裸眼立體視覺顯示器的製作方法

2023-10-10 22:59:14 2

專利名稱：裸眼立體視覺顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及顯示影像的顯示器裝置，人在不佩戴特別的眼鏡等用於得到立體視覺的設備的情況下就能夠立體觀察該影像。
背景技術：
通過使用擋板式眼鏡能夠顯示立體影像的三維電視機已投入市場，從而立體顯示器的市場被激活。作為下一代立體視覺顯示器，正在研究在不佩戴如擋板式那樣的特殊的眼鏡等用於得到立體視覺的設備(在本說明書中將該情況稱作裸眼)的情況下就能夠感覺到立體影像的裸眼立體視覺顯示器的技術。作為實現裸眼立體視覺的技術，有在M.G. Lipp mann "Epreuvesreversibles donnant la sensation du relief,"J. de Phys. ,vol. 7,4th series, pp. 821-825，November 1908.(稱作文獻1)中記載的立體照相方式(以下稱作IP 方式)。IP方式是在縱向和橫向上均再現立體感的技術。在基於IP方式的立體視覺顯示器中，在液晶顯示器等顯示器上重疊微透鏡陣列， 來作成指向性的光線空間，由此實現在上下左右的所有方向上具有視差的全視差。在該方式中，通過微透鏡來放大構成液晶顯示器的像素的紅、綠、藍(RGB)的子像素，在進行立體視覺時，存在所看到的顏色分離的問題。與此相對，在日本特開2002-2^974號公報(圖1， 段落OOM 0030)(稱作文獻2)中，公開了通過在液晶顯示器和微透鏡陣列之間設置擴散板，來對子像素的顏色進行混色的方法。此外，在IP方式中，如何增加光線信息成為提高立體感的關鍵，但是在日本特開 2008-1395M號公報(圖1，段落0006 0009)(稱作文獻3)中，公開了通過將多個投影儀的影像重疊投影來增加光線信息量的技術。在文獻3的方法中，從投影儀投影的光線通過微透鏡之後，聚光到非常小的區域 (下面，將該區域稱作偏向支點)，以該區域作為支點，作為指向性的光線進行擴散，所以在人觀察立體視覺顯示器時，能夠識別為非常小的像素。若充分緊密地排列投影儀從而相鄰的上述偏向支點彼此充分近，則沒有問題，但是在現實中，其間隔較寬，存在人在觀察畫面時感覺到不平滑且有間隙的影像的問題。若這樣感覺到像素間的間隙，則即使存在有很多像素數，也存在會導致立體感或畫質感受損的結果的問題。

發明內容
因此，在本說明書中，公開了如下的結構通過在聚光光學單元和投影儀等出射單元之間設置擴散單元，由此使入射到聚光光學單元中的來自出射單元的光線擴散，加大偏向支點的面積。更具體而言，公開了一種裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於，具備出射單元 』聚光光學單元，排列有多個對來自該出射單元的光線進行聚光的光學單元；以及擴散光學單元，在該聚光光學單元和多個出射單元之間，使來自該出射單元的光線的擴散變大，
擴散光學單元的設置位置在包含了多個出射單元的焦深的成像範圍與聚光光學單元的焦深範圍之間共同的範圍內。作為聚光光學單元，例如對應微透鏡陣列或雙凸透鏡片等設備。擴散單元具有使出射的光線的角度比入射的光線大的功能。所以，例如對應於被稱為擴散板或擴散片的設備。投影儀等影像投影裝置對應於出射單元。通過上述方式，人感覺為像素的區域變寬，很難識別到像素間的間隙。發明效果根據公開的技術，能夠得到所顯示的立體影像變平滑且提高立體感和畫質感的效^ ο


圖1是示出在聚光光學設備上使用了微透鏡陣列的實施方式的結構的模式圖。圖2是示出在聚光光學設備上使用了兩片雙凸透鏡片的實施方式的結構的模式圖。圖3是示出關注一個透鏡時的以往的光線的模式圖。圖4是示出關注一個透鏡時的實施方式的光線的模式圖。圖5是示出使用了 9臺投影儀的實施方式的結構和偏向支點的樣子的模式圖。圖6是示出在視點與微透鏡陣列之間設置了擴散板的實施例的模式圖。
