устройство для демонстрации стереоскопических изображений

Формула изобретения

1. Устройство для демонстрации стереоскопических изображений, включающее ЖК-экран, образованный жидкокристаллическими ячейками и установленный между внутренним и внешним блоками поляризаторов, и анализатор, причем поляризаторы и анализатор выполнены в виде чередующихся по горизонтали полосок со взаимно ортогональной ориентацией плоскостей поляризации, отличающееся тем, что ширина полосок блоков поляризаторов и анализатора в два раза шире ячейки ЖК-экрана, а внешний блок поляризаторов снабжен смесителем изображения, установленным между внешним блоком и анализатором, причем смеситель изображения выполнен с возможностью объединения соответствующих изображений левого и правого кадров, имеющих взаимно ортогональную ориентацию плоскостей поляризации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что смеситель изображения выполнен состоящим из пакета световодов, покрывающих весь внешний блок поляризаторов, причем каждый из световодов имеет ширину полоски поляризатора и установлен со смещением по горизонтали в половину ее ширины.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что смеситель изображения выполнен в виде набора пар цилиндрических линз со скрещенными оптическими осями, снабженных единым матовым экраном, установленным так, чтобы на нем воспроизводилось объединенное изображение правого и левого кадров.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что световоды изготовлены в виде вертикальных параллелепипедов из прозрачного материала с высоким показателем преломления, не меняющего ориентацию плоскости поляризации проходящего через них света, причем внешняя грань световодов выполнена матированной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике показа компьютерных стереоскопических изображений и может быть применено при демонстрации стереофильмов, предварительно переведенных в компьютерный формат, в управляющих системах, в компьютерной технике (САПР, игровые программы), в таких областях как производство, образование, медицина, авиация и космонавтика, а также для создания тренажеров, максимально приближенных к реальным условиям. В физике и математике данное устройство может быть применено для моделирования процессов в реальном времени, в химии - для визуального моделирования сложных химических формул и т.д. В игровой индустрии на базе этого устройства возможно производство игровых приставок нового поколения, жидкокристаллический (ЖК) экран которых будет отображать трехмерную игровую ситуацию. Возможно применение стерео ЖК-экрана в индивидуальных средствах мобильной связи (в таких как сотовая, пейджинговая связь, в радиотелефонах и т.д.).

Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями.

Из сети Internet [1] известно о заявленном компанией Dimension Technologies устройстве демонстрации стереоскопических изображений - стереоскопическом LCD мониторе 2015XLS, при помощи которого разработчики попытались создать иллюзию трехмерного изображения без использования традиционных индивидуальных средств наблюдения стереоэффекта. В этом мониторе за LCD экраном находится специальная подсветка и оптика, которые создают чередующиеся столбцы пикселей (точек), видимые правым и левым глазом. Оптическая система показывает левый и правый кадры стереопары на чередующихся столбцах пикселей на LCD экране. Левое изображение показывается на нечетных столбцах, а правое - на четных. Обе пары показываются одновременно и разделены по каналам зрения правого и левого глаз. Это достигается благодаря специальной подсветке, находящейся за жидкокристаллическим экраном. Используя свет из небольших сильных источников, подсветка оптически генерирует решетку из очень тонких, ярких, равномерно расположенных вертикальных световых линий. Эти линии точно расположены относительно столбцов пикселей. Поскольку параллакс свойственен нашему бинокулярному зрению, левый глаз видит эти линии через нечетные столбцы на LCD, а правый - через четные (технология Parallax Illumination).

Наиболее близко к заявляемому устройству, которое выбирается в качестве прототипа, устройство демонстрации стереоскопических изображений [2], в котором задача демонстрации стереоскопических изображений решается путем поочередно и последовательно отображаемых на общем экране кадров, разделенных для обозрения левым и правым глазом наблюдателя с помощью оптической системы, включающей в себя однородный поляризатор, жидкокристаллическую ячейку, действующую как оптически активный элемент с функцией изменения поляризующего направления на 90 градусов, и анализатора изображений, образованного ЖК-экраном без поляризационного фильтра, стеклянные подложки которого выполнены в виде примыкающими друг к другу чередующимися по горизонтали полосками поляризаторов со взаимноортогональной ориентацией плоскости поляризации.

