显示多重景深影像的系统与方法

技术领域

本发明揭露一用以显示立体影像的方法与系统，特别是关于一种用以显示立体影像的方法与系统，其中每一个像素是利用每一个像素显示于所述光讯号中至少两个朝向一观察者的眼睛的位置，所述至少两个光源讯号的路径或路径的延伸在与所述位置以与所述像素的景深相关的角度相交。

背景技术

裸眼三维立体影像术是一种显示立体影像的技术，不需要在观看者身上戴任何头戴装置或眼镜，因此被称为“无眼镜三维”。归因于裸眼三维立体影像的技术，佩戴特殊的观察眼镜或跟踪设备已不再是享受裸眼三维可视化的先决条件。但是，它们的局限性(例如狭窄的视角，低影像质量，串扰和浅影像景深)阻碍了它们在裸眼三维可视化的较大区域和更广泛的商业用途中的进一步推广。无论如何，已经开发出许多方法来提供裸眼三维立体影像术，其中一种是三维全像术和体积显示。

三维全息影像技术是使用摄影投影生成的三维影像。它是真正的三维独立影像，不仿真空间景深，不需要特殊的眼镜即可观看。换句话说，它定义为在空间中自由存在的三维投影。它是光场的全息记录，而不是镜头形成的影像。但是，三维全息影像技术具有以下缺点：(1)在荧光灯照明下不容易看到；(2)在产品设计中实施全息投影是昂贵的；(3)使用三维全息影像构造影像非常耗时；(4)全息数据存储遭受噪声和灵敏度问题。因此，它具有物质上的局限性。同时，由于各种因素，例如动态显示，实时生成和用于电视存在的电子讯号传输，在短期内难以实现商业化的快速发展。

与裸眼三维立体影像术有关的其他传统技术可以采用微机电系统(MEMS)反射镜，以通过将光线反射和投射到空间中的相应位置来显示三维影像。但是，这种常规技术需要由许多微机电系统反射镜形成的微机电系统反射镜数组来显示高分辨率三维影像，从而使得到的三维影像显示系统体积庞大且成本高昂，并且对于实际的裸眼三维立体影像术应用不可行。

发明内容

本发明揭露一种用以显示具有多重景深的三维影像的系统与方法，其特征在于利用微机电系统反射镜反射光讯号，据此在光讯号的路径或路径的延伸相交位置用以在空间中依照像素的景深显示对应三维影像的像素。本发明揭露内容的特征与优点会在以下进行描述。

本公开的附加特征和优点将在随后的描述中阐述，并且从描述中将部分地显而易见，或者可以通过实践本公开而获知。本公开的目的和其他优点将通过在书面描述及其权利要求以及附图中特别指出的结构和方法来实现和获得。

为了达到前述目的，用以显示三维影像投影系统具有至少一光讯号产生器，依序产生复数光讯号；以及至少一个光学组件，用以接收来自至少所述光讯号产生器的复数光讯号，且基于一预定的扫描模式与一预定的时间段内，投射和扫描所述复数光讯号，用以在空间中显示三维影像；其中，所述三维影像中每一个像素显示于所述光讯号中至少两个朝向一观察者的眼睛的一位置，所述至少两个光源号的路径或路径的延伸在与所述位置以与所述像素的景深相关的角度相交，并且所述预定时间段是十八分之一秒。

为了达到前述目的，用以显示具有景深三维影像的方法，包含：(a)由至少一光讯号产生器依序产生复数光讯号；以及(b)所述复数光讯号由至少一光学组件接收并基于一预定的扫描模式与一预定的时间段内，投射和扫描所述复数光讯号，用以在空间中显示三维影像；其中，所述三维影像中每一个像素显示于所述光讯号中至少两个朝向一观察者的眼睛的一位置，所述至少两个光源号的路径或路径的延伸在与所述位置以与所述像素的景深相关的角度相交，并且所述预定时间段是十八分之一秒。

