CN1169379C - 自动立体显示器 - Google Patents

Abstract

用于显示运动图象的三维视频显示器，包括在其上全息图象的连续帧被显示的屏幕(4)，一平行光源(6)，它可能是来自单一的方向或与连续帧的扫描同步反复通过一系列分散的方向被扫描到屏幕上，该装置使得三维运动图象在能屏幕上被观察到。图象屏幕(4)可以是光学编址的空间光调制器(OASLM)，并且可以包括前与后板极(8、9)，极板包含一铁电体的或向列的或长间距胆甾醇型液晶材料(13)的层以及一光敏层(15)。在两层之间是一反射层(14)。前后极板(8，9)带有被安排在可单独寻址的像素的x，y矩阵中的电极(10、11)。投影装置(1)把图象投影到光敏层(15)以改变液晶层(13)的光的反射性能。因而当液晶层(13)被激光光源(6)按顺序扫描时，横过该层的变化的反射率把全息图象序列提供给观看者。

Description

自动立体显示器

技术领域

本发明涉及在视频显示器上的三维(3D)视频图象的显示。术语“视频”被认为是能够在总体上提供一个运动图象的静止图象连续帧的显示。

背景技术

大多数运动的显示，例如电视(视频)和电影，是二维的。对于许多应用来说，二维运动图象是足够的，因为观察者能够从图象的运动中获得立体信息。

在非运动(静止)的显示中，二维显示是最通用的而且造价非常低廉，例如通过照相复制、印刷、摄影制造。二维图象通过幅振(暗度和/或颜色)随图象中的位置变化的显示被提供。真实的三维静止显示能够通过例如使用照相底板的全息技术提供。其它3D效果能够通过一种被通称为自动立体成象的技术提供。

借助在全息照相中振幅或相位的变化，能够在全息底片中提供三维图象。观察者通过每一只眼睛从显示的不同位置(距离和角度)看到稍微不同的图象。在这两个显示类型之间的巨大差异是所需要信息量的不同，对三维图象的情况至少需要一个数量级的更多的数据。

全息图象已经使用液晶装置显示，但是具有视野非常窄的缺点，即立体效应只是在一个窄的角度范围内被观察。

运动视频显示是通过以足够高的速率显示静止图象帧形成的，其速率使得观察者不能察觉各个帧而是看到连贯的运动。为了显示具有运动的3D图象，需要的数据速率比容易和可便宜得到的数据速率高得多，特别是对于大的显示。

发明内容

根据本发明的一个方面，视角的问题通过三维显示器被解决，该三维显示器包括空间光调制器(SLM)，其上图案的一个重复序列被平行光照射，该平行光与全息照相同步通过一系列分散的方向反复扫描。

在本说明书中使用的术语″图案″意味着在相位或振幅上的二维变化，它可能包括全息照相、自动立体分布或待投影的图象。

根据本发明的三维视频显示器，包括：

其上能被显示连续帧图案的屏幕，以及用于投射平行光束阵列的一或多个光源，该平行光束能与该连续帧显示同步地经由一系列分散的方向照射整个屏幕；

其中该屏幕包括：一被放置在前板极和后板极之间的液晶层；一光敏材料层，可操作以改变相邻液晶层上的电压；一在液晶层和光敏材料层之间的光反射层；以及在板极的内面上的电极结构，用于跨越液晶层材料施加一电压，该电极在液晶层中共同形成一可分别寻址的片段的阵列，并且每个平行光束被安排去照射整个前板极。

该屏幕包括多个分离的区域，每个区域在一个视域时间中可独立地寻址，以共同形成一幅图案的完整的帧。例如，该屏幕由具有多个可分别寻址片段的光学编址的空间光调制器形成，每个片段被安排去接收在一个视域时间中的子图案。

在一种最佳实施例中，用于在图象上投影图案的装置被包括。

这种用于投影的装置可包括用于把多个视域图案按顺序投影在光敏材料层的空间分离区域A到P上，以形成一幅完整的图象帧的装置，并且可进一步包括一个数字式微反射镜装置，它具有可分别寻址像素的矩阵，这些象素共同提供一个图案或图案的一部分，供投影到屏幕上。

这种用于投影的装置可能包括一阴极射线管视频显示器，用于把图象或图象的一部分投影在屏幕上。

本发明可包括一光学装置，其中用于投射平行光束阵列的一或多个光源被安排在该光学装置的焦平面中。

按照本发明的显示器，在那里每个平行光束可以是激光束并且可以是不同波长的。

在投影装置和屏幕之间可以包括一个光栅。

OASLM的可由：在其内面上带着列条状电极的前透射极板、紧邻的液晶层、例如被配置成象小岛状的分散斑的铝反射层、非晶硅层、和在其内面上带有行条状电极的后透射极板构成。

光敏层可被安排供接收视频图案用。

在一种实施方案中，视频图案作为一系列各自形成一个视野的空间分离图案被成象在光调制层上，用多个视野共同形成代表单一全息照相的一幅显示的帧。这种从多个较小的片段形成大的显示的技术可被用在另一实施方案中，以在单一光源照射时提供大区域的投影显示。它使小的快速编址的光调制器能在一幅完整的帧已被成像时被切换的动用较慢的光阀上形成合成显示。

扫描可以由激光光源阵列提供，该激光光源阵列可被设置在光学上安排于图象屏幕前的透镜的焦面或邻近该焦面处。各个激光器之间的角度可大约是光从全息照相发散出的最大角度。增加激光器的数量将改进在所观察显示器中的视角。

为了获得彩色显示，三个不同频率的激光器被使用。

视频图象可以来自在硅层上由铁电体液晶材料层形成的投影仪，硅层具有可分别寻址的象素x，y阵列并且能极快地多路编址。

投影仪可以通过一个光栅投影其图象，例如该光栅由两个垂直放置的透光和不透光线交替的线性光栅形成。

另一方面投影仪可以是一个视频成像器并且使其输出对准光敏层。

待显示的视频图象可以按照传统方式获得并且被存储用于继续的显示。例如，对象可以被以不同角度放置在对象前面的多个摄像机成像，以按照时间顺序映射该对象。

理想地，在视频显示器上的图象应该如由全息照相所记录的三维图象，以致当观察者移近或远离显示器时视差方面的改变能被看到，而且因此观察者能够通过从不同视点并且通过使用双目视觉察看图象来测定深度。全息照相只是高分辩率的显示并且有可能在液晶显示器上显示视频全息照相。然而液晶层往往会有至少1.5μm厚，因此液晶上的像素势必不小于2或3μm，从而在液晶显示器上的全息照相的视野很少是多于几度的。而且，以这样的方式制作视频全息照相的显示器的分辨率与液晶显示器尺寸的比价是不经济的。

三维图象还可以使用自动立体象素化的方法被显示，其中的屏幕包含像素的二维阵列，每个像素阵列不发生兰伯特反射(如同对二维图象的显示)而以射线方向函数的方式控制光强。实现自动立体显示的一种简单方式是利用在透镜焦面上的一个连续扫描的点光源照射液晶显示器。在任一瞬间，透镜和光源产生的光线全部沿一个普通的方向传播，并且如果光线的方向与立体目标在液晶显示器上适当视图的显示同步，那时眼睛将自始至终综合到三维图象。在此的问题是，为了避免观察者看到闪烁，液晶显示器必须快速切换，而且对于质量优良的三维图象这又是不经济的。

除非全部观察者的位置是已知的，则三维图像几乎不可避免地要求数据速率大于用于二维图象的一个数量级。三维显示的任何设计方案都应该提供一种处理这些数据的方法，但是数据速率越高，把数据传送到屏幕上的传输线路所能容纳的容量就越小，因此屏幕就越小。

的确能够廉价地实现具有高帧速率的小型显示，例如通过在硅衬底上放置一层铁电体液晶，或利用数字微反射镜装置或阴极射线管。但是用户需要大的三维图象，而且甚至利用能显示三维图象的装置，把图象放大到一个可用尺寸的效果也是使得视野过于窄。

