折射率)发出的。另外，不会有很大的离轴像差。
通过后面的说明可见这些效果以及减小阵列元件之间可见边界的重要性。
在图3(a)中可以看到，孔24的虚像27明显小于阵列元件的总体宽度。因此，与图1(b)中的透镜12不同，这些元件无法接在一起，并且各个元件不能占据显示器的整个高度，或者直接位于其后面。在一个实施例中，由多个元件构成阵列，以在水平方向上进行连续的发光，并且使折射材料的体积最小，如图4所示。在图4中仅显示了从整个光源组S1...SN中选择的一个有源光源Sn，和一个出射光束，但是实际上，在每个元件处将为每个观察者选择至少一个有源光源和一个出射光束。另外，如图5所示，优选地，将前光学元件F和后光学元件R的边部进行截短，以降低所使用的宽度和材料。
通过完全内反射将光源的光限制在该元件内，尤其是通过其上下平面，直到光从前折射表面25射出。使用完全内反射使得该元件在垂直尺寸上相对较薄，例如，大约1到2mm厚，从而保持阵列相对较小。
如图5所示，通过对阵列元件进行错列，可以实现在阵列的全宽上进行连续发光。图5显示了5层、15个元件的阵列。上层34显示为没有填充色，填充色逐渐变深，直到具有最深填充色的最下层35。在具体的显示器中，实际层数取决于视场和显示器的尺寸。
所有阵列的孔及其虚像位于一个平面X-X中。图6显示的是阵列前部的形状。对于图8所示的15个元件的阵列的情况，孔图像形成了三个斜的子集38，每一个子集覆盖水平宽度39上的不同部分，从而在宽度39上进行连续发光。子集中的元件相互层叠，从而子集中的所有元件之间具有垂直交迭，并且横向错列，从而子集中的各个相邻孔的虚像基本上是连续的。可以看出，各个元件按照与图像宽度W1相同的间距进行错列，从而在阵列的全宽上提供连续发光。
可以使用以0.5mm至1.5mm的水平间距排列的白色发光二极管(LED)曲面阵列来提供各个阵列元件的光源组，向后部光学元件R输出光。
在一个可选实施例中，如图7所示，可以使用平面SLM来沿着这里所谓的半同轴光学装置布置这些光输出位置。在此结构中，输出位置布置在一平面中，并且孔41的中心位于前部F’的折射前表面42的轴线上。和图3到5示出的实施例一样，这些表面42保持柱面；或者这些表面42为具有抛物线等截面的非柱面曲面。这种结构使得可以采用高分辨率单色LCD形式的平面SLM 40。将SLM像素(具有70um到200um，优选为小于100um的均匀水平间距)在各个单元的后部R’的后面，在光源宽度Ws上按照线性阵列进行排列。图7所示的示例为6层阵列。二维矩阵的单个SLM系分别对应于各个光学元件的光输出位置的一组三十个单独的线性阵列的组。可以相应于SLM来切换相应的LED阵列(未示出)以在选定的输出位置产生光，LED阵列的分辨率通常低于SLM，例如，间距为1.5mm。
在本实施例中，各个光学元件可以由平的矩形后部R’和平的弧形前部透镜部分F’构成。可以将后部R’形成为一体从而形成整体单元。这种结构的缺点是，为了抵消距离孔43的不同光亮距离的影响而需要使孔的宽度较窄。优选地，孔宽度WA小于光源宽度Ws的1/8。从而，所使用的阵列元件的数目(与孔宽度WA成反比)相对较大。然而，此缺点可以通过简化结构和使用单个公共SLM而得以改进。另外，与折射表面42的半径有关的小孔宽度使得可以使用诸如抛物面的非圆表面以补偿变化的发光距离。
图8显示的是与图7所示类似的一对操纵阵列的透视图。在本实施例中，每个操纵阵列具有发光控制，以在各个观察者的不同眼睛处形成出射光瞳。因此，例如，可以将图8所示的上部阵列43用于将图像提供给各个观察者的左眼，而将下部阵列44用于将图像提供给各个观察者的右眼。图8中所示实施例的各个阵列包括四个斜的错列光学元件的子集。这些子集中形成操纵阵列的外围部分的一个被划分为位于阵列相反端的两个部分。