依据上述描述，至少有两个在不同时间依序产生的光讯号被反射到一空间位置以显示三维影像的对应像素至观测者眼睛。依序产生的光讯号的路径会延伸路径相交用以显示像素在交会位置。依照人类视觉暂留现象，所有用以显示三维影像的光讯号必须在十八分之一秒内被观测者眼睛接收。据此，本发明所揭示的方法与系统具有结构简单、体积小以及低建置成本的优点。

应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

图1是本发明的用于显示具有多重景深的三维影像的系统的第一实施例的示意图。

图2是本发明的用于显示具有多重景深的三维影像的系统的第二实施例的示意图。

图3是本发明的用于显示具有多重景深的三维影像的系统的第三实施例的示意图。

图4是本发明的用于显示具有多重景深的三维影像的系统的第四实施例的示意图。

图5A至5C是本发明的由通过不同序列产生的光讯号形成的像素的示意图。

图6A和6B是本发明的具有两种和三种颜色的光讯号显示相同像素的示意图。

图7是本发明的查找表的图。

图8A至图8F是本发明的不同扫描图案的示意图。

图9是本发明的应用于增强现实(AR)眼镜的系统的示意图。

图10是本发明的系统的示意图，该系统应用于可以解决近视问题的AR眼镜。

图11是本发明的具有两个光讯号产生器和两个光学组件的系统的示意图。

图12是本发明的用于显示具有多重景深的三维影像的方法的流程图。

具体实施方式

本实施例涉及一种或多种方法，系统，装置和计算器可读介质，该方法，系统，装置和计算器可读介质存储处理器可执行的处理步骤，以显示具有用于观察者眼睛的空间景深的三维影像。三维影像投影系统具有至少一个光讯号产生器和至少一个对应的光学组件。每个光讯号产生器都有一个相应的光学组件。每个光讯号产生器依次产生照射到相应光学组件的多个光讯号。光学组件投射并扫描来自光讯号产生器的多个光讯号，以在空间中显示三维影像。每个光讯号被投影到在空间上具有景深的位置。观看者可以看到具有景深的三维影像，因为所有光讯号都在视觉持续时间内进入观看者的眼睛。每个像素通过至少两个光讯号显示在一个位置上，至少两个光讯号的路径或路径的延伸在与像素景深相关的位置和角度处相交。光讯号由光讯号产生器顺序地产生，并且每个光讯号的时间非常短。结果，投射像素的至少两个光讯号在显示像素的位置处可能不会彼此物理相交。然而，由于视觉的暂留性，观看者会感知到显示在该位置的像素。

在第一实施例中，参照图1，三维影像投影系统包括光讯号产生器10，用于顺序地产生照射到光学组件20上的多个光讯号。光讯号产生器10更进一步地包括光源12，光颜色修改器14和反射器16。其中，光源12可以是雷射、发光二极管(light-emitting diode,LED)，小间距发光二极管(Micro LED)，有机发光二极管(organic light-emitting diode,OLED)或超发光二极管(super luminescent diode,SLD)或其任意组合。依照所选择的光源12，光颜色修改器14可以是彩色滤光器或组合器。在本实施例中，光源12可以是白光超发光二极管或白光发光二极管。在这种情况下，光颜色修改器14可以是彩色滤光器，以导出期望的像素光颜色。在另一个实施例中，光源12可以包括红色光激光器，绿色光激光器和蓝色光激光器。在那种情况下，光颜色修改器14可以是组合器，例如二向色组合器和偏振组合器。反射器16可以用于调节多个光讯号的方向。反射器16可以是可调整反射器或固定反射器。如果选用可调整的反射器，则反射器16可以是微机电系统(micro electro mechanicalsystem,MEMS)反射镜。对于微机电系统反射镜，需要设置微机电系统反射镜以在固定方向上反射光讯号。另外，光讯号产生器10可以包括光强度修改器，用以导出期望的像素光强度。光讯号产生器10可以进一步包括准直镜18，以使多个光讯号的光束收敛变窄，例如，以使运动方向在特定方向上变得更加对准，或者使光束的空间截面变为较小。准直镜18可以是曲面镜或透镜。