如果数据被并联传送，传输线效果就变得较少相关，并且这就是在光阀(或光学编址的液晶显示器)上所发生的，光阀包含光敏层和例如液晶的光调制层的分层结构。当电压被加在光敏层和光调制层共同的两端时，则投影到光敏层的图象被传输跨越到光调制层，并且非晶硅/铁电体液晶光阀具有几千赫的帧速率。而且，在光阀中的层原则上是非摹制的，所以能够得到用作一个高分辩率、高帧速率液晶显示的装置而不必用高分辨率光刻技术的价格。如果把来自小显示器的图象投影到光阀的背面上，则有可能从比较便宜的部件组合成能够投射高分辨率二维图象的装置，并且各种结构已被提出。光阀能够大于液晶显示器，因而能具有较高的分辨率，但是如果液晶显示器的图象被多路传输通过光阀而使其在每个光阀帧内一个接一个地编址光阀的相邻区域，则液晶显示器仍然能够编址光阀的所有部分。与投影相关的放大使得这些结构不合适用于三维图象的显示，但是由于它们是非摹制的，所以光阀原则上能够被做得与电视屏幕一样大并且仍然是比较便宜的。

附图说明

现在只通过实例参照附图描述本发明：

图1示出怎样能通过把目标的视图显示在液晶显示器上并且照射每个视图到一个适当的方向显示3D图象；

图2a-f示出不同体积的3D显示；

图3表明光发射器的3D阵列不能显示不透明的图象；

图4a-c示出三个不同的全息3D显示器；

图5a-e示出不同的自动立体3D显示器；

图6示出通过一对狭缝看到的3D目标，一个狭缝快速旋转而另一狭缝慢速旋转；

图7示出靠近屏幕看到的透视图象，其构成能够通过光线跟踪被确定；

图8表明像素方向(θ)与象素位置(x)函数关系的曲线可用于识别观看者在显示器上的所见而无论它多远；

图9表明通过安排光线会聚通过一个屏外点，屏外点能被成象；

图10示出由平行投影形成的立方阵列的两个视图。为使观看内容中存在明显差别所要求的图之间的最小角度(Δθ)是使得后部一列像素完全可见所需要的角度。

图11示出两个摄像机，在左侧的视频摄像机中只有失真的立方阵列的前部像素是可见的，而在右侧的摄像机中的后部的一列像素已变为可见。随着失真的立方阵列的深度趋向无限大，光线1和光线2趋向平行，因而相邻视图之间的角度趋于相邻像素之间的角度；

图12示出本发明的全息显示。它表明如何通过按时间顺序照射高分辨率液晶显示器，具有宽视野的自动立体/全息显示能被产生；

图13示出图14的更详细的内容；

图14示出简单的3D成像器；以及

图15示出图14的改进型式，被安排用于显示大区域的二维显示。

简单的3D显示器的描述如图14中所示。图象屏幕20被促使去显示预先记录的数据图案。扫描光源，例如激光发射器阵列21，照射屏幕20后面的透镜22。在显示器上光扫描的动作提供给观看者3D图象。这表明3D可以用投影以及通过下面描述的反射提供。

参照图12和13描述发明。

如图12和13所示，显示器按序列顺序包括投影仪1、成象透镜2、光栅3、光阀4、扫描透镜5、激光阵列6和观察者7。

对于较低性能和价格的投影仪1，可以是一个或者多个图像投影仪把图象投影到光阀4上。对于较高的性能，投影仪1可以是一个铁电体液晶显示器，能够由晶体管矩阵多路编址，以给出被投影到光阀的一个高速率图象。它的一个实例是可从德克萨斯州仪器有限公司买到的数字微反射镜装置(DMD)。

光栅3可由两个垂直放置的线性光栅形成。每个光栅具有交替的光的和不透光的线，其周期数取决于待投影到光阀4上的分离图象的数目。如所示的接收4×4个视域矩阵的光阀4，随后将被描述。为此由光栅间距所分割的光的波长大致等于在光阀上四个图象的每个之间的角度。光栅的透光与不透明的区域的刻划空间比大约是1∶3或1∶4。

光阀4是一个比较标准的零件，例如光学编址的空间光调制器(OASLM)，有时称为光学编址光阀；样品可从日本滨松的Hughes有限公司及俄国圣彼得堡的Peterlab有限公司买到。

如图所示，光阀是由前极板8和后极板9组成，两者都是由玻璃构成。极板的尺寸确定所观察的显示的尺寸。例如显示器可以是300×300mm或更大。前极板8带有四个条状电极10，形成四个列电极10(1-4)。后极板带有四个条状电极11，形成四个行电极11(1-4)。相邻的条状电极之间的间距通常大约是10μm，足以不使观察者7察觉。如图所示，电极构成一个4×4的片段或像素矩阵(术语像素通常被保留用于显示的小得多的区域)，但也可是任何其它适当的数目。例如是按照要求1×2、2×2、25×25或更多的阵列。

在极板8与9之间，由可能分布在极板的表面的衬垫12，如支柱或垫圈，隔开，是层13，它通常是1.5到3μm厚的铁电碟状结构的液晶材料。紧邻的是由很多斑点形成铝的光反射层14。随后是在其上对光成像敏感的非晶硅层15。投射到层15上的光的波长可与激光器6的光波长相同或不同。

电压通过控制单元16被加到行和列电极，并且用于改变液晶层13内分子的物理排列。单元16还使图案的加载、投影仪1的操作及激光器6的切换同步。

独立发射激光的激光器阵列6被放置在扫描透镜5的焦面上。每个激光器6被调整以照射整个前极板8。

当全息图案由激光器6之一照射时，观察者7将在光阀4的前面看到全息图象。通过激光器6序列的照射可改进视角，并且随着运动的全息三维显示可观察的全息图象序列。

现在描述显示运动三维显示的操作：一系列预先录制的全息图案可以被提供，例如按通用的方式从计算机存储器17或激光存储盘提供。

图案形成在铁电体投影仪的显示器1上并且通过透镜2和光栅3成像到图12中表示的区域“A”上。同时电压被加到行1和列1，以使电压出现在表示为A的像素的两端。

投影的图案是一个精确详尽的图案，它包含作为常规全息图象一部分的相位信息。来自出现在″A″处图象的光线落在光敏层15上并改变其电导率，它又改变出现在像素A内的电压。这就造成电压的微小变化以及液晶分子的物理排列方面的微小变化，后者又引起在像素两端的相位信息中的微小变化。这是第一个视域。

对于第二到第十六个视域，对于表示为″B″到″P″的每个像素上述过程被重复。全部的十六个视域提供一帧或在液晶层13中的一个完整的全息图象。

当由激光器6之一照射时，在一帧的结尾，所有的液晶材料13已经被安排出表示全息图象。

象在第一帧那样，第二帧被成像到光阀4上。第二帧稍微不同于第一帧并且由第二个激光器6照射。

对于第三帧过程被重复，并且由第三个激光器6照射，或者对另外的帧继续下去如果多于三个激光器被使用。例如，对于彩色显示红、绿、蓝色光的3×3的阵列将被使用，需要九个单独的帧。使用与帧相关的一个以上的激光器改进了对于一个或多个观察者7的立体视角。

在三个或更多的帧已被成象并被观察之后，新的系列或三个帧被成象。三个帧的不同组合的顺序提供了被观察者7看到的运动的三维图象。

图12、13的显示可以简化以提供如图15所示的大区域的二维显示。除了单一光源6照射屏幕4以及把光反射到大区域上显示之外，它与图12、13相似。另一方面，屏幕4本身可以作成充分大以提供显示所需的尺寸。本实施方案使用小型的快速切换投影仪1(例如DMD)形成多个片段图案或图象，以把能用较慢速率(但仍然超过可观测的闪烁率)切换的大尺寸的信息帧给予观察者的技术。这种技术被叫做并列显示。当2D图象被成像到屏幕4上时，观察者就看到2D图象。如果一个全息图案被成像到屏幕4上，则即使以一个减小的视角也能观察到3D图象。扫描连续的图案，提供一个运动的如在图12、13中的3D显示。