具體實施例方式關於將微透鏡陣列用作聚光光學設備、將擴散板用作擴散設備、將投影儀用作影像投影裝置的情況下的實施例，使用圖1來進行說明。從投影儀組1向微透鏡陣列2進行重疊投影。人在圖1的右側，從右眼3、左眼4 的位置觀看微透鏡陣列方向。從投影儀組1出射的光線在擴散板7擴散了光線之後，入射到微透鏡陣列2中，暫時聚光之後，作為指向性的光線而擴散。在人的左右眼中，根據其位置，有選擇地入射從投影儀出射的光線的一部分(圖中的5、6)，通過輸出具有視差的信息來作為光線信息，能夠用裸眼進行立體觀察。使用圖3和圖4，進一步對擴散板7的效果進行說明。圖3示出沒有擴散板7的現有例子。在圖3中，示出了投影儀1位於下側、光線朝向上側出射的狀態，關注來自1臺投影儀的三個像素(圖中的33、34、35)，為了便於說明，1 個像素設為1個光線，示出了各個光線。來自投影儀的光線在投影儀的位置32成像，所以通過在該位置設置屏幕，能夠顯示影像。其中，如後所述，屏幕的設置位置只要在包含位置32的投影儀的焦深範圍之內就可以。但是，若不設置屏幕，而將微透鏡陣列2設置在從位置32離開微透鏡的焦距f的位置，則當關注微透鏡陣列2的一個透鏡31時，從投影儀的像素33、34、35入射到透鏡31 的光在位於離開透鏡的焦距f的位置上的區域，即偏向支點36上聚光並交叉之後，向各個方向擴散。於是，在人從圖3的上側觀察下側時，圖中38所示的範圍成為視域，只要是在該角度範圍內，則指向性的光線進入眼中，能夠作為偏向支點36的大小的像素而被感覺。此外， 在該圖中，雖然為了便於說明，將來自投影儀的像素作為非常小的點來示出，但是實際上具有某種程度的大小，從透鏡31出射的光線並不是如圖中那樣平行的光線，而是逐漸擴散的光線，所以，在視域38的範圍內，能夠作為連續的光線被感覺，而不是作為離散的光線。此時，由於與從投影儀到位置32的距離相比，微透鏡陣列2的焦距f非常短，所以偏向支點36成為很小的區域。接著，使用圖4，對實施方式的擴散板的效果進行說明。在圖4中，將擴散板7設在作為投影儀的成像位置且作為微透鏡陣列2的焦點位置的位置32。該擴散板7使來自投影儀的光線稍微擴散(+S)，與圖3相比，使像素33、34、35的光線稍微變寬。於是，來自投影儀的光線與圖3相比，成為粗光線之後，從透鏡31出射，偏向支點36與圖3相比，感覺為較大的像素。使用圖5，說明偏向支點感覺為較大的像素這樣情況對立體影像的畫質或立體感帶來的影響。圖5(a)是將9臺投影儀用作投影儀組1的例子，示出了朝向擴散板7、微透鏡陣列2重疊投影的狀態。圖5(b)是關注圖5(a)的一個透鏡時的圖，示出只取3臺的投影儀來示出光線的狀態。圖5(b)中的實線、點線、虛線的箭頭分別示出來自各自不同的投影儀的光線，示出來自各投影儀的光線分別被聚光到偏向支點51、52、53的情況。圖5(c)是示出在圖5(a)的圖從上向下方看時的透鏡陣列和偏向視點的狀態的一部分的圖。當微透鏡陣列2作為四邊形的透鏡鋪滿時，在一個透鏡內可看見9臺投影儀的9個偏向視點。此時，示出以橫向為X，縱向為y，偏向支點的直徑為Dx、Dy，偏向支點的中心之間的距離為Px、 Py，偏向支點之間的間隙為Sx、Sy。如圖3所示的例子那樣，在為不放入擴散板的現有技術的情況下，從人的視點觀察偏向支點51、52、53時的直徑(Dx, Dy)變小，偏向支點之間的間隙(Sx, Sy)變大。於是， 觀察者感覺到間隙，像素被看成較粗而感覺為粗糙的畫質，損害立體感。因此，通過設置擴散板7，使偏向支點的直徑變大，偏向支點間的間隙變小，能夠感覺為光滑的圖像，能夠提高立體感。此時，只要將偏向支點間的間隙(Sx、Sy)設為觀察者的知覺分辨能力以下就可以。觀察者的知覺分辨能力取決於視力，例如，視力為ι. O的人具有1/60的角度分辨能力。 偏向支點之間的間隙的最大值只要根據所假定的視力和顯示器的視距來規定就可以。對用於實現這樣的偏向支點之間的間隙的、擴散板的擴散角度進行說明。此外，下面，假定縱橫同性的情況，但是在各向異性的情況下，只要在縱橫方向上獨立考慮就可以， 作為擴散板，使用作為公知的各向異性擴散板的Light Shaping Diffuser (http//www. osc-japan. com/solution/lsd08)等，只要由此控制縱橫的擴散角度就可以。首先，在設擴散板的擴散角度為δ時，定義計算所需要的要素。設立體顯示器的視距為L，假定的觀察者的角度分辨能力為α，投影儀的像素成像時，設1個像素的大小為 d，成像為像素的光線的成像角度為θ (參照圖4)，偏向支點之間的距離為P，微透鏡的焦距為f。此外，在像素的形狀為正方形或長方形的情況下，D、d成為橫向(或縱向)的像素寬度。
