CN102023393A - 一种3d立体显示技术 - Google Patents

Abstract

一种适合裸眼观看的可以真实再现实物场景的3D立体显示技术方案，通过动态调焦混光镜矩阵对平面图像的像素进行动态调焦投影成混光实像，使所成的像距等于或正比于图像的实景对应定焦镜头所成的像距，所有像素实像像距不同共同组成立体实像，通过凸透镜放大观看或者再次投射到显像镜片上成像来实现真实场景还原的3D立体显示技术和设备。

Description

一种3D立体显示技术

所属技术领域

本发明涉及一种适合裸眼观看的3D立体显示技术方案，尤其是通过实时调制显示矩阵中每一个像素的色彩和像距来实现对真实场景还原的3D立体显示技术方案。

背景技术

目前，公知的立体显示技术常见以下几种：1、偏振光分离立体显示技术；2、分场扫描立体显示技术；3、左右移位立体显示技术；4、红绿色分离立体显示技术；5、全息照相立体显示技术；6、格栅偏移立体显示技术；7、棱镜偏移立体显示技术。其中1、2、3、4都需要佩戴眼镜，5、6、7不需要配戴眼镜。下面将对以上的各种实现技术作对比说明。

前四种技术都需要佩戴专用眼镜，其中1、2两种显示效果较好，3的效果中等，4的效果较差。但佩戴立体眼镜一方面会使观看者感觉不方便；另一方面由于其满足心理和生理景深暗示(cue)---双目视差(binocular display)和会聚(convergence)，从而导致与其他景深暗示，如适应性和运动视差间的差异。这种差异将导致人体产生疲劳和头晕，不适合长时间观看，更不利于一些人群，如老人、小孩观看。因此佩戴眼镜的3D显示被称为“十分钟媒体(ten minutes media)”。人们需要减少制约、更自然、更贴近生活方式的3D显示技术。

后三种技术不需要佩戴眼镜，其中5的效果最好，但是结构极其复杂、实现成本巨大、数据量超大而难以实用化。6已见应用于立体液晶显示器，效果较好，但是视角窄，立体效果限定在较窄的距离、角度范围内，观看人数和位置受很多限制。7多用于玩具和要求不高的静止画面，图像质量较差。

以上所列技术所描述的立体显示方法，存在着或必须佩戴眼镜或效果较差或难以实现的问题，不能满足人们实际应用的需要。

发明内容

为了克服现有立体显示技术的弊病以及实现更好的显示效果，本发明提供一种通过实时调制显示矩阵中每一个像素的像距来实现真实场景还原的3D立体显示技术方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由平面显示器件显示或投影的动态彩色图像，通过动态调焦混光镜矩阵对其图像像素单元进行动态调焦投影成像，对其每一个像素单元进行分别动态调焦，所成的实像像距也随之变化，调整图像和透镜的距离以及调焦的电压或电流，令其像距等于或正比于图像中原立体实景相应部分对定焦镜头的成像距离，在混光镜另一端将得到不同像距的被混光的像素单元实像，是一个和原图像等大的立体动态彩色实像。对此立体实像通过透镜或微形透镜矩阵成像观看，则组成立体显示器；或者把立体实像再次投影到显像镜片上成像，以实现对立体场景的真实还原，则组成立体投影系统。其光路原理近似于摄像的逆原理，具体解释如下：

在摄像的时候，通过摄像镜头把立体实景投影到感光器上，对感光器的读取和记录就实现了摄像过程。在普通摄像过程中，采用了大景深的镜头来尽量满足图像的全景清晰度，并且只记录光数据，不记录景象的距离数据。

在实际的凸透镜成像的光路中，立体实景中每一个点成像的像距是不同的，根据光路可逆原理，如果能复原成像位置的每一个像素的色彩和像距，反向投影的话将再现原场景每一部分的色彩和距离。因此，如果能得到视频文件的成像距离数据，然后在图像色彩重现的时候，通过实时调制调焦镜物距的方式实现对成像距离的再现，则能恢复原立体实景的成像色彩和成像像距。如上所述，通过对其再次投影来再现立体实景。