优先权文件的文本在下面被重复；申请则以本申请的权利要求延续。

三维视频图象的显示

1.引言

通常，电视播送的图像是二维图像，然而能实现足够的深度感受，例如外科医生能利用它们动手术。然而当深度感受是关键时，象在类似外科的用手操作的活动中，如果图象具有三维的内容¹，深度感受是更快和更可靠的。利用三维图象的电视和视频游戏可能将更逼真，并且使复杂数据的译码更简单。因此已经对三维电视有了重新开始的兴趣，同时已有为此所需***的详细成果²，集中的研究在于***的其余部分将取决于其根本发展的合乎需要的部件：显示器。

能够惊奇地得知为了显示粗略的三维图象所需要的是多么少。例如只需要从常用的膝上型计算机取液晶显示器，换掉用于透镜的背面发光器，并且在透镜后面一定距离处放置一个点光源，如图1所示。点光源可以包含入射在半透明屏幕上的激光束，并且在透镜的作用下用光线照射显示器，光线会聚形成光源的图象。由于在显示器上的画面只有从光源图象的范围之内观察才能看见，所以画面将具有一个受限制的视野，并且被设置为三维目标的视图。通过把激光束偏转到用于每个视图的不同位置，三维目标的其它视图能够被作得对其它区域可见。若显示远离会聚平面被观看，如果这个操作以足够避免闪烁的速率重复并且如果整个会聚平面被照射，则结果将是稳定的三维图象，如将在稍后示出的那样。

由这样的显示器形成的三维图象将是粗略的，因为通常出现在液晶显示器中的非晶硅晶体管和向列型液晶都切换得太慢以致不能构成许多视图。而且由于液晶显示器的复杂性使大型设备的制造昂贵，所以显示器将是小的。

本实例简便地说明了三维显示器的问题。由于外加的维数，真正的三维图象要求比二维图象多一个数量级的数据，并且设计者面对的第一个挑战是在实际上把这些数据以足够的速率分布到显示器屏幕之上。第二个是以足够的空间带宽产品提供给屏幕本身：即足够像素，每个都切换得充分地快以把数据变换成被调制的光。最后的挑战是具有这些特性的显示器产品而不要求费用过高的精密度或清洁度。

对于高分辨率二维图象显示器的设计者来说这些挑战的每一个都是熟悉的，并且可以辩解说除去象素和光学***外，三维的视频图象只是其二维视频图象前任的工艺扩展。然而，近来提出的方案的多样性是令人迷惑的，因此本文将通过重新审视某些更成功的技术并且指出它们包含三个不同的象素化方案着手。方案之一，自动立体的，显示出有前途但是有缺点在低分辨率，因此本文继续对此检验。第四部分考虑对于一个无瑕疵的自动立体三维图象需要什么分辨率，并且说明一个如果不比全息照相更好但也能完成同样好的显示器的典型尺寸。第五部分建议自动立体的和全息象素化的混合体，它给出二者的优点，而第六部分说明光学装置怎样使这样图象的显示成为可能。本文通过评价最新的光学装置的带宽，指出三维显示器走向与计算机显示一体化的趋向以及在千兆赫切换的进展上二者未来的依赖关系而结束。

II三维视频显示器的回顾

放映三维图象的一种流行方式是通过构成一个能够删除在一个体积中(图2)任何点的光的设备而把普通电视的原理扩展到第三维。大概这样做最早的方式是把来自阴极射线管的光从一个象鼓轮那样振动的圆反射镜反射开^3，4。在距反射镜不同距离处形成的阴极射线管的图象从而扫过一个三维体积，但是其配套结构笨重而且视野受限制。发光二极管屏幕^5，6或激光器扫描显示器^7，8已经被使用来代替阴极射线管，但是深度扫描机制依然是麻烦的。

除不受限制的视野之外，其它所有的都能够用旋转一个二维的发光体阵列通过三维体积被提供。在其它方式中，这种已经用发光二极管阵列⁹、由激光器扫描的半透明屏幕^10，11，12以及由电子束扫描的荧光屏(内部是真空)¹³被完成。最后一个的优点是具有便宜的屏幕和扫描机制，但是任何转动屏幕***都具有一个在旋转轴上的奇异点。

没有任何奇异点的不受限制的视野能够通过用一对激光束横向扫描透明材料而提供，透明材料在激光束交叉处发光^14，15。约一立方厘米的图象已被显示，但即使更大的图象将，像振动镜和旋转盘显示器两者那样，只提供用于光的发射而不用于光的吸收。因此这些显示器的每一个都不能提供蔽光性，从而在被显示图象是三维时它们必须是半透明的(图3)。

用于显示不透明图象的方案已被提出，例如把液晶显示器堆放到一个体积中¹⁶，但即使这些液晶显示器与光发射器是交错的，其结果仍将不能显示反射或镜面反射性。体积显示的优点是它能够提供一个不受限制的视野而没有过大的数据率，需要象处理只有三维的数据组合那样(将示出的替换方案在效果上要求四维数据组合)。这意味着体积显示并不是没有潜力的应用，例如在空中交通管制或战争管理中。但是理想的是一种全无光学限制的设备，确实能够显示任何三维图象的一种设备是全息照相设备。

通过记录其复振幅，全息照相有效地凝固从三维目标散射开的光波波前，而且动态全息照相常常被建议作为显示三维图象的方式¹⁷(图4)。灰度级全息照相只是一个高分辨率的二维图象，并且通用的液晶显示器可用于显示这样的全息照相，虽然具有窄的(目前是4°)视野^18，19。更宽的视野对有效矩阵显示要求象素化太精细，但是铁电体液晶显示器能够被制成具有高分辨率的实际产品²⁰。然而它们仍然需要大量的接头，而一种通过扫描具有阴极射线管的光学编址的液晶显示器的背面的方案避免了这种需要^21，22。即使具有这种改进，任何液晶显示器的分辨率也不能小于单元间距的二或三倍，其结果是把全息照相的视野限制到几度。

声光调制器提供了相位调制并且已经用于显示彩色动态全息照相^23，24。利用扫描反射镜和庞大光学***的困难可以在某种程度上被避免²⁵，但是其中同样还是有以足够得到一个宽视野的分辨率进行光调制的困难，这在具有高声速声光晶体的情况下将需要千兆赫的声波，而其产生将趋于使晶体融化。即使在这个物理限制之后，数据率也必须是高的，无论图象的象素化如何。它们能够进一步被限制，例如被对来自独立调制的空间频率的范围的全息照相进行求和，尽管一个全息照相与其说是显示一个真实的全息照相，倒不如说是显示一个三维图象的全息摄影。

因为需要再现光相位，真实全息显示的数据率是极其重要的。但是人眼对于三维图象的相位不象对于彩色图象的光谱那样敏感，并且就象彩色图象只需要包含红、绿和蓝基色，三维图象只需要包含光强依位置及方向转移的正确分布，这种关系由自动立体象素确定。

自动立体显示是在要求用户佩戴眼镜的其立体先驱物之后命名的。利用最新型的立体显示，眼镜包括一对与交替显示左、右眼画面的屏幕同步的液晶快门，并且具有足以使观看者看到无闪烁图象的高帧速率。该图象提供立体观测，即深度的双目感受，而不是通过潜意识地围绕景物移动我们的的头部而积累的单目深度感受的运动观测。对这二者，立体观测被主要限制在例如需要做瞬间的深度估计的食肉动物和灵长目动物，而即使就这些动物而论运动观测是在静止情况下深度的更可信赖的决定因素，也是有争议的。观众在延长观看立体显示器之后可能感到厌恶²⁶，而这可能是由于潜意识知道运动观测的不足，但是伴随立体显示的真实问题是眼镜造成的损失。

如果每个视图被投影到一只眼内则不需要眼镜，并且这能使用在引言中描述的显示器实现。这种和类似它的显示器都被称为自动立体(图5)，这个字类似于电视是希腊语和拉丁语的不适当的混和，似乎专用于显示器工业。不能指望只为了显示的方便而保持观看者的头固定不动，因此一个引起巨大兴趣的途径是不断地监视观看者的头的位置而相应地调整投影光学***和视图内容。

原则上能够跟踪一对以上的眼睛，并且如果每个视图的内容与眼睛的位置匹配，则显示器能够既提供立体观测又提供给运动观测。而且有可能通过测量他们眼睛之间的距离推测从屏幕到每个观看者的距离而显示具有近乎完全的透视的视图，以致几乎只有失去的深度暗示需要适应(聚焦在屏幕外像素上的能力)。然而所得到的图象将是缺乏真实三维感的，观众是不太可能注意的。

