CN111373307A - 立体眼镜、该立体眼镜中使用的眼镜镜片的设计方法以及立体图像的观察方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够通过简单的结构来减轻双眼式立体显示中的视觉疲劳的立体眼镜。立体眼镜(10)将焦距具有幅度的广焦点透镜(16a、16b)以与滤光器(14a、14b)在光透过方向上彼此重叠的方式嵌入，以在眼镜式的立体显示中扩展能够舒适地进行立体观看的、辐辏与调节一致的容许范围，降低因观察立体图像时的辐辏调节冲突而引起的视觉疲劳。
Description
技术领域
本发明涉及一种在双眼式立体显示时利用的立体眼镜、该立体眼镜中使用的眼镜镜片的设计方法以及使用立体眼镜的立体图像的观察方法。
背景技术
立体电影、立体电视、立体内窥镜等能够进行图像的立体显示的设备正在被实用化。这些设备中的多数是使用立体眼镜的双眼式立体显示(例如参照下述非专利文献1、2)。
图18是示出双眼式立体显示的原理的说明图。在该图中，100为图像显示装置，110为立体眼镜。图像显示装置100将从左眼和右眼的位置观看到的具有视差的左眼用图像和右眼用图像显示于显示画面100a。
另一方面，在立体眼镜110中安装有左眼用滤光器14a和右眼用滤光器14b。这些滤光器14a和14b具有使左眼用图像和右眼用图像选择性地透过的功能，因此例如使用偏振器、液晶快门、光谱滤光器等。
在佩戴了这种立体眼镜110的观察者的左眼25a中，只能视觉识别显示于图像显示装置100的左眼用图像，并且，在观察者的右眼25b中，只能视觉识别显示于图像显示装置100的右眼用图像。由此，观察者能够观察立体图像。
作为这种双眼式立体显示的问题点，能够列举因辐辏调节冲突而引起的视觉疲劳。辐辏是指如下的功能：当人的眼睛注视物体的一点时，左右眼睛转动使得注视点来到视网膜的中心，而基于三角测量的原理，根据其转动角的信息来感知注视点的深度。调节是指如下的功能：人的眼睛自动向观察物体聚焦，基于眼睛的聚焦信息来感知深度。
在双眼式立体显示中，显示与左右眼睛对应的具有视差的左眼用图像及右眼用图像。这样，观察者的左右眼睛转动来捕捉立体图像，并通过辐辏来准确地感知立体图像的深度。与此相对，由于眼睛的焦点聚焦于正在显示左眼用图像及右眼用图像的显示器画面上，因此调节未准确地发挥功能，无法准确地感知立体图像的深度。在人的立体观看功能中，辐辏与调节之间存在相互作用，存在用于将眼睛的焦点引导至通过辐辏感知到的深度位置的辐辏性调节。但是，针对基于双眼式立体显示的立体图像，当要通过辐辏性调节使眼睛聚焦于通过辐辏感知到的位置时，视网膜像产生模糊。像这样，辐辏与调节之间存在冲突，因此被称为产生视觉疲劳。这种视觉疲劳的存在成为阻碍使用立体眼镜的双眼式立体显示普及的较大原因。
作为消除因辐辏与调节的冲突而引起的视觉疲劳的方法，存在下述的非专利文献3和非专利文献4所记载的方法。在非专利文献3中公开了以下方面：使包括可变焦距反射镜及显示器的成像系统与左右眼睛分别对应，使用可变焦距反射镜将显示器的画面成像于多个不同的深度位置处，由此能够进行向立体图像的聚焦。此时，在显示器中使用能够进行高速显示的DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件)，分时地显示立体图像。
另外，在下述非专利文献4中公开了以下方面：在包括显示器的成像系统中，通过能够使用可变焦距透镜、电动机来动态地变更成像系统的头戴式显示器，来检测左右眼睛的转动角并计算通过辐辏感知的深度感知位置，并变更成像系统的成像关系以使显示器的画面成像于该深度位置，由此来使通过辐辏与调节感知的深度感知位置一致。
然而，这些非专利文献3、4所记载的技术需要在眼前配置成像系统，因此能够实现的为头戴式的立体显示器。因此，无法应用于立体电视、立体内窥镜中使用的设置在离眼睛较远的位置处的电视型、监视器型的立体显示器。
另外，显示多个像的非专利文献3中记载的技术需要可变焦距反射镜、能够进行高速显示的显示器，因此成本升高成为问题。并且，能够进行高速显示的显示器一般存在能够显示的灰度级数少的问题。并且，需要以下的图像处理装置：该图像处理装置高速地生成要显示于能够进行高速显示的显示器的在深度方向上分割出的图像。
另一方面，使用可变成像系统的非专利文献4所记载的技术需要用于检测眼睛的转动角的单元。另外，由于利用包括焦距可变透镜、电动机的机械机构而引起的成本升高、头戴式显示器的重量增加成为问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-206338号公报
非专利文献
非专利文献1：増田千尋：3次元ディスプレイ(三维显示器)(1990)、産業図書
非专利文献2：原島博監修、元木紀雄，矢野澄夫共編：3次元画像と人間の科学(三维图像与人的科学)(2000)、オーム社
非专利文献3：X.Hu and H.Hua,“High-resolution optical see-throughmulti-focal-plane head-mounted display using freeform optics(使用光学自由曲面的高分辨率光学透视式多焦点平面头戴式显示器),”Opt.Express vol.22,p.13896-13903(2014).
