用于自动立体视频显示器的提高感知型图像深度的制作方法

本发明大体上涉及一种自动立体显示器，尤其涉及一种具有显著提高的投射深度的自动立体视频显示器。

背景技术：

传统的自动立体显示器采用透镜阵列或视差屏障或其它视图选择器来使观看者的一只眼睛可以看到显示器的多个像素，并使该观看者的另一只眼睛可以看到该显示器的一些其它像素。通过对每只眼睛可以看到的显示器的像素进行隔离，两个视场的立体影像可以呈现在显示器上。呈现给每只眼睛的单独视场通常用于使观看者感知三维图像。

当前的立体显示器投射约几厘米的感知深度。也就是说，大多数自动立体显示器将不超过约1-2厘米的一部分图像投射到显示器前面，将不超过约1-2厘米的一部分图像投射到显示器后面。某些自动立体显示器据称可以投射的感知深度达一英尺，即约30厘米。然而，这种显示器受到光学像差困扰，比如除了投射到显示器的表面附近的项目以外的不良聚焦。

投射更大深度的其中一个主要困难是透镜阵列中的光学假象，透镜阵列通常用于选择可以被人类观看者的每只眼睛观看到的不同视场。这样的一个效果是图像的给定部分可以在两个或多个地方被看到，比如在透镜阵列的两个或多个透镜体内。其它效果包括具有非常短的投射距离(比如仅几厘米)的、通常不易被察觉到的光学像差。

因此，需要一种自动立体显示器，其中可以实现明显更大的投射感知深度，同时没有不期望的缺陷。

技术实现要素：

根据本发明，通过观察期望的投射深度和自动立体显示器的设计之间的关系，包括透镜阵列的透镜体的焦距以及多个视图，自动立体显示器提供了极其深的投射区域，比如似乎具有1米或以上的深度。对于视差屏障自动立体显示器，焦距是视差屏障和具有多个视图的下置显示器之间的距离。

对于具有指定的透镜焦距和视图数目的给定自动立体显示器，该关系指出了发生透镜串扰的投射深度。在一些配置中，近似法可以用于简化该关系，使得投射深度直接与焦距和视图数目的乘积相关联。

自动立体显示器配置通常指定了视图选择器(比如透镜阵列)，其具有的焦距远大于传统的自动立体显示器视图选择器中看到的典型焦距。透镜阵列的透镜体中的这种长焦距的其中一个挑战是多个光学像差变得显而易见和不确定。

为了减少这些光学像差，透镜阵列的透镜体包括半月-圆柱体透镜，以提供更平的视场。

其结果是，自动立体显示器的投射深度远远超越传统的自动立体显示器的投射深度，并同时依然能避免诸如透镜串扰和视场弯曲的影响。

附图说明

图1示出了根据本发明并结合人类观看者的一种自动立体显示器，并示出了一个三维区域的平面图，在该三维区域内，自动立体显示器可以投射显示器上显示的元素。

图2示出了图1的自动立体显示器和观看者，并示出了显示器后面的图像元素的投射。

图3示出了图1的自动立体显示器和观看者，并示出了显示器前面的图像元素的投射。

图4示出了图1的自动立体显示器和观看者，并示出了根据本发明而实现的减小的视场曲率。

图5、6和7均为根据本发明图1的透镜阵列的相应实施例的透镜体的截面视图。

具体实施方式

根据本发明，投射区域120(其中，自动立体显示器包括透镜阵列100和显示器110)的深度130(图1)显著提高到比如1米或以上，这是传统的自动立体显示器中所能看到的深度的20-30倍，通过确定深度130和自动立体显示器配置之间的关系，显示器110的一部分可以在多个位置(透镜串扰)可见。该关系建立了使透镜串扰最小化的限制性配置。对于期望深度130，一旦确定了该关系，自动立体显示器被构造成满足或超过自动立体显示器配置，以确保仅在深度130以外的投射深度处发生透镜串扰。

自动立体显示器包括透镜阵列100的各个透镜体的焦距，以及呈现在显示器110内的多个视图。选择相对较深的投射区域120，可以产生透镜阵列100的非常长的焦距以及显示器110的更多数目的视图。

本文所用的“视图”是指从特定视角呈现给观看者的图像子集。作为实例，考虑简单的自动立体显示器是有帮助的，其中人类观看者的一只眼睛可以看到每个奇数像素列，该观看者的另一只眼睛可以看到每个偶数像素列。奇数像素列将总体地代表一个视图，偶数像素列将总体地代表另一个视图。应该认识到，大多数的自动立体显示器都具有不只两个视图，而且，这种非常简单的视图仅仅用于说明“视图”是如何用于本文中。

