專利名稱：一種顯示立體圖像的裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型的名稱是一種顯示立體圖像的裝置，是關于一種在普通圖像顯示設備的前面增加了一組滿足一定條件的一維凸透鏡，使得圖像的不同部分發(fā)出的光折射到不同的區(qū)域，從而在一定位置觀察到立體圖像的裝置的實用新型。
自從電影和電視等圖像顯示技術(shù)出現(xiàn)以后，人們一直在研究顯示立體圖像的技術(shù)，到目前為止，已經(jīng)有了一些實現(xiàn)方法，例如利用偏振光技術(shù)的立體電影、同步切換的屏幕圖象和遮擋眼鏡設備、觀察者追蹤和圖象位置同步調(diào)整設備、以及動態(tài)聚焦的多個二維圖象在三維空間顯示的設備等。但這些技術(shù)和設備都存在著一些缺陷，如觀察者必須佩帶眼鏡，不能供多個人同時觀看、設備太復雜等。
本實用新型的目的是提供一種顯示立體圖像的裝置，通過在普通的二維圖象顯示設備的前面增加一組特殊形狀的光學透鏡，有規(guī)律地改變二維圖象的每個像素發(fā)出或反射光線的方向，把應該分別由左眼和右眼看到的像素的光線折射到許多相鄰的區(qū)域，使觀察者的雙眼在處于某兩個相鄰區(qū)域時可以分別觀察到應該看到的像素，從而觀察到立體圖像。
下面講述本裝置的技術(shù)方案。我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降膱D像顯示設備(以下簡稱屏幕)，絕大多數(shù)是用顯示點陣的方式顯像的，其中的彩色圖像也大多數(shù)是利用了三基色原理。這些屏幕上分布著許多細小的單色或基色點。對于普通屏幕，由于觀察者兩眼可以看到每個點發(fā)出的光，因此兩眼看到的圖像是一樣的，即看到的是一幅平面圖像。根據(jù)人們觀察到立體圖象的原理可知，形成雙眼立體視覺的因素有多種，其中最主要的是雙眼視差和輻輳。如果我們能讓觀察者的兩眼看到的圖像不同，就可以觀察到立體圖像了。
根據(jù)上面的分析，在制造屏幕時，可以在發(fā)光點的前面增加一組橫向相鄰排列、縱向呈條狀的透鏡。這組透鏡的每一個在水平方向是凸透鏡，其橫剖面是彎曲的；在豎直方向是平的，其縱剖面是直的。我們暫時將每個透鏡稱為一維凸透鏡。這組一維凸透鏡可以使其后面的發(fā)光點所發(fā)出的光會聚到某個方向，使觀察者左眼和右眼所在的區(qū)域接收到不同發(fā)光點發(fā)出的光，使雙眼看到兩幅不同的圖像。
由于采用上述方案，只需要在普通屏幕前面增加一組一定形狀的透鏡，即可使觀察者看到立體圖象，因此該裝置具有成本低、制造工藝簡單、對傳統(tǒng)顯示設備的改造容易實現(xiàn)、觀察者不用佩帶任何附加裝置等主要特點。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1使本實用新型的組成原理圖。圖中1是3個一維凸透鏡，2是6個分別應由右眼和左眼觀察到的像素。
圖2是透鏡光心到像素平面距離d大于透鏡焦距f且小于2倍焦距(f＜d＜2f)時的光路圖，圖中的3條豎線從左到右分別是4個像素觀察區(qū)域、兩個透鏡和兩個像素。
圖3是透鏡光心到像素平面距離d等于透鏡焦距f(f＝d)時的光路圖，圖中的3條豎線從左到右分別是4個像素觀察區(qū)域、1個透鏡(另一個未畫出)和兩個像素。
圖4是透鏡光心到像素平面距離d小于透鏡焦距f(f＞d)時的光路圖，圖中的4條豎線從左到右分別是4個像素觀察區(qū)域、2個透鏡、4個像素和4個像素分別由下面的透鏡形成的虛像。
