Патент на изобретение №2181902
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
(57) Реферат: Стереоскопическое устройство отображения содержит средство для генерации множества видимых изображений, имеющих разный перспективный вид общего плана, средство для генерации множества зон обзора для обзора видимых изображений и оптический элемент с положительной оптической силой. Указанные средства и оптический элемент расположены таким образом, что оптический элемент формирует действительное изображение зон обзора и мнимое изображение видимых изображений, в результате чего каждое мнимое изображение видно наблюдателю только тогда, когда можно провести траекторию луча света от глаза наблюдателя сквозь действительное изображение соответствующей зоны обзора, оптический элемент и видимое изображение. Средство для генерации множества видимых изображений содержит средство-носитель изображения или отдельные средства-носители изображения, которые располагаются между оптическим элементом и задней фокальной точкой оптического элемента. Обеспечивается формирование видимого изображения на произвольном расстоянии от наблюдателя и с произвольными размерами, которые не ограничиваются размерами самого дисплея. 12 з.п. ф-лы, 9 ил. Настоящее изобретение относится к устройству стереоскопического отображения. Известно множество устройств стереоскопического отображения (стереоскопических дисплеев), при этом быстро развивается класс дисплеев, известных под названием “Автостереоскопические дисплеи”, которые обеспечивают просмотр стереоскопических изображений без использования специальных вспомогательных средств просмотра. Все они характеризуются использованием некоторых средств ограничения обзора, из-за чего каждый из двух глаз наблюдателя видит на экране разное изображение. В стереоскопическом изображении используются два двухмерных изображения (будем называть их половинными изображениями), которые, взятые вместе, известны как стереопара. Стереоскопический эффект возникает из-за различия в перспективе двух половинных изображений. Каждое половинное изображение формируется на некотором расстоянии от наблюдателя, а глаза наблюдателя фокусируются на изображении. Аккомодация – один из многих визуальных раздражителей, интерпретируемых мозгом для получения информации о глубине (изображения). Когда глаза фокусируются на двухмерном половинном изображении, любое различие в восприятии глубины, обеспечиваемом стереоскопическим эффектом, входит в противоречие с информацией о глубине, обеспечиваемой аккомодацией. На практике необходимо ограничить конфликт, ибо в противном случае наблюдатель будет испытывать неудобство и появится астенопия (быстрая утомляемость глаз). Автостереоскопические дисплеи обычно формируют половинные изображения на плоскости просмотрового экрана. Размеры экрана обычно существенно ограничены рядом факторов, и для минимизации конфликтной ситуации между аккомодацией и стереоскопией необходимо формировать трехмерное изображение в районе экрана дисплея. Само собой разумеющейся особенностью любой системы трехмерного изображения является то, что изображения появляются на определенном расстоянии от наблюдателя. Вследствие этого размеры трехмерного изображения также поддаются определению и четкой оценке (в противоположность с двухмерным изображением, где информация о глубине отсутствует, так что крупный объект появляется именно как крупный объект, даже если размеры изображения малы). С учетом вышесказанного, существующие автостереоскопические дисплеи не способны отображать полноразмерные изображения каких-то объектов, больших по размеру, чем экран дисплея; такие объекты должны отображаться в уменьшенном масштабе и в отличие от двухмерных изображений будут казаться объективно маленькими. Это обстоятельство ограничивает сферу использования существующих автостереоскопических дисплеев, поскольку достижение натуральности трехмерного изображения может привести к необходимости представления объекта в неестественном масштабе. Согласно настоящему изобретению предлагается стереоскопическое устройство отображения, содержащее: (a) средство для генерации множества видимых изображений, причем каждое видимое изображение имеет разную перспективу общего плана; (b) средство для генерации множества зон обзора для просмотра видимого(ых) изображения(ий), причем