CN1476730A - 具有观看者跟踪系统的自动立体图像显示装置 - Google Patents

Abstract

一种自动立体图像显示设备，其包括显示装置，该显示装置包括：3D图像源，该图像源向微透镜屏发射承载像素的光束，该微透镜屏具有用于显示上述3D图像的透镜阵列；视差屏障件，该屏障件配置在图像源和微透镜屏之间，上述视差屏障件设置有透光狭缝的阵列，该狭缝可使上述光束透射到上述微透镜屏的透镜阵列上；观看点跟踪器，该观看点跟踪器用于检测左、右眼睛的位置，并且显示装置以此跟踪该位置。为了使多个观看者同时观感到3D图像并与观看点的运动和/或者观看点的位置无关，可应用上述观看点跟踪器来控制视差屏障件的狭缝，以改变上述光束进入这些透镜的入射状态，从而影响在上述透镜内的折射角，使得承载上述左、右眼视像像素的出射光束可以分别会聚在与上述检测的左、右眼位置重合的至少一个特定的左眼视像焦点上和至少一个特定的右眼视像焦点上。

Description

具有观看者跟踪系统的自动立体图像显示装置

本发明涉及一种自动立体图像显示设备，该显示设备包括：显示装置，该显示装置包括图像源，该图象源将承载3D(三维)图像的左眼视像和右眼视像的像素的光束发射到具有用于显示上述3D图像的透镜阵列的微透镜屏上；视差屏障件，该视差屏障件配置在图像源和微透镜屏之间，上述视差屏障件具有由不透明区域分开的透光狭缝阵列，以用于使上述光束透射到上述微透镜屏的透镜阵列上；以及观看点跟踪器，该跟踪器检测左眼和右眼位置，并使上述显示装置跟踪这些位置。

本发明还涉及使用在这种自动立体图像显示系统中的显示装置。

这种自动立体图像显示系统已知可以用各种形式实施，其目标在于重显3D视像或图像的两个不同透视像，这种重现正如人的两只眼睛感觉到的立体图像，而观看者不需要戴观看辅助装置。本发明中采用观看点跟踪器，从而可以使重显点与观看点或者观看者的位置动态地对准。3D视像的两个不同透视像还称为立体的图像对，这两个透视像可以使人的大脑获得景像中不同物体的距离，提供3D视像的视觉效果。然而，迄今已知的自动立体图像显示系统具有各种缺点，特别是对于将不同视像传输到眼睛的方法。

例如，从美国专利No.5991073已知的自动立体图像显示系统产生观看“区域”，即位于微透镜屏前方的空间区域，在这种系统中，在整个显示屏的工作区域上可以用一只眼睛看到单个2维(2D)图像的视像。当观看者处于这样的状态，即右眼R位于右部观看区域中而左眼L位于左部观看区域中时，观看者可以看到立体的图像对并感觉到3D图像。然而这种已知的自动立体显示系统只允许一个观看者确切地感觉到3D图像。另外，看到的3D图像的亮度随观看者数目的增加而减小。

本发明人的目的是提供一种如开头一段所述的自动立体图像显示系统，该系统可使许多观看者同时看到3D图像，与观看点的移动和/或者位置无关。利用本发明的自动立体图像显示系统可以达到此目的，该系统的特征在于上述观看点跟踪器，该跟踪器可以控制视差屏障件的狭缝，以改变上述光束进入透镜的入射状态，从而影响在上述透镜中的折射角，使承载上述左眼视像和右眼视像的像素的发射光束分别会聚到与上述检测的左、右眼位置重合的至少一个特定的右眼视像焦点和至少一个特定的左眼视像焦点。

应用这种措施时，视差屏障件与微透镜屏的透镜一起可以起到方向性光学系统的作用，该光学系统可利用观看点跟踪器控制，以改变光束透过视差屏障件狭缝进入微透镜屏各个透镜的透射状态，使得左眼视像和右眼视像的各个视像可以直接射入由观看点跟踪器检测的一个或者多个观看者的相应眼睛，而与观看者的位置和可能发生的(头部)运动无关。另外，在上述现有技术的自动立体图像显示系统中，承载像素的光束散部在很多观看区域上，和上述现有技术不同，按照本发明，承载上述左眼视像和右眼视像像素的光束分别地对应地聚焦在独立的观看者的左眼和右眼上。这种向独立的观看者提供3D图像的方法可以避免看到的3D图像亮度取决于观看者数目。

