專利名稱：用于3維顯示的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像和/或視頻信號三維(3D)顯示的領(lǐng)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(xué)系統(tǒng)。另外， 本發(fā)明提供了一種3D顯示設(shè)備和用于基于2D圖像提供3D效果的方法。
背景技術(shù)：
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(yīng)用中(醫(yī)學(xué)/工業(yè))，3D可視化已經(jīng)很普 遍。在娛樂和移動(dòng)通訊中，3D可視化即將引發(fā)商業(yè)關(guān)注。
一種3D顯示器是自動(dòng)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(gè)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(xué)前端(optical front end)跟隨的 標(biāo)準(zhǔn)2D矩陣顯示器構(gòu)成的。
這些顯示器的嚴(yán)重問題是分辨率。光學(xué)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(shù)量' A^w。目前的顯示器具有AUW~ 10,導(dǎo)致系數(shù) 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(xué)前端導(dǎo)通或者關(guān)閉，產(chǎn)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(jù)透鏡的切換原理帶來了附加的性能 損失，是因?yàn)楹凸潭ㄍ哥R相比可調(diào)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(zhì)量深度和觀
察角需求。這導(dǎo)致了嚴(yán)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(dòng)導(dǎo)致了 3D圖像的彈性。如果顯示器旋轉(zhuǎn)90。，例如對于文件 寫入或者如果觀看者轉(zhuǎn)動(dòng)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(dǎo)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(dòng)立體顯示設(shè)備，包括根據(jù)準(zhǔn)直 光提供2D圖像的2D顯示陣列和設(shè)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(shí)顯示的圖像，可以實(shí)現(xiàn) 圖像的多視圖自動(dòng)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(gè)圓柱型透鏡的雙凸透鏡屏，使得像素的準(zhǔn)直光進(jìn)入到偏離軸 的透鏡，并且透鏡的焦點(diǎn)是可以控制的。時(shí)間多路復(fù)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(dú)立視圖的數(shù)量。
WO 03/081920 A2描述了 一種根據(jù)用于產(chǎn)生2D圖像的2D顯示器的 3D顯示設(shè)備，在其前端設(shè)置有光學(xué)前端。光學(xué)前端包括校正板、設(shè)置 在其前面的第一菲涅耳(Fresnel)型透鏡，設(shè)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(xué)器件的某個(gè)距離的圖像平面提供聚焦圖像。

發(fā)明內(nèi)容
可以看出本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)系統(tǒng)，其可以用來向2D圖 像提供深度尺寸，并可以從多個(gè)視角看見而不遭受分辨率損失或者亮度 損失。
在第一個(gè)方案中，本發(fā)明提供了適于向由基本準(zhǔn)直的光表示的二, 圖像增加視覺深度信息的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)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(xué)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(xué)透鏡陣列，第二距離 大于第一距離，其中響應(yīng)視覺深度信息，第一和第二光學(xué)透鏡陣列的光 學(xué)透鏡的光學(xué)特性是可調(diào)節(jié)的。
由準(zhǔn)直光表示的二維圖像包括多個(gè)像素，例如由2D顯示矩陣提供的。
根據(jù)第一個(gè)方案的光學(xué)系統(tǒng)可以用作布置在2D圖像前面的光學(xué)前 端并向2D圖像提供視覺深度。光學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用到能夠產(chǎn)生由基本準(zhǔn)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(jù)液晶 顯示器(LCD)或者硅上液晶(LCOS)技術(shù)而定位在2D像素矩陣后面 的準(zhǔn)直光源為基礎(chǔ)的。該光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(jù)實(shí)際的實(shí)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(shí)施例 中，可以得到水平和垂直角度的分辨率，或者在一些實(shí)施例中只得到了 水平角度的分辨率。
