CN101300520B - 用于3维显示的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种光学系统，可以向由例如借助于LCD显示器前面的准直光源的基本准直光表示的二维图像(72)增加光学深度信息。该光学系统包括：在二维图像(72)前面以第一距离布置的第一光学透镜阵列(70)，以及在二维图像(72)前面以第二距离布置的第二光学透镜阵列(71)，该第二距离大于所述第一距离。根据光学深度信息，可以对第一和第二光学透镜阵列(70，71)的光学透镜的光学特性，例如焦距进行调节。光学系统可以起到用于3D多视图显示器的光前的作用。根据实施例，可以获得的水平和垂直角度的分辨率，并且前端仅仅显示出小的亮度损失。在像素化图像的情况下，优选地对每个像素使用一个透镜。在一个实施例中在二维图像前面不同距离布置一组几个阵列的导通/关断可切换光学透镜，其中通过导通对应于所需深度距离的一个透镜施加深度。在另一个优选实施例中，使用两个阵列的连续可调节透镜通过调节透镜产生深度，以便在两个阵列之间提供明显位置。优选地，漫射器定位在第二透镜阵列的前面。可以使用不同形状的透镜，例如球形状、双凸透镜形状、菲涅耳型形状、“马鞍”形状的透镜，可以使用GRIN透镜或者流体焦点透镜实施透镜阵列。优选地，每个透镜阵列的透镜都是可单独调节的。

Description

用于3维显示的光学系统

技术领域

本发明涉及图像和/或视频信号三维(3D)显示的领域。尤其是，本发明提供了一种适于和二维(2D)显示器一起使用的光学系统。另外，本发明提供了一种3D显示设备和用于基于2D图像提供3D效果的方法。

背景技术

在广播电视系统中，3D电视(3DTV)可能是继引入彩色电视之后的下一次革命。在专业的应用中(医学/工业)，3D可视化已经很普遍。在娱乐和移动通讯中，3D可视化即将引发商业关注。

一种3D显示器是自动立体感多视图显示器，例如在[C.van Berkel，“Image preparation for 3D-LCD”，Proc SPIE，第3639卷，84-91页，1999]中描述的3D-LCD。该显示器为多个观察者提供了自由的3D观察，而不需要特殊3D眼镜。它是由被某光学前端(optical front end)跟随的标准2D矩阵显示器构成的。

这些显示器的严重问题是分辨率。光学前端在空间分辨率和角度分辨率上分配2D矩阵显示器的原始空间分辨率。后者叫做‘视图的数量’N_view。目前的显示器具有N_view～10，导致系数～10的空间分辨率损失。

目前的研制通过可切换的显示器部分地解决了分辨率损失。可以将光学前端导通或者关闭，产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。目前根据透镜的切换原理带来了附加的性能损失，是因为和固定透镜相比可调节透镜较低的折射能量。

多视图(multi-view)显示器需要N_view～100以满足高质量深度和观察角需求。这导致了严重的分辨率损失。

最后，目前的显示器仅仅提供了水平角度的分辨率。在通常的观看条件中这是足够的。然而，在几种情况下，观看是有损失的。观看者的垂直移动导致了3D图像的弹性。如果显示器旋转90°，例如对于文件写入或者如果观看者转动他的头部(例如从长途汽车上观看TV)，则3D效果将消失。增加的垂直角度分辨率导致了附加因素的分辨率损失(总共例如N_view；x*N_view；y)。

WO2004/075526A2描述了一种自动立体显示设备，包括根据准直光提供2D图像的2D显示阵列和设置在其前面的分束屏。分束屏扫描图像，并连续地在出射角的范围中显示图像。使用用于寻址显示阵列的像素的装置，通过扫描，在具有显示阵列上定时显示的图像，可以实现图像的多视图自动立体显示。分束屏可以是相对于显示阵列的像素布置的具有多个圆柱型透镜的双凸透镜屏，使得像素的准直光进入到偏离轴的透镜，并且透镜的焦点是可以控制的。时间多路复用需要具有非常高帧速的显示器，并且目前可使用的帧速限制了独立视图的数量。

