專利名稱：：自動(dòng)立體顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及在視頻顯示器上的三維(3D)視頻圖象的顯示。術(shù)語“視頻”被認(rèn)為是能夠在總體上提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)圖象的靜止圖象連續(xù)幀的顯示。大多數(shù)運(yùn)動(dòng)的顯示，例如電視(視頻)和電影，是二維的。對于許多應(yīng)用來說，二維運(yùn)動(dòng)圖象是足夠的，因?yàn)橛^察者能夠從圖象的運(yùn)動(dòng)中獲得立體信息。在非運(yùn)動(dòng)(靜止)的顯示中，二維顯示是最通用的而且造價(jià)非常低廉，例如通過照相復(fù)制、印刷、攝影制造。二維圖象通過幅振(暗度和/或顏色)隨圖象中的位置變化的顯示被提供。真實(shí)的三維靜止顯示能夠通過例如使用照相底板的全息技術(shù)提供。其它3D效果能夠通過一種被通稱為自動(dòng)立體成象的技術(shù)提供。借助在全息照相中振幅或相位的變化，能夠在全息底片中提供三維圖象。觀察者通過每一只眼睛從顯示的不同位置(距離和角度)看到稍微不同的圖象。在這兩個(gè)顯示類型之間的巨大差異是所需要信息量的不同，對三維圖象的情況至少需要一個(gè)數(shù)量級的更多的數(shù)據(jù)。全息圖象已經(jīng)使用液晶裝置顯示，但是具有視野非常窄的缺點(diǎn)，即立體效應(yīng)只是在一個(gè)窄的角度范圍內(nèi)被觀察。運(yùn)動(dòng)視頻顯示是通過以足夠高的速率顯示靜止圖象幀形成的，其速率使得觀察者不能察覺各個(gè)幀而是看到連貫的運(yùn)動(dòng)。為了顯示具有運(yùn)動(dòng)的3D圖象，需要的數(shù)據(jù)速率比容易和可便宜得到的數(shù)據(jù)速率高得多，特別是對于大的顯示。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，上述的視角問題通過一個(gè)包括空間光調(diào)制器(SLM)的三維顯示器被解決，在其中一個(gè)圖案的重復(fù)序列由平行光照射，該平行光與全息照相同步通過一系列分散的方向反復(fù)地掃描。在本說明書中被使用的術(shù)語″圖案″意味著相位和/或振幅方面的二維變化，它能夠包括全息照相、自動(dòng)立體分布或待投影的圖象。根據(jù)本發(fā)明的三維視頻顯示器包括-其上能夠顯示數(shù)據(jù)圖案的連續(xù)幀的屏幕；-能夠與連續(xù)幀的掃描同步地通過一系列分散的方向反復(fù)掃描的平行光源；-能夠使觀看者觀察到三維運(yùn)動(dòng)圖象的裝置。該屏幕可以取液晶光閥或光學(xué)編址空間光調(diào)制器(OASLM)的形式。一種典型的OASLM包括一光敏材料層可操作用于改變與液晶材料的相鄰層上的電壓，并且從而當(dāng)用平行光源掃描時(shí)改變其反射性能。例如光敏材料可以是非晶硅。另一方面，光敏層可以是光敏二極管的矩陣，二極管被照射能夠發(fā)射電信號。OASLM的可由在其內(nèi)面上帶著列條狀電極的前透射極板、緊鄰的液晶層、例如被配置成象小島狀的分散斑的鋁反射層、非晶硅層、和在其內(nèi)面上帶有行條狀電極的后透射極板構(gòu)成。光敏層可被安排供接收視頻圖案用。在一種實(shí)施方案中，視頻圖案作為一系列各自形成一個(gè)視野的空間分離圖案被成象在光調(diào)制層上，用多個(gè)視野共同形成代表單一全息照相的一幅顯示的幀。這種從多個(gè)較小的片段形成大的顯示的技術(shù)可被用在另一實(shí)施方案中，以在單一光源照射時(shí)提供大區(qū)域的投影顯示。它使小的快速編址的光調(diào)制器能在一幅完整的幀已被成像時(shí)被切換的動(dòng)用較慢的光閥上形成合成顯示。掃描可以由激光光源陣列提供，該激光光源陣列可被設(shè)置在光學(xué)上安排于圖象屏幕前的透鏡的焦面或鄰近該焦面處。各個(gè)激光器之間的角度可大約是光從全息照相發(fā)散出的最大角度。增加激光器的數(shù)量將改進(jìn)在所觀察顯示器中的視角。為了獲得彩色顯示，三個(gè)不同頻率的激光器被使用。視頻圖象可以來自在硅層上由鐵電體液晶材料層形成的投影儀，硅層具有可分別尋址的象素x，y陣列并且能極快地多路編址。投影儀可以通過一個(gè)光柵投影其圖象，例如該光柵由兩個(gè)垂直放置的透光和不透光線交替的線性光柵形成。另一方面該投影儀可以是一個(gè)視頻成像器并且使其輸出對準(zhǔn)光敏層。待顯示的視頻圖象可以按照傳統(tǒng)方式獲得并且被存儲(chǔ)用于繼續(xù)的顯示。例如，對象可以被以不同角度放置在對象前面的多個(gè)攝像機(jī)成像，以按照時(shí)間順序映射該對象。理想地，在視頻顯示器上的圖象應(yīng)該如由全息照相所記錄的三維圖象，以致當(dāng)觀察者移近或遠(yuǎn)離顯示器時(shí)視差方面的改變能被看到，而且因此觀察者能夠通過從不同視點(diǎn)并且通過使用雙目視覺察看圖象來測定深度。全息照相只是高分辯率的顯示并且有可能在液晶顯示器上顯示視頻全息照相。然而液晶層往往會(huì)有至少1.5μm厚，因此液晶上的像素勢必不小于2或3μm，從而在液晶顯示器上的全息照相的視野很少是多于幾度的。而且，以這樣的方式制作視頻全息照相的顯示器的分辨率與液晶顯示器尺寸的比價(jià)是不經(jīng)濟(jì)的。三維圖象還可以使用自動(dòng)立體象素化的方法被顯示，其中的屏幕包含像素的二維陣列，每個(gè)像素陣列不發(fā)生蘭伯特反射(如同對二維圖象的顯示)而以射線方向函數(shù)的方式控制光強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)立體顯示的一種簡單方式是利用在透鏡焦面上的一個(gè)連續(xù)掃描的點(diǎn)光源照射液晶顯示器。在任一瞬間，透鏡和光源產(chǎn)生的光線全部沿一個(gè)普通的方向傳播，并且如果光線的方向與立體目標(biāo)在液晶顯示器上適當(dāng)視圖的顯示同步，那時(shí)眼睛將自始至終綜合到三維圖象。在此的問題是，為了避免觀察者看到閃爍，液晶顯示器必須快速切換，而且對于質(zhì)量優(yōu)良的三維圖象這又是不經(jīng)濟(jì)的。除非全部觀察者的位置是已知的，則三維圖像幾乎不可避免地要求數(shù)據(jù)速率大于用于二維圖象的一個(gè)數(shù)量級。三維顯示的任何設(shè)計(jì)方案都應(yīng)該提供一種處理這些數(shù)據(jù)的方法，但是數(shù)據(jù)速率越高，把數(shù)據(jù)傳送到屏幕上的傳輸線路所能容納的容量就越小，因此屏幕就越小。的確能夠廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)具有高幀速率的小型顯示，例如通過在硅襯底上放置一層鐵電體液晶，或利用數(shù)字微反射鏡裝置或陰極射線管。但是用戶需要大的三維圖象，而且甚至利用能顯示三維圖象的裝置，把圖象放大到一個(gè)可用尺寸的效果也是使得視野過于窄。如果數(shù)據(jù)被并聯(lián)傳送，傳輸線效果就變得較少相關(guān)，并且這就是在光閥(或光學(xué)編址的液晶顯示器)上所發(fā)生的，光閥包含光敏層和例如液晶的光調(diào)制層的分層結(jié)構(gòu)。當(dāng)電壓被加在光敏層和光調(diào)制層共同的兩端時(shí)，則投影到光敏層的圖象被傳輸跨越到光調(diào)制層，并且非晶硅/鐵電體液晶光閥具有幾千赫的幀速率。而且，在光閥中的層原則上是非摹制的，所以能夠得到用作一個(gè)高分辯率、高幀速率液晶顯示的裝置而不必用高分辨率光刻技術(shù)的價(jià)格。如果把來自小顯示器的圖象投影到光閥的背面上，則有可能從比較便宜的部件組合成能夠投射高分辨率二維圖象的裝置，并且各種結(jié)構(gòu)已被提出。光閥能夠大于液晶顯示器，因而能具有較高的分辨率，但是如果液晶顯示器的圖象被多路傳輸通過光閥而使其在每個(gè)光閥幀內(nèi)一個(gè)接一個(gè)地編址光閥的相鄰區(qū)域，則液晶顯示器仍然能夠編址光閥的所有部分。與投影相關(guān)的放大使得這些結(jié)構(gòu)不合適用于三維圖象的顯示，但是由于它們是非摹制的，所以光閥原則上能夠被做得與電視屏幕一樣大并且仍然是比較便宜的。附圖簡述現(xiàn)在只通過實(shí)例參照附圖描述本發(fā)明圖1示出怎樣能通過把目標(biāo)的視圖顯示在液晶顯示器上并且照射每個(gè)視圖到一個(gè)適當(dāng)?shù)姆较蝻@示3D圖象；圖2示出不同體積的3D顯示；圖3表明光發(fā)射器的3D陣列不能顯示不透明的圖象；圖4示出三個(gè)不同的全息3D顯示器；圖5示出不同的自動(dòng)立體3D顯示器；圖6示出通過一對狹縫看到的3D目標(biāo)，一個(gè)狹縫快速旋轉(zhuǎn)而另一狹縫慢速旋轉(zhuǎn)；圖7示出靠近屏幕看到的透視圖象，其構(gòu)成能夠通過光線跟蹤被確定；圖8表明像素方向(θ)與象素位置(x)函數(shù)關(guān)系的曲線可用于識別觀看者在顯示器上的所見而無論它多遠(yuǎn)；圖9示出自動(dòng)立體顯示器的遠(yuǎn)距離照片，其上每個(gè)視圖包含一橫條；圖10示出自動(dòng)立體顯示器的特寫照片，其上每個(gè)視圖包含一橫條；圖11表明通過安排光線會(huì)聚通過一個(gè)屏外點(diǎn)，屏外點(diǎn)能被成象；圖12示出由平行投影形成的立方陣列的兩個(gè)視圖。為使觀看內(nèi)容中存在明顯差別所要求的圖之間的最小角度(Δθ)是使得后部一列像素完全可見所需要的角度。圖13示出兩個(gè)攝像機(jī)，在左側(cè)的視頻攝像機(jī)中只有失真的立方陣列的前部像素是可見的，而在右側(cè)的攝像機(jī)中的后部的一列像素已變?yōu)榭梢?。隨著失真的立方陣列的深度趨向無限大，光線1和光線2趨向平行，因而相鄰視圖之間的角度趨于相鄰像素之間的角度；圖14示出本發(fā)明的全息顯示。