УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
DISPLAY DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технике формирования изображений, в частности - к устройству отображения, выполненному с возможностью формирования и отображения 2D- и 3D-изображений с увеличенными размерами изображения в вертикальном и/или горизонтальном направлениях, увеличенным углом просмотра изображения и улучшенным разрешением изображения. Изобретение может применяться в различных многовидовых устройствах 3D-отображения без использования очков, телевизорах, проекторах, устройствах дополненной реальности и т.д., т.е. там, где наблюдатель может рассматривать либо обычные 2D- и также 3D-изображения, либо видео. Изобретение может использоваться в различных сферах деятельности, таких как развлечение, образование, реклама, медицина, искусство и т.д.
Уровень техники
В настоящее время известные и перспективные технологии 3D-отображения основаны на методиках формирования составных изображений, параллаксного барьера, формирования объемных изображений, методиках на основе голографии или любого их сочетания, и т.д.
Наиболее широко используемая технология 3D-отображения также называется методикой формирования стереоизображений. Она предусматривает отдельное и независимое представление плоских изображений для левого глаза и правого глаза наблюдателя. Левый глаз может видеть только «левые» изображения, но не может видеть «правые» изображения, и, наоборот, для правого глаза. Такая методика, как правило, реализуется с помощью очков активного или пассивного типа. Таким образом, недостаток этой методики заключается в том, что требуется дополнительное оборудование (т.е. очки). В то же время главная проблема состоит в том, что методика формирования стереоизображений демонстрирует наблюдателю только два плоских изображения без возможности управления эффектом параллакса.
В уровне техники существует множество разных решений для устранения вышеуказанных недостатков. Одно из таких решений раскрыто в документе WO 2014133481 A1. Это решение обеспечивает многовидовую систему с 3D-эффектом присутствия, включающую в себя систему формирования составных изображений и систему направленного отображения видов. Система формирования составных изображений имеет массив микролинз и множество датчиков изображения для формирования множества видов входных изображений. Система направленного отображения видов имеет ориентированную заднюю панель с множеством ориентированных пикселей для рассеяния множества входных плоских пучков света в виде множества направленных пучков света. Система прямого отображения видов также содержит затворный слой для модулирования множества направленных пучков света, сформированных множеством ориентированных пикселей. Множество ориентированных пикселей позволяет системе прямого отображения видов воспроизводить полученные изображения. Наблюдатель может чувствовать присутствие при захвате изображений, как будто он или она смотрит на эти изображения, даже несмотря на то, что наблюдатель может находиться очень далеко. Наблюдатель, таким образом, может наслаждаться полным впечатлением от 3D-эффекта присутствия и эффекта параллакса в реальном времени. Это может быть тем случаем, когда изображения захватываются в одном масштабе (например, микроскопическом), а отображаются в другом масштабе (например, в натуральном масштабе или увеличенном масштабе). Однако, предложенная система не способна увеличивать размер 3D-экрана и угол просмотра, а также обеспечивать улучшение качества 3D-изображения.
Документ US 7944465 B2 описывает систему воспроизведения трехмерных изображений. Эта система основана на методике формирования составных изображений и использует дополнительную пару линзовых растров с актюаторами, которая обеспечивает одновременный просмотр 3D-отображения многими наблюдателями с достаточно широким полем просмотра. Однако, эта система имеет ограниченный размер экрана и 3D-разрешение и использует дорогостоящую дополнительную пару хорошо согласованных движущихся растров, которая увеличивает только область просмотра, не изменяя при этом значение текущего угла просмотра.
Документ US 20070035512 A1 раскрывает устройство отображения 3D-изображений, использующее составную технологию, которая обеспечивает принцип увеличения угла 3D-просмотра за счет использования вогнуто-плоского линзового растра, имеющего дополнительный материал над ним с показателем преломления, меньшим, чем показатель преломления линзового растра, что приводит к увеличению угла просмотра 3D-изображения. Однако, это устройство имеет ограниченный размер экрана и ограниченное 3D-разрешение.
Таким образом, существует необходимость в устройстве отображения без использования очков, способном увеличивать размеры изображения в по меньшей мере одном направлении и обеспечивать увеличение угла просмотра и разрешения изображения.
Раскрытие изобретения
Для устранения или ослабления одного или более из вышеупомянутых недостатков решений, известных из уровня техники, предложено настоящее изобретение, охарактеризованное независимым пунктом приложенной формулы изобретения. Разные частные варианты осуществления настоящего изобретения охарактеризованы зависимыми пунктами приложенной формулы изобретения.
Технический результат настоящего изобретения заключается в увеличении размеров отображаемого изображения в по меньшей мере одном направлении, при этом одновременно обеспечивая увеличенный угол просмотра изображения и улучшенное разрешение изображения в упомянутом по меньшей мере одном направлении.
