專利名稱：立體圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及立體圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
所謂顯示多個(gè)視差圖像的整體成像法(下面簡稱為IP方法)或光線再生法，都是利用某種方法將立體圖像記錄下來，然后再將其還原為立體圖像的方法。假設(shè)用左右眼看物體時(shí)，看近距離處的A點(diǎn)時(shí)與左右眼成α角，看遠(yuǎn)距離處的B點(diǎn)時(shí)與左右眼成β角，α和β將隨著該物體和觀察者的位置關(guān)系的變化而有所不同。(α-β)稱為兩眼視差，通過兩眼視差人類可以敏感地獲得立體視覺。
近年來，無需眼鏡的立體顯示裝置的開發(fā)進(jìn)展迅速。其中大多采用常規(guī)的二維顯示裝置，通過在該顯示裝置的前面或背面安裝某種光線控制元件，利用上述的兩眼視差，控制顯示裝置的光線角度，使得觀察者在觀看時(shí)宛如光線是從距離顯示裝置前后數(shù)厘米(cm)處的物體發(fā)出的。其背景是通過顯示裝置的高清晰化，將顯示裝置的光線分成若干種角度(稱為視差)，從而可得到某種高清晰的圖像。
在無需眼鏡的立體顯示裝置中，首先對(duì)在水平方向施加視差的顯示裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要說明。該顯示裝置在二維圖像顯示裝置和觀察者間安裝有光線控制元件。將從某個(gè)觀察方向觀看時(shí)的圖像信息大部分顯示在二維圖像顯示裝置上，當(dāng)觀察者透過安裝在顯示面前面的狹縫、孔隙、微型透鏡或雙面凸透鏡(lenticular)等帶有開口部或遮斷部的陣列板(光線控制元件)觀察圖像時(shí)，可顯示出與觀察方向相應(yīng)的立體圖像。由于該立體顯示裝置可以多視差顯示，因此即使觀察者走動(dòng)也能看到與其位置相應(yīng)的圖像。換言之，該立體顯示裝置能顯示運(yùn)動(dòng)視差，因而能實(shí)現(xiàn)自然的立體視覺。另外由于還原立體圖像的光線與實(shí)物實(shí)際配置時(shí)按同樣的路徑傳播，故具有不會(huì)產(chǎn)生視野沖突問題的優(yōu)點(diǎn)。
生成視差圖像并通過開口部將視差圖像顯示為各個(gè)像素信息的方法大致分為兩種，一種是由像素側(cè)產(chǎn)生還原立體圖像的光線進(jìn)行圖像映射的方法，另外一種是從觀察者視點(diǎn)位置使光線對(duì)著像素逆向傳播進(jìn)行圖像映射的方法。在此為區(qū)別起見，將采用前一方法進(jìn)行圖像映射稱為IP方法，而將后一方法稱為多視差立體鏡方法或視差格柵方法。
IP方法中的光線束不是對(duì)著觀察者的眼睛位置，而是對(duì)著觀察者方向，從所有開口部按視差數(shù)基本等間隔地發(fā)射出來。因此觀察者移動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)視差好的那部分立體圖像顯示裝置，在視點(diǎn)位置固定時(shí)某一角度的構(gòu)成像素?cái)?shù)目少于原來的二維顯示裝置，分辨率低于對(duì)著觀察者的眼睛位置發(fā)射光線的立體顯示裝置。在文字顯示和相對(duì)透鏡和狹縫有傾斜的球形顯示等需要特定分辨率的情況下，雙面凸透鏡(平面上的狹縫)+顯示裝置構(gòu)成的平行投影的三維顯示裝置由于受雙面凸透鏡間距確定的分辨率限制，難以進(jìn)行細(xì)小的文字表示和平滑的曲線顯示。下面舉例說明在三維顯示裝置上下工夫顯示二維文字或二維圖像的方法。
在采用雙面凸透鏡的圖像顯示方法中，提出了既能明確立體圖像顯示位置又能任意設(shè)定立體圖像景深的圖像顯示方法(如參見專利文獻(xiàn)1)。該方法將n幅原始圖像中的各個(gè)圖像沿雙面凸透鏡的放大方向縮小至1/n，再將縮小后的圖像分割成寬度約為雙面凸透鏡的透鏡間距P的寬度的1/n的條紋狀圖像，在雙面凸透鏡的各單位透鏡下依次分割該條紋圖像構(gòu)成合成圖像，同時(shí)根據(jù)雙面凸透鏡的倍率將其配置在距雙面凸透鏡規(guī)定距離處，使該合成圖像通過雙面凸透鏡在規(guī)定成像面上放大約n倍后成像。由此既能明確立體圖像顯示位置，又能在n幅原始圖像間設(shè)置所需偏移，將立體圖像的景深設(shè)定為所需數(shù)值。上述專利文獻(xiàn)1中提出的方法，描述了在任意顯示位置生成文字的方法，但未介紹如何提高文字的分辨率。
其次是有關(guān)數(shù)字立體播放中對(duì)字符等進(jìn)行字幕顯示的字幕顯示裝置，數(shù)字立體播放是對(duì)左右眼的圖像信號(hào)進(jìn)行壓縮處理后傳送的。有文獻(xiàn)提出了一種字幕顯示裝置，它無損于立體圖像的立體感，又能在立體描放節(jié)目的視聽過程中將緊急播放等字幕顯示為畫面(如參見專利文獻(xiàn)2)。該字幕顯示裝置通過天線由調(diào)諧設(shè)備接收數(shù)字播放信號(hào)，分離電路將圖像數(shù)據(jù)、字幕數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)分離開來。若CPU判斷出有字幕數(shù)據(jù)，則點(diǎn)亮顯示有無字幕數(shù)據(jù)的電路，視聽者看到該信號(hào)后給出遙控指令。于是切換基于左右眼圖像進(jìn)行立體圖像顯示的圖像顯示部，將附加了視差的字幕信息顯示在圖像顯示部上。該字幕顯示裝置描述了電路方式，但未介紹文字顯示的最佳位置。
最后是眾所周知的在能顯示三維圖像的三維圖像顯示裝置上顯示二維圖像的圖像顯示裝置(如參見專利文獻(xiàn)3)。該圖像顯示裝置裝備有三維顯示裝置和控制該三維顯示裝置的控制部?？刂撇康玫脚c二維圖像數(shù)據(jù)相應(yīng)的掃描圖案，再將該掃描圖案顯示在三維顯示裝置上。掃描圖案在構(gòu)成上，使得三維顯示裝置上顯示該掃描圖案時(shí)的顏色跟二維顯示裝置上顯示二維圖像數(shù)據(jù)時(shí)的顏色基本一致。上述圖像顯示裝置下工夫研究了用水平方向的R、G、B子像素分割視差圖像時(shí)，如何解決文字帶顏色的問題，但未介紹如何提高分辨率。
采用IP方法，若要在遠(yuǎn)離顯示面的位置再現(xiàn)立體圖像，則通過開口或透鏡分割的光線束變寬，由此帶來分辨率迅速下降的問題(參見非專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1特開平07-49466號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開平10-327430號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3特開2001-333437號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)1H.Hoshino，F(xiàn).Okano，H.Isono and I.Yuyama“Analysisof resolution limitation of integral photography”，J.Opt.Soc.Am，A15(1998)2059-2065。
采用IP方法，若要在遠(yuǎn)離顯示面的位置再現(xiàn)立體圖像，則通過開口或透鏡分割的光線束變寬，由此帶來分辨率迅速下降的問題，下面對(duì)該問題進(jìn)行說明。
