專利名稱：使用可變焦距透鏡的三維顯示的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維顯示的方法及裝置，更具體地，本發(fā)明涉及一種使用結(jié)合二維顯示的可變焦距透鏡的三維顯示的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中用于三維顯示的最常用的方法是使用雙眼視差現(xiàn)象。該方法是利用當(dāng)人的每只眼睛看見以不同角度測(cè)量的兩個(gè)影像之一時(shí)，人腦會(huì)感知到三維影像的原理。此方法并非真正在空間中產(chǎn)生三維影像，而是利用觀看者雙眼的視差。因此，此方法的缺點(diǎn)涉及各種因素，包括觀看者位置的任意分布、由于兩眼間距離誤差造成的雙眼不等、聚散度(vergence)、眼睛疲勞堆積、眼調(diào)節(jié)(accommodation)、被多于一個(gè)觀看者所觀看、由于觀看者的移動(dòng)造成的三維影像相對(duì)位置改變等等，而這些因素必須被考慮以提供恰當(dāng)?shù)娜S顯示。
全息技術(shù)(Holography)是一種在空間中產(chǎn)生真實(shí)的影像的三維顯示方法。因?yàn)榧夹g(shù)復(fù)雜性以及高制造成本，全像技術(shù)非常有限地應(yīng)用于三維影像顯示。
奧斯汀(Austin)于美國(guó)專利第4,834,512號(hào)公開了一種三維(3D)顯示，其具有二維(2D)顯示、液體充滿的可變焦距透鏡、以及控制該顯示以及透鏡的控制裝置。該2D顯示依序呈現(xiàn)表示在不同深度的物體橫截面的2D影像。液體充滿的可變焦距透鏡位于2D顯示之前，并具有能響應(yīng)透鏡內(nèi)液體壓力的薄膜。奧斯汀的顯示具有一項(xiàng)缺點(diǎn)，即由于充滿液體的透鏡焦距改變速度緩慢，該顯示不適用于顯示實(shí)際的3D影像。
沃史丹特(Wohlstadter)的美國(guó)專利第5,986,811號(hào)公開了一種成像方法以及系統(tǒng)，用于從具有多個(gè)影像點(diǎn)的2D影像中產(chǎn)生3D影像。該成像系統(tǒng)包括具有可變焦距長(zhǎng)度的微透鏡陣列，以及保持微透鏡與2D顯示的影像點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的裝置。
長(zhǎng)久以來(lái)需要一種新的三維影像顯示方法及裝置，能解決有關(guān)眼睛疲勞、被多于一個(gè)觀看者所觀看、三維影像和觀看者之間相對(duì)距離的實(shí)用性、2D/3D兼容性或互換性、等同或超越高畫質(zhì)電視(HDTV)的色彩表達(dá)以及分辨率、低的制造費(fèi)用以及無(wú)顯著數(shù)據(jù)量的增加的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種三維顯示裝置，其具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及逼真的影像表現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用一組深度方向影像的三維顯示裝置以及方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種可顯示大的影像深度范圍的三維顯示裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能提供大的影像尺寸的三維顯示裝置。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的三維顯示裝置包括顯示第一影像的二維顯示，以及可變焦距透鏡，接收來(lái)自該二維顯示的光線并形成第二影像。該第一影像包括在單位時(shí)間內(nèi)顯示的預(yù)定深度數(shù)量的第一深度方向的影像，以及第二影像包括對(duì)應(yīng)的第二深度方向的影像。每一個(gè)第一深度方向的影像代表具有相同影像深度的第一影像的部分，以及二維顯示一次顯示一個(gè)第一深度方向影像?？勺兘咕嗤哥R的焦距根據(jù)所顯示的第一深度方向影像的深度而改變?？勺兘咕嗤哥R的聚焦速度至少等于人眼的殘像速度與深度數(shù)量的乘積，使第二影像對(duì)觀看者而言看似三維的?？勺兘咕嗤哥R反射來(lái)自二維顯示的光線。