WO 03/081920A2描述了一种根据用于产生2D图像的2D显示器的3D显示设备，在其前端设置有光学前端。光学前端包括校正板、设置在其前面的第一菲涅耳(Fresnel)型透镜，设置在第一菲涅耳型透镜前面的第二菲涅耳型透镜。然而，这种显示器将只能在定位在距离菲涅耳光学器件的某个距离的图像平面提供聚焦图像。

发明内容

可以看出本发明的目的是提供一种光学系统，其可以用来向2D图像提供深度尺寸，并可以从多个视角看见而不遭受分辨率损失或者亮度损失。

在第一个方案中，本发明提供了适于向由基本准直的光表示的二维图像增加光学深度信息的光学系统，该光学系统包括：

在二维图像的前面以第一距离布置的第一光学透镜阵列，以及

在二维图像的前面以第二距离布置的第二光学透镜阵列，第二距离大于第一距离，其中响应光学深度信息，第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的光学特性是可调节的。

由准直光表示的二维图像包括多个像素，例如由2D显示矩阵提供的。

根据第一个方案的光学系统可以用作布置在2D图像前面的光学前端并向2D图像提供光学深度。光学系统可应用到能够产生由基本准直的光表示的2D图像的2D显示器。这种显示器例如可以是以根据液晶显示器(LCD)或者硅上液晶(LCOS)技术而定位在2D像素矩阵后面的准直光源为基础的。

该光学系统能够实现多视图3D显示，而不管N_views，其不牺牲下层的2D显示的任何分辨率或者亮度。根据实际的实施例，得到的视觉3D效果可能类似于用体显示器或者多视图显示器得到的。在一些实施例中，可以得到水平和垂直角度的分辨率，或者在一些实施例中只得到了水平角度的分辨率。

用根据本发明的第一个方案的光学系统，不需要渲染(rendering)来提供3D图像，也就是说，不需要强大的信号处理器等根据具有深度信息的视频信号提供3D图像，所述视频信号例如RGBD视频信号(Philips Research 3D视频标准)。使用这种RGBD信号的深度部分D例如基于简单的转换公式控制光学透镜像素层次(pixel-wise)的焦距，并以常规的方式将RGBD信号的2D图像部分RGB施加给光学系统后面的2D显示器。

光学透镜的可调节光学特性可理解为影响光学透镜的焦距或者强度的光学透镜的任何可调节光学特性或者参数。存在这样的阵列，它们能够借助于分别向每个光学透镜例如GRIN透镜或者所谓的流体聚焦透镜施加电流来调节光的，例如焦距。

在优选实施例中，光学系统即两个阵列的光学透镜都基本上是平坦的，也就是说每一个阵列具有布置成在一个平面上延伸的光学透镜。和平坦2D显示器组合在一起尤其是优选的。然而，如果2D显示器具有弯曲的表面，那么优选地由相符的曲线成型光学系统，以便于为2D显示器的整个区域提供从2D显示器到光学系统的第一阵列的光学透镜相同的距离。

在一些实施例中，光学透镜的第一和第二光学透镜阵列可以在第一状态和第二状态之间切换，其中光学透镜在第一状态中是折射的，在第二状态中是非折射的。用这种简单的光学调节特性，通过选择第一或者第二透镜阵列为折射，同时选择相同位置的另一阵列中的透镜为非折射，可以提供能够提供深度的实施例，其中位置和2D图像的2D空间坐标有关。以这种方式，2D图像的明显位置将在折射透镜的位置处。优选地，该实施例包括类似于第一和第二层的几个光学透镜阵列，以便于能够实现可接受的深度分辨率。

在其它实施例中，可以调节第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的焦距或者光强，以便于仿真定位在第一和第二光学透镜阵列之间的虚拟透镜。在优选实施例中，透镜是连续可调节的。在可以仿真虚拟透镜的实施例中，可以仅仅使用两个阵列的透镜提供相当大的深度分辨率，以目标最大图像深度给出的距离定位该透镜。

光学透镜的光学特性优选对于每个透镜都是单独可调节的。因此，可以调节透镜，使得2D图像的不同区域例如下到像素尺寸具有不同的相关深度。因此，可以将深度图像施加到2D图像上，而不需要将需要快速显示矩阵的时间多路复用。

