专利名称：显示多幅图像的多位观众系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及能够给多位观众提供多幅图象和/或在观看的图象中能够提供三维(3D)视觉效果的多位观众图象观看系统。
随着多位游戏者拱廊视频游戏机的发展，一直需要提供一种能够给多位观众显示多幅2D图象的系统。这种系统也能够用于许多其它方面，如教学和培训。目前，只有给每位观众提供一个将该观众观看的图象显示在单独屏幕上的属于该观众自己的显示系统才能实现这种系统。应当明白，提供多个显示系统无论是从花费还是从占用空间上考虑都是代价高的。
此外，人们还作了许多努力试图产生一种使肉眼能够看到的真实3D图象，较佳地是多位观众能够观看的3D图象的系统。
本发明申请人之一以前曾试图提供一种自动立体显示系统，这导致了澳大利亚66718/94号专利申请中所揭示的系统。该系统使观众无需借助特殊眼镜或类似装置便能看到立体图象。然而，这一系统存在许多限制因素。
现已发现，申请人早先提出的系统实际上只适合于一位观众观看。为了维持三维效果，观众的左右眼必须分别观看立体图象的左、右图象。当观众眼睛的位置随其位置移动而变化时也需要这样。申请人早先提出的这种系统是根据检测到的观众位置移动，通过移动半反射反射镜和投影系统，有效地保持观看装置与观众之间的相对固定关系，从而维持立体图象。即，为了给观众维持屏幕上的立体图象，不得不移动反射镜和投影机。维持这些元件处于正确取向的要求需要昂贵的部件以实现平滑移动，不造成观众分心，这一要求也使该系统难以供一个以上观众使用。事实上，由于需要移动半反射反射镜来维持一位观众的立体图象，因此，要使半反射反射镜的取向适合于另一位观众观看立体图象实际上是不可能的。
此外，由于需要连续移动半反射反射镜，它必须成为观看装置的一部分并封装在其中。由于半反射反射镜是封装的，这就意味着实际上也要限制半反射反射镜和屏幕尺寸。
申请人早先提出的系统为了有效地工作还要求观众与屏幕之间的距离相对固定。然而，希望允许观众能够在离开屏幕不同距离下观看图象。此外，由于屏幕尺寸限制，要求观众位于距离屏幕1米之内才能取得最佳效果，这进一步增加了多位观众困难。
因此，本发明的目的是提供一种能够克服上述问题中至少一个问题的显示系统。
考虑到这一情况，提供一种多位观众显示系统，包括至少一块半反射反射镜、一个后向反射屏幕和多个光学成象装置，每位观众各自配备一个所述光学成象装置，每个光学成象装置包括沿光路投射图象的投影装置、确定各位观众眼睛空间位置的跟踪装置和根据各位观众移动情况改动光路的聚焦装置。
为了提供立体图象，可以使投影装置适合于沿光路投射左右眼图象。采用这一方法，本发明可以提供自动立体显示系统。
显示系统还可以包括多个半反射反射镜，因此不需要让多位观众通过一个反射镜观看图象。应当明白，尽管可以使一块半反射反射镜做得足够大可以容纳多位观众，但是，在有些情况中，提供多个半反射反射镜更切合实际。尽管半反射反射镜的数目与观众人数相等这种安排是较佳的，然而，半反射反射镜的数目无需与观众人数相等。
在另一个较佳实施例中，可以将后向反射屏幕置于观众上方，如天花板上，这与屏幕必须位于观众前方的更常见的安排不同。
本发明的显示系统能够以较为廉价的方式提供改进的三维图象并允许观众处于可以变化的位置上。此外，本发明使多位观众能够利用同一屏幕而不一定要观看相同的图象。即本发明的多位观众配置的一个优点在于即使多位观众在同一屏幕上观看，但不要求他们观看同一图象。采用一个屏幕给多位观众显示不同图象的能力在视频游戏机市场中是特别优越的。
此外，一幅图象在屏幕上的空间位置可以与至少一幅其它图象在屏幕上的空间位置相重叠，仍然能够使每位观众能够观看各自的图象，而不存在任何实质性干扰。
应当明白，如果左右双眼看到的图象相同，那么，观众将看到2D图象。因此，本发明通过给观众的双眼提供相同图象或者另一方面给观众的左、右眼各提供左眼图象和右眼图象能够提供2D和3D两种图象。