由于各个操纵阵列的总高度为几个cm，所以将其放置在屏幕组件的后面，从而使得屏幕组件的整个高度都能从阵列接收光。在图9中，显示了一个完全同轴阵列45，但是半同轴光学元件也使用类似的结构。为了在屏幕组件的整个高度上都能看到源自整个窄水平区域的光，光通过LCD 46，然后由垂直散射元件47仅在垂直方向进行散射。可以使用在水平方向上延伸的透镜片(lenticular sheet)来形成类似的折射效果，但是这能产生一定程度的水平偏移，而该水平偏移会导致不希望的串扰，其中左右眼睛会稍微看到另一个的图像。因此，优选地使用全息垂直散射元件来实现此功能。
如果显示器仅由图9所示的操纵阵列45和屏幕组件46、48构成，则以20″显示器为例，阵列必须是屏幕组件宽度的大约三倍，并且在其后约0.8m。这将需要使用包含在不切实际大的壳体中的非常宽的阵列。然而，可以如图10所示使用反射镜来折叠光线，从而降低尺寸。这可以在两个阶段中进行实施。
首先，可以通过两个位于屏幕组件后面两侧的垂直反射镜，将阵列宽度降低到与屏幕组件宽度类似的尺寸。这形成了能够有效增加宽度的阵列虚像。由于阵列具有在相对大的视角范围内放置出射光瞳的能力，所以可以形成“镜像”，该镜像能够通过激活在合适的出射光瞳位置处形成虚像的选定的更多光线输出位置，而模拟较大的阵列。
通过使用图10所示的三个垂直折叠反射镜53，可以降低显示器的总体深度。垂直折叠反射镜53与传统背投电视显示器的折叠方式相同。可以将左和右折叠反射镜50和51与这些反射镜联合使用，以提供可以与背投电视相比的空间大小。对于使图清楚，在图示中将侧面反射镜50和51从其实际位置移出。图10显示了操纵阵列49仅比屏幕组件52稍宽一点。
图11显示的是与显示系统的屏幕组件52有关的典型视场V的几何形状平面图。视场V的水平尺寸为从最靠近屏幕组件52的水平宽度H1，直到位于距屏幕组件52最远的视场V部分的较宽水平延伸H2。视场V始于距屏幕组件52边部的通常为1m左右的第一距离D1。视场从屏幕组件延伸出更远距离D2，通常为2m左右。在视场中心往外的两个方向上，视场V的两个边张开角度θ(相对于屏幕组件52的轴线进行测量)。通常，角度θ为最小30°，更为优选的是最小40°。
图12显示的是图11所示的视场，在其中有3个单独的观察者A、B、C。为了每个观察者接收屏幕组件52的完整视图，观察者前面的空间AF、BF和CF必须无障碍。另外，每个观察者形成了分别位于各个观察者后面的障碍空间AB、BB和CB。在该障碍空间中不会形成出射光瞳，但是在这些空间中其它的观察者也不会看到屏幕组件的完整画面。
现在，再次参考图13(a)，其中，说明了在视场的横向和视场前后方向上对出射光瞳进行操纵的方式。为了简单起见，使用透镜等效光学元件对操纵进行解释，即，柱面透镜阵列15在选定的水平角和距屏幕组件选定距离内形成出射光瞳。然而可以理解，使用相同的方式对在如上述图中所示操纵阵列中的光线输出位置进行选择。因此，可以采用柱面透镜15来代表一层操纵阵列中的前面光学元件。出射光瞳的角位置由光源相对于前面光学元件的横向位置确定，而出射光瞳的距离由光源的间隔确定。由于透镜15具有直线范围，所以光源为直线，并且均位于如图13(a)所示的一个平面14中。Xn为距与各个光学元件On相关的光源组Yn的左侧的距离。光源的位置如图13(b)所示。如图13(b)所示，通过点的线16为直线。由平均距离Xn确定出射光瞳的角位置，由线的倾斜度确定出射光瞳的距离。出射光瞳越远，则这条线的斜率越大。因此，通过控制操纵阵列中光输出位置的选择，实现了对出射光瞳的操纵。
由于在屏幕上同时显示左右图像，所以必须采取措施以确保由左图像像素形成左出射光瞳，而由右图像形成右出射光瞳。在交替的像素行上形成左和右图像。可以使用紧靠LCD后面的格栅来实现此功能，此处称为空间图像复用。可以采用静态或者动态模式来对格栅进行操作。
