專利名稱：三維圖象顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，把顯示在屏幕上的二維圖象，通過屏幕沿法線方向作頻率大于24赫芝的機(jī)械振動(dòng)，和屏幕振動(dòng)時(shí)其上的二維圖象作相應(yīng)的同步變化，來顯示對人眼的視覺效應(yīng)來說在時(shí)間上和空間上都是連續(xù)的三維圖象顯示系統(tǒng)。如果把所顯示的三維圖象記為Ω，則Ω必須屬于振動(dòng)著的屏幕所能達(dá)到的空間域，并且在屏幕上顯示的二維圖象必須是屏幕在振動(dòng)時(shí)屏幕平面對Ω的切片圖。
以往，立體圖象的顯示，主要有利用全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維圖象的記錄和再現(xiàn)。例如，以激光作為光源，把由光源輸出的光分成物光和參考光，讓物光照射被攝物體，使被物體反射的光與參考光在成像記錄介質(zhì)上相干涉，從而在全息記錄介質(zhì)上記錄了物體的全息信息。然后用參考光來照明所得的全息圖，便可把物象再現(xiàn)出來。還有一種是利用人眼的體視效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的純粹主觀感覺上的立體圖象。例如，用二臺具有一定基線的電影攝影機(jī)，分別對同一景物制作電影片。在放映時(shí)，也用兩個(gè)放映機(jī)放映。但是兩個(gè)放映機(jī)必須采用偏振方向相互垂直的偏振光來放映，看電視的人也必須戴上偏光鏡，使一個(gè)放映機(jī)放出來的影象只被一只眼睛所接收。因?yàn)樽笥覂裳鄣耐子幸欢ǖ拈g隔，故由于體視效應(yīng)，這兩個(gè)象經(jīng)視覺上的復(fù)合，在主觀上便可產(chǎn)生立體感。
上述兩種顯示立體圖象的方法，在應(yīng)用上都有一定的局限性。體視效應(yīng)所得的立體圖，完全是主觀感覺上的產(chǎn)物，而并非真的在空間里存在著景物的立體圖象。全息法顯示立體圖象由于必須依賴相干光，因此，若利用全息技術(shù)通過光電變換來實(shí)現(xiàn)三維圖象遠(yuǎn)距離傳輸，是十分困難的。
本發(fā)明提出一種新的三維圖象顯示構(gòu)思和顯示系統(tǒng)，其基本原理是如果有一個(gè)點(diǎn)光源P沿著某一空間曲線L作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則當(dāng)點(diǎn)光源P所作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的重復(fù)頻率ν大于24赫芝時(shí)，對于觀察者來說，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，主觀上就會感覺到在空間中，存在著一條連續(xù)的，明亮的曲線L。
如果在一個(gè)平面屏幕W上有一個(gè)亮圓O，假設(shè)我們使屏幕W沿著它的法線方向振動(dòng)，則當(dāng)它的振動(dòng)頻率ν大于24赫芝時(shí)，對于觀察者來說，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，主觀上就會感到在空間里存在著一個(gè)連續(xù)明亮的圓柱面，這個(gè)圓柱面就是屏幕W上的亮圓在振動(dòng)時(shí)所畫出來的三維圖形軌跡。
再者，如果一個(gè)屏幕W沿著其法線方向振動(dòng)，假設(shè)振動(dòng)頻率ν和振幅A都是穩(wěn)定的。此時(shí)，如果屏幕W上有一個(gè)圖形L在作周期性的變化，而且變化周期與屏幕W的振動(dòng)周期相等，則當(dāng)振動(dòng)頻率ν＞24HZ時(shí)，對于觀察者來說，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，主觀上就會感覺到，在空間存在著一個(gè)連續(xù)明亮的三維圖象，這個(gè)三維圖象就是在屏幕W上作周期性變化的二維圖形L在屏幕W作振動(dòng)時(shí)所畫出的三維圖形。
附圖
一表示本發(fā)明的三維圖象顯示系統(tǒng)示意圖;
附圖二表示屏幕W上的二維圖形，以一定的頻率，沿著法線方向振動(dòng)時(shí)形成二維視覺圖象的示意圖。