参考附图可以方便地对本发明作进一步描述，附图示出本发明一些可能实施例。本发明的其它实施例也是可以的，因此不应当将附图的个性理解为代替本发明上述共性。
图1a和1b示出成象系统概貌。
图2a示出光学聚焦系统的俯视图。
图2b示出光学聚焦系统的侧视图。
图3示出半反射反射镜的工作情况。
图4示出后向反射屏幕的结构。
图5示出包括垂直屏幕与安装在底部的成象系统的观众系统。
图6示出采用另一种配置的包括垂直屏幕与成象系统的观众系统。
图7示出包括水平屏幕的观众系统。
图8示出多位观众系统。
图9示出多位观众配置的一个例子。
为了方便起见，现在解释一下本说明书中采用的一些通用术语。但是，这些解释不希望限制本发明中每个元件执行的功能的共性。
标准电视机仅能产生两维(2D)图象，即仅为水平(X)和垂直(Y)两维的图象。对于3D图象，要利用视网膜不一致、会聚、调节和运动视差等主深度信号将另外一维深度增加到2D图象中。
数字式微型反射镜器件(DMD)是指二元空间光调制器，如美国德克萨斯仪器公司研制的器件。DMD由功能性安装在CMOS SRAM上的可移动微型反射镜阵列组成。每个反射镜可以独立控制，用于调节反射光，将一个象素的视频数据映射到显示器的一个象素上。用通过投影透镜从ON反射镜元件反射的光对微型反射镜进行静电控制。
眼距是指观众两只眼睛之间的距离。通常测得眼距为65mm，当然对于有些观众而言需要修改这一距离。
KALA滤光片是指目前由美国COLORLINK公司生产的滤光片。
两面凸状透镜通常是由一系列并排定位的垂直取向的半圆柱透镜组成的，形成光学观看平面，这里每个透镜形成两幅图象，一幅针对左眼，一幅针对右眼。
后向反射屏幕是指基本以180度入射角后向反射入射光的任何平面和曲面。它可以由一系列夹在两层塑料聚合物薄膜之间的球形或立方形小玻璃球组成的，形成一个大的平面反射镜。这种屏幕的增益通常为10000-16000，因此可以采用低成本、低强度的投影系统。
半反射的反射镜是由一块平的透明介质组成的，其一个表面为部分反射镜，具有部分反射和部分透射的特性。这个反射镜位于观众与后向反射屏幕之间以及光学聚焦系统与后向反射屏幕之间。这是显示系统的一个基本零件，因为后向反射屏幕只允许光直接后向反射到投影源。因此，半反射反射镜允许观众的双眼有效地位于同一光轴上，因为投影光使观众能够从后向反射屏幕的特别特性中得益。
现在参考附图，如上所述，显示系统由多个光学成象装置组成。每个光学成象装置经过至少一个半反射反射镜(12)将投影光射在后向反射的屏幕(15)上。使投影图象沿入射光路后向反射，再次通过该半反射反射镜(12)，在对应于多位观众眼睛的区域中再产生左右图象(立体效果)。光学成象装置包括三个主要部件，即投影装置(3)、跟踪装置(2)和聚焦装置(1)。
正如从图1a和1b中能够看出的，投影装置(3)相对于半反射反射镜(12)的取向和位置对于本发明来说是无关紧要的，可以包括投射来自投影装置(3)的投影光的合适聚焦装置(1)。投影装置(3)的位置和取向主要是由设计准则和空间要求确定的。聚焦装置(1)可以包括与投影装置(3)共同包含的反射镜配置或者本领域专业人员所熟知的一些其它配置。最重要的是根据观众眼睛的位置调节投影装置(3)投影光的指向，例如，可以通过反射镜反射光束或者通过电机移动投影装置来实现，究竟采用哪种方式这与本发明无关。
投影系统(3)可以由一个光源或者多个光源以及以三维排列方式形成立体图象对的方法构成。这种立体图象对可以采用多种方法来形成，包括采用两个安装在光学聚焦系统(1)能够使其投影光形成最佳图象对的位置上的视频投影机。
另一方面，可以采用单个单色光源，以大致45度角度投射到安装在LCD面板后面的全息光学元件(HOE)上。LCD面板以行线序列或时分复用模式工作，能够产生并通过透镜投射两个投影图象区。光源位置的变动可以改变图象区的位置，当它与眼睛跟踪装置(2)相结合时提供了一种维持观众眼睛上图象的方法。
利用一个大功率、高分辨率的单色CRT投影机也能够产生成对图象，由分束器形成两条光路，每一条光路对应于观众的一只眼睛，然后通过两个KALA滤光片(每条光路一个)将色度投影比加在图象上。