它表明如何通過按時(shí)間順序照射高分辨率液晶顯示器，具有寬視野的自動(dòng)立體/全息顯示能被產(chǎn)生；圖15示出圖14的更詳細(xì)的內(nèi)容；圖16示出簡單的3D成像器；以及圖17示出圖14的改進(jìn)型式，被安排用于顯示大區(qū)域的二維顯示。簡單的3D顯示器的描述如圖16中所示。圖象屏幕20被促使去顯示預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)圖案。掃描光源，例如激光發(fā)射器陣列21，照射屏幕20后面的透鏡22。在顯示器上光掃描的動(dòng)作提供給觀看者3D圖象。這表明3D可以用投影以及通過下面描述的反射提供。參照圖14和15描述發(fā)明。如圖14和15所示，顯示器按序列順序包括投影儀1、成象透鏡2、光柵3、光閥4、掃描透鏡5、激光陣列6和觀察者7。對于較低性能和價(jià)格的投影儀1，可以是一個(gè)或者多個(gè)圖像投影儀把圖象投影到光閥4上。對于較高的性能，投影儀1可以是一個(gè)鐵電體液晶顯示器，能夠由晶體管矩陣多路編址，以給出被投影到光閥的一個(gè)高速率圖象。它的一個(gè)實(shí)例是可從德克薩斯州儀器有限公司買到的數(shù)字微反射鏡裝置(DMD)。光柵3可由兩個(gè)垂直放置的線性光柵形成。每個(gè)光柵具有交替的光的和不透光的線，其周期數(shù)取決于待投影到光閥4上的分離圖象的數(shù)目。如所示的接收4×4個(gè)視域矩陣的光閥4，隨后將被描述。為此由光柵間距所分割的光的波長大致等于在光閥上四個(gè)圖象的每個(gè)之間的角度。光柵的透光與不透明的區(qū)域的刻劃空間比大約是1∶3或1∶4。光閥4是一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)的零件，例如光學(xué)編址的空間光調(diào)制器(OASLM)，有時(shí)稱為光學(xué)編址光閥；樣品可從日本濱松的Hughes有限公司及俄國圣彼得堡的Peterlab有限公司買到。如圖所示，光閥是由前極板8和后極板9組成，兩者都是由玻璃構(gòu)成。極板的尺寸確定所觀察的顯示的尺寸。例如顯示器可以是300×300mm或更大。前極板8帶有四個(gè)條狀電極10，形成四個(gè)列電極10(1-4)。后極板帶有四個(gè)條狀電極11，形成四個(gè)行電極11(1-4)。相鄰的條狀電極之間的間距通常大約是10μm，足以不使觀察者7察覺。如圖所示，電極構(gòu)成一個(gè)4×4的片段或像素矩陣(術(shù)語像素通常被保留用于顯示的小得多的區(qū)域)，但也可是任何其它適當(dāng)?shù)臄?shù)目。例如是按照要求1×2、2×2、25×25或更多的陣列。在極板8與9之間，由可能分布在極板的表面的襯墊12，如支柱或墊圈，隔開，是層13，它通常是1.5到3μm厚的鐵電碟狀結(jié)構(gòu)的液晶材料。緊鄰的是由很多斑點(diǎn)形成鋁的光反射層14。隨后是在其上對光成像敏感的非晶硅層15。投射到層15上的光的波長可與激光器6的光波長相同或不同。電壓通過控制單元16被加到行和列電極，并且用于改變液晶層13內(nèi)分子的物理排列。單元16還使圖案的加載、投影儀1的操作及激光器6的切換同步。獨(dú)立發(fā)射激光的激光器陣列6被放置在掃描透鏡5的焦面上。每個(gè)激光器6被調(diào)整以照射整個(gè)前極板8。當(dāng)全息圖案由激光器6之一照射時(shí)，觀察者7將在光閥4的前面看到全息圖象。通過激光器6序列的照射可改進(jìn)視角，并且隨著運(yùn)動(dòng)的全息三維顯示可觀察的全息圖象序列。現(xiàn)在描述顯示運(yùn)動(dòng)三維顯示的操作一系列預(yù)先錄制的全息圖案可以被提供，例如按通用的方式從計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器17或激光存儲(chǔ)盤提供。圖案形成在鐵電體投影儀的顯示器1上并且通過透鏡2和光柵3成像到圖14中表示的區(qū)域“A”上。同時(shí)電壓被加到行1和列1，以使電壓出現(xiàn)在表示為A的像素的兩端。投影的圖案是一個(gè)精確詳盡的圖案，它包含作為常規(guī)全息圖象一部分的相位信息。來自出現(xiàn)在″A″處圖象的光線落在光敏層15上并改變其電導(dǎo)率，它又改變出現(xiàn)在像素A內(nèi)的電壓。這就造成電壓的微小變化以及液晶分子的物理排列方面的微小變化，后者又引起在像素兩端的相位信息中的微小變化。這是第一個(gè)視域。對于第二到第十六個(gè)視域，對于表示為″B″到″P″的每個(gè)像素上述過程被重復(fù)。全部的十六個(gè)視域提供一幀或在液晶層13中的一個(gè)完整的全息圖象。當(dāng)由激光器6之一照射時(shí)，在一幀的結(jié)尾，所有的液晶材料13已經(jīng)被安排出表示全息圖象。象在第一幀那樣，第二幀被成像到光閥4上。第二幀稍微不同于第一幀并且由第二個(gè)激光器6照射。對于第三幀過程被重復(fù)，并且由第三個(gè)激光器6照射，或者對另外的幀繼續(xù)下去如果多于三個(gè)激光器被使用。例如，對于彩色顯示紅、綠、藍(lán)色光的3×3的陣列將被使用，需要九個(gè)單獨(dú)的幀。使用與幀相關(guān)的一個(gè)以上的激光器改進(jìn)了對于一個(gè)或多個(gè)觀察者7的立體視角。在三個(gè)或更多的幀已被成象并被觀察之后，新的系列或三個(gè)幀被成象。三個(gè)幀的不同組合的順序提供了被觀察者7看到的運(yùn)動(dòng)的三維圖象。圖14、15的顯示可以簡化以提供如圖17所示的大區(qū)域的二維顯示。除了單一光源6照射屏幕4以及把光反射到大區(qū)域上顯示之外，它與圖14、15相似。另一方面，屏幕4本身可以作成充分大以提供顯示所需的尺寸。本實(shí)施方案使用小型的快速切換投影儀1(例如DMD)形成多個(gè)片段圖案或圖象，以把能用較慢速率(但仍然超過可觀測的閃爍率)切換的大尺寸的信息幀給予觀察者的技術(shù)。這種技術(shù)被叫做并列顯示。當(dāng)2D圖象被成像到屏幕4上時(shí)，觀察者就看到2D圖象。如果一個(gè)全息圖案被成像到屏幕4上，則即使以一個(gè)減小的視角也能觀察到3D圖象。掃描連續(xù)的圖案，提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)的如在圖14、15中的3D顯示。優(yōu)先權(quán)文件的文本在下面被重復(fù)；申請則以本申請的權(quán)利要求延續(xù)。三維視頻圖象的顯示1.引言通常，電視播送的圖像是二維圖像，然而能實(shí)現(xiàn)足夠的深度感受，例如外科醫(yī)生能利用它們動(dòng)手術(shù)。然而當(dāng)深度感受是關(guān)鍵時(shí)，象在類似外科的用手操作的活動(dòng)中，如果圖象具有三維的內(nèi)容1，深度感受是更快和更可靠的。利用三維圖象的電視和視頻游戲可能將更逼真，并且使復(fù)雜數(shù)據(jù)的譯碼更簡單。因此已經(jīng)對三維電視有了重新開始的興趣，同時(shí)已有為此所需系統(tǒng)的詳細(xì)成果2，集中的研究在于系統(tǒng)的其余部分將取決于其根本發(fā)展的合乎需要的部件顯示器。能夠驚奇地得知為了顯示粗略的三維圖象所需要的是多么少。例如只需要從常用的膝上型計(jì)算機(jī)取液晶顯示器，換掉用于透鏡的背面發(fā)光器，并且在透鏡后面一定距離處放置一個(gè)點(diǎn)光源，如圖1所示。點(diǎn)光源可以包含入射在半透明屏幕上的激光束，并且在透鏡的作用下用光線照射顯示器，光線會(huì)聚形成光源的圖象。由于在顯示器上的畫面只有從光源圖象的范圍之內(nèi)觀察才能看見，所以畫面將具有一個(gè)受限制的視野，并且被設(shè)置為三維目標(biāo)的視圖。通過把激光束偏轉(zhuǎn)到用于每個(gè)視圖的不同位置，三維目標(biāo)的其它視圖能夠被作得對其它區(qū)域可見。若顯示遠(yuǎn)離會(huì)聚平面被觀看，如果這個(gè)操作以足夠避免閃爍的速率重復(fù)并且如果整個(gè)會(huì)聚平面被照射，則結(jié)果將是穩(wěn)定的三維圖象，如將在稍后示出的那樣。由這樣的顯示器形成的三維圖象將是粗略的，因?yàn)橥ǔ３霈F(xiàn)在液晶顯示器中的非晶硅晶體管和向列型液晶都切換得太慢以致不能構(gòu)成許多視圖。而且由于液晶顯示器的復(fù)雜性使大型設(shè)備的制造昂貴，所以顯示器將是小的。本實(shí)例簡便地說明了三維顯示器的問題。由于外加的維數(shù)，真正的三維圖象要求比二維圖象多一個(gè)數(shù)量級的數(shù)據(jù)，并且設(shè)計(jì)者面對的第一個(gè)挑戰(zhàn)是在實(shí)際上把這些數(shù)據(jù)以足夠的速率分布到顯示器屏幕之上。第二個(gè)是以足夠的空間帶寬產(chǎn)品提供給屏幕本身即足夠像素，每個(gè)都切換得充分地快以把數(shù)據(jù)變換成被調(diào)制的光。最后的挑戰(zhàn)是具有這些特性的顯示器產(chǎn)品而不要求費(fèi)用過高的精密度或清潔度。對于高分辨率二維圖象顯示器的設(shè)計(jì)者來說這些挑戰(zhàn)的每一個(gè)都是熟悉的，并且可以辯解說除去象素和光學(xué)系統(tǒng)外，三維的視頻圖象只是其二維視頻圖象前任的工藝擴(kuò)展。然而，近來提出的方案的多樣性是令人迷惑的，因此本文將通過重新審視某些更成功的技術(shù)并且指出它們包含三個(gè)不同的象素化方案著手。方案之一，自動(dòng)立體的，顯示出有前途但是有缺點(diǎn)在低分辯率，因此本文繼續(xù)對此檢驗(yàn)。第四部分考慮對于一個(gè)無瑕疵的自動(dòng)立體三維圖象需要什么分辨率，并且說明一個(gè)如果不比全息照相更好但也能完成同樣好的顯示器的典型尺寸。第五部分建議自動(dòng)立體的和全息象素化的混合體，它給出二者的優(yōu)點(diǎn)，而第六部分說明光學(xué)裝置怎樣使這樣圖象的顯示成為可能。本文通過評價(jià)最新的光學(xué)裝置的帶寬，指出三維顯示器走向與計(jì)算機(jī)顯示一體化的趨向以及在千兆赫切換的進(jìn)展上二者未來的依賴關(guān)系而結(jié)束。