用根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方案的光學(xué)系統(tǒng)，不需要渲染(rendering) 來提供3D圖像，也就是說，不需要強(qiáng)大的信號處理器等根據(jù)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(biāo)準(zhǔn))。使用這種RGBD信號的深度部分D 例如基于簡單的轉(zhuǎn)換公式控制光學(xué)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(xué)系統(tǒng)后面 的2D顯示器。
光學(xué)透鏡的可調(diào)節(jié)光學(xué)特性可理解為影響光學(xué)透鏡的焦距或者強(qiáng) 度的光學(xué)透鏡的任何可調(diào)節(jié)光學(xué)特性或者參數(shù)。存在這樣的陣列，它們. 能夠借助于分別向每個(gè)光學(xué)透鏡例如GRIN透鏡或者所謂的流體聚焦透 鏡施加電流來調(diào)節(jié)光的，例如焦距。
在優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)即兩個(gè)陣列的光學(xué)透鏡都基本上是平坦 的，也就是說每一個(gè)陣列具有布置成在一個(gè)平面上延伸的光學(xué)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(xué)系統(tǒng)，以便于為2D顯 示器的整個(gè)區(qū)域提供從2D顯示器到光學(xué)系統(tǒng)的第一陣列的光學(xué)透鏡相 同的距離。
在一些實(shí)施例中，光學(xué)透鏡的第一和第二光學(xué)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(xué)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(xué)調(diào)節(jié)特性，通過選擇第一或者 第二透鏡陣列為折射，同時(shí)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(shí)施例，其中位置和2D圖像的2D空間 坐標(biāo)有關(guān)。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(shí)施例包括類似于第一和第二層的幾個(gè)光學(xué)透鏡陣列，以便 于能夠?qū)崿F(xiàn)可接受的深度分辨率。
在其它實(shí)施例中，可以調(diào)節(jié)笫一和笫二光學(xué)透鏡陣列的光學(xué)透鏡的 焦距或者光強(qiáng)，以便于仿真定位在第一和第二光學(xué)透鏡陣列之間的虛擬透鏡。在優(yōu)選實(shí)施例中，透鏡是連續(xù)可調(diào)節(jié)的。在可以仿真虛擬透鏡的 實(shí)施例中，可以僅僅使用兩個(gè)陣列的透鏡提供相當(dāng)大的深度分辨率，以 目標(biāo)最大圖像深度給出的距離定位該透鏡。
光學(xué)透鏡的光學(xué)特性優(yōu)選對于每個(gè)透鏡都是單獨(dú)可調(diào)節(jié)的。因此，
可以調(diào)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(guān)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(shí)間多路復(fù)用。
優(yōu)選從下述構(gòu)成的組中選擇第一和第二透鏡陣列的可調(diào)節(jié)光學(xué)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(xué)透鏡可以包括在用于調(diào)節(jié)第一和笫二光學(xué)透鏡陣列的光學(xué)透 鏡之前適于對視覺深度信息進(jìn)行形態(tài)濾波的處理器?？梢詰?yīng)用這種形 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(gè)透鏡陣 列之間光線折射多次的問題。假設(shè)只使用了兩層，則多次折射很難發(fā)生。 當(dāng)使用連續(xù)可調(diào)節(jié)的透鏡時(shí)，仍然可以有利地使用形態(tài)濾波，以解決空 間的不對準(zhǔn)。這些的發(fā)生是因?yàn)榇┻^第一陣列中單一透鏡的射線可能穿 過第二陣列中幾個(gè)不同的透鏡，所述不同的透鏡根據(jù)2D圖像坐標(biāo)處于
稍微不同的空間位置上。
假設(shè)2D圖像是像素化的，則第一和第二光學(xué)透鏡陣列的光學(xué)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(xué)透鏡。如果這些透鏡的光學(xué)特性是單獨(dú)可調(diào)
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(xué)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(kuò)散器，第
三距離大于第二距離。優(yōu)選地，擴(kuò)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(kuò)散器。這種擴(kuò)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(gè)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(xué)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(xué)透鏡陣列，笫二
距離大于笫一距離，響應(yīng)視覺深度信息，調(diào)節(jié)第一和第二光學(xué)透鏡陣列的光學(xué)透鏡的光 學(xué)特性。
