專利名稱：用于三維圖像顯示的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于三維圖像顯示的方法和裝置，尤其涉及顯示計(jì)算機(jī)形成的圖像。
背景技術(shù)：
在許多科學(xué)、技術(shù)和娛樂領(lǐng)域，目前將圖像、圖像序列或電影顯示在二維表面上，例如計(jì)算機(jī)顯示器或電視的顯示屏。在這樣的二維顯示情況下，只有通過透視顯示才能模擬空間深度。
因而在很多領(lǐng)域需要將空間物體顯示為真正的三維圖像，例如其還可以從不同方向觀察，因此比純二維顯示具有大得多的信息量。從而，真正的三維圖像不但在電影或視頻游戲中提供更逼真的視覺印象，而且甚至還可以特別有利地用于科學(xué)和技術(shù)中。例如，三維顯示復(fù)合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，或三維顯示由通過NMR X射線斷層攝影法或計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影法獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出的器官或整個(gè)體區(qū)域。另外，例如，與常用二維顯示不同，三維顯示雷達(dá)圖像顯著改進(jìn)了安全性，因?yàn)閷⒖梢灾庇^地看到高度信息，而不再需要在二維顯示中用數(shù)字代碼對(duì)其編碼。
同時(shí)，已知多種方法和裝置，其旨在將三維圖像的視覺印象傳達(dá)給觀眾。根據(jù)一種普遍的方法，嘗試用技術(shù)輔助來模擬人的雙眼觀察到的周圍的三維圖像的視覺印象。在該情況下，將對(duì)應(yīng)于視線的兩個(gè)圖像投影到屏幕上，所述兩個(gè)圖像相對(duì)于彼此略微偏移，并例如通過立體攝影法獲得或由計(jì)算機(jī)形成。例如偏振或色彩的過濾眼鏡的合適的輔助裝置確保觀眾每只眼只看到兩個(gè)圖像中的一幅。這樣模擬的三維效果不傳送任何附加的信息給超出空間深度的觀眾。從而，例如，觀眾在變化其位置后從一個(gè)新的視角就不能看到正在放映的場景。
此外，許多用戶認(rèn)為必須戴專用眼鏡令人厭煩。
在光柵圖像壁的情況下，在特定距離下，如果不用這種輔助裝置，觀眾的每只眼分別只能看到屬于左邊或右邊圖像的圖像帶。這里，觀眾同樣也不能變化位置。
美國專利US 6,005,608描述了一種能顯示真正的三維圖像的三維顯示裝置，觀眾無需用例如偏振或色彩過濾器眼鏡的特殊輔助裝置就可以觀察所述三維圖像。在該情況下，將顯像管的二維圖像投影到垂直于顯像管的像平面移動(dòng)的屏幕上。這里二維圖像源的尺寸與顯示的體的長度和寬度一致，同時(shí)屏幕垂直于該平面的移動(dòng)幅度與顯示的體的深度一致。顯像管在每刻產(chǎn)生的將要顯示的三維圖像的輪廓與屏幕的瞬時(shí)空間位置同步。然而，這種成像系統(tǒng)具有較小的光圈，因?yàn)橥ㄟ^遮光板進(jìn)行顯像管到屏幕上的投影，從而只能在環(huán)境照明較低時(shí)使用。
類似原理形成由美國Actuality Systems公司出售的3-D顯示屏幕系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并在例如國際專利申請(qǐng)WO 02/21851中描述，其中通過光學(xué)掃描儀投將光束投影到旋轉(zhuǎn)屏幕上。Actuality Systems公司的該3-D顯示屏由于復(fù)雜的機(jī)構(gòu)而非常重且昂貴。此外，通過偏轉(zhuǎn)單個(gè)光束以形成圖像而形成的圖像光度較低，并只能在暗室中觀察。
在日本專利申請(qǐng)JP 56-113116 A中描述了一種用于三維顯示圖像的裝置。根據(jù)該文獻(xiàn)，通過與屏幕一起周期性地往復(fù)移動(dòng)成像裝置而將二維單獨(dú)圖像投影到屏幕上。然而，利用該已知裝置，只能形成具有四個(gè)單獨(dú)圖像的三維圖像，所述單獨(dú)圖像通過四個(gè)分開的投影儀被投影到屏幕上，通過開關(guān)控制各個(gè)工作的投影儀，所述開關(guān)的開啟取決于成像透鏡的即時(shí)位置。由于深度信息限于僅4個(gè)不同的二維單獨(dú)圖像，空間顯示的質(zhì)量不盡如人意。利用該裝置不可能改變二維圖像信息，或甚至對(duì)移動(dòng)場景的三維顯示。此外，通過投影儀的輔助將二維單獨(dú)圖像成像到屏幕上，這將導(dǎo)致很多對(duì)視角的較大約束，在所述視角下，可以以充分的亮度觀察屏幕上的圖像。從而，考慮到常規(guī)投影儀的性能，可以認(rèn)為，為了觀察圖像需要房間大面積全黑。