Для этого настоящее изобретение предлагает устройство отображения. Это устройство содержит электронный блок управления, блок отображения изображения, блок пространственно-углового преобразования распределения, блок сканирования и переноса изображения и экран. Электронный блок управления выполнен с возможностью приема последовательности кадров изображения, составляющих исходное изображение, из внешнего источника изображения и обработки последовательности кадров изображения для получения сигнала управления. Блок отображения изображения выполнен с возможностью формирования, на основании сигнала управления из электронного блока управления, картины пространственного распределения света, соответствующей последовательности кадров изображения. Блок пространственно-углового преобразования распределения выполнен с возможностью преобразования картины пространственного распределения света из блока отображения изображения в картину углового распределения света для формирования по меньшей мере двух параллаксных изображений, связанных с последовательностью кадров изображений. Блок сканирования и переноса изображения выполнен с возможностью: увеличения упомянутых по меньшей мере двух параллаксных изображений в первом направлении и во втором направлении, причем первое направление перпендикулярно второму направлению; после упомянутого увеличения, отклонения упомянутых по меньшей мере двух параллаксных изображений между друг другом в по меньшей мере одном из первого и второго направлений таким образом, чтобы не было зазора или перекрытия между упомянутыми по меньшей мере двумя параллаксными изображениями в упомянутом по меньшей мере одном из первого и второго направлений; и, после упомянутого увеличения и отклонения, объединения упомянутых по меньшей мере двух параллаксных изображений для формирования объединенного изображения, причем объединенное изображение представляет собой увеличенное исходное изображение. Экран выполнен с возможностью отображения объединенного изображения.
В одном варианте осуществления блок отображения изображения содержит пространственный модулятор света (SLM) и блок подсветки SLM, используемый для подсветки SLM, чтобы обеспечивать его работу. Блок подсветки SLM содержит: по меньшей мере один источник света, выполненный с возможностью формирования пучка подсветки; поляризатор, выполненный с возможностью поляризации пучка подсветки таким образом, чтобы пучок подсветки имел первое состояние поляризации; рассеиватель, выполненный с возможностью рассеяния пучка подсветки в требуемом направлении; расширитель пучка подсветки, выполненный с возможностью расширения пучка подсветки, рассеянного от рассеивателя; выходную апертуру, выполненную с возможностью ограничения расширенного пучка подсветки; отклоняющие зеркала, выполненные с возможностью отклонения пучка подсветки после его ограничения; и поляризационный расщепитель пучка (PBS), выполненный с возможностью отражения и направления пучка подсветки от отклоняющих зеркал к SLM. После отражения в PBS первое состояние поляризации пучка подсветки изменяется на второе состояние поляризации, и после того, как пучок подсветки отразится от SLM и будет пространственно промодулирован с помощью SLM, PBS выполнен с возможностью пропускания его через себя в направлении блока пространственно-углового преобразования распределения в виде картины пространственного распределения света. Первое состояние поляризации может быть s-состоянием, а второе состояние поляризации может быть p-состоянием, или наоборот. Расширитель пучка подсветки может содержать апертуру переменного размера. SLM может быть основан на любом типе следующих технологий: LCD, LCoS, FLCoS, DMD, MEMS, OLED, OASLM, EOSLM.
В одном варианте осуществления устройство дополнительно содержит блок оптической фильтрации и переноса изображения, расположенный между блоком отображения изображения и блоком пространственно-углового преобразования распределения. Блок оптической фильтрации и переноса изображения выполнен с возможностью масштабирования и фильтрации картины пространственного распределения света, сформированной блоком отображения изображения, перед тем, как картина пространственного распределения света преобразуется блоком пространственно-углового преобразования распределения в картину углового распределения света. Блок оптической фильтрации и переноса изображения может содержать одну или более линз и одну или более апертур.
В еще одном варианте осуществления блок пространственно-углового преобразования распределения выполнен в виде 1D- или 2D-массива преобразующих элементов, обладающих симметричными или анаморфотными свойствами. Каждый из преобразующих элементов выполнен с возможностью формирования пикселя изображения, который может быть виден по-разному с разных точек наблюдения.
В одном варианте осуществления экран является пропускающим или отражающим, или частично пропускающим и отражающим, или имеет рассеивающие свойства.