本发明立体图像显示系统实施例的特征在于，视差屏障件的狭缝具有小于子像素的宽度。应用这种措施时，穿过视差屏障件的独立狭缝的光束分别承载同一像素的一部分，由此可以向若干观看者同时提供同一像素信息，因此，可提供相同的三维图像。

本发明自动立体图像显示系统的实施例其特征在于，微透镜屏的透镜具有的宽度显著大于视差屏障件的狭缝宽度。其中各个透镜用于同时使射向不同观看者的若干光束折射/聚焦，这样便可以以节省成本的方式来实施。

为了避免损失图像分辨率，本发明的这种立体图像显示系统，其特征优选为，微透镜屏的透镜的宽度大体相当于像素宽度的0.3-3倍。

采用本发明的自动立体图像显示系统，可以获得视差屏障件的狭缝与微透镜屏的透镜适当地对准，本发明显示系统的特征在于，对于每个透镜宽度，视差屏障件设置有许多狭缝，约为10-1000个的数量级的狭缝。

本发明的自动立体图像显示系统的特征在于，微透镜屏的透镜阵列形成垂直列的透镜，这些透镜在光学上由不透明的垂直条相互分离，每个垂直条的宽度小于微透镜屏的透镜的宽度。该不透明的垂直条可以防止透镜的边缘产生光束像差，同时当大部分射出光从透镜的中心部分射出时，该垂直条可以使这种射出光的亮度不受影响。另外，不透明的垂直条可用于加强微透镜屏的结构，例如可以使透镜列相互粘接起来。这些边缘可以涂黑，防止光反射到观看者一侧。

自动立体图像显示系统的特征优选为，在微透镜屏的透镜阵列中的透镜具有半球形横截面，这种透镜容易制造并可以确保结构牢固。

本发明的自动立体图像显示系统的特征在于，在上述图像源和上述视差屏障件之间设置菲涅尔透镜。这种措施使得图像源可应用发散光，这种发散光然后被折射，以形成准直光。

本发明自动立体图像显示装置的特征在于，该图像源包括准直的背光源。采用准直光使承载3D图像左、右眼的视像像素的光束透射到微透镜屏上，使得利用菲涅尔透镜是多余的。

这种准直的背光源可以用激光光源获得，从而可以采用所谓后透镜，该透镜的视角超过100°。

本发明自动立体图像显示系统的视差屏障件可以是聚合物LC(液晶)/凝胶型的LCD式屏障件，这种屏障件容易制造。

本发明的自动立体图像显示系统的特征在于，上述微透镜屏的透镜阵列形成具有垂直列透镜的水平散射器，上述显示装置还包括垂直散射器，该散射器由许多水平列透镜构成，该水平列透镜的宽度基本上等于形成上述水平散射器的微透镜屏的透镜的宽度，上述垂直散射器位于上述水平散射器的后面，或者位于其前面。当水平散射器与跟踪的视差屏障件结合以用作方向性光学系统，以获得3D图像的两个视像的眼睛选择的分时多路投影时，上述垂直散射器是固定的，可以用来使垂直方向的投影变细。由此可以增加观看点在某个垂直范围的投影的亮度，这种增加是靠牺牲超出上述某个垂直范围的观看点投影亮度。这个范围最好选择为可以基本上覆盖所有可能的垂直观看点位置。

本发明的自动立体图像显示系统的特征在于，检测不同观看者眼睛位置的上述观看点跟踪器，微透镜屏的独立透镜接收从许多狭缝来的光束，这些狭缝的数目由检测到的观看者数目确定。各个检测到的眼睛应当得到整个画面的图像信息。穿过视差屏障件狭缝的光束承载着构成整个画面像素的样本。为避免损失图像信息，分配给一个眼睛的狭缝数目Sn应当充分大，使得对于通过屏障件射到微透镜屏透镜的上述画面每个像素具有至少一个样本。这意味着如果视差屏障件具有2*N*Sn个狭缝，则可以避免损失N个观看者的图像信息。这种方法可以避免损失图像分辨率，同时又可以向所有观看者单独提供完整的3D图像。

本发明的自动立体图像显示系统的特征在于，图像源按照分时多路传输方法发射上述3D图像的左、右眼的视像。在此实施例中，观看点跟踪器执行观看点的检测，并最好在一系列时祯中周期性出现的某个时祯内对各只眼进行跟踪显示。这些交替的时祯接纳左、右眼视像信息，并被选择的相当短，从而以避免看到图像的快速闪烁，并使得观看点跟踪器可以跟踪正常的头部运动。