此外，在日本專利申請(qǐng)JP 57-062020 A描述了一種用于形成三維圖像的裝置。根據(jù)該文獻(xiàn)，通過前后移動(dòng)由發(fā)光二極管組成的陣列(LED陣列)而形成圖像。在所述裝置中，整個(gè)陣列必須與用于控制陣列以在陣列自身、驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械引導(dǎo)上施加大的力的電路電子元件一起移動(dòng)。
在日本專利申請(qǐng)JP 07-33546 A描述了另一種形成三維圖像的裝置。在這里描述的裝置中，通過被設(shè)置為彼此偏離的三組線性LED陣列形成圖像，這三組線性陣列的偏離限定了最大可能的圖像深度。通過移動(dòng)反射鏡，從三個(gè)深度交錯(cuò)的圖像線在每種情況中形成三組平面圖像。在該裝置中，同樣，觀察者只獲得非常有限的深度信息項(xiàng)，因此不可能論及對(duì)三維圖像的真正形成。

發(fā)明內(nèi)容
從而，本發(fā)明所基于的技術(shù)問題為，提供一種用于三維顯示圖像的方法和裝置，尤其用于三維顯示可變圖像，所述圖像從不同視角看都像一個(gè)真實(shí)的物體，目的在于，使圖像比目前已知的3-D顯示具有高得多的亮度水平。根據(jù)本發(fā)明的該裝置旨在適用于大宗生產(chǎn)，且能夠以對(duì)應(yīng)的高成本效率的方式生產(chǎn)。
利用如權(quán)利要求1所述的方法和如權(quán)利要求6所述的裝置解決該技術(shù)問題。從屬權(quán)利要求的主要內(nèi)容是對(duì)根據(jù)本發(fā)明方法的有利改進(jìn)。
本發(fā)明從而涉及一種用于三維顯示圖像的方法，其中通過可單獨(dú)控制的發(fā)光二極管(LED)的二維陣列形成二維單獨(dú)圖像的序列，所述方法將從所述陣列的所述LED發(fā)出的光聚焦到成像裝置上，所述成像裝置將入射到其上的光聚焦到漫射屏上，將所述成像裝置和所述漫射屏彼此耦合，并在基本垂直于所述屏幕平面的方向上周期性往復(fù)地移動(dòng)所述成像裝置和所述漫射屏，并使所述二維單獨(dú)圖像的序列與所述漫射屏的空間位置同步。
通過與屏幕一起移動(dòng)成像裝置能形成特別高的亮度水平的三維圖像。成像裝置的直徑，例如用作成像裝置的透鏡的直徑，這里有利地基本對(duì)應(yīng)于將要投影的二維圖像的尺寸。與美國6,005,608中描述的裝置相對(duì)比，本發(fā)明的成像系統(tǒng)無需嚴(yán)重約束投影亮度的針孔。
成像裝置和漫射屏作為一個(gè)單元周期性地往復(fù)移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明方法的第一變化，這里漫射屏和成像裝置之間的距離基本不變，其實(shí)際對(duì)應(yīng)于光學(xué)投影系統(tǒng)的圖像寬度。然而，因?yàn)橛陕淦梁统上裱b置組成的單元作周期性往復(fù)移動(dòng)導(dǎo)致的物體寬度的不斷改變，在該變化中，優(yōu)選以縮小的方式將二維圖像投影在漫射屏上，以便最小化由物體寬度改變導(dǎo)致的成像模糊。這里，優(yōu)選物體寬度為光學(xué)成像裝置焦距的5到10倍，更優(yōu)選為6到8倍。結(jié)果，在所述移動(dòng)近似為成像裝置的焦距或低一些時(shí)，圖像寬度僅輕微變化，并且在一段時(shí)間中發(fā)生的最小模糊在實(shí)際中沒有影響。
根據(jù)本發(fā)明方法的第二變化，在所述移動(dòng)的每半個(gè)周期中使所述漫射屏與所述成像裝置之間的距離適合所述投影的變化的圖像寬度。這里，成像裝置和漫射屏的耦合移動(dòng)由成像裝置的單獨(dú)的補(bǔ)償移動(dòng)來補(bǔ)償，其能由光學(xué)系統(tǒng)的變化距離公式來確定。即使對(duì)于小物體寬度，利用該變化，可以獨(dú)立于漫射屏的即時(shí)位置進(jìn)行對(duì)二維輸出圖像的最佳清晰投影，從而可以實(shí)施特別緊湊的3-D顯示器。同樣，對(duì)于使用分辨率較高的二維輸出圖像，無需縮小圖像，或至少不需顯著縮小。