优选从下述构成的组中选择第一和第二透镜阵列的可调节光学透镜的形状：马鞍形状、菲涅耳型形状、球形状和双凸透镜形状。对于第一和第二阵列或者透镜可以使用相同形状的透镜，或者可替换地，第一和第二透镜阵列可以具有不同的透镜形状。

光学透镜可以包括在用于调节第一和第二光学透镜阵列的光学透镜之前适于对光学深度信息进行形态滤波的处理器。可以应用这种形态滤波解决如果使用了很多这样的阵列，则在处于不同深度的两个透镜阵列之间光线折射多次的问题。假设只使用了两层，则多次折射很难发生。当使用连续可调节的透镜时，仍然可以有利地使用形态滤波，以解决空间的不对准。这些的发生是因为穿过第一阵列中单一透镜的射线可能穿过第二阵列中几个不同的透镜，所述不同的透镜根据2D图像坐标处于稍微不同的空间位置上。

假设2D图像是像素化的，则第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的尺寸优选基本上等于或者小于二维图像的像素尺寸。这使得允许第一和第二阵列的像素层次光学透镜。如果这些透镜的光学特性是单独可调节的，可以提供具有高空间分辨率以及高深度分辨率的深度图像。

光学系统优选包括定位在二维图像前面的第三距离处的漫射器，第三距离大于第二距离。优选地，漫射器是以任意垂直的方向但不是水平地折射入射光线的垂直漫射器。这种漫射器将能够使观看者从不同的垂直视角观看显示器。

在第二个方案中，本发明提供了将光学深度信息施加给像素的二维图像的方法，该方法包括步骤：

施加布置在二维图像前面的第一距离处的第一光学透镜阵列，以及

施加布置在二维图像前面的第二距离处的第二光学透镜阵列，第二距离大于第一距离，

响应光学深度信息，调节第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的光学特性。

原则上，如上所述的第一方案的相同优点、实施例和应用同样可应用于第二方案。

在第三个方案中，本发明提供了适用于接收包括深度信息的视频信号的三维显示设备，该三维显示设备包括：

布置成显示表示视频信号的基本准直光的二维图像的显示器，和

光学系统，包括：

布置在二维图像前面的第一距离处的第一光学透镜阵列，和

布置在二维图像前面的第二距离处的第二光学透镜阵列，第二距离大于第一距离，其中响应光学深度信息，第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的光学特性是可以调节的。

所述显示设备可以接收RGBD信号，并将其RGB部分施加给布置成显示2D图像的显示器，同时这种信号的深度部分D可施加给光学系统，其中使用这种深度部分D调节第一和第二透镜阵列的光学特性，以便于将深度尺寸提供给2D图像。作为第一个方案的指示，可以使用LCD或者LCOS显示技术提供2D显示矩阵，其中使用准直光源在2D显示矩阵后面提供准直光。

原则上，如上所述的第一方案的相同优点、实施例和应用同样可应用于第三方案。

可以理解的是，本发明可应用于包括3D成像设备的任何类型的产品。例如电视机比如3DTV、计算机显示器、手持计算机、移动电话、移动游戏机等、用于展示广告或者展示公共事件比如体育事件或者音乐会的大型显示器。在医学应用中，本发明可应用于用于扫描结果的3D成像的3D显示器，或者应用于针对用于在复杂手术处理中帮助外科医生导航(navigating)的3D显示的3D显示器，或者应用于针对训练目的的虚拟现实操作中的3D显示器。