II三維視頻顯示器的回顧放映三維圖象的一種流行方式是通過構(gòu)成一個(gè)能夠刪除在一個(gè)體積中(圖2)任何點(diǎn)的光的設(shè)備而把普通電視的原理擴(kuò)展到第三維。大概這樣做最早的方式是把來自陰極射線管的光從一個(gè)象鼓輪那樣振動(dòng)的圓反射鏡反射開3，4。在距反射鏡不同距離處形成的陰極射線管的圖象從而掃過一個(gè)三維體積，但是其配套結(jié)構(gòu)笨重而且視野受限制。發(fā)光二極管屏幕5，6或激光器掃描顯示器7，8已經(jīng)被使用來代替陰極射線管，但是深度掃描機(jī)制依然是麻煩的。除不受限制的視野之外，其它所有的都能夠用旋轉(zhuǎn)一個(gè)二維的發(fā)光體陣列通過三維體積被提供。在其它方式中，這種已經(jīng)用發(fā)光二極管陣列9、由激光器掃描的半透明屏幕10，11，12以及由電子束掃描的熒光屏(內(nèi)部是真空)13被完成。最后一個(gè)的優(yōu)點(diǎn)是具有便宜的屏幕和掃描機(jī)制，但是任何轉(zhuǎn)動(dòng)屏幕系統(tǒng)都具有一個(gè)在旋轉(zhuǎn)軸上的奇異點(diǎn)。沒有任何奇異點(diǎn)的不受限制的視野能夠通過用一對激光束橫向掃描透明材料而提供，透明材料在激光束交叉處發(fā)光14，15。約一立方厘米的圖象已被顯示，但即使更大的圖象將，像振動(dòng)鏡和旋轉(zhuǎn)盤顯示器兩者那樣，只提供用于光的發(fā)射而不用于光的吸收。因此這些顯示器的每一個(gè)都不能提供蔽光性，從而在被顯示圖象是三維時(shí)它們必須是半透明的(圖3)。用于顯示不透明圖象的方案已被提出，例如把液晶顯示器堆放到一個(gè)體積中16，但即使這些液晶顯示器與光發(fā)射器是交錯(cuò)的，其結(jié)果仍將不能顯示反射或鏡面反射性。體積顯示的優(yōu)點(diǎn)是它能夠提供一個(gè)不受限制的視野而沒有過大的數(shù)據(jù)率，需要象處理只有三維的數(shù)據(jù)組合那樣(將示出的替換方案在效果上要求四維數(shù)據(jù)組合)。這意味著體積顯示并不是沒有潛力的應(yīng)用，例如在空中交通管制或戰(zhàn)爭管理中。但是理想的是一種全無光學(xué)限制的設(shè)備，確實(shí)能夠顯示任何三維圖象的一種設(shè)備是全息照相設(shè)備。通過記錄其復(fù)振幅，全息照相有效地凝固從三維目標(biāo)散射開的光波波前，而且動(dòng)態(tài)全息照相常常被建議作為顯示三維圖象的方式17(圖4)?；叶燃壢⒄障嘀皇且粋€(gè)高分辯率的二維圖象，并且通用的液晶顯示器可用于顯示這樣的全息照相，雖然具有窄的(目前是4°)視野18，19。更寬的視野對有效矩陣顯示要求象素化太精細(xì)，但是鐵電體液晶顯示器能夠被制成具有高分辨率的實(shí)際產(chǎn)品20。然而它們?nèi)匀恍枰罅康慕宇^，而一種通過掃描具有陰極射線管的光學(xué)編址的液晶顯示器的背面的方案避免了這種需要21，22。即使具有這種改進(jìn)，任何液晶顯示器的分辨率也不能小于單元間距的二或三倍，其結(jié)果是把全息照相的視野限制到幾度。聲光調(diào)制器提供了相位調(diào)制并且已經(jīng)用于顯示彩色動(dòng)態(tài)全息照相23，24。利用掃描反射鏡和龐大光學(xué)系統(tǒng)的困難可以在某種程度上被避免25，但是其中同樣還是有以足夠得到一個(gè)寬視野的分辨率進(jìn)行光調(diào)制的困難，這在具有高聲速聲光晶體的情況下將需要千兆赫的聲波，而其產(chǎn)生將趨于使晶體融化。即使在這個(gè)物理限制之后，數(shù)據(jù)率也必須是高的，無論圖象的象素化如何。它們能夠進(jìn)一步被限制，例如被對來自獨(dú)立調(diào)制的空間頻率的范圍的全息照相進(jìn)行求和，盡管一個(gè)全息照相與其說是顯示一個(gè)真實(shí)的全息照相，倒不如說是顯示一個(gè)三維圖象的全息攝影。因?yàn)樾枰佻F(xiàn)光相位，真實(shí)全息顯示的數(shù)據(jù)率是極其重要的。但是人眼對于三維圖象的相位不象對于彩色圖象的光譜那樣敏感，并且就象彩色圖象只需要包含紅、綠和藍(lán)基色，三維圖象只需要包含光強(qiáng)依位置及方向轉(zhuǎn)移的正確分布，這種關(guān)系由自動(dòng)立體象素確定。自動(dòng)立體顯示是在要求用戶佩戴眼鏡的其立體先驅(qū)物之后命名的。利用最新型的立體顯示，眼鏡包括一對與交替顯示左、右眼畫面的屏幕同步的液晶快門，并且具有足以使觀看者看到無閃爍圖象的高幀速率。該圖象提供立體觀測，即深度的雙目感受，而不是通過潛意識地圍繞景物移動(dòng)我們的的頭部而積累的單目深度感受的運(yùn)動(dòng)觀測。對這二者，立體觀測被主要限制在例如需要做瞬間的深度估計(jì)的食肉動(dòng)物和靈長目動(dòng)物，而即使就這些動(dòng)物而論運(yùn)動(dòng)觀測是在靜止情況下深度的更可信賴的決定因素，也是有爭議的。觀眾在延長觀看立體顯示器之后可能感到厭惡26，而這可能是由于潛意識知道運(yùn)動(dòng)觀測的不足，但是伴隨立體顯示的真實(shí)問題是眼鏡造成的損失。如果每個(gè)視圖被投影到一只眼內(nèi)則不需要眼鏡，并且這能使用在引言中描述的顯示器實(shí)現(xiàn)。這種和類似它的顯示器都被稱為自動(dòng)立體(圖5)，這個(gè)字類似于電視是希臘語和拉丁語的不適當(dāng)?shù)幕旌?，似乎專用于顯示器工業(yè)。不能指望只為了顯示的方便而保持觀看者的頭固定不動(dòng)，因此一個(gè)引起巨大興趣的途徑是不斷地監(jiān)視觀看者的頭的位置而相應(yīng)地調(diào)整投影光學(xué)系統(tǒng)和視圖內(nèi)容。原則上能夠跟蹤一對以上的眼睛，并且如果每個(gè)視圖的內(nèi)容與眼睛的位置匹配，則顯示器能夠既提供立體觀測又提供給運(yùn)動(dòng)觀測。而且有可能通過測量他們眼睛之間的距離推測從屏幕到每個(gè)觀看者的距離而顯示具有近乎完全的透視的視圖，以致幾乎只有失去的深度暗示需要適應(yīng)(聚焦在屏幕外像素上的能力)。然而所得到的圖象將是缺乏真實(shí)三維感的，觀眾是不太可能注意的。用于這種系統(tǒng)的顯示器的設(shè)計(jì)是比較簡單明了的，因?yàn)橥ㄓ靡曨l的數(shù)據(jù)率只需要增加到二倍(或?qū)蓚€(gè)觀眾到四倍等)27，28，以致主要的挑戰(zhàn)變成是識別和跟蹤觀眾。已經(jīng)建造的示范物要求觀看者佩戴一個(gè)紅外反射斑點(diǎn)29或一個(gè)磁性傳感器30，31，32，但是多數(shù)作者都怯于他們用于跟蹤裸頭的設(shè)計(jì)33。一種精巧的途徑是利用紅外光側(cè)面照射頭部，以使一只眼被照射而另一只眼在暗處34，35，但是一個(gè)以上觀看者的暗處能彼此照射到。另一印象深刻的途徑是跟蹤觀眾的頭發(fā)/面部的邊界36，而跟蹤面部的眼、鼻、嘴唇的系統(tǒng)對于利用面部的設(shè)計(jì)者已經(jīng)達(dá)到八成的可靠性37。但是后者的方法是慢的，只跟蹤一個(gè)面部，并且很少對于各種面部都有效。象在語音、筆跡和目標(biāo)識別那樣技術(shù)上的進(jìn)步意味著這一天肯定會(huì)到來，那時(shí)系統(tǒng)將會(huì)意識到其環(huán)境。但是這樣的機(jī)器智能的發(fā)展將予示新一代的計(jì)算技術(shù)以及在這些領(lǐng)域的進(jìn)展迄今是緩慢的。同時(shí)，由于間歇地不熟悉的情況所引起的使人不愉快的誤操作的可能性從來沒有完全排除，而用戶尤其不能容忍這樣的缺點(diǎn)。多視圖自動(dòng)立體裝置使得觀眾頭的位置是沒有關(guān)系的，因?yàn)轱@示器把視圖投影到每個(gè)觀眾可能在的位置。先把對于這樣的圖象能否是真正三維的懷疑留到下一部分去認(rèn)識，但是由于在頻帶寬度上的多倍的增加的需要，顯示器的設(shè)計(jì)現(xiàn)在已變深相當(dāng)令人膽怯。小透鏡陣列大概是建立最長久的這種自動(dòng)立體技術(shù)38，38，40，41，首先被研制用于三維攝影術(shù)，而現(xiàn)在正被用于顯示器。每個(gè)小透鏡覆蓋來自每個(gè)視圖的一個(gè)像素，并且這些小透鏡結(jié)合使得包括每個(gè)視圖的像素對于一個(gè)專有的方向是可見的。盡管小透鏡放大了能被消除的相鄰子象素之間的死區(qū)42，但是簡單的小透鏡的數(shù)值孔徑把小透鏡顯示器的視野限制到大約15°在這個(gè)角度以外三維圖象重復(fù)其自身，這可能是令人不快的。如果衍射光柵陣列被使用替代小透鏡陣列，則有可能得到較寬的視野而沒有死區(qū)或重復(fù)的視圖43，44，45，但是光柵和小透鏡陣列顯示器二者都需要一個(gè)做基礎(chǔ)的顯示器，其分辨率是視圖分辨率與視圖數(shù)目的乘積，這是實(shí)際制造的挑戰(zhàn)。然而，高分辨率顯示器是可期待的，而在實(shí)驗(yàn)室中裝配的最新型的小透鏡陣列顯示器已具有按視頻圖形適配器(VGA)分辨率的八種顏色的視圖。如果要通過在透鏡后面將幾個(gè)視頻投影儀排列一行而做成一個(gè)顯示器的話，則不需要高級的制造產(chǎn)品46，47。在這個(gè)系統(tǒng)中，投影儀使各個(gè)視圖成像到透鏡上，而透鏡使每個(gè)視圖對不同方向是可見的。投影儀必須精確地找齊，必須具有均勻的亮度，并且投射透鏡必須被仔細(xì)設(shè)計(jì)以致彼此鄰接而沒有可察覺的間距。小透鏡陣列和多投影儀系統(tǒng)二者都多路傳輸來自空間分離子象素的三維圖象視圖，但是人們也能使用人類視覺的暫留在時(shí)間上多路傳輸視頻圖象。用來自小透鏡陣列顯示器的子象素可能獲得成為單個(gè)小透鏡的東西并且借助旋轉(zhuǎn)反射鏡使它橫過屏幕進(jìn)行光柵掃描48，但是用這種沒有移動(dòng)部分的方式難于看到如何在屏幕上多路傳輸。另一個(gè)可選方案是在時(shí)間上多路傳輸視圖，并且利用透鏡狀屏幕，這也可以通過用低分辯率狹縫陣列替代透鏡狀屏幕實(shí)現(xiàn)49，50。