根據(jù)本發(fā)明，從將要顯示的三維物體的可視表面數(shù)據(jù)計(jì)算出所述二維單獨(dú)圖像的序列。根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)變化，可以投影從不同視角可視的所有表面。然而，例如，在該變化中，物體的前后面實(shí)際上可作為人體感知系統(tǒng)慣性的結(jié)果而同時(shí)可視。在特定應(yīng)用中可能整體需要所述效果，例如在監(jiān)測大氣層時(shí)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的空間顯示。該效果不妨礙實(shí)際中對(duì)三維逼真場景的顯示，具有測試物體的實(shí)驗(yàn)表明，即使是對(duì)三維物體的逼真投影，所視的物體被正確地檢測到。只有當(dāng)明確提出測試物體的通常不可視的背面也能夠可視，則測試物體連續(xù)聚焦物體背面的其外觀，并有意地保持后者。如果需要，可根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)變化，在計(jì)算可視表面時(shí)計(jì)算觀眾的位置和視角，這樣可排除任何光學(xué)人為信號(hào)(artifact)。在這種情況下，或者觀眾必須保持指定的視角，且如果觀眾想從不同視角觀察物體，則物體必須借助合適的控制裝置計(jì)算地旋轉(zhuǎn)，或者3-D顯示器具有合適的裝置，例如能感應(yīng)瞬時(shí)位置的超聲波傳感器，這樣可以檢測觀察者的視角并合成到計(jì)算的顯示中。然而這種附加的措施僅在極特殊的情況中用到。
根據(jù)本發(fā)明方法的特別優(yōu)選的變化，通過由發(fā)光二極管(LED)組成的顯示裝置形成二維單獨(dú)圖像的序列，可以將所述二極管設(shè)置為線性排列或二維排列。使用LED的特殊優(yōu)勢在于，由于透明容器充當(dāng)透鏡，在LED上，從LED發(fā)出的基本全部光以窄的立體角發(fā)出，并通過根據(jù)本發(fā)明提供的成像裝置聚焦到漫射屏的一點(diǎn)上。從而，結(jié)合少得多的成本取得了在亮度范圍上的改進(jìn)，否則只能通過激光獲得。
簡單的估算示出，通過結(jié)合從高成本效率的LED構(gòu)成的二維顯示使用根據(jù)本發(fā)明的裝置，可形成比由常規(guī)計(jì)算機(jī)顯示屏產(chǎn)生的二維圖像亮得多的三維圖像。按0.1mm2大小的像素中，常規(guī)計(jì)算機(jī)顯示屏具有約0.1μW/mm2的功率，即總功率約為1000*1000*0.1μW＝10mW，其顯然對(duì)應(yīng)于在白板上的約100Lux的照射。對(duì)于具有移動(dòng)漫射屏的3-D顯示器，像素僅在約1/500th時(shí)間上是有效的，給出例如沿z軸(深度)的500像素的分辨率。因此，給出沿z軸的500像素，光源的強(qiáng)度必須為500*0.1μW/mm2＝50μW/mm2。然而，當(dāng)它們的總功率集中在一個(gè)像素上時(shí)，可以借助簡單的成本效率高的LED。即使在成本上為幾分錢的簡單的發(fā)光LED，其發(fā)出零點(diǎn)幾mW的功率，并且容易控制。
如果目的在于實(shí)現(xiàn)不縮小LED顯示，或僅略微縮小，優(yōu)選特別小的LED。從而尤其優(yōu)選將LED陣列設(shè)置成SMD(表面安裝)陣列。
另外，本發(fā)明的目的之一在于，一種用于三維顯示圖像的裝置，尤其一種能連接到計(jì)算機(jī)的3-D顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的裝置包括圖像形成裝置，用于在至少一個(gè)LED陣列上形成二維輸出圖像的序列；成像裝置和漫射屏，其形成耦合的可移動(dòng)單元；致動(dòng)裝置，用于沿基本垂直于所述漫射屏表面的方向周期性地往復(fù)移動(dòng)所述單元；控制裝置，用于使所述二維輸出圖像的序列與所述漫射屏的空間位置同步；以及用于將從所述陣列的所述LED發(fā)出的光聚焦到所述成像裝置上的裝置，所述成像裝置自身將入射到其上的光聚焦到所述漫射屏上。在該情況下垂直于其平面圖像表面的漫射屏的移動(dòng)幅度確定了顯示的三維圖像的空間深度。這里的控制裝置控制由圖像形成裝置再現(xiàn)的二維輸出圖像的序列，從而根據(jù)移動(dòng)漫射屏的瞬時(shí)空間位置投影單獨(dú)圖像，在所述單獨(dú)圖像的序列中顯示希望的三維物體。