β(cycle per radian；cpr)是代表立體顯示裝置分辨率的指標(biāo)。β表示能用幾個(gè)周期顯示每個(gè)radian光線的明暗。如圖20所示，IP方法中顯示裝置附近立體圖像的分辨率βnyp稱為奈奎斯特頻率，它由觀察者到開口部的距離和通過透鏡看到的像素間距確定。設(shè)開口部間距為Pe，觀察者到開口部或透鏡的距離為L，則開口部間距Pe確定的分辨率βnyp為βnyp＝L/(2Pe) (1)其次如圖21所示，若要在遠(yuǎn)離顯示面的位置，即距離觀察者64 Zi的位置處再現(xiàn)物體73，則通過光線控制元件68的開口部62或透鏡分割的光束67變寬，由此導(dǎo)致分辨率迅速下降。當(dāng)在顯示裝置61的突出區(qū)域或凹入?yún)^(qū)域處再現(xiàn)圖像73時(shí)，假設(shè)為再現(xiàn)該圖像，由一個(gè)狹縫發(fā)出的光線群計(jì)算出的最大分辨率為αimax，則觀察點(diǎn)看到的物體的空間頻率為βimax＝αimax×Zi/|L-Zi|。 (2)其中，L為觀察者64到光線控制元件68的距離。實(shí)際分辨率是上述(1)、(2)中的小者。故Bimax＝min(βimax，βnyp)。 (3)在此根據(jù)公式(1)可知，開口部間距Pe越小，即顯示面的清晰度越高，越能提高立體圖像的分辨率。但是，減小顯示面自身的像素間距會(huì)帶來以下問題出現(xiàn)程序改變等情況，難以輕易實(shí)現(xiàn)。另外，圖21中光線控制元件68為狹縫，由開口部62和遮斷部63構(gòu)成。
此外，立體圖像73位于顯示面附近時(shí)，由于βnyp比βimax小，所以βnyp起作用。立體圖像73離顯示面越遠(yuǎn)，公式(2)中的Zi越小，故分辨率βimax起作用。例如，圖18給出了關(guān)于某個(gè)視差數(shù)、視閾角度的、由公式(1)、(2)確定的分辨率。圖18中，橫軸z代表觀察者64至立體顯示物73的距離，顯示裝置61位于Z＝1.5m處?？v軸代表分辨率，圖中給出了公式(1)確定的由透鏡間距決定的分辨率βnyp，和公式(2)確定的由雙面凸透鏡中一個(gè)透鏡發(fā)出的光線密度決定的分辨率βimax。由圖18可知，在顯示面附近，即在突出量Zn＝0.12米(m)、凹入量Zf＝0.13米(m)處顯示的物體，由于透鏡間距確定的βnyp小于βimax，所以βnyp起作用。而在突出量大于Zn和凹入量大于Zf的區(qū)域，開口部的光線密度確定的分辨率βimax起作用。
由圖18可知，由于無法用大于等于奈奎斯特頻率的分辨率顯示文字等需要分辨率的二維圖像，所以存在將透鏡間距設(shè)為一個(gè)點(diǎn)陣或者必須顯示大尺寸的文字的問題。
另外有調(diào)查結(jié)果表明，文字的構(gòu)成點(diǎn)陣為12×12以上時(shí)便于看清(例如，參見井戶健二等，“關(guān)于高清晰LCD中的文字的易讀性的人體工程學(xué)研究”，東芝レビュ-vol.57 No.6(2002))。因此，若設(shè)透鏡間距為1.5毫米(mm)，要想顯示12點(diǎn)陣的文字，每個(gè)文字的大小為1.5×12＝60毫米(mm)，由于其尺寸較大，能夠顯示的文字?jǐn)?shù)目減少。
圖19所示是從上側(cè)觀看三維(立體)顯示裝置時(shí)的光線軌跡及構(gòu)成。圖19(a)所示是該三維顯示裝置中的二維顯示裝置1，雙面凸透鏡等光線控制元件2，以及觀察者的一個(gè)瞳孔4。假設(shè)二維顯示裝置1顯示的就是具有最高分辨率的二維文字的顯示位置。圖19(b)所示是顯示在二維顯示裝置1上的二維文字。圖19(a)所示是相對(duì)于顯示位置l，面向處于正面的觀察者，作為應(yīng)進(jìn)入瞳孔4的光線的主光線7的情況。例如，視差數(shù)為11個(gè)視差時(shí)，如圖19(c)所示，只有中央的6個(gè)視差的光線7進(jìn)入瞳孔4。因此，僅由進(jìn)入瞳孔4的主光線7形成的圖像將與透鏡寬度相應(yīng)地變寬，故如圖19(d)所示，導(dǎo)致分辨率不足，文字變形。另外，在將雙面凸透鏡2變?yōu)楠M縫時(shí)，也同樣會(huì)導(dǎo)致樣本點(diǎn)少，文字識(shí)別困難。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述考慮，本發(fā)明旨在提供一種立體圖像顯示裝置，它既能顯示三維圖像，也能增加顯示二維圖像時(shí)的分辨率。
作為本發(fā)明一種實(shí)施形式的立體圖像顯示裝置，由顯示面內(nèi)配置多個(gè)像素的二維顯示裝置和光線控制部構(gòu)成，該光線控制部安裝在上述顯示面的前面或背面、并列配置有多個(gè)開口部或透鏡、用于控制上述像素發(fā)出的光線，其特征在于設(shè)上述光線控制部至二維文字或二維圖像顯示位置的距離為z，圖像生成時(shí)的視線距離為L，上述開口部或透鏡的間距為lp，視閾角度為2θ，上述像素的間距為Pp，則在突出區(qū)域中滿足0＜z＜L×D/(1+D)/2，在凹入?yún)^(qū)域中滿足0＜z＜L×D/(1-D)/2，其中的D為D＝L/8/(L/2/lp)2/tan(θ)/Pp。
另外，當(dāng)并列配置有上述多個(gè)開口部或透鏡的平面到二維圖像顯示裝置的間隔大于等于面向視線距離處的觀察者的光線軌跡在二維圖像顯示裝置的像素處成像的焦距時(shí)，在自二維圖像顯示裝置的突出區(qū)域顯示文字或二維圖像，當(dāng)并列配置有上述多個(gè)開口部或透鏡的平面到二維圖像顯示裝置的間隔小于將面向視線距離處的觀察者的光線軌跡在二維圖像顯示裝置的像素處成像的焦距時(shí)，在凹入?yún)^(qū)域顯示文字或二維圖像。
再次，在上述視線距離的觀察者位置處，當(dāng)通過一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡看到一條主光線和兩個(gè)或其以上相鄰的鄰接視差圖像時(shí)，若設(shè)相對(duì)上述一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡能看到的視差數(shù)為x，則當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔大于等于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述突出區(qū)域內(nèi)的位置Znopt處，當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔小于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述凹入?yún)^(qū)域內(nèi)的位置Zfopt處，上述位置Znopt和位置Zfopt為Znopt＝Zn/(2x)，Zfopt＝Zf/(2x)，其中，Zn和Zf為Zn＝L×D/(1+D)，Zf＝L×D/(1-D)。
此外，在上述視線距離的觀察者位置處，當(dāng)通過一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡能看到兩條主光線和兩個(gè)或其以上相鄰的鄰接視差圖像時(shí)，若設(shè)相對(duì)上述一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡能看到的視差數(shù)為x，則當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔大于等于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述突出區(qū)域內(nèi)的位置Znopt處，當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔小于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述凹入?yún)^(qū)域內(nèi)的位置Zfopt處，上述位置Znopt和位置Zfopt為Znopt＝Zn/x，Zfopt＝Zf/x，其中，Zn和Zf為Zn＝L×D/(1+D)，Zf＝L×D/(1-D)。
另外，上述位置Znopt和上述位置Zfopt位于下述范圍內(nèi)Zn/6＜Zopt＜4Zn＜10，Zf/6＜Zopt＜4Zf＜10。
而且，上述光線控制部由透鏡構(gòu)成，若設(shè)透鏡的焦距為f，則該透鏡與上述二維顯示裝置間的間隔厚度g位于下述范圍內(nèi)f+1.24×(fcosθ×Pp)/lp＜g＜f+3×(fcosθ×Pp)/lp，或f-1.24×(fcosθ×Pp)/lp＜g＜f-3×(fcosθ×Pp)/lp。