非专利文献4：N.Padmanaban,R.Konrad,T.Stramer,E.A.Cooper,andG.Wetzstein,“Optimizing virtual reality for all users through gaze-contingentand adaptive focus displays(基于注视跟随和自适应聚焦显示的虚拟现实优化),”PNASvol.114,p.2183-2188(2017).
非专利文献5：T.Shibata,J.kim,D.M.Hoffman,M.S.Banks,“The zone ofcomfort：Predicting visual discomfort with stereo displays(舒适区：在立体显示中预测视觉疲劳),”J.Vision,vol.11,11(2011).
非专利文献6：G.Mikula,Z.Jaroszewicz,A.Kolodziejczyk,K.Petelczyc,andM.Sypek,“Images with extended focal depth by means of lenses with radial andangular modulation(通过带有径向和角度调制的镜头扩展焦深的图像),”Opt.Express,vol.15,p.9184-9193(2007).
非专利文献7：J.Sochacki,A.Ko？odziejczyk,Z.Jaroszewicz,and S.Bara,“Nonparaxial design of generalized axicons(广义轴锥的非傍轴设计),”Appl.Opt.,vol.31,p.5326-5330(1992).
非专利文献8：N.Davidson,A.A.Friesem,and E.Hasman,“Holographic axilens：high resolution and long focal depth(全息axilens透镜：高分辨率和长焦深),”Opt.Lett.,vol.16,p.523-525(1991).
发明内容
发明要解决的问题
本发明用于解决上述的问题，其目的在于提供一种能够通过简单的结构来减轻双眼式立体显示中的视觉疲劳的立体眼镜，并且提供一种该立体眼镜中使用的镜片的设计方法以及使用该立体眼镜的立体图像的观察方法。
用于解决问题的方案
本发明的立体眼镜的特征在于，嵌入有焦距具有幅度的广焦点透镜，以在眼镜式的立体显示中扩展能够舒适地进行立体观看的、辐辏与调节一致的容许范围。
通常的透镜具有一个焦距，但是广焦点透镜的焦距具有从某个值至某个值的幅度。也就是说，当向通常的透镜入射与光轴平行的光时，光会聚于光轴上的一点，但是当向广焦点透镜入射与光轴平行的光时，光会聚于光轴上的某个点至某个点之间具有幅度的范围内。
一般地说，具有一个焦距的透镜被称为单焦点透镜，具有多个焦距的透镜被称为多焦点透镜。在此，将焦距具有幅度的透镜称为广焦点透镜。
已知的是，在立体观看中，如果辐辏位置与调节位置一致，则不产生因辐辏调节冲突而引起的视觉疲劳。但是，为了实现不产生视觉疲劳的舒适的立体观看，不需要辐辏位置与调节位置完全一致，辐辏位置与调节位置的一致具有某种程度的容许范围。
图1是示出辐辏与调节的关系的图。在该图中，横轴表示辐辏，纵轴表示调节。单位为屈光度(D)，是用米来表示距离并取倒数而得到的。例如，根据上述非专利文献5，示出了以下内容：即使在辐辏与调节不一致的情况下，只要它们具有位于图1所示的Dfar与Dnear之间那样的关系，则也能够进行不产生视觉疲劳的舒适的立体观看。即，实现舒适的立体观看的辐辏与调节的一致具有容许范围。
在该图中，如果在纵轴上取得眼睛聚焦的位置，则能够在横轴上求出能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围。即，通过对图1的纵轴提供图18中的到显示画面100a为止的距离l0的倒数1/l0，并从横轴读取对应的Dfar及Dnear的值，能够获知能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围。在此，当表示为lfar＝1/Dfar、lnear＝1/Dnear时，在图18中，只要将立体图像30显示于距离为lnear至lfar的范围内，就不会产生视觉疲劳。
本发明是在立体眼镜中附加广焦点透镜来作为用于简单地扩展能够舒适地进行立体观看的立体图像的显示范围的单元而得到的。
在图2中，10为在双眼式立体显示中利用的立体眼镜，在框架12安装有左眼用滤光器14a和右眼用滤光器14b。左眼用广焦点透镜16a和右眼用广焦点透镜16b安装于左眼用滤光器14a和右眼用滤光器14b的前方(与眼球相反的一侧)或后方(眼球侧)的、与这些滤光器14a及14b分别相互重叠的位置处。此外，在下面的说明中，有时将左眼用滤光器14a和右眼用滤光器14b仅称为“滤光器14”。另外，有时将左眼用广焦点透镜16a和右眼用广焦点透镜16b仅称为“广焦点透镜16”。
这些滤光器14a及14b分别具有使左眼用图像和右眼用图像选择性地透过的功能。
