[发明专利]体显示器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在需要三维(3D)可视化的宽范围应用中使用的体显示的方法及装置。

背景技术

3D可视化对于许多工业、科技、以及商业应用是重要的。例如，3D可视化被用于医学成像、军事及安全应用、3D电视等。鉴于其直接生成3D信息，已经证明更加难以呈现用于观看的该3D信息。具有眼镜或双面凸透镜系统的常规立体解决方案是图像瞄准任一眼睛的真正“双2D”光幻视并且提供不良的3D体验。具体地，这些技术基本上缺乏人类视觉响应系统所需的正确3D视觉深度暗示(聚散度、运动视差、以及适应性)，从而导致眼睛劳累和疲惫。

体显示属于产生体积填充图像的三维显示技术类别。通常将体积划分成相同的体积元素、或定位在3D网格上的体元(以与图片元素相似的方式，或者以二维显示方式定位在二维(2D)网格内的像素)。通过激活所选择的体元构造3D图像。通常，通过计算机控制显示，以生成彩色的移动图像。体显示是自动立体的，因此，观看者不需要类似眼镜或耳机的任何额外装备来观看三维图像。进一步地，任意数目的观看者可看得见图像。

存在产生体显示的许多技术方案，例如，光束反弹且无烟雾或细水雾、提供体积内悬置的互连LED库、使用交织激光束照亮气体内的等离子体点而模拟等离子体放电、或经由两个光子吸收激活体积内的颗粒。

常见类型的体显示器包括使用扫频体积投影的原理的封闭式体显示器。这样的体显示器能够基于诸如围绕轴非常快速地旋转并且以全色进行调制的LED阵列等机械方法，由此向眼睛呈现体显示的幻觉。类似的方案包括移动发射屏幕、利用与投影仪同步的平移或旋转运动。非机械变形使用堆叠在彼此顶部上的一系列平面型液晶快门。每个液晶层从透明快速地改变成光散射状态，从而以不同的深度形成一系列的邻近像平面。

A.C.Traub,Appl.Opt.6(6),1085-1087(1967)中题为“Stereoscopic Display Using Rapid Varifocal Mirror Oscillations”的文章与美国专利号4,130,832两者皆讨论了利用变焦距的球形镜扫描对CRT显示成像的像平面以产生体积的显示器。像平面在虚拟空间内，即，观看者不得不透过反射镜(mirror)去看体积。反射镜的几毫米(mm)的小运动导致扫过大的体积。这样的扫频体显示器已经证明实际上很难实现。光学部件较笨重并且体显示不可缩放。进一步地，由于图像不在真实空间内(即，空气中)，所以限制了与显示器的交互操作性。

美国Reveo有限责任公司的Zhan He在WO 01/44858中提出了三维体显示器。该显示器有具有通过在不同位置处聚焦图像而建立体元的可变焦距显微透镜阵列的平板。使用有源矩阵半导体制造技术能够在平板上制造显微透镜阵列。

全息技术能够产生三维图像。全息技术存储使入射光建设性地并且破坏性地进行干涉而产生光学波阵面的衍射图案。全息技术能够存储频率、振幅、以及相位信息，以重构三维图像。相应地，已经关注使用全息技术实现3D可视化。

计算机生成的全息(CGH)显示器使用空间光调制(SLM)技术提供高分辨率的3D成像。SLM是能够对相干光的相位和/或振幅进行调制的数字可编程衍射全息元件。计算机计算与3D图像对应的衍射图案，然后，将计算的衍射图案传输至SLM。在美国A.Travis of Cambridge University,的题为“Autostereoscopic Display”的EP 0992163中、美国Qinetiq Malvern的Chris Slinger等的题为“Computer Generated Holography as a Generic Display Technology”的IEEE Computer Magazine 2005中的文章、以及以色列Real View Imaging Ltd的Rotschild等的美国8,500,284中讨论了CGH显示器的实施例。

在CGH显示器中，SLM表现得像可编程全息膜。因此，SLM的像素特征尺寸需要与全息膜感光乳剂内的晶粒的尺寸相似。这就需要比在微显示器中发现的当前微米级特征尺寸远远先进的纳米级半导体技术。此外，CGH需要相当大的计算能力来计算所需的衍射图案。因此，目前，由于抑制成本及技术的挑战性，对于许多应用而言，CGH显示器是不可行的。