本发明自动立体图像显示系统的特征在于观看者选择装置，该选择装置可以控制视差屏障件，以阻挡承载像素的光束透射到一个和多个预定的观看者。这种措施可以用在例如付费的电视系统等上，在这种系统中拒绝非用户观看某些交费的3D图像或者影像节目。

采用微透镜屏向多个观看者显示多个节目的3D图像的电视实施例其特征在于，上述图像源以时分复合传输3D图像的方式提供不同3D电视节目，其中各个3D图像可利用上述透镜内的折射角投射在许多观看者的左、右眼的观看点上，上述透镜由上述观看点跟踪器控制，控制方法是调节视差屏障件的狭缝，以改变上述光束进入透镜的入射状态。

本发明还涉及用在本发明自动立体图像显示系统中的显示装置。

下面参考附图说明优选实施例，从这些实施例可以明显看出本发明的上述目的和特征，这些附图是：

图1是方块图，示出本发明的自动立体图像显示系统；

图2A和2B示出应用本发明自动立体图像显示系统中显示装置的方向性光学系统得到的3D图像的再现；

图3示出用在本发明自动立体图像显示系统中的方向性光学系统；

图4A和4B示出本发明显示装置中的微透镜屏透镜的光线折射；

图5A和5B详细示出承载不同视像像素的若干光束的折射，该视像投射到共用同一透镜的不同观看者；

图6示出在本发明自动立体图像显示系统中显示单眼视像不同像素的方向性光学系统的操作；

图7更详细示出用于本发明显示装置的采用后投射器的图像源；

图8示出LCD屏幕，该屏幕可将亮度均匀的准直光转变成空间强度变化的准直光；

图9示出本发明显示装置中微透镜屏另一实施例的透镜形状；

图10是信号祯结构，该结构包括时分复合传输若干3D图像的顺序时隙。

在这些图中相同的附图标记代表相同的部件。

图1是本发明自动立体图像显示系统的方块图，该系统可以根据观看者和图像选择制向n＝1，2，...或者N个观看者显示时分复合输入混合影像流信号VSS中M个原始的3D影像节目或者电视节目，这将在下面详细说明的。这些进入显示系统的M个原始3D影像或者电视节目中的各个节目由例如K个原始3D图像构成，这些3D图像由2D左眼和右眼视像构成，这些2D左眼和右眼视像中的各个视像聚焦在预定观看者的相应眼睛上。

这种时分复合输入混合影像流信号VSS包括承载3D图像IMij二维(2D)左眼和右眼视像Vlij和Vrij像素信息的周期性顺序的成对视像祯，其中i＝1，2，...K为构成影像节目j一系列K个3D图像中的编号，其中j＝1，2，...M，M是3D电视节目的总数，这些节目通过输入信号处理装置10输送到显示装置DD的图像源12。该图像源将输入信号处理器10来的像素电信息转换成由光束或者光线承载的光像素信息，该光束射到位于图像源12前方的所谓方向性光学系统14的后端。该输入信号处理器10同时将上述左眼和右眼视像Vlij和Vrij的视图编号信息i，j传送到方向性驱动器16，以便使显示装置DD的操作与图像源12的这些视像传送同步。

自动立体图像显示系统还包括观看点跟踪器VT，该跟踪器具有用于测量所有分别在显示装置DD观看范围内的观看者眼睛的xyz坐标的3D眼睛定位器18。这种观看点跟踪器VT本身是已知的，例如欧洲专利0946066所述。该3D眼睛定位器18连接于观看点控制信号发生器20，该信号发生器将表示观看点的控制信号输送到方向性驱动器16。该方向性驱动器16用视图编号信息i、j和上述表示观看点的控制信号产生方向控制信号，该方向控制信号输送到显示装置DD的方向性光学系统14。在上述方向控制信号的控制下，上述方向性光学系统14将承载左眼和右眼视像Vlij和Vrij像素信息的光束聚焦在允许观看上述影像或者电视节目j的预定观看者n的相应眼睛上。具体是，图像源12只将光线射到一个特定方向(所有的光线是平行的)。在图像源12的前方是方向性光学系统14，该光学系统可以改变光线的方向，以便进入一个人、若干人或者所有观看者的眼睛。该方向性驱动器16决定各个眼睛是否能独立的看到显示图像。该3D眼睛定位器18向方向驱动器16提供所有眼睛的xyz坐标，使得方向性驱动器16可正确调节该方向性光学系统14。