原則上，如上所述的第一方案的相同優(yōu)點(diǎn)、實(shí)施例和應(yīng)用同樣可應(yīng) 用于第二方案。
在第三個(gè)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(shè)備，該三維顯示設(shè)備包括
布置成顯示表示視頻信號的基本準(zhǔn)直光的二維圖像的顯示器，和 光學(xué)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(xué)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(xué)透鏡陣列，第二距離 大于第一距離，其中響應(yīng)視覺深度信息，第一和第二光學(xué)透鏡陣列的光 學(xué)透鏡的光學(xué)特性是可以調(diào)節(jié)的。
所述顯示設(shè)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(shí)這種信號的深度部分D可施加給光學(xué)系 統(tǒng)，其中使用這種深度部分D調(diào)節(jié)第一和第二透鏡陣列的光學(xué)特性，以 便于將深度尺寸提供給2D圖像。作為笫一個(gè)方案的指示，可以使用LCD 或者LCOS顯示技術(shù)提供2D顯示矩陣，其中使用準(zhǔn)直光源在2D顯示矩 陣后面提供準(zhǔn)直光。
原則上，如上所述的第一方案的相同優(yōu)點(diǎn)、實(shí)施例和應(yīng)用同樣可應(yīng) 用于笫三方案。
可以理解的是，本發(fā)明可應(yīng)用于包括3D成像設(shè)備的任何類型的產(chǎn) 品。例如電視機(jī)比如3DTV、計(jì)算機(jī)顯示器、手持計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、 移動(dòng)游戲機(jī)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(huì)的大型顯示器。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，本發(fā)明可應(yīng)用于用于掃描結(jié)果的3D 成像的3D顯示器，或者應(yīng)用于針對用于在復(fù)雜手術(shù)處理中幫助外科醫(yī) 生導(dǎo)航(navigating)的3D顯示的3D顯示器，或者應(yīng)用于針對訓(xùn)練目 的的虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)導(dǎo)通/關(guān)斷的可切換擴(kuò)散器(diffusor)的
實(shí)施例的原理，圖2示出了具有兩個(gè)連續(xù)可調(diào)節(jié)透鏡的實(shí)施例的原理，該透鏡能提
供明顯地定位在兩個(gè)可調(diào)節(jié)透鏡之間的虛擬透鏡，
圖3示出了圖2結(jié)構(gòu)的有關(guān)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(diào)節(jié)透鏡以及在"關(guān)斷，，狀態(tài)和 全"導(dǎo)通"狀態(tài)其對于準(zhǔn)直光的影響，
圖5示出了通過包括兩個(gè)透鏡陣列的優(yōu)選實(shí)施例的光線的例子，第 一層"導(dǎo)通，，然而第二層"關(guān)斷，，，
圖6示出了通過優(yōu)選實(shí)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(dǎo)通"，
圖7示出了作為圖4中表示的透鏡的替換的可調(diào)節(jié)菲涅耳型透鏡， 以及在"關(guān)斷"狀態(tài)和全"導(dǎo)通"狀態(tài)其對于準(zhǔn)直光的影響，
圖8限定了對于兩個(gè)透鏡以及明顯地定位在兩個(gè)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(gè)陣列的可調(diào)節(jié)菲涅耳型透鏡的各種參數(shù)，其中 第一陣列的透鏡完全被"導(dǎo)通"，同時(shí)第二陣列的透鏡完全被"關(guān)斷"， 以及
圖10示出了如果使用菲涅耳型透鏡，調(diào)整背光和透鏡形狀以防止 內(nèi)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(jīng)示出了特定的實(shí)施例，并且將在這里具體描述。然而，應(yīng) 當(dāng)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(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)的所有變形、等價(jià)物和替換。
具體實(shí)施例方式
圖1以頂^L圖的形式示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原理，其中借助于 光學(xué)前端(optical front end)產(chǎn)生2D圖像的深度尺寸(d印th dimension), 該光學(xué)前端具有定位在準(zhǔn)直光的2D圖像前面的一組光學(xué)透鏡30。準(zhǔn)直 光源10提供2D圖像，該準(zhǔn)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(gè)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(xué)透鏡30。 光學(xué)透鏡30起到能夠在非折射("關(guān)斷")狀態(tài)和折射("導(dǎo)通，，) 狀態(tài)之間調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)擴(kuò)散器的作用。通過切換其中一個(gè)光學(xué)透鏡31 "導(dǎo)通"，同時(shí)該組光學(xué)透鏡30的剩余光學(xué)透鏡"關(guān)斷，，，則"導(dǎo)通" 的透鏡31折射(refract),即作為針對穿過像素21的準(zhǔn)直光的平行光 線的擴(kuò)散器。