Прототипу свойственны следующие недостатки.

1. В силу последовательного и поочередного вывода кадров для правого и левого глаза наблюдается эффект мерцания отображаемого стереоизображения. Для уменьшения этого эффекта к видеосистеме компьютера предъявляются повышенные требования к частоте регенерации изображения, что ведет к неоправданным затратам машинных ресурсов.

2. Для вывода статического компьютерного стереоскопического изображения необходим непрерывный циклический вывод сначала правого кадра, затем левого, что вынуждает компьютерную видеосистему непрерывно обрабатывать большие объемы неменяющейся информации.

3. Для просмотра стереоизображений наблюдателя необходимо снабжать специальными очками, что представляет для него определенное неудобство и снижает эффект присутствия в демонстрируемом сюжете.

Задача настоящего изобретения состоит в создании у зрителя более полной иллюзии объемности демонстрируемой картины.

Технический результат, который может быть получен при использовании данного изобретения, заключается в том, что пользователи персональных компьютеров, игровых приставок, сотовых телефонов на ЖК-экране смогут увидеть трехмерное изображение подаваемой информации, в научной деятельности заявляемое устройство сможет воссоздать реальную трехмерную картину происходящих химических, физических и других природных явлений.

Поставленная задача достигается тем, что для демонстрации стереоскопических изображений на общем ЖК-экране, установленном между двумя блоками поляризаторов, выполненных в виде чередующихся по горизонтали полосок со взаимноортогональной ориентацией плоскости поляризации, одновременно и чередуясь по горизонтали столбцами отображаются элементы правых и левых кадров изображения, разделенные для обозрения левым и правым глазом наблюдателя с помощью сепарационной оптической системы. Оптическая система включает в себя два вышеописанных блока чересполосных пленочных поляризаторов и поляризационный анализатор изображения, состоящий из горизонтальных полос поляризаторов со взаимноортогональным направлением вектора поляризации с удвоенным шагом по отношению к пикселам ЖК-экрана, рассчитанный таким образом, чтобы направление плоскости поляризации света правого кадра совпадало с направлением плоскости поляризации секций анализатора, отвечающих за правый канал зрения, и соответственно направление плоскости поляризации света левого кадра совпадало с направлением плоскости поляризации секций анализатора, отвечающих за левый канал зрения. Также в состав оптической системы введен смеситель, установленный перед анализатором изображения, состоящий, например, из вертикальных световодов и имеющий возможность объединения элементов изображения правого и левого кадров в каждом световоде. Возможными вариантами исполнения смесителя может быть набор пар цилиндрических линз со скрещенными оптическими осями, снабженный единым матовым экраном, либо вертикальные параллелепипеды из прозрачного материала с высоким коэффициентом преломления, не меняющего ориентацию плоскости поляризации проходящего через них света, причем внешняя грань световодов выполнена матированной.

На Фиг.1 представлена схема заявляемого устройства.

На Фиг.2 изображена схема разделения стереоизображения по зонам видимости правого и левого глаз наблюдателя.

На Фиг.3 представлена схема устройства жидкокристаллической ячейки.

На Фиг.4 отображен принцип построения левого и правого кадров стереоскопического изображения на ЖК-экране.

На Фиг.5 представлена линзовая схема смесителя.

Устройство (Фиг.1) состоит из люминесцентного экрана 1, поляризаторов, объединенных в два блока 2 и 3, выполненных в виде чередующихся по горизонтали полосок со взаимноортогональной ориентацией плоскости поляризации, жидкокристаллического экрана 4, имеющего возможность одновременного черезпиксельного по горизонтали вывода правого и левого кадров изображения, установленного между блоками поляризаторов 2 и 3, анализатора изображений 5, образованного примыкающими друг к другу и чередующимися по горизонтали полосками поляризаторов со взаимноортогональной ориентацией плоскости поляризации, смесителя 6, состоящего из вертикальных световодов. Точка зрения наблюдателя находится за анализатором изображения (7 - правый глаз, 8 - левый глаз). Также на Фиг.1 обозначены нечетные 9 и четные 10 столбцы анализатора изображений.

