專利名稱：用于3維顯示的光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像和/或視頻信號三維(3D)顯示的領域。尤其是， 本發(fā)明提供了一種適于和二維(2D)顯示器 一起使用的光學系統(tǒng)。另外， 本發(fā)明提供了一種3D顯示設備和用于基于2D圖像提供3D效果的方法。
背景技術：
在廣播電視系統(tǒng)中，3D電視(3DTV)可能是繼引入彩色電視之后 的下一次革命。在專業(yè)的應用中(醫(yī)學/工業(yè))，3D可視化已經很普 遍。在娛樂和移動通訊中，3D可視化即將引發(fā)商業(yè)關注。
一種3D顯示器是自動立體感多視圖顯示器，例如在[C.van Berkel, "Image preparation for 3D-LCD，，，尸roc5P/E,第3639巻，84-91頁，1999 ] 中描述的3D-LCD。該顯示器為多個觀察者提供了自由的3D觀察，而 不需要特殊3D眼鏡。它是由被某光學前端(optical front end)跟隨的 標準2D矩陣顯示器構成的。
這些顯示器的嚴重問題是分辨率。光學前端在空間分辨率和角度分 辨率上分配2D矩陣顯示器的原始空間分辨率。后者叫做'視圖的數量' A^w。目前的顯示器具有AUW~ 10,導致系數 IO的空間分辨率損失。
目前的研制通過可切換的顯示器部分地解決了分辨率損失。可以將 光學前端導通或者關閉，產生具有降低了分辨率的3D成像，或者具有 全2D分辨率的2D成像。目前根據透鏡的切換原理帶來了附加的性能 損失，是因為和固定透鏡相比可調節(jié)透鏡較低的折射能量。
多視圖(multi-view )顯示器需要A^w 100以滿足高質量深度和觀
察角需求。這導致了嚴重的分辨率損失。
最后，目前的顯示器僅僅提供了水平角度的分辨率。在通常的觀看 條件中這是足夠的。然而，在幾種情況下，觀看是有損失的。觀看者的 垂直移動導致了 3D圖像的彈性。如果顯示器旋轉90。，例如對于文件 寫入或者如果觀看者轉動他的頭部(例如從長途汽車上觀看TV)，則 3D效果將消失。增加的垂直角度分辨率導致了附加因素的分辨率損失(總共例如A^w,/AU^)。
WO2004 / 075526 A2描迷了 一種自動立體顯示設備，包括根據準直 光提供2D圖像的2D顯示陣列和設置在其前面的分束屏。分束屏掃描 圖像，并連續(xù)地在出射角的范圍中顯示圖像。使用用于尋址顯示陣列的 像素的裝置，通過掃描，在具有顯示陣列上定時顯示的圖像，可以實現 圖像的多視圖自動立體顯示。分束屏可以是相對于顯示陣列的像素布置 的具有多個圓柱型透鏡的雙凸透鏡屏，使得像素的準直光進入到偏離軸 的透鏡，并且透鏡的焦點是可以控制的。時間多路復用需要具有非常高 幀速的顯示器，并且目前可使用的幀速限制了獨立視圖的數量。
WO 03/081920 A2描述了 一種根據用于產生2D圖像的2D顯示器的 3D顯示設備，在其前端設置有光學前端。光學前端包括校正板、設置 在其前面的第一菲涅耳(Fresnel)型透鏡，設置在第一菲涅耳型透鏡前 面的第二菲涅耳型透鏡。然而，這種顯示器將只能在定位在距離菲涅耳 光學器件的某個距離的圖像平面提供聚焦圖像。

發(fā)明內容
可以看出本發(fā)明的目的是提供一種光學系統(tǒng)，其可以用來向2D圖 像提供深度尺寸，并可以從多個視角看見而不遭受分辨率損失或者亮度 損失。
在第一個方案中，本發(fā)明提供了適于向由基本準直的光表示的二, 圖像增加視覺深度信息的光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)包括
在二維圖像的前面以第一距離布置的第一光學透鏡陣列，以及
在二維圖像的前面以第二距離布置的第二光學透鏡陣列，第二距離 大于第一距離，其中響應視覺深度信息，第一和第二光學透鏡陣列的光 學透鏡的光學特性是可調節(jié)的。
由準直光表示的二維圖像包括多個像素，例如由2D顯示矩陣提供的。