由于成像裝置和漫射屏作為一個(gè)耦合單元移動(dòng)，因此所成圖像的寬度保持基本不變。這樣，當(dāng)以縮小的方式將二維輸出圖像投影到漫射屏上時(shí)，即當(dāng)物體寬度充分大于焦距的兩倍時(shí)，該設(shè)置在大空間深度的場中形成清晰明亮的圖像。如果選擇物體寬度和成像系統(tǒng)的焦距以使輸出圖像僅略微縮小或甚至放大，優(yōu)選在由成像裝置和漫射屏組成的單元的耦合移動(dòng)上疊加成像裝置的校正移動(dòng)，該移動(dòng)根據(jù)成像系統(tǒng)的變距離公式補(bǔ)償圖像寬度的至少部分變化，從而可以在顯示的三維圖像的整個(gè)空間深度上將二維輸出圖像清晰地投影到漫射屏上。優(yōu)選提供用于該目的的裝置，所述裝置根據(jù)漫射屏的各個(gè)空間位置改變成像裝置和漫射屏之間的距離。
這樣制成可移動(dòng)漫射屏，使得其可以將投影圖像盡可能均勻地散射到盡可能大的立體角度范圍中，從而觀眾可以從不同的視角看到形成的三維顯示。屏幕可以是例如半透明漫射屏。這樣，例如用透明塑料材料制成毛面屏幕，所述材料為例如丙烯酸玻璃(PMMA)，如PLEXIGLAS，或者薄的毛玻璃板均可以用作漫射屏。
這樣構(gòu)成圖像形成裝置，使得通過成像裝置可以將二維輸出圖像投影到可移動(dòng)漫射屏上。這里，圖像形成裝置優(yōu)選包括用于顯示二維輸出圖像的裝置，特別優(yōu)選為二維LED陣列。通過根據(jù)可移動(dòng)漫射屏的瞬時(shí)位置的控制裝置，可以單獨(dú)觸發(fā)陣列中的單個(gè)LED。尤其優(yōu)選使用LED陣列，因?yàn)榻柚@種圖像形成裝置可以形成特別明亮并具有對(duì)比度的三維圖像顯示，從而例如即使不在暗室中，也可以清楚地觀察三維圖像。在這種情況下，LED具有盡可能窄的發(fā)光特征，使得可以通過成像裝置將基本全部發(fā)出的光投影到可移動(dòng)屏幕上。根據(jù)LED陣列的尺寸，對(duì)于遠(yuǎn)離陣列中心的LED有利的是，將其角度變化從而朝向在光軸方向上的成像裝置。
根據(jù)本發(fā)明裝置的變化，圖像形成裝置還可以包括可移動(dòng)線性LED陣列，所述陣列例如以高頻振蕩的方式在圖像形成平面內(nèi)移動(dòng)?？蛇x的是，線性陣列還可以是固定的，在這種情況下，例如通過設(shè)置可傾斜的反射鏡生成在外觀上為二維的輸出圖像。
優(yōu)選這樣設(shè)計(jì)LED陣列，使得以至少三種不同的波長形成圖像，所述波長優(yōu)選為紅、綠和藍(lán)(RGB)基色，其允許彩顯三維圖像。為此，LED陣列的每個(gè)像素可由三種不同顏色的LED組成。然而，單獨(dú)的LED也已知具有產(chǎn)生三種基色的三個(gè)可單獨(dú)開關(guān)的接觸?？蛇x的是，還可以提供三個(gè)分開的在三種不同波長上工作的LED陣列，其通過合適的反射鏡(優(yōu)選為分光鏡)被疊加，然后被投影到漫射屏上。
通過工作電流強(qiáng)度和/或LED的可調(diào)臨時(shí)啟動(dòng)/關(guān)閉比率來控制被投影到所述漫射屏上的所述圖像的亮度，優(yōu)選為每個(gè)單獨(dú)像素的亮度。
可以將LED陣列投影到漫射屏上的大部分光學(xué)系統(tǒng)，即特別是所有類型的透鏡系統(tǒng)，可以被用作成像裝置。優(yōu)選即使在大直徑下也非常輕的透鏡，從而，一方面移動(dòng)的質(zhì)量較輕，另一方面確保經(jīng)過透鏡系統(tǒng)將盡可能多的光從LED陣列通到漫射屏上。成像裝置包括具有特別優(yōu)勢的菲涅爾透鏡。該透鏡在大尺寸下仍然很輕，并可以根據(jù)特定要求高成本效率地制造。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的特征在于形成的三維圖像的高亮度。為此，本發(fā)明提供將由陣列的LED產(chǎn)生的基本全部光都聚焦到可移動(dòng)成像裝置上。用于將由陣列的LED發(fā)出的光聚焦到成像裝置上的裝置可以如下不同地形成根據(jù)第一變化，將LED封入透明塑料或玻璃容器中，設(shè)計(jì)所述容器使得由LED發(fā)出的光作為這樣的光束離開容器，所述光束只有微弱分散或者在理想情況下為基本平行。當(dāng)移動(dòng)的成像裝置，即移動(dòng)的菲涅爾透鏡，例如至少與LED陣列具有相同的尺寸，可以將陣列中的單獨(dú)LED設(shè)置為基本彼此平行，從而都沿可移動(dòng)菲涅爾透鏡的方向發(fā)出其基本平行的光束。
作為對(duì)比，如果LED陣列大于成像透鏡，根據(jù)另一變化，根據(jù)陣列中的LED在陣列中的位置，可以傾斜地設(shè)置所述LED，使得例如即使是位于陣列外緣的LED也能發(fā)出沿可移動(dòng)成像裝置方向的光束。然而，該變化在制造工程方面更復(fù)雜。