附图说明

在下面，参考附图更具体地描述本发明，其中：

图1示出了具有一组几个导通/关断的可切换漫射器(diffusor)的实施例的原理，

图2示出了具有两个连续可调节透镜的实施例的原理，该透镜能提供明显地定位在两个可调节透镜之间的虚拟透镜，

图3示出了图2结构的有关虚拟透镜有限孔径的问题，

图4示出了具有马鞍形状的优选可调节透镜以及在“关断”状态和全“导通”状态其对于准直光的影响，

图5示出了通过包括两个透镜阵列的优选实施例的光线的例子，第一层“导通”然而第二层“关断”，

图6示出了通过优选实施例的模拟光线，其中第一和第二透镜阵列的透镜都是50％“导通”，

图7示出了作为图4中表示的透镜的替换的可调节菲涅耳型透镜，以及在“关断”状态和全“导通”状态其对于准直光的影响，

图8限定了对于两个透镜以及明显地定位在两个透镜之间的虚拟透镜在深度方向上的焦距和距离，

图9示出了对于两个阵列的可调节菲涅耳型透镜的各种参数，其中第一阵列的透镜完全被“导通”，同时第二阵列的透镜完全被“关断”，以及

图10示出了如果使用菲涅耳型透镜，调整背光和透镜形状以防止内部反射。

尽管本发明对于各种变形和替换形式都是可接受的，但是借助于图中的例子已经示出了特定的实施例，并且将在这里具体描述。然而，应当理解的是，本发明不意味着局限于公开的特殊形式。相反，本发明将覆盖落在附带的权利要求限定的精神和范围内的所有变形、等价物和替换。

具体实施方式

图1以顶视图的形式示出本发明的一个实施例的原理，其中借助于光学前端(optical front end)产生2D图像的深度尺寸(depthdimension)，该光学前端具有定位在准直光的2D图像前面的一组光学透镜30。准直光源10提供2D图像，该准直光源10通过用平行光线照亮像素的2D显示矩阵20，例如LCD或者LCOS。2D显示矩阵20将2D图像(例如通常的RGB图像)印刻(imprint)在这些射线上。

在2D显示矩阵20的每一个像素21前面，在深度方向上，即垂直于由显示器阵列20形成的平面，以不同的距离定位一组光学透镜30。光学透镜30起到能够在非折射(“关断”)状态和折射(“导通”)状态之间调节的可调节漫射器的作用。通过切换其中一个光学透镜31“导通”，同时该组光学透镜30的剩余光学透镜“关断”，则“导通”的透镜31折射(refract)，即作为针对穿过像素21的准直光的平行光线的漫射器。对于显示器前面的观察者来说，折射光学透镜31将作为像素21的明显位置，因此深度尺寸(depth dimension)已经应用到由显示矩阵20提供的2D图像。可以使用例如包含在RGBD信号中的深度信息为2D图像的每个像素选择该组透镜30的适当透镜，以将其切换到其折射状态，同时将该组透镜30的剩余透镜切换到非折射。

为了简化，尽管图1仅仅示出了和一个像素21对准的光学透镜30，但是可以理解的是，可优选在2D图像中的每一个像素前面设置类似的光学透镜组。因此，可以将深度尺寸应用到由2D显示矩阵20提供的2D图像的每一个像素，并且完整的3D图像将展示给显示器前面的任何观看者，水平和垂直都有视差，并且没有分辨率或亮度损失。可以通过光学透镜(或者漫射器)30的强度(strength)调整显示器的视角。在图1中，为了说明示出了7个光学透镜的组30，但是所选择的透镜的数量取决于所需的深度分辨率(depth resolution)，该组透镜装置中透镜越多，深度分辨率越高。最靠近2D图像的透镜和在离2D图像最远距离的组中的透镜之间的距离将决定可应用于2D图像的深度的范围。

如果使用了多于两个透镜层以防止光线在处于不同深度的两个或者更多个光学透镜之间折射多次，则深度图案应当横跨2D图像而平滑地改变。有效地是，如果光学透镜定位在另一个处于“导通”状态的光学透镜的光锥中，则没有光学透镜应当处于“导通”状态，也就是说没有物体应当遮挡另一个。通过使用具有非常低复杂性的形态滤波器处理深度信息很容易满足这种需求。

可以以多种方式构成如图1所述的那些的漫射器的光学透镜30。在图1中示出的(正的或者，如所示的，负的)最简单的一个透镜以可切换的矩阵透镜存在，用于基于窗口的可切换2D-3D显示器。而且，可以使用菲涅耳透镜，其在平面像素矩阵中更容易制造。由于菲涅耳透镜仅仅只能用作漫射器，所以可以将它们的质量/强度的折衷(trade-off)完全设置为强度，使得能够实现宽视角。