В одном варианте осуществления блок сканирования и переноса изображения содержит по меньшей мере одну анаморфную линзовую систему, сканирующий элемент и приводной элемент. Упомянутая по меньшей мере одна анаморфная линзовая система выполнена с возможностью увеличения упомянутых по меньшей мере двух параллаксных изображений с коэффициентом увеличения, превышающим единицу в одном направлении, и с коэффициентом увеличения, меньшим, чем единица, во втором направлении. Сканирующий элемент выполнен с возможностью выполнения отклонений увеличенных параллаксных изображений в упомянутом по меньшей мере одном из первого и второго направлений. Приводной элемент выполнен с возможностью обеспечения сканирующим элементом упомянутых отклонений. Более того, сигнал управления из электронного блока управления может содержать данные об амплитуде отклонения, которая должна быть реализована сканирующим элементом, и приводной элемент может быть выполнен с возможностью побуждения сканирующего элемента выполнять упомянутые отклонения на основе данных об амплитуде отклонения. Размер и разрешение объединенного изображения в упомянутом по меньшей мере одном из первого и второго направлений пропорциональны амплитуде отклонения сканирующего элемента.
В одном варианте осуществления сканирующий элемент может содержать по меньшей мере одно зеркало и вал, на который установлено упомянутое по меньшей мере одно зеркало, причем вал соединен с приводным элементом и приводится в действие приводным элементом для выполнения вращений вокруг оси вала, тем самым обеспечивая отклонение упомянутого по меньшей мере одного зеркала в упомянутом по меньшей мере одном из первого и второго направлений.
В другом варианте осуществления работа сканирующего элемента основана на электро-оптическом или магнито-оптическом, или пьезо-оптическом эффекте, или любом их сочетании. В этом случае приводной элемент может быть выполнен с возможностью вызывать такой (такие) эффект (эффекты) в сканирующем элементе, например, посредством приложения внешнего электрического и/или магнитного поля.
В одном варианте осуществления первое направление является вертикальным направлением, а второе направление - горизонтальным направлением, или наоборот.
Предложенное устройство может быть интегрировано или реализовано в виде одного из следующих устройств: монитора, телевизора, проектора, устройства дополненной реальности.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1А-В показывают две возможные схемы устройства отображения в соответствии с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2А-С показывают три возможные схемы блока отображения изображения в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 показывает возможную схему блока оптической фильтрации и переноса изображения в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4А-В показывают две возможные схемы блока пространственно-углового преобразования распределения в соответствии с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5 показывает возможную схему блока сканирования и переноса изображения в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6 показывает схему устройства отображения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 7A-D поясняют работу блока сканирования и переноса изображения в соответствии с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 8А-С показывают три возможные реализации устройства отображения в соответствии с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако, настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. В отличие от этого, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания, специалисту в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано на практике посредством использования любого числа вариантов осуществления, обеспеченных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, представленных в приложенной формуле изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.
Кроме того, терминология, связанная с направлением, такая как «горизонтальный», «вертикальный», «перед», «позади» и т.д., используется со ссылкой на ориентацию описываемых фигур. Поскольку компоненты вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть расположены в разных ориентациях, терминология, связанная с направлением, используется в целях иллюстрации, а не ограничения. Должно быть понятно, что другие варианты осуществления могут быть использованы и структурные или логические замены могут быть выполнены без отступления от объема настоящего изобретения.
Фиг. 1А-В иллюстрируют две возможные (но не ограничительные) конструкции устройства 100 отображения в соответствии с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения. Отличие между Фиг. 1А и Фиг. 1В будет пояснено далее после перечисления и описания всех конструктивных компонентов, включенных в состав устройства отображения.
Как следует из Фиг. 1А-В, устройство 100 отображения содержит блок 102 отображения изображения, блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения, блок 106 пространственно-углового преобразования распределения, блок 108 сканирования и переноса изображения, экран 110 и электронный блок 112 управления (ECU). Далее вкратце будет описана работа устройства 100 отображения.