由于針孔光學(xué)，狹縫在任一瞬間都起到象小透鏡的作用并且借助在下面的低分辨率顯示器產(chǎn)生低分辯率的三維圖象。通過在下面的顯示器范圍內(nèi)掃描狹縫有可能時(shí)分多路傳輸一個(gè)完滿分辨率小透鏡陣列的等效物，但是沒有透鏡像差并且不需要高分辨率子象素。然而狹縫損耗光，而得到相同的光學(xué)效果的一種較少浪費(fèi)的方法是把狹縫換成行照明51，52。類似的但是也許較簡單的是在引言中描述的時(shí)分多路傳輸?shù)母拍?3，54。后兩個(gè)種途徑具有的主要優(yōu)點(diǎn)是不再比通用的液晶顯示器浪費(fèi)光，但是二者都需要具有高幀速率的液晶顯示器。多晶硅晶體管和鐵電體液晶每一個(gè)的切換都比它們的非晶硅和向列的前輩產(chǎn)品快一個(gè)數(shù)量級，并且具有1kHz幀速率的小型液晶顯示器已被顯示55。硒化鎘和無定形金剛石晶體管也能快速切換，并且利用失真螺旋和電子校正效應(yīng)、借助單穩(wěn)態(tài)或域切換鐵電體液晶、以及利用反鐵電的液晶，快速切換灰度調(diào)制是有可能的。然而即使開發(fā)現(xiàn)存的液晶顯示器也需要巨大的資源，并且在先進(jìn)的液晶顯示器被開發(fā)前對視頻三維圖象需要性的更大信心將是必須的。多投影儀系統(tǒng)時(shí)分多路傳輸?shù)耐惍a(chǎn)品能夠通過以單個(gè)大型投影儀替代幾個(gè)投影儀構(gòu)成，大型投影儀的投射透鏡覆蓋由多個(gè)投影儀填充的整個(gè)區(qū)域56，并且在該透鏡上放置一個(gè)機(jī)械的57，58，59或液晶60快門，它阻擋了一個(gè)區(qū)域以外的全部光線。在任何瞬間，大投影儀與空間多路傳輸系統(tǒng)中一個(gè)投影儀起相同的作用，但是快門的不同區(qū)域在接連的瞬間被成為透明的，以使三維圖象的每個(gè)視圖能夠依次被投影。仔細(xì)調(diào)準(zhǔn)是不需要的因此能使用一個(gè)陰極射線管而沒有光束分度的損耗，這種概念的確對故障如此寬容，以致創(chuàng)造者能夠從一個(gè)便宜的視頻顯示裝置和一對菲涅耳透鏡而裝配一個(gè)粗略的系統(tǒng)。在空間和時(shí)分多路傳輸之間的爭論中小透鏡陣列看來是最受到生產(chǎn)商注意的，或許由于改善高分辨率產(chǎn)品首先是他們在過去已經(jīng)確定成功面對的一種同一類的制造業(yè)的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，半導(dǎo)體工業(yè)的歷史已經(jīng)顯示分辨率不可抗拒地提高，然而開關(guān)速率也有這樣的情況。陰極射線管的巨大成功在于其實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路傳輸?shù)哪芰?，并且時(shí)分多路傳輸投射系統(tǒng)幾年以前已產(chǎn)生出包含八個(gè)VGA視圖的圖象。盡管是笨重的而且光學(xué)效率低，這個(gè)系統(tǒng)是耐用和適應(yīng)性強(qiáng)，并且繼續(xù)使用陰極射線管的高數(shù)據(jù)率以產(chǎn)生優(yōu)于透鏡狀陣列的圖象質(zhì)量。或許更值得注意的是一個(gè)具有許多相似性的粗略概念已在五十多年前由Baird建立61，62。在最新型的自動(dòng)立體顯示器產(chǎn)生的圖象中，每個(gè)視圖在1°的弧形上是可見的，并且在看到這樣的圖象的人當(dāng)中一致認(rèn)為它們足以滿足初期的應(yīng)用。但是如果一個(gè)顯示器是去產(chǎn)生真實(shí)的三維圖象的，則該顯示器應(yīng)當(dāng)能在各種深度外投影像素的圖象，并且觀看者應(yīng)該看到它們隨著距圖象的距離而改變的透視圖。盡管，體積的和全息的顯示能作到這一點(diǎn)是清楚的，迄今所提供的自動(dòng)立體象素化的描述使自動(dòng)立體顯示也能投影真實(shí)的三維圖象成為不太顯然。下一部分旨在補(bǔ)救這一點(diǎn)。III粗略的自動(dòng)立體象素化首先提出用于旋轉(zhuǎn)狹縫的電視推測系統(tǒng)，如果一個(gè)旋轉(zhuǎn)狹縫被放在三維圖象全息照相的前面，則考慮所發(fā)生的情況是有益的。這是一個(gè)普通的實(shí)驗(yàn)，通過旋轉(zhuǎn)狹縫隙查看三維的目標(biāo)，并且看到除了遮光器和大概稍微模糊外景物是不變的。全息照相應(yīng)該精確地再現(xiàn)單色三維圖象的波前，因此通過旋轉(zhuǎn)狹縫看到的全息照相也應(yīng)該看來好象無變化。使這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)有意義的是狹縫阻止在由狹縫交替暴露的全息照相的區(qū)域來的光之間的疊加。因此可以認(rèn)為該全息照相是作為依獨(dú)立的狹縫大小排列的子全息照相的集合。如果使用光柵掃描孔替代旋轉(zhuǎn)狹縫，則這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將沒有不同，因此全息照相能夠進(jìn)一步當(dāng)作依孔的大小排列的子全息照相的二維陣列。子全息照相不同于二維圖像的像素在于其光強(qiáng)是來自被觀察的該子全息照相方向的函數(shù)，而且是子全息照相位置的函數(shù)。由于存在方向(方位和高度)的兩個(gè)坐標(biāo)以及位置的兩個(gè)坐標(biāo)，所以對于三維圖象的真實(shí)的再現(xiàn)需要一個(gè)四坐標(biāo)系統(tǒng)?，F(xiàn)在設(shè)想第二個(gè)旋轉(zhuǎn)狹縫被放在第一個(gè)旋轉(zhuǎn)狹縫隙的某個(gè)距離處，如圖6所示，并且它充分快地旋轉(zhuǎn)，以致在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)狹縫之間沒有莫爾條紋。我們將期待除了還是遮光器和或許更模糊外該三維景物保持不變。只有從第一個(gè)狹縫傳播通過第二個(gè)狹縫的光將就在一個(gè)瞬間被暴露，并且如果兩個(gè)狹縫都被直徑充分小的光柵掃描孔替代，則穿過兩者的光必定構(gòu)成單一的高斯光線。因?yàn)榈趥€(gè)二孔暴露光線交替地傳播到不同的方向，這毀壞了在它們之間的疊加。因此即使使用完全非相干光，按照位置和方向兩者的函數(shù)調(diào)制光線的系統(tǒng)將足以顯示真實(shí)的三維圖象。所考慮的實(shí)驗(yàn)說明自動(dòng)立體顯示器具有產(chǎn)生真實(shí)的三維圖象的潛力，但是如果它們包含足夠的視圖，圖象才將是真正三維的，而從現(xiàn)有的自動(dòng)立體顯示器可得到八個(gè)左右的視圖是太少了。如果圖象因此不是真正三維的，那么看起來又怎樣不同呢？采取在引言中描述的顯示器作為我們解說的模型，設(shè)想照明被對準(zhǔn)并且一只眼睛遠(yuǎn)離液晶顯示器。如果單一發(fā)光器被接通，它發(fā)出光線通過透鏡朝向眼睛，則眼睛將看到與發(fā)光器相關(guān)的整個(gè)視圖。如果不是那樣而是眼睛接近于屏幕，則圖7示出眼睛對著屏幕一側(cè)的角度將不同于眼睛對著屏幕另一側(cè)的角度，這樣眼睛將只看到視圖的一部分。由眼睛在時(shí)間上綜合的畫面可以憑借反向追隨從該眼睛瞳孔通過顯示器到其光源的光線確定。反向跟蹤光線，眼睛瞳孔的虛像將由發(fā)光器后面某處的透鏡被形成。如果現(xiàn)在光線從這個(gè)虛象正向跟蹤通過各個(gè)發(fā)光器間的邊界，則光線將在液晶顯示器上畫出區(qū)域的輪廓。每個(gè)區(qū)域?qū)⒅划?dāng)其后面被畫出輪廓的發(fā)光器被接通時(shí)才被照射，并且由于對每個(gè)發(fā)光器液晶顯示器示出不同的視圖，所以相鄰的區(qū)域?qū)⑹境霾煌晥D的一部分。結(jié)果是由每只眼眼看到的一個(gè)畫面，包含來自每個(gè)視圖部分的鑲嵌圖，并且如果視圖間隙過于粗糙，則在視圖各部分之間將有裂紋線。是視圖間隙的粗糙引起裂紋線而不是自動(dòng)立體觀測本身，因?yàn)樯鲜鲞^程是用真實(shí)目標(biāo)得到透視的一種精確方法。遠(yuǎn)離目標(biāo)一只眼睛將看到包含在該方向上目標(biāo)的平行投影的視圖，而閉上該眼睛將朝向目標(biāo)的一側(cè)張開一個(gè)比起朝向另一側(cè)不同角度。所以該眼睛將看到來自目標(biāo)一側(cè)的光線，它們是來自另一側(cè)的光線的不同平行投影的一部分。圖8示意地說明這點(diǎn)，并且相當(dāng)簡便地證明有可能通過使每個(gè)視圖包含一根橫條成形的在自動(dòng)立體顯示器上合成圖8的示意圖有條的最左邊視圖在屏幕的頂部，有條的最右邊視圖在屏幕的底部，而剩余部分在中間均勻地隔開。結(jié)果是一個(gè)光學(xué)試驗(yàn)，它校準(zhǔn)三維顯示器的準(zhǔn)確性，并且在圖9和圖10中示出一個(gè)8視圖序列投影顯示儀的照片。如果掃描快門隨著每個(gè)視圖被寫入陰極射線管上被連續(xù)掃描而不是每個(gè)視圖的顯示之間靠單一的快門寬度而被移動(dòng)63，則設(shè)想在裝上快門的陰極射線管上的3D圖象將更平滑是使人感興趣的。這種想法是當(dāng)在它們之間的角度是太大時(shí)，這可以使出現(xiàn)在相鄰視圖之間的不連續(xù)性變平滑。只考慮水平方面，假定隨著陰極射線管描繪劃出x坐標(biāo)，快門將逐漸地移過一個(gè)快門寬度。這就給出，θ隨x的漸變，從而在x/θ圖中的象素化是傾斜的。在離開顯示器一個(gè)距離處，注視顯示器的某人將看到一個(gè)能被顯示在通過平行于象素線的對角線的圖形上的畫面，以致在此距離處觀看者將看到單一的視圖。如果我們在通用的自動(dòng)立體顯示器的屏幕前放一個(gè)弱透鏡，這正是我們將得到的結(jié)果，因此3D圖象不是平滑的而只是失真的。就算眼睛能容忍視圖之間的裂紋線，然而它們?nèi)匀皇敲黠@的。當(dāng)視圖之間的間隙足夠精細(xì)時(shí)，自動(dòng)立體顯示器產(chǎn)生真實(shí)三維圖象的權(quán)利要求才能是有效的，但是究竟怎樣精細(xì)才是足夠的呢？