CN1162732C - 体视显示装置 - Google Patents

Abstract

一个显示装置包括用来产生一个或多个可观察的象的装置(2)；用来产生一个或多个用于观察可观察的象的观察区的装置(9)；以及一个具有正光焦度的光学元件。这些元件的布置和构造是这样的，即由光学元件形成该观察区或每个观察区的实象，以及可观察的象或每个可观察的象的虚象，因此仅当可从观察者的眼睛追迹一条贯穿一个相关的观察区的实象、光学元件和可观察的象的光线时，该虚象或每个虚象对于观察者而言是可见的。这个显示器可以是一个自动体视显示器。

Description

体视显示装置

技术领域

本发明涉及一种体视显示装置。

背景技术

已知的体视显示有很多种，现在一类不需借助特殊的观察工具就可观察体视图象的显示器正不断发展，我们称这种显示器为自动体视显示器。所有这类体视显示器的特征在于它们采用了某种观察确定装置，从而使观察者的每只眼睛看到的是屏幕上的不同的象。

在一个体视象中，将两个二维图象(我们称之为体视半象)放在一起，它们被当作一个立体象对。体视的效果是由这两个体视半象的透视的差别所产生的。每个体视半象在观察者一定距离的地方形成，并且观察者的眼睛将聚集于该象上。眼的调节是被大脑用来解释以给出深度信息的许多视觉线索中的一个。当眼睛聚焦于这个二维图象时，任何由体视效果所提供的深度感觉将与由眼的调节所提供的深度感觉相矛盾。在实践中，有必要限制这种矛盾，否则观察者将会觉和不舒服，而且眼睛会感到疲劳。自动体视显示器通常在观察屏的感光板上形成它们的体视半象。很多因素都严格地限制了屏幕的尺寸，同时为了使眼调节的三维图象与体视观测的图象之间的冲突减至最小，需要将象成于靠近显示屏的地方。

任何一种三维成象系统的一个明显的特征是显现在距观察者一定距离的地方。

由于具备这种特征，三维图象的象幅也是可确定的，并能够清楚地观察得到(可将这种情况与二维图象相比较，二维图象没有呈现深度信息，因此即使象幅很小，大的物体看上去仍为一个大的物体)。

由以上原因现存的自动体视显示不能够显示任何比显示屏还要大的物体的完整象幅的象；任何较大的物体必须以一个小的比例尺来显示，这样(与二维图象不同)该物体看上去确实小。

由于三维图象的增加的自然性被不真实的比例的显示所危害，这个事实限制了现存的自动体视显示器的可用性。

发明内容

根据本发明，提供了一个体视显示装置，该装置包括：

(a)用来产生多个可观察的象的装置，每个可观察的象包括一个普通景物的一个不同的透视象；

(b)用来产生多个用来观察可观察的象的观察区的装置，观察区的布置是这样的，即在使用中观察者的每只眼睛所看到的是不同的可观察的象，因此使得观察者可以欣赏到普通景物的一个体视三维图象；

(c)一个具有正光焦度的光学元件。

其中元件(a)-(c)的安排和构造是这样的，即由光学元件形成观察区的一个实象，以及可观察的象的一个虚象，从而仅光可从观察者的眼睛追迹一条贯穿一个相关的观察区的实象、光学元件和可观察的象的光线时，该虚象或每虚象对于观察者而言是可见的，并且其中用来产生多个可观察的象的装置包括位于光学元件和该光学元件的后焦点之间的图象载体装置。