一个光讯号的持续时间很短，例如大约31奈秒。在一实施例中，三维影像的分辨率为每帧1280×720像素。需要至少两个光讯号来显示一个位置的像素。为了使观看者观看这样的三维影像，光讯号产生器10必须在视觉持续时间例如1/18秒的时间段内顺序地产生1280*720*2个光讯号。因此，每个光讯号的持续时间约为30.14奈秒。为了更流畅地显示三维动画影像，每秒投影24帧或更多帧。也就是说，每个1280x 720像素的帧必须投影在1/24秒或更短的时间段内，而不是1/18秒。因此，为了每秒显示24帧，每个像素的持续时间必须为22.61奈秒。由于每个光讯号由光讯号产生器10顺序生成，并且每个像素的持续时间小于30.14奈秒，因此投射相同像素的两个光讯号不会传播通过它们的路径或路径扩展相交的位置。

光学组件20用于投射来自光讯号产生器10的多个光讯号，沿其特定的光路径传播，从而将三维影像的每个像素以其所需的位置和景深显示给观察者的眼睛。因此，光学组件20可包括一个或多个可调整的反射器，每个可调整的反射器可包括一个或多个可反射光讯号并以二维或三维方式调节其反射角的透镜或反射镜。每个可调整反射器可以是微机电系统(MEMS)反射镜，硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)或数字光处理(digitallight processing,DLP)或其任意组合。在图1所示的实施例中，光学组件20可以包括两个可二维调整反射器：第一可二维调整反射器22和第二可二维调整反射器24。第一可二维调整反射器22可以由第一双轴微机电系统反射镜实现。第二可调整反射器24可以由第二双轴微机电系统反射镜实现。在如图2所示的另一实施例中，光学组件20可以包括可三维调整的反射器26，其可以在三个维度上旋转和/或移动以调整每个光讯号的反射角。可三维调整反射器26可以由三轴微机电系统反射镜实现。另外，图1和图2中的光学组件20还可以包括固定的反射器28，以促进多个光讯号的对准，使得观看者可以更容易地看到三维影像。固定反射器28可包括平面镜、菲涅耳透镜、菲涅耳反射器、曲面镜、屈光镜、周期性奈米结构光聚合物薄膜或布拉格光栅导光板，或其任何组合。特别地，在增强实境(Augmented Reality,AR)的应用中，固定反射器28可以是AR眼镜的透镜。

如图2和图3所示，光学组件20可以仅包含一个或多个可调整整反射器，其中固定反射器28是可选的。光学组件20可以包括(1)可以通过第一双轴微机电系统反射镜22和第二双轴微机电系统反射镜24实现的两个可二维调整反射器，或者(2)可以通过三轴微机电系统实现的一个可三维调整反射器。当不存在固定反射器28时，观看者可以看到实际上在空间中投影三维影像的光讯号。换句话说，在通过光路交叉点传播后，至少两个投射像素的光讯号被观看者的眼睛直接接收，而没有任何进一步的反射。

如图4所示，至少一个准直镜60放置在光讯号产生器10和光学组件20之间以使来自反射器16的光束变窄。准直镜60可以是曲面镜或透镜。

图1中的三维影像控制器30连接到三维影像产生器(未示出)，以从三维影像产生器接收三维影像50的多个像素数据和预定的扫描图案。三维影像内容的制作者可以使用三维影像产生器来创建三维影像投影文件，该文件包括要在空间中投影的三维影像的多个像素数据和预定的扫描图案以扫描这种三维影像。像素数据报括关于每一个像素的讯息，该讯息可以包括该像素的像素光颜色，像素光强度，像素位置，像素景深和像素生成频率。在一示例中，像素光颜色可由24位颜色(分别在R，G，B中以8个位表示)表示。在一示例中，像素光强度可由电流控制的8位标度表示。在一示例中，像素位置可以由二维或三维坐标表示。在一示例中，像素景深可以由像素与观看者的眼睛之间的距离表示。在一示例中，像素生成频率可以由在一秒内投影的多个像素表示。