在立体眼镜10中，构成为：针对显示于图像显示装置100(参照图18)的显示画面100a的左眼用图像和右眼用图像，关于右眼用图像的光被左眼用滤光器14a阻断，仅有关于左眼用图像的光透过左眼用滤光器14a。另外，构成为：关于左眼用图像的光被右眼用滤光器14b阻断，仅有关于右眼用图像的光透过右眼用滤光器14b。因此，观察者的左眼25a能够看到左眼用图像，并且，观察者的右眼25b能够看到右眼用图像。
广焦点透镜16a及16b为焦距具有幅度的透镜。作为这种广焦点透镜，例如能够使用非专利文献6所记载的轴棱锥(Axicon)、非专利文献7所记载的axilens透镜、非专利文献8所记载的光剑光学元件(light sword optical element)、专利文献1所记载的三次非球面透镜等。
广焦点透镜16由于焦距具有幅度，因此如图3的(a)所示，即使作为对象物的物体35被固定于距离l0的位置处，其实像36也形成于具有某种程度的幅度的范围(l1～l2的范围)内。在将所述的广焦点透镜16与立体眼镜组合的情况下，成为使用像为正立像的虚像成像，但是在该情况下，也如图3的(b)、(c)所示那样，虚像38被形成于具有某种程度的幅度(l1～l2的范围)的范围内。此外，该图的(b)示出使用具有正焦距的广焦点透镜的情况，另外，该图的(c)示出使用具有负焦距的广焦点透镜的情况。
接着，使用图4和图5来说明具备广焦点透镜的本发明的立体眼镜的作用效果。下面，将广焦点透镜16的焦距设为f1～f2。另外，与显示画面100a同广焦点透镜16的距离相比，广焦点透镜16与眼睛25的距离充分小，因此视为广焦点透镜16与眼睛25相接，将显示画面100a与眼睛25的距离设为l0，将显示画面100a的虚像38所成像的位置与眼睛25的距离设为l1～l2。
首先，在使用以往的立体眼镜110的情况下，如图4的(a)所示，观察者的眼睛25的焦点聚焦于显示画面100a。与此相对，在附加了正的广焦点透镜16的情况下，如该图的(b)所示，该虚像38被成像于相对于显示画面100a而言与观察者相反的一侧且距眼睛的距离为l1～l2的范围内。即，观察者的眼睛25能够聚焦于该l1～l2的范围。另外，在附加了负的广焦点透镜16的情况下，如该图的(c)所示，该虚像38被成像于比显示画面100a靠观察者侧且距眼睛的距离为l1～l2的范围内。即，观察者的眼睛25能够聚焦于该l1～l2的范围。
但是，在使用该图的(b)、(c)所示的广焦点透镜16的情况下，在视网膜上得到的像40为将位于不同位置的虚像成像所得到的像的重叠，因此与在使用通常的单焦点透镜的情况下得到的像相比，一般地说，像的分辨率降低。
在此，根据成像的公式，得到下式。
[数1]
由此，形成虚像的范围l1～l2能够通过下式来提供。
[数2]
由于眼睛聚焦于该虚像，因此眼睛的焦点能够在l1至l2的范围内变化。因而，如图5所示，调节具有曲线图的纵轴上的1/11至1/12的幅度，因此对应的辐辏的范围扩大。因此，能够舒适地进行立体观看的立体图像的显示范围扩大。
在此，根据上述非专利文献5，能够使用与通过辐辏感知到的深度Dv对应的远端Dfar及近端Dnear来表示能够舒适地进行立体观看的立体图像的显示区域。关于Dfar、Dnear，能够使用Dv而作为下式给出。
Dfar＝1.129Dv+0.442…式(5)
Dnear＝1.035Dv-0.626…式(6)
能够根据观察距离(从眼睛到显示画面的距离)来适当地设定立体眼镜10中使用的广焦点透镜16的焦距范围。
首先，对观察距离为长距离的情况进行说明。该情况例如与立体电视的情况对应，观察距离约为2m(0.5D)。使用图6的(a)进行说明。在将眼睛的焦点聚焦于该观察距离处的情况下，当在式(5)～式(6)中设为Dfar＝0.5D、Dnear＝0.5D而求出Dv时，能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围求出为0.92m(1.1D)～19m(0.051D)。即，在立体电视的前方存在不舒适的区域。在该情况下，通过使用具有负焦距的广焦点透镜16，能够向立体电视前方扩展舒适的区域。
例如，当使用焦距为-2.0m(-0.5D)～-∞(0D)的广焦点透镜时，根据式(3)～式(4)，眼睛能够聚焦的范围为0.50D～1.0D。当在式(5)～式(6)中设为Dfar＝0.50D、Dnear＝1.0D而求出Dv时，能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围扩展为0.64m(1.6D)～19m(0.051D)。即，可知舒适的区域向立体电视前方扩展。
接着，对观察距离为短距离的情况进行说明。该情况例如与立体内窥镜手术中利用的立体监视器的情况对应，观察距离约为0.6m(1.7D)。使用图6的(b)进行说明。在将眼睛的焦点聚焦于该观察距离处的情况下，当在式(5)～式(6)中设为Dfar＝1.7D、Dnear＝1.7D而求出Dv时，能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围为0.45m(2.2D)～0.92m(1.1D)，在立体监视器的后方存在不舒适的区域。在该情况下，通过使用正的广焦点透镜16，能够向立体监视器后方扩展舒适的区域。