此外，上述光線控制部與上述二維顯示裝置間的間隔，在立體顯示區(qū)域和文字顯示區(qū)域的構(gòu)成有所不同。


本發(fā)明既能夠顯示三維圖像，也能增加顯示二維圖像時(shí)的分辨率。

圖1所示是本發(fā)明第一種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)。
圖2所示是觀察者處于看到兩條主光線位置時(shí)，反映在觀察者眼中的視差圖像的模式圖。
圖3所示是第三種實(shí)施形式提出的最佳文字顯示位置的結(jié)構(gòu)。
圖4說明了在第一種實(shí)施形式下，顯示二維文字或二維圖像時(shí)投影在二維顯示裝置上的視察序號(hào)的位置。
圖5所示是第一種實(shí)施形式下，在凹入?yún)^(qū)域顯示二維文字時(shí)的光線軌跡。
圖6所示是透鏡焦距與間隔相等時(shí)的立體圖像顯示裝置平面圖。
圖7所示是間隔比透鏡焦距大時(shí)的立體圖像顯示裝置平面圖。
圖8所示是間隔比透鏡焦距小時(shí)的立體圖像顯示裝置平面圖。
圖9所示是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的立體圖像顯示裝置的俯視圖。
圖10所示是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的立體圖像顯示裝置的側(cè)視圖。
圖11所示是立體圖像顯示裝置的觀察角度與間隔的變化比例。
圖12所示是最佳顯示位置和一個(gè)透鏡間距發(fā)出的光線密度的關(guān)系。
圖13所示是最小字寬/透鏡間距決定的最小字寬和一個(gè)透鏡間距發(fā)出的光線密度的關(guān)系。
圖14所示是三維圖像顯示區(qū)域與看不到偽象的視域的關(guān)系。
圖15所示是三維圖像顯示區(qū)域與看不到二維文字偽象的視域的關(guān)系。
圖16所示是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的立體圖像顯示裝置的顯示例。
圖17所示是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的立體圖像顯示裝置的顯示例。
圖18所示是顯示在立體圖像顯示裝置上的物體的突出方向、凹入方向的位置與分辨率的關(guān)系。
圖19所示是立體圖像顯示裝置中，將二維文字或二維圖像顯示在顯示面時(shí)的光線軌跡圖。
圖20是說明IP方法中奈奎斯特頻率確定的分辨率的平面圖。
圖21為說明IP方法中一個(gè)透鏡發(fā)出的光線密度確定的分辨率的平面圖。
圖22所示是本發(fā)明第六種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置。
圖23所示是透鏡厚度與二維顯示裝置的顯示面中視差數(shù)的關(guān)系圖。
圖24所示是無擴(kuò)散膠片時(shí)，模擬和實(shí)測到的文字最佳位置與間隔的關(guān)系圖。
圖25所示是有擴(kuò)散膠片時(shí)，模擬和實(shí)測到的文字最佳位置與間隔的關(guān)系圖。
圖26所示是本發(fā)明的一種實(shí)施形式中，在觀察者位置可看到左右鄰接視差光線的范圍的水平截面圖。
符號(hào)說明1 二維顯示裝置2 雙面凸透鏡3 鄰接視差光線與鄰接主光線的交叉點(diǎn)處突出量的一半以內(nèi)的區(qū)域4 觀察者的瞳孔(觀察者)5 主要能看到主光線的區(qū)域6 主要能看到鄰接視差的區(qū)域7 主光線中央部的軌跡8 可看到主光線變寬后形成的主光線的區(qū)域9 鄰接視差光線的中央部軌跡10 可看到鄰接視差光線變寬后形成的鄰接視差光線的區(qū)域11 二維顯示面上的視差序號(hào)(視差圖像)19 顯示在突出區(qū)域的二維文字或二維圖像12 二維圖像顯示裝置上的圖像圖案13 顯示2D文字的位置與其視差序號(hào)的分配14 顯示2D文字的位置處的圖像15 鄰接視差圖像與主光線的交叉位置16 瞳孔位置可見的2D文字的視差序號(hào)分配17 瞳孔位置可見的2D文字的圖像18 觀察者位置處可見的主光線和鄰接視差光線呈現(xiàn)出的水平方向的圖像
29 透鏡中心位置的圖像30 透鏡端部的圖像34 生成立體圖像時(shí)的視線距離35 看2D文字時(shí)觀察者的位置36 進(jìn)入觀察者眼睛的圖像端的視差光線61 二維圖像顯示裝置62 開口部63 遮斷部64 觀察者65 可看到正常圖像的區(qū)域66 視閾角的一半θ67 光線68 具有開口部和遮斷部的狹縫或透鏡陣列69 左眼70 右眼71 近處的物體72 遠(yuǎn)處的物體73 要立體顯示的物體圖像具體實(shí)施形式下面參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施形式。
(第一實(shí)施形式)圖1(a)、(b)所示是本發(fā)明第一種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)。圖1(a)所示是第一種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)平面圖。該實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置包括二維圖像顯示裝置1和光線控制元件2。二維圖像顯示裝置1，例如為液晶顯示裝置，具備有多個(gè)像素并顯示二維圖像的顯示面。光線控制元件2安裝在二維圖像顯示裝置1的前面，具有多個(gè)透鏡，控制上述顯示面上多個(gè)像素發(fā)出的光線方向。
本實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置顯示文字或二維圖像時(shí)，光線控制元件2到顯示二維圖像的顯示位置的距離Zopt，滿足下述條件。
0＜Zopt＜L/(1+D)/2 (4)其中，L代表觀察者到光線控制元件2的距離，即視線距離，D稱為景深因子，可由下面的公式(5)求得。
D＝L/8/(L/2/lp)2/tan(θ)/Pp (5)其中，lp代表光線控制元件2的透鏡間距，Pp代表像素間距，θ代表視閾角的一半。下面說明公式(4)和公式(5)的推導(dǎo)。
如前所述，IP(整體成像)方法與某一開口部至觀察者的位置無關(guān)，而是利用光線控制元件將光線分割為某多個(gè)固定的視差角度，由此利用兩眼視差產(chǎn)生立體視覺。當(dāng)采用雙面凸透鏡作為光線控制元件時(shí)，作為圖1(a)中的視差圖像分割法，通過將雙面凸透鏡2放置在顯示裝置1的前面，將透鏡焦點(diǎn)放在顯示裝置1的像素位置上，由此根據(jù)透鏡2的曲率，一個(gè)透鏡2發(fā)出與角度相應(yīng)的平行光線。這時(shí)，設(shè)視閾角為2θ，視差數(shù)為N，則每個(gè)視差的視閾角度為每個(gè)視差的視閾角度＝2θ/N。 (6)一般認(rèn)為鄰接視差的光線只有一條進(jìn)入瞳孔。當(dāng)進(jìn)入一條或其以上時(shí)稱為串?dāng)_(cross talk)，這是導(dǎo)致圖像品質(zhì)惡化的原因之一。但是隨著液晶顯示裝置的高清晰化方面的進(jìn)展，可實(shí)現(xiàn)十個(gè)視差或其以上的多視差，每個(gè)視差的視閾角度就會(huì)變小。隨著視差數(shù)的增加，再加上作為二維圖像顯示裝置1的液晶顯示裝置的像素寬度、防止波動(dòng)光柵用的擴(kuò)散膠片及透鏡散焦的影響，都會(huì)使光線加寬，從而在人們的瞳孔4中也能看到鄰接視差圖像。
在圖1(a)中，符號(hào)11代表二維圖像顯示裝置1的顯示面上的視差圖像，符號(hào)19代表顯示在突出區(qū)域處的二維文字或圖像。圖像11代表RNA、MA、LNA、RNB、MB、LNB構(gòu)成的視差圖像。MA代表某透鏡2的主圖像，RNA代表與主圖像MA右側(cè)相鄰的圖像，LNA代表與主圖像MA左側(cè)相鄰的圖像。MB代表主圖像為圖像MA的透鏡2的相鄰?fù)哥R的主圖像，RNB代表與主圖像MB右側(cè)相鄰的圖像，LNB代表與主圖像MB左側(cè)相鄰的圖像。