附圖三表示振動(dòng)屏幕W上任一圖形，在任一振動(dòng)周期τ內(nèi)，即從時(shí)間t＝Nτ至(N+1)τ的時(shí)間間隔內(nèi)，屏幕上顯示的隨時(shí)間變化的平面圖形由于振動(dòng)而產(chǎn)生的立體圖形的示意圖。其中τ是振動(dòng)屏幕的振動(dòng)周期。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
參見附圖一，在其左面的圖表示一個(gè)顯示屏D，在屏上有一個(gè)亮圓“O”。在其右面的圖表示顯示屏W以振動(dòng)頻率為ν作振動(dòng)，ν＞24HZ。中間是一個(gè)成象物鏡L，V物鏡L將左邊的亮圓“O”，成象在右邊的振動(dòng)的顯示屏W上。因?yàn)閃在作大于24HZ的振動(dòng)，所以由顯示屏W上的亮圓振動(dòng)所畫出的三維圖形軌跡是一個(gè)對人眼的視覺來說是連續(xù)的亮圓柱。
參見附圖三，顯示屏W上由外加信號所提供的顯示圖形是一個(gè)圓心不變、半徑周期性地連續(xù)變化的圓。假設(shè)在某周期剛開始即t＝Nτ時(shí)，顯示屏W上顯示的圖象為某一半徑的圓“Q”，而在顯示屏W振動(dòng)到位移最大值時(shí)，即半周期時(shí)，或t＝(N+ 1/2 )τ時(shí)，顯示屏W上顯示出另一半徑的圓“Q′”。如果使顯示屏的振動(dòng)周期與屏上圖形的變化周期相等，則由于顯示屏幕的振動(dòng)所畫出的三維曲面是一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面。
下面說明，如何利用附圖三所示的原理，來顯示事先給定的任一圖象f(x、y、z、t)＝I，假如我們?yōu)槭稣f方便，略去熒光屏D和顯示屏W之間的透鏡的成像變換作用，并假定振動(dòng)的不是顯示屏幕W而是熒光屏的顯示平面。
首先，選定熒光屏的顯示平面的振動(dòng)頻率ν＞24HZ，設(shè)與ν對應(yīng)的振動(dòng)周期為τ＝1/ν。為了描繪圖象f(x、y、z、t)，首先需對變動(dòng)的圖象以τ為時(shí)間間隔進(jìn)行抽樣，得到如下序列的被顯示圖象
在時(shí)間0到τ的間隔內(nèi)顯示f(x、y、z、0)＝I0在時(shí)間τ到2τ的間隔內(nèi)顯示f(x、y、z、τ)＝I1在時(shí)間2τ到3τ的間隔內(nèi)顯示f(x、y、z、2τ)＝I2
在時(shí)間Nτ到(N+1)τ間隔內(nèi)顯示f(x、y、z、Nτ)＝INo其中，圖象f(x、y、z、Nτ)＝IN的顯示方法是先注意到Nτ是已知數(shù)，當(dāng)屏幕沿著z軸方向振動(dòng)時(shí)，它沿z軸方向的位移是時(shí)間的函數(shù)z(t)。在激勵(lì)信號和結(jié)構(gòu)參數(shù)為已知時(shí)，這個(gè)函數(shù)z(t)是已知的函數(shù)。因此，我們令f(x、y、z、Nτ)＝F(x、y、t)其中t的時(shí)間域?yàn)椤睳τ，(N+1)τ〕，由此可見，為了顯示三維圖象IN，在熒光屏上只需顯示如下隨時(shí)間變化的平面圖象IN＝F(x、y、t)，t〔Nτ，(N+1)τ〕o其余依此類推。
附圖一表示本發(fā)明三維圖象顯示系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖。所述的顯示系統(tǒng)包括振動(dòng)顯示屏幕1，揚(yáng)聲器2，振子3，信號控制計(jì)算機(jī)4，成像物鏡5，示波器6，熒光顯示屏7，熒光屏上所顯示的圖形8，所顯示的三維圖象9，計(jì)算機(jī)的x，y方向偏轉(zhuǎn)信號輸出端10，11，計(jì)算機(jī)給屏幕振動(dòng)信號的輸出端12，屏幕振動(dòng)方向13。
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的三維圖象顯示系統(tǒng)作更為詳細(xì)的說明。