圖5是透鏡光心到像素平面距離d小于透鏡焦距f(f＞d)時的光路圖，用于說明可看到某個像素的觀察區(qū)域?qū)挾群湍軌蛲瑫r看到該像素及其相鄰像素的觀察區(qū)域?qū)挾鹊膶Ρ惹闆r。
圖6是f＜d＜2f時的多透鏡多像素光路圖。
圖7是f＝d時的多透鏡多像素光路圖。
對于這組一維凸透鏡，我們可以用定量計算的方法確定其參數(shù)。首先假定屏幕是純平面的，那么這組一維凸透鏡也是排列在一個平面上。在下面的敘述中，我們用“像素”一詞來表示屏幕分辨率確定的最小點。另外，為了計算方便，后面的敘述以某一尺寸的便攜式計算機的液晶顯示屏的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)。計算分以下幾個步驟一、確定觀察區(qū)域的寬度W。為了最大限度地保證圖像質(zhì)量，我們規(guī)定水平方向相鄰的兩個像素發(fā)出的光要射向某兩個相鄰的觀察區(qū)域。由于一維凸透鏡的作用，屏幕前面的空間被分成若干豎直條狀的觀察區(qū)域。在某個區(qū)域中，只能看到左眼可以看到的圖像，在其左右相鄰的兩個區(qū)域中，只能看到右眼可以看到的圖像。根據(jù)調(diào)查，成人的瞳距一般為58-72mm，在此我們?nèi)∮^察區(qū)域的寬度為W＝60mm。
二、確定像素寬度p、觀察距離D。我們以對角線為12英寸的LCD屏幕的各種參數(shù)為例來計算。屏幕寬與高的比為4∶3，最大分辨率為800×600，則每個像素的寬和高為p＝0.3048mm。根據(jù)實際情況，我們將觀察距離定為D＝400mm。
三、計算一維凸透鏡的參數(shù)和物距。令一維凸透鏡的焦距為f，物距為d，分情況討論如下(一)f＜d＜2f此時的光路圖如圖2所示，其中1、2為相鄰兩個一維凸透鏡，寬度為w；R、L分別為右眼和左眼可以看到的兩個像素，寬度為p；物距為d；觀察距離和像距分別為D和d’，并且D＝d’；L1、R1為L和R通過凸透鏡1所成的像，L2、R2為L和R通過凸透鏡2所成的像，寬度為p’，觀察寬度W＝p’。令凸透鏡焦距為f，根據(jù)平面幾何和光學理論，可得到以下方程組 解方程組，得 將p＝0.3048，d’＝400，p’＝60代入上述結(jié)果，得d＝2.032f＝2.0217296w＝0.6065188上述結(jié)果表明，如果在寬高比為4∶3、對角線為12英寸、最大分辨率為800×600的LCD屏幕前面距像素為2.032mm的距離處放置一組寬為0.6065188mm、焦距為2.0217296mm的一維凸透鏡，則在距凸透鏡400mm處的觀察者可以在若干位置看到立體圖像，且瞳距為60mm的觀察者具有最佳的觀察位置，如圖6所示。(二)f＝d
此時的光路圖如圖3所示。圖中所有變量與情況(一)相同，則有方程組{wf=2p′D+fw-pf=p′-pD+f]]>解方程組，得{w=2p′pp′+pf=pDp′]]>將p＝0.3048，D＝400，p’＝60代入上述結(jié)果，得f＝2.302w＝0.6065188上述結(jié)果表明，如果在寬高比為4∶3、對角線為12英寸、最大分辨率為800×600的LCD屏幕前面距像素為2.032mm的距離處放置一組寬為0.6065188mm、焦距為2.032mm的一維凸透鏡，則在距凸透鏡400mm處的觀察者可以在若干位置看到立體圖像，且瞳距為60mm的觀察者具有最佳的觀察位置，如圖7所示。(三)f＞d此時的光路圖如圖4所示。圖中所有變量與情況(一)相同，則有方程組 其中p，d’，p’為已知量。解方程組，得 將p＝0.3048，d’＝400，p’＝60代入上述結(jié)果，得d＝2.032f＝2.0423753w＝0.6065188上述結(jié)果表明，如果在寬高比為4∶3、對角線為12英寸、最大分辨率為800×600的LCD屏幕前面距像素為2.032mm的距離處放置一組寬為0.6065188mm、焦距為2.0423753mm的一維凸透鏡，則在距凸透鏡400mm處的觀察者可以在若干位置看到立體圖像，且瞳距為60mm的觀察者具有最佳的觀察位置。