圖1(b)所示是主光線7形成的圖像和鄰接視差形成的圖像進(jìn)入瞳孔4的比例。圖1(b)表示了作為一個(gè)透鏡發(fā)出的光線，以初始分配的視差角度的主光線為中心，可以看到與主光線相互鄰接的兩個(gè)鄰接視差圖像光線的情況。設(shè)包含相鄰主光線間可見的主光線的視差數(shù)為x(視差)，主光線7所占比例為Y0(＝1視差)，一側(cè)的鄰接視差圖像所占比例為Y1(視差)，則主光線形成的圖像∶鄰接視差光線形成的圖像＝1∶2×Y1＝1∶(x-1)。若設(shè)鄰接視差圖像的可見比率為串?dāng)_量，則串?dāng)_量＝x-1/x。(7)由圖1(b)可知，若在能夠看見鄰接視差圖像的位置上，顯示鄰接主光線點(diǎn)的插入點(diǎn)信息，則可看到分辨率提高了的文字。
首先，當(dāng)鄰接視差圖像插入主光線7時(shí)，鄰接視差光線至少必須通過比圖1中鄰接的主光線7的中點(diǎn)更靠近主光線的位置。即，若立體顯示位置處的鄰接視差光線與主光線間的偏差t大于透鏡間距l(xiāng)p的一半，則鄰接透鏡發(fā)出的鄰接視差光線9在觀察者4的眼睛處形成交叉，圖像看起來成重疊圖像。按照?qǐng)D1(a)所示的幾何學(xué)條件，若設(shè)某透鏡發(fā)出的鄰接視差光線9和鄰接透鏡發(fā)出的主光線7交叉的突出位置為Zn，則顯示二維文字或圖像的最佳位置Zopt需滿足條件Zopt＜Zn/2。(8)在此說明Zn的求解方法。在解決發(fā)明的技術(shù)手段處闡述了Zn的定義，而在視線距離處觀察三維圖像顯示時(shí)，透鏡間距確定出的分辨率(奈奎斯特頻率)與一個(gè)透鏡發(fā)出的光線密度確定的分辨率是相同的。在本實(shí)施形式中，主光線7與鄰接視差圖像的光線9間的視差角度一般相等，所以不僅僅是從正面，即使改變觀察角度也能獲得二維文字或圖像。
由非專利文獻(xiàn)1中的公式(6)，將景深因子D定義為D＝αimax/βnyq。
(9)由公式(3)，當(dāng)Zn為突出量為的情況下，滿足下式αimax×Zno/|L-Zno|＝βnyq。(10)其中，圖1(a)中給出了視線距離L，所謂視線距離是指觀察者4和光線控制元件2間的距離。視線距離是為顯示三維立體圖像，生成顯示在二維顯示裝置上的二維映象數(shù)據(jù)時(shí)的計(jì)算所用的視線距離，是圖像數(shù)據(jù)中的固定值，并不代表任何觀察者的位置。在此，突出區(qū)域中，滿足βnyq＝βimax的位置Zn，依據(jù)條件L-Zno＞0，將公式(10)變形為D×Zno/(L-Zno)＝1，即D×Zno＝L-Zno，因此有Zno＝L/(1+D)。(11)若將基準(zhǔn)不放在觀察者4的位置，而是改為顯示面上或顯示面下的光線控制元件2的突出量Zn，則滿足Zn＝L×Zno＝L×D/(1+D)的突出量與如圖1所示的Zn基本相同。
由非專利文獻(xiàn)1中的公式(36)，最大像素間距為D＝L/8/(L/2/lp)2/tan(θ)/Pp。 (12)即為公式(6)。
在此，將公式(11)代入公式(8)，如前所述，二維文字的最佳位置為0＜Zopt＜L/(1+D)/2D＝L/8/(L/2/lp)2/tan(θ)/Pp前面介紹了在突出區(qū)域確定突出位置，使之成為鄰接視差圖像插入主光線的位置。
下面參考圖4，采用具體的文字后，在突出區(qū)域顯示的立體文字和進(jìn)入觀察者眼睛的圖像是左右同方向的，因此能實(shí)現(xiàn)流暢、清晰的顯示。對(duì)于文字顯示區(qū)域的景深限制將在后面加以說明。
在圖4(a)中顯示了在突出區(qū)域顯示二維文字或二維圖像時(shí)，它們投影在二維顯示裝置1上的視差序號(hào)的何處，及在觀察者的瞳孔4處如何看到。設(shè)主光線7的視差序號(hào)為6視差，左側(cè)相鄰的鄰接視差序號(hào)為5視差，右側(cè)相鄰的鄰接視差序號(hào)為7視差。設(shè)中央透鏡為B，左側(cè)透鏡為A，右側(cè)透鏡為C。
在作為二維顯示裝置1的液晶顯示裝置上，按照順序5A、6A、7A、......5B、6B、7B、......5C、6C、7C映射出的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于突出區(qū)域處的立體顯示物體的下述位置7A、6A、5A、......7B、6B、5B、......7C、6C、5C。為了能在觀察者的眼睛處也保持該位置關(guān)系，進(jìn)入瞳孔4的光線也包含鄰接視差圖像數(shù)據(jù)為7A、6A、5A、......7B、6B、5B、......7C、6C、5C所以能看到立體顯示物體的正常的內(nèi)插圖像。而在圖4(a)中，符號(hào)3代表鄰接視差光線位于主光線間的1/2間隔以內(nèi)的區(qū)域，符號(hào)5代表主要能看見主光線7的區(qū)域，符號(hào)6代表主要能看到鄰接視差的區(qū)域，符號(hào)9代表鄰接視差光線的中央部分的軌跡，符號(hào)10代表由鄰接視差光線變寬形成的可看見主光線7的區(qū)域，符號(hào)11代表顯示在二維顯示裝置1的顯示面處的視差圖像，符號(hào)13代表顯示二維文字的位置及該視差序號(hào)的分配，符號(hào)15代表鄰接視差圖像與主光線7的交叉位置。
圖4(b)、(c)、(d)中，以顯示文字E為例，表現(xiàn)了它們?nèi)绾卧诙S顯示裝置1上顯示(參見圖4(b))，及怎樣反映在觀察者的眼睛上(參見圖4(d))。由圖4(c)可知，主光線只有一條通過為文字E，但是若包含鄰接視差光線，則有三根視差光線通過文字E。圖4(12)所示是將其投影在二維顯示裝置上的圖像，而在雙面凸透鏡中的一個(gè)透鏡中，左右視差圖像是相反的。如果由觀察者的位置越過透鏡看時(shí)，則如圖4(d)所示，與顯示在突出區(qū)域的文字一樣，能看到正常的文字。而且鄰接視差圖像補(bǔ)充主光線后，可以識(shí)別出文字。
在上述說明中，是在突出區(qū)域即光線控制元件2與觀察者之間的區(qū)域形成被顯示的圖像。下面對(duì)在二維顯示裝置1以后的區(qū)域，即凹入?yún)^(qū)域形成時(shí)的情況進(jìn)行說明。
圖5所示是在凹入?yún)^(qū)域顯示二維文字或二維圖像時(shí)，怎樣投影在二維顯示裝置1上的視差序號(hào)上，以及怎樣在觀察者的瞳孔4上看到。設(shè)主光線7的視差序號(hào)為6視差，左側(cè)相鄰的鄰接視差序號(hào)為5視差，右側(cè)相鄰的鄰接視差序號(hào)為7視差。設(shè)中央透鏡為B，左側(cè)透鏡為A，右側(cè)透鏡為C。
在二維顯示裝置1上，設(shè)視差序號(hào)順序?yàn)?A、6A、7A、......5B、6B、7B、......5C、6C、7C時(shí)，其在凹入?yún)^(qū)域的立體顯示位置為5A、6A、7A、......5B、6B、7B、......5C、6C、7C。在觀察者的眼睛4處，其位置關(guān)系相反，所以為7A、6A、5A、......7B、6B、5B、......7C、6C、5C，由于作為立體顯示物體的二維文字與進(jìn)入眼睛4的光線的左右鄰接視差序號(hào)相反，所以無法看到正常的插入圖像。
前面介紹中，由于考慮了通過透鏡中心的光線，因此在突出區(qū)域顯示文字時(shí)鄰接視差圖像是正常的，而在凹入?yún)^(qū)域顯示文字時(shí)左右反轉(zhuǎn)。在透鏡的焦距與透鏡2的表面到二維顯示裝置1的距離(下面也稱為間隔)相等時(shí)，考慮了上述條件。但是在透鏡散焦時(shí)，僅考慮上述中央處的光線軌跡是不充分的。
(第二實(shí)施形式)下面參考圖6至圖8，說明本發(fā)明第二種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置。該實(shí)施形式的立體圖像顯示裝置考慮了透鏡的厚度。
圖6所示是透鏡的焦距與透鏡2的表面至二維顯示裝置1的距離g(下面也稱為間隔g)相等時(shí)，由上面觀察雙面凸透鏡時(shí)的情況。圖6中，符號(hào)11代表二維顯示面處的視差序號(hào)，符號(hào)29代表透鏡中心位置的圖像，符號(hào)30代表透鏡端部的圖像。由圖6可見，不考慮鄰接視差圖像光線時(shí)，進(jìn)入眼睛4的主光線軌跡在二維顯示裝置中只進(jìn)入6視差。如前所述，當(dāng)一個(gè)透鏡2發(fā)出的光線密度較高時(shí)，鄰接視差圖像就進(jìn)入眼睛。