动态调焦混光镜是一种放大像距而不放大面积或对面积放大很小的镜片组，可通过微小的电调来实现大范围的像距变化，简称混光镜。混光镜包括前端的可动态调焦或变焦的透镜和后端的柱形平透镜，两个透镜光轴重合，为便于描述，把可动态调焦或变焦的透镜简称调焦镜，把柱形平透镜简称柱镜。柱镜截面面积和原始图像像素单元面积相同，调焦镜面积略小，以便于运动。对于两种不同的原始图像，有不同的调焦成像方法：对使用显示器件显示的平面图像，可以用凸透镜对其调焦成像；对使用投影产生的实像图像，可以用凸透镜或凹透镜对其调焦成像。本说明将以使用显示器件的方案进行分析。调焦镜和原始图像的距离大于焦距小于二倍焦距，调焦镜对原始图像的成像在柱镜内或穿过柱镜。在柱镜内成像时，其中碰到柱镜壁的光线被一次或多次全反射后在柱镜的截面内成像，其成像距离并不改变，多次全反射的光线在成像平面实现混光，由于原始图像和所成的实像面积相同，因此，混光镜实现了对物距的放大，而不放大原始图像的面积。混光镜矩阵通过对每个调焦镜微小的电调，分别会聚成的实像像素单元组合成大景深的立体实像。如果成像距离超出混光镜，成像面积相对于像距而有一定的放大，但是由于受到混光镜末端截面面积的限制，在较近距离内成像的像素面积也只会有微弱的变化。在成像的同时，动态调整调焦镜的物距，则混光成像的像距相应变化，其距离变化规律符合透镜的成像公式：1/u+1/v＝1/f。

混光镜矩阵对一个平面图像的每个像素分别调焦投影成像。在调焦镜没有被调制的时候，成像距离v＝fu/(u-f)，在这个平面上，原始图像像素单元会聚成等大的实像并被混光。当根据图像的内容驱动调焦镜调整物距时，其对应的像素所成的实像像距将在静态成像位置前后变化，其成像面积等于柱镜截面等于原像素单元面积，成像的光线由于多次全反射而在汇聚时被混光。调整调焦镜的控制程度，使这种像距的变化对应于原始图像内容的实际成像距离时，平面图像通过混光镜所成的像将是立体实像。改变混光镜和平面图像的距离，实像可位于混光镜内或镜外。

当需要直接观看立体实像时，可使用透镜对立体实像成像，如望远镜或显微镜的目镜原理，透镜可以采用凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜等单个或多种组合。例如采用单个大凸透镜或与混光镜对应的微型凸透镜矩阵，调整凸透镜和混光镜的距离，以达到全景深范围最大的清晰度，这时可以用裸眼通过凸透镜看到立体实像所成的虚像。

如果把立体实像进一步投影到显像镜片上，让立体实像位于投影镜头的焦距和二倍焦距之间，让二次投影后的像距变化在显像镜片的成像范围内，则可以用裸眼在显像镜片上看到立体图像，

这种通过混光镜对平面图像的每个像素分别调焦，在混光镜的另一端再现原景实物的色彩和距离的方法，在实际应用中可以用于制造立体显示器和立体投影机，或者其它需要立体显示的仪器、设备、系统。

这种可通过裸眼直接观看的立体成像系统，其立体实像的成像距离可以完全等于或正比于摄像时的实物成像距离，因此产生的立体效果也最接近真实场景。并且其光路完全由光学镜片组成，因此亮度和对比度非常高，是一种最理想的成像方式。

下面参照附图来说明工作原理：

一、系统构成：参照图1，动态调焦混光镜矩阵由四部分组成：1、平面成像器件；2、可分别动态调焦或变焦的凸透镜矩阵；3、柱形平透镜矩阵；4、存储和驱动电路。下面将分别说明。