зоны обзора располагаются так, что при использовании каждый глаз наблюдателя видит разные видимые изображения, что дает возможность наблюдателю иметь стереоскопическое трехмерное изображение общего плана; (с) оптический элемент с положительной энергией оптического излучения, в котором элементы (а) – (с) располагаются и конструируются таким образом, что оптический элемент формирует действительное изображение зон обзора и мнимое изображение видимых изображений, в результате чего это (или каждое) мнимое изображение видно наблюдателю только тогда, когда можно провести траекторию луча света от глаза наблюдателя через действительное изображение соответствующей зоны обзора, оптический элемент и видимое изображение, и в котором средство для генерации множества видимых изображений содержит средство-носитель изображения, которое располагается между оптическим элементом и задней фокальной точкой оптического элемента. Настоящее изобретение позволяет формировать видимое(ые) изображение(я) на произвольном расстоянии от наблюдателя и с произвольными размерами, которые не ограничиваются размерами самого дисплея. Удобной аналогией этого является окно: через маленькое окно может быть виден очень большой план. В настоящем изобретении большой план может быть виден как бы через окно дисплея. Это изобретение обеспечивает средство, с помощью которого можно видеть трехмерные изображения без использования очков, закрепляемых на голове устройств отображения или похожих на них неудобных вспомогательных средств просмотра, причем предлагаемое средство обеспечивает просмотр изображений, которые могут быть существенно больше самого дисплея. Средство-носитель изображения может представлять собой жидкокристаллический дисплей (LCD) или экран (который может являться голографическим оптическим элементом), на который проектируется видимое изображение. Теперь будет описан ряд вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи, на которых: фиг. 1 показывает обобщенную конструкцию дисплея согласно настоящему изобретению; фиг. 1А показывает в качестве примера пару лучей в конструкции по фиг. 1; фиг. 1В показывает линии, используемые при построении действительных и мнимых изображений по фиг. 1; фиг. 2 – схематический вид в плане части возможного устройства отображения; фиг. 3 – схема альтернативного составного голографического оптического элемента; фиг. 4 показывает часть альтернативного устройства отображения, содержащего жидкокристаллический дисплей; фиг. 5 показывает часть другого альтернативного варианта; фиг. 6 – схематическая иллюстрация еще одного альтернативного варианта настоящего изобретения; фиг. 7 – схематическая иллюстрация еще одного альтернативного варианта, в котором голографический оптический элемент (НОЕ) выполняется со множеством фокальных точек; фиг. 8 – схематическая иллюстрация еще одного альтернативного варианта, в котором НОЕ имеет один фокус и генерирует три пары зон обзора; и фиг. 9 – схематическая иллюстрация еще одного альтернативного варианта, в котором используются три луча. На фиг. 1 показана в общем виде конструкция дисплея согласно данному изобретению. Дисплей содержит средство-носитель изображения 2, которое генерирует пару налагаемых друг на друга действительных двухмерных изображений (обозначаемых здесь и далее ссылками 2l, 2r – не показаны). Средство-носитель изображения 2 расположено между задней фокальной точкой фокусирующего оптического элемента 1 (с положительной энергией оптического излучения) и самим оптическим элементом. Два половинных изображения 2l, 2r обеспечиваются апертурами ограничения обзора 3, 4 соответственно (каким образом не показано). Эффект от такой конструкции состоит в том, что налагаемые друг на друга половинные изображения 2l, 2r создают увеличенное мнимое изображение 5, в то время как апертуры ограничения обзора 3, 4 создают действительные изображения 6, 7 соответственно. Наблюдатель располагается таким образом, что левый и правый глаз 8l и 8r размещаются примерно так, как показано на фиг. 1. Оба глаза фокусируются на изображении 5 стереопары 2. Вспомним, что оба половинных изображения 2l, 2r накладываются друг на друга, так что соответствующие им изображения 5l, 5r будут также накладываться друг на друга. Изображения 6, 7 апертур ограничения обзора 3, 4 образуют, как показано, действительные