該可變焦距透鏡是由微鏡陣列透鏡所制成。微鏡陣列透鏡包括多個(gè)微鏡。這些微鏡設(shè)置于平面上以形成一個(gè)或多個(gè)在平面上的同心圓。特別地，微鏡陣列透鏡形成反射菲涅爾透鏡。通過控制微鏡的平移動(dòng)作、控制其旋轉(zhuǎn)動(dòng)作或控制平移動(dòng)作以及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作兩者來(lái)控制每一個(gè)微鏡以改變可變焦距透鏡的焦距。
微鏡陣列透鏡適用于本發(fā)明的三維顯示裝置，因其具有快速聚焦改變速度、大焦距范圍以及可制成具有大的孔徑。
由于微鏡陣列透鏡為反射的，其無(wú)法與二維顯示以及觀看者位在同一直線上。取而代之者，可在二維顯示以及可變焦距透鏡之間的光徑中設(shè)置一光束分離器。或者，可如此設(shè)置可變焦距透鏡，使得由可變焦距透鏡反射的光徑不會(huì)被二維顯示所阻擋。
三維顯示裝置可進(jìn)一步包括具有預(yù)定焦距的輔助透鏡，而第二影像是由可變焦距透鏡以及輔助透鏡一起形成。輔助透鏡的作用為改變或延伸裝置的可變焦距范圍或增加三維顯示的屏幕的尺寸。
本發(fā)明也提供一種三維顯示方法。該方法包括下列步驟二維顯示第一深度方向的影像，通過接收來(lái)自顯示的第一深度方向的影像的光線并根據(jù)第一深度方向的影像的深度聚焦光線以顯示第二深度方向的影像，以及以第一深度方向影像的預(yù)定數(shù)量在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)上述兩步驟。第一深度方向影像形成第一影像，且每一個(gè)第一深度方向影像代表具有相同影像深度的第一影像的部分。顯示的第二深度方向影像形成對(duì)觀看者而言看似三維的第二影像。
在顯示第二深度方向影像的步驟中的聚焦速度至少等于人眼殘像速度與深度數(shù)量的乘積。在顯示第二深度方向影像的步驟中，反射接收自顯示的第一深度方向影像的光線。
顯示第二深度方向影像的步驟通過微鏡陣列透鏡執(zhí)行。
在第二實(shí)施例中，二維顯示包括許多像素，并且可變焦距透鏡包括許多可變焦距透鏡。每一個(gè)可變焦距透鏡對(duì)應(yīng)每一個(gè)像素。每一個(gè)可變焦距透鏡的焦距根據(jù)各像素顯示的影像的影像深度而改變。每一個(gè)可變焦距透鏡由微鏡陣列透鏡構(gòu)成?？勺兘咕嗤哥R的聚焦速度至少等于人眼殘像速度，以及每一個(gè)可變焦距透鏡反射來(lái)自二維顯示的光線。
對(duì)于這兩個(gè)實(shí)施例，可變焦距透鏡的焦距可控制為固定的，使得三維顯示裝置可作為二維顯示裝置使用。通過固定可變焦距透鏡的焦距以及顯示普通的二維影像的二維顯示，可在二維顯示以及三維(立體)顯示之間輕易地轉(zhuǎn)變?nèi)S顯示裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)因?yàn)槿S顯示裝置真正在空間中產(chǎn)生三維影像，所以該裝置不必產(chǎn)生使用視差的現(xiàn)有技術(shù)裝置的缺點(diǎn)，該缺點(diǎn)包括由于考慮到觀看者位置的任意分布的成像困難、以及由于兩眼間距離誤差造成的雙眼不等、聚散度(vergence)、眼睛疲勞堆積、眼調(diào)節(jié)(accommodation)、被多于一個(gè)觀看者所觀看、由于觀看者的移動(dòng)造成的三維影像相對(duì)位置改變；(2)用于提供三維影像數(shù)據(jù)的費(fèi)用是廉價(jià)的，因?yàn)槌硕S影像信息之外，數(shù)據(jù)僅需要深度信息，并且沒有顯著的數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)；以及(3)裝置可以容易地轉(zhuǎn)換為二維顯示，反之亦然。
盡管簡(jiǎn)要地概述了本發(fā)明，但是通過接下來(lái)的附圖、詳細(xì)的描述以及附加的權(quán)利要求可以完全理解本發(fā)明。


參考附圖更好地理解本發(fā)明的這些以及其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，其中圖1a-1d是示出當(dāng)透鏡的焦距改變時(shí)如何改變影像的深度的示意圖；圖2是示出本發(fā)明三維顯示裝置的示意圖；圖3a-3c是示出深度方向影像的顯示與聚焦的示意圖；圖4a是示出折射菲涅爾透鏡如何取代一般單體透鏡的示意圖；圖4b是示出反射菲涅爾透鏡如何取代一般單體透鏡的示意圖；圖5a是示出由許多微鏡制成的可變焦距透鏡的示意平面圖；圖5b是微鏡的放大細(xì)節(jié)平面圖；圖6是示出增加至三維顯示裝置的光束分離器以及輔助透鏡的示意圖；