下面討論間隔g與透鏡焦距不相等時(shí)的情況。首先如圖7所示，考慮間隔g比透鏡焦距大的情況。圖7中將鄰接視差圖像左右反轉(zhuǎn)了，但為了進(jìn)入觀察者的眼睛，每一個(gè)透鏡的圖像成為與作為二維顯示裝置的液晶顯示裝置的排列左右相反的圖像。這樣，如圖4所示，由于突出區(qū)域時(shí)液晶顯示裝置的排列和立體圖像左右反轉(zhuǎn)，因此與上述關(guān)系同理，在突出區(qū)域顯示時(shí)鄰接視差圖像將插入主光線。在此，近軸區(qū)域時(shí)用幾何關(guān)系表達(dá)散焦的區(qū)域。
如圖7所示，設(shè)透鏡焦距為f，透鏡間距為lp，間隔g的增加步長為Δx，二維圖像顯示區(qū)域的散焦像素?cái)?shù)為ΔPn，視閾角為2θ，二維顯示裝置1的像素間距為Pp，則在球面透鏡的情況下，根據(jù)三角形相似關(guān)系，有g(shù)＝f+Δxfcosθ∶lp＝Δx∶ΔPn×Pp。
因此有ΔPn＝lp×Δx/(fcosθ×Pp)。 (13)以上所述，可以簡單地估計(jì)二維顯示裝置1上的散焦區(qū)域。
下面如圖8所示，考慮間隔g比透鏡2的焦距小的情況。由圖8可見，為使鄰接視差圖像的左右圖像關(guān)系原封不動(dòng)地進(jìn)入觀察者的眼睛4，每個(gè)透鏡應(yīng)該是和液晶顯示裝置1的排列相同的圖像。如圖5所述，凹入?yún)^(qū)域的液晶顯示裝置的排列和立體圖像左右方向相同。因此，與上述關(guān)系同理，當(dāng)在凹入?yún)^(qū)域顯示時(shí)，鄰接視差圖像將內(nèi)插主光線中。由圖8可知當(dāng)間隔g小于焦距時(shí)，即使在凹入?yún)^(qū)域顯示也不會(huì)發(fā)生左右反轉(zhuǎn)，鄰接視差圖像內(nèi)插到主光線彼此之間進(jìn)行顯示。
與圖7同理，在近軸區(qū)域根據(jù)幾何關(guān)系求解二維顯示裝置1的散焦區(qū)域時(shí)，可得到g＝f-Δxfcosθ∶lp＝Δx∶ΔPn×Pp。
因此有ΔPn＝lp×Δx/(fcosθ×Pp)。
(14)根據(jù)圖7、圖8，在作為第二種實(shí)施形式給出的立體圖像顯示裝置中，當(dāng)光線控制元件2到二維顯示裝置1的間距，大于等于面向視線距離L處的觀察者的光線軌跡在二維顯示裝置1的像素處成像的透鏡2的焦距時(shí)，從二維顯示裝置1來看，文字或二維圖像顯示在觀察者側(cè)的突出區(qū)域；而當(dāng)間隔g小于面向視線距離L處的觀察者的光線軌跡在二維顯示裝置1的像素處成像的透鏡2的焦距時(shí)，若在凹入?yún)^(qū)域顯示文字或二維圖像，可以實(shí)現(xiàn)平滑的文字顯示。
在凹入?yún)^(qū)域顯示與圖1所示的突出區(qū)域顯示一樣，在光線控制元件2顯示二維圖像的最佳距離Zfopt，大于等于鄰接視差圖像光線與鄰接主光線交叉位置的z坐標(biāo)Zf的一半的凹入?yún)^(qū)域，會(huì)出現(xiàn)易重影的問題。
因此，通過滿足條件Zfopt＜Zf/2 (14)，可以在正常的位置補(bǔ)充正常的插入圖像。這里求解滿足Zf的式子。
首先，在凹入?yún)^(qū)域設(shè)滿足條件βnyq＝αimax的位置設(shè)為Zf。圖5中用L代表了視線距離，視線距離是觀察者的位置，是在三維立體圖像裝置的二維顯示裝置1中生成二維映象數(shù)據(jù)時(shí)所必需的數(shù)據(jù)。
在凹入?yún)^(qū)域中，βnyq＝βimax的位置為Zf，設(shè)距視線距離L處的觀察者的距離為Zf0時(shí)，則由Zf0-L＞0，對(duì)公式(10)變形得到D×Zfo/(Zfo-L)＝1，
即D×Zfo＝Zfo-L，因此有Zfo＝L/(1-D)若不將基準(zhǔn)放在觀察者的位置，而是改為顯示面上或顯示面下的光線控制元件2的突出量Zn，則有Zf＝Zfo-L＝L×D/(1-D)。
綜上所述，與第一種實(shí)施形式相同，在突出區(qū)域0＜Z＜L×D/(1+D)/2在凹入?yún)^(qū)域0＜Z＜L×D/(1-D)/2在此，景深因子D為D＝L/8/(L/2/lp)2/tan(θ)/Pp通過在該位置顯示文字，可以實(shí)現(xiàn)利用鄰接視差圖像的平滑的文字顯示。
(第三實(shí)施形式)下面參考圖1說明本發(fā)明的第三實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置。圖1中，X是每個(gè)透鏡間距能看到的視差數(shù)，Y0是主光線能看到的視差數(shù)，為1個(gè)視差，Y1代表能看到的一側(cè)鄰接視差圖像的比例。
當(dāng)X＞3時(shí)Y1＝1當(dāng)1＜X＜3時(shí) Y1＝(X-1)/2當(dāng)0＜x＜1時(shí) Y1＝0。 (15)下面，參考圖3說明鄰接視差圖像的可見比率與最佳顯示位置間的關(guān)系。設(shè)透鏡間距為lp，設(shè)鄰接視差光線的中心軌跡與文字或二維圖像的顯示位置處的交點(diǎn)的偏移量為t。若設(shè)顯示位置處的最佳突出量為Znopt，設(shè)某透鏡發(fā)出的鄰接視差光線跟相鄰?fù)哥R發(fā)出的主光線相交叉的突出位置為Zn，則根據(jù)三角形的相似關(guān)系，有Znopt∶Zn＝t∶lp(16)。
在此，為在眼睛水平方向的正常位置處看到鄰接視差圖像，t的位置最好處于主光線可視范圍的一半加上鄰接視差光線的可視范圍的一半。但是，為同時(shí)看見鄰接視差圖像中的圖像，鄰接主光線的中心處于延遲較多的區(qū)域。因此，作為鄰接視差圖像的比例，在主光線的可視范圍的一半，即在主光線與鄰接視差圖像的邊界位置處顯示文字信息時(shí)，上述位置t位于代表了容易觀察的位置的坐標(biāo)。圖3中以X＝2.4視差、4視差為例。即在滿足下式的適當(dāng)位置處，t∶lp＝0.5∶x (17)可以顯示出正常的插入圖像。在此，將公式(16)、(17)合并，有Znopt＝t×Zn/lp(18)＝Zn/2x。
(19)在該顯示位置處顯示文字時(shí)，可以插入正常的位置。
例如，考慮一下能均衡地看到圖1所示的主光線7和與其鄰接的視差光線共3條光線的情況。
主光線形成的圖像∶鄰接視差光線形成的圖像＝Y(jié)0∶Y1＝1∶1設(shè)主光線和鄰接視差光線能均衡地看到，則有Y0+2Y1＝x。
即3Y0＝x。
由公式(7)可得到串?dāng)_量＝66％。
這樣，當(dāng)串?dāng)_量為66％時(shí)，將X＝3代入至公式(19)，則最佳位置為Zopt＝Zn/6。
(20)例如，考慮一下包含鄰接視差，由一個(gè)透鏡能看到2.4個(gè)視差的情況。
將x＝2.4代入公式(18)有Znopt＝Zn/4.8。
在此說明一下串?dāng)_量的測定方法。X是每個(gè)透鏡間距可見的視差數(shù)。例如，在測定串?dāng)_量時(shí)，可以按照在雙面凸透鏡的垂直方向?yàn)橥?、在水平方向?yàn)椴煌伾姆绞?，將R(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)子像素寫入鄰接視差。而且在相鄰的雙面凸透鏡的同一視差序號(hào)處寫入同樣顏色。通過在水平方向移動(dòng)光電二極管，找出R、G、B各自波長較強(qiáng)的區(qū)域，由此可在觀察者的位置求出串?dāng)_量。另外，也可由觀察者對(duì)這些顏色帶做出主觀評(píng)價(jià)來大致得出串?dāng)_量。
(第四種實(shí)施形式)下面說明本發(fā)明第四種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置。觀察者有時(shí)處于看到2條主光線的位置時(shí)，即在透鏡中心位置觀察黑色矩陣。圖2所示是反映在觀察者眼睛中的視差圖像，下面說明該情況下的最佳顯示位置。圖2中主光線有2個(gè)視差，若假設(shè)能看到鄰接視差圖，則X＞2視差。