изображения, и эти изображения 6, 7 ограничивают соответствующие зоны, откуда можно видеть изображения 5l, 5r каждого половинного изображения 2l, 2r. Теперь для удобства будем называть изображения 6, 7 апертурами обзора. На фиг. 1 показан простой случай, когда апертуры обзора 6, 7 располагаются подходящим образом, так что левый глаз обозревает увеличенное левое половинное изображение 5l через апертуру 6, а правый глаз обозревает увеличенное правое половинное изображение 5r через апертуру 7. Ясно, что размер изображения 5 стереопары 2 может быть существенно больше, чем диаметр оптического элемента 1, при этом стереоскопическое изображение может располагаться по всему местоположению мнимого изображения 5, в результате чего достигается поставленная цель создания относительно небольшого автостереоскопического дисплея, который воспроизводит крупное трехмерное изображение, избегая нежелательного противоречия в восприятии глубины, связанном с аккомодацией, с одной стороны, и восприятием глубины, связанном со стереоскопическим зрением, с другой. На фиг. 1A показана конструкция по фиг. 1 с добавлением в качестве примера ряда лучей. Рассмотрим лучи 48 – 50. При отсутствии фокусирующего оптического элемента 1 наблюдатель может представить себе луч света, идущий от мнимого изображения 3 левосторонней зоны обзора. Луч 48 проходит через двухмерное изображение 2 на оптический элемент 1, где он преломляется, образуя луч 49, который попадает в глаз, поступая от изображения 5, как показано с помощью луча 50. Заметим, что оптический элемент 1 создает действительные изображения (6, 7) диффузионных зон (3, 4), а также мнимое изображение 5 двухмерного средства отображения 2. Вследствие освещения источником света левое половинное изображение – то же самое, что и формируемое светом действительное изображение 6 диффузионной зоны 3, так что левое половинное изображение будет видимым лишь при условии, если можно провести траекторию лучей света, например, 48 – 50 через глаз 8l, действительное изображение зоны обзора 6 и оптический элемент 1. То же самое применимо к правому глазу и соответствующим изображениям. Заметим, что из чертежа следует, что правый глаз не может видеть луч света, направленный в левую зону обзора 6 (то же самое очевидно относится и к тому, что может видеть левый глаз). Следовательно, каждый глаз видит на 5 разное двухмерное изображение. На фиг. 1В показан ряд линий, использованных для построения действительных и мнимых изображений по фиг. 1. Линии 40 – 43 с короткими штрихами – это лучи, используемые для построения мнимого изображения 5. Линии 44 – 47 со штрихами средней длины используются для построения зон обзора действительных изображений 6, 7. Теперь дадим описание некоторых возможных на практике конструкций. Оптический элемент 1 может представлять собой линзу или комбинацию линз. Он может быть зеркалом или комбинацией зеркал, а может быть голографическим/дифракционным оптическим элементом или комбинацией таких элементов. Он может быть также комбинацией элементов различных типов, например линзы и зеркала. Вероятно, что оптический элемент будет работать со смещением оси, что может оказаться полезным, так как малые аберрации, вносимые оптическим элементом 1, размывают изображения пикселей, что в результате обеспечивает более однородное изображение. Обратимся к дисплею стереопары 2 и зонам 3, 4. Имеется ряд путей их оптической реализации. Во-первых, стереопара 2l, 2r может быть создана путем проецирования на голографический экран. Обратимся к фиг. 2, которая представляет собой вид в плане без учета масштаба. Здесь имеется стереопара 2, создаваемая парой проекторов 10l и 10r, которые проецируют на голографический элемент 9 (левый и правый половинные элементы соответственно). Голографический элемент 9 восстанавливает равномерную диффузионную зону при освещении его правильно расположенным источником света, причем проектор 10l можно рассматривать как источник света, который восстанавливает диффузионную зону 3, при этом проектор 10r действует подобным же образом и восстанавливает диффузионную зону 4, а смещение между зонами 3 и 4 вызывается смещением между проекторами 10l и 10r. Зоны 3 и 4 могут быть восстановлены в бесконечности либо как мнимые, либо как действительные изображения. Голографический элемент 9 может