二、混光镜的结构和控制原理：参照图2，图2(a)(b)分别是使用显示器件和投影实像产生平面图像作为原始图像的光路原理图。对于两种不同的原始图像，有不同的调焦成像方法：对使用显示器件显示的平面图像，可以用凸透镜对其调焦成像，如图2(a)；对使用投影产生的实像图像，可以用凸透镜或凹透镜对其调焦成像，如图2(b)。本说明将以使用显示器件的方案进行分析。混光镜矩阵是由多个独立的混光镜组件组合成的矩阵，每一个混光镜组件包括平面像素(1)、可动态调焦的透镜或电控变焦镜(2)、柱镜(3)、存储和驱动电路部分，每个调焦镜(2)的物距都可以单独被动态调制。没被调制时，调焦镜(2)对平面像素(1)投影成实像(4)在柱镜(3)的截面内一个固定位置。当调焦镜被信号调制时，投影实像的像距产生变化，参照图3，图3是一种由混光镜矩阵和液晶显示器制作的3D立体显示器的侧面结构图，所看到的一列混光镜的成像像距对应调焦镜的位置变化而有不同，物距变小时像距增大，物距大于焦距小于二倍焦距。对平面图像的像素单元分别调焦，使像距等于或正比于原立体实景相对定焦镜头的成像距离，根据光路可逆原理，这种立体实像通过定焦镜头再次投影将能再现原景的色彩和距离。对调焦镜的驱动方法有很多，比如：电场力调制、电磁调制、热变形调制等等，凡是能实现可控制微变形的技术大都能用于对调焦镜的物距进行实时调制。也可以采用电控变焦镜通过变焦来实现对像距的调制。具体结构和实现方法将在下面作分别说明。矩阵中调焦镜的调制频率高于视频显示的场扫描频率，现有的以上所说的调制技术都远远超过这个参数，技术上很容易实现。

三、混光镜矩阵的显示方法1：参照图3，在混光镜矩阵后端制作凸透镜矩阵，令混光镜成像距离在凸透镜能清晰放大的范围内，这样，在凸透镜正面就可以用裸眼看到混光镜矩阵所成的立体实像。这种技术可用于制造立体显示器，混光镜对显示器的RGB三色光色块像素单元进行调焦成像并混光，混光后将成为一个混合色光像素单元，不再是独立的RGB色块，颜色更自然。

四、混光镜矩阵的显示方法2：参照图4，在图4(a)中，光源(7)对平面显示器件(1)通过混光镜矩阵(2、3)的成像(4)再次投影，令混光镜所成的立体实像(4)位于混光镜矩阵出口处，使立体实像像距变化范围在定焦投影镜头(6)的焦距和二倍焦距范围内，这样就组成了一套3D立体投影机，由3D投影机投射出的3D立体动态实像，再经一组显像镜片显示成像，人们即能通过裸眼来看到3D立体动态影像，显像镜片可以是凹面镜、凹透镜、菲涅尔透镜、凸透镜、凸面镜等单个镜片或镜片组合。照图4(b)是一个使用凹面镜作为显像镜片的实例，凹面镜有放大作用，投射到凹面镜焦距内的3D立体实像被放大成正立的虚像。3D投影机投射出的会聚光点分别位于凹面镜的焦点和镜面之间不同位置，所成的虚像点也将对应地被放大到不同位置，根据凹面镜成像公式：1/u+1/v＝1/f，投影的像点相对于焦点f的距离u不同，所成的虚像距离v也不同，距离焦点越近，所成的虚像像点越远，凹面镜内所成的图像是观看者可以用裸眼看到的放大的3D立体虚像。调整投影镜头的物距和调焦镜的控制电流或电压，使最终成像在预定的成像范围内清晰显示。每个观看者所处的位置不同，所看到的图像大小角度也略有差异，本发明真实地实现了原景再现。由于全部光路采用镜片成像的方式显像而不是通过投影屏幕的漫反射来显示图像，因此所看到的立体图像更加真实、自然。