用于这种***的显示器的设计是比较简单明了的，因为通用视频的数据率只需要增加到二倍(或对两个观众到四倍等)^27，28，以致主要的挑战变成是识别和跟踪观众。已经建造的示范物要求观看者佩戴一个红外反射斑点²⁹或一个磁性传感器^30，31，32，但是多数作者都怯于他们用于跟踪裸头的设计³³。

一种精巧的途径是利用红外光侧面照射头部，以使一只眼被照射而另一只眼在暗处^34，35，但是一个以上观看者的暗处能彼此照射到。另一印象深刻的途径是跟踪观众的头发/面部的边界³⁶，而跟踪面部的眼、鼻、嘴唇的***对于利用面部的设计者已经达到八成的可靠性³⁷。但是后者的方法是慢的，只跟踪一个面部，并且很少对于各种面部都有效。象在语音、笔迹和目标识别那样技术上的进步意味着这一天肯定会到来，那时***将会意识到其环境。但是这样的机器智能的发展将予示新一代的计算技术以及在这些领域的进展迄今是缓慢的。同时，由于间歇地不熟悉的情况所引起的使人不愉快的误操作的可能性从来没有完全排除，而用户尤其不能容忍这样的缺点。

多视图自动立体装置使得观众头的位置是没有关系的，因为显示器把视图投影到每个观众可能在的位置。先把对于这样的图象能否是真正三维的怀疑留到下一部分去认识，但是由于在频带宽度上的多倍的增加的需要，显示器的设计现在已变深相当令人胆怯。

小透镜阵列大概是建立最长久的这种自动立体技术^{38，38，40，41}，首先被研制用于三维摄影术，而现在正被用于显示器。每个小透镜覆盖来自每个视图的一个像素，并且这些小透镜结合使得包括每个视图的像素对于一个专有的方向是可见的。尽管小透镜放大了能被消除的相邻子象素之间的死区⁴²，但是简单的小透镜的数值孔径把小透镜显示器的视野限制到大约15°：在这个角度以外三维图象重复其自身，这可能是令人不快的。

如果衍射光栅阵列被使用替代小透镜阵列，则有可能得到较宽的视野而没有死区或重复的视图^43，44，45，但是光栅和小透镜阵列显示器二者都需要一个做基础的显示器，其分辨率是视图分辨率与视图数目的乘积，这是实际制造的挑战。然而，高分辨率显示器是可期待的，而在实验室中装配的最新型的小透镜阵列显示器已具有按视频图形适配器(VGA)分辨率的八种颜色的视图。

如果要通过在透镜后面将几个视频投影仪排列一行而做成一个显示器的话，则不需要高级的制造产品^46，47。在这个***中，投影仪使各个视图成像到透镜上，而透镜使每个视图对不同方向是可见的。投影仪必须精确地找齐，必须具有均匀的亮度，并且投射透镜必须被仔细设计以致彼此邻接而没有可察觉的间距。

小透镜阵列和多投影仪***二者都多路传输来自空间分离子象素的三维图象视图，但是人们也能使用人类视觉的暂留在时间上多路传输视频图象。用来自小透镜阵列显示器的子象素可能获得成为单个小透镜的东西并且借助旋转反射镜使它横过屏幕进行光栅扫描⁴⁸，但是用这种没有移动部分的方式难于看到如何在屏幕上多路传输。另一个可选方案是在时间上多路传输视图，并且利用透镜状屏幕，这也可以通过用低分辨率狭缝阵列替代透镜状屏幕实现^49，50。由于针孔光学，狭缝在任一瞬间都起到象小透镜的作用并且借助在下面的低分辨率显示器产生低分辩率的三维图象。通过在下面的显示器范围内扫描狭缝有可能时分多路传输一个完满分辨率小透镜阵列的等效物，但是没有透镜像差并且不需要高分辨率子象素。然而狭缝损耗光，而得到相同的光学效果的一种较少浪费的方法是把狭缝换成行照明^51，52。类似的但是也许较简单的是在引言中描述的时分多路传输的概念^53，54。后两个种途径具有的主要优点是不再比通用的液晶显示器浪费光，但是二者都需要具有高帧速率的液晶显示器。

多晶硅晶体管和铁电体液晶每一个的切换都比它们的非晶硅和向列的前辈产品快一个数量级，并且具有1kHz帧速率的小型液晶显示器已被显示⁵⁵。硒化镉和无定形金刚石晶体管也能快速切换，并且利用失真螺旋和电子校正效应、借助单稳态或域切换铁电体液晶、以及利用反铁电的液晶，快速切换灰度调制是有可能的。然而即使开发现存的液晶显示器也需要巨大的资源，并且在先进的液晶显示器被开发前对视频三维图象需要性的更大信心将是必须的。

多投影仪***时分多路传输的同类产品能够通过以单个大型投影仪替代几个投影仪构成，大型投影仪的投射透镜覆盖由多个投影仪填充的整个区域⁵⁶，并且在该透镜上放置一个机械的^57，58，59或液晶⁶⁰快门，它阻挡了一个区域以外的全部光线。

在任何瞬间，大投影仪与空间多路传输***中一个投影仪起相同的作用，但是快门的不同区域在接连的瞬间被成为透明的，以使三维图象的每个视图能够依次被投影。仔细调准是不需要的因此能使用一个阴极射线管而没有光束分度的损耗，这种概念的确对故障如此宽容，以致创造者能够从一个便宜的视频显示装置和一对菲涅耳透镜而装配一个粗略的***。

在空间和时分多路传输之间的争论中小透镜阵列看来是最受到生产商注意的，或许由于改善高分辨率产品首先是他们在过去已经确定成功面对的一种同一类的制造业的挑战。当然，半导体工业的历史已经显示分辨率不可抗拒地提高，然而开关速率也有这样的情况。阴极射线管的巨大成功在于其实现时分多路传输的能力，并且时分多路传输投射***几年以前已产生出包含八个VGA视图的图象。尽管是笨重的而且光学效率低，这个***是耐用和适应性强，并且继续使用阴极射线管的高数据率以产生优于透镜状阵列的图象质量。或许更值得注意的是一个具有许多相似性的粗略概念已在五十多年前由Baird建立^61，62。

在最新型的自动立体显示器产生的图象中，每个视图在1°的弧形上是可见的，并且在看到这样的图象的人当中一致认为它们足以满足初期的应用。但是如果一个显示器是去产生真实的三维图象的，则该显示器应当能在各种深度外投影像素的图象，并且观看者应该看到它们随着距图象的距离而改变的透视图。尽管，体积的和全息的显示能作到这一点是清楚的，迄今所提供的自动立体象素化的描述使自动立体显示也能投影真实的三维图象成为不太显然。下一部分旨在补救这一点。

III：粗略的自动立体象素化

首先提出用于旋转狭缝的电视推测***，如果一个旋转狭缝被放在三维图象全息照相的前面，则考虑所发生的情况是有益的。这是一个普通的实验，通过旋转狭缝隙查看三维的目标，并且看到除了遮光器和大概稍微模糊外景物是不变的。全息照相应该精确地再现单色三维图象的波前，因此通过旋转狭缝看到的全息照相也应该看来好象无变化。使这样一个实验有意义的是狭缝阻止在由狭缝交替暴露的全息照相的区域来的光之间的叠加。因此可以认为该全息照相是作为依独立的狭缝大小排列的子全息照相的集合。如果使用光栅扫描孔替代旋转狭缝，则这个实验的结果将没有不同，因此全息照相能够进一步当作依孔的大小排列的子全息照相的二维阵列。

子全息照相不同于二维图像的像素在于其光强是来自被观察的该子全息照相方向的函数，而且是子全息照相位置的函数。由于存在方向(方位和高度)的两个坐标以及位置的两个坐标，所以对于三维图象的真实的再现需要一个四坐标***。