例如，当使用焦距为2.0m(0.5D)～∞(0D)的广焦点透镜时，根据式(3)～式(4)，眼睛能够聚焦的范围为1.2D～1.7D。当在式(5)～式(6)中设为Dfar＝1.2D、Dnear＝1.7D而求出Dv时，能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围扩展为0.45m(2.2D)～1.6m(0.64D)。即，可知舒适的区域向立体监视器的后方扩展。
接着，对观察距离为中距离的情况进行说明。该情况例如与PC用的立体监视器的情况对应，观察距离约为1.0m(1.0D)。使用图6的(c)进行说明。在将眼睛的焦点聚焦于该观察距离处的情况下，当在式(5)～式(6)中设为Dfar＝1.0D、Dnear＝1.0D而求出Dv时，能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围为0.64m(1.6D)～2.0m(0.49D)，在立体监视器的前方及后方双方存在不舒适的区域。在该情况下，通过使用具有正焦距及负焦距的广焦点透镜16，能够向立体监视器的前方及后方扩展舒适的区域。
例如，当使用焦距为4.0m(0.25D)～+∞(0D)、-∞(0D)～-4.0m(-0.25D)的广焦点透镜时，根据式(3)～式(4)，眼睛能够聚焦的范围为0.75D～1.3D。当在式(5)～式(6)中设为Dfar＝0.75D、Dnear＝1.3D而求出Dv时，能够舒适地进行立体观看的辐辏的范围扩展为0.55m(1.8D)～3.7m(0.27D)。即，可知舒适的区域向立体监视器的前方及后方扩展。
此外，在双眼式立体显示中，作为将左右的图像分离的方式，存在后述的偏振方式、液晶快门方式、光谱滤光器方式三种。本发明的立体眼镜10能够使用与各个方式对应的滤光器来构成。具体地说，在偏振方式的情况下，能够通过偏振器来构成滤光器。在液晶快门方式的情况下，能够通过液晶快门来构成滤光器。在光谱滤光器方式的情况下，能够通过光谱滤光器来构成滤光器。
在内窥镜手术中，利用了能够立体地观察腹腔内的立体内窥镜。然而，在需要长时间的内窥镜手术中，视觉疲劳给予医生的负担成为问题。根据本发明，能够减轻在使用立体内窥镜进行手术时的医生的负担。
在电影、游戏机中实现了立体显示功能。然而，由于有视觉疲劳，因此处于无法大范围普及的状态。在这些领域中，也能够期待通过使用本发明的立体眼镜来推进立体电影、立体游戏的普及。
本发明能够通过在以往的立体眼镜中组合广焦点透镜而得到的简单结构来实现，因此具有下面的优点。(1)能够用塑料制成广焦点透镜，因此能够低成本地实现。(2)在立体电视、立体监视器、立体电影的投影仪中能够直接利用以往的部件，因此与现有技术之间的兼容性高，不存在关于显示装置的成本升高。(3)以往的双眼式立体影像内容能够直接利用。
在本发明的立体眼镜中，能够以各种方式构成广焦点透镜与滤光器。例如，能够将广焦点透镜与滤光器分开地构成。在该情况下，通过将广焦点透镜的相向的两个透镜面构成为曲面，能够在眼睛所观看的广视角内获得均匀的特性。另一方面，还能够将广焦点透镜与滤光器一体地接合。如果这样，则能够通过紧凑的结构来实现本发明的立体眼镜。
另外，在本发明的立体眼镜中，能够将以下那样得到的眼睛镜片用作广焦点透镜：在将穿过镜片光学中心的前后方向的轴设为z轴、将朝向镜片的后方的方向设为z轴的正方向时，对镜片的前表面及后表面中的至少一方的z坐标值附加了平均度数稳定化成分，该平均度数稳定化成分通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10来表示，用于抑制从所述镜片光学中心到镜片周缘部的平均度数的变动，其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数，并且
对镜片的前表面和后表面中的任一表面的z坐标值附加了景深延长成分，该景深延长成分通过Er3来表示，其中，E为常数。
在像这样附加了景深延长成分的眼镜镜片中，能够使平均度数从所述镜片光学中心去向镜片周缘部地向负侧或正侧逐渐变化。即，能够从镜片光学中心去向镜片周缘部地使焦距连续地变化。
另外，所述眼镜镜片能够进一步设定用于矫正近视、远视及散光中的至少任一个的度数成分。如果这样，则不只是立体观看的用途，还能够作为平时佩戴的眼镜来使用。
本发明的立体眼镜所使用的眼镜镜片的设计方法的特征在于，包括以下工序：
第一非球面成分附加工序，在将穿过所述镜片光学中心的前后方向的轴设为z轴、将朝向镜片的后方的方向设为z轴的正方向时，对基于处方度数决定的镜片的前表面及后表面中的至少一方的z坐标值附加平均度数稳定化成分，所述平均度数稳定化成分通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10来表示，用于抑制从镜片光学中心到镜片周缘部的平均度数的变动，其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数；以及
第二非球面成分附加工序，对所述镜片的前表面及后表面中的任一表面的z坐标值附加景深延长成分，所述景深延长成分通过Er3来表示，用于延长景深，其中，E为常数。
根据本发明的设计方法，能够在从镜片中心去向镜片周缘部的广范围内将度数变化的斜率维持为大致固定，因此不只是镜片中心，在镜片周缘部处也能够稳定地确保扩展能够舒适地进行立体观看的范围的效果。