五、混光镜矩阵的加工：混光镜矩阵的加工工艺可以采用集成电路制作工艺，或者其他微机电加工工艺，这种技术已经相当成熟，混光镜矩阵的结构简单，容易加工。

六、混光镜矩阵的结构和驱动方法：混光镜的结构参照图5，混光镜包括调焦镜(2)和柱镜(3)。调焦镜(2)包括镜片和弹簧(11)，调焦镜(2)通过弹簧(11)安装于显示器件(1)上或者柱镜(3)上，图5(b)(c)分别是弹簧收缩和展开的结构图。对调焦镜的驱动方法有很多，比如：电场力调制、电磁调制、热变形调制或电控变焦等等，凡是能实现可控制微变形的技术大都能用于对调焦镜的投影像距进行实时调制。调焦镜(2)的形状可以做成圆形、矩形、多边形或其他适合的形状，弹簧部分可以做成单层、多层、螺旋或其它结构形状，可位于调焦镜片的周围、两侧、下方。由于柱镜、调焦镜、平面显示器件之间有一定的距离，可能会造成微量的光染，可以通过增加一个吸光的护套来解决，其结构类似光导纤维的护套，不同的是此护套此护套可能是方形并吸光不反光。护套连接到显示器件表面，隔离每个像素单元，调焦镜安装于护套内。整个混光镜矩阵可以封装于透明真空环境中，以减少空气的影响。调焦镜有很多种适合的结构和驱动方法，说明如下：

1.静电场驱动①：参照图6(a)，调焦镜包括镜片(2)和弹簧(11)，镜片连接有多个弹簧，弹簧另一端安装于显示器件或柱镜上，镜片采用驻极的方法充入高压负电荷，在显示器件(1)和柱镜(3)的相对表面分别有透明导电层(14)和(12)，(14)和(12)组成近似匀强电场，对(14)和(12)通入对称的正负电压，则带负电的驻极镜片将被推离负电压端而靠近正电压端，因此造成相对显示像素的物距的变化，从而实现像距的放大变化，驱动电路如图6(b)所示。也可以为实现调焦而在此结构、形式或驱动原理上采用不同变化的驱动方式。通过对每个像素进行相应调制，实现如图3所示的成像规律。即通过微小的电调，实现了大景深的立体实像投影。

2.静电场驱动②：不采用驻极的方法，在调焦镜片上涂覆透明电极并通入调制电压。导电膜(12)和(14)间施加恒定对称正负高电压，则调焦镜片携带着被调制的电荷将在电场中被驱动到与弹簧达成的平衡位置。以此实现对整个矩阵的调焦。也可以为实现调焦而在此结构、形式或驱动原理上采用不同变化的驱动方式。

3.热变形驱动：参照图6(c)，调焦镜包括镜片(2)和双金属弹簧(11)，调焦镜片连接多个双金属片，双金属片另一端安装于显示器件上或柱镜上，双金属片受热后向上或向下弯曲变形，变形时推远或拉近调焦镜片和像素单元的距离，双金属片做成偶数条阻抗性元件，对双金属片对称通入调制的电流，双金属片产生电阻热而变形，驱动调焦镜片移动，从而实现对像素像距的调制。图6(d)是驱动电路原理。

4.电控变焦镜：如图7，电控变焦镜(2)是一个固定形状的结构，通过施加的电压或电流来改变透镜的焦距，同时实现了对像距的调制。电控变焦镜没有宏观的运动部件，因此可以和柱镜(3)结合为一体。护套(15)包围整个光路，防止像素单元间产生光染。采用电控变焦镜将使混光镜矩阵变得简单，计算好各元件间的距离和厚度，把显示屏、变焦镜、柱镜一同制造连接成一个实体，从而提高整个器件的可靠性。

上述优选实施例并不对本发明构成任何限制，相反，利用本发明揭示的立体显示原理采用其他各种有效元件组合成的立体显示器件都应落入本发明的范围内。

虽然参考本发明的优选实施例描述了本发明，但应当理解的是本发明并不局限于所揭示的实施例或结构。相反，本发明意在包含各种不同的改变和等同装置。此外，虽然以各种不同组合及结构显示出了所揭示的发明的各个不同元件，但这仅是示意性质，包括更多、更少或单个元件的其它组合及结构也落入本发明的范围内。