现在设想第二个旋转狭缝被放在第一个旋转狭缝隙的某个距离处，如图6所示，并且它充分快地旋转，以致在两个旋转狭缝之间没有莫尔条纹。我们将期待除了还是遮光器和或许更模糊外该三维景物保持不变。只有从第一个狭缝传播通过第二个狭缝的光将就在一个瞬间被暴露，并且如果两个狭缝都被直径充分小的光栅扫描孔替代，则穿过两者的光必定构成单一的高斯光线。因为第个二孔暴露光线交替地传播到不同的方向，这毁坏了在它们之间的叠加。因此即使使用完全非相干光，按照位置和方向两者的函数调制光线的***将足以显示真实的三维图象。

所考虑的实验说明自动立体显示器具有产生真实的三维图象的潜力，但是如果它们包含足够的视图，图象才将是真正三维的，而从现有的自动立体显示器可得到八个左右的视图是太少了。如果图象因此不是真正三维的，那么看起来又怎样不同呢？

采取在引言中描述的显示器作为我们解说的模型，设想照明被对准并且一只眼睛远离液晶显示器。如果单一发光器被接通，它发出光线通过透镜朝向眼睛，则眼睛将看到与发光器相关的整个视图。如果不是那样而是眼睛接近于屏幕，则图7示出眼睛对着屏幕一侧的角度将不同于眼睛对着屏幕另一侧的角度，这样眼睛将只看到视图的一部分。

由眼睛在时间上综合的画面可以凭借反向追随从该眼睛瞳孔通过显示器到其光源的光线确定。反向跟踪光线，眼睛瞳孔的虚像将由发光器后面某处的透镜被形成。如果现在光线从这个虚象正向跟踪通过各个发光器间的边界，则光线将在液晶显示器上画出区域的轮廓。每个区域将只当其后面被画出轮廓的发光器被接通时才被照射，并且由于对每个发光器液晶显示器示出不同的视图，所以相邻的区域将示出不同视图的一部分。结果是由每只眼眼看到的一个画面，包含来自每个视图部分的镶嵌图，并且如果视图间隙过于粗糙，则在视图各部分之间将有裂纹线。

是视图间隙的粗糙引起裂纹线而不是自动立体观测本身，因为上述过程是用真实目标得到透视的一种精确方法。远离目标一只眼睛将看到包含在该方向上目标的平行投影的视图，而闭上该眼睛将朝向目标的一侧张开一个比起朝向另一侧不同角度。所以该眼睛将看到来自目标一侧的光线，它们是来自另一侧的光线的不同平行投影的一部分。图8示意地说明这点，并且相当简便地证明有可能通过使每个视图包含一根横条成形的在自动立体显示器上合成图8的示意图：有条的最左边视图在屏幕的顶部，有条的最右边视图在屏幕的底部，而剩余部分在中间均匀地隔开。

如果扫描快门随着每个视图被写入阴极射线管上被连续扫描而不是每个视图的显示之间靠单一的快门宽度而被移动⁶³，则设想在装上快门的阴极射线管上的3D图象将更平滑是使人感兴趣的。这种想法是：当在它们之间的角度是太大时，这可以使出现在相邻视图之间的不连续性变平滑。只考虑水平方面，假定随着阴极射线管描绘划出x坐标，快门将逐渐地移过一个快门宽度。这就给出，θ随x的渐变，从而在x/θ图中的象素化是倾斜的。在离开显示器一个距离处，注视显示器的某人将看到一个能被显示在通过平行于象素线的对角线的图形上的画面，以致在此距离处观看者将看到单一的视图。如果我们在通用的自动立体显示器的屏幕前放一个弱透镜，这正是我们将得到的结果，因此3D图象不是平滑的而只是失真的。

就算眼睛能容忍视图之间的裂纹线，然而它们仍然是明显的。当视图之间的间隙足够精细时，自动立体显示器产生真实三维图象的权利要求才能是有效的，但是究竟怎样精细才是足够的呢？

IV：3D象素化

在部分II中报导的每个视图1°的间隔用于对60°的标准视野需要60个视图的当前一代显示器将是令人满意的。当视图被按照人眼能够分辨的那样精细地分离时⁶⁴，则使人发生兴趣去说在一个自动立体显示器上的裂纹才将被消除，认识到如此精确是不需要的，是二维视频技术发展中的突破之一。本部分假定，如果具有与能够显示没有裂纹的等效二维图象相同的像素维数，则三维图象将是可以接受的。

体积阵列是通常用以存储计算机辅助设计图象的格式(的确大概这是我们头脑记忆三维图象的方式)，在这种情况下每个视图之间的角度不需要比在为了再现这样阵列的两个清晰视图所需投影角上的最小差值更小。

全息照相是物理上完美的三维图象，所以在视图之间没有裂纹，并且少数时刻建议者有时断言所有别的只不过是折衷方案。但是如前面部分说明的对于眼睛来说全息照相只不过是一自动立体显示其中视图方向由衍射控制，所以全息照相也将对着在视图之间的一个可测量的角度，它尽管很小以致看不到，但将是有限的。因此即使对于一个全息照相也将有一个可计算的场深。

正是通过关联各个象素化方案间每个视图的场深和角度，不同象素化的图象的分辨率才能被匹配，并且由于常常需要将一种格式的图象显示在另一种格式的显示器上，本部分旨在用公式表示这些关系。

首先处理立方体积的阵列，几何光学***足以确定一个角度，在其图象阵列基本上被改变之前，视频摄像机必须移动通过该角度。远离该阵列启动摄像机但以足够的倍数放大，阵列前面的每个像素映射到摄像机的一个上，在阵列后方一侧的像素列映象射到视频摄像机像素新的一列上之前，摄像机必须移动通过一个确定的侧向距离。

图10示出，到阵列前面中心的距离所对着的角度(Δθ)等于一个阵列像素的宽度(Δx)除以阵列的深度(Z)：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\Δx}}{z}---\left(1\right)$

如果每个像素的宽度等于其深度并且阵列是n个象素深，由此得出：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{1}{n_z}---\left(2\right)$

所以在一个体积显示器的视图之间的有效角度是纵深像素数的倒数，并且如果是显示等效深度的无瑕疵的图象的话，则自动立体显示器上的每个图象对着的角度必须等于这个有效角度。这意味着，例如包含640乘480像素的VGA图象的3D等价物将需要大约在方位上480个视图，如果是显示在60°视野(约等于一个弧度)范围内深度与高度相同的阵列的话。

体积显示器通常只能成像有限的深度，而自动立体的和全息的显示器原则上能够用作进入一个三维环境的窗口。如果环境是无限地深，包括例如在背景中具有高的目标、那么视图之间的角度是否必须是无限小的？

在这个问题中的错误假设是这样一个环境的视图将由平行投射被形成，即假设视图是由远离景物的假想摄像机被形成。实际上，该摄像机构成的投影将不是平行的而是透视的，并且每个摄像机将能够分辨靠近的精细变化但是只能分辨远离的粗略变化。在远距摄像机的任何距离处能被分辨的最小的目标等于在该距离可见的视图的宽度除以摄像机中的每一行像素的数目。更适当的测试图象是体素(voxel)(体积的像素)阵列而不是均匀的立方阵列，体素阵列中体素的尺度正比于体素离开摄像机的距离：即一个失真的立方阵列(图11)。

在所投影的图象改变之前投射的方向可以旋转通过怎样的角度呢？如果投射方向围绕立方阵列的前面的中心旋转，则对于未发生改变的旋转的限制再一次由阵列的后部体素决定。一旦投射的方向已经改变到足以使后部体素的图象转移一个体素直径，则在所投影的图像中将有一个明显的改变。简单的几何条件示出，随着立方阵列的深度趋向无限大，这个角度等于阵列的后部两个体素所对着摄像机的角度。

如果中心摄像机的图像平面中的每个像素被映射到失真的立方阵列后部的一个体素上，则在图象改变之前摄像机能被旋转通过的角度等于在其孔径以及其图象平面中两个相邻像素之间的角度。因此为了播映无限深景物的象素化的三维图象，相邻的摄像机之间的角度(Δθ)应该等于摄像机的视野(α)除以其分辨率(n_x)：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\α}}{n_x}---\left(3\right)$