为清楚起见，下面参照图2A和2B根据由一系列3D图像IM1-IMK构成的单一3D影像或者电视节目说明本发明。该单一电视节目传送到三个观看者VP1-VP3。假定3D图像IM1-IMK中的各个图像分别由2D左眼和右眼视像V11-VlK和Vr1-VrK组成，该左、右眼视像由图像源12提供，以偶数和奇数视像祯的交替方式提供，该偶数和奇数视像祯分别发生在上述时分复合输入混合影像流信号VSS的偶数时隙t＝0、2、4、...和奇数时隙t＝1、3、5、...。在这上述偶数时隙中显示装置DD处于左视像模式，只处理左眼视像Vli(i＝1...K)，如图2A所示，而在上述奇数时隙中该显示装置DD位于右视像模式，只处理右眼视像Vri(i＝1...K)，如图2B所示。为了显示单一3D图像IMk和其分别发生在时隙2(k-1)和2k-1的2D左、右眼视像为Vlk和Vrk，方向性驱动器16控制方向性光学系统14，使上述偶数时隙2(k-1)中承载上述左眼视像Vlk像素信息的所有光束聚焦到与观看者VP1-VP3左眼观看点重合的左眼视像焦点上，并使上述奇数时隙2k-1中承载上述右眼视像Vlk像素信息的所有光束聚焦在与上述观看者VP1-VP3右眼观看点重合的右眼视像焦点上。由输入信号处理器10输送到方向性驱动器16的视像编号信息i可以使显示装置DD从左视像模式切换到右视像模式和进行相反切换的交替切换操作与2D左眼右眼视像Vli1和Vri1从图像源12传输到方向性光学系统的时分复合传输同步。由观看点跟踪器VT提供的上述表示观看点的控制信号可使左、右视像焦点与各个观看者双眼睛真实位置相匹配，采用这种表示观看点的控制信号可以使所有3D图像IM1-IMK的2D左、右眼视像Vl和Vr正确的有区别的聚焦到观看者VP1-VP3中各个人的双眼，造成在所有三个观看点VP1-VP3均可感觉到完全3D影像或者电视节目的正确3D图像，而与观看者的位置和在显示装置观看范围内的运动无关。

图3详细示出本发明上述显示装置DD的实施例。图像源12包括图像平面22、成像透镜24和菲涅尔透镜26。该图像平面22发射散射的承载2D左、右眼视像Vli和Vri像素的光束，以交替方式通过成像透镜24和菲涅尔透镜26，射到方向性光学系统14。该成像透镜24将向图像平面22来的光束转变成射向菲涅尔透镜26的一束发散光束。该菲涅尔透镜26将图像投射器的这种发散光束转变成平行光光束，这种平行光束又称为准直光，该图像投射器由图像平面22和成像透镜24共同组成。该方向性光学系统14在下游光的方向顺序包括视差屏障件28、微透镜屏30和类似的微透镜屏32，该屏30具有柱面透镜垂直柱的阵列，起水平散射器的作用，能够水平散射光，屏32垂直于屏30，起垂直散射器的作用，能够垂直散射光。这两个微透镜屏30和32可以分别产生水平散射和垂直散射，分别包括配置在纵行和横条上的透镜阵列，透镜宽度约为像素的宽度。透镜的宽度最好选择为等于像素宽度的0.3-3倍。各个条在散射角内散射光，对于微透镜屏30该散射角大于微透镜屏32的散射角，因为在水平方向的较宽的视角比垂直方向的角更重要。垂直散射微透镜屏32是固定的，可以用来增加在基某个垂直范围内观看点的投射光亮度，这种增加是靠牺牲超过上述某个垂直范围观看点的投射光亮度。该范围最好选择为可以基本上覆盖所有可能的垂直观看点位置。垂直散射微透镜屏32可以按另一种方式配置在视差屏障件28和水平散射微透镜屏30之间，或者配置在视差屏障件28和水平散射微透镜屏30二者的前面，而不必配置在水平散射微透镜屏30和观看者之间。应用微透镜屏32是选择性的，从本发明中省去该屏的原因下面说明。

视差屏障件28具有图案式垂直狭缝S，该狭缝是透光的，并由可调节的不透明屏障件区域相互分开。该狭缝S的宽度选择为显著小于像素的宽度，该宽度以后称作为子像素宽度。尽管宽度较小，但是通过狭缝的各个光束可承载单一像素的全部信息。因此，这些狭缝实现像素取样。因为最好使透镜的宽度为像素宽度的0.3-1倍，所以在重显图像时，样本之间的距离应充分小到能够避免发生不需要的影响(例如莫尔条纹)。通过视差屏障件28的狭缝S射到微透镜屏30的透镜阵列上的光束可以按图像像素划分光束群。在各个群中的光束分别承载同一像素的完全相同样本。上述可调节的不透明屏障件区域可以控制垂直狭缝，使其挡光或透光，因此能够控制水平散射特征，另外还可准确使狭缝S与微透镜屏30的透镜准直，以便准确定位从菲涅尔透镜26来的准直光入射到上述微透镜屏30透镜中的入射位置。视差屏障件最好对每个透镜宽度具有许多狭缝，约为10-1000个，换言之，可以选择狭缝的间距，使得对每个透镜狭缝数目约为10-1000个。