可替换地，代替透镜，例如根据在有源背光扫描窗口技术中使用的LC聚合物凝胶，还可以使用其他类型的漫射器。这些可以在有源矩阵中构成。

图2示出了对于单一像素的优选实施例。尽管图1中所示的实施例具有需要一组几个可调节光学透镜或者漫射器以提供可接受的深度分辨率的缺点，图2中的实施例提供了类似的功能，但是仅仅有两个阵列的光学透镜。在图2中，第一光学透镜40定位在准直光2D图像的像素前面的第一距离处，同时第二光学透镜42定位在2D图像前面更远的第二距离处。可以在第一和第二光学透镜40、42上彼此独立地连续调节焦距或者强度。最后的效果就和好像一个虚拟光学透镜41存在于某个其它位置是一样的，所述其它位置取决于实际的第一和第二光学透镜的位置和强度(焦距)。这在图2中用来自2D图像的像素的通过第一和第二光学透镜40、42的光线路径43以及相应的明显光线路径44的例子表示。

因此，在图1中，可以用光学透镜的两个像素矩阵阵列代替该组导通/关断光学透镜，一个阵列在所需的最小深度以及一个阵列在所需的最大深度，每个光学透镜具有连续可调节的焦距或者强度。因此，以这种方式，通过适当调节两个光学透镜的强度或者焦距可以在任何所需的深度位置(至少在两个阵列之间)构成虚拟透镜。

假设将虚拟光学透镜41准确地定位在第一光学透镜40的位置或者第二光学透镜42的位置处，则上述方法很奏效。假设将虚拟光学透镜41定位在第一光学透镜的位置处，则折射光线将穿过对应于其它的显示器像素的第二透镜阵列的很多不同透镜，但是这不是问题，因为在这种情况下第二阵列的所有透镜将在完全“关断”状态，也就是非折射。

图3示出了虚拟透镜51的中间位置的问题。第一透镜50和第二透镜52可以产生具有适当位置和焦距(强度)的虚拟透镜51，但是这种虚拟透镜51的有效孔径太小。第二光学透镜52的固定和有限孔径导致了虚拟透镜51的更小的孔径。

这可以通过适当增大第二透镜52的孔径进行补偿。可以对孔径进行适应性的缩放，然而这种适应性的孔径缩放可能复杂。主要地，任何大于像素尺寸的孔径将使透镜不能平铺(tiling)在密集的像素矩阵中。

该问题的解决方案是第一和第二阵列的光学透镜使用特定类型的光学透镜。这种特定类型的光学透镜将适应的强度和适应性的孔径缩放相结合，同时保持密集像素平铺的能力。用这种方法，我们产生垂直移动视差的能力消失了。在下述中，论述适当类型的光学透镜，以及两个阵列的光学透镜之间的相互作用。

图4在左边示出了用于第一和第二光学透镜阵列的每个像素的光学透镜60的优选形状的3D草图：“马鞍”形状透镜60。这种透镜60将入射的准直光以一个方向弯曲成焦点，同时以垂直于它的方向扩散光。通过调节透镜为完全“关断”状态61，准直光线将不受影响地穿过透镜，因此在像素大小区域中的准直光将仍然是像素大小62，如在图4的中间草图中所示，同时右边的草图示出了当调整为完全“导通”状态63时透镜使准直光进入到焦线64中。

可以用h＝x*y描述“马鞍”形状透镜，其中h是在局部的空间位置x，y的高度(或者厚度)，x＝y＝0指的是透镜的中心。沿着线x＝y，这产生了正透镜，沿着y＝-x，是负透镜(或者反之亦然，取决于透镜材料和衬底的折射率，其中透镜嵌入该衬底中)。这种透镜因此同时具有两个符号不同的焦距。根据x和y的标度，实际的公式可能稍微有些不同，例如包括常数。

图5示出了对于像素线，包括用于2D图像的每个像素72的“马鞍”形状光学透镜的第一和第二阵列70、71的优选光学系统。通过具有像素72的距阵(例如常规的LCD距阵)的空间光学调制器将2D图像印制到准直光源73的光上来提供2D图像。以这种方式定向第一阵列70的光学透镜，当将它们调整到完全“导通”时，它们的焦线跨过第二光阵列71中的很多光学透镜。照亮的部分一起形成所需的大孔径透镜。