圖7是示出增加至三維顯示裝置的放大透鏡的示意圖；圖8a是示出三維顯示裝置的示意圖，其具有對(duì)應(yīng)2D顯示的像素的可變焦距透鏡；圖8b是示出微鏡陣列透鏡使用作為圖8a的裝置的可變焦距透鏡的示意圖；以及圖9為顯示本發(fā)明的三維顯示方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1a-1d描述有關(guān)由透鏡形成影像的距離或深度，以及透鏡焦距的概要原理。當(dāng)來(lái)自物體的光通過透鏡時(shí)，根據(jù)物體與透鏡之間的距離L以及透鏡焦距，光線會(huì)會(huì)聚或發(fā)散。在本發(fā)明的說(shuō)明中，透鏡是指能聚焦光線的光學(xué)元件，且不限于折射型透鏡。
圖1a示出來(lái)自物體1A的光線通過透鏡2A并以不同角度發(fā)散。圖1b是具有較短焦距的透鏡2B類似的圖。由透鏡2A，2B折射的光線形成虛擬影像3A，3B。當(dāng)觀看者4看見經(jīng)折射的光，觀看者感覺位于點(diǎn)P的物體1A，1B是位于點(diǎn)Q，Q′。
圖1c示出來(lái)自物體1C的光線通過透鏡2C并會(huì)聚形成真實(shí)影像3C。圖1d是具有較短焦距的透鏡2D類似的圖。當(dāng)觀看者4經(jīng)由透鏡2C，2D看見物體1C，1D時(shí)，觀看者4感覺物體1A，1B為真實(shí)影像3C，3D。
對(duì)于物體與透鏡之間給定的距離L而言，透鏡形成的影像的位置隨著透鏡焦距改變?？捎酶咚?Gauss)透鏡公式來(lái)計(jì)算影像位置。圖1a以及1b示出對(duì)于具有較長(zhǎng)焦距的透鏡2A，虛擬影像3A離觀看者4較近，對(duì)于具有較短焦距的透鏡2B，虛擬影像3B離觀看者4較遠(yuǎn)。圖1c以及1d示出對(duì)于具有較長(zhǎng)焦距的透鏡2C，真實(shí)影像3C離觀看者4較遠(yuǎn)，對(duì)于具有較短焦距的透鏡2D，真實(shí)影像3D離觀看者4較近。
圖1a-1d說(shuō)明虛擬或真實(shí)影像的位置會(huì)隨著透鏡焦距變化，并且當(dāng)焦距不停變化時(shí)，影像位置將會(huì)不停變化。
圖2示意地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的三維顯示裝置100。該3D顯示裝置100包括顯示第一影像6的2D(二維)顯示10，以及接收來(lái)自2D顯示10的光線并形成第二影像5的可變焦距透鏡7?？勺兘咕嗤哥R7改變其焦距，使第二影像5對(duì)三維顯示裝置100的觀看者8來(lái)說(shuō)看起來(lái)為三維的。
通過使用可變焦距透鏡將深度方向的2D影像顯像在空間中對(duì)應(yīng)的深度，而可于空間中產(chǎn)生3D影像。該2D顯示僅顯示應(yīng)被顯影的在給定時(shí)刻或給定幀中在相同深度的像素，并且調(diào)整可變焦距透鏡的焦距，以將深度方向影像顯像在空間中所需的位置。
圖3a-3c示出包括在單位時(shí)間內(nèi)所顯示的具有預(yù)定深度數(shù)量的第一深度方向影像9A、9B以及9C的第一影像6，以及示出包括對(duì)應(yīng)的第二深度方向影像11A，11B以及11C的第二影像5。各個(gè)第一深度方向影像9A、9B以及9C表示具有相同影像深度的第一影像6的部分。2D顯示10一次顯示一個(gè)第一深度方向影像。根據(jù)欲顯示的第一深度方向影像的深度改變可變焦距透鏡7的焦距?？勺兘咕嗤哥R7的聚焦速度至少等于人眼殘像速度以及深度數(shù)量的乘積，使得第二影像對(duì)觀看者而言是三維的。可變焦距透鏡反射來(lái)自二維顯示的光線。
為使依序顯示的第二深度方向的影像被觀看者8看作立體的第二影像5，必須夠快地顯示第二深度方向影像，以利用人眼殘像效果。即，可變焦距透鏡7必須能夠足夠快地改變其焦距。
例如，欲顯示三維影像，需要約30Hz的殘像速度。為了顯示具有10個(gè)影像深度的三維影像，由于必須在三十分之一秒內(nèi)顯示所有10個(gè)深度，需要具有至少約300Hz的可變聚焦速度以及2D顯示速度。
影像深度的數(shù)量隨三維顯示裝置的結(jié)構(gòu)與性能變化，并且較佳影像品質(zhì)的影像深度數(shù)量增加。
可變焦距透鏡7是由微鏡陣列透鏡所構(gòu)成。微鏡陣列透鏡與2D顯示10同步化，以根據(jù)第一深度方向影像9A，9B，9C的深度顯示第二深度方向影像11A，11B，11C。欲顯示第二影像5，其具有連續(xù)的深度，微鏡陣列透鏡的焦距與第一深度方向影像9A，9B，9C的深度同步化，因而連續(xù)地改變。為了真實(shí)的顯示第二影像5，其是由第二深度方向影像11A，11B，11C構(gòu)成并具有連續(xù)深度，2D顯示10的顯示速度必須等于或大于人眼殘像速度(約30Hz)和深度方向影像的深度數(shù)量的乘積。