本发明的有益效果是：1、显示效果真实；2、不需要佩戴眼镜；3、显示立体视场范围宽；4、采用自然成像原理，观看时感觉自然、愉悦，不存在合成立体图像产生的不适感；5、实现成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实例的构造原理图。

图2是两种混光镜的光路原理图。

图3是一种3D立体显示器的构造原理图。

图4是一种3D立体投影机的构造原理图。

图5是一种混光镜的构造图。

图6是两种驱动方式的调焦镜构造原理图。

图7是一种采用电控变焦镜的混光镜构造图。

在图1中：1.显示屏或投影图像；2.调焦镜；3.柱镜。

在图2中：4.混光实像。

在图3中：5.显像透镜矩阵。

在图4中：6.投影镜头；7.光源；8.3D立体投影机；9.显像镜片；10.观众。

在图5中：11.弹簧。

在图6中：12.驱动电极；13.调焦镜片；14.驱动电极。

在图7中：15：吸光护套；16：空气或透明物质。

具体实施方式

本发明的一个实施例：一种采用恒压匀强电场驱动带调制电荷的透镜方式的3D立体显示器。

采用集成电路制作工艺或其他微机电加工工艺，在一个液晶显示屏上对应每一个显像单元面积制作透明电极层、弹簧、调焦镜片和驱动电路，组成调焦镜矩阵，完全对应每一个液晶显像单元，调焦镜片表面有导电膜，导电膜连接存储和驱动电路。在调焦镜矩阵上方一定距离安装柱镜矩阵，距离可以等于或小于透镜焦距，每个柱镜截面积等于一个液晶显像单元面积，柱镜矩阵的高度根据试验确定，一般选取大于三倍透镜焦距，柱镜矩阵与调焦镜矩阵一一对应。在柱镜矩阵上方一定距离安装凸透镜矩阵或单个大凸透镜，用以放大观看混光镜所成的实像。其距离根据实验确定，如果成像在柱镜内，则放大镜可以直接安装与柱镜表面，如果成像在柱镜外，则根据成像位置安装凸透镜，使3D立体实像被清晰放大显示。

存储驱动电路可以采用液晶显示器的基本电路，只对一路像距视频进行存储和驱动，以实现对调焦镜的调制。显示器件本身显示彩色动态图像，通过混光镜矩阵对视频像素调焦后混光成像，即可通过放大镜矩阵观看混光镜矩阵正面形成的3D立体彩色动态图像。

Claims (9)

1.一种3D立体显示技术方案，其特征是：一种3D立体成像的方法，其依据是在实际的凸透镜成像的光路中，立体场景中每一个点成像的像距是不同的，根据光路可逆原理，通过复原成像位置的每一个像素的色彩和像距并进行反向投影的方法来再现原场景每一部分的色彩和距离的方法，其实现方法可通过动态调焦混光镜矩阵对显示或投影的平面图像的像素分别调焦投影到其对应的实景的实际成像像距，投影后所成实像像距不同并被混光，所有实像组合成一个完整的3D立体实像，对此立体实像通过透镜显示后可以组合成3D立体显示器，或者再次投影到显像镜片成像则组合成3D立体投影机，所有显示方式都可以显示出可通过裸眼直接观看的3D立体影像，其基本硬件包括平面显示器件或投影机、混光镜矩阵、单焦点投影镜头、显像透镜矩阵或显像镜片。

2.如权利要求1所述的3D立体显示技术方案，其特征是：所述的动态调焦混光镜是一种放大像距而不放大面积或对面积放大很小的镜片组，可通过微小的电调来实现大范围的像距变化，由可动态调焦或变焦的透镜、柱形平透镜和可选的吸光套管组成，每个调焦镜根据像距数据对镜片进行调焦，以使所成实像的像距等于或正比于原始场景对应定焦镜头所成的像距，成像过程中光线被柱镜壁多次全反射后会聚成混光实像。