IV3D象素化在部分II中報(bào)導(dǎo)的每個(gè)視圖1°的間隔用于對60°的標(biāo)準(zhǔn)視野需要60個(gè)視圖的當(dāng)前一代顯示器將是令人滿意的。當(dāng)視圖被按照人眼能夠分辨的那樣精細(xì)地分離時(shí)64，則使人發(fā)生興趣去說在一個(gè)自動(dòng)立體顯示器上的裂紋才將被消除，認(rèn)識到如此精確是不需要的，是二維視頻技術(shù)發(fā)展中的突破之一。本部分假定，如果具有與能夠顯示沒有裂紋的等效二維圖象相同的像素維數(shù)，則三維圖象將是可以接受的。體積陣列是通常用以存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)圖象的格式(的確大概這是我們頭腦記憶三維圖象的方式)，在這種情況下每個(gè)視圖之間的角度不需要比在為了再現(xiàn)這樣陣列的兩個(gè)清晰視圖所需投影角上的最小差值更小。全息照相是物理上完美的三維圖象，所以在視圖之間沒有裂紋，并且少數(shù)時(shí)刻建議者有時(shí)斷言所有別的只不過是折衷方案。但是如前面部分說明的對于眼睛來說全息照相只不過是一自動(dòng)立體顯示其中視圖方向由衍射控制，所以全息照相也將對著在視圖之間的一個(gè)可測量的角度，它盡管很小以致看不到，但將是有限的。因此即使對于一個(gè)全息照相也將有一個(gè)可計(jì)算的場深。正是通過關(guān)聯(lián)各個(gè)象素化方案間每個(gè)視圖的場深和角度，不同象素化的圖象的分辨率才能被匹配，并且由于常常需要將一種格式的圖象顯示在另一種格式的顯示器上，本部分旨在用公式表示這些關(guān)系。首先處理立方體積的陣列，幾何光學(xué)系統(tǒng)足以確定一個(gè)角度，在其圖象陣列基本上被改變之前，視頻攝像機(jī)必須移動(dòng)通過該角度。遠(yuǎn)離該陣列啟動(dòng)攝像機(jī)但以足夠的倍數(shù)放大，陣列前面的每個(gè)像素映射到攝像機(jī)的一個(gè)上，在陣列后方一側(cè)的像素列映象射到視頻攝像機(jī)像素新的一列上之前，攝像機(jī)必須移動(dòng)通過一個(gè)確定的側(cè)向距離。圖12示出，到陣列前面中心的距離所對著的角度(Δθ)等于一個(gè)陣列像素的寬度(Δx)除以陣列的深度(Z)Δθ=Δxz----(1)]]>如果每個(gè)像素的寬度等于其深度并且陣列是n個(gè)象素深，由此得出Δθ=1nz---(2)]]>所以在一個(gè)體積顯示器的視圖之間的有效角度是縱深像素?cái)?shù)的倒數(shù)，并且如果是顯示等效深度的無瑕疵的圖象的話，則自動(dòng)立體顯示器上的每個(gè)圖象對著的角度必須等于這個(gè)有效角度。這意味著，例如包含640乘480像素的VGA圖象的3D等價(jià)物將需要大約在方位上480個(gè)視圖，如果是顯示在60°視野(約等于一個(gè)弧度)范圍內(nèi)深度與高度相同的陣列的話。體積顯示器通常只能成像有限的深度，而自動(dòng)立體的和全息的顯示器原則上能夠用作進(jìn)入一個(gè)三維環(huán)境的窗口。如果環(huán)境是無限地深，包括例如在背景中具有高的目標(biāo)、那么視圖之間的角度是否必須是無限小的？在這個(gè)問題中的錯(cuò)誤假設(shè)是這樣一個(gè)環(huán)境的視圖將由平行投射被形成，即假設(shè)視圖是由遠(yuǎn)離景物的假想攝像機(jī)被形成。實(shí)際上，攝像機(jī)構(gòu)成的投將不是平行的而是透視的，并且每個(gè)攝像機(jī)將能夠分辨靠近的精細(xì)變化但是只能分辨遠(yuǎn)離的粗略變化。在遠(yuǎn)距攝像機(jī)的任何距離處能被分辨的最小的目標(biāo)等于在該距離可見的視圖的寬度除以攝像機(jī)中的每一行像素的數(shù)目。更適當(dāng)?shù)臏y試圖象是體素(voxe1)(體積的像素)陣列而不是均勻的立方陣列，體素陣列中體素的尺度正比于體素離開攝像機(jī)的距離即一個(gè)失真的立方陣列(圖13)。在所投影的圖象改變之前投射的方向可以旋轉(zhuǎn)通過怎樣的角度呢？如果投射方向圍繞立方陣列的前面的中心旋轉(zhuǎn)，則對于未發(fā)生改變的旋轉(zhuǎn)的限制再一次由陣列的后部體素決定。一旦投射的方向已經(jīng)改變到足以使后部體素的圖象轉(zhuǎn)移一個(gè)體素直徑，則在所投影的圖像中將有一個(gè)明顯的改變。簡單的幾何條件示出，隨著立方陣列的深度趨向無限大，這個(gè)角度等于陣列的后部兩個(gè)體素所對著攝像機(jī)的角度。如果中心攝像機(jī)的圖像平面中的每個(gè)像素被映射到失真的立方陣列后部的一個(gè)體素上，則在圖象改變之前攝像機(jī)能被旋轉(zhuǎn)通過的角度等于在其孔徑以及其圖象平面中兩個(gè)相鄰像素之間的角度。因此為了播映無限深景物的象素化的三維圖象，相鄰的攝像機(jī)之間的角度(Δθ)應(yīng)該等于攝像機(jī)的視野(α)除以其分辨率(nx)Δθ=αnx-----(3)]]>如果這樣一個(gè)圖象在自動(dòng)立體顯示器上待精確地再現(xiàn)，則來自顯示器屏幕邊緣的光線會(huì)聚的角度應(yīng)該等于攝像機(jī)的視野。這是為了使當(dāng)顯示器被替代為原來的景物時(shí)，由攝像機(jī)所記錄的圖象不變。式(3)因此確定了顯示器上視圖之間的角度，所以如果有60°視野的顯示器具有VGA分辯率的視圖并且被當(dāng)作一個(gè)無限深3D窗口的話，則它在方位上大約需要640個(gè)視圖。盡管在體積的和自動(dòng)立體的象素化之間的這些變換在幾何學(xué)上是正確的，但是自動(dòng)立體顯示器的每個(gè)視圖的角度是受限制的，而全息顯示器的每個(gè)視圖的角度由衍射定律確定。自動(dòng)立體顯示器上視圖之間的角度(Δθ)不能小于構(gòu)成每個(gè)視圖的光線的角發(fā)散(δθ)，角發(fā)散是根據(jù)衍射定律由波長(λ)和象素直徑(Δx)確定的65δθ=λΔx----(4)]]>所以Δθ≥λΔx----(5)]]>繼續(xù)用顯示器的實(shí)例作為具有60°視野和VGA分辨率視圖的無限深的3D窗口，根據(jù)式(3)視圖之間的角度是1/640弧度。所以利用紅光(λ＝633nm)，(5)限定像素的尺寸不能小于0.4mm。這是典型的VGA監(jiān)視器上一個(gè)像素的近似尺寸，所以衍射在無瑕疵自動(dòng)立體地象素化圖象上設(shè)置的限制是非常嚴(yán)格的。自動(dòng)立體顯示器的場深(z)是在屏幕上的最大距離，在屏幕上光線能被會(huì)聚(如圖11所示)構(gòu)成直徑Δx的一個(gè)像素的圖象。利用三角法，這個(gè)距離大約等于象素直徑除以光線發(fā)散的角度z≤Δxδθ----(6)]]>式(6)本質(zhì)上是與式(1)相同的幾何規(guī)則，然而是用顯示器的坐標(biāo)而不是用攝像機(jī)的坐標(biāo)來表示。結(jié)合此方程式與式(4)給定的衍射定律，給出z≤(Δχ)2λ----(7)]]>在部分III中指出，盡管三維圖象能通過一對光柵-掃描孔被看到，但是圖象將是稍微模糊的，是衍射引起這種模糊，并且如果兩個(gè)孔的直徑是Δx，則方程式(7)將確定掃描孔之間的最大距離z。然而，如果距離大于該最大距離z，則通過第二個(gè)孔的衍射將濾除由第一個(gè)掃描孔光柵化的細(xì)節(jié)，以致其有效尺寸增加到式(7)所允許的尺寸。部分III還指出，通過繪制θ與x的曲線能夠表現(xiàn)自動(dòng)立體象素化的一維情況。但是，熟知的是一個(gè)平面與以角度θ貫穿該平面的光波之間交點(diǎn)的空間頻率K由下式給出k=2πλsinθ-----(8)]]>如果自動(dòng)立體象素化代之以k與x的關(guān)系曲線被表現(xiàn)，則象素化的維數(shù)被通過結(jié)合(8)和(5)得到的經(jīng)典表示式限制△k.△x≥2π(9)把自動(dòng)立體象素化描繪成獨(dú)立的直徑Δx的子全息照相的陣列，式(9)重申能被每個(gè)子全息照相分辨的空間頻率中的最小增量Δk等于2π除以其寬度Δx?？紤]式(7)對高分辯率監(jiān)視器的三維等價(jià)物的影響，在那里象素化能夠小到90μm66。立方陣列的最大深度于是將只是16mm，所以自動(dòng)立體系統(tǒng)對于高分辯率3D圖像根本不相適應(yīng)，對于這種圖象全息象素化將是滿足需要的。在全息照相上視圖之間的角度也是由衍射定律支配的，但是由于相干性任何光線的最大寬度等于全息照相的寬度(x)，以致δθ=λx----(10)]]>但是對于全息照相光線的發(fā)散不等于視圖之間的最小角度，因?yàn)樵谶h(yuǎn)場中的單一的光線不包含一個(gè)視圖。替代的是，如果在遠(yuǎn)場中的透鏡形成nx個(gè)像素寬的一個(gè)視圖，則根據(jù)信息守恒，透鏡必須使nx個(gè)像素寬的光束(或nx/2如果光線的調(diào)制是復(fù)合的)成象。全息照相的最小視角因此是該最小光線發(fā)散的nx倍Δθ≥nxλx----(11)]]>在形成新的和獨(dú)立的視圖之前，透鏡將不得不被移動(dòng)通過整個(gè)角度，并且如果只是在中間被部分地移動(dòng)，則它將形成相鄰視圖的疊加。在這一瞬間nx的選擇有點(diǎn)隨機(jī)性，但是一旦完成，則能在全息照相上被分辨的最小區(qū)域(Δx)根據(jù)簡單的幾何關(guān)系確定Δx=nxx----(12)]]>使此式與式(11)結(jié)合給出Δθ≥λΔx----(13)]]>這與式(5)完全相同，所以如果一個(gè)全息照相的像素尺寸被規(guī)定為與衍射所限制的自動(dòng)立體圖象的像素尺寸相同，則兩具有相同的每個(gè)視圖的角，因此二者具有用于三維圖象的同樣質(zhì)量的相同的信息內(nèi)容。由于已經(jīng)指出具有與通用的VGA監(jiān)視器等同的分辨率和尺寸的無瑕疵自動(dòng)立體圖象是處于衍射限制的，因此在典型的狀態(tài)下無瑕疵的自動(dòng)立體圖象包含不少于全息照相的信息。衍射效應(yīng)對大顯示器將無關(guān)緊要，對攝像機(jī)成像大景物也不重要。