在此所示的实施例中，透镜阵列100包括多个竖直透镜体，其根据观看者10的一只眼睛的视角，使多个视图元素中的一个可见。也就是说，对于通过透镜阵列100可以看到的每个视图，透镜阵列100的每个透镜体均覆盖那一视图的一部分，有时在本文中被称为视图元素，并使那一视图元素从指定的视角可见。在显示器110是电子显示器(比如液晶显示器)的实施例中，视图元素是像素集。在显示器110是静态图像(比如海报)的实施例中，视图元素可以是显示器110内印刷的或以其它方式在视觉上呈现的多个视图中的其中一个的细高长条。

透镜体100和显示器110的设计从选择投射区域120的设计深度130开始。在此所示的实施例中，深度130被选择为1米，远远深于任何当前可用的自动立体显示器。

图2示出了一种将要避免的情况，因此，对具有深度130的投射区域120的高质量自动立体显示器设置了限值。观看者10的左眼通过透镜体500a看到显示器110的一部分，由于透镜体500a的焦距，显示器110的那一部分出现在点202处。还可以通过透镜体500b以及透镜体500a和透镜体500b之间的每个透镜体看到显示器110的相同部分。光从点202处以角度θ传播，并通过透镜体500b以角度被弯曲到观看者100的左眼。通过透镜阵列100的多个透镜体使显示器110的单个部分被观看者10看到的这种现象在本文中有时被称为透镜串扰。

透镜阵列100和显示器110被设计成为深度130的投射区域120提供最小的透镜串扰。

图2的角度彼此相关联，具体如下：

这些角度可以根据透镜阵列100、显示器110和投射区域120的尺寸而被改写。

在方程(2)中，s是透镜阵列100的透镜体的间距，即单个透镜体的宽度。n是根据透镜体的数目，透镜体500b离透镜体500a的偏移量。因而，ns是透镜体500b离透镜体500a的偏移量(作为测量距离)。在方程(2)中，d是投射深度220，即到点202被投射的透镜阵列110的距离。方程(2)的最后部分采用小角度近似法估算反正切函数，其适合于透镜阵列100和显示器110的大多数实际实施方式。

在方程(3)中，d是距离210，即从透镜阵列110到观看者10的眼睛的距离。方程(3)的最后部分采用小角度近似法估算反正切函数，其适合于透镜阵列100和显示器110的大多数实际实施方式。

角度取决于显示器110的一部分的尺寸(δ)(其将作为单个视图的一部分通过单个透镜体而显示)，并取决于那一部分离透镜体500b的距离(f)。方程(4)示出了根据δ和f的角度以及透镜阵列110的透镜折射率n0。

采用方程(2)、(3)和(4)，方程(1)可以进行如下改写：

当会带来显著误差时，反正切值的小角度近似法不应用于方程(5)。

显示器110呈现的视图的数目(nv)与显示器110的部分的尺寸(δ)和透镜尺寸(s)相关联，具体如下：

为了使透镜串扰最小化，n被选为一(1)，以识别相邻透镜体之间可能发生透镜串扰时的配置。采用方程(6)的关系，将n设定为1，并应用一些代数，以产生透镜阵列100的配置和显示器110之间的如下关系，以及对于距离d处的观看者的相邻透镜体之间开始发生透镜串扰时的最大投射深度d。

如图3中所示，对于朝向观看者10投射的显示器110的部分，也观察到类似的关系，该关系如下：

在d远大于d的情况下，1/d可以近似为零。其结果是，方程(7)和(8)然后均可以被表示为：

2nvf＝d(9)

在方程(8)中，d表示距离320(图3)，其被选择为与图示的实施例中相同的距离210(图2)。

相邻透镜之间可能发生透镜串扰的投射区域120的深度130的特定测量值用2d表示：

2d＝4nvf(10)

方程(10)提供了透镜阵列100和显示器110的设计指南，以在避免透镜串扰的情况下提供投射区域120的期望深度130。特别地，透镜阵列100的透镜体的焦距和显示器110所提供的视图数目被选择以使得它们乘积的四(4)倍至少是期望深度。