根據第一個方案的光學系統(tǒng)可以用作布置在2D圖像前面的光學前 端并向2D圖像提供視覺深度。光學系統(tǒng)可應用到能夠產生由基本準直 的光表示的2D圖像的2D顯示器。這種顯示器例如可以是以根據液晶 顯示器(LCD)或者硅上液晶(LCOS)技術而定位在2D像素矩陣后面 的準直光源為基礎的。該光學系統(tǒng)能夠實現多視圖3D顯示，而不管Ag,,其不犧牲下層 的2D顯示的任何分辨率或者亮度。根據實際的實施例，得到的視覺3D 效果可能類似于用體顯示器或者多視圖顯示器得到的。在一些實施例 中，可以得到水平和垂直角度的分辨率，或者在一些實施例中只得到了 水平角度的分辨率。
用根據本發(fā)明的第一個方案的光學系統(tǒng)，不需要渲染(rendering) 來提供3D圖像，也就是說，不需要強大的信號處理器等根據具有深度 信息的視頻信號提供3D圖像，所述視頻信號例如RGBD視頻信號 (Philips Research 3D視頻標準)。使用這種RGBD信號的深度部分D 例如基于簡單的轉換公式控制光學透鏡像素層次(pixel-wise)的焦距， 并以常規(guī)的方式將RGBD信號的2D圖像部分RGB施加給光學系統(tǒng)后面 的2D顯示器。
光學透鏡的可調節(jié)光學特性可理解為影響光學透鏡的焦距或者強 度的光學透鏡的任何可調節(jié)光學特性或者參數。存在這樣的陣列，它們. 能夠借助于分別向每個光學透鏡例如GRIN透鏡或者所謂的流體聚焦透 鏡施加電流來調節(jié)光的，例如焦距。
在優(yōu)選實施例中，光學系統(tǒng)即兩個陣列的光學透鏡都基本上是平坦 的，也就是說每一個陣列具有布置成在一個平面上延伸的光學透鏡。和 平坦2D顯示器組合在一起尤其是優(yōu)選的。然而，如果2D顯示器具有 彎曲的表面，那么優(yōu)選地由相符的曲線成型光學系統(tǒng)，以便于為2D顯 示器的整個區(qū)域提供從2D顯示器到光學系統(tǒng)的第一陣列的光學透鏡相 同的距離。
在一些實施例中，光學透鏡的第一和第二光學透鏡陣列可以在第一 狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換，其中光學透鏡在笫一狀態(tài)中是折射的，在第 二狀態(tài)中是非折射的。用這種簡單的光學調節(jié)特性，通過選擇第一或者 第二透鏡陣列為折射，同時選擇相同位置的另 一 陣列中的透鏡為非折 射，可以提供能夠提供深度的實施例，其中位置和2D圖像的2D空間 坐標有關。以這種方式，2D圖像的明顯位置將在折射透鏡的位置處。 優(yōu)選地，該實施例包括類似于第一和第二層的幾個光學透鏡陣列，以便 于能夠實現可接受的深度分辨率。
在其它實施例中，可以調節(jié)笫一和笫二光學透鏡陣列的光學透鏡的 焦距或者光強，以便于仿真定位在第一和第二光學透鏡陣列之間的虛擬透鏡。在優(yōu)選實施例中，透鏡是連續(xù)可調節(jié)的。在可以仿真虛擬透鏡的 實施例中，可以僅僅使用兩個陣列的透鏡提供相當大的深度分辨率，以 目標最大圖像深度給出的距離定位該透鏡。
光學透鏡的光學特性優(yōu)選對于每個透鏡都是單獨可調節(jié)的。因此，
可以調節(jié)透鏡，使得2D圖像的不同區(qū)域例如下到像素尺寸具有不同的 相關深度。因此，可以將深度圖像施加到2D圖像上，而不需要將需要 快速顯示矩陣的時間多路復用。
優(yōu)選從下述構成的組中選擇第一和第二透鏡陣列的可調節(jié)光學透 鏡的形狀馬鞍形狀、菲涅耳型形狀、球形狀和雙凸透鏡形狀。對于第 一和第二陣列或者透鏡可以使用相同形狀的透鏡，或者可替換地，第二
和第二透鏡陣列可以具有不同的透鏡形狀。
光學透鏡可以包括在用于調節(jié)第一和笫二光學透鏡陣列的光學透 鏡之前適于對視覺深度信息進行形態(tài)濾波的處理器?？梢詰眠@種形 濾波解決如果使用了很多這樣的陣列，則在處于不同深度的兩個透鏡陣 列之間光線折射多次的問題。假設只使用了兩層，則多次折射很難發(fā)生。 當使用連續(xù)可調節(jié)的透鏡時，仍然可以有利地使用形態(tài)濾波，以解決空 間的不對準。這些的發(fā)生是因為穿過第一陣列中單一透鏡的射線可能穿 過第二陣列中幾個不同的透鏡，所述不同的透鏡根據2D圖像坐標處于
稍微不同的空間位置上。
假設2D圖像是像素化的，則第一和第二光學透鏡陣列的光學透鏡 的尺寸優(yōu)選基本上等于或者小于二維圖像的像素尺寸。這使得允許第一 和第二陣列的像素層次光學透鏡。如果這些透鏡的光學特性是單獨可調