但是如果高分辨率圖象是由按照例如要求以3D顯示內(nèi)情的手術(shù)那樣的小規(guī)?，F(xiàn)象組成，則在3D攝像機(jī)中的衍射效應(yīng)將需要考慮并且將遵從上面給出的那些類似的規(guī)則。全息照相的場深通過結(jié)合式(6)和式(10)被得到z≤x.Δxλ---(14)]]>所以，例如由波長λ＝500nm的光照射的寬度x＝20cm的全息照相在理論上能夠從其表面投影一個(gè)直徑Δx＝100μm到40m的直徑的斑。更靠近其表面，全息照相就能投影等于其分辨率的最小的斑，它原則上能夠象光的一個(gè)波長一樣小。表1總結(jié)了這些關(guān)系。已經(jīng)指出，即使全息照相具有與典型的無瑕疵自動(dòng)立體圖象相同的信息內(nèi)容，它也能分辨小得多的像素到大得多的深度。但是全息照相的中心的問題仍然是寬視野要求亞微米的空間周期數(shù)。是否沒有中間的方法，與自動(dòng)立體象素化可容許的放寬的空間周期數(shù)共同享全息象素化的幾分分辯率及深度呢？一類自動(dòng)立體顯示器的一個(gè)被是固有地使在這部分中所描述的使用大體積的光學(xué)系統(tǒng)的那些限制除外。這些是特殊情況，因?yàn)楣庠诠獠úㄇ胺秶鷥?nèi)是相干的，所以如果盡管除一個(gè)像素外的全部屏幕是不透明的，則光將象借助不相干的自動(dòng)立體技術(shù)那樣衍射，如果在大體積的光學(xué)顯示器上的幾個(gè)相鄰像素是透明的，則光將很少衍射。的確，能夠想象在這樣的顯示器上寫入一個(gè)區(qū)域底片以使屏外像素進(jìn)入屏幕上的某處聚焦。該類顯示器通過結(jié)合自動(dòng)立體的和全息照相的象素化使它們之間的中間物成為可能。V混合象素化把自動(dòng)立體的和全息照相的象素化結(jié)合成一個(gè)混合方案已被建議，混合方案不是把一系列視圖投射到不同方向，而是把一系列全息照相投影到不同方向。例如，通過把液晶顯示重新組合成全息照相、并且重新配置照明以通過一系列分離的角度(而不是象以前那樣連續(xù)地)掃描，在引言中所描述的概念能被采納到新方案中。使用幾何光學(xué)系統(tǒng)把體積數(shù)據(jù)集合再現(xiàn)成出現(xiàn)在液晶顯示器上的圖案序列，已經(jīng)不能滿足要求，而代之以不得不回復(fù)到付立葉光學(xué)的更精確的方法。被發(fā)射到遠(yuǎn)離目標(biāo)一個(gè)距離的任何方向上的光的復(fù)振幅E(k)正比于來自目標(biāo)的所有部分在該方向上光的復(fù)數(shù)和。這種遠(yuǎn)場分布應(yīng)該借助必需的角分辨率被確定，約等于光的波長除以目標(biāo)的直徑。熟知的是光的近場分布則是遠(yuǎn)場分布的空間傅里葉變換67E(x)=∫okE(k)e‾jkxdx----(15)]]>其中K通常是無限的，但是在此情況下需要等于不大于視野除以波長。混合方案要求這種近場分布被分離成一系列的n個(gè)全息照相、每個(gè)將被投影到遠(yuǎn)場的不同部分。如果遠(yuǎn)場被分成n部分，則每一對著一個(gè)角度Xx，則E(k)=Σq=1n[h(k-qκ)-h(k-(q+l)κ]E(k)----(16)]]>其中h代表單位階躍函數(shù)。因此E(x)=Σq=1n∫nnk[h(k-qκ)-h(k-(q+1)κ]E(k)e‾jksdk---(17)]]>=Σq=1n∫qκ(q+1)kE(k)e‾jkxdk---(18)]]>=Σq=1n∫nkE(k+qκ)e‾jkxdk----(19)]]>=Σq=1nEq(χ)e-jqks---(20)]]>=Σq=1nEq(χ)FT[δ(k-qκ)]----(21)]]>其中FT指取傅里葉變換的運(yùn)算，而Eq(x)指頻率被移動(dòng)qk的E(k+qk)的傅里葉變換。透鏡聚焦平行光線以便在其焦面上產(chǎn)生復(fù)振幅的分布，復(fù)振幅在沒有透鏡的情況下將是遠(yuǎn)場。因此說透鏡通過從一個(gè)傅里葉平面到其它平面?zhèn)鞑サ墓鈭?zhí)行光學(xué)傅里葉變換。點(diǎn)光源構(gòu)成函數(shù)δ(x)，并且如果它被放置在透鏡的焦面上，則平行的波前將出現(xiàn)在具有分布FT[δ(K-qz)]的遠(yuǎn)焦面中。合適的液晶顯示器將以函數(shù)Eq(x)調(diào)制這些波前，并且時(shí)序編址將對系列求和，雖然是作為遠(yuǎn)場強(qiáng)度的求和而不是作為由代數(shù)確定的復(fù)振幅的求和。然而結(jié)果是一個(gè)三維圖象，是因?yàn)檠劬ο辔灰琅f是無感覺的。根據(jù)衍射定律全息照相的視野大致等于光的波長除以象素直徑，所以混合三維圖象的視野(θ)依據(jù)下式相關(guān)于波長(λ)、視圖數(shù)目(n0)和象素直徑(Δx)θ=n0λΔx----(22)]]>假設(shè)是50Hz的閃爍率，液晶顯示器幀速率必須等于50n0Hz，并且空間周期數(shù)必須等于Δx的倒數(shù)，因此空間一時(shí)間周期數(shù)必須等于視野除以波長的五十倍。對于在方位在具有500nm波長的一弧度視野，空間-時(shí)間周期數(shù)應(yīng)該大約等于1Mbits-1cm-1遠(yuǎn)高于大的高分辨率液晶顯示器5kbits-1cm-1的能力66。使自動(dòng)立體的和全息的象素化混合成的方案要求相鄰像素之間有相干性，并且這是一個(gè)具有單一光源和大體積光學(xué)系統(tǒng)顯示器的一個(gè)基本性質(zhì)。因此原則上裝上快門的陰極射線管系統(tǒng)也可以顯示混合象素化圖象，并且已被指出該系統(tǒng)能夠以比基于液晶顯示器的更高的速率篩選數(shù)據(jù)。在相干光學(xué)裝置的描述中，在裝有快門的陰極射線管系統(tǒng)中的兩個(gè)透鏡都能夠被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)光學(xué)傅里葉變換的透鏡60。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，陰極射線管應(yīng)在后面透鏡的后焦面中，而在焦面中的液晶快門由后面的和前面的透鏡共用。眾所周知，如果對一個(gè)函數(shù)取兩次傅里葉變換則將重復(fù)原來函數(shù)的結(jié)果，雖然有符號的改變。對于光學(xué)傅里葉變換這同樣是真實(shí)的，所以在前面透鏡的前焦面中出現(xiàn)陰極射線管屏幕的顛倒的圖象。正是通過空間濾光此圖象的光學(xué)傅里葉變換，在兩個(gè)透鏡共用的焦面中的狹縫使陰極射線管圖象的每個(gè)視圖對不同方向是可見的。但是這種安排不能實(shí)現(xiàn)混合象素化的方案，甚至不是因?yàn)殛帢O射線管的各個(gè)像素并不相干(該裝置畢竟能夠被另一個(gè)東西替換)，而是因?yàn)槿绻M縫被變窄到一個(gè)空間脈沖，它將從光源中濾除所有的低頻部分。人們能夠代之以使空間平面中具有脈沖并在付立葉平面中具有液晶全息照相，但是這對于使超過單透鏡途徑的實(shí)現(xiàn)沒有多少優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)目前的分辨率如此大為降低時(shí)，考慮三維視頻圖象的最大分辨率可能似乎是過早的。但是，雖然空間多路傳輸和時(shí)分多路傳輸?shù)淖詣?dòng)立體顯示器的分辨率分別被空間分辨率和幀速率限制，但是混合方案所提供的是交換空間與時(shí)間周期數(shù)的能力。因此空間和時(shí)間周期數(shù)的乘積確定一個(gè)裝置有可能實(shí)現(xiàn)什么樣的三維分辨率，并且已經(jīng)存在具有對于高分辨率三維圖象必要的空間-時(shí)間周期數(shù)的裝置。VI先進(jìn)的3D顯示器如果液晶顯示器缺乏對于混合象素化所需要的空間-時(shí)間周期數(shù)，則一臺(tái)裝置由于其缺少復(fù)雜性和高空間-時(shí)間周期數(shù)而突出這就是光閥(還通稱為光學(xué)可尋址空間光調(diào)制器)。部分II指出，視頻全息照相已經(jīng)通過光學(xué)編址具有陰極射線管的這樣一臺(tái)設(shè)備被放映，但是視野是窄的。用時(shí)分多路傳輸照明有可能得到更寬的視野，而且最新型光閥的幀速率使這成為可能68。圖14示出光閥如何能通過多路傳輸跨越其后部的一個(gè)陣列的圖象而被編址，并且高幀速率陣列現(xiàn)在具有在大區(qū)域范圍內(nèi)編址光閥所需要的空間帶寬產(chǎn)品。這個(gè)途徑的主要優(yōu)點(diǎn)在于從屏幕去掉兩個(gè)最昂貴的零件有效矩陣晶體管和接點(diǎn)陣列。人們于是能夠得到大而不復(fù)雜的屏幕以及可能復(fù)雜的而不大的小型視頻投影儀。兩種設(shè)備因此都可能是便宜的，并且令人鼓舞地指出，可論證的是在熒光屏和電子槍之間的尺寸及復(fù)雜性的嚴(yán)格相同分割，使得制造陰極射線管如此經(jīng)濟(jì)。雖然混合象素化為無瑕疵的三維圖象創(chuàng)造了條件，但是它仍然不清楚，以致用戶反對局部的的缺陷，并且如果自動(dòng)立體象素化足夠快的話，它當(dāng)然是實(shí)現(xiàn)這樣裝置的最簡單的方法。但是最新型光閥的幀速率似乎被非晶硅的阻容(RC)時(shí)間常數(shù)限制到大約為2kHz。對于彩色用了除以這個(gè)數(shù)值并由非晶硅的RC阻容時(shí)間常數(shù)達(dá)到的對于閃爍除以60，可能得到30個(gè)視圖，但如果這些視圖具有標(biāo)準(zhǔn)的每行640像素并用攝像機(jī)按半個(gè)弧度(大約30°)一個(gè)視圖被拍攝，則根據(jù)式(2)對于無瑕疵的圖象每上視圖的角度應(yīng)是1/1280弧度，并且裝置的視野將小于1/40弧度(大約1.5°)。當(dāng)然，按每個(gè)視圖1°，這似乎對第一代視率三維圖象是可接受的，30個(gè)視圖將產(chǎn)生滿意的視野。但是光學(xué)編址系統(tǒng)不是平坦圖片，并且利用自動(dòng)立體象素化將產(chǎn)生比平坦圖片的有效矩陣液晶顯示器少許稍好一些的三維圖象。