Блок 102 отображения изображения выполнен с возможностью формирования картины пространственного распределения света, соответствующей изображению, которое должно быть отображено, или любой части изображения. Для формирования такой картины пространственного распределения света блок 102 отображения изображения надлежащим образом управляется ECU 112. В частности, ECU 112 выполнен с возможностью формирования для блока 102 отображения изображения сигнала управления, указывающего конкретную картину пространственного распределения света, которая должна быть сформирована блоком 102 отображения изображения. Сигнал управления может быть сформирован ECU 112 на основе последовательности кадров изображения, составляющих изображение, поступающей из внешнего источника изображения, как, например, видеокамера. В частности, последовательность кадров изображения может быть представлена, например, как видеосигнал от видеокамеры или любого (любых) другого (других) устройства (устройств), способного (способных) захватывать изображения или кадры изображений. После того, как картина пространственного распределения света сформирована блоком 102 отображения изображения, она отравляется в блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения. Блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения выполнен с возможностью масштабирования и фильтрации картины пространственного распределения света. Следует отметить, что блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения является необязательным конструктивным компонентом, так что устройство 100 отображения может работать без использования блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения. Далее картина пространственного распределения света поступает в блок 106 пространственно-углового преобразования распределения. Блок 106 пространственно-углового преобразования распределения выполнен с возможностью формирования по меньшей мере двух параллаксных изображений посредством использования пространственно-углового преобразования распределения, при котором картина пространственного распределения света преобразуется в картину углового распределения света. Затем параллаксные изображения передаются в блок 108 сканирования и переноса изображения. Блок 108 сканирования и переноса изображения выполнен с возможностью: (i) увеличения упомянутых по меньшей мере двух параллаксных изображений в первом направлении и во втором направлении, причем первое направление перпендикулярно второму направлению; (ii) после упомянутого увеличения, отклонения упомянутых по меньшей мере двух параллаксных изображений между друг другом в по меньшей мере одном из первого и второго направлений таким образом, чтобы не было зазора или перекрытия между упомянутыми по меньшей мере двумя параллаксными изображениями в упомянутом по меньшей мере одном из первого и второго направлений; и (iii), после упомянутого увеличения и отклонения, объединения упомянутых по меньшей мере двух параллаксных изображений для формирования объединенного изображения. Объединенное изображение представляет собой увеличенное изображение, изначально предоставленное внешним источником изображения в ECU 112 в виде последовательности кадров изображения. И в конце, экран 110 используется для отображения объединенного изображения наблюдателю.
Упомянутые первое и второе направления могут быть горизонтальным и вертикальным направлениями соответственно. Например, если последовательность кадров изображения составляет изображение формата А4, горизонтальное направление может быть направлением вдоль короткой стороны изображения, а вертикальное направление может быть направлением вдоль длинной стороны изображения, или наоборот. Однако настоящее изобретения не ограничено такими определениями направлений, и могут использоваться любые другие взаимно перпендикулярные направления (например, взаимно перпендикулярные наклонные направления), как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.
Фиг. 1А отличается от Фиг. 1В реализацией экрана 110. В частности, Фиг. 1А иллюстрирует экран 110, реализованный в виде пропускающего экрана, в то время как Фиг. 1В иллюстрирует экран 110, реализованный в виде отражающего экрана. В зависимости от того, какой тип экрана используется, наблюдатель может видеть отображаемое изображение, либо располагаясь перед экраном 110, либо располагаясь позади экрана 110. В то же время специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что такие типы экранов являются всего лишь иллюстративными и неограничительными, и, если потребуется, то могут быть использованы другие типы экранов.
Далее будет описана подробнее реализация каждого из конструктивных элементов 102-112.
Фиг. 2А-С иллюстрируют возможные (но неограничительные) конструкции блока 102 отображения изображения. Как показано, блок 102 отображения изображения содержит пространственный модулятор 202 света (SLM), выходную плоскость 204 SLM 202 и может также содержать блок 206 освещения SLM (см Фиг. 2В-С) в случае, когда для работы SLM 202 требуется его освещение.
SLM 202 может быть основан на любом из следующих типов технологии: LCD (жидкокристаллический дисплей), LCoS (жидкие кристаллы на кремнии), FLCoS (ферроэлектрические жидкие кристаллы на кремнии), DMD (цифровое микрозеркальное устройство), MEMS (микроэлектромеханические системы), OLED (органический светоизлучающий диод), OASLM (пространственный модулятор света с оптической адресацией), EOSLM (электро-оптический пространственный модулятор света) или другая технология SLM, использующая по меньшей мере один элемент модуляции света. Как отмечено выше, цель блока 102 отображения изображения состоит в формировании картины пространственного распределения света в выходной плоскости 204 SLM 202, которая представляет собой, по меньшей мере, часть отображаемого изображения.
Фиг. 2А показывает вариант осуществления, в котором SLM 202 не требуется освещать для его работы. В этом случае SLM непосредственно принимает сигнал управления из ECU 112 и формирует картину пространственного распределения света.
Фиг. 2В иллюстрирует вариант осуществления, в котором SLM 202 требуется освещать для его работы. В этом случае блок 206 подсветки SLM используется для подсветки SLM 202 пучком подсветки (который требуется для активации работы SLM 202). Как показано на Фиг. 2В, блок 206 подсветки SLM содержит по меньшей мере один источник 208 света, поляризатор 210, элемент 212 настройки поляризации, рассеиватель 214, расширитель 216 пучка подсветки с апертурой переменного размера, выходную апертуру 218, отклоняющее зеркало 220 и поляризационный расщепитель 222 пучка (PBS). Настоящее изобретение не ограничено показанной конструкцией блока 102 отображения изображения, так что количество и расположение конструктивных компонентов 202-222 зависят от конкретных применений, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники. Далее будет описана подробнее работа блока 206 подсветки SLM.