由圖2(b)可見，鄰接視差圖像的位置滿足下述關(guān)系式時(shí)，文字顯示的分辨率會(huì)提高。
t∶lp＝u∶x＝1∶x (21)其中，x代表從一個(gè)透鏡能看到的視差圖像數(shù)目。將公式(21)代入公式(18)有Znopt＝Zn/x。
(22)當(dāng)透鏡中心位于黑色矩陣時(shí)，該條件下利用公式(22)計(jì)算出從一個(gè)透鏡能看見3個(gè)視差時(shí)的最佳文字顯示位置，即Znopt＝Zn/3。
(23)這樣，盡管公式(20)和公式(23)能看到同樣的3個(gè)視差，但是文字顯示位置的最佳區(qū)域是并不相同。因此，透鏡的中央部是位于像素的中央還是位于像素與像素之間是在采用IP方法時(shí)，與觀察者看立體顯示裝置時(shí)的視差角度相應(yīng)，兩者均存在于畫面中。嚴(yán)格地講，最好對(duì)應(yīng)著上述兩個(gè)條件改變顯示位置。但是當(dāng)畫面中央能看到黑色矩陣時(shí)，由于亮度小，最好以考慮像素中心位于畫面中央的公式(20)為主。后面的模擬結(jié)果就采用了公式(20)。
在此，當(dāng)看到鄰接視差圖像時(shí)，就稱串?dāng)_，這是導(dǎo)致三維圖像惡化的原因。本來這些圖像是不可見的。例如，凹凸劇烈變化的三維圖像的鄰接視差圖像，鄰接視差圖像并不一定能補(bǔ)充主光線。但是當(dāng)顯示2維文字之類的鄰接視差圖像與主光線間相關(guān)時(shí)，如第一種至第三種實(shí)施形式所述，可用于提高分辨率。
下面介紹作為立體圖像顯示裝置特征的光線密度和雙面凸透鏡間的關(guān)系，說明能夠最佳利用本發(fā)明主要效果的方法。
首先說明一個(gè)雙面凸透鏡發(fā)出的光線密度和分辨率的提高。
圖26所示是本發(fā)明提出的一種實(shí)施形式的一個(gè)實(shí)例。由圖29可見，在像素中心處的鄰接視差圖像所成的角度為2θ/N，而某一像素的中心視差圖像與鄰接視差圖像的邊界所成的角度為其一半，即θ/N。當(dāng)角度充分小時(shí)，滿足下式，tanθ＝θ，因此，若假設(shè)視差為N，視閾角度為2θ，視線距離為L，透鏡間距為lp，則根據(jù)圖3所示的幾何學(xué)條件，在視線距離L處可見的鄰接視差圖像的寬度Wr為Wr＝2×L×tan(θ/N)-lp (24)例如，假設(shè)視差為32，視閾角度為2θ＝10度，視線距離為L＝1米(m)，透鏡間距為lp＝1.4毫米(mm)，那么Wr＝1.32毫米(mm)。由此可見，鄰接視差圖像間的角度越小，即光線密度αimax越大，鄰接視差圖像進(jìn)入同一瞳孔的比例就越高。
所以，一個(gè)雙面凸透鏡發(fā)出的光線密度越大，三維顯示的分辨率就越高，而且采用本發(fā)明還可以提高二維顯示的分辨率。
如圖26所示，當(dāng)雙面凸透鏡表面至二維顯示裝置的間距等于雙面凸透鏡的焦距時(shí)，如果光線密度增大，鄰接視差圖像也會(huì)進(jìn)入瞳孔。下面介紹此種情況下文字顯示的最佳值。不考慮散焦時(shí)，只考慮像素中央部的光線即可。根據(jù)圖4，即使不考慮雙面凸透鏡的散焦，而只考慮主光線與鄰接視差圖像的中心位置時(shí)，在突出區(qū)域顯示文字時(shí)，主光線與鄰接視差圖像間的關(guān)系與二維顯示裝置上的視差序號(hào)關(guān)系左右反轉(zhuǎn)。而進(jìn)入瞳孔的視差序號(hào)又與二維顯示裝置上的視差序號(hào)左右反轉(zhuǎn)。因此，在突出區(qū)域顯示時(shí)，進(jìn)入瞳孔的鄰接視差圖像與主光線間的關(guān)系是匹配的。由此可知，當(dāng)雙面凸透鏡表面至二維顯示裝置的間距等于雙面凸透鏡的焦距時(shí)，在突出區(qū)域顯示文字較好。
(第五種實(shí)施形式)下面說明本發(fā)明第五種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置。
在第一種至第四種實(shí)施形式中說明了如何提高二維文字的分辨率，下面說明在實(shí)際的立體顯示裝置上顯示二維文字時(shí)，就提高分辨率的位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
設(shè)圖12中的橫軸為每個(gè)開口部的最大光線密度αimax(視差數(shù)/視閾角度)，設(shè)縱軸為在βnyq＝βimax時(shí)的突出量Zn(參見圖1)與最佳突出量Zopt的比(Zopt/Zn)。當(dāng)為凹入?yún)^(qū)域時(shí)將Zn置換為Zf。圖12中通過采用兩類二維顯示裝置，研究了兩種改變子像素寬度的情況。由此可知，實(shí)際的二維顯示裝置中，當(dāng)突出區(qū)域滿足0.18＜Zopt＜Zn＜1/4 (25)時(shí)，易于進(jìn)行文字識(shí)別。
另外，在凹入?yún)^(qū)域時(shí)，當(dāng)1/4＜Zopt＜Zn＜0.42(26)時(shí)，易于進(jìn)行文字識(shí)別。
在此，當(dāng)顯示文字時(shí)，越能看到鄰接視差圖像，就越要增加內(nèi)插的坐標(biāo)，因此文字的平滑度就增加了。但是為了降低立體顯示裝置的串?dāng)_，需將其設(shè)定在一定范圍內(nèi)。一般設(shè)計(jì)為一個(gè)透鏡可見的視差圖像在1.24視差至3視差。這樣左右對(duì)稱，一側(cè)的鄰接視差圖像可以看到0.12視差到1視差的鄰接視差圖像。
將X＝1.24或x＝3代入公式(19)，在突出區(qū)域有Zn/6＜Znopt＜4Zn＜10(27)在凹入?yún)^(qū)域有Zf/6＜Zfopt＜4Zf＜10(28)公式(27)、(28)包含了作為實(shí)驗(yàn)值的公式(25)、(26)。因此可以使用公式(27)、(28)作為同時(shí)滿足立體顯示和文字顯示的條件。
下面說明本實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置的實(shí)際間隔值。上述的鄰接視差圖像可以看到0.12視差至1視差的條件，與透鏡表面至二維圖像顯示裝置的間隔變化量有關(guān)。上述相當(dāng)于一個(gè)透鏡看到2視差或其以上5視差或其以下時(shí)的條件。
如上所述，圖7表示間隔大于焦距時(shí)，由公式(13)給出了近軸區(qū)域間隔g的變化量Δx與散焦視差數(shù)ΔPn間的關(guān)系。
g＝f+Δxfcosθ∶lp＝Δx∶ΔPn×PpΔPn＝lp×Δx/(fcosθ×Pp) (13)其中，滿足條件1.24＜ΔPn＜3。
(29)在此，設(shè)透鏡的焦距為f，透鏡間距為lp，間隔g的增加量為Δx，二維圖像顯示區(qū)域的散焦像素?cái)?shù)為ΔPn，視閾角為2θ，二維顯示裝置的像素間距為Pp。
要求Δx的解，需在1.24×(fcosθ×Pp)/lp＜Δx＜3×(fcosθ×Pp)/lp的范圍內(nèi)改變間隔值。此時(shí)文字顯示的突出位置或凹入位置由公式(28)、(29)確定。由此可以將焦距加到上式中以確定間隔值g。即f+1.24×(fcosθ×Pp)/lp＜g＜f+3×(fcosθ×Pp)/lp，或f-1.24×(fcosθ×Pp)/lp＜g＜f-3×(fcosθ×Pp)/lp。
此外，文字的大小由內(nèi)插的像素?cái)?shù)決定。即，當(dāng)能看到主光線旁左右各一個(gè)鄰接視差圖像時(shí)，可以認(rèn)為分辨率提高到3倍。假設(shè)透鏡間距形成的最小線寬是不帶視差圖像的二維顯示中將雙面凸透鏡的寬度取為最小點(diǎn)陣時(shí)的12點(diǎn)陣文字。即透鏡間距形成的最小字＝lp×12。
這和沒有視差圖像也沒有突出或凹入的二維顯示面上顯示的文字具有相同的分辨率。如果文字的鄰接視差圖像可以看到0.12視差至1視差，那么一個(gè)透鏡可以看到1.24視差至3視差。