3.如权利要求1所述的3D立体显示技术方案，其特征是：所述的显示或投影的平面图像可以是各种平板显示器件显示的平面图像或者投影机投影出的平面实像，其调焦透镜可以采用多种方式对所要调焦的图像进行调制，可以选择但不限于：当采用平面显示图像时，可以使用动态调焦凸透镜对其成像，当采用投影实像时，可以使用动态调焦凸透镜或凹透镜对其成像。

4.如权利要求1所述的3D立体显示技术方案，其特征是：所述的3D立体显示器是在平面显示器表面安装动态调焦混光镜矩阵对其像素单元分别混光成像，所成3D立体实像通过显像透镜或透镜矩阵显示，即可通过裸眼观看到3D立体影像，其显像透镜可以是凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜或其它能对3D立体实像成像并可供裸眼观看的光学镜片。

5.如权利要求1所述的3D立体显示技术方案，其特征是：所述的3D立体投影机是把平面图像通过动态调焦混光镜所成的3D立体实像再次投影到显像镜片上的设备，所述的显像镜片可以是凹面镜、凹透镜、菲涅尔透镜、凸透镜、凸面镜等单镜片或多镜片组合，是一种能把3D立体投影机投射的立体实像显示出来，并能通过裸眼观看的镜片。

6.如权利要求2所述的动态调焦混光镜，其特征是：所述的动态调焦或变焦透镜可以通过多种方法实现调制，比如但不限于电场力调制、电磁调制、热变形调制等等，凡是能实现可控制微变形的技术大都能用于对调焦镜的物距进行实时调制，进而实现对像距的调制，当使用电控变焦镜片时，通过变焦来实现对像距的调制，调焦镜的形状可以做成圆形、矩形、多边形或其他适合的形状，弹簧部分可以做成单层、多层、螺旋或其它结构形状，位于调焦镜片的周围、两侧、下方，一个优选的方案是用一个吸光护套来解决像素间的微量光染，护套连接到显示器件表面，隔离每个像素单元，调焦镜安装于护套内，整个混光镜矩阵可以封装于透明真空环境中，以减少空气的影响。

7.如权利要求2所述的动态调焦混光镜，其特征是：所述的电场力调制方式，一种优选的结构包括调焦镜、上下透明电极和存储驱动电路部分，调焦镜包括驻极调焦镜片和弹簧部分，驻极调焦镜片储存有高压负电荷，在柱镜和显示器件的相对表面做有和像素单元大小相同的透明导电电极，上下两个电极形成近似匀强电场，存储和驱动电路对上下两个导电平面分别通入对称正负电压，静电调焦镜片携带的负电荷在两个导电平面形成的电场中受到电场力作用，驱动静电调焦镜片向上或向下移动，从而实现对像素像距的调制，也可以为实现调焦而在此结构、形式或原理上采用不同变化的驱动方式。

8.如权利要求2所述的动态调焦混光镜，其特征是：所述的电场力调制方式，一种优选的结构包括调焦镜、上下电极和存储驱动电路部分，在调焦镜片上涂覆透明电极并通入调制电压，在柱镜和显示器件的相对表面做有和像素单元大小相同的透明导电电极，上下两个电极形成近似匀强电场，对两电极施加恒定对称正负高电压，则调焦镜片携带着被调制的电荷将在电场中被驱动到与弹簧达成的平衡位置，以此实现对整个矩阵的调焦，也可以为实现调焦而在此结构、形式或原理上采用不同变化的驱动方式。

9.如权利要求2所述的动态调焦混光镜，其特征是：所述的热变形驱动方式，一种优选的结构包括调焦镜和存储驱动电路部分，调焦镜包括调焦镜片和双金属弹簧，调焦镜片连接多个双金属片，双金属片另一端安装于显示器件上或柱镜上，双金属片受热后向上或向下弯曲变形，变形时推远或拉近调焦镜片和像素单元的距离，双金属片做成偶数条阻抗性元件，对双金属片对称通入调制的电流，双金属片产生电阻热而变形，驱动调焦镜片移动，从而实现对像素像距的调制，也可以为实现调焦而在此结构、形式或原理上采用不同变化的驱动方式。

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