節(jié)的，可以提供具有高空間分辨率以及高深度分辨率的深度圖像。
光學系統(tǒng)優(yōu)選包括定位在二維圖像前面的第三距離處的擴散器，第
三距離大于第二距離。優(yōu)選地，擴散器是以任意垂直的方向但不是水平
地折射入射光線的垂直擴散器。這種擴散器將能夠使觀看者從不同的垂
直視角觀看顯示器。
在第二個方案中，本發(fā)明提供了將視覺深度信息施加給像素的二難
圖像的方法，該方法包括步驟
施加布置在二維圖像前面的第一距離處的第一光學透鏡陣列，以及 施加布置在二維圖像前面的第二距離處的第二光學透鏡陣列，笫二
距離大于笫一距離，響應視覺深度信息，調節(jié)第一和第二光學透鏡陣列的光學透鏡的光 學特性。
原則上，如上所述的第一方案的相同優(yōu)點、實施例和應用同樣可應 用于第二方案。
在第三個方案中，本發(fā)明提供了適用于接收包括深度信息的視頻信
號的三維顯示設備，該三維顯示設備包括
布置成顯示表示視頻信號的基本準直光的二維圖像的顯示器，和 光學系統(tǒng)，包括
布置在二維圖像前面的第一距離處的第一光學透鏡陣列，和
布置在二維圖像前面的第二距離處的第二光學透鏡陣列，第二距離 大于第一距離，其中響應視覺深度信息，第一和第二光學透鏡陣列的光 學透鏡的光學特性是可以調節(jié)的。
所述顯示設備可以接收RGBD信號，并將其RGB部分施加給布置 成顯示2D圖像的顯示器，同時這種信號的深度部分D可施加給光學系 統(tǒng)，其中使用這種深度部分D調節(jié)第一和第二透鏡陣列的光學特性，以 便于將深度尺寸提供給2D圖像。作為笫一個方案的指示，可以使用LCD 或者LCOS顯示技術提供2D顯示矩陣，其中使用準直光源在2D顯示矩 陣后面提供準直光。
原則上，如上所述的第一方案的相同優(yōu)點、實施例和應用同樣可應 用于笫三方案。
可以理解的是，本發(fā)明可應用于包括3D成像設備的任何類型的產 品。例如電視機比如3DTV、計算機顯示器、手持計算機、移動電話、 移動游戲機等、用于展示廣告或者展示公共事件比如體育事件或者音樂 會的大型顯示器。在醫(yī)學應用中，本發(fā)明可應用于用于掃描結果的3D 成像的3D顯示器，或者應用于針對用于在復雜手術處理中幫助外科醫(yī) 生導航(navigating)的3D顯示的3D顯示器，或者應用于針對訓練目 的的虛擬現實操作中的3D顯示器。


在下面，參考附圖更具體地描述本發(fā)明，其中
圖1示出了具有一組幾個導通/關斷的可切換擴散器(diffusor)的
實施例的原理，圖2示出了具有兩個連續(xù)可調節(jié)透鏡的實施例的原理，該透鏡能提
供明顯地定位在兩個可調節(jié)透鏡之間的虛擬透鏡，
圖3示出了圖2結構的有關虛擬透鏡有限孔徑的問題，
圖4示出了具有馬鞍形狀的優(yōu)選可調節(jié)透鏡以及在"關斷，，狀態(tài)和 全"導通"狀態(tài)其對于準直光的影響，
圖5示出了通過包括兩個透鏡陣列的優(yōu)選實施例的光線的例子，第 一層"導通，，然而第二層"關斷，，，
圖6示出了通過優(yōu)選實施例的模擬光線，其中第一和第二透鏡陣列 的透鏡都是50% "導通"，
圖7示出了作為圖4中表示的透鏡的替換的可調節(jié)菲涅耳型透鏡， 以及在"關斷"狀態(tài)和全"導通"狀態(tài)其對于準直光的影響，
圖8限定了對于兩個透鏡以及明顯地定位在兩個透4竟之間的虛擬透 鏡在深度方向上的焦距和距離，
圖9示出了對于兩個陣列的可調節(jié)菲涅耳型透鏡的各種參數，其中 第一陣列的透鏡完全被"導通"，同時第二陣列的透鏡完全被"關斷"， 以及
圖10示出了如果使用菲涅耳型透鏡，調整背光和透鏡形狀以防止 內部反射。
盡管本發(fā)明對于各種變形和替換形式都是可接受的，但是借助于圖 中的例子已經示出了特定的實施例，并且將在這里具體描述。然而，應 當理解的是，本發(fā)明不意味著局限于公開的特殊形式。相反，本發(fā)明將 覆蓋落在附帶的權利要求限定的精神和范圍內的所有變形、等價物和替換。
具體實施例方式
圖1以頂^L圖的形式示出本發(fā)明的一個實施例的原理，其中借助于 光學前端(optical front end)產生2D圖像的深度尺寸(d印th dimension), 該光學前端具有定位在準直光的2D圖像前面的一組光學透鏡30。準直 光源10提供2D圖像，該準直光源10通過用平行光線照亮像素的2D 顯示矩陣20,例如LCD或者LCOS。 2D顯示矩陣20將2D圖像(例如通 常的RGB圖像)印刻(imprint)在這些射線上。