后者的額外費(fèi)用最終將取決于做多少，但是量大可能足以低到勝過光學(xué)編址。典型的光閥能夠分辨低到10μm，具有2kHz的幀速率的光閥給出2×1015m-2S-1的空間-時(shí)間周期數(shù)。在對于彩色的除以3和對于閃爍的除以60后，能夠通過乘以λ2可估算適用于觀看的立體角約等于(0.5×10-6)2m2。結(jié)果是0.025的視圖立體角，等于大約方位角30°仰角3°的觀看區(qū)域。光閥可能能夠比這個(gè)做得更好。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)69以強(qiáng)照明(以及一個(gè)雙穩(wěn)液晶)為代價(jià)的5kHz的幀速率可看成具有5μm的空間分辨率。但是在得到樂觀結(jié)論之前，應(yīng)考慮對于16cm×12cm的屏幕以接近400GHz的速率把數(shù)據(jù)寫入到這些設(shè)備的問題。光纖能夠以這樣的速率傳送數(shù)據(jù)，并且掃描其輸出的簡單的方法對于顯示器和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)來說都將是巨大的值得競爭的目標(biāo)。但是現(xiàn)有的聲光裝置僅能以1MHz掃描，并且光放大器陣列仍然相當(dāng)初步。是進(jìn)入光子學(xué)的研究導(dǎo)致快速切換的光閥，并且是進(jìn)入光子學(xué)的研究產(chǎn)生某些對它們編址的更有前途的方法。如果通過要求只在方位上是三維的一個(gè)圖象來簡化編址問題，則對于具有240個(gè)隔行線的16cm寬的屏幕數(shù)據(jù)率降至(幀速率×1/橫向分辨率×寬度×線數(shù))＝(2000×105×0.16×240/2)＝4GHz。這使數(shù)據(jù)率在現(xiàn)有裝置的范圍內(nèi)及五個(gè)方面突出聲光全息照相、陰極射線管、激光二極管陣列、鐵電體陣列和微反射鏡陣列。聲光全息照相具有成功的歷史，但是受到聲光材料中聲速的限制，對于半微米的光波波長2km/s的速率使數(shù)據(jù)率限制到約為4GHz。由于在部分II中提到的熔化問題，在實(shí)踐中甚至這些數(shù)據(jù)率也是難以實(shí)現(xiàn)的。陰極射線管能以兆赫的行速率被靜電掃描，而提供的偏轉(zhuǎn)角是窄的，光束強(qiáng)度不很高，光斑大小能被保持幾微米的直徑。但是難于在沒有散焦的條件下實(shí)現(xiàn)這樣小的亮斑，并且必須找到以高于1GHz的頻率調(diào)制電子槍的方法，所以雖然這些挑戰(zhàn)不是不能克服的，但它們?nèi)匀皇翘魬?zhàn)。激光二極管陣列和其它陣列通過多路分解輸入加工到足夠的分辨率，以致既不要求光柵掃描也不需要比液晶全息照相能執(zhí)行得更快。18×1的激光二極管陣列已經(jīng)以8×1GHz被操作，并且256×256的陣列已經(jīng)被制造，提供了空間帶寬產(chǎn)品的撩人前景，遠(yuǎn)超過任何其它替代物。鐵電體陣列是快速切換的液晶顯示器，其中有效矩陣晶體管被蝕刻在硅集成電路中。具有20kHz的可能幀速率的320×240陣列提供3.2GHz的空間帶寬產(chǎn)品已被展示70。這大約只足以用于16cm寬的屏幕，并且它被多路分解，足夠用于由一維鐵電體液晶全息照相實(shí)現(xiàn)的以20kHz速率掃描穿過光閥的陣列的圖象。偏轉(zhuǎn)角將是小的(0.5mm除以從全息照相屏幕的大約20cm，等于1/40弧度)，所以一維全息照相的分辨率將是波長除以1/40弧度，約等于20μm。微反射鏡陣列71具有完全由硅組成的優(yōu)點(diǎn)，盡管它們要求更復(fù)雜的光刻技術(shù)。然而2048×1152像素的陣列可能提供5.8GHz的空間帶寬產(chǎn)品。且不況電路系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，它提供了超過8英寸寬的屏幕的可能，并且如果三個(gè)這樣的裝置被并聯(lián)操作(這是它們?nèi)绾伪慌渲糜糜诟咔逦?D投影的)，則還能期待更好的質(zhì)量。但樂觀的結(jié)論再一次是不適當(dāng)?shù)?，因?yàn)樵谶@種情況下的這些裝置只是把數(shù)據(jù)從電子學(xué)形式轉(zhuǎn)換到光學(xué)形式，仍然需要一個(gè)數(shù)據(jù)源。無論光纖的能力如何，似乎非?？赡軌嚎s三維圖象。目前的常規(guī)是通過電纜線路把顯示器連接到視頻源并且任何解壓都通過視頻源被實(shí)現(xiàn)。但是原始三維視頻信號的數(shù)據(jù)率是如此高，以致遠(yuǎn)離顯示器去解壓信號似乎是沒有意義的，不過那時(shí)將出現(xiàn)傳送原始信號的挑戰(zhàn)。寧可解壓應(yīng)該盡可能接近編址裝置進(jìn)行(也許甚至在編址裝置之內(nèi))，并且把微反射鏡和鐵電體陣列都安裝在直接插入印制電路板的支架上是簡便的。這種復(fù)雜性以及用于三維視頻信號的現(xiàn)有接口的輸出數(shù)據(jù)率提醒，解壓裝置將具有可與常用計(jì)算機(jī)相比的計(jì)算能力，并且由于顯示器支配計(jì)算系統(tǒng)價(jià)格的流行趨勢，把計(jì)算機(jī)與顯示器相分離的努力法是否繼續(xù)有優(yōu)點(diǎn)必定將被研究。這部分已經(jīng)通過試圖說明某些細(xì)節(jié)而使本文得到結(jié)論，即借助現(xiàn)有的技術(shù)顯示一個(gè)中等尺寸的沒有移動(dòng)部分、有足夠視野并沒有裂紋線的彩色三維視頻圖象是切實(shí)可行的。三維視頻顯示器不是某些遙遠(yuǎn)或奧秘的前景它是一種可行的、解析的技術(shù)。象二維視頻的那樣，它的發(fā)展將取決于顯示技術(shù)的三個(gè)主要成分-空間多路分解、屏幕空間帶寬產(chǎn)品和每單位屏幕區(qū)域的低成本的進(jìn)一步進(jìn)展。VII結(jié)論視頻三維圖象能夠以三種方式被象素化體積的、全息的和自動(dòng)立體的。雖然體積的圖象使用帶寬能有效地給出四面八方的觀看，而全息顯示器具有高分辨率，但自動(dòng)立體顯示器用大多數(shù)應(yīng)用所需要的寬視野使不透明的目標(biāo)成象。自動(dòng)立體顯示器跟蹤觀眾的頭，提供了大大降低數(shù)據(jù)率的前景，但多視圖自動(dòng)立體觀測避免了對機(jī)器智能的需要，而且最新型的這種顯示器時(shí)分多路傳輸視圖以得到1°的視圖間隔，它對于三維顯示器的第一代似乎是足夠的。盡管在短期間可以接受，但是在自動(dòng)立體顯示器上具有每個(gè)視圖1°的圖象是有缺陷的而且可能引起不愉快。對于真實(shí)的三維圖象，用于640像素寬的圖象，每個(gè)視圖角度必須大約是1/10°。在這種間隔的條件下，即使具有大到0.5mm的象素直徑的自動(dòng)立體顯示器也將被衍射所限制，并且其數(shù)據(jù)內(nèi)容不小于一個(gè)全息照相的內(nèi)容。全息照相具有比自動(dòng)立體圖象更大的場深、大得多的分辨率，并且實(shí)際上是用于比0.5mm更精細(xì)的像素尺寸的唯一選擇。全息的和被時(shí)分多路傳輸?shù)淖詣?dòng)立體象素化方案能夠被組合，以給出具有兩者優(yōu)點(diǎn)的混合方案。被按序照射的全息顯示器具有如全息照相相同的數(shù)據(jù)內(nèi)容、分辨率和深度，但是具有自動(dòng)立體顯示器的視野。原則上所有需要的是一個(gè)具有1Mbits-1cm-1數(shù)量級空間-時(shí)間周期數(shù)的液晶顯示器，但這在大范圍內(nèi)低成本是做不到的。面對用于高空間帶寬產(chǎn)品的需要，光通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開發(fā)出光閥和高幀速率陣列，足以得到在大范圍內(nèi)必需的空間-時(shí)間周期數(shù)。光閥是簡單的足以按低成本在屏幕尺寸的范圍內(nèi)操作，并且倘若陣列是小的，則它們提供一種穿過光閥在空間上分布數(shù)據(jù)而不需要花錢多的方法。把小陣列投射到大型光閥上因此給出便宜并具有高分辨率的顯示，并且具有陰極射線管因相同的原因而有的高分辨率。高幀速率陣列應(yīng)該是盡可能接近將三維解壓的電子設(shè)備以便最小化高數(shù)據(jù)率連接。這種解壓電子設(shè)備的計(jì)算能力將可與大多數(shù)計(jì)算機(jī)的相匹敵，并且計(jì)算機(jī)和顯示系統(tǒng)將因此合并并非不可能。自從二維視頻顯示發(fā)明以后，其發(fā)展就已是朝著增大大分辨率和尺寸的一個(gè)穩(wěn)定的進(jìn)化，引導(dǎo)遠(yuǎn)程通信同樣地進(jìn)步。雖然視頻三維圖象的顯示器似乎可能是革命性的，但是本文已設(shè)法指出象素化和顯示光學(xué)系統(tǒng)不是非常復(fù)雜的，并且剩余的挑戰(zhàn)是與在二維視頻顯示方面相同的在屏幕空間帶寬產(chǎn)品方面的增加、在數(shù)據(jù)能實(shí)際上橫過屏幕分布條件下數(shù)據(jù)率的增大、以及在沒有巨大制造復(fù)雜性的單一系統(tǒng)中達(dá)到兩者。用于光遠(yuǎn)程通信的光子部件已經(jīng)符合三維視頻顯示的要求，并且這兩種技術(shù)是可能繼續(xù)相互影響它們的共同利益的。圖1展示通過把目標(biāo)的視圖顯示在液晶顯示器上并且照射每個(gè)視圖到一個(gè)適當(dāng)?shù)姆较虻哪軌蝻@示三維圖象的方式；圖2體積的3D顯示器圖3不能顯示不透明的圖象的光發(fā)射器的3D陣列；圖4全息的3D顯示器圖5自動(dòng)立體的3D顯示器圖6當(dāng)通過一對狹縫被看到時(shí)三維目標(biāo)看來是相同的，一個(gè)狹縫快速旋轉(zhuǎn)而另一狹縫慢速旋轉(zhuǎn)；圖7被看到的接近屏幕的透視圖象，其構(gòu)成能通過光線跟蹤被確定；圖8像素方向(θ)與象素位置(x)的關(guān)系曲線，能被用于識別觀看者在顯示器上的所見而不論它多遠(yuǎn)；圖9自動(dòng)立體顯示器的遠(yuǎn)距離照片，其上每個(gè)視圖包含一橫條；許可重印，用于信息顯示的禮貌交往。