本发明允许距观察者任意距离的可观察的象的形成，同时允许形成任何尺寸的象，而不受显示器本身大小的限制。

一个合适的比方是一个窗口：可通过一扇小窗户看到一个很大的景物。在本发明中，大的景物看上去就好象是通过显示窗口看到的一样。

本发明提供了一种不需利用眼镜、带在头上的显示器或类似的不方便的观察工具，就可观察三维图象的装置；本发明还可用来观察远大于显示器本身的图象。

图象载体装置可以是一个液晶显示器或一个屏幕(该屏幕可以是一个全息光学元件)，可将可观察的象投影到该屏幕上。

附图说明

现在参考附图对本发明的一些实施例进行说明，其中：

图1所示的是根据本发明的一个显示器的一个整体的布置；

图1A所示的是在图1的布置中的一对示例光线；

图1B表示了图1中的实象和虚象形成时所用的成象线；

图2是一个实际显示装置的某部分的简要平面图；

图3是另一种可选用的复合全息元学元件的简图；

图4所示的是一个包括有一个液晶显示器的另一种显示装置的一部分；

图5所示的是一个进一步变更了的实施例的一部分；

图6是本发明的一个进一步变更的实施例的一个示意图；

图7是一个进一步变更的实施例的示意图，其中全息光学元件有多个焦点；

图8是一个进一步变更的实施例的示意图，其中全息光息元件有一个焦点并且产生三对观察区；和

图9是一个进一步变更的实施例的示意图，其中使用了三束光。

图1所示的是根据本发明的一个显示器的整体的布置。

具体实施方式

显示器包括一个二维图象2，该二维图象2包含一对重叠的实二维体视半象(在下文中称为21，2r-图中没有画出)。二维图象2位于聚焦光学器件1(有正光焦度的)的后焦点与该光学器件之间。通过图画中未画出的装置，将观察确定孔3，4分别提供给两个体视半象21，2r。

这样安排的效果是重叠的体视半象21，2r形成了一个放大的虚象5，而观察确定孔3、4分别形成了实象6、7。

观察者处在一个适当的位置，其右眼和左眼大致位于图中所示的方位。

两只眼睛都聚焦于二维图象2的虚像5之上，应该记住二维图象21，2r是一对重叠着的体视半象，因此它们各自的象51，5r也是重叠着的。

如图所示观察确定孔3、4的实象6、7形成了实象，这些实象6、7分别决定每个体视半象21，2r的象51，5r可在哪个区域被看到。

为了方便起见，现在我们将象6、7称作观察孔。

在图1中，我们说明了一个简单的情况，其中实像6、7形成的观察孔处于一个合适的位置，这样左眼81可通过实像6形成的孔观察到放大的左体视半象5l，右眼可通过实像7形成的孔观察到放大的右体视半象5r。

很明显，二维图象2的虚象的5的尺寸可以远大于聚焦光学器件1的直径，立体象可以位于大至在虚象5的位置上，从而实现了我们采用一个相对较小的体视显示器显示大的三维图象而不引入眼的调节和立体视之间不可接受的深度线索的矛盾。

图1A所示的是图1加上了一些示例光线后的布置。

考虑光线48-50。当没有聚焦光学元件1时，观察者可以看到一条光线来自于左手观察的观察确定孔3的虚像。光线48穿过二维图象2到达聚焦光学器件1，在聚焦光学器件1处，该光线发生偏折，从而变成了光线49，光线49对于眼睛来说好象是从象5发出的，在图中由光线50来表示，请注意聚焦光学器件1产生了观察确定孔(3，4)的实象6，7和二维图像2的虚象5。由于照亮左体视半象的光和形成观察确定孔3的实象6的光是相同的，因此仅当可追迹到贯穿眼睛81，观察区的实象6和光学聚焦光学器件1的光线(例如48-50)时，左体视半象才是可见的。右眼和其相关的图象也是一样的。请注意正如图中所画的，右眼不能看到任何直接射入实像6形成的左观察区的光(显然，左眼也不能看到任何直接射入右观察区的光)。因此，每只眼睛看到了在虚像5处一个不同的二维图像。