首先考虑静态格栅。在图14(a)的最简单形式中，使用简单的视差格栅56，其包括水平狭缝，狭缝的间距稍小于LCD 57垂直像素间距的2倍。该间距可以实现视差。可以看到，左阵列54发出的光落只能在左像素上，而右阵列55发出的光只能落在右像素上。尽管该格栅造价低，但是其缺点是需要两个单独的操纵阵列，并且光的通过量仅为约20％到35％。
如图14(b)所示，通过将格栅替换为透镜屏(lenticular screen)58，可以获得较高的通过率。该屏幕的透镜水平放置，并且具有与视场格栅相同的间隔。几乎所有来自左阵列54的光都被透镜收集并引导到左像素的中心区域上。类似地，右阵列55的大部分光被引导到右像素上。在此结构中，上述的当使用透镜屏作为散射片时存在的水平偏离问题不是很关键，因为透镜的F值可以远大于垂直散射所需要的。水平偏离很小，小到足以仅将光会聚到合适的像素行上。
尽管两种静态格栅方法都包括使用两个单独的操纵阵列，但是可以使用一个单色LCD作为SLM 40，以把选定位置处的光输出到两个阵列中。需要说明的是，这个LCD是对图像形成LCD的附加，不要将它们混淆。SLM 40应当足够快，以允许改变选定光输出位置来根据观察者头部位置对出射光瞳进行操纵。可以采用造价较低的薄膜晶体管(TFT)器件作为SLM 40。静态格栅也没有混叠效应(由于格栅切换和LCD帧频之间的交互作用而形成不希望有的假象)。
如果使用动态格栅，则可以避免使用两个单独的阵列。同样，最简单的形式为视差格栅。然而，在此情况下，如图15所示，能够有效地进行移动。在图15(a)中，格栅60上的透光孔使来自单个操纵阵列59的光落在LCD 61上的右图像像素行上。对阵列中发光表面的光进行布置，从而通过头部跟踪器在右眼所处的所有位置形成出射光瞳。
然后格栅改变状态，使得光落在如图15(b)所示的左图像像素上。将光亮区域移动到右侧以提供左出射光瞳。在格栅改变状态的过渡期间，所有的光源将关闭。如果按照或接近LCD帧频切换格栅，则会出现混叠现象。可以将铁电(FE)液晶或者π单元(pi-cell)阵列用作动态格栅。
为了实现动态格栅复用，可以使用快速FE线性SLM，或者使用白色LED阵列对发光进行控制。
同样，光通过率相对较低，但是格栅的几何形状可以允许35％到40％的光通过，原因是单阵列的全高相对地比需要在中间留缝的两个阵列的全高小得多。
还可以采用其他形式的动态复用。可以通过音圈来移动视差格栅或者透镜片，但是这并不是很好的解决办法。另外一种方法是利用基片的缝隙中与水平走向的微棱镜阵列接触的液晶的双折射。与透镜片一起使用，这可以连续地将光导向左和右行。
由于实际上操纵阵列用作显示器的背光，所以在LCD宽度方向上所看到的强度不变。必须小心使用此阵列，以确保元件不会产生一系列的垂直带。参考图6，可以看到，如果在垂直方向上散射各个明亮的孔图像区域的光，如果各个孔图像的边沿与其相邻图像精确地排成一行，即，如果孔图像是精确连续的，则会观察到均匀的光亮。实际上，由于制造公差和导致孔宽度变化的透镜像差，这难以实现。
图16显示的是孔图像宽度变化的效果。在图16(a)中，孔图像的边沿精确地位于一条直线上。图的下面部分显示的是当对由孔出来的光进行垂直散射时，在亮度上没有变化。如图16(b)所示，当孔图像宽度大于其间隔而形成重叠时，将会在屏幕上出现垂直带，其亮度为周围区域亮度的两倍。当留有缝隙时，如图16(c)所示，其中图像比间隔窄，则会观察到暗带。
对孔进行的模拟试验表明，通过如图17所示的孔边部渐变，能够使得感觉不到未对准的效果。在图18(a)中显示的是阵列中与距离有关的理想强度变化，在底部显示的是在垂直混合之后，所观察到的对应保持不变的强度。在孔的各个边部处的透射率变化为，在总孔宽度的至少十分之一长度上，透射率从最大到最小线性逐渐变化，更为优选地为在总孔宽度的三分之一区域。在这种透射率逐渐变化的情况下，将孔的宽度取为半最大透射率处的两点之间的距离。