圖10自動(dòng)立體顯示器的特寫照片，其上每個(gè)視圖包含一橫條。許可重印，用于信息顯示的禮貌交往。圖11能通過安排光線會(huì)聚通過一個(gè)屏外點(diǎn)而使它被成象。圖12由平行投影形成的立方陣列的兩個(gè)視圖。為使觀看內(nèi)容中存在明顯差別所要求的視圖之間的最小角度(Δθ)是使得后中一列像素完全可見所需要的角度。圖13在左側(cè)的視頻攝像機(jī)中只有失真的立方陣列的前部像素是可見的，而在右側(cè)的攝像機(jī)中的后部的一列像素已變?yōu)榭梢?。隨著失真的立方陣列的深度趨向無限大，光線1和光線2趨向平行，因而相鄰視圖之間的角度趨于相鄰像素之間的角度。圖14通過按時(shí)間順序照射高分辨率液晶顯示器而產(chǎn)生的具有寬視野的自動(dòng)立體的/全息的顯示。高分辨率液晶顯示器能由光閥和高幀速率陣列被裝配。表1三個(gè)象素化方案的每個(gè)視圖角度(Δθ)和深度(Z)能夠通過圖像的寬度(x)、以像素為單位的圖像深度(nz)、以像素為單位的圖像寬度(nx)、圖象的視野(α)、像素的尺寸(Δx)和波長(λ)聯(lián)系起來。表1失真的體積笛卡爾體積自動(dòng)立體全息照相每個(gè)視圖角深度∞z＝ηz△z參考文獻(xiàn)1.E.Wickham，“Minimallyinvasivesurgeryfuturedevelopments″.BtitishMedicalJournal，Vol.308，pp.193-196，January1994.2Motoki，H.Isono，andI.Yuysma，″Recentstatusof3-dimensionaltelevisionresearch″.Proc.IEEE.Vol.83，pp.1009-1021，1995.3.A.C.Traub.USAPatentNo34932904.P.H.Mills，H.Fuchs，andS.M.Pizer，″Highspeedinteractiononavibratingmirror3Ddisplay，″inProc.SPIE，Vol.507.pp.93-101，1994.5.C.C.Tsao，andJ.S.Chen.″Movingscreenprojectionanewapproachforvolumetricthreedimensionaldisplay，″InProc.SPIE，Vol.2650，pp.254-264，1996.6.K.Kameyama，K.Ohtomi，andY.Fukui，″Interactivevolumescanning3Ddisplaywithanopticalrelaysystemandmultidimensionalinputdevices，″inPror-SPIE.Vol.2915.pp.12-20.1993.7H.Ysmada.K.Yamamoto，M.Mataushita，J.Koyama，andKMiyaji，″3Ddisplayusinglaserandmovingscreen″InJapanDisplay89，SocietyforInformationDisplay.pp.630-633.1989.8.Kameym&K.Ohtomi.andY.Fukui.″Interactivevolumescanning3-Ddisplaywithanopticalrelaysystemandmultidimensionalinputdevices″，inProc.SPIE，Vol.1915，pp.12-20，1993.9.D.G.Jansson，andR.P.Kosowsky.″Displayofmovingvolumetricimages.″inProc.SPIE，Vol.507.pp.82-92，1984.10.M.E.Lasher，P.Soltan.W.J.Dahlke，N.Acantilsdo，andM.McDonald，″Leaser-ptojected3Dvolumetricdisplays″.inProc.SPIE.Vol.2650，pp.285-295.1996.11.D.Bahr.K.Langhans.M.Gerken，C.Vogt，D.BezecnyandD.Homann，″FELIXavolumetric3Dlaserdisplay，″inProc.SPIE，vol.2650，pp.265-.273.1996.12.R.D.Williams.andF.Garcia，″Areal-timeautostereoscopicmultiplanar3Ddisplaysystem，″InSIDInt.Symp.，AnaheimCA，USA.24-26May1988，pp.91-94.1988.13.B.G.Blundell.A.J.SchwarzandD.K.Horrell，″Cathode-raysphere-aprototypesystemtodisplayvoltumetric3-dimensionalimage″OpticalEngineering，1994，Volume33，Numberl，pages180-19614.E.A.Downing，L.HesselinkR.M.Macfarlane，andC.P.Barty，″Solid-statethree-dimensionalComputerdisplayinConferenceProceedings″-LaserandElectrro-OpticsSocietyAnnualMeeting，，Vol.8.pp.6-7，1994.15LLKim.E.J.Korevaar.Hakakha，″Three-dimensionalvolumetricdisplayinrubidiumvapor，″inProc.SPIEVol.2650，pp.2274-284，1996.16.T.Hettori，D.P.McAllister.andS.Sakuma.″Spatialmodulationdisplayusingspatiallightmodulators.″OpticalEngineering，Vol.31，pp.350-352，F(xiàn)ebmary1992.17.K.Higuchi，K.Ishii，J.Ishikawa，andS.Hiyama，″ExperimentalholographicmovieIVtheProjection-typedisplaysystemusingaretro-directivescreen，″inProc.SPIE，vol.2406，pp.20-26，1995.18.H.Katsuma.andK.Sato.″ElectronicdisplaysystemusingLCD，laser-diode，andholographycamera.″inProc.SPIE，Vol.1914，pp.212-218，1993.19.K.Maeno，N.Fukaya，O.Nishikawa.K.Sato.andT.Honda，″Electro-holographicdisplayusing15megapixelsLCD.″inProc.SPIE，Vol.2652，pp.15-23，1996.20.N.Hashimoto，andS.Morokawa，″Motion-pictureholographyusingliquid-crystaltelevisionspatiallightmodulators″，inSIDInt.Symp.，vol.26.pp.847-850.1995.21M.W.Thie，J.Lukins，andD.A.Gregory，″OpticallyaddressedSLM-basedholographicdisplay，″inProc.SPIE，vol.2488，pp.409-416，year？.22H.Farhowh，Y.Fainman，K.Urquhat，andS.H.Lee.″Real-timedisplayof3-Dcomputer-datausingcomputergeneratedholograms，″inProc.SPIE.vol.1052.pp.172-176，1989.23M.LucenteR.Pappu，C.J.Spurell.andS.A.Denton.″Progressinholographicvideowiththeacoustoopticalmoduledisplay″，inProc.SPIEvol.2577，pp.2-7，199524J.S.Kollin，″timemultiplexedautostetreoscopicthreedimensionalimagingsystem″，USPatent4853769，16June198725.J.Y.Son.S.A.Shestak.S.KLee，andH.W.Jeon，″Pulsedlaserholographicvideo″，inProc.SPIE.vol.2652，pp.24-28，1996.26T.Yamazaki，KKamijo，andS.Fukuzumi，″Quantitativeevaluationofvisualfatigueencounteredinviewingstereoscopic3Ddisplay-nearpointdistanceandvisualevokedpotentialstudy，″inJapanDisplay‘89，SocietyforinformationDisplay.pp.606-609，198927.D.J.Trayner，andE.Orr″Autostereoscopicdisplayusingholographicopticalelements，″inProc.SPIE.vol.2653.pp.65-74，1996.28P.V.Hsrman，AutostereoscopicdisplaysysteminProc.SPIE，vol.2653，pp.56-64，1995.29.D.Ezra″Look，noglasses″IEEReview，vol.42pp.187-189，September1996.30N.Tatsutani.K.Omura，andF.Kishino.″Wide-screenautostereoscopicdisplaysystememploy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