Источник 208 света выполнен с возможностью формирования пучка подсветки, по меньшей мере, на одной длине волны, который затем поляризуется поляризатором 210, и первое состояние поляризации пучка подсветки затем настраивается элементом 212 настройки поляризации. Элемент 212 настройки поляризации может быть интегрирован в поляризатор 210, если потребуется. Рассеиватель 214 может быть установлен в передней фокальной плоскости одной из линз (например, одной из вогнутых или выпуклых линз) расширителя 216 пучка подсветки и используется для рассеяния пучка подсветки в требуемом направлении. Изменяя размер апертуры расширителя 216 пучка подсветки (например, посредством выбора и настройки линз надлежащим образом), можно получить требуемую расходимость пучка подсветки, чтобы сделать отображаемое изображение более однородным. Выходная апертура 218 ограничивает расширенный пучок подсветки, чтобы сделать распределение интенсивности в поперечном срезе более однородным, при этом учитывая соотношение между требуемой однородностью и оптической эффективностью блока 206 подсветки SLM. Отклоняющее зеркало 220 используется для отклонения оптической оси пучка подсветки и обеспечивает перераспределение геометрических размеров. PBS 222 отражает и направляет пучок подсветки в SLM 202, где первое состояние поляризации изменяется на второе состояние поляризации. Пучок подсветки, отраженный и пространственно промодулированный SLM 202, проходит через PBS 222 в блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения или непосредственно в блок 106 пространственно-углового преобразования распределения устройства 100 отображения (в том случае, когда предварительное масштабирование или фильтрация изображения не требуется) в виде картины пространственного распределения света. В некоторых неограничительных вариантах осуществления первое состояние поляризации может быть s-состоянием, а второе состояние поляризации может быть p-состоянием, или наоборот.
Как показано на Фиг. 2С, возможен другой вариант осуществления, в котором SLM 202 также требуется подсвечивать для его работы, но блок 206 подсветки SLM не содержит PBS 222. Вместо этого, блок 206 подсветки SLM содержит два отклоняющих зеркала 220, используется для отклонения пучка подсветки непосредственно в SLM 202. Другие конструктивные компоненты аналогичны тем, что показаны на Фиг. 2В. В этом случае SLM 202 должен быть выполнен с возможностью пропускания (без отражения) пучка подсветки для формирования картины пространственного распределения света в выходной плоскости 204. Аналогичным образом, картина пространственного распределения света может предоставляться либо в блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения, либо непосредственно в блок 106 пространственно-углового преобразования распределения устройства 100 отображения (в том случае, когда предварительное масштабирование или фильтрация изображения не требуется). Другое отличие между конструкциями, показанными на Фиг. 2В-С, состоит в том, что состояние поляризации пучка подсветки изменяется только один раз в случае отсутствия PBS 222.
Кроме того, варианты осуществления, показанные на Фиг. 2В-С, подразумевают, что источник 208 света может быть выполнен с возможностью приема сигнала управления из ECU 112 и формирования в ответ на сигнал управления пучка подсветки на требуемой длине волны, соответствующей последовательности кадров изображения из внешнего источника изображения.
Фиг. 3 иллюстрирует возможную (но неограничительную) конструкцию блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения. Как показано, блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения содержит первую линзу 302, апертуру 304 и вторую линзу 306. Блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения требуется тогда, когда необходимо осуществить фильтрацию картины пространственного распределения света для удаления высоких порядков дифракции, возникающих вследствие дифракции пучка подсветки на малом размере пикселя SLM 202. Таким образом, блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения может использоваться в устройстве 100 отображения для улучшения качества отображаемого изображения и для его предварительного масштабирования. Предварительно масштабированная и отфильтрованная (очищенная) картина пространственного распределения света формируется в выходной плоскости 308. Как отмечено выше, устройство 100 отображения может также работать в том случае, когда блок 104 оптической фильтрации и переноса изображения исключен из устройства 100 отображения, с некоторым ухудшением качества изображения, которое не оказывает существенного воздействия на вышеуказанный технический результат. Возможны другие варианты осуществления блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения, в которых может использоваться разное количество линз и апертур в зависимости от конкретных применений, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.