對于顯示器前面的觀察者來說，折射光學(xué)透鏡31將作為 像素21的明顯位置，因此深度尺寸(depth dimension)已經(jīng)應(yīng)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(gè)像素選擇該組透鏡30的適當(dāng)透鏡，以將其切換到其 折射狀態(tài)，同時(shí)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(gè)像素21對準(zhǔn)的光學(xué)透鏡30, 但是可以理解的是，可優(yōu)選在2D圖像中的每一個(gè)像素前面設(shè)置類似的 光學(xué)透鏡組。因此，可以將深度尺寸應(yīng)用到由2D顯示矩陣20提供的 2D圖像的每一個(gè)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(xué)透鏡(或者擴(kuò)散器)30的強(qiáng)度(strength)調(diào)整顯示器的視角。在圖1 中，為了說明示出了 7個(gè)光學(xué)透鏡的組30,但是所選擇的透鏡的數(shù)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(yuǎn)距離的組 中的透鏡之間的距離將決定可應(yīng)用于2D圖像的深度的范圍。
如果使用了多于兩個(gè)透鏡層以防止光線在處于不同深度的兩個(gè)或 者更多個(gè)光學(xué)透鏡之間折射多次，則深度圖案應(yīng)當(dāng)橫跨2D圖像而平滑 地改變。有效地是，如果光學(xué)透鏡定位在另一個(gè)處于"導(dǎo)通"狀態(tài)的光 學(xué)透鏡的光錐中，則沒有光學(xué)透鏡應(yīng)當(dāng)處于"導(dǎo)通"狀態(tài)，也就是說 沒有物體應(yīng)當(dāng)遮擋另 一個(gè)。通過使用具有非常低復(fù)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(gòu)成如圖1所述的那些的擴(kuò)散器的光學(xué)透鏡30。在 圖1中示出的(正的或者，如所示的，負(fù)的)最簡單的一個(gè)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(kuò)散器，所以可以將它們的質(zhì)量/強(qiáng)度的折衷(tmde-off)' 完全設(shè)置為強(qiáng)度，使得能夠?qū)崿F(xiàn)寬視角?？商鎿Q地，代替透鏡，例如根據(jù)在有源背光掃描窗口技術(shù)中使用的
LC聚合物凝膠，還可以使用其他類型的擴(kuò)散器。這些可以在有源矩陣
中構(gòu)成。
圖2示出了對于單一像素的優(yōu)選實(shí)施例。盡管圖1中所示的實(shí)施例 具有需要一組幾個(gè)可調(diào)節(jié)光學(xué)透鏡或者擴(kuò)散器以提供可接受的深度分 辨率的缺點(diǎn)，圖2中的實(shí)施例提供了類似的功能，但是僅僅有兩個(gè)陣列 的光學(xué)透鏡。在圖2中，笫一光學(xué)透鏡40定位在準(zhǔn)直光2D圖像的像素 前面的第一距離處，同時(shí)第二光學(xué)透鏡42定位在2D圖像前面更遠(yuǎn)的第 二距離處。可以在第一和第二光學(xué)透鏡40、 42上彼此獨(dú)立地連續(xù)調(diào)節(jié) 焦距或者強(qiáng)度。最后的效果就和好像一個(gè)虛擬光學(xué)透鏡41存在于某個(gè) 其它位置是一樣的，所述其它位置取決于實(shí)際的第一和第二光學(xué)透鏡的 位置和強(qiáng)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(xué)透鏡40、 42的光線路徑43以及相應(yīng)的明顯光線路徑44的例 子表示。
因此，在圖1中，可以用光學(xué)透鏡的兩個(gè)像素矩陣陣列代替該組導(dǎo) 通/關(guān)斷光學(xué)透鏡， 一個(gè)陣列在所需的最小深度以及一個(gè)陣列在所需的 最大深度，每個(gè)光學(xué)透鏡具有連續(xù)可調(diào)節(jié)的焦距或者強(qiáng)度。因此，以這 種方式，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)兩個(gè)光學(xué)透鏡的強(qiáng)度或者焦距可以在任何所需的 深度位置(至少在兩個(gè)陣列之間)構(gòu)成虛擬透鏡。
假設(shè)將虛擬光學(xué)透鏡41準(zhǔn)確地定位在第一光學(xué)透鏡40的位置或者 第二光學(xué)透鏡42的位置處，則上述方法很奏效。假設(shè)將虛擬光學(xué)透鏡 41定位在第一光學(xué)透鏡的位置處，則折射光線將穿過對應(yīng)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?yàn)樵谶@種 情況下第二陣列的所有透鏡將在完全"關(guān)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(chǎn)生具有適當(dāng)位置和焦距(強(qiáng)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(xué)透鏡52的固定和有限孔徑導(dǎo)致 了虛擬透鏡51的更小的孔徑。