在2D顯示矩陣20的每一個像素21前面，在深度方向上，即垂直于由顯示器陣列20形成的平面，以不同的距離定位一組光學透鏡30。 光學透鏡30起到能夠在非折射("關斷")狀態(tài)和折射("導通，，) 狀態(tài)之間調節(jié)的可調節(jié)擴散器的作用。通過切換其中一個光學透鏡31 "導通"，同時該組光學透鏡30的剩余光學透鏡"關斷，，，則"導通" 的透鏡31折射(refract),即作為針對穿過像素21的準直光的平行光 線的擴散器。對于顯示器前面的觀察者來說，折射光學透鏡31將作為 像素21的明顯位置，因此深度尺寸(depth dimension)已經應用到由顯 示矩陣20提供的2D圖像?？梢允褂美绨赗GBD信號中的深度信 息為2D圖像的每個像素選擇該組透鏡30的適當透鏡，以將其切換到其 折射狀態(tài)，同時將該組透鏡30的剩余透鏡切換到非折射。
為了簡化，盡管圖1僅僅示出了和一個像素21對準的光學透鏡30, 但是可以理解的是，可優(yōu)選在2D圖像中的每一個像素前面設置類似的 光學透鏡組。因此，可以將深度尺寸應用到由2D顯示矩陣20提供的 2D圖像的每一個像素，并且完整的3D圖像將展示給顯示器前面的任何 觀看者，水平和垂直都有視差，并且沒有分辨率或亮度損失?？梢酝ㄟ^ 光學透鏡(或者擴散器)30的強度(strength)調整顯示器的視角。在圖1 中，為了說明示出了 7個光學透鏡的組30,但是所選擇的透鏡的數量, 決于所需的深度分辨率(depth resolution),該組透鏡裝置中透鏡越多， 深度分辨率越高。最靠近2D圖像的透鏡和在離2D圖像最遠距離的組 中的透鏡之間的距離將決定可應用于2D圖像的深度的范圍。
如果使用了多于兩個透鏡層以防止光線在處于不同深度的兩個或 者更多個光學透鏡之間折射多次，則深度圖案應當橫跨2D圖像而平滑 地改變。有效地是，如果光學透鏡定位在另一個處于"導通"狀態(tài)的光 學透鏡的光錐中，則沒有光學透鏡應當處于"導通"狀態(tài)，也就是說 沒有物體應當遮擋另 一個。通過使用具有非常低復雜性的形態(tài)濾波器處 理深度信息4艮容易滿足這種需求。
可以以多種方式構成如圖1所述的那些的擴散器的光學透鏡30。在 圖1中示出的(正的或者，如所示的，負的)最簡單的一個透鏡以可切 換的矩陣透鏡存在，用于基于窗口的可切換2D-3D顯示器。而且，可^ 使用菲涅耳透鏡，其在平面像素矩陣中更容易制造。由于菲涅耳透鏡僅 僅只能用作擴散器，所以可以將它們的質量/強度的折衷(tmde-off)' 完全設置為強度，使得能夠實現寬視角。可替換地，代替透鏡，例如根據在有源背光掃描窗口技術中使用的
LC聚合物凝膠，還可以使用其他類型的擴散器。這些可以在有源矩陣
中構成。
圖2示出了對于單一像素的優(yōu)選實施例。盡管圖1中所示的實施例 具有需要一組幾個可調節(jié)光學透鏡或者擴散器以提供可接受的深度分 辨率的缺點，圖2中的實施例提供了類似的功能，但是僅僅有兩個陣列 的光學透鏡。在圖2中，笫一光學透鏡40定位在準直光2D圖像的像素 前面的第一距離處，同時第二光學透鏡42定位在2D圖像前面更遠的第 二距離處。可以在第一和第二光學透鏡40、 42上彼此獨立地連續(xù)調節(jié) 焦距或者強度。最后的效果就和好像一個虛擬光學透鏡41存在于某個 其它位置是一樣的，所述其它位置取決于實際的第一和第二光學透鏡的 位置和強度(焦距)。這在圖2中用來自2D圖像的像素的通過第一和 第二光學透鏡40、 42的光線路徑43以及相應的明顯光線路徑44的例 子表示。
因此，在圖1中，可以用光學透鏡的兩個像素矩陣陣列代替該組導 通/關斷光學透鏡， 一個陣列在所需的最小深度以及一個陣列在所需的 最大深度，每個光學透鏡具有連續(xù)可調節(jié)的焦距或者強度。因此，以這 種方式，通過適當調節(jié)兩個光學透鏡的強度或者焦距可以在任何所需的 深度位置(至少在兩個陣列之間)構成虛擬透鏡。