当视差屏障件28的狭缝S完全打开时(透过所有光时)，从菲涅尔透镜26来的准直光便在微透镜屏30的各个透镜上散射，沿所有水平的垂直方向散射，图4A中示出微透镜屏30一个透镜的散射。因此所有观看者可以同时看到3D图像IMk的2D左眼和右眼视像Vlk和Vrk，而这些视像之间没有显著差别，完全显示2D图像(没有3D效应)。显示的2D图像感觉为起源于微透镜屏30的位置。

为了显示本发明的3D图像，需要相对于微透镜屏30的透镜调节视差屏障件28的狭缝宽度和狭缝横向位置，使得通过视差屏障件28狭缝的准直光束可以进入到位于右入射点的相应透镜，从而形成上述光束的特定的可控折射角β_S，如图4B所示。

方向性驱动器16计算承载顺序产生的3D图像左、右眼视像像素信息的光束所需的特定狭缝图案和位置，以达到上述左、右眼视像显示在很特定空间方向的正确折射角。该视差屏障件28挡住从菲涅尔透镜26来的一些光束，并只在很特定的方向β_S显示3D图像。在此方向上图像强度或者亮度不改变。这种计算是根据在各个上述光束群中进入彼此平行的视差屏障件28的狭缝的光束。

与垂直入射角偏离的偏离角α_LS引起α_S偏离上述光束要求的折射角β_S，因此引起左、右眼视像焦点的模糊效应。这种偏离在很小时是可以接受的。角度α_S的大小取决于入射光的扩张角α_LS以及视差屏障件28的分辨率(狭缝S的宽度Δx)，如下面参照图7将要说明的。

如果上述偏离角α_LS很小，侧视差屏障件28的进入光线将沿大体垂直于视差屏障件28的平行方向进入视差屏障件28的狭缝S。各个散射光束的角度β直接由进入微透镜屏30透镜的相应光束的位于[-，]区间内的子像素位置x确定，如图4A所示。透镜的材料和形状确定函数β_S(x)，该函数描述出射光束的角度如何随入射光束的位置x变化。

在任意位置x的入射光束可以受到视差屏障件28的阻挡，由此可以控制出射光束的方向β_S。这样便可以向观看者选择性显示3D图像或者3D影像或者电视节目。

图5A分别示出在偶数时隙产生的可透过光束LB11和LB12的视差屏障件28的狭缝S11和S12，各个透过光束承载3D图像Vk的上述左眼视像Vlk共同像素的样本。方向性驱动器16控制视差屏障件28不透明屏障件区域，因此控制狭缝S11和S12，使得光束LB11和LB12进入透镜L的入射点可以正确位于在透镜中得到折射角β₁₁和β₁₂的位置，使出射光束LB11和LB12可以分别会聚在观看者VP1和VP2的预定左眼观看位置。图5B分别示出在奇数时隙中发生的透过准直光束LBr1和LBr2的视差屏障件28的狭缝Sr1和Sr2，各个准直光束承载3D图像Vk上述右眼视像Vrk的共同像素的样本。该方向性驱动器16控制视差屏障件28的不透明屏障件区域，由此控制狭缝Sr1和Sr2，使得光束LBr1和LBr2进入透镜L的进入点正确位于在透镜中获得折射角βr1和βr2的位置，使出射光束LBr1和LBr2分别会聚在观看者VP1和VP2的预定右眼观看位置上。为进行这种控制，方向性驱动器16可根据水平散射器透镜的折射率函数(随准直光线子像素位置的变化的折射角)计算真实的入射点。进行这种计算所要的参数是透镜材料、透镜形状和折射率，这些参数共同确定折射击函数。为了使预定的观看者(例如非用户)不能观看某种图像(例如付费频道)，该方向性驱动器16包括观看者选择装置，该装置可以控制视差屏障件，挡住承载像素的光束传送到一个或多个预定的观看点。