如果这样一个图象在自动立体显示器上待精确地再现，则来自显示器屏幕边缘的光线会聚的角度应该等于摄像机的视野。这是为了使当显示器被替代为原来的景物时，由摄像机所记录的图象不变。式(3)因此确定了显示器上视图之间的角度，所以如果有60°视野的显示器具有VGA分辨率的视图并且被当作一个无限深3D窗口的话，则它在方位上大约需要640个视图。

尽管在体积的和自动立体的象素化之间的这些变换在几何学上是正确的，但是自动立体显示器的每个视图的角度是受限制的，而全息显示器的每个视图的角度由衍射定律确定。

自动立体显示器上视图之间的角度(Δθ)不能小于构成每个视图的光线的角发散(δθ)，角发散是根据衍射定律由波长(λ)和象素直径(Δx)确定的⁶⁵：

$\mathrm{\δ\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δx}}---\left(4\right)$

所以：

$\mathrm{\Δ\θ}\≥\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δx}}---\left(5\right)$

继续用显示器的实例作为具有60°视野和VGA分辨率视图的无限深的3D窗口，根据式(3)视图之间的角度是1/640弧度。所以利用红光(λ＝633nm)，(5)限定像素的尺寸不能小于0.4mm。这是典型的VGA监视器上一个像素的近似尺寸，所以衍射在无瑕疵自动立体地象素化图象上设置的限制是非常严格的。

自动立体显示器的场深(z)是在屏幕上的最大距离，在屏幕上光线能被会聚(如图9所示)构成直径Δx的一个像素的图象。利用三角法，这个距离大约等于象素直径除以光线发散的角度：

$z\≤\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\δ\θ}}---\left(6\right)$

式(6)本质上是与式(1)相同的几何规则，然而是用显示器的坐标而不是用摄像机的坐标来表示。结合此方程式与式(4)给定的衍射定律，给出：

$z\≥\frac{{\left(\mathrm{\Δ\χ}\right)}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(7\right)$

在部分III中指出，尽管三维图象能通过一对光栅-扫描孔被看到，但是图象将是稍微模糊的，是衍射引起这种模糊，并且如果两个孔的直径是Δx，则方程式(7)将确定扫描孔之间的最大距离z。然而，如果距离大于该最大距离z，则通过第二个孔的衍射将滤除由第一个扫描孔光栅化的细节，以致其有效尺寸增加到式(7)所允许的尺寸。

部分III还指出，通过绘制θ与x的曲线能够表现自动立体象素化的一维情况。但是，熟知的是一个平面与以角度θ贯穿该平面的光波之间交点的空间频率K由下式给出：

$k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}---\left(8\right)$

如果自动立体象素化代之以k与x的关系曲线被表现，则象素化的维数被通过结合(8)和(5)得到的经典表示式限制：

Δk.Δx≥2π                       (9)

把自动立体象素化描绘成独立的直径Δx的子全息照相的阵列，式(9)重申能被每个子全息照相分辨的空间频率中的最小增量Δk等于2π除以其宽度Δx。

考虑式(7)对高分辨率监视器的三维等价物的影响，在那里象素化能够小到90μm⁶⁶。立方阵列的最大深度于是将只是16mm，所以自动立体***对于高分辨率3D图像根本不相适应，对于这种图象全息象素化将是满足需要的。

在全息照相上视图之间的角度也是由衍射定律支配的，但是由于相干性任何光线的最大宽度等于全息照相的宽度(x)，以致：

$\mathrm{\δ\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{x}---\left(10\right)$

但是对于全息照相光线的发散不等于视图之间的最小角度，因为在远场中的单一的光线不包含一个视图。替代的是，如果在远场中的透镜形成n_x个像素宽的一个视图，则根据信息守恒，透镜必须使n_x个像素宽的光束(或n_x/2如果光线的调制是复合的)成象。全息照相的最小视角因此是该最小光线发散的n_x倍：

$\mathrm{\Δ\θ}\≥\frac{n_x\mathrm{\λ}}{x}---\left(11\right)$

在形成新的和独立的视图之前，透镜将不得不被移动通过整个角度，并且如果只是在中间被部分地移动，则它将形成相邻视图的叠加。

在这一瞬间n_x的选择有点随机性，但是一旦完成，则能在全息照相上被分辨的最小区域(Δx)根据简单的几何关系确定：

$\mathrm{\Δx}=\frac{n_x}{x}---\left(12\right)$

使此式与式(11)结合给出：

$\mathrm{\Δ\θ}\≥\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δx}}---\left(13\right)$

这与式(5)完全相同，所以如果一个全息照相的像素尺寸被规定为与衍射所限制的自动立体图象的像素尺寸相同，则两具有相同的每个视图的角，因此二者具有用于三维图象的同样质量的相同的信息内容。由于已经指出具有与通用的VGA监视器等同的分辨率和尺寸的无瑕疵自动立体图象是处于衍射限制的，因此在典型的状态下无瑕疵的自动立体图象包含不少于全息照相的信息。

衍射效应对大显示器将无关紧要，对摄像机成像大景物也不重要。但是如果高分辨率图象是由按照例如要求以3D显示内情的手术那样的小规模现象组成，则在3D摄像机中的衍射效应将需要考虑并且将遵从上面给出的那些类似的规则。

全息照相的场深通过结合式(6)和式(10)被得到：

$z\≤\frac{x\·\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λ}}---\left(14\right)$

所以，例如由波长λ＝500nm的光照射的宽度x＝20cm的全息照相在理论上能够从其表面投影一个直径Δx＝100μm到40m的直径的斑。更靠近其表面，全息照相就能投影等于其分辨率的最小的斑，它原则上能够象光的一个波长一样小。表1总结了这些关系。

已经指出，即使全息照相具有与典型的无瑕疵自动立体图象相同的信息内容，它也能分辨小得多的像素到大得多的深度。但是全息照相的中心的问题仍然是宽视野要求亚微米的空间周期数。是否没有中间的方法，与自动立体象素化可容许的放宽的空间周期数共同享全息象素化的几分分辨率及深度呢？

一类自动立体显示器的一个被是固有地使在这部分中所描述的使用大体积的光学***的那些限制除外。这些是特殊情况，因为光在光波波前范围内是相干的，所以如果尽管除一个像素外的全部屏幕是不透明的，则光将象借助不相干的自动立体技术那样衍射，如果在大体积的光学显示器上的几个相邻像素是透明的，则光将很少衍射。的确，能够想象在这样的显示器上写入一个区域底片以使屏外像素进入屏幕上的某处聚焦。该类显示器通过结合自动立体的和全息照相的象素化使它们之间的中间物成为可能。

V：混合象素化

把自动立体的和全息照相的象素化结合成一个混合方案已被建议，混合方案不是把一系列视图投射到不同方向，而是把一系列全息照相投影到不同方向。例如，通过把液晶显示重新组合成全息照相、并且重新配置照明以通过一系列分离的角度(而不是象以前那样连续地)扫描，在引言中所描述的概念能被采纳到新方案中。

使用几何光学***把体积数据集合再现成出现在液晶显示器上的图案序列，已经不能满足要求，而代之以不得不回复到付立叶光学的更精确的方法。

被发射到远离目标一个距离的任何方向上的光的复振幅E(k)正比于来自目标的所有部分在该方向上光的复数和。这种远场分布应该借助必需的角分辨率被确定，约等于光的波长除以目标的直径。熟知的是光的近场分布则是远场分布的空间傅里叶变换⁶⁷：

$E\left(x\right)=\underset{0}{\overset{k}{\∫}}E\left(k\right)e\frac{\mathrm{jkx}}{}\mathrm{dx}---\left(15\right)$

其中K通常是无限的，但是在此情况下需要等于不大于视野除以波长。混合方案要求这种近场分布被分离成一系列的n个全息照相、每个将被投影到远场的不同部分。如果远场被分成n部分，则每一对着一个角度Xx，则

$E\left(k\right)=\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[h(k-\mathrm{q\κ})-h(k-(q+1)\mathrm{\κ})]E\left(k\right)---\left(16\right)$

其中h代表单位阶跃函数。因此

$E\left(x\right)=\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{nk}}{\∫}}[h(k-\mathrm{q\κ})-h(k-(q+1)\mathrm{\κ})]E\left(k\right)e\frac{\mathrm{jks}}{}\mathrm{dk}---\left(17\right)$