假設將虛擬光學透鏡41準確地定位在第一光學透鏡40的位置或者 第二光學透鏡42的位置處，則上述方法很奏效。假設將虛擬光學透鏡 41定位在第一光學透鏡的位置處，則折射光線將穿過對應于其它的顯示 器像素的第二透鏡陣列的很多不同透鏡，但是這不是問題，因為在這種 情況下第二陣列的所有透鏡將在完全"關斷"狀態(tài)，也就是非折射。
圖3示出了虛擬透鏡51的中間位置的問題。第一透鏡50和第二緣 鏡52可以產生具有適當位置和焦距(強度)的虛擬透鏡51，但是這種 虛擬透鏡51的有效孔徑太小。第二光學透鏡52的固定和有限孔徑導致 了虛擬透鏡51的更小的孔徑。
這可以通過適當增大第二透鏡52的孔徑進行補償。可以對孔徑進 行適應性的縮放，然而這種適應性的孔徑縮放可能復雜。主要地，任何 大于像素尺寸的孔徑將使透鏡不能平鋪(tiling)在密集的像素矩陣中。
該問題的解決方案是第 一和第二陣列的光學透鏡使用特定類型的光學透鏡。這種特定類型的光學透鏡將適應的強度和適應性的孔徑縮放 相結合，同時保持密集像素平鋪的能力。用這種方法，我們產生垂直移 動視差的能力消失了。在下述中，論述適當類型的光學透鏡，以及兩個 陣列的光學透鏡之間的相互作用。圖4在左邊示出了用于第一和第二光學透鏡陣列的每個像素的光學 透鏡60的優(yōu)選形狀的3D草圖"馬鞍"形狀透鏡60。這種透鏡60將 入射的準直光以一個方向彎曲成焦點，同時以垂直于它的方向擴散光。 通過調節(jié)透鏡為完全"關斷"狀態(tài)61,準直光線將不受影響地穿過透鏡， 因此在像素大小區(qū)域中的準直光將仍然是像素大小62,如在圖4的中間 草圖中所示，同時右邊的草圖示出了當調整為完全"導通"狀態(tài)63時 透鏡使準直光進入到焦線64中?？梢杂胔-xfy描述"馬鞍"形狀透鏡，其中h是在局部的空間位置 x,y的高度(或者厚度)，x-y-0指的是透鏡的中心。沿著線x二y， 產生了正透鏡，沿著y--x，是負透鏡(或者反之亦然，取決于透鏡材料 和襯底的折射率，其中透鏡嵌入該襯底中)。這種透鏡因此同時具有兩 個符號不同的焦距。根據x和y的標度，實際的公式可能稍微有些不同， 例如包括常數。圖5示出了對于像素線，包括用于2D圖像的每個像素72的"馬鞍" 形狀光學透鏡的第一和第二陣列70、 71的優(yōu)選光學系統(tǒng)。通過具有像 素72的距陣(例如常規(guī)的LCD距陣)的空間光學調制器將2D圖像印 制到準直光源73的光上來提供2D圖像。以這種方式定向第一陣列70 的光學透鏡，當將它們調整到完全"導通"時，它們的焦線跨過第二光 陣列71中的^f艮多光學透鏡。照亮的部分一起形成所需的大孔徑透鏡。在圖5上示出的說明性例子中，將第一陣列70的光學透鏡幾乎完 全"導通，，，即它處于幾乎最大的折射狀態(tài)，因此對于第二陣列71需 要幾乎最大的孔徑(在陣列70完全"導通"的例外情況下，陣列71通 常將是完全"關斷"并且其透鏡的形狀和尺寸是不相干的)。在例子中， 像素72的距陣的中間像素是有源的，并且用直線表示通過該像素的準 直光線。這些光線碰到第一陣列70的中間光學透鏡，因為該陣列70是 "導通"的，所以如所示光線在該透鏡中折射。示出的折射光線進入到 第二陣列71的所有示出的七個透鏡。通過第二陣列71的所有所示的七 個透鏡的粗直線示出了光線碰到陣列71的位置，對應于陣列70的中間光學透鏡的焦線。虛線74示出了陣列71中透鏡的橫截面，其中橫截面 在深度的方向上并沿著焦線。這個橫截面僅僅是有源像素使用的陣列71 中的透鏡和陣列70的中心透鏡的部分。如所示，該橫截面具有準確的 所需形狀和尺寸，具有基本上大于每個獨立透鏡的孔徑。在圖5中示出定位在笫二陣列71前面的距離處的垂直擴散器75。 該垂直擴散器75使得能夠從不同的高度觀看顯示器。這是需要的，因 為兩個光學透鏡陣列70、 71主要水平地反射光，因此它們的垂直折射 非常有限。在全擴散器以任意方向折射入射光線的地方，(例如碎玻 璃)，垂直擴散器在所有任意方向但是除了垂直地折射入射光線。為此 目的，當正確定向時(通常垂直于常規(guī)雙透鏡徑3D顯示器中的方向)， 可以使用例如用于3D顯示器的常規(guī)雙凸透鏡陣列。圖6示出了從圖5中所示的光學系統(tǒng)的模擬中得到的光線。圖6示 出了當第一和笫二陣列80、 81的透鏡都"導通"50%時，即第一和第 二陣列80、 81都處于部分折射狀態(tài)時的這個最相關情形的結果。