图6示出显示各种单眼视像不同像素时方向性光学系统操作。如上所述，该方向性光学系统14包括上述可调节的视差屏障件28，该屏障件28具有垂直图案的狭缝和上述微透镜屏30的直线透镜阵列，该透镜阵列与视差屏障件28准直，能够水平散射光线。这些透镜阵列具有与显示分辨率相当的间距。

只要视差屏障件28给出特殊条形的狭缝图案，例如狭缝图案Si0-Si2，则光线将沿特殊的可控的方向传播，如图6所示，将单眼视像的若干像素送到观看者。该方向性驱动器16计算使出射光线会聚在预定眼位置所需的屏障件图案。将一组不同的图像顺序传送到显示装置DD，而视差屏障件28可连续地将各个图像偏转到很特殊的方向。显示图像的平均亮度减小到原来亮度的1/q，q是不同图像的数目。

图7是用在本发明自动图像立体显示装置中的图像源装置12，该装置包括图像平面22和成像透镜24，该透镜24将眼睛观看的像素发射到方向性光学系统14，该方向性光学系统包括视差屏障件28和微透镜屏30。图中的虚线示出承载图像信息中一个像素的光束。该光束的传播方向在图像平面22和成像透镜24之间的区域v与垂直于成像透镜24平面的纵向中心轴偏离角度为α_IL此光束将在成像透镜中受到折射，改变其传播方向，在成像透镜24和屏之间的区域b构成角度α_LS从上述方向性光学系统14的微透镜屏30射出的光束与要求的方向偏离出射角α_S(在见图4B)。如果v＜＜b，则角度α_LS很小，因为： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{LS}}\≈{\mathrm{\α}}_{\mathrm{IL}}\frac{v}{b}---\left(1\right)$

角度α_LS越小和/或视差屏障件28的狭缝隙分辨率越高(即狭缝S的宽度Δx越小)，则出射光线的偏角α_S越小，并且在观看者眼睛处承载像素光束的聚焦点模糊程度越小。视角α_S的大小取决于入射光线扩张角α_LS和视差屏障件28的狭缝分辨率：

α_S＝β′_S(χ)Δχ+α_LS+α_letts             (2)

附加项模拟较小的透镜散射特性。显示像的总的视角为：

γ_S＝β_S()-β_S(-)                        (3)

对于在此总视角内独立的视像数目我们发现为： $N=\frac{{\mathrm{\γ}}_S}{{\mathrm{\α}}_S}---\left(4\right)$

在公式(2)中确定的各个方向内光线的亮度正比于： $I\∝\frac{1}{{\mathrm{\β}}_S^{\′}\left(x\right)\cos {\mathrm{\β}}_S\left(x\right)}---\left(5\right)$

大部分的出射光线从微透镜屏30相应透镜的相当小区域射出。在透镜的其它区域没有光线射出，因此在制作时这些区域可以用粘接剂，以便装配时进行粘接，或涂上黑漆，从而防止光线反射到观看者一侧(在现有投射装置中采用了类似技术)。

在本发明自动立体图像显示装置中，如图3所示以及图4-7详细示出的，将3D图像左、右眼视像时分复合显示给许多观看者，由于上述时分复合显示模式减小了平均的图像亮度，不管观看者的数目如何，只减小到原来亮度的1/2。

本发明这种自动立体图像显示系统其实际尺寸如下：

对于图像平面22、成像透镜24和菲涅尔透镜26可用Philips的LCOS系统，在这种系统中上述角度α_IL很小，因为采用平行光光源，因此根据公式(1)似乎可以忽略α_LS。

对于显示装置DD的微透镜屏30和32，其屏的尺寸为1m×1m，分辨率为1000×1000，平均观看距离为3m，眼睛之间的距离d_eye为6.5cm，这导致像素的尺寸为1mm²。

用作微透镜屏30和32的微透镜屏已经由PhILips制造，具有基本尺寸(例如10-20英寸)，并且已经用在具有LCD的微柱面透镜显示器上，例如如C.van Berkel的论文“Image Preparation for 3D-LCD”(SPIE Proceedings 3639，PP.84-91.1999)所述。在这种应用中，柱面透镜为部分圆柱形状，只形成较小视角。对于分别起水平和垂直散射器作用的微透镜屏30和32，其形状可以采用任何形状例如采用整个的柱面，以达到更大的视角。对于完全柱形透镜，折射函数为： ${\mathrm{\β}}_S\left(x\right)=2({\sin }^{-1}2x-s{\mathrm{in}}^{-1}\frac{2x}{n})---\left(6\right)$