這可以通過適當(dāng)增大第二透鏡52的孔徑進(jìn)行補(bǔ)償?？梢詫讖竭M(jìn) 行適應(yīng)性的縮放，然而這種適應(yīng)性的孔徑縮放可能復(fù)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(xué)透鏡使用特定類型的光學(xué)透鏡。這種特定類型的光學(xué)透鏡將適應(yīng)的強(qiáng)度和適應(yīng)性的孔徑縮放 相結(jié)合，同時(shí)保持密集像素平鋪的能力。用這種方法，我們產(chǎn)生垂直移 動(dòng)視差的能力消失了。在下述中，論述適當(dāng)類型的光學(xué)透鏡，以及兩個(gè) 陣列的光學(xué)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(xué)透鏡陣列的每個(gè)像素的光學(xué) 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(zhǔn)直光以一個(gè)方向彎曲成焦點(diǎn)，同時(shí)以垂直于它的方向擴(kuò)散光。 通過調(diào)節(jié)透鏡為完全"關(guān)斷"狀態(tài)61,準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)右邊的草圖示出了當(dāng)調(diào)整為完全"導(dǎo)通"狀態(tài)63時(shí) 透鏡使準(zhǔn)直光進(jìn)入到焦線64中。可以用h-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(chǎn)生了正透鏡，沿著y--x，是負(fù)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(shí)具有兩 個(gè)符號不同的焦距。根據(jù)x和y的標(biāo)度，實(shí)際的公式可能稍微有些不同， 例如包括常數(shù)。圖5示出了對于像素線，包括用于2D圖像的每個(gè)像素72的"馬鞍" 形狀光學(xué)透鏡的第一和第二陣列70、 71的優(yōu)選光學(xué)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(xué)調(diào)制器將2D圖像印 制到準(zhǔn)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(xué)透鏡，當(dāng)將它們調(diào)整到完全"導(dǎo)通"時(shí)，它們的焦線跨過第二光 陣列71中的^f艮多光學(xué)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(xué)透鏡幾乎完 全"導(dǎo)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(dǎo)通"的例外情況下，陣列71通 常將是完全"關(guān)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(zhǔn) 直光線。這些光線碰到第一陣列70的中間光學(xué)透鏡，因?yàn)樵撽嚵?0是 "導(dǎo)通"的，所以如所示光線在該透鏡中折射。示出的折射光線進(jìn)入到 第二陣列71的所有示出的七個(gè)透鏡。通過第二陣列71的所有所示的七 個(gè)透鏡的粗直線示出了光線碰到陣列71的位置，對應(yīng)于陣列70的中間光學(xué)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(gè)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(zhǔn)確的 所需形狀和尺寸，具有基本上大于每個(gè)獨(dú)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(kuò)散器75。 該垂直擴(kuò)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(gè)光學(xué)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(kuò)散器以任意方向折射入射光線的地方，(例如碎玻 璃)，垂直擴(kuò)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(dāng)正確定向時(shí)(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(xué)系統(tǒng)的模擬中得到的光線。圖6示 出了當(dāng)?shù)谝缓腕识嚵?0、 81的透鏡都"導(dǎo)通"50%時(shí)，即第一和第 二陣列80、 81都處于部分折射狀態(tài)時(shí)的這個(gè)最相關(guān)情形的結(jié)果。如在 圖5中，垂直擴(kuò)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(gè)有源像素的情形，因此只有第一陣列80的一 個(gè)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(cuò)誤的相反方向折射一些光線。這是因?yàn)?這些光線偶然地準(zhǔn)確地在其邊緣處碰到了透鏡。這是不相關(guān)的，因?yàn)檫@ 些光線的數(shù)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(gè)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(jié)構(gòu)可以使它們?nèi)菀渍{(diào)節(jié)。而且, 根據(jù)子透鏡的數(shù)量，它們的垂直折射幾乎為零。這可能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易, 但是導(dǎo)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(diào)節(jié)為"關(guān)斷"狀態(tài)，即非折射狀態(tài)的 可調(diào)節(jié)菲涅耳透鏡91行進(jìn)的準(zhǔn)直光線，如所看到的，光線92已經(jīng)未經(jīng) 任何折射地穿過透鏡。