圖4a示意性示出折射菲涅爾(Fresnel)透鏡13A如何取代普通單體透鏡30。圖4b示出取代普通單體鏡12的反射菲涅爾透鏡13B是如何形成微鏡陣列透鏡。該微鏡陣列透鏡包括多個(gè)微鏡14，各微鏡14受到控制以形成反射菲涅爾透鏡13B，并改變可變焦距透鏡7的焦距。
為獲得明亮且清晰的影像，離開物體的一點(diǎn)的所有光線必須以相同相位會(huì)聚至影像面的一點(diǎn)。因此，透鏡的作用是會(huì)聚被物體散射的光線以及使每一條光線具有相同光徑長(zhǎng)度(OPL)?？蛇x地，可通過給予每一條光線相同周期的相位，且即使光線具有不同OPL，可通過調(diào)整OPL差成為波長(zhǎng)λ整數(shù)的倍數(shù)來(lái)達(dá)成使用菲涅爾透鏡的顯像。每一面會(huì)聚光線至一個(gè)點(diǎn)，并且由不同面所反射或折射的光線具有波長(zhǎng)的整數(shù)倍數(shù)的OPL差。
欲改變微鏡陣列透鏡的焦距，可控制每一個(gè)微鏡的平移動(dòng)作或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作?？蛇x地，可控制每一個(gè)微鏡的平移動(dòng)作以及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作兩者。微鏡14的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作具有改變光的方向的作用，而微鏡14的平移動(dòng)作具有改變光的相位的作用。
圖5a以及5b示出設(shè)置微鏡14形成多個(gè)同心圓。如圖4b所示般設(shè)置微鏡14于一平面中。
可變焦距透鏡7必須符合下列條件。首先，其必須具有足夠快的焦距變化速度以供3D顯示用。第二，其必須具有大幅度的數(shù)值的孔徑變化，因?yàn)榭娠@像的深度的幅度取決于數(shù)值的孔徑變化的幅度。第三，其根據(jù)三維顯示的結(jié)構(gòu)需具有大的直徑。
微鏡陣列透鏡符合這三種條件。首先，微鏡14的反應(yīng)速度超過10KHz。因此，可使微鏡14的焦距改變速度等于或大于10KHz。
第二，微鏡陣列透鏡的數(shù)值孔徑變化幅度很大。所以，如上所解釋，微鏡陣列透鏡具有較大影像深度的范圍，這對(duì)3D顯示來(lái)說(shuō)是不可或缺的一項(xiàng)要求。例如，當(dāng)一臺(tái)19英寸3D電視是以微鏡陣列透鏡所組成時(shí)，其可顯示從1m到無(wú)限遠(yuǎn)的影像深度。
第三，與當(dāng)尺寸變大時(shí)較難制造完美曲面的具有連續(xù)形狀的透鏡相比，加大微鏡陣列透鏡的尺寸并不困難，因?yàn)槲㈢R陣列透鏡是以分立的微鏡所組成。
由于微鏡陣列透鏡為反射透鏡，三維顯示裝置100的光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)準(zhǔn)成一直線。一種光學(xué)設(shè)置是必需的，其中反射光線不被2D顯示阻擋。
圖6示出一種設(shè)置，其中三維顯示裝置100進(jìn)一步包括光束分離器17，其位于2D顯示15以及可變焦距透鏡16之間的光徑中。2D顯示15以及可變焦距透鏡16互相平行設(shè)置。光束分離器17以90度改變光的方向，因此仿真出成一條直線的光學(xué)設(shè)置。微鏡陣列透鏡與光徑成直角設(shè)置。
可選地，參考圖2，如此設(shè)置可變焦距透鏡7，使得由可變焦距透鏡7所反射的光的路徑不會(huì)被二維顯示10所阻擋。圖2的設(shè)置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及視野較寬的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槎S顯示與可變焦距透鏡7之間的距離比具有光束分離器17的設(shè)置中的要更接近。然而，圖2的設(shè)置具有影像品質(zhì)較低的缺點(diǎn)，這是由于傾斜設(shè)置的可變焦距透鏡7所產(chǎn)生的像差所造成。這兩種設(shè)置的選擇取決于顯示裝置的使用。