三维影像控制器30可以包括至少一个处理器(例如图形处理单元存储器)、输入/输出组件、无线或有线通信组件(例如WiFi，蓝牙，4G/5G电信)和存储器。基于三维影像50的多个像素数据和从三维影像创建者接收的预定扫描图案，三维影像控制器30生成用于光讯号产生器10的光讯号产生器控制讯号和用于光学组件20的光学组件控制讯号。光讯号产生器控制讯号可以包括用于控制光讯号产生器10的各种组件的讯号，例如光源12、光颜色修改器14、光强度修改器15和固定反射器16。产生器控制讯号用于控制光源12和颜色修改器14轮流提取红色、绿色与蓝色，以生成所需的混合色。光学组件控制讯号可以包括用于控制光学组件20的各个组件的讯号，例如针对三维影像50的每个像素的第一双轴微机电系统反射镜22的旋转角度和第二双轴微机电系统反射镜24的旋转角度。三维影像控制器30通过无线或有线连接将光讯号产生器控制讯号传输至光讯号产生器10，并将光学组件控制讯号传输至光学组件20。期望的颜色和强度可以沿着期望的光路传播，使得光路或路径的延伸在期望的位置和期望的角度相交，以得出观看者眼睛的期望景深。

如图5A所示，该三维影像具有每帧1280×720像素的分辨率。在一个实施例中，通过投影两个光讯号来显示每个像素，所述两个光讯号的路径或路径的延伸在显示像素的位置处相交。P

如图5B所示，在一个实施例中，投射相同像素的两个光讯号由光讯号产生器10顺序地和连续地生成。多个光讯号是按照t1、t2、t3…t(1280x720x2)的时间序列生成的。在时间t

如图5C所示，在另一实施例中，投射相同像素的两个光讯号由光讯号产生器10顺序地和分别地生成。仍然以从t1、t2、t3…t(1280x720x2)时间序列生成多个光讯号。但是，虽然在时间t1生成了用于将第一像素投射到影像帧的(1,1)位置的第一光讯号的P

如图6A所示，用于投影相同的第一像素的第一光讯号P

如图6B所示，影像帧的(1,1)位置处的第一像素由三个光讯号投影：第一光讯号P

当三维影像显示在空间中时，可以通过扫描图案来确定与三维影像的显示方式相关联的顺序和图案。参考图。参照图8A至8F，给出了两个非限制性示例以示出扫描图案。参考图8A，扫描图案被定义为在左右方向和上下方向或左右方向和底部向上方向上一次扫描一行三维影像。参考图8B，扫描图案被定义为在从最内圈到最外圈或者从最外圈到最内圈的方向上扫描三维影像中同心定位的像素。参考图8C，定义扫描图案以从边界区域上的端点到三维影像的中心或从边界区域上的中心到端点螺旋地扫描三维影像。参考图8D，扫描图案被定义为从最接近的像素(到观看者)到最远的像素，或者从最远的像素到最接近的像素扫描三维影像。如前所述，最接近的像素用符号“●”标记，第二最接近的像素用符号“x”标记，最远的像素用符号“■”标记。参考图8E，扫描图案被定义为沿从0度到360度的顺序移动通过中心和边界区域上的像素之间的所有像素的径向三维影像。参考图8F，扫描图案被定义为以锯齿形的方式扫描三维影像，该三维影像从左上角到右下角遍历三维影像的所有像素。

三维影像控制器30从三维影像产生器接收三维影像和预定扫描图案的多个像素数据，然后分别向至少一个光讯号产生器提供光讯号生成控制数据，并向至少一个光讯号产生器提供光学组件控制数据。光学组件。光讯号产生器基于光讯号生成控制数据生成多个光讯号，并且光学组件基于光学组件控制数据投射并扫描多个光讯号。如图7所示，查找表用于提供映射方案以映像多个光讯号中的两个的相同景深，其延伸相交以形成与两个光讯号相对应的三维影像的像素，该像素在相交的位置处光学组件控制数据的空间即两个反射角θ