如果投射区域的深度的设计需要更高的精度，可以不考虑在上述方程(1)-(10)中采用的近似法。所得的准确版本的方程(10)如下：

应该观察到，由于d相对于方程(11)中的其它数值变得非常大，因此方程(11)近似为方程(10)。

作为采用方程(10)的示例性实例，考虑投射区域120的深度130为1米。为了将此实现，显示器110的视图数目和透镜阵列100的透镜体的焦距的乘积应该至少为1米的四分之一，或25厘米。典型的传统设计将包括8个视图和1毫米的焦距，所提供的投射区域具有的最大深度约3.2cm，同时还避免了透镜串扰。然而，透镜阵列100和显示器110要求的尺寸远远超出实现期望投射深度所需的尺寸。例如，如果透镜阵列100被设计成包括焦距为1厘米的透镜体，显示器110被设计成包括25个视图，投射区域120将具有1米的最大深度130，同时很少或者没有透镜串扰。

在不使用方程(10)和(11)的情况下，目前的趋势是使自动立体显示器(静态图象和动态监视器)更薄并具有更高的视分辨率。这与透镜阵列的透镜体的焦距的延伸直接相反，以显著提高方程(10)所提出的自动立体显示器的感知深度。在上述实例中，将传统透镜体的焦距增加1000％(从1mm到1cm)，并将视图的数目增加到二十五(25)个，可以将视深度提高3000％(从3.2cm到1m)。

在牺牲透镜阵列的薄度的情况下，对于焦距明显大于透镜体的宽度的透镜体，其可以提供非常显著地提高了自动立体显示器的感知深度，而且不造成透镜串扰。在上述实例中，透镜体具有的焦距是其宽度的十(10)倍，并在无透镜串扰的情况下，提供的视深度是传统自动立体显示器的视深度的三十(30)倍。对于焦距仅仅是其宽度的五(5)倍甚至仅三(3)倍的透镜体，依然能提供显著的结果。

下表提供了根据以上方程(10)的自动立体显示器的无串扰视深度的多个实例。

如本文中所用的，以上水平分辨率(ppi)列的标记“(×3)”、“(×6)”、“(×8)”和“(×12)”是指以下技术中的一个或多个的应用：(i)于2010年8月25日由richarda.muller博士提交的美国专利申请12/868,038“自动立体视频显示器的提高型分辨率”(以下称为’038专利申请)中所述的子像素重映射，以及(ii)于2010年12月15日由richarda.muller博士提交的美国专利申请12/969,552“自动立体视频显示器提高型分辨率”(以下称为’552专利申请)中所述的像素时间多路复用。这两种描述均通过引用而并入本文。

’083专利申请中教导的子像素重映射讲授了如何使视频显示器的水平分辨率增大三倍。“(×3)”标记表示仅使用该技术。’552专利申请中教导的时间多路复用讲授了如何使视频显示器的水平视分辨率提高一倍或多倍，从而将水平视分辨率缩放2的整数次幂。“(×8)”是指使用三(3)倍的层来使显示器的水平视分辨率增加8倍。“(×6)”和“(×12)”标记是指’083专利申请中描述的水平视分辨率的三倍与’552专利申请中描述的水平视分辨率的各自的单层双倍和双层四倍的组合。

应该认识到，表a中指定的水平分辨率的单位为像素/英寸(ppi)，而非点/英寸(dpi)。另外，智能手机和平板电脑的分辨率考虑了采用购自加利福尼亚州库比提诺市的苹果公司的retina显示器的iphone和ipad产品的分辨率，据称提供的分辨率达到了326像素/英寸。

通常，在不采用方程(10)和方程(11)的情况下，自动立体显示器现在的趋势已经是使厚度最小化。通常，要在更高水平视分辨率和视图数目之间的自动立体显示器质量上进行可感知的权衡。为了避免视图损失，透镜体通常要保持相对较浅(短焦距)和较宽。透镜体的浅度保持了自动立体显示器的薄度，但限制了透镜体的焦距。透镜体宽度允许每个透镜体后面有更多的视图。相应地，在传统的自动立体显示器中，透镜体焦距(f)与透镜体宽度(s)之间的比率较低，通常不超过约1:1。