发明的效果
根据以上那样的本发明，能够提供一种能够通过简单的结构来减轻双眼式立体显示中的视觉疲劳的立体眼镜、该立体眼镜中使用的镜片的设计方法以及使用该立体眼镜的立体图像的观察方法。
附图说明
图1是用于说明调节与辐辏的关系的图。
图2是示出本发明的立体眼镜的结构的图。
图3是用于说明广焦点透镜的成像的状态的图，(a)表示实像成像的情况，(b)和(c)表示虚像成像的情况。
图4的(a)是以往的立体眼镜的作用说明图，(b)和(c)是图2所示的立体眼镜的作用说明图。
图5是继图4之后的作用说明图。
图6的(a)是用于说明在观察距离为长距离的情况下图2所示的立体眼镜所具有的效果的图，(b)是用于说明在观察距离为短距离的情况下图2所示的立体眼镜所具有的效果的图，(c)是用于说明在观察距离为中距离的情况下图2所示的立体眼镜所具有的效果的图。
图7是将本发明的实施方式所涉及的立体眼镜和与偏振方式对应的立体显示装置一同示出的图。
图8是示出与偏振方式对应的投影仪的图。
图9的(a)～(l)分别是示出使用了偏振器的立体眼镜的结构的图。
图10是将本发明的其它实施方式所涉及的立体眼镜和与液晶快门方式对应的立体显示装置一同示出的图。
图11是示出与液晶快门方式对应的投影仪的图。
图12的(a)是示出与光谱快门方式对应的投影仪的图，(b)是示出本发明的又一其它实施方式所涉及的立体眼镜的图。
图13的(a)是本发明的实施方式所涉及的立体眼镜中使用的眼镜镜片整体的概要图，(b)是将该镜片的上半部分放大的概要图。
图14是用于说明图13的眼镜镜片的图。
图15是示出图13的眼镜镜片中的沿着镜片径向的平均度数的变化的图。
图16是示出关于该实施方式的立体眼镜的评价结果的图，(a)表示“可视性”，(b)表示“眼睛的疲劳”。
图17是继图16之后的示出评价的结果的图。
图18是示出双眼式立体显示的原理的说明图。
具体实施方式
[实施方式1]
对与偏振方式的立体显示对应的立体眼镜以及立体图像的观察方法的实施方式进行说明。
在图像显示装置100为电视型、监视器型的情况下，如图7所示那样构成为：在显示画面100a安装有与第奇数个扫描线和第偶数个扫描线对应的横长的波片40a及40b，来对第奇数个扫描线和第偶数个扫描线的显示图像赋予旋转方向彼此相反的圆偏振光。而且，使用第奇数个扫描线和第偶数个扫描线来显示左眼用图像和右眼用图像。此外，第奇数个扫描线及第偶数个扫描线与所显示的左眼用图像及右眼用图像的对应关系也可以反过来。
在与此对应的立体眼镜10A中安装有左眼用偏振器42a和右眼用偏振器42b来作为滤光器。左眼用偏振器42a和右眼用偏振器42b仅使旋转方向彼此相反的圆偏振光穿过，来构成为观察者的左眼25a能够观看左眼用图像，并且观察者的右眼25b能够观看右眼用图像。在本例中，作为偏振器，使用了偏振膜。
此外，在此以使用旋转方向彼此相反的圆偏振光的情况为例进行了说明，但是也能够取而代之地使用相互正交的直线偏振光。在该情况下，能够利用使直线偏振光穿过的通常的偏振器。
在立体电影的情况下，只要如下即可：如图8所示，对投影仪44进行倍速驱动，来交替地显示左眼用的图像和右眼用的图像，并且在投影仪44的前表面配置对光的偏振状态进行控制的液晶元件46，来对左眼用图像和右眼用图像赋予旋转方向彼此相反的圆偏振光(或者，相互正交的直线偏振光)。
图9示出与偏振方式对应的立体眼镜10A的结构。在立体眼镜10A中，与左眼用偏振器42a及右眼用偏振器42b对应地配设有左眼用广焦点透镜16a及右眼用广焦点透镜16b。该图的(a)～(f)为使用正的广焦点透镜的情况，该图的(g)～(l)为使用负的广焦点透镜的情况。
在立体眼镜10A中，也能够如该图的(a)、(d)、(e)、(f)、(g)、(j)、(k)、(l)所示那样将偏振器42(42a、42b)与广焦点透镜16(16a、16b)分开地构成。在将偏振器42与广焦点透镜16分开地构成的情况下，能够根据需要而从框架12拆下偏振器42、广焦点透镜16中的任一方。另外，通过如该图的(d)、(f)、(j)、(l)所示那样使用将相向的两个透镜面设为曲面的广焦点透镜16，能够在眼睛所观看的广视角内获得均匀的特性。
也能够如该图的(b)、(c)、(h)、(i)所示那样将广焦点透镜16与偏振器42接合来一体地构成。通过这样，能够紧凑地构成立体眼镜10A。
另外，也能够如该图的(e)、(f)、(k)、(l)所示那样将广焦点透镜16配置在偏振器42的前方(与眼球相反的一侧)。
此外，如后述那样，在本例中，作为广焦点透镜16，使用附加了景深延长成分的眼镜镜片。
[实施方式2]
对与液晶快门方式的立体显示对应的立体眼镜以及立体图像的观察方法的实施方式进行说明。
在液晶快门方式的立体显示中，在图像显示装置100为电视型、监视器型的情况下，通过倍速驱动来如图10所示那样在显示画面100a交替地显示左眼用图像和右眼用图像。另外，在立体电影的情况下，如图11所示那样对投影仪55进行倍速驱动来交替地显示左眼用图像和右眼用图像。
在与此对应的立体眼镜10B中安装有左眼用液晶快门50a和右眼用液晶快门50b来作为滤光器。这些液晶快门50a及50b构成为能够与显示于显示画面100a的左眼用的图像显示及右眼用的图像显示相应地在透过状态与不透过状态之间切换。由此，构成为观察者的左眼能够观看左眼用图像，并且观察者的右眼能够观看右眼用图像。