因此，根據(jù)另一個(gè)變化，可在LED陣列的緊上游設(shè)置固定的聚光元件，例如又一個(gè)菲涅爾透鏡，其將從LED發(fā)出的平行光束聚焦到可移動(dòng)成像裝置上。
根據(jù)尤其優(yōu)選的變化，將陣列的LED設(shè)計(jì)成SMD陣列。在這種情況下，可以提供在陣列的LED的緊上游設(shè)置微透鏡陣列，其又確保將由LED發(fā)出的光都集中到可移動(dòng)成像裝置上。
通過在可移動(dòng)成像裝置中使用菲涅爾透鏡、并使用薄的半透明漫射屏，可以大大減小可移動(dòng)塊。然而，為了盡可能有效地引導(dǎo)作用力，根據(jù)本發(fā)明設(shè)置裝置是有利的，從而由成像裝置和漫射屏組成的單元能沿基本垂直的方向往復(fù)移動(dòng)。在一個(gè)簡單的變化中，例如將LED陣列設(shè)置在裝置的底部，且裝置的光軸基本垂直于底部延伸。
此外，還提供將由成像裝置和漫射屏組成的可移動(dòng)單元與一個(gè)或多個(gè)直接相對(duì)地移動(dòng)的補(bǔ)償體耦合。這種設(shè)置在運(yùn)動(dòng)學(xué)上可以相比于對(duì)置式電機(jī)(boxer motor)的原理，可以將其設(shè)計(jì)為使其實(shí)際上不受向外的力，從而根據(jù)本發(fā)明的裝置可以極大地最小化振動(dòng)和噪音的產(chǎn)生。
由于可移動(dòng)部件，有利的是，通過外殼或至少具有透明壁的圓柱形保護(hù)環(huán)包圍至少漫射屏，從而可以防止三維圖像的觀察者不小心進(jìn)入屏幕的移動(dòng)范圍?？梢栽跉さ谋谏咸峁V光箔，其在可見光譜區(qū)內(nèi)僅傳輸由陣列LED所產(chǎn)生的波長的光。從而，可以防止散射的光或?qū)Νh(huán)境光的反射穿透殼到達(dá)外部并歪曲所觀察的三維圖像。
特別有利的是，外殼包圍整個(gè)可移動(dòng)單元。
有利的是，殼內(nèi)相對(duì)于環(huán)境優(yōu)選為低壓，即對(duì)外殼至少部分抽空。因此，一方面，可以減小在運(yùn)行由成像裝置和漫射屏組成的振蕩單元時(shí)需要克服的空氣阻力，另一方面可以大大減小在移動(dòng)中機(jī)械地導(dǎo)致的噪音和通過聲波對(duì)這些噪音向外的傳播。
如上所述，以縮小的方式將LED陣列頻煩地成像在漫射屏上。然而，當(dāng)實(shí)施1∶1的線性放大率時(shí)，即當(dāng)投影到漫射屏上的圖像與LED陣列基本一樣大時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)變化，可以以模塊的方式將多個(gè)本發(fā)明的裝置互連為柵格形設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)一種用于大三維圖像的成像系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)控制成像系統(tǒng)的單獨(dú)裝置，從而形成更大畫面的合成圖像，例如，足球場或網(wǎng)球場的三維圖像，其具有對(duì)比賽場景的實(shí)時(shí)三維再現(xiàn)。


以下參考附圖所示的示例實(shí)施例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置實(shí)施例；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的垂直取向的實(shí)施例；以及圖3示出一種成像系統(tǒng)，其通過多個(gè)以模塊的方式設(shè)置的本發(fā)明的裝置組裝而成，用于形成大的三維圖像。
具體實(shí)施例方式
圖1示出用于三維顯示圖像的根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施例，3-D顯示器10，其由計(jì)算機(jī)11控制。該3-D顯示器10具有圖像形成裝置，所述裝置在所示實(shí)例中通過固定的二維LED陣列12與相連的控制電子元件13形成?？刂齐娮釉?3又通過控制器11驅(qū)動(dòng)，控制器11通過例如USB接口的接口連接到計(jì)算機(jī)(未示出)。然而，圖中所示的部件11也可以是具有集成控制器的計(jì)算機(jī)。陣列12的每個(gè)LED單元14可以具有三種基色的單獨(dú)的LED，或優(yōu)選被構(gòu)成為作為單獨(dú)的單元的可以形成全部三種基色的集成LED。這里的LED單元14非常小，使得對(duì)二維輸出圖像的成像無需縮小，或只是輕微的縮小，以便獲得高分辨率和清晰的三維顯示。例如，假設(shè)在3∶1成像下，在600×600mm的區(qū)域上排列600×600常規(guī)的高成本效率的LED單元14，其在圖像中對(duì)應(yīng)于0.3mm×0.3mm的可接受的像素尺寸。