Фиг. 4А-В иллюстрируют возможную (но неограничительную) конструкцию блока 106 пространственно-углового преобразования распределения. Как показано, блок 106 пространственно-углового преобразования распределения содержит один или более преобразующих элементов 402. Цель блока 106 пространственно-углового преобразования распределения состоит в том, чтобы преобразовать картину пространственного распределения света, обеспеченную в выходной плоскости 204 SLM 202 (см Фиг. 4А) или выходной плоскости 308 блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения (см Фиг. 4В), в картину углового распределения света в выходной плоскости блока 106 пространственно-углового преобразования распределения. Угловая расходимость сформированных направленных видов (параллаксных изображений) в выходной плоскости 404 блока 106 пространственно-углового преобразования распределения пропорциональна размеру апертуры и оптической силе преобразующих элементов 402. Более того, количество сформированных направленных видов обратно пропорционально размеру пикселя SLM 202 и коэффициенту увеличения блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения, если он используется. Преобразующие элементы 402 могут быть расположены в виде 1D- или 2D-массива преобразующих элементов с симметричными или анаморфотными свойствами, что приводит к формированию параллаксных направленных видов (только горизонтальных, только вертикальных или и тех, и других) отображаемого изображения. Более того, каждый из преобразующих элементов в этом массиве формирует элементарную часть интегрального изображения, содержащую параллаксные направленные виды, т.е., другими словами, каждый из преобразующих элементов формирует интегральный пиксель изображения, который может быть виден по-разному с разных точек наблюдения. Набор таких интегральных пикселей изображения формирует полное 3D-изображение. Если устройство 100 отображения работает в 2D-режиме, параллаксные виды устанавливаются равными. Устройство 100 отображения может работать также в стереоскопическом режиме, формируя два разных набора параллаксных изображений.
Фиг. 5 иллюстрирует возможную (но неограничительную) конструкцию блока 108 сканирования и переноса изображения. Как показано, блок 108 сканирования и переноса изображения содержит первую анаморфную линзу 502, вторую анаморфную линзу 504, сканирующий блок 506, третью анаморфную линзу 508, четвертую анаморфную линзу 510 и выходную плоскость 512 (которая совмещена с экраном 110). Цель блока 108 сканирования и переноса изображения состоит в том, чтобы переносить, увеличивать и сканировать параллаксные изображения, сформированные в выходной плоскости 404 блока 106 пространственно-углового преобразования распределения, и воспроизводить увеличенное выходное 3D-изображение в выходной плоскости 512 с увеличенным углом просмотра. Первая анаморфная линза 502 и третья анаморфная линза 508 предназначены для переноса параллаксных изображений с увеличением в первом направлении изображения с выходной плоскости 404 блока 106 пространственно-углового преобразования распределения к выходной плоскости 512 блока 108 сканирования и переноса изображения. Вторая анаморфная линза 504 и четвертая анаморфная линза 510 предназначены для переноса параллаксных изображений с увеличением во втором направлении (перпендикулярном первому направлению) с выходной плоскости 404 блока 106 пространственно-углового преобразования распределения к выходной плоскости 512 блока 108 сканирования и переноса изображения. Если такое угловое увеличение больше 1, то можно получить увеличенный угол просмотра отображаемого изображения. Сканирующий блок 506 предназначен для отклонения параллаксных изображений между друг другом в по меньшей мере одном из первого и второго направлений таким образом, чтобы не было зазора или перекрытия между параллаксными изображениями в упомянутом по меньшей мере одном из первого и второго направлений. Таким образом, блок 108 сканирования и переноса изображения формирует интегральное изображение (в частности, которое представляет собой комбинацию параллаксных изображений после их увеличения и отклонения) в выходной плоскости 512. Объединенное изображение представляет собой увеличенное изображение, изначально предоставленное в виде последовательности кадров изображения из внешнего источника изображения.
Сканирующий элемент 506 может быть любого типа, который подходит для обеспечения требуемых отклонений параллаксных изображений. Например, сканирующий элемент 506 может быть основан на электро-оптическом, магнито-оптическом, пьезо-оптическом эффекте или любом их сочетании, или другом эффекте, при котором изменение свойств оптической среды (в ответ на приложенное внешнее поле, например, электрическое и/или магнитное поле) приводит к отклонению пучка света. Кроме того, в другом варианте осуществления сканирующий элемент 506 может содержать зеркало, установленное на вал, и приводной элемент, соединенный с валом и выполненный с возможностью обеспечивать выполнение вращений зеркала вокруг оси вала, тем самым обеспечивая вышеупомянутые отклонения в упомянутом по меньшей мере одном из первого и второго направлениях. Эти отклонения могут регулироваться сигналом управления из ECU 112. Например, сигнал управления может содержать данные об амплитуде отклонения, которая должна быть реализована сканирующим элементом 506, и приводной элемент может быть выполнен с возможностью обеспечивать выполнение упомянутых отклонений сканирующим элементом 506 на основе данных об амплитуде отклонения.