在该立体眼镜10B中也是，与左眼用液晶快门50a及右眼用液晶快门50b对应地配设有左眼用广焦点透镜16a及右眼用广焦点透镜16b。在该立体眼镜10B中，也与图9所示的立体眼镜10A的情况同样地，能够将液晶快门50a、50b与广焦点透镜16a、16b适当地组合来构成。
[实施方式3]
对与光谱滤光器方式的立体显示对应的立体眼镜以及立体图像的观察方法的实施方式进行说明。
将光谱滤光器使用为滤光器的立体显示是在立体电影的情况下利用的。如图12的(a)所示，在投影仪60中内置有能够将RGB各颜色的波长范围分割为两个的滤色器62，投影仪60将由不同的RGB的波长范围形成的右眼用图像和左眼用图像投影至作为显示画面的屏幕100a。
如图12的(b)所示，在与此对应的立体眼镜10C中安装有左眼用光谱滤光器65a和右眼用光谱滤光器65b来作为滤光器。该左眼用光谱滤光器65a构成为仅使与左眼用图像对应的波长范围的光透过，并且右眼用光谱滤光器65b构成为仅使与右眼用图像对应的波长范围的光透过。由此，构成为观察者的左眼能够观看左眼用图像，并且观察者的右眼能够观看右眼用图像。
在该立体眼镜10C中，与左眼用光谱滤光器65a及右眼用光谱滤光器65b对应地配设有左眼用广焦点透镜16a及右眼用广焦点透镜16b。而且，在该立体眼镜10C中，也与图9所示的立体眼镜10A的情况同样地，能够将光谱滤光器65a、65b与广焦点透镜16a、16b适当组合来构成。
接着，对作为第一实施方式的立体眼镜10A中使用的作为广焦点透镜的眼镜镜片24进行说明。当然，眼镜镜片24也能够使用于其它实施方式的立体眼镜10B、10C。
在下面的说明中，将对于佩戴着使用了眼镜镜片24的立体眼镜10A的佩戴者而言的前后、左右、上下分别设为该镜片的前后、左右、上下。
在图13中，眼镜镜片24的后表面2被设为由下述式(i)定义的凹面，前表面3被设为由下述式(ii)定义的凸面。此外，将穿过镜片24的光学中心O(在后表面2上为基点O1，在前表面3上为基点O2)的前后方向的轴设为z轴，将朝向镜片24的后方的方向设为z轴的正方向。z轴与镜片24的光轴一致。
z＝r2/(R1+(R1 2-Kr2)1/2)+δ1+δ2…式(i)
z＝r2/(R2+(R2 2-Kr2)1/2)…式(ii)
式(i)、式(ii)中的r为距z轴的距离。即，在考虑在后表面2上以基点O1为中心、在前表面3上以基点O2为中心且将与z轴正交的左右方向、上下方向的轴分别设为x轴、y轴的正交坐标系的情况下，r＝(x2+y2)1/2。R1、R2为面的顶点处的曲率半径，K(圆锥(conic)系数)为1。
另外，在对后表面2进行定义的式(i)中，δ1为通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10(其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数)来表示的平均度数稳定化成分。另外，δ2为通过Er3(其中，r为距z轴的距离，E为正的常数)来表示的景深延长成分。因而，本例的镜片24的前表面3为球面，后表面2为非球面。此外，R1、R2由处方度数(本例为0D)决定。
像这样，本例的镜片24是对基于处方度数决定的镜片后表面2的折射面(本例中的曲率半径R1的球面。下面也称为原始的球面，用标记S表示。)附加了平均度数稳定化成分δ1和景深延长成分δ2而得到的(参照图14)。
如图15所示，通过Er3表示的景深延长成分δ2具有以下的效果：使平均度数α从镜片光学中心去向镜片周缘且沿着镜片的径向向负侧大致线性地变化。因此，根据所述的眼镜镜片24，能够聚焦的范围变宽，能够使焦距具有幅度。
关于常数E，能够根据目的、用途来适当地设定。例如，期望从6.40×10-7～6.40×10-5的范围内选择常数E，以对于立体显示中的视觉疲劳能够获得一定的效果，并且即使在平时佩戴眼镜的情况下也能够舒适地生活。如果使常数E的值变大，则能够聚焦的范围变宽，能够进一步扩展能够舒适地进行立体观看的范围。例如，如果将常数E设为1.66×10-5，则在设瞳孔直径为5mm的情况下，立体观看中的平均度数变化约为0.5D，例如能够以第35段～第40段(在立体电视、立体监视器的观察中使用立体眼镜的例子)中所例示的程度扩展能够舒适地进行立体观看的范围。
此外，如图13的(b)所示，当将Δ设为以原始的球面S为基准的在半径a处的z轴方向上的高度(即，从原始的球面S起的厚度增加量)时，在常数E＝7.68×10-6的情况下，a为25mm，Δ为120μm。此外，E＝Δ/1000/a3成立(其中，a的单位：mm，Δ的单位：μm)。
但是，在附加景深延长成分δ2之前的镜片面内的度数分布不固定的情况下，无法稳定地发挥由通过Er3表示的非球面成分获得的景深延长的效果。因此，在本例中，为了使平均度数从镜片中央去向周缘部暂时为大致固定，而对镜片后表面2附加了通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10(其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数)表示的平均度数稳定化成分δ1。