图1B的是图1中的实象和虚象形成时所用到的一些成象线。短划线40-43是形成虚象5是所用的光线。中划线44-47是形成实象6、7形成的观察区时所用的光线。

现在，我们将描述一些实际的结构。

聚焦光学器件1可以是一个透镜或透镜组合。它可以是一个反射镜或反射镜的组合，它可以是一个全息衍射光学元件或这种元件的组合。它还可以是不同类型的元件的组合，例如透镜和反射镜。

很可能聚焦光学器件1会偏轴工作，存在由聚焦光学器件1引入的一些微小的象差而使图象的象素变模糊，并因此得到一个更均匀的图象可能也是有利的。

现在转到二维图像2和观察确定孔3、4。有多种方法可以从光学上实现这些。

首先，二维图象2l，2r可由投到全息屏上的投影来形成。

参考图2，这是一个平面图并不是依照比例画的。二维图像2有由一对投光器101和10r产生的立体象对，这对投光器分别将左、右体视半象投射到全息元件9上。当全息元件9被一个正确放置的光源所照射时，它将重建一个均匀的散射区；可以将投光器101看作一个光源，并且将重建观察确定孔3；投光器10r以类似的方式工作，并重建观察确定孔4，观察确定孔3和4之间的位移是由投光器10t和10r之间的位移产生的。观察确定孔3和4可以被重建成无穷大或虚象、或实象。

全息元件9可以是一个简单的透射全息图记录器或一个反射全息图记录器，它也可以有选进的如图3中所画的结构，其中它由一个衍射光栅11，一个百叶屏12和散射区的全息图记录器13所组成，这种结构提从了补偿。光栅11和全息图记录器13的总光学焦度应该接近零，并且光栅11和全息图记录器13被制成提供相等且相反的衍射，具有这种特殊结构时聚焦光学器件1可放在与全息图或包含全息元件9的全息图组合相接触的地方，或是位于它和投光器10的中间，或是在另一面位于它和观察位置之间。这相当于一种极限情况，其中没有发生图象的放大，但是观察确定孔3、4被反射成实象6和7的象。如图1中所示。如果在全息元件9和聚焦光学元件1之间(并且当聚焦光学元件1是一个位于全息元件9和观察者之间的透镜时)有一段距离时，就会发生前面所说的图象放大。

如果没有使用散色补偿，那么为了便于得到好的象彩再现，观察确定孔3、4适合于以消色差角进行倾斜。

(还有可能在101处提供三个投光器，这三个投光器的每一个将投射一个分色并且投光器应安放在能使不同着色的观察确定孔3重叠，对投光器10r可采用同样的布置。)

第二，立体象对包含二维图像2l，2r，可由一个单独的透射成象元件和一个单个全息图来提供。

在这种实施例中，立体象对(即二维图像2)和观察确定孔3、4由一个光源，一个全息图和一个透射图象的载体板的组合所产生，其中透射图象的载体板可以是一个液晶显示器，并且在下面将其作为液晶显示器进行说明。

参考图4，这是一个简要的纵向的剖面图，没有依照比例画出。液晶显示器14被认为包括有两套象素组15和16(图中仅画了每个象素组其中的两个象素)象素组15显示的是它们之间的左体视半象，象素组16显示的是右体视半象，一个全息图记录器17放在液晶显示器的附近(图中所画的它在后方，它也可在液晶显示器的前方)。全息图录记器17由两套元件18，19的组合所组成，元件18，19可以重叠，也可以不重叠，全息图记录器17由光束20来照明。为了进行说明，我们在图中画了一些光线，显然可以画出更多的与所画出的光线相平行的光线，但这样做是没有必要的。

光线20的一部分射到全息图记录器的元件18上，在元件18上，这部分光重建了光的散射区域的象以形成观察确定孔3，在图中说明的情况中，这是一个虚象，其中衍射的光线21看上去是从观察确定孔3的像发出的。将看到衍射的光线21穿过了象素组15中的一个象素。全息图记录器和液晶显示器的布置是这样的，即被全息图记录器的元件18的所有成员所衍射的光线将通过象素组15的成员，并且不通过任何一个象素组16的成员。衍射光线21由象素组15所显示的图象调制。在全息图记录器的元件19，观察确定孔4，光线22和象素组16中，将发生同样的的情况。