$=\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{qk}}{\overset{(q+1)k}{\mathrm{\Σ}}}E\left(k\right)e\frac{\mathrm{jkx}}{}\mathrm{dk}---\left(18\right)$

$=\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{k}{\∫}}E(k+\mathrm{q\κ})e\frac{\mathrm{jkx}}{}\mathrm{dk}---\left(19\right)$

$=\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_q\left(x\right)e^{-\mathrm{jqk}x}---\left(20\right)$

$=\underset{q=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_q\left(\mathrm{\χ}\right)\mathrm{FT}\left[\mathrm{\δ}(k-\mathrm{q\κ})\right]---\left(21\right)$

其中FT指取傅里叶变换的运算，而Eq(x)指频率被移动q_K的E(k+q_k)的傅里叶变换。透镜聚焦平行光线以便在其焦面上产生复振幅的分布，复振幅在没有透镜的情况下将是远场。因此说透镜通过从一个傅里叶平面到其它平面传播的光执行光学傅里叶变换。点光源构成函数δ(x)，并且如果它被放置在透镜的焦面上，则平行的波前将出现在具有分布FT[δ(K-qz)]的远焦面中。合适的液晶显示器将以函数Eq(x)调制这些波前，并且时序编址将对系列求和，虽然是作为远场强度的求和而不是作为由代数确定的复振幅的求和。然而结果是一个三维图象，是因为眼睛对相位依旧是无感觉的。

根据衍射定律全息照相的视野大致等于光的波长除以象素直径，所以混合三维图象的视野(θ)依据下式相关于波长(λ)、视图数目(n₀)和象素直径(Δx)：

$\mathrm{\θ}=n_0\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δx}}---\left(22\right)$

假设是50Hz的闪烁率，液晶显示器帧速率必须等于50n₀Hz，并且空间周期数必须等于Δx的倒数，因此空间一时间周期数必须等于视野除以波长的五十倍。对于在方位在具有500nm波长的一弧度视野，空间-时间周期数应该大约等于1Mbit s^-1cm^-1：远高于大的高分辨率液晶显示器5kbit s^-1cm^-1的能力⁶⁶。

使自动立体的和全息的象素化混合成的方案要求相邻像素之间有相干性，并且这是一个具有单一光源和大体积光学***显示器的一个基本性质。因此原则上装上快门的阴极射线管***也可以显示混合象素化图象，并且已被指出该***能够以比基于液晶显示器的更高的速率筛选数据。

在相干光学装置的描述中，在装有快门的阴极射线管***中的两个透镜都能够被认为是实现光学傅里叶变换的透镜⁶⁰。采用传统的设计，阴极射线管应在后面透镜的后焦面中，而在焦面中的液晶快门由后面的和前面的透镜共用。

众所周知，如果对一个函数取两次傅里叶变换则将重复原来函数的结果，虽然有符号的改变。对于光学傅里叶变换这同样是真实的，所以在前面透镜的前焦面中出现阴极射线管屏幕的颠倒的图象。正是通过空间滤光此图象的光学傅里叶变换，在两个透镜共用的焦面中的狭缝使阴极射线管图象的每个视图对不同方向是可见的。

但是这种安排不能实现混合象素化的方案，甚至不是因为阴极射线管的各个像素并不相干(该装置毕竟能够被另一个东西替换)，而是因为如果狭缝被变窄到一个空间脉冲，它将从光源中滤除所有的低频部分。人们能够代之以使空间平面中具有脉冲并在付立叶平面中具有液晶全息照相，但是这对于使超过单透镜途径的实现没有多少优点。

当目前的分辨率如此大为降低时，考虑三维视频图象的最大分辨率可能似乎是过早的。但是，虽然空间多路传输和时分多路传输的自动立体显示器的分辨率分别被空间分辨率和帧速率限制，但是混合方案所提供的是交换空间与时间周期数的能力。因此空间和时间周期数的乘积确定一个装置有可能实现什么样的三维分辨率，并且已经存在具有对于高分辨率三维图象必要的空间-时间周期数的装置。

VI：先进的3D显示器

如果液晶显示器缺乏对于混合象素化所需要的空间-时间周期数，则一台装置由于其缺少复杂性和高空间-时间周期数而突出：这就是光阀(还通称为光学可寻址空间光调制器)。部分II指出，视频全息照相已经通过光学编址具有阴极射线管的这样一台设备被放映，但是视野是窄的。用时分多路传输照明有可能得到更宽的视野，而且最新型光阀的帧速率使这成为可能⁶⁸。图12示出光阀如何能通过多路传输跨越其后部的一个阵列的图象而被编址，并且高帧速率阵列现在具有在大区域范围内编址光阀所需要的空间带宽产品。这个途径的主要优点在于从屏幕去掉两个最昂贵的零件：有效矩阵晶体管和接点阵列。人们于是能够得到大而不复杂的屏幕以及可能复杂的而不大的小型视频投影仪。两种设备因此都可能是便宜的，并且令人鼓舞地指出，可论证的是在荧光屏和电子枪之间的尺寸及复杂性的严格相同分割，使得制造阴极射线管如此经济。

虽然混合象素化为无瑕疵的三维图象创造了条件，但是它仍然不清楚，以致用户反对局部的的缺陷，并且如果自动立体象素化足够快的话，它当然是实现这样装置的最简单的方法。但是最新型光阀的帧速率似乎被非晶硅的阻容(RC)时间常数限制到大约为2kHz。对于彩色用了除以这个数值并由非晶硅的RC阻容时间常数达到的对于闪烁除以60，可能得到30个视图，但如果这些视图具有标准的每行640像素并用摄像机按半个弧度(大约30°)一个视图被拍摄，则根据式(2)对于无瑕疵的图象每上视图的角度应是1/1280弧度，并且装置的视野将小于1/40弧度(大约1.5°)。当然，按每个视图1°，这似乎对第一代视率三维图象是可接受的，30个视图将产生满意的视野。但是光学编址***不是平坦图片，并且利用自动立体象素化将产生比平坦图片的有效矩阵液晶显示器少许稍好一些的三维图象。后者的额外费用最终将取决于做多少，但是量大可能足以低到胜过光学编址。

典型的光阀能够分辨低到10μm，具有2kHz的帧速率的光阀给出2×10¹⁵m^-2S^-1的空间-时间周期数。在对于彩色的除以3和对于闪烁的除以60后，能够通过乘以λ²可估算适用于观看的立体角约等于(0.5×10^-5)²m²。结果是0.025的视图立体角，等于大约方位角30°仰角3°的观看区域。

光阀可能能够比这个做得更好。已经报导⁶⁹以强照明(以及一个双稳液晶)为代价的5kHz的帧速率可看成具有5μm的空间分辨率。但是在得到乐观结论之前，应考虑对于16cm×12cm的屏幕以接近400GHz的速率把数据写入到这些设备的问题。

光纤能够以这样的速率传送数据，并且扫描其输出的简单的方法对于显示器和远程通讯技术来说都将是巨大的值得竞争的目标。但是现有的声光装置仅能以1MHz扫描，并且光放大器阵列仍然相当初步。是进入光子学的研究导致快速切换的光阀，并且是进入光子学的研究产生某些对它们编址的更有前途的方法。如果通过要求只在方位上是三维的一个图象来简化编址问题，则对于具有240个隔行线的16cm宽的屏幕数据率降至(帧速率×1/横向分辨率×宽度×线数)＝(2000×10⁵×0.16×240/2)＝4GHz。这使数据率在现有装置的范围内及五个方面突出：声光全息照相、阴极射线管、激光二极管阵列、铁电体阵列和微反射镜阵列。

声光全息照相具有成功的历史，但是受到声光材料中声速的限制，对于半微米的光波波长2km/s的速率使数据率限制到约为4CHz。由于在部分II中提到的熔化问题，在实践中甚至这些数据率也是难以实现的。

阴极射线管能以兆赫的行速率被静电扫描，而提供的偏转角是窄的，光束强度不很高，光斑大小能被保持几微米的直径。但是难于在没有散焦的条件下实现这样小的亮斑，并且必须找到以高于1GHz的频率调制电子枪的方法，所以虽然这些挑战不是不能克服的，但它们仍然是挑战。