关于相关应用，参考图9，示出了包括框架61和透镜组62的增强现实(AR)眼镜。根据本发明的用于显示具有景深的三维影像的系统包括光讯号产生器611和反射器组612。反射器组612具有两个可二维调整整的反射器。由于其尺寸很小，该系统可以安装在框架61内。在一个实施例中，光讯号产生器611包括但不限于激光光源或低像素分辨率矩阵光源，透镜组62包括多个平透镜或多个反射镜透镜，并且反射器组612的两个可二维调整的反射器是双轴微机电系统反射镜。在本实施例中，当由光讯号产生器611顺序地产生时，多个光讯号被反射器组612反射，以将两个顺序的光讯号投射到AR眼镜的菲涅耳反射表面之一上以形成三维的像素。观看者可以在空间中看到的影像。这种设计可以扩大用户的视野(Field of View,FOV)，以显示具有所需景深的三维影像。

参考图10，表示将用于显示具有景深的三维影像的系统结合到AR眼镜中的另一种应用，该系统可以解决近视问题。AR眼镜包括框架70和透镜76。用于显示具有景深的三维影像的系统包括光讯号产生器72和反射器组74。反射器组74包括两个可二维调整整的反射器。除了透镜76是由塑料或玻璃制成的无度数透镜或反射镜之外，AR眼镜的结构与图9中的类似。当由光讯号产生器72顺序产生的多个光讯号被反射器组74反射以将两个顺序的光讯号投射到AR眼镜的透镜76上时，由透镜76反射的那些光讯号可以直达观看者的视网膜使物体78上的物体可以被看到。本实施例的AR眼镜是为具有近视问题的用户设计的。为了纠正近视问题，可以通过使用具有正确反射角的透镜76适当地反射照射到用户视网膜上的光讯号，来定制AR眼镜以适合用户的眼镜处方。由1'，2'和3'指示的虚线指向具有视力矫正的三维影像，该影像形成在观看者的视网膜上，而由1、2和3指示的实线则指向三维影像在观看者的视网膜之前形成，因而没有视力矫正。

参考图11，为了更有效地扫描，用于显示具有景深的三维影像的系统包括两个光讯号产生器10和两个光学组件20。两个光讯号产生器10交替地产生多个光讯号。两个光学组件交替地从两个光讯号产生器接收相应的光讯号，并基于预定的扫描图案在预定的时间段内投射和扫描多个光讯号，以在空间中显示三维影像。预定扫描图案可以是(但不限于)由其中一个光讯号产生器10以及其中一个光学组件2在一定时间内从左到右和从上到下共同扫描三维影像的一半；而由另一光讯号产生器10和另一光学组件20由下而上和由左到右共同扫描三维影像的另一半。三维影像的每个像素在从两个光讯号产生器10之一到观察者的眼睛的多个光讯号中的至少两个处显示在一个位置处，该至少两个光讯号的路径或路径的延伸在该相交处。位置和与像素景深相关的角度，并且预定时间段是十八分之一秒。

参考图12，由上述系统执行用于显示具有景深的三维影像的方法，该方法包括以下步骤。

步骤100：至少一光讯号产生器依序产生多个光讯号。

步骤200：至少一个光学组件接收多个光讯号，并基于预定的扫描图案在预定的时间段内投射并扫描多个光讯号，以在空间中显示三维影像。

通过多个光讯号中的至少两个向观看者的眼睛显示三维影像的每个像素的位置，至少两个光讯号的路径或路径延伸在与景深相关联的位置和角度处相交像素的预定时间间隔是十八分之一秒。

以上虽然阐述了本发明诸多技术特征及优势，但其揭露的功能及细部结构皆为示例性说明。在不背离本发明的精神下，本发明申请专利范围的权利范畴最大解读方式涵盖基于本说明书的教示而改变本发明形状、大小、及部件的配置方式所得的改良。

以上的实施例系提供给该领域具有通常知识者可使用本案。该实施例的各种改良变化对该领域具有通常知识者而言可为显而易见。在不涉及新的技术特征的前提下，在此描述的技术思想与目标物可被运用至其他实施例。本案的请求的权利范围不用来限制在此描述的实施例，且应该以最广的范畴解读。其他囊括在本案精神内的的实施例亦可被包含在本案中。本案请求的权利范围亦涵盖其他改良变化及均等物。