представлять собой просто просветленную голограмму или отражательную голограмму, а также может быть в основном выполнен, как это показано на фиг. 3, где он состоит из дифракционной решетки 11, экрана с жалюзийными отверстиями 12 и голографической записи 13 диффузионной зоны. При этом такая конфигурация обеспечивает компенсацию дисперсии. Совокупная оптическая сила решетки 11 и голограммы 13 должна быть близка к нулю, и они выполняются таким образом, чтобы решетка 11 и голограмма 13 обеспечивали равную и противоположную дисперсию, причем в этой конкретной конфигурации оптический элемент 1 может быть расположен в контакте с голограммой или комбинацией голограмм 9 либо между ней и проекторами 10, или на другой стороне, между голограммой и местом обзора. Это является предельным случаем, когда изображение появляется без увеличения, но зоны 3, 4 представляются в виде действительных изображений 6 и 7 согласно фиг. 1. Если голографичсский экран 9 и линза 1 разделены (и если линза располагается между экраном 9 и наблюдателем), то появляется ранее описанное увеличенное изображение. Если компенсация дисперсии не используется, то зоны 3, 4 полезно наклонить под ахроматическим углом так, чтобы облегчить цветопередачу. (Также возможно обеспечить три проектора на позиции 10l, каждый из которых будет проецировать одно цветоделение, и эти проекторы должны быть расположены так, чтобы отличающиеся по цвету зоны 3 перекрывались, при этом то же самое расположение может быть использовано и для проектора 10r). Во-вторых, стереопара 2l, 2r может быть создана с помощью одного светопроницаемого элемента изображения и одной голограммы. В этом варианте стереоскопическая пара 2 и зоны 3, 4 генерируются с помощью комбинации из источника света, голограммы и панели-носителя светопроницаемого изображения, которая может представлять собой жидкокристаллический дисплей (LCD), описываемый ниже. Обратимся к фиг. 4, где без учета масштаба схематически показан вертикальный разрез устройства. Предположим, что LCD 14 состоит из двух наборов пикселей 15 и 16 (на фиг. 4 показаны только два пикселя в каждом наборе). Пиксели 15 отображают изображение левой стереополовины между ними, а пиксели 16 – изображение правой стереополовины. Голограмма 17 устанавливается рядом с LCD (в рассмотренном варианте сзади, но возможно и спереди). Голограмма 17 состоит из двух наборов элементов 18, 19, которые могут быть, а могут и не быть перекрытыми, и освещается лучом света 20. Здесь для пояснения показано несколько лучей, но должно быть ясно, что имеется гораздо большее число лучей, параллельных показанным, которые можно было бы начертить, но в этом нет необходимости. Часть света 20 падает на голографический элемент 18, где эти лучи восстанавливают изображение 3 диффузионной зоны света; в показанном примере это мнимое изображение, появляющееся, когда дифрагированный луч 21 приходит от изображения 3. Следует отметить, что дифрагированный луч 21 проходит через один пиксель из набора пикселей 15. Голограмма и LCD располагаются таким образом, что свет, дифрагированный всеми элементами из набора голограммных элементов 18, проходит через пиксель из набора пикселей 15 и не проходит ни через один пиксель из набора 16. Свет 21 модулируется изображением, отображаемым набором пикселей 15. То же самое с необходимыми изменениями появляется и в случае набора голограммных элементов 19, изображения 4, лучей 22 и набора пикселей 16. Два мнимых изображения 3, 4 представляют собой равномерно освещаемые светом диффузионные зоны, которые являются предпочтительно копланарными и примыкают друг к другу, причем не перекрываясь и без зазора (фиг. 4 представляет собой вертикальный разрез, несколько искаженный и упрощенный для облегчения понимания). Вместе с оптическим элементом 1 зоны 3, 4 воспроизводятся как действительные изображения 6, 7, формирующие левую и правую зоны обзора соответственно. В-третьих, стереопара 2l, 2r может быть сформирована двумя отдельными LCD и расщепителем пучка. Стереопара 2 может быть оптическим изображением одного или обеих стереополовин. Существует некоторое количество оптических способов перекрытия изображений, но здесь будет описан простой способ, связанный с использованием расщепителя пучка. Обратимся к фиг. 5, где левое половинное изображение отображается на светопроницаемом