Как отмечено выше, экран 110 используется для отображения 3D- или 2D-изображения наблюдателю. Экран 110 может быть установлен, как было указано здесь выше, более предпочтительно в выходной плоскости 512, в том месте, куда проецируется и где окончательно формируется отображаемое изображение. Экран 110 может быть пропускающим (см Фиг. 1А) или отражающим (см Фиг. 1В), или частично пропускающим и отражающим, или, более предпочтительно, обладать рассеивающими свойствами, так чтобы наблюдатель мог просматривать 3D-изображение либо перед экраном 110, либо между блоком 108 сканирования и переноса изображения и экраном 110. Рассеивающие свойства экрана 110 должны удовлетворять следующим двум основным требованиям: достаточно большой угол рассеяния в одном из первого и второго направлений (например, в одном из горизонтального и вертикального направлений) обеспечивает более удобные условия просмотра для наблюдателя за счет увеличения угла просмотра отображаемого 3D-изображения в упомянутом одном из первого и второго направлений; достаточно малое рассеяние или его отсутствие требуется в направлении, в котором формируются параллаксные изображения, чтобы исключить влияние и искажение в наборе сформированных параллаксных изображений.
ECU 112 используется для управления работой устройства 100 отображения. Этот блок принимает видеосигнал, содержащий кодированные данные 3D-изображения (например, последовательность кадров изображения), обрабатывает его и направляет сигнал управления в блок 102 отображения изображения, при этом обеспечивая непрерывную синхронизацию между блоком 102 отображения изображения, источником 208 (если он применяется) и сканирующим элементом 506. Задача синхронизации, выполняемая ECU 507, направлена на обеспечение отображения увеличенного четкого 3D-изображения, состоящего из одного или более кадров или подкадров изображения, покрывающих всю область выходной плоскости 512 блока 108 сканирования и переноса изображения без перекрытия, зазоров (между параллаксными изображениями) и с высокой однородностью. ECU 112 может быть реализован, например, в виде одного или более процессоров.
Вышеописанные конструктивные компоненты устройства 100 отображения могут быть связаны друг с другом так, как показано на Фиг. 1А-В, чтобы создавать набор направленных видов (параллаксных изображений) для формирования отображаемого увеличенного 3D-изображения с увеличенным углом просмотра.
Предпочтительный вариант осуществления
Наиболее предпочтительный вариант осуществления устройства 100 отображения показан на Фиг. 6. Видеосигнал, содержащий данные 3D-изображения в виде последовательности кадров или подкадров, например, сформированных посредством видеоадартера PC, отправляется в ECU 112. ECU 112 обрабатывает видеосигнал и отправляет кодированные данные 3D-изображения для кадров или подкадров (т.е. сигнал управления) в SLM 202. ECU может отправлять сигнал управления источнику 208 света, включенному в состав блока 206 освещения SLM (если он применяется), позволяя или не позволяя освещать SLM 202, и обеспечивая модуляцию пучка подсветки для улучшения четкости изображения. Сканирующий элемент 506 также принимает сигнал управления из ECU 112 для установки в требуемое положение и выполнения покрытия всей выходной плоскости 512 блока 108 сканирования и переноса изображения кадрами или подкадрами, причем положение экрана 110 совпадает с положением выходной плоскости 512. Кадры или подкадры кодированного 3D-изображения последовательно отображаются в SLM 202, формируя последовательно картину пространственного распределения света в выходной плоскости 204 SLM 202 для дальнейшего сканирования с целью покрытия и увеличения размера экрана. Таким образом, картина пространственного распределения света, сформированная в выходной плоскости 204 SLM 202, переносится в выходную плоскость 408 блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения с предварительным увеличением, определяемым коэффициентом М0=f'306/f'302, где f'306 является задним фокусным расстоянием второй линзы 306 блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения, и f'302 является задним фокусным расстоянием первой линзы 302 блока 104 оптической фильтрации и переноса изображения, и фильтруется от высоких порядков дифракции, созданных вследствие массива пикселей малых размеров в SLM 202. Затем картина пространственного распределения света, отфильтрованная и предварительно масштабированная на коэффициент М0, преобразуется блоком 106 пространственно-углового преобразования распределения, который, например, может быть выполнен в виде лентикулярного линзового растра. Оптические свойства блока 106 пространственно-углового преобразования распределения, а именно: заднее фокусное расстояние f'402 и шаг линзового растра p402, - определяют угол просмотра 2Θ предложенного устройства 100 отображения: 2Θ=2*arctan(p402/(2*f'402)). Также шаг линзового растра p402 и размер пикселя p202 в SLM 202 определяют максимальное количество Nviews отображаемых видов отображаемого 3D-изображения: Nviews = p402/p202, причем p402 должно делиться на p202 без остатка, чтобы избежать перекрестные помехи и угловые сдвиги между видами. Для достижения увеличенного угла просмотра необходимо выбрать увеличенный шаг линзового растра