在理想條件下可認(rèn)為分辨率在1.24倍至3倍，故最小字寬為1/3＜本發(fā)明給出的最小字寬/(透鏡間距形成的最小字寬)＜1/1.24；0.33＜本發(fā)明給出的最小字寬/(透鏡間距形成的最小字寬)＜0.81圖13給出了幾個(gè)實(shí)測值。由圖13可見，0.33＜本發(fā)明中的最小字寬/(透鏡間距形成的最小字寬)＜0.7。預(yù)測值與實(shí)際的最小字寬基本一致。而且與顯示在二維顯示面處的文字分辨率相比，分辨率大幅度提高。
上面介紹了間隔厚度對(duì)透鏡散焦的影響。這表明隨著觀察者看立體顯示裝置的視差角度的變化，間隔值也會(huì)發(fā)生改變。
圖9所示是本發(fā)明提出的一個(gè)實(shí)施例子的立體圖像顯示裝置平面圖。當(dāng)觀察者看立體顯示裝置時(shí)，畫面端部的間隔值比正面的間隔大。在此通過光學(xué)模擬研究一下透鏡面的入射角度為0度、5度、10度時(shí)，二維圖像顯示面的焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生多大程度的散焦。圖23中的橫軸為透鏡厚度，縱軸為二維圖像顯示面的焦點(diǎn)區(qū)域的視差數(shù)。例如，符號(hào)○圍起來的區(qū)域，盡管當(dāng)視差角度為0度、5度時(shí)透鏡焦距與間隔值相同，散焦小到0，但當(dāng)視差角度為10度時(shí)，作為二維顯示裝置的液晶顯示裝置會(huì)形成2視差的散焦。由此可以認(rèn)為，如果要在中央部進(jìn)行立體顯示，在端部進(jìn)行文字顯示，那么中央部串?dāng)_小，端部可以實(shí)現(xiàn)利用鄰接視差圖像的平滑的文字顯示。這樣，當(dāng)從顯示裝置的左右方向斜向觀察時(shí)，生成視差圖像時(shí)要考慮延長間隔的長度。即，視差圖像的分配也可以考慮間隔長度。
圖10所示是從側(cè)面看本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的立體圖像顯示裝置的情況。給出了觀察者從斜上方或斜下方看顯示裝置的情況。
當(dāng)觀察者從上下方向以仰角θeye的方向看顯示裝置時(shí)，透鏡表面至二維圖像顯示裝置的間隔比從正面看時(shí)大。
圖11所示是仰角θeye與(斜向看的間隔/正面看的間隔)的關(guān)系。以20度仰角斜看的間隔變化了5％。這樣根據(jù)仰角可得到所需的間隔。而且垂直方向沒有透鏡的曲面，因此根據(jù)觀察位置，成像的視差圖像像素位置只在垂直方向變化。換言之，即使成像位置在垂直方向加長，但觀察位置為同一視差序號(hào)，所以無需對(duì)視差映射進(jìn)行重新計(jì)算。
(第六種實(shí)施形式)下面參考圖22說明本發(fā)明第六種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置。例如字幕顯示時(shí)文字的顯示位置固定在畫面下方，通過將畫面下方的間隔按第五種實(shí)施形式所述變厚或變薄，使得顯示文字時(shí)能順利看到鄰接視差圖像，在立體顯示區(qū)域使間隔與透鏡焦點(diǎn)基本相同，做到鄰接視差圖像不可見。而且，這時(shí)從觀察者的位置看，畫面中央和畫面端部的間隔厚度改變了文字顯示區(qū)域的間隔。從位于中央的觀察者看來，畫面中央和畫面端部的每個(gè)透鏡可見的視差圖像數(shù)目X改變了。因此依據(jù)畫面上的文字顯示區(qū)域，求視差X，微調(diào)文字顯示位置時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更清晰的文字顯示。
此外通過插入擴(kuò)散膠片促進(jìn)透鏡的散焦。擴(kuò)散膠片用于防止在重復(fù)規(guī)則的結(jié)構(gòu)配置時(shí)產(chǎn)生縱向摩爾條紋。
圖24所示是未在透鏡表面至二維顯示裝置間插入擴(kuò)散膠片時(shí)，間隔和文字最佳位置的模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果。另外，圖25所示是插入擴(kuò)散膠片時(shí)，間隔和文字最佳位置的模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果。圖24、圖25都相當(dāng)于視差角度為10度時(shí)的實(shí)測值，并在畫面端部顯示的情況。作為步驟，通過模擬、實(shí)驗(yàn)估計(jì)透鏡的厚度、擴(kuò)散膠片產(chǎn)生的透鏡散焦，再利用第三種實(shí)施形式給出的公式，根據(jù)進(jìn)入眼睛的鄰接圖像的比例計(jì)算出文字的顯示位置。
由圖24中可知，在間隔與焦距相等、串?dāng)_降低的區(qū)域，文字的最佳位置遠(yuǎn)離畫面，因?yàn)榧词故菆D像也不清楚，因此不適宜利用鄰接視差圖像的文字顯示。
其次，由圖25中可知，通過插入擴(kuò)散膠片，增加了一個(gè)透鏡內(nèi)包含的視差圖像，文字的最佳位置靠近畫面?zhèn)取D25中，擴(kuò)散膠片的作用是使一個(gè)透鏡內(nèi)可以看到的視差圖像數(shù)增加0.5個(gè)視差。
圖24、圖25所示是10度meas時(shí)的實(shí)測值?？梢妼?shí)測值與模擬值基本一致。
(第七種實(shí)施形式)下面說明本發(fā)明第七實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置。
上面介紹了如何提高分辨率，本實(shí)施形式對(duì)可看到正常立體圖像的區(qū)域進(jìn)行說明。即本實(shí)施形式給出了改變文字的視線距離帶來視閾擴(kuò)大的實(shí)施例子。
例如，立體圖像顯示裝置往往設(shè)為大多數(shù)人可以看到的視線距離，多將生成圖像時(shí)的視線距離設(shè)定為1米(m)或其以上。另外文字越小，視線距離越遠(yuǎn)，導(dǎo)致以下問題相對(duì)文字的畫面視角變小，文字難以識(shí)別。因此如果設(shè)定文字的大小、與觀察者位置相應(yīng)的視線距離，那么將更容易識(shí)別文字。專利文獻(xiàn)2指出，相對(duì)文字的畫面視角最好為30分或其以上。
例如，視線距離為1米(m)，設(shè)字寬為7毫米(mm)，計(jì)算出的畫面視角為19分，難以看清。因此，立體顯示時(shí)保持視線距離1米(m)，只顯示文字時(shí)觀察者從顯示裝置移動(dòng)到距顯示裝置70厘米(cm)處，畫面視角變?yōu)?0分，很容易看清。在此，只要觀察者移動(dòng)到距顯示裝置很近的距離處，如圖14所示的位置35處，視域?qū)⒆兊梅浅＊M窄，左右眼中的一方有可能出現(xiàn)偽象。如圖15所示，觀察者4近距離看文字時(shí)，生成文字時(shí)的視線距離較短，通過不改變視閾角而將視閾方向中央靠攏，可增寬顯示裝置近距離處的顯示方向視閾，實(shí)現(xiàn)看不到偽象的良好的文字顯示。如上所述，即使采用相同的雙面凸透鏡，通過改變向二維顯示裝置的圖像映射也能做到，設(shè)計(jì)非常靈活。另外，在立體顯示圖像時(shí)最好是多人能看到，因此視線距離在1米(m)或其以上為佳。圖14、圖15中，符號(hào)34表示生成立體圖像時(shí)的視線距離，符號(hào)35表示顯示二維文字的位置，符號(hào)65表示可看到正常三維圖像的區(qū)域，符號(hào)67表示光線。
圖16所示是將圖14和圖15合成在一個(gè)畫面中。如圖16所示，要使文字顯示在下側(cè)，通過將上側(cè)的立體顯示設(shè)為圖14所示的多人能看到的長視線距離，將下側(cè)文字表示為與圖15的觀察者位置相應(yīng)的視線距離處的文字，使得即使文字較小也可以識(shí)別。在此設(shè)文字顯示的視線距離為Lchara，可按下述方式設(shè)定文字顯示位置。
在突出區(qū)域0＜z＜Lchara×D/(1+D)/2在凹入?yún)^(qū)域0＜z＜Lchara×D/(1-D)/2其中，D代表景深因子，設(shè)透鏡2的間距為lp，視閾角度為2θ，像素間距為Pp，則有D＝Lchara/8/(Lchara/2/lp)2/tan(θ)/Pp。
