УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G02B27/22 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а более конкретно к устройствам формирования автостереоскопического изображения, то есть стереоскопического изображения, которое пользователь может наблюдать, не используя специальные очки.

Известно устройство формирования автостереоскопического изображения, содержащее управляемый оптический транспарант, освещающую систему, создающую световой пучок, проходящий через транспарант и попадающий в зрачки глаз пользователя, и систему слежения за положением в пространстве глаз пользователя [1]. На транспаранте поочередно воспроизводятся изображения для левого и правого глаз пользователя. Когда на транспаранте воспроизведено изображение для левого глаза, световой пучок направляется в зрачок левого глаза. Когда на транспаранте воспроизведено изображение для правого глаза, световой пучок направляется в зрачок правого глаза. В результате пользователь наблюдает стереоскопическое изображение. Источником света в дисплее служит экран электронно-лучевой трубки, действительное изображение которого, формируемое освещающей системой, образует зону видения. Глубина зоны видения такого дисплея невелика, так как она ограничена небольшим допустимым смещением глаз пользователя из плоскости действительного изображения экрана электронно-лучевой трубки. Изображение, создаваемое дисплеем, имеет небольшую яркость, так как в каждый момент времени транспарант освещается небольшим участком экрана электронно-лучевой трубки, соответствующим той части зоны видения, в которой находится зрачок левого или правого глаза пользователя.

Наиболее близок по технической сущности к предложенному устройству стереоскопический дисплей, описанный в патенте [2]. В этом дисплее изображение, наблюдаемое пользователем, воспроизводится на управляемом оптическом транспаранте. Транспарант освещается диффузным пучком света, который, пройдя через транспарант, попадает в глаза пользователя. Диффузный пучок света создается диффузором, освещаемым источником света, например лампами накаливания. Диффузор установлен на достаточно большом расстоянии от транспаранта, чтобы каждый участок диффузора освещал всю поверхность транспаранта. Перед транспарантом вплотную к нему установлена линза, создающая действительное изображение диффузора за транспарантом. Это действительное изображение диффузора образует зону видения, ширина и высота которой равна ширине и высоте изображения диффузора. За диффузором вплотную к нему располагается второй управляемый оптический транспарант, выполняющий роль диафрагмы, пропускающей свет только от тех участков диффузора, изображение которых попадает в глаза пользователя. Положение головы пользователя и, следовательно, его глаз определяется блоком слежения по телевизионному изображению пользователя. Два управляемых оптических транспаранта работают синхронно: когда на первом транспаранте сформировано то изображение, которое пользователь должен видеть своим левым глазом, второй транспарант пропускает свет только от того участка диффузора, изображение которого попадает в левый глаз пользователя. Когда на первом транспаранте сформировано то изображение, которое пользователь должен видеть своим правым глазом, второй транспарант пропускает свет только от того участка диффузора, изображение которого попадает в правый глаз пользователя. Синхронизация работы двух транспарантов осуществляется контроллером. В этом дисплее в глаза пользователя попадает только малая часть света, рассеянного диффузором. Эта часть света равна отношению площади зрачка глаза к площади зоны видения. В результате яркость изображения, наблюдаемого пользователем, существенно уменьшается. Другой недостаток дисплея состоит в том, что зона видения у него имеет малую глубину. Глубина зоны видения ограничена таким смещением глаз пользователя из плоскости действительного изображения диффузора, при котором диаметр расфокусированных изображений двух участков диффузора, соответствующих правому и левому глазам пользователя, в два раза превышает глазную базу.