Рассмотрим работу устройства (Фиг.1). Свет от люминесцентного экрана 1 проходит через два блока поляризаторов 2 и 3, выполненных в виде чередующихся по горизонтали полосок со взаимноортогональной ориентацией плоскости поляризации, между которыми установлен жидкокристаллический экран 4. В прототипе жидкокристаллические ячейки вводились для разделения стереоизображения по каналам зрения наблюдателя 7 и 8, а в заявляемом устройстве они образуют ЖК-экран 4, отображающий правые и левые кадры стереопары. Ширина полосок блоков 2 и 3 в два раза больше ширины ячейки ЖК-экрана 4. В результате этого изображения правого и левого кадров представляют собой чередующиеся по горизонтали полосы со взаимноортогональной ориентацией вектора поляризации (Фиг.2), причем каждый элемент изображения любого (правого и левого) кадра отличается от соседнего ортогональным направлением вектора поляризации. Для повышения степени слитности демонстрируемого стереоскопического изображения в заявляемое устройство перед анализатором 5 установлен смеситель 6, состоящий из пакета световодов, покрывающего внешний блок поляризаторов 3. Также смеситель 6 может представлять собой набор пар цилиндрических линз (Фиг.5) со скрещенными оптическими осями, снабженных единым матовым экраном. Пары линз установлены таким образом, что воспроизводят на едином матовом экране смешанное изображение (Фиг.5). Также смеситель 6 может быть выполнен в виде вертикальных параллелепипедов из прозрачного материала с высоким коэффициентом преломления с матированными внешними гранями. Свет, проходя через такие световоды и отражаясь от границ параллелепипедов, падает на матированную грань, не меняя направление плоскости поляризации, тем самым смешивая изображение. Ширина каждой секции равна ширине полоски выходного поляризатора 3. Набор секций смесителя 6 (Фиг.2) установлен со смещением в половину шага по сравнению с выходным поляризатором 3, вследствие чего каждая секция смесителя 6 содержит одновременно элементы правого и левого кадров, отличающихся взаимноортогональным направлением векторов поляризации. Для сепарации (раздельного рассматривания) стереоскопических изображений и разделения их по зонам зрения правого 7 и левого 8 глаз наблюдателя на определенном расстоянии от смесителя 6 расположен анализатор 5, состоящий из чередующихся по горизонтали полосок поляризаторов 9 и 10 с ортогональной ориентацией плоскости поляризации. В результате изображение левого кадра, рассматриваемое через анализатор 5, может быть видно только из определенных зон зрительного пространства, в которых границы полос поляризации изображения левого кадра совпадают с границами одноименных полосок анализатора 5 (Фиг.2). Эти зоны (зоны канала зрения левого глаза) находятся в плоскости, пересекающей все зрительное пространство. Так как правый глаз наблюдателя 7 не попадает ни в одну из этих зон, он не видит элементы левого кадра, и наоборот, поляризованное изображение правого кадра может быть видно только из определенных зон зрительного пространства, в которых границы полос поляризации изображения правого кадров совпадают с границами одноименных полосок поляризатора 5, и левый глаз наблюдателя 8 не попадает ни в одну из этих зон, и он не видит элементы правого кадра. В результате черезпиксельный вывод элементов изображения правого и левого кадров (Фиг.3 и Фиг.4), их взаимноортогональная структура, а также способность заявляемого устройства разделить по зонам видимости соответственного глаза наблюдателя создает у зрителя иллюзию объемности демонстрируемой картины.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет создать компьютерный стереоскопический ЖК-дисплей или стереотелевизор, ориентированные на массовую аудиторию, избавленные от таких недостатков, как мерцание отображаемого стереообъекта, необходимость постоянного обновления подаваемой информации и не требующие специальной схемы управления.

Источники информации

1. Материалы сайта сети Internet 3D Like Style, http://ixbt.stack.net/˜3dstyle.

2. Yamazaki; Shunpei (Tokyo, JP); Hirakata; Yoshiharu (Kanagawa, JP); Teramoto; Satoshi (Kanagawa, JP); Koyama; Jun (Kanagawa, JP), Patent "Display unit", US 6348957 A, 19.02.2002.