接着，对眼镜镜片24的设计方法进行说明。
首先，基于处方度数来决定镜片24的前表面3的折射面和后表面2的折射面。关于该决定方法，是众所周知的方法，因此在此不详细记述。接着，对基于处方度数决定的镜片的后表面2的折射面(原始的球面S)附加非球面成分。具体地说，通过附加用于抑制平均度数的变动的平均度数稳定化成分δ1的第一非球面成分附加工序、以及附加用于使景深延长的景深延长成分δ2的第二非球面成分附加工序，来对后表面2的折射面附加非球面成分。
在第一非球面成分附加工序中，求出通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10(其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数)表示的平均度数稳定化成分δ1，并对后表面2的折射面附加该平均度数稳定化成分δ1。在附加了平均度数稳定化成分δ1后的镜片中，如图15的虚线β所示那样，能够使平均度数沿着镜片的径向为大致固定。
关于平均度数稳定化成分δ1，能够针对使用下述非球面的式(iii)表示的后表面2的折射面形状，进行基于光线追踪的仿真，求出最适合于抑制度数(详细地说，作为子午方向的折射力与弧矢方向的折射力的平均的平均度数)的变化的非球面系数A、B、C、D，根据这些非球面系数的值来获得平均度数稳定化成分δ1。
z＝r2/(R1+(R1 2-Kr2)1/2)+Ar4+Br6+Cr8+Dr10…式(iii)
在此，z为后表面2的凹陷(sag)值，r为距z轴的距离，R1为顶点曲率半径，A、B、C、D为常数(非球面系数)。
接着，在第二非球面成分附加工序中，对后表面2的折射面附加通过Er3(其中，r为距z轴的距离，E为常数)表示的景深延长成分δ2。在本例中，例如能够设为常数E＝7.68×10-6。该常数E的值对于立体显示中的视觉疲劳能够获得一定的效果，并且在平时佩戴眼镜那样的情况下为较佳的值。另一方面，如果使常数E的值进一步变大，则能够扩展能够舒适地进行立体观看的范围。
通过这样，来决定由上述式(i)定义的镜片24的后表面2的折射面形状。
[实施例]
制作将圆偏振膜与景深延长透镜组合而形成的本实施方式的立体眼镜(实施例1、2)，来对观察立体显示时的“可视性”和“眼睛的疲劳”进行了评价。
使用在市场上出售的具备圆偏振膜的立体眼镜(GetD圆偏光式3D眼镜)来作为比较例，并将对该在市场上出售的立体眼镜进一步安装了下述眼镜镜片而得到的立体眼镜作为实施例1、2的立体眼镜。
实施例1、2的立体眼镜中使用的眼镜镜片所共通的数据如下面那样。
折射率1.608
前表面基弧4.12
度数0.00D
中心厚度1.80mm
外径φ75mm
另外，对各镜片附加的非球面成分的常数的值如下述表1那样。
[表1]
受验者有4名(30岁～55岁)，其中两名为眼镜佩戴者。在佩戴着上述的比较例和实施例的立体眼镜的状态下观看了在市场上出售的立体影像内容(立体电影)。此外，作为显示装置，使用三菱电机制造的23寸宽屏液晶显示器和SONY制造的BD/DVD播放机BDP-S6700，显示画面与受验者的眼睛的距离设为90cm～120cm。
在观看了规定时间之后，将实施例的立体眼镜的“可视性”及“眼睛的疲劳”与比较例的立体眼镜进行对比，根据符合差、稍差、不变、稍好、好这五个分区中的哪一个来进行了评价。
在图16、图17中示出实施例2的立体眼镜的评价结果。图16是在从开始观看电影起的30分钟后获得的结果(回答数为4)。图17是在从开始观看起的120分钟后获得的结果(回答数为3)。
根据这些图16、图17，实施例2的立体眼镜在“可视性”、“眼睛的疲劳”中的任一项目中都是“稍好”这个结果为半数以上。特别是在观看时间长的情况下，“稍好”的比例变高。另外，关于实施例1的立体眼镜，也为大致同样的结果。认为是以下因素所产生的效果：由于使用了具有景深延长效果的眼镜镜片，使得能够舒适地进行立体观看的立体图像的显示范围扩大。
<其它的变形例·应用例>
(1)上述实施方式为在镜片的后表面2所附加的景深延长成分Er3中将常数E设为正数的例子，但是也能够将常数E设为负数。在该情况下，附加平均度数从镜片光学中心去向镜片周缘向正侧逐渐变化的景深延长成分。在此，期望从-6.40×10-7～-6.40×10-5的范围内选择常数E，以对于立体显示中的视觉疲劳能够获得一定的效果，并且即使在平时佩戴眼镜的情况下也能够舒适地生活。如果使常数E的值变小(使绝对值变大)，则能够聚焦的范围变宽，能够进一步扩展能够舒适地进行立体观看的范围。例如，如果将常数E设为-1.66×10-5，则在设瞳孔直径为5mm的情况下，立体观看中的平均度数变化约为0.5D，例如能够以第35段～第40段(在立体电视、立体监视器的观察中使用立体眼镜的例子)中所例示的程度扩展能够舒适地进行立体观看的范围。
(2)上述实施方式为对镜片的后表面2附加了平均度数稳定化成分δ1的例子，但是平均度数稳定化成分δ1也可以附加到镜片的前表面3，还能够附加到前表面3和后表面2这两个面。例如，对前表面3附加通过Ar4+Br6来表示(在该情况下，常数C、D的值为零)的平均度数稳定化成分δ1，并且对后表面2附加通过Cr8+Dr10来表示(在该情况下，常数A、B的值为零)的平均度数稳定化成分δ1。