首先，能夠用以下的式(1)，求出偏向支點的大小D。數學式1D = d+2XfXtan( θ /2) (1)接著，為了將偏向支點之間的間隙S設為觀察者的角度分辨能力α以下，需要滿足以下的式O)。數學式2S = 2 X tan-1 {(P-d-LX tan ( α )) / (2 X f)} - θ(4)此外，在本實施例中，投影儀的成像範圍比微透鏡陣列2的焦深寬，所以設置擴散板7的位置只要是在包含來自投影儀的光線的成像位置在內的投影儀的焦深範圍之內並且在包含微透鏡陣列2的焦點位置在內的焦深範圍內就可以。此外，本實施例中的來自投影儀的光線能夠出射混色後的真彩色光線。接著，使用圖2，對使用雙凸透鏡作為聚光光學設備的實施例進行說明。在圖2中， 代替圖1的微透鏡陣列，使用2片雙凸透鏡片(圖中20、21)。使用兩片擴散板，在雙凸透鏡片20的焦點位置設置擴散板22，在雙凸透鏡片21的焦點位置設置擴散板23。投影儀的成像範圍(包含來自投影儀的光線的成像位置在內的投影儀的焦深範圍)與雙凸透鏡的焦距相比充分寬，所以只要在投影儀成像範圍內設置雙凸透鏡片20、21、擴散板22、23就可以。如本實施例所示，通過使用雙凸透鏡，能夠將上下方向和左右方向的透鏡間隔單獨設置，根據立體視覺顯示器的用途，能夠單獨地控制偏向支點的縱橫像素數、以及從偏向支點出射的光線的縱橫數量。此時，在縱向或橫向的偏向支點的像素數足夠多、如上述式 (4)的δ的最小值為0以下的情況下，不需要在該方向上進行擴散。此外，還存在能夠以比微透鏡陣列低的成本製造雙凸透鏡的可能性。作為其他實施例，也可以使用利用了衍射效果的全息光學元件作為聚光光學設備。全息光學元件也能夠如上所述的雙凸透鏡那樣使用，也可以組合雙向的聚光光學設備來製作成一個薄板。因此，擴散板成為一片，只要設置在全息光學元件的焦點位置就可以。接著，用圖5 (a)，對根據位置來改變擴散板的擴散角度的實施例進行說明。在該圖中，用50表現了從中央的三臺投影儀出射光線的區域，但示出了被設置成投影儀的重疊數量根據場所而不同的情況。即，在區域陽重疊了來自3臺投影儀的光線，但是在區域56隻存在來自2臺投影儀的光線，在區域57隻存在來自1臺投影儀的光線。作為理想的立體視覺顯示器，希望在整個區域重疊數量相同，但是在現實中，由於各種制約條件而有時很難實現，或者根據使用立體視覺顯示器的用途而有時沒有問題，所以也允許這種設置方式。在該情況下，圖5 (c)的每一個微透鏡的偏向支點的數量變化，Px、Py根據投影儀的重疊數量而發生變化。因此，並不是擴散板的擴撒角度在整個擴散板上相同，而是以符合根據投影儀的重疊數量來求出上述擴散角度S的式子的方式進行定義。根據本實施例，即使在根據場所而投影儀的重疊數量變化的情況下，在整個畫面上也能夠實現光滑的畫質。實施例5接著，使用圖6，對將擴散板還設置在聚光光學設備和視點之間的方法進行說明。 在本實施例中，在微透鏡陣列2和視點之間也設置擴散板61。擴散板7的擴散角度成為較小的角度。這樣的擴散板根據製造方法，有時在面內的擴散角度上產生偏差。在該情況下，有時會感覺看起來不光滑或眩目。因此，通過利用擴散板61再次進行擴散，使偏差接近均勻。在此，若考慮不設置擴散板7、而只設置擴散板61的情況，則在擴散板61，具有偏向支點的大小不發生變化、而光線的擴散變大的效果。通過來自相鄰的投影儀的光線相互混合來實現圖像的光滑，從而作為立體影像感覺為模糊。相對於此，通過並用擴散板7使擴散板61上擴散的角度較小就可以，所以能夠使得立體影像的模糊止於最小限度。
權利要求