在图5上示出的说明性例子中，将第一阵列70的光学透镜几乎完全“导通”，即它处于几乎最大的折射状态，因此对于第二阵列71需要几乎最大的孔径(在阵列70完全“导通”的例外情况下，阵列71通常将是完全“关断”并且其透镜的形状和尺寸是不相干的)。在例子中，像素72的距阵的中间像素是有源的，并且用直线表示通过该像素的准直光线。这些光线碰到第一阵列70的中间光学透镜，因为该阵列70是“导通”的，所以如所示光线在该透镜中折射。示出的折射光线进入到第二阵列71的所有示出的七个透镜。通过第二阵列71的所有所示的七个透镜的粗直线示出了光线碰到阵列71的位置，对应于阵列70的中间光学透镜的焦线。虚线74示出了阵列71中透镜的横截面，其中横截面在深度的方向上并沿着焦线。这个横截面仅仅是有源像素使用的阵列71中的透镜和阵列70的中心透镜的部分。如所示，该横截面具有准确的所需形状和尺寸，具有基本上大于每个独立透镜的孔径。

在图5中示出定位在第二阵列71前面的距离处的垂直漫射器75。该垂直漫射器75使得能够从不同的高度观看显示器。这是需要的，因为两个光学透镜阵列70、71主要水平地反射光，因此它们的垂直折射非常有限。在全漫射器以任意方向折射入射光线的地方，(例如碎玻璃)，垂直漫射器在所有任意方向但是除了垂直地折射入射光线。为此目的，当正确定向时(通常垂直于常规双透镜径3D显示器中的方向)，可以使用例如用于3D显示器的常规双凸透镜阵列。

图6示出了从图5中所示的光学系统的模拟中得到的光线。图6示出了当第一和第二阵列80、81的透镜都“导通”50％时，即第一和第二阵列80、81都处于部分折射状态时的这个最相关情形的结果。如在图5中，垂直漫射器82定位在第二阵列81的透镜的前面。为了简化，图6示出了仅仅具有一个有源像素的情形，因此只有第一阵列80的一个透镜是有源的。在第一阵列80和第二阵列81之间的中部指示了明显的像素位置83。模拟示出了以错误的相反方向折射一些光线。这是因为这些光线偶然地准确地在其边缘处碰到了透镜。这是不相关的，因为这些光线的数量很少。

图7示出了透镜90，这是来自图5的马鞍形状透镜60的菲涅耳版本。在这种情况下“菲涅耳”表示定向透镜60沿着水平方向被切成几个子透镜，如图7中清楚示出，使得对于透镜60和90而言局部表面的方向基本上是相同的。在图6的模拟中对于第二阵列的透镜81使用菲涅耳型的透镜。或者可以在第一和第二阵列的其中一种中使用菲涅耳透镜，例如“马鞍”形状透镜用于相对的阵列，或者可以在第一和第二阵列中使用菲涅耳透镜。菲涅耳透镜的薄结构可以使它们容易调节。而且，根据子透镜的数量，它们的垂直折射几乎为零。这可能使系统设计容易，但是导致了稍微更不想要的折射-其还被看作是图6中不想要的反射线。图7的中心草图示出了通过调节为“关断”状态，即非折射状态的可调节菲涅耳透镜91行进的准直光线，如所看到的，光线92已经未经任何折射地穿过透镜。右边的草图示出了针对处于“导通”状态即折射状态的可调节菲涅耳透镜的相同93。这里，能看出的是，光线94以不同的方向折射。