與圖22不同，圖16的目的是不改變透鏡的間隔厚度而擴(kuò)大視閾。另外由于視差角度越成銳角，間隔就越厚，所以可根據(jù)間隔厚度，在畫面內(nèi)進(jìn)行與間隔相應(yīng)的視差分配。
圖17所示是本發(fā)明的一種實(shí)施形式提出的立體圖像顯示裝置的顯示例子。
如上所述，本發(fā)明提出的實(shí)施形式可以通過雙面凸透鏡提高文字或二維圖像的分辨率，所以可以和立體圖像顯示在同一畫面顯示。
作為本發(fā)明提出的二維顯示裝置，討論了液晶顯示裝置、有機(jī)EL顯示裝置、FED(Field emission display)等平面顯示裝置，但并不僅限于此。
本發(fā)明更適用于采用雙面凸透鏡作為光線控制元件、根據(jù)雙面凸透鏡可見的場所得到無遮光部的連續(xù)圖像的立體顯示裝置。
本發(fā)明更適用于采用狹縫作為光線控制元件，將開口部設(shè)定為大于像素寬度以降低摩爾條紋等，可以容易地看到鄰接視差圖像的立體顯示裝置。
對(duì)于采用雙面凸透鏡或狹縫作為光線控制元件的二維顯示裝置，為了防止摩爾條紋而傾斜時(shí)也可應(yīng)用本發(fā)明。
本發(fā)明是使進(jìn)入單眼的鄰接視差圖像補(bǔ)充主光線。也有左右眼分別補(bǔ)充不足光線的方法。但與單眼補(bǔ)充的情況相比，可能會(huì)產(chǎn)生左右圖像失衡導(dǎo)致的疲勞，因此最好能用單眼進(jìn)行文字識(shí)別。
最后，在上述實(shí)施形式中，介紹了文字的最佳位置的代表值，無庸諱言代表值附近也是易于識(shí)別文字的區(qū)域。
如上所述，各類實(shí)施形式在通過雙面凸透鏡看二維文字或二維圖像時(shí)，可將分辨率提高到2～3倍，因此可以顯示更多的文字。
另外，因?yàn)樵谌S顯示的同時(shí)能顯示二維文字，所以還能實(shí)現(xiàn)畫面上不選擇位置的顯示。而且，通過與觀察者和三維顯示裝置的距離、二維文字的長度相應(yīng)地改變視閾角度，可以顯示出最容易看的二維文字。
權(quán)利要求
1.一種立體圖像顯示裝置，具有在顯示面內(nèi)配置多個(gè)像素的二維顯示裝置和光線控制部，該光線控制部安裝在上述顯示面的前面或背面、并列配置有多個(gè)開口部或透鏡、用于控制上述像素發(fā)出的光線，其特征在于設(shè)上述光線控制部至二維文字或二維圖像顯示位置的距離為z，圖像生成時(shí)的視線距離為L，上述開口部或透鏡的間距為lp，視閾角度為2θ，上述像素的間距為Pp，則在突出區(qū)域中滿足 0＜z＜L×D/(1+D)/2，在凹入?yún)^(qū)域中滿足0＜z＜L×D/(1-D)/2，其中的D為D＝L/8/(L/2/lp)2/tan(θ)/Pp。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體圖像顯示裝置，其特征在于當(dāng)并列配置有上述多個(gè)開口部或透鏡的平面到二維圖像顯示裝置的間隔大于等于將面向視線距離處的觀察者的光線軌跡在二維圖像顯示裝置的像素處成像的焦距時(shí)，在自二維圖像顯示裝置的突出區(qū)域顯示文字或二維圖像，當(dāng)并列配置有上述多個(gè)開口部或透鏡的平面到二維圖像顯示裝置的間隔小于將面向視線距離處的觀察者的光線軌跡在二維圖像顯示裝置的像素處成像的焦距時(shí)，在凹入?yún)^(qū)域顯示文字或二維圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立體圖像顯示裝置，其特征在于在上述視線距離的觀察者位置處，當(dāng)通過一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡看到一條主光線和兩個(gè)或其以上相鄰的鄰接視差圖像時(shí)，若設(shè)相對(duì)上述一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡能看到的視差數(shù)為x，則當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔大于等于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述突出區(qū)域內(nèi)的位置Znopt處，當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔小于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述凹入?yún)^(qū)域內(nèi)的位置Zfopt處，上述位置Znopt和位置Zfopt為Znopt＝Zn/(2x)，Zfopt＝Zf/(2x)，其中，Zn和Zf為Zn＝L×D/(1+D)，Zf＝L×D/(1-D)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立體圖像顯示裝置，其特征在于在上述視線距離的觀察者位置處，當(dāng)通過一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡能看到兩條主光線和兩個(gè)或其以上相鄰的鄰接視差圖像時(shí)，若設(shè)相對(duì)上述一個(gè)開口部或一個(gè)透鏡能看到的視差數(shù)為x，則當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔大于等于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述突出區(qū)域內(nèi)的位置Znopt處，當(dāng)上述開口部或透鏡與二維圖像顯示裝置的間隔小于上述透鏡的焦距時(shí)，顯示在上述凹入?yún)^(qū)域內(nèi)的位置Zfopt處，上述位置Znopt和位置Zfopt為Znopt＝Zn/x，Zfopt＝Zf/x，其中，Zn和Zf為Zn＝L×D/(1+D)，Zf＝L×D/(1-D)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的立體圖像顯示裝置，其特征在于上述位置Znopt和上述位置Zfopt位于下述范圍內(nèi)Zn/6＜Zopt＜4Zn＜10，Zf/6＜Zopt＜4Zf＜10。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的立體圖像顯示裝置，其特征在于上述光線控制部由透鏡構(gòu)成，若設(shè)透鏡的焦距為f，則該透鏡與上述二維顯示裝置間的間隔厚度g位于下述范圍內(nèi)f+1.24×(fcosθ×Pp)/lp＜g＜f+3×(fcosθ×Pp)/lp，或f-1.24×(fcosθ×Pp)/lp＜g＜f-3×(fcosθ×Pp)/lp。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的立體圖像顯示裝置，其特征在于上述光線控制部與上述二維顯示裝置間的間隔，在立體顯示區(qū)域和文字顯示區(qū)域有所不同。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可增加顯示文字和二維圖像時(shí)的分辨率的立體圖像顯示裝置。具有在顯示面內(nèi)配置多個(gè)像素的二維顯示裝置和光線控制部，該光線控制部安裝在上述顯示面的前面或背面、并列配置有多個(gè)開口部或透鏡、用于控制上述像素發(fā)出的光線，其特征在于設(shè)上述光線控制部至二維文字或二維圖像顯示位置的距離為z，圖像生成時(shí)的視線距離為L，上述開口部或透鏡的間距為lp，視閾角度為2θ，上述像素的間距為Pp，則在突出區(qū)域中滿足0＜z＜L×D/(1+D)/2，在凹入?yún)^(qū)域中滿足0＜z＜L×D/(1－D)/2，其中的D為D＝L/8/(L/2/lp)
文檔編號(hào)H04N13/04GK1598644SQ20041008741
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者高木亞矢子, 平和樹, 平山雄三, 福島理惠子, 最首達(dá)夫 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