被實(shí)施為直徑為200mm的菲涅爾透鏡15的成像裝置與半透明漫射屏16形成單元19，單元19通過導(dǎo)桿17耦合連接裝置18，并通過電動(dòng)機(jī)和傳送單元20，借助連接桿20垂直于半透明漫射屏16的表面作周期性的移動(dòng)，如圖1中以大箭頭22所示。如果恰當(dāng)，菲涅爾透鏡15或漫射屏能在每半個(gè)周期內(nèi)完成校正移動(dòng)，以便根據(jù)相關(guān)于漫射屏16的位置補(bǔ)償改變的物體寬度，其在圖1中以小箭頭23示出。同樣，可以通過對(duì)電動(dòng)機(jī)和傳送單元20的適當(dāng)配置來完成對(duì)透鏡15的校正移動(dòng)，如果恰當(dāng)，將另一連接桿(圖1未示出)耦合至透鏡15、或合適的齒輪。當(dāng)構(gòu)造圖像時(shí)，可以通過像素選擇來計(jì)算地補(bǔ)償不同線性放大率導(dǎo)致的小失真。
這樣，可以使用約1/(22*600)秒，即約76微秒來構(gòu)造一個(gè)2-D圖像。形成有效像素，并將其作為位置和亮度數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)體將作為3-D實(shí)體的表面數(shù)據(jù)有效地近似對(duì)應(yīng)于包括全部像素的二維顯示屏的數(shù)據(jù)?？梢允褂每焖贁?shù)字接口作為規(guī)格。優(yōu)選開發(fā)一種具有鎖存電路和電流設(shè)置的特殊數(shù)字/模擬模塊用于通過LED的電流控制。優(yōu)選在微真空中移動(dòng)透鏡15和漫射屏16，這里優(yōu)選對(duì)透鏡和毛玻璃屏進(jìn)行增透涂敷，對(duì)除LED以外的圖像形成區(qū)域提供黑襯里，并通過濾光器阻擋除三種基色以外的其它波長，使得只通過漫射屏微弱地產(chǎn)生更大角度的光。
單元19的瞬時(shí)位置可以例如通過控制裝置11借助電動(dòng)機(jī)和傳送單元20有效地設(shè)置。這里可以例如使用可控步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或另一可數(shù)字尋址的致動(dòng)器。然而，特別優(yōu)選以恒定轉(zhuǎn)速操作電動(dòng)機(jī)和傳送單元20，并通過線性位置采集器或角分解器來選擇單元19的瞬時(shí)位置，該位置然后通過控制裝置11估算出。上述最后的變型形成成本效率尤其高的方案。
在所示的實(shí)例中，包括菲涅爾透鏡15和半透明漫射屏16的單元19以約700min-1的頻率和200mm的空間振幅在導(dǎo)軌17的方向上移動(dòng)，以使該方向(所形成的三維圖像的z軸)的分辨率同樣達(dá)到600點(diǎn)。連接菲涅爾透鏡15和半透明漫射屏16、并通過連接元件18形成的框，優(yōu)選由輕而堅(jiān)固的碳纖材料制成。這種排列經(jīng)受大小為36g左右的機(jī)械負(fù)載沒有問題。用于約7m/s的速度的線性車行道同樣可以在市場上獲得。
圖1示意示出三維長方體始于其端面的投影。這里，LED陣列產(chǎn)生作為二維輸出圖像24的發(fā)光矩形，其為通過透鏡15投影在漫射屏16上的圖像25。包括透鏡15和漫射屏16的單元19通過電動(dòng)機(jī)和傳送單元20往復(fù)周期性地移動(dòng)。在該機(jī)械的屏幕移動(dòng)振幅內(nèi)，將三維圖像投影在由實(shí)線表示的第一極限位置和由虛線表示透鏡15a和漫射屏16a的第二極限位置之間。圖像25a被投影到在第二極限位置中的漫射屏上。當(dāng)然，在極限位置之間還形成輸出圖像24的對(duì)應(yīng)投影25b，圖1中只示例地示出4個(gè)。從該簡單圖示中可直觀地看出如何形成合成三維景物和移動(dòng)三維圖像。由于控制裝置11知道漫射屏16在每個(gè)瞬間的空間位置，可以例如這樣簡單地形成在端面結(jié)束的長方體，通過LED陣列12將填充的長方體而不是的長方體輪廓24投影到漫射屏上示出的極限位置，即圖1中由標(biāo)號(hào)16和16a表示的位置。