还可替换地，可以使用具有相同或者更好特性的可调节或者可切换全息型透镜。这种可能性引入了对平行背光的附加需求，例如对光谱的纯度或者相干性。

图8示出了在深度方向上在距离2D图像不同的距离d₁、d₂处定位的第一和第二透镜100、102。透镜100和102是通常的负透镜，对其进行的计算基本上比对我们的马鞍形状透镜简单。然而结果是一样的，正如我们已经指出的，根据图1和2的实施例在效果上是相同的。这两个透镜100和102产生了在第一和第二透镜100、102之间具有明显位置d_off的单一虚拟的、有效透镜101，光线103跟随从2D图像经过透镜100、102的路径。其通过虚拟透镜的明显路径是104。在下述中，第一透镜、虚拟透镜和第二透镜的焦距将分别表示为f₁、f_eff、f₂。将在下述的计算中使用相对于焦距定义为C＝1/f的相应光强度C₁、C_eff和C₂。

对于负透镜C定义为大于0。现在定义第一和第二(即真实的)透镜的强度是：

C₁＝α₁C_maxC₂＝α₂C_max    (1)

这里的α都是可以在0和1之间自由调节的，C_max表示透镜的最大强度。而且，对于虚拟透镜强度，可以发现：

C_eff＝C₁+C₂+C₁C₂(d₂-d₁)＝(α₁+α₂)C_max+α₁α₂(d₂-d₁)C² _max    (2)

通过下面的公式给出虚拟透镜的位置：

$d_{\mathrm{eff}}=d_2-(d_2-d_1)\frac{C_1}{C_{\mathrm{eff}}}=d_2-(d_2-d_1)\frac{{\mathrm{\α}}_1}{{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2(d_2-d_1)C_{\max }}---\left(3\right)$

对于所需的量：

C_eff＝C_max

d_eff＝ρd₁+(1-ρ)d₂    (4)

发现：

α₁＝ρ

α₂＝(1-ρ)(1+ρC_max(d₂-d₁))^-1    (5)

这些都在间隔0到1之间，因此这些值都是可实现的。而且，显示器的视角和透镜孔径W_lens(通常等于像素尺寸)有关，W_lens除以局部俄长度(1/C_max)，因此显示器的视角β可以写为：

$\mathrm{\β}=2\arctan \frac{1}{2}{C}_{\max }{W}_{\mathrm{lens}}~C_{\max }{W}_{\mathrm{lens}}---\left(6\right)$

图9示出了通过具有第一和第二阵列的可调节透镜110、111的实施例对β的更精确的计算，每一个都具有与具有折射率n_substrate的衬底和具有可调节折射率n_substrate+Δn的部分有关的较高和较低部分，其中Δn是可调节的。第一和第二透镜阵列之间的间隙是空气，即具有折射率n_air≈1。图9以透镜的顶部的横截面(图4中透镜60的顶部)示出了所述两层的顶视图。

因为系统对于所有的d_eff执行相同，所以只考虑了d_eff＝d₁的最简单情况。在这种简单的情况中，第一阵列的透镜110最大化地“导通”(C_max)，并且第二阵列的透镜完全“关断”。这意味着对于第一透镜110，把其较低部分112的折射率表示为n_substrate+Δn，通过n_ON＝n_substrate给出第一透镜110的上部分113的折射率。对于第二透镜111，对其下部114以及上部分115的折射率都是n_substrate，因为第二透镜“关断”了。

另外，示出了以最靠左方向行进的光线(在图4中所示的透镜60的顶部选择我们的横截面，如果，例如选择透镜的底部作为横截面，射线会已经行进到最右边的方向)。

角度离开第二透镜层的角度和视角的一半即β/2有关系，还是如在图9中所示。不探究其它的细节，但是假定针对第一和第二透镜110、111的n_substrate相同，可以推导出，显示器的视角β可写为：

β～2γΔn    (7)

这里γ是第一透镜110的较低部分112和较高部分113之间的角度，如在图9中示意的，直接和透镜的形状有关。

用例如目前的LC可切换透镜，Δn～0.3，因此导致视角近似为：β～0.6γ。

图10示出了如何通过对背光的附加控制以及通过改变透镜的形状使图6中所示的不想要的反射最小化。根本上，最小化了击中透镜边缘的光线的概率。可以看出，为了将入射光从空间上仅仅限制到透镜121的中心区域，已经在第一透镜121的前面引入了栅格、阻挡或者栅板120。而且，已经对每个透镜整形，以保证光线只能穿过每个透镜的正确部分。通过比较图9中所示的透镜的形状可以清楚地看出整形。图10中所示的粗光线表示，在透镜具有和图9所示相同形状情况下在第二透镜层处可能经历反射的光线。