Цель настоящего изобретения состоит в повышении яркости изображения и увеличении глубины зоны видения. Указанная цель достигается тем, что в системе освещения известного устройства вместо диффузора, имеющего двумерную индикатрису рассеяния и расположенного на достаточно большом расстоянии от транспаранта, воспроизводящего изображение, используется диффузор с одномерной индикатрисой рассеяния, рассеивающий падающий на него свет только в вертикальном направлении и расположенный вплотную к транспаранту. Индикатриса рассеяния диффузора имеет достаточно большую ширину, чтобы свет, прошедший через любой участок транспаранта, рассеивался по всей высоте зоны видения. Диффузор с такой одномерной индикатрисой рассеяния рассмотрен в работе [3]. Отличие также состоит в том, что система освещения содержит оптический узел, формирующий световую волну, проходящую через диффузор и управляемый оптический транспарант и образующую в зоне видения вертикальную световую полоску. Этот оптический узел направляет вертикальную световую полоску в зрачки левого и правого глаз пользователя, перенося ее с одного глаза на другой с частотой несколько десятков герц. Когда вертикальная световая полоска попадает в зрачок левого глаза, на транспаранте сформировано то изображение, которое пользователь должен видеть своим левым глазом. Когда вертикальная световая полоска попадает в зрачок правого глаза, на транспаранте сформировано то изображение, которое пользователь должен видеть своим правым глазом. При движении головы пользователя в горизонтальной плоскости в направлении, параллельном или перпендикулярном поверхности транспаранта, оптический узел, создающий вертикальную световую полоску, изменяет положение вертикальной световой полоски в соответствующих направлениях таким образом, чтобы вертикальная световая полоска поочередно попадала в зрачки левого и правого глаз пользователя. Оптический узел, создающий вертикальную световую полоску, управляется контроллером, получающим информацию о положении глаз пользователя от системы слежения, состоящей из телевизионной камеры и блока слежения, определяющего положение глаз пользователя по телевизионному изображению его головы. Изображения, воспроизводимые на транспаранте, формируются по сигналам блока видеосигналов, управляемого контроллером. Использование в системе освещения предложенного устройства диффузора с одномерной индикатрисой рассеяния, рассеивающего свет только в вертикальном направлении, и оптического узла, создающего в зоне видения вертикальную световую полоску, повышает яркость изображения во столько раз, во сколько ширина зоны видения превышает ширину вертикальной световой полоски. Использование оптического узла, имеющего возможность формировать вертикальную световую полоску на разных расстояниях от транспаранта, увеличивает глубину зоны видения, что создает для пользователя более комфортные условия наблюдения стереоскопического изображения.

Оптический узел, формирующий световую волну, сходящуюся в зоне видения в вертикальную световую полоску, может иметь различные варианты своей конструкции. В частности, он может состоять из источника света, конденсора, зеркала, вращающегося вокруг оси, перпендикулярной к поверхности зеркала, двух зеркал, каждое из которых имеет возможность поворачиваться вокруг оси, параллельной его поверхности, цилиндрической линзы, линзы коллектива и линзы, расположенной перед диффузором. Излучение источника света, пройдя через конденсор, преобразуется в световой пучок малой расходимости, падающий на вращающееся зеркало. Вращающееся зеркало имеет отверстия, расположенные симметрично относительно оси вращения. В зависимости от угла вращения зеркала световой пучок или проходит через одно из отверстий зеркала и падает на одно из зеркал, имеющих возможность поворачиваться, или отражается от вращающегося зеркала и падает на другое зеркало, имеющее возможность поворачиваться. Отразившись от одного из зеркал, имеющего возможность поворачиваться, световой пучок снова падает на вращающееся зеркало, в зависимости от угла вращения которого он или отражается от зеркала, или проходит через одно из его отверстий. В любом случае, отразившись или пройдя через отверстия вращающегося зеркала, световой пучок падает на цилиндрическую линзу, которая в своей фокальной плоскости формирует вертикальную световую полоску. В фокальной плоскости цилиндрической линзы установлена линза коллектив, образующая изображение выходного зрачка цилиндрической линзы на входном зрачке линзы, установленной перед диффузором, имеющим одномерную индикатрису рассеяния. Линза, установленная перед диффузором, может быть линзой Френеля. Она формирует увеличенное изображение вертикальной световой полоски в зоне видения. Вертикальная световая полоска направляется в зрачок левого или правого глаза пользователя в зависимости от того, отразился световой пучок от вращающегося зеркала или прошел через отверстия зеркала. При отражении от вращающегося зеркала световой пучок отражается от одного зеркала, имеющего возможность поворачиваться. При прохождении через отверстия вращающегося зеркала световой пучок отражается от другого зеркала, имеющего возможность поворачиваться. Одно из двух зеркал, имеющих возможность поворачиваться, направляет вертикальную световую полоску в зрачок левого глаза, другое - в зрачок правого глаза. Расстояние вертикальной световой полоски от транспаранта определяется положением цилиндрической линзы, которая смещается вдоль оптической оси на такое расстояние, чтобы изображение вертикальной световой полоски находилось на таком же расстоянии от транспаранта, на котором находятся глаза пользователя.