1.一種裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 具備出射單元；聚光光學單元，排列有多個對來自上述出射單元的光線進行聚光的光學單元；以及擴散光學單元，在上述聚光光學單元和上述多個出射單元之間，使來自該出射單元的光線的擴散變大，上述擴散光學單元的設置位置在包含上述多個出射單元的焦深的成像範圍與上述聚光光學單元的焦深範圍之間共同的範圍內。
2.根據權利要求1所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於，上述擴散光學單元具有從該出射單元擴散出射光線的擴散角度，以使得在來自一個出射單元的多個像素的光線通過上述聚光光學單元聚光而交叉的區域被稱作偏向支點時，從多個出射單元生成的偏向支點中的相鄰的偏向支點的間隙成為人的知覺分辨能力以下。
3.根據權利要求2所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於，設上述擴散單元的擴散角度為S，該裸眼立體視覺顯示器的視距為L，觀察者的角度分辨能力為α，出射單元的已成像的1個像素的大小為d，成像為像素的光線的成像角度為 θ，偏向支點之間的距離為P，聚光光學單元的焦距為f時， 上述擴撒角度S滿足下式 δ > = 2 X tarT1 {(P-d-LX tan ( α )) / (2 X f)} - θ。
4.根據權利要求1所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用微透鏡陣列。
5.根據權利要求2所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用微透鏡陣列。
6.根據權利要求3所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用微透鏡陣列。
7.根據權利要求1所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用兩個雙凸透鏡片，對各個雙凸透鏡片設置擴散光學單元。
8.根據權利要求2所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用兩個雙凸透鏡片，對各個雙凸透鏡片設置擴散光學單元。
9.根據權利要求3所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用兩個雙凸透鏡片，對各個雙凸透鏡片設置擴散光學單元。
10.根據權利要求1所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用全息光學元件。
11.根據權利要求2所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 上述聚光光學單元使用全息光學元件。
12.根據權利要求1所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 在上述聚光光學單元和視點之間，設置第二擴散光學單元。
13.根據權利要求2所述的裸眼立體視覺顯示器，其特徵在於， 在上述聚光光學單元和視點之間，設置第二擴散光學單元。
全文摘要
裸眼立體視覺顯示器。在不使用屏幕而使用多個投影儀組和透鏡單元製造光線空間的立體視覺顯示器中，由於人感覺到的像素的大小較小、像素間的間隙較大，所以存在有圖像的平滑度損失、感覺立體感較差的技術問題。本發明通過提供一種裸眼立體視覺顯示器，裸眼立體視覺顯示器中在投影儀組和透鏡單元之間設置擴散板，擴散來自投影儀組的光線，由此使光線變成感覺像素彼此之間鄰接那樣的程度的大小。從而能夠實現圖像的平滑的表現和具有較高的立體感的影像顯示。
文檔編號G02B27/22GK102411208SQ201110038308
公開日2012年4月11日 申請日期2011年2月15日 優先權日2010年9月22日
發明者及川道雄, 坂井秀行, 小池崇文, 山崎真見, 池田英博, 瀨尾欣穗 申請人:日立民用電子株式會社