如圖一所示，將圖象顯示屏幕1粘貼在揚(yáng)聲器2的振子3上，當(dāng)計(jì)算機(jī)4給揚(yáng)聲器2加上音頻激勵(lì)信號后，屏幕1就可以沿著成像物鏡5的光軸方向振動(dòng)，其中物鏡5的光軸方向分別垂直于屏幕1和熒光屏7。示波器6的熒光屏7，其顯示平面為xy平面，該平面與圖象顯示屏幕1的平面平行。熒光屏7上的圖形由計(jì)算機(jī)4控制，即由計(jì)算機(jī)4的x方向偏轉(zhuǎn)信號輸出端10輸出x方向偏轉(zhuǎn)信號，y方向偏轉(zhuǎn)信號輸出端11輸出y方向偏轉(zhuǎn)信號，屏幕振動(dòng)信號的輸出端12給揚(yáng)聲器2中的振子3輸出激勵(lì)信號，成像物鏡5使熒光屏7上的圖象成像在振動(dòng)屏幕1上。這樣，當(dāng)計(jì)算機(jī)4輸給示波器6的信號使熒光屏7上的圖象為一個(gè)穩(wěn)定的圓時(shí)，同時(shí)由計(jì)算機(jī)4給揚(yáng)聲器2輸出的激勵(lì)信號使屏幕1以ν＞24HZ的頻率振動(dòng)時(shí)，如果圖象的變化周期相等于顯示屏幕1的振動(dòng)周期，則屏幕1的振動(dòng)所顯示出的視覺圖象是一個(gè)圓柱面的三維顯示圖象9。
為了確保圓柱面的圖象清晰度，需使屏幕1的振幅與成像物鏡5的焦深相匹配。也可以使成像物鏡沿光軸方向作微量的同步振動(dòng)，以獲得在大景深范圍內(nèi)的清晰圖象。
在上述顯示系統(tǒng)中，如果計(jì)算機(jī)4輸給示波器6的信號使熒光屏7上顯示的圖象是一個(gè)圓心不變，半徑為周期性地連續(xù)變化的圓，同時(shí)如果輸入揚(yáng)聲器2的激勵(lì)信號使屏幕1的振動(dòng)周期與熒光屏7上圖象的變化周期相等，則由屏幕1的振動(dòng)所顯示出的三維曲面將是一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面。
利用本發(fā)明所提出的構(gòu)思，可以使電視機(jī)的圖象立體化，這種立體電視機(jī)系統(tǒng)與普通的電視機(jī)的發(fā)射系統(tǒng)所不同點(diǎn)在于1.景物通過電視攝象機(jī)的物鏡后，所成的像Ω′在光軸方向有適當(dāng)?shù)纳疃圈?
2.電視攝象機(jī)的光電變換系統(tǒng)的光敏面，必須沿光軸作頻率大于24赫芝、振幅大于Δ/2的機(jī)械振動(dòng);
3.電視發(fā)射系統(tǒng)的視頻信號必須是景物的三維圖象Ω′被振動(dòng)著的光敏面切片的清晰象面。
這種立體電視機(jī)與普通電視機(jī)所不同之處有如下幾點(diǎn)1.電視機(jī)顯象管的熒光屏必須與電視發(fā)射機(jī)的光敏面同步地振動(dòng);
2.為了獲取與實(shí)際景物相應(yīng)的再現(xiàn)三維景物圖象，可以在熒光屏前面適當(dāng)位置處放置類似于攝象機(jī)物鏡的光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明所提出的三維圖象顯示系統(tǒng)還可以應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)上，可以利用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)立體圖，在顯示屏上顯示的立體圖可以用普通的照相機(jī)來記錄，所記錄的圖象與實(shí)物的立體圖完全相似，但照相機(jī)的曝光時(shí)間不能太短，要振動(dòng)顯示屏的振動(dòng)周期相匹配。
由于屏幕的機(jī)械振動(dòng)頻率ν必須大于24赫芝才能利用視覺暫留效應(yīng)。所以，振幅的最大值在工程技術(shù)上會受到許多限制，其值不可能取得太大。為了解決上述矛盾，可以利用成象光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行變換，例如如果把物鏡放置在振動(dòng)屏幕的物方焦點(diǎn)附近，則物場沿光軸方向較小的移動(dòng)，將會對應(yīng)象空間較大的位移。但需注意，對于透鏡來說，在三維空間里，物與象不具有空間相似性，因此，此時(shí)應(yīng)當(dāng)確定象方的圖形，反過來再根據(jù)共軛對應(yīng)關(guān)系來確定相應(yīng)的振動(dòng)屏幕上所要顯示的物的圖象。這個(gè)圖象可以利用幾何光學(xué)的原理，根據(jù)象方圖形，通過計(jì)算機(jī)來確定。也可以利用望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的性質(zhì)，來取得大景深的顯示圖象。這是因?yàn)?，設(shè)望遠(yuǎn)光組的軸向放大率為α，則