如圖6所示，三維顯示裝置100可進(jìn)一步包括具有預(yù)定焦距的輔助透鏡18，并相鄰可變焦距透鏡16而設(shè)置。第二影像5是由可變焦距透鏡16以及輔助透鏡18的有效焦距所形成。有了輔助透鏡18，三維顯示裝置100的可變聚焦范圍可延伸或改變成所需的范圍。輔助透鏡18可為折射型菲涅爾透鏡。
如圖2以及6所示，可變焦距透鏡7，16應(yīng)具有屏幕的尺寸。對(duì)于具有大顯示屏幕的裝置，制造具有與屏幕一樣大尺寸的可變焦距透鏡是幾乎不可能或非常昂貴。圖7示出的三維顯示裝置100可進(jìn)一步包括輔助透鏡21，能放大第二影像5以克服此限制。此輔助透鏡21可為一般的折射透鏡或折射菲涅爾透鏡。屏幕尺寸變成輔助透鏡21的尺寸，其具有固定的焦距。2D顯示20以及可變焦距透鏡19具有大幅小于輔助透鏡21尺寸的小型尺寸。三維顯示裝置100的有效焦距通過改變可變焦距透鏡19的焦距而變化。
可變焦距透鏡7的焦距可控制為固定的。通過固定可變焦距透鏡7的焦距并以一般2D顯示裝置的方式操作2D顯示10，3D顯示裝置100可輕易地轉(zhuǎn)變成為一個(gè)2D顯示裝置。
顯示三維影像的方法可為使用如圖1a以及1b中顯示的虛擬影像或使用如圖1c以及1d中顯示的真實(shí)影像。使用真實(shí)影像的方法具有能產(chǎn)生更為逼真的顯示的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楫a(chǎn)生的影像更接近觀看者，同時(shí)具有觀看者與屏幕之間顯示的范圍有限的缺點(diǎn)。針對(duì)使用虛擬影像的方法，影像是產(chǎn)生在屏幕之后。此方法的優(yōu)點(diǎn)為能夠顯示具有從屏幕到無(wú)限遠(yuǎn)的深度范圍的影像。
圖8a以及8b示出本發(fā)明第二實(shí)施例。圖8a顯示三維顯示裝置是如何操作以顯示三維影像24，其中該三維顯示裝置具有可變焦距透鏡23對(duì)應(yīng)2D顯示22的像素26。由各個(gè)像素26所顯示的部分影像由對(duì)應(yīng)像素26的可變焦距透鏡23在其影像深度顯像。由于各像素顯示的部分影像是各由對(duì)應(yīng)可變焦距透鏡處理，無(wú)須分割影像成深度方向的影像以及顯示深度方向的影像，因此本實(shí)施例不需高速2D顯示與高速可變焦距透鏡?？墒褂镁哂衅胀ㄋ俣鹊?D顯示?？勺兘咕嗤哥R23的尺寸可與像素26的尺寸相同。
圖8b示意性示出三維顯示裝置200。該三維顯示裝置200包括具有多個(gè)像素26的2D顯示，以及多個(gè)可變焦距透鏡25。每一個(gè)可變焦距透鏡25對(duì)應(yīng)于每一個(gè)像素26?？勺兘咕嗤哥R25的聚焦速度至少等于人眼殘像速度，以及每一個(gè)可變焦距透鏡25反射來(lái)自二維顯示的光線。每一個(gè)可變焦距透鏡25的焦距隨著由各像素26顯示的影像的影像深度改變。每一個(gè)可變焦距透鏡25是由微鏡陣列透鏡所制成。
由于微鏡陣列透鏡為反射光學(xué)元件，如此設(shè)置透鏡元件25，使得反射的光線不會(huì)被二維顯示阻擋。每一個(gè)像素26顯示在與三維顯示裝置200的裝置顯示方向27成垂直的方向的第一影像的一部分。透鏡元件25與像素26的顯示方向以及裝置顯示方向27成45度角的設(shè)置。第二影像，即為三維影像24，是由透鏡元件25形成。盡管是如此復(fù)雜的設(shè)置，仍使用微鏡陣列透鏡，因其數(shù)值孔徑改變幅度很大。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的三維顯示方法。在步驟S100中，二維顯示第一深度方向的影像。接著，在步驟S200中，通過接收來(lái)自顯示的第一深度方向的影像并根據(jù)此第一深度方向的影像深度聚焦以顯示第二深度方向的影像。在步驟S300中，在單位時(shí)間中以第一深度方向影像預(yù)定數(shù)量重復(fù)步驟S100以及S200。該預(yù)定的第一深度方向影像數(shù)量形成第一影像，且每一個(gè)第一深度方向影像代表具有相同影像深度的第一影像的部分。顯示的第二深度方向影像形成對(duì)觀看者而言看似三維的第二影像。在顯示第二深度方向影像的步驟中的聚焦速度至少等于人眼殘像速度與深度數(shù)量的乘積。在顯示第二深度方向影像的步驟中，反射接收自顯示的第一深度方向的影像。
在顯示第二深度方向影像的步驟中，以微鏡陣列透鏡執(zhí)行S200。
雖已示出并參考不同實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可了解到可作出不背離所附申請(qǐng)專利范圍所定義的本發(fā)明范圍與精神的形式、細(xì)節(jié)、構(gòu)成以及操作上的變化。