但是，由于觀察到的是虛像，因此還需要進一步分析觀察區(qū)域。再考察如圖5所示的光路圖，圖中P為能夠觀察到某一像素的范圍的寬度，W為能夠同時觀察到相鄰兩個像素的范圍的寬度。由于D＝d’，因此W＝2w＝1.21303777，P＝W+p’＝61.21303777。將上圖擴展為多凸透鏡多像素的情況，我們可以發(fā)現(xiàn)，能夠只觀察到左眼(或右眼)應該觀察到的一組像素的觀察范圍寬度為58.78696223mm，而能夠同時觀察到左眼和右眼應該觀察到的兩組像素的區(qū)域?qū)挾葹?.21303777mm。因為W遠小于P，因此f＞d的情況也可以形成若干個比較理想的觀察區(qū)域。
上述用定量計算來說明的原理表明，在f＜d＜2f、f＝d、f＞d三種情況下，都可以找到合適的透鏡參數(shù)、透鏡與像素距離參數(shù)和觀察區(qū)域參數(shù)，達到顯示立體圖象的效果。在實際應用中，對材料質(zhì)量、制作工藝等會有一定的要求。另外，對存在的兩點問題進行一下說明和分析一是顯示器光柵問題，二是折射率和頻率的問題。
一、顯示器光柵問題。仔細觀察電視機或顯示器，會發(fā)現(xiàn)這些屏幕上紅綠藍三種像點都是依次橫向排列，而且豎直方向的長度大于水平方向的長度。在上述討論中的觀察區(qū)域內(nèi)看到的圖像都是經(jīng)過放大了的圖像，而彩色顯示器所依賴的三基色原理，正是以人眼的分辨能力有限為基礎的。如果將像點放大，則觀眾看到的每個像點都會發(fā)生彩色失真。解決這個問題的辦法之一是將顯示器件的像點“橫過來”。由于一維凸透鏡在水平方向上會將像素放大，而在豎直方向上不影響像素發(fā)出的光線，因此如果顯示器件的紅綠藍像點豎直排列，那么三基色原理便可以不受一維凸透鏡的影響。
二、折射率和頻率的問題。對于固定頻率的光和固定的兩種光傳輸媒介來說，其相對折射率是定值，但如果光頻率變化，則折射率也會改變。折射率和頻率的關系可用下式表示n2-1n2+2=4π3Ne2m(ω02-ω2)]]>其中n為折射率，N為分子數(shù)密度，e為電子的電荷，m為電子質(zhì)量，ω0為共振(吸收)頻率，ω為光的頻率。由此可知，在正常色散區(qū)，折射率是頻率的遞增函數(shù)。不過，因自由原子的吸收頻率幾乎全部落在紫外光譜區(qū)，因此可見光n＞1。根據(jù)1931年國際照明委員會的規(guī)定，選水銀光譜中波長為700nm的紅光為紅基色光，波長為546.1nm的綠光為綠基色光，波長為435.8nm的藍光為藍基色光。這樣，一維凸透鏡對于這三中不同頻率的光折射率不同，從而形成的觀察區(qū)域?qū)挾纫膊煌?，在邊緣會有重疊現(xiàn)象，即所謂的色差。
解決這個問題的辦法之一是根據(jù)橫向的像點高度將一維透鏡在豎直方向分為相應的若干段，每段的折射率不同，從而使每段透鏡后面的像點的觀察范圍寬度相等。不過這將使觀眾的觀察位置被進一步限制，也就是說，在水平方向有若干個位置、豎直方向可能只有一個高度可以看到立體圖像。不過，根據(jù)設計人研究的模型來看，上面所述的頻率與折射率之間的關系對于觀察區(qū)域的影響不是很大，可以忽略不計。另外，在實際生產(chǎn)過程中，透鏡的材料可以選取高折射率、低色散的玻璃來消除色差，同時采取一些方法在最大程度上消除象差。