如图18(b)所示，当孔图像小于其间距时，在所观察到的强度上会有如下部图所示的变化，但是不会降低到零。需要说明的是，对此处所显示的最终强度变化进行了夸大，将会超过观察者所能容忍的最大变化量，但是这清楚地说明了渐变的有益效果。图18(c)显示的是比间距宽的孔图像的渐变效果。在此情况下，强度不会象没有渐变时那样加倍。
应当指出的是，此处与操纵光学元件有关的术语“水平”指的是光学意义上元件相对于屏幕组件的方向；因此，例如，如果将操纵阵列在显示器内进行垂直布置，并且使用折叠反射镜将阵列输出转换90°而成为水平，则应当将阵列的垂直方向作为(光学上的)水平方向，以理解本发明。
上述实施例应该理解为本发明的示例。本发明可以有其它的实施例。应当理解，一个实施例中描述的任何特征可以应用于其它的实施例。另外，在不脱离所附权利要求限定的本发明范围的情况下，可以采用上面没有描述的等同替换或者改进。
权利要求
1.一种自动立体显示系统，其具有一个视场，该系统可以在该视场中对出射光瞳进行操纵，在各个出射光瞳中观察者能够观察到针对选定眼睛的图像，其中，该系统包括通过对光线进行选择性衰减而形成图像的图像形成装置，用于向所述图像形成装置投射光线的光学元件阵列，以及用于将光线输出到所述光学元件阵列中的光线输出位置阵列，其中，具有多个光线输出位置组，各个组在与一个所述光学元件相关的对应水平宽度上延伸，所述光线输出位置是可以选择的，从而从所述多个光线输出位置组中的每一个中选择至少一个光线输出位置而在所述视场的选定部分中形成出射光瞳，其中，各个所述的光线输出位置组具有相关的孔，用于限制从所述光线输出位置输出的光的水平宽度，所述孔的水平宽度分别小于相关光线输出位置组的水平宽度。
2.根据权利要求1所述的自动立体显示系统，其中，所述孔的透射率水平分布在其边部逐渐变化，以在向所述图像形成装置投射的光线中，提供通过不同孔的光线之间的彼此重叠。
3.根据权利要求2所述的自动立体显示系统，其中，由最大透射率一半处孔的宽度定义所述的水平宽度。
4.根据权利要求1、2或者3所述的自动立体显示系统，其中，所述的光学元件包括折射透镜元件。
5.根据权利要求4所述的自动立体显示系统，其中，所述的透镜元件布置为这样的结构至少两个元件在垂直方向上重叠。
6.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中所述的孔布置为向所述图像形成装置投射的光线在水平方向上具有大致均匀的强度。
7.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述图像形成装置包括平面元件，其具有可以选择性地启用而透射光的区域。
8.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述图像形成装置布置为在单独的行中分别形成左眼和右眼的图像。
9.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，该系统包括位于所述图像形成装置和所述视场之间的垂直散射和/或垂直折射元件。
10.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，该系统包括布置为透射左眼图像的光线的第一组孔，和布置为透射右眼图像的光线的第二组孔。
11.根据权利要求1到9中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，该系统配置为按照场序工作方式发射图像，其中，与左眼和右眼出射光瞳的光线输出位置的选择同步地，在所述图像形成装置上交替地形成左眼图像和右眼图像的图像帧。