可以通過可移動(dòng)菲涅爾透鏡15將LED陣列12直接成像在漫射屏16上。尤其當(dāng)單獨(dú)的LED 14由于其封裝產(chǎn)生實(shí)際平行的光束時(shí)，可以沒有實(shí)質(zhì)的光損耗。然而，市面上的LED產(chǎn)生的光束通常會(huì)或多或少地發(fā)散。因此，如圖1所示，可以將固定的菲涅爾透鏡26設(shè)置在LED陣列12的緊上游，其將從陣列的LED14發(fā)出的基本所有光線聚焦到可移動(dòng)菲涅爾透鏡15上。
圖2以透視圖示出作為3D顯示器30的根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種可行實(shí)施。光學(xué)設(shè)計(jì)基本對(duì)應(yīng)圖1所示。但是圖1中光軸水平延伸，而在圖2的實(shí)施例中，光軸的取向垂直于地面，具體為，包括可移動(dòng)菲涅爾透鏡和漫射屏的單元(未單獨(dú)示出)沿以箭頭31示出的垂直方向振蕩。漫射屏的振蕩范圍被透明外殼32包圍。將殼32的內(nèi)部33抽空到幾毫巴的氣壓，以最小化菲涅爾透鏡和漫射屏的空氣阻力，并最小化發(fā)出的噪音。裝置的剩余部分用不透明的外殼板34覆蓋。LED陣列(從外面不可見)位于3D顯示器30的底部區(qū)域35中。在所示變化中還提供了連接開口36，例如通過其插入帶預(yù)錄電影的存儲(chǔ)卡，并可以通過內(nèi)部計(jì)算機(jī)重放所述存儲(chǔ)卡?？蛇x的是，連接開口36還可以具有用于連接外部計(jì)算機(jī)的接口。
在圖2所示的透明殼31內(nèi)看到，通過根據(jù)本發(fā)明的裝置可以動(dòng)畫再現(xiàn)的三維日常場景37(汽車和紅綠燈)。
圖3示出將根據(jù)本發(fā)明的并參考圖1詳細(xì)描述的多個(gè)裝置以模塊的方式連接到三維的大顯示屏40的示意圖。為了清楚起見，這里僅示出外導(dǎo)桿41a-d。在該變化中，通過菲涅爾透鏡43a-f以1∶1的線性放大率將LED陣列42a-f投影到漫射屏44a-f上。漫射屏整體形成大圖像45。這種顯示屏可以通過多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，并能達(dá)到幾米范圍的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種用于三維顯示圖像的方法，其中通過可單獨(dú)控制的發(fā)光二極管(LED)的二維陣列形成二維單獨(dú)圖像的序列，所述方法將從所述陣列的所述LED發(fā)出的光聚焦到成像裝置上，所述成像裝置將入射到其上的光聚焦到漫射屏上，將所述成像裝置和所述漫射屏彼此耦合，并在基本垂直于所述屏幕平面的方向上周期性往復(fù)地移動(dòng)所述成像裝置和所述漫射屏，并使所述二維單獨(dú)圖像的序列與所述漫射屏的空間位置同步。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，保持所述漫射屏與所述成像裝置之間的距離基本不變。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述移動(dòng)的每半個(gè)周期中使所述漫射屏與所述成像裝置之間的所述距離適合所述投影的變化的圖像寬度。
4.如權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過工作電流強(qiáng)度和/或LED的可調(diào)臨時(shí)啟動(dòng)/關(guān)閉比來控制被投影到所述漫射屏上的所述圖像的亮度。
5.如前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從將要顯示的三維物體的將要顯示的三維可視表面數(shù)據(jù)的可視表面數(shù)據(jù)計(jì)算出所述二維單獨(dú)圖像的序列。
6.一種用于三維顯示圖像的裝置，其包括圖像形成裝置，用于在至少一個(gè)LED陣列(12)上形成二維輸出圖像(24)的序列；成像裝置(15)和漫射屏(16)，其形成耦合的可移動(dòng)單元(19)；致動(dòng)裝置(20，21)，用于沿基本垂直于所述漫射屏(16)的表面的方向周期性地往復(fù)移動(dòng)所述單元(19)；控制裝置(11)，用于使所述二維輸出圖像(24)的序列與所述漫射屏(16)的空間位置同步；以及用于將從所述陣列(12)的所述LED發(fā)出的光聚焦到所述成像裝置(15)上的裝置，所述成像裝置(15)自身將入射到其上的光聚焦到所述漫射屏(16)上。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，包括這樣的裝置，其根據(jù)所述漫射屏的各個(gè)空間位置改變所述成像裝置(15)與所述漫射屏(16)之間的距離。