дисплее 25, который освещается таким образом, что проходящий через него свет исходит или кажется, что исходит, из диффузионной зоны 3. Один из способов достижения этого – использование голографического элемента для освещения половинного изображения 25, что, в частности, полезно, если оптическая конструкция всего дисплея подразумевает, что диффузионная зона 3 должна находиться на большом расстоянии или если это изображение должно быть действительным, а не мнимым. Свет 28 прошел через половинное изображение и затем через расщепитель пучка 27 по направлению к оптическому элементу 1. Правое половинное изображение отображается и освещается таким же образом с единственным различием, заключающимся в том, что свет 29 отражается от расщепителя пучка 27, так что изображение половинного изображения 26 накладывается на половинное изображение 25 и зона 4 появляется по соседству с зоной 3. Отраженный один раз свет 29 распространяется параллельно свету 28 по направлению к оптическому элементу 1. Выше были описаны некоторые способы, посредством которых стереопара 2 и зоны 3, 4 могут быть расположены так, чтобы обеспечить правильное функционирование дисплеев. Имеется ряд других подходов, которые предполагают работу с использованием матрицы из микролинз, матрицы из призм и дисплея с последовательным отображением. Теперь рассмотрим более подробно функционирование и конструкцию оптического элемента 1. В данной ситуации весьма перспективно использовать голографический оптический элемент, так как такой элемент может быть выполнен в виде плоских кусочков стекла, что позволяет наблюдателю видеть сквозь них, и тем самым стереоскопическое изображение может казаться наложенным на действительный план, видимый через оптический элемент 1. На фиг. 6 представлено перспективное изображение одной такой конструкции. Стереопара 2 освещается таким образом, что свет 30, проходящий через стереопару 2, фокусируется отражательным голографическим оптическим элементом (HOЕ) 1, причем сфокусированный свет 31 проходит по направлению к наблюдателю и формирует диффузионные действительные изображения 7 и 6 диффузионных зон 3, 4 (не показаны), освещая два изображения стереополовин. Световой луч 31 появляется как продолжение несуществующего светового луча 32, как бы излучаемого от увеличенного мнимого изображения 5 стереопары 2. Для работы в многоцветном режиме HOE 1 должен представлять собой многоцветную отражательную голограмму, выполненную таким образом, что она отражает основные цвета, используемые в стереопаре 2. Подобная же установка может быть выполнена с использованием просветной НОЕ, хотя в этом случае для получения четкого изображения может потребоваться дополнительная фильтрация света (или использование источников монохроматического излучения). Вместо НОЕ 1 на фиг. 6 можно использовать зеркало. В идеале это должно быть параболическое зеркало со смещенной осью, хотя вполне подойдет зеркало и другой формы. Если на фиг. 6 стереопара 2 находится на противоположной стороне оптического элемента 1, можно использовать линзу (или комбинацию линз). Выгодно использовать составные оптические устройства, которые могут представлять собой несколько оптических элементов подобного типа (например, только линзы) или различных типов (например, линзы, зеркала и/или дифракционные элементы). В случае с дисплеем описанного типа может оказаться необходимым дать возможность наблюдателю перемещаться без потери при этом видимости изображений или стереоскопического эффекта. Также может оказаться желательным иметь возможность наблюдения стереоскопического изображения одновременно несколькими наблюдателями. Точные способы достижения этих целей зависят от того, как образуются зоны обзора 3, 4. Обычные методы выглядят следующим образом. Многосторонний обзор Если вместо создания только двух изображений для получения стереоэффекта обеспечить множество точек обзора, расположенных таким образом, что зона обзора, соответствующая каждому изображению, будет соприкасаться с соседней, то тогда глаза мобильного наблюдателя будут перемещаться, последовательно обозревая следующие друг за другом зоны обзора. В любом положении (внутри границ зоны) каждый глаз будет видеть разное изображение. Очевидно, что это создаст ощущение параллактического смещения. В рамках ограничений, накладываемых