观察确定孔3，4的两个虚象有着被均匀照亮的光散射区，它们最好是共面的，并且彼此的边缘相邻接，在边缘之间没有重叠或空隙。(该图是一个纵向剖面图，并且为了看得清楚有一点失真，因此图中没有精确地画出这种关系。)

当与聚焦光学元件组合时，观察确定孔3，4被重现为实象6，7，分别形成了左、右观察区。

第三，包含二维图像2l，2r的可以由二个独立的液晶显示器和一个分光镜形成。二维图像2可以是体视半象的一个或两个半象的光学图象。有多个使一个图象重叠于另一个图象上的光学方法，我们将描述一种利用分光镜的简单方法。

参考图5，左体视半象显示在透射显示器25上，它以这样一种方式被照亮。以致通过它的光线是由或者看上去是由观察确定孔3发出的。实现这个目标的一种方法是利用一个全息元件照亮体视半象25，如果整个显示器的光学设计计划让观察确定孔3处于很远的地方，或者它应是一个实象而不是一个虚象时，这种方法是尤其有利的。光线28穿过这个体视半象，然后穿过分光镜射向聚焦光学器件1。右体视半象以同样的方式被显示和照亮，其中唯一的差别是光线29被分光镜所反射，这样体视半象26的象重合在体视半象25之上，同时观察确定孔4看上去与观察确定孔3相邻。一旦被反射，光线29继续平行于光线28，射向观察确定孔光学器件1。

以上是一些为了显示器正确工作，布置包含在二维图像2立体象对和观察确定孔3，4的一些方法。还有一些通过使用微透镜阵列，棱镜阵列，时间顺序显示器来实现的方法。

现在，我们将对聚焦光学器件1的工作和结构作进一步的了解。

在这种情况下，使用全息光学元件是具有吸引力的，因为这种元件看上去好象一块平板玻璃，它允许观察者通过它们进行观察，因此体视图象看上去好象与通过聚焦光学器件1所看到的真实场景中的象重合。

图6所示的是一种这样的布置。

二维图像2包含一个立体像对，并被照亮，这样穿过的光线30被聚焦光学元件1，即反射全息光学元件(HOE)所聚焦，聚焦后的光线31朝观察者的方向传送，并且形成了观察确定孔3，4(图中没有画)的散射实象7和6，其中散射区3，4(未示出)将这两个体视半象照亮。光线31看上去象是并不存在的光线32的延续，光线32表示上看来象是从包含在二维图像2中的立体象对的放大的虚象5发出的。

为了全彩色工作，其中聚焦光学元件1是一个HOE，所述HOE应该是由一个全彩色反射全息图记录器做成，这样它就可以反射在二维图像2中所使用的基色了。

当使用全息光学元件时，可以采用类似的布置，尽管在这种情况中为了获得一个清晰的图象可能需要对光线进行滤光(或者采用单色光源)。

在图6中，可以用一个反射镜来作为聚焦光学元件1。理论上这个反射镜应该是一个偏轴抛物柱面反射镜，尽管其它形状的偏轴反射镜也能很好地工作。

在图6中，当二维图像2在聚焦光学器件的相反的一面时，可以使用透镜(或透镜的组合)。如果使用了一个透镜，那么这个结构显然能够在轴线上工作。

采用复合光学器件也许是有利的。这种复合光学器件可以是几种相同类型(例如：全是透镜)或不同类型(例如：透镜，反射镜和/或衍射元件)的光学器件的组合。

对于所描述的这类实用的显示器而言，也许希望允许观察者移动而同时不会看不到图象或失去体视效果。最好还能够允许若干观察者同时分享这个体视图象。实现这些目标的准确的方法取决观察确定孔3，4是如何形成的。以下是一些通用的方法：