其中n是透镜材料的折射率。对于n≈1.5(玻璃)，总的视角γ_S约为180°，然而亮度分布(公式5)很不均匀，(+/-2dB)。

假如n≈2并设定最大为：

|χ|≤0.45                          (7)

因此各个像素的约10％是不用的，如上所述，可以用这约10％作例如制造用途或者作增强结构用。此种范围也可以消除在极端观看点这亮度分布的不需要增加，因此总的视角为：

γ≈140°                           (8)

同时，在这个角度内亮度是均匀的(+/-0.35dB)。

对于垂直条的尺寸和数目等于像素数目乘以每个像素要求分辨率1/Δx的视差屏障件28，Δx的大小或宽度被确定为：

眼睛之间的距离和相对于微透镜屏30和32的观看距离导至最小的视角分辨率：

按照公式(4)：

可以根据具有基本尺寸(例如10-20英寸)的Philips的聚合物LC/凝胶层实施视差屏障件28的实用实施例，该LC/凝胶层可以在透明和不透明状态之间进行高速度电切换(H.de Koning，G.C.deVries，M.T.Johnson and D.J.Broer，“Dynamic contrast filter toimprove the luminance contrast performance of cathode raytubes”，in IDW 2000，国际显示学会2000年第7届会议的论文集)。在这一层中可以用平板印刷工艺形成任意图案。这导至很高的水平分辨率，该分辨率的数量级约为0.005像素宽度。

当本发明的自动立体图像显示系统的这一实用实施例的视差屏障件28切换到完全透明状态时，该系统起常规2D图像投射显示系统的作用。该视差屏障件28和微透镜屏30构成单一的平面装置。这样便容易装在现有的投射显示器上和现有的LCD显示器(具有准直后照光)上。

当入射光在微透镜屏30和32上受高度限制时(准直光)，微透镜屏30和32透镜形状的设计具有很高的自由度。这些透镜不需要遵守所谓薄透镜公式，该公式可赋与透镜在例如现有微柱面透镜显示器中所需的很确定的焦距f。唯一的要求是β_S变化很大(最好从-90°-90°变化)，并且在材料中不发生或者只发生很少的散射反射(α_LENS≈0)。

在上述实施例中，可以用圆形的微透镜屏透镜。取决于所用材料(例如玻璃纤维)，很容易制造这些透镜。为了改进性能或者简化制造工艺，也可以采用其它类型的透镜。

图8示出图像光源12的另一实施例，该实施例是基于利用平行光的背光源34和透射图像显示器例如LCD屏36。在此实施例中，平行的背光源34使光束射到透射图像显示屏36，在此显示屏中，光束由像素信息调制。可以利用激光装置、仅向一个方向发射光的方向性光源例如闪光灯，或者通过使常规散射光源(例如通常的灯泡、LED)与透镜例如与图3的菲涅尔透镜26相结合的方法来形成平行光的背光源34。视差屏障件28(未示出)可以放置在透射图像显示屏36和观看者之间，或者放置在背光源34和上述透射图像显示屏36之间。

图9示出用在微透镜屏30和/或32上的透镜横截面形状。这些透镜的宽度选择为约等于像素的宽度。如上所述，其实际值是像素宽度的0.3-1倍。

因为没有用到透镜侧边部分，所以可用这些部分将透镜粘接在一起或者在制造工艺中采用这些部分。这样便可以使不透明的粘接条将有关微透镜屏透镜的有用区域相互分开。为了防止视角受到限制和/或损失亮度，这些不透明的粘接条与透镜宽度相比应当相当小，例如最好为透镜宽度的0％-20％。

图10示出上述分时多路输入混合影像流信号VSS的信号祯结构，该信号祯结构包括用于分时多路传送三个3D影像或者电视节目的顺序时隙。在所示的例子中，时隙t1包括3D图像IMil(即第一影像或者电视节目的3D图像i)的二维(2D)左眼视像Vli1的像素信息，随后是时隙t2，该时隙包括3D图像IMi2(即第二影像或者电视节目的3D图像i)的二维(2D)左眼视像Vli2的像素信息，再后是时隙t3，该时隙包括3D图像IMi3(第三影像或者电视节目的3D图像i)的二维(2D)左眼视像Vli3的像素信息。时隙t3之后是时隙t4，该时隙t4包括上述3D图像IMi1的二维(2D)右眼视像Vri1的像素信息，该时隙t4之后是时隙t5，该时隙t5包括上述3D图像IMi2的二维(2D)右眼视像Vri2的像素信息，接着是时隙t6，该时隙包括上述3D图像IMi3的二维(2D)右眼视像Vri3的像素信息。时隙t6之后是时隙t7，该时隙t7包括3D图像IM(i+1)，1(即上述第一影像或者电视节目的3D图像(i+1))的二维(2D)左眼视像V1(i+1)，1的像素信息，随后是时隙t8，该时隙包括3D图像IMi2(即上述第二影像或者电视节目的3D图像(i+1))的二维左眼视像V1(i+1)，2的像素信息，随后是时隙t9等等。在时隙t1之前是时隙t0，该时隙t0包括3D图像IM(i-1)，3(即上述第三影像或者电视节目的3D图像(i-1))的二维(2D)右眼视像Vr(i-1)，3的像素信息，等等。