本設計提出的立體圖像顯示裝置有以下優(yōu)點一、與普通電視兼容。根據(jù)本設計制造的立體電視的原理和立體聲廣播的原理很相似，調(diào)制部分在發(fā)送普通電視機信號的同時增加另外一路信號，立體電視機可以把兩路信號都解析出來，而普通電視機只需解析其中的一路信號，因此可以很好地與普通電視兼容。
二、觀察者不必佩帶任何眼鏡。
三、多個觀眾可同時觀看。
四、每個觀眾可以選擇若干觀看的位置(區(qū)域)。
五、原理簡單，制造成本低廉，應用于立體電視時，對現(xiàn)有線路、設備的改造費用也比較低。
這種裝置也存在著一些缺點一、清晰度降低一半。解決的方法之一是應用于高清晰度電視。另外，雖然每只眼睛觀察到的像點個數(shù)會降低一半，但由于一維凸透鏡的放大作用，每個像點的寬度會增加一倍，因此每只眼睛觀察到的整個圖像的大小不會改變。
二、刷新頻率降低一半會造成頻閃。解決方法之一是提高場頻(例如加倍)。
三、觀察距離受到限制。
參考資料[1]《電視原理》，余斯樂、郭福云、李桂苓、侯正信編著，國防工業(yè)出版社，1999年3月。[2]《光纖通信入門》，(日)末松安晴、伊賀健一著，劉時衡、梁民基譯，國防工業(yè)出版社，1981年2月。[3]《應用物理光學》，嚴瑛白編，機械工業(yè)出版社，1990年11月。[4]《電磁學》，趙凱華、陳熙謀，人民教育出版社，1981年3月。[5]《應用光學》上冊，張以謨主編，機械工業(yè)出版社，1982年2月。[6]《光學原理》，M玻恩、E沃耳夫著，楊葭蓀等譯，科學出版社，1978年。
權(quán)利要求1.一種顯示立體圖像的裝置，其特征在于在顯示圖像的設備中，在發(fā)光點的前面增加一組橫向相鄰排列、縱向呈條狀的透鏡，使構(gòu)成圖像的某些部分發(fā)出的光折射到某些指定的區(qū)域，從而使觀察者在特定的區(qū)域內(nèi)觀察到立體圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顯示立體圖像的裝置，其特征是透鏡為橫向排列的縱向條狀透鏡，形成的觀察區(qū)域為若干縱向條形區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顯示立體圖像的裝置，其特征是透鏡將把圖像中左、右眼應該看到的部分發(fā)出的光分別折射到一定距離處相鄰的左、右眼觀察區(qū)域中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種顯示立體圖像的裝置，其特征是透鏡橫向焦距為有限大小的定值，縱向焦距為無窮大。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種顯示立體圖像的裝置，其特征是透鏡為凸透鏡。
專利摘要本實用新型的名稱是一種顯示立體圖像的裝置,其原理是在普通圖像顯示設備的前面增加了一組橫向相鄰排列、縱向呈條狀的透鏡。這組透鏡的每一條在水平方向是凸透鏡,在豎直方向是平的,可以使其后面的發(fā)光點所發(fā)出的光會聚到某個方向,使得圖像的不同部分發(fā)出的光折射到不同的區(qū)域,使觀察者左眼和右眼所在的區(qū)域接收到不同發(fā)光點發(fā)出的光,從而在某些位置觀察到立體圖像。
文檔編號G02B27/22GK2503508SQ0020457
公開日2002年7月31日 申請日期2000年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月12日
發(fā)明者王全義 申請人:王全義