多视的解决方案：如果不是为体视效果仅仅提供二个象，而是提供多个观察点，它们是这样布置的，即与每个图象相对应的观察区与相邻观察区毗连，然后观察者的眼睛就可以在连续的观察区中移动了。在任何位置(范围之内的)，每只眼睛将会看到一个不同的象。容易看出这将产生视差的效果。在显示器的结构所影响的范围之内，观察者都能够看到表观三维图象。同样，二个(或二个以上)的观察者可以通过不同的区域，从不同的角度看到表现三维图象。

但是，这样一种解决方案可能并没有吸引力，因为它对分辨率和带宽的要求很高。对人的因素的调查表明如果不需要几百个这样的二维图象，至少也需要几十个这样的二维图象才能产生平滑的效果。

移动观察区的解决方案：为了避免由多视的解决方案所产生的对高分辩率的要求，显示器可做成只有左右观察区同时提供一种可相应地随着观察者本身的位置的变化来移动观察确定孔3和4的位置的装置。这通常意谓着移动照明光源(例如图4中光源20的位置或图2中投光器10l，10r的位置)。这样将允许观察者在移动时不会失去三维效果，如果体视半象的透视图也相应地发生改变，那么就会实现连续视差的效果。如果这个显示器将由多个观察者同时使用，那么我们需要为每一个观察者提供实像6、7形成的观察区，这意谓着还需要提供相应数量的观察确定孔3、4。提供它们的方法还是取决于它们所产生的方式。以下是一些可行的方法：

●聚焦光学元件，可以做成一个多焦点的全息光学元件，因此可以产生多个观察位置。图7所示的就是这种方法。其中的全息光学元件被做成有三个焦点(例如，通过提供三个物体光束和一个参考光束)。初始观察确定孔3，4的大致方位如图所示(但是请注意它们是虚象)。由聚焦光学元件1产生的三组图象。三个虚象5、5′，5″，是由2产生的，通过与三个分开的观察位置相对应的相关的实像6，7′；6′，7′；6″，7″形成的观察区，可以观察到这些虚象。

●用来产生观察确定孔3，4的全息元件可做成用来产生多个观察确定孔3，4；3′，4′；3″，4″等，这些观察确定孔对应于实像6，7；6′，7′；6″，7″等形成的观察区对。如图8所示，在这种情况中的光学元件仅有一个焦点。图中画出了三个观察确定孔3，4；3′，4′；3″，4″，它们的标号和相对位置由与二维图像2相关的光学元件所决定。为了形成实象6，7；6′，7′；6″，7″，它们被聚焦光学器件1所反射，于是提供了三个观察位置。

●多个观察确定孔3，4可以通过使用在不同位置上的多个光源来产生，每个光源产生它自己的观察确定孔3，4，观察确定孔依次被成像为实像6，7；6′，7′；6″，7″等形成的观察区对，如图9所示，其中有三个光源51，51′；51″。在这种情况中的光学元件只有一个焦点，并且观察区的标号和位置与光源51等的标号和位置相对应。这种结构允许通过移动光源51的位置来移动观察确定孔3，4；另一方面，同时使用几个光源将同时为相应数量的观察者提供相应的观察确定孔3，4等。这种解决方法可与上面所描述的移动观察区的方法相结合，以使几个观察者可以独立地进行跟踪。

图7，8，9所示的是在本发明的一个实施例中实现多个和或移动观察区的方法。类似的方法可以应用其它的实施例。

Claims (18)

1.一个体视显示装置包括有：

(a)用来产生多个可观察的象的装置，每个可观察的象包括一个景物的一个不同的透视象；

(b)用来产生多个用来观察可观察的象的观察区的装置，观察区的布置是这样的，即在使用中观察者的人眼睛所看到的是不同的可观察的象，因此使得观察者可以欣赏到普通景物的一个体视三维图象；