符號(hào)說(shuō)明1A，1B物體 2A～D透鏡3A，3B虛擬影像 3C，3D真實(shí)影像4觀看者5第二影像6第一影像 7可變焦距透鏡8觀看者9A～9C第一深度方向影像102D(二維)顯示11A～C第二深度方向影像12單體鏡 13A折射菲涅爾透鏡13B反射菲涅爾透鏡 14微鏡152D(二維)顯示 16可變焦距透鏡17光束分離器 18輔助透鏡19可變焦距透鏡 202D(二維)顯示21輔助透鏡 23可變焦距透鏡24三維影像 25可變焦距透鏡26像素 27顯示方向30單體透鏡 100，200三維顯示裝置權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種立體三維顯示裝置，包括a)二維顯示部，顯示第一影像，其中二維第一深度方向影像表示沿著第三維在不同的位置的物體的橫截面的影像，其中一個(gè)維度是物體的高度(y軸)，另一個(gè)是寬度(x軸)以及第三個(gè)是物體的深度(z軸)；以及b)微鏡陣列透鏡，接收來(lái)自所述二維顯示部的光線并形成包括二維第二深度方向影像的三維影像；其中，所述微鏡陣列透鏡是衍射-反射混合型可變焦距透鏡，其中焦距的改變率至少等于普通人眼的暫留速率(殘像速度)與深度數(shù)量的乘積，從而對(duì)于觀看者所述二維第二深度影像看起來(lái)融合在所述物體的三維影像中，其中，所述微鏡陣列透鏡的焦距隨著深度改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中，所述微鏡陣列透鏡包括多個(gè)微鏡，并且其中所述每個(gè)微鏡被控制以改變所述可變焦距透鏡的焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維顯示裝置，其中，所述多個(gè)微鏡設(shè)置在平面中，其中，所述這些微鏡被設(shè)置以形成一個(gè)或多個(gè)同心圓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維顯示裝置，其中控制所述每一個(gè)微鏡的平移動(dòng)作。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維顯示裝置，其中控制所述每一個(gè)微鏡的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的所述三維顯示裝置，其中控制所述每一個(gè)微鏡的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作與平移動(dòng)作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，進(jìn)一步包括位于所述二維顯示部與可變焦距透鏡的光徑中的光束分離器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中如此放置所述可變焦距透鏡使得可變焦距透鏡反射的光徑不會(huì)被所述二維顯示部所阻礙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中進(jìn)一步包括具有預(yù)定焦距的輔助透鏡，以及其中由可變焦距透鏡連同所述輔助透鏡形成所述第二影像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的三維顯示裝置，進(jìn)一步包括用于顯示第二影像的屏幕，以及其中所述輔助透鏡增加屏幕的尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中所述可變焦距透鏡的焦距控制成固定的。
12.一種空間三維顯示裝置，其中物體的影像沿著物體的深度分成多個(gè)截面影像，以及各截面影像聚焦于所述截面影像的深度，使得對(duì)于觀看者來(lái)說(shuō)聚焦自所述這些截面影像的影像為立體的，所述三維裝置包括a)二維顯示部，顯示預(yù)定深度數(shù)量的第一影像；以及b)微鏡陣列透鏡，接收來(lái)自所述二維顯示部的光線并形成第二影像；