在替换实施例中，可以在不可能单独调节每个透镜的光学特性、但是可以统一地，即可以同时将阵列所有透镜的光学特性调节为全都具有相同的特性的地方，使用可调节透镜阵列。因此，可以提供使用统一可调节透镜的这两个统一(uniform)阵列的实施例。对于这些实施例，可以使用时间多路复用(temporal multiplexing)示出完全深度图像。首先，显示矩阵仅仅示出了背景目标，同时可以将两个阵列的透镜调节为以最小深度投影该图像。然后，从后向前连续地调节这两个阵列，同时所述显示矩阵表示适合每个深度的目标。这需要快速的显示器阵列，例如快速LCD型矩阵，和一些相对简单的图像处理。

在权利要求中，仅仅为了清楚起见包含了附图的参考标记。图中对典型实施例的这些参考不应当以任何方式被解释为对于权利要求范围的限制。

Claims (11)

1.一种光学系统，适于向由基本准直的光表示的二维图像(72)增加光学深度信息，该光学系统包括：

第一光学透镜阵列(70)，以第一距离布置在二维图像(72)的前面，以及

第二光学透镜阵列(71)，以第二距离布置在二维图像(72)的前面，该第二距离大于所述第一距离，其中响应于光学深度信息，可调节第一和第二光学透镜阵列(70，71)的光学透镜的光学特性，以及

其中可以调节第一和第二光学透镜阵列(70，71)的光学透镜的焦距，以便于仿真定位在第一和第二光学透镜阵列(70，71)之间的虚拟透镜。

2.根据权利要求1的光学系统，其中第一和第二光学透镜阵列(70，71)的光学透镜可以在第一状态和第二状态之间切换，其中光学透镜在第一状态中是折射的，在第二状态中是非折射的。

3.根据权利要求1的光学系统，其中光学透镜(70，71)的光学特性对于每个透镜是单独可调节的。

4.根据权利要求1的光学系统，其中第一光学透镜阵列(70)的光学透镜的光学特性是连续可调节的，以及其中第二光学透镜阵列(71)的光学特性是连续可调节的。

5.根据权利要求1的光学系统，其中第一和第二透镜阵列(70，71)的可调节光学透镜的形状选自于由下述构成的组：马鞍形状、菲涅耳型形状、球形状和双凸透镜形状。

6.根据权利要求1的光学系统，还包括处理器，其适于在用于调节第一和第二光学透镜阵列(70，71)的光学透镜之前对光学深度信息进行形态滤波。

7.根据权利要求1的光学系统，其中用准直光表示的二维图像(72)包括多个像素。

8.根据权利要求2的光学系统，其中第一和第二光学透镜阵列(70，71)的光学透镜的大小基本上等于或者小于二维图像(72)的像素大小。

9.根据权利要求1的光学系统，其中漫射器(75)定位在二维图像(72)前面的第三距离处，该第三距离大于所述第二距离。

10.一种将光学深度信息施加给像素的二维图像的方法，该方法包括步骤：

-应用布置在二维图像前面的第一距离处的第一光学透镜阵列，以及

-应用布置在二维图像前面的第二距离处的第二光学透镜阵列，该第二距离大于所述第一距离，

-响应于光学深度信息，调节第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的光学特性，

其中可以调节第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的焦距，以便于仿真定位在第一和第二光学透镜阵列之间的虚拟透镜。

11.一种三维显示设备，适于接收包括深度信息(D)的视频信号，该三维显示设备包括：

-显示器，布置成显示表示视频信号的由基本准直光构成的二维图像，和

-光学系统，该光学系统包括：

-布置在二维图像前面第一距离处的第一光学透镜阵列，和

-布置在二维图像前面第二距离处的第二光学透镜阵列，该第二距离大于所述第一距离，

其中响应于光学深度信息，第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的光学特性是可以调节的，

其中可以调节第一和第二光学透镜阵列的光学透镜的焦距，以便于仿真定位在第一和第二光学透镜阵列之间的虚拟透镜。

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