(c)一个具有正光焦度的光学元件；

其中元件(a)-(c)的安排和构造是这样的，由光学元件形成所述多个观察区的实象，以及所述多个可观察的像的虚像，因此仅当可从观察者的眼睛追迹一条贯穿各自的一个观察区的实象、光学元件和可观察的象的光线时，该虚象对于观察者而言是可见的，并且其中用来产生多个可观察的象的装置包括位于光学元件和该光学元件的后焦点之间的图象载体装置。

2.一个根据权利要求1的体视显示装置，其中可观察的象显示在一个图象载体装置上，使得上述图象载体装置的部分显示一个可观察的象，其它部分显示其它可观察的象，进一步说，其特征在于，上述图象载体装置与一个确定观察区的光学装置结合在一起，从而穿过显示一个可观察的象的部分的光线形成一个远离图象载体装置的观察区，并且穿过显示其它可观察的象的部分的光线，也将形成若干远离的观察区，这样相对于其它观察区而言，每个不同的观察区都在一个不同的位置上形成。

3.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中可观察的象由分离的图象载体装置形成，并且其中可观察的象被投射到一个观察确定屏之上，这样与每个可观察的象相关的观察区相对于与其它可观察的象相关的观察区而言，是在一个不同的位置形成的。

4.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中用来产生多个观察区的装置包括一组透镜。

5.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中用来产生多个观察区的装置包括一个全息光学元件，最初这个全息光学元件将产生散射观察区作为实象或作为虚象。

6.一个根据权利要求3的体视显示装置，其中观察确定屏包括一个用来产生散射观察区的全息光学元件，它至少和一个衍射光栅相组合，从而形成色散补偿。

7.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中可观察的象由分离的图象载体装置所形成，并且一个分光镜叠加在上述的图象载体装置之上，使得它们看上去都被安装在同一个位置。

8.一个根据权利要求7的体视显示装置，其中每个图象载体装置与一个附加的观察区确定装置相关联，从而最初这个观察区可能是一个实象或一个虚象。

9.一个根据权利要求8的体视显示装置，其中观察区确定装置包括产生散射图象的全息光学元件，这样在使用中，与每个可观察的象相关联的观察区在不同的位置形成。

10.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中用来产生多个观察区的装置包括一个将不同的观察区形成为散射虚象的全息光学元件。

11.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中用来产生多个观察区的装置包括一个将不同的观察区形成为散射实像的全息光学元件。

12.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中用来产生可观察的象的装置顺序地产生可观察的象。

13.一个根据权利要求12的体视显示装置，其中可观察的象显示在图象载体装置上，并且图象载体装置与所述光学元件相组合，这个光学元件形成一个远离图象载体装置的观察区；上述的观察区的位置取决于照亮光学元件的光源的位置，因此至少为每个分离的可观察的象和所需的观察区提供一个光源，整体的布置使得当显示一个可观察的象时，照明光使得被观察区在一个位置上形成，并且当第二个可观察的象被显示时，一个不同的光照明光学元件使得在一个不同的位置上形成第二个观察区，连续的可观察的象的顺序显示和观察区的相应的形成的完成对于视觉暂留来说足够快，以防止观察者觉察到任何可观察的象的闪烁。

14.一个根据权利要求13的体视显示装置，其中为了在使用中移动观察区的位置，用来照明图象载体装置的光源的位置可以被改变。

15.一个根据权利要求14的体视显示装置，其中光源移动的方式是这样的，即观察区随着观察者头移动而移动，使得观察者能移动而不会失去体视效果。

16.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中用来产生一个或多个可观察的象的装置是液晶显示器。

17.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，使得每个可观察的象与若干个观察区相关联，因此允许若干观察者同时使用这个显示装置。

18.一个根据权利要求1或2的体视显示装置，其中光学元件是一个反射或透射全息光学元件(HOE)，一个透镜或一个反射镜或它们的任何组合。

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