конструкцией дисплея, наблюдатель будет иметь возможность обозревать со всех сторон кажущееся трехмерное изображение. В равной степени два (или более) наблюдателя смогут смотреть через разные зоны обзора и как бы наблюдать кажущееся трехмерное изображение с разными перспективами. Однако такое решение может оказаться не всегда приемлемым, имея в виду, что при этом предъявляются высокие требования к разрешающей способности и ширине полосы пропускания. Исследование человеческих факторов показывает, что для проявления эффекта сглаживания потребуются десятки, если не сотни таких двухмерных перспектив. Мобильная зона обзора Для того чтобы избежать требования высокой разрешающей способности, предъявляемого к варианту многостороннего обзора, дисплей может быть выполнен только с правой и левой зонами обзора, и можно предусмотреть средство для перемещения положения зон 3 и 4 в соответствии с изменением положения самого наблюдателя. Обычно это подразумевает перемещение источника освещения (например, положения источника света 20 на фиг. 4 или проекторов 10l, 10r на фиг. 2). Это позволит наблюдателю передвигаться, не теряя трехмерное восприятие, и если перспективы стереополовин изображения также соответственно изменяются, то тогда может быть достигнут эффект непрерывного параллакса. Если дисплей должен использоваться одновременно более чем одним наблюдателем, то тогда необходимо обеспечить зоны обзора 6, 7 для каждого наблюдателя, и это означает, что необходимо обеспечить также и соответствующее множество пар диффузионных зон 3, 4. Способ их обеспечения опять же зависит от того, каким образом они генерируются. Имеются следующие практически реализуемые способы. Оптический элемент 1 может быть выполнен в виде НОЕ со множеством фокальных точек, что позволяет генерировать множество позиций обзора. Это иллюстрируется на фиг. 7, где голографический оптический элемент выполнен с тремя фокусами (например, путем создания трех объектных пучков и одного эталонного пучка). Здесь показано примерное положение начальных зон обзора 3, 4 (заметим, что они являются мнимыми изображениями). Оптический элемент 2 создает три набора изображений. Три набора изображений 5, 5′, 5″, создаваемых элементом 2, видны через соответствующие действительно изображаемые зоны обзора 6, 7; 6′, 7′; 6”, 7″, соответствующие трем отдельным позициям обзора. Голографический элемент(ы), используемый(е) для генерации диффузионных зон 3, 4, может быть выполнен для генерации множества пар зон обзора и т.п., соответствующих парам зон обзора 6, 7; 6′, 7′; 6″, 7″, и т.п. Как показано на фиг. 8, оптический элемент в этом случае имеет только один фокус. Здесь показаны три пары зон обзора 3, 4; 3′, 4′; 3″, 4″, причем их количество и относительное расположение определяются оптическим элементом, связанным со средством-носителем изображения 2. Они изображаются оптическим элементом 1 так, чтобы формировать действительные изображения 6, 7; 6′, 7′; 6″, 7″, тем самым обеспечивая три позиции для обзора. Множество диффузионных зон 3, 4 может быть сформировано путем использования множества источников света в разных положениях, каждый из которых генерирует свою собственную пару диффузионных зон 3, 4, которые в свою очередь изображаются в виде пар зон обзора 6, 7; 6′, 7′; 6″, 7″ и т.п., как показано на фиг. 9, где изображены три источника света 51, 51′, 51″. В этом случае оптический элемент имеет только один фокус, а количество и расположение зон обзора соответствует количеству и расположению источников света 51 и т.д. Такая конфигурация дает возможность перемещения зон обзора 3, 4 путем изменения положения источника света 51, а в альтернативном варианте использование одновременно нескольких источников света обеспечит соответствующие зоны обзора 3, 4 и т.д. одновременно для соответствующего числа наблюдателей. Это решение может быть скомбинировано с вышеописанным способом мобильных зон обзора, что дает возможность независимого слежения несколькими наблюдателями. На фиг. 7, 8, и 9 показаны способы обеспечения множества зон обзора и/или мобильной зоны обзора в одном варианте осуществления изобретения. Подобные же способы можно применить и в других вариантах. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 08.06.2009
Извещение опубликовано: 20.07.2010 БИ: 20/2010
|
||||||||||||||||||||||||||