其中，所述微鏡陣列透鏡的聚焦速度至少等于普通人眼的暫留速率(殘像速度)與深度數(shù)量的乘積，其中，所述微鏡陣列透鏡反射來(lái)自二維顯示部的光線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的三維顯示裝置，其中所述可變焦距透鏡為衍射-折射混合型菲涅爾透鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中三維顯示方法包括下列步驟a)二維顯示第一深度方向影像；b)通過聚焦來(lái)自所顯示的所述第一深度方向影像的光并且根據(jù)所述第一深度方向影像的深度聚焦光線而在空間中顯示第二深度方向影像；以及c)以第一深度方向影像預(yù)定深度數(shù)量在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)步驟a)與b)；其中，所述每一個(gè)第一深度方向影像表示物體的橫截面，其中在顯示所述第一深度方向影像的步驟中的顯示速度至少等于普通人眼暫留速率(殘像速度)與深度數(shù)量的乘積，并且其中在顯示所述第二深度方向影像的步驟中，從顯示的所述第一深度方向影像接受的光被反射。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的三維顯示方法，其中所述顯示第二深度方向影像的步驟由微鏡陣列透鏡所執(zhí)行。
16.一種立體三維顯示裝置，包括a)二維顯示，包括多個(gè)像素；以及b)多個(gè)微鏡陣列透鏡，其中所述每一個(gè)微鏡陣列透鏡對(duì)應(yīng)于所述每一個(gè)像素；
其中所述微鏡陣列透鏡的聚焦速度至少等于普通人眼的暫留速率(殘像速度)，以及所述每一個(gè)微鏡陣列透鏡反射來(lái)自所述二維顯示的光，以及其中所述每一個(gè)微鏡陣列透鏡的焦距根據(jù)由所述每一個(gè)像素所顯示的影像的影像深度而改變。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的三維顯示裝置，其中所述每一個(gè)可變焦距透鏡是由所述微鏡陣列透鏡所構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，所述微鏡陣列透鏡與所述二維顯示同步化，以根據(jù)其深度顯示所述二維第一深度方向影像。
權(quán)利要求
1.一種三維顯示裝置，包括a)二維顯示，顯示第一影像；以及b)可變焦距透鏡，接收來(lái)自所述二維顯示的光線并形成第二影像；其中，第一影像包括在單位時(shí)間內(nèi)顯示的預(yù)定深度數(shù)量的第一深度方向的影像，以及第二影像包括對(duì)應(yīng)的第二深度方向的影像，其中每一個(gè)第一深度方向的影像代表具有相同影像深度的第一影像的部分，其中二維顯示一次顯示一個(gè)第一深度方向影像，其中所述可變焦距透鏡的焦距根據(jù)所顯示的第一深度方向影像的深度而改變，其中所述可變焦距透鏡的聚焦速度至少等于人眼的殘像速度與深度數(shù)量的乘積，以及其中所述可變焦距透鏡反射來(lái)自二維顯示的光線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中所述可變焦距透鏡是由微鏡陣列透鏡所制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維顯示裝置，其中所述可變焦距透鏡為反射菲涅爾透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維顯示裝置，其中所述微鏡陣列透鏡包括多個(gè)微鏡，以及其中控制各微鏡以改變所述可變焦距透鏡的焦距。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維顯示裝置，其中設(shè)置所述微鏡于平面中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維顯示裝置，其中設(shè)置所述微鏡以形成一個(gè)或多個(gè)同心圓。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維顯示裝置，其中控制所述每一個(gè)微鏡的平移動(dòng)作。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維顯示裝置，其中控制所述每一個(gè)微鏡的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的所述三維顯示裝置，其中控制所述每一個(gè)微鏡的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作與平移動(dòng)作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，進(jìn)一步包括位于所述二維顯示與可變焦距透鏡的光徑中的光束分離器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中如此放置所述可變焦距透鏡使得可變焦距透鏡反射的光徑不會(huì)被所述二維顯示所阻礙。