Фиг.1 - устройство формирования автостереоскопического изображения, вид сверху.

Фиг.2 - устройство формирования автостереоскопического изображения, вид сбоку.

Фиг.3 - устройство формирования автостереоскопического изображения с оптическим узлом, содержащим вращающееся зеркало, и оптический путь при наблюдении изображения левым глазом.

Фиг.4 - вращающееся зеркало с четырьмя отверстиями.

Фиг.5 - устройство формирования автостереоскопического изображения с оптическим узлом, содержащим вращающееся зеркало, и оптический путь при наблюдении изображения правым глазом.

Вид сбоку устройства формирования автостереоскопического изображения представлен на фиг.1, вид сверху - на фиг.2. На управляемом оптическом транспаранте 1 по сигналам блока видеосигналов 4 воспроизводится изображение, наблюдаемое пользователем. Транспарант 1 освещается пучком света, создаваемым оптическим узлом 2 и диффузором 3, имеющим одномерную индикатрису рассеяния. Оптический узел 2 формирует световую волну, сходящуюся в зоне видения в вертикальную световую полоску. Диффузор 3, имея одномерную индикатрису рассеяния, рассеивает эту волну только в вертикальном направлении. Вертикальная световая полоска с частотой в несколько десятков герц поочередно направляется в зрачки левого и правого глаз пользователя. Когда на транспаранте 1 сформировано то изображение, которое пользователь при наблюдении объемной сцены должен видеть при данном положении своей головы левым глазом, вертикальная световая полоска направляется в зрачок левого глаза (фиг.2). Когда на транспаранте 1 сформировано то изображение, которое пользователь при наблюдении объемной сцены должен видеть при данном положении своей головы правым глазом, вертикальная световая полоска направляется в зрачок правого глаза. В результате пользователь видит стереоскопическое изображение сцены. При движении головы пользователя оптический узел 2 изменяет направление распространения и кривизну волнового фронта световой волны таким образом, чтобы вертикальная световая полоска поочередно фокусировалась на зрачках левого и правого глаз пользователя. В результате пользователь получает возможность в пределах зоны видения оглядывать предметы наблюдаемой сцены, что увеличивает эффект объемности изображения. Ширина и глубина зоны видения равна расстояниям, на которые вертикальная световая полоска может быть перемещена в направлениях, соответственно, параллельном и перпендикулярном к поверхности транспаранта. Высота зоны видения равна высоте вертикальной световой полоски (фиг.1). Диффузор 3, рассеивая проходящий через него свет в вертикальном направлении, позволяет пользователю видеть изображение на всех участках транспаранта независимо от высоты их положения и высоты положения своих глаз в пределах зоны видения (фиг.1). Положение головы, а следовательно, и глаз пользователя определяется блоком слежения 5 по изображению пользователя, получаемому телевизионной камерой 6. Сигналы о положении глаз пользователя от блока слежения 5 поступают в контроллер 7, который управляет работой оптического узла 2, чтобы обеспечить фокусировку вертикальной световой полоски поочередно на зрачки левого и правого глаз пользователя. Контроллер 7 управляет работой блока видеосигналов 4, чтобы изображение, воспроизводимое в данный момент времени по сигналам блока видеосигналов 4 на транспаранте 1, было тем изображением объемной сцены, которое пользователь должен видеть своим левым или правым глазом при данном положении своей головы.