右邊的草圖示出了針對處于"導(dǎo)通"狀態(tài)即折射狀態(tài)的可調(diào)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(diào)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(fù)透鏡，對其 進(jìn)行的計(jì)算基本上比對我們的馬鞍形狀透鏡簡單。然而結(jié)果是一樣的， 正如我們已經(jīng)指出的，根據(jù)圖1和2的實(shí)施例在效果上是相同的。這兩 個(gè)透鏡100和102產(chǎn)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(jīng)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(jì)算中使用相對于焦距定義為C=l/f的相應(yīng)光強(qiáng)度C卜Ceff和C2。對于負(fù)透鏡C定義為大于O?，F(xiàn)在定義第一和第二 (即真實(shí)的)透 鏡的強(qiáng)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(diào)節(jié)的，Cmax表示透鏡的最大強(qiáng)度。而且，對于虛擬透鏡強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)<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(xiàn)(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(shí)現(xiàn)的。器的視角和透鏡孔徑Mens (通常等于像素尺寸)有關(guān)，『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(diào)節(jié)透鏡110、 111的實(shí)施例對P的更精確的計(jì)算，每一個(gè)都具有與具有折射率Ilsubstrate的襯底和具有可調(diào)節(jié)折射率nsubstrate+An的部分有關(guān)的較高和較低部分，其中An是可調(diào)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?yàn)橄到y(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(dǎo)通" (CwaJ ,并且第二陣列的透鏡完全"關(guān)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?yàn)榈诙哥R"關(guān)斷，，了。另外，示出了以最靠左方向行進(jìn)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(huì)已經(jīng)行進(jìn)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(guān)系，還是如在 圖9中所示。不探究其它的細(xì)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(dǎo)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(guān)。用例如目前的LC可切換透鏡，An~0.3,因此導(dǎo)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?？梢钥闯?，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(jīng)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(jīng)對每個(gè)透鏡整形，以保證光線只能穿過每個(gè)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(jīng)歷反射的光線。在替換實(shí)施例中，可以在不可能單獨(dú)調(diào)節(jié)每個(gè)透鏡的光學(xué)特性、但 是可以統(tǒng)一地，即可以同時(shí)將陣列所有透鏡的光學(xué)特性調(diào)節(jié)為全都具有 相同的特性的地方，使用可調(diào)節(jié)透鏡陣列。因此，可以提供使用統(tǒng)一寸調(diào)節(jié)透鏡的這兩個(gè)統(tǒng)一 (uniform)陣列的實(shí)施例。對于這些實(shí)施例，可 以使用時(shí)間多路復(fù)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(biāo)，同時(shí)可以將兩個(gè)陣列的透鏡調(diào)節(jié)為以最 小深度投影該圖像。然后，從后向前連續(xù)地調(diào)節(jié)這兩個(gè)陣列，同時(shí)所述 顯示矩陣表示適合每個(gè)深度的目標(biāo)。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(quán)利要求中，僅僅為了清楚起見包含了附圖的參考標(biāo)記。圖中對 典型實(shí)施例的這些參考不應(yīng)當(dāng)以任何方式被解釋為對于權(quán)利要求范圍 的限制。