如在 圖5中，垂直擴散器82定位在第二陣列81的透鏡的前面。為了簡化， 圖6示出了僅僅具有一個有源像素的情形，因此只有第一陣列80的一 個透鏡是有源的。在第一陣列80和第二陣列81之間的中部指示了明顯 的像素位置83。模擬示出了以錯誤的相反方向折射一些光線。這是因為 這些光線偶然地準確地在其邊緣處碰到了透鏡。這是不相關的，因為這 些光線的數量很少。圖7示出了透鏡90,這是來自圖5的馬鞍形狀透鏡60的菲涅耳版 本。在這種情況下"菲涅耳，，表示定向透鏡60沿著水平方向被切成幾 個子透鏡，如圖7中清楚示出，使得對于透鏡60和90而言局部表面的 方向基本上是相同的。在圖6的模擬中對于笫二陣列的透鏡81使用菲 涅耳型的透鏡?；蛘呖梢栽诘谝缓偷诙嚵械钠渲幸环N中使用菲涅耳透 鏡，例如"馬鞍"形狀透鏡用于相對的陣列，或者可以在第一和第二陣 列中使用菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡的薄結構可以使它們容易調節(jié)。而且, 根據子透鏡的數量，它們的垂直折射幾乎為零。這可能使系統(tǒng)設計容易, 但是導致了稍微更不想要的折射-其還被看作是圖6中不想要的反射 線。圖7的中心草圖示出了通過調節(jié)為"關斷"狀態(tài)，即非折射狀態(tài)的 可調節(jié)菲涅耳透鏡91行進的準直光線，如所看到的，光線92已經未經 任何折射地穿過透鏡。右邊的草圖示出了針對處于"導通"狀態(tài)即折射狀態(tài)的可調節(jié)菲涅耳透鏡的相同93。這里，能看出的是，光線94以不 同的方向折射。還可替換地，可以使用具有相同或者更好特性的可調節(jié)或者可切換 全息型透鏡。這種可能性引入了對平行背光的附加需求，例如對光謙的 純度或者相干性。圖8示出了在深度方向上在距離2D圖像不同的距離山、cb處定位 的第一和第二透鏡100、 102。透鏡100和102是通常的負透鏡，對其 進行的計算基本上比對我們的馬鞍形狀透鏡簡單。然而結果是一樣的， 正如我們已經指出的，根據圖1和2的實施例在效果上是相同的。這兩 個透鏡100和102產生了在第一和第二透鏡100、 102之間具有明顯位 置d。ff的單一虛擬的、有效透鏡101,光線103跟隨從2D圖像經過透鏡 100、 102的路徑。其通過虛擬透鏡的明顯路徑是104。在下述中，第一透鏡、虛擬透鏡和笫二透鏡的焦距將分別表示為feff、 f2。將在下迷 的計算中使用相對于焦距定義為C=l/f的相應光強度C卜Ceff和C2。對于負透鏡C定義為大于O?，F在定義第一和第二 (即真實的)透 鏡的強度是<formula>formula see original document page 14</formula>(i)這里的Ot都是可以在0和1之間自由調節(jié)的，Cmax表示透鏡的最大強度。而且，對于虛擬透鏡強度，可以發(fā)現<formula>formula see original document page 14</formula>附似 通過下面的公式給出虛擬透鏡的位置(2)<formula>formula see original document page 14</formula>(3)<formula>formula see original document page 14</formula> 對于所需的量<formula>formula see original document page 14</formula>發(fā)現(4)<formula>formula see original document page 14</formula><formula>formula see original document page 14</formula> (5) 這些都在間隔O到l之間，因此這些值都是可實現的。器的視角和透鏡孔徑Mens (通常等于像素尺寸)有關，『長度(1/Cmax),因此顯示器的視角卩可以寫為/ = 2arCtan|cmaxUma^ (6) 圖9示出了通過具有第一和第二陣列的可調節(jié)透鏡110、 111的實施例對P的更精確的計算，每一個都具有與具有折射率Ilsubstrate的襯底和具有可調節(jié)折射率nsubstrate+An的部分有關的較高和較低部分，其中An是可調節(jié)的。