На фиг.3 представлена схема устройства формирования автостереоскопического изображения, в котором оптический узел, формирующий в зоне видения вертикальную световую полоску, состоит из источника света 8, конденсора 9, зеркала 10, вращающегося вокруг оси, перпендикулярной к поверхности зеркала, двух зеркал 11 и 12, имеющих возможность поворачиваться вокруг вертикальных осей, параллельных их поверхностям, цилиндрической линзы 13, имеющей возможность смещаться вдоль оптической оси, линзы коллектива 14 и линзы 15, установленной перед диффузором 3. Излучение источника света 8, пройдя через конденсор 9, преобразуется в световой пучок малой расходимости, падающий на вращающееся зеркало 10. Зеркало 10 имеет отверстия, расположенные симметрично относительно оси вращения, и вращается с частотой несколько десятков герц. На фиг.4 представлено зеркало 10 с четырьмя отверстиями. В зависимости от угла вращения зеркала 10 световой пучок или отражается от зеркала 10 и падает на зеркало 11, или проходит через одно из отверстий зеркала и падает на зеркало 12. Отразившись от зеркала 11, световой пучок снова падает на вращающееся зеркало 10 и, отразившись от него, падает на цилиндрическую линзу 13. Пройдя через одно из отверстий вращающегося зеркала 10, световой пучок отражается от зеркала 12, проходит через другое отверстие зеркала 10 и падает на цилиндрическую линзу 13. Цилиндрическая линза 13 формирует в своей фокальной плоскости вертикальную световую полоску. В фокальной плоскости цилиндрической линзы 13 установлена линза коллектив 14, создающая изображение апертуры цилиндрической линзы 13 на апертуре линзы 15. Линза 15, которая может быть линзой Френеля, создает в зоне видения увеличенное изображение вертикальной световой полоски, формируемой цилиндрической линзой 13. Вертикальная световая полоска направляется в зрачок левого или правого глаза пользователя в зависимости от того, отразился световой пучок от вращающегося зеркала 10 или прошел через отверстия зеркала 10. На фиг.3 представлены устройство формирования автостереоскопического изображения и оптический путь, когда световой пучок отражается от вращающегося зеркала 10. На фиг.5, когда световой пучок проходит через отверстия вращающегося зеркала 10, положение вертикальной световой полоски по ширине зоны видения определяется углом поворота зеркал 11, 12. Зеркало 11 проворачивается на такой угол, чтобы вертикальная световая полоска попадала в зрачок левого глаза, зеркало 12 проворачивается на такой угол, чтобы вертикальная световая полоска попадала в зрачок правого глаза. Положение вертикальной световой полоски по глубине зоны видения определяется положением цилиндрической линзы 14, которая смещается вдоль оптической оси на такое расстояние, чтобы изображение вертикальной световой полоски, создаваемое линзой 15, находилось на таком расстоянии от транспаранта 1, на котором находятся глаза пользователя. Углом поворота зеркал 11, 12, перемещением цилиндрической линзы 14 и вращением зеркала 10 управляет котроллер 7, получающий информацию о положении глаз пользователя от системы слежения, состоящей из блока слежения 5 и телевизионной камеры 6.

Источники информации

1. Патент США № 6069649 от 30 мая 2000, МКИ H 04 N 13/00.

2. Патент США № 6215590 от 10 апреля 2001, МКИ G 02 B 27/22, H 04 N 13/04, H 04 N 15/00.

3. Бруй Е.Б. Орлов В.В. //Письма в ЖТФ. 1998, том 24, № 5, стр.70-75.

Изобретение относится к устройствам формирования автостереоскопического изображения, т.е. стереоскопического изображения, которое можно наблюдать, не используя специальные очки. Устройство содержит управляемый оптический транспарант, систему освещения управляемого оптического транспаранта, содержащую оптический узел для формирования в зоне видения вертикальной световой полоски и диффузор, установленный вплотную к транспаранту и рассеивающий свет только в вертикальном направлении, систему слежения за положением в пространстве глаз пользователя, блок видеосигналов и контроллер. Оптический узел направляет вертикальную световую полоску поочередно в зрачки левого и правого глаза пользователя и на транспаранте синхронно формируется изображение для левого и правого глаза. Технический результат - использование диффузора, рассеивающего свет только в вертикальном направлении, и оптического узла, имеющего возможность создавать вертикальную световую полоску на разных расстояниях от транспаранта, увеличивает глубину зоны видения и яркость изображения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство формирования автостереоскопического изображения, содержащее управляемый оптический транспарант, систему освещения транспаранта, систему слежения за положением в пространстве глаз пользователя, блок видеосигналов, контроллер, отличающееся тем, что система освещения управляемого оптического транспаранта содержит оптический узел для формирования в зоне видения вертикальной световой полоски, и диффузор, установленный вплотную к указанному транспаранту и рассеивающий свет только в вертикальном направлении.2. Устройство формирования автостереоскопического изображения по п.1, отличающееся тем, что оптический узел, для формирования в зоне видения вертикальной световой полоски, содержит источник света, конденсор, вращающееся зеркало, имеющее отверстия, расположенные симметрично относительно оси вращения, два зеркала, имеющие возможность поворачиваться, цилиндрическую линзу, имеющую возможность перемещаться вдоль оптической оси, линзу коллектив, установленную в фокальной плоскости цилиндрической линзы, и линзу, установленную перед диффузором.