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)系統(tǒng)，適于向由基本準(zhǔn)直的光表示的二維圖像(72)增加視覺深度信息，該光學(xué)系統(tǒng)包括第一光學(xué)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(xué)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(jù)視覺深度信息，可調(diào)節(jié)第一和第二陣列光學(xué)透鏡(70，71)的光學(xué)透鏡的光學(xué)特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中第一和第二光學(xué)透鏡陣列(70， 71)的光學(xué)透鏡可以在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間切換，其中光學(xué)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(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中可以調(diào)節(jié)第一和第二光學(xué)透 鏡陣列(70， 71)的光學(xué)透鏡的焦距，以便于仿真一個(gè)定位在第一和第 二光學(xué)透鏡陣列(70, 71)之間的虛擬透鏡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中光學(xué)透鏡組(70, 71)的光 學(xué)特性對于每個(gè)透鏡是單獨(dú)可調(diào)節(jié)的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中第一光學(xué)透鏡陣列(70)的 光學(xué)透鏡的光學(xué)特性是連續(xù)可調(diào)節(jié)的，以及其中第二光學(xué)透鏡陣列(71 ) 的光學(xué)特性是連續(xù)可調(diào)節(jié)的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中第一和第二透鏡陣列(70, 71 )的可調(diào)節(jié)光學(xué)透鏡的形狀選自于由下述構(gòu)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(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，還包括處理器，其適于在用于調(diào) 節(jié)第一和第二光學(xué)透鏡陣列(70, 71)的光學(xué)透鏡之前對視覺深度信息 進(jìn)^f亍形態(tài)濾波。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中用準(zhǔn)直光表示的二維圖像(72) 包括多個(gè)像素。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)系統(tǒng)，其中第 一和第二光學(xué)透鏡陣列(70, 71 )的光學(xué)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(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)，其中擴(kuò)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(yīng)用布置在二維圖像前面的第一距離處的第一光學(xué)透鏡陣列，以及 -應(yīng)用布置在二維圖像前面的第二距離處的第二光學(xué)透鏡陣列，該第二距離大于所述第一距離，-根據(jù)視覺深度信息，調(diào)節(jié)第一和第二光學(xué)透鏡陣列的光學(xué)透鏡的光學(xué)特性。
12. —種三維顯示設(shè)備，適于接收包括深度信息(D)的視頻信號， 該三維顯示設(shè)備包括-顯示器，布置成顯示由表示視頻信號的基本準(zhǔn)直光構(gòu)成的二維圖 像，和-光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括-布置在二維圖像前面第一距離處的第一光學(xué)透鏡陣列，和 -布置在二維圖像前面笫二距離處的第二光學(xué)透鏡陣列，該笫二距離大于所述第一距離，其中根據(jù)視覺深度信息，第 一 和第二光學(xué)透鏡陣列的光學(xué)透鏡的光學(xué)特性是可以調(diào)節(jié)的。
全文摘要
一種光學(xué)系統(tǒng)，可以向由例如借助于LCD顯示器前面的準(zhǔn)直光源的基本準(zhǔn)直光表示的二維圖像(72)增加視覺深度信息。該光學(xué)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(xué)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(xué)透鏡陣列(71)，該第二距離大于所述第一距離。根據(jù)視覺深度信息，可以對第一和第二光學(xué)透鏡陣列(70，71)的光學(xué)透鏡的光學(xué)特性，例如焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)。光學(xué)系統(tǒng)可以起到用于3D多視圖顯示器的光前的作用。根據(jù)實(shí)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(gè)像素使用一個(gè)透鏡。在一個(gè)實(shí)施例中在二維圖像前面不同距離布置一組幾個(gè)陣列的導(dǎo)通/關(guān)斷可切換光學(xué)透鏡，其中通過導(dǎo)通對應(yīng)于所需深度距離的一個(gè)透鏡施加深度。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，使用兩個(gè)陣列的連續(xù)可調(diào)節(jié)透鏡通過調(diào)節(jié)透鏡產(chǎn)生深度，以便在兩個(gè)陣列之間提供明顯位置。優(yōu)選地，擴(kuò)散器定位在第二透鏡陣列的前面。可以使用不同形狀的透鏡，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(diǎn)透鏡實(shí)施透鏡陣列。優(yōu)選地，每個(gè)透鏡陣列的透鏡都是可單獨(dú)調(diào)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(quán)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