另一方面，单色光源被美国德克萨斯仪器公司制造的数字式微型反射镜器件(DMD)所反射，这限定了与单个CRT投影机相同的功能。
产生成对图象的另一方式是采用两个大功率、高分辨率的单色CRT投影机，以形成两条基本平行的光路的结构工作，每条光路对应于观众的一只眼睛。然后通过两个KALA滤光片(每条光路一个)将色度投影比加在图象上。
另一方面，单色光源被数字式微型反射镜器件(DMD)所反射，然后通过两个KALA滤光片，象两个CRT投影机一样形成两个独立的投影图象。
产生成对图象的再一方式是采用一对中心间隔大约为65mm(普通眼距)的LCD面板或者单个能够以电子学方式分割成两个图象区的LCD面板。一个或多个LCD面板安装在单个单色光源上方，经过透镜进一步准直，提供两个投影图象。以机械或是电学方式使LCD面板移动，当与眼睛跟踪装置(2)相结合时提供一种维持观众眼睛上图象的方法。
另一方面，通过直接位于两面凸状透镜后面的LCD面板投射单色光源的光，形成两个图象区。当与眼睛跟踪装置(2)相结合时，两面凸状透镜的机械移动提供一种维持观众眼睛上图象的方法。
如果观众要求观看两维图象，那么，左右眼的图象必须是相同的。这可以通过将两幅完全相同的图象投射到左眼和右眼上，或者通过投射覆盖观众两只眼睛的一幅图象的另一种方式来实现。
聚焦装置(1)可以包括多个反射镜(11)和透镜，以机械或电学方式改变它们的位置能够使成对投影图象的光路重新定向，即使在观众移动位置时也能够使它们维持在对应于观众眼睛的区域上。当观众距离成象系统的位置和距离变化时，聚焦装置(1)允许改变成对图象的会聚度或发散度要求以及改变观众眼睛的眼距。通过采用安装在铰链(13)上的反射镜(4)能够进一步增强这种调节能力，通过移动反射镜能够调节投影装置(3)至半反射反射镜(12)的光路。
另一方面，聚焦装置(1)可以装入机械或电子伺服机制，允许聚焦元件在空间上移动，提供投影图象在对应于观众眼睛的区域中的“x”、“y”或“z”位置。对于观看两维图象而言情况也是这样，这里，仍然需要将单幅图象或者完全相同的左、右眼图象对准观众的眼睛。来自眼睛跟踪系统的反馈信息限定观众眼睛的位置。
跟踪装置(2)简单地是指能够连续跟踪观众眼睛位置的系统。一种办法就是沿半反射反射镜(12)周围提供一个宽间隔的红外发光二极管(IR LED)面板。红外发光二极管面板能够投射观众看不见的红外光，例如880nm，但是会引起观众眼睛的反射，通过眼睛跟踪摄像机(2)能够对该反射光进行检测。知道观众眼睛的位置，就能够将投影图象准确地射在观众的各只眼睛上。
跟踪装置(2)中所采用的视频摄像机可以是CCD摄像机或者光导摄像管，其透镜上装有红外带通滤光片。红外光源可以由红外发光二极管(LED)阵列组成，用红外光照射观众的面部。对于观众戴校正眼镜的情况，LED阵列通常可以由条形LED组成，从而在观众的眼镜上形成独特的红外光图案。然后，对视频摄像机获得的观众面部的图象进行处理，找出观众眼镜上反射图案的x和y坐标。对于观众不戴眼镜的情况，可以采用单个或多个LED红外照明源，在这种情况中，可以采用红外照明源在观众角膜上的反射来确定观众眼镜的x和y坐标。
将来自投影装置(3)的聚焦图象射在半反射反射镜(12)上。半反射反射镜(12)是一面为部分反射和部分透射的部分反射镜(12b)、另一面为玻璃或透明片(12a)的光学元件。半反射反射镜(12)的尺寸是由后向反射屏幕(15)的尺寸和观众离半反射反射镜(12)的距离确定的，通常以与后向反射屏幕(15)大致成45度的角度安装半反射反射镜。
理想的半反射反射镜(12)应当允许光束从一侧直接通过反射镜而没有任何损失或折射，并反射从另一侧射在反射镜上所有光束。然而，实际上是存在一些损失的，要求是半反射反射镜(12)能够使足够多的光源(5)光被半反射反射镜(12)反射到后向反射屏幕(15)上，使得观众能够直接通过半反射反射镜(12)观看图象。