8.如權(quán)利要求6或7之一所述的裝置，其特征在于，所述LED陣列(12)在至少3種不同的波長上形成輸出圖像(24)。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，包括以不同波長工作的3個(gè)LED陣列(14)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，由所述3個(gè)LED陣列形成的所述輸出圖像(24)通過分光鏡被投影到所述漫射屏上。
11.如權(quán)利要求6至10中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述成像裝置(15)包括菲涅爾透鏡。
12.如權(quán)利要求6至11中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，用于聚焦從所述陣列(12)的所述LED(14)發(fā)出的光的裝置包括透明容器，其包圍每個(gè)LED并產(chǎn)生基本平行的光束。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述被封裝的LED(14)被取向?yàn)槌蛩龀上裱b置(15)。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，固定的聚光元件，尤其為菲涅爾透鏡(26)，被設(shè)置在所述LED陣列(12)和所述可移動(dòng)單元(19)之間。
15.如權(quán)利要求6至11中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，用于聚焦從所述陣列(12)的所述LED(14)發(fā)出的光的裝置包括微透鏡陣列，其被設(shè)置在所述LED陣列(12)的緊上游。
16.如權(quán)利要求6至15中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述單元(19)沿基本垂直的方向移動(dòng)。
17.如權(quán)利要求6至16中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述單元(19)被耦合到直接相對(duì)地移動(dòng)的補(bǔ)償體。
18.如權(quán)利要求6至17中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述漫射屏被具有透明壁的殼(32)包圍。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述殼的所述壁被提供有濾光箔，所述濾光箔在可視光譜區(qū)域中基本只對(duì)于由所述LED產(chǎn)生的光是透明的。
20.如權(quán)利要求18或19之一所述的裝置，其特征在于，所述殼(32)包圍整個(gè)所述可移動(dòng)單元(19)。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述殼(32)中優(yōu)選為低壓。
22.一種包括若干被設(shè)置成柵格形式的裝置的成像系統(tǒng)，所述裝置如權(quán)利要求6至20中的一項(xiàng)所述，其一起形成大的三維圖像(45)。
全文摘要
一種用于三維顯示圖像的方法和裝置，其中通過由可單獨(dú)控制的發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成的二維陣列形成二維單獨(dú)圖像的序列，其將從所述陣列的LED發(fā)出的光聚焦到投影裝置上。入射到投影裝置上的光被聚焦到漫射屏上。將所述成像裝置和所述漫射屏彼此耦合，并在基本垂直于所述屏幕平面的方向上周期性往復(fù)地移動(dòng)所述投影裝置和所述漫射屏，并使所述二維單獨(dú)圖像的序列與所述漫射屏的空間位置同步。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1810046SQ200480017464
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者彼得·博爾 申請(qǐng)人:彼得·博爾