然而，方程(10)和(11)示出了显著增加的透镜体焦距的数值。相应地，根据本发明而设计的自动立体显示器中的透镜体焦距(f)与透镜体宽度(s)之间的比率明显更大。该比率在本文中有时被称为透镜体长宽比。如以上表a中所示，透镜体长宽比通常至少为2.5:1，更普遍的为3:1、4:1、5:1、6:1，在一些显示器中甚至大于10:1。其结果是1英寸宽的书签可以具有约12.8英寸的无误差感知深度。同样，46”高清数字电视可以具有约1米的无误差感知深度。自动立体智能手机显示器可以具有超过五(5)英寸的感知深度，自动立体平板电脑显示器可以具有超过六(6)英寸的无误差感知深度。大型公告牌尺寸的显示器可以具有超过20英尺甚至达到48英尺的无误差感知深度。

这些最大的无误差感知深度远远超过了任何现有自动立体显示器能够实现的无误差感知深度。以下表c中概述了最大无误差感知深度与显示器宽度的示例性最小比率。

对于自动立体显示器中透镜长宽比是多大有实际的限制。图10是说明性的。

假设透镜体1002具有焦距1004(f)和宽度1006(s)，在观看距离1008处的观看“最佳点”的宽度1010符合以下方程：

在方程(12)中，w是观看最佳点的宽度1010，d是观看距离1008。最佳点的定义是，观看者10的双眼看到对应于相同透镜体(例如透镜体1002)的视图的位置。如果宽度1010不完全是观看者10的眼内距离1012，那么观看者10将不能通过相同的透镜体看到左视图和右视图，并且自动立体图像将可能看不清楚。此外，观看者10可以左右转动他的头部仍能正确地看到自动立体图像的量符合以下方程：

在方程(13)中，wss是观看者10可以左右转动他的头部仍能正确地看到自动立体图像的量，e是观看者10的眼内距离1012。通常成年观看者眼内距离约为2.4英寸。本文中，观看者10可以左右转动他的头部仍能看到自动立体图像的量有时被称为实际观看最佳点。

以下表c中示出了在不同观看距离处的上表a中的各种类型的显示器的实际观看最佳点wss。

表c

从表b中可以看出，通常从大约两(2)英尺处看到的手持式装置具有大约2.5-6.6的透镜长宽比以及大约1.24-7.2英寸的对应实际观看最佳点。手持式显示器可以很容易地由观看者10倾斜，以找到实际最佳点，因此对于手持式显示器而言，只有1.24英寸的实际最佳点不是特别糟糕。一般地，最大的手持式装置显示器对角方向的尺寸约17英寸。因此，只要这种显示器的透镜长宽比小于7，那么观看者10应该能够正确地感知自动立体显示器。

更典型地，从远达约八(8)英尺的地方看到较大的显示器，例如电视机和海报，有时是数字相框和平板电脑(当用作数字相框时)。这些类型的显示器具有大约4-9.6的透镜长宽比和大约21.6-7.6英寸的对应实际观看最佳点，为观看者10移动他的头部以正确地观看自动立体显示器提供了充足的空间。

虽然只有7.6英寸的实用观看最佳点可能听起来像是至多单个观看者可以正确地看到自动立体显示器或者可能两个观看者的头部别扭地靠近在一起可以正确地看到自动立体显示器，但是应当理解的是，有许多7.6英寸宽的实用观看最佳点。特别地，观看最佳点(在这个示例中为10英寸)在自动立体显示器的可见范围内连续重复。只有当观看者10的眼睛跨过眼睛看到的相邻观看最佳点之间的边界时，在两个不同透镜体后面观看以及自动立体观看是不合适的。在这种情况下，观看者10只需将他的头部在任一方向上抬1.2英寸，以便使双眼定位在单个观看最佳点处。在那个观看最佳点处内，观看者10可以在7.6英寸宽的空间内移动他的头部。

通常从远至大约二十(20)英尺，即穿过大房间观看电视和其他大型显示器。这些类型的显示器具有大约2.16-12的透镜长宽比和大约17.6-108.6英寸的对应实际观看最佳点，为观看者10移动他的头部以正确地观看自动立体显示器提供了充足的空间。

当观看距离变大时，实际观看最佳点的宽度变得越来越不受限制。在非常大的显示器中，例如公告牌和大海报，通常从100英尺远处观看显示器。这些类型的显示器具有大约3.33-25的透镜长宽比和大约45.6-357.6英寸(大约四(4)至30英尺)的对应实际观看最佳点，为观看者10移动他的头部以正确地观看自动立体显示器提供了充足的空间。