激光二极管阵列和其它阵列通过多路分解输入加工到足够的分辨率，以致既不要求光栅扫描也不需要比液晶全息照相能执行得更快。18×1的激光二极管阵列已经以8×1GHz***作，并且256×256的阵列已经被制造，提供了空间带宽产品的撩人前景，远超过任何其它替代物。

铁电体阵列是快速切换的液晶显示器，其中有效矩阵晶体管被蚀刻在硅集成电路中。具有20kHz的可能帧速率的320×240阵列提供3.2GHz的空间带宽产品已被展示⁷⁰。这大约只足以用于16cm宽的屏幕，并且它被多路分解，足够用于由一维铁电体液晶全息照相实现的以20kHz速率扫描穿过光阀的阵列的图象。偏转角将是小的(0.5mm除以从全息照相屏幕的大约20cm，等于1/40弧度)，所以一维全息照相的分辨率将是波长除以1/40弧度，约等于20μm。

微反射镜阵列⁷¹具有完全由硅组成的优点，尽管它们要求更复杂的光刻技术。然而2048×1152像素的阵列可能提供5.8GHz的空间带宽产品。且不况电路***的细节，它提供了超过8英寸宽的屏幕的可能，并且如果三个这样的装置被并联操作(这是它们如何被配置用于高清晰度2D投影的)，则还能期待更好的质量。但乐观的结论再一次是不适当的，因为在这种情况下的这些装置只是把数据从电子学形式转换到光学形式，仍然需要一个数据源。

无论光纤的能力如何，似乎非常可能压缩三维图象。目前的常规是通过电缆线路把显示器连接到视频源并且任何解压都通过视频源被实现。但是原始三维视频信号的数据率是如此高，以致远离显示器去解压信号似乎是没有意义的，不过那时将出现传送原始信号的挑战。宁可解压应该尽可能接近编址装置进行(也许甚至在编址装置之内)，并且把微反射镜和铁电体阵列都安装在直接***印制电路板的支架上是简便的。这种复杂性以及用于三维视频信号的现有接口的输出数据率提醒，解压装置将具有可与常用计算机相比的计算能力，并且由于显示器支配计算***价格的流行趋势，把计算机与显示器相分离的努力法是否继续有优点必定将被研究。

这部分已经通过试图说明某些细节而使本文得到结论，即借助现有的技术显示一个中等尺寸的没有移动部分、有足够视野并没有裂纹线的彩色三维视频图象是切实可行的。三维视频显示器不是某些遥远或奥秘的前景：它是一种可行的、解析的技术。象二维视频的那样，它的发展将取决于显示技术的三个主要成分-空间多路分解、屏幕空间带宽产品和每单位屏幕区域的低成本的进一步进展。

VII：结论

视频三维图象能够以三种方式被象素化：体积的、全息的和自动立体的。虽然体积的图象使用带宽能有效地给出四面八方的观看，而全息显示器具有高分辨率，但自动立体显示器用大多数应用所需要的宽视野使不透明的目标成象。

自动立体显示器跟踪观众的头，提供了大大降低数据率的前景，但多视图自动立体观测避免了对机器智能的需要，而且最新型的这种显示器时分多路传输视图以得到1°的视图间隔，它对于三维显示器的第一代似乎是足够的。

尽管在短期间可以接受，但是在自动立体显示器上具有每个视图1°的图象是有缺陷的而且可能引起不愉快。对于真实的三维图象，用于640像素宽的图象，每个视图角度必须大约是1/10°。在这种间隔的条件下，即使具有大到0.5mm的象素直径的自动立体显示器也将被衍射所限制，并且其数据内容不小于一个全息照相的内容。全息照相具有比自动立体图象更大的场深、大得多的分辨率，并且实际上是用于比0.5mm更精细的像素尺寸的唯一选择。

全息的和被时分多路传输的自动立体象素化方案能够被组合，以给出具有两者优点的混合方案。被按序照射的全息显示器具有如全息照相相同的数据内容、分辨率和深度，但是具有自动立体显示器的视野。原则上所有需要的是一个具有1Mbits^-1cm^-1数量级空间-时间周期数的液晶显示器，但这在大范围内低成本是做不到的。

面对用于高空间带宽产品的需要，光通信产业已经开发出光阀和高帧速率阵列，足以得到在大范围内必需的空间-时间周期数。光阀是简单的足以按低成本在屏幕尺寸的范围内操作，并且倘若阵列是小的，则它们提供一种穿过光阀在空间上分布数据而不需要花钱多的方法。把小阵列投射到大型光阀上因此给出便宜并具有高分辨率的显示，并且具有阴极射线管因相同的原因而有的高分辨率。

高帧速率阵列应该是尽可能接近将三维解压的电子设备以便最小化高数据率连接。这种解压电子设备的计算能力将可与大多数计算机的相匹敌，并且计算机和显示***将因此合并并非不可能。

自从二维视频显示发明以后，其发展就已是朝着增大大分辨率和尺寸的一个稳定的进化，引导远程通信同样地进步。虽然视频三维图象的显示器似乎可能是革命性的，但是本文已设法指出象素化和显示光学***不是非常复杂的，并且剩余的挑战是与在二维视频显示方面相同的：在屏幕空间带宽产品方面的增加、在数据能实际上横过屏幕分布条件下数据率的增大、以及在没有巨大制造复杂性的单一***中达到两者。用于光远程通信的光子部件已经符合三维视频显示的要求，并且这两种技术是可能继续相互影响它们的共同利益的。

表1：三个象素化方案的每个视图角度(Δθ)和深度(Z)能够通过图像的宽度(x)、以像素为单位的图像深度(n_z)、以像素为单位的图像宽度(n_r)、图象的视野(α)、像素的尺寸(Δx)和波长(λ)联系起来。

                           表1

             失真的体积     笛卡尔体积     自动立体       全息照相

每个视图角  

       

   

深度         ∞             z＝η_zΔ_z  

  

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Claims (11)

1.一种三维视频显示器，包括：

其上能被显示连续帧图案的屏幕(4)，以及用于投射平行光束阵列的一或多个光源(6)，该平行光束能与该连续帧显示同步地经由一系列分散的方向照射整个屏幕(4)；

其中该屏幕(4)包括：一被放置在前板极(8)和后板极(9)之间的液晶层(13)；一光敏材料层(15)，可操作以改变相邻液晶层(13)上的电压；一在液晶层(13)和光敏材料层之间的光反射层(14)；以及在板极(8，9)的内面上的电极结构(10，11)，用于跨越液晶层(13)材料施加一电压，该电极结构(10，11)在液晶层(13)中共同形成一可分别寻址的片段的阵列，并且每个平行光束被安排去照射整个前板极(8)。

2.权利要求1的显示器，其中该屏幕包括多个分离的区域，每个区域在一个视域时间中可独立地寻址，以共同形成一幅图案的完整的帧。

3.权利要求2的显示器，其中该屏幕由具有多个可分别寻址片段的光学编址的空间光调制器形成，每个片段被安排去接收在一个视域时间中的子图案。

4.权利要求1、2或3之任一的显示器，并且进一步包括一用于把图案投影在图象屏幕(4)的光敏层上的投影仪(1)。

5.权利要求4的显示器，其中该投影仪(1)包括用于把多个视域图案按顺序投影在光敏材料层(15)的空间分离区域A到P上，以形成一幅完整的图象帧的装置。

6.权利要求5的显示器，其中用于投影的装置包括一个数字式微反射镜装置，它具有可分别寻址像素的矩阵，这些象素共同提供一个图案或图案的一部分，供投影到屏幕(4)上。

7.权利要求6的显示器，其中用于投影的装置包括一阴极射线管视频显示器，用于把图象或图象的一部分投影在屏幕(4)上。

8.权利要求1的显示器，进一步包括一光学装置，其中用于投射平行光束阵列的一或多个光源(6)被安排在该光学装置的焦平面中。

9.权利要求1的显示器，其中每个平行光束是激光束。

10.权利要求1的显示器，其中该平行光束是不同波长的。

11.权利要求4的显示器，并且进一步包括一在投影装置和屏幕(4)之间的光栅(3)。

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