后向反射屏幕(15)的独特特性使目前的系统成为可能。入射光被后向反射屏幕(15)表面以与入射角基本成180度的角度反射。换句话说，投影光又转回原路。正如从图6中能够看到的，后向反射屏幕(15)可以由多个玻璃珠(16)形成，这里，每个玻璃珠(16)的特性使得落在每个玻璃珠上的光束基本以与入射光成180°的角度后向反射。
整个显示系统利用半反射反射镜(12)能够增强观看装置沿与投影光相同的光轴将图象射在观众眼睛上的这一特性。对于较小的屏幕尺寸(小于100英寸)，后向反射屏幕(15)可以是平面，对于较大的平面尺寸，后向反射平面可以是在水平和垂直方向上都略有曲率的曲面，从而使提供给观众的图象亮度达到最大。
对于三维应用，观众拥有的成象系统经过一个半反射反射镜(12)将成对图象投射在后向反射屏幕(15)上。将一对图象投射到观众的眼睛上，只有坐在成象系统前面的观众能够看到立体图象。眼睛跟踪系统跟踪该观众的眼睛位置，通过伺服机制改变投影光的光路，使得这对图象保持在这位观众眼睛所占据的区域中。应当明白，两维系统将以相同的方式工作，所不同的只是提供给左眼和右眼的图象是相同的。另一方面，可以将一幅图象投射到两只眼睛上，这与投射两个相同图象的情况不同。
如果在实际应用中没有采用光学聚焦系统(1)，那么，以机械或电学方式使成象系统中投影系统部件产生移动，改变成对投影图象的光路。当成象系统中安装有光学聚焦系统(1)时，那么，通过光学聚焦系统(1)中光学元件的机械或电子移动，改变成对投影图象的光路。
由于不需要用外壳将后向反射屏幕(15)与成象系统封装在一起，所以，后向反射屏幕(15)的尺寸可以为任何尺寸。唯一的限制是投影光的亮度。
观众最好位于成象系统附近，否则半反射反射镜(12)的尺寸变得太大，眼睛跟踪装置难以跟踪观众的眼睛。观众距离成象系统越近，特定尺寸的后向反射屏幕(15)的半反射反射镜(12)尺寸越小。对于100英寸对角尺寸的后向反射屏幕(15)，半反射反射镜(12)的尺寸小于1平方米，离成象系统的较舒适的观看距离为600-750mm。
通过改变成象系统的位置，观众能够在所用特定后向反射屏幕(15)尺寸和光学特性限定的最佳区域内的任何地方看到立体图象。
后向反射屏幕(15)可以位于半反射反射镜(12)与屏幕平面之间角度基本维持在45度的任何位置上，但是最好应当位于垂直或水平位置上，分别如图6和7所示。在垂直位置中，例如安装在墙壁上，观众不得不保持在屏幕的前方，而在水平安装屏幕中，观众能够占据楼面上的任何位置，只要提供的成对图象不与屏幕边缘重叠。对于某些应用，水平安装后向反射屏幕(15)具有几个截然不同的优点。
如上所述，后向反射屏幕(15)的独特特定在于它以与入射角基本成180度的角度后向反射绝大部分的入射光。如果有许多观众，每位观众有自己的成象系统，最好也有自己的半反射反射镜(12)，那么，每位观众就能够从其自己的系统而不是其它人的系统看到投影图象。例如，如果有10个人以眼光水平向后向反射屏幕(15)闪耀火炬，每个火炬发射不同颜色的光，那么，这10个人只能看到他们各自颜色的光。太亮的光通常会导致极端串话，每个观众将看到混合图象，造成不合意的视觉经历。通过使投影图象的亮度降低到适合于所用特定后向反射屏幕(15)的最佳水平，那么能够将串话维持在最低水平。这种结构还允许将多个图象投影到后向反射屏幕(15)上，从而使许多观众观看不同图象，而不相互干扰。
即，本发明允许多位观众同时观看同一屏幕，而不必观看相同图象。此外，并不要求所有的投影图象都是三维的或两维的，即，有些观众可以观看两维图象，而其它观众可以观看三维图象。
对于这种多位观众配置，每位观众包括一个光学成象装置，每位观众最好也提供一个半反射反射镜，例如如图9所示。在工作中，每个跟踪装置确定各位观众眼睛的位置。聚焦装置利用每个跟踪装置的反馈信息保证将每位观众投影装置的图象射在观众的眼睛上。本发明多位观众观看系统的操作允许多位观众观看各自的图象。每位观众的图象是否相同是无关的，它取决于特定的应用。例如，每位观众可以观看相同的图象，每位观众也可以观看完全不同的图象，或者有些观众可以观看相同的图象，另一些观众可以观看不同的图象。