第一和第二透鏡陣列之間的間隙是空氣，即具有折射率Ila,r 1。圖9以透鏡的頂部的4黃截面(圖4中透鏡60的頂部)示出了所述 兩層的頂視圖。因為系統(tǒng)對于所有的4#執(zhí)行相同，所以只考慮了 4/廣力的最簡單 情況。在這種簡單的情況中，第一陣列的透鏡110最大化地"導通" (CwaJ ,并且第二陣列的透鏡完全"關斷"。這意味著對于第一透鏡 110，把其較低部分112的折射率表示為nsubstrate+An,通過 HON=nsubstrate 給出第一透鏡110的上部分113的折射率。對于第二透鏡lll，對其下部114以及上部分115的折射率都是nsubstrate,因為第二透鏡"關斷，，了。另外，示出了以最靠左方向行進的光線(在圖4中所示的透鏡60的頂部選擇我們的橫截面，如果，例如選擇透鏡的底部作為橫截面，射 線會已經行進到最右邊的方向)。角度離開第二透鏡層的角度和視角的一半即卩/2有關系，還是如在 圖9中所示。不探究其它的細節(jié)，但是假定針對第一和第二透鏡110、111的nsubstrate相同，可以推導出，顯示器的視角卩可寫為|3 ~ 2yAn ( 7 )這里Y是第 一透鏡110的較低部分112和較高部分113之間的角度， 如在圖9中示意的，直接和透鏡的形狀有關。用例如目前的LC可切換透鏡，An~0.3,因此導致視角近似為卩~0勿。圖10示出了如何通過對背光的附加控制以及通過改變透鏡的形狀 使圖6中所示的不想要的反射最小化。根本上，最小化了擊中透鏡邊緣 的光線的概率。可以看出，為了將入射光從空間上僅僅限制到透鏡121 的中心區(qū)域，已經在第一透鏡121的前面引入了柵格、阻擋或者柵板 120。而且，已經對每個透鏡整形，以保證光線只能穿過每個透鏡的正 確部分。通過比較圖9中所示的透鏡的形狀可以清楚地看出整形。圖10中所示的粗光線表示，在透鏡具有和圖9所示相同形狀情況下在第二透 鏡層處可能經歷反射的光線。在替換實施例中，可以在不可能單獨調節(jié)每個透鏡的光學特性、但 是可以統(tǒng)一地，即可以同時將陣列所有透鏡的光學特性調節(jié)為全都具有 相同的特性的地方，使用可調節(jié)透鏡陣列。因此，可以提供使用統(tǒng)一寸調節(jié)透鏡的這兩個統(tǒng)一 (uniform)陣列的實施例。對于這些實施例，可 以使用時間多路復用(temporal multiplexing)示出完全深度圖像。首先， 顯示矩陣僅僅示出了背景目標，同時可以將兩個陣列的透鏡調節(jié)為以最 小深度投影該圖像。然后，從后向前連續(xù)地調節(jié)這兩個陣列，同時所述 顯示矩陣表示適合每個深度的目標。這需要快速的顯示器陣列，例如快 速LCD型矩陣，和一些相對簡單的圖像處理。在權利要求中，僅僅為了清楚起見包含了附圖的參考標記。圖中對 典型實施例的這些參考不應當以任何方式被解釋為對于權利要求范圍 的限制。
權利要求
1.一種光學系統(tǒng)，適于向由基本準直的光表示的二維圖像(72)增加視覺深度信息，該光學系統(tǒng)包括第一光學透鏡陣列(70)，以第一距離布置在二維圖像(72)的前面，以及第二光學透鏡陣列(71)，以第二距離布置在二維圖像(72)的前面，該第二距離大于所述第一距離，其中根據視覺深度信息，可調節(jié)第一和第二陣列光學透鏡(70，71)的光學透鏡的光學特性。
2. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，其中第一和第二光學透鏡陣列(70， 71)的光學透鏡可以在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換，其中光學透鏡在 第一狀態(tài)中是折射的，在第二狀態(tài)中是非折射的。
3. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，其中可以調節(jié)第一和第二光學透 鏡陣列(70， 71)的光學透鏡的焦距，以便于仿真一個定位在第一和第 二光學透鏡陣列(70, 71)之間的虛擬透鏡。
4. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，其中光學透鏡組(70, 71)的光 學特性對于每個透鏡是單獨可調節(jié)的。
5. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，其中第一光學透鏡陣列(70)的 光學透鏡的光學特性是連續(xù)可調節(jié)的，以及其中第二光學透鏡陣列(71 ) 的光學特性是連續(xù)可調節(jié)的。
6. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，其中第一和第二透鏡陣列(70, 71 )的可調節(jié)光學透鏡的形狀選自于由下述構成的組馬鞍形狀、菲涅 耳形狀、球形狀和雙凸透鏡形狀。
7. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，還包括處理器，其適于在用于調 節(jié)第一和第二光學透鏡陣列(70, 71)的光學透鏡之前對視覺深度信息 進^f亍形態(tài)濾波。
8. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，其中用準直光表示的二維圖像(72) 包括多個像素。
9. 根據權利要求2的光學系統(tǒng)，其中第 一和第二光學透鏡陣列(70, 71 )的光學透鏡的大小基本上等于或者小于二維圖像(72)的像素大小。
10. 根據權利要求1的光學系統(tǒng)，其中擴散器(75)定位在二維圖 像(72)前面的第三距離處，該第三距離大于所述第二距離。
11. 一種將視覺深度信息施加給像素二維圖像的方法，該方法包括步驟-應用布置在二維圖像前面的第一距離處的第一光學透鏡陣列，以及 -應用布置在二維圖像前面的第二距離處的第二光學透鏡陣列，該第二距離大于所述第一距離，-根據視覺深度信息，調節(jié)第一和第二光學透鏡陣列的光學透鏡的光學特性。
12. —種三維顯示設備，適于接收包括深度信息(D)的視頻信號， 該三維顯示設備包括-顯示器，布置成顯示由表示視頻信號的基本準直光構成的二維圖 像，和-光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)包括-布置在二維圖像前面第一距離處的第一光學透鏡陣列，和 -布置在二維圖像前面笫二距離處的第二光學透鏡陣列，該笫二距離大于所述第一距離，其中根據視覺深度信息，第 一 和第二光學透鏡陣列的光學透鏡的光學特性是可以調節(jié)的。
全文摘要
一種光學系統(tǒng)，可以向由例如借助于LCD顯示器前面的準直光源的基本準直光表示的二維圖像(72)增加視覺深度信息。該光學系統(tǒng)包括在二維圖像(72)前面以第一距離布置的第一光學透鏡陣列(70)，以及在二維圖像(72)前面以第二距離布置的第二光學透鏡陣列(71)，該第二距離大于所述第一距離。根據視覺深度信息，可以對第一和第二光學透鏡陣列(70，71)的光學透鏡的光學特性，例如焦距進行調節(jié)。光學系統(tǒng)可以起到用于3D多視圖顯示器的光前的作用。根據實施例，可以獲得的水平和垂直角度的分辨率，并且前端僅僅顯示出小的亮度損失。在像素化圖像的情況下，優(yōu)選地對每個像素使用一個透鏡。在一個實施例中在二維圖像前面不同距離布置一組幾個陣列的導通/關斷可切換光學透鏡，其中通過導通對應于所需深度距離的一個透鏡施加深度。在另一個優(yōu)選實施例中，使用兩個陣列的連續(xù)可調節(jié)透鏡通過調節(jié)透鏡產生深度，以便在兩個陣列之間提供明顯位置。優(yōu)選地，擴散器定位在第二透鏡陣列的前面?？梢允褂貌煌螤畹耐哥R，例如球形狀、雙凸透鏡形狀、菲涅耳型形狀、“馬鞍”形狀的透鏡，可以使用GRIN透鏡或者流體焦點透鏡實施透鏡陣列。優(yōu)選地，每個透鏡陣列的透鏡都是可單獨調節(jié)的。
文檔編號G02B27/22GK101300520SQ200680041112
公開日2008年11月5日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權日2005年11月2日
發(fā)明者M·P·C·M·克里恩, P·-A·雷德特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司