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中進(jìn)一步包括具有預(yù)定焦距的輔助透鏡，以及其中由可變焦距透鏡連同所述輔助透鏡形成所述第二影像。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的三維顯示裝置，進(jìn)一步包括用于顯示所述第二影像的屏幕，以及其中所述輔助透鏡增加屏幕的尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維顯示裝置，其中所述可變焦距透鏡的焦距控制成固定的。
15.一種三維顯示裝置，其中物體的影像沿著物體的深度分成多個(gè)區(qū)段影像，以及各區(qū)段影像聚焦于所述區(qū)段影像的深度，使得對(duì)于觀看者來(lái)說(shuō)聚焦自所述這些區(qū)段影像的影像為立體的，所述立體裝置包括a)二維顯示，顯示預(yù)定深度數(shù)量的第一影像；以及b)可變焦距透鏡，接收來(lái)自所述二維顯示的光線并形成第二影像；其中，所述可變焦距透鏡的聚焦速度至少等于人眼的殘像速度與深度數(shù)量的乘積，以及其中所述可變焦距透鏡反射來(lái)自二維顯示的光線。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的三維顯示裝置，其中所述可變焦距透鏡是由微鏡陣列透鏡所構(gòu)成，其中所述微鏡陣列透鏡包括多個(gè)微鏡，以及其中控制各微鏡以改變所述可變焦距透鏡的焦距。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的三維顯示裝置，其中所述可變焦距透鏡為反射菲涅爾透鏡。
18.一種三維顯示方法，包括下列步驟a)二維顯示第一深度方向影像；b)通過接收來(lái)自所顯示的所述第一深度方向影像的光并且根據(jù)所述第一深度方向影像的深度聚焦光線而顯示第二深度方向影像；以及c)以第一深度方向影像預(yù)定數(shù)量在單位時(shí)間內(nèi)次數(shù)重復(fù)步驟a)與b)；其中，所述第一深度方向影像的預(yù)定的數(shù)量形成第一影像，以及各第一深度方向的影像代表具有相同影像深度的第一影像的部分，其中所述顯示第二深度方向影像步驟中的聚焦速度至少等于人眼的殘像速度與深度數(shù)量的乘積，且其中顯示第二深度方向影像的步驟中，反射接收自所顯示的所述第一深度方向影像的光。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的三維顯示方法，其中所述顯示第二深度方向影像的步驟是由微鏡陣列透鏡所執(zhí)行。
20.一種三維顯示裝置，包括a)二維顯示，包括多個(gè)像素；以及b)多個(gè)可變焦距透鏡，所述每一個(gè)可變焦距透鏡對(duì)應(yīng)于所述每一個(gè)像素；其中所述可變焦距透鏡的聚焦速度至少等于人眼的殘像速度，以及所述每一個(gè)可變焦距透鏡反射來(lái)自所述二維顯示的光，以及其中所述每一個(gè)可變焦距透鏡的焦距根據(jù)由所述每一個(gè)像素所顯示的影像的影像深度而改變。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的三維顯示裝置，其中所述每一個(gè)可變焦距透鏡是由所述微鏡陣列透鏡所構(gòu)成。
全文摘要
一種三維顯示裝置包括顯示第一影像的二維顯示，以及用于接收來(lái)自二維顯示部的光線并形成第二影像的可變焦距透鏡。該可變焦距透鏡反射來(lái)自二維顯示光線。第一影像包括在單位時(shí)間內(nèi)顯示的預(yù)定深度數(shù)量的第一深度方向的影像，以及第二影像包括對(duì)應(yīng)的第二深度方向的影像。各深度方向的影像代表具有相同影像深度的第一影像部分，以及二維顯示一次顯示一個(gè)深度方向影像?？勺兘咕嗤哥R的焦距根據(jù)所顯示的影像的深度方向影像的深度而改變。微鏡陣列透鏡用作為可變焦距透鏡。微鏡陣列透鏡具有實(shí)際三維顯示用的足夠的速度與聚焦長(zhǎng)度范圍。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK1918511SQ200580004752
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月13日
發(fā)明者徐清洙, 金東佑, 趙京一, 詹姆斯·格里納普·鮑伊德, 白祥鉉 申請(qǐng)人:立體播放有限公司, 埃斯壯有限公司