制造具有这种长焦距的透镜阵列的挑战之一是光学像差相当大，对于观看者的立体观看体验很不利。图4示出了一种这样的像差，通常被称为场曲。常规透镜阵列的透镜体沿着弯曲视场404聚焦。然而，常规凸透镜中使用的这种小焦距使得这种像差在大多数视角下几乎不能被观看者注意到。简单地修改常规透镜阵列达到如上所述焦距的十(10)倍将使这种像差在大多数视角下非常明显。透镜阵列100被设计为提供比常规透镜阵列更平坦的视场。这种平坦化类似于通过应用“佩兹伐条件”在球面透镜中实现的平坦化，“佩兹伐条件”是已知方程，其通常应用于球面透镜而不是本文所述的柱面凸透镜。

图5示出了透镜阵列100(图1)的单个透镜体500的横截面。透镜体500(图5)包括半月-圆柱体透镜502。如本文所使用的，“圆柱体”不限于具有圆形横截面的圆柱体。半月-圆柱体透镜502包括近端表面502p和远端表面502d，宽度508和厚度514。近端表面502p是凸的，远端表面502d是凹的。在本说明性实施例中，宽度508和厚度514均为一(1)毫米(mm)。在一个实施例中，近端表面502p和远端表面502d的曲率半径为1.29mm。此外，半月-圆柱体透镜502通过厚度510为9mm的玻璃或塑料透明层506与显示器110隔开。

在另一个实施例中，透明层506通常是空气，氮气或一些其它气体。图8示出了透镜阵列800，其中透明层806是空气。为了避免湿气或任何可能起雾或以其它方式降低透明层806的透明度的东西，透明层806与周围空气隔绝开来。为了防止周围空气压力的变化使透镜阵列800发生翘曲，透明层806连接到囊状物804，以便透明层806的空气可以自由流入和流出囊状物804。因此，透明层806内的空气压力与透明层806外部的空气压力平衡，从而避免透镜阵列800发生翘曲。为了说明的目的，所示的囊状物804明显放大。通常，囊状物804应当被设计为尽可能小且不引人注意，同时仍能接收和释放一定量的空气，以便容纳最大和最小预期的周围空气压力，而不会明显影响空气压力或限制空气流。

透镜阵列和多视图显示器(如显示器110)之间的空气透明层的优点之一是透镜阵列的凸表面可以定位为朝向显示器110，如图9所示。这允许透镜阵列900的平坦表面很容易清洁，而透镜阵列900的透镜体的凸表面简单地装入透明层906的空气空间中。

返回图5，在这个说明性实施例中，半月-圆柱体透镜使具有这种长焦距，十(10)倍厚度514的透镜体500的视场显着地平坦化。

透镜体500的其他设计还减少了其它像差，例如彗差和圆形像差。彗差众所周知，此处不再赘述。具有圆形-圆柱形近端表面的透镜体具有类似于球面像差的二维像差(本文中有时称为“圆形像差”)，它也是众所周知，此处不再赘述。

从更极端的角度使视场进一步平坦化并减少其他像差的一个实施例在近端表面502p上具有1.894mm的曲率半径，在远端表面502d上具有2.131mm的曲率半径。此外，近端表面502p和远端表面502d可以通过制成非圆形(例如抛物线形)横截面来减少圆形像差。

透镜体500的另一个实施例的横截面示为透镜体600(图6)。此外，半月-圆柱体透镜602具有曲率半径为1.894mm的近端表面602p和曲率半径为2.131mm的远端表面602d，厚度614为0.5mm。此外，透镜体600包括平凸透镜604，其具有曲率半径为9.302mm的近端表面604p。透镜体600包括与透镜体500(图5)相同的透明层。

透镜体500和600的另一个实施例是透镜体700(图7)。透镜体700包括近端半月-圆柱体透镜702和远端半月-圆柱体透镜704。近端半月-圆柱体透镜702直接类似于半月-圆柱透镜502(图5)。远端半月-圆柱体透镜704与其相反，具有凹形的近端表面704p和凸形的远端表面。在本说明性实施例中，远端半月-圆柱体透镜704具有与近端半月-圆柱体透镜702相同的尺寸，除了具有反转的凸面和凹面之外。

在一些实施例中，由具有异常长焦距的透镜体所产生的光学像差通过由richarda.muller博士于2010年12月15日提交的美国专利申请12/969,552“自动立体视频显示器的提高型分辨率”中图5-7及所附说明书的文本的方法得以减少。那个说明书通过引用并入本文。

以上描述仅是说明性的而非限制性的。本发明仅由所附权利要求及其等同物的全部范围来限定。以下所附权利要求应被理解为包括所有落入本发明的实质精神和范围内的变型、修改、变换和替代等同物。