由于观众仅仅观看他们成象系统光源，可以把其它任何极其明亮的真实物体看作是三维视频背景的前景物体，使得场景象真的一样。
对于本领域的专业人员而言显然能够对此作出改进和变化，应当将其认为这是在本发明限定的范围内。
权利要求
1．一种供多位观众用的多位观众显示系统，其特征在于它包括至少一块半反射反射镜、一个后向反射屏幕和多个光学成象装置，每位观众各自配备一个所述光学成象装置，每个光学成象装置包括沿光路投射图象的投影装置、确定所述各位观众眼睛的空间位置的跟踪装置和根据各位观众移动情况改动光路的聚焦装置。
2．如权利要求1所述的多位观众显示系统，其特征在于所述至少一个投影装置适合于将左、右眼图象沿光路投射给各位观众，由此形成立体图象。
3．如权利要求1所述的多位观众显示系统，其特征在于所述至少一个投影装置适合于将相同的左、右眼图象沿光路投射给各位观众，由此形成单象图象。
4．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于所述至少一个聚焦装置包括至少一块能够将其定位在把被投射图象射在所需位置的透镜。
5．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于所述至少一个聚焦装置包括至少一块能够将其定位在把被投射图象射在所需位置的反射镜。
6．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于所述至少一个跟踪装置包括与红外带通滤光片相耦合的视频摄像机。
7．如权利要求6所述的显示系统，其特征在于所述半反射反射镜包括至少一个红外源；所述红外源射向观众的眼睛，使所述跟踪装置通过红外光的反射能够跟踪观众的眼睛。
8．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于给所有的所述观众提供一个半反射反射镜。
9．如权利要求1至7中任何一项所述的显示系统，其特征在于每一位所述观众提供一个各自的半反射反射镜。
10．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于所述后向反射屏幕在取向上基本是垂直的。
11．如权利要求1至9中任何一项所述的显示系统，其特征在于所述后向反射屏幕在取向上基本是水平的。
12．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于所述后向反射屏幕为曲面。
13．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于所述至少一个光学成象装置对来自其投影装置的不同图象进行投射。
14．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于一个或者每个半反射反射镜相对后向反射屏幕的角度基本为45°。
15．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于来自一个光学成象装置的第一幅图象在所述后向反射屏幕上的空间位置与来自至少一个其它光学成象装置的第二幅图象的空间位置相重叠。
16．如上述任何一项权利要求所述的显示系统，其特征在于所述至少一个投影装置适合于沿光路投射一幅图象，所述一幅图象能够覆盖观众的双眼。
全文摘要
一种给多位观众(V1、V2、V3、…VN)显示多幅图象的系统,包括至少一块半反射反射镜(12)、后向反射屏幕(15)和多个光学成象装置(未示出),给每位观众提供一个各自的光学成象装置,每个光学成象装置包括沿光路投射图象的投影装置、确定各位观众眼睛的空间位置的跟踪装置(未示出)和根据各位观众(V1、V2、…VN)的移动情况改动光路的聚焦装置(未示出)。
文档编号H04N15/00GK1220741SQ97195184
公开日1999年6月23日 申请日期1997年6月4日 优先权日1996年6月4日
发明者P·V·哈尔门 申请人:齐诺技术有限公司