p402 и оптическую силу 1/f'402 преобразующего элемента 402. Однако, для технологии формирования составных изображений присуще следующее: чем больше шаг линзового растра p402 при одном и том же размере пикселя p202 в SLM, тем ниже разрешение 3D-изображения. Следовательно, компромисс между разрешением 3D-отображения и углом просмотра может быть достигнут за счет выбора подходящих параметров SLM 202 и преобразующего элемента 402, что зависит от требований, применяемых к устройству 100 отображения. Таким образом, в выходной плоскости 404 блока 106 пространственно-углового преобразования распределения может быть получена картина углового распределения света, которая характеризуется направленными видами (параллаксными изображениями) соответствующих подкадров изображения с углом просмотра, определяемым оптическими свойствами преобразующего элемента 402. Далее параллаксные изображения переносятся в выходную плоскость 512 блока 108 сканирования и переноса изображения, при этом увеличиваясь в вертикальном направлении и изменяясь в масштабе в горизонтальном направлении парой анаморфных телескопических устройств, каждое из которых выполнено из двух анаморфных линз. Первая пара анаморфных линз, представленная первой анаморфной линзой 502 и третьей анаморфной линзой 508, обладает коэффициент увеличения в вертикальном направлении, определяемом как M1=f'508/f'502, где f'508 представляет собой заднее фокусное расстояние третьей анаморфной линзы 508, а f'502 представляет собой заднее фокусное расстояние первой анаморфной линзы 502. Вторая пара анаморфных линз, представленная второй анаморфной линзой 504 и четвертой анаморфной линзой 510, имеет коэффициент увеличения в вертикальном направлении, определяемый как M2=f'510/f'504, где f'510 представляет собой заднее фокусное расстояние четвертой анаморфной линзы 510, а f'504 представляет собой заднее фокусное расстояние второй анаморфной линзы 504. Кроме того, если 0<|M2|<1, что означает уменьшение размера подкадра в горизонтальном направлении, то можно получить увеличение угла просмотра параллаксных изображений, составляющих все 3D-изображение, вследствие использования известного свойства телескопической линзовой системы. Для получения увеличенного размера 3D-изображения в вертикальном направлении, необходимо, чтобы |M1|>1.
Являясь частью блока 108 сканирования и переноса изображения, сканирующий элемент 506 выполняет отклонение кадров или подкадров изображения в горизонтальном направлении (см Фиг. 7А-D) для покрытия выходной плоскости 512 сформированным выходным левосторонним 3D-подкадром 1101, сформированным выходным центральным 3D-подкадром 1102 и сформированным выходным правосторонним 3D-подкадром 1103 без их перекрытия и пустых областей между ними, чтобы получить полное четкое 3D-изображение, увеличенное в горизонтальном направлении и обладающее улучшенным разрешением в сравнении с отдельными сформированными выходными 3D-подкадрами. Количество сформированных выходных 3D-подкадров включает в себя по меньшей мере один подкадр, и, более предпочтительно, превышает один подкадр и зависит от параметров устройства 100 отображения и алгоритма работы ECU 112. Сканирующий элемент 506 должен работать настолько быстро, насколько это требуется для того, чтобы наблюдатель видел все 3D-изображение без мерцания для создания более удобных условий просмотра, причем подкадры могут отображаться во время сканирования, выполняемого либо только вперед, либо как вперед, так и назад.
Предложенное устройство может работать не только в 3D-режиме, но также и в 2D-режиме, когда все отображаемые параллаксные изображения являются одинаковыми, т.е. не зависят от угла просмотра, что подразумевает 2D-восприятие изображения для наблюдателя.
Фиг. 8А-С показывают разные варианты осуществления устройства 100 отображения согласно настоящему изобретению. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 8А, устройство 100 отображения и его экран 110 интегрированы в монитор или телевизионный блок. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 8В, экран 110 устройства 100 отображения реализован в конфигурации фронтальной проекции, т.е. изображение проецируется на экран с той же стороны, что и положение наблюдателя. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 8С, экран 110 устройства 100 отображения реализован в конфигурации задней проекции, т.е. изображение проецируется на экран с противоположной стороны по отношению к положению наблюдателя.
Раскрытое выше изобретение может использоваться не только как независимый блок 3D-отображения, но также как и часть различных устройств, включающих в себя (без ограничения) телевизоры, проекторы, устройства дополненной реальности и т.д.
Вне зависимости от того, функционирует ли предложенное устройство отображения в качестве независимого устройства отображения или как часть другого устройства, принцип его работы и технический результат остаются такими же.
Хотя в данном документе были раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в этих вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены любые различные изменения и модификации без отступления от объема правовой охраны, который определяется приложенной формулой изобретения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.