(3)上述实施方式为对镜片的后表面2附加了景深延长成分δ2的例子，但是景深延长成分δ2也能够附加到镜片的前表面3。
(4)作为立体眼镜中使用的眼镜镜片，上述本实施方式例示了实质上没有度数的平光镜片，但是也能够使用进一步被设定了用于矫正近视、远视以及散光中的至少任一个的度数成分的眼镜镜片。
附图标记说明
2：后表面；3：前表面；10、10A、10B、10C：立体眼镜；14a：左眼用滤光器；14b：右眼用滤光器；16、16a、16b：广焦点透镜；24：眼镜镜片；25a：左眼；25b：右眼；42a、42b：偏振器(偏振膜)；50a、50b：液晶快门；65a、65b：光谱滤光器；100a：显示画面；f1、f2：焦距；δ1：平均度数稳定化成分；δ2：景深延长成分。
Claims (16)
1.一种立体眼镜，其特征在于，嵌入有焦距具有幅度的广焦点透镜，以在眼镜式的立体显示中扩展能够舒适地进行立体观看的、辐辏与调节一致的容许范围。
2.根据权利要求1所述的立体眼镜，其特征在于，具备：
左眼用滤光器，其针对图像显示装置的显示画面上显示的左眼用图像及右眼用图像，仅使所述左眼用图像透过；
右眼用滤光器，其针对所述左眼用图像及所述右眼用图像，仅使所述右眼用图像透过；
左眼用广焦点透镜，其被配设为与所述左眼用滤光器在光透过方向上彼此重叠；以及
右眼用广焦点透镜，其被配设为与所述右眼用滤光器在光透过方向上彼此重叠。
3.根据权利要求2所述的立体眼镜，其特征在于，
所述滤光器由偏振器构成。
4.根据权利要求2所述的立体眼镜，其特征在于，
所述滤光器由液晶快门构成。
5.根据权利要求2所述的立体眼镜，其特征在于，
所述滤光器由光谱滤光器构成。
6.根据权利要求2～5中的任一项所述的立体眼镜，其特征在于，
所述广焦点透镜与所述滤光器分开地构成。
7.根据权利要求2～5中的任一项所述的立体眼镜，其特征在于，
所述广焦点透镜与所述滤光器接合为一体。
8.根据权利要求2～5中的任一项所述的立体眼镜，其特征在于，
所述广焦点透镜与所述滤光器分开地构成，所述广焦点透镜的相向的两个透镜面构成为曲面。
9.一种立体图像的观察方法，其特征在于，
使用根据权利要求1～8中的任一项所述的立体眼镜，来扩展了能够舒适地观察立体图像的立体显示范围。
10.根据权利要求9所述的立体图像的观察方法，其特征在于，
使用具备负焦距的所述广焦点透镜，来将能够舒适地观察立体图像的立体显示范围扩展到与显示左眼用图像及右眼用图像的图像显示装置的显示画面相比靠前方侧的位置。
11.根据权利要求9所述的立体图像的观察方法，其特征在于，
使用具备正焦距的所述广焦点透镜，来将能够舒适地观察立体图像的立体显示范围扩展到与显示左眼用图像及右眼用图像的图像显示装置的显示画面相比靠后方侧的位置。
12.根据权利要求9所述的立体图像的观察方法，其特征在于，
使用具备正焦距和负焦距的所述广焦点透镜，来将能够舒适地观察立体图像的立体显示范围扩展到与显示左眼用图像及右眼用图像的图像显示装置的显示画面相比靠前方侧的位置及靠后方侧的位置这两方。
13.根据权利要求1所述的立体眼镜，其特征在于，
作为所述广焦点透镜，具备左右一对眼镜镜片，
关于这些眼镜镜片，在将穿过镜片光学中心的前后方向的轴设为z轴、将朝向镜片的后方的方向设为z轴的正方向时，对镜片的前表面及后表面中的至少一方的z坐标值附加平均度数稳定化成分，所述平均度数稳定化成分通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10来表示，用于抑制从所述镜片光学中心到镜片周缘部的平均度数的变动，其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数，并且
对镜片的前表面及后表面中的任一表面的z坐标值附加景深延长成分，所述景深延长成分通过Er3来表示，其中，E为常数。
14.根据权利要求13所述的立体眼镜，其特征在于，
在所述眼镜镜片中，平均度数从所述镜片光学中心去向镜片周缘部向负侧或正侧逐渐变化。
15.根据权利要求13、14中的任一项所述的立体眼镜，其特征在于，
所述眼镜镜片还被设定有用于矫正近视、远视以及散光中的至少任一个的度数成分。
16.一种眼镜镜片的设计方法，为权利要求13中记载的眼镜镜片的设计方法，其特征在于，包括以下工序：
第一非球面成分附加工序，在将穿过所述镜片光学中心的前后方向的轴设为z轴、将朝向镜片的后方的方向设为z轴的正方向时，对基于处方度数决定的镜片的前表面及后表面中的至少一方的z坐标值附加平均度数稳定化成分，所述平均度数稳定化成分通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10来表示，用于抑制从所述镜片光学中心到镜片周缘部的平均度数的变动，其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数；以及
第二非球面成分附加工序，对所述镜片的前表面及后表面中的任一表面的z坐标值附加景深延长成分，所述景深延长成分通过Er3来表示，用于延长景深，其中，E为常数。
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