本发明的范围不限于所明确公开的实施例。本发明可以以各个新的特征和特征的各种联合方式实施。任何附图标记不限制权利要求书的范围。“包括”这一词不排斥除权利要求中举出的部件和步骤以外存在其它的部件或者步骤。在部件前面用“一个”这样的词不排除存在许多这样的部件。

例如，微透镜屏30和32的透镜阵列中各个透镜的横截面形状可以不同于上述的圆形形状或者半球形形状。甚至可以采用会产生某些像差的透镜。然而为了增大视角例如增大到约140°的视角，最好采用圆形透镜(纤维)。

Claims (18)

1.一种自动立体图像显示设备，其包括显示装置，该显示装置包括：图像源，该图像源将承载3D图像的左、右眼视像的像素的光束发射到微透镜屏上，该微透镜屏具有用于显示上述3D图像的透镜阵列；视差屏障件，该屏障件配置在该图像源和该微透镜屏之间，上述视差屏障件设置有透光的狭缝阵列，该透光狭缝由不透明区域分开，以用于使上述光束透射到上述微透镜屏的透镜阵列上；观看点跟踪器，该观看点跟踪器检测左、右眼睛的位置，并使上述显示装置跟踪这些位置，其特征在于，上述观看点跟踪器控制视差屏障件的狭缝，以改变上述光束射入该透镜的入射状态，从而影响上述透镜内的折射角，使得承载上述左、右眼视像的像素的出射光束可以分别会聚在与上述检测到的左、右眼位置重合的至少一个特定的左眼视像焦点上和至少一个特定的右眼视像焦点上。

2.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，该视差屏障件的狭缝具有子像素的宽度。

3.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，该微透镜屏的透镜具有的宽度显著大于该视差屏障件的狭缝的宽度。

4.如权利要求3所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，该微透镜屏的透镜具有的宽度基本上相当于像素宽度的0.3-3倍。

5.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，对于每个透镜宽度，该视差屏障件设置有许多狭缝，该狭缝数目约为10-1000个的数量级。

6.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，该微透镜屏的透镜阵列形成透镜的垂直列，该透镜在光学上由不透明的垂直条相互分开，每个条的宽度小于微透镜屏的透镜的宽度。

7.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，在微透镜屏的透镜阵列内的该透镜具有半球形截面。

8.如权利要求7所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，在微透镜屏的透镜阵列中的各个该透镜具有大于100°的视角。

9.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，在上述图像装置和上述视差屏障件之间设置菲涅尔透镜。

10.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，该图像源包含准直背光光源。

11.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，该视差屏障件为LCD型屏障件。

12.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，该视差屏障件为聚合LC/凝胶型屏障件。

13.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，上述微透镜屏的透镜阵列形成具有垂直透镜列的水平散射器，上述显示装置还包括垂直散射器，该散射器由许多水平的透镜行构成，该透镜的宽度基本上等于形成上述水平散射器的微透镜屏的透镜的宽度，上述垂直散射器定位在上述水平散射器的后面或者在其前面。

14.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，上述观看点跟踪器检测不同观看者的眼睛位置，微透镜屏的独立透镜接收来自许多狭缝的光束，该狭缝由检测到的观看者的数目确定。

15.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，上述3D图像的左、右眼视像由该图像源按照分时多路传输来发射。

16.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，观看者选择装置控制视差屏障件，以阻挡承载像素的光束透射给一个或多个预定的观看者。

17.如权利要求1所述的自动立体图像显示系统，其特征在于，上述图像源提供分时多路传输的3D图像中的不同3D电视节目，各个3D图像利用上述透镜内的折射角投射在许多观看者的左眼和右眼观看点上，上述折射角可通过上述观看点跟踪器调节视差屏障件的狭缝来控制，从而改变上述光束进入透镜的入射状态。

18.一种用在如权利要求1所述的自动立体图像显示系统中的显示装置。

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