其中，dz′是振動(dòng)屏幕的景深，dz是被顯示圖象的景深，如果，放大系數(shù)(f物′)/(f目′) ＝ 1/10則，望遠(yuǎn)光組的軸向放大率α＝100，因此，藉此來取得大景深的顯示圖象。
本發(fā)明所提出的三維圖象顯示系統(tǒng)及其構(gòu)思，在總的構(gòu)思下，還可引伸出不同的變換，對這些變換，也將是屬于本發(fā)明所應(yīng)取得保護(hù)的范圍。
本發(fā)明的三維圖象顯示系統(tǒng)，具有構(gòu)思新穎，實(shí)施簡單，所取得的三維圖象清晰，動(dòng)態(tài)范圍大，可以進(jìn)行黑白的，或彩色的三維圖象顯示等優(yōu)點(diǎn)。所述的三維圖象顯示系統(tǒng)可以廣泛地用于各種顯示系統(tǒng)，如把平面示波器圖象轉(zhuǎn)換成三維立體圖象顯示，以及黑白或彩色立體電視的顯象等，在各種技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒖扇〉脧V泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種三維圖象顯示系統(tǒng)，其特征是所述的顯示系統(tǒng)由振動(dòng)顯示屏幕1，振子3，信號控制計(jì)算機(jī)4，成像物鏡5，熒光顯示屏7等組成，由計(jì)算機(jī)4給所述的振子3上加上音頻激勵(lì)信號，所述的屏幕1沿著所述成像物鏡5的光軸方向振動(dòng)，熒光屏7上的圖形由所述計(jì)算機(jī)4控制，即由計(jì)算機(jī)4分別向熒光屏7提供顯示圖象的x，y偏轉(zhuǎn)信號，成像物鏡5的光軸分別垂直于屏幕1和熒光屏7，成像物鏡5使熒光屏7上的圖象成像在振動(dòng)顯示屏幕1上。當(dāng)計(jì)算機(jī)4輸給熒光屏7的圖象信號變化周期等于所述振動(dòng)顯示屏幕1的振動(dòng)周期時(shí)，如振動(dòng)頻率為v＞24HZ時(shí)，則屏幕1的振動(dòng)所顯示出的視覺圖象是一個(gè)三維的立體圖象。
2.如權(quán)利要求1所述的三維圖象顯示系統(tǒng)，其特征是所述的振動(dòng)顯示屏幕1的振幅應(yīng)與成像物鏡5的焦深相匹配。
3.如權(quán)利要求1或2所述的三維圖象顯示系統(tǒng)，其特征是所述的熒光屏7可以是示波器6的熒光屏，所述的振子3可以是揚(yáng)聲器2的聲子。
4.如權(quán)利要求1或2所述的三維圖象顯示系統(tǒng)，其特征是，所述的熒光屏7可以是電視機(jī)顯像管的熒光屏，熒光屏上的圖象是由電視臺發(fā)射的圖象，是一系列IN＝F(x、y、t)及振動(dòng)頻率為τ的標(biāo)準(zhǔn)信號，所述的熒光屏沿著垂直于屏的z軸方向同步振動(dòng)，所述顯象管的電子掃描系統(tǒng)聚焦點(diǎn)要作周期性地同步變化，保證清晰象而始終落在不斷穩(wěn)定振動(dòng)著的熒光屏上。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用視覺暫留效應(yīng)，把時(shí)間上連續(xù)的二維圖象變換成在一定方向上，以一定的頻率振動(dòng)的空間位移連續(xù)的三維圖象顯示系統(tǒng)，所述的顯示系統(tǒng)由振動(dòng)顯示屏幕，振子，信號控制計(jì)算機(jī)，成象物鏡，顯示屏幕等組成，所述的顯示系統(tǒng)具有構(gòu)思新穎，實(shí)施簡單，可取得的三維圖象清晰，動(dòng)態(tài)范圍大，同時(shí)可進(jìn)黑白或彩色的三維圖象顯示的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛地用于示波器圖象，電視圖象以及其它顯示系統(tǒng)的三維圖象顯示。
文檔編號G02B27/22GK1044347SQ89100249
公開日1990年8月1日 申請日期1989年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月21日
發(fā)明者翁鈞明, 王其祥 申請人:王其祥