12.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，该系统被配置为从各个所述的光线输出位置组中同时选择多个光线输出位置，以在多个不同的观察者位置形成多个出射光瞳。
13.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的光线输出位置是可选择的，从而可以通过所选择输出位置的变化，在视场中对出射光瞳进行操纵，以改变出射光瞳相对于所述图像形成装置的水平角度。
14.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的光线输出位置是可选择的，从而可以通过所选择输出位置的变化，在视场中对出射光瞳进行操纵，以改变出射光瞳距所述图像形成装置的距离。
15.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的光线输出位置布置为平面结构。
16.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的光线输出位置布置为以各个孔为中心的曲面结构。
17.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的光学元件配置为利用完全内反射，通过所述孔来投射光。
18.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的孔宽度小于相应光线输出位置组的宽度的四分之一。
19.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的孔宽度小于相应光线输出位置组的宽度的八分之一。
20.根据以上权利要求中任意一项所述的自动立体显示系统，其中，所述的光学元件布置为错列结构。
21.一种自动立体显示系统，其具有一个视场，该系统可以在该视场中对出射光瞳进行操纵，在各个出射光瞳中观察者能够观察到针对选定眼睛的图像，其中，该系统包括通过对光线进行选择性衰减而形成图像的图像形成装置，用于向所述图像形成装置投射光线的光学元件阵列，以及用于将光线输出到所述光学元件阵列中的光线输出位置阵列，其中，对应于各个所述的光学元件提供了一组光线输出位置，所述光线输出位置组是可以选择的，从而通过从各个所述的光线输出位置组中选择至少一个光线输出位置，在视场的选定位置形成出射光瞳，各个光线输出位置组在给定的水平宽度上延伸，其中，该系统是可以控制的，从而在视场的选定位置形成对应于多个观察者的左眼和右眼位置的多个双出射光瞳组。
全文摘要
一种用于多个观察者的自动立体显示系统，其具有一个视场，该系统可以在视场中对出射光瞳进行操纵，在各个出射光瞳中，观察者能够观察到针对选定眼睛的图像。该系统包括通过对光线进行选择性衰减而形成图像的图像形成装置，用于向所述图像形成装置投射光线的光学元件阵列，以及用于将光线输出到所述光学元件阵列中的光线输出位置阵列。提供了多个光线输出位置组，各个组在与一个所述光学元件相关的对应水平宽度上延伸。所述光线输出位置是可以选择的，从而从所述多个光线输出位置组中的每一个中选择至少一个光线输出位置而在所述视场的选定部分中形成出射光瞳。各个所述的光线输出位置组具有相关的孔，用于限制从所述光线输出位置输出的光的水平宽度。所述孔的水平宽度分别小于相关光线输出位置组的水平宽度。
文档编号H04N13/00GK1647547SQ03808735
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月17日 优先权日2002年4月17日
发明者菲利普·安东尼·舒尔曼 申请人:菲利普·安东尼·舒尔曼